JPH08201740A - 半導体量子井戸光変調器ならびにこれを用いた光変調方法および装置 - Google Patents
半導体量子井戸光変調器ならびにこれを用いた光変調方法および装置Info
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- JPH08201740A JPH08201740A JP1403295A JP1403295A JPH08201740A JP H08201740 A JPH08201740 A JP H08201740A JP 1403295 A JP1403295 A JP 1403295A JP 1403295 A JP1403295 A JP 1403295A JP H08201740 A JPH08201740 A JP H08201740A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 大きな吸収変化および屈折率変化が、小さい
電圧で得られる高性能な半導体量子井戸光変調器ならび
にこれを用いた光変調方法および装置を提供すること。 【構成】 ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰクラッド層
２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ（応力
を補償）からなる多重量子井戸層３、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層４、ｎ−ＩｎＰおよびｐ−ＩｎＧａＡｓ層５を順次
積層し、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面にＮ側電極６、ｐ−Ｉ
ｎＧａＡｓ層５上にＰ側電極７を設ける。Ｐ側電極７上
に電界印加のためのリード線８を接続する。入射光９は
変調光１０として出射される。ＴＭ偏光の吸収ピークが
ＴＥ偏光に対する吸収ピークよりも高く設定したためＴ
Ｍ偏光により変調動作を行うと高性能な光変調器として
動作する。
電圧で得られる高性能な半導体量子井戸光変調器ならび
にこれを用いた光変調方法および装置を提供すること。 【構成】 ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰクラッド層
２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ（応力
を補償）からなる多重量子井戸層３、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層４、ｎ−ＩｎＰおよびｐ−ＩｎＧａＡｓ層５を順次
積層し、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面にＮ側電極６、ｐ−Ｉ
ｎＧａＡｓ層５上にＰ側電極７を設ける。Ｐ側電極７上
に電界印加のためのリード線８を接続する。入射光９は
変調光１０として出射される。ＴＭ偏光の吸収ピークが
ＴＥ偏光に対する吸収ピークよりも高く設定したためＴ
Ｍ偏光により変調動作を行うと高性能な光変調器として
動作する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光導波路型変調器に関
し、特に光導波路を構成する多重量子井戸層の吸収係数
または屈折率を外部印加電界で制御して光導波路を通過
する光の強度あるいは位相を制御する半導体量子井戸光
変調器に関する。本発明は、また、そのような光変調器
を用いて光変調を行う光変調方法および装置に関する。
し、特に光導波路を構成する多重量子井戸層の吸収係数
または屈折率を外部印加電界で制御して光導波路を通過
する光の強度あるいは位相を制御する半導体量子井戸光
変調器に関する。本発明は、また、そのような光変調器
を用いて光変調を行う光変調方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）や
有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）など化合物半導
体極薄膜作製技術の進展によって半導体多重量子井戸
（ＭＱＷ）や超格子構造が登場し、従来のバルク半導体
に比べて著しいオプトエレクトロニクス素子の特性改良
が可能となっている。このうち、ＭＱＷ構造に電界を印
加してその吸収係数あるいは屈折率を変化させる電界吸
収効果は、バルク半導体に比べ非常に顕著であり、これ
を用いて高速・低電圧駆動可能な光変調器が実現されて
いる。
有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）など化合物半導
体極薄膜作製技術の進展によって半導体多重量子井戸
（ＭＱＷ）や超格子構造が登場し、従来のバルク半導体
に比べて著しいオプトエレクトロニクス素子の特性改良
が可能となっている。このうち、ＭＱＷ構造に電界を印
加してその吸収係数あるいは屈折率を変化させる電界吸
収効果は、バルク半導体に比べ非常に顕著であり、これ
を用いて高速・低電圧駆動可能な光変調器が実現されて
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術での
半導体多重量子井戸構造によれば、入射光の偏光方向に
より電界効果は大きく異なる。図７には、矩形ポテンシ
ャル形状を持つ多重量子井戸構造のＴＥ偏光（図７
（ａ））およびＴＭ偏光（図７（ｂ））の場合の吸収係
数の変化を示す。これらの図によれば、入射光の偏光方
向が量子井戸面に平行（ＴＥ偏光と呼ばれる）、あるい
は垂直（ＴＭ偏光と呼ばれる）により、半導体多重量子
井戸構造の吸収スペクトル変化は非常に異なり、ＴＥ偏
光では軽い正孔および電子からなる励起子（ＬＨ励起
子）の吸収と重い正孔および電子からなる励起子（ＨＨ
励起子）の吸収とが両方観測されるのに対し、入射光の
偏光方向がＴＭ偏光の場合には、ＬＨ励起子吸収のみが
観測される。通常の量子井戸構造を構成する半導体で
は、ＨＨ励起子吸収ピークが最も長波長側に現れ、電界
印加時のこのピークのシフトに伴う吸収係数の変化がデ
バイス動作に利用される。一方、ＴＭ偏光を利用した光
デバイスの高性能化が最近提案された（特願平２−１０
４５８１号）。しかしながら、現在広く使用されている
半導体レーザからの光は、ＴＥ偏光であって、レーザと
変調器の集積化デバイスの開発においてもＴＥ偏光によ
る制御がほとんどであり、これまでのところ、ＴＭ偏光
を利用した制御の優位性は認められてこなかった。上述
した特願平２−１０４５８１号は、吸収係数の変化をＴ
Ｍ偏光の入射光によって取り出すことを提案している。
吸収係数そのものは、量子井戸構造で決まる価電子帯
（波数空間において重い正孔と軽い正孔の存在するエネ
ルギー領域）のバンド構造に密接に依存する。しかしな
がら、上述した特願平２−１０４５８１号においては、
量子井戸構造を構成する各材料の格子定数が整合のとれ
ている場合について、理想化された放物線的なバンド構
造を仮定しているために定量性に乏しく、ＴＭ偏光を利
用した吸収係数制御の優位性を示唆する根拠にはなって
いない。
半導体多重量子井戸構造によれば、入射光の偏光方向に
より電界効果は大きく異なる。図７には、矩形ポテンシ
ャル形状を持つ多重量子井戸構造のＴＥ偏光（図７
（ａ））およびＴＭ偏光（図７（ｂ））の場合の吸収係
数の変化を示す。これらの図によれば、入射光の偏光方
向が量子井戸面に平行（ＴＥ偏光と呼ばれる）、あるい
は垂直（ＴＭ偏光と呼ばれる）により、半導体多重量子
井戸構造の吸収スペクトル変化は非常に異なり、ＴＥ偏
光では軽い正孔および電子からなる励起子（ＬＨ励起
子）の吸収と重い正孔および電子からなる励起子（ＨＨ
励起子）の吸収とが両方観測されるのに対し、入射光の
偏光方向がＴＭ偏光の場合には、ＬＨ励起子吸収のみが
観測される。通常の量子井戸構造を構成する半導体で
は、ＨＨ励起子吸収ピークが最も長波長側に現れ、電界
印加時のこのピークのシフトに伴う吸収係数の変化がデ
バイス動作に利用される。一方、ＴＭ偏光を利用した光
デバイスの高性能化が最近提案された（特願平２−１０
４５８１号）。しかしながら、現在広く使用されている
半導体レーザからの光は、ＴＥ偏光であって、レーザと
変調器の集積化デバイスの開発においてもＴＥ偏光によ
る制御がほとんどであり、これまでのところ、ＴＭ偏光
を利用した制御の優位性は認められてこなかった。上述
した特願平２−１０４５８１号は、吸収係数の変化をＴ
Ｍ偏光の入射光によって取り出すことを提案している。
吸収係数そのものは、量子井戸構造で決まる価電子帯
（波数空間において重い正孔と軽い正孔の存在するエネ
ルギー領域）のバンド構造に密接に依存する。しかしな
がら、上述した特願平２−１０４５８１号においては、
量子井戸構造を構成する各材料の格子定数が整合のとれ
ている場合について、理想化された放物線的なバンド構
造を仮定しているために定量性に乏しく、ＴＭ偏光を利
用した吸収係数制御の優位性を示唆する根拠にはなって
いない。
【０００４】その後、量子井戸あるいは障壁層の格子定
数が、これらの層をその上に成長させている基板結晶の
格子定数と不整合になるような成長をさせて量子井戸層
内に格子歪みによる応力を生じさせることによって、励
起子吸収の強度およびピーク位置を制御する実験的試み
が始まった（ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系多重量子井戸構
造に関しては、Ｍ．Ｏｋａｍｏｔｏ他：米国電気電子学
会量子エレクトロニクス誌「ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」第
２７巻、１４６３−１４６９頁（１９９１年）、ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系多重量子井戸構造に関しては、
井戸他：「電子情報通信学会研究報告」、信学技報ＥＤ
９３−６１、ＯＱＥ９３−４４（１９９３−０７）、３
３−３８頁）。格子歪みを導入することで、吸収係数の
変化を積極的に制御できる可能性が出てきた一方で、わ
ずかな格子歪みによって、量子井戸構造のバンド構造は
大きく変化するため、実験的にＴＭ偏光によって歪み導
入による吸収係数変化量の増大がどこまで可能かを判断
することは難しく、ＴＭ偏光に対する量子井戸構造の最
適化に向けた設計指針が求められていた。
数が、これらの層をその上に成長させている基板結晶の
格子定数と不整合になるような成長をさせて量子井戸層
内に格子歪みによる応力を生じさせることによって、励
起子吸収の強度およびピーク位置を制御する実験的試み
が始まった（ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系多重量子井戸構
造に関しては、Ｍ．Ｏｋａｍｏｔｏ他：米国電気電子学
会量子エレクトロニクス誌「ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」第
２７巻、１４６３−１４６９頁（１９９１年）、ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系多重量子井戸構造に関しては、
井戸他：「電子情報通信学会研究報告」、信学技報ＥＤ
９３−６１、ＯＱＥ９３−４４（１９９３−０７）、３
３−３８頁）。格子歪みを導入することで、吸収係数の
変化を積極的に制御できる可能性が出てきた一方で、わ
ずかな格子歪みによって、量子井戸構造のバンド構造は
大きく変化するため、実験的にＴＭ偏光によって歪み導
入による吸収係数変化量の増大がどこまで可能かを判断
することは難しく、ＴＭ偏光に対する量子井戸構造の最
適化に向けた設計指針が求められていた。
【０００５】本発明の目的は、このような事情に鑑み、
従来にない大きな吸収変化および屈折率変化が、小さい
電圧で得られる高性能な光導波路型変調器である半導体
量子井戸光変調器ならびにこれを用いた光変調方法およ
び装置を提供することにある。
従来にない大きな吸収変化および屈折率変化が、小さい
電圧で得られる高性能な光導波路型変調器である半導体
量子井戸光変調器ならびにこれを用いた光変調方法およ
び装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１の解決手段に従う量子井戸光変調器
は、基板と、該基板上に形成した異なる２種類の半導体
からなる量子井戸層および障壁層を交互に積み重ねた多
重量子井戸構造のコアとを有する光変調器において、前
記コアは、前記量子井戸構造を形成している量子井戸層
の格子定数とこの層をその上に成長させている基板結晶
の格子定数との不整合により生じる格子歪みを有し、こ
の格子歪みは、価電子帯のバンド構造を変化させて前記
量子井戸構造の励起子による光吸収の吸収量および吸収
ピークの位置を変化させ、前記光変調器への電圧印加に
伴う量子井戸層の吸収係数変化による光の制御を行うこ
とを可能にする大きさに設定されていることを特徴とす
る。
め、本発明の第１の解決手段に従う量子井戸光変調器
は、基板と、該基板上に形成した異なる２種類の半導体
からなる量子井戸層および障壁層を交互に積み重ねた多
重量子井戸構造のコアとを有する光変調器において、前
記コアは、前記量子井戸構造を形成している量子井戸層
の格子定数とこの層をその上に成長させている基板結晶
の格子定数との不整合により生じる格子歪みを有し、こ
の格子歪みは、価電子帯のバンド構造を変化させて前記
量子井戸構造の励起子による光吸収の吸収量および吸収
ピークの位置を変化させ、前記光変調器への電圧印加に
伴う量子井戸層の吸収係数変化による光の制御を行うこ
とを可能にする大きさに設定されていることを特徴とす
る。
【０００７】本発明の第２の解決手段に従う半導体量子
井戸光変調器は、上述の第１の解決手段に従う半導体量
子井戸光変調器において、前記格子歪みは、引張歪みで
あることを特徴とする。
井戸光変調器は、上述の第１の解決手段に従う半導体量
子井戸光変調器において、前記格子歪みは、引張歪みで
あることを特徴とする。
【０００８】本発明の第３の解決手段に従う半導体量子
井戸光変調器は、上述の第１の解決手段に従う半導体量
子井戸光変調器において、前記格子歪みは、吸収端での
励起子吸収のＴＭ偏光に対する吸収ピークが、ＴＥ偏光
に対する吸収ピークよりも高くなるようにその大きさを
設定されていることを特徴とする。
井戸光変調器は、上述の第１の解決手段に従う半導体量
子井戸光変調器において、前記格子歪みは、吸収端での
励起子吸収のＴＭ偏光に対する吸収ピークが、ＴＥ偏光
に対する吸収ピークよりも高くなるようにその大きさを
設定されていることを特徴とする。
【０００９】本発明の第４の解決手段に従う光変調方法
は、上述の第１，２または３の解決手段に従う半導体量
子井戸光変調器を用いて、量子井戸層に垂直な電界成分
を持つＴＭ偏光により光変調を行うことを特徴とする。
は、上述の第１，２または３の解決手段に従う半導体量
子井戸光変調器を用いて、量子井戸層に垂直な電界成分
を持つＴＭ偏光により光変調を行うことを特徴とする。
【００１０】本発明の第５の解決手段に従う半導体量子
井戸光変調装置は、上述の第１，２または３の解決手段
に従う半導体量子井戸光変調器と、前記光変調器にＴＭ
偏光を含む光を供給する光源と、前記光変調器へ信号に
対応する電圧を印加する電圧印加手段とを備え、それに
より前記量子井戸構造の励起子による光吸収の吸収量お
よび吸収ピーク位置を変化させ、前記光変調器への電圧
印加に伴う量子井戸層の吸収係数変化による光の制御を
行うことを可能にしたことを特徴とする。
井戸光変調装置は、上述の第１，２または３の解決手段
に従う半導体量子井戸光変調器と、前記光変調器にＴＭ
偏光を含む光を供給する光源と、前記光変調器へ信号に
対応する電圧を印加する電圧印加手段とを備え、それに
より前記量子井戸構造の励起子による光吸収の吸収量お
よび吸収ピーク位置を変化させ、前記光変調器への電圧
印加に伴う量子井戸層の吸収係数変化による光の制御を
行うことを可能にしたことを特徴とする。
【００１１】
【作用】本発明の半導体光変調器の構造においては、量
子井戸層内に引張歪みを導入することにより、無歪み量
子井戸、すなわち量子井戸層材料の格子定数が基板材料
のそれに等しく作製された量子井戸に比較して、励起子
吸収の起きる波長とその吸収量を変えることを実現でき
る。理論的には、励起子吸収の吸収量は励起子の振動子
強度によって表される。図１に量子井戸構造の振動子強
度の歪み量依存性の計算結果を示す。図２は計算に用い
た単一量子井戸構造を示すバンドギャップエネルギー図
である。井戸層、障壁層ともに材料としてＩｎＧａＡｓ
Ｐを仮定している。井戸幅は６，１０，１２，１４ｎｍ
と変化させ、井戸層の組成を変化させて１．２％の圧縮
歪みから０．６％の引張歪みまでを井戸層にかけた場合
を想定している。ここで、引張歪みとは、量子井戸層材
料の格子定数が基板の格子定数よりも小さい場合を指
す。電界無印加時の量子井戸のバンドギャップ波長は井
戸幅および歪み量によらず一定の値（１．４９μｍ）に
固定してある。このように、四元組成の材料ＩｎＧａＡ
ｓＰを用いることで、バンドギャップ波長、井戸幅およ
び歪み量を独立に設定することが可能である。一方、障
壁層はバンドギャップ波長１．１μｍの組成を仮定し
た。図１は電界無印加でのＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対
する振動子強度の歪みの結果を示している。図の横軸
で、正の歪みは圧縮歪みに、負の歪みは引張歪みに対応
する。引張歪み量については、井戸幅に応じて実現可能
な最大の歪み量まで計算を行った（最大の歪み量は井戸
層のバンドギャップ波長から決まる可能な組成の組合せ
により制限されてくる）。井戸幅が６ｎｍを超える量子
井戸では、引張歪み量子井戸構造が可能であり、引張歪
み量とともにＴＭ偏光に対する振動子強度が急速に増大
し、ＴＥ偏光のそれを上回る。井戸幅が１２ｎｍで０．
４％の引張歪みのとき、振動子強度は最大値をとる。一
方、ＴＥ偏光に対する振動子強度は、歪み量に対する変
化が小さく、引張歪みに対してはむしろ減少傾向にあ
る。励起子吸収の吸収量は励起子の振動子強度に比例す
ると考えてよいから、このことは引張歪みを量子井戸層
に加えた場合、ＴＭ偏光に対する吸収特性が従来のＴＥ
偏光に対する特性に大きく勝ることを示している。この
ＴＭ偏光に対する振動子強度の増大は、引張歪みを量子
井戸層に加えた場合に起きる価電子帯バンド構造の特徴
的な変化に起因する。
子井戸層内に引張歪みを導入することにより、無歪み量
子井戸、すなわち量子井戸層材料の格子定数が基板材料
のそれに等しく作製された量子井戸に比較して、励起子
吸収の起きる波長とその吸収量を変えることを実現でき
る。理論的には、励起子吸収の吸収量は励起子の振動子
強度によって表される。図１に量子井戸構造の振動子強
度の歪み量依存性の計算結果を示す。図２は計算に用い
た単一量子井戸構造を示すバンドギャップエネルギー図
である。井戸層、障壁層ともに材料としてＩｎＧａＡｓ
Ｐを仮定している。井戸幅は６，１０，１２，１４ｎｍ
と変化させ、井戸層の組成を変化させて１．２％の圧縮
歪みから０．６％の引張歪みまでを井戸層にかけた場合
を想定している。ここで、引張歪みとは、量子井戸層材
料の格子定数が基板の格子定数よりも小さい場合を指
す。電界無印加時の量子井戸のバンドギャップ波長は井
戸幅および歪み量によらず一定の値（１．４９μｍ）に
固定してある。このように、四元組成の材料ＩｎＧａＡ
ｓＰを用いることで、バンドギャップ波長、井戸幅およ
び歪み量を独立に設定することが可能である。一方、障
壁層はバンドギャップ波長１．１μｍの組成を仮定し
た。図１は電界無印加でのＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対
する振動子強度の歪みの結果を示している。図の横軸
で、正の歪みは圧縮歪みに、負の歪みは引張歪みに対応
する。引張歪み量については、井戸幅に応じて実現可能
な最大の歪み量まで計算を行った（最大の歪み量は井戸
層のバンドギャップ波長から決まる可能な組成の組合せ
により制限されてくる）。井戸幅が６ｎｍを超える量子
井戸では、引張歪み量子井戸構造が可能であり、引張歪
み量とともにＴＭ偏光に対する振動子強度が急速に増大
し、ＴＥ偏光のそれを上回る。井戸幅が１２ｎｍで０．
４％の引張歪みのとき、振動子強度は最大値をとる。一
方、ＴＥ偏光に対する振動子強度は、歪み量に対する変
化が小さく、引張歪みに対してはむしろ減少傾向にあ
る。励起子吸収の吸収量は励起子の振動子強度に比例す
ると考えてよいから、このことは引張歪みを量子井戸層
に加えた場合、ＴＭ偏光に対する吸収特性が従来のＴＥ
偏光に対する特性に大きく勝ることを示している。この
ＴＭ偏光に対する振動子強度の増大は、引張歪みを量子
井戸層に加えた場合に起きる価電子帯バンド構造の特徴
的な変化に起因する。
【００１２】図３に０．４％の引張歪み量子井戸の伝導
帯および価電子帯のバンド構造を電界無印加の場合につ
いて示した。光変調器の動作として重要なのは、伝導帯
と価電子帯の第一準位間の遷移である。引張歪みを加え
たことにより、価電子帯の第一準位（軽い正孔の準位）
と第二準位（重い正孔の準位）の波数ゼロでのエネルギ
ーが近接する。これら二つの性格の異なる準位の相互作
用の結果、価電子帯の第一準位の波数−エネルギー曲線
は上に弧を描くようにして第二準位の波数エネルギー曲
線と反発し合い、波数ゼロ以外の波数で極値をとる
（「間接型のバンド構造をとる」と表現される）。この
形のバンド構造は、伝導帯の第一準位に存在する電子と
価電子帯の第一準位（軽い正孔の準位）に存在する軽い
正孔の間の光学的結合を強くする。
帯および価電子帯のバンド構造を電界無印加の場合につ
いて示した。光変調器の動作として重要なのは、伝導帯
と価電子帯の第一準位間の遷移である。引張歪みを加え
たことにより、価電子帯の第一準位（軽い正孔の準位）
と第二準位（重い正孔の準位）の波数ゼロでのエネルギ
ーが近接する。これら二つの性格の異なる準位の相互作
用の結果、価電子帯の第一準位の波数−エネルギー曲線
は上に弧を描くようにして第二準位の波数エネルギー曲
線と反発し合い、波数ゼロ以外の波数で極値をとる
（「間接型のバンド構造をとる」と表現される）。この
形のバンド構造は、伝導帯の第一準位に存在する電子と
価電子帯の第一準位（軽い正孔の準位）に存在する軽い
正孔の間の光学的結合を強くする。
【００１３】ＴＭ偏光は軽い正孔と電子による吸収（Ｌ
Ｈ励起子による吸収）を引き起こすため、引張歪みの導
入によりＴＭ偏光による吸収量が増大されることにな
る。後に説明する実施例でも述べるように、電界印加時
においても、電界０ｋＶ／ｃｍの場合と同様、大きな吸
収変化が得られる。以上の知見は、対象とする量子井戸
構造に対する引張歪み導入の効果を、独自の解析手法を
駆使した結果得られる他ものであり、定量的な理論に裏
打ちされたものである。
Ｈ励起子による吸収）を引き起こすため、引張歪みの導
入によりＴＭ偏光による吸収量が増大されることにな
る。後に説明する実施例でも述べるように、電界印加時
においても、電界０ｋＶ／ｃｍの場合と同様、大きな吸
収変化が得られる。以上の知見は、対象とする量子井戸
構造に対する引張歪み導入の効果を、独自の解析手法を
駆使した結果得られる他ものであり、定量的な理論に裏
打ちされたものである。
【００１４】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
するが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは
勿論である。
するが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは
勿論である。
【００１５】（実施例）図４は、上述したようなＴＭ偏
光に対する吸収量増大の実施例に係る光変調器を示す模
式的斜視図である。ｎ−ＩｎＰ基板１上には、ｎ−Ｉｎ
Ｐクラッド層２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａ
ＡｓＰからなる多重量子井戸層３、ｐ−ＩｎＰクラッド
層４、ｎ−ＩｎＰおよびｐ−ＩｎＧａＡｓ層５が順次積
層されており、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面にはＮ側電極６
が、ｐ−ＩｎＧａＡｓ層５上にはＰ側電極７が設けられ
ている。Ｐ側電極７上には変調信号に対応する電圧を印
加するための電圧印加手段（図示しない）に接続するた
めのリード線８が接続されている。図示しない光源（レ
ーザ）からの入射光９は変調光１０として出射される。
量子井戸層３は、ＩｎＧａＡｓＰ層と応力の補償された
ＩｎＧａＡｓＰ層とからなる多重量子井戸構造になって
いる。ＩｎＰ基板上に格子整合するＩｎ1-xＧａx Ａｓ
1-y Ｐy の組成条件またはｘ、ｙを変えることで格子不
整合（歪み）を生じさせて格子歪みによる応力を発生さ
せることができる。応力の大きさ、向きもクラックの発
生しない範囲で自由に変えられる。井戸層には、引張歪
みが０．４％加えられている。
光に対する吸収量増大の実施例に係る光変調器を示す模
式的斜視図である。ｎ−ＩｎＰ基板１上には、ｎ−Ｉｎ
Ｐクラッド層２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａ
ＡｓＰからなる多重量子井戸層３、ｐ−ＩｎＰクラッド
層４、ｎ−ＩｎＰおよびｐ−ＩｎＧａＡｓ層５が順次積
層されており、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面にはＮ側電極６
が、ｐ−ＩｎＧａＡｓ層５上にはＰ側電極７が設けられ
ている。Ｐ側電極７上には変調信号に対応する電圧を印
加するための電圧印加手段（図示しない）に接続するた
めのリード線８が接続されている。図示しない光源（レ
ーザ）からの入射光９は変調光１０として出射される。
量子井戸層３は、ＩｎＧａＡｓＰ層と応力の補償された
ＩｎＧａＡｓＰ層とからなる多重量子井戸構造になって
いる。ＩｎＰ基板上に格子整合するＩｎ1-xＧａx Ａｓ
1-y Ｐy の組成条件またはｘ、ｙを変えることで格子不
整合（歪み）を生じさせて格子歪みによる応力を発生さ
せることができる。応力の大きさ、向きもクラックの発
生しない範囲で自由に変えられる。井戸層には、引張歪
みが０．４％加えられている。
【００１６】図５は、本発明に関わる量子井戸構造の量
子井戸に引張歪み０．４％を付加したときの吸収スペク
トルを示した線図であり、図５（ａ）はＴＭ偏光で、図
５（ｂ）はＴＥ偏光の場合である。実線Ａは電界無印加
時、破線Ｂは電界印加時を表す。図中の矢印は、それぞ
れ吸収ピークの波長および変調器の動作波長１．５５μ
ｍを示している。これらの図から、電界ゼロのみならず
電界印加時（印加電界の強さは１２５ｋＶ／ｃｍ）にお
いても、引張歪みを導入した量子井戸において、高い吸
収係数の値が得られているのがわかる。動作は長１．５
５μｍでの吸収係数の変化ΔαについてもΔαTMがはる
かにΔαTEを上回っており、ＴＭ偏光による変調器動作
の優位性が見て取れる。ここで、より具体的に性能の向
上を見積もるために性能指数（ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｍ
ｅｒｉｔ）の値を見積もってみる。現在のデバイス理論
では、変調器の性能指数として、
子井戸に引張歪み０．４％を付加したときの吸収スペク
トルを示した線図であり、図５（ａ）はＴＭ偏光で、図
５（ｂ）はＴＥ偏光の場合である。実線Ａは電界無印加
時、破線Ｂは電界印加時を表す。図中の矢印は、それぞ
れ吸収ピークの波長および変調器の動作波長１．５５μ
ｍを示している。これらの図から、電界ゼロのみならず
電界印加時（印加電界の強さは１２５ｋＶ／ｃｍ）にお
いても、引張歪みを導入した量子井戸において、高い吸
収係数の値が得られているのがわかる。動作は長１．５
５μｍでの吸収係数の変化ΔαについてもΔαTMがはる
かにΔαTEを上回っており、ＴＭ偏光による変調器動作
の優位性が見て取れる。ここで、より具体的に性能の向
上を見積もるために性能指数（ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｍ
ｅｒｉｔ）の値を見積もってみる。現在のデバイス理論
では、変調器の性能指数として、
【００１７】
【数１】
【００１８】と
【００１９】
【数２】
【００２０】が最も適当な量として用いられる。ここ
で、ＴＥ（ＴＭ）はＴＥまたはＴＭを表し、ΓTE(TM)は
各偏光に対する光閉じこめ係数（ΓTEまたはΓTM）、Δ
Ｆは電界の変化量、ΔαTE(TM)は電界の変化量に対する
吸収係数の変化量、αTE(TM)（０）は波長１．５５μｍ
での電界ゼロの場合の吸収係数（「吸収損失」と呼ばれ
る）である。前者は主に変調特性に、後者は消光比に対
応するものと考えてよい。図５の場合、ΔＦ＝１２５ｋ
Ｖ／ｃｍ、ΔαTM＝３５４６（ｃｍ-1）、ΔαTE＝１４
５６（ｃｍ-1）である。障壁層幅を５ｎｍとして量子井
戸数１０の量子井戸構造について、光閉じこめ係数を求
めると、それぞれΓTM＝０．２４９４、ΓTE＝０．２９
９３となる。従って、最終的な性能指数は、
で、ＴＥ（ＴＭ）はＴＥまたはＴＭを表し、ΓTE(TM)は
各偏光に対する光閉じこめ係数（ΓTEまたはΓTM）、Δ
Ｆは電界の変化量、ΔαTE(TM)は電界の変化量に対する
吸収係数の変化量、αTE(TM)（０）は波長１．５５μｍ
での電界ゼロの場合の吸収係数（「吸収損失」と呼ばれ
る）である。前者は主に変調特性に、後者は消光比に対
応するものと考えてよい。図５の場合、ΔＦ＝１２５ｋ
Ｖ／ｃｍ、ΔαTM＝３５４６（ｃｍ-1）、ΔαTE＝１４
５６（ｃｍ-1）である。障壁層幅を５ｎｍとして量子井
戸数１０の量子井戸構造について、光閉じこめ係数を求
めると、それぞれΓTM＝０．２４９４、ΓTE＝０．２９
９３となる。従って、最終的な性能指数は、
【００２１】
【数３】
【００２２】と見積もられる。また、この量子井戸構造
での電界強度１２５ｋＶ／ｃｍは、電圧に換算して約
１．６Ｖであり、２Ｖ以下の低電圧が実現されている。
いずれの性能指数においても、低電圧を実現しつつ、Ｔ
Ｅ偏光による動作に比べてＴＭ偏光動作は約２倍の性能
向上が期待できることになる。このように、低電圧での
Δαの増大はデバイスの高性能化に寄与する。
での電界強度１２５ｋＶ／ｃｍは、電圧に換算して約
１．６Ｖであり、２Ｖ以下の低電圧が実現されている。
いずれの性能指数においても、低電圧を実現しつつ、Ｔ
Ｅ偏光による動作に比べてＴＭ偏光動作は約２倍の性能
向上が期待できることになる。このように、低電圧での
Δαの増大はデバイスの高性能化に寄与する。
【００２３】図６は、１０ｎｍ、０．３％引張歪み−、
１２ｎｍ、０．４％引張歪み−、１４ｎｍ、０．４％引
張歪み−量子井戸構造のそれぞれについて、ΔαTMとΔ
αTEの差を印加電界の関数としてプロットしたものであ
る。いずれの量子井戸構造においてもΔαTM≫ΔαTEと
なっており、引張歪みをかけた量子井戸がＴＭ偏光に対
して優れた電界吸収効果を発揮することがわかる。Δα
TMとΔαTEの差は井戸幅を狭くするにつれて増大する
が、そのピークは高電界側にシフトする。ΔαTMとΔα
TEの差だけを見る限り、１０ｎｍ、０．３％引張歪み量
子井戸を含むより狭い量子井戸構造が高い性能を有する
ことになるが、デバイス動作上低電圧駆動は必須条件で
あり、２Ｖ以下での動作を考えると１５０ｋＶ／ｃｍ以
上の高電界印加では、その実現は難しい。従って、Δα
TMとΔαTEの差と電圧の両方を考慮すると、ＴＭ偏光で
の最適構造は、１２ｎｍ、０．４％引張歪みといえる。
１２ｎｍ、０．４％引張歪み−、１４ｎｍ、０．４％引
張歪み−量子井戸構造のそれぞれについて、ΔαTMとΔ
αTEの差を印加電界の関数としてプロットしたものであ
る。いずれの量子井戸構造においてもΔαTM≫ΔαTEと
なっており、引張歪みをかけた量子井戸がＴＭ偏光に対
して優れた電界吸収効果を発揮することがわかる。Δα
TMとΔαTEの差は井戸幅を狭くするにつれて増大する
が、そのピークは高電界側にシフトする。ΔαTMとΔα
TEの差だけを見る限り、１０ｎｍ、０．３％引張歪み量
子井戸を含むより狭い量子井戸構造が高い性能を有する
ことになるが、デバイス動作上低電圧駆動は必須条件で
あり、２Ｖ以下での動作を考えると１５０ｋＶ／ｃｍ以
上の高電界印加では、その実現は難しい。従って、Δα
TMとΔαTEの差と電圧の両方を考慮すると、ＴＭ偏光で
の最適構造は、１２ｎｍ、０．４％引張歪みといえる。
【００２４】なお、上述の実施例では、ＩｎＰ基板を用
いたＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ混晶系について
述べたが、ＩｎＰ基板を用いたＩｎＧａＡｌＡｓ混晶
系、ＧａＡｓ基板を用いたＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ、ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓ混晶系につい
ても同様な効果があることは明らかである。
いたＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ混晶系について
述べたが、ＩｎＰ基板を用いたＩｎＧａＡｌＡｓ混晶
系、ＧａＡｓ基板を用いたＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ、ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓ混晶系につい
ても同様な効果があることは明らかである。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多重量子井戸構造での量子井戸層内に引張歪みが加わる
ようにして、ＴＭ偏光に対する吸収ピークが、ＴＥ偏光
に対する吸収ピークよりも高くなるようにした上で、Ｔ
Ｍ偏光により変調動作を行うことにより、従来のＴＥ偏
光による動作をしのぐ高性能な光変調器を提供すること
ができる。
多重量子井戸構造での量子井戸層内に引張歪みが加わる
ようにして、ＴＭ偏光に対する吸収ピークが、ＴＥ偏光
に対する吸収ピークよりも高くなるようにした上で、Ｔ
Ｍ偏光により変調動作を行うことにより、従来のＴＥ偏
光による動作をしのぐ高性能な光変調器を提供すること
ができる。
【００２６】さらに、本発明によれば、このような光変
調器を用いたことにより従来にない大きな吸収変化およ
び屈折率変化が小さい電圧で得られる光変調方法および
装置を提供することができる。
調器を用いたことにより従来にない大きな吸収変化およ
び屈折率変化が小さい電圧で得られる光変調方法および
装置を提供することができる。
【図１】量子井戸構造の振動子強度の歪み量依存性（計
算値）を示す線図である。
算値）を示す線図である。
【図２】図１の量子井戸構造の励起子強度の歪み依存性
の計算に用いた量子井戸構造を示すバンドギャップエネ
ルギー図である。
の計算に用いた量子井戸構造を示すバンドギャップエネ
ルギー図である。
【図３】本発明に係る量子井戸構造のバンド構造を示す
線図である。
線図である。
【図４】本発明の実施例に係る光変調器を示す模式的斜
視図である。
視図である。
【図５】本発明に基づく量子井戸構造の吸収スペクトル
を示す線図であり、（ａ）はＴＭ偏光の場合、（ｂ）は
ＴＥ偏光の場合を示す。
を示す線図であり、（ａ）はＴＭ偏光の場合、（ｂ）は
ＴＥ偏光の場合を示す。
【図６】本発明に基づく量子井戸構造におけるＴＭ偏光
による吸収係数の変化量とＴＥ偏光による吸収係数の変
化量との差を印加電界の関数として表した線図である。
による吸収係数の変化量とＴＥ偏光による吸収係数の変
化量との差を印加電界の関数として表した線図である。
【図７】矩形ポテンシャル形状を持つ多重量子井戸構造
の電界印加による吸収係数変化を示す線図であり、
（ａ）はＴＥ偏光の場合、（ｂ）ＴＭ偏光の場合を示
す。
の電界印加による吸収係数変化を示す線図であり、
（ａ）はＴＥ偏光の場合、（ｂ）ＴＭ偏光の場合を示
す。
１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ３ ノンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰからな
る多重量子井戸層 ４ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ５ ｐ−ＩｎＧａＡｓ層 ６ Ｎ側電極 ７ Ｐ側電極 ８ リード線 ９ 入射光 １０ 変調光
る多重量子井戸層 ４ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ５ ｐ−ＩｎＧａＡｓ層 ６ Ｎ側電極 ７ Ｐ側電極 ８ リード線 ９ 入射光 １０ 変調光
Claims (5)
- 【請求項１】 基板と、該基板上に形成した異なる２種
類の半導体からなる量子井戸層および障壁層を交互に積
み重ねた多重量子井戸構造のコアとを有する光変調器に
おいて、前記コアは、前記量子井戸構造を形成している
量子井戸層の格子定数とこの層をその上に成長させてい
る基板結晶の格子定数との不整合により生じる格子歪み
を有し、この格子歪みは、価電子帯のバンド構造を変化
させて前記量子井戸構造の励起子による光吸収の吸収量
および吸収ピークの位置を変化させ、前記光変調器への
電圧印加に伴う量子井戸層の吸収係数変化による光の制
御を行うことを可能にする大きさに設定されていること
を特徴とする半導体量子井戸光変調器。 - 【請求項２】 前記格子歪みは、引張歪みであることを
特徴とする請求項１に記載の半導体量子井戸光変調器。 - 【請求項３】 前記格子歪みは、吸収端での励起子吸収
のＴＭ偏光に対する吸収ピークが、ＴＥ偏光に対する吸
収ピークよりも高くなるようにその大きさを設定されて
いることを特徴とする請求項１記載の半導体量子井戸光
変調器。 - 【請求項４】 請求項１，２または３に記載の半導体量
子井戸光変調器を用いて、量子井戸層に垂直な電界成分
を持つＴＭ偏光により光変調を行うことを特徴とする光
変調方法。 - 【請求項５】 請求項１，２または３に記載の光変調器
と、 前記光変調器にＴＭ偏光を含む光を供給する光源と、 前記光変調器へ信号に対応する電圧を印加する電圧印加
手段とを備え、それにより前記量子井戸構造の励起子に
よる光吸収の吸収量および吸収ピーク位置を変化させ、
前記光変調器への電圧印加に伴う量子井戸層の吸収係数
変化による光の制御を行うことを可能にしたことを特徴
とする半導体量子井戸光変調装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1403295A JPH08201740A (ja) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | 半導体量子井戸光変調器ならびにこれを用いた光変調方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1403295A JPH08201740A (ja) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | 半導体量子井戸光変調器ならびにこれを用いた光変調方法および装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08201740A true JPH08201740A (ja) | 1996-08-09 |
Family
ID=11849819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1403295A Pending JPH08201740A (ja) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | 半導体量子井戸光変調器ならびにこれを用いた光変調方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08201740A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114545701A (zh) * | 2020-11-24 | 2022-05-27 | 华星光通科技股份有限公司 | 具有横向电场与横向磁场偏振光的光通讯元件 |
-
1995
- 1995-01-31 JP JP1403295A patent/JPH08201740A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114545701A (zh) * | 2020-11-24 | 2022-05-27 | 华星光通科技股份有限公司 | 具有横向电场与横向磁场偏振光的光通讯元件 |
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