JPH05188412A - Optical semiconductor element - Google Patents
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- JPH05188412A JPH05188412A JP2576292A JP2576292A JPH05188412A JP H05188412 A JPH05188412 A JP H05188412A JP 2576292 A JP2576292 A JP 2576292A JP 2576292 A JP2576292 A JP 2576292A JP H05188412 A JPH05188412 A JP H05188412A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光伝送、光交換、光情
報処理、光記録などに用いられる光変調器や、波長分割
多重(WDM)光通信、波長分割多重光交換、光演算な
どに用いられる波長可変フィルタなどの光半導体素子に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical modulator used for optical transmission, optical switching, optical information processing, optical recording, wavelength division multiplexing (WDM) optical communication, wavelength division multiplexing optical switching, optical arithmetic, etc. The present invention relates to an optical semiconductor device such as a wavelength tunable filter used in.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、駆動電圧が低く、高速駆動でき、
更に半導体レーザなどの他の光電子素子との集積化が容
易である半導体を利用した光変調器は既知である。例え
ば、電界印加による半導体(バルク構造や量子井戸構造
の半導体層など)の吸収端シフトを利用した吸収型光変
調器、及び電界印加による屈折率変化を利用した方向性
結合器型或は全反射型変調器が知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, driving voltage is low and high speed driving is possible.
Further, there is known an optical modulator using a semiconductor that can be easily integrated with other optoelectronic devices such as a semiconductor laser. For example, an absorption-type optical modulator that uses the absorption edge shift of a semiconductor (such as a semiconductor layer having a bulk structure or a quantum well structure) by applying an electric field, and a directional coupler type or total reflection that uses the change in refractive index by applying an electric field. Type modulators are known.
【0003】前者はp−i−n構造を持つ半導体導波路
から成り、電界を印加することでフランツケルディシュ
効果或はQCSE(量子閉じ込めシュタルク効果)によ
り図8の如く吸収端がシフトして光吸収率が変化し、或
る波長の光の透過率の制御が可能となるものである(A
pplied Physics Lett.47,p.
1148−1150(1985)参照)。しかし、この
タイプの光変調器では、消光比を向上させる為に使用波
長を吸収端に近付ける必要があり、従って透過状態での
透過率が低くなっていた。よって、挿入損失が大きいと
いう欠点があった。また、吸収端波長に依存して、どの
様な波長の光をも変調できるものではなく使用波長すな
わち被変調波長が制限されるという難点もある。The former is composed of a semiconductor waveguide having a pin structure, and when an electric field is applied, the absorption edge is shifted by the Franz-Keldysh effect or QCSE (quantum confined Stark effect) as shown in FIG. The absorptance changes, and the transmittance of light of a certain wavelength can be controlled (A
applied Physics Lett. 47, p.
1148-1150 (1985)). However, in this type of optical modulator, it is necessary to bring the used wavelength close to the absorption edge in order to improve the extinction ratio, and therefore the transmittance in the transmissive state is low. Therefore, there is a drawback that the insertion loss is large. In addition, there is a problem that the wavelength of light cannot be modulated depending on the absorption edge wavelength and the usable wavelength, that is, the modulated wavelength is limited.
【0004】後者の方向性結合器型もしくは全反射型の
ものは、図9(a)、(b)に示す如く、2つの導波路
の結合領域((a)の場合)或いは交差領域((b)の
場合)に電極を設け、ここへの電界印加により屈折率変
化を起こし光波の導波路間移行を行なうものである(電
子通信学会研究報告OQE86−39参照)。この結
果、一方の導波路出射端からの出力光に変調がかけられ
る。しかし、このタイプの光変調器においては、屈折率
変化により光変調度を制御しているにも係らず、屈折率
変化と同時に必然的に光吸収率も変化してしまう為、光
変調が安定的にかけられないという欠点があった。しか
も、素子長を短くする(すなわち導波路長を短くする)
と共に駆動電圧の低減化を図る為に、一定電界に対して
大きな屈折率変化を得ようとすると、被変調光波長の設
定が光吸収の大きな波長域に近付いてしまう難点もあ
る。In the latter directional coupler type or total reflection type, as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), a coupling region (in the case of (a)) or a crossing region ((in the case of (a)) of two waveguides is used. In the case of b)), an electrode is provided, and the refractive index is changed by applying an electric field to the electrode to shift the light wave between the waveguides (see IEICE research report OQE86-39). As a result, the output light from one waveguide emission end is modulated. However, in this type of optical modulator, even though the optical modulation degree is controlled by changing the refractive index, the optical absorption rate inevitably changes at the same time as the refractive index change, so the optical modulation is stable. It had the drawback that it couldn't be applied. Moreover, shorten the element length (that is, shorten the waveguide length).
At the same time, if an attempt is made to obtain a large change in the refractive index with respect to a constant electric field in order to reduce the drive voltage, there is a problem that the wavelength of the modulated light is set close to the wavelength range in which the light absorption is large.
【0005】一方、従来、波長分割多重型システムにお
いて、チャネルを分割する装置として分波器が用いられ
ている。これは、例えば、干渉フィルタやグレーティン
グなどの波長分散素子を用い、波長に依存して透過/反
射成分に分かれたり反射角度が異なることを利用して分
波を行なうものである。しかし、こうした分波器は数波
長の情報を同時に受信できる反面、波長領域に多重化さ
れている情報を空間領域に分割するので素子の面積の拡
大を招き、更にそれとの関係から集積可能な光検出器の
数に限度が生じて波長多重の高密度化が困難である。On the other hand, conventionally, in a wavelength division multiplexing system, a demultiplexer has been used as a device for dividing a channel. For example, a wavelength dispersion element such as an interference filter or a grating is used, and demultiplexing is performed by utilizing the fact that transmission / reflection components are separated or the reflection angle is different depending on the wavelength. However, while such a demultiplexer can receive information of several wavelengths at the same time, it divides the information multiplexed in the wavelength region into a spatial region, which leads to an increase in the area of the element, and the relationship with that makes it possible to integrate optical signals. Since the number of detectors is limited, it is difficult to increase the wavelength multiplexing density.
