JPH06100737B2

JPH06100737B2 - 光変調素子

Info

Publication number: JPH06100737B2
Application number: JP63042200A
Authority: JP
Inventors: 正敏鈴木; 重幸秋葉; 英明田中; 勝之宇高
Original assignee: 国際電信電話株式会社
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: JPH01217418A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は外部から入射される光を変調する光変調素子に
関するもである。

（従来技術とその問題点）光ファイバ通信技術は光ファイバの超低損失性と光が本
質的に有する超広帯域性を利用して進展し、伝送のます
ますの長距離化と大容量化の研究が世界的に進められて
いる。光ファイバの損失が理論的な限界にまで達した今
日では、特に伝送の高速化，大容量化の研究が重要にな
ってきている。

光信号を高速にオン・オフする技術としては、現在では
一般に半導体レーザを直接変調する方法がとられてい
る。しかし、直接変調方式では、発振素子である半導体
レーザの電流を高速に変化させるため、発振波長が時間
的に大きく変動し、結果的に発振スペクトル幅が変調帯
域のスペクトル幅に比べて異常に大きく広がってしまう
ことになる。従って、長距離あるいは高速の伝送では、
光ファイバの波長分散の影響を大きく受け、受信される
光パルスが歪んでしまうため、良好な伝送特性が得られ
ない。そこで、このような問題を避けるため、半導体レ
ーザの出力は一定に保持し、外部の光変調素子で高速な
変調を行う方法が近年検討されている。

光変調素子としては、LiNbO₃等の強誘電体を用いた光変
調素子やDFBレーザ等の単一波長半導体レーザとモノシ
リックに集積可能な光変調素子などが提案されている
が、中でも後者の変調導波路に電界を印加して電気吸収
効果により強度変調する電気吸収型光変調素子が最も有
望視されている。

第１図は、従来の電気吸収型光変調素子の斜視図であ
る。ｎ型InP基板１の上に、n^-−InGaAsP変調導波路層
２、メサ状のｐ型InPクラッド層３及びｐ型InGaAsPキャ
ップ層４が積層されており：さらに、ｐ型電極５及びｎ
型電極６がそれぞれｐ型InGaAsPキャップ層４とｎ型InP
基板１に接するように形成されている。この光変調素子
ではInGaAsP変調導波路層２に光を入射してｐ型電極５
に印加するマイナスと、ｎ型電極６に印加するプラスの
電圧を変化させ、InGaAsP変調導波路層２の吸収係数を
変化させることによって、出射光の強度を変調すること
ができる。電気吸収型変調素子においては、低電圧で変
調できること、高速変調可能なこと及び高速変調時のス
ペクトル広がりが小さいことが重要である。今まで、In
GaAsP変調導波路層２の禁制帯エネルギーEgに入射光フ
ォトエネルギーｈνが近いほど低電圧で吸収係数の変化
が大きくとれ、かつ、素子長Ｌ（InGaAsP変調導波路層
２の入射端面から出射端面までの長さ）を短くできるた
め、高速変調が可能でスペクトル広がりも抑制できると
されていた。従って、従来では両者のエネルギー差ΔEg
（Eg−ｈν）だけに着目し、エネルギー差ΔEgを30〜40
meVに設定すれば、高性能な光変調素子が実現されると
考えられていた。しかし、従来の光変調素子では、入射
光強度が約百μＷ以下の場合には変調電圧，変調帯域幅
及びスペクトル幅ともに良好な特性を示すものの、入射
光の強度が0.1mW以上となるに従い、変調電圧が著しく
増加し、又帯域幅も減少するということが明らかになっ
た。

以上述べたように、従来の電気吸収型光変調素子では、
入射光強度が小さい場合には低電圧変調，高速動作及び
狭スペクトル動作が可能なものの、実用レベルの数mWま
で入射光強度を増大させた場合には、これらの特性が著
しく劣化するという欠点があった。

（発明の目的及び特徴）本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、入射光強度が増大しても低電圧で高速
の変調が可能な光変調素子を実現することを目的とす
る。

本発明の第１の特徴は、光導波路の入射端面から出射端
面に向かって、吸収係数が大きくなるように光導波路組
成，膜厚，ストライプ幅等を変え、単位長当りの吸収キ
ャリア数を光進行方向についてほぼ一定となるよう構成
した点にある。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴に加え光導波路層の
層厚方向の禁制帯幅を連続的もしくは断続的に変化させ
て構成した点にある。

