JP2991707B1 - Semiconductor optical switch - Google Patents

Semiconductor optical switch

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JP2991707B1
JP2991707B1 JP26002298A JP26002298A JP2991707B1 JP 2991707 B1 JP2991707 B1 JP 2991707B1 JP 26002298 A JP26002298 A JP 26002298A JP 26002298 A JP26002298 A JP 26002298A JP 2991707 B1 JP2991707 B1 JP 2991707B1
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Abstract

【要約】 【課題】 光信号の制御,分配を行う全光学的な半導体
光スイッチにおいて、テラビット/秒以上の光通信シス
テムに対応する。 【解決手段】 井戸幅の等しい2つのInGaAs量子
井戸層21a,21b間に該井戸層21a,21bより
も井戸幅の狭いInGaAs量子井戸層22を配置し、
且つ量子井戸層21a,22間及び21b,22間にこ
れらよりも幅の狭いAlAs量子障壁層23を配置して
なる結合3重量子井戸構造20を、GaAs基板11上
に複数設けてなる半導体光スイッチであって、結合3重
量子井戸構造20の一つのサブバンド間遷移のエネルギ
ーに共鳴する光を照射し、同じサブバンド間遷移或いは
他のサブバンド間遷移のエネルギーにおける光の吸収係
数を変化させる。
An all-optical semiconductor optical switch for controlling and distributing an optical signal corresponds to an optical communication system of terabits / second or more. SOLUTION: An InGaAs quantum well layer 22 having a well width smaller than the well layers 21a and 21b is arranged between two InGaAs quantum well layers 21a and 21b having the same well width.
A semiconductor optical device comprising a GaAs substrate 11 provided with a plurality of coupled triple quantum well structures 20 each having an AlAs quantum barrier layer 23 narrower than the quantum well layers 21a and 22 and between the quantum well layers 21b and 22. A switch that irradiates light that resonates with the energy of one inter-subband transition of the coupled triple quantum well structure 20 and changes the light absorption coefficient at the same inter-subband transition or another inter-band transition energy. Let it.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光信号の制御や分
配等を行うための半導体光スイッチに係わり、特に半導
体量子井戸構造の伝導帯におけるサブバンド間遷移を利
用した半導体光スイッチに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor optical switch for controlling and distributing an optical signal, and more particularly to a semiconductor optical switch utilizing a transition between sub-bands in a conduction band of a semiconductor quantum well structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、デジタル光通信技術の研究開発が
益々盛んに行われている。これは、光信号伝送が電気信
号伝送より伝送速度や信号間の干渉等の点で優れている
からである。しかし、光信号を電気信号に変換する方法
では、応答速度の遅い光−電子変換或いは電気信号処理
デバイスによって処理速度が律速されるため、より高速
な信号処理が可能な全光学的光スイッチの実用化が望ま
れている。また、このための超高速応答かつ高光非線形
性を持つ光非線形材料の実現が待望されている。
2. Description of the Related Art In recent years, research and development of digital optical communication technology has been increasingly performed. This is because optical signal transmission is superior to electric signal transmission in terms of transmission speed, interference between signals, and the like. However, in the method of converting an optical signal into an electric signal, since the processing speed is limited by an optical-to-electronic conversion or an electric signal processing device having a low response speed, the practical use of an all-optical switch capable of performing higher-speed signal processing is practical. Is desired. Further, realization of an optical non-linear material having an ultra-high-speed response and high optical non-linearity for this purpose is expected.

【0003】光スイッチとしては従来より、電気光学結
晶におけるファラデー効果やカー効果等を利用したも
の、光ファイバーにおける非線形光学効果を利用したも
の、半導体における吸収係数や屈折率変化を利用したも
のが知られている。このうち、半導体(特に化合物半導
体)を用いたものは、小型化が容易であり、半導体レー
ザ,光変調器,受光素子等の他の半導体素子とのモノリ
シック集積化が可能であり、さらに超格子や量子井戸等
の量子構造の採用により光スイッチングの高効率化が可
能になるという利点がある。
Conventionally known optical switches include those using the Faraday effect and the Kerr effect in an electro-optic crystal, those using the nonlinear optical effect in an optical fiber, and those using the absorption coefficient and refractive index change in a semiconductor. ing. Among them, those using a semiconductor (especially a compound semiconductor) can be easily miniaturized, can be monolithically integrated with other semiconductor elements such as a semiconductor laser, an optical modulator, and a light receiving element. The adoption of a quantum structure such as a quantum well or the like has an advantage that the efficiency of optical switching can be increased.

【0004】従来の半導体光スイッチとして、バンド間
遷移による吸収を利用したものは、実励起キャリアのバ
ンド間再結合時間(数ナノ秒)によりスイッチ・オフ時
間が制限されることが問題となっていた。これに対し
て、半導体量子井戸構造の伝導帯におけるサブバンド間
遷移は緩和時間が数ピコ秒以下であり、バンド間遷移に
比べて千倍以上のスイッチ・オフの高速化が可能であ
る。
A conventional semiconductor optical switch utilizing absorption due to inter-band transition has a problem that the switch-off time is limited by the inter-band recombination time (several nanoseconds) of the actual excited carriers. Was. On the other hand, the transition time between the sub-bands in the conduction band of the semiconductor quantum well structure has a relaxation time of several picoseconds or less, and the switching-off speed can be more than 1000 times faster than the inter-band transition.

【0005】しかしながら、従来報告されているInG
aAs/AlAsの歪み量子井戸(GaAs基板上)又
は歪み量子障壁(InP基板上)を用いて、サブバンド
間遷移を光通信の波長帯である1.55μm以下の波長
で実現しようとすると、極めて深い量子井戸(1.5e
V以上)が要求される。これを可能とするバンド不連続
量を得るためには極めて大きな歪み量が必要であり、高
品質の量子井戸を形成することが困難であった。しか
も、量子井戸の幅を数原子層程度と狭くすることが要求
され、十分な光非線形性を持つ薄膜を形成することが困
難になるという問題があった。
[0005] However, InG reported in the past has been reported.
It is extremely difficult to realize intersubband transition at a wavelength of 1.55 μm or less, which is a wavelength band of optical communication, using a strained quantum well (on a GaAs substrate) or a strained quantum barrier (on an InP substrate) of aAs / AlAs. Deep quantum well (1.5e
V or more). In order to obtain the band discontinuity that enables this, an extremely large amount of strain is required, and it has been difficult to form a high quality quantum well. In addition, the width of the quantum well must be reduced to about several atomic layers, and there is a problem that it is difficult to form a thin film having sufficient optical nonlinearity.

【0006】ここで、図5のような2つの量子準位(サ
ブバンド:E1,E2)を持つ単一の量子井戸層を考え
る。この構造で、サブバンド間遷移波長を短波長化する
ためには、量子井戸幅を狭くする必要がある。このと
き、E1−E2間のサブバンド間遷移の井戸幅依存性
は、図6に示すようになる。即ち、井戸幅が狭くなるほ
どサブバンド間エネルギーは大きくなり、サブバンド間
遷移波長は短くなる。
Here, consider a single quantum well layer having two quantum levels (subbands: E1 and E2) as shown in FIG. In this structure, it is necessary to narrow the quantum well width in order to shorten the transition wavelength between subbands. At this time, the well width dependence of the inter-subband transition between E1 and E2 is as shown in FIG. That is, as the well width becomes smaller, the energy between sub-bands becomes larger, and the transition wavelength between sub-bands becomes shorter.

【0007】ところが、井戸幅の減少に伴って量子準位
E1,E2が共に増大するため、近赤外域でのサブバン
ド間遷移を実現するには、E2が障壁のエネルギー高さ
より低く、かつE1が障壁層のX点よりも十分低いこと
が要求される。このため、光通信の波長帯である1.5
μmにおけるサブバンド間遷移を実現するためには極め
て高い障壁高さを可能とするバンド不連続の大きな材料
系が要求され、その実現が困難である。
However, since the quantum levels E1 and E2 both increase with a decrease in the well width, in order to realize an intersubband transition in the near infrared region, E2 is lower than the energy height of the barrier and E1 Is required to be sufficiently lower than the point X of the barrier layer. Therefore, 1.5, which is the wavelength band of optical communication, is used.
In order to realize a transition between sub-bands in μm, a material system having a large band discontinuity that enables an extremely high barrier height is required, and it is difficult to realize such a system.

【0008】さらに、サブバンド間緩和は主として電子
−フォノン散乱に起因するため、サブバンド間エネルギ
ーの増大と共にサブバンド間緩和時間は長くなり、1.
55μmでは2〜3ピコ秒となるため、テラビット/秒
以上の大容量通信に対応することは困難であるという問
題があった。
Furthermore, since the inter-subband relaxation is mainly caused by electron-phonon scattering, the inter-subband relaxation time becomes longer with an increase in the inter-subband energy.
At 55 μm, it is 2 to 3 picoseconds, so there is a problem that it is difficult to cope with large-capacity communication of terabit / sec or more.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
サブバンド間遷移による半導体光スイッチでは、1.5
5μm程度の光通信の波長帯まで短波長化して、なおか
つ高速性・高非線形性を両立することは困難であるとい
う問題があった。
As described above, in the conventional semiconductor optical switch based on the intersubband transition, 1.5 times
There is a problem that it is difficult to shorten the wavelength to the wavelength band of optical communication of about 5 μm and to achieve both high speed and high nonlinearity.

【0010】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、量子井戸のサブバンド
間遷移を利用して高速で光変調或いは光スイッチを行う
ことができ、テラビット/秒以上の光通信システムに対
応し得る半導体光スイッチを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to perform high-speed optical modulation or optical switching by utilizing the inter-subband transition of a quantum well. It is an object of the present invention to provide a semiconductor optical switch that can cope with an optical communication system of more than 1 / sec.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】(構成)上記課題を解決
するために本発明は、次のような構成を採用している。
即ち本発明は、光信号の制御や分配を行うための半導体
光スイッチにおいて、幅の等しい2つの第1の量子井戸
層間に該井戸層とは幅の異なる第2の量子井戸層を配置
し、且つ第1及び第2の量子井戸層間にこれらの井戸層
よりも幅の狭い量子障壁層を配置してなる結合量子井戸
構造を、単結晶基板上に少なくとも1つ設けてなり、前
記結合量子井戸構造の伝導帯の1つのサブバンド間遷移
のエネルギーに共鳴する光を照射し、同じサブバンド間
遷移のエネルギーにおける光の吸収係数,屈折率,又は
光学利得を変化させるか、或いは他のサブバンド間遷移
のエネルギ−における光の吸収係数,屈折率,又は光学
利得を変化させることを特徴とする。
(Structure) In order to solve the above-mentioned problem, the present invention employs the following structure.
That is, the present invention provides a semiconductor optical switch for controlling and distributing an optical signal, wherein a second quantum well layer having a width different from the width of the first quantum well layer is provided between two first quantum well layers having the same width. And at least one coupled quantum well structure in which a quantum barrier layer narrower than the well layers is disposed between the first and second quantum well layers, on the single crystal substrate. Irradiating light that resonates with the energy of one inter-subband transition of the conduction band of the structure to change the absorption coefficient, refractive index, or optical gain of light at the same energy of the inter-subband transition; It is characterized in that the light absorption coefficient, the refractive index, or the optical gain at the energy of the transition is changed.

【0012】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 単結晶基板は、化合物半導体基板又はサファイア基
板であること。 (2) 結合量子井戸構造は2つ以上設けられ、隣接する結
合量子井戸構造間は該結合量子井戸構造よりも幅の広い
障壁層により隔てられていること。
Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) The single crystal substrate is a compound semiconductor substrate or a sapphire substrate. (2) Two or more coupled quantum well structures are provided, and adjacent coupled quantum well structures are separated by a barrier layer wider than the coupled quantum well structure.

【0013】(3) 第1及び第2の量子井戸層はInGa
Asからなり、量子障壁層はAlAs,AlGaAs,
AlAsSb,又はAlGaAsSbからなること。 (4) (3) において、伝導帯における全てのサブバンド間
のエネルギー差が、36meV以上であること。
(3) The first and second quantum well layers are made of InGa
As, and the quantum barrier layer is made of AlAs, AlGaAs,
It is made of AlAsSb or AlGaAsSb. (4) In (3), the energy difference between all the sub-bands in the conduction band is 36 meV or more.

【0014】(5) 第1及び第2の量子井戸層はGaN又
はInGaNからなり、量子障壁層はAlN又はAlG
aNからなること。 (6) (5) において、伝導帯における全てのサブバンド間
のエネルギー差が、88meV以上であること。
(5) The first and second quantum well layers are made of GaN or InGaN, and the quantum barrier layers are made of AlN or AlG.
aN. (6) In (5), the energy difference between all the sub-bands in the conduction band is 88 meV or more.

【0015】(7) 結合量子井戸構造に入射される制御光
は1つのサブバンド間遷移エネルギーに共鳴し、信号光
は同じサブバンド間遷移エネルギ−にほぼ等しいこと。 (8) 結合量子井戸構造に入射される制御光は1つのサブ
バンド間遷移エネルギ−に共鳴し、信号光は他のサブバ
ンド間遷移エネルギ−にほぼ等しいこと。 (9) 結合量子井戸構造を含む導波路を備えてなること。
(7) The control light incident on the coupled quantum well structure resonates at one inter-subband transition energy, and the signal light is substantially equal to the same inter-subband transition energy. (8) The control light incident on the coupled quantum well structure resonates with one inter-subband transition energy, and the signal light is substantially equal to the other inter-subband transition energy. (9) A waveguide including a coupled quantum well structure is provided.

【0016】(作用)量子井戸のサブバンド間遷移によ
る光変調或いは光スイッチを行うには、まずサブバンド
間遷移波長に共鳴する制御光を入射する。このとき、サ
ブバンド間吸収ピークにおける吸収係数は、図7に示す
ように光入力強度と共に低下する。これに伴い、この吸
収ピーク付近における吸収係数又は屈折率の変化が生
じ、この量子井戸を含む導波路構造を作製することによ
り、光変調器或いは光スイッチが実現可能となる。そし
て、サブバンド間のエネルギー間隔を増大させれば、サ
ブバンド間遷移の短波長化が可能となり、またサブバン
ド間の緩和時間を高速化すれば光変調或いは光スイッチ
の高速化が可能となる。
(Operation) In order to perform optical modulation or optical switching by transition between subbands of a quantum well, first, control light that resonates at the transition wavelength between subbands is incident. At this time, the absorption coefficient at the inter-subband absorption peak decreases with the light input intensity as shown in FIG. Accordingly, a change in the absorption coefficient or the refractive index occurs near the absorption peak, and an optical modulator or an optical switch can be realized by manufacturing a waveguide structure including the quantum well. If the energy interval between the sub-bands is increased, the wavelength of the transition between the sub-bands can be shortened, and if the relaxation time between the sub-bands is increased, the speed of the optical modulation or the optical switch can be increased. .

【0017】サブバンド間遷移を1.5μm帯まで短波
長化する方法として、図8のような非対称の結合2重量
子井戸構造を利用する方法が知られている(例えば、B.
Sung, et.al. Electron Lett. 33,818(1997))。図8に
示すように、2つの異なる幅の量子井戸(幅の広い第1
の量子井戸QW1及び幅の狭い第2の量子井戸QW2)
を結合させると、各々の量子井戸では2つであったサブ
バンドは4つ(E1,E2,E3,E4)になる。な
お、図8ではE1〜E4を、n=1〜4で示している。
As a method for shortening the intersubband transition to the 1.5 μm band, there is known a method using an asymmetric coupled double quantum well structure as shown in FIG.
Sung, et.al. Electron Lett. 33,818 (1997)). As shown in FIG. 8, two quantum wells of different widths (the wider first
Quantum well QW1 and narrow second quantum well QW2)
Are combined, the number of sub-bands in each quantum well becomes two (E1, E2, E3, E4). In FIG. 8, E1 to E4 are indicated by n = 1 to 4.

【0018】しかし、このような結合2重量子井戸構造
では、奇数番目のサブバンドの波動関数は広い量子井戸
に、偶数番目のサブバンドの波動関数は狭い量子井戸に
それぞれ偏在するため、奇数番目と偶数番目のサブバン
ド間では電子の波動関数の重なりが小さくなる。そし
て、1−4のサブバンド間遷移による吸収強度が低下す
るのみならず、4−3のサブバンド間緩和レートが低下
し、この構造を光スイッチに用いた場合には、スイッチ
ング効率もスイッチオフ速度も低下する。このため、超
高速かつ高効率スイッチへの応用には適さないという問
題がある。
However, in such a coupled double quantum well structure, since the wave functions of the odd-numbered subbands are unevenly distributed in the wide quantum wells and the wave functions of the even-numbered subbands are unevenly distributed in the narrow quantum wells, the odd-numbered subbands are unevenly distributed. The overlap of the electron wave functions between and the even-numbered subbands becomes smaller. Not only does the absorption intensity due to the inter-subband transition of 1-4 decrease, but also the inter-subband relaxation rate of 4-3 decreases. When this structure is used in an optical switch, the switching efficiency is also switched off. Speed also decreases. For this reason, there is a problem that it is not suitable for application to an ultra-high-speed and high-efficiency switch.

【0019】そこで本発明者らは、この問題を解決して
1.5μm帯のサブバンド間遷移による超高速かつ高効
率の半導体光スイッチを可能とする構造として、図9の
ような結合3重量子井戸構造(C−TQW)を考えた。
即ち、第1の量子井戸層QW1及びこれと幅の異なる第
2の量子井戸層QW2からなる非対称結合2重量子井戸
構造(AC−DQW)に、さらに第1の量子井戸層QW
1と同じ幅の第3の量子井戸層QW3をもう一つ結合さ
せる。この場合、各々の量子井戸層では2つであったサ
ブバンドは6つ(E1,E2,E3,E4,E5,E
6)になる。なお、図ではE1〜E6を、n=1〜6で
示している。
The present inventors have solved this problem and proposed a structure which enables an ultra-high-speed and high-efficiency semiconductor optical switch by transition between sub-bands in the 1.5 μm band. A subwell structure (C-TQW) was considered.
That is, an asymmetrically-coupled double quantum well structure (AC-DQW) including the first quantum well layer QW1 and the second quantum well layer QW2 having a different width from the first quantum well layer QW1 is further provided.
Another third quantum well layer QW3 having the same width as 1 is coupled. In this case, the number of subbands was two in each quantum well layer, which is six (E1, E2, E3, E4, E5, E
6). In the drawing, E1 to E6 are indicated by n = 1 to 6.

【0020】これにより、QW1,QW2からなる結合
2重量子井戸構造において障壁層へ染み出していた電子
の波動関数を、第3の量子井戸層QW3へ染み出させる
ことが可能となる。その結果、AC−DQWに比べて、
異なるサブバンド間の波動関数の重なりが大きくなり、
サブバンド間の光吸収強度を増大させることが可能とな
る。また、全てのサブバンド間のエネルギー差をLOフ
ォノンのエネルギーより大きく(InGaAs系及びG
aAs系では36meV以上、InGaN系及びGaN
系では88me以上)なるように構造設計することによ
り、隣接したサブバンド間の緩和レートを増大させ、吸
収回復を高速化することが可能である。
This makes it possible for the wave function of the electrons leaking out to the barrier layer in the coupled double quantum well structure composed of QW1 and QW2 to leak out to the third quantum well layer QW3. As a result, compared to AC-DQW,
The overlap of wave functions between different subbands increases,
It is possible to increase the light absorption intensity between subbands. Further, the energy difference between all sub-bands is larger than the energy of LO phonon (InGaAs type and G
36 meV or more in aAs system, InGaN system and GaN
By designing the structure so as to be 88 me or more, it is possible to increase the relaxation rate between adjacent subbands and to speed up the absorption recovery.

【0021】図10は、1.55μmのサブバンド間吸
収を可能とする2種類の結合量子井戸構造((a)AC
−DQW、(b)C−TQW)について吸収スペクトル
を比較したものである。この図に示すように、吸収強度
はAC−DQWに比べ、C一TQWの方が2倍以上の値
が得られる。図11は、上記2種類の構造について、
1.55μmのサブバンド間遷移波長に共鳴する100
フェムト秒(半値幅)の光パルスを入射した後の吸収回
復の過渡応答波形を示したものである。この図に示すよ
うに、吸収回復速度はAC−DQWに比べてC−TQW
の方が3倍以上高速化されるのが分かる。
FIG. 10 shows two types of coupled quantum well structures ((a) AC) capable of absorbing 1.55 μm between sub-bands.
-DQW, (b) C-TQW) in comparison of absorption spectra. As shown in this figure, the value of C-TQW is twice or more as large as that of AC-DQW. FIG. 11 shows the above two types of structures.
100 resonating at 1.55 μm intersubband transition wavelength
FIG. 4 shows a transient response waveform of absorption recovery after a femtosecond (half width) optical pulse is incident. FIG. As shown in this figure, the absorption-recovery rate is higher in C-TQW than in AC-DQW.
It can be seen that speeding up is more than three times faster.

【0022】[0022]

【発明の実施形態】以下、本発明の詳細を図示の実施形
態によって説明する。図1は、本発明の一実施形態に係
わる半導体光スイッチの基本構成を示す模式図である。
半導体基板11の上に、2つの第1の量子井戸層21
(21a,21b)、これらに挟まれた第2の量子井戸
層22、及び量子井戸層21,22を隔てる量子障壁層
23(23a,23b)、からなる結合3重量子井戸構
造が形成されている。そして、結合3重量子井戸構造の
両側には障壁層13(13a,13b)が形成され、基
板と反対側の障壁層13b上には光ガイド層14が形成
されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a semiconductor optical switch according to one embodiment of the present invention.
On the semiconductor substrate 11, two first quantum well layers 21
(21a, 21b), a second quantum well layer 22 interposed therebetween, and a quantum triple layer well structure (23a, 23b) separating the quantum well layers 21 and 22 are formed. I have. Then, barrier layers 13 (13a, 13b) are formed on both sides of the coupled triple quantum well structure, and an optical guide layer 14 is formed on the barrier layer 13b opposite to the substrate.

【0023】各層13,14,21,22,23は化合
物半導体からなり、例えばMBE法等の成長法によって
連続成長することにより形成される。また、結合3重量
子井戸構造20の伝導帯のエネルギーバンドは、前記図
9に示したようになる。
Each of the layers 13, 14, 21, 22, 23 is made of a compound semiconductor and is formed by continuous growth by a growth method such as the MBE method. The energy band of the conduction band of the triple quantum well structure 20 is as shown in FIG.

【0024】なお、図中の31は制御光、32は信号
光、33はスイッチングされた信号光を示している。制
御光31は結合3重量子井戸構造20の1つのサブバン
ド間遷移エネルギーに共鳴する波長であり、信号光32
は同じサブバンド間遷移エネルギ−又は他のサブバンド
間遷移エネルギ−にほぼ等しい波長である。
In the figure, reference numeral 31 denotes control light, 32 denotes signal light, and 33 denotes switched signal light. The control light 31 has a wavelength that resonates with one of the inter-subband transition energies of the coupled triple quantum well structure 20.
Is a wavelength approximately equal to the same inter-subband transition energy or another inter-subband transition energy.

【0025】このような構成において、第1の量子井戸
層21a,21bにはn型不純物がドープされており、
伝導帯の低次のサブバンド(主に第1、第2)に電子が
蓄積されている。ここに光を照射することによって、低
次なサブバンドから高次のサブバンドに電子が励起され
サブバンド間光吸収が生じる。このとき、許容遷移であ
る1−6,2−5,3−6等のサブバンド間遷移に対応
した吸収ピークを持つサブバンド間光吸収スペクトルが
得られる。
In such a structure, the first quantum well layers 21a and 21b are doped with an n-type impurity.
Electrons are accumulated in lower-order subbands (mainly first and second) of the conduction band. By irradiating light here, electrons are excited from lower-order subbands to higher-order subbands, and intersubband light absorption occurs. At this time, an intersubband light absorption spectrum having an absorption peak corresponding to an intersubband transition such as 1-6, 2-5, 3-6 which is an allowable transition is obtained.

