JP4357438B2 - 半導体光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光変調器に関し、より詳しくは、低電圧動作が可能で導波路損失の小さい位相変調器およびマッハツェンダ変調器に関する。

光変調器などの導波路型光制御デバイスは、高速光通信システム、光情報処理システムのキーエレメントの１つである。光変調器としては、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）等の誘電体を用いたものや、ＩｎＰやＧａＡｓの半導体を用いたものが用いられている。ＬｉＮｂＯ_３変調器は、現在、広く使用されているが、印加電圧による屈折率の変化が小さいため、３〜５Ｖ程度の高い駆動電圧が必要とされる。また、ＤＣドリフトや温度ドリフトによって駆動条件が変化してしまうため、駆動条件の制御機構が必要となる。

半導体を材料とする光変調器の代表的なものとしては、バルク半導体のフランツケルディッシュ（Ｆｒａｎｔｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ）効果や多重量子井戸構造における量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ）のように電界を印加することにより吸収端が長波長側へシフトする効果を利用した電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と、電界を印加することにより屈折率が変化する電気光学効果（ポッケルス効果）を利用した電気光学変調器（ＥＯ変調器）がある。

電界吸収型光変調器は、消費電力が小さく、小型であり、ＬｉＮｂＯ_３変調器に見られるような直流電圧によるドリフトが生じないという利点がある。しかし、電界吸収型光変調器では変調時に波長チャーピングが生じ、これによるファイバ伝送後の波形劣化が問題となる。つまり波長チャーピングにより、変調後の光信号スペクトルは変調前に比べて広がることになる。この光信号を光ファイバで伝送すると、ファイバ媒質の分散の効果による波形劣化が起こり、伝送特性に好ましくない影響を及ぼす。この現象はビットレートが高いほど、また伝送距離が長いほど顕著になる。

一方、電気光学変調器としては、屈折率を変化させることにより光の位相を変調させる位相変調器と、位相変調器を組み合わせてマッハツェンダ干渉計を構成するマッハツェンダ変調器が用いられている。現在の光通信は、光強度の強弱で信号を送るため、強度変調器としてのマッハツェンダ変調器が主に用いられるが、この光変調器では原理的にチャーピングを零にすることができ、超高速・長距離通信用の変調器として期待されている。半導体のマッハツェンダ変調器の例としては、第１にｐ−ｉ−ｎ構造を有した集中定数型の変調器が挙げられる（非特許文献１）。さらにショットキー電極による進行波電極型の変調器なども盛んに研究されている（非特許文献２）。また、これらの半導体マッハツェンダ変調器よりさらに低電圧化、小型化、高速化を目指したｎ−ｉ−ｎ構造半導体マッハツェンダ変調器も検討されている。

国際公開第２００４／０８１６３８号パンフレット C. Rolland et al., "10Gbit/s, 1.56μm multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator," Electronics Letters, March 1993, vol.29, no.5, pp.471-472. R. Spickermann et al., "GaAs/AlGaAs electro-optic modulator with bandwidth >40GHz," Electronics Letters, May 1995, vol.31, no.11, pp.915-916.

しかし、従来の半導体電気光学変調器であるｐ−ｉ−ｎ構造、またはｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器は、印加電圧が小さい時には変調効率が悪いため、高いバイアス電圧を印加する必要があった。このため、電源の複雑化、消費電力の増大などの問題がある。

従来のｐ−ｉ−ｎ構造変調器を構成する導波路のバンドダイアグラムを図６に示す。図６（ａ）の電界が印加されていない状態では、ｎ型半導体層１０の電子１、ｐ型半導体層３０の正孔３が光導波層であるノンドープ層２０へ拡散している。このため、空乏層２の厚さがノンドープ層２０の厚さより薄くなっている。この状態から電圧を印加していくと、先ずノンドープ層２０内の電子１および正孔３がそれぞれｎ型半導体層１０、ｐ型半導体層３０へ戻され、空乏層２が拡げられる。この状態を図６（ｂ）に示している。

このとき印加される電圧は、空乏領域２を拡げることに消費され、空乏層２内の電界を増加させる効果は小さい。このため、空乏領域が拡がりきるまで、電気光学効果は小さくなる。空乏層厚がノンドープ層厚と同一となると（図６（ｂ））、印加電圧は光導波層内の電界を増加させ、効率的に電気光学効果による光変調を引き起こすことが可能となる。このことは、ｎ−ｉ−ｎ構造変調器においても電子のノンドープ層への拡散が起こるため同様である。

従来のｐ−ｉ−ｎ構造またはｎ−ｉ−ｎ構造のマッハツェンダ変調器の一般的な消光特性を図７に示す。印加電圧が低い領域（例えば、＜２Ｖ）では電気光学効果が小さく、この領域では光の変調がほとんど起きていないことがわかる。このため、変調器駆動時には高いバイアス電圧を印加する必要があり、電圧の昇圧回路などが必要とされてきた。

また、空乏層の拡がりによって光導波路上に形成した高周波電界印加線路の特性が変化するため、印加電圧が低い領域（例えば、＜２Ｖ）と高い領域（例えば、＞２Ｖ）で高速動作時の特性が変化するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低電圧動作が可能な半導体光変調器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体光導波層と、ｎ型半導体クラッド層とを備えた導波路を有する半導体光変調器において、前記半導体光導波層と前記ｎ型半導体クラッド層との間であって、無電界状態で前記ｎ型半導体クラッド層から前記半導体光導波層への多数キャリアの拡散を防ぐポテンシャル障壁となる中間層を備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体光変調器において、前記半導体光導波層は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層またはノンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層からなり、前記ｎ型半導体クラッド層は、ｎ−ＩｎＰ層からなることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の半導体光変調器において、前記中間層は、ＩｎＡｌＡｓを含むことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、電気光学効果を有する半導体光導波層と、該半導体光導波層の上下を挟む第１のクラッド層（中間層）と、該第１のクラッド層の上下を挟む第２のクラッド層を備えた半導体へテロ構造の光導波路を有する半導体光変調器において、前記第２のクラッド層の少なくとも一方は、ｎ型半導体層で構成され、前記ｎ型半導体層に接する前記第１のクラッド層は、無電界状態で前記第２のクラッド層から前記半導体光導波層への多数キャリアの拡散を防ぐポテンシャル障壁となることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体光変調器において、前記第２のクラッド層は、ともにｎ型半導体層で構成されたことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の半導体変調器において、前記半導体光導波層は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層またはノンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層からなり、前記第２のクラッド層は、ｎ−ＩｎＰ層からなることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の半導体光変調器において、前記第１のクラッド層は、ＩｎＡｌＡｓを含むことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体光変調器であって、マッハツェンダ干渉計により構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、導波路の光導波層に接する第１のクラッド層（中間層）の伝導帯（または価電子帯エネルギー準位）が、ｎ型半導体（またはｐ型半導体）からなる第２のクラッド層内の電子（または正孔）が光導波層へ拡散することを防止する障壁層として機能する。その結果、電界を印加しない状態でも光導波層は空乏化しており、低いバイアス電圧でも電気光学効果による高効率な光変調が可能となる。これにより、低電圧動作かつ高速動作が可能で導波路損失の小さい半導体光変調器を提供することができる。

従来の半導体変調器では、電圧を印加しない状態では、ｎ型半導体層中の電子が光導波層であるノンドープ層に拡散し、空乏層厚が減少していた（図６）。あるいは、ｐ型半導体中の正孔が光導波層であるノンドープ層に拡散し、空乏層が減少していた（図６）。このため、電圧を印加してから、光導波層であるノンドープ層が空乏化するまで電気光学効果による屈折率の変換効率が悪い。

本発明による半導体変調器では、光導波層とｎ型半導体層との間に中間層を設け、伝導帯エネルギー準位がｎ型半導体層よりも高くなるように構成する。あるいは、本発明による半導体変調器では、光導波層とｐ型半導体層との間に中間層を設け、価電子帯エネルギー準位がｐ型半導体層よりも低くなるように構成する。すなわち、ｐ型半導体中の正孔に対するエネルギーが高くなるように構成する。これにより、光導波層であるノンドープ層への電子または正孔の拡散が防止される。そのため、光導波層であるノンドープ層は、電圧を印加しない状態でも空乏化されており、低いバイアス電圧でも電気光学効果による高効率な光変調を行うことができるようになる。以下、図面を参照しながら本発明のいくつかの実施例について具体的に説明する。

図１は、本発明の実施例１による半導体光変調器の導波路の無電界状態でのバンドダイアグラムである。この半導体光変調器の導波路は、ｎ−ＩｎＰ層からなるｎ型半導体クラッド層１０と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層、あるいはノンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層からなる光導波層２０と、ｐ−ＩｎＰ層からなるｐ型半導体クラッド層３０と、ノンドープＩｎＡｌＡｓ層からなる中間層４０とを備え、全体としてｐ−ｉ−ｎ構造を構成している。ここで、中間層４０は、ｎ型半導体クラッド層１０と光導波層２０との間に設けられている。

