JP2672371B2 - 光通信変調装置 - Google Patents
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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
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- G02F1/015—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 based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光通信において、電気信号に応答して電磁
放射を変調するスイッチングに関する。
放射を変調するスイッチングに関する。
［従来技術の説明］ 光通信の重要な側面として、近赤外線放射の変調とス
イッチングがとりわけ、注目を集めている。特に現在重
要な点は、電気信号によるそのような放射の変調であ
る。変調は、光源の強弱な直接変調の形を取るが、ある
いは、例えば、ほぼ一定強度を有する光源からの放射に
応用できるような間接変調手段が望ましい。そのような
間接変調装置は、C.J.ハスナミアン他の記載した論文
「超格子をドーピングしたガリウムひ素中の変調可能な
電磁吸収」（アプライドフィジックスレター第50巻（19
87年）915−917ページ）に開示されている。それは、ガ
リウム・ひ素半導体層の超格子を使用しており、それは
４個のグループ（Ｎドープ・真性・Ｐドープ・真性）か
ら成る。以下に記述する本発明は、吸収特性を改良し、
バイアス能力を強化した半導体変調装置を提供しようと
する試みによって、成されたものである。
イッチングがとりわけ、注目を集めている。特に現在重
要な点は、電気信号によるそのような放射の変調であ
る。変調は、光源の強弱な直接変調の形を取るが、ある
いは、例えば、ほぼ一定強度を有する光源からの放射に
応用できるような間接変調手段が望ましい。そのような
間接変調装置は、C.J.ハスナミアン他の記載した論文
「超格子をドーピングしたガリウムひ素中の変調可能な
電磁吸収」（アプライドフィジックスレター第50巻（19
87年）915−917ページ）に開示されている。それは、ガ
リウム・ひ素半導体層の超格子を使用しており、それは
４個のグループ（Ｎドープ・真性・Ｐドープ・真性）か
ら成る。以下に記述する本発明は、吸収特性を改良し、
バイアス能力を強化した半導体変調装置を提供しようと
する試みによって、成されたものである。
本発明の関連文献は、以下のE.F.シュバート等による
ものが挙げられる。
ものが挙げられる。
（１）「分子線エピタキシによる新しい凸凹半導体超格
子中の放電電子ホール再結合」（フィジカルレビューＢ
第32巻（1985年） 1085〜1089ページ） （２）「デルタドープ電界効果トランジスタ（δFET」
（IEEE 電子部品論文集 第ED33巻（1986年） 625−6
32ページ） （３）「デルタドープｎ型GAAS中に於ける不純物の偏
在」（アフライドフィジックスレター第52巻（1988年）
1508−1510ページ） （発明の概要） 光通信において用いられる電磁放射は、半導体層構造
中に可変電界を生成する電気信号に応じて変調される。
好ましい実施例において、本質的に、非ドープの半導体
材料は、適当な基板上にエピタキシャル成長されて、薄
く高濃度にドープされたドナー領域（Ｎ型）とアクセプ
タ（Ｐ型）領域がインターリーブされる。光変調におい
て好ましい光入射は、層構造に直交するものであるが、
他の方向（例えば平行入射）でもかまわない。
子中の放電電子ホール再結合」（フィジカルレビューＢ
第32巻（1985年） 1085〜1089ページ） （２）「デルタドープ電界効果トランジスタ（δFET」
（IEEE 電子部品論文集 第ED33巻（1986年） 625−6
32ページ） （３）「デルタドープｎ型GAAS中に於ける不純物の偏
在」（アフライドフィジックスレター第52巻（1988年）
1508−1510ページ） （発明の概要） 光通信において用いられる電磁放射は、半導体層構造
中に可変電界を生成する電気信号に応じて変調される。
好ましい実施例において、本質的に、非ドープの半導体
材料は、適当な基板上にエピタキシャル成長されて、薄
く高濃度にドープされたドナー領域（Ｎ型）とアクセプ
タ（Ｐ型）領域がインターリーブされる。光変調におい
て好ましい光入射は、層構造に直交するものであるが、
他の方向（例えば平行入射）でもかまわない。
本発明の装置は、広い波長領域を有し、光強度が変調
され、かつ透明状態と不透明状態の大きな対照比が得ら
れ、その動作電圧は、集積回路で一般的に用いられる範
囲にあり、高スピード（例えば、GHz）能力を有する。
され、かつ透明状態と不透明状態の大きな対照比が得ら
れ、その動作電圧は、集積回路で一般的に用いられる範
囲にあり、高スピード（例えば、GHz）能力を有する。
（実施例の説明） 第１図には、基板11、エピタキシャル成長半導体層1
2、ｎ型ドープ領域層13、Ｐ型ドープ領域層14,電気接点
15,16、光ファイバ17が示されている。接点材料は、半
導体材料中に拡散したものとして示され、拡散領域151,
161を形成する。適当な（変調された）電圧が接点15,16
間にかかると、層構造中におけるエネルギーｈνの入力
電磁放射の吸収は、その電圧の関数として変化する。そ
の結果、強度変調放射が光ファイバ17の中に入る。
2、ｎ型ドープ領域層13、Ｐ型ドープ領域層14,電気接点
15,16、光ファイバ17が示されている。接点材料は、半
導体材料中に拡散したものとして示され、拡散領域151,
161を形成する。適当な（変調された）電圧が接点15,16
間にかかると、層構造中におけるエネルギーｈνの入力
電磁放射の吸収は、その電圧の関数として変化する。そ
の結果、強度変調放射が光ファイバ17の中に入る。
半導体ホスト材料として適当な物は、第III−Ｖ族材
料（ガリウム・ひ素）の２元材料、第III−Ｖ族材料
（ガリウム、インジウム、リン、ひ素）の２元及び、４
元材料、第II−VI族、第IV族材料である。この材料の選
択において重要なことは、エネルギーバンドギャップEg
と対応する波長λｇであり、問題となる波長λの変調
が、λｇ＜λを満足することが要求される。例えば、ガ
リウム・ひ素はEg＝1.424eVで、λｇが877ナノメータで
あるので、この素子は、約900から1000ナノメータの間
の波長において、変調するのに適している。ガリウム・
ひ素源から放射された光では、素子は、より高いギャッ
プのホスト材料（例えば、アルミニウム−ガリウム−ひ
素）を含むのが望ましい。一方、典型的には、単一の半
導体材料が、ホスト材料として用いられるが、波長応答
を広げるという意味においては、別の材料でもかまわな
い。
料（ガリウム・ひ素）の２元材料、第III−Ｖ族材料
（ガリウム、インジウム、リン、ひ素）の２元及び、４
元材料、第II−VI族、第IV族材料である。この材料の選
択において重要なことは、エネルギーバンドギャップEg
と対応する波長λｇであり、問題となる波長λの変調
が、λｇ＜λを満足することが要求される。例えば、ガ
リウム・ひ素はEg＝1.424eVで、λｇが877ナノメータで
あるので、この素子は、約900から1000ナノメータの間
の波長において、変調するのに適している。ガリウム・
ひ素源から放射された光では、素子は、より高いギャッ
プのホスト材料（例えば、アルミニウム−ガリウム−ひ
素）を含むのが望ましい。一方、典型的には、単一の半
導体材料が、ホスト材料として用いられるが、波長応答
を広げるという意味においては、別の材料でもかまわな
い。
都合の良い事に、半導体層12とドーパント層13,14
は、分子線エピタキシ（MBE）によりｘ方向に連続して
堆積される。しかし、他の方法（例えば、有機金属化学
気相成長（MOCVD））でもかまわない。第１図に示され
るような接点を形成するのに、ドーパント材料を選択的
に含むこと（δ−ドーピング）は、シャドウマスク技術
によって利用される。
は、分子線エピタキシ（MBE）によりｘ方向に連続して
堆積される。しかし、他の方法（例えば、有機金属化学
気相成長（MOCVD））でもかまわない。第１図に示され
るような接点を形成するのに、ドーパント材料を選択的
に含むこと（δ−ドーピング）は、シャドウマスク技術
によって利用される。
一般的な構造寸法は、ドープ領域間の距離は、50から
500ナノメータの範囲である。好ましいドープ領域の厚
さは、10ナノメータ以下で、さらに好ましくは、５ナノ
メータ以下であるが、このことについては、不純物吸収
の好まし最少化の観点から以下に説明する。好ましい２
次元ドーパント濃度は、５×1012から２×1013cm-2の範
囲にある。第III−IV族材料（例えばガリウム−ひ素）
の場合においては、ｐ型ドーピングは、ベリリウムによ
って、ｎ型ドーピングは、シリコンによってなされる。
そのようなドーパントは、ガリウム・ひ素結晶格子にお
けるガリウムモノレーヤのガリウムサイトを５％以下の
オーダで占有する。あるいは、Ｐ型ドーピングは、ひ素
サイトのカーボンによってなされる。
500ナノメータの範囲である。好ましいドープ領域の厚
さは、10ナノメータ以下で、さらに好ましくは、５ナノ
メータ以下であるが、このことについては、不純物吸収
の好まし最少化の観点から以下に説明する。好ましい２
次元ドーパント濃度は、５×1012から２×1013cm-2の範
囲にある。第III−IV族材料（例えばガリウム−ひ素）
の場合においては、ｐ型ドーピングは、ベリリウムによ
って、ｎ型ドーピングは、シリコンによってなされる。
そのようなドーパントは、ガリウム・ひ素結晶格子にお
けるガリウムモノレーヤのガリウムサイトを５％以下の
オーダで占有する。あるいは、Ｐ型ドーピングは、ひ素
サイトのカーボンによってなされる。
第２図のグラフは、ドーパント濃度を距離座標ｘ（第
１図に対応）の関数として、得られたジグザクあるい
は、スムーズなエネルギーバンドパターンを示し、これ
には、価電子帯と伝導帯とこれらのバンド体の禁制帯
（ギャップ）を示している。第２図に示されたバンドダ
イアグラムは、接点15,16間の０バイアス電圧に対応す
るもので、正あるいは、負のバイアス電圧の印加したも
のは、それぞれ、第3,4図に示されるような、ジグザグ
パターンのピークから谷までのエネルギー差の減少と増
加を意味する。
１図に対応）の関数として、得られたジグザクあるい
は、スムーズなエネルギーバンドパターンを示し、これ
には、価電子帯と伝導帯とこれらのバンド体の禁制帯
（ギャップ）を示している。第２図に示されたバンドダ
イアグラムは、接点15,16間の０バイアス電圧に対応す
るもので、正あるいは、負のバイアス電圧の印加したも
のは、それぞれ、第3,4図に示されるような、ジグザグ
パターンのピークから谷までのエネルギー差の減少と増
加を意味する。
物理学の観点から素子の機能は次の通りである（第５
図参照）。光は、トンネル吸収あるいは、電磁吸収と称
される二段階プロセスによって吸収される。その第１段
階は、半導体の価電子帯から禁制帯中にある中間状態52
への電子51の励起で、吸収ホトンのエネルギーｈνは、
半導体ホスト材料のエネルギーギャップより小さい。第
２段階では、そのギャップの中間状態52から半導体の伝
導帯にある許容状態53へのトンネリングである。このト
ンネリング確率は、半導体の電界に直接依存する。そし
てこの電界は、変調器に印加される電圧に比例する。か
くして、トンネル吸収による光量と補足伝達光量は、印
加電圧により制御される。
図参照）。光は、トンネル吸収あるいは、電磁吸収と称
される二段階プロセスによって吸収される。その第１段
階は、半導体の価電子帯から禁制帯中にある中間状態52
への電子51の励起で、吸収ホトンのエネルギーｈνは、
半導体ホスト材料のエネルギーギャップより小さい。第
２段階では、そのギャップの中間状態52から半導体の伝
導帯にある許容状態53へのトンネリングである。このト
ンネリング確率は、半導体の電界に直接依存する。そし
てこの電界は、変調器に印加される電圧に比例する。か
くして、トンネル吸収による光量と補足伝達光量は、印
加電圧により制御される。
本発明の別の重要な側面は、問題となっているエネル
ギー（例えば、バンドギャップエネルギ以下のエネルギ
ー）における不純物吸収の阻止に関連し、そのような吸
収は、印加電位とは無関係で、そのコントラスト比に悪
影響を及ぼす。この点に関し、さらに第５図において、
ドーパントスパイク54,55間の領域は、ドープされてお
らず、エネルギーギャップEg以下のエネルギーでの不純
物吸収は、ここでは、生じない。そのようなエネルギー
における不純物吸収は、ドープ領域54,55でも発生しな
い。というのは、Ｖ型のポテンシャル井戸における最低
エネルギーレベルE0がシフトするからである。かくし
て、高透明な素子状態においては、問題のエネルギーに
おける不純物吸収は、ほとんどあり得ない。
ギー（例えば、バンドギャップエネルギ以下のエネルギ
ー）における不純物吸収の阻止に関連し、そのような吸
収は、印加電位とは無関係で、そのコントラスト比に悪
影響を及ぼす。この点に関し、さらに第５図において、
ドーパントスパイク54,55間の領域は、ドープされてお
らず、エネルギーギャップEg以下のエネルギーでの不純
物吸収は、ここでは、生じない。そのようなエネルギー
における不純物吸収は、ドープ領域54,55でも発生しな
い。というのは、Ｖ型のポテンシャル井戸における最低
エネルギーレベルE0がシフトするからである。かくし
て、高透明な素子状態においては、問題のエネルギーに
おける不純物吸収は、ほとんどあり得ない。
不純物吸収に関し上記の点において、ドープ領域の好
ましい厚さは、Ｖ型ポテンシャル井戸の最低サブバンド
の空間量（spatial extent）Z0によって制限される。文
献２で論じたように、そのような量は、次式で表わされ
る。
ましい厚さは、Ｖ型ポテンシャル井戸の最低サブバンド
の空間量（spatial extent）Z0によって制限される。文
献２で論じたように、そのような量は、次式で表わされ
る。
z0＝1/2［ｈ（2mE0）−1/2］， ここで、 E0＝4 2−1/3［e2h2N2/（ε2m）］1/3 E0はＶ型ポテンシャルにおける最低固有状態のエネル
ギーで、ｅは基本チャージで、Ｎは２次元ドーパント濃
度で、ε半導体誘導率で、ｍは有効電子量あるいは、ホ
ールキャリア量である。たとえば、ガリウムひ素におい
ては、Ｎ＝1013cm-2、E0＝188meVでZ0＝5.4ナノメータ
である。
ギーで、ｅは基本チャージで、Ｎは２次元ドーパント濃
度で、ε半導体誘導率で、ｍは有効電子量あるいは、ホ
ールキャリア量である。たとえば、ガリウムひ素におい
ては、Ｎ＝1013cm-2、E0＝188meVでZ0＝5.4ナノメータ
である。
（実施例） ガス源分子線エピタキシーを用いてガリウム・ひ素基
板上にδ−ドープしたガリウム・ひ素を10周期堆積す
る。ドーパント「スパイク」間の純ガリウム・ひ素の厚
さは約200ナノメータで、ドープ領域は約１ナノメータ
の厚さを有し、２次元ドーパント濃度は1013cm-2であ
る。ベリリウムとシリコンは、それぞれｐ型、ｎ型ドー
パントとして、用いられる。基板は研磨されるが、これ
は、入力放射のスキャタリングを最小にするためであ
る。このｎ型部分、ｐ型部分は、それぞれ、選択的に堆
積されたすず接点と亜鉛金接点に接触し、これらの接点
は、約60秒間425℃の温度を保持して、合金化される。
板上にδ−ドープしたガリウム・ひ素を10周期堆積す
る。ドーパント「スパイク」間の純ガリウム・ひ素の厚
さは約200ナノメータで、ドープ領域は約１ナノメータ
の厚さを有し、２次元ドーパント濃度は1013cm-2であ
る。ベリリウムとシリコンは、それぞれｐ型、ｎ型ドー
パントとして、用いられる。基板は研磨されるが、これ
は、入力放射のスキャタリングを最小にするためであ
る。このｎ型部分、ｐ型部分は、それぞれ、選択的に堆
積されたすず接点と亜鉛金接点に接触し、これらの接点
は、約60秒間425℃の温度を保持して、合金化される。
この結果、得られた素子は、実験装置でテストされ
た。ここで、単一パス−1/4メータのモノクロメータを
用いて、この素子にバッド接触したマルチモード・シリ
カ・ファイバに集光した。伝送光はシリンコの光ダイオ
ードで検知し、「ロック−イン」技術を用いて、増幅し
た。素子の接点間に印加される異なる電圧毎に、その結
果を第６図に示す。比較的広い範囲の波長（Δλ＞100
ナノメータ）を通して有意義な変調が達成されている。
というのは、光源波長と、変調器（ナノメータオーダの
波長範囲を有する）波長との正確なマッチングは要求さ
れないからである。不透明状態と透明状態の観察される
最大のコントラスト比は、約950ナノメータの波長で、
約1:1.7（即ち70％）である。不透明状態と透明状態間
の電位差は、約3.3Vで、この小さな電位差は変調器を通
常の電気回路に組み込むのには好ましい。
た。ここで、単一パス−1/4メータのモノクロメータを
用いて、この素子にバッド接触したマルチモード・シリ
カ・ファイバに集光した。伝送光はシリンコの光ダイオ
ードで検知し、「ロック−イン」技術を用いて、増幅し
た。素子の接点間に印加される異なる電圧毎に、その結
果を第６図に示す。比較的広い範囲の波長（Δλ＞100
ナノメータ）を通して有意義な変調が達成されている。
というのは、光源波長と、変調器（ナノメータオーダの
波長範囲を有する）波長との正確なマッチングは要求さ
れないからである。不透明状態と透明状態の観察される
最大のコントラスト比は、約950ナノメータの波長で、
約1:1.7（即ち70％）である。不透明状態と透明状態間
の電位差は、約3.3Vで、この小さな電位差は変調器を通
常の電気回路に組み込むのには好ましい。
第１図は本発明の１実施例による変調装置の側面図、 第２図は第１図の装置のドーピング図と、エネルギバン
ド図、 第３図は正バイアス下における第１図の装置のエネルギ
バンド図、 第４図は負バイアス下における第１図の装置のエネルギ
バンド図、 第５図は第２図のエネルギバンド図の１部を示す図、 第６図は第１図の装置により伝送された光の強度間の関
係を異なるバイアス電圧と波長の関数として示した図で
ある。
ド図、 第３図は正バイアス下における第１図の装置のエネルギ
バンド図、 第４図は負バイアス下における第１図の装置のエネルギ
バンド図、 第５図は第２図のエネルギバンド図の１部を示す図、 第６図は第１図の装置により伝送された光の強度間の関
係を異なるバイアス電圧と波長の関数として示した図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−88786（ＪＰ，Ａ) ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＬＥＴＴ．50 （14），６ ＡＰＲＩＬ 1987 915〜 917ページ参照
Claims (8)
- 【請求項１】基板（11）に支持された半導体材料内に、 互いに接続されたＰ型領域層（14）と、 互いに接続されたＮ型領域層（13）と が所定厚さの真性半導体層（12）を挟んで交互に形成さ
れ、更に前記各領域層に電圧を印加する接点（15、16）
を有する光通信変調装置において、 前記領域層の厚さは、前記領域層の存在により得られる
ポテンシャル井戸の最小サブバンドの空間量以下である ことを特徴とする光通信変調装置。 - 【請求項２】前記領域層の厚さは、10ナノメータ未満で
あることを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項３】前記所定厚さは、50以上500以下ナノメー
タの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の装
置。 - 【請求項４】前記領域のドーパント濃度は、 ５×1012以上、２×1013以下cm-2の範囲にある ことを特徴とする請求項１記載の装置。
- 【請求項５】前記半導体材料は、ガリウム・ひ素からな
ることを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項６】この装置に入射する電磁放射源をさらに有
することを特徴とする請求１記載の装置。 - 【請求項７】前記電磁放射の入射は、前記領域にほぼ垂
直であることを特徴とする請求項６記載の装置。 - 【請求項８】この装置からの電磁放射が入射する光ファ
イバ（17）を更に有する ことを特徴とする請求項１記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US222603 | 1988-07-21 | ||
| US07/222,603 US4929064A (en) | 1988-07-21 | 1988-07-21 | Optical communications modulator device |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH0268516A JPH0268516A (ja) | 1990-03-08 |
| JP2672371B2 true JP2672371B2 (ja) | 1997-11-05 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| CA (1) | CA1317364C (ja) |
| DE (1) | DE68919385T2 (ja) |
| ES (1) | ES2063824T3 (ja) |
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-
1988
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-
1989
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- 1989-07-03 JP JP1171738A patent/JP2672371B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-13 ES ES89307106T patent/ES2063824T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-13 EP EP89307106A patent/EP0352019B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-13 DE DE68919385T patent/DE68919385T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-07-20 KR KR1019890010262A patent/KR900002104A/ko not_active Application Discontinuation
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＬＥＴＴ．５０（１４），６ ＡＰＲＩＬ １９８７ ９１５〜９１７ページ参照 |
Also Published As
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| KR900002104A (ko) | 1990-02-28 |
| ES2063824T3 (es) | 1995-01-16 |
| DE68919385T2 (de) | 1995-03-30 |
| DE68919385D1 (de) | 1994-12-22 |
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| EP0352019B1 (en) | 1994-11-17 |
| EP0352019A3 (en) | 1991-10-02 |
| JPH0268516A (ja) | 1990-03-08 |
| CA1317364C (en) | 1993-05-04 |
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