JP3921268B2 - 半導体光変調器 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、半導体光変調器に関し、特に量子井戸構造を備えた半導体光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
狭いバンドギャップの半導体の薄層を広いバンドギャップの半導体の層で挟むと量子井戸構造を形成することができる。狭バンドギャップの半導体層を量子井戸（ウェル）層と呼び、広バンドギャップの半導体層を障壁（バリア）層と呼ぶ。狭バンドギャップの半導体層と広バンドギャップの半導体層とを交互に積層すると、多重量子井戸構造が形成される。
【０００３】
以下、多重量子井戸構造を用いた光変調器の動作原理について説明する。
図１１Ａは、量子井戸のバンドエネルギ分布を厚さ方向の位置の関数として示す。量子井戸層Ｌ２が障壁層Ｌ１とＬ３に挟まれている。図中の折れ線ＥC は伝導帯端、ＥV は価電子帯端を表し、破線ｅｌ0 は電子の基底準位、ｈｈ0 は重い正孔（ヘビーホール）の基底準位を表す。
【０００４】
このような量子井戸構造に対し、バイアス電界を印加しない状態においては、伝導帯の基底準位ｅｌ0 にある電子の波動関数ｅｆ0 も価電子帯の基底準位ｈｈ0 にある重い正孔の波動関数ｈｆ0 も井戸層Ｌ２を中心として対称に分布する。電子の波動関数ｅｆ0 のピーク位置と正孔の波動関数ｈｆ0 のピーク位置とは一致する。量子井戸構造に電子の基底準位ｅｌ0 と重い正孔の基底準位ｈｈ0 との差Ｅg 以上のエネルギの光を入射すると、電子正孔対を生じ、光が吸収される。
【０００５】
図１２Ａの曲線ａ0 は、図１１Ａの状態における吸収係数αの波長依存性を示す。
【０００６】
図１１Ｂは、図１１Ａに示す量子井戸構造に図において右向きのバイアス電界を印加した時のバンド構造を示す。電界印加によってバンド端が傾斜する。量子井戸層Ｌ２のバンド端が右上がりに傾斜し、電子が左側に、正孔が右側に偏って分布する。バンド端の傾斜により、電子の基底準位ｅｌ0 と重い正孔の基底準位ｈｈ0 との差Ｅg が減少し、吸収波長が低エネルギ側である長波長側に移動（レッドシフト）する。
【０００７】
また、図１１Ａに示すように印加電界がない時にはピーク位置が一致していた電子と正孔の波動関数は、図１１Ｂに示すように電界強度の増加と共に相互に反対方向に移動し、その重なりが減少する。波動関数の重なりが減少することは、吸収係数αの低下を意味する。従って、量子井戸構造に電界を印加すると、図１２Ａにおいて曲線ａ0 が長波長側へ移動するとともに、その高さが低くなる。
【０００８】
図１２Ａの曲線ａ1 は、図１１Ｂの状態における吸収係数αの波長依存性を示す。波長λ0 よりも長波長側で吸収係数αが立ち上がり、波長λ0 の光が吸収される。このように、量子井戸構造への印加電界を制御することにより、波長λ0 の光の強度を変調することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
光変調器の印加電界変化に対する屈折率の実数部の変化をΔｎ、屈折率の虚数部の変化をΔｋとするとき、Δｎ／Δｋをチャープパラメータと呼ぶ。ここで、屈折率の虚数部の変化Δｋは、光強度に対する吸収係数変化Δαと、Δｋ＝λΔα／４πなる関係を有する。印加電界に変調をかけて光パルスを発生させる場合、その時間変化する光強度をＳとすると、波長変化Δλは、Δλ／λ2 ＝−（Δｎ／Δｋ×ｄＳ／ｄｔ）／（４πｃ0 Ｓ）で表される。ここで、ｃ0 は真空中の光の速度である。チャープパラメータが零でない場合、光強度の変調に伴い波長が変動する。
【００１０】
従来の電界吸収型光変調器では、印加電界が弱く吸収が小さい透過状態において、このチャープパラメータは大きな正の値であり、印加電界が強く吸収が大きい非透過状態において負になる。すなわち、従来の光変調器では、光強度がある程度大きくなる印加電界領域のほとんどでチャープパラメータは正であり、光強度が増加していく光パルスの立ち上がり時には、被変調光の波長は一旦短波長側に動いてまた元に戻るといった動きをする。また、光強度が減少していく光パルスの立ち下がり時には、被変調光の波長は一旦長波長側に動いてまた元に戻るといった動きをする。つまり、光パルスの強度が強い領域だけみると、立ち上がりから立ち下がりにかけて被変調光の波長は短波長側から長波長側に動く。
【００１１】
光ファイバ通信に広く使われている石英系単一モード光ファイバには、伝搬する光の波長により光パルスの伝搬速度（群速度）が異なるといういわゆる分散特性をもつ。最も伝搬損失の小さくなる波長は１．５５μｍ近傍であるが、この波長域では波長が長いほど群速度が遅くなるいわゆる異常分散特性をもつ。この光ファイバを波長１．５５μｍ帯で用いる場合、従来の光変調器では、前述したような波長変動があるので、長波長側に動くパルスの立ち下がり部分の伝搬速度が、波長が相対的に短波長側にあるパルスの立ち上がり部分に比べ相対的に遅くなり、パルス幅が光ファイバ伝搬により広がってしまう。その結果、変調速度を高速にしてパルス幅を狭くするほど、また長距離伝搬させるほど、隣接した光パルスの識別を困難にし、伝送誤りを引き起こしやすくなる。
【００１２】
このような特性の光ファイバを波長１．５５μｍ近傍で用いる場合、チャープパラメータは一般に小さければ小さいほど望ましい。さらに、負のチャープパラメータを実現できれば、従来例とは逆に、光ファイバ伝搬により光パルスの幅を圧縮することができ、より高速の信号をより長距離伝搬させても伝送誤りを引き起こしにくくできる。
【００１３】
本発明の目的は、長距離伝送に適した光パルスを得ることができる半導体光変調器を提供することである。
【００１４】
本発明の一観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する１次の高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であり、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する２次の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下である半導体光変調器が提供される。
【００１５】
量子井戸層にバイアス電圧を印加すると、バンド端の傾きによりエネルギギャップが減少する。これにより光の吸収端波長がレッドシフトする。このレッドシフトを光変調器に利用することができる。バイアス電圧を印加すると、量子井戸に閉じ込められた電子及び正孔の波動関数が相互に反対方向に偏る。伝導帯の基底準位にある電子の波動関数と価電子帯の高次準位にある波動関数との重なり積分が、バイアス電圧の増加にともなって減少する領域がある。この領域を使用することにより、量子井戸層のチャープパラメータを負にすることができる。
【００１７】
遷移波長の差が４０ｎｍ以下の領域で、光の透過状態と非透過状態とを切り換えることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることができる。
【００１８】
本発明の他の観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧を印加しない状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器が提供される。
【００１９】
量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にある正孔との波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する範囲で、光の透過状態と非透過状態とを切り換えることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることができる。
【００２０】
本発明の他の観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段とを有し、第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する１次の高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であり、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、前記第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する２次の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下である半導体光変調器が提供される。
【００２１】
第１のバイアス電圧印加状態を透過状態とし、第２のバイアス電圧印加状態を非透過状態とすることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることができる。
【００２２】
本発明の他の観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段とを有し、第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器が提供される。
【００２３】
第１のバイアス電圧印加状態を透過状態とし、第２のバイアス電圧印加状態を非透過状態とすることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることができる。
【００２５】
本発明の他の観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、第１のバイアス電圧を印加した状態から、該第１のバイアス電圧よりもより大きな逆バイアス電圧である第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器の使用方法であって、前記量子井戸積層構造に光線束を入射し、前記第１のバイアス電圧を印加して該光線束を透過させる状態と、前記第２のバイアス電圧を印加して該光線束を吸収する状態とを切り換える前記半導体光変調器の使用方法が提供される。
