JPH0823631B2 - 光変調器 - Google Patents
光変調器Info
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- JPH0823631B2 JPH0823631B2 JP2439785A JP2439785A JPH0823631B2 JP H0823631 B2 JPH0823631 B2 JP H0823631B2 JP 2439785 A JP2439785 A JP 2439785A JP 2439785 A JP2439785 A JP 2439785A JP H0823631 B2 JPH0823631 B2 JP H0823631B2
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- semiconductor
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- optical modulator
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信等に用いられる高速変調用光変調器
に関するものである。
に関するものである。
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って変調する方法
である。この両者にはそれぞれ長所短所がある。
ザの出力強度や位相を高速で変化させるには、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って変調する方法
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ャリアの緩和振動による変調波
形の歪みや、発振波長の時間変化（チャーピング）が生
じ、信号光の検出が困難になる。また、この変調速度は
キャリア寿命により制限され、毎秒約４ギガビット以上
の直接変調は原理的に困難である。
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ャリアの緩和振動による変調波
形の歪みや、発振波長の時間変化（チャーピング）が生
じ、信号光の検出が困難になる。また、この変調速度は
キャリア寿命により制限され、毎秒約４ギガビット以上
の直接変調は原理的に困難である。
一方後者は、毎秒10ギガビッ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ャーピングは少ない
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。
で、かつ高速変調時においてもチャーピングは少ない
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、ジャパニーズ・ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジックス（Japanese Journal of
Applied Physics）誌1983年 22巻 L22に掲載されてい
るように、多層薄膜半導体に電圧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、吸収確率
は小さくなるという欠点を有する。また、デーラー氏
（Ｄhler）によって提案されているドーピングの種類
と濃度を空間的に変化させて形成した超格子構造を用い
て光の変調を行うという方法もある〔第２回国際MBE及
び関連清浄表面技術シンポジウム，論文集21ページ（Co
llected Papers of 2nd International Symposium on M
olecular Beam Epitaxy and Related Clean Surface Te
chniques,p21）〕。しかし、この構造では、高濃度の不
純物ドーピングを行うことによって半導体のバンドの形
状を変化させるため、異種ドーピング領域の界面を急峻
に製作できない。従って電子と正孔が空間的に分離して
存在し、光の変調が行える程度の吸収確率の変化を生じ
させるには高い電圧で駆動する必要がある。
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、ジャパニーズ・ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジックス（Japanese Journal of
