JP2004029281A - サブピコ秒応答光スイッチおよびその光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】１ピコ秒以下の光スイッチング応答速度を持つ光スイッチ素子および光導波路構造を提供する。
【解決手段】ＣｄＳ相をＢｅＴｅ相ではさむ構造の量子井戸であって、ＢｅＴｅ相とＣｄＳ相の間に、ＺｎＳｅ相を介在させ、かつＣｄＳ相に電子供給物質をドーピングしてなる量子井戸をサブピコ秒光スイッチとして用いることおよび当該量子井戸を活性層とする光導波路構造。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
テラビット／秒時分割多重光通信システムにおける光・光スイッチ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関連する内容の文献（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ誌２００２年４月号，　８０巻，　１４号，　２４３３−２４３５ページ）に示されているようにＩＩ−ＶＩ族半導体材料であるＺｎＳｅとＢｅＴｅにより形成された半導体量子井戸中の伝導帯サブバンド間を利用した光スイッチの時間応答特性に関して、波長２μｍ以下のサブバンド間遷移を示す量子構造においては、数ピコ秒遅い応答があるため、ピコ秒以下の光スイッチング動作が実現されていなかった。さらに、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料をベースとするサブバンド間を利用した光スイッチ素子において、光スイッチングエネルギーを低減するための光導波路型素子の構造が今まで存在しなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＧａＡｓ基板上にＩＩ−ＶＩ族半導体材料よりなるサブバンド間遷移を利用した光スイッチ素子を作製し、それに１ピコ秒以下の光スイッチング応答速度を持たせることが課題であった。さらに、光スイッチ活性層に光を閉じ込めるための最適なクラッド材料および光導波路構造を考案することも課題であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来より報告されていたＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ量子井戸構造の改良を行った。すなわち、ＢｅＴｅ相の上に、ＣｄＳ相を成長させる研究を続けた結果、ＢｅＴｅ相とＣｄＳ相の間に、ＺｎＳｅ相を介在させるとＣｄＳ相がうまく二次元成長することを見出し、ＺｎＳｅ層内にＣｄＳ層を挿入した　（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ量子井戸構造を発明した。
この構造においては、従来の構造において数ピコ秒の遅いスイッチング速度の原因となっていた第二サブバンドへ光励起された電子の特定のエネルギー緩和過程を除去することが可能なことが判った。
その結果、サブバンド間遷移を利用した光スイッチングの速度が、２７０フェムト秒まで短縮されることがわかり、上記課題を解決することが出来ることを確認した。
さらに、本発明者は（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ量子井戸構造を利用した光導波路型の光スイッチ素子において、光クラッド層としてＧａＡｓ基板に格子定数を一致させたＺｎＢｅＭｇＳｅ４元系の材料が最適であることを見出した。
すなわち、ＣｄＳ相をＢｅＴｅ相ではさむ構造の量子井戸であって、ＢｅＴｅ相とＣｄＳ相の間に、ＺｎＳｅ相を介在させ、かつＣｄＳ相に電子供給物質をドーピングしてなる量子井戸を活性層とする光導波路構造が良いことを確認した。
【０００５】
【発明の実施形態】
本発明の実施の形態をまとめると以下の通りである。
（１）　ＣｄＳ相をＢｅＴｅ相ではさむ構造の量子井戸であって、ＢｅＴｅ相とＣｄＳ相の間に、ＺｎＳｅ相を介在させ、かつＣｄＳ相に電子供給物質をドーピングしてなる量子井戸をサブピコ秒光スイッチとして用いること。
（２）　ＢｅＴｅ相の厚さが、４原子層、ＣｄＳ相の厚さが、３原子層、ＺｎＳｅ相の厚さが、２原子層、である上記１に記載した量子井戸をサブピコ秒光スイッチとして用いること。
（３）　電子供給物質が、ＺｎＣｌ_２である上記１または上記２に記載した量子井戸をサブピコ秒光スイッチとして用いること。
（４）　ＣｄＳ相をＢｅＴｅ相ではさむ構造の量子井戸であって、ＢｅＴｅ相とＣｄＳ相の間に、ＺｎＳｅ相を介在させ、かつＣｄＳ相に電子供給物質をドーピングしてなる量子井戸を活性層とする光導波路構造。
（５）　ＢｅＴｅ相の厚さが、４原子層、ＣｄＳ相の厚さが、３原子層、ＺｎＳｅ相の厚さが、２原子層、である上記４に記載した量子井戸を活性層とする光導波路構造。
（６）　電子供給物質が、ＺｎＣｌ_２である請求項４または請求項５に記載した量子井戸を活性層とする光導波路構造。
【０００６】
本発明の具体的実施例を詳細に示す。
実施例１
（半導体量子構造の製造方法）
サブピコ秒光スイッチ動作を示す半導体量子構造の詳細は図１に示されている。本構造の井戸層は４原子層厚の二つのＢｅＴｅ障壁層間に形成されている。具体的には井戸層は、１〜２原子層厚のＺｎＳｅ、２〜３原子層厚のＣｄＳ、１〜２原子層厚のＺｎＳｅより構成された構造になっている。この井戸層内に第一および第二サブバンドが形成され、このバンド間の光遷移は波長２μｍ以下となる。サブバンド間遷移による光吸収を観測するために電子を井戸層へ供給する必要がある。このため、井戸層を形成するさいに電子供給物質であるＺｎＣｌ_２を添加することによりこれを行う。ＢｅＴｅ層の外側に、スペーサー層として５０原子層厚のＺｎＳｅ層を形成する。本量子構造は分子線エピタキシー法により作製するが、各層の詳細な形成方法を以下に記す。
＜ＺｎＳｅ層上へのＢｅＴｅ層の形成＞
蒸着源であるＢｅとＴｅを背景１０^−１０Ｔｏｒｒの超真空中で加熱しそれぞれ１×１０^−８と２×１０^−７Ｔｏｒｒの強度の分子線を発生させる。これらの分子線を温度２５０℃に保持されているＧａＡｓ基板に形成されているＺｎリッチなｃ（２×２）構造を有するＺｎＳｅ層上に照射し、ＢｅＴｅ層の形成を行う。ＢｅＴｅ層形成時の成長速度は約０．１原子層／秒である。ＢｅＴｅ層の形成終了時に、まずＢｅ分子線を照射し終えた後、Ｔｅ分子線を１０秒さらに照射する。これにより成長表面をＴｅリッチな（２×１）構造にする。
＜ＢｅＴｅ層上へのＺｎＳｅ層の形成＞
上記の方法により成長したＢｅＴｅ層上にＺｎＳｅ層を形成する。まず、Ｚｎ分子線のみを１０秒照射した後、Ｓｅ分子線を加えて照射することによりＺｎＳｅ層の形成を行う。ＺｎＳｅ層形成時の成長速度は約０．２原子層／秒である。ＺｎＳｅ層の形成終了は、まずＳｅ分子線の照射を停止することにより行う。Ｓｅ分子線の照射終了後、Ｚｎ分子線だけ１０秒間照射しつづける。これにより成長膜表面をＺｎリッチなｃ（２×２）構造にする。このときにＺｎとＳｅの分子線強度は、それぞれ１．５×１０^−７と４×１０^−７Ｔｏｒｒである。
＜ＺｎＳｅ層上へのＣｄＳ層の形成＞
化合物であるＣｄＳを加熱蒸着し、ＣｄＳ分子線を発生させる。上記の方法により成長したＺｎＳｅ層上に、ＣｄＳ分子線を照射することによりＣｄＳ層の形成を行う。ＣｄＳ形成時の成長速度は、約０．１原子層／秒である。ＣｄＳの分子線強度は２．５×１０^−７Ｔｏｒｒである。
＜ＣｄＳ層上へのＺｎＳｅ層の形成＞
上記ＺｎＳｅ層の形成と同じ方法により得た。
＜ＺｎＳｅ層上へのＢｅＴｅ層の形成＞
上記ＺｎＳｅ層の形成方法によりＺｎＳｅ層を形成した後、同じく上記ＢｅＴｅ層の形成方法に従って、ＢｅＴｅ層を形成する。
＜電子供給物質をドーピングしたＣｄＳ／ＺｎＳｅ量子井戸層の形成＞
ＺｎＣｌ_２を分子線として照射し、ＣｄＳおよびＺｎＳｅ層に電子供給物質であるＣｌ原子を導入する。ＺｎＣｌ_２分子線を照射するタイミングは、ＺｎＳｅ相の形成においてはＳｅ分子線の照射のタイミングにあわせて同時照射する。ＣｄＳ相の形成においては、ＣｄＳ分子線とＺｎＣｌ_２分子線を同時に照射する。ＺｎＣｌ_２分子線の強度は、１×１０^−１０Ｔｏｒｒである。
＜量子井戸のサブバンド間遷移を利用したスイッチング特性＞
フェムト秒レーザーを利用した、ポンプ・プローブ法により光スイッチング応答速度を測定した。ここではポンプレーザー光により生じた吸収飽和の回復の様子を、プローブパルス光により調べる測定を行っている。ポンプ光照射により飽和した吸収が自然対数分の１にまで回復する時間を応答時間と定義している。従来の構造であるＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ量子井戸と本発明（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ量子井戸の比較を行った。いずれも、波長１．８μｍにサブバンド遷移吸収ピークをもつ構造について、吸収ピーク波長において応答速度の比較を行った。図２に示す結果が得られ、ＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ量子井戸では、数ピコ秒の応答特性であるのに対して、（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ量子井戸では、２７０フェムト秒の応答が得られた。このことより、従来の構造では実現不可能であったサブピコ秒の時間応答が、本発明の構造で実現されていることが証明された。
【０００７】
実施例２
（量子構造を活性層とする光導波路構造の製造方法）
実施例１の（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ量子井戸と５０原子層のＺｎＳｅスペーサー層からなる層を３０から１００回程度繰り返した構造を光活性層とする光導波路型の光スイッチ素子を図３に示す。この活性層に、膜成長方向に対して光を閉じ込めるため光クラッド層としてＧａＡｓ基板に格子定数が一致した組成をもつ四元系材料Ｚｎ_１−ｘ（Ｍｇ_１−ｙＢｅ_ｙ）_ｘＳｅを採用する。ＧａＡｓ基板と格子定数をあわせるため、ＭｇとＢｅの組成比Ｙを０．３３する。Ｚｎ_１−ｘ（Ｍｇ_１−ｙＢｅ_ｙ）_ｘＳｅを光クラッド層として機能させるためには、活性層の平均屈折率より十分小さくする必要がある。そのため、Ｚｎと（Ｍｇ、Ｂｅ）の組成比Ｘを０．２〜０．３とする。光導波路の成長膜面内方向の光を閉じ込めるため、縦・横それぞれ１μｍ・２μｍのリッジ型構造にする。
【０００８】
＜従来より高速のスイッチング応答が実現できた理論的背景＞
サブバンド間遷移を利用した光スイッチの原理は、第一サブバンドから第二サブバンドへ光励起された電子が、第一サブバンドへ戻る時間で決定される。ＩＩ−ＶＩ族半導体材料においては、この過程に要する時間は１ピコ秒以下である。しかし図３に示されているように、ＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ量子井戸においてはサブバンド間遷移波長が２μｍ以下になると、第二サブバンドのエネルギー位置がＢｅＴｅ障壁層の伝導帯最低エネルギーのＸ点のエネルギー位置と同程度のレベルになる。このため、第一サブバンドより第二サブバンドへ励起された電子は、Ｘ点を経由して第一サブバンドへ戻るため応答速度が数ピコ秒になると考えられている。本発明の（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ量子井戸においては、サブバンド間遷移波長を２μｍ以下に維持したまま、第二サブバンドのエネルギー位置をＢｅＴｅ障壁層のＸ点より下に形成することが可能である。このことにより、第二サブバンドへ光励起された電子が、Ｘ点へ散乱される確率をほとんど無視できる程度にまで弱めることができる。したがって、従来のＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ量子井戸に比べて、高速のスイッチング動作が可能となった。
【０００９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、ＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ量子井戸のＺｎＳｅ井戸層にＣｄＳ層を挿入した（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ量子井戸構造を形成することにより、サブバンド間遷移を利用したサブピコ秒の応答速度を有する光スイッチ動作を、動作波長２μｍ以下において実現することが可能となった。さらに、これを活性層とし、四元系材料Ｚｎ_１−ｘ（Ｍｇ_１−ｙＢｅ_ｙ）_ｘＳｅを光クラッド層とする光導波路構造を有する光スイッチ素子の実現が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】サブバンド間遷移波長２μｍ以下の遷移吸収示し、かつサブピコ秒の光スイッチング動作が可能な量子構造。
【図２】図１の量子構造と、従来のＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ量子構造における光スイッチング動作の比較。
【図３】ＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ量子井戸構造と（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ量子井戸構造におけるサブバンド間遷移を利用した光スイッチング動作の違いを説明している。
【図４】（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）／ＢｅＴｅ　量子構造を活性層とする光導波路型の光スイッチ素子の断面図。

Claims (6)

1. ＣｄＳ相をＢｅＴｅ相ではさむ構造の量子井戸であって、ＢｅＴｅ相とＣｄＳ相の間に、ＺｎＳｅ相を介在させ、かつＣｄＳ相に電子供給物質をドーピングを施している量子井戸をサブピコ秒光スイッチとして用いること。
2. ＢｅＴｅ相の厚さが、４原子層、ＣｄＳ相の厚さが、３原子層、ＺｎＳｅ相の厚さが、２原子層、である請求項１に記載した量子井戸をサブピコ秒光スイッチとして用いること。
3. 電子供給物質が、ＺｎＣｌ_２である請求項１または請求項２に記載した量子井戸をサブピコ秒光スイッチとして用いること。
4. ＣｄＳ相をＢｅＴｅ相ではさむ構造の量子井戸であって、ＢｅＴｅ相とＣｄＳ相の間に、ＺｎＳｅ相を介在させ、かつＣｄＳ相に電子供給物質をドーピングしてなる量子井戸を活性層とする光導波路構造。
5. ＢｅＴｅ相の厚さが、４原子層、ＣｄＳ相の厚さが、３原子層、ＺｎＳｅ相の厚さが、２原子層、である請求項４に記載した量子井戸を活性層とする光導波路構造。
6. 電子供給物質が、ＺｎＣｌ_２である請求項４または請求項５に記載した量子井戸を活性層とする光導波路構造。

Images