JP2676942B2 - 光変調器 - Google Patents
光変調器Info
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- JP2676942B2 JP2676942B2 JP1236546A JP23654689A JP2676942B2 JP 2676942 B2 JP2676942 B2 JP 2676942B2 JP 1236546 A JP1236546 A JP 1236546A JP 23654689 A JP23654689 A JP 23654689A JP 2676942 B2 JP2676942 B2 JP 2676942B2
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【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、将来の光通信システムや光情報処理システ
ムにおいて重要なエレメントとなる半導体光変調器に関
するものである。
ムにおいて重要なエレメントとなる半導体光変調器に関
するものである。
（従来技術とその課題） 光スイッチは将来の高速光通信システム、光情報処理
システムのキーエレメントの１つと考えられ、各所で研
究開発が活発化してきている。光スイッチとしてはLiNb
O3等の誘電体を用いたものと、GaAsやInPの半導体を用
いたものと考えられているが、光アンプや半導体レーザ
などの他の光素子やFET等の電子回路との集積化が可能
で、小型化も容易な半導体光スイッチへの期待が近年高
まりつつある。この様な半導体光スイッチとしてはその
適用分野によって主に１入力１出力のレーザ光などの直
流光を変調する外部変調器又は光導波路中の光信号のON
−OFFを行なうゲートスイッチと多入力多出力の光路切
換型のスイッチに分類できる。その中でも高速光通信シ
ステムにとって外部変調器は重要なデバイスのひとつで
ある。
システムのキーエレメントの１つと考えられ、各所で研
究開発が活発化してきている。光スイッチとしてはLiNb
O3等の誘電体を用いたものと、GaAsやInPの半導体を用
いたものと考えられているが、光アンプや半導体レーザ
などの他の光素子やFET等の電子回路との集積化が可能
で、小型化も容易な半導体光スイッチへの期待が近年高
まりつつある。この様な半導体光スイッチとしてはその
適用分野によって主に１入力１出力のレーザ光などの直
流光を変調する外部変調器又は光導波路中の光信号のON
−OFFを行なうゲートスイッチと多入力多出力の光路切
換型のスイッチに分類できる。その中でも高速光通信シ
ステムにとって外部変調器は重要なデバイスのひとつで
ある。
多重量子井戸（MQW）構造の吸収端の急峻性やエキシ
トンの電界によるシフトを利用した吸収型の光変調器
は、低電圧で高い消光比が得られ、更に高速動作が可能
という特長をもち注目されている。特に波長1.5μｍ帯
の光変調器は高速光通信システムに重要である。
トンの電界によるシフトを利用した吸収型の光変調器
は、低電圧で高い消光比が得られ、更に高速動作が可能
という特長をもち注目されている。特に波長1.5μｍ帯
の光変調器は高速光通信システムに重要である。
脇田らはInGaAs/InAlAs MQW（井戸層厚67Å／障壁層
厚67Å）を用いた変調器を試作し、波長1.53μｍ、電圧
9Vで消光比15dBを得た。これはエレクトロニクスレター
ズ誌（Electoroncs Letters）第22巻、907頁、1986年に
記載されている。
厚67Å）を用いた変調器を試作し、波長1.53μｍ、電圧
9Vで消光比15dBを得た。これはエレクトロニクスレター
ズ誌（Electoroncs Letters）第22巻、907頁、1986年に
記載されている。
MQW変調器の場合、吸収を生じさせる要因となるエキ
シトンピークの電界によるエネルギーシフト量は電界の
２乗とMQWの井戸厚Lzの４乗に比例するため、低電圧動
作を実現するにはLzが大きい方が望ましい。光通信シス
テムにとって重要である波長1.55μｍで動作させる場
合、エキシトンピークの裾引きなどを考え、無電界状態
での導波損失を少なくするためにはエキシトンピーク波
長は1.51μｍ以下が望ましく、その時InGaAsを井戸層と
したMQWの井戸厚Lzは75Å以下が必要となる。上述の従
来例では波長及びLzは最適ではないと思われるが最適化
を図ってもLzは75Å程度であるためこれによりエキシト
ンピークのシフト量が制限されるため十分な低電圧化は
困難である。
シトンピークの電界によるエネルギーシフト量は電界の
２乗とMQWの井戸厚Lzの４乗に比例するため、低電圧動
作を実現するにはLzが大きい方が望ましい。光通信シス
テムにとって重要である波長1.55μｍで動作させる場
合、エキシトンピークの裾引きなどを考え、無電界状態
での導波損失を少なくするためにはエキシトンピーク波
長は1.51μｍ以下が望ましく、その時InGaAsを井戸層と
したMQWの井戸厚Lzは75Å以下が必要となる。上述の従
来例では波長及びLzは最適ではないと思われるが最適化
を図ってもLzは75Å程度であるためこれによりエキシト
ンピークのシフト量が制限されるため十分な低電圧化は
困難である。
これを解決するために脇田らはMQWの井戸層にInGaAlA
sの４元材料を使用したMQW光変調器を試作した。これは
1989年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集Ｃ−47
4に記載されている。４元材料の組成を制御することに
よりLzの拡大とエキシトンピークの短波長化を同時に図
ることができ、波長1.55μｍ帯で低電圧動作を狙ったも
のである。InGaAs井戸層を用いた時に比べてLzを86Åと
大きくし、波長1.554μｍ、電圧6.5Vで18.5dBの消光比
を得ることはできたが、井戸層に４元系を使用している
ためInGaAsの３元系に比べエキシトンピークが不明瞭、
エキシトンピークの裾引きが非常に大きいなどが原因
で、挿入損失は30dBと大きな値で実用上使いにくかっ
た。
sの４元材料を使用したMQW光変調器を試作した。これは
1989年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集Ｃ−47
4に記載されている。４元材料の組成を制御することに
よりLzの拡大とエキシトンピークの短波長化を同時に図
ることができ、波長1.55μｍ帯で低電圧動作を狙ったも
のである。InGaAs井戸層を用いた時に比べてLzを86Åと
大きくし、波長1.554μｍ、電圧6.5Vで18.5dBの消光比
を得ることはできたが、井戸層に４元系を使用している
ためInGaAsの３元系に比べエキシトンピークが不明瞭、
エキシトンピークの裾引きが非常に大きいなどが原因
で、挿入損失は30dBと大きな値で実用上使いにくかっ
た。
この様に優れた特性が得られる可能性は秘めているも
のの、急峻なエキシトンを使用し、低損失、低電圧で波
長1.55μｍで動作するMQW変調器はこれまで得られてい
なかった。
のの、急峻なエキシトンを使用し、低損失、低電圧で波
長1.55μｍで動作するMQW変調器はこれまで得られてい
なかった。
本発明の目的はこれらを改善したMQW光変調器を提供
することにある。
することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明による光変調器は、InP基板上に形成されたInG
aAsを井戸層、InAlAsを障壁層とする多重量子井戸構造
を光導波層とし、前記光導波層に対し垂直に電界を印加
する手段を有する導波型光変調器であって、前記InGaAs
/InAlAs多重量子井戸構造が、InPに対し小さい格子定数
をもつ組成のInGaAsを井戸層とInPに対し大きい格子定
数をもつ組成のInAlAs障壁層から成る歪超格子構造を有
することを特徴とするものである。
aAsを井戸層、InAlAsを障壁層とする多重量子井戸構造
を光導波層とし、前記光導波層に対し垂直に電界を印加
する手段を有する導波型光変調器であって、前記InGaAs
/InAlAs多重量子井戸構造が、InPに対し小さい格子定数
をもつ組成のInGaAsを井戸層とInPに対し大きい格子定
数をもつ組成のInAlAs障壁層から成る歪超格子構造を有
することを特徴とするものである。
（作用） 従来例においても述べたが、波長1.55μｍ帯で低電圧
で動作させるためには井戸層をある程度厚くした状態で
エキシトンピークを任意の波長に設定する必要がある。
で動作させるためには井戸層をある程度厚くした状態で
エキシトンピークを任意の波長に設定する必要がある。
InP基板上に格子整合したInGaAsのInの組成比は0.52
であり、その時のバンドギャップ波長は1.67μｍであ
る。従って量子井戸構造にし、エキシトンピーク波長を
1.5μｍ近傍に設定するには井戸厚を十分に薄くし量子
準位をかなり上げる必要がある。しかしInGaAs中のInの
組成比を格子整合条件に比べて小さくすることによって
も理論的にはバルクの時のバンドギャップ波長を短波長
化することができるため、これを量子井戸にした場合は
ある程度の井戸厚（例えば100Å程度）を保った状態で
も組成制御により量子準位を任意に決定することができ
エキシトンピーク波長を1.5μｍ近傍に設定することが
可能となる。
であり、その時のバンドギャップ波長は1.67μｍであ
る。従って量子井戸構造にし、エキシトンピーク波長を
1.5μｍ近傍に設定するには井戸厚を十分に薄くし量子
準位をかなり上げる必要がある。しかしInGaAs中のInの
組成比を格子整合条件に比べて小さくすることによって
も理論的にはバルクの時のバンドギャップ波長を短波長
化することができるため、これを量子井戸にした場合は
ある程度の井戸厚（例えば100Å程度）を保った状態で
も組成制御により量子準位を任意に決定することができ
エキシトンピーク波長を1.5μｍ近傍に設定することが
可能となる。
この時のInGaAsの格子定数はInPに比べて小さく格子
不整合が生じるが、MQWの場合障壁層であるInAlAs中のI
nの組成比を大きくし、InPに比べて格子定数が大きくな
る様に設定し井戸層と障壁層の間に各々反対方向の歪を
入れることによりInP基板への成長が可能となる。
不整合が生じるが、MQWの場合障壁層であるInAlAs中のI
nの組成比を大きくし、InPに比べて格子定数が大きくな
る様に設定し井戸層と障壁層の間に各々反対方向の歪を
入れることによりInP基板への成長が可能となる。
この様にInGaAs/InAlAsの歪超格子構造を用いるとInG
aAs、InAlAsのInの組成制御により任意の井戸厚で任意
のエキシトンピーク波長を設定することができ、1.55μ
ｍ帯においても十分低電圧で動作する光変調器が可能と
なる。
aAs、InAlAsのInの組成制御により任意の井戸厚で任意
のエキシトンピーク波長を設定することができ、1.55μ
ｍ帯においても十分低電圧で動作する光変調器が可能と
なる。
（実施例） 第１図（ａ）（ｂ）は本発明による光変調器の実施例
を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は光変調器の多重
量子井戸構造の様子を示す図である。まず第１図（ａ）
（ｂ）を用いて本実施例の製作方法について簡単に説明
する。n+−InP基板１上にn+−InAlAsクラッド層２を0.8
μm,i−InGaAs/InAlAs MQWガイド層３を0.5μm,P+−InA
lAsクラッド層４を0.8μm,P+−InGaAsキャップ層５を0.
2μm,MBE法により順次成長する。この時InAlAsクラッド
層2,4及びInGaAsキャップ層５の組成はInPとの格子整合
を行なうため各々In0.52Al0.48As,In0.53Ga0.47Asとす
る。InGaAs/InAlAs MQWガイド層３については作用の項
で述べたようにInGaAs井戸層８に関してはInPとの格子
整合条件に比べてInの組成が小さくつまり格子定数がIn
Pに比べて小さくなるようなInAlAs障壁層９に関しては
井戸層とは反対にInPに比べて格子定数が大きくなるよ
うな組成としここではそれぞれIn0.48Ga0.52As,In0.58G
a0.42Asとする。また井戸層厚、障壁層厚に関してはエ
キシトンピーク波長を1.51μｍにすることと井戸層への
電子の閉じ込めを十分に行なうことを考え各々100Åと
する。
を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は光変調器の多重
量子井戸構造の様子を示す図である。まず第１図（ａ）
（ｂ）を用いて本実施例の製作方法について簡単に説明
する。n+−InP基板１上にn+−InAlAsクラッド層２を0.8
μm,i−InGaAs/InAlAs MQWガイド層３を0.5μm,P+−InA
lAsクラッド層４を0.8μm,P+−InGaAsキャップ層５を0.
2μm,MBE法により順次成長する。この時InAlAsクラッド
層2,4及びInGaAsキャップ層５の組成はInPとの格子整合
を行なうため各々In0.52Al0.48As,In0.53Ga0.47Asとす
る。InGaAs/InAlAs MQWガイド層３については作用の項
で述べたようにInGaAs井戸層８に関してはInPとの格子
整合条件に比べてInの組成が小さくつまり格子定数がIn
Pに比べて小さくなるようなInAlAs障壁層９に関しては
井戸層とは反対にInPに比べて格子定数が大きくなるよ
うな組成としここではそれぞれIn0.48Ga0.52As,In0.58G
a0.42Asとする。また井戸層厚、障壁層厚に関してはエ
キシトンピーク波長を1.51μｍにすることと井戸層への
電子の閉じ込めを十分に行なうことを考え各々100Åと
する。
次にフォトリソグラフィー法とRIBE法によりP+−InAl
Asクラッド層４とｉ−InGaAs/InAlAs MQWガイド層３の
界面までエッチングを行ないリブ型の導波路を形成す
る。メサ幅は３μｍとした。最後にｐ側電極６、ｎ側電
極７を蒸着し、へき開によって入出射端面を形成する。
光導波路方向の長さは300μｍとした。こうして第１図
（ａ）（ｂ）の光変調器が完成する。
Asクラッド層４とｉ−InGaAs/InAlAs MQWガイド層３の
界面までエッチングを行ないリブ型の導波路を形成す
る。メサ幅は３μｍとした。最後にｐ側電極６、ｎ側電
極７を蒸着し、へき開によって入出射端面を形成する。
光導波路方向の長さは300μｍとした。こうして第１図
（ａ）（ｂ）の光変調器が完成する。
次にこの光変調器の動作と得られる効果について説明
する。光通信用の変調器を前提としているため使用する
光源の波長は1.55μｍとする。このMQWのエキシトンピ
ーク波長はMQWの井戸層厚、組成より1.51μｍであるた
め、1.55μｍの波長に対しては十分吸収損失が下がって
いる。従って電界が０のときは導波損失は十分に小さく
２〜3dB/mmであり、MQWガイド層３への入射光10はその
まま出射光11として出力される。この時光変調器はON状
態になっている。MQWに電界が印加されるとエキシトン
ピークが長波長側へシフトし1.55μｍにおいて吸収が増
加し、入射光10はMQWガイド層３内で吸収され出射光の
光パワーはほとんど０となり光変調器OFF状態となる。
従来例の項でも述べたがスイッチングを生じさせるエキ
シトンピークシフトのエネルギー量ΔＥは電界強度Ｆの
２乗とMQWの井戸層厚Lzの４乗に比例する。光変調器に
求められる消光比約20dBを得るのにエキシトンピークの
長波長側へのエネルギーシフト量を11meVとすると本実
施例におけるスイッチではMQWの井戸層厚が100Å、MQW
ガイド層全体の厚さが0.5μｍであることより変調器の
スイッチング電圧に約3Vとなる。これに対して、従来の
ように歪のないInGaAs/InAlAs MQWを考えた場合、実施
例と比較のために無電界の時のエキシトンピーク波長を
1.51μｍとするとMQWの井戸層厚は75Åとなる。この場
合、MQWガイド層の厚さを0.5μｍとしてエキシトンピー
クのエネルギーシフト量11meVを得るためには5.5Vが必
要となる。
する。光通信用の変調器を前提としているため使用する
光源の波長は1.55μｍとする。このMQWのエキシトンピ
ーク波長はMQWの井戸層厚、組成より1.51μｍであるた
め、1.55μｍの波長に対しては十分吸収損失が下がって
いる。従って電界が０のときは導波損失は十分に小さく
２〜3dB/mmであり、MQWガイド層３への入射光10はその
まま出射光11として出力される。この時光変調器はON状
態になっている。MQWに電界が印加されるとエキシトン
ピークが長波長側へシフトし1.55μｍにおいて吸収が増
加し、入射光10はMQWガイド層３内で吸収され出射光の
光パワーはほとんど０となり光変調器OFF状態となる。
従来例の項でも述べたがスイッチングを生じさせるエキ
シトンピークシフトのエネルギー量ΔＥは電界強度Ｆの
２乗とMQWの井戸層厚Lzの４乗に比例する。光変調器に
求められる消光比約20dBを得るのにエキシトンピークの
長波長側へのエネルギーシフト量を11meVとすると本実
施例におけるスイッチではMQWの井戸層厚が100Å、MQW
ガイド層全体の厚さが0.5μｍであることより変調器の
スイッチング電圧に約3Vとなる。これに対して、従来の
ように歪のないInGaAs/InAlAs MQWを考えた場合、実施
例と比較のために無電界の時のエキシトンピーク波長を
1.51μｍとするとMQWの井戸層厚は75Åとなる。この場
合、MQWガイド層の厚さを0.5μｍとしてエキシトンピー
クのエネルギーシフト量11meVを得るためには5.5Vが必
要となる。
この様にMQWガイド層の歪超格子により構成すること
で、任意の波長においてもMQWの井戸層厚を大きくする
ことが可能となり、実施例の場合は約1/2に電圧を低減
することができる。また本実施例では結合損失も含めた
挿入損失は15dBで従来例と比べ10dB以上改善できた。ま
た本実施例によるMQWの井戸層の組成及び層厚は波長1.5
5μｍの場合の一例であり、これら２つのパラメータを
変えることによりエキシトンピーク波長を1.5μｍ帯で
ある程度自由に設定できる。
で、任意の波長においてもMQWの井戸層厚を大きくする
ことが可能となり、実施例の場合は約1/2に電圧を低減
することができる。また本実施例では結合損失も含めた
挿入損失は15dBで従来例と比べ10dB以上改善できた。ま
