JPH02244116A - 光学特性変調器および光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学特性を電気的に変化きせて、出力光の強度
や進行方向を制御するのに好適な装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、量子井戸（ＱＷ）内のキャリア濃度を変化させて
光学特性を電気的に制御する方法としては，アプライド
・フイジクス・レター　５０巻１、２号（１９８７年）
第７０８頁から７１０頁（Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌ
ｅｔｔ．　５０（１２）、１９８７，　ｐｐ７０８−７
１０）に記載の方式が知られている（第１４図（ａ）。

第１４図（ｂ）、この方式は電界効果トランジスタ（Ｆ
ＥＴ）のチャネルにＱＷ６１を用い、該ＱＷ６１に蓄積
している電子６７をゲートに負の電圧ｖ１を印加してデ
プリートさせ、該ＱＷ６１の実効的なバンドギャップを
ＥａからＥａ−へと変化させ、エネルギがＥａである光
をオン／オフしていた。

一方．ＱＷ構造が多層積層された多重量子井戸（ＭＱＷ
）構造を用いた電流制御スイッチとしては、例えば特開
昭５６　−　７６５８１号に記載の素子が知られている
（第１５図（ａ）、第１５図（ｂ））。

この素子では、高速に電流を制御するためしこ、ＦＥＴ
のチャネルにＭＱＷ７３を用い、かつ該ＭＱＷ７３の障
壁層７３２にのみ不純物７３３をドーピングし、電子７
８が蓄積されているＱＷ層７３１で、不純物７３３によ
り電子７８が散乱されるのを防いでいた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来のキャリアの濃度変化を用いた光変調法では、
光の利用効率の点についての配慮が不十分であり、単一
ＱＷ構造であるため光学特性の変化する層が薄く（〜１
０ｎｍ）、大部分の光は変調を受けずに透過してしまう
恐れがあった。

一方、従来のＭＱＷ構造を用いた電流制御スイッチでは
、光を変調することが目的ではないため、特にＭＱＷを
導波コアとして用いる場合の配慮がされておらず、光を
導波させられないという問題があった。これは、光源と
同一基板上に変調素子を形成しようとする場合は、大き
な問題である。

本発明の目的は、光利用効率の高い導波路型の光学特性
変調器を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記光学特性変調器を用いた、光
学素子を提案することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、第１−ａ図と第１−ｂ図に
示すように、量子井戸１４１と障壁層１４２が交互に複
数積層されたＭＱＷをＦＥＴのチャルとし、該ＭＱＷ１
４に不純物をドープして各ＱＷ層１４１にキャリアが、
蓄積されているようにし、かつ上記ＭＱＷ層より小さな
屈折率を有する少なくとも２つの半導体層１３１と１３
２を、該ＭＱＷ層の少なくとも積層方向に対して接して
設け、上記半導体層１３１上にゲート電極１２１と、ソ
ース電極及びドレイン電極を形成した。

本発明の他のを達成するために、本発明による光学特性
変調器を、導波路の一部に設ける構造の光学素子とした
。

〔作用〕

本発明の作用を、第２図（ａ）から第６図を用いて説明
する６本説明では、ＱＷ層に電子が蓄積されるように、
ＭＱＷ層にはドナー不純物をドーピングしたものとする
。

第２図（ａ）は、各電極に電圧を与えない場合のチャネ
ル１４６の形を示す図であり、第２図（ｂ）は、その場
合の第２図（ａ）のＡ−Ａ’断面のバンド図である。ゲ
ート電圧ＶｇがＯであるため、ＭＱＷ層１層表４成する
全てのＱＷ１４１内に２次元電子１４５が蓄積されてお
り、ＭＱＷ層１４全体がチャネル１４６となっている。

