JPH058878B2 - - Google Patents

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JPH058878B2
JPH058878B2 JP1725387A JP1725387A JPH058878B2 JP H058878 B2 JPH058878 B2 JP H058878B2 JP 1725387 A JP1725387 A JP 1725387A JP 1725387 A JP1725387 A JP 1725387A JP H058878 B2 JPH058878 B2 JP H058878B2
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modulation
light
waveguide
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laser
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JP1725387A
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Shigeyuki Akiba
Masatoshi Suzuki
Hideaki Tanaka
Yukitoshi Kushiro
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KDDI Corp
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Kokusai Denshin Denwa KK
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、単一波長で発振する分布帰還形(以
下「DFB」と略す)レーザと電気吸収変調素子
をモノリシツクに集積した半導体集積光変調素子
に関するものである。
(従来技術とその問題点) DFBレーザは単一波長で発振するため、多波
長で発振するフアブリーベロー形の半導体レーザ
に比べてスペクトル幅が狭く、光フアイバ通信用
光源として用いた場合光フアイバの波長分散の影
響を受けにくい。そのため、伝送ビツトレートが
高くかつ長距離の伝送には不可欠な素子として開
発が進められている。
一方、半導体レーザは注入電流を変化させて発
振出力を変調する直接変調が可能であり、これま
での光フアイバ伝送においてはもつぱらこの直接
変調が用いられてきた。しかるに、直接変調で
は、注入電流が変化する際に、発光層内の注入キ
ヤリア密度も変化するため、発振光が強度変調さ
れると同時に大きな周琶数(あるいは波長)をう
ける。従つて、単一波長で発振するDFBレーザ
においても発振スペクトル幅が異常に広がつてし
まう。チヤーピングと呼ばれるこのスペクトル幅
の広がりは、変調周波数が数100Mb/s以上に
なると特に顕著になり波調幅で数Å(オングスト
ローム)以上に広がり光フアイバの波長分散の影
響を受けるようになる。そこで、1Gb/s以上の
長距離高速伝送ではレーザを直接変調する方法を
用いることが難しく、近年、外部変調方式の開発
が活発になりつつある。すなわち、DFBレーザ
は一定電流で安定に動作させ、その出力光を別の
変調素子で変調する構成である。
変調素子の中にはLiNbO3等の強誘電体を用い
たものも提案されているが、DFBレーザとモノ
リシツクに集積可能な半導体系のものが有望で、
特に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変調素子が最も有望視
されている。
第1図DFBレーザと電気吸収変調素子とをモ
ノシリツクに集積した従来の半導体集積光変調素
子の断面模式図を示している。化合物半導体から
なるn+−InP基板1上に発光導波路となるn−
InGaAsP導波路層2(発光波長が約1.3μmの組
成)とInGaAsP発光層3(発光波長が約1.55μm
の組成)とが積層され、さらにp−InP5とp−
InGaAsPキヤツプ層7がその上に積層されてい
る。光の進行方向に沿う周期的な凹凸からなるグ
レーテイング(あるいは回折格子)100がn+
−InP基板1とn−InGaAsP導波路層2との境界
に形成されており、発光層3に電流を注入するこ
とにより凹凸の周期と屈折率で決まるブラツグ波
長付近(約1.55μm)で単一波長発振する。一方、
レーザ出力は発光導波路に接続された変調導波路
であるn-−InGaAsP導波路層4(発光波長が約
1.46μmの組成)に導波される。変調導波路4の
上にはn-−InP層6、p−InP層5及びp−
InGaAsPキヤツプ層7が積層されている。電極
20,22を介して発光層3に電流が注入され、
電極21,22介して変調導波路層4に電界が印
加される。プロトン照射高抵抗領域30により、
DFBレーザ部と変調素子部が電気的に分離され
ている。電極20,22を介して一定電流を発光
層3に流して安定な単一波長発振を得るととも
に、電極21,22を介して変調導波路4に電界
を印加し、電気吸収効果によつてDFBレーザの
出力光の強度変調を行つている。
第1図のような半導体集積光変調素子は、発振
波長が1.55μmのDFBレーザの出力が変調導波路
4に効率よく結合し、モノリシツクに集積されて
いるため、結安定度もよく高信頼性が達成され
る。一方、電気吸収変調素子は数Gb/s以上の
高速動作も十分可能で、かつ前述したようにレー
ザの直接変調時におこるチヤーピングによる異常
なスペクトル幅の広がりも生じないので1.55μm
における高性能な半導体集積光変調素子が実現さ
れると考えられていた。しかし、本発明者らが検
討した結果、従来の半導体集積光変調素子では変
調された光のスペクトル幅がやはり広がつてしま
うことが判明した。
また、従来の構成では、レーザ部の導波路層2
及び発光層3から構成される発光導波路と変調部
の変調導波路4とが直接結合されている結合部を
完全に結合するように形成することが不可能のた
め、レーザ部からの発振光が変調部の変調導波路
4に全て導かれることがなく、結合効率が低下す
るという問題もあつた。
(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、変調された光のスペクト
ル幅がほとんど広がらない半導体集積光変調素子
を提供することを第1の目的とする。
この目的に対応する第1の発明の特徴はレーザ
部の発振光のフオトンエネルギーと変調導波路の
禁制帯幅とのエネルギー差が30meV以上かつ
40meV以下となるような半導体層で変調導波路
を構成したことにある。
本発明の第2の目的は、変調された光のスペク
トル幅がほとんど広がらず、かつ発光導波路と変
調導波路との結合効率が優れた半導体集積光変調
素子を提供することにある。
この第2の目的に対応する第2の発明の特徴
は、レーザ部の発振光のフオトンエネルギーと変
調導波路の禁制帯幅とのエネルギー差が30meV
以上かつ40meV以下となるような半導体層で変
調導波路を構成する共に、発光導波路と変調導波
路とが直接結合されている近傍で積層するように
構成したことにある。
(発明の構成及び作用) 最初に本願の第1の発明である、変調された光
のスペクトル幅が広がらない構成について説明す
る。
(発明の原理) 本発明者らが、DFBレーザの発振光のフオト
ンエネルギhνと禁制帯幅Egとのエネルギー差
ΔEg(=Eg−hν)が変調素子の特性に与える影響
を詳細に検討した結果、上述した従来例のように
レーザの発振波長1.55μmに対し、変調導波路4
の組成が約1.46μmの波長に対応する場合には、
ΔEgは約50meVで、高速応答性や電極21,2
2に逆バイアス電圧を印加しない場合の導波損失
に関しては良好な特性を示すものの、スペクトル
幅の広がりの点で問題のあることが判明した。以
下にその理由について説明する。
第2図a及びbは、本発明の原理を説明するた
めのエネルギー差ΔEgに対する変調導波路4の吸
収係数αabとαパラメータを示したもので、図中
の〜は変調導波路に印加される電界強度Eが
それぞれ60、40、20〔KV/cm〕にける吸収係数
特性、及びは電界強度Eが40、60〔KV/cm〕
におけるαパラメータ特性である。
αパラメータは複素屈折率をnr+jniと表したと
きの電界印加時におけるnrの変化量Δnrとniの変
化量Δniとの比(α=Δnr/Δni)で定義される。
スペクトル幅の広がりは√1+2に比例すること
が知られており、α>1でスペクトル広がりが顕
著になる。第1図のn-−InP層6とp-InP5との
間でpn接合が形成され、電極21,22の間に
逆バイアス電圧Vを印加しなくても変調導波路4
には約E=10〜20KV/cmの空乏層電界が存在す
る。V=2〜3V印加すると、各層の膜厚や不純
物濃度によつて多少異なるがE=30〜60KV/cm
の電界強度が生成されるように通常設計される。
従来は、ΔEgとαabとの関係すなわち電気吸収特
性のみが設計の指針とされていたため、電圧V=
0で吸収がなく(αab0)、電圧印加時にαab
100cm-1が得られるΔEgとして約50meVが最適と
今まで考えられ、実際に作製されていた。しか
し、第2図から明らかなようにΔEg50meVで
はα2と大きいため、スペクトル幅の広がりが
かなり大きく、特に高速変調時では変調された光
のスペクトル幅が変調帯域に比べて2〜3倍に広
がつてしまうという大きな問題が生じる。
そこで本発明者らは、電圧印加時のαパラメー
タをα<1にすれば、√1+2で決定されるスペ
クトルの幅をほぼ1に近くすることができ、ほぼ
変調周波数帯域に制限されると考え、変調導波路
の禁制帯幅Egがレーザ部の発振光のフオトンエ
ネルギーhνよりも30〜40meV大きくなるような
変調導波路の半導体材料を用いた。その結果、若
干の吸収損失が生じるもののスペクトル幅の広が
りはほとんど無かつた。
例えば、吸収特性ではV=0でE=10〜
20KV/cmの電界が発生すると、数cm-1から大き
い場合約20cm-の損失が存在することになる。従
つて、エネルギー差ΔEg(Eg−hν)を30meV以下
にしてしまうと吸収係数が急激に増大してしまい
実用が困難となる。よつて、エネルギー差ΔEgが
上述の範囲内であれば、変調導波路4の長さを短
くすることにより例えば、αab=20cm-に対して長
さを100μmとすれば、吸収損失は20%以下に抑
えることができる。しかも、ΔEg=30〜40meV
の範囲では電圧印加時の吸収係数が大きいため十
分な消光比を得ることができる。また変調導波路
4の長さの低減は寄生容量の低減にも寄与し、よ
り高速な変調を可能ならしめる。
上述のように本発明は変調導波路4の半導体層
の発振光のフオトンエネルギーhνよりも30〜
40meVの大きい禁制帯幅にすることにより、変
調光のスペクトル幅の広がりを小さくすることが
できる。
次に、変調光のスペクトル幅を広がらないよう
にし、かつ両導波路の結合効率に優れた構造につ
いて説明する。
(実施例) 第3図は本発明による実施例であり、半導体集
積光変調素子の断面模式図を示している。DFB
レーザ部分において単一波長性を向上させるた
め、グレーテイグ101にλ/4シフト102を
設けかつ、素子の両端面に無反射コーテイング膜
50,51を施してある。ちなみに、λ/4シフ
ト102は変調部側への光出力が大きくなるよう
にグレーテイングの中央部より変調部側へずらし
てある。発振波長は1.55μmに設定してある。一
方、変調導波路4は従来に比べて禁制帯幅の小さ
い(発光波長が約1.48μm)n-−InGaAsP導波路
層8を用いている。本発明によるこのような半導
体集積光変調素子は、上述した発明の原理によ
り、1.55μmの単一波長で発振し、その発振出力
を高速に変調することが可能で、しかもその変調
された出力光はほぼ変調周波数帯域に制限されて
いる。また、第3図では発光導波路と変調導波路
との結合部近傍において、両導波路が積層された
構造となつているため、同一発明者によつて同時
に出願された特許に記載されているように両導波
路の結合効率を大幅に高めることができる。
以上の説明では、InGaAsP/InP系の材料を例
にとつて説明したが、AlCaAs/CaAs系や
AlInCaAs/1nP系など他の材料にも同様に適応
できる。さらに、それら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井戸準位で定まる実効的な
禁制帯幅となる。また、横モード安定化のための
ストライプ構造については特に触れなかつたが、
埋め込みストライプ構造やリツジ導波路ストライ
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によれば、変調された
出力光のスペクトル幅が変調周波数帯域程度に制
限され、超高速で動作すると共に両導波路の結合
効率の良い光変調素子を実現することができ、超
高速光フアイバ通信等に応用され、その効果は極
めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の半導体集積光変調素子の例を示
す断面模式図、第2図は本発明の原理を説明する
ための特性図、第3図は本発明による半導体集積
光変調素子の断面模式図である。 1……n+−InP基板、2……n−InGaAsP導波
路層、3……InGaAsP発光層、4……n-
InGaAsP導波路層、5……p-InP、6……n-
InP、7……p−InGaAsPキヤツプ層、8……n-
−InGaAsP導波路層、20,21,22……電
極、30……プロトン照射高抵抗領域、50,5
1……無反射コーテイング膜、100,101…
…グレーテイング、102……4分の1波長シフ
ト部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 発光層と、該発光層に近接して形成された光
    の進行方向に沿う周期的な凹凸からなるグレーテ
    イングを有し前記発光層に電流を注入することに
    よりレーザ発振せしめる分布帰還形レーザと、該
    分布帰還形レーザの出力を変調導波路に印加する
    電界によつて強度変調する変調素子とが同一の半
    導体基板上に集積された半導体集積光変調素子に
    おいて、前記分布帰還形レーザの発振光のフオト
    ンエネルギーと前記変調導波路の禁制帯幅との差
    が30meV以上でかつ40meV以下であることを特
    徴とする半導体集積光変調素子。 2 発光層と、該発光層に近接して形成された光
    の進行方向に沿う周期的な凹凸からなるグレーテ
    イングを有し前記発光層に電流を注入することに
    よりレーザ発振せしめる分布帰還形レーザと、該
    分布帰還形レーザの出力を変調導波路に印加する
    電界によつて強度変調する変調素子とが同一の半
    導体基板上に集積された半導体集積光変調素子に
    おいて、前記分布帰還形レーザの発振光のフオト
    ンエネルギーと前記変調導波路の禁制帯幅との差
    が30meV以上かつ40meV以下となるような半導
    体層で前記変調導波路を形成し、かつ前記分布帰
    還形レーザの少なくとも前記発光層を含む発光導
    波路と前記変調導波路とが結合する近傍において
    積層されて構成されていることを特徴とする半導
    体集積光変調素子。
JP1725387A 1987-01-29 1987-01-29 半導体集積光変調素子 Granted JPS63186210A (ja)

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JPH0779311B2 (ja) * 1989-03-30 1995-08-23 松下電器産業株式会社 位相変調器
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