JP4522154B2 - 電気吸収型光変調器 - Google Patents

Description

この発明は、電気吸収型光変調器に係り、特に変調層における消光特性を向上した電気吸収型光変調器に関する。

例えば、長距離の光ファイバ通信にあっては、外部光変調器にて変調を行うことが知られ、電気吸収型光変調器（以下単に光変調器という）としては量子井戸構造の光吸収層を利用した化合物半導体によって構成されたものがある。このような光変調器は、光吸収層に電圧を印加して光吸収端波長のシフトを行うことによって光吸収し光変調を行うものである。この場合、光吸収層の積層方向に電圧を印加することにより光吸収を行うに当たり、光吸収の程度を表す概念として消光特性があり，この消光特性（消光比）により光吸収の良否を計ることができる。

従来の光変調器では、基板上にクラッド層や光吸収層を順に（電圧印加による電界方向に）積層することにより光吸収層を中心としてその上下にクラッド層が形成される構造を有するが、ヘテロ接合構造にて生ずるエネルギバリアに起因して光吸収層に電子あるいは正孔が蓄積され、いわゆる外部電界を打ち消す内部電界が発生し実効的な電界強度の低下が生じて消光特性が劣化していた。
このため、特許文献１では、光変調器の構造を光吸収層の積層方向と電圧の印加方向との間に一定の角度を付けるようにすることによって、エネルギバンドダイヤグラムを傾斜させ、この傾斜に伴い電子と正孔とが互いに逆方向に移動し、内部電界強度を小さくして消光特性の劣化を防止するという技術が開示されている。
特開平９−６１７６３号公報

しかしながら、上記特許文献１にあっては、光吸収層の傾斜に伴うエネルギバンドの傾斜は光吸収層の中心部分にて光吸収層の積層面内方向にて常に電圧が印加されている状態を生じさせるので、光吸収層として量子井戸構造を採った場合には，閉じ込められる励起子が減少することになり、量子閉じ込めシュタルク効果による消光特性の向上が然程図れないという問題が生じている。
この発明は、上述の問題を回避するために発明されたもので、特許文献１に示すようなエネルギバンドの傾斜構造を採らないで光吸収層の積層面内方向の電圧の発生を防止し、一方光吸収層の積層方向と外部電界の印加方向とを同一方向とした場合の内部電界の発生をもたらすキャリアの蓄積を除去して消光特性の向上を図るようにした電気吸収型光変調器の提供を目的とする。

この目的を達成する本発明は、光導波路層の積層方向に電界を印加して光に対する吸収係数を変化させる変調層を備えた電気吸収型光変調器において、
前記変調層の光進行方向に対して直交する断面の積層面方向に沿うエネルギギャップを、変調層の積層面方向に沿う中央部は大きく両端部は小さく変化させた構造を有することを特徴とする。

この発明によれば、変調層の積層面方向中央部のエネルギギャップを端部のエネルギギャップより大きくすることができ、光強度の大きな変調層の積層面方向の中央部に生成したキャリアを光変調の寄与が少ない端部に拡散させることができ、変調層の積層方向の実効的な電界強度の低下を妨げることができ、結果的に消光特性の向上を図ることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態の電気吸収型光変調素子（光変調素子と称する）の断面を示し、図２は、図１に示す構造にあってエネルギバンド構造を示し、図３は、光変調素子の製造工程の概略を示す。
図１において、光変調素子は、ｎ型ＩｎＰクラッド層１，パイルアップ防止層を場合により含むＩｎＧａＡｓＰ変調層２、ｐ型ＩｎＰクラッド層３、このｐ型ＩｎＰクラッド層に場合により積層されたＩｎＧａＡｓＰコンタクト層（図示省略）、導波路の幅方向両側に形成された絶縁性の埋め込み層４、上下両側にあるｎ側電極５、及びｐ側電極６を有する。

このような積層構造にあって，図１の光変調素子の積層方向に沿うＡＡ’線におけるエネルギバンド構造を図２（ａ）に示し、図１のＩｎＧａＡｓＰ変調層２を横切る積層面内方向（幅方向）に沿うＢＢ’線におけるエネルギバンド構造を図２（ｂ）に示す。すなわち、この実施形態にあって電極５、６により加えられる外部電界方向と同一である積層方向のＡＡ’線では、図２（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰクラッド層１、ＩｎＧａＡｓＰ変調層２、ｐ型ＩｎＰクラッド層３に沿い同様な幅のエネルギギャップを有してポテンシャル勾配を有する。一方、積層方向に対して垂直な積層面内方向のＢＢ’線では、図２（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ変調層２の中央部にて、外部電界に対して垂直な積層面内方向のポテンシャル勾配がなく、しかも中央部のエネルギギャップが両側のエネルギギャップより大きい構造となっている。

ここにおいて、図２（ｂ）では、ＩｎＧａＡｓＰ変調層２の積層面内方向にあってエネルギギャップは、中央部にて大きく両端部にて小さくしたのであるが、この発明の目的からすれば、中央部のキャリアを拡散させることができれば、両端部でなくても片端部でも良く、あるいは図示のように積層方向上下について形成しなくても上又は下のいずれか一方でもよい。ＩｎＧａＡｓＰ変調層２の積層方向におけるこのエネルギギャップの広狭についての変形例は、元素によるマスク上での拡散距離の長短、結晶格子定数の異同、積層成長条件の制御の容易さを含む製造の容易さ、等におけるキャリア拡散の良し悪しを考慮して適宜選択することができる。

