JPH043012A - 半導体光デバイスの駆動方法 - Google Patents
半導体光デバイスの駆動方法Info
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- JPH043012A JPH043012A JP10458190A JP10458190A JPH043012A JP H043012 A JPH043012 A JP H043012A JP 10458190 A JP10458190 A JP 10458190A JP 10458190 A JP10458190 A JP 10458190A JP H043012 A JPH043012 A JP H043012A
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- quantum well
- electric field
- well layer
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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
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光変調器、光スィッチ等の半導体光デバイス
の駆動方法に関し、半導体量子井戸構造において、量子
井戸層に垂直な電界成分をもつ光を入射し、かつ動作波
長の近傍に軽い正孔による励起子共鳴吸収端を設定する
ことにより、当該デバイスの高変調度、低電圧動作等の
性能向上を図るものである。
の駆動方法に関し、半導体量子井戸構造において、量子
井戸層に垂直な電界成分をもつ光を入射し、かつ動作波
長の近傍に軽い正孔による励起子共鳴吸収端を設定する
ことにより、当該デバイスの高変調度、低電圧動作等の
性能向上を図るものである。
半導体への光照射により発生する電子および正札はクー
ロン引力により結合し励起子を形成する。
ロン引力により結合し励起子を形成する。
この励起子が量子井戸内で形成されると障壁層の高いポ
テンシャルのために強い束縛状態を生し、励起子は室温
でも安定に存在するようになる。この室温励起子はこれ
まで次のように利用されてきた。第６図（ａ）はこの励
起子に伴う量子井戸層に平行な電界成分をもつＴＥ偏光
光に対する吸収係数スペクトラムである。この吸収係数
スペクトラムは外部電界により低エネルギ側にシフトす
る（量子閉じ込めシュタルク効果という）。たとえば入
射光の波長を図中のλ１とすると、電界印加後の光吸収
ピーク波長がλ１に一致するようにデバイス構造パラメ
ータを設定すれば、電界により光強度を制御しうる光強
度変調器を構成することができる。第６図（ｂ）にデバ
イス構造を同図（Ｃ）にその変調特性を示す。すなわち
この場合、電界を印加した時の光吸収ピーク波長を、量
子井戸層幅を調節して動作波長λ１に設定することによ
り大きな０ｎ１０ｆｆ比（第６図（Ｃ））を得ることが
できる。第６図（ａｌに示すように一般に励起子吸収ス
ペクトラムは２つのピークより成っている。低エネルギ
側のピークは重い正孔と電子により構成される励起子（
Ｈｅａｖｙ−Ｈｏｌｅ：ＨＨと略記）に対応し、一方高
エネルギ側の励起子は軽い正孔と電子により構成される
励起子（Ｌｉｇｈｔ−Ｈｏｌｅ：Ｌｔ（と略記）に対す
る。従来技術ではこのうちＨＨに起因する光吸収端の電
界変化を利用してきた。このＨＨ吸収の利用は、半導体
レーザからの出射光がＴＥ偏光光であることを想定して
いる。
テンシャルのために強い束縛状態を生し、励起子は室温
でも安定に存在するようになる。この室温励起子はこれ
まで次のように利用されてきた。第６図（ａ）はこの励
起子に伴う量子井戸層に平行な電界成分をもつＴＥ偏光
光に対する吸収係数スペクトラムである。この吸収係数
スペクトラムは外部電界により低エネルギ側にシフトす
る（量子閉じ込めシュタルク効果という）。たとえば入
射光の波長を図中のλ１とすると、電界印加後の光吸収
ピーク波長がλ１に一致するようにデバイス構造パラメ
ータを設定すれば、電界により光強度を制御しうる光強
度変調器を構成することができる。第６図（ｂ）にデバ
イス構造を同図（Ｃ）にその変調特性を示す。すなわち
この場合、電界を印加した時の光吸収ピーク波長を、量
子井戸層幅を調節して動作波長λ１に設定することによ
り大きな０ｎ１０ｆｆ比（第６図（Ｃ））を得ることが
できる。第６図（ａｌに示すように一般に励起子吸収ス
ペクトラムは２つのピークより成っている。低エネルギ
側のピークは重い正孔と電子により構成される励起子（
Ｈｅａｖｙ−Ｈｏｌｅ：ＨＨと略記）に対応し、一方高
エネルギ側の励起子は軽い正孔と電子により構成される