そのためＭＱＷ層１層表４様な屈折率を示す。

次に、ゲート電極１７１に負の電圧Ｖｇを印加すると、
第３図（ｂ）に示すように、ゲート電極１７１側のＱＷ
層１４３では電子が空乏化する。

そのため第２電極１６２に正電圧を印加すると、第３図
（ａ）に示したように、ＭＱＷ層１層表４、チャネル１
４６と空乏層１４７が形成される。空乏層１４７には電
子がないため、屈折率はチャネル１４６より小さい。従
ってチャネル１４６の形状に応じた屈折率分布が生ずる
。

第４図に模式的に示したように、第２図（ａ）及び第３
図（ａ）において、Ｂ−Ｂ’断面の屈折率分布は電圧に
よって変化する。そのため、光をＭＱＷ層１層表４行に
入射させると、電圧が印加されていなければ、ＭＱＷ層
１層表４折率は一様なので光は直進するが（第５図（ａ
））、各電極に所定の電圧を印加すると、屈折率に不均
一が生ずるので、光は屈折率の大きい方、すなわち空孔
層１４７からチャネル側１４６に曲がっていく（第５図
（ｂ）、入射光のエネルギをゲート電圧Ｖｇが加わって
いる場合のＭＱＷ層１層表４効的バンドギャップＥｏ’
　　より十分低くすれば、ＭＱＷ層１層表４収されるこ
とはないので、効率よく光を偏向させることができる。

偏向の向きを逆にするには、第１電極１６１と第２電極
１６２に加える電圧を逆にすればよい。

各電極に電圧を印加してキャリア濃度分布の形状を制御
するためには、チャネルにＱＷ構造を導入する必要はな
い、しかし、ＱＷ構造でない場合はキャリアは自由キャ
リアとして振舞うため、光と強く相互作用し、光を反射
してしまう。ＱＷ層内に閉じ込められた２次元キャリア
は、動きが制限されているため、光を反射することはな
い。

電圧印加でＭＱＷ層１層表４成される屈折率分布の形を
ＭＱＷ層１層表４層方向に関し対称にするには、ＭＱＷ
層１層表４側のクラッド層１３２の下側、例えば基板に
第３の電極１６２を形成し、ゲート電圧ｖ５に対応して
、負の電圧を印加すればよい。

ＭＱＷ層１層表４さを０．２μｍ以上としているために
、入射光の大部分を変調させることができ、またクラッ
ド層１３１，１３２の厚さを０．２μｍ以上としている
ので、入射光をほぼ完全にＭＱＷ層１層表４込めること
ができる。

また、第６図に示すように１ＭＱＷ層１４の吸収端は、
ゲート電圧Ｖｚで、Ｅｌから低エネルギ側のＥｏ　　に
シフトする。このシフト量は、電界でバンドが傾くこと
による変化分（Ｅｏ　　　Ｅｏ＜Ｏ）と、キャリアが空
乏化することによる変化分（Ｅｌ−Ｅｏ＜Ｏ）の和であ
る。上記２つの変化は、従来（第３図（ａ）、第３図（
ｂ））は逆向きの変化であったが、本発明では同符号で
あるので、従来より大きな値となる。バンドパラメータ
を適当に選ぶことで、室温のフォノン・エネルギ（〜２
５＠ｅＶ）２倍以上とすることができるので、極めて大
きな吸収係数の変化を得ることができる。

そのため変調光のエネルギをＥｏ’　　に選ぶことによ
り、高効率で光をオン／オフすることができる。

本発明の変調素子を導波路の一部に配置した構造とすれ
ば、光を所定の方向にのみ進行させることができるので
、より効率よく光を利用することができる。

さらに、本変調素子を光源と同一基板上に形成すれば、
光源と変調素子の光軸を一致させることができるので、
光の利用効率はより高まり、また他の素子との組合わせ
を容易に進めることができる。

一方、Ｙ字型導波路、あるいはＸ字型導波路の交点に本
変調素子を形成すれば、本素子が示す屈折率変化により
、出力側の２本の導波路のどちら側へでもスイッチさせ
ることができる。

あるいは、本変調素子をシリーズに、あるいはマトリッ
クス状に形成し、個々の素子に光のオン／オフや光路切
り替え、あるいは偏向などの動作をさせることにより、
光入力データを任意に加工することができ、光演算処理
をすることも可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。

第１図（ａ）、第１図（ｂ）は、本発明の第一の実施例
を示す装置の断面図である。図において１１は半絶縁性
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板であり、１２は０，５μｍＧａＡｓ
バッファ層であり、１３１と１３２は０．３．ｕｍ　Ａ
ｆｌＧａＡｓクラッド層であり、１４はＧａＡｓ／ＡＱ
ＧａＡｓ　　ＭＱＷコア層（０，５μｍ）である。ＭＱ
Ｗコア層の構成は。

ＧａＡｓ井戸層１４１が９ｎｍ、ＡＱＧａＡｓ障壁層１
４２が８．５ｎｍ　であり、ＧａＡｓ１４１を２９層、
Ａ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　１４２を２８層、交互に形成
した。またＭＱＷコア層には、５Ｘ１０”Ｃ１ｍ　−”
の８１をドープした。バッファ層１２から上側のクラッ
ド層１３１までは、分子線エピタキシ法で作製した。各
Ａ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層におけるＡＱ組成は０．３　
である、１６１はソース電極であり、１６２はドレイン
電極である。

これらは、真空蒸着法でＡｕＧａを付け、次にＡｕを付
けて形成した。１８はソース電極１６１とドレイン電極
１６２を形成後、熱処理で得られた５ｎ型の拡散領域で
ある。１７１はＡＱを真空蒸着して形成したゲート電極
である。

次に動作例について述べる。ゲート電圧ｖ６が０の場合
は、第２図（ａ）に示したようにＭＱＷコア層１４全体
にチャネル１４６が拡がっており、一様な屈折率を示す
ので、ＭＱＷコア層１４に層数４入射した光は直進した
（第５図（ａ）。ゲート電圧Ｖざ＝−４ｖとし、ドレイ
ンに０．２Ｖ　印加したところ、ＭＱＷコア層１４で層
数４１４７が拡がり、チャネル１４６は第３図（ａ）の
ようになり、屈折率の勾配が生じた（第４図）。そのた
めＭＱＷコア層１４に層数４入射した光は、屈折率の大
きなソース電極側へと曲がった（第５図（ｂ））。本実
施例では、チャネル１４６と空乏層１４７の屈折率差は
約２％であり、ゲート長を２００μｍ、ゲート幅１０μ
ｍとした場合、光は直進した場合に比べ、ソース電極１
６１側に約４μｍ、基板側に１μｍ曲がった。また、１
６１をドレイン電極とし、１６２をソース電極として用
いたところ、ソース電極１６２側に４μｍ、基板側に１
μｍ曲がることが確認された。

本実施例では、ゲート電圧を印した場合のＭＱＷコア層
１４の層数４Ｅｏ′（第６図）が８４０ｎｍであるので
、入射光には８７０ｎｍの光を用いた。

その結果、光はＭＱＷコア層１４に層数４吸収損失は、
はとんど認められなかった。

第２の実施例として、エネルギがＥｏ　　の光（波長８
４０ｎｍ）　をＭＱＷコア層１４に層数４せた。

本実施例の場合のＭＱＷコア層１４の層数４０．２μｍ
でありゲート長と幅は１０μｍである。

■、＝０の場合は、９０％の光が透過したが、Ｖｇ＝５
Ｖにしたところ、吸収が大きくなり（第６図）、透過し
た光は１０％以下であり、１０：１以上の消光比が得ら
れた。

第７図は、本発明の第３の実施例を示す図である。図に
おいて、１１１はｎ十型ＧａＡｓ基板であり、１２１は
０．５μｍ　ｎ＋型ＧａＡｓバッファ層である。１２１
においては、Ｓｉが５Ｘ１０１７０−３ドーピングされ
ている。クラッド層１３２より上側の部分は、実施例１
と同じ構成である。

１７２は第２ゲート電極であり、ＡｕＧｅとＡｕから成
り、形成後、熱処理を施した。本実施例では、ゲート電
極が２つ設けられているので、ＭＱＷコア層１４に形成
される空乏層の形状をより自由に制御できる。そのため
、第２ゲート電極１７２にもゲート電界１７１と同様に
、負の電圧を印加することにより、ＭＱＷコア層１４に
形成される空乏層の形状を、該ＭＱＷコア層１４の積層
方向に関し対称にすることがきた。これにより、第１の
実施例では基板側にも曲がっていた光を、本実施例では
ＭＱＷコア層に平行に出射させることができた。

第８図は、本発明の第４の実施例を示す装置の模式的断
面図である。本実施例では、第２ゲート電極１７２を、
ウェットエッチ等の方法により、ｎ＋　ＧａＡｓバッフ
ァ層１２１を露出させ、その表面に真空蒸着でＡｕＧｅ
を付け、次にＡｕを付けて形成し、熱処理を施した。本
実施例においても、上記第３の実施例と同様の効果が得
られた。

第９図は、本発明の第５の実施例を示す模式的構成図で
ある０本実施例では、第１の実施例で説明した変調素子
４１を、０．５μｍの Ａ　Ｑ　ｏ、ｘＧ　ａ　Ｏ，ＴＡ　８層を０．３　μｍ
のＡ　Ｉｉ　ｏ、ａＧ　ａ　０．７Ａ　ｓ層で挾んだ構
造の導波路４２の一部に設ける構成とした。本実施例の
様な構成とすることで、光を発散させずに所定の方向に
長距離導波できるので、変調素子４１と他の光学素子を
組合わせる自由度が多くなり、またスケールを大きくで
きるので、取扱いが容易になった。

第１０図は、本発明の第６の実施例を示す模式的構成図
である。本実施例では、第１の実施例で説明した変調素
子４１を、半導体レーザ５と同一基板上に設ける構成と
した。この様な構成とすることで、光源５と変調素子４
１の光軸を高い精度で一致させることができ、光源５か
ら出た光１９１を完全にＭＱＷコア層内に入射させるこ
とができた。そのため光軸の不一致による光の損失を無
くすることができ、本変調素子４１の有する高い光利用
効率と相まって、変調後の出力光１９２の入射光１９１
に対する比は、８０％以上であった。

さらに光源５と同一基板上に形成したことにより、他の
光学素子と光軸合わせが容易になり、組合わせ後の光利
用効率が向上した。

第１１図は、本発明の第７の実施例を示す模式的構成図
である。本実施例では、第２の実施例で説明した変調素
子を、同一基板上にシリーズに形成した。一定の強度を
有する入力光１９１が、個個の変調素子４１に入射させ
ても、各変調素子４１のゲート電圧を制御することによ
り、任意のオン／オフパターンを出力光１９２に与える
ことができた。逆に、光強度の異なる入力光１９１を入
射させて、出力光強度１９２の強度を一定にそろえるこ
ともでき、出力光強度を一定にするフィルタとして使う
ことができた。

第１２図は、本発明の第８の実施例を示す模式的構成図
である０本実施例では、第１の実施例で説明した変調素
子４１を横にｍ個、縦ｎ個、同一基板上に配した。この
ような構成とし、個々の変調素子に印加する電圧を制御
することにより、ｎ個の光入力データ（ａ）を同時に置
換する操作ができた。変調素子４１の働きを、個々の素
子の位置で偏向させるものと、オン／オフさせるものと
すれば、より高度な光演算が可能である。

第１３図は、本発明の第９の実施例を示す模式的構成図
である。本実施例では、第１の実施例で説明した変調素
子４１を、交差する第１の導波路４２１と第２の導波路
４２２の交点に設けた。変調素子４１に所定の電圧を印
加した場合は、第１の導波路４２１に入射した入力光１
９１は直進し、第１の出力光１９３が得られた。変調素
子４１に電圧を印加しないと、屈折率は大きくなるので
、光は変調素子４１で反射され、第２の出力光１９４が
得られ、光路切替えスイッチ動作が見られた。

