JPS6023825A - 導波路型光素子 - Google Patents
導波路型光素子Info
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- JPS6023825A JPS6023825A JP58132096A JP13209683A JPS6023825A JP S6023825 A JPS6023825 A JP S6023825A JP 58132096 A JP58132096 A JP 58132096A JP 13209683 A JP13209683 A JP 13209683A JP S6023825 A JPS6023825 A JP S6023825A
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Classifications
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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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-
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- G02F1/0157—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 for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the optical absorption using electro-absorption effects, e.g. Franz-Keldysh [FK] effect or quantum confined stark effect [QCSE]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
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- General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（イ）産業上の利用分野
この発明は光集積回路として使用する光導波路型の光素
子に関する。
子に関する。
（ロ）従来技術
同一半導体基板上に発光素子、受光素子、変調素子等の
各種機能を有する複数個の光素子をモノリシックに集積
化した光集積回路は、機器の小形化、安定化などにその
利点を発揮でき、元通信用コンポーネントとして将来の
発展が期待されている。特に、前記光素子のうち光変調
素子、光検出素子は光集積回路を構成するキーデバイス
として重要であり、研究、開発がさかんに行なわれ、モ
ノリシック化に有利な一層簡単な構造の光素子が期待さ
れている。
各種機能を有する複数個の光素子をモノリシックに集積
化した光集積回路は、機器の小形化、安定化などにその
利点を発揮でき、元通信用コンポーネントとして将来の
発展が期待されている。特に、前記光素子のうち光変調
素子、光検出素子は光集積回路を構成するキーデバイス
として重要であり、研究、開発がさかんに行なわれ、モ
ノリシック化に有利な一層簡単な構造の光素子が期待さ
れている。
（）→ 発明が解決しようとする問題点ＣａＡｓＩｎＰ
等化合物半導体は外部から電界が印加されると、その屈
折率が変化する電気光学効果を有する。この電気光学効
果を利用して前記光素子、特に光変調素子を構成した場
合、入射光波の偏波方向が指定されており、このため他
の光素子とのモノリシック構成が難かしい欠点があった
。
等化合物半導体は外部から電界が印加されると、その屈
折率が変化する電気光学効果を有する。この電気光学効
果を利用して前記光素子、特に光変調素子を構成した場
合、入射光波の偏波方向が指定されており、このため他
の光素子とのモノリシック構成が難かしい欠点があった
。
この発明は前記事情に基づいてなされたものでその目的
とするところは、半導体または誘電体のバンドギャップ
に対応する吸収が印加電界によって移動するフランツ−
ケルディシュ効果として知られている光の吸収効果を利
用することにより、光変調又は光検出用の光素子として
使用でき、もってモノリシックな集積回路構成に有利な
導波路型光素子を提供することである。
とするところは、半導体または誘電体のバンドギャップ
に対応する吸収が印加電界によって移動するフランツ−
ケルディシュ効果として知られている光の吸収効果を利
用することにより、光変調又は光検出用の光素子として
使用でき、もってモノリシックな集積回路構成に有利な
導波路型光素子を提供することである。
に）実施例
以下、この発明の一実施例につき第１図ないし第６図に
基づいて説明する。まず、この発明に利用するフランツ
−ケルディシュ効果として知られている光の吸収効果に
ついて簡単に説明する。
基づいて説明する。まず、この発明に利用するフランツ
−ケルディシュ効果として知られている光の吸収効果に
ついて簡単に説明する。
第１図に示すようにＰ−ｎ接合の半導体においてそのバ
ントゝギャップのエネルギーＥｇ よりも小さいエネル
ギーを有する光波１ωは第１図（Ａｌに示すようにバン
ドギャップの吸収遷移を誘起することな（物質中を透過
する。すなわち、Ｅｇ＞τωであれば光波πωにとって
エネルギーギャップＥｇを有する半導体は透明であるこ
とに等しい。しかしながら、第１図（Ｂｌに示すように
Ｅｇ＜πωの場合、光波左ωは前記半導体の価電子帯の
電子を導電体に励起して電子、正孔対を発生し、この結
果、光波は吸収されることになる。しかして、バント゛
ギャップＥｇは光の吸収端としても定義される。ところ
で、第１図（Ｃ１に示すように、前記半導体に電界Ｅを
与えると前記吸収端が光波の長波長側ヘシフトすること
が知られている。換言すれば、あたかもバンドギャップ
エネルギーＥｇが小さくなった様な現象を示し、通常は
透過していた物質中ン光は透過できなくなる。これは前
記半導体のエネルギーバンド構造が電界Ｅの存在により
傾き、トンネル効果と左ωの助けを借りて電子が励起さ
」するものとして説明されている。第１図（Ｃａｌにお
いてさらに電界Ｅを大きくするとトンネル効果だけによ
って電子は導電帯に励起され、光波方ωの助けがな（て
も電流が流れる。
ントゝギャップのエネルギーＥｇ よりも小さいエネル
ギーを有する光波１ωは第１図（Ａｌに示すようにバン
ドギャップの吸収遷移を誘起することな（物質中を透過
する。すなわち、Ｅｇ＞τωであれば光波πωにとって
エネルギーギャップＥｇを有する半導体は透明であるこ
とに等しい。しかしながら、第１図（Ｂｌに示すように
Ｅｇ＜πωの場合、光波左ωは前記半導体の価電子帯の
電子を導電体に励起して電子、正孔対を発生し、この結
果、光波は吸収されることになる。しかして、バント゛
ギャップＥｇは光の吸収端としても定義される。ところ
で、第１図（Ｃ１に示すように、前記半導体に電界Ｅを
与えると前記吸収端が光波の長波長側ヘシフトすること
が知られている。換言すれば、あたかもバンドギャップ
エネルギーＥｇが小さくなった様な現象を示し、通常は
透過していた物質中ン光は透過できなくなる。これは前
記半導体のエネルギーバンド構造が電界Ｅの存在により
傾き、トンネル効果と左ωの助けを借りて電子が励起さ
」するものとして説明されている。第１図（Ｃａｌにお
いてさらに電界Ｅを大きくするとトンネル効果だけによ
って電子は導電帯に励起され、光波方ωの助けがな（て
も電流が流れる。
次に、前述の光の吸収効果を利用して光変調を行う導波
路型光変調素子について説明する。本実施例においては
長波長帯光集積回路への応用を考慮し、ＩｎＧａＡｓＰ
／ 工ＨＰ系材料を使用している。
路型光変調素子について説明する。本実施例においては
長波長帯光集積回路への応用を考慮し、ＩｎＧａＡｓＰ
／ 工ＨＰ系材料を使用している。
第２図において、ｎ −ＩｎＰ基板１上に１．ｎＧａＡ
ｓＰ層を６層エピタキシャル成長させる。この成長の方
法は周知の有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ）、液
相エピタキシャル成長法（ＬＰ’Ｅ’）、分子線ビーム
エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）のいずれの方法を使用
しても良く、良好な表面状態、Ｐ−ｎ接合面の得られる
方法を適宜選択する。前記基板１の上面に形成される第
１の層２はＩｎＧａＡｓＰ Ｋ Ｓｎ 。
ｓＰ層を６層エピタキシャル成長させる。この成長の方
法は周知の有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ）、液
相エピタキシャル成長法（ＬＰ’Ｅ’）、分子線ビーム
エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）のいずれの方法を使用
しても良く、良好な表面状態、Ｐ−ｎ接合面の得られる
方法を適宜選択する。前記基板１の上面に形成される第
１の層２はＩｎＧａＡｓＰ Ｋ Ｓｎ 。
Ｔｅ 等をトゞ−プすることによりｎ形の半導体が得ら
れ、ｎ 形の導電型に選ばれている。また−ｎ＋−Ｉｎ
Ｐ基板１の下面には電極材料ＡｕＧｅＮｉ 。
れ、ｎ 形の導電型に選ばれている。また−ｎ＋−Ｉｎ
Ｐ基板１の下面には電極材料ＡｕＧｅＮｉ 。
ＡｕＧｅ等の合金によって形成された電倭６が設けられ
ている。第１の層２の上面にはｎ形の半導体の第２の層
４が形成されている。この第２の層４の上面にはＩｎＧ
ａＡｓＰにＺｎ 、’ Ｃａ 等をビープすることによ
り得られたＰ 形の導電型の第６の層５が形成されてい
る。この第６の層５はエツチング加工が施され、長手方
向中央に細長いストライプ構造に形成されている。さら
に第６の層５の上面にはＡｕ、Ｚｎ等の合金によって成
形された電極６が設けられている。ところで、第２の層
４に光を閉じ込めるためには、層２． ４． ５の屈折
率を夫々ル 、ｒＬ、ル とすると〜＞ ヘ≧、ｔｔ、
、となるよ’ｓ ’ｇ ｃ うに第２の層４の屈折率を高くする必要がある。
ている。第１の層２の上面にはｎ形の半導体の第２の層
４が形成されている。この第２の層４の上面にはＩｎＧ
ａＡｓＰにＺｎ 、’ Ｃａ 等をビープすることによ
り得られたＰ 形の導電型の第６の層５が形成されてい
る。この第６の層５はエツチング加工が施され、長手方
向中央に細長いストライプ構造に形成されている。さら
に第６の層５の上面にはＡｕ、Ｚｎ等の合金によって成
形された電極６が設けられている。ところで、第２の層
４に光を閉じ込めるためには、層２． ４． ５の屈折
率を夫々ル 、ｒＬ、ル とすると〜＞ ヘ≧、ｔｔ、
、となるよ’ｓ ’ｇ ｃ うに第２の層４の屈折率を高くする必要がある。
このため、各層２，４．５を形成しているＩｎ１．−ｘ
ＧａｘＡｓｙＰｌ−ｙのＧａの組成比ＸとＡｓの組成比
ｙを第１の層２および第６の層５より第２の層４の方を
大きく構成する、このようにすると、第２の層４のバン
ドギャップＥｇが、他の層に比べて犬ぎくなることが知
られている。すなわち−工ｎｌ −ｘ”ａｘＡｓｙＰ
１−ｙのノミンドギャップＥｇσ）式及びｎ −ＩｎＰ
基板１に対する格子整合条件は次のように表わされる。
ＧａｘＡｓｙＰｌ−ｙのＧａの組成比ＸとＡｓの組成比
ｙを第１の層２および第６の層５より第２の層４の方を
大きく構成する、このようにすると、第２の層４のバン
ドギャップＥｇが、他の層に比べて犬ぎくなることが知
られている。すなわち−工ｎｌ −ｘ”ａｘＡｓｙＰ
１−ｙのノミンドギャップＥｇσ）式及びｎ −ＩｎＰ
基板１に対する格子整合条件は次のように表わされる。
ＩｎＰ基板１に工ｎ１−ｘＧａｘＡＳｙＰ１−ｙを成長
きせる時の格子整合条件はｘ’ｌ：０．４７ ｙ （Ｉ
ｔ パン下ギャップＥｇの式は Ｅｇ＝１．３５ ０．７２ｙ＋０．１２ｙ （２１であ
る。
きせる時の格子整合条件はｘ’ｌ：０．４７ ｙ （Ｉ
ｔ パン下ギャップＥｇの式は Ｅｇ＝１．３５ ０．７２ｙ＋０．１２ｙ （２１であ
る。
また、第２の層４のキャリア濃度はできるだけ低くし、
この結果、耐圧が高くできるように配慮されており、例
えば１〜２ｘｌＯＦ／＋：Ｊの密度で２５〜５０Ｖの耐
圧が得られる。しかして、光波は高屈折率の第２の層乙
に閉じ込められ、厚み１ｌｍ 〜２．４ｔ＋’ｏ−幅３
、ａｒｎ程度の単一モードの光導波路７が形成される
。
この結果、耐圧が高くできるように配慮されており、例
えば１〜２ｘｌＯＦ／＋：Ｊの密度で２５〜５０Ｖの耐
圧が得られる。しかして、光波は高屈折率の第２の層乙
に閉じ込められ、厚み１ｌｍ 〜２．４ｔ＋’ｏ−幅３
、ａｒｎ程度の単一モードの光導波路７が形成される
。
前述のように構成された光導波路７に対し、電極６を正
極、電１極６を負極として電圧を印加すると仮定する。
極、電１極６を負極として電圧を印加すると仮定する。
前述の導波路型光変調素子の導波層吸収係数をα口）と
すると、この素子に電界Ｅを加えたときの導波光の強度
変化は、導波層のキャリア濃度が充分低く、逆方向電界
印加時にＰ−ｎ接合における空乏層幅が、導波層いっば
いに広がるものと仮定すれば次の近似式で表わされる。
すると、この素子に電界Ｅを加えたときの導波光の強度
変化は、導波層のキャリア濃度が充分低く、逆方向電界
印加時にＰ−ｎ接合における空乏層幅が、導波層いっば
いに広がるものと仮定すれば次の近似式で表わされる。
ＩＥ／ＩＯ＝ ａｘｐ （−（α（Ｅ）−α（Ｏ）Ｌ）
（３）ここでＩ、 、 Ｉ、はそれぞれ電界を印加しな
い場合と、印加した場合の出射光強度、Ｌは導波路の長
さである。
（３）ここでＩ、 、 Ｉ、はそれぞれ電界を印加しな
い場合と、印加した場合の出射光強度、Ｌは導波路の長
さである。
第６図はＩｎＧａＡｓ、Ｐ系相料においてバンドギャッ
プをＥｇ＝１．０ろｅＶ としたとき電界Ｅに対する吸
収係数α（Ｅ）の関係を示したものである。いま第２の
層４、すなわち導波層のバント゛ギャップなＥｇ＝１．
０３ ｅＶ とし、半導体レーザからのλ＝１．６μ川
の光を導波させるものとし、このとき導波層に電界Ｅ＝
４ｘ１０ Ｖ／ｃｒｎが印加されているとする。このと
き第６図がらα（Ｅｌ ＝ １０ＣＴＬ−”がめられ、
ゼロバイアス時の吸収係数α（０１をほぼ零であるとし
、Ｌ ＝ ５ ｍｍどして（３）式を計算するすなわち
、−２２ａＢの消光比が得られる。
プをＥｇ＝１．０ろｅＶ としたとき電界Ｅに対する吸
収係数α（Ｅ）の関係を示したものである。いま第２の
層４、すなわち導波層のバント゛ギャップなＥｇ＝１．
０３ ｅＶ とし、半導体レーザからのλ＝１．６μ川
の光を導波させるものとし、このとき導波層に電界Ｅ＝
４ｘ１０ Ｖ／ｃｒｎが印加されているとする。このと
き第６図がらα（Ｅｌ ＝ １０ＣＴＬ−”がめられ、
ゼロバイアス時の吸収係数α（０１をほぼ零であるとし
、Ｌ ＝ ５ ｍｍどして（３）式を計算するすなわち
、−２２ａＢの消光比が得られる。
このように、電界Ｅの印加により導波層の亀子のバンド
構造は傾き、フランツ ケルディシュ効果により光波は
吸収される。そして導波層のバンドギャップＥｇが光子
エネルギーｔぴ駈い（，３と尤の吸収効果は顕著になる
。このように、前記導波路型光変調素子に印加する電界
を変え、この結果生じる光の吸収効果により導波光の透
過量を制御することができる。 ？・ なお、前記実施例においてはこの発明の導波路 ０型光
素子を光変調素子として使用したが、との実 イ施例Ｌ
（限らず、前記電界の印加による光の吸収効果の結果生
じる電流を検出すれば導波路型光検出素子として使用で
きる。 を また、前記実施例では半導体材料として工ｎＧａＡｓＰ
５Ｊ／ＩｎＰ系拐料を使用したが、ＧａＡｌＡｓ ／
ＧａＡｓ系の半導体材料でも曳い。
構造は傾き、フランツ ケルディシュ効果により光波は
吸収される。そして導波層のバンドギャップＥｇが光子
エネルギーｔぴ駈い（，３と尤の吸収効果は顕著になる
。このように、前記導波路型光変調素子に印加する電界
を変え、この結果生じる光の吸収効果により導波光の透
過量を制御することができる。 ？・ なお、前記実施例においてはこの発明の導波路 ０型光
素子を光変調素子として使用したが、との実 イ施例Ｌ
（限らず、前記電界の印加による光の吸収効果の結果生
じる電流を検出すれば導波路型光検出素子として使用で
きる。 を また、前記実施例では半導体材料として工ｎＧａＡｓＰ
５Ｊ／ＩｎＰ系拐料を使用したが、ＧａＡｌＡｓ ／
ＧａＡｓ系の半導体材料でも曳い。
（ホ）効果
以上説明したようにこの発明は、スラブ導波路の最上層
をストライプ構造とした光導波路において、屈折率の異
なる半導体材料によって構成された層に電界を印加する
ことによって生じる光の 斗吸収効果を利用することに
より、導波光の透過量を制御する導波路型光変調素子又
は発生する光電流を利用する導波路型光検出素子として
使用できしかも素子長を短かく形成することができる。
をストライプ構造とした光導波路において、屈折率の異
なる半導体材料によって構成された層に電界を印加する
ことによって生じる光の 斗吸収効果を利用することに
より、導波光の透過量を制御する導波路型光変調素子又
は発生する光電流を利用する導波路型光検出素子として
使用できしかも素子長を短かく形成することができる。
また、単一な導波路構成であり、複雑な構造を要さず、
しかも電気光学効果を利用しないので入射先史の偏波方
向の依存性がないため、他の光機能素Ｆとのモノリシッ
クな集積回路構成に対しても有のである。
しかも電気光学効果を利用しないので入射先史の偏波方
向の依存性がないため、他の光機能素Ｆとのモノリシッ
クな集積回路構成に対しても有のである。
第１図（Ａｌ ＣＢ）（Ｃ１は光の吸収効果の説明図、
第２図よこの発明の一実施例を示す斜視図、第６図は電
♀Ｅと吸収係数α（Ｅ）の関係を示す図である。 １・・・１ｌ−ＩｎＰ基板、 ２・・・第１の層、６．
６・・・電極、 ４・・・第２の層、５・・・第６の層
、 ７・・・光導波路。 手許出願人 住友電気工業株式会社 （外４名） 第１図 Ｐ 第２図 第３図 Ｃε６−名ｕ＋）＋ｅＶｌ
第２図よこの発明の一実施例を示す斜視図、第６図は電
♀Ｅと吸収係数α（Ｅ）の関係を示す図である。 １・・・１ｌ−ＩｎＰ基板、 ２・・・第１の層、６．
６・・・電極、 ４・・・第２の層、５・・・第６の層
、 ７・・・光導波路。 手許出願人 住友電気工業株式会社 （外４名） 第１図 Ｐ 第２図 第３図 Ｃε６−名ｕ＋）＋ｅＶｌ
Claims (3)
- （１）屈折率の異なる半導体材料を層構造に構成し、隣
接する屈折率のより高い層に光波を閉じ込めるスラブ導
波路の最上層をストライプ構造とすることにより、水平
方向の光波の閉じ込めを実現する光導波路において、 前記層構造はＰ−ｎ接合を有し、前記層に電界ケ印加す
ることによって生じる光の吸収効果を利用することによ
り、導波光の透過量を制御するか又は発生する光電流を
利用することを特徴とする導波路型光素子・ - （２）前記層構造は工ｎＧａＡｓＰ ／ ＩｎＰ系の半
導体材料により構成してなる特許請求の範囲第（１１項
記載の導波路型元素子。 - （３） 前記層構造はＧａＡｌＡｓ ／ ＧａＡｓ 系
の半導体材料により構成してなる特許請求の範囲第（１
１項記載の導波路型光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58132096A JPS6023825A (ja) | 1983-07-20 | 1983-07-20 | 導波路型光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58132096A JPS6023825A (ja) | 1983-07-20 | 1983-07-20 | 導波路型光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6023825A true JPS6023825A (ja) | 1985-02-06 |
Family
ID=15073379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58132096A Pending JPS6023825A (ja) | 1983-07-20 | 1983-07-20 | 導波路型光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6023825A (ja) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57168219A (en) * | 1981-04-09 | 1982-10-16 | Nec Corp | Manufacture of directional coupler type optical modulator |
-
1983
- 1983-07-20 JP JP58132096A patent/JPS6023825A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57168219A (en) * | 1981-04-09 | 1982-10-16 | Nec Corp | Manufacture of directional coupler type optical modulator |
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