【００２６】
使用範囲内において、チャープパラメータを負にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例による変調器集積分布帰還型（ＭＩＤＦＢ）レーザの一部破断斜視図を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１の表面の一部に回折格子３が形成されている。この基板１の上に、ｎ型光ガイド層２が成長され、その上に分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ１４および光変調器１５が分離領域１６を介在して形成されている。
【００２８】
ＤＦＢレーザ１４は、回折格子３の上にｎ型光ガイド層２、活性層４ａ、ｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層６、コンタクト層７ａを積層して形成されている。光変調器１５は、ｎ型光ガイド層２の上に量子井戸層と障壁層とが交互に積層された量子井戸構造４ｂを積層し、その上にｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７ｂを積層して形成されている。
【００２９】
分離領域１６は、積層構造上面からコンタクト層７ａ、７ｂの中間の領域を除去した構造で実現されている。
【００３０】
なお、ＤＦＢレーザ１４、光変調器１５の整列方向に沿うように幅約１〜３μｍの基板に達するメサ構造がエッチングで形成され、メサ構造の側面は半絶縁性埋込半導体領域８によって埋め戻されている。また、ＤＦＢレーザ１４のコンタクト層７ａ上にはｐ側電極１０ａが形成され、光変調器１５のコンタクト層７ｂ上にはｐ側電極１０ｂが形成されている。
【００３１】
また、ポリイミド領域９がｐ側電極１０ｂの周辺に形成され、その上に形成された配線層１１がｐ側電極１０ｂと接続されている。基板１の裏面にはｎ側電極１２が共通に形成されている。
【００３２】
このような構造は、基板上への選択エピタキシャル成長、選択エッチング、メサ埋込成長、ポリイミド塗布、基板研磨、電極層堆積、パターニング、へき開等の技術を用いて作製することができる。
【００３３】
このような構成において、ＤＦＢレーザ１４は、単一波長の光を連続発振する。光変調器１５は、ＤＦＢレーザ１４から発する光を選択的に吸収し、変調した出力光を発生する。
【００３４】
次に、上記光変調器のチャープパラメータについて説明する。
量子井戸構造を有する光変調器により変調すべき信号光の波長をλ0 、量子井戸構造に印加されるバイアス電圧をＶ、波長λとバイアス電圧Ｖの関数である吸収係数をα（λ，Ｖ）とすると、クラマース・クローニッヒ（Kramers-Kronig）の関係式より、
【００３５】
【数１】
【００３６】
が得られる。ここで、Δα＝∂α（λ，Ｖ）／∂Ｖ、Ｐ∫は主値積分を表す。
式（１）を変形すると、
【００３７】
【数２】
【００３８】
図１２Ａに示すように、信号光の波長λ0 は、フラットバンド状態における吸収係数ａ0 の立ち上がり波長よりもやや長波長側に選ばれる。従って、バイアス電圧Ｖを増加すると、立ち上がり波長のレッドシフトにより信号波長λ0 における吸収係数αが増加する。すなわち、光変調器の動作範囲においては、屈折率の虚数部の変化Δｋ＝λ0 Δα／４πが正になる。このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋの符号は、Δｎの符号と同一になる。長距離伝送に適した光変調を行うためには、前述のように光変調器の透過状態から非透過状態までの範囲でチャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすればよい。すなわち式（２）を負にすればよい。
【００３９】
式（２）の右辺第１項、第２項ともに、分母は正である。従って、波長がλ0 以下の範囲においてΔαの負の部分を多くし、波長がλ0 以上の範囲においてΔαの正の部分を多くすればよい。また、各項の分母は、波長λ0 に近づくに従って小さくなるため、波長λ0 近傍におけるΔαの値が式（２）の符号に大きく寄与する。
【００４０】
図１２Ｂは、吸収係数αの変化率Δαの波長依存性を示す。図１２Ａの曲線ａ0 の状態、すなわち透過状態において印加電圧Ｖを僅かに増加すると曲線ａ0 がやや長波長側にシフトする。このときの吸収係数の変化率Δαを、図１２Ｂの曲線ｂ0 で示す。すなわち、吸収係数αの立ち上がり波長がレッドシフトすることにより、信号波長λ0 よりもやや短波長側に大きなピークが現れる。同様に、図１２Ａの曲線ａ1 の状態、すなわち非透過状態において印加電圧Ｖを僅かに増加すると、吸収係数の変化率Δαは、図１２Ｂの曲線ｂ1 のようになる。すなわち、信号波長λ0 よりもやや長波長側に大きなピークが現れる。
【００４１】
透過状態に対応する曲線ｂ0 は、波長λ0 より短波長側において大きな正の値をとるため、式（２）の第１項が第２項よりも大きくなる。このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋが正になる。非透過状態に対応する曲線ｂ1 は、波長λ0 より長波長側において大きな正の値をとるため、式（２）の第２項が第１項よりも大きくなる。このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋが負になる。
【００４２】
透過状態におけるチャープパラメータΔｎ／Δｋを負にするためには、図１２Ｂの波長λ0 よりも短波長側において、曲線ｂ0 で表される吸収係数変化率Δαを大きな負の値にすればよいことがわかる。図１１Ｂで説明したように、印加電圧Ｖを増加すると、電子の波動関数と正孔の波動関数の重なりが少なくなるため、吸収係数が減少する。ただしこの減少分は僅かであるため、図１２Ｂの曲線ｂ0 で表される吸収係数変化率Δαは殆ど負にならない。量子井戸層の電子の基底準位と正孔の基底準位間の遷移のみでチャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすることは困難であることがわかる。
【００４３】
本願発明者は、量子井戸層の価電子帯の正孔に対する１次の高次準位（１次準位）もしくは２次の高次準位（２次準位）と伝導帯の電子に対する基底準位との間の遷移を考慮することにより、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にできることを見い出した。以下、正孔の高次準位をも考慮した場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋについて考察する。
【００４４】
図２は、量子井戸層の価電子帯に重い正孔に対する基底準位と１次準位が存在する場合のバンド構造の一例を示す。障壁層Ｌ１とＬ３により量子井戸層Ｌ２が挟まれている。例えば、量子井戸層Ｌ２の組成をＧａ0.297 Ｉｎ0.703 Ａｓ0.794 Ｐ0.206 で形成し、障壁層Ｌ１及びＬ３の組成をＧａ0.373 Ｉｎ0.627 Ａｓ0. 711 Ｐ0.289 とする。量子井戸層Ｌ２の厚さを９ｎｍとすると、量子井戸層Ｌ２は、重い正孔に対する基底準位ｈｈ0 と１次の高次準位ｈｈ1 を有する。このとき、重い正孔に対する基底準位ｈｈ0 と障壁層Ｌ１、Ｌ３の価電子帯端とのエネルギ差（価電子帯実効障壁高さ）ΔＥv は３０ｍｅＶになる。なお、量子井戸層Ｌ２は、伝導帯中に電子に対する基底準位ｅｌ0 を有する。
【００４５】
図３Ａは、図２に示す量子井戸構造にバイアス電圧を印加したときの遷移波長とバイアス電圧との関係の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸は遷移波長を単位ｎｍで表す。ここで、バイアス電圧０Ｖとは、外部印加電圧が０Ｖであり、ビルトインポテンシャルのみが印加されていることを意味する。バイアス電圧を−１Ｖとした状態がフラットバンド状態である。すなわち、逆バイアスとなる向きの電圧の符号を正としている。
【００４６】
図３Ａ中の実線は基底準位ｅｌ0 とｈｈ0 間の遷移波長、破線は基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ0 間の遷移波長を示す。バイアス電圧を増加すると、バンド端の傾きによりエネルギ準位差が減少して遷移波長が長くなる。
【００４７】
図３Ｂは、基底準位ｅｌ0 にある電子の波動関数と重い正孔の各準位ｈｈ0 及びｈｈ1 にある正孔の波動関数との重なり積分の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸は重なり積分の値を任意目盛りで表す。図３Ｂ中の実線は基底準位ｅｌ0 とｈｈ0 との波動関数の重なり積分、破線は基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分を示す。
【００４８】
バイアス電圧を増加すると、基底準位ｅｌ0 とｈｈ0 との波動関数の重なり積分の値は単調に減少する。これは、図１１Ｂに示すように、波動関数のピーク位置が相互に反対方向にずれるためである。フラットバンド状態、すなわちバイアス電圧が−１Ｖのとき、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との重なり積分の値はほとんど零である。バイアス電圧を増加すると、これらの重なり積分の値は増加し、あるバイアス電圧において極大値を示し、その後減少する。
【００４９】
次に、図３Ａの遷移波長の変化及び図３Ｂの重なり積分の変化から導かれる吸収係数α及び吸収係数変化率Δαの波長依存性について、定性的に説明する。
【００５０】
図４Ａは、フラットバンド状態（バイアス電圧が−１Ｖ）のときの吸収係数αの波長依存性を示す。信号波長（被変調波長）λ0 よりもやや短波長側で、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移による吸収により吸収係数αが立ち上がる。フラットバンド状態においては、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の波動関数の重なり積分の値が零になるため、この準位間の遷移による吸収は見られない。
