JPH0350247B2 - - Google Patents
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- JPH0350247B2 JPH0350247B2 JP62110915A JP11091587A JPH0350247B2 JP H0350247 B2 JPH0350247 B2 JP H0350247B2 JP 62110915 A JP62110915 A JP 62110915A JP 11091587 A JP11091587 A JP 11091587A JP H0350247 B2 JPH0350247 B2 JP H0350247B2
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- Japan
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- light
- modulator
- reflector
- compound semiconductor
- light beam
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- 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
-
- 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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- G02F1/0155—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
- 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]
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- 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
- G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
- G02F2201/34—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 reflector
- G02F2201/346—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 reflector distributed (Bragg) reflector
-
- G—PHYSICS
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- 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
- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/02—Function characteristic reflective
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- Nonlinear Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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
トロニツク電圧制御式変調器に関するものであ
る。
トロニツ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、遠隔通信にとつてもデータ処理シス
テム内のデータ転送にとつても最近増々重要にな
つてきている。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、処理のための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。
テム内のデータ転送にとつても最近増々重要にな
つてきている。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、処理のための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。
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。
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つた外部の非反射式変調器の
使用である。
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つ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ヨン
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
イ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、また複数の光チヤネル用の光
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。
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
イ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、また複数の光チヤネル用の光
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
造の両面にあるため、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。
するものの光ビームの入力部と出力部が変調器構
造の両面にあるため、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。
り回避される。
以下で提案する変調器は、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1nｍ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、親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ニ
ツク・システムまたは将来予想されるオプトエレ
クトロニツク・システムで使用される広範囲のデ
バイスをもたらす。
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1nｍ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、親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ニ
ツク・システムまたは将来予想されるオプトエレ
クトロニツク・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つて必要な
基本的特性を有する。それらの半導体は直接遷移
バンド・ギヤツプを有する。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・ギヤツプおよび屈折率
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ヘテロ構造を
成長させることができる。
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つて必要な
基本的特性を有する。それらの半導体は直接遷移
バンド・ギヤツプを有する。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・ギヤツプおよび屈折率
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ヘテロ構造を
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。
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（Semiconductor Superlattices
and Quantum Wells）」（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）。
よび量子井戸（Semiconductor Superlattices
and Quantum Wells）」（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15年間に渡る超格子および
研究における重要な業績を概観している。
研究における重要な業績を概観している。
(B) D.S.シエムラ（Chemla）による「フオトニ
クスのための量子井戸（Quantum Wells for
Photonics）」（Phisics Today、1985年５月号、
第57〜64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ニツク特性を論じて
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−ｉ−ｎダイオードによつて形成される。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。
クスのための量子井戸（Quantum Wells for
Photonics）」（Phisics Today、1985年５月号、
第57〜64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ニツク特性を論じて
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−ｉ−ｎダイオードによつて形成される。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
（NovelOptical Modulators and Bistable
Devices Using the Self−Electro−optic
Effect in Semiconductor Quantum Wells）」
（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）。
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
（NovelOptical Modulators and Bistable
Devices Using the Self−Electro−optic
Effect in Semiconductor Quantum Wells）」
（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GaAs／GaAlAs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、GaAlAs障壁で分離された50周期の
GaAs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。
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、GaAlAs障壁で分離された50周期の
GaAs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.デーラー（Doehler）による「新奇な半
導体デバイス用のｎ−ｉ−ｐ−ｉドーピング超
格子の電位「The Potential of ｎ−ｉ−ｐ−
iDoping Superlattices for Novel
Semiconcdctor Devices）」（Super lattice
and Microstructure、第１巻、第３号、1985
年、第279〜287頁）。
導体デバイス用のｎ−ｉ−ｐ−ｉドーピング超
格子の電位「The Potential of ｎ−ｉ−ｐ−
iDoping Superlattices for Novel
Semiconcdctor Devices）」（Super lattice
and Microstructure、第１巻、第３号、1985
年、第279〜287頁）。
この論文には、ｎ−ｉ−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−ｉ−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。
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−ｉ−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−Wavelength
Photodetector Based on Reverse−Biased
Doping Superlattices）」（Appl.phys.Lett.45
(9)、1984年11月１日、第919〜921頁）。
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−Wavelength
Photodetector Based on Reverse−Biased
Doping Superlattices）」（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によつて成長
させたGaAs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ニツク・デ
バイス用としても魅力的である。
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によつて成長
させたGaAs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ニツク・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、本発明によつて提供される変調
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。
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、本発明によつて提供される変調
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。
Ｃ 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
レクトロニツク・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。
し、光データ伝送システムで使用されるオプトエ
レクトロニツク・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。
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。
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。
Ｄ 問題点を解決するための手段
本発明は、基板−光反射体−光吸収体の光変調
器において光吸収体を量子井戸を形成する超薄層
の多層構造となし、光反射体を超格子構造の超薄
層の多層構造となして効率のよい光変調器を提供
するものである。
器において光吸収体を量子井戸を形成する超薄層
の多層構造となし、光反射体を超格子構造の超薄
層の多層構造となして効率のよい光変調器を提供
するものである。
具体的には、本発明の光変調器は下記の構成を
有する。
有する。
化合物半導体材料の基板上に積層状にエピタキ
シヤル成長された化合物半導体材料の多層構造の
光反射体と、 該反射体上に積層状にエピタキシヤル成長され
た化合物半導体材料の多層構造の光吸収体と、 前記基板及び光吸収体に跨がつて電気制御信号
を印加する手段とを備え、 前記光吸収体の上面から入射した光ビームが前
記光反射体で反射される前後に前記光吸収体を通
過する際にその光を前記電気制御信号で変調され
るように構成されている光ビームの外部変調のた
めの電圧制御式光変調器において、 前記光反射体は、交互に積層された異なつた化
合物半導体材料の多層構造から成る超格子構造体
であり、その各層の光学的厚さが変調すべき光ビ
ームの1/4波長に実質的に等しいように選択され
ており、 前記光吸収体は、量子井戸を形成する第１の化
合物半導体材料の層と該量子井戸間の分離障壁を
形成する第２の化合物半導体材料の層を交互に積
層した多層構造体である事を、 特徴とする光変調器。
シヤル成長された化合物半導体材料の多層構造の
光反射体と、 該反射体上に積層状にエピタキシヤル成長され
た化合物半導体材料の多層構造の光吸収体と、 前記基板及び光吸収体に跨がつて電気制御信号
を印加する手段とを備え、 前記光吸収体の上面から入射した光ビームが前
記光反射体で反射される前後に前記光吸収体を通
過する際にその光を前記電気制御信号で変調され
るように構成されている光ビームの外部変調のた
めの電圧制御式光変調器において、 前記光反射体は、交互に積層された異なつた化
合物半導体材料の多層構造から成る超格子構造体
であり、その各層の光学的厚さが変調すべき光ビ
ームの1/4波長に実質的に等しいように選択され
ており、 前記光吸収体は、量子井戸を形成する第１の化
合物半導体材料の層と該量子井戸間の分離障壁を
形成する第２の化合物半導体材料の層を交互に積
層した多層構造体である事を、 特徴とする光変調器。
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つて変調可能な反射
率をもつ鏡として説明することができる。
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つて変調可能な反射
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（GaAs）
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
外部光源から受け取つた光ビーム１７はこの窓を
通つてデバイスに入る。光ビームは吸収体１３を
２回、すなわち、反射体１２による反射の前後
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によつて決まる。
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（GaAs）
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
外部光源から受け取つた光ビーム１７はこの窓を
通つてデバイスに入る。光ビームは吸収体１３を
２回、すなわち、反射体１２による反射の前後
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によつて決まる。
従つて、窓１８を通つてデバイスを出た光ビー
ム１７は、印加されたVc信号に従つて変調され
る。このVc信号は、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入つ
てくる光ビームのビーム強度の比が、変調器内
で、０と１の間で「切り換え」られる。
ム１７は、印加されたVc信号に従つて変調され
る。このVc信号は、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入つ
てくる光ビームのビーム強度の比が、変調器内
で、０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GaAsおよびGaAlAs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・ギヤツプは、デバイスの光吸収体部１
３以外のどの部分でも光が吸収されないように、
選ばれる。
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GaAsおよびGaAlAs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・ギヤツプは、デバイスの光吸収体部１
３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、
ほぼ理想的な（100％）反射体をもたらす。
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、
ほぼ理想的な（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、量子井戸によつ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VBIAS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。
は、やはり一連の異なる化合物半導体層から成
る、量子井戸によつ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VBIAS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、入つてくる光ビーム
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。従つて、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。一例として、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子を表わす。
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。従つて、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。一例として、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子を表わす。
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２
９に伝送することである。パルス・シーケンス２
７および２８は、それぞれ送るべきデータおよび
受け取るべきデータを表わす。
たはデータ源２０で発生するデータを受光装置２
９に伝送することである。パルス・シーケンス２
７および２８は、それぞれ送るべきデータおよび
受け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２１、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
フアイバ２３、光方向性カプラ２２、さらにフア
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に従つて変調され、フ
アイバ２４、カプラ２２およびフアイバ２５を介
して受光装置２９に再伝送される。受光装置２９
で、入つてくる光パルスはオプトエレクトロニツ
ク光検出器等の光感知センサ２６によつて受け取
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。
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
フアイバ２３、光方向性カプラ２２、さらにフア
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に従つて変調され、フ
アイバ２４、カプラ２２およびフアイバ２５を介
して受光装置２９に再伝送される。受光装置２９
で、入つてくる光パルスはオプトエレクトロニツ
ク光検出器等の光感知センサ２６によつて受け取
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。
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１な
いし３ミクロンのｎ＋GaAs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、AlAs層３３ａおよびGax
Al(1-x)As層３３ｂが交互に15回積層されたもの
から成る。
付着すべきベースとなる。この基板は、厚さ１な
いし３ミクロンのｎ＋GaAs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、AlAs層３３ａおよびGax
Al(1-x)As層３３ｂ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。
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。
ｄ＝λ／４・１／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、AlAsの屈析率ｎ＝3.0、
Ga0.9Al0.1Asの屈析率ｎ＝3.55とすると、AlAs層
３３ａではｄ＝70.8nｍ、Ga0.9Al0.1As層３３ｂで
はｄ＝59.9nｍが得られる。
Ga0.9Al0.1Asの屈析率ｎ＝3.55とすると、AlAs層
３３ａではｄ＝70.8nｍ、Ga0.9Al0.1As層３３ｂで
はｄ＝59.9nｍ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。
は、その場合下記の値にほぼ等しくなる。
dR＝15×（70.8＋59.9）ｎｍ≒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11nｍの薄いGaAs３４ａ層および
Ga0.7Al0.3As３４ｂ層が交互に100回積層された
ものから成る。GaAs層は、GaAlAs層によつて
分離された量子井戸を形成する。
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11nｍの薄いGaAs３４ａ層および
Ga0.7Al0.3As３４ｂ層が交互に100回積層された
ものから成る。GaAs層は、GaAlAs層によつて
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Ga0.9Al0.1As接点層３
５および３６が付着される。ｐ＋層３５のドーピ
ング濃度は約５×1017ないし２×1018cm-3であり、
より高濃度でドープされたＰ＋＋層３６のドーピ
ング濃度は約1020cm-3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ヨ
ン３７によつてもたらされる。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Ｌ
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。
150nｍおよび50nｍのＰ形Ga0.9Al0.1As接点層３
５および３６が付着される。ｐ＋層３５のドーピ
ング濃度は約５×1017ないし２×1018cm-3であり、
より高濃度でドープされたＰ＋＋層３６のドーピ
ング濃度は約1020cm-3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ヨ
ン３７によつてもたらされる。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Ｌ
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。
接点層３５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つて発生する電界が変調
器構造の全断面に渡つて十分に均一に分布する。
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つて発生する電界が変調
器構造の全断面に渡つ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Si3N4から成り、λ／４の光学的
厚さに相当する約100nｍの厚さを有する。この
被覆は、周知の方式で、それがなければフアイバ
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。
る。被覆３８はSi3N4から成り、λ／４の光学的
厚さに相当する約100nｍの厚さを有する。この
被覆は、周知の方式で、それがなければフアイバ
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３
９は厚さ80nｍのAu−Ge−Ni−Au層から成り、
付着の際に合金化され（430℃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。
れた溝の表面にｎ接続３９が形成される。接点３
９は厚さ80nｍのAu−Ge−Ni−Au層から成り、
付着の際に合金化され（430℃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図からわかるように、波長λ＝
0.85ミクロンの場合、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、反射されて吸収体をもう一度通過
する。
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図からわかるように、波長λ＝
0.85ミクロンの場合、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、反射されて吸収体をもう一度通過
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３３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との関係をプロツトしたものである。
ただし、透過率Ｔは、出てゆく光ビームと入つて
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VBIAS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、10％程度である。
調器の動作特性を示す。曲線５１は、吸収体３４
および反射体３３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との関係をプロツトしたものである。
ただし、透過率Ｔは、出てゆく光ビームと入つて
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VBIAS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、10％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、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、したがつ
てデバイスが光データ転送システムでの使用に
（例えば、スイツチとして）十分適したものにな
る。
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、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、したがつ
てデバイスが光データ転送システムでの使用に
（例えば、スイツチとして）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な刊行物で提
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
きな困難を伴わず、十分な精度、信頼性および再
現性をもつ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。
使用し、本明細書の導入部で参照しな刊行物で提
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
きな困難を伴わず、十分な精度、信頼性および再
現性をもつ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
フエ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。
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
フエ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、単一の光フアイバに到着す
る光ビームのみを受け取つて変調するように構成
することができるが、また複数のフアイバに到着
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
有利なマトリツクス構成も考えられる。
る光ビームのみを受け取つて変調するように構成
することができるが、また複数のフアイバに到着
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
有利なマトリツ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−ｉ−ｐ−ｉドーピング超格子構
造から構成することができる。
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−ｉ−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、従つて、
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。
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、従つて、
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。一例として、キヤ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
100nｍ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。
る。一例として、キヤ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
100nｍ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。
Ｆ 発明の効果
本発明によつて提供される主な利点は、以下の
通りである。
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ニツク素子または電子素子
と適合する。従つて、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。
他のオプトエレクトロニツク素子または電子素子
と適合する。従つて、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。
光ビーム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。
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
クリテイカルでない環境に置くことが可能であ
り、従つて動作条件が一層効率的に余りクリテイ
カルでない。
クリテイカルでない環境に置くことが可能であ
り、従つて動作条件が一層効率的に余りクリテイ
カルでない。
第１図は、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、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、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
制御電圧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、１４，１５，１６……接点、１７……光
ビーム、１８……窓。
素の概略図、第２図は、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、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
制御電圧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、１４，１５，１６……接点、１７……光
ビーム、１８……窓。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 化合物半導体材料の基板上に積層状にエピタ
キシヤル成長された化合物半導体材料の多層構造
の光反射体と、 該反射体上に積層状にエピタキシヤル成長され
た化合物半導体材料の多層構造の光吸収体と、 前記基板及び光吸収体に跨がつて電気制御信号
を印加する手段とを備え、 前記光吸収体の上面から入射した光ビームが前
記光反射体で反射される前後に前記光吸収体を通
過する際にその光を前記電気制御信号で変調され
るように構成されている光ビームの外部変調のた
めの電圧制御式光変調器において、 前記光反射体は、交互に積層された異なつた化
合物半導体材料の多層構造から成る超格子構造体
であり、その各層の光学的厚さが変調すべき光ビ
ームの1/4波長に実質的に等しいように選択され
ており、 前記光吸収体は、量子井戸を形成する第１の化
合物半導体材料の層と該量子井戸間の分離障壁を
形成する第２の化合物半導体材料の層を交互に積
層した多層構造体である事を 特徴とする光変調器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP86108263.4 | 1986-06-18 | ||
| EP86108263A EP0249645B1 (en) | 1986-06-18 | 1986-06-18 | Optoelectronic voltage-controlled modulator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6324218A JPS6324218A (ja) | 1988-02-01 |
| JPH0350247B2 true JPH0350247B2 (ja) | 1991-08-01 |
Family
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 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0249645B1 (ja) |
| JP (1) | JPS6324218A (ja) |
| DE (1) | DE3681164D1 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4915482A (en) * | 1988-10-27 | 1990-04-10 | International Business Machines Corporation | Optical modulator |
| US5426312A (en) * | 1989-02-23 | 1995-06-20 | British Telecommunications Public Limited Company | Fabry-perot modulator |
| GB2231969B (en) * | 1989-05-12 | 1993-11-03 | Stc Plc | Optical modulator |
| US5026148A (en) * | 1989-12-26 | 1991-06-25 | Hughes Aircraft Company | High efficiency multiple quantum well structure and operating method |
| GB9011813D0 (en) * | 1990-05-25 | 1990-07-18 | British Telecomm | Fabry-perot modulator |
| GB2245758B (en) * | 1990-06-29 | 1994-10-26 | Gen Electric Co Plc | A combined bipolar junction transistor and an optical modulator |
| KR0148597B1 (ko) * | 1994-11-23 | 1998-10-15 | 정선종 | 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자 |
| JP4585171B2 (ja) * | 2001-01-30 | 2010-11-24 | マイクロソフト インターナショナル ホールディングス ビイ．ヴイ． | 光変調器 |
| WO2011089243A1 (en) * | 2010-01-22 | 2011-07-28 | Vrije Universiteit Brussel | Evanescent wave absorption based devices |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1603131A (ja) * | 1968-07-05 | 1971-03-22 | ||
| JPS577418A (en) * | 1980-06-16 | 1982-01-14 | Takeda Chem Ind Ltd | Cephalosporin agent composition for oral administration |
| US4525687A (en) * | 1983-02-28 | 1985-06-25 | At&T Bell Laboratories | High speed light modulator using multiple quantum well structures |
-
1986
- 1986-06-18 EP EP86108263A patent/EP0249645B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1986-06-18 DE DE8686108263T patent/DE3681164D1/de not_active Expired - Lifetime
-
1987
- 1987-05-08 JP JP62110915A patent/JPS6324218A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6324218A (ja) | 1988-02-01 |
| DE3681164D1 (de) | 1991-10-02 |
| EP0249645A1 (en) | 1987-12-23 |
| EP0249645B1 (en) | 1991-08-28 |
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