JP4547765B2

JP4547765B2 - 光変調器及び光変調器付半導体レーザ装置、並びに光通信装置

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Publication number: JP4547765B2
Application number: JP2000092860A
Authority: JP
Inventors: 恭介蔵本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
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Publication date: 2010-09-22
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光変調器及び光変調器付半導体レーザ装置、並びに光通信装置に係り、特に伝送後の波形歪みが少ない光変調器及び光変調器付半導体レーザ装置とこの装置を用いることにより伝送距離を長くできる光通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを用いた公衆通信網の普及には、半導体レーザの高性能化とこの半導体レーザを安価に製造するために歩留りをよくすることが重要である。
特に半導体レーザの高性能化には、情報量の増大に対応するためのレーザ光の高速変調が必須の要件である。このレーザ光の高速変調には、変調時の波長の変動を小さくして長距離の伝送を可能にするために、通常半導体レーザを一定強度で発振させておいて、光の透過量をオン・オフできる光変調器を通すことによって変調を行う外部変調方式が採用される。
【０００３】
この外部変調方式に用いられる光変調器には、電界吸収型光変調器(以下ＥＡＭ（Electroabsorption Modulator）という）が使用され、これには大きく分けて単層の厚い光吸収層を用いるものと、室温励起子を形成することができる程度の、層厚の小さい量子井戸層を何層も積層した多重量子井戸構造(以下ＭＱＷという)を用いるものがある。前者はフランツ・ケルディッシュ効果による吸収スペクトル変化を、後者はシュタルクシフト効果による吸収スペクトル変化を用いて消光を行う。
【０００４】
すなわち、光変調器では印加される電圧に応じてレーザ光の吸収が変化するため、光変調器に接続された高周波電気回路に変調信号電圧を印加すると、光変調器の出射端面から出射されるレーザ光には信号電圧に対応した強度変調が施されることになる。
変調器の光吸収層をＭＱＷで形成すると、低い動作電圧で高い消光比（ｏｎ時とｏｆｆ時の光透過量の比）が得られるために、高速伝送においては通常ＭＱＷの光吸収層が使用される。
【０００５】
図２７は従来の光変調器の断面図である。
図２７において、１はn型ＩｎＰ基板（以下n型をｎ−、ｐ型をｐ−と記載する）、２はｎ−ＩｎＧａＡｓＰのｎ側光閉込層、３はＩｎＧａＡｓＰの光吸収層、４はｐ− ＩｎＧａＡｓＰのｐ側光閉込層、５はＦｅドープＩｎＰ埋込層、６はｎ− ＩｎＰ埋込層、７はｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐクラッド層、８はｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、９はＳｉＯ2絶縁膜、１０はＴｉ／Ａｕの表面電極、１１はＡｕ表面メッキ層、１２はＡｕ／Ｇｅ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの裏面電極、１３は裏面メッキ層である。１４は光変調器（ＥＡＭ）である。
【０００６】
図２８は従来の光吸収層３の断面図である。
図２８において３ａは量子井戸層（以下ウエル（ｗｅｌｌ）層という）、３ｂは障壁層（以下バリア（ｂａｒｒｉｅｒ）層という）である。
従来の光吸収層３のＭＱＷにおいては、１０層のウエル層３ａの厚みはすべて同じ厚さである。また９層のバリア層３ｂの厚みはそれぞれ同じ厚さである。
図２９は光吸収層３のエネルギーダイアグラムの模式図である。図２９においてＥcは伝導帯、Ｅvは価電子帯である。
【０００７】
図３０は光変調器１４の吸収スペクトルを示す模式図である。
ＭＱＷを用いた従来の光吸収層３の構造では各ウエル層３ａの吸収スペクトルの変化を揃えて効率の良い消光を得るために、通常全てのウエル層３ａのバンドギャップ波長、層厚を同じにしている。このようなＭＱＷの光吸収層３を備えたＥＡＭ１４の典型的な吸収スペクトルは図３０の吸収スペクトルＡである。
ＥＡＭ１４にバイアス電圧を印可してＭＱＷに電界をかけると吸収スペクトルＡは吸収スペクトルＢに変化する。レーザ入射光の波長をλ₀と設定した場合、この入射光に対する吸収係数αがバイアス電圧により変化することになる。このようにバイアス電圧を印加し、入射光波長λ₀において吸収係数を変化することにより、レーザ光をオン・オフする。これがＥＡＭの原理である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バイアス電圧の変化に対応する吸収スペクトル変化量Δαと屈折率変化量Δnの間にはクラーマス・クローニッヒの関係式（１）が存在する。
【数１】

このため、光変調動作時には、ＥＡＭ１４の光吸収層３における吸収スペクトルの変化に伴って屈折率が変動することになる。その結果、ＥＡＭ１４から出力された光の波長が変動する。つまりチャーピングが発生することになる。
【０００９】
図３１は光強度の時間的変化とチャーピングとの関係を示した模式図である。
