JP3891161B2 - 電界吸収型光変調器 - Google Patents

Description

この発明は、電界吸収型光変調器に関する。

光通信では、しばしば、半導体レーザ素子から発したレーザ光を光変調器を用いて変調することにより光信号を生成する。光変調器としては、マッハツェンダ型変調器（例えば、特許文献１参照）や電界吸収型変調器（例えば、特許文献２参照）を使用することがある。特に、電界吸収型光変調器（以下では、「ＥＡ変調器」と呼ぶ）は、ＤＦＢレーザ素子と同一基板上に集積できるため、有用性が高い。

ＥＡ変調器は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に光吸収層が挟まれた構造を有している。光吸収層は、多重量子井戸構造を有する。光吸収層では、単一の組成および厚さを有する複数の井戸層が複数の障壁層と交互に積層されている。光吸収層を含むｐｎ接合構造に対して逆方向電界を印可すると、ＱＣＳＥ効果（量子閉じ込めシュタルク効果）によって吸収スペクトルが長波長側へシフトする。印可電界が大きいほど、シフト量も大きい。このため、低電界印可時に光吸収層を透過する波長の光が、高電界印可時には光吸収層で吸収されるという現象が起こりうる。このような波長の光の強度は、印可電界の大きさを切り替えることで変調することができる。
特許第３３３７９８０号公報 特開平９−５４２９０号公報

ＥＡ変調器の吸収スペクトルは、ＥＡ変調器の温度変化に応じてシフトする。温度変化があまりに大きいと、ＥＡ変調器は被変調光の波長に対して十分な消光比を示さなくなる。ＥＡ変調器とＤＦＢレーザ素子が同一基板上に集積されている場合、レーザ光の波長も温度変化に応じて変化する。しかし、レーザ光の波長シフトはＥＡ変調器の吸収スペクトルの波長シフトに比べて小さい。このため、温度変化が大きくなるにつれてＥＡ変調器の吸収スペクトルがレーザ光の波長に対して相対的に移動していき、レーザ光を変調することが難しくなる。したがって、温度変化の大きな環境下では、ＥＡ変調器の温度を調節する必要がある。通常、ある一つの波長を有する被変調光に対して許容できる温度変化は約４０℃であり、これを超える温度変化が生じる環境下では温度調節が必要となる。

本発明は、温度を調節しなくても広い温度範囲にわたって光を変調できる電界吸収型光変調器を提供することを課題とする。

この発明の一つの側面は、光吸収層ならびに光吸収層の両側に設けられたｐ型半導体層およびｎ型半導体層を備える電界吸収型光変調器に関する。この光変調器は、光吸収層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合構造に印可される逆方向電界の変化に応じて、光吸収層中の被変調光の強度を変調する。光吸収層は、交互に積層された複数の井戸層および複数の障壁層を含んでいる。複数の井戸層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第１および第２の井戸層を含んでいる。第１井戸層と第２井戸層の間に障壁層が配置されている。複数の井戸層のすべてを第１井戸層で置き換えたときに逆方向電界の第１の値からより高い第２の値への切り替えに応じて被変調光を変調できる温度の範囲を第１温度範囲とし、複数の井戸層のすべてを第２井戸層で置き換えたときに逆方向電界の第１の値から第２の値への切り替えに応じて被変調光を変調できる温度の範囲を第２温度範囲とすると、この光変調器は、第１および第２温度範囲より広い温度範囲にわたって被変調光を変調できる。

この光変調器では、第１または第２井戸層を単独で含む光変調器に比べて被変調光を変調できる温度範囲が拡大されている。したがって、この光変調器は、温度を調節しなくても広い温度範囲にわたって被変調光を変調できる。

この発明の別の側面は、光吸収層ならびに光吸収層の両側に設けられたｐ型半導体層およびｎ型半導体層を備える電界吸収型光変調器に関する。この光変調器は、光吸収層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合構造に印可される逆方向電界の変化に応じて、光吸収層中の被変調光の強度を変調する。光吸収層は、交互に積層された複数の井戸層および複数の障壁層を含んでいる。複数の井戸層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第１および第２の井戸層を含んでいる。第１井戸層と第２井戸層の間に障壁層が配置されている。複数の井戸層のすべてを第１井戸層で置き換えたときに逆方向電界の第１の値からより高い第２の値への切り替えに応じて所定のしきい値以上の吸収係数変化が得られる波長範囲を第１波長範囲とし、複数の井戸層のすべてを第２井戸層で置き換えたときに逆方向電界の第１の値から第２の値への切り替えに応じて上記しきい値以上の吸収係数変化が得られる波長範囲を第２波長範囲とすると、この光変調器では、第１および第２波長範囲より広い波長範囲にわたって上記しきい値以上の吸収係数変化が得られる。

一般に、光変調器の温度が変化すると、吸収スペクトルに波長シフトが生じる。この光変調器では、第１または第２井戸層を単独で含む光変調器に比べて、しきい値以上の吸収係数変化が得られる波長範囲が拡大されている。このため、この光変調器は、ある一つの波長を有する被変調光に対して、より広い温度範囲にわたってしきい値以上の吸収係数変化を保持する。したがって、この光変調器は、温度を調節しなくても広い温度範囲にわたって被変調光を変調できる。

この発明のさらに別の側面は、光吸収層ならびに光吸収層の両側に設けられたｐ型半導体層およびｎ型半導体層を備える電界吸収型光変調器に関する。この光変調器は、光吸収層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合構造に印可される逆方向電界の変化に応じて、０〜１００℃の温度範囲にわたって光吸収層中の被変調光の強度を変調する。被変調光は、１．２６０〜１．６２５μｍの波長を有している。光吸収層は、交互に積層された複数の井戸層および複数の障壁層を含んでいる。複数の井戸層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第１および第２の井戸層を含んでいる。第１井戸層と第２井戸層の間に障壁層が配置されている。第１および第２井戸層は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰから構成されている。第１および第２井戸層のバンドギャップエネルギーの差は３５ｍｅｖ以下である。

本発明者の知見によれば、３５ｍｅＶ以下のバンドギャップエネルギー差を有する二つの井戸層を含む光吸収層は、１．２６０〜１．６２５μｍの波長を有する被変調光に対して０〜１００℃の温度範囲にわたって十分な吸収係数変化を示す。したがって、この光変調器は、温度を調節しなくても、被変調光を０〜１００℃の温度範囲にわたって変調することができる。

上記の光変調器では、光吸収層の厚みを実質的に２等分する中央面に最も近い井戸層が、複数の井戸層のなかで最大の屈折率を有していてもよい。この場合、被変調光が光吸収層へ効率よく閉じ込められる。

上記の光変調器では、複数の井戸層は、光吸収層の厚みを実質的に２等分する中央面に近いほど高い屈折率を有していてもよい。この場合、被変調光が光吸収層へ効率よく閉じ込められる。また、被変調光ビームの断面形状が円形に近づく。これにより、光変調器と光ファイバとの結合効率が向上する。

上記の光変調器では、複数の井戸層は、偶数個の第１井戸層および偶数個の第２井戸層を含んでいてもよい。偶数個の第１井戸層が上記の中央面に対して対称に配置され、かつ、偶数個の第２井戸層がその中央面に対して対称に配置されていてもよい。この場合、被変調光が光吸収層へ効率よく閉じ込められる。また、被変調光ビームの断面形状が円形に近づく。これにより、光変調器と光ファイバとの結合効率が向上する。

上記の光変調器は、半導体レーザ素子と同一の基板上に集積されていてもよい。被変調光は、半導体レーザ素子の出力光であってもよい。光吸収層は、半導体レーザ素子の出力光を受け取るように配置されていてもよい。

本発明の電界吸収型光変調器は、温度を調節しなくても広い温度範囲にわたって被変調光を変調することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態の電界吸収型光変調器（以下、「ＥＡ変調器」と呼ぶ）１２０を含む光半導体素子５０を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。光半導体素子５０は、分布帰還型半導体レーザ素子（以下、「ＤＦＢレーザ素子」と呼ぶ）１１０、ＥＡ変調器１２０および分離部１３０から構成されている。分離部１３０は、ＤＦＢレーザ素子１１０とＥＡ変調器１２０との間に設けられている。ＤＦＢレーザ素子１１０とＥＡ変調器１２０とは、同一の基板２上に集積されている。基板２は、ｎ型ＩｎＰからなる。光半導体素子１には、トレンチ１９ａおよび１９ｂが設けられている。トレンチ１９ａおよび１９ｂは、一つの方向に延びるメサ構造６０を画定する。

図２に示されるように、レーザ素子１１０は、ｎ型クラッド層３ｍ、光ガイド層４ｍ、活性層５ｍ、光ガイド層６ｍ、およびｐ型の第１クラッド層７ｍを有する。これらの半導体層は、基板２上に設けられている。活性層５ｍは、光ガイド層４ｍおよび６ｍの間に設けられている。活性層５ｍならびに光ガイド層４ｍおよび６ｍは、クラッド層３ｍと第１クラッド層７ｍとの間に設けられている。光ガイド層６ｍとｐ型第１クラッド層７ｍとの界面には回折格子６ａが設けられている。

ＥＡ変調器１２０は、ｎ型クラッド層１３ｍ、光ガイド層１４ｍ、活性層１５ｍ、光ガイド層１６ｍ、およびｐ型の第１クラッド層１７ｍを有する。これらの半導体層は、基板２上に設けられている。活性層１５ｍは、レーザ素子１１０で生成されたレーザ光を増幅する作用を有するとともに、印可電界の強度に応じて変化する光吸収係数を有する光吸収層としても動作する。以下では、活性層１５ｍを光吸収層と呼ぶことにする。光吸収層１５ｍは、光ガイド層１４ｍおよび１６ｍの間に設けられている。光吸収層１５ｍならびに光ガイド層１４ｍおよび１６ｍは、クラッド層１３ｍと第１クラッド層１７ｍとの間に設けられている。

半導体層３ｍ〜７ｍから成るｐｎ接合構造Ｗ₁は、半導体層１３ｍ〜１７ｍから成るｐｎ接合構造Ｗ₂と境界Ｂにおいて接合されている。これらのｐｎ接合構造は、光導波路として機能する。本実施形態では、分離部１３０は、ＥＡ変調器１２０と同じ半導体層により構成されている。ただし、これに限定されるものではない。図２では、回折格子６ａは、光ガイド層６ｍと第１クラッド層７ｍとの間に形成されている。しかし、回折格子６ａは、クラッド層３ｍと光ガイド層４ｍとの間に設けられてもよい。

上記各層の組成を以下に示す。なお、簡単のため、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_1-yＰ_y半導体（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）をＩｎＧａＡｓＰと記す。
・ｎ型クラッド層３ｍ、１３ｍ ：ＳｉドープＩｎＰ
・光ガイド層４ｍ、１４ｍ ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・活性層５ｍおよび光吸収層１５ｍ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・光ガイド層６ｍ、１６ｍ ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・ｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍ：ＺｎドープＩｎＰ
ｎ型クラッド層３ｍ、１３ｍおよびｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍは、活性層５ｍ、光吸収層１５ｍおよび光ガイド層４ｍ、１４ｍよりも低い屈折率を有する。このため、レーザ光は、活性層５ｍ、光吸収層１５ｍおよび光ガイド層４ｍ、１４ｍに閉じ込められる。

活性層５ｍおよび光吸収層１５ｍは、多重量子井戸（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）構造を有している。これらのＭＱＷ構造および回折格子６ａの構造は、所定の波長の光を生成およびレーザ増幅するように決定される。本実施形態では、波長は１．５５０μｍである。

図２に示されるように、光半導体素子５０は、ｐ型の第２クラッド層８ｍを更に有する。第２クラッド層８ｍは、レーザ素子１１０、ＥＡ変調器１２０、および分離部１３０のために共通に設けられている。第２クラッド層８ｍは、ｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍと同様にｐ型ＩｎＰから構成される。よって、第２クラッド層８ｍは、第１クラッド層７ｍ、１７ｍと共に、レーザ光を光ガイド層、活性層および光吸収層に閉じ込めるために役立つ。

第２クラッド層８ｍは、第１の部分８０ａ、第２の部分８０ｂ、および第３の部分８０ｃを有する。第１の部分８０ａ上には、コンタクト層９ａを介して、レーザ素子１１０用の電極９０ａが形成されている。第３の部分８０ｃ上には、コンタクト層９ｂを介して、ＥＡ変調器１２０用の電極９０ｂが形成されている。基板２の裏面には、レーザ素子１１０およびＥＡ変調器１２０に共通に使用される電極９０ｃが形成されている。

本実施形態の特徴は、活性層１５ｍのＭＱＷ構造にある。以下では、図３を参照しながら、活性層１５ｍのＭＱＷ構造を詳しく説明する。図３は、活性層１５ｍのエネルギーバンド図である。図３には、活性層１５ｍの厚みを実質的に２等分する中央面２５も示されている。

活性層１５ｍのＭＱＷ構造の特徴は、等間隔に配置された３種類の井戸層２１〜２３を含むことである。これらの井戸層は互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する。井戸層同士の間には障壁層２０が配置されている。障壁層２０と井戸層２１〜２３は交互に積層されている。したがって、各井戸層の上面および下面には障壁層２０が隣接している。最も基板２に近い障壁層２０は、光ガイド層１４ｍと隣接している。最も電極９０ｂに近い障壁層２０は、光ガイド層１６ｍと隣接している。井戸層２１〜２３の厚さはいずれも８ｎｍであり、障壁層２０の厚さは８ｎｍである。

障壁層２０および井戸層２１〜２３は、いずれもＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_1-yＰ_yから構成されている。障壁層２０ではｘ＝０．２０５００およびｙ＝０．５６１８０であり、井戸層２１ではｘ＝０．２８５００およびｙ＝０．２３４７５であり、井戸層２２ではｘ＝０．２７５００およびｙ＝０．２５６１３であり、井戸層２３ではｘ＝０．２７０００およびｙ＝０．２６６８０である。

井戸層２１〜２３の個数はいずれも偶数である。すなわち、活性層１５ｍには、２個の井戸層２１、２個の井戸層２２および４個の井戸層２３が含まれている。偶数個の井戸層２１、２２および２３は、それぞれ活性層１５ｍの中央面２５に対して対称に配置されている。井戸層２１は中央面２５に最も近く、中央面２５を挟むように配置されている。井戸層２２は、井戸層２１の上下に配置され、中央面２５および井戸層２１を挟んでいる。井戸層２３は、井戸層２２の上下に配置され、中央面２５ならびに井戸層２１および２２を挟んでいる。

井戸層２１〜２３は互いに異なる屈折率とバンドギャップエネルギーを有している。井戸層２１〜２３は、中央面２５に近いほど高い屈折率を有し、また、中央面２５に近いほど小さいバンドギャップエネルギーを有している。すなわち、中央面２５に最も近い井戸層２１は、井戸層２１〜２３のなかで最大の屈折率と最小のバンドギャップエネルギーを有している。井戸層２２の屈折率は、井戸層２１の屈折率より低く、井戸層２３の屈折率より高い。また、井戸層２２のバンドギャップエネルギーは、井戸層２１のバンドギャップエネルギーより大きく、井戸層２３のバンドギャップエネルギーより小さい。中央面２５から最も遠い井戸層２３は、井戸層２１〜２３のなかで最小の屈折率と最大のバンドギャップエネルギーを有している。井戸層２１〜２３のバンドギャップエネルギーは、それぞれ０．７９３ｅＶ、０．８０４ｅＶおよび０．８０９ｅＶである。また、障壁層２０のバンドギャップエネルギーは１．０３ｅＶである。

このように、中央面２５に最も近い井戸層２１が最も高い屈折率を有するため、光吸収層１５ｍへの光の閉じ込め効率が高まる。また、中央面２５から遠い井戸層ほど低い屈折率を有すること、および同じ井戸層が中央面２５を基準として対称に配置されていることは、光吸収層１５ｍへの光の閉じ込め効率を高めるほか、被変調光ビームの断面形状を円形に近づけるという効果を奏する。これにより、光変調器１２０と光ファイバとの結合効率を高めることができる。

以下では、光半導体素子５０の動作について説明する。図２に示されるように、レーザ素子１１０では、ｐ型半導体に電気的に接続された電極９０ａが直流電源９１の陽極に接続され、ｎ型半導体に電気的に接続された電極９０ｃが電源９１の陰極に接続される。したがって、レーザ素子１１０のｐｎ接合構造（光導波路）Ｗ₁には、順方向のバイアス電圧が印加される。ＥＡ変調器１２０では、ｐ型半導体に電気的に接続された電極９０ｂが電源９２の陰極に接続され、ｎ型半導体に電気的に接続された電極９０ｃが電源９２の陽極に接続される。したがって、ＥＡ変調器１２０のｐｎ接合構造（光導波路）Ｗ₂には、逆方向の電界が印加される。電源９２は、変調信号Ｓを受け、変調信号Ｓに応じた電圧を出力することができる。変調信号Ｓは例えばパルス信号であってよい。電極９０ｃは、レーザ素子１１０およびＥＡ変調器１２０に共用されている。

レーザ素子１１０に上述の通り電圧が印加されると、レーザ素子１１０の活性層５ｍから光が放射される。すると、レーザ発振が起こり、レーザ光が光導波路Ｗ₁内を伝搬する。このレーザ光は、光導波路Ｗ₁からＥＡ変調器１２０の光導波路Ｗ₂へ入射する。

ＥＡ変調器１２０に比較的低い逆方向電界が印加されているとき、光吸収層１５ｍの実効的なフォトルミネセンス波長は、発振波長λ＝１．５５０μｍに比べて短い。このため、レーザ光は吸収されることなく活性層１５ｍを伝搬する。しかし、ＥＡ変調器１２０に十分に高い逆方向電界が印加されると、光吸収層１５ｍにおいて量子閉じ込めシュタルク効果(ＱＣＳＥ：Quantum Confined Stark Effect)が生じ、光が吸収されるようになる。したがって、変調信号Ｓに応じて変化する逆方向電界が電源９２によってＥＡ変調器１２０に印加されると、レーザ光の強度が変調信号Ｓに応じて変調される。この変調されたレーザ光が、光半導体素子５０から放射される。

上述のように、光吸収層１５ｍでは、バンドギャップエネルギーの異なる井戸層２１〜２３が混在している。このため、ＥＡ変調器１２０は、井戸層２１〜２３の吸収スペクトルを合成した吸収スペクトルを有する。この結果、ＥＡ変調器１２０は、逆方向電界の切り替えに応じて広い温度範囲にわたってレーザ光を変調することができる。この温度範囲は、井戸層２１〜２３のすべてを井戸層２１〜２３の任意の一つで置き換えたときに同じ逆方向電界の切り替えに応じてレーザ光を変調できる温度の範囲よりも広い。

以下では、図４を参照しながら、井戸層２１〜２３の吸収スペクトルの合成を説明する。図４における一点鎖線、二点鎖線および点線は、それぞれ井戸層２１〜２３の吸収スペクトルを示している。図４における実線は、光吸収層１５ｍの吸収スペクトルを示しており、これは井戸層２１〜２３の吸収スペクトルを合成したものである。図４の横軸は波長を示し、縦軸は光吸収係数を示している。光吸収層１５ｍに逆方向電界が印加されていないときの吸収スペクトルのピーク波長がフォトルミネセンス波長である。図４に示されるように、井戸層２１〜２３のスペクトルは互いに異なるフォトルミネセンス波長を有する。これは井戸層２１〜２３のバンドギャップ波長の違いに起因する。

図５は、異なる電界強度に対する光吸収層１５ｍの吸収スペクトルを示している。図５において実線は、光吸収層１５ｍに印加される逆方向電界の強度が５０ｋＶ／ｃｍのときの光吸収層１５ｍの吸収スペクトルを示し、一点鎖線は逆方向電界の強度が１００ｋＶ／ｃｍのときの光吸収層１５ｍの吸収スペクトルを示している。図５の横軸は波長を示し、縦軸は光吸収係数を示している。

図５に示されるように、吸収スペクトルのピークおよびフォトルミネセンス波長は、逆方向電界の強度の増加に伴って長くなる。これは、井戸層のバンドギャップエネルギーが逆方向電界の印可によって実効的に減少することに起因する。このような電界強度に応じた吸収スペクトルのピークの移動は、吸収スペクトルの波長シフトと呼ばれる。

図６は、逆方向電界の強度が５０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍに変化したときにおける光吸収層１５ｍの吸収係数の変化を示すグラフである。図６の横軸は波長を示し、縦軸は吸収係数の変化を示している。

本発明者は、本実施形態との比較のため、単一の井戸層を含む光吸収層を有する光変調器を用意した。この光変調器は、光変調器１２０において光吸収層１５ｍを、図７に示される光吸収層４５ｍで置き換えた構造を有している。図７は、光吸収層４５ｍのエネルギーバンド図である。図７に示されるように、光吸収層４５ｍは、上記の障壁層２０および井戸層２１が交互に積層された構造を有している。言い換えると、光吸収層４５ｍは、光吸収層１５ｍにおいてすべての井戸層２１〜２３を井戸層２１で置き換えた構造を有している。

図８は、異なる電界強度に対する光吸収層４５ｍの吸収スペクトルを示している。図８において実線は、光吸収層４５ｍに印加される逆方向電界の強度が５０ｋＶ／ｃｍのときの光吸収層４５ｍの吸収スペクトルを示し、一点鎖線は逆方向電界の強度が１００ｋＶ／ｃｍのときの光吸収層４５ｍの吸収スペクトルを示している。図８の横軸は波長を示し、縦軸は光吸収係数を示している。図９は、逆方向電界の強度が５０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍに変化したときにおける光吸収層４５ｍの吸収係数の変化を示すグラフである。図９の横軸は波長を示し、縦軸は吸収係数の変化を示している。

図６に示されるように、本実施形態の光吸収層１５ｍでは、５×１０⁴ｍ^-1以上の吸収係数変化が得られる波長範囲の幅は４０ｎｍを超えている。一方、図９に示されるように、比較例の光吸収層４５ｍでは、５×１０⁴ｍ^-1以上の吸収係数変化が得られる波長範囲の幅は約３２ｎｍである。このように、複数の井戸層２１〜２３を有する光吸収層１５ｍは、単一の井戸層２１を有する光吸収層４５ｍに比べて、５×１０⁴ｍ^-1以上の吸収係数変化が得られる波長範囲が広い。同様に、すべての井戸層２１〜２３を井戸層２２または２３で置き換えた構造を有する光吸収層と比べても、光吸収層１５ｍでは、より広い波長範囲にわたって５×１０⁴ｍ^-1以上の吸収係数変化が得られる。

５×１０⁴ｍ^-1という吸収係数の変化は、光の透過と吸収を切り替えるのに十分な量である。このような吸収係数変化が得られる波長範囲の拡大は、光変調器を用いて変調可能な波長範囲の拡大を意味する。温度の変化に応じて吸収スペクトルに波長シフトが生じることを考えると、このような波長範囲の拡大は、ある一つの波長の光をより広い温度範囲にわたって変調可能なことを意味する。このことは、ある温度では井戸層２１〜２３の一つが主として被変調光を変調し、別の温度では井戸層２１〜２３の他の一つが主として被変調光を変調すると考えれば理解しやすい。このように、光変調器１２０は、単一の井戸層を有する光変調器よりも広い温度範囲にわたって、所定の波長を有する被変調光を変調することができる。

より具体的に述べると、光変調器１２０は、波長１．５５０μｍのレーザ光を０〜１００℃の温度範囲で変調することができる。以下では、このような温度範囲での光変調を実現するために井戸層２１〜２３が満たす二つの条件を説明する。

まず、第１の条件について説明する。これは、異なるバンドギャップエネルギーを有する複数の井戸層を用いて所定の温度範囲にわたる光変調を可能にするための条件である。ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰを主原料とする井戸層のバンドギャップエネルギーの温度依存性は、

のように表される。ここで、Ｔは温度（単位はＫ：ケルビン）を示し、Ｅｇは温度Ｔにおける井戸層のバンドギャップエネルギーを示し、Ｅｇ₀は温度０Ｋにおける井戸層のバンドギャップエネルギーを示している。

本発明者の知見によれば、以下の式

が満たされていると、光変調器は、Ｔ₁〜Ｔ₂（Ｔ₂はＴ₁より大きい）の温度範囲において被変調光を変調することができる。（２）式の左辺は、光吸収層に含まれる二つの井戸層の同一温度におけるバンドギャップエネルギーの差である。二つの井戸層のバンドギャップエネルギーをそれぞれＥｇ１およびＥｇ２と表すと、

である。これは、二つの井戸層の吸収スペクトルのピーク波長またはフォトルミネセンス波長の差に対応する。（２）式の右辺は、温度がＴ₁からＴ₂に上昇したときの各井戸層のバンドギャップエネルギー変化の絶対値である。これは（１）式に基づいている。バンドギャップエネルギーの変化は、各井戸層の吸収スペクトルに生じる波長シフトに対応する。したがって（２）式は、二つの井戸層のバンドギャップエネルギーの差ΔＥｇが、最大の温度変化に応じた各井戸層の吸収スペクトルの波長シフト量以下であることを意味する。

温度が変化すると、各井戸層の吸収スペクトルに波長シフトが生じ、それに応じてピークが移動する。温度変化が大きいほど、ピークの移動量、すなわち吸収スペクトルの波長シフト量も大きい。これらの井戸層のバンドギャップエネルギーの差ΔＥｇは、それらの吸収スペクトルのピーク位置の差に対応する。

二つの井戸層を用いて所定の温度範囲にわたる光変調を可能にするためには、その温度範囲の下限において一方の井戸層の吸収スペクトルが被変調光を変調可能なピークを有し、動作温度範囲の上限において他方の井戸層の吸収スペクトルが被変調光を変調可能なピークを有していればよい。二つの井戸層の吸収スペクトルのピークが最大の温度変化に応じた波長シフト量を超えて離れていると、温度範囲の下限において一方の井戸層が変調できる波長の光を、温度範囲の上限において他方の井戸層が変調することはできない。したがって、Ｔ₁〜Ｔ₂の温度範囲にわたって光を変調するためには（２）式の条件が満たされることが必要となる。

いまＴ₁＝０℃、Ｔ₂＝１００℃とすると、（２）式の右辺は３５．７３ｍｅＶ（ミリエレクトロンボルト）となる。したがって、（２）式によれば、二つの井戸層のバンドギャップエネルギーの差が３５．７３ｍｅＶ以下のときに、光変調器は０℃〜１００℃の温度範囲において被変調光を変調することができる。

次に、第２の条件について説明する。これは、複数の井戸層の励起子吸収の波長帯が重なり合う条件であり、十分な光吸収を実現するために要求される。光吸収層での吸収は、量子井戸内の励起子吸収が主である。この励起子吸収の波長帯は、周囲環境の温度エネルギーに相当する半値幅（ＦＷＨＭ）を有している。この半値幅はκＴと表される。ここで、κはボルツマン定数１．３８０５４×１０^-23Ｊ／Ｋであり、Ｔは温度（Ｋ）である。吸収スペクトルの半値幅は、例えば、室温では約２６ｍｅＶである。実際には、井戸層の組成や厚みのばらつきのために、吸収スペクトルのピーク半値幅は３０〜３５ｍｅＶ程度である。このため、二つの井戸層のバンドギャップエネルギーの差ΔＥｇが３５ｍｅＶ以下であれば、二つの井戸層の励起子吸収の波長帯が重なり合う。

このように、二つの井戸層のバンドギャップエネルギーの差ΔＥｇが３５ｍｅＶ以下であれば、上述した二つの条件が満たされる。したがって、０℃〜１００℃の温度範囲において、いずれかの井戸層によって被変調光が変調されることになる。したがって、光変調器は０℃〜１００℃の温度範囲にわたって被変調光を変調することができる。

本実施形態では、井戸層２１および２２間のバンドギャップエネルギーの差が１１ｍｅＶであり、井戸層２２および２３間のバンドギャップエネルギーの差が５ｍｅＶであり、井戸層２３および２１間のバンドギャップエネルギーの差が１６ｍｅＶである。いずれのバンドギャップエネルギー差も３５ｍｅＶ以下なので、光変調器１２０は、０℃〜１００℃の温度範囲にわたって被変調光を変調することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、光吸収層１５ｍに３種類の井戸層２１〜２３が含まれている。しかし、光吸収層には、バンドギャップエネルギーの異なる２種類または４種類以上の井戸層が含まれていてもよい。

上記実施形態では、ＥＡ変調器がＤＦＢレーザ素子と同一基板上に集積されている。しかし、ＥＡ変調器は、光源と別個の素子であってもよい。

上記実施形態では、被変調光の波長は１．５５０μｍである。しかし、被変調光の波長はこれに限定されるものではない。本発明者は、本発明のＥＡ変調器によって変調する光の波長として、主に１．２６０〜１．６２５μｍの範囲内の任意の波長を想定している。

実施形態の光変調器を示す斜視図である。 実施形態の光変調器を示す断面図である。 光吸収層のエネルギーバンド図である。 図３に示される光吸収層および井戸層の吸収スペクトルを示す図である。 図３に示される光吸収層の異なる電界強度に対する光吸収層の吸収スペクトルを示す図である。 図３に示される光吸収層に関して電界強度の変化に応じた吸収係数の変化を示す図である。 単一の井戸層を有する光吸収層のエネルギーバンド図である。 図７に示される光吸収層の異なる電界強度に対する吸収スペクトルを示す図である。 図７に示される光吸収層に関して電界強度の変化に応じた吸収係数の変化を示す図である。

符号の説明

２…基板、３ｍおよび１３ｍ…ｎ型クラッド層、４ｍ、６ｍ、１４ｍおよび１６ｍ…光ガイド層４ｍ、５ｍ…活性層、６…回折格子、７ｍおよび１７ｍ…ｐ型第１クラッド層、１５ｍ…光吸収層、２０…障壁層、２１…第１井戸層、２２…第２井戸層、２３…第３井戸層、５０…光半導体素子、１１０…分布帰還型半導体レーザ素子、１２０…電界吸収型光変調器、１３０…分離部。

Claims (5)

1. 光吸収層ならびに前記光吸収層の両側に設けられたｐ型半導体層およびｎ型半導体層を備え、前記光吸収層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合構造に印可される逆方向電界の変化に応じて、０〜１００℃の温度範囲にわたって前記光吸収層中の被変調光の強度を変調する電界吸収型光変調器であって、
   前記被変調光は、１．２６０〜１．６２５μｍの波長を有しており、
   前記光吸収層は、交互に積層された複数の井戸層および複数の障壁層を含んでおり、
   前記複数の井戸層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第１および第２の井戸層を含んでおり、
   前記第１井戸層と前記第２井戸層の間に前記障壁層が配置されており、
   前記第１および第２井戸層は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰから構成されており、
   前記第１および第２井戸層のバンドギャップエネルギーの差が３５ｍｅＶ以下である
   電界吸収型光変調器。
2. 前記光吸収層の厚みを実質的に２等分する中央面に最も近い前記井戸層が前記複数の井戸層のなかで最大の屈折率を有している、請求項１に記載の電界吸収型光変調器。
3. 前記複数の井戸層は、前記光吸収層の厚みを実質的に２等分する中央面に近いほど高い屈折率を有している、請求項１または２に記載の電界吸収型光変調器。
4. 前記複数の井戸層は、偶数個の前記第１井戸層および偶数個の前記第２井戸層を含んでおり、
   偶数個の前記第１井戸層は、前記中央面に対して対称に配置されており、
   偶数個の前記第２井戸層は、前記中央面に対して対称に配置されている
   請求項２または３に記載の電界吸収型光変調器。
5. 半導体レーザ素子と同一の基板上に集積された請求項１〜４のいずれかに記載の電界吸収型光変調器であって、
   前記被変調光は、前記半導体レーザ素子の出力光であり、
   前記光吸収層は、前記半導体レーザ素子の出力光を受け取るように配置されている
   請求項１〜４のいずれかに記載の電界吸収型光変調器。
   

Images