【0006】これを解決する手段として波長可変フィル
タがあり、これを用いれば波長多重方式に対応して1つ
の光検出器で十分対処でき、更に波長可変フィルタのチ
ャネル数を拡張すれば波長多重度の増大も図れる。波長
可変フィルタとしてはTE−TMモード変換器を利用す
る装置(Applied Physics Lett.
53,13,(1988)参照)。偶奇モード変換器を
利用する装置(電子情報通信学会研究報告OQE81−
129、(1981)参照)、SAW(表面音響波)を
利用する装置(電子情報通信学会研究報告US88−4
2,(1988)参照)などが知られている。しかし、
これらはいずれも100Å以上の広い波長可変範囲を有
するものの、いずれもLiNbO3を利用した装置であ
る為、光検出器との結合損失が問題となる。また、屈折
率を電気光学効果(ポッケルス効果)により得る為に、
数十Vから百数十Vといった高い電圧を必要とする。更
に、GaAs、InPといった化合物半導体を用いる波
長可変フィルタとして、DFB(分布帰還型)もしくは
DBR(分布反射型)レーザ、或はファブリペロー型レ
ーザを発振しきい値以下で利用するタイプ(電子情報通
信学会研究報告OQE88−65、(1988)参照)
が知られている。これらは、光検出器との集積化が可能
で、且つ電流注入により利得を持たせ得るという利点を
有する。しかし、波長可変範囲は屈折率の変化幅によ
り、直接、決定されるので、現状では数Åから数十Å程
度の値しか得られていない。As a means for solving this, there is a wavelength tunable filter. If this is used, one photodetector can sufficiently cope with the wavelength multiplexing system, and if the number of channels of the wavelength tunable filter is further expanded, the wavelength multiplexing degree is obtained. Can be increased. A device that uses a TE-TM mode converter (Applied Physics Lett.
53, 13, (1988)). Device using even-odd mode converter (IEICE research report OQE81-
129, (1981)), a device utilizing SAW (surface acoustic wave) (IEICE research report US88-4).
2, (1988)) and the like are known. But,
Although all of these have a wide wavelength tunable range of 100 Å or more, all of them are devices using LiNbO 3 , so that the coupling loss with the photodetector becomes a problem. Also, in order to obtain the refractive index by the electro-optic effect (Pockels effect),
A high voltage of several tens of volts to hundreds of tens of volts is required. Further, as a wavelength tunable filter using a compound semiconductor such as GaAs or InP, a DFB (distributed feedback type) laser, a DBR (distributed reflection type) laser, or a Fabry-Perot type laser is used below an oscillation threshold (electronic information communication Academic Research Report OQE88-65, (1988))
It has been known. These have the advantage that they can be integrated with photodetectors and can have gain by current injection. However, the wavelength tunable range is directly determined by the range of change in the refractive index, so at present only values of several tens of tens are obtained.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】以上説明した様に、従
来の半導体導波路を利用した光変調器では、光吸収率の
制御もしくは屈折率の制御を利用していたが、いずれの
方法によっても挿入損失、消光比、被変調波長の自由度
などにおいて満足できるものでなかった。また、従来の
技術によるフィルタでも、充分満足な性能を有する波長
可変フィルタが得られなかった。As described above, in the conventional optical modulator using the semiconductor waveguide, the control of the light absorption rate or the control of the refractive index was used. The insertion loss, extinction ratio, degree of freedom of the modulated wavelength, etc. were not satisfactory. Further, even with the filter according to the conventional technique, a wavelength tunable filter having sufficiently satisfactory performance cannot be obtained.
【0008】従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑
み、充分満足な性能を有し得る光変調器や波長可変フィ
ルタなどとして用いうる構造を有した光半導体装置を提
供することにある。Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide an optical semiconductor device having a structure which can be used as an optical modulator, a wavelength tunable filter or the like which can have a sufficiently satisfactory performance.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する光半
導体装置においては、積層された2層の半導体導波路か
ら構成される方向性結合器を有し、これら2層の半導体
導波路を含む層構成がp−i−n−i−pもしくは、n
−i−p−i−n構造であり、且つ該2層の半導体導波
路がともにi層で構成され、そしてp−i−n構造を通
して独立に制御される。In an optical semiconductor device that achieves the above object, there is provided a directional coupler composed of stacked two-layer semiconductor waveguides, and the two-layer semiconductor waveguides are included. The layer structure is p-i-n-i-p or n
-I-p-i-n structure, and the two-layer semiconductor waveguides are both composed of i-layers, and are independently controlled through the p-i-n structure.
【0010】より具体的には、第1および第2半導体導
波路は互いに少なくとも屈折率及び層厚の一方の異なる
導波路から構成されていたり、これら2層の導波路に各
々中心強度を有する導波モードが相互結合する領域にグ
レーティングが形成されたりしている。More specifically, the first and second semiconductor waveguides are composed of waveguides having different refractive indexes and / or layer thicknesses from each other, or the waveguides of these two layers each have a central intensity. A grating is formed in the region where wave modes are mutually coupled.
【0011】本発明の構成によれば、使用する光が電流
注入により増幅される第2の導波路と、電圧印加又は電
流注入により屈折率変化が起こって光フィルタリング制
御ないし光変調などを行なう第1の導波路とが別になっ
ている。そのため、第1の導波路の屈折率制御にともな
う吸収率の変化を第2の導波路における光増幅を用いて
補償し、波長にかかわらず、常に、安定な透過利得を得
ることができる。また、非選択波長は、第2の導波路に
移行しないため、光増幅を受けることができない。その
ため、選択波長と比較して、光強度レベルを低くでき、
S/N比の向上をはかることができる。According to the structure of the present invention, the second waveguide in which the light to be used is amplified by the current injection, and the refractive index change caused by the voltage application or the current injection to perform the optical filtering control or the optical modulation. It is different from the waveguide of 1. Therefore, the change in the absorptance associated with the control of the refractive index of the first waveguide can be compensated by using the optical amplification in the second waveguide, and a stable transmission gain can always be obtained regardless of the wavelength. Further, since the non-selected wavelength does not move to the second waveguide, it cannot receive optical amplification. Therefore, compared to the selected wavelength, the light intensity level can be lowered,
The S / N ratio can be improved.
【0012】[0012]
【実施例】実施例1 図1は本発明による波長可変フィルタの実施例を示す。
先ず、その原理、構成を説明する。本実施例は積層型の
方向性結合器を有し、これを構成する2層の導波路1、
2は互いに屈折率、層厚が異なるいわゆる縦型非対称方
向性結合器となっている。この方向性結合器は0次及び
1次のモードが伝搬する条件を成立させており、0次モ
ードは主に上側導波路2を伝搬し、1次モードは主に下
側導波路1を伝搬する。Embodiment 1 FIG. 1 shows an embodiment of a wavelength tunable filter according to the present invention.
First, the principle and configuration will be described. The present embodiment has a laminated type directional coupler, and the two-layer waveguide 1 constituting the directional coupler,
Reference numeral 2 is a so-called vertical asymmetric directional coupler having different refractive indexes and layer thicknesses. This directional coupler satisfies the condition that the 0th and 1st modes propagate, and the 0th mode mainly propagates in the upper waveguide 2 and the 1st mode mainly propagates in the lower waveguide 1. To do.
【0013】0次モードの伝搬定数をβ0、1次モード
の伝搬定数をβ1とすれば、導波路1、2間の非対称性
の為に伝搬定数β0、β1は大きく異なっている。このと
き、上側導波路を下側導波路と比較して屈折率を高く、
且つ、層厚を薄くしておけば、図6のように2つの伝搬
定数の関係は波長分散は異なるが、有効屈折率の値が一
致する波長がある。すなわち、この波長λCにおいて、
0次と1次モードの結合が生じる。If the propagation constant of the 0th-order mode is β 0 and the propagation constant of the 1st-order mode is β 1 , the propagation constants β 0 and β 1 are greatly different due to the asymmetry between the waveguides 1 and 2. .. At this time, the upper waveguide has a higher refractive index than the lower waveguide,
In addition, if the layer thickness is made thin, there is a wavelength at which the values of the effective refractive index are the same, although the two propagation constants have different wavelength dispersions as shown in FIG. That is, at this wavelength λ C ,
Coupling of the 0th and 1st order modes occurs.
【0014】しかし、上側導波路が、下側導波路と比較
して、屈折率が高く、且つ、層厚が厚い場合は、伝搬定
数の一致する波長が生じない。そこで、この方向性結合
器には、上側導波路2に伝搬定数差を補償するグレーテ
ィング3が形成されている。グレーティング3の周期を
Λ、入射波長をλとすれば、 β0(λ)−β1(λ)=2π/Λ・・・(1) を満足する波長λにおいて、図7のように0次及び1次
モードの結合が生じる。However, when the upper waveguide has a higher refractive index and a larger layer thickness than the lower waveguide, wavelengths having the same propagation constant do not occur. Therefore, in this directional coupler, a grating 3 for compensating for the difference in propagation constant is formed in the upper waveguide 2. Assuming that the period of the grating 3 is Λ and the incident wavelength is λ, at a wavelength λ that satisfies β 0 (λ) −β 1 (λ) = 2π / Λ (1), as shown in FIG. And first-order mode coupling occurs.
【0015】以上の構成により、下側導波路1へ入射し
た光4は1次モードとなり、特定の波長λにおいて0次
モードと結合して上側導波路2への移行を起こす。それ
以外の波長では0次モードと結合を起こさず、下側導波
路1をそのまま伝搬する。With the above structure, the light 4 incident on the lower waveguide 1 becomes a first-order mode, and is coupled to the 0th-order mode at a specific wavelength λ to cause a transition to the upper waveguide 2. At other wavelengths, no coupling with the 0th-order mode occurs, and the light propagates through the lower waveguide 1 as it is.
