JP2016038399A - Optical modulation method, optical modulator manufacturing method, optical modulator - Google Patents

Optical modulation method, optical modulator manufacturing method, optical modulator Download PDF

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直也 竪
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical modulation method that can allow both high modulation efficiency and power saving.SOLUTION: The optical modulation method includes: forming an n layer 11, and a pseudo p layer 12 into which a p-type dopant is implanted; generating diffusion current in the n layer 11 and the pseudo p layer 12 by applying a forward bias voltage; repeatedly changing the distribution of the p-type dopant implanted into any one or more of the pseudo p layers 12 based on Joule heat generated by the generated diffusion current, and reducing the diffusion current to lower the Joule heat at a site where near-field light is generated, based on the distribution of the changed p-type dopant; fixing the dopant distribution in the pseudo p layer 12 and configuring the pseudo p layer 12 as p-type semiconductor 21; and causing light to propagate through the p-type semiconductor 21 and applying a modulation electric field to the light in a propagation direction and in a substantially vertical direction, thereby modulating the polarization direction or the propagation direction of the light.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、伝搬する光の偏光方向又は伝搬方向を変調する光変調方法、光変調器の作製方法、光変調器に関するものである。   The present invention relates to an optical modulation method for modulating the polarization direction or propagation direction of propagating light, an optical modulator manufacturing method, and an optical modulator.

近年の光エレクトロニクスの発展に伴い、周波数多重通信のためのレーザ光制御や、広範囲に分布する吸収線の周波数測定の要請、更には光通信や光記録等の光情報処理の分野からの要請に応えるべく、導波路で共振させた光を変調させる導波路型光変調器が多用されるようになっている(例えば、特許文献1参照。)。この導波路型光変調器を構成する光導波路では、例えばファラデー効果やカー効果等を始めとした磁気光学効果を利用して光の偏光方向を制御することが可能であり、光導波路を構成する材料を選定することで数十nsオーダーもの応答速度を実現することが可能となる。   With the development of optoelectronics in recent years, there has been a demand for laser light control for frequency multiplex communication, a frequency measurement of absorption lines distributed over a wide range, and a request from the field of optical information processing such as optical communication and optical recording. In order to respond, a waveguide-type optical modulator that modulates light resonated in a waveguide is widely used (for example, refer to Patent Document 1). In the optical waveguide constituting this waveguide type optical modulator, it is possible to control the polarization direction of light by utilizing the magneto-optic effect such as the Faraday effect and the Kerr effect. By selecting the material, it is possible to realize a response speed of the order of several tens of ns.

一方で、このような磁気光学効果を発現させるための磁性材料を選定する必要があり、またそのような磁性材料における磁化の特性上、十分な変調量を得るためには数T規模の外部磁場を発生させる装置が必要となる。   On the other hand, it is necessary to select a magnetic material for exhibiting such a magneto-optical effect, and an external magnetic field of several T scale is required to obtain a sufficient amount of modulation due to the magnetization characteristics of such a magnetic material. It is necessary to provide a device that generates

このため、既存の磁気光学効果を利用した光変調は、変調効率と省エネルギー性とを両立させることができないという問題点があった。   For this reason, the light modulation using the existing magneto-optical effect has a problem that it is impossible to achieve both modulation efficiency and energy saving.

特開2005−148389号公報JP 2005-148389 A

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、変調効率と省エネルギー性とを両立させることが可能な光変調方法、光変調器の作製方法、光変調器を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to produce an optical modulation method and an optical modulator that can achieve both modulation efficiency and energy saving. A method and an optical modulator are provided.

請求項1記載の光変調方法は、n型酸化物半導体基板で構成したn層と、上記n型酸化物半導体基板にp型ドーパントをインプラントした擬似p層とを形成し、順方向バイアス電圧を印加することにより上記n層及び上記擬似p層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記擬似p層にインプラントしたp型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後のp型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似p層中のドーパント分布を固定させて当該擬似p層をp型酸化物半導体として構成し、更に上記p型酸化物半導体に光を伝搬させるとともに、当該光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加することにより、上記光の偏光方向又は伝搬方向を変調することを特徴とする。   The light modulation method according to claim 1, wherein an n layer composed of an n-type oxide semiconductor substrate and a pseudo p-layer in which a p-type dopant is implanted in the n-type oxide semiconductor substrate are formed, and a forward bias voltage is set. By applying a diffusion current to the n layer and the pseudo p layer, a distribution of the p-type dopant implanted in one or more of the pseudo p layers based on Joule heat generated by the generated diffusion current is generated. In the place where near-field light is generated based on the distribution of the p-type dopant after the change, the forward bias voltage causes an inversion distribution in the conduction band and the valence band in the active layer. , By causing the electrons in the conduction band forming the inversion distribution to undergo stimulated emission in multiple stages based on a non-adiabatic process, thereby reducing the diffusion current and The pseudo heat is decreased, the dopant distribution in the pseudo p layer is fixed, the pseudo p layer is configured as a p-type oxide semiconductor, and light is propagated to the p-type oxide semiconductor, and the light is propagated. The polarization direction or propagation direction of the light is modulated by applying a modulation electric field in a direction substantially perpendicular to the direction.

請求項2記載の光変調方法は、請求項1記載の発明において、上記順方向バイアス電圧の印加時において、上記p型ドーパントのバンドギャップよりも長波長の誘導光を上記擬似p層に対して照射し、上記誘導光と略同一波長からなる光を伝搬させることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the light modulation method according to the first aspect of the present invention, wherein when the forward bias voltage is applied, guided light having a wavelength longer than the band gap of the p-type dopant is applied to the pseudo-p layer. Irradiation is performed, and light having substantially the same wavelength as that of the guide light is propagated.

請求項3記載の光変調方法は、請求項1又は2記載の発明において、上記伝搬させる光により、上記変化後のp型ドーパントの分布に基づいて近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記伝搬させる光を一時的にドレスト光子に変換することにより伝搬を遅延させつつ、当該ドレスト光子に対して上記変調電界に基づく磁気光学効果を与えることによりその分極を偏らせ、上記ドレスト光子から再び変換した伝搬させる光を変調することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the optical modulation method according to the first or second aspect, wherein near-field light is generated by the propagating light based on the distribution of the p-type dopant after the change. While the propagation of light by light is temporarily converted into dressed photons, the propagation is delayed, and the polarization is biased by applying a magneto-optic effect based on the modulated electric field to the dressed photons. It is characterized by modulating the propagating light converted again from.

請求項4記載の光変調器の作製方法は、n型酸化物半導体基板で構成したn層と、上記n型酸化物半導体基板にp型ドーパントをインプラントした擬似p層とを形成し、順方向バイアス電圧を印加することにより上記n層及び上記擬似p層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記擬似p層にインプラントしたp型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後のp型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似p層中のドーパント分布を固定させて当該擬似p層をp型酸化物半導体として構成し、更に上記p型酸化物半導体に伝搬させる光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加するための変調電界印加部を設けることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an optical modulator, comprising: forming an n layer composed of an n-type oxide semiconductor substrate; and a pseudo p layer in which a p-type dopant is implanted in the n-type oxide semiconductor substrate. A p-type dopant implanted in any one or more of the pseudo p layers based on Joule heat generated by the diffusion current generated by applying a bias voltage to generate a diffusion current in the n layer and the pseudo p layer. Is repeated, and the forward bias voltage causes inversion distribution in the conduction band and valence band in the active layer, and near-field light is generated based on the distribution of the p-type dopant after the change. In these locations, electrons in the conduction band forming the inversion distribution are stimulated and emitted in multiple steps based on a non-adiabatic process, thereby reducing the diffusion current. The Joule heat is lowered, the dopant distribution in the pseudo p layer is fixed, the pseudo p layer is configured as a p-type oxide semiconductor, and the propagation direction of light propagating to the p-type oxide semiconductor is substantially the same. A modulation electric field application unit for applying a modulation electric field in the vertical direction is provided.

請求項5記載の光変調器は、請求項4に記載の酸化物半導体による光変調器の作製方法により作製され、上記p型酸化物半導体に伝搬させる変調対象の光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加する変調電界印加手段とを備え、上記変調電界印加手段は、変調電界を印加することにより、上記変調対象の光の偏光方向又は伝搬方向を変調することを特徴とする。   An optical modulator according to claim 5 is manufactured by the method for manufacturing an optical modulator using an oxide semiconductor according to claim 4, and is substantially perpendicular to a propagation direction of light to be modulated to be propagated to the p-type oxide semiconductor. And a modulation electric field applying means for applying a modulation electric field, wherein the modulation electric field applying means modulates the polarization direction or propagation direction of the light to be modulated by applying the modulation electric field.

請求項6記載の光変調器は、請求項5記載の発明において、上記順方向バイアス電圧の印加時において、上記p型ドーパントのバンドギャップよりも長波長の誘導光が上記擬似p層に対して照射された場合において、上記誘導光と略同一波長からなる光を伝搬させることを特徴とする。   The optical modulator according to claim 6 is the optical modulator according to claim 5, wherein when the forward bias voltage is applied, guided light having a wavelength longer than the band gap of the p-type dopant is applied to the pseudo p layer. When irradiated, light having substantially the same wavelength as that of the guide light is propagated.

請求項7記載の光変調器は、請求項5又は6記載の発明において、上記伝搬させる光により、上記変化後のp型ドーパントの分布に基づいて近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記伝搬させる光を一時的にドレスト光子に変換することにより伝搬を遅延させつつ、当該ドレスト光子に対して上記変調電界に基づく磁気光学効果を与えることによりその分極を偏らせ、上記ドレスト光子から再び変換した伝搬させる光を変調することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the optical modulator according to the fifth or sixth aspect of the invention, the near-field light generated by the propagating light is generated based on the distribution of the p-type dopant after the change. While the propagation of light by light is temporarily converted into dressed photons, the propagation is delayed, and the polarization is biased by applying a magneto-optic effect based on the modulated electric field to the dressed photons. It is characterized by modulating the propagating light converted again from.

上述した構成からなる本発明によれば、誘導光と略同一波長で構成した変調対象の伝搬光を擬似p層に伝搬させることにより、近接場光を発生させることが可能となる。即ち、擬似p層中を伝搬する光のエネルギーが、局在場としてのドレスト光子(近接場光)に一時的に変換される。ドレスト光子に変換されることにより、通常の伝搬光と比較して、n層に到達する速度は遅くなる。このようにドレスト光子に変換されている間において、変調電界に起因する磁場の作用を受けることとなる。変調電界を印加することにより、p型のZnOに起因する磁気による磁気光学効果を受けることとなるが、伝搬光と比較して擬似p層内に留まっている時間が長くなるため、当該磁気光学効果を受け続ける時間も長くなる。その結果、ドレスト光子は、磁気光学効果により、分極が大きく偏ることとなる。これに応じて、当該ドレスト光子から再び変換された伝搬光について偏光方向を変化させることが可能となる。特に本発明によれば、ドレスト光子は、磁気光学効果をより長く受け続けるため、分極が大きく変化し、その分において偏光方向を大きく変調させることが可能となる。擬似p層が数μmの僅かな厚みで構成されている場合においても、当該厚みに支配されることなく、そのドレスト光子を高効率に変調することが可能となる。   According to the present invention having the above-described configuration, it is possible to generate near-field light by propagating the propagation light to be modulated having substantially the same wavelength as that of the guide light to the pseudo-p layer. That is, the energy of light propagating in the pseudo p layer is temporarily converted into dressed photons (near field light) as a localized field. By converting to dressed photons, the speed of reaching the n-layer is slower compared to normal propagating light. Thus, during the conversion into dressed photons, the magnetic field due to the modulation electric field is applied. By applying a modulation electric field, the magneto-optical effect due to magnetism caused by p-type ZnO is received. However, since the time remaining in the pseudo-p layer is longer than that of propagating light, the magneto-optical effect is increased. Longer time to receive the effect. As a result, the dressed photons are largely polarized due to the magneto-optic effect. In response to this, it becomes possible to change the polarization direction of the propagating light converted again from the dressed photon. In particular, according to the present invention, the dressed photon continues to receive the magneto-optical effect for a longer time, so that the polarization changes greatly, and the polarization direction can be greatly modulated accordingly. Even when the pseudo p-layer is formed with a small thickness of several μm, the dressed photons can be modulated with high efficiency without being controlled by the thickness.

本発明を適用した光変調器の作製装置の構成図である。It is a block diagram of the manufacturing apparatus of the optical modulator to which this invention is applied. n層と、擬似p層のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of n layer and pseudo p layer. ドーパントの分布変化が生じた後の例を示す図である。It is a figure which shows the example after the distribution change of a dopant arises. 非断熱過程を原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで示した図である。It is the figure which showed the non-adiabatic process with the model which replaced the coupling | bonding of atoms with the spring. (a)は、電子密度の差異に基づく反転分布が擬似p層内におけるn層近傍に形成された例を、また(b)は、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて放出させることによる発光させる例を示す図である。(A) is an example in which an inversion distribution based on the difference in electron density is formed in the vicinity of the n layer in the pseudo-p layer, and (b) is based on a non-adiabatic process of electrons in the conduction band by near-field light. It is a figure which shows the example made to light-emit by making it discharge | release. 微細領域Aとほぼ同一分布の微細領域Bが形成される例を示す図である。It is a figure which shows the example in which the micro area | region B of the same distribution as the micro area | region A is formed. 本発明を適用した光変調器の構成図である。It is a block diagram of the optical modulator to which this invention is applied. (a)は、擬似p層において局在場としてのドレスト光子(近接場光)に一時的に変換する例を示す図であり、(b)は、伝搬光をドレスト光子に変換することなくそのまま伝搬させる例を示す図である。(A) is a figure which shows the example converted temporarily into the dressed photon (near field light) as a localized field in a pseudo | simulation p layer, (b) is as it is, without converting propagating light into a dressed photon. It is a figure which shows the example made to propagate.

以下、本発明を適用した光変調器及びその作製方法。光変調方法ついて図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, an optical modulator to which the present invention is applied and a manufacturing method thereof. The light modulation method will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明を適用した光変調器の作製装置10の構成図である。この作製装置10は、pn接合体1と、このpn接合体1に対して電圧を印加するための電源41とを備えている。   FIG. 1 is a configuration diagram of an optical modulator manufacturing apparatus 10 to which the present invention is applied. The manufacturing apparatus 10 includes a pn junction 1 and a power supply 41 for applying a voltage to the pn junction 1.

pn接合体1は、ZnOからなり、n層11と、擬似p層12とを有している。n層11は、n型ZnO基板で構成したn型半導体である。このn層11は、n型ZnO基板に対してアルミニウムなどのIII族元素やハロゲン元素をドープすることで得られるものである。   The pn junction 1 is made of ZnO and includes an n layer 11 and a pseudo p layer 12. The n layer 11 is an n-type semiconductor composed of an n-type ZnO substrate. The n layer 11 is obtained by doping a group III element such as aluminum or a halogen element with respect to an n-type ZnO substrate.

擬似p層12は、n型ZnO基板に窒素をp型ドーパントとして高密度、高エネルギーでインプラントしたものである。この擬似p層12は、例えば700KeV、表面から500nm付近においてそのドーピング密度は1019程度とされていてもよい。ちなみにドーパントとしての窒素は、安定性に欠けるため、擬似p層12は、いわゆるp型半導体としての振る舞いを安定的に起こさない場合が多い。つまり、この擬似p層12中におけるドーパントとしての窒素は、その多くがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に固定されていない。但し、あくまでp型ドーパントとして窒素を添加していることから擬似的なp層としての擬似p層12として定義する。 The pseudo p layer 12 is an n-type ZnO substrate implanted with nitrogen as a p-type dopant with high density and high energy. The pseudo p layer 12 may have a doping density of about 10 19 in the vicinity of, for example, 700 KeV and 500 nm from the surface. Incidentally, since nitrogen as a dopant lacks stability, the pseudo p layer 12 often does not stably act as a so-called p-type semiconductor. That is, most of the nitrogen as a dopant in the pseudo p layer 12 is not fixed at a position in the crystal that should function as an acceptor. However, since nitrogen is added as a p-type dopant, it is defined as a pseudo p layer 12 as a pseudo p layer.

本発明を適用した光変調器の作製方法では、かかるpn接合体1における擬似p層12のZnO中のドーパントのとしての窒素のドーパント分布を変化させる。ここでいうドーパント分布の変化は、例えば、当初インプラントされた窒素の位置を変化させるもの、或いはそのインプラントされた窒素を拡散させるもの等、アニーリングにより生じるあらゆる現象を含む概念である。   In the method of manufacturing an optical modulator to which the present invention is applied, the dopant distribution of nitrogen as a dopant in ZnO of the pseudo p layer 12 in the pn junction 1 is changed. The change in the dopant distribution here is a concept including all phenomena caused by annealing, such as a change in the position of initially implanted nitrogen or a diffusion of the implanted nitrogen.

擬似p層12中において、窒素からなるドーパント14がインプラントされている。しかし、このドーパントの分布は不安定なものであり、いわゆるp型半導体としての機能を発揮することができないものとなっている。   In the pseudo p layer 12, a dopant 14 made of nitrogen is implanted. However, this dopant distribution is unstable and cannot function as a so-called p-type semiconductor.

実際にはpn接合体1に対して順方向バイアス電圧を印加する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期の光変調器を作製することが可能となる。   Actually, a forward bias voltage is applied to the pn junction 1. As a result, the optical modulator according to the present invention can be manufactured based on the following mechanism.

図2は、n層11と、擬似p層12のエネルギーバンド図を示している。順方向バイアス電圧が負荷されると、擬似p層12中の正孔がn層11側へと移動し、n層11中の電子が擬似p層12側へと移動していく。その結果、互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れる。そして、順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じるn層11と擬似p層12との界面を中心にしたものであるが、少なくとも擬似p層12中におけるn層11近傍においても、大きな電位差が生じる。この順方向バイアス電圧をより高くしていくことにより、擬似p層12内におけるn層11近傍においてアバランシェ降伏を起こし、一気に電流が流れていくことになる。その結果、ジュール熱による発熱が、かかるアバランシェ降伏により促進されることになる。   FIG. 2 shows an energy band diagram of the n layer 11 and the pseudo p layer 12. When a forward bias voltage is applied, holes in the pseudo p layer 12 move to the n layer 11 side, and electrons in the n layer 11 move to the pseudo p layer 12 side. As a result, a diffusion current flows by mutual cancellation of electrons and holes. When the forward bias voltage is high, Joule heat is generated due to the movement of the electrons. The particularly large generation site of the Joule heat is centered on the interface between the n layer 11 and the pseudo p layer 12 that generates a large potential difference. However, at least in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12, the potential difference is large. Occurs. By increasing this forward bias voltage, an avalanche breakdown occurs in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12, and current flows at once. As a result, heat generation due to Joule heat is promoted by such avalanche breakdown.

このジュール熱が発生する結果、擬似p層12内の特にn層11近傍において流動性が増加し、そのドーパント14の分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかるドーパント14の分布変化が継続して生じることになる。   As a result of the generation of the Joule heat, the fluidity increases in the pseudo p layer 12, particularly in the vicinity of the n layer 11, and the distribution of the dopant 14 changes. By continuing to apply the forward bias voltage described above, the distribution change of the dopant 14 continuously occurs.

図3は、このドーパント14の分布変化が生じた後の例である。ジュール熱が発生することにより、擬似p層12内の特にn層11近傍において流動性が増加する結果、擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、微細領域Aにおいてある特有のドーパント分布が形成される。この微細領域Aにおける特有のドーパント分布は、入射された伝搬光としての誘導光に基づいて近接場光が発生する上でより適した分布である。この特有のドーパント分布を形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴う擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。   FIG. 3 shows an example after the distribution change of the dopant 14 occurs. The generation of Joule heat increases the fluidity in the pseudo p layer 12, particularly in the vicinity of the n layer 11. As a result, the distribution of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 changes randomly. As a result of repeated changes in the surface shape and dopant distribution, for example, a specific dopant distribution is formed in the fine region A. This unique dopant distribution in the fine region A is a distribution that is more suitable for generating near-field light based on guided light as incident propagating light. The conditions for forming this specific dopant distribution are not established, and as a result of random changes of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 due to the generation of Joule heat, it occurs by chance under a certain probability. Is formed.

このような、微細領域Aにおける特有のドーパント分布が形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該特有のドーパント分布において近接場光が発生する。ここでいう近接場光は、仮想的な電磁場の意味も含まれていることから、仮想的な電磁場が形成されていることが近接場光の発生を意味するものとして解される。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。ちなみに、この近接場光の発生位置は、特有のドーパント分布が生じた箇所で発生するが、それ以外の箇所においても当然に発生する場合がある。   When such a specific dopant distribution in the fine region A is formed, if the above-described forward bias voltage is further loaded, near-field light is generated in the specific dopant distribution. The near-field light here includes the meaning of a virtual electromagnetic field, and therefore the formation of a virtual electromagnetic field is understood as meaning the generation of near-field light. The generation of the near-field light is generated by spontaneous emission of the injected charge and stimulated emission based on it when the forward current is injected, even in the absence of the induced light. Generation of this near-field light causes a non-adiabatic process described below. Incidentally, the generation position of the near-field light is generated at a place where the specific dopant distribution is generated, but may naturally occur at other places.

この非断熱過程とは、図4に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図4(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。ZnOの原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という。   This non-adiabatic process can be considered by a model in which the bonds between atoms are replaced by springs as shown in FIG. In general, the wavelength of propagating light is much larger than the size of the molecule, so it can be regarded as a spatially uniform electric field at the molecular level. As a result, as shown in FIG. 4A, adjacent electrons are vibrated with the same amplitude and the same phase by the spring. Since the atomic nucleus of ZnO is heavy, it cannot follow the vibrations of the electrons, and molecular vibrations are extremely difficult to occur in the propagating light. In this way, in propagation light, it can be ignored that molecular vibrations are involved in the excitation process of electrons, so this process is called adiabatic process.

一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図4(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程(非断熱過程)が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という。   On the other hand, the spatial electric field gradient of near-field light drops very steeply. For this reason, near-field light gives different vibrations to adjacent electrons, and as shown in FIG. 4B, the heavy nuclei are also vibrated by the vibrations of the different electrons. The occurrence of molecular vibration in the near-field light corresponds to energy taking the form of molecular vibration. Therefore, in the near-field light, an excitation process (non-adiabatic process) via the vibration level is possible. In this way, the excitation process via the vibration level of the nucleus is called a non-adiabatic process because the nucleus moves in response to the adiabatic process, which is a normal optical response.

また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、伝導帯における電子密度n1が、下位準位にある正孔密度n2と比較して圧倒的に高くなる。その結果、伝導帯と下位準位との間で、図5(a)に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が擬似p層12内におけるn層11近傍に形成される。次に、この形成された反転分布により、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させることができる。この電子が非断熱過程に基づいて振動準位に遷移できたのは、その箇所において近接場光が発生していたため実現できたものである。この近接場光は、ジュール熱による流動によってある確率の下で生じたドーパントの変化によって生じたものである。振動準位に遷移した電子は、この近接場光によって仮想的に生じた仮想場(ドレストフォトン−フォノン準位)を廻り、その後振動準位から伝導帯へと戻ることになる。この伝導帯に戻った電子は、拡散電流によるジュール熱に寄与する。 Further, by continuing to apply the forward bias voltage described above, the electron density n 1 in the conduction band is overwhelmingly higher than the hole density n 2 in the lower level. As a result, an inversion distribution based on the difference in electron density is formed in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 between the conduction band and the lower level, as shown in FIG. Next, due to this inversion distribution, electrons in the conduction band are virtually transitioned to a vibration level located in the middle of the band gap based on a non-adiabatic process by near-field light. Can be made. The fact that the electrons were able to transit to the vibration level based on the non-adiabatic process was realized because near-field light was generated at that location. This near-field light is generated by a change in dopant that occurs with a certain probability due to the flow due to Joule heat. The electrons that have transitioned to the vibration level travel around the virtual field (dressed photon-phonon level) virtually generated by the near-field light, and then return from the vibration level to the conduction band. The electrons returning to the conduction band contribute to Joule heat due to the diffusion current.

このように近接場光が単に発生した段階では、伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることを繰り返すこととなる。伝導帯に戻った電子は、ジュール熱に寄与することとなり、ジュール熱は下がることなく、擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントの分布変化が継続して生じることになる。   Thus, at the stage where the near-field light is simply generated, the electrons in the conduction band are virtually transitioned to the vibration level and returned to the conduction band again. The electrons returning to the conduction band contribute to Joule heat, and the Joule heat does not decrease, and the distribution change of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 continues.

またジュール熱によるドーパントの分布変化が生じた結果、更に近接場光の発生態様が変化した場合には、ある確率の下で図5(b)に示すように、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させることによる発光させる。また、かかる近接場光に基づいて伝導帯中の電子を複数段階で誘導放出させることにより発光させる。   As a result of the change in the distribution of the dopant due to Joule heat, when the generation mode of the near-field light further changes, as shown in FIG. Based on a non-adiabatic process by light, light is emitted by virtually transitioning to a vibration level located in the middle of the band gap and emitting electrons therefrom. Further, light is emitted by stimulated emission of electrons in the conduction band in a plurality of steps based on such near-field light.

その結果、このpn接合体1から係る電子の放出による発光を実現することが可能となる。当該特有のドーパント分布においては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、振動準位を介し電子を放出させる。このとき、バンドギャップ幅に相当する吸収端波長よりも長波長である誘導光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができ、その結果、伝導体中の電子を減少させることが可能となる。即ち、p型ドーパントの励起波長よりも長波長の誘導光を擬似p層に対して照射することで、上述した誘導放出を生じさせる。
このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度n1が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する特有のドーパント分布が形成された領域については、n層11へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下する。そして、当該特有のドーパント分布が形成された領域についてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、擬似p層12内におけるn層11近傍の流動性が低下する。その結果、擬似p層12内におけるn層11近傍については、ドーパントの分布の変化が抑制されることになる。かかるドーパント分布はそのまま変化することなく固定されることになる。
As a result, it is possible to realize light emission by emitting electrons from the pn junction 1. In the specific dopant distribution, near-field light continues to be generated, so that a non-adiabatic process can be generated. In stimulated emission by this non-adiabatic process, electrons are emitted through vibration levels. At this time, even in the induced light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength corresponding to the band gap width, electrons in the conduction band can be emitted in a multi-stage transition, and as a result, electrons in the conductor are reduced. It becomes possible. That is, the above-described stimulated emission is generated by irradiating the pseudo-p layer with induced light having a wavelength longer than the excitation wavelength of the p-type dopant.
The multistage stimulated emission caused by such a non-adiabatic process causes the electron density n 1 in the conduction band to decrease. As a result, in the region where the peculiar dopant distribution in which such near-field light is generated is formed, the amount of electrons moving to the n layer 11 decreases, and the diffusion current decreases. And the Joule heat falls about the area | region in which the said specific dopant distribution was formed. That is, stimulated emission takes away energy of electrons and holes, and the fluidity in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 decreases. As a result, the change in dopant distribution is suppressed in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12. Such a dopant distribution is fixed without change.

また、図5(b)に示すように発光が生じた場合、その発光に基づいて、特有のドーパント分布による近接場光が発生しやすくなる。その発生した近接場光により、さらに各部における非断熱過程が生じやすくなり、特有のドーパント分布の固定化並びに発光が促進されることとなる。   Further, when light emission occurs as shown in FIG. 5B, near-field light due to a specific dopant distribution is likely to be generated based on the light emission. The generated near-field light further tends to cause a non-adiabatic process in each part, and the fixation of the specific dopant distribution and the light emission are promoted.

また、上述の如き順方向バイアス電圧を印加し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。   Moreover, the mechanism described above is continuously generated by continuing to apply the forward bias voltage as described above.

微細領域Aは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、微細領域A以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのままジュール熱が発生することにより、この擬似p層12内におけるn層11近傍の流動性が増加する結果、擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントの分布がランダムに変化する。このランダムなドーパント分布の変化の結果、図6に示すように、微細領域Aとほぼ同一分布の微細領域Bが形成される場合もある。この微細領域Bにおける特有のドーパント分布は、微細領域Aと同様に、近接場光が発生する上でより適した分布である。この特有のドーパント分布を形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴う擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。   In the fine region A, the near-field light continues to be generated as it is, and the stimulated emission by the non-adiabatic process described above is continuously generated. As a result, the temperature is lowered, and the fine region A continues to be fixed in this state. In addition, since the near-field light is not generated in the portions other than the fine region A, the fluidity in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 is increased by generating Joule heat as it is without being cooled. The dopant distribution in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 changes randomly. As a result of this random change in dopant distribution, as shown in FIG. 6, a fine region B having the same distribution as the fine region A may be formed. Similar to the fine region A, the specific dopant distribution in the fine region B is a more suitable distribution for generating near-field light. The conditions for forming this specific dopant distribution are not established, and as a result of random changes of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 due to the generation of Joule heat, it occurs by chance under a certain probability. Is formed.

このような、微細領域Bにおける特有のドーパント分布が形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該特有のドーパント分布において近接場光が発生する。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより、この微細領域Bにおいても同様な非断熱過程が生じる。   When such a specific dopant distribution in the fine region B is formed, if the forward bias voltage described above is further applied, near-field light is generated in the specific dopant distribution. The generation of the near-field light is generated by spontaneous emission of the injected charge and stimulated emission based on it when the forward current is injected, even in the absence of the induced light. The generation of the near-field light causes a similar non-adiabatic process in the fine region B.

微細領域Bについても、非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、拡散電流が低下する。そして、当該特有のドーパント分布が形成された微細領域Bについてはジュール熱が低下することになり、流動性が低下する。その結果、微細領域Bについても、擬似p層12内におけるn層11近傍については、ドーパントの分布の変化が抑制されることになる。かかるドーパント分布はそのまま変化することなく固定されることになる。   Also in the fine region B, the diffusion current is reduced due to multistage stimulated emission due to the non-adiabatic process. And about the micro area | region B in which the said specific dopant distribution was formed, Joule heat will fall and fluidity | liquidity will fall. As a result, also in the fine region B, the change in the dopant distribution is suppressed in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12. Such a dopant distribution is fixed without change.

かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には、順方向バイアス電圧が印加された場合に近接場光が好適に発生する微細領域A、Bと同一のドーパント分布が数多く作り出されることとなる。ドーパント分布の変化が抑制され、流動性の向上による加工が停止することとなる。その結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能となる。   When such processing is repeatedly executed, ideally, many dopant distributions identical to those in the fine regions A and B in which near-field light is suitably generated when a forward bias voltage is applied are created. The change in the dopant distribution is suppressed, and the processing by improving the fluidity is stopped. As a result, the luminous efficiency can be dramatically improved.

このように本発明では、インプラントされている窒素の多くがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に固定されていないため、p層として安定的に機能しない擬似p層12において順方向バイアス電圧を印加することで、ジュール熱が発生することによる擬似p層12の流動性を増加させる。そして、擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントの分布がランダムに変化し、ある特有のドーパント分布が形成された場合に近接場光が発生する。そして、当該近接場光が発生した領域においては、誘導放出により発光が生じる。このような近接場光の発生による発光が生じる領域においては、流動性が低下して加工が停止し、ドーパントの分布が固定されることとなる。   Thus, in the present invention, since most of the implanted nitrogen is not fixed at a position in the crystal that should function as an acceptor, a forward bias voltage is applied in the pseudo-p layer 12 that does not function stably as a p-layer. As a result, the fluidity of the pseudo p-layer 12 due to the generation of Joule heat is increased. Then, the near-field light is generated when the distribution of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 randomly changes and a specific dopant distribution is formed. And in the area | region where the said near field light generate | occur | produced, light emission arises by stimulated emission. In a region where light emission due to the generation of such near-field light occurs, the fluidity is lowered, the processing is stopped, and the dopant distribution is fixed.

そして、このドーパントが固定された状態においては、順方向バイアス電圧を印加した際において発光が生じるものであることから、いわゆるpn接合としての機能を発揮することとなる。つまり擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に移動し、固定されたことを意味する。   In a state where this dopant is fixed, light emission occurs when a forward bias voltage is applied, so that it functions as a so-called pn junction. That is, it means that the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 has moved and fixed to a position in the crystal that should function as an acceptor.

擬似p層12は、当初からZnOで構成されているが、その擬似p層12内におけるドーパントとしての窒素が、アクセプターとして機能すべき結晶内の位置に移動した場合、ZnOは、p型半導体として機能することとなる。このため、擬似p層12内における近接場光が好適に発生する微細領域A、Bは、いわゆるp型のZnOに変化したものといえる。   Although the pseudo p layer 12 is composed of ZnO from the beginning, when nitrogen as a dopant in the pseudo p layer 12 moves to a position in the crystal that should function as an acceptor, ZnO becomes a p-type semiconductor. Will function. Therefore, it can be said that the fine regions A and B in which the near-field light is suitably generated in the pseudo p layer 12 are changed to so-called p-type ZnO.

特に本発明では、擬似p層12内におけるn層11近傍をジュール熱に基づいて一度流動させた後に、p型半導体としての機能が発揮しえる状態へドーパントを移動させて固化させている。これにより、拡散されて固定後のドーパントは、ZnO中においてp型半導体としての機能を発揮しえる状態で安定的に固定されるものである。このため、擬似p層12を、本来的なp型半導体21としての機能を発揮するp層に変化させることが可能となる。   In particular, in the present invention, the n layer 11 and the vicinity thereof in the pseudo p layer 12 are once flowed based on Joule heat, and then the dopant is moved and solidified to a state where the function as a p-type semiconductor can be exhibited. Thereby, the diffused and fixed dopant is stably fixed in a state capable of exhibiting a function as a p-type semiconductor in ZnO. For this reason, the pseudo p layer 12 can be changed to a p layer that exhibits the function of the original p-type semiconductor 21.

次に、このようにして得られたp型半導体21を用いて光の変調を行う。かかる場合には、図7に示すような光変調器40を構成するものとし、変調対象の光をp型半導体21に伝搬させる。かかる場合には、入力光を擬似p層12側から照射し、p型半導体21中を通過させてn層11へと伝搬させる。反射型の光変調器を構成する場合には、例えばn層11の端面に反射膜としての金属性薄膜25を形成させるようにしてもよい。これにより、p型半導体21中を通過させてn層11へと伝搬した光は、この金属性薄膜25を反射し、n層11からp型半導体21を伝搬して外部へと出射されることなる。これに対して、透過型の光変調器を構成する場合には、金属性薄膜25の構成を省略することにより、変調対象の光を一方向に向けて通過させることで変調を行う。   Next, light modulation is performed using the p-type semiconductor 21 thus obtained. In such a case, an optical modulator 40 as shown in FIG. 7 is configured, and light to be modulated is propagated to the p-type semiconductor 21. In such a case, the input light is irradiated from the side of the pseudo p layer 12, passes through the p-type semiconductor 21, and propagates to the n layer 11. When a reflection type light modulator is configured, for example, a metallic thin film 25 as a reflection film may be formed on the end face of the n layer 11. As a result, the light that has passed through the p-type semiconductor 21 and propagated to the n-layer 11 is reflected by the metallic thin film 25, propagates from the n-layer 11 through the p-type semiconductor 21, and is emitted to the outside. Become. On the other hand, when a transmissive optical modulator is configured, the modulation is performed by allowing the light to be modulated to pass in one direction by omitting the configuration of the metallic thin film 25.

反射型、透過型の何れの光変調器においても、光の伝搬方向は、pn接合面28に対して垂直方向となる。   In both the reflection type and transmission type optical modulators, the light propagation direction is perpendicular to the pn junction plane 28.

また、このような光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加する。この変調電界の印加については、例えば図7に示すように、変調電界印加部22を介して行う。この変調電界印加部22は、擬似p層12の表面に設けられた2つの電極からなる。この変調電界印加部22を通じて変調電界を印加する。これにより、変調電界は、擬似p層12中を流れることになる。特にpn接合面28に対してほぼ平行方向に変調電界に基づく電流が流れるように、2つに亘る変調電界印加部22を配置することで、変調電界と、光の伝搬方向とが互いに略垂直方向になるように調整することが可能となる。   In addition, a modulation electric field is applied in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction. The modulation electric field is applied through a modulation electric field application unit 22 as shown in FIG. The modulation electric field applying unit 22 includes two electrodes provided on the surface of the pseudo p layer 12. A modulation electric field is applied through the modulation electric field applying unit 22. As a result, the modulation electric field flows in the pseudo p layer 12. In particular, by arranging two modulation electric field application sections 22 so that a current based on the modulation electric field flows in a direction substantially parallel to the pn junction surface 28, the modulation electric field and the light propagation direction are substantially perpendicular to each other. It becomes possible to adjust to be in the direction.

このようにして、光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加することにより、上記光の偏光方向又は伝搬方向を変調することが可能となる。   In this way, the polarization direction or the propagation direction of the light can be modulated by applying a modulation electric field in a direction substantially perpendicular to the propagation direction of the light.

特に誘導光と略同一波長で構成した変調対象の伝搬光を擬似p層12に伝搬させることにより、近接場光を発生させることが可能となる。擬似p層12を構成する微細領域A、Bは、それぞれ誘導光の波長に対して近接場光を発生可能なドーパント分布となっている。このため、微細領域A、Bからなる擬似p層12に、誘導光と略同一波長からなる伝搬光を照射することにより、当該微細領域A,Bを介して近接場光を発生させることが可能となる。   In particular, it is possible to generate near-field light by propagating the propagation light to be modulated having substantially the same wavelength as that of the guide light to the pseudo-p layer 12. The fine regions A and B constituting the pseudo p layer 12 have a dopant distribution capable of generating near-field light with respect to the wavelength of the guide light. For this reason, it is possible to generate near-field light through the fine regions A and B by irradiating the pseudo-p layer 12 composed of the fine regions A and B with propagation light having substantially the same wavelength as the guide light. It becomes.

即ち、擬似p層12中を伝搬する光のエネルギーが、図8(a)に示すように、擬似p層12において局在場としてのドレスト光子(近接場光)に一時的に変換される。この一時的に変換されたドレスト光子は、一時的にその場に留まる、いわゆる局在化する性質を持つ。このため、ドレスト光子に変換されることにより、通常の伝搬光と比較して、n層11に到達する速度は遅くなる。この一時的に変換されたドレスト光子は、図8(a)に示すように、その後再び伝搬光へと変換されてn層11へと伝搬していくこととなる。   That is, the energy of light propagating in the pseudo p layer 12 is temporarily converted into dressed photons (near field light) as a localized field in the pseudo p layer 12 as shown in FIG. This temporarily converted dressed photon has a so-called localized property of staying in place temporarily. For this reason, the speed | rate which reaches | attains the n layer 11 becomes slow compared with normal propagation light by converting into a dressed photon. The temporarily converted dressed photons are then converted again into propagating light and propagated to the n layer 11 as shown in FIG. 8A.

このようにドレスト光子に変換されている間において、上述した変調電界に起因する磁場の作用を受けることとなる。変調電界を印加することにより、p型のZnOに起因する磁気による磁気光学効果を受けることとなる。この磁気光学効果では、例えば磁界により屈折率や偏光面等が変化する。ドレスト光子は、この磁気光学効果を受け続けることとなるが、伝搬光と比較して擬似p層12内に留まっている時間が長くなるため、当該磁気光学効果を受け続ける時間も長くなる。その結果、ドレスト光子は、磁気光学効果により、分極が大きく偏ることとなる。これに応じて、当該ドレスト光子から再び変換された伝搬光について偏光方向を変化させることが可能となる。特に本発明によれば、ドレスト光子は、磁気光学効果をより長く受け続けるため、分極が大きく変化し、その分において偏光方向を大きく変調させることが可能となる。擬似p層12が数μmの僅かな厚みで構成されている場合においても、当該厚みに支配されることなく、そのドレスト光子を高効率に変調することが可能となる。   Thus, during the conversion into dressed photons, the magnetic field due to the above-described modulation electric field is applied. By applying a modulation electric field, the magneto-optical effect due to magnetism caused by p-type ZnO is received. In this magneto-optical effect, for example, the refractive index and the polarization plane change due to a magnetic field. The dressed photon continues to receive this magneto-optic effect, but the time spent in the pseudo-p layer 12 is longer than that of the propagating light, and thus the time to continue receiving the magneto-optical effect is also increased. As a result, the dressed photons are largely polarized due to the magneto-optic effect. In response to this, it becomes possible to change the polarization direction of the propagating light converted again from the dressed photon. In particular, according to the present invention, the dressed photon continues to receive the magneto-optical effect for a longer time, so that the polarization changes greatly, and the polarization direction can be greatly modulated accordingly. Even when the pseudo p layer 12 is formed with a slight thickness of several μm, the dressed photons can be modulated with high efficiency without being controlled by the thickness.

ちなみに、ここでいう変調とは、上述した偏光方向の変調のみならず、伝搬方向の変調であってもよいし、その他いかなる変調も含まれる。また、変調対象の伝搬光は、誘導光と略同一波長である場合に限定されるものではない。変調対象の伝搬光の波長が、当該誘導光の波長と相違するものであっても、近接場光が発生する場合があり、かかる場合には上述と同様の作用効果が生じることとなる。   Incidentally, the modulation referred to here may be not only the above-described modulation in the polarization direction but also the modulation in the propagation direction, and includes any other modulation. Further, the propagation light to be modulated is not limited to the case where it has substantially the same wavelength as the guide light. Even if the wavelength of the propagation light to be modulated is different from the wavelength of the guide light, near-field light may be generated. In such a case, the same effect as described above will occur.

これに対して、図8(b)に示すように、伝搬光がドレスト光子に変換されることなく、そのまま伝搬した場合には、磁気光学効果を受けるにしても、その期間が短くなることから、高効率な変調を実現することができない。   On the other hand, as shown in FIG. 8B, if the propagating light propagates as it is without being converted into dressed photons, the period is shortened even if the magneto-optical effect is received. Highly efficient modulation cannot be realized.

なお、本発明によれば、上述した変調メカニズム以外に、以下に説明するメカニズムによる変調を行うようにしてもよい。かかる場合において、伝搬光を一時的にドレスト光子に変換して遅延させ、その後再び伝搬光にこれを変換してn層11へと伝搬させる点は、上述と同様である。このとき、変調電界によって、ZnO中の擬似p層12が持っている分極を偏らせる。即ち、このZnOの材料に起因する分極の偏りをドレスト光子に帯びさせる。この材料起因の分極を受けてドレスト光子自体も分極が大きく変化し、該ドレスト光子から再び変換された伝搬光について偏光方向を変化させることが可能となる。   According to the present invention, in addition to the modulation mechanism described above, modulation by a mechanism described below may be performed. In such a case, the point that the propagation light is temporarily converted into a delayed photon, delayed, and then converted again into the propagation light and propagated to the n layer 11 is the same as described above. At this time, the polarization of the pseudo p layer 12 in ZnO is biased by the modulation electric field. That is, the polarization photons caused by the ZnO material are tinged with the dressed photons. The polarization of the dressed photon itself changes greatly due to the polarization caused by this material, and the polarization direction of the propagating light converted from the dressed photon can be changed.

なお、上述した構成からなる本発明を適用した光変調器40によれば外部磁場を使用する必要性も無くなることで、省エネルギー化、省資源化、小コスト化を図ることが可能となる。   In addition, according to the optical modulator 40 to which the present invention having the above-described configuration is applied, it is not necessary to use an external magnetic field, so that energy saving, resource saving, and cost reduction can be achieved.

また、本発明は、上述した構成からなる光変調器40として具現化されるものであってもよいし、この光変調器40の作製方法として具現化されるものであってもよい。更に本発明によれば、光変調器40の作製から変調動作に至るまでの一連の光変調方法として具現化されるものであってもよいことは勿論である。   In addition, the present invention may be embodied as the optical modulator 40 having the above-described configuration, or may be embodied as a method for manufacturing the optical modulator 40. Furthermore, according to the present invention, it is needless to say that the present invention may be embodied as a series of light modulation methods from the production of the light modulator 40 to the modulation operation.

1 pn接合体
10 作製装置
11 n層
12 擬似p層
14 ドーパント
21 p型半導体
22 変調電界印加部
25 金属性薄膜
28 pn接合面
40 光変調器
41 電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 pn junction body 10 Preparation apparatus 11 N layer 12 Pseudo p layer 14 Dopant 21 P-type semiconductor 22 Modulation electric field application part 25 Metal thin film 28 pn junction surface 40 Optical modulator 41 Power supply

Claims (7)

n型酸化物半導体基板で構成したn層と、上記n型酸化物半導体基板にp型ドーパントをインプラントした擬似p層とを形成し、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記n層及び上記擬似p層に拡散電流を発生させ、
上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記擬似p層にインプラントしたp型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後のp型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似p層中のドーパント分布を固定させて当該擬似p層をp型酸化物半導体として構成し、
更に上記p型酸化物半導体に光を伝搬させるとともに、当該光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加することにより、上記光の偏光方向又は伝搬方向を変調すること
を特徴とする光変調方法。
forming an n layer composed of an n-type oxide semiconductor substrate and a pseudo-p layer in which a p-type dopant is implanted in the n-type oxide semiconductor substrate;
A diffusion current is generated in the n layer and the pseudo p layer by applying a forward bias voltage;
Based on Joule heat generated by the generated diffusion current, the distribution of the p-type dopant implanted in any one or more of the pseudo-p layers is repeated, and the conduction band in the active layer is generated by the forward bias voltage. And inversion distribution in the valence band,
In a place where near-field light is generated based on the distribution of the p-type dopant after the change, electrons in the conduction band forming the inversion distribution are stimulated and emitted in multiple steps based on a non-adiabatic process. Reducing the diffusion current to reduce the Joule heat, fixing the dopant distribution in the pseudo-p layer, and configuring the pseudo-p layer as a p-type oxide semiconductor,
Further, the light modulation is characterized in that the light is propagated to the p-type oxide semiconductor and the polarization direction or the propagation direction of the light is modulated by applying a modulation electric field in a direction substantially perpendicular to the propagation direction of the light. Method.
上記順方向バイアス電圧の印加時において、上記p型ドーパントのバンドギャップよりも長波長の誘導光を上記擬似p層に対して照射し、
上記誘導光と略同一波長からなる光を伝搬させること
を特徴とする請求項1記載の光変調方法。
When applying the forward bias voltage, the pseudo p layer is irradiated with guided light having a wavelength longer than the band gap of the p-type dopant,
The light modulation method according to claim 1, wherein light having substantially the same wavelength as that of the guide light is propagated.
上記伝搬させる光により、上記変化後のp型ドーパントの分布に基づいて近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記伝搬させる光を一時的にドレスト光子に変換することにより伝搬を遅延させつつ、当該ドレスト光子に対して上記変調電界に基づく磁気光学効果を与えることによりその分極を偏らせ、上記ドレスト光子から再び変換した伝搬させる光を変調すること
を特徴とする請求項1又は2記載の光変調方法。
The propagation light generates near-field light based on the changed distribution of the p-type dopant, and the propagation light is delayed by temporarily converting the propagated light into dressed photons by the generated near-field light. The polarization light is biased by giving the dressed photon a magneto-optic effect based on the modulated electric field, and the propagating light converted again from the dressed photon is modulated. The light modulation method described.
n型酸化物半導体基板で構成したn層と、上記n型酸化物半導体基板にp型ドーパントをインプラントした擬似p層とを形成し、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記n層及び上記擬似p層に拡散電流を発生させ、
上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記擬似p層にインプラントしたp型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後のp型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似p層中のドーパント分布を固定させて当該擬似p層をp型酸化物半導体として構成し、
更に上記p型酸化物半導体に伝搬させる光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加するための変調電界印加部を設けること
を特徴とする光変調器の作製方法。
forming an n layer composed of an n-type oxide semiconductor substrate and a pseudo-p layer in which a p-type dopant is implanted in the n-type oxide semiconductor substrate;
A diffusion current is generated in the n layer and the pseudo p layer by applying a forward bias voltage;
Based on Joule heat generated by the generated diffusion current, the distribution of the p-type dopant implanted in any one or more of the pseudo-p layers is repeated, and the conduction band in the active layer is generated by the forward bias voltage. And inversion distribution in the valence band,
In a place where near-field light is generated based on the distribution of the p-type dopant after the change, electrons in the conduction band forming the inversion distribution are stimulated and emitted in multiple steps based on a non-adiabatic process. Reducing the diffusion current to reduce the Joule heat, fixing the dopant distribution in the pseudo-p layer, and configuring the pseudo-p layer as a p-type oxide semiconductor,
A method for manufacturing an optical modulator, further comprising: a modulation electric field applying unit for applying a modulation electric field in a direction substantially perpendicular to a propagation direction of light propagating to the p-type oxide semiconductor.
請求項4に記載の酸化物半導体による光変調器の作製方法により作製され、
上記p型酸化物半導体に伝搬させる変調対象の光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加する変調電界印加手段とを備え、
上記変調電界印加手段は、変調電界を印加することにより、上記変調対象の光の偏光方向又は伝搬方向を変調すること
を特徴とする光変調器。
It is produced by the production method of an optical modulator using an oxide semiconductor according to claim 4,
Modulation electric field applying means for applying a modulation electric field in a direction substantially perpendicular to the propagation direction of the light to be modulated propagated to the p-type oxide semiconductor,
The modulation electric field applying means modulates the polarization direction or propagation direction of the light to be modulated by applying a modulation electric field.
上記順方向バイアス電圧の印加時において、上記p型ドーパントのバンドギャップよりも長波長の誘導光が上記擬似p層に対して照射された場合において、上記誘導光と略同一波長からなる光を伝搬させること
を特徴とする請求項5記載の光変調器。
When the forward bias voltage is applied, when the pseudo-p layer is irradiated with guide light having a wavelength longer than the band gap of the p-type dopant, light having substantially the same wavelength as the guide light propagates. The optical modulator according to claim 5, wherein:
上記伝搬させる光により、上記変化後のp型ドーパントの分布に基づいて近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記伝搬させる光を一時的にドレスト光子に変換することにより伝搬を遅延させつつ、当該ドレスト光子に対して上記変調電界に基づく磁気光学効果を与えることによりその分極を偏らせ、上記ドレスト光子から再び変換した伝搬させる光を変調すること
を特徴とする請求項5又は6記載の光変調器。
The propagation light generates near-field light based on the changed distribution of the p-type dopant, and the propagation light is delayed by temporarily converting the propagated light into dressed photons by the generated near-field light. The polarization light is biased by applying a magneto-optic effect based on the modulation electric field to the dressed photon, and the propagating light converted again from the dressed photon is modulated. The light modulator described.
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