JP3844664B2 - 吸収型半導体量子井戸光変調器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光変調器に関し、特に、高出力及び高速動作を可能とする吸収型半導体量子井戸光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、従来の吸収型半導体量子井戸光変調器の一例を示す。
従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａは、ｎ−ＩｎＰ基板１と、その上面に積層した半導体積層体２と、この半導体積層体２の積層方向に電圧を印加できるように、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面と半導体積層体２の上面に積層された一対の電極３とから構成されている。
【０００３】
この半導体積層体２は、ｎ−ＩｎＰ基板１の上面に順次積層された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層２２、多重量子井戸コア層２３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２４、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層２６からなる。この半導体積層体２の存在しないｎ−ＩｎＰ基板１の上面には、ＦｅドープＩｎＰ層４が形成され、半導体積層体２を埋め込んでいる。
【０００４】
多重量子井戸コア層２３は、図６中下部に拡大図示するように、ノンドープであるｉ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体井戸層２７ａ（層厚１０ｎｍ）とＩｎＧａＡｓＰ半導体障壁層２８ａ（層厚５ｎｍ）とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層で構成されている。この半導体井戸層２７ａは、結晶成長の制御精度範囲内において、すべて同一の層厚及び結晶組成を有している。同様に、半導体障壁層２８ａも、結晶成長の制御精度内において、すべて同一の層厚及び結晶組成を有している。
【０００５】
電極３は、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面にｎ型電極３Ａを、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層２６の上面にｐ型電極３Ｂを形成している。このｐ型電極３Ｂの上面に設置したボンディングワイヤ５を介して、図示しない駆動電源から、半導体積層体２の積層方向（図６における上下方向）への電圧の印加を可能としている。
この吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａは、ｎ−I ｎＰ基板１の上面に積層した半導体積層体２のうち、多重量子井戸コア層２３の側面から光信号を入射し、多重量子井戸コア層２３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ことができる。
【０００６】
上記構成の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａの動作原理を、図７を用いて説明する。この時、光信号の波長（動作波長）を１．５５μｍとした場合、多重量子井戸コア層２３を構成する半導体井戸層２７ａの井戸幅や結晶組成を調節して吸収ピークを１．４８μｍ程度となるように設計しておく。ここで、この光変調器１００ａに電圧を印加していない場合、動作波長は、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おり、入射光は半導体井戸層２７ａ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１００ａ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、光信号は半導体井戸層２７ａに吸収され、光はＯＦＦ状態となる。
【０００７】
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ものである。ここで、光変調器１００ａ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。
【０００８】
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ものである。チャープパラメータは、光変調器１００ａ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の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。
【０００９】
つまり、光変調器の１００ａ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 を小さくする必要がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
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αlossとの関係には、強い負の相関がある。つまり、消光量αloss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αlossが大きくなり、光変調器１００ａ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、それぞれ半導体井戸層２７ａや半導体障壁層２８ａの層厚、結晶組成、及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。
【００１１】
そのため、図６に示すような従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａ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った。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、印加電圧０Ｖでの消光量及び消光比と、チャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ0 との間の制限をなくすことで、高出力及び出射光の劣化防止を共に実現させることを可能とした吸収型半導体量子井戸光変調器を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、チャープパラメータが０又は負の値で、かつ、消光比が１０ｄＢ以上の光信号を出力するための光変調器であって、複数の半導体井戸層及び半導体障壁層を交互に積層した多重量子井戸コア層をその積層方向からｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んでなる半導体積層体を、基板の上面に設けた吸収型半導体量子井戸光変調器において、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚よりも薄く、且つ、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層から、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層に向かって、層厚が順次薄くなるようにしたものとしている。
【００１３】
請求項１に記載の発明において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚よりも薄くなるように、それら層厚を積極的に異ならせたことによって、それぞれの半導体井戸層における光吸収スペクトルの形状を変化させることが可能となる。このため、多重量井戸コア層構造全体、すなわち、光変調器の光吸収スペクトルも従来の均一井戸幅構造の光吸収スペクトルとは異なるものとなる。
【００１４】
ここで、チャープパラメータは、光吸収係数スペクトルの形状とクラマース・クローニッヒの関係で結ばれており、光吸収スペクトルの形状変化に応じてチャープパラメータの電圧依存性も自由に変えることが可能となる。
この結果、印加電圧０Ｖでの消光量及び消光比と、チャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ0 との間に制限がなくなるため、印加電圧０Ｖでの消光量やチャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ0 をともに小さくするとともに、消光比を大きくすることが可能となる。よって、チャープパラメータが０又は負の値で、かつ、消光比が１０ｄＢ以上の光信号を出力することができるようになるため、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させた光変調器を提供することが可能となる。
【００１５】
