JPH04291316A - Refractive index modulation type optical modulator - Google Patents

Refractive index modulation type optical modulator

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JPH04291316A
JPH04291316A JP3080399A JP8039991A JPH04291316A JP H04291316 A JPH04291316 A JP H04291316A JP 3080399 A JP3080399 A JP 3080399A JP 8039991 A JP8039991 A JP 8039991A JP H04291316 A JPH04291316 A JP H04291316A
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well layer
layer
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Tatsuro Ikeda
達郎 池田
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Fujitsu Ltd
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    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • G02FOPTICAL 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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    • G02F1/01725Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells
    • G02F1/01733Coupled or double quantum wells

Abstract

PURPOSE:To generate large optical modulation effect with a low driving voltage and to realize optical modulation which is large in extinction ratio as to the refractive index modulation type optical modulator which is used for an optical communication or optical information processing, etc., and performs high-speed operation. CONSTITUTION:Quantum well layer units each consisting of a 1st quantum well layer W1, a 1st barrier layer B1 which contacts the 1st quantum well layer W1 and has lower electron energy at a point X or L than at a point GAMMA, and a 2nd quantum well layer W2 which contacts the 1st barrier layer B1 and is less in layer thickness than the 1st quantum well layer W1 or small in electron affinity and large in band gap energy are laminated periodically across 2nd barrier layers B2 which are enough to inhibit them from being bonded to adjacent quantum well layer units; and a voltage is applied to the quantum well layers to eliminate excitons and the refractive index to wavelength nearby an exciton peak is varied to modulate light.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、光通信あるいは光情報
処理等に使用される屈折率変調型光変調器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a refractive index modulation type optical modulator used for optical communications, optical information processing, etc.

【0002】0002

【従来の技術】近年、通信の分野においては高度情報化
社会を構築するために情報の伝送速度をより向上させる
ことが要望され、また、電算機の情報処理等において情
報処理を高速化することが要望されている。
[Background Art] In recent years, in the field of communications, there has been a desire to further improve the transmission speed of information in order to build a highly information-oriented society. is requested.

【0003】そして、情報の高速伝送を達成するための
手段として、光通信に期待がよせられており、光通信に
おいて情報の高速伝送を実現するためには高速変調可能
な新規な装置を開発する必要がある。一方情報処理に光
を使用して情報処理を高速化することも活発に提案され
るようになってきており、それに使用する機能素子の一
つとして高速光変調器を開発する必要がある。
[0003] Expectations are high for optical communications as a means of achieving high-speed transmission of information, and in order to achieve high-speed transmission of information in optical communications, new devices capable of high-speed modulation must be developed. There is a need. On the other hand, there are active proposals to speed up information processing by using light for information processing, and it is necessary to develop a high-speed optical modulator as one of the functional elements used for this purpose.

【0004】従来、半導体レーザを使って変調光を得る
技術として、レーザに注入する電流を変化することよっ
て、レーザが放射する光自体を変調する直接変調方式と
、レーザの外部に光変調器を設けることによって透過す
る光を強度変調する外部変調方式とがある。
Conventional techniques for obtaining modulated light using a semiconductor laser include a direct modulation method in which the light itself emitted by the laser is modulated by changing the current injected into the laser, and a method in which an optical modulator is installed outside the laser. There is an external modulation method that modulates the intensity of the transmitted light by providing a filter.

【0005】上記の直接変調において高速変調を行うと
、発振波長のゆらぎ(波長チャーピング)が起こること
を原理上避けることができない。したがって、高速変調
を行うには外部変調方式が望ましく、そのための高速変
調可能な光変調器が必要である。外部変調用の吸収型変
調器として、従来、フランツケルディッシュ効果を用い
たものや多重量子井戸構造による量子閉じ込めシュタル
ク効果を用いたものなどが知られており、高速変調を行
うためには、変調器の容量の低減、駆動電圧の低電圧化
等が必要であると考えられている。
[0005] When high-speed modulation is performed in the above-mentioned direct modulation, fluctuations in the oscillation wavelength (wavelength chirping) cannot be avoided in principle. Therefore, an external modulation method is desirable for high-speed modulation, and an optical modulator capable of high-speed modulation is required for this purpose. As absorption modulators for external modulation, there are conventionally known ones that use the Franz Keldysh effect and those that use the quantum-confined Stark effect using a multiple quantum well structure. It is considered necessary to reduce the capacity of the device and lower the driving voltage.

【0006】また、屈折率変調型の変調器としてはLi
NbO3 (ニオブ酸リチウム)結晶を利用したものが
あるが、これは半導体を用いたものに比べるとサイズが
大きくなり、また、半導体レーザと集積化できないとい
う問題がある。
[0006] Also, as a refractive index modulation type modulator, Li
There are devices using NbO3 (lithium niobate) crystals, but these have the problem of being larger in size than those using semiconductors and not being able to be integrated with semiconductor lasers.

【0007】一方、バルク半導体を用いた屈折率変調型
の光変調器は、電圧に対する屈折率の変化量が充分でな
く、充分な変調効果をあげるためには駆動電圧を高くす
るかあるいは変調器のサイズ(導波路の長さ)を大きく
しなければならない。
On the other hand, in refractive index modulation type optical modulators using bulk semiconductors, the amount of change in refractive index with respect to voltage is not sufficient, and in order to achieve a sufficient modulation effect, the driving voltage must be increased or the modulator must be The size of the waveguide (length of the waveguide) must be increased.

