JP2996287B2 - 吸収形半導体光変調器 - Google Patents

吸収形半導体光変調器

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JP2996287B2 JP7328635A JP32863595A JP2996287B2 JP 2996287 B2 JP2996287 B2 JP 2996287B2 JP 7328635 A JP7328635 A JP 7328635A JP 32863595 A JP32863595 A JP 32863595A JP 2996287 B2 JP2996287 B2 JP 2996287B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光変調器、
特に高速で動作する吸収形半導体光変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】図3に従来の吸収形半導体光変調器の一
例を示す。図中、1はp側電極、2はp+ −InGaA
sキャップ層、3はp−InPクラッド層、4はコア
で、ここではノンドープであるi−InGaAlAs
(13nm)/InAlAs(5nm)多重量子井戸
(MQW)を例として示している。5はn−InPクラ
ッド層、6はn−InP基板、7はn側電極を表す。8
はポリイミド層であり、図においてp側電極1のうちポ
リイミド層8の上の部分はボンディングパッドと呼ばれ
ている。9はボンディングワイヤであり、図示しない駆
動信号源から電気信号(電圧)が印加される。
【0003】この従来例の動作原理を説明するために、
図4にMQWコアの光吸収スペクトルを示す。例えば、
信号光の波長を1.55μmとすると、吸収ピークを
1.49μm程度となるように設計する。すると、図に
示すように、光変調器に電圧を印加していない場合に
は、動作波長つまり光信号の波長は、実線Aに示すよう
に、吸収端波長よりも長波長側に離れているため、入射
光はMQWコア4に吸収されることなく出射され、光は
ON状態となる。一方、逆バイアス印加時には、吸収ス
ペクトルは点線Bのように長波長側に移動するため、光
信号はMQWコア4に吸収され、その結果、光はOFF
状態となる。
【0004】さて、この従来例として示した吸収形半導
体光変調器のp側電極1は集中定数動作のための電極で
ある。これを説明するために、駆動信号源を含めた等価
回路を図5に簡略化して示す。SG は駆動信号源、RG
は駆動信号源の特性インピーダンス、RL は終端抵抗、
MQW はMQWコアのキャパシタンスであり、Cp は前
述したp側電極の一部であるボンディングパッドのキャ
パシタンスを表す。この場合の電気3dB帯域Δfは近
似的に
【0005】
【数1】 Δf=1/(π・RL ・CMQW ) (1) と表すことができる。一般に終端抵抗RL は駆動信号源
の特性インピーダンスRG と同じ50Ωである。ここ
で、パッドのキャパシタンスCp は充分小さく、全キャ
パシタンスはMQWコアのキャパシタンスCMQW でほぼ
決定されると仮定した。ちなみにi−MQWコアの厚み
d、幅wおよび長さLをそれぞれ0.2μm、2μm、
および300μmとすると、MQWコア4のキャパシタ
ンスは
【0006】
【数2】 CMQW =ε0 εr wL/d (2) から求められる。ここで、ε0 およびεr はそれぞれ真
空中の誘電率およびMQWコア4の比誘電率である。式
(1)と式(2)から、集中定数形MQW光変調器にお
ける電気3dB帯域Δfは20GHzかそれ以下となる
ことがわかる。この3dB帯域を広げるためには、C
MQW を小さくすれば良いが、i−MQWコア4の長さを
短くすると、光信号の消光比が劣化する。つまり、電圧
印加によるi−MQWコア4の吸収係数の増加をΔα、
導波光のi−MQWコア4への閉じ込め係数をΓとする
と、光信号の消光比Rは次式のように表される。
【0007】
【数3】 R=exp(−Δα・Γ・L) (3) この式からわかるように、長さLが短くなると消光比の
劣化を招くため、消光比の観点からi−MQWコア4の
長さをあまり短くはできないことになる。
【0008】なお、図3の構造図と図5の等価回路から
わかるように、従来例の電極は集中定数形の電極であ
り、電気信号と光は同方向に並走しない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の集
中定数形電極を有する吸収形半導体光変調器において
は、CR定数で制限される電気3dB帯域Δfと消光比
Rには厳しいトレードオフの関係がある。そのため、高
い消光比を保ちつつ、50GHz以上の超高速光変調を
実現することは困難であるという問題があった。
【0010】そこで、本発明の目的は、これらの問題を
解決し、光変調帯域の点で優れた吸収形半導体光変調器
を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による吸収形半導体光変調器は、吸収
端波長が光信号の波長より短い半導体コアと、電圧印加
時に前記半導体コアの前記吸収端波長を長波長側に動か
すことにより、前記光信号を前記半導体コアに吸収させ
るための電圧印加用の電極を具備する吸収形半導体光変
調器において、前記電極が進行波形電極であり、前記電
極に電圧を印加するための駆動信号源の特性インピーダ
ンスと前記光変調器の特性インピーダンスが等しく、前
記半導体コアとその上部の上部クラッド層の間にノンド
ープ半導体層が設けられていることを特徴とする。
【0012】さらに、本発明による吸収形半導体光変調
器は、吸収端波長が光信号の波長より短い半導体コア
と、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波長を長
波長側に動かすことにより、前記光信号を前記半導体コ
アに吸収させるための電圧印加用の電極を具備する吸収
形半導体光変調器において、前記電極が進行波形電極で
あり、前記電極に電圧を印加するための駆動信号源の特
性インピーダンスと前記光変調器の特性インピーダンス
が等しく、前記半導体コアとその下部の下部クラッド層
の間にノンドープ半導体層が設けられていることを特徴
とする。
【0013】さらにまた、本発明による吸収形半導体光
変調器は、吸収端波長が光信号の波長より短い半導体コ
アと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波長を
長波長側に動かすことにより、前記光信号を前記半導体
コアに吸収させるための電圧印加用の電極を具備する吸
収形半導体光変調器において、前記電極が進行波形電極
であり、前記電極に電圧を印加するための駆動信号源の
特性インピーダンスと前記光変調器の特性インピーダン
スが等しく、前記半導体コアとその上部の上部クラッド
層の間および下部の下部クラッド層の間にそれぞれノン
ドープ半導体層が設けられていることを特徴とする。
【0014】さらに、信号光の等価屈折率と電気信号の
等価屈折率を実質的に等しくするとよい。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明においては、電圧を印加し
て半導体コアの吸収端波長を長波長側に動かし、それに
よって光信号を半導体コアに吸収させるための電圧印加
用の電極を進行波形電極としている。より具体的に言え
ば、光信号の入射側に電気信号(電圧)の入力部を設
け、一方、光信号の出射側に電気信号の出力部を設け
る。このような構成によって、電気信号と光信号は並走
する。本発明のこのような構成によって、電気3dB帯
域ΔfはCR定数で制限されるという問題がなくなる。
従って、特に、電気信号と光信号の速度整合をとれば、
光のOFF時に光を吸収する半導体コアの長さを長くす
ることができ、高い消光比を保ちつつ超高速光変調を実
現することができる。
【0016】
【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0017】図1に本発明の一実施例を示す。図におい
て、従来例と同様に、1はp側電極、2はp+ −InG
aAsキャップ層、3はp−InPクラッド層、4はコ
ア層で、本実施例においても、i−InGaAlAs
(13nm)/InAlAs(5nm)多重量子井戸
(MQW)を例にとる。5はn−InPクラッド層、6
はn−InP基板、7はn側電極である。8はポリイミ
ド層、10はi−InP層である。このような構造は、
通常の半導体装置作製技術によって作製できる。
【0018】ここで、本実施例が図3に示した従来例と
最も異なる点はp側電極1が進行波形電極となっている
点である。ポリイミド層8は光信号の入射側に設けら
れ、その上部の電極が電気信号の入力部Iとなり、図示
しない駆動信号源から電気信号(逆バイアス電圧)が入
力される。一方、光信号の出力側の電極には出力部II
が設けられ、この出力部には終端抵抗が接続される。つ
まり、光が入射してMQW光変調器を伝搬する間に、電
気信号も光変調器の全長に亘って光と同方向に伝搬す
る。両者が並走する間に、電気信号によりMQWコアの
吸収端波長は長波長側にシフトされるため、光は吸収さ
れOFF状態となる。
【0019】本実施例では、p側電極1は進行波形電極
となっているが、電気信号源SG の特性インピーダンス
が50Ωであるため、吸収形MQWの特性インピーダン
スも50Ωに等しいか、または近いことが望ましい。従
って、本実施例では、i−InP層10をMQWコア4
とp−InPクラッド層3との間に設けて、p側電極1
を含めたMQW変調器の特性インピーダンスを50Ωと
している。電極1の出力部IIに接続される終端抵抗の
値は50Ωである。
【0020】図2に本実施例の等価回路を示す。SG
駆動信号源、RG は駆動信号源の特性インピーダンス、
L は終端抵抗、ZM は光変調器の特性インピーダンス
である。図5との比較からわかるように、この等価回路
は、従来の集中定数形の光変調器の等価回路とは非常に
異なっている。
【0021】さて、この進行波形の吸収形半導体光変調
器の3dB変調帯域Δfは、簡単のために、進行波形電
極の電気伝搬損失を0、特性インピーダンスZM を50
Ωと仮定すると、
【0022】
【数4】 Δf=1.4c0 /(π(|nm −n0 |)L) (4) と表される。ここで、c0 は光の速度、nm はMQW光
変調器の電気信号の等価屈折率、n0 は信号光の等価屈
折率、LはMQWコアの長さである。従って、Lを30
0μm、nm を3.4、n0 を3.2とすると、Δfは
約2200GHzと、超広帯域光変調を実現できること
になる。
【0023】さらに、電気信号と光信号の速度整合をと
れば、すなわち、nm =n0 とすれば、光の消光比Rを
大きくするためにMQWコア4の長さLを長くしても、
帯域制限要因は電極の電気伝搬損失のみとなる。電気伝
搬損失は電極の厚みを厚くする等により低減できるた
め、やはり光変調器の超広帯域動作を実現できることに
なる。
【0024】なお、本実施例では、下部クラッド層5以
上の積層構造全体がリッジ状をなしMQWコアの側面が
大気に露出している、いわゆるハイメサ構造の光変調器
を示したが、上記積層構造のうち、i−InP層10の
一部、上部クラッド層3、InGaAsキャップ層2お
よびp側電極1のみをリッジ状とした、いわゆるストリ
ップ装荷形としてもよい。
【0025】また、本実施例では、i−InP層10を
MQWコア4と上部クラッド層3との間に設けたが、i
−InP層はMQWコア4と下部クラッド層5との間に
設けてもよい。このようにすることによって、特にノン
ドープのMQWコアおよびInP層の純度が充分高くな
い場合でもMQWコアに空乏層を生じさせるための信号
電圧の増加を避けることができる。もちろんノンドープ
のInP層をMQWコアの上下に設けてもよい。
【0026】本発明では電極が進行波形電極であれば良
いので、p側およびn側電極の構成の形態は問わない
し、基板として半絶縁性基板を用いても良いことは言う
までもない。さらに、コア4はi−InGaAsP/I
nP等、他のMQW組成でも良いし、i−InGaAs
P等の4元バルク組成を用いることも可能である。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極を進行波形電極とすることにより、消光比を劣化さ
せることなく、光変調帯域の点で優れた吸収形半導体光
変調器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による吸収形半導体光変調器の一実施例
の構造を示す図である。
【図2】図1の実施例を動作させる場合の等価回路図で
ある。
【図3】従来の吸収形半導体光変調器の構造を示す図で
ある。
【図4】従来例の動作原理を説明する図である。
【図5】従来例を動作させる場合の等価回路図である。
【符号の説明】
1 p側電極 2 p+ −InGaAsキャップ層 3 p−InPクラッド層 4 i−InGaAlAs/InAlAs多重量子井戸
(MQW)コア 5 n−InPクラッド層 6 n−InP基板 7 n側電極 8 ポリイミド層 9 ボンディングワイヤ 10 i−InP層

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 吸収端波長が光信号の波長より短い半導
    体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波
    長を長波長側に動かすことにより、前記光信号を前記半
    導体コアに吸収させるための電圧印加用の電極を具備す
    る吸収形半導体光変調器において、前記電極が進行波形
    電極であり、前記電極に電圧を印加するための駆動信号
    源の特性インピーダンスと前記光変調器の特性インピー
    ダンスが等しく、前記半導体コアとその上部の上部クラ
    ッド層の間にノンドープ半導体層が設けられていること
    を特徴とする吸収形半導体光変調器。
  2. 【請求項2】 吸収端波長が光信号の波長より短い半導
    体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波
    長を長波長側に動かすことにより、前記光信号を前記半
    導体コアに吸収させるための電圧印加用の電極を具備す
    る吸収形半導体光変調器において、前記電極が進行波形
    電極であり、前記電極に電圧を印加するための駆動信号
    源の特性インピーダンスと前記光変調器の特性インピー
    ダンスが等しく、前記半導体コアとその下部の下部クラ
    ッド層の間にノンドープ半導体層が設けられていること
    を特徴とする吸収形半導体光変調器。
  3. 【請求項3】 吸収端波長が光信号の波長より短い半導
    体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波
    長を長波長側に動かすことにより、前記光信号を前記半
    導体コアに吸収させるための電圧印加用の電極を具備す
    る吸収形半導体光変調器において、前記電極が進行波形
    電極であり、前記電極に電圧を印加するための駆動信号
    源の特性インピーダンスと前記光変調器の特性インピー
    ダンスが等しく、前記半導体コアとその上部の上部クラ
    ッド層の間および下部の下部クラッド層の間にそれぞれ
    ノンドープ半導体層が設けられていることを特徴とする
    吸収形半導体光変調器。
  4. 【請求項4】 信号光の等価屈折率と電気信号の等価屈
    折率が実質的に等しいことを特徴とする請求項1から3
    のいずれかに記載の吸収形半導体光変調器。
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