JPH03188415A - 光半導体装置 - 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） 本発明は光情報処理等に用いられる光半導体装置に関し
、特に光変調素子の１つである固型光ゲートとして好適
な光半導体装置に関する。

（従来の技術） 近年、光による超高速並列情報処理が注目を集めている
。このためには光を２次元的に制御するいわゆる固型変
調素子の開発が必要である。そのうちの１つとして光信
号を電気的にオンオフする光ゲートがある。従来、固型
の光ゲートとして第２図に示す構造がアブライドフィジ
ックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌ
ｅｔｔｅｒｓ　）　４４巻、１６頁（１９８３）におい
てウッド等（Ｗｏｏｄ、Ｔ、Ｈ，ｅｔ　ａｔ、　）によ
って報告されている。この光ゲートはＧａＡｓとＧａＡ
ｌＡｓの薄膜を交互に積層した量子井戸層２１を導電型
がそれぞれｐ型とｎ型のＧａＡＩＡＳからなるクラッド
層２２．２３ではさんだｐｉｎ構造でなる０表面から入
射した光は量子井戸層２１を通って基板１１の裏側から
出射する。電界の印加によって、実効的なバンドギャッ
プが減少するから、量子井戸の励起子の低エネルギー側
の光に対するによる吸収係数が大きくなることを利用し
てスイッチングを行っている。この構造では光が吸収さ
れる領域の長さが短いから、消光比が２：ｌ程度と小さ
い、消光比をあげるなめにリー等（Ｌｅｅ、Ｙ、Ｈ，ｅ
ｔ　ａｌ、　）がアブライドフィジックスレターズ（Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　
５３巻、１６８４頁（１９８８）において、またシムズ
等（Ｓｉｎｅｓ、Ｒ。

Ｊ、ｅｔ　ａｌ、）がアブライドフイジツクスレターズ
（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　１ｅｔｔｅｒｓ　
）　５３巻、６３７頁（１９８８）において報告してい
るように第３図に示すファブリ・ペロ　エタロン構造を
用いることが検討され、それぞれ５：１ないし８：１の
消光比を得ている。

（発明が解決しようとする課題） 以上に述べたようにファブリ・ペロ　エタロン構造を用
いることによって固型光ゲートの消光比は改善されたが
これらはＧａＡｓ系の半導体材料を用いており光通信に
用いる波長１．５５μｍ帯の光には適合しない、この波
長の光に対してはＩｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　
ＰまたはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多重量子井戸構
造が用いられるが、これらでは井戸層にＩｎＧａＡｓと
いう混晶が用いられているので、二元結晶であるＧａＡ
ｓを井戸層に用いた時よりも励起子のスペクトル幅が広
く、電界を印加しない時においても吸収損失が大きい。

このファブリ・ペロ共振器内の損失のためエタロンのＱ
値が十分に上がらず消光比を小さく、また挿入損失を大
きくしている０本発明の目的は、励起子のスペクトル幅
を狭めてファブリ・ペロ共振器内の損失を低減し、消光
比が高く挿入損失が小さい固型光ゲート等の光半導体装
置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明による光半導体装置は、２枚の平行な反射鏡から
なるファブリ・ペロ共振器の内部に、ＩｎＡｓとＧａＡ
ｓを１原子層づつ交互に積層した超格子を井戸層とし、
ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＰを障壁層とする多重量子井戸
構造を能動層として持ち、その多重量子井戸構造に電界
を印加してファブリ・ペロ共振器の透過または反射特性
を制御することを特徴とする。

（作用） ファブリ・ペロ　エタロン構造の固型光ゲートでは能動
層となる多重量子井戸構造に電圧を印加すると多重量子
井戸構造の励起子のエネルギーが低エネルギー側にシフ
トする。このなめ励起子よりもわずかにエネルギーの低
い光に対する吸収係数が増大しそれに伴って屈折率が変
化する。！圧が掛っていないときに光の増大のエネルギ
ーがファブリ・ペロ共振器に共鳴してオン状態となるよ
うにすると電圧を加えたときに屈折率変化のため共鳴か
らずれて透過率が減少してオフ状態となる。

このときの消光比は と書ける。ここで、ｒは光がエタロンの１つの反射鏡か
らもう１つの反射鏡に到達した時の強度の比であり、共
振器内の損失がないときｒ＝１であり、品質が大きくな
るにつれｒは小さくなる。また、ＩＯＮはオン状態の透
過光強度、Ｉ　ＯＦＦはオフ状態の透過光強度、Δαは
吸収係数の変化、Ｒは反射鏡の反射率、αは能動層の厚
さ、δは屈折率の変化による位相のずれ、α。は電圧が
掛っていないときの吸収係数である。上の式から吸収は
Ｒｒの形で実効的な反射率を減らすように働く、当然「
は１に近いほど良い、能動層である多重量子井戸構造の
吸収は電圧が掛っていないときＯであることが望ましい
。ところが吸収があるとｒ’　＝ｅｘｐ（−α。ｄ）と
いうかたちでｒを小さくする。また、挿入損失は １　０　１ｏｇ（（１−Ｒｒ’）　　”　　／（ｔ−Ｒ
）２　／　　ｒ’）　　　［ａ　　Ｆ３　　コとなりｒ
が小さいほど大きくなる。電圧が掛っていないときの多
重量子井戸構造の吸収は励起子吸収のスペクトル幅が広
いほど影響が大きくなるので変調器の消光比を高め挿入
損失を小さくするにはスペクトル幅を小さくする必要が
ある。

光通信に用いる波長１．５５μｍ帯の光には適合した量
子井戸構造としてＩ　ｎＧａＡｓ／Ｉ　ｎＰまたはＩ　
ｎＧａＡｓ／Ｉ　ｎＡ　Ｉ　Ａｓが知られているが、こ
れらは井戸層にＩ　ｎＧａＡｓという混晶を用いるため
に組成の局所的な揺らぎに起因する励起子エネルギーの
揺らぎにより二元結晶であるＧ　ａ　Ａ　ｓを井戸層に
用いたときよりも励起子のスペクトル幅が広くなる０本
発明で用いる量子井戸構造では井戸層をＩ　ｎＡｓとＧ
ａＡｓを１原子層づつ交互に積層した超格子としている
から、このような組成の局所的な揺らぎは生じず励起子
のスペクトル幅も狭い。さらに、周期が１原子層程度の
超格子では積層方向の格子振動が抑制されるから、励起
子と格子振動の結合定数が減少し励起子スペクトルの幅
を狭くする０本発明では、以上の効果により電圧が掛っ
ていないときの多重量子井戸構造の吸収が小さくなり、
消光比および挿入損失が改善される。

（実施例） 第１図は、本発明の光半導体装置を具体化して得られる
固型光ゲートの一実施例を示す構成図である。Ｓｎドー
プＩｎＰの基板１１の上に厚さ１１００ｎの５　Ｘ　１
０　”ａＩＩ−’Ｓ　ｉをドープしたＩｎＰのバッファ
層１２．５　Ｘ　１０　Ｉ７（！Ｉ−’Ｓ　ｉをドープ
した厚さ０．Ｓｎｍのｎ型のＩ　ｎ　ｏ、　ｓｓＧ　ａ
　０．４７Ａｓからなるエッチストップ層１３、厚さ２
μｍの５　Ｘ　１０　”ｃｍ−’Ｓ　ｉをドープしたＩ
ｎＰのクラッド層１４をハイドライドＶＰＥ法により順
次に積層する０次にＡＬＥ法によりＩ　ｎ、Ａｓ、Ｇａ
。

Ａｓを交互に１原子づつ１４周期堆積した超格子の井戸
層１５１とＩｎとＰを交互に１原子づつ２０周期堆積し
た障壁層１５２とを交互に４０層づつ積層して多重量子
井戸構造からなる能動層１５とする。井戸層１５１の厚
さは７ｎｍ、障壁層１５２の厚さは１０層ｍである。能
動層１５のバンド構造は第４図のようになる。能動層１
５にはドーピングを行なわない、さらにＳｉＮを厚さ１
１００ｎに堆積して絶縁膜１６を形成する。基板１１を
厚さ１００μｍに鏡面研磨した後にＡ　ｕ　Ｇ　ｅＮ　
ｉ　／　Ａ　ｕ　Ｎ　ｉからなる電極１７を、また表面
にＴ　ｉ　／　Ａ　ｕの電極１８をそれぞれ形成する。

光が入射、出射する部分の電極１７、基板１１と電極１
８とをエツチングで除去し、５ＩＯ２、アモルファスＳ
ｔからなる誘電体多層膜の反射鏡１９゜２０を形成する
０反射鏡１９．２０の反射率は９８％である。

本実施例では励起子吸収の幅が小さくなる。そこで、フ
ァブリ・ペロ　エタロン構造の従来の固型光ゲートでは
吸収係数が１０００（至）−１程度であったものがこの
実施例では２５０ｃｍ−’となった。

そこで、本実施例においては、消光比は１７ｄＢに、挿
入損失は１０ｄＢとなり、従来の固型光ゲートより大き
く改善された。

（発明の効果） 以上、詳述したように本発明の効果は、要するに、励起
子のスペクトル幅を狭めてファブリ・ペロ共振器内の損
失を低減し消光比が高く挿入損失が小さい固型光ゲート
等の光半導体装置が得られることである。

反射鏡、１５１は井戸層、１５２は障壁層である。

第２図は従来の固型光ゲートの一例を示す構成図である
０図中、２１は量子井戸層、２２．２３はクラッド層で
ある。

第３図は従来の固型光ゲートの他の一例を示す構成図で
ある０図中３１はｎ−クラッド層、３２はＰ−クラッド
層である。

第４図は第１図実施例において能動層となる量子井戸構
造のバンド構造である０図中、１５１はＩ　ｎ、Ａｓ、
Ｇａ、Ａｓを交互に１原子づつ堆積した超格子の井戸層
、１５２は障壁層である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２枚の平行な反射鏡からなるファブリ・ペロ共振器の内
   部に、ＩｎＡｓとＧａＡｓを１原子層づつ交互に積層し
   た超格子を井戸層とし、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＰを障
   壁層とする多重量子井戸構造を能動層として持ち、その
   多重量子井戸構造に電界を印加してファブリ・ペロ共振
   器の透過または反射特性を制御することを特徴とする光
   半導体装置。