JPS6324218A - 電圧制御式光変調器 - Google Patents

電圧制御式光変調器

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JPS6324218A
JPS6324218A JP62110915A JP11091587A JPS6324218A JP S6324218 A JPS6324218 A JP S6324218A JP 62110915 A JP62110915 A JP 62110915A JP 11091587 A JP11091587 A JP 11091587A JP S6324218 A JPS6324218 A JP S6324218A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 A、産業上の利用分野 本発明は光ビームの外部変調用のオプトエレクトロニッ
ク電圧制御式変調器に関するものである。
B、従来技術 光通信は、遠隔通信にとってもデータ処理システム内の
データ転送にとっても最近増々重要になってきている。
伝送すべきデータを表わす光信号が生成され、変調され
、伝送され、検出されてから、処理のため電子回路に印
加される。そのような光システムの重要な構成要素の1
つは、伝送すべきデータで光ビーム(通常はレーザ・ビ
ーム)を変調するのに使用される変調器である。
現代のシステムの応用分野では、変調器は少なくとも以
下の要件を満足しなければならない。すなわち、変調器
は、信頼性が高くて電力消費が低く高速動作と高い実装
密度をもたらすことができなければならず、さらに、恐
らく一層重要なことであるが、変調器は、レーザまたは
発光ダイオードなどのシステム内で使用される光源の波
長および出力に適合し、関連する半導体電子装置および
回路の電圧レベル、材料および製造技術に適合しなけれ
ばならない。
以前の「古典的な」変調器は、干渉および位相推移現象
に基いていたが、特に電子回路技術との適合性に関して
現在の要件に合致しない。
ごく最近に提案された半導体技術に適合する変調器設計
は、以下の概念のいずれか一方に基く。
すなわち、光源自体の内部変調、または装置を通過する
光ビームを使った外部の非反射式変調器の使用である。
内部光源変調は、特に出力とアプリケーションの融通性
の点で可能性が限られている。未変調の光ビームを発生
する独立した光源は、余りクリティカルでない環境に置
くことができ、例えば、冷却することができ、また複数
の光チャネル用の光出力源(電子回路システム内の電圧
電源または電流源に非常によく似ている)として働くこ
とができるという利点を有する。
外部の非反射式変調器は、これらの欠点を克服するもの
の光ビームの入力部と出力部が変調器構造の頁面にある
ため、装置が両側からアクセス可能でなければならない
点で、「実装」上の問題を引き起こす、少なくとも同程
度に重要なのは、これらの装置でぶつかる他の欠点、す
なわち、変調器構造をその上に成長させた不透明な半導
体基板を除去するため、これらの装置が複雑な製造工程
を必要とすることである。
これらの欠点は本発明の反射式外部変調器により回避さ
れる。
以下で提案する変調器1±、分子ビーム・エピタキシー
(MBE)または金属−有機化学蒸着(MOCVD)等
の新しい方法を用いて製造することができる。これらの
方法は、この10年間に、層厚が数分のlnmから数ミ
クロンの層状構造が製造できるところまでも発展してき
た。その結果得られる人工媒体は、i化合物のバルク材
料では認められない新奇な特性を示す。特定の応用分野
に適合するように作られた極めて薄い層を交互に積み重
ねた積層体から成る構造は、通常超格子構造または量子
井戸構造と呼ばれる。それらの構造は、例えば、短パル
ス光源、光検出器、光ゲートおよび変調器を含めて現在
のオプトエレクトロ二ック・システムまたは将来予想さ
れるオプトエレクトロ二ツク・システムで使用される広
範囲のデバイスをもたらす。
この手法に非常に適しているのはGaAsな′ど第■と
第■族の化合物からなる半導体であり、超格子構造また
は量子井戸構造の製造にとって必要な基本的特性を有す
る。それらの半導体は直接遷移バンド・ギャップを有す
る。すなわち、それらは非常に効率的な吸収体および発
光体である。また、最も重要なことであるが、これらの
材料は、同じ結晶構造およびよく一致した格子パラメー
タを有するが、エネルギー・ギャップおよび屈折率が異
なる種々の固溶体を形成することができる。
種々の■−■族化合物がこの適合性をもつため、2種以
上の化合物を含む所期の多層へテロ構造を成長させるこ
とができる。
当技術の現状を表わす代表的な論文は、次の通りである
(A)L、エサキ(Esaki)による「半導体超格子
および量子井戸(Se+++1conductorSu
perlattices and Quantum V
eils)J  (1984年8月にサン・フランシス
コで開催された半導体物理学に関する第17回国際会議
の議事録、第473〜483頁)。
この論文は、過去IS年間に渡る超格子および研究にお
ける重要な業積を概観している。
(B)D、S、シェムラ(Ch e m4 a )によ
る「フォトニクスのための量子井戸(QuantumW
ells for Photonics)J (Phi
sics Today、1985年5月号、第57〜6
4頁)。」 この論文は超格子構造および量子井戸構造の基本的なオ
プトエレクトロ二ック特性を論じている。
この論文はまた、そのような構造の可能な応用分野につ
いての提案をもたらす最近の幾つかの研究を記載してい
る。1つの提案は、上記の外部非反射式光変調器に関す
るものである。これは量子井戸式変調器を伴う逆バイア
スp−1−nダイオードによって形成される。ビームは
デバイス内を頂部から底部へと通過する。すなわち、層
状構造をその上に成長させる半導体基板を除去する必要
がある。
(C)D、A、B、ミラー(Miller)による「半
導体量子井戸における自己電気光学効果を用いた新奇な
光変調器および双安定デバイス(NovelOptic
al Modulators and B15tabl
eDevices Usingthe 5elf−El
ectro−optic Effectin Sem1
conductor Quantum Veils)J
  (1985年9月に京都で開催された、変調された
半導体構造に関する第2回国際会議の論文集、第459
〜466頁)。
この論文はG a A s / G a A Q A 
s量子井戸式構造を論じ、物理的機構を要約し、デバイ
スの動作原理を説明している。記載されている装置の1
つは、GaAQAs障壁で分離された50周期のGaA
s井戸から成る変調器である。光ビームは。
GaAs基板上に付着された層を垂直に通過する。
この場合も、多層構造の下側の基板をエツチングで除去
しなければならない。
(D)G、H,プーラ−(Doehler)による「新
奇な半導体デバイス用のn−1−p−iドーピング超格
子の電位rThe Potential of nn−
1−p−1Dopin 5uperlattices 
for Novel Sem1concdctor  
Devices)J  (Super  1attic
e  and  Micr。
5tructure、第1巻、第3号、1985年、第
279〜287頁)。
この論文には、n−1−p−iドーピング超格子の幾つ
かのデバイスの応用例が提案されている。
超格子から成る変調器が示されている。この変調器では
、光がn−1−p−i結晶の層に並行な方向に伝播し、
片面からデバイスに入り、もう一方の面で変調されてデ
バイスから出る。
(E)Y、ホリコシ(Horikoshi)等による「
逆バイアスされたドーピング超格子に基く新しい長波長
光検出器(New long−WavelengthP
hotodetector Ba5ed on Rev
erse−Biased DopingSuperla
ttices)J (Appl、phys、Lett、
45 (9) 。
1984年11月1日、第919〜921頁)。
この論文は、0.8〜1.4ミクロンの波長範囲で高い
感度をもつ低容量の光導電検出器を記載し、この光導電
検出器は、MBEによって成長させたG a A sド
ーピング超格子から作成されている。開示された逆バイ
アス・デバイス構成は原理的には、他のオプトエレクト
ロ二ック・デバイス用としても魅力的である。
これらの参照文献は、本発明を実施するために必要な技
術的背景をもたらすが、それらに記載されている構造は
、本発明によって提供される変調器の基礎となる新奇な
概念にもとづいていない。
またどのような形ででもそのような概念を示唆してもい
ない。
C0発明が解決しようとする問題点 本発明の主な目的は、現代の半導体技術に適合し、光デ
ータ伝送システムで使用されるオプトエレク!−ロニツ
ク・デバイスの特性と適合する。高速の外部光ビーム変
調器を提供することである。
別の目的は、光ビームの入力部および出力部がデバイス
の同じ側にあるという点で実装を簡単にする、反射式変
調器を提出することである。
他の目的は、現在利用できる信頼性が高くかつ制御可能
な方法を用いて製造できる、変調器構造を提供すること
である。
D0問題点を解決するための手段 特許請求の範囲に記載された本発明は、上記目的を満足
し、これまでに知られた装置でみられた欠点を除去する
ことを意図している。このことは。
反射体を含む単一構造を設け、その頂部に切換え可能な
吸収体を設けることによって実現される。
吸収体を2回(すなわち、反射体で反射される前後に)
通る光ビームの強度を、吸収体に印加される制御信号に
よって変調することができる。
好ましい実施例では、変調器は、GaAs等の半導体基
板上にエピタキシアル成長させた異種多層構造から成る
。反射体は1/4波長の超格子から形成され、吸収体は
軟子井戸構造から成る。
E、実施例 次に図面をさらに詳しく参照する。最初に第1図を参照
すると、本発明の変調器10の基本構造の概略図が示さ
れている。変調器10は機能的には、印加された電気信
号によって変調可能な反射率をもつ鏡として説明するこ
とができる。
変調器10は、光吸収体13と下側の埋込み反射体12
から構成され、光吸収体13および反射体12は共に、
たとえば砒化ガリウム(Q a A s )の基板11
上に形成される。吸収体13の吸収率を決定する制御電
圧Vcが、デバイスの頂部および底部に設けられた接点
14/15および16に印加される。構造頂部のパター
ン形成された接点15は窓18を画定する。二重矢印で
示すように外部光源から受は取った光ビーム17はこの
窓を通ってデバイスに入る。光ビームは吸収体13を2
回、すなわち、反射体12による反射の@後に。
通過する。吸収体部分13による強度の減少率は。
印加される制御電圧Vcによって決まる。
従って、窓18を通ってデバイスを出た光ビーム17は
、印加されたVc倍信号従って変調される。このVc倍
信号、2値データを表わすことができる。理想的な場合
、出てゆく光ビームと六つてくる光ビームのビーム強度
の比が、変調器内で。
Oと1の間で「切り換え」られる。
第1図に概略的に示した変調器の実施例では、この構造
をGaAs基板11上でエピタキシアル成長させる。こ
の構造は、超格子構造または量子井戸構造を形成するた
め、交互に周期的に成長させたG a A sおよびG
 a A Q A sなど2種以上の半導体化合物の極
めて薄い一連の層から成る。半導体材料のバンド・ギャ
ップは、デバイスの光吸収体部13以外のどの部分でも
光が吸収されないように、選ばれる。
反射体12は、それぞれ屈折率の異なる2つの層から成
り、それぞれの光学的厚さが1/4波長である、幾つか
の層周期を含む。この超格子構造は、それが最適化され
た光ビーム波長に対して、はぼ理想的な(100%)反
射体をもたらす。
反射体12の頂部に成長させた光吸収体13は、やはり
一連の異なる化合物半導体層から成る。量子井戸によっ
て形成することができる。この吸収体構造の光透過率は
、n形接点16およびP形接点14に印加される制御電
圧Vcに依存する。動作時には、バイアス電圧v8工A
Sがこれらの接点に印加されて、デバイスを逆バイアス
・モードで動作させる。
第1図に示した変調器は、入ってくる光ビームおよび出
てゆく光ビームが同一の窓を通過し、かつ、変調器が変
調すべき光ビームの光源の「外部」にある点で、「反射
性」である。従って1本発明は、光システムの広範な応
用分野に十分適したデバイスをもたらす。−例として1
発光体と受光体の間の光学的相互接続について第2図を
参照しながら簡単に説明する。この図では、第1図の変
調器がやはり10で示されている。矢印Vcは、デバイ
スの制御電圧入力端tを表わす。
第2図の相互接続システムの目的は、発光体またはデー
タ源20で発生するデータを受光装置29に伝送するこ
とである。パルス・シーケンス27および28は、それ
ぞれ送るべきデータおよび受は取るべきデータを表わす
第2図のシステムでは、光ビーム源211例えば、適当
な波長のビームを発生するレーザが、光パルスを発し、
光パルスは、矢印で示すように光ファイバ23、光方向
性カプラ22、さらにファイバ24を介して変調器10
に到達する。変調器10では、ビームの光強度が、制御
信号Vcとして印加されるデータ信号27に従って変調
され、ファイバ24、カプラ22およびファイバ25を
介して受光装置29に再伝送される。受光装置29で、
入ってくる光パルスはオプトエレクトロ二ック光検出器
等の光感知センサ26によって受は取られ、必要ならば
、復元されてデータ信号ストリーム28を再生する。
第3図は本発明の変調器の実施例30の詳細な横断面図
を示す。図のデバイスは基本的に、第1図に示した概念
的構造と関連して既に説明した構成要素を含む。
半絶縁性(Si)GaAs基板31が、デバイスを付着
すべきベースとなる。この基板は、厚さ工ないし3ミク
ロンのn + G a A s緩衝層32で覆われる。
層32は、反射体構造33の極めて薄い交互層を付着で
きるように適正に条件付けされた表面をもたらす働きを
する。ここで説明する実施例では、反射体33は、AQ
 A s層33aおよびGaxAQ(1−x)As層3
3bが交互に15回積層されたものから成る。
反射体構造は、連続した層33aおよび33bの光学的
厚さdがλ/4.すなわち、使用する光ビームの波長の
1/4に等しいことが必要な、既知のλ/4反射体に対
応する。必要な層厚dは下式から求めることができる。
n 但し、λ=光ビームの波長 n=層材料の屈折率 波長λを0.8ミクロン、AQAsの屈折率n=3.0
.Ga、、、5AQo、tΔSの屈折率n=3゜55と
すると、A Q A s 層33 aではd=70゜8
nm、Ga0.、AQo、、AsJ133bではd=5
9.9nmが得られる。
反射体を形成する15周期の積層体の合計厚さdRは、
その場合下記の値にほぼ等しくなる。
d R=15 X (70−8+ 59.9 )  n
 m ’=2ミクロン 第3図の実施例では吸収体34が反射体構造の頂部に付
着される。吸収体34は、それぞれ厚さが9.5nmお
よびILnmの薄いGaAs(34a)層およびGa、
、、Au、、、As (34b)層が交互に100回積
層されたものから成る。
G a A s層は、GaARAs層によって分離され
た量子井戸を形成する。
吸収体構造の上部表面には、それぞれ厚さが150nm
および50nmのP形G al、、 、A Q、。
□As接点層35および36が付着される。p+層35
のドーピング濃度は約5 X I O17ないし2X 
10” c m””であり、より高濃度でドープされた
P+十層36のドーピング濃度は約10 ” ’ Cm
 −’である。これらの層に対する電気接点は、厚さ約
200nmのTi−Pt−Au層から成るパターンづけ
された環状メタライゼーション37によってもたらされ
る。この金属層は、入射する光ビームならびに反射され
た光ビームが通過する変調器の窓を画定する。これは二
重矢印りで示されている。
適切な光フアイバ接続のためには、窓の直径は50ない
し100ミクロンである。
接点H35および36の厚さおよびPドーピング濃度を
このように選ぶと、金属層37と間に低抵抗のオーム性
接点がもたらされ、かつ金属層に印加された電圧信号に
よって発生する電界が変調器構造の全断面に渡って十分
に均一に分布する。
デバイスは頂部が反射防止被覆38で覆われる。
被覆38はSi、N4から成り、λ/4の光学的厚さに
相当する約1100nの厚さを有する。この被覆は1周
知の方式で、それがなければファイバと半導体の界面に
生じるはずの反射を減らす働きをする。
第3図に示したデバイスでは、層32に設けられた溝の
表面にn接続39が形成される。接点39は厚さ80n
mのAu−Ge−N1−Aufiから成り、付着の際に
合金化され(430°Cで1分間)、半導体材料との間
で低抵抗のオーム性接点を形成する。
第4図では、第3図の変調器の反射体33の反射率と、
使用される光ビームの波長λの関係が描かれている。第
4図かられかるように、波長λ=0.85ミクロンの場
合1反射率は0.97となる。すなわち、吸収体34を
通過後に反射体33に到達した光の97%は1反射され
て吸収体をもう1度化する。
第5図は、第3図に関連して上記で説明した変調器の動
作特性を示す。曲線51は、吸収体34および反射体3
3から成る変調器について、透過率Tとp型接点37と
n型接点39の間に印加された電圧Vcとの関係をプロ
ットしたものである。
ただし、透過率Tは、出てゆく光ビームと入ってくる光
ビームの強さの比として定義される。動作時には、バイ
アス電圧vBIASが印加され、吸収体34が逆バイア
ス状態になる。第5図のグラフに示したバイアスリ8工
ASが印加され、データ電圧が接点37および39に印
加されない場合、入射する光ビームに応答する変調器の
光出力は非常に低い。すなわち、1o%程度である。
適当な大きさと極性をもつ信号Vsが接点に印加される
と、信号Vsがバイアス電圧vBIASと重ね合わされ
、出力強度は入射光ビームの強度の約80%にまで増大
する。その結果1.この変調器は信号対雑音比が十分に
高い動作をもたらし、したがってデバイスが光データ転
送システムでの使用に(例えば、スイッチとして)十分
適したものになる。
以上説明した変調器構造は、利用可能な技術を使用し、
本明細書の導入部で参照した刊行物で提示されている技
術で開示された知識および理解を適用して、製造するこ
とができる。具体的に言うと、分子ビーム・エピタキシ
ー(MBE)法およびMOCVD法は、必要とされる極
めて薄い層構造が、単一工程で、すなわち、同じ真空内
で、大きな困麗を伴わず、十分な精度、信頼性および再
現性をもって製造できるところまで、発展してきている
。この変調器のその他の層および構成要素は、当技術で
は周知の蒸着またはエピタキシー手法、マスキング、パ
ターンづけおよびエツチング法を用いて製造することが
できる。
第3図の変調器構造は、第1図と関連してより一般的に
説明した本発明の概念が実現されたデバイスの一例を表
わすにすぎない。例えば、別の半導体材料を選び、別の
寸法およびドーピング濃度を使用し、または電気接点お
よび光学的インターフェースの設計を変更することによ
り、やはり本発明の概念に基く別の構造を特定の要件を
満たすように設計することができる。
例えば、変調器は、単一の光ファイバに到着する光ビー
ムのみを受は取って変調するように構成することができ
るが、また複数のファイバに到若する複数の並行ビーム
をも処理するように拡張することもできる。例えば、画
像処理の応用分野に有利なマトリックス構成も考えられ
る。
もう1つの代替設計では、吸収体34を、ここに説明し
