JPH07191288A - 導波形単一量子井戸光制御素子 - Google Patents
導波形単一量子井戸光制御素子Info
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- JPH07191288A JPH07191288A JP5333257A JP33325793A JPH07191288A JP H07191288 A JPH07191288 A JP H07191288A JP 5333257 A JP5333257 A JP 5333257A JP 33325793 A JP33325793 A JP 33325793A JP H07191288 A JPH07191288 A JP H07191288A
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL 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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Abstract
(57)【要約】
【目的】 超高速で低電圧駆動可能な光結合効率が高い
高性能かつ小形の光制御素子を提供する。 【構成】 ＭＱＷ層を単一として層に垂直な電界を印加
できるようにし、かつ、その周りの障壁層のポテンシャ
ル形状を電界によって変わりにくいようにして、電界に
よる吸収係数変化を大きくし、また、量子井戸構造を傾
斜形にして電界効果を大きくし、かつ、シングルモード
光ファイバを伝搬する光のスポット径に近いスポット径
にして結合損失を低減する。
高性能かつ小形の光制御素子を提供する。 【構成】 ＭＱＷ層を単一として層に垂直な電界を印加
できるようにし、かつ、その周りの障壁層のポテンシャ
ル形状を電界によって変わりにくいようにして、電界に
よる吸収係数変化を大きくし、また、量子井戸構造を傾
斜形にして電界効果を大きくし、かつ、シングルモード
光ファイバを伝搬する光のスポット径に近いスポット径
にして結合損失を低減する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光変調や光スイッチ等
を行う光デバイスにかかり、特に超高速で低電圧駆動可
能な光結合効率が高い高性能かつ小形の光制御素子に関
するものである。
を行う光デバイスにかかり、特に超高速で低電圧駆動可
能な光結合効率が高い高性能かつ小形の光制御素子に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】光変調や光スイッチ等を行う光デバイス
は、（１）高速性、（２）低電圧駆動、（３）低挿入損
失の３点が重要である。これらの特性は互いに独立でな
く、相互に依存し合っており、デバイスの用途に応じて
設計されている。近年の結晶成長技術の進展により良好
な特性を持つ半導体多重量子井戸（ＭｕｌｔｉｐｌｅＱ
ｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：以下ＭＱＷと略す）構造が作
製され、その量子サイズ効果を利用することによって、
従来のバルクを用いた素子よりも高効率で小形の光変調
器や光スイッチ等が得られることが報告されている（例
えば電子情報通信学会論文誌Ｃ−１，Ｊ７４−Ｃ−１
巻、ｐｐ．４１４−４２０）。ところが、これらのデバ
イスは、上記３項目を同時には満たしておらず、３ｄＢ
帯域は４０ＧＨZ 以上と広いのに対し、消光比２０ｄＢ
を得るのに必要な電圧は７Ｖと高く、挿入損失も１３ｄ
Ｂと大きな値になっている。通常、この種のデバイスで
は、帯域幅は素子容量で制限されており、電圧を小さく
するにはＭＱＷ層を薄くすればよいが、その結果、素子
容量が増加し帯域はせまくなってしまう。これは、ＭＱ
Ｗ層の両側をＰ，Ｎの高ドープされた層で挟んでＭＱＷ
層に垂直な方向に電界を印加し、量子閉じ込めシュタル
ク効果を利用しているためである。また、ＭＱＷ層を薄
くすれば、光の閉じ込めは弱くなり、ＰおよびＮの高ド
ープされた層に光がもれ、そこでフリーキャリア吸収を
受けて伝搬損失が増加してしまう。
は、（１）高速性、（２）低電圧駆動、（３）低挿入損
失の３点が重要である。これらの特性は互いに独立でな
く、相互に依存し合っており、デバイスの用途に応じて
設計されている。近年の結晶成長技術の進展により良好
な特性を持つ半導体多重量子井戸（ＭｕｌｔｉｐｌｅＱ
ｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：以下ＭＱＷと略す）構造が作
製され、その量子サイズ効果を利用することによって、
従来のバルクを用いた素子よりも高効率で小形の光変調
器や光スイッチ等が得られることが報告されている（例
えば電子情報通信学会論文誌Ｃ−１，Ｊ７４−Ｃ−１
巻、ｐｐ．４１４−４２０）。ところが、これらのデバ
イスは、上記３項目を同時には満たしておらず、３ｄＢ
帯域は４０ＧＨZ 以上と広いのに対し、消光比２０ｄＢ
を得るのに必要な電圧は７Ｖと高く、挿入損失も１３ｄ
Ｂと大きな値になっている。通常、この種のデバイスで
は、帯域幅は素子容量で制限されており、電圧を小さく
するにはＭＱＷ層を薄くすればよいが、その結果、素子
容量が増加し帯域はせまくなってしまう。これは、ＭＱ
Ｗ層の両側をＰ，Ｎの高ドープされた層で挟んでＭＱＷ
層に垂直な方向に電界を印加し、量子閉じ込めシュタル
ク効果を利用しているためである。また、ＭＱＷ層を薄
くすれば、光の閉じ込めは弱くなり、ＰおよびＮの高ド
ープされた層に光がもれ、そこでフリーキャリア吸収を
受けて伝搬損失が増加してしまう。
【０００３】これまで、光伝送用に光ファイバの伝送損
失の少ない波長域で動作するＭＱＷ構造には、ＩｎＧａ
Ａｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌ
Ａｓの組み合わせが使われてきた。上記の３ｄＢ帯域が
４０ＧＨZ 以上と広い素子は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌ
Ａｓで報告されたものである。しかし、この材料系は、
量子井戸としての効果は大きいものの、他方に比べてＡ
ｌなどの化学的に活性な元素を含んでいるため作りにく
いという欠点があり、また、この材料を用いたレーザも
特性が十分でなく、レーザと変調器の集積化も技術的に
困難な点が多かった。一方、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／Ｉｎ
ＧａＡｓＰ系は、レーザで既に実績があり、また、レー
ザとのモノリシック集積化も比較的容易である、しか
し、この系には、図１に示されるように、エネルギバン
ドでの価電子帯におけるバンドオフセットΔＥｖが大き
く、逆に伝導帯バンドオフセットΔＥｃは小さくて電子
の閉じ込めが弱く、電界印加で容易に量子サイズ効果が
崩れ、また、正孔の質量が電子に比べてはるかに重いこ
ともあって、高光入力で正孔の蓄積を生じ、周波数応答
性の劣化するなど、量子井戸構造の特徴が十分に生かせ
ないという問題があった。すなわち、量子効果を際だた
せるためには、大きなΔＥｃを与えるＩｎＰを用いて厚
い障壁層とすれば電子の閉じ込めはよくできるが、一
方、正孔には閉じ込めが強すぎ、光吸収に伴って発生す
る正孔が障壁層を越えられず、井戸中に蓄積し、外部印
加電界をシールドし、変調特性を劣化させてしまう。こ
のため、井戸と障壁層のバンドオフセットを小さくして
量子効果をある程度犠牲にすることにより、上記の問題
を回避することが行われていた。
失の少ない波長域で動作するＭＱＷ構造には、ＩｎＧａ
Ａｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌ
Ａｓの組み合わせが使われてきた。上記の３ｄＢ帯域が
４０ＧＨZ 以上と広い素子は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌ
Ａｓで報告されたものである。しかし、この材料系は、
量子井戸としての効果は大きいものの、他方に比べてＡ
ｌなどの化学的に活性な元素を含んでいるため作りにく
いという欠点があり、また、この材料を用いたレーザも
特性が十分でなく、レーザと変調器の集積化も技術的に
困難な点が多かった。一方、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／Ｉｎ
ＧａＡｓＰ系は、レーザで既に実績があり、また、レー
ザとのモノリシック集積化も比較的容易である、しか
し、この系には、図１に示されるように、エネルギバン
ドでの価電子帯におけるバンドオフセットΔＥｖが大き
く、逆に伝導帯バンドオフセットΔＥｃは小さくて電子
の閉じ込めが弱く、電界印加で容易に量子サイズ効果が
崩れ、また、正孔の質量が電子に比べてはるかに重いこ
ともあって、高光入力で正孔の蓄積を生じ、周波数応答
性の劣化するなど、量子井戸構造の特徴が十分に生かせ
ないという問題があった。すなわち、量子効果を際だた
せるためには、大きなΔＥｃを与えるＩｎＰを用いて厚
い障壁層とすれば電子の閉じ込めはよくできるが、一
方、正孔には閉じ込めが強すぎ、光吸収に伴って発生す
る正孔が障壁層を越えられず、井戸中に蓄積し、外部印
加電界をシールドし、変調特性を劣化させてしまう。こ
のため、井戸と障壁層のバンドオフセットを小さくして
量子効果をある程度犠牲にすることにより、上記の問題
を回避することが行われていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ＭＱ
Ｗ層を単一として層に垂直な電界を印加できるように
し、かつ、その周りの障壁層のポテンシャル形状を電界
によって変わりにくいようにして、電界による吸収係数
変化を大きくし、また、量子井戸構造を傾斜形にして電
界効果を大きくし、かつ、シングルモード光ファイバを
伝搬する光のスポット径に近いスポット径にして結合損
失を低減することにある。これにより、ＩｎＧａＡｓ
（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ構造に代表される量子
井戸を用いて作製された変調器・スイッチ等に固有の上
記問題を解決して、低電圧で動作し、広帯域幅を持ち低
挿入損失である高性能で小形の光制御素子を実現する。
Ｗ層を単一として層に垂直な電界を印加できるように
し、かつ、その周りの障壁層のポテンシャル形状を電界
によって変わりにくいようにして、電界による吸収係数
変化を大きくし、また、量子井戸構造を傾斜形にして電
界効果を大きくし、かつ、シングルモード光ファイバを
伝搬する光のスポット径に近いスポット径にして結合損
失を低減することにある。これにより、ＩｎＧａＡｓ
（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ構造に代表される量子
井戸を用いて作製された変調器・スイッチ等に固有の上
記問題を解決して、低電圧で動作し、広帯域幅を持ち低
挿入損失である高性能で小形の光制御素子を実現する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような光制御素子を
実現するために、本発明では、まず、素子の基本構造と
して次の構造を採用する。すなわち、厚さが励起子のボ
ーア半径より薄い第１のバンドギャップエネルギを持つ
第１の半導体の層を中心コアとし、この周りをこれより
大きな第２のバンドギャップエネルギを持つ第２の半導
体の層で挟み、これを第２のバンドギャップエネルギよ
り大きな第３のバンドギャップエネルギを持つ第３の半
