JPH0545003B2 - - Google Patents
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- JPH0545003B2 JPH0545003B2 JP14173085A JP14173085A JPH0545003B2 JP H0545003 B2 JPH0545003 B2 JP H0545003B2 JP 14173085 A JP14173085 A JP 14173085A JP 14173085 A JP14173085 A JP 14173085A JP H0545003 B2 JPH0545003 B2 JP H0545003B2
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- electric field
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- semiconductor
- optical modulator
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Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は低駆動電圧で高い消光比を得ることの
できる高速変調可能な光変調器に関するものであ
る。
できる高速変調可能な光変調器に関するものであ
る。
（従来技術とその問題点）
光通信等において、光源として、用いられる半
導体レーザの出力強度や位相を高速で変化させる
際には、大きく分類して２種の方法がある。それ
は、半導体レーザを駆動する電流を直接変化させ
る方法と、光源からの光出力を受動素子である光
変調器を通す事によつて変調する方法である。こ
の両者にはそれぞれ長所短所がある。前者は光変
調器を使用しないため、光変調器による挿入損失
はないが、数百メガヘルツ以上の高速変調時に
は、半導体レーザ中のキヤリヤの暖和振動による
変調波形の歪みや、発振波長の時間変化（チヤー
ピング）が生じ、信号光の検出が困難になる。ま
た、この変調速度はキヤリヤ寿命により制限さ
れ、毎秒４ギガビツト以上の直接変調は原理的に
困難である。
導体レーザの出力強度や位相を高速で変化させる
際には、大きく分類して２種の方法がある。それ
は、半導体レーザを駆動する電流を直接変化させ
る方法と、光源からの光出力を受動素子である光
変調器を通す事によつて変調する方法である。こ
の両者にはそれぞれ長所短所がある。前者は光変
調器を使用しないため、光変調器による挿入損失
はないが、数百メガヘルツ以上の高速変調時に
は、半導体レーザ中のキヤリヤの暖和振動による
変調波形の歪みや、発振波長の時間変化（チヤー
ピング）が生じ、信号光の検出が困難になる。ま
た、この変調速度はキヤリヤ寿命により制限さ
れ、毎秒４ギガビツト以上の直接変調は原理的に
困難である。
一方後者では、毎秒10ギガビツト程度の高速変
調が可能で、かつ高速変調時においてもチヤーピ
ングは少ないが、通常の光変調器では挿入損失が
大きく、特に長距離の伝送に対しては不利であ
る。また、高い消光比の変調を得るためには高い
電圧で駆動する必要がある。
調が可能で、かつ高速変調時においてもチヤーピ
ングは少ないが、通常の光変調器では挿入損失が
大きく、特に長距離の伝送に対しては不利であ
る。また、高い消光比の変調を得るためには高い
電圧で駆動する必要がある。
そこで、後者のタイプで、低損失で高速変調可
能な多層薄膜半導体による光変調器が提案されて
いる。その一例は、山西氏らにより、ジヤパニー
ズ・ジヤーナル・オブ・アプライド・フイジツク
ス（Japanese Jounal of Applied Physics）誌
1983年22巻L22に渇載されているように、多層薄
膜半導体に電界を印加する事により、吸収端を長
波長にずらす、というものであるが、これは、同
時に電子と正孔を空間的に分離してしまい、吸収
確立は小さくなるという欠点を有する。また高い
消光比の変調を得るための駆動電圧も実用上はま
だ高めである。
能な多層薄膜半導体による光変調器が提案されて
いる。その一例は、山西氏らにより、ジヤパニー
ズ・ジヤーナル・オブ・アプライド・フイジツク
ス（Japanese Jounal of Applied Physics）誌
