(57)【要約】【課題】取り扱いが容易であって、高速動作可能な光変調器等の光制御素子を提供する。【解決手段】光制御素子は、光を第１方向に沿って伝搬させる透明導波層１１と、前記透明導波層と近接して平行に配置され、光を前記第１方向に沿って伝搬させる多重量子井戸層３と、前記多重量子井戸層の層に平行な面内で、前記第１方向に垂直な第２方向から前記多重量子井戸層を挟んで設けられた互いに異なる２つの導電型領域６、７とを備え、前記多重量子井戸層を伝搬する光は、前記透明導波層を伝搬する光とモード結合の関係にあり、前記２つの導電型領域の間で、電界を前記第２方向に沿って前記多重量子井戸層に印加可能である。【選択図】　　　　図１
2004020625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を第１方向に沿って伝搬させる透明導波層と、
前記透明導波層と近接して平行に配置され、光を前記第１方向に沿って伝搬させる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層の層に平行な面内で、前記第１方向に垂直な第２方向から前記多重量子井戸層を挟んで設けられた互いに異なる２つの導電型領域と
を備え、
前記多重量子井戸層を伝搬する光は、前記透明導波層を伝搬する光とモード結合の関係にあり、
前記２つの導電型領域の間で、電界を前記第２方向に沿って前記多重量子井戸層に印加可能なことを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
前記多重量子井戸層は、前記第１方向に沿った長さＬが、
Ｌ＝２ｍπ／（βｅ−βｏ）
（βｅは対称形の基本モード伝搬定数、βｏは反対称形の一次モードの伝搬定数、ｍは自然数）で表されることを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】
前記多重量子井戸層は、前記第１方向に沿った長さが前記透明導波層の前記第１方向に沿った長さより短いことを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【請求項４】
前記多重量子井戸層は、前記第１方向に沿った長さが５０〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器や光スイッチ等の光制御素子に関する。特に、多重量子井戸構造を有する電界吸収型光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の光通信における光強度変調素子としては、電界吸収型光変調器が用いられている。この電界吸収型光変調器では、多重量子井戸層の層方向に垂直に上下方向から電界を印加し吸収線をシフトさせて、光変調器に入射した光の強度を制御して、出射光の光強度変調を行う。この光変調器の動作限界は、通信に必要な消光比を得るための変調を行う導波路長に応じた素子容量Ｃで制限されるため、４０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ程度での変調が動作限界と考えられる。したがって、より高速な光強度変調素子には、短い変調導波路長で同じ変調を実現する事が求められる。
【０００３】
そこで、さらに高速動作可能な光変調器の開発が進められている。例えば、特開平８−２４８３６３号公報には、多重量子井戸層の層に平行な左右側方から層方向に平行に電界を印加する層方向電界印加型光変調器が記載されている。この層方向電界印加型光変調器では、層方向に平行に電界を印加することによって吸収線をブリーチして信号波長での吸収係数を変化させ、光強度変調を行っている。これによって、層方向に垂直に電界を印加する方法よりも大きな変調度が得られる。その結果、従来方式より短い、およそ１００μｍ以下の変調導波路長としても同等の消光比が得られる。そこで、変調導波路長を短くできるので素子容量を減少させて高速動作が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように変調導波路長を短縮すると、光制御素子としてのサイズが微細化するので取り扱いの観点でいくつかの問題点が生じる。例えば、ウエハからの素子割り出し、取り付け時のハンドリング等が困難となる。そこで、従来の層方向に垂直に電界を印加する電界吸収型光変調器では、変調導波路の前後に光変調に寄与しない透明導波路を設け、変調導波路長を短いままで素子長を長くしてハンドリングを改善していた。
【０００５】
しかし、層方向に平行に電界を印加する層方向電界印加型の光変調器では、変調導波路部分のみ選択的に電界を印加する構造を作製することが困難なので、光変調に寄与しない透明導波路部分にも電界が印加される。このため、透明導波路部分の容量も加わって素子容量が増加してしまい、高速動作させることができないという問題点が生じていた。また、変調導波路部分と透明導波路部分の接合は、完全に損失なく接合することは不可能なため、伝搬損失が発生するという問題点も生じていた。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、取り扱いが容易であって、高速動作可能な光変調器等の光制御素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光制御素子は、光を第１方向に沿って伝搬させる透明導波層と、前記透明導波層と近接して平行に配置され、光を前記第１方向に沿って伝搬させる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層の層に平行な面内で、前記第１方向に垂直な第２方向から前記多重量子井戸層を挟んで設けられた互いに異なる２つの導電型領域と
