(57)【要約】【課題】広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを有する電界吸収型光変調器を提供する。【解決手段】この発明の電界吸収型光変調器１２０は、複数の井戸層２１、２２と複数の障壁層３０が交互に積層された光吸収層１５ｍを備えている。第１井戸層２２は、第１井戸層２１よりも高いバンドギャップエネルギーを有する。各井戸層が与えるαパラメータの電界依存性が合成されるため、各井戸層の組成や厚みを調整することで、αパラメータを柔軟に制御でき、設計自由度が格段に向上する。したがって、本発明の光変調器は、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを有するように製造することが可能である。【選択図】  図３
2004258116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の井戸層と複数の障壁層が交互に積層された光吸収層と、
前記光吸収層の両側に設けられたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と
を備える電界吸収型光変調器であって、
前記複数の井戸層は、第１のバンドギャップエネルギーを有する第１の井戸層と、前記第１バンドギャップエネルギーより高い第２のバンドギャップエネルギーを有する第２の井戸層とを含んでおり、
前記第１井戸層と前記第２井戸層の間に前記障壁層が配置されており、
前記光吸収層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合構造に印可される逆方向電界に応じて、前記光吸収層中の光の強度を変調する電界吸収型光変調器。
【請求項２】
前記光吸収層では、前記障壁層、前記第１井戸層、前記障壁層および前記第２井戸層が順次に積層された単位構造が複数個積層されている、請求項１に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項３】
前記第１および第２井戸層が互いに異なる層厚を有している請求項２に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項４】
前記第２井戸層の層厚が前記第１井戸層の層厚よりも大きい請求項３に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項５】
すべての前記第２井戸層を前記第１井戸層で置き換えたときに前記光変調器のαパラメータが−１．０以上０未満となる前記逆方向電界の範囲を第１電界範囲とし、すべての前記第１井戸層を前記第２井戸層で置き換えたときに前記光変調器のαパラメータが−１．０以上０未満となる前記逆方向電界の範囲を第２電界範囲とすると、−１．０以上０未満のαパラメータを与える逆方向電界の範囲が前記第１および第２電界範囲のいずれよりも広くなっている請求項１〜４のいずれかに記載の電界吸収型光変調器。
【請求項６】
前記第１井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての前記第２井戸層を前記第１井戸層で置き換えたときに前記光変調器のαパラメータが前記逆方向電界の増加に伴って単調に減少するような値を有しており、
前記第２井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての前記第１井戸層を前記第２井戸層で置き換えたときに前記光変調器のαパラメータが前記逆方向電界の増加に伴って増加した後、減少するような値を有している
請求項１〜５のいずれかに記載の電界吸収型光変調器。
【請求項７】
前記逆方向電界が所定の下限値から所定の上限値に変化したときの前記第１井戸層のフォトルミネセンス波長の変化量をΔλ１とし、前記逆方向電界が前記下限値から前記上限値に変化したときの前記第２井戸層のフォトルミネセンス波長の変化量をΔλ２としたときに、
｜Δλ１−Δλ２｜≦１００ｎｍ
が満たされている請求項１〜６のいずれかに記載の電界吸収型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電界吸収型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信では、しばしば、半導体レーザ素子から発したレーザ光を変調器によって変調して光信号を生成する。光変調器としては、マッハツェンダ型変調器（例えば、特許文献１参照）や電界吸収型変調器（例えば、特許文献２参照）を使用することがある。特に、電界吸収型光変調器（以下では、「ＥＡ変調器」と呼ぶ）は、ＤＦＢレーザ素子と同一基板上に集積できるため、有用性が高い。
