JPH0588219A - 非線形光半導体装置、光共振器および光双安定レーザダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＴＢＱ構造を有する非線形光半導体装置におい
て、第一の量子井戸層で励起されたキャリアを吸収する
第二の量子井戸層による光吸収を抑止した非線形光半導
体装置を提供することを目的とする。 【構成】第一の量子井戸層にバリア層を介して接する第
二の量子井戸層を、Γ点に対応する伝導帯が第一の量子
井戸層中に形成される電子の量子準位よりも高いエネル
ギーレベルに位置し、同時にＸ点に対応する伝導帯が前
記第一の量子井戸層中の量子準位よりも低いエネルギー
レベルに位置し、さらに第二の量子井戸層中に前記第一
の量子井戸層中の量子準位よりも低いエネルギーレベル
を有する電子の量子準位が形成されるように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に半導体装置に関
し、特に非線形応答を示す光半導体装置に関する。

【０００２】高速光通信システムや光デジタルプロセッ
サに関連して、非線形光半導体装置の研究がなされてい
る。非線形光半導体装置では、透過率や反射率などの光
学的性質が光ビームの照射により制御される。このた
め、非線形光半導体装置は光作動光スイッチや光論理プ
ロセッサ、あるいは光変調器を構成するのに極めて有用
である。

【０００３】特願平１−１２６２３９において、本出願
人は非線形光半導体装置としていわゆるＴＢＱ構造を有
する光半導体装置を提案した。ＴＢＱ構造においては、
一対のバリア層で挟まれた第一の量子井戸層に隣接して
第二の量子井戸層が形成され、光励起により第一の量子
井戸層中に生じたキャリアを第二の量子井戸層で吸収す
るようにする。このために、バリア層の厚さはキャリ
ア、特に電子のトンネリングが可能な程度に薄く設定
し、また第二の量子井戸層中に生じる量子準位が第一の
量子井戸層中の量子準位よりも低くなるように第一、第
二の量子井戸層の組成および厚さを設定する。かかるＴ
ＢＱ構造では、入射光による光励起の後入射光が遮断さ
れた場合、第一の量子井戸層中のキャリアは直ちに第二
の量子井戸層に脱出し、非線形光半導体装置の光学的状
態は短時間で元に戻る。

【０００４】

【従来の技術】図２１は従来のＴＢＱ装置のバンド構造
図である。

【０００５】図２１を参照するに、ＴＢＱ装置は一対の
バリア層１４ｂにより挟まれた活性層１４ａを有する。
活性層１４ａの幅は電子およびホールの離散的な準位Ｅ
₁ ，Ｈ₁ が形成されるように十分に小さく設定される。
換言すれば、活性層１４ａは量子井戸層を形成し、量子
準位Ｅ₁ およびＨ₁ のエネルギ差に相当する波長の入射
光ビームを吸収する。入射光ビームは量子準位Ｅ₁ へ電
子を励起すると共に量子準位Ｈ₁ にホールを生成し、励
起された電子およびホールは準位Ｅ₁ よりわずかに低い
エネルギレベルに励起子を形成する。また、生成した励
起子は準位Ｅ₁ およびＨ₁ に電子およびホールを放出し
て分解する。

【０００６】図１のＴＢＱ装置では、バリア層１４ｂの
厚さは量子井戸層１４ａ中で励起された電子がトンネリ
ングにより脱出できるように十分に小さく設定される。
さらに、電子の量子井戸層１４ａからの脱出を促進する
ために第二の量子井戸層１４ｃをバリア層１４ｂに接し
て形成する。通常、第二の量子井戸層の厚さは第一の量
子井戸層１４ａの厚さよりも実質的に大きく設定され、
第一の量子井戸層中の量子準位Ｅ₁ ，Ｈ₁ よりもエネル
ギー的に低い量子準位Ｅ₂ ，Ｈ₂ を形成する。非線形光
学装置をこのように形成することにより、電子は第一の
量子井戸層１４ａから第二の量子井戸層１４ｃへ、バリ
ア層１４ｂをトンネリングして脱出し、電子が第一の量
子井戸層中に滞留する問題が解決される。電子が励起状
態で第一の量子井戸層中に滞留すると、入射光ビームの
吸収が阻害される。入射光ビームを遮断した後に元の光
学的状態を速やかに回復するには励起されたキャリアを
第一の量子井戸層から出来るだけ速やかに除去する必要
がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図２１のＴＢＱ装置に
おいては量子準位Ｅ₂ と量子準位Ｈ₂ の間のエネルギー
ギャップは入射光ビームのエネルギーにくらべてはるか
に小さい。そこで、図２１の装置においては入射光ビー
ムが第二の量子井戸層によって吸収されることが避けら
れない。換言すれば、図２１の非線形光半導体装置はＳ
Ｎ比が劣化する傾向がある。

【０００８】図２１のＴＢＱ装置においては、また第一
の量子井戸層１４ａから第二の量子井戸層１４ｃに脱出
した電子あるいはホールが層１４ｃ中に滞留する問題点
を有する。この問題は特に高速の光パルスが入射される
ような場合に顕著になる。図２１の装置では電子の有効
質量がホールのそれよりも小さいため、特に電子が第二
の量子井戸層１４ｃ中に蓄積されやすい。これに対し、
ホールは第一の量子井戸層１４ａに蓄積される傾向があ
る。このようなキャリアの蓄積が生じると量子井戸層１
４ａと量子井戸層１４ｃの相対的なエネルギーが変化
し、最終的には量子準位Ｅ₁ と量子準位Ｅ₂ が等しくな
ってしまうこともあり得る。こうなると、電子はもはや
第二の量子井戸層に脱出することができなるなり、装置
の応答特性は著しく劣化する。