【００５１】
図４Ｂは、バイアス電圧の変化に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を示す。バイアス電圧を増加すると、図３Ａに示すように、各準位間の遷移波長が長波長側にシフトするとともに、図３Ｂに示すように、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との波動関数の重なり積分値が減少する。このため、図４Ａに示す吸収係数αを表す曲線が長波長側にシフトすると共に、その高さがやや低下する。従って、吸収係数変化率Δαは、吸収係数αの立ち上がり波長近傍で正になり、それよりも短波長側で絶対値の小さな値をとる。
【００５２】
式（２）の右辺第１項の積分計算において、信号波長λ0 に近い領域の吸収係数変化率Δαが計算結果に大きく寄与し、信号波長λ0 から遠く離れた短波長領域の吸収係数変化率Δαの寄与率は小さい。また、信号波長λ0 よりも短波長側において吸収係数変化率Δαのとり得る負の値の絶対値は、吸収係数αの立ち上がり波長近傍における正の値に比べて小さいため、積分結果に大きく寄与しない。このため、式（２）の計算結果は正になる。従って、チャープパラメータΔｎ／Δｋも正になる。
【００５３】
図４Ｃは、フラットバンド状態からややバイアス電圧を印加した状態（透過状態）の吸収係数αの波長依存性を示す。信号波長λ0 よりもやや短波長側で吸収係数αが立ち上がり、それよりも短波長側に、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の吸収による立ち上がりが現れている。このときのバイアス電圧は、例えば図３Ｂにおける基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との間の波動関数の重なり積分結果が極大値をとる電圧よりもやや大きな電圧とする。なお、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の吸収による立ち上がりよりもさらに短波長側に現れている立ち上がりは、障壁層の吸収端に相当する。
【００５４】
図４Ｄは、図４Ｃの状態におけるバイアス電圧に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を示す。基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との間の遷移波長のレッドシフトによるピークが、信号波長λ0 よりもやや短波長側に現れる。図４Ｃの状態からバイアス電圧を増加すると、図３Ｂに示すように、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分値が減少する。このため、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移による吸収係数が減少する。従って、図４Ｄにおいて、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長よりも短波長側で、吸収係数変化率Δαが負になる。
【００５５】
この負の領域が大きくなると、式（２）の右辺第１項の積分に大きく寄与し、Δｎが負になる。すなわち、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすることができる。なお、２次準位も存在する場合においては、バイアス電圧の増加に伴って基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 間の遷移による吸収も減少するような電圧範囲で使用すると、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすることが容易になる。
【００５６】
図４Ｅは、図４Ｃの状態からさらにバイアス電圧を増加させ、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との間の遷移波長が信号波長λ0 よりも長くなった状態（非透過状態）の吸収係数αの波長依存性を示す。図３Ｂからわかるように基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移確率がより小さくなるため、この遷移による吸収係数αの立ち上がりはほとんど消失する。
【００５７】
図４Ｆは、図４Ｅの状態におけるバイアス電圧の変化に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を示す。信号波長λ0 よりもやや長波長側に、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長のレッドシフトによるピークが現れている。基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移による吸収係数αの減少率が僅かであるため、この遷移波長よりも短波長側の領域において吸収係数変化率Δαの負の絶対値が小さくなっている。式（２）の右辺第２項が支配的になり、Δｎが負になる。このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋが負になる。
【００５８】
図４Ｄ及び４Ｆに示すように、透過状態及び非透過状態の両方において、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすることができる。
【００５９】
上記考察からわかるように、透過状態及び非透過状態の両方において、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にするためには、下記のような構成とすることが好ましい。
【００６０】
第１に、量子井戸層の価電子帯側の正孔に対する量子準位数を２または３にする。量子準位数が４以上の深い量子井戸では、電界印加時における電子と正孔の波動関数の重なり積分の変化が小さい。このため、チャープパラメータが負になりにくい。また、３次以上の高次準位による吸収は、ぼやけてバルク状の吸収と変わらなくなるので、チャープパラメータを負にしにくくなる。
【００６１】
第２に、フラットバンド状態からある逆バイアス印加状態までの全領域にわたって、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が、ある値以下であることが好ましい。この差が大きくなりすぎると、図４Ｄにおいて、吸収係数変化率Δαの負の領域が信号波長λ0 から遠ざかり、式（２）の積分結果への寄与率が低下するためである。この遷移波長の差は、後述するように４０ｎｍ以下となるように構成することが好ましい。
【００６２】
また、量子井戸層の価電子帯に２次準位ｈｈ2 が存在する場合には、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 との間の遷移による吸収係数の減少により、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負値化することが期待される。このためには、フラットバンド状態からある逆バイアス印加状態までの全領域にわたって、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 間の遷移波長との差が、ある値以下であることが好ましい。後述するように、この差を６０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００６３】
なお、光変調器として使用する際には、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下となるような範囲内で、透過状態と非透過状態とを切り換えることが好ましい。また、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下となるような範囲内で、透過状態と非透過状態とを切り換えることが好ましい。
【００６４】
第３に、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧の増加に伴って減少する範囲内で透過状態と非透過状態とを切り換えて使用することが好ましい。通常、量子井戸構造を有する光変調器は逆バイアス状態で使用するため、電圧無印加状態からある逆バイアス印加状態までの全範囲にわたって、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧増加に伴って減少するような構成とすることが好ましい。
【００６５】
同様に、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧の増加に伴って減少する範囲内で透過状態と非透過状態とを切り換えて使用することが好ましい。また、電圧無印加状態からある逆バイアス印加状態までの全範囲にわたって、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧増加に伴って減少するような構成とすることが好ましい。
【００６６】
次に、図５Ａ、５Ｂ〜９Ａ、９Ｂを参照して、バイアス電圧に対するチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比の変化について説明する。
【００６７】
図５Ａ、６Ａ、７Ａ、８Ａ及び９Ａは、バイアス電圧に対するチャープパラメータΔｎ／Δｋの変化の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸はチャープパラメータΔｎ／Δｋを表す。図５Ｂ、６Ｂ、７Ｂ、８Ｂ及び９Ｂは、バイアス電圧に対する消光比の変化の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸は消光比をバイアス電圧が−１Ｖの場合を基準とし、単位ｄＢで表す。なお、バイアス電圧を−１Ｖにした状態がフラットバンド状態に相当する。
【００６８】