図３１を用いて説明すると、実際に光変調を行ったときには、光強度が最も強いところ（図３１（ａ）の図中でＰ0の点）ではＥＡＭ１４の印加電圧が０Ｖであり、光強度が十分小さいところ（図３１（ａ）の図中でＰ1の点）においてもＥＡＭ１４の印加電圧は−１Ｖ程度である。この領域では通常αパラメータが正、即ち屈折率変動量が正になっている。そのため、図３１（ａ）および（ｂ）に示すように光強度が増大するときには負の波長変動を、光強度が減少するときには正の波長変動を起こす。この正の波長変動をポジティブチャープと呼ぶ。
【００１０】
伝送線路である光ファイバには、波長によって光の群速度が異なるという波長分散特性があるため、ポジティブチャープが発生すると、この波長分散特性に起因して伝送後の波形崩れを引き起こし、この受信データの波形は大きく損なわれ、受信データの信頼度を高めるためには、短い伝送距離で送受信を繰り返すことによって、波形崩れを補償することが必要となり、光通信装置は高価な構成とならざるを得なかった。
【００１１】
またαパラメータが正に大きければ大きいほど、つまり屈折率変動量が正に大きければ大きいほど伝送後の波形崩れは大きくなるので、αパラメータが小さい領域でＥＡＭ１４を使用するために、変調電圧に加えてあらかじめ負のＤＣバイアス電圧を印可しておく方法があるが、ＥＡＭ１４の吸収損失の増大、吸収係数変化割合の増大に起因する変調波形の劣化、強い電界により励起子が大きく崩れることに起因する消光比の低下等の問題があり、十分にαパラメータが小さい領域での使用は実用上かなり困難であった。
【００１２】
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、
第１の目的は、損失の増大や消光比の低下なしで、光変調器が発生する屈折率変動を非常に小さくあるいは負にすることにより波形の劣化を起こすことの少ない光変調器及び変調器付半導体レーザ装置を提供すると共に、これら変調器及び変調器付半導体レーザ装置を使用することにより、変調光の伝送距離を大きくすることができる光通信装置を提供するものである。
【００１３】
なお、特開平１１−２３１２７２号公報に、半導体量子ドット光変調器に関し、信号波形を歪ませることなく長距離の光伝送を可能とするために、量子井戸層の構成材料に比較して、エネルギ・バンド・ギャップが小さい構成材料の量子ドットが含まれる量子井戸層及び障壁層を交互に積層して形成されたＭＱＷ変調層を、上下から挟むイントリンシックなｎ側クラッド層及びｐ側クラッド層を含むｐｉｎ構造の光変調装置が記載されている。
【００１４】
また、第４５回応用物理学関係連合講演会予稿集（１９９８．３．東京工科大学）２９ａ−ＳＺＬ−２４に、多重量子井戸電界吸収型光変調器において、薄いバッファ層を挟むことで、ブルーチャープを発生させることに関する記載がある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明係る光変調器は、第１導電型の半導体基板と、
この基板上に配設された厚さとバンドギャップ波長が、それぞれ、同一の複数の井戸層、及び前記井戸層に挟まれたバンドギャップ波長が同一の複数の障壁層を有する多重量子井戸構造の光吸収層と、この光吸収層の上に配設された第２導電型半導体の上クラッド層と、
を備えた光変調器であって、
前記半導体基板に最も近接した二つの井戸層に挟まれた障壁層の厚さを他の障壁層より薄くすることにより、前記光変調器に所望の消光比を得るための電圧を印加した際に、
前記二つの井戸層が結合し、他の井戸層より長い吸収スペクトルピーク波長を有する量子準位が形成されるようにした。
【００２１】
また、この発明係る光変調器は、前記二つの井戸層と、前記二つの井戸層に隣り合う井戸層とに挟まれた障壁層の厚さを、他の障壁層よりも厚くした。
【００２２】
またこの発明に係る光変調器付半導体レーザ装置は、上記に記載したこの発明にかかる光変調器のいずれか一つと半導体レーザとを同じ半導体基板上に配設したもので、構成を小型にできる。
【００２３】
この発明に係る光通信装置は、上記に記載したこの発明にかかる光変調器のいずれか一つまたは光変調器付き半導体レーザ装置を備えたもので、チャーピングの少ない光通信装置を構成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施の形態の説明に先だって、この発明の前提となる課題についての詳細な分析について説明する。
クラーマス・クローニッヒの関係式（１）にしたがって、ＥＡＭ１４の光吸収層１３における吸収スペクトルの変化に伴って屈折率が変動する結果、ＥＡＭ１４から出射される光の波長の変動、つまりチャーピング量Δλは式（２）に示される。
【数２】

ここで、α_pはＥＡＭのαパラメータ、λ₀は入射光波長、ｃは光速、Ｐは光強度である。ｄＰ／ｄｔは光強度の時間変化率である。
【００２５】
またαパラメータα_pは、吸収スペクトル変化量Δαと屈折率変化量Δｎに対し、式（３）で示される。
【数３】

図３２は従来の均一なウエル層及び均一なバリア層のＭＱＷの光吸収層を有するＥＡＭの印加電圧と屈折率変動との関係を示すグラフである。
図３３は光吸収層に印加する電界分布を示す模式図である。
図３２の計算に使用されたモデルは、図２８及び図２９に示されたＭＱＷの光吸収層３を有するＥＡＭ１４である。また図３３に示された電界は半導体基板１とｎ側光閉込層２との間で最も電界強度が大きく、ここからｐ側光閉込層４とｐ側クラッド層の境界まで線形に電界強度が低下する電界で、この電界がＭＱＷに印加されたとしてＥＡＭ１４の印加電圧と屈折率変動との関係が計算された。
【００２６】
計算では、自由キャリアによる吸収を無視し、電子の基底準位-重い正孔の基底準位間、電子の基底準位-軽い正孔の基底準位間の吸収による吸収スペクトルのバイアス電圧依存性を、１０個のウエル層３ａそれぞれについて求め、それをクラーマス・クローニッヒ変換することで、各ウエル層３ａの屈折率変動を求めている。
