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JP3009037B2 - 広帯域電界吸収形半導体光変調器 - Google Patents

広帯域電界吸収形半導体光変調器

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Publication number
JP3009037B2
JP3009037B2 JP9280211A JP28021197A JP3009037B2 JP 3009037 B2 JP3009037 B2 JP 3009037B2 JP 9280211 A JP9280211 A JP 9280211A JP 28021197 A JP28021197 A JP 28021197A JP 3009037 B2 JP3009037 B2 JP 3009037B2
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JP
Japan
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optical modulator
broadband
electric signal
semiconductor
electroabsorption
Prior art date
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JP9280211A
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JPH11133366A (ja
Inventor
健治 河野
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NTT Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp, NTT Inc USA filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP9280211A priority Critical patent/JP3009037B2/ja
Publication of JPH11133366A publication Critical patent/JPH11133366A/ja
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Publication of JP3009037B2 publication Critical patent/JP3009037B2/ja
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光変調器、
特に駆動電圧が低くさらに低損失かつ超広帯域で動作す
る広帯域電界吸収形半導体光変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の吸収形半導体光変調器では、一般
にその電極は集中定数形の電極である。このような従来
の集中定数形電極を有する吸収形半導体光変調器におい
ては、CR定数で制限される電気3dB帯域Δfと消光
比Rには厳しいトレードオフの関係がある。そのため、
高い消光比を保ちつつ、50GHz以上の超高速光変調
を実現することは困難であるという問題があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者は、
上記の問題点を解決するため、電極を進行波形とした吸
収形半導体光変調器を特願平7−328635号(平成
7年12月18日付け出願)で提案した。
【0004】図16に特願平7−328635号の明細
書に開示された吸収形半導体光変調器の構造を示す。図
中、1はp側電極、2はp+ −InGaAsキャップ
層、3はp−InPクラッド層、4はi−Inp層であ
る。5は2μm程度の幅を有する光導波路のコア層であ
り、ここではi−InGaAlAs/InAlAs多重
量子井戸(MQW)を例にとる。6はn−InPクラッ
ド層、7はn−InP基板、8はn側電極、9はポリイ
ミド層である。このような構造は、通常の半導体装置作
製技術によって作製できる。
【0005】ここで、電気信号を印加するためのp側電
極1が進行波電極となっている。つまり、光が入射して
MQW光変調器を伝搬する間に、電気信号も光変調器の
全長に亘って光と同方向に伝搬する。両者が並走する間
に、電気信号によりMQWコア5の吸収端波長は長波長
側にシフトされるため、光は吸収され、OFF状態とな
る。なお、進行波電極であるため、p側電極1には図1
6に示すように、電気信号の入力部Iと出力部IIが設
けられている。この出力部には50Ωの終端抵抗が接続
される。
【0006】一般に、電気信号源SG の特性インピーダ
ンスは50Ωであるため、この先願では、進行波電極の
特性インピーダンスも50Ωに等しいか、または近いこ
とが望ましいと考え、i−InP層4をMQWコア5と
p−InPクラッド層3との間に設けることにより、p
側電極1を含めたMQW変調器の特性インピーダンスが
50Ωとなるように、全ノンドープ層の厚みDを厚くし
ている。
【0007】この先願の動作原理を説明するために、図
17にMQWコアの光吸収スペクトルを示す。例えば、
信号光の波長を1.55μmとすると、吸収ピークの波
長を1.49μm程度となるように設計する(MQWコ
アは例えば厚さ130ÅのInGaAlAs井戸、厚さ
50ÅのInAlAsバリアから構成される)。する
と、図17中の実線に示すように、光変調器に電圧を印
加していない場合には、動作波長つまり光信号の波長
は、吸収端波長よりも長波長側に離れているため、入射
光はMQWコア5にあまり吸収されることなく出射さ
れ、光はON状態となる。一方、逆バイアス印加時に
は、MQWコアの吸収スペクトルは、図17中の破線に
示すように、長波長側に移動するため、光信号はMQW
コア5に吸収され、その結果、光はOFF状態となる。
【0008】さて、よく知られているように、MQWコ
ア5の吸収端波長のシフト量は印加される電界強度の2
乗に比例する。つまり、進行波電極の特性インピーダン
スZを50Ωとするために、i−InP層4の厚みを厚
くすると、MQWコア5内における電界はノンドープ層
の全厚みDに反比例して弱くなるが、MQWコア5の吸
収端波長のシフト量は前述のように全厚みDの2乗に反
比例して小さくなる。従って、所望の消光比を得るため
の駆動電圧がノンドープ層の全厚みDの2乗に比例して
大きくなってしまうことになる。
【0009】図18には、MQWコア5の厚みが0.2
μm(消光比20dBを実現するための駆動電圧は1.
