JP2016109796A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＱＷ構造を備える光変調器において、高出力および出射光の劣化防止をともに実現できるようにする。【解決手段】多重量子井戸コア部１１３は、複数の井戸層１３１と、障壁層１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３２ｅ，１３２ｆ，１３２ｇとが、交互に積層した多重量子井戸となっている。実施の形態１では、多重量子井戸コア部１１３のｎ型クラッド層１１１に最も近い障壁層１３２ａは、多重量子井戸コア部１１３のｐ型クラッド層１１５に最も近い障壁層１３２ｇより厚く形成されている。このように構成することで、障壁層１３２ａの領域は、障壁層１３２ｇの領域よりチャープパラメータが正の値を持つ電圧領域が小さくなる特性とされ、障壁層１３２ａの領域は、障壁層１３２ｇの領域より大きな消光比が得られる特性とされた状態となる。【選択図】 図１Ｂ

Description

本発明は、多重量子井戸構造を備える光変調器に関する。

多重量子井戸（Multi Quantum Well；ＭＱＷ）は、これまで用いられてきたバルク半導体に比べて著しい光素子の特性改良が可能となっている。ＭＱＷ構造に電界を印加して吸収係数や屈折率を変化させる電界吸収効果および電界屈折率効果は、バルク半導体に比べ非常に顕著であり、この特性により、高速・低電圧駆動な光変調器が実現されている。

以下、ＭＱＷ構造を用いた光変調器について図６Ａおよび図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、ＭＱＷ構造を用いた光変調器の構成を示す斜視図である。また、図６Ｂは、図６Ａに示す光変調器の一部構成を示す断面図である。

この光変調器は、ｎ型のＩｎＰからなる基板３０１と、基板３０１の上に積層された半導体積層体３０２と、基板３０１の裏面に形成されたｎ型電極３０３ａと、半導体積層体３０２の上に形成されたｐ型電極３０３ｂとを備える。ｎ型電極３０３ａおよびｐ型電極３０３ｂにより、半導体積層体３０２の積層方向に電圧が印加可能とされている。

半導体積層体３０２は、基板３０１の上面に順次積層された、ｎ−ＩｎＰからなるクラッド層３１１、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓからなる光閉じ込め層３１２、多重量子井戸コア部３１３、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓからなる光閉じ込め層３１４、ｐ−ＩｎＰからなるクラッド層３１５、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層３１６から構成されている。光閉じ込め層３１２および光閉じ込め層３１４により、分離閉じ込めヘテロ（Separate Confined Heterostructure；ＳＣＨ）構造が構成されている。また、半導体積層体３０２の存在しないｎ−ＩｎＰ基板３０１の上面には、ＦｅがドープされたＩｎＰからなる埋め込み層３０４が形成され、半導体積層体３０２を埋め込んでいる。

多重量子井戸コア部３１３は、図６Ｂに拡大図示するように、ノンドープであるｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓからなる井戸層３３１（層厚１０ｎｍ）と、ＩｎＡｌＧａＡｓからなる障壁層３３２（層厚５ｎｍ）とが、交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）となっている。各々の井戸層３３１は、結晶成長の制御精度範囲内において、すべて同一の層厚および結晶組成を有している。同様に、各々の障壁層３３２も、結晶成長の制御精度内において、すべて同一の層厚および結晶組成を有している。

また、ｐ型電極３０３ｂの上面には、ボンディングワイヤ３０５が接続され、ボンディングワイヤ３０５を介して駆動電源（図示せず）から、半導体積層体３０２の積層方向への電圧印加を可能としている。光変調器は、基板３０１の上面に積層した半導体積層体３０２のうち、多重量子井戸コア部３１３の側面から光信号を入射し、多重量子井戸コア部３１３内を伝送途中の光信号に電圧を印加することで、光の強度を変更して出力する。

以下、この光変調器の動作原理を、図７を用いて説明する。光信号の波長（動作波長）を１．５５μｍとした場合、多重量子井戸コア部３１３を構成する井戸層３３１の井戸幅や結晶組成を調節し、吸収ピークを１．４８μｍ程度となるように設計しておく。

まず、この光変調器に電圧を印加していない場合、動作波長は、図７の（ａ）の実線に示すように、吸収端波長よりも長波長側に離れており、入射光は井戸層３３１に吸収されずに出射され、光はＯＮ状態となる。一方、光変調器に逆バイアス電圧を印加した場合の吸収スペクトルは、点線Ｂに示すように、長波長側に移動するため、光信号は井戸層３３１に吸収され、光変調器はＯＦＦ状態となる。

