JPH1062732A - 半導体量子井戸光変調器 - Google Patents
半導体量子井戸光変調器Info
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- JPH1062732A JPH1062732A JP22204396A JP22204396A JPH1062732A JP H1062732 A JPH1062732 A JP H1062732A JP 22204396 A JP22204396 A JP 22204396A JP 22204396 A JP22204396 A JP 22204396A JP H1062732 A JPH1062732 A JP H1062732A
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- semiconductor
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- optical modulator
- modulator
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 高速動作・高入力下での飽和のない素子を提
供する。更に、入射光の伝搬損を増加せず、且つ、吸収
係数変化が小さい電圧で得られる高性能で低チャープ特
性を有する光導波路形変調器を提供する。 【解決手段】 第一と第二のバンドギャップ（Ｅg1，Ｅ
g2：Ｅg1＞Ｅg2）をそれぞれ持つ第一と第二の半導体か
らなり、その厚さがボーア半径より薄い多重異種構造か
ら構成されるいわゆる多重量子井戸（ＭＱＷ）半導体素
子において、上記多重量子井戸層３の両側を第一の半導
体と同等かそれより小さい屈折率を持つ第三の半導体
２，４で挟んだ、いわゆる導波構造を形成し、この導波
構造を上記各層に平行な面内で挟んで互いに一方を他方
とその導電形が異なるように不純物を添加して外部から
上記多重量子井戸層に垂直に電圧を印加できるようにし
た導波形多重量子井戸構造光変調器とする。
供する。更に、入射光の伝搬損を増加せず、且つ、吸収
係数変化が小さい電圧で得られる高性能で低チャープ特
性を有する光導波路形変調器を提供する。 【解決手段】 第一と第二のバンドギャップ（Ｅg1，Ｅ
g2：Ｅg1＞Ｅg2）をそれぞれ持つ第一と第二の半導体か
らなり、その厚さがボーア半径より薄い多重異種構造か
ら構成されるいわゆる多重量子井戸（ＭＱＷ）半導体素
子において、上記多重量子井戸層３の両側を第一の半導
体と同等かそれより小さい屈折率を持つ第三の半導体
２，４で挟んだ、いわゆる導波構造を形成し、この導波
構造を上記各層に平行な面内で挟んで互いに一方を他方
とその導電形が異なるように不純物を添加して外部から
上記多重量子井戸層に垂直に電圧を印加できるようにし
た導波形多重量子井戸構造光変調器とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体量子井戸光
変調器に関する。詳しくは、光導波路を構成する多重量
子井戸層の吸収係数を外部電界で制御して、光導波路を
通過する光の強度を、高速・低電圧・低チャープに制御
する光導波路形変調器に関する。
変調器に関する。詳しくは、光導波路を構成する多重量
子井戸層の吸収係数を外部電界で制御して、光導波路を
通過する光の強度を、高速・低電圧・低チャープに制御
する光導波路形変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光ファイバ伝送の伝送速度及び中
継器間隔は年々上昇しているけれども、伝送速度が数Gb
it/sを越えると、これまで用いられてきた半導体レーザ
での直接変調法によっては伝送距離が光ファイバの分散
で制限される問題が生じている。
継器間隔は年々上昇しているけれども、伝送速度が数Gb
it/sを越えると、これまで用いられてきた半導体レーザ
での直接変調法によっては伝送距離が光ファイバの分散
で制限される問題が生じている。
【０００３】例えば、図５に、半導体レーザのチャープ
（発振波長のゆらぎ）特性を示す線幅拡大係数αを横軸
に、10Gbit/sの伝送速度で通常の光ファイバを伝送した
ときペナルティ１dBまで許容した場合の光パルスの届く
距離Ｌを縦軸に示す。同図に示すように、α＝-0.8程度
の値をとるとき通常の光ファイバでの伝送距離は最大と
なるが、半導体レーザではαは２〜３の値である。
（発振波長のゆらぎ）特性を示す線幅拡大係数αを横軸
に、10Gbit/sの伝送速度で通常の光ファイバを伝送した
ときペナルティ１dBまで許容した場合の光パルスの届く
距離Ｌを縦軸に示す。同図に示すように、α＝-0.8程度
の値をとるとき通常の光ファイバでの伝送距離は最大と
なるが、半導体レーザではαは２〜３の値である。
【０００４】これを克服するため、ＬiＮbＯ3や半導体
等を用いた外部変調器が研究されている。このうちＬi
ＮbＯ3を用いた外部変調器は、チャープ特性を印加電圧
で望ましい値に制御でき、一部実用化されているもの
の、動作電圧は大きく、専用の駆動用の高価な増幅器が
必要である。
等を用いた外部変調器が研究されている。このうちＬi
ＮbＯ3を用いた外部変調器は、チャープ特性を印加電圧
で望ましい値に制御でき、一部実用化されているもの
の、動作電圧は大きく、専用の駆動用の高価な増幅器が
必要である。
【０００５】他方、半導体を用いた吸収形変調器では、
駆動電圧は低く、直接変換法に比べチャープ特性は小さ
いものの上記のα＝-0.8に比べて大きく、これを減らす
ためにバイアス電圧を深くして損失を増加させた状態で
使用しているのが現状である（例えば、K.Yamada他、Ph
otonics Technology Letters，７巻，10号，1157〜1158
頁）。
駆動電圧は低く、直接変換法に比べチャープ特性は小さ
いものの上記のα＝-0.8に比べて大きく、これを減らす
ためにバイアス電圧を深くして損失を増加させた状態で
使用しているのが現状である（例えば、K.Yamada他、Ph
otonics Technology Letters，７巻，10号，1157〜1158
頁）。
【０００６】一方、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）や有
機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）など化合物半導体
極薄膜作製技術の進展によって半導体多重量子井戸（Ｍ
ＱＷ）や超格子構造が登場し、これまで用いられてきた
バルク半導体に比べ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。このうちＭＱＷ構造に
電解を印加してその吸収係数を変化させる電解吸収効果
はバルク半導体に比べ非常に顕著で、これを用いて高速
・低電圧駆動可能な光変調器が実現している。
機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）など化合物半導体
極薄膜作製技術の進展によって半導体多重量子井戸（Ｍ
ＱＷ）や超格子構造が登場し、これまで用いられてきた
バルク半導体に比べ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。このうちＭＱＷ構造に
電解を印加してその吸収係数を変化させる電解吸収効果
はバルク半導体に比べ非常に顕著で、これを用いて高速
・低電圧駆動可能な光変調器が実現している。
【０００７】しかし、チャープ特性は十分とは言えず、
上記のバルク半導体変調器と同様バイアス電圧を深くし
て損失を増加させた状態で使用しているが現状である。
最近、ＭＱＷ構造に引張り応力を導入して、チャープ特
性を改良する試みがある（例えば、山中他、第４３回応
用物理学関係連合講演会予稿集27p-D-18）。
上記のバルク半導体変調器と同様バイアス電圧を深くし
て損失を増加させた状態で使用しているが現状である。
最近、ＭＱＷ構造に引張り応力を導入して、チャープ特
性を改良する試みがある（例えば、山中他、第４３回応
用物理学関係連合講演会予稿集27p-D-18）。
【０００８】このうち、長距離・大容量光ファイバ伝送
において重要な1.55μｍで動作するＭＱＷ構造にはＩn
ＧaＡsＰ/ＩnＧaＡsＰ系とＩnＧaＡs/ＩnＡlＡs系とが
あり、前者は半導体レーザに長く用いられていることか
ら、変調器にも研究されているが、図６に示すように量
子井戸層と障壁層に用いるＩnＧaＡsＰ/ＩnＧaＡsＰの
組み合わせでは、ヘテロ界面において質量の大きな正孔
に対する障壁の高さが質量の小さい電子のそれよりも高
く、電子の量子閉じ込めは弱く、量子サイズ効果は小さ
く、かつ、光吸収に伴って生成される電子・正孔対が印
加電界によって各々Ｐ及びＮ電極に掃引されるとき、正
孔がヘテロ界面にパイルアップして吸収飽和が生じ易い
という欠点がある。
において重要な1.55μｍで動作するＭＱＷ構造にはＩn
ＧaＡsＰ/ＩnＧaＡsＰ系とＩnＧaＡs/ＩnＡlＡs系とが
あり、前者は半導体レーザに長く用いられていることか
ら、変調器にも研究されているが、図６に示すように量
子井戸層と障壁層に用いるＩnＧaＡsＰ/ＩnＧaＡsＰの
組み合わせでは、ヘテロ界面において質量の大きな正孔
に対する障壁の高さが質量の小さい電子のそれよりも高
く、電子の量子閉じ込めは弱く、量子サイズ効果は小さ
く、かつ、光吸収に伴って生成される電子・正孔対が印
加電界によって各々Ｐ及びＮ電極に掃引されるとき、正
孔がヘテロ界面にパイルアップして吸収飽和が生じ易い
という欠点がある。
【０００９】これを防ぐため４元組成のＩnＧaＡsＰ/Ｉ
nＧaＡsＰを用いてエネルギー差を減らす方法が試みら
れているが（図６（ｂ））、電子の閉じ込めが弱く、量
子サイズ効果は小さいという問題がある。他方、ＩnＧa
Ａs/ＩnＡlＡs系ではヘテロ界面において質量の大きな
正孔に対する障壁の高さが質量の小さい電子のそれより
も低く、電子の量子閉じ込めは強く、量子サイズ効果は
大きく、正孔がパイルアップして吸収飽和を生じること
は少ないものの、逆に電子による吸収飽和が懸念され
る。
nＧaＡsＰを用いてエネルギー差を減らす方法が試みら
れているが（図６（ｂ））、電子の閉じ込めが弱く、量
子サイズ効果は小さいという問題がある。他方、ＩnＧa
Ａs/ＩnＡlＡs系ではヘテロ界面において質量の大きな
正孔に対する障壁の高さが質量の小さい電子のそれより
も低く、電子の量子閉じ込めは強く、量子サイズ効果は
大きく、正孔がパイルアップして吸収飽和を生じること
は少ないものの、逆に電子による吸収飽和が懸念され
る。
【００１０】また、本発明者らの詳細な理論計算によれ
ば、図７に示すように、上記チャープ特性を改良するに
は電子の量子閉じ込めを弱くした方が良いことが判明し
た。図７は、ＩnＧaＡs/ＩnＧaＡsＰ系とＩnＧaＡs/Ｉn
ＡlＡs系ＭＱＷ変調器のチャープ特性を決めるαパラメ
ータを比較したもので、ＩnＧaＡs/ＩnＧaＡsＰ系の方
がＩnＧaＡs/ＩnＡlＡs系に比べてチャープ特性は良い
ことを示している。即ち、ＩnＧaＡs/ＩnＧaＡsＰ系と
ＩnＧaＡs/ＩnＡlＡs系の中間の構造が吸収型変調器と
して最適であることを示している。
ば、図７に示すように、上記チャープ特性を改良するに
は電子の量子閉じ込めを弱くした方が良いことが判明し
た。図７は、ＩnＧaＡs/ＩnＧaＡsＰ系とＩnＧaＡs/Ｉn
ＡlＡs系ＭＱＷ変調器のチャープ特性を決めるαパラメ
ータを比較したもので、ＩnＧaＡs/ＩnＧaＡsＰ系の方
がＩnＧaＡs/ＩnＡlＡs系に比べてチャープ特性は良い
ことを示している。即ち、ＩnＧaＡs/ＩnＧaＡsＰ系と
ＩnＧaＡs/ＩnＡlＡs系の中間の構造が吸収型変調器と
して最適であることを示している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上記高速・低電圧駆動
可能な、且つ、高入力下でも飽和することなく、チャー
プ特性が良好な光変調器を実現することである。従来採
用されていた構造で量子サイズ効果は大きく、従って高
速・低電圧駆動を実現したが、チャープ特性は十分とは
いえず、上記のバルク半導体変調器と同様バイアス電圧
を深くして損失を増大させた状態で使用している。更
に、電子の閉じ込めは強すぎて光吸収に伴って発生する
電子がヘテロ界面に抜けにくいことが問題となってい
る。
可能な、且つ、高入力下でも飽和することなく、チャー
プ特性が良好な光変調器を実現することである。従来採
用されていた構造で量子サイズ効果は大きく、従って高
速・低電圧駆動を実現したが、チャープ特性は十分とは
いえず、上記のバルク半導体変調器と同様バイアス電圧
を深くして損失を増大させた状態で使用している。更
に、電子の閉じ込めは強すぎて光吸収に伴って発生する
電子がヘテロ界面に抜けにくいことが問題となってい
る。
【００１２】一方、量子井戸層或いは障壁層の格子定数
を、これらの層の上に成長させている基板結晶の格子定
数と不整合にさせ量子井戸層内に応力を生じさせること
によって、軽い正孔と電子からなる励起子吸収と思い正
孔と電子からなる励起子吸収が重なるようにして効率化
する試みがある（ＩnＧaＡsＰ/ＩnＰ系多重量子井戸構
造に関しては、M.Okamoto 他：米国電子学会量子エレク
トロニクス誌IEEE Journal of Quantum Electronics 27
巻、1463-1469、1991年に、ＩnＧaＡs/ＩnＡlＡs系多重
量子井戸構造に関しては、井戸他：電子報通信学会研究
報告、信学技報ED93-61,OQE93-44(1993-07)、33-38
頁）。
を、これらの層の上に成長させている基板結晶の格子定
数と不整合にさせ量子井戸層内に応力を生じさせること
によって、軽い正孔と電子からなる励起子吸収と思い正
孔と電子からなる励起子吸収が重なるようにして効率化
する試みがある（ＩnＧaＡsＰ/ＩnＰ系多重量子井戸構
造に関しては、M.Okamoto 他：米国電子学会量子エレク
トロニクス誌IEEE Journal of Quantum Electronics 27
巻、1463-1469、1991年に、ＩnＧaＡs/ＩnＡlＡs系多重
量子井戸構造に関しては、井戸他：電子報通信学会研究
報告、信学技報ED93-61,OQE93-44(1993-07)、33-38
頁）。
【００１３】即ち、図４に示すように、量子井戸に応力
を付加して軽い正孔と電子からなる励起子吸収e-lhと重
い正孔と電子からなる励起子吸収e-hhを波長が一致する
ようにすれば、電界が印加されていないときには、Ｔ
Ｅ，ＴＭ両偏光方向に対して吸収係数の大きさが同じと
なり、また、電界印加による吸収ピークの長波長側への
シフトをＴＥ，ＴＭ両偏光方向に対してほぼ同一にする
方法である。
を付加して軽い正孔と電子からなる励起子吸収e-lhと重
い正孔と電子からなる励起子吸収e-hhを波長が一致する
ようにすれば、電界が印加されていないときには、Ｔ
Ｅ，ＴＭ両偏光方向に対して吸収係数の大きさが同じと
なり、また、電界印加による吸収ピークの長波長側への
シフトをＴＥ，ＴＭ両偏光方向に対してほぼ同一にする
方法である。
【００１４】この方法によれば、比較的低電界の印加で
所望の変調ができるが、しかし、歪の添加に対して上記
ヘテロ界面において質量の大きな正孔に対する障壁の高
さがより一層高くなり、正孔がパイルアップして吸収飽
和を生じることが一層起こり易くなってしまう。更に、
光強度変調器では、上記チャープ特性（動作時の位相揺
らぎ）を低減することが求められている。
所望の変調ができるが、しかし、歪の添加に対して上記
ヘテロ界面において質量の大きな正孔に対する障壁の高
さがより一層高くなり、正孔がパイルアップして吸収飽
和を生じることが一層起こり易くなってしまう。更に、
光強度変調器では、上記チャープ特性（動作時の位相揺
らぎ）を低減することが求められている。
【００１５】従来でのチャープ特性改良は、変調器の吸
収端波長を長くして使用波長との波長差（離調と呼ばれ
る）を減らしたり、ＤＣバイアスを深くしてチャープを
減らしていたが、伝搬損は増加してしまい、変調器の挿
入損は大きくなって、問題となっていた。即ち、挿入損
を増加することなく、低チャープ化が求められている。
収端波長を長くして使用波長との波長差（離調と呼ばれ
る）を減らしたり、ＤＣバイアスを深くしてチャープを
減らしていたが、伝搬損は増加してしまい、変調器の挿
入損は大きくなって、問題となっていた。即ち、挿入損
を増加することなく、低チャープ化が求められている。
【００１６】本発明は、従来技術での問題点を解消し、
高速動作・高入力下での飽和のない素子を提供すること
にある。更に、入射光の伝搬損を増加することもなく、
且つ、大きな吸収係数変化が小さい電圧で得られる高性
能で低チャープ特性を有する光導波路形変調器を提供す
ることにある。
高速動作・高入力下での飽和のない素子を提供すること
にある。更に、入射光の伝搬損を増加することもなく、
且つ、大きな吸収係数変化が小さい電圧で得られる高性
能で低チャープ特性を有する光導波路形変調器を提供す
ることにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】低電圧で動作し、且つ、
低損失で低チャープ特性を有するように、また、高入力
で吸収飽和のない光導波路形変調器を提供するため、以
下の手段を用いる。
低損失で低チャープ特性を有するように、また、高入力
で吸収飽和のない光導波路形変調器を提供するため、以
下の手段を用いる。
【００１８】通常、量子井戸層の厚さがボーア半径以内
であると、室温においても励起吸収が存在し、高効率な
変調器が作製できる。量子井戸層の格子定数がこれらの
層をその上に成長させている基板結晶の格子定数に整合
して量子井戸層内に応力を生じない状態では、入射光の
偏光方向がＴＥ偏光の場合には、図４に示すように、軽
い正孔と電子からなる励起子吸収と重い正孔と電子から
なる励起子吸収が両方観測されるのに対し、入射光の偏
光方向がＴＭ偏光の場合には、軽い正孔と電子からなる
励起子吸収しか観測されない。
であると、室温においても励起吸収が存在し、高効率な
変調器が作製できる。量子井戸層の格子定数がこれらの
層をその上に成長させている基板結晶の格子定数に整合
して量子井戸層内に応力を生じない状態では、入射光の
偏光方向がＴＥ偏光の場合には、図４に示すように、軽
い正孔と電子からなる励起子吸収と重い正孔と電子から
なる励起子吸収が両方観測されるのに対し、入射光の偏
光方向がＴＭ偏光の場合には、軽い正孔と電子からなる
励起子吸収しか観測されない。
【００１９】上記目的は、図３に示すように、量子井戸
内に応力が加わるようにして、軽い正孔と電子とからな
る励起子吸収e-lhと重い正孔と電子からなる励起子吸収
e-hhとが重なるようにし、また、電界印加による吸収係
数の変化を大きくなるようにし、且つ、チャーピングが
低下するように量子井戸構造を設計、製作すれば、達成
することができる。更に、多重量子井戸構造においてこ
れを形成している量子井戸層の格子定数がこの層をその
上に成長させている基板結晶の格子定数と不整合にし
て、量子井戸層内に伸張応力を生じさせると、その吸収
端の波長は応力のない場合に比べ短波長となるため、同
じ吸収端波長にするには量子井戸の厚さを厚くする必要
がある。
内に応力が加わるようにして、軽い正孔と電子とからな
る励起子吸収e-lhと重い正孔と電子からなる励起子吸収
e-hhとが重なるようにし、また、電界印加による吸収係
数の変化を大きくなるようにし、且つ、チャーピングが
低下するように量子井戸構造を設計、製作すれば、達成
することができる。更に、多重量子井戸構造においてこ
れを形成している量子井戸層の格子定数がこの層をその
上に成長させている基板結晶の格子定数と不整合にし
て、量子井戸層内に伸張応力を生じさせると、その吸収
端の波長は応力のない場合に比べ短波長となるため、同
じ吸収端波長にするには量子井戸の厚さを厚くする必要
がある。
【００２０】このため、吸収端の波長を長波長側に、例
えば、石英系光ファイバの超低損失な伝送特性を持つ波
長1.55μｍで動作するように波長1.49μｍ付近にするこ
とができる。このとき、量子閉じ込めシュタルク効果
（quantum confined stark effect ：ＱＣＳＥ）に基づ
く吸収端波長のシフトは、量子井戸の厚さの４乗に近似
的に比例するので、井戸層厚は厚い法が大きな吸収係数
変化が得られるが、一方、振動子強度そのものは井戸が
厚くなると弱くなるため、ある厚さ以上になるとかえっ
て吸収係数変化は減少してしまう。つまり、井戸の厚さ
には最適の厚さがあるのである。本願発明においては、
井戸の厚さは12nmから20nmに選んでいる。
えば、石英系光ファイバの超低損失な伝送特性を持つ波
長1.55μｍで動作するように波長1.49μｍ付近にするこ
とができる。このとき、量子閉じ込めシュタルク効果
（quantum confined stark effect ：ＱＣＳＥ）に基づ
く吸収端波長のシフトは、量子井戸の厚さの４乗に近似
的に比例するので、井戸層厚は厚い法が大きな吸収係数
変化が得られるが、一方、振動子強度そのものは井戸が
厚くなると弱くなるため、ある厚さ以上になるとかえっ
て吸収係数変化は減少してしまう。つまり、井戸の厚さ
には最適の厚さがあるのである。本願発明においては、
井戸の厚さは12nmから20nmに選んでいる。
【００２１】また、量子井戸層内の伸張応力の大きさ
は、吸収端波長一定のもとで大きければ大きいほど井戸
層の厚さは厚くできるが、上記の理由で自ずから限界が
ある。更に、伸張歪の大きさとチャープ特性の間には一
定の関係があり、伸張歪の大きさが0.4％から0.5％の間
にあるとチャーピングは比較的小さいことが本発明者等
の計算結果から判明している。
は、吸収端波長一定のもとで大きければ大きいほど井戸
層の厚さは厚くできるが、上記の理由で自ずから限界が
ある。更に、伸張歪の大きさとチャープ特性の間には一
定の関係があり、伸張歪の大きさが0.4％から0.5％の間
にあるとチャーピングは比較的小さいことが本発明者等
の計算結果から判明している。
【００２２】また、本発明者らの実験によれば、図８に
示すように入射光の波長と変調器の吸収端の波長差Δλ
が50nm以下であれば変調器のチャーピングパラメータα
は、零バイアスのもとで0.5以下となり、低いバイアス
印加によって負号となることが確認されたが、このとき
伝搬損は100μｍの試料長に対して６〜８dBほど大きく
なっており、試料を短くすれば問題のないことが判明し
た。図８は、本発明に基づく光強度変調器のチャーピン
グパラメータαの印加電圧依存性を示すもので、縦軸は
チャーピングパラメータα、横軸は逆方向電圧、パラメ
ータは変調器の吸収端波長と入射光との離調波長を示
す。零バイアスのもとで、チャーピングパラメータは小
