WO2001069307A1 - Structure a puits quantique de dispositif a semi-conducteur de commande de lumiere - Google Patents

Structure a puits quantique de dispositif a semi-conducteur de commande de lumiere Download PDF

Info

Publication number
WO2001069307A1
WO2001069307A1 PCT/JP2001/000706 JP0100706W WO0169307A1 WO 2001069307 A1 WO2001069307 A1 WO 2001069307A1 JP 0100706 W JP0100706 W JP 0100706W WO 0169307 A1 WO0169307 A1 WO 0169307A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
quantum well
well structure
semiconductor device
layer
refractive index
Prior art date
Application number
PCT/JP2001/000706
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshiaki Nakano
Masaki Kato
Kimiyoshi Fukatsu
Original Assignee
Japan Science And Technology Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science And Technology Corporation filed Critical Japan Science And Technology Corporation
Publication of WO2001069307A1 publication Critical patent/WO2001069307A1/ja

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • 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
    • G02F1/01—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 
    • G02F1/015—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
    • G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01708—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells in an optical wavequide structure
    • 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
    • G02F1/01—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 
    • G02F1/015—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
    • G02F1/0151—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 refractive index
    • G02F1/0153—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 refractive index using electro-refraction, e.g. Kramers-Kronig relation
    • 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
    • G02F1/01—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 
    • G02F1/21—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  by interference
    • G02F1/212—Mach-Zehnder type

Definitions

  • the present invention relates to a quantum well structure for forming a light control semiconductor device such as an optical switch / light modulator using an electric field-induced refractive index change in a semiconductor quantum well.
  • a conventional optical switch's optical modulator is configured using a semiconductor bulk / rectangular quantum well, but in these, the refractive index changes monotonously by applying an external electric field.
  • Fig. 1 is a characteristic diagram showing the change in the refractive index with respect to the electric field of a conventional optical switch and optical modulator.
  • Fig. 2 is the modulation when an interferometric modulator is manufactured using the change in the refractive index in Fig. 1. It is a characteristic diagram.
  • the cross state and the bar state are periodically switched with the applied voltage, and the applied voltage is required for optimal operation. Had to be precisely controlled.
  • FIG. 3 is a diagram showing a change in absorption spectrum in a normal rectangular quantum well structure.
  • a voltage electric field
  • the absorption edge shifts to a longer wavelength side. Therefore, it is necessary to set the absorption edge wavelength to be much shorter than the operating wavelength so that the absorption does not increase at the operating wavelength when voltage is applied.
  • the absorption edge wavelength In order to obtain the necessary change in refractive index at the operating wavelength, It was necessary to increase the element length.
  • Fig. 4 (a) shows the change in absorption coefficient with an applied electric field in a normal rectangular quantum well structure.
  • Fig. 4 (b) is a graph showing the change in the refractive index of an ordinary rectangular quantum well structure due to the application of an electric field.
  • the portion where the absorption coefficient increases by applying a voltage is shown.
  • There is a part that decreases, and the changes in refractive index are very small because they cancel each other.
  • a part where the absorption coefficient increases and a part where the absorption coefficient decreases exist near the absorption edge.
  • Refractive index change ⁇ and absorption coefficient change ⁇ o are Kramers-Kronig relations
  • ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ ) —- f n ⁇ ⁇ ( ⁇ ) X. . Since they are connected by 2 d ⁇ (where ⁇ is the operating waveform), canceling out the absorption change will reduce the refractive index change. For these two reasons, it is difficult to obtain a large refractive index change at the operating wavelength in a semiconductor bulk ⁇ rectangular quantum well, and it was necessary to increase the element length to obtain a sufficient refractive index change .
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and has been made in view of the above circumstances, and has been made to reduce the size of a semiconductor device having an optical modulation characteristic and optical modulation characteristics using electric-field-induced refractive index change.
  • An object of the present invention is to provide a quantum well structure of an optical control semiconductor device exhibiting a large change in refractive index.
  • a rectangular quantum well in which a first semiconductor layer and a second semiconductor layer having higher band gap energy than the first semiconductor layer are stacked on a semiconductor substrate. It has a quantum well structure in which a plurality of thin barrier layers composed of a second semiconductor layer are formed inside the well, and has an interference type optical switch and optical modulation function using electric field-induced refractive index change. It is characterized by the following.
  • the number of the barrier layers is two or three.
  • the overlap integral of the electron and hole wave functions is set to be large, and the width of the quantum well, the position of the barrier layer, and the thickness of the barrier layer are set so that the overlap integral is sharply reduced by applying a small electric field. It is characterized by having done.
  • the width of the quantum well and the position of the barrier layer are set so that the overlap between the other states does not occur because the overlap integral is reduced.
  • the thickness of the barrier layer is set.
  • the phenomenon occurs steeply before and after a certain electric field, and before and after the phenomenon, the absorption coefficient is on the short wavelength side from the absorption edge.
  • the width of the quantum well, the position of the barrier layer, and the thickness of the barrier layer are reduced so that the refractive index is sharply reduced over a wide range so that the refractive index is large and digitally reduced outside the long wavelength side of the absorption edge. It is characterized by having been set.
  • FIG. 1 is a characteristic diagram showing a change in refractive index with respect to an electric field of a conventional optical switch and optical modulator.
  • FIG. 2 is a modulation characteristic diagram when an interferometric modulator is manufactured using the change in the refractive index of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a change in absorption spectrum in a normal rectangular quantum well structure.
  • FIG. 4 is a diagram showing a change in an absorption coefficient and a change in a refractive index due to application of an electric field in a normal rectangular quantum well structure.
  • FIG. 5 is a diagram showing a stacked structure of InGaAsZInAs1As-based coupled quantum well (CQW) showing the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an operation of the quantum well structure by applying an electric field according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing wavelength versus absorption coefficient characteristics of the quantum well structure.
  • FIG. 8 is a diagram showing wavelength versus absorption spectrum of a quantum well structure.
  • FIG. 9 is a diagram showing a change in refractive index with respect to an electric field.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a Matsuhatsu-Donda interference light modulation using the quantum well structure of the present invention. It is a block diagram of a container.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the bias voltage and the output light (relative unit) of the Matsuhatsu Honda single-layer optical modulator of FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 5 is a diagram showing a stacked structure of an InGaAsZlnA1As-based coupled quantum well (CQW) showing an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is an operation of the quantum well structure by applying an electric field.
  • the composition of the first and second semiconductor layers may be, for example, InGaAsZInP layer, InGaAsZInA1GaAs layer, InGaAs layer.
  • An sPZInGaAsP layer can be considered, but is not limited to these.
  • the first and second semiconductor layers form a quantum well structure (conduction band and valence band) having the potential profile shown in FIG.
  • a quantum well structure (conduction band and valence band) having the potential profile shown in FIG.
  • two thin barrier layers B are provided, each of which is a second semiconductor layer.
  • the width of the left well is 4.7 nm
  • the width of the center well is 3.8 nm
  • the width of the right well is 5.6 nm
  • the barrier layers are all 2.7 nm.
  • FIG. 8 shows the absorption spectrum when the applied electric field is changed from 45 kVZcm to 180 kV / cm every 45 kcm. No significant change in the absorption spectrum was observed at 45 kVZcm and 90 kV / cm, but when the electric field was changed from 90 kV / cm to 135 kV / cm, the above absorption reduction was observed. You can see that is happening. Above 135 kV / cm, no significant change in absorption spectrum is observed. In other words, in this quantum well structure, a large absorption change is obtained only when the applied electric field is in the range from 90 kV / cm to 135 kVZcm, and hardly changes in other cases.
  • Fig. 9 shows how the refractive index changes at a wavelength of 1.55 m as a result of the above absorption change. Reflecting the above absorption change, the refractive index changes sharply only when the applied electric field is in the range of 90 kVZcm to 135 kV / cm (indicated by the arrow in FIG. 9). In the range and large electric field range, the refractive index change hardly occurs. That is, a digital change in the refractive index can be realized with respect to the applied electric field.
  • the absolute value of the refractive index change is also as very large as 0.01 or more, which indicates that the absorption coefficient is This is the result of the uniform decrease near the absorption edge.
  • FIG. 10 (a) is a top view of the optical modulator
  • FIG. 10 (b) is a cross-sectional view of the phase modulation region.
  • the phase modulation region 2 has n-In A 1 A s lower cladding layer 12 on n-type I n P substrate 11 and a layer thickness of 0.
  • Asymmetric triple-coupled quantum well structure according to the present invention
  • An AND-type guide layer composed of six periods 13, P—InA 1 As upper part It has a structure in which a cladding layer 14 and a P-InGaAs layer 15 for obtaining a uniform contact are formed on the uppermost layer.
  • the length of the optical confinement coefficient, built-in potential, and phase modulation region were assumed to be 0.2, 0.5 V, and 300 m, respectively.
  • the length 300 m of the phase modulation region is about several tenths to one tenth of the size of an optical modulator using a conventional rectangular quantum well * optical switch.
  • FIG. 11 shows the relationship between the bias voltage and the output light (relative unit) of the above-mentioned matsuhertz-ender interferometric optical modulator.
  • the present invention it is possible to provide an InGaAsZInAlAs / InP asymmetric triple coupling quantum well structure for a low-voltage operation optical switch.
  • two barrier layers may be provided, or three barrier layers may be provided.
  • the barrier layer is provided between other states. Since the effect is reduced when the overlap occurs, it is desirable to prevent such a level from being generated. Therefore, the number of barrier layers should be small even if there are a plurality of barrier layers.
  • the quantum well structure of the optical control semiconductor device is a component for the optical information communication network in an optical information communication network, in particular, a semiconductor device having an interference type optical switch and an optical modulation function. It is suitable for use in applications such as:

