(57)【要約】【課題】波長変換の変換効率を向上させた電気吸収型光変調器を提供する。【解決手段】積層構造の半導体からなり、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層と、それらの間に配されて光導波路が構成される、印加される電界に応じて光吸収係数の変化する変調層とを少なくとも有し、変調層には互いに波長の異なる第１の光と第２の光とが入射され、第２の光が相互吸収飽和によって第１の光の強度変化に応じる変調を受けて出射される電気吸収型光変調器において、前記変調層の前記ｐ型クラッド層側には、変調層よりも低いバンドギャップエネルギーを有し、正孔のパイルアップを生起するパイルアップ層を変調層に隣接して設ける。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層構造の半導体からなり、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層と、それらの間に配されて光導波路から構成される、印加される電界に応じて光吸収係数の変化する変調層とを少なくとも有し、変調層には互いに波長の異なる第１の光と第２の光とが入射され、第２の光が相互吸収飽和によって第１の光の強度変化に応じる変調を受けて出射される電気吸収型光変調器において、
前記変調層の前記ｐ型クラッド層側には、前記変調層よりも低いバンドギャップエネルギーを有し、正孔のパイルアップを生起するパイルアップ層が、前記変調層に隣接して設けられていることを特徴とする電気吸収型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換の変換効率を向上させた電気吸収型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気吸収型光変調器（ＥＡ変調器）の概要構成を図１０に示す。
ＥＡ変調器は、ｎ−ＩｎＰ基板上に順次、ＩｎＧａＡｓＰ（変調層），ｐ−ＩｎＰ，ｐ−ＩｎＧａＡｓＰを積層した帯状凸部の両側部領域を半絶縁性のＦｅ−ＩｎＰで埋め込み、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層の上面にｐ側電極、ｎ−ＩｎＰ基板の下面にｎ側電極を設けて構成する。
変調層にはＩｎＧａＡｓＰバルクを用い（バンドギャップ波長：λｇ＝１４７５ｎｍ）、チップ長は２００μｍで、入出力端に光ファイバーを軸合わせ固定してモジュール化を行っており、挿入損失１０ｄＢ以下、偏光依存性１ｄＢ以下、−２Ｖの逆バイアス電圧で２０ｄＢ以上の消光比および２０ＧＨｚ以上の変調帯域が得られている。
【０００３】
図１１にＥＡ変調器の相互吸収飽和特性を用いた波長変換方式の動作原理図を示す。
波長変換の基本原理はＥＡ変調器へ入力する光信号強度が大きくなると、ＥＡ変調器の吸収が飽和することを利用している。図１１に示すように、ＥＡ変調器の変調層の端面に（ａ）入力光信号と別の端面に（ｂ）プローブ光（変換光）を入力する。ＥＡ変調器には−２Ｖの直流電圧が印加される。ＥＡ変調器に異なる２つの波長の（ａ）信号光と（ｂ）プローブ光を入力すると、プローブ光が感受する損失が信号光の強度に応じて変化する。つまり、光信号の信号ビットの”１”および”０”に応じて変化するため、プローブ光が信号ビットによって変調され、（ｃ）変換後光信号が得られる。ここで、信号光の強度が大きいとき（ビット”１”）、ＥＡ変調器の損失が小さくなり、強度が小さいとき（ビット”０”）、ＥＡ変調器の損失が大きくなるので符号が反転せずに波長変換をすることができる。
さらに、ＥＡ変調器の相互損失変調特性を用いた波長変換は、光のＡＮＤゲートとしても機能させることが可能である。ＥＡ変調器に再生したい光信号と光クロック信号（プローブ光）を同時に入射すると、信号光の強度成分に応じて光クロック信号が変調されるので、光波形を成形（リシェイピング）、リタイミングすることが可能となる。これにより、伝送中に引き起こされる非線形効果などによる波形歪の整形や、伝送路で発生したタイミングジッターの抑圧などに光直接再生動作が可能となる（非特許文献１  参照）。
【０００４】
従来の他のＥＡ変調器（電気吸収型光導波路）の変調層付近の構成を図１２に示す。  ＥＡ変調器は、金からなるｎ側電極、ｎ−ＩｎＰ基板、ｎ−ＩｎＰバッファ層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ閉じ込め層、ＭＱＷ−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収導波路層（変調層）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ閉じ込め層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰグレーディッドバンドギャップパイルアップ防止層、ｐ−ＩｎＰクラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、金からなるＰ側電極から構成される。このＥＡ変調器は、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰグレーディッドバンドギャップパイルアップ防止層の働きによりホールの蓄積を防ぎ、高光入力下でも飽和が起こりにくい特徴を有する（特許文献１  参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
「電界吸収型光変調器を用いた光信号処理」大谷朋広  応用物理  第７０巻第１１号（２００１）  、第１２８１〜１２８２頁
【特許文献１】
特開２００２−２３１１８（図２、段落（００１５））
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＥＡ変調器の相互吸収飽和特性を利用した波長変換の場合、吸収飽和を利用するものであるが、変調するというＥＡ変調器本来の役割からすると吸収飽和の現象は欠点である。そのためＥＡ変調器においては、パイルアップ防止層を変調層の上部へ挿入し、ホール（正孔）のパイルアップを回避するなどし、吸収飽和が起こりにくいように工夫されている。これは、波長変換に用いる場合には、吸収飽和のために、さらなる光入力を必要とするなど、変換効率の低下を招いていた。
ＥＡ変調器におけるパイルアップ防止層は、変調層とクラッド層の中間のバンドギャップエネルギーを持つ層で構成される。中間のバンドギャップエネルギーを持つ層は、単層、段階的にバンドギャップエネルギーが変化する複数の層、あるいは、バンドギャップエネルギーが連続的に変化する層からなる（図９（ａ）    参照）。これは、変調層が光吸収によって生じたホールに、変調層とクラッド層のバンドギャップエネルギー差をいきなり越えさせるのではなく、傾斜を付けることにより、滑らかに越えさせることにより、ホールの蓄積を回避させることが目的である。
一方、波長変換においては、吸収飽和を利用するという観点から、むしろ、高光入力時には、ホールの蓄積による吸収飽和が起きたほうが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、パイルアップ防止層を単に取り除くだけでなく、変調層よりも低エネルギー側のバンドギャップエネルギーを有する層（パイルアップ層と呼ぶ）を挿入することにより、クラッド層までのバンドギャップエネルギー差を広げることによって、吸収飽和を促進させるものである。ただし、このような層を入れることにより、ホールの蓄積による雑音対信号比（ＳＮＲ）の劣化の問題がある。そこで、トンネル効果が生じる５０ｎｍ程度（パイルアップ層としてＩｎＧａＡｓＰを用いた場合）の前後で厚さを調整することにより、効果を調整するのが妥当である。
相互吸収変調（ＸＡＭ）による波長変換のために、ＥＡ変調器の素子構造を最適化する。すなわち、吸収飽和を積極的に起こすために、まず、パイルアップ防止層を取り除き、次に、吸収飽和を生じさせ易くするために、変調層とクラッド層のバンドギャップエネルギー差を広げるために、変調層よりも低いバンドギャップエネルギー有する層を挿入する。この層は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰの組成を調整することにより得ることができる。また、この層は、あまり厚くしすぎるとパイルアップによるＳＮＲの悪化を招く。そこで、トンネル効果が生じる境目である５０ｎｍ程度の厚さ前後で調整することが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１〜図８を参照して本発明の電気吸収型光変調器の製造工程及び素子構造を説明する。
（１）ｎ−ＩｎＰ基板上に順次、ｎ−ＩｎＰ（クラッド層）、ＩｎＧａＡｓＰ（変調層）、ＩｎＧａＡｓＰ（パイルアップ層）、ＩｎＰ（クラッド層）、ｐ−ＩｎＰ（クラッド層）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（コンタクト層）からなる薄膜多層構造を一次エピタキシャル成長させて作製する。