図３に示す光変調素子の製造工程の概略とともに，構造を更に詳しく説明する。ここでは、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いてダブルへテロ構造の光変調素子を形成する。図３において、ｎ型ＩｎＰ基板上に有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ）などによってｎ型ＩｎＰクラッド層１を形成する（図３（ａ））。このｎ型ＩｎＰクラッド層１上に、場合によりパイルアップ防止層を有するＩｎＧａＡｓＰ変調層２を形成する（図３（ｂ））。この場合、基板にストライプ状に窓が形成されたマスクを用い、元素によってマスク上の拡散距離が異なる選択成長の手法にてＩｎＧａＡｓＰを成長させる。この選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ変調層２の積層面内方向の中央部と両端部とで組成の異なったＩｎＧａＡｓＰを成長させることができる。ここで、エネルギギャップを狭くするように組成を異ならしめる手法としては、具体的には、例えば、ＩｎＧａＡｓＰはＡｓの量が増えるに従いエネルギギャップが小さくなるという特性を利用したり、結晶格子定数の状態、結晶の歪によってエネルギギャップが変化するという特性を利用することができる。この結果、ＩｎＧａＡｓＰ変調層２の中央部と両端部では、組成の異なったＩｎＧａＡｓＰが成長し、中央部のエネルギギャップを両端のエネルギギャップより大きくすることができ、図２（ｂ）に示すようなエネルギバンド構造を得ることができる。

また、選択成長の手法としてＩｎＧａＡｓＰ変調層２を成長させるに際し、マスク上での原料元素の拡散距離は元素種により異なることを前提として、成長条件を適切にすることにより、ＩｎＧａＡｓＰ変調層２の積層面内方向中央部と両端部とでは組成が異なったＩｎＧａＡｓＰが成長し、結果として図２（ｂ）エネルギバンド構造を得ることができる。この場合、選択成長の成長制御条件は、拡散距離の異同に伴い制御の容易さを見出すことが可能である。
更に、図２（ｂ）に示すようなエネルギバンド構造を得る方法として、実効的なバンドギャップを得る方法がある。すなわち、図３（ｃ）のように変調層２上にｐ型ＩｎＰクラッド層３を形成するのであるが、このｐ型ＩｎＰクラッド層３を形成する前に、変調層２の幅より狭いｉ型ＩｎＰ層を形成し、この変調層２の中央部でのｉ層膜の存在により中央部での実効的な電界強度が両端部のそれに比べて小さくして、中央部の実効的なバンドギャップを大きくするものである。

図３（ｃ）に戻り、ＩｎＧａＡｓＰ変調層２上にはｐ型ＩｎＰクラッド層３が積層される。この場合、場合によってはＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を積層する。この後、フォトリソグラフィ及びエッチングによりｐ型ＩｎＰクラッド層３及びＩｎＧａＡｓＰコンタクト層をストライプ状にエッチングし，エッチングによりＩｎＧａＡｓＰ導波路を形成する。この後、導波路の両側部を絶縁性の材料にて埋め込み、埋め込み層４を形成する。この後、ｎ型ＩｎＰクラッド層１の下にｎ型電極５を形成し、ｐ型ＩｎＰクラッド層３上にｐ型電極６を形成する（図３（ｄ））。

以上製造方法をも説明したこの実施形態では、図２（ｂ）にて示すエネルギバンド構造を得ることにより，光強度の大きな変調層の積層面方向の中央部に生成したキャリア（光吸収によって生成した正孔が光変調層からｐ型ＩｎＰクラッド層３に拡散する際にエネルギ障壁にて拡散が妨げられ変調器内部に蓄積されるキャリア）を光変調の寄与が少ない両端部に拡散させることができる。この場合、変調層の両端部に拡散したキャリアは一定時間後緩和する。こうして、変調層の積層方向の実効的な電界強度の低下を妨げることができ、結果的に消光特性の向上を図ることができる。また、キャリアの蓄積が無いので外部印加電圧に対する追従性が良くなり変調素子の高速応答性が図られる。

また、特許文献１にて示されるような光強度の大きな中央部では積層面内方向のポテンシャル勾配がなく、光吸収により生成されたキャリアが励起子状態を保ったまま存在する。更に、連続的な光吸収によりキャリア濃度が上昇した場合には、その濃度勾配とエネルギバンドのポテンシャル勾配により電子や正孔が両端部に拡散し中心部にキャリアが蓄積しなくなる。こうして、消光特性が向上し高速応答性を得る。
なお、この実施形態では、従来技術にて挙げた特許文献１のようにエッチングにて傾斜角度を形成することがないので、傾斜角度の再現性が得られにくいというような欠点がなく、また、この実施形態では、特許文献１のように傾斜した光吸収層の上下両側に傾斜したｉクラッド層を有しているのでこのｉクラッド層の膜厚が大きくなり、このため印加できる電圧とｉクラッド層にて決定される実効的な電界強度が制限される、という欠点もない。

本発明の電気吸収型光変調器の実施形態である光変調素子の断面図である。 エネルギバンド構造図である。 簡略製造工程図である。

Claims (3)

1. 光導波路層の積層方向に電界を印加して光に対する吸収係数を変化させる変調層を備えた電気吸収型光変調器において、
   前記変調層の光進行方向に対して直交する断面の積層面方向に沿うエネルギギャップが、中央部は両端部より大きい構造を有することを特徴とする電気吸収型光変調器。
2. 前記変調層のエネルギギャップを変化させる構造は、元素の違いによる拡散距離の違いを利用した選択成長にて形成したことを特徴とする請求項１に記載の電気吸収型光変調器。
3. 前記変調層のエネルギギャップを変化させる構造は、変調層の幅より狭いｉ型ＩｎＰ層を変調層上に形成したことを特徴とする請求項１に記載の電気吸収型光変調器。

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