(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に偏光された入射光を変調可能な光変調器であって、
半導体基板上に形成された第１の半導体からなる吸収層コアと、
前記吸収層コア内に前記入射光を閉じ込めるためのクラッド層と、
変調動作を行わせるための電界を印加するための電極対と、
該半導体基板に平行な面方向の量子化準位が離散的な第２の半導体からなる量子井戸を形成する第１の構造体と該半導体基板に平行な面方向の量子化準位が離散的な第３の半導体からなる量子井戸を形成する第２の構造体とを上下に組み合わせた層状構造部とを備え、
前記層状構造部は、
前記第１の構造体又は前記第２の構造体の一方には、動作波長に対して吸収領域が長波長側にシフトするように量子化準位が設定された量子井戸構造が形成され、
前記第１の構造体又は前記第２の構造体の他方には、動作波長に対して吸収領域が短波長側にシフトするように量子化準位が設定された量子井戸構造が形成されて、
前記吸収層コア内に１以上設けられることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調器において、
前記層状構造部は、第２の半導体からなる棒状部と第３の半導体からなる棒状部とを互いに直交させて組み合わせた棒状構造部であって、
前記棒状構造部は、それを構成する両棒状部の夫々の長手方向と前記電界の印加方向とが直交し、かつ、両棒状部のいずれかの長手方向と入射光の方向とが一致するようにし、前記吸収層コア内に１以上設けられることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
請求項１に記載の光変調器において、
前記層状構造部は、第２の半導体からなる第１の円盤部と第３の半導体からなる第２の円盤部とを上下に組み合わせた円盤状構造部であって、
前記円盤状構造部は、
前記第１の円盤部又は前記第２の円盤部の一方には、動作波長に対して吸収領域が長波長側にシフトするように量子化準位が設定された量子井戸構造が形成され、
前記第１の円盤部又は前記第２の円盤部の他方には、動作波長に対して吸収領域が短波長側にシフトするように量子化準位が設定された量子井戸構造が形成されて、
前記吸収層コア内に１以上設けられ、前記第１の円盤部の円盤径と前記第２の円盤部の円盤径とは互いに異なることを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光の変調動作を行う光変調器に関し、より詳細には、光変調器の光導波部を構成する光吸収層における入射光の減衰を少なくしつつ、光吸収層の屈折率変化を大きくして変調動作を行う光変調器に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体の極薄膜作製技術や微細加工技術の発展によって光変調器の著しい特性改良が可能になっている。現在、主として用いられる光変調器は、光変調器の光導波部を構成する光吸収層に電界を印加して、光吸収層の吸収係数または屈折率を変化させて変調動作を行うものである。このように、電界印加によって、吸収係数または屈折率が変化することは一般に「電界吸収効果」と称されていて、この電界吸収効果によれば、電界を印加された吸収層の吸収係数および屈折率の双方が同時に変化する現象が発生する。
【０００３】
電界変化ΔＦによって、光変調器への入射光の波長λに依存して吸収係数変化Δαが生じると、動作波長λ0 での屈折率変化Δｎは以下の式（１）によって求められることが知られている。
【０００４】
【数１】
0003697092.tif 000002
なお、式（１）において、Ｐは積分の主値（Principal value ）をとることを意味する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、光変調器は入射光による光信号を変調するために、吸収係数、屈折率の２種類の物理量の変化を利用するが、そのうち特に、動作波長λ0 を吸収係数変化（Δα）の小さな領域に設定し、この設定された領域での屈折率変化Δｎを利用するものは位相変調器と称され、この位相変調器を実現するためには、電界吸収効果によって大きな屈折率変化を得られるようにすることが必要であると同時に、吸収係数および印加電界による吸収係数変化の双方が小さいことが要求される。
【０００６】