また、図８は、動作波長１．５５μｍでの光信号の吸収量、すなわち消光量を印加電圧の関数として示した特性図である。ここで、光変調器から出射する光パルスが高出力かつ高いＯＮ／ＯＦＦ比を持つためには、印加電圧０Ｖでの消光量が０に近く、かつ、消光比が大きい必要がある。消光比は、ある一定の印加電圧Ｖ間の消光量の差を示し、例えば、印加電圧０Ｖと−２Ｖ間の消光量の差を指す。

さらに、図９は、動作波長１．５５μｍでの光信号のチャープパラメータを印加電圧の関数として示した特性図である。チャープパラメータは、光変調器から出射する光信号のパルス広がりの程度を定量化したものであり、正の値を持つ電圧領域Ｘが広いほど、出射光の光ファイバ伝送後の劣化が大きくなる。よって、出射光の伝送後の劣化を防止するためには、チャープパラメータが正の値を持つ電圧領域Ｘを狭くするため、チャープパラメータが０の値を持つ印加電圧Ｖ₀を低電圧側に移動させる必要がある。

つまり、光変調器の高出力を保持しつつ、出射光の劣化を防止するためには、印加電圧０Ｖでの消光量を小さくし、かつ、消光比を大きくするとともに、チャープパラメータが０の値を持つ印加電圧Ｖ₀の絶対値を小さくする必要がある。

W. Kobayashi, K. Tsuzuki, Y. Shibata, T. Yamanaka, Y. Kondo, and F. Kano, "10-Gb/s、80-km SMF Transmission From 0 to 80℃ by using L-band InGaAlAs-MQW Electroabsorption Modulated Laser with Twin Waveguide Structure", Journal of Lightwave Technology, vol.27, pp.5084-5089, 2009.

しかしながら、図１０に示すように、チャープパラメータが０となる時の印加電圧Ｖ₀と印加電圧０Ｖでの消光量α_lossとの関係には、強い負の相関がある。つまり、消光量α_lossを小さくすると、印加電圧Ｖ₀が大きくなり、出射光の伝送特性を大きく劣化させてしまう。一方、印加電圧Ｖ₀を小さくすると、消光量α_lossが大きくなり、光変調器から出射する光出力を劣化させてしまう。また、印加電圧Ｖ₀を小さくすることで、同時に消光比も小さくなるため、ＯＮ／ＯＦＦ比の劣化も引き起こしてしまう。なお、図１０中の複数の点は、それぞれ井戸層３３１、障壁層３３２の層厚、結晶組成、およびディチューニング量（信号光の波長と吸収スペクトルの吸収ピーク波長との差）を変えたものに相当する。

以上のように、上述したＭＱＷ構造を備える光変調器において、光信号を高出力するとともに、出射光の伝送特性を良好に保持することは困難であるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＭＱＷ構造を備える光変調器において、高出力および出射光の劣化防止をともに実現できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光変調器は、ｎ型の化合物半導体から構成されたｎ型クラッド層と、ｐ型の化合物半導体から構成されたｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とに挟まれて配置され、化合物半導体から構成された障壁層および化合物半導体から構成された量子井戸層から構成された多重量子井戸構造のコア部とを備え、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層よりチャープパラメータが正の値を持つ電圧領域が小さくなる特性とされ、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層より大きな消光比が得られる特性とされている。

上記光変調器において、特性は、ｐ型クラッド層の側からｎ型クラッド層の側にかけて徐々に変化しているようにすればよい。

上記光変調器において、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層より厚く形成されていればよい。この場合、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層より１ｎｍ以上厚く形成されているとよい。

