JP2735623B2 - 光変調素子 - Google Patents
光変調素子Info
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- JP2735623B2 JP2735623B2 JP14732389A JP14732389A JP2735623B2 JP 2735623 B2 JP2735623 B2 JP 2735623B2 JP 14732389 A JP14732389 A JP 14732389A JP 14732389 A JP14732389 A JP 14732389A JP 2735623 B2 JP2735623 B2 JP 2735623B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は光変調素子に関し、特にキャリア注入効果
を用いた外部光変調器に関するものである。
を用いた外部光変調器に関するものである。
半導体レーザ光の直接変調が困難な場合や、特殊な変
調には電気光学効果あるいはキャリア注入効果などを用
いた外部変調の方法が用いられる。中でも導波路型の光
変調器は狭い導波路に光が閉じ込められているので回折
現象がなく、狭い間隔の電極間に印加電界を加えるの
で、印加電圧を小さくできる特徴がある。
調には電気光学効果あるいはキャリア注入効果などを用
いた外部変調の方法が用いられる。中でも導波路型の光
変調器は狭い導波路に光が閉じ込められているので回折
現象がなく、狭い間隔の電極間に印加電界を加えるの
で、印加電圧を小さくできる特徴がある。
第３図（ａ）は例えばオプチカル アンド クォンタ
ム エレクトロニクス17（1985）pp449〜455（Optical
and Quantum Electronics17（1985）pp449〜455）に記
載された従来の導波路型光変調器の基本的な構成を示す
図であり、図において、32はInGaAsPで形成されたリッ
ジ導波路で、43の角度２θで交叉しており、バンドギャ
ップ波長は1.2μｍになるようにその組成が選ばれてい
る。31はｎ型InP基板である。導波路32の交叉部上には
クラッド層をのせた電極部分42が形成されており、第３
図（ｂ）はこの部分の断面図である。第３図（ｂ）にお
いて、33はｐ−InPクラッド層、34は電極のコンタクト
をとるためのｐ−InGaAsPキャップ層である。これらｐ
−InPクラッド層33,InGaAsP導波路32,n−InP基板31によ
り、ｐ−InP/InGaAsP/n−InPダブルヘテロ構造が形成さ
れ、部分36の屈折率は等価的にそれ以外の部分よりも高
くなる。35はマスク用のSiO2膜である。
ム エレクトロニクス17（1985）pp449〜455（Optical
and Quantum Electronics17（1985）pp449〜455）に記
載された従来の導波路型光変調器の基本的な構成を示す
図であり、図において、32はInGaAsPで形成されたリッ
ジ導波路で、43の角度２θで交叉しており、バンドギャ
ップ波長は1.2μｍになるようにその組成が選ばれてい
る。31はｎ型InP基板である。導波路32の交叉部上には
クラッド層をのせた電極部分42が形成されており、第３
図（ｂ）はこの部分の断面図である。第３図（ｂ）にお
いて、33はｐ−InPクラッド層、34は電極のコンタクト
をとるためのｐ−InGaAsPキャップ層である。これらｐ
−InPクラッド層33,InGaAsP導波路32,n−InP基板31によ
り、ｐ−InP/InGaAsP/n−InPダブルヘテロ構造が形成さ
れ、部分36の屈折率は等価的にそれ以外の部分よりも高
くなる。35はマスク用のSiO2膜である。
入射光41は第１のポート37又は第２のポート38から素
子内に入り、後述するような動作原理によって第３のポ
ート39又は第４のポート40から出射光として出てくる。
子内に入り、後述するような動作原理によって第３のポ
ート39又は第４のポート40から出射光として出てくる。
次に動作について説明する。
入射光の波長がInGaAsPのバンドギャップ波長よりも
長い（例えば1.5μｍ）時、光は比較的低い損失で導波
路内に閉じ込められる。キャリアが電極42からpn接合を
介して導波路層32を注入されると、部分36の屈折率はプ
ラズマ効果により低下する。
長い（例えば1.5μｍ）時、光は比較的低い損失で導波
路内に閉じ込められる。キャリアが電極42からpn接合を
介して導波路層32を注入されると、部分36の屈折率はプ
ラズマ効果により低下する。
今、半導体レーザの出力光が第１のポート37から入射
したとする。キャリアの注入を行わない場合、導波路内
に入った光はその大部分が第３のポート39から出てく
る。一方、キャリアの注入を行うと、InPクラッド層33
の接合平面に沿ったキャリア濃度の空間的変化、従って
屈折率の空間的変化が急峻となり、交叉角43が適当な値
であれば、大部分の入射光が第４のポート40から出てく
るようにすることができる。即ち、第１のポート37に入
射した光を部分36に注入する電流値を変えることによっ
て、第３のポート39,第４のポート40に出てくる光のパ
ワーの比を変えることができる。
したとする。キャリアの注入を行わない場合、導波路内
に入った光はその大部分が第３のポート39から出てく
る。一方、キャリアの注入を行うと、InPクラッド層33
の接合平面に沿ったキャリア濃度の空間的変化、従って
屈折率の空間的変化が急峻となり、交叉角43が適当な値
であれば、大部分の入射光が第４のポート40から出てく
るようにすることができる。即ち、第１のポート37に入
射した光を部分36に注入する電流値を変えることによっ
て、第３のポート39,第４のポート40に出てくる光のパ
ワーの比を変えることができる。
上記のような原理で、入射光のスイッチングを行うこ
とができる。
とができる。
次に第４図（ａ）はアプライド フィジクス レター
ズ52（1988）pp1608〜1610（Applid Physics Letters 5
2（1988）pp1608〜1610）に記載された従来のバイポー
ラトンネリング電界効果トランジスタ（以下BiTFETと記
す）の基本的な構成を示す模式図である。図において、
１はソース電極、２はゲート電極、３はドレイン電極、
４は基板裏面に設けられた電極である。電極にコンタク
トをとるために設けられたのが、n+層13、p+層21であ
る。14はn-層、22はp-層であり、例えばイオン注入法に
よってn+層13及びp+層21を形成した場合に自然に生じ
る。結晶の層構造としてはゲート電極２に近い方からn-
−InP層20、ノンドープInGaAs層19、n+−InGaAs層18、p
+−InGaAs層17、ノンドープInGaAs層23、p-−InP層15と
なっている。電子５はソース電極１から供給され、正孔
16はドレイン電極３から供給される。
ズ52（1988）pp1608〜1610（Applid Physics Letters 5
2（1988）pp1608〜1610）に記載された従来のバイポー
ラトンネリング電界効果トランジスタ（以下BiTFETと記
す）の基本的な構成を示す模式図である。図において、
１はソース電極、２はゲート電極、３はドレイン電極、
４は基板裏面に設けられた電極である。電極にコンタク
トをとるために設けられたのが、n+層13、p+層21であ
る。14はn-層、22はp-層であり、例えばイオン注入法に
よってn+層13及びp+層21を形成した場合に自然に生じ
る。結晶の層構造としてはゲート電極２に近い方からn-
−InP層20、ノンドープInGaAs層19、n+−InGaAs層18、p
+−InGaAs層17、ノンドープInGaAs層23、p-−InP層15と
なっている。電子５はソース電極１から供給され、正孔
16はドレイン電極３から供給される。
次に動作について説明する。熱平衡状態において、高
濃度ドープされた２つの層、即ちp+−InGaAs層17及びn+
−InGaAs層18は完全に空乏化して空間電荷領域が形成さ
れ、ドナー27及びアクセプタ28が第４図（ｂ）に示すよ
うに残る。キャリアは出払ってノンドープInGaAs層19に
は電子が、ノンドープInGaAs層23には正孔が拡散する。
この結果、第４図（ｂ）に示すように変調ドーピングの
場合と同様に、電子と正孔は縮退したチャネルを形成
し、トンネル接合の２次元電極として働く。pn接合に順
バイアスをかけると、電流はソース電極1,ドレイン電極
３からコンタクト層であるn+層13,p+層21を通ってチャ
ネルに低い入力抵抗で流れ込む。キャリアは２次元チャ
ネル内で縮退しており、ソース電極1,ドレイン電極３の
間のわずかなバイアスでも通常のトンネルダイオードに
おけるトンネル過程と同様のメカニズムで、電子が接合
部をトンネルして電流が流れる。
濃度ドープされた２つの層、即ちp+−InGaAs層17及びn+
−InGaAs層18は完全に空乏化して空間電荷領域が形成さ
れ、ドナー27及びアクセプタ28が第４図（ｂ）に示すよ
うに残る。キャリアは出払ってノンドープInGaAs層19に
は電子が、ノンドープInGaAs層23には正孔が拡散する。
この結果、第４図（ｂ）に示すように変調ドーピングの
場合と同様に、電子と正孔は縮退したチャネルを形成
し、トンネル接合の２次元電極として働く。pn接合に順
バイアスをかけると、電流はソース電極1,ドレイン電極
３からコンタクト層であるn+層13,p+層21を通ってチャ
ネルに低い入力抵抗で流れ込む。キャリアは２次元チャ
ネル内で縮退しており、ソース電極1,ドレイン電極３の
間のわずかなバイアスでも通常のトンネルダイオードに
おけるトンネル過程と同様のメカニズムで、電子が接合
部をトンネルして電流が流れる。
一方、２次元電子と正孔のエネルギーレベルの重なる
部分がなくなると、トンネル電流は急激に減少し、負性
抵抗特性が現われる。このとき、電子と正孔の基準エネ
ルギーレベルの差はゲート電極2,基板電極４間に逆バイ
アスをかけることによって増加させることができ、その
結果、電子と正孔のエネルギーレベルの重なり合う部分
が大きくなって、再び電流が増加する。これらの電極の
作用によって製作プロセスに依存するドーピング濃度プ
ロファイルで決定される，電子と正孔のエネルギーレベ
ルを外部から制御することができ、三端子の負性抵抗素
子として使用することが可能となる。
部分がなくなると、トンネル電流は急激に減少し、負性
抵抗特性が現われる。このとき、電子と正孔の基準エネ
ルギーレベルの差はゲート電極2,基板電極４間に逆バイ
アスをかけることによって増加させることができ、その
結果、電子と正孔のエネルギーレベルの重なり合う部分
が大きくなって、再び電流が増加する。これらの電極の
作用によって製作プロセスに依存するドーピング濃度プ
ロファイルで決定される，電子と正孔のエネルギーレベ
ルを外部から制御することができ、三端子の負性抵抗素
子として使用することが可能となる。
バンドギャップの大きい層、即ちp-−InP層５及びn-
−InP層20中に存在するp-層22及びn-層14はそれぞれヘ
テロ接合を介してファウラー・ノルドハイム型トンネリ
ングを防止する役目を果たしている。
−InP層20中に存在するp-層22及びn-層14はそれぞれヘ
テロ接合を介してファウラー・ノルドハイム型トンネリ
ングを防止する役目を果たしている。
BiTFETは電流スイッチ素子として使うことが可能であ
る。この使用法においてはソース電極１とドレイン電極
３の間の電圧は負性抵抗が現われる所に設定され、ゲー
ト電極２と基板電極４の間の電圧を変化させて負性抵抗
特性が現われる直前の高い電流レベルと、負性抵抗特性
が現れた直後の低い電流レベルとを切り換えることがで
きる。
る。この使用法においてはソース電極１とドレイン電極
３の間の電圧は負性抵抗が現われる所に設定され、ゲー
ト電極２と基板電極４の間の電圧を変化させて負性抵抗
特性が現われる直前の高い電流レベルと、負性抵抗特性
が現れた直後の低い電流レベルとを切り換えることがで
きる。
トンネリング状態の２次元的性質により、電磁のオン
状態とオフ状態の切り換えを行うために、量子化された
エネルギーレベルをシフトさせるのに必要なゲート電圧
の変化はごくわずかで済む。従って、電流利得は大き
く、1ps程度の高速のスイッチングが可能である。
状態とオフ状態の切り換えを行うために、量子化された
エネルギーレベルをシフトさせるのに必要なゲート電圧
の変化はごくわずかで済む。従って、電流利得は大き
く、1ps程度の高速のスイッチングが可能である。
従来の導波路型の光変調素子は以上のように構成され
ており、このようなダブルヘテロ接合では電流注入を停
止した後もキャリア再接合によって電子が消費されるま
では電子が導波路に存在するため、スイッチ時間が変調
器内部のキャリア再結合時間（InPの場合約5ns）て制限
されてしまうことが多く、より高速の変調が困難である
という問題点があった。
ており、このようなダブルヘテロ接合では電流注入を停
止した後もキャリア再接合によって電子が消費されるま
では電子が導波路に存在するため、スイッチ時間が変調
器内部のキャリア再結合時間（InPの場合約5ns）て制限
されてしまうことが多く、より高速の変調が困難である
という問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、優れた高速応答性を持ち、わずかな電圧変
化で変調可能な光変調素子を得ることを目的とする。
れたもので、優れた高速応答性を持ち、わずかな電圧変
化で変調可能な光変調素子を得ることを目的とする。
この発明に係る光変調素子は、導波路を構成する半導
体層を挟んで上下に電子の正孔の２次元チャネル層を実
現し、両者の間での導波層を介した電子のトンネル伝導
を制御することにより、入射光の変調を実現するように
したものである。
体層を挟んで上下に電子の正孔の２次元チャネル層を実
現し、両者の間での導波層を介した電子のトンネル伝導
を制御することにより、入射光の変調を実現するように
したものである。
この発明においては、導波路を構成する半導体層にBi
TFET構造の注入電流制御部分を設け、トンネル伝導によ
って導波層にキャリアが注入されると、その部分の等価
的な屈折率が低下し、また制御電圧を変化させてトンネ
ル伝導が起こらない状態を実現すると、導波層から速や
かにキャリアが引き抜かれる構成としたから、スイッチ
ング時間を大幅に短縮することができる。
TFET構造の注入電流制御部分を設け、トンネル伝導によ
って導波層にキャリアが注入されると、その部分の等価
的な屈折率が低下し、また制御電圧を変化させてトンネ
ル伝導が起こらない状態を実現すると、導波層から速や
かにキャリアが引き抜かれる構成としたから、スイッチ
ング時間を大幅に短縮することができる。
以下、この発明の一実施例を図について説明する。
第１図は本発明の一実施例による導波路型光変調素子
の基本的な構成を示す斜視図である。図において、１は
ソース電極、２はゲート電極、３はドレイン電極、４は
基板裏面に設けられた電極である。結晶の層構造は大別
するとp-−InP層５、InGaAs導波層６、n-−InP層７に分
けられる。入射光12は第１のポート８又は第２のポート
９から素子内に入り、後述するような動作原理によって
第３のポート10又は第４のポート11から出射光として出
てくる。
の基本的な構成を示す斜視図である。図において、１は
ソース電極、２はゲート電極、３はドレイン電極、４は
基板裏面に設けられた電極である。結晶の層構造は大別
するとp-−InP層５、InGaAs導波層６、n-−InP層７に分
けられる。入射光12は第１のポート８又は第２のポート
９から素子内に入り、後述するような動作原理によって
第３のポート10又は第４のポート11から出射光として出
てくる。
第２図は第１図Ａ−Ａ′を結ぶ線に沿って基板に垂直
に切断したときの断面の模式図である。従来例で説明し
たBiTFET構造が導波路の交叉部に形成されている。図に
おいて、記号はすべて第４図のものと対応する。
に切断したときの断面の模式図である。従来例で説明し
たBiTFET構造が導波路の交叉部に形成されている。図に
おいて、記号はすべて第４図のものと対応する。
次に動作について説明する。
今、第１図で入射光12が第１のポート８から入射する
ものとする。交叉部のBiTFETのソース電極１とドレイン
電極３の間の電圧は先に説明したように負性抵抗が現わ
れる所に設定されている。まず、ゲート電極2,基板電極
４の間の電圧をチャネルに注入される電流レベルが低く
なるように調節してあるとする。この時、大部分の入射
光は直進して第３のポート10から出てくる。次にゲート
電極2,基板電極４の間の電圧を変えて、チャネルに注入
される電流レベルが高くなるようにする。この場合には
第２図のn+−InGaAs層18,p+−InGaAs層17のチャネル部
分にトンネル伝導により大量のキャリアが注入されるた
め、この部分の屈折率が低下する。従って、入射光12か
ら素子を見て左半分の導波路の等価的な屈折率が低下す
るため、適当な導波路の形状を採用すれば、大部分の入
射光12が第４のポート11から出てくるようにすることが
できる。ゲート・基板間電圧をもとの値に戻せばトンネ
ル伝導が起こらなくなり、導波路部分の屈折率は従来例
と比べて十分速やかにもとの値に戻る。このように本実
施例ではゲート・基板間の制御電圧を変化させて、キャ
リアの注入レベルを高速に制御し光のスイッチング時間
を大幅に短縮することができる。
ものとする。交叉部のBiTFETのソース電極１とドレイン
電極３の間の電圧は先に説明したように負性抵抗が現わ
れる所に設定されている。まず、ゲート電極2,基板電極
４の間の電圧をチャネルに注入される電流レベルが低く
なるように調節してあるとする。この時、大部分の入射
光は直進して第３のポート10から出てくる。次にゲート
電極2,基板電極４の間の電圧を変えて、チャネルに注入
される電流レベルが高くなるようにする。この場合には
第２図のn+−InGaAs層18,p+−InGaAs層17のチャネル部
分にトンネル伝導により大量のキャリアが注入されるた
め、この部分の屈折率が低下する。従って、入射光12か
ら素子を見て左半分の導波路の等価的な屈折率が低下す
るため、適当な導波路の形状を採用すれば、大部分の入
射光12が第４のポート11から出てくるようにすることが
できる。ゲート・基板間電圧をもとの値に戻せばトンネ
ル伝導が起こらなくなり、導波路部分の屈折率は従来例
と比べて十分速やかにもとの値に戻る。このように本実
施例ではゲート・基板間の制御電圧を変化させて、キャ
リアの注入レベルを高速に制御し光のスイッチング時間
を大幅に短縮することができる。
なお、上記実施例では材料としてはInGaAs,InPを用い
た場合を述べたが、GaAs,AlGaAsを材料としてもよい。
た場合を述べたが、GaAs,AlGaAsを材料としてもよい。
以上のように、この発明によれば導波路型の光変調素
子において、BiTFET構造の電流注入領域を有し、トンネ
ル注入により電流を流すだけでなく、同じくトンネリン
グにより高速で上記電流注入領域からキャリアを取り出
すことにより、導波路内の屈折率分布を変化させ、入射
光の変調を行う構成としたから、光変調素子の高速変調
特性を大幅に改善できる効果がある。
子において、BiTFET構造の電流注入領域を有し、トンネ
ル注入により電流を流すだけでなく、同じくトンネリン
グにより高速で上記電流注入領域からキャリアを取り出
すことにより、導波路内の屈折率分布を変化させ、入射
光の変調を行う構成としたから、光変調素子の高速変調
特性を大幅に改善できる効果がある。
第１図，第２図はそれぞれこの発明の一実施例による導
波路型光変調素子の斜視図及び断面図、第３図（ａ），
（ｂ）は従来の導波路型光変調素子の斜視図及び断面
図、第４図（ａ），（ｂ）はバイポーラトンネリング電
界効果トンランジスタの基本的な構成，及び動作を説明
するための図である。 １はソース電極、２はゲート電極、３はドレイン電極、
４は基板電極、５はp-InP層、６はInGaAs導波層、７はn
-−InP層、８は第７のポート、９は第２のポート、10は
第３のポート、11は第４のポート、12は入射光、13はn+
層、14はn-層、15は電子、16は正孔、17はp+−InGaAs
層、18はn+−InGaAs層、19はノンドープInGaAs層、20は
n-−InP層、21はp+層、22はp-層、23はノンドープInGaA
s層、27はドナー、28はアクセプタである。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
波路型光変調素子の斜視図及び断面図、第３図（ａ），
（ｂ）は従来の導波路型光変調素子の斜視図及び断面
図、第４図（ａ），（ｂ）はバイポーラトンネリング電
界効果トンランジスタの基本的な構成，及び動作を説明
するための図である。 １はソース電極、２はゲート電極、３はドレイン電極、
４は基板電極、５はp-InP層、６はInGaAs導波層、７はn
-−InP層、８は第７のポート、９は第２のポート、10は
第３のポート、11は第４のポート、12は入射光、13はn+
層、14はn-層、15は電子、16は正孔、17はp+−InGaAs
層、18はn+−InGaAs層、19はノンドープInGaAs層、20は
n-−InP層、21はp+層、22はp-層、23はノンドープInGaA
s層、27はドナー、28はアクセプタである。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
フロントページの続き (72)発明者 今泉 昌之 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者 野村 良徳 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者 吉安 一 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 平１−213628（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】Ｘ字状に交叉する導波路を構成する多層半
導体層を有し、 該導波路の交叉部にキャリアを注入することによって屈
折率を変化させ、上記導波路を伝搬する導波光の強度を
変化させるようにした光変調素子において、 上記導波路の交叉部において、BiTFETによりキャリアを
トンネルに伝導させて導波路内のキャリア密度を変化さ
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 |
|---|---|---|---|
| JP14732389A JP2735623B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | 光変調素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14732389A JP2735623B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | 光変調素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0311319A JPH0311319A (ja) | 1991-01-18 |
| JP2735623B2 true JP2735623B2 (ja) | 1998-04-02 |
Family
ID=15427587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14732389A Expired - Fee Related JP2735623B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | 光変調素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2735623B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5757989A (en) * | 1992-09-10 | 1998-05-26 | Fujitsu Limited | Optical circuit system capable of producing optical signal having a small fluctuation and components of same |
| US6693736B1 (en) | 1992-09-10 | 2004-02-17 | Fujitsu Limited | Optical circuit system and components of same |
-
1989
- 1989-06-09 JP JP14732389A patent/JP2735623B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0311319A (ja) | 1991-01-18 |
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