励起子（Ｌｉｇｈｔ−Ｈｏｌｅ：Ｌｔ（と略記）に対す
る。従来技術ではこのうちＨＨに起因する光吸収端の電
界変化を利用してきた。このＨＨ吸収の利用は、半導体
レーザからの出射光がＴＥ偏光光であることを想定して
いる。
（発明が解決しようとする課題〕
上述した、従来のＴＥ偏光光入射にもとづく重い正札に
よる励起子吸収を用いた駆動方法では光変調器、光スィ
ッチ等の励起子利用光デバイスの高変調度、低電圧動作
等の高性能化が十分に達成できないという問題点があっ
た。実際、ＴＥ偏光光入射にこだわる必要はなく、もう
ひとつの量子井戸層に垂直な電界成分をもつ７Ｍ偏光光
の入射にもとすく駆動方法により光デバイスの高性能化
が実現できれば後者の利用価値の方が高くなる。
よる励起子吸収を用いた駆動方法では光変調器、光スィ
ッチ等の励起子利用光デバイスの高変調度、低電圧動作
等の高性能化が十分に達成できないという問題点があっ
た。実際、ＴＥ偏光光入射にこだわる必要はなく、もう
ひとつの量子井戸層に垂直な電界成分をもつ７Ｍ偏光光
の入射にもとすく駆動方法により光デバイスの高性能化
が実現できれば後者の利用価値の方が高くなる。
しかしこれまで、７Ｍ偏光光を用いた励起子利用光デバ
イスの高性能化の提案はなかった。
イスの高性能化の提案はなかった。
本発明は、従来の問題を解決するため半導体量子井戸構
造において、７Ｍ偏光光を入射した場合の軽い正孔によ
る励起子共鳴吸収端の電界シフト効果を利用した駆動方
法を用いることで当該構造を有する半導体デバイスの高
性能化を図ることを目的とする。
造において、７Ｍ偏光光を入射した場合の軽い正孔によ
る励起子共鳴吸収端の電界シフト効果を利用した駆動方
法を用いることで当該構造を有する半導体デバイスの高
性能化を図ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段）
上記目的を達成するため、本発明による半導体光デバイ
スの駆動方法では、半導体量子井戸層と、該半導体量子
井戸層に電界を印加させるべく設置された二つの電極を
有する構造において、量子井戸層幅を調整することで、
前記半導体量子井戸層中の軽い正札に基づく励起子によ
る光吸収端を与えられた動作波長の近傍に設定し、前記
二つの電極間への電圧印加に伴う前記半導体量子井戸層
の吸収係数変化もしくは屈折率変化による光の制御を前
記半導体量子井戸層に垂直な電界成分をもつ光に対して
行うことを特徴とする。
スの駆動方法では、半導体量子井戸層と、該半導体量子
井戸層に電界を印加させるべく設置された二つの電極を
有する構造において、量子井戸層幅を調整することで、
前記半導体量子井戸層中の軽い正札に基づく励起子によ
る光吸収端を与えられた動作波長の近傍に設定し、前記
二つの電極間への電圧印加に伴う前記半導体量子井戸層
の吸収係数変化もしくは屈折率変化による光の制御を前
記半導体量子井戸層に垂直な電界成分をもつ光に対して
行うことを特徴とする。
量子井戸における励起子共鳴吸収の吸収端近傍では、２
つの吸収ピーク（ＨＨおよびＬＨ）が光変調器、光スィ
ッチ等への応用を考えると、重要である。光遷移過程の
理論検討から、これらの励起子による光吸収係数は遷移
の行列要素を通して照射光の偏光方向に強く依存する。
つの吸収ピーク（ＨＨおよびＬＨ）が光変調器、光スィ
ッチ等への応用を考えると、重要である。光遷移過程の
理論検討から、これらの励起子による光吸収係数は遷移
の行列要素を通して照射光の偏光方向に強く依存する。
第１図（ａ）は遷移の行列要素の二乗Ｍ２の偏光方向依
存性を示す。
存性を示す。
角度θは偏光方向が量子井戸に垂直な方向となす角度で
ある。Ｍｔはθ＝９０６のＨＨＯ値を１として表してい
る。ＴＥモード光（θ＝９０’ ）ではＬＨのＭ２はＨ
Ｈのそれの１／３倍となっている。
ある。Ｍｔはθ＝９０６のＨＨＯ値を１として表してい
る。ＴＥモード光（θ＝９０’ ）ではＬＨのＭ２はＨ
Ｈのそれの１／３倍となっている。
これに対して７Ｍモード光（θ＝０°）ではＬＨのＭ２
は４／３倍に増加し、しかもＨＨのＭ２は０となる。と
ころで、吸収係数ピークα９は次式％式％ ここにＡは材料に固をの定数、ａは励起子半径（電子・
正孔間の平均距離）、「は吸収のエネルギ線幅である。
は４／３倍に増加し、しかもＨＨのＭ２は０となる。と
ころで、吸収係数ピークα９は次式％式％ ここにＡは材料に固をの定数、ａは励起子半径（電子・
正孔間の平均距離）、「は吸収のエネルギ線幅である。
第１図（ａ）のようなθ依存性のためにＴＥ偏光に対す
る吸収係数スペクトラムは第１図（ｂ）のようになる。
る吸収係数スペクトラムは第１図（ｂ）のようになる。
即ちＴＥ偏光に対して観測されていたＨＨは７Ｍ偏光で
は消滅し、代りにＬＨはＨＨよりも大きな吸収係数のピ