【０００９】本発明は、上記の問題点に鑑みなされたも
ので、新規で有用な非線形光半導体装置を提供すること
を概括的目的とする。

【００１０】本発明のより具体的な目的は、入射光と相
互作用をする第一の量子井戸層と、入射光との相互作用
の結果第一の量子井戸層中に形成されたキャリアを吸収
する第二の量子井戸層とを備えたＴＢＱ構造を有する非
線形光半導体装置において、第二の量子井戸層による入
射光ビームの吸収を最小化した光半導体装置を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
入射光の波長に対応するエネルギーギャップ（Ｅ_gap1）
だけ相互に隔てられて形成された電子のための第一の量
子準位（Ｅ₁ ）とホールのための第二の量子準位
（Ｈ₁ ）とを有する第一の量子井戸層（１２ａ）と、前
記第一の量子井戸層の上下にキャリアのトンネリングを
許容するような厚さで形成され、前記第一の量子井戸層
に対応してポテンシャル井戸を形成するバリア層（１２
ｂ）と、前記バリア層に接して形成され、前記第一の量
子井戸層中において前記入射光による励起により生成
し、前記バリア層（１２ｂ）をトンネリングしたキャリ
アを吸収する第二の量子井戸層（１２ｃ）とを備え、入
射光の照射に応じて光学的な状態を変化させる非線形光
半導体装置において、前記第二の量子井戸層は伝導帯中
にＸ点とΓ点とを含み、前記Γ点は前記第一の量子準位
よりも実質的に高いエネルギを有し、一方前記Ｘ点は前
記第一の量子準位よりも実質的に低いエネルギを有し、
前記第二の量子井戸層は前記Ｘ点に対応して前記第一の
量子準位よりも低いエネルギの位置に電子のための第三
の量子準位を有することを特徴とする非線形光半導体装
置により、又は入射光の波長に対応するエネルギーギャ
ップ（Ｅ_gap1）だけ相互に隔てられて形成された電子の
ための第一の量子準位（Ｅ₁ ）とホールのための第二の
量子準位（Ｈ₁ ）とを有する第一の量子井戸層（２２
ａ）と、前記第一の量子井戸層の上下に形成され、前記
第一の量子井戸層中において前記入射光による励起によ
り生成したキャリアを吸収する第二の量子井戸層（２２
ｃ）とを備え、入射光の照射に応じて光学的な状態を変
化させる非線形光半導体装置において、前記第二の量子
井戸層は伝導帯中にＸ点とΓ点とを含み、前記Γ点は前
記第一の量子準位よりも実質的に高いエネルギを有し、
一方前記Ｘ点は前記第一の量子準位よりも実質的に低い
エネルギを有し、前記第二の量子井戸層は前記Ｘ点に対
応して前記第一の量子準位よりも低いエネルギの位置に
電子のための第三の量子準位（Ｅ₂ ）を有し、前記第一
及び第二の量子井戸層は交互に積層されて積層構造体
（２２）を形成し、さらに前記積層構造体上には、前記
第一および第二の量子井戸層に平行な方向に電場を誘起
する電極手段（２４ａ，２４ｂ）を形成し、これにより
第一および第二の量子井戸層中に励起された電子および
ホールを除去することを特徴とする非線形光半導体装置
により、または信号光ビームの半波長の整数倍程度の距
離だけ離間して相互に対向するように配設された第一お
よび第二の半透明ミラー（３１ａ，３１ｂ）と、前記第
一および第二の半透明ミラーの間に配設された積層構造
体（３２）とよりなり、信号光ビームを供給されて共振
を生じる光共振器において、前記積層構造体は信号光の
波長に略対応するエネルギーギャップ（Ｅ_gap1）だけ相
互に隔てられて形成された電子のための第一の量子準位
（Ｅ₁ ）とホールのための第二の量子準位（Ｈ₁ ）とを
有する第一の量子井戸層（１２ａ）と、前記第一の量子
井戸層の上下にキャリアのトンネリングを許容するよう
な厚さで形成され、前記第一の量子井戸層に対応してポ
テンシャル井戸を形成するバリア層（１２ｂ）と、前記
バリア層に接して形成され、前記第一の量子井戸層中に
おいて制御光による励起により生成し、前記バリア層
（１２ｂ）をトンネリングしたキャリアを吸収する第二
の量子井戸層（１２ｃ）とを備え、前記第二の量子井戸
層は伝導帯中にＸ点とΓ点とを含み、前記Γ点は前記第
一の量子準位よりも実質的に高いエネルギを有し、一方
前記Ｘ点は前記第一の量子準位よりも実質的に低いエネ
ルギを有し、前記第二の量子井戸層は前記Ｘ点に対応し
て前記第一の量子準位よりも低いエネルギの位置に電子
のための第三の量子準位を有することを特徴とする光共
振器により、または所定の距離離間して対向する第一お
よび第二のミラー（４４ａ，４４ｂ）より構成される光
共振器と、前記第一および第二のミラーの間に配設さ
れ、電子およびホールを注入されて誘導放出により光ビ
ームを形成する活性層（４１）と、前記第二のミラーと
前記活性層の間に形成され、供給される光放射に応じて
透過率を変化させる可飽和吸収領域（４５）とよりなる
光双安定レーザダイオードにおいて、前記可飽和吸収領
域は光放射の波長に略対応するエネルギーギャップ（Ｅ
_gap1）だけ相互に隔てられて形成された電子のための第
一の量子準位（Ｅ₁ ）とホールのための第二の量子準位
（Ｈ₁ ）とを有する第一の量子井戸層（１２ａ）と、前
記第一の量子井戸層の上下にキャリアのトンネリングを
許容するような厚さで形成され、前記第一の量子井戸層
に対応してポテンシャル井戸を形成するバリア層（１２
ｂ）と、前記バリア層に接して形成され、前記第一の量
子井戸層中において前記光放射による励起により生成
し、前記バリア層をトンネリングしたキャリアを吸収す
る第二の量子井戸層（１２ｃ）とを備え、前記第二の量
子井戸層は伝導帯中にＸ点とΓ点とを含み、前記Γ点は
前記第一の量子準位よりも実質的に高いエネルギを有
し、一方前記Ｘ点は前記第一の量子準位よりも実質的に
低いエネルギを有し、前記第二の量子井戸層は前記Ｘ点
に対応して前記第一の量子準位よりも低いエネルギの位
置に電子のための第三の量子準位を有することを特徴と
する光双安定レーザダイオードによ達成する。

【００１２】

【作用】本発明によれば、第二の量子井戸層の材料を前
述のように選定することにより、第二の量子井戸層によ
る光ビームの吸収が抑止され、非線形光半導体装置のＳ
Ｎ比が大きく向上する。第二の量子井戸層においては、
価電子帯から伝導帯のΓ点への電子の光励起は、入射光
の光エネルギーよりもはるかに大きいエネルギーを要す
るため生じない。一方、伝導帯のＸ点およびこれに付随
する第三の量子準位は第一の量子井戸層中の第一の量子
準位よりもエネルギー的に低い位置にあるため、第一の
量子井戸層中に光励起により形成された電子は速やかに
第二の量子井戸層に脱出することが可能になり、非線形
光半導体装置は速やかに元の状態に復帰する。その際、
第二の量子井戸層の価電子帯から第三の量子準位への遷
移は間接遷移過程によりなされるため、実質的には生じ
ない。このため、この過程により入射光が吸収されるこ
ともない。

【００１３】好ましい実施例によれば、第一および第二
の量子井戸層中の電子およびホールを速やかに除去する
ため非線形光半導体装置には電極手段が設けられる。電
極手段は第一および第二の量子井戸層に沿って電場を誘
起し、これに伴って第一および第二の量子井戸層では伝
導帯および価電子帯に勾配が誘起される。その結果、電
子およびホールは傾斜した価電子帯および伝導帯に沿っ
て電極手段に到達し、吸収される。

【００１４】他の好ましい実施例によれば、第二の量子
井戸層の材料を第二の量子井戸層中にホールの量子準位
が形成されるように選定する。このようにすることで、
第一の量子井戸層中におけるホールの滞留の問題を解決
することが可能になる。