中間層４０としてのノンドープＩｎＡｌＡｓ層の伝導帯エネルギーは、図に示すように、ｎ型半導体クラッド層１０としてのｎ−ＩｎＰ層の伝導帯エネルギーよりも高くなっている。そのため、ノンドープＩｎＡｌＡｓ層は、電子１のポテンシャル障壁として作用し、無電界状態でノンドープ層である光導波層２０への電子１の拡散を防止している。これにより、無電界状態で光導波層の空乏領域２が拡大され、低い印加電圧でも電界が光導波層２０へ効果的に印加されるので、電気光学効果による光変調が効率的に行われるようになる。なお、中間層がノンドープ層であるためこの領域でも電気光学効果が作用する。

図２は、本発明の実施例２による半導体光変調器の導波路の無電界状態でのバンドダイアグラムである。この半導体光変調器の導波路は、ｎ−ＩｎＡｌＡｓ層からなるｎ型半導体クラッド層１０と、ノンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層からなる光導波層２０と、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層からなるｐ型半導体クラッド層３０と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層からなる中間層５０とを備え、全体としてｐ−ｉ−ｎ構造を構成している。ここで、中間層５０は、ｐ型半導体クラッド層３０と光導波層２０との間に設けられている。

中間層５０としてのノンドープＩｎＧａＡｓＰ層の価電子帯エネルギーは、図に示すように、ｐ型半導体クラッド層３０としてのｐ−ＩｎＡｌＡｓ層の価電子帯エネルギーよりも低くなっている。そのため、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層は、正孔３のポテンシャル障壁として作用し、無電界状態でノンドープ層である光導波層２０への正孔３の拡散を防止している。これにより、無電界状態で光導波層の空乏領域２が拡大され、低い印加電圧でも電界が光導波層２０へ効果的に印加されるので、電気光学効果による光変調が効率的に行われるようになる。なお、中間層がノンドープ層であるためこの領域でも電気光学効果が作用する。

図３は、本発明の実施例３による半導体光変調器の導波路の無電界状態でのバンドダイアグラムである。この半導体光変調器の導波路は、ｎ−ＩｎＰ層からなるｎ型半導体クラッド層１０ａおよび１０ｂと、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層、あるいはノンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層からなる光導波層２０と、ノンドープＩｎＡｌＡｓ層からなる中間層４０ａと、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層からなる中間層４０ｂとを備え、全体としてｎ−ｉ−ｎ構造を構成している。ここで、中間層４０ａは、ｎ型半導体クラッド層１０ａと光導波層２０との間に設けられ、中間層４０ｂは、ｎ型半導体クラッド層１０ｂと光導波層２０との間に設けられている。

中間層４０ａとしてのノンドープＩｎＡｌＡｓ層の伝導帯エネルギーは、図に示すように、ｎ型半導体クラッド層１０ａとしてのｎ−ＩｎＰ層の伝導帯エネルギーよりも高くなっている。そのため、ノンドープＩｎＡｌＡｓ層は、電子１のポテンシャル障壁として作用し、無電界状態でノンドープ層である光導波層２０への電子１の拡散を防止している。

また、中間層４０ｂとしてのｐ−ＩｎＡｌＡｓ層の伝導帯エネルギーは、図に示すように、ｎ型半導体クラッド層１０ｂとしてのｎ−ＩｎＰ層の伝導帯エネルギーよりも高くなっている。そのため、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層は、電子１のポテンシャル障壁として作用し、無電界状態でノンドープ層である光導波層２０への電子１の拡散を防止している。

このように、中間層４０ａおよび４０ｂにより、無電界状態での光導波層の空乏領域２が拡大され、低い印加電圧でも電界が光導波層２０へ効果的に印加されるので、電気光学効果による光変調が効率的に行われるようになる。

図４は、本発明による半導体変調器の一例であるマッハツェンダ変調器の概観図である。図４では、半導体へテロ構造の導波路に上記の実施例の導波路を用いて、マッハツェンダ干渉計を構成している。半導体変調器１００は、光信号を入力する入力導波路１１０と、光信号を２分岐する光分岐器１２０ａと、分岐した光信号の位相を調整する位相変調導波路１３０と、光信号を合波する光合波器１２０ｂと、光信号を出力する出力光導波路１４０とを備えている。また、変調器１００は、位相変調導波路１３０上に配設され、光信号の位相を調整する電気信号を供給する高周波電界印加線路１５０ａおよび１５０ｂを備えている。なお、図４に示す半導体変調器では、高速で光変調を行えるように、電極には高周波電界を印加するためのコプレーナ導波路構造が採用されている。

