JPH0715093A - 光半導体素子 - Google Patents
光半導体素子Info
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- 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】
【目的】 光半導体素子に関し、特に低消費電力・高速
応答・高消光比を有する電界吸収型光変調素子及び屈折
率変化型光変調素子、更に広い波長可変を有する波長可
変半導体レーザ素子に関する。 【構成】 電界吸収型光変調素子における光吸収層、屈
折率光変調素子における光変調層、波長可変半導体レー
ザにおけるチューニング層に次なるバンド構造を有する
超格子構造を用いる。超格子構造を形成する半導体材料
１、２の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギーＥ
g 1 ，Ｅg 2 とした場合、χ1 ＜χ2 且つχ1 ＋Ｅg 1
＜χ2 ＋Ｅg 2 を満たす超格子構造である。
応答・高消光比を有する電界吸収型光変調素子及び屈折
率変化型光変調素子、更に広い波長可変を有する波長可
変半導体レーザ素子に関する。 【構成】 電界吸収型光変調素子における光吸収層、屈
折率光変調素子における光変調層、波長可変半導体レー
ザにおけるチューニング層に次なるバンド構造を有する
超格子構造を用いる。超格子構造を形成する半導体材料
１、２の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギーＥ
g 1 ，Ｅg 2 とした場合、χ1 ＜χ2 且つχ1 ＋Ｅg 1
＜χ2 ＋Ｅg 2 を満たす超格子構造である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光半導体素子に関し、
特に低消費電力・高速応答・高消光比を有する電界吸収
型光変調素子及び屈折変化型光変調素子、更に広い波長
可変を有する波長可変半導体レーザ素子に関する。
特に低消費電力・高速応答・高消光比を有する電界吸収
型光変調素子及び屈折変化型光変調素子、更に広い波長
可変を有する波長可変半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、長波長帯光通信システムにおいて
光信号は直接に単一波長半導体レーザを変調する事によ
り行っていた。しかしながら、近年の超高速・大容量光
伝送化の実現の為、半導体レーザの直接変調方式より光
変調素子を用いた外部変調方式が有効である事が、更に
は波長可変半導体レーザを用いて波長多重方式による大
容量化の検討等が行われている。
光信号は直接に単一波長半導体レーザを変調する事によ
り行っていた。しかしながら、近年の超高速・大容量光
伝送化の実現の為、半導体レーザの直接変調方式より光
変調素子を用いた外部変調方式が有効である事が、更に
は波長可変半導体レーザを用いて波長多重方式による大
容量化の検討等が行われている。
【０００３】光変調素子においては、半導体を用いた電
界吸収型光変調素子及び屈折変化型光変調素子が装置の
小型化・容易性といった面で優れておりこれまで多くの
報告が為されている（例えば、（アプライド・フィジク
ス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０
（１９９２）ｐ２３２４）。
界吸収型光変調素子及び屈折変化型光変調素子が装置の
小型化・容易性といった面で優れておりこれまで多くの
報告が為されている（例えば、（アプライド・フィジク
ス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０
（１９９２）ｐ２３２４）。
【０００４】図１０には、半導体電界吸収型光変調素子
の従来技術による基本原理を示す。概略的には、光吸収
（透過）層なるｉ−半導体層をｐｉｎ構造で積層した基
本構造において、印加電界により光吸収端波長近傍での
吸収の程度を制御し光変調する事にある。
の従来技術による基本原理を示す。概略的には、光吸収
（透過）層なるｉ−半導体層をｐｉｎ構造で積層した基
本構造において、印加電界により光吸収端波長近傍での
吸収の程度を制御し光変調する事にある。
【０００５】図１１には、屈折率変化型光変調素子の一
例として方向性結合器の従来技術による基本原理を示
す。概略的には、光変調（透過）層なるｉ−半導体層を
ｐｉｎ構造で積層した基本構造において、２本の導波路
が光結合を生じる程度に近接させる事を特徴としてい
る。ここで、２本の導波路が電界印加すると屈折率変化
による結合の程度が変化し、透過光に対する光変調が可
能となる。また屈折率変化型の特徴として、吸収端より
も長波長光を変調光として用いる事により、光吸収によ
る光キャリアの発生がないため、本質的に高速動作が可
能という長所もある。
例として方向性結合器の従来技術による基本原理を示
す。概略的には、光変調（透過）層なるｉ−半導体層を
ｐｉｎ構造で積層した基本構造において、２本の導波路
が光結合を生じる程度に近接させる事を特徴としてい
る。ここで、２本の導波路が電界印加すると屈折率変化
による結合の程度が変化し、透過光に対する光変調が可
能となる。また屈折率変化型の特徴として、吸収端より
も長波長光を変調光として用いる事により、光吸収によ
る光キャリアの発生がないため、本質的に高速動作が可
能という長所もある。
【０００６】これらの光変調素子の性能として大事な事
は、低消費電力、高速応答が可能な事、変調光のＯＮ−
ＯＦＦ（消光比）が大きくとれる事である。
は、低消費電力、高速応答が可能な事、変調光のＯＮ−
ＯＦＦ（消光比）が大きくとれる事である。
【０００７】波長多重通信の基本素子である波長可変半
導体レーザ素子は、チューニング領域に電圧印加或いは
電流注入する事により屈折率変化を生じさせ、比較的簡
単に発振波長を変化させる事にある。図１２には、従来
例としてチューナブル・ツイン・ガイド・レーザ素子
（ＴＴＧ−ＬＤ）を示しており、基本的にはレーザ素子
の一領域にチューニング領域を有する構造となっている
（例えば１９９３年度電子情報通信学会春季大会予稿集
４−４０２）。本例では、チューニング層に電流注入す
る事により、キャリアのプラズマ効果により屈折率変化
を生じさせ、光フィールド分布を変化させる。この結果
チューニング領域を介して発振波長を可変出来る。波長
可変素子として重要な事は、チューニング領域が屈折率
変化が大きく且つ低損失材料である事が重要である。
導体レーザ素子は、チューニング領域に電圧印加或いは
電流注入する事により屈折率変化を生じさせ、比較的簡
単に発振波長を変化させる事にある。図１２には、従来
例としてチューナブル・ツイン・ガイド・レーザ素子
（ＴＴＧ−ＬＤ）を示しており、基本的にはレーザ素子
の一領域にチューニング領域を有する構造となっている
（例えば１９９３年度電子情報通信学会春季大会予稿集
４−４０２）。本例では、チューニング層に電流注入す
る事により、キャリアのプラズマ効果により屈折率変化
を生じさせ、光フィールド分布を変化させる。この結果
チューニング領域を介して発振波長を可変出来る。波長
可変素子として重要な事は、チューニング領域が屈折率
変化が大きく且つ低損失材料である事が重要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】電界吸収型光変調素子
において、低消費電力で大きな消光比を有するには光吸
収（透過）層の電界に対する吸収係数の変化（電界効
果）が大きい事が要求される。これまでは、電界効果と
して図１０（ａ）に示すバルク半導体層のＦｒａｎｚ−
Ｋｅｌｄｙｓｈ効果、図１０（ｂ）に示すｔｙｐｅＩ超
格子半導体層のシュタルク効果を利用する事が一般的で
ある。ここでｔｙｐｅＩ超格子構造とは、半導体材料
１、２からなる超格子構造におて各々の電子親和力
χ1 、χ2 、禁制帯エネルギーＥg 1 、Ｅg 2 とした場
合次なる関係を有しているものを指す。
において、低消費電力で大きな消光比を有するには光吸
収（透過）層の電界に対する吸収係数の変化（電界効
果）が大きい事が要求される。これまでは、電界効果と
して図１０（ａ）に示すバルク半導体層のＦｒａｎｚ−
Ｋｅｌｄｙｓｈ効果、図１０（ｂ）に示すｔｙｐｅＩ超
格子半導体層のシュタルク効果を利用する事が一般的で
ある。ここでｔｙｐｅＩ超格子構造とは、半導体材料
１、２からなる超格子構造におて各々の電子親和力
χ1 、χ2 、禁制帯エネルギーＥg 1 、Ｅg 2 とした場
合次なる関係を有しているものを指す。
【０００９】 χ1 ＜χ2 χ1 ＋Ｅg 1 ＞χ2 ＋Ｅg 2 両効果とも有電界時には光吸収端波長が長波長側にシフ
ト（ｒｅｄ−ｓｈｉｆｔ）するが、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌ
ｄｙｓｈ効果はかなり高電界を必要とする事、シュタル
ク効果は比較的低電界で動作が可能であるが以下の問題
点がある。すなわち、第一に半導体超格子層に特徴的な
明瞭なエキシトン特性（急峻な吸収端特性と考えても良
い）が要求されるが、現実の光通信帯で有用な１μｍ帯
材料においては得られていない。第２に、シュタルク効
果は超格子井戸層内の電界時のキャリア分極による遷移
確率の低減を利用しているが、キャリアの空間分離が十
分でないため遷移確率の低減は十分でない。以上より、
現状の電界吸収型光変調素子は吸収係数の変化が十分で
ない事が考えられる。
ト（ｒｅｄ−ｓｈｉｆｔ）するが、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌ
ｄｙｓｈ効果はかなり高電界を必要とする事、シュタル
ク効果は比較的低電界で動作が可能であるが以下の問題
点がある。すなわち、第一に半導体超格子層に特徴的な
明瞭なエキシトン特性（急峻な吸収端特性と考えても良
い）が要求されるが、現実の光通信帯で有用な１μｍ帯
材料においては得られていない。第２に、シュタルク効
果は超格子井戸層内の電界時のキャリア分極による遷移
確率の低減を利用しているが、キャリアの空間分離が十
分でないため遷移確率の低減は十分でない。以上より、
現状の電界吸収型光変調素子は吸収係数の変化が十分で
ない事が考えられる。
【００１０】次に屈折率変化型光変調素子において、低
消費電力・高速応答・大消光比を得るには、光透過層の
電界に対する屈折率変化が大きい事が要求される。この
為、最近では屈折率変化の電界依存性が大きい半導体超
格子構造が期待されており、これまで光変調（透過）層
としては前述したｔｙｐｅＩ超格子構造による適用があ
る。ところがｔｙｐｅＩ超格子構造では、電界印加時に
前述したシュタルク効果による吸収端の超波長側へのシ
フト（ｒｅｄ−ｓｉｆｔ）が生じ、このため透過光の吸
収を生じる場合がある。この吸収による光キャリアの発
生は、本質的に高速応答が可能な屈折率変化型光変調素
子の特徴を阻害するものである。
消費電力・高速応答・大消光比を得るには、光透過層の
電界に対する屈折率変化が大きい事が要求される。この
為、最近では屈折率変化の電界依存性が大きい半導体超
格子構造が期待されており、これまで光変調（透過）層
としては前述したｔｙｐｅＩ超格子構造による適用があ
る。ところがｔｙｐｅＩ超格子構造では、電界印加時に
前述したシュタルク効果による吸収端の超波長側へのシ
フト（ｒｅｄ−ｓｉｆｔ）が生じ、このため透過光の吸
収を生じる場合がある。この吸収による光キャリアの発
生は、本質的に高速応答が可能な屈折率変化型光変調素
子の特徴を阻害するものである。
【００１１】次に波長可変半導体レーザにおいては、チ
ューニング層でのキャリア密度分布を大きくする事によ
って屈折率変化が大きくとれる為、半導体バルク層より
もｔｙｐｅＩ超格子構造が有用とされている。ことろ
が、通常ｔｙｐｅＩ超格子構造ではキャリアの再結合が
起き易く（電子・正孔の分布確率が空間的に重なってい
る為）、実効的なキャリア密度の減少が生じる。このた
め、屈折率変化が小さく波長可変量が十分でなかった。
ューニング層でのキャリア密度分布を大きくする事によ
って屈折率変化が大きくとれる為、半導体バルク層より
もｔｙｐｅＩ超格子構造が有用とされている。ことろ
が、通常ｔｙｐｅＩ超格子構造ではキャリアの再結合が
起き易く（電子・正孔の分布確率が空間的に重なってい
る為）、実効的なキャリア密度の減少が生じる。このた
め、屈折率変化が小さく波長可変量が十分でなかった。
【００１２】本発明の目的は、これらの問題点を解決し
て、大きな電界効果を効率的に起こす電界吸収型光変調
素子、大きな屈折率変化及び高速応答が可能な屈折率変
化型光変調素子、大きな波長可変を有する波長可変半導
体レーザ素子を提供する事にある。
て、大きな電界効果を効率的に起こす電界吸収型光変調
素子、大きな屈折率変化及び高速応答が可能な屈折率変
化型光変調素子、大きな波長可変を有する波長可変半導
体レーザ素子を提供する事にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の光変調素
子は、半導体基板上にｎ型クラッド層、光吸収（透過）
層、ｐ型クラッド層を基本構造として有し、印加電圧に
よる光吸収変化により光変調を生じさせるいわゆる電界
吸収型半導体光変調素子において、前記光吸収（透過）
層が半導体材料１、２からなる超格子構造であり且つ各
々の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギーＥg 1 、
Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴としている。
子は、半導体基板上にｎ型クラッド層、光吸収（透過）
層、ｐ型クラッド層を基本構造として有し、印加電圧に
よる光吸収変化により光変調を生じさせるいわゆる電界
吸収型半導体光変調素子において、前記光吸収（透過）
層が半導体材料１、２からなる超格子構造であり且つ各
々の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギーＥg 1 、
Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴としている。
【００１４】 χ1 ＜χ2 χ1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2 本発明の第二の光変調素子は、半導体基板上にｎ型クラ
ッド層、光透過層、ｐ型クラッド層を基本構造として有
し、印加電圧による屈折率変化により光変調を生じさせ
るいわゆる屈折率変化型半導体光変調素子において、前
記光透過層が半導体材料１、２からなる超格子構造であ
り且つ各々の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギー
Ｅg 1 、Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴としてい
る。
ッド層、光透過層、ｐ型クラッド層を基本構造として有
し、印加電圧による屈折率変化により光変調を生じさせ
るいわゆる屈折率変化型半導体光変調素子において、前
記光透過層が半導体材料１、２からなる超格子構造であ
り且つ各々の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギー
Ｅg 1 、Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴としてい
る。
【００１５】 χ1 ＜χ2 χ1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2 本発明第三の半導体レーザ素子は、半導体基板上にバッ
ファ層、光チューニング層、ｎ型クラッド層、活性層、
ｐ型クラッド層を基本構造として有し、印加電圧或いは
電流注入による屈折率変化により発振波長変化を生じさ
せるいわゆる波長可変半導体レーザ素子において、前記
光チューニング層が半導体材料１、２からなる超格子構
造であり且つ各々の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネ
ルギーＥg 1 、Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴と
している。
ファ層、光チューニング層、ｎ型クラッド層、活性層、
ｐ型クラッド層を基本構造として有し、印加電圧或いは
電流注入による屈折率変化により発振波長変化を生じさ
せるいわゆる波長可変半導体レーザ素子において、前記
光チューニング層が半導体材料１、２からなる超格子構
造であり且つ各々の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネ
ルギーＥg 1 、Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴と
している。
【００１６】 χ1 ＜χ2 χ1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2
【作用】本発明は、上述の手段をとる事により従来技術
の課題を解決した。
の課題を解決した。
【００１７】図１には、本発明の基本を為す半導体超格
子構造のバンド図を示す。つまり、電子親和力がχ1 ＜
χ2 、禁制帯エネルギーをＥg 1 、Ｅg 2 とすると、χ
1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2 なる関係を有する半導体材料
１、２からなる半導体超格子層（以下ｔｙｐｅＩＩ超格
子と称す）である。
子構造のバンド図を示す。つまり、電子親和力がχ1 ＜
χ2 、禁制帯エネルギーをＥg 1 、Ｅg 2 とすると、χ
1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2 なる関係を有する半導体材料
１、２からなる半導体超格子層（以下ｔｙｐｅＩＩ超格
子と称す）である。
【００１８】図２には、本発明の第一の作用を示す。つ
まり、前述したｔｙｐｅＩＩ超格子構造の光吸収電界依
存性を示したもので、無電界時を図１（ａ）、有電界時
を図１（ｂ）に示す。無電界時の吸収は、最低禁制帯エ
ネルギーを有する半導体層１、２へテロ界面近傍のみで
起こると考えられるが、電子・正孔分布確率が空間的に
完全に分離されているため極めて遷移確率が低く間接遷
移型に近い吸収特性を示す。しかしながら、有電界時に
は電子・正孔分布確率が空間的にオーバオラップしてく
る為、遷移確率が増加し直接遷移型に近い大きな吸収特
性を有する。
まり、前述したｔｙｐｅＩＩ超格子構造の光吸収電界依
存性を示したもので、無電界時を図１（ａ）、有電界時
を図１（ｂ）に示す。無電界時の吸収は、最低禁制帯エ
ネルギーを有する半導体層１、２へテロ界面近傍のみで
起こると考えられるが、電子・正孔分布確率が空間的に
完全に分離されているため極めて遷移確率が低く間接遷
移型に近い吸収特性を示す。しかしながら、有電界時に
は電子・正孔分布確率が空間的にオーバオラップしてく
る為、遷移確率が増加し直接遷移型に近い大きな吸収特
性を有する。
【００１９】また本発明においては、従来のｔｙｐｅＩ
超格子のシュタルク効果に要求される明瞭なるエキシト
ン特性が本質的に不要のため、材料的にも容易に得られ
る。
超格子のシュタルク効果に要求される明瞭なるエキシト
ン特性が本質的に不要のため、材料的にも容易に得られ
る。
【００２０】以上より、本発明によるｔｙｐｅＩＩ超格
子における電界効果は、従来のバルク半導体層のＦｒａ
ｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果、ｔｙｐｅＩ超格子半導体層
のシュタルク効果に比較して大きな電界効果（電界によ
る大きな吸収係数の変化）を有している。本効果を活用
した電界吸収型光変調素子は、従来素子と比較し低電界
動作で大きな消光比を有する事が可能となる。
子における電界効果は、従来のバルク半導体層のＦｒａ
ｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果、ｔｙｐｅＩ超格子半導体層
のシュタルク効果に比較して大きな電界効果（電界によ
る大きな吸収係数の変化）を有している。本効果を活用
した電界吸収型光変調素子は、従来素子と比較し低電界
動作で大きな消光比を有する事が可能となる。
【００２１】図３には、本発明の第二の作用を示す。つ
まり前述したｔｙｐｅＩＩ超格子において、吸収特性の
電界依存性を図２に示す。吸収は、最低禁制帯エネルギ
ーを有する半導体層１、２へテロ界面近傍のみで起こる
が、電界印加により電子・正孔の空間分布が重なり吸収
が大きくなる。ところが、この場合吸収端はへテロ界面
近傍のバンド構造が三角ポテンシャル化するため短波長
化（ｂｌｕｅ−ｓｈｆｔ）する。これは、従来技術で問
題であったｔｙｐｅＩ超格子半導体層のシュタルク効果
（ｒｅｄ−ｓｈｉｆｔ）による光吸収の問題を回避す
る。つまり、超格子構造による大きな屈折率変化を維持
しながら、光吸収の問題を解決し、高速応答が可能とな
る。
まり前述したｔｙｐｅＩＩ超格子において、吸収特性の
電界依存性を図２に示す。吸収は、最低禁制帯エネルギ
ーを有する半導体層１、２へテロ界面近傍のみで起こる
が、電界印加により電子・正孔の空間分布が重なり吸収
が大きくなる。ところが、この場合吸収端はへテロ界面
近傍のバンド構造が三角ポテンシャル化するため短波長
化（ｂｌｕｅ−ｓｈｆｔ）する。これは、従来技術で問
題であったｔｙｐｅＩ超格子半導体層のシュタルク効果
（ｒｅｄ−ｓｈｉｆｔ）による光吸収の問題を回避す
る。つまり、超格子構造による大きな屈折率変化を維持
しながら、光吸収の問題を解決し、高速応答が可能とな
る。
【００２２】図４は、本発明の第三の作用を示すもの
で、波長可変半導体レーザ素子のチューニング層として
のｔｙｐｅＩＩ超格子を適用する。ここで、電流注入を
行うとキャリア密度増大による屈折率変化が期待される
が、本発明では更にバンド構造により電子、正孔キャリ
アが空間的分離するため再結合確率が極めて低い。この
為、従来ｔｙｐｅＩ超格子チューニング層で問題であっ
た再結合によるキャリア密度低減が抑制できるため、よ
り大きな屈折率変化を得る事が出来る。つまり、本作用
により大きな波長可変量が実現される。
で、波長可変半導体レーザ素子のチューニング層として
のｔｙｐｅＩＩ超格子を適用する。ここで、電流注入を
行うとキャリア密度増大による屈折率変化が期待される
が、本発明では更にバンド構造により電子、正孔キャリ
アが空間的分離するため再結合確率が極めて低い。この
為、従来ｔｙｐｅＩ超格子チューニング層で問題であっ
た再結合によるキャリア密度低減が抑制できるため、よ
り大きな屈折率変化を得る事が出来る。つまり、本作用
により大きな波長可変量が実現される。
【００２３】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。
して詳細に説明する。
【００２４】図５は、本発明の作用１の一実施例により
形成された電界吸収型光変調素子の断面図及び光吸収
（透過）層のバンド構造である。
形成された電界吸収型光変調素子の断面図及び光吸収
（透過）層のバンド構造である。
【００２５】この実施例は、ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−
ＩｎＰクラッド層２、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子
光吸収（透過）層３、ｐ−ＩｎＰクラッド層４を順次積
層し、その後にエッチングにより導波型光変調素子を得
ている。ここで、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子光吸
収（透過）層３は本発明によるものでＩｎＰ〜７０Ａ：
ＩｎＡｌＡｓ〜７０Ａ：３０周期構造であり、図５内に
示したバンド構造図に示すように伝導帯不連続ΔＥｃ＝
０．３８ｅＶ、価電子帯不連続ΔＥｖ＝０．２６ｅＶを
有するｔｙｐｅＩＩ超格子である。ここで、本素子にｎ
＝ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子光吸収（透過）層３の吸
収端に近い１１２５ｎｍ光を入射させ、素子印加電圧を
変調する事により無電界時には透過光ＯＮ、有電界時に
は透過光ＯＦＦの状態が得られる。
ＩｎＰクラッド層２、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子
光吸収（透過）層３、ｐ−ＩｎＰクラッド層４を順次積
層し、その後にエッチングにより導波型光変調素子を得
ている。ここで、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子光吸
収（透過）層３は本発明によるものでＩｎＰ〜７０Ａ：
ＩｎＡｌＡｓ〜７０Ａ：３０周期構造であり、図５内に
示したバンド構造図に示すように伝導帯不連続ΔＥｃ＝
０．３８ｅＶ、価電子帯不連続ΔＥｖ＝０．２６ｅＶを
有するｔｙｐｅＩＩ超格子である。ここで、本素子にｎ
＝ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子光吸収（透過）層３の吸
収端に近い１１２５ｎｍ光を入射させ、素子印加電圧を
変調する事により無電界時には透過光ＯＮ、有電界時に
は透過光ＯＦＦの状態が得られる。
【００２６】図６には、本発明による素子の印加電圧に
対する消光特性を示す。低電圧により十分な消光特性が
得られている事が判る。
対する消光特性を示す。低電圧により十分な消光特性が
得られている事が判る。
【００２７】図７は、本発明の作用２の一実施例により
形成された屈折率変化型方向性結合器光変調素子の断面
図及び光吸収（透過）層のバンド構造図である。
形成された屈折率変化型方向性結合器光変調素子の断面
図及び光吸収（透過）層のバンド構造図である。
【００２８】この実施例は、ｎ−ＩｎＰ基板１１上にｎ
−ＩｎＰクラッド層１２、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超
格子光透過層１３、ｐ−ＩｎＰクラッド層１４を順次積
層し、その後にエッチングにより光結合が生じる程度に
近傍させた２本の導波路を得ている。ここで、ｎ−Ｉｎ
Ｐ／ＩｎＡｌＡｓ超格子光透過層１３は本発明によるも
のでＩｎＰ〜７０Ａ：ＩｎＡｌＡｓ〜７０Ａ：３０周期
構造であり、図７内に示したバンド構造図を示すように
伝導帯不連続ΔＥｃ＝０．３８ｅＶ、価電子帯不連続Δ
Ｅｖ＝０．２６ｅＶを有するｔｙｐｅＩＩ超格子であ
る。ここで、本素子に１．３μｍ帯光（ｎ−ＩｎＰ／Ｉ
ｎＡｌＡｓ超格子光吸収（透過）層３の吸収端は１１０
０ｎｍ程度）を入射させ、素子印加電圧を変調する事に
より出力導波路で透過光ＯＮ・ＯＦＦの状態が得られ
る。図８には、本発明による素子の印加電圧に対する消
光特性を示す。低電圧により十分な消光特性が得られて
いる事が判る。更に、作用に示した通り１．３μｍ帯光
に対する吸収がないため光キャリア発生が無く、本質的
な高速動作が可能である。なお本実施例では、方向結合
器型光変調素子について示したが、同様の屈折率変化を
利用したマッハエンダー型光変調素子などにも同様の効
果を示す。
−ＩｎＰクラッド層１２、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超
格子光透過層１３、ｐ−ＩｎＰクラッド層１４を順次積
層し、その後にエッチングにより光結合が生じる程度に
近傍させた２本の導波路を得ている。ここで、ｎ−Ｉｎ
Ｐ／ＩｎＡｌＡｓ超格子光透過層１３は本発明によるも
のでＩｎＰ〜７０Ａ：ＩｎＡｌＡｓ〜７０Ａ：３０周期
構造であり、図７内に示したバンド構造図を示すように
伝導帯不連続ΔＥｃ＝０．３８ｅＶ、価電子帯不連続Δ
Ｅｖ＝０．２６ｅＶを有するｔｙｐｅＩＩ超格子であ
る。ここで、本素子に１．３μｍ帯光（ｎ−ＩｎＰ／Ｉ
ｎＡｌＡｓ超格子光吸収（透過）層３の吸収端は１１０
０ｎｍ程度）を入射させ、素子印加電圧を変調する事に
より出力導波路で透過光ＯＮ・ＯＦＦの状態が得られ
る。図８には、本発明による素子の印加電圧に対する消
光特性を示す。低電圧により十分な消光特性が得られて
いる事が判る。更に、作用に示した通り１．３μｍ帯光
に対する吸収がないため光キャリア発生が無く、本質的
な高速動作が可能である。なお本実施例では、方向結合
器型光変調素子について示したが、同様の屈折率変化を
利用したマッハエンダー型光変調素子などにも同様の効
果を示す。
【００２９】図９は、本発明の作用３の一実施例により
形成された波長可変半導体レーザ素子の素子断面図とバ
ンド構造図である。
形成された波長可変半導体レーザ素子の素子断面図とバ
ンド構造図である。
【００３０】この実施例では、ｐ−ＩｎＰ基板２１上に
ｐ−ＩｎＰバッファ層２２、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ
チューニング層２３、ｎ−ＩｎＰクラッド層２４、ｎ−
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性層２５、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層２６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７を順次積
層し、この後ストライプ状にエッチングしｎ−ＩｎＰ２
８埋め込み層を成長する。この後、ｎ側電極２９・ｐ側
電極３０・３１を形成し、発振領域３２、チューニング
領域３３からなる波長可変半導体レーザ素子が得られ
る。ここで、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓチューニング層
２３は本発明によるものでＩｎＰ〜７０Ａ：ＩｎＡｌＡ
ｓ〜７０Ａ：３０周期構造であり、図９内に示したバン
ド構造図に示すように伝導帯不連続ΔＥｃ＝０．３８ｅ
Ｖ、価電子帯不連続ΔＥｖ＝０．２６ｅＶを有するｔｙ
ｐｅＩＩ超格子である。ここで、発振領域３２、チュー
ニング領域３３の注入電流を各々制御する事により作用
３に従いレーザ発振波長を可変できる。なお本実施例に
より得られた波長可変半導体レーザは、通常のｔｙｐｅ
Ｉ超格子構造からなる波長可変半導体レーザ素子に比較
して約３倍の波長可変量が得られた。
ｐ−ＩｎＰバッファ層２２、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ
チューニング層２３、ｎ−ＩｎＰクラッド層２４、ｎ−
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性層２５、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層２６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７を順次積
層し、この後ストライプ状にエッチングしｎ−ＩｎＰ２
８埋め込み層を成長する。この後、ｎ側電極２９・ｐ側
電極３０・３１を形成し、発振領域３２、チューニング
領域３３からなる波長可変半導体レーザ素子が得られ
る。ここで、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓチューニング層
２３は本発明によるものでＩｎＰ〜７０Ａ：ＩｎＡｌＡ
ｓ〜７０Ａ：３０周期構造であり、図９内に示したバン
ド構造図に示すように伝導帯不連続ΔＥｃ＝０．３８ｅ
Ｖ、価電子帯不連続ΔＥｖ＝０．２６ｅＶを有するｔｙ
ｐｅＩＩ超格子である。ここで、発振領域３２、チュー
ニング領域３３の注入電流を各々制御する事により作用
３に従いレーザ発振波長を可変できる。なお本実施例に
より得られた波長可変半導体レーザは、通常のｔｙｐｅ
Ｉ超格子構造からなる波長可変半導体レーザ素子に比較
して約３倍の波長可変量が得られた。
【００３１】以上材料としては、いずれも本実施例では
ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層を適用しているが、原理
的にｔｙｐｅＩＩ超格子構造を有していれば可能で、例
えば他にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａ
ＡｌＡｓ／ＧａＡｌＡｓＳｂ超格子系に対しても適用が
できる。
ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層を適用しているが、原理
的にｔｙｐｅＩＩ超格子構造を有していれば可能で、例
えば他にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａ
ＡｌＡｓ／ＧａＡｌＡｓＳｂ超格子系に対しても適用が
できる。
【００３２】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によって得ら
れた光変調素子は、ｔｙｐｅＩＩ超格子層を光吸収（透
過）層として用いる事により、吸収係数の大きな電界依
存性を有する電界吸収型光変調素子、光吸収汚染の無い
且つ屈折率変化の大きな電界依存性を有する屈折率変化
型光変調素子を得る事ができる。それ故、低電力・高消
光比・高速応答に優れた光通信用高速光変調素子が得ら
れる。
れた光変調素子は、ｔｙｐｅＩＩ超格子層を光吸収（透
過）層として用いる事により、吸収係数の大きな電界依
存性を有する電界吸収型光変調素子、光吸収汚染の無い
且つ屈折率変化の大きな電界依存性を有する屈折率変化
型光変調素子を得る事ができる。それ故、低電力・高消
光比・高速応答に優れた光通信用高速光変調素子が得ら
れる。
【００３３】また、本発明によって得られた波長可変半
導体レーザはｔｙｐｅＩＩ超格子層をチューニング層と
して用いる事により、より大きな屈折率変化を可能と
し、波長可変量が大きな波長可変半導体レーザ素子が実
現できる。
導体レーザはｔｙｐｅＩＩ超格子層をチューニング層と
して用いる事により、より大きな屈折率変化を可能と
し、波長可変量が大きな波長可変半導体レーザ素子が実
現できる。
【図１】本発明の基本原理でｔｙｐｅＩＩ超格子構造の
バンド構造図を示す。
バンド構造図を示す。
【図２】本発明第一の作用を示すものでｔｙｐｅＩＩ超
格子のバンド構造図及び吸収特性を示す図。ａが無電界
時、ｂが有電界時である。
格子のバンド構造図及び吸収特性を示す図。ａが無電界
時、ｂが有電界時である。
【図３】本発明第二の作用を示すものでｔｙｐｅＩＩ超
格子のバンド構造図及び吸収特性の電界依存性を示す
図。
格子のバンド構造図及び吸収特性の電界依存性を示す
図。
【図４】本発明第三の作用を示すもので波長可変半導体
レーザ素子にｔｙｐｅＩＩ超格子を適用したときのバン
ド構造図を示す。（ａ）がキャリア注入が無いとき、
（ｂ）がキャリア注入時を示す図。
レーザ素子にｔｙｐｅＩＩ超格子を適用したときのバン
ド構造図を示す。（ａ）がキャリア注入が無いとき、
（ｂ）がキャリア注入時を示す図。
【図５】本発明第一の作用に基づいて得られる電界吸収
型光変調素子の断面図（ａ）及び光吸収（透過）層のバ
ンド構造図（ｂ）を示す。
型光変調素子の断面図（ａ）及び光吸収（透過）層のバ
ンド構造図（ｂ）を示す。
【図６】本発明第一により得られた電界吸収型光変調素
子の印加電圧に対する消光特性図を示す。
子の印加電圧に対する消光特性図を示す。
【図７】本発明第二の作用に基づいて得られる屈折率変
化型方向性結合器光変調素子の断面図（ａ）及び光変調
（透過）層のバンド構造図（ｂ）を示す。
化型方向性結合器光変調素子の断面図（ａ）及び光変調
（透過）層のバンド構造図（ｂ）を示す。
【図８】本発明第二により得られた屈折率変化型方向性
結合器光変調素子の印加電圧に対する消光特性図を示
す。
結合器光変調素子の印加電圧に対する消光特性図を示
す。
【図９】本発明第三により得られた波長可変レーザ素子
の断面図（ａ）及びチューニング層のバンド構造図
（ｂ）を示す。
の断面図（ａ）及びチューニング層のバンド構造図
（ｂ）を示す。
【図１０】従来技術による電界吸収型光変調素子を示す
図（ｃ）と（ａ）がバルク半導体層のＦｒａｎｚ−Ｋｅ
ｌｄｙｓｈ効果、（ｂ）がｔｙｐｅＩ超格子半導体層の
シュタルク効果を利用したもので、印加電界による吸収
係数の変化を説明するための図。
図（ｃ）と（ａ）がバルク半導体層のＦｒａｎｚ−Ｋｅ
ｌｄｙｓｈ効果、（ｂ）がｔｙｐｅＩ超格子半導体層の
シュタルク効果を利用したもので、印加電界による吸収
係数の変化を説明するための図。
【図１１】従来技術による屈折率変化型方向性結合器光
変調素子を示す図（ａ）と印加電圧と出射光パワーの関
係を示す図（ｂ）である。
変調素子を示す図（ａ）と印加電圧と出射光パワーの関
係を示す図（ｂ）である。
【図１２】従来技術による波長可変半導体レーザ素子を
示す図（ａ）とそのバンド図（ｂ）である。
示す図（ａ）とそのバンド図（ｂ）である。
１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ３ ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子光吸収（透過）層 ４ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ５ ＳｉＮx 膜 ６ ｐ型電極 ７ ｎ型電極 ８ 入射光 ９ 透過光 １１ ｎ−ＩｎＰ基板 １２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 １３ ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子光変調（透過）
層 １４ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １５ ＳｉＮx 膜 １６ ｐ型電極 １７ ｎ型電極 １８ 入射光 １９ 出射光 ２１ ｐ−ＩｎＰ基板 ２２ ｎ−ＩｎＰバッファ層 ２３ ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓチューニング層 ２４ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ２５ ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性層 ２６ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ２７ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ２８ ｎ−ＩｎＰ埋め込み層 ２９ ｎ側電極 ３０ ｐ側電極 ３１ ｐ側電極 ３２ 発振領域 ３３ チューニング領域
層 １４ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １５ ＳｉＮx 膜 １６ ｐ型電極 １７ ｎ型電極 １８ 入射光 １９ 出射光 ２１ ｐ−ＩｎＰ基板 ２２ ｎ−ＩｎＰバッファ層 ２３ ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓチューニング層 ２４ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ２５ ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性層 ２６ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ２７ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ２８ ｎ−ＩｎＰ埋め込み層 ２９ ｎ側電極 ３０ ｐ側電極 ３１ ｐ側電極 ３２ 発振領域 ３３ チューニング領域
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基板上に、超格子構造を有する半
導体素子において、前記超格子構造を形成する半導体材
料１、２の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギーＥ
g 1 、Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴とする光半
導体素子。 χ1 ＜χ2 χ1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2 - 【請求項２】 半導体基板上にｎ型クラッド層、光吸収
（透過）層、ｐ型クラッド層を基本構造として有し、印
加電圧による光吸収変化により光変調を生じさせるいわ
ゆる電界吸収型半導体光変調素子において、前記光吸収
（透過）層が半導体材料１、２からなる超格子構造であ
り且つ各々の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギー
Ｅg 1 、Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴とする電
界吸収型半導体光変調素子。 χ1 ＜χ2 χ1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2 - 【請求項３】 半導体基板上にｎ型クラッド層、光変調
（透過）層、ｐ型クラッド層を基本構造として有し、印
加電圧による屈折率変化により光変調を生じさせるいわ
ゆる屈折率変化型半導体光変調素子において、前記光変
調（透過）層が半導体材料１、２からなる超格子構造で
あり且つ各々の電子親和力χ1 、χ2、禁制帯エネルギ
ーＥg 1 、Ｅg 2 が次なる関係を有する事を特徴とする
屈折率変化型半導体光変調素子。 χ1 ＜χ2 χ1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2 - 【請求項４】 半導体基板上にバッファ層、光チューニ
ング層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を基
本構造として有し、印加電圧或いは電流注入による屈折
率変化により発振波長変化を生じさせるいわゆる波長可
変半導体レーザ素子において、前記光チューニング層が
半導体材料１、２からなる超格子構造であり、且つ各々
の電子親和力χ1 、χ2 、禁制帯エネルギーＥg 1 、Ｅ
g 2 が次なる関係を有する事を特徴とする波長可変半導
体レーザ素子。 χ1 ＜χ2 χ1 ＋Ｅg 1 ＜χ2 ＋Ｅg 2
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15404193A JP2606079B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 光半導体素子 |
| EP94109654A EP0631168A1 (en) | 1993-06-25 | 1994-06-22 | Semiconductor optical modulator using a type II superlattice |
| US08/265,752 US5499259A (en) | 1993-06-25 | 1994-06-27 | Semiconductor optical device with light controlling layer of super-lattice structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15404193A JP2606079B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 光半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0715093A true JPH0715093A (ja) | 1995-01-17 |
| JP2606079B2 JP2606079B2 (ja) | 1997-04-30 |
Family
ID=15575631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15404193A Expired - Fee Related JP2606079B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 光半導体素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5499259A (ja) |
| EP (1) | EP0631168A1 (ja) |
| JP (1) | JP2606079B2 (ja) |
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| WO2005047964A1 (ja) * | 2003-11-17 | 2005-05-26 | Nec Corporation | 光制御装置 |
| JP2008018190A (ja) * | 2006-07-14 | 2008-01-31 | Ge Medical Systems Global Technology Co Llc | 磁気共鳴イメージング装置 |
| JP2010109237A (ja) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Anritsu Corp | 光位相制御素子および半導体発光素子 |
| JP2014049661A (ja) * | 2012-08-31 | 2014-03-17 | Ehime Univ | 半導体量子素子 |
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