導体の層で挟み、さらに、これを第３のバンドギャップ
エネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを持つ第
４の半導体の層で挟んだ多層異種構造から構成される分
離光閉じ込め単一量子井戸（ＳＣＨ−ＳＱＷ）導波構造
を採用する。そして、前記第１と第２のバンドギャップ
エネルギの差のうち伝導帯でのバンドギャップエネルギ
の差ΔＥｃが０．１５ｅＶ以上持ち、かつ上記多層異種
構造の両側を互いに一方を他方とその導電形が異なるよ
うに不純物を添加して、外部から上記多層異種構造に垂
直に電圧を印加できるようにする。この時、ΔＥｃが
０．１５ｅＶ以上ないと、電界印加によって励起子吸収
が大幅に減少することが、実験及び計算により明らかと
なった。ΔＥｃを大きくするには、量子井戸に応力を加
えることによっても実現できる。
実現するために、本発明では、まず、素子の基本構造と
して次の構造を採用する。すなわち、厚さが励起子のボ
ーア半径より薄い第１のバンドギャップエネルギを持つ
第１の半導体の層を中心コアとし、この周りをこれより
大きな第２のバンドギャップエネルギを持つ第２の半導
体の層で挟み、これを第２のバンドギャップエネルギよ
り大きな第３のバンドギャップエネルギを持つ第３の半
導体の層で挟み、さらに、これを第３のバンドギャップ
エネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを持つ第
４の半導体の層で挟んだ多層異種構造から構成される分
離光閉じ込め単一量子井戸（ＳＣＨ−ＳＱＷ）導波構造
を採用する。そして、前記第１と第２のバンドギャップ
エネルギの差のうち伝導帯でのバンドギャップエネルギ
の差ΔＥｃが０．１５ｅＶ以上持ち、かつ上記多層異種
構造の両側を互いに一方を他方とその導電形が異なるよ
うに不純物を添加して、外部から上記多層異種構造に垂
直に電圧を印加できるようにする。この時、ΔＥｃが
０．１５ｅＶ以上ないと、電界印加によって励起子吸収
が大幅に減少することが、実験及び計算により明らかと
なった。ΔＥｃを大きくするには、量子井戸に応力を加
えることによっても実現できる。
【０００６】さらに、本発明では、厚さがボーア半径よ
り薄い第１のバンドギャップエネルギを持つ第１の半導
体の層を中心コアとして、この周りをこれより大きなバ
ンドギャップエネルギを持ち、かつ上記中心コアより離
れるに従って順次バンドギャップエネルギの増加する層
により挟んだ多層異種構造からなる屈折率傾斜型分離光
閉じ込め単一量子井戸（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＳＱＷ）導
波構造も採用する。そして、第１の半導体とこれに隣接
する半導体とのΔＥｃを０．１５ｅＶ以上持ち、かつ上
記多層異種構造の両側を互いに一方を他方とその導電形
が異なるように不純物を添加して外部から上記多層異種
構造に垂直に電圧を印加できるようにする。また、量子
井戸構造を傾斜形として電界印加により一様にその形状
が変化するようにする。縦方向での光の閉じ込めを制御
することで該導波構造を伝搬する光波の光導波構造の横
方向のスポット径と上下方向のスポット径をほぼ等しく
する。
り薄い第１のバンドギャップエネルギを持つ第１の半導
体の層を中心コアとして、この周りをこれより大きなバ
ンドギャップエネルギを持ち、かつ上記中心コアより離
れるに従って順次バンドギャップエネルギの増加する層
により挟んだ多層異種構造からなる屈折率傾斜型分離光
閉じ込め単一量子井戸（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＳＱＷ）導
波構造も採用する。そして、第１の半導体とこれに隣接
する半導体とのΔＥｃを０．１５ｅＶ以上持ち、かつ上
記多層異種構造の両側を互いに一方を他方とその導電形
が異なるように不純物を添加して外部から上記多層異種
構造に垂直に電圧を印加できるようにする。また、量子
井戸構造を傾斜形として電界印加により一様にその形状
が変化するようにする。縦方向での光の閉じ込めを制御
することで該導波構造を伝搬する光波の光導波構造の横
方向のスポット径と上下方向のスポット径をほぼ等しく
する。
【０００７】
【作用】本発明の構造では、屈折率傾斜型あるいは複数
のクラッド層を持つ分離閉じ込め単一量子井戸層を導波
構造に用いており、かつ、量子井戸とこれに隣接するク
ラッド層とのΔＥｃを０．１５ｅＶ以上としているた
め、電界が印加されても障壁層を越えて電子が漏れるこ
となく、大きな吸収係数変化、屈折率変化が得られ、か
つ、層厚を薄くできるので、これを導波する光のモード
スポット径が広げられ、シングルモードファイバとの結
合損失が低減でき、素子の挿入損失は小さいものとな
る。さらに、層に垂直に電圧を印加できるようにするた
めに設けられたＰ，Ｎの不純物の添加層は、その内部の
単一量子井戸層よりは屈折率およびバンドギャップエネ
ルギがそれぞれ小さく、あるいは大きくなっており、か
つ、その厚さも５０ｎｍ以上あるため、光の伝搬損失は
少なく、素子の容量は大きくならず、高速応答が可能と
なる。
のクラッド層を持つ分離閉じ込め単一量子井戸層を導波
構造に用いており、かつ、量子井戸とこれに隣接するク
ラッド層とのΔＥｃを０．１５ｅＶ以上としているた
め、電界が印加されても障壁層を越えて電子が漏れるこ
となく、大きな吸収係数変化、屈折率変化が得られ、か
つ、層厚を薄くできるので、これを導波する光のモード
スポット径が広げられ、シングルモードファイバとの結
合損失が低減でき、素子の挿入損失は小さいものとな
る。さらに、層に垂直に電圧を印加できるようにするた
めに設けられたＰ，Ｎの不純物の添加層は、その内部の
単一量子井戸層よりは屈折率およびバンドギャップエネ
ルギがそれぞれ小さく、あるいは大きくなっており、か
つ、その厚さも５０ｎｍ以上あるため、光の伝搬損失は
少なく、素子の容量は大きくならず、高速応答が可能と
なる。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
する。
【０００９】本発明においては、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／
ＩｎＧａＡｓＰにおける量子効果を改めて定量的に解析
し、その問題の機構を解明して対策を講じて変調特性を
向上させた。図２、図３はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧ
ａＡｓＰＭＱＷ構造に対して層に垂直に電界を加えたと
きその吸収係数がどのように変化するかを計算したもの
である。図２は井戸を挾む障壁層にも電界がかかって、
（ｂ）図に示すように、そのポテンシャルの形状が三角
形になり、電子の波動関数が障壁層を漏れ出ている場合
を示している。また、図３は井戸を挾む障壁層に電界が
かからず、（ｂ）図に示すように、そのポテンシャルの
形状が変化しない場合を示す。ＭＱＷ構造の吸収スペク
トルでは励起子と呼ばれる鋭い吸収線が室温でも存在
し、これが電界印加によって図３の場合では、その半値
幅をやや広げながら長波長側にシフトする。これに対し
て、図２の場合では、ピーク位置はシフトするものの、
高電界でその半値幅を大きく広げ、その強度は急激に小
さくなる。これまでは、計算の簡単な図３のモデルしか
考慮されず、実験と理論との大幅な違いが問題になって
いた。本出願者らは、モデル図２に基づいて改めて計算
し、実験事実と計算結果の良く合うことが確認できた。
そして、この両者の差異は、量子井戸そのものは同じで
も、これを囲む障壁層の材料によって生ずることが明か
となった。すなわち、前記従来の多重量子井戸構造で
は、障壁層にＩｎＧａＡｓＰを用いると、ヘテロ接合で
のエネルギギャップ差ΔＥｃが小さいため、電界印加に
伴い、必然的に井戸を挾む障壁層にも電界がかかってそ
のポテンシャルの形状が三角形になり、電子の波動関数
が障壁層を漏れ出て、図２に示す結果となる。そこで、
図３に示された構造にすることができれば、電界効果は
効率よく働き、これまでの問題は解決するはずである。
この電界印加による吸収線の広がる効果は、量子井戸層
と障壁層とのエネルギバンドオフセットの大きさに依存
しており、正孔に比べてその有効質量の小さい電子に対
する障壁の高さΔＥｃが小さいときに、特に顕著に出現
する。従って、ΔＥｃの大きい組み合わせを選べばよい
が、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰの組み合わせ
ではもともと小さく、ＩｎＰ基板と格子整合する条件で
は最大でも０．２３ｅＶ（ＩｎＧａＡｓとＩｎＰの組み
合わせ）である。
ＩｎＧａＡｓＰにおける量子効果を改めて定量的に解析
し、その問題の機構を解明して対策を講じて変調特性を
向上させた。図２、図３はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧ
ａＡｓＰＭＱＷ構造に対して層に垂直に電界を加えたと
きその吸収係数がどのように変化するかを計算したもの
である。図２は井戸を挾む障壁層にも電界がかかって、
（ｂ）図に示すように、そのポテンシャルの形状が三角
形になり、電子の波動関数が障壁層を漏れ出ている場合
を示している。また、図３は井戸を挾む障壁層に電界が
かからず、（ｂ）図に示すように、そのポテンシャルの
形状が変化しない場合を示す。ＭＱＷ構造の吸収スペク
トルでは励起子と呼ばれる鋭い吸収線が室温でも存在
し、これが電界印加によって図３の場合では、その半値
幅をやや広げながら長波長側にシフトする。これに対し
て、図２の場合では、ピーク位置はシフトするものの、
高電界でその半値幅を大きく広げ、その強度は急激に小
さくなる。これまでは、計算の簡単な図３のモデルしか
考慮されず、実験と理論との大幅な違いが問題になって
いた。本出願者らは、モデル図２に基づいて改めて計算
し、実験事実と計算結果の良く合うことが確認できた。
そして、この両者の差異は、量子井戸そのものは同じで
も、これを囲む障壁層の材料によって生ずることが明か
となった。すなわち、前記従来の多重量子井戸構造で
は、障壁層にＩｎＧａＡｓＰを用いると、ヘテロ接合で
のエネルギギャップ差ΔＥｃが小さいため、電界印加に
伴い、必然的に井戸を挾む障壁層にも電界がかかってそ
のポテンシャルの形状が三角形になり、電子の波動関数
が障壁層を漏れ出て、図２に示す結果となる。そこで、
図３に示された構造にすることができれば、電界効果は
効率よく働き、これまでの問題は解決するはずである。
この電界印加による吸収線の広がる効果は、量子井戸層
と障壁層とのエネルギバンドオフセットの大きさに依存
しており、正孔に比べてその有効質量の小さい電子に対
する障壁の高さΔＥｃが小さいときに、特に顕著に出現
する。従って、ΔＥｃの大きい組み合わせを選べばよい
が、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰの組み合わせ
ではもともと小さく、ＩｎＰ基板と格子整合する条件で
は最大でも０．２３ｅＶ（ＩｎＧａＡｓとＩｎＰの組み
合わせ）である。
【００１０】また、電界印加による障壁層のポテンシャ
ル形状の変化を防止または減少させて、障壁層としての
働きを保持できれば、上記の問題は解決する（図４
（ａ）（ｂ）参照）。このとき量子井戸が多重であると
井戸と井戸の間の障壁層に電子が漏れるため、井戸は単
一にする必要がある。
ル形状の変化を防止または減少させて、障壁層としての
働きを保持できれば、上記の問題は解決する（図４
（ａ）（ｂ）参照）。このとき量子井戸が多重であると
