JPH0943554A - 高効率半導体量子井戸光変調器 - Google Patents
高効率半導体量子井戸光変調器Info
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- JPH0943554A JPH0943554A JP7198279A JP19827995A JPH0943554A JP H0943554 A JPH0943554 A JP H0943554A JP 7198279 A JP7198279 A JP 7198279A JP 19827995 A JP19827995 A JP 19827995A JP H0943554 A JPH0943554 A JP H0943554A
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】 外部電界で制御して、光導波路を通過する光
の強度、或は位相を、低電圧、かつ、高速に制御する高
効率光導波路形変調器を提供する。 【解決手段】 n−InP基板1上に、n−InPクラ
ッド層2と、ノンドープのInAsPとInGaPとか
らなる量子井戸層,障壁層を交互に積み重ね、量子井戸
層の厚さをボーア半径よりも小さく、かつ障壁層の厚さ
を隣合う量子井戸層の間で波動関数が重ならないような
厚さとする多重量子井戸構造3と、p−InPクラッド
層4とをこの順に積層して変調器を構成する。即ち、n
−InPクラッド層2及びこれとは導電型が逆のp−I
nPクラッド層4が多重量子井戸構造3をはさむ構造の
光導波路を形成する。また上記多重量子井戸構造3を構
成するInAsP井戸層の厚さは、電界吸収型強度変調
器の場合10〜12nm、また電界屈折率型位相変調器
の場合7.5〜9nmとする。
の強度、或は位相を、低電圧、かつ、高速に制御する高
効率光導波路形変調器を提供する。 【解決手段】 n−InP基板1上に、n−InPクラ
ッド層2と、ノンドープのInAsPとInGaPとか
らなる量子井戸層,障壁層を交互に積み重ね、量子井戸
層の厚さをボーア半径よりも小さく、かつ障壁層の厚さ
を隣合う量子井戸層の間で波動関数が重ならないような
厚さとする多重量子井戸構造3と、p−InPクラッド
層4とをこの順に積層して変調器を構成する。即ち、n
−InPクラッド層2及びこれとは導電型が逆のp−I
nPクラッド層4が多重量子井戸構造3をはさむ構造の
光導波路を形成する。また上記多重量子井戸構造3を構
成するInAsP井戸層の厚さは、電界吸収型強度変調
器の場合10〜12nm、また電界屈折率型位相変調器
の場合7.5〜9nmとする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路を構成す
る多重量子井戸層の吸収係数、或は屈折率を外部電界で
制御して、光導波路を通過する光の強度、或は位相を、
低電圧、かつ、高速に制御する高効率光導波路形変調器
に関するものである。
る多重量子井戸層の吸収係数、或は屈折率を外部電界で
制御して、光導波路を通過する光の強度、或は位相を、
低電圧、かつ、高速に制御する高効率光導波路形変調器
に関するものである。
【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)構造や超格子構造が登場し、これまで用いら
れてきた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。
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)構造や超格子構造が登場し、これまで用いら
れてきた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。
【0003】このうちMQW構造に電界を印加してその
吸収係数や、屈折率を変化させる電界吸収効果,電界屈
折率効果は、バルク半導体に比べ非常に顕著で、これを
用いて高速・低電圧駆動な光変調器が実現している。
吸収係数や、屈折率を変化させる電界吸収効果,電界屈
折率効果は、バルク半導体に比べ非常に顕著で、これを
用いて高速・低電圧駆動な光変調器が実現している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術での半導体多重量子井戸構造によれば、入射光の
波長は1.55μm付近に限られており、他の波長で動
作させるには不都合が多かった。通常、動作波長を短波
長にするには半導体多重量子井戸構造において井戸層の
厚さを薄くすれば量子サイズ効果によりその吸収端は短
波長になる。
来技術での半導体多重量子井戸構造によれば、入射光の
波長は1.55μm付近に限られており、他の波長で動
作させるには不都合が多かった。通常、動作波長を短波
長にするには半導体多重量子井戸構造において井戸層の
厚さを薄くすれば量子サイズ効果によりその吸収端は短
波長になる。
【0005】しかしながら、電界による吸収スペクトル
変化は、井戸層が薄くなると非常に小さくなる。これは
電界印加による吸収係数の長波長側へシフト量は井戸層
の厚さの4乗に比例するためである。このため、井戸の
組成をInGaAsPやInGaAlAsなどの四元系
構成にして、厚い井戸にしても吸収端波長が長波長にな
らないようにしていた。
変化は、井戸層が薄くなると非常に小さくなる。これは
電界印加による吸収係数の長波長側へシフト量は井戸層
の厚さの4乗に比例するためである。このため、井戸の
組成をInGaAsPやInGaAlAsなどの四元系