5V)の場合について、この様子を示す。つまり、進行
波電極の特性インピーダンスZが50Ωに近くなるよう
に、i−InP層4の厚みを厚くすると、駆動電圧が増
加する。例えば、ノンドープ層の全厚みDを0.6μm
とすると、駆動電圧としては13.5Vとなってしまう
ことがわかる。
【0010】なお、i−MQWコア5の長さは200μ
mとした。また、ここで述べたノンドープ層の0.6μ
mという値はこれまで実験を行った中での最大の厚みで
あり、実際に50Ω系とするには、ノンドープ層の全厚
みDをリッジの幅、つまり図16におけるi−MQWコ
ア5の幅の半分程度とする必要がある。従って、リッジ
の幅が一般的な光導波路の幅である2μm程度とする
と、ノンドープ層の全厚みDは約1μm以上にもなり、
駆動電圧は著しく上昇することになる。
【0011】一方、電圧印加によるMQWコア5の吸収
係数の増加をΔα、導波光のMQWコア5への閉じ込め
係数(閉じ込め率)をΓ、進行波電極とMQWコア5か
らなる光導波路との相互作用長をLとすると、吸収形光
変調器の消光比Rは次式のように表される(参考文献:
河野他、IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.2
8,pp.224-230,1992) 。
【0012】
【数1】 R=exp(−Δα・Γ・L) (1) そこで、前述のノンドープ層の全厚みDを厚くすること
によるMQWコア5内における電界の劣化、ひいては消
光比の劣化を、式(1)からわかるように、マイクロ波
と光の相互作用長Lを長くすることにより補うことがで
きる。このように、図16に示した先願の構成では、相
互作用長Lを長くする必要がある。ところが、吸収形光
変調器ではMQWコア5の吸収端波長は比較的使用波長
に近いため(例えば、使用波長1.55μmに対し、吸
収端波長は1.49μm)、次式に示す光の吸収因子か
らわかるように、
【0013】
【数2】 exp(−α0 ・Γ・L) (2) 電圧を印加しない時の光の伝搬損失が増加し、その結
果、光変調器としての挿入損失が大きくなってしまう。
ここで、α0 は電圧を印加しない時の動作波長における
光の吸収係数である。
【0014】つまり、この先願の進行波電極を有する電
界吸収形半導体光変調器では駆動電圧が高くなる、ある
いは挿入損失が大きくなるという点でまだ解決すべき点
があった。
【0015】そこで、本発明の目的は、これらの問題を
解決し、駆動電圧及び挿入損失の点で優れた進行波電極
を有する広帯域電界吸収形半導体光変調器を提供するこ
とにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、請求項1の発明は、吸収端波長が光信号の波長
よりも短い半導体コアと、電圧印加時に前記半導体コア
の前記吸収端波長を長波長側に動かすことにより、前記
光信号を吸収するための電気信号印加用としての電極を
具備する広帯域電界吸収形半導体光変調器であって、前
記電極が進行波形電極をなすように電気信号用入力部及
び電気信号用出力部を配置し、さらに前記電気信号の駆
動電圧を低減するように前記半導体コアを含むノンドー
プ半導体層の全厚みを薄くし、かつ前記ノンドープ半導
体層の全厚みを薄くすることにより生じた前記広帯域電
界吸収形半導体光変調器と外部回路との特性インピーダ
ンスの不整合に起因する光変調帯域の劣化及び前記電気
信号の反射を、前記電気信号と前記光信号の相互作用部
の長さを短くすることにより、小さくしたことを特徴と
する。
【0017】また、上記目的を達成するため、請求項2
の発明は、吸収端波長が光信号の波長よりも短い半導体
コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波長
を長波長側に動かすことにより、前記光信号を吸収する
ための電気信号印加用としての電極を具備する広帯域電
界吸収形半導体光変調器であって、前記電極が進行波形
電極をなすように電気信号用入力部及び電気信号用出力
部を配置し、さらに前記電気信号の駆動電圧を低減する
ように前記半導体コアを含むノンドープ半導体層の全厚
みを薄くし、かつ前記半導体コアの上方および下方に位
置するp形もしくはn形のドーピング層のドーピング濃
度を調整することにより、前記ノンドープ半導体層の全
厚みを薄くすることにより生じた前記広帯域電界吸収形
半導体光変調器と外部回路との特性インピーダンスの不
整合を補正したことを特徴とする。
【0018】
【0019】ここで、前記ノンドープ半導体層は前記半
導体コア以外の半導体層がない、あるいはあっても前記
半導体コア以外の半導体層は極めて薄いとすることがで
きる。
【0020】また、前記半導体コア層を含むノンドープ
半導体層の全厚みがほぼ0.5μm以下であるとするこ
とができる。
【0021】さらに、前記電気信号と前記光信号の前記
相互作用部の長さがほぼ400μm以下であるとするこ
とができる。
【0022】さらに、前記進行波形電極の特性インピー
ダンスがほぼ40Ω以下であるとすることができる。
【0023】更に、前記電気信号用出力部に終端抵抗を
配置することができる。
【0024】更に、前記電気信号と前記光信号の前記相
互作用部と該相互作用部に連結する前記電気信号用入力
部と前記電気信号出力部をほぼ一直線上に配置すること
ができる。
【0025】本発明によれば、ノンドープ半導体層の全
厚みが薄くなるため、MQWコア内における電界強度が
大きくなり、その結果、MQWコアの吸収端波長のシフ
ト量を大きくできるため、所望の消光比を得るために必
要な駆動電圧を下げることが可能となる。
【0026】また、ノンドープ半導体層の全厚みを薄く
すると、特性インピーダンスの低下等、外部回路との特
性インピーダンスの不整合を引き起し、その結果光変調
帯域の劣化及び電気信号の反射を生じてしまう場合もあ
るが、これをマイクロ波と光との相互作用部の長さであ
る相互作用長Lを短く設定することにより補うととも
に、さらに光の挿入損失を低く抑えることが可能とな
る。
【0027】また、MQWコアの上方あるいは下方にあ
るドーピング層のドーピング濃度を調整することにより
上記の特性インピーダンスの低下などの特性インピーダ
ンスの不整合を補償し、より広帯域な変調が可能とな
る。
【0028】さらに、相互作用部とこれに連結する電気
信号入力部及び電気信号出力部をほぼ一直線に配置する
ことにより、電気信号を伝搬させる進行波電極に曲げ部
がなくなるため、電極の曲げに起因する電気信号の反射
を抑圧できるとともに、相互作用部の長手方向における
電気信号の伝搬損失をほぼなくすことが可能となる。
【0029】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
【0030】(第1の実施の形態)図1に本発明の第1
の実施の形態の広帯域電界吸収形半導体光変調器の構造
を示す。ここで、図15に示した先願の例と同様に、M
QWコア5は例えばInGaAlAs井戸(厚さ130
Å)、InAlAsバリア(厚さ50Å)からなり、そ
の全厚みは0.1μmから0.2μm程度とする。又、
MQWコア5の幅は1μmから2μm程度とする。図1
5に示した先願の例とは異なり、本発明においてはi−
InP層4がない、あるいはあっても極めて薄いため、
図17から分かるように駆動電圧の増加要因はない。従
って、本発明の電界吸収形半導体光変調器は低い駆動電
圧で動作することがわかる。但し、進行波電極の特性イ
ンピーダンスZは50Ωよりも低くなる(例えば、20
Ω程度)。外部駆動回路の特性インピーダンスが進行波
電極の特性インピーダンスZと整合していれば(この例
では20Ω程度)、本発明の光変調器は相互作用部の長
さである相互作用長Lをある程度長くしても(例えば3
00μm)、広帯域動作が可能である。 しかしなが
ら、もし、外部駆動回路が50Ω系である場合には、本
発明においては電気信号と光との相互作用長Lを短くす
る。つまりMQWコア層5の長さを短くする。その他の
構造は図15の先願の例とほぼ同様である。
【0031】さて、従来技術において、一般に進行波電
極の特性インピーダンスZとして50Ω系が望まれる理
由は、外部駆動回路としては50Ω系のものが多く、光
変調器と50Ω系である外部回路との特性インピーダン
スの整合を図るためである。次に、外部回路が50Ω系
の場合において、本発明によりノンドープ層の厚みDを
薄くしたために生じた低い特性インピーダンスが光変調
帯域に与える影響について考察する。
【0032】図2には外部駆動回路と進行波形半導体吸
収光変調器を含めた等価回路を示す。SG は駆動信号
源、RG は駆動信号源の特性インピーダンス、RL は終
端抵抗、Zは光変調器の特性インピーダンスである。こ
の進行波形の吸収形半導体光変調器の3dB変調帯域Δ
fは、この等価回路モデルを用いて計算できる。
【0033】例えば、その光3dB変調帯域Δfは、簡
単のために、進行波形電極の電気伝搬損失を0、特性イ
ンピーダンスZを50Ωと仮定すると、
【0034】
【数3】 Δf=1.9C0 /(π(|nm −n0 |)L) (3) と表される(参考文献:河野,電子情報通信学会誌pp.1
306-1313 1993年12月号)。ここで、C0 は光の速度、
m はMQW光変調器の電気信号の等価屈折率、n0
信号光の等価屈折率、Lは進行波電極とMQWコア5か
らなる光導波路との相互作用長である。
【0035】MQW光変調器の電気信号の等価屈折率n
m を4.0、信号光の等価屈折率n0 を3.2として求
めた変調帯域特性を図3及び図4に示す。進行波電極の
マイクロ波伝搬損失αM の光変調特性への影響を明らか
にするために、図3はマイクロ波伝搬損失αM の小さい
場合(αM =3dB/cm)、図4はマイクロ波伝搬損
失αM の大きい場合(αM =20dB/cm)とした。
また、光変調器の特性インピーダンスZは20Ωとし
た。さらに、マイクロ波と光の相互作用長(図1ではM
QWコア5の長さ)Lをパラメータとし、50μmから
1mmまで変えた。
【0036】なお、外部回路の特性インピーダンス(駆
動信号源の特性インピーダンスRG、終端抵抗の特性イ
ンピーダンスRL )は50Ωと仮定した。
【0037】図3からわかるように、特性インピーダン
スが低い場合に、3dB光変調帯域20GHz以下と狭
くなるのは、マイクロ波と光との相互作用長が1mm程
度と長い場合であり、相互作用長Lが50μmから10
0μm程度と短ければ、本実施形態のような低い特性イ
ンピーダンスの進行波電極であっても、数100GHz
の超広帯域な光変調が可能となる。
【0038】また、図4には、進行波電極のマイクロ波
伝搬損失αM が20dB/cmと比較的大きい場合の光
変調特性の計算結果を示し、さらに図5には、進行波電
極のマイクロ波伝搬損失αM が100dB/cmと極め
て大きい場合の光変調特性の計算結果を示す。図4およ
び図5からわかるように、本発明では相互作用長Lが短
いため、これらのマイクロ波伝搬損失があっても、なお
100GHz以上の広い変調帯域を実現できる利点があ
る。
【0039】なお、光変調器の特性インピーダンスZが
低いために、光変調器から駆動信号源SG へのマイクロ
波としての反射が懸念されるが、これは光変調器の相互
作用長Lが駆動マイクロ波の波長(100GHzの変調
周波数ではn−InP基板7上で約1mmとなる)に比
べて充分短いために、特に問題にはならない。つまり、
本発明における重要な点は、駆動電圧を低減するために
ノンドープ層の全厚みDを薄くした結果、特性インピー
ダンスZが50Ωから大幅に低くなっても、電気信号と
光との相互作用長Lを短くすることにより、広帯域光変
調を実現できることにある。
【0040】さらに、吸収が大きなMQWコア層5の長
さが短いため、光の挿入損失も小さくできることにな
る。なお、相互作用長Lとしては、50から100μm
と極めて短いことが望ましいことを述べたが、相互作用
長Lが200μm以下、300μm以下、400μm以
下とわずかに長くなっても、この程度であれば、例えば
図3に示すように若干低下するものの本発明の効果を発
揮できる。
【0041】図6にはi−MQWコア5の厚みと長さが
各々0.6μm、200μmの場合について、印加電圧
に対する消光比を示す。同図からわかるように、消光比
は印加電圧が低い領域においては小さく、印加電圧が高
くなると急激に増加する(上式(1)を参照)。
【0042】一方、消光比のdB表現は上式(2)に1
0 logを演算することにより得られ、i−MQWコ
ア5の長さLに比例する。さて、ここでi−MQWコア
5の長さLを長くすることによる駆動電圧低下の効果を
考察する。
【0043】まず、この図6からわかるように、i−M
QWコア5の長さLが200μmの場合では20dBの
消光比を得るためには、印加電圧が13.5Vであり、
これが駆動電圧となる。さて、長さLを2倍の400μ
mとすると、20dBの消光比を得るには、長さLが2
00μmの場合について求めたものである図6において
は、消光比10dBに対する印加電圧が駆動電圧とな
り、約10.5Vとなる。つまり、長さを2倍にしても
駆動電圧は13.5Vからわずか3V下がるだけであ
り、半分にはならない。図7には、i−MQWコア5の
厚みが0.6μmと厚い場合について、i−MQWコア
5の長さLに対する駆動電圧を示す。前述のように、i
−MQWコア5の長さLを長くしても、駆動電圧は大幅
には低減できないことが確認される。さらに、こうした
電界吸収形のi−MQWコア5は光の伝搬損失が100
から300dB/cmであることを実験的に確認してい
るので、長さLを長くすると光の挿入損失が極めて大き
くなることになる(i−MQWコア5の長さLが1mm
で10から30dBの光の伝搬損失となる)。
【0044】よって、本発明で提案しているノンドープ
層の厚みを薄くすることにより、進行波電極構造におい
て従来得られなかった低駆動電圧を実現できることにな
る。
【0045】ノンドープ層がi−MQWコア5のみでは
進行波電極としての特性インピーダンスZが5Ω以下と
低くなり過ぎ、相互作用長Lを短くしても光変調帯域の
劣化を補償できない場合には、例えば図1においてi−
MQWコア5とn−InPクラッド層6との間に薄いノ
ンドープ層を設けることにより、特性インピーダンスZ
を若干上げても良いことは言うまでもない。
【0046】ここで、本発明における全ノンドープ層の
厚みについて考察を進める。図17には、MQWコア5
の厚みが0.2μmの場合について、消光比20dBを
実現するために必要な駆動電圧を図15の全ノンドープ
層の厚みDを変数として示していることを述べたが、図
17からわかるように、全ノンドープ層の厚みDがi−
MQWコア5の厚みのみ、つまりi−MQWコア5の他
にノンドープ層がない場合には駆動電圧は最も低く1.
5となる。この図17からわかるように、全ノンドープ
層の厚みDが0.3μm、0.4μm、0.5μmと徐
々に厚くなると、駆動電圧は上昇する傾向に有るが、
0.5μm以下であれば駆動可能な駆動電圧を得られ
る。なお、薄いノンドープ層をi−MQWコア5とp−
InPクラッド3との間に設ける場合には、薄いノンド
ープ層をi−MQWコア5とn−InPクラッド6の間
に設ける場合よりも駆動電圧が上昇するものの、ノンド
ープ層が薄い限り本発明の効果を発揮できることは言う
までもない。
【0047】(第2の実施の形態)図1に示した第1の
実施の形態では、p−InPクラッド層3とn−InP
クラッド層6のドーピング濃度は例えば1×1018/c
3 と高いために、これらはほぼ導体と見なせるほどに
導伝率が高く、特性インピーダンスZが低くなる。以下
に述べる本発明の第2の実施の形態では、i−MQWコ
ア5の上方にあるp−InPクラッド層3あるいはi−
MQWコア5の下方にあるn−InPクラッド層6のド
ーピング濃度を調整する(例えば、3×1017/cm3
とする)ことにより、特性インピーダンスZを増加させ
ることができる。さらには、ドーピング濃度を調整する
ことによりマイクロ波的な抵抗成分を意図的に増加さ
せ、これにより見かけ上の特性インピーダンスZを増加
させることも可能である。
【0048】特性インピーダンスZを見かけ上35Ωと
した場合の光変調特性を図8に示す。前述の後者の手
法、即ち、進行波電極の抵抗が増加するように特性イン
ピーダンスZの補正を行った場合には、一般に光変調の
帯域が狭くなるが、本発明では相互作用長Lを短くする
ため、これらのマイクロ波伝搬損失があっても、特性イ
ンピーダンスZが見かけ上高くなる効果の方が大きく、
図8に示すように極めて広い変調帯域を実現できる。つ
まり、この第2の実施形態の場合には、その3dB光変
調帯域Δfは広くなり、特性インピーダンスZが20Ω
のままで単にマイクロ波の伝搬損失を増加させた図5の
第1の実施形態の場合よりも、より広帯域な光変調が可
能となる。
【0049】また、図1に示した第1実施形態のi−M
QWコア5の上方あるいは下方にノンドープ層を設けた
構造において、i−MQWコア5の上方あるいは下方に
あるドーピング層の濃度を調整して特性インピーダンス
の低下を補正した場合にも、本発明の効果を発揮できる
し、この場合においても、全ノンドープ層の厚みDが
0.3μm、0.4μm、0.5μmと徐々に厚くなる
と駆動電圧は上昇する傾向にあるが、0.5μm以下で
あれば駆動可能な駆動電圧を得ることができる。
【0050】なお、本発明では電極が進行波形電極であ
れば良いので、p側およびn側電極の構成の形態は問わ
ないし、基板として半絶縁性基板を用いても良いことは
言うまでもない。さらに、コア5はi−InGaAsP
/InP等、他のMQW組成でも良いし、i−InGa
AsP等の4元バルク組成を用いることも可能である。
【0051】図9と図10に、各々本発明を適用して実
際に製作した広帯域電界吸収形半導体光変調器の光変調
特性と吸収特性の測定結果を示す。光変調器の構造とし
ては、以下の通りである。進行波電極としては共平面導
波路(CPW)形電極、ノンドープ層としては厚み0.
2μmのMQWでInGaAlAs井戸とInAlAs
バリアは各々130Åと50Åであり、エキシトンピー
ク波長は1.49μmであった。また、p−InPクラ
ッドとn−InPクラッドのドーピング濃度としては、
5×1017/cm3 、基板としては半絶縁性InP基板
を使用した。図9と図10からわかるように、光3dB
帯域として測定器限界の50GHzを得ると共に2V
(この図では、挿入損失が1dBから16dB増加(1
5dB消光比)するのに必要な電圧として定義した)以
下と低い駆動電圧を得た。
【0052】(第3の実施の形態)図11には本発明の
第3の実施形態の上面図を示す。ここで、進行波電極と
してはCPW形電極を用いている。図11のA−A′B
−B′における断面図を各々図12と図13に示す。電
気信号と光信号との相互作用部の断面図である図12か
らわかるように、電気信号(マイクロ波)の入力部Iと
出力部IIにおいてはp側電極1は半絶縁性基板11に
接している。ここで9はポリイミドである。電気信号と
光信号の相互作用部では、p側電極1はp+ −InGa
Asキャップ層に接している。一方、図13に示すよう
に、CPW形電極のアース導体10側ではマイクロ波の
入力部Iと出力部IIにおいてアース導体10がn−I
nP6に接している。また、ボリイミド9があるためア
ース導体10とp−InPクラッド3とは接していな
い。なお、図11において12は電気的分離溝である。
【0053】本実施形態例においては、例えば図1や図
9の場合と異なり、電気信号の入力部I、電気信号と光
信号の相互作用部、電気信号の出力部IIがほぼ一直線
上に配置されている。従って、電気信号がp側電極1と
アース導体10間を伝搬する際には曲がる必要がなく、
不要な電気的反射が生じない。さらに、相互作用部の長
さLは数10μmから数100μmと光導波路の幅(光
導波路の幅はi−MQWコア5の幅であるから高々2μ
m程度である)に比べると広いので、相互作用部に達す
るまでと相互作用部を通過する際の電気的な伝搬損失が
小さい。一方、電気信号が相互作用部を横切る際には、
相互作用部の特性インピーダンスを低く感じるが、光導
波路の幅は電気信号の波長と比較すると十分小さく、電
気信号の入出力部や外部回路との特性インピーダンスの
不整合の影導は小さくこれを無視できる。
【0054】さて、本実施形態例においては、電気信号
と光信号の進行方向はほぼ直交している。これは式
(3)において、電気信号の等価屈折率nm をゼロと置
いたことと等価となるが、p側電極1上では相互作用部
の長手方向においてほぼ同電位であるため、相互作用部
の長手方向における電気信号の減衰はほぽ無視できるこ
とと等価となる。従って、相互作用部の長さが数100
μm程度の場合にはやはり超広帯域光変調が可能とな
る。
【0055】なお、光導波路と進行波電極は直交すると
説明したが、互いに斜めに交差しても良い。この場合の
電気信号の速度は進行波電極を伝搬する速度の光導波路
への射影成分となるので、速度をやや遅らせる等、電気
信号の速度を調整することも可能となる。
【0056】(第4の実施の形態)図14には本発明の
第4実施の形態の上面図を示す。本実施形態例では、光
導波路を曲げることにより図11に示した第3の実施の
形態と同様に進行波電極を一直線の形態としている。
【0057】(第5の実施の形態)図15には本発明の
第5の実施の形態を示す。本実施形態は図11に示した
第3の実施の形態の左半分を用いた構造である。従っ
て、進行波電極としては、CPWを2分割したので非対
称コプレーナストリップ(ACPS)の形態となった。
ここで、13はACPSのアース導体を表わす。また1
4は光導波路の端面に形成した光に対する完全反射膜で
ある。
【0058】つまり、本実施形態では、左から入射した
光は、図には示していないi−MQWコア5やp−In
Pクラッド3および、同様に図には示していないn−I
nPクラッド6からなる光導波路を伝搬し、p側電極1
の真下にあるi−MQWコア5の部分で光変調を受け
る。光はその後、右側の端面に達した後、完全反射膜1
4で左向きに折り返され再度光変調を受ける。本構造で
は素子の大きさが半分になる利点がある。
【0059】なお、第3の実施の形態、第4の実施の形
態および第5の実施形態ともi−MQWコア5以外にノ
ンドープ層はないとして説明したが、i−MQwコア5
以外にも薄いノンドープ層は有っても良いし、第2の実
施の形態のように、ドーピング層の濃度を調整して特性
インピーダンスを適正化しても良い。また、コアとして
バルク材料を用いても艮い。
【0060】また、第1から第5の全ての実施の形態に
おいて、上側をp形、下側をn形としたが上側と下側の
ドーピングの型を入れ替えても良いことは言うまでもな
い。なお、本発明は進行波電極を有する電界吸収形半導
体光変調器についてであるが、第2の実施の形態のよう
に、ドーピング層の濃度を調整して特性インピーダンス
を適正化する考え方及び、第3から第5の実施の形態の
ように進行波電極を一直線の形態とする考え方は、進行
波電極を有する光変調器であれば電界吸収形半導体光変
調器のみならず、屈折率変調形半導体光変調器にも適用
可能である。
【0061】さらに光導波路の構造としてはコアの横が
誘導体であるいわゆるハイメサ構造について説明した
が、ストリップ装荷構造や埋め込み構造等その他の構造
の光導波路にも本発明は適用できることは言うまでもな
い。
【0062】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極を進行波形電極とした吸収形半導体光変調器におい
てノンドープ層の全厚みDを薄く設定するようにしてい
るので、光導波路のコア内における電界強度が大きくな
り、その結果、コアの吸収端波長のシフト量を大きくで
きるので、所望の消光比を得るために必要な駆動電圧を
下げることが可能となる。また、ノンドープ層の全厚み
を薄くしたために生じた特性インピーダンスの低下に起
因する光変調帯域の劣化をマイクロ波と光との相互作用
長Lを短く設定することにより補えるとともに、さらに
光の挿入損失を低く抑えることが可能となる。
【0063】さらに、本発明によれば、上記効果に加え
て、MQWコアの上方あるいは下方にあるドーピング層
のドーピング濃度を調整することにより、前述の特性イ
ンピーダンスの低下を補償し、より広帯域な変調を可能
とすることができる。また、相互作用部とこれに連結す
る電気信号入力部及び電気信号出力部をほぼ一直線上に
配置することにより、電気信号を伝搬させる進行波電極
に曲げ部がなくなるため、電極の曲げに起因する電気信
号の反射を抑制できるとともに、相互作用部の長手方向
における電気信号の伝搬損失をほぼなくすことができる
ので、高効率な光変調が可能となる。よって、駆動電圧
と光の挿入損失の点で優れた進行波電極を有する広帯域
電界吸収形半導体光変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の広帯域電界吸収形半導体
光変調器の構造を示す模式図である。
【図2】本発明の原理を説明するための図であって、外
部駆動回路と進行波形の吸収形半導体光変調器を含めた
等価回路を示す回路図である。
【図3】本発明の原理を説明するための図であって、マ
イクロ波伝搬損失αM の小さい場合(αM =3dB/c
m)における進行波電極のマイクロ波伝搬損失αM の光
変調特性への影響を示すグラフである。
【図4】本発明の原理を説明するための図であって、マ
イクロ波伝搬損失αM の大きい場合(αM =20dB/
cm)における進行波電極のマイクロ波伝搬損失αM
光変調特性への影響を示すグラフである。
【図5】本発明の原理を説明するための図であって、進
行波電極のマイクロ波伝搬損失αM が100dB/cm
と極めて大きい場合の光変調特性の計算結果を示すグラ
フである。
【図6】図15に示す先願の半導体MQW変調器の印加
電圧に対する消光特性を説明するグラフである。
【図7】図15に示す先願の半導体MQW変調器の駆動
電圧のi −MQWコア5の長さ依存性を説明するグラフ
である。
【図8】本発明の原理を説明するための図であって、特
性インピーダンスZ を見かけ上35Ωとした場合の光変
調特性を示すグラフである。
【図9】本発明を適用して製作した光変調器の光変調特
性を示すグラフである。
【図10】本発明を適用して製作した光変調器の消光特
性を示すグラフである。
【図11】本発明の第3実施形態の広帯域電極吸収形半
導体光変調器の上面図である。
【図12】図11のA−A′における断面図である。
【図13】図11のB−B′における断面図である。
【図14】本発明の第4実施形態の広帯域電極吸収形半
導体光変調器の上面図である。
【図15】本発明の第5実施形態の広帯域電界吸収形半
導体光変調器の上面図である。
【図16】先願の広帯域電界吸収形半導体光変調器の構
造を示す模式図である。
【図17】図16に示す先願の半導体光変調器のMQW
コアの光吸収スペクトルの特性を示すグラフである。
【図18】図16に示す先願のMQWコアの全ノンドー
プ厚さDと駆動電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 p側電極 2 p+ −InGaAsキャップ層 3 p−InPクラッド層 4 i−InP層 5 光導波路のコア層(例えば、i−InGaAlAs
/InAlAs多重量子井戸(MQW);i−MQWコ
ア) 6 n−InPクラッド層 7 n−InP基板 8 n側電極 9 ポリイミド層 10 CPW形電極のアース導体 11 半絶縁性InP基板 12 電気的分離溝 13 ACPSのアース導体 14 光に対する完全反射膜 SG 駆動信号源 RG 駆動信号源の特性インピーダンス RL 終端抵抗の特性インピーダンス nm MQW光変調器の電気信号の等価屈折率 n0 信号光の等価屈折率 αM 進行波電極のマイクロ波伝搬損失 Z 光変調器の特性インピーダンス L マイクロ波と光の相互作用長
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−149529(JP,A) 特開 平6−302901(JP,A) 特開 平9−211399(JP,A) 特開 平9−199778(JP,A) Journal of Lightw ave Technology,Vo l.14 No.9 pp.2026−2034 (1996年9月) Elecronics letter s,Vol.25 No.23 pp.1549 −1550(9th November 1989) Elecronics letter s,Vol.32 No.12 pp.1095 −1096(6th June 1996) Elecronics letter s,Vol.30 No.13 pp.1048 −1049(23rd June 1994) Elecronics letter s,Vol.31 No.23 pp.2041 −2042(9th November 1989) IEEE Microwave an d guided wave lett ers,Vol.6 No.2 pp. 82−84(February 1996) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/015 - 1/025 G02F 1/29 - 1/313 JICSTファイル(JOIS)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 吸収端波長が光信号の波長よりも短い半
    導体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端
    波長を長波長側に動かすことにより、前記光信号を吸収
    するための電気信号印加用としての電極を具備する広帯
    域電界吸収形半導体光変調器であって、 前記電極が進行波形電極をなすように電気信号用入力部
    及び電気信号用出力部を配置し、 さらに前記電気信号の駆動電圧を低減するように前記半
    導体コアを含むノンドープ半導体層の全厚みを薄くし、 かつ前記ノンドープ半導体層の全厚みを薄くすることに
    より生じた前記広帯域電界吸収形半導体光変調器と外部
    回路との特性インピーダンスの不整合に起因する光変調
    帯域の劣化及び前記電気信号の反射を、前記電気信号と
    前記光信号の相互作用部の長さを短くすることにより、
    小さくしたことを特徴とする広帯域電界吸収形半導体光
    変調器。
  2. 【請求項2】 吸収端波長が光信号の波長よりも短い半
    導体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端
    波長を長波長側に動かすことにより、前記光信号を吸収
    するための電気信号印加用としての電極を具備する広帯
    域電界吸収形半導体光変調器であって、 前記電極が進行波形電極をなすように電気信号用入力部
    及び電気信号用出力部を配置し、 さらに前記電気信号の駆動電圧を低減するように前記半
    導体コアを含むノンドープ半導体層の全厚みを薄くし、 かつ前記半導体コアの上方および下方に位置するp形も
    しくはn形のドーピング層のドーピング濃度を調整する
    ことにより、前記ノンドープ半導体層の全厚みを薄くす
    ることにより生じた前記広帯域電界吸収形半導体光変調
    器と外部回路との特性インピーダンスの不整合を補正し
    たことを特徴とする広帯域電界吸収形半導体光変調器。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載の広帯域電界吸
    収形半導体光変調器において、前記ノンドープ半導体層
    は前記半導体コア以外の半導体層がない、あるいはあっ
    ても前記半導体コア以外の半導体層は極めて薄いことを
    特徴とする広帯域電界吸収形半導体光変調器。
  4. 【請求項4】 請求項1、2および3のいずれかに記載
    の広帯域電界吸収形半導体光変調器において、前記半導
    体コア層を含むノンドープ半導体層の全厚みがほぼ0.
    5μm以下であることを特徴とする広帯域電界吸収形半
    導体光変調器。
  5. 【請求項5】 請求項1から4のいずれかに記載の広帯
    域電界吸収形半導体光変調器において、前記電気信号と
    前記光信号の前記相互作用部の長さがほぼ400μm以
    下であることを特徴とする広帯域電界吸収形半導体光変
    調器。
  6. 【請求項6】 請求項1から5のいずれかに記載の広帯
    域電界吸収形半導体光変調器において、前記進行波形電
    極の特性インピーダンスがほぼ40Ω以下であることを
    特徴とする広帯域電界吸収形半導体光変調器。
  7. 【請求項7】 請求項1から6のいずれかに記載の広帯
    域電界吸収形半導体光変調器において、前記電気信号用
    出力部に終端抵抗を配置したことを特徴とする広帯域電
    界吸収形半導体光変調器。
  8. 【請求項8】 請求項1から7のいずれかに記載の広帯
    域電界吸収形半導体光変調器において、前記電気信号と
    前記光信号の前記相互作用部と該相互作用部に連結する
    前記電気信号用入力部と前記電気信号出力部がほぼ一直
    線上に配置されたことを特徴とする広帯域電界吸収形半
    導体光変調器。
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Elecronics letters,Vol.32 No.12 pp.1095−1096(6th June 1996)
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