入力光導波路１１０から入力された光信号は、光分岐器１２０ａにより２分岐され、位相変調導波路１３０のそれぞれの導波路に入力される。位相変調導波路１３０を伝播する光信号は、高周波電界印加線路１５０ａおよび／または１５０ｂに供給する電気信号により位相変調される。位相変調された光信号は、光合波器１２０ｂにより合波され、位相変調に応じて強度変調された光信号が出力導波路１４０から出力される。

本発明による導波路を位相変調導波路１３０に用いることにより、高周波電界印加線路１５０ａ、１５０ｂへのバイアス電圧が低くても電気光学効果による光変調を効率的に行うことができる。これにより、従来必要であった電圧の昇圧回路などが必要なくなり、光変調装置の簡易化および低消費電力化が可能になる。

図５に、本発明によるマッハツェンダ変調器の消光特性の一例を示す。図７と比較すると、印加電圧が低い領域でも電気光学効果による光変調を効率的に行うことができることがわかる。これにより、バイアス電圧が低くても変調器の駆動が可能であり、従来必要であった電圧の昇圧回路などが必要なくなり、光変調装置の簡易化および低消費電力化が可能になる。

本発明の一実施例による半導体変調器の導波路の無電界状態でのバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の一実施例による半導体変調器の導波路の無電界状態でのバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の一実施例による半導体変調器の導波路の無電界状態でのバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の一実施例による半導体変調器の一例であるマッハツェンダ変調器を示す概観図である。 本発明によるマッハツェンダ変調器の消光特性の一例を示す図である。 従来の半導体変調器の導波路のバンドダイアグラムを示す図であり、図６（ａ）は、無電界状態でのバンドダイアグラムを示し、図６（ｂ）は、電界印加状態でのバンドダイアグラムを示している。 従来のマッハツェンダ変調器の消光特性を示す図である。

符号の説明

１ 電子
２ 空乏領域
３ 正孔
１０、１０ａ、１０ｂ ｎ型半導体クラッド層
２０ ノンドープ層／光導波層
３０ ｐ型半導体クラッド層
４０、４０ａ、４０ｂ、５０ 中間層
１００ 半導体変調器
１１０ 入力導波路
１２０ａ 光分岐器
１２０ｂ 光合波器
１３０ 位相変調導波路
１４０ 出力光導波路
１５０ａ、１５０ｂ 高周波電界印加線路

Claims (8)

1. 半導体光導波層と、ｎ型半導体クラッド層とを備えた導波路を有する半導体光変調器において、
   前記半導体光導波層と前記ｎ型半導体クラッド層との間にあって、無電界状態で前記ｎ型半導体クラッド層から前記半導体光導波層への多数キャリアの拡散を防ぐポテンシャル障壁となる中間層を備えたことを特徴とする半導体光変調器。
2. 請求項１に記載の半導体光変調器において、
   前記半導体光導波層は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層またはノンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層からなり、
   前記ｎ型半導体クラッド層は、ｎ−ＩｎＰ層からなることを特徴とする半導体光変調器。
3. 請求項２に記載の半導体光変調器において、
   前記中間層は、ＩｎＡｌＡｓを含むことを特徴とする半導体光変調器。
4. 電気光学効果を有する半導体光導波層と、該半導体光導波層の上下を挟む第１のクラッド層と、該第１のクラッド層の上下を挟む第２のクラッド層を備えた半導体へテロ構造の光導波路を有する半導体光変調器において、
   前記第２のクラッド層の少なくとも一方は、ｎ型半導体層で構成され、
   前記ｎ型半導体層に接する前記第１のクラッド層は、無電界状態で前記第２のクラッド層から前記半導体光導波層への多数キャリアの拡散を防ぐポテンシャル障壁となることを特徴とする半導体光変調器。
5. 請求項４に記載の半導体光変調器において、
   前記第２のクラッド層は、ともにｎ型半導体層で構成されたことを特徴とする半導体光変調器。
6. 請求項５に記載の半導体変調器において、
   前記半導体光導波層は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層またはノンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層からなり、
   前記第２のクラッド層は、ｎ−ＩｎＰ層からなることを特徴とする半導体光変調器。
7. 請求項６に記載の半導体光変調器において、
   前記第１のクラッド層は、ＩｎＡｌＡｓを含むことを特徴とする半導体光変調器。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体光変調器であって、
   マッハツェンダ干渉計により構成されたことを特徴とする半導体光変調器。

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