JPH06181366A

JPH06181366A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH06181366A
Application number: JP33285192A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Tabuchi; 晴彦田淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1994-06-28

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ光の変調器を構成する光半導体装置に
関し、光変調層で発生する光信号の波長チャーピングを
低減し得る新規な構造の変調器を有する光半導体装置を
提供することを目的とする。【構成】ｐｎ接合の空乏層が形成される領域あるいは
ｐｉｎ接合のｉ層の部分で光導波路を構成し、前記接合
に逆バイアス電圧を印加する手段を有し、所定波長λ_op
の入射光に対する変調機能を有する光半導体装置であっ
て、光導波路が、逆バイアス印加時に所定波長λ_opに対
する電気光学効果による屈折率変化の係数α（＝Δｎ／
Δｇ、ただしΔｎは逆バイアス電圧印加による屈折率の
変化、Δｇは逆バイアス電圧印加による利得の変化）が
正となる半導体材料の層（ｉ＋）と前記係数αが負とな
る半導体材料の層（ｉ−）との積層を含むことを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置に関し、
特にレーザ光の変調器を構成する光半導体装置に関す
る。

【０００２】レーザ光の外部変調器として電気光学効果
を利用して光学吸収により光強度変調を行なう光変調器
が知られている。この光変調器は、ＤＦＢレーザ等と比
べ、高速の光変調が可能であると期待されているが、実
際上変調速度はチャーピングによって制限されている。

【０００３】

【従来の技術】半導体に電界を印加し、光吸収率を変化
させると、一般的には同時に屈折率変化（αパラメー
タ）の変化も生じてしまう。屈折率変化が生じると、光
の伝搬速度が変化し、チャーピングを生じてしまう。図
２を参照して、屈折率変化によりチャーピングの生じる
現象をより詳しく説明する。

【０００４】図２において、横軸は位置Ｚを表し、ｚ１
からｚ２までが変調器の存在する領域である。縦軸は時
間を示す。変調器に電界を印加しない状態においては、
変調器もその周囲の半導体も同一の屈折率を有するとす
る。この時、図に示すように、半導体中を伝搬する光
は、等方的に分布する。

【０００５】時間ｔ１からｔ２にかけて変調器に電界が
印加され、屈折率が変化したとする。図においては、屈
折率ｎが増大し、距離ｚ１からｚ２までに分布する波の
数が増大するとした。この場合、図に示すように、変調
器領域における光の分布と、その両側の半導体における
光の分布とは異なるようになる。

【０００６】時間ｔ２で変調器から電界が取り除かれて
も、一旦変化した分布を有する光は、そのまま進行を続
ける。したがって、図に示すように、時間ｔ２以後の光
の分布は変調時に変調器を通過した部分で密になり、チ
ャーピングが生じる。

【０００７】電界吸収型変調器を幹線系の光伝送に使用
する場合、ビットレートを制限しているのはチャーピン
グである。変調は１０Ｇｂｉｔ／ｓまで可能であるが、
チャーピングのため、実用的最高ビットレートは２．５
Ｇｂｉｔ／ｓ程度に制限されている。

【０００８】一方、光ファイバには１．３μｍ零分散フ
ァイバと１．５５μｍ零分散ファイバがある。１．５５
μｍ零分散ファイバは１．３μｍ零分散ファイバと比較
すると、光減衰率が大きいため、１．５５μｍ光通信に
おいても最も減衰率の少ない光伝送は１．３μｍ零分散
ファイバを用いて行なわれる。しかし、１．３μｍ零分
散ファイバは１．５５μｍにおいては波長分散を有す
る。このため、チャーピングの悪影響がでる。したがっ
て、できるだけチャーピングの少ない電界吸収型光変調
器が望まれている。

【０００９】図３（Ａ）、（Ｂ）は、量子井戸構造に電
界を印加した時の屈折率変化Δｎと、光吸収係数αを、
無電界時と比較して波長λの関数として示す。図３
（Ａ）は、電界印加による屈折率ｎの変化Δｎの波長λ
依存性を示す。無電界時の屈折率を基準にし、無電界時
はΔｎ＝０である。吸収端に相当するλ_ab ^Fから短波長
側で、Δｎが正負に変化している。短波長領域でΔｎが
負のピークを示すのは、励起子吸収による。

【００１０】図３（Ｂ）は、吸収係数αの波長λ依存性
を示す。無電界時には、励起子吸収によるダブルピーク
と吸収端（Ｅ_1e−Ｅ_1h）に相当するλ_abが示されてい
る。電界を印加すると、吸収端λ_ab ^Fおよび励起子ピー
クは共に低エネルギ側、すなわち長波長側にシフトす
る。また、ピーク強度も低下する。

【００１１】図３（Ｂ）に示すように、無電界時の吸収
端波長λ_abを信号光の波長λ_opとして選び、電界印加に
よる吸収の増大を利用してレーザ光の強度変調を行なう
場合を考える。電界印加時量子井戸構造の光変調器は、
図３（Ｂ）の電界印加時の曲線で示すように、吸収係数
のαが増大すると共に、図３（Ａ）で示すような屈折率
変化を示す。したがって、チャーピングが発生する。

【００１２】チャーピングを抑制する方法として、従来
用いられてきたのは、αパラメータの小さい条件で光変
調器を動作させることであった。図４は、ｐｉｎ接合の
ｉ層にＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ多重量子井戸構造を用い
た光変調器の逆バイアス電圧印加時における井戸層の電
界強度に対するαパラメータの関係を示す。図中上部に
ｉ層ｉｍをｐ層とｎ層で挟んだ光変調器構成を示す。

【００１３】図４における６本の曲線は、信号光波長λ
_op（ここでは８６１ｎｍに選定）と、励起子吸収ピーク
（電子・重い正孔間励起子によるピーク）との波長差Δ
λが、（ｉ）Δλ＝９ｎｍ、（ｉｉ）Δλ＝１０ｎｍ、
（ｉｉｉ）Δλ＝１１ｎｍ、（ｉｖ）Δλ＝１２ｎｍ、
（ｖ）Δλ＝１３ｎｍ、（ｖｉ）Δλ＝１４ｎｍの各場
合である。なお、Δλが大きいほど無電界時の光吸収は
少ない。

【００１４】たとえば、曲線（ｉｉｉ）を用いて電界強
度を０．４×１０⁵Ｖ／ｃｍ以下にすれば、αパラメー
タの絶対値は０．５以下になる。この場合は、電界印加
によって得られる吸収係数の増大が小さくなるため、高
い消光比を得ようとすると、光変調器を長くする必要が
生じる。このため、ｐｎ接合に基づく接合容量が増大
し、動作速度を制限してしまう。

【００１５】印加電界を大きくすると、吸収係数の変化
は大きくなるが、αパラメータの変化も大きくなってし
まう。異常分散を使用すると、αパラメータを正負の間
で変化させるため、印加電界のスイングを大きくする必
要がある。しかし、低電圧動作も求められるため、高電
界を得るためには吸収層を薄くすることになる。光吸収
層を薄くすると、単位長当たりの消光比が小さくなるた
め、所望の消光比を得るためには光変調器を長くするこ
とになる。すると、接合容量の増大を招き、動作速度が
制限されることになる。

【００１６】このように、従来の技術は抜本的改善を与
えるものではなく、僅かな改善が得られるだけである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】従来のαパラメータ改
善方法は、特定の電界強度に対してはある程度効果があ
る。しかし、図４で示すように、電界が１×１０⁵Ｖ／
ｃｍ程度変化すると、αパラメータは３〜４変化するの
で、抜本的な改善方法とはならない（Yasuo Kanet. a
l., IEEE J.Q.E., QE-23, No.12 (1987), 2167 参
照）。

【００１８】また、吸収層の厚みを薄くすると、変調効
率が低下するので、所望の光減衰率を得るには吸収領域
長を長くする必要がある。すると、素子の寄生容量が増
加してＲＣ積が大きくなるため、高速動作に対してネッ
クになる。

【００１９】本発明の目的は、光変調層で発生する光信
号の波長チャーピングを低減し得る新規な構造の変調器
を有する光半導体装置を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体装置
は、ｐｎ接合の空乏層が形成される領域あるいはｐｉｎ
接合のｉ層の部分で光導波路を構成し、前記接合に逆バ
イアス電圧を印加する手段を有し、所定波長λ_opの入射
光に対する変調機能を有する光半導体装置であって、光
導波路が、逆バイアス印加時に所定波長λ_opに対する電
気光学効果による屈折率変化の係数α（＝Δｎ／Δｇ、
ただしΔｎは逆バイアス電圧印加による屈折率の変化、
Δｇは逆バイアス電圧印加による利得の変化）が正とな
る半導体材料の層（ｉ＋）と前記係数αが負となる半導
体材料の層（ｉ−）との積層を含むことを特徴とする。

【００２１】

【作用】光導波路が、電気光学効果による屈折率変化の
係数αが正となる半導体材料の層と、係数αが負となる
半導体材料の層との積層で構成されるため、光導波路全
体としての屈折率変化を低減することができる。

【００２２】このため、チャーピングを増大させること
なく、比較的屈折率変化の大きい半導体材料を用いるこ
とが可能となり、高い消光比を短い光変調器長で得るこ
とができる。

【００２３】

【実施例】図５は、本発明の原理説明図である。図５
（Ａ）は、光変調器の構成を示し、図５（Ｂ）は光変調
器内で光を変調するための光吸収層のαパラメータの電
界依存性を概略的に示す。

【００２４】図５（Ａ）において、光変調器Ｍはｐ型領
域と、ｎ型領域と、その間に挟まれたｉ型の光変調層ｉ
ｍを含む。光変調層ｉｍは、電界が印加された時に光を
吸収する光吸収層であり、電界印加時のαパラメータが
正である半導体層ｉ＋と、αパラメータが負である半導
体層ｉ−とを含む。なお、ｐｉｎダイオード構造で例示
したが、ｐｎ構造とし、ｐｎ接合近傍の空乏層が発達す
る領域を光変調層とすることもできる。

【００２５】入射光のレーザ光は、光変調層の一端に入
射し、光変調層ｉｍで変調を受けた後、他端から光増幅
器ないしファイバに出射する。ダイオード構造には、可
変直流電源Ｅｂから逆バイアス電圧が印加される。

【００２６】図５（Ｂ）は、光変調層ｉｍの２つの領域
ｉ＋、ｉ−のαパラメータの電界依存性を示す。αパラ
メータが正となる半導体材料の層ｉ＋は、電界強度の増
大と共に、次第に減少する正のαパラメータα_i+を有
し、αパラメータが負となる半導体材料の層ｉ−は、電
界強度の増大と共に、次第に絶対値が減少する負のαパ
ラメータα_i-を示す。光変調層ｉｍ全体としてのαパラ
メータα_imは、正のαパラメータα_i+と負のα_i-との和
となり、その絶対値が小さな値に抑制できる。

【００２７】αがレーザ光の波長λ_opに対して正である
半導体材料および負である半導体材料は、図３（Ｂ）で
示した吸収端波長λ_abを考慮すれば、バルク結晶で構成
することもできる。しかし、前記したように、超高速動
作を行なう場合には、励起子吸収による屈折率の異常分
散を利用できる多重量子井戸構造の採用が好ましい。

【００２８】図５（Ａ）においては、光変調層ｉｍが一
定の印加電界範囲で、互いに逆の符号のαパラメータを
有する２つのｉ型層領域、ｉ＋、ｉ−とを積層した構造
で示したが、ｉ＋層とｉ−層とはそれぞれ１層ずつであ
る必要はない。いくつかの層に分割されていてもよい。
要は、組成と厚みの調整によって総合的に光変調層ｉｍ
でαパラメータが相殺されるように組み合わせればよ
い。

【００２９】αパラメータの印加電界に対する変化は、
図３、図４を参照して説明したように、光信号波長λ_op
に対する光変調層の実効的バンドギャップを選択するこ
とによって変化させることができる。

【００３０】光変調層の実効的バンドギャップは、光変
調層を構成する半導体材料自身のバンドギャップを選択
することや、光変調層を量子井戸構造で形成し、量子井
戸構造内に形成される電子および正孔に対する量子準位
を調整することによって行なうことができる。

【００３１】特に、量子井戸構造を採用した場合は、同
一の半導体材料の組合せを用い、層厚を変化させること
によって実効的バンドギャップを変化させることができ
る。図１は、光変調層にＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ多重量
子井戸構造を用いた場合の実効的バンドギャップの変化
によるαパラメータの変化を示す。なお、信号波長λ_op
は８６１ｎｍとし、実効的バンドギャップを表すパラメ
ータとして、励起子吸収ピークの位置を用いる。図にお
いて、横軸は電界強度を１０⁵Ｖ／ｃｍの単位で示し、
縦軸はαパラメータを示す。

【００３２】図１において、αパラメータの曲線（ｉ）
〜（ｖｉ）は、図４に示す曲線（ｉ）〜（ｖｉ）と同様
である。曲線（ｖｉｉ）は、励起子ピークの波長と信号
光の波長との差Δλが約５ｎｍの場合で、αのスケール
は１／１０に縮小して図示してある。

【００３３】今、曲線（ｖ）で示すΔλ＝約１３ｎｍの
組成の多重量子井戸層をｉ＋層、曲線（ｖｉｉ）に相当
する組成を有する多重量子井戸層をｉ−層に選ぶ。この
時、所定の電界強度範囲（１〜６×１０⁴Ｖ／ｃｍ）で
αの符号は互いに反対であることが判る。曲線（ｖｉｉ
ｉ）は、ｉ＋層とｉ−層の厚さの比を１０：１に選んだ
場合の変調層ｉｍ全体としてのαパラメータの変化を示
す。

【００３４】なお、電界強度が６×１０⁴Ｖ／ｃｍを越
えると、曲線（ｖ）と曲線（ｖｉｉ）は共に符号を反転
する。この状態では、αパラメータがｉ−層で正、ｉ＋
層で負となるが、変調層ｉｍ全体としてのαパラメータ
が減少することは同様である。このように、８×１０⁴
Ｖ／ｃｍ以下の電界強度領域においてはαパラメータは
小さく、−０．５〜０．１の範囲にとどまっている。

【００３５】ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ多重量子井戸はア
ンドープで、またこれを挟むｐ、ｎの各層はそれぞれア
クセプタおよびドナー不純物をドープしたＧａＡｌＡｓ
によって構成することができる。これら各層は、たとえ
ばＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＡｓ基板上
にエピタキシャル成長させることができる。

【００３６】図６に、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ量子井戸
層を光変調領域に用いたｐｉｎ構造の光変調器の具体的
構成例を示す。図６（Ａ）は、素子構造を示す斜視図で
あり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の光変調層の組成を示す
一部拡大図である。

【００３７】光変調器Ｍにおいて、光変調を受ける入射
レーザ光は、ＧａＡｓレーザのλ_op＝８６１ｎｍの光で
ある。この光は、図６（Ａ）の「Ａ」方向から光導波路
領域２３、２４、２５に入射し、裏面へ抜ける。ここ
で、光ガイド層２３、２５は、光吸収によって変調を行
なう変調層２４を両側から挟んでいる。

【００３８】図６（Ａ）に図示した光変調器は、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板２１（厚さ１００μｍ）の上に積層されたＧ
ａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ量子井戸構造を有する。クラッド
層２２および２６は、ガイド層２３、２５の外側に配置
されたそれぞれ厚さ１μｍのｎ型およびｐ型Ｇａ_0.65Ａ
ｌ_0.35Ａｓ層である。

【００３９】クラッド層２６の上には、厚さ０．３μｍ
のｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７が形成されている。変
調層２４を含む中央のストライプ領域に電界を集中させ
るために、ストライプ領域両側にはｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ
_0.5Ａｓ狭窄層２８が形成されている。また、それぞれ
金属からなるｎ層電極３０およびｐ層電極３１がｎ型基
板２１、ｐ型コンタクト層２７上に設けられている。

【００４０】光導波領域のうち光ガイド層２３、２５
は、それぞれ厚さ０．１μｍのアンドープｉ層Ｇａ_0.68
Ａｌ_0.32Ａｓ層であり、この領域ではレーザ光は変調を
受けない。

【００４１】光変調層２４は、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ
多重量子井戸（ＭＱＷ）であり、いずれもアンドープの
ｉ層の積層から構成されている。図６（Ｂ）に光変調層
の一部拡大図を示す。

【００４２】下側光変調層２４ａと上側光変調層２４ｃ
は、厚さ８ｎｍのＧａＡｓ井戸層２２ａと厚さ１０ｎｍ
のＧａ_0.68Ａｌ_0.32Ａｓバリア層２２ｂの４周期８層の
ＭＱＷ層からなる。また、中央光変調層２４ｂは、厚さ
１４ｎｍのＧａＡｓ層からなる。

【００４３】下側、上側光変調層２４ａ、２４ｃの量子
井戸層における励起子吸収ピーク波長λ_exは８４８ｎｍ
であり、中央光変調層２４ｂのλ_exは８５６ｎｍであ
る。励起子吸収ピーク波長λ_exは、図３（Ｂ）で示した
ように、電子と重い正孔間の励起子吸収ピークであり、
その位置は量子井戸幅を変えることによって量子準位エ
ネルギを変化させれば、容易に調整できる。

【００４４】この場合、下側光変調層２４ａと上側光変
調層２４ｃが、共に図１で説明したｉ＋層、曲線（ｖ）
に相当し、中央光変調層２４ｂが図１のｉ−層、曲線
（ｖｉｉ）に相当する。

【００４５】図１で示したように、下側、上側光変調層
２４ａ、２４ｃと中央光変調層２４ｂのαパラメータの
変化が１：１０であるため、本実施例では下側、上側光
変調層２４ａ、２４ｃの厚み合計を中央光変調層２４ｂ
の厚みの約１０倍に選んである。

【００４６】光変調層の幅は約１．５μｍ、長さは約１
００μｍである。光変調層２４ａ、２４ｂ、２４ｃの配
置は、必ずしも図６（Ｂ）のようにしなくてもよい。図
５で示したように、光変調層２４ａ、２４ｃを併せてｉ
＋層とすることもでき、また、逆に中央光変調層２４ｂ
を上下に分割して配置することもできる。光変調層２４
ｂで構成されるｉ−層では、無電界時も吸収が大きいの
で、ｉ層組成はできるだけαの変化の大きいものを選
び、膜厚を薄くして全体の吸収量を減らすことが好まし
い。

【００４７】図６（Ａ）に示した素子に３Ｖの逆バイア
ス電圧を印加して図の「Ａ」方向からλ_op＝８６１ｎｍ
レーザ光を入射させると、出射側では光強度が１／２０
に減衰する。したがって、図６（Ａ）の素子を消光比１
３ｄＢの光変調器として使用することができる。

【００４８】本実施例によれば、従来用いられなかった
ｉ−層の採用によって、図１の曲線（ｖｉｉｉ）で示す
ように、逆バイアス電圧０〜３Ｖの全域に亘ってαパラ
メータが低減される。波長チャーピングは、光変調層２
４ｂで示したｉ−層が付加されない場合、すなわち、従
来のＭＱＷ光変調領域を用いた光変調器に比べて１／１
０以下に低減される。

【００４９】図７は、図６で説明した光変調器の減衰し
た光出力を補償するため、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系光
増幅器を集積化した光半導体装置の実施例を示す斜視図
である。ｎ層電極３０は共通になっているが、ｐ層電極
３１は光変調器上部分３１ａと光増幅器上部分３２ａに
コンタクト領域２７ａ、２７ｂと共に分離されている。

【００５０】レーザ光入射面「Ａ」を持つ領域が、領域
ＭＩ（変調器部）であり、出射面「Ｂ」を持つ領域が領
域ＭＩＩ（増幅器部）となっている。変調器長Ｌは１５
０μｍ、増幅器長が１２５μｍ、領域ＭＩとＭＩＩの分
離領域の幅が２５μｍである。他は図６と同様である。

【００５１】図６のＬ＝１００μｍと較べて、図７の実
施例ではＬ＝１５０μｍと長くすることによって、３Ｖ
逆バイアス電圧印加時の光変調器の消光比は２０ｄＢま
で改善される。しかし、その分光変調器における伝搬損
失が４．９ｄＢと大きくなる。

【００５２】これを補償するために、領域ＭＩＩの光増
幅器領域に順方向電流を注入する。この結果、約３０ｍ
Ａの順方向電流で伝搬損失はほぼ完全に補償される。電
流をより増やせば、「Ｂ」から増幅された変調レーザ光
を出射させることができる。

【００５３】以上は、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系材料を
用いた光変調器の実施例について説明したが、当然、他
の半導体材料を用いて同様の光変調器を構成することも
できる。

【００５４】図８は、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ層を光変
調領域に用いた本発明の別の実施例による光変調器を示
す。図８（Ａ）は、素子構造を示す斜視図であり、図８
（Ｂ）は光導波領域３、４、５における層構造を示す部
分拡大図である。

【００５５】図８（Ａ）の光変調素子は、厚さ１００μ
ｍのｎ型ＩｎＰ基板１上に厚さ１μｍのｎ型ＩｎＧａＡ
ｓＰクラッド層（λｇ＝１．２μｍ）２、その上に光導
波ｉ層領域３、４、５、その上に厚さ１μｍのｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓＰクラッド層（λｇ＝１．２μｍ）６、その上
に厚さ０．３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７
を積層した構造を有する。

【００５６】電界を中央のストライプ領域に集中させる
ために、ストライプ領域両側には半絶縁性ＩｎＰ電界狭
窄層８およびｎ型ＩｎＰ電界狭窄層９が設けられてい
る。光導波領域３、４、５は、アンドープＩｎＧａＡｓ
ＰのＭＱＷ層からなる。このうち、ｉ＋層３と５は厚さ
８ｎｍ、λｇ＝１．５８μｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層１
２ａと厚さ８ｎｍ、λｇ＝１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ
バリア層１２ｂとからなる量子井戸構造を５層重ねたｉ
型ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷ層である。

【００５７】ｉ−層４は、厚さ１６ｎｍ、λｇ＝１．５
８μｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層１２ｃとその両側の厚さ
８ｎｍ、λｇ＝１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰバリア層１
２ｂを有する量子井戸構造からなるｉ型ＩｎＧａＡｓＰ
の量子井戸層である。

【００５８】ｉ＋層３の最下層およびｉ＋層５の最上層
の外側には、それぞれ厚さ０．１μｍ、λｇ＝１．３μ
ｍの光ガイド層１２ｄが設けられている。なお、ｉ＋層
３、５の井戸層１２ａにおける励起子吸収ピーク波長λ
_exは、１．５１μｍ、ｉ−層４の井戸層１２ｃにおける
励起子吸収ピーク波長λ_exは１．５４μｍである。

【００５９】この光変調器に、図８の「Ａ」面から１．
５５μｍのＩｎＧａＡｓＰレーザ光を入射させ、変調器
長Ｌを経て反対側面から出射させる。ｉ＋層とｉ−層の
αパラメータ変化は、定性的には図１に示したものと同
様になる。

【００６０】図１で示すように、この場合もｉ＋層とｉ
−層ではαパラメータの変化が約１：１０となるので、
ｉ＋層３、５の厚さの和とｉ−層４の厚さとの比を約１
０：１にしている。

【００６１】素子中央の光導波領域のストライプ幅は
１．５μｍ、ストライプ長Ｌ＝１００μｍとする。ｎ層
電極１０が正極、ｐ層電極１１が負極であるようにし
て、３Ｖの直流電圧を印加すると、出射面に透過する光
強度が１／２０に減衰する。すなわち、消光比１３ｄＢ
の変調器として使用できる。勿論、光変調器として用い
る場合には、直流バイアス電源の他に、信号電圧電源を
接続する。

【００６２】図１で示したように、本実施例において
も、０〜３Ｖの印加電圧全域に亘ってαパラメータが低
減される。波長チャーピングは、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層（ＱＷ）のｉ−層４を付加しない場合、すなわ
ち、従来例に比べて１／８以下に低減できると見積られ
る。

【００６３】ＩｎＧａＡｓＰ系光変調器においても、前
記実施例同様、光増幅器を集積化させて変調時の光損失
を補償し、さらに増幅して出力することが可能である。
図９は、増幅器を備えた光変調器を示す。図９（Ａ）は
素子構成を示す斜視図、図９（Ｂ）は光増幅器の特性、
すなわち順方向通電電流に対する出力増幅の程度を示す
グラフである。

【００６４】図９（Ａ）においては、光変調器部ＭＩと
光増幅器部ＭＩＩが、共通のｎ型ＩｎＰ基板１上に集積
化されている。そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト
層７ａ、７ｂとｐ層電極１１ａ、１１ｂが分離されてい
る他は、両部分ＭＩ、ＭＩＩの構成は共通である。

【００６５】変調器部ＭＩの長さは１５０μｍ、増幅器
部ＭＩＩの長さは１２５μｍ、両部分ＭＩとＭＩＩ間の
分離領域幅は２５μｍである。他の部分の組成やサイズ
は、図８と同様である。狭窄層８、９は、横方向光閉じ
込め効果を有し、増幅器においては電流狭窄層としても
作用する。

【００６６】この集積素子の駆動は、電極１０−１１ａ
間に逆バイアスと信号電圧を複合した電源、電極１０−
１１ｂ間に順方向直流電源をそれぞれ接続し、光変調器
の「Ａ」面側から１．５５μｍのレーザ光を入射させ、
光増幅器の「Ｂ」面側から被変調信号光を出射させるこ
とで行なう。

【００６７】光変調器長Ｌを、前実施例の１００μｍか
ら１５０μｍに長くした結果、変調器の消光比は３Ｖの
逆バイアス電圧印加時２０ｄＢまで改善される。しか
し、その分信号光強度は減衰し、光損失は４．９ｄＢと
なる。この損失は、増幅器部ＭＩＩで補償できる。

【００６８】図９（Ｂ）の直線（ａ）は、増幅器部を設
けず、かつ変調電界を印加しない場合の光変調部におけ
る内部吸収（損失）を示す。一方、直線（ｂ）は、変調
部ＭＩに３Ｖの逆バイアス電圧を印加し、かつ増幅部Ｍ
ＩＩに３０ｍＡの順方向電流を流した場合を示す。この
時、Ｂ面側から出射するレーザ光強度はＡ面側から入射
する強度にほぼ一致し、光損失がゼロになる。

【００６９】また、直線（ｃ）は増幅部ＭＩＩの順方向
電流を４０ｍＡにまで増加させた場合であり、出力が約
２倍に増幅されている。図９（Ａ）で用いた光増幅器の
代わりに、光変調器の光出射面にＥｒドープ光ファイバ
を接続して、１．５５μｍ光を増幅させることもでき
る。この場合は、光増幅器領域で発生する波長チャーピ
ングを低減できる効果もある。

【００７０】以上の実施例では、ＭＱＷ層を光変調層に
用いる場合を述べたが、勿論バルク層を利用することも
可能である。この場合は、バンドギャップの大きな半導
体層でｉ＋層、小さな半導体層でｉ−層を構成する。

【００７１】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
波長チャーピングを低減した光変調器を含む半導体装置
が提案される。

【００７３】この結果、超高速超長距離光通信に資する
ことができると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するためのグラフであ
る。

【図２】屈折率変化によるチャーピングの発生を説明す
るための概念図である。

【図３】量子井戸構造における電界印加時の屈折率変化
Δｎとαパラメータの波長依存性を説明するための概念
的グラフである。

【図４】従来例によるＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓのＭＱＷ
ｉ層を用いた光変調器のαパラメータと電界強度の関係
を示すグラフである。

【図５】本発明の原理説明図である。

【図６】本発明の実施例によるＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ
量子井戸層を有する光変調器を示す断面図である。

【図７】本発明の実施例によるＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ
光変調器と光増幅器の集積化構造を示す断面図である。

【図８】本発明の実施例によるＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷ
層を有する光変調器を示す断面図である。

【図９】本発明の実施例によるＩｎＧａＡｓＰ系光変調
器と光増幅器の集積化構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１ｎ型ＩｎＰ基板２ｎ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層（λｇ＝１．２μ
ｍ）３、５ｉ型ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷ（ｉ＋）層４ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸（ｉ−）層６ｐ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層（λｇ＝１．２μ
ｍ）７ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ａ光変調器のｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ｂ光増幅器のｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層８半絶縁性ＩｎＰ電界狭窄層９ｎ型ＩｎＰ電界狭窄層１０、３０ｎ層電極１１、３１ｐ層電極１１ａ、３１ａ光変調器のｐ層電極１１ｂ、３１ｂ光増幅器のｐ層電極１２ａＩｎＧａＡｓＰ井戸層（λｇ＝１．５８μｍ）１２ｂＩｎＧａＡｓＰバリア層（λｇ＝１．３μｍ）１２ｃＩｎＧａＡｓＰ井戸層（λｇ＝１．５８μｍ）１２ｄＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（λｇ＝１．３μ
ｍ）２１ｎ型ＧａＡｓ基板２２ｎ型Ｇａ_0.65Ａｌ_0.35Ａｓクラッド層２２ａｉ型ＧａＡｓ井戸層２２ｂｉ型Ｇａ_0.68Ａｌ_0.32Ａｓバリア層２３、２５ｉ型Ｇａ_0.68Ａｌ_0.32Ａｓ光ガイド層２４ＭＱＷ光変調層２４ａ、２４ｃＭＱＷ（ｉ＋）層２４ｂＧａＡｓ（ｉ−）層２６ｐ型Ｇａ．₆₅Ａｌ_0.35Ａｓクラッド層２７ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７ａ光変調器のｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７ｂ光増幅器のｐ型ＧａＡｓコンタクト層２８ｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ狭窄層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐｎ接合の空乏層が形成される領域ある
いはｐｉｎ接合のｉ層の部分で光導波路を構成し、前記
接合に逆バイアス電圧を印加する手段を有し、所定波長
λ_opの入射光に対する変調機能を有する光半導体装置で
あって、光導波路が、逆バイアス印加時に所定波長λ_opに対する
電気光学効果による屈折率変化の係数α（＝Δｎ／Δ
ｇ、ただしΔｎは逆バイアス電圧印加による屈折率の変
化、Δｇは逆バイアス電圧印加による利得の変化）が正
となる半導体材料の層（ｉ＋）と前記係数αが負となる
半導体材料の層（ｉ−）との積層を含むことを特徴とす
る光半導体装置。
【請求項２】前記係数αが正である半導体材料が実効
的バンドギャップＥ _g1の半導体であり、前記係数αが負
である半導体材料が実効的バンドギャップＥ _g2の半導体
であり、Ｅ_g1＞Ｅ_g2である請求項１記載の光半導体装
置。
【請求項３】前記係数αが正である半導体材料および
前記係数αが負である半導体材料が、それぞれ伝導帯と
価電子帯の基底準位間エネルギ差が異なる多重量子井戸
半導体積層である請求項１ないし２記載の光半導体装
置。
【請求項４】前記係数αが正である半導体材料および
前記係数αが負である半導体材料の組成および層厚が、
前記所定波長λ_opの入射光に対する伝搬定数の変化が互
いに相殺されるように選択されている請求項１〜３のい
ずれかに記載の光半導体装置。