JP2662170B2 - 半導体光スイッチング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、それぞれ非線形電気吸
収効果を有するｐｉｎ型ダイオードを用いた半導体光ス
イッチング装置と、上記半導体光スイッチング装置を用
いた光パルス逓倍装置と、上記半導体光スイッチング装
置を用いて光パルスの波長のみを変換する光パルス波長
変換装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３に従来例の光パルス逓倍装置の構成
を示す。図３に示すように、従来、入射した入力パルス
光を一旦ホトダイオード等の光電変換素子３０により電
気信号に変換した後、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路付
き高周波発振器３１に入力される。高周波発振器３１
は、入力された電気信号をＰＬＬ回路を用いて電気的に
位相同期するとともに、当該電気信号の所定次数の高調
波である高周波信号を発生する。次いで、当該高周波信
号を用いてレーザダイオード（ＬＤ）変調器３２を介し
て発光素子であるレーザダイオード３３を駆動すること
によって、上記入力パルス光の周波数の整数倍である高
調波周波数を有する出力パルス光を得ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来例では、次
のような欠点があり、問題点があった。 （ａ）電気回路３１，３２の部品点数が増え、装置規模
が比較的大きい。 （ｂ）消費電力が比較的大きい。 （ｃ）パルス光を一旦電気信号に変換し、電気回路３
１，３２を用いて処理した後、レーザダイオード３３を
駆動するため、出力光を得るまでの遅延時間が大きく、
また時間応答が遅い。

【０００４】本発明の第１の目的は以上の問題点を解決
し、従来例に比較し構成が簡単であってかつ消費電力が
小さく、しかも時間応答が速い半導体光スイッチング装
置を提供することにある。また、本発明の第２の目的は
以上の問題点を解決し、従来例に比較し構成が簡単であ
ってかつ消費電力が小さく、しかも時間応答が速い光パ
ルス逓倍装置を提供することにある。さらに、本発明の
第３の目的は以上の問題点を解決し、従来例に比較し構
成が簡単であってかつ消費電力が小さく、しかも時間応
答が速い光パルス波長変換装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の半導体光スイッチング装置は、少なくとも第１の超
格子層のサブバンドエネルギーより高いエネルギーバン
ドの高さを有するバリア層を、ガン発振効果を有して、
もしくは共鳴トンネリングと空間電荷による超格子内部
電場変調との競合過程によるキャリア輸送の振動現象を
有して高周波振動を生じさせる第１の超格子層と、電界
吸収効果を有する第２の超格子層との間に挟設してｉ型
半導体層を構成し、上記ｉ型半導体層をｐ型半導体層と
ｎ型半導体層との間に挟設してなるｐｉｎ型ダイオード
と、上記ダイオードに逆バイアス電圧を印加する可変電
圧源とを備えた半導体光スイッチング装置であって、上
記第１の超格子層の光吸収端エネルギーより低いエネル
ギーに対応する所定の第１の波長を有する入力パルス光
が上記ｐ型半導体層に入射される一方、上記第１の超格
子層の光吸収端エネルギーより高いエネルギーに対応す
る所定の第２の波長を有するバイアス光がｐ型半導体層
に連続的に入射されたとき、上記入力パルス光は上記第
１の超格子層で高周波振動を生じさせる一方、上記ｐ型
半導体層と上記ｉ型半導体層とを通過して上記第２の超
格子層に入射した上記バイアス光は、上記第２の超格子
層の電界吸収効果により上記高周波振動の高周波変調で
スイッチングされた後、出力光として出力されることを
特徴とする。

【０００６】また、請求項２記載の光パルス逓倍装置
は、請求項１記載の半導体光スイッチング装置におい
て、上記第１の超格子層の高周波振動の周波数を、入力
パルス光のパルス繰り返し周波数の高調波の周波数とな
るように上記逆バイアス電圧が設定され、かつ上記第２
の超格子層における高周波変調の変調度が十分に高くな
るように入力パルス光のエネルギーを十分に高く設定し
て、上記入力パルス光に同期しかつ上記入力パルス光の
繰り返し周波数の高調波の繰り返し周波数を有する出力
パルス光を出力することを特徴とする。

【０００７】さらに、請求項３記載の光パルス波長変換
装置は、請求項１記載の半導体光スイッチング装置にお
いて、上記第１の超格子層の高周波振動の周波数を、入
力パルス光のパルス繰り返し周波数と同一となるように
上記逆バイアス電圧が設定され、かつ上記第２の超格子
層における高周波変調の変調度が十分に高くなるように
入力パルス光のエネルギーを十分に高く設定して、上記
第１の波長を有する上記入力パルス光を、上記入力パル
ス光に同期しかつ上記バイアス光の第２の波長を有する
出力パルス光に波長変換して出力することを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】請求項１記載の半導体光スイッチング装置にお
いては、上記第１の超格子層の光吸収端エネルギーより
低いエネルギーに対応する所定の第１の波長を有する入
力パルス光が上記ｐ型半導体層に入射される一方、上記
第１の超格子層の光吸収端エネルギーより高いエネルギ
ーに対応する所定の第２の波長を有するバイアス光がｐ
型半導体層に連続的に入射されたとき、上記入力パルス
光は上記第１の超格子層で、ガン発振効果により、もし
くは共鳴トンネリングと空間電荷による超格子内部電場
変調との競合過程によるキャリア輸送の振動現象により
高周波振動の光電子を生じさせる。上記高周波振動の光
電子は、上記可変電圧源の逆バイアス電圧により印加さ
れた加速電界を受けて上記バリア層に達し、上記バリア
層に上記光電子による空間電荷が蓄積される。このと
き、上記第２の超格子層に印加されている電界は上記空
間電荷によって影響を受けて上記ガン発振効果による高
周波変調され、上記ｐ型半導体層と上記ｉ型半導体層と
を通過して上記第２の超格子層に入射した上記バイアス
光は、上記第２の超格子層の電界吸収効果により高周波
変調でスイッチングされた後、出力光として出力され
る。

【０００９】また、請求項２記載の光パルス逓倍装置に
おいては、請求項１記載の半導体光スイッチング装置に
おいて、上記第１の超格子層の高周波振動の周波数を、
入力パルス光のパルス繰り返し周波数の高調波の周波数
となるように上記逆バイアス電圧が設定され、かつ上記
第２の超格子層における高周波変調の変調度が十分に高
くなるように入力パルス光のエネルギーを十分に高く設
定する。これによって、出力光として、上記入力パルス
光に同期しかつ上記入力パルス光の繰り返し周波数の高
調波の繰り返し周波数を有する出力パルス光が出力され
る。

【００１０】さらに、請求項３記載の光パルス波長変換
装置においては、請求項１記載の半導体光スイッチング
装置において、上記第１の超格子層の高周波振動の周波
数を、入力パルス光のパルス繰り返し周波数と同一とな
るように上記逆バイアス電圧が設定され、かつ上記第２
の超格子層における高周波変調の変調度が十分に高くな
るように入力パルス光のエネルギーを十分に高く設定す
る。これによって、上記第１の波長を有する上記入力パ
ルス光が、上記入力パルス光に同期しかつ上記バイアス
光の第２の波長を有する出力パルス光に波長変換して出
力される。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明による一実施例
について説明する。図１は本発明の一実施例である、真
性半導体ｉ型バリア層（以下、バリア層という）１４を
２つの超格子構造の真性半導体ｉ型半導体層（以下、超
格子層という。）１３，１５間に挟設したｐｉｎ型ダイ
オードＤを用いた半導体光スイッチング装置及びそれを
用いた光パルス逓倍装置の構成を示す断面図及び回路図
である。

【００１２】本実施例のスイッチング装置は、図１に示
すように、少なくとも超格子層１３のサブバンドエネル
ギーより高いエネルギーバンドの高さを有するバリア層
１４を、ガン発振効果を有する超格子層１３と、電界吸
収効果を有する超格子層１５との間に挟設してｉ型半導
体層１３，１４，１５を構成し、当該ｉ型半導体層１
３，１４，１５をｐ型半導体クラッド層１２とｎ型半導
体基板１６との間に挟設してなるｐｉｎ型ダイオードＤ
を備え、上記ダイオードＤに逆バイアス電圧を印加する
可変電圧源１０が接続される。

【００１３】ここで、超格子層１３の光吸収端エネルギ
ーより低いエネルギーに対応する所定の第１の波長λ１
を有する入力パルス光がｐ型半導体クラッド層１２側か
ら入射される一方、超格子層１３の光吸収端エネルギー
より高いエネルギーに対応する所定の第２の波長λ２を
有するバイアス光がｐ型半導体クラッド層１２側から連
続的に入射されるとき、上記入力パルス光は超格子層１
３でガン発振効果により上記入力パルス光の高調波であ
る高周波振動の光電子を生じさせ、当該高周波振動の光
電子は、上記可変電圧源１０により印加された加速電界
を受けて、上記バリア層１４に達し、当該バリア層１４
に上記光電子による空間電荷が蓄積され、上記超格子層
１５に印加されている電界は上記空間電荷によって影響
を受けて上記ガン発振効果による高周波変調され、この
とき、上記ｐ型半導体クラッド層１２と上記ｉ型半導体
層１３，１４とを通過して超格子層１５に入射したバイ
アス光は、超格子層１５の電界吸収効果により高周波変
調でスイッチングされた後、出力光として出力される。

【００１４】特に、本実施例における半導体スイッチン
グ装置においては、超格子層１３，１５における以下の
公知の現象を用いる。 （ａ）超格子層１３内のバリア層の厚さが非常に薄くす
ることによって、入力光の光吸収によって生成された電
子は共鳴トンネリング現象により、ガン発振効果を生
じ、入力光に同期して高周波振動を生じながら当該高周
波電流が電極に流れることが知られている（例えば、H.
Le Person et al. Applied Physics Letter,Vol.60,No.
19,pp2397-2399,1992年（以下、文献１という。）参
照。）。もしくは、超格子層１３内における以下の現象
を用いてもよい。すなわち、共鳴トンネリングと空間電
荷による超格子内部電場変調との競合過程によるキャリ
ア輸送の振動現象を生じ、入力光に同期して高周波振動
を生じながら当該高周波電流が電極に流れる（例えば、
D.C.Hutchings et al. Appl.Phys.Lett.Vol.59,No.23,p
p3009-3011,1991年参照。）。以下の実施例において
は、代表して前者の現象を用いる。 （ｂ）超格子層１５において、光吸収端付近の光吸収率
を超格子層１５に印加する電界の変化によって変調でき
る効果、すなわち、ＱＣＳＥ（Quantum Confirned Stak
Effect）効果（例えば、D.A.B.Miller et al. Physics
Review,B,Vol.32,No.2,pp1043-1060,1985年参照。）、
又はワニエ・シュタルク局在効果（例えば、J.Bleuse e
t al. Applied Physics Letter,Vol.53,No.26,pp2632-2
634,1988年参照。）を用いる。

【００１５】そして、本実施例は、上記２つの超格子層
１３，１５の間に上記バリア層１４を挟設することによ
って、半導体光スイッチング装置を構成することを特徴
としている。さらに、逆バイアス電圧Ｖｂを変化するこ
とによって超格子層１３における高周波振動の周波数
を、入力パルス光のパルス繰り返し周波数の高調波の周
波数となるように設定し、かつ超格子層１５における高
周波変調の変調度が十分に高くなるように入力パルス光
のエネルギーを十分に高くすることによって、上記半導
体光スイッチング装置から出力される出力光は、入力パ
ルス光のパルス繰り返し周波数の高調波と同一の繰り返
し周波数を有する出力パルス光となり、上記半導体光ス
イッチング装置は光逓倍装置となることを特徴としてい
る。

【００１６】まず、半導体光スイッチング装置の具体的
な形成方法及び構成について説明する。裏面に電極１７
が形成された半導体基板１６の上側面（図１において
は、左側面）の近傍に約１０¹⁸のドーピング濃度を有す
るｎ型不純物をドープすることによってｎ型半導体基板
１６を形成する。そして、ｎ型半導体基板１６上に、例
えば、分子線エピタキシャル法により、厚さ２５ｎｍの
Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓバリア層と、厚さ１０ｎｍのＩｎ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ量子井戸層との組を、好ましくは、２０
乃至１００組を積層することによって超格子層１５を形
成する。ここで、当該超格子層１５における上記厚みの
数値は一例であって、電界吸収効果として、ＱＣＳＥ効
果又はワニエ・シュタルク局在効果を有する超格子層１
５を形成する。ここで、ワニエ・シュタルク局在効果を
有する場合、超格子層１５内のバリア層の厚さを５原子
層よりも薄くした超格子層１５を用いる。なお、電極１
７は出力パルス光を通過させるために透明電極であって
もよいし、不透明電極であるときは、出力パルス光を通
過させる通過孔を有するリング形状又は半リング形状で
あってもよい。また、上記ｎ型半導体基板１６は一般に
半導体基板にｎ型不純物イオンをドープされたものを使
用してもよいし、ｉ型ＧａＡｓ半導体基板上に電極を形
成した後ｎ型ＧａＡｓ層を形成してもよい。

【００１７】次いで、超格子層１５上に、例えば、分子
線エピタキシャル法により、厚さ１００ｎｍのｉ型真性
半導体ＡｌＡｓバリア層１４を形成する。当該バリア層
１４の厚さとバリアのエネルギーバンドの高さは、超格
子層１３で生じる光キャリアが空間電荷による電界を有
効的に超格子層１５に及ぼすように設定される。ここ
で、バリア層１４のエネルギーバンドの高さは、少なく
とも超格子層１３の量子井戸中のサブバンドのエネルギ
ーの高さよりも高く設定する必要がある。

【００１８】次いで、バリア層１４上に、例えば、分子
線エピタキシャル法により、厚さ０．９ｎｍのＡｌＡｓ
バリア層と、厚さ３．４ｎｍのＧａＡｓ量子井戸層との
組を、好ましくは、１００組を積層することによって超
格子層１３を形成する。ここで、超格子層１３内のバリ
ア層の厚さは、共鳴トンネル現象による高電界ドメイン
を生成してガン振動効果を生じさせるために、十分に薄
くする必要がある。

【００１９】さらに、超格子層１３上に、例えば、分子
線エピタキシャル法により、約１０¹⁸のドーピング濃度
を有するｐ型ＧａＡｓ層を積層することによってｐ型半
導体クラッド層１２を形成する。そして、ｐ型半導体ク
ラッド層１２上に電極１１が形成され、これによって、
ｐｉｎ型ダイオードＤを得る。ここで、電極１１は入力
パルス光及びバイアス光を通過させるために透明電極で
あってもよいし、不透明電極であるときは、これらの光
を通過させる通過孔を有するリング形状又は半リング形
状であってもよい。

【００２０】超格子層１５で高周波変調されるバイアス
光の波長は、ｐ型半導体クラッド層１２、超格子層１
３、バリア層１４及びｎ型半導体基板１６において吸収
されない波長帯である必要がある。そのためには、超格
子層１５の量子井戸中に形成されるサブバンドのエネル
ギーは、超格子層１３のサブバンドのエネルギーやｎ型
半導体基板１６のサブバンドのエネルギーよりも低く設
定される必要がある。上記超格子層１５において、Ｉｎ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ量子井戸層を用いるのはこのためであ
る。ＧａＡｓ基板１６を用いる場合は、ＩｎＧａＡｓの
量子井戸層を用いるが、基板材料が異なる場合には、公
知の通り、他の材料や組成が用いられる。

【００２１】さらに、電極１１は、逆バイアス電圧Ｖｂ
の可変電圧源１０の負極に接続され、電極１７が可変電
圧源１０の正極に接続される。ここで、逆バイアス電圧
Ｖｂを変化することによって、超格子層１３において、
約７ＧＨｚから１０ＧＨｚまでの高周波振動を実現する
ことができる（例えば、文献１参照。）。

【００２２】図２は、図１の３つのｉ型半導体層１３，
１４，１５におけるバンド構造を示すエネルギーバンド
図である。図２の縦軸はエネルギー準位を示し、横軸は
分子線エピタキシャル法による積層方向の距離（厚さ）
である。図２において、上部にある実線は伝導帯の電子
準位のポテンシャルエネルギーＥｃを表わす一方、下部
にある実線は価電子帯のポテンシャルエネルギーＥｖを
表している。また、量子井戸中において４本の点線２
１，２２，２３，２４はサブバンドと呼ばれる量子力学
的な準位である。下部の価電子帯の量子井戸中に生じる
サブバンド２２，２４にはホールが形成される一方、上
部の伝導帯の量子井戸中のサブバンド２１，２３には電
子が励起される。すなわち、サブバンド２２，２４はホ
ール準位のサブバンドであり、サブバンド２２，２４は
電子準位のサブバンドである。これらのサブバンド間
で、光吸収や光変調の遷移は、詳細後述するように生じ
る。

【００２３】以上のように構成された半導体光スイッチ
ング装置の動作について図１及び図２を参照して説明す
る。ここで、超格子層１３の光吸収端エネルギーより低
いエネルギーに対応する所定の第１の波長λ１を有する
入力パルス光がｐ型半導体クラッド層１２側から入射さ
れる一方、超格子層１３の光吸収端エネルギーより高い
エネルギーに対応する所定の第２の波長λ２を有するバ
イアス光がｐ型半導体クラッド層１２側から連続的に入
射されるとき、超格子層１３においては、上記価電子帯
におけるホールのサブバンド２１から電子が光吸収によ
って伝導帯のサブバンドに励起され、図２の下部のサブ
バンド２２にはホールが形成される一方、上部のサブバ
ンド２１には電子が形成される。これらホールと電子の
光キャリアはｉ型半導体層１３，１４，１５に可変電圧
源１０により印加された電界によってそれぞれ互いに反
対方向に加速され、電極１１，１７に向かって走って行
く。すなわち、上記入力パルス光は超格子層１３におい
て光吸収によって生じた光電子の集団が共鳴トンネリン
グ効果によって高電界ドメインを形成して繰り返すガン
発振効果を生じさせる。当該ガン発振効果により上記入
力パルス光の高調波である高周波振動の光電子を生じさ
せ、当該高周波振動の光電子は、上記可変電圧源１０に
より印加された加速電界を受けて、上記バリア層１４に
達する。当該バリア層１４に到達すると一時的にそのバ
リア層１４のバリアのエネルギーの高さを超える分だけ
上記光電子の空間電荷が蓄積されるまでバリア層１４の
近傍に停滞する。

【００２４】さらに、超格子層１５においては、ホール
のサブバンド２４のエネルギー準位と、これに対応する
電子のサブバンド２３のエネルギー準位との間での、光
吸収遷移を電界によって変調制御する電界吸収効果によ
り光変調が行われる。すなわち、上記超格子層１５に印
加されている電界は上記空間電荷によって影響を受けて
上記ガン発振効果による高周波変調され、このとき、上
記ｐ型半導体クラッド層１２と上記ｉ型半導体層１３，
１４とを通過して超格子層１５に入射したバイアス光
は、超格子層１５の電界吸収効果により高周波変調でス
イッチングされた後、出力光として出力される。

【００２５】以上の実施例において、逆バイアス電圧Ｖ
ｂを変化することによって超格子層１３における高周波
振動の周波数を、入力パルス光のパルス繰り返し周波数
と同一の周波数となるように設定してもよい。

【００２６】上記半導体光スイッチング装置において、
さらに、逆バイアス電圧Ｖｂを変化することによって超
格子層１３における高周波振動の周波数を、入力パルス
光のパルス繰り返し周波数の高調波となるように設定
し、かつ超格子層１５における高周波変調の変調度が十
分に高くなるように入力パルス光のエネルギーを十分に
高くすることによって、上記半導体光スイッチング装置
から出力される出力光は、入力パルス光に同期しかつ入
力パルス光のパルス繰り返し周波数の高調波と同一の繰
り返し周波数を有する出力パルス光となり、上記半導体
光スイッチング装置は光逓倍装置として動作する。

【００２７】ここで、例えば、入力パルス光の繰り返し
周波数を１ＧＨｚとし、逆バイアス電圧Ｖｂを変化する
ことによって、超格子層１３において、約７ＧＨｚから
１０ＧＨｚまでの高周波振動を実現した場合、７乃至１
０倍の逓倍レートを得ることができ、入力パルス光に同
期した７ＧＨｚ乃至１０ＧＨｚの出力パルス光を得るこ
とができる。

【００２８】上記半導体光スイッチング装置において、
さらに、逆バイアス電圧Ｖｂを変化することによって超
格子層１３における高周波振動の周波数を、入力パルス
光のパルス繰り返し周波数と同一となるように設定し、
かつ超格子層１５における高周波変調の変調度が十分に
高くなるように入力パルス光のエネルギーを十分に高く
することによって、上記半導体光スイッチング装置から
出力される出力光は、入力パルス光に同期しかつバイア
ス光の波長λ２を有する出力パルス光となる。従って、
波長λ１を有する入力パルス光を、入力パルス光に同期
した同一の繰り返し周波数を有しかつバイアス光の波長
λ２を有する出力パルス光に波長変換して出力すること
ができ、上記半導体光スイッチング装置は光パルス波長
変換装置として動作する。

【００２９】本発明に類似する比較例として、以下の構
成が考えられる。 （ａ）超格子層１３と超格子層１５とを別々に形成して
ハイブリッドに載置した後、超格子層１３と超格子層１
５との間をリード線で接続するデバイス（以下、第１の
比較例という。）。 （ｂ）超格子層１３と超格子層１５とを横方向に並置し
て超格子層１３と超格子層１５との間を接続層で接続し
てなるモノリシック集積型デバイス（以下、第２の比較
例という。）。

【００３０】上記第１と第２の比較例においては、ガン
発振効果によって発生された高周波信号を電気信号とし
て外部に取り出した後、別の光変調デバイスを駆動する
ように構成されており、以下の欠点を有する。 （Ａ）リード線や接続層などの外部配線系のＣＲ時定数
や寄生インダクタンスの影響を受けるために、高周波の
電気信号が歪み、超高速の応答ができない。 （Ｂ）超格子層１３内部の電子流を電気信号として取り
出すために、デバイス内部の特に超格子層１３の電気容
量やｐ型層１２やｎ型層１６の直列抵抗成分の影響を受
けて、特に超高周波振動成分に対して、それを効率的に
外部に電気信号として取り出すことが難しいという問題
点がある。一方、本発明に係る本実施例においては、単
に振動する電子流をそのものを用いて、かつそれを外部
に取り出さずにそのままの形式で利用するので、超高速
応答が可能となる。

【００３１】従って、本実施例の半導体光スイッチング
装置、光パルス逓倍装置及び光パルス波長変換装置は、
図３の従来例に比較して以下の特有の利点を有する。 （１）簡単な構成で半導体光スイッチング装置及び光パ
ルス逓倍装置を構成できる。 （２）１個のｐｉｎ型ダイオードＤからなる半導体光ス
イッチング素子に対して逆バイアス電圧を印加するのみ
であるので、消費電力が極めて小さい。 （３）信号光として用いる入力パルス光は、１個のード
から出力される出力光は１個の第１のｐｉｎ型ダイオー
ドＤのみを通過するだけであり、従来例のように複数の
回路を通過しないので、従来例に比較して時間応答が速
い。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る請求項
１記載の半導体光スイッチング装置によれば、少なくと
も第１の超格子層のサブバンドエネルギーより高いエネ
ルギーバンドの高さを有するバリア層を、ガン発振効果
を有して、もしくは共鳴トンネリングと空間電荷による
超格子内部電場変調との競合過程によるキャリア輸送の
振動現象を有して高周波振動を生じさせる第１の超格子
層と、電界吸収効果を有する第２の超格子層との間に挟
設してｉ型半導体層を構成し、上記ｉ型半導体層をｐ型
半導体層とｎ型半導体層との間に挟設してなるｐｉｎ型
ダイオードと、上記ダイオードに逆バイアス電圧を印加
する可変電圧源とを備える。ここで、上記第１の超格子
層の光吸収端エネルギーより低いエネルギーに対応する
所定の第１の波長を有する入力パルス光が上記ｐ型半導
体層に入射される一方、上記第１の超格子層の光吸収端
エネルギーより高いエネルギーに対応する所定の第２の
波長を有するバイアス光がｐ型半導体層に連続的に入射
されたとき、上記入力パルス光は上記第１の超格子層で
上記入力パルス光の高調波である高周波振動の光電子を
生じさせる一方、上記ｐ型半導体層と上記ｉ型半導体層
とを通過して上記第２の超格子層に入射した上記バイア
ス光は、上記第２の超格子層の電界吸収効果により上記
高周波振動の高周波変調でスイッチングされた後、出力
光として出力される。従って、従来例に比較して簡単な
構成で、消費電力が極めて小さくかつ時間応答が速い半
導体光スイッチング装置を構成できる。

【００３３】また、本発明に係る請求項２記載の光パル
ス逓倍装置によれば、請求項１記載の半導体光スイッチ
ング装置において、上記第１の超格子層の高周波振動の
周波数を、入力パルス光のパルス繰り返し周波数の高調
波の周波数となるように上記逆バイアス電圧が設定さ
れ、かつ上記第２の超格子層における高周波変調の変調
度が十分に高くなるように入力パルス光のエネルギーを
十分に高く設定して、上記入力パルス光に同期しかつ上
記入力パルス光の繰り返し周波数の高調波の繰り返し周
波数を有する出力パルス光を出力する。従って、従来例
に比較して簡単な構成で、消費電力が極めて小さくかつ
時間応答が速い光パルス逓倍装置を構成できる。

【００３４】さらに、本発明に係る請求項３記載の光パ
ルス波長変換装置によれば、請求項１記載の半導体光ス
イッチング装置において、上記第１の超格子層の高周波
振動の周波数を、入力パルス光のパルス繰り返し周波数
と同一となるように上記逆バイアス電圧が設定され、か
つ上記第２の超格子層における高周波変調の変調度が十
分に高くなるように入力パルス光のエネルギーを十分に
高く設定して、上記第１の波長を有する上記入力パルス
光を、上記入力パルス光に同期しかつ上記バイアス光の
第２の波長を有する出力パルス光に波長変換して出力す
る。従って、従来例に比較して簡単な構成で、消費電力
が極めて小さくかつ時間応答が速い光パルス波長変換装
置を構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である、バリア層を２つの
超格子構造の真性半導体ｉ型半導体層間に挟設したｐｉ
ｎ型ダイオードＤを用いた半導体光スイッチング装置及
びそれを用いた光パルス逓倍装置の構成を示す断面図及
び回路図である。

【図２】 図１の３つのｉ型半導体層１３，１４，１５
におけるバンド構造を示すエネルギーバンド図である。

【図３】 従来例の光パルス逓倍回路の構成を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

Ｄ…ｐｉｎ型ダイオード、 １０…可変電圧源、 １１，１７…電極、 １２…ｐ型半導体クラッド層、 １３，１５…超格子構造の真性半導体ｉ型半導体層（超
格子層）、 １４…ｉ型真性半導体バリア層（バリア層）， １６…ｎ型半導体基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 敏英 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (56)参考文献 特開 平３−94480（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−200228（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも第１の超格子層のサブバンド
   エネルギーより高いエネルギーバンドの高さを有するバ
   リア層を、ガン発振効果を有して、もしくは共鳴トンネ
   リングと空間電荷による超格子内部電場変調との競合過
   程によるキャリア輸送の振動現象を有して高周波振動を
   生じさせる第１の超格子層と、電界吸収効果を有する第
   ２の超格子層との間に挟設してｉ型半導体層を構成し、
   上記ｉ型半導体層をｐ型半導体層とｎ型半導体層との間
   に挟設してなるｐｉｎ型ダイオードと、上記ダイオード
   に逆バイアス電圧を印加する可変電圧源とを備えた半導
   体光スイッチング装置であって、 上記第１の超格子層の光吸収端エネルギーより低いエネ
   ルギーに対応する所定の第１の波長を有する入力パルス
   光が上記ｐ型半導体層に入射される一方、上記第１の超
   格子層の光吸収端エネルギーより高いエネルギーに対応
   する所定の第２の波長を有するバイアス光がｐ型半導体
   層に連続的に入射されたとき、上記入力パルス光は上記
   第１の超格子層で高周波振動を生じさせる一方、上記ｐ
   型半導体層と上記ｉ型半導体層とを通過して上記第２の
   超格子層に入射した上記バイアス光は、上記第２の超格
   子層の電界吸収効果により上記高周波振動の高周波変調
   でスイッチングされた後、出力光として出力されること
   を特徴とする半導体光スイッチング装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体光スイッチング装
   置において、 上記第１の超格子層の高周波振動の周波数を、入力パル
   ス光のパルス繰り返し周波数の高調波の周波数となるよ
   うに上記逆バイアス電圧が設定され、かつ上記第２の超
   格子層における高周波変調の変調度が十分に高くなるよ
   うに入力パルス光のエネルギーを十分に高く設定して、
   上記入力パルス光に同期しかつ上記入力パルス光の繰り
   返し周波数の高調波の繰り返し周波数を有する出力パル
   ス光を出力することを特徴とする光パルス逓倍装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体光スイッチング装
   置において、 上記第１の超格子層の高周波振動の周波数を、入力パル
   ス光のパルス繰り返し周波数と同一となるように上記逆
   バイアス電圧が設定され、かつ上記第２の超格子層にお
   ける高周波変調の変調度が十分に高くなるように入力パ
   ルス光のエネルギーを十分に高く設定して、上記第１の
   波長を有する上記入力パルス光を、上記入力パルス光に
   同期しかつ上記バイアス光の第２の波長を有する出力パ
   ルス光に波長変換して出力することを特徴とする光パル
   ス波長変換装置。