JPH0933869A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の光変調器では、光の入射端面における
急激な温度上昇に起因する端面破壊を抑制することがで
きなかった。 【解決手段】 本発明は、第１の導電型から成る基板２
と、この基板２上に設けられ所定の電界の印加によって
光吸収係数が変化する吸収層３と、吸収層３上に設けら
れ第２の導電型から成るクラッド層４と、オーミックコ
ンタクト層５１を介してクラッド層４に接続される第１
電極５および基板２に接続される第２電極６と、吸収層
３に対する光の入射および出射を行う端面２０とを備え
る光変調器１であり、第１電極５が、少なくとも光の入
射する端面２０と対応する部分を除く一部に形成される
構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界の印加によっ
て光吸収係数が変化する吸収層に所定の光を入射して、
変調を行う光変調器に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気光学効果や電気吸収効果を利用した
光変調器は、レーザ光を高速で変調して伝達する高速光
通信システムでのキーデバイスとして期待されている。
特に、電界の印加によって光吸収係数が変化する電気吸
収効果を利用した光変調器では、光強度変調時に付加さ
れる位相変調分の大きさが半導体レーザの直接変調の場
合と比較して１桁小さいことや、小型で変調帯域が広く
かつ半導体レーザで使用される半導体基板に形成できる
ため、他の機能素子と同一の基板上に形成してデバイス
の集積化を図ることができるというメリットがある。

【０００３】電気吸収効果を利用した光変調器（以下、
単に光変調器と言う。）は、ＤＦＢレーザなどの半導体
レーザと集積化され、この半導体レーザ（以下、集積化
光源と言う。）から出射される一定レベルの連続光を入
射して、これに所定の電界に応じた変調をかけて出射し
ている。この集積化光源から出射されるレーザ光は１０
ｍＷクラスであり、そのレーザ光は同じ半導体基板で構
成される結合部を介して光変調器へ導入される。

【０００４】このような集積化光源、結合部および光変
調器が同一基板によって一体的に構成されているもので
は、その結合部付近に欠陥や酸化、あるいは空洞などが
取り込まれないようにすることができる。したがって、
結合部付近や光変調器の入射端において、半導体の融点
に達して素子破壊等を起こすような致命的な原因となり
うる劣化が生じにくい構造となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな一体的な構造では、半導体レーザの発振波長の制御
性の問題や、光変調器端面からの反射光による波長チャ
ーピングの増大、また変調帯域の劣化等の問題が生じ、
これを解消する観点から光源、結合部、光変調器を分離
した形態をとる場合がある。

【０００６】この場合、光変調器へのレーザ光の入射お
よび出射を行う端面は劈開によって形成された平面を用
いている。一般にこのような劈開によって形成した端面
においてはバンド構造が歪んでいてバンドギャップが小
さくなっている。また端面に反射防止膜を蒸着する前に
空気中の酸素が取り込まれたり、反射防止膜に空気中の
水分が取り込まれたりしており、このような端面に１０
ｍＷクラスのレーザ光がレンズなどの光学系で集光され
て入射した場合には、端面での温度上昇が生じて端面破
壊を引き起こす原因となる。

【０００７】つまり、端面破壊が生じる条件としては、
一般に端面付近での光強度（フォトン密度）、キャリア
密度に関係する他、端面処理工程、蒸着膜の質などにも
影響される。この点に関し、半導体レーザの場合には、
端面付近でのフォトン密度は高いが、電流注入量が時間
に対して一定であればキャリア密度が素子長全体でほぼ
均一であると考えられる。一方、光変調器の場合には、
電界が時間に対して一定であってもフォトン密度および
キャリア密度ともに入射端面付近で高くなる。また、半
導体レーザでは活性層に電流が注入されるが、光変調器
では吸収層に電界が印加される。

【０００８】このようなことから、光変調器での端面破
壊は、入射光の強度や端面処理工程、蒸着膜の質だけで
なく印加電圧にも依存しており、特に入射端面において
は、フォトン密度およびフォトカレント密度が局所的に
高いため、その付近での急激な温度上昇によって導波路
の溶融を生じさせるものと考えられる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような問
題を解決するために成された光変調器である。すなわ
ち、本発明の光変調器は、第１の導電型から成る基板
と、この基板上に設けられ所定の電界の印加によって光
吸収係数が変化する吸収層と、吸収層上に設けられ第２
の導電型から成るクラッド層と、基板とクラッド層とに
各々接続される電極層と、吸収層に対する光の入射およ
び出射を行う端面とを備えるものであり、クラッド層に
接続される電極層が、少なくとも光の入射する端面と対
応する部分を除く一部に形成される構成となっている。

【００１０】このように、本発明の光変調器では、クラ
ッド層に接続される電極層が、少なくとも光の入射端面
と対応する部分を除く一部に形成されているため、電極
層が形成されていない部分と対応する少なくとも一方側
の端面付近では、光の吸収層に対する電界の印加が行わ
れない状態となり、この付近でのフォトン密度やフォト
カレント密度の局所的な増大を抑制でき、急激な温度上
昇の防止を達成できるようになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の光変調器におけ
る実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明
の光変調器における第１実施形態を説明する概略断面図
である。すなわち、第１実施形態における光変調器１
は、第１の導電型から成る基板２と、この基板２上に設
けられた吸収層３と、吸収層３上に設けられた第２の導
電型から成るクラッド層４と、このクラッド層４上にオ
ーミックコンタクト層５１を介して接続される第１電極
５と、基板２の図中下側に接続される第２電極６とを備
えている。また、入射光および出射光の端面２０には反
射防止膜３０が蒸着されている。

【００１２】例えば、基板２としてはｎ型のＩｎＰを使
用し、吸収層３としては不純物がドーピングされていな
いＩｎＧａＡｓＰを使用し、クラッド層４としてはｐ型
のＩｎＰを使用する。また、オーミックコンタクト層５
１としては高濃度のｐ型から成るＩｎＧａＡｓを使用し
ている。

【００１３】本実施形態における光変調器１では、特
に、クラッド層４上に形成されるオーミックコンタクト
層５１および第１電極５が、入射光の端面２０または出
射光の端面２０の少なくとも一方側と対応する部分を除
く一部（図中Ａ領域）に形成されている点に特徴があ
る。なお、図１においては、両方の端面２０と対応する
部分（図中Ｂ領域）を除く一部（図中Ａ領域）に第１電
極５が形成されている状態を示している。なお、本実施
形態では、第１電極５が形成されていない部分を端面２
０から１０（μｍ）に設定してある。

【００１４】このような光変調器１において、第１電極
５が形成されていない部分（図中Ｂ領域）と対応する吸
収層３への印加電圧は、第１電極５が形成されている部
分（図中Ａ領域）と対応する吸収層３への印加電圧より
小さくなる。つまり、吸収層３の中で印加電圧が最小と
なるのは、第１電極５から最も離れている端面２０部分
ということになる。

【００１５】図２は、光の伝搬距離ｘ（μｍ）に対する
光強度Ｐ（ｘ）（規格化）の関係を示す図であり、図中
実線は第１実施形態における光変調器１での値、図中破
線はオーミックコンタクト層５１および第１電極５が両
端面２０まで形成されている従来の光変調器での値を示
している。なお、この関係を計算するためのパラメータ
は、無バイアスでの光吸収係数を５０（ｃｍ^-1）、電圧
印加時での光吸収係数を１０００（ｃｍ^-1）、光閉じ込
め係数を０．５となっている。

【００１６】図２から明らかなように、本実施形態にお
ける光変調器１では、第１電極５が形成されていない部
分（図１中Ｂ領域）での光の吸収は少なく、第１電極５
が形成されている部分（図１中Ａ領域）から急激な光の
吸収が生じていることがわかる。

【００１７】また、図３は、光の伝搬距離ｘ（μｍ）に
対する生成フォトカレントＩph（ｍＡ）の関係を示す図
である。図３も図２と同様、図中実線が第１実施形態に
おける光変調器１での値、図中破線がオーミックコンタ
クト層５１および第１電極５が両端面２０まで形成され
ている従来の光変調器での値を示している。なお、この
関係を計算するためのパラメータは、入射光パワーを１
００（ｍＷ）、内部量子効率を５０（％）、入射光波長
を１．５５（μｍ）となっている。

【００１８】図３から明らかなように、本実施形態にお
ける光変調器１では、第１電極５が形成されていない部
分（図１中Ｂ領域）でのフォトカレントの生成は少な
く、第１電極５が形成されている部分（図１中Ａ領域）
と対応する１０μｍ付近から急激なフォトカレントの生
成が成されていることが分かる。これらのことから、光
変調器１の端面２０近傍での電界強度を小さくすること
ができ、急激な温度上昇による端面破壊を抑制すること
が可能となる。

【００１９】次に、本発明の第２実施形態における光変
調器の説明を行う。図４は、第２実施形態における光変
調器１を説明する概略断面図である。すなわち、第２実
施形態における光変調器１は、第１の導電型から成る基
板２と、この基板２上に設けられた吸収層３と、吸収層
３上に設けられた第２の導電型から成るクラッド層４
と、クラッド層４上にオーミックコンタクト層５１を介
して接続される第１電極５と、基板２の図中下側に接続
される第２電極６とを備えている。

【００２０】第２実施形態における光変調器１では、上
記の点で第１実施形態における光変調器１（図１参照）
と同様であるが、端面２０の少なくとも一方側と対応す
る部分の吸収層３の厚さが端面２０に近づくにつれて徐
々に薄くなっている点で相違する（図中Ｃ部）。

【００２１】なお、この光変調器１においても第１実施
形態と同様に、例えば、基板２としてはｎ型のＩｎＰを
使用し、吸収層３としては不純物がドーピングされてい
ないＩｎＧａＡｓＰを使用し、クラッド層４としてはｐ
型のＩｎＰを使用し、オーミックコンタクト層５１とし
ては高濃度のｐ型から成るＩｎＧａＡｓを使用してい
る。

【００２２】吸収層３をこのように端面２０に近づくに
つれて徐々に薄くするには、例えば選択成長法を用いる
ことで形成できる。また、この光変調器１では、オーミ
ックコンタクト層５１と第１電極５とが、端面２０と対
応する部分を除く一部に形成されている。

【００２３】このような構成により、第２実施形態にお
ける光変調器１では、第１電極５が形成されていない部
分と対応する吸収層３への印加電圧が、第１電極５が形
成されている部分と対応する吸収層３への印加電圧より
小さくなる。つまり、吸収層３の中で印加電圧が最小と
なるのは、第１電極５から最も離れている端面２０部分
ということになる。つまり、吸収層３の中で印加電圧が
最小となるのは、第１電極５から最も離れている端面２
０部分ということになる。

【００２４】さらに、第２実施形態における光変調器１
では、吸収層３の端面２０付近が、端面２０に近づくに
つれて徐々に薄くなっているため（図中Ｃ部）、薄くな
っていない部分と比べてこの部分（図中Ｃ部）でのバン
ドギャップが小さくなる。これにより、図中Ｃ部での光
の閉じ込め量が他の部分と比べて小さくなり、光の吸収
を小さくすることが可能となる。

【００２５】このようなことから、第２実施形態におけ
る光変調器１では、端面２０近傍での電界強度を小さく
できるとともに、フォトカレントの生成量を小さくする
ことが可能となり、急激な温度上昇による端面破壊を抑
制することが可能となる。

【００２６】なお、第２実施形態においては、図中Ｃ部
において吸収層３の厚さが端面２０に近づくにつれて徐
々に薄くなる場合を説明したが、厚さではなく幅方向
（図示面に対して垂直な方向）に沿った長さが端面２０
に近づくにつれて徐々に短くなるような構造であっても
同様である。

【００２７】次に、本発明の第３実施形態における光変
調器の説明を行う。図５は、第３実施形態における光変
調器１を説明する概略断面図である。すなわち、第３実
施形態における光変調器１は、第１の導電型から成る基
板２と、基板２上において入射光の端面２０から出射光
の端面２０までの全体にわたり形成された光導波層３１
と、この光導波層３１上の少なくとも一方側の端面と対
応する部分を除く一部に形成された吸収層３と、吸収層
３上に設けられた第２の導電型から成るクラッド層４
と、クラッド層４上にオーミックコンタクト層５１を介
して接続される第１電極５と、基板２の図中下側に接続
される第２電極６とを備えている。

【００２８】この光変調器１においては、例えば、基板
２としてはｎ型のＩｎＰを使用し、光導波層３１として
は不純物がドーピングされていないＩｎＧａＡｓＰを使
用し、吸収層３としては不純物がドーピングされていな
いＩｎＧａＡｓＰを使用し（光導波層３１と組成比が異
なるもの）、クラッド層４としてはｐ型のＩｎＰを使用
し、オーミックコンタクト層５１としては高濃度のｐ型
から成るＩｎＰを使用している。

【００２９】ただし、光導波層３１での組成比は、その
組成波長が入射光波長と比べて十分に小さく（例えば、
１００ｎｍ以下）なるように設定しておき、ここでの光
吸収を極力抑えられるようにしておく。

【００３０】このような構成により、第３実施形態にお
ける光変調器１では、第１電極５が形成されていない部
分と対応する吸収層３または光導波層３１への印加電圧
が、第１電極５が形成されている部分と対応する吸収層
３または光導波層３１への印加電圧より小さくなる。つ
まり、印加電圧が最小となるのは第１電極５から最も離
れている端面２０部分ということになる。

【００３１】さらに、第３実施形態における光変調器１
では、端面２０部分に光の吸収層３が形成されていない
ことから、この部分での自由電子吸収による損失増加が
ほとんどない。すなわち、入射光は入射光側の端面２０
の光導波層３１から入り込み、吸収をほとんど受けずに
内部の吸収層３へ分布していく状態となる。そして、こ
の内部の吸収層３で変調を受けた後、出射光側の光導波
層３１へ導かれ、吸収をほとんど受けずに出射光側の端
面２０から出射するようになる。

【００３２】また、端面２０付近の吸収層３が形成され
ていない光導波層３１の部分では光の閉じ込め量も小さ
くなるので、さらに光の損失は小さくなる。このような
ことから、第３実施形態における光変調器１では、端面
２０近傍での電界強度を小さくできるとともに、フォト
カレントの生成をほとんど無くすことができ、急激な温
度上昇による端面破壊を的確に抑制できることになる。

【００３３】なお、いずれの実施形態においても、両端
面２０と対応する部分を除く一部に第１電極５を形成す
る例を示したが、この場合、どちらの端面２０を光の入
射端面としても良い。また、いずれか一方の端面２０側
と対応する部分を除くだけの構造でもよい。この場合、
第１電極５を除いた一方の端面２０側と対応する端面を
光の入射端面とする。

【００３４】さらに、本実施形態では、基板２としてｎ
型のＩｎＰを使用し、吸収層３や光導波層３１としては
不純物がドーピングされていないＩｎＧａＡｓＰを使用
し、クラッド層４としてｐ型のＩｎＰを使用し、オーミ
ックコンタクト層５１として高濃度のｐ型から成るＩｎ
ＧａＡｓを使用する例を示したが、これ以外の材料（導
電型が反対となっているものも含む）を用いた場合であ
っても同様である。また、吸収層３や光導波層３１の構
造が、多重量子井戸構造であっても良い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光変調器
によれば次のような効果がある。すなわち、本発明で
は、端面が劈開等によって形成されている場合であって
も、この端面部分におけるフォトン密度やフォトカレン
ト密度の局所的な増加を抑えることができるため、急激
な温度上昇による端面破壊を抑制できることが可能とな
る。これにより、光変調器の信頼性を大幅に向上させる
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態における光変調器を説明
する概略断面図である。

【図２】光の伝搬距離と光強度との関係を示す図であ
る。

【図３】光の伝搬距離と生成フォトカレントとの関係を
示す図である。

【図４】本発明の第２実施形態における光変調器を説明
する概略断面図である。

【図５】本発明の第３実施形態における光変調器を説明
する概略断面図である。

【符号の説明】

１ 光変調器 ２ 基板 ３ 吸収層 ４ クラッド層 ５ 第１電極 ６ 第２電極 ２０ 端面 ３０ 反射防止膜 ３１ 光導波層 ５１ オーミックコンタクト層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の導電型から成る基板と、該基板上
   に設けられ所定の電界の印加によって光吸収係数が変化
   する吸収層と、該吸収層上に設けられ第２の導電型から
   成るクラッド層と、前記基板とクラッド層とに各々接続
   される電極層と、前記吸収層に対する光の入射および出
   射を行う端面とを備える光変調器であって、 前記クラッド層に接続される電極層は、少なくとも前記
   光の入射する端面と対応する部分を除く一部に形成され
   ていることを特徴とする光変調器。
2. 【請求項２】 少なくとも前記光の入射する端面と対応
   する部分の前記吸収層では、前記光の進行方向に対して
   垂直な方向の長さが徐々に短くなっていることを特徴と
   する請求項１記載の光変調器。
3. 【請求項３】 前記吸収層は、前記光の入射する端面か
   ら出射する端面までの全体にわたり形成されている光導
   波層上に形成されており、かつ少なくとも前記光の入射
   する端面と対応する部分を除く一部に形成されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の光変調器。