た実施例で使用した量子井戸構成ではなく、いわゆるn
−1−p−iドーピング超格子構造から構成することが
できる。
また、第3図で反射体33および吸収体34から成る多
層積層体の傍に配置されたn接点39を、基板31の下
側に置くこともでき、従って、構造が簡単になるものの
、関連する電子回路と同じ基板上に製造できるメサ形プ
レーナ構造に特有の実装上の幾つかの利点がなくなる。
もちろん、構造上の細部も変更することができる。−例
として、キャパシタンスを減らして、それによりデバイ
スの高速性能を向上させるため、パターンづけされた薄
い絶縁層(例えば、厚さ1100nのSiO2)をn接
点金属層37の下側に付着させることができる。
10発明の効果 本発明によって提供される主な利点は、以下の通りであ
る。
この変調器は、これが使用される光システムの他のオプ
トエレクトロ二ツク素子または電子素子と適合する。従
って、この変調器は、他の素子に使用されるのと同じ工
程を用いて製造することができる。
光ビーt1はデバイス内部で反射される。すなわち、こ
の変調器は製造および実装が簡単になる。
変調器は光源から分離されており、光源を余りクリティ
カルでない環境に置くことが可能であり、従って動作条
件が一層効率的で余りクリティカルでない。
【図面の簡単な説明】
第1図は1本発明の変調器構造の基本的構成要素の概略
図。 第2図は1本発明の変調器を用いた光学的相互接続の概
略図。 第3図は本発明の実施例の横断面図、 第4図は5本発明の変調器で使用される反射体の反射R
率と反射光の波長の関係を示すグラフ。 第5図、変調器出力と、変調器を通る光ビームを変調す
るために変調器に印加される制O1I電圧Vcの間の関
係を示すグラフである。 10・・・・変調器、12・・・・反射体、13・・・
・光吸収体、14.15.1G・・・・接点、17・・
・・光ビーム、18・・・・窓。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)基板と、上記基板上にエピタキシャル成長された
    層状の半導体構造より成る反射体と、上記反射体上にエ
    ピタキシャル成長された半導体構造より成る吸収体であ
    って、反射される前後に上記吸収体を通過した光ビーム
    の強度が電気的な制御信号により変調可能な吸収体とを
    有する、光ビームの外部変調のための電圧制御式光変調
    器。
  2. (2)上記反射体が、異なった半導体の交互の層を有す
    る超格子構造より成る特許請求の範囲第(1)項記載の
    光変調器。
  3. (3)上記吸収体が、量子井戸を形成する第1の半導体
    層と上記量子井戸間の分離障壁を形成する第2の半導体
    層との交互の層より成る特許請求の範囲第(1)項記載
    の光変調器。
JP62110915A 1986-06-18 1987-05-08 電圧制御式光変調器 Granted JPS6324218A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP86108263A EP0249645B1 (en) 1986-06-18 1986-06-18 Optoelectronic voltage-controlled modulator
EP86108263.4 1986-06-18

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6324218A true JPS6324218A (ja) 1988-02-01
JPH0350247B2 JPH0350247B2 (ja) 1991-08-01

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ID=8195201

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62110915A Granted JPS6324218A (ja) 1986-06-18 1987-05-08 電圧制御式光変調器

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JP (1) JPS6324218A (ja)
DE (1) DE3681164D1 (ja)

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Publication number Publication date
DE3681164D1 (de) 1991-10-02
EP0249645A1 (en) 1987-12-23
EP0249645B1 (en) 1991-08-28
JPH0350247B2 (ja) 1991-08-01

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