JP3033604B2 - 半導体光機能素子 - Google Patents
半導体光機能素子Info
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- G02F1/29—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 position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
- G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
- G02F1/3133—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type the optical waveguides being made of semiconducting materials
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- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- 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
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- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01725—Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells
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- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/06—Polarisation independent
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体光機能素子に関
し、更に詳しくは、ＴＥモード光およびＴＭモード光の
いずれに対しても動作し、偏波無依存の光スイッチとし
て有用な半導体光機能素子に関する。
し、更に詳しくは、ＴＥモード光およびＴＭモード光の
いずれに対しても動作し、偏波無依存の光スイッチとし
て有用な半導体光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体を用いた光スイッチにおいては、
最近、その性能を向上させるために、例えば導波路層を
量子井戸構造で構成するものが提案されている。この量
子井戸構造は、電子のド・ブロイ波長程度の薄い半導体
をその半導体の禁制帯エネルギーよりも大きい禁制帯エ
ネルギーを有する半導体で挟み込んだものを基本単位の
量子井戸とし、この基本単位の量子井戸を多重に積層し
た構造のものが一般的である。
最近、その性能を向上させるために、例えば導波路層を
量子井戸構造で構成するものが提案されている。この量
子井戸構造は、電子のド・ブロイ波長程度の薄い半導体
をその半導体の禁制帯エネルギーよりも大きい禁制帯エ
ネルギーを有する半導体で挟み込んだものを基本単位の
量子井戸とし、この基本単位の量子井戸を多重に積層し
た構造のものが一般的である。
【０００３】この基本単位の量子井戸（以後、単一量子
井戸という）においては、挟み込まれた半導体とそれを
挟み込む半導体とによって、両者の接触界面を不連続面
としてステップ状に変化する量子閉じ込めポテンシャル
が形成される。ところで、量子井戸構造においては、電
子および正孔に対するエネルギー準位が量子化されると
ともに、電子および正孔が半導体の非常に薄い領域内に
閉じ込められるため、室温下にあっても、電子−正孔か
ら成る励起子の生成に伴う光吸収が明瞭でシャープなピ
ークとして発現する。
井戸という）においては、挟み込まれた半導体とそれを
挟み込む半導体とによって、両者の接触界面を不連続面
としてステップ状に変化する量子閉じ込めポテンシャル
が形成される。ところで、量子井戸構造においては、電
子および正孔に対するエネルギー準位が量子化されると
ともに、電子および正孔が半導体の非常に薄い領域内に
閉じ込められるため、室温下にあっても、電子−正孔か
ら成る励起子の生成に伴う光吸収が明瞭でシャープなピ
ークとして発現する。
【０００４】そして、この量子井戸構造において、その
井戸面と垂直に電界を印加すると、前記した励起子吸収
はそのシャープなピークを保持したまま長波長側へシフ
トして、いわゆる量子閉じ込めシュタルク効果を発揮
し、吸収端近傍の波長においてその量子井戸構造の半導
体には、大きな吸収係数の変化とそれに伴う屈折率変化
が発現する。
井戸面と垂直に電界を印加すると、前記した励起子吸収
はそのシャープなピークを保持したまま長波長側へシフ
トして、いわゆる量子閉じ込めシュタルク効果を発揮
し、吸収端近傍の波長においてその量子井戸構造の半導
体には、大きな吸収係数の変化とそれに伴う屈折率変化
が発現する。
【０００５】したがって、電界印加前の吸収波長（短波
長）と電界印加後の吸収波長（長波長）の間に位置する
波長を有する光に対しては、井戸面へ垂直な電界を印加
することによってその半導体への光の吸収をオン・オフ
することが可能となる。すなわち、スイッチング動作を
実現することができる。
長）と電界印加後の吸収波長（長波長）の間に位置する
波長を有する光に対しては、井戸面へ垂直な電界を印加
することによってその半導体への光の吸収をオン・オフ
することが可能となる。すなわち、スイッチング動作を
実現することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した矩
形型の量子井戸構造においては、バルク半導体でみられ
る重い正孔と軽い正孔の縮退が解消していて、それぞれ
の正孔に対する量子化エネルギー準位が分離して存在し
ている。したがって、吸収端における前記した励起子吸
収において、基底準位の電子−基底準位の重い正孔から
成る励起子吸収における遷移（以後、１ｅ−１ｈｈ遷移
という）に対応する吸収ピークが長波長側に、また基底
準位の電子−基底準位の軽い正孔から成る励起子吸収に
おける遷移（以後、１ｅ−１ｌｈ遷移という）に対応す
る吸収ピークが短波長側にそれぞれ分離して発現してい
る。
形型の量子井戸構造においては、バルク半導体でみられ
る重い正孔と軽い正孔の縮退が解消していて、それぞれ
の正孔に対する量子化エネルギー準位が分離して存在し
ている。したがって、吸収端における前記した励起子吸
収において、基底準位の電子−基底準位の重い正孔から
成る励起子吸収における遷移（以後、１ｅ−１ｈｈ遷移
という）に対応する吸収ピークが長波長側に、また基底
準位の電子−基底準位の軽い正孔から成る励起子吸収に
おける遷移（以後、１ｅ−１ｌｈ遷移という）に対応す
る吸収ピークが短波長側にそれぞれ分離して発現してい
る。
【０００７】上記した状態にある量子井戸の井戸面に垂
直な電界を印加すると、前記した１ｅ−１ｈｈ遷移に対
応する吸収ピークは長波長側に大きくシフトするが、し
かし１ｅ−１ｌｈ遷移に対応する吸収ピークはもともと
短波長側に位置しており、かつ電界印加による長波長側
へのシフト量も小さいという現象が発現する。量子閉じ
込めシュタルク効果によるエネルギーシフト量は、遷移
に関与する粒子の実効質量にほぼ比例するため、質量の
大きな重い正孔を含む１ｅ−１ｈｈ遷移の方がシフト量
は大きくなる。
直な電界を印加すると、前記した１ｅ−１ｈｈ遷移に対
応する吸収ピークは長波長側に大きくシフトするが、し
かし１ｅ−１ｌｈ遷移に対応する吸収ピークはもともと
短波長側に位置しており、かつ電界印加による長波長側
へのシフト量も小さいという現象が発現する。量子閉じ
込めシュタルク効果によるエネルギーシフト量は、遷移
に関与する粒子の実効質量にほぼ比例するため、質量の
大きな重い正孔を含む１ｅ−１ｈｈ遷移の方がシフト量
は大きくなる。
【０００８】したがって、吸収端近傍における吸収係数
の変化や屈折率の変化は、１ｅ−１ｈｈ遷移に対応する
励起子吸収によって略決定されることになるので、この
ときの変化波長域内の波長の光を用いたスイッチング動
作は、１ｅ−１ｈｈ遷移による励起子吸収で律せられる
ことになる。一方、前記した１ｅ−１ｌｈ遷移は、光電
界が量子井戸面に平行な成分の光（以下、ＴＥモード光
という）と、光電界が量子井戸面に垂直な成分の光（以
下、ＴＭモード光という）とのいずれに対しても相互作
用する。しかし、１ｅ−１ｈｈ遷移はＴＥモード光との
み相互に作用し、ＴＭモード光とは相互作用しない。
の変化や屈折率の変化は、１ｅ−１ｈｈ遷移に対応する
励起子吸収によって略決定されることになるので、この
ときの変化波長域内の波長の光を用いたスイッチング動
作は、１ｅ−１ｈｈ遷移による励起子吸収で律せられる
ことになる。一方、前記した１ｅ−１ｌｈ遷移は、光電
界が量子井戸面に平行な成分の光（以下、ＴＥモード光
という）と、光電界が量子井戸面に垂直な成分の光（以
下、ＴＭモード光という）とのいずれに対しても相互作
用する。しかし、１ｅ−１ｈｈ遷移はＴＥモード光との
み相互に作用し、ＴＭモード光とは相互作用しない。
【０００９】しかし、前記したように、電界印加に伴う
スイッチング動作は１ｅ−１ｈｈ遷移に対応する励起子
吸収で可能となるのであった。それゆえ、従来のような
矩形型の量子井戸構造の光スイッチは、ＴＥモード光で
は動作するが、ＴＭモード光では動作しずらいことにな
る。すなわち偏波依存性があり、ＴＭモード光は容易に
変調されないという問題がある。
スイッチング動作は１ｅ−１ｈｈ遷移に対応する励起子
吸収で可能となるのであった。それゆえ、従来のような
矩形型の量子井戸構造の光スイッチは、ＴＥモード光で
は動作するが、ＴＭモード光では動作しずらいことにな
る。すなわち偏波依存性があり、ＴＭモード光は容易に
変調されないという問題がある。
【００１０】本発明は上記したような問題を解決し、量
子井戸構造を後述の構造にすることによって、スイッチ
ング特性における偏波依存性を解決した半導体光機能素
子の提供を目的とする。
子井戸構造を後述の構造にすることによって、スイッチ
ング特性における偏波依存性を解決した半導体光機能素
子の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、下部電極の上に、いずれも
が半導体から成る基板，下部クラッド層，導波路層，お
よび上部クラッド層がこの順序で積層され、かつ前記上
部クラッド層の上に上部電極が、また前記基板の裏側に
下部電極が装荷されている半導体光機能素子において、
前記下部クラッド層，導波路層および上部クラッド層の
少なくとも１層は単一または多重量子井戸構造を有し、
前記量子井戸構造を構成する個々の量子井戸の量子閉じ
込めポテンシャルが、その量子井戸の井戸面の中心位置
に対して対称でかつ前記中心位置からの距離の２乗に比
例して変化する量子閉じ込めポテンシャルであることを
特徴とする半導体光機能素子が提供される。
ために、本発明においては、下部電極の上に、いずれも
が半導体から成る基板，下部クラッド層，導波路層，お
よび上部クラッド層がこの順序で積層され、かつ前記上
部クラッド層の上に上部電極が、また前記基板の裏側に
下部電極が装荷されている半導体光機能素子において、
前記下部クラッド層，導波路層および上部クラッド層の
少なくとも１層は単一または多重量子井戸構造を有し、
前記量子井戸構造を構成する個々の量子井戸の量子閉じ
込めポテンシャルが、その量子井戸の井戸面の中心位置
に対して対称でかつ前記中心位置からの距離の２乗に比
例して変化する量子閉じ込めポテンシャルであることを
特徴とする半導体光機能素子が提供される。
【００１２】本発明の光機能素子において、基板，下部
クラッド層，導波路層（コア層），上部クラッド層がい
ずれも半導体で構成され、基板の下面と上部クラッド層
の上面には電界印加用の下部電極と上部電極がそれぞれ
装荷されていることは、従来構造と変わらない。しか
し、下部クラッド層，導波路層，上部クラッド層の少な
くとも１層が後述する量子井戸構造を有していることを
特徴としている。
クラッド層，導波路層（コア層），上部クラッド層がい
ずれも半導体で構成され、基板の下面と上部クラッド層
の上面には電界印加用の下部電極と上部電極がそれぞれ
装荷されていることは、従来構造と変わらない。しか
し、下部クラッド層，導波路層，上部クラッド層の少な
くとも１層が後述する量子井戸構造を有していることを
特徴としている。
【００１３】その量子井戸構造は、それを構成する個々
の量子井戸の量子閉じ込めポテンシャルが、図１で示し
たように、量子井戸の井戸面の中心位置Ａに対して厚み
方向で対称になっており、かつ中心位置Ａからの厚み方
向への距離の２乗に比例して変化するポテンシャル、す
なわち、２次曲線型のポテンシャルになっている。この
ような量子閉じ込めポテンシャルを有する単一量子井戸
の形成方法を、半導体としてＧａＡｓ，Ａｌx Ｇａ1-x
Ａｓを用いた場合で説明する。
の量子井戸の量子閉じ込めポテンシャルが、図１で示し
たように、量子井戸の井戸面の中心位置Ａに対して厚み
方向で対称になっており、かつ中心位置Ａからの厚み方
向への距離の２乗に比例して変化するポテンシャル、す
なわち、２次曲線型のポテンシャルになっている。この
ような量子閉じ込めポテンシャルを有する単一量子井戸
の形成方法を、半導体としてＧａＡｓ，Ａｌx Ｇａ1-x
Ａｓを用いた場合で説明する。
【００１４】第１の方法は、例えばＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａ
ｓ（ｘ＝0.３）の半導体障壁層を形成したのち、その量
子閉じ込めポテンシャルが２次曲線を描いて減少するよ
うに、Ａｌの混晶比ｘが徐々に小さくなる混晶半導体を
順次積層し、中心位置Ａではｘ＝０、すなわちＧａＡｓ
のみを積層する。ついで、今までとは逆に、Ａｌ混晶比
ｘが徐々に大きくなる混晶半導体を順次積層してその量
子閉じ込めポテンシャルが２次曲線を描いて増加するよ
うにし、最後に再びＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ（ｘ＝0.３）
から成る障壁層を積層する。
ｓ（ｘ＝0.３）の半導体障壁層を形成したのち、その量
子閉じ込めポテンシャルが２次曲線を描いて減少するよ
うに、Ａｌの混晶比ｘが徐々に小さくなる混晶半導体を
順次積層し、中心位置Ａではｘ＝０、すなわちＧａＡｓ
のみを積層する。ついで、今までとは逆に、Ａｌ混晶比
ｘが徐々に大きくなる混晶半導体を順次積層してその量
子閉じ込めポテンシャルが２次曲線を描いて増加するよ
うにし、最後に再びＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ（ｘ＝0.３）
から成る障壁層を積層する。
【００１５】しかしながら、上記した混晶半導体の混晶
比を徐々に変化させて、２次曲線形状の量子閉じ込めポ
テンシャルを形成することは非常に困難である。したが
って、実際には、いわゆる短周期超格子列を用いて、そ
の厚みと周期を変化させることにより、形成された単一
量子井戸の量子閉じ込めポテンシャルを等価的に２次曲
線とするような方法で形成することが好適である。
比を徐々に変化させて、２次曲線形状の量子閉じ込めポ
テンシャルを形成することは非常に困難である。したが
って、実際には、いわゆる短周期超格子列を用いて、そ
の厚みと周期を変化させることにより、形成された単一
量子井戸の量子閉じ込めポテンシャルを等価的に２次曲
線とするような方法で形成することが好適である。
【００１６】図２はＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ／ＧａＡｓの
短周期超格子列で構成され、その量子閉じ込めポテンシ
ャルが等価的な２次曲線になる単一量子井戸の構造例を
示す。ここで、ＭＬはＧａＡｓまたはＡｌ0.3 Ｇａ0.7
Ａｓの１分子層の厚み（2.８３Å）を表す。この単一量
子井戸は、厚みが３０〜４０ＭＬ程度のＡｌ0.3 Ｇａ
0.7 Ａｓから成る障壁層の上に、２ＭＬのＧａＡｓ，８
ＭＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，６ＭＬのＧａＡｓ，３Ｍ
ＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，１０ＭＬのＧａＡｓ，１Ｍ
ＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，１２ＭＬのＧａＡｓ，１Ｍ
ＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，１０ＭＬのＧａＡｓ，３Ｍ
ＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，６ＭＬのＧａＡｓ，８ＭＬ
のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，２ＭＬのＧａＡｓを順次積層
して全体の厚みが７２ＭＬに形成され、最後の２ＭＬの
ＧａＡｓの上に再び３０〜４０ＭＬ程度のＡｌ0. 3 Ｇａ
0.7 Ａｓが障壁層として積層されている。なお、これら
の各層は、いずれもＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）
で形成される。また、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相
堆積法）によっても形成可能である。
短周期超格子列で構成され、その量子閉じ込めポテンシ
ャルが等価的な２次曲線になる単一量子井戸の構造例を
示す。ここで、ＭＬはＧａＡｓまたはＡｌ0.3 Ｇａ0.7
Ａｓの１分子層の厚み（2.８３Å）を表す。この単一量
子井戸は、厚みが３０〜４０ＭＬ程度のＡｌ0.3 Ｇａ
0.7 Ａｓから成る障壁層の上に、２ＭＬのＧａＡｓ，８
ＭＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，６ＭＬのＧａＡｓ，３Ｍ
ＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，１０ＭＬのＧａＡｓ，１Ｍ
ＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，１２ＭＬのＧａＡｓ，１Ｍ
ＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，１０ＭＬのＧａＡｓ，３Ｍ
ＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，６ＭＬのＧａＡｓ，８ＭＬ
のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ，２ＭＬのＧａＡｓを順次積層
して全体の厚みが７２ＭＬに形成され、最後の２ＭＬの
ＧａＡｓの上に再び３０〜４０ＭＬ程度のＡｌ0. 3 Ｇａ
0.7 Ａｓが障壁層として積層されている。なお、これら
の各層は、いずれもＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）
で形成される。また、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相
堆積法）によっても形成可能である。
【００１７】このような短周期超格子列の構造は、障壁
層から３６ＭＬの厚みの位置Ａ’を中心にしてその量子
閉じ込めポテンシャルが対称になっていて、しかも近似
的な２次曲線を描いて変化している。
層から３６ＭＬの厚みの位置Ａ’を中心にしてその量子
閉じ込めポテンシャルが対称になっていて、しかも近似
的な２次曲線を描いて変化している。
【００１８】
【作用】量子閉じ込めポテンシャルが井戸面の中心位置
から対称に２次曲線的に変化する単一量子井戸に、その
井戸面に垂直な電界を印加すると、１ｅ−１ｈｈ遷移に
対応するエネルギーのシフト量と１ｅ−１ｌｈ遷移に対
応するエネルギーのシフト量は略等しくなる。これは、
量子閉じ込めポテンシャルが２次曲線を描いて変化して
いる場合、井戸面に電界が印加されたときには、中心位
置などのずれは生ずるがしかしポテンシャルの変化は依
然として２次曲線を描くので、この単一量子井戸に閉じ
込められている重い正孔，軽い正孔はいずれも２次曲線
で変化するポテンシャルを感ずるのみであって、ド・ブ
ロイ波の左右対称性は崩れず、エネルギーシフト量の実
効質量依存性がなくなるためである。
から対称に２次曲線的に変化する単一量子井戸に、その
井戸面に垂直な電界を印加すると、１ｅ−１ｈｈ遷移に
対応するエネルギーのシフト量と１ｅ−１ｌｈ遷移に対
応するエネルギーのシフト量は略等しくなる。これは、
量子閉じ込めポテンシャルが２次曲線を描いて変化して
いる場合、井戸面に電界が印加されたときには、中心位
置などのずれは生ずるがしかしポテンシャルの変化は依
然として２次曲線を描くので、この単一量子井戸に閉じ
込められている重い正孔，軽い正孔はいずれも２次曲線
で変化するポテンシャルを感ずるのみであって、ド・ブ
ロイ波の左右対称性は崩れず、エネルギーシフト量の実
効質量依存性がなくなるためである。
【００１９】１ｅ−１ｈｈ遷移および１ｅ−１ｌｈ遷移
に対応するエネルギーのシフト量が略等しいので、吸収
端近傍における吸収係数の変化と屈折率の変化は、１ｅ
−１ｈｈ遷移後の吸収ピークシフトの影響と同時に、１