ーク値を示す。
は消滅し、代りにＬＨはＨＨよりも大きな吸収係数のピ
ーク値を示す。
よって、この７Ｍ偏光と増強されたＬＨ吸収を組合せる
ことによって、光デバイスの性能向上を実現できるよう
になる。この組合せ（ＴＭ光とＬＨ吸収）を用いる利点
は、上記Ｍ２の増強の他にも幾つかある。以下これにつ
いて説明する。
ことによって、光デバイスの性能向上を実現できるよう
になる。この組合せ（ＴＭ光とＬＨ吸収）を用いる利点
は、上記Ｍ２の増強の他にも幾つかある。以下これにつ
いて説明する。
第１図（ｂ）より明らかなようにＬＨ吸収端はＨＨ吸収
端よりも高エネルギ側にある。従っである動作波長、例
えば光フアイバ通信波長１．５５μｍが与えられた時、
ＴＭ光／ＬＨ吸収端を用いる場合（以後これをＴＭ動作
と呼ぶ）にはＴＥ光／ｆ（Ｈ吸収端を用いる場合（ＴＥ
動作）と異なった量子井戸構造をデバイスにもたせなけ
ればならない。
端よりも高エネルギ側にある。従っである動作波長、例
えば光フアイバ通信波長１．５５μｍが与えられた時、
ＴＭ光／ＬＨ吸収端を用いる場合（以後これをＴＭ動作
と呼ぶ）にはＴＥ光／ｆ（Ｈ吸収端を用いる場合（ＴＥ
動作）と異なった量子井戸構造をデバイスにもたせなけ
ればならない。
これは量子井戸層の幅りをＬＴＭ＞ＬＴＥとして、量子
準位を下げることによって実現する。デバイスをＴＭ動
作させるためにこのように井戸層幅を増加することは、
次のような優れた効果をもたらす（（１）および（ｉｉ
））。ＴＭ動作をＴＥ動作と比較した場合のその他の利
点（上記したＭ２増強（ｉｖ）を含む）も併せて以下に
記す。
準位を下げることによって実現する。デバイスをＴＭ動
作させるためにこのように井戸層幅を増加することは、
次のような優れた効果をもたらす（（１）および（ｉｉ
））。ＴＭ動作をＴＥ動作と比較した場合のその他の利
点（上記したＭ２増強（ｉｖ）を含む）も併せて以下に
記す。
（ｉ）井戸層幅が大きいほど吸収のエネルギ線幅Ｆは小
さくなるため吸収端はシャープになり同時に弐（１）に
よって吸収ビークα２は増加する。「の減少およびα、
の増加は大きなｏｎ１０ｆｆ比をもたらす。
さくなるため吸収端はシャープになり同時に弐（１）に
よって吸収ビークα２は増加する。「の減少およびα、
の増加は大きなｏｎ１０ｆｆ比をもたらす。
（ｉｉ）井戸層幅が大きいほど電界印加に伴うピークの
位置のシフトは大きくなり低電界動作が可能になる。
位置のシフトは大きくなり低電界動作が可能になる。
（山）励起子半径ａはＬＨとＨＨとではａＬＨくａＨＨ
であるため式（１）によってＬＨを利用する方がα２は
大きくなる。
であるため式（１）によってＬＨを利用する方がα２は
大きくなる。
（ｉｖ）ＴＭ動作時のＭ２の増強によるα２の増加。
［実施例：・
以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
第２図（ａ）により、第１の実施例であるＩｎＧａＡｓ
／ｆｎＡＩＡｓ量子井戸構造を用いた光強度変調器に対
する駆動方法を説明する。第２図（ａ）に示す光強度変
調器は以下のようにして製作される。まず、分子線エピ
タキシャル法によりｎ型１ｎＰ基板１上にｎ゛型ＩｎＧ
ａＡｓ層２を成長する。この上にすでに述べた井戸層幅
１０１ 人１障壁層幅１００人を有するアンドープＩｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸層３を成長し次にｐ°
型１ｎＧａＡｓ−層４を成長した後、図のように加工し
電極金属５および６を取り付ける。このように製作され
た素子の電極５−６間に逆バイアスを印加すると量子井
戸Ｎ３に電界が印加され、第２［ｍ（ｂ）に示すように
この領域の吸収係数が変化する。ここで、ＴＥ動作に関
しては、電界Ｆ＝１６０ ｋＶ・ｃｒｒＶ’が印加され
た時ＨＨ吸収ピーク位置が動作波長λ、 ＝ １．５
５μｍと一致するように井戸層幅Ｌ−７６人を決めた。
／ｆｎＡＩＡｓ量子井戸構造を用いた光強度変調器に対
する駆動方法を説明する。第２図（ａ）に示す光強度変
調器は以下のようにして製作される。まず、分子線エピ
タキシャル法によりｎ型１ｎＰ基板１上にｎ゛型ＩｎＧ
ａＡｓ層２を成長する。この上にすでに述べた井戸層幅
１０１ 人１障壁層幅１００人を有するアンドープＩｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸層３を成長し次にｐ°
型１ｎＧａＡｓ−層４を成長した後、図のように加工し
電極金属５および６を取り付ける。このように製作され
た素子の電極５−６間に逆バイアスを印加すると量子井
戸Ｎ３に電界が印加され、第２［ｍ（ｂ）に示すように
この領域の吸収係数が変化する。ここで、ＴＥ動作に関
しては、電界Ｆ＝１６０ ｋＶ・ｃｒｒＶ’が印加され
た時ＨＨ吸収ピーク位置が動作波長λ、 ＝ １．５
５μｍと一致するように井戸層幅Ｌ−７６人を決めた。
図には破線でＦ＝Ｏおよび１６０ ｋＶ −ａｎ−’に
対する吸収係数スペクトラムα（Ｆ）が記しである。
対する吸収係数スペクトラムα（Ｆ）が記しである。
ＴＭ動作に関しては、電界Ｆ＝１２０ｋＶ −ｃ＋ｎ
−’が印加された時ＬＨ吸収ピーク位置が動作波長ｚＩ
＝ １．５５μｍと一致するように井戸層幅Ｌ＝１０
１人を決めた。第２図（ｂ）には実線でＦ＝Ｏおよび１
２０ ｋＶ−１１に対する吸収係数スペクトラムα（Ｆ
）が記しである。動作波長λ、においてα□１（Ｆ）と
α０（Ｆ）を比較するとα７Ｍ（１２０）＝１゜３７Ｘ
１０’ｃｍ−’＞ αｔｔ（１６０） ＝０．６７Ｘ１
０’ｃｍ−’であり、またａＴｌ、Ｉ（０） ＝２０ｃ
ｍ−’＜αｙＥ（０） ＝３５ｃｍとＴＭ動作の方が有
利な結果となる。しかもＴＭ動作の方が低電界（１２０
ｋＶゴ「１）でこれを実現している。
−’が印加された時ＬＨ吸収ピーク位置が動作波長ｚＩ
＝ １．５５μｍと一致するように井戸層幅Ｌ＝１０
１人を決めた。第２図（ｂ）には実線でＦ＝Ｏおよび１
２０ ｋＶ−１１に対する吸収係数スペクトラムα（Ｆ
）が記しである。動作波長λ、においてα□１（Ｆ）と
α０（Ｆ）を比較するとα７Ｍ（１２０）＝１゜３７Ｘ
１０’ｃｍ−’＞ αｔｔ（１６０） ＝０．６７Ｘ１
０’ｃｍ−’であり、またａＴｌ、Ｉ（０） ＝２０ｃ
ｍ−’＜αｙＥ（０） ＝３５ｃｍとＴＭ動作の方が有
利な結果となる。しかもＴＭ動作の方が低電界（１２０
ｋＶゴ「１）でこれを実現している。
ただし、ＴＭ動作の方が大きな井戸幅Ｌ （１０１人）
を用いているので動作電圧で比較した場合には、優劣は
これだけから分らない。そこで、つぎのような性能指数
を導入する。
を用いているので動作電圧で比較した場合には、優劣は
これだけから分らない。そこで、つぎのような性能指数
を導入する。
ζ−（α （Ｆ） −α （０））／α （０）／（
Ｆ（Ｌ＋Ｗ）） （２） ここにＷは障壁層幅である。弐（２）中αに関係した項
は電界印加に伴う吸収係数の変化の効率を表しこれが大
きいほど高性能といえる。Ｆ （Ｌ＋Ｗ）は１周期に印
加される電圧に対応しておりこれは小さいことが望まし
い。Ｗ ＝ １００人としてζを見積もってみるとぐ１
．４／ζ↑Ｅ ＝ ４ 、２となり性能指数にして約４
倍の性能向上があることが分かる。
Ｆ（Ｌ＋Ｗ）） （２） ここにＷは障壁層幅である。弐（２）中αに関係した項
は電界印加に伴う吸収係数の変化の効率を表しこれが大
きいほど高性能といえる。Ｆ （Ｌ＋Ｗ）は１周期に印
加される電圧に対応しておりこれは小さいことが望まし
い。Ｗ ＝ １００人としてζを見積もってみるとぐ１
．４／ζ↑Ｅ ＝ ４ 、２となり性能指数にして約４
倍の性能向上があることが分かる。
波長１．５５μｍのＴＭ入射光７の強度を一定とした時
の出射光８の強度の時間変化を第２図（ｃ）に示す。印
加する電界に応して出射光強度が変調をうけているのが
分る。従来のＴＥ動作型（井戸層幅７６人）と比較する
とＴＭ動作型では変調の効率η＝ （１１−Ｉｏ） ／
ｌ＋が約２倍となることが分る。
の出射光８の強度の時間変化を第２図（ｃ）に示す。印
加する電界に応して出射光強度が変調をうけているのが
分る。従来のＴＥ動作型（井戸層幅７６人）と比較する
とＴＭ動作型では変調の効率η＝ （１１−Ｉｏ） ／
ｌ＋が約２倍となることが分る。
第３図（ａ）は、第２の実施例である光位相変調器の駆
動方法を説明する図である。同図に示す位相変調器の製
作方法は第１の実施例で用いた光強度変調器と同様であ
るが、井戸層幅はＴＥ動作およびＴＭ動作に対しそれぞ
れ、６４人および８３人である。このように製作された
素子は以下のようにして動作する。波長１．５５μｍの
ＴＭ入射光７は量子井戸領域を！遇する際電界印加に伴
う屈折率の変化をうけてその位相を変化する。このとき
、屈折率変化が大きいことが望ましいが、光は電界印加
前後の媒質中を伝搬するので、電界印加前後での吸収係
数が非常に小さいことが要求される。電界＝０では吸収
係数が小さいことは明らかなので、電界印加後の吸収係
数の値が問題となる。
動方法を説明する図である。同図に示す位相変調器の製
作方法は第１の実施例で用いた光強度変調器と同様であ
るが、井戸層幅はＴＥ動作およびＴＭ動作に対しそれぞ
れ、６４人および８３人である。このように製作された
素子は以下のようにして動作する。波長１．５５μｍの
ＴＭ入射光７は量子井戸領域を！遇する際電界印加に伴
う屈折率の変化をうけてその位相を変化する。このとき
、屈折率変化が大きいことが望ましいが、光は電界印加
前後の媒質中を伝搬するので、電界印加前後での吸収係