本発明の第３の特徴は、第１及び第２の特徴に加え、光
導波路層の禁制帯幅エネルギーが入射光エネルギーより
も平均的に50meV以上としたことにある。

（発明の原理）入射光強度が増大した場合に現れる変調電圧の増大及び
帯域劣化の現象などの特性劣化を詳細に検討した結果、
光導波路層の禁制帯幅Egと入射光フォトンエネルギｈν
のエネルギー差（ΔEg＝Eg−ｈν）に強く依存し、エネ
ルギー差ΔEgを50meV以下では特性劣化が生じる。又、
素子長依存性については、0.3mmから2.5mmまで素子長を
変えても、ΔEgが30−40meVの場合には、殆ど変化が見
られず特性劣化していることが、同一発明者が同日出願
した特許出願「光変調素子」（１）により確認されてい
る。

以上の実験結果は、入射光強度が大きい場合に、入射端
近傍の非常に光強度が強いわずかな領域でのみ、過剰キ
ャリアによる空間電界効果が生じ、電界強度を弱め、又
変調速度を遅くしていることを示している。この過剰キ
ャリアによる空間電界効果を抑制するひとつの手段とし
て、光導波路層の層厚方向（電圧印加方向）における電
界強度分布を補正するために、光導波路層の層厚方向の
禁制帯幅を連続的もしくは断続的に変える構成について
〔「光変調素子」（２）〕として同一発明者が同日出願
している。ここでは空間電界効果を抑制し、低変調電圧
でかつ高速の変調が可能な他の手段について述べる。

本発明の原理について、以下に説明する。

光変調器への入射光強度をI₍o₎,吸収係数をα，光導波
路の光閉じ込め係数をΓとすると、入射端面から距離ｘ
の点での光強度I₍x₎は、 I₍x₎＝Ioe^- ^αΓｘ（１）と表わすことができ、単位長当りの吸収量は、となる。式（２）は、単位長当りに吸収されるキャリア
数に比例する。すなわち、従来の光変調素子では、α及
びΓは一定であるため、単位長当りの吸収キャリアは、
ほぼI₍x₎に比例し、入射端近傍では吸収キャリア数が、
出射端近傍の吸収キャリア数に比べて異常に大きくなっ
ている。入射光強度が小さい場合には、吸収キャリアの
場所的に不均一があっても、バンド構造に影響を与えな
いので問題とはならないが、入射光強度が大きくなる
と、入射端近傍で吸収された過剰な吸収キャリアが、印
加電界を打ち消し、変調電圧や変調速度に影響を与え
る。

そこで、本発明者らは、式（２）のαΓI₍x₎がほぼ一定
となるようにし、光導波路の入射端から出射端で吸収さ
れる吸収キャリア数をほぼ同じにすれば、場所的の過剰
キャリアを発生せずに効率的な光変調が可能となると考
えた。すなわち、光量が多い所では、吸収係数α又は光
閉じ込め係数Γを小さくし、光量が少ない所では、吸収
係数α又はΓを大きくすれば、高強度光入射時にも帯域
劣化や変調電圧の増加がない高性能光変調素子が実現さ
れる。

（発明の構成及び作用）以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。

（実施例１）第２図は、本発明による第１の実施例であり、光変調素
子の側面図である。従来例と異なる点は光導波路層が均
一領域でなく、入射端から出射端に向かって、禁制帯幅
が小さくなっている３つのn^--InGaAsP光導波路層7,8及
び９に分割されている点にある。厚さは0.45μm,各導波
路層の長さは200μｍである。入射端側の光導波路層７
の禁制帯幅は、1.55μｍの入射光エネルギより60meV大
きくし、光導波路層８及び９の禁制帯幅は、それぞれ55
meV,50meV大きくしてある。ストライプ幅を３μｍとす
ると、Γ0.77,2V印加時で導波路層内平均電界強度は7
2KV/cm,光導波路層7,8,9の吸収係数は、α＝50cm^-1,100
cm^-1及び150cm^-1である。入射端側の光導波路層７での
吸収係数は小さいため、入射端近傍で局所的に過剰な吸
収キャリアを発生し、空間電荷効果を誘発することはな
い。又、光が光導波路層８及び９へ入射する時点では光
強度はそれぞれ46％及び10％と小さくなっているため、
吸収係数が大きくなっても、吸収キャリア数は増大しな
い。

