JPH0816744B2 - 光変調素子 - Google Patents

光変調素子

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JPH0816744B2
JPH0816744B2 JP63302222A JP30222288A JPH0816744B2 JP H0816744 B2 JPH0816744 B2 JP H0816744B2 JP 63302222 A JP63302222 A JP 63302222A JP 30222288 A JP30222288 A JP 30222288A JP H0816744 B2 JPH0816744 B2 JP H0816744B2
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light
waveguide layer
modulation element
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英明 田中
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は外部から入射された光を変調する光変調素子
に関するものである。
(従来技術) 高速データ通信、画像伝送などの大容量通信需要に対
処する光伝送システムの将来の開発方向の一つとしてギ
ガビット帯超高速光伝送が期待されている。光ファイバ
の伝送損失が最少となる1.55μm波長帯で1ギガビット
以上の高速光伝送を行う場合、光ファイバの損失特性に
加えて波長分散特性が伝送距離を制限する大きな要因と
なる。このため、これまで、波長分散の影響を受けない
ように、変調時にもスペクトル幅の小さい動的単一波長
レーザの開発が盛んに行われている。
しかし、このような分布帰還(DFB)レーザなどの動
的単一波長レーザでさえ、直接変調した場合には、通常
数Åの波長変動(チャーピング)が生じ、光ファイバの
波長分散と波長変動により受信パルスが広がるという問
題が生じる。この問題を抑制する一方式として、半導体
レーザの出力は一定としスペクトル幅の狭い状態に保持
し、外部の光変調素子で高速な変調を行う方式が近年検
討されている。
光変調素子としては,LiNbO3等の強誘電体を用いた光
変調素子や、DFBレーザ等の単一波長レーザとモノリシ
ックに集積可能なGaAs系やInP系の半導体光変調素子等
が提案されているが、中でも、半導体導波路に電界を印
加して電気吸収効果により光の強度変調を行う電気吸収
型光変調素子が最も有望視されている。
第1図は、従来の電気吸収型光変調素子の断面図であ
る。n型InP基板1の上に、禁止帯波長:1.45μmのn-
InGaAsP変調導波路層2が形成され、p+−InP上部クラッ
ド層4、p+−InGaAsPコンタクト層5が積層されてお
り、さらに、p側電極6及びn側電極7がp+−InGaAsP
コンタクト層5とn型InP基板1にそれぞれ接するよう
に形成されている。
この光変調素子では、InGaAsP変調導波路層2に光を
入射して、p側電極6に印加するマイナスの電圧とn側
電極7に印加するプラスの電圧を変化させて、InGaAsP
変調導波路層2の吸収係数を変化させる事により、出射
光の強度を変調することができる。吸収型変調素子に数
mW程度の光を入射すると、変調電圧が増加したり、帯域
幅が減少したりする現象が観測される。この高強度光入
射に伴う特性劣化を抑制するため、従来例では入射光の
フォトンエネルギhνと変調導波路層の禁止帯幅Egとの
差ΔEg=Eg−hνを50meV以上に大きくし、素子長を1mm
程度まで長くすることにより、単位長さ当りの吸収キャ
リア数を減少させている。
(発明が解決しようとする課題) しかし、従来の光変調素子は、n-−InGaAsP変調導波
路層2上に、直接p+−InP上部クラッド層4を積層してp
n接合を形成した構造となっているため、結晶成長中の
ドーパントの拡散によって光導波路層2内にpn接合が形
成されていた。従って、n-−InGaAsP変調導波路層2上
に、直接p+−InP上部クラッド層4を積層してpn接合を
形成する従来の構造では、n-−InGaAsP変調導波路層2
とp+−InP上部クラッド層4との界面にpn接合を形成す
ることが困難であると共に、pn接合が光導波路層2内に
形成されてしまうため、素子容量が増大して高速動作が
不可能であるという問題点があった。
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、素子容量を増大させることなく、入
射光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可能な光変
調素子を実現することを目的とする。
(課題を解決するための手段) 本発明の特徴は、上部クラッド層内にpn接合を設ける
と共に、光導波路層と上部クラッド層の間に光導波路層
の禁止帯幅より大で上部クラッド層の禁止帯幅よりも小
なる禁止帯幅を有するバッファ層を少なくとも1層挿入
するように構成し、光吸収で生じた正孔がヘテロ界面で
トラップされないように構成した点にある。
以下に、図面を用いて、本発明を詳細に説明する。
(発明の原理) n-−InGaAsP変調導波路層2上に、直接p+−InP上部ク
ラッド層4を積層してpn接合を形成する従来の構造を解
決する簡単な手段として、InP上部クラッド層4内にpn
接合を設ければよいことが考えられる。しかし、単に、
InP上部クラッド層4内にpn接合を設けても、入射光強
度が増加するに従い変調電圧が著しく増加することが、
本発明者らにより明らかとなった。従って、その理由に
ついて詳細に説明する。
第2図は、上部クラッド層内にpn接合を設けた場合に
おける電気吸収型光変調素子の断面図である。
図から明らかなように、第1図との違いは、メサ状に
加工されたn-−InP上部クラッド層3がInP上部クラッド
層4の下に形成され、pn接合が上部クラッド層内に設け
られている点である。
第3図に、第2図の光変調素子で、素子長を1.02mm,
ΔEgを50meVとし、波長1.55μmの入射光強度に対する
出射光強度を変調電圧をパラメータとして示す。第3図
より、この光変調素子では入射光強度を0.2mWから3mWに
増加するに従い、10dBの消光比を与える電圧が2Vから3.
