JP2758472B2 - 光変調器 - Google Patents
光変調器Info
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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
- G02F1/01—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
- 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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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
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- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- G—PHYSICS
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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、変調度の大きい面入射型の光変調器の構
造に関するものである。
造に関するものである。
第４図は従来の半導体基板に垂直に光を入射するタイ
プの光変調器を示す図であり、図において、１はｐ型Al
GaAs層、２はｎ型AlGaAs層である。また、３は多重量子
井戸構造（MQW）の半絶縁層（１層）であり、厚みが100
Å程度の半絶縁性（以後ｉ−と記す）GaAs層31と、厚み
がやはり100Å程度のｉ−AlGaAs層32の多数組（第２図
の例では50組）からなる。４は入射光、５は出射光であ
る。
プの光変調器を示す図であり、図において、１はｐ型Al
GaAs層、２はｎ型AlGaAs層である。また、３は多重量子
井戸構造（MQW）の半絶縁層（１層）であり、厚みが100
Å程度の半絶縁性（以後ｉ−と記す）GaAs層31と、厚み
がやはり100Å程度のｉ−AlGaAs層32の多数組（第２図
の例では50組）からなる。４は入射光、５は出射光であ
る。
この光変調器に、MQW構造に付随するエキシトンピー
クに一致する波長の光を入射すると、大部分の光は吸収
を受け光変調器を透過しない。この状態で、ｐ型AlGaAs
層１に負、ｎ型AlGaAs層２に正の電圧をかけ光変調器を
逆バイアス状態にするエキシトンピークは入射光波長か
らそのピークがシフトし、入射光４は吸収を受けること
なく光変調器を透過する。すなわち電圧の印加状態によ
って、出射光５の強度を変えることができ、これにより
光変調動作が実現される。
クに一致する波長の光を入射すると、大部分の光は吸収
を受け光変調器を透過しない。この状態で、ｐ型AlGaAs
層１に負、ｎ型AlGaAs層２に正の電圧をかけ光変調器を
逆バイアス状態にするエキシトンピークは入射光波長か
らそのピークがシフトし、入射光４は吸収を受けること
なく光変調器を透過する。すなわち電圧の印加状態によ
って、出射光５の強度を変えることができ、これにより
光変調動作が実現される。
ところで、上述の光変調器においては、入射光強度が
強くなるとエキシトンによる吸収効果の飽和がおこり変
調機能がなくなる。またエキシトンの吸収スペクトンは
急峻なため、上述の構成の光変調器は入射光の波長や環
境温度に対して、透過特性が大きく影響を受けるという
問題があった。この問題を避けるために入射光の波長を
エキシトンによる吸収端より長波長側にずらして用いる
ことが行われることがある。この場合、入射光の変調は
MQW構造の屈折率変化を利用するため、吸収の飽和効果
の影響はなくなる。屈折率の変化は、MQW構造に電界を
印荷したときにみられる。量子シュタンク効果（Qutant
um Strark Bffect）や半導体基板の持つ電気光学効果を
利用することになるが、この変化量は大きくなく、とく
に第４図に示すような基板に垂直に光を入射するタイプ
の光変調器では、光が通過する半導体層の厚みをそれほ
ど大きくできないために、大きな変調度を期待すること
はできなかった。
強くなるとエキシトンによる吸収効果の飽和がおこり変
調機能がなくなる。またエキシトンの吸収スペクトンは
急峻なため、上述の構成の光変調器は入射光の波長や環
境温度に対して、透過特性が大きく影響を受けるという
問題があった。この問題を避けるために入射光の波長を
エキシトンによる吸収端より長波長側にずらして用いる
ことが行われることがある。この場合、入射光の変調は
MQW構造の屈折率変化を利用するため、吸収の飽和効果
の影響はなくなる。屈折率の変化は、MQW構造に電界を
印荷したときにみられる。量子シュタンク効果（Qutant
um Strark Bffect）や半導体基板の持つ電気光学効果を
利用することになるが、この変化量は大きくなく、とく
に第４図に示すような基板に垂直に光を入射するタイプ
の光変調器では、光が通過する半導体層の厚みをそれほ
ど大きくできないために、大きな変調度を期待すること
はできなかった。
従来の垂直入射型の光変調器は以上のように構成され
いるので、変調度が大きい吸収形の光変調器として用い
た場合にはその変調度が入射光の波長や環境温度に大き
く左右されるという問題点があり、またこの影響を避け
るために入射波長を長波長側にずらしMQW構造の屈折率
変化を利用して光変調を行なうようにする場合には変調
度が小さくなるという問題点があった。
いるので、変調度が大きい吸収形の光変調器として用い
た場合にはその変調度が入射光の波長や環境温度に大き
く左右されるという問題点があり、またこの影響を避け
るために入射波長を長波長側にずらしMQW構造の屈折率
変化を利用して光変調を行なうようにする場合には変調
度が小さくなるという問題点があった。
この発明は上記の問題点を解決するためになされたも
ので、変調度が入射光の波長や環境温度に大きく左右さ
れない、変調度の大きい光変調器を得ることを目的とす
る。
ので、変調度が入射光の波長や環境温度に大きく左右さ
れない、変調度の大きい光変調器を得ることを目的とす
る。
この発明に係る光変調器は、入射光の伝搬波長のほぼ
４分の１あるいはその整数倍に厚みを持つ屈折率がほぼ
等しいｐおよびｎ形半導体層からなる１組以上の半導体
層と、該半導体層を貫通して形成したｐ及びｎ領域と、
該ｐ及びｎ領域に電圧を印加する手段とを備え、上記電
圧印加手段より上記ｐ形半導体層,n形半導体層に順方向
バイアスをかけて電流注入を行なうか、あるいは逆方向
バイアスをかけて上記ｐ形半導体層,n形半導体層間の空
乏層の拡大させることにより周期的な屈折率変化を光変
調器内に生じさせるようにしたものである。
４分の１あるいはその整数倍に厚みを持つ屈折率がほぼ
等しいｐおよびｎ形半導体層からなる１組以上の半導体
層と、該半導体層を貫通して形成したｐ及びｎ領域と、
該ｐ及びｎ領域に電圧を印加する手段とを備え、上記電
圧印加手段より上記ｐ形半導体層,n形半導体層に順方向
バイアスをかけて電流注入を行なうか、あるいは逆方向
バイアスをかけて上記ｐ形半導体層,n形半導体層間の空
乏層の拡大させることにより周期的な屈折率変化を光変
調器内に生じさせるようにしたものである。
この発明においては、入射光の伝搬波長のほぼ４分の
１あるいはその整数倍の厚みを持つ屈折率がほぼ等しい
ｐおよびｎ形半導体層からなる１組以上の半導体層に対
してバイアスをかけブラッグ反射器として作用させ入射
光に対して遮断効果を生じさせる構成としたから、光変
調器が大きくかつ変調度が入射光の波長や環境温度に大
きく左右されない光変調器を実現できる。
１あるいはその整数倍の厚みを持つ屈折率がほぼ等しい
ｐおよびｎ形半導体層からなる１組以上の半導体層に対
してバイアスをかけブラッグ反射器として作用させ入射
光に対して遮断効果を生じさせる構成としたから、光変
調器が大きくかつ変調度が入射光の波長や環境温度に大
きく左右されない光変調器を実現できる。
〔実施例〕 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光変調器を示す図で
あり、図において、10−１〜10−50はｐ形GaAs層、11−
１〜11−50はｎ形GaAs層、12はｐ領域、13はｎ領域であ
る。また４は入射光、５は出射光である。
あり、図において、10−１〜10−50はｐ形GaAs層、11−
１〜11−50はｎ形GaAs層、12はｐ領域、13はｎ領域であ
る。また４は入射光、５は出射光である。
次に製造工程について説明する。第３図は本実施例に
よる光変調器の製造工程を示す図であり、図において、
第１図と同一符号は同一又は相当部分であり、15は半絶
縁性GaAs基板、16はAlxGa1-xAs（ｘ＝0.5）エッチング
ストッパ層、17は開口、20,21はそれぞれｐ電極,n電極
である。
よる光変調器の製造工程を示す図であり、図において、
第１図と同一符号は同一又は相当部分であり、15は半絶
縁性GaAs基板、16はAlxGa1-xAs（ｘ＝0.5）エッチング
ストッパ層、17は開口、20,21はそれぞれｐ電極,n電極
である。
まず第３図（ａ）に示すようにGaAs基板15上にエッチ
ングストッパ層16となる例えばAlxGa1-xAs（ｘ＝0.5）
をMBEなどで成長した後、ｐ−GaAs層10,n−GaAs層11の
組を例えば50組成長する。層の厚みは、入射光が例えば
9000Åであれば半導体中の波長の４分の１すなわち750
Å程度にする（半導体の屈折率を３と仮定した場合）。
p,nの不純物濃度はｐ−GaAs層10と、ｎ−GaAs層11の屈
折率がほぼ等しくなる条件例えば、８×1017cm-3程度に
設定する。不純物としては、ｎ形にはSi、ｐ形にはBeな
どを用いるとは良いが、これらに限定されるものではな
い。次に第３図（ｂ）に示すようにｐ形,n形GaAs多層半
導体層を貫通しかつ対向するようにｐ領域12およびｎ領
域13を選択拡散などの方法によって形成する。p,n拡散
領域の間隔は、数μｍが適当である。p,n領域の対向の
形は平行でも、円弧状でも良い。p,n領域12,13形成後、
第３図（ｃ）に示すように、GaAs基板15の光変調器出射
領域となる部分をエッチングストッパ層16を利用して選
択エッチング除去し、最後に入射面及び出射面に無反射
コーティング30を施し、p,n電極20,21を形成して本実施
例の光変調器が完成する。
ングストッパ層16となる例えばAlxGa1-xAs（ｘ＝0.5）
をMBEなどで成長した後、ｐ−GaAs層10,n−GaAs層11の
組を例えば50組成長する。層の厚みは、入射光が例えば
9000Åであれば半導体中の波長の４分の１すなわち750
Å程度にする（半導体の屈折率を３と仮定した場合）。
p,nの不純物濃度はｐ−GaAs層10と、ｎ−GaAs層11の屈
折率がほぼ等しくなる条件例えば、８×1017cm-3程度に
設定する。不純物としては、ｎ形にはSi、ｐ形にはBeな
どを用いるとは良いが、これらに限定されるものではな
い。次に第３図（ｂ）に示すようにｐ形,n形GaAs多層半
導体層を貫通しかつ対向するようにｐ領域12およびｎ領
域13を選択拡散などの方法によって形成する。p,n拡散
領域の間隔は、数μｍが適当である。p,n領域の対向の
形は平行でも、円弧状でも良い。p,n領域12,13形成後、
第３図（ｃ）に示すように、GaAs基板15の光変調器出射
領域となる部分をエッチングストッパ層16を利用して選
択エッチング除去し、最後に入射面及び出射面に無反射
コーティング30を施し、p,n電極20,21を形成して本実施
例の光変調器が完成する。
次に動作について説明する。第２図は本実施例による
光変調器の動作を説明するための図であり、縦軸に光変
調器の入射光に対する光透過率、横軸に波長をとってい
る。ｐ領域12およいｎ領域13にバイアスをかけない場合
は、この光変調器は無反射コーティングが施されたGaAs
基板と同じであるため、入射光はそのまま光変調器を透
過する。すなわち透過率は、ほぼ１である。つぎにｐお
よびｎ領域に順方向にバイアスをかけるとｐ−GaAs層10
−１〜10−50へは電子注入により電子が注入され、その
結果プラズマ効果によってその屈折率は１％程度小さく
なる。従って入射光からこの状態の光変調器をみると、
ほぼ４分の１波長毎に屈折率が変化している媒質、すな
わちブラッグ反射器をみることになり、入射光の多くは
透過することができずに反射されてしまう。すなわち、
バイアスの有無で大きな変調効果が得られる。ここで、
GaAsの屈折率は電子注入効果によって、3.59から3.50に
わずかに変化するだけであるが、層の組数が50あれば、
透過率は第２図に示すように無バイアス時に１であった
ものがおよそ0.3と３分の１に小さくなる。
光変調器の動作を説明するための図であり、縦軸に光変
調器の入射光に対する光透過率、横軸に波長をとってい
る。ｐ領域12およいｎ領域13にバイアスをかけない場合
は、この光変調器は無反射コーティングが施されたGaAs
基板と同じであるため、入射光はそのまま光変調器を透
過する。すなわち透過率は、ほぼ１である。つぎにｐお
よびｎ領域に順方向にバイアスをかけるとｐ−GaAs層10
−１〜10−50へは電子注入により電子が注入され、その
結果プラズマ効果によってその屈折率は１％程度小さく
なる。従って入射光からこの状態の光変調器をみると、
ほぼ４分の１波長毎に屈折率が変化している媒質、すな
わちブラッグ反射器をみることになり、入射光の多くは
透過することができずに反射されてしまう。すなわち、
バイアスの有無で大きな変調効果が得られる。ここで、
GaAsの屈折率は電子注入効果によって、3.59から3.50に
わずかに変化するだけであるが、層の組数が50あれば、
透過率は第２図に示すように無バイアス時に１であった
ものがおよそ0.3と３分の１に小さくなる。
このように本実施例では入射光の伝搬波長のほぼ４分
の１あるいはその整数倍の厚みを持つｐ形GaAs層及びｎ
形GaAs層の多層構造を設け、該多層構造に対して順方向
バイアスを印加するようにしたから、順方向バイアスに
よって電子が注入されたｐ形GaAs層の屈折率の変化によ
り上記多層構造内にブラッグ反射器の機能を形成するこ
とができる。即ち、上記多層構造にかけるバイアスの有
無により入射光に対する透過率を大きくコントロールす
ることができる光変調器を実現できる。またこの光変調
器は、屈折率の変化を利用しているため入射光の強度が
強くなった時に現れる飽和効果がなく、入射光の波長に
対して変調度はそれほど影響を受けることがない。また
多層構造を構成する各層の厚みは1000Å近くと厚くでき
ため結晶成長の困難さも少ないという利点がある。
の１あるいはその整数倍の厚みを持つｐ形GaAs層及びｎ
形GaAs層の多層構造を設け、該多層構造に対して順方向
バイアスを印加するようにしたから、順方向バイアスに
よって電子が注入されたｐ形GaAs層の屈折率の変化によ
り上記多層構造内にブラッグ反射器の機能を形成するこ
とができる。即ち、上記多層構造にかけるバイアスの有
無により入射光に対する透過率を大きくコントロールす
ることができる光変調器を実現できる。またこの光変調
器は、屈折率の変化を利用しているため入射光の強度が
強くなった時に現れる飽和効果がなく、入射光の波長に
対して変調度はそれほど影響を受けることがない。また
多層構造を構成する各層の厚みは1000Å近くと厚くでき
ため結晶成長の困難さも少ないという利点がある。
なお上記実施例では多層構造に対して順方向バイアス
を印加するものについて述べたが、逆方向バイアスを印
加するようにしてもよい。逆方向にバイアスをかけた場
合は広がった空乏層が周期的な屈折率の変化を生じせし
るため、この屈折率変化によるブラッグ反射器が構成さ
れ順方向バイアスの場合と同様の効果が期待できる。
を印加するものについて述べたが、逆方向バイアスを印
加するようにしてもよい。逆方向にバイアスをかけた場
合は広がった空乏層が周期的な屈折率の変化を生じせし
るため、この屈折率変化によるブラッグ反射器が構成さ
れ順方向バイアスの場合と同様の効果が期待できる。
また上記実施例では多層半導体層が50組のp,n形半導
体層からなる多層半導体層を用いるものについて述べた
が、本発明は１組のp,n形半導体層を用いた場合にもそ
の効果を奏するものであり、また層の組数を増せば変調
度を大きくすることが可能であることは明白である。
体層からなる多層半導体層を用いるものについて述べた
が、本発明は１組のp,n形半導体層を用いた場合にもそ
の効果を奏するものであり、また層の組数を増せば変調
度を大きくすることが可能であることは明白である。
また層の全数は必ずしも偶数である必要はなく奇数で
あっても同じ効果が得られる。
あっても同じ効果が得られる。
またp,n半導体層は同一材料である必要である必要は
なく、無バイアス時の屈折率さえ同じであれば、例えば
ｐ−GaAs層とｎ−AlGaAs層との組み合わせ等異種材料の
組み合わせによるものであってもよい。
なく、無バイアス時の屈折率さえ同じであれば、例えば
ｐ−GaAs層とｎ−AlGaAs層との組み合わせ等異種材料の
組み合わせによるものであってもよい。
また上記実施例ではp,n半導体層の層厚は４分の１波
長としたがこれの整数倍であっても同様の効果を期待で
きるものであり、また正確に４分の１波長でなくとも、
ほぼ４分の１波長であればよいものである。
長としたがこれの整数倍であっても同様の効果を期待で
きるものであり、また正確に４分の１波長でなくとも、
ほぼ４分の１波長であればよいものである。
また上記実施例ではGaAs系材料により構成するものに
ついて述べたが、他の半導体、例えばInP,InGaAsP,Si,G
eなどにも適用できることは明らかである。
ついて述べたが、他の半導体、例えばInP,InGaAsP,Si,G
eなどにも適用できることは明らかである。
以上のように、この発明によれば、入射光の伝搬波長
のほぼ４分の１あるいはその整数倍の厚みを持つｐ形半
導体層及び該ｐ形半導体層と同様の厚みを持ち該ｐ形半
導体層と屈折率がほぼ等しいｎ形半導体層からなる１組
以上の半導体層を用い、電流注入あるいは空乏層の拡大
により周期的な屈折率変化を光変調器内に生じさせる構
成としたから、変調度が入射光量，入射光波長，環境温
度により大きく左右されることのない、変調度の大きい
垂直入射形の光変調器が得られる効果がある。
のほぼ４分の１あるいはその整数倍の厚みを持つｐ形半
導体層及び該ｐ形半導体層と同様の厚みを持ち該ｐ形半
導体層と屈折率がほぼ等しいｎ形半導体層からなる１組
以上の半導体層を用い、電流注入あるいは空乏層の拡大
により周期的な屈折率変化を光変調器内に生じさせる構
成としたから、変調度が入射光量，入射光波長，環境温
度により大きく左右されることのない、変調度の大きい
垂直入射形の光変調器が得られる効果がある。
第１図はこの発明の一実施例による光変調器を示す模式
図、第２図は第１図の実施例の動作を説明するための
図、第３図は第１図の実施例の具体的な製造工程を示す
断面工程図、第４図は従来の光変調器を示す模式図であ
る。 10−１〜10−50はｐ形GaAs層、11−１〜11−50はｎ形Ga
As層、12はｐ領域、13はｎ領域。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
図、第２図は第１図の実施例の動作を説明するための
図、第３図は第１図の実施例の具体的な製造工程を示す
断面工程図、第４図は従来の光変調器を示す模式図であ
る。 10−１〜10−50はｐ形GaAs層、11−１〜11−50はｎ形Ga
As層、12はｐ領域、13はｎ領域。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】入射光の伝搬波長のほぼ４分の１あるいは
その整数倍に厚み条件を設定したｐ形半導体層及び上記
厚み条件を満たす厚みを持ち該ｐ形半導体層と屈折率が
ほぼ等しいｎ形半導体層からなる１組以上の半導体層
と、 該半導体層を貫通して形成されたｐ及びｎ領域と、 該ｐ及びｎ領域に電圧を加える電圧印加手段とを備えた
ことを特徴とする光変調器。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005650A JP2758472B2 (ja) | 1990-01-11 | 1990-01-11 | 光変調器 |
| US07/637,556 US5072272A (en) | 1990-01-11 | 1991-01-04 | Semiconductor light modulator with pn layers |
| DE4100570A DE4100570C2 (de) | 1990-01-11 | 1991-01-10 | Halbleiter-Lichtmodulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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