1983年22巻L22に渇載されているように、多層薄
膜半導体に電界を印加する事により、吸収端を長
波長にずらす、というものであるが、これは、同
時に電子と正孔を空間的に分離してしまい、吸収
確立は小さくなるという欠点を有する。また高い
消光比の変調を得るための駆動電圧も実用上はま
だ高めである。
（問題点を解決するための手段）
本発明による光変調器は、１層ないし多層の、
膜厚が電子の平均自由行程程度以下である半導体
薄膜を有し、該半導体薄膜に積層方向に電界を印
加する手段を有する光変調器において、該半導体
薄膜中の狭い禁制帯幅を半導体層の禁制帯幅が積
層方向に関して中央部近傍で最大値をとり両端部
に近づくにつれ減少することに特徴がある。
膜厚が電子の平均自由行程程度以下である半導体
薄膜を有し、該半導体薄膜に積層方向に電界を印
加する手段を有する光変調器において、該半導体
薄膜中の狭い禁制帯幅を半導体層の禁制帯幅が積
層方向に関して中央部近傍で最大値をとり両端部
に近づくにつれ減少することに特徴がある。
（発明の作用・原理）
以下、図面を用いて本発明に作用・原理を説明
する。まず本発明による光変調器の半導体薄膜構
造のバンド構造を模式的に、電界が印加されてい
ない場合について第１図ａに、積層方向に電界が
印加されている場合について第１図ｂに示す。こ
こで、電子の波動関数１１と正孔の波動関数１２
電界による変形について考える。無電界時、つま
り第１図ａの場合では、どちらの波動関数も、狭
バンドギヤツプ層（以下量子井戸層と呼ぶ）の中
の両側のヘテロ界面付近に存在しており、しかも
ほぼ左右対称の形状をしていることがわかる。そ
のため、２つの波動関数の重なり積分の値はほぼ
１となる。しかるに電界印加により量子井戸層で
のバンド構造が変形した際の波動関数は、本発明
による構造によれば第１図ｂに示すように電子と
正孔で反対面のヘテロ界面付近に非常に局在する
ようになり、そのため２つの波動関数の重なり積
分の値は、波動関数が指数関数的に減少する領域
でしか重なりあわないため０に近い値となる。こ
の重列積分の値は吸収係数にほぼ比例し、また電
界印加によつて電子のエネルギー準位１３と正孔
のエネルギー準位１４の差によつて決まる吸収端
のエネルギー１５（第１図ｃ）は減少するので、
この電界印加による吸収係数スペクトリの変化は
第１図ｃに示すようになる。実線は無電界時の吸
収係数スペクトル１６、波線は電界印加時の吸収
係数スペクトル１７である。
する。まず本発明による光変調器の半導体薄膜構
造のバンド構造を模式的に、電界が印加されてい
ない場合について第１図ａに、積層方向に電界が
印加されている場合について第１図ｂに示す。こ
こで、電子の波動関数１１と正孔の波動関数１２
電界による変形について考える。無電界時、つま
り第１図ａの場合では、どちらの波動関数も、狭
バンドギヤツプ層（以下量子井戸層と呼ぶ）の中
の両側のヘテロ界面付近に存在しており、しかも
ほぼ左右対称の形状をしていることがわかる。そ
のため、２つの波動関数の重なり積分の値はほぼ
１となる。しかるに電界印加により量子井戸層で
のバンド構造が変形した際の波動関数は、本発明
による構造によれば第１図ｂに示すように電子と
正孔で反対面のヘテロ界面付近に非常に局在する
ようになり、そのため２つの波動関数の重なり積
分の値は、波動関数が指数関数的に減少する領域
でしか重なりあわないため０に近い値となる。こ
の重列積分の値は吸収係数にほぼ比例し、また電
界印加によつて電子のエネルギー準位１３と正孔
のエネルギー準位１４の差によつて決まる吸収端
のエネルギー１５（第１図ｃ）は減少するので、
この電界印加による吸収係数スペクトリの変化は
第１図ｃに示すようになる。実線は無電界時の吸
収係数スペクトル１６、波線は電界印加時の吸収
係数スペクトル１７である。
したがつて、無、電電界時の吸収端よりやや大
きいエネルギー１８を有する光について考えてみ
れば、無電界時では吸収係数が大きいため、この
量子井戸層で非常に吸収されるが、電界印加時で
は吸収係数が０に近い値をとるためこの量子井戸
層ではほとんど吸収されないことがわかる。した
がつて、このエネルギー１８を有する光の強度変
調を電界印加のオン・オフにより高い消光比でも
つて行なえることがわかる。
きいエネルギー１８を有する光について考えてみ
れば、無電界時では吸収係数が大きいため、この
量子井戸層で非常に吸収されるが、電界印加時で
は吸収係数が０に近い値をとるためこの量子井戸
層ではほとんど吸収されないことがわかる。した
がつて、このエネルギー１８を有する光の強度変
調を電界印加のオン・オフにより高い消光比でも
つて行なえることがわかる。
また、この際に必要な電界の大きさも、本発明
による構造では非常に小さくてすみ、また高速の
変調についても電界により波動関数の形状を変化
させることが本質なので原理的に数十ＧHz以上ま
での変調が可能である。
による構造では非常に小さくてすみ、また高速の
変調についても電界により波動関数の形状を変化
させることが本質なので原理的に数十ＧHz以上ま
での変調が可能である。
（実施例）
第２図ａに本発明第１の実施例の光変調器の斜
視図を、第２図ｂにそのバンド図を示す。本実施
例は分子線エピタキシー（MBE）法により製作
したものである。これは、まずSiドープｎ型
GaAs基板２１上に厚さ1.0μｍのSiドープｎ型
GaAsドツフアー層２２、厚さ2.0μｍのSiドープ
型Al0.4Ga0.6Asクラツド層２３を積層した。次に
Al組成比ｘを０から0.15まで連続的び増加させた
のち再び０まで連続的に減少させた厚さ100Åの
ノンドープAlXGa1-XAs量子井戸層２４厚さ80Å
のシンドープAl0.4Ga0.6Asバリヤ層２５を交互に
30周期積層し薄膜構造を形した。この上に厚さ
2.0μｍのBeドープｐ型Al0.4Ga0.6Asクラツド層２
６、厚さ0.5μｍのBeドープＰ型GaAsコンタクト
層２７を成長して多層構造を製作した。次にこれ
を５×５mm程度の大きさにし、上面および下面に
電極２８製作した後、円形に上面および下面の
GaAs層まで選択的にエツチングにより除去した
ものである。
視図を、第２図ｂにそのバンド図を示す。本実施
例は分子線エピタキシー（MBE）法により製作
したものである。これは、まずSiドープｎ型
GaAs基板２１上に厚さ1.0μｍのSiドープｎ型
GaAsドツフアー層２２、厚さ2.0μｍのSiドープ
型Al0.4Ga0.6Asクラツド層２３を積層した。次に
Al組成比ｘを０から0.15まで連続的び増加させた
のち再び０まで連続的に減少させた厚さ100Åの
ノンドープAlXGa1-XAs量子井戸層２４厚さ80Å
のシンドープAl0.4Ga0.6Asバリヤ層２５を交互に
30周期積層し薄膜構造を形した。この上に厚さ
2.0μｍのBeドープｐ型Al0.4Ga0.6Asクラツド層２
６、厚さ0.5μｍのBeドープＰ型GaAsコンタクト
層２７を成長して多層構造を製作した。次にこれ
を５×５mm程度の大きさにし、上面および下面に
電極２８製作した後、円形に上面および下面の
GaAs層まで選択的にエツチングにより除去した
ものである。
この円形の「窓部」に垂直方向に光を入射し、
電圧を上記電極間に印加して、吸収係数スペクト
ルの電圧依存性を調べた所、第１図ｃのような傾
向がはつきりと出現した。そして無電界時の吸収
端より上のエネルギーを有する光（波長約800n
ｍ）の透過率は無電界時には約３％、5Vの逆バ
イアス電圧印加時には約80％と、消光比にして約
14dBと非常に良好な値が得られた。高速変調特
性としては、約300MHzまで良好な強度変調がか
かつた。この上限は電極間の寄性容量によるもの
である。
電圧を上記電極間に印加して、吸収係数スペクト
ルの電圧依存性を調べた所、第１図ｃのような傾
向がはつきりと出現した。そして無電界時の吸収
端より上のエネルギーを有する光（波長約800n
ｍ）の透過率は無電界時には約３％、5Vの逆バ
イアス電圧印加時には約80％と、消光比にして約
14dBと非常に良好な値が得られた。高速変調特
性としては、約300MHzまで良好な強度変調がか
かつた。この上限は電極間の寄性容量によるもの
である。
次に本発明第２の実施例について説明する。第
３図に本実施例の斜視図を示す。こえは、薄膜構
造は量子井戸層とバリア層の積層周期が８周忌で
あること以外は第１の実施例と同一である。次に
基板の上面および下面に電極３１を製作し、基板
上面にCVD法によりSiO2膜を付着させた後、通
常のフオトリソグラフイー法により1.5μｍ幅のス
トライプ状にSiO2膜を残して他の部分を除去し、
しかる後、SiO2膜の付着していない部分をｎ型
Al0.4Ga0.6Asクラツド層２３までエツチングによ
り除去してから残つていたSiO2を除去して導破
路構造を形成したものである。
３図に本実施例の斜視図を示す。こえは、薄膜構
造は量子井戸層とバリア層の積層周期が８周忌で
あること以外は第１の実施例と同一である。次に
基板の上面および下面に電極３１を製作し、基板
上面にCVD法によりSiO2膜を付着させた後、通
常のフオトリソグラフイー法により1.5μｍ幅のス
トライプ状にSiO2膜を残して他の部分を除去し、
しかる後、SiO2膜の付着していない部分をｎ型
Al0.4Ga0.6Asクラツド層２３までエツチングによ
り除去してから残つていたSiO2を除去して導破
路構造を形成したものである。
この導破路長を200μｍとし、波長800nｍのレ
ーザ光を入射して電界印加による透過率を測定し
た所、無電界時には約0.5％、IVの逆バイアス電
圧印加時には約40％となり、消光比にし約20dB
と非常に良好な値が得られた。高速変調特性とし
ても、約3GHz以上まで良好な強度変調特性が得
られた。しかも、これは素子の寄生容量によつて
決定されるものであつた。
ーザ光を入射して電界印加による透過率を測定し
た所、無電界時には約0.5％、IVの逆バイアス電
圧印加時には約40％となり、消光比にし約20dB
と非常に良好な値が得られた。高速変調特性とし
ても、約3GHz以上まで良好な強度変調特性が得
られた。しかも、これは素子の寄生容量によつて
決定されるものであつた。
以上ここでは２つの実施例について述べたが、
本発明は量子井戸層の禁制帯幅が積層方向に関し
てはじめは広がり途中から狭くなることに特徴が
あり、この変化のしかた、変化のピークの位置、
材料系、半導体成長方法等には何ら限定されない
ことは明らかである。そして上記禁制帯幅の変化
のしかたも第４図ａのごとく空間的に２次曲線的
であつてもよいし、第４図ｂのようにステツプ状
に変化しいても本質的な効果は同様である。
本発明は量子井戸層の禁制帯幅が積層方向に関し
てはじめは広がり途中から狭くなることに特徴が
あり、この変化のしかた、変化のピークの位置、
材料系、半導体成長方法等には何ら限定されない
ことは明らかである。そして上記禁制帯幅の変化
のしかたも第４図ａのごとく空間的に２次曲線的
であつてもよいし、第４図ｂのようにステツプ状
に変化しいても本質的な効果は同様である。
（発明の効果）
本発明による光変調器は、低電圧で高い消光比
を得ることができ、原理的に数十ＧHzの強度変調
を行なうことができるという特徴を有する。
を得ることができ、原理的に数十ＧHzの強度変調
を行なうことができるという特徴を有する。
第１図ａ，ｂはそれぞれ本発明による光変調器
の多層薄膜構造の電界印加のない場合のバンド
図、および電界印加時のバンド図であり、第１図
ｃはこの２つの場合における吸収係数スペクトル
を示す図である。第２図ａ，ｂはそれぞれ第１の
実施例の斜視図、およびバンド図である。第３図
は第２の実施例の斜視図である。第４図ａ，ｂは
量子井戸内のバンド構造の変形例を示すバンド図
である。 図において１１……電子の波動関数、１２……
正孔の波動関数、１３……電子のエネルギー準
位、１４……正孔のエネルギー準位、１５……吸
収端のエネルギー、１６……無電界時の吸収係数
スペクトル、１７……電界印加時の吸収係数スペ
クトル、１８……吸収端よりやや大きいエネルギ
ー、２１……ｎ型GaAs基板、２２……ｎ型
GaAsバツフアー層、２３……ｎ型Al0.4Ga0.6As
クラツド層、２４……ノンドープAlxGa1-xAs
（ｘ；０→0.15→０）量子井戸層、２５……ノン
ドープAl0.4Ga0.6Asバリヤ層、２６……ｐ型Al0.4
Ga0.6Asクラツド層、２７……ｐ型GaAsコンタ
クト層、２８……電極、３１……電極。
の多層薄膜構造の電界印加のない場合のバンド
図、および電界印加時のバンド図であり、第１図
ｃはこの２つの場合における吸収係数スペクトル
を示す図である。第２図ａ，ｂはそれぞれ第１の
実施例の斜視図、およびバンド図である。第３図
は第２の実施例の斜視図である。第４図ａ，ｂは
量子井戸内のバンド構造の変形例を示すバンド図
である。 図において１１……電子の波動関数、１２……
正孔の波動関数、１３……電子のエネルギー準
位、１４……正孔のエネルギー準位、１５……吸
収端のエネルギー、１６……無電界時の吸収係数
スペクトル、１７……電界印加時の吸収係数スペ
クトル、１８……吸収端よりやや大きいエネルギ
ー、２１……ｎ型GaAs基板、２２……ｎ型
GaAsバツフアー層、２３……ｎ型Al0.4Ga0.6As
クラツド層、２４……ノンドープAlxGa1-xAs
（ｘ；０→0.15→０）量子井戸層、２５……ノン
ドープAl0.4Ga0.6Asバリヤ層、２６……ｐ型Al0.4
Ga0.6Asクラツド層、２７……ｐ型GaAsコンタ
クト層、２８……電極、３１……電極。
Claims (1)
- １ 膜厚が電子の平均自由行程以下の半導体層を
１層または多層積層した半導体薄膜構造と、該半
導体薄膜構造に積層方向に電界を印加する手段と
を有し、さらに該半導体薄膜構造を構成する半導
体層のうち狭い禁制帯幅を有する半導体層の禁制
帯幅が積層方向に関して中央部近傍で最大値をと
り両端部に近づくにつれ減少することを特徴とす
る光変調器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14173085A JPS623221A (ja) | 1985-06-28 | 1985-06-28 | 光変調器 |
| US06/878,741 US4727341A (en) | 1985-06-28 | 1986-06-26 | Optical modulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14173085A JPS623221A (ja) | 1985-06-28 | 1985-06-28 | 光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS623221A JPS623221A (ja) | 1987-01-09 |
| JPH0545003B2 true JPH0545003B2 (ja) | 1993-07-08 |
Family
ID=15298872
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14173085A Granted JPS623221A (ja) | 1985-06-28 | 1985-06-28 | 光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS623221A (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0827446B2 (ja) * | 1986-02-18 | 1996-03-21 | 日本電信電話株式会社 | 量子井戸形光変調器およびその製造方法 |
| JPS6456413A (en) * | 1987-03-25 | 1989-03-03 | Toshiba Corp | Semiconductor optical element |
| JPH01179125A (ja) * | 1988-01-11 | 1989-07-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光空間変調素子 |
| IT1232381B (it) * | 1989-01-26 | 1992-02-17 | Cselt Centro Studi Lab Telecom | Modulatore elettro ottico a doppio pozzo quantico |
| JP2739666B2 (ja) * | 1992-06-11 | 1998-04-15 | 国際電信電話株式会社 | 光変調素子 |
| JP3904947B2 (ja) * | 2002-03-01 | 2007-04-11 | 三菱電機株式会社 | 光変調器 |
-
1985
- 1985-06-28 JP JP14173085A patent/JPS623221A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS623221A (ja) | 1987-01-09 |
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