Applied Physics）誌1983年 22巻 L22に掲載されてい
るように、多層薄膜半導体に電圧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、吸収確率
は小さくなるという欠点を有する。また、デーラー氏
（Ｄhler）によって提案されているドーピングの種類
と濃度を空間的に変化させて形成した超格子構造を用い
て光の変調を行うという方法もある〔第２回国際MBE及
び関連清浄表面技術シンポジウム，論文集21ページ（Co
llected Papers of 2nd International Symposium on M
olecular Beam Epitaxy and Related Clean Surface Te
chniques,p21）〕。しかし、この構造では、高濃度の不
純物ドーピングを行うことによって半導体のバンドの形
状を変化させるため、異種ドーピング領域の界面を急峻
に製作できない。従って電子と正孔が空間的に分離して
存在し、光の変調が行える程度の吸収確率の変化を生じ
させるには高い電圧で駆動する必要がある。
本発明の目的は、駆動電圧，挿入損失がともに小さ
く、高い消光比の得られる高速変調可能な光変調器を提
供する事にある。
く、高い消光比の得られる高速変調可能な光変調器を提
供する事にある。
光変調器第１の半導体層と第２の半導体層が交互に積
層された半導体多層構造を有し、前記第２の半導体の伝
導帯の下端は前記第１の半導体の伝導帯の下端より低
く、前記第２の半導体の価電子帯の上端は前記第１の半
導体の価電子帯の上端より低くなっており、前記半導体
多層構造にバイアス電圧をかける電極を設け、バイアス
電圧をかけない時は前記第１の半導体の正孔の波動関数
と前記第２の半導体の電子の波動関数が空間的に分離さ
れ、バイアス電圧をかけた時は前記波動関数が空間的に
重なることを特徴とする。
層された半導体多層構造を有し、前記第２の半導体の伝
導帯の下端は前記第１の半導体の伝導帯の下端より低
く、前記第２の半導体の価電子帯の上端は前記第１の半
導体の価電子帯の上端より低くなっており、前記半導体
多層構造にバイアス電圧をかける電極を設け、バイアス
電圧をかけない時は前記第１の半導体の正孔の波動関数
と前記第２の半導体の電子の波動関数が空間的に分離さ
れ、バイアス電圧をかけた時は前記波動関数が空間的に
重なることを特徴とする。
以下に図面を用いて本発明の原理を説明する。第１図
（ａ）は、本発明による半導体多層構造に、積層方向に
バイアス電圧がかかっていない場合の電子の波動関数11
と正孔の波動関数12を示すバンド図である。このバイア
ス電圧のない状態では、電子は第２の半導体層13に、正
孔は第１の半導体層14に閉じ込められて分布している。
この時、第２の半導体の伝導帯の下端と第１の半導体の
価電子帯の上端の差15をεｌとして、εｌ程度のフォト
ンエネルギーの光をこの積層構造に照射しても、電子と
正孔の波動関数が空間的に分離している事により、界面
近傍における量子力学により与えられる吸収確率は非常
に小さくなる。また、エネルギーεｌは、第１及び第２
の半導体のどちらの禁制帯幅よりも小さいため、εｌ程
度のフォトンエネルギーを持つ光はそれぞれの半導体層
にも吸収されない。従って、この状態におけるフォトン
エネルギーがεｌ程度の光の上記半導体多層構造に対す
る透過率は非常に１に近くなる。
（ａ）は、本発明による半導体多層構造に、積層方向に
バイアス電圧がかかっていない場合の電子の波動関数11
と正孔の波動関数12を示すバンド図である。このバイア
ス電圧のない状態では、電子は第２の半導体層13に、正
孔は第１の半導体層14に閉じ込められて分布している。
この時、第２の半導体の伝導帯の下端と第１の半導体の
価電子帯の上端の差15をεｌとして、εｌ程度のフォト
ンエネルギーの光をこの積層構造に照射しても、電子と
正孔の波動関数が空間的に分離している事により、界面
近傍における量子力学により与えられる吸収確率は非常
に小さくなる。また、エネルギーεｌは、第１及び第２
の半導体のどちらの禁制帯幅よりも小さいため、εｌ程
度のフォトンエネルギーを持つ光はそれぞれの半導体層
にも吸収されない。従って、この状態におけるフォトン
エネルギーがεｌ程度の光の上記半導体多層構造に対す
る透過率は非常に１に近くなる。
さて、次に、第１図（ｂ）に本発明による半導体多層
構造に、積層方向にバイアス電圧をかけた時の電子の波
動関数11と正孔の波動関数12を模式的に示す。この場
合、バイアス電圧によって、半導体界面近傍ではポテン
シャル形状が三角形となり、このポテンシャルにより電
子及び正孔の波動関数11,12は、界面近傍に局在する形
になる。かつ、この時電子および正孔のエネルギーレベ
ルは離散化する。この状態においては、電子と正孔の波
動関数が空間的に密接して存在するために、界面近傍で
の量子力学によって与えられる吸収確率は大きくなり、
その結果フォトンエネルギーがεｌ程度の光に対する透
過率は非常に小さくなる。
構造に、積層方向にバイアス電圧をかけた時の電子の波
動関数11と正孔の波動関数12を模式的に示す。この場
合、バイアス電圧によって、半導体界面近傍ではポテン
シャル形状が三角形となり、このポテンシャルにより電
子及び正孔の波動関数11,12は、界面近傍に局在する形
になる。かつ、この時電子および正孔のエネルギーレベ
ルは離散化する。この状態においては、電子と正孔の波
動関数が空間的に密接して存在するために、界面近傍で
の量子力学によって与えられる吸収確率は大きくなり、
その結果フォトンエネルギーがεｌ程度の光に対する透
過率は非常に小さくなる。
以上では、バイアス電圧を印加した場合のみ電子及び
正孔のエネルギーレベルが離散化するとしたが、第１及
び第２の半導体層14,13の薄膜化によりバイアス電圧を
印加しない場合でも電子及び正孔のエネルギーレベルが
離散化していてもさしつかえない。特に、それぞれの半
導体層を薄膜にし、これによって生じる量子閉じ込め効
果によるエネルギー準位のシフトを利用して、バイアス
電圧のかかっていない状態で、第２の半導体層13に存在
する電子のエネルギー準位と、第１の半導体層14に存在
する正孔のエネルギー準位の差を変調したい特定の波長
の光のフォトンエネルギーと一致させれば、本発明によ
り材料系による制限をうけずに好ましい波長での光変調
器を実現することができる。第２図（ａ）は、このよう
な薄膜とした半導体の、バイアス電圧がかかっていない
状態での材料系による伝導帯下端21,価電子帯上端22,電
子のエネルギー準位中の基底準位23,正孔のエネルギー
準位中の基底準位24をそれぞれ示すバンド図である。準
位23と準位24のエネルギー差が変調したい光のフォトン
エネルギーと一致するように膜厚を設計する。この構造
にバイアス電圧をかけると、各バンド端、及びエネルギ
ー準位は第２図（ｂ）のように変化する。この変化によ
り、電子の波動関数25と正孔の波動関数26はどちらも界
面近傍に局在し、吸収確率はバイアス電圧をかける事に
より大きくなる事が第１図の場合と同様に理解できる。
従って、バイアス電圧をかけていない状態での変調され
るべき光の透過率は大きく、バイアス電圧をかけた状態
では透過率は小さくなり、この場合でも第１図を用いて
考えた効果と同様の効果が得られる事がわかる。
正孔のエネルギーレベルが離散化するとしたが、第１及
び第２の半導体層14,13の薄膜化によりバイアス電圧を
印加しない場合でも電子及び正孔のエネルギーレベルが
離散化していてもさしつかえない。特に、それぞれの半
導体層を薄膜にし、これによって生じる量子閉じ込め効
果によるエネルギー準位のシフトを利用して、バイアス
電圧のかかっていない状態で、第２の半導体層13に存在
する電子のエネルギー準位と、第１の半導体層14に存在
する正孔のエネルギー準位の差を変調したい特定の波長
の光のフォトンエネルギーと一致させれば、本発明によ
り材料系による制限をうけずに好ましい波長での光変調
器を実現することができる。第２図（ａ）は、このよう
な薄膜とした半導体の、バイアス電圧がかかっていない
状態での材料系による伝導帯下端21,価電子帯上端22,電
子のエネルギー準位中の基底準位23,正孔のエネルギー
準位中の基底準位24をそれぞれ示すバンド図である。準
位23と準位24のエネルギー差が変調したい光のフォトン
エネルギーと一致するように膜厚を設計する。この構造
にバイアス電圧をかけると、各バンド端、及びエネルギ
ー準位は第２図（ｂ）のように変化する。この変化によ
り、電子の波動関数25と正孔の波動関数26はどちらも界
