JP2013246343A - 半導体光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、吸収損失の低減と大きな消光比を両立した半導体光変調器の提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係る半導体光変調器は、多重量子井戸層１ａを挟むＰ型クラッド層１６とＮ型クラッド層１１の間に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器であって、多重量子井戸層１ａは、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、全ての井戸層は、電界非印加時に吸収端が等しく、第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率よりも、第１の逆バイアス電圧よりも大きい第２の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層にかかる電界の変化率が大きいことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は半導体光変調器に関し、特に、多重量子井戸層を挟むＰ型クラッド層とＮ型クラッド層の間に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器に関する。

光ファイバー通信システムでは、様々な光半導体素子が研究開発され利用されている。光変調可能で最も簡単な構造の光素子としては、単一波長発振が可能なＤＦＢ−ＬＤ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やＤＢＲ−ＬＤ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの半導体レーザーがある。これらの光素子は、半導体レーザーの駆動電流で変調を行う直接変調方式である。直接変調方式では、注入キャリアの変動に伴う屈折率変化による発振波長の変動、即ちいわゆる動的チャープが発生するため、高速変調や長距離光ファイバーによる伝送を行うと、伝送後の信号波形が劣化してしまう。

この問題を解決するため、半導体レーザーと電界吸収型光変調器（以下、ＥＡ光変調器）を直列に集積することで動的チャープを低減したＥＡ光変調器付き半導体レーザーが広く用いられている。

一般に、ＥＡ光変調器は、ＰドープされたＰ型クラッド層、ＮドープされたＮ型クラッド層、およびＰ型クラッド層とＮ型クラッド層によって挟まれた絶縁体の吸収層からなる、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造を持つ。吸収層は井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸層から構成される（例えば、特許文献１参照）。

ＥＡ光変調器の吸収層（即ち多重量子井戸層）は、印加される電界が小さい状態においてＰＬ（Ｐｈｏｔｏ−ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）波長において吸収のピークを持つが、印加される電界が増大すると、ＰＬ波長から離れた波長領域において吸収が高まる。ＥＡ光変調器はこの性質を利用して光変調を行う。吸収層には、ＰＬ波長からΔλ離調したレーザー光が入力され、小さい逆バイアス電圧（例えば１Ｖ）を印加するオン状態と、大きい逆バイアス電圧（例えば４Ｖ）を印加するオフ状態とを利用して、レーザー光の光変調を行う。ここで、オン状態とは吸収層においてレーザー光の吸収が小さい状態であり、オフ状態とは吸収層においてレーザー光の吸収が大きい状態である。

特開２００１−１３４７２号公報

上述のＰ−Ｉ−Ｎ構造を持つ従来のＥＡ光変調器においては、ビルトイン電圧の存在のため、低い逆バイアス電圧を印加した状態（即ちオン状態）でも、多重量子井戸層には比較的大きな電界が存在するため、オン状態におけるレーザー光の吸収、即ち吸収損失が大きくなってしまう問題があった。

また、井戸層を厚くすると多重量子井戸層にかかる電界を小さくすることが可能であるが、井戸層の厚み分だけ吸収係数が大きくなるため、吸収損失を低減することはできない。

また、離調量Δλを大きくすれば、吸収損失を小さくすることができるが、離調量Δλを大きくすると消光比（オン状態とオフ状態の光出力の差）が小さくなってしまう問題があった。

本発明は以上の課題を解決するために成されたものであり、吸収損失の低減と大きな消光比を両立した半導体光変調器の提供を目的とする。

本発明に係る半導体光変調器は、多重量子井戸層を挟むＰ型クラッド層とＮ型クラッド層の間に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器であって、多重量子井戸層は、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、全ての井戸層は、電界非印加時に吸収端が等しく、第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層にかかる電界の変化率よりも、第１の逆バイアス電圧よりも大きい第２の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層にかかる電界の変化率が大きいことを特徴とする。

