JPH026928A - 光変調素子 - 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〕 この発明は、キャリア注入効果を用いた外部光変調器に
関するものである。

（従来の技術〕 高速の直接変調が困難な場合や、特殊な変調には電気光
学効果あるいはキャリア注入効果などを用いた外部変調
の方法が用いられる。中でも導波路型の光変調器は、狭
い導波路に光が閉じ込められているので回折現象がなく
、狭い間隔の電極間に印加電界を加えるので、印加電圧
を小さくできる特徴がある。

第３図＋８）は例えばオプチカル　アンド　クオンタム
　エレクトロニクス　１７　（１９８５）　ｐｐ４４９
〜４５５（Ｏｐｔｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｑｕａｎｔｕｍ　
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　１７（１９８５）ｐｐ４４９
〜４５５）に記載された従来の導波路型光変調器の基本
的な構成を示す図であり、図において、１７はＩｎＧａ
ＡｓＰで形成されたりフジ導波路で、角度２θで交叉し
ており、バンドギャップ波長は１．２μｍになるように
その組成が選ばれている。

１８はｎ形１ｎＰ基板である。導波路の交叉部上にはク
ランド層をのせた部分１９が形成されており、第３図（
ｂ）はこの部分の断面図である。第３図（ｂｌにおいて
、１９ａはｐ−１ｎＰクラッド層、１９ｂは電極のコン
タクトをとるためのｐ−１ｎＧａＡｓｐキャンプ層であ
る。これらｐ−１ｎＰクラフト層１９ａ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ導波路１７．ｎ−ＩｎＰ基板１８によりｐ−Ｘ　ｎ　
Ｐ　／　Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　ＡｓＰ／ｎ　−ＩｎＰダブル
へテロ構造が形成され、部分２０の屈折率は等価的にそ
れ以外の部分よりも高くなる。２１はマスク用のＳ　ｉ
　Ｏｔ膜、２２は電極である。

入射光は第１のボート１０又は第２のボー　ト１１から
素子内に入り、後述するような動作原理によって第３の
ボート１２又は第４のボー）１３から出射光として出て
くる。

次に動作について説明する。

入射光の波長がＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長よ
りも長い（例えば１．５μｍ）時、光は比較的低い損失
で導波路内に閉じ込められる。

キャリアが電極２２からｐｎ接合を介して導波路Ｎ１７
に注入されるど、部分２０の屈折率はプラズマ効果によ
り低下する０例えば入射光の波長が１゜５μｍ、注入さ
れたキャリア密度ΔＮが１×１０１ａｅａｉ−３のとき
、屈折率変化Δｎはおよそ一５×１０″３である。

今、レーザビームが第２のボート１１から入射したとす
る、このとき交叉角に応じて２種類のスイッチング動作
が可能である。交叉角が２〜３゜よりも小さ（、キャリ
ア注入によって引き起こされた屈折率の空間的変化がゆ
るやかであるとき、導波路１７の交叉領域への注入電流
を制御することにより、導波路１７を伝わる入射光の２
つのモード間の伝播定数の差を制御し、モード間の干渉
を行なわせて、第３のボー・ト１２においては各モード
の光出力が互いに打ち消し合・）ようにすれば、出射光
を第４のボート１３だけから出てくるようにすることが
できる。

一方、交叉角が大きい場合には導波路１７とｐ−ＩｎＰ
クラッド＠　ｌ　９　ａの接合平面に沿ったキャリア流
度の空間的な変化が急峻となり、第２のボート１１から
の入射光の全反射が可能となる。

そしてこの反射により第４のボート１３に出射する光の
パワーと第３のボート１２にそのまま透過する先のパワ
ーの比を注入電流を変えることにより変調することがで
きる。

上記のような原理で、入射光のスイッチングを行なうこ
とができる。

また、上述のようにプラズマ効果により屈折率を変化さ
せる方法の他に、電子注入によるバンドギャップ近くの
吸収係数の変化により屈折率を変化させる方法がある。

バンドギャップ近くの吸収係数は、注入された電子の濃
度に依存し、電子濃度が高いほど吸収端が短波長側にず
れる現象がバーンスタイン・シフトとして知られている
。そしてこの吸収係数の変化は屈折率の変化をもたらし
、この変化分は例えば雑誌ＩＥＥＥジャーナル　オブク
オンタム　エレクトロニクス、ＧＥ−１９Ｓ、　１０号
。

１９８３年、　１５２５〜１５２９頁（ＩＨＥＥ　ＪＯ
ＵＲＮＡＩ、叶ＱＵＡＮＴｔＪｌ’ＩＥＬＥＣＴＲＯＮ
ＩＣ３，ｖｏｌ　、叶−１９，Ｎｏ、１０．１９８３．
ｐｐ１５２５〜１５２９）にあるように１．プラズマ効
果に基づく屈折率変化に比して１桁程度大きい。従って
導波路の交叉角が同しであっても全反射型の光変調素子
を構成することが容品になる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の導波路型の光変調素子は以上のように構成されて
おり、このようなダブルへテロ構造では電流注入を停止
した後もキャリア再結合によって電子が消費されるまで
は電子が導波路に存在するため、スイッヂ時間が変調器
内部のキャリア再結合時間（ＩｎＰの場合約５ｎｓ）で
制限されてしまうことが多く、より高速の変調が困難で
あるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、すぐれた高速応答性を持ち、同じ電圧変化に
対する変調度の高い光変調素子を得ることを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る光変調素子は、導波路を構成する半導体
層の電子供給層と主先導波層との間に該両層間において
電子をトンネル伝導させるトンネリング層を設け、共鳴
トンネリングにより電子注入を行なうようにしたもので
ある。

〔作用〕

この発明においては、導波路を構成する半導体層の電子
供給層と主先導波層との間にトンネリング層を設け、電
子が共鳴トンネリングにより導波路に注入され、等価的
な屈折率を低下させ、また共鳴条件からはずれると電子
は速やかに導波路から引き抜かれる構成としたから、ス
イッチング時間を大幅に短縮することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図（ａ）、　（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施例に
よる導波路型光変調素子の基本的な構成を示す斜視図、
及び断面図である０図において、１はｐ形ＩｎＰで形成
されたりフジ型導波路である。２はＩｎｏ、ｓｓＧ　ａ
ｏ、ａｑＡ　Ｓ第１導波層、３は電子はトンネル伝導で
きるが、ホールはトンネル伝導できないＩｎＰ第１障壁
層、４は電子もホールもトンネル伝導できないＩｎＰ第
２障壁層、５は導波路の構成に自由度を持たせるために
設けた第２導波層であり、価電子帯の上端と伝導帯の下
端が共にＩｎ　ｏ、　ｓｓＧ　ａ　ｏ、　４１Ａ　！第
１導波層２とＩｎＰ第２１１壁層４の中間にあり、かつ
クラッド層（ｐ型ＩｎＰＪり１と格子整合がとれる組成
のＩｎＧａＡｓＰよりなる。６は傾斜低エネルギーバン
ド間隙層で、第１障壁層３に接するところでは組成がＩ
ｎｏ、　ｓｓＧ　ａ　０．４？Ａ　Ｓで、第１導波層２
中の自由電子のエネルギー準位よりも伝導帯下端が低く
なっている。そして第１障壁Ｎ３から離れるに従ってバ
ンド間隙が徐々に広がるように組成が変化しており、最
終的にｎ型導電層即ちクラッド層（ｎ型ＩｎＰ層）７と
一致する。８はｐ型ＩｎＰ層ｌとオーミック接触させた
第１電極、９はｎ”−ＩｎＰ層７とオーミック接触させ
た第２を極である。

入射光は第１導波層２に第１のボート１０又は第２のポ
ート１１から素子内に入り、後述するような動作原理に
よって第３のボート１２又は第４のボート１３から出射
光として出てくる。

次に動作について説明する。

第２図（ｂ）はＩｎＰのバンド間隙に相当する順方向電
圧を電極８．９を通して印加した状態を示しており、こ
の状態ではホール１４はｐ型１ｎＰ層１から拡散によっ
て第２導波層５に溜まる。このとき第２障壁Ｊ１４のた
めにホールは導波層２に入らない、電子１５は拡散によ
って傾斜低エネルギーバンド間隙層６中、特にポテンシ
ャルの低い第１障壁層３との境界付近に溜まる。この電
子密度が高くなるとバンドフィリングのために、高いエ
ネルギー準位を持つ電子も生じる。この電子のうち、第
１導波層２の伝導帯に生じた量子準位ｌＧと一致したエ
ネルギーを持つ電子は第１障壁層３をトンネル伝導して
第１導波層２中に入る。こうして導波層領域に入った電
子とホールは空間的に分離されているので発光は起こら
ない、クラッド層（Ｉ　ｎＰ層）ｌ、７によりはさまれ
た内側の層である第２導波Ｎ５．第２障壁層４．第１導
波層２、第１障壁Ｎ３．傾斜低エネルギーバンド間隙Ｎ
６は平均的にエネルギーバンド間隙が上記ＩｎＰＦＪＩ
、？より小さく、導波路として働く。第２図山）の状態
ではバンドフィリング効果によって、第１導波層２の付
近では等価的に屈折率が低下している。

次に第２図（Ｃ）に示すように急激に印加電圧を取り去
った場合を考える。第２導波Ｊｉ５中のホールは、クラ
ッドＮｌと第２導波層５の価電子帯のバンドギャップの
ために伝導できず、一部が第２導波層５の中に残される
。一方、電子は傾斜低エネルギーバンド間隙層６からは
拡散もしくはドリフト伝導によって除かれる。さらに第
１導波層２の中にある電子は、傾斜低エネルギーバンド
間隙層６の中の、第１導波１ｉ２中の量子準位１６と同
じ高さのエネルギー準位が空になると、トンネル伝導に
よって傾斜低エネルギーバンド間隙層６へ取り出され、
上記と同様、傾斜低エネルギーバンド間隙層６よりｎ型
導ｔｉ７の方向へ移動するので導波部分の屈折率はもと
の値に戻る。

今、入射光が第１導波１２中に第２のポート１１から入
った場合を考える。電極８に電圧を印加しない場合、エ
ネルギーバンドは第２図（Ｍｌのように表され、第１導
波層２の屈折率はもとのままであるから、大部分の光は
そのまま第３のポート１２へ出射する０次に電極８に電
圧を印加すると、エネルギーバンドは第２図（ｂ）のよ
うになり、上記のように第１導波層２の等価的な屈折率
は下がる。

すでに述べたように、この屈折率の変化分は従来例によ
るものよりも大きくとることができ、入射光は全反射を
起こして第４のボート１３へ出射する。

電子のトンネル伝導時間は例えば維誌ジャパニーズ　ジ
ャーナル　オブ　アプライド　フィジクス、　２５＠、
Ｌ８７１（１９８６）　（Ｊｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈ
ｙｓ、２５．Ｌ８７１（１９８６）　）に記載されるよ
うに、Ｉｐｓ程度なのでキ４・・リアの再結合寿命が数
ｎｓ稈度であるのに比して極めて短く、上記のようにこ
れをキャリアの注入。

引き抜きに利用することにより、極めて高速の変調が可
能となる。

このように本実施例では、導波路を構成する多層半導体
層のうち、電子供給層となるｎ”−ＩｎＰ基板７ど主導
波層である第１導波層２の間に１、第１障壁層３及び傾
斜低エネルギ・〜バンド間隙層６を設け、基板７．第１
導波層２間において電子を共鳴トンネリング伝導させる
構成としたから、光変調のスイッチング速度を極めて高
速化できる。

また本実施例では、ホール溜まりとして機能する第２導
波雇５と、電子もホールもトンネル伝導させない第２障
壁層４とを設け、７電子とホールを、空間的に分離する
構成としたから、電子とホールの再結合による発光は起
こらず、導波光中の雑音を大幅に低減できる。

なお、第２導波Ｎ５の厚さには自由度が有るが、注入し
たホールが第２障壁層３を越えて第１導波Ｎ２にあふれ
ない範囲で、できる限り薄くすることが光が効率良く第
１導波層を伝搬するためにも望ましい。

また、上記実施例では第１導波層２を量子井戸構造のも
のとしたが、量子準位が形成されない厚さの導波層を用
いてもよい。この場合は、第１導波ｌ１１２内の量子準
位は連続的になり、トンネル伝導も幅広いエネルギー準
位で同時に生ずるため、第１導波層２へ電子を注入する
早さは促進される。

これは高速変調を行なうためにはむしろ望ましい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば導波路型の光変調素子
において、導波路を構成する半導体層の電子供給層と主
先導波眉との間に該両層間において電子をトンネル伝導
させるトンネリング層を設け、共鳴トンネル注入により
電子注入を行なう構成としたから、上記主導波層中に電
子をトンネル注入できるだけでなく、同じ＜トンネル注
入により高速で上記主導波層中から電子を取り出すこと
ができ、これをＸ字型の導波路の交叉部におけるキャリ
アの注入と引き抜きに利用することで光変調素子の高速
変調特性が大幅に改善できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ、　（１１）はこの発明の一実施例による
導波路型光変調素子の斜視図および断面図、第２図は本
実施例の動作時のエネルギーバンド構造を示す図、第３
図（８１，（ｂｌは従来の導波路型光変調素子の斜視図
および断面図である。 １はｐ型ＩｎＰ導波路、２はＩ　ｎ　Ｏ，Ｓ３Ｇ　ａ　
ｏ、　４ｔＡｓ第１導波屡、３はＩｎＰ第１障壁層、４
はＩｎＰ第２障壁層、５はＩｎＧａＡｓＰ第２導波層、
６は傾斜低エネルギーバンド間隙層、７はｎ。 ＩｎＰｉ板、８は第１電極、９は第２電極、１０は第１
のボート、１１は第２のボート、１２は第３のボート、
１３は第４のボーｌ−６ なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｘ字状に交叉する導波路を構成する多層半導体層
   を有し、該導波路の交叉部にキャリアを注入することに
   よって屈折率を変化させ、上記導波路を伝搬する導波光
   の強度を変化させるようにした光変調素子において、 上記導波路の半導体層の電子供給層と主光導波層との間
   に設けられ、該両層間において電子をトンネル伝導させ
   るトンネリング層を備えたことを特徴とする光変調素子
   。