上記第１から第９の実施例においては、ＱＷ層がＧａＡ
ｓであり、障壁層とクラッド層がＡＱＧａＡｓの場合で
説明したが、本実施例はこれに限ることはない。例えば
、使用する波長に応じてＧａＡｓとＡＱＡｓの組合せや
、ＧａＰとＡｌＧａＰ、ＧａＰとＡＱＰ、ＩｎＧａＡｓ
とＧａＡｓ、あるいはＩ　ｎＡｓとＧａＡｓなどの組合
せを選択することにより、同様の効果が得られる。

また、電子をキャリアとして用いる場合について説明し
たが、ＭＱＷ層にアクセプタ不純物を導入することによ
り、正孔をキャリアとして用いることもでき、同様の効
果を生ずる。

さらに、基板の材質もＧａＡｓに限らず、ＧａＰやＩｎ
Ｐなどでも良い、熱伝導性の良さや、機械的強度の点か
ら、Ｓｉを基板に用いれば、効果が大きい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電気的に光の進行方向や透過光強度を
アナログ的に制御できるので、機械的方法を用いずに光
を高速かつ高精度に制御でき、また装置全体が小型化・
軽量化できるという利点がある。

また、導波路と一体化し、光を高効率で利用できるので
、他の光学素子との組合わせが容易となり、損失が少な
くなるという利点があり、特に光検出が容易になるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例を示す模式的装置
断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＭＱＷＱＷ層の
構成を示す図、第２図（ａ）は第１図の装置の各電極に
電圧を印加しない場合のチャネルの形状を示す図、第２
図（ｂ）は第２図（ａ）のＡ−Ａ’断面バンド図、第３
図（ａ）は第１図の装置の各電極へ電圧を印加した場合
のチャネルの形状を示す図、第３図（ｂ）は第３図（ａ
）Ａ−Ａ’断面のバンド図、第４図は第２図（ａ）の及
び第３図（ａ）のｂ−ｂ’断面の屈折率分布を示す図、
第５図（ａ）は第２図（ａ）のＢ−Ｂ’断面における光
の進行を示す図、第５図（ｂ）は第３図（ａ）のＢ−Ｂ
’断面における光の進行方向を示す図、第６図はＭＱＷ
層の吸収スペクトルを示す図、第７図は本発明の第３の
実施例を示す模式的装置断面図、第８図は本発明の第４
の実施例を示す模式的装置断面図、第９図は本発明の第
５の実施例を示す模式的装置構成図、第１０図は本発明
の第６の実施例を示す模式的装置構成図、第１１図は本
発明の第７の実施例を示す模式的装置構成図、第１２図
は本発明の第８の実施例を示す模式的装置構成図、第１
３図は本発明の第９の実施例を示す模式的装置構成図、
第１４図（ａ）と第１４図（ｂ）は第１の公知例におけ
るバンド図、第１５図（、）は本発明の第２の公知例に
おける構成の断面図、第１５図（ｂ）は第１５図（ａ）
のＭＱＷＱＷ層のバンド図である。 １３１・・・第３の半導体層（クラッド層）、１３２・
・・第４の半導体層（クラッド層）、１４・・・ＭＱＷ
コア層、１４１・・・第１の半導体（ＱＷ層）、１４２
・・・第２の半導体（障壁層）、１４３・・・電子が空
乏化したＱＷ層、１４５・・・２次元電子、１４６・・
・チャネル、１４７・・・空孔層、１６１・・・第１電
極、１６２・・・第２電極、１７１・・・ゲート電極、
１７２・・・第３電極、４１・・・変調素子、４２・・
・導波路、４２１・・・第１の導波路、４２２・・・第
２の導波路、５・・・光源、１９・・・光の進路、１９
１・・・入射光、１９２・・・出力光。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、キャリアが蓄積された量子井戸が複数積層された多
   重量子井戸層をチャネルとした電界効果トランジスタ構
   造を有し、上記多重量子井戸層より小さな屈折率を有す
   る少なくとも２つの半導体層が、それぞれ上記多重量子
   井戸層の少なくとも積層方向に対して接して設けられて
   おり、上記半導体層上にはゲート電極とソース電極及び
   ドレイン電極が形成されていることを特徴とする、光学
   特性変調器。 ２、請求の範囲第１項において、上記ゲート電極が、上
   記多重量子井戸層の積層方向に対し、両側に形成されて
   いることを特徴とする、光学特性変調器。 ３、キャリアが蓄積された量子井戸が複数積層された多
   重量子井戸層をチャネルとした電界効果トランジスタ構
   造を有し、上記多重量子井戸層を導波コアとし、該多重
   量子井戸層より小さな屈折率を有する少なくとも２つの
   半導体層を導波クラッドとして設けており、上記半導体
   層上にはゲート電極とソース電極及びドレイン電極が形
   成されていることを特徴とする、光学特性変調器。 ４、請求の範囲第１項から第３項において、上記多重量
   子井戸層の積層方向の厚さが０．２μｍ以上であること
   を特徴とする、光学特性変調器。 ５、請求の範囲第３項において、入射光を上記多重量子
   井戸層に閉込めるために、上記第１及び第２の半導体層
   の厚さを０．２μｍ以上としたことを特徴とする光学特
   性変調器。 ６、請求の範囲第１項から第５項において、上記多重量
   子井戸層のバンドギャップよりも十分低エネルギの光を
   変調させる光として用いることを特徴とする、光学特性
   変調器。 ７、請求の範囲第１項から第５項において、電界が印加
   された場合の上記量子井戸層の実効的バンドギャップと
   同じエネルギの光を変調光に用いることにより、変調光
   をオン／オフすることを特徴とする、光学特性変調器。 ８、請求の範囲第１項から第５項に記載の変調器が、導
   波路の一部に設けられていることを特徴とする、光学素
   子。 ９、請求の範囲第１項から第５項に記載の変調器が、光
   源と同一基板上に作製されていることを特徴とする、光
   学素子。 １０、請求の範囲第１項から第５項に記載の変調器を、
   交差する２本の導波路の交点に設け、上記多重量子井戸
   層の屈折率を変化させ全反射条件を制御することにより
   、光の進行方向を切り替えることを特徴とする、光学素
   子。 １１、請求の範囲第１項から第５項に記載の変調器が、
   シリーズにあるいはマトリックス状に配置されているこ
   とを特徴とする、光学素子。 １２、請求の範囲第１１項に記載の集積した光学特性変
   調器により、一様な強度を有しない複数の入射光を、同
   数の一様の強度の出力光に変換することを特徴とする、
   光学特性変調方法。 １３、請求の範囲第１１項に記載の光学素子において、
   光の偏向を目的とした変調器と、光のオン／オフを目的
   とした変調器から成ることを特徴とする光学素子。 １４、請求の範囲第１項から第５項に記載の変調器が、
   ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓと ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓ、あるいはＡｌの組
   成が異なるＡｌＧａＡｓから形成されていることを特徴
   とする、光学特性変調器。 １５、請求の範囲第１項から第５項に記載の変調器が、
   ＧａＰとＡｌＧａＰ、ＧａＰとＡｌＰ、ＡｌＧａＰとＡ
   ｌＰ、あるいは組成の異なるＡｌＧａＰから形成されて
   いることを特徴とする、光学特性変調器。 １６、請求の範囲第１項から第５項に記載の変調器が、
   ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓ、もしくはＩｎＡｓとＧａＡｓ
   から形成されていることを特徴とする光学特性変調器。 １７、請求の範囲第１項から第５項に記載の変調器が、
   Ｓｉ基板上に形成されていることを特徴とする、光学素
   子。