(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体とｎ型半導体との間に多重量子井戸の吸収層を有する電界吸収型の光変調器であって、該多重量子井戸の１周期の構造は、
第１のバンドギャップを有するバリア層と、
前記バリア層に接し、かつ前記バリア層よりｎ型半導体に近い側に第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有するウェル層と、
前記ウェル層に接し、かつ前記ウェル層よりｎ型半導体に近い側に第２のバンドギャップより大きく、かつ第１のバンドギャップより小さい第３のバンドギャップを有する中間層と
を備え、前記ウェル層に引張り歪が加えられ、かつ上記多重量子井戸で構成される吸収層が複数のピークからなる吸収スペクトルを持つことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記中間層と該中間層よりｎ型半導体に近い側のバリア層との間に所定のバンドギャップを有する１以上の層をさらに備え、該所定のバンドギャップは、第２のバンドギャップと第３のバンドギャップとの間または第３のバンドギャップと第１のバンドギャップとの間のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記ウェル層の材料は、InGaAsP、InGaAsまたはInGaAlAsであることを特徴とする請求項１または２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、ｐ型半導体とｎ型半導体との間に多重量子井戸の吸収層を有する光変調器等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界吸収型光変調器（Electroabsorption Optical Modulator : ＥＡ変調器）は、物質に加えられた電界によって光吸収係数（以下、「吸収係数」と略す）が変化する電界吸収効果を利用した光変調器である。詳しくは、ＥＡ変調器は半導体吸収導波路層に電界を加えることで吸収導波路層の吸収係数変化を誘起して光変調を行うものであり、吸収導波路層に量子井戸構造を用いるものと、導波路を用いずにバルク（bulk）半導体層を用いるものとに大別される。
【０００３】
図８（Ａ）および（Ｂ）は吸収導波路層に量子井戸構造を用いた従来のＥＡ変調器のエネルギー帯（バンド）、図８（Ｃ）はバルク半導体層を用いた従来のＥＡ変調器のエネルギーバンドを示す。図８（Ａ）ないし（Ｃ）において、符号１０１はｐ型半導体、１０２は多重量子井戸構造、１０３はｎ型半導体、１０２ａは多重量子井戸１０２の中の１周期の量子井戸構造、１０４はｐ型半導体１０１側（ｐ側）のバリア層またはｎ型半導体１０３側（ｎ側）のバリア層、１０５は１周期の量子井戸、１０６はバルク半導体層である。
【０００４】
従来、毎秒２．５ギカビット（２．５Ｇｂｐｓ）および１０Ｇｂｐｓの変調速度（ビットレート）を有する変調システム用の光変調器については、吸収層構造の最適化により良好な光波形と低チャープとを両立させる工夫がなされてきた。ここでチャープまたはチャーピング（chirping）とは光周波数が時間の関数として連続的に変化することをいう。しかし、光変調器に要求される変調速度が増大するにつれて、上記の両立の達成が困難となってきた。特に、４０Ｇｂｐｓの変調速度を有する変調システム用の光変調器については、有効なチャープ低減策は提案されていないという問題があった。
【０００５】
以下、光変調器に要求される変調速度が増大するにしたがってチャープ低減が困難になる様子を説明する。図９は、従来の光変調器を駆動するドライバ回路の典型的な変調信号波形を示すものであり、図９（Ａ）は１０Ｇｂｐｓの変調速度の場合の変調信号波形、図９（Ｂ）は４０Ｇｂｐｓの変調速度の場合の変調信号波形を示す。図９（Ａ）に示されるように１０Ｇｂｐｓの変調速度の場合は、点線で囲まれた波形Ｐａのように０レベルと１レベルとの識別が容易な矩形に近い変調信号波形が得られている。一方、図９（Ｂ）に示されるように４０Ｇｂｐｓの変調速度の場合は、この変調速度に最適化されたドライバ回路を用いた場合であっても、点線で囲まれた波形Ｐｂのように矩形よりも菱形に近い波形しか得ることができない。さらに、図９（Ｂ）に示されるように、１レベルの波形の拡がりσｍが大きくなり、光通信システムにおけるファイバ伝送後の符号誤り率を制限する要因となってしまっている。上述のように、従来の光変調器は変調速度の増大にしたがって変調信号波形が悪化してしまうため、変調速度によらない同等の光信号波形を生成することが困難であるという問題があった。
【０００６】
上述の問題を解決するためには、光変調器の消光特性に「消光特性の１レベル近くの傾きを小さくする」ことが求められる。ここで、消光特性とは変調信号の光出力対印加電圧（Ｖ）の特性である。以下、図１０に示される従来の光変調器の消光特性を用いて説明する。
【０００７】
図１０（Ａ）において、横軸は印加電圧（Ｖ）、縦軸は変調信号の光出力、Ｖｐｐ（Ｖ）は電圧振幅、Ｖｏ（Ｖ）は電圧開口、△Ｖ（Ｖ）は印加電圧の拡がりであり、曲線ａとｂとは各々別の光変調器の消光特性を示す。図１０（Ｂ）は変調光波形、図１０（Ｃ）は変調信号波形を示す。図１０（Ａ）に示されるように、消光特性の曲線ａおよびｂは同じ電圧振幅Ｖｐｐ（Ｖ）において同等の消光比Ｅｘ（ｄＢ）を示している。消光比とは光変調器で透過光強度を変化させた時の最大値と最小値との比である。消光特性の曲線ａまたはｂの１レベル近くの傾きとは、変調信号波形の１レベル側（図１０（Ａ）では印加電圧が０Ｖ側）の印加電圧の拡がり△Ｖ（Ｖ）に対する消光比Ｅｘ（ｄＢ）を言う。図１０（Ａ）に示されるように、消光特性ａの曲線は「消光特性の１レベル近くの傾きが小さい」光変調器を示しており、変調信号波形の１レベル側の拡がり△Ｖ（Ｖ）に対してＥｘ，ａ（ｄＢ）の消光比を示している。一方、消光特性ｂの曲線は「消光特性の１レベル近くの傾きが大きい」光変調器を示しており、変調信号波形の１レベル側の拡がり△Ｖ（Ｖ）に対してＥｘ，ｂ（ｄＢ）の消光比を示している。ここで、Ｅｘ，ａ＜Ｅｘ，ｂとする。この時、図１０（Ｂ）に示される変調光波形では、１レベル近くの変調光波形の拡がりが各々Ｅｘ，ａまたはＥｘ，ｂに対応している。このため、１レベル近くの変調光波形の拡がりが小さく良好な符号誤り率の光変調器を得るためには、消光特性ｂの曲線で示される光変調器よりも消光特性ａの曲線で示されるような光変調器が必要である。すなわち、変調速度の増大にしたがって、同程度の消光比Ｅｘ（ｄＢ）を有し、かつ消光特性の１レベル近くの傾きが小さいという消光特性を有する光変調器が必要となる。
【０００８】
しかし、一般に経験則として、消光比Ｅｘ（ｄＢ）を犠牲にせずに消光特性の１レベル近くの傾きを小さくする手段、例えば変調器吸収層に多重量子井戸（Multiple Quantum Wells : ＭＱＷ）を用いてＭＱＷのウェル幅やバリア高さを調節する手段を使用すると、必ずチャープの増大を招くことが知られている。つまり、光変調器の消光特性を劣化させることなく、チャープのみを低減させることは困難であるという問題があった。この問題が４０Ｇｂｐｓという非常に高速な変調速度で利用できる低チャープ変調器の実現を妨げていると考えられており、実際、４０Ｇｂｐｓで動作可能な低チャープ変調器は未だに学会等でも報告されていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、光変調器の消光特性を劣化させることなく、チャープのみを低減させることができる光変調器等を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の光変調器は、ｐ型半導体とｎ型半導体との間に多重量子井戸の吸収層を有する電界吸収型の光変調器であって、該多重量子井戸の１周期の構造は、第１のバンドギャップを有するバリア層と、前記バリア層に接し、かつ前記バリア層よりｎ型半導体に近い側に第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有するウェル層と、前記ウェル層に接し、かつ前記ウェル層よりｎ型半導体に近い側に第２のバンドギャップより大きく、かつ第１のバンドギャップより小さい第３のバンドギャップを有する中間層とを備え、前記ウェル層に引張り歪が加えられ、かつ上記多重量子井戸で構成される吸収層が複数のピークからなる吸収スペクトルを持つことを特徴とする。
【００１１】
ここで、この発明の光変調器において、前記中間層と該中間層よりｎ型半導体に近い側のバリア層との間に所定のバンドギャップを有する１以上の層をさらに備え、該所定のバンドギャップは、第２のバンドギャップと第３のバンドギャップとの間または第３のバンドギャップと第１のバンドギャップとの間のいずれかとすることができる。
【００１２】
ここで、この発明の光変調器において、前記ウェル層の材料は、InGaAsP、InGaAsまたはInGaAlAsとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１（Ａ）ないし（Ｃ）は、本発明の実施の形態１における光変調器を説明するものである。図１（Ａ）は光変調器の全体を示し、図１（Ｂ）は多重量子井戸を説明するエネルギーバンドを示し、図１（Ｃ）は多重量子井戸の１周期の構造を示す。図１（Ａ）において、符号１は光変調器、２は半絶縁性Ｓｉ−ＩｎＰ基板、３は吸収層、４は導波路、５はｐ型電極、６はｎ型電極である。図１（Ａ）に示されるように、信号光は導波路４を通して吸収層３に結合しており、ｎ型電極６を接地しｐ型電極５に負電圧を加えて、吸収層３の吸収係数を増大させることにより信号光を変調することができる。
【００１５】
図１（Ｂ）および（Ｃ）において、符号７はｐ型クラッド、８は吸収層多重量子井戸、８ａは１周期分の多重量子井戸、９はｎ型クラッド、１０はウェル層、１１は中間層、１２はバリア層である。ウェル層１０には引張り歪を加えてあり、結晶格子が面内方向に引張り歪を受けた状態の引張り歪量子井戸構造を有している。図１（Ｃ）に示されるように、ウェル層１０とｎ側のバリア層１２との間に中間層１１を挿入してある。バリア層１２のバンドギャップ（第１のバンドギャップ）をＥｂ（ｅＶ）、ウェル層１０のバンドギャップ（第２のバンドギャップ）をＥｗ（ｅＶ）、中間層１１のバンドギャップ（第３のバンドギャップ）をＥｍ（ｅＶ）とすると、これらの間には、
【００１６】
【数１】
Ｅｗ  ＜  Ｅｍ  ＜  Ｅｂ
【００１７】
という関係がある。
【００１８】
図２は本実施の形態１における中間層１１付き引張り歪量子井戸を有する光変調器１と中間層１１を有していない引張り歪単純量子井戸との諸特性を比較したものである。図２（Ａ）は中間層１１付き引張り歪量子井戸を有する光変調器１の消光特性の実測結果（実施の形態１）を示し、図２（Ｂ）は中間層１１を有していない引張り歪単純量子井戸の消光特性の実測結果を示す。図２（Ａ）および（Ｂ）において横軸は電圧（Ｖ）、縦軸は光出力（ｄＢ）であり、各消光特性は電圧が０Ｖ付近において同等となるように条件を選んである。
【００１９】
図２（Ｃ）は両者のチャープ特性（αパラメータ）の実測結果を示す。ここで、αパラメータとは線幅増大係数であり、屈折率変化と吸収係数変化（または利得変化）との比を示す。図２（Ｃ）において横軸は電圧（Ｖ）、縦軸はαパラメータであり、実線が中間層１１付き引張り歪量子井戸（実施の形態１）、破線が引張り歪単純量子井戸の場合を示す。
【００２０】
図２（Ａ）で示される消光特性と図２（Ｃ）の実線（実施の形態１）で示されるαパラメータの電圧依存特性は同じ波長についての結果である。同様に、図２（Ｂ）で示される消光特性と図２（Ｃ）の破線（引張り歪単純量子井戸）で示されるαパラメータの電圧依存特性は同じ波長についての結果である。図２（Ａ）ないし（Ｃ）に示されるように、引張り歪単純量子井戸の光変調器と本実施の形態１の中間層１１付き引張り歪量子井戸の光変調器とを比較すると、本実施の形態１の方は、同等の消光特性を維持しながらチャープだけを低減することができる。
【００２１】
図３（Ａ）は、本実施の形態１における中間層１１付き引張り歪量子井戸を有する光変調器１の吸収スペクトルを示し、図３（Ｂ）はαパラメータの計算結果を示す。図３（Ａ）において横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は吸収係数（ｃｍ−１）であり、図３（Ｂ）において横軸は電圧（Ｖ）、縦軸はαパラメータである。図３（Ａ）において、符号Ｖ１ないしＶ６は印加電圧であり、各印加電圧についての吸収スペクトルが示されている。ここで、印加電圧Ｖ１は０Ｖ、Ｖ２ないしＶ６は逆バイアスであり、各々Ｖ２は−０．２Ｖ、Ｖ３は−０．６Ｖ、Ｖ４は−１．２Ｖ。Ｖ５は−１．６Ｖ、Ｖ６は−２．０Ｖである。図３（Ａ）に示されるように、逆バイアスＶ２ないしＶ６を加えた時に、吸収スペクトルのピークおよびその短波長側の吸収係数の落ち込みが大きいことがわかる。電圧印加時の光変調器の吸収係数と屈折率の変化量はクラマース・クローニヒ（Kramers-Kronig）の関係式で結び付けられている。図３（Ａ）に示されるように、吸収スペクトルのピークおよびその短波長側の吸収係数の落ち込みが大きい場合には、屈折率変化の負の成分を大きくすることができる。このため図３（Ｂ）に示されるように、αパラメータを小さくすることができる。
【００２２】
図４（Ａ）は、引張り歪単純量子井戸を有する光変調器の吸収スペクトルを示し、図４（Ｂ）はαパラメータの計算結果を示す。図４（Ａ）において横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は吸収係数（ｃｍ−１）であり、符号Ｖ１ないしＶ６は図３（Ａ）と同様の印加電圧である。図４（Ｂ）において横軸は電圧（Ｖ）、縦軸はαパラメータである。図４（Ａ）に示されるように、吸収係数は図３（Ａ）に示される吸収係数と比較して大きな落ち込みはない。その結果、大きな正の屈折率変化が残るため、図４（Ｂ）に示されるように大きな正のαパラメータが残っている。
【００２３】
本実施の形態１におけるウェル層１０の材料には、どのような材料であってもウェル幅、歪率のパラメータを適宜最適化することにより同様の効果を得ることができる。光通信用変調光源としては、ウェル層１０の材料に、InGaAsP、InGaAsまたはInGaAlAsを用いることができる。上述の図１ないし図４の実測結果および計算結果は、ウェル層１０の材料としてInGaAsPを用いた場合の効果を実証したものである。
【００２４】
以上より、実施の形態１によれば、ウェル層１０とｎ側のバリア層１２との間に中間層１１を挿入し、ウェル層１０に引張り歪を加え、バリア層１２のバンドギャップをＥｂ（ｅＶ）、ウェル層１０のバンドギャップＥｗ（ｅＶ）、中間層１１のバンドギャップＥｍ（ｅＶ）の間に、Ｅｗ＜Ｅｍ＜Ｅｂの関係を持たせることができる。この結果、従来の引張り歪単純量子井戸と比較して本発明の中間層１１付き引張り歪量子井戸を有する光変調器は、光変調器の消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図５（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施の形態２における光変調器の多重量子井戸を説明するエネルギーバンドを示す。図５で図１と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図５（Ａ）において、符号１３はウェル層１０のバンドギャップと中間層１１のバンドギャップとの間のバンドギャップを有する層であり、図５（Ｂ）において、符号１４は中間層１１のバンドギャップとバリア層１２のバンドギャップとの間のバンドギャップとを有する層である。
【００２６】
上述の実施の形態１では、多重量子井戸８の１周期分の量子井戸８ａの中にウェル層１０、中間層１１およびバリア層１２の３種類の層を有していた。本実施の形態２では、１周期分の量子井戸８ａの中にウェル層１０、中間層１１およびバリア層１２の３種類の層に上述の別の層を加えた４種類の層を有することができる。本実施の形態２においても、引張り歪を加えられたウェル層１０と中間層１１との最適化により他の特性を犠牲にすることなくチャープを低減できることは、実施の形態１と同様である。
【００２７】
１周期分の量子井戸８ａの中に層の数が何層あっても、実施の形態１と同様なウェル層１０と中間層１１とを有する引張り歪量子井戸の構造であれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
以上より、実施の形態２によれば、実施の形態１のウェル層１０、中間層１１およびバリア層１２の３種類の層を有する引張り歪量子井戸構造に、別の層を加えた４種類の層を有する引張り歪量子井戸構造とすることができる。ここで、別の層のバンドギャップは、ウェル層１０と中間層１１との間のバンドギャップまたは中間層１１とバリア層１２との間のバンドギャップである。この場合でも実施の形態１と同様に、光変調器の消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させることができる。さらに、１周期分の量子井戸８ａの中に層の数が何層あっても、実施の形態１と同様なウェル層１０と中間層１１とを有する引張り歪量子井戸の構造であれば、実施の形態１と同様に、光変調器の消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させることができる。
【００２９】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３における光変調器付き半導体レーザ（変調器集積型半導体レーザ装置）を示す。図６において、符号２１は実施の形態１または２で説明された光変調器１等、２２はアイソレーション領域、２３は半導体レーザ、２４は光変調器吸収層、２５は半導体レーザ活性層、２６は回折格子、２７はＩｎＰ基板、２８は光変調器付き半導体レーザの全体である。
【００３０】
本実施の形態３では、上述の実施の形態１または２の光変調器１を半導体レーザ２３と集積しており、電流注入によるレーザ光発生の機能と、高速低チャープ光変調の機能とを合わせ持つことができる。
【００３１】
以上より、実施の形態３によれば、実施の形態１または２の光変調器１を半導体レーザ２３と集積することにより、光変調器付き半導体レーザ２８の消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させることができる。
【００３２】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４における光増幅器集積型光変調器を示す。図７で図６と同じ符号を付した箇所は同じ要素をしめすため説明は省略する。図７において、符号３２は（半導体）光増幅器、３３は光増幅器活性層、３１は光増幅器集積型光変調器の全体を示す。
【００３３】
本実施の形態４では、上述の実施の形態１または２の光変調器１に半導体光増幅器３２を集積しており、光変調器２１の部分の光吸収により生じる損失を半導体光増幅器３２によって補償することができる。
【００３４】
以上より、実施の形態４によれば、実施の形態１または２の光変調器１に半導体光増幅器３２を集積することにより、消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させることができる。
【００３５】
光モジュール装置として、上述の実施の形態１または２の光変調器１、実施の形態３の光変調器付き半導体レーザ２８および実施の形態４の光増幅器集積型光変調器３１を備えることができる。この場合でも、実施の形態１等と同様に消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させる光モジュール装置とすることができる。
【００３６】
光通信システムとして、上述の光モジュール装置を備えることができる。この場合でも、実施の形態１等と同様に消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させる光通信システムとすることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光変調器等によれば、ウェル層１０とｎ側のバリア層１２との間に中間層１１を挿入し、ウェル層１０に引張り歪を加え、バリア層１２のバンドギャップをＥｂ（ｅＶ）、ウェル層１０のバンドギャップＥｗ（ｅＶ）、中間層１１のバンドギャップＥｍ（ｅＶ）の間に、Ｅｗ＜Ｅｍ＜Ｅｂの関係を持たせることができる。この結果、光変調器の消光特性を劣化させることなく、チャープのみを低減させることができる光変調器等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１における光変調器を説明する図である。
【図２】  本実施の形態１における中間層１１付き引張り歪量子井戸を有する光変調器１と中間層１１を有していない引張り歪単純量子井戸との諸特性を比較した図である。
【図３】  本実施の形態１における中間層１１付き引張り歪量子井戸を有する光変調器１の吸収スペクトルとαパラメータの計算結果とを示す図である。
【図４】  引張り歪単純量子井戸を有する光変調器の吸収スペクトルとαパラメータの計算結果を示す図である。
【図５】  本発明の実施の形態２における光変調器の多重量子井戸を説明するエネルギーバンドを示す図である。
【図６】  本発明の実施の形態３における光変調器付き半導体レーザ（変調器集積型半導体レーザ装置）を示す図である。
【図７】  本発明の実施の形態４における光増幅器集積型光変調器を示す図である。
【図８】  従来のＥＡ変調器のエネルギー帯（バンド）を示す図である。
【図９】  従来の光変調器を駆動するドライバ回路の典型的な変調信号波形を示す図である。
【図１０】  従来の光変調器の消光特性を示す図である。
【符号の説明】
１，２１  光変調器、  ２  半絶縁性Ｓｉ−ＩｎＰ基板、  ３  吸収層、  ４導波路、  ５  第１導電型（好適にはｐ型）電極、  ６  第２導電型（好適にはｎ型）電極、  ７  ｐ型クラッド、  ８  吸収層多重量子井戸、  ８ａ  １周期分の多重量子井戸、  ９  ｎ型クラッド、  １０  ウェル層、  １１  中間層、  １２  バリア層、  １３，１４  層、  ２２  アイソレーション領域、  ２３  半導体レーザ、  ２４  光変調器吸収層、  ２５  半導体レーザ活性層、  ２６  回折格子、  ２７  ＩｎＰ基板、  ２８  光変調器付き半導体レーザ、  ３２  半導体光増幅器、  ３３  光増幅器活性層、  ３１  光増幅器集積型光変調器、  １０１  ｐ型半導体、  １０２  多重量子井戸構造、  １０２ａ  １周期の量子井戸構造、  １０３  ｎ型半導体、１０４  ｐ側のバリア層またはｎ側のバリア層、  １０５  １周期の量子井戸、  １０６  バルク半導体層。
【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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