本発明に係る半導体光変調器において、第１の逆バイアス電圧を印加した際に多重量子井戸層にかかる電界の大きさと、第２の逆バイアス電圧を印加した際に多重量子井戸層にかかる電界の大きさの差が大きくなるため、消光比を大きくすることが可能である。

また、第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層にかかる電界の変化率は従来よりも小さいため、第１の逆バイアス電圧を印加した際に多重量子井戸層にかかる電界は従来よりも小さくなるので、オン状態における吸収損失を低減することが可能である。よって、従来よりも吸収損失を低減しつつ、消光比を高めることが可能である。

また、消光比を一定とした場合には、従来よりも吸収損失が低減されるため、駆動電圧を低くすることができ、消費電力を削減することが可能である。

前提技術に係る光変調器付半導体レーザーの構成を示す図である。 前提技術に係る半導体光変調器の構成を示す図である。 前提技術に係る半導体光変調器の吸収係数と電界の関係を示す図である。 前提技術に係る半導体光変調器の消光カーブを示す図である。 実施の形態１に係る半導体光変調器の構成を示す図である。 実施の形態１に係る半導体光変調器のバンドダイアグラムを示す図である。 実施の形態１に係る半導体光変調器のポテンシャル変化を示す図である。 実施の形態１に係る多重量子井戸層の電界と電圧の関係を示す第１の図である。 実施の形態１に係る多重量子井戸層の電界と電圧の関係を示す第２の図である。 厚みの異なる井戸層における吸収係数と電界の関係を示す図である。 実施の形態１に係る半導体光変調器の消光比と吸収損失の関係を示す図である。 実施の形態２に係る半導体光変調器のポテンシャル変化を示す図である。 実施の形態３に係る半導体光変調器の構成を示す図である。 実施の形態３に係る半導体光変調器のバンドダイアグラムを示す図である。 実施の形態３に係る半導体光変調器のポテンシャル変化を示す図である。 実施の形態４に係る半導体光変調器の消光比と吸収損失の関係を示す図である。

＜前提技術＞
本発明に係る実施の形態を説明する前に、本発明が前提とする技術について説明する。前提技術として、一般的なＥＡ光変調器付きの半導体レーザーの構造を図１に示す。

図１において、Ｎ−ＩｎＰ基板上には、レーザー部と変調器部が直列に、電気的に分離されて配置される。レーザー部には、半導体レーザーとしてＤＦＢ−ＬＤが設けられ、変調器部には、ＥＡ光変調器が設けられる。

典型的なＥＡ光変調器の断面図を図２に示す。ＥＡ光変調器は、ＰドープされたＰ型クラッド層３と、ＮドープされたＮ型クラッド層２と、Ｐ型クラッド層３とＮ型クラッド層２によって挟まれた多重量子井戸層１ａを備える。多重量子井戸層１ａは、レーザー光を吸収するための層であり、井戸層と障壁層が交互に積層されて形成される。また、Ｐ型クラッド層３とＮ型クラッド層２側には、逆バイアス電圧を印加するための電極として、Ｐ側電極１ｂ、Ｎ側電極１ｃがそれぞれ設けられる。

ここで、Ｐ型クラッド層３は、ＰドープされたＩｎＰであり、Ｎ型クラッド層２は、ＮドープされたＩｎＰである。また、多重量子井戸層１ａは、厚みが７ｎｍの井戸層と厚みが９ｎｍの障壁層がそれぞれ１３層ずつ交互に積層されて構成される。なお、井戸層および障壁層の材質は、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄとの格子整合を考えて、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓの４元系半導体とするのが好ましい。

レーザー部のレーザー活性層にて発生するレーザー光は、ＥＡ光変調器の多重量子井戸層１ａに入射する。レーザー光は単一波長であり、半導体レーザーは連続動作している。変調信号（即ち、逆バイアス電圧）を駆動電圧としてＥＡ光変調器の電極に印加することにより、変調光（オン・オフ信号）が出力される。

ＥＡ光変調器の動作原理を、図３を用いて説明する。図２は、ＥＡ光変調器の多重量子井戸層における吸収スペクトルを示すものである。多重量子井戸層１ａは、印加される電界が小さい状態でＰＬ波長に吸収ピークを持つ。このとき、ＰＬ波長からΔλ離調した波長を持つレーザー光は、吸収層にて吸収されずに出力される（オン状態）。ＥＡ変調器に逆バイアス電圧が印加されて、多重量子井戸層に印加される電界が増大すると、レーザー光の波長における吸収が増えて、ＥＡ光変調器から出力されるレーザー光の強度が低下する（オフ状態）。

ＥＡ光変調器の性能として、オン状態の光出力がなるべく大きく、オフ状態の光出力がなるべく小さくなるような特性、即ち、大きい消光比特性が望まれている。

図４に、前提技術におけるＥＡ光変調器の消光カーブ、即ち光消光量と逆バイアス電圧の関係を示す。逆バイアス電圧の増大に伴って、消光量がマイナスに大きくなっていることがわかる。これは、前述したように、吸収層においてレーザー光波長における吸収が大きくなるためである。

また、図４から、Δλを小さくすると、消光カーブの曲がりが大きくなり消光比が大きくなるが、吸収損失も大きくなることがわかる。ここで吸収損失とは、オン状態における光吸収量である。

以上のように、前提技術におけるＥＡ光変調器では、吸収損失と消光比はトレードオフの関係にあり、吸収損失を低減しつつ消光比を大きくすることは困難であった。

＜実施の形態１＞
＜構成＞
本実施の形態における半導体光変調器は、電界吸収型の光変調器であり、以下では電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と呼ぶ。

図５に、本実施の形態におけるＥＡ光変調器の断面図を示す。変調部はハイメサ構造であり、ＮドープされたＮ−ＩｎＰ基板１ｄ上には、ＮドープされたＮ型クラッド層１１が形成され、Ｎ型クラッド層１１上には、Ｎ側中間層１２が形成される。Ｎ側中間層１２の上には、多重量子井戸層１ａが積層される。ここで、多重量子井戸層１ａは、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、すべての井戸層は、無電界状態で吸収端が一致している。多重量子井戸層１ａの上には、電界緩和層８として、Ｐ側中間層１３、ＰドープされたＰ型クラッド層１４、ＰドープされたＰ型ハイドープ層１５が順に形成される。Ｐ型ハイドープ層１５上には、さらにＰドープされたＰ型クラッド層１６が形成される。また、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄ上とＰ型クラッド層１６上には、それぞれＮ側電極１ｃとＰ側電極１ｂが形成される。

ここで、Ｐ型クラッド層１４，１６は、ＰドープされたＩｎＰであり、Ｎ型クラッド層１１は、ＮドープされたＩｎＰである。また、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、ＮドープされたＩｎＡｌＡｓであり、そのキャリア密度は１０^１８ｃｍ^−３程度のオーダーであることが好ましい。また、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、井戸層よりもバンドギャップが大きい。ＰドープされたＩｎＰからなるＰ型ハイドープ層１５は、隣接するＰ型クラッド層１４，１６よりもドーピング濃度が高く、そのキャリア密度は１０^１８ｃｍ^−３程度のオーダーが好ましい。

多重量子井戸層１ａにおいて、Ｎ型クラッド層１１側から、厚みが７ｎｍの井戸層と厚みが９ｎｍの障壁層がそれぞれ７層ずつ交互に積層され、その上に、厚みが１２ｎｍの井戸層と厚みが５ｎｍの障壁層がそれぞれ６層と５層ずつ交互に積層される。なお、井戸層および障壁層の材質は、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄとの格子整合を考えて、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓの４元系半導体とする。

本実施の形態のＥＡ光変調器は、前提技術の説明で述べたように、半導体レーザーと直列にＮ−ＩｎＰ基板１ｄ上に配置され、半導体レーザーから出力されるレーザー光の光変調を行う。

＜動作＞
本実施の形態においては、オン状態に対応する第１の逆バイアス電圧、即ち小さい逆バイアス電圧を例えば１Ｖとし、また、オフ状態に対応する、第１の逆バイアス電圧よりも大きい第２の逆バイアス電圧を例えば４Ｖとする。

図６は、本実施の形態におけるＥＡ光変調器の無電界状態でのバンドダイアグラムである。図６に示すように、多重量子井戸層１ａにおいて吸収端がそろっており、また、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層は、多重量子井戸層１ａよりもバンドギャップが大きい。

図７に、本実施の形態におけるＥＡ光変調器の変調部のポテンシャルと逆バイアス電圧の関係を示す。図７から、第１の逆バイアス電圧（１Ｖ）印加時に印加される電界は、電界緩和層８（即ち、Ｐ側中間層１３、Ｐ型クラッド層１４、Ｐ型ハイドープ層１５）において主に消費されていることがわかる。

図８に、本実施の形態における多重量子井戸層１ａにかかる電界の平均値と逆バイアス電圧の関係を示す。前提技術と比較すると、第１の逆バイアス電圧（例えば１Ｖ）印加時の電界が１／３程度にまで減少していることがわかる。これは、図６に示したように、低い逆バイアス電圧印加時には、主に電解緩和層８において電界が吸収されるため、多重量子井戸層１ａにかかる電界が低減されるからである。

また、図８において、本実施の形態と前提技術とで、第２の逆バイアス電圧（４Ｖ）印加時の電界を比較すると、あまり差がないことがわかる。以上で述べたように、本実施の形態におけるＥＡ光変調器の吸収層にかかる電界は、第１の逆バイアス電圧印加時は前提技術よりも小さく、第２の逆バイアス印加時は、前提技術と同程度となる。

また、図８の電界−逆バイアス電圧特性として、第１の逆バイアス電圧付近の電界の傾きよりも、と第２の逆バイアス電圧付近の電界の傾きの方が大きい。即ち、第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率よりも、第１の逆バイアス電圧よりも、大きい第２の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率が大きい。これは、逆バイアス電圧の増大にともなって、電界が非線形的に増大していることを意味する。一方、前提技術において、電界は逆バイアス電圧の増大にともなって線形的に増大している。

なお、多重量子井戸層１ａの中心よりもＮ型クラッド層１１側の多重量子井戸層１ａにかかる電界（以下、Ｎ側電界と呼ぶ）と、多重量子井戸層１ａの中心よりもＰ型クラッド層１６側の多重量子井戸層１ａにかかる電界（以下、Ｐ側電界と呼ぶ）とでは電界の大きさが異なる。図９に、本実施の形態におけるＥＡ光変調器のＮ側電界およびＰ側電界と逆バイアス電圧の関係を示す。第１の逆バイアス電圧においては、Ｎ側電界よりもＰ側電界が大きいが、第２の逆バイアス電圧においては、Ｐ側電界よりもＮ側電界が大きいことがわかる。

また、図１０に、井戸幅５ｎｍの量子井戸および井戸幅１２ｎｍの量子井戸の吸収係数と電界の関係を示す。小さい電界の領域においては、井戸幅１２ｎｍの量子井戸の方が、井戸幅５Ｎｍの量子井戸よりも吸収係数が大きいが、Ａで示した電界よりも電界が大きい領域においては、井戸幅５ｎｍの量子井戸の方が、井戸幅１２ｎｍの量子井戸よりも吸収係数が大きくなる。

また、図１０において、また、実線の矢印はＮ側電界の範囲、破線の矢印はＰ側電界の範囲を示し、矢印の左端は第１の逆バイアス電圧（即ち、小さい逆バイアス電圧）を印加した時の電界の大きさであり、矢印の右端は第２の逆バイアス電圧（即ち、大きい逆バイアス電圧）を印加した時の電界の大きさである。

図９および図１０を用いて説明した以上の特性から、本実施の形態のように、Ｎ型クラッド層１１側に厚さ７ｎｍの量子井戸を配置し、Ｐ型クラッド層１６側に厚さ１２ｎｍの量子井戸を配置する構成、即ち、Ｐ型クラッド層１６側からＮ型クラッド層１１側へ向かって、井戸層の厚みが減少する構成とすることにより、単一の厚みの井戸層を配置する場合と比較して、第１の逆バイアス電圧でより吸収係数が小さく、逆バイアス電圧の増大にともなって、吸収係数がより急激に増大する特性を得ることが可能である。

図１１に、光消光比と吸収損失の関係を示す。図１１に示すように、消光比と吸収損失はトレードオフの関係にあるが、同じ吸収損失において、前提技術の消光比と本実施の形態の消光比を比較すると、本実施の形態の方が、消光比が約５〜１０ｄＢ大きいことがわかる。即ち、本実施の形態におけるＥＡ光変調器は、前提技術におけるＥＡ変調器と比較して、小さな吸収損失と大きな消光比を両立した半導体光変調器であるといえる。

なお、多重量子井戸層１ａにおいて、例えば、井戸層を圧縮歪み構造、障壁層を引張り歪み構造として、井戸層と障壁層に互いに異なる極性を持たせれば、第２の逆バイアス電圧印加時、即ちオフ状態において光吸収を向上させることができるため好ましい。

＜効果＞
本実施の形態に係る半導体光変調器は、多重量子井戸層１ａを挟むＰ型クラッド層１６とＮ型クラッド層１１の間に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器であって、多重量子井戸層１ａは、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、全ての井戸層は、電界非印加時に吸収端が等しく、第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率よりも、第１の逆バイアス電圧よりも大きい第２の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率が大きいことを特徴とする。

従って、第１の逆バイアス電圧を印加した際に多重量子井戸層１ａにかかる電界の大きさと、第２の逆バイアス電圧を印加した際に多重量子井戸層１ａにかかる電界の大きさとの差が大きくなるため、消光比を大きくすることが可能である。

また、第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率が従来よりも小さいため、第１の逆バイアス電圧を印加した際に多重量子井戸層にかかる電界が従来よりも小さくなるので、オフ状態における吸収損失を低減することが可能である。よって、従来よりも吸収損失を低減しつつ、消光比を高めることが可能である。

また、消光比を一定とした場合には、従来よりも吸収損失が低減されるため、駆動電圧を低くすることができ、消費電力を削減することが可能である。

また、本実施の形態に係る半導体光変調器は、第１の逆バイアス電圧を印加したときに、多重量子井戸層１ａの中間よりもＰ型クラッド層１６側の多重量子井戸層１ａに印加される電界（即ちＰ側電界）が、多重量子井戸層１ａの中間よりもＮ型クラッド層１１側の多重量子井戸層１ａに印加される電界（即ちＮ側電界）よりも大きいことを特徴とする。

従って、多重量子井戸層１ａにおいて、Ｐ型クラッド層１６側からＮ型クラッド層１１側へ向かって、井戸層の厚みが減少する構成とすれば、量子井戸の幅を単一にした場合と比較して、第１の逆バイアス電圧印加時において多重量子井戸層１ａにかかる電界がより小さくなるため、消光比をより大きくし、かつ吸収損失をより低減することが可能である。

また、本実施の形態に係る半導体光変調器は、第１の逆バイアス電圧よりも大きい第２の逆バイアス電圧を印加したときに、多重量子井戸層１ａの中間よりもＰ型クラッド層１６側の多重量子井戸層１ａに印加される電界（即ちＰ側電界）が、多重量子井戸層１ａの中間よりもＮ型クラッド層１１側の多重量子井戸層１ａに印加される電界（即ちＮ側電界）よりも小さいことを特徴とする。

従って、多重量子井戸層１ａにおいて、Ｐ型クラッド層１６側からＮ型クラッド層１１側へ向かって、井戸層の厚みが減少する構成とすれば、量子井戸の幅を単一にした場合と比較して、第２の逆バイアス電圧印加時において多重量子井戸層１ａにかかる電界がより大きくなるため、消光比をより大きくすることが可能である。

また、本実施の形態に係る半導体光変調器は、Ｐ型クラッド層１６側からＮ型クラッド層１１側へ向かって、井戸層の厚みが減少することを特徴とする。従って、吸収損失をより低減し、消光比をより大きくすることが可能である。

また、本実施の形態に係る半導体光変調器は、多重量子井戸層１ａとＰ型クラッド層１６との間に配設された、井戸層よりもバンドギャップの大きいＰ側中間層１３と、多重量子井戸層１ａとＮ型クラッド層１１との間に配設された、井戸層よりもバンドギャップの大きいＮ側中間層１２とを備え、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、Ｐ型またはＮ型であることを特徴とする。

従って、本実施の形態では、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２はＮ型であるため、Ｐ側中間層１２が電界緩和層８として機能する。電界緩和層８によって、第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率よりも、第１の逆バイアス電圧よりも大きい第２の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率が大きくなるため、前述した様に、従来よりも吸収損失を低減しつつ、消光比を高めることが可能である。

また、本実施の形態に係る半導体光変調器は、前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層がＮ型である場合は、Ｐ側中間層１３とＰ型クラッド層１６との間に、Ｐ型クラッド層１６よりも不純物濃度の高いＰ型ハイドープ層１５をさらに備えることを特徴とする。

従って、Ｐ側中間層１３に加えてＰ型ハイドープ層１５も電界緩和層８として機能するため、従来よりも吸収損失をより低減しつつ、消光比をより高めることが可能である。

また、本実施の形態に係る半導体光変調器において、多重量子井戸層１ａの材質は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓであることを特徴とする。従って、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄと格子整合が取れるため、半導体光変調器をより低電圧で駆動することができる。

また、本実施の形態に係る半導体光変調器における多重量子井戸層１ａにおいて、井戸層と障壁層は、互いに逆の極性の歪みを有することを特徴とする。従って、本実施の形態において、井戸層を圧縮歪み構造、障壁層を引張り歪み構造とすれば、第２の逆バイアスを印加した状態（即ちオフ状態）において、吸収係数が増大するため、例えば、消光比を従来と同じとした場合には、より低電圧での駆動が可能となり、消費電力を削減することが可能である。

＜実施の形態２＞
本実施の形態におけるＥＡ光変調器は、図５におけるＰ型ハイドープ層１５を備えない。それ以外の構成は実施の形態１（図５）と同じであるので、説明を省略する。

図１２に、本実施の形態におけるＥＡ光変調器のポテンシャルの逆バイアス電圧依存性を示す。小さい逆バイアス電圧（例えば１Ｖ）において、Ｐ側中間層１３が電界緩和層８として機能していることがわかる。Ｐ型ハイドープ層１５を備えない場合でも、図８と同様に、第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率よりも、第１の逆バイアス電圧よりも大きい第２の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化率が大きい、非線形の電界−逆バイアス特性を得ることができる。

従って、本実施の形態における半導体光変調器（即ちＥＡ光変調器）は、実施の形態１と同様に、従来よりも吸収損失を低減しつつ、消光比を高めることが可能である。

＜実施の形態３＞
＜構成＞
本実施の形態におけるＥＡ光変調器の断面図を図１３に示す。本実施の形態では、Ｎ型クラッド層側に電界緩和層８が配置される点が実施の形態１（図５）と異なる。図１３において、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄ上に、Ｎ型クラッド層２１が積層され、Ｎ型クラッド層２１上に、電界緩和層８として、ＮドープされたＮ型ハイドープ層２２、Ｎ型クラッド層２３、Ｎ側中間層２４が順に積層される。電界緩和層８上には、光閉じ込め層２０として、ＰドープされたＰ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層２５、ＮドープされたＮ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層２６、ＮドープされたＮ−ＩｎＡｌＡｓ層２７が順に積層される。光閉じ込め層２０上には、多重量子井戸層１ａが積層される。多重量子井戸層１ａ上には、さらにＰ側中間層２８、Ｐ型クラッド層２９が順に積層される。なお、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄ上とＰ型クラッド層２９上には、逆バイアス電圧を印加する電極として、Ｎ側電極１ｃとＰ側電極１ｂがそれぞれ形成される。

また、多重量子井戸層１ａにおいて、Ｎ型クラッド層２１側から、厚みが７ｎｍの井戸層と厚みが９ｎｍの障壁層が交互に７層ずつ形成され、さらに、厚みが１２ｎｍの井戸層と厚みが５ｎｍの障壁層が交互に６層と５層ずつ形成される。また、Ｎ型ハイドープ層２２は、隣接するＮ型クラッド層２１，２３よりもドーピング濃度が高く、そのキャリア密度は１０^１８ｃｍ^−３程度のオーダーであることが好ましい。その他の構成、各層の組成等は実施の形態１と同じであるので説明を省略する。

図１４に、図１３の構成に対応した、ＥＡ光変調器の変調部のバンドダイアグラムを示す。多重量子井戸層１ａの両側の層、即ち電界緩和層８、光閉じ込め層２０およびＰ側中間層２８のバンドギャップは、多重量子井戸層１ａよりも大きい。

また、光閉じ込め層２０およびＰ側中間層２８は、電界緩和層８と多重量子井戸層１ａ、またはＰ型クラッド層２９と多重量子井戸層１ａのバンドギャップの差を階段状にして、光吸収に伴って発生するキャリア（電子・正孔）をＮ型クラッド層２１側またはＰ型クラッド層２９側に効果的に逃がす機能を持つ。また、光閉じ込め層２０およびＰ側中間層２８は、屈折率が比較的小さいため、多重量子井戸層１ａに光を閉じ込める機能も有する。

図１５に、本実施の形態におけるＥＡ光変調器のポテンシャルの逆バイアス電圧依存性を示す。図１５から、小さい逆バイアス電圧（例えば１Ｖ）印加時に、主として電界緩和層８（特に、Ｎ型ハイドープ層２２、Ｎ側中間層２４）において電界が消費されることがわかる。電界緩和層８によって、本実施の形態におけるＥＡ光変調器の電界−逆バイアス特性は、実施の形態１および実施の形態２と同じ傾向の非線形特性を示す。従って、本実施の形態におけるＥＡ光変調器は、実施の形態１、２と同様に、従来よりも吸収損失を低減しつつ、消光比を高めることが可能である。

＜効果＞
本実施の形態における半導体光変調器（即ちＥＡ光変調器）は、多重量子井戸層１ａとＰ型クラッド層２９との間に配設された、井戸層よりもバンドギャップの大きいＰ側中間層２８と、多重量子井戸層１ａとＮ型クラッド層２１との間に配設された、井戸層よりもバンドギャップの大きいＮ側中間層２４とを備え、Ｐ側中間層２８およびＮ側中間層２４は、Ｐ型またはＮ型であることを特徴とする。

従って、本実施の形態では、Ｐ側中間層２８およびＮ側中間層２４はＰ型であるため、Ｎ側中間層２４が電界緩和層８として機能する。よって、本実施の形態における電界−逆バイアス特性は、実施の形態１、２と同じ傾向の非線形特性を示す。よって、本実施の形態における半導体光変調器は、実施の形態１、２と同様に、従来よりも吸収損失を低減しつつ、消光比を高めることが可能である。

また、本実施の形態における半導体光変調器は、Ｐ側中間層２８およびＮ側中間層２４がＰ型である場合は、Ｎ側中間層２４とＮ型クラッド層２１との間に、Ｎ型クラッド層２１よりも不純物濃度の高いＮ型ハイドープ層２２をさらに備えることを特徴とする。

従って、Ｎ側中間層２４とともにＮ型ハイドープ層２２も電界緩和層８として機能するため、実施の形態１と同様に、従来よりも吸収損失をより低減しつつ、消光比をより高めることが可能である。

＜実施の形態４＞
本実施の形態における本実施の形態におけるＥＡ光変調器は、井戸層の厚みを単一の厚みとした点が実施の形態１（図５）と異なる。本実施の形態において多重量子井戸層は、井戸幅７ｎｍの量子井戸と幅９ｎｍの障壁層が交互に１３層ずつ積層されて構成される。その他の構成は実施の形態１と同じであるので、説明を省略する。