【０００３】
ＥＡ変調器は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に光吸収層が挟まれた構造を有している。光吸収層は、多重量子井戸構造を有する。光吸収層では、単一の組成および厚さを有する複数の井戸層が複数の障壁層と交互に積層されている。光吸収層を含むｐｎ接合構造に対して逆方向電界を印可すると、ＱＣＳＥ効果（量子閉じ込めシュタルク効果）によって吸収スペクトルが長波長側へシフトする。印可電界が大きいほど、シフト量も大きい。このため、低電界印可時に光吸収層を透過する波長の光が、高電界印可時には光吸収層で吸収されるという現象が起こりうる。このような波長の光の強度は、印可電界の大きさを切り替えることで変調することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３３３７９８０号公報
【特許文献２】
特開平９−５４２９０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光変調器に求められる性能は、主に、消光比およびチャープ特性の二つである。光信号の良好な伝送特性を達成して高速かつ長距離の光通信を行うため、消光比およびチャープ特性には適切な値が存在する。光信号の長距離伝送に必要とされるのは、負のチャープ特性である。チャープ特性は、公知のαパラメータによって数値化される。上記の特許文献１および２でも、αパラメータを考慮して光変調器が設計されている。
【０００６】
αパラメータの設計が比較的自由なマッハツェンダ型変調器と比べて、ＥＡ変調器では、適切なαパラメータを得ることは難しい。ＥＡ変調器では、αパラメータが印可電界に対して非線形に変化し、さらに消光比とも相関しているからである。狭い印可電界範囲でしか適切なαパラメータが得られないと、その印可電界範囲内で電界を変動させても吸収スペクトルが十分にシフトせず、そのために十分な消光比が得られないことがある。したがって、できるだけ広い印可電界範囲で良好なαパラメータを実現することが要望されている。
【０００７】
そこで、本発明は、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを有するように製造可能な電界吸収型光変調器を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の電界吸収型光変調器は、複数の井戸層と複数の障壁層が交互に積層された光吸収層を備えている。複数の井戸層には、第１のバンドギャップエネルギーを有する第１の井戸層と、その第１バンドギャップエネルギーより高い第２のバンドギャップエネルギーを有する第２の井戸層とが含まれている。第１井戸層と第２井戸層の間には、障壁層が配置されている。光吸収層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合構造に印可される逆方向電界に応じて、光吸収層中の光の強度が変調される。
【０００９】
本発明の光変調器の光吸収層は、従来のように単一の井戸層から構成されているのではなく、少なくとも２種類の井戸層から構成されている。この光変調器では、各井戸層が与えるαパラメータの電界依存性が合成される。このため、各井戸層の組成や厚みを調整することで、αパラメータを柔軟に制御でき、設計自由度が格段に向上する。これにより、単一井戸層からなる光吸収層では得られないαパラメータの電界依存性を得ることができる。したがって、本発明の光変調器は、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを有するように製造することが可能である。
【００１０】
光吸収層では、障壁層、第１井戸層、障壁層および第２井戸層が順次に積層された単位構造が複数個積層されていてもよい。第１および第２井戸層が交互に積層されているので、光吸収層における光の分布に偏りが生じにくい。
【００１１】
第１および第２井戸層が、互いに異なる層厚を有していてもよい。井戸層の厚さが大きいほど、同じ大きさの逆方向電界を印可したときのフォトルミネセンス波長の変化量が大きい。したがって、第１および第２井戸層の厚さを調節することにより、αパラメータの電界依存性をいっそう柔軟に制御できる。
【００１２】
第２井戸層の層厚は、第１井戸層の層厚よりも大きいことが好ましい。この場合、同じ大きさの逆方向電界が印可されると、第２井戸層のフォトルミネセンス波長は、第１井戸層のフォトルミネセンス波長よりも大きく長波長側へシフトする。一方、第２井戸層は、第１井戸層よりも高いバンドギャップエネルギーを有しているので、第２井戸層は、第１井戸層よりも低いフォトルミネセンス波長を有している。したがって、低い方のフォトルミネセンス波長が高い方のフォトルミネセンス波長よりも大きく長波長側へシフトする。このため、逆方向電界の印可時に、第１井戸層が吸収可能な光の波長範囲との第２井戸層が吸収可能な光の波長範囲とが重なりやすい。その結果、特定の波長の光を変調する際に広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを得ることが容易である。
【００１３】
すべての第２井戸層を第１井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが−１．０以上０未満となる逆方向電界の範囲を第１電界範囲とし、すべての第１井戸層を第２井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが−１．０以上０未満となる逆方向電界の範囲を第２電界範囲とすると、本発明の光変調器では、−１．０以上０未満のαパラメータを与える逆方向電界の範囲が第１および第２電界範囲のいずれよりも広くなっていることが好ましい。この場合、本発明の光変調器は、第１井戸層のみ、または第２井戸層のみから構成される光変調器よりも良好なαパラメータを与える電界範囲が広いので、長距離光通信で好適に使用できる。
【００１４】
第１井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての第２井戸層を第１井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが逆方向電界の増加に伴って単調に減少するような値を有していてもよい。第２井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての第１井戸層を第２井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが逆方向電界の増加に伴って増加した後、減少するような値を有していてもよい。これら２種類のαパラメータ電界依存性を有する二つの井戸層を組み合わせると、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを得やすい。
【００１５】
逆方向電界が所定の下限値から所定の上限値に変化したときの第１井戸層のフォトルミネセンス波長の変化量をΔλ１とし、逆方向電界が上記下限値から上記上限値に変化したときの第２井戸層のフォトルミネセンス波長の変化量をΔλ２としたときに、｜Δλ１−Δλ２｜≦１００ｎｍが満たされていることが好ましい。この場合、逆方向電界を下限値と上限値の間で変化させるときに、第１井戸層が吸収可能な光の波長範囲と第２井戸層が吸収可能な光の波長範囲とを重ねることができる。したがって、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを得ることが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、本実施形態の電界吸収型光変調器（以下、「ＥＡ変調器」と呼ぶ）１２０を含む光半導体素子５０を示す斜視図である。図２は、図１に示される光半導体素子５０のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。光半導体素子５０は、分布帰還型半導体レーザ素子（以下、「ＤＦＢレーザ素子」と呼ぶ）１１０、ＥＡ変調器１２０および分離部１３０から構成されている。分離部１３０は、ＤＦＢレーザ素子１１０とＥＡ変調器１２０との間に設けられている。ＤＦＢレーザ素子１１０とＥＡ変調器１２０とは、同一の基板２上に集積されている。基板２は、ｎ型ＩｎＰからなる。光半導体素子１には、トレンチ１９ａおよび１９ｂが設けられている。トレンチ１９ａおよび１９ｂは、一つの方向に延びるメサ構造６０を画定する。
【００１８】
