JPS63186210A - 半導体集積光変調素子 - Google Patents

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】 （発明の技術分野） 本発明は、単一波長で発振する分布帰遷形（以下ｒＤＦ
Ｂ　Ｊと略す）レーザと電気吸収変調素子をモノリシッ
クに集積した半導体集積光変調素子に関するものである
。

（従来技術とその問題点） ＤＦＢレーザは単一波長で発振するため、多波長で発振
するファプリーペロー形の半導体レーザに比べてスペク
トル幅が狭く、光フアイバ通信用光源として用いた場合
光ファイバの波長分散の影響を受けにくい。そのため、
伝送ビットレートが高（かつ長距離の伝送には不可欠な
素子として開発が進められている。

一方、半導体レーザは注入電流を変化させて発振出力を
変調する直接変調が可能であり、これまでの光フアイバ
伝送においてはもっばらこの直接変調が用いられてきた
。しかるに、直接変調では、注入電流が変化する際に、
発光層内の注入キャリア密度も変化するため、発振光が
強度変調されると同時に大きな周波数（あるいは波長）
変調をうける。従って、単一波長で発振する叶Ｂレーザ
においても発振スペクトル幅が異常に広がってしまう。

チャーピングと呼ばれるこのスペクトル幅の広がりは、
変調周波数が数１００Ｍｂ／ｓ以上になると特に顕著に
なり波長幅で数人（オングストローム）以上に広がり光
ファイバの波長分散の影響を受けるようになる。そこで
、Ｉ　Ｇｂ／ｓ以上の長距離高速伝送ではレーザを直接
変調する方法を用いることが難しく、近年、外部変調方
式の開発が活発になりつつある。すなわち、ＤＦＢレー
ザは一定電流で安定に動作させ、その出力光を別の変調
素子で変調する構成である。

変調素子の中にはＬｉＮｂＯ３等の強誘電体を用いたも
のも提案されているが、ＤＦＢ　レーザとモノリシック
に集積可能な半導体系のものが有望で、特に変調導波路
に電界を印加して電気吸収効果により強度変調する電気
吸収変調素子が最も有望視されている。

第１図はＤＦＢレーザと電気吸収変調素子とをモノリシ
ックに集積した従来の半導体集積光変調素子の断面模式
図を示している。化合物半導体からなるｎ”−１ｎＰ基
板１上に発光導波路となるｎ　−ＩｎＧａＡｓＰ　ｉ波
路層２（発光波長が約１．３μｍの組成）とＩｎＧａＡ
ｓＰ発光層３（発光波長が約１．５５．ｃｎｎの組成）
とが積層され、さらにｐ−ＴｎＰ５とｐ　−１ｎＧａＡ
ｓＰキャップ層７がその上に積層されている。光の進行
方向に沿う周期的な凹凸からなるグレーティング（ある
いは回折格子）１００がｎ“−１ｎＰ基板１とｎ　−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ　導波路層２との境界に形成されており、
発光層３に電流を注入することにより凹凸の周期と屈折
率で決まるブラッグ波長付近（約１．５５μｍ）で単一
波長発振する。一方、レーザ出力は発光導波路に接続さ
れた変調導波路であるｎ−−ＩｎＧａＡｓＰ導波路層４
（発光波長が約１．４６　ｐ　ｍの組成）に導波される
。変調導波路４の上にはｎ　−−１ｎＰ層６、ｐ　Ｉｎ
Ｐ層５及びｐ　−１ｎＧａＡｓＰキャップ層７が積層さ
れている。電極２０．２２を介して発光層３に電流が注
入され、電極２１．２２を介して変調導波路層４に電界
が印加される。プロトン照射高抵抗領域３０により、Ｄ
ＦＢレーザ部と変調素子部が電気的に分離されている。

電極２０．２２を介して一定電流を発光層３に流して安
定な単一波長発振を得るとともに、電極２１．２２を介
して変調導波路４に電界を印加し、電気吸収効果によっ
てＤＦＢ　レーザの出力光の強度変調を行っている。

第１図のような半導体集積光変調素子は、発振波長が１
．５５μｍのＤＦＢレーザの出力が変調導波路４に効率
よく結合し、モノリシックに集積されているため、結合
安定度もよく高信頼性が達成される。一方、電気吸収変
調素子は数Ｇｂ／ｓ以上の高速動作も十分可能で、かつ
前述したようにレーザの直接変調時におこるチャーピン
グによる異常なスペクトル幅の広がりも生じないので１
．５５μｍにおける高性能な半導体集積光変調素子が実
現されると考えられていた。しかし、本発明者らが検討
した結果、従来の半導体集積光変調素子では変調された
光のスペクトル幅がやはり広がってしまうことが判明し
た。

また、従来の構成では、レーザ部の導波路層２及び発光
層３から構成される発光導波路と変調部の変調導波路４
とが直接結合されている結合部を完全に結合するように
形成することが不可能のため、レーザ部からの発振光が
変調部の変調導波路４に全て導かれることがなく、結合
効率が低下するという問題もあった。

（発明の目的及び特徴） 本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、変調された光のスペクトル幅がほとんど
広がらない半導体集積光変調素子を提供することを第１
の目的とする。

この目的に対応する第１の発明の特徴はレーザ部の発振
光のフォトンエネルギーと変５ＪＩ４波路の禁制帯幅と
のエネルギー差が３０ｍｅＶ以上かつ４０ｍｅＶ以下と
なるような半導体層で変調導波路を構成したことにある
。

本発明の第２の目的は、変調された光のスペクトル幅が
ほとんど広がらず、かつ発光導波路と変調導波路との結
合効率が優れた半導体集積光変調素子を提供することに
ある。

この第２の目的に対応する第２の発明の特徴は、レーザ
部の発振光のフォトンエネルギーと変調導波路の禁制帯
幅とのエネルギー差が３０ｍｅＶ以上かつ４０ｍｅＶ以
下となるよ□うな半導体層で変ｉＴｆ１ｍ波路を構成す
る共に、発光導波路と変調導波路とが直接結合されてい
る近傍で積層するように構成したことにある。

（発明の構成及び作用） 最初に本願の第１の発明である、変調された光のスペク
トル幅が広がらない構成について説明する。

（発明の原理） 本発明者らが、ＤＦＢレーザの発振光のフォトンエネル
ギｈνと禁制帯幅Ｅｇとのエネルギー差ΔＥｇ（＝Ｅｇ
−ｈν）が変調素子の特性に与える影響を詳細に検討し
た結果、上述した従来例のようにレーザの発振波長１．
５５μｍに対し、変調導波路４の組成が約１．４６μｍ
の波長に対応する場合には、６２ｇは約５０ｍｅＶで、
高速応答性や電極２１．２２に逆バイアス電圧を印加し
ない場合の導波損失に関しては良好な特性を示すものの
、スペクトル幅の広がりの点で問題のあることが判明し
た。以下にその理由について説明する。

第２図（ａ）及び（ｂ）は、本発明の詳細な説明するた
めのエネルギー差ΔＦ！ｇに対する変調導波路４の吸収
係薮α１ｂとαパラメータを示したもので、図中の■〜
■は変調導波路に印加される電界強度Ｅがそれぞれ６０
．４０．２０　（ＫＶ／　ｃｍ）にける吸収係数特性、
■及び■は電界強度Ｅが４０．６０　（ＫＶ／　ｃｏｔ
）におけるαパラメータ特性である。

αパラメータは複素屈折率をｎｒ＋Ｊｎｉと表したとき
の電界印加時におけるｎ、の変化量Δｎ１とｎ工の変化
量Δｎｉ　との比（α＝Δｎｒ／Δｎ＋）で定義される
。スペクトル幅の広がりはＪ〒；７に比例することが知
られており、α〉１でスペクトル広がりが顕著になる。

第１図のｎ−−ＴｉＦ４とｐ−ＩｎＦ３との間でｐｎ接
合が形成され、電極２１．２２の間に逆バイアス電圧Ｖ
を印加しなくても変調導波路４には約Ｅ＝ｌＯ〜２０Ｋ
Ｖ／ｃｍの空乏層電界が存在する。Ｖ＝２〜３ｖ印加す
ると、各層の・膜厚や不純物濃度によって多少異なるが
Ｅ＝３０〜６０ＫＶ／　ａｍの電界強度が生成されるよ
うに通常設計される。従来は、６２ｇとα、との関係す
なわち電気吸収特性のみが設計の指針とされていたため
、電圧Ｖ＝０で吸収がなく　（α８．αＯ）、電圧印加
時にαａｂ＝１００　ｃｍ−’が得られる６２ｇとして
約５０ｍｅＶが最適と今まで考えられ、実際に作製され
ていた。しかし、第２図から明らかなように６２ｇ”５
０ｍｅνではα２２と大きいため、スペクトル幅の広が
りがかなり大きく、特に高速変調時では変調された光の
スペクトル幅が変調帯域に比べて２〜３倍に広がってし
まうという大きな問題が生じる。

そこで本発明者らは、電圧印加時のαパラメータをαく
１にすれば、ｍで決定されるスペクトルの幅をほぼ１に
近くすることができ、はぼ変調周波数帯域に制限される
と考え、変調導波路の禁制帯幅Ｅｇがレーザ部の発振光
のフォトンエネルギーｈνよりも３０〜４０ｍｅＶ大き
くなるような変１１４波路の半導体材料を用いた。その
結果、若干の吸収損失が生じるもののスペクトル幅の広
がりはほとんど無かった。

例えば、吸収時・性ではＶ　＝　ＯテＥ　＝　１０〜２
０ＫＶ／ｃｍの電界が発生すると、数ｃｍ−’から大き
い場合約２０ｃｍ−’の損失が存在することになる。従
って、エネルギー差ΔＥｇ（Ｅｇ−ｈｖ）を３０ｍｅＶ
以下にしてしまうと吸収係数が急激に増大してしまい実
用が困難となる。よって、エネルギー差ΔＥｇが上述の
範囲内であれば、変調導波路４の長さを短くすることに
より例えば、α、、＝２ＱＣ，−１に対して長さを１０
０μｍとすれば、吸収損失は２０％以下に抑えることが
できる。しかも、ΔＥｇ　＝　３０〜４０ｍｅＶの範囲
では電圧印加時の吸収係数が大きいため十分な消光比を
得ることができる。また変調導波路４の長さの低減は寄
生容量の低減にも寄与し、より高速な変調を可能ならし
める。