を備え、
前記多重量子井戸層を伝搬する光は、前記透明導波層を伝搬する光とモード結合の関係にあり、
前記２つの導電型領域の間で、電界を前記第２方向に沿って前記多重量子井戸層に印加可能なことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記多重量子井戸層は、前記第１方向に沿った長さＬが、
Ｌ＝２ｍπ／（βｅ−βｏ）
（βｅは対称形の基本モード伝搬定数、βｏは反対称形の一次モードの伝搬定数、ｍは自然数）で表されることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記多重量子井戸層は、前記第１方向に沿った長さが前記透明導波層の前記第１方向に沿った長さより短いことを特徴とする。
【００１０】
またさらに、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記多重量子井戸層は、前記第１方向に沿った長さが５０〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る光変調器について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一部材には同一の符号を付している。
【００１２】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る光変調器について図１から図３を用いて説明する。図１は、この光変調器の光を伝搬する第１方向に沿った側面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３は、この光変調器の動作原理を示す図である。この光変調器は、図１に示すように、光を第１方向に沿って伝搬させる透明導波層１１と、該透明導波層１１に近接して平行に配置され、光を第１方向に沿って伝搬させる変調導波層である多重量子井戸層３とを備える。この多重量子井戸層３は、透明導波層１１といわゆる装荷結合の関係にある。この場合、多重量子井戸層３を伝搬する光は、透明導波層１１を伝搬する光とモード結合の関係にある。即ち、図１に示すように、透明導波層１１を第１方向に沿って伝搬する光は、多重量子井戸層３との間でいったり来たりを繰り返す。この場合、多重量子井戸層３の長さＬを所定長さに制御しておくことによって、光変調しない場合には光は透明導波層１１に再び戻って伝搬する。なお、この多重量子井戸層の長さＬの条件については後述する。
【００１３】
また、この光変調器は、多重量子井戸層３の層に平行な面内で、第１方向に巣直な第２方向から該多重量子井戸層３を挟んで設けられた互いに異なる２つの導電型領域６、７を備える。この２つの導電型領域６、７の間で、電界を第２方向に沿って多重量子井戸層３に印加する。この場合、多重量子井戸層３の層に平行に電界を印加した場合にも、透明導波層１１は、多重量子井戸層３とは同一面内にはないので、透明導波層１１への電界印加を避けることができる。そこで、変調導波層である多重量子井戸層３の導波路長を短くして低容量化することができるので、高速変調が可能となる。しかも、多重量子井戸層３を短くしながら、透明導波層１１と一体的に構成することで光変調器のサイズを大きくとれるので取り扱いが容易となる。
【００１４】
次に、この光変調器の断面構造について図２を用いて説明する。まず、光を第１方向に沿って伝搬させる中央部では、ＩｎＰ基板１から、順に、不純物を有しないノンドープＩｎＰ下部クラッド層２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ透明導波層１１、ノンドープＩｎＰ中間クラッド層１２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層３、ノンドープＩｎＰ上部クラッド層４が積層されている。
【００１５】
一方、多重量子井戸層の層に平行な面内で、第１方向に垂直な第２方向から多重量子井戸層３を挟む両側では、ＩｎＰ基板１から、順に、ノンドープＩｎＰ下部クラッド層２、中央部の透明導波層１１を挟む側部クラッド層１２、中央部の多重量子井戸層３を挟む互いに異なる２つの導電型領域６、７、ＧａＩｎＡｓコンタクト層５、それに電極８、９が積層されている。上記２つの導電型領域６、７によって、多重量子井戸層３の層に平行に電界を印加する。
【００１６】
さらに、この光変調器の動作原理について、図３を用いて説明する。図３は、多重量子井戸層３に電界を印加した場合の吸収係数の変化を示すグラフである。この光変調器では、多重量子井戸層３の層方向に平行に電界を印加して光強度変調を行っている。多重量子井戸層３に外部電界を印加すると、図３に示すように、電界が０の場合（Ｅ＝０）と比べて特定の波長範囲の光の吸収係数が変化する。この吸収係数の変化を利用して光強度変調を行うことができる。まず、多重量子井戸層３は、外部からの電界が印加されていない時（Ｅ＝０）は、実線で示すように、励起子による吸収線が鋭く、使用波長に対し吸収がほとんどなく透明導波路として考えてよい。一方、外部から電界を印加した際には、小さな電界強度変化であっても効果的に励起子吸収が鈍くなり、点線で示すように、特定波長範囲において吸収係数が増加する。ここで、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層３のフォトルミネッセンス波長は、使用する波長帯に適合するように、例えば、１．５５μｍ帯の光を変調する際には１．４９μｍ前後にする。なお、多重量子井戸層３の層方向に平行に電界を印加することにより、層方向に垂直に電界を印加する場合よりも、短い導波路長で光強度変調の動作に必要な消光比が得られる。このため、導波路長を短くする事ができるので、光変調器の低容量化を実現できると共に、高速応答が可能となる。
【００１７】
次に、多重量子井戸層３の長さＬの条件について検討する。この多重量子井戸層３は、透明導波層と近接して第１方向に平行に配置され、いわゆる装荷結合の関係にある。これにより、多重量子井戸層３を伝搬する光は、透明導波層１１を伝搬する光とモード結合の関係にある。ここで、モード結合の関係とは、透明導波層１１に入射した光のパワーが多重量子井戸層３との間を行き来しうる関係をいう。この場合、装荷結合された多重量子井戸層３の長さＬ等の条件に応じて、光が透明導波層１１に戻って伝搬する場合と、該透明導波層１１に戻ることなく消光する場合がある。ここで、変調導波層である多重量子井戸層３に電界を印加しない場合には、モード結合の関係にある光が透明導波層１１に戻ることが条件となる。一方、多重量子井戸層３に電界を印加した場合には使用波長において吸収係数が大きくなるため、多重量子井戸層３でほぼ吸収されてしまう。
【００１８】
そこで、モード結合の関係にある光が透明導波層１１に戻る条件を満たすように、変調導波層としての多重量子井戸層３の具体的な長さＬを算出する。まず、屈折率ｎの導波層をｚ軸に沿って周波数ω、伝搬定数βの光が伝搬する場合、その電磁界ｅは、次式で表される。
ｅ（ｒ，ｔ）＝Ｅ（ｘ，ｙ）×ｅｘｐ［ｊ（ωｔ−βｚ）］　　　（１）
そこで、透明導波層１１と、多重量子井戸層３とを行き来して伝搬する光の固有モードのうち、対称形の基本モードの伝搬定数をβｅ、反対称形の一次モードの伝搬定数をβｏとすると、
βｅ＞βｏ　　　（２）
の関係がある。したがって、伝搬に伴い各モードにｚ（βｅ−βｏ）だけ位相ずれが生じ、この位相差がπになったときに光のエネルギーは導波層間を移行する。一方、光が透明導波層１１に戻るのは位相差が２πの整数倍になった場合である。そこで、この場合の多重量子井戸層３の長さＬは、
２πｍ＝Ｌ（βｅ−βｏ）　　　（３）
で表されるので、変形して、
Ｌ＝２ｍπ／（βｅ−βｏ）　　　（４）
（ｍ＝１、２、３・・・）
で与えられる。この多重量子井戸層３の長さＬは、できるだけ短くする観点から、ｍは小さいことが望ましい。また、素子容量に関するＲＣ制限の観点から、導波路長の長さは、１０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃを超える高速での変調を行うためには、１５０μｍ以下が好ましい。具体的には、５０μｍ〜１００μｍの範囲がさらに好ましい。一方、透明導波層１１の長さは、変調性能を左右しないので、サイズ的な取り扱いが容易になる程度の大きさであればよい。なお、好ましくは１５０μｍ以上とする。
【００１９】
なお、ここでは光強度変調器として用いる場合について説明したが、その用途は光強度変調器に限られない。例えば、光スイッチとして機能させることもできる。さらに別の光制御素子として用いてもよい。また、同一のＩｎＰ基板１上に半導体レーザ装置を作製し、該半導体装置と光変調器とを集積化してもよい。
【００２０】
また、この光変調器の製造方法について説明する。まず、この光変調器において、光を伝搬させる中央部は、以下の手順で作製される。
（ａ）ＩｎＰ基板１を用意する。
（ｂ）該ＩｎＰ基板１の第１面上に、順に、ノンドープＩｎＰ下部クラッド層２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ透明導波層１１、ノンドープＩｎＰ中間クラッド層１２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層３、ノンドープＩｎＰ上部クラッド層４を積層する。なお、各層を構成するＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰ等の化合物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ）や分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）を用いてエピタキシャル成長させることができる。
