JPH0728104A - Light modulation element - Google Patents

Light modulation element

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Publication number
JPH0728104A
JPH0728104A JP17278293A JP17278293A JPH0728104A JP H0728104 A JPH0728104 A JP H0728104A JP 17278293 A JP17278293 A JP 17278293A JP 17278293 A JP17278293 A JP 17278293A JP H0728104 A JPH0728104 A JP H0728104A
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JP
Japan
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layer
light
electric field
substrate
mqw structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP17278293A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Kamijo
健 上條
Hiroshi Wada
浩 和田
Kenji Watanabe
賢司 渡邊
Takeshi Takamori
毅 高森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Oki Electric Industry Co Ltd filed Critical Oki Electric Industry Co Ltd
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Publication of JPH0728104A publication Critical patent/JPH0728104A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a light modulation element which can make modulation of the intensity of signal light with turning on and off of the excited light. CONSTITUTION:An n-type AlInAs layer 43 is provided on the mirror index display (111) plane of an n-type InP board 41, and a distortion MQW structure 45 composed of an A1InAs barrier layer/InGaAs well layer is furnished on the layer 43, and a p-type AlInAs layer 47 is prepared on this MQW structure 45. The well layer should be a lattice mismatching well layer which is not in lattice matching with the board 41. The p-and n-type layers 43, 47 are formed relative to the AlInAs barrier layer in such a way as making lattice matching with the board 41. Thereby absorption and transmission of the signal light can be generated by varying the band gap wavelength of the distortion MQW structure through utilization of the internal electric field generated in the distortion MQW structure by piezo effect resulting from crystal structure and the electric field generated in the distortion MQW structure owing to the light excitation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、信号光の強度を制御
光のオン・オフによって変調することができる光変調素
子に関するものであり、例えば光交換、光信号処理、光
情報処理装置の光信号ゲート素子として利用できる光変
調素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical modulator capable of modulating the intensity of signal light by turning on and off control light, and for example, optical switching, optical signal processing, and optical information processing equipment. The present invention relates to an optical modulator that can be used as a signal gate element.

【0002】[0002]

【従来の技術】伝播する信号光を空間的に強度変調する
光変調素子は、光交換、光情報処理などに用いられる。
このような素子のうちの、特に、上記変調を光により制
御できる素子は、全光学的な光信号処理が可能なため、
光の持つ特性を生かすことができるという長所を有す
る。ところで、光学的な励起により光の透過−吸収の具
合が変化する素子あるいはそのような材料を一般に「可
飽和吸収体」と呼ぶ。この可飽和吸収体では、これを光
学励起した際の励起強度があるしきい値を超えると、そ
れまで光を吸収していたところが、光を透過するように
なる。この性質は、信号光の強度変調を光で制御すると
いう上記目的達成の一手段とできる。その具体例とし
て、例えば文献I(Photonic Switching(フォトニック
スイッチング) vol.3,pp.15-21(1989))に開示の非
線形エタロンが知られている。図3はこの文献Iに開示
の非線形エタロン素子の構成を概略的に示した断面図
(文献IのFIG.5より引用した図)である。この素
子は、n−GaAs基板11上に、AlGaAs多層ミ
ラー13を具え、この多層ミラー13上に非線形媒質と
してi−GaAs層及びAlGaAs層で構成される多
重量子井戸(MQW)層15を具え、このこのMQW層
15上にp−AlGaAs17を具えた構成とされてい
た。この素子は、外部から信号光及び必要時に励起光を
入れて使用される。励起光(制御光)を入れることで生
じるGaAsMQW非線形媒質での非線形屈折率変化に
より、この素子は、非線形ファブリペロー共振器として
作用する。そして、GaAsMQW非線形媒質での非線
形屈折率変化がAlGaAs多層ミラー13の与える共
振条件を満たすか否かで信号光はオン−オフされる。具
体的には、上記共振条件を満たしたとき信号光はこの素
子を透過する。
2. Description of the Related Art An optical modulator for spatially intensity-modulating propagating signal light is used for optical switching, optical information processing, and the like.
Among these elements, in particular, the element capable of controlling the modulation by light is capable of all-optical optical signal processing,
It has the advantage that the characteristics of light can be utilized. By the way, an element whose light transmission-absorption state changes by optical excitation or such a material is generally called a "saturable absorber". In this saturable absorber, when the excitation intensity when optically exciting the saturable absorber exceeds a certain threshold value, the place where the light was absorbed until then becomes to transmit the light. This property can be one means for achieving the above-mentioned object of controlling intensity modulation of signal light by light. As a specific example, a nonlinear etalon disclosed in Document I (Photonic Switching (photonic switching) vol.3, pp.15-21 (1989)) is known. FIG. 3 is a cross-sectional view (a diagram cited from FIG. 5 of Document I) schematically showing the configuration of the nonlinear etalon element disclosed in Document I. This device comprises an AlGaAs multilayer mirror 13 on an n-GaAs substrate 11, and a multiple quantum well (MQW) layer 15 composed of an i-GaAs layer and an AlGaAs layer as a nonlinear medium on the multilayer mirror 13. This MQW layer 15 was provided with p-AlGaAs 17. This element is used by inputting signal light and pumping light when necessary. This element acts as a nonlinear Fabry-Perot resonator due to the nonlinear refractive index change in the GaAs MQW nonlinear medium that occurs when pumping light (control light) is introduced. Then, the signal light is turned on and off depending on whether or not the nonlinear refractive index change in the GaAs MQW nonlinear medium satisfies the resonance condition given by the AlGaAs multilayer mirror 13. Specifically, when the above resonance condition is satisfied, the signal light passes through this element.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光変調素子では、:素子特性がAlGaAs多層ミラ
ーの各層の膜厚均一性に敏感であること、:温度によ
りファブリペロー条件がゆらぎ易いこと、:強度変調
の様子のモニタが不可能なこと、:信号光の強度変調
を電気的にも行おうとした場合それが不可能なことなど
の問題点があった。
However, in the conventional optical modulator, the device characteristics are: sensitive to the film thickness uniformity of each layer of the AlGaAs multilayer mirror ;: Fabry-Perot condition easily fluctuates depending on temperature; There is a problem in that it is impossible to monitor the state of intensity modulation: if the intensity modulation of the signal light is also attempted electrically, it is impossible.

