(57)【要約】【課題】光ファイバ通信に好適に使用可能な、タイプＩＩの多重量子井戸構造を有する光変調器を提供する。【解決手段】光変調器１は、ＧａＡｓ基板１０上に設けられたＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓ超格子層１４を有する。超格子層１４は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。超格子層の上端および下端には、ともにＧａＡｓ層が配置されている。ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ層は、ＧａＡｓとほぼ格子整合している。超格子層１４は、タイプＩＩのバンド構造を有する。超格子層１４は、１．０μｍ〜１．７μｍの波長域に吸収波長帯を有している。【選択図】　図３
2004069839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に設けられ、多重量子井戸構造を有する半導体多層膜と、
前記半導体多層膜を挟む一対の電極と、
を備え、
前記半導体多層膜では、第１の半導体層と第２の半導体層とが交互に積層されており、
前記第２半導体の伝導帯の下端は、前記第１半導体の伝導帯の下端より低く、前記第２半導体の価電子帯の上端は、前記第１半導体の価電子帯の上端より低く、
前記半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数とが空間的に分離されており、
前記一対の電極を介して前記半導体多層膜に印加される電界に応じて透過光強度を変調する光変調器。
【請求項２】
前記超格子層の上面に被着され、前記超格子層より低い屈折率を有する上部クラッド層と、
前記超格子層の下面に被着され、前記超格子層より低い屈折率を有する下部クラッド層と、
をさらに備える請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記半導体多層膜は、１．０μｍ〜１．７μｍの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有している、請求項１記載の光変調器。
【請求項４】
前記第１および第２半導体層は、ＧａＡｓにほぼ格子整合した半導体材料から構成されている、請求項１記載の光変調器。
【請求項５】
前記半導体多層膜は、歪超格子層である、請求項１記載の光変調器。
【請求項６】
前記半導体多層膜に電界が印加されると、前記半導体多層膜の電子−正孔遷移確率が増大する、請求項１記載の光変調器。
【請求項７】
前記半導体多層膜に電界が印加されていないとき、前記半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数との空間的な重なりが小さく、
前記半導体多層膜に電界が印加されると、前記半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数の空間的な重なりが増加する
請求項１記載の光変調器。
【請求項８】
前記第２半導体層を挟んで隣り合う前記第１半導体層の正孔の波動関数が相互に結合状態にあり、かつ、前記第１半導体層を挟んで隣り合う前記第２半導体層の電子の波動関数が相互に結合状態にあり、
前記半導体多層膜に電界が印加されていないとき、前記半導体多層膜は、第１の電子−正孔遷移エネルギーを有しており、
前記半導体多層膜に電界が印加されているとき、前記半導体多層膜は、前記第１電子−正孔遷移エネルギーよりも大きな第２の電子−正孔遷移エネルギーおよび前記第１電子−正孔遷移エネルギーよりも小さな第３の電子−正孔遷移エネルギーを有する
請求項１記載の光変調器。
【請求項９】
前記第１半導体は、Ｇａ１−ｚＡｌｚＡｓ（０≦ｚ＜０．４）であり、
前記第２半導体は、ＧａＡｓにほぼ格子整合したＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０．６≦ｘ≦１、０．０２≦ｙ≦０．１）である
請求項１〜８のいずれかに記載の光変調器。
【請求項１０】
前記第１半導体は、ＧａＮｖＡｓ１−ｖ（０＜ｖ＜１）であり、
前記第２半導体は、ＧａＡｓにほぼ格子整合したＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０．６≦ｘ≦１、０．０２≦ｙ≦０．１）である
請求項１〜８のいずれかに記載の光変調器。
【請求項１１】
前記第１半導体は、ＧａＰｕＡｓｖＳｂ１−ｕ−ｖ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１）であり、
前記第２半導体は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０．６≦ｘ≦１、０．０２≦ｙ≦０．１）である
請求項１〜８のいずれかに記載の光変調器。
【請求項１２】
前記ＧａＡｓ基板上に設けられたＤＦＢレーザ素子をさらに備える請求項１〜１１のいずれかに記載の光変調器。
【請求項１３】
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた光導波路をさらに備え、マッハツェンダ変調器を成している請求項１〜１１のいずれかに記載の光変調器であって、
前記半導体多層膜は、前記光導波路の一部に設けられている
請求項１〜１１のいずれかに記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信に使用可能な光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信では、光の変調によって信号光を生成する。この光変調を実行するのが、光変調器である。光通信で一般的に使用される光変調器は、入力電気信号に応じて光の強度を変化させる。
【０００３】
電界光吸収型（ＥＡ型）光変調器の光吸収層には、一般に多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が採用される。ＭＱＷ層のバンド構造には、タイプＩとタイプＩＩがある。タイプＩの構造では、電子と正孔が同一の井戸層内に閉じ込められる。各井戸層の中で電子および正孔間の遷移が起こる。この遷移は、光吸収をともなう。一方、タイプＩＩの構造では、電子と正孔の閉じ込めが空間的に分離している。タイプＩＩの構造では、電界が印加されていないとき、電子と正孔の波動関数の重なりは小さい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
タイプＩのＭＱＷ構造を有するＥＡ型光変調器には、主に二つの課題がある。第１に、この光変調器では、十分なＯＮ−ＯＦＦ比（消光比：１０ｄＢ以上）を得るために、８０ｋＶ／ｃｍ以上という大きな変調電界を印加する必要がある。これに伴って大きな変調電圧が要求されるため、高速の変調が困難である。変調電圧Ｖｍと変調電界Ｆには、Ｆ＝Ｖｍ／ｄの関係がある。ここで、ｄは光吸収層の厚みである。光吸収層が厚いほど、光吸収が増加し、変調効率が上がる。しかし、上記のような大きい変調電界を得るためには、変調電圧を大きくしなければならない。このため、変調周波数が制限され、高速変調が不可能になる。したがって、高速動作のためには、光吸収層厚ｄを大きくできない。その結果、光変調器の光吸収量または変調効率が制限される。望ましい光吸収を得るためには、光変調器の素子長を大きくする必要がある。これは、光変調器の小型化を妨げる。
【０００５】
第２に、タイプＩのＭＱＷ構造を有するＥＡ型光変調器では、光学遷移に関与する電子および正孔が同一の量子井戸内に閉じ込められている。また、このＭＱＷ構造のバリア層は、電子および正孔の波動関数が隣接する井戸層に広がらない程度（または、トンネル現象が現れない程度）に十分に厚い（通常、バリア層の厚みは、約１０ｎｍである）。このため、キャリアが井戸層内に停留するので、光吸収係数を回復するのにナノ秒オーダもの時間がかかる。この結果、変調信号にテールが残り、高速変調を妨げる。
【０００６】
このような課題を解決するため、タイプＩＩのＭＱＷ構造を光変調器に採用することが考えられている。タイプＩＩのＭＱＷ構造では、一般的に変調動作電圧を小さくできる。小さな変調電圧で光吸収量を制御できるので、高い消光比が得られる。
【０００７】
しかし、（１）光ファイバ通信用の半導体デバイスに使用されているＧａＡｓ上に作製できる、（２）光ファイバ通信で重要な１．０μｍ〜１．７μｍの波長域の光を変調できる（光吸収帯域が１．０μｍ〜１．７μｍの波長域にある）、（３）タイプＩＩのバンド構造を成す、という条件を満たす半導体材料はほとんど見出されていない。
【０００８】
そこで、この発明は、光ファイバ通信に好適に適用可能な、タイプＩＩの多重量子井戸構造を有する光変調器を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の光変調器は、（ａ）ＧａＡｓ基板と、（ｂ）ＧａＡｓ基板上に設けられ、タイプＩＩの多重量子井戸構造を有する半導体多層膜と、（ｃ）半導体多層膜を挟む一対の電極とを備えている。半導体多層膜では、第１の半導体層と第２の半導体層とが交互に積層されている。第２半導体の伝導帯の下端は、第１半導体の伝導帯の下端より低い。第２半導体の価電子帯の上端は、第１半導体の価電子帯の上端より低く、半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数とが空間的に分離されている。この光変調器は、一対の電極を介して半導体多層膜に印加される電界に応じて透過光強度を変調する。
【００１０】
この発明の光変調器は、ＧａＡｓ基板を用いて作製される。ＧａＡｓ基板は、光ファイバ通信用の半導体デバイスに一般的に使用されるＩｎＰ基板に比較して、低コストで、かつ大口径化が可能である。したがって、この光変調器は、低コストで、かつ量産化が可能である。半導体多層膜の組成が適切に選択されると、この光変調器は、光ファイバ通信で重要な１．０μｍ〜１．７μｍの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有する。このため、この光変調器は、光ファイバ通信へ容易に適用できる。また、この光変調器は、タイプＩＩの多重量子井戸構造を有する半導体多層膜を用いて光を変調するので、高い消光比を有する。
【００１１】
この発明の光変調器の一つの態様では、半導体多層膜に電界が印加されていないとき、半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数との空間的な重なりが小さく、電子−正孔遷移をともなう光吸収がほとんど無い。半導体多層膜に電界が印加されているときは、半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数との空間的な重なりが増加するとともに、光吸収ピーク波長が短波長にシフトする。
【００１２】
この場合、電界の印加によって電子−正孔遷移確率が高まる。これに応じて、光吸収も高まる。さらに、光吸収ピーク波長も印加電界の大きさに応じてシフトするので、この光変調器は、印加電界に応じて透過光の強度が変調され、極めて高い消光比を有する。
【００１３】
この発明の光変調器の別の態様では、第２半導体層を挟んで隣り合う第１半導体層の正孔の波動関数が相互に結合状態にあり、かつ、第１半導体層を挟んで隣り合う第２半導体層の電子の波動関数が相互に結合状態にある。この態様では、半導体多層膜に電界が印加されていないときに、半導体多層膜が第１の電子−正孔遷移エネルギーを有している。半導体多層膜に電界が印加されているときは、半導体多層膜は、第１電子−正孔遷移エネルギーよりも大きな第２の電子−正孔遷移エネルギーおよび第１電子−正孔遷移エネルギーよりも小さな第３の電子−正孔遷移エネルギーを有している。
【００１４】
この場合、電子の波動関数と正孔の波動関数との空間的な重なりが存在するので、半導体多層膜に電界が印加されていなくても、電子−正孔遷移がある程度の確率で発生し、光吸収が起こる。この電子−正孔遷移は、上記の第１遷移エネルギーを有している。半導体多層膜に電界が印加されると、電子−正孔遷移は二つに分離する。これら二つの電子−正孔遷移は、上記の第２および第３遷移エネルギーをそれぞれ有している。これらの遷移エネルギーと第１遷移エネルギーとの差は、電界に比例して変化する。このため、電界の印加によって光吸収ピーク波長を大きく変えられる。したがって、この光変調器は、極めて高い消光比を有する。また、異なる遷移エネルギーを伴う二つの電子−正孔遷移が存在するので、この光変調器は広い吸収波長帯を有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を説明する前に、この発明の根幹をなす発明者の発見について説明する。発明者は、以下の半導体材料の組合せからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が、ＧａＡｓ上でタイプＩＩのバンド構造を成し、しかも１．０μｍ〜１．７μｍの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有していることを見出した。したがって、以下の材料の組合せからなるＭＱＷ層をＧａＡｓ上に設ければ、１．０μｍ〜１．７μｍの波長域の少なくとも一部において光を変調可能な光変調器を構成できる。
（１）ＧａＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓ（０＜ｙ＜１）
（２）ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓ（０．６≦ｘ＜１、０．０２≦ｙ≦０．１）
（３）ＧａＮｙＡｓ１−ｙ／Ｇａ１−ｚＡｌｚＡｓ（０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜０．４）
（４）ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／Ｇａ１−ｚＡｌｚＡｓ（０．６≦ｘ＜１、０．０２≦ｙ≦０．１、０＜ｚ＜０．４）
（５）ＧａＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＮｕＡｓ１−ｕ（０＜ｙ＜１、０＜ｕ＜１）
（６）ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＮｖＡｓ１−ｖ（０．６≦ｘ＜１、０．０２≦ｙ≦０．１、０＜ｖ＜１）
（７）ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＰｕＡｓｖＳｂ１−ｕ−ｖ（０．６≦ｘ≦１、０．０２≦ｙ≦０．１、０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１）であり、
これらの材料の組合せは、いずれも、ＧａＡｓ基板上でタイプＩＩ構造となることがこれまで知られていなかったものである。
【００１６】
図１は、上記（１）〜（６）に含まれる化合物半導体のエネルギーバンド構造を模式的に示す図である。各半導体の伝導帯の下端は、Ｇａ１−ｚＡｌｚＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮｙＡｓ１−ｙ、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙの順に高い。各半導体の価電子帯の上端は、ＧａＡｓ、Ｇａ１−ｚＡｌｚＡｓ、ＧａＮｙＡｓ１−ｙ、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙの順に高い。したがって、上記（１）〜（６）の組合せの半導体層を交互に積層すれば、タイプＩＩのＭＱＷ構造が得られる。つまり、（１）〜（６）の組合せにおいて「／」の右側に記される半導体を第１半導体、「／」の左側に記される半導体を第２半導体とすると、第２半導体の伝導帯の下端は、第１半導体の伝導帯の下端より低く、第２半導体の価電子帯の上端は、第１半導体の価電子帯の上端より低い。
【００１７】
上記（１）、（３）および（５）において、ＧａＮｙＡｓ１−ｙは、好ましくはＧａＡｓとほぼ格子整合している。（２）、（４）および（６）において、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙは、好ましくはＧａＡｓとほぼ格子整合している。（３）および（４）において、Ｇａ１−ｚＡｌｚＡｓは、好ましくはＧａＡｓとほぼ格子整合している。（５）および（６）において、ＧａＮｕＡｓ１−ｕは、好ましくはＧａＡｓとほぼ格子整合している。ＧａＡｓと格子整合した材料を用いて多重量子井戸層を構成すると、多重量子井戸層（これは、光吸収層である）の厚みおよび層数を大きくできるので、光吸収効率を高めることができる。このため、光変調器の素子長を短くし、光変調器を小型化することができる。
【００１８】
この発明の光変調器の多重量子井戸構造は、好ましくは歪超格子である。この場合、多重量子井戸構造を構成する半導体材料の種類または化合物組成の範囲が広がるので、光変調器の吸収波長の自由度が高まる。また、多重量子井戸構造での電子−正孔の遷移確率または電圧印加による吸収波長のシフト量が大きくなる。これにより、光変調器の消光比が高まる。
【００１９】
さらに、発明者は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓの量子井戸（ＱＷ）構造が、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙの組成に応じて、タイプＩからタイプＩＩに変化することを実験により見出した。図２は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓのＱＷ構造におけるＧａＩｎＮＡｓ組成とバンド構造との関係を示している。この関係は、実験によって得られたものである。
【００２０】
ＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加したＧａＩｎＮＡｓでは、Ｎ組成が大きくなるにつれて、ＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓとの伝導帯のバンドオフセット（ΔＥｃ）が大きくなる。Ｎ組成がある値以上になると、ＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓとの価電子帯のバンドオフセット値が逆転する、すなわちタイプＩＩ型のバンド構造となる。このとき、電子はＧａＩｎＮＡｓ層に閉じ込められ、正孔はＧａＡｓ層に閉じ込められる。このため、この電子と正孔は空間的に分離されて閉じ込められている。
【００２１】
ＧａＡｓ上に設けられたＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓのＱＷ構造は、図２の実線１００、破線１０１および破線１０２によって囲われる領域においてタイプＩＩとなる。上記（２）、（４）および（６）における「０．６≦ｘ＜１、０．０２≦ｙ≦０．１」の数値範囲は、図２に示される実験結果に基づいている。
【００２２】
以下では、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。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００２３】
（第１実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る光変調器１の構成を示す概略斜視図である。光変調器１は、吸収型の光変調器である。光変調器１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０を有する。基板１０上には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層１２、ノンドープＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓ超格子層１４、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層１６、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８が順次に設けられている。これらの層は、ＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長されたものである。コンタクト層１８の上面には、ｐ型のオーミック電極（アノード）２０が設けられている。基板１０の下面には、ｎ型のオーミック電極（カソード）２２が設けられている。バッファ層１１、クラッド層１２、超格子層１４、クラッド層１６およびコンタクト層１８は、メサ構造を成している。基板１０の上面、ならびにバッファ層１１、クラッド層１２、超格子層１４、クラッド層１６およびコンタクト層１８の両側面は、絶縁膜２４によって覆われている。
【００２４】
超格子層１４は、光変調器１の光吸収層である。超格子層１４は、Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ０．０４Ａｓ０．９６層（厚み１０ｎｍ）とＧａＡｓ層（厚み３０ｎｍ）とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ０．０４Ａｓ０．９６層は５層であり、ＧａＡｓ層は６層である。超格子層１４の上端および下端には、ともにＧａＡｓ層が配置されている。Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ０．０４Ａｓ０．９６層は、ＧａＡｓとほぼ格子整合している。
【００２５】
超格子層１４の上面および下面には、超格子層１４よりも屈折率が小さいクラッド層１６およびクラッド層１２がそれぞれ被着されている。このため、超格層１４は、光の閉じ込め作用を有している。したがって、超格子層１４は、光導波層として機能する。このように、光変調器１は、導波路型光変調器デバイスである。
【００２６】
図４および図５は、光変調器１のバンド構造を示す概略図である。図４は、光変調器１に電界を印加していないときのバンド構造を示している。図５は、光変調器１に電界を印加しているときのバンド構造を示している。
【００２７】
図４および図５に示されるように、光変調器１では、電子はＧａＩｎＮＡｓ層に閉じ込められ、正孔はＧａＡｓ層に閉じ込められる。電子にとっては、ＧａＩｎＮＡｓ層が量子井戸となる。正孔にとっては、ＧａＡｓ層が量子井戸となる。一つのＧａＩｎＮＡｓ層に閉じ込められた電子の波動関数は、隣接するＧａＡｓ層までは広がらない。これは、ＧａＡｓ層が十分に厚い（８ｎｍ以上）ためである。同様に、一つのＧａＡｓ層に閉じ込められた正孔の波動関数は、隣接するＧａＩｎＮＡｓ層までは広がらない。これは、ＧａＩｎＮＡｓ層が十分に厚い（８ｎｍ以上）ためである。
【００２８】
図４に示されるように、印加電界がゼロのときは、ＧａＩｎＮＡｓ層に閉じ込められた電子とＧａＡｓ層に閉じ込められた正孔の波動関数の空間的な重なりはほとんどない。このため、光吸収をともなう電子−正孔遷移の確率は非常に小さい。この結果、光変調器１に電界が印加されていないときは、光吸収量が非常に小さい。これは、光変調器１のＯＮ状態に当たる。
【００２９】
図５に示されるように、電極２０および２２を介して超格子層１４に電界を印加すると、超格子層１４の価電子帯および伝導帯が傾く。ＱＣＳＥ効果（Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｃｏｎｆｉｎｅｄ　Ｓｔａｒｋ　Ｅｆｆｅｃｔ：量子閉じ込めシュタルク効果）によって、電子と正孔の量子準位および波動関数の空間分布も変化する。この超格子層１４の価電子帯および伝導帯の傾きにより、電子―正孔遷移は、＋１／２（ｅ−ｈ）遷移とー１／２（ｅ−ｈ）遷移の二つに分離する。これらの遷移は、互いに異なる遷移エネルギーを有する。これらの遷移エネルギー（吸収ピーク波長に相当）は、印加電界に比例して大きく変化する。
【００３０】
具体的には、＋１／２（ｅ−ｈ）遷移の遷移エネルギーＥ（＋１／２（ｅ−ｈ））は、印加電界Ｆと次式のような関係にある。
Ｅ（＋１／２（ｅ−ｈ））＝Ｅ０−ΔＥ１―ΔＨ１＋ｅＦＤ／２　…（１）
また、−１／２（ｅ−ｈ）遷移の遷移エネルギーＥ（−１／２（ｅ−ｈ））は、印加電界Ｆと次式のような関係にある。
Ｅ（−１／２（ｅ−ｈ））＝Ｅ０−ΔＥ１−ΔＨ１−ｅＦＤ／２　…（２）
ここで、ΔＥ１およびΔＨ１は、それぞれＱＣＳＥ効果による電子および正孔の量子準位のシフト量であり、Ｅ０は印加電界がゼロのときの電子―正孔遷移エネルギーであり、ｅは電子電荷量であり、Ｄは超格子の１周期分の厚み（図４を参照）である。（１）および（２）式において、±ｅＦＤ／２の項がタイプＩＩの量子井戸構造にあらわれる印加電界に対する遷移エネルギーのシフト量を表す。
【００３１】
この実施形態において、Ｅ（−１／２（ｅ−ｈ））遷移が関与する正孔と電子の波動関数の重なりは、電界が印加されるとさらに小さくなるので、Ｅ（−１／２（ｅ−ｈ））遷移による光吸収は、ほとんど観測されず、Ｅ（＋１／２（ｅ−ｈ））遷移が関与する光吸収が主に観測され、このＥ（＋１／２（ｅ−ｈ））遷移による光吸収に基づいた光変調器が実現される。
【００３２】
Ｅ（＋１／２（ｅ−ｈ））遷移が関与する正孔と電子の波動関数の空間的な重なりは、電界が印加されることによって増加する。このため、Ｅ（＋１／２（ｅ−ｈ））遷移の遷移確率が増加し、それに応じて光吸収量も増加する。これは、光変調器１のＯＦＦ状態にあたる。（１）式によれば、この実施形態において、Ｄ＝４０ｎｍ、超格子厚２００ｎｍであるから、Ｆ＝６０ｋＶ／ｃｍの印加電界（電圧１．２Ｖに相当）で１１０ｍｅＶの短波長への吸収ピーク波長シフトがえられる。この場合、ＱＣＳＥ効果による遷移エネルギーのシフト量（ΔＥ１＋ΔＨ１）は−１０ｍｅＶ程度（長波長側への波長シフトを表す）であり、一方タイプＩＩの量子井戸構造に基づく遷移エネルギーシフト量ｅＦＤ／２は＋１２０ｍｅＶ（短波長側への波長シフトを表す）であり、両効果の総和として１１０ｍｅＶの短波長への吸収ピーク波長シフトが得られることになる。