数が非常に小さいことが要求される。電界＝０では吸収
係数が小さいことは明らかなので、電界印加後の吸収係
数の値が問題となる。
そこで、電界１６０ ｋＶ −ｃｍ−’を印加した場合
の動作波長λ＋、＝１．５５μｍでの吸収係数が１００
ｃ「（比較的小さな値）となるよう上記の井戸層幅（
ＴＥおよびＴＭ動作に対してそれぞれ６４人および８３
人）を決めた。第３図（ｂ）はこのような井戸層幅の量
子井戸構造における電界印加による屈折率変化スペクト
ラムΔｎ （Ｆ）を記している。屈折率は吸収係数をク
ラマース・クローニッヒ変換することによって得られる
ので、第２図（ｂ）と同様に屈折率の増強効果がある。
の動作波長λ＋、＝１．５５μｍでの吸収係数が１００
ｃ「（比較的小さな値）となるよう上記の井戸層幅（
ＴＥおよびＴＭ動作に対してそれぞれ６４人および８３
人）を決めた。第３図（ｂ）はこのような井戸層幅の量
子井戸構造における電界印加による屈折率変化スペクト
ラムΔｎ （Ｆ）を記している。屈折率は吸収係数をク
ラマース・クローニッヒ変換することによって得られる
ので、第２図（ｂ）と同様に屈折率の増強効果がある。
図より明らかなようにλ１において１Δｎｔｅｒ（１６
０） ｌ ＝１．７２Ｘ１０−”＞Δｎ ＴＥ（１６
０） ｌ ＝０．７３７ Ｘ １０−”とＴＭ動作の
方が有利な結果となる。
０） ｌ ＝１．７２Ｘ１０−”＞Δｎ ＴＥ（１６
０） ｌ ＝０．７３７ Ｘ １０−”とＴＭ動作の
方が有利な結果となる。
ただし、ＴＭ動作の方が大きな井戸幅Ｌ（８３人）を用
いているので動作電圧における優劣はこれだけからは分
らない。そこでつぎのような性能指数を導入する。
いているので動作電圧における優劣はこれだけからは分
らない。そこでつぎのような性能指数を導入する。
η＝１Δｎ （Ｆ）ｉ／α（Ｆ）／
（Ｆ （Ｌ＋Ｗ） ） （３）
ここにＷは障壁層幅である。式（３）中１Δｎ（Ｆ）１
が大きいほど高性能といえる。α（Ｆ）は電界印加後の
吸収係数、またＦ （Ｌ＋Ｗ）は１周期に印加される電
圧に対応しており、これらは小さいことが望ましい。Ｗ
＝１００人としてηを見積もってみるとη０．４／ηｔ
ｔ＝２．３となり性能指数にして約２倍の性能向上があ
ることが分る。
が大きいほど高性能といえる。α（Ｆ）は電界印加後の
吸収係数、またＦ （Ｌ＋Ｗ）は１周期に印加される電
圧に対応しており、これらは小さいことが望ましい。Ｗ
＝１００人としてηを見積もってみるとη０．４／ηｔ
ｔ＝２．３となり性能指数にして約２倍の性能向上があ
ることが分る。
第３図（ｃ）は電界印加に伴う出射光の位相の変化を示
している。ＴＭ動作では第３図（ｂ）の結果を反映して
同一駆動電圧に対して約２倍の位相変化が観測されてい
る。
している。ＴＭ動作では第３図（ｂ）の結果を反映して
同一駆動電圧に対して約２倍の位相変化が観測されてい
る。
第４図（ａ）は、第３の実施例である交差導波路型光ス
イッチの駆動方法を説明する図である。同図に示す光ス
ィッチは以下のような手順で製作される。まず分子線エ
ピタキシャル法によりｎ型■ｎＰ型基板１１上全面に能
動領域の構成要素である井戸層幅１１３人、障壁層幅１
００人のアンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量
子井戸層１２ａおよびＰ型ＩｎＰ層１２ｂを結晶成長さ
せた後、この矩形の能動領域１２のみを残してメサエッ
チする。さらにその上全面に受動領域１４の構成要素で
ある他の半導体材料（ｎ型１ｎＰ層）を結晶成長し、次
にこの成長層を受動領域１４を残すように交差型にメサ
エッチした復電極付して素子を完成する。
イッチの駆動方法を説明する図である。同図に示す光ス
ィッチは以下のような手順で製作される。まず分子線エ
ピタキシャル法によりｎ型■ｎＰ型基板１１上全面に能
動領域の構成要素である井戸層幅１１３人、障壁層幅１
００人のアンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量
子井戸層１２ａおよびＰ型ＩｎＰ層１２ｂを結晶成長さ
せた後、この矩形の能動領域１２のみを残してメサエッ
チする。さらにその上全面に受動領域１４の構成要素で
ある他の半導体材料（ｎ型１ｎＰ層）を結晶成長し、次
にこの成長層を受動領域１４を残すように交差型にメサ
エッチした復電極付して素子を完成する。
このように製作された素子は以下のようにして動作する
。光入射ボー）ＰＩから入射したＴＭ入射光７は受動領
域１４−３中を導波し能動領域１２ａに達する。能動領
域１２ａに電圧が印加されていない時光はこの領域を素
通りし受動領域１４−２中を導波されて光出射ボートＰ
２に達する。能動領域１２に設けられた電橋金属１３．
１３に電圧を印加すると、この領域の屈折率が変化し、
光は能動領域１２と受動領域１４の交差部との界面で全
反射を起こし、今度は受動領域１４−１中を導波し、光
出射ボートＰ３に達する。ただし、電圧印加後の屈折率
値に対して全反射が起きるように受動領域１４の交差角
が決められている。即ち、光入射ボー１−Ｐｌから入射
した波長１．５５μｍの光は電界の印加に応じて光出射
ボートＰ２および光出射ボー１−Ｐ３に振り分けられ光
スィッチを構成する。
。光入射ボー）ＰＩから入射したＴＭ入射光７は受動領
域１４−３中を導波し能動領域１２ａに達する。能動領
域１２ａに電圧が印加されていない時光はこの領域を素
通りし受動領域１４−２中を導波されて光出射ボートＰ
２に達する。能動領域１２に設けられた電橋金属１３．
１３に電圧を印加すると、この領域の屈折率が変化し、
光は能動領域１２と受動領域１４の交差部との界面で全
反射を起こし、今度は受動領域１４−１中を導波し、光
出射ボートＰ３に達する。ただし、電圧印加後の屈折率
値に対して全反射が起きるように受動領域１４の交差角
が決められている。即ち、光入射ボー１−Ｐｌから入射
した波長１．５５μｍの光は電界の印加に応じて光出射
ボートＰ２および光出射ボー１−Ｐ３に振り分けられ光
スィッチを構成する。
上記の電界印加による能動領域１２の屈折率変化につい
て第５図を用いて説明する。ＴＥ動作に関しては、電界
Ｆ ＝１６０ ｋＶ −ｃｍ−’カ印加すレタ時、ＨＨ
による屈折率変化ピーク位置が動作波長λ。
て第５図を用いて説明する。ＴＥ動作に関しては、電界
Ｆ ＝１６０ ｋＶ −ｃｍ−’カ印加すレタ時、ＨＨ
による屈折率変化ピーク位置が動作波長λ。
＝１．５５μｍと一致するように井戸層幅Ｌ＝８８人を
決めた。図には破線でＦ ＝１６０ ｋＶ −ａｍ−’
に対する屈折率変化スペクトラムΔｎ （Ｆ）が記しで
ある。
決めた。図には破線でＦ ＝１６０ ｋＶ −ａｍ−’
に対する屈折率変化スペクトラムΔｎ （Ｆ）が記しで
ある。
ＴＭ動作に関しては、電界Ｆ ＝ｓｏｋｖ −ｃｌｍ−
’が印加された時、ＬＨによる屈折率変化ピーク位置が
動作波長λＩ ＝１．５５μｍと一致するように井戸層
幅Ｌ＝１１３人を決めた。図には実線でＦ ＝８０ｋＶ
・Ｃｍ−’に対する屈折率変化スペクトラムΔｎ（Ｆ）
が記しである。動作波長λ、においてΔｎＴｊｌ（Ｆ）
とΔｎｔｉ（Ｆ）を比較すると１Δｎ Ｔ、４（８０）
＝０．３４３＞ ｌΔｎｔ、（１６０） ｌ ＝０．１
９６とＴＭ動作の方が有利な結果となる。しかもＴＭ動
作の方が低電界（８０にν・ｃｓ −’ ）でこれを実
現している。
’が印加された時、ＬＨによる屈折率変化ピーク位置が
動作波長λＩ ＝１．５５μｍと一致するように井戸層
幅Ｌ＝１１３人を決めた。図には実線でＦ ＝８０ｋＶ
・Ｃｍ−’に対する屈折率変化スペクトラムΔｎ（Ｆ）
が記しである。動作波長λ、においてΔｎＴｊｌ（Ｆ）
とΔｎｔｉ（Ｆ）を比較すると１Δｎ Ｔ、４（８０）
＝０．３４３＞ ｌΔｎｔ、（１６０） ｌ ＝０．１
９６とＴＭ動作の方が有利な結果となる。しかもＴＭ動
作の方が低電界（８０にν・ｃｓ −’ ）でこれを実
現している。
ただし、ＴＭ動作の方が大きな井戸幅Ｌ （１１３人）
を用いているので動作電圧で比較した場合には、優劣は
これだけからは分からない。そこで、つぎのような性能
指数を導入する。
を用いているので動作電圧で比較した場合には、優劣は
これだけからは分からない。そこで、つぎのような性能
指数を導入する。
ζ＝ＩΔｎ （Ｆ） ｌ ／ （Ｆ （Ｌ＋Ｗ） ）
（４）ここに、Ｗは障壁層幅である。式（４）中１Δ
ｎ（Ｆ）ｌが大きいほど高性能といえる。Ｆ （Ｌ＋Ｗ
）は、１周期に印加される電圧に対応しており、これは
小さいことが望ましい。Ｗ＝１００人としてζを見積も
ってみるとぐア、４／ζアｔ＝３．１となり性能指数に
して約３倍の性能向上があることが分る。
（４）ここに、Ｗは障壁層幅である。式（４）中１Δ
ｎ（Ｆ）ｌが大きいほど高性能といえる。Ｆ （Ｌ＋Ｗ
）は、１周期に印加される電圧に対応しており、これは
小さいことが望ましい。Ｗ＝１００人としてζを見積も
ってみるとぐア、４／ζアｔ＝３．１となり性能指数に
して約３倍の性能向上があることが分る。
第４図（ｂ）は光出射ポートＰ３において観測した出射
光強度の電界による変化を表している。ＴＭ動作を従来
のＴＥ動作と比較してみると大きな屈折率変化を反映し
て大きな出射光強度変化が観測される。また屈折率変化
が大きいため２つの導波路の交差角は従来より大きくと
ることが可能であり、素子製作上の便宜が増加するとい
う利点である。
光強度の電界による変化を表している。ＴＭ動作を従来
のＴＥ動作と比較してみると大きな屈折率変化を反映し
て大きな出射光強度変化が観測される。また屈折率変化
が大きいため２つの導波路の交差角は従来より大きくと
ることが可能であり、素子製作上の便宜が増加するとい
う利点である。
以上３つの実施例をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井
戸を例にとって説明したが、本発明は他の半導体材料系
に対しても同様に通用することができる。
戸を例にとって説明したが、本発明は他の半導体材料系
に対しても同様に通用することができる。
以上説明したように、本発明は半導体量子井戸において
、従来から実施されていた重い正孔による励起子共鳴吸
収端のＴＥ偏光に対する電界効果ではなく、軽い正孔に
よる励起子共鳴吸収端のＴＭ偏光に対する電界効果を利
用する半導体光デバイスの駆動方法であるから、軽い正
孔の励起子に特有の優れた効果によって吸収係数および
屈折率の大きな電界シフトを得ることが可能であり、よ
って本方法による励起子を利用した光変調器および光ス
ィッチ等の光デバイスにおいて大きな変調効率を得るこ
とができるという利点がある。
、従来から実施されていた重い正孔による励起子共鳴吸
収端のＴＥ偏光に対する電界効果ではなく、軽い正孔に
よる励起子共鳴吸収端のＴＭ偏光に対する電界効果を利
用する半導体光デバイスの駆動方法であるから、軽い正
孔の励起子に特有の優れた効果によって吸収係数および
屈折率の大きな電界シフトを得ることが可能であり、よ
って本方法による励起子を利用した光変調器および光ス
ィッチ等の光デバイスにおいて大きな変調効率を得るこ
とができるという利点がある。
第１図（ａ） （ｂ）は本発明の詳細な説明するための
図であり、第１図（ａ）は光遷移の行列要素の二乗（Ｍ
２）の偏光方向依存性を示す図、第１図（ｂ）はＴＥ偏
光およびＴＭ偏光に対する吸収係数スペクトラムを示す
図、 第２図（ａ） （ｂ） （ｃ）は第１の実施例を説明す
る図であり、第２図（ａ）は光強度変調器の構造とその
駆動方法を示す図、第２図（ｂ）はＴＥ動作およびＴＭ
動作に対応する２つの量子井戸（井戸層幅はそれぞれ７
６人および１０１人）に対する吸収係数スペクトラムと
その電界による変化の様子を示す図、第２図（ｃ）は変
調特性を示す図、 第３図（ａ） （ｂ） （ｃ）は第２の実施例を説明す
る図であり、第３図（ａ）は光位相変調器の構造とその
駆動方法を示す図、第３図（ｂ）はＴＥ動作およびＴＭ
動作に対応する２つの量子井戸（井戸層幅はそれぞれ６
４人および８３人）に対する屈折率の電界による変化を
示す図、第３図（ｃ）は変調特性を示す図、 第４図（ａ） （ｂ） 、第５図は第３の実施例を説明
する図であり、第４図（ａ）は光スィッチの構造とその
駆動方法を示す図、第４図（ｂ）はスイッチ特性を示す
図、第５図はＴＥ動作およびＴＭ動作に対応する２つの
量子井戸（井戸層幅はそれぞれ８８人および１１３人）
に対する屈折率の電界による変化を示す図、 第６図（ａ） （ｂ） （ｃ）は従来の技術である重い
正孔の励起子による吸収端とＴＥ偏光光を用いた光強度
変調器の駆動方法を説明する図であり、第６図（ａ）は
ＴＥ偏光光に対する吸収係数スペクトラムとその電界に
よる変化を示す図、第６図（ｂ）は光強度変調器の構造
とその駆動方法を示す図、および第６図（Ｃ）は電界に
よる透過光の制御を示す図である。 １・・・・・・ｎ−１ｎＰ基板 ２−− ｎ ” −１ｎＧａＡｓ ３・・・・・・アンドープＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ＾ＩＡｓ
量子井戸層４−−・−ｐ ” −１ｎＧａＡｓ ５・・・・・・電極金属 ６・・・・・・電極金属 ７・・・・・・ＴＭ入射光 ８・・・・・・出射光 ９・・・・・・ＴＥ入射光 １０・・・・・・出射光 Ｐｌ・・・・・・光入射ボート Ｐ２・・・・・・光出射ボート Ｐ３・・・・・・光出射ボート Ｐ４・・・・・・光ボート １１ ・・・・・・ｎ−ｒｎＰ基板 １２ ・・・・・・能動領域 １３ ・・・・・・電極金属 １４ ・・・・・・受動領域
図であり、第１図（ａ）は光遷移の行列要素の二乗（Ｍ
２）の偏光方向依存性を示す図、第１図（ｂ）はＴＥ偏
光およびＴＭ偏光に対する吸収係数スペクトラムを示す
図、 第２図（ａ） （ｂ） （ｃ）は第１の実施例を説明す
る図であり、第２図（ａ）は光強度変調器の構造とその
駆動方法を示す図、第２図（ｂ）はＴＥ動作およびＴＭ
動作に対応する２つの量子井戸（井戸層幅はそれぞれ７
６人および１０１人）に対する吸収係数スペクトラムと
その電界による変化の様子を示す図、第２図（ｃ）は変
調特性を示す図、 第３図（ａ） （ｂ） （ｃ）は第２の実施例を説明す
る図であり、第３図（ａ）は光位相変調器の構造とその
駆動方法を示す図、第３図（ｂ）はＴＥ動作およびＴＭ
動作に対応する２つの量子井戸（井戸層幅はそれぞれ６
４人および８３人）に対する屈折率の電界による変化を
示す図、第３図（ｃ）は変調特性を示す図、 第４図（ａ） （ｂ） 、第５図は第３の実施例を説明
する図であり、第４図（ａ）は光スィッチの構造とその
駆動方法を示す図、第４図（ｂ）はスイッチ特性を示す
図、第５図はＴＥ動作およびＴＭ動作に対応する２つの
量子井戸（井戸層幅はそれぞれ８８人および１１３人）
に対する屈折率の電界による変化を示す図、 第６図（ａ） （ｂ） （ｃ）は従来の技術である重い
正孔の励起子による吸収端とＴＥ偏光光を用いた光強度
変調器の駆動方法を説明する図であり、第６図（ａ）は
ＴＥ偏光光に対する吸収係数スペクトラムとその電界に
よる変化を示す図、第６図（ｂ）は光強度変調器の構造
とその駆動方法を示す図、および第６図（Ｃ）は電界に
よる透過光の制御を示す図である。 １・・・・・・ｎ−１ｎＰ基板 ２−− ｎ ” −１ｎＧａＡｓ ３・・・・・・アンドープＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ＾ＩＡｓ
量子井戸層４−−・−ｐ ” −１ｎＧａＡｓ ５・・・・・・電極金属 ６・・・・・・電極金属 ７・・・・・・ＴＭ入射光 ８・・・・・・出射光 ９・・・・・・ＴＥ入射光 １０・・・・・・出射光 Ｐｌ・・・・・・光入射ボート Ｐ２・・・・・・光出射ボート Ｐ３・・・・・・光出射ボート Ｐ４・・・・・・光ボート １１ ・・・・・・ｎ−ｒｎＰ基板 １２ ・・・・・・能動領域 １３ ・・・・・・電極金属 １４ ・・・・・・受動領域
Claims (1)
- 半導体量子井戸層と、該半導体量子井戸層に電界を印
加させるべく設置された二つの電極を有する構造におい
て、半導体量子井戸層幅を調節することで、前記半導体
量子井戸層中の軽い正孔に基づく励起子による光吸収端
を与えられた動作波長の近傍に設定し、前記二つの電極
間への電圧印加に伴う前記半導体量子井戸層の吸収係数
変化もしくは屈折率変化による光の制御を前記半導体量
子井戸層に垂直な電界成分をもつ光に対して行うことを
特徴とする半導体光デバイスの駆動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2104581A JP2908511B2 (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 半導体光デバイスの駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2104581A JP2908511B2 (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 半導体光デバイスの駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH043012A true JPH043012A (ja) | 1992-01-08 |
| JP2908511B2 JP2908511B2 (ja) | 1999-06-21 |
Family
ID=14384403
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2104581A Expired - Fee Related JP2908511B2 (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 半導体光デバイスの駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2908511B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9528178B2 (en) | 2012-07-24 | 2016-12-27 | Ykk Corporation | Fastener element for slide fasteners |
-
1990
- 1990-04-20 JP JP2104581A patent/JP2908511B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9528178B2 (en) | 2012-07-24 | 2016-12-27 | Ykk Corporation | Fastener element for slide fasteners |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2908511B2 (ja) | 1999-06-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |