JPH10239646A - Optical modulator - Google Patents

Optical modulator

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Publication number
JPH10239646A
JPH10239646A JP3904997A JP3904997A JPH10239646A JP H10239646 A JPH10239646 A JP H10239646A JP 3904997 A JP3904997 A JP 3904997A JP 3904997 A JP3904997 A JP 3904997A JP H10239646 A JPH10239646 A JP H10239646A
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JP
Japan
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well layer
band
energy band
optical modulator
wavelength
Prior art date
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Pending
Application number
JP3904997A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takayuki Yamanaka
孝之 山中
Naoto Yoshimoto
直人 吉本
Kiyoyuki Yokoyama
清行 横山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication of JPH10239646A publication Critical patent/JPH10239646A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress an absorption coefficient and its variation and to obtain large refractive index variation by applying tensile strain and forming a barrier layer to such a thickness that two-dimensional excitons are generated in a well layer and a subband zone is formed at the same time. SOLUTION: A core 3 on a clad layer 2 has a superlattice structure consisting of a well layer of InSbAsP and a barrier layer of InP. Then, tensile strain is applied to the well layer so that the top-stage energy band and the bottom- stage energy band among plural energy bands constituting the valence electron band in the energy band structure of electrons for a wave number vector parallel to the well layer are almost in the same shape when the wave number vector is zero or nearly zero. The barrier layer has such a thickness that when light is made incident, two-dimensional excitons are generated in the well layer and a subband zone is generated at the same time.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、光導波
路を構成するコアの屈折率を外部印加電圧で制御し、光
導波路を通過する光の強度あるいは位相を制御する光変
調器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical modulator for controlling, for example, the refractive index of a core constituting an optical waveguide by an externally applied voltage and controlling the intensity or phase of light passing through the optical waveguide.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、分子線エピタキシー(MBE)や
有機金属気相成長法(MOVPE)など、化合物半導体
の非常に薄い層を形成する技術の進展によって、半導体
多重量子井戸(MQW)や超格子構造(Super Lattic
e,SL)が登場し、従来のバルク半導体に比べて著し
いオプトエレクトロニクス素子の特性改良が可能となっ
ている。これらの中で、電界吸収効果の特性改良があ
る。これは、MQW構造やSL構造に電界を印加してそ
の吸収係数あるいは屈折率を変化させるものである。そ
して、MQW構造やSL構造におけるその電界吸収効果
は、バルク半導体に比べて非常に顕著であり、これを用
いて高速・低電圧駆動が可能な光変調器が実現されてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, with the development of techniques for forming very thin layers of compound semiconductors, such as molecular beam epitaxy (MBE) and metal organic chemical vapor deposition (MOVPE), semiconductor multiple quantum wells (MQWs) and superlattices have been developed. Structure (Super Lattic
e, SL) has emerged, making it possible to significantly improve the characteristics of optoelectronic devices as compared with conventional bulk semiconductors. Among these, there is a characteristic improvement of the electric field absorption effect. This is to change the absorption coefficient or the refractive index by applying an electric field to the MQW structure or the SL structure. The electric field absorption effect of the MQW structure or the SL structure is much more remarkable than that of a bulk semiconductor, and an optical modulator capable of high-speed and low-voltage driving has been realized by using this.

【0003】光変調器は、信号を変調するために、導波
路の光吸収係数または屈折率の変化を利用する。そのう
ち、波長(動作波長)を吸収係数変化の小さい領域に設
定し、そこでの屈折率の変化を利用するものを位相変調
器と称する。この位相変調器では、可能な限り低い印加
電圧(電界)で大きな屈折率変化を得られることが望ま
れると同時に、吸収係数の絶対値およびその変化量が小
さいことが重要である。屈折率を大きくするだけなら
ば、動作波長を吸収係数の大きな領域に設定すればよ
い。しかし、導波路型光変調器の場合、屈折率変化で光
の位相を変える前に、導波路に入射した光は吸収されて
しまう。通常、光変調器における動作波長は、導波路に
おける光の吸収およびその吸収係数の変動を無視できる
領域に設定するので、屈折率変化を稼ぐために、印加電
圧が高くならざるを得ない状況が続いていた。
[0003] Optical modulators utilize changes in the optical absorption coefficient or refractive index of a waveguide to modulate a signal. Of these, the one that sets the wavelength (operating wavelength) in a region where the change in the absorption coefficient is small and uses the change in the refractive index there is called a phase modulator. In this phase modulator, it is desired that a large refractive index change can be obtained with an applied voltage (electric field) as low as possible, and at the same time, it is important that the absolute value of the absorption coefficient and the amount of the change are small. If only the refractive index is to be increased, the operating wavelength may be set in a region where the absorption coefficient is large. However, in the case of the waveguide type optical modulator, the light incident on the waveguide is absorbed before the phase of the light is changed by a change in the refractive index. Normally, the operating wavelength of the optical modulator is set in a region where the absorption of light in the waveguide and the fluctuation of its absorption coefficient can be neglected, so that in order to obtain a change in the refractive index, the applied voltage must be increased. It was continuing.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一般に、変調対象の光
の波長が位相光変調器の吸収領域から遠いところほど、
屈折率変化も小さくなる。すなわち、光変調器に要求さ
れるより大きな屈折率変化を求めようとすると、それは
光変調器の吸収領域により近くなる。したがって、従来
では、位相変調器の高性能化を達成するためには、動作
波長において光の吸収波長は小さいが、屈折率変化はよ
り大きくなるという、一見矛盾した問いに対する答えを
見いださなければならなかった。
Generally, as the wavelength of light to be modulated is farther from the absorption region of the phase light modulator,
The change in the refractive index is also small. That is, if one seeks to obtain a larger refractive index change than is required for an optical modulator, it will be closer to the absorption region of the optical modulator. Therefore, conventionally, in order to achieve high performance of a phase modulator, it is necessary to find answers to seemingly contradictory questions that the absorption wavelength of light is small at the operating wavelength but the refractive index change is larger. Did not.

【0005】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、吸収係数およびその変動
を十分抑制しつつ、大きな屈折率変化が得られる高性能
な光変調器を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and provides a high-performance optical modulator capable of obtaining a large refractive index change while sufficiently suppressing the absorption coefficient and its fluctuation. The purpose is to do.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この発明の光変調器は、
井戸層と障壁層とから構成された量子井戸をコアとして
備え、その井戸層には、井戸層に平行な波数ベクトルに
対する電子のエネルギーバンド構造における価電子帯を
構成する複数のエネルギーバンドの中の最上段のエネル
ギーバンドの形状と、そのエネルギーバンド構造におけ
る伝導帯を構成する複数のエネルギーバンドの中の最下
段のエネルギーバンドの形状とが、波数ベクトルが零も
しくはその近傍でほぼ同じになるように引っ張り歪みを
導入し、また、障壁層は、井戸層に2次元励起子が形成
されて同時にサブバンド帯が形成される状態となる厚さ
とした。この結果、この光変調器のコアを構成する量子
井戸においては、電界を印加すると励起子ピークは消滅
し、同時に吸収端は短波長に移動する。
An optical modulator according to the present invention comprises:
A quantum well composed of a well layer and a barrier layer is provided as a core, and the well layer has a plurality of energy bands constituting a valence band in an energy band structure of electrons with respect to a wave vector parallel to the well layer. The shape of the uppermost energy band and the shape of the lowermost energy band among the plurality of energy bands constituting the conduction band in the energy band structure are set so that the wave number vector is substantially equal to or near zero. Tensile strain is introduced, and the barrier layer has a thickness such that a two-dimensional exciton is formed in the well layer and a sub-band is formed at the same time. As a result, in the quantum well constituting the core of the optical modulator, the exciton peak disappears when an electric field is applied, and at the same time, the absorption edge moves to a short wavelength.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】まずはじめに、この発明の概要に
ついて説明する。従来より一般的に用いられている現在
の導波路型の光変調器の動作は、導波路を構成するコア
にMQW構造を採用し、量子閉じこめシュタルク効果を
利用したものが主流である。図3は、そのような光変調
器において、TE偏向した光を入射させたときの、印加
電圧による吸収係数スペクトル変化、および、その際の
吸収スペクトルの変化分を示す特性図である。図3にお
いて、実線は印加電圧0の時を示し、破線は電圧を印加
した時を示し、点線はそれらの吸収スペクトルの変化分
を示している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, an outline of the present invention will be described. The current operation of a waveguide-type optical modulator, which has been generally used in the past, mainly uses an MQW structure for a core constituting the waveguide and utilizes the quantum confined Stark effect. FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change in an absorption coefficient spectrum due to an applied voltage and a change in the absorption spectrum at that time when TE-polarized light is made incident on such an optical modulator. In FIG. 3, a solid line indicates a case where the applied voltage is 0, a dashed line indicates a case where the voltage is applied, and a dotted line indicates a change in the absorption spectrum.

【0008】ここでは、MQW構造が、InGaAsP
からなる歪のない厚さ10nmの井戸層と、InGaA
sPからなる厚さ8nmの障壁層とから構成されたもの
としている。この構成の場合、変調対象の信号光の波長
は1.55μmとなる。また、図3に示すように、信号
光の波長より短波長側に、重い正孔帯からの遷移を示す
価電子帯第一準位および価電子帯第2準位にある2つの
ピークと、軽い正孔帯からの遷移を示す価電子帯第三準
位にある1つのピークとの、3つの主な励起子吸収ピー
クがある。図3からわかるように、このように量子閉じ
こめシュタルク効果を利用した場合、電圧印加によって
吸収スペクトルは長波長側にシフトする。このことによ
り、波長1.55μmにおける屈折率が変化することに
なる。ここで、電圧変化ΔFによる吸収変化Δαがλの
関数として与えられると、動作波長λ0 (ここでは1.
55μm)で得られる屈折率変化λnは、以下の数1で
示される関係により決定される。
[0008] Here, the MQW structure is InGaAsP.
A 10-nm-thick well layer consisting of
and an 8 nm-thick barrier layer made of sP. In the case of this configuration, the wavelength of the signal light to be modulated is 1.55 μm. Also, as shown in FIG. 3, two peaks at a valence band first level and a valence band second level indicating a transition from a heavy hole band on a shorter wavelength side than the wavelength of the signal light; There are three major exciton absorption peaks, one at the valence band third level, indicating a transition from the light hole band. As can be seen from FIG. 3, when the quantum confined Stark effect is used as described above, the absorption spectrum is shifted to a longer wavelength side by applying a voltage. As a result, the refractive index at a wavelength of 1.55 μm changes. Here, when the absorption change Δα due to the voltage change ΔF is given as a function of λ, the operating wavelength λ 0 (here, 1.
The refractive index change λn obtained at 55 μm) is determined by the relationship shown in the following equation 1.

【0009】[0009]

【数1】 (Equation 1)

【0010】なお、数1において、Ρは積分の主値をと
ることを意味する。ところで、図3から明らかなよう
に、TE偏向した光の吸収の電圧印加によるシフトに関
しては、価電子帯の第1準位の励起子吸収の寄与が大き
いことがわかる。しかし、図3の点線で示すように、吸
収係数の変化は、正と負の領域が同じ程度であり、互い
に相殺されてしまう。すなわち、上述した数1からも明
らかなように、この光変調器の場合、電圧の印加による
屈折率の変化はあまり大きくない。上記数1からわかる
ように、屈折率変化を大きくとるには、図3において、
電圧を印加したときに、吸収端近傍の吸収係数の正
(負)の変化が、吸収係数の負(正)の変化を大きく上
回ればよいことになる。
In equation (1), Ρ means to take the main value of integration. By the way, as apparent from FIG. 3, regarding the shift of the absorption of the TE-deflected light due to the application of the voltage, it can be understood that the contribution of the exciton absorption of the first level of the valence band is large. However, as shown by the dotted line in FIG. 3, the change in the absorption coefficient is almost the same in the positive and negative regions, and is offset each other. That is, as is apparent from Equation 1 described above, in the case of this optical modulator, the change in the refractive index due to the application of the voltage is not so large. As can be seen from Equation 1, in order to obtain a large change in the refractive index, in FIG.
When a voltage is applied, the positive (negative) change in the absorption coefficient in the vicinity of the absorption edge only needs to greatly exceed the negative (positive) change in the absorption coefficient.

【0011】ここで、この発明においては、まず、井戸
層には、その井戸層に平行な波数ベクトルに対する電子
のエネルギーバンド構造における価電子帯を構成する複
数のエネルギーバンドの中の最上段のエネルギーバンド
の形状と、そのエネルギーバンド構造における伝導帯を
構成する複数のエネルギーバンドの中の最下段のエネル
ギーバンドの形状とが、波数ベクトルが零もしくはその
近傍でほぼ同じになるように、引っ張り歪みが導入され
ているようにした。また、障壁層は、光が入射したとき
には前記井戸層に2次元励起子が形成され、同時にサブ
バンド帯が形成される厚さを備えるようにした。このよ
うに構成することで、コア層となる量子井戸では、図4
に示すように、電圧の印加により励起子ピークは消滅
し、同時に吸収端は短波長に移動する。このため、図
4に示すように、動作波長に近い領域での吸収係数の変
化は、大きな負の値になるので、上記数1で表される屈
折率変化は大きな値になる。
Here, in the present invention, first, the uppermost energy band among a plurality of energy bands constituting the valence band in the energy band structure of the electron with respect to the wave vector parallel to the well layer is provided in the well layer. The tensile strain is set so that the shape of the band and the shape of the lowest energy band among the plurality of energy bands constituting the conduction band in the energy band structure are almost the same at or near zero wave vector. As introduced. The barrier layer has a thickness such that a two-dimensional exciton is formed in the well layer when light enters, and a sub-band is formed at the same time. With this configuration, in the quantum well serving as the core layer, FIG.
As shown in (1), the exciton peak disappears by applying a voltage, and at the same time, the absorption edge shifts to a short wavelength. For this reason, as shown in FIG. 4, a change in the absorption coefficient in a region near the operating wavelength has a large negative value, and thus a change in the refractive index represented by the above equation 1 has a large value.

【0012】ここで、上述したの現象に関して説明す
る。まず、量子井戸を構成する井戸層のエネルギーバン
ドには、図5に示すように、価電子帯端を形成する重い
正孔を表すエネルギーバンド11がある。この、井戸層
に引っ張り歪を導入すると、そのエネルギーバンド11
に軽い正孔帯にある正孔の状態がミキシングし、その結
果、図5(b)に示すように、波数ベクトルk||が零の
近傍で下に凸の形状を有するエネルギーバンド11aと
なる場合がある。なお、ここでは、量子井戸内のエネル
ギーバンドを考察しているので、図5は、井戸層に平衡
な波数ベクトルk||に関するものである。
Here, the above-mentioned phenomenon will be described. First, as shown in FIG. 5, the energy band of the well layer forming the quantum well includes an energy band 11 representing heavy holes forming a valence band edge. When tensile strain is introduced into the well layer, the energy band 11
The state of the holes in the lighter hole band is mixed, and as a result, as shown in FIG. 5B, an energy band 11a having a downward convex shape near the wave vector k || There are cases. Here, since the energy band in the quantum well is considered, FIG. 5 relates to the wave vector k ||

【0013】通常、図5(a)に示される状態での半導
体の吸収端における光吸収には、波数ベクトルが零の点
で起こる光遷移12のみが寄与する。しかしながら、価
電子帯端でエネルギーバンド11aが図5(b)のよう
に下に凸となり、さらに、その曲率が伝導帯の電子と同
じになると、吸収端の光吸収には波数零の点から離れた
位置での光遷移13も寄与するようになる。これは、波
数が異なっても価電子帯と伝導帯のエネルギー差が等し
くなる領域14が生じるからである。すなわち、吸収端
での光吸収に寄与する遷移が格段に多くなる。そして、
障壁層の厚さは二次励起子の光励起が生じるように設定
されているので、吸収端での遷移から生じる二次励起子
の光吸収の強度は、格段に大きくなった吸収端の遷移に
より、顕著に増大する。この状態での光吸収係数を表し
たのが、図4の破線である
Normally, only the light transition 12 that occurs at the point where the wave vector is zero contributes to the light absorption at the absorption edge of the semiconductor in the state shown in FIG. However, when the energy band 11a is convex downward at the valence band edge as shown in FIG. 5B and the curvature becomes the same as that of the conduction band electron, the light absorption at the absorption edge has a zero wave point. The light transition 13 at a position distant from the light source also contributes. This is because a region 14 where the energy difference between the valence band and the conduction band is equal even when the wave numbers are different is generated. That is, the number of transitions contributing to light absorption at the absorption edge is significantly increased. And
Since the thickness of the barrier layer is set so that the photoexcitation of the secondary exciton occurs, the intensity of the light absorption of the secondary exciton resulting from the transition at the absorption edge becomes larger due to the transition of the absorption edge which has been significantly increased. , Increase significantly. The broken line in FIG. 4 shows the light absorption coefficient in this state.

【0014】ここで、量子井戸に電界を加えると、電子
のスピンに関して縮退していたエネルギーバンドの縮退
が解け、図4(b)に示した重い正孔を表すエネルギー
バンド11aは、図6に示すように、実線と破線で示さ
れる新たなエネルギーバンド61およびエネルギーバン
ド62に分裂する。なお、この量子井戸は、量子井戸最
低準位間のエネルギー差が0.8eVとなり、井戸層の
厚さ5nm,障壁層の厚さ3nmで、井戸層は0.5%
の歪みを有するものであり、図6は、これらを用いてシ
ミュレートした結果である。これら分裂した各エネルギ
ーバンド61,62は、もはや伝導帯端の電子のエネル
ギーバンドとは曲率が異なるので、吸収端の遷移は格段
に減少し、励起子吸収も認められなくなる。この状態で
の光吸収係数を表したのが、図4の実線である。以上示
したように、この発明の構成とした量子井戸では、図4
に示すように、励起子のピークが電圧の印加により消滅
する。
Here, when an electric field is applied to the quantum well, the degeneracy of the energy band degenerated with respect to the electron spin is released, and the energy band 11a representing heavy holes shown in FIG. As shown, the energy splits into a new energy band 61 and an energy band 62 indicated by a solid line and a broken line. In this quantum well, the energy difference between the lowest levels of the quantum well is 0.8 eV, the thickness of the well layer is 5 nm, the thickness of the barrier layer is 3 nm, and the well layer is 0.5%.
FIG. 6 shows the result of a simulation using these. Since each of these split energy bands 61 and 62 has a different curvature from the energy band of the electron at the conduction band edge, the transition at the absorption edge is remarkably reduced and exciton absorption is not recognized. The light absorption coefficient in this state is shown by the solid line in FIG. As described above, in the quantum well configured according to the present invention, FIG.
As shown in (1), the peak of the exciton disappears when the voltage is applied.

【0015】次に、前述したの現象に関して説明す
る。前述したように、この発明においては、障壁層の厚
さは、サブバンド帯が生じるように薄く設定されてい
る。このため、電圧が印加されない状態では、図7
(a)に示すように、価電子帯のサブバンド帯の上端7
3と伝導帯のサブバンド帯の下端74の間の遷移72が
吸収端を形成する。ここで、図7において、横軸は位置
座標を示し、縦軸は電子のエネルギーを示す。また、図
中に示されたグラフは、価電子帯81および伝導帯82
のエネルギーの空間分布を示している。また、図7
(a)は電圧が印加されない状態で結合後の状態を示
し、図7(b)は電圧が印加されない状態で結合前を示
し、図7(c)は電圧が印加された状態を示す。
Next, the above-mentioned phenomenon will be described. As described above, in the present invention, the thickness of the barrier layer is set to be thin so as to generate a sub-band. Therefore, in the state where no voltage is applied, FIG.
As shown in (a), the upper end 7 of the sub-band of the valence band
The transition 72 between 3 and the lower end 74 of the conduction band sub-band forms the absorption edge. Here, in FIG. 7, the horizontal axis indicates position coordinates, and the vertical axis indicates electron energy. The graph shown in the figure shows a valence band 81 and a conduction band 82.
Shows the spatial distribution of the energy of FIG.
7A illustrates a state after coupling without applying a voltage, FIG. 7B illustrates a state before coupling without applying a voltage, and FIG. 7C illustrates a state where a voltage is applied.

【0016】図7(a)に示すサブバンド帯71は、結
合前の状態を示す図7(b)に示される各井戸層内に形
成される量子準位75が結合して生じたものである。し
かし、その元になった量子準位75に比べて、サブバン
ド帯71の上端73および下端74は、高エネルギーお
よび低エネルギー側に広がっている。この広がりによっ
て、サブバンド間のエネルギー差72は、結合前の量子
準位間のエネルギー差76より小さくなっている。そこ
で、量子井戸に電圧を印加すると、図7(c)に示すよ
うに、隣り合った量子井準位77の間にエネルギー差が
生じるので、結合が解けてサブバンドは消失する。その
結果、遷移エネルギー76aは遷移エネルギー72より
大きくなり、光の吸収端は短波長に移動する。さらに、
前述したように、電界印加時の励起子吸収の消失も吸収
端の短波長移動による寄与に加わって、図4に示すよう
に、吸収端は短波長に移動する。
A sub-band band 71 shown in FIG. 7A is formed by coupling quantum levels 75 formed in each well layer shown in FIG. 7B showing a state before coupling. is there. However, the upper end 73 and the lower end 74 of the sub-band band 71 are spread to the high energy and low energy sides as compared with the quantum level 75 from which the quantum level 75 is based. Due to this spread, the energy difference 72 between the subbands is smaller than the energy difference 76 between the quantum levels before coupling. Then, when a voltage is applied to the quantum well, as shown in FIG. 7 (c), an energy difference occurs between adjacent quantum well levels 77, so that the coupling is broken and the subband disappears. As a result, the transition energy 76a becomes larger than the transition energy 72, and the light absorption edge moves to a shorter wavelength. further,
As described above, the disappearance of exciton absorption when an electric field is applied is also added to the contribution of the short wavelength shift of the absorption edge, and the absorption edge shifts to a short wavelength as shown in FIG.

【0017】ところで、電圧零の場合にみられる励起子
吸収強度増大の程度は、井戸層材料において、重い正孔
と軽い正孔の量子井戸面に垂直な方向の有効質量の差が
大きい材料ほど良い。現在の量子井戸結晶成長技術は、
III族とV族の化合物半導体材料の上に成り立ってい
る。理論計算から、(100)基板上に成長した場合、
井戸層に垂直な方向の重い正孔と軽い正孔の有効質量差
が最も著しいIII−V族化合物半導体は、InP,I
nAs,InSb、または、これら二元化合物の組み合
わせで得られる三元系ないし四元系化合物であることが
判明した。具体的には、InSb,InAs,InAs
P,InSbP,InAsSb,または,InAsSb
Pのいずれか1つの材料から井戸層材料を選定するのが
好ましい。
By the way, the degree of increase in exciton absorption intensity observed when the voltage is zero is larger for a material having a larger effective mass difference between heavy holes and light holes in the direction perpendicular to the quantum well plane in the well layer material. good. Current quantum well crystal growth technology
It is based on group III and group V compound semiconductor materials. From theoretical calculations, when grown on a (100) substrate,
Group III-V compound semiconductors in which the effective mass difference between heavy holes and light holes in the direction perpendicular to the well layer is most pronounced are InP, I
It has been found that the compound is a ternary or quaternary compound obtained by nAs, InSb, or a combination of these binary compounds. Specifically, InSb, InAs, InAs
P, InSbP, InAsSb, or InAsSb
It is preferable to select the material of the well layer from any one material of P.

【0018】また、図4および図6に示すような結果を
シミュレートする理論計算(文献:"New K・P theory fo
r GaAs/Ga1-xAlxAs-Type Quantum Well" R.
Eppenga,M.F.H.Schuurmans,S.Colak,.Physical Revue B
,Vol36.No3.pp1544-1564,1987)により、この発明にお
ける量子井戸を構成するための、井戸層における歪み量
や障壁層の厚さを求めることができる。以上の知見に基
づけば、吸収変動の増加を抑制しつつ、今迄にない大き
な屈折率変化を達成できる。
A theoretical calculation for simulating the results shown in FIGS. 4 and 6 (reference: "New K.P theory fo
r GaAs / Ga 1-x Al x As-Type Quantum Well "R.
Eppenga, MFHSchuurmans, S.Colak, .Physical Revue B
, Vol. 36, No.3, pp1544-1564, 1987), the strain amount in the well layer and the thickness of the barrier layer for constituting the quantum well in the present invention can be obtained. Based on the above findings, it is possible to achieve an unprecedented change in refractive index while suppressing an increase in absorption fluctuation.

【0019】以下、この発明の実施の形態について説明
する。図1は、この発明の実施の形態における光位相変
調器の構成を示す斜視図である。図1に示すように、n
形の(100)InPからなる基板1上に、n形のIn
Pからなるクラッド層2,ノンドープのInSbAsP
/InPの超格子からなるコア3,p形のInPからな
るクラッド層4,および,p形のInGaAsからなる
キャップ層5が順次積層されている。ここで、コア3
は、InSbAsPからなる歪みが0.5%の厚さ5n
mの井戸層と、InPからなる厚さ3nmの障壁層とか
ら構成された超格子構造である。なお、これらの構造
は、分子線エピタキシャル成長法や有機金属気相成長法
などの結晶成長法により製造すればよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an optical phase modulator according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG.
On an n-type (100) InP substrate 1, an n-type In
P cladding layer 2, non-doped InSbAsP
A core 3 composed of a superlattice of / InP, a cladding layer 4 composed of p-type InP, and a cap layer 5 composed of p-type InGaAs are sequentially laminated. Here, core 3
Has a thickness of 5 n with a strain of 0.5% made of InSbAsP.
This is a superlattice structure composed of a m-well layer and a 3 nm-thick barrier layer made of InP. Note that these structures may be manufactured by a crystal growth method such as a molecular beam epitaxial growth method or a metal organic chemical vapor deposition method.

【0020】このコア3の構成は、前述したように、用
いる材料より図4,6に示すような結果をシミュレート
する理論計算により、適宜求めることができる。また、
基板1の裏面にはn側電極6が形成され、キャップ層5
上にはp側電極7が形成されている。p側電極7上には
リード線8が接続され、ここに変調振動に対応する電圧
が印加される。そして、紙面手前側よりコア3に入射す
る入射光9は、その対向する面より変調光10として出
射される。
As described above, the configuration of the core 3 can be determined as appropriate by theoretical calculation for simulating the results shown in FIGS. Also,
An n-side electrode 6 is formed on the back surface of the substrate 1 and the cap layer 5
A p-side electrode 7 is formed thereon. A lead wire 8 is connected to the p-side electrode 7, and a voltage corresponding to the modulation vibration is applied to the lead wire 8. The incident light 9 entering the core 3 from the near side of the drawing is emitted as modulated light 10 from the opposite surface.

【0021】図2は、図1に示した光位相変調器および
従来よりある光位相変調器における、屈折率変化(a)
および光吸収係数変化(b)の電圧依存性を示した特性
図である。図2(a)に示すように、この実施の形態に
おける光位相変調器の特性21は、従来の光位相変調器
の特性22に比較して、屈折率変化の増大が急激に起こ
り、低電圧領域での屈折率変化は、従来に比べて3〜4
倍以上の高い値が得られることが判明した。これは、前
述したように、コア3の井戸層に引っ張り歪みを有する
超格子構造を用いるようにした結果である。また、図2
(b)に示すように、この実施の形態における光位相変
調器の特性23は、従来の光位相変調器の特性24とは
異なり、印加電圧が高くなるほど吸収係数は減少してい
くため、吸収係数の変動の増大が無く、その吸収変数の
増大による導波光の強度の減小を抑制できるようにな
る。
FIG. 2 shows a change in refractive index (a) in the optical phase modulator shown in FIG. 1 and a conventional optical phase modulator.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the voltage dependence of a change in light absorption coefficient (b). As shown in FIG. 2A, the characteristic 21 of the optical phase modulator according to the present embodiment shows a sharp increase in the refractive index compared to the characteristic 22 of the conventional optical phase modulator, The change in the refractive index in the region is 3 to 4
It has been found that a value more than twice as high can be obtained. This is a result of using a superlattice structure having tensile strain in the well layer of the core 3 as described above. FIG.
As shown in (b), the characteristic 23 of the optical phase modulator according to the present embodiment differs from the characteristic 24 of the conventional optical phase modulator in that the absorption coefficient decreases as the applied voltage increases. There is no increase in coefficient variation, and it is possible to suppress a decrease in the intensity of guided light due to an increase in the absorption variable.

【0022】なお、上述では、光位相変調器に関して説
明したが、これに限るものではなく、この発明は光強度
変調器(吸収型光変調器)に適用してもよい。この場
合、電圧を印加しないときの励起子吸収ピークの波長が
信号光の波長に一致するように、井戸層の組成を調整す
ればよい。このようにした光強度変調器では、従来の量
子閉じ込めシュタルク効果を利用したものに比較して、
吸収係数が変化した際の屈折率変化の符号が逆であるの
で、変調された光は負のチャーピング(位相シフト)を
受けることになる。
In the above description, the optical phase modulator has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention may be applied to an optical intensity modulator (absorption type optical modulator). In this case, the composition of the well layer may be adjusted so that the wavelength of the exciton absorption peak when no voltage is applied matches the wavelength of the signal light. In such an optical intensity modulator, compared to the conventional one using the quantum confined Stark effect,
Since the sign of the refractive index change when the absorption coefficient changes is opposite, the modulated light will undergo negative chirping (phase shift).

【0023】従来の光強度変調器では、変調された光は
正のチャーピングを受けるので、光ファイバーを導波す
る間に変調光の幅が広がり、その結果、光伝送の周波数
帯域が狭くなる。これに対して、この発明による光強度
変調器では、変調された光はチャーピングの符号が負で
あるので、光ファイバーを導波する間に変調光の幅は狭
くなるので、光伝送の周波数帯域は広くすることができ
る。なお、上述では、導波型の光変調器について示した
が、面型の光変調器であっても、同じ歪み量子井戸層を
用いれば同様の効果が得られることは明らかである。
In the conventional light intensity modulator, the modulated light undergoes positive chirping, so that the width of the modulated light increases while being guided through the optical fiber, and as a result, the frequency band of optical transmission is narrowed. On the other hand, in the optical intensity modulator according to the present invention, the modulated light has a negative chirping sign, so that the width of the modulated light becomes narrower while being guided through the optical fiber. Can be wide. Although the waveguide type optical modulator has been described above, it is apparent that the same effect can be obtained by using the same strained quantum well layer even in a plane type optical modulator.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、井
戸層と障壁層とから構成された量子井戸をコアとして備
え、井戸層には、井戸層に平行な波数ベクトルに対する
電子のエネルギーバンド構造における価電子帯を構成す
る複数のエネルギーバンドの中の最上段のエネルギーバ
ンドの形状と、エネルギーバンド構造における伝導帯を
構成する複数のエネルギーバンドの中の最下段のエネル
ギーバンドの形状とが、波数ベクトルが零もしくはその
近傍でほぼ同じになるように引っ張り歪みを導入し、ま
た、障壁層は、井戸層に、2次元励起子が形成され、同
時にサブバンド帯が形成される状態となる厚さとした。
この結果、この光変調器のコアを構成する量子井戸にお
いては、励起子ピークは消滅し、同時に吸収端は短波長
に移動する。このため、動作波長に近い領域でのコアの
吸収係数の変化は、大きな負の値になるので、コアの屈
折率変化は大きな値になる。すなわち、この発明によれ
ば、吸収係数およびその変動を十分抑制しつつ、大きな
屈折率変化が得られる高性能な光変調器が得られるとい
う効果がある。
As described above, according to the present invention, a quantum well composed of a well layer and a barrier layer is provided as a core, and the well layer has an electron energy band structure for a wave vector parallel to the well layer. The shape of the uppermost energy band among the plurality of energy bands constituting the valence band and the shape of the lowermost energy band among the plurality of energy bands constituting the conduction band in the energy band structure are represented by wave numbers. The tensile strain is introduced so that the vector becomes almost the same at or near zero, and the barrier layer has a thickness such that a two-dimensional exciton is formed in the well layer and a subband band is formed at the same time. did.
As a result, in the quantum well constituting the core of the optical modulator, the exciton peak disappears, and at the same time, the absorption edge shifts to a short wavelength. For this reason, a change in the absorption coefficient of the core in a region near the operating wavelength has a large negative value, and a change in the refractive index of the core has a large value. That is, according to the present invention, there is an effect that a high-performance optical modulator capable of obtaining a large change in the refractive index can be obtained while sufficiently suppressing the absorption coefficient and its fluctuation.

【0025】また、この発明において、電圧を印加しな
いときの励起子吸収ピークの波長が信号光の波長に一致
するように、井戸層の組成を調整すれば、光強度変調器
として用いることができる。そして、この光強度変調器
では、変調され出射され光ファイバーを導波していく変
調光は、その光ファイバーを導波する間に幅が狭くなる
ので、光伝送の周波数帯域を広くすることができる。
In the present invention, if the composition of the well layer is adjusted so that the wavelength of the exciton absorption peak when no voltage is applied coincides with the wavelength of the signal light, it can be used as a light intensity modulator. . In this optical intensity modulator, the modulated light that is modulated and emitted and guided through the optical fiber becomes narrower while being guided through the optical fiber, so that the frequency band of optical transmission can be broadened.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明の実施の形態における光位相変調器
の構成を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an optical phase modulator according to an embodiment of the present invention.

【図2】 図1に示した光位相変調器および従来よりあ
る光位相変調器における、屈折率変化(a)および光吸
収係数変化(b)の電圧依存性を示した特性図である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a voltage dependency of a refractive index change (a) and a light absorption coefficient change (b) in the optical phase modulator shown in FIG. 1 and a conventional optical phase modulator.

【図3】 従来よりある光変調器において、TE偏向し
た光を入射させたときの、印加電圧による吸収係数スペ
クトル変化、および、その際の吸収スペクトルの変化分
を示す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change in an absorption coefficient spectrum due to an applied voltage and a change in the absorption spectrum at that time when TE-deflected light is made incident on a conventional optical modulator.

【図4】 この発明による光変調器において、TE偏向
した光を入射させたときの、印加電圧による吸収係数ス
ペクトル変化、および、その際の吸収スペクトルの変化
分を示す特性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a change in an absorption coefficient spectrum due to an applied voltage and a change in the absorption spectrum at that time when TE-deflected light is made incident on the optical modulator according to the present invention.

【図5】 井戸層のエネルギーバンドを示すバンドギャ
ップ図である。
FIG. 5 is a band gap diagram showing an energy band of a well layer.

【図6】 電界を加えた場合の井戸層のエネルギーバン
ドを示すバンドギャップ図である。
FIG. 6 is a band gap diagram showing an energy band of a well layer when an electric field is applied.

【図7】 この発明のコアにおけるエネルギーバンドを
示すバンドギャップ図である。
FIG. 7 is a band gap diagram showing an energy band in the core of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…基板、2、4…クラッド層、3…コア、5…キャッ
プ層、6…n側電極、7…p側電極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2, 4 ... Cladding layer, 3 ... Core, 5 ... Cap layer, 6 ... N side electrode, 7 ... P side electrode.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 井戸層と障壁層とから構成された量子井
戸をコアとして備え、 前記井戸層には、前記井戸層に平行な波数ベクトルに対
する電子のエネルギーバンド構造における価電子帯を構
成する複数のエネルギーバンドの中の最上段のエネルギ
ーバンドの形状と、前記エネルギーバンド構造における
伝導帯を構成する複数のエネルギーバンドの中の最下段
のエネルギーバンドの形状とが、波数ベクトルが零もし
くはその近傍でほぼ同じになるように引っ張り歪みが導
入され、 前記障壁層は、前記井戸層に、2次元励起子が形成さ
れ、同時にサブバンド帯が形成される状態となる厚さを
備えたことを特徴とする光変調器。
1. A quantum well comprising a well layer and a barrier layer as a core, wherein the well layer has a plurality of valence bands in an energy band structure of electrons with respect to a wave vector parallel to the well layer. The shape of the uppermost energy band in the energy band and the shape of the lowermost energy band in the plurality of energy bands constituting the conduction band in the energy band structure are such that the wave vector is zero or near zero. A tensile strain is introduced so as to be substantially the same, and the barrier layer has a thickness such that a two-dimensional exciton is formed in the well layer and a sub-band is formed at the same time. Light modulator.
【請求項2】 請求項1記載の光変調器において、 信号光の波長が、前記コアに電圧が印加されないときの
前記井戸層の2次元励起子吸収ピークの波長およびその
近傍の波長のいずれかに、一致しているることを特徴と
する光変調器。
2. The optical modulator according to claim 1, wherein the wavelength of the signal light is any one of a wavelength of a two-dimensional exciton absorption peak of the well layer when no voltage is applied to the core and a wavelength in the vicinity thereof. An optical modulator characterized in that:
【請求項3】 請求項1記載の光変調器において、 信号光の波長が、前記コアに電圧が印加されないときの
前記井戸層の2次元励起子の吸収端より長波長の、屈折
率変化の大きい波長に一致していることを特徴とする光
変調器。
3. The optical modulator according to claim 1, wherein a wavelength of the signal light is longer than a two-dimensional exciton absorption edge of the well layer when no voltage is applied to the core. An optical modulator characterized by being coincident with a large wavelength.
【請求項4】 請求項1〜3いずれか1項記載の光変調
器において、 前記井戸層が、InSb,InAs,InAsP,In
SbP,InAsSb,および,InAsSbPのいず
れか、または、それらを組み合わせた化合物半導体から
なることを特徴とする光変調器。
4. The optical modulator according to claim 1, wherein said well layer is made of InSb, InAs, InAsP, and InSb.
An optical modulator comprising one of SbP, InAsSb, and InAsSbP, or a compound semiconductor obtained by combining them.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009544061A (en) * 2006-07-18 2009-12-10 レイセオン カンパニー Optical digital / analog converter

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