【0016】第1実施例の波長可変フィルタでは、上記
の方向性結合器がGaAs/AlGaAsで構成されて
おり、上側導波路2がキャリアノンドープの状態すなわ
ちi(intrinsic)層となっており、上側導波
路2の上部のクラッド層5及びコンタクト層6がp型に
ドープされたp層、上下導波路1、2間の中間クラッド
層7がn型にドープされたn層、下側導波路層1がi層
および下側導波路1の下部のクラッド層8がp型にドー
プされたp層となっている。つまり、2層の導波路(i
層)を挟んで全体がp−i−n−i−p構造を形成して
いる。In the tunable filter of the first embodiment, the directional coupler is made of GaAs / AlGaAs, the upper waveguide 2 is in a carrier non-doped state, that is, an i (intrinsic) layer, and A p-layer in which the cladding layer 5 and the contact layer 6 above the waveguide 2 are p-type doped, an n-layer in which the intermediate cladding layer 7 between the upper and lower waveguides 1 and 2 is n-type, and a lower waveguide layer 1 is an i layer and the clad layer 8 below the lower waveguide 1 is a p-type p-type doped layer. That is, the two-layer waveguide (i
The layers form a p-i-n-i-p structure as a whole.
【0017】この構成によれば、基板側p側電極9とn
型中間クラッド層7の電極(不図示)間に逆電界すなわ
ちp側電極9に負電圧を印加すれば、i層である下側導
波路1に電界が集中的に加わる。ここで、下側導波路1
がMQW(多重量子井戸構造)を含む構造であれば、こ
の逆電界によりQCSE(量子閉じ込めシュタルク効
果)が生じ下側導波路1の吸収率が変化する。従って、
クラマース・クロニッヒの関係で表わされる様に同時に
屈折率も変化する。According to this structure, the substrate-side p-side electrode 9 and n
When a reverse electric field, that is, a negative voltage is applied to the p-side electrode 9 between the electrodes (not shown) of the mold intermediate cladding layer 7, the electric field is concentratedly applied to the lower waveguide 1 which is the i-layer. Here, the lower waveguide 1
Is a structure including MQW (multiple quantum well structure), this reverse electric field causes QCSE (quantum confined Stark effect) and changes the absorptance of the lower waveguide 1. Therefore,
At the same time, the refractive index changes, as expressed by the Kramers-Kronig relationship.
【0018】その結果、下側導波路1を主に伝搬する1
次モードの伝搬定数β1が変化し、上記(1)式を満足
する波長λの値が変化する(すなわち波長変化幅は屈折
率変化幅により、直接、決定されてはいない)。As a result, 1 which propagates mainly through the lower waveguide 1
The propagation constant β 1 of the next mode changes, and the value of the wavelength λ that satisfies the above expression (1) changes (that is, the wavelength change width is not directly determined by the refractive index change width).
【0019】(1)式を満足する波長λは、0次モード
に変換され、上側導波路2へ移行する。λ以外の波長、
すなわち非選択波長の光は、下側導波路1を伝搬し続け
るが、下側導波路1はQCSEにより吸収が増大してい
るため、少なからぬ減衰を受ける。The wavelength λ satisfying the expression (1) is converted into the 0th-order mode and is transferred to the upper waveguide 2. wavelengths other than λ,
That is, the light of the non-selected wavelength continues to propagate through the lower waveguide 1, but since the lower waveguide 1 has increased absorption due to QCSE, it undergoes considerable attenuation.
【0020】しかし、この構成によれば、n型中間クラ
ッド層7の電極と、上側p型コンタクト層6上の電極1
0間に順電界すなわち、p側電極10に正電圧を印加す
れば、i層である上側導波路2にキャリアが注入され
る。その結果、上側導波路2は所望の波長にて、光利得
を得ることになる。したがって、選択波長の光は、上部
導波路2に移行し光増幅を受けることが可能で、下側導
波路1で受けた減衰を補償して波長可変時にも一定の透
過利得を保つことができる。However, according to this structure, the electrode of the n-type intermediate cladding layer 7 and the electrode 1 on the upper p-type contact layer 6 are formed.
If a forward electric field, that is, a positive voltage is applied to the p-side electrode 10 during 0, carriers are injected into the upper waveguide 2 that is the i-layer. As a result, the upper waveguide 2 obtains an optical gain at a desired wavelength. Therefore, the light of the selected wavelength can be transferred to the upper waveguide 2 and undergo optical amplification, and the attenuation received in the lower waveguide 1 can be compensated to maintain a constant transmission gain even when the wavelength is varied. ..
【0021】本実施例では、波長多重された複数の波長
の光信号の中から任意の波長の信号を上側導波路2に移
行して出力する波長可変フィルタを構成するものであ
る。非対称な方向性結合器とグレーティングを利用する
波長フィルタは、非対称方向性結合器を構成する導波路
のモード分散を用いる波長フィルタと比較して、グレー
ティングによるモード変換を利用する為にフィルタバン
ド幅の狭いフィルタ特性が得られる。In the present embodiment, a wavelength tunable filter is constructed which transfers a signal of an arbitrary wavelength from the wavelength-multiplexed optical signals of a plurality of wavelengths to the upper waveguide 2 and outputs it. A wavelength filter that uses an asymmetric directional coupler and a grating has a filter bandwidth that uses mode conversion by a grating, as compared with a wavelength filter that uses mode dispersion of a waveguide that constitutes the asymmetric directional coupler. A narrow filter characteristic can be obtained.
【0022】本フィルタの作製は、p+−GaAs基板
11の上に、順に、p−GaAsバッファ層(11に含
まれる)、p−Al0.5Ga0.5Asクラッド層8、アン
ドープMQW(GaAs/Al0.4Ga0.6As)からな
る下側導波路1(0.2μmの厚さ)、n−Al0.5G
a0.5As中間クラッド層7(0.7μmの厚さ)、ア
ンドープMQW(GaAs/Al0.2Ga0.8As)から
なる上側導波路2(0.25μmの厚さ)、p−Al
0.2Ga0.8Asグレーティング層3(0.1μm厚さ)
をMBE(分子線エピタキシー)法により成長する。次
いで、レジストパターニングによりグレーティングを形
成しRIBE(反応性イオンビームエッチング)法によ
り周期9μmのコラゲーション状グレーティングをグレ
ーティング層3に形成する。This filter was manufactured by forming a p-GaAs buffer layer (included in 11), a p-Al 0.5 Ga 0.5 As clad layer 8 and an undoped MQW (GaAs / Al on a p + -GaAs substrate 11 in this order. Lower waveguide 1 (0.2 μm thickness) made of 0.4 Ga 0.6 As), n-Al 0.5 G
a 0.5 As intermediate cladding layer 7 (0.7 μm thick), upper waveguide 2 (0.25 μm thick) made of undoped MQW (GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As), p-Al
0.2 Ga 0.8 As Grating layer 3 (0.1 μm thickness)
Are grown by the MBE (molecular beam epitaxy) method. Then, a grating is formed by resist patterning, and a corrugated grating having a period of 9 μm is formed on the grating layer 3 by RIBE (Reactive Ion Beam Etching).
【0023】レジスト除去後、LPE(液相エピタキシ
ー)若しくはMOCVD法(有機金属気相成長法)によ
りp−Al0.5Ga0.5Asクラッド層5を、そしてp+
−GaAsコンタクト層6を成長した。After removing the resist, the p-Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer 5 and p + are formed by LPE (liquid phase epitaxy) or MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).
-The GaAs contact layer 6 was grown.
【0024】続いて、グレーティング3と直交方向にス
トライプパターンをレジストにより形成し、硫酸系エッ
チャントによりウェハをn−AlGaAs中間クラッド
層7までストライプ状にエッチングした後、n−AlG
aAs中間クラッド層7上にn−GaAsコンタクト層
(不図示)を成長した。基板11裏面とp−コンタクト
層6上にAuGe/Au9、10を、そして中間クラッ
ド層7上のn−コンタクト層上にAuCr/Au(不図
示)を蒸着し、アロイングを行なった。Subsequently, a stripe pattern is formed in a direction orthogonal to the grating 3 with a resist, and the wafer is etched in stripes up to the n-AlGaAs intermediate cladding layer 7 with a sulfuric acid-based etchant, and then n-AlG.
An n-GaAs contact layer (not shown) was grown on the aAs intermediate cladding layer 7. AuGe / Au 9 and 10 were vapor-deposited on the back surface of the substrate 11 and the p-contact layer 6, and AuCr / Au (not shown) was vapor-deposited on the n-contact layer on the intermediate cladding layer 7, and alloying was performed.
【0025】以上の様に作製したフィルタに対してp−
電極9と中間クラッド層7上のn−電極間に逆電圧を印
加すると、アンドープMQWから成る下側導波路1に電
界が加わりQCSEにより屈折率が変化する。For the filter manufactured as described above, p-
When a reverse voltage is applied between the electrode 9 and the n-electrode on the intermediate cladding layer 7, an electric field is applied to the lower waveguide 1 made of undoped MQW, and the refractive index changes due to QCSE.
【0026】図2は電圧を1.0V、1.5V、2.0
Vと印加した例で、下部導波路1から上部導波路2への
結合効率を示している。印加電圧の変化によりバンドパ
スフィルタの透過帯域が短波長側へシフトする様子が分
かる。In FIG. 2, the voltages are 1.0 V, 1.5 V and 2.0.
An example in which V is applied shows the coupling efficiency from the lower waveguide 1 to the upper waveguide 2. It can be seen that the transmission band of the bandpass filter shifts to the short wavelength side due to the change in the applied voltage.
【0027】このように下側導波路1の印加電圧に応じ
て透過帯域はシフトすると同時に、透過率も変化するの
で、本発明では、下部導波路1の印加電圧に応じて、上
部導波路2への注入電流量を制御して、選択波長の透過
利得の安定化をはかることを特徴としている。その結
果、図3のように透過利得が安定な波長可変特性が得ら
れた。これにより、多重化されたチャネルから1つの波
長のチャネルをフィルタリングできる。As described above, since the transmission band shifts according to the applied voltage of the lower waveguide 1 and the transmittance changes at the same time, in the present invention, the upper waveguide 2 changes according to the applied voltage of the lower waveguide 1. It is characterized in that the amount of current injected into the device is controlled to stabilize the transmission gain of the selected wavelength. As a result, wavelength tunable characteristics with stable transmission gain were obtained as shown in FIG. This allows filtering of channels of one wavelength from the multiplexed channels.
【0028】無論、フィルタに要求される仕様によって
は、電界印加による波長シフトのみで、図2のような透
過率の変動が問題にならない場合もある。しかし、本発
明によれば、透過利得が常に安定するため、広い範囲で
仕様を満足できるフィルタを提供することができる。Of course, depending on the specifications required for the filter, there may be cases where the variation in transmittance as shown in FIG. However, according to the present invention, since the transmission gain is always stable, it is possible to provide a filter that can satisfy the specifications in a wide range.
【0029】導波路をバルク層として、逆電圧印加によ
りフランツケルディシュ効果で屈折率変化を起こさせフ
ィルタ特性における透過帯域のシフトを生じさせても良
い。但し、素子長、グレーティング周期、深さ等は適当
に設定し直す必要がある。It is also possible to use the waveguide as a bulk layer and to cause a shift in the transmission band in the filter characteristic by causing a refractive index change by the Franz-Keldysh effect by applying a reverse voltage. However, the element length, the grating period, the depth, etc. need to be set appropriately.
【0030】尚、以上の例ではGaAs系について説明
したが、勿論InP/InGaAsPといった他の半導
体材料を用いても良い。In the above example, the GaAs series is explained, but of course other semiconductor materials such as InP / InGaAsP may be used.
【0031】実施例2 本発明による光半導体素子は、特定の波長において透過
率が制御可能であり、光変調器として構成しても良い。 Example 2 The optical semiconductor device according to the present invention can control the transmittance at a specific wavelength and may be configured as an optical modulator.
【0032】本実施例では、グレーティング3を付加し
て波長選択性を鋭くした方向性結合器を用いている為、
僅かの透過帯の移行で大きな結合効率変化が生じる。す
なわち、図4に示す様に、特定の波長λSを持つ被変調
光に対して、僅か1V程度の差で光のON−OFFを得
ることができる。In this embodiment, since a directional coupler having a sharp wavelength selectivity by adding the grating 3 is used,
A slight change in the transmission band causes a large change in coupling efficiency. That is, as shown in FIG. 4, it is possible to obtain ON / OFF of the light with a difference of only about 1 V with respect to the modulated light having the specific wavelength λ S.
【0033】本発明の光変調器によれば、下側導波路1
の屈折率制御により、透過波長帯(結合波長帯)のシフ
トを行ない、被変調光の変調を行なうと同時に、上側導
波路1の利得制御により、同じく被変調光の変調を行な
うことができる。そのため、被変調光の波長によらず極
めて消光比が高く、且つ変調度の深い光変調器が得られ
る。According to the optical modulator of the present invention, the lower waveguide 1
By controlling the refractive index of (1), the transmission wavelength band (coupling wavelength band) is shifted to modulate the modulated light, and at the same time, by controlling the gain of the upper waveguide 1, the modulated light can also be modulated. Therefore, an optical modulator having an extremely high extinction ratio and a deep modulation degree can be obtained regardless of the wavelength of the modulated light.
【0034】本実例の光変調器は、第1の実施例と同様
である。但し、下側導波路1はアンドープMQWからな
り、電子−重い正孔間のエネルギギャップは、1.50
eVすなわち波長で824nmであり、被変調光の波長
835nmに対して、吸収率の変化が激しいが、同時に
屈折率変化も大きい。The optical modulator of this embodiment is the same as that of the first embodiment. However, the lower waveguide 1 is made of undoped MQW, and the energy gap between electrons and heavy holes is 1.50.
eV, that is, the wavelength is 824 nm, and the absorptance greatly changes with respect to the wavelength 835 nm of the modulated light, but at the same time, the refractive index also changes greatly.
【0035】上側導波路2はアンドープAl0.06Ga
0.94Asからなり、光利得のピーク波長が835nm付
近にあり、低い注入電流量で充分な光利得を得ることが
できる。The upper waveguide 2 is made of undoped Al 0.06 Ga.
It is composed of 0.94 As, the peak wavelength of the optical gain is around 835 nm, and a sufficient optical gain can be obtained with a low injection current amount.
【0036】以上の本実施例では、入力として2GHz
のNRZ信号を印加したCWの入力光(連続光)の出力
強度を観察したところ極めて良好な追従波形が得られ
た。In this embodiment described above, 2 GHz is used as the input.
When the output intensity of the CW input light (continuous light) to which the NRZ signal was applied was observed, an extremely good following waveform was obtained.
【0037】本実施例の光変調器は、導波路の伝搬に伴
う散乱損失や屈折率制御時の吸収損失を補償できるた
め、挿入損失を消すことができる。さらに、透過帯域の
制御により、透過光強度を極めて低くすることができ、
且つ独立な光利得の制御により、透過光強度を充分高め
ることもできる。そのため、被変調光の消光比を容易に
30dB以上に上げることができる。又、設定波長が自
由なため、広い波長域にわたって有効な光変調器を提供
することができる。Since the optical modulator of the present embodiment can compensate the scattering loss due to the propagation of the waveguide and the absorption loss at the time of controlling the refractive index, the insertion loss can be eliminated. Furthermore, by controlling the transmission band, the transmitted light intensity can be made extremely low,
Moreover, the intensity of the transmitted light can be sufficiently increased by independently controlling the optical gain. Therefore, the extinction ratio of the modulated light can be easily increased to 30 dB or more. Further, since the setting wavelength is free, it is possible to provide an optical modulator effective over a wide wavelength range.
【0038】以上の第1、第2実施例では、屈折率制御
を逆電圧印加によるQCSEで得たが、勿論、バルク結
晶におけるフランツケルディシュ効果を利用したり、順
電圧印加によるキャリア注入に基づくプラズマ効果、バ
ンドフィリング効果というキャリア量変化による屈折率
変化を利用しても良い。In the above-mentioned first and second embodiments, the refractive index control is obtained by QCSE by applying a reverse voltage. However, it is needless to say that the Franz-Keldysh effect in a bulk crystal is utilized or carrier injection is performed by applying a forward voltage. A change in the refractive index due to a change in the amount of carriers such as a plasma effect and a band filling effect may be used.
【0039】本発明の原理によれば、僅かの屈折率変化
により上記(1)式の関係を介して充分な変調度が得ら
れるため((1)式中のβ0(λ)、β1(λ)のλが変
化すること)、キャリア注入により付随的に生じる熱発
生も低く押えることができる。According to the principle of the present invention, a sufficient degree of modulation can be obtained through the relationship of the above equation (1) by a slight change in the refractive index (β 0 (λ), β 1 in the equation (1). (Λ of (λ) changes), and the heat generation incidental to the carrier injection can be suppressed.
【0040】実施例3 図5は光変調器の第3実施例を示す。第3実施例ではグ
レーティングを、上記実施例の如く上側導波路ではなく
上下導波路の中間部に形成している。本実施例は以下の
如く作製される。 Embodiment 3 FIG. 5 shows a third embodiment of the optical modulator. In the third embodiment, the grating is formed not in the upper waveguide as in the above embodiment but in the middle portion of the upper and lower waveguides. This example is manufactured as follows.
【0041】MBE法により、n+−GaAs基板51
上に、n−GaAsバッファ層(不図示)(n=2×1
018cm-3)を0.5μm厚で、n−Al0.5Ga0.5A
sクラッド層(n=1×1017cm-3)52を1.5μ
m厚で、アンドープMQW(GaAs/Al0.4Ga0.6
As)下側導波路層53を0.1μm厚で、p−Al
0.5Ga0.5As中間クラッド層(p=1×1017c
m-3)54を0.4μm厚で、GaAs(厚さ50Å、
井戸)/Al0.5Ga0.5As(厚さ100Å、バリア)
から成るp−MQW層(p=1×1017m-3)55を
0.1μm厚で成長した。The n + -GaAs substrate 51 is formed by the MBE method.
On top, an n-GaAs buffer layer (not shown) (n = 2 × 1)
0 18 cm −3 ) with a thickness of 0.5 μm and n-Al 0.5 Ga 0.5 A
s clad layer (n = 1 × 10 17 cm −3 ) 52 with a thickness of 1.5 μm
m-thick, undoped MQW (GaAs / Al 0.4 Ga 0.6
As) The lower waveguide layer 53 has a thickness of 0.1 μm and is made of p-Al.
0.5 Ga 0.5 As intermediate cladding layer (p = 1 × 10 17 c
m -3 ) 54 with a thickness of 0.4 μm and GaAs (thickness 50Å,
Well) / Al 0.5 Ga 0.5 As (100 Å thickness, barrier)
The p-MQW layer (p = 1 × 10 17 m -3) 55 made of grown 0.1μm thick.
【0042】続いて、フォトリソグラフィー法により、
MQW層55を周期8μmのグレーティングに形成し、
再びp−Al0.5Ga0.5As中間クラッド層(p−1×
1017cm-3)56を0.4μm厚で、アンドープAl
0.06Ga0.94As上側導波路層(ノンドープ)57を
0.3μm厚で、n−Al0.5Ga0.5Asクラッド層
(n=1×1017cm-3)58を1.5μm厚で、n+
−GaAsコンタクト層(n=1×1018cm-3)59
を0.5μm厚でMOCVD法により成長した。更に、
第1実施例の工程と同様にして、p−AlGaAs中間
クラッド層からp−電極を取り出して、光変調器を形成
した。Then, by the photolithography method,
The MQW layer 55 is formed into a grating with a period of 8 μm,
Again, p-Al 0.5 Ga 0.5 As intermediate cladding layer (p-1 ×
10 17 cm −3 ) 56 with a thickness of 0.4 μm and undoped Al
0.06 Ga 0.94 As upper waveguide layer (non-doped) 57 with a thickness of 0.3 μm, n-Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer (n = 1 × 10 17 cm −3 ) 58 with a thickness of 1.5 μm, and n +
-GaAs contact layer (n = 1 × 10 18 cm -3 ) 59
Was grown to a thickness of 0.5 μm by MOCVD. Furthermore,
Similar to the process of the first embodiment, the p-electrode was taken out from the p-AlGaAs intermediate cladding layer to form an optical modulator.
【0043】本実施例では、電界印加により屈折率、吸
収率が変化する下側導波路(i層)53と、0次モード
と1次モードの結合が行なわれるグレーティング55と
が分離されている。その為、下側導波路53を伝搬する
1次モードの分布が上側導波路57に及んでいなくても
グレーティング部55で0次モード(上側導波路57を
中心に伝搬するモード)との結合が起こる。よって、下
側導波路53を伝搬する1次モードが上側導波路57の
吸収を受ける割合は、先の実施例と比べて低くなる様に
設計できる。In this embodiment, the lower waveguide (i layer) 53 whose refractive index and absorptance are changed by the application of an electric field and the grating 55 which couples the 0th mode and the 1st mode are separated. .. Therefore, even if the distribution of the first-order mode propagating in the lower waveguide 53 does not reach the upper waveguide 57, the coupling with the 0th-order mode (mode propagating around the upper waveguide 57) in the grating portion 55 is performed. Happens. Therefore, the rate at which the first-order mode propagating through the lower waveguide 53 is absorbed by the upper waveguide 57 can be designed to be lower than that in the previous embodiment.
【0044】ところで、以上の実施例のグレーティング
形成位置はあくまで例示であり、その位置は両導波路を
夫々中心として伝搬する両モードの結合する位置ならい
ずれでもよい。例えば、下側導波路に形成しても同様の
効果が得られる。By the way, the grating formation positions in the above embodiments are merely examples, and the positions may be any positions where both modes propagating centering on both waveguides are coupled. For example, the same effect can be obtained by forming the lower waveguide.