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

明 細 書 光制御用半導体素子の量子井戸構造 技術分野
本発明は、 半導体量子井戸における電界誘起屈折率変化を用いた光スィツチ · 光変調器などの光制御用半導体素子を構成するための量子井戸構造に関するもの である。 背景技術
従来、 通常の光スィ ツチ '光変調器は、 半導体バルクゃ矩形量子井戸を用いて 構成されているが、 これらにおいては、 外部から電界を加えることにより屈折率 変化は単調に起こる。
第 1図は従来の光スィ ツチ ·光変調器の電界に対する屈折率の変化を示す特性 図、 第 2図は第 1図の屈折率の変化を用いて干渉型変調器を作製した場合の変調 特性図である。
第 1図から明らかなように、 電界が增すにつれて屈折率が単調に増加する。 そして、 第 2図から明らかなように、 O NZO F Fが周期的に現れる。 発明の開示
上記したように、 光スィッチにおいてはクロス状態とバー状態が (変調器にお いてはオン状態とオフ状態が） 印加電圧に対して周期的に入れ替わり、 最適な動 作をさせるためには印加電圧を精密に制御する必要があつた。
第 3図は通常の矩形量子井戸構造における吸収スぺク トルの変化を示す図であ り、 矩形量子井戸では、 電圧 （電界） を印加した際に吸収端が長波長側にシフト する。 従って、 電圧印加時に動作波長において吸収の増加が起こらないように、 吸収端波長を動作波長よりかなり短波長側に設定する必要があり、 動作波長にお いて必要な屈折率変化を得るためには素子長を長くする必要があつた。
第 4図 （a ) は通常の矩形量子井戸構造における電界印加に伴う吸収係数変化 、 第 4図 （ b ) は通常の矩形量子井戸構造における電界印加に伴う屈折率変化を 示す図であり、 通常の矩形量子井戸構造では、 電圧を印加することにより、 吸収 係数が増加する部分と減少する部分があり、 屈折率変化としては両者が打ち消し あい非常に小さくなる。 また、 吸収係数が増加する部分と減少する部分が吸収端 付近に存在する。
屈折率変化 Δ ηと吸収係数変化 Δ o とはクラマース · クロ二ッヒの関係
Δ η ( Ο Ρ) =—- f n Δ α ( λ ) X 。。 2 d λ (ス。 Ρは動作波形） で結ばれているため、 吸収変化の相殺は屈折率変化を小さくすることになる。 こ れら 2つの理由により、 半導体バルクゃ矩形量子井戸では動作波長において大き な屈折率変化を得るのが困難であり、 十分な屈折率変化を得るためには素子長を 長くする必要があった。
電舁誘起屈折率変化を用いた光スィ ツチ ·光変調器では、 動作速度が C R時定 数で制限されるため、 素子長が長く大きなキャパシタンスを有する光スィツチ · 光変調器では、 高速動作が困難である。 この制限を打ち破るために進行波電極構 造が広く用いられている力 構造が複雑になるという欠点がある。
本発明は、 このような状況に鑑みてなされたもので、 電界誘起屈折率変化を用 いた干涉型光スィ ツチ，光変調特性を有する半導体素子の小型化.、 低電圧化、 デ ジタル的な大きな屈折率変化を呈する光制御用半導体素子の量子井戸構造を提供 することを目的とする。
本発明は、 上記目的を達成するために、
〔 1〕 光制御用半導体素子の量子井戸構造において、 半導体基板上に第 1の半 導体層とこの第 1の半導体層よりバンドギヤップエネルギーの大きな第 2の半導 体層とを積層した矩形量子井戸の井戸の内側に第 2の半導体層で構成された薄い 障壁層を複数個形成した量子井戸構造を有し、 電界誘起屈折率変化を利用した干 渉型光スィツチ ·光変調機能を具備することを特徴とする。
〔 2 j 上記 〔 1〕 記載の光制御用半導体素子の量子井戸構造において、 前記障 壁層は 2個又は 3倾であることを特徴とする。
〔 3〕 上記 〔 1〕 記載の光制御用半導体素子の量子井戸構造において、 ゼロ電 界で電子とホールの波動関数の重なり積分が大きくなるようにするとともに、 小 電界印加により前記重なり積分が急激に減少するように量子井戸の幅、 障壁層の 位置、 障壁層の厚さを設定したことを特徴とする。
〔 4〕 上記 〔 3〕 記載の光制御用半導体素子の量子井戸構造において、 前記重 なり積分が減少する分、 他の状態間での重なりが生じないように量子井戸の幅、 障壁層の位置、 障壁層の厚さを設定したことを特徴とする。
〔 5〕 上記 〔 3〕 又は U〕 記載の光制御用半導体素子の量子井戸構造におい て、 前記現象がある電界の前後で急峻に起こり、 その前後で吸収係数は吸収端か ら短波長側の広い範囲に渡って急激に減少し、 それにより、 屈折率は吸収端の長 波長側の外において大きくかつデジタル的に低下するように量子井戸の幅、 障壁 層の位置、 障壁層の厚さを設定したことを特徴とする。 図面の簡単な説明
第 1図は、 従来の光スィツチ ·光変調器の電界に対する屈折率の変化を示す特 性図である。
第 2図は、 第 1図の屈折率の変化を用いて干渉型変調器を作製した場合の変調 特性図である。
第 3図は、 通常の矩形量子井戸構造における吸収スぺク トルの変化を示す図で ある。
第 4図は、 通常の矩形量子井戸構造における、 電界印加に伴う吸収係数変化お よび屈折率変化を示す図である。
第 5図は、 本発明の実施の形態を示す I n G a A s Z I n A 1 A s系の結合量 子井戸 （C QW ) の積層構造を示す図である。
第 6図は、 本発明の実施の形態を示す電界の印加による量子井戸構造の動作を 示す図である。
第 7図は、 量子井戸構造の波長対吸収係数特性を示す図である。
第 8図は、 量子井戸構造の波長対吸収スぺク トルを示す図である。
第 9図は、 電界に対する屈折率の変化を示す図である。
第 1 0図は、 本発明の量子井戸構造を用いたマツハーツ ンダ一干渉型光変調 器の構成図である。 4
第 1 1図は、 第 10図のマツハーツヱンダ一干涉型光変調器のバイアス電圧と 出力光 （相対単位） との関係を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について詳細に説明する。
第 5図は本発明の実施の形態を示す I n G aA sZl n A 1 A s系の結合量子 井戸 （CQW) の積層構造を示す図、 第 6図は電界の印加による量子井戸構造の 動作を示す図である。
この量子井戸構造は、 I n P基板に格子整合する I nx Ga i X As (x = 0 . 53) の組成である第 1の半導体層 （いわゆる井戸層） と、 これよりバンドギ ヤップの大きな I ny A 1 y As ( y = 0. 5 2 ) の組成である第 2の半導体 層 （障壁層） との積層構造より成っている。 なお、 第 1 ·第 2の半導体層の組成 としては、 他に例えば I n G a A s Z I n P層、 I n G a A s Z I n A 1 G a A s層、 I n G a A s PZ I n G a A s P層というものが考えられるが、 これらに は限定されない。 第 1および第 2の半導体層によって、 第 5図に示すポテンシャ ルプロファイルを有する量子井戸構造 （伝導帯と価電子帯） が構成されている。 矩形量子井戸 Rの内側には、 それぞれ第 2の半導体層で 2つの薄い障壁層 Bが設 けられている。 本実施形態では、 左側の井戸の幅を 4. 7 nm、 中央の井戸の幅 を 3. 8 nm、 右側の井戸の幅を 5. 6 n m、 また障壁層は全て 2. 7 nmとし た。 次に、 本実施形態に係る量子井戸構造の動作について説明する。
この量子井戸においては、 第 6図 （ a ) に示すように、 印加電界 O k cm の時は、 電子 1—ヘビーホール 1 (C 1— HH 1 ) および電子 2 ヘビーホール 2 (C2 -HH 2 ) の波動関数の重なり積分が大きいため、 第 7図に示すように 、 吸収端付近にそれぞれに対応する吸収ピークがある。 しかしながら、 150 k cmの外部電界を加えることにより、 第 6図 （ b) に示すように、 波動関数 の重なりが無くなり、 対応する吸収ピークは消失する。 電界印加時には、 第 7図 に示すように、 電子 3—ヘビーホール 1 (C 3— HH 1 ) のようなゼロ電界時に は存在しなかった吸収ピークが現れる力、'、 これらはすべて、 ゼロ電界時の吸収端 よりも短波長側に現れる。 これらの結果、 第 7図に示すように、 電界を印加する ことにより、 吸収端が短波長側にシフ 卜することになり、 広い波長範囲にわたつ て吸収が一様に減少することになる。
第 8図は印加電界を 4 5 k VZcmから 1 80 k V/ c mまで 45 k c m 毎に変化させた際の吸収スぺク トルを表している。 45 k VZc mおよび 9 0 k V/ cmでは吸収スぺク トルに大きな変化は見られないが、 9 0 kV/cmから 1 3 5 k V/c mに電界を変化させると、 上記の吸収減少が起こっていることが わかる。 1 35 k V/c m以上では大きな吸収スペク トル変化は見られない。 す なわち、 この量子井戸構造においては、 印加電界が 90 k V/c mから 1 35 k VZc mの範囲にあるときのみ大きな吸収変化が得られ、 それ以外ではほとんど 変化しない。
上記吸収変化の結果生じる、 波長 1. 5 5 mにおける屈折率変化の様子を、 第 9図に示す。 上記吸収変化を反映し、 印加電界が 90 k VZc mから 1 3 5 k V/ cmの範囲 （第 9図中に矢印で図示） にある時のみ屈折率が急峻に変化し、 それより小さな電界範囲および大きな電界範囲では屈折率変化はほとんど起こら ない。 すなわち、 印加電界に対してデジタル的な屈折率変化を実現できる。 また 、 吸収端波長と動作波長が 1 5 0 nmも離れているにもかかわらず、 屈折率変化 の絶対値も 0. 0 1以上という非常に大きな値が得られており、 これは吸収係数 が吸収端付近で一様に減少することによりもたらされた結果である。
本発明の量子井戸構造を用いて、 第 1 0図に示すようなマッハ一ツェンダー （ Ma c h-Z e h n d e r ) 干涉型光変調器を構成する。 ここで、 第 1 0図 （ a ) はその光変調器の上面図、 第 1 0図 （ b ) はその位相変調領域の断面図である ここで、 このマツハーツユンダ一干涉型光変調器は、 第 1 0図 （a ) に示すよ うに、 光入力ポ一ト 4、 光出力ポート 5、 1 X2光分波器 1、 2 X 1光合波器 3 、 位相変調領域 2を有している。 その位相変調領域 2は、 第 1 0図 （ b ) に示す ように、 n型の I n P基板 1 1上に n— I n A 1 A s下部クラッ ド層 1 2、 層膜 厚 0. 1 6 mの本発明に係る I n G aA sZl nA l A s非対称三重結合量子 井戸構造 6周期で構成されるアンド一プのガイ ド層 1 3、 P— I nA 1 As上部 クラッ ド層 1 4、 そして最上部にォ一ミックコンタク トを取るための P - I n G a A s層 1 5を積層した構造とする。 また、 光閉じ込め係数、 ビルトィンポテン シャル、 位相変調領域の長さはそれぞれ 0. 2、 0. 5 V、 3 0 0 mと仮定し た。 この位相変調領域の長さ 3 00 mは従来の矩形量子井戸を用いた光変調器 *光スィ ツチと比較すると数分の 1から 1 0分の 1程度のサイズである。
第 1 1図は、 上記したマツハーツエンダー干渉型光変調器のバイアス電圧と出 力光 （相対単位） との関係を示したものである。 電圧を 0. 8 5 から 1. 5 5 Vまで 0. 7 V変化させるだけで、 出力光パワーが 90 %から 1 0 %まで減少し 、 電圧 0. 85 V以下では◦ N状態が、 1. 55 V以上では 0 F F状態が保持さ れるという、 デジタル的な動作が実現できる。
このように、 本発明によれば、 低電圧動作光スィ ツチのための I n G aA s Z I nA l A s/ I n P非対称三重結合量子井戸構造を提供することができる。 なお、 上記実施例では、 障壁層は 2個設けるようにした力、 3個であってもよ いが、 ゼロ電界で電子とホールの波動関数の重なり積分が減少する分、 他の状態 間での重なりが生じると効果が減じるので、 そのような準位が発生しないように することが望ましいので、 障壁層は複数でもその数は少数とする。
これらの変化がある特定の電界の前後で急峻におこり、 その前後で吸収係数は 吸収端から短波長側の広い範囲に渡って急激に減少し、 それにより、 屈折率は特 に吸収端の長波長側の外において大きくかつデジタル的に低下するように井戸の 幅、 障壁層の位置、 障壁層の厚さを設計した。
なお、 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 以上、 詳細に説明したように、 本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とができる。
(A) 屈折率変化を用いる光スィ ツチ ·光変調特性を有する光制御用半導体素 子の小型化、 低電圧化を可能にする。 また、 光制御用半導体素子の小型化に伴う 高速化 （ 20〜5 0 G b p s ) が期待できる。
(B) デジタル的な電圧対光変調 （スィ ツチ） 特性が可能となり、 動作電圧の 精密な制御が不要となる。 ( C ) 吸収端から離れても大きな屈折率変化があるので、 半 ¾体光スィ ッチノ 変調器の低挿入損失化を図ることができる。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明にかかる光制御用半導体素子の量子井戸構造は、 光情報 通信ネッ トワークにおいて、 その光情報通信ネッ トワーク用の部品、 特に干渉型 光スィツチ、 光変調機能を有する半導体素子等に用いるのに適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 半導体基板上に第 1の半導体層と該第 1の半導体層よりバンドギャップエネ ルギ一の大きな第 2の半導体層とを積層した矩形量子井戸の井戸の内側に第 2の 半導体層で構成された薄い障壁層を複数個形成した量子井戸構造を有し、 電界誘 起屈折率変化を利用した干渉型光スィ ツチ 光変調特性を具備することを特徴と する光制御用半導体素子の量子井戸構造。
2 . 請求項 1記載の光制御用半導体素子の量子井戸構造において、 前記障壁層は 2個又は 3個であることを特徴とする光制御用半導体素子の量子井戸構造。
3 . 請求項 1記載の光制御用半導体素子の量子井戸構造において、 ゼロ電界で電 子とホールの波動関数の重なり積分が大きくなるようにするとともに、 小電界印 加により前記重なり積分が急激に減少するように量子井戸の幅、 障壁層の位置、 障壁層の厚さを設定したことを特徴とする光制御用半導体素子の量子井戸構造。
4 . 請求項 3記載の光制御用半導体素子の量子井戸構造において、 前記重なり積 分が減少する分、 他の状態間での重なりが生じないように量子井戸の幅、 障壁層 の位置、 隙壁層の厚さを設定したことを特徴とする光制御用半導体素子の量子井 戸構造。
5 . -請求項 3又は 4記載の光制御用半導体素子の量子井戸構造において、 前記現 象がある電界の前後で急峻に起こり、 その前後で吸収係数は吸収端から短波長側 の広い範囲に渡って急激に減少し、 それにより、 屈折率は吸収端の長波長側の外 において大きくかつデジタル的に低下するように量子井戸の幅、 障壁層の位置、 障壁層の厚さを設定したことを特徴とする光制御用半導体素子の量子井戸構造。
PCT/JP2001/000706 2000-03-16 2001-02-01 Structure a puits quantique de dispositif a semi-conducteur de commande de lumiere WO2001069307A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000-74201 2000-03-16
JP2000074201A JP2001264711A (ja) 2000-03-16 2000-03-16 光制御用半導体素子の量子井戸構造