面近傍に局在し、吸収確率はバイアス電圧をかける事に
より大きくなる事が第１図の場合と同様に理解できる。
従って、バイアス電圧をかけていない状態での変調され
るべき光の透過率は大きく、バイアス電圧をかけた状態
では透過率は小さくなり、この場合でも第１図を用いて
考えた効果と同様の効果が得られる事がわかる。
以上で示したように、本発明による光変調器は、半導
体多層構造中での電子および正孔の波動関数の形状を電
場の印加により変化させ、これにより変調すべき光の透
過率を変化させるという原理を用いている。この場合の
変調速度は原理的には量子力学で与えられる限界程度の
高速変調が可能である。また、波動関数の形状の変化を
十分に生じさせるために必要な電場も、界面が急峻であ
る事により小さい電圧で十分である。そして、透過率の
バイアス電圧の印加による変化も大きく、高い消光比が
得られる。
体多層構造中での電子および正孔の波動関数の形状を電
場の印加により変化させ、これにより変調すべき光の透
過率を変化させるという原理を用いている。この場合の
変調速度は原理的には量子力学で与えられる限界程度の
高速変調が可能である。また、波動関数の形状の変化を
十分に生じさせるために必要な電場も、界面が急峻であ
る事により小さい電圧で十分である。そして、透過率の
バイアス電圧の印加による変化も大きく、高い消光比が
得られる。
第３図に本発明の第１の実施例の光変調器の断面図を
示す。
示す。
この光変調器は、ｎ型GaAs基板31上に分子線エピタキ
シー法（MBE法）により、厚さ1.0μｍのｎ型GaAs層32,
厚さ3.0μｍの徐々にInをIII族元素として加えたｎ型In
xGa1-xAs（０≦ｘ≦0.15）グレーディッド層33,厚さ1.0
μｍのｎ型In0.15Ga0.85As層34を順次成長し、その上に
膜厚500Åのノンドープ高純度のAl0.5Ga0.5Sb層35と膜
厚500Åのノンドープ高純度In0.15Ga0.85As層36を交互
にそれぞれ20層積層して多層薄膜構造3Aを形成し、その
上に厚さ1.5μｍのｐ型In0.15Ga0.85As層37を成長し、
次に基板31の厚さを30μｍにまで薄くし、上面及び下面
に電極38をつけたものである。この実施例の基板31から
のバンド構造を模式的に第４図に示す。変調する光のフ
ォトンエネルギーは、第１の半導体層であるAl0.5Ga0.5
Sb層35の価電子帯の上端と、第２の半導体層であるIn
0.15Ga0.85As層36の伝導帯の下端とのエネルギーの差41
に近いものとする。この実施例でのエネルギー差41は、
0.8eVとなり、波長1.55μｍの光の変調に適する事がわ
かる。また、本実施例では、GaAsの吸収端42が約0.86μ
m,In0.15Ga0.85Asの吸収端43が約0.98μm,Al0.5Ga0.5Sb
の吸収端44が約1.07μｍであり、波長1.55μｍの光は、
Al0.5Ga0.5Sbの層35とIn0.15Ga0.85Asの層36の界面近傍
以外では吸収されない。実際に、第３図の構造で、上面
及び下面の電極38に設けた開孔39を通して、積層面と垂
直方向に1.55μｍの光を透過させた時の透過率は90％で
あった。これは、損失として約0.5dBに相当し、この吸
収がすべて20層の多層薄膜構造3Aによるとすると、3Aで
の吸収計数αは、約５×102cm-1である事がわかる。
シー法（MBE法）により、厚さ1.0μｍのｎ型GaAs層32,
厚さ3.0μｍの徐々にInをIII族元素として加えたｎ型In
xGa1-xAs（０≦ｘ≦0.15）グレーディッド層33,厚さ1.0
μｍのｎ型In0.15Ga0.85As層34を順次成長し、その上に
膜厚500Åのノンドープ高純度のAl0.5Ga0.5Sb層35と膜
厚500Åのノンドープ高純度In0.15Ga0.85As層36を交互
にそれぞれ20層積層して多層薄膜構造3Aを形成し、その
上に厚さ1.5μｍのｐ型In0.15Ga0.85As層37を成長し、
次に基板31の厚さを30μｍにまで薄くし、上面及び下面
に電極38をつけたものである。この実施例の基板31から
のバンド構造を模式的に第４図に示す。変調する光のフ
ォトンエネルギーは、第１の半導体層であるAl0.5Ga0.5
Sb層35の価電子帯の上端と、第２の半導体層であるIn
0.15Ga0.85As層36の伝導帯の下端とのエネルギーの差41
に近いものとする。この実施例でのエネルギー差41は、
0.8eVとなり、波長1.55μｍの光の変調に適する事がわ
かる。また、本実施例では、GaAsの吸収端42が約0.86μ
m,In0.15Ga0.85Asの吸収端43が約0.98μm,Al0.5Ga0.5Sb
の吸収端44が約1.07μｍであり、波長1.55μｍの光は、
Al0.5Ga0.5Sbの層35とIn0.15Ga0.85Asの層36の界面近傍
以外では吸収されない。実際に、第３図の構造で、上面
及び下面の電極38に設けた開孔39を通して、積層面と垂
直方向に1.55μｍの光を透過させた時の透過率は90％で
あった。これは、損失として約0.5dBに相当し、この吸
収がすべて20層の多層薄膜構造3Aによるとすると、3Aで
の吸収計数αは、約５×102cm-1である事がわかる。
次に、この実施例の構造に積層方向に電圧を印加し、
同様な測定を行った。まず、ｎ型GaAs基板31を接地し、
ｐ型In0.15Ga0.85As層37に−5Vの電圧を印加し、これに
より多層薄膜構造3Aに約３×104V/cmの電場をかけた。
この状態では、透過率は20％となった。これは損失とし
て約7dBであり、吸収計数は８×103cm-1である。このバ
イアス電圧のON,OFFによる透過率の変化は、十分実用的
なものである。さらに800MHzの交流のバイアス電圧の印
加により変調を行った場合にも良好な変調特性が得ら
れ、この構造を光変調器として用いる事の有効性が確か
められた。
同様な測定を行った。まず、ｎ型GaAs基板31を接地し、
ｐ型In0.15Ga0.85As層37に−5Vの電圧を印加し、これに
より多層薄膜構造3Aに約３×104V/cmの電場をかけた。
この状態では、透過率は20％となった。これは損失とし
て約7dBであり、吸収計数は８×103cm-1である。このバ
イアス電圧のON,OFFによる透過率の変化は、十分実用的
なものである。さらに800MHzの交流のバイアス電圧の印
加により変調を行った場合にも良好な変調特性が得ら
れ、この構造を光変調器として用いる事の有効性が確か
められた。
実際に、スペクトル幅10MHzの波長1.55μｍで発振す
るDFB（分布帰還型）レーザを用いた模擬実験において
も、500Mbit/Sの光強度変調を波形劣化を生じずに行う
事が可能であった。この変調速度の上限は電気回路によ
るものであり、バイアス電圧を下げればより高速の変調
が可能である事も理解された。
るDFB（分布帰還型）レーザを用いた模擬実験において
も、500Mbit/Sの光強度変調を波形劣化を生じずに行う
事が可能であった。この変調速度の上限は電気回路によ
るものであり、バイアス電圧を下げればより高速の変調
が可能である事も理解された。
次に、本発明の第２の実施例の光変調器を第５図を用
いて説明する。この図は、ｎ型GaSb基板51上に、分子線
エピタキシー法により厚さ1.0μｍのｎ型GaSb層52を成
長し、その上に、ノンドープ高純度の膜厚10ÅのInAs層
53と同じく高純度の膜厚15ÅのGaSb層54を交互にそれぞ
れ100層積層して多層超薄膜構造5Aを形成し、その上に
厚さ0.5μｍのｐ型GaSb層55を順次成長した後、基板51
を10μｍまで薄くし、上面及び下面に電極56をつけた実
施例の断面図である。この実施例の基板51からのバンド
構造を第６図に示す。このバンド構造では、第２の半導
体であるInAs層53と第２の半導体であるGaSb層54で伝導
帯と価電子帯がエネルギー的に重なるため、通常はこの
２種の半導体のヘテロ接合は半金属的になるが、先の述
べたようにInAs層53とGaSb層54を超薄膜化したため、伝
導帯中で電子の存在できる基底エネルギー準位は61で示
す準位に、正孔の存在できる基底エネルギー準位は62で
示す準位になり、この実施例においても第１の実施例と
同様なバンド構造を有すると考える事ができる。この場
合の変調に適する波長は、電子のエネルギー準位61と正
孔のエネルギー準位62の差のエネルギーであるが、上述
した構造ではこれは約0.8eV,波長にして約1.55μｍとな
る。
いて説明する。この図は、ｎ型GaSb基板51上に、分子線
エピタキシー法により厚さ1.0μｍのｎ型GaSb層52を成
長し、その上に、ノンドープ高純度の膜厚10ÅのInAs層
53と同じく高純度の膜厚15ÅのGaSb層54を交互にそれぞ
れ100層積層して多層超薄膜構造5Aを形成し、その上に
厚さ0.5μｍのｐ型GaSb層55を順次成長した後、基板51
を10μｍまで薄くし、上面及び下面に電極56をつけた実
施例の断面図である。この実施例の基板51からのバンド
構造を第６図に示す。このバンド構造では、第２の半導
体であるInAs層53と第２の半導体であるGaSb層54で伝導
帯と価電子帯がエネルギー的に重なるため、通常はこの
２種の半導体のヘテロ接合は半金属的になるが、先の述
べたようにInAs層53とGaSb層54を超薄膜化したため、伝
導帯中で電子の存在できる基底エネルギー準位は61で示
す準位に、正孔の存在できる基底エネルギー準位は62で
示す準位になり、この実施例においても第１の実施例と
同様なバンド構造を有すると考える事ができる。この場
合の変調に適する波長は、電子のエネルギー準位61と正
孔のエネルギー準位62の差のエネルギーであるが、上述
した構造ではこれは約0.8eV,波長にして約1.55μｍとな
る。
この実施例で、まず上下の電極56に設けた開孔57を通
して、積層方向に波長1.55μｍの光を通し、積層方向に
バイアス電圧を印加し吸収係数の変化を調べた。透過率
はバイアス電圧のない状態で70％，損失として約1.5dB
であった。これは基板及び上部のGaSb層が波長1.55μｍ
の光に対し透明でないため、第１の実施例と比較して透
過率が低下したと考えられる。次に、ｎ型GaSb基板51を
接地し、ｐ型GaSb層55に−1Vの電圧を印加し、多層超薄
膜構造5Aに、４×104V/cmの電場を印加したところ、透
過率は10％となり、損失として10dBとなった。この変調
特性は十分なものであった。さらに波長1.55μｍで発振
するDFBレーザを用いて模擬実験を行ったところ、2.0Gb
it/Sの光強度の変調が交流電圧信号の印加により実現さ
れた。しかも第１の実施例と同じくレーザ出力波形の変
調による歪みは存在しなかった。この2.0Gbit/Sという
変調速度の上限も電気回路に起因するものであった。
して、積層方向に波長1.55μｍの光を通し、積層方向に
バイアス電圧を印加し吸収係数の変化を調べた。透過率
はバイアス電圧のない状態で70％，損失として約1.5dB
であった。これは基板及び上部のGaSb層が波長1.55μｍ
の光に対し透明でないため、第１の実施例と比較して透
過率が低下したと考えられる。次に、ｎ型GaSb基板51を
接地し、ｐ型GaSb層55に−1Vの電圧を印加し、多層超薄
膜構造5Aに、４×104V/cmの電場を印加したところ、透
過率は10％となり、損失として10dBとなった。この変調
特性は十分なものであった。さらに波長1.55μｍで発振
するDFBレーザを用いて模擬実験を行ったところ、2.0Gb
it/Sの光強度の変調が交流電圧信号の印加により実現さ
れた。しかも第１の実施例と同じくレーザ出力波形の変
調による歪みは存在しなかった。この2.0Gbit/Sという
変調速度の上限も電気回路に起因するものであった。
次に、この構造の光変調器の基板及び上部のGaSb層に
よる光の吸収をなくす為に、多層超薄膜構造5Aに平行な
方向、つまり積層面に平行な方向に光を入射させ、同様
な特性を調べた。これは素子長を200μｍとして上記と
同様な測定を行うことにより調べた。この場合、バイア
ス電圧を印加しない状態で透過率は90％、バイアス電圧
を印加して５％と変化し、高い消光比が得られる事が理
解された。
よる光の吸収をなくす為に、多層超薄膜構造5Aに平行な
方向、つまり積層面に平行な方向に光を入射させ、同様
な特性を調べた。これは素子長を200μｍとして上記と
同様な測定を行うことにより調べた。この場合、バイア
ス電圧を印加しない状態で透過率は90％、バイアス電圧
を印加して５％と変化し、高い消光比が得られる事が理
解された。
次に、本発明の第３の実施例の断面図を模式的に第７
図に示す。これは１つの素子の劈開面をレーザ共振器と
して必要とせず、単一軸モード発振する分布帰還型（DF
B:Distributed Feed Back）半導体レーザと、本発明に
よる光変調器をモノリシックに作製したものである。こ
の構造について以下に述べる。まず、ｎ型GaAs基板71上
に厚さ3.0μｍのｎ型InxGa1-xAs（０≦ｘ≦0.54）グレ
ーディッド層72、厚さ4.0μｍのｎ型InP層73、厚さ0.1
μｍの1.55μｍ発振組成のInGaAsP活性層74、厚さ0.15
μｍの1.3μｍ発振組成のｐ型InGaAsP光ガイド層75を順
次気相成長法により成長し、しかる後に上面の光ガイド
層75に二光束干渉法とエッチングによりピッチ240nmの
回折格子76を形成し、厚さ２μｍのｐ型InP層77、厚さ
0.2μｍのｐ型InGaAsPキャップ層78を成長した半導体レ
ーザ用基板を作製した。次にこの半導体レーザ用基板の
一部を選択的にエッチングし、GaAs基板71を露出させ、
この上に分子線エピタキシー法により第３図実施例と同
じ構造の光変調器を形成した（第３図の要素と同じ要素
には同一番号を付して示す）。ここで、DFB半導体レー
ザ部70の活性層と光変調器部30の多層薄膜構造3Aがほぼ
同一平面上に位置するように製作した。次にDFB半導体
レーザ部70と光変調器部30を電気的に分離するため、上
記構造の境界近傍のｐ型クラッド部をエッチングによっ
て除去し、それぞれの電極79,38を蒸着により作製し
た。しかる後に、DFB半導体レーザ部70の長さが約300μ
ｍ、光変調器部30の長さが約50μｍとなるように素子を
切り出した。
図に示す。これは１つの素子の劈開面をレーザ共振器と
して必要とせず、単一軸モード発振する分布帰還型（DF
B:Distributed Feed Back）半導体レーザと、本発明に
よる光変調器をモノリシックに作製したものである。こ
の構造について以下に述べる。まず、ｎ型GaAs基板71上
に厚さ3.0μｍのｎ型InxGa1-xAs（０≦ｘ≦0.54）グレ
ーディッド層72、厚さ4.0μｍのｎ型InP層73、厚さ0.1
μｍの1.55μｍ発振組成のInGaAsP活性層74、厚さ0.15
μｍの1.3μｍ発振組成のｐ型InGaAsP光ガイド層75を順
次気相成長法により成長し、しかる後に上面の光ガイド
層75に二光束干渉法とエッチングによりピッチ240nmの
回折格子76を形成し、厚さ２μｍのｐ型InP層77、厚さ
0.2μｍのｐ型InGaAsPキャップ層78を成長した半導体レ
ーザ用基板を作製した。次にこの半導体レーザ用基板の
一部を選択的にエッチングし、GaAs基板71を露出させ、
この上に分子線エピタキシー法により第３図実施例と同
じ構造の光変調器を形成した（第３図の要素と同じ要素
には同一番号を付して示す）。ここで、DFB半導体レー
ザ部70の活性層と光変調器部30の多層薄膜構造3Aがほぼ
同一平面上に位置するように製作した。次にDFB半導体
レーザ部70と光変調器部30を電気的に分離するため、上
記構造の境界近傍のｐ型クラッド部をエッチングによっ
て除去し、それぞれの電極79,38を蒸着により作製し
た。しかる後に、DFB半導体レーザ部70の長さが約300μ
ｍ、光変調器部30の長さが約50μｍとなるように素子を
切り出した。
この素子において、DFB半導体レーザ部70に通電して
発振させ、光変調器部30に1V程度の電圧信号を印加し
た。光変調器部30の吸収が少ない時の光出力は5mW、吸
収が多い時は0.5μＷであり、2.0Gbit/Sの変調時におい
ても波形劣化、チャーピングの少ない非常に良好な変調
特性が得られた。
発振させ、光変調器部30に1V程度の電圧信号を印加し
た。光変調器部30の吸収が少ない時の光出力は5mW、吸
収が多い時は0.5μＷであり、2.0Gbit/Sの変調時におい
ても波形劣化、チャーピングの少ない非常に良好な変調
特性が得られた。
以上、３つの実施例について述べたが、本発明は第１
の半導体層に局在する正孔の波動関数と、第２の半導体
層に局在する電子の波動関数のそれぞれのエネルギー差
程度のフォトンエネルギーを有する光を、この２つの準
位間での吸収によって変調する事が本質であり、材料
系，半導体成長法，光の入射方向，集積化する他の素子
等になんら限定されるものではない。
の半導体層に局在する正孔の波動関数と、第２の半導体
層に局在する電子の波動関数のそれぞれのエネルギー差
程度のフォトンエネルギーを有する光を、この２つの準
位間での吸収によって変調する事が本質であり、材料
系，半導体成長法，光の入射方向，集積化する他の素子
等になんら限定されるものではない。
以上説明したように本発明によれば、低電圧により駆
動が可能で高い消光比を持ち、かつ低挿入損失で高速変
調が可能な光変調器を得ることが可能となる。
動が可能で高い消光比を持ち、かつ低挿入損失で高速変
調が可能な光変調器を得ることが可能となる。
第１図は本発明の原理を示すバンド図、 第２図は薄膜構造における本発明の原理を示すバンド
図、 第３図は本発明の第１の実施例の光変調器の断面図、 第４図は第１の実施例におけるバンド図、 第５図は第２の実施例の光変調器の断面図、 第６図は第２の実施例のバンド図、 第７図は第３の実施例の断面図である。 1,25……電子の波動関数 12,26……正孔の波動関数 14,35,53……第１の半導体層 13,36,54……第２の半導体層 15,41……エネルギー差 21……伝導帯下端 22……価電子帯上端 23……電子の基底エネルギー準位 24……正孔の基底エネルギー準位 30……光変調器部 70……DFB半導体レーザ部 3A……多層薄膜構造 5A……多層超薄膜構造
図、 第３図は本発明の第１の実施例の光変調器の断面図、 第４図は第１の実施例におけるバンド図、 第５図は第２の実施例の光変調器の断面図、 第６図は第２の実施例のバンド図、 第７図は第３の実施例の断面図である。 1,25……電子の波動関数 12,26……正孔の波動関数 14,35,53……第１の半導体層 13,36,54……第２の半導体層 15,41……エネルギー差 21……伝導帯下端 22……価電子帯上端 23……電子の基底エネルギー準位 24……正孔の基底エネルギー準位 30……光変調器部 70……DFB半導体レーザ部 3A……多層薄膜構造 5A……多層超薄膜構造
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−205421（ＪＰ，Ａ) 日本物理学会編「半導体超格子の物理と 応用」（昭59−11−10）培風館ＰＰ．240 〜242
Claims (1)
- 【請求項１】第１の半導体層と第２の半導体層が交互に
積層された半導体多層構造を有し、前記第２の半導体の
伝導帯の下端は前記第１の半導体の伝導帯の下端より低
く、前記第２の半導体の価電子帯の上端は前記第１の半
導体の価電子帯の上端より低くなっており、前記半導体
多層構造にバイアス電圧をかける電極を設け、バイアス
電圧をかけない時は前記第１の半導体の正孔の波動関数
と前記第２の半導体の電子の波動関数が空間的に分離さ
れ、バイアス電圧をかけた時は前記波動関数が空間的に
重なることを特徴とする光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2439785A JPH0823631B2 (ja) | 1985-02-13 | 1985-02-13 | 光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2439785A JPH0823631B2 (ja) | 1985-02-13 | 1985-02-13 | 光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61184516A JPS61184516A (ja) | 1986-08-18 |
| JPH0823631B2 true JPH0823631B2 (ja) | 1996-03-06 |
Family
ID=12137027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2439785A Expired - Lifetime JPH0823631B2 (ja) | 1985-02-13 | 1985-02-13 | 光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0823631B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
-
1985
- 1985-02-13 JP JP2439785A patent/JPH0823631B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 日本物理学会編「半導体超格子の物理と応用」（昭５９−１１−１０）培風館ＰＰ．２４０〜２４２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61184516A (ja) | 1986-08-18 |
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