JP3490510B2 - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置に係わ
り、特に高速大容量の光通信システムで用いられる光変
調器及び光スイッチとして利用できる光半導体装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体レーザの直接変調を利用し
た超高速の光通信システムの開発が盛んである。この種
の光通信システムにおいて、光の伝送距離を制限するの
は変調時の波長の揺らぎ、即ち波長チャープであり、今
までにも歪量子井戸構造をレーザ内部に採用して波長チ
ャープの低減が試みられている。さらに、最近のErド
ープのファイバアンプの出現と共に、伝送距離を延ばす
ため、より低チャープの光源が求められており、半導体
光変調器を使用した長距離大容量の光通信システムの研
究開発が盛んである。
【0003】このようなシステムで、さらなる長距離伝
送を可能にするには、より一層の波長チャープ低減が必
要であり、重要な課題となっている。ところが、吸収の
変化を直接利用する通常の光変調器では電圧印加による
吸収の変化と共に波長チャープをもたらし、長距離の伝
送が困難であった。
【0004】図4は、従来の量子シュタルクシフト型光
変調器であり、11はInP基板、12はInPバッフ
ァ層、16は電極、41はInGaAsP系材料からな
る量子井戸、42はInGaAsPクラッド層、43は
InPクラッド層、44はInGaAsコンタクト層を
示している。
【0005】この構成では、電界を印加することにより
量子井戸41の吸収の大きさが変化する。この吸収の変
化をクラマース・クローニッヒ変換すれば屈折率の変化
が得られるが、実際の動作点である吸収の変化が大きい
ところで屈折率の変化も大きい。即ち、波長が大きくチ
ャープする。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、量子
井戸等における吸収の変化を直接利用する半導体光変調
器では、波長チャープの抑制が十分でなく、長距離伝送
は困難であるという問題点があった。
【0007】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、波長チャープの少ない
新規な光変調器や光スイッチを実現可能とする光半導体
装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次のような構成を採用している。
【0009】即ち本発明は、光変調器や光スイッチとし
て用いる光半導体装置において、半導体基板上に、第
1,第2,第3の半導体層を積層してなり、第2の半導
体層の屈折率を第1及び第3の半導体層の少なくとも一
方の屈折率よりも小さく設定し、かつ少なくとも第1及
び第3の半導体層のうちの屈折率の高い方の層に電界を
印加する手段を設けたことを特徴とする。
【0010】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。
【0011】(1) 第1及び第3の半導体層として、厚さ
が電子のド・ブロイ波長程度以下の半導体量子井戸層
と、該半導体量子井戸層に電子を2次元的に閉じ込める
ための半導体障壁層と、からなる量子井戸構造を用いた
こと。
【0012】(2) 半導体基板としてInPを用い、第1
〜第3の半導体層からなる半導体層領域として Inx Ga1-x Asy 1-y (0≦x≦1,0≦y≦
1)、或いは Inx Aly Ga1-x-y As(0≦x≦1,0≦y≦
1) を用いたこと。
【0013】(3) 第1及び第3の半導体層の屈折率は同
じであり、第2の半導体層の屈折率は第1及び第3の半
導体層の屈折率よりも低いこと。
【0014】(4) 電界を印加する手段として、基板の裏
面及び半導体層領域の表面にそれぞれ設けた電極間に所
定の電圧を印加すること。
【0015】(5) 第1及び第3の半導体層をi型半導体
とすること。
【0016】
【作用】本発明によれば、光を伝搬させる第2の半導体
層の吸収の変化や屈折率の変化を直接利用するのではな
く、第1及び第3の半導体層における吸収の変化や屈折
率の変化を利用して光の変調,スイッチングを行うこと
ができるので、波長チャープの低減をはかることが可能
となる。この原理を、以下に説明する。
【0017】電界を印加しない状態では、端面より第2
の半導体層に入射した光は導波されない。何故ならば、
第2の半導体層の屈折率はその両側にある第1及び第3
の半導体層の屈折率より小さく、いわゆるアンチガイド
構造であるため、放射モードとなってしまうからであ
る。ところが、電界を印加した場合には状況が異なる。
即ち、電界印加と共に第1及び第3の半導体層で僅かで
あるが光は吸収を受けるようになる。このような場合に
は放射モードの割合が減少し、長い距離に渡って光が疑
似的に導波される(導波モード)ことが知られている
(電子情報通信学会春季大会予稿集,C-264 1994年)。
【0018】なお、上記の電界印加による放射モードか
ら導波モードへの切り替えは、第2の半導体層の屈折率
が第1及び第3の半導体層の屈折率よりも低い場合に最
も顕著となるが、第2の半導体層の屈折率が第1及び第
3の半導体層の一方の屈折率よりも低ければ同様に切り
替えを行うことが可能である。
【0019】
【0020】
【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。
【0021】(実施例1)図1は、本発明の第1の実施
例に係わる光半導体装置の素子構造断面と屈折率分布を
示す図である。
【0022】図中11はInP基板であり、この基板1
1上に厚さ1μmのInPバッファ層12を形成した
後、厚さ0.5μmのInGaAs光吸収層13a(吸
収端波長1.65μm)、厚さ1μmのInGaAsP
クラッド層(第1の半導体層)14a、厚さ100nm
のInGaAsP光アンチガイド層(第2の半導体層)
15、厚さ1μmのInGaAsPクラッド層(第3の
半導体層)14b、厚さ0.5μmのInGaAs光吸
収層13b、を有機金属気相成長(MOCVD)法によ
り形成した。そして、クラッド層14及び光アンチガイ
ド層15からなる幅1μmのリッジを形成した後、基板
裏面に電極16aを形成し、光吸収層13b上に電極1
6bを形成した。
【0023】なお、光吸収層13、クラッド層14及び
光アンチガイド層15の組成は適宜変更可能であるが、
一例として次のようにすればよい。
【0024】光吸収層13‥‥In0.53Ga0.47As クラッド層14‥In0.65Ga0.35As0.760.24 ガイド層15‥‥In0.72Ga0.28As0.6 0.4 また、これらの層のうち特にクラッド層14は電界を効
率良く印加するためにi型であるのが望ましい。
【0025】このような構成において、端面より波長
1.55μmの光を入射し、透過光の電界依存性を調べ
たところ、無電界下では殆ど透過光はなく、損失にして
40dB以上であった。しかし、電極16a,16b間
に電圧を印加して電界を与えると、透過光強度は強ま
り、5Vの電圧で損失は3dBであった。
【0026】これは、電界のかかっていないときには、
図1(a)に示すように放射モードとなり光は伝搬され
なかったが、電界下ではフランツ・ケルディッシュ効果
によりクラッド層14での僅かな光吸収を生じ、そのた
め図1(b)に示すように光が導波されるようになった
ためと解される。
【0027】実際に毎秒10Gビットで変調をかけ伝送
実験を行ったところ、300kmの長距離の伝送後も波
形の劣化は生じておらず、波長のチャープが殆どないこ
とが確認された。これは、原理的に吸収の変化を直接利
用していないためと考えられる。クラッド層14での屈
折率の変化が波長チャープに起因するとも考えられる
が、実際上問題のないレベルであった。
【0028】 このように本実施例によれば、光を伝搬
させる光アンチガイド層15の屈折率を、これを挟むク
ラッド層14の屈折率よりも小さく設定し、無電界時は
放射モードとし、電界印加時は伝搬モードとしている。
つまり、光アンチガイド層15の吸収の変化や屈折率の
変化を直接利用するのではなく、これを挟むクラッド層
14における吸収の変化を利用して光の変調,スイッチ
ングを行うことができる。このため、波長チャープの少
ない新規な光変調器や光スイッチを実現することができ
る。
【0029】(実施例2)図2は、本発明の第2の実施
例に係わる光半導体装置の素子構造を示す断面図であ
る。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。
【0030】この実施例が先に説明した第1の実施例と
異なる点は、第1及び第3の半導体層が量子井戸構造に
より形成されていることである。即ち、基本構造は第1
の実施例とほぼ同様であるが、本実施例ではクラッド層
14(14a,14b)を、厚さが電子のド・ブロイ波
長程度以下の半導体量子井戸層と、該半導体量子井戸層
に電子を2次元的に閉じ込めるための半導体障壁層と、
からなる量子井戸構造とした。
【0031】具体的には、歪みInGaAs井戸層21
(厚さ6nm)とInGaAsP障壁層22(厚さ10
nm)からなる量子井戸となるように、クラッド層14
をそれぞれ成長した。井戸層21の数はそれぞれ5層と
した。さらに、両側には第1の実施例と同様にInGa
As吸収層13(13a,13b)を0.5μm形成し
た。
【0032】この場合も無電界下では損失40dB以上
であったが、電圧印加と共に透過光強度は強まり2Vの
電圧で損失は3dB以内に収まった。これは、電圧印加
と共に量子閉じ込めシュタルク効果により量子井戸クラ
ッド層14で若干の吸収を生じたため、放射モードが抑
制されたものと解される。
【0033】伝送実験においても、毎秒10Gビットで
300kmの距離まで良好な信号伝送が可能であった。
【0034】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、第1及び第3の半導体
層の屈折率を同じとし、第2の半導体層の屈折率をこれ
よりも低くしたが、これに限らず適宜変更可能である。
例えば、図3(a)に示すように、第1及び第3の半導
体層の屈折率が異なり、第2の半導体層の屈折率を第1
及び第3の半導体層の屈折率の低い方と同じにしてもよ
い。さらに、第2の半導体層の屈折率を第1及び第3の
半導体層の一方よりも低く他方よりも高くしてもよい。
要は、第2の半導体層の屈折率が第1及び第3の半導体
層のうちの少なくとも一方の屈折率より低いものであれ
ばよい。
【0035】実施例では半導体材料としてInP系の材
料を用いているが、これは作成が容易なためと光通信で
良く用いられている波長帯に合致した材料であるためで
あり、これに限らず他の材料でもよい。例えば、GaA
s系の材料でもよい。また、同一基板上に光源のレーザ
を集積化することも可能である。さらに、本実施例では
上下のクラッド層を対称にしたが非対象な構造でもよ
い。さらに、アンチガイド層としてバルクの半導体を用
いたが、量子井戸層にしてもよい。その他、本発明の要
旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することがで
きる。
【0036】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、第
1〜第3の半導体層を積層すると共に、これらに電界を
印加する手段を設けるのみで、従来得られなかった高速
応答可能で波長チャープの少ない光変調器や光スイッチ
を簡便な構成で実現できる。その結果、長距離大容量の
光通信システムで用いる光半導体素子を低コストで得ら
れるのみならず、その信頼性は高く、本発明の有用性は
絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例に係わる光半導体装置の素子構造
断面と屈折率分布を示す図。
【図2】第2の実施例に係わる光半導体装置の素子構造
断面を示す図。
【図3】変形例における屈折率分布を示す図。
【図4】従来の量子シュタルクシフト型光変調器を示す
素子構造断面図。
【符号の説明】
11…InP基板 12…InPバッファ層 13(13a,13b )…InGaAs光吸収層 14a…InGaAsPクラッド層(第1の半導体層) 14b…InGaAsPクラッド層(第3の半導体層) 15…InGaAsP光アンチガイド層(第2の半導体
層) 16(16a,16b )…電極 21…歪みInGaAs井戸層 22…InGaAsP障壁層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−197916(JP,A) 特開 昭63−100422(JP,A) 谷口昌弘、井筒雅之,微小半導体中空 光導波路,1994年電子情報通信学会春季 大会講演論文集,1994年 3月26日, 4.通信・エレクトロニクス C−264, 第4−261頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/00 - 1/125 G02F 1/29 - 7/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板と、この基板上に第1,第2,
    第3の半導体層を順次積層して構成され、第2の半導体
    層の屈折率が第1及び第3の半導体層の少なくとも一方
    の屈折率よりも小さく設定された半導体層領域と、少な
    くとも第1及び第3の半導体層のうちの屈折率の高い方
    の層に電界を印加する手段とを具備してなり、 前記手段により電界を印加される第1又は第3の半導体
    層は、電界印加により光吸収が生じるように設定されて
    いる ことを特徴とする光半導体装置。
  2. 【請求項2】第1及び第3の半導体層として、厚さが電
    子のド・ブロイ波長程度以下の半導体量子井戸層と、該
    半導体量子井戸層に電子を2次元的に閉じ込めるための
    半導体障壁層と、からなる量子井戸構造を用いたことを
    特徴とする請求項1記載の光半導体装置。
  3. 【請求項3】前記半導体基板としてInPを用い、前記
    半導体層領域として Inx Ga1-x Asy 1-y (0≦x≦1,0≦y≦
    1)、或いは Inx Aly Ga1-x-y As(0≦x≦1,0≦y≦
    1)を用いたことを特徴とする請求項1又は2記載の光
    半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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谷口昌弘、井筒雅之,微小半導体中空光導波路,1994年電子情報通信学会春季大会講演論文集,1994年 3月26日,4.通信・エレクトロニクス C−264,第4−261頁

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