【００１５】本発明の実施例を説明する前に、本発明の
原理をＧａＡｓおよびＡｌＡｓのバンド構造を示す図２
２（ａ），（ｂ）を参照して説明する。

【００１６】図２２（ａ）はＧａＡｓのバンド構造を波
数空間ないし結晶運動量空間において示す図である。図
中横軸は運動量を示し、伝導帯と価電子帯のバンド端が
運動量とともに変化するのがわかる。伝導帯にはΓ点お
よびＸ点に対応して極小値が存在し、一方価電子帯には
Γ点に対応して極大値が存在する。また、価電子帯はＸ
点に対応して極小値を有する。その際、ＧａＡｓのバン
ドギャップはΓ点に対応して形成され１．４２ｅＶの値
を有する。これに対してＸ点においてはバンドギャップ
は４．７５ｅＶの値を有する。さらに、Ｘ点における伝
導帯の極小値とΓ点における価電子帯の極大値との間の
エネルギー差は約２．１ｅＶになる。

【００１７】かかるＧａＡｓのバンド構造は直接遷移型
として周知のもので、光励起はΓ点において運動量の変
化を伴うことなく生じる。これに対し、価電子帯のΓ点
から伝導帯のＸ点へ遷移するには運動量の変化を必要と
し、このためかかる間接遷移の確率は低い。これは、か
かる運動量の変化を伴う遷移は適当な運動量を有するフ
ォノンとの相互作用等、他の素過程の助けを必要とする
ためである。

【００１８】ＡｌＡｓについても同様な事情が成立す
る。すなわち、ＡｌＡｓはΓ点において遷移エネルギー
として２．９５ｅＶを有するのに対し、Ｘ点では４．８
９ｅＶの遷移エネルギーを有する。さらに、伝導帯のＸ
点と価電子帯のΓ点との間のエネルギー差は２．１６ｅ
Ｖとなる。ＧａＡｓの場合と同様に、価電子帯のΓ点か
ら伝導帯のＸ点への遷移は間接過程を含むため、実質的
には生じない。ＧａＡｓと異なり、ＡｌＡｓの場合伝導
帯の下端はＸ点となり、一方価電子帯の上端はΓ点とな
る。ＡｌＡｓはかかるバンド構造を有するため２．１６
ｅＶ程度の光エネルギーが供給されても殆ど光吸収を示
さない。

【００１９】

【実施例】本発明は、ＴＢＱ構造における第二の量子井
戸層による光吸収の問題を、第二の量子井戸層に対して
ＡｌＡｓと同様な間接遷移を特徴とする材料を使用する
ことで解決する。

【００２０】図１は本発明の原理を説明するバンド構造
図である。

【００２１】図１を参照するに、本発明による非線形光
半導体装置は図２１と同様なＴＢＱ構造を有する積層構
造体１２よりなり、積層構造体１２は図２１のＧａＡｓ
層１４ａに対応するＧａＡｓ層１２ａを有し、ＧａＡｓ
層１２ａはＡｌＧａＡｓよりなる一対のバリア層１２ｂ
により挟まれる。このバリア層１２ｂは図２１のバリア
層１４ｂに対応する。さらに、バリア層１２ｂの外側に
は図２１の層１４ｃに相当する第二の量子井戸層１２ｃ
が形成される。ＴＢＱ構造はかかる層１２ａ〜１２ｃを
繰り返し積層することで形成され、図示の例では層１２
ａの厚さは２．８ｎｍ，層１２ｂの厚さは４．０ｎｍ，
層１２ｃの厚さは７．０ｎｍとされている。

【００２２】層１２ａの厚さを薄くすることにより、層
１２ａ中には電子のための量子準位Ｅ₁ やホールのため
の量子準位Ｈ₁ が図１に示したように形成され、層１２
ａは量子井戸層として作用する。図中、量子準位Ｅ₁ と
量子準位Ｈ₁ のエネルギー差をＥ_gap1とあらわす。さら
に、量子井戸層１２ａにおいて伝導帯Ｅｃの下端と価電
子帯Ｅｖの上端との間のエネルギーギャップをＥｇ₁ と
あらわす。層１２ａでは伝導帯の下端と価電子帯の上端
とはいずれもΓ点に形成されており、エネルギーギャッ
プＥｇ₁ は１．４２ｅＶの値を有する。図２２（ａ）の
バンド構造図を参照。ここで、層１２ａの厚さは入射光
ビームの波長に対応して設定され、入射光ビームは量子
準位Ｅ₁ に電子を励起すると同時に量子準位Ｈ₁ にホー
ルを生成する。さらに、このように励起された電子とホ
ールは量子準位Ｅ₁ よりわずかに低い位置に励起子を形
成し、かかる励起子の存在によって層１２ａによる光吸
収は妨げられる。換言すれば、量子井戸層１２ａ、従っ
て積層構造体１２は光吸収について非線形な応答を示
す。図２１の装置と同様に、励起された電子はバリア層
１２ｂをトンネリングすることにより層１２ａから脱出
する。電子の脱出を促進するために、バリア層１２ｂの
厚さは電子が自由にトンネリングできる程度に薄く設定
される。

【００２３】本実施例では、ＡｌＡｓ層１２ｃが伝導帯
Ｅｃ中にＸ点を、量子準位Ｅ₁ よりもエネルギー的に低
い位置に有している。図１において、層１２ｃの伝導帯
下端と価電子帯上端のエネルギー差をＥｇ₃ とあらわし
ているが、この図で伝導帯の下端がＸ点に対応し、一方
価電子帯の上端がΓ点に対応する。図２２（ｂ）を参照
するに、エネルギー差Ｅｇ₃ は２．１６ｅＶに等しいこ
とがわかる。さらに、層１２ｃの厚さは層１２ａ中の量
子準位Ｅ₁ よりも実質的に低いエネルギーレベルに量子
準位Ｅ₂ が形成されるように十分に大きく設定される。
量子準位Ｅ₂ がこのように量子準位Ｅ₁ よりも低く形成
される結果、励起された電子は量子井戸層１２ｃの量子
準位Ｅ₂ に速やかに逃れることができ、層１２ａ中に励
起電子の蓄積が生じることはない。

【００２４】量子井戸層１２ｃにおいては価電子帯Ｅｖ
の上端から量子準位Ｅ₂ への電子の光遷移は先にも説明
した間接遷移過程が含まれるために、容易には起こらな
い。量子準位Ｅ₂ は伝導帯のＸ点に対応して形成される
のに対し、価電子帯の上端はΓ点に対応して形成される
ことに注意すべきである。さらに、層１２ｃでは伝導帯
のΓ点が図１の量子準位Ｅ₁ よりもはるかに高い位置に
あるため、直接遷移による光励起は生じない。入射光ビ
ームがギャップエネルギーＥ_gap1に対応する波長を有す
る限り量子井戸層１２ｃによる光吸収は生じない。層１
２ｃが光吸収を生じるためには入射光ビームはΓ点にお
けるバンドギャップＥ_gap2以上のエネルギーを有する必
要がある。

【００２５】図１のバンド構造を実現する材料は勿論前
記のものに限定されるものではなく、例えば層１２ａ〜
１２ｃとしてＡｌＧａＡｓを使い、その際層１２ａの組
成Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓを組成範囲０≦ｘ＜０．４５に設
定し、層１２ｂの組成Ａｌ_y Ｇａ_1-y Ａｓを組成範囲ｘ
＜ｙに設定し、さらに層１２ｃの組成Ａｌ_z Ｇａ_1-z Ａ
ｓを組成範囲ｙ＜ｚ≦１に設定してもよい。

【００２６】ところで、前記特願平１−１２６２３９は
ＧａＡｓよりなる第一の量子井戸層とＡｌＧａＡｓより
なる第二の量子井戸層にＡｌＡｓよりなるバリア層を組
み合わせて第二の量子井戸層による光吸収を抑止する構
成を開示している。この従来のＴＢＱ装置においては第
二の量子井戸層における電子とホールの量子準位差を増
大させることにより第二の量子井戸層による光吸収を抑
止すると同時に、第二の量子井戸層における電子の量子
準位を第一の量子井戸層における電子の量子準位よりも
低く設定することにより第一の量子井戸層から第二の量
子井戸層への電子の脱出を可能にしている。しかし、こ
の先行技術においては、第二の量子井戸層おける光吸収
を抑止するのにΓ点における大きなバンドギャップを利
用する思想や、第二の量子井戸層のＸ点に対応して量子
準位を形成し第一の量子井戸層中の励起電子を吸収させ
る思想は開示されていない。

【００２７】図２は積層構造体１２を使った本発明の第
１実施例による非線形光半導体装置の構造を示す図であ
る。本実施例では積層構造体１２はＧａＡｓ基板１０の
上主面上に形成されている。図２中に拡大して示したよ
うに、積層構造体１２は層１２ａ〜１２ｃを繰り返し積
層することによって形成される。その際繰り返しの単位
は層１２ｂ／層１２ａ／層１２ｂ／層１２ｃとなってい
る。さらに、基板１０には積層構造体１２の下面を露出
させる開口部１０ａが形成されている。

【００２８】本実施例装置では、信号光ビームが矢印に
より示したように供給され、一方積層構造体１２の光学
的性質が別の制御光を別の矢印で示したように照射する
ことで制御される。すなわち、十分な強度の制御光ビー
ムを照射すると積層構造体１２は飽和し、光ビームを吸
収しなくなる。この状態では信号光ビームは積層構造体
１０を自由に通過する。これに対し、制御光ビームを遮
断すると積層構造体１２は元の光学的状態を速やかに回
復し、光ビームの吸収が再開される。本実施例の装置で
は第二の量子井戸層１２ｃによる信号光ビームの吸収は
生じることがない。

【００２９】図３（ａ）は本実施例による非線形光半導
体装置の吸収スペクトルを示す図である。この図より明
らかなように、本実施例装置の吸収スペクトルには波長
約７４０ｎｍのところで光吸収係数が階段状に変化する
のがわかる。この図で認められる主要な吸収ピークは電
子と重いホールにより生成される励起子によるものであ
り、一方より短波長側のピークは電子と軽いホールによ
り生成される励起子によるものと同定される。

【００３０】本発明の効果は図３（ａ）を従来のＴＢＱ
の吸収スペクトルを示す図３（ｂ）と比較すると明らか
である。従来の装置の場合、約８４５ｎｍのところに形
成される第一段目と約７９０ｎｍのところに形成される
第二段目の二段になった光吸収スペクトルがみられ、こ
のうち第二段目は量子井戸層１２ａに対応する量子井戸
層１４ａによるものであるが、第一段目は量子井戸層１
２ｃに対応する量子井戸層１４ｃによるものと考えられ
る。図３（ｂ）より、従来のＴＢＱでは明らかに層１４
ｃによる光吸収が生じており、その光吸収が量子井戸層
１４ａによる光吸収に重畳されていることがわかる。そ
の結果、従来の非線形光半導体装置ではＳ／Ｎ比が劣化
することが避けられない。本発明の構成によれば、図３
（ａ）から明らかなように層１２ｃによる光吸収の問題
は解決される。その結果、本実施例による非線形光半導
体装置ではＳ／Ｎ比が大きく向上する。

【００３１】図２の装置では、装置の光学的状態は信号
光ビームの強度が十分に大きい場合信号光ビームのみに
よっても制御できる。一般に、図２の装置は十分な強度
の入射光がエネルギーＥ_gap1に相当する波長で入来した
場合はそれが信号光であれ制御光であれ光学的状態を変
化させる。

【００３２】次に、本発明の第２実施例を図４を参照し
ながら説明する。図４中、先に説明した部分は同一の符
号で示し、説明を省略する。

【００３３】図４の実施例では、積層構造体１２の上主
面上にショットキー電極１６ａおよび１６ｂが、積層構
造体１２のうち開口部１０ａに対応した入射光を照射さ
れる領域の両側に対向して位置するように形成される。
典型的な場合、電極１６ａ，１６ｂはＡｌより形成さ
れ、例えば１０μｍの距離だけ離間される。

【００３４】動作時には、電極１６ａ，１６ｂにバイア
ス電圧が印加され、これに応じて積層体１２中に電場が
誘起される。一方、かかる電場は図５のバンド構造図の
右側に図示したように層１２ａ〜１２ｃのバンドを傾斜
させ、その結果層１２ｃの量子準位Ｅ₂ にある電子は正
電圧が印加されている電極１２ｃに向かって加速され
る。一方、層１２ａ中で量子準位Ｈ₁ にあるホールは負
電圧が印加されている電極１６ｂに向かって加速され
る。バイアス電圧をこのように印加することにより、光
励起されたキャリアを効率的に除去することが可能とな
り、非線形光半導体装置が元の光学的状態に復帰するま
での時間が実質的に短縮できる。図２の装置ではホール
の有効質量が電子よりも大きいため、電子が量子井戸層
１２ｃに脱出した後もホールが層１２ａ中に滞留する傾
向があるが、本実施例ではホールを層１２ａにトンネリ
ングさせることなく除去することが可能である。

【００３５】図６は第２実施例の効果を示す。

【００３６】図６は入射光インパルスがｔ＝０に入来し
た場合の応答特性を示し、電極１６ａ，１６ｂにバイア
ス電圧を印加しない場合は図示の時間範囲では元の光吸
収は完全には回復しないことがわかる。これに対し、約
４０Ｖのバイアス電圧を印加した場合、元の光吸収が２
００ｐ秒程度の時間で回復するのがわかる。

【００３７】図７は本発明の第３の実施例を示す。本実
施例では電極１６ａと１６ｂの間隔が実質的に１０μｍ
よりも狭く設定される。その結果積層構造体１２のうち
入射光によって照射される範囲が狭まり、回復時間がさ
らに短縮される。

【００３８】図８は本発明の第４実施例を示す。本実施
例では、信号光や制御光等の入射光が照射する範囲はス
リット１８ａを有するマスク１８により規定される。図
示の例ではスリット１８ａは幅Ｄとして例えば１μｍの
大きさを有する。これに対し、電極１６ａと電極１６ｂ
の距離は図４の例と同じく１０μｍに設定される。本実
施例では電極１６ａと電極１６ｂの距離が比較的大きく
設定されるため、一様な電界を発生させることができ、
しかもマスク１８を使うことで照射範囲を減少させるこ
とが可能になる。

【００３９】図９は図８の装置の応答特性を電極１６ａ
および１６ｂ間にバイアス電圧を印加しない場合と４０
Ｖのバイアス電圧を印加した場合について示す。この図
よりわかるように、４０Ｖのバイアス電圧を印加してお
くと元の光学的状態に２０ｐ秒程度の時間で復帰させる
ことができる。

【００４０】図１０は本発明の第５実施例を示す。本実
施例ではマスク１８が照射面積をさらにせばめるように
形成される。図示の例ではスリット１８ａの幅Ｄが光の
波長以下、例えば光の波長が０．８μｍである場合０．
１μｍ以下に設定される。光ビームをこのような狭いス
リットを通過させるため、本実施例では入射光の偏光面
をスリットの延在方向に一致させる偏光子１９が設けら
れている。

【００４１】図１１は本実施例装置の応答特性を示し、
電極１６ａ，１６ｂ間に４０Ｖのバイアス電圧を印加す
ることで回復時間を５ｐ秒程度に短縮できることがわか
る。

【００４２】次に、本発明の第６の実施例を図１２を参
照しながら説明する。

【００４３】図１２を参照するに、本実施例による非線
形光学装置は量子井戸層２２ａおよびバリア層２２ｂを
交互に積層した積層構造体２２を使用する。換言すれ
ば、積層構造体２２はＭＱＷ構造を形成する。典型的な
例では層２２ａは２．８ｎｍの厚さを有する非ドープＧ
ａＡｓより形成され、一方層２２ｂは厚さ７．０ｎｍの
ＡｌＡｓにより形成される。一対の層２２ｂはその間の
層２２ａに対応してポテンシャル井戸を形成し、入射光
の波長に対応したエネルギーギャップＥ_gap1に対応した
電子の量子準位Ｅ₁ とホールの量子準位Ｈ₁ とが層２２
ａ中に形成される。

【００４４】バリア層２２ｂにＡｌＡｓを使うことによ
り、層２２ｂの伝導帯のＸのエネルギーを量子準位Ｅ₁
よりも低く形成でき、その結果光励起された電子は層２
２ｂに自由に脱出することが可能になる。これに対し、
層２２ｂのΓ点に対応する伝導帯は層２２ａの伝導帯下
端よりもはるかに高いエネルギーを有し、従って層２２
ｂはバリア層として作用する。また、図１２の装置は図
１のものに比べバリア層１２ｂを欠いているぶんだけ動
作が速くなる。

【００４５】本実施例においても、積層構造体２２上に
電極が形成され、図１２の右側に示したように電場が構
造体２２中に誘起される。このようにして誘起された電
場はバンドを傾斜させ、電子，ホールは傾斜したバンド
にそって層２２ａ，２２ｂから除去される。

【００４６】図１３は前記第６の実施例による非線形光
半導体装置の構造を示す。

【００４７】図１３を参照するに、本実施例による装置
は開口部２０ｂを形成されたＧａＡｓ基板２０を有し、
基板２０上には積層構造体２２が形成される。また、積
層構造体２２の上主面上には、開口部２０ｂに対応した
入射光により照射される領域を間に、相互に対向する電
極２４ａ，２４ｂが形成される。電極２４ａ，２４ｂに
バイアス電圧を印加することにより、図１２に示した電
場が誘起され、積層構造体２２からのキャリアの除去が
効率的に行われる。

【００４８】ここで、電極２４ａ，２４ｂは例えばショ
ットキー電極を構成する。この場合は積層構造体２２の
上主面上にＡｌが堆積され次いで適宜パターニングされ
て電極２４ａ，２４ｂが形成される。あるいは、積層構
造体２２に電極２４ａ，２４ｂに対応してｎ⁺ 型のコン
タクト領域およびｎ^-型のコンタクト領域を形成し、電
極２４ａ，２４ｂを積層構造体２２にオーミック接触さ
せてもよい。例えば、ｎ⁺ 型のコンタクト領域に接触す
る電極２４ａをＡｕＧｅ／Ａｕ構造とし、またｐ⁺ 型コ
ンタクト領域に接触する電極２４ｂをＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ
構造としてもよい。ｎ⁺ 型コンタクト領域は例えばＳｉ
のイオン注入によって形成できるのに対し、ｐ⁺ 型コン
タクト領域はＺｎのイオン注入によって形成できる。

【００４９】先にも説明したように、本実施例による光
半導体装置はトンネリングバリア層を省略したことで、
元の光学的状態を回復する時間が大幅に短縮される。

【００５０】図１４は本発明の第７の実施例による非線
形光共振器ないしエタロンを示す。

【００５１】図１４を参照するに、本実施例による装置
は一対の半透明ミラー３１ａ，３１ｂを有し、その間に
先の実施例で説明したＴＢＱ構造を有する積層構造体３
２が配設されてなる。ここで、積層構造体３２は例えば
積層構造体１２と同一のものである。ミラー３２ａ，３
２ｂは主面が入射光に対して直交するように配置され、
ミラー３２ａ，３２ｂの間の距離は入射光の半波長の整
数倍近傍に設定される。また、積層構造体３２内におい
て、各半導体層の主面はミラー３２ａ，３２ｂの主面に
平行に設定される。さらに、図１４に示すように、制御
光ビームが入射光に対して斜めに照射される。

【００５２】図１５は図１４の装置の反射スペクトルを
示す。このスペクトルは制御光が照射されない場合につ
いてのものである。図１５よりわかるように、波長７７
０ｎｍのところにエタロンの鋭い共振ピークがみられ
る。この共振点においてエタロンの反射率は最低にな
る。また、励起子に起因するブロードなピークが短波長
側、例えば７４４ｎｍにみられる。

【００５３】制御光を照射するとエタロンの共振ピーク
は短波長側に変移し、例えば共振点が点Ａで示した波長
７６７ｎｍのところに移る。その結果、点Ａにおいてエ
タロンの反射率は図１６のカーブＡで示すように鋭く落
ち込む。一方、点Ｂで示す波長７７３ｎｍでは反射率は
鋭く立ち上がり、これを図１６にカーブＢで示す。

【００５４】積層構造体３２を積層構造体１２あるいは
２２と同様に構成することにより、第二の量子井戸層１
２ｃによる光吸収を除去することが可能となり、本発明
のエタロンは大きな反射率変化を示す。勿論、制御光を
遮断すると、反射率は図１６に示したように短時間で元
の値に戻る。また、先の実施例で説明した電極を設ける
ことにより、元の光学状態への復帰は一層速くなる。

【００５５】図１７は本発明の第８の実施例による光双
安定レーザを示す。この光双安定レーザでは光双安定レ
ーザを特徴づける可飽和吸収層として前記の積層構造体
１２あるいは２２が使われる。

【００５６】図１７を参照するに、本実施例の装置はｎ
型ＡｌＧａＡｓコンタクト層４２の上主面上に形成され
たｐ型ＡｌＧａＡｓよりなる活性層４１を含み、活性層
４１上には別のｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層４３が形
成される。活性層４１は通常の場合と同じく電子とホー
ルを注入されて誘導放出により光ビームを形成する。さ
らに、コンタクト層４３の上主面上には第一のミラー４
４ａが形成される。また、コンタクト層４３の上主面上
にはミラー４４ａを囲むように第一の電極４３ａが形成
される。同様に、コンタクト層４２の上主面上には活性
層４１を囲むように第二の電極４３ｂが形成される。こ
の構成により、電子とホールが電極４３ａ，４３ｂから
コンタクト層４２，４３を介して活性層４１に注入され
る。さらに、コンタクト層４２の下側には可飽和吸収層
４５が図示したように形成され、可飽和吸収層４５の下
主面上には第二のミラー４４ｂが形成される。その結
果、ミラー４４ａ，４４ｂは所定の距離離れて対向する
ように配置される。可飽和吸収層４５は積層構造体１２
あるいは２２と同一の構成を有し、層４５の下面に斜め
に照射される制御光ビームにより光吸収係数を変化させ
る。ここで、可飽和吸収層４５は活性層４１中に形成さ
れる光放射の波長に同調するように形成される。より具
体的には、層１２ａのエネルギーギャップＥ_gap1を活性
層４１で形成される光放射の波長に略等しくなるように
形成する。

【００５７】図１７の装置の動作時には、レーザは可飽
和吸収層４５で光吸収がなければレーザ発振が生じるよ
うなレベルに設定されたバイアス電流で駆動される。こ
の場合、可飽和吸収層４５において吸収が生じるため自
発的なレーザ発振は生じない。次に、強力な制御光を可
飽和吸収層４５に照射すると、層４５における光吸収が
減少し、層４５は実質的に透明に変化する。その結果、
レーザ発振が開始される。レーザ発振が開始されると可
飽和吸収層４５はレーザ発振により生じた光により透明
状態に維持され、制御光を遮断するとレーザ発振は停止
する。

【００５８】次に、本発明の第９の実施例を積層構造体
５０のバンド構造を示す図１８を参照しながら説明す
る。本実施例による積層構造体５０は積層構造体１２と
同様なＴＢＱ構造を有するが、積層構造体５０では第一
の量子井戸層１２ａに対応する層におけるホールの滞留
の問題を電場を誘起することなく解決している。

【００５９】図１８を参照するに、積層構造体５０は厚
さ４０ÅのＩｎＧａＰ量子井戸層５１を含み、組成をＩ
ｎ_x Ｇａ_1-x Ｐとあらわした場合、組成パラメータｘは
０．４８に設定される。層５１は各々組成パラメータｘ
を０．７として組成Ｉｎ_0.5 （Ｇａ_1-x Ａｌ_x ）_0.5 Ｐ
を有する一対のバリア層５２により挟まれ、各バリア層
５２の厚さは２０Åに設定される。さらに、バリア層５
２の外側にはＧａＳｂＰよりなる第二の量子井戸層５３
が厚さ５０Åで形成される。量子井戸層５３の組成はＧ
ａＳｂ_1-x Ｐ_x であらわした場合ｘの値が０．６９に設
定される。層５１〜５３は繰り返し例えば約１００周期
積層される。ここで、繰り返しの単位は５３／５２／５
１／５２となる。

【００６０】図１８のバンド構造図を参照するに、伝導
帯ＥｃのΓ点を実線で、またＸ点を破線で示す。一方価
電子帯Ｅｖのバンド端は実線で示してある。このバンド
構造図よりわかるように、量子井戸層５１は直接遷移型
であり、バリア層５２は層５１に対応して深さが約１９
０ｍｅＶのポテンシャル井戸を形成する。この量子井戸
層中には電子の量子準位Ｅ₁ が伝導帯下端から測って７
３．１ｍｅＶのところに形成される。また、量子準位Ｅ
₁ に対応して層５１中にはホールの量子準位Ｈ ₁ が価電
子帯の上端から測って２２．１ｍｅＶのところに形成さ
れる。このように形成された量子準位Ｅ₁ ，Ｈ₁ は約２
ｅＶのエネルギーを有する光ビームと相互作用をする。

【００６１】これに対し、量子井戸層５３は間接遷移型
のバンド構造を有し、電子の量子準位Ｅ₂ がＸ点の下端
から約９．７ｅｍＶだけ高いところに形成される。ここ
で、量子準位Ｅ₂ は量子準位Ｅ₁ よりも実質的に低いエ
ネルギーレベルに形成され、量子井戸層５１中で光励起
された電子はバリア層５２を通って層５３に逃げること
が可能である。また、先の実施例と同じく、量子井戸層
５３による吸収は生じない。これは、層５３においてΓ
点のバンドギャップが層５１の量子準位間エネルギーよ
りも大きいからである。

【００６２】本実施例の特徴は、量子井戸層５３におい
てホールの量子準位Ｈ₂ が層５１の量子準位Ｈ₁ よりも
低い位置に形成される点にある。このため、層５１中に
おいて光励起により形成されたホールはバリア層５２を
トンネリングして層５３の量子準位Ｈ₂ に落ちる。換言
すれば、ホールは量子井戸層５１から速やかに除去さ
れ、層５１にホールが滞留することはない。このため、
電気的なバイアスを使うことなく元の光学的状態を速や
かに回復させることができる。図１８のバンド構造は層
５１と層５３がΓバンドについていわゆるスタッガード
型ヘテロ接合を形成することを特徴とする。

【００６３】図１９は本実施例による非線形光半導体装
置の応答特性を示す。本実施例の装置は、図２に示した
のと同様なＧａＡｓ基板１０上に前記積層構造体５０を
形成し、さらに入射光を導入するためにＧａＡｓ基板１
０に開口部１０ａを形成してある。このような開口部１
０ａは例えばアンモニア系のエッチャントを使ったウエ
ットエッチングにより容易に形成できる。この場合、
（１００）面に対応するＧａＡｓ基板１０の上主面上に
ＡｌＡｓのエッチングストッパー層（図示せず）を例え
ば約２００Åの厚さに形成しておくとよい。積層構造体
５０はかかるエッチングストッパー層上にＭＯＣＶＤあ
るいはＭＢＥ法により形成すればよい。また、積層構造
体５０の上主面およびＡｌＡｓ層下面の露出部はＳｉＯ
₂ 保護膜により保護される。

【００６４】図１９より明らかなように、本実施例の装
置は２００ｐ秒程度の時間で元の光学的状態を回復する
ことができる。これは、図６，図９，図１１の各図にお
いてバイアス電圧を印加しない実施例と比較するとその
効果があきらかである。

【００６５】図２０は本発明の第１０の実施例による非
線形光半導体装置に使う積層構造体６０のバンド構造を
示す。本実施例では第二の量子井戸層に二種類の材料を
使用している。

【００６６】より具体的に説明すると、積層構造体６０
は先の実施例の層５１と同一の組成および厚さの第一の
量子井戸層６１と、やはり先の実施例の層５２と同一の
組成および厚さのバリア層６２をゆうし、一対の層６２
が層６１を挟む構成となっている。さらに、片方のバリ
ア層６２に接して層５３と同一の厚さおよび組成の第二
の量子井戸層６３が形成され、さらに、他方のバリア層
６２に接してＡｌＡｓよりなる別の量子井戸層６３’が
形成される。

【００６７】図２０に示したバンド構造において、Ａｌ
Ａｓ層６３’にはホールの量子準位は形成されない。こ
のため、量子井戸層６１において生成したホールは量子
井戸層６３’に脱出することはないが量子井戸層６３に
脱出することができる。勿論、電子は量子井戸層６３，
６３’の両方に脱出することができる。

【００６８】さらに、本発明は上記の実施例に限定され
るものではなく、本発明の要旨内において様々な変形、
変更が可能である。

【００６９】

【発明の効果】本発明によれば、第二の量子井戸層を、
伝導帯中のΓ点が第一の量子井戸層中の電子の量子準位
よりも実質的に高いエネルギに形成される一方伝導帯中
のＸ点が前記量子準位よりも実質的に低いエネルギに形
成され、さらに前記量子準位よりも低いエネルギの位置
に電子のための第三の量子準位が形成されるように形成
することにより、第二の量子井戸層による光ビームの吸
収を抑止でき、非線形光半導体装置のＳＮ比が大きく向
上する。第二の量子井戸層においては、価電子帯から伝
導帯のΓ点への電子の光励起は、入射光の光エネルギー
よりもはるかに大きいエネルギーを要するため生じな
い。一方、伝導帯のＸ点およびこれに付随する第三の量
子準位は第一の量子井戸層中の第一の量子準位よりもエ
ネルギー的に低い位置にあるため、第一の量子井戸層中
に光励起により形成された電子は速やかに第二の量子井
戸層に脱出することが可能になり、非線形光半導体装置
は速やかに元の状態に復帰する。その際、第二の量子井
戸層の価電子帯から第三の量子準位への遷移は間接遷移
過程によりなされるため、実質的には生じない。このた
め、この過程により入射光が吸収されることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示すバンド構造図である。

【図２】本発明の第１の実施例により光半導体装置を示
す断面図である。

【図３】（Ａ），（Ｂ）は図１の光半導体装置の光吸収
スペクトルを示すグラフである。

【図４】本発明の第二の実施例による光半導体装置を示
す断面図である。

【図５】図４の光半導体装置のバンド構造を示す図であ
る。

【図６】図４の光半導体装置の光吸収率の変化を示すグ
ラフである。

【図７】本発明の第３の実施例による光半導体装置を示
す断面図である。

【図８】本発明の第４の実施例による光半導体装置を示
す断面図である。

【図９】図８の光半導体装置の光吸収率の変化を示すグ
ラフである。

【図１０】本発明の第５の実施例による光半導体装置を
示す断面図である。

【図１１】図１０の光半導体装置の光吸収率の変化を示
すグラフである。

【図１２】本発明の第６の実施例による光半導体装置の
動作を説明するためのエネルギーバンド図である。

【図１３】本発明の第６の実施例による光半導体装置を
示す断面図である。

【図１４】本発明の第７の実施例を示す図である。

【図１５】図１４の装置の反射スペクトルを示す図であ
る。

【図１６】図１４の装置の応答特性を示す図である。

【図１７】本発明の第８の実施例による双安定レーザを
示す図である。

【図１８】本発明の第９の実施例を示す図である。

【図１９】図１８の装置の応答特性を示す図である。

【図２０】本発明の第１０の実施例を示す図である。

【図２１】従来のＴＢＱのバンド構造を示す図である。

【図２２】（Ａ），（Ｂ）はＧａＡｓ，ＡｌＡｓのバン
ド構造を示す図である。

【符号の説明】

１０，２０ 基板 １０ａ，２０ａ 基板開口部 １２，１４，２２，３２，４５，５０，６０ 積層構造
体 １２ａ，１４ａ，２２ａ，５１，６１ 第一の量子井戸
層 １２ｂ，１４ｂ，５２，６２ バリア層 １２ｃ，１４ｃ，２２ｂ，５３，６３，６３’ 第二の
量子井戸層 １６ａ，１６ｂ，２４ａ，２４ｂ 電極 ３１ａ，３１ｂ ミラー ４１ 活性層 ４２，４３ 電極コンタクト層 ４２ａ，４３ａ 電極 ４４ａ，４４ｂ ミラー Ｅ₁ ，Ｅ₂ 電子の量子準位 Ｈ₁ ，Ｈ₂ ホールの量子準位 Ｅｃ 伝導帯 Ｅｖ 価電子帯 Ｘ Ｘ点 Γ Γ点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 芳弘 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光の波長に対応するエネルギーギャ
   ップ（Ｅ_gap1）だけ相互に隔てられて形成された電子の
   ための第一の量子準位（Ｅ₁ ）とホールのための第二の
   量子準位（Ｈ₁ ）とを有する第一の量子井戸層（１２
   ａ）と、前記第一の量子井戸層の上下にキャリアのトン
   ネリングを許容するような厚さで形成され、前記第一の
   量子井戸層に対応してポテンシャル井戸を形成するバリ
   ア層（１２ｂ）と、前記バリア層に接して形成され、前
   記第一の量子井戸層中において前記入射光による励起に
   より生成し、前記バリア層（１２ｂ）をトンネリングし
   たキャリアを吸収する第二の量子井戸層（１２ｃ）とを
   備え、入射光の照射に応じて光学的な状態を変化させる
   非線形光半導体装置において、 前記第二の量子井戸層は伝導帯中にＸ点とΓ点とを含
   み、前記Γ点は前記第一の量子準位よりも実質的に高い
   エネルギを有し、一方前記Ｘ点は前記第一の量子準位よ
   りも実質的に低いエネルギを有し、前記第二の量子井戸
   層は前記Ｘ点に対応して前記第一の量子準位よりも低い
   エネルギの位置に電子のための第三の量子準位を有する
   ことを特徴とする非線形光半導体装置。
2. 【請求項２】 前記第一の量子井戸層（１２ａ）は直接
   遷移型のバンド構造を有する半導体材料より形成される
   ことを特徴とする請求項１記載の非線形光半導体装置。
3. 【請求項３】 前記第二の量子井戸層（１２ｃ）は間接
   遷移型のバンド構造を有する半導体材料より形成される
   ことを特徴とする請求項１記載の非線形光半導体装置。
4. 【請求項４】 前記第一の量子井戸層（１２ａ）はＧａ
   Ａｓよりなり、前記バリア層はＡｌＧａＡｓよりなり、
   さらに前記第二の量子井戸層（１２ｃ）はＡｌＡｓより
   なることを特徴とする請求項１記載の非線形光半導体装
   置。
5. 【請求項５】 前記第一の量子井戸層（１２ａ），第二
   の量子井戸層（１２ｃ），及びバリア層（１２ｂ）はい
   ずれもＡｌＧａＡｓよりなり、第一の量子井戸層（１２
   ａ）は組成をＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓとあらわした場合にお
   ける組成パラメータｘが０≦ｘ≦０．４５の範囲にあ
   り、前記バリア層（１２ｂ）は組成をＡｌ_y Ｇａ_1-y Ａ
   ｓとあらわした場合における組成パラメータｙがｘ＜ｙ
   の範囲にあり、前記第二の量子井戸層（１２ｃ）は組成
   をＡｌ_z Ｇａ_1-z Ａｓとあらわした場合における組成パ
   ラメータｚがｙ＜ｚ≦１の範囲にあることを特徴とする
   請求項１記載の非線形光半導体装置。
6. 【請求項６】 前記第二の量子井戸層（１２ｃ）は前記
   第二の量子準位よりも低いエネルギの位置にホールのた
   めの第三の量子準位を有することを特徴とする請求項１
   記載の非線形光半導体装置。
7. 【請求項７】 前記第一の量子井戸層（１２ａ）はＩｎ
   _0.48Ｇａ_0.52Ａｓよりなり、前記バリア層（１２ｂ）は
   Ｉｎ_0.5 （Ｇａ_1-x Ａｌ_x ）_0.5 Ｐよりなり、さらに前
   記第二の量子井戸層（１２ｃ）はＧａＳｂ_0.31Ｐ_0.69よ
   りなることを特徴とする請求項６記載の非線形光半導体
   装置。
8. 【請求項８】 前記第一の量子井戸層（１２ａ），バリ
   ア層（１２ｂ）および第二の量子井戸層（１２ｃ）は相
   互に積層されて積層構造体（１２）を形成し、前記積層
   構造体上には層の延在方向に平行に電場を印加する電極
   手段が形成され、前記電場によって第一および第二の量
   子井戸層中に励起された電子およびホールを除去するこ
   とを特徴とする請求項１記載の非線形光半導体装置。
9. 【請求項９】 前記第一の量子井戸層（１２ａ），バリ
   ア層（１２ｂ）および第二の量子井戸層（１２ｃ）は相
   互に積層されて積層構造体（１２）を形成し、前記積層
   構造体は光遮断マスク（１８）により被覆され、前記マ
   スクには入射光を導入するための開口部（１８ａ）が形
   成され、その際前記開口部の大きさ（Ｄ）を入射光の波
   長以下に設定することを特徴とする請求項１記載の非線
   形光半導体装置。
10. 【請求項１０】 入射光の波長に対応するエネルギーギ
    ャップ（Ｅ_gap1）だけ相互に隔てられて形成された電子
    のための第一の量子準位（Ｅ₁）とホールのための第二
    の量子準位（Ｈ₁ ）とを有する第一の量子井戸層（２２
    ａ）と、前記第一の量子井戸層の上下に形成され、前記
    第一の量子井戸層中において前記入射光による励起によ
    り生成したキャリアを吸収する第二の量子井戸層（２２
    ｃ）とを備え、入射光の照射に応じて光学的な状態を変
    化させる非線形光半導体装置において、 前記第二の量子井戸層は伝導帯中にＸ点とΓ点とを含
    み、前記Γ点は前記第一の量子準位よりも実質的に高い
    エネルギを有し、一方前記Ｘ点は前記第一の量子準位よ
    りも実質的に低いエネルギを有し、前記第二の量子井戸
    層は前記Ｘ点に対応して前記第一の量子準位よりも低い
    エネルギの位置に電子のための第三の量子準位を有し、 前記第一及び第二の量子井戸層は交互に積層されて積層
    構造体（２２）を形成し、 さらに前記積層構造体上には、前記第一および第二の量
    子井戸層に平行な方向に電場を誘起する電極手段（２４
    ａ，２４ｂ）を形成し、これにより第一および第二の量
    子井戸層中に励起された電子およびホールを除去するこ
    とを特徴とする非線形光半導体装置。
11. 【請求項１１】 信号光ビームの半波長の整数倍程度の
    距離だけ離間して相互に対向するように配設された第一
    および第二の半透明ミラー（３１ａ，３１ｂ）と、前記
    第一および第二の半透明ミラーの間に配設された積層構
    造体（３２）とよりなり、信号光ビームを供給されて共
    振を生じる光共振器において、 前記積層構造体は信号光の波長に略対応するエネルギー
    ギャップ（Ｅ_gap1）だけ相互に隔てられて形成された電
    子のための第一の量子準位（Ｅ₁ ）とホールのための第
    二の量子準位（Ｈ₁ ）とを有する第一の量子井戸層（１
    ２ａ）と、前記第一の量子井戸層の上下にキャリアのト
    ンネリングを許容するような厚さで形成され、前記第一
    の量子井戸層に対応してポテンシャル井戸を形成するバ
    リア層（１２ｂ）と、前記バリア層に接して形成され、
    前記第一の量子井戸層中において制御光による励起によ
    り生成し、前記バリア層（１２ｂ）をトンネリングした
    キャリアを吸収する第二の量子井戸層（１２ｃ）とを備
    え、前記第二の量子井戸層は伝導帯中にＸ点とΓ点とを
    含み、前記Γ点は前記第一の量子準位よりも実質的に高
    いエネルギを有し、一方前記Ｘ点は前記第一の量子準位
    よりも実質的に低いエネルギを有し、前記第二の量子井
    戸層は前記Ｘ点に対応して前記第一の量子準位よりも低
    いエネルギの位置に電子のための第三の量子準位を有す
    ることを特徴とする光共振器。
12. 【請求項１２】所定の距離離間して対向する第一および
    第二のミラー（４４ａ，４４ｂ）より構成される光共振
    器と、前記第一および第二のミラーの間に配設され、電
    子およびホールを注入されて誘導放出により光ビームを
    形成する活性層（４１）と、前記第二のミラーと前記活
    性層の間に形成され、供給される光放射に応じて透過率
    を変化させる可飽和吸収領域（４５）とよりなる光双安
    定レーザダイオードにおいて、 前記可飽和吸収領域は光放射の波長に略対応するエネル
    ギーギャップ（Ｅ_gap1）だけ相互に隔てられて形成され
    た電子のための第一の量子準位（Ｅ₁ ）とホールのため
    の第二の量子準位（Ｈ₁ ）とを有する第一の量子井戸層
    （１２ａ）と、前記第一の量子井戸層の上下にキャリア
    のトンネリングを許容するような厚さで形成され、前記
    第一の量子井戸層に対応してポテンシャル井戸を形成す
    るバリア層（１２ｂ）と、前記バリア層に接して形成さ
    れ、前記第一の量子井戸層中において前記光放射による
    励起により生成し、前記バリア層（１２ｂ）をトンネリ
    ングしたキャリアを吸収する第二の量子井戸層（１２
    ｃ）とを備え、前記第二の量子井戸層は伝導帯中にＸ点
    とΓ点とを含み、前記Γ点は前記第一の量子準位よりも
    実質的に高いエネルギを有し、一方前記Ｘ点は前記第一
    の量子準位よりも実質的に低いエネルギを有し、前記第
    二の量子井戸層は前記Ｘ点に対応して前記第一の量子準
    位よりも低いエネルギの位置に電子のための第三の量子
    準位を有することを特徴とする光双安定レーザダイオー
    ド。