図３２において、１，２，３，・・・１０ｗｅｌｌとは、ｎ側光閉込層２から数えたウエル層３ａの順番である。またｔｏｔａｌとは、これら１，２，３，・・・１０ｗｅｌｌの各ウエル層３ａの屈折率変動の総和を示している。
ｔｏｔａｌを求めたのは、ＥＡＭ１４全体での吸収係数は各ウエル層３ａの吸収係数の和になることおよび、クラーマス・クローニッヒの式の吸収係数に対する線形性から、ＥＡＭ１４全体の屈折率変動は、各ウエル層３ａの屈折率変動の和となることに基づく。
【００２７】
図３４はこの屈折率変動Δnと吸収係数変化Δαから導出したＥＡＭ１４の印加電圧とαパラメータの関係を示すグラフである。
実験ではＥＡＭ１４に印可する電圧をマイナス値から０Ｖに増加させた場合、αパラメータも漸増するが、計算では−０．３Ｖ辺りから０Ｖにかけてαパラメータが減少している。これは、計算の誤差によると考えられるが、−０．３Ｖ辺りから０Ｖにかけては、式（２）のｄＶ／ｄｔが通常小さいこともあり、伝送特性を決定するのは主にＥＡＭに印可される電圧が−０．３Ｖ以下（絶対値が大きくなる方向の値）の部分である。したがって、ここではとくに問題としない。−０．３Ｖ以下の電圧では実験値に非常に良く合っている。
【００２８】
図３４から分かるように、このような構造、つまり均一なウエル層及び均一なバリア層のＭＱＷの光吸収層３を有するＥＡＭ１４ではバイアス電圧が０Ｖ〜−１．０Ｖ程度の間で、αパラメータが正、つまり正の屈折率変動が生ずることが分かる。
ＥＡＭ１４から出力される光の光強度をＰoとし、ＥＡＭ１４に入力される光の光強度をＰinとすると、これらの関係は式（４）で示される。
【数４】

ここでＬはＥＡＭ１４の長さである。
【００２９】
従って、ＥＡＭ１４の印可電圧をＶ１からＶ２に変化させたときの消光比Ｅxは、ＥＡＭ１４の印可電圧をＶ１としたときの吸収係数および出力光強度をそれぞれα1、Ｐ1、ＥＡＭ１４の印可電圧をＶ2としたときの吸収係数および出力光強度をそれぞれα2、Ｐ2として求めると、式（５）で示される。
【数５】

（５）
消光比Ｅxの単位はｄＢである。
【００３０】
図３５は式（５）を使用して求めた、均一なウエル層及び均一なバリア層のＭＱＷの光吸収層３を有するＥＡＭ１４の消光比の電圧依存性を示すグラフである。
以上に示した均一なウエル層及び均一なバリア層のＭＱＷの光吸収層３を有する従来構造のＥＡＭ１４の屈折率変動の詳細な分析結果に基づき、以下の実施の形態に係る発明が想起された。
以下の実施の形態では一例として幹線通信用として使用される１０Ｇｂ／ｓの電界吸収型外部光変調器、光変調器付き半導体レーザ装置及び光通信装置について説明する。
【００３１】
実施の形態１
この実施の形態は、ｎ側光閉込層に一番近いウエル層の層厚を厚くすることにより、このウエル層の屈折率変動を大きく負にし、絶対値として小さいバイアス電圧印加領域における多重量子井戸層全体の屈折率変動を低減するものである。
図１はこの実施の形態１に係る光変調器の断面斜視図である。
また図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面での光変調器の断面図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面での光変調器の断面図である。なお図２では図１で切断除去された部分も記載している。
【００３２】
図１において、５０は光変調器（ＥＡＭ）、５１は光変調器メサ部、５２は電極パッド部、５３は光変調器メサ部５１と電極パッド部５２を分離する分離溝、５４は光変調器表面電極、５５は光変調器表面電極５４上に設けられた表面メッキ層である。５６は裏面側に設けられた裏面電極、５７はこの裏面電極上に配設された裏面メッキ層である。
図２及び図３において、６１はｎ−ＩｎＰからなる基板、６２はこの基板６１上に配設されたｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ側光閉込層、６３はこのｎ側光閉込層６２上に配設されたＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造の光吸収層、６４は光吸収層５３上に配設されたｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ側光閉込層である。
【００３３】
ｎ側光閉込層６２、光吸収層６３およびｐ側光閉込層６４は光の導波路を形成し、導波路方向に沿ってリッジ状に形成されている。これらリッジ状に形成されたｎ側光閉込層６２、光吸収層６３およびｐ側光閉込層６４の両側面は、ＦｅドープＩｎＰ埋込層６５、このＦｅドープＩｎＰ埋込層６５に挟まれて形成されたｎ−ＩｎＰ埋込層６６によって埋め込まれている。
同様に、図３を参照して、ｎ側光閉込層６２、光吸収層６３およびｐ側光閉込層６４の導波方向の両端面もＦｅドープＩｎＰ埋込層６５とｎ−ＩｎＰ埋込層６６によって埋め込まれ窓層６７を形成している。
【００３４】
６８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるｐクラッド層で、リッジ状に形成された導波路のｐ側光閉込層６４及びＦｅドープＩｎＰ埋込層６５を覆って配設されている。６９はｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層で、ｐクラッド層６８上に配設されている。
コンタクト層６９の上には開口７０を有するＳｉＯ2からなる絶縁膜７１が配設されている。
この開口７０を介してコンタクト層６９の上Ｔｉ／Ａｕからなる表面電極５４が配設され、この表面電極５４上にＡｕからなる表面メッキ層５５が形成されている。
またｎ−ＩｎＰ基板６１の裏面上にはＡｕ／Ｇｅ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの裏面電極５６が配設され、この裏面電極５６の表面上にＡｕからなる裏面メッキ層５７が配設されている。
【００３５】
図４はこの実施の形態１の光吸収層６３の断面図である。図４において、光吸収層６３は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）をしている。６３１は最もｎ側光閉込層６２に近い所に位置する第１の井戸層としてのＡウエル層で、バンドギャップ波長１．５４μｍのアンドープのＩｎＧａＡｓＰからなり、層厚を８．５ｎｍと厚くしたものである。６３３は厚さ７．５ｎｍ、バンドギャップ波長が１．５４μｍのアンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる第２の井戸層としてのＢウエル層である。また６３４は厚さ６ｎｍ、バンドギャップ波長１．１８μｍのアンドープのＩｎＧａＡｓＰからなるＢバリア層である。Ｂウエル層６３３は、それぞれの層の間にＢバリア層６３４を挟み、Ｂバリア層６３４と交互に９層均一に形成されている。Ｂウエル層６３３とＢバリア層６３４とで構成された部分を均一多重量子井戸部６３Ｂと呼ぶことにする。
【００３６】
６３２はＡウエル層６３１とＢウエル層６３３との間に介挿されたＡバリア層で、厚さが２０ｎｍのアンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる。Ａバリア層６３２の厚さを厚くするのはＡウエル層６３１とＢウエル層６３３間のウエル層間結合による振動子強度低下を防止するためである。
図５は、実施の形態１の光吸収層６３近傍のエネルギーバンドダイアグラムである。Ｅｃは伝導帯、Ｅｖは価電子帯である。
【００３７】
次に実施の形態１の光変調器５０の製造方法について説明する。
図６、図７及び図８は製造工程にしたがって記載した光変調器の断面図である。
図６において、ｎ−ＩｎＰの基板６１上にｎ側光閉込層６２としてのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層、光吸収層６３としてのアンドープＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ層、ｐ側光閉込層６４としてのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、及びｐクラッド層６８としてのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長する。
この結果を示すのが図６である。
【００３８】
次に、Ｐクラッド層６８としてのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層表面に、ＳｉＯ2膜を形成し、光の導波方向にストライプ状にエッチングし、ＳｉＯ2膜のマスクパターン７５を形成した後、マスクパターン７５をマスクとして、基板６１までエッチングし、リッジ状のメサ構造の導波路を形成する。この結果を示すのが図７（ａ）である。
さらにマスクパターン７５を選択成長マスクとして導波路のリッジ側部に、ＦｅドープＩｎＰ埋込層６５、ｎ−ＩｎＰ埋込層６６、ＦｅドープＩｎＰ埋込層６５の順にＭＯＣＶＤ法を用いて埋め込み成長を行う。
なおリッジ状のメサ構造を形成するときにメサ構造の光の導波方向端面も同時にエッチングしておき、ＦｅドープＩｎＰ埋込層６５とｎ−ＩｎＰ埋込層６６によって窓層６７を埋め込み形成する。この結果を示したのが図７（ｂ）である。
次いで、ＳｉＯ2膜のマスクパターン７５を除去し、Ｐクラッド層６８としてのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、コンタクト層６９としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層を順次形成する。この結果を示すのが図８（ａ）である。
【００３９】
この後写真製版工程・エッチング工程により、分離溝５３を形成して光変調器メサ部５１と電極パッド部５２を分離する。この結果を示したのが図８（ｂ）である。
次いで、図２を参照して、光変調器メサ部５１、電極パッド部５２、および分離溝５３表面にＳｉＯ2絶縁膜７１を形成し、コンタクト層６９と接続するための開口７０を形成し、表面電極５４としてのＴｉ／Ａｕ膜を蒸着により形成し、この上に表面メッキ層５５としてのＡｕ層を形成する。
さらに基板６１の裏面を研削し、裏面電極５６としてのＡｕ／Ｇｅ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を形成しこの表面上にＡｕからなる裏面メッキ層５７を形成する。この結果が図２に示された構造である。
【００４０】
次にこの実施の形態のＥＡＭ５０の動作について説明する。
図９は均一多重量子井戸部６３Ｂの吸収スペクトルを示す模式図である。
図９において、印加電圧をかけないときの吸収スペクトルが破線で示された吸収スペクトルＡで、この吸収スペクトルＡは図３３で示された電界分布と同じ電界を印加した場合に、実線の吸収スペクトルＢに変化する。λ₀は入射光の波長である。またｅ１−ｈｈは電子第１準位-重い正孔間遷移、ｅ１−ｌｈは電子第１準位-軽い正孔間遷移を表す。
この計算では電子第１準位-重い正孔間、電子第１準位-軽い正孔間の励起子吸収のみ考慮し、自由キャリア吸収は無視している。
【００４１】
図１０はＡウエル層６３１の吸収スペクトルを示す模式図である。
図１０においても、印加電圧をかけないときの吸収スペクトルが破線で示された吸収スペクトルＡで、この吸収スペクトルＡは図３３で示された電界分布と同じ電界を掛けた場合に、実線の吸収スペクトルＢに変化する。λ₀は入射光の波長である。
図１０に示されるように、Ａウエル層６３１でウエル層幅を広げたことによる量子準位低下により、吸収スペクトルが長波長側に移動している。つまり図９の均一多重量子井戸部６３Ｂの吸収スペクトルピーク、特に電子第１準位-重い正孔間遷移（ｅ１−ｈｈ）による吸収スペクトルと図１０のＡウエル層６３１の電子第１準位-重い正孔間遷移（ｅ１−ｈｈ）による吸収スペクトルとの間で１０ｎｍ以上長波長側への移動がある。このときＡウエル層６３１の吸収係数変化Δαは入力波長λ₀の近傍でΔα＜０からΔα＞０に変化している。
【００４２】
図１１（ａ）はクラーマス・クローニッヒ式内の１／(λ₀ ²−λ²)関数を示すグラフである。
図１１（ｂ）はＡウエル層６３１のΔαを考慮したクラーマス・クローニッヒ式内のΔα／(λ₀ ²−λ²)関数を示すグラフである。
また図１２はこの発明の光変調器５０の屈折率変動の電圧依存性を示すグラフである。
入力波長λ₀の近傍でのΔαの変化と、クラーマス・クローニッヒ式内の１／(λ₀ ²−λ²)関数とを考慮すると、図１１（ｂ）で示されるΔα／(λ₀ ²−λ²)関数となり、これを積分し、λ₀ ²／（２π²)を乗じたものが屈折率変動量となり、図１２で示されている。
【００４３】
Ａウエル層６３１に対してこの屈折率変動量を計算したものが、図１２の１ｗｅｌｌの曲線で示されている。
これから分かるように、従来の光変調器のＭＱＷ構造の１ｗｅｌｌの曲線（図３２の１ｗｅｌｌ）に比べて、この発明の光変調器５０においてはＭＱＷ構造の１ｗｅｌｌの曲線は大きく０Ｖ側に移動し、−１．０Ｖより高電位側（絶対値の小さい領域）で屈折率変動が大きく負になっている。
すなわちＡウエル層６３１では１つのウエル層であるにも関わらず、λ₀近傍でのΔα成分の振る舞いにより、屈折率変動量が大きく負になることがわかる。
そして１ｗｅｌｌから１０ｗｅｌｌまで、各ウエル層の屈折率変動量を計算し、全体のウエル層での屈折率変動の総和を示すｔｏｔａｌの値をみると、Ａウエル層６３１の一つのウエルが負になることにより、ｔｏｔａｌの曲線も負になっている。
【００４４】
すなわちこの発明のＥＡＭ５０においては、バイアス電圧が０〜−１．０Ｖ付近において、Ａウエル層６３１における大きな負の屈折率変動が、他のウエル層６３３の正の屈折率変動を補償し、ＭＱＷ全体の屈折率変動量を大きく低減させていることがわかる。
このようにＡウエル層６３１の厚みを変化することにより屈折率変動の形状を変化させることが可能となる。
【００４５】
図１３はこの発明のＥＡＭ５０において計算されたαパラメータを示すグラフである。
この発明のＥＡＭ５０においては、αパラメータはほぼ負の値を取っており、正の屈折率変動を生じることは無い。
図１４はこの発明のＥＡＭ５０において計算された消光比を示すグラフである。
この発明のＥＡＭ５０の消光比を示すグラフと従来構造の消光比を示すグラフ（図３５）とを比較しても、大略同じとなる。
【００４６】
これは、Ａウエル層６３１の入射光波長λ₀に対する吸収係数および吸収係数変化量は他のウエル層に対し十分小さいためで、これによりＥＡＭ５０は光損失増大や消光比劣化といった悪影響をほとんど生じることなく、屈折率変動量を変化させることが可能となる。
ちなみに、バイアス電圧０Ｖ時のＥＡＭ５０の光損失の計算値を従来の構造のＥＡＭ１４のそれと比較すると、従来の構造のＥＡＭ１４と実施の形態１のＥＡＭ５０で、それぞれ３．０ｄＢ、３．６ｄＢとなり、バイアス電圧０〜−２Ｖ時の消光比はそれぞれ、１８．０ｄＢ、１６．０ｄＢとなる。
【００４７】
実際には屈折率変動量改善ができるため、ＤＣバイアス印可量を小さくでき、光損失は逆に低減できる。
またＥＡＭ長を若干長くすることで消光比低下を防止できるが、このとき、本発明の効果によりＥＡＭ長を長くすることによるチャーピングの増大という制限が大きく緩和されることになる。
以上のようにこの発明に係る光変調器においては、印加電圧が小さい領域において、消光比や光損失の劣化がほとんどない状態で、屈折率変動を負にすることができ、延いては消光比劣化や光損失の少ない状態で、チャーピングを少なくすることができる。
【００４８】
実施の形態２
この実施の形態は、光吸収層の多重量子井戸構造において、ｎ側光閉込層に最も近い井戸層を、他の井戸層よりバンドギャップ波長が長波長となる材料で構成したものである。
図１５は、この実施の形態に係る光吸収層の多重量子井戸構造の断面図である。
図１５において６３５はＩｎＧａＡｓＰからなるが、Ｂウエル層６３３よりバンドギャップ波長を長波長に調整した材料で構成したＡウエル層である。層の厚さはＢウエル層６３３と同じ厚さの７．５ｎｍとしている。ＥＡＭ５０の他の構成は実施の形態１と同じである。
【００４９】
図１６は図１５に示した多重量子井戸構造のエネルギバンドダイアグラムを示す模式図である。
このＭＱＷの構成による光吸収層６３では、Ａウエル層６３５は、そのバンドギャップ波長をＢウエル層６３３のそれよりも長くしたことによる量子準位低下により、実施の形態１の図１０で示したのと同様の吸収スペクトルおよびバイアス電圧印可による吸収スペクトル変化を得ることができる。
したがって、実施の形態１の図１３と同様に、バイアス電圧が０〜−１．０Ｖ付近において、Ａウエル層６３５における大きな負の屈折率変動が、他のＢウエル層６３３の正の屈折率変動を補償し、光吸収層６３全体としての屈折率変動量を大きく低減できる。
【００５０】
変形例
この実施の形態２の先の構成ではＡウエル層６３５の層の厚さを、Ｂウエル層６３３と同じ厚さとしたが、Ｂウエル層６３３よりバンドギャップ波長の長い材料で構成すると共に、層の厚さを例えば実施の形態１と同様に８．５ｎｍとするように、層の厚さを厚くしても良い。
図１７は、この変形例に係る光吸収層の多重量子井戸構造の断面図である。
図１８は図１７に示した多重量子井戸構造のエネルギバンドダイアグラムを示す模式図である。
【００５１】
この変形例に係る光吸収層６３の多重量子井戸構造は、Ａウエル層６３５の成長時間を長くし、ＩｎＧａＡｓＰの組成を調整することで、バンドギャップ波長がＢウエル層６３３よりも長波長で、層厚がＢウエル層６３３よりも厚いＩｎＧａＡｓＰのＡウエル層６３５Ａとして作製したものである。
