JP2908511B2 - 半導体光デバイスの駆動方法 - Google Patents
半導体光デバイスの駆動方法Info
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- JP2908511B2 JP2908511B2 JP2104581A JP10458190A JP2908511B2 JP 2908511 B2 JP2908511 B2 JP 2908511B2 JP 2104581 A JP2104581 A JP 2104581A JP 10458190 A JP10458190 A JP 10458190A JP 2908511 B2 JP2908511 B2 JP 2908511B2
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- electric field
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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、光変調器，光スイッチ等の半導体光デバイ
スの駆動方法に関し、半導体量子井戸構造において、量
子井戸層に垂直な電界成分をもつ光を入射し、かつ動作
波長の近傍に軽い正孔による励起子共鳴吸収端を設定す
ることにより、当該デバイスの高変調度，低電圧動作等
の性能向上を図るものである。
スの駆動方法に関し、半導体量子井戸構造において、量
子井戸層に垂直な電界成分をもつ光を入射し、かつ動作
波長の近傍に軽い正孔による励起子共鳴吸収端を設定す
ることにより、当該デバイスの高変調度，低電圧動作等
の性能向上を図るものである。
半導体への光照射により発生する電子および正孔はク
ローン引力により結合し励起子を形成する。この励起子
が量子井戸内で形成されると障壁層の高いポテンシャル
のために強い束縛状態を生じ、励起子は室温でも安定に
存在するようになる。この室温励起子はこれまで次のよ
うに利用されてきた。第６図（ａ）はこの励起子に伴う
量子井戸層に平行な電界成分をもつTE偏光光に対する吸
収係数スペクトラムである。この吸収係数スペクトラム
は外部電界により低エネルギ側にシフトする（量子閉じ
込めシュタルク効果という）。たとえば入射光の波長を
図中のλ１とすると、電界印加後の光吸収ピーク波長が
λ１に一致するようにデバイス構造パラメータを設定す
れば、電界により光強度を制御しうる光強度変調器を構
成することができる。第６図（ｂ）にデバイス構造を同
図（ｃ）にその変調特性を示す。すなわちこの場合、電
界を印加した時の光吸収ピーク波長を、量子井戸層幅を
調節して動作波長λ１に設定することにより大きなon/o
ff比（第６図（ｃ））を得ることができる。第６図
（ａ）に示すように一般に励起子吸収スペクトラムは２
つのピークより成っている。低エネルギ側のピークは重
い正孔と電子により構成される励起子（Heavy−Hole:HH
と略記）に対し、一方高エネルギ側の励起子は軽い正孔
と電子により構成される励起子（Light−Hole:LHと略
記）に対する。従来の技術ではこのうちHHに起因する光
吸収端の電界変化を利用してきた。このHH吸収の利用
は、半導体レーザからの出射光がTE偏光光であることを
想定している。
ローン引力により結合し励起子を形成する。この励起子
が量子井戸内で形成されると障壁層の高いポテンシャル
のために強い束縛状態を生じ、励起子は室温でも安定に
存在するようになる。この室温励起子はこれまで次のよ
うに利用されてきた。第６図（ａ）はこの励起子に伴う
量子井戸層に平行な電界成分をもつTE偏光光に対する吸
収係数スペクトラムである。この吸収係数スペクトラム
は外部電界により低エネルギ側にシフトする（量子閉じ
込めシュタルク効果という）。たとえば入射光の波長を
図中のλ１とすると、電界印加後の光吸収ピーク波長が
λ１に一致するようにデバイス構造パラメータを設定す
れば、電界により光強度を制御しうる光強度変調器を構
成することができる。第６図（ｂ）にデバイス構造を同
図（ｃ）にその変調特性を示す。すなわちこの場合、電
界を印加した時の光吸収ピーク波長を、量子井戸層幅を
調節して動作波長λ１に設定することにより大きなon/o
ff比（第６図（ｃ））を得ることができる。第６図
（ａ）に示すように一般に励起子吸収スペクトラムは２
つのピークより成っている。低エネルギ側のピークは重
い正孔と電子により構成される励起子（Heavy−Hole:HH
と略記）に対し、一方高エネルギ側の励起子は軽い正孔
と電子により構成される励起子（Light−Hole:LHと略
記）に対する。従来の技術ではこのうちHHに起因する光
吸収端の電界変化を利用してきた。このHH吸収の利用
は、半導体レーザからの出射光がTE偏光光であることを
想定している。
上述した、従来のTE偏光光入射にもとづく重い正孔に
よる励起子吸収を用いた駆動方法では光変調器、光スイ
ッチ等の励起子利用光デバイスの高変調度、低電圧動作
等の高性能化が十分に達成できないという問題点があっ
た。実際、TE偏光光入射にこだわる必要はなく、もうひ
とつの量子井戸層に垂直な電界成分をもつTM偏光光の入
射にもとずく駆動方法により光デバイスの高性能化が実
現できれば後者の利用価値の方が高くなる。しかしこれ
まで、TM偏光光を用いた励起子利用光デバイスの高性能
化の提案はなかった。
よる励起子吸収を用いた駆動方法では光変調器、光スイ
ッチ等の励起子利用光デバイスの高変調度、低電圧動作
等の高性能化が十分に達成できないという問題点があっ
た。実際、TE偏光光入射にこだわる必要はなく、もうひ
とつの量子井戸層に垂直な電界成分をもつTM偏光光の入
射にもとずく駆動方法により光デバイスの高性能化が実
現できれば後者の利用価値の方が高くなる。しかしこれ
まで、TM偏光光を用いた励起子利用光デバイスの高性能
化の提案はなかった。
本発明は、従来の問題を解決するため半導体量子井戸
構造において、TM偏光光を入射した場合の軽い正孔によ
る励起子共鳴吸収端の電界シフト効果を利用した駆動方
法を用いることで当該構造を有する半導体デバイスの高
性能化を図ることを目的とする。
構造において、TM偏光光を入射した場合の軽い正孔によ
る励起子共鳴吸収端の電界シフト効果を利用した駆動方
法を用いることで当該構造を有する半導体デバイスの高
性能化を図ることを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明では、半導体量子
井戸層と、前記半導体量子井戸層に電界を印加させるべ
く設置された二つの電極を有する半導体光デバイスの駆
動方法において、前記半導体量子井戸層の幅を調節する
ことで、前記半導体量子井戸層中の軽い正孔に基づく励
起子による光吸収端を与えられた動作波長の近傍に設定
した前記半導体光デバイスに、電界成分が前記半導体量
子井戸層に垂直で波長が前記動作波長に一致する光を入
射し、前記二つの電極間への電圧印加に伴う前記半導体
量子井戸層の吸収係数変化もしくは屈折率変化により前
記光の制御を行うことを特徴とするものである。
井戸層と、前記半導体量子井戸層に電界を印加させるべ
く設置された二つの電極を有する半導体光デバイスの駆
動方法において、前記半導体量子井戸層の幅を調節する
ことで、前記半導体量子井戸層中の軽い正孔に基づく励
起子による光吸収端を与えられた動作波長の近傍に設定
した前記半導体光デバイスに、電界成分が前記半導体量
子井戸層に垂直で波長が前記動作波長に一致する光を入
射し、前記二つの電極間への電圧印加に伴う前記半導体
量子井戸層の吸収係数変化もしくは屈折率変化により前
記光の制御を行うことを特徴とするものである。
量子井戸における励起子共鳴吸収の吸収端近傍では、
２つの吸収ピーク（HHおよびLH）が光変調器、光スイッ
チ等への応用を考えると、重要である。光遷移過程の理
論検討から、これらの励起子による光吸収係数は遷移の
行列要素を通して照射光の偏光方向に強く依存する。第
１図（ａ）は遷移の行列要素の二乗M2の偏光方向依存性
を示す。角度θは偏光方向が量子井戸に垂直な方向とな
す角度である。M2はθ＝90゜のHHの値を１として表して
いる。TEモード光（θ＝90゜）ではLHのM2はHHのそれの
1/3倍となっている。これに対してTMモード光（θ＝０
゜）ではLHのM2は4/3倍に増加し、しかもHHのM2は０と
なる。ところで、吸収係数ピークαｐは次式で与えられ
る。
２つの吸収ピーク（HHおよびLH）が光変調器、光スイッ
チ等への応用を考えると、重要である。光遷移過程の理
論検討から、これらの励起子による光吸収係数は遷移の
行列要素を通して照射光の偏光方向に強く依存する。第
１図（ａ）は遷移の行列要素の二乗M2の偏光方向依存性
を示す。角度θは偏光方向が量子井戸に垂直な方向とな
す角度である。M2はθ＝90゜のHHの値を１として表して
いる。TEモード光（θ＝90゜）ではLHのM2はHHのそれの
1/3倍となっている。これに対してTMモード光（θ＝０
゜）ではLHのM2は4/3倍に増加し、しかもHHのM2は０と
なる。ところで、吸収係数ピークαｐは次式で与えられ
る。
αｐ＝AM2/a2/Γ （１） ここにＡは材料に固有の定数、ａは励起子半径（電子
・正孔間の平均距離）、Γは吸収のエネルギ線幅であ
る。第１図（ａ）のようなθ依存性のためにTE偏光に対
する吸収係数スペクトラムは第１図（ｂ）のようにな
る。即ちTE偏光に対して観測されていたHHはTM偏光では
消滅し、代りにLHはHHよりも大きな吸収係数のピーク値
を示す。よって、このTM偏光と増強されたLH吸収を組合
せることによって、光デバイスの性能向上を実現できる
ようになる。この組合せ（TM光とLH吸収）を用いる利点
は、上記M2の増強の他にも幾つかある。以下これについ
て説明する。
・正孔間の平均距離）、Γは吸収のエネルギ線幅であ
る。第１図（ａ）のようなθ依存性のためにTE偏光に対
する吸収係数スペクトラムは第１図（ｂ）のようにな
る。即ちTE偏光に対して観測されていたHHはTM偏光では
消滅し、代りにLHはHHよりも大きな吸収係数のピーク値
を示す。よって、このTM偏光と増強されたLH吸収を組合
せることによって、光デバイスの性能向上を実現できる
ようになる。この組合せ（TM光とLH吸収）を用いる利点
は、上記M2の増強の他にも幾つかある。以下これについ
て説明する。
第１図（ｂ）より明らかなようにLH吸収端はHH吸収端
よりも高エネルギ側にある。従ってある動作波長、例え
ば光ファイバ通信波長1.55μｍが与えられた時、TM光/L
H吸収端を用いる場合（以後これをTM動作と呼ぶ）にはT
E光/HH吸収端を用いる場合（TE動作）と異なった量子井
戸構造をデバイスにもたせなければならない。これは量
子井戸層の幅ＬをLTM＞LTEとして、量子準位を下げるこ
とによって実現する。デバイスをTM動作させるためにこ
のように井戸層幅を増加することは、次のような優れた
効果をもたらす（（ｉ）および（ii））。TM動作をTE動
作と比較した場合のその他の利点（上記したM2増強（i
v）を含む）も併せて以下に記す。
よりも高エネルギ側にある。従ってある動作波長、例え
ば光ファイバ通信波長1.55μｍが与えられた時、TM光/L
H吸収端を用いる場合（以後これをTM動作と呼ぶ）にはT
E光/HH吸収端を用いる場合（TE動作）と異なった量子井
戸構造をデバイスにもたせなければならない。これは量
子井戸層の幅ＬをLTM＞LTEとして、量子準位を下げるこ
とによって実現する。デバイスをTM動作させるためにこ
のように井戸層幅を増加することは、次のような優れた
効果をもたらす（（ｉ）および（ii））。TM動作をTE動
作と比較した場合のその他の利点（上記したM2増強（i
v）を含む）も併せて以下に記す。
（ｉ）井戸層幅が大きいほど吸収のエネルギ線幅Γは小
さくなるため吸収端はシャープになり同時に式（１）に
よって吸収ピークαｐは増加する。Γの減少およびαｐ
の増加は大きなon/off比をもたらす。
さくなるため吸収端はシャープになり同時に式（１）に
よって吸収ピークαｐは増加する。Γの減少およびαｐ
の増加は大きなon/off比をもたらす。
（ii）井戸層幅が大きいほど電界印加に伴うピークの位
置のシフトほ大きくなり低電界動作が可能になる。
置のシフトほ大きくなり低電界動作が可能になる。
（iii）励起子半径ａはLHとHHとではaLH＜aHHであるた
め式（１）によってLHを利用する方がαｐは大きくな
る。
め式（１）によってLHを利用する方がαｐは大きくな
る。
（iv）TM動作時のM2の増強によるαｐの増加。
以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。
る。
第２図（ａ）により、第１の実施例であるInGaAs/InA
lAs量子井戸構造を用いた光強度変調器に対する駆動方
法を説明する。第２図（ａ）に示す光強度変調器は以下
のようにして製作される。まず、分子線エピタキシャル
法によりｎ型InP基板１上にn+型InGaAs層２を成長す
る。この上にすでに述べた井戸層幅101Å，障壁層幅100
Åを有するアンドープInGaAs/InAlAs量子井戸層３を成
長し次にp+型InGaAs層４を成長した後、図のように加工
し電極金属５および６を取り付ける。このように製作さ
れた素子の電極５−６間に逆バイアスを印加すると量子
井戸層３に電界が印加され、第２図（ｂ）に示すように
この領域の吸収係数が変化する。ここで、TE動作に関し
ては、電界Ｆ＝160kv・cm-1が印加された時HH吸収ピー
ク位置が動作波長λ１＝1.55μｍと一致するように井戸
層幅Ｌ＝76Åを決めた。図には破線でＦ＝０および160k
v・cm-1に対する吸収係数スペクトラム（Ｆ）が記して
ある。
lAs量子井戸構造を用いた光強度変調器に対する駆動方
法を説明する。第２図（ａ）に示す光強度変調器は以下
のようにして製作される。まず、分子線エピタキシャル
法によりｎ型InP基板１上にn+型InGaAs層２を成長す
る。この上にすでに述べた井戸層幅101Å，障壁層幅100
Åを有するアンドープInGaAs/InAlAs量子井戸層３を成
長し次にp+型InGaAs層４を成長した後、図のように加工
し電極金属５および６を取り付ける。このように製作さ
れた素子の電極５−６間に逆バイアスを印加すると量子
井戸層３に電界が印加され、第２図（ｂ）に示すように
この領域の吸収係数が変化する。ここで、TE動作に関し
ては、電界Ｆ＝160kv・cm-1が印加された時HH吸収ピー
ク位置が動作波長λ１＝1.55μｍと一致するように井戸
層幅Ｌ＝76Åを決めた。図には破線でＦ＝０および160k
v・cm-1に対する吸収係数スペクトラム（Ｆ）が記して
ある。
TM動作に関しては、電界Ｆ＝120kv・cm-1が印加され
た時LH吸収ピーク位置が動作波長λ１＝1.55μｍと一致
するように井戸層幅Ｌ＝101Åを決めた。第２図（ｂ）
には実線でＦ＝０および120kv・cm-1に対する吸収係数
スペクトラムα（Ｆ）が記してある。動作波長λ１にお
いてαTM（Ｆ）とαTE（Ｆ）を比較するとαTM（120）
＝1.37×104cm-1＞αTE（160）＝0.67×104cm-1であ
り、また、αTM（０）＝20cm-1＜αTE（０）＝35cm-1と
TM動作の方が有利な結果となる。しかもTM動作の方が低
電界（120kv・cm-1）でこれを実現している。
た時LH吸収ピーク位置が動作波長λ１＝1.55μｍと一致
するように井戸層幅Ｌ＝101Åを決めた。第２図（ｂ）
には実線でＦ＝０および120kv・cm-1に対する吸収係数
スペクトラムα（Ｆ）が記してある。動作波長λ１にお
いてαTM（Ｆ）とαTE（Ｆ）を比較するとαTM（120）
＝1.37×104cm-1＞αTE（160）＝0.67×104cm-1であ
り、また、αTM（０）＝20cm-1＜αTE（０）＝35cm-1と
TM動作の方が有利な結果となる。しかもTM動作の方が低
電界（120kv・cm-1）でこれを実現している。
ただし、TM動作の方が大きな井戸幅Ｌ（101Å）を用
いているので動作電圧で比較した場合には、優劣はこれ
だけからは分らない。そこで、つぎのような性能指数を
導入する。
いているので動作電圧で比較した場合には、優劣はこれ
だけからは分らない。そこで、つぎのような性能指数を
導入する。
ζ＝（α（Ｆ）−α（０）／α（０）／（Ｆ（Ｌ＋
Ｗ）） （２） ここにＷは障壁層幅である。式（２）中αに関係した
項は電界印加に伴う吸収係数の変化の効率を表しこれが
大きいほど高性能といえる。Ｆ（Ｌ＋Ｗ）は１周期に印
加される電圧に対応しておりこれは小さいことが望まし
い。Ｗ＝100Åとしてζを見積もってみるとζTM/ζTE＝
4.2となり性能指数にして約４倍の性能向上があること
が分かる。
Ｗ）） （２） ここにＷは障壁層幅である。式（２）中αに関係した
項は電界印加に伴う吸収係数の変化の効率を表しこれが
大きいほど高性能といえる。Ｆ（Ｌ＋Ｗ）は１周期に印
加される電圧に対応しておりこれは小さいことが望まし
い。Ｗ＝100Åとしてζを見積もってみるとζTM/ζTE＝
4.2となり性能指数にして約４倍の性能向上があること
が分かる。
波長1.55μｍのTM入射光７の強度を一定とした時の入
射光８の強度の時間変化を第２図（ｃ）に示す。印加す
る電界に応じて出射光強度が変調をうけているのが分
る。従来のTE動作型（井戸層幅76Å）と比較するとTM動
作型では変調の効率η＝（I1−I0）/I1が約２倍となる
ことが分る。
射光８の強度の時間変化を第２図（ｃ）に示す。印加す
る電界に応じて出射光強度が変調をうけているのが分
る。従来のTE動作型（井戸層幅76Å）と比較するとTM動
作型では変調の効率η＝（I1−I0）/I1が約２倍となる
ことが分る。
第３図（ａ）は、第２図の実施例である光位相変調器
の駆動方法を説明する図である。同図に示す位相変調器
の製作方法は第１の実施例で用いた光強度変調器と同様
であるが、井戸層幅はTE動作およびTM動作に対しそれぞ
れ、64Åおよび83Åである。このように製作された素子
は以下のようにして動作する。波長1.55μｍのTM入射光
７は量子井戸領域を通過する際電界印加に伴う屈折率の
変化をうけてその位相を変化する。このとき、屈折率変
化が大きいことが望ましいが、光は電界印加前後の媒質
中を伝搬するので、電界印加前後での吸収係数が非常に
小さいことが要求される。電界＝０では吸収係数が小さ
いことは明らかなので、電界印加後の吸収係数の値が問
題となる。
の駆動方法を説明する図である。同図に示す位相変調器
の製作方法は第１の実施例で用いた光強度変調器と同様
であるが、井戸層幅はTE動作およびTM動作に対しそれぞ
れ、64Åおよび83Åである。このように製作された素子
は以下のようにして動作する。波長1.55μｍのTM入射光
７は量子井戸領域を通過する際電界印加に伴う屈折率の
変化をうけてその位相を変化する。このとき、屈折率変
化が大きいことが望ましいが、光は電界印加前後の媒質
中を伝搬するので、電界印加前後での吸収係数が非常に
小さいことが要求される。電界＝０では吸収係数が小さ
いことは明らかなので、電界印加後の吸収係数の値が問
題となる。
そこで、電界160kV・cm-1を印加した場合の動作波長
λ１＝1.55μｍでの吸収係数が100cm-1（比較的小さな
値）となるよう上記の井戸層幅（TEおよびTM動作に対し
てそれぞれ64Åおよび83Å）を決めた。第３図（ｂ）は
このような井戸層幅の量子井戸構造における電界印加に
よる屈折率変化スペクトラムΔｎ（Ｆ）を記している。
屈折率は吸収係数をクラマース・クローニッヒ変換する
ことによって得られるので、第２図（ｂ）と同様に屈折
率の増強効果がある。図より明らかなようにλ１におい
て｜ΔnTE（160）｜＝1.72×10-2＞｜ΔnTM（160）｜＝
0.737×10-2とTM動作の方が有利な結果となる。
λ１＝1.55μｍでの吸収係数が100cm-1（比較的小さな
値）となるよう上記の井戸層幅（TEおよびTM動作に対し
てそれぞれ64Åおよび83Å）を決めた。第３図（ｂ）は
このような井戸層幅の量子井戸構造における電界印加に
よる屈折率変化スペクトラムΔｎ（Ｆ）を記している。
屈折率は吸収係数をクラマース・クローニッヒ変換する
ことによって得られるので、第２図（ｂ）と同様に屈折
率の増強効果がある。図より明らかなようにλ１におい
て｜ΔnTE（160）｜＝1.72×10-2＞｜ΔnTM（160）｜＝
0.737×10-2とTM動作の方が有利な結果となる。
ただし、TM動作の方が大きな井戸幅Ｌ（83Å）を用い
ているので動作電圧における優劣はこれだけからは分ら
ない。そこでつぎのような性能指数を導入する。
ているので動作電圧における優劣はこれだけからは分ら
ない。そこでつぎのような性能指数を導入する。
η＝｜Δｎ（Ｆ）|/α（Ｆ）／（Ｆ（Ｌ＋Ｗ））
（３） ここにＷは障壁層幅である。式（３）中｜Δｎ（Ｆ）
｜が大きいほど高性能といえる。α（Ｆ）は電界印加後
の吸収係数、またＦ（Ｌ＋Ｗ）は１周期に印加される電
圧に対応しており、これらは小さいことが望ましい。Ｗ
＝100Åとしてηを見積もってみるとηTM/ηTE＝2.3と
なり性能指数にして約２倍の性能向上があることが分
る。
（３） ここにＷは障壁層幅である。式（３）中｜Δｎ（Ｆ）
｜が大きいほど高性能といえる。α（Ｆ）は電界印加後
の吸収係数、またＦ（Ｌ＋Ｗ）は１周期に印加される電
圧に対応しており、これらは小さいことが望ましい。Ｗ
＝100Åとしてηを見積もってみるとηTM/ηTE＝2.3と
なり性能指数にして約２倍の性能向上があることが分
る。
第３図（ｃ）は電界印加に伴う出射光の位相の変化を
示している。TM動作では第３図（ｂ）の結果を反映して
同一駆動電圧に対して約２倍の位相変化が観測されてい
る。
示している。TM動作では第３図（ｂ）の結果を反映して
同一駆動電圧に対して約２倍の位相変化が観測されてい
る。
第４図（ａ）は、第３図の実施例である交差導波路型
光スイッチの駆動方法を説明する図である。同図に示す
光スイッチは以下のような手順で製作される。まず分子
線エピタキシャル法によりｎ型InP型基板11上全面に能
動領域の構成要素である井戸層幅113Å、障壁層幅100Å
のアンドープInGaAs/InAlAs多重量子井戸層12aおよびｐ
型InP層12bを結晶成長させた後、この短形の能動領域12
のみを残してメサエッチする。さらにその上全面に受動
領域14の構成要素である他の半導体材料（ｎ型InP層）
を結晶成長し、次にこの成長層を受動領域14を残すよう
に交差型にメサエッチした後電極付して素子を完成す
る。
光スイッチの駆動方法を説明する図である。同図に示す
光スイッチは以下のような手順で製作される。まず分子
線エピタキシャル法によりｎ型InP型基板11上全面に能
動領域の構成要素である井戸層幅113Å、障壁層幅100Å
のアンドープInGaAs/InAlAs多重量子井戸層12aおよびｐ
型InP層12bを結晶成長させた後、この短形の能動領域12
のみを残してメサエッチする。さらにその上全面に受動
領域14の構成要素である他の半導体材料（ｎ型InP層）
を結晶成長し、次にこの成長層を受動領域14を残すよう
に交差型にメサエッチした後電極付して素子を完成す
る。
このように製作された素子は以下のようにして動作す
る。光入射ポートP1から入射したTM入射光７は受動領域
14−３中を導波し能動領域12aに達する。能動領域12aに
電圧が印加されていない時光はかな領域を素通りし受動
領域14−２中を導波されて光出射ポートP2に達する。能
動領域12に設けられた電極金属13,13に電圧を印加する
と、この領域の屈折率が変化し、光は能動領域12と受動
領域14の交差部との界面で全反射を起こし、今度は受動
領域14−１中を導波し、光出射ポートP3に達する。ただ
し、電圧印加後の屈折率値に対して全反射が起きるよう
に受領領域14の交差角が決められている。即ち、光入射
ポートP1から入射した波長1.55μｍの光は電界の印加に
応じて光出射ポートP2および光出射ポートP3に振り分け
られ光スイッチを構成する。
る。光入射ポートP1から入射したTM入射光７は受動領域
14−３中を導波し能動領域12aに達する。能動領域12aに
電圧が印加されていない時光はかな領域を素通りし受動
領域14−２中を導波されて光出射ポートP2に達する。能
動領域12に設けられた電極金属13,13に電圧を印加する
と、この領域の屈折率が変化し、光は能動領域12と受動
領域14の交差部との界面で全反射を起こし、今度は受動
領域14−１中を導波し、光出射ポートP3に達する。ただ
し、電圧印加後の屈折率値に対して全反射が起きるよう
に受領領域14の交差角が決められている。即ち、光入射
ポートP1から入射した波長1.55μｍの光は電界の印加に
応じて光出射ポートP2および光出射ポートP3に振り分け
られ光スイッチを構成する。
上記の電界印加による能動領域12の屈折率変化につい
て第５図を用いて説明する。TE動作に関しては、電界Ｆ
＝160kV・cm-1が印加された時、HHによる屈折率変化ピ
ーク位置が動作波長λ１＝1.55μｍと一致するように井
戸層幅Ｌ＝88Åを決めた。図には破線でＦ＝160kV・cm
-1に対する屈折率変化スペクトラムΔｎ（Ｆ）が記して
ある。
て第５図を用いて説明する。TE動作に関しては、電界Ｆ
＝160kV・cm-1が印加された時、HHによる屈折率変化ピ
ーク位置が動作波長λ１＝1.55μｍと一致するように井
戸層幅Ｌ＝88Åを決めた。図には破線でＦ＝160kV・cm
-1に対する屈折率変化スペクトラムΔｎ（Ｆ）が記して
ある。
TM動作に関しては、電界Ｆ＝80kV・cm-1が印加された
時、LHによる屈折率変化ピーク位置が動作波長λ１＝1.
55μｍと一致するように井戸層幅Ｌ＝113Åを決めた。
図には実線でＦ＝80kV・cm-1に対する屈折率変化スペク
トラムΔｎ（Ｆ）が記してある。動作波長λ１において
ΔnTM（Ｆ）とΔnTE（Ｆ）を比較すると｜ΔnTM（80）
｜＝0.343＞｜ΔnTM（160）｜＝0.196とTM動作の方が有
利な結果となる。しかもTM動作の方が低電界（80kV・cm
-1）でこれを実現している。
時、LHによる屈折率変化ピーク位置が動作波長λ１＝1.
55μｍと一致するように井戸層幅Ｌ＝113Åを決めた。
図には実線でＦ＝80kV・cm-1に対する屈折率変化スペク
トラムΔｎ（Ｆ）が記してある。動作波長λ１において
ΔnTM（Ｆ）とΔnTE（Ｆ）を比較すると｜ΔnTM（80）
｜＝0.343＞｜ΔnTM（160）｜＝0.196とTM動作の方が有
利な結果となる。しかもTM動作の方が低電界（80kV・cm
-1）でこれを実現している。
ただし、TM動作の方が大きな井戸幅Ｌ（113Å）を用
いているので動作電圧で比較した場合には、優劣はこれ
だけからは分からない。そこで、つぎのような性能指数
を導入する。
いているので動作電圧で比較した場合には、優劣はこれ
だけからは分からない。そこで、つぎのような性能指数
を導入する。
ζ＝｜Δｎ（Ｆ）|/（Ｆ（Ｌ＋Ｗ）） （４） ここに、Ｗは障壁層幅である。式（４）中｜Δｎ
（Ｆ）｜が大きいほど高性能といえる。Ｆ（Ｌ＋Ｗ）
は、１周期に印加される電圧に対応しており、これは小
さいことが望ましい。Ｗ＝100Åとしてζを見積もって
みるとζTM/ζTE＝3.1となり性能指数にして約３倍の性
能向上があることが分る。
（Ｆ）｜が大きいほど高性能といえる。Ｆ（Ｌ＋Ｗ）
は、１周期に印加される電圧に対応しており、これは小
さいことが望ましい。Ｗ＝100Åとしてζを見積もって
みるとζTM/ζTE＝3.1となり性能指数にして約３倍の性
能向上があることが分る。
第４図（ｂ）は光出射ポートP3において観測した出射
光強度の電界による変化を表している。TM動作を従来の
TE動作と比較してみると大きな屈折率変化を反映して大
きな出射光強度変化が観測される。また屈折率変化が大
きいため２つの導波路の交差角は従来より大きくとるこ
とが可能であり、素子製作上の便宜が増加するという利
点である。
光強度の電界による変化を表している。TM動作を従来の
TE動作と比較してみると大きな屈折率変化を反映して大
きな出射光強度変化が観測される。また屈折率変化が大
きいため２つの導波路の交差角は従来より大きくとるこ
とが可能であり、素子製作上の便宜が増加するという利
点である。
以上３つの実施例をInGaAs/InAlAs量子井戸を例にと
って説明したが、本発明は他の半導体材料系に対しても
同様に適用することができる。
って説明したが、本発明は他の半導体材料系に対しても
同様に適用することができる。
以上説明したように、本発明は半導体量子井戸におい
て、従来から実施されていた重い正孔による励起子共鳴
吸収端のTE偏光に対する電界効果ではなく、軽い正孔に
よる励起子共鳴吸収端のTM偏光に対する電界効果を利用
する半導体光デバイスの駆動方法であるから、軽い正孔
の励起子に特有の優れた効果によって吸収係数および屈
折率の大きな電界シフトを得ることが可能であり、よっ
て本方法による励起子を利用した光変調器および光スイ
ッチ等の光デバイスにおいて大きな変調効率を得ること
ができるという利点がある。
て、従来から実施されていた重い正孔による励起子共鳴
吸収端のTE偏光に対する電界効果ではなく、軽い正孔に
よる励起子共鳴吸収端のTM偏光に対する電界効果を利用
する半導体光デバイスの駆動方法であるから、軽い正孔
の励起子に特有の優れた効果によって吸収係数および屈
折率の大きな電界シフトを得ることが可能であり、よっ
て本方法による励起子を利用した光変調器および光スイ
ッチ等の光デバイスにおいて大きな変調効率を得ること
ができるという利点がある。
第１図（ａ）（ｂ）は本発明の原理を説明するための図
であり、第１図（ａ）は光遷移の行列要素の二乗（M2）
の偏光方向依存性を示す図、第１図（ｂ）はTE偏光およ
びTM偏光に対する吸収係数スペクトラムを示す図、 第２図（ａ）（ｂ）（ｃ）は第１の実施例を説明する図
であり、第２図（ａ）は光強度変調器の構造とその駆動
方法を示す図、第２図（ｂ）はTE動作およびTM動作に対
応する２つの量子井戸（井戸層幅はそれぞれ76Åおよび
101Åに対する吸収係数スペクトラムとその電界による
変化の様子を示す図、第２図（ｃ）は変調特性を示す
図、 第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）は第２の実施例を説明する図
であり、第３図（ａ）は光位相変調器の構造とその駆動
方法を示す図、第３図（ｂ）はTE動作およびTM動作に対
応する２つの量子井戸（井戸層幅はそれぞれ64Åおよび
83Å）に対する屈折率の電界による変化を示す図、第３
図（ｃ）は変調特性を示す図、 第４図（ａ）（ｂ），第５図は第３の実施例を説明する
図であり、第４図（ａ）は光スイッチの構造とその駆動
方法を示す図、第４図（ｂ）はスイッチ特性を示す図、
第５図はTE動作およびTM動作に対応する２つの量子井戸
（井戸層幅はそれぞれ88Åおよび113Å）に対する屈折
率の電界による変化を示す図、 第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）は従来の技術である重い正孔
の励起子による吸収端とTE偏光光を用いた光強度変調器
の駆動方法を説明する図であり、第６図（ａ）はTE偏光
光に対する吸収係数スペクトラムとその電界による変化
を示す図、第６図（ｂ）は光強度変調器の構造とその駆
動方法を示す図、および第６図（ｃ）は電界による透過
光の制御を示す図である。 １……ｎ−InP基板 ２……n+−InGaAs ３……アンドープInGaAs/InAlAs量子井戸層 ４……p+−InGaAs ５……電極金属 ６……電極金属 ７……TM入射光 ８……出射光 ９……TE入射光 10……出射光 P1……光入射ポート P2……光出射ポート P3……光出射ポート P4……光ポート 11……ｎ−InP基板 12……能動領域 13……電極金属 14……受動領域
であり、第１図（ａ）は光遷移の行列要素の二乗（M2）
の偏光方向依存性を示す図、第１図（ｂ）はTE偏光およ
びTM偏光に対する吸収係数スペクトラムを示す図、 第２図（ａ）（ｂ）（ｃ）は第１の実施例を説明する図
であり、第２図（ａ）は光強度変調器の構造とその駆動
方法を示す図、第２図（ｂ）はTE動作およびTM動作に対
応する２つの量子井戸（井戸層幅はそれぞれ76Åおよび
101Åに対する吸収係数スペクトラムとその電界による
変化の様子を示す図、第２図（ｃ）は変調特性を示す
図、 第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）は第２の実施例を説明する図
であり、第３図（ａ）は光位相変調器の構造とその駆動
方法を示す図、第３図（ｂ）はTE動作およびTM動作に対
応する２つの量子井戸（井戸層幅はそれぞれ64Åおよび
83Å）に対する屈折率の電界による変化を示す図、第３
図（ｃ）は変調特性を示す図、 第４図（ａ）（ｂ），第５図は第３の実施例を説明する
図であり、第４図（ａ）は光スイッチの構造とその駆動
方法を示す図、第４図（ｂ）はスイッチ特性を示す図、
第５図はTE動作およびTM動作に対応する２つの量子井戸
（井戸層幅はそれぞれ88Åおよび113Å）に対する屈折
率の電界による変化を示す図、 第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）は従来の技術である重い正孔
の励起子による吸収端とTE偏光光を用いた光強度変調器
の駆動方法を説明する図であり、第６図（ａ）はTE偏光
光に対する吸収係数スペクトラムとその電界による変化
を示す図、第６図（ｂ）は光強度変調器の構造とその駆
動方法を示す図、および第６図（ｃ）は電界による透過
光の制御を示す図である。 １……ｎ−InP基板 ２……n+−InGaAs ３……アンドープInGaAs/InAlAs量子井戸層 ４……p+−InGaAs ５……電極金属 ６……電極金属 ７……TM入射光 ８……出射光 ９……TE入射光 10……出射光 P1……光入射ポート P2……光出射ポート P3……光出射ポート P4……光ポート 11……ｎ−InP基板 12……能動領域 13……電極金属 14……受動領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/015 - 1/025 G02F 1/313 ＪＯＩＳ（ＪＩＣＳＴファイル) ＷＰＩ／Ｌ
Claims (1)
- 【請求項１】半導体量子井戸層と、前記半導体量子井戸
層に電界を印加させるべく設置された二つの電極を有す
る半導体光デバイスの駆動方法において、 前記半導体量子井戸層の幅を調節することで、前記半導
体量子井戸層中の軽い正孔に基づく励起子による光吸収
端を与えられた動作波長の近傍に設定した前記半導体光
デバイスに、 電界成分が前記半導体量子井戸層に垂直で波長が前記動
作波長に一致する光を入射し、 前記二つの電極間への電圧印加に伴う前記半導体量子井
戸層の吸収係数変化もしくは屈折率変化により前記光の
制御を行うことを特徴とする半導体光デバイスの駆動方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2104581A JP2908511B2 (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 半導体光デバイスの駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2104581A JP2908511B2 (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 半導体光デバイスの駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH043012A JPH043012A (ja) | 1992-01-08 |
| JP2908511B2 true JP2908511B2 (ja) | 1999-06-21 |
Family
ID=14384403
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2104581A Expired - Fee Related JP2908511B2 (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 半導体光デバイスの駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2908511B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9528178B2 (en) | 2012-07-24 | 2016-12-27 | Ykk Corporation | Fastener element for slide fasteners |
-
1990
- 1990-04-20 JP JP2104581A patent/JP2908511B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH043012A (ja) | 1992-01-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |