JP4109318B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

この発明は光変調器に関し、より詳しく言えば電子吸収によって光信号を変調する分離型変調器に関する。
電子吸収変調器（electroabsorption modulator:以下EAM）は、光信号、たとえば波長１３００ｎｍおよび１５００ｎｍの光信号を広帯域のファイバ光学系において変調する至便な方法を提供する。変調に正弦波電圧制御を用いると、短いパルス、たとえばその持続時間が１０ｐｓ以下のパルスを発生させることができる。ＥＡＭは情報搬送信号を未変調光信号に乗せるために使われるだけでなく、たとえば時分割多重光信号のデマルチプレクスのための、光信号の高速スイッチングに用いられる。
２形態のＥＡＭ、すなわち、分離型（ディスクリート）ＥＡＭとレーザ集積ＥＡＭを区別することが重要である。レーザ集積ＥＡＭは、信号源（レーザ）とＥＡＭとを含む単一の装置であり、一チップ上の単一体として成長されたものである。信号源によって生成された信号をＥＡＭが変調するように、この２の機能が配されている。分離型ＥＡＭでは、変調器は信号源から分離している。たとえば、信号はファイバによって供給される。信号源が離れていなければならない場合、たとえばデマルチプレクスや信号が離れたソースより送られるような場合には、レーザ集積ＥＡＭは使用できないことは明らかであろう。Tanaka et al in Journal of Lightwave Technology,volume 4,number 9 of September 1990 pages 1357-1362は、単一のチップ上で２つの機能を電気的に分離するためのＩｎＰの厚い層（Ｆｅドープ）を含むレーザ集積ＥＡＭについて記載している。Koren et al in Appl.Phys Letters Vol.51,No.15 dated 12 October 1987 pages 1123 and 1123は、大きな吸収領域（高さ４μｍ、幅６μｍ）を有し、そのため浅い変調深度で低速スイッチング速度のマルチモードである分離型ＥＡＭについて記載している。
分離型ＥＡＭには主たる信号源が組み込まれていないが、他の装置と組み合わせたり組み込んだりすることができる。
ＥＡＭは半導体装置であり、通常はIII／Ｖ族物質、たとえば、インジウム、ガリウム、アルミニウムの少なくともいずれか一つを含むとともに、リンとヒ素の少なくともいずれか一つを含む物質で製造される。ＥＡＭには、メサ形ないしはリッジ（畝）を有する埋込ヘテロ構造をとるものが有り、通常（nドープ化インジウムフォスファイドのような）ｎ形物質によって形成され、それが鉄をドープしたインジウムフォスファイドのような電気的阻止（ブロッキング）領域内にまで伸びている。メサ形の頂部に吸収領域が有り、この領域は変調される光信号用の経路を提供する。導波路を提供するために、吸収領域の屈折率はその周辺物質より高い。導波路はより低屈折率のクラッド部に囲まれたより高屈折率の経路から成るのが良い。よって、吸収領域とその周辺領域は導波路構造を構成する。深い変調深度を達成するには、吸収領域は単一モードであることが望まれる。複数のモードがある場合、例えば、複数の寄生モードがある場合には、それらは周辺物質中を伝わる。言い替えれば、複数のモードがある場合には、一のモード（主モード）のみが吸収領域中を伝搬する。