構成にして、厚い井戸にしても吸収端波長が長波長にな
らないようにしていた。
【0006】一方、組成が四元系になると組成の揺らぎ
が大きくなり、半導体多重量子井戸構造特有の吸収端の
急峻性が劣化し素子特性は不十分であった。一方、量子
井戸層或は障壁層の格子定数を、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させ量子
井戸層内に応力を生じさせることによって、軽い正孔と
電子からなる励起子吸収と重い正孔と電子からなる励起
子吸収を制御する試みがある(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 ofQua
ntum Electronics 27巻、1463−1469頁、1
991年参照;InGaAs/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ED93−61、OQE93−44(19
93−07)、33−38頁参照)。
が大きくなり、半導体多重量子井戸構造特有の吸収端の
急峻性が劣化し素子特性は不十分であった。一方、量子
井戸層或は障壁層の格子定数を、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させ量子
井戸層内に応力を生じさせることによって、軽い正孔と
電子からなる励起子吸収と重い正孔と電子からなる励起
子吸収を制御する試みがある(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 ofQua
ntum Electronics 27巻、1463−1469頁、1
991年参照;InGaAs/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ED93−61、OQE93−44(19
93−07)、33−38頁参照)。
【0007】しかし、これらは波長1.55μm用で波
長1.3μmには適用できない、という問題がある。ま
た、従来よりよく用いられてきたInGaAsP/In
GaAsP系では、井戸と障壁層の間のエネルギギャッ
プ差ΔEc は小さく、価電子帯でのΔEv は大きいた
め、質量の小さい電子の閉じ込めは弱すぎ、逆に重い正
孔の閉じ込めは強すぎて高入力のもとでは、飽和現象が
観測され、実用上、問題となっている。
長1.3μmには適用できない、という問題がある。ま
た、従来よりよく用いられてきたInGaAsP/In
GaAsP系では、井戸と障壁層の間のエネルギギャッ
プ差ΔEc は小さく、価電子帯でのΔEv は大きいた
め、質量の小さい電子の閉じ込めは弱すぎ、逆に重い正
孔の閉じ込めは強すぎて高入力のもとでは、飽和現象が
観測され、実用上、問題となっている。
【0008】最近、波長1.3μmで動作するInAs
P/InP系、波長1.06μmでInAsP/InG
aP系の多重量子井戸構造が報告された(米国応用物理
学会レター誌Appl. Phys. Lett.,60巻,23号,28
46−2848頁及び63巻,13号,1833−18
35頁参照)。この従来の多重量子井戸構造の概略を図
8に示す。同図に示すように、n−InP基板01上に
は、n−InP層02,InAsP/InGaP系の多
重量子井戸層03,n−InP層03,p−InP層0
4が順に積層されており、n−InP基板01及びp−
InP層04の上面にはそれぞれ電極(AuZn/C
r)05,電極(AuGe/Cr)06が形成されてい
る。上記構成のものは、光を層に垂直に入射する構成で
(図8参照)、光導波構造ではなく、原理検証の域をで
ず、変調器としての特性は不十分である。
P/InP系、波長1.06μmでInAsP/InG
aP系の多重量子井戸構造が報告された(米国応用物理
学会レター誌Appl. Phys. Lett.,60巻,23号,28
46−2848頁及び63巻,13号,1833−18
35頁参照)。この従来の多重量子井戸構造の概略を図
8に示す。同図に示すように、n−InP基板01上に
は、n−InP層02,InAsP/InGaP系の多
重量子井戸層03,n−InP層03,p−InP層0
4が順に積層されており、n−InP基板01及びp−
InP層04の上面にはそれぞれ電極(AuZn/C
r)05,電極(AuGe/Cr)06が形成されてい
る。上記構成のものは、光を層に垂直に入射する構成で
(図8参照)、光導波構造ではなく、原理検証の域をで
ず、変調器としての特性は不十分である。
【0009】また、InAaPとInPとの組合せで
は、量子井戸のInAsPにのみ圧縮応力が加わってお
り、上記格子整合系に比べΔEc はやや大きく、ΔEv
はやや小さくなるが、InP障壁層はInP基板と格子
整合しており、その効果はそれほど大きくなく、上記高
光入力下の不具合に対しては、効果は小さい。
は、量子井戸のInAsPにのみ圧縮応力が加わってお
り、上記格子整合系に比べΔEc はやや大きく、ΔEv
はやや小さくなるが、InP障壁層はInP基板と格子
整合しており、その効果はそれほど大きくなく、上記高
光入力下の不具合に対しては、効果は小さい。
【0010】他方、InGaPを障壁層に用いた場合、
これまでInAsP量子井戸層に加える応力をあまり大
きくできず(歪は高々1%以下)、特に光変調器を高効
率にするには厚い井戸層厚が望ましいが、応力と層厚は
ともには大きくできず、従って薄い井戸層で動作する波
長1.06μmでのみ報告されているにすぎず、光伝送
に有用な波長1.3μmで動作するものが作製できない
という問題があった。
これまでInAsP量子井戸層に加える応力をあまり大
きくできず(歪は高々1%以下)、特に光変調器を高効
率にするには厚い井戸層厚が望ましいが、応力と層厚は
ともには大きくできず、従って薄い井戸層で動作する波
長1.06μmでのみ報告されているにすぎず、光伝送
に有用な波長1.3μmで動作するものが作製できない
という問題があった。
【0011】さらに、従来の構造では上記面入射ばかり
で、消光比も低く、駆動電圧も10V以上と大きく、3
dB帯域では、報告に値するものは得られず、より一層
の改良が求められていた。
で、消光比も低く、駆動電圧も10V以上と大きく、3
dB帯域では、報告に値するものは得られず、より一層
の改良が求められていた。
【0012】本発明は、従来の技術での上記した問題点
に鑑み、入射光の波長が1.3μmでも大きな吸収係数
変化、屈折率変化が小さい電圧(<2V)で得られる高
性能の高効率半導体量子井戸光変調器を提供することを
目的とする。
に鑑み、入射光の波長が1.3μmでも大きな吸収係数
変化、屈折率変化が小さい電圧(<2V)で得られる高
性能の高効率半導体量子井戸光変調器を提供することを
目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る本発明の高効率半導体量子井戸光変調器の構成
は、第一の導電形を有する化合物半導体基板上に、第一
の導電形を有する化合物半導体クラッド層と、異なる2
種類の半導体材料からなる量子井戸層、障壁層を交互に
積み重ね、量子井戸層の厚さをボーア半径よりも小さく
し、かつ障壁層の厚さを互いに隣合う量子井戸層の間で
波動関数が重ならないような厚さとする多重量子井戸構
造と、第二の導電形を有する化合物半導体クラッド層と
がそれらの順に積層されている構成を有し、かつ、第一
の導電形を与える不純物を添加されたクラッド層及び第
一の導電形とは逆の第二の導電形を与える不純物を添加
されたクラッド層が上記多重量子井戸構造をはさむ構造
を有する光導波路が形成され、上記光導波路上に、第二
の導電形を有する化合物半導体電極用層を介して第一の
電極が付され、上記化合物半導体基板の上記光導波路と
は反対側に、第二の電極が付され、上記多重量子井戸構
造を構成している化合物半導体井戸層がInAsP層の
三元系からなり、かつ、上記化合物半導体障壁層がIn
GaPの三元系からなることを特徴とする。
明に係る本発明の高効率半導体量子井戸光変調器の構成
は、第一の導電形を有する化合物半導体基板上に、第一
の導電形を有する化合物半導体クラッド層と、異なる2
種類の半導体材料からなる量子井戸層、障壁層を交互に
積み重ね、量子井戸層の厚さをボーア半径よりも小さく
し、かつ障壁層の厚さを互いに隣合う量子井戸層の間で
波動関数が重ならないような厚さとする多重量子井戸構
造と、第二の導電形を有する化合物半導体クラッド層と
がそれらの順に積層されている構成を有し、かつ、第一
の導電形を与える不純物を添加されたクラッド層及び第
一の導電形とは逆の第二の導電形を与える不純物を添加
されたクラッド層が上記多重量子井戸構造をはさむ構造
を有する光導波路が形成され、上記光導波路上に、第二
の導電形を有する化合物半導体電極用層を介して第一の
電極が付され、上記化合物半導体基板の上記光導波路と
は反対側に、第二の電極が付され、上記多重量子井戸構
造を構成している化合物半導体井戸層がInAsP層の
三元系からなり、かつ、上記化合物半導体障壁層がIn
GaPの三元系からなることを特徴とする。
【0014】上記高効率半導体量子井戸光変調器におい
て、上記多重量子井戸構造を構成している化合物半導体
井戸層の厚さが、吸収形強度変調器の場合には10〜1
2nm,或いは屈折率形位相変調器の場合には7.5〜
9nmであることを特徴とする。
て、上記多重量子井戸構造を構成している化合物半導体
井戸層の厚さが、吸収形強度変調器の場合には10〜1
2nm,或いは屈折率形位相変調器の場合には7.5〜
9nmであることを特徴とする。
【0015】上記高効率半導体量子井戸光変調器におい
て、上記多重量子井戸構造を構成している化合物半導体
井戸層の吸収端波長が、上記光導波路の光入射端面に入
射する変調されるべき光の波長からその波長よりも短い
方向に波長のエネルギ換算値でみて、吸収形強度変調器
の場合には25〜38meV,或いは屈折率形位相変調
器の場合には45〜75meVだけ離れた波長を持つよ
うな組成を上記化合物半導体多重量子井戸層が有するこ
とを特徴とする。
て、上記多重量子井戸構造を構成している化合物半導体
井戸層の吸収端波長が、上記光導波路の光入射端面に入
射する変調されるべき光の波長からその波長よりも短い
方向に波長のエネルギ換算値でみて、吸収形強度変調器
の場合には25〜38meV,或いは屈折率形位相変調
器の場合には45〜75meVだけ離れた波長を持つよ
うな組成を上記化合物半導体多重量子井戸層が有するこ
とを特徴とする。
【0016】前記構成において、上記多重量子井戸構造
においてこれを形成している量子井戸層或は障壁層の格
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して、量子井戸層内に圧縮応力を
生じさせ、一方、障壁層にはこれと逆向きの伸張応力を
生じさせて、その全応力を互いに補償し、かつ、圧縮歪
の大きさを1.3〜1.8%としたことを特徴とする。
においてこれを形成している量子井戸層或は障壁層の格
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して、量子井戸層内に圧縮応力を
生じさせ、一方、障壁層にはこれと逆向きの伸張応力を
生じさせて、その全応力を互いに補償し、かつ、圧縮歪
の大きさを1.3〜1.8%としたことを特徴とする。
【0017】すなわち、本発明では、量子井戸層或は障
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整合した量子井戸層内に応力を生
じない状態に比べ、量子井戸内に応力が加わるようにし
て、電界印加による吸収係数の変化を大きくすることに
ある。
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整合した量子井戸層内に応力を生
じない状態に比べ、量子井戸内に応力が加わるようにし
て、電界印加による吸収係数の変化を大きくすることに
ある。
【0018】量子井戸内に応力を加えて、励起子吸収を
大きくし、かつ、伝導帯での井戸と障壁層の間のエネル
ギギャップ差ΔEc を大きく、価電子帯でのΔEv を小
さくしてヘテロ界面での正孔のパイルアップ現象を防止
し、電子の閉じ込めを強くして量子効果を顕著にするよ
う量子井戸構造を設計、製作することにより、上記目的
の達成を図った。
大きくし、かつ、伝導帯での井戸と障壁層の間のエネル
ギギャップ差ΔEc を大きく、価電子帯でのΔEv を小
さくしてヘテロ界面での正孔のパイルアップ現象を防止
し、電子の閉じ込めを強くして量子効果を顕著にするよ
う量子井戸構造を設計、製作することにより、上記目的
の達成を図った。
【0019】また、量子井戸内に応力が加わるようにし
て、伝導帯での井戸と障壁層の間のエネルギギャップ差
ΔEc を大きく、価電子帯でのΔEv を小さくすると
き、障壁層にも量子井戸層とは逆向きの応力が加わるよ
うにして、多重量子井戸層全体で応力を補償してやれ
ば、応力付加によって新たに転位が入ったりすることも
なく、また、転位発生を防止するために層数や、層厚に
制限を設ける必要がなくなる。
て、伝導帯での井戸と障壁層の間のエネルギギャップ差
ΔEc を大きく、価電子帯でのΔEv を小さくすると
き、障壁層にも量子井戸層とは逆向きの応力が加わるよ
うにして、多重量子井戸層全体で応力を補償してやれ
ば、応力付加によって新たに転位が入ったりすることも
なく、また、転位発生を防止するために層数や、層厚に
制限を設ける必要がなくなる。
【0020】さらに、多重量子井戸構造においてこれを
形成している量子井戸層の格子定数がこの層をその上に
成長させている基板結晶の格子定数と不整合にして、量
子井戸層内に圧縮応力を生じさせると、その吸収端の波
長は応力のない場合に比べ長波長になるため(図4参
照)、同じ吸収端波長にするには量子井戸の厚さを薄く
する必要がある。
形成している量子井戸層の格子定数がこの層をその上に
成長させている基板結晶の格子定数と不整合にして、量
子井戸層内に圧縮応力を生じさせると、その吸収端の波
長は応力のない場合に比べ長波長になるため(図4参
照)、同じ吸収端波長にするには量子井戸の厚さを薄く
する必要がある。
【0021】このため吸収端の波長を短波長側に、例え
ば石英系光ファイバの超低損失な伝送特性を持つ波長
1.3μmで動作するように波長1.27μm付近にす
ることができる(図3参照)。このときQCSEに基づ
く吸収端波長のシフトは量子井戸の厚さの4乗に近似的
に比例するので、井戸層厚は厚い方が大きな吸収係数変
化が得られるが、一方、振動子強度そのものは井戸が厚
くなると弱くなるため、ある厚さ以上になるとかえって
吸収係数変化は減少してしまう。すなわち、井戸の厚さ
には最適の厚さがあることになる。
ば石英系光ファイバの超低損失な伝送特性を持つ波長
1.3μmで動作するように波長1.27μm付近にす
ることができる(図3参照)。このときQCSEに基づ
く吸収端波長のシフトは量子井戸の厚さの4乗に近似的
に比例するので、井戸層厚は厚い方が大きな吸収係数変
化が得られるが、一方、振動子強度そのものは井戸が厚
くなると弱くなるため、ある厚さ以上になるとかえって
吸収係数変化は減少してしまう。すなわち、井戸の厚さ
には最適の厚さがあることになる。
【0022】また、量子井戸層内の圧縮応力の大きさ
は、吸収端波長一定のもとで大きければ大きいほど伝導
帯での井戸と障壁層の間のエネルギギャップ差ΔEc を
大きく、価電子帯でのΔEv を小さくできるが、上記の
理由で自ずから限界がある。ここでは圧縮歪を1.8%
とした。
は、吸収端波長一定のもとで大きければ大きいほど伝導
帯での井戸と障壁層の間のエネルギギャップ差ΔEc を
大きく、価電子帯でのΔEv を小さくできるが、上記の
理由で自ずから限界がある。ここでは圧縮歪を1.8%
とした。
【0023】通常の格子整合系と違い、量子井戸内に応
力が加わるようにして、かつ、量子井戸の厚さを最適化
して励起子吸収の電界による変化を大きくした。その結
果、電界による励起子の吸収係数の変化を高効率化し
た。
力が加わるようにして、かつ、量子井戸の厚さを最適化
して励起子吸収の電界による変化を大きくした。その結
果、電界による励起子の吸収係数の変化を高効率化し
た。
【0024】一方、吸収係数の変化はクラマース・クロ
ーニッヒの関係から屈折率変化に対応しており、屈折率
変化も大きくでき高効率の位相変調器ができる。
ーニッヒの関係から屈折率変化に対応しており、屈折率
変化も大きくでき高効率の位相変調器ができる。
【0025】このとき、量子井戸層内に圧縮応力を生じ
させ、一方障壁層にはこれと逆向きの伸張応力を生じさ
せると、その吸収端の波長は圧縮応力のない場合に比べ
長波長になるため(図4参照)、量子井戸の厚さを薄く
して同じ吸収端波長にする。例えば、井戸層の厚さを6
nmと固定した場合、圧縮応力1.5%のときそのフォ
トルミネッセンス波長は1.3μm、2%のとき1.4
4μm、2.5%のとき1.54μmとなった。
させ、一方障壁層にはこれと逆向きの伸張応力を生じさ
せると、その吸収端の波長は圧縮応力のない場合に比べ
長波長になるため(図4参照)、量子井戸の厚さを薄く
して同じ吸収端波長にする。例えば、井戸層の厚さを6
nmと固定した場合、圧縮応力1.5%のときそのフォ
トルミネッセンス波長は1.3μm、2%のとき1.4
4μm、2.5%のとき1.54μmとなった。
【0026】このとき、前述のように量子井戸の厚さは
厚いほどQCSEに基づく吸収端波長シフトは大きくな
るが、振動子強度は逆に減少するので量子井戸の厚さに
は最適な値がある。
厚いほどQCSEに基づく吸収端波長シフトは大きくな
るが、振動子強度は逆に減少するので量子井戸の厚さに
は最適な値がある。
【0027】ここでは、波長1.3μmで「電界吸収形
強度変調器」として動作するように、井戸層厚を10〜
12nmとし、井戸層内に1.3〜1.8%の圧縮歪
を、厚さ5nmの障壁層に0.8%の伸張歪を導入し
た。
強度変調器」として動作するように、井戸層厚を10〜
12nmとし、井戸層内に1.3〜1.8%の圧縮歪
を、厚さ5nmの障壁層に0.8%の伸張歪を導入し
た。
【0028】また、波長1.3μmで「電界屈折率形位
相変調器」として動作するように、井戸層厚を7.5〜
9nmとし、井戸層内に1.3〜1.8%の圧縮歪を、
障壁層に0.8%の伸張歪を導入した。
相変調器」として動作するように、井戸層厚を7.5〜
9nmとし、井戸層内に1.3〜1.8%の圧縮歪を、
障壁層に0.8%の伸張歪を導入した。
【0029】通常、1%を越える歪を導入すると、結晶
に転位が入る等の品質劣化を生ずるが、ガスソース分子
線エピタキシャル成長法を採用して結晶成長温度を下げ
ることに成功し、これまで応力が大きく、又、井戸層厚
の厚い、波長1.3μm帯で動作するものが成長できな
かった点を克服できた。
に転位が入る等の品質劣化を生ずるが、ガスソース分子
線エピタキシャル成長法を採用して結晶成長温度を下げ
ることに成功し、これまで応力が大きく、又、井戸層厚
の厚い、波長1.3μm帯で動作するものが成長できな
かった点を克服できた。
【0030】これを用いて大きな吸収係数変化あるい
は、屈折率変化を持つ、高性能な光導波路形変調器を提
供することができた。
は、屈折率変化を持つ、高性能な光導波路形変調器を提
供することができた。
【0031】すなわち、図3に示すように、吸収係数に
対応した光吸収電流スペクトルにおいて室温でも明瞭な
励起子吸収が観測され、これが印加電圧とともに長波長
側にシフトした。
対応した光吸収電流スペクトルにおいて室温でも明瞭な
励起子吸収が観測され、これが印加電圧とともに長波長
側にシフトした。
【0032】その結果、図5に示すように、電界吸収形
強度変調器として波長1.3μmで光導波構造で初めて
低電圧で大きな消光比を得ることができた。
強度変調器として波長1.3μmで光導波構造で初めて
低電圧で大きな消光比を得ることができた。
【0033】これは波長1.55μm帯で報告されてい
る変調器とほぼ同じ消光比、同じ電圧であり、また、素
子容量で律速されている応答速度も測定から3dB帯域
は11GHz以上あることを確認できた(図6参照)。
る変調器とほぼ同じ消光比、同じ電圧であり、また、素
子容量で律速されている応答速度も測定から3dB帯域
は11GHz以上あることを確認できた(図6参照)。
【0034】さらに、量子井戸に圧縮応力、障壁層に引
張り応力を導入しているので、これまで問題であった高
光入力時に発生する飽和の問題は生じなかった。
張り応力を導入しているので、これまで問題であった高
光入力時に発生する飽和の問題は生じなかった。
【0035】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施する形態例に
ついて説明する。
ついて説明する。
【0036】図1は、上述したような1.3μm帯に動
作波長域を持ち、かつ大きな吸収係数変化を利用した、
本発明による導波路型の光変調器の一実施形態例であ
る。同図中、符号1はn−InP基板、2はn−InP
クラッド層、3はノンドープInAs1-x Px /In
1-y Gay P多重量子井戸層(MQW)、4はp−In
Pクラッド層、5はp−InGaAs層、6はn側電
極、7はp側電極(Au)を示している。
作波長域を持ち、かつ大きな吸収係数変化を利用した、
本発明による導波路型の光変調器の一実施形態例であ
る。同図中、符号1はn−InP基板、2はn−InP
クラッド層、3はノンドープInAs1-x Px /In
1-y Gay P多重量子井戸層(MQW)、4はp−In
Pクラッド層、5はp−InGaAs層、6はn側電
極、7はp側電極(Au)を示している。
【0037】また、図2の量子井戸層は、上述したよう
な1.3μm帯に動作波長域を持ち、かつ大きな吸収係
数変化を利用した、本発明光変調器の他の実施例であ
る。同図中、符号11はn−InP基板、12はn−I
nPクラッド層、13はノンドープInAs1-x Px /
In1-y Gay P多重量子井戸層、14はp−InPク
ラッド層、15はp−InGaAs層、16はN側電
極、17はP側電極を示している。また、上記n−In
Pクラッド層12と多重量子井戸層13の間には、ノン
ドープまたはn−InGaAsP導波層18及びp−I
nPクラッド層14と多重量子井戸層13の間にノンド
ープまたはp−InGaAsP導波層19を挿入して、
光閉じ込めをよくしている。また、上記p−InGaA
sP導波層19とp−InPクラッド層14との間に
は、n−InP層20を挿入して、結晶性を向上させて
いる。
な1.3μm帯に動作波長域を持ち、かつ大きな吸収係
数変化を利用した、本発明光変調器の他の実施例であ
る。同図中、符号11はn−InP基板、12はn−I
nPクラッド層、13はノンドープInAs1-x Px /
In1-y Gay P多重量子井戸層、14はp−InPク
ラッド層、15はp−InGaAs層、16はN側電
極、17はP側電極を示している。また、上記n−In
Pクラッド層12と多重量子井戸層13の間には、ノン
ドープまたはn−InGaAsP導波層18及びp−I
nPクラッド層14と多重量子井戸層13の間にノンド
ープまたはp−InGaAsP導波層19を挿入して、
光閉じ込めをよくしている。また、上記p−InGaA
sP導波層19とp−InPクラッド層14との間に
は、n−InP層20を挿入して、結晶性を向上させて
いる。
【0038】上記量子井戸層13は、InAsPとIn
GaPを量子井戸層、障壁層とする多重量子井戸構造で
分子線エピタキシャル成長法やガスソース分子線エピタ
キシャル成長法などの結晶成長法で作製した。また、通
常、InAs1-x Px やIn1-y Gay Pなどの結晶で
はInP基板には格子整合することなく、xやyの値を
変えることで格子不整の程度を変えられ応力の大きさが
制御できる。さらに、応力の大きさは井戸層、障壁層の
上記組成や層厚を変えることでクラックの発生しない範
囲で自由に変えられる。
GaPを量子井戸層、障壁層とする多重量子井戸構造で
分子線エピタキシャル成長法やガスソース分子線エピタ
キシャル成長法などの結晶成長法で作製した。また、通
常、InAs1-x Px やIn1-y Gay Pなどの結晶で
はInP基板には格子整合することなく、xやyの値を
変えることで格子不整の程度を変えられ応力の大きさが
制御できる。さらに、応力の大きさは井戸層、障壁層の
上記組成や層厚を変えることでクラックの発生しない範
囲で自由に変えられる。
【0039】このとき、結晶の成長温度をこれまでに報
告されている温度よりも100〜150℃低くして、結
晶成長後に室温に戻すときに発生する熱応力(これは成
長温度(約520℃)と室温との温度差と結晶の熱膨張
係数の差の積に比例する。)を減少して、すべり転位等
の欠陥の発生を防止できた。
告されている温度よりも100〜150℃低くして、結
晶成長後に室温に戻すときに発生する熱応力(これは成
長温度(約520℃)と室温との温度差と結晶の熱膨張
係数の差の積に比例する。)を減少して、すべり転位等
の欠陥の発生を防止できた。
【0040】例えば、InAs1-x Px では、xの値を
小さくすると、発生する圧縮応力は大きくなり、In
1-y Gay Pではyを増すと発生する引っ張り応力は大
きくなる。よって、井戸層と障壁層とで応力の向きを圧
縮と引っ張りの逆向きにすることで応力の補償ができ、
井戸層厚を厚くしたり層数を多くできて、素子特性を向
上できる。
小さくすると、発生する圧縮応力は大きくなり、In
1-y Gay Pではyを増すと発生する引っ張り応力は大
きくなる。よって、井戸層と障壁層とで応力の向きを圧
縮と引っ張りの逆向きにすることで応力の補償ができ、
井戸層厚を厚くしたり層数を多くできて、素子特性を向
上できる。
【0041】本実施の形態例では、井戸層の厚さを11
nmと通常のInP基板に整合させたInGaAsPの
場合の井戸の厚さ7.5nmに比べ大幅に増大でき、Q
CSEの高効率化が可能となった。
nmと通常のInP基板に整合させたInGaAsPの
場合の井戸の厚さ7.5nmに比べ大幅に増大でき、Q
CSEの高効率化が可能となった。
【0042】すなわち、波長1.3μmで電界吸収形強
度変調器として動作させた素子では、井戸層厚を10〜
12nmとし、井戸層内に1.3〜1.8%の圧縮歪
を、厚さ6nmの障壁層に0.8%の伸張歪を導入し
た。その特性は図5及び図6に示す。本素子は障壁層に
井戸層と逆向きに伸張応力を加えてあるので、井戸層厚
は11nm、ノンドープInAs1-x Px /In1- y G
ay P多重量子井戸層は5周期で0.085μmと比較
的厚いにもかかわらず、応力は弾性の範囲内であって転
位やクラックの発生することはなかった。
度変調器として動作させた素子では、井戸層厚を10〜
12nmとし、井戸層内に1.3〜1.8%の圧縮歪
を、厚さ6nmの障壁層に0.8%の伸張歪を導入し
た。その特性は図5及び図6に示す。本素子は障壁層に
井戸層と逆向きに伸張応力を加えてあるので、井戸層厚
は11nm、ノンドープInAs1-x Px /In1- y G
ay P多重量子井戸層は5周期で0.085μmと比較
的厚いにもかかわらず、応力は弾性の範囲内であって転
位やクラックの発生することはなかった。
【0043】図7は本発明に基づく光強度変調器の入射
光波長をパラメータとして消光比の電圧依存性を示すも
ので、縦軸は透過光強度の絶対値、横軸は逆方向電圧、
パラメータは入射光の波長を示す。この例では波長が
1.30μmと吸収端波長のエネルギ差が22meVと
少ないと吸収が大きく、伝搬損が増大してしまう。一
方、波長が1.32μmの場合にはこのようなことがな
く、エネルギ差は25meV以上必要である。また、あ
まりエネルギ差が大きいと所要消光比を得るのに必要な
電圧は、大きくなるので、その上限を38meVとして
いる。なお、上記エネルギ差を25meV〜38meV
とするのは、吸収形強度変調器を考慮した場合である
が、さらに、屈折率変化を利用した位相変調器を考慮し
た場合には、エネルギ差を45meV〜75meVとす
るのがよい。これは、あまりエネルギ差が小さいと屈折
率変化とともに振幅(強度)変化も出現してしまうから
であり、一方、エネルギ差が大きすぎると所要屈折率変
化を得るのに必要な電圧が大きくなってしまうので、振
幅(強度)変化の許される範囲でエネルギ差を小さくす
るため、上記エネルギ範囲とするのが、望ましい。
光波長をパラメータとして消光比の電圧依存性を示すも
ので、縦軸は透過光強度の絶対値、横軸は逆方向電圧、
パラメータは入射光の波長を示す。この例では波長が
1.30μmと吸収端波長のエネルギ差が22meVと
少ないと吸収が大きく、伝搬損が増大してしまう。一
方、波長が1.32μmの場合にはこのようなことがな
く、エネルギ差は25meV以上必要である。また、あ
まりエネルギ差が大きいと所要消光比を得るのに必要な
電圧は、大きくなるので、その上限を38meVとして
いる。なお、上記エネルギ差を25meV〜38meV
とするのは、吸収形強度変調器を考慮した場合である
が、さらに、屈折率変化を利用した位相変調器を考慮し
た場合には、エネルギ差を45meV〜75meVとす
るのがよい。これは、あまりエネルギ差が小さいと屈折
率変化とともに振幅(強度)変化も出現してしまうから
であり、一方、エネルギ差が大きすぎると所要屈折率変
化を得るのに必要な電圧が大きくなってしまうので、振
幅(強度)変化の許される範囲でエネルギ差を小さくす
るため、上記エネルギ範囲とするのが、望ましい。
【0044】図7において、印加電圧2Vで20dBの
消光比が得られ、周波数特性も3dB帯域幅は11GH
z以上とこれまでに報告されている最高値が立証され
た。
消光比が得られ、周波数特性も3dB帯域幅は11GH
z以上とこれまでに報告されている最高値が立証され
た。
【0045】上記の説明ではInP基板を用いたInA
sP,InGaP混晶について述べたが、InP基板を
用いたInGaAsP,InGaAs,InAlAs,
InGaAlAs混晶についても、また、GaAs基板
を用いたInGaAs,InGaP,InAlAs,I
nGaAsP,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。
sP,InGaP混晶について述べたが、InP基板を
用いたInGaAsP,InGaAs,InAlAs,
InGaAlAs混晶についても、また、GaAs基板
を用いたInGaAs,InGaP,InAlAs,I
nGaAsP,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。
【0046】
【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圧縮応力が加わる
ようにして、障壁層内に伸張応力を加えて、励起子吸収
を大きくし、かつ、伝導帯での井戸と障壁層の間のエネ
ルギギャップ差ΔEc を大きく、価電子帯でのΔEv を
小さくしてヘテロ界面での正孔のパイルアップ現象を防
止し、電子の閉じ込めを強くして量子効果を顕著にする
よう量子井戸構造を製作しているため、従来より問題で
あった高入力のもとで観測された飽和現象をなくすとと
もに、障壁層に圧縮応力を導入して応力を補償し、厚い
井戸層を用いることができ、小さい電界印加で大きな吸
収係数変化、屈折率変化が得られ、高効率な光変調器が
得られる。
多重量子井戸構造での量子井戸層内に圧縮応力が加わる
ようにして、障壁層内に伸張応力を加えて、励起子吸収
を大きくし、かつ、伝導帯での井戸と障壁層の間のエネ
ルギギャップ差ΔEc を大きく、価電子帯でのΔEv を
小さくしてヘテロ界面での正孔のパイルアップ現象を防
止し、電子の閉じ込めを強くして量子効果を顕著にする
よう量子井戸構造を製作しているため、従来より問題で
あった高入力のもとで観測された飽和現象をなくすとと
もに、障壁層に圧縮応力を導入して応力を補償し、厚い
井戸層を用いることができ、小さい電界印加で大きな吸
収係数変化、屈折率変化が得られ、高効率な光変調器が
得られる。
【図1】本発明の一実施例を示す図である。
【図2】本発明の他の実施例を示す図である。
【図3】本発明に基づく多重量子井戸構造の電界印加に
よる光吸収電流変化を示す図である。
よる光吸収電流変化を示す図である。
【図4】In1-y Gay Pにおいて吸収端エネルギの変
化量の圧縮歪み量と引っ張り歪み量との関係を示したも
のである。
化量の圧縮歪み量と引っ張り歪み量との関係を示したも
のである。
【図5】本発明に基づく多重量子井戸構造の電界印加に
よる消光比の電圧依存性を示す図である。
よる消光比の電圧依存性を示す図である。
【図6】本発明に基づく多重量子井戸構造の周波数応答
性を示す図である。
性を示す図である。
【図7】本発明に基づく多重量子井戸構造の入射波長を
示すパラメータとした電界印加による消光比の電圧依存
性を示す図である。
示すパラメータとした電界印加による消光比の電圧依存
性を示す図である。
【図8】従来の垂直形入射形状を持つ多重量子井戸構造
変調器の図である。
変調器の図である。
1,11 n−InP基板 2,12 n−InPクラッド層 3,13 ノンドープInAs1-x Px /In1-y Ga
y P多重量子井戸層 4,14 p−InPクラッド層 5,15 p−InGaAs層 6,16 N側電極 7,17 P側電極 18 n−InGaAs層 19 p−InGaAsP導波層
y P多重量子井戸層 4,14 p−InPクラッド層 5,15 p−InGaAs層 6,16 N側電極 7,17 P側電極 18 n−InGaAs層 19 p−InGaAsP導波層
Claims (4)
- 【請求項1】 第一の導電形を有する化合物半導体基板
上に、第一の導電形を有する化合物半導体クラッド層
と、異なる2種類の半導体材料からなる量子井戸層,障
壁層を交互に積み重ね、上記量子井戸層の厚さをボーア
半径よりも小さくし、かつ障壁層の厚さを互いに隣合う
上記量子井戸層の間で波動関数が重ならないような厚さ
とする多重量子井戸構造と、第二の導電形を有する化合
物半導体クラッド層とがそれらの順に積層されている構
成を有し、かつ、 第一の導電形を与える不純物を添加されたクラッド層及
び第一の導電形とは逆の第二の導電形を与える不純物を
添加されたクラッド層が上記多重量子井戸構造をはさむ
構造を有する光導波路が形成され、上記光導波路上に、
第二の導電形を有する化合物半導体電極用層を介して第
一の電極が付され、上記化合物半導体基板の上記光導波
路とは反対側に、第二の電極が付され、上記多重量子井
戸構造を構成している化合物半導体井戸層がInAsP
層の三元系からなり、かつ、上記化合物半導体障壁層が
InGaPの三元系からなることを特徴とする高効率半
導体量子井戸光変調器。 - 【請求項2】 請求項1の高効率半導体量子井戸光変調
器において、 上記多重量子井戸構造を構成している化合物半導体井戸
層の厚さが、吸収形強度変調器の場合には10〜12n
m,或いは屈折率形位相変調器の場合には7.5〜9n
mであることを特徴とする高効率半導体量子井戸光変調
器。 - 【請求項3】 請求項2の高効率半導体量子井戸光変調
器において、 上記多重量子井戸構造を構成している化合物半導体井戸
層の吸収端波長が、上記光導波路の光入射端面に入射す
る変調されるべき光の波長からその波長よりも短い方向
に波長のエネルギ換算値でみて、吸収形強度変調器の場
合には25〜38meV,或いは屈折率形位相変調器の
場合には45〜75meVだけ離れた波長を持つような
組成を上記化合物半導体多重量子井戸層が有することを
特徴とする高効率半導体量子井戸光変調器。 - 【請求項4】 請求項1〜3の高効率半導体量子井戸光
変調器において、上記多重量子井戸構造においてこれを
形成している量子井戸層或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
整合にして、量子井戸層内に圧縮応力を生じさせ、一
方、障壁層にはこれと逆向きの伸張応力を生じさせて、
その全応力を互いに補償し、かつ、圧縮歪の大きさを
1.3〜1.8%としたことを特徴とする高効率半導体
量子井戸光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7198279A JPH0943554A (ja) | 1995-08-03 | 1995-08-03 | 高効率半導体量子井戸光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7198279A JPH0943554A (ja) | 1995-08-03 | 1995-08-03 | 高効率半導体量子井戸光変調器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0943554A true JPH0943554A (ja) | 1997-02-14 |
Family
ID=16388488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7198279A Withdrawn JPH0943554A (ja) | 1995-08-03 | 1995-08-03 | 高効率半導体量子井戸光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0943554A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013513244A (ja) * | 2009-12-04 | 2013-04-18 | センサー エレクトロニック テクノロジー インコーポレイテッド | 半導体材料ドーピング |
| JP2024531669A (ja) * | 2021-09-14 | 2024-08-29 | スマート フォトニクス ホールディングス ビー.ブイ. | 電気光学変調器 |
-
1995
- 1995-08-03 JP JP7198279A patent/JPH0943554A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013513244A (ja) * | 2009-12-04 | 2013-04-18 | センサー エレクトロニック テクノロジー インコーポレイテッド | 半導体材料ドーピング |
| JP2024531669A (ja) * | 2021-09-14 | 2024-08-29 | スマート フォトニクス ホールディングス ビー.ブイ. | 電気光学変調器 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20021105 |