JPS60260024A - 光変調素子 - Google Patents
光変調素子Info
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- JPS60260024A JPS60260024A JP59115585A JP11558584A JPS60260024A JP S60260024 A JPS60260024 A JP S60260024A JP 59115585 A JP59115585 A JP 59115585A JP 11558584 A JP11558584 A JP 11558584A JP S60260024 A JPS60260024 A JP S60260024A
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
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- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
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- H—ELECTRICITY
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/16—Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/164—Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface with window regions comprising semiconductor material with a wider bandgap than the active layer
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(発明の技術分野)
本発明は、光外部変調素子に関するものである。
(従来の技術)
半導体レーザは、小型、高効率で信頼性が高いことなど
から、光フアイバ通信用光源としてすでに実用化されて
いる。半導体レーザのもう一つの大きな特長として直接
変調が可能なことであるが、高速で直接変調を行なうと
半導体レーザのスペクトル幅に広がりが生じるため、長
距離大容量光ファイバ通信を行なう上で大きな障害とな
っている。
から、光フアイバ通信用光源としてすでに実用化されて
いる。半導体レーザのもう一つの大きな特長として直接
変調が可能なことであるが、高速で直接変調を行なうと
半導体レーザのスペクトル幅に広がりが生じるため、長
距離大容量光ファイバ通信を行なう上で大きな障害とな
っている。
特に、臂開面から成る通常の半導体レーザは、高速変調
時に複数の波長で発振するだめ、光ファイバの波長分散
はないが損失の大きい1.3μm波長帯でしか用いられ
ない。一方、高速変調時にも単一波長動作をする分布帰
還型半導体レーザは波長分散の影響を受けに(いため、
低損失な1.5μm帯で盛んに開発されている。しかし
ながら、変調速度が1ギガピット/秒(Gb/S )以
上になると、たとえ単一波長で発振していても、そのス
ペクトル線幅は注入キャリア密度の変化のだめに広がっ
ているだめ、分散の影響が無視できなくなることが問題
となりつつある。
時に複数の波長で発振するだめ、光ファイバの波長分散
はないが損失の大きい1.3μm波長帯でしか用いられ
ない。一方、高速変調時にも単一波長動作をする分布帰
還型半導体レーザは波長分散の影響を受けに(いため、
低損失な1.5μm帯で盛んに開発されている。しかし
ながら、変調速度が1ギガピット/秒(Gb/S )以
上になると、たとえ単一波長で発振していても、そのス
ペクトル線幅は注入キャリア密度の変化のだめに広がっ
ているだめ、分散の影響が無視できなくなることが問題
となりつつある。
高速変調時における発揚波長のチャーピング(変動)も
しくは、これによる発振スペクトル線幅の広がりは、半
導体レーザを直接変調する限り避けることはできない。
しくは、これによる発振スペクトル線幅の広がりは、半
導体レーザを直接変調する限り避けることはできない。
そこで、半導体レーザは定常的に単一波長動作させてお
き、その出力光を共振器の外で変調を行なう外部変調が
有望視されている。外部変調では、静的なスペクトル線
幅(≦10 MHz )に変調帯域(〜GHz)の広が
多しか加わらないだめ、直接変調時のスペクトル線幅の
広が9(1〜3X)の約10分の1におさえることが可
能である。
き、その出力光を共振器の外で変調を行なう外部変調が
有望視されている。外部変調では、静的なスペクトル線
