(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ型クラッド層上に光が伝搬する方向にストライプ状の変調層、バッファ層、Ｐ型クラッド層を順次積層したダブルヘテロ構造の光変調素子において、
上記バッファ層内にＰＮ接合部があり、
上記変調層と上記バッファ層を構成する基本組成が同一であり、上記バッファ層のエネルギーギャップが、上記変調層よりもＰ型不純物の形成する準位分だけ大とされたことを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
Ｎ型クラッド層上に光が伝搬する方向にストライプ状の変調層、バンドギャップが傾斜的に変化するパイルアップ防止層、バッファ層、Ｐ型クラッド層を順次積層したダブルヘテロ構造の光変調素子において、
上記バッファ層内にＰＮ接合部があり、
上記変調層と上記パイルアップ防止層とバッファ層の基本組成が同一であり、
上記Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー＞上記バッファ層のバンドギャップエネルギー＞上記変調層のバンドギャップエネルギーとされ、
上記バッファ層のバンドギャップエネルギーは、上記変調層のバンドギャップエネルギーよりも３００〜４００meV大であり、
上記バッファ層の屈折率がクラッド層として作用する程度であることを特徴とする光変調素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光変調素子において、
上記N型クラッド層と上記変調層との間に、上記バッファ層と同一組成の下部バッファ層を設けたことを特徴とする光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信で用いられる電気信号を光の信号に変換する光変調素子に関し、特に正孔の蓄積効果を低減する構造から周波数応答特性の電圧依存性を解消した光変調素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に光変調素子の概略構成図を示す。
光変調素子は、Ｎ型クラッド層（n-InP基板）２の表面に変調層３、Ｐ型クラッド層４を順次成膜し、Ｎ側クラッド層側とＰ型クラッド層側にはＮ電極１、Ｐ電極７がそれぞれ設けられる。６は絶縁膜を示す。両電極には信号源を直列接続した直流電源が逆極性に接続され、逆バイアス電界が印加される。そして、変調層３の一方の面に対して垂直の方向に光を入射させ、入射した光は光変調層を伝播し、印加電界により変調され、その他方の面から放射される。
光変調素子は両電極に印加する電圧を変化させることで電気のＯＮ／ＯＦＦ信号を光の強弱信号に変換する。
【０００３】
（従来例１）
図８に従来例１の光変調素子の変調層付近の詳細図を示す。
光変調素子は、Ｎ型クラッド層（n-InP基板）２、変調層３、バッファ層９、Ｐ型クラッド層４からなり、それぞれの材料、バンドギャップエネルギーを表１に示す。
【表１】
0003795434.tif 000002
このような構造の場合、厚さ方向のエネルギーバンド図は図９に示すようになる。
従来例１の光変調素子では、P-N接合部（Ｐ型不純物とＮ型不純物のバランスのとれた点の位置）がバッファ層内に生成される。P-N接合部の位置はＰ型クラッド層のドーピング材がどのようにバッファ層に熱拡散するかに依存している。光通信に用いられる素子に良く利用されるInPなどへのＰ型ドーピング材として、一般的にZnが用いられるが、Znは非常に熱拡散しやすいためP-N接合部の位置を制御するのは非常に難しく、製造工程に大きく左右される。P-N接合部の位置が変調層に入ってくると光損失が大きくなってしまい好ましくない。
したがって、P-N接合部とバッファ層／変調層界面との間に価電子帯にエネルギーの高い領域ができている。変調層で光が吸収されると価電子帯に正孔が、伝導帯に電子が生成される。生成された電子はＮ型クラッド層側に邪魔されることなく移動していくが、正孔は変調層とバッファ層の界面に生ずるエネルギーの段差（およそ400meV）にはばまれてＰ型クラッド層側に移動することができなくなり蓄積する。正孔が蓄積すると変調素子に印加した電圧を打ち消してしまうことにより、光の吸収が弱くなり、電気信号のＯＮ／ＯＦＦを光の強弱信号に効率的に変換できなくなり、変調動作時の信号波形が劣化してしまう。従来例１においては変調層のみが光の吸収に寄与する。
【０００４】
（従来例２）
図１０に従来例２の光変調素子の変調層付近の詳細図を示す。
従来例２の光変調素子は従来例１の光変調素子においてパイルアップ防止層（パイルアップを防止するためにバンドギャップエネルギーの傾斜を緩かにした層）を設けたものである。
光変調素子はＮ型クラッド層（n-InP基板）２、変調層３、パイルアップ防止層１０、バッファ層９、Ｐ型クラッド層４からなり、それぞれの材料、バンドギャップを表２に示す。
【表２】
0003795434.tif 000003
このような構造の場合、厚さ方向のエネルギーバンド図は図１１に示すようになる。
P-N接合部はバッファ層内に形成され、バッファ層と変調層の界面の間に厚さ方向に組成の傾斜したパイルアップ防止層を設けて、光吸収によって生じた価電子帯の正孔がこのエネルギーの段差を乗り越えやすくしたものである。
従来例１では、パイルアップがP-N接合位置とバッファ層／変調層界面間の距離を大きく依存するためにあまり大きく設定することができないため、空乏層厚を大きくとれない。したがって、素子の静電容量が大きくなり高速動作に問題があった。また、従来例２では、パイルアップ防止層を入れることで前述の距離を大きくすることが可能で静電容量を低減できる。従来例２においては変調層のみが光の吸収に寄与する。
【０００５】
（従来例３）
図１０に示す従来の光変調素子では、変調層の上部に屈折率が変調層よりもやや小さく光吸収にはほとんど関与しないノンドープバッファ層と同様に屈折率がやや小さいＰドープバッファ層が設けられこれらの上下を屈折率の小さなクラッド層で挟んでいたため、伝播光のモードフィールド分布が非対称となっていると同時に、屈折率分布の中心と変調層の位置がずれており、光ファイバとの光結合効率と光吸収効率に問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、P-N接合部の位置を変調層から大きく離し、P-N接合部の位置がばらついても高速動作に必要な静電容量を確保し、正孔蓄積の要因であるエネルギー段差を従来例の光変調素子よりも小さくした光変調素子を提供する。また、従来の光変調素子に比べて光ファイバとの接合効率と光吸収効率を改善した光変調素子を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
請求項１の発明は、Ｎ型クラッド層上に光が伝搬する方向にストライプ状の変調層、バッファ層、Ｐ型クラッド層を順次積層したダブルヘテロ構造の光変調素子において、上記バッファ層内にＰＮ接合部があり、上記変調層と上記バッファ層を構成する基本組成が同一であり、上記バッファ層のエネルギーギャップが、上記変調層よりもＰ型不純物の形成する準位分だけ大とした。これにより周波数応答特性の電圧依存性を解消し、良好な信号波形を得ることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、Ｎ型クラッド層上に光が伝搬する方向にストライプ状の変調層、バンドギャップが傾斜的に変化するパイルアップ防止層、バッファ層、Ｐ型クラッド層を順次積層したダブルヘテロ構造の光変調素子において、上記バッファ層内にＰＮ接合部があり、上記変調層と上記パイルアップ防止層とバッファ層の基本組成が同一であり、上記Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー＞上記バッファ層のバンドギャップエネルギー＞上記変調層のバンドギャップエネルギーとされ、上記バッファ層の屈折率がクラッド層として作用する程度であるとすることで、P-N接合の位置を変調層から大きく離し、P-N接合の位置がばらついても高速動作に必要な静電容量を確保でき、さらに、正孔蓄積の要因であるエネルギー段差を従来の光変調素子よりも小さくすることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の光変調素子において、上記N型クラッド層と上記変調層との間に、上記バッファ層と同一組成の下部バッファ層を設けた。
これにより、積層方向の屈折率分布を上下対称とすることができ、従来構造のパイルアップ防止効果を全く損なうことなく光損失の低減、消光比（ＳＮ比）の向上を図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
実施例１の光変調素子の変調層付近の詳細構造を示したのが図１である。
Ｎ型クラッド層２、変調層３、バッファ層９、Ｐ型クラッド層４からなり、それぞれの材料、バンドギャップエネルギーを表３に示す。non-InGaAsP*のバンドギャップエネルギーは組成の比率を変えることで変化させることができる。
【表３】
0003795434.tif 000004
またＮ型、Ｐ型のドーピング材料にはSeとZnを用いた場合、バッファ層のバンドギャップエネルギー中にできるZnのアクセプタレベルは、およそ３３meVである。変調層のバンドギャップエネルギーは８３２meVであることから、バッファ層のバンドギャップエネルギーは、
（バッファ層のバンドギャップエネルギー）
＝（変調層のバンドギャップエネルギー）＋（Ｐ型ドーピング材料が作るアクセプターレベル）
より、８６５meVとなる。この様子を図３に示した。このときの厚さ方向のエネルギーバンド図は図２のようになり、図９に示した従来例１で見られるような大きなエネルギーの段差は見られなくなる。従って、正孔の蓄積は生じることはなくなる。また、P-N接合部はバッファ層内の場所に設定することができ、例えばＰ型クラッド層側に生成することで素子の静電容量を低減することができる。実施例１においては変調層、バッファ層が光の吸収に寄与する。
【００１１】
（実施例２）
実施例２の光変調素子の変調層付近の詳細構造を示したのが図４である。
Ｎ型クラッド層２、変調層３、パイルアップ防止層１０、バッファ層９、Ｐ型クラッド層４からなり、それぞれの材料、バンドギャップエネルギーを表４に示す。
【表４】
0003795434.tif 000005
すなわち、Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー＞バッファ層のバンドギャップエネルギー＞変調層のバンドギャップエネルギーとすることにより、厚さ方向のエネルギーバンド図は図５のようになり、図１０に示した従来例２（Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー＝バッファ層のバンドギャップエネルギー＞変調層のバンドギャップエネルギーとした光変調素子）でみられるようなエネルギーの段差自体を小さくできる（すなわち、従来例２の４００meVに対し、実施例２は３００meVとなる。）。したがって、正孔の蓄積を少なくすることができる。また、バッファ層は変調層と同じ元素をすべて持つ材料構造にすることができ、成膜時に従来はＧａ,Ａｓをゼロ近傍になるまで制御して供給しなければならなかった。一般に原料供給制御をゼロ近傍まで行うには制御系のダイナミックレンジが問題になるが、本構成にすることで傾斜層の組成制御性が大きく向上する。
【００１２】
また、P-N接合部の位置を変調層から大きく離し、P-N接合部の位置がばらついても高速動作に必要な静電容量を確保でき、さらにバッファ層のバンドギャップエネルギーを変調層のバンドギャップエネルギーに近い材料を用いることにより、正孔の蓄積を低減させるものである。バッファ層のバンドギャップエネルギーの選択できる範囲は、光の閉じ込めが大きく変化しない範囲で決定する必要があり、適切なバッファ層のバンドギャップエネルギーは、変調層のバンドギャップエネルギーよりも３００〜４００meV大きい値となる。このようなバッファ層を用いることにより、高速動作に必要な静電容量を確保すると同時に周波数応答特性に見られる電圧依存性を解消できるものである。実施例２においては変調層のみが光の吸収に寄与する。
【００１３】
（実施例３）
図６に示すように、下部Ｎ型クラッド層２と変調層３の間に変調層と上部Ｐ型クラッド層４の間に挿入されているバッファ層と同一組成の下部ノンドープバッファ層１１を設ける。これにより、積層方向の屈折率分布を上下対称とすることができ、モードフィールドの非対称性とその中心の変調層とのずれを解決することができる。このことにより従来構造のパイルアップ防止効果を全く損なうことなく光損失の低減、消光比（ＳＮ比）の向上を図ることができる。さらに本構造では下部バッファ層をノンドープとすることで、空乏層厚が厚くなり素子容量を低減させ周波数応答の向上や、低バイアス領域での光吸収変化がなだらかになりマーク側のアイ波形（アイパターン）改善につながる。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明では、バッファ層のバンドギャップエネルギーを（バッファ層のバンドギャップエネルギー）＝（変調層のバンドギャップエネルギー）＋（Ｐ型ドーピング材料が作るアクセプターレベル）となるように選ぶことにより正孔の蓄積を防止でき、そのことにより周波数応答特性の電圧依存性が解消され、良好な信号波形を持つ光変調素子が得られる。
請求項２の発明では、Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー＞バッファ層のバンドギャップエネルギー＞変調層のバンドギャップエネルギーとなる材料を選ぶことにより、空乏層を広げ、正孔の蓄積を低減することができる。これにより、高速動作ができる光変調素子が得られる。
【００１５】
請求項３〜５の発明では、請求項１又は２の発明において、さらに下部クラッド層と変調層の間に変調層と上部クラッド層の間に挿入されているバッファ層と同一組成の下部バッファ層を設けることにより、積層方向の屈折率分布を上下対称とすることができ、モードフィールドの非対称性とその中心の変調層とのずれを解決することができる。また、請求項１又は２の発明において、パイルアップ防止効果を全く損なうことなく光損失の低減、消光比（ＳＮ比）の向上を図ることができ、下部バッファ層をノンドープとすることで、空乏層厚が厚くなり素子容量を低減させ周波数応答の向上や、低バイアス領域での光吸収変化がなだらかになりマーク側のアイ波形改善につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の光変調素子の変調層付近の詳細図。
【図２】実施例１の光変調素子のエネルギーバンド図。
【図３】実施例１の変調層とバッファ層のバンドギャップエネルギーの関係を示す図。
【図４】実施例２の光変調素子の変調層付近の詳細図。
【図５】実施例２の光変調素子のエネルギーバンド図。
【図６】実施例３の光変調素子の変調層付近の詳細と屈折率の分布図。
【図７】従来の光変調素子の概要構成図。
【図８】従来例１の光変調素子の変調層付近の詳細図。
【図９】従来例１の光変調素子のエネルギーバンド図。
【図１０】従来例２の光変調素子の変調層付近の詳細図。
【図１１】従来例２の光変調素子のエネルギーバンド図。
【符号の説明】
１・・・Ｎ電極、２・・・Ｎ型クラッド層、３・・・変調層、４・・・Ｐ型クラッド層、７・・・Ｐ電極、９・・・バッファ層、９-１・・・Ｐドープバッファ層、９-２・・・ノンドープバッファ層、１０・・・パイルアップ防止層、下部ノンドープバッファ層
【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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【図１１】
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