JPH01217418A - 光変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は外部から入射される光を変調する光変調素子に
関するものである。

（従来技術とその問題点） 光フアイバ通信技術は光ファイバの超低損失性と光が木
質的に有する超広帯域性を利用して進展し、伝送のます
ますの長距離化と大容量化の研究が世界的に進められて
いる。光ファイバの損失が理論的な限界にまで達した今
日では、特に伝送の高速化、大容量化の研究が重要にな
ってきている。

光信号を高速にオン・オフする技術としては、現在では
一般に半導体レーザを直接変調する方法がとられている
。しかし、直接変調方式では、発振素子である半導体レ
ーザの電流を高速に変化させるため、発振波長が時間的
に大きく変動し、結果的に発振スペクトル幅が変調帯域
のスペクトル幅に比べて異常に大きく広がってしまうこ
とになる。従って、長距離あるいは高速の伝送では、光
ファイバの波長分散の影響を大きく受け、受信される光
パルスが歪んでしまうため、良好な伝送特性が得られな
い。そこで、このような問題を避けるため、半導体レー
ザの出力は一定に保持し、外部の光変調素子で高速な変
調を行う方法が近年検討されている。

光変調素子としては、ＬｉＮｂＯ３等の強誘電体を用い
た光変調素子や叶Ｂレーザ等の単一波長半導体レーザと
モノシリツクに集積可能な光変調素子などが提案されて
いるが、中でも後者の変調導波路に電界を印加して電気
吸収効果により強度変調する電気吸収型光変調素子が最
も有望視されている。

第１図は、従来の電気吸収型光変調素子の斜視図である
。ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変調
導波路層２、メサ状のＰ型ＩｎＰクラッド層３及びｐ型
１ｎＧａＡｓ　Ｐキャン１層４が積層されており：さら
に、ｐ型電極５及びｎ型電極６がそれぞれｐ型１ｎＧａ
Ａｓ　Ｐキャン１層４とｎ型ＩｎＰ基板１に接するよう
に形成されている。この光変調素子ではＩｎＧａＡｓ　
Ｐ変調導波路層２に光を入射してｐ型電極５に印加する
マイナスと、ｎ型電極６に印加するプラスの電圧を変化
させ、１ｎＧａＡｓ　Ｐ変調導波路Ｎ２の吸収係数を変
化させることによって、出射光の強度を変調することが
できる。電気吸収型変調素子においては、低電圧で変調
できること、高速変調可能なこと及び高速変調時のスペ
クトル広がりが小さいことが重要である。今まで、Ｉｎ
ＧａＡｓ　Ｐ変調導波路層２の禁制帯エネルギーＥｇに
入射光フォトエネルギーｈνが近いほど低電圧で吸収係
数の変化が大きくとれ、かつ、素子長Ｌ　（ＩｎＧａＡ
ｓ　Ｐ変調導波路層２の入射端面から出射端面までの長
さ）を短くできるため、高速変調が可能でスペクトル広
がりも抑制できるとされていた。従って、従来では両者
のエネルギー差ΔＥｇ　（Ｅｇ−ｈν）だけに着目し、
エネルギー差ΔＥｇを３０〜４０ｍｅＶに設定すれば、
高性能な光変調素子が実現されると考えられていた。し
かし、従来の光変調素子では、入射光強度が約百μ囚以
下の場合には変調電圧、変調帯域幅及びスペクトル幅と
もに良好な特性を示すものの、入射光の強度が０．１ｍ
Ｗ以上となるに従い、変調電圧が著しく増加し、又帯域
幅も減少するということが明らかになった。

以上述べたように、従来の電気吸収型光変調素子では、
入射光強度が小さい場合には低電圧変調。

高速動作及び狭スペクトル動作が可能なものの、実用レ
ベルの数ｍＷまで入射光強度を増大させた場合には、こ
れらの特性が著しく劣化するという欠点があった。

（発明の目的及び特徴） 本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、入射光強度が増大しても低電圧で高速
の変調が可能な光変調素子を実現することを目的とする
。

本発明の第１の特徴は、光導波路の入射端面から出射端
面に向かって、吸収係数が大きくなるように光導波路組
成、膜厚、ストライプ幅等を変え、単位長当りの吸収キ
ャリア数を光進行方向についてほぼ一定となるよう構成
した点にある。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴に加え光導波路層の
層厚方向の禁制帯幅を連続的もしくは断続的に変化させ
て構成した点にある。

本発明の第３の特徴は、第１及び第２の特徴に加え、光
導波路層の禁制帯幅エネルギーが入射光エネルギーより
も平均的に５０ｍｅＶ以上としたことにある。

（発明の原理） 入射光強度が増大した場合に現れる変調電圧の増大及び
帯域劣化の現象などの特性劣化を詳細に検討した結果、
光導波路層の禁制帯幅Ｅｇと入射光フォトンエネルギｈ
νのエネルギー差（ΔＥｇ＝Ｅｇ−ｈν）に強く依存し
、エネルギー差へＥｇを５０ｍｅＶ以下では特性劣化が
生じる。又、素子長依存性については、０．３Ｍから２
　、５　ｍｍまで素子長を変えても、ΔＥｇが３０　４
０ｍｅＶの場合には、殆ど変化が見られず特性劣化して
いることが、同一発明者が同日出願した特許出願「光変
調素子」（１）により確認されている。

以上の実験結果は、入射光強度が大きい場合に、入射端
近傍の非常に光強度が強いわずかな領域でのみ、過剰キ
ャリアによる空間電界効果が生じ、電界強度を弱め、又
変調速度を遅くしていることを示している。この過剰キ
ャリアによる空間電界効果を抑制するひとつの手段とし
て、光導波路層の層厚方向（電圧印加方向）における電
界強度分布を補正するために、光導波路層の層厚方向の
禁制帯幅を連続的もしくは断続的に変える構成について
〔「光変調素子」（２））として同一発明者が同日出願
している。ここでは空間電界効果を抑制し、低変調電圧
でかつ高速の変調が可能な他の手段について述べる。

本発明の原理について、以下に説明する。

光変調器への入射光強度をＩ、。３．吸収係数をα、光
導波路の光閉し込め係数を「とすると、入射端面から距
離Ｘの点での光強度Ｉ　（ｘ）は、Ｉ　ｆｘ）　＝　Ｔ
ｏ　ｅ−”Ｘ（］）と表わすことができ、単位長当りの
吸収量は、αＸ となる。式（２）は、単位長当りに吸収されるキャリア
数に比例する。すなわち、従来の光変調素子では、α及
び「は一定であるため、単位長当りの吸収キャリアは、
はぼＩ　ｌｘｌ　に比例し、入射端近傍では吸収キャリ
ア数が、出射端近傍の吸収キャリア数に比べて異常に大
きくなっている。入射光強度が小さい場合には、吸収キ
ャリアの場所的に不均一があっても、ハンド構造に影響
を与えないので問題とはならないが、入射光強度が大き
くなると、入射端近傍で吸収された過剰な吸収キャリア
が、印加電界を打ち消し、変調電圧や変調速度に影響を
与える。

そこで、本発明者らは、式（２）のαＩ’　Ｉ　ｆ、）
がほぼ一定となるようにし、光導波路の入射端から出射
端で吸収される吸収キャリア数をほぼ同じにすれば、場
所的の過剰キャリアを発生せずに効率的な光変調が可能
となると考えた。すなわち、光量が多い所では、吸収係
数α又は光閉じ込め係数Ｆを小さくし、光量が少ない所
では、吸収係数α又は「を大きくすれば、高強度光入射
時にも帯域劣化や変調電圧の増加がない高性能光変調素
子が実現される。

（発明の構成及び作用） 以下に図面を用いて本発明の詳細な説明する。

（実施例１） 第２図は、本発明による第１の実施例であり、光変調素
子の側面図である。従来例と異なる点は光導波路層が均
一領域でなく、入射端から出射端に向かって、禁制帯幅
が小さくなっている３つのｎ　−−ＩｎＧａＡｓ　Ｐ光
導波路層７，８及び９に分割されている点にある。厚さ
は０．４５μｍ、各導波路層の長さは２００μｍである
。入射端側の光導波路層７の禁制帯幅は、１．５５ｎｌ
の入射光エネルギより６０ｍｅＶ大きくし、光導波路層
８及び９の禁制帯幅は、それぞれ５５ｍｅＶ、　５０ｍ
ｅＶ大きくしである。ストライプ幅を３叩とすると、Ｉ
”＆０．７７、　２Ｖ印加時で導波路層内平均電界強度
は７２ＫＶ／ｃｍ、光導波路層７，８゜９の吸収係数は
、α＝５０ｃｍ−’、　１００ｃｍ−’及び１５０ｃｍ
−’である。入射端側の光導波路層７での吸収係数は小
さいため、入射端近傍で局所的に過剰な吸収キャリアを
発生し、空間電荷効果を誘発することはない。又、光が
光導波路層８及び９へ入射する時点では光強度はそれぞ
れ４６％及び１０％と小さくなっているため、吸収係数
が大きくなっても、吸収キャリア数は増大しない。

本発明による構成によれば、出射端での消光比は、変調
電圧が２ｖで２０ｄＢ以上とれ、帯域幅は約１０ＧＨｚ
となり、高強度入射時にも特性劣化のない高性能光変調
素子が実現される。

（実施例２） 第３図は本発明による第２の実施例であり、光変調素子
の側面図である。実施例１では、入射端から出射端に向
けて光導波路層の組成を変えて吸収係数を増加させてい
るのに対し、本実施例では導波路層厚を変えて導波路層
電界強度を変化させ、吸収係数が増大するように構成し
ている。ｎ”−ＩｎＧａＡｓ　Ｐ変調導波路層１０．１
１．１２の禁制帯幅は、１．５５μｍの入射光フォトン
エネルギよりも、５５ｍｅＶ大きくしである。また、ス
トライプ幅は３μｍ、各導波路層１０．１１及び１２の
長さは実施例１と同様２００μｍである。光導波路層の
１０．１１．１２の膜厚を０．７μｍ、　　０．４５−
及び０．４ｐとし、２ｖ印加時の電界強度を４５ＫＶ／
ａｍ、　７２ＫＶ／ｃｍ及び８０ＫＶ／ｃｍと変え、各
導波路層１０．１１．１２の吸収係数を、５０ｃｍ−’
＋　１００ｃｍ−’及び１５０Ｃｍ−’としている。光
閉じ込め係数が光導波路層１ｏ、　Ｈ，１２で、ｒ”＝
０．８９．０．７７及び０．７３と変化する事を考慮す
ると、光導波路層１１及び１２に入射する光強度は４４
％、９％となり、出射端における消光比は２ｖで約２０
ｄＢとなる。本構成においても、光量の多い入射端近傍
では吸収係数が小さく、又、吸収係数の大きい出射端近
傍では光量が少なくなっているため、局所的過剰キャリ
アを発生することがなく、実施例１と同様高強度入射時
の特性劣化は生しない。

（実施例３） 第４図は、本発明による第３の実施例であり、光変調素
子の側面図である。実施例２と同様に本実施例でも、吸
収係数の変化を電界強度の変化で実現している。実施例
２と異なる点は、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ　Ｐ光導波路層１
３の膜厚は０．４−で一定であり、ｒｎＧａＡｓ　Ｐ光
導波路層１３とＩｎＰ基板１の間に厚さが異なる　ｎ−
−ＩｎＰ層１４．１５を挿入し、導波路層内電界強度を
変化させている点である。ｎ−−１ｎＰ層１４及び１５
の厚さをそれぞれ０．３μｍ及び０．０５−とすれば、
実施例２と同様の効果が得られ、高強度の光入射時にも
特性劣化のない光変調素子が実現される。

（実施例４） 第５図は本発明による第４の実施例であり、光変調素子
の模式図である。

ｎ　−−１ｎＧａＡｓ　Ｐ光導波路層１３の禁制帯幅と
膜厚は実施例３と同様である。入射端から出射端へ向か
って吸収係数を変えることを、本実施例では、ストライ
プ幅を変化させ、光閉じ込め係数を変化させることによ
って実現している。

ストライプ幅は、入射端から、出射端へ向かう３つの領
域で、それぞれ１μｍ、２μｍ及び４−とじて、光閉じ
込め係数をｒ＝０．４８．０．７３．０．８４と変化さ
せている。２ν印加時の実効的吸収係数は、ストライプ
幅１，２及び４−１領域で４８ｃｍ−’、　７３ｃｍ−
’及び８６ｃｍ−’である。各領域長を１５（ｂｚｍ、
　２００−。

２５０μｍとすれば、ストライプ幅２μｍ及び４ｐｍに
入射する光強度はそれぞれ入射端の強度の４８％、１１
％となり、実施例３と同様、高光強度入射時にも特性劣
化のない高性能光変調素子が実現される。

上述の説明では、光導波路の吸収係数を入射端から出射
端に向かって３段階でかつ段階的に太き（する場合を例
にとり説明したが、２段階以上又は連続的に変化させる
場合にも、本発明が適用できる。また、前述した実施例
１〜４のうち複数を組合わせても良い。

次に本発明の他の実施例として、同一出願人より同日出
願されている光変調素子と組み合わせた場合の例につい
て説明する。

まず、組み合わせの具体例を述べる前に同日出願されて
いる２件の光変調素子の概要について説明する。

第１の光変調素子の概要は光導波路層の禁制帯幅Ｅｇと
入射光のフォトンエネルギーｈνとのエネルギー差ΔＥ
ｇ　（−Ｅｇ　−ｈ　ｖ　）を５０ｍｅＶ以上とし、か
つ光変調素子の素子長を予め定めた長さに構成すること
にある。ここで、本発明と組み合わせる場合には、層厚
方向もしくは入射端面から出射端面方向の禁制帯幅を変
化させているため、入射端面倒と出射端面側でエネルギ
ー差ΔＥｇが異なるが、その平均値であるエネルギー差
ΔＥｇが５０ｍｅＶ以上となる条件があれば良い。

第２の光変調素子の概要は、光導波路層中の電界強度分
布を補正して層厚方向の吸収係数が一定となるように層
厚方向における導波路層の禁制帯幅を連続的もしくは断
続的に変えることにより、光分布と吸収係数の重なりを
大きくして変調電圧の低下と素子長短縮による広帯域化
を図った点にある。又、同時に、吸収係数を均一化する
ことにより、高強度入射時に問題となる局所的過剰キャ
リアによる空間電荷効果を抑制しているものである。

従って、本発明による光変調素子を第３の光変調素子と
した場合、第１と第２の組み合わせによる光変調素子、
第１と第３の組み合わせによる光変調素子、第２と第３
の組み合わせによる光変調素子、第１．第２及び第３の
組み合わせによる光変調素子の４種類の組み合わせが可
能となる。

以下に、第１．第２及び第３の組み合わせによる光変調
素子を例にとり説明する。

（実施例５） 第６図に本発明による第５の実施例の側面図を示す。

ｐ−４ｎＰ基板１６上に、入射光のエネルギーより６０
ｍｅＶ大きい禁制帯幅を持つｎ　−−１ｎＧａＡｓ　Ｐ
光導波路層（０，２μｍ積層）１７を２００μｍの領域
にわたり形成し、続いて、八Ｅ　ｇ　＝５５ｍｅＶの禁
制帯を持つｎ　−−ＩｎＧａＡｓ　Ｐ光導波路層（０，
２μｍ層厚）１８を４００Ｊｒｍの領域にわたり形成し
ている。更に、ΔＥ　ｇ　＝　５０ｍｅＶの禁制帯を持
つｎ　−−１ｎＧａＡｓ　Ｐ光導波路層１９を６００　
ｐｒｎにわたり形成し、最後にｎ−ＩｎＰクラッド層２
０を積層している。すなわち、本実施例では、同日出願
した他の２件の光変調素子とを全て組み合わせたもので
、層厚方向（電圧印加方向）での電界強度の違いによっ
て生ずる吸収係数の違いを補正し層厚方向の吸収係数を
一定とすると共に、入射端から出射端に向けての吸収係
数を大きくなるように膜厚（従って電界強度）及び組成
を変え長手方向の吸収の均一化も図り、かつ各光導波路
層１７゜１８、１９の禁制帯幅が入射エネルギー（ｈν
）より５０ｍｅＶ以上となるように形成されている。従
って、光変調素子の吸収領域の殆どすべての場所で、吸
収の均一化が図られており、高入射光強度下でも高速、
低電圧変調が可能な光変調素子が実現される。

なお、実施例５では、第１．第２及び第３の光変調素子
の組み合わせを例にとり説明したが、他の３種類の組み
合わせでも良い。

光導波路層の伝導性はｐ−型でも良い。又、材料系とし
ては、ＩｎＧａＡｓ　Ｐ　／　Ｉｎ　Ｐ系を例にとり説
明したが、Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ　／　ＧａＡｓ系や、Ａ　
Ｊ２　ＧａＡｓ　／　Ｉｎ　Ｐ系などの他の材料にも同
様に適用できる。更に、それらの他の材料で構成される
多重量子井戸層を用いることもでき、その場合説明で用
いた禁制帯幅は、量子準位で定まる実効的な禁制帯幅と
なる。

又、横モード安定化のためのストライプ構造については
ストリップ装荷型を例にとり説明したが、埋め込みスト
ライプ構造や、リッジ導波路ストライプ構造等の従来の
技術がすべて適用可能である。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明では光強度の大きい入射端側
では吸収係数が小さく、出射端側では吸収係数を大きく
なるよう構成し、単位長当りの吸収キャリア数が均一化
されるように光変調素子を構成しているため、光強度を
増大しても局所的な過剰キャリアを発生し、空間電荷効
果により変調電圧の増加や帯域幅の減少をもたらすこと
がなく、低電圧で高速の光変調が可能な高性能光変調素
子を実現することができる。また、入射端面から出射端
面に向かって吸収係数を大きくするのに加え、光導波路
の層厚方向の禁制帯幅を層厚方向の吸収係数が一定とな
るように連続的もしくは断続的に変化させて構成するこ
とにより、低変調電圧で高速の変調が可能となる。さら
に、入射端面から出射端面に向かって吸収係数を大きく
し、層厚方向の光導波路層の禁制帯幅を変化させるのに
加え、光導波路層の禁制帯幅が入射光のホトンエネルギ
ーよりも平均的に５０ｍｅＶ以上となるように構成する
ことにより、より低変調電圧で高速の変調が可能となる
。

また、入射端面から出射端面に向かって吸収係数を大き
くする方法として、禁制帯幅を小さくして行く方法は精
密でかつ正確にできる効果を、層厚を薄くする方法及び
ストライプ幅を大きくする方法は製造方法が簡単である
という効果を有する。

この光変調素子はギガビット帯の超高速、長距離光フア
イバ通信等に応用することができ、その効果は極めて大
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電気吸収型光変調素子の模式図、第２図
、第３図及び第４図は本発明による第１゜第２．第３の
実施例としての光変調素子の構造を示す側面図、第５図
は本発明による第４の実施例である光変調素子の模式図
、第６図は本発明による第５の実施例である光変調素子
の側面図である。 ｌ−・ｎ−ＩｎＰ基板、　２　・＝　ｎ　−−ＩｎＧａ
Ａｓ　Ｐ光導波路層、　３・・・ｐ−ＩｎＰクラッド層
、　４・・・ｐ　−ＩｎＧａＡｓ　Ｐキヤツプ層、　　
５・・・ｐ側電極、　　６・・・ｎ側電極、　７．８．
９＋　１（Ｌ　ＩＬ　１２＋　１３　・・・ｎ−−Ｉｎ
ＧａＡｓ　Ｐ光導波路層、　１４．１５・＝　ｎ　−−
Ｉｎ　Ｐ層、　１６−　ｐ　−Ｉｎ　Ｐ基板、１７．１
８．１９・ｎ−−ＩｎＧａＡｓ　Ｐ光導波路層、　２（
ｈ・ｎ　−Ｉｎ　Ｐ層。 特許出願人　　国際電信電話株式会社

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に低不純物濃度の第１の伝導型を有する光
   導波路層と、該光導波路層よりも屈折率の小なる第１及
   び第２の伝導型を有するクラッド層と電極とを有し、該
   電極から前記光導波路層へ印加する電界によって前記光
   導波路の入射端面に入射する一定強度の入射光に対する
   吸収係数を変化させて光強度変調を行って前記光導波路
   の出射端面から変調光を取り出す光変調素子において、 前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
   一な吸収キャリア数となるように前記入射端面から前記
   出射端面に向かって連続的もしくは段続的に前記入射光
   に対して吸収係数が大きくなるように前記光導波路を構
   成したことを特徴とする光変調素子。
2. （２）基板上に低不純物濃度の第１の伝導型を有する光
   導波路層と、該光導波路層よりも屈折率の小なる第１及
   び第２の伝導型を有するクラッド層と電極とを有し、該
   電極から前記光導波路層へ印加する電界によって前記光
   導波路の入射端面に入射する一定強度の入射光に対する
   吸収係数を変化させて光強度変調を行って前記光導波路
   の出射端面から変調光を取り出す光変調素子において、 前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
   一な吸収キャリア数となるように前記入射端面から前記
   出射端面に向かって連続的もしくは段続的に前記入射光
   に対して吸収係数が大きくなるようにし、かつ前記光導
   波路の層厚方向の禁制帯幅を該層厚方向の吸収係数がほ
   ぼ一定となるように連続的もしくは断続的に変化させて
   構成したことを特徴とする光変調素子。
3. （３）基板上に低不純物濃度の第１の伝導型を有する光
   導波路層と、該光導波路層よりも屈折率の小なる第１及
   び第２の伝導型を有するクラッド層と電極とを有し、該
   電極から前記光導波路層へ印加する電界によって前記光
   導波路の入射端面に入射する一定強度の入射光に対する
   吸収係数を変化させて光強度変調を行って前記光導波路
   の出射端面から変調光を取り出す光変調素子において、 前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
   一な吸収キャリア数となるように前記入射端面から前記
   出射端面に向かって連続的もしくは段続的に前記入射光
   に対して吸収係数が大きくなるようにし、かつ前記光導
   波路の層厚方向の禁制帯幅を該層厚方向の吸収係数がほ
   ぼ一定となるように連続的もしくは断続的に変化させる
   と共に、 前記光導波路層の禁制帯幅が前記入射光のエネルギーよ
   りも平均的に５０ｍｅＶ以上となるように構成したこと
   を特徴とする光変調素子。
4. （４）前記光導波路の禁制帯幅を前記入射端面から前記
   出射端面に向かって連続的もしくは断続的に小さくする
   ことにより、 前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
   一な吸収キャリア数となるように構成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２項記載又は第３項記載
   の光変調素子。
5. （５）前記光導波路の層厚を前記入射端面から前記出射
   端面に向かって連続的もしくは断続的に薄くすることに
   より、 前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
   一な吸収キャリア数となるように構成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２項記載又は第３項記載
   の光変調素子。
6. （６）前記光導波路のストライプ幅が前記入射端面から
   前記出射端面に向かって連続的もしくは断続的に大きく
   することにより、 前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
   一な吸収キャリア数となるように構成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２項記載又は第３項記載
   の光変調素子。
7. （７）前記クラッド層の一部を低不純物濃度で構成し、
   かつ該低不純物濃度で構成されたクラッド層の層厚を前
   記入射端面から前記出射端面に向かって連続的もしくは
   断続的に薄くすることにより、 前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
   一な吸収キャリア数となるように構成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２項記載又は第３項記載
   の光変調素子。