JP3087129B2 - 光変調器 - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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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
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- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速動作が可能な光変
調器に関する。一般に、半導体材料に電界を加えると光
の吸収係数や屈折率が変化することが知られ、現在、そ
の効果を利用した半導体光素子の一つとして光変調器が
開発されている。然しながら、実用化するには多くの問
題があり、例えば高速性を向上させることもその一つで
ある。
調器に関する。一般に、半導体材料に電界を加えると光
の吸収係数や屈折率が変化することが知られ、現在、そ
の効果を利用した半導体光素子の一つとして光変調器が
開発されている。然しながら、実用化するには多くの問
題があり、例えば高速性を向上させることもその一つで
ある。
【０００２】
【従来の技術】図６は光吸収型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ
系光変調器の従来例を説明する為の要部斜面図を表して
いる。図に於いて、１はｎ−ＩｎＰ基板、２はＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層、３はｐ−ＩｎＰクラッド層、４はＡｕＧ
ｅからなる電極、５はＡｕＺｎからなる電極をそれぞれ
示している。尚、光吸収層２を構成するＩｎＧａＡｓ
は、実際には、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを用いている。こ
の光変調器では、図に矢印で示してあるように、光吸収
層２に於ける一方の端面からレーザ光を入射し、他方の
端面から出射するようにしている。
系光変調器の従来例を説明する為の要部斜面図を表して
いる。図に於いて、１はｎ−ＩｎＰ基板、２はＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層、３はｐ−ＩｎＰクラッド層、４はＡｕＧ
ｅからなる電極、５はＡｕＺｎからなる電極をそれぞれ
示している。尚、光吸収層２を構成するＩｎＧａＡｓ
は、実際には、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを用いている。こ
の光変調器では、図に矢印で示してあるように、光吸収
層２に於ける一方の端面からレーザ光を入射し、他方の
端面から出射するようにしている。
【０００３】図７及び図８は図６に見られる光変調器の
動作を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを
表し、図６に於いて用いた記号と同記号は同部分を表す
か或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、ＥV
は価電子帯の頂、ＥC は伝導帯の底、ｈνは入力光のエ
ネルギをそれぞれ示している。
動作を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを
表し、図６に於いて用いた記号と同記号は同部分を表す
か或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、ＥV
は価電子帯の頂、ＥC は伝導帯の底、ｈνは入力光のエ
ネルギをそれぞれ示している。
【０００４】図７は電界が印加されていない場合に於け
るエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、図示されて
いるように、禁制帯は傾斜していない。この場合、価電
子帯に存在する電子が伝導帯に遷移する為には、禁制帯
幅のエネルギに相当する振動数の光を吸収することが必
要である。
るエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、図示されて
いるように、禁制帯は傾斜していない。この場合、価電
子帯に存在する電子が伝導帯に遷移する為には、禁制帯
幅のエネルギに相当する振動数の光を吸収することが必
要である。
【０００５】図８は電界を印加した場合に於けるエネル
ギ・バンド・ダイヤグラムを表し、図示されているよう
に、禁制帯は傾斜している。この場合、禁制帯には、価
電子帯及び伝導帯のそれぞれからトンネル効果に依って
電子の波動関数が滲み出してくる。従って、点Ｆ１に存
在する電子は禁制帯幅のエネルギに比較して小さいエネ
ルギの光を吸収することで容易に点Ｆ２に励起され、且
つ、伝導帯へと遷移することができる。図７及び図８に
ついて説明した現象は、光吸収スペクトルが裾を引いて
吸収端がシフトする原因となるものである。
ギ・バンド・ダイヤグラムを表し、図示されているよう
に、禁制帯は傾斜している。この場合、禁制帯には、価
電子帯及び伝導帯のそれぞれからトンネル効果に依って
電子の波動関数が滲み出してくる。従って、点Ｆ１に存
在する電子は禁制帯幅のエネルギに比較して小さいエネ
ルギの光を吸収することで容易に点Ｆ２に励起され、且
つ、伝導帯へと遷移することができる。図７及び図８に
ついて説明した現象は、光吸収スペクトルが裾を引いて
吸収端がシフトする原因となるものである。
【０００６】図９は同じく図６に見られる光変調器の動
作を説明する為の線図であり、横軸にはエネルギを、ま
た、縦軸には光吸収係数をそれぞれ採ってある。図に於
いて、Ｌはレーザ光のエネルギ、ＰABは電界の非印加状
態に於ける光吸収端、ΔＥはエネルギ差をそれぞれ示
し、また、実線は電界の非印加状態に於ける光吸収層２
の光吸収スペクトルを、そして、破線は電界の印加状態
に於ける光吸収層２の光吸収スペクトルをそれぞれ表し
ている。図から判るように、電界を加えると、光吸収端
が低エネルギ側にシフトしてレーザ光を吸収するように
なる為、電界の印加及び非印加に依ってレーザ光を変調
することができ、また、光吸収に依って生成された電子
と正孔は、電界が印加されていることから、速やかに掃
き出されるので高速動作が可能であるとされている。
作を説明する為の線図であり、横軸にはエネルギを、ま
た、縦軸には光吸収係数をそれぞれ採ってある。図に於
いて、Ｌはレーザ光のエネルギ、ＰABは電界の非印加状
態に於ける光吸収端、ΔＥはエネルギ差をそれぞれ示
し、また、実線は電界の非印加状態に於ける光吸収層２
の光吸収スペクトルを、そして、破線は電界の印加状態
に於ける光吸収層２の光吸収スペクトルをそれぞれ表し
ている。図から判るように、電界を加えると、光吸収端
が低エネルギ側にシフトしてレーザ光を吸収するように
なる為、電界の印加及び非印加に依ってレーザ光を変調
することができ、また、光吸収に依って生成された電子
と正孔は、電界が印加されていることから、速やかに掃
き出されるので高速動作が可能であるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】図６乃至図９について
説明した光変調器のように光吸収層として半導体バルク
を用いたものに於いては次のような欠点がある。一般
に、種類を異にする半導体層を積層した界面には、物質
の相互拡散に依って両者が混じり合った遷移層が生成さ
れてしまう。例えば、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの界面に
於いては、五族元素であるＡｓとＰの相互拡散が起こり
易く、通常、６００〔℃〕の低温で、２〔時間〕から３
〔時間〕程度の短い結晶成長中に於いても界面のエネル
ギ・バンドは変化する。
説明した光変調器のように光吸収層として半導体バルク
を用いたものに於いては次のような欠点がある。一般
に、種類を異にする半導体層を積層した界面には、物質
の相互拡散に依って両者が混じり合った遷移層が生成さ
れてしまう。例えば、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの界面に
於いては、五族元素であるＡｓとＰの相互拡散が起こり
易く、通常、６００〔℃〕の低温で、２〔時間〕から３
〔時間〕程度の短い結晶成長中に於いても界面のエネル
ギ・バンドは変化する。
【０００８】図１０はＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの界面に
遷移層が生成されることを説明する為のエネルギ・バン
ド・ダイヤグラムを表し、図６乃至図８に於いて用いた
記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つも
のとする。図に於いて、ＩＦはｎ−ＩｎＰ基板１とＩｎ
ＧａＡｓ光吸収層２との実際の界面、１ＡはＩｎＰにＡ
ｓが拡散して生成されたＩｎＡｓＰからなる遷移層、２
ＡはＩｎＧａＡｓにＰが拡散して生成されたＩｎＧａＡ
ｓＰからなる遷移層をそれぞれ示している。図から明ら
かなように、界面ＩＦ近傍に遷移層１Ａ及び２Ａが生成
されることで、エネルギ・バンドは変化してしまう。
遷移層が生成されることを説明する為のエネルギ・バン
ド・ダイヤグラムを表し、図６乃至図８に於いて用いた
記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つも
のとする。図に於いて、ＩＦはｎ−ＩｎＰ基板１とＩｎ
ＧａＡｓ光吸収層２との実際の界面、１ＡはＩｎＰにＡ
ｓが拡散して生成されたＩｎＡｓＰからなる遷移層、２
ＡはＩｎＧａＡｓにＰが拡散して生成されたＩｎＧａＡ
ｓＰからなる遷移層をそれぞれ示している。図から明ら
かなように、界面ＩＦ近傍に遷移層１Ａ及び２Ａが生成
されることで、エネルギ・バンドは変化してしまう。
【０００９】この場合、ＩｎＡｓＰ遷移層１Ａが生成さ
れることは問題であって、そのバンド・ギャップ・エネ
ルギは大変に小さい。このように、バンド・ギャップ・
エネルギが小さいと、図７乃至図８について説明した現
象と全く同じそれが現れることになる。即ち、価電子帯
の電子は小さいエネルギの光を吸収することで容易に伝
導帯へと遷移するのである。通常、前記物質の相互拡散
は結晶内で均一には起こらないので、光吸収スペクトル
は裾を引くことになる。
れることは問題であって、そのバンド・ギャップ・エネ
ルギは大変に小さい。このように、バンド・ギャップ・
エネルギが小さいと、図７乃至図８について説明した現
象と全く同じそれが現れることになる。即ち、価電子帯
の電子は小さいエネルギの光を吸収することで容易に伝
導帯へと遷移するのである。通常、前記物質の相互拡散
は結晶内で均一には起こらないので、光吸収スペクトル
は裾を引くことになる。
【００１０】図１１は図９と同様なエネルギ対光吸収係
数の関係を表す線図であり、図９に於いて用いた記号と
同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとす
る。図に於いて、Ｅ1Aは物質の相互拡散で生成された遷
移層に起因する光吸収スペクトルの裾を示している。
数の関係を表す線図であり、図９に於いて用いた記号と
同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとす
る。図に於いて、Ｅ1Aは物質の相互拡散で生成された遷
移層に起因する光吸収スペクトルの裾を示している。
【００１１】ところで、この場合に現れる光吸収スペク
トルの裾Ｅ1Aは、物質の相互拡散が無い場合に比較して
非常に滑らかであることから、印加電界に対する光吸収
係数の変化は極めて小さくなってしまう。そこで、要求
される光吸収係数を得る為には、印加する電界を大きく
しなければならないが、高速のパルス電界の振幅には限
界があり、例えば、１０〔ＧＨｚ〕で振幅２〔Ｖ〕程度
である。従って、この種の半導体光素子の高速化も制限
されることになる。
トルの裾Ｅ1Aは、物質の相互拡散が無い場合に比較して
非常に滑らかであることから、印加電界に対する光吸収
係数の変化は極めて小さくなってしまう。そこで、要求
される光吸収係数を得る為には、印加する電界を大きく
しなければならないが、高速のパルス電界の振幅には限
界があり、例えば、１０〔ＧＨｚ〕で振幅２〔Ｖ〕程度
である。従って、この種の半導体光素子の高速化も制限
されることになる。
【００１２】前記説明した光変調器は光吸収層に半導体
バルクを用いたものであるが、これを異なる二種類の半
導体層を交互に積層した量子井戸に代替する試みがなさ
れている。その動作原理は既出の光変調器と略同様であ
るが、量子井戸特有のエネルギ・バンドに起因し、その
特性は変わってくる。
バルクを用いたものであるが、これを異なる二種類の半
導体層を交互に積層した量子井戸に代替する試みがなさ
れている。その動作原理は既出の光変調器と略同様であ
るが、量子井戸特有のエネルギ・バンドに起因し、その
特性は変わってくる。
【００１３】図１２は光吸収層に量子井戸を用いた光変
調器に電圧を印加した状態に於けるエネルギ・バンド・
ダイヤグラムを表し、図７、図８、図１０に於いて用い
た記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つ
ものとする。図に於いて、１１はｐ側ＩｎＰバリヤ層、
１２はＩｎＧａＡｓ井戸層、１３はｎ側ＩｎＰバリヤ
層、１４は正孔の分布、１５は電子の分布をそれぞれ示
している。図示のような量子井戸に於いては、二次元の
キャリヤ閉じ込め効果に依って、励起子の振動子強度が
極めて大、従って、光を吸収する確率が極めて高くな
り、これは吸収端のピークとして観測される。
調器に電圧を印加した状態に於けるエネルギ・バンド・
ダイヤグラムを表し、図７、図８、図１０に於いて用い
た記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つ
ものとする。図に於いて、１１はｐ側ＩｎＰバリヤ層、
１２はＩｎＧａＡｓ井戸層、１３はｎ側ＩｎＰバリヤ
層、１４は正孔の分布、１５は電子の分布をそれぞれ示
している。図示のような量子井戸に於いては、二次元の
キャリヤ閉じ込め効果に依って、励起子の振動子強度が
極めて大、従って、光を吸収する確率が極めて高くな
り、これは吸収端のピークとして観測される。
【００１４】図１３は図１２について説明した光変調器
に於けるエネルギ対光吸収係数の関係を表す線図であ
り、図９或いは図１１に於いて用いた記号と同記号は同
部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於
いて、Ｐ１及びＰ２は吸収端に於けるピークをそれぞれ
示し、そして、実線は電界の非印加状態に於ける光吸収
層の光吸収スペクトルを、また、破線は電界の印加状態
に於ける光吸収層の光吸収スペクトルをそれぞれ表して
いる。一般に、量子井戸に於いて、励起子を構成する電
子と正孔は、電界を印加しても電位障壁に依って井戸内
に閉じ込められることから、励起子はイオン化されるこ
となく存在する。従って、図１３で明らかであるが、電
界を印加した状態であっても、吸収端のピークＰ２で示
されているように大きな光吸収係数を維持する。
に於けるエネルギ対光吸収係数の関係を表す線図であ
り、図９或いは図１１に於いて用いた記号と同記号は同
部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於
いて、Ｐ１及びＰ２は吸収端に於けるピークをそれぞれ
示し、そして、実線は電界の非印加状態に於ける光吸収
層の光吸収スペクトルを、また、破線は電界の印加状態
に於ける光吸収層の光吸収スペクトルをそれぞれ表して
いる。一般に、量子井戸に於いて、励起子を構成する電
子と正孔は、電界を印加しても電位障壁に依って井戸内
に閉じ込められることから、励起子はイオン化されるこ
となく存在する。従って、図１３で明らかであるが、電
界を印加した状態であっても、吸収端のピークＰ２で示
されているように大きな光吸収係数を維持する。
【００１５】ところで、量子井戸であっても、異なる半
導体層の界面では物質の相互拡散は起こっている。図１
４はＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの界面に遷移層が生成され
ることを説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラム
を表し、図１２に於いて用いた記号と同記号は同部分を
表すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、
１１ＡはＩｎＡｓＰからなる遷移層、１２ＡはＩｎＧａ
ＡｓＰからなる遷移層、１３ＡはＩｎＡｓＰからなる遷
移層をそれぞれ示している。前記したように、バリヤ層
１１やバリヤ層１３と井戸層１２との界面には遷移層１
１Ａ，１２Ａ，１３Ａが生成されるのであるが、バンド
・ギャップ・エネルギが低い遷移層１１Ａや１３Ａは井
戸層１２との相互作用が大きい為、全体として一つの量
子準位が生成され、光吸収スペクトルの裾は発生しな
い。
導体層の界面では物質の相互拡散は起こっている。図１
４はＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの界面に遷移層が生成され
ることを説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラム
を表し、図１２に於いて用いた記号と同記号は同部分を
表すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、
１１ＡはＩｎＡｓＰからなる遷移層、１２ＡはＩｎＧａ
ＡｓＰからなる遷移層、１３ＡはＩｎＡｓＰからなる遷
移層をそれぞれ示している。前記したように、バリヤ層
１１やバリヤ層１３と井戸層１２との界面には遷移層１
１Ａ，１２Ａ，１３Ａが生成されるのであるが、バンド
・ギャップ・エネルギが低い遷移層１１Ａや１３Ａは井
戸層１２との相互作用が大きい為、全体として一つの量
子準位が生成され、光吸収スペクトルの裾は発生しな
い。
【００１６】この量子井戸を用いた光変調器には、物質
の相互拡散に起因する問題は解消されるのであるが、新
たに別な問題が派生する。即ち、生成された電子と正孔
を印加電界に依っては掃き出すことができず、井戸内に
滞留するような状態となることから、光吸収係数を回復
させるのに再結合時間に相当するナノ秒オーダの長い時
間を必要とすることである。
の相互拡散に起因する問題は解消されるのであるが、新
たに別な問題が派生する。即ち、生成された電子と正孔
を印加電界に依っては掃き出すことができず、井戸内に
滞留するような状態となることから、光吸収係数を回復
させるのに再結合時間に相当するナノ秒オーダの長い時
間を必要とすることである。
【００１７】このように、従来の光変調器では、光吸収
層に半導体バルク及び量子井戸の何れを用いても高速化
の面で問題があった。本発明は、光吸収層に量子井戸を
用いた光変調器の構成に簡単な改変を加えることで、量
子井戸に生成された電子や正孔を速やかに掃き出すこと
ができるようにする。
層に半導体バルク及び量子井戸の何れを用いても高速化
の面で問題があった。本発明は、光吸収層に量子井戸を
用いた光変調器の構成に簡単な改変を加えることで、量
子井戸に生成された電子や正孔を速やかに掃き出すこと
ができるようにする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理を説
明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムであり、電
界が印加されていない状態を表している。図に於いて、
２１は障壁層、２２は井戸層、２３は障壁層、ＥV1は従
来の量子井戸に於ける価電子帯の頂、ＥV2は本発明の量
子井戸に於ける価電子帯の頂、ＥC1は従来の量子井戸に
於ける伝導帯の底、ＥC2は本発明の量子井戸に於ける伝
導帯の底、Ｅg1及びＥg3は従来の量子井戸に於ける井戸
層２２と障壁層２３との間の電位障壁の高さ、Ｅg2及び
Ｅg4は本発明の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２
３との間の電位障壁の高さをそれぞれ示している。
明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムであり、電
界が印加されていない状態を表している。図に於いて、
２１は障壁層、２２は井戸層、２３は障壁層、ＥV1は従
来の量子井戸に於ける価電子帯の頂、ＥV2は本発明の量
子井戸に於ける価電子帯の頂、ＥC1は従来の量子井戸に
於ける伝導帯の底、ＥC2は本発明の量子井戸に於ける伝
導帯の底、Ｅg1及びＥg3は従来の量子井戸に於ける井戸
層２２と障壁層２３との間の電位障壁の高さ、Ｅg2及び
Ｅg4は本発明の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２
３との間の電位障壁の高さをそれぞれ示している。
【００１９】図から明らかであるが、本発明に於ける量
子井戸と従来のそれとでは、電位障壁の高さが相違して
いる。従来の量子井戸では、井戸層２２に印加される電
圧Ｖ〔ｍＶ〕と電位障壁Ｅg1及び電位障壁Ｅg3との間に
は、 Ｅg1，Ｅg3＞Ｖ なる関係が成り立っている。
子井戸と従来のそれとでは、電位障壁の高さが相違して
いる。従来の量子井戸では、井戸層２２に印加される電
圧Ｖ〔ｍＶ〕と電位障壁Ｅg1及び電位障壁Ｅg3との間に
は、 Ｅg1，Ｅg3＞Ｖ なる関係が成り立っている。
【００２０】図２は図１について説明した従来の量子井
戸に電界を印加した状態を表すエネルギ・バンド・ダイ
ヤグラムであり、図１に於いて用いた記号と同記号は同
部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於
いて、Ｖは井戸層２２に印加した電圧を示している。こ
の場合、井戸層２２内の電子及び正孔は容易には抜け出
すことができない。
戸に電界を印加した状態を表すエネルギ・バンド・ダイ
ヤグラムであり、図１に於いて用いた記号と同記号は同
部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於
いて、Ｖは井戸層２２に印加した電圧を示している。こ
の場合、井戸層２２内の電子及び正孔は容易には抜け出
すことができない。
【００２１】図３は図１について説明した本発明の量子
井戸に電界を印加した状態を表すエネルギ・バンド・ダ
イヤグラムであり、図１に於いて用いた記号と同記号は
同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。本発
明の量子井戸では、井戸層２２に印加される電圧Ｖ〔ｍ
Ｖ〕と電位障壁Ｅg2及び電位障壁Ｅg4との間には、 Ｅg2，Ｅg4＜Ｖ なる関係が成り立っている。前記したようなことから、
量子井戸内の電子と正孔は、印加された電界の作用で速
やかに掃き出され、従って、高速動作が可能である。
尚、前記したように、電位障壁Ｅg2及びＥg4が低くて
も、基底状態の量子準位が必ず生成されるから問題はな
い。
井戸に電界を印加した状態を表すエネルギ・バンド・ダ
イヤグラムであり、図１に於いて用いた記号と同記号は
同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。本発
明の量子井戸では、井戸層２２に印加される電圧Ｖ〔ｍ
Ｖ〕と電位障壁Ｅg2及び電位障壁Ｅg4との間には、 Ｅg2，Ｅg4＜Ｖ なる関係が成り立っている。前記したようなことから、
量子井戸内の電子と正孔は、印加された電界の作用で速
やかに掃き出され、従って、高速動作が可能である。
尚、前記したように、電位障壁Ｅg2及びＥg4が低くて
も、基底状態の量子準位が必ず生成されるから問題はな
い。
【００２２】従って、本発明に依る光変調器に於いて
は、 （１）障壁層並びに井戸層を交互に積層して形成され且
つ光が入射される量子井戸を備え、前記量子井戸の伝導
帯の底に於ける障壁層と井戸層との間の電位障壁高さを
ＥcB〔mｅＶ〕且つ価電子帯の頂に於ける障壁層と井戸
層との間の電位障壁高さをＥVB〔mｅＶ〕とすると共に
電界を印加した際の井戸層一層に於ける電位降下をＶ
〔mＶ〕として ＥCB＜Ｖ，ＥVB＜Ｖ が成り立つことを特徴とするか、或いは、 （２）前記（１）に於いて、障壁層を構成する材料がＩ
ｎ1-x'Ｇａx'Ａｓy'Ｐ1-y'であると共に井戸層を構成す
る材料がＩｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y であって ｙ−ｙ’＜０．３ であることを特徴とする。
は、 （１）障壁層並びに井戸層を交互に積層して形成され且
つ光が入射される量子井戸を備え、前記量子井戸の伝導
帯の底に於ける障壁層と井戸層との間の電位障壁高さを
ＥcB〔mｅＶ〕且つ価電子帯の頂に於ける障壁層と井戸
層との間の電位障壁高さをＥVB〔mｅＶ〕とすると共に
電界を印加した際の井戸層一層に於ける電位降下をＶ
〔mＶ〕として ＥCB＜Ｖ，ＥVB＜Ｖ が成り立つことを特徴とするか、或いは、 （２）前記（１）に於いて、障壁層を構成する材料がＩ
ｎ1-x'Ｇａx'Ａｓy'Ｐ1-y'であると共に井戸層を構成す
る材料がＩｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y であって ｙ−ｙ’＜０．３ であることを特徴とする。
【００２３】
【作用】前記手段を採ることに依り、光変調器に印加さ
れる通常の電界の作用で、量子井戸に生成された電子や
正孔を速やかに掃き出すことが可能であり、高速性を向
上することができる。尚、前記手段に於いて、Ｉｎ1-x'
Ｇａx'Ａｓy'Ｐ1-y'からなる障壁層とＩｎ1-x Ｇａx Ａ
ｓy Ｐ1-y からなる井戸層とが「ｙ−ｙ’＜０．３」な
る関係にあることは、ＩｎＧａＡｓＰがＩｎＰに格子整
合し、且つ、エネルギ差（１５０〔ｍｅＶ〕）が全ての
組成範囲で得られるよう意図して定めたものである。
れる通常の電界の作用で、量子井戸に生成された電子や
正孔を速やかに掃き出すことが可能であり、高速性を向
上することができる。尚、前記手段に於いて、Ｉｎ1-x'
Ｇａx'Ａｓy'Ｐ1-y'からなる障壁層とＩｎ1-x Ｇａx Ａ
ｓy Ｐ1-y からなる井戸層とが「ｙ−ｙ’＜０．３」な
る関係にあることは、ＩｎＧａＡｓＰがＩｎＰに格子整
合し、且つ、エネルギ差（１５０〔ｍｅＶ〕）が全ての
組成範囲で得られるよう意図して定めたものである。
【００２４】
【実施例】図４は本発明一実施例を説明する為のエネル
ギ・バンド・ダイヤグラムを表している。図に於いて、
３１はＩｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y 障壁層、３２はＩｎ
1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y 井戸層、３３はＩｎ1-x Ｇａx
Ａｓy Ｐ1-y 障壁層を示している。図示された量子井戸
は、例えば有機金属化学気相堆積（ｍｅｔａｌｏｒｇａ
ｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法を適用することに依ってＩ
ｎＰ基板上に成長させるものであり、障壁層３１及び３
３、井戸層３２は全てＩｎＰに格子整合していて、厚さ
は全て１０〔ｎｍ〕である。障壁層３１及び３３の組成
はｘ＝０. ２９、ｙ＝０. ６２であり、そして、井戸層
３２の組成はｘ＝０. ４２、ｙ＝０. ９である。
ギ・バンド・ダイヤグラムを表している。図に於いて、
３１はＩｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y 障壁層、３２はＩｎ
1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y 井戸層、３３はＩｎ1-x Ｇａx
Ａｓy Ｐ1-y 障壁層を示している。図示された量子井戸
は、例えば有機金属化学気相堆積（ｍｅｔａｌｏｒｇａ
ｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法を適用することに依ってＩ
ｎＰ基板上に成長させるものであり、障壁層３１及び３
３、井戸層３２は全てＩｎＰに格子整合していて、厚さ
は全て１０〔ｎｍ〕である。障壁層３１及び３３の組成
はｘ＝０. ２９、ｙ＝０. ６２であり、そして、井戸層
３２の組成はｘ＝０. ４２、ｙ＝０. ９である。
【００２５】このような構成にした場合、 Ｅg2＝６０〔ｍｅＶ〕 Ｅg4＝９０〔ｍｅＶ〕 が得られ、また、伝導帯の底ＥC から２５〔ｍｅＶ〕の
ところに電子の基底量子準位が、また、価電子帯の頂Ｅ
V から５〔ｍｅＶ〕のところに正孔の基底量子準位がそ
れぞれ生成される。
ところに電子の基底量子準位が、また、価電子帯の頂Ｅ
V から５〔ｍｅＶ〕のところに正孔の基底量子準位がそ
れぞれ生成される。
【００２６】図５は図４に示した量子井戸を１０周期分
積層した多重量子井戸の光吸収スペクトルを表す線図で
あり、図９に於いて用いた記号と同記号は同部分を表す
か或いは同じ意味を持つものとする。図から明らかなよ
うに、電界を印加しない場合、吸収端は鋭く立ち上が
り、界面遷移層の影響は見られない。吸収端と光通信用
半導体レーザの波長１. ５５〔μｍ〕との差は約２０
〔ｍｅＶ〕と小さいが、吸収端は略０に抑えられてい
る。この量子井戸を１０周期分積層して厚さ２００〔ｎ
ｍ〕として多重量子井戸をｐ型ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＰ層
とで挟んでダイオードとし、図６に見られるような導波
路型の光変調器を作成したところ、動作電圧２〔Ｖ〕で
１０〔ＧＨｚ〕の高速動作を行うことができた。
積層した多重量子井戸の光吸収スペクトルを表す線図で
あり、図９に於いて用いた記号と同記号は同部分を表す
か或いは同じ意味を持つものとする。図から明らかなよ
うに、電界を印加しない場合、吸収端は鋭く立ち上が
り、界面遷移層の影響は見られない。吸収端と光通信用
半導体レーザの波長１. ５５〔μｍ〕との差は約２０
〔ｍｅＶ〕と小さいが、吸収端は略０に抑えられてい
る。この量子井戸を１０周期分積層して厚さ２００〔ｎ
ｍ〕として多重量子井戸をｐ型ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＰ層
とで挟んでダイオードとし、図６に見られるような導波
路型の光変調器を作成したところ、動作電圧２〔Ｖ〕で
１０〔ＧＨｚ〕の高速動作を行うことができた。
【００２７】
【発明の効果】本発明に依る光変調器に於いては、光が
入射される量子井戸の伝導帯の底に於ける障壁層と井戸
層との間の電位障壁高さをＥCB〔ｍｅＶ〕且つ価電子帯
の頂に於ける障壁層と井戸層との間の電位障壁高さをＥ
VB〔ｍｅＶ〕とすると共に井戸層一層に於ける電位降下
をＶ〔ｍＶ〕とした場合にＥCB＜Ｖ，ＥVB＜Ｖが成り立
つようにしてある。
入射される量子井戸の伝導帯の底に於ける障壁層と井戸
層との間の電位障壁高さをＥCB〔ｍｅＶ〕且つ価電子帯
の頂に於ける障壁層と井戸層との間の電位障壁高さをＥ
VB〔ｍｅＶ〕とすると共に井戸層一層に於ける電位降下
をＶ〔ｍＶ〕とした場合にＥCB＜Ｖ，ＥVB＜Ｖが成り立
つようにしてある。
【００２８】前記構成を採ることに依り、光変調を行わ
せる為に光変調器に印加される通常の電界の作用で、量
子井戸に生成された電子や正孔を速やかに掃き出すこと
が可能であり、高速性を向上することができる。
せる為に光変調器に印加される通常の電界の作用で、量
子井戸に生成された電子や正孔を速やかに掃き出すこと
が可能であり、高速性を向上することができる。
【図１】本発明の原理を説明する為のエネルギ・バンド
・ダイヤグラムである。
・ダイヤグラムである。
【図２】従来の量子井戸に電界を印加した状態を表すエ
ネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
ネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図３】本発明の量子井戸に電界を印加した状態を表す
エネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
エネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図４】本発明一実施例を説明する為のエネルギ・バン
ド・ダイヤグラムである。
ド・ダイヤグラムである。
【図５】図４に示した量子井戸を１０周期分積層した多
重量子井戸の光吸収スペクトルを表す線図である。
重量子井戸の光吸収スペクトルを表す線図である。
【図６】光吸収型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系光変調器の
従来例を説明する為の要部斜面図である。
従来例を説明する為の要部斜面図である。
【図７】図６に見られる光変調器の動作を説明する為の
エネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
エネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図８】図６に見られる光変調器の動作を説明する為の
エネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
エネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図９】図６に見られる光変調器の動作を説明する為の
線図である。
線図である。
【図１０】ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの界面に遷移層が生
成されることを説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤ
グラムである。
成されることを説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤ
グラムである。
【図１１】図９と同様なエネルギ対光吸収係数の関係を
表す線図である。
表す線図である。
【図１２】光吸収層に量子井戸を用いた光変調器に電圧
を印加した状態に於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラ
ムである。
を印加した状態に於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラ
ムである。
【図１３】図１２について説明した光変調器に於けるエ
ネルギ対光吸収係数の関係を表す線図である。
ネルギ対光吸収係数の関係を表す線図である。
【図１４】ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの界面に遷移層が生
成されることを説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤ
グラムである。
成されることを説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤ
グラムである。
２１ 障壁層 ２２ 井戸層 ２３ 障壁層 ３１ Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y 障壁層 ３２ Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y 井戸層 ３３ Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y 障壁層 ＥV1 従来の量子井戸に於ける価電子帯の頂 ＥV2 本発明の量子井戸に於ける価電子帯の頂 ＥC1 従来の量子井戸に於ける伝導帯の底 ＥC2 本発明の量子井戸に於ける伝導帯の底 Ｅg1 従来の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２３
との間の電位障壁の高さ Ｅg3 従来の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２３
との間の電位障壁の高さ Ｅg2 本発明の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２
３との間の電位障壁の高さ Ｅg4 本発明の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２
３との間の電位障壁の高さ Ｖ 井戸層２２に印加した電圧
との間の電位障壁の高さ Ｅg3 従来の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２３
との間の電位障壁の高さ Ｅg2 本発明の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２
３との間の電位障壁の高さ Ｅg4 本発明の量子井戸に於ける井戸層２２と障壁層２
３との間の電位障壁の高さ Ｖ 井戸層２２に印加した電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−163967（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−51813（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−245492（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−97921（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−262523（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−85227（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏ ｌ．40，Ｎｏ．１，ｐｐ．38−40（1982 ／１／１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/01 - 1/015 H01S 5/00 - 5/50
Claims (2)
- 【請求項１】障壁層並びに井戸層を交互に積層して形成
され且つ光が入射される量子井戸を備え、 前記量子井戸の伝導帯の底に於ける障壁層と井戸層との
間の電位障壁高さをＥcB〔ｅＶ〕且つ価電子帯の頂に於
ける障壁層と井戸層との間の電位障壁高さをＥVB〔ｅ
Ｖ〕とすると共に電界を印加した際の井戸層一層に於け
る電位降下をＶ〔Ｖ〕として ＥCB＜Ｖ，ＥVB＜Ｖ が成り立つことを特徴とする光変調器。 - 【請求項２】障壁層を構成する材料がＩｎ1-x'Ｇａx'Ａ
ｓy'Ｐ1-y'であると共に井戸層を構成する材料がＩｎ
1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y であって ｙ−ｙ’＜０．３ であることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03053162A JP3087129B2 (ja) | 1991-02-26 | 1991-02-26 | 光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03053162A JP3087129B2 (ja) | 1991-02-26 | 1991-02-26 | 光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04269881A JPH04269881A (ja) | 1992-09-25 |
| JP3087129B2 true JP3087129B2 (ja) | 2000-09-11 |
Family
ID=12935160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03053162A Expired - Lifetime JP3087129B2 (ja) | 1991-02-26 | 1991-02-26 | 光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3087129B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6200158B2 (ja) * | 2013-01-24 | 2017-09-20 | 古河電気工業株式会社 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
-
1991
- 1991-02-26 JP JP03053162A patent/JP3087129B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１，ｐｐ．３８−４０（１９８２／１／１） |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04269881A (ja) | 1992-09-25 |
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