図１６に、本実施の形態のＥＡ光変調器の光消光比と吸収損失の関係を示す。なお、図１６には、厚みが１２ｎｍの量子井戸と厚みが５ｎｍの障壁層を交互に１３層ずつ積層して多重量子井戸層を構成した場合のデータも示した。

図１６において、井戸層の厚みが７ｎｍの場合と厚みが１２ｎｍの場合とを比較すると、ほぼ同じ特性を示していることがわかる。また、これらを実施の形態１と比較すると、同じ吸収損失において本実施の形態は５ｄＢ程度消光非が小さいが、実施の形態１と前提技術を比較した図１０と図６を比較すると、本実施の形態は、前提技術よりも消光非が改善されていることがわかる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ａ 多重量子井戸層、１ｂ Ｐ側電極、１ｃ Ｎ側電極、１ｄ Ｎ−ＩｎＰ基板、２，１１，２１，２３ Ｎ型クラッド層、３，１４，１６，２９ Ｐ型クラッド層、８ 電界緩和層、１２，２４ Ｎ側中間層、１３，２８ Ｐ側中間層、１５ Ｐ型ハイドープ層、２０ 光閉じ込め層、２２ Ｎ型ハイドープ層、２５ Ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層、２６ Ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層、２７ Ｎ−ＩｎＡｌＡｓ層。

Claims (8)

1. 多重量子井戸層を挟むＰ型クラッド層とＮ型クラッド層の間に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器であって、
   前記多重量子井戸層は、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、
   全ての前記井戸層は、電界非印加時に吸収端が等しく、
   第１の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに前記多重量子井戸層にかかる電界の変化率よりも、第１の逆バイアス電圧よりも大きい第２の逆バイアス電圧を微少量増加させながら印加したときに前記多重量子井戸層にかかる電界の変化率が大きいことを特徴とする、
   半導体光変調器。
2. 前記第１の逆バイアス電圧を印加したときに、前記多重量子井戸層の中間よりも前記Ｐ型クラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界が、前記多重量子井戸層の中間よりも前記Ｎ型クラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界よりも大きいことを特徴とする、
   請求項１に記載の半導体光変調器。
3. 前記第１の逆バイアス電圧よりも大きい前記第２の逆バイアス電圧を印加したときに、前記多重量子井戸層の中間よりも前記Ｐ型クラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界が、前記多重量子井戸層の中間よりも前記Ｎ型クラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界よりも小さいことを特徴とする、
   請求項１または２に記載の半導体光変調器。
4. 前記Ｐ型クラッド層側から前記Ｎ型クラッド層側へ向かって、前記井戸層の厚みが減少することを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の半導体光変調器。
5. 前記多重量子井戸層と前記Ｐ型クラッド層との間に配設された、前記井戸層よりもバンドギャップの大きいＰ側中間層と、
   前記多重量子井戸層と前記Ｎ型クラッド層との間に配設された、前記井戸層よりもバンドギャップの大きいＮ側中間層と、
   を備え、
   前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層は、Ｐ型またはＮ型であることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれかに記載の半導体光変調器。
6. 前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層がＰ型である場合は、前記Ｎ側中間層と前記Ｎ型クラッド層との間に、前記Ｎ型クラッド層よりも不純物濃度の高いＮ型ハイドープ層をさらに備え、
   前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層がＮ型である場合は、前記Ｎ側中間層と前記Ｐ型クラッド層との間に、前記Ｐ型クラッド層よりも不純物濃度の高いＰ型ハイドープ層をさらに備えることを特徴とする、
   請求項５に記載の半導体光変調器。
7. 前記多重量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓを含むことを特徴とする、
   請求項１〜６のいずれかに記載の半導体光変調器。
8. 前記井戸層と前記障壁層は、互いに逆の極性の歪みを有することを特徴とする、
   請求項１〜７のいずれかに記載の半導体光変調器。

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