【0026】次に、本実施形態の半導体光スイッチのよ
り具体的な構成例について説明しておく。図2は、同構
成例の半導体光スイッチの素子構造を示す断面である。
半導体基板11は半絶縁性GaAsであり、各層は基板
11上にGaAsバッファ層12を形成した上に成長形
成されている。結合3重量子井戸構造20を構成する第
1の量子井戸層21a,21bはキャリア濃度約1×1
18cm-3のn型In0.3 Ga0.7 Asであり、その井
戸幅は2.8nmである。これらに挟まれた第2の量子
井戸層22はキャリア濃度約1×1018cm-3のn型I
0.3 Ga0.7 Asであり、その井戸幅は2.5nmで
ある。さらに、各量子井戸層21a,22及び21b,
22間の量子障壁層23a,23bはノンドーブのAl
Asであり、その障壁幅は0.85nmである。
Next, a more specific configuration example of the semiconductor optical switch of the present embodiment will be described. FIG. 2 is a cross section showing the element structure of the semiconductor optical switch of the same configuration example.
The semiconductor substrate 11 is made of semi-insulating GaAs, and each layer is formed by growing a GaAs buffer layer 12 on the substrate 11. The first quantum well layers 21a and 21b constituting the coupled triple quantum well structure 20 have a carrier concentration of about 1 × 1
It is n-type In 0.3 Ga 0.7 As of 0 18 cm −3 , and its well width is 2.8 nm. The second quantum well layer 22 sandwiched between them has an n-type I type having a carrier concentration of about 1 × 10 18 cm −3.
n 0.3 Ga 0.7 As, and the well width is 2.5 nm. Further, each of the quantum well layers 21a, 22 and 21b,
The quantum barrier layers 23a and 23b between the layers 22 are made of non-dove Al.
As, and the barrier width is 0.85 nm.

【0027】結合3重量子井戸構造20の両側に設けた
障壁層13a,13bはノンドーブのAlAsであり、
結合3重量子井戸構造20に電子を効率良く閉じ込める
ために厚さ10nmとした。また、光スイッチとして
効率を高めるため、この結合3重量子井戸構造20を1
00周期形成した。また、光ガイド層14にはAl0.5
Ga0.5 Asを用い、その厚さは2μmとした。さら
に、光ガイド層14と障壁層13との間には、厚さ50
nm程度のGaAsキャップ層15を設けた。
The barrier layers 13a and 13b provided on both sides of the coupled triple quantum well structure 20 are non-dove AlAs,
The thickness was set to 10 nm in order to efficiently confine electrons in the triple quantum well structure 20. In order to enhance the efficiency as an optical switch, this combined triple quantum well structure 20 is
00 cycles were formed. The light guide layer 14 has Al 0.5
Ga 0.5 As was used, and its thickness was 2 μm. Further, a thickness of 50 mm is provided between the light guide layer 14 and the barrier layer 13.
A GaAs cap layer 15 of about nm was provided.

【0028】このとき、図3に示すようにも、短波長側
の吸収ピーク波長は約1.55μmであり、長波長側の
吸収ピーク波長は約2.2μmであった。吸収係数は
1.55μmで約1500cm-1以上であり、光スイッ
チへの応用のために十分な値が得られた。また、6つの
サブバンド間のエネルギー差はいずれも36meV以上
でありLOフォノンのエネルギーよりも大きかった。
At this time, as shown in FIG. 3, the absorption peak wavelength on the short wavelength side was about 1.55 μm, and the absorption peak wavelength on the long wavelength side was about 2.2 μm. The absorption coefficient at 1.55 μm was about 1500 cm −1 or more, and a value sufficient for application to an optical switch was obtained. Also, the energy difference between the six subbands was 36 meV or more, which was larger than the LO phonon energy.

【0029】図4は、1−6のサブバンド間遷移波長に
共鳴する光パルス(波長λ14=1.55μm、パルス幅
100fs、パルス・エネルギ−400fj/μm2
を照射したときの、1.55μmにおける吸収係数の過
渡応答波形を示した図である。この図から分かるよう
に、吸収回復時間の半値幅は約750フェムト秒とな
り、テラビット級の光信号のスイッチングが可能であ
る。
FIG. 4 shows an optical pulse (wavelength λ 14 = 1.55 μm, pulse width 100 fs, pulse energy −400 fj / μm 2 ) that resonates with the 1-6 intersubband transition wavelength.
FIG. 9 is a diagram showing a transient response waveform of an absorption coefficient at 1.55 μm when the light is irradiated. As can be seen from this figure, the half width of the absorption recovery time is about 750 femtoseconds, and it is possible to switch a terabit-class optical signal.

【0030】このように本実施形態によれば、GaAs
基板11上に、幅の狭いInGaAs量子井戸層22を
幅の広いInGaAs量子井戸層21で挟み、各井戸層
間にこれらよりも幅の狭いAlAs量子障壁層23を配
置してなる結合3重量子井戸構造20を複数設け、結合
3重量子井戸構造20の伝導帯の1つのサブバンド間遷
移のエネルギーに共鳴する光を照射し、同じサブバンド
間遷移のエネルギーにおける光の吸収係数を変化させる
ことによって、テラビット/秒以上の光通信システムに
好適な超高速かつ高効率の半導体光スイッチを実現する
ことができる。
As described above, according to the present embodiment, GaAs
A coupled triple quantum well in which a narrow InGaAs quantum well layer 22 is sandwiched between wide InGaAs quantum well layers 21 on a substrate 11 and an AlAs quantum barrier layer 23 narrower than these is arranged between each well layer. By providing a plurality of structures 20 and irradiating light that resonates with the energy of one intersubband transition of the conduction band of the coupled triple quantum well structure 20, and changing the light absorption coefficient at the same energy of the intersubband transition Therefore, an ultra-high-speed and high-efficiency semiconductor optical switch suitable for an optical communication system of terabits / second or more can be realized.

【0031】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではない。実施形態では、吸収係数及び光学利
得の光応答のみについて述べたが、良く知られたクラマ
ース・クローニッヒの関係式から、屈折率についても吸
収係数と同様の光パルス応答が得られ、吸収係数及び光
学利得のみならず、屈折率の変化を用いた光スイッチを
実現することも可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment. In the embodiment, only the optical response of the absorption coefficient and the optical gain has been described. However, from the well-known Kramers-Kronig relational expression, an optical pulse response similar to the absorption coefficient can be obtained for the refractive index, and the absorption coefficient and the optical It is also possible to realize an optical switch using not only the gain but also the change in the refractive index.

【0032】また、実施形態では、第1の量子井戸層よ
りも第2の量子井戸層の井戸幅を狭くしたが、これとは
逆に第2の量子井戸層の井戸幅を第1の量子井戸層より
も広くしても良い。
In the embodiment, the well width of the second quantum well layer is made narrower than that of the first quantum well layer. Conversely, the well width of the second quantum well layer is reduced to the first quantum well layer. It may be wider than the well layer.

【0033】前記基板,量子井戸層,量子障壁層等の材
料は、仕様に応じて適宜変更可能である。例えば量子井
戸層としてInGaAsを用いた場合、量子障壁層はA
lAsに限らず、AlGaAs,AlAsSb,又はA
lGaAsSbを用いることができる。また、量子井戸
層にGaN又はInGaNを用いた場合、量子障壁層と
してAlN又はAlGaNを用いることができる。単結
晶基板は、GaAsに限るものではなく、量子井戸構造
を構成する量子井戸層及び障壁層等が成長できる化合物
半導体基板であれば用いることができ、更にはサファイ
ア基板を用いることも可能である。その他、本発明の要
旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することがで
きる。
The materials of the substrate, the quantum well layer, the quantum barrier layer and the like can be appropriately changed according to the specifications. For example, when InGaAs is used as the quantum well layer, the quantum barrier layer is made of A
Not limited to lAs, AlGaAs, AlAsSb, or A
lGaAsSb can be used. When GaN or InGaN is used for the quantum well layer, AlN or AlGaN can be used for the quantum barrier layer. The single crystal substrate is not limited to GaAs, but may be any compound semiconductor substrate on which a quantum well layer and a barrier layer constituting a quantum well structure can be grown, and furthermore, a sapphire substrate may be used. . In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、全
光学的な半導体光スイッチを構成するための結合量子井
戸構造を、幅の等しい2つの第1の量子井戸層と、これ
らの量子井戸層間に配置され該井戸層とは幅の異なる第
2の量子井戸層と、第1及び第2の量子井戸層間に配置
されこれらの井戸層よりも幅の狭い量子障壁層とから構
成することにより、量子井戸のサブバンド間遷移を利用
して高速で光変調或いは光スイッチを行うことができ、
テラビット/秒以上の光通信システムに対応することが
可能となる。
As described above in detail, according to the present invention, a coupling quantum well structure for forming an all-optical semiconductor optical switch is composed of two first quantum well layers having the same width, and A second quantum well layer arranged between the quantum well layers and having a different width from the well layer; and a quantum barrier layer arranged between the first and second quantum well layers and having a width smaller than these well layers. Thereby, it is possible to perform optical modulation or optical switching at high speed by utilizing the intersubband transition of the quantum well,
It is possible to support an optical communication system of terabits / second or more.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】一実施形態に係わる半導体光スイッチの基本構
成を示す模式図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a semiconductor optical switch according to one embodiment.

【図2】実施形態の半導体光スイッチの具体的な素子構
造例を示す断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a specific example of the element structure of the semiconductor optical switch according to the embodiment;

【図3】実施形態のサブバンド間光吸収スペクトル特性
を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing intersubband light absorption spectrum characteristics of the embodiment.

【図4】実施形態のサブバンド間光吸収係数の光パルス
応答波形を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing an optical pulse response waveform of an intersubband optical absorption coefficient according to the embodiment.

【図5】単一量子井戸のエネルギーバンド構造を示す
図。
FIG. 5 is a diagram showing an energy band structure of a single quantum well.

【図6】単一量子井戸のサブバンド間遷移エネルギーの
井戸幅依存性を示す図。
FIG. 6 is a graph showing well width dependence of inter-subband transition energy of a single quantum well.

【図7】サブバンド間光吸収の光入力強度依存性を示す
図。
FIG. 7 is a diagram showing the light input intensity dependence of intersubband light absorption.

【図8】非対称結合2重量子井戸の伝導帯のエネルギー
バンド構造を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing an energy band structure of a conduction band of an asymmetrically coupled double quantum well.

【図9】結合3重量子井戸の伝導帯のエネルギーバンド
構造を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing an energy band structure of a conduction band of a coupled triple quantum well.

【図10】非対称結合2重量子井戸(AC−DQW)及
び対称結合3重量子井戸(C−TQW)のサブバンド間
吸収スペクトルを示す図。
FIG. 10 is a diagram showing an intersubband absorption spectrum of an asymmetrically-coupled double quantum well (AC-DQW) and a symmetrically-coupled triple quantum well (C-TQW).

【図11】非対称結合2重量子井戸(AC−DQW)及
び対称結合3重量子井戸(C−TQW)の1.55μm
サブバンド間吸収回復の過渡応答波形を示す図。
FIG. 11: 1.55 μm of asymmetrically coupled double quantum well (AC-DQW) and symmetrically coupled triple quantum well (C-TQW)
The figure which shows the transient response waveform of absorption recovery between subbands.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…GaAs基板(半導体基板) 12…GaAsバッファ層 13…AlAs障壁層 14…Al0.5 Ga0.5 As光ガイド層 15…GaAsキャップ層 20…結合3重量子井戸構造 21(21a,21b)…InGaAs量子井戸層(第
1の量子井戸層) 22…InGaAs量子井戸層(第2の量子井戸層) 23(23a,23b)…AlAs量子障壁層 31…制御光 32…信号光(入力) 33…信号光(出力)
11 ... GaAs substrate (semiconductor substrate) 12 ... GaAs buffer layer 13 ... AlAs barrier layer 14 ... Al 0.5 Ga 0.5 As optical guide layer 15 ... GaAs cap layer 20 ... coupled triple quantum well structure 21 (21a, 21b) ... InGaAs quantum Well layer (first quantum well layer) 22 ... InGaAs quantum well layer (second quantum well layer) 23 (23a, 23b) ... AlAs quantum barrier layer 31 ... Control light 32 ... Signal light (input) 33 ... Signal light (output)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】幅の等しい2つの第1の量子井戸層間に該
井戸層とは幅の異なる第2の量子井戸層を配置し、且つ
第1及び第2の量子井戸層間にこれらの井戸層よりも幅
の狭い量子障壁層を配置してなる結合量子井戸構造を、
単結晶基板上に少なくとも1つ設けてなり、 前記結合量子井戸構造の伝導帯の1つのサブバンド間遷
移のエネルギーに共鳴する光を照射し、同じサブバンド
間遷移のエネルギーにおける光の吸収係数,屈折率,又
は光学利得を変化させるか、或いは他のサブバンド間遷
移のエネルギ−における光の吸収係数,屈折率,又は光
学利得を変化させることを特徴とする半導体光スイッ
チ。
1. A second quantum well layer having a width different from that of a first quantum well layer having a width equal to two first quantum well layers, and the well layers being located between the first and second quantum well layers. A coupled quantum well structure with a narrower quantum barrier layer than
At least one is provided on a single crystal substrate, and is irradiated with light that resonates with energy of one inter-subband transition of the conduction band of the coupled quantum well structure, and absorbs light at the same energy of the inter-subband transition, A semiconductor optical switch characterized by changing a refractive index or an optical gain or changing an absorption coefficient, a refractive index, or an optical gain of light at energy of another intersubband transition.
【請求項2】前記結合量子井戸構造は2つ以上設けら
れ、隣接する結合量子井戸構造間は該結合量子井戸構造
よりも幅の広い障壁層により隔てられていることを特徴
とする請求項1記載の半導体光スイッチ。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein two or more coupling quantum well structures are provided, and adjacent coupling quantum well structures are separated by a barrier layer wider than said coupling quantum well structure. The semiconductor optical switch as described in the above.
【請求項3】第1及び第2の量子井戸層はInGaAs
からなり、前記量子障壁層はAlAs,AlGaAs,
AlAsSb,又はAlGaAsSbからなり、前記結
合量子井戸構造の伝導帯における全てのサブバンド間の
エネルギー差が36meV以上であることを特徴とする
請求項1又は2記載の半導体光スイッチ。
3. The first and second quantum well layers are made of InGaAs.
And the quantum barrier layer is made of AlAs, AlGaAs,
3. The semiconductor optical switch according to claim 1 , wherein the semiconductor optical switch is made of AlAsSb or AlGaAsSb, and the energy difference between all the sub-bands in the conduction band of the coupled quantum well structure is 36 meV or more.
【請求項4】第1及び第2の量子井戸層はGaN又はI
nGaNからなり、前記量子障壁層はAlN又はAlG
aNからなり、前記結合量子井戸構造の伝導帯における
全てのサブバンド間のエネルギー差が88meV以上で
あることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体光ス
イッチ。
4. The method according to claim 1, wherein the first and second quantum well layers are GaN or I.
nGaN, and the quantum barrier layer is made of AlN or AlG
consists aN, semiconductor optical switch according to claim 1 or 2, wherein the energy difference between all of the subbands in the conduction band of said coupled quantum well structure is not less than 88MeV.
【請求項5】前記結合量子井戸構造に入射される制御光
は1つのサブバンド間遷移エネルギーに共鳴し、前記結
合量子井戸構造に入射される信号光は同じサブバンド間
遷移エネルギ−又は他のサブバンド間遷移エネルギーに
ほぼ等しいことを特徴とする請求項3又は4記載の半導
体光スイッチ。
5. The control light incident on the coupled quantum well structure resonates with one inter-subband transition energy, and the signal light incident on the coupled quantum well structure has the same inter-subband transition energy or another inter-subband transition energy. 5. The semiconductor optical switch according to claim 3, wherein the transition energy is substantially equal to the inter-subband transition energy.
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