JPS61212824A

JPS61212824A - 光変調器

Info

Publication number: JPS61212824A
Application number: JP5368985A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Yanase; 柳瀬　知夫
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-03-18
Filing date: 1985-03-18
Publication date: 1986-09-20
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: JPH061304B2

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。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光通信及び光情報処理の分野で用いられる光変
調器に関するものである。

（従来の技術）光通信の分野でも光情報処理の分野でも、より高速の信
号を制御する技術が必要となりつつあり、光通信の分野
では現在２　Ｇｂ　／　ｓの伝送が実現されている。こ
のような高速の信号を通信する場合、従来、光源には直
接変調された半導体レーザー、伝送路には単一モード光
ファイバー、光検知６にはアバランシェ・フォトダイオ
ードが用いられて来た。しかし、従来台なわれて来たよ
うな直接変調方式では、半導体レーザーを高速で変調す
ると発振波長の幅が拡がり、光ファイバーの分散によっ
て分散限界となり、２Ｇｂ／ｓを超える高速信号を伝送
することは非常に困難であった。

このような技術的問題点を克服する試みとして、半導体
レーザーは変調しないで、変調は半導体レーザーの外に
付加した光変調器で行なう外部変調方式が試みられてい
る。このような方式であると信号光の波長の幅の拡がり
は大幅に低減され、高速伝送が可能となると考えられて
いた。

光情報処理の分野でも、光通信と同様に高速処理の必要
性が高くなりつつある。このような高速の光信号をオン
・オフするスイッチとして光変調器による光ゲートスイ
ッチが考えられている。このような光変調器には、大別
すると２通りの原理に基づく方式がある。

第１の原理に基づく方式は、材料として半導体レーザー
と同じＱａ　ＡｓやＬｎＰもしくはこれらの結晶に格子
定数が叫しい■−■族混晶半導体をバルクの状態で用い
、電界をこれらの半導体に印加して吸収損失を増加する
ことによって、光の強度を変調する方式である。この光
変調器は、電界を半導体に加えることによって、半導体
の吸収波長端が長波長側に移動するフランツ・ケルディ
シュ効果を利用している。電圧が印加されていない時の
吸収波長端より僅かに長波長側の波長に被変調光の波長
を合わせると、電界が印加されていないときＫは吸収損
失が小さいのに、′電界が印加されると吸収損失は大き
くなり、変調が可能となる。この方式では、半導体レー
ザーと光変調器を同−基板上に構成する事が可能であり
、このようにすると結合損失を小さくする事が容易で、
かつ組み立てが簡易になる長所がある。しかし、この効
果をＩｎＧａＡｓＰを用いた半導体に実際に適用して消
光比２０　ｄ　）３を得るためには場合、１ｍｍの素子
長で印加電圧として約５■が必要になる。一つの素子長
が１ｍｍにもなると、長すぎるために集積化することが
非常に困難になり、かつ５■の変調電圧では電圧が高す
ぎるために高速の変調電圧制御回路の形成が非常に難し
くなる。

第２の原理に基づく方式は、材料として半導体レーザー
と同じＧａＡｓやＩｎＰもしくはこれらの結晶に格子定
数が等しい■−■族混晶半導体からなり、光変調器の光
を吸収する部分が多重量子井戸構造を有し、電界をこの
多重量子井戸に印加して吸収損失を低減することによっ
て、光の強度を変調する方式である。多重量子井戸を光
変調器の光吸収部に使用するこの試みにイー・イー・メ
ンブーツ等によって提案された（雑誌［フィジカル・レ
ビュー）（Ｊ、１９８２年１２月１５日号、２６巻、７
１０１−７１０４頁）。

この多重量子井戸構造は、第２図に示されるように、基
板４とクラッド層５との間に、禁制帯幅の小さい層が量
子サイズ効果を起す５００オングストロームより薄く形
成された量子井戸層２１と、量子井戸層より禁制帯幅の
大きい障壁層２２とが交互に積層された多層構造からな
る。このような多層構造の半導体の各層と垂面に電界を
印加したときの吸収損失の変化を次に説明する。この電
界が印加されていない状態では、被変調光の波長を吸収
波長端より短波長側、即ち吸収損失が発生するような波
長に選ぶとする。このような構造を有する半導体に電界
を印加すると、量子井戸層が非常に薄いため、低い電圧
で給子井戸中に高い電界が加わる。すると、この電界に
よって、童子井戸中の電子の波動関数とホールの波動関
数は空間的に分離する。このような状態に光が入射され
ると、電子の波動関数とホールの波動関数の重なり合う
部分が少ないので、光は吸収されず殆ど透過する。

このような方式に基づく光変調器は、小さい印加電圧で
動作する。そのため第１の方式で問題となった、素子長
が１ｍｍのような長い長さになることはなく、又変調電
圧も２ボルト程度でよく、この電圧が小さいため変調電
圧制御回路の形成も容易であった。しかし、この方式に
基づく光変調器は、光を吸収して発生した電子とホール
がたまり、これらのキャリヤーが緩和するのに時間がか
かり、２　Ｇｂ　／　ｓを超える高速動作はできなかっ
た。

（発明の目的）本発明の目的は、□このような問題点を解決し、短い素
子長でかつ小さな印加電圧で十分な消光比が得られ、か
つ２Ｇｂ／８を超える高速動作が可能な半導体からなる
光変調器を提供する事にある。

（問題点を解決するための手段）本発明の構成は、半導体の吸収損失が印加電界によって
制御される光吸収部を有する光変調器において、前記光
吸収部が、５００オングストロームより薄い半導体層と
この半導体層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅全有する半
導体層とを交互に積層しこれら積層構造のヘテロ界面を
光の伝播方向６一と平行にした多層構造と、この多Ｎ！構造の層面と垂直
に電界を剛力Ｉ」する第１の電極対と、前記多層構造の
層面と平行ＶＣ電界を印加する第２の電極対とを具備す
ることを特徴とする。

（発明の原理・作用）本発明の構成によれは、光を吸収する部分の厚みが５０
０オノグストローム以下の禁制帯幅の小さい量子井戸層
と禁制帯幅の大きい障壁層とが交互に積層された多重量
子井戸構造を用いているため、閉じ込められたキャリヤ
ーが量子サイズ効果を示す。従来法では光を吸収させる
ときに電界を多重量子井戸の多層構造と水平に印加した
のに対し、本発明では光を透過するときに多重量子井戸
の多層構造と垂直に電界を印加する。その電極に電圧が
印加されると光変調器の吸収損失が小さくなるのは、多
重量子井戸の多層構造と垂直に軍、界が印加されるため
、量子井戸中の電子の波動関数とホールの波動関数とが
電界によって空間的に分離し、′重子の波動関門とホー
ルの波動関数の重なり合う部分が少なく、殆ど吸収され
ないためである。この多層構造と垂直に電界を印加する
電極に電圧が印加されていないときには、多重量子井戸
からなる多層構造は吸収損失が増加し透過光の強度は減
少し強度変調がなされる。そして被変調光を吸収すると
きは多層構造と平行に電界を印加する電極対に過圧が印
加されて、発生したキャリヤーをすぐにキャリヤーシン
ク電極対に吸い込ませるため、この多層構造にはキャリ
ヤーが貯ることかなく、吸収が飽和することなく高速で
変調が可能となる。

（実施例）以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す斜視図である。本
実施例は、ｎ型’ＩｎＰ半導体基板４上に、多重量子井
戸層３．ｐ型ＩｎＰクラッド層５が積層されている。こ
の積層体は、メサストライプ状に多重量子井戸層３のメ
サ幅が１０ミクロ／になるように、メサの両側がエツチ
ングで削られている。

そしてメサの左側はｐ型ＩｎＰクラッド層６で埋め込ま
れ、メサの右側はｎ型１ｎＰクラッド層７で埋め込まれ
ている。そしてこのように形成された半導体に、多重−
量子井戸層３に垂直に電界を印加する電極対となる変調
負電極１０と変調正電極９および多重量子井戸層３に平
行に電界全印加する電極対となるキャリヤーシンク正電
極１２およびキャリヤーシンク置型＠Ｉｌｌがオーミｙ
り接触で形成されている。この多重１゛子井戸層３は、
第２図の拡大図に示すように、ｎ形ＩｎＰ半導体基板４
に６層のＩｎＧａＡｓＰ１子井戸層２１と５層のＩｎＰ
障壁層２２とが積層された構造を有している。

このような構造の光変調器は、多重量子井戸層３に波長
１３００ｎｍの被変調光１を横断面と垂直に入射し、光
変調器の変調正電極９と変調負電極１０との間に２Ｖの
゛電圧を剛力りすると、被変調光ｌは吸収されずに反対
側の横断面から変調光２として出射される。また、被変
調ｆｌ全吸収する際は、変調電極対の間の゛電圧を零と
し、多重量子井戸層３と平行に電界を加えるキャリヤー
シンク正電極１２とキャリヤーシンク置型＠！１１との
間に電圧２■を印加すると、被変調光１を吸収して発生
したキャリヤーは、キャリヤーシンク圧電対によって、
電子がキャリヤーシンク圧電ｇ２２に、ホールがキャリ
ヤーシンク負電極２１に吸い出されるため、キャリヤー
が多重量子井戸層１３に貯まることなく高速で変調を行
なうことが出来る。

実際には４Ｇｂ／ｓの高速変調ができた。このような光
変調器は、半導体からなる多重量子井戸構造を用いてい
るので、小さな電圧で大きな電界を加えることが出来、
素子長２００ミクロンで変調器に電圧２■を印加しただ
けで、消光比２０ｄＢと良好な変調特性を得る事が出来
た。

本実施例では、ｎ形半導体基板４として傭黄（Ｓ）ドー
プＩｎＰ基板、多重量子井戸層３としてノンドープの層
厚２００オングストロームのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層
２１とノンドープの層厚２００オンダヌトロームのＩｎ
Ｐ障壁層２２とが交互に積層された多層構造、ｐ形りラ
ッド層５として厚み１ミクロンの亜鉛（Ｚｎ）ドープＩ
ｎＰ層、メサの左側のｐ形りラッド層６にはＺｎドープ
ＩｎＰ層、メサの右−１−、，９− 側のｎ形りラッド層７には硫黄（Ｓ）ドープＩｎＰ層、
をそれぞれ用いた。また、変調負電極１０には金−亜鉛
、変調正電極９には金−錫を用い、キャリヤーシンク正
電極１２には金−錫、キャリヤーシンク負電極１１には
金−亜鉛を用いた。

（第２の実施例）第３図は本発明の第２の実施例を示す斜視図である。本
実施例は、ｎ型ＴｎＰ半導体基板４上に、多重量子井戸
層３が積層され、さらにその上に被変調光ｌが進む方向
に沿ってｐ型Ｉｎｐクラッド層６．１）型ＩｎＰクラッ
ド層５．ｎ型ＩｎＰクラッド層７が分割されて積層され
ている。この積層体は、メサストライプ状にした多重量
子井戸層１３のメサ幅が１０ミクロンになるように、メ
サの両側がエッチノブで削られており、このメサの両側
はｉ形ＩｎＰクラッド層８で埋め込まれている。このよ
うに形成された半導体に、多重量子井戸層３に垂直に電
界を印加する電極対の変調負電極１０と変調正電極９．
および多重量子井戸層３に平行に電界を印加する電極対
のキャリヤーシック正電極１２およびキャリヤーシンク
負電極１１がオーミック接触で形成されている。また、
多重量子井戸層３は第１の実施例と同じ構造を用いた。

このような構造の光変調器の多重量子井戸層３に波長１
３００ｎｍの被変調光ｌを横断面と垂直に入射し、光変
調器の変調正電極９と変調負電極１００間に２■の電圧
を印加すると、被変調光１は吸収されずに反対側の横断
面から変調光２が出射される。また、被変調光１を吸収
するさいは、変調電極対（９，１０）との間の電圧は零
にし、多重量子井戸層３と平行に電界を加えるキャリヤ
ーシック正電極１２とキャリヤーシンク負電極１１の間
に電圧３ｖを印加すると、被変調光ｌを吸収して発生し
たキャリヤーは、キャリャーシ／り電極対（１１、１２
）によって、電子はキャリヤーシンク正電極１２に、ホ
ールはキャリヤーシンク負電極１１に吸い出されるため
、キャリヤーが多重量子井戸層３に貯まることなく＋Ｇ
ｂ／ｓの高速で変調を行なうことが出来た。

この光変調器は、第１の実施例と同様に半導体からなる
多重量子井戸構造を用いているので、小さな電圧で大き
な電界を加えることが出来、素子長２００　ミクロンで
変調器に電圧２ｖを印加しただけで、消光比２０　ｄ）
（と良好な変調特性を得る事が出来た。

第２の実施例では、ｎ形半導体基板４として硫黄（８１
ドープＩｎＰ基板、多重量子井戸Ｎ３としてノンドープ
の層厚２００オングストロームのＩｎＧａＡｓＰ量子井
戸層２１とノンドープの層厚２００オングストロームの
ＴｎＰ障壁層２２とが交互にａｔ層された多層構造、ｐ
形りラッド層５として厚み１ミクロンのＺｎドープＴｎ
Ｐ＃、ｐ形りラッド層６として厚み１ミクロンのＺｎド
ープＩｎＰ層、ｎ形りラッド層７として厚み１ミクロン
のＳドープＩｎＰ層、メサの両側のｉ形りラッド層８に
はノンドープＩｎＰ層をそれぞれ用いた。また、変調負
電極１０には金−亜鉛、変調正電極９には金−錫を用い
、キャリヤーシンク正電極１２には金−錫、キャリヤー
シンク負電極１１には金−亜鉛を用いた。

なお、これら実施例ではＩｎＰとＴｎＧａＡＳＰからな
る半導体を用いたが、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓからなる
半導体を用いてもよい。この場合、被変調波長は０．７
０μｍから０．８５μｍで効率よい変調が得られる。ま
た、その他゛の混晶系でも同様な構造が実現可能なこと
は明らかである。また、本発明がこれら実施例における
各層厚、メサ幅、各層のドーパントの種類に限定されな
いのは明らかである。

（発明の効果）以上詳細に述べたように、本発明によって、従来の半導
体をバルクの状態で用いた光変調器の欠点である消光比
の低さ及び印加電圧の高さ、素子長の長さを改善し、多
重量子井戸を用いた時の欠点であるキャリヤーの貯りに
よる吸収の飽和による高速変調時の応答性の悪さを解決
し、低い駆動電圧で、良好な消光比が得られ、高速応答
性がありかつ素子長が短かい光変調器を得る事が出来た
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す斜視図、第２図は
第１の実施例の多重量子井戸の拡大図、絹３図は本発明
の第２の実施例を示す斜視図である。図に１いて１・・・・・・被変調光、２・・・・・・変調光、３・
・・・・・多重す子井戸層、４・・・・・・ｎ形ＴｎＰ
基板、５．６・・・・・・ｐ形ＩｎＰクラｙＦ′層、７
・・・・・・ｎ形１ｎＰクラッド層、８・・・・・・ｉ
型ＴｎＰクラッド層、９・旧・・変調正電極、１０・・
・・・・変調負電極、１１・・・・・・キャリヤーシン
ク負電極、１２・・・・・・キャリヤーシンク正電極、
２１・・・・・・ＩｎＱａＡｓＰ量子井戸層、２２・・
・・・・ＩｎＰ障壁層、をそれぞれ示す。区へ恍

Claims

【特許請求の範囲】

半導体の吸収損失が印加電界によって制御される光吸収
部を有する光変調器において、前記光吸収部が、５００
オングストロームより薄い半導体層とこの半導体層の禁
制帯幅より大きい禁制帯幅を有する半導体層とを交互に
積層しこれら積層構造のヘテロ界面を光の伝播方向と平
行にした多層構造と、この多層構造と垂直に電界を印加
する第１の電極対と、前記多層構造と平行に電界を印加
する第２の電極対とを具備することを特徴とする光変調
器。