上記光変調器において、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層より短波長のバンドギャップ波長とされていればよい。この場合、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層より１０ｎｍ以上短波長のバンドギャップ波長とされているとよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、ＭＱＷ構造を備える光変調器において、高出力および出射光の劣化防止がともに実現できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における光変調器の構成を示す斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す光変調器の一部構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１における光変調器を動作させた時の消光量の電圧依存性を示す特性図である。 図３は、本発明の実施の形態１における光変調器を動作させた時のチャープパラメータの電圧依存性を示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態１における変調器を動作させた時の印加電圧０Ｖでの消光量およびチャープパラメータの値が０となる時の印加電圧の関係を示す特性図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態２における光変調器の構成を示す斜視図である。 図５Ｂは、図５Ａに示す光変調器の一部構成を示す断面図である。 図６Ａは、光変調器の構成を示す斜視図である。 図６Ｂは、図６Ａに示す光変調器の一部構成を示す断面図である。 図７は、光変調器の動作原理を説明するための説明図である。 図８は、光変調器の動作波長１．５５μｍでの光信号の消光量（吸収量）を印加電圧の関数として示した特性図である。 図９は、光変調器の動作波長１．５５μｍでの光信号のチャープパラメータを印加電圧の関数として示した特性図である。 図１０は、チャープパラメータが０となる時の印加電圧Ｖ₀と印加電圧０Ｖでの消光量α_lossとの関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ、図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１における光変調器の構成を示す斜視図である。また、図１Ｂは、図１Ａに示す光変調器の一部構成を示す断面図である。

この光変調器は、基板１０１の上に積層された半導体積層体１０２と、基板１０１の裏面に形成されたｎ型電極１０３ａと、半導体積層体１０２の上に形成されたｐ型電極１０３ｂとを備える。ｎ型電極１０３ａおよびｐ型電極１０３ｂにより、半導体積層体１０２の積層方向に電圧が印加可能とされている。

半導体積層体１０２は、ｎ型クラッド層１１１，光閉じ込め層１１２，多重量子井戸コア部１１３，光閉じ込め層１１４，ｐ型クラッド層１１５，キャップ層１１６が、これらの順に積層されて構成されている。光閉じ込め層１１２および光閉じ込め層１１４により、分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）構造が構成されている。また、半導体積層体１０２の存在しない基板１０１の上面には、埋め込み層１０４が形成され、半導体積層体１０２を埋め込んでいる。

また、ｐ型電極１０３ｂの上面には、ボンディングワイヤ１０５が接続され、ボンディングワイヤ１０５を介して駆動電源（図示せず）から、半導体積層体１０２の積層方向への電圧印加を可能としている。光変調器は、基板１０１の上面に積層した半導体積層体１０２のうち、多重量子井戸コア部１１３の側面から光信号を入射し、多重量子井戸コア部１１３内を伝送途中の光信号に電圧を印加することで、光の強度を変更して出力する。

多重量子井戸コア部１１３は、図１Ｂに拡大図示するように、複数の井戸層１３１と、障壁層１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３２ｅ，１３２ｆ，１３２ｇとが、交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）となっている。実施の形態１では、多重量子井戸コア部１１３のｎ型クラッド層１１１に最も近い障壁層１３２ａは、多重量子井戸コア部１１３のｐ型クラッド層１１５に最も近い障壁層１３２ｇより厚く形成されている。このように構成することで、障壁層１３２ａの領域は、障壁層１３２ｇの領域よりチャープパラメータが正の値を持つ電圧領域が小さくなる特性とされ、障壁層１３２ａの領域は、障壁層１３２ｇの領域より大きな消光比が得られる特性とされた状態となる。

基板１０１は、ｎ型のＩｎＰから構成され、ｎ型クラッド層１１１は、ｎ−ＩｎＰから構成され、光閉じ込め層１１２は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＡｓから構成されている。また、光閉じ込め層１１４は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＡｓから構成され、ｐ型クラッド層１１５は、ｐ−ＩｎＰから構成され、キャップ層１１６は、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓから構成されている。また、埋め込み層１０４は、Ｆｅがドープされて高抵抗とされたＩｎＰから構成されている。

また、井戸層１３１は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓから構成され、障壁層１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３２ｅ，１３２ｆ，１３２ｇは、ＩｎＡｌＧａＡｓから構成されている。例えば、障壁層１３２ａは層厚６ｎｍとされ、障壁層１３２ｂは層厚５．５ｎｍとされ、障壁層１３２ｃは層厚５ｎｍとされ、障壁層１３２ｄは層厚４．５ｎｍとされ、障壁層１３２ｅは層厚４ｎｍとされ、障壁層１３２ｆは層厚３．５ｎｍとされ、障壁層１３２ｇは、層厚３ｎｍとされている。このように、実施の形態１では、障壁層１３２ｇから障壁層１３２ａにかけて、徐々に厚くし、チャープパラメータが正の値を持つ電圧領域が小さくなる特性、および大きな消光比が得られる特性を、徐々に変化させている。また、井戸層１３１は、いずれも層厚１０ｎｍとされている。なお、各障壁層は、いずれも同一の結晶組成としている。

ここで、製造方法について簡単に説明する。まず、ｎ型のＩｎＰからなる基板１０１を用意し、この上に、ｎ型クラッド層１１１となるｎ−ＩｎＰ層、光閉じ込め層１１２となるｉ−ＩｎＡｌＡｓ層，井戸層となるｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層，障壁層となるＩｎＡｌＧａＡｓ層，光閉じ込め層１１４となるｉ−ＩｎＡｌＡｓ層、ｐ型クラッド層１１５となるｐ−ＩｎＰ層、およびキャップ層１１６となるｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層を、順次に結晶成長する。井戸層となるｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層および障壁層となるＩｎＡｌＧａＡｓ層は、交互に所定回数堆積する。また、障壁層となる各ＩｎＡｌＧａＡｓ層は、基板１０１より離れるほど、薄くなる状態とする。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、上記各層を結晶成長させればよい。

次に、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層の上に、プラズマＣＶＤ法などによりシリコン酸化物などからなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜を公知のフォトリソグラフィにより形成したレジストパターンをマスクとしてエッチングし、上記絶縁膜からなる選択エッチングマスクを形成する。なお、このエッチングは、Ｃ₂Ｆ₆などのフロロカーボン系ガスを用いたリアクティブイオンエッチングなどで行えばよい。

次に、レジストパターンを除去した後、形成した選択エッチングマスクを用い、基板１０１の上に結晶成長した各層を選択的に除去し、ｎ型クラッド層１１１，光閉じ込め層１１２，多重量子井戸コア部１１３，光閉じ込め層１１４，ｐ型クラッド層１１５，キャップ層１１６からなる所定の幅のリッジ構造とした半導体積層体１０２を形成する。次いで、選択エッチングマスクを、今度は選択成長マスクとして用い、リッジ構造周囲の基板１０１の上に、Ｆｅがドープされて高抵抗とされたＩｎＰを再成長させ、埋め込み層１０４を形成する。この後、蒸着法またはスパッタ法などによる金属の堆積により、基板１０１の裏面にｎ型電極１０３ａを形成し、また、よく知られたリフトオフ法などにより、ｐ型電極１０３ｂを形成すればよい。

上述した実施の形態１における光変調器によれば、ｎ型クラッド層１１１の側とｐ型クラッド層１１５の側とで、多重量子井戸コア部１１３を構成する障壁層の層厚を変えたので、消光比をより大きくするとともに、チャープパラメータが正の値を持つ電圧領域をより小さくすることができるようになる。

以下、より詳細に説明する。実施の形態１における光変調器を、従来の光変調器と同様に動作させた結果を図２から図４に示す。図２は、実施の形態１における光変調器を動作させた時の消光量の電圧依存性を表す特性図である。図３は、実施の形態１における光変調器を動作させた時のチャープパラメータの電圧依存性を表す特性図である。図４は、実施の形態１における変調器を動作させた時の印加電圧０Ｖでの消光量およびチャープパラメータの値が０となる時の印加電圧の関係を表す特性図である。

図２，図３，図４のいずれにおいても、動作波長１．５５μｍに対する吸収ピークとして、井戸幅１０ｎｍの井戸層１３１の光吸収ピークを１．４８μｍに設定して動作を行っている。また、図２および図３における実線（ａ）と図４における黒四角（ａ）は、実施の形態１における光変調器の結果を示している。一方、図２および図３における破線（ｂ）と図４における白丸（ｂ）は、比較のための従来の光変調器の結果を示している。

図２に示すように、実線（ａ）が、破線（ｂ）に比べて印加電圧０Ｖでの消光が０に近く、印加電圧−０．５Ｖ付近の印加電圧以上で大きな消光が起こっていることが分かる。また、例えば、印加電圧０Ｖと−１．５Ｖ間の消光の差である消光比も、実線（ａ）の方が破線（ｂ）よりも大きくなっていることが分かる。

図３に示すように、−０．５Ｖ以下の印加電圧におけるチャープパラメータは、実線（ａ）が破線（ｂ）に比べて若干大きな値となっていることが分かる。これは、印加電圧０Ｖ付近で消光が小さくなっていることによると考えられる。ところが、印加電圧が増加するに伴って、チャープパラメータは、正から負の値へ減少していることが分かる。この結果、実線（ａ）において、チャープパラメータが０となる時の印加電圧Ｖ₀は、破線（ｂ）の印加電圧Ｖ₀よりも低電圧側に移動している。

従って、実線（ａ）において、チャープパラメータが正の値をとる電圧領域Ｘ_Aが、破線（ｂ）における電圧領域Ｘ_Bよりも大幅に狭くなっていることが分かる。これは障壁層の層厚がｐ型クラッド層からｎ型クラッド層へ向かうにつれて層厚が厚くなっているため、量子閉じ込め効果が影響を受け、印加電界（電圧）がある値を超えると急速に消光の変化が加速し、結果として従来よりも消光がより大きく変化するからである。また、この構成による消光変化は、より大きな負の屈折率変化を生み、チャープパラメータの減少を急峻に起こすという効果も得られる。

図４に示すように、実施の形態１の光変調器における消光量が、従来構造における消光量の値の半分程度に抑制されていることが分かる。また、実施の形態１において、上述の通り、チャープパラメータが０となる時の印加電圧Ｖ₀も、従来構造よりも低減させていることが分かる。

さらに、実施の形態１においては、障壁層の層厚を、ｐ型クラッド層１１５からｎ型クラッド層１１１に向けて順次（徐々に）厚くしたことによって、障壁層が厚くなるにつれて、印加電圧（印加電界）によって障壁層によって挟まれた井戸層１３１の吸収ピーク波長が、ｐ型クラッド層１１５に最も近い障壁層１３２ｇで設定した１．４８μｍより相対的に短波長側に移動するようになる。このため、印加電圧０Ｖでは、厚い障壁層ほど動作波長での吸収量への寄与が小さくなり、印加電圧０Ｖでの消光量を小さくする。

以上の結果より、高出力およびＯＮ／ＯＦＦ比を実現した光変調器を提供することが可能となる。加えて、チャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ₀を低電圧側に移動させることが可能となるため、出射光の劣化を防止することが可能となる。さらに、チャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ₀と、印加電圧が０Ｖでの消光量との制限をなくすため、高出力および出射光の劣化防止をともに実現させることが可能となる。

ここで、実施の形態１における障壁層の層厚を、ｐ型クラッド層１１５に最も近い障壁層１３２ｇから、ｎ型クラッド層１１１に最も近い障壁層１３２ａに向かって、順次厚くするようにしたが、これに限るものではない。少なくともｎ型クラッド層１１１に最も近い障壁層１３２ａの層厚がｐ型クラッド層１１５に最も近い障壁層１３２ｇよりも厚くされていればよい。特に、障壁層１３２ａの層厚の層厚が、障壁層１３２ｇよりも、１ｎｍ以上厚くされているとよい。このようにすることで、多重量子井戸構造作製時の層厚制御精度により、障壁層の各々の層厚が変動してしまった場合でも、ｎ型クラッド層に最も近い障壁層の層厚を、ｐ型クラッド層に最も近い障壁層よりも厚くするために有効である。

例えば、ｎ型クラッド層１１１に最も近い障壁層１３２ａのみを、他の障壁層１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３２ｅ，１３２ｆ，１３２ｇよりも厚くしてもよい。例えば、障壁層１３２ａは層厚６ｎｍとし、障壁層１３２ｂ，障壁層１３２ｃ，障壁層１３２ｄ，障壁層１３２ｅ，障壁層１３２ｆ，障壁層１３２ｇは、層厚４ｎｍとしてもよい。

また、ｐ型クラッド層１１５に最も近い障壁層１３２ｇから、ｎ型クラッド層１１１に最も近い障壁層１３２ａに向かって順次厚くするのではなく、途中により厚い障壁層を配置してもよい。例えば、障壁層１３２ａは層厚５．５ｎｍとし、障壁層１３２ｂは層厚４ｎｍとし、障壁層１３２ｃは層厚５ｎｍとし、障壁層１３２ｄは層厚５ｎｍとし、障壁層１３２ｅは層厚５ｎｍとし、障壁層１３２ｆは層厚５ｎｍとし、障壁層１３２ｇは、層厚４ｎｍとしてもよい。

さらに、ｎ型クラッド層１１１に最も近い障壁層１３２ａが、ｐ型クラッド層１１５に最も近い障壁層１３２ｇよりも厚くされているのであれば、これらの間の障壁層１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３２ｅ，１３２ｆの層厚が、ｐ型クラッド層１１５に最も近い障壁層１３２ｇの層厚よりも厚くされていても構わない。例えば、障壁層１３２ａは層厚５ｎｍとし、障壁層１３２ｂは層厚６ｎｍとし、障壁層１３２ｃは層厚５ｎｍとし、障壁層１３２ｄは層厚５ｎｍとし、障壁層１３２ｅは層厚４ｎｍとし、障壁層１３２ｆは層厚３．５ｎｍとし、障壁層１３２ｇは、層厚３ｎｍとしてもよい。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、本発明の実施の形態２における光変調器の構成を示す斜視図である。また、図５Ｂは、図５Ａに示す光変調器の一部構成を示す断面図である。

この光変調器は、基板２０１の上に積層された半導体積層体２０２と、基板２０１の裏面に形成されたｎ型電極２０３ａと、半導体積層体２０２の上に形成されたｐ型電極２０３ｂとを備える。ｎ型電極２０３ａおよびｐ型電極２０３ｂにより、半導体積層体２０２の積層方向に電圧が印加可能とされている。

半導体積層体２０２は、ｎ型クラッド層２１１，光閉じ込め層２１２，多重量子井戸コア部２１３，光閉じ込め層２１４，ｐ型クラッド層２１５，キャップ層２１６が、これらの順に積層されて構成されている。光閉じ込め層２１２および光閉じ込め層２１４により、分離閉じ込めヘテロ構造が構成されている。また、半導体積層体２０２の存在しない基板２０１の上面には、埋め込み層２０４が形成され、半導体積層体２０２を埋め込んでいる。

また、ｐ型電極２０３ｂの上面には、ボンディングワイヤ２０５が接続され、ボンディングワイヤ２０５を介して駆動電源（図示せず）から、半導体積層体２０２の積層方向への電圧印加を可能としている。光変調器は、基板２０１の上面に積層した半導体積層体２０２のうち、多重量子井戸コア部２１３の側面から光信号を入射し、多重量子井戸コア部２１３内を伝送途中の光信号に電圧を印加することで、光の強度を変更して出力する。

多重量子井戸コア部２１３は、図５Ｂに拡大図示するように、複数の井戸層２３１と、障壁層２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄ，２３２ｅ，２３２ｆとが、交互に積層した多重量子井戸となっている。実施の形態２では、多重量子井戸コア部２１３のｎ型クラッド層２１１に最も近い障壁層２３２ａは、多重量子井戸コア部２１３のｐ型クラッド層２１５に最も近い障壁層２３２ｆより短波長のバンドギャップ波長とされている。このように構成することで、障壁層２３２ａの領域は、障壁層２３２ｆの領域よりチャープパラメータが正の値を持つ電圧領域が小さくなる特性とされ、障壁層２３２ａの領域は、障壁層２３２ｆの領域より大きな消光比が得られる特性とされた状態となる。

基板２０１は、ｎ型のＩｎＰから構成され、ｎ型クラッド層２１１は、ｎ−ＩｎＰから構成され、光閉じ込め層２１２は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＡｓから構成されている。また、光閉じ込め層２１４は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＡｓから構成され、ｐ型クラッド層２１５は、ｐ−ＩｎＰから構成され、キャップ層２１６は、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓから構成されている。また、埋め込み層２０４は、Ｆｅがドープされて高抵抗とされたＩｎＰから構成されている。

また、井戸層２３１は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓから構成され、障壁層２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄ，２３２ｅ，２３２ｆは、ＩｎＡｌＧａＡｓから構成されている。なお、井戸層２３１は、層厚１０ｎｍとされ、障壁層２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄ，２３２ｅ，２３２ｆは、層厚５ｎｍとされている。

例えば、障壁層２３２ａはバンドギャップ波長１０００ｎｍとされ、障壁層２３２ｂはバンドギャップ波長１０５０ｎｍとされ、障壁層２３２ｃはバンドギャップ波長１１００ｎｍとされ、障壁層２３２ｄはバンドギャップ波長１１５０ｎｍとされ、障壁層２３２ｅはバンドギャップ波長１２００ｎｍとされ、障壁層２３２ｆはバンドギャップ波長１２５０ｎｍとされている。ＡｌおよびＧａの組成比を変えることで、ＩｎＡｌＧａＡｓからなる各障壁層のバンドギャップ波長を変えることができる。また、よく知られているように、ほぼ「バンドギャップ波長λ＝１．２÷バンドギャップエネルギーＥ_g」の関係が成立する。このように、実施の形態２では、障壁層２３２ｇから障壁層２３２ａにかけて、徐々にバンドギャップ波長を短波長とし、チャープパラメータが正の値を持つ電圧領域が小さくなる特性、および大きな消光比が得られる特性を、徐々に変化させている。