【0045】[0045]
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、2
層の積層された導波路に独立に電界が加わるように、導
波路をi層としたp−i−n−i−p又はn−i−p−
i−n構造とすることにより、挿入損失ないし伝搬損失
が無視でき、低電圧駆動が可能で、広い波長可変範囲を
得られる波長分割多重型光通信、光交換、光演算などに
好適な光変調器やフィルタなどの光半導体装置が実現さ
れる。また、こうしたデバイスは他の光検出器、レーザ
などの光電子素子との集積化に適する。As described above, according to the present invention, 2
P-i-n-i-p or n-i-p- with the waveguide as an i-layer so that an electric field is independently applied to the laminated waveguide.
By adopting the in-n structure, insertion loss or propagation loss can be ignored, low voltage driving is possible, and optical modulation suitable for wavelength division multiplexing optical communication, optical switching, optical calculation, etc., which can obtain a wide wavelength tunable range. Optical semiconductor devices such as containers and filters are realized. Also, such devices are suitable for integration with other photodetectors, optoelectronic devices such as lasers.
【0046】更に、波長可変フィルタとしては波長間ク
ロストークが低く短い素子長とできたり、また光変調器
としては変調度が深く消光比が高く、被変調波長の自由
度の高いものとできる。Further, the wavelength tunable filter can have a short element length with a low crosstalk between wavelengths, and the optical modulator can have a high degree of modulation and a high extinction ratio and a high degree of freedom in the wavelength to be modulated.
【図1】本発明の第1実施例の断面図。FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of the present invention.
【図2】印加電圧に対する透過率を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a transmittance with respect to an applied voltage.
【図3】印加電圧に対する透過率を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a transmittance with respect to an applied voltage.
【図4】第2実施例を説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating a second embodiment.
【図5】第3実施例を示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing a third embodiment.
【図6】本発明の光半導体素子の原理を示す図。FIG. 6 is a diagram showing the principle of an optical semiconductor device of the present invention.
【図7】本発明の光半導体素子の原理を示す図。FIG. 7 is a diagram showing the principle of an optical semiconductor device of the present invention.
【図8】GaAs/AlGaAs多重量子井戸構造の光
吸収スペクトルを示す図。FIG. 8 is a diagram showing an optical absorption spectrum of a GaAs / AlGaAs multiple quantum well structure.
【図9】(a),(b)は従来の光変調器の概形を示す
図。9A and 9B are diagrams showing a schematic shape of a conventional optical modulator.
1,53・・・下側導波路 2,57・・・上側導波路 3,55・・・グレーティング 5,7,8,52,54,56,58・・・クラッド層 6,59・・・コンタクト層 11,51・・・基板 9,10,60,61・・電極 1, 53 ... Lower waveguide 2, 57 ... Upper waveguide 3, 55 ... Grating 5, 7, 8, 52, 54, 56, 58 ... Clad layer 6, 59 ... Contact layer 11, 51 ... Substrate 9, 10, 60, 61 ... Electrode
Claims (6)
される方向性結合器を有し、該2層の半導体導波路を含
む層構成が、p−i−n−i−p構造およびn−i−p
−i−n構造の一方であり、且つ前記2層の半導体導波
路が共にi層で構成されていることを特徴とする光半導
体素子。1. A directional coupler having two stacked semiconductor waveguides, wherein a layer structure including the two semiconductor waveguides has a p-i-n-i-p structure and a p-i-n-i-p structure. nip
An optical semiconductor device having one of an -i-n structure, and the two-layer semiconductor waveguides are both i-layers.
とも屈折率及び層厚の一方の異なる導波路から構成され
ている請求項1記載の光半導体素子。2. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the two-layer semiconductor waveguides are waveguides having at least one of a refractive index and a layer thickness different from each other.
る導波モードが、相互結合する領域にグレーティングが
形成されている請求項2記載の光半導体素子。3. The optical semiconductor device according to claim 2, wherein a grating is formed in a region where waveguide modes each having a central intensity are mutually coupled in the two-layer waveguides.
路は、夫々、外部よりp−i−n構造を通して電界を互
いに独立に印加できるように構成されている請求項1記
載の光半導体素子。4. The light according to claim 1, wherein each of the two-layer semiconductor waveguides formed by the i-layer is configured to be able to independently apply an electric field from the outside through a pin structure. Semiconductor device.
として構成されている請求項1記載の光半導体素子。5. The optical semiconductor element according to claim 1, wherein the optical semiconductor element is configured as a wavelength tunable filter.
成されている請求項1記載の光半導体素子。6. The optical semiconductor element according to claim 1, wherein the optical semiconductor element is configured as an optical modulator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04025762A JP3123672B2 (en) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | Optical semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04025762A JP3123672B2 (en) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | Optical semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05188412A true JPH05188412A (en) | 1993-07-30 |
JP3123672B2 JP3123672B2 (en) | 2001-01-15 |
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ID=12174848
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP04025762A Expired - Fee Related JP3123672B2 (en) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | Optical semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3123672B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6665474B2 (en) * | 2001-02-22 | 2003-12-16 | Altitun Ab | Method of improving selectivity in a tunable waveguide filter |
US6904065B2 (en) | 2001-02-22 | 2005-06-07 | Adc Telecommunications, Inc. | Method and apparatus for compensating losses in a tunable laser filter |
JP2012138523A (en) * | 2010-12-27 | 2012-07-19 | Opnext Japan Inc | Semiconductor laser module |
-
1992
- 1992-01-16 JP JP04025762A patent/JP3123672B2/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6665474B2 (en) * | 2001-02-22 | 2003-12-16 | Altitun Ab | Method of improving selectivity in a tunable waveguide filter |
US6904065B2 (en) | 2001-02-22 | 2005-06-07 | Adc Telecommunications, Inc. | Method and apparatus for compensating losses in a tunable laser filter |
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