(57)【要約】【課題】高速変調動作可能な光変調器を得る。【解決手段】光変調器を、半絶縁性半導体基板１と、半絶縁性半導体基板上に形成されたストライプ状の光吸収層２と、半絶縁性半導体基板１上で光吸収層２の側面に沿って設けられたｎ型導電層３と、半絶縁性半導体基板１上で光吸収層２を介してｎ型導電層３に対向する位置に設けられたｐ型導電層４と、ｎ型導電層３上に形成されたｎ型電極８と、ｐ型導電層４上に形成されたｐ型電極９と、で構成し、ｎ型導電層３およびｐ型導電層４を光吸収層２と同一種の構成元素からなる混晶で形成した。【選択図】        図１
2004325730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性半導体基板と、
前記半絶縁性半導体基板上に形成されたストライプ状の光吸収層と、
前記半絶縁性半導体基板上で前記光吸収層の側面に沿って設けられたｎ型導電層と、
前記半絶縁性半導体基板上で前記光吸収層を介して前記ｎ型導電層に対向する位置に設けられたｐ型導電層と、
前記ｎ型導電層上に形成されたｎ型電極と、
前記ｐ型導電層上に形成されたｐ型電極と、
を備え、
前記ｎ型導電層およびｐ型導電層が前記光吸収層と同一種の構成元素からなる混晶で形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
ストライプ状のリッジ層が、少なくとも前記光吸収層上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
半絶縁性ＩｎＰ基板と、
前記半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成されたストライプ状のＩｎＧａＡｓＰ光吸収層と、
前記半絶縁性ＩｎＰ基板上で前記ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層の側面に設けられたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層と、
前記半絶縁性ＩｎＰ基板上で前記ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層を介して前記ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層に対向する位置に設けられたｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層と、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層上に形成されたｎ型電極と、
前記ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層上に形成されたｐ型電極と、
を備えたことを特徴とする光変調器。
【請求項４】
ストライプ状のＩｎＰリッジ層が、少なくとも前記ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層上に設けられていることを特徴とする請求項３記載の光変調器。
【請求項５】
前記ｎ型およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層のバンドギャップエネルギーが、前記ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層のバンドギャップエネルギーより大きいことを特徴とする請求項３または４記載の光変調器。
【請求項６】
前記ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層が、複数のウエル層およびバリア層を交互に積層させてなる多重量子井戸構造で構成されていることを特徴とする請求項５記載の光変調器。
【請求項７】
前記ウエル層のバンドギャップエネルギーが前記ｎ型およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ前記バリア層のバンドギャップエネルギーが前記ｎ型およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層のバンドギャップエネルギーより大きいことを特徴とする請求項６記載の光変調器。
【請求項８】
前記光吸収層、ｎ型導電層およびｐ型導電層が、ＩｎＧａＡｓＰに代わってＡｌＧａＩｎＡｓで構成されていることを特徴とする請求項３記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器に関し、特に高速変調動作が可能な横方向電界印加型光変調器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ等を光源とした光通信システムでは、光源から発したレーザ光を高速変調する光変調器が一般的に用いられる。光変調器は、通常、素子の主面に垂直方向に電界を印可してレーザ光が導波する光吸収層の吸収係数を変化させて導波レーザ光を変調する。近年、さらなる高速変調を実現すべく、上述の光吸収層に対して垂直方向から電界を印加する構造とは異なる水平方向から電界を印可する、いわゆる横方向電界印加型光変調器が提案されている。かかる構造では、従来構造に対して光吸収層の接合面における接合容量が大幅に低減されるので、高速変調動作が可能となる。
【０００３】
従来の横方向電界印加型光変調器は、例えば、非特許文献の図１で開示されたように、外部から入射したレーザ光を光吸収層へ閉じ込めるために、光吸収層の周辺部はＩｎＧａＡｓＰで構成された光吸収層より屈折率の小さいＩｎＰクラッド領域で囲まれていた。つまり、光吸収層をコアとした埋め込み型光導波路が形成されていた。さらに、水平方向、つまりＩｎＰ基板の主面に対して平行方向では、ストライプ状の光吸収層の両側面にそれぞれｎ型およびｐ型ＩｎＰ導電層が形成されていた。ｐ型ＩｎＰ導電層上に設けられたｐ型電極とｎ型ＩｎＰ導電層上に設けられたｎ型電極との間に電圧を印加することによって、光吸収層に対して水平方向（横方向）への電界が印加された。通過するレーザ光に対する光吸収係数が光吸収層への横方向電界印加によって変化するため、光変調器に入射された連続したレーザ光を印加電界強度に対応した光信号へ変換する光強度変調が可能となった。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｋ．Ｗａｋｉｔａ  他、”Ａ  Ｎｅｗ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｃｈｉｒｐ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｆｉｅｌｄ”，  Ｊａｐａｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ２００２年，Ｖｏｌ．  ４１，  ｐｐ．  １１７５−１１７７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の横方向電界印加型光変調器では、光吸収層で生じた導波レーザ光の光吸収による電子とホール（光キャリア）は、ＩｎＧａＡｓＰで構成される光吸収層とｎ型およびｐ型ＩｎＰ導電層との界面に存在する大きなバンド不連続によって、光キャリアを速やかに電極側に引き抜くことができなかった。したがって、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層／ＩｎＰ導電層界面にキャリアが蓄積され易く、ｐ型およびｎ型電極に印加された電圧による電界が界面に蓄積されたキャリアによって電気的に遮蔽されてしまい、光吸収層に対して変調に必要な強度レベルの電界が印加できない不具合が生じた。この結果、光変調器に印加する電圧を高速変調動作させた場合、光信号の変調が正常に実施できなくなるという問題が生じた。この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高速変調動作可能な光変調器を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光変調器は、半絶縁性半導体基板と、上記半絶縁性半導体基板上に形成されたストライプ状の光吸収層と、上記半絶縁性半導体基板上で上記光吸収層の側面に沿って設けられたｎ型導電層と、上記半絶縁性半導体基板上で上記光吸収層を介して上記ｎ型導電層に対向する位置に設けられたｐ型導電層と、上記ｎ型導電層上に形成されたｎ型電極と、上記ｐ型導電層上に形成されたｐ型電極と、を備え、上記ｎ型導電層およびｐ型導電層が上記光吸収層と同一種の構成元素からなる混晶で形成されることとした。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の形態１による光変調器の断面図を図１に、概観図を図２に示す。本実施の形態の光変調器は、半絶縁性ＩｎＰ基板１と、半絶縁性ＩｎＰ基板１上に形成されたストライプ状のアンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層２と、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層２の両側面にそれぞれ設けられたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層４と、さらに、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層２上面全体およびｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層４の一部を被覆するように形成されたストライプ状のＩｎＰリッジ層５と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６を介して形成されたｎ型電極８と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層４上にｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７を介して形成されたｐ型電極９と、で構成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰは混晶と呼ばれる結晶の一種で、同族の元素を任意組成で混合できる性質を有する。
【０００８】
ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６は、上部のｎ型電極８と良好なオーミックコンタクトを形成するため、ｎ型不純物が高濃度にドーピングされている。一方、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７も上部のｐ型電極９と良好なオーミックコンタクトを形成するため、ｐ型不純物が高濃度にドーピングされている。
【０００９】
以下、本実施の形態の光変調器の動作について説明する。外部の半導体レーザ等の光源から発したレーザ光が光変調器の一端の光吸収層２に入射される。ｎ型およびｐ型電極７、８を介してｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層４間に信号に対応した電圧を印加すると、光吸収層２内にＩｎＰ基板１の主面に対して水平方向の電界が印加される。かかる印加電界の影響により光吸収層２の吸収係数が変化する。光吸収層２を通過するレーザ光は印加電界強度に対応した光吸収による変調を受けた後、光変調器の他端から外部に出射される。
【００１０】
本実施の形態の光変調器では、光吸収層２で発生した光キャリアが光吸収層２からｎ型導電層３およびｐ型導電層４を通してｎ型およびｐ型電極８，９へ引き抜かれる点は従来の光変調器と同様であるが、本素子構造では従来の素子構造に対して以下の利点がある。
【００１１】
本実施の形態の光変調器では、光吸収層２の両側面にそれぞれ形成されたｎ型導電層３およびｐ型導電層４はＩｎＧａＡｓＰ材料という光吸収層２と同一種の構成元素からなる点が従来の光変調器（非特許文献１）と相違する。かかる構成を適用した理由を以下に述べる。光変調器による高速変調動作を実現するには、光キャリアを速やかにｎ型電極８およびｐ型電極９へ引き抜く必要がある。一方、光導波路の損失を低減する観点からは、光吸収層２以外の領域における不要な光吸収を避けるために、光吸収層２の両側面に形成される各導電層のバンドギャップエネルギーＥＤは光吸収層２のバンドギャップエネルギーＥＡよりもやや大きくなるような材料を用いる必要がある。したがって、光吸収層２と両側面のｎ型導電層３およびｐ型導電層４との界面では光導波路としての要請から本質的にバンド不連続が生じた。
【００１２】
従来の光変調器では、ｎ型導電層およびｐ型導電層はＩｎＰという二元混晶で構成されていたため、バンドギャップエネルギーＥＤは一義的に決まり制御するのは不可能であったのに対して、本実施の形態の光変調器では光吸収層２の両側面のｎ型導電層およびｐ型導電層を光吸収層２と同一種の構成元素からなる結晶材料であるＩｎＧａＡｓＰという四元混晶で構成するため、各構成元素の組成比（混晶比）を調整する手段により各導電層のバンドギャップエネルギーＥＤを自由に設定できる。本実施の形態の光変調器では、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層４のバンドギャップエネルギーＥＤを、光吸収層２のバンドギャップエネルギーＥＡよりもやや大きい値でかつ、両者のバンド不連続値をできるだけ小さくするようなＩｎＧａＡｓＰ混晶比を適用する。
【００１３】
光キャリアが発生する光吸収層２とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層４との界面に蓄積される光キャリアの引き抜き時間τは、光吸収層２の有効質量をｍ、界面領域の長さをＬ、バンド不連続をΔ、温度をＴ、ボルツマン定数をｋＢとすると、以下の式で表される。
１／τ＝１／Ｌ  （ｋＢＴ／２πｍ）１／２  ｅｘｐ（−Δ／  ｋＢＴ）                        （１）
（１）式によれば、光キャリア引き抜き時間はバンド不連続Δに対して指数関数的に変化するためバンド不連続Δを少しでも小さくすることで、光キャリア引き抜き時間を大幅に短縮できる。
【００１４】
例えば、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層４の波長換算されたバンドギャップエネルギーＥＤを１１１０ｎｍ、光吸収層２の波長換算されたバンドギャップエネルギーＥＡを１６００ｎｍに設定した組成比を有するＩｎＧａＡｓＰ材料を採用した場合、ｎ型導電層およびｐ型導電層をＩｎＰ材料とした場合と比較すると、光吸収層２とｎ型導電層およびｐ型導電層との界面のバンド不連続△は、光吸収層２と同一種のＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた本実施の形態の光変調器の方が従来構造と比べて約１．４倍減少し、この結果、光キャリア引き抜き時間は約５０倍高速になる。したがって、本実施の形態の素子構造を適用すれば、光吸収層２とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層４との界面に蓄えられた光キャリアの引き抜き時間は従来の素子構造より一層短縮され光キャリアを速やかに電極に引き抜けるので、高速変調動作が可能となる。
【００１５】
ただし、ＩｎＧａＡｓＰ材料による導電層構成では光吸収層２との屈折率差Δｎが小さくなるため、導波レーザ光に対する水平方向の光閉込め効果を持たせるべく、両者の屈折率差Δｎを、０．００２＜Δｎ＜０．１５の範囲になるように光吸収層２とｎ型およびｐ型導電層３，４のＩｎＧａＡｓＰの混晶比を設定する。
【００１６】
本実施の形態の光変調器では光導波路を一層安定にすべく、光吸収層２上部全体およびｎ型およびｐ型導電層３，４を一部被覆するようにＩｎＰリッジ層５を形成して水平方向の光閉込め構造を設けている。つまり、ＩｎＰリッジ層５の存在が光吸収層２内での水平方向の屈折率分布に影響を及ぼし実効的な屈折率差が形成されるので、光吸収層２に十分に導波レーザ光が閉じ込められる。
【００１７】
なお、ｎ型およびｐ型コンタクト層６、７としてＩｎＰより屈折率の小さいＩｎＧａＡｓＰ材料を用いることで光分布の水平方向への広がりを抑え、光吸収層２にレーザ光が効率的に閉じ込められる効果も得られる。
【００１８】
以上、本実施の形態によれば、導電層を光吸収層と同一種の構成元素からなる混晶で構成し、少なくとも光吸収層上部にリッジ層を設けたので、高速変調動作が可能でかつ安定に光導波する光変調器が得られる。
【００１９】
実施の形態２．
実施の形態２の光変調器の断面図を図３に示す。実施の形態２の光変調器は実施の形態１の光変調器に対して、光吸収層がウエル層とバリア層を交互に積層させてなる多重量子井戸構造で構成されている点が相違する。光吸収層１０を構成する多重量子井戸構造では、ウエル層のバンドギャップエネルギーＥｗがｎ型およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３，４のバンドギャップエネルギーより小さく、かつバリア層のバンドギャップエネルギーＥＢがｎ型およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３，４のバンドギャップエネルギーＥＤより大きくなるように設定する。すなわち、
Ｅｗ＜ＥＤ＜ＥＢ                                      （２）
という関係になるよう各層の混晶比、層厚等を設定する。
【００２０】
かかる構成によりウエル層に蓄積した光キャリアがバリア層へ熱的に励起するよりも速く各導電層３，４へ引き抜けるために、半絶縁性ＩｎＰ基板１に対して垂直方向へのキャリア移動を抑制できる。上述したように、バリア層のバンドギャップエネルギーＥＢよりｎ型およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層３，４のバンドギャップエネルギーＥＤの方が小さいので、バンド不連続△もウエル層／導電層３，４間の方が小さくなるからである。この結果、光吸収層１０における水平方向、つまり半絶縁性ＩｎＰ基板１と平行方向へのキャリア移動が効率的に行えるため、ｐ型およびｎ型電極８，９で光キャリアを一層速やかに引き抜ぬくことが可能となる。
【００２１】
以上、実施の形態２の光変調器では、実施の形態１の素子構造における光吸収層を多重量子井戸構造で構成したので、一層高速変調動作が可能になる効果がある。
【００２２】
なお、各実施の形態の光変調器は、光吸収層２をＩｎＧａＡｓＰ材料に代わってＡｌＧａＩｎＡｓ材料で構成しても同様の効果を発揮する。また、各導電層３，４としてＡｌＧａＩｎＡｓ材料を適用しても、各実施の形態の光変調器と同様に、光キャリアの蓄積を緩和する効果が期待できる。さらに、リッジ層５の構成材料も上述のＩｎＰに代えて光吸収層２のバンドギャップエネルギーよりも大きいＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓで構成しても同様の効果が生じる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係る光変調器では、半絶縁性半導体基板と、上記半絶縁性半導体基板上に形成されたストライプ状の光吸収層と、上記半絶縁性半導体基板上で上記光吸収層の側面に沿って設けられたｎ型導電層と、上記半絶縁性半導体基板上で上記光吸収層を介して上記ｎ型導電層に対向する位置に設けられたｐ型導電層と、上記ｎ型導電層上に形成されたｎ型電極と、上記ｐ型導電層上に形成されたｐ型電極と、を備え、上記ｎ型導電層およびｐ型導電層が上記光吸収層と同一種の構成元素からなる混晶で形成されることとしたので、高速変調動作が可能な光変調器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１における光変調器の断面図である。
【図２】実施の形態１における光変調器の概観図である。
【図３】実施の形態２における光変調器の断面図である。
【符号の説明】
１  半絶縁性ＩｎＰ基板、  ２  アンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層、  ３  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層、  ４  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ導電層、  ５  ＩｎＰリッジ層、  ６  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、  ７  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、  ８  ｎ型電極、  ９  ｐ型電極、  １０  多重量子井戸構造からなる光吸収層。
【図１】
2004325730.tif 000003
【図２】
2004325730.tif 000004
【図３】
2004325730.tif 000005