なお、製造方法は、前述した実施の形態１とほぼ同様であり、実施の形態２では、障壁層となる各ＩｎＡｌＧａＡｓ層は、ＡｌおよびＧａの組成比を変えることで、基板２０１より離れるほど、バンドギャップ波長が長波長となる状態に堆積すればよい。

上述した実施の形態２における光変調器によれば、ｎ型クラッド層２１１の側とｐ型クラッド層２１５の側とで、多重量子井戸コア部２１３を構成する障壁層のバンドギャップ波長を変えたので、消光比をより大きくするとともに、チャープパラメータが正の値を持つ電圧領域をより小さくすることができるようになる。

上述した実施の形態２の光変調器においても、前述した実施の形態１と同様に、高出力およびＯＮ／ＯＦＦ比を実現した光変調器を提供することが可能となる。加えて、チャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ₀を低電圧側に移動させることが可能となるため、出射光の劣化を防止することが可能となる。さらに、チャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ₀と、印加電圧が０Ｖでの消光量との制限をなくすため、高出力および出射光の劣化防止をともに実現させることが可能となる。

ここで、実施の形態２における障壁層のバンドギャップ波長を、ｐ型クラッド層２１５に最も近い障壁層２３２ｆから、ｎ型クラッド層２１１に最も近い障壁層２３２ａに向かって、順次（徐々に）短波長となるようにしたが、これに限るものではない。少なくともｎ型クラッド層２１１に最も近い障壁層２３２ａのバンドギャップ波長が、ｐ型クラッド層２１５に最も近い障壁層２３２ｆよりも短波長とされていればよい。特に、障壁層２３２ａのバンドギャップ波長が、障壁層２３２ｆよりも１０ｎｍ以上短波長のバンドギャップ波長とされていればよい。このようにすることで、多重量子井戸構造作製時の組成制御精度により、障壁層の各々のバンドギャップ波長が変動してしまった場合でも、ｎ型クラッド層に最も近い障壁層のバンドギャップ波長を、ｐ型クラッド層に最も近い障壁層よりも短波長とするために有効である。

例えば、ｎ型クラッド層２１１に最も近い障壁層２３２ａのみを、他の障壁層２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄ，２３２ｅ，２３２ｆよりも短波長のバンドギャップ波長としてもよい。例えば、障壁層２３２ａはバンドギャップ波長１１５０ｎｍとし、障壁層２３２ｂ，障壁層２３２ｃ，障壁層２３２ｄ，障壁層２３２ｅ，障壁層２３２ｆ，障壁層２３２ｆは、バンドギャップ波長１２５０ｎｍとしてもよい。

また、ｐ型クラッド層２１５に最も近い障壁層２３２ｆから、ｎ型クラッド層２１１に最も近い障壁層２３２ａに向かって順次短波長になる状態とするのではなく、途中により長波長のバンドギャップ波長とされた障壁層を配置してもよい。例えば、障壁層２３２ａはバンドギャップ波長１０００ｎｍとし、障壁層２３２ｂはバンドギャップ波長１１５０ｎｍとし、障壁層２３２ｃはバンドギャップ波長１２００ｎｍとし、障壁層２３２ｄはバンドギャップ波長１２００ｎｍとし、障壁層２３２ｅはバンドギャップ波長１１５０ｎｍとし、障壁層２３２ｆはバンドギャップ波長１２５０ｎｍとしてもよい。

さらに、ｎ型クラッド層２１１に最も近い障壁層２３２ａが、ｐ型クラッド層２１５に最も近い障壁層２３２ｇよりも短波長のバンドギャップ波長とされているのであれば、これらの間の障壁層２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄ，２３２ｅ，２３２ｆのバンドギャップ波長が、ｐ型クラッド層２１５に最も近い障壁層２３２ｆのバンドギャップ波長よりも長波長とされていても構わない。例えば、障壁層２３２ａはバンドギャップ波長１０００ｎｍとし、障壁層２３２ｂはバンドギャップ波長１３２５ｎｍとし、障壁層２３２ｃはバンドギャップ波長１３００ｎｍとし、障壁層２３２ｄはバンドギャップ波長１２５０ｎｍとし、障壁層２３２ｅはバンドギャップ波長１２００ｎｍとし、障壁層２３２ｆはバンドギャップ波長１１５０ｎｍとしてもよい。

以上に説明したように、本発明では、多重量子井戸構造としているコア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層よりチャープパラメータが正の値を持つ電圧領域が小さくなる特性とし、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層より大きな消光比が得られる特性とした。例えば、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層より厚く形成した。また、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層より短波長のバンドギャップ波長とした。

上述した構成とすることで、本発明によれば、例えば、障壁層各々の層厚に応じて光吸収スペクトルの形状を変化させることができ、また、障壁層各々のバンドギャップ波長に応じて光吸収スペクトルを変化させることができるため、多重量子井戸コア部層全体の光吸収スペクトルを変化させることが可能となる。この結果、印加電圧０Ｖでの消光量を小さくし、かつ、消光比を１０ｄＢ以上に大きくするとともに、チャープパラメータが０または負の値となる光信号を出力することができるようになるため、光信号の高出力および出射光の劣化防止をともに実現することが可能となる。

なお、上述では、各障壁層に印加される電圧は均一であるとしたが、これに限らず、例えば、ｐ型クラッド層側の光閉じ込め層をより厚くし、ｐ型クラッド層から多重量子井戸構造のコア部への不純物拡散を誘発することによって、コア部内の電界分布を不均一にすれば、本発明の効果をよりいっそう促進するために有効である。

また、基板の上に、ｎ型クラッド層，コア部，ｐ型クラッド層の順に積層したが、これに限るものではなく、ｐ型クラッド層，コア部，ｎ型クラッド層の順に積層してもよい。この場合、基板はｐ型とすればよい。基板側にｐ型クラッド層を配置した場合にいても、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層より厚く形成し、また、コア部のｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、コア部のｐ型クラッド層に最も近い障壁層より短波長のバンドギャップ波長とすればよい。

さらに、井戸層，光閉じ込め層をＩｎＡｌＧａＡｓから構成したが、これに限らず、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂなどのいずれの化合物半導体から構成しても構わない。さらに、基板として、ｎ−ＩｎＰからなる半導体基板を用いたが、これに限るものではない。

本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…半導体積層体、１０３ａ…ｎ型電極、１０３ｂ…ｐ型電極、１０４…埋め込み層、１０５…ボンディングワイヤ、１１１…ｎ型クラッド層、１１２…光閉じ込め層、１１３…多重量子井戸コア部、１１４…光閉じ込め層、１１５…ｐ型クラッド層、１１６…キャップ層、１３１…井戸層、１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３２ｅ，１３２ｆ，１３２ｇ…障壁層。

Claims (6)

1. ｎ型の化合物半導体から構成されたｎ型クラッド層と、
   ｐ型の化合物半導体から構成されたｐ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層とに挟まれて配置され、化合物半導体から構成された障壁層および化合物半導体から構成された量子井戸層から構成された多重量子井戸構造のコア部と
   を備え、
   前記コア部の前記ｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、前記コア部の前記ｐ型クラッド層に最も近い障壁層よりチャープパラメータが正の値を持つ電圧領域が小さくなる特性とされ、
   前記コア部の前記ｐ型クラッド層に最も近い障壁層は、前記コア部の前記ｎ型クラッド層に最も近い障壁層より大きな消光比が得られる特性とされている
   ことを特徴とする光変調器。
2. 請求項１記載の光変調器において、
   前記特性は、前記ｐ型クラッド層の側から前記ｎ型クラッド層の側にかけて徐々に変化していることを特徴とする光変調器。
3. 請求項１または２記載の光変調器において、
   前記コア部の前記ｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、前記コア部の前記ｐ型クラッド層に最も近い障壁層より厚く形成されている
   ことを特徴とする光変調器。
4. 請求項３記載の光変調器において、
   前記コア部の前記ｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、前記コア部の前記ｐ型クラッド層に最も近い障壁層より１ｎｍ以上厚く形成されている
   ことを特徴とする光変調器。
5. 請求項１または２記載の光変調器において、
   前記コア部の前記ｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、前記コア部の前記ｐ型クラッド層に最も近い障壁層より短波長のバンドギャップ波長とされている
   ことを特徴とする光変調器。
6. 請求項５記載の光変調器において、
   前記コア部の前記ｎ型クラッド層に最も近い障壁層は、前記コア部の前記ｐ型クラッド層に最も近い障壁層より１０ｎｍ以上短波長のバンドギャップ波長とされている
   ことを特徴とする光変調器。

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