【0008】しかし、これらは高速変調をかけることを
難しくし、光変調器の小型化を困難にするという問題を
生じる。以上のような問題を解決する方法の一つとして
多重量子井戸構造を用い量子閉じ込めシュタルク効果を
利用する光変調器がある。
However, these problems arise in that it is difficult to apply high-speed modulation and it is difficult to miniaturize the optical modulator. One of the methods for solving the above problems is an optical modulator that uses a multi-quantum well structure and utilizes the quantum-confined Stark effect.

【0009】図4(A)、(B)は、量子井戸層の量子
閉じ込めシュタルク効果による光吸収係数および屈折率
変化の説明図である。図4(A)は、量子井戸層に電圧
をかけない無電界状態と、量子井戸層に垂直に電圧を印
加した状態の光吸収係数の波長特性を示すものである。
FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams of changes in the optical absorption coefficient and refractive index due to the quantum-confined Stark effect of the quantum well layer. FIG. 4(A) shows the wavelength characteristics of the light absorption coefficient in an electric fieldless state in which no voltage is applied to the quantum well layer and in a state in which a voltage is applied perpendicularly to the quantum well layer.

【0010】この図にみられるように、無電界時に生じ
ていたエキシトン吸収ピークP1 が電圧印加時には長
波長側のP2 に移動している。量子井戸層に電圧を印
加すると、上記のように光吸収係数が変化する他、屈折
率も変化する。
As seen in this figure, the exciton absorption peak P1, which occurred in the absence of an electric field, moves to P2 on the longer wavelength side when a voltage is applied. When a voltage is applied to the quantum well layer, in addition to changing the light absorption coefficient as described above, the refractive index also changes.

【0011】図4(B)は、量子井戸層に電圧をかけな
い状態と、量子井戸層に垂直に電圧を印加した状態の屈
折率の波長特性を示すものである。この図にみられるよ
うに、量子井戸層の屈折率の波長特性が、電圧を印加す
ることによって、長波長側に移動し、図4(B)のλO
P付近に入射光の波長を設定しておくと、その屈折率が
AからBへと変化するから、この屈折率の変化を利用し
て屈折率変調型光変調器をつくることができる。すなわ
ち、変調しようとする光を2つに分け、その一方の光の
伝播路の屈折率を変化して光の伝播速度を変化した後、
再び合流させて、両方の光の位相関係の変化によって光
の強度変調を行うことができる。
FIG. 4B shows the wavelength characteristics of the refractive index in a state in which no voltage is applied to the quantum well layer and in a state in which a voltage is applied perpendicularly to the quantum well layer. As seen in this figure, the wavelength characteristic of the refractive index of the quantum well layer shifts to the long wavelength side by applying a voltage, and the wavelength characteristic of the refractive index of the quantum well layer shifts to the long wavelength side,
If the wavelength of the incident light is set near P, its refractive index changes from A to B, and this change in refractive index can be used to create a refractive index modulation type optical modulator. In other words, after dividing the light to be modulated into two parts and changing the refractive index of the propagation path of one of the parts to change the propagation speed of the light,
By combining the two lights again, intensity modulation of the lights can be performed by changing the phase relationship of both lights.

【0012】しかし、この変調器は従来のバルク半導体
を利用した光変調器に比べて屈折率変化は大きいものの
、まだ充分ではなく、さらに、量子井戸層に滞留する電
荷(電子・正孔)が、特に高速変調をかける場合に変調
の応答速度を下げる懸念が生じる。先に、量子戸層に滞
留する電荷(電子・正孔)に起因する応答得度の低下を
避けるための手段としてエキシトンクエンチング型光変
調器が提案された。
However, although this modulator has a larger refractive index change than conventional optical modulators using bulk semiconductors, it is still not sufficient, and furthermore, the charges (electrons and holes) remaining in the quantum well layer are In particular, when high-speed modulation is applied, there is a concern that the modulation response speed may be reduced. Previously, an exciton quenching optical modulator was proposed as a means to avoid a decrease in response performance due to charges (electrons and holes) remaining in the quantum layer.

【0013】図5(A)、(B)は、従来のエキシトン
クエンチング型光変調器の説明図である。図5(A)は
、その1周期の構造を概略的に示すもので、中央の量子
井戸層Wの両側に薄い第1のバリア層B1 、B1 、
その外側に厚い第2のバリア層B2 、B2 を備えて
いる。
FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams of a conventional exciton quenching optical modulator. FIG. 5(A) schematically shows the structure of one period, in which thin first barrier layers B1, B1,
A thick second barrier layer B2, B2 is provided on the outside thereof.

【0014】図5(B)は、図5(A)の量子井戸部分
のポテンシャルエネルギーを示したものであり、量子井
戸層Wの両側に薄い障壁が形成され、その外側に量子井
戸層内の電子の基底準位Ee よりVecだけ高い伝導
電子帯を有する厚い第2のバリア層B2 を有している
。そして、量子井戸層W内の正孔基底準位Eh と電子
基底準位Ee との間隔はEQabsであり、厚い第2
のバリア層B2 内の価電子帯と伝導電子帯の間隔はE
Babsである。
FIG. 5B shows the potential energy of the quantum well portion in FIG. It has a thick second barrier layer B2 having a conduction electron band higher than the electron ground level Ee by Vec. The distance between the hole ground level Eh and the electron ground level Ee in the quantum well layer W is EQabs, and the thick second
The distance between the valence band and conduction band in the barrier layer B2 is E
Babs.

【0015】このポテンシャルエネルギー図によって光
変調動作を説明すると、図5(B)に示すように量子井
戸層に電圧がかかっていない場合は、量子井戸層W内に
閉じ込められた電子・正孔がクーロン力によってエキシ
トンを形成し、図4(A)、(B)に示すように、その
エキシトンの束縛エネルギーに対応する波長に光吸収係
数および屈折率のピークを形成する。
To explain the optical modulation operation using this potential energy diagram, as shown in FIG. 5(B), when no voltage is applied to the quantum well layer, the electrons and holes confined in the quantum well layer W are Exciton is formed by the Coulomb force, and as shown in FIGS. 4A and 4B, a peak of the optical absorption coefficient and refractive index is formed at a wavelength corresponding to the binding energy of the exciton.

【0016】この量子井戸層に垂直に電圧をかけて右側
のポテンシャルを下げると、量子井戸層内に閉じ込めら
れていた電子は薄い第1のバリア層B1 を通って右側
のB2 に拡がるためエキシトンが消滅(クエンチング
)し、同一波長における光の吸収係数および屈折率が変
化する。このような、光吸収係数や屈折率の変化を利用
して量子井戸層を透過する光を変調することができる。
When a voltage is applied perpendicularly to this quantum well layer to lower the potential on the right side, the electrons confined within the quantum well layer pass through the thin first barrier layer B1 and spread to B2 on the right, resulting in excitons. quenching, and the absorption coefficient and refractive index of light at the same wavelength change. Light transmitted through the quantum well layer can be modulated by utilizing such changes in the light absorption coefficient and refractive index.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】上記の光変調器を低電
圧で駆動するためには、量子井戸層内の電子の基底準位
Ee と外側の厚い第2のバリア層B2 の伝導電子帯
の基底準位の差Vecを小さくする必要がある。
[Problems to be Solved by the Invention] In order to drive the above-mentioned optical modulator at a low voltage, it is necessary to reduce the difference between the ground level Ee of electrons in the quantum well layer and the conduction electron band of the thick outer second barrier layer B2. It is necessary to reduce the ground level difference Vec.

【0018】しかし、Vecを小さくすると、無電圧時
における量子井戸層Wにおける吸収エネルギーEQab
sとバリア層B2 における吸収エネルギーEBabs
にあまり差がなくなり、第2のバリア層B2 における
バルク的な光吸収のなかに量子井戸層Wによる吸収が埋
もれてしまい、エキシトン吸収ピークやエキシトンを生
じることによる屈折率変化も明確でなくなり、量子井戸
層を使うことの有効性がうすれてしまうという問題があ
る。本発明は、低い駆動電圧で大きな光変調効果を生じ
、消光比が大きく高速動作可能な屈折率変調型光変調器
を提供することを目的とする。
However, when Vec is made small, the absorption energy EQab in the quantum well layer W in the absence of voltage decreases.
s and absorbed energy EBabs in barrier layer B2
There is no much difference between the two, and the absorption by the quantum well layer W is buried in the bulk light absorption in the second barrier layer B2, and the exciton absorption peak and the refractive index change due to exciton generation are no longer clear, and the quantum There is a problem that the effectiveness of using the well layer is diminished. An object of the present invention is to provide a refractive index modulation type optical modulator that produces a large optical modulation effect with a low driving voltage, has a large extinction ratio, and can operate at high speed.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本発明にかかる屈折率変
調型光変調器においては、第1の量子井戸層と、該第1
の量子井戸層に接し、X点またはL点の電子のエネルギ
ーがΓ点のエネルギーより低い第1のバリアー層と、該
第1のバリアー層に接し、該第1の井戸層より層厚が薄
いか、電子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが
大きな第2の量子井戸層とによって構成される量子井戸
層単位が、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止する
に足る厚さの第2のバリアー層を介して複数周期積層さ
れた多重量子井戸構造体を屈折率変調層として有し、該
量子井戸層に対して垂直方向に電圧を印加することによ
ってエキシトンを消滅させ、量子井戸層のエキシトン吸
収ピーク近傍の波長の光に対する屈折率を変化させるこ
とによって、エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光に対
して強度変調を行う構成を採用した。
[Means for Solving the Problems] A refractive index modulation type optical modulator according to the present invention includes a first quantum well layer, a first quantum well layer, and a first quantum well layer.
a first barrier layer in contact with the quantum well layer of which the energy of electrons at the X point or the L point is lower than the energy at the Γ point; or a second quantum well layer with low electron affinity and high bandgap energy; The refractive index modulation layer is a multi-quantum well structure stacked in multiple periods via a . A configuration was adopted in which intensity modulation is performed for light at a wavelength near the exciton absorption peak by changing the refractive index for light at a nearby wavelength.

【0020】[0020]

【作用】図1(A)〜(C)は、本発明の屈折率変調型
光変調器の原理説明図である。この図において、W1 
は第1の量子井戸層、W2 は第2の量子井戸層、B1
 は第1のバリア層、B2 は第2のバリア層、Eew
1 は量子井戸層W1 中の無電界時の電子基底準位、
EhW1 は正孔基底準位、EeW2 は量子井戸層W
2 中の電子基底準位、EhW2 は正孔基底準位、E
X(L)eB1 はバリア層B1 中のX(L)におけ
る電子基底準位、Eew1 ’はバイアス電圧を印加し
たときの量子井戸層W1 中の電子基底準位、EeW2
 ’は量子井戸層W2 中の電子基底準位、EX(L)
eB1 ’はX(L)点におけるバリア層B1 中の電
子基底準位である。
[Operation] FIGS. 1A to 1C are diagrams explaining the principle of the refractive index modulation type optical modulator of the present invention. In this figure, W1
is the first quantum well layer, W2 is the second quantum well layer, B1
is the first barrier layer, B2 is the second barrier layer, Eew
1 is the electronic ground level in the quantum well layer W1 in the absence of an electric field,
EhW1 is the hole ground level, EeW2 is the quantum well layer W
2, EhW2 is the electron ground level, EhW2 is the hole ground level, E
X(L)eB1 is the electronic ground level in X(L) in the barrier layer B1, Eew1' is the electronic ground level in the quantum well layer W1 when bias voltage is applied, EeW2
' is the electronic ground level in the quantum well layer W2, EX(L)
eB1' is the electronic ground level in the barrier layer B1 at the X(L) point.

【0021】図1(A)は、本発明の光変調器の概略構
成を示すもので、第1の量子井戸層W1 の片側(左側
)に第2のバリア層B2 を、他側(右側)に第1のバ
リア層B1 、第2の量子井戸層W2 、第2のバリア
層B2 を積層して1つの量子井戸構造単位を構成して
いる。この図1(B)、(C)に基づいて、本発明の屈
折率変調型光変調器の構成と動作を説明する。
FIG. 1A shows a schematic configuration of an optical modulator of the present invention, in which a second barrier layer B2 is placed on one side (left side) of the first quantum well layer W1, and a second barrier layer B2 is placed on the other side (right side) of the first quantum well layer W1. A first barrier layer B1, a second quantum well layer W2, and a second barrier layer B2 are stacked on top of each other to form one quantum well structure unit. The configuration and operation of the refractive index modulation type optical modulator of the present invention will be explained based on FIGS. 1(B) and 1(C).

【0022】図1(B)は、電圧をかけない状態の本発
明の屈折率変調型光変調器の量子井戸構造単位のポテン
シャルエネルギーを示している。この変調器においては
、図から明らかなように、Γ点(電子の波数空間でk=
0となるところ)でみると、第1の量子井戸層W1 と
第2の量子井戸層W2 層は、第1のバリア層B1 、
および、第2のバリア層B2 より電子親和力が大きく
バンドギャップエネルギーが小さい材料で構成され、第
1の量子井戸層W1 は第2の量子井戸層W2 より層
厚が厚くなっている。
FIG. 1B shows the potential energy of the quantum well structure unit of the refractive index modulation type optical modulator of the present invention in a state where no voltage is applied. In this modulator, as is clear from the figure, the Γ point (k =
0), the first quantum well layer W1 and the second quantum well layer W2 are the first barrier layer B1,
The first quantum well layer W1 is made of a material with higher electron affinity and lower band gap energy than the second barrier layer B2, and the first quantum well layer W1 is thicker than the second quantum well layer W2.

【0023】そのために無電界時には、第1の量子井戸
層W1 の電子基底準位Eew1 、正孔基底準位Eh
W1 が、第2の量子井戸層W2 の電子基底準位Ee
W2 、正孔基底準位EhW2 より小さくなっている
。また、第1のバリア層B1 は、Γ点ではバリア層と
なるが、Γ点以外のX点またはL点においては第1の量
子井戸層W1 、および、第2の量子井戸層W2 より
電子親和力が大きくバンドギャップエネルギーが小さい
材料で構成され、X点(L点)においては、量子井戸層
になっている(破線で示されたものがX(L)点でみた
場合のポテンシャルエネルギーである。)。そのために
、X(L)点の電子基底状態のエネルギーはEX(L)
eB1 となっている。
Therefore, in the absence of an electric field, the electron ground level Eew1 and the hole ground level Eh of the first quantum well layer W1 are
W1 is the electronic ground level Ee of the second quantum well layer W2
W2 is smaller than the hole ground level EhW2. The first barrier layer B1 becomes a barrier layer at the Γ point, but at points X or L other than the Γ point, it has a higher electron affinity than the first quantum well layer W1 and the second quantum well layer W2. It is made of a material with a large bandgap energy and a small band gap energy, and at the X point (L point), it becomes a quantum well layer (the broken line is the potential energy when seen at the X (L) point). ). Therefore, the energy of the electronic ground state at point X(L) is EX(L)
eB1.

【0024】この量子井戸構造単位に電圧を印加してい
ないときは、第1の量子井戸層W1 内の電子・正孔は
、図1(B)に示されるような電位障壁によって閉じ込
められ、従来のエキシトンクエンチング型屈折率変調型
光変調器と同様に、クーロン力によってエキシトンが形
成されるため屈折率にピークが生じる。この量子井戸構
造単位を複数層積層し、第1の量子井戸層W1 側にp
型半導体層、第2の量子井戸層W2 側にn型半導体層
を形成して、pin構造を形成し、このpin構造に逆
バイアス電圧を印加した場合を考える。
When no voltage is applied to this quantum well structure unit, the electrons and holes in the first quantum well layer W1 are confined by the potential barrier as shown in FIG. Similar to the exciton quenching type refractive index modulation optical modulator, excitons are formed by Coulomb force, resulting in a peak in the refractive index. A plurality of layers of this quantum well structure unit are stacked, and p
Consider a case where an n-type semiconductor layer is formed on the second quantum well layer W2 side to form a pin structure, and a reverse bias voltage is applied to this pin structure.

【0025】図1(C)は、前記の量子井戸構造単位に
逆バイアス電圧を印加した場合の電子に対するポテンシ
ャルエネルギーを示している。この場合、第1の量子井
戸層W1 中の電子基底状態のエネルギーがEew1 
’、第1のバリア層B1 中のX(L)点の電子基底状
態のエネルギーがEX(L)eB1 ’、第2の量子井
戸層W2 中の電子基底状態のエネルギーがEeW2 
’へと変化するが、第1の量子井戸層W1 、第2の量
子井戸層W2 、第1のバリア層B1 の層厚と組成を
適宜選択すると、任意の電圧においてEew1 ’、E
X(L)eB1 ’、EeW2 ’の3つのレベルをほ
ぼ一致させ、第1のバリア層B1 のXまたはL点にお
ける電子基底状態を仲立ちとして、第1の量子井戸層W
1 と第2の量子井戸層W2の電子基底状態を結合して
、第1の量子井戸層W1 から第2の量子井戸層W2 
に跨がる広い電子状態を形成することができる。
FIG. 1C shows the potential energy for electrons when a reverse bias voltage is applied to the quantum well structure unit. In this case, the energy of the electronic ground state in the first quantum well layer W1 is Eew1
', the energy of the electronic ground state at point X(L) in the first barrier layer B1 is EX(L)eB1 ', the energy of the electronic ground state in the second quantum well layer W2 is EeW2
However, if the layer thicknesses and compositions of the first quantum well layer W1, the second quantum well layer W2, and the first barrier layer B1 are appropriately selected, Eew1', Eew1' and E
The first quantum well layer W
1 and the electronic ground state of the second quantum well layer W2, and from the first quantum well layer W1 to the second quantum well layer W2.
It is possible to form a wide range of electronic states spanning .

【0026】そのため、電子・正孔の束縛が弱くなって
エキシトンが消滅(クエンチング)するために、エキシ
トン吸収ピークに相当する波長の光の屈折率が低下する
[0026] Therefore, the binding of electrons and holes becomes weaker and excitons are quenched, so that the refractive index of light having a wavelength corresponding to the exciton absorption peak decreases.

【0027】本発明の場合は、無電界時において、第1
の量子井戸層W1 と第1のバリア層B1 、第2の量
子井戸層W2 と第1のバリア層B1 の電子基底状態
を近づけて、低電圧駆動を可能にした場合でも、第1の
量子井戸層W1 、あるいは、第2の量子井戸層W2 
の正孔基底状態から第1のバリア層B1 の電子基底状
態への遷移は殆ど起こらず、第1のバリア層B1 があ
ることによって屈折率は殆ど影響を受けない。
In the case of the present invention, in the absence of an electric field, the first
Even if the electronic ground states of the quantum well layer W1 and the first barrier layer B1 and the second quantum well layer W2 and the first barrier layer B1 are made close to each other to enable low voltage driving, the first quantum well Layer W1 or second quantum well layer W2
The transition from the hole ground state of B1 to the electron ground state of the first barrier layer B1 hardly occurs, and the refractive index is hardly affected by the presence of the first barrier layer B1.

【0028】その理由は、本発明においては、第1のバ
リア層B1 の電子状態がX点であり、第1の量子井戸
層W1 と第2の量子井戸層W2 の正孔状態がΓ点で
あって対称性が異なり、空間的にも両者の波動関数が殆
ど重なっていないからである。そのため、量子井戸層の
屈折率が、バルクの吸収によって邪魔されることがなく
、低電圧で高い消光比で変調することができる。
The reason for this is that in the present invention, the electronic state of the first barrier layer B1 is the X point, and the hole state of the first quantum well layer W1 and the second quantum well layer W2 is the Γ point. This is because their symmetries are different, and their wave functions hardly overlap spatially. Therefore, the refractive index of the quantum well layer is not disturbed by bulk absorption and can be modulated with a high extinction ratio at low voltage.

【0029】図2(A)、(B)は、本発明の屈折率変
調型光変調器の屈折率および吸収係数の波長依存特性図
である。図2(A)は、屈折率の波長特性図であり、電
圧が印加されないときは波長λOPにエキシトンによる
屈折率のピークが存在するが、逆バイアス電圧Vb を
印加したときには、そのピークが消滅している。
FIGS. 2A and 2B are wavelength-dependent characteristic diagrams of the refractive index and absorption coefficient of the refractive index modulation type optical modulator of the present invention. FIG. 2(A) is a wavelength characteristic diagram of the refractive index. When no voltage is applied, there is a peak in the refractive index due to excitons at the wavelength λOP, but when a reverse bias voltage Vb is applied, this peak disappears. ing.

【0030】図2(B)は、上記の場合の吸収係数の波
長特性図であるが、逆バイアス電圧Vb を印加したと
きには、屈折率と同様にエキシトンピークが解消するこ
とがわかる。これらの特性図から、入射光波長をλOP
に設定しておけば、逆バイアス電圧によって大きな屈折
率変調が可能となり、無電界時に屈折率がピークになる
λOPでは、光吸収がほとんどなく光の損失が少ないこ
とが判る。
FIG. 2B is a wavelength characteristic diagram of the absorption coefficient in the above case, and it can be seen that when the reverse bias voltage Vb is applied, the exciton peak disappears, similar to the refractive index. From these characteristic diagrams, the incident light wavelength is λOP
It can be seen that if set to , large refractive index modulation is possible by the reverse bias voltage, and that at λOP, where the refractive index peaks in the absence of an electric field, there is almost no light absorption and little light loss.

【0031】[0031]

【実施例】図3(A)、(B)は、本発明の実施例の屈
折率変調型光変調器の構成説明図で、図3(A)は平面
図、図3(B)は図3(A)のX−Yにおける断面図で
ある。
[Embodiment] FIGS. 3(A) and 3(B) are explanatory diagrams of the configuration of a refractive index modulation type optical modulator according to an embodiment of the present invention. FIG. 3(A) is a plan view, and FIG. 3(B) is a diagram. FIG. 3A is a sectional view taken along the line X-Y of FIG. 3(A).

【0032】この図に基づいて本実施例の屈折率変調型
光変調器の構成を説明する。この図において、1はGa
As基板、2はAlAsクラッド層、3、5はAlAs
ノンドープ層、4は混晶層、6はAlAsクラッド層、
7はGaAsコンタクト層、8はSiO2 膜、9はp
型電極、10はn型電極である。
The configuration of the refractive index modulation type optical modulator of this embodiment will be explained based on this figure. In this figure, 1 is Ga
As substrate, 2 is AlAs cladding layer, 3 and 5 are AlAs
Non-doped layer, 4 is a mixed crystal layer, 6 is an AlAs cladding layer,
7 is a GaAs contact layer, 8 is a SiO2 film, and 9 is a p
The type electrode 10 is an n-type electrode.

【0033】本実施例の屈折率変調型光変調器は下記の
ようにして製造される。 1.まず、Si、Sn等のドナーをドープしたGaAs
基板1の上に、AlAsクラッド層2を形成し、その上
に不純物拡散を防ぐためにAlAsノンドープ層3を形
成し、その上に、第1の量子井戸層W1 として厚さ8
0ÅのGa0.6 Al0.4 As層、第2の量子井
戸層W2 として厚さ30ÅのGa0.6 Al0.4
 As層、第1のバリア層B1 として厚さ100Åの
AlAs層、第2のバリア層B2 として厚さ150Å
のAlAsを10周期形成する。
The refractive index modulation type optical modulator of this embodiment is manufactured as follows. 1. First, GaAs doped with donors such as Si and Sn
An AlAs cladding layer 2 is formed on a substrate 1, an AlAs non-doped layer 3 is formed thereon to prevent impurity diffusion, and a first quantum well layer W1 is formed on the AlAs cladding layer 2 to a thickness of 8.
Ga0.6 Al0.4 As layer with a thickness of 0 Å, Ga0.6 Al0.4 with a thickness of 30 Å as the second quantum well layer W2
As layer, AlAs layer with a thickness of 100 Å as the first barrier layer B1, and 150 Å thick as the second barrier layer B2.
10 cycles of AlAs are formed.

【0034】2.この多層構造体に、導波路の形状のレ
ジスト膜を形成し、これをマスクにしてイオンを選択的
に注入するか、あるいは、不純物を選択的に拡散して、
露出している領域を混晶層4にして、多重量子井戸層か
らなり、途中が2つに分かれた導波路R1 、R2 を
残す。
2. A resist film in the shape of a waveguide is formed on this multilayer structure, and ions are selectively implanted using this as a mask, or impurities are selectively diffused.
The exposed region is made into a mixed crystal layer 4, and waveguides R1 and R2, which are made of a multiple quantum well layer and are split into two in the middle, are left.

【0035】3.そして、その上に、ノンドープAlA
s層5と、ZnなどアクセプタをドープしたAlAsク
ラッド層6を形成し、その上にハイドープしたGaAs
コンタクト層7を形成する。
3. And on top of that, non-doped AlA
An s-layer 5 and an AlAs cladding layer 6 doped with an acceptor such as Zn are formed, and highly doped GaAs
A contact layer 7 is formed.

【0036】4.さらに、その上にSiO2 膜8を形
成し、一方の導波路R2 に開口を設け、この開口をと
おしてTi/Ptからなるp型電極9を形成する。 5.最後にGaAs基板1の底面にAuGe/Auから
なるn型電極10を設ける。
4. Further, a SiO2 film 8 is formed thereon, an opening is provided in one waveguide R2, and a p-type electrode 9 made of Ti/Pt is formed through this opening. 5. Finally, an n-type electrode 10 made of AuGe/Au is provided on the bottom surface of the GaAs substrate 1.

【0037】なお、これらの各層の形成はLP法、MO
VPE法(あるいはMBE法)などを組み合わせて行う
ことができる。このように、2つにわかれた導波路R1
 、R2 のうち一方にp電極を形成し、この一方の導
波路R2 にだけ電圧がかかるようにすると、この導波
路の屈折率が変化するために、導波路R1 、R2 に
わかれて透過した光の、その合流点における位相関係が
変化する。
[0037] The formation of each of these layers is performed using the LP method, MO
This can be performed in combination with the VPE method (or MBE method) or the like. In this way, the waveguide R1 divided into two
, R2, and a voltage is applied to only one of the waveguides R2, the refractive index of this waveguide changes, so that the light transmitted through the waveguides R1 and R2 changes. , the phase relationship at their confluence changes.

【0038】すなわち、所定の電圧によって、この合流
点において導波路R1 を透過する光と導波路R2 を
透過する光の位相が180°ずれるように屈折率変化と
導波路長を選べば、この電圧をかけたとき光変調器から
出力される光はゼロとなり、電圧をかけないときには、
同相で合流し出力するから、この機構を利用して光の変
調を行うことができる。
That is, if the refractive index change and the waveguide length are selected so that the phase of the light transmitted through waveguide R1 and the light transmitted through waveguide R2 are shifted by 180° at this confluence point by a predetermined voltage, then this voltage When voltage is applied, the light output from the optical modulator becomes zero, and when no voltage is applied,
Since they are combined and output in the same phase, this mechanism can be used to modulate light.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上のように本発明は量子井戸層の間の
バリア層としてX点またはL点のポテンシャルエネルギ
ーがΓ点より低くなる材料を用いることによって、低電
圧で駆動でき、消光比が大きく、高速動作が可能なエキ
シトンクエンチングを利用した屈折率変調型光変調器を
実現することができる。
As described above, the present invention uses a material in which the potential energy of the X point or L point is lower than the Γ point as a barrier layer between quantum well layers, so that it can be driven at a low voltage and the extinction ratio is low. It is possible to realize a refractive index modulation type optical modulator using exciton quenching that is large and capable of high-speed operation.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】(A)〜(C)は、本発明の屈折率変調型光変
調器の原理説明図である。
FIGS. 1A to 1C are diagrams illustrating the principle of a refractive index modulation type optical modulator of the present invention.

【図2】(A)、(B)は、本発明の屈折率変調型光変
調器の屈折率および吸収係数の波長依存特性図である。
FIGS. 2A and 2B are wavelength-dependent characteristic diagrams of the refractive index and absorption coefficient of the refractive index modulation type optical modulator of the present invention.

【図3】(A)、(B)は、本発明の実施例の屈折率変
調型光変調器の構成説明図である。
FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating the configuration of a refractive index modulation type optical modulator according to an embodiment of the present invention.

【図4】(A)、(B)は、量子井戸層の量子閉じ込め
シュタルク効果による光吸収率および屈折率変化の説明
図である。
FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams of changes in optical absorption rate and refractive index due to the quantum confined Stark effect of a quantum well layer.

【図5】(A)、(B)は、従来のエキシトンクエンチ
ング型光変調器の説明図である。
FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams of a conventional exciton quenching optical modulator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

W1   第1の量子井戸層 W2   第2の量子井戸層 B1   第1のバリア層 B2   第2のバリア層 Eew1   第1の量子井戸層W1 中の無電界時の
電子基底準位 EhW1   第1の量子井戸層W1 中の無電界時の
正孔基底準位 EeW2   第2の量子井戸層W2 中の無電界時の
正孔基底準位 EhW2   第2の量子井戸層W2 中の無電界時の
正孔基底準位 EX(L)eB1   第1のバリア層B1 中の無電
界時のX(L)点における電子基底準位 Eew1 ’  逆バイアス電圧を印加したときの第1
の量子井戸層W1 中の電子基底準位 EeW2 ’  逆バイアス電圧を印加したときの第2
の量子井戸層W2 中の電子基底準位 EX(L)eB1 ’  逆バイアス電圧を印加したと
きのX(L)点における第1のバリア層B1 中の電子
の基底準位
W1 First quantum well layer W2 Second quantum well layer B1 First barrier layer B2 Second barrier layer Eew1 Electron ground level during no electric field in first quantum well layer W1 EhW1 First quantum well Hole ground level EeW2 in the layer W1 in the absence of an electric field EhW2 Hole ground level in the second quantum well layer W2 in the absence of an electric field EhW2 Hole ground level in the second quantum well layer W2 in the absence of an electric field EX(L)eB1 Electron ground level Eew1' at point X(L) in the first barrier layer B1 when no electric field is present.
The electronic ground level EeW2' in the quantum well layer W1 is the second when a reverse bias voltage is applied.
Ground level of electrons in quantum well layer W2 EX(L)eB1' Ground level of electrons in first barrier layer B1 at point X(L) when reverse bias voltage is applied

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  第1の量子井戸層と、該第1の量子井
戸層に接し、X点またはL点の電子のエネルギーがΓ点
のエネルギーより低い第1のバリアー層と、該第1のバ
リアー層に接し、該第1の井戸層より層厚が薄いか、電
子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが大きな第
2の量子井戸層とによって構成される量子井戸層単位が
、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止するに足る厚
さの第2のバリアー層を介して複数周期積層された多重
量子井戸構造体を屈折率変調層として有し、該量子井戸
層に対して垂直方向に電圧を印加することによってエキ
シトンを消滅させ、量子井戸層のエキシトン吸収ピーク
近傍の波長の光に対する屈折率を変化させることによっ
て、エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光に対して強度
変調を行うことを特徴とする屈折率変調型光変調器。
Claim 1: a first quantum well layer, a first barrier layer in contact with the first quantum well layer, in which the energy of electrons at the X point or the L point is lower than the energy at the Γ point; A quantum well layer unit that is in contact with a barrier layer and is composed of a second quantum well layer that is thinner than the first well layer or has a smaller electron affinity and a larger band gap energy is an adjacent quantum well layer unit. The refractive index modulation layer has a multi-quantum well structure stacked in multiple periods through a second barrier layer thick enough to inhibit coupling with the quantum well layer, and a voltage is applied perpendicularly to the quantum well layer. It is characterized by performing intensity modulation for light at a wavelength near the exciton absorption peak by extinguishing excitons by applying an electric current, and changing the refractive index of the quantum well layer for light at a wavelength near the exciton absorption peak. Refractive index modulation type optical modulator.
【請求項2】  第1の量子井戸層と、該第1の量子井
戸層に接し、X点またはL点の電子のエネルギーがΓ点
のエネルギーより低い第1のバリアー層と、該第1のバ
リアー層に接し、該第1の井戸層より層厚が薄いか、電
子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが大きな第
2の量子井戸層とによって構成される量子井戸層単位が
、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止するに足る厚
さの第2のバリアー層を介して複数周期積層された多重
量子井戸構造体を屈折率変調層として有し、該第1の量
子井戸層側にp型半導体層を、該第2量子井戸層側にn
型半導体層が形成され、該pn接合に逆方向電圧を印加
することによってエキシトンを消滅させ、量子井戸層の
エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光に対する屈折率を
変化させることによって、エキシトン吸収ピーク近傍の
波長の光に対して強度変調を行うことを特徴とする屈折
率変調型光変調器。
2. A first quantum well layer, a first barrier layer that is in contact with the first quantum well layer and in which the energy of electrons at the X point or the L point is lower than the energy at the Γ point; A quantum well layer unit that is in contact with a barrier layer and is composed of a second quantum well layer that is thinner than the first well layer or has a smaller electron affinity and a larger band gap energy is an adjacent quantum well layer unit. The refractive index modulation layer is a multi-quantum well structure layered in multiple periods through a second barrier layer thick enough to inhibit coupling with the first quantum well layer. layer on the second quantum well layer side.
A type semiconductor layer is formed, and by applying a reverse voltage to the pn junction, excitons are annihilated, and by changing the refractive index of the quantum well layer for light with a wavelength near the exciton absorption peak, A refractive index modulation type optical modulator that performs intensity modulation on wavelength light.
【請求項3】  第1の量子井戸層と、該第1の量子井
戸層に接し、X点またはL点の電子のエネルギーがΓ点
のエネルギーより低い第1のバリアー層と、該第1のバ
リアー層に接し、該第1の井戸層より層厚が薄いか、電
子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが大きな第
2の量子井戸層とによって構成される量子井戸層単位が
、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止するに足る厚
さの第2のバリアー層を介して複数周期積層された多重
量子井戸構造体を、マッハツェンダー型干渉計の2つの
導波路部分に組み込み、一方の多重量子井戸構造体に、
その量子井戸層に対して垂直方向に電圧を印加すること
によってエキシトンを消滅させ、量子井戸層のエキシト
ン吸収ピーク近傍の波長の光に対する屈折率を変化させ
ることによって、エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光
に対して強度変調を行うことを特徴とする屈折率変調型
光変調器。
3. A first quantum well layer, a first barrier layer that is in contact with the first quantum well layer and in which the energy of electrons at the X point or the L point is lower than the energy at the Γ point; A quantum well layer unit that is in contact with a barrier layer and is composed of a second quantum well layer that is thinner than the first well layer or has a smaller electron affinity and a larger band gap energy is an adjacent quantum well layer unit. A multi-quantum well structure stacked in multiple periods via a second barrier layer thick enough to prohibit coupling with In the structure,
By applying a voltage perpendicularly to the quantum well layer, excitons are annihilated, and by changing the refractive index of the quantum well layer for light with a wavelength near the exciton absorption peak, light with a wavelength near the exciton absorption peak is A refractive index modulation type optical modulator characterized by performing intensity modulation on a refractive index modulation type optical modulator.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100500097B1 (en) * 2002-03-01 2005-07-11 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 Optical modulator
US7752546B2 (en) 2001-06-29 2010-07-06 Thomson Licensing Method and system for providing an acoustic interface

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