図２に示されるように、レーザ素子１１０は、ｎ型クラッド層３ｍ、光ガイド層４ｍ、活性層５ｍ、光ガイド層６ｍ、およびｐ型の第１クラッド層７ｍを有する。これらの半導体層は、基板２上に設けられている。活性層５ｍは、光ガイド層４ｍおよび６ｍの間に設けられている。活性層５ｍならびに光ガイド層４ｍおよび６ｍは、クラッド層３ｍと第１クラッド層７ｍとの間に設けられている。光ガイド層６ｍとｐ型第１クラッド層７ｍとの界面には回折格子６ａが設けられている。
【００１９】
ＥＡ変調器１２０は、ｎ型クラッド層１３ｍ、光ガイド層１４ｍ、活性層１５ｍ、光ガイド層１６ｍ、およびｐ型の第１クラッド層１７ｍを有する。これらの半導体層は、基板２上に設けられている。活性層１５ｍは、レーザ素子１１０で生成されたレーザ光を増幅する作用を有するとともに、印可電界の強度に応じて変化する光吸収係数を有する光吸収層としても動作する。以下では、活性層１５ｍを光吸収層と呼ぶことにする。光吸収層１５ｍは、光ガイド層１４ｍおよび１６ｍの間に設けられている。光吸収層１５ｍならびに光ガイド層１４ｍおよび１６ｍは、クラッド層１３ｍと第１クラッド層１７ｍとの間に設けられている。
【００２０】
半導体層３ｍ〜７ｍから成るｐｎ接合構造Ｗ１は、半導体層１３ｍ〜１７ｍから成るｐｎ接合構造Ｗ２と境界Ｂにおいて接合されている。これらのｐｎ接合構造は、光導波路として機能する。本実施形態では、分離部１３０は、ＥＡ変調器１２０と同じ半導体層により構成されている。ただし、これに限定されるものではない。図２では、回折格子６ａは、光ガイド層６ｍと第１クラッド層７ｍとの間に形成されている。しかし、回折格子６ａは、クラッド層３ｍと光ガイド層４ｍとの間に設けられてもよい。
【００２１】
上記各層の組成を以下に示す。なお、簡単のため、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓ１−ｙＰｙ半導体（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）をＩｎＧａＡｓＰと記す。
・ｎ型クラッド層３ｍ、１３ｍ    ：ＳｉドープＩｎＰ
・光ガイド層４ｍ、１４ｍ        ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・活性層５ｍおよび光吸収層１５ｍ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・光ガイド層６ｍ、１６ｍ        ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・ｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍ：ＺｎドープＩｎＰ
ｎ型クラッド層３ｍ、１３ｍおよびｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍは、活性層５ｍ、光吸収層１５ｍおよび光ガイド層４ｍ、１４ｍよりも低い屈折率を有する。このため、レーザ光は、活性層５ｍ、光吸収層１５ｍおよび光ガイド層４ｍ、１４ｍに閉じ込められる。
【００２２】
活性層５ｍおよび光吸収層１５ｍは、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造を有している。これらのＭＱＷ構造および回折格子６ａの構造は、所定の波長の光を生成およびレーザ増幅するように決定される。本実施形態では、レーザ光の波長は、１．５３０μｍである。
【００２３】
図２に示されるように、光半導体素子５０は、ｐ型の第２クラッド層８ｍを更に有する。第２クラッド層８ｍは、レーザ素子１１０、ＥＡ変調器１２０、および分離部１３０のために共通に設けられている。第２クラッド層８ｍは、ｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍと同様にｐ型ＩｎＰから構成される。よって、第２クラッド層８ｍは、第１クラッド層７ｍ、１７ｍと共に、レーザ光を光ガイド層、活性層および光吸収層に閉じ込めるために役立つ。
【００２４】
第２クラッド層８ｍは、第１の部分８０ａ、第２の部分８０ｂ、および第３の部分８０ｃを有する。第１の部分８０ａ上には、コンタクト層９ａを介して、レーザ素子１１０用の電極９０ａが形成されている。第３の部分８０ｃ上には、コンタクト層９ｂを介して、ＥＡ変調器１２０用の電極９０ｂが形成されている。基板２の裏面には、レーザ素子１１０およびＥＡ変調器１２０に共通に使用される電極９０ｃが形成されている。
【００２５】
本実施形態の特徴は、活性層１５ｍのＭＱＷ構造にある。以下では、図３を参照しながら、活性層１５ｍのＭＱＷ構造を詳しく説明する。図３は、活性層１５ｍのエネルギーバンド図である。
【００２６】
活性層１５ｍのＭＱＷ構造の特徴は、２種類の井戸層２１および２２を含むことである。後述するように、これらの井戸層２１および２２は、互いに異なるバンドギャップエネルギーおよび層厚を有する。活性層１５ｍでは、障壁層２０と井戸層２１および２２とが交互に積層されている。障壁層２０は、第１の井戸層２１と第２の井戸層２２の間に配置されている。最も基板２に近い障壁層２０は、光ガイド層１４ｍと隣接している。最も電極９０ｂに近い障壁層２０は、光ガイド層１６ｍと隣接している。
【００２７】
活性層１５ｍでは、連続して積層された障壁層２０、第１井戸層２１、障壁層２０および第２井戸層２２からなる単位構造２５が複数積層されている。したがって、第１および第２井戸層２１、２２も、交互に配置されている。井戸層２１および２２の各々の上面および下面には、障壁層２０が隣接している。第１井戸層２１と第２井戸層２２が交互に積層されているので、光吸収層１５ｍにおけるレーザ光の分布に偏りが生じにくい。
【００２８】
障壁層２０、第１井戸層２１および第２井戸層２２は、いずれもＩｎ１−ｘＧａｘＡｓ１−ｙＰｙから構成されている。障壁層２０では、ｘ＝０．１６４０、ｙ＝０．６４９５であり、第１井戸層２１では、ｘ＝０．２３１５、ｙ＝０．２５６８であり、第２井戸層２２では、ｘ＝０．２０００、ｙ＝０．３２２０５である。
【００２９】
第１および第２井戸層２１、２２は、互いに異なるバンドギャップエネルギーおよび層厚を有している。第１井戸層２１のバンドギャップエネルギーＥｇ１は、７７７ｍｅＶであり、その厚さは、６ｎｍである。第２井戸層２２のバンドギャップエネルギーＥｇ２は、８１０ｍｅＶであり、その厚さは、８ｎｍである。障壁層２０のバンドギャップエネルギーＥｇｂは、１０８６ｍｅＶであり、その厚さは、１０ｎｍである。
【００３０】
以下では、光半導体素子５０の動作について説明する。図２に示されるように、レーザ素子１１０では、ｐ型半導体に電気的に接続された電極９０ａが直流電源９１の陽極に接続され、ｎ型半導体に電気的に接続された電極９０ｃが電源９１の陰極に接続される。したがって、レーザ素子１１０のｐｎ接合構造（光導波路）Ｗ１には、順方向のバイアス電圧が印加される。ＥＡ変調器１２０では、ｐ型半導体に電気的に接続された電極９０ｂが電源９２の陰極に接続され、ｎ型半導体に電気的に接続された電極９０ｃが電源９２の陽極に接続される。したがって、ＥＡ変調器１２０のｐｎ接合構造（光導波路）Ｗ２には、逆方向のバイアス電圧が印加される。電源９２は、変調信号Ｓを受け、変調信号Ｓに応じた電圧を出力することができる。変調信号Ｓは例えばパルス信号であってよい。電極９０ｃは、レーザ素子１１０およびＥＡ変調器１２０に共用されている。
【００３１】
レーザ素子１１０に上述の通り電圧が印加されると、レーザ素子１１０の活性層５ｍから光が放射される。すると、レーザ発振が起こり、レーザ光が光導波路Ｗ１内を伝搬する。このレーザ光は、光導波路Ｗ１からＥＡ変調器１２０の光導波路Ｗ２へ入射する。
【００３２】
ＥＡ変調器１２０に比較的低い逆方向電圧が印加されているとき、光吸収層１５ｍの実効的なフォトルミネセンス波長は、発振波長λ＝１．５３０μｍに比べて短い。このため、レーザ光は吸収されることなく活性層１５ｍを伝搬する。しかし、ＥＡ変調器１２０に十分に高い逆方向電圧が印加されると、光吸収層１５ｍにおいて量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ：Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ）が生じ、光が吸収されるようになる。したがって、変調信号Ｓに応じて変化する逆方向電圧が電源９２からＥＡ変調器１２０に印加されると、レーザ光の強度が変調信号Ｓに応じて変調される。この変調されたレーザ光が、光半導体素子５０から放射される。
【００３３】
上述のように、光吸収層１５ｍでは、バンドギャップエネルギーの異なる井戸層２１および２２が混在している。このため、ＥＡ変調器１２０は、井戸層２１および２２の光吸収特性およびチャープ特性が合成された光吸収特性およびチャープ特性を有する。以下では、図４〜図９を参照しながら、井戸層２１および２２の特性の合成を説明する。
【００３４】
図４は、光吸収層１５ｍの吸収スペクトルを示している。図５は、光吸収層１５ｍにおけるすべての第２井戸層２２を第１井戸層２１で置き換えたＭＱＷ構造、すなわち障壁層２０と第１井戸層２１のみが交互に積層されたＭＱＷ構造の吸収スペクトルを示している。図６は、光吸収層１５ｍにおけるすべての第１井戸層２１を第２井戸層２２で置き換えたＭＱＷ構造、すなわち障壁層２０と第２井戸層２２のみが交互に積層されたＭＱＷ構造の吸収スペクトルを示している。これらの図の横軸は波長を示し、縦軸は光吸収係数を示している。各図には、光吸収層１５ｍに印可される様々な逆方向電圧に対して吸収スペクトルが描かれている。
【００３５】
吸収スペクトルのピーク波長がフォトルミネセンス波長である。図面の簡単のため、図４〜図６では、電界強度５０ｋＶ／ｃｍに対する吸収スペクトルについてのみフォトルミネセンス波長λＰＬが示されている。フォトルミネセンス波長は、逆方向電界の強度の増加に伴って長波長側にシフトする。これは、井戸層のバンドギャップエネルギーが逆方向電界の印可によって実効的に減少することに起因する。
【００３６】
図５と図６を比較すると明らかなように、井戸層として第２井戸層２２のみを含む光吸収層の吸収スペクトルの方が、井戸層として第１井戸層２１のみを含む光吸収層の吸収スペクトルよりも、同じ量の電界強度変化に対するフォトルミネセンス波長のシフト量が大きい。これは、第２井戸層２２が第１井戸層２１よりも厚いからである。つまり、井戸層が厚いほど、逆方向電界の印可による伝導帯と価電子帯とのエネルギー差の実効的な減少が大きいからである。
【００３７】
第１および第２井戸層２１、２２が混在する本実施形態の光吸収層１５ｍの吸収スペクトル（図４）は、井戸層として第１井戸層２１のみを含む光吸収層の吸収スペクトル（図５）と、井戸層として第２井戸層２２のみを含む光吸収層の吸収スペクトル（図６）とを合成したものになる。すなわち、図４における光吸収係数は、図５の光吸収係数と図６の光吸収係数とを加算した値の１／２である。また、光吸収層１５ｍの吸収スペクトルは、第１井戸層のみ、または第２井戸層のみを有する光吸収層よりも大きなピーク半値幅を有している。したがって、光吸収層１５ｍは、第１または第２井戸層を単独で有する光吸収層よりも広い波長範囲にわたって光を吸収する。
【００３８】
図７は、本実施形態のＥＡ変調器１２０に関してαパラメータの電界依存性を示すグラフである。図８は、ＥＡ変調器１２０の光吸収層１５ｍにおいて、すべての第２井戸層２２を第１井戸層２１で置き換えたＥＡ変調器に関して、αパラメータの電界依存性を示すグラフである。図９は、ＥＡ変調器１２０の光吸収層１５ｍにおいて、すべての第１井戸層２１を第２井戸層２２で置き換えたＥＡ変調器に関して、αパラメータの電界依存性を示すグラフである。図７〜図９において、縦軸は、αパラメータを示し、横軸はＥＡ変調器に印可される逆方向電界の強度を示している。
【００３９】
αパラメータは、ＥＡ変調器に逆方向電界Ｆ（ｋＶ／ｃｍ）を印可したときの、光吸収係数変化Δαに対する屈折率変化Δｎの比として、次のように定義される。
【００４０】
【数１】
2004258116.tif 000003
【００４１】
ここで、αｐはαパラメータを示し、λ０は被変調光の波長を示す。本実施形態では、λ０はＤＦＢレーザ素子１１０のレーザ発振波長に等しく、１．５３０μｍである。光吸収係数変化と屈折率変化は独立ではなく、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｅｎｉｇ変換と呼ばれる関係で結ばれている。結果として、αｐは、次式のように表される。
【００４２】
【数２】
2004258116.tif 000004
【００４３】
ここで、Ｐ．Ｖ．は、積分の主値を取ることを意味する。ＥＡ変調器のΔαを測定すれば、上記（１）式にしたがってαパラメータを算出することができる。Δαは、ＥＡ変調器の吸収スペクトルを測定することにより求めることができる。
【００４４】
図７〜図９を比較すると明らかなように、ＥＡ変調器１２０におけるαパラメータの電界依存性（図７）は、井戸層として第１井戸層２１のみを含むＥＡ変調器におけるαパラメータ電界依存性（図８）と、井戸層として第２井戸層２２のみを含むＥＡ変調器におけるαパラメータ電界依存性（図９）とを合成したものになる。図７に示されるように、ＥＡ変調器１２０では、一般に好適とされるαパラメータの範囲−１．０≦αｐ＜０が得られる電界強度範囲は、５４〜１４４ｋＶ／ｃｍである。図８に示されるように、第１井戸層２１のみを井戸層として含むＥＡ変調器のαパラメータは、逆方向電界の強度の増加に応じて単調に減少する。好適なαパラメータ範囲−１．０≦αｐ＜０が得られる電界強度範囲は、６２〜１３８ｋＶ／ｃｍである。図９に示されるように、第２井戸層２２のみを井戸層として含むＥＡ変調器のαパラメータは、逆方向電界の強度の増加に応じて増加した後、減少する。好適なαパラメータ範囲−１．０≦αｐ＜０が得られる電界強度範囲は二つあり、０〜６８ｋＶ／ｃｍと１０３〜１４７ｋＶ／ｃｍである。
【００４５】
本実施形態の光吸収層１５ｍでは、上記のαパラメータ電界依存性を与える二つの井戸層２１および２２が混在している。これにより、−１．０≦αｐ＜０のαパラメータ範囲を与える電界強度範囲が拡大されている。図８および図９に示されるように、低電界領域では、第１井戸層２１のみを井戸層として有するＥＡ変調器のαパラメータが電界の増加に応じて減少するのに対し、第２井戸層２２のみを井戸層として有するＥＡ変調器のαパラメータは電界の増加に応じて増加する。すなわち、低電界領域において電界依存性が打ち消し合う。このため、ＥＡ変調器１２０では、低電界領域においてαパラメータが緩やかな電界依存性を示す。この結果、ＥＡ変調器１２０では、−１．０≦αｐ＜０のαパラメータ範囲を与える電界強度範囲が、第１井戸層２１のみを有するＥＡ変調器や第２井戸層２２のみを有するＥＡ変調器に比べて広い。
【００４６】
ＥＡ変調器１２０に印可する逆方向電界を低値と高値の間で切り替えて光変調動作を行う場合、高電界値の印可時に、２種類の井戸層２１、２２が吸収可能な光の波長範囲が重なり合うことが重要である。この低電界値および高電界値は、例えば、−１．０以上０未満のαパラメータを与える逆方向電界の下限および上限である。重なり合う吸収可能波長範囲内の波長を有する光は、良好なαパラメータを維持しつつ十分な消光比で変調することができる。
【００４７】
第２井戸層２２は、第１井戸層２１よりも高いバンドギャップエネルギーを有している。このため、第２井戸層２２は、第１井戸層２１よりも低いフォトルミネセンス波長を有している。第２井戸層２２は、第１井戸層２１よりも厚い。したがって、同じ大きさの逆方向電界が印可されれば、第２井戸層２２のフォトルミネセンス波長は、第１井戸層２１のフォトルミネセンス波長よりも大きく長波長側へシフトする。このように、井戸層２１および２２のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、低い方のフォトルミネセンス波長が高い方のフォトルミネセンス波長よりも大きく長波長側へシフトするように決められている。このため、逆方向電界を低値と高値の間で変化させたとき、第１井戸層２１と第２井戸層２２の間で吸収可能な波長範囲が重なりやすい。その結果、その重なっている波長範囲内の波長を有する光に関して、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを得ることができる。また、その重なっている波長範囲内の波長を有する光を十分な消光比で変調することができる。
【００４８】
以下では、図１０および図１１を参照しながら、第１井戸層２１が吸収可能な波長範囲と第２井戸層２２が吸収可能な波長範囲とが重なり合う条件を検討する。図１０は、井戸層として第１井戸層２１のみを有するＭＱＷ構造の吸収スペクトルを示している。図１１は、井戸層として第２井戸層２２のみを有するＭＱＷ構造の吸収スペクトルを示している。図１０および図１１では、印可する逆方向電界を５０ｋＶ／ｃｍから１５０ｋＶ／ｃｍまで変化させたときのフォトルミネセンス波長のシフト量がそれぞれΔλ１、Δλ２で示されている。この場合、逆方向電界の変化量は、１００ｋＶ／ｃｍである。
【００４９】
すでに述べたように、より厚い井戸層から構成されるＭＱＷ構造ほど、印可電界の変化に対するフォトルミネセンス波長のシフト量が大きい。ＥＡ変調器で使用される量子井戸層の層厚の上限は、一般に、１２ｎｍである。この井戸層に関して印可電界を１００ｋＶ／ｃｍだけ変化させたときの波長シフト量は、約１００ｎｍである。これは、波長シフト量の一般的な最大値である。したがって、
｜Δλ１−Δλ２｜≦１００ｎｍ      （３）
であれば、第１井戸層２１が吸収可能な光の波長範囲と第２井戸層２２が吸収可能な光の波長範囲とを重ねることが可能になる。これにより、好適なαパラメータを与える印可電界範囲を拡大するとともに、十分な消光比を得ることが可能となる。
【００５０】
１００ｎｍの波長シフト量は、５０ｍｅＶのエネルギー変化に相当する。すなわち、上記の条件式（３）は、
｜ΔＥ１−ΔＥ２｜≦５０ｍｅＶ      （４）
のように表すこともできる。ここで、ΔＥ１およびΔＥ２は、井戸層２１および２２の各々について、印可電界の増加に応じたバンドギャップエネルギーの実効的な変化量を示す。
【００５１】
以下では、本実施形態の利点を説明する。上述のように、第１および第２井戸層２１、２２のバンドギャップエネルギーは、第１井戸層２１または第２井戸層２２を単独で有するＥＡ変調器に関して−１．０≦αｐ＜０のαパラメータ範囲を与える印可電界範囲よりも広い印可電界範囲をＥＡ変調器１２０が有するように決められている。図７に示されるように、ＥＡ変調器１２０に関して−１．０≦αｐ＜０のαパラメータ範囲が得られる電界強度範囲は、５４〜１４４ｋＶ／ｃｍである。図４から明らかなように、レーザ発振波長である１．５３０μｍに対する光吸収係数は、逆方向電界が５４ｋＶ／ｃｍのとき十分に小さく、１４４ｋＶ／ｃｍのとき十分に大きい。このため５４ｋＶ／ｃｍと１４４ｋＶ／ｃｍとの間で印可電界を切り替えると、好適なαパラメータ値を維持しながらレーザ光の強度を十分な消光比で変調することができる。したがって、ＥＡ変調器１２０は、長距離光通信で好適に使用することができる。
【００５２】
光吸収層１５ｍのチャープ特性は、２種類の井戸層２１、２２のバンドギャップエネルギーを独立に選択することにより制御できる。このため、ＥＡ変調器１２０は、１種類の井戸層のみから構成される従来のＥＡ変調器よりも格段に高い設計自由度を有している。
【００５３】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００５４】
上記実施形態では、光吸収層１５ｍに２種類の井戸層２１および２２が含まれている。しかし、光吸収層には、バンドギャップエネルギーの異なる３種類以上の井戸層が含まれていてもよい。
【００５５】
上記実施形態では、ＥＡ変調器がＤＦＢレーザ素子と同一基板上に集積されている。しかし、ＥＡ変調器は、光源と別個の素子であってもよい。本発明のＥＡ変調器は、各井戸層に対応する吸収スペクトルの合成により拡大されたピーク半値幅を有する吸収スペクトルを有することができる。このため、本発明のＥＡ変調器は、光源波長のデチューニングに対して波長マージンが大きい。これに対し、従来のＥＡ変調器では、光源波長のデチューニングによりαパラメータの電界依存性が大きく変化するので、井戸層の組成を厳密に制御しなければならない。
【００５６】
【発明の効果】
この発明の電界吸収型光変調器は、バンドギャップエネルギーの異なる複数の井戸層を含む光吸収層を備えているので、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを有するように製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の光変調器を示す斜視図である。
【図２】実施形態の光変調器を示す断面図である。
【図３】光吸収層のエネルギーバンド図である。
【図４】実施形態の光変調器の吸収スペクトルを示す図である。
【図５】第１井戸層のみを有する光変調器の吸収スペクトルを示す図である。
【図６】第２井戸層のみを有する光変調器の吸収スペクトルを示す図である。
【図７】実施形態の光変調器のチャープ特性を示す図である。
【図８】第１井戸層のみを有する光変調器のチャープ特性を示す図である。
【図９】第２井戸層のみを有する光変調器のチャープ特性を示す図である。
【図１０】第１井戸層のみを有する光変調器について、電界強度の変化に応じた吸収スペクトルのシフトを示す図である。
【図１１】第２井戸層のみを有する光変調器について、電界強度の変化に応じた吸収スペクトルのシフトを示す図である。
【符号の説明】
２…基板、３ｍおよび１３ｍ…ｎ型クラッド層、４ｍ、６ｍ、１４ｍおよび１６ｍ…光ガイド層４ｍ、５ｍ…活性層、６…回折格子、７ｍおよび１７ｍ…ｐ型第１クラッド層、１５ｍ…光吸収層、２０…障壁層、２１…第１井戸層、２２…第２井戸層、２５…単位構造、５０…光半導体素子、１１０…分布帰還型半導体レーザ素子、１２０…電界吸収型光変調器、１３０…分離部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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