ｅ−１ｌｈ遷移の吸収ピークシフトの影響も受けるよう
になる。そして、この１ｅ−１ｌｈ遷移はＴＥモード
光，ＴＭモード光のいずれにも相互作用するので、この
量子井戸構造の基礎吸収端における吸収係数の変化と屈
折率の変化はＴＭモード光に対しても起こり得るように
なり、従来の矩形型量子井戸構造の場合に比べて偏波依
存性は少なくなる。
に対応するエネルギーのシフト量が略等しいので、吸収
端近傍における吸収係数の変化と屈折率の変化は、１ｅ
−１ｈｈ遷移後の吸収ピークシフトの影響と同時に、１
ｅ−１ｌｈ遷移の吸収ピークシフトの影響も受けるよう
になる。そして、この１ｅ−１ｌｈ遷移はＴＥモード
光，ＴＭモード光のいずれにも相互作用するので、この
量子井戸構造の基礎吸収端における吸収係数の変化と屈
折率の変化はＴＭモード光に対しても起こり得るように
なり、従来の矩形型量子井戸構造の場合に比べて偏波依
存性は少なくなる。
【００２０】したがって、前記した２次曲線を描く量子
閉じ込めポテンシャルの構造と使用波長を選定すれば、
吸収係数の変化と屈折率の変化を偏波無依存にすること
ができるようになる。
閉じ込めポテンシャルの構造と使用波長を選定すれば、
吸収係数の変化と屈折率の変化を偏波無依存にすること
ができるようになる。
【００２１】
【実施例】ｎ+ ＧａＡｓ基板の上にｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ
0.7 Ａｓから成る下部クラッド層を形成した。更にこの
下部クラッド層の上に、図２で示した構造の単一量子井
戸を厚みが３５ＭＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層を介
して１７周期堆積した量子井戸構造の導波路層を形成
し、更にその上にｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7Ａｓから成る上
部クラッド層を形成したのちその上面に上部電極を、ま
た基板の裏側に下部電極をそれぞれ装荷して本発明の光
機能素子とした。
0.7 Ａｓから成る下部クラッド層を形成した。更にこの
下部クラッド層の上に、図２で示した構造の単一量子井
戸を厚みが３５ＭＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層を介
して１７周期堆積した量子井戸構造の導波路層を形成
し、更にその上にｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7Ａｓから成る上
部クラッド層を形成したのちその上面に上部電極を、ま
た基板の裏側に下部電極をそれぞれ装荷して本発明の光
機能素子とした。
【００２２】上・下電極間に電界を印加して、温度８０
Ｋにおけるこの素子の励起子吸収ピークエネルギーと印
加電界との関係を調べた。比較のために、厚みが４４Ｍ
ＬのＧａＡｓを２０ＭＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層
を介して２５周期積層した従来の矩形型量子井戸構造で
導波路層を形成した素子を製造し、それについても同様
の関係を調べた。
Ｋにおけるこの素子の励起子吸収ピークエネルギーと印
加電界との関係を調べた。比較のために、厚みが４４Ｍ
ＬのＧａＡｓを２０ＭＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層
を介して２５周期積層した従来の矩形型量子井戸構造で
導波路層を形成した素子を製造し、それについても同様
の関係を調べた。
【００２３】以上の結果を図３に示した。図中、Ｂ群が
本発明の素子を示し、Ｃ群が比較例の素子を示す。ま
た、図中、○印，□印および●印は、それぞれ１ｅ−１
ｈｈ遷移，１ｅ−１ｌｈ遷移，１ｅ−２ｈｈ遷移に対応
するエネルギーを表す。図３から明らかなように、比較
例の量子井戸構造では１ｅ−１ｌｈ遷移のシフトは１ｅ
−１ｈｈ遷移のシフトに比べて小さいが、本発明の量子
井戸構造では１ｅ−１ｌｈ遷移のシフトと１ｅ−１ｈｈ
遷移のシフトは略等しくなっている。
本発明の素子を示し、Ｃ群が比較例の素子を示す。ま
た、図中、○印，□印および●印は、それぞれ１ｅ−１
ｈｈ遷移，１ｅ−１ｌｈ遷移，１ｅ−２ｈｈ遷移に対応
するエネルギーを表す。図３から明らかなように、比較
例の量子井戸構造では１ｅ−１ｌｈ遷移のシフトは１ｅ
−１ｈｈ遷移のシフトに比べて小さいが、本発明の量子
井戸構造では１ｅ−１ｌｈ遷移のシフトと１ｅ−１ｈｈ
遷移のシフトは略等しくなっている。
【００２４】つぎに、本発明の上記素子で導波路層の長
さを４４８μｍとしたプレーナ導波路型光スイッチを製
造し、上・下電極間に電圧を印加して８４４ｎｍのＴＥ
モード光とＴＭモード光を用いたときの出力パワーの変
化を調べた。その結果を図４に示した。図中、○印はＴ
Ｅモード光，□印はＴＭモード光を表す。図４から明ら
かなように、3.５Ｖの電圧を印加することにより、ＴＥ
モード光，ＴＭモード光のいずれもが約１０ｄＢの消光
比でスイッチングされている。
さを４４８μｍとしたプレーナ導波路型光スイッチを製
造し、上・下電極間に電圧を印加して８４４ｎｍのＴＥ
モード光とＴＭモード光を用いたときの出力パワーの変
化を調べた。その結果を図４に示した。図中、○印はＴ
Ｅモード光，□印はＴＭモード光を表す。図４から明ら
かなように、3.５Ｖの電圧を印加することにより、ＴＥ
モード光，ＴＭモード光のいずれもが約１０ｄＢの消光
比でスイッチングされている。
【００２５】なお、前記した従来の矩形型量子井戸構造
を有する光スイッチの場合は、使用可能な光の波長は長
波長側にずれ、しかも１０Ｖ以上の電圧印加によっても
ＴＥモード光とＴＭ光モード光のスイッチング特性は発
現しない。図５は本発明の素子構造を有する方向性結合
器型光スイッチを示す斜視図である。
を有する光スイッチの場合は、使用可能な光の波長は長
波長側にずれ、しかも１０Ｖ以上の電圧印加によっても
ＴＥモード光とＴＭ光モード光のスイッチング特性は発
現しない。図５は本発明の素子構造を有する方向性結合
器型光スイッチを示す斜視図である。
【００２６】図において、ｎ+ 型ＧａＡｓ基板２の上に
ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓから成る下部クラッド層３が
順次形成され、更にその上に図２で示した構造の量子井
戸を３５ＭＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層を介して１
７周期積層して成る導波路層４が形成される。そして、
この導波路層４の上には、ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓか
ら成る材料で２本の上部クラッド層５ａ，５ｂがエバネ
ッセント結合できる状態で形成され、それぞれの上面に
上部電極６ａ，６ｂが装荷され、また、基板２の裏側に
は下部電極１が装荷されている。
ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓから成る下部クラッド層３が
順次形成され、更にその上に図２で示した構造の量子井
戸を３５ＭＬのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層を介して１
７周期積層して成る導波路層４が形成される。そして、
この導波路層４の上には、ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓか
ら成る材料で２本の上部クラッド層５ａ，５ｂがエバネ
ッセント結合できる状態で形成され、それぞれの上面に
上部電極６ａ，６ｂが装荷され、また、基板２の裏側に
は下部電極１が装荷されている。
【００２７】この光スイッチの場合、一方の導波路に図
の矢印Ｌ0 のように、ＴＥモード光とＴＭモード光が共
存する光を入射すると、光は他方の導波路に結合して図
の矢印Ｌ1 のように出射する。ここで、上部電極６ａと
下部電極１との間に所定値の電圧を印加する。電極６ａ
直下の導波路層の量子井戸構造では、１ｅ−１ｈｈ遷移
と１ｅ−１ｌｈ遷移におけるエネルギーのシフトが略等
しく起こり、ＴＥモード光，ＴＭ光モード光のいずれに
対しても導波路層４の屈折率が低下する。したがって、
導波路間の結合が崩れてＬ0 として入射したＴＥモード
光，ＴＭモード光が共存する光は図の矢印Ｌ2 のように
出射する。すなわち、光路はＬ1 からＬ2 へと変化して
ここに偏波無依存の光スイッチング動作が実現する。
の矢印Ｌ0 のように、ＴＥモード光とＴＭモード光が共
存する光を入射すると、光は他方の導波路に結合して図
の矢印Ｌ1 のように出射する。ここで、上部電極６ａと
下部電極１との間に所定値の電圧を印加する。電極６ａ
直下の導波路層の量子井戸構造では、１ｅ−１ｈｈ遷移
と１ｅ−１ｌｈ遷移におけるエネルギーのシフトが略等
しく起こり、ＴＥモード光，ＴＭ光モード光のいずれに
対しても導波路層４の屈折率が低下する。したがって、
導波路間の結合が崩れてＬ0 として入射したＴＥモード
光，ＴＭモード光が共存する光は図の矢印Ｌ2 のように
出射する。すなわち、光路はＬ1 からＬ2 へと変化して
ここに偏波無依存の光スイッチング動作が実現する。
【００２８】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
半導体光機能素子は、量子閉じ込めポテンシャルがその
井戸面の中心位置に対して対称な２次曲線を描くように
変化する量子井戸構造を有しているので、１ｅ−１ｈｈ
遷移および１ｅ−１ｌｈ遷移に対応する吸収ピークシフ
トは略等しくなる。したがって、量子閉じ込めポテンシ
ャルの構造と使用波長を適宜に選定することにより、吸
収係数の変化と屈折率の変化を偏波無依存にすることが
できるので、スイッチング特性が偏波無依存である光ス
イッチを得ることができる。
半導体光機能素子は、量子閉じ込めポテンシャルがその
井戸面の中心位置に対して対称な２次曲線を描くように
変化する量子井戸構造を有しているので、１ｅ−１ｈｈ
遷移および１ｅ−１ｌｈ遷移に対応する吸収ピークシフ
トは略等しくなる。したがって、量子閉じ込めポテンシ
ャルの構造と使用波長を適宜に選定することにより、吸
収係数の変化と屈折率の変化を偏波無依存にすることが
できるので、スイッチング特性が偏波無依存である光ス
イッチを得ることができる。
【００２９】また、本発明の素子は量子井戸構造を有す
るので、低電圧で駆動し、高消光比であり、しかも形状
を小型化することができる。
るので、低電圧で駆動し、高消光比であり、しかも形状
を小型化することができる。
【図１】本発明の光機能素子に形成され、混晶半導体で
製造される量子井戸の量子閉じ込めポテンシャル図であ
る。
製造される量子井戸の量子閉じ込めポテンシャル図であ
る。
【図２】Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ／ＧａＡｓの短周期超格
子列による本発明の量子井戸の構成図である。
子列による本発明の量子井戸の構成図である。
【図３】本発明の光機能素子の励起子吸収ピークエネル
ギーと印加電界との関係図である。
ギーと印加電界との関係図である。
【図４】本発明の光機能素子の出力パワーと印加電圧と
の関係図である。
の関係図である。
【図５】本発明の量子井戸構造を有する偏波無依存方向
性結合器型光スイッチの斜視図である。
性結合器型光スイッチの斜視図である。
１ 下部電極 ２ ｎ+ 型ＧａＡｓ基板 ３ ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓの下部クラッド層 ４ 導波路層 ５ａ，５ｂ ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓの上部クラッド
層 ６ａ，６ｂ 上部電極 Ａ，Ａ’ 量子井戸面の中心位置 Ｂ 本発明素子 Ｃ 比較例素子 Ｌ0,Ｌ1,Ｌ2 光（ＴＥモード光とＴＭモード光が共
存）
層 ６ａ，６ｂ 上部電極 Ａ，Ａ’ 量子井戸面の中心位置 Ｂ 本発明素子 Ｃ 比較例素子 Ｌ0,Ｌ1,Ｌ2 光（ＴＥモード光とＴＭモード光が共
存）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−204018（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．ＱＥ−22，Ｎｏ．９, （1986）ｐｐ．1831−1836 Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ. 65，Ｎｏ．７，（1989）ｐｐ．2822− 2826 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/017 503 G02B 6/12 G02F 1/313 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (1)
- 【請求項１】 いずれもが半導体から成る基板，下部ク
ラッド層，導波路層，および上部クラッド層がこの順序
で積層され、かつ前記上部クラッド層の上に上部電極
が、また前記基板の裏側に下部電極が装荷されている半
導体光機能素子において、前記下部クラッド層，導波路
層および上部クラッド層の少なくとも１層は単一または
多重量子井戸構造を有し、前記量子井戸構造を構成する
個々の量子井戸の量子閉じ込めポテンシャルが、その量
子井戸の井戸面の中心位置に対して対称でかつ前記中心
位置からの距離の２乗に比例して変化する量子閉じ込め
ポテンシャルであることを特徴とする半導体光機能素
子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3001469A JP3033604B2 (ja) | 1991-01-10 | 1991-01-10 | 半導体光機能素子 |
| US07/726,572 US5153687A (en) | 1991-01-10 | 1991-07-08 | Semiconductor optical functional device with parabolic wells |
| CA002046575A CA2046575C (en) | 1991-01-10 | 1991-07-09 | Semiconductor optical functional device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3001469A JP3033604B2 (ja) | 1991-01-10 | 1991-01-10 | 半導体光機能素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04250428A JPH04250428A (ja) | 1992-09-07 |
| JP3033604B2 true JP3033604B2 (ja) | 2000-04-17 |
Family
ID=11502324
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3001469A Expired - Lifetime JP3033604B2 (ja) | 1991-01-10 | 1991-01-10 | 半導体光機能素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5153687A (ja) |
| JP (1) | JP3033604B2 (ja) |
| CA (1) | CA2046575C (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5475341A (en) * | 1992-06-01 | 1995-12-12 | Yale University | Sub-nanoscale electronic systems and devices |
| US6320200B1 (en) * | 1992-06-01 | 2001-11-20 | Yale University | Sub-nanoscale electronic devices and processes |
| US5508829A (en) * | 1992-12-18 | 1996-04-16 | International Business Machines Corporation | LTG AlGaAs non-linear optical material and devices fabricated therefrom |
| GB9415643D0 (en) * | 1994-08-03 | 1994-09-21 | Northern Telecom Ltd | Polarisation-insensitive optical modulators |
| DE19520473A1 (de) * | 1995-06-03 | 1996-12-05 | Bosch Gmbh Robert | Elektrooptischer Modulator |
| US5608566A (en) * | 1995-08-11 | 1997-03-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Multi-directional electro-optic switch |
| US5647029A (en) * | 1995-11-27 | 1997-07-08 | Lucent Technologies Inc. | Traveling wave quantum well waveguide modulators using velocity matching for improved frequency performance |
| US5987048A (en) * | 1996-07-26 | 1999-11-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Gallium nitride-based compound semiconductor laser and method of manufacturing the same |
| US6075254A (en) * | 1998-02-06 | 2000-06-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Polarization insensitive/independent semiconductor waveguide modulator using tensile stressors |
| US6528827B2 (en) | 2000-11-10 | 2003-03-04 | Optolynx, Inc. | MSM device and method of manufacturing same |
| US9640716B2 (en) | 2015-07-28 | 2017-05-02 | Genesis Photonics Inc. | Multiple quantum well structure and method for manufacturing the same |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5498587A (en) * | 1978-01-20 | 1979-08-03 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor light switch |
| JPS60149030A (ja) * | 1983-12-21 | 1985-08-06 | Nec Corp | 光スイツチ |
| US4716449A (en) * | 1984-03-14 | 1987-12-29 | American Telephone And Telegraph Company At&T Bell Laboratories | Nonlinear and bistable optical device |
-
1991
- 1991-01-10 JP JP3001469A patent/JP3033604B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1991-07-08 US US07/726,572 patent/US5153687A/en not_active Expired - Lifetime
- 1991-07-09 CA CA002046575A patent/CA2046575C/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．ＱＥ−２２，Ｎｏ．９，（１９８６）ｐｐ．１８３１−１８３６ |
| Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．７，（１９８９）ｐｐ．２８２２−２８２６ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2046575C (en) | 2001-09-25 |
| CA2046575A1 (en) | 1992-07-11 |
| JPH04250428A (ja) | 1992-09-07 |
| US5153687A (en) | 1992-10-06 |
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