吸収領域はメサ形の頂部とキャップ領域（例えば、ｐドープ化インジウムフォスファイドから成るキャップ領域）の間に位置する。通常、半導体装置はｎ形領域とｐ形領域から構成される。吸収領域はこれら二領域の間に位置する。例えば、吸収領域は、逆バイアスされたｐｉｎ接合部の空乏（ディプレッション）領域内に位置することがしばしばある。吸収領域は、適切なバンドギャップを有する均質な化学的組成を有する半導体物質の単一層によって形成されてもよい。それは、異なる半導体物質の多層、たとえば１９から４９層の交互に重ね合わされた層からなる多量子井戸（ＭＱＷ）システムの形態を取るのが好ましい。例えば、ＭＱＷは、第１の物質のｎ個の層（通常「井戸」と称される）と第２の物質のｎ−１個の層（通常「量子障壁層」と称される）から構成されてもよく、ここでｎは１０から２５である。（したがって全部で２ｎ−１個の層がある）。井戸は障壁よりバンド・ギャップが小さい。
４種の構成要素の比率の変化によって他の（結晶学的および電気的）特性に悪影響を与えずに、必要に応じてバンド・ギャップを制御できるので、４元素半導体はとりわけ吸収領域（単層のものでもＭＱＷでもよい）に適している。III／Ｖ族においては、４元素化合物はインジウム、ガリウム、リン、砒素を含むものである。
光信号が吸収領域を通過し、該領域に印加された電場を切換えることによってこの領域の吸収特性が変わるために、ＥＡＭが機能する。上述のように、吸収領域は、使用中は逆バイアス状態であり、これは電流はほとんどあるいはまったく流れないことを意味する。しかしながら、電場はかけたりかけなかったりすることができ、該領域の吸収特性に影響を与える場である。この変化は、上述の高速スイッチングレートを可能にするには十分な速さである。このことは上記の４元素半導体にとくに当てはまる。ＥＡＭの吸収領域は減衰が低い「オン」状態（理想状態では減衰無しであるが、実際に減衰無しを達成することはできない）と、伝搬が低くなければならない「オフ」状態（理想状態では伝搬無しであるが、実際には常に漏れがある）とがある。この２状態のデシベルを単位として測定された比率を「変調深度」と呼び、より深い変調深度を達成することが本発明の目的である。
意外にも、電気的阻止領域の大きさが変調深度に実質的な影響を持つことが判明し、また、阻止領域が吸収領域に比して十分大きい場合には、たとえば４０デシベル以上の、良い変調深度が再生産可能な装置において得られることが判明している。阻止領域は吸収領域の９倍から２５０倍の厚さであることが好ましく、１０倍から５０倍の厚さであることがさらに好ましく、１５倍から２５倍の厚さであることがとくにが好ましい。電気的阻止領域の厚さは通常は重要であり、その厚さは３乃至２０μｍである必要があり、例示的には４乃至６μｍ、好ましくはおおよそ５μｍが望ましい。上述のように、吸収領域は単一モードであることが望ましく、すなわち、それは一の基本伝搬モードのみを維持するのに十分なほど小さく、以下の大きさがとりわけ適当である。たとえば、幅２μｍで厚さ１μｍ、好ましくは、幅５００乃至１０００ｎｍで厚さ１００乃至５００ｎｍ。
大きな電気的阻止領域は特別な利点、たとえば、高い変調率で動作するために重要な、改善された電気的特性をもたらす。
請求の範囲においてより詳細に規定されるように、本発明は上述したように大きな電気的阻止領域を有するEAMと、使用時に動作上接続されるＥＡＭ、たとえば光ファイバと結合し電気的制御を加えられるＥＡＭと、厚い電気的阻止領域を持つＥＡＭを用いて変調とデマルチプレクスを行う方法を含む。光信号のデマルチプレクスのために、電気的制御によって所望のチャネルが選択され、その他のものは拒絶される。
添付の図面を参照しつつ、実施例を通して本件発明を記述する。図面において：
図１は本件発明にかかる装置の横断面図である。
図２は図１に示された装置の縦断面図である。
図３はグラスファイバと接合された、図１及び図２の装置を示す。
図４は該装置を含む復調器の概略図である。
図１及び２に示すように、分離型ＥＡＭは金属をつけた部分１９を含む基（ベース）層１０と、外部と電気的接触をなすためのコネクタ２２からなる。基層１０は、幅１２００ｎｍ、高さ４２００ｎｍのメサ形１１を有するｎ形ＩｎＰで形成される。吸収領域１３はメサ形１１の頂部上に位置する。それは厚さ２６０ｎｍで、幅８００ｎｍであって、これらの大きさは、それが単一モード（すなわち、一の基本モードのみ維持される）であることを意味する。それは、元素Ｉｎ，Ｇａ，Ｐ，Ａｓを異なる比率で有する２種の異なった４元素半導体から形成される多量子井戸（ＭＱＷ）構造を持つ。全部で３１層、すなわち、１７の井戸と１６の障壁層がある。吸収領域１３は、その周辺部より高い屈折率を有し、図２においてより明白なように、光信号を該装置の一端から他端へと導く導波路を構成する。導波路の長さは４００μｍで、その二つの面には反射防止被膜２３と２４が設けられる。
吸収領域１３はｐ形ＩｎＰからなるキャップ１４で覆われる。キャップ１４は幅６５００ｎｍ、厚さ２９００ｎｍで、下方に伸長する突起１７を有し、それは長さ５００ｎｍ、幅１２００ｎｍである。突起１７はＭＱＷ１３とのインターフェイスを形成する。キャップ１４は、ｐドープＩｎＧａＡｓからなる三元素化合物層とＴｉ／Ａｕの金属部を含む外部電気接点１５を有し、接続線２１がＴｉ／Ａｕに接続される。
本件装置は厚さ５０００nmの電気的阻止領域１２Ａ，１２Ｂを含む。これは高抵抗で、ＦｅをドープされたＩｎＰで形成される。電気的阻止領域１２Ａ，１２Ｂはメサ形１１によって二つの部分１２Ａ，１２Ｂに分けられる。下側のメサ形を補償のために用いて、突起１７を５００ｎｍより長くすることが可能である。たとえば、突起１７を２５００ｎｍに伸ばした場合、ＭＱＷ１３の厚さを２６０ｎｍに保ち、電気的阻止層１２の厚さを５０００ｎｍに保つことが望まれる場合には、メサ形を２２４０ｎｍに減じなければならない。いかなる場合にも、電気的阻止領域の高さは、これらの構成部材１１、１３、および１７の高さの合計と実質的に等しい。電気的阻止領域１２の厚さは本件発明の最も重要な特徴であり、吸収領域１３は電気的阻止領域１２に接触している。実際、吸収領域１３は阻止領域の両方の部分１２Ａと１２Ｂの間にあってそれらに接触している。吸収領域の厚さ２６０ｎｍで電気的阻止層の厚さ５０００ｎｍの場合には、電気的阻止領域１２は吸収領域よりほぼ２０倍（１９．２３倍）厚い、ということも注目されるべきである。
装置のキャパシタンス（容量）を減少させるために、電気的阻止領域１２はその両側をＡｓをドープされたガラスからなる層１６によって覆われる。
図３は、２本の光ファイバ３０Ａと３０Ｂの間に配置された図１および２に図示された装置を示す。ファイバ３０Ａはレンズ３１Ａを有するコアと，クラッド３２Ａを有する。ファイバ３０Ａは入力を該装置に提供する。ファイバ３０Ｂはレンズ３１Ｂを有するコアと，クラッド３２Ｂを有する。ファイバ３０Ｂは該装置の出力を受ける。光線は吸収領域１３上に集光され、その結果、それらは変調されて出力用ファイバ３０Ｂへ送られる。レンズ３１Ｂは該装置からの光を集光し、光はファイバ３０Ｂでとらえられる。２本のファイバ３０Ａ、３０Ｂと該装置の間には空間隙があり、反射される光の量を減少させるために、反射防止被膜２３と２４が必要である。
図４は、光時分割多重形式の４チャネル用デマルチプレクサを示す。このデマルチプレクサは４つのＥＡＭ４５．１−４５．４からなり、それぞれは図１および２に示すものである。ＥＡＭのそれぞれがチャネルのうちの一を選択し、４つの光検出器４６．１−４６．４のうちの一つに供給する。これらの４つのＥＡＭは制御装置４４から電気的制御信号を受ける。また、このデマルチプレクサはエルビウムをドープした光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）４１を含む。４つのチャネルのそれぞれが１０Ｇｂｉｔ／ｓのレートで動作し、合計ビットレートは４０Ｇｂｉｔ／ｓとなる。これらの信号はファイバ４０で受け取られ、伝搬の際に生じた減衰を取り除くためにＥＤＦＡ４１で増幅される。信号の約１０％がファイバ４２に分岐し、残りはそのままファイバ４３に向う。制御信号を同調するためにファイバ４２は制御装置４４に接続される。制御装置４４は９０度位相のずれた電気的制御信号を生成する。これらは接続器４７．１−４７．４を介してＥＡＭ４５．１−４５．４のそれぞれに提供される。信号はＥＡＭを切り替え、その結果それぞれはそれ自身のチャネルを通過して他のものを阻止する。入力信号は４つに均等に分かれてファイバ４８．１−４８．４に送られ、その結果ＥＡＭ４５．１−４５．４のそれぞれが完全な入力信号を受信する。また、ＥＡＭ４５．１−４５．４のそれぞれは接続器４７．１−４７．４で電気的制御信号を受信し、その結果検出器４６．１−４６．４のそれぞれはチャネルのうちの一つのみを受信し、それによって出力はデマルチプレクスされたチャネルを構成する。
図４に示す配置構成は従来のデマルチプレクサであり、図４は本件発明にかかるＥＡＭが従来の光学配置構成においても使用に適していることを示すものであることを強調しておく。集積化されたＥＡＭが図４に示すような配置構成において使用できないことも、また明らかである。分離型ＥＡＭが必要で本件発明は分離型ＥＡＭにかかるものである。
上述のような装置が作成されており、その変調深度は４１ｄＢであった。電気的阻止領域が厚さわずか２５００ｎｍである装置の平均変調深度は２４ｄＢに過ぎなかった。さらに、より薄い電気的阻止領域の場合には「オン」状態中に干渉効果を伴なっていた。
いかなる説明にも拘束されることを意図するものではないが、単一モードの吸収領域を用いる場合には、意図された伝搬路を迂回する寄生伝搬がＥＡＭに生ずると信じられている。これらの伝搬は変調器の状態によって影響を受けない（又はほとんど影響を受けない）が、阻止領域が厚い場合には、寄生伝搬は出力ファイバにとらえられることはなく、悪影響は生じない。「オフ」状態においては、寄生光は意図された伝搬を妨害する。集積ＥＡＭの場合には、レーザーとＥＡＭが接近してまとめられているので、寄生光の実際上の問題は生じない。両機能は同一チップに含まれ、共通のマスクを用いる製造工程において作られるので、半導体はほぼ同様の化学的構造を持つ。したがって、整列は非常に正確であり、寄生光の問題は生じない。

Claims (18)

1. 電気的阻止領域（１２）に接触する吸収領域（１３）を含み、吸収領域（１３）は装置の長さ方向に沿って光信号を進めるように設けられた、光信号のための分離型電子吸収変調器であって、
   電気的阻止領域（１２）の厚さは５μｍないし２０μｍであって、電気的阻止領域（１２）の厚さは吸収領域（１３）の厚さの９倍から２５０倍であり、
   電気的阻止領域（１２）は２つの分離した部分（１２Ａ，１２Ｂ）からなり、吸収領域（１３）はメサ領域内に形成され、上記部分（１２Ａ，１２Ｂ）の間でかつそれらに接触して位置することを特徴とする、光信号のための分離型電子吸収変調器。
2. 電気的阻止領域（１２）の厚さは吸収領域（１３）の厚さの１０倍から５０倍である、請求項１記載の変調器。