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2001069307A1 true WO2001069307A1 (fr) 2001-09-20

Family

ID=18592293

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2001/000706 WO2001069307A1 (fr) 2000-03-16 2001-02-01 Structure a puits quantique de dispositif a semi-conducteur de commande de lumiere

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2001264711A (ja)
WO (1) WO2001069307A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5711939B2 (ja) * 2010-11-02 2015-05-07 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 光送信器及び光伝送装置
KR102477094B1 (ko) 2016-01-08 2022-12-13 삼성전자주식회사 비대칭 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07128622A (ja) * 1993-11-02 1995-05-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体量子井戸構造

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07128622A (ja) * 1993-11-02 1995-05-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体量子井戸構造

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MASAKI KATO ET AL.: "Asymmetric triple coupled quantum well for blue-chirp MQW-EA modulators", EXTENDED ABSTRACT (THE 59TH AUTUMN MEETING), THE JAPAN SOCIETY OF APPLIED PHYSICS (ABSTCT 29 A-SZL-24), no. 3, 1998, pages 1137, XP002941425 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2001264711A (ja) 2001-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4923264A (en) Resonance coupled optical coupler with semiconductor waveguide layer comprising a multi-quantum-well structure
JP3879411B2 (ja) 分散補償器
JPH08220496A (ja) 半導体光変調素子
US6198854B1 (en) Mach-Zehnder modulator
KR19980079840A (ko) 반도체장치 및 그 사용방법
JP4672331B2 (ja) 光偏向素子及び光スイッチ
WO2001069307A1 (fr) Structure a puits quantique de dispositif a semi-conducteur de commande de lumiere
JPH04250428A (ja) 半導体光機能素子
JPH07333660A (ja) 非線形光学素子
US5521397A (en) Optical device having quantum well structure and barrier layers
JPH0357460B2 (ja)
JPWO2005081050A1 (ja) 変調器集積化光源およびその製造方法
JP2917950B2 (ja) 波長可変半導体レーザ及びその製造方法
JPH0545003B2 (ja)
US7839554B2 (en) Multiple-quantum well structure with electric field control
JPH0530254B2 (ja)
JPH07128622A (ja) 半導体量子井戸構造
JP4920956B2 (ja) 光スイッチ及び光スイッチシステム
JP4738627B2 (ja) 面型光−光スイッチ
JP5437932B2 (ja) 可変光減衰器
JPS62270927A (ja) 光双安定素子
JP2010534868A (ja) 可飽和吸収体を用いた光論理デバイス
WO2001069312A1 (fr) Systeme de commande optique totale
KR100216528B1 (ko) 초격자 도파로 구조를 갖는 파장가변 반도체 광여과기
JP3529072B2 (ja) 光位相変調器及び光変調装置

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CA US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase