JPH04291316A - 屈折率変調型光変調器 - Google Patents
屈折率変調型光変調器Info
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- JPH04291316A JPH04291316A JP3080399A JP8039991A JPH04291316A JP H04291316 A JPH04291316 A JP H04291316A JP 3080399 A JP3080399 A JP 3080399A JP 8039991 A JP8039991 A JP 8039991A JP H04291316 A JPH04291316 A JP H04291316A
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- 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
- G02F1/01725—Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped 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
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信あるいは光情報
処理等に使用される屈折率変調型光変調器に関する。
処理等に使用される屈折率変調型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、通信の分野においては高度情報化
社会を構築するために情報の伝送速度をより向上させる
ことが要望され、また、電算機の情報処理等において情
報処理を高速化することが要望されている。
社会を構築するために情報の伝送速度をより向上させる
ことが要望され、また、電算機の情報処理等において情
報処理を高速化することが要望されている。
【０００３】そして、情報の高速伝送を達成するための
手段として、光通信に期待がよせられており、光通信に
おいて情報の高速伝送を実現するためには高速変調可能
な新規な装置を開発する必要がある。一方情報処理に光
を使用して情報処理を高速化することも活発に提案され
るようになってきており、それに使用する機能素子の一
つとして高速光変調器を開発する必要がある。
手段として、光通信に期待がよせられており、光通信に
おいて情報の高速伝送を実現するためには高速変調可能
な新規な装置を開発する必要がある。一方情報処理に光
を使用して情報処理を高速化することも活発に提案され
るようになってきており、それに使用する機能素子の一
つとして高速光変調器を開発する必要がある。
【０００４】従来、半導体レーザを使って変調光を得る
技術として、レーザに注入する電流を変化することよっ
て、レーザが放射する光自体を変調する直接変調方式と
、レーザの外部に光変調器を設けることによって透過す
る光を強度変調する外部変調方式とがある。
技術として、レーザに注入する電流を変化することよっ
て、レーザが放射する光自体を変調する直接変調方式と
、レーザの外部に光変調器を設けることによって透過す
る光を強度変調する外部変調方式とがある。
【０００５】上記の直接変調において高速変調を行うと
、発振波長のゆらぎ（波長チャーピング）が起こること
を原理上避けることができない。したがって、高速変調
を行うには外部変調方式が望ましく、そのための高速変
調可能な光変調器が必要である。外部変調用の吸収型変
調器として、従来、フランツケルディッシュ効果を用い
たものや多重量子井戸構造による量子閉じ込めシュタル
ク効果を用いたものなどが知られており、高速変調を行
うためには、変調器の容量の低減、駆動電圧の低電圧化
等が必要であると考えられている。
、発振波長のゆらぎ（波長チャーピング）が起こること
を原理上避けることができない。したがって、高速変調
を行うには外部変調方式が望ましく、そのための高速変
調可能な光変調器が必要である。外部変調用の吸収型変
調器として、従来、フランツケルディッシュ効果を用い
たものや多重量子井戸構造による量子閉じ込めシュタル
ク効果を用いたものなどが知られており、高速変調を行
うためには、変調器の容量の低減、駆動電圧の低電圧化
等が必要であると考えられている。
【０００６】また、屈折率変調型の変調器としてはＬｉ
ＮｂＯ３ （ニオブ酸リチウム）結晶を利用したものが
あるが、これは半導体を用いたものに比べるとサイズが
大きくなり、また、半導体レーザと集積化できないとい
う問題がある。
ＮｂＯ３ （ニオブ酸リチウム）結晶を利用したものが
あるが、これは半導体を用いたものに比べるとサイズが
大きくなり、また、半導体レーザと集積化できないとい
う問題がある。
【０００７】一方、バルク半導体を用いた屈折率変調型
の光変調器は、電圧に対する屈折率の変化量が充分でな
く、充分な変調効果をあげるためには駆動電圧を高くす
るかあるいは変調器のサイズ（導波路の長さ）を大きく
しなければならない。
の光変調器は、電圧に対する屈折率の変化量が充分でな
く、充分な変調効果をあげるためには駆動電圧を高くす
るかあるいは変調器のサイズ（導波路の長さ）を大きく
しなければならない。
【０００８】しかし、これらは高速変調をかけることを
難しくし、光変調器の小型化を困難にするという問題を
生じる。以上のような問題を解決する方法の一つとして
多重量子井戸構造を用い量子閉じ込めシュタルク効果を
利用する光変調器がある。
難しくし、光変調器の小型化を困難にするという問題を
生じる。以上のような問題を解決する方法の一つとして
多重量子井戸構造を用い量子閉じ込めシュタルク効果を
利用する光変調器がある。
【０００９】図４（Ａ）、（Ｂ）は、量子井戸層の量子
閉じ込めシュタルク効果による光吸収係数および屈折率
変化の説明図である。図４（Ａ）は、量子井戸層に電圧
をかけない無電界状態と、量子井戸層に垂直に電圧を印
加した状態の光吸収係数の波長特性を示すものである。
閉じ込めシュタルク効果による光吸収係数および屈折率
変化の説明図である。図４（Ａ）は、量子井戸層に電圧
をかけない無電界状態と、量子井戸層に垂直に電圧を印
加した状態の光吸収係数の波長特性を示すものである。
【００１０】この図にみられるように、無電界時に生じ
ていたエキシトン吸収ピークＰ１ が電圧印加時には長
波長側のＰ２ に移動している。量子井戸層に電圧を印
加すると、上記のように光吸収係数が変化する他、屈折
率も変化する。
ていたエキシトン吸収ピークＰ１ が電圧印加時には長
波長側のＰ２ に移動している。量子井戸層に電圧を印
加すると、上記のように光吸収係数が変化する他、屈折
率も変化する。
【００１１】図４（Ｂ）は、量子井戸層に電圧をかけな
い状態と、量子井戸層に垂直に電圧を印加した状態の屈
折率の波長特性を示すものである。この図にみられるよ
うに、量子井戸層の屈折率の波長特性が、電圧を印加す
ることによって、長波長側に移動し、図４（Ｂ）のλＯ
Ｐ付近に入射光の波長を設定しておくと、その屈折率が
ＡからＢへと変化するから、この屈折率の変化を利用し
て屈折率変調型光変調器をつくることができる。すなわ
ち、変調しようとする光を２つに分け、その一方の光の
伝播路の屈折率を変化して光の伝播速度を変化した後、
再び合流させて、両方の光の位相関係の変化によって光
の強度変調を行うことができる。
い状態と、量子井戸層に垂直に電圧を印加した状態の屈
折率の波長特性を示すものである。この図にみられるよ
うに、量子井戸層の屈折率の波長特性が、電圧を印加す
ることによって、長波長側に移動し、図４（Ｂ）のλＯ
Ｐ付近に入射光の波長を設定しておくと、その屈折率が
ＡからＢへと変化するから、この屈折率の変化を利用し
て屈折率変調型光変調器をつくることができる。すなわ
ち、変調しようとする光を２つに分け、その一方の光の
伝播路の屈折率を変化して光の伝播速度を変化した後、
再び合流させて、両方の光の位相関係の変化によって光
の強度変調を行うことができる。
【００１２】しかし、この変調器は従来のバルク半導体
を利用した光変調器に比べて屈折率変化は大きいものの
、まだ充分ではなく、さらに、量子井戸層に滞留する電
荷（電子・正孔）が、特に高速変調をかける場合に変調
の応答速度を下げる懸念が生じる。先に、量子戸層に滞
留する電荷（電子・正孔）に起因する応答得度の低下を
避けるための手段としてエキシトンクエンチング型光変
調器が提案された。
を利用した光変調器に比べて屈折率変化は大きいものの
、まだ充分ではなく、さらに、量子井戸層に滞留する電
荷（電子・正孔）が、特に高速変調をかける場合に変調
の応答速度を下げる懸念が生じる。先に、量子戸層に滞
留する電荷（電子・正孔）に起因する応答得度の低下を
避けるための手段としてエキシトンクエンチング型光変
調器が提案された。
【００１３】図５（Ａ）、（Ｂ）は、従来のエキシトン
クエンチング型光変調器の説明図である。図５（Ａ）は
、その１周期の構造を概略的に示すもので、中央の量子
井戸層Ｗの両側に薄い第１のバリア層Ｂ１ 、Ｂ１ 、
その外側に厚い第２のバリア層Ｂ２ 、Ｂ２ を備えて
いる。
クエンチング型光変調器の説明図である。図５（Ａ）は
、その１周期の構造を概略的に示すもので、中央の量子
井戸層Ｗの両側に薄い第１のバリア層Ｂ１ 、Ｂ１ 、
その外側に厚い第２のバリア層Ｂ２ 、Ｂ２ を備えて
いる。
【００１４】図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の量子井戸部分
のポテンシャルエネルギーを示したものであり、量子井
戸層Ｗの両側に薄い障壁が形成され、その外側に量子井
戸層内の電子の基底準位Ｅｅ よりＶｅｃだけ高い伝導
電子帯を有する厚い第２のバリア層Ｂ２ を有している
。そして、量子井戸層Ｗ内の正孔基底準位Ｅｈ と電子
基底準位Ｅｅ との間隔はＥＱａｂｓであり、厚い第２
のバリア層Ｂ２ 内の価電子帯と伝導電子帯の間隔はＥ
Ｂａｂｓである。
のポテンシャルエネルギーを示したものであり、量子井
戸層Ｗの両側に薄い障壁が形成され、その外側に量子井
戸層内の電子の基底準位Ｅｅ よりＶｅｃだけ高い伝導
電子帯を有する厚い第２のバリア層Ｂ２ を有している
。そして、量子井戸層Ｗ内の正孔基底準位Ｅｈ と電子
基底準位Ｅｅ との間隔はＥＱａｂｓであり、厚い第２
のバリア層Ｂ２ 内の価電子帯と伝導電子帯の間隔はＥ
Ｂａｂｓである。
【００１５】このポテンシャルエネルギー図によって光
変調動作を説明すると、図５（Ｂ）に示すように量子井
戸層に電圧がかかっていない場合は、量子井戸層Ｗ内に
閉じ込められた電子・正孔がクーロン力によってエキシ
トンを形成し、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、その
エキシトンの束縛エネルギーに対応する波長に光吸収係
数および屈折率のピークを形成する。
変調動作を説明すると、図５（Ｂ）に示すように量子井
戸層に電圧がかかっていない場合は、量子井戸層Ｗ内に
閉じ込められた電子・正孔がクーロン力によってエキシ
トンを形成し、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、その
エキシトンの束縛エネルギーに対応する波長に光吸収係
数および屈折率のピークを形成する。
【００１６】この量子井戸層に垂直に電圧をかけて右側
のポテンシャルを下げると、量子井戸層内に閉じ込めら
れていた電子は薄い第１のバリア層Ｂ１ を通って右側
のＢ２ に拡がるためエキシトンが消滅（クエンチング
）し、同一波長における光の吸収係数および屈折率が変
化する。このような、光吸収係数や屈折率の変化を利用
して量子井戸層を透過する光を変調することができる。
のポテンシャルを下げると、量子井戸層内に閉じ込めら
れていた電子は薄い第１のバリア層Ｂ１ を通って右側
のＢ２ に拡がるためエキシトンが消滅（クエンチング
）し、同一波長における光の吸収係数および屈折率が変
化する。このような、光吸収係数や屈折率の変化を利用
して量子井戸層を透過する光を変調することができる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】上記の光変調器を低電
圧で駆動するためには、量子井戸層内の電子の基底準位
Ｅｅ と外側の厚い第２のバリア層Ｂ２ の伝導電子帯
の基底準位の差Ｖｅｃを小さくする必要がある。
圧で駆動するためには、量子井戸層内の電子の基底準位
Ｅｅ と外側の厚い第２のバリア層Ｂ２ の伝導電子帯
の基底準位の差Ｖｅｃを小さくする必要がある。
【００１８】しかし、Ｖｅｃを小さくすると、無電圧時
における量子井戸層Ｗにおける吸収エネルギーＥＱａｂ
ｓとバリア層Ｂ２ における吸収エネルギーＥＢａｂｓ
にあまり差がなくなり、第２のバリア層Ｂ２ における
バルク的な光吸収のなかに量子井戸層Ｗによる吸収が埋
もれてしまい、エキシトン吸収ピークやエキシトンを生
じることによる屈折率変化も明確でなくなり、量子井戸
層を使うことの有効性がうすれてしまうという問題があ
る。本発明は、低い駆動電圧で大きな光変調効果を生じ
、消光比が大きく高速動作可能な屈折率変調型光変調器
を提供することを目的とする。
における量子井戸層Ｗにおける吸収エネルギーＥＱａｂ
ｓとバリア層Ｂ２ における吸収エネルギーＥＢａｂｓ
にあまり差がなくなり、第２のバリア層Ｂ２ における
バルク的な光吸収のなかに量子井戸層Ｗによる吸収が埋
もれてしまい、エキシトン吸収ピークやエキシトンを生
じることによる屈折率変化も明確でなくなり、量子井戸
層を使うことの有効性がうすれてしまうという問題があ
る。本発明は、低い駆動電圧で大きな光変調効果を生じ
、消光比が大きく高速動作可能な屈折率変調型光変調器
を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる屈折率変
調型光変調器においては、第１の量子井戸層と、該第１
の量子井戸層に接し、Ｘ点またはＬ点の電子のエネルギ
ーがΓ点のエネルギーより低い第１のバリアー層と、該
第１のバリアー層に接し、該第１の井戸層より層厚が薄
いか、電子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが
大きな第２の量子井戸層とによって構成される量子井戸
層単位が、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止する
に足る厚さの第２のバリアー層を介して複数周期積層さ
れた多重量子井戸構造体を屈折率変調層として有し、該
量子井戸層に対して垂直方向に電圧を印加することによ
ってエキシトンを消滅させ、量子井戸層のエキシトン吸
収ピーク近傍の波長の光に対する屈折率を変化させるこ
とによって、エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光に対
して強度変調を行う構成を採用した。
調型光変調器においては、第１の量子井戸層と、該第１
の量子井戸層に接し、Ｘ点またはＬ点の電子のエネルギ
ーがΓ点のエネルギーより低い第１のバリアー層と、該
第１のバリアー層に接し、該第１の井戸層より層厚が薄
いか、電子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが
大きな第２の量子井戸層とによって構成される量子井戸
層単位が、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止する
に足る厚さの第２のバリアー層を介して複数周期積層さ
れた多重量子井戸構造体を屈折率変調層として有し、該
量子井戸層に対して垂直方向に電圧を印加することによ
ってエキシトンを消滅させ、量子井戸層のエキシトン吸
収ピーク近傍の波長の光に対する屈折率を変化させるこ
とによって、エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光に対
して強度変調を行う構成を採用した。
【００２０】
【作用】図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の屈折率変調型
光変調器の原理説明図である。この図において、Ｗ１
は第１の量子井戸層、Ｗ２ は第２の量子井戸層、Ｂ１
は第１のバリア層、Ｂ２ は第２のバリア層、Ｅｅｗ
１ は量子井戸層Ｗ１ 中の無電界時の電子基底準位、
ＥｈＷ１ は正孔基底準位、ＥｅＷ２ は量子井戸層Ｗ
２ 中の電子基底準位、ＥｈＷ２ は正孔基底準位、Ｅ
Ｘ（Ｌ）ｅＢ１ はバリア層Ｂ１ 中のＸ（Ｌ）におけ
る電子基底準位、Ｅｅｗ１ ’はバイアス電圧を印加し
たときの量子井戸層Ｗ１ 中の電子基底準位、ＥｅＷ２
’は量子井戸層Ｗ２ 中の電子基底準位、ＥＸ（Ｌ）
ｅＢ１ ’はＸ（Ｌ）点におけるバリア層Ｂ１ 中の電
子基底準位である。
光変調器の原理説明図である。この図において、Ｗ１
は第１の量子井戸層、Ｗ２ は第２の量子井戸層、Ｂ１
は第１のバリア層、Ｂ２ は第２のバリア層、Ｅｅｗ
１ は量子井戸層Ｗ１ 中の無電界時の電子基底準位、
ＥｈＷ１ は正孔基底準位、ＥｅＷ２ は量子井戸層Ｗ
２ 中の電子基底準位、ＥｈＷ２ は正孔基底準位、Ｅ
Ｘ（Ｌ）ｅＢ１ はバリア層Ｂ１ 中のＸ（Ｌ）におけ
る電子基底準位、Ｅｅｗ１ ’はバイアス電圧を印加し
たときの量子井戸層Ｗ１ 中の電子基底準位、ＥｅＷ２
’は量子井戸層Ｗ２ 中の電子基底準位、ＥＸ（Ｌ）
ｅＢ１ ’はＸ（Ｌ）点におけるバリア層Ｂ１ 中の電
子基底準位である。
【００２１】図１（Ａ）は、本発明の光変調器の概略構
成を示すもので、第１の量子井戸層Ｗ１ の片側（左側
）に第２のバリア層Ｂ２ を、他側（右側）に第１のバ
リア層Ｂ１ 、第２の量子井戸層Ｗ２ 、第２のバリア
層Ｂ２ を積層して１つの量子井戸構造単位を構成して
いる。この図１（Ｂ）、（Ｃ）に基づいて、本発明の屈
折率変調型光変調器の構成と動作を説明する。
成を示すもので、第１の量子井戸層Ｗ１ の片側（左側
）に第２のバリア層Ｂ２ を、他側（右側）に第１のバ
リア層Ｂ１ 、第２の量子井戸層Ｗ２ 、第２のバリア
層Ｂ２ を積層して１つの量子井戸構造単位を構成して
いる。この図１（Ｂ）、（Ｃ）に基づいて、本発明の屈
折率変調型光変調器の構成と動作を説明する。
【００２２】図１（Ｂ）は、電圧をかけない状態の本発
明の屈折率変調型光変調器の量子井戸構造単位のポテン
シャルエネルギーを示している。この変調器においては
、図から明らかなように、Γ点（電子の波数空間でｋ＝
０となるところ）でみると、第１の量子井戸層Ｗ１ と
第２の量子井戸層Ｗ２ 層は、第１のバリア層Ｂ１ 、
および、第２のバリア層Ｂ２ より電子親和力が大きく
バンドギャップエネルギーが小さい材料で構成され、第
１の量子井戸層Ｗ１ は第２の量子井戸層Ｗ２ より層
厚が厚くなっている。
明の屈折率変調型光変調器の量子井戸構造単位のポテン
シャルエネルギーを示している。この変調器においては
、図から明らかなように、Γ点（電子の波数空間でｋ＝
０となるところ）でみると、第１の量子井戸層Ｗ１ と
第２の量子井戸層Ｗ２ 層は、第１のバリア層Ｂ１ 、
および、第２のバリア層Ｂ２ より電子親和力が大きく
バンドギャップエネルギーが小さい材料で構成され、第
１の量子井戸層Ｗ１ は第２の量子井戸層Ｗ２ より層
厚が厚くなっている。
【００２３】そのために無電界時には、第１の量子井戸
層Ｗ１ の電子基底準位Ｅｅｗ１ 、正孔基底準位Ｅｈ
Ｗ１ が、第２の量子井戸層Ｗ２ の電子基底準位Ｅｅ
Ｗ２ 、正孔基底準位ＥｈＷ２ より小さくなっている
。また、第１のバリア層Ｂ１ は、Γ点ではバリア層と
なるが、Γ点以外のＸ点またはＬ点においては第１の量
子井戸層Ｗ１ 、および、第２の量子井戸層Ｗ２ より
電子親和力が大きくバンドギャップエネルギーが小さい
材料で構成され、Ｘ点（Ｌ点）においては、量子井戸層
になっている（破線で示されたものがＸ（Ｌ）点でみた
場合のポテンシャルエネルギーである。）。そのために
、Ｘ（Ｌ）点の電子基底状態のエネルギーはＥＸ（Ｌ）
ｅＢ１ となっている。
層Ｗ１ の電子基底準位Ｅｅｗ１ 、正孔基底準位Ｅｈ
Ｗ１ が、第２の量子井戸層Ｗ２ の電子基底準位Ｅｅ
Ｗ２ 、正孔基底準位ＥｈＷ２ より小さくなっている
。また、第１のバリア層Ｂ１ は、Γ点ではバリア層と
なるが、Γ点以外のＸ点またはＬ点においては第１の量
子井戸層Ｗ１ 、および、第２の量子井戸層Ｗ２ より
電子親和力が大きくバンドギャップエネルギーが小さい
材料で構成され、Ｘ点（Ｌ点）においては、量子井戸層
になっている（破線で示されたものがＸ（Ｌ）点でみた
場合のポテンシャルエネルギーである。）。そのために
、Ｘ（Ｌ）点の電子基底状態のエネルギーはＥＸ（Ｌ）
ｅＢ１ となっている。
【００２４】この量子井戸構造単位に電圧を印加してい
ないときは、第１の量子井戸層Ｗ１ 内の電子・正孔は
、図１（Ｂ）に示されるような電位障壁によって閉じ込
められ、従来のエキシトンクエンチング型屈折率変調型
光変調器と同様に、クーロン力によってエキシトンが形
成されるため屈折率にピークが生じる。この量子井戸構
造単位を複数層積層し、第１の量子井戸層Ｗ１ 側にｐ
型半導体層、第２の量子井戸層Ｗ２ 側にｎ型半導体層
を形成して、ｐｉｎ構造を形成し、このｐｉｎ構造に逆
バイアス電圧を印加した場合を考える。
ないときは、第１の量子井戸層Ｗ１ 内の電子・正孔は
、図１（Ｂ）に示されるような電位障壁によって閉じ込
められ、従来のエキシトンクエンチング型屈折率変調型
光変調器と同様に、クーロン力によってエキシトンが形
成されるため屈折率にピークが生じる。この量子井戸構
造単位を複数層積層し、第１の量子井戸層Ｗ１ 側にｐ
型半導体層、第２の量子井戸層Ｗ２ 側にｎ型半導体層
を形成して、ｐｉｎ構造を形成し、このｐｉｎ構造に逆
バイアス電圧を印加した場合を考える。
【００２５】図１（Ｃ）は、前記の量子井戸構造単位に
逆バイアス電圧を印加した場合の電子に対するポテンシ
ャルエネルギーを示している。この場合、第１の量子井
戸層Ｗ１ 中の電子基底状態のエネルギーがＥｅｗ１
’、第１のバリア層Ｂ１ 中のＸ（Ｌ）点の電子基底状
態のエネルギーがＥＸ（Ｌ）ｅＢ１ ’、第２の量子井
戸層Ｗ２ 中の電子基底状態のエネルギーがＥｅＷ２
’へと変化するが、第１の量子井戸層Ｗ１ 、第２の量
子井戸層Ｗ２ 、第１のバリア層Ｂ１ の層厚と組成を
適宜選択すると、任意の電圧においてＥｅｗ１ ’、Ｅ
Ｘ（Ｌ）ｅＢ１ ’、ＥｅＷ２ ’の３つのレベルをほ
ぼ一致させ、第１のバリア層Ｂ１ のＸまたはＬ点にお
ける電子基底状態を仲立ちとして、第１の量子井戸層Ｗ
１ と第２の量子井戸層Ｗ２の電子基底状態を結合して
、第１の量子井戸層Ｗ１ から第２の量子井戸層Ｗ２
に跨がる広い電子状態を形成することができる。
逆バイアス電圧を印加した場合の電子に対するポテンシ
ャルエネルギーを示している。この場合、第１の量子井
戸層Ｗ１ 中の電子基底状態のエネルギーがＥｅｗ１
’、第１のバリア層Ｂ１ 中のＸ（Ｌ）点の電子基底状
態のエネルギーがＥＸ（Ｌ）ｅＢ１ ’、第２の量子井
戸層Ｗ２ 中の電子基底状態のエネルギーがＥｅＷ２
’へと変化するが、第１の量子井戸層Ｗ１ 、第２の量
子井戸層Ｗ２ 、第１のバリア層Ｂ１ の層厚と組成を
適宜選択すると、任意の電圧においてＥｅｗ１ ’、Ｅ
Ｘ（Ｌ）ｅＢ１ ’、ＥｅＷ２ ’の３つのレベルをほ
ぼ一致させ、第１のバリア層Ｂ１ のＸまたはＬ点にお
ける電子基底状態を仲立ちとして、第１の量子井戸層Ｗ
１ と第２の量子井戸層Ｗ２の電子基底状態を結合して
、第１の量子井戸層Ｗ１ から第２の量子井戸層Ｗ２
に跨がる広い電子状態を形成することができる。
【００２６】そのため、電子・正孔の束縛が弱くなって
エキシトンが消滅（クエンチング）するために、エキシ
トン吸収ピークに相当する波長の光の屈折率が低下する
。
エキシトンが消滅（クエンチング）するために、エキシ
トン吸収ピークに相当する波長の光の屈折率が低下する
。
【００２７】本発明の場合は、無電界時において、第１
の量子井戸層Ｗ１ と第１のバリア層Ｂ１ 、第２の量
子井戸層Ｗ２ と第１のバリア層Ｂ１ の電子基底状態
を近づけて、低電圧駆動を可能にした場合でも、第１の
量子井戸層Ｗ１ 、あるいは、第２の量子井戸層Ｗ２
の正孔基底状態から第１のバリア層Ｂ１ の電子基底状
態への遷移は殆ど起こらず、第１のバリア層Ｂ１ があ
ることによって屈折率は殆ど影響を受けない。
の量子井戸層Ｗ１ と第１のバリア層Ｂ１ 、第２の量
子井戸層Ｗ２ と第１のバリア層Ｂ１ の電子基底状態
を近づけて、低電圧駆動を可能にした場合でも、第１の
量子井戸層Ｗ１ 、あるいは、第２の量子井戸層Ｗ２
の正孔基底状態から第１のバリア層Ｂ１ の電子基底状
態への遷移は殆ど起こらず、第１のバリア層Ｂ１ があ
ることによって屈折率は殆ど影響を受けない。
【００２８】その理由は、本発明においては、第１のバ
リア層Ｂ１ の電子状態がＸ点であり、第１の量子井戸
層Ｗ１ と第２の量子井戸層Ｗ２ の正孔状態がΓ点で
あって対称性が異なり、空間的にも両者の波動関数が殆
ど重なっていないからである。そのため、量子井戸層の
屈折率が、バルクの吸収によって邪魔されることがなく
、低電圧で高い消光比で変調することができる。
リア層Ｂ１ の電子状態がＸ点であり、第１の量子井戸
層Ｗ１ と第２の量子井戸層Ｗ２ の正孔状態がΓ点で
あって対称性が異なり、空間的にも両者の波動関数が殆
ど重なっていないからである。そのため、量子井戸層の
屈折率が、バルクの吸収によって邪魔されることがなく
、低電圧で高い消光比で変調することができる。
【００２９】図２（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の屈折率変
調型光変調器の屈折率および吸収係数の波長依存特性図
である。図２（Ａ）は、屈折率の波長特性図であり、電
圧が印加されないときは波長λＯＰにエキシトンによる
屈折率のピークが存在するが、逆バイアス電圧Ｖｂ を
印加したときには、そのピークが消滅している。
調型光変調器の屈折率および吸収係数の波長依存特性図
である。図２（Ａ）は、屈折率の波長特性図であり、電
圧が印加されないときは波長λＯＰにエキシトンによる
屈折率のピークが存在するが、逆バイアス電圧Ｖｂ を
印加したときには、そのピークが消滅している。
【００３０】図２（Ｂ）は、上記の場合の吸収係数の波
長特性図であるが、逆バイアス電圧Ｖｂ を印加したと
きには、屈折率と同様にエキシトンピークが解消するこ
とがわかる。これらの特性図から、入射光波長をλＯＰ
に設定しておけば、逆バイアス電圧によって大きな屈折
率変調が可能となり、無電界時に屈折率がピークになる
λＯＰでは、光吸収がほとんどなく光の損失が少ないこ
とが判る。
長特性図であるが、逆バイアス電圧Ｖｂ を印加したと
きには、屈折率と同様にエキシトンピークが解消するこ
とがわかる。これらの特性図から、入射光波長をλＯＰ
に設定しておけば、逆バイアス電圧によって大きな屈折
率変調が可能となり、無電界時に屈折率がピークになる
λＯＰでは、光吸収がほとんどなく光の損失が少ないこ
とが判る。
【００３１】
【実施例】図３（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例の屈
折率変調型光変調器の構成説明図で、図３（Ａ）は平面
図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｙにおける断面図で
ある。
折率変調型光変調器の構成説明図で、図３（Ａ）は平面
図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｙにおける断面図で
ある。
【００３２】この図に基づいて本実施例の屈折率変調型
光変調器の構成を説明する。この図において、１はＧａ
Ａｓ基板、２はＡｌＡｓクラッド層、３、５はＡｌＡｓ
ノンドープ層、４は混晶層、６はＡｌＡｓクラッド層、
７はＧａＡｓコンタクト層、８はＳｉＯ２ 膜、９はｐ
型電極、１０はｎ型電極である。
光変調器の構成を説明する。この図において、１はＧａ
Ａｓ基板、２はＡｌＡｓクラッド層、３、５はＡｌＡｓ
ノンドープ層、４は混晶層、６はＡｌＡｓクラッド層、
７はＧａＡｓコンタクト層、８はＳｉＯ２ 膜、９はｐ
型電極、１０はｎ型電極である。
【００３３】本実施例の屈折率変調型光変調器は下記の
ようにして製造される。 １．まず、Ｓｉ、Ｓｎ等のドナーをドープしたＧａＡｓ
基板１の上に、ＡｌＡｓクラッド層２を形成し、その上
に不純物拡散を防ぐためにＡｌＡｓノンドープ層３を形
成し、その上に、第１の量子井戸層Ｗ１ として厚さ８
０ÅのＧａ０．６ Ａｌ０．４ Ａｓ層、第２の量子井
戸層Ｗ２ として厚さ３０ÅのＧａ０．６ Ａｌ０．４
Ａｓ層、第１のバリア層Ｂ１ として厚さ１００Åの
ＡｌＡｓ層、第２のバリア層Ｂ２ として厚さ１５０Å
のＡｌＡｓを１０周期形成する。
ようにして製造される。 １．まず、Ｓｉ、Ｓｎ等のドナーをドープしたＧａＡｓ
基板１の上に、ＡｌＡｓクラッド層２を形成し、その上
に不純物拡散を防ぐためにＡｌＡｓノンドープ層３を形
成し、その上に、第１の量子井戸層Ｗ１ として厚さ８
０ÅのＧａ０．６ Ａｌ０．４ Ａｓ層、第２の量子井
戸層Ｗ２ として厚さ３０ÅのＧａ０．６ Ａｌ０．４
Ａｓ層、第１のバリア層Ｂ１ として厚さ１００Åの
ＡｌＡｓ層、第２のバリア層Ｂ２ として厚さ１５０Å
のＡｌＡｓを１０周期形成する。
【００３４】２．この多層構造体に、導波路の形状のレ
ジスト膜を形成し、これをマスクにしてイオンを選択的
に注入するか、あるいは、不純物を選択的に拡散して、
露出している領域を混晶層４にして、多重量子井戸層か
らなり、途中が２つに分かれた導波路Ｒ１ 、Ｒ２ を
残す。
ジスト膜を形成し、これをマスクにしてイオンを選択的
に注入するか、あるいは、不純物を選択的に拡散して、
露出している領域を混晶層４にして、多重量子井戸層か
らなり、途中が２つに分かれた導波路Ｒ１ 、Ｒ２ を
残す。
【００３５】３．そして、その上に、ノンドープＡｌＡ
ｓ層５と、ＺｎなどアクセプタをドープしたＡｌＡｓク
ラッド層６を形成し、その上にハイドープしたＧａＡｓ
コンタクト層７を形成する。
ｓ層５と、ＺｎなどアクセプタをドープしたＡｌＡｓク
ラッド層６を形成し、その上にハイドープしたＧａＡｓ
コンタクト層７を形成する。
【００３６】４．さらに、その上にＳｉＯ２ 膜８を形
成し、一方の導波路Ｒ２ に開口を設け、この開口をと
おしてＴｉ／Ｐｔからなるｐ型電極９を形成する。 ５．最後にＧａＡｓ基板１の底面にＡｕＧｅ／Ａｕから
なるｎ型電極１０を設ける。
成し、一方の導波路Ｒ２ に開口を設け、この開口をと
おしてＴｉ／Ｐｔからなるｐ型電極９を形成する。 ５．最後にＧａＡｓ基板１の底面にＡｕＧｅ／Ａｕから
なるｎ型電極１０を設ける。
【００３７】なお、これらの各層の形成はＬＰ法、ＭＯ
ＶＰＥ法（あるいはＭＢＥ法）などを組み合わせて行う
ことができる。このように、２つにわかれた導波路Ｒ１
、Ｒ２ のうち一方にｐ電極を形成し、この一方の導
波路Ｒ２ にだけ電圧がかかるようにすると、この導波
路の屈折率が変化するために、導波路Ｒ１ 、Ｒ２ に
わかれて透過した光の、その合流点における位相関係が
変化する。
ＶＰＥ法（あるいはＭＢＥ法）などを組み合わせて行う
ことができる。このように、２つにわかれた導波路Ｒ１
、Ｒ２ のうち一方にｐ電極を形成し、この一方の導
波路Ｒ２ にだけ電圧がかかるようにすると、この導波
路の屈折率が変化するために、導波路Ｒ１ 、Ｒ２ に
わかれて透過した光の、その合流点における位相関係が
変化する。
【００３８】すなわち、所定の電圧によって、この合流
点において導波路Ｒ１ を透過する光と導波路Ｒ２ を
透過する光の位相が１８０°ずれるように屈折率変化と
導波路長を選べば、この電圧をかけたとき光変調器から
出力される光はゼロとなり、電圧をかけないときには、
同相で合流し出力するから、この機構を利用して光の変
調を行うことができる。
点において導波路Ｒ１ を透過する光と導波路Ｒ２ を
透過する光の位相が１８０°ずれるように屈折率変化と
導波路長を選べば、この電圧をかけたとき光変調器から
出力される光はゼロとなり、電圧をかけないときには、
同相で合流し出力するから、この機構を利用して光の変
調を行うことができる。
【００３９】
【発明の効果】以上のように本発明は量子井戸層の間の
バリア層としてＸ点またはＬ点のポテンシャルエネルギ
ーがΓ点より低くなる材料を用いることによって、低電
圧で駆動でき、消光比が大きく、高速動作が可能なエキ
シトンクエンチングを利用した屈折率変調型光変調器を
実現することができる。
バリア層としてＸ点またはＬ点のポテンシャルエネルギ
ーがΓ点より低くなる材料を用いることによって、低電
圧で駆動でき、消光比が大きく、高速動作が可能なエキ
シトンクエンチングを利用した屈折率変調型光変調器を
実現することができる。
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の屈折率変調型光変
調器の原理説明図である。
調器の原理説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の屈折率変調型光変
調器の屈折率および吸収係数の波長依存特性図である。
調器の屈折率および吸収係数の波長依存特性図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例の屈折率変
調型光変調器の構成説明図である。
調型光変調器の構成説明図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、量子井戸層の量子閉じ込め
シュタルク効果による光吸収率および屈折率変化の説明
図である。
シュタルク効果による光吸収率および屈折率変化の説明
図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、従来のエキシトンクエンチ
ング型光変調器の説明図である。
ング型光変調器の説明図である。
Ｗ１ 第１の量子井戸層
Ｗ２ 第２の量子井戸層
Ｂ１ 第１のバリア層
Ｂ２ 第２のバリア層
Ｅｅｗ１ 第１の量子井戸層Ｗ１ 中の無電界時の
電子基底準位 ＥｈＷ１ 第１の量子井戸層Ｗ１ 中の無電界時の
正孔基底準位 ＥｅＷ２ 第２の量子井戸層Ｗ２ 中の無電界時の
正孔基底準位 ＥｈＷ２ 第２の量子井戸層Ｗ２ 中の無電界時の
正孔基底準位 ＥＸ（Ｌ）ｅＢ１ 第１のバリア層Ｂ１ 中の無電
界時のＸ（Ｌ）点における電子基底準位 Ｅｅｗ１ ’ 逆バイアス電圧を印加したときの第１
の量子井戸層Ｗ１ 中の電子基底準位 ＥｅＷ２ ’ 逆バイアス電圧を印加したときの第２
の量子井戸層Ｗ２ 中の電子基底準位 ＥＸ（Ｌ）ｅＢ１ ’ 逆バイアス電圧を印加したと
きのＸ（Ｌ）点における第１のバリア層Ｂ１ 中の電子
の基底準位
電子基底準位 ＥｈＷ１ 第１の量子井戸層Ｗ１ 中の無電界時の
正孔基底準位 ＥｅＷ２ 第２の量子井戸層Ｗ２ 中の無電界時の
正孔基底準位 ＥｈＷ２ 第２の量子井戸層Ｗ２ 中の無電界時の
正孔基底準位 ＥＸ（Ｌ）ｅＢ１ 第１のバリア層Ｂ１ 中の無電
界時のＸ（Ｌ）点における電子基底準位 Ｅｅｗ１ ’ 逆バイアス電圧を印加したときの第１
の量子井戸層Ｗ１ 中の電子基底準位 ＥｅＷ２ ’ 逆バイアス電圧を印加したときの第２
の量子井戸層Ｗ２ 中の電子基底準位 ＥＸ（Ｌ）ｅＢ１ ’ 逆バイアス電圧を印加したと
きのＸ（Ｌ）点における第１のバリア層Ｂ１ 中の電子
の基底準位
Claims (3)
- 【請求項１】 第１の量子井戸層と、該第１の量子井
戸層に接し、Ｘ点またはＬ点の電子のエネルギーがΓ点
のエネルギーより低い第１のバリアー層と、該第１のバ
リアー層に接し、該第１の井戸層より層厚が薄いか、電
子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが大きな第
２の量子井戸層とによって構成される量子井戸層単位が
、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止するに足る厚
さの第２のバリアー層を介して複数周期積層された多重
量子井戸構造体を屈折率変調層として有し、該量子井戸
層に対して垂直方向に電圧を印加することによってエキ
シトンを消滅させ、量子井戸層のエキシトン吸収ピーク
近傍の波長の光に対する屈折率を変化させることによっ
て、エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光に対して強度
変調を行うことを特徴とする屈折率変調型光変調器。 - 【請求項２】 第１の量子井戸層と、該第１の量子井
戸層に接し、Ｘ点またはＬ点の電子のエネルギーがΓ点
のエネルギーより低い第１のバリアー層と、該第１のバ
リアー層に接し、該第１の井戸層より層厚が薄いか、電
子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが大きな第
２の量子井戸層とによって構成される量子井戸層単位が
、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止するに足る厚
さの第２のバリアー層を介して複数周期積層された多重
量子井戸構造体を屈折率変調層として有し、該第１の量
子井戸層側にｐ型半導体層を、該第２量子井戸層側にｎ
型半導体層が形成され、該ｐｎ接合に逆方向電圧を印加
することによってエキシトンを消滅させ、量子井戸層の
エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光に対する屈折率を
変化させることによって、エキシトン吸収ピーク近傍の
波長の光に対して強度変調を行うことを特徴とする屈折
率変調型光変調器。 - 【請求項３】 第１の量子井戸層と、該第１の量子井
戸層に接し、Ｘ点またはＬ点の電子のエネルギーがΓ点
のエネルギーより低い第１のバリアー層と、該第１のバ
リアー層に接し、該第１の井戸層より層厚が薄いか、電
子親和力が小さくバンドギャップエネルギーが大きな第
２の量子井戸層とによって構成される量子井戸層単位が
、隣接する量子井戸層単位との結合を禁止するに足る厚
さの第２のバリアー層を介して複数周期積層された多重
量子井戸構造体を、マッハツェンダー型干渉計の２つの
導波路部分に組み込み、一方の多重量子井戸構造体に、
その量子井戸層に対して垂直方向に電圧を印加すること
によってエキシトンを消滅させ、量子井戸層のエキシト
ン吸収ピーク近傍の波長の光に対する屈折率を変化させ
ることによって、エキシトン吸収ピーク近傍の波長の光
に対して強度変調を行うことを特徴とする屈折率変調型
光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3080399A JPH04291316A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | 屈折率変調型光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3080399A JPH04291316A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | 屈折率変調型光変調器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04291316A true JPH04291316A (ja) | 1992-10-15 |
Family
ID=13717212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3080399A Withdrawn JPH04291316A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | 屈折率変調型光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04291316A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100500097B1 (ko) * | 2002-03-01 | 2005-07-11 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | 광변조기 |
| US7752546B2 (en) | 2001-06-29 | 2010-07-06 | Thomson Licensing | Method and system for providing an acoustic interface |
-
1991
- 1991-03-20 JP JP3080399A patent/JPH04291316A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7752546B2 (en) | 2001-06-29 | 2010-07-06 | Thomson Licensing | Method and system for providing an acoustic interface |
| KR100500097B1 (ko) * | 2002-03-01 | 2005-07-11 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | 광변조기 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19980514 |