JP2003248204A - 半導体光素子、半導体光変調素子、及び半導体光受光素子 - Google Patents
半導体光素子、半導体光変調素子、及び半導体光受光素子Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
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-
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- G02F1/218—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference using semi-conducting materials
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 波長１．３μｍ帯の光を吸収せず、かつ、か
かる光を効果的に閉じ込める光導波層を有する半導体光
素子を提供する。 【解決手段】 波長λＬＤの光が光導波層３を通って光
吸収層２に導波される半導体光素子において、半導体基
板１と、半導体基板上に設けられ、ウエル層とバリア層
とを含む量子井戸構造を有する光導波層と、光導波層を
通った光が入射するように、光導波層に隣接して半導体
基板上に設けられた光吸収層と、光導波層及び光吸収層
の上に設けられたクラッド層４と、光吸収層を挟んで設
けられた１組の電極とを含み、ウエル層の組成波長λｇ
が波長λＬＤより長くなり、かつウエル層の、伝導帯の
基底準位と価電子帯の基底準位との間の遷移エネルギが
波長λＬＤの光が有する光子エネルギより大きくなるよ
うにする。
かる光を効果的に閉じ込める光導波層を有する半導体光
素子を提供する。 【解決手段】 波長λＬＤの光が光導波層３を通って光
吸収層２に導波される半導体光素子において、半導体基
板１と、半導体基板上に設けられ、ウエル層とバリア層
とを含む量子井戸構造を有する光導波層と、光導波層を
通った光が入射するように、光導波層に隣接して半導体
基板上に設けられた光吸収層と、光導波層及び光吸収層
の上に設けられたクラッド層４と、光吸収層を挟んで設
けられた１組の電極とを含み、ウエル層の組成波長λｇ
が波長λＬＤより長くなり、かつウエル層の、伝導帯の
基底準位と価電子帯の基底準位との間の遷移エネルギが
波長λＬＤの光が有する光子エネルギより大きくなるよ
うにする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光変調器等
の半導体光素子に関し、特に、波長が１．３μｍ帯の光
通信システムに使用する半導体光素子に関する。
の半導体光素子に関し、特に、波長が１．３μｍ帯の光
通信システムに使用する半導体光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】図６は、全体が４００で表される、従来
の半導体光変調器の斜視図である。半導体光変調器４０
０は、ｎ型のＩｎＰ基板１を含む。ＩｎＰ基板１の上部
はリッジ状に加工され、その上に、光吸収層２と光導波
層１３が設けられている。光吸収層２は、ＩｎＧａＡｓ
ＰやＩｎＧａＡｌＡｓの多重量子井戸層またはバルク層
から形成される。また、光導波層１３は、ＩｎＧａＡｓ
Ｐのバルク層から形成される。光吸収層２の両側に光導
波層１３が形成され、これらの層の上に、ｐ型のＩｎＰ
クラッド層４、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５が
積層されている。更に、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５
の上面、ＩｎＰ基板１の裏面に、Ｔｉ／Ａｕからなるア
ノード電極６、カソード電極７が設けられている。
の半導体光変調器の斜視図である。半導体光変調器４０
０は、ｎ型のＩｎＰ基板１を含む。ＩｎＰ基板１の上部
はリッジ状に加工され、その上に、光吸収層２と光導波
層１３が設けられている。光吸収層２は、ＩｎＧａＡｓ
ＰやＩｎＧａＡｌＡｓの多重量子井戸層またはバルク層
から形成される。また、光導波層１３は、ＩｎＧａＡｓ
Ｐのバルク層から形成される。光吸収層２の両側に光導
波層１３が形成され、これらの層の上に、ｐ型のＩｎＰ
クラッド層４、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５が
積層されている。更に、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５
の上面、ＩｎＰ基板１の裏面に、Ｔｉ／Ａｕからなるア
ノード電極６、カソード電極７が設けられている。
【０００３】半導体光変調器４００では、入射光５１が
光導波層１３に入射する。入射光５１には、波長１．３
μｍ帯のＣＷ光が用いられる。入射光５１は、光導波層
１３により光吸収層２に導かれる。アノード電極６とカ
ソード電極７との間には逆バイアス電圧が印加され、こ
れに高周波の変調電気信号が重畳される。この結果、光
吸収層２を通るＣＷ光に与える、量子閉じ込めシュタル
ク効果またはフランツケルディッシュ効果の程度が変化
し、光吸収層２での光の吸収量が変化する。これによ
り、光吸収層２から反対側の光導波層１３を通って出射
する出射光５２の強度や位相が変調される。
光導波層１３に入射する。入射光５１には、波長１．３
μｍ帯のＣＷ光が用いられる。入射光５１は、光導波層
１３により光吸収層２に導かれる。アノード電極６とカ
ソード電極７との間には逆バイアス電圧が印加され、こ
れに高周波の変調電気信号が重畳される。この結果、光
吸収層２を通るＣＷ光に与える、量子閉じ込めシュタル
ク効果またはフランツケルディッシュ効果の程度が変化
し、光吸収層２での光の吸収量が変化する。これによ
り、光吸収層２から反対側の光導波層１３を通って出射
する出射光５２の強度や位相が変調される。
【０００４】図７は、図６の光導波層１３の近傍をVI−
VI方向に見た場合のバンドダイヤグラムであり、ＩｎＰ
基板１とＩｎＰクラッド層４との間に、ＩｎＧａＡｓＰ
のバルク層からなる光導波層１３が挟まれた構造となっ
ている。光導波層１３では、組成波長λｇが１．１μｍ
よりも小さくなるように、ＩｎＧａＡｓＰの混晶比が選
択される。これは、波長１．３μｍのＣＷ光の、光導波
層１３での吸収を低減するためである。
VI方向に見た場合のバンドダイヤグラムであり、ＩｎＰ
基板１とＩｎＰクラッド層４との間に、ＩｎＧａＡｓＰ
のバルク層からなる光導波層１３が挟まれた構造となっ
ている。光導波層１３では、組成波長λｇが１．１μｍ
よりも小さくなるように、ＩｎＧａＡｓＰの混晶比が選
択される。これは、波長１．３μｍのＣＷ光の、光導波
層１３での吸収を低減するためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＩｎＧ
ａＡｓＰからなる光導波層１３の組成波長λｇが１．１
μｍの場合、光導波層１３の屈折率は３．３０程度とな
る。一方、ＩｎＰ基板１やＩｎＰクラッド層４の屈折率
は３．２１となり、両者の間の屈折率の差は０．０９と
小さな値となる。即ち、波長１．５５μｍ帯の半導体光
変調器で実用化されているような良好な光の閉じ込めを
実現するためには、屈折率の差を０．１５以上とするこ
とが必要となる。これに対して、光導波層３の組成波長
λｇを単に大きくしただけでは光の閉じ込め効率は向上
するが、逆に、光の吸収量が増加してしまう。
ａＡｓＰからなる光導波層１３の組成波長λｇが１．１
μｍの場合、光導波層１３の屈折率は３．３０程度とな
る。一方、ＩｎＰ基板１やＩｎＰクラッド層４の屈折率
は３．２１となり、両者の間の屈折率の差は０．０９と
小さな値となる。即ち、波長１．５５μｍ帯の半導体光
変調器で実用化されているような良好な光の閉じ込めを
実現するためには、屈折率の差を０．１５以上とするこ
とが必要となる。これに対して、光導波層３の組成波長
λｇを単に大きくしただけでは光の閉じ込め効率は向上
するが、逆に、光の吸収量が増加してしまう。
【０００６】そこで、本発明は、波長１．３μｍ帯の光
を吸収せず、かつ、かかる光を効果的に閉じ込める光導
波層を備えた半導体光素子の提供を目的とする。
を吸収せず、かつ、かかる光を効果的に閉じ込める光導
波層を備えた半導体光素子の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、波長λＬＤの
光が光導波層を通って光吸収層に導波される半導体光素
子であって、半導体基板と、該半導体基板上に設けら
れ、ウエル層とバリア層とを含む量子井戸構造を有する
光導波層と、該光導波層を通った光が入射するように、
該光導波層に隣接して該半導体基板上に設けられた光吸
収層と、該光導波層及び該光吸収層の上に設けられたク
ラッド層と、該光吸収層を挟んで設けられた１組の電極
とを含み、該ウエル層の組成波長λｇが波長λＬＤより
長くなり、かつ該ウエル層の、伝導帯の基底準位と価電
子帯の基底準位との間の遷移エネルギが該波長λＬＤの
光が有する光子エネルギより大きくなるようにしたこと
を特徴とする半導体光素子である。かかる多重量子井戸
構造の光導波層を用いることにより、光導波層での光の
吸収を防止しつつ、良好な光閉じ込め効果を得ることが
できる。
光が光導波層を通って光吸収層に導波される半導体光素
子であって、半導体基板と、該半導体基板上に設けら
れ、ウエル層とバリア層とを含む量子井戸構造を有する
光導波層と、該光導波層を通った光が入射するように、
該光導波層に隣接して該半導体基板上に設けられた光吸
収層と、該光導波層及び該光吸収層の上に設けられたク
ラッド層と、該光吸収層を挟んで設けられた１組の電極
とを含み、該ウエル層の組成波長λｇが波長λＬＤより
長くなり、かつ該ウエル層の、伝導帯の基底準位と価電
子帯の基底準位との間の遷移エネルギが該波長λＬＤの
光が有する光子エネルギより大きくなるようにしたこと
を特徴とする半導体光素子である。かかる多重量子井戸
構造の光導波層を用いることにより、光導波層での光の
吸収を防止しつつ、良好な光閉じ込め効果を得ることが
できる。
【０００８】また、本発明は、上記光導波層の実効的な
屈折率と、上記クラッド層の屈折率との差が、略０．１
５以上となるように、該光導波層に含まれる上記ウエル
層と上記バリア層との膜厚を調整したことを特徴とする
半導体光素子でもある。光導波層と光導波層を挟むクラ
ッド層との間の屈折率差を０．１５以上とすることによ
り、良好な光導波層への光の閉じ込め効果を得ることが
できる。この場合、例えば、波長が１．５５μｍ帯の光
を変調する光変調器で得られる光閉じ込め係数と同程度
の閉じ込め係数を得ることができる。
屈折率と、上記クラッド層の屈折率との差が、略０．１
５以上となるように、該光導波層に含まれる上記ウエル
層と上記バリア層との膜厚を調整したことを特徴とする
半導体光素子でもある。光導波層と光導波層を挟むクラ
ッド層との間の屈折率差を０．１５以上とすることによ
り、良好な光導波層への光の閉じ込め効果を得ることが
できる。この場合、例えば、波長が１．５５μｍ帯の光
を変調する光変調器で得られる光閉じ込め係数と同程度
の閉じ込め係数を得ることができる。
【０００９】上記波長λＬＤは、略１．２μｍから略
１．４μｍの範囲内にあり、好適には略１．３μｍであ
る。
１．４μｍの範囲内にあり、好適には略１．３μｍであ
る。
【００１０】上記基板及び上記クラッド層は、ＩｎＰか
らなることが好ましい。
らなることが好ましい。
【００１１】上記ウエル層の膜厚は略６ｎｍ以下であ
り、上記バリア層の膜厚は略５ｎｍから略６ｎｍの範囲
内にあることが好ましい。ウエル層の膜厚を略６ｎｍ以
下とすることにより、光導波層内における光変調（光吸
収）の発生を防止して、かかる光変調により発生する雑
音を無くすことができる。なお、有効な閉じ込め効果を
得るには、ウエル層の幅は略３ｎｍ以上であることが好
ましい。また、バリア層の膜厚を膜厚は略５ｎｍから略
６ｎｍの範囲内とすることにより、ウエル層の基底準位
が小さくなるのを防止するとともに、光導波層の実効的
な屈折率が低下するのを防止することができる。
り、上記バリア層の膜厚は略５ｎｍから略６ｎｍの範囲
内にあることが好ましい。ウエル層の膜厚を略６ｎｍ以
下とすることにより、光導波層内における光変調（光吸
収）の発生を防止して、かかる光変調により発生する雑
音を無くすことができる。なお、有効な閉じ込め効果を
得るには、ウエル層の幅は略３ｎｍ以上であることが好
ましい。また、バリア層の膜厚を膜厚は略５ｎｍから略
６ｎｍの範囲内とすることにより、ウエル層の基底準位
が小さくなるのを防止するとともに、光導波層の実効的
な屈折率が低下するのを防止することができる。
【００１２】上記基板はＩｎＰからなり、上記光導波層
に含まれる上記ウエル層／上記バリア層は、ＩｎＧａＡ
ｌＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧ
ａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ／Ｉｎ
Ｐ、ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌ
Ａｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡ
ｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択される１の
組からなることが好ましい。なお、ウエル層の材料の混
晶比は、ウエル層の組成波長λｇが、波長λＬＤより大
きくなる（長波長となる）ような比に選択される。一
方、バリア層の材料の混晶比は、バリア層の組成波長λ
ｇが、波長λＬＤより小さくなる（短波長となる）よう
な比に選択される。
に含まれる上記ウエル層／上記バリア層は、ＩｎＧａＡ
ｌＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧ
ａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ／Ｉｎ
Ｐ、ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌ
Ａｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡ
ｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択される１の
組からなることが好ましい。なお、ウエル層の材料の混
晶比は、ウエル層の組成波長λｇが、波長λＬＤより大
きくなる（長波長となる）ような比に選択される。一
方、バリア層の材料の混晶比は、バリア層の組成波長λ
ｇが、波長λＬＤより小さくなる（短波長となる）よう
な比に選択される。
【００１３】上記基板はＧａＡｓからなり、上記光導波
層に含まれる上記ウエル層／上記バリア層は、ＩｎＧａ
ＮＡｓ／ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ、Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる群から選択される１の組
からなることが好ましい。なお、ウエル層の材料の混晶
比は、ウエル層の組成波長λｇが、波長λＬＤより大き
くなるような比に選択される。一方、バリア層の材料の
混晶比は、バリア層の組成波長λｇが、波長λＬＤより
小さくなるような比に選択される。
層に含まれる上記ウエル層／上記バリア層は、ＩｎＧａ
ＮＡｓ／ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ、Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる群から選択される１の組
からなることが好ましい。なお、ウエル層の材料の混晶
比は、ウエル層の組成波長λｇが、波長λＬＤより大き
くなるような比に選択される。一方、バリア層の材料の
混晶比は、バリア層の組成波長λｇが、波長λＬＤより
小さくなるような比に選択される。
【００１４】また、本発明は、上述の構造を有し、上記
光導波層を通って上記光吸収層に入射した上記光が、上
記電極間に印加される電圧により変調されることを特徴
とする半導体光変調器でもある。
光導波層を通って上記光吸収層に入射した上記光が、上
記電極間に印加される電圧により変調されることを特徴
とする半導体光変調器でもある。
【００１５】また、本発明は、上述の構造を有し、上記
光導波層を通って上記光吸収層に入射した上記光が、該
光吸収層内で電流に変換されて上記電極から取り出され
ることを特徴とする半導体光受光素子でもある。
光導波層を通って上記光吸収層に入射した上記光が、該
光吸収層内で電流に変換されて上記電極から取り出され
ることを特徴とする半導体光受光素子でもある。
【００１６】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、全体が１
００で表される、本発明の実施の形態１にかかる半導体
光変調器の斜視図である。半導体光変調器１００は、
１．３μｍ帯の光の変調に用いられる。半導体光変調器
１００は、ｎ型のＩｎＰ基板１を含む。ＩｎＰ基板１の
上部はリッジ状に加工され、その上に、光吸収層２と光
導波層３が設けられている。光吸収層２は、ＩｎＧａＡ
ｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓからなり、多重量子井戸構造、
またはバルク構造を有する。また、光吸収層２の両側に
光導波層３が形成されている。これらの層の上には、ｐ
型のＩｎＰクラッド層４、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰコンタ
クト層５が積層されている。更に、ＩｎＧａＡｓＰコン
タクト層５の上面、ＩｎＰ基板１の裏面に、Ｔｉ／Ａｕ
からなるアノード電極６、カソード電極７が設けられて
いる。
００で表される、本発明の実施の形態１にかかる半導体
光変調器の斜視図である。半導体光変調器１００は、
１．３μｍ帯の光の変調に用いられる。半導体光変調器
１００は、ｎ型のＩｎＰ基板１を含む。ＩｎＰ基板１の
上部はリッジ状に加工され、その上に、光吸収層２と光
導波層３が設けられている。光吸収層２は、ＩｎＧａＡ
ｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓからなり、多重量子井戸構造、
またはバルク構造を有する。また、光吸収層２の両側に
光導波層３が形成されている。これらの層の上には、ｐ
型のＩｎＰクラッド層４、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰコンタ
クト層５が積層されている。更に、ＩｎＧａＡｓＰコン
タクト層５の上面、ＩｎＰ基板１の裏面に、Ｔｉ／Ａｕ
からなるアノード電極６、カソード電極７が設けられて
いる。
【００１７】半導体光変調器１００では、光導波層３が
多重量子井戸層からなる。図２は、図１の光導波層３の
近傍をＩ−Ｉ方向に見た場合のバンドダイヤグラムであ
り、ＩｎＰ基板１とＩｎＰクラッド層４との間に、多重
量子井戸層からなる光導波層３が挟まれた構造となって
いる。
多重量子井戸層からなる。図２は、図１の光導波層３の
近傍をＩ−Ｉ方向に見た場合のバンドダイヤグラムであ
り、ＩｎＰ基板１とＩｎＰクラッド層４との間に、多重
量子井戸層からなる光導波層３が挟まれた構造となって
いる。
【００１８】まず、光導波層３が良好な光閉じ込め効果
を有するように、光導波層３の材料を選択する。具体的
には、図２に示すように、ＩｎＧａＡｓＰからなるウエ
ル層３１と、ＩｎＰからなるバリア層３２から光導波層
３を形成する。ＩｎＧａＡｓＰの屈折率は、組成（混晶
比）を調整することにより、３．５３以上にできる。こ
のため、例えば、ウエル層３１、バリア層３２の膜厚を
それぞれ略６ｎｍとすると、光導波層３の実効的な屈折
率は、３．３７以上となる。一方、光導波層３を上下か
ら挟むＩｎＰ基板１、ＩｎＰクラッド層４の屈折率は
３．２１である。従って、光導波層３とこれを挟むＩｎ
Ｐ層１、４との屈折率の差は０．１６以上となり、光導
波層３は良好な閉じ込め効果を有する。
を有するように、光導波層３の材料を選択する。具体的
には、図２に示すように、ＩｎＧａＡｓＰからなるウエ
ル層３１と、ＩｎＰからなるバリア層３２から光導波層
３を形成する。ＩｎＧａＡｓＰの屈折率は、組成（混晶
比）を調整することにより、３．５３以上にできる。こ
のため、例えば、ウエル層３１、バリア層３２の膜厚を
それぞれ略６ｎｍとすると、光導波層３の実効的な屈折
率は、３．３７以上となる。一方、光導波層３を上下か
ら挟むＩｎＰ基板１、ＩｎＰクラッド層４の屈折率は
３．２１である。従って、光導波層３とこれを挟むＩｎ
Ｐ層１、４との屈折率の差は０．１６以上となり、光導
波層３は良好な閉じ込め効果を有する。
【００１９】ここで、ウエル層３１を、単にＩｎＧａＡ
ｓＰから形成するだけでは、ウエル層３１の組成波長λ
ｇが、半導体光変調器１００で変調する光の波長（使用
波長）λＬＤである１．３μｍより大きくなり、ウエル
層３１で光吸収が発生してしまう。そこで、半導体光変
調器１００では、ウエル層３１の幅を適当に選択し、伝
導帯の基底準位と、価電子帯の基底準位との間の遷移エ
ネルギ（波長λｇＭＱＷに相当）が、使用波長λＬＤの
光が有する光子エネルギより大きくなるようにする。こ
の結果、光導波層３中を導波される波長１．３μｍの光
が、光導波層３に吸収されるのを防止できる。なお、バ
リア層３２の組成波長は、使用波長λＬＤより小さくな
っている。
ｓＰから形成するだけでは、ウエル層３１の組成波長λ
ｇが、半導体光変調器１００で変調する光の波長（使用
波長）λＬＤである１．３μｍより大きくなり、ウエル
層３１で光吸収が発生してしまう。そこで、半導体光変
調器１００では、ウエル層３１の幅を適当に選択し、伝
導帯の基底準位と、価電子帯の基底準位との間の遷移エ
ネルギ（波長λｇＭＱＷに相当）が、使用波長λＬＤの
光が有する光子エネルギより大きくなるようにする。こ
の結果、光導波層３中を導波される波長１．３μｍの光
が、光導波層３に吸収されるのを防止できる。なお、バ
リア層３２の組成波長は、使用波長λＬＤより小さくな
っている。
【００２０】次に、光導波層３を構成するウエル層３１
／バリア層３２の膜厚について説明する。図３は、ウエ
ル層／バリア層がＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰの多重量子井
戸からなる光吸収層を有する半導体光変調器に、電圧を
印加した場合の、ウエル層の膜厚と光変調強度との関係
である。変調される光の波長は１．３μｍで、アノード
電極６、カソード電極７間には、０〜３Ｖの電圧を印加
して光変調を行った。図３からわかるように、ウエルの
膜厚が略６．８ｍｍ〜略９．５ｎｍの範囲で光変調が発
生し、略８．３ｎｍで光変調強度が最も大きくなった。
これは、かかる膜厚の範囲内で、量子閉じ込めシュタル
ク効果が有効に現れるためと考えられる。
／バリア層３２の膜厚について説明する。図３は、ウエ
ル層／バリア層がＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰの多重量子井
戸からなる光吸収層を有する半導体光変調器に、電圧を
印加した場合の、ウエル層の膜厚と光変調強度との関係
である。変調される光の波長は１．３μｍで、アノード
電極６、カソード電極７間には、０〜３Ｖの電圧を印加
して光変調を行った。図３からわかるように、ウエルの
膜厚が略６．８ｍｍ〜略９．５ｎｍの範囲で光変調が発
生し、略８．３ｎｍで光変調強度が最も大きくなった。
これは、かかる膜厚の範囲内で、量子閉じ込めシュタル
ク効果が有効に現れるためと考えられる。
【００２１】ここで、半導体光変調器のアノード電極、
カソード電極間に電圧を印加した場合、光吸収層に隣接
する光導波層の一部にも電圧が印加される。このため、
光吸収層を多重量子井戸構造とした場合、光吸収層にお
いても量子閉じ込めシュタルク効果により光の吸収が生
じる。かかる光吸収は雑音となり、半導体光変調器の変
調信号の品質の劣化原因となる。
カソード電極間に電圧を印加した場合、光吸収層に隣接
する光導波層の一部にも電圧が印加される。このため、
光吸収層を多重量子井戸構造とした場合、光吸収層にお
いても量子閉じ込めシュタルク効果により光の吸収が生
じる。かかる光吸収は雑音となり、半導体光変調器の変
調信号の品質の劣化原因となる。
【００２２】そこで、本実施の形態にかかる半導体光変
調器１００では、光導波層３のウエル層３１の膜厚を、
６ｎｍ以下とすることにより、光導波層３中での変調信
号の劣化を防止した。なお、有効な閉じ込め効果を得る
には、ウエル層の幅は略３ｎｍ以上であることが好まし
い。
調器１００では、光導波層３のウエル層３１の膜厚を、
６ｎｍ以下とすることにより、光導波層３中での変調信
号の劣化を防止した。なお、有効な閉じ込め効果を得る
には、ウエル層の幅は略３ｎｍ以上であることが好まし
い。
【００２３】一方、バリア層３２の膜厚については、バ
リア層３２の膜厚を薄くすると、バリア層３２を挟む２
つのウエル層３１中の電子の波動関数が結合する。この
結果、ウエル層３１の基底準位が、ウエル層３１同士の
間隔を十分に大きくした場合と比較して小さくなる。換
言すれば、伝導帯の基底準位と、価電子帯の基底準位と
の間の遷移エネルギが小さくなり、波長１．３μｍの光
の吸収が大きくなる。具体的には、バリア層３２の膜厚
が略５μｍより小さくなると、光導波層３における光吸
収が増加するため、バリア層３２の膜厚は、略５μｍ以
上とする必要がある。
リア層３２の膜厚を薄くすると、バリア層３２を挟む２
つのウエル層３１中の電子の波動関数が結合する。この
結果、ウエル層３１の基底準位が、ウエル層３１同士の
間隔を十分に大きくした場合と比較して小さくなる。換
言すれば、伝導帯の基底準位と、価電子帯の基底準位と
の間の遷移エネルギが小さくなり、波長１．３μｍの光
の吸収が大きくなる。具体的には、バリア層３２の膜厚
が略５μｍより小さくなると、光導波層３における光吸
収が増加するため、バリア層３２の膜厚は、略５μｍ以
上とする必要がある。
【００２４】一方、上述のようにウエル層３１の膜厚は
略６μｍ以下であるため、バリア層３２の膜厚を略６μ
ｍより大きくすると、ウエル層３１とバリア層３２から
なる光導波層３の実効的な屈折率が小さくなり、光の閉
じ込め効果が低下してしまう。従って、バリア層３２の
膜厚は、略６μｍ以下とすることが好ましい。
略６μｍ以下であるため、バリア層３２の膜厚を略６μ
ｍより大きくすると、ウエル層３１とバリア層３２から
なる光導波層３の実効的な屈折率が小さくなり、光の閉
じ込め効果が低下してしまう。従って、バリア層３２の
膜厚は、略６μｍ以下とすることが好ましい。
【００２５】次に、半導体光変調器１００の動作につい
て簡単に説明する。波長１．３μｍ帯（略１．２μｍ〜
略１．４μｍ）の光が入射光５１として、光導波層３に
より光吸収層２に導かれる。アノード電極６とカソード
電極７との間には、０〜３Ｖの逆バイアスが印加され、
これに高周波の変調電気信号が重畳される。この結果、
光吸収層２を通る光に与える、量子閉じ込めシュタルク
効果またはフランツケルディッシュ効果の程度が変化
し、光吸収層２での光の吸収量が変化する。これによ
り、光吸収層２から反対側の光導波層３を通って出射す
る出射光５２の強度や位相が変調される。
て簡単に説明する。波長１．３μｍ帯（略１．２μｍ〜
略１．４μｍ）の光が入射光５１として、光導波層３に
より光吸収層２に導かれる。アノード電極６とカソード
電極７との間には、０〜３Ｖの逆バイアスが印加され、
これに高周波の変調電気信号が重畳される。この結果、
光吸収層２を通る光に与える、量子閉じ込めシュタルク
効果またはフランツケルディッシュ効果の程度が変化
し、光吸収層２での光の吸収量が変化する。これによ
り、光吸収層２から反対側の光導波層３を通って出射す
る出射光５２の強度や位相が変調される。
【００２６】特に、上述のような材料の多重量子井戸構
造の光導波層３を用いることにより、光導波層３での光
の吸収を防止しつつ、良好な光閉じ込め効果を得ること
ができる。
造の光導波層３を用いることにより、光導波層３での光
の吸収を防止しつつ、良好な光閉じ込め効果を得ること
ができる。
【００２７】また、ウエル層３１／バリア層３２の膜厚
を、所定の膜厚とすることにより、変調電圧の印加によ
り光導波層３で発生していた雑音を防止することができ
る。
を、所定の膜厚とすることにより、変調電圧の印加によ
り光導波層３で発生していた雑音を防止することができ
る。
【００２８】なお、本実施の形態では、基板にＩｎＰを
用い、光導波層のウエル層／バリア層にＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰを用いる場合について説明したが、かかる材料
に限定されるものではなく、例えば、以下の表１に示す
ような材料を用いても構わない。
用い、光導波層のウエル層／バリア層にＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰを用いる場合について説明したが、かかる材料
に限定されるものではなく、例えば、以下の表１に示す
ような材料を用いても構わない。
【００２９】
【表１】
【００３０】更に、表１に示す材料は、以下の実施の形
態２、３で説明するマッハツェンダ型半導体光変調器２
００、導波路型受光素子３００の光導波層にも適用でき
る。
態２、３で説明するマッハツェンダ型半導体光変調器２
００、導波路型受光素子３００の光導波層にも適用でき
る。
【００３１】実施の形態２．図４は、全体が２００で表
される、本実施の形態にかかるマッハツェンダ型半導体
光変調器の斜視図である。図４中、図１と同一符号は、
同一又は相当箇所を示す。マッハツェンダ型半導体光変
調器２００は、上述の半導体光変調器１００と同様に、
光導波層３が、ＩｎＰ基板１とＩｎＰクラッド層４との
間に挟まれた構造となっている。マッハツェンダ型半導
体光変調器２００は、分岐構造を有し、光導波層３に入
射した入射光５１が、光導波層３を通って第１導波領域
１０、第２導波領域２０に分かれて導かれる。第１導波
領域１０、第２導波領域２０に分かれた光は、再度、合
成されて出射光５２として出射する。第１導波領域１０
を通った場合の光路と、第２導波領域２０を通った場合
の光路とは、等しくなっている。入射光５１には、波長
１．３μｍ帯の光が用いられる。第１導波領域１０、第
２導波領域２０には、それぞれアノード電極１６、２６
が設けられている。また、ＩｎＰ基板１の裏面には、共
通のカソード電極７が設けられている。
される、本実施の形態にかかるマッハツェンダ型半導体
光変調器の斜視図である。図４中、図１と同一符号は、
同一又は相当箇所を示す。マッハツェンダ型半導体光変
調器２００は、上述の半導体光変調器１００と同様に、
光導波層３が、ＩｎＰ基板１とＩｎＰクラッド層４との
間に挟まれた構造となっている。マッハツェンダ型半導
体光変調器２００は、分岐構造を有し、光導波層３に入
射した入射光５１が、光導波層３を通って第１導波領域
１０、第２導波領域２０に分かれて導かれる。第１導波
領域１０、第２導波領域２０に分かれた光は、再度、合
成されて出射光５２として出射する。第１導波領域１０
を通った場合の光路と、第２導波領域２０を通った場合
の光路とは、等しくなっている。入射光５１には、波長
１．３μｍ帯の光が用いられる。第１導波領域１０、第
２導波領域２０には、それぞれアノード電極１６、２６
が設けられている。また、ＩｎＰ基板１の裏面には、共
通のカソード電極７が設けられている。
【００３２】マッハツェンダ型半導体光変調器２００で
は、アノード電極１６とカソード電極７との間、及びア
ノード電極２６とカソード電極７との間に異なる逆バイ
アス電圧を印加して、それぞれの光吸収層１２、２２に
おいて、別々に光の位相変調を行う。光吸収層１２、２
２で異なった位相変調を受けた光は、合波されることに
より干渉を生じる。このため、アノード電極１６、２６
に印加する逆バイアスを変えることにより、出射光５２
の光強度を変調することができる。
は、アノード電極１６とカソード電極７との間、及びア
ノード電極２６とカソード電極７との間に異なる逆バイ
アス電圧を印加して、それぞれの光吸収層１２、２２に
おいて、別々に光の位相変調を行う。光吸収層１２、２
２で異なった位相変調を受けた光は、合波されることに
より干渉を生じる。このため、アノード電極１６、２６
に印加する逆バイアスを変えることにより、出射光５２
の光強度を変調することができる。
【００３３】マッハツェンダ型半導体光変調器２００に
おいて、上述の実施の形態１で用いた多重量子井戸構造
の光導波層を光導波層３に適用することにより、光導波
層３での光の吸収を防止しつつ、良好な光閉じ込め効果
を得ることができる。
おいて、上述の実施の形態１で用いた多重量子井戸構造
の光導波層を光導波層３に適用することにより、光導波
層３での光の吸収を防止しつつ、良好な光閉じ込め効果
を得ることができる。
【００３４】また、アノード電極１６、２６に変調電圧
を印加した場合に、光導波層３で発生していた雑音を防
止することができる。
を印加した場合に、光導波層３で発生していた雑音を防
止することができる。
【００３５】この結果、光の損失が小さく、変調効率の
高いマッハツェンダ型半導体光変調器を得ることができ
る。
高いマッハツェンダ型半導体光変調器を得ることができ
る。
【００３６】実施の形態３．図５は、全体が３００で表
される、本実施の形態にかかる導波路型受光素子の斜視
図である。図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇
所を示す。導波路型受光素子３００は、上述の半導体光
変調器１００と同様に、光導波層３が、ＩｎＰ基板１と
ＩｎＰクラッド層４との間に挟まれた構造となってい
る。導波路型受光素子３００は、光導波層３に入射した
入射光５１が、光導波層３を通って光吸収層２に導かれ
る。光吸収層２に導かれた光はここで吸収され、電子と
ホールの対を発生させて電流を生じる。これにより、入
射光５１の強度が変わると、光吸収層２で発生する電流
量が変化する。なお、入射光５１には、波長１．３μｍ
帯の光が用いられる。
される、本実施の形態にかかる導波路型受光素子の斜視
図である。図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇
所を示す。導波路型受光素子３００は、上述の半導体光
変調器１００と同様に、光導波層３が、ＩｎＰ基板１と
ＩｎＰクラッド層４との間に挟まれた構造となってい
る。導波路型受光素子３００は、光導波層３に入射した
入射光５１が、光導波層３を通って光吸収層２に導かれ
る。光吸収層２に導かれた光はここで吸収され、電子と
ホールの対を発生させて電流を生じる。これにより、入
射光５１の強度が変わると、光吸収層２で発生する電流
量が変化する。なお、入射光５１には、波長１．３μｍ
帯の光が用いられる。
【００３７】導波型半導体受光素子３００において、上
述の実施の形態１で用いた多重量子井戸構造の光導波層
を光導波層３に適用することにより、光導波層３での光
の吸収を防止しつつ、良好な光閉じ込め効果を得ること
ができる。
述の実施の形態１で用いた多重量子井戸構造の光導波層
を光導波層３に適用することにより、光導波層３での光
の吸収を防止しつつ、良好な光閉じ込め効果を得ること
ができる。
【００３８】この結果、光の損失の小さい導波型半導体
受光素子を得ることができる。
受光素子を得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる半導体光素子では、多重量子井戸構造の光導波
層を用いることにより、光の損失が小さく、かつ変調効
率や検出効率の高い半導体光素子を得ることができる。
にかかる半導体光素子では、多重量子井戸構造の光導波
層を用いることにより、光の損失が小さく、かつ変調効
率や検出効率の高い半導体光素子を得ることができる。
【図１】 本発明の実施の形態１にかかる半導体光変調
器の斜視図である。
器の斜視図である。
【図２】 本発明の実施の形態１にかかる半導体光変調
器の光導波層のバンドダイヤグラムである。
器の光導波層のバンドダイヤグラムである。
【図３】 ウエル層の膜厚と光変調強度との関係であ
る。
る。
【図４】 本発明の実施の形態２にかかるマッハツェン
ダ型半導体光変調器の斜視図である。
ダ型半導体光変調器の斜視図である。
【図５】 本発明の実施の形態３にかかる導波路型受光
素子の斜視図である。
素子の斜視図である。
【図６】 従来の半導体光変調器の斜視図である。
【図７】 従来の半導体光変調器の光導波層のバンドダ
イヤグラムである。
イヤグラムである。
１ ＩｎＰ基板、２ 光吸収層、３ 光導波層、４ Ｉ
ｎＰクラッド層、５ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、６
アノード電極、７ カソード電極、１００半導体光変調
器。
ｎＰクラッド層、５ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、６
アノード電極、７ カソード電極、１００半導体光変調
器。
Claims (9)
- 【請求項１】 波長λＬＤの光が光導波層を通って光吸
収層に導波される半導体光素子であって、 半導体基板と、 該半導体基板上に設けられ、ウエル層とバリア層とを含
む量子井戸構造を有する光導波層と、 該光導波層を通った光が入射するように、該光導波層に
隣接して該半導体基板上に設けられた光吸収層と、 該光導波層及び該光吸収層の上に設けられたクラッド層
と、 該光吸収層を挟んで設けられた１組の電極とを含み、 該ウエル層の組成波長λｇが波長λＬＤより長くなり、
かつ該ウエル層の、伝導帯の基底準位と価電子帯の基底
準位との間の遷移エネルギが該波長λＬＤの光が有する
光子エネルギより大きくなるようにしたことを特徴とす
る半導体光素子。 - 【請求項２】 上記光導波層の実効的な屈折率と、上記
クラッド層の屈折率との差が、略０．１５以上となるよ
うに、該光導波層に含まれる上記ウエル層と上記バリア
層との膜厚を調整したことを特徴とする請求項１に記載
の半導体光素子。 - 【請求項３】 上記波長λＬＤが、略１．２μｍから略
１．４μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に
記載の半導体光素子。 - 【請求項４】 上記基板及び上記クラッド層が、ＩｎＰ
からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素
子。 - 【請求項５】 上記ウエル層の膜厚が略６ｎｍ以下であ
り、上記バリア層の膜厚が略５ｎｍから略６ｎｍの範囲
内にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素
子。 - 【請求項６】 上記基板がＩｎＰからなり、 上記光導波層に含まれる上記ウエル層／上記バリア層
が、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
ＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌ
ＡｓＳｂ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ／ＩｎＧａ
Ｐ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌ
Ａｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰからなる群か
ら選択される１の組からなることを特徴とする請求項１
に記載の半導体光素子。 - 【請求項７】 上記基板がＧａＡｓからなり、 上記光導波層に含まれる上記ウエル層／上記バリア層
が、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ／
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる群から選択
される１の組からなることを特徴とする請求項１に記載
の半導体光素子。 - 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の構造を
有し、 上記光導波層を通って上記光吸収層に入射した上記光
が、上記電極間に印加される電圧により変調されること
を特徴とする半導体光変調素子。 - 【請求項９】 請求項１〜７のいずれかに記載の構造を
有し、 上記光導波層を通って上記光吸収層に入射した上記光
が、該光吸収層内で電流に変換されて上記電極から取り
出されることを特徴とする半導体光受光素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002047662A JP2003248204A (ja) | 2002-02-25 | 2002-02-25 | 半導体光素子、半導体光変調素子、及び半導体光受光素子 |
| US10/357,375 US6777718B2 (en) | 2002-02-25 | 2003-02-04 | Semiconductor optical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002047662A JP2003248204A (ja) | 2002-02-25 | 2002-02-25 | 半導体光素子、半導体光変調素子、及び半導体光受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003248204A true JP2003248204A (ja) | 2003-09-05 |
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ID=27750706
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|---|---|---|---|
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Country Status (2)
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|---|---|
| US (1) | US6777718B2 (ja) |
| JP (1) | JP2003248204A (ja) |
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