上述のように本発明は変調導波路４の半導体層を発振光
のフォトンエネルギーｈνよりも３０〜４０ｍｅＶの大
きい禁制帯幅にすることにより、変調光のスペクトル幅
の広がりを小さくすることができる。

次に、変調光のスペクトル幅を広がらないようにし、か
つ両翼波路の結合効率に優れた構造について説明する。

（実施例） 第３図は本発明による実施例であり、半導体集積光変調
素子の断面模式図を示している。ＤＦＢし一ザ部分にお
いて単−波長性を向上させるため、グレーティグ１０１
にλ／４シフト１０２を設けかつ、素子の両端面に無反
射コーティング膜５０．５１を施しである。ちなみに、
λ／４シフト１０２は変調部側への光出力が大きくなる
ようにグレーティングの中央部より変調部側へずらしで
ある。発振波長は１．５５μｍに設定しである。一方、
変調導波路４は従来に比べて禁制帯幅の小さい（発光波
長が約１．４８μｍ）　ｎ−−ＩｎＧａＡｓＰ　ｍ波路
層８を用いている。本発明によるこのような半導体集積
光変調素子は、上述した発明の原理により、１．５５μ
ｍの単一波長で発振し、その発振出力を高速に変調する
ことが可能で、しかもその変調された出力光はほぼ変調
周波数帯域に制限されている。また、第３図では発光導
波路と変調導波路との結合部近傍において、両翼波路が
積層された構造となっているため、同一発明者によって
同時に出願された特許に記載されているように両翼波路
の結合効率を大幅に高めることができる。

以上の説明では、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層系の材料を例
にとって説明したが、Ａ　Ｉｔ　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系
やＡ　１１ｎＧａＡｓ／ｌｎＰ系など他の材料にも同様
に適応できる。さらに、それらの材料で構成される多重
量子井戸層を用いることもでき、その場合説明で用いた
禁制帯幅は量子井戸準位で定まる実効的な禁制帯幅とな
る。また、横モード安定化のためのストライプ構造につ
いては特に触れなかったが、埋め込みストライブ構造や
りッジ導波路ストライブ構造等の従来の技術がすべて通
用可能である。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、変調された出力光の
スペクトル幅が変調周波数帯域程度に制限され、超高速
で動作すると共に両翼波路の結合効率の良い光変調素子
を実現することができ、超高速光フアイバ通信等に応用
され、その効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体集積光変調素子の例を示す断面模
式図、第２図は本発明の詳細な説明するための特性図、
第３図は本発明による半導体集積光変調素子の断面模式
図である。 １　・−ｎ’−１ｎＰ基板、２−・ｎ　−ＩｎＧａＡｓ
Ｐ導波路層、３−　ＩｎＧａＡｓＰ発光層、４−・ｎ　
−−１ｎＧａＡｓＰ導波路層、５−ｐ　−ＩｎＰ　、６
・・・ｎ−−４ｎＰ、７−”　ｐ　−ＩｎＧａＡｓＰキ
ャンプ層、８−ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ導波路層、２０．
２１．２２・・・電極、３０・・・プロトン照射高抵抗
領域、５０．５１・・・無反射コーテイング膜、１００
　、１０１・・・グレーティング、１０２・・・４分の
１波長シフト部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光層と、該発光層に近接して形成された光の進
   行方向に沿う周期的な凹凸からなるグレーティングを有
   し前記発光層に電流を注入することによりレーザ発振せ
   しめる分布帰還形レーザと、該分布帰還形レーザの出力
   を変調導波路に印加する電界によって強度変調する変調
   素子とが同一の半導体基板上に集積された半導体集積光
   変調素子において、前記分布帰還形レーザの発振光のフ
   ォトンエネルギーと前記変調導波路の禁制帯幅との差が
   ３０ｍｅＶ以上でかつ４０ｍｅＶ以下であることを特徴
   とする半導体集積光変調素子。
2. （２）発光層と、該発光層に近接して形成された光の進
   行方向に沿う周期的な凹凸からなるグレーティングを有
   し前記発光層に電流を注入することによりレーザ発振せ
   しめる分布帰還形レーザと、該分布帰還形レーザの出力
   を変調導波路に印加する電界によって強度変調する変調
   素子とが同一の半導体基板上に集積された半導体集積光
   変調素子において、前記分布帰還形レーザの発振光のフ
   ォトンエネルギーと前記変調導波路の禁制帯幅との差が
   ３０ｍｅＶ以上かつ４０ｍｅＶ以下となるような半導体
   層で前記変調導波路を形成し、かつ前記分布帰還形レー
   ザの少なくとも前記発光層を含む発光導波路と前記変調
   導波路とが結合する近傍において積層されて構成されて
   いることを特徴とする半導体集積光変調素子。