幅(≦10 MHz )に変調帯域(〜GHz)の広が
多しか加わらないだめ、直接変調時のスペクトル線幅の
広が9(1〜3X)の約10分の1におさえることが可
能である。
このような従来の導波路型外部変調器は、変調帯域、消
光比などの点から強誘電体材料を中心とした方向性結合
型、マツハツエンダ干渉型などの構造が主に着目されて
いるが、これらは光の位相速度を変化させて強度変調を
行なうだめ、導波路の寸法と長さを均一かつ精密に制御
して作製する必要があり、素子長も数關〜数αと長く、
挿入損も大きいという欠点があった。
光比などの点から強誘電体材料を中心とした方向性結合
型、マツハツエンダ干渉型などの構造が主に着目されて
いるが、これらは光の位相速度を変化させて強度変調を
行なうだめ、導波路の寸法と長さを均一かつ精密に制御
して作製する必要があり、素子長も数關〜数αと長く、
挿入損も大きいという欠点があった。
(発明の目的)
本発明は、前述した従来技術の欠点に鑑み々されたもの
で、変調帯域消光比が大きく、素子長も短かく、半導体
レーザとの集積化が可能な光外部変調素子を提供するこ
とを目的としたものである。
で、変調帯域消光比が大きく、素子長も短かく、半導体
レーザとの集積化が可能な光外部変調素子を提供するこ
とを目的としたものである。
(発明の特徴)
この目的達成のために、本発明の光変調素子は、無変調
の入射光が導かれた導波路に沿って光の進行方向に対し
斜めに傾いた回折格子を具備し、その回折格子が形成さ
れた導波路部分の屈折率を電圧印加又は電流注入等の外
部入力によって変化させるように構成されたことにある
。
の入射光が導かれた導波路に沿って光の進行方向に対し
斜めに傾いた回折格子を具備し、その回折格子が形成さ
れた導波路部分の屈折率を電圧印加又は電流注入等の外
部入力によって変化させるように構成されたことにある
。
(発明の構成及び作用)
以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。
図1は本発明による光外部変調器の基本構成を示してい
る。すなわち、導波路に沿って、入射光の進行方向に対
しθなる角度で斜めに回折格子が形成されている。回折
格子の周期をA9回折格子部分の導波路の屈折率をnl
とすると、λ、=2nlAcosθを満たすブラッグ波
長λ、の入射光は、入射光の進行方向に対し2θの方向
に放射される。いま、θを45°付近にとると、反射光
の放射方向は導波路とほぼ直角となり、もはや導波され
ず、透過光として出力されな緊。入射光に対し斜めの回
折格子の反射率及び透過光の波長特性を図2に実線で示
す。
る。すなわち、導波路に沿って、入射光の進行方向に対
しθなる角度で斜めに回折格子が形成されている。回折
格子の周期をA9回折格子部分の導波路の屈折率をnl
とすると、λ、=2nlAcosθを満たすブラッグ波
長λ、の入射光は、入射光の進行方向に対し2θの方向
に放射される。いま、θを45°付近にとると、反射光
の放射方向は導波路とほぼ直角となり、もはや導波され
ず、透過光として出力されな緊。入射光に対し斜めの回
折格子の反射率及び透過光の波長特性を図2に実線で示
す。
λ1はブラッグ波長で、前述の如く、反射率は最大とな
り、従って透過率は0となる。一方、その他の波長では
反射率は小さくなシ、特に、回折格子の干渉効果により
反射率が著しく小さい波長が存在する。このような波長
では透過率は最大となる。
り、従って透過率は0となる。一方、その他の波長では
反射率は小さくなシ、特に、回折格子の干渉効果により
反射率が著しく小さい波長が存在する。このような波長
では透過率は最大となる。
図2の破線は導波路の屈折率をn2(>n、)に変化さ
せ、ブラッグ波長をλ、からλ2(−2n2Acosθ
)にシフトさせたときの波長特性を示している。この際
、ブラング波長近傍の透過率が最大となる波長が、屈折
率変化前のブラッグ波長λ、に一致するように屈折率を
変化させることにより、一定の入射光λ1に対しては反
射から透過へとスイッチさせることができる。ここで、
黒丸はオフ時であり、白丸はオン時である。すなわち、
導波路の屈折率を変化させることにより強度変調された
透過光を得ることができる。また、二つの異なる波長λ
、及びλ2によシFS変調することも可能である。
せ、ブラッグ波長をλ、からλ2(−2n2Acosθ
)にシフトさせたときの波長特性を示している。この際
、ブラング波長近傍の透過率が最大となる波長が、屈折
率変化前のブラッグ波長λ、に一致するように屈折率を
変化させることにより、一定の入射光λ1に対しては反
射から透過へとスイッチさせることができる。ここで、
黒丸はオフ時であり、白丸はオン時である。すなわち、
