JP6320138B2 - 電界吸収型半導体光変調器 - Google Patents

Description

この発明は、半導体光変調器、特に電界吸収型光変調器（以下、「ＥＡ光変調器」とも称する）に関する。当該半導体光変調器は、例えば光ファイバー通信で用いられる。

光ファイバー通信システムでは、様々な光半導体素子が研究、開発され、利用されている。光変調可能で簡単な構造の光素子として、例えば単一波長発振が可能なＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feed Back Laser Diode）やＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg Reflector Laser Diode）と称される半導体レーザーがある。

半導体レーザーの駆動電流によって光変調する直接変調方式では、注入キャリアの変動に伴った屈折率変化により、発振波長の変動、いわゆる動的チャープが発生する。動的チャープは、高速変調時あるいは長距離ファイバーにおいて、伝送後の信号光波形を著しく劣化させてしまう。

かかる事情に鑑みて、半導体レーザーとシリアルにＥＡ光変調器を集積することで、チャープを低減したＥＡ光変調器付き半導体レーザーが広く用いられている。

ＥＡ光変調器では、多重量子井戸を吸収層として利用する。多重量子井戸は、例えば下記の特許文献１〜３において、P-I-N構造のＥＡ光変調器に用いられた場合が開示されている。

特開平１１−２１２０３６号公報 特開２００３−２５５２８６号公報 特開２００１−１３４７２号公報

P-I-N構造のＥＡ光変調器に用いられる多重量子井戸では、吸収層で光が吸収されることで、吸収層のうち井戸層（ウェル層）に電子と正孔が発生する。発生した電子と正孔が井戸層に蓄積されると、吸収層の吸収係数が大きいほど消光比が小さくなる。あるいは当該蓄積はパターン効果を招来し、マスクマージンが劣化する。

よって、ＥＡ光変調器を高速で動作させるためには、電子と正孔が井戸層に留まらせない必要がある。そこで電子と正孔とを、吸収層を挟むＰ型クラッド層あるいはＮ型クラッド層へ拡散させる必要があった。

特許文献１では、電子と比べても特に井戸層に留まりやすい正孔の蓄積を防ぐため、価電子帯の井戸層と障壁層のポテンシャル高さを８０ｍｅＶ以下の量子井戸を利用することを提案している。低電圧で高い消光比を得るには井戸層を厚くすることが考えられる。しかしながら、このようなポテンシャルの低い量子井戸において井戸層を厚くすると、印加する電圧の増加とともに電子と正孔が空間的に乖離してしまう。このような状況は、吸収係数が減少して逆に消光比を低下させてしまう問題があった。

特許文献２では、井戸層と障壁層（バリア層）の間に、それらに対し中間のエネルギーギャップを有する中間層を挿入することを提案している。中間層はチャープを低減する。このような構造では、電圧印加時の電子と正孔の空間的な乖離を抑制することができる。しかし電子、正孔の閉じ込めが強いため、電圧印加による吸収スペクトルの変化量が小さくなる。これでは消光比が大きくならないという問題があった。

この発明は、現在光通信デバイスの材料として産業用、研究用に広く利用されており、量産技術が確立され、信頼性のあるＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｌＡｓとを組み合わせた量子井戸において、その積層構造を工夫することにより、上記の問題点を解決することを目的とする。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第１の態様は、Ｐ型不純物でドーピングされたＰクラッド層と、Ｎ型不純物でドーピングされたＮクラッド層と、前記Ｐクラッド層と前記Ｎクラッド層との間に設けられる多重量子井戸とを備える電界吸収型半導体光変調器である。

前記多重量子井戸では複数の量子井戸が周期的に積層され、前記量子井戸の各々が、前記Ｐクラッド層から前記Ｎクラッド層へ向かって順に、井戸層、中間層、障壁層を有する。

前記井戸層のバンドギャップよりも前記中間層のバンドギャップが大きく、前記中間層のバンドギャップよりも前記障壁層のバンドギャップが大きい。

前記障壁層と前記中間層の材料はいずれもＡｌＧａＩｎＡｓであり、前記井戸層の材料はＩｎＧａＡｓＰである。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第２の態様は、その第１の態様であって、前記井戸層の価電子帯のエネルギー端と、前記中間層の価電子帯のエネルギー端とは一致する。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第３の態様は、その第１の態様であって、前記井戸層と前記中間層との層厚の和が１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第４の態様は、その第１の態様であって、前記障壁層には引張ひずみが、前記井戸層には圧縮ひずみが、それぞれ生じている。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第５の態様は、その第１の態様であって、前記中間層には引張ひずみが、前記井戸層には圧縮ひずみが、それぞれ生じている。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第１の態様によれば、価電子帯のエネルギー端を小さく維持しても、電界印加時の電子と正孔の波動関数の重なりを大きくできるので、低電圧かつ高速で駆動されることができる。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第２の態様によれば、正孔の蓄積を抑制して消光比を大きくし、かつ、離調量を小さくして必要な駆動電圧が小さくなる。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第３の態様によれば、正孔の蓄積が低減されるので、大きな消光比が得られる。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第４の態様は、１．３μｍの波長通信帯で用いる場合に好適である。

この発明にかかる電界吸収型半導体光変調器の第５の態様は、１．５５μｍの波長通信帯で用いる場合に好適である。

ＥＡ光変調器付半導体レーザーの構成を示す斜視図である。 ＥＡ光変調器の構造を示す断面図である。 多重量子井戸の吸収スペクトルを示すグラフである。 ＥＡ光変調器の光消光量と逆バイアスとの関係を示すグラフである。 実施の形態１における吸収層の近傍の構成を示すバンドダイアグラムである。 実施の形態１における量子井戸の構成を示すバンドダイアグラムである。 実施の形態１の比較となる量子井戸の構成を示すバンドダイアグラムである。 実施の形態１における量子井戸の電子の第１準位と正孔の第１準位の波動関数を示す図である。 実施の形態１の比較となる量子井戸の電子の第１準位と正孔の第１準位の波動関数を示す図である。 実施の形態１における量子井戸の電子の第１準位と正孔の第１準位の波動関数を示す図である。 実施の形態１の比較となる量子井戸の電子の第１準位と正孔の第１準位の波動関数を示す図である。 実施の形態１における量子井戸と、比較となる量子井戸の電子の、第１準位と正孔の第１準位の波動関数の重なり積分と電界の関係を示す図である。 実施の形態１の比較となる量子井戸を用いたＥＡ光変調器の、印加電圧と消光比の関係を示す図である。 実施の形態１における量子井戸を用いたＥＡ光変調器の、印加電圧と消光比の関係を示す図である。 ＥＡ光変調器の、実施の形態１における量子井戸、その比較となる量子井戸をそれぞれ用いた場合の、光出力と消光比の関係を示す図である。 実施の形態２における量子井戸の構成を示すバンドダイアグラムである。

基本的構成．
実施の形態の詳細な説明に先立ち、下記実施の形態が適用されるＥＡ光変調器付半導体レーザーについて説明する。

図１はＥＡ光変調器付半導体レーザーの構造を示す斜視図である。Ｎ−ＩｎＰ基板１上に半導体レーザーとしてのＤＦＢレーザー２０とＥＡ光変調器１０とが、電気的に分離されつつシリアルに配置されている。ＤＦＢレーザー２０は連続駆動されて発振し、単一波長の光がＥＡ光変調器１０に導波される。ＥＡ光変調器１０には、その駆動電圧として変調信号Ｖｍが印加される。これらにより、変調された光（ＯＮ／ＯＦＦ信号）ＬｍがＥＡ光変調器１０から出力される。

図２はＥＡ光変調器１０の典型的な構造を示す断面図である。ＥＡ光変調器１０はハイメサ構造であり、Ｎ−ＩｎＰ基板１上にＮ−ＩｎＰ（即ちＮ型不純物でドーピングされたＩｎＰ）からなるＮクラッド層２、多重量子井戸構造からなる吸収層３、Ｐ−ＩｎＰ（即ちＰ型不純物でドーピングされたＩｎＰ）からなるＰクラッド層４、Ｐ側電極５の順に積層されている。吸収層３は、Ｎクラッド層２とＰクラッド層４によって挟まれた絶縁体であり、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸から構成される。なお、導波路の構造は、ハイメサ構造以外に、埋込構造、リッジ構造でもよい。Ｎ−ＩｎＰ基板１上にはＮ側電極６も設けられる。

ＥＡ光変調器１０の動作原理を述べる。図３はＥＡ光変調器１０の吸収層３における多重量子井戸の吸収スペクトルを示すグラフである。ＤＦＢレーザー２０の発振光の波長λ２は、吸収層３のフォトルミネッセンス波長λ１から離調量Δλで離調する。

変調信号Ｖｍが“ＯＮ状態”では吸収層３に逆バイアスは印加されず、電界は大きくない（曲線Ｅ２）。よってＤＦＢレーザー２０からの発振光は、吸収層３で吸収されにくく、ＥＡ光変調器１０から出力される。

変調信号Ｖｍが“ＯＦＦ状態”では、吸収層３に逆バイアスが印加され、ここでの電界が大きくなる（曲線Ｅ１）。これにより、波長λ２における吸収量が増え、ＥＡ光変調器１０からは発振光が出力されない。ＥＡ光変調器１０の性能として、ＯＮ状態の光出力がなるべく大きく、ＯＦＦ状態の光出力がなるべく小さくなるような特性が望まれている。

なお、データセンタで利用されるＥＡ光変調器付半導体レーザーは、小さな電流で半導体レーザーを駆動し、小さな電圧でＥＡ光変調器を駆動し、しかも高温で動作することが望まれる。

図４はＥＡ光変調器の光消光量と逆バイアスとの関係を示すグラフである。変調信号Ｖｍを吸収層３に対する逆バイアス（Ｎクラッド層２がＰクラッド層４よりも高電位である）として把握している。曲線は離調量Δλが異なる値をとる場合に対応している。図４からは、離調量Δλが小さいほど、ある消光比を得るための逆バイアスが小さくて足りることが判る。

実施の形態１．
図５は実施の形態１によるＥＡ光変調器の吸収層３近傍の構成を、逆バイアス電圧を印加した状態での伝導帯および価電子帯のバンドダイアグラムで表した図である。価電子帯については重い正孔のエネルギー端Ｅｖを記している。

吸収層３は、複数の量子井戸３０（例えば１０層）が周期的に積層された多重量子井戸として把握することができる。吸収層３はＮクラッド層２とＰクラッド層４との間に設けられる。

量子井戸３０は、その各々が、Ｐクラッド層４からＮクラッド層２へ向かって順に、井戸層３１、中間層３２、障壁層３３を有している。いずれの量子井戸３０についても、電界を印加しない状態での吸収端は一致する。

以下に、本発明の実施の形態として１．３μｍの波長帯で動作するＥＡ光変調器付半導体レーザーに関して説明する。

図６は量子井戸３０の構成を例示するバンドダイアグラムである。ここでは井戸層３１、中間層３２、障壁層３３の一組についてのみ示し、Ｎクラッド層２のフェルミ準位とＰクラッド層４のフェルミ準位（図５においていずれも鎖線で描画）の相違によるバンドの傾斜は無視して描いた。

井戸層３１は、厚みが５．５ｎｍ、バンドギャップに相当する波長が１３４０ｎｍ、圧縮ひずみが０．５％のＩｎＧａＡｓＰで構成される。中間層３２は、厚みが５ｎｍ、バンドギャップに相当する波長が１１７０ｎｍ、ひずみが無いＩｎＧａＡｌＡｓで構成される。障壁層３３は、厚みが６ｎｍ、バンドギャップに相当する波長が１１２０ｎｍ、引張ひずみが０．５５％のＩｎＧａＡｌＡｓで構成される。

図５では吸収層３とＮクラッド層２との間に光閉じ込め層７を、吸収層３とＰクラッド層４との間に光閉じ込め層８を、それぞれ設けた構成を例示した。光閉じ込め層７，８は井戸層３１よりもバンドギャップが大きく、例えばＩｎＧａＡｌＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰを用いて実現できる。但し、本実施の形態の効果を得る観点では、光閉じ込め層７，８が省略できる。

光閉じ込め層７が採用される場合、光閉じ込め層７に隣接する量子井戸３０では障壁層３３が省略される。

量子井戸３０では、電子のエネルギー端Ｅｃは、井戸層３１から中間層３２へ向かって段差を以て高まり、更に中間層３２から障壁層３３へ向かって段差を以て高まる。また、井戸層３１と中間層３２の、それぞれのエネルギー端Ｅｖは一致する。このようなバンド構造は、井戸層３１を構成するＩｎＧａＡｓＰと、中間層３２を構成するＩｎＧａＡｌＡｓと、障壁層３３を構成するＩｎＧａＡｌＡｓとの組成比を調整することによって実現できる。

量子井戸３０を用いたＥＡ光変調器において消光比が低下するのを避けるためには、井戸層３１に電子と正孔が蓄積されないよう、重い正孔のポテンシャル高さ（井戸層３１、中間層３２と障壁層３３との間のエネルギー端Ｅｖの段差）を小さな値にすることが望まれる。例えば、ＥＡ光変調器を２５ギガビット毎秒で動作させるときには、以下の理由により、重い正孔のポテンシャル高さは５０ｍｅＶ程度にすることが望ましい。

正孔が井戸層３１および中間層３２から障壁層３３へ熱放出される時定数τ_ｈは、正孔の質量をｍ_ｈ、ポテンシャル高さと準位エネルギー差をまとめてΔＥｖとし、井戸層３１と中間層３２の層厚の和をＬ、ボルツマン定数をｋ_Ｂ、温度をＴとして次式で求められる：τ_ｈ＝[(ｋ_Ｂ・Ｔ/(２π・ｍ_ｈ・Ｌ^２))^１／２・exp(−ΔＥｖ／(ｋ_Ｂ・Ｔ))]^−１。

よって重い正孔のポテンシャル高さが５０ｍｅＶ程度であれば、時定数τ_ｈは２ｐｓ程度になり、２５ギガビット毎秒で動作させても、正孔が蓄積することはない。

同様に、電子についても井戸層３１および中間層３２から障壁層３３へ熱放出される時定数τ_ｅは２ｐｓ程度となり、２５ギガビット毎秒で動作させても電子が蓄積されることはない。

このような量子井戸３０を積層して吸収層３を成膜するとき、井戸層３１を構成するＩｎＧａＡｓＰ、中間層３２を構成するＩｎＧａＡｌＡｓについての組成比が、成膜プロセス中にばらつくことがありえる。この組成比のばらつきは、各層のバンドエネルギー端の揺らぎを招く可能性もある。しかし本実施の形態では、井戸層３１と中間層３２のエネルギー端Ｅｖは、±５ｍｅＶの範囲内で一致すれば効果を発揮する。

比較のため、特許文献１で例示されるような量子井戸構造のバンドダイアグラムを図７に示した。井戸層３４は厚さ１０．５ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓで構成されており、図６で示された構成の井戸層３１、中間層３２の合計と同じ厚さを有している。よって井戸層３４は、図６の構成の井戸層３１、中間層３２に代替すると把握できる。井戸層３４のバンドギャップは井戸層３１のそれと等しく（波長に換算して１３４０ｎｍ）、図７の障壁層３３は図６の障壁層３３と同一の構成を有している。

以下、図６及び図７の構成において障壁層３３を９層設ける場合について説明する。図６の構成（以下、そのバンドダイアグラムの形状に鑑みて、これを「片階段ポテンシャル量子井戸」と称する）を用いて吸収層３を構成する場合には井戸層３１と中間層３２との対を、図７の構成（以下、そのバンドダイアグラムの形状に鑑みて、これを「方形ポテンシャル量子井戸」と称する）を用いて吸収層３を構成する場合には井戸層３４を、いずれも１０層設ける。光閉じ込め層７，８が吸収層３を挟むので、障壁層３３を１０層設ける必要はない。

いずれの構成においても、２５ギガビット毎秒で動作させることを想定して、重い正孔のポテンシャル高さを、同じ５０ｍｅＶ程度とする。

図８〜１１は片階段ポテンシャル量子井戸と方形ポテンシャル量子井戸に電界を印加したときの電子の第１準位の存在確率を表す波動関数（｜Ψ_ｅ（ｘ）｜^２）の振る舞い（実線）と、正孔の第１準位の存在確率を表す波動関数（｜Ψ_ｈ（ｘ）｜^２）の振る舞い（破線）を示す。これらの図において横軸ｘは、量子井戸の積層方向の位置を表し、横軸において右に向かう方向はＮクラッド層２へ向かう方向である。縦の細線は井戸層３４（あるいは井戸層３１と中間層３２との対）と障壁層３３との境界の位置を表す。これらの図において電子、正孔のそれぞれ第１準位の波動関数の振る舞いを示すのは、これら準位間の状態遷移にともなう光吸収がＥＡ光変調器の消光比を決めるからである。

図８及び図１０は片階段ポテンシャル量子井戸について示し、図９及び図１１は方形ポテンシャル量子井戸について示す。図８及び図９は変調信号Ｖｍによって印加される電界強度が１０ｋＶ／ｃｍの場合を、図１０及び図１１は当該電界強度が７０ｋＶ／ｃｍの場合を、それぞれ示す。

電界強度が１０ｋＶ／ｃｍと小さいときには、片階段ポテンシャル量子井戸、方形ポテンシャル量子井戸ともに電子の波動関数と正孔の波動関数の空間的な空間分布が同等で、それらの重なり積分が大きく、その結果吸収係数が大きくなる（図８及び図９参照）。

これに対して電界強度が７０ｋＶ／ｃｍと大きくなると、方形ポテンシャル量子井戸の電子の波動関数が大きくＮクラッド層２の方向（横軸右側）に分布するようになり、Ｐクラッド層４の方向に分布している正孔との波動関数との重なり積分が急激に小さくなる（図１１）。これにより吸収係数は急激に減少する。

一方、片階段ポテンシャル量子井戸の場合は、電界強度が７０ｋＶ／ｃｍと大きくなっても、伝導帯のポテンシャルがＮクラッド層２側で階段状に高くなっているため、電子の波動関数がＮクラッド層２の方向に分布することはない。よって電子の波動関数と正孔との波動関数の重なり積分は大きく（図１０）、吸収係数も大きな値を維持する。

図１２は、印加する電界と電子の波動関数と正孔の波動関数との重なり積分（｜＜Ψ_ｅ｜Ψ_ｈ＞｜^２）の関係を、片階段ポテンシャル量子井戸（実線）、方形ポテンシャル量子井戸（破線）の両方について示す。上述したように、方形ポテンシャル量子井戸の場合は重なり積分は印加する電界とともに急激に小さくなるが、片階段ポテンシャルの場合は減少量が小さい。このことから、吸収係数の減少量は、片階段ポテンシャルの場合は抑制される。これは消光比を大きくする観点で望ましい。

図１３に、方形ポテンシャル量子井戸を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーについて、ＥＡ光変調器に印加する電圧と光出力の関係（以下、ＤＣ消光カーブと呼ぶ）を示す。図１４に、片階段ポテンシャル量子井戸を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーについて、ＤＣ消光カーブを示す。いずれの図についても、ＤＣ消光カーブは、０Ｖでの光出力で規格化しており対数スケールで表示している。これらのＥＡ光変調器付半導体レーザーは、方形ポテンシャル量子井戸を用いるか、片階段ポテンシャル量子井戸を用いるかのみ相違し、他の構成は共通とした。

方形ポテンシャル量子井戸を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーでは、光出力を大きくしつつ消光比（オン信号とオフ信号の光強度比）１０ｄＢを得るためには、例えば０Ｖ〜１．３Ｖの範囲で電圧を掃引する必要がある。

一方、片階段ポテンシャル量子井戸を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーでは、光出力は電圧とともに急激に減少し、消光比は増加する。このデバイスで消光比１０ｄＢを得るためには０Ｖ〜１．０Ｖの範囲で電圧を掃引すれば足りる。

図１５に、図１３でＤＣ消光カーブを示した方形ポテンシャル量子井戸を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーについて（実線及び黒四角）と、図１４でＤＣ消光カーブを示した片階段ポテンシャル量子井戸を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーについて（破線及び白四角）、それぞれを変調速度２５ギガビット毎秒、変調電圧振幅１．５Ｖ、レーザー駆動電流６０ｍＡ、素子温度６０℃で動作させた時の結果を示す。

グラフは変調電圧の中心値を変えたときの光出力と消光比の関係を表している。同じ光出力で比較した場合、片階段ポテンシャル量子井戸を用いた方が、消光比が４ｄＢ程度大きくなっている。以上のように、ＩｎＧａＡｌＡｓを用いた従来型の量子井戸に比べ、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｌＡｓを用い伝導帯のみ階段状の量子井戸を用いた方が変調電圧振幅と光出力の関係を向上できる。

このようにして中間層３２によって、電界印加時においても電子の波動関数の分布はＮクラッド層２側にずれずにＰクラッド層２側に局在させることができる。よって正孔のポテンシャル高さを小さくしても、電子と正孔の波動関数の重なりを大きくできるので、消光比、光出力が大きくなる。これにより、吸収層３を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーを、低電圧かつ高速で駆動することができる。

なお、井戸層３１のエネルギー端Ｅｖが中間層３２の価電子帯のエネルギー端Ｅｖよりも低いと、中間層３２が正孔のポテンシャル高さを高めてしまい、正孔が蓄積されやすくなってしまう。これは消光比の低下を招いてしまう。他方、井戸層３１のエネルギー端Ｅｖは高い方が、バンドギャップを小さくし、吸収層３のフォトルミネッセンス波長λ１を長波長側にシフトさせる点で望ましい。これは発振光の波長λ２の離調量Δλを小さくし、ある消光比を得るために必要な駆動電圧が小さくて済むからである（図３及び図４参照）。

別の観点では、エネルギー端Ｅｖが一致するバンド構造を有する空間的な領域が広がるので、価電子帯の正孔の、電界変化にともなう空間分布の変化量が大きい。これにより、電圧印加／非印加による吸収スペクトルの相違を大きくすることができる。これは、大きな消光比と、ＯＮ状態での小さな吸収損失（図４参照）とが両立できる、という観点でも望ましい。

よって井戸層３１のエネルギー端Ｅｖが中間層３２の価電子帯のエネルギー端Ｅｖと一致することは、正孔の蓄積を抑制して消光比を大きくし、かつ、離調量Δλを小さくして必要な駆動電圧を小さくするという利点がある。

なお、時定数τ_ｈ求める既出の式に鑑みれば、井戸層３１と中間層３２の層厚の和Ｌは小さい方が時定数τ_ｈを小さくできるので正孔の蓄積を低減でき、以て消光比を大きくできる。よって本実施の形態のように、井戸層３１と中間層３２の層厚の和は１０ｎｍ程度、厚くとも１５ｎｍ程度であることが望ましい。

また、障壁層３３に引張ひずみが、井戸層３１に圧縮ひずみが、それぞれ生じていることも、吸収層３を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーを１．３μｍの波長通信帯で用いる場合に好適である。

実施の形態２．
以下に、本発明の実施の形態として１．５５μｍの波長帯で動作するＥＡ光変調器付半導体レーザーに関して説明する。

図１６に本発明の実施の形態２による片階段ポテンシャルの量子井戸３０の構造を示し、図６と同様に、井戸層３１、中間層３２、障壁層３３の一組についてのみ示し、Ｎクラッド層２のフェルミ準位とＰクラッド層４のフェルミ準位（いずれも鎖線で描画）の相違によるバンドの傾斜は無視して描いた。

井戸層３１は、厚みが５ｎｍ、バンドギャップに相当する波長が１６６０ｎｍ、圧縮ひずみが０．５％のＩｎＧａＡｓＰで構成される。中間層３２は、厚みが５ｎｍ、バンドギャップに相当する波長が１５４０ｎｍ、引張ひずみが−０．５５％のＩｎＧａＡｌＡｓで構成される。障壁層３３は、厚みが５ｎｍ、バンドギャップに相当する波長が１３３０ｎｍ、ひずみがないＩｎＧａＡｌＡｓで構成される。

吸収層３は、井戸層３１及び中間層３２が７層ずつ、障壁層３３が６層、積層されている（図５も参照）。

量子井戸３０は井戸層３１と中間層３２の重い正孔のバンドエネルギー端が一致するようにＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｌＡｓとの組成比が調整されている。実施の形態１と同様に製造プロセスで発生する井戸層３１のＩｎＧａＡｓＰと中間層３２のＩｎＧａＡｌＡｓの組成比がばらついたときに、重い正孔のバンドエネルギー端が±５ｍｅＶの範囲内で一致すればよい。この量子井戸３０でも、重い正孔のポテンシャル高さが実施の形態１と同様に、５０ｍｅＶ程度になっている。

よって本実施の形態でも実施の形態１と同様にして、吸収層３を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーを、低電圧かつ高速で駆動することができる。

なお、時定数τ_ｈを求める既出の式に鑑みて、本実施の形態でも実施の形態１と同様に、井戸層３１と中間層３２の層厚の和は１０ｎｍ程度、厚くとも１５ｎｍ程度であることが望ましい。

一般に、１．５５μｍ波長帯ではファイバーの波長分散が大きいので、ファイバー伝送に伴って光信号に歪みが発生する。そこでファイバー伝送特性を良好に維持するためには、ＥＡ光変調器付半導体レーザーの信号光のチャープ量を特に小さくすることが望まれる。よって本実施の形態のように、正孔の蓄積を低減する構成は、チャープ量を低減する観点で望ましい。１０ギガビット毎秒のＥＡ光変調器付半導体レーザーの伝送特性を、良好に維持しつつ、その駆動電圧を低減できる。

また、中間層３２に引張ひずみが、井戸層３１に圧縮ひずみが、それぞれ生じていることも、吸収層３を用いたＥＡ光変調器付半導体レーザーを１．５５μｍの波長通信帯で用いる場合に好適である。

変形．
上述の量子井戸構造によりＥＡ光変調器付半導体レーザーの駆動電圧を低減できる。更に、井戸層３１、中間層３２、障壁層３３の層数を増加させ、さらにＥＡ変調器の長さを減らすことにより、静電容量を小さくすることができる。例えば吸収層３において、それぞれ７層、７層、８層であって井戸層３１、中間層３２、障壁層３３を、それぞれ１４層、１４層、１３層に増やし、ＥＡ変調器の長さを１００μｍにすることによって、４０ギガビット毎秒の伝送速度で動作することが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態や変形を自由に組み合わせたり、各実施の形態や変形を適宜、更に変形したり、省略したりすることが可能である。

２ Ｎクラッド層、３ 吸収層（多重量子井戸）、３０ 量子井戸、３１ 井戸層、３２ 中間層、３３ 障壁層、４ Ｐクラッド層、Ｅｖ （重い正孔の）エネルギー端、Ｌ 井戸層と中間層の層厚の和。

Claims (5)

1. Ｐ型不純物でドーピングされたＰクラッド層と、Ｎ型不純物でドーピングされたＮクラッド層と、前記Ｐクラッド層と前記Ｎクラッド層との間に設けられる多重量子井戸とを備える電界吸収型半導体光変調器であって、
   前記多重量子井戸では複数の量子井戸が周期的に積層され、
   前記量子井戸の各々が、前記Ｐクラッド層から前記Ｎクラッド層へ向かって順に、井戸層、中間層、障壁層を有し、
   前記井戸層のバンドギャップよりも前記中間層のバンドギャップが大きく、前記中間層のバンドギャップよりも前記障壁層のバンドギャップが大きく、
   前記障壁層と前記中間層の材料はいずれもＡｌＧａＩｎＡｓであり、
   前記井戸層の材料はＩｎＧａＡｓＰであることを特徴とする、電界吸収型半導体光変調器。
2. 前記井戸層の価電子帯のエネルギー端と、前記中間層の価電子帯のエネルギー端とは一致する、請求項１記載の電界吸収型半導体光変調器。
3. 前記井戸層と前記中間層との層厚の和が１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下である、請求項１記載の電界吸収型半導体光変調器。
4. 前記障壁層には引張ひずみが、前記井戸層には圧縮ひずみが、それぞれ生じている、請求項１記載の電界吸収型半導体光変調器。
5. 前記中間層には引張ひずみが、前記井戸層には圧縮ひずみが、それぞれ生じている、請求項１記載の電界吸収型半導体光変調器。

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