【００２１】
一方、この光変調器の側面構造は以下の手順で作製される。ここで、側面構造としては、例えば、透明導波層１１の両側部を挟む側部クラッド層１２や、量子井戸層３の両側部を挟む２つの導電型領域６、７等である。
（ａ）上部クラッド層４まで形成した後、該上部クラッド層４の上にＳｉＯ２等の絶縁膜で幅１〜３μｍのストライプを形成する。この絶縁膜の幅が光を導波する透明導波層１１や多重量子井戸層３の幅となる。
（ｂ）次いで、該絶縁膜をマスクにしてノンドープＩｎＰ下部クラッド層２が露出するまでエッチングする。
（ｃ）下部クラッド層２の上に、透明導波層１１を挟むように側部クラッド層１２を形成する。それぞれの半導体層は、導電型不純物を添加した半導体層を選択再成長させて形成できる。
（ｄ）側部クラッド層１２の上に、多重量子井戸層３を挟むように導電型領域６、７を形成する。この場合、それぞれの導電型不純物を拡散やイオン注入などの手法で添加し、導電型領域６、７としてもよい。
（ｅ）導電型領域６、７の上に、それぞれコンタクト層５を形成する。また、コンタクト層５として、ｐ型コンタクト層にはＧａＩｎＡｓ層が好ましい。
（ｆ）コンタクト層５の上に、電極８、９を蒸着により形成する。
以上の各工程によりこの光変調器が作製される。
【００２２】
ここで、上記下部クラッド層２、上記側部クラッド層１２、コンタクト層５等の半導体層は、例えばＩｎＰ基板１と格子整合する条件下でＧａＩｎＡｓＰ層の組成比を変化させて形成してもよい。すなわち、組成比を変化させる事で、屈折率やバンドギャップを制御できるので、屈折率の低いクラッド層や、バンドギャップの小さな量子井戸層を形成できる。なお、透明導波層や多重量子井戸層に用いる化合物半導体層としては、ＧａＩｎＡｓＰ層に限られない。その他、例えば、ＩｎＰ基板と格子整合しうるＡｌＧａＩｎＡｓ層等の化合物半導体層を用いることができる。この場合、屈折率やバンドギャップ等が所定値を有するものであれば、透明導波層や多重量子井戸層として用いることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係る光制御素子によれば、光を第１方向に沿って伝搬させる透明導波層と、該透明導波層と近接して平行に配置され、光を第１方向に沿って伝搬させる多重量子井戸層とを備える。この多重量子井戸層は、透明導波層といわゆる装荷結合の関係にあり、多重量子井戸層を伝搬する光は、透明導波層を伝搬する光とモード結合の関係にある。また、多重量子井戸層の層に平行な面内で、第１方向と垂直な第２方向から多重量子井戸層を挟んで設けられた互いに異なる２つの導電型領域とを備える。この２つの導電型領域の間で、電界を上記第２方向に沿って多重量子井戸層に印加できる。この場合、透明導波層は、多重量子井戸層とは同一面内にはないので、透明導波層への電界印加を避けることができる。そこで、変調導波層である多重量子井戸層の導波路長を短くして低容量化することができるので、高速変調が可能となる。しかも、多重量子井戸層を短くしながら、透明導波層と一体的に構成することで光変調器のサイズを大きくとれるので取り扱いが容易となる。
【００２４】
また、本発明に係る光制御素子によれば、多重量子井戸層は、第１方向に沿った長さＬが、
Ｌ＝２ｍπ／（βｅ−βｏ）
（βｅは対称形の基本モード伝搬定数、βｏは反対称形の一次モードの伝搬定数、ｍは自然数）で表される。これによって、多重量子井戸層に電界を印加しない場合には、モード結合の関係にある光は透明導波層に戻って伝搬する。
【００２５】
さらに、本発明に係る光制御素子によれば、多重量子井戸層は、第１方向に沿った長さが透明導波層の前記第１方向に沿った長さより短い。これによって高速動作させることができる。
【００２６】
またさらに、本発明に係る光制御素子によれば、多重量子井戸層は、第１方向に沿った長さが５０〜１００μｍの範囲にある。これによって高速動作させることができると共に、十分な消光比が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る層方向電界印加型光変調器の導波方向に沿った側面概略図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る層方向電界印加型光変調器の動作を説明する概略図である。
【符号の説明】
１　ＩｎＰ基板、２　ノンドープＩｎＰ下部クラッド層、３　ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層、４　ノンドープＩｎＰ上部クラッド層、５　ＧａＩｎＡｓコンタクト層、６　第１導電型領域、７　第２導電型領域、８、９　オーミック電極、１０　レーザ光、１１　透明導波路層、１２　側部クラッド層、１３
絶縁性中間クラッド層、２０　層方向電界印加型光変調器
【図１】
2004020625.tif 000003
【図２】
2004020625.tif 000004
【図３】
2004020625.tif 000005