JPH0832107A - 電界吸収効果を有する光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 入射光を微分することができる装置であっ
て、従来例に比較し構成が簡単であってかつ消費電力が
小さく、しかも時間応答が速い光半導体装置を提供す
る。 【構成】 印加電界を変化することによって光吸収量が
変化する電界吸収効果を有する光半導体素子１０と、上
記光半導体素子に接続され、上記光半導体素子において
所定の光吸収量が生じるように、上記光半導体素子に所
定の印加電界を印加するための逆バイアス電圧印加用直
流電源３０とを備え、上記光半導体素子に光微分すべき
信号光を入射することによって、上記光半導体素子にお
ける電界スクリーニング効果により、当該信号光を入射
した上記光半導体素子から上記信号光を光微分した微分
光を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界吸収効果を有する
光半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８に第１の従来例の電気光微分装置の
構成を示す。図８に示すように、入射した光パルスを一
旦ホトダイオード等の光電変換素子３０により電気信号
に変換した後、それを電気微分回路３１によって電気的
に微分する。次いで、電気微分回路３１から出力される
電気信号を増幅器３２を介して別のレーザーダイオード
等の発光素子３３（又は光変調器）を駆動することによ
り、光微分出力を得ることができる。

【０００３】図９に第２の従来例の電気光間引き装置の
構成を示す。図９に示すように、入射した光パルス列を
一旦ホトダイオード等の光電変換素子３０により電気信
号に変換した後、それを、分周器などの電気的なパルス
間引き回路３４によって電気的に間引きする。次いで、
パルス間引き回路３４から出力される電気信号を増幅器
３２を介して別のレーザーダイオード等の発光素子３３
（又は光変調器）を駆動することにより、入射した光パ
ルス列の周期が間引かれた、すなわちより長い周期を有
する光パルス列を得ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の第１の従来例で
は、次のような欠点があり、問題点があった。 （ａ）電気回路の部品点数が増え、装置規模が比較的大
きい。 （ｂ）消費電力が比較的大きい。 （ｃ）電気回路３１，３２で処理した後、発光素子３３
又は光変調器を駆動するため、光微分出力を得るまでの
遅延時間が大きく、また時間応答が遅い。

【０００５】上述の第２の従来例では、次のような欠点
があり、問題点があった。 （ａ）電気回路の部品点数が増え、装置規模が比較的大
きい。 （ｂ）消費電力が比較的大きい。 （ｃ）電気回路３４，３２で処理した後、発光素子３３
又は光変調器を駆動するため、光パルス列の出力を得る
までの遅延時間が大きく、また入射される高速パルス列
に追従することができない。

【０００６】本発明の第１の目的は以上の問題点を解決
し、入射光を微分することができる装置であって、従来
例に比較し構成が簡単であってかつ消費電力が小さく、
しかも時間応答が速い光半導体装置を提供することにあ
る。本発明の第２の目的は以上の問題点を解決し、入射
されるパルス列を間引くことができる装置であって、従
来例に比較し構成が簡単であってかつ消費電力が小さ
く、しかも高速パルスに追従することができる光半導体
装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の電界吸収効果を有する光半導体装置は、印加電界を
変化することによって光吸収量が変化する電界吸収効果
を有する光半導体素子と、上記光半導体素子に接続さ
れ、上記光半導体素子において所定の光吸収量が生じる
ように、上記光半導体素子に所定の印加電界を印加する
ための逆バイアス電圧印加用直流電源とを備え、上記光
半導体素子に光微分すべき信号光を入射することによっ
て、上記光半導体素子における電界スクリーニング効果
により、当該信号光を入射した上記光半導体素子から上
記信号光を光微分した微分光を得ることを特徴とする。

【０００８】また、請求項２記載の光半導体装置は、請
求項１記載の光半導体装置において、上記光半導体素子
は、ワニエシュタルク局在効果を有する超格子構造の真
性半導体ｉ層を含むｐｉｎ型ダイオードであることを特
徴とする。さらに、請求項３記載の光半導体装置は、請
求項１記載の光半導体装置において、上記光半導体素子
は、量子閉じ込めシュタルク効果を有する多重量子井戸
構造の真性半導体ｉ層を含むｐｉｎ型ダイオードである
ことを特徴とする。

【０００９】また、請求項４記載の光半導体装置は、請
求項１、２又は３記載の光半導体装置において、上記電
界スクリーニング効果の動作速度は、上記光半導体素子
に入射される複数個の光からなる光列の周期よりも十分
に遅くなるように設定されたことを特徴とする。さら
に、請求項５記載の光半導体装置は、請求項１、２又は
３記載の光半導体装置において、上記電界スクリーニン
グ効果の動作速度は、上記光半導体素子に入射される複
数個の光からなる光列の周期よりも十分に速くなるよう
に設定されたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】請求項１記載の光半導体装置においては、上記
直流電源は、上記光半導体素子において所定の光吸収量
が生じるように、上記光半導体素子に所定の印加電界を
印加する。このときの印加電界は、例えば、光半導体素
子が超格子構造の真性半導体ｉ層を有するｐｉｎ型ダイ
オードである場合、図３の（ｂ）のエネルギー準位図に
示す状態、すなわち量子井戸内の電子の波動関数の結合
が弱くなって孤立した量子井戸におけるサブバンド状態
による光吸収状態となるような状態の電圧となるように
設定される。図３の状態では、図３の（ｂ）に示すよう
に、光半導体素子に対して比較的高い電界Ｅ１２が印加
されて、伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖの傾斜が大きくな
る。このとき、比較的高い電界Ｅ１２の吸収端の波長よ
りも長い波長λ₀のパルス光が入射したとき、図３の
（ｃ）に示すように光半導体素子による光吸収量は比較
的小さいので、上記パルス光は光半導体素子を通過して
出力される。すなわち、図３の（ｄ）に示すように比較
的高いレベルを有する出力光が出力される（時刻ｔ１
１）。

【００１１】この波長λ₀の光パルスの入射によって、
光吸収により生成された電荷の光キャリア４１が光半導
体素子に発生して、その光キャリア４１が空間電荷とし
て光半導体素子に残留する。このとき、空間電荷による
電界スクリーニング効果又は電界遮蔽効果により光半導
体素子に印加される電界は残留光キャリアの密度に比例
して弱められる。これによって光半導体素子に印加され
る電界が自動的に低下し、例えば電界Ｅが電界Ｅ１２か
ら電界Ｅ１１となったとする。この状態を図４に示す。

【００１２】従って、このとき電界Ｅが比較的高いとき
に生じていた光吸収端は電界Ｅの弱まりによって長波長
側へとシフトしなおし、光吸収量が増大する。するとま
すます光吸収による光キャリア４１が光半導体素子に多
く発生して、このとき空間電荷効果によって電界をスク
リーニングして弱める方へと正帰還を起こすように働
く。これによって光半導体素子に印加される電界Ｅは瞬
時に弱まり、光吸収端は瞬時に図４の（ｃ）の電界Ｅ＝
Ｅ１１の状態に遷移し、光半導体素子による光吸収量が
瞬時に増加して、光半導体素子を透過して出力される出
力光は、図４の（ｄ）に示すように低下する（時刻ｔ１
２）。さらに、電界がスクリーニングされると、光吸収
端は図５の（ｃ）の電界Ｅ＝Ｅ０の状態（すなわち、ほ
とんど無電界の状態）に遷移し、光半導体素子による光
吸収量は最大値近傍となって、当該光半導体素子からほ
とんど光は出力されない（時刻ｔ１３）。従って、上記
光半導体素子に光微分すべき信号光を入射することによ
って、上記光半導体素子における電界スクリーニング効
果により、当該信号光を入射した上記光半導体素子から
上記信号光を光微分した微分光を得ることができる。

【００１３】また、請求項２記載の光半導体装置におい
ては、上記光半導体素子は、好ましくは、ワニエシュタ
ルク局在効果を有する超格子構造の真性半導体ｉ層を含
むｐｉｎ型ダイオードである。さらに、請求項３記載の
光半導体装置においては、上記光半導体素子は、好まし
くは、量子閉じ込めシュタルク効果を有する多重量子井
戸構造の真性半導体ｉ層を含むｐｉｎ型ダイオードであ
る。

【００１４】また、請求項４記載の光半導体装置におい
ては、上記電界スクリーニング効果の動作速度は、上記
光半導体素子に入射される複数個の光からなる光列の周
期よりも十分に遅くなるように設定される。ここで、複
数個の光は当該光半導体装置によってそれぞれ光微分す
ることできる。

【００１５】さらに、請求項５記載の光半導体装置にお
いては、上記電界スクリーニング効果の動作速度は、上
記光半導体素子に入射される複数個の光からなる光列の
周期よりも十分に速くなるように設定される。複数個の
光のうちの少なくとも１個の光のみを当該光半導体装置
によってそれぞれ光微分することできる。言い換えれ
ば、図９の第２の従来例の光間引き装置と同様に、光列
を間引くことができ、光間引き装置を構成することがで
きる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明による実施例に
ついて説明する。図１は本発明の一実施例である、超格
子構造の真性半導体ｉ層１６を有するｐｉｎ型ダイオー
ド１０を用いた光半導体装置の構成を示す断面図及び回
路図である。

【００１７】本実施例の光半導体装置は、図１に示すよ
うに、光半導体素子である超格子構造の真性半導体ｉ層
１６を有し逆バイアス電圧を変化することによって光吸
収端付近の波長領域で光吸収量が変化するヘテロ接合ｐ
ｉｎ型ダイオード１０の両端の電極１１，１２に逆バイ
アス電圧印加用の可変電圧源３０が接続され、電極１１
側から例えばパルス光を印加することによって、電極１
２側から光微分された信号光を得ることを特徴としてい
る。

【００１８】本実施例のｐｉｎ型ダイオード１０は、図
１に示すように、裏面にリング形状のＡｕ電極１２が形
成され、同じくリング形状であってＳｉにてなるｎ型不
純物イオンが注入量１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−
ＧａＡｓにてなる厚さ３５０μｍのｎ型半導体基板２０
上に、以下の各層が順次、ｎ型半導体基板２０から近接
した側から積層されて形成される。 （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが注入量１×１０
¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ
０．２μｍのｎ型バッファ層１９； （ｂ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが注入量１×１０
¹⁷／ｃｍ³だけ注入されたｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓにて
なる厚さ０．２μｍのｎ型クラッド層１８； （ｃ）ｉ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓにてなる厚さ１００ｎｍ
のｉ型クラッド層１７； （ｄ）超格子構造を有する厚さ約０．４μｍの真性半導
体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１６； （ｅ）ｉ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓにてなる厚さ１００ｎｍ
のｉ型クラッド層１５； （ｆ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが注入量１×１０
¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓにて
なる厚さ０．２μｍのｐ型クラッド層１４； （ｇ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが注入量５×１０
¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚さ５
０ｎｍのｐ型キャップ層１３；並びに、 （ｈ）リング形状のＡｕ電極１１。

【００１９】なお、Ａｕ電極１２とｎ型半導体基板２０
とＡｕ電極１１とをリング形状にするのは、上記の積層
を行った後に所定のエッチングにより行われる。また、
上記真性半導体ｉ層１６は、ＧａＡｓにてなり１２原子
層の厚さ３４Åの井戸層２１と、ＡｌＡｓにてなり３原
子層の厚さ８．５Åの障壁層２２とを交互に、例えば１
００周期で積層されて形成される。そして、電極１１は
逆バイアス電圧Ｖｂの可変電圧源３０の負極に接続さ
れ、電極１２は可変電圧源３０の正極に接続されること
によって、ｐｉｎ型ダイオード１０の電極１１，１２間
に所定の電界が印加されることになる。

【００２０】上記ｐｉｎ型ダイオード１０の真性半導体
ｉ層１６は、障壁層２２の厚さが井戸層２１の厚さに比
較して薄い半導体超格子構造を有しており、その量子井
戸内の電子状態は、印加電界が弱い場合は薄いバリアー
を浸透した波動関数どうしの結合によってミニバンド状
態になる一方、印加電界が強い場合は波動関数の結合が
弱くなって孤立した量子井戸におけるサブバンド状態と
なる。この真性半導体ｉ層１６内の電界による吸収率変
調効果、すなわち印加電界を変化することによって光吸
収率又は光吸収量が変化する効果（以下、電界吸収効果
という。）によって図２に示すような光吸収特性を示す
ことがワニエ・シュタルク局在効果として知られてお
り、電界が強くなるに従い、光吸収端は短波長側にシフ
トする（例えば、J.Bluese et al. Applied Physics Le
ttrer,Vol.53,No.26,pp.2632-2634,1988年参照。）。

【００２１】図２における波長に対する光吸収量の特性
において、入射光の波長が長くなるにつれて光吸収量が
ある波長で急激に低下するが、その低下する傾斜のほぼ
中間領域を一般に「光吸収端」と呼んでいる。ここで、
電界が印加されていないときと比較的高い電界Ｅ２が印
加されたときとの間の電界Ｅ１が印加された場合の光吸
収端の波長をλ₀としており、この光半導体装置では入
射光の波長をこの波長λ₀に設定する。図２の特性から
明らかなように、この光吸収端の波長は、さらに電界の
強度を大きくすることによって波長が青色波長に向かう
方向、すなわち波長のより短い方向にシフトされる。こ
れを電界による光吸収端のブルーシフトと呼んでいる。

【００２２】図７は本発明者の実験によって得られた波
長に対する光吸収量の特性を示すグラフである。図７か
ら明らかなように、逆バイアス電圧Ｖｂを高し、これに
よって、真性半導体ｉ層１６に印加される電界を大きく
することによって、光吸収端がブルーシフトすることが
わかる。本実施例の光半導体装置は、以下に示すよう
に、この電界による光吸収端のブルーシフトを使用し
て、光微分装置と光間引き装置を構成する。

【００２３】図３乃至図５は、本実施例の光半導体装置
において光パルスを入射したときの光微分動作を示す図
であって、図３は時刻ｔ１１における各図であり、図４
は上記時刻ｔ１１より後の時刻ｔ１２における各図であ
り、図５は上記時刻ｔ１２よりも後の時刻ｔ１３におけ
る各図である。図３乃至図５を参照して、この光微分動
作について説明する。

【００２４】図１に示した、上記の超格子構造による電
界吸収効果を有したｐｉｎ型ダイオード１０に、逆バイ
アス電圧Ｖｂ＝Ｖ１２を印加する直流電源３０を接続し
た回路を構成する。ここで、逆バイアス電圧Ｖｂ＝Ｖ１
２は、図３の（ｂ）のエネルギー準位図に示す状態、す
なわち量子井戸内の電子の波動関数の結合が弱くなって
孤立した量子井戸におけるサブバンド状態による光吸収
状態となるような状態の電圧となるように設定される。
図３の状態では、図３の（ｂ）に示すように、超格子構
造を有する真性半導体ｉ層１６に対して比較的高い電界
Ｅ１２が印加されて、伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖの傾斜
が大きくなる。このとき、波長λ₀のパルス光が入射し
たとき、図３の（ｃ）に示すようにｐｉｎダイオード１
０による光吸収量は比較的小さいので、上記パルス光は
ｐｉｎダイオード１０を通過して出力される。すなわ
ち、図３の（ｄ）に示すように比較的高いレベルを有す
る出力光が出力される（時刻ｔ１１）。

【００２５】この波長λ₀の光パルスの入射によって、
光吸収により生成された電荷の光キャリア４１が真性半
導体ｉ層１６の井戸層２１に発生し、その数が量子井戸
から掃き出されるレートより十分大きければ光キャリア
１６が空間電荷として真性半導体ｉ層１６内の光吸収を
起こす量子井戸内に残留する。本実施例においては、光
キャリア４１の掃き出しレートを弱めるために、ＧａＡ
ｓの井戸層２１とのエネルギー差が比較的大きなバリア
ーであるＡｌＡｓ障壁層２２を使用して、薄い障壁層２
２でありながら高い障壁層２２として光キャリア４１の
掃き出しを抑圧している。このとき、空間電荷による電
界スクリーニング効果又は電界遮蔽効果（詳細後述す
る。）により超格子構造を有する真性半導体ｉ層１６に
印加される電界は残留光キャリアの密度に比例して弱め
られる。これによって超格子構造を有する真性半導体ｉ
層１６に印加される電界が自動的に低下し、例えば電界
Ｅが電界Ｅ１２から電界Ｅ１１となったとする。この状
態を図４に示す。なお、空間電荷スクリーニング効果に
よって電界を弱める光キャリア４１が蓄積する場所は、
その光キャリア４１のうちのホールがｉ型クラッド層１
５の近傍の複数の井戸層２１に蓄積する一方、その電子
がｉ型クラッド層１７の近傍の複数の井戸層２１に蓄積
する。ここで、ＡｌＡｓ障壁層２２の障壁は比較的高い
が薄いので、トンネル効果によって光キャリアがよく流
れ、最後にｉ型クラッド層１５又は１７近傍まで到達す
る。ｉ型クラッド層１５又は１７近傍まで到達した光キ
ャリアは、このｉ型クラッド層１５，１７の厚さが５０
ｎｍ以上あるので、トンネル効果によってｉ型クラッド
層１５，１７を抜けることができないために、また、ｉ
型クラッド層１５，１７はある程度の比較的高いエネル
ギー準位の高さがあるので、光キャリアがのり越えるこ
とが難しいために、各ｉ型クラッド層１５，１７に近
い、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１６内の井戸層
２１内にそれぞれホールと電子とが蓄積することにな
る。このホールと電子の蓄積によって、詳細後述する電
界スクリーニング効果が生じることになる。

【００２６】従って、このとき電界Ｅが比較的高いとき
に生じていた上記ワニエシュタルク局在効果によって短
波長側にシフトしていた光吸収端は電界Ｅの弱まりによ
って長波長側へとシフトしなおし、光吸収量が増大す
る。するとますます光吸収による光キャリア４１が井戸
層２１に多く発生して、このとき空間電荷効果によって
電界をスクリーニングして弱める方へと正帰還を起こす
ように働く。これによって超格子構造を有する真性半導
体ｉ層１６に印加される電界Ｅは瞬時に弱まり、光吸収
端は瞬時に図４の（ｃ）の電界Ｅ＝Ｅ１１の状態に遷移
し、ｐｉｎ型ダイオード３０による光吸収量が瞬時に増
加して、ｐｉｎ型ダイオード３０を透過して出力される
出力光は、図４の（ｄ）に示すように低下する（時刻ｔ
１２）。さらに、電界がスクリーニングされると、光吸
収端は図５の（ｃ）の電界Ｅ＝Ｅ０の状態（すなわち、
ほとんど無電界の状態）に遷移し、ｐｉｎ型ダイオード
３０による光吸収量は最大値近傍となって、ｐｉｎ型ダ
イオード３０からほとんど光は出力されない（時刻ｔ１
３）。なお、図４の（ｂ）及び図５の（ｂ）においてサ
ブバンド４２がハッチングで描かれているのは、そのミ
ニバンドが比較的大きな幅を有していることを示す。

【００２７】図２もしくは図３の（ｃ）及び図４の
（ｃ）に示す光吸収曲線が、電界Ｅ＝Ｅ１２のときから
電界Ｅ＝Ｅ１１までに遷移するまでに、結果として瞬間
的に高い透過状態のｐｉｎ型ダイオード１０を抜けて来
た光出力を得ることができる。すなわち、図５の（ｄ）
に示すように、時間的に比較的長い幅を持った光パルス
の前縁を微分した時間幅の狭い光パルスがｐｉｎ型ダイ
オード１０を透過してくる。従って、光吸収量に反比例
する光透過率の大きい状態から小さい状態への正帰還の
かかった瞬間的なスイッチングによって光微分が可能で
あることを示している。さらに、当該ｐｉｎ型ダイオー
ド１０を放置した場合は、井戸層２１内の光キャリア４
１が当該ｐｉｎダイオード１０に接続された回路を介し
て放電され、元の図３の状態に自動的に戻ることにな
り、再び光が入射されれば再び光微分の動作を繰り返す
ことになる。

【００２８】図６は本発明者の実験によって得られた光
微分動作示すタイミングチャートである。図６から明ら
かなように、パルス状の光を入射することによって、微
分された出力光が得られることがわかるとともに、光微
分の後に光が入射されている間は比較的弱い光が透過し
かつｐｉｎ型ダイオード１０に光電流が流れていること
がわかる。本発明者の実験によれば、図６の例における
光微分部分のＦＷＨＭ（full width half width；光強
度の最大値の半分の点における時間軸の幅）は、約１０
０ナノ秒であって、これは実験に使用した音響光変調器
の仕様、すなわち立ち上がり時間＝５０ナノ秒でかつ立
ち下がり時間＝５０ナノ秒であることによって制限され
ていると考えられる。

【００２９】例えば、上記電界スクリーニング効果によ
り電界が弱まる速度である電界スクリーニング効果の動
作速度が、例えば入射される複数個の光パルス列からな
るバースト光列の周期よりも十分に遅い場合は、そのバ
ースト光列の複数個の光パルスは当該光半導体装置によ
ってそれぞれ光微分することできる。一方、電界スクリ
ーニング効果の動作速度が、例えば入射される複数個の
光パルス列からなるバースト光列の周期よりも十分に早
い場合は、そのバースト光列の複数個のうちの少なくと
も１個の光パルスのみを当該光半導体装置によってそれ
ぞれ光微分することできる。言い換えれば、図９の第２
の従来例の光間引き装置と同様に、パルス列を間引くこ
とができ、光間引き装置を構成することができる。な
お、スクリーニング効果の動作速度を変更するために
は、例えば、以下の方法を用いることができる。 （ａ）ｉ型クラッド層１５，１７のＡｌの組成を変更す
ることにより、ｉ型クラッド層１５，１７のバリアの高
さを変更し、蓄積する光キャリアの空間電荷量を変更す
る。もしくは、 （ｂ）入射光をｐｉｎ型ダイオード１０に入射する前段
に、減光フィルタを挿入して、当該ｐｉｎ型ダイオード
１０内に生成される光キャリア量を変更して、蓄積する
光キャリアの空間電荷量を変更する。ここで、減光フィ
ルタの減光量を変更してもよい。

【００３０】ここで、上述の空間電荷による電界スクリ
ーニング効果について、図１０を参照して説明する。い
ま、図１０（ａ）に示すように、２つの対向する電極５
１，５２に直流電源５０によって電圧Ｖ₀を印加する。
ここで、電極５２が接地される。このとき、２つの電極
５１，５２間に電荷Ｑが無いときの電位分布は図１０
（ｂ）に示すように、電極５２から電極５１に向かって
電位ψが距離に比例して上昇する特性となる。一方、２
つの電極５１，５２間であって電極５２から距離ｘ₀の
ところに電荷Ｑをおいた場合、電荷Ｑ自身が作る電位分
布は図１０（ｃ）に示すように、電位ψが電荷Ｑの位置
から電極５１に向かって距離に比例して減少するととも
に、電位ψが電荷Ｑの位置から電極５２に向かって距離
に比例して減少する。従って、２つの電極５１，５２間
であって電極５２から距離ｘ₀のところに電荷Ｑをおい
た場合の電位分布は図１０（ｄ）に示すように、電極５
２の位置から距離ｘ₀の位置までの電位の傾斜は距離ｘ₀
の位置から電極５１までの電位の傾斜よりも大きく折れ
線特性を有する。すなわち、電圧が印加された２つの電
極５１，５２間に電荷Ｑを置くと、その電荷Ｑが発生す
る電界によってもともと何もなかった場合の電位分布と
は異なる電位分布となることがわかる。

【００３１】図１０（ｄ）から明らかなように、距離ｘ
₀から電極５１側の電位ψの傾斜は小さくなる。電界は
電位ψを距離ｘで微分して表わすことができるので、距
離ｘ₀から電極５１側では電界が弱められていることに
なる。すなわち、電荷が存在することによって、電界が
遮蔽され弱められるという効果がある。これを空間電荷
による遮蔽効果又はスクリーニング効果と呼んでいる。

【００３２】実際には、１個の電子で生じるスクリーニ
ング効果は非常に小さいために、数Ｖ以上をμｍのオー
ダーの間隔に印加するような半導体素子において、十分
なスクリーニング効果を実現するためには、１０¹⁷個以
上の電荷が必要となり、かつその電荷が電極に走行して
いってなくならないようにどこかに蓄積することができ
る構造が必要となる。図１０（ａ）の回路図では、正の
電荷Ｑについて描いているが、半導体素子においては、
電子とホールの＋と−のチャージがそれぞれ、別の方向
に電界に寄与して分離されるために、このような場合の
実際のスクリーニング領域の電位分布は図１０（ｅ）の
ようになる。この例では、距離ｘ₁の位置にホールの蓄
積がある一方、距離ｘ₂（＞ｘ₁）の位置に電子の蓄積が
ある場合に、距離ｘ₁の位置と距離ｘ₂の位置との間に電
界が弱められたスクリーニング領域が存在することにな
る。

【００３３】以上説明したように、光透過のスイッチン
グ動作は、ｐｉｎダイオード１０を比較的高い電界の状
態（電界Ｅ＝Ｅ２又はＥ１２）の光吸収曲線に設定する
ための逆バイアス電圧印加用直流電源３０以外は全く外
部回路を必要とせず、また、ｐｉｎ型ダイオード１０の
内部に特有の現象を使用したものであり、図８や図９の
示すように複雑な回路を有する従来の電気回路装置とは
全く異なる新しい原理に基づくものである。このため本
発明においては最初、比較的高い光透過状態にあった図
１のｐｉｎ型ダイオード１０が当該ｐｉｎ型ダイオード
１０自身に入射される光パルスによって動的に自己の内
部に発生する光キャリア４１によってセルフスイッチ
し、比較的高い透過状態から比較的低い透過状態に遷移
する時間の間だけ光パルスが素子を突き抜けてくるとい
う新しい動的過程を利用して光微分動作を行なうもので
ある。これは、従来にはなかった動作であり、新しい素
子を用いた方式である。本方式の長所は、以上のように
簡単な構成で光微分が可能である他に、素子内部の微小
な部分で動作を起こしているため従来の方法に比べて非
常に高速に光微分動作を可能とできる点にある。

【００３４】すなわち、本発明に係る実施例の効果をま
とめると、広い強度範囲の光入射に対してその微分動作
を可能にすることができるという特有の利点を有する。
また、従来例に比較して以下の利点を有する。 （ａ）従来例に比較し構成が簡単である。 （ｂ）ｐｉｎ型ダイオード１０に印加する逆バイアス電
圧を印加するための直流電源３０のみが必要であるの
で、従来例に比較して消費電力が小さい。 （ｃ）信号光は１個のｐｉｎ型ダイオード１０を通過す
るだけであり、従来例のように複数の回路を通過しない
ので、従来例に比較して時間応答が速く、例えば光間引
き装置を構成した場合は、入射される高速パルス列に追
従することができる。

【００３５】以上の実施例において、光半導体装置とし
て、ワニエシュタルク局在効果を有する超格子構造超格
子構造の真性半導体ｉ層を有するｐｉｎダイオード１０
を用いているが、本発明はこれに限らず、図２に示すよ
うに、青色波長の光吸収量が低下する領域における光吸
収端が印加電界をよってシフトする特性（いわゆる、光
吸収のブルーシフト特性）を持つ電界吸収効果を有する
以下のような光半導体素子であればよい。 （Ａ）ｐｉｎダイオード型の半導体素子であって、ショ
ットキー電極を有してｉ層に電界を印加することがで
き、光吸収のブルーシフト特性を持つ電界吸収効果を有
する素子であり、ここで、ｉ層として例えば以下に示す
構造を有するもの。 （Ａ１）ＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効果）によ
るエキシトンピークの短波長側の端部を利用することに
よる、光吸収量のブルーシフト特性を利用した多重量子
井戸構造。 （Ａ２）光吸収量が電界を印加することによって減少す
る電界吸収効果を有する量子細線及び量子ドット構造。 （Ｂ）２つの対向する透明電極間に有機物を挟設し、そ
の有機物が電界吸収効果を有し、かつ光吸収のブルーシ
フト特性を有する素子。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、印
加電界を変化することによって光吸収量が変化する電界
吸収効果を有する光半導体素子と、上記光半導体素子に
接続され、上記光半導体素子において所定の光吸収量が
生じるように、上記光半導体素子に所定の印加電界を印
加するための逆バイアス電圧印加用直流電源とを備え、
上記光半導体素子に光微分すべき信号光を入射すること
によって、上記光半導体素子における電界スクリーニン
グ効果により、当該信号光を入射した上記光半導体素子
から上記信号光を光微分した微分光を得る。従って、本
発明に係る光半導体装置は、以下の特有の利点を有す
る。 （ａ）従来例に比較し構成が簡単である。 （ｂ）ｐｉｎ型ダイオードに印加する逆バイアス電圧の
供給のみであるので、従来例に比較して消費電力が小さ
い。 （ｃ）信号光は１個のｐｉｎ型ダイオードを通過するだ
けであり、従来例のように複数の回路を通過しないの
で、従来例に比較して時間応答が速い。例えば、光間引
き装置を構成した場合は、入射される高速パルス列に追
従することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である、超格子構造の真性
半導体ｉ層を有するｐｉｎ型ダイオードを用いた光半導
体装置の断面図及び回路図である。

【図２】 図１の半導体半導体装置の波長に対する光吸
収量の特性を示すグラフである。

【図３】 図１の半導体半導体装置における時刻ｔ１１
の光微分動作を示す図であって、（ａ）は入射光を示す
タイミングチャートであり、（ｂ）は超格子層のエネル
ギー準位図であり、（ｃ）は光吸収量の波長特性を示す
グラフであり、（ｄ）は出力光のタイミングチャートで
ある。

【図４】 図１の半導体半導体装置における時刻ｔ１２
の光微分動作を示す図であって、（ａ）は入射光を示す
タイミングチャートであり、（ｂ）は超格子層のエネル
ギー準位図であり、（ｃ）は光吸収量の波長特性を示す
グラフであり、（ｄ）は出力光のタイミングチャートで
ある。

【図５】 図１の半導体半導体装置における時刻ｔ１３
の光微分動作を示す図であって、（ａ）は入射光を示す
タイミングチャートであり、（ｂ）は超格子層のエネル
ギー準位図であり、（ｃ）は光吸収量の波長特性を示す
グラフであり、（ｄ）は出力光のタイミングチャートで
ある。

【図６】 図１の半導体半導体装置における光微分動作
を示す図であって、（ａ）入射光の光強度と（ｂ）出力
光の光強度と（ｃ）素子の光電流とを示すタイミングチ
ャートである。

【図７】 図１の半導体半導体装置における波長に対す
る光吸収量の実験結果のグラフである。

【図８】 第１の従来例の電気光微分装置の構成を示す
ブロック図である。

【図９】 第２の従来例の電気光間引き装置の構成を示
すブロック図である。

【図１０】 図１の半導体半導体装置におけるスクリー
ニング領域を説明するための図であって、（ａ）は直流
電源の電圧が印加された２つの対向電極間に電荷Ｑが存
在するときの回路の一例を示す回路図であり、（ｂ）は
電荷Ｑが無いときの電位分布を示すグラフであって、
（ｃ）は電荷Ｑ自身が作る電位分布を示すグラフであっ
て、（ｄ）は電荷Ｑが有るときの電位分布を示すグラフ
であり、（ｅ）はホールと電子の蓄積があるときの電位
分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…ｐｉｎ型ダイオード、 １１，１２…電極、 １３…ｐ型キャップ層、 １４…ｐ型クラッド層、 １５…ｉ型クラッド層、 １６…超格子構造を有する真性半導体ｉ層、 １７…ｉ型クラッド層、 １８…ｎ型クラッド層 １９…ｎ型バッファ層、 ２０…ｎ型半導体基板、 ２１…井戸層、 ２２…障壁層、 ４１…光キャリア、 ４２…光吸収を起こす量子井戸内のサブバンド、 Ｅ０，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１１，Ｅ１２…電界、 Ｅｃ…伝導帯、 Ｅｖ…価電子帯。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨永 浩司 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール光電波 通信研究所内 (72)発明者 渡辺 敏英 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール光電波 通信研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 印加電界を変化することによって光吸収
   量が変化する電界吸収効果を有する光半導体素子と、 上記光半導体素子に接続され、上記光半導体素子におい
   て所定の光吸収量が生じるように、上記光半導体素子に
   所定の印加電界を印加するための逆バイアス電圧印加用
   直流電源とを備え、 上記光半導体素子に光微分すべき信号光を入射すること
   によって、上記光半導体素子における電界スクリーニン
   グ効果により、当該信号光を入射した上記光半導体素子
   から上記信号光を光微分した微分光を得ることを特徴と
   する電界吸収効果を有する光半導体装置。
2. 【請求項２】 上記光半導体素子は、ワニエシュタルク
   局在効果を有する超格子構造の真性半導体ｉ層を含むｐ
   ｉｎ型ダイオードであることを特徴とする請求項１記載
   の光半導体装置。
3. 【請求項３】 上記光半導体素子は、量子閉じ込めシュ
   タルク効果を有する多重量子井戸構造の真性半導体ｉ層
   を含むｐｉｎ型ダイオードであることを特徴とする請求
   項１記載の光半導体装置。
4. 【請求項４】 上記電界スクリーニング効果の動作速度
   は、上記光半導体素子に入射される複数個の光からなる
   光列の周期よりも十分に遅くなるように設定されたこと
   を特徴とする請求項１、２又は３記載の光半導体装置。
5. 【請求項５】 上記電界スクリーニング効果の動作速度
   は、上記光半導体素子に入射される複数個の光からなる
   光列の周期よりも十分に速くなるように設定されたこと
   を特徴とする請求項１、２又は３記載の光半導体装置。