【0004】また、この種の素子はそれを多数並列的に
並べ駆動されることが多い。例えばシステムアーキテク
チャ上の要請から、素子を1次元アレイや2次元アレイ
状にして使用することが多い。ところが、上記の特に
〜のような問題点を有していることから、アレイ中の
各素子間での光学的、熱的な干渉が生じ易くなり応用上
の問題点となっていた。
In many cases, many devices of this type are arranged in parallel and driven. For example, elements are often used in a one-dimensional array or a two-dimensional array due to the requirements of the system architecture. However, because of the above problems (1) to (3), optical and thermal interference easily occurs between the elements in the array, which is a problem in application.

【0005】この出願はこのような点に鑑みなされたも
のであり、従ってこの発明の第一の目的は、上述の〜
の問題点を解決できる新規な光変調素子を提供するこ
とにある。また、この発明の第二の目的は、上述の〜
の問題点を解決できる新規な光変調素子を提供するこ
とにある。
This application has been made in view of the above points, and therefore the first object of the present invention is to provide
An object of the present invention is to provide a novel light modulation element that can solve the above problems. The second object of the present invention is to
An object of the present invention is to provide a novel light modulation element that can solve the above problems.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この第一の目的の達成を
図るため、この発明の光変調素子によれば、閃亜鉛鉱
(Zincblende:ZB )構造の単結晶基板と、該基板のミラ
ー指数表示(111)面の上側に設けられ、歪み量子井
戸構造を光吸収層として含む光導波路部とを具えたこと
を特徴とする。ここで、光導波路部が歪み量子井戸構造
を光吸収層として含むの含むとは、光導波路部を歪み量
子井戸構造のみで構成すること、光導波路部を上記歪み
量子井戸構造とさらにそれ以外の他のもの(例えば光ガ
イド層など)とで構成することのいずの場合もあり得る
意味である。
In order to achieve the first object, according to the optical modulator of the present invention, a single crystal substrate having a zincblende (Zincblende: ZB) structure and a mirror index of the substrate are used. An optical waveguide portion provided on the upper side of the display (111) plane and including the strained quantum well structure as a light absorption layer. Here, including that the optical waveguide portion includes the strained quantum well structure as a light absorption layer means that the optical waveguide portion is configured only by the strained quantum well structure, and the optical waveguide portion includes the strained quantum well structure and the other This means that it may be composed of any other material (for example, a light guide layer).

【0007】この発明において、歪み量子井戸構造は例
えば以下のように作製することができる。井戸層に圧縮
あるいは引っ張り歪みを生じさせて単結晶基板に格子整
合しない格子不整合井戸層を形成する。障壁層は単結晶
基板に格子整合するように形成する。これら格子不整合
井戸層と格子整合障壁層との格子不整合を利用しかつこ
れら層を臨界膜厚以内に成長させる。これにより歪みを
内在する量子井戸構造即ち歪み量子井戸構造を得る。な
お、歪み量子井戸構造の作製に当たり、上記例とは逆に
障壁層に圧縮あるいは引っ張り歪みを与えるようにして
も良い。
In the present invention, the strained quantum well structure can be manufactured, for example, as follows. A compressive or tensile strain is generated in the well layer to form a lattice-mismatched well layer that is not lattice-matched to the single crystal substrate. The barrier layer is formed so as to be lattice-matched with the single crystal substrate. The lattice mismatch between the lattice mismatch well layer and the lattice matching barrier layer is utilized and these layers are grown within the critical thickness. As a result, a quantum well structure having a strain therein, that is, a strained quantum well structure is obtained. Incidentally, in manufacturing the strained quantum well structure, the barrier layer may be subjected to compressive or tensile strain contrary to the above example.

【0008】また、第二の目的の達成を図るため、この
発明の光変調素子は、上述の所定の基板と所定の光導波
路部との他にさらに、前記光導波路部に対し閃亜鉛鉱構
造の<111>方向に平行な電界を印加するための層を
具えたことを特徴とする。なおこの発明の実施に当た
り、電界を印加するための層を、前記光導波路を挟むp
型半導体層及びn型半導体層とするのが好適である。も
ちろん、この場合、典型的には、別途に設けた電極に電
圧を印加することによりこれらp型、n型の各半導体層
に電圧を印加し、これにより光導波路部に電界を印加す
ることになる。なお、前記閃亜鉛鉱構造の単結晶基板は
閃亜鉛鉱構造の半導体単結晶基板とできる。この場合上
述の電界を印加するための層としてのp型半導体層及び
n型半導体層のうちの一方を前記閃亜鉛鉱構造の半導体
単結晶基板で代替することもできる。また、ここでいう
電界を印加するための層とは、光導波路部に接して設け
た電圧印加用の電極(例えばショットキー電極)の場合
であっても良い。また、この発明でいう単結晶基板とは
基板そのもの場合はもちろん基板上にエピタキシャル成
長層を有したもの等も含む。
Further, in order to achieve the second object, the optical modulation element of the present invention has, in addition to the above-mentioned predetermined substrate and predetermined optical waveguide section, a zinc blende structure for the optical waveguide section. And a layer for applying an electric field parallel to the <111> direction. In practicing the present invention, a layer for applying an electric field is formed by sandwiching the optical waveguide.
It is preferable to use the type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. Of course, in this case, typically, a voltage is applied to each of these p-type and n-type semiconductor layers by applying a voltage to a separately provided electrode, and thereby an electric field is applied to the optical waveguide portion. Become. The zincblende structure single crystal substrate may be a zinc blende structure semiconductor single crystal substrate. In this case, one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer as a layer for applying the above-mentioned electric field can be replaced with the semiconductor single crystal substrate of the zinc blende structure. The layer for applying an electric field may be an electrode for applying voltage (for example, a Schottky electrode) provided in contact with the optical waveguide portion. Further, the single crystal substrate in the present invention includes not only the substrate itself but also a substrate having an epitaxial growth layer on the substrate.

【0009】[0009]

【作用】この発明の光変調素子は、閃亜鉛鉱構造の単結
晶基板と、この基板のミラー指数表示(111)面の上
側に設けられ、歪み量子井戸構造を光吸収層として含む
光導波路部とを具える。この構成では、閃亜鉛構造の<
111>方向の結晶構造の非対称性に起因するピエゾ効
果が起される。ここで、歪み量子井戸構造が井戸層に歪
みを生じさせたものであるとすると、上記誘起されたピ
エゾ効果により歪み量子井戸構造における井戸層内の<
111>方向の歪みは電界(以下、「内部電界」若しく
は「ピエゾ電界」。)を発生させる。この状態における
量子井戸構造でのバンドギャップ波長を以下λA と称す
る。ここで、信号光としてλA >λB の波長の光でかつ
充分に弱励起の光(それ自体でピエゾ電界に影響を与え
る空間電荷電界を形成しない光という意味。)を用いる
とこの信号光は歪み量子井戸構造で吸収される。一方、
この光変調素子に励起光(制御光)を入力すると、この
光学励起により井戸層内に光キャリアが生じこれは内部
電界により空間電荷分布を形成する。また、この空間電
荷分布は電界を形成し、そしてこの電界は上記内部電界
に対するスクリーニング電界として作用するので内部電
界を減少させる。内部電界が減少するのでこのときの量
子井戸構造におけるバンドギャップ波長はλA より短い
λC となる。このバンドギャップ波長λC と信号光の波
長λB とが、λB >λC となっていれば(こういう関係
となるよう設計しておけば)、この発明の素子は励起光
によ励起された状態において信号光を透過する。したが
って、上記光励起がないときの信号光の吸収及び光励起
したときの信号光の透過によって、信号光の強度変調が
実現される。この発明の構成では、多層ミラー層を用い
たり非線形ファブリペロー共振器を用いないので、従来
の、の問題を回避できる。また、素子内部あるいは
素子外部にインダクタンスを付加し励起光により生じた
キャリアの減衰を測定することで強度変調の様子のモニ
タができる。
The optical modulator of the present invention comprises a single crystal substrate having a zinc blende structure and an optical waveguide portion provided on the upper side of the mirror index display (111) surface of the substrate and including a strained quantum well structure as a light absorption layer. And with. In this configuration, the zinc blend structure <
The piezo effect is caused by the asymmetry of the crystal structure in the 111> direction. Here, assuming that the strained quantum well structure causes strain in the well layer, the inside of the well layer in the strained quantum well structure is less than <due to the induced piezoelectric effect.
The strain in the 111> direction generates an electric field (hereinafter, “internal electric field” or “piezo electric field”). The bandgap wavelength in the quantum well structure in this state is hereinafter referred to as λ A. Here, if the signal light is light having a wavelength of λ A > λ B and light that is sufficiently weakly excited (meaning light that does not form a space charge electric field that affects the piezoelectric field by itself), this signal light is used. Are absorbed in the strained quantum well structure. on the other hand,
When excitation light (control light) is input to this light modulation element, optical carriers are generated in the well layer by this optical excitation, and this forms a space charge distribution due to an internal electric field. Also, this space charge distribution forms an electric field, and this electric field acts as a screening electric field for the internal electric field, thus reducing the internal electric field. Since the internal electric field decreases, the bandgap wavelength in the quantum well structure at this time becomes λ C , which is shorter than λ A. If the band gap wavelength λ C and the wavelength λ B of the signal light satisfy λ B > λ C (designed to have such a relationship), the device of the present invention is excited by the excitation light. The signal light is transmitted in the open state. Therefore, the intensity modulation of the signal light is realized by the absorption of the signal light when there is no optical pumping and the transmission of the signal light when optically pumped. In the configuration of the present invention, since the multi-layer mirror layer is not used and the non-linear Fabry-Perot resonator is not used, the conventional problem can be avoided. In addition, the state of intensity modulation can be monitored by adding an inductance inside or outside the element and measuring the carrier attenuation caused by the excitation light.

【0010】また、所定の電界を印加する所定の層を具
えた構成の場合ではこの層に電圧を印加することで、光
励起によってスクリーニング電界を作る代わりに当該ス
クリーニング電界を形成できる。したがって、電気的に
信号光の変調をすることも可能になる。またこの層を介
して電界強度をモニタすることにより強度変調の様子を
モニタできる。
Further, in the case of a constitution including a predetermined layer for applying a predetermined electric field, by applying a voltage to this layer, the screening electric field can be formed instead of generating the screening electric field by photoexcitation. Therefore, it becomes possible to electrically modulate the signal light. Also, the state of intensity modulation can be monitored by monitoring the electric field intensity via this layer.

【0011】[0011]

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の光変調素子
の実施例について説明する。しかしながら、説明に用い
る各図はこの発明を理解出来る程度に各構成成分の寸
法、形状及び配置関係を概略的に示してあるにすぎな
い。また、各図において同様な構成成分については同一
の番号を付して示し、それらの重複説明は場合により省
略する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The embodiments of the optical modulator of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the drawings used in the description merely show the dimensions, shapes, and positional relationships of the respective constituents to the extent that the present invention can be understood. Further, in each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted in some cases.

【0012】1.基本的な原理の説明 閃亜鉛鉱構造の単結晶基板としてInP基板を用いた場
合の例によりこの発明の光変調素子の動作原理を説明す
る。
1. Description of Basic Principle The operation principle of the light modulation element of the present invention will be described with reference to an example in which an InP substrate is used as a single crystal substrate of a zinc blende structure.

【0013】この発明の光変調素子の基本例として、I
nP基板のミラー指数表示(111)面上に、AlIn
As障壁層/InGaAs井戸層から成る多重量子井戸
構造であって歪みを内在している多重量子井戸構造(以
下、歪みMQW構造)を具えた素子を考える。ただし、
歪みMQW構造は井戸層に圧縮あるいは引っ張り歪みを
生じさせることで構成してあるとする。この素子では、
閃亜鉛鉱構造の<111>方向の結晶構造の非対称性
(歪み)から、井戸層内に閃亜鉛鉱構造の<111>軸
方向のピエゾ電界が誘起される。この素子に励起光を入
れた場合と入れない場合の歪みMQW構造のバンド構造
は、以下に図1(A)〜(C)を参照して説明するよう
に変わる。なお、図1(A)〜(C)において、21は
井戸層、23は障壁層である。
As a basic example of the optical modulator of the present invention, I
On the mirror index display (111) surface of the nP substrate, AlIn
Consider a device having a multiple quantum well structure including an As barrier layer / InGaAs well layer and having a strain therein (hereinafter, a strained MQW structure). However,
It is assumed that the strained MQW structure is formed by causing compressive or tensile strain in the well layer. In this element,
Due to the asymmetry (strain) of the crystal structure in the <111> direction of the zinc blende structure, a piezoelectric field in the <111> axis direction of the zinc blende structure is induced in the well layer. The band structure of the strained MQW structure with and without the excitation light is changed as described below with reference to FIGS. 1 (A) to 1 (C). In FIGS. 1A to 1C, 21 is a well layer and 23 is a barrier layer.

【0014】先ず、図1(A)は、素子を光励起してい
ない場合の歪みMQW構造のバンド構造である。所定基
板面上に歪みMQW構造を設けたことで井戸層内に生じ
たピエゾ電界25が原因で、バンド構造は、フラットバ
ンド状態ではなく、ポテンシャル傾斜が生じたものとな
る。具体例でいえば、井戸層21及び障壁層23間の格
子不整合が例えば0.8%の場合を考えたとき、井戸層
内部では<111>方向に、大きさが84KV/cmの
ピエゾ電界が誘起される。そして、ここでは光励起がま
だされていない場合であるから、このピエゾ電界は量子
井戸に印加されるので、結局量子井戸に垂直に電界が印
加された状態になる、このため、構造はフラットバンド
状態ではなく、ポテンシャル傾斜が生じたものとなるの
である。このようにポテンシャル傾斜が生じたバンド構
造となっている素子に、それがフラットバンド状態であ
る場合の吸収端より低エネルギーで、かつ、図1(A)
のバンド状態である場合の吸収端より高エネルギーで然
も充分に弱励起の信号光27を入力すると、この信号光
27は素子内で吸収される(信号光の変調の一方の態様
が起こる)。
First, FIG. 1A shows a band structure of a strained MQW structure when the device is not optically excited. Due to the piezoelectric field 25 generated in the well layer by providing the strained MQW structure on the predetermined substrate surface, the band structure is not a flat band state but has a potential gradient. As a specific example, considering the case where the lattice mismatch between the well layer 21 and the barrier layer 23 is, for example, 0.8%, the piezoelectric field having a magnitude of 84 KV / cm in the <111> direction inside the well layer. Is induced. And since the photo-excitation is not performed here, this piezo electric field is applied to the quantum well, so the electric field is applied vertically to the quantum well. Instead, a potential gradient is generated. In the element having the band structure in which the potential gradient is generated as described above, the energy is lower than that at the absorption edge when the element is in the flat band state, and FIG.
When the signal light 27 having a higher energy than the absorption edge in the band state of 7 and a sufficiently weak excitation is input, the signal light 27 is absorbed in the element (one mode of modulation of the signal light occurs). .

【0015】また、図1(A)のような状態のバンド構
造となっている素子を、この素子のフラットバンド状態
の吸収端より高エネルギーの光(励起光)29により励
起すると、歪みMQW構造では、図1(B)に示したよ
うに、光キャリアである電子(e)と正孔(h)とが、
電子にあっては伝導帯に正孔にあっては価電子帯にそれ
ぞれ誘起される。これら電子及び正孔は、内部電界(ピ
エゾ電界)25により互いに逆方向に移動する。そし
て、図1(C)に示したように、これら電子及び正孔は
空間電荷分布を形成する。この空間電荷分布は電界31
を形成する。この電界31はピエゾ電界スクリーニング
する電界(以下、「スクリーニング電界」。)として作
用する。ピエゾ電界25が上記スクリーニング電界31
によって減じられる(零の場合があっても良い。)分、
歪みMQW構造の量子井戸に印加される電界が低下する
ので、歪みMQW構造のバンド構造は、図1(C)に示
すように、フラットバンドのときの状態に近づく方向で
変化する。このため、歪みMQW構造での実効的な吸収
端のエネルギーが増加する(バンドギャップ波長が短く
なる)ので、光励起前のときより波長が短い光でもこの
MQW構造を透過できるようになる(信号光の変調の他
方の態様が起こる。)。また、励起光を遮断すると、励
起されていた電子及び正孔の緩和を経てスクリーニング
電界が解消されるので再びピエゾ電界のみが量子井戸に
印加されるため、歪みMQW構造では図1(A)を用い
て説明したように信号光の吸収が起こる。このようなこ
とで、信号光の強度を励起光のオン−オフにより変調で
きる。
When a device having a band structure in the state as shown in FIG. 1A is excited by light (excitation light) 29 having a higher energy than the absorption edge in the flat band state of the device, the strained MQW structure is obtained. Then, as shown in FIG. 1B, an electron (e) and a hole (h), which are photocarriers, are
Electrons are induced in the conduction band and holes are induced in the valence band. These electrons and holes move in mutually opposite directions by the internal electric field (piezoelectric field) 25. Then, as shown in FIG. 1C, these electrons and holes form a space charge distribution. This space charge distribution is due to the electric field 31
To form. This electric field 31 acts as an electric field for piezo electric field screening (hereinafter referred to as “screening electric field”). The piezo electric field 25 is the above screening electric field 31.
Is reduced by (may be zero),
Since the electric field applied to the quantum well of the strained MQW structure decreases, the band structure of the strained MQW structure changes in the direction approaching the state of the flat band as shown in FIG. Therefore, the effective energy at the absorption edge in the strained MQW structure increases (the bandgap wavelength becomes shorter), so that light having a shorter wavelength than before the photoexcitation can be transmitted through the MQW structure (signal light). The other aspect of the modulation of. When the excitation light is blocked, the screening electric field is canceled after relaxation of the excited electrons and holes, and only the piezoelectric field is applied to the quantum well again. Therefore, in the strained MQW structure, as shown in FIG. The signal light is absorbed as described above. By doing so, the intensity of the signal light can be modulated by turning on / off the pumping light.

【0016】2.より実際的な素子例の説明 次に、この発明の実施に当たっての実際的な素子例を説
明する。図2はその光変調素子を示した斜視図である。
2. More Practical Example of Element Next, a practical example of the element in carrying out the present invention will be described. FIG. 2 is a perspective view showing the light modulation element.

【0017】この例の素子は、閃亜鉛鉱構造の単結晶基
板としてn型InP基板41を具える。そして、このI
nP基板41のミラー指数表示(111)面上に、n型
AlInAs層43を具え、このn型AlInAs層4
3上にAlInAs障壁層/InGaAs井戸層で構成
した歪みMQW構造45を具え、この歪みMQW構造4
5上にp型AlInAs層47を具える。InGaAs
井戸層は基板41に格子整合しない格子不整合井戸層と
する。p及びn型のAlInAs層43、47とAlI
nAs障壁層とは基板41に格子整合するよう形成す
る。さらにこの例の素子では、n型AlInAs層4
3、歪みMQW構造45及びp型AlInAs層47で
構成されるpin構造49をリッジ状としてある。さら
に、このリッジ状のpin構造49の両側を埋め込み層
例えば半絶縁性InP埋め込み層51により埋め込んで
ある。さらに、基板41の裏面に第一電極53を具え、
p型AlInAs層47上及び埋め込み層51上にこれ
らを渡って第二電極55を具えている。
The device of this example comprises an n-type InP substrate 41 as a single crystal substrate of zinc blende structure. And this I
An n-type AlInAs layer 43 is provided on the mirror index display (111) surface of the nP substrate 41.
3 has a strained MQW structure 45 composed of an AlInAs barrier layer / InGaAs well layer, and this strained MQW structure 4
On top of this, a p-type AlInAs layer 47 is provided. InGaAs
The well layer is a lattice mismatch well layer that does not lattice match with the substrate 41. p and n type AlInAs layers 43 and 47 and AlI
The nAs barrier layer is formed so as to be lattice-matched with the substrate 41. Further, in the device of this example, the n-type AlInAs layer 4
3. The pin structure 49 composed of the strained MQW structure 45 and the p-type AlInAs layer 47 has a ridge shape. Further, both sides of the ridge-shaped pin structure 49 are filled with a buried layer, for example, a semi-insulating InP buried layer 51. Furthermore, a first electrode 53 is provided on the back surface of the substrate 41,
A second electrode 55 is provided on the p-type AlInAs layer 47 and the buried layer 51 so as to extend therethrough.

【0018】この図2に示した素子では、光導波路部は
歪みMQW構造45で実質的に構成される。光導波路部
に電界を印加する層はp及びn型のAlInAs層4
3、47で構成される。ただし、p及びn型のAlIn
As層43、47には、基板41、第一電極53及び第
二電極55によって電圧が印加される。この素子では、
信号光及び励起光を、リッジ状のpin構造49にそれ
ぞれ入れる。これら光はリッジ状のpin構造49の長
手方向の一端から入れても良いし、又は、pin構造4
9のp側の層47側若しくはn側の層43(基板41)
側から入れても良い。ただし、リッジ状のpin構造4
9にその長手方向の一端から入れる方が信号光を吸収す
る点で実効が図れると考える。また、励起光と信号光と
を別の経路から入れる場合があっても良いと考える。実
用的には、信号光と励起光とを例えばこれらを合波した
状態で例えばファイバ光学系あるいは各種導波路を介し
て素子に導入できる。
In the element shown in FIG. 2, the optical waveguide portion is substantially composed of the strained MQW structure 45. The layers for applying an electric field to the optical waveguide part are p-type and n-type AlInAs layers 4
It is composed of 3, 47. However, p and n type AlIn
A voltage is applied to the As layers 43 and 47 by the substrate 41, the first electrode 53, and the second electrode 55. In this element,
The signal light and the excitation light are respectively put into the ridge-shaped pin structure 49. These lights may enter from one end in the longitudinal direction of the ridge-shaped pin structure 49, or the pin structure 4
9 p-side layer 47 side or n-side layer 43 (substrate 41)
You can enter from the side. However, ridge-shaped pin structure 4
It is considered that the effect can be achieved by inserting signal 9 into one end from one end in the longitudinal direction in that the signal light is absorbed. In addition, it may be possible that the pumping light and the signal light may enter from different paths. Practically, the signal light and the pumping light can be introduced into the device, for example, in a state where they are multiplexed, for example, via a fiber optical system or various waveguides.

【0019】この図2の素子では、図1(A)〜(C)
を用いて説明した原理により、信号光の強度を励起光の
オン−オフにより制御できる。ただし、この図2の素子
では信号光の強度を電気信号によって変調することもで
きる。すなわち図2の素子構造において、第一及び第二
電極53、55間に逆バイアスの電圧を印加したときと
これら電極53、55間に電気信号を印加しないときと
の2つの状態を利用することにより光信号の強度変調が
できる。ただし、第一及び第二電極53,55間に逆バ
イアス電圧を印加するとは、MQW構造45の内部電界
(ピエゾ電界)が減じられる(零にされる場合も含む)
方向の電界が発生されるように電圧を印加することであ
る。このように第一及び第二電極53,55間に逆バイ
アス電圧を印加すると、内部電界(ピエゾ電界)が減じ
られるので、歪みMQW構造45の実効的なバンドギャ
ップが光励起の場合同様広がるから、信号光を透過させ
ることができる。したがってこの図2に示した素子は、
信号光の強度を励起光で変調できるのみならず電気信号
によっても変調できる素子(電界吸収形光変調素子)に
なる。この場合はノーマリーオフ型の素子となる。
In the element shown in FIG. 2, the elements shown in FIGS.
The intensity of the signal light can be controlled by turning on / off the pumping light according to the principle described using. However, in the element of FIG. 2, the intensity of signal light can be modulated by an electric signal. That is, in the element structure of FIG. 2, use two states, that is, when a reverse bias voltage is applied between the first and second electrodes 53 and 55 and when an electric signal is not applied between these electrodes 53 and 55. Can modulate the intensity of the optical signal. However, applying a reverse bias voltage between the first and second electrodes 53 and 55 reduces the internal electric field (piezoelectric field) of the MQW structure 45 (including the case where the electric field is zero).
A voltage is applied so that a directional electric field is generated. When a reverse bias voltage is applied between the first and second electrodes 53 and 55 in this way, the internal electric field (piezoelectric field) is reduced, so that the effective band gap of the strained MQW structure 45 widens as in the case of photoexcitation. Signal light can be transmitted. Therefore, the element shown in FIG.
It becomes an element (electroabsorption optical modulator) that can modulate not only the intensity of signal light with excitation light but also an electric signal. In this case, the element is a normally-off type element.

【0020】上述においてはこの発明の光変調素子の実
施例について説明したがこの発明は上述の実施例に限ら
れない。
Although the embodiments of the optical modulator of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments.

【0021】例えば、上述においては、より実際的な素
子例として埋め込み構造を採用した素子例を示した。そ
れはこうすることにより光の横方向の閉じ込めが図れる
ことから光信号の損失低減に有効だからである。しか
し、この発明は原理的には埋め込み型に限られない。例
えば半導体レーザの分野において知られている構造のい
くつかを適用できる。
For example, in the above description, an example of an element having a buried structure is shown as a more practical example of the element. This is because the lateral confinement of light can be achieved by doing so, and it is effective in reducing the loss of the optical signal. However, the present invention is not limited to the embedded type in principle. For example, some of the structures known in the field of semiconductor lasers can be applied.

【0022】また、上述の実施例では基板としてInP
基板を用い、QW構造をAlInAs/InGaAsで
構成していた。しかし、基板は閃亜鉛鉱構造の単結晶基
板であれば広く利用できる。ただし、製造の便宜、例え
ば歪みMQW構造を作製することや電界印加層として半
導体層を用いる場合などを考慮すると、閃亜鉛鉱構造の
半導体単結晶基板が好ましい。QW構造も基板に応じた
適正な材料で構成できる。基板及びQW構造の他の例と
して、例えば、(a).基板としてGaAsを用いQW構造
をInGaAs/GaAsで構成した場合、(b).基板と
してGaAsを用いQW構造をZnSSe/ZnSで構
成した場合、(c).基板としてInP基板を用いQW構造
をAlInGaAs/InGaAsで構成した場合など
を挙げることができ、このような場合も実施例と同様な
効果が得られる。また、上記(a).〜(c).の構成を採用し
かつ図2に示した埋め込み構造の素子を構成する場合の
埋め込み層は、例えば、(a) にあってはAlGaAsあ
るいはInGaP、(b) にあってはZnS、(c) にあっ
てはInPあるいはAlIn(Ga)Asで構成でき
る。また、基板としてII−VI族の化合物半導体基板を用
いることもできる。
Further, in the above-mentioned embodiment, InP is used as the substrate.
The substrate was used and the QW structure was composed of AlInAs / InGaAs. However, the substrate can be widely used as long as it is a single crystal substrate having a zinc blende structure. However, a semiconductor single crystal substrate having a zinc blende structure is preferable in consideration of manufacturing convenience, for example, a case where a strained MQW structure is manufactured, a case where a semiconductor layer is used as an electric field application layer, and the like. The QW structure can also be made of an appropriate material according to the substrate. As another example of the substrate and the QW structure, for example, (a). When GaAs is used as the substrate and the QW structure is composed of InGaAs / GaAs, (b). GaAs is used as the substrate and the QW structure is composed of ZnSSe / ZnS. In this case, (c). The case where an InP substrate is used as the substrate and the QW structure is made of AlInGaAs / InGaAs can be mentioned. In such a case, the same effect as that of the embodiment can be obtained. In the case of adopting the above-mentioned configurations (a) to (c) and configuring the device having the buried structure shown in FIG. 2, the buried layer is, for example, AlGaAs or InGaP in (a), It can be composed of ZnS in b) and InP or AlIn (Ga) As in (c). A II-VI group compound semiconductor substrate can also be used as the substrate.

【0023】[0023]

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
発明の光変調素子によれば、歪みMQW構造内に結晶構
造に起因するピエゾ効果で生じている内部電界と光励起
により歪みMQW構造内に生じる電界とを利用してこの
歪みMQW構造のバンドギャップ波長を変化させること
で信号光の吸収、透過を生じさせることができる。した
がって、多層ミラー層を用いた非線形ファブリペロー共
振器を用いることなく全光的な光変調素子が得られる。
このため、多層ミラー層を用いた非線形ファブリペロー
共振器を用いていたときの問題を回避できる。また、素
子内部あるいは素子外部にインダクタンスを付加し励起
光により生じたキャリアの減衰を測定することで変調強
度のモニタができる。また、電界を印加するための層を
さらに設けた構成では信号光の強度の変調を電気的に制
御できる。
As is apparent from the above description, according to the optical modulator of the present invention, an internal electric field generated in the strained MQW structure due to the piezo effect due to the crystal structure and optical excitation cause distortion in the strained MQW structure. By changing the bandgap wavelength of the distorted MQW structure using the electric field generated, absorption and transmission of signal light can be generated. Therefore, an all-optical modulator can be obtained without using a nonlinear Fabry-Perot resonator using a multilayer mirror layer.
Therefore, it is possible to avoid the problem when the nonlinear Fabry-Perot resonator using the multilayer mirror layer is used. Further, the modulation intensity can be monitored by adding an inductance inside or outside the element and measuring the attenuation of the carrier generated by the excitation light. Further, in the configuration in which the layer for applying the electric field is further provided, the modulation of the intensity of the signal light can be electrically controlled.

【0024】この発明の光変調素子は、例えば光クロッ
クによる光信号の強度変調を伴うような光情報処理シス
テムの光信号スイッチとして活用できる。たとえば、光
学的にパーフェクトシャフルを実現するときにそれの各
ノードのExchange-Boxとしてこの発明の光変調素子を用
いることで、光クロックである励起光でマルチステージ
の構成を再構成することができる並列処理システムが得
られる。このようにこの発明の素子は、光交換、光情報
処理における光ゲート素子として利用できる。
The optical modulator of the present invention can be utilized as an optical signal switch of an optical information processing system involving intensity modulation of an optical signal by an optical clock, for example. For example, by using the optical modulation element of the present invention as the Exchange-Box of each node when optically achieving perfect shuffle, it is possible to reconfigure the multistage configuration with pump light that is an optical clock. A parallel processing system is obtained. Thus, the element of the present invention can be used as an optical gate element in optical switching and optical information processing.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(A)〜(C)は、この発明の光変調素子の基
本的な原理の説明図であり、この素子に励起光を入れた
場合と入れない場合の歪みMQW構造のバンド構造の変
化を示した図である。
1 (A) to 1 (C) are explanatory views of the basic principle of an optical modulation element of the present invention, and a band structure of a strained MQW structure with and without pumping light entering the element. It is a figure showing a change of.

【図2】この発明を実施する際の実際的な素子構造の一
例を示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a practical element structure when implementing the present invention.

【図3】従来の光変調素子の説明に供する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a conventional light modulation element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21:井戸層 23:障壁層 25:内部電界(ピエゾ電界) 27:信号光 29:励起光 31:スクリーニング電界 41:n−InP基板 43:n−AlInAs層 45:歪みMQW構造 47:p−AlInAs層 49:リッジ状のpin構造 51:埋め込み層 53:第一電極 55:第二電極 21: Well layer 23: Barrier layer 25: Internal electric field (piezoelectric field) 27: Signal light 29: Excitation light 31: Screening electric field 41: n-InP substrate 43: n-AlInAs layer 45: Strained MQW structure 47: p-AlInAs Layer 49: Ridge-shaped pin structure 51: Buried layer 53: First electrode 55: Second electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高森 毅 東京都港区虎ノ門1丁目7番12号 沖電気 工業株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takeshi Takamori 1-7-12 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 閃亜鉛鉱構造の単結晶基板と、 該基板のミラー指数表示(111)面の上側に設けら
れ、歪み量子井戸構造を光吸収層として含む光導波路部
とを具えたことを特徴とする光変調素子。
1. A single crystal substrate having a zinc blende structure, and an optical waveguide portion provided above the Miller index indicating (111) plane of the substrate and including a strained quantum well structure as a light absorption layer. Characteristic light modulator.
【請求項2】 請求項1に記載の光変調素子において、 前記光導波路部に対し閃亜鉛鉱構造の<111>方向に
平行な電界を印加するための層をさらに具えたことを特
徴とする光変調素子。
2. The light modulation element according to claim 1, further comprising a layer for applying an electric field parallel to the <111> direction of the zinc blende structure to the optical waveguide portion. Light modulator.
【請求項3】 請求項1に記載の光変調素子において、 前記閃亜鉛鉱構造の単結晶基板を閃亜鉛鉱構造の半導体
単結晶基板としたことを特徴とする光変調素子。
3. The light modulation element according to claim 1, wherein the zincblende structure single crystal substrate is a zinc blende structure semiconductor single crystal substrate.
【請求項4】 請求項1に記載の光変調素子において、 前記電界を印加するための前記層を、前記光導波路部を
挟むp型半導体層及びn型半導体層(ただし、これら層
の一方が前記単結晶基板の場合であっても良い。)とし
たことを特徴とする光変調素子。
4. The light modulation element according to claim 1, wherein the layer for applying the electric field includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer sandwiching the optical waveguide portion (provided that one of these layers is The single crystal substrate may be used.).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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