3. 電気的阻止領域（１２）の厚さは吸収領域（１３）の厚さの１５倍から２５倍である、請求項２記載の変調器。
4. 電気的阻止領域（１２）の厚さが実質的に５μｍである、請求項１ないし３のいずれか１項記載の変調器。
5. 吸収領域（１３）は多量子井戸構造である、請求項１ないし４のいずれか１項記載の変調器。
6. 多量子井戸構造（１３）は２つの異なるバンドギャップを有する２種の異なる半導体物質の交互に重ね合わされた層から形成される、請求項５記載の変調器。
7. 吸収領域（１３）は均一な構造を有する半導体の単層からなる、請求項１ないし４のいずれか１項記載の変調器。
8. ア）外部接点（１５）を有するＰ形領域（１４）であって、該Ｐ型領域は、電気的阻止領域（１２）の２つの部分（１２Ａ，１２Ｂ）の問に伸長しかつ接触する部分（１７）を含み、該部分（１７）は吸収領域（１３）にも接触し、
   イ）該吸収領域（１３）に接触し、電気的阻止領域（１２）の上記２つの部分（１２Ａ，１２Ｂ）の間に伸長しかつ接触するｎ形領域（１０，１１）をさらに含み、
   それによって、電気的効果を吸収領域（１３）に集中させるように、該吸収領域（１３）は上記ｐ形領域（１４）とｎ形領域の問に位置し、該電気的阻止領域（１２）も上記ｐ形領域（１４）とｎ形領域の間に位置する、請求項１記載の変調器。
9. 該ｐ形領域（１４）、該ｎ形領域（１１）、該電気的阻止領域（１２）はすべて適切にドープされたインジウムフォスファイドから形成され、該吸収領域（１３）はインジウム、ガリウム、リン、砒素からなる、１又は２種類の４元素半導体で形成され、バンドギャップはこの４つの元素の比率によって決まる、請求項８記載の変調器。
10. 該電気的阻止領域（１２）は鉄がドープされたインジウムフォスファイドからなる、請求項９記載の変調器。
11. 該吸収領域（１３）は幅が２μｍ以下で、厚さが１μｍ以下である、請求項１ないし１０のいずれか１項記載の変調器。
12. 該吸収領域（１３）は幅が５００乃至１０００ｎｍで、厚さが１００乃至５００ｎｍである、請求項１ないし１１のいずれか１項記載の変調器。
13. 該吸収領域（１３）は、単一の主伝搬モードのみを維持するように大きさを定められた、請求項１ないし１２のいずれか１項記載の変調器。
14. 上記吸収領域（１３）は、変調のための光信号を受ける後部面と、伝送のために被変調信号を送出する前部面とを有し、両方の面は反射防止被膜（２３，２４）を有する、請求項１ないし１３のいずれか１項記載の変調器。
15. 変調器の変調深度は少なくとも４０ｄＢである、請求項１ないし１４のいずれか１項記載の変調器。
16. スイッチングされる信号を提供するための入カファイバ（３０Ａ，４８）と、スイッチングされた信号を伝達するための出力ファイバ（３０Ｂ）とに光学的に結合された装置に含まれる変調器であって、該変調器（４５）はスイッチングの電気的制御のための回路に含まれる、請求項１ないし１５のいずれか１項記載の電子吸収変調器。
17. ２Ｇｂｉｔ／ｓを超えるビットレートで光信号を変調する方法であって、未変調信号を請求項１乃至１６のいずれか一つに記載の分離型電子吸収変調器に提供し、該信号を変調するために電気的制御信号を変調器へ供給することからなる方法。
18. ２Ｇｂｉｔ／ｓを超えるビットレートで、時分割多重形式の複数のチャネルからなる光信号をデマルチプレクスする方法であって、上記光信号を請求項１乃至１６のいずれか一つに記載の電子吸収変調器（４５）に送り、電気的制御信号をデマルチプレクスを制御するために加えることからなる方法。

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