また、請求項１に記載の発明において、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、層厚を順次薄くなるようにしたことによって、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、それぞれの半導体井戸層における光吸収スペクトルの形状を少しずつ変化させることが可能となる。よって、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させるために有効である。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚が、ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚よりも２ｎｍ以上薄いものとしている。請求項２に記載の発明において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚よりも２ｎｍ以上薄くなるように、それら層厚を積極的に異ならせたことによって、多重量子井戸作成時の層厚制御精度により、半導体井戸層の層厚がそれぞれ変動した場合でも、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層よりも薄くなるようにするために有効である。ここで、多重量子井戸作成時の一般的な層厚制御精度は約±１ｎｍである。
【００１７】
請求項３に係る発明は、チャープパラメータが０又は負の値で、かつ、消光比が１０ｄＢ以上の光信号を出力するための光変調器であって、複数の半導体井戸層及び半導体障壁層を交互に積層した多重量子井戸コア層をその積層方向からｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んでなる半導体積層体を、基板の上面に設けた吸収型半導体量子井戸光変調器において、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドキャップ波長又は発光のピーク波長が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも短波長であり、且つ、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層から、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層に向かって、バンドギャップ波長又は発光のピーク波長が順次短波長となるようにしたものとしている。
【００１８】
請求項３に記載の発明において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも短波長となるように、それら波長を積極的に異ならせたことによって、それぞれの半導体井戸層における光吸収スペクトルの形状を変化させることが可能となる。このため、多重量井戸コア層構造全体、すなわち、光変調器の光吸収スペクトルも従来の均一井戸幅構造の光吸収スペクトルとは異なるものとなる。よって、請求項１の効果と同様に、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させた光変調器を提供することが可能となる。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明において、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、バンドギャップ波長又は発光のピーク波長を順次短波長となるようにしたことによって、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、半導体井戸層の光吸収スペクトルを少しずつ変化させることが可能となる。よって、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させるために有効である。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器において、ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも２０ｎｍ以上短波長であるものとしている。
請求項４に記載の発明において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも２０ｎｍ以上短波長となるように、それら波長を積極的に異ならせたことによって、多重量子井戸作成時のバンドギャップ波長及び発光ピークの波長の制御精度により、半導体井戸層それぞれの波長が変動した場合でも、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層を、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層よりも短波長とするために有効である。ここで、多重量子井戸作成時の一般的なバンドギャップ波長及び発光のピーク波長の制御精度は約±１０ｎｍである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図６に示した従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａと同じ構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
まず、第１の実施形態を図１に示す。図１は、本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器の第１実施例の構造を示す図である。
【００２３】
第１の実施形態における吸収型半導体量子井戸光変調器１００は、従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａと同様に、ｎ−ＩｎＰ基板１と、その上面に積層した半導体積層体２と、この半導体積層体２の積層方向（図１における上下方向）に電圧を印加するように、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面と半導体積層体２の上面に積層された一対の電極３とから構成されている。この半導体積層体２の存在しないｎ−ＩｎＰ基板１の上面には、ＦｅドープＩｎＰ層４が形成され、半導体積層体２を埋め込んでいる。
【００２４】
この半導体積層体２は、ｎ−ＩｎＰ基板１の上面に順次積層された、ｎ型クラッド層であるｎ−ＩｎＰクラッド層２１、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２２、多重量子井戸コア層２３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２４、ｐ型クラッド層であるｐ−ＩｎＰクラッド層２５、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層２６からなる。
【００２５】
ここで、多重量子井戸コア層２３は、図１中下部に拡大図示するように、ノンドープであるｉ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体井戸層２７とＩｎＧａＡｓＰ半導体障壁層２８とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層で構成されている。その半導体井戸層２７の層厚は、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５にもっとも近接する層２７p から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１にもっとも近接する層２７n に向かって順に、１０ｎｍ、９ｎｍ、８ｎｍ、７ｎｍ、６ｎｍ、５ｎｍと薄くしており、半導体障壁層２８の層厚は、いずれも５ｎｍと設定している。ここで、各半導体井戸層２７の結晶組成及び各半導体障壁層２８の結晶組成はいずれも同じものとしている。
【００２６】
上記構成の吸収型半導体量子井戸光変調器１００を、従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａと同様に動作させた時の結果を図２から図４に示す。図２は、図１の光変調器を動作させた時の消光量の電圧依存性を表す図である。図３は、図１の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図である。図４は、図１の光変調器を動作させた時の印加電圧０Ｖでの消光量及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図である。
【００２７】
ここで、図２から図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の半導体井戸層２８ｐの光吸収ピークを１．４８ｎｍに設定して動作を行っている。また、図２及び図３における実線Ａと図４における四角は、本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器１００の結果を示し、図２及び図３における破線Ｂと図４における円は、その比較のため、従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａの結果を重ねて示した。
【００２８】