さな値を示し、印加電圧の増加と共に減少し、負の値と
なる。チャーピングパラメータαが負であると、光ファ
イバ伝送距離は増大する一方、従来の素子で問題となっ
ていたチャーピング低下に伴う損失増加は小さく、飛躍
的に伝送距離・変調速度積は増大する。
示すように入射光の波長と変調器の吸収端の波長差Δλ
が50nm以下であれば変調器のチャーピングパラメータα
は、零バイアスのもとで0.5以下となり、低いバイアス
印加によって負号となることが確認されたが、このとき
伝搬損は100μｍの試料長に対して６〜８dBほど大きく
なっており、試料を短くすれば問題のないことが判明し
た。図８は、本発明に基づく光強度変調器のチャーピン
グパラメータαの印加電圧依存性を示すもので、縦軸は
チャーピングパラメータα、横軸は逆方向電圧、パラメ
ータは変調器の吸収端波長と入射光との離調波長を示
す。零バイアスのもとで、チャーピングパラメータは小
さな値を示し、印加電圧の増加と共に減少し、負の値と
なる。チャーピングパラメータαが負であると、光ファ
イバ伝送距離は増大する一方、従来の素子で問題となっ
ていたチャーピング低下に伴う損失増加は小さく、飛躍
的に伝送距離・変調速度積は増大する。
【００２３】このとき、多重量子井戸構造光変調器を構
成する多重量子井戸（ＭＱＷ）半導体素子の量子井戸半
導体のバンドギャップと障壁層の半導体のバンドギャッ
プの伝導帯におけるエネルギー差ΔＥCが0.２eVより大
きく、0.５eVより小さくすれば、高入力下でも吸収飽和
のないことが実験により確認されている。エネルギー差
をこのような範囲内とするには、障壁層の組成を４元Ｉ
nＧaＡlＡsにして井戸層ＩnＧaＡsと障壁層とのエネル
ギー差を減らしてやればよい。通常、ＩnＰ基板に格子
整合するＩnＧaＡs井戸層、ＩnＡlＡs障壁層との間には
0.５eVの伝導帯におけるエネルギー差ΔＥCがあり、他
方、ＩnＰ基板に格子整合するＩnＰ障壁層とＩnＧaＡs
井戸層の間には0.２eVの伝導帯におけるエネルギー差Δ
ＥCがあり、障壁層を４元ＩnＧaＡlＡsにすれば上記の
構造は可能となる。
成する多重量子井戸（ＭＱＷ）半導体素子の量子井戸半
導体のバンドギャップと障壁層の半導体のバンドギャッ
プの伝導帯におけるエネルギー差ΔＥCが0.２eVより大
きく、0.５eVより小さくすれば、高入力下でも吸収飽和
のないことが実験により確認されている。エネルギー差
をこのような範囲内とするには、障壁層の組成を４元Ｉ
nＧaＡlＡsにして井戸層ＩnＧaＡsと障壁層とのエネル
ギー差を減らしてやればよい。通常、ＩnＰ基板に格子
整合するＩnＧaＡs井戸層、ＩnＡlＡs障壁層との間には
0.５eVの伝導帯におけるエネルギー差ΔＥCがあり、他
方、ＩnＰ基板に格子整合するＩnＰ障壁層とＩnＧaＡs
井戸層の間には0.２eVの伝導帯におけるエネルギー差Δ
ＥCがあり、障壁層を４元ＩnＧaＡlＡsにすれば上記の
構造は可能となる。
【００２４】〔作用〕量子井戸構造に量子サイズ効果の
大きなＩnＧaＡs/ＩnＧaＡlＡs系を用いているので、電
界印加による吸収係数は大きく、素子長は短くでき、高
速動作が可能となる。素子長が短いので離調を小さくで
き、挿入損・チャーピングの低減が可能で、高速動作で
きる。通常の格子整合系と違い、量子井戸内に応力が加
わるようにして、且つ、量子井戸の厚さを最適化して軽
い正孔と電子からなる励起子吸収と重い正孔と電子から
なる励起子吸収を合わせ電界による吸収係数変化を大き
くできる。また、適当に電子の閉じ込めを弱くしてある
ので低チャープ特性が期待できる。
大きなＩnＧaＡs/ＩnＧaＡlＡs系を用いているので、電
界印加による吸収係数は大きく、素子長は短くでき、高
速動作が可能となる。素子長が短いので離調を小さくで
き、挿入損・チャーピングの低減が可能で、高速動作で
きる。通常の格子整合系と違い、量子井戸内に応力が加
わるようにして、且つ、量子井戸の厚さを最適化して軽
い正孔と電子からなる励起子吸収と重い正孔と電子から
なる励起子吸収を合わせ電界による吸収係数変化を大き
くできる。また、適当に電子の閉じ込めを弱くしてある
ので低チャープ特性が期待できる。
【００２５】量子井戸層内に伸張応力を生じさせると、
その吸収端の波長は応力のない場合に比べ短波長になる
ため、量子井戸の厚さを厚くして同じ吸収端波長とす
る。このとき、前述したように量子井戸の深さは深いほ
どＱＣＳＥに基づく吸収端波長シフトと大きくなるが、
振動子強度は逆に減少するので量子井戸の厚さには最適
な値がある。ここでは、波長1.55μｍで電界吸収形強度
変調器として動作するように、井戸層厚を12〜20nmと
し、井戸層内に0.40〜0.50％の伸張歪を、５nmの障壁層
に0.５％の圧縮歪を導入した。また、これを用いて大き
な吸収係数変化を持つ、高性能光導波路形変調器を提供
することができた。
その吸収端の波長は応力のない場合に比べ短波長になる
ため、量子井戸の厚さを厚くして同じ吸収端波長とす
る。このとき、前述したように量子井戸の深さは深いほ
どＱＣＳＥに基づく吸収端波長シフトと大きくなるが、
振動子強度は逆に減少するので量子井戸の厚さには最適
な値がある。ここでは、波長1.55μｍで電界吸収形強度
変調器として動作するように、井戸層厚を12〜20nmと
し、井戸層内に0.40〜0.50％の伸張歪を、５nmの障壁層
に0.５％の圧縮歪を導入した。また、これを用いて大き
な吸収係数変化を持つ、高性能光導波路形変調器を提供
することができた。
【００２６】即ち、図９に示すように、電界吸収形強度
変調器として通常の応力のない場合に比べ約半分の電圧
で同じ消光比を得ることができた。これは同じ消光比、
同じ電圧に対して試料の長さが半分で済むことを意味す
るので、素子の速度を律速している素子容量も半分とな
り、速度は倍となる。測定系の制限から、３dB帯域は40
GHzあるとしか確認できなかった。更に、歪の添加に対
してヘテロ界面において質量の大きな正孔に対する障壁
の高さは高くなるのを４元障壁層を用いて低くしている
ので正孔のパイルアップを防止でき吸収飽和を生じるこ
とがなくなった。また、適当に電子の閉じ込めを弱くし
てあるので、チャーピングの低減が可能となり、従来素
子に比べ格段の性能向上が図れた。
変調器として通常の応力のない場合に比べ約半分の電圧
で同じ消光比を得ることができた。これは同じ消光比、
同じ電圧に対して試料の長さが半分で済むことを意味す
るので、素子の速度を律速している素子容量も半分とな
り、速度は倍となる。測定系の制限から、３dB帯域は40
GHzあるとしか確認できなかった。更に、歪の添加に対
してヘテロ界面において質量の大きな正孔に対する障壁
の高さは高くなるのを４元障壁層を用いて低くしている
ので正孔のパイルアップを防止でき吸収飽和を生じるこ
とがなくなった。また、適当に電子の閉じ込めを弱くし
てあるので、チャーピングの低減が可能となり、従来素
子に比べ格段の性能向上が図れた。
【００２７】
〔実施例１〕図１は、上述したような大きな吸収係数変
化を利用した本発明の光変調器の一実施例を示す。図
中、１はｎ−ＩnＰ基板、２はｎ−ＩnＡlＡsクラッド
層、３はノンドープＩn1-xＧaxＡs/Ｉn1-y-zＧazＡlyＡ
s多重量子井戸層、４はｐ−ＩnＡlＡsクラッド層、５は
ｐ−ＩnＧaＡs層、６はＮ側電極、７はＰ側電極、８は
反射防止膜、９はポリイミドである。量子井戸層３は、
ＩnＧaＡsとＩnＧaＡlＡsを量子井戸層、障壁層とする
多重量子井戸構造で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で作製した。
化を利用した本発明の光変調器の一実施例を示す。図
中、１はｎ−ＩnＰ基板、２はｎ−ＩnＡlＡsクラッド
層、３はノンドープＩn1-xＧaxＡs/Ｉn1-y-zＧazＡlyＡ
s多重量子井戸層、４はｐ−ＩnＡlＡsクラッド層、５は
ｐ−ＩnＧaＡs層、６はＮ側電極、７はＰ側電極、８は
反射防止膜、９はポリイミドである。量子井戸層３は、
ＩnＧaＡsとＩnＧaＡlＡsを量子井戸層、障壁層とする
多重量子井戸構造で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で作製した。
【００２８】通常、ｎ−ＩnＰ基板１に格子整合するＩn
1-xＧaxＡsやＩn1-y-zＧazＡlyＡsなどの混晶条件はx=
0.47,y=0.48であるが、ｘやｙの値を変えることで格子
不整を生じ応力が発生する。応力の大きさ、向きも井戸
層、障壁層の上記組成や膜厚を変えることでクラックの
発生しない範囲で自由に変えられる。例えば、y=0.48と
障壁層をＩnＰ基板に整合させた場合、x＞0.47では引張
り応力が発生するが、x＜0.47では圧縮応力が発生す
る。井戸層の厚さを12nmと通常のＩnＰ基板に整合させ
た場合の厚さ7.5nmに比べ大幅に増大でき、ＱＣＳＥの
高効率が可能となった。
1-xＧaxＡsやＩn1-y-zＧazＡlyＡsなどの混晶条件はx=
0.47,y=0.48であるが、ｘやｙの値を変えることで格子
不整を生じ応力が発生する。応力の大きさ、向きも井戸
層、障壁層の上記組成や膜厚を変えることでクラックの
発生しない範囲で自由に変えられる。例えば、y=0.48と
障壁層をＩnＰ基板に整合させた場合、x＞0.47では引張
り応力が発生するが、x＜0.47では圧縮応力が発生す
る。井戸層の厚さを12nmと通常のＩnＰ基板に整合させ
た場合の厚さ7.5nmに比べ大幅に増大でき、ＱＣＳＥの
高効率が可能となった。
【００２９】即ち、波長1.55μｍで電界吸収形強度変調
器として動作させた素子では、井戸層厚を12〜20nmと
し、井戸層内に0.40〜0.50％の伸張歪を、厚さ５nmの障
壁層に0.５％の圧縮歪を導入した。その特性を図８，９
に示す。変調器部分の長さが短いので離調を小さくして
も伝搬損の増加は大きくなく、チャーピングも小さくで
きる。また、障壁層に井戸層と逆向きの圧縮応力を加え
てあるので、井戸層厚は12〜20nm、ノンドープＩn1-xＧ
axＡs/Ｉn1-y-zＧazＡlyＡs多重量子井戸層は0.13μｍ
と比較的厚いにも係わらず、応力は弾性の範囲内であっ
て転移やクラックの発生することはなかった。
器として動作させた素子では、井戸層厚を12〜20nmと
し、井戸層内に0.40〜0.50％の伸張歪を、厚さ５nmの障
壁層に0.５％の圧縮歪を導入した。その特性を図８，９
に示す。変調器部分の長さが短いので離調を小さくして
も伝搬損の増加は大きくなく、チャーピングも小さくで
きる。また、障壁層に井戸層と逆向きの圧縮応力を加え
てあるので、井戸層厚は12〜20nm、ノンドープＩn1-xＧ
axＡs/Ｉn1-y-zＧazＡlyＡs多重量子井戸層は0.13μｍ
と比較的厚いにも係わらず、応力は弾性の範囲内であっ
て転移やクラックの発生することはなかった。
【００３０】〔実施例２〕図２は、上述したような大き
な吸収係数変化を利用した本発明の光変調器の他の実施
例を示す。図中、１１はｎ−ＩnＰ基板、１２はｎ−Ｉn
Ｐクラッド層、１３はアンドープＩnＧaＡs/ＩnＧaＡl
Ａs多重量子井戸層、１４はｐ−ＩnＰクラッド層、１５
はｐ−ＩnＧaＡs層、１６はＮ側電極、１７はＰ側電
極、１８は反射防止膜、１９はポリイミドである。多重
量子井戸層１３は、ＩnＧaＡsとＩnＧaＡlＡsの応力の
補償された多重量子井戸構造になっている。
な吸収係数変化を利用した本発明の光変調器の他の実施
例を示す。図中、１１はｎ−ＩnＰ基板、１２はｎ−Ｉn
Ｐクラッド層、１３はアンドープＩnＧaＡs/ＩnＧaＡl
Ａs多重量子井戸層、１４はｐ−ＩnＰクラッド層、１５
はｐ−ＩnＧaＡs層、１６はＮ側電極、１７はＰ側電
極、１８は反射防止膜、１９はポリイミドである。多重
量子井戸層１３は、ＩnＧaＡsとＩnＧaＡlＡsの応力の
補償された多重量子井戸構造になっている。
【００３１】前述した実施例と同様に、ｎ−ＩnＰ基板
１に格子整合するＩn1-xＧaxＡs1-yＰyやＩn1-u-vＧau
ＡlvＡsなどの混晶の組成条件やx,y,u,vの値を変えるこ
とで格子不整を生じ応力が発生する。応力の大きさ、向
きも井戸層、障壁層の上記組成や膜厚を変えることでク
ラックの発生しない範囲で自由に変えられる。井戸層に
は図１と同様に伸張歪が0.５％加えられている。
１に格子整合するＩn1-xＧaxＡs1-yＰyやＩn1-u-vＧau
ＡlvＡsなどの混晶の組成条件やx,y,u,vの値を変えるこ
とで格子不整を生じ応力が発生する。応力の大きさ、向
きも井戸層、障壁層の上記組成や膜厚を変えることでク
ラックの発生しない範囲で自由に変えられる。井戸層に
は図１と同様に伸張歪が0.５％加えられている。
【００３２】
【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明によれば、低電圧で動作し、高速動作
が可能となり、且つ、低電圧で低チャープ特性を有する
変調器が得られる。また、多重量子井戸構造での量子井
戸層内に引張り応力が加わるようにして、軽い正孔と電
子からなる励起子吸収と重い正孔と電子からなる励起子
吸収が重なるようにしているため、従来に比べ厚い井戸
層を用いることができ、小さい電界印加で大きな吸収係
数変化が得られ、高速・高効率な光変調器が得られる。
尚、上記実施例では、ＩnＰ基板を用いたＩnＧaＡs,Ｉn
ＡlＡs混晶について述べたが、ＩnＰ基板を用いたＩnＧ
aＡsＰや、ＧaＡs基板を用いたＩnＧaＡs,ＩnＡlＡs,Ｉ
nＧaＡsＰ,ＡlＧaＡs混晶系についても同様な効果があ
ることは明らかである。
たように、本発明によれば、低電圧で動作し、高速動作
が可能となり、且つ、低電圧で低チャープ特性を有する
変調器が得られる。また、多重量子井戸構造での量子井
戸層内に引張り応力が加わるようにして、軽い正孔と電
子からなる励起子吸収と重い正孔と電子からなる励起子
吸収が重なるようにしているため、従来に比べ厚い井戸
層を用いることができ、小さい電界印加で大きな吸収係
数変化が得られ、高速・高効率な光変調器が得られる。
尚、上記実施例では、ＩnＰ基板を用いたＩnＧaＡs,Ｉn
ＡlＡs混晶について述べたが、ＩnＰ基板を用いたＩnＧ
aＡsＰや、ＧaＡs基板を用いたＩnＧaＡs,ＩnＡlＡs,Ｉ
nＧaＡsＰ,ＡlＧaＡs混晶系についても同様な効果があ
ることは明らかである。
【図１】本発明の一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す説明図である。
【図３】本発明に基づく多重量子井戸構造の電界印加に
よる吸収係数変化を示すグラフである。
よる吸収係数変化を示すグラフである。
【図４】従来の応力の加えられていない多重量子井戸構
造の電界印加による吸収係数変化を示すグラフである。
造の電界印加による吸収係数変化を示すグラフである。
【図５】通常ファイバを変調速度10Gbits/sで伝送した
ときペナルティ１dBの条件でどれくらい伝送できるかを
チャーピングパラメータαを用いて評価した計算結果を
示すグラフである。
ときペナルティ１dBの条件でどれくらい伝送できるかを
チャーピングパラメータαを用いて評価した計算結果を
示すグラフである。
【図６】長波長帯で動作する多重量子井戸構造のち、Ｉ
nＧaＡs/ＩnＰ，ＩnＧaＡsＰ/ＩnＧaＡsＰ，ＩnＧaＡs/
ＩnＡlＡsのエネルギーバンドを示す説明図である。
nＧaＡs/ＩnＰ，ＩnＧaＡsＰ/ＩnＧaＡsＰ，ＩnＧaＡs/
ＩnＡlＡsのエネルギーバンドを示す説明図である。
【図７】ＩnＰ基板に格子整合するＩn0.53Ｇa0.47Ａs/
Ｉn0.52Ａl0.48Ａs（ｂ）とＩnＧaＡs/ＩnＧaＡsＰ
（ａ）量子井戸において井戸層厚をパラメータとしたと
きのチャーピングパラメータαの印加電圧依存性を示す
グラフである。
Ｉn0.52Ａl0.48Ａs（ｂ）とＩnＧaＡs/ＩnＧaＡsＰ
（ａ）量子井戸において井戸層厚をパラメータとしたと
きのチャーピングパラメータαの印加電圧依存性を示す
グラフである。
【図８】本発明に基づく量子井戸構造の電界印加による
チャーピングパラメータαの離調をパラメータとしたと
き印加電圧依存性を示すグラフである。
チャーピングパラメータαの離調をパラメータとしたと
き印加電圧依存性を示すグラフである。
【図９】本発明に基づく多重量子井戸構造の量子井戸に
引張り応力を付加したとき及び従来の多重量子井戸構造
の電界印加による消光比の電界依存性を示すグラフであ
る。
引張り応力を付加したとき及び従来の多重量子井戸構造
の電界印加による消光比の電界依存性を示すグラフであ
る。
１ ｎ−ＩnＰ基板 ２ ｎ−ＩnＡlＡsクラッド層 ３ ノンドープＩn1-xＧaxＡs/Ｉn1-y-zＧazＡlyＡs多
重量子井戸層 ４ ｐ−ＩnＡlＡsクラッド層 ５ ｐ−ＩnＧaＡs層 ６ Ｎ側電極 ７ Ｐ側電極 ８ 反射防止膜 ９ ポリイミド １１ ｎ−ＩnＰ基板 １２ ｎ−ＩnＰクラッド層 １３ アンドープＩnＧaＡs/ＩnＧaＡlＡs多重量子井戸
層 １４ ｐ−ＩnＰクラッド層 １５ ｐ−ＩnＧaＡs層 １６ Ｎ側電極 １７ Ｐ側電極 １８ 反射防止膜 １９ ポリイミド
重量子井戸層 ４ ｐ−ＩnＡlＡsクラッド層 ５ ｐ−ＩnＧaＡs層 ６ Ｎ側電極 ７ Ｐ側電極 ８ 反射防止膜 ９ ポリイミド １１ ｎ−ＩnＰ基板 １２ ｎ−ＩnＰクラッド層 １３ アンドープＩnＧaＡs/ＩnＧaＡlＡs多重量子井戸
層 １４ ｐ−ＩnＰクラッド層 １５ ｐ−ＩnＧaＡs層 １６ Ｎ側電極 １７ Ｐ側電極 １８ 反射防止膜 １９ ポリイミド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野口 悦男 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】 第一と第二のバンドギャップ（Ｅg1，Ｅ
g2：Ｅg1＞Ｅg2）をそれぞれ持つ第一と第二の半導体か
らなり、その厚さがボーア半径より薄い多重異種構造か
ら構成されるいわゆる多重量子井戸（ＭＱＷ）半導体素
子において、上記多重量子井戸層の両側を第一の半導体
と同等かそれより小さい屈折率を持つ第三の半導体で挟
んだ、いわゆる導波構造を形成し、この導波構造を上記
各層に平行な面内で挟んで互いに一方を他方とその導電
形が異なるように不純物を添加して外部から上記多重量
子井戸層に垂直に電圧を印加できるようにした導波形多
重量子井戸構造光変調器において、その導波形多重量子
井戸構造光変調器を構成する多重量子井戸（ＭＱＷ）半
導体素子の上記第一の半導体のバンドギャップと上記第
二の半導体のバンドギャップの伝導帯におけるエネルギ
ー差ΔＥCが0.２eVより大きく0.５eVより小さいことを
特徴とする半導体量子井戸光変調器。 - 【請求項２】 前記多重量子井戸構造を構成する第一の
半導体はＩnＧaＡlＡsであり、第二の半導体はＩnＧaＡ
lＡs又はＩnＧaＡsであることを特徴とする請求項１記
載の半導体量子井戸光変調器。 - 【請求項３】 前記第一の半導体の格子定数は、これら
の層をその上に成長させている基板結晶の格子定数と不
整合であり量子井戸層内に伸張応力を生じさせ、この伸
張歪は0.３〜0.５％であることを特徴とする請求項２記
載の半導体量子井戸光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22204396A JPH1062732A (ja) | 1996-08-23 | 1996-08-23 | 半導体量子井戸光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22204396A JPH1062732A (ja) | 1996-08-23 | 1996-08-23 | 半導体量子井戸光変調器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1062732A true JPH1062732A (ja) | 1998-03-06 |
Family
ID=16776203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22204396A Pending JPH1062732A (ja) | 1996-08-23 | 1996-08-23 | 半導体量子井戸光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1062732A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001033287A1 (fr) * | 1999-10-28 | 2001-05-10 | Center For Advanced Science And Technology Incubation, Ltd. | Modulateur optique a electro-absorption et son procede de fabrication |
| JP2001281609A (ja) * | 2000-03-30 | 2001-10-10 | Mitsubishi Electric Corp | 光変調器及び光変調器付半導体レーザ装置、並びに光通信装置 |
| KR100500097B1 (ko) * | 2002-03-01 | 2005-07-11 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | 광변조기 |
-
1996
- 1996-08-23 JP JP22204396A patent/JPH1062732A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001033287A1 (fr) * | 1999-10-28 | 2001-05-10 | Center For Advanced Science And Technology Incubation, Ltd. | Modulateur optique a electro-absorption et son procede de fabrication |
| JP2001281609A (ja) * | 2000-03-30 | 2001-10-10 | Mitsubishi Electric Corp | 光変調器及び光変調器付半導体レーザ装置、並びに光通信装置 |
| KR100500097B1 (ko) * | 2002-03-01 | 2005-07-11 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | 광변조기 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20040601 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |