JPH04163967A - 光デバイス - Google Patents

光デバイス

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JPH04163967A
JPH04163967A JP2289644A JP28964490A JPH04163967A JP H04163967 A JPH04163967 A JP H04163967A JP 2289644 A JP2289644 A JP 2289644A JP 28964490 A JP28964490 A JP 28964490A JP H04163967 A JPH04163967 A JP H04163967A
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JP
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quantum well
optical device
light
electric field
well layer
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JP2289644A
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Takeo Ono
武夫 小野
Kazuto Fujii
和人 藤井
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Canon Inc
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Publication date
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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］ 本発明は、半導体量子井戸構造を複数（典型的には２つ
〕の量子井戸を結合させた非対称量子井戸構造とするこ
とで、電界印加により吸収が変化せず屈折率のみ変化す
ることを利用した光デバイスに関する。
［従来の技術］ 近年、光通信は、大容量化及び高速通信化が可能という
特長を持つ為に、その研究開発が盛んであるが、光の特
性を生かした更なる大容量化及び高速化に向かって、波
長多重通信や光コヒーレント通信へと技術は移り変わろ
うとしている。そこで、波長の異なる光を送、受信する
光デバイスや光の位相を変調させる光デバイスなどの研
究開発が、現在、盛んである。
波長多重通信では、光源を半導体レーザなどとすると波
長の可変幅が数十人程度であり、この範囲で波長多重を
行なった場合、波長スペクトル幅１Å以下の光を２〜３
人の分解能で選択する様なものが必要となる。
この様な素子で公知なものとして、第１０図に示す様な
分布反射部が形成された導波型フィルタがある（沼居他
「位相シフト制御型ＤＦＢＬＤを用いた可変波長フィル
タ」昭和６３年電子情報通信学会　秋季全国大会　予稿
集Ｃ−１６１参即）、このフィルタは、選択波長を変化
させる手段として、グレーティングを形成した導波路の
屈折率を、半導体に電流１．（活性電流）、Ｉ、（位相
調！！［流）を流してキャリア密度を増大させることで
変化させ、グレーティングで分布反射される光の波長を
変動させていた。
また、第１１図に示す様な面発光レーザと同様な構造を
用いたファブリベロー型のフィルタも知られている（窪
田他「面発光レーザ型波長選択フィルタＪ　１９９０年
電子情報通信学会　春季全国大会　予稿集Ｃ−２４６１
照）。この例も、キャリアを注入して屈折率を変え選択
波長をシフトさせている。
更に、位相変調素子として、第１２図に示す半導体超格
子層（ｉ−ＭＱＷ）に電界を印加し、量子閉じ込めシュ
タルク効果により屈折率を変化させる方法を用いた素子
も知られている（Ｈ，Ｎａｇａｉ　　ｅｔ　　ａｌ、”
’Ｆｉｅｌｄ−ｉｎｄｕｅｅｄ　　ｍｏｄｕｌａｔｉｏ
ｎｓ　　ｏｆ　　ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　　１ｎｄｅｘ
　　ａｎｄ　　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　　ｃｏｅｆｆｉ
ｃｉｅｎｔ　　ｉｎ　　ａＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　　
　ｑｕａｎｔｕｍ　　　ｗｅｌｌ　　　５ｔｒｕｃｔｕ
ｒｅ”Ｅｌｅｃｔ、Ｌｅｔｔ、　　１４ｔｈ　　　ｖｏ
ｌ、２２．Ｎｏ−１７（１９８６）参照）。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、第１０図の例では、導波層に電流が流れる為に
濃度が変化し、その為、屈折率が増大して、キャリア注
入による屈折率の減少を打ち消してしまうという欠点及
び熱雑音も増大させるという欠点を有している。更に、
キャリア注入により自然発光も生じ、これと入射光との
ビート雑音が発生するなど、不都合な点が多かった。
第１１図の従来例でも、選択波長をシフトさせる為にキ
ャリアを注入するので、第１０図の例と同様、温度上昇
や自然発光の影響で特性が悪化し、結果的に可変波長幅
は小さなものになってしまう。
更に、第１２図の位相変調素子でも、量子閉じ込めシュ
タルク効果で電界によりエキシトン波長が長波長側にシ
フトする為、吸収も電界により変化してしまい、フィル
タされて出て（る光の波長を変えると出力も変化してし
まった。これにより５使用可能な可変波長範囲が狭（な
るという欠点を有していた。また、位相変調される光の
波長付近の吸収が急激に増大してしまい、出射光強度が
太き（減少してしまうこともあった。
従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、成る波長
域では電界印加により吸収は変化せず屈折率のみ変化す
る機能を実現した光デバイスを提供することにある。
［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成する為の本発明による光デバイスでは、
半導体量子井戸層を複数（少な（とも２つ）の異なる量
子井戸を結合させた非対称量子井戸構造とし、深い方の
量子井戸の幅が浅い方の量子井戸の幅より狭く構成され
、電界印加による量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣ５
Ｅ）によるエキシトン（励起子）波長の移動が殆ど見ら
れない程度にすることで、成る波長域では電界により吸
収は変化せず屈折率のみ変化する様にしている。
より具体的には、半導体量子井戸層をｐ型とｎ型の半導
体で挟んだ構造とし、この量子井戸層に電界を印加する
手段が設けられ、非対称量子井戸構造の量子井戸層が２
つの異なる量子井戸が近接して形成され、この２つの量
子井戸内での電子の波動が互いに干渉し合う様な構造と
し、エネルギの低い（浅い）量子井戸がエネルギの高い
（深い）量子井戸に比べ幅が広くなっている。
本発明について、その構成と動作原理を以下に説明する
。２種類の量子井戸１，２（幅の広い浅い井戸１と幅の
狭い深い井戸２）を結合させ第１図（ａ）の様なエネル
ギバンド構造を持つ非対称量子井戸に沿って説明する。
無電界時における電子の基底準位Ｅ１及び２次の準位Ｅ
２の波動間数ψＥ１、ψ。を実線と破線で示し、またホ
ールの方は基底準位であるヘビーホールＨＨＩの波動関
数ψＨ□のみ示されている。
電界を印加していくと、第１図（ｂ）、（ｃ）の様にψ
Ｅ１、ψ、２は変化し、波動間数ψ、は深い方の井戸２
に閉じ込められていたものが（第１図（ａ）’！照）浅
く幅広い井戸１の方へ分布する様になり、ψ。は逆に深
い方の井戸２に分布する率が高くなる。しかし、ホール
の方のψ□１は電界により殆ど変化しない。
ここで、エキシトンの吸収α０．は、下式の様に電子と
ホールの波動関数の重なり積分に比例する°１ （ｚ’、、（ｘ：ｊψ、＊ψＨｄｚ　　・・・・　（１
）よって、第１図（ｂ）、（Ｃ）より分かる様に、ψｏ
１とψＨＨ＋の重なりは電界を大きくするに従い急激に
減少し、そして深い方の井戸２は幅が狭い為にエキシト
ンのエネルギは殆ど変化しない。
すなわち、最もエネルギの低い準位Ｅ１とＨＨＩ間の遷
移によるエキシトンの強度は電界を大きくするにつれて
急激に小さ（なり、そして通常のＱＣ５Ｅと違いエネル
ギが低い方ヘシフトするレッドシフトの量も小さい。
一方、その分、ψ、２とψ、Ｉの重なりが太き（なり、
Ｅ２とＨＨＩ間の遷移によるエキシトンの強度が増す。
第２図（ａ）に上記の事情が示されている。電界強度を
Ｆ、、Ｆ、と大きくしていった時の吸収率αの波長依存
性は、次の様になる。電界Ｆｌのとき（破線で示す）、
Ｅ、−ＨＨＩのエキシトンビークが現われ始め％Ｅ、−
ＨＨＩのエキシトンビークは急激に小さくなる。電界Ｆ
２のとき（−点鎖線で示す）、Ｅ、−ＨＨＩのエキシト
ンビークは殆ど見えなくなる。この間、Ｅ、−ＨＨＩエ
キシトンビークのエネルギ（波長）は第２図（ａ）から
分かる様に殆ど変化していない。
一方、この時の屈折率変化Δｎを第２図（ｂ）に示した
。電界Ｆ＝Ｆ、にしたときのΔｎの波長依存性を実線で
、Ｆ＝Ｆ＊　　（＞Ｆ＋　）にしたときのΔｎの波長依
存性を破線で示した。無電界時（Ｆ＝０）のＥ、−Ｈｎ
１エキシトンのエネルギより低いエネルギの光である波
長ん１では、第２図（ａ）に沿って説明した様にＥ、−
ＨＨＩエキシトンがレッドシフトせず強度だけ減少する
為に吸収は殆ど変化せず、他方、第２図（ｂ）に示す様
に屈折率のみ変化する。
［実施例］ 第３図（ａ）、（ｂ）は上述した原理を用いた変調振幅
が太き（出力強度の変動が小さい位相変調器の実施例の
構造を示す図、及びその量子井戸層のエネルギバンド図
である。
同図において、３１はｎ−ＧａＡｓ基板、３２はｎ　　
Ａ　ｌ　ｏ、ｓ　Ｇ　ａｏ、ａ　Ａ　Ｓ　（厚さ１．５
ｇｍ）のクラッド層％３２′はｐ−Ａ　１　ｏ、ｓ　Ｇ
　ａｏ、ｓ　ＡＳ（厚さ１．５μｍ）のクラッド層、３
３は非対称量子井戸層、３４．３４″は量子井戸層３３
に電界印加する為の電極、３５．３５′は光入出射端で
の反射をなくす為の無反射コートである。非対称量子井
戸層３３は、第３図（ｂ）に示した様に（エネルギバン
ド構造で示す）　、　ｉ　−Ａ　Ｉ　Ｏ，１゜Ｇ　ａ　
ｏ、　ａｎＡ　Ｓ　（厚さ８０人）４１と１−ＧａＡｓ
（厚さ４０人）４２の井戸がｉ　−Ａ　Ｉ　０．４　Ｇ
　ａ。
５Ａｓ（厚さ２０人）４３の障壁層を挟んだ構造となり
、両側が１−Ａｌｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓ　（厚さ１
００人）４４の障壁となって２つの量子井戸層を形成し
、多重量子井戸となっている。
こうした構造において、光は外部から屈折率の高い量子
井戸層３３に結合しく両側のｎ型とｐ型のクラッド層３
２．３２′の屈折率がこの層３３より小さい）、導波す
る。
以上の構造の量子井戸層３３の吸収係数αの各印加電圧
における波長依存性を第４図に示す（各印加電圧におい
て光子エネルギが１．５０ｅＶのところでは吸収係数α
は目盛Ｏ近くにあり、縦軸の１つの目盛はａ＝４Ｘ１０
００ｃｍ−’である）前記原理で述べた様に、Ｅ、−Ｈ
）（１のエキシトンビーク（マで示す）は電界７５ｋＶ
／ｃｍで消失し、替わってＥ、−ＨＨＩのエキシトンビ
ーク（で示す）が現われる。また、Ｅ、−ＨＨＩのエキ
シトンビークは５０　ｋ　Ｖ　／　ｃ　ｍの電界までは
、そのエネルギが殆ど変化していない。その為、１．５
５ｅＶ以下のエネルギの光の吸収係数αは電圧の変化に
より殆ど変化していない。
一方、この時の電界による屈折率変化Δｎの各印加電圧
における波長依存性を第５図に示す。吸収の小さい１．
５３ｅＶ以下の光においても５×１０−３程度のΔｎが
得られているのが分かる。
本実施例では第３図に示した導波路の長さを２００μｍ
とし、ここに波長０．８１５ｕｍ　（１゜５２ｅＶ）の
光を導波させると、位相を１変調させるのに５０　ｋ　
Ｖ　／　ｃ　ｍの電界印加で済み、光出力の強度の変化
もｌｄＢ以内におさまった。
第６図は第２実施例の構成の断面を示す。第２実施例は
前述の原理を用いた波長可変フィルタとして構成されて
いる。
同図において、６１〜６５．６５゛までは第１実施例で
第３図に示した３１〜３５．３５′と同じ材料、構造で
ある。６６．６６′は１−Ａ１゜４０８６、６　Ａ　５
層で光ガイド層を形成し、一方の光ガイド層６６゛には
グレーティング６７が形成されている。グレーティング
６７の一部には、位相を２．／２シフトする部分６８が
設けられているこの素子に光を４波させると、グレーテ
ィング６７により光は回折され、第７図の様な透過スペ
クトルになる。グレーティング６７のピッチをΔとする
と、ブラッグ回折波長λおはん＠　＝　２　ｎ　＊　ｔ
Ｉ　Ａ　（ｎ　ｏｔｅは導波路の等側屈折率）で表わせ
るここで、電極６４．８４’間に逆バイアスを印加する
と、電界により前述した効果で屈折率のみ変化し、え、
はΔλ、＝２Δｎ＊ｔｔΔだけシフトする。
本実施例では５０ｋＶ／ｃｍ電圧印加することで１２人
のり、のシフトが達成でき、光出力の吸収の変化も１ｄ
Ｂ以内であり、安定した出力で１２人シフト可能な波長
可変フィルタが実現できた第２実施例では、第７図に示
した様にブラッグ波長λ、かう離れた波長の光は透過し
てしまい、フィルタとして使用する上で丸、から離れす
ぎた波長の光が入射光する場合は使用できないという欠
点があった。
そこで、第２実施例のフィルタを反射部とし、別に活性
層を設けたアンプ機能付きフィルタとすることで、え、
の光だけ増幅して出射することを可能にした第３実施例
を以下に説明する。
第８図に第３実施例の構成断面を示し、同図において、
８１〜８８までは第２実施例の第６図に示した６１〜６
８までと同じ材料、構造である。
８３′は０．１層ｍ厚の１−Ａｌｏ、＋　Ｇａ＋）、ｅ
　ＡＳ、８９は電極分離の為の溝、９０は電流を注入す
る為の電極である。
電極９０に本素子が発振するしきい値電流以下の電流を
流した状態で、外部から光を導波させた時の出射光強度
の波長依存性は、第９図に示す如くλ８の光のみが増幅
されて出て来る様なものである。
第２実施例と同様に、ここで、電極８４．８４′間に逆
バイアスを印加して電界を５０ｋＶ／ｃｍとすると、Δ
え＝１２人のシフトが起こった。
グレーティング８７による分布反射部での電界印加によ
る吸収の変化が前述した如（小さい為、活性層８３′を
設けた増幅部（半導体活性領ｔ！Ｉｉ）においてアンプ
する電流を制御する必要もなく、出射光の波長を第９図
の如くシフトすることができる。こうして簡便な可変波
長フィルタが実現できる。
［発明の効果］ 以上説明した如く、本発明によれば、逆バイアス電界印
加によるＱＣＳＥによるエキシトン波長の移動が殆ど見
られなく、成る波長域で電界により吸収は変化せず屈折
率のみ変化する様に構成された半導体量子井戸層が設け
られているので、変調度の大きい出力の安定した位相変
調素子が可能となる。
また、可変波長幅の広い同じく出力の安定した波長可変
フィルタなども可能となる。
こうして、電界印加による吸収の変化が小さい為、出力
変動が小さい電界変調型の光デバイスが実現できた。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の詳細な説明する非対称量子井戸のエネ
ルギバンド図、第２図（ａ）、（ｂ）は同じく量子井戸
の吸収スペクトルと屈折率変化の電界依存性を示す図、
第３図（ａ）、（ｂ）は本発明の第１実施例の断面と量
子井戸層のエネルギバンド構造を示す図、第４図は第１
実施例の吸収スペクトルの電界依存性を示す図、第５図
は第１実施例の屈折率変化の電界依存性を示す図、第６
図は第２実施例の断面図、第７図は第２実施例の透過ス
ペクトルを示す図、第８図は第３実施例の断面図、第９
図は第３実施例の出射光強度の波長依存性を示す図、第
１Ｏ図は導波型波長可変フィルタの従来例を示す図、第
１１図は面発光型波長可変フィルタの従来例の素子断面
図、第１２図は位相変調素子の従来例の素子断面図であ
る。 １・・・浅い井戸、２・・・深い井戸、３１．６１．８
１０２．基板、３２．６２．８２−　ｎ型クラッド層、
３２′、６２’　、８２′・−・ｐ型クラッド層、３３
．６３．８３・・・非対称多重量子井戸層、３４．３４
′、６４．６４′、８４．８４′、９０・・・電極、３
５．３５゛、６５．６５’　、８５−・・無反射コート
、６６．６６’　　、８６．８６′　・・・光ガイド層
、６７．８７・・・グレーティング、６８．８８・・・
位相シフト部、８９−・・電極分離満

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、半導体量子井戸層に電界を印加する手段を備えた光
    デバイスにおいて、該半導体量子井戸層を、複数の異な
    る量子井戸を結合させた非対称量子井戸構造とし、深い
    方の量子井戸の幅が浅い方の量子井戸の幅より狭く構成
    されていることを特徴とする光デバイス。 ２、前記半導体量子井戸層はｐ型とｎ型の半導体で挟ん
    だ構造とされ、２つの異なる量子井戸が近接して形成さ
    れて該２つの量子井戸内での電子の波動が互いに干渉し
    合う様な非対称量子井戸構造とされている請求項１記載
    の光デバイス。 ３、前記ｐ型とｎ型の半導体を前記半導体量子井戸層よ
    り屈折率の小さな材料で形成して光を導波させる構造と
    し、光の入射端及び出射端に無反射被膜を形成して位相
    変調素子として構成された請求項２記載の光デバイス。 ４、前記ｐ型とｎ型の半導体を前記半導体量子井戸層よ
    り屈折率の小さな材料で形成して光を導波させる構造と
    し、光の出射端に無反射被膜を形成し、前記半導体量子
    井戸層に近接してグレーティングを形成して波長可変フ
    ィルタとして構成された請求項２記載の光デバイス。 ５、光入射部近傍に光を増幅する機能を有する半導体活
    性領域を形成し、半導体量子井戸層上の前記電界印加手
    段と該活性領域上の電界印加手段を分離して独立に電界
    を印加出来る様にした請求項４記載の光デバイス。
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