JP2591445B2 - 光変調素子 - Google Patents
光変調素子Info
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- JP2591445B2 JP2591445B2 JP5257404A JP25740493A JP2591445B2 JP 2591445 B2 JP2591445 B2 JP 2591445B2 JP 5257404 A JP5257404 A JP 5257404A JP 25740493 A JP25740493 A JP 25740493A JP 2591445 B2 JP2591445 B2 JP 2591445B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は光変調素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】光の非干渉性を生かした高密度な情報処
理や情報伝達の実現のためには、二次元的に高密度に集
積できる光変調器あるいは光スイッチが求められる。
理や情報伝達の実現のためには、二次元的に高密度に集
積できる光変調器あるいは光スイッチが求められる。
【０００３】図５は、半導体量子井戸構造に電界を印加
したときの光吸収量の変化を利用した光変調器の一例で
ある。この光変調器については、１９８５年７月１５日
発行の雑誌フィジカルレビューＢ「Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ」の１０４３−１０６０頁に掲載され
ている論文「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｅｐｅ
ｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ａｂｓｏｒｐｔ
ｉｏｎ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｂａｎｄ ｇａｐ ｏｆ
ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」に詳
しく述べられている。具体的な構造としては、量子井戸
にガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）、障壁層にアルミニウム
・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）を用い、これを多数
集積した多重量子井戸構造とし、これをｐ形、及びｎ形
のＡｌＧａＡｓではさみ、電圧を加えることによって量
子井戸に電界を印加できる構造である。同様に、量子井
戸にインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、障
壁層にインジウム・リン（ＩｎＰ）あるいはインジウム
・アルミニウム・ヒ素（ＩｎＡｌＡｓ）を用いることに
よって、光通信で用いられる１．５５μｍの波長で動作
する光変調素子が得られる。量子井戸構造の吸収スペク
トルが電界によって長波長側に移動する現象は量子閉じ
込めシュタルク効果として知られており、図６のような
関係を示す。図では量子井戸に形成される量子準位のう
ち量子の第１準位と重い正孔の第１の準位間の遷移に伴
う光吸収（以降、重い正孔の吸収と略す）及び、電子の
第１準位と軽い正孔の第一準位の遷移に伴った吸収（以
降、軽い正孔の吸収と略す）について示してある。電界
を印加しない時の吸収ピーク波長よりも少し長波長側に
入射光の波長を設定すると、電界印加しない時は吸収が
少なく、光は変調素子を透過するが、電界を印加すると
吸収ピークが入射光波長と一致し、大きな光吸収が起こ
り、光は透過しにくくなるため、光の変調動作が可能と
なる。
したときの光吸収量の変化を利用した光変調器の一例で
ある。この光変調器については、１９８５年７月１５日
発行の雑誌フィジカルレビューＢ「Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ」の１０４３−１０６０頁に掲載され
ている論文「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｅｐｅ
ｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ａｂｓｏｒｐｔ
ｉｏｎ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｂａｎｄ ｇａｐ ｏｆ
ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」に詳
しく述べられている。具体的な構造としては、量子井戸
にガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）、障壁層にアルミニウム
・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）を用い、これを多数
集積した多重量子井戸構造とし、これをｐ形、及びｎ形
のＡｌＧａＡｓではさみ、電圧を加えることによって量
子井戸に電界を印加できる構造である。同様に、量子井
戸にインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、障
壁層にインジウム・リン（ＩｎＰ）あるいはインジウム
・アルミニウム・ヒ素（ＩｎＡｌＡｓ）を用いることに
よって、光通信で用いられる１．５５μｍの波長で動作
する光変調素子が得られる。量子井戸構造の吸収スペク
トルが電界によって長波長側に移動する現象は量子閉じ
込めシュタルク効果として知られており、図６のような
関係を示す。図では量子井戸に形成される量子準位のう
ち量子の第１準位と重い正孔の第１の準位間の遷移に伴
う光吸収（以降、重い正孔の吸収と略す）及び、電子の
第１準位と軽い正孔の第一準位の遷移に伴った吸収（以
降、軽い正孔の吸収と略す）について示してある。電界
を印加しない時の吸収ピーク波長よりも少し長波長側に
入射光の波長を設定すると、電界印加しない時は吸収が
少なく、光は変調素子を透過するが、電界を印加すると
吸収ピークが入射光波長と一致し、大きな光吸収が起こ
り、光は透過しにくくなるため、光の変調動作が可能と
なる。
【０００４】ところが、電界を印加して吸収ピークを長
波長側に移動させる際に、電子と正孔が空間的に分離す
ることによる吸収関数の低下も同時に起こってしまう。
図６の例では重い正孔の吸収が、軽い正孔のそれよりも
常に長波長側にあるため、光変調動作には重い正孔によ
る吸収のみが関与しており、吸収関数は電界によって一
様に減少する。そこで、図７に示す例では量子井戸層に
障壁層と異なる格子定数の半導体を用い、量子井戸層に
引っ張り歪みを加えることによって予め軽い正孔の吸収
端を重い正孔よりも長波長側に置き、電界を加えた状態
で軽い正孔と重い正孔の吸収を同じ波長で起こるように
してある。これにより、電界印加によて一様に減少して
いた吸収関数を重い正孔と軽い正孔両方の吸収を用いる
ことによって大きくしようとするものである。この光変
調素子の動作原理については、１９９２年６月発行の雑
誌アイイーイーイー ジャーナル オブ カンタム エ
レクトロニクス「ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ
ｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」の１４９６−１
５０７頁に掲載の論文「Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔ
ｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｔｅｎｓｉｌ
ｅ Ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ
ｖｉａ ＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＥｄｇｅ Ｍｅｒｇｉｎ
ｇ」に詳しく述べられている。具体的な構造として量子
井戸層にインジウム組成０．４９、ガリウム組成０．５
１のＩｎＧａＡｓ層、障壁層にＩｎＰを用い、量子井戸
の幅を１２．１ｎｍとしたとき、５２ｋＶ／ｃｍの電界
を印加した状態で重い正孔と軽い正孔の吸収ピークが一
致する。
波長側に移動させる際に、電子と正孔が空間的に分離す
ることによる吸収関数の低下も同時に起こってしまう。
図６の例では重い正孔の吸収が、軽い正孔のそれよりも
常に長波長側にあるため、光変調動作には重い正孔によ
る吸収のみが関与しており、吸収関数は電界によって一
様に減少する。そこで、図７に示す例では量子井戸層に
障壁層と異なる格子定数の半導体を用い、量子井戸層に
引っ張り歪みを加えることによって予め軽い正孔の吸収
端を重い正孔よりも長波長側に置き、電界を加えた状態
で軽い正孔と重い正孔の吸収を同じ波長で起こるように
してある。これにより、電界印加によて一様に減少して
いた吸収関数を重い正孔と軽い正孔両方の吸収を用いる
ことによって大きくしようとするものである。この光変
調素子の動作原理については、１９９２年６月発行の雑
誌アイイーイーイー ジャーナル オブ カンタム エ
レクトロニクス「ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ
ｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」の１４９６−１
５０７頁に掲載の論文「Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔ
ｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｔｅｎｓｉｌ
ｅ Ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ
ｖｉａ ＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＥｄｇｅ Ｍｅｒｇｉｎ
ｇ」に詳しく述べられている。具体的な構造として量子
井戸層にインジウム組成０．４９、ガリウム組成０．５
１のＩｎＧａＡｓ層、障壁層にＩｎＰを用い、量子井戸
の幅を１２．１ｎｍとしたとき、５２ｋＶ／ｃｍの電界
を印加した状態で重い正孔と軽い正孔の吸収ピークが一
致する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一様に
引っ張り歪みを加えた場合には、重い正孔と軽い正孔の
遷移波長が重なる点は一点しか無く、重くなった状態で
は吸収関数は大きくなるが、動作波長と印加電界の両方
に対して厳密な設定が必要で、動作させられる条件の範
囲が狭い。
引っ張り歪みを加えた場合には、重い正孔と軽い正孔の
遷移波長が重なる点は一点しか無く、重くなった状態で
は吸収関数は大きくなるが、動作波長と印加電界の両方
に対して厳密な設定が必要で、動作させられる条件の範
囲が狭い。
【０００６】この発明の目的は、上記の欠点を無くし、
吸収係数が大きく、かつ動作範囲の広い光変調素子を提
供するものである。
吸収係数が大きく、かつ動作範囲の広い光変調素子を提
供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の光変調素子は、
アンドープの半導体薄膜を該半導体薄膜よりエネルギー
ギャップの大きなアンドープ層の半導体で挟んだ量子井
戸構造と該量子井戸構造に電界を印加するためのｐ型半
導体層及びｎ型半導体層によるｐｎ接合構造が半導体基
板上に積層され、該ｐｎ接合構造には電圧印加のための
電極を有し、該量子井戸構造の量子井戸となる前記半導
体薄膜の格子定数を基板となる半導体の格子定数に対し
て小さいものから同等あるいは大きくなるように徐々に
変化させ、その変化の方向を前記ｐ型半導体層側が最も
格子定数が小さく、前記ｎ型半導体層に向かって大きく
なる方向とし、歪の変化量と前記量子井戸層厚を選択す
ることにより電界印加時の重い正孔バンドと軽い正孔の
吸収ピーク波長を一致させることを特徴とする。
アンドープの半導体薄膜を該半導体薄膜よりエネルギー
ギャップの大きなアンドープ層の半導体で挟んだ量子井
戸構造と該量子井戸構造に電界を印加するためのｐ型半
導体層及びｎ型半導体層によるｐｎ接合構造が半導体基
板上に積層され、該ｐｎ接合構造には電圧印加のための
電極を有し、該量子井戸構造の量子井戸となる前記半導
体薄膜の格子定数を基板となる半導体の格子定数に対し
て小さいものから同等あるいは大きくなるように徐々に
変化させ、その変化の方向を前記ｐ型半導体層側が最も
格子定数が小さく、前記ｎ型半導体層に向かって大きく
なる方向とし、歪の変化量と前記量子井戸層厚を選択す
ることにより電界印加時の重い正孔バンドと軽い正孔の
吸収ピーク波長を一致させることを特徴とする。
【０００８】
【作用】本発明では量子井戸層の半導体薄膜の格子定数
を積層方向に連続的に変化させ、歪の量を変化させた歪
量子井戸を形成する。価電子帯において軽い正孔と重い
正孔のバンド端のエネルギーは歪の無い状態では一致し
ているが、歪を加える歪の量に応じた分だけ両者は分離
し、引っ張り歪の場合、軽い正孔のバンド端が重い正孔
のそれよりも低エネルギー側、即ち、長波長側になり、
圧縮歪では逆に重い正孔が低エネルギー側になる。これ
により、連続的に歪の量を変化させればバンド端のエネ
ルギーに勾配をつけることができ、このとき、重い正孔
と軽い正孔とではその勾配が逆になる。
を積層方向に連続的に変化させ、歪の量を変化させた歪
量子井戸を形成する。価電子帯において軽い正孔と重い
正孔のバンド端のエネルギーは歪の無い状態では一致し
ているが、歪を加える歪の量に応じた分だけ両者は分離
し、引っ張り歪の場合、軽い正孔のバンド端が重い正孔
のそれよりも低エネルギー側、即ち、長波長側になり、
圧縮歪では逆に重い正孔が低エネルギー側になる。これ
により、連続的に歪の量を変化させればバンド端のエネ
ルギーに勾配をつけることができ、このとき、重い正孔
と軽い正孔とではその勾配が逆になる。
【０００９】この歪量子井戸をｐｎ接合の中に形成し、
逆方向電圧を印加することにより歪量子井戸に電界を印
加する。量子井戸の引っ張り歪みの量をｐ形半導体の側
から連続的に減らししていく構造にすれば、上に述べた
歪による効果で軽い正孔のバンド端は電界と同じ方向に
傾き、重い正孔のバンド端はそれと逆方向に傾く。量子
閉じ込めシュタルク効果に基づく電界効果による吸収ピ
ークの移動量は重い正孔の方が軽い正孔よりも大きい
が、歪によるバンドの傾きによって、重い正孔は電界の
効果が弱められ、吸収ピークの移動量は小さく、逆に軽
い正孔は電界効果が増強され、吸収ピークの移動量が大
きくなる。よって、歪の変化量と量子井戸層厚を選ぶこ
とによって電界印加時の重い正孔と軽い正孔の吸収ピー
ク波長を一致させ、かつ、電界の広い範囲で、両者の吸
収ピークの移動量をほぼ等しく保ことが可能になる。
逆方向電圧を印加することにより歪量子井戸に電界を印
加する。量子井戸の引っ張り歪みの量をｐ形半導体の側
から連続的に減らししていく構造にすれば、上に述べた
歪による効果で軽い正孔のバンド端は電界と同じ方向に
傾き、重い正孔のバンド端はそれと逆方向に傾く。量子
閉じ込めシュタルク効果に基づく電界効果による吸収ピ
ークの移動量は重い正孔の方が軽い正孔よりも大きい
が、歪によるバンドの傾きによって、重い正孔は電界の
効果が弱められ、吸収ピークの移動量は小さく、逆に軽
い正孔は電界効果が増強され、吸収ピークの移動量が大
きくなる。よって、歪の変化量と量子井戸層厚を選ぶこ
とによって電界印加時の重い正孔と軽い正孔の吸収ピー
ク波長を一致させ、かつ、電界の広い範囲で、両者の吸
収ピークの移動量をほぼ等しく保ことが可能になる。
【００１０】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
る。
【００１１】実際の光吸収においては電子と正孔の準位
間のエネルギーより数ｍｅＶ程度低いエネルギーで励起
子を介した光吸収が起こるが、本実施例ではその効果を
除いて、準位間の吸収として説明する。
間のエネルギーより数ｍｅＶ程度低いエネルギーで励起
子を介した光吸収が起こるが、本実施例ではその効果を
除いて、準位間の吸収として説明する。
【００１２】図１は本発明の光変調素子の一実施例であ
る。
る。
【００１３】ｎ形半導体基板１０の上にｎ形半導体層１
１、アンドープの歪量子井戸構造１２、ｐ形半導体層１
３、及び、電極とのオーミックコンタクトのためのｐ形
半導体層１４を積層し、基板裏面にカソード電極２１、
ｐ形半導体層１４の上にアノード電極２２を形成してい
る。アノード及びカソード電極には、光を通すための窓
が開けてある。本実施例で各層に用いる半導体として
は、基板１０はＩｎＰ、ｎ形半導体層１１及びｐ形半導
体層１３は、歪量子井戸構造の動作波長、即ち、量子井
戸の材料よりもエネルギーギャップの大きなＩｎＧａＡ
ｌＡｓ系あるいはＩｎＧａＡｓＰ系の半導体とする。
１、アンドープの歪量子井戸構造１２、ｐ形半導体層１
３、及び、電極とのオーミックコンタクトのためのｐ形
半導体層１４を積層し、基板裏面にカソード電極２１、
ｐ形半導体層１４の上にアノード電極２２を形成してい
る。アノード及びカソード電極には、光を通すための窓
が開けてある。本実施例で各層に用いる半導体として
は、基板１０はＩｎＰ、ｎ形半導体層１１及びｐ形半導
体層１３は、歪量子井戸構造の動作波長、即ち、量子井
戸の材料よりもエネルギーギャップの大きなＩｎＧａＡ
ｌＡｓ系あるいはＩｎＧａＡｓＰ系の半導体とする。
【００１４】図２は図１の歪量子井戸構造部分１２の構
造を示す一実施例で、電界が印加されていない状態のエ
ネルギーバンド図で示している。障壁層はＩｎＰ３０
で、量子井戸層３１はＩｎＧａＡｓのＩｎ組成を０．５
３から０．４０に連続的に変化させ、歪の量を連続的に
変えている。井戸幅は８．４ｎｍである。図３は図２の
歪量子井戸構造のエネルギーバンド図を８０ｋＶ／ｃｍ
の電界が印加された状態について示している。図４は量
子井戸に電界を印加した時の重い正孔と軽い正孔による
吸収ピーク波長の変化を示しているが、両者は電界の範
囲が６０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍ程度の広い範
囲でほぼ一致して同じ電界依存性を示す。
造を示す一実施例で、電界が印加されていない状態のエ
ネルギーバンド図で示している。障壁層はＩｎＰ３０
で、量子井戸層３１はＩｎＧａＡｓのＩｎ組成を０．５
３から０．４０に連続的に変化させ、歪の量を連続的に
変えている。井戸幅は８．４ｎｍである。図３は図２の
歪量子井戸構造のエネルギーバンド図を８０ｋＶ／ｃｍ
の電界が印加された状態について示している。図４は量
子井戸に電界を印加した時の重い正孔と軽い正孔による
吸収ピーク波長の変化を示しているが、両者は電界の範
囲が６０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍ程度の広い範
囲でほぼ一致して同じ電界依存性を示す。
【００１５】尚、図１に示した実施例において歪量子井
戸構造の障壁層の材料はＩｎＰの他に、ＩｎＧａＡｓよ
りもエネルギーギャップの大きな材料、例えばＩｎＡｌ
ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰとすることも可能である。ま
た、歪量子井戸構造の部分を同様な格子定数の変化をも
たせたＩｎＧａＡｓｐあるはＩｎＧａＡｌＡｓとするこ
とにより、１．３μｍの波長で動作さることもできる。
戸構造の障壁層の材料はＩｎＰの他に、ＩｎＧａＡｓよ
りもエネルギーギャップの大きな材料、例えばＩｎＡｌ
ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰとすることも可能である。ま
た、歪量子井戸構造の部分を同様な格子定数の変化をも
たせたＩｎＧａＡｓｐあるはＩｎＧａＡｌＡｓとするこ
とにより、１．３μｍの波長で動作さることもできる。
【００１６】
【発明の効果】本発明の光変調素子によって、吸収量が
大きく、動作範囲の広い光変調素子が得られる。
大きく、動作範囲の広い光変調素子が得られる。
【図１】本発明の光変調素子の一実施例を説明するため
の図。
の図。
【図２】本発明の図１の実施例の歪量子井戸構造のエネ
ルギーバンド図。
ルギーバンド図。
【図３】歪量子井戸構造に電界を印加した場合のエネル
ギーバンド図。
ギーバンド図。
【図４】図１の光変調素子の光吸収を示す図。
【図５】光変調素子の従来例を説明するための図。
【図６】光変調素子の従来例を説明するための図。
【図７】光変調素子の従来例を説明するための図。
１０ 半導体基板 １１ ｎ形半導体層 １２ 歪量子井戸構造 １３ ｐ形半導体層 １４ ｐ形半導体コンタクト層 ２１ カソード電極 ２２ アノード電極 ３０ ＩｎＰ障壁層 ３１ ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層
Claims (1)
- 【請求項１】 アンドープの半導体薄膜を該半導体薄膜
よりエネルギーギャップの大きなアンドープ層の半導体
で挟んだ量子井戸構造と該量子井戸構造に電界を印加す
るためのｐ型半導体層及びｎ型半導体層によるｐｎ接合
構造が半導体基板上に積層され、該ｐｎ接合構造には電
圧印加のための電極を有し、該量子井戸構造の量子井戸
となる前記半導体薄膜の格子定数を基板となる半導体の
格子定数に対して小さいものから同等あるいは大きくな
るように徐々に変化させ、その変化の方向を前記ｐ型半
導体層側が最も格子定数が小さく、前記ｎ型半導体層に
向かって大きくなる方向とし、歪の変化量と前記量子井
戸層厚を選択することにより電界印加時の重い正孔バン
ドと軽い正孔の吸収ピーク波長を一致させることを特徴
とする光変調素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5257404A JP2591445B2 (ja) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | 光変調素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5257404A JP2591445B2 (ja) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | 光変調素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07113991A JPH07113991A (ja) | 1995-05-02 |
| JP2591445B2 true JP2591445B2 (ja) | 1997-03-19 |
Family
ID=17305912
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5257404A Expired - Fee Related JP2591445B2 (ja) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | 光変調素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2591445B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09318918A (ja) * | 1996-05-29 | 1997-12-12 | Nec Corp | 半導体光変調器 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2789644B2 (ja) * | 1989-02-21 | 1998-08-20 | 日本電気株式会社 | 光変調器 |
| JPH0682852A (ja) * | 1992-08-31 | 1994-03-25 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
| JP3227661B2 (ja) * | 1993-09-28 | 2001-11-12 | キヤノン株式会社 | 歪量子井戸構造素子及びそれを有する光デバイス |
-
1993
- 1993-10-15 JP JP5257404A patent/JP2591445B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07113991A (ja) | 1995-05-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19961029 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071219 Year of fee payment: 11 |
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