た本実施例によるMQWの井戸層の組成及び層厚は波長1.5
5μｍの場合の一例であり、これら２つのパラメータを
変えることによりエキシトンピーク波長を1.5μｍ帯で
ある程度自由に設定できる。
（発明の効果） 以上詳細に説明したように本発明によればMQWガイド
層に歪超格子構造を用いることにより低電圧で動作する
波長1.5μｍ帯の光変調器が得られる。
層に歪超格子構造を用いることにより低電圧で動作する
波長1.5μｍ帯の光変調器が得られる。
第１図（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明の実施例の光変調
器の全体の斜視図と多重量子井戸構造の様子を示す図で
ある。各図において１はn+−InP基板、２はn+−InAlAs
クラッド層、３はｉ−InGaAs/InAlAs MQWガイド層、４
はP+−InAlAsクラッド層、５はP+−InGaAsキャップ層、
6,7は電極、８はIn0.48Ga0.52As井戸層、９はIn0.58Al
0.42As障壁層、10は入射光、11は出射光である。
器の全体の斜視図と多重量子井戸構造の様子を示す図で
ある。各図において１はn+−InP基板、２はn+−InAlAs
クラッド層、３はｉ−InGaAs/InAlAs MQWガイド層、４
はP+−InAlAsクラッド層、５はP+−InGaAsキャップ層、
6,7は電極、８はIn0.48Ga0.52As井戸層、９はIn0.58Al
0.42As障壁層、10は入射光、11は出射光である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−204018（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−248125（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−191822（ＪＰ，Ａ) Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅ ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．59 Ｎ ｏ．７ Ｐ．2447〜Ｐ．2450 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．ＱＥ−23 Ｎｏ．12 Ｐ. 2210〜Ｐ．2215
Claims (1)
- 【請求項１】InP基板上に形成されたInGaAsを井戸層、I
nAlAsを障壁層とする多重量子井戸構造を光導波層と
し、前記光導波層に対し垂直に電界を印加する手段を有
する導波型光変調器であって、前記InGaAs/InAlAs多重
量子井戸構造が、InPに対し小さい格子定数をもつ組成
のInGaAsを井戸層とInPに対し大きい格子定数をもつ組
成のInAlAs障壁層から成る歪超格子構造を有することを
特徴とする光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1236546A JP2676942B2 (ja) | 1989-09-11 | 1989-09-11 | 光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1236546A JP2676942B2 (ja) | 1989-09-11 | 1989-09-11 | 光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0398015A JPH0398015A (ja) | 1991-04-23 |
| JP2676942B2 true JP2676942B2 (ja) | 1997-11-17 |
Family
ID=17002265
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1236546A Expired - Lifetime JP2676942B2 (ja) | 1989-09-11 | 1989-09-11 | 光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2676942B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2513265B2 (ja) * | 1988-02-10 | 1996-07-03 | 日本電気株式会社 | 光変調器 |
| JPH01248125A (ja) * | 1988-03-30 | 1989-10-03 | Fujitsu Ltd | 半導体光素子 |
-
1989
- 1989-09-11 JP JP1236546A patent/JP2676942B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．ＱＥ−２３ Ｎｏ．１２ Ｐ．２２１０〜Ｐ．２２１５ |
| Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．５９ Ｎｏ．７ Ｐ．２４４７〜Ｐ．２４５０ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0398015A (ja) | 1991-04-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070725 Year of fee payment: 10 |
|
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