JPH02300716A - 光導波路型位相変調器 - Google Patents
光導波路型位相変調器Info
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- JPH02300716A JPH02300716A JP11880989A JP11880989A JPH02300716A JP H02300716 A JPH02300716 A JP H02300716A JP 11880989 A JP11880989 A JP 11880989A JP 11880989 A JP11880989 A JP 11880989A JP H02300716 A JPH02300716 A JP H02300716A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光導波路を構成する多重量子井戸層の屈折率
を外部電界で制御して、光導波路を通過する光の位相を
制御する光導波路型位相変調器に関するものである。
を外部電界で制御して、光導波路を通過する光の位相を
制御する光導波路型位相変調器に関するものである。
半導体レーザは室温連続動作の達成以来、その小型、堅
固、直接変調可能な点から実用化が努力され、低損失光
ファイバの開発と相俟って、今日では日本列島縦断はも
とより、海底ケーブルによる大陸間横断にも光伝送用光
源として使用されている。しかし、これらは半導体レー
ザの強度を変調する方式であって、レーザ特有の広い周
波数を利用したものではなく、より高度の新しい応用に
展開するには、光の周波数あるいは位相を制御すること
が大きな課題となっている。これまで、光の位相を制御
する方式として、光源である半導体レーザそのものに周
波数あるいは位相制御部を設けるものと、ニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶やＧａＡｓ／Ａ１１ＧａＡｓ
、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ等の半導体結晶の電気光学効
果を利用して外部電圧によりその屈折率を変化させて位
相変調を行うものとの２つがある。半導体レーザそのも
のの利用は。
固、直接変調可能な点から実用化が努力され、低損失光
ファイバの開発と相俟って、今日では日本列島縦断はも
とより、海底ケーブルによる大陸間横断にも光伝送用光
源として使用されている。しかし、これらは半導体レー
ザの強度を変調する方式であって、レーザ特有の広い周
波数を利用したものではなく、より高度の新しい応用に
展開するには、光の周波数あるいは位相を制御すること
が大きな課題となっている。これまで、光の位相を制御
する方式として、光源である半導体レーザそのものに周
波数あるいは位相制御部を設けるものと、ニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶やＧａＡｓ／Ａ１１ＧａＡｓ
、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ等の半導体結晶の電気光学効
果を利用して外部電圧によりその屈折率を変化させて位
相変調を行うものとの２つがある。半導体レーザそのも
のの利用は。
分割電極を用いているため比較的簡便にできるが。
電流注入を用いているため光の強度と位相を同時に独立
に制御することが困難で、利用できる範囲も狭いという
問題を有している。一方、電気光学効果を利用する方式
では、効果そのものが小さいため大きな結晶を用いる必
要があり、また、大きな電圧を必要とするという問題が
あった。電気光学効果を利用する方式での上記した問題
を克服する素子として、半導体多重量子井戸層構造を利
用したものが文献〔アプライド・フィジクス・レター（
Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ、）、 ５２巻、
１９８８年、９４５頁〕に提案されている。
に制御することが困難で、利用できる範囲も狭いという
問題を有している。一方、電気光学効果を利用する方式
では、効果そのものが小さいため大きな結晶を用いる必
要があり、また、大きな電圧を必要とするという問題が
あった。電気光学効果を利用する方式での上記した問題
を克服する素子として、半導体多重量子井戸層構造を利
用したものが文献〔アプライド・フィジクス・レター（
Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ、）、 ５２巻、
１９８８年、９４５頁〕に提案されている。
上記従来技術での多重量子井戸層構造によれば。
電界印加に伴って生じる屈折率変化が９通常のバルク結
晶に比べて大きく、比較的低電圧で、かつ試料長も長く
なくてもバルク結晶と同程度の位相差が得られる利点が
ある。しかしそれでも十分と、はいい難く、動作電圧は
１０ｖ以上、試料長は１ｍｍ程度でその電気容量（キャ
パシタンス）も大きく、高速動作は数ＧＨｚが限度であ
り、また、屈折率変化を大きくすると光吸収係数変化も
大きくなり２位相変調に伴って振幅変化も大きくなると
いう問題点を有していた。
晶に比べて大きく、比較的低電圧で、かつ試料長も長く
なくてもバルク結晶と同程度の位相差が得られる利点が
ある。しかしそれでも十分と、はいい難く、動作電圧は
１０ｖ以上、試料長は１ｍｍ程度でその電気容量（キャ
パシタンス）も大きく、高速動作は数ＧＨｚが限度であ
り、また、屈折率変化を大きくすると光吸収係数変化も
大きくなり２位相変調に伴って振幅変化も大きくなると
いう問題点を有していた。
本発明の目的は、従来技術での上記した問題点を解決し
、半導体多重量子井戸層の光吸収係数及び屈折率変化の
構造、さらに組成依存性に関する詳細な検討結果に基づ
き、高性能な光導波路型位相変調器を提供することにあ
る。
、半導体多重量子井戸層の光吸収係数及び屈折率変化の
構造、さらに組成依存性に関する詳細な検討結果に基づ
き、高性能な光導波路型位相変調器を提供することにあ
る。
上記目的はｖ Ｉ ｎ０．５３Ｇａｏ１．７−ｘＡＡＸ
Ａｓを井戸層。
Ａｓを井戸層。
Ｉｎ。、５３Ａｕ。、４７Ａｓを障壁層とする多重量子
井戸層が、井戸層のＡＩＪ、成分ｘが０＜ ｘ≦０．０
４の範囲に井戸幅が５５人から８５人の範囲にあるよう
にＩｎＰ基板上に格子整合をとって形成され、上記多重
量子井戸層の両側をＩｎ。、５３ＡＬ、４７ Ａｓより
成るクラッド層で挟んで光導波路を構成し、上記クラッ
ド層の外側に電界印加用の電極を設けて、光導波路を通
過する光の位相を、電界による多重量子井戸層の屈折率
の変化で制御する構成とすることにより、達成される。
井戸層が、井戸層のＡＩＪ、成分ｘが０＜ ｘ≦０．０
４の範囲に井戸幅が５５人から８５人の範囲にあるよう
にＩｎＰ基板上に格子整合をとって形成され、上記多重
量子井戸層の両側をＩｎ。、５３ＡＬ、４７ Ａｓより
成るクラッド層で挟んで光導波路を構成し、上記クラッ
ド層の外側に電界印加用の電極を設けて、光導波路を通
過する光の位相を、電界による多重量子井戸層の屈折率
の変化で制御する構成とすることにより、達成される。
すなわち２本発明の狙いは、屈折率変化を大きくしつつ
光吸収係数変化を小さく抑え、併せて高速動作を可能と
するため、従来の多重量子井戸層構造に第３の物質を添
加し、その添加量及び井戸層の厚さを最適化するにある
。
光吸収係数変化を小さく抑え、併せて高速動作を可能と
するため、従来の多重量子井戸層構造に第３の物質を添
加し、その添加量及び井戸層の厚さを最適化するにある
。
一般に、屈折率ｎ及びその外部電界による変化分Δｎは
、吸収係数α及びその変化分Δαと独立ではあり得ず、
Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒ′６ｎｉｇ （クラマース・ク
レーニッヒ）の関係式で結ばれている。第４図（、）は
、ＩｎＰ基板上に格子整合をとって形成したｙ Ｉ ｎ
０．５３Ｇａ０．４７−ｘＡＩｌｘＡｓ （量子井戸層
）／Ｉｎ。、５３Ａ立。、４．Ａｓ（障壁層）から構成
される多重量子井戸層における電界印加による屈折率変
化Δｎを、パラメータとして■族元素（Ｉ ｎ、 Ｇａ
。
、吸収係数α及びその変化分Δαと独立ではあり得ず、
Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒ′６ｎｉｇ （クラマース・ク
レーニッヒ）の関係式で結ばれている。第４図（、）は
、ＩｎＰ基板上に格子整合をとって形成したｙ Ｉ ｎ
０．５３Ｇａ０．４７−ｘＡＩｌｘＡｓ （量子井戸層
）／Ｉｎ。、５３Ａ立。、４．Ａｓ（障壁層）から構成
される多重量子井戸層における電界印加による屈折率変
化Δｎを、パラメータとして■族元素（Ｉ ｎ、 Ｇａ
。
４党）の中に占めるＭ元素の割合Ｘを用いて示したもの
で、光の波長として光フアイバ伝送において最も重要な
λ＝ １ 、５５Ｉ１ｍ、印加電界としてＦ＝１２０ｋ
Ｖ／ｃｍを用いている。横軸は、井戸幅を人（オングス
トローム）単位で示している。Ｘ＝０（Ａｆｌ添加の無
い、従来の量子井戸層構造のもの）に比べ、Ｘが増すに
したがって屈折率変化Δｎが増加していることがわかる
。第４図（ｂ）は、印加電界Ｆが零の時の吸収係数α（
０）の井戸幅依存性を、第４図（ｃ）は、印加電界Ｆが
１２０ｋＶ／ｃｍの時の吸収係数α（Ｆ）の井戸幅依存
性を、同様にＡｎの添加量Ｘをパラメータにして示した
ものである。第４図（ｂ）、（Ｑ）より、Ｘが大きくな
りすぎると吸収係数の変化分も大きくなり、振幅変調が
顕著となって位相変調器として不具合を生ずることがわ
かる。以上の結果から、従来の多重量子井戸層構造に第
３の物質Δｇ、を添加し。
で、光の波長として光フアイバ伝送において最も重要な
λ＝ １ 、５５Ｉ１ｍ、印加電界としてＦ＝１２０ｋ
Ｖ／ｃｍを用いている。横軸は、井戸幅を人（オングス
トローム）単位で示している。Ｘ＝０（Ａｆｌ添加の無
い、従来の量子井戸層構造のもの）に比べ、Ｘが増すに
したがって屈折率変化Δｎが増加していることがわかる
。第４図（ｂ）は、印加電界Ｆが零の時の吸収係数α（
０）の井戸幅依存性を、第４図（ｃ）は、印加電界Ｆが
１２０ｋＶ／ｃｍの時の吸収係数α（Ｆ）の井戸幅依存
性を、同様にＡｎの添加量Ｘをパラメータにして示した
ものである。第４図（ｂ）、（Ｑ）より、Ｘが大きくな
りすぎると吸収係数の変化分も大きくなり、振幅変調が
顕著となって位相変調器として不具合を生ずることがわ
かる。以上の結果から、従来の多重量子井戸層構造に第
３の物質Δｇ、を添加し。
その添加量ＸをＯ＜ ｘ≦０．０４の範囲に、井戸幅を
５５人から８５人の範囲に選択することにより、屈折率
変化を太きくシ、光吸収係数変化を小さく抑えることが
できる。
５５人から８５人の範囲に選択することにより、屈折率
変化を太きくシ、光吸収係数変化を小さく抑えることが
できる。
第５図は、以」二の結果に基づき、実際の素子に応用し
た場合の素子特性を求めたものである。すなわち、多重
量子井戸層の両側にＩ ｎ０．５３ＡＱ１１．４７Ａｓ
で形成されるクラッド層を設けて光導波路を構成し、光
を井戸層に平行に導波させた場合の。
た場合の素子特性を求めたものである。すなわち、多重
量子井戸層の両側にＩ ｎ０．５３ＡＱ１１．４７Ａｓ
で形成されるクラッド層を設けて光導波路を構成し、光
を井戸層に平行に導波させた場合の。
位相変化πを与える導波路長Ｑ及びそのときの吸収係数
増加に起因する損失変動量（振幅変化分）ΔＬを縦軸に
、多重量子井戸層厚ｄを横軸にとって示す。光の波長は
え−１，５５／ｆｆｉ、印加電界はＦ ＝ １２０ ｋ
Ｖ ／ ｃｍ、量子井戸層のＡ＋１添加量はＸ＝０．０
４を用い、井戸幅として７４人、７５人。
増加に起因する損失変動量（振幅変化分）ΔＬを縦軸に
、多重量子井戸層厚ｄを横軸にとって示す。光の波長は
え−１，５５／ｆｆｉ、印加電界はＦ ＝ １２０ ｋ
Ｖ ／ ｃｍ、量子井戸層のＡ＋１添加量はＸ＝０．０
４を用い、井戸幅として７４人、７５人。
７６人、７７人、７８人の５種類を用いている。
この図から、長さ３００７／ＩＮ〜１００岬で位相変化
πが得られることがわかり、従来のＸ＝Ｏのものに比べ
約半分の長さで同等特性となり、改良されている。この
ため素子長が短くできるので素子容量は小さくなり２周
波数特性では長さ３００−のとき１−５０ Ｉ（ｚまで
、２００岬のとき２０ＧＨｚまで。
πが得られることがわかり、従来のＸ＝Ｏのものに比べ
約半分の長さで同等特性となり、改良されている。この
ため素子長が短くできるので素子容量は小さくなり２周
波数特性では長さ３００−のとき１−５０ Ｉ（ｚまで
、２００岬のとき２０ＧＨｚまで。
１００岬のとき３２ＧＨｚまで応答することができる。
第１図は、」ユ述したような大きな屈折率変化を器
利用した２本発明位相変シー実施例の（ａ）斜視図、（
ｂ）そのＡ−Ａ’断面図である。第１図において、１は
光入射ボート、３は光出射ボート。
ｂ）そのＡ−Ａ’断面図である。第１図において、１は
光入射ボート、３は光出射ボート。
４はｎ−ＩｎＰ基板、５はｎ −Ｉ ｎＡｕ Ａ ｓク
ラッド層。
ラッド層。
６はアンドープＩｎＧａＡ１１Ａｓ／ＩｎＡＡＡｓ多重
量子井戸層、７はｐ−ＩｎＡｕＡｓクラッド層、８はｐ
−ＩｎＧａＡｓ層、９はＮ側電極、１０はＰ側電極。
量子井戸層、７はｐ−ＩｎＡｕＡｓクラッド層、８はｐ
−ＩｎＧａＡｓ層、９はＮ側電極、１０はＰ側電極。
１１はノンドープＩｎＡＡＡｓ層を示している。入射光
を光導波路により２つの部分に分岐させ、一方に電圧を
加え、他方に電圧を加えないで位相差を与え、これを再
び一つの導波路に結合させた。いわゆる、マツハ・ツエ
ンダ−型の変調器に適用した場合であり、各層の構成、
厚さ２組成は第５図と同じである。前述の効果により、
これまで長さの長いものが必要であった分離部分の長さ
を半分にできるようになり、高速化が可能となり、また
。
を光導波路により２つの部分に分岐させ、一方に電圧を
加え、他方に電圧を加えないで位相差を与え、これを再
び一つの導波路に結合させた。いわゆる、マツハ・ツエ
ンダ−型の変調器に適用した場合であり、各層の構成、
厚さ２組成は第５図と同じである。前述の効果により、
これまで長さの長いものが必要であった分離部分の長さ
を半分にできるようになり、高速化が可能となり、また
。
光導波路そのものの長さも短くなるため伝搬損失も減少
させることができる。
させることができる。
第２図は９本発明の他の実施例を示す斜視図で。
これは、２つの横に平行な接近した導波路に本発明を適
用した場合であり、方向性結合器を形成させて、一方の
光導波部に入射した光を他方の光導波路部分より取り出
すことができる。図において。
用した場合であり、方向性結合器を形成させて、一方の
光導波部に入射した光を他方の光導波路部分より取り出
すことができる。図において。
符号２は、電圧無印加時の光出射ボートを示し。
その他の符号は第１図の場合と同じである。
第３図は２本発明のさらに他の実施例を示す斜視図で、
これは、半導体薄層の縦方向に２つの光導波路を形成し
て、方向性結合器を構成したもので、一方の光導波路に
電界がかかるようにされているため、その部分の屈折率
が変化し、光の方向が上下に変えられる。図において、
符号１２はＩ ｎ Ｇ ａ Ａｌｌ Ａ ｓ光導波路、
１３はＩｎＡＡＡｓ層を示し一８＝ ており、その他の符号は第１図の場合と同じである。
これは、半導体薄層の縦方向に２つの光導波路を形成し
て、方向性結合器を構成したもので、一方の光導波路に
電界がかかるようにされているため、その部分の屈折率
が変化し、光の方向が上下に変えられる。図において、
符号１２はＩ ｎ Ｇ ａ Ａｌｌ Ａ ｓ光導波路、
１３はＩｎＡＡＡｓ層を示し一８＝ ており、その他の符号は第１図の場合と同じである。
以上説明したように２本発明によれば、多重量子井戸層
での高屈折率変化を利用しているため。
での高屈折率変化を利用しているため。
従来大きな素子形状でしか得られなかった所望の位相変
化が、小さな素子形状で得られるようになり、これによ
り、素子面積が小さくでき、動作速度の限界を決めてい
た素子容量が小さくなって。
化が、小さな素子形状で得られるようになり、これによ
り、素子面積が小さくでき、動作速度の限界を決めてい
た素子容量が小さくなって。
３０ＧＩ（ｚ程度までの高速動作が可能となる。また。
動作電圧も小さくできるので、所要電力が減少するとと
もに、駆動回路の負担も軽くなる。
もに、駆動回路の負担も軽くなる。
第１図は本発明の一実施例を示す（ａ）斜視図。
（ｂ）そのＡ−Ａ’断面図、第２図、第３図はそれぞれ
本発明の他の実施例を示す斜視図、第４図（ａ）は本発
明に基づく多重量子井戸構造の電界印加による屈折率変
化を示す図、（ｂ）は電界無印加時の（ｃ）は電界印加
時の光吸収係数の井戸幅依存性を示す図、第５図は本発
明に基づく素子の特性を示す図で２位相変化πを与える
に要する導波路長Ｑ及びその時の振幅の変化分を示す図
である。 〈符号の説明〉 １・・・光入射ポート ２・・・光出射ポート（電圧無印加時）３・・・光出射
ポート（電圧印加時） ４・・・ｎ−ＩｎＰ基板 ５−ｎ−ＩｎＡ（ＬＡｓクラッド層 ６・・・アンドープＩｎＧａＡＩＬＡｓ多重量子井戸層
７・・・ｐ−ＩｎＡ立Ａｓクラッド層 ８−ｐ−ＩｎＧａＡｓ層 ９−Ｎ側電極１０・・・Ｐ
側電極 １１・ ノンドープＩｎＡｆｌＡｓ層 １２− Ｉ ｎＧａＡｆｌＡｓ光導波層１３−−− Ｉ
ｎＡＱＡｓ層 特許出願人 日本電信電話株式会社 代理人弁理士 中 村 純之助 −一一一−−−−−−−−−−−−− ００，２０，４０，６ 多ｖ＋ｇ好戸層信 ｄ （３１ Ｌ：Ｊ＃失 △Ｌ：撞夫麦動量 第５図 １・ ２０ＫＶ／ｃｍ
本発明の他の実施例を示す斜視図、第４図（ａ）は本発
明に基づく多重量子井戸構造の電界印加による屈折率変
化を示す図、（ｂ）は電界無印加時の（ｃ）は電界印加
時の光吸収係数の井戸幅依存性を示す図、第５図は本発
明に基づく素子の特性を示す図で２位相変化πを与える
に要する導波路長Ｑ及びその時の振幅の変化分を示す図
である。 〈符号の説明〉 １・・・光入射ポート ２・・・光出射ポート（電圧無印加時）３・・・光出射
ポート（電圧印加時） ４・・・ｎ−ＩｎＰ基板 ５−ｎ−ＩｎＡ（ＬＡｓクラッド層 ６・・・アンドープＩｎＧａＡＩＬＡｓ多重量子井戸層
７・・・ｐ−ＩｎＡ立Ａｓクラッド層 ８−ｐ−ＩｎＧａＡｓ層 ９−Ｎ側電極１０・・・Ｐ
側電極 １１・ ノンドープＩｎＡｆｌＡｓ層 １２− Ｉ ｎＧａＡｆｌＡｓ光導波層１３−−− Ｉ
ｎＡＱＡｓ層 特許出願人 日本電信電話株式会社 代理人弁理士 中 村 純之助 −一一一−−−−−−−−−−−−− ００，２０，４０，６ 多ｖ＋ｇ好戸層信 ｄ （３１ Ｌ：Ｊ＃失 △Ｌ：撞夫麦動量 第５図 １・ ２０ＫＶ／ｃｍ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、Ｉｎ＿０＿．＿５＿３Ｇａ＿０＿．＿４＿７＿−＿
ｘＡｌ＿ｘＡｓを井戸層、Ｉｎ＿０＿．＿５＿３Ａｌ＿
０＿．＿４＿７Ａｓを障壁層とする多重量子井戸層が、
井戸層のＡｌ成分ｘが０＜ｘ≦ ０．０４の範囲に井戸幅が５５Åから８５Åの範囲にあ
るようにＩｎＰ基板上に格子整合をとって形成され、上
記多重量子井戸層の両側をＩｎ＿０＿．＿５＿３Ａｌ＿
０＿．＿４＿７Ａｓより成るクラッド層で挟んで光導波
路を構成し、上記クラッド層の外側に電界印加用の電極
を設けて、光導波路を通過する光の位相を、電界による
多重量子井戸層の屈折率の変化で制御することを特徴と
する光導波路型位相変調器。 ２、請求項１記載の電界印加用の電極は、その一方の電
極は、前記ＩｎＰ基板の光導波路を積層させない面上に
形成され、他方の電極は、前記クラッド層のうちのＩｎ
Ｐ基板側とは反対のクラッド層の外側面上に、もしくは
この外側面上にＩｎＧａＡｓ層を積層した上に形成され
ていることを特徴とする光導波路型位相変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11880989A JP2706315B2 (ja) | 1989-05-15 | 1989-05-15 | 光導波路型位相変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11880989A JP2706315B2 (ja) | 1989-05-15 | 1989-05-15 | 光導波路型位相変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02300716A true JPH02300716A (ja) | 1990-12-12 |
| JP2706315B2 JP2706315B2 (ja) | 1998-01-28 |
Family
ID=14745667
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11880989A Expired - Lifetime JP2706315B2 (ja) | 1989-05-15 | 1989-05-15 | 光導波路型位相変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2706315B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002088834A3 (en) * | 2001-04-25 | 2003-04-17 | Univ Glasgow | Optoelectronic device |
| JP2012141395A (ja) * | 2010-12-28 | 2012-07-26 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体装置 |
-
1989
- 1989-05-15 JP JP11880989A patent/JP2706315B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002088834A3 (en) * | 2001-04-25 | 2003-04-17 | Univ Glasgow | Optoelectronic device |
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