井戸と井戸の間の障壁層に電子が漏れるため、井戸は単
一にする必要がある。
【００１１】図５は、電子と正孔それぞれの波動関数の
重なりの半値幅を伝導帯でのバンドオフセットΔＥｃに
対して示したものである。この波動関数の重なりとは、
閉じ込めの程度を示すもので、吸収係数の大きさを与え
る振動子強度に対応する。井戸幅５ｍｍ、印加電界１５
０ｋＶ／ｃｍの場合、０. １５ｅＶのバンドオフセット
に対して７. ５ｍｅＶ程度の半値幅となり、０. ２ｅＶ
のバンドオフセットに対しては２ｍｅＶ程度の半値幅と
なることが分かる。これは、１５０ｋＶ／ｃｍと比較的
大きな電界強度での結果であり、かつ、障壁層が通常の
箱形ポテンシャルであり、本発明の構造ではないため、
０. １５ｅＶではやや半値幅の立上りは、バンドオフセ
ットが１５０ｍｅＶ付近であることから、バンドオフセ
ットが０. １５ｅＶ以上では、電界を印加したときの電
子の漏れが防止できる。
重なりの半値幅を伝導帯でのバンドオフセットΔＥｃに
対して示したものである。この波動関数の重なりとは、
閉じ込めの程度を示すもので、吸収係数の大きさを与え
る振動子強度に対応する。井戸幅５ｍｍ、印加電界１５
０ｋＶ／ｃｍの場合、０. １５ｅＶのバンドオフセット
に対して７. ５ｍｅＶ程度の半値幅となり、０. ２ｅＶ
のバンドオフセットに対しては２ｍｅＶ程度の半値幅と
なることが分かる。これは、１５０ｋＶ／ｃｍと比較的
大きな電界強度での結果であり、かつ、障壁層が通常の
箱形ポテンシャルであり、本発明の構造ではないため、
０. １５ｅＶではやや半値幅の立上りは、バンドオフセ
ットが１５０ｍｅＶ付近であることから、バンドオフセ
ットが０. １５ｅＶ以上では、電界を印加したときの電
子の漏れが防止できる。
【００１２】また、図６（ａ）（ｂ）に示すように、量
子井戸構造を傾斜形の構成にして電界印加による量子井
戸構造の変化を一様に変化させて電界効果を高効率にす
る構造が提案された（米国応用物理学会誌Jounal of Ap
plied Physics,62巻3360-3365 頁，1987年）。しかし、
この構造では、基板との格子整合のとりやすいＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓ系の量子井戸しか適用できず、光ファイ
バ伝送上有利な長波長帯で動作するＩｎＧａＡｓ（Ｐ）
／ＩｎＧａＡｓP 系では不可能と思われてきた。さら
に、これまでＭＱＷ層の厚さが一定の厚さ以上になって
おり、導波路を伝搬する光のスポット径は小さくなり、
光ファイバとの結合損失が大きくなるという問題があっ
た。
子井戸構造を傾斜形の構成にして電界印加による量子井
戸構造の変化を一様に変化させて電界効果を高効率にす
る構造が提案された（米国応用物理学会誌Jounal of Ap
plied Physics,62巻3360-3365 頁，1987年）。しかし、
この構造では、基板との格子整合のとりやすいＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓ系の量子井戸しか適用できず、光ファイ
バ伝送上有利な長波長帯で動作するＩｎＧａＡｓ（Ｐ）
／ＩｎＧａＡｓP 系では不可能と思われてきた。さら
に、これまでＭＱＷ層の厚さが一定の厚さ以上になって
おり、導波路を伝搬する光のスポット径は小さくなり、
光ファイバとの結合損失が大きくなるという問題があっ
た。
【００１３】これに対し、本発明では、電界印加で励起
子吸収がなくならないで吸収係数変化が大きい点、か
つ、導波路を伝搬する光のスポット径をＭＱＷ層を一層
に薄くすることにより大きくでき、光ファイバとの結合
損失を低減できる点（図７参照）、また、ＭＱＷ層厚を
薄くすることにより素子容量が増加して周波数応答を低
下させないことにも注目して、図８、図９、図１０およ
び図１１の構成を採用した。
子吸収がなくならないで吸収係数変化が大きい点、か
つ、導波路を伝搬する光のスポット径をＭＱＷ層を一層
に薄くすることにより大きくでき、光ファイバとの結合
損失を低減できる点（図７参照）、また、ＭＱＷ層厚を
薄くすることにより素子容量が増加して周波数応答を低
下させないことにも注目して、図８、図９、図１０およ
び図１１の構成を採用した。
【００１４】図７はシングルモード光ファイバとＭＱＷ
導波路との光の結合損失のＭＱＷ層厚依存性を示したも
のである。この図から、ＭＱＷ導波路を伝搬する光のス
ポット径がＭＱＷ層の厚さが薄くなるにしたがい大きく
なり、シングルモード光ファイバを伝搬する光のスポッ
ト径に近くなって、結合損失を低減できることがわか
る。
導波路との光の結合損失のＭＱＷ層厚依存性を示したも
のである。この図から、ＭＱＷ導波路を伝搬する光のス
ポット径がＭＱＷ層の厚さが薄くなるにしたがい大きく
なり、シングルモード光ファイバを伝搬する光のスポッ
ト径に近くなって、結合損失を低減できることがわか
る。
【００１５】（実施例１）図８は本発明の第１の実施例
である分離光閉じ込め単一量子井戸光制御素子を示すも
のである。ｎ−ＩｎＰ基板１の上に、ＭＯＶＰＥ（有機
金属気相成長法）またはＭＢＥ（分子線エピタキシャル
法）により、厚さ０．３μｍのｎ−ＩｎＰ層を成長さ
せ、図９に詳しく示したように、厚さ０．１μｍのＩｎ
ＧａＡｓＰ層２（組成はフォトルミネッセンス波長にし
て１．０μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層３
（組成はフォトルミネッセンス波長にして１．０５μ
ｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層４（組成はフ
ォトルミネッセンス波長にして１．１μｍ）、１０ｎｍ
の厚さのＩｎＧａＡｓ層を井戸層５、その上に厚さ０．
１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層６（組成はフォトルミネッセ
ンス波長にして１．０μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層７（組成はフォトルミネッセンス波長にして
１．０５μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層８
（組成はフォトルミネッセンス波長にして１．１μ
ｍ）、ｐ−ＩｎＰ、厚さ５００ｎｍのＩｎＧａＡｓキャ
ップ層９を、順に成長させた。次に、所定のフォトワー
ク、エッチング、蒸着操作を繰り返して、図８に示すよ
うに、ＰおよびＮ側に電極１０，１１を形成する。Ｉｎ
ＧａＡｓＰ量子井戸層５とＩｎＧａＡｓＰ層４とは、エ
ネルギバンドの伝導帯でのバンドオフセットΔＥｃは
０．１５ｅＶ以上あり、電子を量子井戸に電界印加時に
も閉じ込められるようになっている。また、単一の量子
井戸であるため、多重量子井戸構造でみられる薄い障壁
層を介して電子がこれを通り抜けることが少ない。Ｐお
よびＮ不純物領域１２，１３は、その間に挟まれるノン
ドープ領域の厚さを５００−１５００ｎｍとなるように
している。
である分離光閉じ込め単一量子井戸光制御素子を示すも
のである。ｎ−ＩｎＰ基板１の上に、ＭＯＶＰＥ（有機
金属気相成長法）またはＭＢＥ（分子線エピタキシャル
法）により、厚さ０．３μｍのｎ−ＩｎＰ層を成長さ
せ、図９に詳しく示したように、厚さ０．１μｍのＩｎ
ＧａＡｓＰ層２（組成はフォトルミネッセンス波長にし
て１．０μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層３
（組成はフォトルミネッセンス波長にして１．０５μ
ｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層４（組成はフ
ォトルミネッセンス波長にして１．１μｍ）、１０ｎｍ
の厚さのＩｎＧａＡｓ層を井戸層５、その上に厚さ０．
１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層６（組成はフォトルミネッセ
ンス波長にして１．０μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層７（組成はフォトルミネッセンス波長にして
１．０５μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層８
（組成はフォトルミネッセンス波長にして１．１μ
ｍ）、ｐ−ＩｎＰ、厚さ５００ｎｍのＩｎＧａＡｓキャ
ップ層９を、順に成長させた。次に、所定のフォトワー
ク、エッチング、蒸着操作を繰り返して、図８に示すよ
うに、ＰおよびＮ側に電極１０，１１を形成する。Ｉｎ
ＧａＡｓＰ量子井戸層５とＩｎＧａＡｓＰ層４とは、エ
ネルギバンドの伝導帯でのバンドオフセットΔＥｃは
０．１５ｅＶ以上あり、電子を量子井戸に電界印加時に
も閉じ込められるようになっている。また、単一の量子
井戸であるため、多重量子井戸構造でみられる薄い障壁
層を介して電子がこれを通り抜けることが少ない。Ｐお
よびＮ不純物領域１２，１３は、その間に挟まれるノン
ドープ領域の厚さを５００−１５００ｎｍとなるように
している。
【００１６】（実施例２）図１０は、本発明の第２の実
施例を示すもので、クラッド層を除く他の構成は図８，
９と同じ構成になっている。クラッド層１４は、ｎ−Ｉ
ｎＰ基板の上のｎ−ＩｎＰ層の上からＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層までＩｎＧａＡｓＰ混晶で、その組成はフォト
ルミネッセンス波長にして１．０μｍから１．１μｍで
あり、図１０に示すようにコアを中心に直線状に傾斜し
ており、かつ、ＩｎＰ基板に格子整合している。ＩｎＧ
ａＡｓＰ量子井戸層は必ずしもＩｎＰ基板に格子整合し
ている必要はなく、本実施例では圧縮歪が１．４％入っ
ている。
施例を示すもので、クラッド層を除く他の構成は図８，
９と同じ構成になっている。クラッド層１４は、ｎ−Ｉ
ｎＰ基板の上のｎ−ＩｎＰ層の上からＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層までＩｎＧａＡｓＰ混晶で、その組成はフォト
ルミネッセンス波長にして１．０μｍから１．１μｍで
あり、図１０に示すようにコアを中心に直線状に傾斜し
ており、かつ、ＩｎＰ基板に格子整合している。ＩｎＧ
ａＡｓＰ量子井戸層は必ずしもＩｎＰ基板に格子整合し
ている必要はなく、本実施例では圧縮歪が１．４％入っ
ている。
【００１７】（実施例３）図１１は、本発明の第３の実
施例を示すもので、量子井戸層を除く他の構成は図１０
と同じ構成になっている。クラッド層１４は、ｎ−Ｉｎ
Ｐ基板の上のｎ−ＩｎＰ層の上からＩｎＧａＡｓＰ量子
井戸層までＩｎＧａＡｓＰ混晶で、その組成はフォトル
ミネッセンス波長にして１．０μｍから１．１μｍであ
り、図１１に示すように、コアを中心に直線状に傾斜し
ており、かつ、ＩｎＰ基板に格子整合している。ＩｎＧ
ａＡｓＰ量子井戸層は必ずしもＩｎＰ基板に格子整合し
ている必要はなく、本実施例では圧縮歪が１．４％入っ
ている。
施例を示すもので、量子井戸層を除く他の構成は図１０
と同じ構成になっている。クラッド層１４は、ｎ−Ｉｎ
Ｐ基板の上のｎ−ＩｎＰ層の上からＩｎＧａＡｓＰ量子
井戸層までＩｎＧａＡｓＰ混晶で、その組成はフォトル
ミネッセンス波長にして１．０μｍから１．１μｍであ
り、図１１に示すように、コアを中心に直線状に傾斜し
ており、かつ、ＩｎＰ基板に格子整合している。ＩｎＧ
ａＡｓＰ量子井戸層は必ずしもＩｎＰ基板に格子整合し
ている必要はなく、本実施例では圧縮歪が１．４％入っ
ている。
【００１８】以上の説明では、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系量子井戸構造に対する実施例を述べた
が、本発明は、この構造に限定されるものではなく、他
のＭＱＷ構造、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、
ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ、 ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のＭＱＷ構造にも適用
できることは言うまでもない。
ｎＧａＡｓＰ系量子井戸構造に対する実施例を述べた
が、本発明は、この構造に限定されるものではなく、他
のＭＱＷ構造、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、
ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ、 ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のＭＱＷ構造にも適用
できることは言うまでもない。
【００１９】
【発明の効果】本発明を適用すると、ノンドープ層の厚
さを５００ｎｍから１５００ｎｍ程度に設定できるの
で、量子井戸層にかかる電界の強さを適当に設定でき、
かつ、駆動電圧は最大数Ｖで動作する。このとき、素子
容量はノンドープ層の厚さで規定でき、また、量子井戸
とこれに隣接するクラッド層とのΔＥｃを０．１５ｅＶ
以上としているため、電界が印加されても障壁層を越え
て電子が漏れることなく、高速応答が可能で、大きな吸
収係数変化が得られる。また、量子井戸層の厚さを素子
容量に無関係にできるので、その層厚を１０−２０ｎｍ
と薄くして光ファイバとの結合効率をこれまでの素子に
比べ数倍良好にできる。
さを５００ｎｍから１５００ｎｍ程度に設定できるの
で、量子井戸層にかかる電界の強さを適当に設定でき、
かつ、駆動電圧は最大数Ｖで動作する。このとき、素子
容量はノンドープ層の厚さで規定でき、また、量子井戸
とこれに隣接するクラッド層とのΔＥｃを０．１５ｅＶ
以上としているため、電界が印加されても障壁層を越え
て電子が漏れることなく、高速応答が可能で、大きな吸
収係数変化が得られる。また、量子井戸層の厚さを素子
容量に無関係にできるので、その層厚を１０−２０ｎｍ
と薄くして光ファイバとの結合効率をこれまでの素子に
比べ数倍良好にできる。
【００２０】以上の説明では、吸収係数変化を利用した
強度変調器を対象にしたが、吸収係数変化は屈折率変化
とクラマース・クレーニッヒの関係により結びつけられ
ており、屈折率変化を利用した位相変調器や、屈折率変
化に伴う干渉を利用した強度変調器にも適用できること
は言うまでもない。
強度変調器を対象にしたが、吸収係数変化は屈折率変化
とクラマース・クレーニッヒの関係により結びつけられ
ており、屈折率変化を利用した位相変調器や、屈折率変
化に伴う干渉を利用した強度変調器にも適用できること
は言うまでもない。
【図１】多重量子井戸構造のエネルギバンド図であり、
（ａ）はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓP 多重量子
井戸構造、（ｂ）はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量
子井戸構造のエネルギバンド図である。
（ａ）はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓP 多重量子
井戸構造、（ｂ）はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量
子井戸構造のエネルギバンド図である。
【図２】単一量子井戸構造に垂直な方向に電界が印加さ
れると同時に障壁層にも電界が印加された場合を説明す
るためのもので、（ａ）は吸収係数の変化を示すグラフ
であり、（ｂ）エネルギバンド図である。
れると同時に障壁層にも電界が印加された場合を説明す
るためのもので、（ａ）は吸収係数の変化を示すグラフ
であり、（ｂ）エネルギバンド図である。
【図３】単一量子井戸構造のみに垂直な方向に電界が印
加された場合を説明するためのもので、（ａ）は吸収係
数の変化を示すグラフであり、（ｂ）エネルギバンド図
である。
加された場合を説明するためのもので、（ａ）は吸収係
数の変化を示すグラフであり、（ｂ）エネルギバンド図
である。
【図４】障壁層にも電界が印加された場合の障壁層の形
状による電子の閉じ込めの相違を印加なしの場合と比較
して説明するためのもので、（ａ）は電界が印加されて
いないときのエネルギバンド図であり、（ｂ）は電界が
印加されたときのエネルギバンド図である。
状による電子の閉じ込めの相違を印加なしの場合と比較
して説明するためのもので、（ａ）は電界が印加されて
いないときのエネルギバンド図であり、（ｂ）は電界が
印加されたときのエネルギバンド図である。
【図５】電子と正孔それぞれの波動関数の重なりの半値
幅を伝導帯でのバンドオフセットΔＥｃに対して示した
グラフである。
幅を伝導帯でのバンドオフセットΔＥｃに対して示した
グラフである。
【図６】障壁層にも電界が印加された場合の量子井戸層
の形状による電子の閉じ込めの相違を印加なしの場合と
比較して説明するためのもので、（ａ）は電界が印加さ
れていないときのエネルギバンド図であり、（ｂ）は電
界が印加されたときのエネルギバンド図である。
の形状による電子の閉じ込めの相違を印加なしの場合と
比較して説明するためのもので、（ａ）は電界が印加さ
れていないときのエネルギバンド図であり、（ｂ）は電
界が印加されたときのエネルギバンド図である。
【図７】多重量子井戸層の厚さに対する単一モード光フ
ァイバとの結合効率を示すグラフである。
ァイバとの結合効率を示すグラフである。
【図８】本発明を適用した実施例の導波形単一量子井戸
光制御素子の概略構成を示す斜視図である。
光制御素子の概略構成を示す斜視図である。
【図９】図８のＡ部の詳細構成を示す組成図である。
【図１０】本発明を適用した他の実施例の導波形単一量
子井戸光制御素子の要部の詳細構成を示す組成図であ
る。
子井戸光制御素子の要部の詳細構成を示す組成図であ
る。
【図１１】本発明を適用した他の実施例の導波形単一量
子井戸光制御素子の要部の詳細構成を示す図である。
子井戸光制御素子の要部の詳細構成を示す図である。
１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２ ＩｎＧａＡｓＰ第一クラッド層 ３ ＩｎＧａＡｓＰ第二クラッド層 ４ ＩｎＧａＡｓＰ第三クラッド層 ５ 単一量子井戸層 ６ ＩｎＧａＡｓＰ第一クラッド層 ７ ＩｎＧａＡｓＰ第二クラッド層 ８ ＩｎＧａＡｓＰ第三クラッド層 ９ ＩｎＧａＡｓキャップ層 １０ Ｐ電極 １１ Ｎ電極 １２ Ｐ形不純物領域 １３ Ｎ形不純物領域 １４ 領域型クラッド層
Claims (4)
- 【請求項１】 厚さが励起子のボーア半径より薄い第１
のバンドギャップエネルギを持つ第１の半導体の層を中
心コアとして、この周りを所定の厚さのこれより大きな
第２のバンドギャップエネルギを持つ第２の半導体の層
で挟み、これを第２のバンドギャップエネルギより大き
な第３のバンドギャップエネルギを持つ第３の半導体の
層で挟み、さらに、これを第３のバンドギャップエネル
ギよりも大きな第４のバンドギャップエネルギを持つ第
４の半導体の層で挟んだ多層異種構造から構成される分
離光閉じ込め単一量子井戸導波構造を有し、 前記第１と第２のバンドギャップエネルギの差のうち伝
導帯でのバンドギャップエネルギの差が０．１５ｅＶ以
上であり、不純物の添加量の違いにより上記多層異種構
造の両側の導電形が互いに異なっており、外部からの上
記多層異種構造への電圧の垂直印加が可能となっている
ことを特徴とする導波形単一量子井戸光制御素子。 - 【請求項２】 厚さが励起子のボーア半径より薄い第１
のバンドギャップエネルギを持つ第１の半導体の層を中
心コアとして、この周りをこれより大きなバンドギャッ
プエネルギを持ち、かつ上記中心コアより離れるに従っ
て順次バンドギャップエネルギの増加する層により挟ん
だ多層異種構造から構成される屈折率傾斜型分離光閉じ
込め単一量子井戸導波構造を有し、 前記第１の半導体に隣接する半導体のバンドギャップエ
ネルギと第１のバンドギャップエネルギとの差のうち伝
導帯でのバンドギャップエネルギの差が０．１５ｅＶ以
上であり、不純物の添加量の違いにより上記多層異種構
造の両側の導電形が互いに異なっており、外部からの上
記多層異種構造への電圧の垂直印加が可能となっている
ことを特徴とする導波形単一量子井戸光制御素子。 - 【請求項３】 前記第一の半導体層が電界に対して一様
に変化する傾斜形構造をとることを特徴とする請求項１
または２のいずれかに記載の導波形単一量子井戸光制御
素子。 - 【請求項４】 前記導波構造を伝搬する光波の光導波構
造の横方向のスポット径と上下方向のスポット径とがほ
ぼ等しいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
に記載の導波形単一量子井戸光制御素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5333257A JPH07191288A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 導波形単一量子井戸光制御素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5333257A JPH07191288A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 導波形単一量子井戸光制御素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07191288A true JPH07191288A (ja) | 1995-07-28 |
Family
ID=18264091
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5333257A Pending JPH07191288A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 導波形単一量子井戸光制御素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07191288A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019054021A (ja) * | 2017-09-12 | 2019-04-04 | アンリツ株式会社 | ヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびその製造方法 |
-
1993
- 1993-12-27 JP JP5333257A patent/JPH07191288A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019054021A (ja) * | 2017-09-12 | 2019-04-04 | アンリツ株式会社 | ヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびその製造方法 |
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