各図とも、量子井戸層及び障壁層をＧａＩｎＡｓＰで形成した場合のＴＥモード動作、すなわち重い正孔の寄与率が１／２、軽い正孔の寄与率が１／６の場合の計算結果である。量子井戸層の歪量は０．５％、障壁層の歪量は−０．３％、障壁層の厚さは５．１ｎｍ、量子井戸層が７層、バイアス電圧無印加時の吸収端波長（吸収係数αの変曲点に対応する波長）が１４９０ｎｍ、信号波長が１５５０ｎｍとなるような構成とした。また、エトキシ強度は実験との整合をとるため理論値の０．４倍と仮定した。結晶性の向上によるエトキシ強度の増大はチャープパラメータを負にする傾向を強める。
【００６９】
図５Ａ及び５Ｂは量子井戸層の厚さが６ｎｍ、図６Ａ及び６Ｂは７．５ｎｍ、図７Ａ及び７Ｂは９ｎｍ、図８Ａ及び８Ｂは１０．５ｎｍ、図９Ａ及び９Ｂは１２ｎｍの場合である。また、各図の短破線は、量子井戸層における価電子帯の基底準位と障壁層の価電子帯端の準位との差（価電子帯の実効障壁高さ）ΔＥV が７０ｍｅＶの場合、長破線は６０ｍｅＶ、二点鎖線は５０ｍｅＶ、一点鎖線は４０ｍｅＶ、実線は３０ｍｅＶの場合を示す。
【００７０】
価電子帯の実効障壁高さΔＥV が４０ｍｅＶより小さいときは、量子井戸層の厚さが７．５ｎｍと９ｎｍの構成において、バイアス電圧無印加状態から逆バイアス印加状態までの範囲でチャープパラメータΔｎ／Δｋが負になっている。バイアス電圧が０Ｖ近傍における消光比は−１〜−３ｄＢ程度であり、透過状態に対応する。また、バイアス電圧を増加させると消光比の絶対値が増加し、非透過状態になる。バイアス電圧を制御することにより、透過状態と非透過状態とを切り換えることができる。
【００７１】
透過状態のチャープパラメータΔｎ／Δｋが負になるような構成の場合について、図３Ａに示すバイアス電圧に対する遷移波長の変化を調査した。その結果、フラットバンド状態から逆バイアス印加状態までの全域にわたって、伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であった。また、伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の２次準位ｈｈ2 間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下であった。
【００７２】
この結果からわかるように、透過状態と非透過状態のチャープパラメータΔｎ／Δｋを共に負にするためには、各遷移波長が上述の条件を満たすような構成とすることが好ましい。
【００７３】
図１０Ａ及び１０Ｂは、実際に作製した量子井戸構造のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性を示す。作製した量子井戸構造は、図５Ａ〜９Ｂの場合と同様の構成を有し、量子井戸層の厚さが９ｎｍのものである。なお、量子井戸層の組成は、Ｇａ0.299 Ｉｎ0.701 Ａｓ0.798 Ｐ0.202 であり、障壁層の組成はＧａ0.357 Ｉｎ0.643 Ａｓ0.678 Ｐ0.322 である。
【００７４】
図１０Ａに示すように、バイアス電圧０．３Ｖ以上の範囲においてチャープパラメータΔｎ／Δｋが負になっている。また、図１０Ｂに示すように、バイアス電圧０Ｖ近傍で消光比がほとんど０ｄＢであり、バイアス電圧を増加させると、消光比の絶対値が増加している。従って、例えば、バイアス電圧０．３〜０．５Ｖ程度を印加した状態を透過状態とし、バイアス電圧２Ｖ以上を印加した状態を非透過状態とする光変調器として使用することができる。
【００７５】
この光変調器は、透過状態から非透過状態までの全範囲において、負のチャープパラメータΔｎ／Δｋを有する。このため、長距離伝送に適した光変調を行うことが可能になる。
【００７６】
上記実施例では、ＧａＩｎＡｓＰを用いた量子井戸構造の場合を説明した。その他、量子井戸層をＧａＡｌＩｎＡｓで形成し障壁層をＧａＩｎＡｓＰで形成した場合、量子井戸層をＧａＩｎＡｓＰで形成し障壁層をＧａＡｌＩｎＡｓで形成した場合、量子井戸層と障壁層を共にＧａＡｌＩｎＡｓで形成した場合についても、量子井戸層の厚さ、価電子帯実効障壁高さΔＥV を変化させてチャープパラメータΔｎ／Δｋを計算した。その結果、価電子帯の高次準位の数、基底準位間の遷移波長と、基底準位と高次準位間の遷移波長との差に関して、ＧａＩｎＡｓＰを用いた場合と同様の結論が得られた。
【００７７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、透過状態から非透過状態までの範囲で負のチャープパラメータΔｎ／Δｋを有する光変調器に使用される半導体装置が提供される。このため、波長分散を有する光ファイバを用いる場合においても長距離伝送を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における変調器集積分布帰還型（ＭＩＤＦＢ）レーザの一部破断斜視図である。
【図２】本発明の実施例による量子井戸構造を構成する量子井戸のエネルギバンド図である。
【図３】図３Ａは、図２に示す量子井戸の遷移波長とバイアス電圧との関係、図３Ｂは、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なり積分とバイアス電圧との関係を示すグラフである。
【図４】図２に示す量子井戸の吸収係数αと吸収係数変化率Δαを、バイアス電圧ごとに示すグラフである。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを６ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを７．５ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを９ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを１０．５ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを１２ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図１０】図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを９ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の実測結果を示すグラフである。
【図１１】量子井戸構造のエネルギバンド図である。
【図１２】図１２Ａ及び図１２Ｂは、それぞれ図１１に示す量子井戸構造の吸収係数α及び吸収係数変化率Δαの波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ｎ型半導体基板
２ ｎ型光ガイド領域
３ 分布帰還用回折格子
４ａ レーザ活性層
４ｂ 量子井戸構造
５ ｐ型光ガイド領域
６ ｐ型クラッド領域
７ ｐ型コンタクト領域
８ 半絶縁性埋込領域
９ ポリイミド領域
１０ ｐ側電極
１１ 配線
１２ ｎ側電極
１４ ＤＦＢレーザ
１５ 光変調器
１６ 分離領域
本発明は、半導体光変調器に関し、特に量子井戸構造を備えた半導体光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
狭いバンドギャップの半導体の薄層を広いバンドギャップの半導体の層で挟むと量子井戸構造を形成することができる。狭バンドギャップの半導体層を量子井戸（ウェル）層と呼び、広バンドギャップの半導体層を障壁（バリア）層と呼ぶ。狭バンドギャップの半導体層と広バンドギャップの半導体層とを交互に積層すると、多重量子井戸構造が形成される。
【０００３】
以下、多重量子井戸構造を用いた光変調器の動作原理について説明する。
図１１Ａは、量子井戸のバンドエネルギ分布を厚さ方向の位置の関数として示す。量子井戸層Ｌ２が障壁層Ｌ１とＬ３に挟まれている。図中の折れ線ＥC は伝導帯端、ＥV は価電子帯端を表し、破線ｅｌ0 は電子の基底準位、ｈｈ0 は重い正孔（ヘビーホール）の基底準位を表す。
【０００４】
このような量子井戸構造に対し、バイアス電界を印加しない状態においては、伝導帯の基底準位ｅｌ0 にある電子の波動関数ｅｆ0 も価電子帯の基底準位ｈｈ0 にある重い正孔の波動関数ｈｆ0 も井戸層Ｌ２を中心として対称に分布する。電子の波動関数ｅｆ0 のピーク位置と正孔の波動関数ｈｆ0 のピーク位置とは一致する。量子井戸構造に電子の基底準位ｅｌ0 と重い正孔の基底準位ｈｈ0 との差Ｅg 以上のエネルギの光を入射すると、電子正孔対を生じ、光が吸収される。
【０００５】
図１２Ａの曲線ａ0 は、図１１Ａの状態における吸収係数αの波長依存性を示す。
【０００６】
図１１Ｂは、図１１Ａに示す量子井戸構造に図において右向きのバイアス電界を印加した時のバンド構造を示す。電界印加によってバンド端が傾斜する。量子井戸層Ｌ２のバンド端が右上がりに傾斜し、電子が左側に、正孔が右側に偏って分布する。バンド端の傾斜により、電子の基底準位ｅｌ0 と重い正孔の基底準位ｈｈ0 との差Ｅg が減少し、吸収波長が低エネルギ側である長波長側に移動（レッドシフト）する。
【０００７】
また、図１１Ａに示すように印加電界がない時にはピーク位置が一致していた電子と正孔の波動関数は、図１１Ｂに示すように電界強度の増加と共に相互に反対方向に移動し、その重なりが減少する。波動関数の重なりが減少することは、吸収係数αの低下を意味する。従って、量子井戸構造に電界を印加すると、図１２Ａにおいて曲線ａ0 が長波長側へ移動するとともに、その高さが低くなる。
【０００８】
図１２Ａの曲線ａ1 は、図１１Ｂの状態における吸収係数αの波長依存性を示す。波長λ0 よりも長波長側で吸収係数αが立ち上がり、波長λ0 の光が吸収される。このように、量子井戸構造への印加電界を制御することにより、波長λ0 の光の強度を変調することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
光変調器の印加電界変化に対する屈折率の実数部の変化をΔｎ、屈折率の虚数部の変化をΔｋとするとき、Δｎ／Δｋをチャープパラメータと呼ぶ。ここで、屈折率の虚数部の変化Δｋは、光強度に対する吸収係数変化Δαと、Δｋ＝λΔα／４πなる関係を有する。印加電界に変調をかけて光パルスを発生させる場合、その時間変化する光強度をＳとすると、波長変化Δλは、Δλ／λ2 ＝−（Δｎ／Δｋ×ｄＳ／ｄｔ）／（４πｃ0 Ｓ）で表される。ここで、ｃ0 は真空中の光の速度である。チャープパラメータが零でない場合、光強度の変調に伴い波長が変動する。
