JPH08248364A - 光強度変調素子及び光強度変調素子付き半導体レーザ - Google Patents

光強度変調素子及び光強度変調素子付き半導体レーザ

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JPH08248364A
JPH08248364A JP4808895A JP4808895A JPH08248364A JP H08248364 A JPH08248364 A JP H08248364A JP 4808895 A JP4808895 A JP 4808895A JP 4808895 A JP4808895 A JP 4808895A JP H08248364 A JPH08248364 A JP H08248364A
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JP
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light
light intensity
layer
modulation element
intensity modulation
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JP4808895A
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English (en)
Inventor
Mitsushi Yamada
光志 山田
Tatsuo Kunii
達夫 国井
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きな伝送容量が得られ、光通信の長距離
化、及び大容量化を図る。 【構成】 光吸収層4は、バルク材料で形成され、かつ
そのバンドギャップエネルギーEg0と入射光(被変調
光)PinのフォトンエネルギーEinの差(エネルギーデ
ィチューニングΔE)が、電圧印加によって生じる吸収
が増加し、かつ屈折率が減少するような範囲に入るよう
に選ばれる。さらに、電圧無印加時での光の吸収をでき
るだけ小さく抑え、かつ所望の消光効率が得られるよう
に、光吸収層4の厚さda 及び長さLが設定される。電
圧を印加すると、光吸収層4に電界がかかり、その電界
によって入射光Pinの吸収係数が変化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信等に用いられる
外部変調方法の光強度変調素子(例えば、光強度変調時
に生じる位相変調成分が極めて小さい低波長チャーピン
グ(分散)の電界吸収型光強度変調素子)と、該光強度
変調素子と半導体レーザを組合せた光強度変調素子付き
半導体レーザに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば次のような文献に記載されるものがあった。 文献1:犬石・浜川・白藤共著「半導体物性I」初版
(昭52−6)朝倉書店、P.210−212 文献2:ジャーナル オブ ライトウェーブ テクノロ
ジィ(Journal of lightwave technolpgy )、[1]
(1988−1)IEEE(米)F.Koyama,K.Iga“Freq
uency chirping in External Modulators ”P.87−
93 文献3:1994年電子情報通信学会春季大会予稿集C
−230、佐藤他「低波長チャープMQW-MI-DFB
レーザを用いた10Gb/s伝送実験」P.4−227 文献4:フィジカル レビュー(Phys.Rev)、A139
(1965)B.O.Seraphin and N.Bottka 、P.560
−565 光変調は、何らかの方法で光の強度や周波数等を変化さ
せることである。光通信等を目的とした光波の変調に
は、光源の出力光を直接に強度変調する直接変調方法
と、光源から出てきた出力光を、別に作られた変調素子
(変調器)によって外部変調をする外部変調方法とがあ
る。
【0003】前記文献2においては、複数の外部変調方
法を挙げ、かつそれらのαパラメータを比較している。
αパラメータは、光強度の変化と屈折率の変化の比を表
すものである。このαパラメータは、光の強度変調と位
相変調の結合の程度を表す一つの指標であり、光強度変
調方式の光通信システム等において伝送容量限界を決め
る一つの重要なパラメータである。前記文献2の第91
頁の図8に示されているように、伝送容量は −4<α<0 ・・・(1) の時に大きく取れ、さらにその最大はα≒−1付近にあ
ることが分かる。そのため、光強度変調素子のαパラメ
ータを(1)式の範囲内にすること、あるいはαパラメ
ータが(1)式になるような動作条件で光強度変調素子