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−２Ｖ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わかる。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。その結果、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。つまり、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ＸA が、破線Ｂにおける電圧領域ＸB よりも大幅に狭めていることが分かる。
【００２９】
図４に示すように、本発明の実施例における消光量が、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、本発明の実施例において、チャープパラメータが０となる時の印加電圧Ｖ0 も、従来構造よりも低減させていることが分かる。
以上の結果より、本発明における吸収型半導体量子井戸光変調器１００を構成する半導体井戸層２７の層厚を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５からｎ−ＩｎＰクラッド層２１に向かって順次薄くしたことによって、半導体井戸層２７が薄くなるにつれて、その吸収ピーク波長が、層厚１０ｎｍの層２７p で設定した１．４８μｍより短波長側に移動するようになる。これは、光吸収スペクトルの波長シフト量が、半導体井戸層２７にかかる電界のほぼ２乗に比例し、層厚の薄い半導体井戸層２７の光吸収が印加電圧とともに非線形状に増加するためである。
【００３０】
このため、印加電圧０Ｖでは、薄い半導体井戸層２７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とともに消光比を大きくすることが可能となる。よって、高出力及びＯＮ／ＯＦＦ比を実現した光変調器１００を提供することが可能となる。
また、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。
【００３１】
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、高出力及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、第１の実施形態における半導体井戸層２７の層厚を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p からｎーＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、順次薄くするようにしたが、少なくともｎ−ＩｎＰ型クラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n の層厚がｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p よりも薄くするのであれば、これに限らない。
【００３２】
例えば、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n の層厚のみを他の半導体井戸層２７よりも薄くするようにしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、１０ｎｍ、１０ｎｍ、１０ｎｍ、１０ｎｍ、１０ｎｍ、５ｎｍの層厚としてもよい。
【００３３】
また、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって順次薄くするのではなく、途中厚い半導体井戸層２７を有するようにしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、１０ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、９ｎｍ、８ｎｍ、５ｎｍの層厚としてもよい。
【００３４】
さらに、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n が、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P よりも薄い層厚を有するのであれば、その間の半導体井戸層２７の層厚がｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P の層厚よりも厚くしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、１０ｎｍ、１１ｎｍ、１２ｎｍ、１３ｎｍ、１４ｎｍ、５ｎｍの層厚としてもよい。
【００３５】
次に、第２の実施形態における吸収型半導体量子井戸光変調器について、図５に示す。
第２の実施の形態における吸収型半導体量子井戸光変調器１００Ａは、第１の実施形態と同様に、ｎ−ＩｎＰ基板１と、その上面に積層した半導体積層体２と、この半導体積層体２の積層方向に電圧を印加するように、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面と半導体積層体２の上面に積層された一対の電極３とから構成されている。この半導体積層体２の存在しないｎ−ＩｎＰ基板１の上面には、ＦｅドープＩｎＰ層４が形成され、半導体積層体２を埋め込んでいる。
【００３６】
ここで、多重量子井戸コア層２３は、図５中下部に拡大図示するように、ノンドープであるｉ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体井戸層２７ＡとＩｎＧａＡｓＰ半導体障壁層２８Ａとを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層で構成されている。半導体井戸層２７Ａの層厚は１０ｎｍ、半導体障壁層２８Ａの層厚は５ｎｍとしている。また、半導体井戸層２７Ａのバンドギャップ波長を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する層２７Ａp からｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する層２７Ａn に向かって順に、１４８０ｎｍ、１４７０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１４５０ｎｍ、１４４０ｎｍ、１４３０ｎｍと短波長としている。
【００３７】
上記構成の吸収型半導体量子井戸光変調器１００Ａを動作させた結果、実施例１における図２から図４に示すものと同様の効果が得られた。
ここで、第２の実施形態において、それぞれの半導体井戸層のバンドギャップ波長を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p からｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、順次短波長となるようにしたが、少なくともｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n のバンドギャップが、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p よりも短波長となるようにするのであれば、これに限らない。
【００３８】
例えば、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長のみを他の半導体井戸層２７Ａよりも短波長となるようにしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７Ａp から、ｎ型クラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn に向かって、１４８０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４３０ｎｍの波長としてもよい。
【００３９】
また、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn に向かって順次短波長とするのではなく、途中長波長の半導体井戸層２７Ａを有するようにしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn に向かって、１４８０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１４７０ｎｍ、１４７０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１４３０ｎｍの波長としてもよい。
【００４０】
さらに、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn が、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP よりも短波長とするのであれば、その間の半導体井戸層２７Ａの波長がｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP の波長よりも長波長となっていても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn に向かって、１４８０ｎｍ、１４９０ｎｍ、１５００ｎｍ、１５１０ｎｍ、１５２０ｎｍ、１４３０ｎｍの波長としてもよい。
