JPH0862554A - 半導体光変調器 - Google Patents
半導体光変調器Info
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Classifications
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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
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-
- 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
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01725—Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells
-
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Abstract
(57)【要約】
【目的】電子のみならず正孔についても閉じ込め効果を
助長し、変調器の特性を大幅に向上させる。 【構成】障壁層１、１間に量子井戸層２が形成された多
重量子井戸構造を有する半導体光変調器である。多重量
子井戸構造中の少なくとも１つの量子井戸層２は、その
一部にｎ型あるいはｐ型となる不純物を添加された層６
として形成される。量子井戸層２の残りの部分は不純物
が添加されていない。量子井戸層２の一部に不純物を添
加した層６を形成すると、それによってその不純物を添
加した層６のフェルミレベル及びエネルギーバンド全体
がシフトする。
助長し、変調器の特性を大幅に向上させる。 【構成】障壁層１、１間に量子井戸層２が形成された多
重量子井戸構造を有する半導体光変調器である。多重量
子井戸構造中の少なくとも１つの量子井戸層２は、その
一部にｎ型あるいはｐ型となる不純物を添加された層６
として形成される。量子井戸層２の残りの部分は不純物
が添加されていない。量子井戸層２の一部に不純物を添
加した層６を形成すると、それによってその不純物を添
加した層６のフェルミレベル及びエネルギーバンド全体
がシフトする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光変調器、特に化合物半
導体を用いた多重量子井戸構造を有する光変調器に関す
るものである。
導体を用いた多重量子井戸構造を有する光変調器に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】化合物半導体を用いた光変調器として
は、ＬｉＮｂＯ3 （ニオブ酸リチウム）のような光学結
晶に顕著な電気光学効果を用いた変調器の他に、多重量
子井戸構造に特有な量子閉じ込めシュタルク効果（以
下、ＱＣＳＥ効果と呼ぶ）を利用した光変調器が知られ
ている。
は、ＬｉＮｂＯ3 （ニオブ酸リチウム）のような光学結
晶に顕著な電気光学効果を用いた変調器の他に、多重量
子井戸構造に特有な量子閉じ込めシュタルク効果（以
下、ＱＣＳＥ効果と呼ぶ）を利用した光変調器が知られ
ている。
【０００３】ＱＣＳＥ効果とは、半導体の量子井戸面に
垂直に電界を加えた場合、量子井戸構造に特有の、キャ
リアの強い閉じ込め効果が現れ、このために高電界下で
も励起子（電子・正孔対）が存在し、吸収端が低エネル
ギー側に大きく移動する効果である。吸収端の移動と共
に屈折率も変化することから光変調器に応用されてい
る。
垂直に電界を加えた場合、量子井戸構造に特有の、キャ
リアの強い閉じ込め効果が現れ、このために高電界下で
も励起子（電子・正孔対）が存在し、吸収端が低エネル
ギー側に大きく移動する効果である。吸収端の移動と共
に屈折率も変化することから光変調器に応用されてい
る。
【０００４】従来、このＱＣＳＥ効果を利用した変調器
の多重量子井戸構造としては、図３に示すように、通常
の量子井戸層２と障壁層１（いずれも不純物は添加して
いない）を２０〜４０組重ねた構造が用いられていた。
なお、図３は、この構造の量子井戸の逆方向電界印加時
のエネルギーバンドダイヤグラムを示しており、３は電
子の波動関数、４は正孔の波動関数である。
の多重量子井戸構造としては、図３に示すように、通常
の量子井戸層２と障壁層１（いずれも不純物は添加して
いない）を２０〜４０組重ねた構造が用いられていた。
なお、図３は、この構造の量子井戸の逆方向電界印加時
のエネルギーバンドダイヤグラムを示しており、３は電
子の波動関数、４は正孔の波動関数である。
【０００５】最近、ＱＣＳＥ効果を図３の構造の場合よ
りも助長し、光変調器の特性を向上させる構造が提案さ
れた（例えば、１９９２年春、応用物理学会学術講演会
予稿集２９ａ−Ｇ−３（文献））。これは図３の対称構
造のものに対して非対称量子井戸と呼ばれる。図４に示
すように、量子井戸層２の一部をバンドギャップがより
大きな、かつ格子整合の取れる材料で置き換えて、量子
井戸層２よりバンドギャップが大きい層５を形成する。
具体的には、ＧａＡｓ量子井戸層の一部をよりバンドギ
ャップの大きいＡｌ混晶比０．１のＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａ
ｓ層を挿入し、電子の閉じ込め効果を大きくしている。
これにより、予め量子井戸内の波動関数３に偏りを持た
せておくことで、閉じ込め効果を助長し、ＱＣＳＥ効果
を増大させようとするものである。なお、図４は、この
構造の量子井戸の逆方向電界印加時のエネルギーバンド
ダイヤグラムを示している。
りも助長し、光変調器の特性を向上させる構造が提案さ
れた（例えば、１９９２年春、応用物理学会学術講演会
予稿集２９ａ−Ｇ−３（文献））。これは図３の対称構
造のものに対して非対称量子井戸と呼ばれる。図４に示
すように、量子井戸層２の一部をバンドギャップがより
大きな、かつ格子整合の取れる材料で置き換えて、量子
井戸層２よりバンドギャップが大きい層５を形成する。
具体的には、ＧａＡｓ量子井戸層の一部をよりバンドギ
ャップの大きいＡｌ混晶比０．１のＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａ
ｓ層を挿入し、電子の閉じ込め効果を大きくしている。
これにより、予め量子井戸内の波動関数３に偏りを持た
せておくことで、閉じ込め効果を助長し、ＱＣＳＥ効果
を増大させようとするものである。なお、図４は、この
構造の量子井戸の逆方向電界印加時のエネルギーバンド
ダイヤグラムを示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記文献の非対称量子
井戸構造においては、バンドギャップの大きな層を挿入
するために、確かに電子に対しては所望の通りの閉じ込
め効果がある。しかしながら、図４にも示す通り、正孔
に対しては、バンドギャップの大きな層の方がエネルギ
ーポテンシャルが高いために、正孔を閉じ込めるべき場
所を塞いでしまうような形になり、期待されるような効
果がない。従って、従来例ではＱＣＳＥ効果の増大は電
子に対してしか、有効ではないという欠点があった。
井戸構造においては、バンドギャップの大きな層を挿入
するために、確かに電子に対しては所望の通りの閉じ込
め効果がある。しかしながら、図４にも示す通り、正孔
に対しては、バンドギャップの大きな層の方がエネルギ
ーポテンシャルが高いために、正孔を閉じ込めるべき場
所を塞いでしまうような形になり、期待されるような効
果がない。従って、従来例ではＱＣＳＥ効果の増大は電
子に対してしか、有効ではないという欠点があった。
【０００７】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、電子のみならず、正孔についても閉じ込め効
果を助長し、結果として光変調器の特性を大幅に向上さ
せることができる新規な半導体光変調器を提供すること
にある。
を解消し、電子のみならず、正孔についても閉じ込め効
果を助長し、結果として光変調器の特性を大幅に向上さ
せることができる新規な半導体光変調器を提供すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、多重量子井戸
構造を有する半導体光変調器において、多重量子井戸構
造中の少なくとも１つの量子井戸層を、その一部にｎ型
あるいはｐ型となる不純物を添加し、残りの部分は不純
物が添加しない構造の量子井戸層としたものである。
構造を有する半導体光変調器において、多重量子井戸構
造中の少なくとも１つの量子井戸層を、その一部にｎ型
あるいはｐ型となる不純物を添加し、残りの部分は不純
物が添加しない構造の量子井戸層としたものである。
【０００９】本発明は、化合物半導体を用いた多重量子
井戸構造に広く適用できるものであり、特に材料系に制
限はないが、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、または
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系等がある。ＡｌＧａＡｓ
／ＧａＡｓ系の場合のｎ型不純物としては例えばセレ
ン、ｐ型不純物としては亜鉛がある。また、ＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の場合のｎ型不純物としては例えば
シリコン、ｐ型不純物としてはベリリウムがある。
井戸構造に広く適用できるものであり、特に材料系に制
限はないが、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、または
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系等がある。ＡｌＧａＡｓ
／ＧａＡｓ系の場合のｎ型不純物としては例えばセレ
ン、ｐ型不純物としては亜鉛がある。また、ＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の場合のｎ型不純物としては例えば
シリコン、ｐ型不純物としてはベリリウムがある。
【００１０】
【作用】量子井戸層の一部に不純物を添加すると、それ
によってその不純物を添加した層のフェルミレベル及び
エネルギーバンド全体がシフトする。これにより電子の
みならず正孔に対しても十分に閉じ込め効果が助長さ
れ、その結果、ＱＣＳＥ効果が大幅に増大し、光変調器
の特性が大幅に向上する。
によってその不純物を添加した層のフェルミレベル及び
エネルギーバンド全体がシフトする。これにより電子の
みならず正孔に対しても十分に閉じ込め効果が助長さ
れ、その結果、ＱＣＳＥ効果が大幅に増大し、光変調器
の特性が大幅に向上する。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の半導体光変調器の実施例を図
を用いて説明する。図２に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基
板１０上に、有機金属気相成長法を用いて先ず、ｎ型Ａ
ｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓバッファ層１１を２．０μｍ成長し
た。その次にｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8 Ａｓ層１２を０．２
μｍを成長し、さらにＧａＡｓ層１３とＡｌ0.2 Ｇａ
0.8 Ａｓ層１４とからなる多重量子井戸層１５をそれぞ
れ１０nmづつ２０周期で０．４μｍ、さらにｐ型Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層１６を０．２μｍ成長して光の導波
層を成長した。
を用いて説明する。図２に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基
板１０上に、有機金属気相成長法を用いて先ず、ｎ型Ａ
ｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓバッファ層１１を２．０μｍ成長し
た。その次にｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8 Ａｓ層１２を０．２
μｍを成長し、さらにＧａＡｓ層１３とＡｌ0.2 Ｇａ
0.8 Ａｓ層１４とからなる多重量子井戸層１５をそれぞ
れ１０nmづつ２０周期で０．４μｍ、さらにｐ型Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層１６を０．２μｍ成長して光の導波
層を成長した。
【００１２】ただし、量子井戸層１５であるＧａＡｓ層
１３の全ての層に対し、その膜厚１０nmのうち、基板側
３nmにｎ型不純物としてＳｉを８×１０17cm-3ドーピン
グした。残りの７nmはアンドープで、キャリア濃度は１
０15cm-3（ｎ型）程度である。また、障壁層のＡｌ0.2
Ｇａ0.8 Ａｓ層１４もアンドープである。
１３の全ての層に対し、その膜厚１０nmのうち、基板側
３nmにｎ型不純物としてＳｉを８×１０17cm-3ドーピン
グした。残りの７nmはアンドープで、キャリア濃度は１
０15cm-3（ｎ型）程度である。また、障壁層のＡｌ0.2
Ｇａ0.8 Ａｓ層１４もアンドープである。
【００１３】この光導波層のｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ
層１６の上に、ｐ型Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層１
７を１．０μｍ、最後にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８
を０．３μｍ成長した。そして、表面電極１９、及び裏
面電極２０を設け、この多層構造から通常の半導体プロ
セスを用いて、導波路型の光変調器を作成した。
層１６の上に、ｐ型Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層１
７を１．０μｍ、最後にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８
を０．３μｍ成長した。そして、表面電極１９、及び裏
面電極２０を設け、この多層構造から通常の半導体プロ
セスを用いて、導波路型の光変調器を作成した。
【００１４】図１に、この構造の量子井戸の逆方向電界
印加時のエネルギーバンドギャップダイヤグラムを示
す。不純物を添加していない量子井戸層２の一部に不純
物を添加した層６を挿入してある。量子井戸層２の残り
の部分は不純物は添加されていない。電子の波動関数３
のみならず、正孔の波動関数４も大きな偏りを持ってい
ることがわかる。
印加時のエネルギーバンドギャップダイヤグラムを示
す。不純物を添加していない量子井戸層２の一部に不純
物を添加した層６を挿入してある。量子井戸層２の残り
の部分は不純物は添加されていない。電子の波動関数３
のみならず、正孔の波動関数４も大きな偏りを持ってい
ることがわかる。
【００１５】比較のために、上記実施例と同様にして図
３及び図４に示す従来例の変調器を作成した。このと
き、図３に示す変調器は量子井戸層の１０nmを全てアン
ドープのＧａＡｓ層とし、図４に示す変調器は量子井戸
層のうち３nmをＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層とし、７nmをＧ
ａＡｓ層とした。
３及び図４に示す従来例の変調器を作成した。このと
き、図３に示す変調器は量子井戸層の１０nmを全てアン
ドープのＧａＡｓ層とし、図４に示す変調器は量子井戸
層のうち３nmをＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層とし、７nmをＧ
ａＡｓ層とした。
【００１６】その結果、本実施例のものは、図３のもの
に比べて、印加電圧３Ｖにおいて波長０．９μｍで約３
倍の屈折率変化が得られた。また、図４のものと比べて
も、印加電圧３Ｖ、波長０．９μｍで１．５倍の屈折率
変化が得られた。
に比べて、印加電圧３Ｖにおいて波長０．９μｍで約３
倍の屈折率変化が得られた。また、図４のものと比べて
も、印加電圧３Ｖ、波長０．９μｍで１．５倍の屈折率
変化が得られた。
【００１７】これらの屈折率変化の増大は、光変調器の
位相変調効率の向上につながり、変調器の特性向上に寄
与する。
位相変調効率の向上につながり、変調器の特性向上に寄
与する。
【００１８】なお、本発明の他の実施例としては、長波
長帯の１．５５μｍを対象としたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ
ｌＡｓ系の多重量子井戸構造光変調器において、量子井
戸層のＩｎＧａＡｓ層の一部にｎ型不純物を添加するこ
とによっても同様の特性向上が現れる。
長帯の１．５５μｍを対象としたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ
ｌＡｓ系の多重量子井戸構造光変調器において、量子井
戸層のＩｎＧａＡｓ層の一部にｎ型不純物を添加するこ
とによっても同様の特性向上が現れる。
【００１９】
【発明の効果】本発明の光変調器によれば、電子と正孔
の両者を効率よく量子井戸内に閉じ込めることができる
ので、ＱＣＳＥ効果を従来例より大幅に増大させること
ができ、変調器の変調効率や駆動電圧等の性能を大幅に
向上させることができる。
の両者を効率よく量子井戸内に閉じ込めることができる
ので、ＱＣＳＥ効果を従来例より大幅に増大させること
ができ、変調器の変調効率や駆動電圧等の性能を大幅に
向上させることができる。
【図１】本発明の実施例にかかる量子井戸構造の逆方向
電界印加時のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図で
ある。
電界印加時のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図で
ある。
【図２】本実施例の半導体変調器の断面図である。
【図３】従来例の対称量子井戸構造の逆方向電界印加時
のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
【図４】従来例の非対称量子井戸構造の逆方向電界印加
時のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
時のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
１ 障壁層 ２ 量子井戸層 ３ 電子の波動関数 ４ 正孔の波動関数 ６ 量子井戸層２に不純物を添加した層
Claims (2)
- 【請求項１】多重量子井戸構造を有する半導体光変調器
において、該多重量子井戸構造中の少なくとも１つの量
子井戸層は、その一部にｎ型あるいはｐ型となる不純物
を添加され、残りの部分は不純物が添加されていない構
造の量子井戸層であることを特徴とする半導体光変調
器。 - 【請求項２】半導体がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、また
はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系であることを特徴とす
る請求項１に記載の半導体光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6202295A JPH0862554A (ja) | 1994-08-26 | 1994-08-26 | 半導体光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6202295A JPH0862554A (ja) | 1994-08-26 | 1994-08-26 | 半導体光変調器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0862554A true JPH0862554A (ja) | 1996-03-08 |
Family
ID=16455184
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6202295A Pending JPH0862554A (ja) | 1994-08-26 | 1994-08-26 | 半導体光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0862554A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7005687B2 (en) | 2002-12-24 | 2006-02-28 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Photodetector |
| JP2010113084A (ja) * | 2008-11-05 | 2010-05-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光信号処理装置 |
| CN106054411A (zh) * | 2015-04-09 | 2016-10-26 | 三菱电机株式会社 | 半导体光调制器以及光模块 |
| US9733497B2 (en) | 2015-04-09 | 2017-08-15 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor optical modulator and optical module |
-
1994
- 1994-08-26 JP JP6202295A patent/JPH0862554A/ja active Pending
Cited By (5)
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