を駆動することが望ましい。
【0004】ところで、電界吸収型光強度変調素子は、
前記文献1にその基本原理が記載されているように、電
界吸収効果を用い、電界を印加することによって光の吸
収係数が変化する素子であり、構造が単純で、かつ動作
電圧が小さく(例えば、3V以下)、また半導体レーザ
(LD)との集積化が可能であることから、ギガビット
(Gbit)クラスの超高速変調で、長距離の光伝送を
行う場合には有望である。前記文献2の第91頁の表1
によれば、この電界吸収型光強度変調素子のαパラメー
タは、 Bulk:|α|=1〜2 QW(Quantum Well、量子井戸):|α|=1 ・・・(2) と記載されている。但し、その値は、入射光波長λと電
界強度Eに依存している。電界吸収型光強度変調素子
は、種々提案されており、例えば前記文献3ではMQW
構造の光強度変調素子の技術が記載されている。この光
強度変調素子では、入力電気信号を10Gbit/s
NRZ(Non Return to Zero)の擬似ランダム信号で変
調して、分散値D=18psec/nm/Kmの光ファ
イバを用いて光伝送を行った結果、50Km伝送を達成
している。これを前記文献2の第91頁に記載された図
8に当てはめると、光強度変調素子のαパラメータは0
〜1の範囲と考えられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電界吸収型光強度変調素子では、次のような問題があ
り、それを解決することが困難であった。従来の光強度
変調素子においては、αパラメータは正の値を持ってい
る。そのため、Gbitクラスの変調速度で、長距離の
光伝送を考えた場合、例えば、変調速度10Gbit/
s、光ファイバの分散値D=2psec/nm/Kmで
は、伝送距離が20〜50Km程度に制限される。伝送
距離が制限される理由は、光信号を光ファイバで伝送す
る場合、その光ファイバの波長分散によって光信号の波
形劣化が生じるからである。本発明は、前記従来技術が
持っていた課題として、伝送距離が制限される等といっ
た点について解決し、優れた低波長チャーピングの電界
吸収型光強度変調素子と、該光強度変調素子と半導体レ
ーザを組合せた光強度変調素子付き半導体レーザを提供
することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、前記課題
を解決するために、半導体基板上に形成され、i型光吸
収層の両側にp型層とn型層が設けられたp−i−n構
造に電圧を印加すると、該i型光吸収層に電界がかか
り、その電界によって入射光の吸収係数が変化する光強
度変調素子において、次のような手段を講じている。即
ち、前記光吸収層を四元混晶であるInGaAsP等の
バルク材料で形成し、かつ波長ディチューニングΔλを
20nm≦Δλ≦60nm、あるいはエネルギーディチ
ューニングΔEを10.5meV≦ΔE≦32.2me
Vに設定している。第2の発明では、第1の発明の光強
度変調素子において、光吸収層の厚さda(μm)及び
素子長L(μm)を次式から得られる値に設定してい
る。 a1 exp{.045Δλ}<L<a2 exp{.02
Δλ} a1 =−82.27da +38.5 a2 =−150.55da +62 第3の発明では、光強度変調素子付き半導体レーザにお
いて、第2の発明の光強度変調素子を、半導体レーザと
組合せて、あるいは同一の半導体基板上に集積化して光
出力を得る構成にしている。
【0007】
【作用】第1の発明によれば、以上のように光強度変調
素子を構成したので、四元混晶であるInGaAsP等
のバルク材料を用いて形成された光吸収層は、そのバン
ドギャップエネルギーEg0と、被変調光である入射光
のフォトンエネルギーEinの差(これをエネルギーディ
チューニングΔEという)が、電圧印加によって生じる
光吸収が増加し、かつ屈折率が減少するような働きをす
る。第2の発明によれば、光吸収層は、電圧無印加時で
の光の吸収をできるだけ抑え、かつ所望の消光効率が得
られるような働きをする。第3の発明によれば、半導体
レーザから出射されたレーザ光が光強度変調素子で変調
されて出射される。
【0008】
【実施例】第1の実施例 図1は、本発明の第1の実施例を示す電界吸収型光強度
変調素子の構造図である。この光強度変調素子は、n型
InPからなる半導体基板1を有している。半導体基板
1上には、n型InPからなる下側クラッド層2と、厚
さ約0.06μm、PL(Photo Luminecense )ピーク
波長1.30μmのn型InGaAsPからなるバッフ
ァ層3と、厚さda が約0.30μm、PLピーク波長
1.50μmのundoped(不純物非添加)InG
aAsPバルク材料からなる光吸収層4と、厚さ約0.
06μm、PLピーク波長1.30μmのundope
dInGaAsPからなる拡散防止層5と、厚さ約2μ
mのp型InPからなるクラッド層6と、厚さ約0.2
μmのp+ 型InGaAsからなるコンタクト層7と
が、順次積層されている。この積層体は、上からp−i
−n構造Aを成しており、このp−i−n構造Aに電圧
Va を印加すると、光吸収層4からなるi層に電界がか
かるようになっている。また、p−i−n構造Aは、幅
Wが約3μm、深さDが約4〜5μmの垂直ストライプ
構造(以下、ハイメサリッジ構造という)Bを形成して
いる。
【0009】ハイメサリッジ構造Bの両脇は、電極容量
を減らして変調帯域を広げるために、低誘電率のポリイ
ミド8で埋め込まれている。ハイメサリッジ構造Bの上
部のコンタクト層7上には、オーミックコンタクト電極
9が形成され、さらにその上に上側ボンディング電極1
0が形成されている。この電極10に対応して、半導体
基板1の下部には下側ボンディング電極11が形成さ
れ、それらの電極10と11間に電圧Va が印加される
ようになっている。ハイメサリッジ構造Bの一方の端面
から入射した入射光Pinは、そのハイメサリッジ構造B
中を長さLにわたり伝送されていき、他方の端面から出
射光Pout の形で出力される。この光強度変調素子の両
端面(即ち、入射光面及び出射光面)には、光ファイバ
等の光学系との結合損失を小さくするために、図示しな
い反射防止膜(例えば、単層のSiOx 膜等)が蒸着等
で形成されている。このような構造の光強度変調素子
は、例えば次のようにして製造される。
【0010】n型InP半導体基板1上に、MOVPE
法等を用いてn型InP下側クラッド層2、n型InG
aAsPバッファ層3、undoped−InGaAs
Pバルク光吸収層4、undoped−InGaAsP
拡散防止層4、p型InP上側クラッド層6、及びp+
型InGaAsコンタンクト層7を順に成長していく。
オーミックコンタクト電極形成予定領域に、SiO2
のマスク材を選択的に形成する。このマスク材をマスク
にして反応性イオンエッチング法(RIE法)等を用
い、コンタクト層7、上側クラッド層6、拡散防止層
5、光吸収層4、バッファ層3、及び下側クラッド層2
をエッチングし、島状のハイメサリッジ構造Bを形成す
る。ハイメサリッジ構造Bの両側をポリイミド8で埋め
込んだ後、素子の両端面に反射防止膜を被着する。そし
て、コンタクト層7上にオーミックコンタント電極9を
選択的に形成し、さらにその上に、上側ボンディング電
極10を選択的に形成する。下側ボンディング電極11
は、予め半導体基板1の裏面に形成しておけばよい。以
上のような製造工程を経て、図1の光強度変調素子が製
造される。
【0011】次に、このようにして製造された図1の光
強度変調素子の動作特性等を説明する。上側ボンディン
グ電極10と下側ボンディング電極11との間に電圧V
a を印加しない場合、光強度変調素子の一方の端面から
入射された入射光Pinは、p−i−n構造Aからなる導
波路中を素子長L方向へ伝搬され、該光強度変調素子の
他方の端面からそのまま出射光Pout の形で出力され
る。上側ボンディング電極10と下側ボンディング電極
11との間に電圧Va を印加すると、p−i−n構造A
中のi層である光吸収層4に電界がかかり、その電界に
よって入射光Pinの吸収係数が変化し、該入射光Pinが
遮断される。このようなオン、オフのスイッチ作用を利
用し、被変調光である入射光Pinの変調が行われ、出射
光Pout として出力される。このような動作特性を解析
するため、まず、光強度変調素子の端面での光の結合効
率、伝搬損失、及び消光比を定式化する。入射光Pinに
対する光強度変調素子からの出射光Pout は、次式
(3)で表される。
【0012】 Pout /Pin =η2 exp{−Γ(da )(α0in)+Δα(λin,F))L} ・・・(3) 但し、η;端面での光の結合効率 Γ(da );導波路(p−i−n構造A)の光閉じ込め係
数 α0in);電圧無印加時の光吸収係数 Δα(λin,F);電圧印加時の光吸収係数の変化 L;素子長(p−i−n構造Aのi層の長さ) da ;光吸収層4の厚さ λin;入射光(被変調光)Pinの波長 F;印加する電界強度(F=Va /dj 、Va ;印加電
圧、dj ;p−i−n構造Aのi層の厚さ) この(3)式では、光吸収係数α0 及び光吸収係数の変
化Δαを正の値として扱うため、マイナスの符号を導入
している。(3)式をデシベル(dB)表示すると、次
式(4)となる。
【0013】 10Log(Pout /Pin) =20Log η−4.343Γ(da )(α0in) +Δα(λin,F))L =20Log η −4.343Γ(da )α0in)L −4.343Γ(da )Δα(λin,F)L [dB] ・・・(4) (4)式の第2項より、電界無印加時の入射光Pinの伝
搬損失Loss(F0)は、 Loss(F0 )=4.343Γ(da )α0in)L [dB] ・・・(5) (4)式の第3項より、消光比ERは、 ER=4.343Γ(da )Δα(λin,F)L [dB] ・・・(6) と表示される。また、消光比ERを印加電圧Va で割っ
た値、即ち消光効率ER−effは、次式(7)とな
る。なお、(4)式の第1項は、両端面での結合効率を
表す。
【0014】 ER−eff=4.343Γ(da )Δα(λin,F)L/Va [dB/V] ・・・(7) 光強度変調では、電界無印加時の伝搬損失Loss(F
0 )は小さいほど良く、消光効率ER−effは大きい
ほど良い。光閉じ込め係数Γ(da )は光吸収層4の厚
さda が増すにつれて大きくなる。そのため、光吸収層
4の厚さda を大きくすると、消光効率ER−eff及
び挿入損失が大きくなるので、伝搬損失Loss
(F0 )と消光効率ER−effは、厚さda と素子長
Lについて一方を大きくすると他方が小さくなり、一方
を小さくすると他方が大きくなるというトレードオフの
関係がある。また、電圧無印加時の光吸収係数α0 (λ
in)は小さく、かつ電圧印加時の光吸収係数の変化を電
圧Va で割った値Δα(λin,F)/Va は大きい方が
望ましい。α0 (λin)とΔα(λin,F)/Va は、
光吸収層4がバルク構造か量子井戸構造か、あるいは材
料に何を用いているかによって異なるが、バルク構造を
考えた場合、電界吸収効果を用いた光強度変調を行う時
には、α0 (λin)とΔα(λin,F)/Va は入射光
波長(被変調光波長)λinについてトレードオフの関係
である。つまり、光吸収層4のバンドギャップ波長λg0
と被変調光波長λinの差(これを波長ディチューニング
Δλという)について、トレードオフの関係にある。
【0015】次に、光強度変調素子のαパラメータにつ
いて検討する。αパラメータは、前述したように光強度
の変化と屈折率の変化の比を表すが、それらの計算例
は、例えば前記文献4に記載されているので、それを図
2(a),(b)に示す。図2(a),(b)は、材料
としてInPと同じZinc−Blend型の半導体結
晶であるGaAsを用いた、吸収係数の変化Δαと屈折
率の変化Δnを示す図である。図2(a),(b)の横
軸には、光のエネルギーhωから電界Egを引いた値が
とられている。この図2(a),(b)から明らかなよ
うに、バンドギャップエネルギーEg0よりも約数十m
eV小さいフォトンエネルギーEinを持つ光に対する吸
収係数と屈折率共に、電界印加によって増加する(αパ
ラメータは正の値となる)。これに対し、 ΔE=Eg0−Ein<約30meV の範囲では、吸収係数は増加するが屈折率は減少し(α
パラメータは負の値となる)、(1)式を満たすαパラ
メータを得ることが可能である。GaAsと同様に、I
nPにおいても、光吸収層4のエネルギーディチューニ
ングΔEを適当に選ぶことにより、(1)式を満たすα
パラメータを得ることができる。但し、エネルギーディ
チューニングΔEと波長ディチューニングΔλには、 ΔE[eV]=Eg−Ein=1.24/λg0−1.24/λin ・・・(8−1) あるいは、 Δλ[μm]=λin−λg0=1.24/Ein−1.24/Eg ・・・(8−2) の関係がある。
【0016】以上の検討をもとに、実際に光吸収層4に
2種類の組成のInGaAsPバルク材料(光吸収層組
成1.47μm、1.50μm)を用い、またそれぞれ
に対して2種類の厚さを設定して、電界吸収型光強度変
調素子を作製し、挿入損失特性及び消光特性(挿入損失
の電圧印加による変化量)の波長依存性を測定した。そ
の測定結果の一例を図3(a),(b)に示す。図3
(a),(b)は、光吸収層組成1.47μm、光吸収
層厚0.26μm、及び素子長200μmの光強度変調
素子における挿入損失特性及び消光特性の測定結果を示
す図であり、同図(a)は挿入損失の入射光波長依存性
を示す図、及び同図(b)は印加電圧による挿入損失の
変化量の入射光波長依存性を示す図である。これらの図
3(a),(b)より、電圧無印加時の伝搬損失Los
s(F0 )及び消光効率ER−effの入射光波長依存
性が求められる。
【0017】図4は、図1の光強度変調素子を用いた光
変調装置の構成例を示す図である。図4に示すように、
光変調装置を半導体レーザ21、光強度変調素子22、
及び光増幅素子(光増幅器)23の順で構成することを
考える。このような光変調装置では、半導体レーザ21
から出力されたレーザ光が、光強度変調素子22で変調
され、光増幅素子23で増幅された後、光ファイバ等へ
送出される。このような光変調装置において、光強度変
調素子22に要求される挿入損失L0(MOD)は、半導体レ
ーザ21から光強度変調素子22に入るパワーPin(LD)
と、光増幅素子23を通過した後の信号光の信号/雑音
(SN)が極端に悪くならない程度の該光増幅素子23
への平均入力パワーPin(Amp) を考慮しなければならな
い。ここで、一般的な値として、パワーPin(LD)=+1
0dBm、平均入力パワーPin(Amp) =−15dBmを
用い、またNRZ変調信号のマーク率(1010…の繰
り返しの場合のデューティ比に相当する)が1/2(=
50%=3dB)であるとすると、 L0(MOD)=10−(−15)−3=22dB となる。さらに、光強度変調素子22の両端面での結合
効率を7dBとすると、該光強度変調素子22内での伝
搬損失Loss(F0 )は、 22−7=15dB以下 にする必要がある。また、消光比12dBを印加電圧3
V以下で得ることを考えると、消光効率ER−effは
4dB/V以上でなければならない。
【0018】そこで、伝搬損失Loss(F0 )が15
dB以下、消光効率ER−effが4dB/V以上を得
ることができる波形ディチューニングΔλの量、光吸収
層厚da 、及び素子長Lの範囲を求める経験式を、前述
の測定結果から導いた。それによると、伝搬損失Los
s(F0 )が15dBとなる素子長L(15dB)は、 L(15dB)=a1 exp{.045Δλ} ・・・(9) a1 =−82.27da +38.5 ・・・(10) また、消光効率が4dB/Vとなる素子長L
(4dB/V) は、 L(4dB/V) =a2 exp{.02Δλ} ・・・(11) a2 =−150.55da +62 ・・・(12) となる。但し、単位は素子長Lがμm、波長ディチュー
ニングΔλがnm、及び光吸収層厚da がμmである。
従って、任意のディチューニングと光吸収層厚を(9)
式及び(11)式に代入し、そして、(9)式から得ら
れる値よりも短く、かつ(11)式から得られる値より
も長く素子長Lを設定すれば良い。
【0019】図5は、光吸収層厚dj をパラメータとし
て、消光効率4dB/V、及び挿入損失15dBを満た
す素子長Lの波長ディチューニング依存性を示す図であ
る。この図5では、(9)式と(11)式を用いて、光
吸収層厚dj を0.15、0.20、0.25、0.3
0、0.35、0.40μmとした時の計算値を示して
いる。図6は、作製した光強度変調素子における入射光
波長を1.55μmとした時のαパラメータの波長ディ
チューニング依存性を示す図である。この図6より、
(1)式を満たすには、次式(13)のように、波長デ
ィチューニングΔλは60nm以下、あるいはエネルギ
ーディチューニングΔEは32.2meV以下とする必
要がある。なお、波長ディチューニングΔλは20nm
よりも小さい、あるいはエネルギーディチューニングΔ
Eは10.5meVよりも小さいと、伝搬損失Loss
(F0 )が大きくて実用性が無いため、波長ディチュー
ニングΔλは20nm以上、あるいはエネルギーディチ
ューニングΔEは10.5meV以上にすることが望ま
しい。
【0020】 20≦Δλ≦60nm、あるいは、10.5≦ΔE≦32.2meV ・・・(13) 図7は、図1及び図4の光強度変調素子22の変調帯域
を説明する図である。Gbitクラスの変調速度で光強
度変調素子22に変調信号を印加する場合、変調帯域を
考慮する必要がある。変調帯域を制限するものは、電界
がかかるp−i−n構造Aのi層(光吸収層4)の接合
容量や電極間容量、上側ボンディング電極10及び下側
ボンディング電極11に接続されるワイヤ等のインダク
タンス、コンタクト層7及びオーミックコンタクト電極
9におけるオーミックコンタクト層での直列抵抗や終端
抵抗Rを考慮しなければならないが、その中でも最終的
に残るのは、i層の接合容量Cj と終端抵抗Rである。
図7に示すように、接合容量Cj と終端抵抗Rの2つの
みが並列に接続されている場合には、光強度変調素子2
2の変調帯域f3dB は次式(14),(15)で表され
る。
【0021】 f3dB =1/(π・R・Cj ) =1/(π・R)・dj /(ε・W・L) =1/(π・ε・R)・dj /(W・L) ・・・(14) L=dj /(π・ε・R・W・f3dB ) ・・・(15) 但し、W;p−i−n構造Aのi層の幅 ε;p−i−n構造Aのi層の誘電率 (14)式より、i層の厚さdj が厚いほど、幅Wと長
さLが小さいほど、光強度変調素子22の変調帯域f
3dB が大きくなることが分かる。i層の厚さdjと幅W
が分かっており、また光強度変調素子22に要求される
変調帯域f3dB が決まれば、(15)式に示すように、
素子長Lの上限が決定されることになる。以上の光吸収
層4の組成波長、光吸収層4の厚さdj 、及び素子長L
に関する検討に、前述した本実施例の光吸収層組成1.
50μm、厚さ0.3μm、素子長10μm及び150
μmを当てはめると、図8のようになる。
【0022】図8は、図1の光強度変調素子の設計例を
示す図である。図8中の斜線部分は、(9)式で表され
る素子長L(15dB)と、(11)式で表される素子長L
(4dB/V) と、(13)式より得られる波長ディチューニ
ングΔλの上限60nmに囲まれている領域を表してい
る。その斜線部分内に本実施例が黒丸でプロット(光吸
収層組成1.50μm、光吸収層厚0.3μm、素子長
100、150μm)されている。この図8から明らか
なように、要求される全ての特性を満たすことが理解さ
れる。なお、図8の変調帯域f3dB =10GHz及びf
3dB =20GHzを表す破線は、i層の比誘電率を12
とし、幅Wを3μm、終端抵抗Rを50Ωとした時の
(15)式より計算される素子長Lを示している。但
し、光吸収層4の厚さdaとp−i−n構造Aのi層の
厚さdj を区別しているが、これはp型不純物であるZ
nの結晶成長中の拡散を考慮したものであり、ここでは
da =dj として計算している。
【0023】以上のように、本実施例の光強度変調素子
では、次のような利点(a),(b)がある。 (a) 本実施例の光強度変調素子では、αパラメータ
を(1)式で設定した値になるように、波長ディチュー
ニングΔλあるいはエネルギーディチューニングΔEを
設定しつつ、光吸収層4の厚さda 及び素子長Lを適当
に選ぶことにより、要求される挿入損失L0(MOD)及び消
光効率ER−effを満たすようにしている。そのた
め、図4に示すように、本実施例の光強度変調素子22
を用いて、光通信システムにおける信号光を形成するた
めの光変調装置を構成した場合、文献2の図8に示され
ているような大きな伝送容量を得ることが可能となる。 (b) 前記(a)の効果の確認実験として、ビットレ
ートが10Gbit/s、光ファイバの分散値が約18
psec/nm/Km、光強度変調素子のバイアス電圧
が−1Vbias、光強度変調素子の振幅電圧(ピーク
ツーピーク)が1Vp-p の条件で、光伝送実験を行い、
その結果を図9に示す。
【0024】図9は、図1の光強度変調素子(光吸収層
組成1.50μm、光吸収層厚0.3μm、素子長15
0μm)を用いて行った光伝送実験より得られたパワー
ペナルティの総分散量依存性を示す図である。パワーペ
ナルティ2dBを与える総分散量が、伝送できる上限を
示すものとすると、分散値18psec/nm/Km及
び分散値2psec/nm/Kmの光ファイバを用いた
場合には、それぞれ約80Km、及び750Km伝送で
きることが分かる。この結果は、従来の分散量限界の約
2倍近い値であり、本実施例の光強度変調素子が光通信
の長距離化、及び大容量化に大きく寄与することを実証
するものである。
【0025】第2の実施例 図10は、本発明の第2の実施例を示すもので、第1の
実施例(図1及び図4)の電界吸収型光強度変調素子2
2と半導体レーザ21とを同一の半導体基板上に集積化
して構成した光強度変調素子付き半導体レーザの構造図
であり、図1及び図4中の要素と共通の要素には共通の
符号が付されている。この光強度変調素子付き半導体レ
ーザでは、同一のn型InP半導体基板1上に、図1と
同一の構造の光強度変調素子22と図4の半導体レーザ
21とが集積化して形成されている。半導体レーザ21
は、例えばDFBレーザ(Distributed Feed Back lase
r )で構成され、butt-joint法を用いて光強度変調素子
22と光結合されている。半導体レーザ21は、通常の
p−nブロック層を有する埋め込み構造であり、n型I
nPからなる下側クラッド層2、InGaAsPからな
る活性層31、p型InGaAsPからなるガイド層3
2、p型InPからなるブロック層33、n型InPか
らなるブロック層34、p型InPからなる上側クラッ
ド層6、p型InGaAsからなるキャップ層35、オ
ーミックコンタクト電極36、及び上側ボンディング電
極37から構成されている。
【0026】このような構造の光強度変調素子付き半導
体レーザは、例えば次のようにして製造される。まず、
半導体基板1上に、MOVPE法等で下側クラッド層2
を成長し、さらに光強度変調素子領域にバッファ層3を
選択成長する。半導体レーザ領域に、多重量子井戸型の
活性層31、及びガイド層32を順に成長する。ガイド
層32にグレーティングを形成し、この後形成された層
を島状に残してエッチングし、さらに、光強度変調素子
領域に光吸収層4及び拡散防止層5を選択成長する。活
性層31の領域と光吸収層4の領域とをそれぞれ所定の
幅でウェットエッチングした後、ブロック層33,34
からなるp−n構造の電流ブロック層を形成し、ウエハ
全体をp型InPで埋め込む。光吸収層4の領域は、単
体の光強度変調素子と同様に、RIE法等によって所定
の幅のハイメサリッジ構造Bを形成した後、ポリイミド
8で埋め込む。その後、素子の前端面(出射光Pout 側
端面)に反射防止膜を施し、さらに電極9,10,3
6,37等を形成すれば、光強度変調素子付き半導体レ
ーザの製造が終了する。
【0027】このようにして製造された光強度変調素子
付き半導体レーザでは、上側ボンディング電極37と下
側ボンディング電極11との間、さらに上側ボンディン
グ電極10と下側ボンディング電極11との間に、それ
ぞれ所定の電圧を印加すると、半導体レーザ21内の活
性層31からレーザ光が出射される。このレーザ光は、
光強度変調素子22内の光吸収層4等で変調された後、
素子の前端面から出射光Pout が出力される。このよう
な光強度変調素子付き半導体レーザでは、同一の半導体
基板1上に半導体レーザ21と光強度変調素子22とが
集積化して形成されているので、素子の小型化が図れる
と共に、半導体レーザ21の出射光側と光強度変調素子
22の入射光側とが直接に光結合されているので、両者
の結合損失が小さくなり、大きな伝送容量が得られる。
【0028】なお、本発明は上記実施例に限定されず、
種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば
次のようなものがある。 (1) 図1及び図10の光強度変調素子22の埋め込
み構造として、ポリイミド8を用いているが、変調帯域
に応じてこれ以外の埋め込み構造(例えば、Fe−do
ped InP層等を含む埋め込み層)を用いてもよ
い。 (2) 図1及び図10において、半導体基板1の極
性、その半導体基板1の結晶の面方位、光強度変調素子
22のストライプの形成方向、光導波路を構成するp−
i−n構造Aの形成方法、半導体レーザ21の形成方
法、あるいは結晶の成長方法等について、上記実施例に
限定されず、種々の変形が可能である。また、上記実施
例では、InP系の材料を用いた場合について説明した
が、GaAs等の他の材料を用いる場合についても本発
明を適用できる。 (3) 図1の光吸収層4を形成するためのバルク材料
とは、量子井戸構造の中でも量子効果がでない程度に井
戸層厚が厚い場合(通常、10〜20nm以上)につい
ても本発明を適用できる。
【0029】(4) 第1の実施例では、NRZ変調方
式のIM/DD(Intensity Modulation / Direct Dete
ction 、強度変調/直接検波)の光伝送に用いられる光
強度変調素子22について説明したが、これを他の用途
に用いてもよい。例えば、上記実施例の光強度変調素子
22を、光ソリトン通信における変調信号パルス列を形
成するための変調器として用いてもよい。 (5) 図10では、半導体レーザ21としてDFBレ
ーザについて説明したが、他のレーザについても光強度
変調素子22との集積化が行える。また、図10では、
光強度変調素子22と半導体レーザ21とを同一の半導
体基板1上に集積化して形成したが、これらを異なる半
導体基板上に形成して両者を光結合させる構造等にして
も、上記実施例とほぼ同様の効果が得られる。さらに、
半導体レーザ21以外の光源を用い、その光源と光強度
変調素子22とを組合せて、あるいはそれらを同一の半
導体基板上に集積化して光強度変調素子付き光源装置を
構成することも可能である。
【0030】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1及び第
2の発明によれば、光強度変調素子のαパラメータを所
定の値になるように、ディチューニングを設定し、さら
に光吸収層の厚さ及び素子長を適宜選定することによ
り、要求される挿入損失及び消光効率を満たすようにし
たので、本発明の光強度変調素子を光通信システム等に
用いた場合、大きな伝送容量を得ることが可能となる。
従って、光通信等の長距離化、及び大容量化等が期待で
きる。第3の発明によれば、第2の発明の光強度変調素
子と半導体レーザとを組合せて、あるいは同一の半導体
基板上に集積化して光出力を得る構成にしたので、素子
の小型化が可能になる。しかも、光強度変調素子と半導
体レーザとの結合損失が小さくなるので、出射効率が良
く、高い信頼性の光強度変調素子付き半導体レーザを提
供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す光強度変調素子の
構造図である。
【図2】GaAsの吸収係数の変化及び屈折率の変化を
示す図である。
【図3】図1の挿入損失特性及び消光特性の測定結果を
示す図である。
【図4】図1の光強度変調素子を用いた光変調装置の構
成例を示す図である。
【図5】図1の光吸収層厚dj をパラメータとして消光
効率4dB/V、及び挿入損失15dBを満たす素子長
Lの波長ディチューニング依存性を示す図である。
【図6】図1のαパラメータにおける入射光波長依存性
を示す図である。
【図7】図1の光強度変調素子における変調帯域の説明
図である。
【図8】図1の光強度変調素子における設計例を示す図
である。
【図9】図1の光強度変調素子を用いて光伝送実験を行
い、その光伝送実験より得られたパワーペナルティの総
分散量依存性を示す図である。
【図10】本発明の第2の実施例を示す光強度変調素子
付き半導体レーザの構造図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 下側クラッド層 3 バッファ層 4 光吸収層 5 拡散防止層 6 上側クラッド層 7 コンタクト層 8 ポリイミド 9,36 オーミックコンタクト電極 10,37 上側ボンディング電極 11 下側ボンディング電極 21 半導体レーザ 22 光強度変調素子 31 活性層 32 ガイド層 33,34 ブロック層 35 キャップ層 A p−i−n構造 B ハイメサリッジ構造

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成され、i型光吸収層
    の両側にp型層とn型層が設けられたp−i−n構造に
    電圧を印加すると、該i型光吸収層に電界がかかり、そ
    の電界によって入射光の吸収係数が変化する光強度変調
    素子において、 前記光吸収層をバルク材料で形成し、かつ波長ディチュ
    ーニングΔλを20nm≦Δλ≦60nm、あるいはエ
    ネルギーディチューニングΔEを10.5meV≦ΔE
    ≦32.2meVに設定したことを特徴とする光強度変
    調素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の光強度変調素子におい
    て、前記光吸収層の層さda (μm)及び素子長L(μ
    m)を次式から得られる値に設定することを特徴とする
    光強度変調素子。 a1 exp{.045Δλ}<L<a2 exp{.02
    Δλ} a1 =−82.27da +38.5 a2 =−150.55da +62
  3. 【請求項3】 請求項2記載の光強度変調素子を、半導
    体レーザと組合せて、あるいは同一の半導体基板上に集
    積化して光出力を得る構成にしたことを特徴とする光強
    度変調素子付き半導体レーザ。
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