JPS588484B2 - ヒカリヘンチヨウキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光変調器、特に半導体薄膜に担体注入を行な
った際に生ずる誘電率変化を利用して光導波路を構成し
、上記誘電率変化を可変できるようにした光変調器に関
するものである。

半導体を用いた光導波路は、光の通路になる部分の誘電
率を周囲よりも高めることによって形成される。

その方法については従来より種々提案されている。

たとえば、サンドイツチ構造で中間層を他の２層よりも
高い誘電率の物質で構成したり、ＰＮ接合に逆方向バイ
アスを印加した際に生ずる空乏層を利用したりする方法
がある。

一方，導波路を可変形にするためには光の通路となる層
の誘電率あるいは厚さを可変形にしなければならない。

ＰＮ接合の空乏層を利用する場合には、逆方向バイアス
を変化させることによってその厚さを可変とすることが
できるが、該方法による光変調器では変調度を実用的な
値にするために変調器を相当長くする必要があり実用的
ではない。

本発明は、これらの欠点を解決するため半導体ＰＩＮ接
合に順方向バイアスを印加し、半導体１層内に担体を注
入し、■層内の誘電率を注入方向に変化させることによ
って光導波路を形成するようにしたものであり、注入担
体量を時間的に変化させれば変調器として動作させるこ
とができる。

以下図面について詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例であって、半導体で３層構造に
したものである。

１はＰ形、２は■形、３はＮ形のそれぞれ半導体層であ
る。

Ｐ形層１とＮ形層３とには電極が付けられており、端子
４−４′に電圧が印加できるようになっており、担体の
注入はこれら電極を介して行なわれる。

■形層２の厚さは注入担体の拡散長よりも４〜５倍程度
長くしておく必要がある。

端子４−４′に順方向バイアスをかけると、■形層２に
Ｐ形層１およびＮ形層３からそれぞれ正孔と電子が注入
される。

定常状態において■形層２の内部における正孔の濃度分
布は第２図に曲線５として示すように両層１，２の接合
から両層２，３の接合に向かって距離に関してほぼ指数
関数的に減少する。

一方電子の濃度分布は逆に両層２，３の接合から両層１
，２の接合に向かって曲線６として示す如く指数関数的
に減少する。

自由担体が存在する媒質では、その担体濃度に依存する
プラズマ周波数に従って、その誘電率は決定される。

電子と正孔が存在する■形層２の内部では両者の濃度変
化が誘電率変化に寄与する。

なお第２図において曲線７は正孔の濃度分布き電子の濃
度分布との両者の和の濃度変化を表わす。

半導体内における電子と正孔の実効質量を便宜上同一と
すれば、誘電率分布は第２図図示曲線８に示すようにあ
る場所で最大値をもち、周辺に向かってほぼ距離の２乗
にしたがって減少してゆく。

このような誘軍率分布をもつ媒質が光の導波路になるこ
とは周知のことである。

注入担体の量を変化させれば、担体分布が変化しそれに
従って誘電率分布も変化する。

以上が可変光導波路の原理である。

言うまでもなく、上記■形層２の厚さが小数担体の拡散
長よりも小さい場合、■形層２内における担体分布が平
担化してしまい、本発明において利用する第２図図示の
如き誘電率分布が得られなくなってしまう。

上記の如き構成をとる光導波路を光変調器として動作さ
せるには、第１図図示の如く光９を■形層２に入射させ
反対端面から出射させるようにする。

端子４−４′から注入された担体によって■形層２の導
波路特性は変化し、それが光に対する■形層２の透過率
を変化させる。

このことは具体的には以下のように説明することができ
る。

まず、担体の最大注入時に光の散乱損失を最小にするよ
うに光の入射条件、およびＰＩＮダイオードを設計する
。

このとき、■形層２における自由担体濃度は最大であり
同時に誘電率変化も最大となる。

自由担体による吸収損失はこの場合最大となる。

次に注入担体数を減じてゆくと誘電率変化は小さくなり
光は■形層２の内部でより広がりＰＩ接合、ＮＩ接合な
どで散乱損失を受ける割合いが増加する。

この場合、吸収損失は減少するが、散乱損失の増加量を
それよりも十分大きくすることは可能である。

注入担体数が零の場合、散乱損失が最大となり透過率を
零に近くできる。

このため変調度を１００％近くにできる。

なお、以上は２種の担体を用いる場合について述べたが
、ＰＮＰ構造、ＮＰＮ構造では一種の担体注入により同
様な効果を生じさせることができる。

光の導波路を３次元的にするには、第３図に示すように
例えばＮ一形半導体層１０を配置することによりあらか
じめ作られた誘電率変化を横方向にもつ構造にすればよ
い。

この方向への誘電率は変調時に変化する必要はない。

以上説明したように、本発明は半導体内に注入された自
由担体の空間的濃度変化を利用して光の導波路を形成す
るものであるため、注入担体数を変化させることによっ
て導波路を可変形にすることができ、光変調器として構
成した場合小形になり、変調度もほぼ１００％に近くで
きるなどの利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例光変調器の断面図、第２図は
担体注入時における同面内Ａ −Ａ’方向の自由担体分
布および誘電率分布を説明する説明図、第３図は横方向
にも誘電率変化をもたせた３次元構造光変調器の一実施
例概略構成図を示す。 図中１はＰ形半導体層、２は■形半導体層、３はＮ形半
導体層、４，４′は電極端子、５は正孔濃度分布、６は
電子濃度分布、７は正孔＋電子濃度分布，８は誘電率分
布、９は被変調光、１０はＮ−形半導体層を夫々表わす
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高純度半導体層と該高純度半導体層の両側に対向し
   て配置された同種または異種の導電形の半導体層とをそ
   なえた光変調器において、上記高純度半導体層の厚さが
   上記同種または異種の導電形の半導体層から互に注入さ
   れる１種または２種の少数担体の拡散長よりも大に選ば
   れてなり、上記同種または異種の導電形の半導体層間に
   変調すべき電圧を順方向に印加して上記少数担体の注入
   量を制御するよう構成され、上記高純度半導体層内に形
   成されている光導波路の特性を制御すると共に被変調光
   を上記高純度半導体層内に上記光導波路の方向に通過さ
   せるようにしたことを特徴とする光変調器。