JPH0311319A - 光変調素子 - Google Patents

光変調素子

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JPH0311319A
JPH0311319A JP14732389A JP14732389A JPH0311319A JP H0311319 A JPH0311319 A JP H0311319A JP 14732389 A JP14732389 A JP 14732389A JP 14732389 A JP14732389 A JP 14732389A JP H0311319 A JPH0311319 A JP H0311319A
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Mitsunobu Gotoda
光伸 後藤田
Shigemitsu Maruno
丸野 茂光
Yoshitaka Morishita
森下 義隆
Masayuki Imaizumi
昌之 今泉
Yoshitoku Nomura
野村 良徳
Hajime Yoshiyasu
一 吉安
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Mitsubishi Electric Corp
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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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は光変調素子に関し、特にキャリア注入効果を
用いた外部光変調器に関するものである。
〔従来の技術〕
半導体レーザ光の直接変調が困難な場合や、特殊な変調
には電気光学効果あるいはキャリア注入効果などを用い
た外部変調の方法が用いられる。
中でも導波路型の光変調器は狭い導波路に光が閉じ込め
られているので回折現象がなく、狭い間隔の電極間に印
加電界を加えるので、印加電圧を小さくできる特徴があ
る。
第3図(a)は例えばオプチカル アンド クオンタム
 エレクトロニクス17  (1985)ρp449〜
455 (Optical and Quantum 
Electronics 17 (1985)pp44
9〜455)に記載された従来の導波路型光変調器の基
本的な構成を示す図であり、図において、32はInG
aAsPで形成されたりッジ導波路で、43の角度2θ
で交叉しており、バンドギャップ波長は1.2μmにな
るようにその組成が選ばれている。31はn型1nP基
板である。導波路32の交叉部上にはクラッド層をのせ
た電極部分42が形成されており、第3図ら)はこの部
分の断面図である。第3図山)において、33はp−1
nPクラッド層、34は電極のコンタクトをとるための
p−1nGaAsPキャップ層である。これらp−1n
Pクラッド層33.InGaAsP導波路32.n−1
nP基板31により、p−1nP/I nGaAs P
/n−1nPダブルへテロ構造が形成され、部分36の
屈折率は等節約にそれ以外の部分よりも高くなる。35
はマスク用のStO,膜である。
入射光41は第1のボート37又は第2のボート38か
ら素子内に入り、後述するような動作原理によって第3
のボート39又は第4のボート40から出射光として出
てくる。
次に動作について説明する。
入射光の波長がInGaAsPのバンドギャップ波長よ
りも長い(例えば1.5μm)時、光は比較的低い損失
で導波路内に閉じ込められる。キャリアが電極42から
pn接合を介して導波路層32に注入されると、部分6
6の屈折率はプラズマ効果により低下する。
今、半導体レーザの出力光が第1のボート37から入射
したとする。キャリアの注入を行わない場合、導波路内
に入った光はその大部分が第3のボート39から出てく
る。一方、キャリアの注入を行うと、InPクラッド層
33の接合平面に沿ったキャリア濃度の空間的変化、従
って屈折率の空間的変化が急峻となり、交叉角43が適
当な値であれば、大部分の入射光が第4のボート40か
ら出てくるようにすることができる。即ち、第1のボー
ト37に入射した光を部分36に注入する電流値を変え
ることによって、第3のボート39第4のボート40に
出てくる光のパワーの比を変えることができる。
上記のような原理で、入射光のスイッチングを行うこと
ができる。
次に第4図(a)はアプライド フィジクス レターズ
52 (1988) pp1608〜1610 (Ap
plied Physics Letters 52 
(1988) pp1608〜1610)に記載された
従来のパイボーラトンネリング電界効果トランジスタ(
以下BiTFETと記す)の基本的な構成を示す模式図
である0図において、1はソース電極、2はゲート電極
、3はドレイン電極、4は基板裏面に設けられた電極で
ある。を極にコンタクトをとるために設けられたのが、
n″層13、p゛層21である。14はn−層、22は
p−層であり、例えばイオン注入法によってn゛層13
及びp゛層21を形成した場合に自然に生じる。
結晶の層構造としてはゲート電極2に近い方からn−−
1nP層20、ノンドープInGaAs層19、n”−
1nGaAsii1B、p”−1nGaAs層17、ノ
ンドープI nGaAs層23、p−−InP層5とな
っている。iE子15はソースm1llから供給され、
正孔16はドレイン電極3から供給される。
次に動作について説明する。熱平衡状態において、高濃
度ドープされた2つの層、即ちp”−1nGaAs層1
7及びn” −I nGaAs1l 8は完全に空乏化
して空間電荷令頁域が形成され、ドナー27及びアクセ
プタ28が第4図(b)に示すように残る。キャリアは
出払ってノンドープInGaAs層19には電子が、ノ
ンドープInGaAs層23には正孔が拡散する。この
結果、第4回し)に示すように変調ドーピングの場合と
同様に、電子と正孔は縮退したチャネルを形成し、トン
ネル接合の2次元電極として働(、pn接合に順バイア
スをかけると、を流はソース電11.  ドレイン電極
3からコンタクト層であるn゛層13.p”層21を通
ってチャネルに低い入力抵抗で流れ込む、キャリアは2
次元チャネル内で縮退しており、ソース電極1.ドレイ
ン電極3の間のわずかなバイアスでも通常のトンネルダ
イオードにおけるトンネルi!A程と同様のメカニズム
で、電子が接合部をトンネルして電流が流れる。
一方、2次元電子と正孔のエネルギーレベルの重なる部
分がなくなると、トンネル電流は急激に減少し、負性抵
抗特性が現われる。このとき、電子と正孔の基準エネル
ギーレベルの差はゲート電極2.基板電極4間に逆バイ
アスをかけることによって増加させることができ、その
結果、電子と正孔のエネルギーレベルの重なり合う部分
が大きくなって、再び電流が増加する。これらの電極の
作用によって製作プロセスに依存するドーピング濃度プ
ロファイルで決定される。電子と正孔の工ネルギーレベ
ルを外部から制御することができ、三端子の食性抵抗素
子として使用することが可能となる。
バンドギャップの大きい層、即ちp−−InP層5及び
n−InP層20中に存在するP−層22及びn−層1
4はそれぞれへテロ接合を介してファウラー・ノルドハ
イム型トンネリングを防止する役目を果たしている。
BiTFETは電流スイッチ素子として使うことが可能
である。この使用法においてはソース電ff1lとドレ
イン電極3の間の電圧は負性抵抗が現われる所に設定さ
れ、ゲー)’ti2と基板電極4の間の電圧を変化させ
て負性抵抗特性が現われる直前の高い電流レベルと、負
性抵抗特性が現れた直後の低い電流レベルとを切り換え
ることができる。
トンネリング状態の2次元的性質により、電流のオン状
態とオフ状態の切り換えを行うために、量子化されたエ
ネルギーレベルをシフトさせるのに必要なゲート電圧の
変化はごくわずかで済む。
従って、電流利得は大きく、lps程度の高速のスイッ
チングが可能である。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の導波路型の光変調素子は以上のように構成されて
おり、このようなダブルへテロ接合では電流注入を停止
した後もキャリア再結合によって電子が消費されるまで
は電子が導波路に存在するため、スイッチ時間が変調器
内部のキャリア再結合時間(InPの場合約5ns)で
制限されてしまうことが多く、より高速の変調が困難で
あるという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、優れた高速応答性を持ち、わずかな電圧変化
で変調可能な光変調素子を得ることを目的とする。
(課題を解決するための手段) この発明に係る光変調素子は、導波路を構成する半導体
層を挟んで上下に電子と正孔の2次元チャネル層を実現
し、両者の間での導波層を介した電子のトンネル伝導を
制御することにより、入射光の変調を実現するようにし
たものである。
〔作用〕
この発明においては、導波路を構成する半導体層にBi
TFET構造の注入電流制御部分を設け、トンネル伝導
によって導波層にキャリアが注入されると、その部分の
等節約な屈折率が低下し、また制御電圧を変化させてト
ンネル伝導が起こらない状態を実現すると、導波層から
速やかにキャリアが引き抜かれる構成としたから、スイ
ッチング時間を大幅に短縮することができる。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を図について説明する。
第1図は本発明の一実施例による導波路型光変調素子の
基本的な構成を示す斜視図である0図において、lはソ
ース!橋、2はゲート電極、3はドレイン電極、4は基
板裏面に設けられた電極である。結晶の層構造は大別す
るとp−−InP層5、InCaAsnCaAs導波l
−6nP層7に分けられる。入射光12は第1のボート
8又は第2のボート9から素子内に入り、後述するよう
な動作原理によって第3のボート10又は第4のボート
11から出射光として出てくる。
第2図は第1図A−A ′を結ぶ線に沿って基板に垂直
に切断したときの断面の模式図である。従来例で説明し
たBiTFET構造が導波路の交叉部に形成されている
0図において、記号はすべて第4図のものと対応する。
次に動作について説明する。
今、第1図で入射光12が第1のボート8から入射する
ものとする。交叉部のBiTFETのソース電極1とド
レイン1!掻3の間の電圧は先に説明したように負性抵
抗が現われる所に設定されている。まず、ゲート電極2
.基板電極4の間の電圧をチャネルに注入される電流レ
ベルが低くなるように調節しであるとする。この時、大
部分の入射光は直進して第3のボート10から出てくる
次にゲート電極2.基板型i4の間の電圧を変えて、チ
ャネルに注入される電流レベルが高くなるようにする。
この場合には第2図のn”−1nGaAsillB、p
”−1nGaAs層17のチャネル部分にトンネル伝導
により大量のキャリアが注入されるため、この部分の屈
折率が低下する。
従って、入射光12から素子を見て左半分の導波路の等
節約な屈折率が低下するため、適当な導波路の形状を採
用すれば、大部分の入射光12が第4のボート11から
出てくるようにすることができる。ゲート・基板間電圧
をもとの値に戻せばトンネル伝導が起こらなくなり、導
波路部分の屈折率は従来例と比べて十分速やかにもとの
値に戻る。
このように本実施例ではゲート・基板間の制御電圧を変
化させて、キャリアの注入レベルを高速に制御し光のス
イッチング時間を大幅に短縮することができる。
なお、上記実施例では材料としてはI n G a A
s。
InPを用いた場合を述べたが、GaAs、AffiG
aAsを材料としてもよい。
(発明の効果] 以上のように、この発明によれば導波路型の光変調素子
において、BiTFET構造の電流注入領域を有し、ト
ンネル注入により電流を流すだけでな(、同じくトンネ
ル注入により高速で上記電流注入領域からキャリアを取
り出すことにより、導波路内の屈折率分布を変化させ、
入射光の変調を行う構成としたから、光変調素子の高速
変調特性を大幅に改善できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図はそれぞれこの発明の一実施例による導
波路型光変態素子の斜視図及び断面図、第3図(a)、
 (b)は従来の導波路型光変調素子の斜視図及び断面
図、第4図(a)、 (b)はパイボーラトンネリング
電界効果トランジスタの基本的な構成、及び動作を説明
するための図である。 1はソース電極、2はゲート電極、3はドレイン電極、
4は基板電極、5はp−InP層、6はInGaAs導
波層、7はn−−1nP層、8は第7のボート、9は第
2のボート、10は第3のボート、11は第4のボート
、12は入射光、13はn1層、14はn−層、15は
電子、16は正孔、17はp”−1nGaAs層、18
はn”−I nGaAs層、19はノンドープInGa
As層、20はn−−1nP層、21はp゛層、22は
p−層、23はノンドープI nGaAs層、27はド
ナー、28はアクセプタである。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)X字状に交叉する導波路を構成する多層半導体層
    を有し、 該導波路の交叉部にキャリアを注入することによって屈
    折率を変化させ、上記導波路を伝搬する導波光の強度を
    変化させるようにした光変調素子において、 上記導波路の交叉部において、BiTFETによりキャ
    リアをトンネル伝導させて導波路内のキャリア密度を変
    化させることを特徴とする光変調素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994006052A1 (fr) * 1992-09-10 1994-03-17 Fujitsu Limited Systeme de circuit optique et ses constituants
US6693736B1 (en) 1992-09-10 2004-02-17 Fujitsu Limited Optical circuit system and components of same

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