JPH0353225A - 半導体光変調器 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、量子井戸構造を有する半導体層の屈折率ある
いは吸収係数を外部電界により制御し、半導体層を通過
する光の位相あるいは強度を制御する半導体光変調器に
関するものである。

（従来の技術） 高速・大容量・長中継間隔の光ファイバ通信システム、
特に、コヒーレント光ファイバ通信システムにおいては
、高速動作が可能で、かつ、駆動電圧が小さい高性能な
外部光変調器が有用である。

この種の外部光変調器としては、例えば、光位相変調器
、光強度変調器、光周波数変調器等が知られている。

従来より、これらの外部光変調器における光の位相ある
いは強度等を制御する方法としては、二つの方法が提案
されている。

一つは、光源である半導体レーザそのものに周波数ある
いは強度制御系を設ける方法である。

他の方法は、ニオブ酸リチウム（　Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏ　
ａ　）結晶やＧａＡｓ／Ａ，１７　ＧａＡｓ，Ｉ　ｎＰ
／Ｉ　ｎＧａＡｓＰ等の半導体結晶の電気光学効果を利
用し、外部電圧によりその屈折率あるいは吸収係数を変
化させて位相変調または強度変調を行うものである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前者の半導体レーザそのものに制御系を
設けるものは、分割電極を用いるため、比較的容易に変
調を行なえるという利点を有するものの、分割電極への
電流注入による制御のため、光の強度と位相を同時に、
かつ、独立に制御することが困難であり、応用範囲も狭
く、汎用性に劣るという欠点を有している。

また、後者の半導体結晶の電気光学効果を利用するもの
は、汎用性に優れているものの、その効果そのものが小
さいため、十分な変調機能をもたせるためには大きな結
晶を用いる必要があり、また、大きな駆動電圧を必要と
するという欠点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、小さな駆動電圧で効率良く変調を行なえ、か
つ、高速動作が可能な高性能の半導体光変調器を提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、半導体結
晶基板と、該半導体結晶基板に格子整合した量子井戸構
造を有する半導体層と、該半導体層を含む光導波部とを
備えた半導体光変調器において、外部から印加した電界
により、前記半導体層の屈折率変化分の極性と、前記光
導波部を構成する半導体結晶の屈折率変化分の極性が同
一になるような方位に光が伝搬するよう前記光導波部を
形成した。

また、請求項（２）では、半導体結晶基板と、該半導体
結晶基板に格子整合した量子井戸構造を有する半導体層
と、該半導体層を含む光導波部とを備えた半導体光変調
器において、外部から印加した電界により、前記半導体
層の屈折率変化分の極性と、前記光導波部を構成する半
導体結晶の屈折率変化分の極性が逆になるような方位に
光が伝搬するよう前記光導波部を形成した。

（作　用） 請求項（１）によれば、外部から電界が印加されると、
量子井戸構造を有する半導体層における屈折率変化分と
、光導波部を構成する半導体結晶、いわゆる半導体バル
ク結晶の電気光学効果による屈折率変化分とが同一極性
をもって同一方向に相重なり、その相乗効果によって全
体として大きな屈折率変化が誘起される。

また、請求項（２）によれば、外部から電界が印加され
ると、量子井戸構造の半導体層における光に対する吸収
係数が変化するに伴い、所定の極性をもって屈折率も変
化する。これに対して、光導波部を構成する半導体結晶
の電気光学効果による屈折率変化は、半導体層とは逆の
極性をもって誘起される。これにより、半導体層の屈折
率変化分と半導体結晶の屈折率変化分とは互いに相殺し
合う。

（実施例） 第１図は、本発明に係る半導体光変調器の第１の実施例
を示す斜視図であって、量子井戸層にＩｎＧａＡｓを用
いた屈折率制御型光位相変調器の構成例である。

第１図において、１は半導体結晶基板で、ｎ型のＩｎＰ
結晶により構成され、その表面は（００１）面に形成さ
れている。２は第１のクラッド層で、ｎ型のＩｎＡ，Ｑ
Ａｓにより構成され、基板１の上面に形成されている。

３は多重量子井戸層で、例えば厚さ約７０大のｌ　ｎＧ
ａＡｓからなる量子井戸層と、厚さ約５０λのＩｎＡｊ
７Ａｓからなる障壁層とを交互に積層した厚さ約０．４
μｍのノンドーブＩ　ｎＧａＡｓ／ＩｎＡＮＡｓ多重量
子井戸構造の半導体層により構或され、第１のクラッド
層２の上面に形戊されている。

４は第２のクラッド層で、ノンドープＩｎＡ，ｐＡｓに
より構成され、多重量子井戸層３の上面に形成されてい
る。５は第３のクラッド層で、ｐ型のＩｎＡＩＩＡｓに
より構成され、第２のクラッド層４の上面に形成されて
いる。６はキャップ層でｐ型のＩｎＧａＡｓにより構或
され、第３のクラッド層５の上面に形或されている。こ
れらの第２及び第３のクラッド層４及び５並びにキャッ
プ層６は、例えば、ケミカルエッチングによってメサ状
に形成されている。

また、７は基板１の下面に形成されたｎ型電極、８はキ
ャップ層６の上面に形或されたｐ型電極、９は電源で、
プラス側が電極７に、マイナス側が電極８に接続されて
いる。

１０は光導波部で、上記したメサ形状部の第１のクラッ
ド層２、多重量子井戸層３及び第２のクラッド層４によ
り構成されており、この光導波部１０の光導波路の向き
は、半導体結晶方位［１１０コに形成されている。

また、■は例えば波長１．５５μｍ近傍のＴＥモードの
入力光、Ｏは出力光である。

このような構成の光位相変調器においては、電界印加に
より後記するように屈折率の変化を生じるが、このとき
吸収係数の変化はできる限り小さいことが望ましい。従
って、後記する理由に基づいて、通常、入力光Ｉの波長
が１．５５μｍの場合、量子井戸層の厚さは、約７０λ
前後の値に設定される。

次に、電Ｒ９により外部電界を印加した場合の、多ｆｆ
ｆｍ子井戸層３の光に対する吸収係数と屈折率の波長依
存性及び外部印加電界依存性並びに多重量子井戸層３の
構威要素である単一の半導体結晶からなる量子井戸層（
いわゆる、半導体バルク結晶）の光に対する屈折率の外
部印加電界依存性について、第２図及び第３図に越づい
て順を追って説明する。

通常、量子井戸構造の半導体に、外部より電界を印加す
ると、吸収端近傍の波長の光に対する吸収係数が著しく
変化することが知られている（参考文献：　Ｊ．Ｅ．Ｚ
ｎｃｋｅｒ等、Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．Ｖ
ｏｌ．５２．　Ｐ９４５．　１９８８）。これに伴い、
屈折率においても通常の半導体バルク結晶に比較して、
大きな変化が生じる（参考文猷：　Ｈ．Ｎａｇａｌ等、
Ｅｌｅｃｔ．　Ｌｅｔｔ−＋　Ｖｏｌ．２２，　Ｐ８ｇ
８．　１９８６）。

この外部電界印加による吸収係数変化分Δαと屈折率変
化分Δαｎは独立であり得ず、クラーマースークローニ
ツヒ（　Ｋｒａｗｅｒｓ−Ｋｒｏｎｌｇ）の関係式によ
り結ばれている。

第２図は、本発明に係る多重量子井戸層（量子井戸構造
の半導体層）における外部電界印加に基づく吸収係数変
化分Δα（第２図の（ａ〉）と屈折率変化分Δｎ（第２
図の（ｂ））の波長依存性を示す図である。なお、第２
図においては、電界強度Ｆをパラメータにしている。

第２図の（ａ）に示すように、電界印加により吸収係数
変化分Δαの大きさは、短波長領域ではマイナス（吸収
係数が減少）になり、長波長領域ではプラス（吸収係数
が増加）になる傾向を示す。

これに対して、第２図の（ｂ）に示すように、屈折率変
化分Δｎの大きさは、第２図の（ｂ）中、Ａ及びＣで示
す短波長領域及び長波長領域において増大し、図中、Ｂ
で示す中間の波長領域においては、減少する傾向を示す
。

さらに、この屈折率変化特性の波長依存性（具体的には
波長領域Ａ，Ｂ，Ｃ）は、量子井戸層の厚さにより制御
が可能であり、その厚さを薄くするに伴い、波長領域Ａ
，Ｂ，Ｃは、短波長側にシフトする傾向を示す。

以下、Ｍ２図に示すような特性を奏する効果を量子井戸
効果と称することにする。

一方、量子井戸層に用いられるＩｎＧａＡｓやＡ（ｌＧ
ａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＰ等の半導体バルク結晶
は、外部より電界を印加すると、ボッケルス効果と呼ば
れる電気光学効果が発現され、電界強度Ｆに比例して屈
折率が変化することが知られている（参考文献：　Ａ．
Ｙａｒ１ｖ著，　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｏ
ｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｈｏｌｔ．
　Ｒｉｎｅｈａｒｔａｎｄ　Ｗｌｎｓｔｏｎ社　ＵＳＡ
），第３図は、半導体バルク結晶の電気光学効果に基づ
く屈折率の外部印加電界依存性を示す図である。

上記した外部電界印加に基づく電気光学効果による屈折
率変化分Δｎの大きさは、半導体の材質により異なり、
また、半導体結晶の方位によっても異なる。

例えば、ＧａＡｓやＩｎＰ等の立方品系の点群４３ｍの
構造を有する半導体では、第３図に示すように、Ｃ軸（
［００１］方向）に強度Ｆの電界を印加すると、［１　
１　０］方位に伝搬するＴＥモードの光波に対しては、
屈折率変化分Δｎはプラス（屈折率が増加）になり、［
１　１　０］方位に伝搬するＴＥモードの光波に対して
は、マイナス（屈折率が減少）になる。その屈折率変化
分Δｎの大きさは、電界強度Ｆに比例して変化する。

なお、この電気光学効果による屈折率変化分Δｎの大き
さは、第２図の（ｂ）に示す量子井戸効果とは異なり、
光の波長依存性は比較的小さい。

以上の説明から明らかなように、第１図の光位相変調器
においては、量子井戸効果による屈折率変化特性は、波
長λの大きさが、第２図の　（ｂ）の波長領域Ｃに含ま
れることになり、電源９に基づく電界印加により、屈折
率変化分Δｎはプラスの値になり、屈折率は増加する傾
向を示す。

また、光導波部１０は、［１１０］の方位に形成されて
いるので、半導体バルク結晶の屈折率も、第３図に示す
ように、電界印加により■曽加する。

この−ため、光導波部１０の屈折率は、量子井戸効果と
、半導体バルク結晶の電気光学効果成分がプラス方向に
相重なるために、大きく変化することになる。

従って、小さな駆動電圧により、大きな屈折率変化を誘
起させることができるようになるため、駆動電圧の低減
を図ることができる。また、電極の長さを適当に短くす
ることにより、量子井戸構造部のキャパシタンスを小さ
くできるので、駆動電圧を大きくすることなく、高速で
動作可能な光位相変調器を実現することができる。

例えば、第１図の構成において、多重量子井戸層３の量
子井戸層（Ｉ　ｎＧａＡｓ）／障壁層（ＩｎＡＪ７Ａｓ
）の厚さを７６Ａ／５０Ａに設定し、多重量子井戸層３
全体の厚さを０．４μｍ１導波路長を３００μｍに設定
すると、駆動電圧（Ｖπ）は、人力光■の波長λが１．
５７μｍの場合、約２，５ｖであり、波長λが１，６μ
ｍの場合には、約５．５Ｖになる。

このような、第１図の光位相変調器は、多重量子井戸構
造を同一構造とし、先導波路の方向をＣＩＩＯ］の方位
に形成した従来の光位相変調器と比較すると、第１図の
光位相変調器では、駆動電圧が従来品の約１／２の大き
さになり、駆動電圧は低減される。

また、駆動電圧を従来品と同程度に設定する場合には、
光導波長を短くできるので、高周波動作が可能となり、
ざらに導波部分における損失も小さくなるので、挿入損
失低減の効果をも有する。

さらに、本第１の実施例においては、光の伝搬方向が、
半導体結晶の［１　１　０］方僚になるように先導波路
を形成しているので、当該半導体光変調器の光ファイバ
との結合損失を小さくできる利点がある。その理由を以
下に説明する。

光導波路を形成する場合、通常、ケミカルエツチングに
よって、その上方部をメサ構造にする（第１のクラッド
層２の側部までエッチングを行ない、ハイメサ構造に形
成する場合もある）。このとき、サンドエッチングの効
果によって、光導波路を［ｌ　１　０］の方位に形成す
る場合、第４図の（ａ）に示すように、台形状（順メサ
構造）になる。これに対して、先導波路を［１１０］の
方位に形戊する場合、第４図の（ｂ）に示すように、逆
台形状（逆メサ構造）になる性質がある。

通常、導波路形成用フォトレジストＦＲの幅Ｗは１〜１
０μｍ程度の大きさに選定される。多重量子井戸層３の
厚さは０．１〜１μｍ程度であることから、先導波路の
伝搬光のモードサイズは、Ｗ　ｙ　＝　０　．　　５　
〜５　ｕ　ｍ　，　Ｗ　ｚ　−　０　．　　３　〜０　
．　　５μｍ程度になる。

これに基づき、幅Ｗの大きさを所望の値に設定すること
により、逆メサ構造のモード形状は、順メサ構造のモー
ド形状により、円に近い形状に成形することができる。

従って、光入出力部を光ファイバに結合させる場合、光
ファイバのモード形状はほぼ円形であるので、レンズ等
によってモードサイズを先導波路のモードとほぼ等しく
することにより、低損失な結合が可能になる。

第５図は、本発明に係る半導体光変調器の第２の実施例
を示す構成図で、第５図の（ａ）は斜視図、第５図の（
ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線矢視方向断面図である。

本第２の実施例は、一つの先導波路１１に入射した人力
光Ｉを二つの分岐路１２および１３に分岐サセ、電源９
ａ，９ｂ　（９Ｃはバイアス電圧用電源）によりそれぞ
れに極性が逆の電圧を印加し、いわゆるプシュプル動作
をさせることにより位相変化を生じさせ、これらを再度
一つの先導波路１４に結合させる、いわゆるマツハツエ
ンダ型の光強度変調器を構威した例を示している。

なお、第５図の（ｂ）に示すように、光強度変調器を構
成する各層は、前記第１の実施例の場合と基本的には同
一であり、第１図と同一構成部分には同一符号を付して
ある。

このような構成においても、前記第１の実施例と同様の
効果を得ることができる。即ち、外部からの電界印加に
よる屈折率変化を大きくできるため、駆動電圧の小さい
半導体光変調器を実現できる。

また、駆動電圧を従来品と同程度に設定すれば、分岐部
分の導波路長、即ち、分岐路１２．１３の長さを短くす
ることができるので、高周波動作が可能になる。さらに
、光ファイバとの低損失な結合が可能である。

第６図は、本発明に係る半導体光変調器の第３の実施例
を示す斜視図である。本第３の実施例は、本発明を光方
向性結合器に応用した例であり、第１図と同一構成部分
には同一符号を付してある。

本第３の実施例においては、互いに平行な２本のストラ
イブ状のメサ形状部１５．１６を形成し、これらのいず
れか一方に電源９ａ（または９ｂ）により外部電界を印
加することによって、電界が印加された一方の光導波部
１０ａ（または１０ｂ）に入射された入力光Ｉを、他方
の光導波部１０ｂ（または１０ａ）に結合させ、この他
方の光導波部１０ｂ　（１０ａ）から出力光Ｏとして取
り出すことができるように構成している。

本第３の実施例においても、前記第１の実施例と同様の
効果を得ることができる。

第７図は、本発明に係る半導体光変調器の第４の実施例
を示す構或図である。本第４の実施例においては、第１
図の構成に追加して、多重量子井戸層３と第２のクラッ
ド層４との間に、多重量子井戸層３側から、ＩｎＡＤＡ
ｓからなる第４のクラッド層１７とＩｎＡ，ｌ）Ａｓか
らなる先導波層１８を表記した順に配置した構成として
いる。

このような構或は、前記第３の実施例における横（左右
）方向に並設した光導波部１０ａ，１０ｂを、縦（上下
）方向に並設したと等価な構戊となっている。即ち、電
源９に基づく外部電界の印加に伴ない、一方の光導波部
１　０　ａ　（１　０　ｂ）に入射された人力光Ｉを他
方の光導波部１０ｂ（１０ａ）に結合させ、光の方向を
上下方向に変えられるようになっている。

本第４の実施例においても、前！ｃ！第１の実施的と同
様の効果を得るこができる。

なお、以上説明した各実施例においては、外部電界印加
による屈折率変化特性に伴う量子井戸効果を利用する光
デバイスについて説明したが、第２図の（ａ）に示すよ
うに、量子井戸構造の半導体層の外部電界印加による吸
収係数変化特性を利用した光デバイスにおいても、上記
各実施例と同様の効果を得ることができる。

次に、この吸収係数変化特性を利用した光デバイスにつ
いて、電界吸収型の光強度変調器を例にとり説明する。

この光強度変調器は、外部電界印加による吸収係数変化
特性を利用して、入力光■の強度を変調するものである
。この場合、光強度変調器の性能の一つとして、光の強
度信号変調に伴う位相変調の大きさの度合を示すパラメ
ータ、即ち、チャーピングをできる限り小さくすること
が望ましい。

しかしながら、第２図の（ａ）　，　（ｂ）の関係から
分かるように、量子井戸効果により、吸収係数の変化に
伴い、屈折率の大きさも変化してしまうという欠点を有
している。

通常、光の波長λが、ＴＳ２図の（ｂ）のＣ領域（長波
長領域）に入るように、量子井戸層の厚さは設定される
ので、外部電界印加により吸収係数変化分Δαの変化と
ともに、屈折率変化分Δｎは、プラスの方向に変化し、
増加する傾向がある。

従って、例えば、第１図の構成において、先導波路の方
向を、半導体結晶方位［１　１　０］に平行になるよう
に形成することにより、半導体バルク結晶のポッケルス
効果による屈折率変化分Δｎは、マイナス方向に変化す
るようになる。この変化成分は、量子井戸効果による変
化成分と逆成分になるため、チャービングの小さい電界
吸収型の光強度変調器を実現できることになる。

以上のように、上記実施例においては、本発明を光変調
器に適用する場合について説明したが、これに限定され
るものではなく、光スイッチや光合分波器等、量子井戸
構造の半導体あるいは誘電体を用い、量子井戸効果を利
用して、吸収係数、屈折率の外部電界制御による光デバ
イスに本発明を適用しても、上記したと同様の効果を得
ることができることはいうまでもない。

また、半導体結晶方位として、上記各実施例では、半導
体結晶基板１の基板面が（００１）面である場合につい
て説明したが、例えば（１　１　０）面や（１　１　１
）面の半導体結晶基板を用いても、先導波路の向きをそ
れに合わせて適当に設定することにより、上記した各実
施例の効果と同様の効果を得ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１〉によれば、外部電界
印加による量子井戸構造の半導体層における屈折率変化
分と、光導波部を構成する半導体結晶の電気光学効果に
よる屈折率変化分とが同一極性をもって同一方向に相重
なるため、小さな駆動電圧で、大きな屈折率変化特性を
得ることができる。

従って、駆動電圧の低減を図れ、所要電力の削減、駆動
回路の軽減を図れる利点がある。さらに、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
な素子形状にて得られるため、素子面積の縮小化を図れ
、かつ、動作速度の限界を決めていた素子容量が小さく
なり、高速動作が可能となる利点がある。

また、請求項（２）によれば、外部電界による量子井戸
構造の半導体層における屈折率変化分と、半導体結晶の
電気光学効果による屈折率変化分とは互いに逆の極性を
もって相殺し合うので、チャービングの小さい電界吸収
型の半導体光変調器を実現できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体光変調器の第１の実施例を
示す斜視図、第２図は本発明に係る多重量子井戸層（量
子井戸構造の半導体層）の量子井戸効果に基づく吸収係
数と屈折率の波長依存性及び外部印加電界依存性を示す
図、第３図は本発明に係る量子井戸層（半導体バルク結
晶）の電気光学効果（ボッケルス効果）に基づく屈折率
の外部印加電界依存性を示す図、第４図は本発明に係る
先導波路の形成方位に基づくメサ部の形状説明図、第５
図は本発明に係る半導体光変調器の第２の実施例を示す
構成図、第６図は本発明に係る半導体光変調器の第３の
実施例を示す構成図、第７図は本発明に係る半導体光変
調器の第４の実施例を示す構成図である。 図中、１・・・半導体結晶基板（ｎ−１ｎＰ）、２・・
・第１のクラッド層（ｎ−１ｎＡＩＡｓ）、３・・・多
重量子井戸層（量子井戸構造を有する半導体層、ノンド
ーブＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ，Ｑ　Ａｓ）、４・・・第２
のクラッド層（ノンドーブＩｎＡｇＡｓ）５・・・第３
のクラッド層（ｐ−１ｎＡ，ｌ！Ａｓ）、６・・・キヤ
”）プ層（ｐ−　１　ｎＧａＡｓ）　、７−ｎ型電極、
８・・・ｐ型電極、９．９ａ，９ｂ・・・電源、１０・
・・光導波部、１７・・・第４のクラッド層、１８・・
・先導波層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体結晶基板と、該半導体結晶基板に格子整合
   した量子井戸構造を有する半導体層と、該半導体層を含
   む光導波部とを備えた半導体光変調器において、 外部から印加した電界により、前記半導体層の屈折率変
   化分の極性と、前記光導波部を構成する半導体結晶の屈
   折率変化分の極性が同一になるような方位に光が伝搬す
   るよう前記光導波部を形成した ことを特徴とする半導体光変調器。
2. （２）半導体結晶基板と、該半導体結晶基板に格子整合
   した量子井戸構造を有する半導体層と、該半導体層を含
   む光導波部とを備えた半導体光変調器において、 外部から印加した電界により、前記半導体層の屈折率変
   化分の極性と、前記光導波部を構成する半導体結晶の屈
   折率変化分の極性が逆になるような方位に光が伝搬する
   よう前記光導波部を形成した ことを特徴とする半導体光変調器。