【００１０】
従来の電界吸収型光変調器では、印加電界が弱く吸収が小さい透過状態において、このチャープパラメータは大きな正の値であり、印加電界が強く吸収が大きい非透過状態において負になる。すなわち、従来の光変調器では、光強度がある程度大きくなる印加電界領域のほとんどでチャープパラメータは正であり、光強度が増加していく光パルスの立ち上がり時には、被変調光の波長は一旦短波長側に動いてまた元に戻るといった動きをする。また、光強度が減少していく光パルスの立ち下がり時には、被変調光の波長は一旦長波長側に動いてまた元に戻るといった動きをする。つまり、光パルスの強度が強い領域だけみると、立ち上がりから立ち下がりにかけて被変調光の波長は短波長側から長波長側に動く。
【００１１】
光ファイバ通信に広く使われている石英系単一モード光ファイバには、伝搬する光の波長により光パルスの伝搬速度（群速度）が異なるといういわゆる分散特性をもつ。最も伝搬損失の小さくなる波長は１．５５μｍ近傍であるが、この波長域では波長が長いほど群速度が遅くなるいわゆる異常分散特性をもつ。この光ファイバを波長１．５５μｍ帯で用いる場合、従来の光変調器では、前述したような波長変動があるので、長波長側に動くパルスの立ち下がり部分の伝搬速度が、波長が相対的に短波長側にあるパルスの立ち上がり部分に比べ相対的に遅くなり、パルス幅が光ファイバ伝搬により広がってしまう。その結果、変調速度を高速にしてパルス幅を狭くするほど、また長距離伝搬させるほど、隣接した光パルスの識別を困難にし、伝送誤りを引き起こしやすくなる。
【００１２】
このような特性の光ファイバを波長１．５５μｍ近傍で用いる場合、チャープパラメータは一般に小さければ小さいほど望ましい。さらに、負のチャープパラメータを実現できれば、従来例とは逆に、光ファイバ伝搬により光パルスの幅を圧縮することができ、より高速の信号をより長距離伝搬させても伝送誤りを引き起こしにくくできる。
【００１３】
本発明の目的は、長距離伝送に適した光パルスを得ることができる半導体光変調器を提供することである。
【００１４】
本発明の一観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する１次の高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であり、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する２次の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下である半導体光変調器が提供される。
【００１５】
量子井戸層にバイアス電圧を印加すると、バンド端の傾きによりエネルギギャップが減少する。これにより光の吸収端波長がレッドシフトする。このレッドシフトを光変調器に利用することができる。バイアス電圧を印加すると、量子井戸に閉じ込められた電子及び正孔の波動関数が相互に反対方向に偏る。伝導帯の基底準位にある電子の波動関数と価電子帯の高次準位にある波動関数との重なり積分が、バイアス電圧の増加にともなって減少する領域がある。この領域を使用することにより、量子井戸層のチャープパラメータを負にすることができる。
【００１７】
遷移波長の差が４０ｎｍ以下の領域で、光の透過状態と非透過状態とを切り換えることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることができる。
【００１８】
本発明の他の観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧を印加しない状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器が提供される。
【００１９】
量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にある正孔との波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する範囲で、光の透過状態と非透過状態とを切り換えることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることができる。
【００２０】
本発明の他の観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段とを有し、第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する１次の高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であり、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、前記第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する２次の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下である半導体光変調器が提供される。
【００２１】
第１のバイアス電圧印加状態を透過状態とし、第２のバイアス電圧印加状態を非透過状態とすることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることができる。
【００２２】
本発明の他の観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段とを有し、第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器が提供される。
【００２３】
第１のバイアス電圧印加状態を透過状態とし、第２のバイアス電圧印加状態を非透過状態とすることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることができる。
【００２５】
本発明の他の観点によると、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、第１のバイアス電圧を印加した状態から、該第１のバイアス電圧よりもより大きな逆バイアス電圧である第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器の使用方法であって、前記量子井戸積層構造に光線束を入射し、前記第１のバイアス電圧を印加して該光線束を透過させる状態と、前記第２のバイアス電圧を印加して該光線束を吸収する状態とを切り換える前記半導体光変調器の使用方法が提供される。
【００２６】
使用範囲内において、チャープパラメータを負にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例による変調器集積分布帰還型（ＭＩＤＦＢ）レーザの一部破断斜視図を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１の表面の一部に回折格子３が形成されている。この基板１の上に、ｎ型光ガイド層２が成長され、その上に分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ１４および光変調器１５が分離領域１６を介在して形成されている。
【００２８】
ＤＦＢレーザ１４は、回折格子３の上にｎ型光ガイド層２、活性層４ａ、ｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層６、コンタクト層７ａを積層して形成されている。光変調器１５は、ｎ型光ガイド層２の上に量子井戸層と障壁層とが交互に積層された量子井戸構造４ｂを積層し、その上にｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７ｂを積層して形成されている。
【００２９】
分離領域１６は、積層構造上面からコンタクト層７ａ、７ｂの中間の領域を除去した構造で実現されている。
【００３０】
なお、ＤＦＢレーザ１４、光変調器１５の整列方向に沿うように幅約１〜３μｍの基板に達するメサ構造がエッチングで形成され、メサ構造の側面は半絶縁性埋込半導体領域８によって埋め戻されている。また、ＤＦＢレーザ１４のコンタクト層７ａ上にはｐ側電極１０ａが形成され、光変調器１５のコンタクト層７ｂ上にはｐ側電極１０ｂが形成されている。
【００３１】
また、ポリイミド領域９がｐ側電極１０ｂの周辺に形成され、その上に形成された配線層１１がｐ側電極１０ｂと接続されている。基板１の裏面にはｎ側電極１２が共通に形成されている。
【００３２】
このような構造は、基板上への選択エピタキシャル成長、選択エッチング、メサ埋込成長、ポリイミド塗布、基板研磨、電極層堆積、パターニング、へき開等の技術を用いて作製することができる。
【００３３】
このような構成において、ＤＦＢレーザ１４は、単一波長の光を連続発振する。光変調器１５は、ＤＦＢレーザ１４から発する光を選択的に吸収し、変調した出力光を発生する。
【００３４】
次に、上記光変調器のチャープパラメータについて説明する。
量子井戸構造を有する光変調器により変調すべき信号光の波長をλ0 、量子井戸構造に印加されるバイアス電圧をＶ、波長λとバイアス電圧Ｖの関数である吸収係数をα（λ，Ｖ）とすると、クラマース・クローニッヒ（Kramers-Kronig）の関係式より、
【００３５】
【数１】
が得られる。ここで、Δα＝∂α（λ，Ｖ）／∂Ｖ、Ｐ∫は主値積分を表す。
式（１）を変形すると、
【００３７】
【数２】
図１２Ａに示すように、信号光の波長λ0 は、フラットバンド状態における吸収係数ａ0 の立ち上がり波長よりもやや長波長側に選ばれる。従って、バイアス電圧Ｖを増加すると、立ち上がり波長のレッドシフトにより信号波長λ0 における吸収係数αが増加する。すなわち、光変調器の動作範囲においては、屈折率の虚数部の変化Δｋ＝λ0 Δα／４πが正になる。このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋの符号は、Δｎの符号と同一になる。長距離伝送に適した光変調を行うためには、前述のように光変調器の透過状態から非透過状態までの範囲でチャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすればよい。すなわち式（２）を負にすればよい。
【００３９】
式（２）の右辺第１項、第２項ともに、分母は正である。従って、波長がλ0 以下の範囲においてΔαの負の部分を多くし、波長がλ0 以上の範囲においてΔαの正の部分を多くすればよい。また、各項の分母は、波長λ0 に近づくに従って小さくなるため、波長λ0 近傍におけるΔαの値が式（２）の符号に大きく寄与する。
【００４０】
図１２Ｂは、吸収係数αの変化率Δαの波長依存性を示す。図１２Ａの曲線ａ0 の状態、すなわち透過状態において印加電圧Ｖを僅かに増加すると曲線ａ0 がやや長波長側にシフトする。このときの吸収係数の変化率Δαを、図１２Ｂの曲線ｂ0 で示す。すなわち、吸収係数αの立ち上がり波長がレッドシフトすることにより、信号波長λ0 よりもやや短波長側に大きなピークが現れる。同様に、図１２Ａの曲線ａ1 の状態、すなわち非透過状態において印加電圧Ｖを僅かに増加すると、吸収係数の変化率Δαは、図１２Ｂの曲線ｂ1 のようになる。すなわち、信号波長λ0 よりもやや長波長側に大きなピークが現れる。
【００４１】
透過状態に対応する曲線ｂ0 は、波長λ0 より短波長側において大きな正の値をとるため、式（２）の第１項が第２項よりも大きくなる。このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋが正になる。非透過状態に対応する曲線ｂ1 は、波長λ0 より長波長側において大きな正の値をとるため、式（２）の第２項が第１項よりも大きくなる。このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋが負になる。
【００４２】
透過状態におけるチャープパラメータΔｎ／Δｋを負にするためには、図１２Ｂの波長λ0 よりも短波長側において、曲線ｂ0 で表される吸収係数変化率Δαを大きな負の値にすればよいことがわかる。図１１Ｂで説明したように、印加電圧Ｖを増加すると、電子の波動関数と正孔の波動関数の重なりが少なくなるため、吸収係数が減少する。ただしこの減少分は僅かであるため、図１２Ｂの曲線ｂ0 で表される吸収係数変化率Δαは殆ど負にならない。量子井戸層の電子の基底準位と正孔の基底準位間の遷移のみでチャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすることは困難であることがわかる。
【００４３】
本願発明者は、量子井戸層の価電子帯の正孔に対する１次の高次準位（１次準位）もしくは２次の高次準位（２次準位）と伝導帯の電子に対する基底準位との間の遷移を考慮することにより、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にできることを見い出した。以下、正孔の高次準位をも考慮した場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋについて考察する。
【００４４】
図２は、量子井戸層の価電子帯に重い正孔に対する基底準位と１次準位が存在する場合のバンド構造の一例を示す。障壁層Ｌ１とＬ３により量子井戸層Ｌ２が挟まれている。例えば、量子井戸層Ｌ２の組成をＧａ0.297 Ｉｎ0.703 Ａｓ0.794 Ｐ0.206 で形成し、障壁層Ｌ１及びＬ３の組成をＧａ0.373 Ｉｎ0.627 Ａｓ0. 711 Ｐ0.289 とする。量子井戸層Ｌ２の厚さを９ｎｍとすると、量子井戸層Ｌ２は、重い正孔に対する基底準位ｈｈ0 と１次の高次準位ｈｈ1 を有する。このとき、重い正孔に対する基底準位ｈｈ0 と障壁層Ｌ１、Ｌ３の価電子帯端とのエネルギ差（価電子帯実効障壁高さ）ΔＥv は３０ｍｅＶになる。なお、量子井戸層Ｌ２は、伝導帯中に電子に対する基底準位ｅｌ0 を有する。
【００４５】
図３Ａは、図２に示す量子井戸構造にバイアス電圧を印加したときの遷移波長とバイアス電圧との関係の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸は遷移波長を単位ｎｍで表す。ここで、バイアス電圧０Ｖとは、外部印加電圧が０Ｖであり、ビルトインポテンシャルのみが印加されていることを意味する。バイアス電圧を−１Ｖとした状態がフラットバンド状態である。すなわち、逆バイアスとなる向きの電圧の符号を正としている。
【００４６】
図３Ａ中の実線は基底準位ｅｌ0 とｈｈ0 間の遷移波長、破線は基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ0 間の遷移波長を示す。バイアス電圧を増加すると、バンド端の傾きによりエネルギ準位差が減少して遷移波長が長くなる。
【００４７】
図３Ｂは、基底準位ｅｌ0 にある電子の波動関数と重い正孔の各準位ｈｈ0 及びｈｈ1 にある正孔の波動関数との重なり積分の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸は重なり積分の値を任意目盛りで表す。図３Ｂ中の実線は基底準位ｅｌ0 とｈｈ0 との波動関数の重なり積分、破線は基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分を示す。
【００４８】
バイアス電圧を増加すると、基底準位ｅｌ0 とｈｈ0 との波動関数の重なり積分の値は単調に減少する。これは、図１１Ｂに示すように、波動関数のピーク位置が相互に反対方向にずれるためである。フラットバンド状態、すなわちバイアス電圧が−１Ｖのとき、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との重なり積分の値はほとんど零である。バイアス電圧を増加すると、これらの重なり積分の値は増加し、あるバイアス電圧において極大値を示し、その後減少する。
【００４９】
次に、図３Ａの遷移波長の変化及び図３Ｂの重なり積分の変化から導かれる吸収係数α及び吸収係数変化率Δαの波長依存性について、定性的に説明する。
【００５０】
図４Ａは、フラットバンド状態（バイアス電圧が−１Ｖ）のときの吸収係数αの波長依存性を示す。信号波長（被変調波長）λ0 よりもやや短波長側で、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移による吸収により吸収係数αが立ち上がる。フラットバンド状態においては、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の波動関数の重なり積分の値が零になるため、この準位間の遷移による吸収は見られない。
【００５１】
図４Ｂは、バイアス電圧の変化に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を示す。バイアス電圧を増加すると、図３Ａに示すように、各準位間の遷移波長が長波長側にシフトするとともに、図３Ｂに示すように、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との波動関数の重なり積分値が減少する。このため、図４Ａに示す吸収係数αを表す曲線が長波長側にシフトすると共に、その高さがやや低下する。従って、吸収係数変化率Δαは、吸収係数αの立ち上がり波長近傍で正になり、それよりも短波長側で絶対値の小さな値をとる。
【００５２】
式（２）の右辺第１項の積分計算において、信号波長λ0 に近い領域の吸収係数変化率Δαが計算結果に大きく寄与し、信号波長λ0 から遠く離れた短波長領域の吸収係数変化率Δαの寄与率は小さい。また、信号波長λ0 よりも短波長側において吸収係数変化率Δαのとり得る負の値の絶対値は、吸収係数αの立ち上がり波長近傍における正の値に比べて小さいため、積分結果に大きく寄与しない。このため、式（２）の計算結果は正になる。従って、チャープパラメータΔｎ／Δｋも正になる。
【００５３】
図４Ｃは、フラットバンド状態からややバイアス電圧を印加した状態（透過状態）の吸収係数αの波長依存性を示す。信号波長λ0 よりもやや短波長側で吸収係数αが立ち上がり、それよりも短波長側に、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の吸収による立ち上がりが現れている。このときのバイアス電圧は、例えば図３Ｂにおける基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との間の波動関数の重なり積分結果が極大値をとる電圧よりもやや大きな電圧とする。なお、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の吸収による立ち上がりよりもさらに短波長側に現れている立ち上がりは、障壁層の吸収端に相当する。
【００５４】
図４Ｄは、図４Ｃの状態におけるバイアス電圧に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を示す。基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との間の遷移波長のレッドシフトによるピークが、信号波長λ0 よりもやや短波長側に現れる。図４Ｃの状態からバイアス電圧を増加すると、図３Ｂに示すように、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分値が減少する。このため、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移による吸収係数が減少する。従って、図４Ｄにおいて、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長よりも短波長側で、吸収係数変化率Δαが負になる。
【００５５】
この負の領域が大きくなると、式（２）の右辺第１項の積分に大きく寄与し、Δｎが負になる。すなわち、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすることができる。なお、２次準位も存在する場合においては、バイアス電圧の増加に伴って基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 間の遷移による吸収も減少するような電圧範囲で使用すると、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすることが容易になる。
【００５６】
図４Ｅは、図４Ｃの状態からさらにバイアス電圧を増加させ、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との間の遷移波長が信号波長λ0 よりも長くなった状態（非透過状態）の吸収係数αの波長依存性を示す。図３Ｂからわかるように基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移確率がより小さくなるため、この遷移による吸収係数αの立ち上がりはほとんど消失する。
【００５７】
図４Ｆは、図４Ｅの状態におけるバイアス電圧の変化に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を示す。信号波長λ0 よりもやや長波長側に、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長のレッドシフトによるピークが現れている。基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移による吸収係数αの減少率が僅かであるため、この遷移波長よりも短波長側の領域において吸収係数変化率Δαの負の絶対値が小さくなっている。式（２）の右辺第２項が支配的になり、Δｎが負になる。このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋが負になる。
【００５８】
図４Ｄ及び４Ｆに示すように、透過状態及び非透過状態の両方において、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすることができる。
【００５９】
上記考察からわかるように、透過状態及び非透過状態の両方において、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にするためには、下記のような構成とすることが好ましい。
【００６０】
第１に、量子井戸層の価電子帯側の正孔に対する量子準位数を２または３にする。量子準位数が４以上の深い量子井戸では、電界印加時における電子と正孔の波動関数の重なり積分の変化が小さい。このため、チャープパラメータが負になりにくい。また、３次以上の高次準位による吸収は、ぼやけてバルク状の吸収と変わらなくなるので、チャープパラメータを負にしにくくなる。
【００６１】
第２に、フラットバンド状態からある逆バイアス印加状態までの全領域にわたって、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が、ある値以下であることが好ましい。この差が大きくなりすぎると、図４Ｄにおいて、吸収係数変化率Δαの負の領域が信号波長λ0 から遠ざかり、式（２）の積分結果への寄与率が低下するためである。この遷移波長の差は、後述するように４０ｎｍ以下となるように構成することが好ましい。
【００６２】
また、量子井戸層の価電子帯に２次準位ｈｈ2 が存在する場合には、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 との間の遷移による吸収係数の減少により、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負値化することが期待される。このためには、フラットバンド状態からある逆バイアス印加状態までの全領域にわたって、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 間の遷移波長との差が、ある値以下であることが好ましい。後述するように、この差を６０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００６３】
なお、光変調器として使用する際には、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下となるような範囲内で、透過状態と非透過状態とを切り換えることが好ましい。また、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下となるような範囲内で、透過状態と非透過状態とを切り換えることが好ましい。
【００６４】
第３に、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧の増加に伴って減少する範囲内で透過状態と非透過状態とを切り換えて使用することが好ましい。通常、量子井戸構造を有する光変調器は逆バイアス状態で使用するため、電圧無印加状態からある逆バイアス印加状態までの全範囲にわたって、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧増加に伴って減少するような構成とすることが好ましい。
【００６５】
同様に、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧の増加に伴って減少する範囲内で透過状態と非透過状態とを切り換えて使用することが好ましい。また、電圧無印加状態からある逆バイアス印加状態までの全範囲にわたって、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧増加に伴って減少するような構成とすることが好ましい。
【００６６】
次に、図５Ａ、５Ｂ〜９Ａ、９Ｂを参照して、バイアス電圧に対するチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比の変化について説明する。
【００６７】
図５Ａ、６Ａ、７Ａ、８Ａ及び９Ａは、バイアス電圧に対するチャープパラメータΔｎ／Δｋの変化の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸はチャープパラメータΔｎ／Δｋを表す。図５Ｂ、６Ｂ、７Ｂ、８Ｂ及び９Ｂは、バイアス電圧に対する消光比の変化の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸は消光比をバイアス電圧が−１Ｖの場合を基準とし、単位ｄＢで表す。なお、バイアス電圧を−１Ｖにした状態がフラットバンド状態に相当する。
【００６８】
各図とも、量子井戸層及び障壁層をＧａＩｎＡｓＰで形成した場合のＴＥモード動作、すなわち重い正孔の寄与率が１／２、軽い正孔の寄与率が１／６の場合の計算結果である。量子井戸層の歪量は０．５％、障壁層の歪量は−０．３％、障壁層の厚さは５．１ｎｍ、量子井戸層が７層、バイアス電圧無印加時の吸収端波長（吸収係数αの変曲点に対応する波長）が１４９０ｎｍ、信号波長が１５５０ｎｍとなるような構成とした。また、エトキシ強度は実験との整合をとるため理論値の０．４倍と仮定した。結晶性の向上によるエトキシ強度の増大はチャープパラメータを負にする傾向を強める。
【００６９】
図５Ａ及び５Ｂは量子井戸層の厚さが６ｎｍ、図６Ａ及び６Ｂは７．５ｎｍ、図７Ａ及び７Ｂは９ｎｍ、図８Ａ及び８Ｂは１０．５ｎｍ、図９Ａ及び９Ｂは１２ｎｍの場合である。また、各図の短破線は、量子井戸層における価電子帯の基底準位と障壁層の価電子帯端の準位との差（価電子帯の実効障壁高さ）ΔＥV が７０ｍｅＶの場合、長破線は６０ｍｅＶ、二点鎖線は５０ｍｅＶ、一点鎖線は４０ｍｅＶ、実線は３０ｍｅＶの場合を示す。
【００７０】
価電子帯の実効障壁高さΔＥV が４０ｍｅＶより小さいときは、量子井戸層の厚さが７．５ｎｍと９ｎｍの構成において、バイアス電圧無印加状態から逆バイアス印加状態までの範囲でチャープパラメータΔｎ／Δｋが負になっている。バイアス電圧が０Ｖ近傍における消光比は−１〜−３ｄＢ程度であり、透過状態に対応する。また、バイアス電圧を増加させると消光比の絶対値が増加し、非透過状態になる。バイアス電圧を制御することにより、透過状態と非透過状態とを切り換えることができる。
【００７１】
透過状態のチャープパラメータΔｎ／Δｋが負になるような構成の場合について、図３Ａに示すバイアス電圧に対する遷移波長の変化を調査した。その結果、フラットバンド状態から逆バイアス印加状態までの全域にわたって、伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であった。また、伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の２次準位ｈｈ2 間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下であった。
【００７２】
この結果からわかるように、透過状態と非透過状態のチャープパラメータΔｎ／Δｋを共に負にするためには、各遷移波長が上述の条件を満たすような構成とすることが好ましい。
【００７３】
図１０Ａ及び１０Ｂは、実際に作製した量子井戸構造のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性を示す。作製した量子井戸構造は、図５Ａ〜９Ｂの場合と同様の構成を有し、量子井戸層の厚さが９ｎｍのものである。なお、量子井戸層の組成は、Ｇａ0.299 Ｉｎ0.701 Ａｓ0.798 Ｐ0.202 であり、障壁層の組成はＧａ0.357 Ｉｎ0.643 Ａｓ0.678 Ｐ0.322 である。
【００７４】
図１０Ａに示すように、バイアス電圧０．３Ｖ以上の範囲においてチャープパラメータΔｎ／Δｋが負になっている。また、図１０Ｂに示すように、バイアス電圧０Ｖ近傍で消光比がほとんど０ｄＢであり、バイアス電圧を増加させると、消光比の絶対値が増加している。従って、例えば、バイアス電圧０．３〜０．５Ｖ程度を印加した状態を透過状態とし、バイアス電圧２Ｖ以上を印加した状態を非透過状態とする光変調器として使用することができる。
【００７５】
この光変調器は、透過状態から非透過状態までの全範囲において、負のチャープパラメータΔｎ／Δｋを有する。このため、長距離伝送に適した光変調を行うことが可能になる。
【００７６】
上記実施例では、ＧａＩｎＡｓＰを用いた量子井戸構造の場合を説明した。その他、量子井戸層をＧａＡｌＩｎＡｓで形成し障壁層をＧａＩｎＡｓＰで形成した場合、量子井戸層をＧａＩｎＡｓＰで形成し障壁層をＧａＡｌＩｎＡｓで形成した場合、量子井戸層と障壁層を共にＧａＡｌＩｎＡｓで形成した場合についても、量子井戸層の厚さ、価電子帯実効障壁高さΔＥV を変化させてチャープパラメータΔｎ／Δｋを計算した。その結果、価電子帯の高次準位の数、基底準位間の遷移波長と、基底準位と高次準位間の遷移波長との差に関して、ＧａＩｎＡｓＰを用いた場合と同様の結論が得られた。
【００７７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、透過状態から非透過状態までの範囲で負のチャープパラメータΔｎ／Δｋを有する光変調器に使用される半導体装置が提供される。このため、波長分散を有する光ファイバを用いる場合においても長距離伝送を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における変調器集積分布帰還型（ＭＩＤＦＢ）レーザの一部破断斜視図である。
【図２】本発明の実施例による量子井戸構造を構成する量子井戸のエネルギバンド図である。
【図３】図３Ａは、図２に示す量子井戸の遷移波長とバイアス電圧との関係、図３Ｂは、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なり積分とバイアス電圧との関係を示すグラフである。
【図４】図２に示す量子井戸の吸収係数αと吸収係数変化率Δαを、バイアス電圧ごとに示すグラフである。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを６ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを７．５ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを９ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを１０．５ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを１２ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラフである。
【図１０】図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚さを９ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の実測結果を示すグラフである。
【図１１】量子井戸構造のエネルギバンド図である。
【図１２】図１２Ａ及び図１２Ｂは、それぞれ図１１に示す量子井戸構造の吸収係数α及び吸収係数変化率Δαの波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ｎ型半導体基板
２ ｎ型光ガイド領域
３ 分布帰還用回折格子
４ａ レーザ活性層
４ｂ 量子井戸構造
５ ｐ型光ガイド領域
６ ｐ型クラッド領域
７ ｐ型コンタクト領域
８ 半絶縁性埋込領域
９ ポリイミド領域
１０ ｐ側電極
１１ 配線
１２ ｎ側電極
１４ ＤＦＢレーザ
１５ 光変調器
１６ 分離領域
Claims (9)
- 電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、
前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、
前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と
を有し、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する１次の高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であり、
前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する２次の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下である半導体光変調器。 - 電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、
前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、
前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と
を有し、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する１次の高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であり、
前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧を印加しない状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の２次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器。 - 電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、
前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、
前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と
を有し、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧を印加しない状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器。 - 前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する２次の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下である請求項３に記載の半導体光変調器。 - 前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧を印加しない状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の２次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する請求項３に記載の半導体光変調器。 - 電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、
前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、
前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段と
を有し、
第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する１次の高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であり、
前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、
前記第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側のヘビーホールに対する２次の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下である半導体光変調器。 - 電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、
前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、
前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段と
を有し、
第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器。 - 前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する２次の高次準位が存在し、
前記第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の２次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する請求項７に記載の半導体光変調器。 - 電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯側に、ヘビーホールに対する基底準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、
前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、
前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層と
を有し、
第１のバイアス電圧を印加した状態から、該第１のバイアス電圧よりもより大きな逆バイアス電圧である第２のバイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にあるヘビーホールとの間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する半導体光変調器の使用方法であって、
前記量子井戸積層構造に光線束を入射し、前記第１のバイアス電圧を印加して該光線束を透過させる状態と、前記第２のバイアス電圧を印加して該光線束を吸収する状態とを切り換える前記半導体光変調器の使用方法。
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