本発明による構成によれば、出射端での消光比は、変調
電圧が2Vで20dB以上とれ、帯域幅は約10GHzとなり、高
強度入射時にも特性劣化のない高性能光変調素子が実現
される。

（実施例２）第３図は本発明による第２の実施例であり、光変調素子
の側面図である。実施例１では、入射端から出射端に向
けて光導波路層の組成を変えて吸収係数を増加させてい
るのに対し、本実施例では導波路層厚を変えて導波路層
電界強度を変化させ、吸収係数が増大するように構成し
ている。n^--InGaAsP変調導波路層10,11,12の禁制帯幅
は、1.55μｍの入射光フォトンエネルギよりも、55meV
大きくしてある。また、ストライプ幅は３μm,各導波路
層10,11及び12の長さは実施例１と同様200μｍである。
光導波路層の10,11,12の膜厚を0.7μm,0.45μｍ及び0.4
μｍとし、2V印加時の電界強度を45KV/cm,72KV/cm及び8
0KV/cmと変え、各導波路層10,11,12の吸収係数を、50cm
^-1,100cm^-1及び150cm^-1としている。光閉じ込め係数が
光導波路層10,11,12で、Γ＝0.89,0.77及び0.73と変化
する事を考慮すると、光導波路層11及び12に入射する光
強度は44％,9％となり、出射端における消光比は2Vで約
20dBとなる。本構成においても、光量の多い入射端近傍
では吸収係数が小さく、又、吸収係数の大きい出射端近
傍では光量が少なくなっているため、局所的過剰キャリ
アを発生することがなく、実施例１と同様高強度入射時
の特性劣化は生じない。

（実施例３）第４図は、本発明による第３の実施例であり、光変調素
子の側面図である。実施例２と同様に本実施例でも、吸
収係数の変化を電界強度の変化で実現している。実施例
２と異なる点は、n^--InGaAsP光導波路層13の膜厚は0.4
μｍで一定であり、InGaAsP光導波路層13とInP基板１の
間に厚さが異なるn^--InP層14,15を挿入し、導波路層内
電界強度を変化させている点である。n^--InP層14及び15
の厚さをそれぞれ0.3μｍ及び0.05μｍとすれば、実施
例２と同様の効果が得られ、高強度の光入射時にも特性
劣化のない光変調素子が実現される。

（実施例４）第５図は本発明による第４の実施例であり、光変調素子
の模式図である。

n^--InGaAsP光導波路層13の禁制帯幅と間厚は実施例３と
同様である。入射端から出射端へ向かって吸収係数を変
えることを、本実施例では、ストライプ幅を変化させ、
光閉じ込め係数を変化させることによって実現してい
る。

ストライプ幅は、入射端から、出射端へ向かう３つの領
域で、それぞれ１μm,2μｍ及び４μｍとして、光閉じ
込め係数をΓ＝0.48,0.73,0.84と変化させている。2V印
加時の実効的吸収係数は、ストライプ幅1,2及び４μm,
領域で48cm^-1,73cm^-1及び86cm^-1である。各領域長を150
μm,200μm,250μｍとすれば、ストライプ幅２μｍ及び
４μｍに入射する光強度はそれぞれ入射端の強度の48
％,11％となり、実施例３と同様、高光強度入射時にも
特性劣化のない高性能光変調素子が実現される。

上述の説明では、光導波路の吸収係数を入射端から出射
端に向かって３段階でかつ段階的に大きくする場合を例
にとり説明したが、２段階以上又は連続的に変化させる
場合にも、本発明が適用できる。また、前述した実施例
１〜４のうち複数を組合わせても良い。

次に本発明の他の実施例として、同一出願人より同日出
願されている光変調素子と組み合わせた場合の例につい
て説明する。

まず、組み合わせの具体例を述べる前に同日出願されて
いる２件の光変調素子の概要について説明する。

第１の光変調素子の概要は光導波路層の禁制帯幅Egと入
射光のフォトンエネルギーｈνとのエネルギー差ΔEg
（＝Eg−ｈν）を50meV以上とし、かつ光変調素子の素
子長を予め定めた長さに構成することにある。ここで、
本発明と組み合わせる場合には、層厚方向もしくは入射
端面から出射端面方向の禁制帯幅を変化させているた
め、入射端面側と出射端面側でエネルギー差ΔEgが異な
るが、その平均値であるエネルギー差ΔEgが50meV以上
となる条件があれば良い。

第２の光変調素子の概要は、光導波路層中の電界強度分
布を補正して層厚方向の吸収係数が一定となるように層
厚方向における導波路層の禁制帯幅を連続的もしくは断
続的に変えることにより、光分布と吸収係数の重なりを
大きくして変調電圧の低下と素子長短縮による広帯域化
を図った点にある。又、同時に、吸収係数を均一化する
ことにより、高強度入射時に問題となる局所的過剰キャ
リアによる空間電荷効果を抑制しているものである。

従って、本発明による光変調素子を第３の光変調素子と
した場合、第１と第２の組み合わせによる光変調素子、
第１と第３の組み合わせによる光変調素子、第２と第３
の組み合わせによる光変調素子、第1,第２及び第３の組
み合わせによる光変調素子の４種類の組み合わせが可能
となる。

以下に、第1,第２及び第３の組み合わせによる光変調素
子を例にとり説明する。

（実施例５）第６図に本発明による第５の実施例の側面図を示す。

p-InP基板16上に、入射光のエネルギーより60meV大きい
禁制帯幅を持つn^--InGaAsP光導波路層（0.2μｍ積層）1
7を200μｍの領域にわたり形成し、続いて、ΔEg＝55me
Vの禁制帯を持つn^--InGaAsP光導波路層（0.2μｍ積層）
18を400μｍの領域にわたり形成している。更に、ΔEg
＝50meVの禁制帯を持つn^--InGaAsP光導波路層19を600μ
ｍにわたり形成し、最後にn-InPクラッド層20を積層し
ている。すなわち、本実施例では、同日出願した他の２
件の光変調素子とを全て組み合わせたもので、層厚方向
（電圧印加方向）での電界強度の違いによって生ずる吸
収係数の違いを補正し層厚方向の吸収係数を一定とする
と共に、入射端から出射端に向けての吸収係数を大きく
なるように膜厚（従って電界強度）及び組成を変え長手
方向の吸収の均一化も図り、かつ各光導波路層17,18,19
の禁制帯幅が入射エネルギー（ｈν）より50meV以上と
なるように形成されている。従って、光変調素子の吸収
領域の殆どすべての場所で、吸収の均一化が図られてお
り、高入射光強度下でも高速，低電圧変調が可能な光変
調素子が実現される。

なお、実施例５では、第1,第２及び第３の光変調素子の
組み合わせを例にとり説明したが、他の３種類の組み合
わせでも良い。

光導波路層の伝導型はp^-型でも良い。又、材料系として
は、InGaAsP/InP系を例にとり説明したが、AlGaAs/GaAs
系や、AlGaAs/InP系などの他の材料にも同様に適用でき
る。更に、それらの他の材料で構成される多重量子井戸
層を用いることもでき、この場合説明で用いた禁制帯幅
は、量子準位で定まる実効的な禁制帯幅となる。又、横
モード安定化のためのストライプ構造についてはストリ
ップ装荷型を例にとり説明したが、埋め込みストライプ
構造や、リッジ導波路ストライプ構造等の従来の技術が
すべて適用可能である。

（発明の効果）以上述べたように、本発明では光強度の大きい入射端側
では吸収係数が小さく、出射端側では吸収係数を大きく
なるよう構成し、単位長当りの吸収キャリア数が均一化
されるように光変調素子を構成しているため、光強度を
増大しても局所的な過剰キャリアを発生し、空間電荷効
果により変調電圧の増加や帯域幅の減少をもたらすこと
がなく、低電圧で高速の光変調が可能な高性能光変調素
子を実現することができる。また、入射端面から出射端
面に向かって吸収係数を大きくするのに加え、光導波路
の層厚方向の禁制帯幅を層厚方向の吸収係数が一定とな
るように連続的もしくは断続的に変化させて構成するこ
とにより、低変調電圧で高速の変調が可能となる。さら
に、入射端面から出射端面に向かって吸収係数を大きく
し、層厚方向の光導波路層の禁制帯幅を変化させるのに
加え、光導波路層の禁制帯幅が入射光のホトンエネルギ
ーよりも平均的に50meV以上となるように構成すること
により、より低変調電圧で高速の変調が可能となる。

また、入射端面から出射端面に向かって吸収係数を大き
くする方法として、禁制帯幅を小さくして行く方法は精
密でかつ正確にできる効果を、層厚を薄くする方法及び
ストライプ幅を大きくする方法は製造方法が簡単である
という効果を有する。この光変調素子はギガビット帯の
超高速，長距離光ファイバ通信等に応用することがで
き、その効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電気吸収型光変調素子の模式図、第２
図、第３図及び第４図は本発明による第1,第2,第３の実
施例としての光変調素子の構造を示す側面図、第５図は
本発明による第４の実施例である光変調素子の模式図、
第６図は本発明による第５の実施例である光変調素子の
側面図である。１……n-InP基板、２……n--InGaAsP光導波路層、３…
…p-InPクラッド層、４……p-InGaAsPキャップ層、５…
…ｐ側電極、６……ｎ側電極、7,8,9,10,11,12,13……n
--InGaAsP光導波路層、14,15……n--InP層、16……p-In
P基板、17,18,19……n--InGaAsP光導波路層、20……n-I
nP層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に低不純物濃度の第１の伝導型を有
する光導波路層と、該光導波路層よりも屈折率の小なる
第１及び第２の伝導型を有するクラッド層と電極とを有
し、該電極から前記光導波路層へ印加する電界によって
前記光導波路の入射端面に入射する一定強度の入射光に
対する吸収係数を変化させて光強度変調を行って前記光
導波路の出射端面から変調光を取り出す光変調素子にお
いて、前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
一な吸収キャリア数となるように前記入射端面から前記
出射端面に向かって連続的もしくは段続的に前記入射光
に対して吸収係数が大きくなるように前記光導波路を構
成したことを特徴とする光変調素子。
【請求項２】基板上に低不純物濃度の第１の伝導型を有
する光導波路層と、該光導波路層よりも屈折率の小なる
第１及び第２の伝導型を有するクラッド層と電極とを有
し、該電極から前記光導波路層へ印加する電界によって
前記光導波路の入射端面に入射する一定強度の入射光に
対する吸収係数を変化させて光強度変調を行って前記光
導波路の出射端面から変調光を取り出す光変調素子にお
いて、前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
一な吸収キャリア数となるように前記入射端面から前記
出射端面に向かって連続的もしくは段続的に前記入射光
に対して吸収係数が大きくなるようにし、かつ前記光導
波路の層厚方向の禁制帯幅を該層厚方向の吸収係数がほ
ぼ一定となるように連続的もしくは断続的に変化させて
構成したことを特徴とする光変調素子。
【請求項３】基板上に低不純物濃度の第１の伝導型を有
する光導波路層と、該光導波路層よりも屈折率の小なる
第１及び第２の伝導型を有するクラッド層と電極とを有
し、該電極から前記光導波路層へ印加する電界によって
前記光導波路の入射端面に入射する一定強度の入射光に
対する吸収係数を変化させて光強度変調を行って前記光
導波路の出射端面から変調光を取り出す光変調素子にお
いて、前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
一な吸収キャリア数となるように前記入射端面から前記
出射端面に向かって連続的もしくは段続的に前記入射光
に対して吸収係数が大きくなるようにし、かつ前記光導
波路の層厚方向の禁制帯幅を該層厚方向の吸収係数がほ
ぼ一定となるように連続的もしくは断続的に変化させる
と共に、前記光導波路層の禁制帯幅が前記入射光のエネルギーよ
りも平均的に50meV以上となるように構成したことを特
徴とする光変調素子。
【請求項４】前記光導波路の禁制帯幅を前記入射端面か
ら前記出射端面に向かって連続的もしくは断続的に小さ
くすることにより、前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
一な吸収キャリア数となるように構成したことを特徴と
する特許請求の範囲第１項，第２項記載又は第３項記載
の光変調素子。
【請求項５】前記光導波路の層厚を前記入射端面から前
記出射端面に向かって連続的もしくは断続的に薄くする
ことにより、前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
一な吸収キャリア数となるように構成したことを特徴と
する特許請求の範囲第１項，第２項記載又は第３項記載
の光変調素子。
【請求項６】前記光導波路のストライプ幅が前記入射端
面から前記出射端面に向かって連続的もしくは断続的に
大きくすることにより、前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
一な吸収キャリア数となるように構成したことを特徴と
する特許請求の範囲第１項，第２項記載又は第３項記載
の光変調素子。
【請求項７】前記クラッド層の一部を低不純物濃度で構
成し、かつ該低不純物濃度で構成されたクラッド層の層
厚を前記入射端面から前記出射端面に向かって連続的も
しくは断続的に薄くすることにより、前記光導波路の前記入射端面から前記出射端面でほぼ均
一な吸収キャリア数となるように構成したことを特徴と
する特許請求の範囲第１項，第２項記載又は第３項記載
の光変調素子。