この際、位相変調器の電界吸収効果による屈折率変化を大きくすることのみを考慮するならば、動作波長λ0 を吸収係数の大きな領域に設定して変調器を実現すればよいが、吸収係数が大きいと、屈折率変化により光の位相変調を行う前に光吸収層で光が吸収されてしまって変調動作を行えなくなるという問題があった。
【０００７】
また、図２に示すように、従来の光変調器における吸収係数変化Δαの波長依存性は、吸収係数変化が正の領域と吸収係数変化が負の領域とが連続して存在するようになっているため、吸収係数変化によって得られる屈折率変化を式（１）の積分によって求めると、たとえ吸収係数変化の値自体が大きくとも吸収係数変化が正の領域と吸収係数変化が負の領域の積分値が相殺される結果、吸収係数変化の屈折率変化への寄与は非常に小さくなる。
【０００８】
したがって、式（１）による演算内容から推測されるように、動作波長λ0 が、吸収係数変化が生じる領域から波長軸上で遠い位置に設定する程（図２参照）、屈折率変化も小さくなるので、位相変調器の高性能化を実現するためには、動作波長λ0 での吸収係数および吸収係数変化を小さくしつつ、屈折率変化を大きくするという、相矛盾することを両立させることが望まれていた。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題を解決するために創作されたもので、その目的は、吸収係数および吸収係数変化を十分抑制しつつ、大きな屈折率変化が得られる光変調器を提供する点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、所定方向に偏光された入射光を変調可能な光変調器であって、半導体基板上に形成された第１の半導体からなる吸収層コアと、前記吸収層コア内に前記入射光を閉じ込めるためのクラッド層と、変調動作を行わせるための電界を印加するための電極対と、該半導体基板に平行な面方向の量子化準位が離散的な第２の半導体からなる量子井戸を形成する第１の構造体と該半導体基板に平行な面方向の量子化準位が離散的な第３の半導体からなる量子井戸を形成する第２の構造体とを上下に組み合わせた層状構造部とを備え、前記層状構造部は、前記第１の構造体又は前記第２の構造体の一方には、動作波長に対して吸収領域が長波長側にシフトするように量子化準位が設定された量子井戸構造が形成され、前記第１の構造体又は前記第２の構造体の他方には、動作波長に対して吸収領域が短波長側にシフトするように量子化準位が設定された量子井戸構造が形成されて、前記吸収層コア内に１以上設けられることを特徴とする光変調器を提供する。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器において、前記層状構造部は、第２の半導体からなる棒状部と第３の半導体からなる棒状部とを互いに直交させて組み合わせた棒状構造部であって、前記棒状構造部は、それを構成する両棒状部の夫々の長手方向と前記電界の印加方向とが直交し、かつ、両棒状部のいずれかの長手方向と入射光の方向とが一致するようにし、前記吸収層コア内に１以上設けられることを特徴とする光変調器である。
【００１２】
さらに、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光変調器において、前記層状構造部は、第２の半導体からなる第１の円盤部と第３の半導体からなる第２の円盤部とを上下に組み合わせた円盤状構造部であって、前記円盤状構造部は、前記第１の円盤部又は前記第２の円盤部の一方には、動作波長に対して吸収領域が長波長側にシフトするように量子化準位が設定された量子井戸構造が形成され、前記第１の円盤部又は前記第２の円盤部の他方には、動作波長に対して吸収領域が短波長側にシフトするように量子化準位が設定された量子井戸構造が形成されて、前記吸収層コア内に１以上設けられ、前記第１の円盤部の円盤径と前記第２の円盤部の円盤径とは互いに異なることを特徴とする光変調器である。
【００１３】
図３に示すように、本発明に係る光変調器に対する吸収係数変化の波長依存性は、吸収係数変化が正の領域（符号ｂ）と吸収係数変化が負の領域（符号ａ）とが波長軸上で離れて存在するようになる。このため、図２を参照して説明したように、式（１）の積分演算による両領域に対する吸収係数変化の積分値が相殺されなくなる。
【００１４】
したがって、図４に示すように、領域ｂ、領域ａの夫々による屈折率変化は、ｂ’（一点鎖線）、ａ’（点線）のようになり、領域ｂと領域ａの中間位置に対する波長を動作波長λ0 とした場合には、動作波長λ0 においては、領域ｂ、領域ａの夫々による屈折率変化への寄与は共に正であり、その結果、動作波長λ0 での屈折率変化は著しく増大する。これによって、吸収係数および吸収係数変化を十分抑制しつつ、大きな屈折率変化が得られることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る変調器の外観図であり、図示するように、この変調器は、ｎ- ＩｎＰ基板１上に、ｎ- ＩｎＰクラッド層２、ＡｌＡｓからなる吸収層コア３、ｐ- ＩｎＰクラッド層４、および、ｐ- ＩｎＧａＡｓ層５がこの順に順次積層されて構成されていて、さらに、ｎ- ＩｎＰ基板１の下面には、リード線９が図示しないワイアボンディングで接続されているＮ側電極６が形成されていると共に、ｐ- ＩｎＧａＡｓ層５の上面には、Ｐ側電極７が形成され、リード線８がワイアボンディング１０で接続されている。
【００１６】
また、吸収層コア３内部には、図９に示すような棒状構造部が設けられている。図１に示す変調器においては、棒状構造部を１つ設けるようにしているが、複数個設けても良い。
図９は棒状構造部の外観図であり、図示するように、この棒状構造部は、外観直方体でＩｎＡｌＡｓを用いて製造されている棒状部Ｂの上面に、外観直方体でＩｎＡｓを用いて製造されている棒状部Ａが載置されていて、両棒状部の夫々の長手方向は互いに９０°となるように組み合わされて構成されており、これらはＡｌＡｓからなる吸収層コア３内部に設けられている。この際、入射光Ｉの偏波方向が棒状部Ｂの長手方向と一致するように、かつ、両棒状部Ａ、Ｂの夫々の長手方向と、Ｐ側電極７およびＮ側電極６間に印加される電界の方向とが直交するように設けられている。なお、各棒状部の縦横比は「５０：１」から「１００：１」程度に十分大きくしておくことが好ましい。
【００１７】
そして、吸収層コア３内の電界強度を、リード線８、９を介してＰ側電極７およびＮ側電極６間に供給する電圧値を制御することによって変化させると、入射光Ｉを変調光Ｍとして出力する光変調動作を行う。
さて、入射光Ｉに対して、吸収層コア３内に設けられた棒状構造部は、図５に示すような、極端に井戸幅の異なる２種類の量子井戸構造として機能し、井戸幅の狭い量子井戸（ＩｎＡｓ井戸層）は、その伝導帯に離散的な量子化準位を有すると共に、井戸幅の広い量子井戸（ＩｎＡｌＡｓ井戸層）は、その伝導帯に稠密に配置された量子化準位を有する。
【００１８】
まず、Ｐ側電極７、Ｎ側電極６間に電圧を印加せず、吸収層コア３に電界を印加しない状態で、井戸幅の広い量子井戸の伝導帯にｎ型のキャリア（電子）がドーピングキャリア（黒丸で図示）として存在するようにドーピングを施しておく。この状態で入射光Ｉが入射されると、井戸幅の広い量子井戸では、キャリアが満たされた量子化準位から、キャリアが存在しない空の量子化準位へのドービングキャリアの遷移によって光を吸収するサブバンド間吸収が発生する。井戸幅の広い量子井戸の量子化準位間隔は狭いので、この量子井戸において発生するサブバンド間吸収は波長軸上で長波長側（低エネルギー側）に発生する。
【００１９】
したがって、電界印加を行わない場合の吸収係数（α）の波長依存性は、図７に示すように、動作波長λ0 より長波長側に吸収領域が存在するようになる。
次に、リード線８、９を介してＰ側電極７、Ｎ側電極６間に電圧を印加し、吸収層コア３に電界を印加すると、図６に示すように、二つの量子井戸のポテンシャルの形状が傾き、井戸幅の広い量子井戸の殆どの量子化準位のエネルギーレベルはフェルミ準位以下となってしまうため、ドーピングキャリアが遷移すべき量子化準位が少なくなって、サブバンド間吸収の発生が抑制されてしまう。
【００２０】
一方、井戸幅の狭い量子井戸では、電界印加によって、井戸幅の広い量子井戸からキャリアが移動してきて、フェルミ準位より低エネルギーの量子化準位が、このキャリアで満たされていき、さらに、キャリアが空の量子化準位へ遷移してサブバンド間吸収が発生することになる。井戸幅の狭い量子井戸における量子化準位間隔は広いので、このサブバンド間吸収は波長軸上で短波長側（高エネルギー側）に発生する。
【００２１】
したがって、電界印加を行う場合の吸収係数（α）の波長依存性は、図８に示すように、動作波長λ0 より短波長側に吸収領域が存在するようになる。
井戸幅が狭い量子井戸と井戸幅が広い量子井戸とでは、量子化準位の間隔が大きく異なるため、図７、図８で示す吸収係数のピーク位置は波長軸上で大きく離れて存在するようになることが分かる。変調器への電界印加によって生じる吸収係数変化を求めるために、図７に示す吸収係数の波長依存性と図８に示す吸収係数の波長依存性との差分を求めると、図３に示したような吸収係数変化の波長依存性が得られるので、動作波長λ0 を吸収係数変化が正の領域と吸収係数変化が負の領域の中間位置に対応する波長に設定すれば、この動作波長λ0 において、図４で示したような大きな屈折率変化が得られる。
【００２２】
このように、動作波長λ0 は、吸収係数変化が正および負の領域から十分離れて設定されているので、屈折率変化の増大と共に吸収係数および吸収係数変化が増加することはなく、吸収係数および吸収係数変化を十分抑制しつつも大きな屈折率変化が得られる。その結果、光吸収層コア３における入射光Ｉの減衰を少なくしつつ光吸収層コア３の屈折率変化を大きくでき、この大きな屈折率変化によって、例えば、高いオン、オフ比（光透過と光不透過の比）等を有する高性能の光変調器を実現できる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る変調器について説明する。図１０に示すように、この実施形態の変調器も第１の実施形態の変調器と同様に、ｎ- ＩｎＰ基板１上に、ｎ- ＩｎＰクラッド層２、ＡｌＡｓからなる吸収層コア３、ｐ- ＩｎＰクラッド層４、および、ｐ- ＩｎＧａＡｓ層５がこの順に順次積層されて構成されていて、さらに、ｎ- ＩｎＰ基板１の下面には、リード線９が図示しないワイアボンディングで接続されているＮ側電極６が形成されていると共に、ｐ- ＩｎＧａＡｓ層５の上面には、Ｐ側電極７が形成され、リード線８がワイアボンディング１０で接続されている。
【００２４】
また、吸収層コア３内部には、図１１に示すような円盤状構造部が設けられている。図１０に示す変調器においては、円盤状構造部を１つ設けるようにしているが、複数個設けても良い。
図１１は円盤状構造部の外観図であり、図示するように、この円盤状構造部は、外観が肉薄の円盤形状を呈し、ＩｎＡｌＡｓを用いて製造されている円盤部Ｄの上面に、外観が肉薄の円盤形状を呈しその円盤径が円盤部Ｄの円盤径より小さく、ＩｎＡｓを用いて製造されている円盤部Ｃが載置されて構成されていて、この円盤状構造部はＡｌＡｓからなる吸収層コア３内部に設けられている。この際、入射光Ｉの偏波方向が円盤部Ｃ、Ｄの盤面方向と一致するように設けられている。なお、円盤部Ｄと円盤部Ｃの径の比は「５０：１」から「１００：１」程度に十分大きくしておくことが好ましい。
【００２５】
そして、吸収層コア３内の電界強度を、リード線８、９を介してＰ側電極７およびＮ側電極６間に供給する電圧値を制御することによって変化させると、入射光Ｉを変調光Ｍとして出力する光変調動作を行う。
第１の実施形態と同様にこの実施形態の光変調器の円盤状構造部も、入射光Ｉに対して、図５に示すような、極端に井戸幅の異なる２種類の量子井戸構造として機能し、井戸幅の狭い量子井戸（ＩｎＡｓ井戸層）は、その伝導帯に離散的な量子化準位を有すると共に、井戸幅の広い量子井戸（ＩｎＡｌＡｓ井戸層）は、その伝導帯に稠密に配置された量子化準位を有する。
【００２６】
そして、その作用も第１の実施の形態と同様になる。まず、Ｐ側電極７、Ｎ側電極６間に電圧を印加せず、吸収層コア３に電界を印加しない状態で、井戸幅の広い量子井戸の伝導帯にｎ型のキャリア（電子）がドーピングキャリア（黒丸で図示）として存在するようにドーピングを施しておき、この状態で入射光Ｉが入射されると、井戸幅の広い量子井戸では、キャリアが満たされた量子化準位から、キャリアが存在しない空の量子化準位へのドービングキャリアの遷移によって光を吸収するサブバンド間吸収が発生する。井戸幅の広い量子井戸の量子化準位間隔は狭いので、この量子井戸において発生するサブバンド間吸収は波長軸上で長波長側（低エネルギー側）に発生するため、この実施形態の変調器においても、電界印加を行わない場合の吸収係数（α）の波長依存性は、図７に示すように、動作波長λ0 より長波長側に吸収領域が存在するようになる。
【００２７】
次に、リード線８、９を介してＰ側電極７、Ｎ側電極６間に電圧を印加し、吸収層コア３に電界を印加すると、図６に示すように、二つの量子井戸のポテンシャルの形状が傾き、井戸幅の広い量子井戸の殆どの量子化準位のエネルギーレベルはフェルミ準位以下となってしまうため、ドーピングキャリアが遷移すべき量子化準位が少なくなって、サブバンド間吸収の発生が抑制されてしまう。
【００２８】
一方、井戸幅の狭い量子井戸では、電界印加によって、井戸幅の広い量子井戸からキャリアが移動してきて、フェルミ準位より低エネルギーの量子化準位が、このキャリアで満たされていき、さらに、キャリアが空の量子化準位へ遷移してサブバンド間吸収が発生することになり、結局、井戸幅の狭い量子井戸における量子化準位間隔は広いので、このサブバンド間吸収は波長軸上で短波長側（高エネルギー側）に発生する。
【００２９】
したがって、この実施形態の変調器においても、電界印加を行う場合の吸収係数（α）の波長依存性は、図８に示すように、動作波長λ0 より短波長側に吸収領域が存在するようになる。
よって、井戸幅が狭い量子井戸と井戸幅が広い量子井戸とでは、量子化準位の間隔が大きく異なるため、図７、図８で示す吸収係数のピーク位置は波長軸上で大きく離れて存在するようになり、変調器への電界印加によって生じる吸収係数変化を求めるために、図７に示す吸収係数の波長依存性と図８に示す吸収係数の波長依存性との差分を求めると、図３に示したような吸収係数変化の波長依存性が得られるので、動作波長λ0 を吸収係数変化が正の領域と吸収係数変化が負の領域の中間位置に対応する波長に設定すれば、この動作波長λ0 において、図４で示したような大きな屈折率変化が得られる。
【００３０】
この結果、この実施形態の光変調器においても、動作波長λ0 は、吸収係数変化が正および負の領域から十分離れて設定されているので、屈折率変化の増大と共に吸収係数および吸収係数変化が増加することはなく、吸収係数および吸収係数変化を十分抑制しつつも大きな屈折率変化が得られ、光吸収層コア３における入射光Ｉの減衰を少なくしつつ光吸収層コア３の屈折率変化を大きくでき、高性能の光変調器を実現できる。
【００３１】
以上説明してきた各実施の形態によれば、ｎ- ＩｎＰ基板１に平行な面方向の量子化準位が離散的なＩｎＡｓ（第２の半導体）からなる量子井戸を形成する棒状部Ａや円盤部Ｃ（第１の構造体）と、ｎ- ＩｎＰ基板１に平行な面方向の量子化準位が離散的なＩｎＡｌＡｓ（第３の半導体）からなる量子井戸を形成する棒状部Ｂや円盤部Ｄ（第２の構造体）とを上下に組み合わせた棒状構造部や円盤状構造部（層状構造部）を、吸収層コア３内に１以上設け、棒状部Ａや円盤部Ｃの量子井戸の量子化準位と棒状部Ｂや円盤部Ｄの量子井戸の量子化準位とが異なるように構成することによって、吸収係数および吸収係数変化を十分抑制しつつも大きな屈折率変化が得られることになり、その結果、高性能の光変調器を実現することが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、吸収係数および吸収係数変化を十分抑制しつつも大きな屈折率変化が得られるため、光吸収層における入射光の減衰を少なくしつつ光吸収層の屈折率変化を大きくできる光変調器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光変調器の外観図である。
【図２】従来の位相変調器における吸収係数変化の波長依存性を示す説明図である。
【図３】本発明に係る光変調器における吸収係数変化の波長依存性を示す説明図である。
【図４】本発明に係る光変調器における屈折率変化の波長依存性を示す説明図である。
【図５】電界を印加しない場合における光変調器の動作原理の説明図である。
【図６】電界を印加した場合における光変調器の動作原理の説明図である。
【図７】電界を印加しない場合における吸収係数の波長依存性を示す説明図である。
【図８】電界を印加した場合における吸収係数の波長依存性を示す説明図である。
【図９】棒状構造部の外観図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光変調器の外観図である。
【図１１】円盤状構造部の外観図である。
【符号の説明】
１  ｎ- ＩｎＰ基板
２  ｎ- ＩｎＰクラッド層
３  吸収層コア
４  ｐ- ＩｎＰクラッド層
５  ｐ- ＩｎＧａＡｓ層
６  Ｎ側電極
７  Ｐ側電極
８  リード線
９  リード線
１０  ワイアボンディング
【図１】
0003697092.tif 000003
【図２】
0003697092.tif 000004
【図３】
0003697092.tif 000005
【図４】
0003697092.tif 000006
【図５】
0003697092.tif 000007
【図６】
0003697092.tif 000008
【図７】
0003697092.tif 000009
【図８】
0003697092.tif 000010
【図９】
0003697092.tif 000011
【図１０】
0003697092.tif 000012
【図１１】
0003697092.tif 000013