なお、Ａウエル層６３５Ａの層厚とバンドギャップ波長の組み合わせについては、Ａウエル層６３５Ａで形成される量子準位のエネルギーが、Ｂウエル層６３３で形成される量子準位のエネルギーよりも小さければよいため、Ａウエル層６３５Ａのバンドギャップ波長が十分長ければ、Ａウエル層６３５Ａの層厚はＢウエル層６３３の層厚よりも小さくても良いし、Ａウエル層６３５Ａの層厚がＢウエル層６３３の層厚よりも十分厚ければ、Ａウエル層６３５Ａのバンドギャップ波長はＢウエル層６３３のバンドギャップ波長よりも短くても良いことになる。
【００５２】
実施の形態３
この実施の形態は、光吸収層の多重量子井戸構造において、ｎ側光閉込層に隣接して二つの井戸層で薄いバリア層を挟み実効的にあたかも一つの井戸層と見なせるように構成したものである。
図１９は、この実施の形態に係る光吸収層６３の多重量子井戸構造の断面図である。
図２０は図１９に示した多重量子井戸構造のエネルギバンドダイアグラムを示す模式図である。
【００５３】
図１９において、６３６はＢウエル層６３３と同じ厚さ、同じ組成のＩｎＧａＡｓＰで構成された第１の井戸層としてのＣウエル層対である。６３７はこのＣウエル層対６３６に挟まれ、Ｂバリア層６３４と同じ組成のＩｎＧａＡｓＰで構成され、Ｂバリア層６３４より十分薄い層厚に形成されたＣバリア層である。
ＥＡＭ５０の他の構成は実施の形態１と同じである。
図２１はウエル層対のエネルギバンドダイアグラムを示す模式図である。
このＥＡＭにおけるＣウエル層対６３６は、バイアス電圧が小さい時には図２１（ａ）に示すようにそれぞれ独立したウエル層として働き、それぞれに量子準位を形成し、その時の実効的なバンドギャップはＥｇ１となる。バイアス電圧が大きくなると電界によりエネルギーバンドダイアグラムは図２１（ｂ）に示すように変化し、Ｃウエル層対６３６の間にあるＣバリア層６３７の実効厚が小さくなるため、キャリアはあたかも幅の広い１つのウエル層があるかのような振る舞いをする。そのため実効的なバンドギャップはＥｇ２となりＥｇ１よりも小さくなる。
【００５４】
図２２はウエル層対６３６の印加電圧による吸収スペクトル変動を示す模式図である。
図２２において、印加電圧をかけないときの吸収スペクトルが破線で示された吸収スペクトルＡで、電界を掛けた場合に、実線の吸収スペクトルＢに変化する。λ₀は入射光の波長である。
吸収係数変化Δαは入力波長λ₀の近傍でΔα＜０からΔα＞０に変化する。このような吸収スペクトルの変化は実施の形態１の図１０で示した吸収スペクトルの変化の様子と同等であるため、Ｃウエル層対６３６に対して屈折率変動量を計算すると、実施の形態１の図１３の１ｗｅｌｌの曲線と同様の結果を得る。
従ってこの実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００５５】
なお、実施の形態１ないし３において、Ａウエル層６３１、６３５、６３５ＡおよびＣウエル層対６３６を、ｎ側光閉込層６２に最も近接したウエル層としたが、任意の位置のウエルとして配置しても同様の効果を得ることが出来る。
また、基板をｎ型基板としたが、ｐ型基板として光変調器を構成しても同様の効果を奏する。
【００５６】
実施の形態４
この実施の形態は、実施の形態１ないし３の光変調器を、半導体レーザと同一の基板上に構成し、光変調器付半導体レーザ装置を構成したものである。
図２３はこの実施の形態４に係る光変調器付半導体レーザ装置の断面斜視図である。
また図２４は図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ断面での光変調器付半導体レーザ装置の断面図である。
図２３において、１００は光変調器付半導体レーザ装置、１００Ａは光変調器部、１００Ｂはアイソレーション部そして１００Ｃは半導体レーザ部である。
１０１は光変調器・半導体レーザメサ部、１０２は電極パッド部、１０３は光変調器・半導体レーザメサ部１０１と電極パッド部１０２を分離する分離溝、１０４は半導体レーザ表面電極、１０５は半導体レーザ表面電極１０４上に設けられた表面メッキ層である。１０６は裏面側に設けられた裏面電極、１０７はこの裏面電極上に配設された裏面メッキ層である。
【００５７】
図２４において、１０８はＩｎＧａＡｓＰの活性層で、この活性層１０８はバルク構造でもよいし、光変調器部１００Ａの光吸収層６３と同様のＭＱＷでも良い。１０９はＩｎＰガイド層、１１０はＩｎＧａＡｓＰの回折格子である。
この光変調器付半導体レーザ装置１００は半導体レーザ部１００Ｃの活性層１０８と光変調器部１００Ａの光吸収層６３とが同じ光軸上に繋がるようにして、同じｎ−ＩｎＰの基板６１上にアイソレーション部１００Ｂを介して半導体レーザ部１００Ｃと光変調器部１００Ａとが集積されたものである。
【００５８】
図２４のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ断面の光変調器部１００Ａの構成は図２に示されたものと同様の構成である。
また図２３及び図２４において図１ないし図３と同じ符号は、同一のものか又は相当のものである。
この光変調器付半導体レーザ装置１００は大略次のように形成されたものである。
ｎ−ＩｎＰ基板６１上にＩｎＧａＡｓＰ活性層１０８、ＩｎＰガイド層１０９、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子１１０としてのＩｎＧａＡｓＰ層をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する。
【００５９】
その後ＳｉＯ2絶縁膜を形成し、干渉露光法あるいはＥＢ直描露光によりＳｉＯ2絶縁膜を格子状にエッチングする。格子状にエッチングしたＳｉＯ2絶縁膜をエッチングマスクとして回折格子１１０としてのＩｎＧａＡｓＰ層をエッチングし回折格子１１０を形成する。さらに回折格子１１０を形成したマスクを除去し、この上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐクラッド層６８を積み足し成長する。
次にＳｉＯ2絶縁膜を形成してマスクを形成し、光変調器部１００Ａを形成する部分をｎ−ＩｎＰ基板６１が露呈するまでエッチング除去する。
次にエッチングに使用したＳｉＯ2絶縁膜のマスクを選択成長マスクとして先にエッチングした光変調器部１００Ａを形成する部分の基板６１上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰのｎ側光閉込層６２、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷの光吸収層６３、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐ側光閉込層６４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐクラッド層６８をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する。
【００６０】
さらに選択成長に使用したＳｉＯ2絶縁膜を除去した後、改めて絶縁膜を形成し、半導体レーザ部１００Ｃの活性層１０８と光変調器部１００Ａの光吸収層６３とが同じ光軸上に繋がるようにして、ストライプ状の絶縁膜を形成し、これをマスクとして、導波路リッジを形成する。
更にこのストライプ状の絶縁膜をマスクとして、導波路リッジの両側面にＦｅドープＩｎＰ埋込層６５、ｎ−ＩｎＰ埋込層６６及びＦｅドープＩｎＰ埋込層６５を埋め込み成長する。
【００６１】
この後、導波路リッジ及びＦｅドープＩｎＰ埋込層６５とｎ−ＩｎＰ埋込層６６との埋込層の上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐクラッド層６８、ｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層６９を結晶成長し、エッチングによりコンタクト層６９を光変調器部１００Ａと半導体レーザ部１００Ｃとを分離するアイソレーション部分１００Ｂをエッチングにより形成する。以後の工程は実施の形態１と同様に行う。
以上の工程において、光変調器部１００Ａの光吸収層６３は、実施の形態１から３に記載したものと同様の構成として形成する。
【００６２】
この構成による光変調器付半導体レーザ装置では、光変調器部１００Ａが実施の形態１から３に記載した光変調器５０と同様の効果を奏するので、印加電圧が小さい領域においても、光変調器部１００ＡのＭＱＷ全体の屈折率変動量を大きく低減することができる。
延いては、消光比劣化や光損失を少ない状態で、チャーピングの少ない光変調器付半導体レーザ装置を構成でき、安価で光伝送性能の良い光変調器付半導体レーザ装置を得ることができる。
【００６３】
実施の形態５
この実施の形態は、実施の形態１ないし３の光変調器または、実施の形態５の光変調器付半導体レーザ装置を光送信機に装着し、光通信装置を構成したものである。
図２５はこの発明に係る光変調器又は光変調器付半導体レーザ装置を使用した光通信装置のブロック図である。
図２６は図２５の光通信装置に用いる、この発明に係る光変調器又は光変調器付半導体レーザ装置を使用した光送信機のブロック図である。
【００６４】
図２５において光送信機１１０からの送信データを途中に設置した光増幅器１１１を経由しながら光ファイバ１１２を介して光受信機１１３に受信データとして送られる。１１５は、これらの機器類から構成される光通信装置である。
図２６において、１２０はＬＤモジュールで、入射光を発生する半導体レーザ(LD:Laser Diode) １２１、裏面光出力検出用のフォトダイオード(PD:photo Diode)１２２、光アイソレータ１２３等で構成される。フォトダイオード１２２で裏面光出力を検出し、裏面光出力検出回路および出力制御回路１２４によりＬＤ駆動回路１２５で駆動電流を調整することで、光出力を一定にしている。
また、ＬＤモジュール１２０は温度制御回路１２６により、温度を一定にされている。
【００６５】
１２７は本発明の光変調器５０が格納された光変調器モジュールである。この光変調器５０はパルス発生回路１２８により光を変調し、送信データ光波形を形成する。
また図２６の点線で囲まれた部分の半導体ＬＤ１２１と光変調器５０とを、実施の形態４の光変調器付半導体レーザ装置１００と置き換えることができる。
このように実施の形態１ないし３の光変調器または、実施の形態４の光変調器付半導体レーザ装置を装着した光通信機１１０は、消光比劣化や光損失を少なくしつつ、チャーピングを少なくすることができるので、この光送信機１１０を備えた光通信装置１１５では、伝送距離を大きく取ることが可能となるので、安価で信頼性の高い光通信装置を構成することができる。
【００６６】
【発明の効果】
この発明に係る光変調器および光変調器付半導体レーザ装置並びに光通信装置は以上に説明したような構成を備えているので、以下のような効果を有する。
この発明に係る光変調器によれば、第１の井戸層とこの第１の井戸層の吸収スペクトルピーク波長より短い吸収スペクトルピーク波長の複数の第２の井戸層とを有する多重量子井戸構造の光吸収層を備えているので、光吸収層への電界印加による吸収係数変動を入射光の波長近傍で正負逆転し、第１の井戸層の屈折率変動を負にすることができ、光吸収層全体の正の屈折率変動を少なくすることができ、チャーピングの少ない光変調器を構成することができる。
【００６７】
さらに、第１の井戸層と第２の井戸層の間に配設された障壁層を第２の井戸層の間に挟まれた障壁層よりも厚く構成にすることにより、第１の井戸層と第２の井戸層との間の結合による振動子強度低下を防止することができ、電界が印加された場合においても、第１の井戸層の吸収スペクトルピークの高さを維持できるため、効果的にチャーピングを少なくすることができる。
【００６８】
またこの発明に係る光変調器付半導体レーザ装置によれば、上記に記載したこの発明にかかる光変調器のいずれか一つと半導体レーザとを同じ半導体基板上に配設したもので、構成を小型にできる、小型でチャーピングの少ない光変調器付半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６９】
またこの発明に係る光通信装置によれば、上記に記載したこの発明にかかる光変調器のいずれか一つまたは光変調器付き半導体レーザ装置を備えることにより、チャーピングが少なくて伝送距離が長く、安価な光通信装置を構成することができる
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光変調器の断面斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面での光変調器の断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面での光変調器の断面図である。
【図４】この発明に係る光変調器の光吸収層の断面図である。
【図５】この発明に係る光変調器の光吸収層のエネルギーバンドダイアグラムである。
【図６】製造工程にしたがって記載したこの発明に係る光変調器の断面図である。
【図７】製造工程にしたがって記載したこの発明に係る光変調器の断面図である。
【図８】製造工程にしたがって記載したこの発明に係る光変調器の断面図である。
【図９】この発明に係る光変調器の光吸収層の均一多重量子井戸部の吸収スペクトルを示す模式図である。
【図１０】この発明に係る光変調器の光吸収層のＡウエル層の吸収スペクトルを示す模式図である。
【図１１】この発明に係る光変調器の光吸収層のＡウエル層のクラーマス・クローニッヒ式内の関数を示すグラフである。
【図１２】この発明に係る光変調器の屈折率変動の電圧依存性を示すグラフである。
【図１３】この発明に係る光変調器のαパラメータを示すグラフである。
【図１４】この発明に係る光変調器の消光比を示すグラフである。
【図１５】この発明に係る光変調器の光吸収層の断面図である。
【図１６】この発明に係る光変調器の光吸収層のエネルギバンドダイアグラムを示す模式図である。
【図１７】この発明に係る光変調器の光吸収層の断面図である。
【図１８】この発明に係る光変調器の光吸収層のエネルギバンドダイアグラムを示す模式図である。
【図１９】この発明に係る光変調器の光吸収層の断面図である。
【図２０】この発明に係る光変調器の光吸収層のエネルギバンドダイアグラムを示す模式図である。
【図２１】この発明に係る光変調器の光吸収層のウエル層対のエネルギバンドダイアグラムを示す模式図である。
【図２２】この発明に係る光変調器の光吸収層のウエル層対の吸収スペクトルを示す模式図である。
【図２３】この発明に係る光変調器付半導体レーザ装置の断面斜視図である。
【図２４】図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ断面での光変調器付半導体レーザ装置の断面図である。
【図２５】この発明に係る光変調器又は光変調器付半導体レーザ装置を使用した光通信装置のブロック図である。
【図２６】この発明に係る光変調器又は光変調器付半導体レーザ装置を使用した光送信機のブロック図である。
【図２７】従来の光変調器の断面図である。
【図２８】従来の光吸収層の断面図である。
【図２９】従来の光吸収層のエネルギーダイアグラムの模式図である。
【図３０】従来の光変調器の吸収スペクトルを示す模式図である。
【図３１】従来の光変調器の光強度の時間的変化とチャーピングとの関係を示した模式図である。
【図３２】従来の光変調器の印加電圧と屈折率変動との関係を示すグラフである。
【図３３】光吸収層に印加する電界分布を示す模式図である。
【図３４】従来の光変調器の印加電圧とαパラメータの関係を示すグラフである。
【図３５】従来の光変調器の消光比の電圧依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
６１基板、６３１，６３５，６３５ＡＡウエル層、６３６Ｃウエル層対、６３３Ｂウエル層、６３光吸収層、６８ｐクラッド層、６３２Ａバリア層、６３４Ｂバリア層、５０光変調器、１００光変調器付半導体レーザ装置、１１５光通信装置

Claims

第１導電型の半導体基板と、
この基板上に配設された厚さとバンドギャップ波長が、それぞれ、同一の複数の井戸層、及び前記井戸層に挟まれたバンドギャップ波長が同一の複数の障壁層を有する多重量子井戸構造の光吸収層と、
この光吸収層の上に配設された第２導電型半導体の上クラッド層と、
を備えた光変調器であって、
前記半導体基板に最も近接した二つの井戸層に挟まれた障壁層の厚さを
他の障壁層より薄くすることにより、
前記光変調器に所望の消光比を得るための電圧を印加した際に、
前記二つの井戸層が結合し、他の井戸層より長い吸収スペクトルピーク波長を有する量子準位が形成される、
光変調器。
前記二つの井戸層と、前記二つの井戸層に隣り合う井戸層とに挟まれた障壁層の厚さを、他の障壁層よりも厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
請求項１または２に記載の光変調器と半導体レーザとを
同じ半導体基板上に配設したことを特徴とする光変調器付き半導体レーザ装置。
請求項１若しくは２に記載の光変調器、または
請求項３に記載の光変調器付き半導体レーザ装置を備えたことを特徴とする光通信装置。