JPH0451997B2 - - Google Patents

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JPH0451997B2
JPH0451997B2 JP58039861A JP3986183A JPH0451997B2 JP H0451997 B2 JPH0451997 B2 JP H0451997B2 JP 58039861 A JP58039861 A JP 58039861A JP 3986183 A JP3986183 A JP 3986183A JP H0451997 B2 JPH0451997 B2 JP H0451997B2
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semiconductor
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Kenichi Kasahara
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Nippon Electric Co Ltd
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体レーザと変調器とを一体化し、
変調器の吸収ピーク波長を変動させることによつ
て半導体レーザの出力光を外部より高速変調でき
る半導体発光素子に関するものである。
速い速度で変調可能な半導体レーザは光通信の
分野に於いては情報の高速、大容量伝送を可能に
するものとして重要視されているが、他の分野、
例えば光演算や光情報処理の分野に於いても今後
その重要性は増々高まる傾向にある。
従来半導体レーザの変調には直接変調方式が用
いられてきた。これはレーザに流れる電流を直接
的に変調する方式であり簡単ではあるが変調速度
の上限は共振周波数で決められてしまい、実用的
には数GHz程度であつた。又直接変調方式ではレ
ーザが変調時に多軸モードで発振する特性がある
ためにスペクトルが広がり、光通信用の光源とし
て用いた時にフアイバの分散効果によつて伝送帯
域が劣化するという問題が生じる。それに対して
外部変調方式ではその様な問題は生じない。半導
体レーザの外部変調用の変調器としては従来より
LiNbO3やLiTaO3等の強誘電体の特性、主とし
てその電気光学効果を利用して実験的に行なわれ
てきた。しかしながら十分な変調を得るには変調
器は数cm程度は必要であるため容量が大きく、又
数十Vと高い印加電圧も必要であり、更にレーザ
と一体にして装置化するには光軸合わせ等の煩雑
な調整が必要であつた。
本発明は上記欠点に鑑みなされたもので、半導
体基板上に発光部と光変調部とをモノリシツク化
して形成し、小型で高速に変調ができる半導体発
光素子を提供するものである。
本発明の半導体発光素子は、p型半導体と多層
薄膜とn型半導体を順に備えた半導体層を有し、 前記多層薄膜は電子及び正孔のド・ブロイ波長
程度、或いはそれ以下の厚さを有するp型半導体
薄膜層とn型半導体薄膜層とを交互に積層した構
造であり、 前記半導体層の一部に電圧を順方向に印加する
ための電極を設けた発光部と、前記半導体層の他
の部分に発光部からの光の強度を逆方向の印加電
圧により変調するための電極を設けた光変調部と
を有することを特徴とする。
以下図面を用いて本発明の実施例を具体的に説
明する。
第1図は本発明による半導体発光素子の動作原
理を示す発光部と光変調部とのバンド図である。
同図に於いて、1a,1b,1c及び1dはp型
半導体層である、又2a,2b,2c及び2dは
n型半導体層である。黒丸は電子、白丸は正孔を
示す。それぞれの半導体層の厚さは電子及び正孔
のド・ブロイ波長程度、或いはそれ以下である。
ここでド・ブロイ波長λdとはプランク定数h及
びキヤリアの運動量Pを用いてλd=h/pで定
義される量で、例えばInPではλd300Å位であ
り、キヤリアの拡散長に比べれば小さな値であ
る。このように薄い半導体層内ではキヤリアの厚
さ方向の運動エネルギーは量子化される。11,
12及び13は伝導帯に現われる電子の離散的な
エネルギー準位を模式的に示したものである。ま
た21及び22は価電子帯の正孔のエネルギー準
位である。エネルギー準位の間隔は半導体層の層
厚に直接的に依存しており、厚さを薄くすると広
がる。第1図の多層薄膜にp型半導体層1aがn
型半導体層2dに対して負によるように電圧を印
加したとする。このような状態ではp型半導体層
1bと、n型半導体層2aとは順方向バイアスの
状態となる。それに対して隣のn型半導体層2a
とp型半導体層1aとは逆方向バイアスの状態と
なり、その接合部に生じている空乏層の厚さは広
がる。その結果n型半導体層2aの内部に存在す
る電子が感じる実効的な厚さは減り、伝導体のエ
ネルギー準位の間隔は広がる。同様な事が他のn
型半導体層2b,2c及び2dの伝導帯のエネル
ギー準位に対しても生じており、又p型半導体層
1a,1b,1c及び1dの価電子帯のエネルギ
ー準位の間隔が広がることも了解されよう。光を
上記のようなバンド構造を持つた半導体層に入射
した場合を考える。光の吸収係数は半導体層のエ
ネルギー準位の間隔に依存しているので、外部か
らの逆方向の印加電圧によつて吸収端波長が短か
くなり光の吸収量が変わり、これにより変調器と
なる。つまり、本願の光変調器は吸収端波長に近
い光に対して、電圧印加しない時には光を吸収
し、電圧印加時には光に透明となるので、入力光
を強度変調することが可能になる。
また発光部では、上記半導体層を活性層とし順
方向に電圧を印加し電流注入することにより発光
素子となり、更に共振器を作れば半導体レーザと
なる。電子と正孔との再結合は順方向にバイアス
された半導体層間の接合部で生じ、それによつて
レーザ発振を起こさせることができる。各半導体
層はド・ブロイ波長程度の薄さであるため、一端
より注入されたキヤリアは逆バイアス状態になつ
た半導体層の部分で生じている電位障壁をトンネ
ル効果で突き抜けることができる。したがつてキ
ヤリアは他端の半導体層まで達することができ、
多層薄膜全体にキヤリアを注入し、供給すること
が可能である。この結果n型半導体層とp型半導
体層とが各々一層より成る場合に比べてレーザ利
得は大きくなる。
第2図は本発明に係わる一実施例の光軸に垂直
な方向の断面図、第3図は光軸方向の断面図であ
る。InGaAsP系混晶で作製されたn型InPからな
る半導体基板31の上に、層厚1μmでSnドープ、
n=1×1018/cm3のn型InPからなるクラツド層
32を形成する。この層32上に、層厚100Åで
Beドープ、p=1×1017/cm3のp型In0.47Ga0.53
Asからなるp型半導体層と、同じく層厚100Åで
Snドープ、n=1×1017/cm3のn型In0.47Ga0.53
Asからなるn型半導体層とを交互にそれぞれ4
層ずつ積層して多層薄膜を形成する。3a,3
b,3c及び3dがp型半導体層、4a,4b,
4c及び4dがn型半導体層である。各層の形成
には分子線エピタキシヤル成長法を用いる。33
及び34は層厚1μmでBeドープ、p=1×1018
cm3のp型InPからなるクラツド層と、p型In0.53
Ga0.47Asからなるコンタクト層、35、36及び
37は電極である。多層薄膜は溝38によつて左
右二つの領域に分離されている。第3図で溝38
の右側39が半導体レーザとして動作する発光部
であり、又左側40が光変調部である。発光部3
9、溝38、及び光変調部40の光軸方向の長さ
はそれぞれ300μm、20μm、50μmである。発光部
39の溝38に面した端面はリアクテイブ・イオ
ンエツチング法によつて光軸に垂直となるような
形成してある。又反対側の端面はへき開面となつ
ている。第3図中Poは光変調部40を通りそこ
で変調されて出てくる光を示す。発光部39から
出た光が光変調部40の両端面で反射されて再び
発光部39に戻り発振を不安定にするのを避ける
ために光変調部40の両端面は光軸に垂直な方向
から少し傾けて形成してある。レーザ光の波長は
約1.5μmである。したがつて本実施例によれば電
極37に印加する電圧を数V変化させるだけで光
変調部40の吸収端波長を1.5μmから1.4μmの範
囲で変化させることができ消光比100%で1GHz
の速度の変調ができる。
また上記実施例によるときには発光部39から
は光変調部40と反対の方向へもレーザ光が出る
ため、反対側にも同様な構造で対称に光変調部を
設ければそれぞれ独立に変調でき、二つの信号光
を送ることができ、経済的な光源が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による半導体発光素子の動作原
理を示す発光部と光変調部とのバンド図、第2図
は本発明に係わる一実施例の光軸に垂直方向の断
面図で第3図の−線断面図を示す、第3図は
光軸方向の断面図である。 1a,1b,1c,1d,3a,3b,3c及
び3dはp型半導体層、2a,2b,2c,2
d,4a,4b,4c及び4dはn型半導体層、
11,12,13,21及び22はエネルギー準
位、31は半導体基板、32及び33はクラツド
層、34はコンタクト層、35,36及び37は
電極、38は溝、39は発光部、40は光変調部
である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 p型半導体と多層薄膜とn型半導体を順に備
    えた半導体層を有し、 前記多層薄膜は電子及び正孔のド・ブロイ波長
    程度、或いはそれ以下の厚さを有するp型半導体
    薄膜層とn型半導体薄膜層とを交互に積層した構
    造であり、 前記半導体層の一部に電圧を順方向に印加する
    ための電極を設けた発光部と、前記半導体層の他
    の部分に発光部からの光の強度を逆方向の印加電
    圧により変調するための電極を設けた光変調部と
    を有することを特徴とする半導体発光素子。
JP3986183A 1983-03-10 1983-03-10 半導体発光素子 Granted JPS59165480A (ja)

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JP3986183A JPS59165480A (ja) 1983-03-10 1983-03-10 半導体発光素子

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JPS59165480A JPS59165480A (ja) 1984-09-18
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JPS59165480A (ja) 1984-09-18

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