【００４１】
第１及び第２の実施の形態において、各半導体井戸層２７にかかる電圧は均一であるとしたが、これに限らず、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２４の層厚を薄くし、上部のｐ−ＩｎＰクラッド層２５から多重量子井戸コア層２３への不純物拡散を誘発することによって、多重量子井戸コア層２３内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。
【００４２】
また、ｎ−ＩｎＰ基板１上面にｎ−ＩｎＰクラッド層２１を積層し、その上部に多重量子井戸コア層２３を挟んでｐ−ＩｎＰクラッド層２５を積層したが、これに限らず、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１とｐ−ＩｎＰクラッド層２５とを逆にして、基板の上面にｐ−ＩｎＰクラッド層２５を積層するようにしてもよい。このとき、基板はｐ−ＩｎＰ基板とするとともに、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p よりも層厚を薄くしたり、バンドギャップ波長や発光のピーク波長を短波長とするようにする。
【００４３】
さらに、多重量子コア井戸層２３やＳＣＨ層２２、２４として、ＩｎＧａＡｓＰ層で構成したが、これに限らず、例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂ等いずれの半導体層で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、これに限らず、いずれの基板を用いても構わない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、少なくともｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚がｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚よりも薄くなるように、それら層厚を積極的に異ならせたことによって、半導体井戸層のそれぞれ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るため、多重量子井戸コア層全体の光吸収スペクトルを変えることが可能となる。したがって、印加電圧０Ｖでの消光量を小さくし、且つ、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又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、光信号の高出力及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。
【００４５】
また、請求項１に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、層厚を順次薄くなるようにしたことによって、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、半導体井戸層の光吸収スペクトルを少しずつ変化させることが可能となる。よって、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させるために有効である。
さらに、請求項２に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、多重量子井戸作成時の層厚制御精度により、半導体井戸層のそれぞれ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接する半導体井戸層の層厚を、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層よりも薄くするために有効である。
【００４６】
また、請求項３に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも短波長となるように、それら波長を積極的に異ならせたことによって、半導体井戸層それぞれの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。したがって、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又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、光信号の高出力及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。
【００４７】
また、請求項３に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、バンドギャップ波長又は発光のピーク波長を順次短波長となるようにしたことによって、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、半導体井戸層の光吸収スペクトルを少しずつ変化させることが可能となる。よって、光信号の高出力及び出射光の劣化防止をともに実現するために有効である。
【００４８】
さらに、請求項４に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、多重量子井戸作成時のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長の制御精度により、半導体井戸層のそれぞれの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接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光ピークの波長を、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層よりも短波長とするために有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器の第１実施例の構造を示す図である。
【図２】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器を動作させた時の消光量の電圧依存性を表す図である。
【図３】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸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図である。
【図４】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器を動作させた時の印加電圧０Ｖでの消光量及びチャープパラメータが０の時の印加電圧の関係を表す図である。
【図５】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器の第２実施例の構造を示す図である。
【図６】 従来の吸収型半導体量子井戸光変調器の構造の一例を示す図である。
【図７】 従来の吸収型半導体量子井戸光変調器の動作原理を説明する図である。
【図８】 従来の吸収型半導体量子井戸光変調器を動作させた時の消光量の電圧依存性を表す図である。
【図９】 従来の吸収型半導体量子井戸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図である。
【図１０】 従来の吸収型半導体量子井戸光変調器を動作させた時の印加電圧０Ｖでの消光量及びチャープパラメータが０の時の印加電圧の関係を表わす図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光変調器に関し、特に、高出力及び高速動作を可能とする吸収型半導体量子井戸光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、従来の吸収型半導体量子井戸光変調器の一例を示す。
従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａは、ｎ−ＩｎＰ基板１と、その上面に積層した半導体積層体２と、この半導体積層体２の積層方向に電圧を印加できるように、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面と半導体積層体２の上面に積層された一対の電極３とから構成されている。
【０００３】
この半導体積層体２は、ｎ−ＩｎＰ基板１の上面に順次積層された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層２２、多重量子井戸コア層２３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２４、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層２６からなる。この半導体積層体２の存在しないｎ−ＩｎＰ基板１の上面には、ＦｅドープＩｎＰ層４が形成され、半導体積層体２を埋め込んでいる。
【０００４】
多重量子井戸コア層２３は、図６中下部に拡大図示するように、ノンドープであるｉ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体井戸層２７ａ（層厚１０ｎｍ）とＩｎＧａＡｓＰ半導体障壁層２８ａ（層厚５ｎｍ）とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層で構成されている。この半導体井戸層２７ａは、結晶成長の制御精度範囲内において、すべて同一の層厚及び結晶組成を有している。同様に、半導体障壁層２８ａも、結晶成長の制御精度内において、すべて同一の層厚及び結晶組成を有している。
【０００５】
電極３は、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面にｎ型電極３Ａを、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層２６の上面にｐ型電極３Ｂを形成している。このｐ型電極３Ｂの上面に設置したボンディングワイヤ５を介して、図示しない駆動電源から、半導体積層体２の積層方向（図６における上下方向）への電圧の印加を可能としている。
この吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａは、ｎ−I ｎＰ基板１の上面に積層した半導体積層体２のうち、多重量子井戸コア層２３の側面から光信号を入射し、多重量子井戸コア層２３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ことができる。
【０００６】
上記構成の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａの動作原理を、図７を用いて説明する。この時、光信号の波長（動作波長）を１．５５μｍとした場合、多重量子井戸コア層２３を構成する半導体井戸層２７ａの井戸幅や結晶組成を調節して吸収ピークを１．４８μｍ程度となるように設計しておく。ここで、この光変調器１００ａに電圧を印加していない場合、動作波長は、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おり、入射光は半導体井戸層２７ａ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１００ａ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、光信号は半導体井戸層２７ａに吸収され、光はＯＦＦ状態となる。
【０００７】
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ものである。ここで、光変調器１００ａ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。
【０００８】
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ものである。チャープパラメータは、光変調器１００ａ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の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。
【０００９】
つまり、光変調器の１００ａ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 を小さくする必要がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
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αlossとの関係には、強い負の相関がある。つまり、消光量αloss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αlossが大きくなり、光変調器１００ａ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、それぞれ半導体井戸層２７ａや半導体障壁層２８ａの層厚、結晶組成、及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。
【００１１】
そのため、図６に示すような従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａ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った。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、印加電圧０Ｖでの消光量及び消光比と、チャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ0 との間の制限をなくすことで、高出力及び出射光の劣化防止を共に実現させることを可能とした吸収型半導体量子井戸光変調器を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、チャープパラメータが０又は負の値で、かつ、消光比が１０ｄＢ以上の光信号を出力するための光変調器であって、複数の半導体井戸層及び半導体障壁層を交互に積層した多重量子井戸コア層をその積層方向からｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んでなる半導体積層体を、基板の上面に設けた吸収型半導体量子井戸光変調器において、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚よりも薄く、且つ、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層から、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層に向かって、層厚が順次薄くなるようにしたものとしている。
【００１３】
請求項１に記載の発明において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚よりも薄くなるように、それら層厚を積極的に異ならせたことによって、それぞれの半導体井戸層における光吸収スペクトルの形状を変化させることが可能となる。このため、多重量井戸コア層構造全体、すなわち、光変調器の光吸収スペクトルも従来の均一井戸幅構造の光吸収スペクトルとは異なるものとなる。
【００１４】
ここで、チャープパラメータは、光吸収係数スペクトルの形状とクラマース・クローニッヒの関係で結ばれており、光吸収スペクトルの形状変化に応じてチャープパラメータの電圧依存性も自由に変えることが可能となる。
この結果、印加電圧０Ｖでの消光量及び消光比と、チャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ0 との間に制限がなくなるため、印加電圧０Ｖでの消光量やチャープパラメータが０の時の印加電圧Ｖ0 をともに小さくするとともに、消光比を大きくすることが可能となる。よって、チャープパラメータが０又は負の値で、かつ、消光比が１０ｄＢ以上の光信号を出力することができるようになるため、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させた光変調器を提供することが可能となる。
【００１５】
また、請求項１に記載の発明において、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、層厚を順次薄くなるようにしたことによって、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、それぞれの半導体井戸層における光吸収スペクトルの形状を少しずつ変化させることが可能となる。よって、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させるために有効である。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚が、ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚よりも２ｎｍ以上薄いものとしている。請求項２に記載の発明において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚よりも２ｎｍ以上薄くなるように、それら層厚を積極的に異ならせたことによって、多重量子井戸作成時の層厚制御精度により、半導体井戸層の層厚がそれぞれ変動した場合でも、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層よりも薄くなるようにするために有効である。ここで、多重量子井戸作成時の一般的な層厚制御精度は約±１ｎｍである。
【００１７】
請求項３に係る発明は、チャープパラメータが０又は負の値で、かつ、消光比が１０ｄＢ以上の光信号を出力するための光変調器であって、複数の半導体井戸層及び半導体障壁層を交互に積層した多重量子井戸コア層をその積層方向からｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んでなる半導体積層体を、基板の上面に設けた吸収型半導体量子井戸光変調器において、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドキャップ波長又は発光のピーク波長が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも短波長であり、且つ、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層から、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層に向かって、バンドギャップ波長又は発光のピーク波長が順次短波長となるようにしたものとしている。
【００１８】
請求項３に記載の発明において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも短波長となるように、それら波長を積極的に異ならせたことによって、それぞれの半導体井戸層における光吸収スペクトルの形状を変化させることが可能となる。このため、多重量井戸コア層構造全体、すなわち、光変調器の光吸収スペクトルも従来の均一井戸幅構造の光吸収スペクトルとは異なるものとなる。よって、請求項１の効果と同様に、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させた光変調器を提供することが可能となる。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明において、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、バンドギャップ波長又は発光のピーク波長を順次短波長となるようにしたことによって、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、半導体井戸層の光吸収スペクトルを少しずつ変化させることが可能となる。よって、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させるために有効である。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器において、ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも２０ｎｍ以上短波長であるものとしている。
請求項４に記載の発明において、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも２０ｎｍ以上短波長となるように、それら波長を積極的に異ならせたことによって、多重量子井戸作成時のバンドギャップ波長及び発光ピークの波長の制御精度により、半導体井戸層それぞれの波長が変動した場合でも、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層を、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層よりも短波長とするために有効である。ここで、多重量子井戸作成時の一般的なバンドギャップ波長及び発光のピーク波長の制御精度は約±１０ｎｍである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図６に示した従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａと同じ構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
まず、第１の実施形態を図１に示す。図１は、本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器の第１実施例の構造を示す図である。
【００２３】
第１の実施形態における吸収型半導体量子井戸光変調器１００は、従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａと同様に、ｎ−ＩｎＰ基板１と、その上面に積層した半導体積層体２と、この半導体積層体２の積層方向（図１における上下方向）に電圧を印加するように、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面と半導体積層体２の上面に積層された一対の電極３とから構成されている。この半導体積層体２の存在しないｎ−ＩｎＰ基板１の上面には、ＦｅドープＩｎＰ層４が形成され、半導体積層体２を埋め込んでいる。
【００２４】
この半導体積層体２は、ｎ−ＩｎＰ基板１の上面に順次積層された、ｎ型クラッド層であるｎ−ＩｎＰクラッド層２１、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２２、多重量子井戸コア層２３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２４、ｐ型クラッド層であるｐ−ＩｎＰクラッド層２５、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層２６からなる。
【００２５】
ここで、多重量子井戸コア層２３は、図１中下部に拡大図示するように、ノンドープであるｉ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体井戸層２７とＩｎＧａＡｓＰ半導体障壁層２８とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層で構成されている。その半導体井戸層２７の層厚は、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５にもっとも近接する層２７p から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１にもっとも近接する層２７n に向かって順に、１０ｎｍ、９ｎｍ、８ｎｍ、７ｎｍ、６ｎｍ、５ｎｍと薄くしており、半導体障壁層２８の層厚は、いずれも５ｎｍと設定している。ここで、各半導体井戸層２７の結晶組成及び各半導体障壁層２８の結晶組成はいずれも同じものとしている。
【００２６】
上記構成の吸収型半導体量子井戸光変調器１００を、従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａと同様に動作させた時の結果を図２から図４に示す。図２は、図１の光変調器を動作させた時の消光量の電圧依存性を表す図である。図３は、図１の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図である。図４は、図１の光変調器を動作させた時の印加電圧０Ｖでの消光量及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図である。
【００２７】
ここで、図２から図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の半導体井戸層２８ｐの光吸収ピークを１．４８ｎｍに設定して動作を行っている。また、図２及び図３における実線Ａと図４における四角は、本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器１００の結果を示し、図２及び図３における破線Ｂと図４における円は、その比較のため、従来の吸収型半導体量子井戸光変調器１００ａの結果を重ねて示した。
【００２８】
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−２Ｖ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わかる。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。その結果、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。つまり、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ＸA が、破線Ｂにおける電圧領域ＸB よりも大幅に狭めていることが分かる。
【００２９】
図４に示すように、本発明の実施例における消光量が、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、本発明の実施例において、チャープパラメータが０となる時の印加電圧Ｖ0 も、従来構造よりも低減させていることが分かる。
以上の結果より、本発明における吸収型半導体量子井戸光変調器１００を構成する半導体井戸層２７の層厚を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５からｎ−ＩｎＰクラッド層２１に向かって順次薄くしたことによって、半導体井戸層２７が薄くなるにつれて、その吸収ピーク波長が、層厚１０ｎｍの層２７p で設定した１．４８μｍより短波長側に移動するようになる。これは、光吸収スペクトルの波長シフト量が、半導体井戸層２７にかかる電界のほぼ２乗に比例し、層厚の薄い半導体井戸層２７の光吸収が印加電圧とともに非線形状に増加するためである。
【００３０】
このため、印加電圧０Ｖでは、薄い半導体井戸層２７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とともに消光比を大きくすることが可能となる。よって、高出力及びＯＮ／ＯＦＦ比を実現した光変調器１００を提供することが可能となる。
また、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。
【００３１】
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、高出力及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、第１の実施形態における半導体井戸層２７の層厚を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p からｎーＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、順次薄くするようにしたが、少なくともｎ−ＩｎＰ型クラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n の層厚がｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p よりも薄くするのであれば、これに限らない。
【００３２】
例えば、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n の層厚のみを他の半導体井戸層２７よりも薄くするようにしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、１０ｎｍ、１０ｎｍ、１０ｎｍ、１０ｎｍ、１０ｎｍ、５ｎｍの層厚としてもよい。
【００３３】
また、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって順次薄くするのではなく、途中厚い半導体井戸層２７を有するようにしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、１０ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、９ｎｍ、８ｎｍ、５ｎｍの層厚としてもよい。
【００３４】
さらに、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n が、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P よりも薄い層厚を有するのであれば、その間の半導体井戸層２７の層厚がｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P の層厚よりも厚くしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７P から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、１０ｎｍ、１１ｎｍ、１２ｎｍ、１３ｎｍ、１４ｎｍ、５ｎｍの層厚としてもよい。
【００３５】
次に、第２の実施形態における吸収型半導体量子井戸光変調器について、図５に示す。
第２の実施の形態における吸収型半導体量子井戸光変調器１００Ａは、第１の実施形態と同様に、ｎ−ＩｎＰ基板１と、その上面に積層した半導体積層体２と、この半導体積層体２の積層方向に電圧を印加するように、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面と半導体積層体２の上面に積層された一対の電極３とから構成されている。この半導体積層体２の存在しないｎ−ＩｎＰ基板１の上面には、ＦｅドープＩｎＰ層４が形成され、半導体積層体２を埋め込んでいる。
【００３６】
ここで、多重量子井戸コア層２３は、図５中下部に拡大図示するように、ノンドープであるｉ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体井戸層２７ＡとＩｎＧａＡｓＰ半導体障壁層２８Ａとを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層で構成されている。半導体井戸層２７Ａの層厚は１０ｎｍ、半導体障壁層２８Ａの層厚は５ｎｍとしている。また、半導体井戸層２７Ａのバンドギャップ波長を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する層２７Ａp からｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する層２７Ａn に向かって順に、１４８０ｎｍ、１４７０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１４５０ｎｍ、１４４０ｎｍ、１４３０ｎｍと短波長としている。
【００３７】
上記構成の吸収型半導体量子井戸光変調器１００Ａを動作させた結果、実施例１における図２から図４に示すものと同様の効果が得られた。
ここで、第２の実施形態において、それぞれの半導体井戸層のバンドギャップ波長を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p からｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n に向かって、順次短波長となるようにしたが、少なくともｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n のバンドギャップが、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p よりも短波長となるようにするのであれば、これに限らない。
【００３８】
例えば、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長のみを他の半導体井戸層２７Ａよりも短波長となるようにしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７Ａp から、ｎ型クラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn に向かって、１４８０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４３０ｎｍの波長としてもよい。
【００３９】
また、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn に向かって順次短波長とするのではなく、途中長波長の半導体井戸層２７Ａを有するようにしても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn に向かって、１４８０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１４７０ｎｍ、１４７０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１４３０ｎｍの波長としてもよい。
【００４０】
さらに、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn が、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP よりも短波長とするのであれば、その間の半導体井戸層２７Ａの波長がｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP の波長よりも長波長となっていても構わない。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７ＡP から、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７Ａn に向かって、１４８０ｎｍ、１４９０ｎｍ、１５００ｎｍ、１５１０ｎｍ、１５２０ｎｍ、１４３０ｎｍの波長としてもよい。
【００４１】
第１及び第２の実施の形態において、各半導体井戸層２７にかかる電圧は均一であるとしたが、これに限らず、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２４の層厚を薄くし、上部のｐ−ＩｎＰクラッド層２５から多重量子井戸コア層２３への不純物拡散を誘発することによって、多重量子井戸コア層２３内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。
【００４２】
また、ｎ−ＩｎＰ基板１上面にｎ−ＩｎＰクラッド層２１を積層し、その上部に多重量子井戸コア層２３を挟んでｐ−ＩｎＰクラッド層２５を積層したが、これに限らず、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１とｐ−ＩｎＰクラッド層２５とを逆にして、基板の上面にｐ−ＩｎＰクラッド層２５を積層するようにしてもよい。このとき、基板はｐ−ＩｎＰ基板とするとともに、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１に最も近接する半導体井戸層２７n を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５に最も近接する半導体井戸層２７p よりも層厚を薄くしたり、バンドギャップ波長や発光のピーク波長を短波長とするようにする。
【００４３】
さらに、多重量子コア井戸層２３やＳＣＨ層２２、２４として、ＩｎＧａＡｓＰ層で構成したが、これに限らず、例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂ等いずれの半導体層で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、これに限らず、いずれの基板を用いても構わない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、少なくともｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚がｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層の層厚よりも薄くなるように、それら層厚を積極的に異ならせたことによって、半導体井戸層のそれぞれ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るため、多重量子井戸コア層全体の光吸収スペクトルを変えることが可能となる。したがって、印加電圧０Ｖでの消光量を小さくし、且つ、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又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、光信号の高出力及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。
【００４５】
また、請求項１に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、層厚を順次薄くなるようにしたことによって、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、半導体井戸層の光吸収スペクトルを少しずつ変化させることが可能となる。よって、高出力及び出射光の劣化防止をともに実現させるために有効である。
さらに、請求項２に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、多重量子井戸作成時の層厚制御精度により、半導体井戸層のそれぞれ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接する半導体井戸層の層厚を、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層よりも薄くするために有効である。
【００４６】
また、請求項３に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも短波長となるように、それら波長を積極的に異ならせたことによって、半導体井戸層それぞれの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。したがって、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又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、光信号の高出力及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。
【００４７】
また、請求項３に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、バンドギャップ波長又は発光のピーク波長を順次短波長となるようにしたことによって、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層から、ｎ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層に向かって、半導体井戸層の光吸収スペクトルを少しずつ変化させることが可能となる。よって、光信号の高出力及び出射光の劣化防止をともに実現するために有効である。
【００４８】
さらに、請求項４に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器によれば、多重量子井戸作成時のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長の制御精度により、半導体井戸層のそれぞれの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接する半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光ピークの波長を、ｐ型クラッド層に最も近接する半導体井戸層よりも短波長とするために有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器の第１実施例の構造を示す図である。
【図２】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器を動作させた時の消光量の電圧依存性を表す図である。
【図３】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸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図である。
【図４】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器を動作させた時の印加電圧０Ｖでの消光量及びチャープパラメータが０の時の印加電圧の関係を表す図である。
【図５】 本発明に係る吸収型半導体量子井戸光変調器の第２実施例の構造を示す図である。
【図６】 従来の吸収型半導体量子井戸光変調器の構造の一例を示す図である。
【図７】 従来の吸収型半導体量子井戸光変調器の動作原理を説明する図である。
【図８】 従来の吸収型半導体量子井戸光変調器を動作させた時の消光量の電圧依存性を表す図である。
【図９】 従来の吸収型半導体量子井戸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図である。
【図１０】 従来の吸収型半導体量子井戸光変調器を動作させた時の印加電圧０Ｖでの消光量及びチャープパラメータが０の時の印加電圧の関係を表わす図である。
Claims (4)
- チャープパラメータが０又は負の値で、かつ、消光比が１０ｄＢ以上の光信号を出力するための光変調器であって、複数の半導体井戸層及び半導体障壁層を交互に積層した多重量子井戸コア層をその積層方向からｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んでなる半導体積層体を、基板の上面に設けた吸収型半導体量子井戸光変調器において、
前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚よりも薄く、且つ、
前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層から、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層に向かって、層厚が順次薄くなるようにしたことを特徴とする吸収型半導体量子井戸光変調器。 - 前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層の層厚よりも２ｎｍ以上薄いことを特徴とする請求項１に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器。
- チャープパラメータが０又は負の値で、かつ、消光比が１０ｄＢ以上の光信号を出力するための光変調器であって、複数の半導体井戸層及び半導体障壁層を交互に積層した多重量子井戸コア層をその積層方向からｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んでなる半導体積層体を、基板の上面に設けた吸収型半導体量子井戸光変調器において、
前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドキャップ波長又は発光のピーク波長が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも短波長であり、且つ、
前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層から、前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層に向かって、バンドギャップ波長又は発光のピーク波長が順次短波長となるようにしたことを特徴とする吸収型半導体量子井戸光変調器。 - 前記ｎ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長が、前記ｐ型クラッド層に最も近接する前記半導体井戸層のバンドギャップ波長又は発光のピーク波長よりも２０ｎｍ以上短波長であることを特徴とする請求項３に記載の吸収型半導体量子井戸光変調器。
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