（２）薄膜多層構造の両側部領域をエッチングにより除去して光導波路層を構成する帯状の凸部を作成する。（３）帯状の凸部の両側部領域をＦｅ−ＩｎＰを二次エピタキシャル成長させて光導波路層を半絶縁層で包囲して光閉じ込め構造が形成される。（４）光導波路層上面を除き、Ｆｅ−ＩｎＰ層の上面に窒化膜を成膜する。（５）ボンディングパッドを設ける部分にＳｉＯ２層を成膜する。（６）ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層の表面にｐ側電極、ｎ−ＩｎＰ基板の下面にｎ側電極を設けると共にボンディングパッドを取り付ける。完成した素子構造を図８に示す。
【０００９】
素子構造において、通常のＥＡ変調器ではパイルアップ防止層となる部分を、変調層よりも低いバンドギャップエネルギーを有する層で置き換えた構造となっている。変調層よりも低いバンドギャップエネルギーを有する層をここではパイルアップ層と呼ぶ。構造がほとんど従来のＥＡ変調器と同じであるため、その製造工程も全く同じとなる。
【００１０】
パイルアップ層について図９（ｂ）を参照して説明する。
変調層がＩｎＧａＡｓＰからなり、そのバンドギャップエネルギーが波長表現で１４７２ｎｍ、クラッド層がＩｎＰからなるとする。ＩｎＰのバンドギャップエネルギーは１．３５ｅＶであり、波長表現では、およそ９１９ｎｍとなる。そこでパイルアップ層のバンドギャップエネルギーを変調層よりも低エネルギーとし、例えば、１５００ｎｍとする。これは０．８３ｎｍに相当し、基板とクラッド層のＩｎＰに格子結合させる場合、その組成をＩｎ０．６１Ｇａ０．３９Ａｓ０．８４Ｐ０．１６とすることで得られる。また、ここで例示したパイルアップ層は、ｐ側に設けたが、電子に対してｎ側に設けることもできる。
ＥＡ変調器では、通常、変調層に光を閉じ込めるとともにｐ側のキャリアの拡散を防ぐために、変調層とｐ型クラッド層との間に非ドープのクラッド層が設けられている。代表的な材料につき変調層をＩｎＧａＡｓＰ、クラッド層をＩｎＰで構成し、変調層とｐ−ＩｎＰ層との間に非ドープのＩｎＰ層が設けられている。
そこで本発明の特徴部であるパイルアップ層は、具体的にはその非ドープのクラッド層と変調層との間に設けられ、上記の例に従えばＩｎＧａＡｓＰで構成することが好適である。
【００１１】
本発明は、フランツケルディッシュ効果に基づきバルク型構造からなるＥＡ変調器（電気吸収型光変調器）、及び量子閉じ込め効果に基づき多重量子井戸構造からなるＥＡ変調器のいずれにも適用できる。
本発明のパイルアップ層によって正孔のパイルアップが生じると、吸収飽和の現象が促進されて、より光量の小さな原信号光（第１の光）の入力に応じてより光量の大きい被変調プローブ光（第２の光）の出力が得られるようになり、すなわち波長変換の効率が増大される効果を得ることができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したようにＥＡ変調器（電気吸収型光変調器）による相互吸収変調（ＸＡＭ）を用いた波長変換において、パイルアップ層を挿入することにより、飽和吸収を起こり易くし、波長変換の変換効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＥＡ変調器の製造工程における基板を示す図。
【図２】本発明のＥＡ変調器の製造工程における一次エピタキシャル成長を示す図。
【図３】本発明のＥＡ変調器の製造工程におけるエッチングを示す図。
【図４】本発明のＥＡ変調器の製造工程における二次エピタキシャル成長を示す図。
【図５】本発明のＥＡ変調器の製造工程における窒化膜の成膜を示す図。
【図６】本発明のＥＡ変調器の製造工程における酸化膜の成膜を示す図。
【図７】本発明のＥＡ変調器の製造工程における電極付けを示す図。
【図８】本発明のＥＡ変調器の素子構造を示す図。
【図９】従来のＥＡ変調器と本発明のバンドギャップエネルギーを説明する図。
【図１０】従来のＥＡ変調器の概要構成を示す図。
【図１１】ＥＡ変調器の波長変換の動作原理を説明する図。
【図１２】従来のＥＡ変調器の断面構造を示す図。
【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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【図１２】
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