導波路の屈折率を変化させることにより強度変調された
透過光を得ることができる。また、二つの異なる波長λ
、及びλ2によシFS変調することも可能である。
実施例1
図3は、上述の本発明による光変調素子を具体的な外部
変調素子としてDFBレーザと集積化した第1の実施例
であり、導波路の屈折率変化を電圧印加より行なうもの
である。1はn型InP基板、2はn型InGaAsP
導波路層、3はInGaAsP活性層、4はp型InG
aAsPバッファ層、5はp型InPクラッド層、6は
p型InGaAsPキャップ層、7は中央部てその位相
が管内波長の4分の1だけシフトした回折格子、8及び
9は各々p側、n側の電極である。電極8を通して直流
電流を注入することにより、回折格子7が設けられた領
域がDFBレーザとして発振する。この際、発振波長は
回折格子7の周期で決凍るブラッグ波長で安定な単一波
長動作し、そのスペクトル線幅は数MHz以下と極めて
狭い。DFBレーザからの出力光は、低損失な外部導波
路であるInGaAsP層10内を伝搬する。
変調素子としてDFBレーザと集積化した第1の実施例
であり、導波路の屈折率変化を電圧印加より行なうもの
である。1はn型InP基板、2はn型InGaAsP
導波路層、3はInGaAsP活性層、4はp型InG
aAsPバッファ層、5はp型InPクラッド層、6は
p型InGaAsPキャップ層、7は中央部てその位相
が管内波長の4分の1だけシフトした回折格子、8及び
9は各々p側、n側の電極である。電極8を通して直流
電流を注入することにより、回折格子7が設けられた領
域がDFBレーザとして発振する。この際、発振波長は
回折格子7の周期で決凍るブラッグ波長で安定な単一波
長動作し、そのスペクトル線幅は数MHz以下と極めて
狭い。DFBレーザからの出力光は、低損失な外部導波
路であるInGaAsP層10内を伝搬する。
本発明による光変調素子は外部導波路領域に設けられて
いる。斜めの回折格子12はInP層1層上1上成され
ており、13は絶縁膜、14は斜めの回折格子12の上
に設けられた変調電圧印加用の電極である。
いる。斜めの回折格子12はInP層1層上1上成され
ており、13は絶縁膜、14は斜めの回折格子12の上
に設けられた変調電圧印加用の電極である。
回折格子12の周期は、DFBレーザの発振波長が電圧
が印加されないときのブラッグ波長と一致するように選
ばれている。従って、前述したように無電圧時は素子端
面20から光は出力されない。い1、電極14に電圧を
印加すると、電気光学効果により、導波路層10の屈折
率が変化し、回折格子12のプラック波長がシフトする
。この際、一定の入射光に対して透過率が最大となるよ
うな電圧を加えることにより素子端面20から光が出力
される。
が印加されないときのブラッグ波長と一致するように選
ばれている。従って、前述したように無電圧時は素子端
面20から光は出力されない。い1、電極14に電圧を
印加すると、電気光学効果により、導波路層10の屈折
率が変化し、回折格子12のプラック波長がシフトする
。この際、一定の入射光に対して透過率が最大となるよ
うな電圧を加えることにより素子端面20から光が出力
される。
このようにして、光出力は変調素子の電圧に対応して強
度変調を受けるわけである。この際、DFBレーザの活
性層3内のキャリアは定常的に一定であるため、出力光
のスペクトル線幅は変調帯域分しか広がらず、数Gb/
Sの変調に対してもスペクトル線幅はIX以下と極めて
小さい。々お、15は、端面20からの反射を抑圧する
だめのInP窓領域であるが、このInP窓領域15は
無反射コーテイング膜19に変更してもよく、また15
と19の両者の組み合わせでもよい。また、導波路層に
電界を加える構造としてMIS構造について示しだが、
PN接合に逆バイアスを加える構造でも同様の効果が得
られる。
度変調を受けるわけである。この際、DFBレーザの活
性層3内のキャリアは定常的に一定であるため、出力光
のスペクトル線幅は変調帯域分しか広がらず、数Gb/
Sの変調に対してもスペクトル線幅はIX以下と極めて
小さい。々お、15は、端面20からの反射を抑圧する
だめのInP窓領域であるが、このInP窓領域15は
無反射コーテイング膜19に変更してもよく、また15
と19の両者の組み合わせでもよい。また、導波路層に
電界を加える構造としてMIS構造について示しだが、
PN接合に逆バイアスを加える構造でも同様の効果が得
られる。
実施例2
図4は、本発明の第2の実施例である。図3の実施例と
は、外部導波路の屈折率をキャリア注入により変化させ
る点で異なっている。すなわち、11aはp型InPク
ラッド層、14aは電極であり、変調電流は禁制帯幅の
小さいInGaAsP外部導波路層10に有効に注入さ
れる。注入されたキャリアは屈折率の変化を引き起すた
め、回折格子12によるブラッグ波長は、屈折率変化に
伴ってシフトする。
は、外部導波路の屈折率をキャリア注入により変化させ
る点で異なっている。すなわち、11aはp型InPク
ラッド層、14aは電極であり、変調電流は禁制帯幅の
小さいInGaAsP外部導波路層10に有効に注入さ
れる。注入されたキャリアは屈折率の変化を引き起すた
め、回折格子12によるブラッグ波長は、屈折率変化に
伴ってシフトする。
但し、キャリア注入は吸収損失の増加も伴うので、この
場合には、変調電流■、がオンのとき光出力がオフとな
るように回折格子12の周期を定めた方がダイナミック
レンジが大きくとれる。
場合には、変調電流■、がオンのとき光出力がオフとな
るように回折格子12の周期を定めた方がダイナミック
レンジが大きくとれる。
実施例3
図5は、本発明による第3の実施例で、光照射により被
変調光を得る構造である。変調光が照射されない場合に
光が出力されないように回折格子12の周期が選ばれて
いる。外部導波路16はMQW(多重量子井戸)構造に
より形成されており、回折格子12に透明電極17を通
してMQW構造のエキシトンのピーク波長に一致した変
調光Lmを照射すると、MQW構造特有の大きな非線形
性により屈折率が変化する。従って、回折格子12のブ
ラッグ波長がシフトし、透過光が得られる。なお、通常
エキシトン吸収の緩和にはIons程度の時間を要する
が、各タイムスロット内の終端に、導波路界面のPN接
合に電極9,17により逆バイアス(−■)を加えてキ
ャリアを空乏化させることにより高速応答が期待できる
。なお、変調光しrnを横から照射しても同様の効果が
得られる。
変調光を得る構造である。変調光が照射されない場合に
光が出力されないように回折格子12の周期が選ばれて
いる。外部導波路16はMQW(多重量子井戸)構造に
より形成されており、回折格子12に透明電極17を通
してMQW構造のエキシトンのピーク波長に一致した変
調光Lmを照射すると、MQW構造特有の大きな非線形
性により屈折率が変化する。従って、回折格子12のブ
ラッグ波長がシフトし、透過光が得られる。なお、通常
エキシトン吸収の緩和にはIons程度の時間を要する
が、各タイムスロット内の終端に、導波路界面のPN接
合に電極9,17により逆バイアス(−■)を加えてキ
ャリアを空乏化させることにより高速応答が期待できる
。なお、変調光しrnを横から照射しても同様の効果が
得られる。
実施例4
図6は本発明による第4の実施例であり、波長λ1と波
長λ2の反射率及び透過率が互いに反対となるように導
波路の屈折率を制御してFS変調する構造である。
長λ2の反射率及び透過率が互いに反対となるように導
波路の屈折率を制御してFS変調する構造である。
同図において、7aは中央部で位相反転を有しない回折
格子であシ、他は図3とまったく同様である。すなわち
、2波長発振半導体レーザとして、位相反転を有しない
回折格子7aを用いたDFBレーザを使用したものであ
る。
格子であシ、他は図3とまったく同様である。すなわち
、2波長発振半導体レーザとして、位相反転を有しない
回折格子7aを用いたDFBレーザを使用したものであ
る。
図2の如く、波長λ2の反射率が最大の時には波長λ、
の反射率が最低となシ、逆に、波長λ2の透過率が最大
の時には波長λ、の透過率が最低となるように、変調用
電極14に印加する電圧によって各屈折率n、及びn2
に変化させれば、FS変調した出力光を取り出すことが
できる。
の反射率が最低となシ、逆に、波長λ2の透過率が最大
の時には波長λ、の透過率が最低となるように、変調用
電極14に印加する電圧によって各屈折率n、及びn2
に変化させれば、FS変調した出力光を取り出すことが
できる。
尚、屈折率を変化させる機能として、電圧印加を行なっ
たが電流注入あるいは光照射により行なうことができる
。また、2波長発振半導体レーザとして、位相反転を有
しない回折格子7aを用いたDFBレーザを例にとり説
明したが、2波長発振する他の半導体レーザなら何でも
良いことは言うまでも々い。
たが電流注入あるいは光照射により行なうことができる
。また、2波長発振半導体レーザとして、位相反転を有
しない回折格子7aを用いたDFBレーザを例にとり説
明したが、2波長発振する他の半導体レーザなら何でも
良いことは言うまでも々い。
本発明の実施例として、簡単のため全面電極構造につい
て示したが、埋め込み構造などの横モードの安定化を図
った各種のストライプ構造にも適応できる。また、材料
もInGaAsP系に限らず、AAGaInAs系、
AAGaAsS、b系、 AAGaAs系などにも適応
できることは言うまでもない。
て示したが、埋め込み構造などの横モードの安定化を図
った各種のストライプ構造にも適応できる。また、材料
もInGaAsP系に限らず、AAGaInAs系、
AAGaAsS、b系、 AAGaAs系などにも適応
できることは言うまでもない。
(発明の効果)
以上詳細に説明したように、本発明の如く、所望の傾き
を設けた回折格子を具備し、かつ該回折格子が形成され
た導波路佃域の屈折率を変化させることにより、スペク
トル線幅が狭く、高速動作が可能で消光比の大きな被変
調光が得られ、1だ作製も容易にしてレーザとの集積化
が可能な外部変調素子が実現できる。従って、長距、離
、超大容量の光フアイバ通信に用いる光源として有望で
あり、その効果は極めて大きい。
を設けた回折格子を具備し、かつ該回折格子が形成され
た導波路佃域の屈折率を変化させることにより、スペク
トル線幅が狭く、高速動作が可能で消光比の大きな被変
調光が得られ、1だ作製も容易にしてレーザとの集積化
が可能な外部変調素子が実現できる。従って、長距、離
、超大容量の光フアイバ通信に用いる光源として有望で
あり、その効果は極めて大きい。
図1(a)(b)は本発明の基本構造である斜めの回折
格子が形成された外部導波路の上面図及び平面図、図2
は前記斜めの回折格子のブラッグ波長が導波路の屈折率
変化によりシフトし特定の波長の入射光が反射及び透過
する様子を示す特性図、図3゜図41図5及び図6は本
発明の光変調素子をDFBレーザと集積化した本発明の
実施例を示す斜視図である。 1− n型InP基板、2−n型InGaAsP層、3
− InGaAsP活性層、4−p型InGaAsPバ
ッファ層、5・・・p型InPクラッド層、6 ・p型
InGaAsPキャップ層、7・DFBレーザ用回折格
子、8,9・・・p側及びn側電極、10− InGa
AsP外部導波路層、 11 ・−InP層、11a・
・・p型InPクラッド層、12・・・斜めの回折格子
、13・・・絶縁膜、14 r 14a・・電極、15
・・・InP窓領域、16・・・MQW導波路層、17
・・・透明電極、18・・・n型InP層、19・・・
ARコーティング膜、20・・・素子端面。 特許出願人 国際電信電話株式会社 代理人犬塚 学
格子が形成された外部導波路の上面図及び平面図、図2
は前記斜めの回折格子のブラッグ波長が導波路の屈折率
変化によりシフトし特定の波長の入射光が反射及び透過
する様子を示す特性図、図3゜図41図5及び図6は本
発明の光変調素子をDFBレーザと集積化した本発明の
実施例を示す斜視図である。 1− n型InP基板、2−n型InGaAsP層、3
− InGaAsP活性層、4−p型InGaAsPバ
ッファ層、5・・・p型InPクラッド層、6 ・p型
InGaAsPキャップ層、7・DFBレーザ用回折格
子、8,9・・・p側及びn側電極、10− InGa
AsP外部導波路層、 11 ・−InP層、11a・
・・p型InPクラッド層、12・・・斜めの回折格子
、13・・・絶縁膜、14 r 14a・・電極、15
・・・InP窓領域、16・・・MQW導波路層、17
・・・透明電極、18・・・n型InP層、19・・・
ARコーティング膜、20・・・素子端面。 特許出願人 国際電信電話株式会社 代理人犬塚 学
Claims (4)
- (1)無変調の入射光が導かれた導波路に沿って、該光
の進行方向に対し斜めに傾いた回折格子を具備し、かつ
該回折格子が形成された導波路部分の屈折率を変化させ
る機構を有していることを特徴とする光変調素子。 - (2)前記導波路部分の屈折率変化を電圧印加により行
なわせ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。 - (3)前記導波路部分の屈折率変化を電流注入により行
なわせ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)前記導波路部分の屈折率変化を光照射により行な
わせ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。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59115585A JPS60260024A (ja) | 1984-06-07 | 1984-06-07 | 光変調素子 |
US06/739,477 US4743087A (en) | 1984-06-07 | 1985-05-30 | Optical external modulation semiconductor element |
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