JPH06148579A - 光変調器および発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光強度変調に付随する光位相変調の原因である
屈折率変化を抑制し、光情報処理等の超高速変調や超長
距離伝送が可能な光変調器を得る。 【構成】化合物半導体を用いた電界吸収型光変調器にお
いて、電界印加時の光強度変調が、少なくとも２以上の
吸収線で生じるようにし、上記吸収線は光位相変調が互
いに補償するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理や光伝送シ
ステムにおける光部品に係り、特に光波を高速で変調す
る光変調器および高速変調された光波を出射する発光素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体に電界を印加し、電界吸収
効果による吸収率変化を利用した光変調器の従来例とし
ては、トピカル・ミーティング・オブ・カンタムエレク
トロニクス、’９１予稿集（１９９１）、論文番号エム
・ディ１（Ｐroceeding of Ｔopical Ｍeeting of Ｑua
tumelectronics, (１９９１), paper ＭＤ１）に記載さ
れている。上記従来技術は、電界吸収効果を用いた光変
調器の強度変調特性の高効率化、およびこれに付随する
位相変調の抑圧を行ったものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、光強
度変調に付随する光位相変調の原因である屈折率変化の
抑圧が不十分であり、光位相変調の結果生じる伝送後の
変調波形劣化により、変調速度、伝送距離を増大させる
ことが困難であるという問題があった。

【０００４】本発明の目的は、光強度変調に付随する光
位相変調の原因である屈折率変化を抑制し、光情報処
理、光伝送システムにおける超高速変調、超長距離伝送
を可能とする、光変調器および発光素子を得ることであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、化合物半導
体を用いた電界吸収型光変調器において、電界印加時の
光強度変調が、少なくとも２以上の吸収線によって生じ
るようにすることにより、さらには上記２以上の吸収線
は、光強度変調に付随して生じる光位相変調を、互いに
補償するような吸収線であることにより達成される。

【０００６】

【作用】化合物半導体材料に電界を印加すると、バンド
構造変化（フランツ・ケルディシュ効果もしくは量子閉
じ込めシュタルク効果等）によって、吸収バンド端の長
波長テーリングや吸収ピーク波長のシフトが生じる。図
１に第１吸収線１１が電界印加により長波長シフトした
状態を模式的に示している。このとき、材料の屈折率分
散１１１もシフトする。このことはクラマース・クロー
ニッヒの関係としてよく知られている。すなわち、電界
吸収変調で入射光波の光強度変調を行うと、この付随的
に生じる屈折率変化によって光位相変調が生じる。ここ
で、もう１つの電界変調可能な第２吸収線１２を考え、
この電界印加による吸収特性の変化が上記第１吸収線の
変化と逆向きであるとすると、これら２つの吸収線間の
入射光波（λ）１０は互いに逆向きの屈折率分散の変化
１１１および１１２を受けるので、光強度変調に付随し
て生じる光位相変調を補償し、相殺させることができ
る。この光位相変調の補償は、電界印加による吸収線の
互いに逆向きの波長シフトだけでなく、波長シフトを行
わずに２つ以上の吸収線の吸収量の増減によっても行う
ことができる。この一例として、ワニヤ・シュタルク効
果等による電界誘起または電界消滅による２以上の吸収
線の強度変化を利用すれば得ることができる。

【０００７】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図２は本発明による光変調器の一実施例を示す構成
図である。図２において、光導波路２１はリブ型で構成
されており、光導波層２２は周囲のクラッド層２３およ
び基板２４より僅かに屈折率が高く、光波を閉じ込めて
伝搬させる働きを有している。アンドープ光導波層２２
の上下の層および基板２４は、相異なる極性（ｎ、ｐ）
にドーピングされており、ｐｉｎ型ダイオードを形成し
ている。ダイオードに逆バイアス電圧を印加すること
で、アンドープの光導波層２２に高電界を印加し、電界
印加による光導波層２２内のバンド構造変化を利用し、
電界吸収光変調を行なっている。

【０００８】本実施例においては、光吸収層である光導
波層２２に結合量子井戸構造を用いた。結合量子井戸構
造においては、無電界印加時に伝導帯の電子および価電
子帯の正孔の波動関数は、異なる対称性を持つとき直交
しており吸収遷移を生じない。しかし、電界を印加する
と上記直交関係が崩れ、対称・非対称モード間、非対称
・対称モード間の結合が強まり、対称・対称モード間、
非対称・非対称モード間の結合が弱くなり、対応して各
吸収線の強度が変化する。また、よく知られているよう
に、電子の対称な最低エネルギーレベルと正孔の非対称
な最低エネルギーレベル間の遷移（ｅｓ−ｈａ）は、量
子とじ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果により吸収ピー
ク波長が短波長側にシフトし、電子の非対称な最低エネ
ルギーレベルと正孔の対称な最低エネルギーレベル間の
遷移（ｅａ−ｈｓ）は、ＱＣＳＥ効果により吸収ピーク
波長が長波長側にシフトする。したがって、ｅｓ−ｈａ
遷移とｅａ−ｈｓ遷移波長間の入射波長に対しては、本
発明の効果である光位相変調の補償が実現できる。本発
明の光変調器では、光強度変調にｅｓ−ｈａ遷移とｅａ
−ｈｓ遷移の２つの吸収線を利用しているので、電界吸
収変調効率も通常の１つの吸収線を用いている場合に比
べて約２倍になるという効果もある。本実施例では結合
量子井戸構造を光導波層２２に用いたが、結合量子細線
構造や結合量子箱構造を用いても同様の効果がある。

【０００９】つぎに、上記実施例と同様な構造を有する
他の実施例について説明する。本実施例は、図２に示し
たリブ型光導波路変調器の光導波層２２に、超格子構造
を用いている。上記超格子構造に電界を印加すると、ワ
ニヤ・シュタルク効果により複数の吸収線が形成され
る。したがって、電界印加により誘起された吸収線間の
入射波長に対しては、本発明の効果である光強度変調の
際に付随的に生じる光位相変調の補償を実現することが
できる。

【００１０】なお、上記実施例に記載したような光変調
器を発光素子とともに同一基板上に形成することによ
り、高速で変調された光波を出射する発光素子を得るこ
とができる。

【００１１】

【発明の効果】上記のように本発明による光変調器は、
化合物半導体を用いた電界吸収型光変調器において、電
界印加時の光強度変調が、少なくとも２以上の吸収線に
より生じることにより、光強度変調時の光位相変調効果
を抑制することが可能となり、超高速変調を行っても光
位相変調が生じないか、または、伝送後の波形劣化が無
視できる程光位相変調が小さい強度変調光を、容易に得
ることができるので、光情報処理や光伝送システムにお
ける超高速変調および超長距離伝送特性を著しく向上さ
せることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光変調器の原理を示す図で、
（ａ）は吸収率の波長に対する変化を示す図、（ｂ）は
屈折率の波長に対する変化を示す図である。

【図２】本発明による光変調器の一実施例を示す構成図
である。

【符号の説明】

１１ 第１吸収線 １２ 第２吸収線 ２２ 光導波層 ２４ 基板 １１１ 第１吸収線の屈折率分散 １１２ 第２吸収線の屈折率分散

フロントページの続き (72)発明者 石田 宏司 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化合物半導体を用いた電界吸収型光変調器
   において、電界印加時の光強度変調が、少なくとも２以
   上の吸収線により生じていることを特徴とする光変調
   器。
2. 【請求項２】上記少なくとも２以上の吸収線は、光強度
   変調に付随して生じる光位相変調が互いに補償されるよ
   うな、複数の吸収線であることを特徴とする請求項１記
   載の光変調器。
3. 【請求項３】上記少なくとも２以上の吸収線は、量子サ
   イズ効果によって形成されていることを特徴とする請求
   項１または請求項２記載の光変調器。
4. 【請求項４】上記量子サイズ効果は、量子井戸構造、量
   子細線構造、量子箱構造等によって誘起されていること
   を特徴とする請求項３記載の光変調器。
5. 【請求項５】上記少なくとも２以上の吸収線は、結合量
   子井戸構造、結合量子細線構造、結合量子箱構造等によ
   って誘起されていることを特徴とする請求項１または請
   求項２記載の光変調器。
6. 【請求項６】上記少なくとも２以上の吸収線は、超格子
   構造に電界を印加して、誘起または消滅することを特徴
   とする請求項１または請求項２記載の光変調器。
7. 【請求項７】上記互いに補償するような複数の吸収線を
   有する電界吸収型光変調器は、入射光波の波長を、上記
   ２以上の吸収線間の波長に設定したことを特徴とする請
   求項２記載の光変調器。
8. 【請求項８】上記請求項１から請求項７までのいずれか
   に記載した光変調器と発光素子とを、同一基板上に形成
   したことを特徴とする発光素子。