【００３３】
このように、光変調器１は、印加電界の大きさに応じて光吸収量および吸収ピーク波長が変化する。したがって、印加電界を変調すれば、光変調器１の透過光強度も変調される。特に、電界印加による吸収ピーク波長は、短波長側にシフトし、光吸収量が短波長側で増加する。これは、従来のＱＣＳＥ効果を利用したＥＡ型光変調器では得られない特性である。
【００３４】
光変調器１の利点について説明する。光変調器１は、光ファイバ通信に好適に適用できる。光変調器１は、光ファイバ通信用の半導体デバイスに一般的に使用されるＧａＡｓ基板を用いて作製され、なおかつ１．０μｍ〜１．７μｍの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有するからである。また、ＧａＡｓ基板は安価なので、光変調器１は量産に適している。さらに、上記の実施形態でも明らかなように、ＱＣＳＥ効果による遷移エネルギーのシフト量よりも、タイプＩＩの量子井戸構造に基づく遷移エネルギーのシフト量（ｅＦＤ／２）の方が大きい。したがって従来のタイプＩの量子井戸構造におけるＱＣＳＥ効果を利用した光変調器に比べて、無電界と電界印加時との光吸収量の変化量と遷移エネルギー（吸収ピーク波長に相当）のシフト量をともに大きくできる。以上のことから、光変調器１は、タイプＩＩのＭＱＷ構造を光吸収層として有するので、高い消光比を有し、かつ変調効率がよく低電圧で動作し、高速変調も可能である。
【００３５】
（第２実施形態）
以下では、第２の実施形態に係る光変調器を説明する。本実施形態の光変調器は、第１実施形態と同様に、図３に示される構成を有している。ただし、ノンドープＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓ超格子層１４の構成は、第１実施形態と異なる。すなわち、超格子層１４は、Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ０．０４Ａｓ０．９６層（厚み５ｎｍ）とＧａＡｓ層（厚み５ｎｍ）とが交互に積層されたＭＱＷ構造を有している。Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ０．０４Ａｓ０．９６層は２０層であり、ＧａＡｓ層は２１層である。超格子層１４の上端および下端には、ともにＧａＡｓ層が配置されている。Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ０．０４Ａｓ０．９６層は、ＧａＡｓとほぼ格子整合している。このように、第１および第２実施形態の超格子層１４は、Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ０．０４Ａｓ０．９６層およびＧａＡｓ層の厚みと数が異なっている。
【００３６】
図６および図７は、この実施形態の光変調器のバンド構造を示す概略図である。図６は、光変調器に電界を印加していないときのバンド構造を示している。図７は、光変調器に電界を印加しているときのバンド構造を示している。
【００３７】
第１実施形態と同様に、第２実施形態でも、電子はＧａＩｎＮＡｓ層に閉じ込められ、正孔はＧａＡｓ層に閉じ込められる。しかし、第１実施形態と異なり、一つのＧａＩｎＮＡｓ層に閉じ込められた電子の波動関数は、ＧａＡｓ層を挟んで隣り合う別のＧａＩｎＮＡｓ層まで広がっている。すなわち、隣り合うＧａＩｎＮＡｓ層の電子の波動関数が相互に結合している。これは、ＧａＡｓ層が十分に薄い（８ｎｍ未満）ためである。同様に、一つのＧａＡｓ層に閉じ込められた正孔の波動関数は、ＧａＩｎＮＡｓ層を挟んで隣り合う別のＧａＡｓ層まで広がっている。すなわち、隣り合うＧａＡｓ層の正孔の波動関数が相互に結合している。これは、ＧａＩｎＮＡｓ層が十分に薄い（８ｎｍ未満）ためである。この結果、電子の波動関数および正孔の波動関数は、それぞれ超格子層１４の全体にわたって空間的に広がっている。このような波動関数を有する超格子層は、「結合超格子」または「Ｗａｎｎｉｅｒ−Ｓｔａｒｋ型超格子」とよばれる。
【００３８】
図６に示されるように、印加電界がゼロのときは、ＧａＩｎＮＡｓ層の電子とＧａＡｓ層の正孔の波動関数同士にわずかに空間的な重なりがある。このため、電子−正孔遷移の確率がある程度存在する。ただし、その数値は小さい。この結果、光変調器１に電界が印加されていないときは、光吸収量が小さい。これは、光変調器１のＯＮ状態に当たる。
【００３９】
図７に示されるように、光変調器１に電界を印加すると、価電子帯および伝導帯が傾く。結合超格子におけるＷａｎｎｉｅｒ−Ｓｔａｒｋ効果（ＷＳ効果）によって、電子と正孔の量子準位および波動関数の空間分布も変化する。これにより、電子−正孔遷移は、＋１／２（ｅ−ｈ）遷移と−１／２（ｅ−ｈ）遷移の二つに分離する。これらの遷移は、互いに異なる遷移エネルギーを有する。これらの遷移エネルギー（吸収ピーク波長に相当）は、印加電界に比例して大きく変化する。
【００４０】
具体的には、＋１／２（ｅ−ｈ）遷移の遷移エネルギーＥ（＋１／２（ｅ−ｈ））は、印加電界Ｆと次式のような関係にある。
Ｅ（＋１／２（ｅ−ｈ））＝Ｅ０＋ｅＦＤ／２　　…（３）
また、−１／２（ｅ−ｈ）遷移の遷移エネルギーＥ（−１／２（ｅ−ｈ））は、印加電界Ｆと次式のような関係にある。
Ｅ（−１／２（ｅ−ｈ））＝Ｅ０−ｅＦＤ／２　　…（４）
ここで、この実施形態における量子閉じ込め効果は比較的小さいので、ＱＣＳＥ効果による量子準位のエネルギー変化量は無視している。（３）式および（４）において、Ｄ＝１０ｎｍ、超格子厚２００ｎｍの場合、Ｆ＝６０ｋＶ／ｃｍの印加電界（電圧１．２Ｖに相当）で３０ｍｅＶの吸収ピーク波長シフトが得られる。
【００４１】
（３）式から分かるように、＋１／２（ｅ−ｈ）遷移では、遷移エネルギーＥ＞Ｅ０である。印加電界の増大とともに電子−正孔遷移エネルギーが大きくなり、それに応じて吸収ピーク波長は短波長側にシフトする。印加電界の増大にともなって波動関数の重なりが増加するので、遷移確率が増大し、それに応じて光吸収が増加する。
【００４２】
一方、（４）式から分かるように、−１／２（ｅ−ｈ）遷移では、遷移エネルギーＥ＜Ｅ０である。印加電界の増大とともに電子−正孔遷移エネルギーが小さくなり、それに応じて吸収ピーク波長は長波長側にシフトする。印加電界の増大にともなって波動関数の重なりは減少する。しかし、吸収ピーク波長のシフトにより、印加電界がゼロのときに光吸収のない波長領域で光吸収が生じるようになる。したがって、電界印加時は広い波長帯で光吸収が増加するので、広い波長帯で光を変調できる。
【００４３】
図８に示されるように、ＱＣＳＥ効果を利用した従来のタイプＩのＥＡ型光変調器に比べて、この実施形態の光変調器においても、低電界での波長シフト量が大きい。ここで、図８は、超格子層を有する各種の光変調器について、印加電界と吸収ピーク波長シフト量との関係を示している。図８のグラフａは、第２実施形態の光変調器の＋１／２（ｅ−ｈ）遷移による光吸収を示している。グラフｂおよびｃは、タイプＩのＭＱＷ構造を有する従来の光変調器の光吸収を示している。グラフｄは、第２実施形態の光変調器の−１／２（ｅ−ｈ）遷移による光吸収を示している。すべての光変調器について、超格子周期Ｄは１０ｎｍとした。図８の縦軸は、遷移エネルギーのシフト量を示している。遷移エネルギーシフト量は、吸収ピーク波長のシフト量に対応する。図８の横軸は、印加電界を示している。
【００４４】
この実施形態の光変調器は、第１実施形態と同じ利点を有する。すなわち、この実施形態の光変調器は、ＧａＡｓ基板を用いて作製され、なおかつ１．０μｍ〜１．７μｍの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有するので、第１実施形態と同様に光ファイバ通信に好適に適用できる。ＧａＡｓ基板は安価なので、この光変調器は量産に適している。さらに、この光変調器は、タイプＩＩのＭＱＷ構造を有するので、高い消光比を有する。
【００４５】
また、この実施形態の光変調器では、印加電界の大きさに比例して電子−正孔遷移エネルギーが変化するので、光吸収ピーク波長の大きなシフトが得られる。したがって、この光変調器は、極めて高い消光比と高い変調効率を有する。
【００４６】
さらに、この実施形態の光変調器は、電界印加時に二つの異なる電子−正孔遷移エネルギーを有するため、広い波長域にわたって光を変調できるという利点を有する。図９は、タイプＩＩ結合超格子を有する光変調器の光吸収スペクトルの概念図である。この光変調器に電界を印加すると、印加電界ゼロ時の吸収ピーク波長が、長波長側の吸収ピークと短波長側の吸収ピークに分離する。長波長側の吸収ピークは、−１／２（ｅ−ｈ）遷移に該当し、短波長側の吸収ピークは、＋１／２（ｅ−ｈ）遷移に当たる。二つの吸収ピーク波長を有するため、広い波長域にわたって光変調が可能である。
【００４７】
なお、図９に示されるように、電界印加による光吸収量の増加は、短波長側で著しい。これは、従来のＱＣＳＥ効果を利用したＥＡ型光変調器では得られない特性である。
【００４８】
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。
【００４９】
上記実施形態は、タイプＩＩ型ＭＱＷ構造の光導波路層を有する導波路型光変調器である。しかし、この発明は、他の吸収型光変調器であってもよい。
【００５０】
例えば、この発明の光変調器は、タイプＩＩ型ＭＱＷ構造を有する面型光変調器であってもよい。この場合、光の入出力方向は、基板に垂直な方向となる。
【００５１】
このほかに、この発明の光変調器は、ＤＦＢレーザ素子とともに集積されていてもよい。ＤＦＢレーザ素子は、光変調器のＧａＡｓ基板上に設けられる。ＤＦＢレーザ素子で発生したレーザ光は、光変調器のタイプＩＩ型ＭＱＷ層に入射する。
【００５２】
また、この発明は、干渉型の光変調器、例えば、図１０に示されるようなマッハツェンダ型光変調器２であってもよい。図１０（ａ）は、光変調器２の構成を示す概略平面図であり、図１０（ｂ）は、光変調器２の変調部７の概略断面図である。
【００５３】
光変調器２は、平面光導波路（ＰＬＣ）のコアに変調部を設けた構造を有している。光変調器２は、ＧａＡｓ基板を基体としている。図１０（ａ）に示されるように、光変調器２は、二つのＹ分岐を含むコア３を有している。コア３の両端面は、光変調器２の入力端子３ａおよび出力端子３ｂである。コア３は、分岐コア４および５を含んでいる。分岐コア４には、変調部７が設けられている。被変調光は、入力端子３ａに入射する。変調部７に変調電圧を加えると、分岐コア４および５を伝搬する被変調光の間に位相差が生じる。これにより、分岐コア４および５の伝搬光同士が干渉し、光強度が変調され、信号光が生成される。この信号光は、出力端子３ｂから出射する。
【００５４】
図１０（ｂ）に示されるように、変調部７では、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上にｎ型ＧａＡｓバッファ層３１、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３２、ノンドープＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓ超格子層３４、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３６、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８が順次に設けられている。これらの層は、ＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長されたものである。コンタクト層３８の上面には、ｐ型のオーミック電極（アノード）４０が設けられている。基板３０の下面には、ｎ型のオーミック電極（カソード）４２が設けられている。
【００５５】
超格子層３４の構造は、上述した第１または第２実施形態と同様である。したがって、この光変調器２は、第１または第２実施形態と同じ利点を有する。特に、光変調器２は、高い変調効率を有する。これは、超格子層３４への電界の印加により、超格子層３４の光吸収係数が大きく変化するからである。クラマース＝クロニッヒの関係式
【００５６】
【数１】
2004069839.tif 000003
によれば、コアのうち光吸収係数の変化量が大きい領域では、屈折率変化も大きい。このため、光変調が効率良く行われる。
【００５７】
【発明の効果】
この発明の光変調器は、ＧａＡｓ基板上に設けられたタイプＩＩの多重量子井戸構造を有する半導体多層膜を用いて光を変調する。この発明の光変調器は、光ファイバ通信用の半導体デバイスに一般的に使用されるＩｎＰ基板よりも安価で大口径のＧａＡｓ基板を用いて作製されるので、低コストで量産化に適している。また、半導体多層膜の組成を適切に選択すれば、光ファイバ通信で重要な１．０μｍ〜１．７μｍの波長域の少なくとも一部で光を変調できるので、この光変調器は、光ファイバ通信に好適に適用できる。また、この光変調器は、タイプＩＩの多重量子井戸構造を利用して光を変調するので、高い消光比を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】化合物半導体のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図２】ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓの量子井戸構造におけるＧａＩｎＮＡｓ組成とバンド構造との関係を示す図である。
【図３】実施形態に係る光変調器の構成を示す概略斜視図である。
【図４】第１実施形態の光変調器について、電界を印加していないときのバンド構造を示す概略図である。
【図５】第１実施形態の光変調器について、電界を印加しているときのバンド構造を示す概略図である。
【図６】第２実施形態の光変調器について、電界を印加していないときのバンド構造を示す概略図である。
【図７】第２実施形態の光変調器について、電界を印加しているときのバンド構造を示す概略図である。
【図８】超格子層を有する各種の光変調器について、印加電界と吸収ピーク波長シフト量との関係を示す図である。
【図９】タイプＩＩ結合超格子を有する光変調器の光吸収スペクトルの概念図である。
【図１０】（ａ）は、マッハツェンダ型光変調器２の構成を示す概略平面図であり、（ｂ）は、変調部７の概略断面図である。
【符号の説明】
１…光変調器、１０…ＧａＡｓ基板、１２…ＧａＡｌＡｓ下部クラッド層、１４…ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ／ＧａＡｓ超格子層、１６…ＧａＡｌＡｓ上部クラッド層、１８…ＧａＡｓコンタクト層、２０…上部電極、２２…下部電極。
【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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