DE68925019T2

DE68925019T2 - Optisches Element und Verfahren zum Modulieren von Licht unter Verwendung desselben.

Info

Publication number: DE68925019T2
Application number: DE68925019T
Authority: DE
Inventors: Yasunori C O Chuo Kenky Tokuda; Noriaki C O Chuo Kenky Tsukada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-08-30
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: DE68925019D1; EP0361651A2; EP0361651B1; EP0361651A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein optisches Element, das eine nichtlineare optische Charakteristik hat, und ferner ein Verfahren zum Modulieren von Licht unter Verwendung dieses optischen Elements.

Beschreibung des Stands der Technik

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein optisches Element, das eine PIN-Struktur hat und in Applied Physics Letters, Vol. 44, Nr. 1, 1984, angegeben ist. Eine AlGaAs-Mantelschicht 3 vom n-Typ ist auf einer oberen Oberfläche eines GaAs-Substrats 4 gebildet, und eine aktive Mehrfach-Quantenmuldenschicht 1 ist über der Mantelschicht 3 gebildet. Eine AlGaAs-Mantelschicht 2 vom p-Typ ist über der aktiven Schicht 1 gebildet. Elektroden 5a und 5b sind jeweils an der oberen Oberfläche der Mantelschicht 2 und der unteren Oberfläche des Substrats 4 gebildet.
Die aktive Schicht hat eine solche Laminatstruktur, daß GaAs-Muldenschichten 6 und AlGaAs-Sperrschichten 7, die jeweils eine Dicke von ca. 100 Å haben, abwechselnd übereinander angeordnet sind, wie Fig. 2 zeigt.
Das so aufgebaute optische Element funktioniert in der nachstehend beschriebenen Weise. Wenn zwischen den Elektroden 5a und 5b eine Sperrspannung angelegt wird, dann werden in der aktiven Schicht 1 gebildete Energiebänder gekrümmt, und die in der aktiven Schicht 1 absorbierte Spitzen- bzw. Peakenergie wird dadurch geändert. Insbesondere wird, wie Fig. 3 zeigt, der Absorptionspeak zur Seite der langen Wellenlängen verschoben, d. h. zu der niederenergetischen Seite, wenn der Wert der angelegten Sperrspannung V von 0 auf V1 (> 0) und auf V2 (> V1) ansteigt. Wenn also Licht einer bestimmten Wellenlänge, beispielsweise λs gemäß Fig. 3, in dieses optische Element eingeleitet wird, kann die Durchlaßintensität für eingeleitetes Licht moduliert werden, indem die Spannung V geändert wird, die zwischen den Elektroden 5a und 5b angelegt wird, wie Fig. 4 zeigt.
Bei dem herkömmlichen optischen Element sind jedoch Sperrschichten 7, die eine Dicke von wenigstens ca. 100 Å haben, zwischen Muldenschichten 6 gebildet, und die Kopplung zwischen den Muldenschichten 6 ist daher vernachlässigbar klein. Um die Energiebänder stark krümmen zu können, ist es daher erforderlich, die Elektroden 5a und 5b vorzusehen, damit zwischen ihnen ein elektrisches Feld durch Anlegen der Sperrspannung V gebildet wird, und die resultierende Struktur ist somit kompliziert. Außerdem ist der Grad der Verschiebung des Absorptionspeaks in bezug auf die Krümmung der Energiebänder in der aktiven Schicht 1 klein.
Die WO 89/09425 zeigt eine elektrooptische Quantenmulden- Einrichtung, die eine Vielschicht-Halbleiterstruktur aufweist. Diese Einrichtung ist zwar mit Quantenmuldenschichten ausgebildet, die untereinander unterschiedliche Breiten besitzen, um zu versuchen, die Modulation von Licht zu verbessern, sie löst aber die oben angesprochenen Probleme nicht.
Die Veröffentlichung Applied Physics Letters, Vol. 49, Nr. 13, 29. September 1986, enthält einen Beitrag mit dem Titel "Integrated quantum well self-electro-optic effect device: 2 x 2 array optically bistable switches" auf den Seiten 821 bis 823. Dieser Beitrag zeigt ein optisches Element, das die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Anbetracht dieser Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element bereitzustellen, das einen einfachen Aufbau hat und dennoch fähig ist, den Absorptionspeak zu ändern.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Modulieren von Signallicht unter Verwendung dieses optischen Elements.
Die vorliegende Erfindung gibt somit ein optisches Element gemäß dem Anspruch 1 an. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüche 2 bis 6 angegeben.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Modulieren von Licht gemäß Anspruch 7 bereit. Bevorzugte Merkmale dieses Aspekts der Erfindung sind in den Ansprüchen 8 bis 11 angegeben.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen optischen Elements;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines vergrößerten Querschnitts eines Teils des in Fig. 1 gezeigten Elements;
Fig. 3 und 4 sind Diagramme von Durchlaß-Charakteristiken des in Fig. 1 gezeigten Elements;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines optischen Elements zeigt, das eine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von Lichtabsorptionsschichten der Ausführungsform;
Fig. 7 und 8 sind Diagramme von Energiebändern in gekoppelten Quantenmuldenschichten der Ausführungsform;
Fig. 9 und 10 sind Diagramme von Charakteristiken der absorbierten Peakenergie über der optischen Anregungsintensität bei der Ausführungsform; und
Fig. 11 bis 13 sind Diagramme der Durchlaß-Charakteristiken der Ausführungsform.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es wird zunächst auf Fig. 5 Bezug genommen; dort hat ein optisches Element ein GaAs-Substrat 14, auf dem eine AlGaAs- Mantelschicht 13 vom n-Typ gebildet ist. Eine Lichtabsorptionsschicht 11 ist über der Mantelschicht 13 gebildet, und eine AlGaAs-Mantelschicht 12 vom p-Typ ist über der Lichtabsorptionsschicht 11 gebildet.
Wie Fig. 6 zeigt, hat die Lichtabsorptionsschicht 11 eine solche Struktur, daß eine Vielzahl von gekoppelten Quantenmuldenschichten 15 mit dazwischengefügten Sperrschichten 16 aufeinandergestapelt ist. Jede Sperrschicht 16 hat eine Dicke von ca. 100 Å. Jede gekoppelte Quantenmuldenschicht 15 ist ein asymmetrisch gekoppeltes zweifaches Quantenmulden- Laminat, das aus einer GaAs-Quantenmuldenschicht 17 mit einer Dicke von 100 Å, einer GaAs-Quantenmuldenschicht 18 mit einer Dicke von 80 Å und einer AlGaAs-Tunnelsperrschicht 19 mit einer Dicke von ca. 10 Å gebildet ist, wobei die AlGaAs-Tunnelsperrschicht 19 zwischen den Schichten 17 und 18 angeordnet ist.
Die Betriebsweise dieser Ausführungsform wird nachstehend beschrieben. Die Fig. 7 und 8 zeigen Energiebänder in jeder gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 der Lichtabsorptionsschicht 11. In den Fig. 7 und 8 bezeichnet das Energieniveau in einem Leitungsband 21, und bezeichnen jeweils Energieniveaus in einem Valenzelektronenband 22. Ein hochgestellter Index an jedem der Energieniveau-Zeichen bezeichnet die dickere Quantenmuldenschicht 17, und ein hochgestellter Index bezeichnet die dünnere Quantenmuldenschicht 18. Ein tiefgestellter Index jedes Energieniveau-Zeichens bezeichnet das Quantenniveau. Die Energieniveaus sind also in bezug auf ein Quantenniveau von n = 1 allein angegeben, um die Erläuterung zu vereinfachen.
Ein Buchstabe bezeichnet die übergangsenergie zwischen dem Leitungsband 21 und dem Valenzband 22, und hochgestellte Indizes von bezeichnen die Quantenmuldenschichten in bezug auf das Leitungsband 21 und das Valenzband 22 in dieser Reihenfolge. In bezug auf Energie, die in derselben Quantenmuldenschicht durchgelassen wird, ist dem Buchstaben nur ein hochgestellter Index hinzugefügt, der die entsprechenden Quantenmuldenschicht bezeichnet. Tiefgestellte Indizes der übergangsenergie bezeichnen das Quantenniveau des Leitungsbands 21 und des Valenzbands 22. Beispielsweise repräsentiert E11hNW eine übergangsenergie zwischen einem Energieniveau e&sub1;N auf dem Leitungsband 21 und einem Energieniveau h&sub1;W auf dem Valenzband 22.
Da ein eingebautes Potential vorhanden ist, werden die Energiebänder in jeder gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 in einem thermischen Gleichgewichtszustand gekrümmt, wie es Fig. 8 zeigt. Wenn Licht in diese in Fig. 5 gezeigte optische Einrichtung eingeleitet wird, so wird das eingebaute Potential der gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 von Trägern abgeschirmt, die von dem Licht angeregt werden, so daß die Energiebänder in jeder gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 flach gemacht werden. Da die Anzahl der Träger, die in jeder gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 angeregt werden, zu der Intensität des eingeleiteten Lichts pröportional ist, wird der Grad der Flachheit der Energiebänder in jeder gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 mit zunehmender Lichtintensität höher, so daß der Zustand erreicht wird, in dem die Energiebänder dem vollständig flachen Zustand angenähert sind, wie Fig. 7 zeigt. Während des Übergangs von dem in Fig. 8 gezeigten Zustand zu dem in Fig. 7 gezeigten Zustand erfolgt daher eine Umlagerung der Energieniveaus e&sub1;N und e&sub1;W in den Quantenmuldenschichten 17 und 18 in dem Leitungsband 21.
Die Fig. 9 und 10 zeigen Charakteristiken von absorbierter Peakenergie in bezug auf die optische Anregungsintensität oder die Intensität von eingeleitetem Licht. In bezug auf die in Fig. 9 gezeigten Übergangsenergien E11h,lW und E11h,lNW wird davon ausgegangen, daß die Niveaus dieser Übergangsenergien sich ändern und einander durchdringen, wie die gestrichelten Linien in Fig. 9 zeigen, wenn der Kopplungsgrad zwischen den Quantenmuldenschichten 17 und 18 vernachlässigbar ist.
Bei dem optischen Element dieser Ausführungsform ist jedoch der Kopplungsgrad zwischen den Quantenmuldenschichten 17 und 18 ausreichend hoch, da diese Schichten auf beiden Oberflächen der Tunnelsperrschicht 19 gebildet sind, die eine geringe Dicke von ca. 10 Å hat. Die. Übergangsenergien E11h,lW und E11h,lNW andern sich daher repulsiv im Bereich des angenommenen Durchdringungspunkts. Infolgedessen ändern sich die Übergangsenergien oder die absorbierten Peakenergien aufgrund der optischen Anregungsintensität, wie die ausgezogenen Linien in Fig. 9 zeigen. Ebenso sind Änderungen der Übergangsenergien E11h,lWN und E11h,lN in Fig. 10 veranschaulicht.
Dann wird ein Signallicht erzeugt, das eine solche Wellenlänge und Intensität hat, daß Übergangsenergieniveaus erzeugt werden, die durch die ausgezogenen Linien in den Fig. 9 und 10 bezeichnet sind, und dieses Licht wird in das optische Element eingeleitet, wie Fig. 5 zeigt. In diesem Zustand wird in das optische Element ein Steuerlicht eingeleitet, das von dem Signallicht verschieden ist. Die optische Anregungsintensität in jeder gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 der Lichtabsorptionsschicht 11 wird in einem Ausmaß geändert, das der Intensität des Steuerlichts entspricht, und dadurch wird die absorbierte Peakenergie abrupt geändert. Das heißt also, der Durchlaßgrad des optischen Elements in bezug auf das Signallicht wird geändert, was ein Schalten des Signallichts ermöglicht.
Wenn sowohl Signallicht als auch Steuerlicht eingeleitet werden und wenn die Wellenlänge und die Intensität von jedem von dem Signallicht und dem Steuerlicht so eingestellt sind, daß in Kombination Übergangsenergieniveaus erzeugt werden, die mit den ausgezogenen Linien in den Fig. 9 und 10 bezeichnet sind, wird die absorbierte Peakenergie entlang der entsprechenden ausgezogenen Linie dieser Diagramme geändert, indem die Intensität des Steuerlichts geändert wird, so daß eine Intensitätsmodulation des durchgelassenen Signallichts erfolgt.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden die Energiebänder in der Lichtabsorptionsschicht 11 durch das Auftreffen des Steuerlichts geändert. Es ist aber auch möglich, die Energiebänder zu ändern, indem das optische Element mit Elektroden versehen und ein elektrisches Feld gebildet wird, wie das bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Element der Fall ist.
Eine Abschirmung des eingebauten Potentials jeder gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 der Lichtabsorptionsschicht 11 kann nur durch die Energie des Signallichts erfolgen. Es ist somit möglich, die Durchlaßgrad-Charakteristiken in bezug auf das Signallicht zu ändern, indem die Wellenlänge des Signallichts geändert wird, ohne daß Steuerlicht oder ein elektrisches Feld angewandt werden.
Beispielsweise zeigt das optische Element in bezug auf Signallicht einer Wellenlänge λ1, das in Fig. 9 gezeigt ist, eine Durchlaßgrad-Charakteristik, wie sie in Fig. 11 gezeigt ist, die allgemein symmetrisch um eine Lichtintensität I1 ist, aber es zeigt in bezug auf Signallicht einer Wellenlänge λ2, das in Fig. 9 gezeigt ist, eine Durchlaßgrad Charakteristik, wie sie in Fig. 12 gezeigt ist, wobei der Durchlaßgrad bei einer Lichtintensität 12 minimiert ist. Der Durchlaßgrad in bezug auf Signallicht einer Wellenlänge λ3, das in Fig. 9 gezeigt ist, wird bei einer Lichtintensität I3 minimiert, wie in Fig. 13 gezeigt ist. Daher können die Durchlaß-Charakteristiken oder Absorptions-Charakteristiken des optischen Elements nur durch die Wellenlänge des Signallichts geändert werden.
Es wird bevorzugt, die Dicke der Tunnelsperrschicht 19 auf einen Wert von nicht mehr als so Å einzustellen, um die Kopplung zwischen den Quantenmuldenschichten 17 und 18 in der gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 geeignet auszubilden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird das Signallicht senkrecht in die Lichtabsorptionsschicht 11 eingeleitet, wie Fig. 5 zeigt. Stattdessen kann die Lichtabsorptionsschicht 11 als Lichtwellenleiter verwendet werden, in den das Signallicht parallel dazu eingeleitet wird.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Paar von Quantenmuldenschichten 17 und 18 verwendet, die aus dem gleichen Material (GaAs), jedoch mit unterschiedlicher Dicke gebildet sind, um die gekoppelte Quantenmuldenschicht 15 zu bilden. Die Struktur dieser Schicht ist aber nicht darauf beschränkt; ein Paar von Quantenmuldenschichten, die gleiche Dicke haben und aus verschiedenen Materialien gebildet sind, oder ein Paar von Quantenmuldenschichten mit verschiedenen Dicken und aus verschiedenen Materialien können auch verwendet werden. Die Struktur der gekoppelten Quantenmuldenschicht 15 ist nicht auf eine asymmetrische Quantenmulden-Struktur beschränkt; eine symmetrische Quantenmulden-Struktur ermöglicht die Erzielung der gleichen Effekte. Die gekoppelte Quantenmuldenschicht 15 kann eine Mehrfach-Quantenmulden-Schichtstruktur haben, die von einer dreifachen oder noch höheren vielfach-Laminierung anstelle der doppelten Quantenmulden-Struktur gebildet ist.

Claims

1. Optisches Element zur Modulation von Licht, das folgendes aufweist:

- eine Mantelschicht (12) vom p-Typ;

- eine Mantelschicht (13) vom n-Typ; und

- eine Lichtabsorptionseinrichtung (11), die zwischen den Mantelschichten (12, 13) vom p-Typ und vom n-Typ vorgesehen ist, wobei die Absorptionseinrichtung (11) wenigstens eine Quantenmulden-Vielfachlaminatstruktur hat, die ein Paar von Quantenmuldenschichten (17, 18) und eine erste Sperrschicht (19) zwischen diesem Paar von Quantenmuldenschichten (17, 18) aufweist;

- wobei die erste Sperrschicht (19) eine Tunnelsperrschicht ist, so daß die Quantenmulden-Vielfachlaminatstruktur eine gekoppelte Quantenmulden-Vielfachlaminatstruktur (15) ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Sperrschicht (19) eine Dicke von nicht mehr als 50 Å hat und die gekoppelte Quantenmulden-Vielfachlaminatstruktur eine asymmetrische Quantenmulden-Laminatstruktur ist.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, wobei die Lichtabsorptionseinrichtung (11) eine Vielzahl von gekoppelten Quantenmulden-Vielfachlaminatstrukturen auf weist, die miteinander unter Zwischenfügung von zweiten Sperrschichten (16) laminiert sind.

3. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mantelschicht (12) vom p-Typ, die Mantelschicht (13) vom n-Typ und die erste Sperrschicht (19) aus AlGaAs gebildet sind und das Paar von Quantenmuldenschichten (17, 18) aus GaAs gebildet ist.

4. Optisches Element nach Anspruch 2 oder 3, wobei die zweiten Sperrschichten (16) aus AlGaAs gebildet sind.

5. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein Substrat (14) aufweist, das mit einer von der Mantelschicht (12) vom p-Typ und der Mantelschicht (13) vom n-Typ verbunden ist.

6. Optisches Element nach Anspruch 5, wobei das Substrat (14) aus GaAs gebildet ist.

7. Verfahren zum Modulieren von Signallicht, das folgendes aufweist:

- Einleiten des Signallichts in ein optisches Element nach Anspruch 1; und

- Veranlassen, daß die Quantenniveaus der Quantenmuldenschichten (17, 18) der gekoppelten Quantenmulden-Vielfachlaminatstruktur (15) einander durchdringen, so daß dadurch die Absorptionscharakterist iken der Lichtabsorptionseinrichtung (11) geändert werden, um das Signallicht zu modulieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Durchdringung zwischen den Quantenniveaus der Quantenmuldenschichten durch Träger bewirkt wird, die in der Lichtabsorptionseinrichtung (11) erzeugt werden, wenn Steuerlicht, das von dem Signallicht verschieden ist, in das optische Element eingeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Durchdringung zwischen den Quantenniveaus der Quantenmuldenschichten (17, 18) durch Träger bewirkt wird, die in der Lichtabsorptionseinrichtung (11) erzeugt werden, wenn das Signallicht in das optische Element eingeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei das Signallicht in die Quantenmuldenschichten senkrecht dazu eingeleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei das Signallicht in die Quantenmuldenschichten parallel dazu eingeleitet wird.