5V以上に増加していることがわかる。
この原因について、実験的に検討した結果、第2図の
光変調素子では空乏層中に存在するn-−InGaAsP変調導
波路層2とn-−InP上部クラッド層3のヘテロ界面が変
調電圧の増加に大きく影響していることが明かとなっ
た。
以下にそれを説明する。変調電圧の増加の一つの原因
として、上述したように、n-−InP(禁止帯幅:Eg=1.35
eV)3とn-−InGaAsP(Eg=0.855eV)2との境界(ヘテ
ロ界面)における価電子帯のエネルギバンド不連続点へ
の正孔の蓄積が考えられる。第4図(a)に、光入射が
少ない場合の従来の光変調素子のエネルギバンド図を示
す。波長1.55μmの入射光8は、n-−InGaAsP変調導波
路層2で吸収されて、電子9と正孔10を生成する。又、
エネルギの傾きが電界強度に相当する。第4図(b)に
は、数mW以上の高強度光入射時のエネルギバンド図を示
す。光吸収によって生成された電子9と正孔10のうち電
子9については、伝導帯にはほとんどエネルギ障壁がな
いため外部回路へ瞬時に吐き出されるが、正孔10につい
ては、n-−InP3とn-−InGaAsP2のヘテロ界面における価
電子帯のエネルギ障壁でトラップされてしまう。入射高
強度が小さい場合には、トラップされる正孔の量が少な
いため第4図(a)に示すように導波路内電界強度分布
に大きな影響を与えずInGaAsP導波路層2の全域で光吸
収が起こる。しかし、入射高強度が増加し正孔の量が増
加すると、外部からの印加電界は正孔が大量に存在して
いるヘテロ界面部に集中するため他の部分の電界強度が
弱められ光吸収が起きない領域が現れ(第4図
(b))、光透過率が増加する。更に電圧を印加すると
ヘテロ界面への正孔の蓄積が進み、蓄積した正孔の数が
最大となる電圧点で最も透明となり、それ以上の電圧で
はヘテロ界面への正孔の蓄積がないため通常の吸収特性
を示す。
光透過特性にヘテロ界面の数に応じた数のピークが現
われる現象は、ヘテロ界面の数が1つ、2つ及び3つの
場合にも同様に観測され、上述の説明は妥当と考えられ
る。すなわち、ヘテロ界面に留まっている大量の正孔が
空間電荷となり、バンド構造を歪め、数mW以上の高強度
光入射時には変調電圧を増加させる要因となっている。
従って、ヘテロ界面への正孔の蓄積効果が変調電圧の増
加に大きく影響していることが判明した。
以上のように、単に、InP上部クラッド層内にpn接合
を設けた光変調素子では、光導波路層2の禁止帯幅を入
射光エネルギよりも50meV以上大きくとり、素子長を1mm
以上に長くして、単位長さ当りの吸収キャリア数を減少
させても、pn接合が上部クラッド層内に存在すると、ヘ
テロ界面への正孔の蓄積によりバンド構造が歪められ、
入射光強度が増加するに従い変調電圧が著しく増加する
という欠点がある。
そこで、本願発明者らは、上部クラッド層内にpn接合
を設けると共に、光導波路層と上部クラッド層の間に光
導波路層の禁止帯幅より大で上部クラッド層の禁止帯幅
よりも小なる禁止帯幅を有するバッファ層を少なくとも
1層挿入するように構成し、光吸収で生じた正孔がヘテ
ロ界面でトラップされないように構成した。
第5図(a)は、本発明の原理図であり、光変調素子
の断面図である。従来例と異なる点は、膜厚が0.3μm
のn-−InGaAsP光導波路層2(禁止帯波長:1.45μm)と
膜厚が0.1μmのn-−InP上部クラッド層3(禁止帯波
長:0.92μm)の間に光導波路層2の禁止帯幅と上部ク
ラッド層3の禁止帯幅のほぼ中間の禁止帯幅を有する薄
いn-−InGaAsPバッファ層11(禁止帯波長:1.2μm、膜
厚:0.1μm)が挿入されている点であり、第5図(b)
には本発明による光変調素子のエネルギバンド図を示
す。光導波路層2と上部クラッド層3との間に光導波路
層2の禁止帯幅と上部クラッド層3の禁止帯幅のほぼ中
間の禁止帯幅を有するバッファ層11が挿入されているた
め、第5図(b)に示す様に、価電子帯のバンド不連続
が2段階になり、光吸収で生じた正孔は、それぞれのヘ
テロ界面でトラップされても室温での熱励起により容易
にエネルギ障壁を乗り越えることができ、p+−InP上部
クラッド層4へ移動し易くなり、瞬時に外部回路へ吐き
出され、バンド構造に影響を与えない。
第6図に、本発明により構成した光変調素子(素子長
1.17mm,ΔEgを50meV)における入射光強度にたいする出
射光強度特性を変調電圧をパラメータとして示す。第6
図と第3図を比較すると、第6図では入出力特性が大幅
に改善されていることがわかる。すなわち、同一消光比
を与える電圧は入射光強度の大きさに関わらずほぼ一定
であった。
従って、本発明によれば、素子容量を増大させること
なく、入射光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可
能な光変調素子を実現することが可能となる。
原理を示す第5図(a)では、バッファ層11が一層で
あるが、光導波路層2から上部クラッド層3に向かっ
て、禁止帯幅が段階的に大きくなる多層のバッファ層12
を挿入してもよい。例えば、禁止帯波長が1.45μmから
0.92μmまで連続的に変化しているn-−InGaAsPバッフ
ァ層12(図示せず)をn-−InGaAsP光導波路層2とn-−I
nP上部クラッド層3との間に挿入すればよい。この構造
では、価電子帯のバンド不連続がほとんどなくなり、光
吸収で生じた正孔は、ヘテロ界面でほとんどトラップさ
れずに外部回路に吐き出される。
従って、バッファ層11が一層である第5図(a)と同
様に、入射光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可
能な光変調素子を実現することが可能となる。
材料系としては、InGaAsP/InP系を例にとり説明した
が、AlGaAs/GaAs系AlGaAs/InP系などの他の材料にも同
様に適用できる。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
た禁止帯幅は、量子準位で定まる実効的な禁止帯幅とな
る。また、横モード安定化のためのストライプ構造につ
いてはストリップ装荷型を例にとり説明したが、埋め込
みストライプ構造や、リッジ導波路ストライプ構造など
の従来技術がすべて適用可能である。
次に、同一出願人により、既に特許出願がなされてい
る高強度光入射時にも低電圧で高速変調が可能な高性能
変調素子(特願昭63−42198〜42200号)、あるいは帯域
劣化等の少ない高性能光変調素子(特願昭63−195840
号)と本発明の特徴であるバッファ層12(11)とを組み
合わせた構成について説明する。
(実施例1) 高強度光入射時にも低電圧で高速変調が可能な高性能
変調素子として、同一出願人によって3件の特許出願が
成されているが(特願昭63−42198〜42200号)、ここで
はその代表例として、特願昭63−42199号の一実施例と
本発明とを組み合わせた構造について述べる。
特願昭63−42199号は、光変調素子の光導波路層中の
電界強度分布の違いによる吸収係数の不均一を補正して
層厚方向の吸収係数がほぼ一定となるように、層厚方向
における光導波路層の禁止帯幅を連続的もしくは段階上
に変えることにより、光分布と吸収係数の重なりを大き
くして変調電圧の低下と素子長短縮による広帯域化を図
り、かつ吸収係数を均一化することにより、高強度光入
射時に問題となる局所的過剰キャリアによる空間電荷効
果を抑制し高速変調を可能としたものである。
次に、具体的な組み合わせの構成について説明する。
第7図は本発明による第1の実施例であり、光変調素
子の断面図である。
原理を示す第5図(a)と異なる点は、n-−InGaAsP
光導波路層2が禁止帯幅の異なる3層(20,21,22)で構
成され、かつその上に禁止帯幅が連続的あるいは段階状
となっている多層のバッファ層12が積層された構造とな
っていることにある。(但し、図では簡単にするために
1層しか記載していない。) 各光導波路層20,21,22は、層厚が各0.2μm、禁止帯
幅が1.55μmの入射光エネルギhνよりそれぞれ50meV,
55meV及び60meV小さくなるように構成されている。な
お、光導波路層20,21,22は必ずしも3層を必要とせず、
2層以上であれば何層でも良い。
(実施例2) 第8図は本発明による第2の実施例であり、光変調素
子の断面図である。
この実施例2は、光導波路層2を入射端から出射端で
吸収される吸収キャリア数をほぼ同じにするために、光
の進行方向に対し低不純物濃度領域と高不純物濃度領域
とを交互に、かつ高不純物濃度領域が順次増大するよう
に構成した特願昭63−195840号の光変調素子に本発明の
バッファ層12を組み合わせたものである。具体的な構成
例としては、第8図に示す如く、n型InP基板1の上
に、凹凸13が形成され、そのうえにn-−InPG下部クラッ
ド層14、n-InGaAsP変調導波路層2及び多層のn-−InGaA
sPバッファ層12が積層された構成となっている。他の構
成は原理図と同じである。
このように、凹凸13の周期を入射端面から出射端面へ
行くにしたがって段階的に蜜から疎になる構造にバッフ
ァ層12を組み合わせることにより、高強度光入射時にも
帯域劣化や変調電圧の増加がなく、かつ素子容量が増大
しない光変調素子を実現できる。
(実施例3) 第9図は本発明による第3の実施例であり、前述した
原理図(第5図)、実施例1及び実施例2を組み合わせ
た光変調素子の断面図である。
実施例3は、n型InP基板1の上に、凹凸13が形成さ
れ、そのうえにn-−InP下部クラッド層14、禁止帯幅が
それぞれ異なるn-−InGaAsP変調導波路層20,21,22,多層
のn-−InGaAsPバッファ層12、その上にメサ状のn-−InP
上部クラッド層3、n-−InP上部クラッド層3との界面
にpn接合面が形成されるp+−InP上部クラッド層4、p+
−InGaAsPコンタクト層5が積層されており、さらに、
p側電極6及びn側電極7がp+−InGaAsPコンタクト層
5とn型InP基板1にそれぞれ接するように形成されて
いる。
実施例3の構造では、吸収係数の均一化が理想的に行
なわれているので、素子容量を増大させることなく、高
強度光入射時に問題となる局所的過剰キャリアによる空
間電荷効果を抑制し、より低変調電圧で、かつ高速変動
も可能となる。
なお、上述の説明では、特願昭63−42198〜42200号、
あるいは特願昭63−195840号の代表例と本発明とを組み
合わせた構成について述べたが、他の組み合わせを用い
てもよい。また、本発明のバッファ層12も単層のバッフ
ァ層11を用いてもよい。
(発明の効果) 以上述べたように、本発明では、上部クラッド層内に
pn接合を設けると共に、光導波路層2と上部クラッド層
3の間に光導波路層2の禁止帯幅より大で上部クラッド
層3の禁止帯幅よりも小なる禁止帯幅を有するバッファ
層11(12)を少なくとも1層挿入して構成することによ
り、価電子帯のバンド不連続の影響が緩和され、光吸収
で生じた正孔が外部回路へ移動し易くなり、かつ吸収キ
ャリアによりバンド構造が歪まないため、入射光強度が
増大しても低電圧で高速の変調が可能な光変調素子を実
現することができる。
バッファ層11を一層用いた光変調素子は、製造が容易
であるという利点がある。
又、禁止帯幅が連続的に変化するバッファ層12を有す
る光変調素子は、吸収キャリアによりバンド構造が歪ま
ない高性能光変調素子を実現することができる。
光導波路層2の層厚方向の禁止帯幅が、層厚方向の吸
収係数をほぼ一定と成るように連続的もしくは段階上に
変化させて構成することにより、高強度光入射時に問題
となる局所的過剰キャリアによる空間電荷効果を抑制し
低変調電圧で、かつ高速変調が可能となる。
光導波路層2に接する部分で複数の低不純物濃度領域
と複数の高不純物濃度領域とが光の進行方向に対して交
互に配置され、複数の高不純物濃度領域の分布密度が光
の進行方向に向かって増大するように構成することによ
り、高強度光入射時にも帯域劣化や変調電圧の増加がな
く、かつ素子容量が増大しない光変調素子を実現でき
る。
光導波路層2の層厚方向の禁止帯幅が、層厚方向の吸
収係数をほぼ一定と成るように連続的もしくは段階上に
変化させると共に、光導波路層2に接する部分で複数の
低不純物濃度領域と複数の高不純物濃度領域とが光の進
行方向に対して交互に配置され、複数の高不純物濃度領
域の分布密度が光の進行方向に向かって増大するように
構成することにより、素子容量を増大させることなく、
高強度光入射時に問題となる局所的過剰キャリアによる
空間電荷効果を抑制し、より低変調電圧で、かつ高速変
調も可能となる。
以上のように、本発明の光変調素子は、ギガビット帯
の超高速、長距離光ファイバ通信などに応用することが
でき、その効果は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の電気吸収型光変調素子の構造を示す断面
図、第2図は本発明の原理を説明するための電気吸収型
光変調素子の構造を示す断面図、第3図は従来の電気吸
収型光変調素子における入射光強度対出射光強度特性
図、第4図(a)は従来例の入射光強度が小さい場合の
エネルギバンド図、第4図(b)は従来例の高強度光入
射時のエネルギバンド図、第5図(a)及び(b)は本
発明による基本構成の光変調素子の基本構成を示す断面
図及びエネルギバンド図、第6図は本発明の光変調素子
における入射強度対出射強度特性図、第7図,第8図及
び第9図は本発明による光変調素子の断面図である。 1……n型InP基板、2,20,21,22……n-−InGaAsP変調導
波路層、3……n-−InP上部クラッド層、4……p+−InP
上部クラッド層、5……p+−InGaAsPコンタクト層、6
……p側電極、7……n側電極、8……入射光、9……
電子、10……正孔、11,12……n-−InGaAsPバッファ層、
13……凹凸、14……n-−InP下部クラッド層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松島 裕一 東京都新宿区西新宿2丁目3番2号 国際 電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−37327(JP,A)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に、直接もしくは下部クラッド層を
    介して光導波路層と、該光導波路層よりも屈折率の小な
    る上部クラッド層と、前記基板と該上部クラッド層間に
    電界を与える一対の電極とを有し、該一対の電極間へ印
    加する電界によって前記光導波路層に入射する一定強度
    の入射光に対する吸収係数を変化させることにより光強
    度変調を行って前記光導波路層の出射端面から変調光を
    取り出す光変調素子において、 pn接合を前記上部クラッド層内に形成すると共に、前記
    上部クラッド層と前記光導波路層との間に前記上部クラ
    ッド層の禁止帯幅よりも小さく、かつ前記光導波路層の
    禁止帯幅よりも大なる禁止帯幅を有するバッファ層が少
    なくとも一層挿入されていることを特徴とする光変調素
    子。
  2. 【請求項2】前記バッファ層の禁止帯幅が、前記上部ク
    ラッド層の禁止帯幅から前記光導波路層の禁止帯幅まで
    連続的、もしくは段階的に小さくなるように構成された
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光変調素
    子。
  3. 【請求項3】前記光導波路層の層厚方向の禁止帯幅が、
    該層厚方向の吸収係数をほぼ一定とするように連続的も
    しくは段階状に変化させて構成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の光変調素子。
  4. 【請求項4】前記光導波路層に接する部分で複数の低不
    純物濃度領域と複数の高不純物濃度領域とが光の進行方
    向に対して交互に配置され、該複数の高不純物濃度領域
    の分布密度が光の進行方向に向かって増大するように構
    成されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の光変調素子。
  5. 【請求項5】第1項に加え、前記光導波路層の層厚方向
    の禁止帯幅が、該層厚方向の吸収係数をほぼ一定とする
    ように連続的もしくは段階状に変化させると共に、前記
    光導波路層に接する部分で複数の低不純物濃度領域と複
    数の高不純物濃度領域とが光の進行方向に対して交互に
    配置され、該複数の高不純物濃度領域の分布密度が光の
    進行方向に向かって増大するように構成されていること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光変調素子。
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