JPH1090738A - 非線形光デバイス - Google Patents
非線形光デバイスInfo
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- JPH1090738A JPH1090738A JP8244785A JP24478596A JPH1090738A JP H1090738 A JPH1090738 A JP H1090738A JP 8244785 A JP8244785 A JP 8244785A JP 24478596 A JP24478596 A JP 24478596A JP H1090738 A JPH1090738 A JP H1090738A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、広い帯域利得幅と高い応答速度と
を有し、簡便な製造工程にて実現を図る。 【解決手段】 光導波路と、光導波路の一部に形成され
た複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造と、多重量
子井戸構造の少なくとも一部の各量子井戸により構成さ
れ、サブバンド間遷移による光誘導放出を生じる活性層
とを備えた非線形光デバイスであって、活性層７は、自
己の各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、多重量子
井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しいか又は
減少するように形成される非線形光デバイス。
を有し、簡便な製造工程にて実現を図る。 【解決手段】 光導波路と、光導波路の一部に形成され
た複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造と、多重量
子井戸構造の少なくとも一部の各量子井戸により構成さ
れ、サブバンド間遷移による光誘導放出を生じる活性層
とを備えた非線形光デバイスであって、活性層７は、自
己の各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、多重量子
井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しいか又は
減少するように形成される非線形光デバイス。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光スイッチ、光変
調器、波長変換素子などの非線形光デバイスに関する。
調器、波長変換素子などの非線形光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体レーザ、低損失光ファイ
バ、光ファイバ増幅器、高速集積回路などのオプトエレ
クトロニクス関連技術の発展により、毎秒１０ギガビッ
トという大量の情報の長距離伝送が可能となっている。
しかし、来るべきマルチメディア時代においては、一般
の末端利用者も高精細映像情報などの大量の情報をリア
ルタイムで利用可能とするため、さらに大容量の情報を
伝送、処理できるインフラストラクチャーの構築が要望
されている。
バ、光ファイバ増幅器、高速集積回路などのオプトエレ
クトロニクス関連技術の発展により、毎秒１０ギガビッ
トという大量の情報の長距離伝送が可能となっている。
しかし、来るべきマルチメディア時代においては、一般
の末端利用者も高精細映像情報などの大量の情報をリア
ルタイムで利用可能とするため、さらに大容量の情報を
伝送、処理できるインフラストラクチャーの構築が要望
されている。
【０００３】ここで、光ファイバの広帯域性を活かして
大容量の情報を伝送、処理するには、光周波数多重（光
ＦＤＭ）技術や光時分割多重（光ＴＤＭ）技術を用いる
のが妥当と考えられる。よって、大規模で効率的な光Ｆ
ＤＭネットワークや光ＴＤＭネットワークの実現に向
け、コンパクトで高効率の波長変換素子、光制御型の超
高速非線形光スイッチなどの如き、新機能を有する光素
子の開発が急務となっている。
大容量の情報を伝送、処理するには、光周波数多重（光
ＦＤＭ）技術や光時分割多重（光ＴＤＭ）技術を用いる
のが妥当と考えられる。よって、大規模で効率的な光Ｆ
ＤＭネットワークや光ＴＤＭネットワークの実現に向
け、コンパクトで高効率の波長変換素子、光制御型の超
高速非線形光スイッチなどの如き、新機能を有する光素
子の開発が急務となっている。
【０００４】この種の光素子としては、例えば、バンド
内電子緩和効果に基づく超高速の光非線形効果により、
４光波混合出力を発生させる非線形光デバイスが知られ
ている。係る非線形光デバイスは、進行波型半導体レー
ザ増幅器と、多重量子井戸構造のサブバンド間吸収層と
を重ね合わせた構造が考えられる。すなわち、この非線
形光デバイスは、進行波型半導体レーザ増幅器を用いる
周知の構造と、サブバンド間吸収層とを組合せることに
より、応答速度と非線形性の向上を図るものである。
内電子緩和効果に基づく超高速の光非線形効果により、
４光波混合出力を発生させる非線形光デバイスが知られ
ている。係る非線形光デバイスは、進行波型半導体レー
ザ増幅器と、多重量子井戸構造のサブバンド間吸収層と
を重ね合わせた構造が考えられる。すなわち、この非線
形光デバイスは、進行波型半導体レーザ増幅器を用いる
周知の構造と、サブバンド間吸収層とを組合せることに
より、応答速度と非線形性の向上を図るものである。
【０００５】ところで、これら進行波型半導体レーザ増
幅器およびサブバンド間吸収層は、光通信で用いられる
１．５５μｍ付近の波長で動作させる必要がある。サブ
バンド間吸収についてはＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧ
ａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸層を用いてこの波長での吸収
が報告されている（J.H.Smetetal.,Appl.Phys.Lett.,V0
1.64,pp986.987(1994)）。しかしながら、この材料系の
場合、エネルギー障壁の高さが比較的小さく、進行波型
半導体レーザ増幅器と組合せた場合、電子が障壁を乗り
越えて行き来してしまい、サブバンド間吸収層の効果が
十分に発揮されないことが懸念される。よって、望まし
くはバンドギャップのより大きい、ＧａＮやＡｌＮのよ
うな窒化物半導体でサブバンド間吸収層を形成すること
が求められる。
幅器およびサブバンド間吸収層は、光通信で用いられる
１．５５μｍ付近の波長で動作させる必要がある。サブ
バンド間吸収についてはＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧ
ａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸層を用いてこの波長での吸収
が報告されている（J.H.Smetetal.,Appl.Phys.Lett.,V0
1.64,pp986.987(1994)）。しかしながら、この材料系の
場合、エネルギー障壁の高さが比較的小さく、進行波型
半導体レーザ増幅器と組合せた場合、電子が障壁を乗り
越えて行き来してしまい、サブバンド間吸収層の効果が
十分に発揮されないことが懸念される。よって、望まし
くはバンドギャップのより大きい、ＧａＮやＡｌＮのよ
うな窒化物半導体でサブバンド間吸収層を形成すること
が求められる。
【０００６】一方、現在の進行波型半導体レーザ増幅器
は、例えばＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層を活性層として持つもののように、伝導帯と価
電子帯の間のバンド間遷移が利用されている。すなわ
ち、窒化物半導体は、広いバンドギャップを有するた
め、バンド間遷移に基づく波長１．５５μｍのレーザ増
幅器が実現不可となっている。
は、例えばＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層を活性層として持つもののように、伝導帯と価
電子帯の間のバンド間遷移が利用されている。すなわ
ち、窒化物半導体は、広いバンドギャップを有するた
め、バンド間遷移に基づく波長１．５５μｍのレーザ増
幅器が実現不可となっている。
【０００７】また、ＩｎＰ基板上に形成した進行波型レ
ーザ増幅器と、窒化物半導体で形成したサブバンド間吸
収層とを互いに直接接着の技術で接合することも考えら
れるが、この技術は簡便ではなく、また、製造工程を増
やす問題がある。
ーザ増幅器と、窒化物半導体で形成したサブバンド間吸
収層とを互いに直接接着の技術で接合することも考えら
れるが、この技術は簡便ではなく、また、製造工程を増
やす問題がある。
【０００８】以上述べたように、波長１．５５μｍ帯の
レーザ増幅器を、窒化物半導体のバンド間遷移を利用し
て実現することは不可能となっている。ところで、バン
ド間遷移を用いない関連技術としては、量子井戸中のサ
ブバンド間遷移を利用したレーザ、いわゆるカスケード
レーザが考えられる。
レーザ増幅器を、窒化物半導体のバンド間遷移を利用し
て実現することは不可能となっている。ところで、バン
ド間遷移を用いない関連技術としては、量子井戸中のサ
ブバンド間遷移を利用したレーザ、いわゆるカスケード
レーザが考えられる。
【０００９】窒化物半導体を用いれば十分大きいエネル
ギー障壁をもつ量子井戸を容易に形成可能である。すな
わち、波長１．５５μｍ帯のカスケードレーザは形成可
能である。
ギー障壁をもつ量子井戸を容易に形成可能である。すな
わち、波長１．５５μｍ帯のカスケードレーザは形成可
能である。
【００１０】また、カスケードレーザがサブバンド間吸
収共鳴領域と同一の窒化物系材料にて作成可能であれ
ば、レーザ増幅器とサブバンド間吸収層とを同一基板上
に連続的にエピタキシャル成長可能となるため、前述し
た接合の問題を回避できる。
収共鳴領域と同一の窒化物系材料にて作成可能であれ
ば、レーザ増幅器とサブバンド間吸収層とを同一基板上
に連続的にエピタキシャル成長可能となるため、前述し
た接合の問題を回避できる。
【００１１】しかしながら、カスケードレーザは、その
特性上、帯域利得幅が非常に狭いため、入射光の波長範
囲が広い場合にはその一部しか利得を得られず、前述し
た非線形光デバイスへの応用には不適当である。
特性上、帯域利得幅が非常に狭いため、入射光の波長範
囲が広い場合にはその一部しか利得を得られず、前述し
た非線形光デバイスへの応用には不適当である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】以上のように非線形光
デバイスとしては、窒化物半導体を用いた広い帯域利得
幅をもつ半導体レーザ増幅器が存在せず、また、他の材
料系でレーザ増幅器を形成すると、製造工程を複雑にし
てしまう問題がある。
デバイスとしては、窒化物半導体を用いた広い帯域利得
幅をもつ半導体レーザ増幅器が存在せず、また、他の材
料系でレーザ増幅器を形成すると、製造工程を複雑にし
てしまう問題がある。
【００１３】また、カスケードレーザは、その利用が考
えられるとは言え、特性上、非線形光デバイスへの応用
が困難である。本発明は上記実情を考慮してなされたも
ので、広い帯域利得幅と高い応答速度とを有し、簡便な
製造工程にて実現し得る非線形光デバイスを提供するこ
とを目的とする。
えられるとは言え、特性上、非線形光デバイスへの応用
が困難である。本発明は上記実情を考慮してなされたも
ので、広い帯域利得幅と高い応答速度とを有し、簡便な
製造工程にて実現し得る非線形光デバイスを提供するこ
とを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】請求項１に対応する発明
は、光導波路と、前記光導波路の一部に形成された複数
の量子井戸からなる多重量子井戸構造と、前記多重量子
井戸構造の少なくとも一部の各量子井戸により構成さ
れ、サブバンド間遷移による光誘導放出を生じる活性層
とを備えた非線形光デバイスであって、前記活性層とし
ては、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、
前記多重量子井戸構造に印加される電界の方向に沿って
等しいか又は減少するように形成される非線形光デバイ
スである。
は、光導波路と、前記光導波路の一部に形成された複数
の量子井戸からなる多重量子井戸構造と、前記多重量子
井戸構造の少なくとも一部の各量子井戸により構成さ
れ、サブバンド間遷移による光誘導放出を生じる活性層
とを備えた非線形光デバイスであって、前記活性層とし
ては、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、
前記多重量子井戸構造に印加される電界の方向に沿って
等しいか又は減少するように形成される非線形光デバイ
スである。
【００１５】また、請求項２に対応する発明は、光導波
路と、前記光導波路の一部に形成された複数の量子井戸
からなる多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の
少なくとも一部の各量子井戸により構成され、サブバン
ド間遷移による光誘導放出を生じる活性層とを備えた非
線形光デバイスであって、前記活性層としては、自己の
各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、前記多重量子
井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しいか又は
減少するように形成され、且つ、自己の各量子井戸を形
成する障壁層の厚さが、前記多重量子井戸構造に印加さ
れる電界の方向に沿って等しいか又は増加するように形
成された窒化物系化合物半導体層である非線形光デバイ
スである。（作用）従って、請求項１に対応する発明は
以上のような手段を講じたことにより、光導波路内の活
性層としては、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大
きさが、多重量子井戸構造に印加される電界の方向に沿
って等しいか又は減少しているので、井戸層毎のサブバ
ンド間エネルギーがこの方向に沿って減少し、また、電
界未印加時の基底準位及び励起準位の高さも減少する
が、このとき、所定の電界が印加されると、励起準位の
エネルギー値がほぼ等しくなり、電子が共鳴トンネルに
よって各井戸層の励起準位に分布して閉じ込められ、ま
た各井戸層の電子が光を放出して基底準位に遷移すると
共に基底準位から次の井戸層の基底準位に共鳴トンネル
により抜け出るので、分布反転が実現してレーザ動作が
可能となり、また、サブバンド間エネルギーが井戸層毎
に異なるので、利得帯域幅が広くなり、もって、広い帯
域利得幅と高い応答速度とを実現することができる。
路と、前記光導波路の一部に形成された複数の量子井戸
からなる多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の
少なくとも一部の各量子井戸により構成され、サブバン
ド間遷移による光誘導放出を生じる活性層とを備えた非
線形光デバイスであって、前記活性層としては、自己の
各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、前記多重量子
井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しいか又は
減少するように形成され、且つ、自己の各量子井戸を形
成する障壁層の厚さが、前記多重量子井戸構造に印加さ
れる電界の方向に沿って等しいか又は増加するように形
成された窒化物系化合物半導体層である非線形光デバイ
スである。（作用）従って、請求項１に対応する発明は
以上のような手段を講じたことにより、光導波路内の活
性層としては、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大
きさが、多重量子井戸構造に印加される電界の方向に沿
って等しいか又は減少しているので、井戸層毎のサブバ
ンド間エネルギーがこの方向に沿って減少し、また、電
界未印加時の基底準位及び励起準位の高さも減少する
が、このとき、所定の電界が印加されると、励起準位の
エネルギー値がほぼ等しくなり、電子が共鳴トンネルに
よって各井戸層の励起準位に分布して閉じ込められ、ま
た各井戸層の電子が光を放出して基底準位に遷移すると
共に基底準位から次の井戸層の基底準位に共鳴トンネル
により抜け出るので、分布反転が実現してレーザ動作が
可能となり、また、サブバンド間エネルギーが井戸層毎
に異なるので、利得帯域幅が広くなり、もって、広い帯
域利得幅と高い応答速度とを実現することができる。
【００１６】また、請求項２に対応する発明は、光導波
路内の活性層としては、窒化物系化合物半導体層からな
り、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、多
重量子井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しい
か又は減少し、且つ自己の各量子井戸を形成する障壁層
の厚さが、前記多重量子井戸構造に印加される電界の方
向に沿って等しいか又は増加するように形成されている
ので、請求項１に対応する作用に加え、窒化物系化合物
半導体層により形成されるため、簡便な製造工程にて実
現させることができる。
路内の活性層としては、窒化物系化合物半導体層からな
り、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、多
重量子井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しい
か又は減少し、且つ自己の各量子井戸を形成する障壁層
の厚さが、前記多重量子井戸構造に印加される電界の方
向に沿って等しいか又は増加するように形成されている
ので、請求項１に対応する作用に加え、窒化物系化合物
半導体層により形成されるため、簡便な製造工程にて実
現させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて説明する。 （第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施形態に
係る非線形光デバイスの全体構成を示す斜視図であり、
図２はこの非線形光デバイスの層構成を示す断面図であ
る。この非線形光デバイスは、サファイア基板１上に光
導波路２が積層されている。この光導波路２は、ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層３、サブバンド間吸収のためのｎ型
ＩｎＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ多重量子井戸層４、
厚さ０．１μｍのアンドープＧａＮ層５、レーザのコン
タクト層をなすｎ型ＧａＮ層６、レーザ活性層７、上部
コンタクト層をなすｎ型ＧａＮ層８が積層された構造と
なっている。
て図面を用いて説明する。 （第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施形態に
係る非線形光デバイスの全体構成を示す斜視図であり、
図２はこの非線形光デバイスの層構成を示す断面図であ
る。この非線形光デバイスは、サファイア基板１上に光
導波路２が積層されている。この光導波路２は、ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層３、サブバンド間吸収のためのｎ型
ＩｎＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ多重量子井戸層４、
厚さ０．１μｍのアンドープＧａＮ層５、レーザのコン
タクト層をなすｎ型ＧａＮ層６、レーザ活性層７、上部
コンタクト層をなすｎ型ＧａＮ層８が積層された構造と
なっている。
【００１８】また、ｎ型ＧａＮ上部コンタクト層８上に
は電極９が形成されている。ｎ型ＧａＮコンタクト層６
上には電極１０が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層３上には電極１１が形成され、多層構造が形成さ
れている。
は電極９が形成されている。ｎ型ＧａＮコンタクト層６
上には電極１０が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層３上には電極１１が形成され、多層構造が形成さ
れている。
【００１９】また、この多層構造には、各層の長手方向
に直交する入出射面（共振器面）に反射防止膜１２が形
成されている。ここで、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量
子井戸層４は、たとえばＩｎの割合が０から０．３２の
範囲で約０．０８づつ異なる５種類の井戸層が２０周期
積層された構造となっている。ＩｎＮの方がＧａＮより
格子定数が大きいため、井戸層の厚さはＩｎ組成の増加
に伴って厚くなり、例えば、Ｉｎの最も少ない層で約
１．８ｎｍ厚であり、Ｉｎの最も多い層で約１．９５ｎ
ｍ厚である。
に直交する入出射面（共振器面）に反射防止膜１２が形
成されている。ここで、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量
子井戸層４は、たとえばＩｎの割合が０から０．３２の
範囲で約０．０８づつ異なる５種類の井戸層が２０周期
積層された構造となっている。ＩｎＮの方がＧａＮより
格子定数が大きいため、井戸層の厚さはＩｎ組成の増加
に伴って厚くなり、例えば、Ｉｎの最も少ない層で約
１．８ｎｍ厚であり、Ｉｎの最も多い層で約１．９５ｎ
ｍ厚である。
【００２０】レーザ活性層７は、図３に示すように、コ
ンタクト層６の上に１００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層７１、
Ａｌの割合を０から０．４６まで連続的に変化させた１
７０ｎｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層７２、及
びアンドープＡｌＧａＮ／アンドープＧａＮ量子井戸層
７３が積層されている。
ンタクト層６の上に１００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層７１、
Ａｌの割合を０から０．４６まで連続的に変化させた１
７０ｎｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層７２、及
びアンドープＡｌＧａＮ／アンドープＧａＮ量子井戸層
７３が積層されている。
【００２１】量子井戸層７３は、具体的には、Ａｌ0.67
Ｇａ0.33Ｎ障壁層７３ａ、ＧａＮ井戸層７３ｂ、Ａｌ
0.67Ｇａ0.33Ｎ障壁層７３ｃ、ＧａＮ井戸層７３ｄ、Ａ
ｌ0.78Ｇａ0.22Ｎ障壁層７３ｅ、ＧａＮ井戸層７３ｆ、
ＡｌO.78Ｇａ0.22Ｎ障壁層７３ｇ、ＧａＮ井戸層７３
ｈ、ＡｌO.89Ｇａ0.11Ｎ障壁層７３ｉ、ＧａＮ井戸層７
３ｊ、ＡｌO.89Ｇａ0.11Ｎ障壁層７３ｋ、ＧａＮ井戸層
７３ｌ、ＡｌＮ障壁層７３ｍ、ＧａＮ井戸層７３ｎ、Ａ
ｌＮ障壁層７３ｏが順次積層されている。
Ｇａ0.33Ｎ障壁層７３ａ、ＧａＮ井戸層７３ｂ、Ａｌ
0.67Ｇａ0.33Ｎ障壁層７３ｃ、ＧａＮ井戸層７３ｄ、Ａ
ｌ0.78Ｇａ0.22Ｎ障壁層７３ｅ、ＧａＮ井戸層７３ｆ、
ＡｌO.78Ｇａ0.22Ｎ障壁層７３ｇ、ＧａＮ井戸層７３
ｈ、ＡｌO.89Ｇａ0.11Ｎ障壁層７３ｉ、ＧａＮ井戸層７
３ｊ、ＡｌO.89Ｇａ0.11Ｎ障壁層７３ｋ、ＧａＮ井戸層
７３ｌ、ＡｌＮ障壁層７３ｍ、ＧａＮ井戸層７３ｎ、Ａ
ｌＮ障壁層７３ｏが順次積層されている。
【００２２】各層７３ａ〜７３ｏの厚さは７モノレイヤ
ーであり、障壁層においてはＡｌの組成の変化に伴って
格子定数が変化し、厚さが積層順に同じか又は少しずつ
薄くなっている。また、各井戸層のエネルギー障壁は、
積層順に、等しいか又は大きくなっている。
ーであり、障壁層においてはＡｌの組成の変化に伴って
格子定数が変化し、厚さが積層順に同じか又は少しずつ
薄くなっている。また、各井戸層のエネルギー障壁は、
積層順に、等しいか又は大きくなっている。
【００２３】量子井戸層７３上には、Ａｌの割合を０．
１２から０．４６まで連続的に変化させた１２５ｎｍ厚
のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層７４が形成されてい
る。これらＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層７３とｎ型Ａ
ｌＧａＮグレーディング層７４との組合せは合計２５
組、順次積層されている。２５組目のＡｌＧａＮ／Ｇａ
Ｎ量子井戸層７３の上には、１００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ
層７５、ｎ型ＡｌＡｓクラッド層７６及びｎ型ＧａＮコ
ンタクト層８が形成されている。
１２から０．４６まで連続的に変化させた１２５ｎｍ厚
のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層７４が形成されてい
る。これらＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層７３とｎ型Ａ
ｌＧａＮグレーディング層７４との組合せは合計２５
組、順次積層されている。２５組目のＡｌＧａＮ／Ｇａ
Ｎ量子井戸層７３の上には、１００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ
層７５、ｎ型ＡｌＡｓクラッド層７６及びｎ型ＧａＮコ
ンタクト層８が形成されている。
【００２４】レーザ活性層７は、以上のうち、コンタク
ト層６とｎ型ＧａＮコンタクト層８との間の各層７１〜
７６からなる積層体である。次に、以上のように構成さ
れた非線形光デバイスの製造方法及び作用を説明する。 （製造方法）サファイア基板１上に低温成長のＧａＮバ
ッファ層を形成した後、エピタキシャル成長により、窒
化物エピタキシャル多層膜が積層される。この積層構造
はドライエッチングされ、コンタクト層としてのｎ型Ｇ
ａＮ層６が露呈される。さらにエッチングマスクを形成
し、再度ドライエッチングされ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層３が露呈される。その後、電極９〜１１の形成、サ
ファイア基板１の裏面研磨、チップの切り出し、反射防
止膜１２の形成などの工程を経て、図１乃至図３に示す
構造の非線形光デバイスが形成される。 （レーザ増幅器の作用）まず、図４に示すようにエネル
ギー障壁の高さが印加されるべき電界Ｅｉの方向に沿っ
て減少するように多重量子井戸層７３を形成する。これ
により、井戸層毎のサブバンド間エネルギーΔＥｓはこ
の方向に沿って減少し、また、電界未印加時の基底準位
Ｅ０と励起準位Ｅ１の高さも減少する。この多重量子井
戸層７３の障壁層の厚さは電界を印加したときに、ある
電界強度で励起準位Ｅ１のエネルギー値がほぼ等しくな
るように設定する。必然的に基底準位Ｅ０のエネルギー
は電界Ｅｉと反対の方向に沿って減少する。
ト層６とｎ型ＧａＮコンタクト層８との間の各層７１〜
７６からなる積層体である。次に、以上のように構成さ
れた非線形光デバイスの製造方法及び作用を説明する。 （製造方法）サファイア基板１上に低温成長のＧａＮバ
ッファ層を形成した後、エピタキシャル成長により、窒
化物エピタキシャル多層膜が積層される。この積層構造
はドライエッチングされ、コンタクト層としてのｎ型Ｇ
ａＮ層６が露呈される。さらにエッチングマスクを形成
し、再度ドライエッチングされ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層３が露呈される。その後、電極９〜１１の形成、サ
ファイア基板１の裏面研磨、チップの切り出し、反射防
止膜１２の形成などの工程を経て、図１乃至図３に示す
構造の非線形光デバイスが形成される。 （レーザ増幅器の作用）まず、図４に示すようにエネル
ギー障壁の高さが印加されるべき電界Ｅｉの方向に沿っ
て減少するように多重量子井戸層７３を形成する。これ
により、井戸層毎のサブバンド間エネルギーΔＥｓはこ
の方向に沿って減少し、また、電界未印加時の基底準位
Ｅ０と励起準位Ｅ１の高さも減少する。この多重量子井
戸層７３の障壁層の厚さは電界を印加したときに、ある
電界強度で励起準位Ｅ１のエネルギー値がほぼ等しくな
るように設定する。必然的に基底準位Ｅ０のエネルギー
は電界Ｅｉと反対の方向に沿って減少する。
【００２５】この多重量子井戸層７３は、電子を注入す
るための低電位側のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層７
２（７４）と、電子を取り出すための高電位側のｎ型Ａ
ｌＧａＮグレーディング層７４とに挟まれている。各グ
レーディング層７２，７４は、図５に示すように、所定
の電界強度の下で、サブバンド間エネルギーΔＥｓの最
小のｎ型ＧａＮ井戸層７３ｂの励起準位Ｅ１に電子が共
鳴トンネルによって注入され、サブバンド間エネルギー
の最大のｎ型ＧａＮ井戸層７３ｎの基底準位Ｅ０から共
鳴トンネルによって電子が抜け出るように設定される。
るための低電位側のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層７
２（７４）と、電子を取り出すための高電位側のｎ型Ａ
ｌＧａＮグレーディング層７４とに挟まれている。各グ
レーディング層７２，７４は、図５に示すように、所定
の電界強度の下で、サブバンド間エネルギーΔＥｓの最
小のｎ型ＧａＮ井戸層７３ｂの励起準位Ｅ１に電子が共
鳴トンネルによって注入され、サブバンド間エネルギー
の最大のｎ型ＧａＮ井戸層７３ｎの基底準位Ｅ０から共
鳴トンネルによって電子が抜け出るように設定される。
【００２６】次に、活性層７に６０ｋＶ／ｃｍの電界を
印加するように、電極１０を低電位として両電極９，電
極１０間に電圧を印加する。すなわち、井戸のエネルギ
ー障壁値が小さく、障壁層の厚さが厚い側が低電位にな
るように印加する。
印加するように、電極１０を低電位として両電極９，電
極１０間に電圧を印加する。すなわち、井戸のエネルギ
ー障壁値が小さく、障壁層の厚さが厚い側が低電位にな
るように印加する。
【００２７】これにより、低電位側のグレーディング層
７２（７４）の伝導帯と量子井戸層７３の励起準位Ｅ１
のエネルギー値が一致し、電子は共鳴トンネルによって
量子井戸層７３に注入されると共に、各井戸層の励起準
位Ｅ１に共鳴によって分布する。しかし、高電位側のｎ
型ＡｌＧａＮグレーディング層７４にはこの励起準位Ｅ
１と共鳴する準位がない（高電位側のｎ型ＡｌＧａＮグ
レーディング層７４の伝導帯とのエネルギー差は十分大
きい）ので電子は共鳴トンネルによっては高電位側の次
段の量子井戸層７３のｎ型ＧａＮ層７３ｂには漏れ出
ず、また、ＡｌＮ層７３ｏによるエネルギー障壁が高い
ので熱的にも漏れ出ず、したがって、励起準位Ｅ１の電
子は閉じ込められる。
７２（７４）の伝導帯と量子井戸層７３の励起準位Ｅ１
のエネルギー値が一致し、電子は共鳴トンネルによって
量子井戸層７３に注入されると共に、各井戸層の励起準
位Ｅ１に共鳴によって分布する。しかし、高電位側のｎ
型ＡｌＧａＮグレーディング層７４にはこの励起準位Ｅ
１と共鳴する準位がない（高電位側のｎ型ＡｌＧａＮグ
レーディング層７４の伝導帯とのエネルギー差は十分大
きい）ので電子は共鳴トンネルによっては高電位側の次
段の量子井戸層７３のｎ型ＧａＮ層７３ｂには漏れ出
ず、また、ＡｌＮ層７３ｏによるエネルギー障壁が高い
ので熱的にも漏れ出ず、したがって、励起準位Ｅ１の電
子は閉じ込められる。
【００２８】一方、励起準位Ｅ１に注入された電子は光
子を放出して基底準位Ｅ０に遷移する。一方、この電界
Ｅｉの下では各井戸層の基底準位Ｅ０は高電位側に向か
ってわずかづつ小さくなっており、また、量子井戸層７
３を挟んで高電位側のＡｌＧａＮグレーディング層７４
の伝導帯はｎ型ＧａＮ井戸層７３ｎの基底準位よりもわ
ずかに低くなる。従って基底準位Ｅ０の電子はトンネル
によって高速にＡｌＧａＮグレーディング層７４に抜け
出ることができる。抜け出た電子は次の量子井戸層７３
の励起準位Ｅ１に注入され、再び光子を放出する。
子を放出して基底準位Ｅ０に遷移する。一方、この電界
Ｅｉの下では各井戸層の基底準位Ｅ０は高電位側に向か
ってわずかづつ小さくなっており、また、量子井戸層７
３を挟んで高電位側のＡｌＧａＮグレーディング層７４
の伝導帯はｎ型ＧａＮ井戸層７３ｎの基底準位よりもわ
ずかに低くなる。従って基底準位Ｅ０の電子はトンネル
によって高速にＡｌＧａＮグレーディング層７４に抜け
出ることができる。抜け出た電子は次の量子井戸層７３
の励起準位Ｅ１に注入され、再び光子を放出する。
【００２９】このように、励起準位Ｅ１の電子は閉じ込
められ、基底準位Ｅ０の電子は高電位側に抜け出るの
で、両準位間で分布反転が実現し、カスケードレーザ動
作が可能となる。
められ、基底準位Ｅ０の電子は高電位側に抜け出るの
で、両準位間で分布反転が実現し、カスケードレーザ動
作が可能となる。
【００３０】このとき、各量子井戸のエネルギー障壁が
わずかづつ異なっているので、励起準位Ｅ１から基底準
位Ｅ０へのサブバンド間遷移エネルギーΔＥｓ（発振波
長）が井戸層毎に異なることになり、誘導放出利得帯域
を広く取ることができる。本実施形態の場合、約１．４
５μｍから約１．６５μｍまで利得帯域がある。 （サブバンド間吸収層の作用）ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ
多重量子井戸層４では、このＩｎの組成を段階的に変え
た構造により、各量子井戸のサブバンド間エネルギーを
少しずつ異ならせているので、サブバンド間吸収のスペ
クトル幅を広くすることができる。
わずかづつ異なっているので、励起準位Ｅ１から基底準
位Ｅ０へのサブバンド間遷移エネルギーΔＥｓ（発振波
長）が井戸層毎に異なることになり、誘導放出利得帯域
を広く取ることができる。本実施形態の場合、約１．４
５μｍから約１．６５μｍまで利得帯域がある。 （サブバンド間吸収層の作用）ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ
多重量子井戸層４では、このＩｎの組成を段階的に変え
た構造により、各量子井戸のサブバンド間エネルギーを
少しずつ異ならせているので、サブバンド間吸収のスペ
クトル幅を広くすることができる。
【００３１】また、両電極１０，１１間に電圧を印加す
ることにより、サブバンド吸収層としてのＩｎＧａＮ／
ＡｌＧａＮ多重量子井戸層４に電界を印加できる。この
とき、電界の大きさを変えることにより、吸収層の吸収
波長や吸収係数などを調整できる。例えば各井戸内の電
子は薄い障壁層を隔てて緩く結合しているので、電界の
印加により多重量子井戸内の電子分布が変化し、電子が
多く分布する井戸に共鳴する光に対しては吸収係数が大
きくなり、逆に電子の少ない井戸に共鳴する光に対して
は吸収係数が小さくなる。 （非線形光デバイス全体の作用）本実施の形態に係る非
線形光デバイスに対し、一方の反射防止膜に光が入射す
ると、活性層７に誘導放出利得が生じるため、この入射
光は増幅されて他方の反射防止膜から出射される。いわ
ゆる進行波型のレーザ増幅器として作用する。
ることにより、サブバンド吸収層としてのＩｎＧａＮ／
ＡｌＧａＮ多重量子井戸層４に電界を印加できる。この
とき、電界の大きさを変えることにより、吸収層の吸収
波長や吸収係数などを調整できる。例えば各井戸内の電
子は薄い障壁層を隔てて緩く結合しているので、電界の
印加により多重量子井戸内の電子分布が変化し、電子が
多く分布する井戸に共鳴する光に対しては吸収係数が大
きくなり、逆に電子の少ない井戸に共鳴する光に対して
は吸収係数が小さくなる。 （非線形光デバイス全体の作用）本実施の形態に係る非
線形光デバイスに対し、一方の反射防止膜に光が入射す
ると、活性層７に誘導放出利得が生じるため、この入射
光は増幅されて他方の反射防止膜から出射される。いわ
ゆる進行波型のレーザ増幅器として作用する。
【００３２】このとき、入射光の一部は、ｎ型ＩｎＧａ
Ｎ／アンドープＡｌＧａＮ多重量子井戸層４にしみ出す
ため、多重量子井戸内の電子分布に応じて吸収され、多
重量子井戸内のサブバンドの電子を励起させる。このた
め、サブバンド間のキャリア分布が変化し、光導波路の
吸収係数と屈折率を変化させる。
Ｎ／アンドープＡｌＧａＮ多重量子井戸層４にしみ出す
ため、多重量子井戸内の電子分布に応じて吸収され、多
重量子井戸内のサブバンドの電子を励起させる。このた
め、サブバンド間のキャリア分布が変化し、光導波路の
吸収係数と屈折率を変化させる。
【００３３】ここで、入射光がある周波数をもつ光の場
合、光が無くなるときにサブバンド間の電子遷移が生じ
る。通常、サブバンド間遷移の緩和時間は数１０ｆｓ〜
数１００ｆｓと超高速のため、本実施の形態に係る非線
形光デバイスは、超高速の光非線形効果を奏することが
できる。なお、この種の超高速の光非線形効果は、例え
ば４光波混合（four-wave mixing: ＦＷＭ）を生じさせ
ることができ、種々の光デバイスに応用することが期待
できるものである。
合、光が無くなるときにサブバンド間の電子遷移が生じ
る。通常、サブバンド間遷移の緩和時間は数１０ｆｓ〜
数１００ｆｓと超高速のため、本実施の形態に係る非線
形光デバイスは、超高速の光非線形効果を奏することが
できる。なお、この種の超高速の光非線形効果は、例え
ば４光波混合（four-wave mixing: ＦＷＭ）を生じさせ
ることができ、種々の光デバイスに応用することが期待
できるものである。
【００３４】上述したように第１の実施の形態によれ
ば、光導波路２内の活性層７としては、自己の各量子井
戸のエネルギー障壁の大きさが、多重量子井戸構造に印
加される電界の方向に沿って等しいか又は減少している
ので、井戸層毎のサブバンド間エネルギーΔＥｓがこの
方向に沿って減少し、また、電界未印加時の基底準位Ｅ
０及び励起準位Ｅ１の高さも減少するが、このとき、所
定の電界Ｅｉが印加されると、励起準位Ｅ１のエネルギ
ー値がほぼ等しくなり、電子が共鳴トンネルによって各
井戸層の励起準位Ｅ１に分布して閉じ込められ、また各
井戸層の電子が光を放出して基底準位Ｅ０に遷移すると
共に基底準位Ｅ０から次の井戸層の基底準位Ｅ０に共鳴
トンネルにより抜け出るので、分布反転が実現してレー
ザ動作が可能となり、また、サブバンド間エネルギーΔ
Ｅｓが井戸層毎に異なるので、利得帯域幅が広くなり、
もって、広い帯域利得幅と高い応答速度とを実現するこ
とができる。
ば、光導波路２内の活性層７としては、自己の各量子井
戸のエネルギー障壁の大きさが、多重量子井戸構造に印
加される電界の方向に沿って等しいか又は減少している
ので、井戸層毎のサブバンド間エネルギーΔＥｓがこの
方向に沿って減少し、また、電界未印加時の基底準位Ｅ
０及び励起準位Ｅ１の高さも減少するが、このとき、所
定の電界Ｅｉが印加されると、励起準位Ｅ１のエネルギ
ー値がほぼ等しくなり、電子が共鳴トンネルによって各
井戸層の励起準位Ｅ１に分布して閉じ込められ、また各
井戸層の電子が光を放出して基底準位Ｅ０に遷移すると
共に基底準位Ｅ０から次の井戸層の基底準位Ｅ０に共鳴
トンネルにより抜け出るので、分布反転が実現してレー
ザ動作が可能となり、また、サブバンド間エネルギーΔ
Ｅｓが井戸層毎に異なるので、利得帯域幅が広くなり、
もって、広い帯域利得幅と高い応答速度とを実現するこ
とができる。
【００３５】また、各層が窒化物系化合物半導体層によ
り形成されるため、高いエネルギーをもつ障壁層を容易
に形成でき、さらに、レーザ増幅器とサブバンド間吸収
層との一体化構造であっても、異種半導体間の直接接着
という複雑な工程を用いず、一度のエピタキシャル成長
という、簡便な製造工程にて実現させることができる。
り形成されるため、高いエネルギーをもつ障壁層を容易
に形成でき、さらに、レーザ増幅器とサブバンド間吸収
層との一体化構造であっても、異種半導体間の直接接着
という複雑な工程を用いず、一度のエピタキシャル成長
という、簡便な製造工程にて実現させることができる。
【００３６】また、本実施の形態に係る非線形光デバイ
スは、超高速で大きな光非線形効果を奏することがで
き、種々の光デバイスへの応用を期待することができ
る。 （第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態
に係る非線形光デバイスについて図１乃至図３を参照し
ながら説明する。
スは、超高速で大きな光非線形効果を奏することがで
き、種々の光デバイスへの応用を期待することができ
る。 （第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態
に係る非線形光デバイスについて図１乃至図３を参照し
ながら説明する。
【００３７】すなわち、本実施の形態に係る非線形光デ
バイスは、第１の実施形態の変形構成であり、多重量子
井戸層７３における障壁層及び井戸層の両方の組成を変
化させた構成であって、具体的には図６に示すように、
活性層７に代えて、Ａｌの組成の異なるＡｌＧａＮ障壁
層と、Ｉｎの組成の異なるＩｎＧａＮ井戸層を有するレ
ーザ活性層２７０を備えている。
バイスは、第１の実施形態の変形構成であり、多重量子
井戸層７３における障壁層及び井戸層の両方の組成を変
化させた構成であって、具体的には図６に示すように、
活性層７に代えて、Ａｌの組成の異なるＡｌＧａＮ障壁
層と、Ｉｎの組成の異なるＩｎＧａＮ井戸層を有するレ
ーザ活性層２７０を備えている。
【００３８】ここで、レーザ活性層２７０は、図６に示
すように、１００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層２７１、Ａｌの
割合を０から０．４５まで連続的に変化させた４６０ｎ
ｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層２７２、及びア
ンドープＡｌＧａＮ／アンドープＩｎＧａＮ量子井戸層
２７３が積層されている。
すように、１００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層２７１、Ａｌの
割合を０から０．４５まで連続的に変化させた４６０ｎ
ｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層２７２、及びア
ンドープＡｌＧａＮ／アンドープＩｎＧａＮ量子井戸層
２７３が積層されている。
【００３９】量子井戸層２７３は、具体的には、Ａｌ
0.67Ｇａ0.33Ｎ障壁層２７３ａ、ＧａＮ井戸層２７３
ｂ、Ａｌ0.67Ｇａ0.33Ｎ障壁層２７３ｃ、ｎ型Ｉｎ0.02
Ｇａ0.98Ｎ井戸層２７３ｄ、Ａｌ0.76Ｇａ0.24Ｎ障壁層
２７３ｅ、ｎ型Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ井戸層２７３ｆ、Ａ
ｌ0.76Ｇａ0.24Ｎ障壁層２７３ｇ、ｎ型Ｉｎ0.04Ｇａ
0.96Ｎ井戸層２７３ｈ、ＡｌO.86Ｇａ0.14Ｎ障壁層２７
３ｉ、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ井戸層２７３ｊ、Ａｌ
O.86Ｇａ0.14Ｎ障壁層２７３ｋ、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93
Ｎ井戸層２７３ｌ、ＡｌO.97Ｇａ0.03Ｎ障壁層２７３
ｍ、ｎ型Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層２７３ｎ、ＡｌO.97
Ｇａ0.03Ｎ障壁層２７３ｏが順次積層されている。
0.67Ｇａ0.33Ｎ障壁層２７３ａ、ＧａＮ井戸層２７３
ｂ、Ａｌ0.67Ｇａ0.33Ｎ障壁層２７３ｃ、ｎ型Ｉｎ0.02
Ｇａ0.98Ｎ井戸層２７３ｄ、Ａｌ0.76Ｇａ0.24Ｎ障壁層
２７３ｅ、ｎ型Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ井戸層２７３ｆ、Ａ
ｌ0.76Ｇａ0.24Ｎ障壁層２７３ｇ、ｎ型Ｉｎ0.04Ｇａ
0.96Ｎ井戸層２７３ｈ、ＡｌO.86Ｇａ0.14Ｎ障壁層２７
３ｉ、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ井戸層２７３ｊ、Ａｌ
O.86Ｇａ0.14Ｎ障壁層２７３ｋ、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93
Ｎ井戸層２７３ｌ、ＡｌO.97Ｇａ0.03Ｎ障壁層２７３
ｍ、ｎ型Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層２７３ｎ、ＡｌO.97
Ｇａ0.03Ｎ障壁層２７３ｏが順次積層されている。
【００４０】各井戸層のエネルギー障壁値は積層順に順
次等しいかもしくは増大している。また、各層２７３ａ
〜２７３ｏの厚さは７モノレイヤーであり、材料が異な
るために格子定数の違いに対応して、井戸層は順次少し
ずつ厚くなり、障壁層は少しずつ薄くなっている。
次等しいかもしくは増大している。また、各層２７３ａ
〜２７３ｏの厚さは７モノレイヤーであり、材料が異な
るために格子定数の違いに対応して、井戸層は順次少し
ずつ厚くなり、障壁層は少しずつ薄くなっている。
【００４１】量子井戸層２７３の上には、Ａｌの割合を
０．０８から０．４５まで連続的に変化させた３７４ｎ
ｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層２７４が積層さ
れる。
０．０８から０．４５まで連続的に変化させた３７４ｎ
ｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層２７４が積層さ
れる。
【００４２】ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層２７３
とｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層２７４との組合せは
合計２５組順次積層される。２５組目のＡｌＧａＮ／Ｇ
ａＮ量子井戸層２７３の上には、１００ｎｍ厚のｎ型Ｇ
ａＮ層２７５及びｎ型ＡｌＡｓクラッド層２７６が形成
されている。
とｎ型ＡｌＧａＮグレーディング層２７４との組合せは
合計２５組順次積層される。２５組目のＡｌＧａＮ／Ｇ
ａＮ量子井戸層２７３の上には、１００ｎｍ厚のｎ型Ｇ
ａＮ層２７５及びｎ型ＡｌＡｓクラッド層２７６が形成
されている。
【００４３】次に、以上のように構成された非線形光デ
バイスの作用を説明する。活性層７に２２ｋＶ／ｃｍの
電界を印加するように、電極１０を低電位として両電極
９，電極１０間に電圧を印加する。すなわち、井戸のエ
ネルギー障壁が小さく、障壁層の厚さが厚い側が低電位
になるように印加する。
バイスの作用を説明する。活性層７に２２ｋＶ／ｃｍの
電界を印加するように、電極１０を低電位として両電極
９，電極１０間に電圧を印加する。すなわち、井戸のエ
ネルギー障壁が小さく、障壁層の厚さが厚い側が低電位
になるように印加する。
【００４４】これにより、ｎ型ＡｌＧａＮグレーディン
グ層２７２，２７４の伝導帯Ｅｃと量子井戸層２７３の
励起準位Ｅ１のエネルギー値が一致し、電子は共鳴トン
ネルによって、量子井戸層２７３に注入される。
グ層２７２，２７４の伝導帯Ｅｃと量子井戸層２７３の
励起準位Ｅ１のエネルギー値が一致し、電子は共鳴トン
ネルによって、量子井戸層２７３に注入される。
【００４５】以下、前述同様に、利得帯域の広いカスケ
ードレーザ動作を実現することができる。なお、本実施
の形態に係る非線形光デバイスでは、約１．４３μｍか
ら約１．６５μｍまで利得帯域があった。
ードレーザ動作を実現することができる。なお、本実施
の形態に係る非線形光デバイスでは、約１．４３μｍか
ら約１．６５μｍまで利得帯域があった。
【００４６】上述したように第２の実施の形態によれ
ば、活性層において、障壁層と井戸層との両層の組成を
変化させた構成としても、第１の実施の形態と同様の効
果を得ることができる。（他の実施の形態）なお、上記
第１の実施の形態では、電極１０，１１間に電圧を印加
した場合を説明したが、これに限らず、電極１１と電極
１０とを等電位にしてもよく、また、電極１１を省略し
てもよい。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施できる。
ば、活性層において、障壁層と井戸層との両層の組成を
変化させた構成としても、第１の実施の形態と同様の効
果を得ることができる。（他の実施の形態）なお、上記
第１の実施の形態では、電極１０，１１間に電圧を印加
した場合を説明したが、これに限らず、電極１１と電極
１０とを等電位にしてもよく、また、電極１１を省略し
てもよい。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施できる。
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、光導波路内の活性層としては、自己の各量子井戸
のエネルギー障壁の大きさが、多重量子井戸構造に印加
される電界の方向に沿って等しいか又は減少しているの
で、井戸層毎のサブバンド間エネルギーがこの方向に沿
って減少し、また、電界未印加時の基底準位及び励起準
位の高さも減少するが、このとき、所定の電界が印加さ
れると、励起準位のエネルギー値がほぼ等しくなり、電
子が共鳴トンネルによって各井戸層の励起準位に分布し
て閉じ込められ、また各井戸層の電子が光を放出して基
底準位に遷移すると共に基底準位から次の井戸層の基底
準位に共鳴トンネルにより抜け出るので、分布反転が実
現してレーザ動作が可能となり、また、サブバンド間エ
ネルギーが井戸層毎に異なるので、利得帯域幅が広くな
り、もって、広い帯域利得幅と高い応答速度とを実現で
きる非線形光デバイスを提供できる。
れば、光導波路内の活性層としては、自己の各量子井戸
のエネルギー障壁の大きさが、多重量子井戸構造に印加
される電界の方向に沿って等しいか又は減少しているの
で、井戸層毎のサブバンド間エネルギーがこの方向に沿
って減少し、また、電界未印加時の基底準位及び励起準
位の高さも減少するが、このとき、所定の電界が印加さ
れると、励起準位のエネルギー値がほぼ等しくなり、電
子が共鳴トンネルによって各井戸層の励起準位に分布し
て閉じ込められ、また各井戸層の電子が光を放出して基
底準位に遷移すると共に基底準位から次の井戸層の基底
準位に共鳴トンネルにより抜け出るので、分布反転が実
現してレーザ動作が可能となり、また、サブバンド間エ
ネルギーが井戸層毎に異なるので、利得帯域幅が広くな
り、もって、広い帯域利得幅と高い応答速度とを実現で
きる非線形光デバイスを提供できる。
【００４８】また、請求項２の発明によれば、光導波路
内の活性層としては、窒化物系化合物半導体層からな
り、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、多
重量子井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しい
か又は減少し、且つ自己の各量子井戸を形成する障壁層
の厚さが、前記多重量子井戸構造に印加される電界の方
向に沿って等しいか又は増加するように形成されている
ので、請求項１の効果に加え、窒化物系化合物半導体層
により形成されるため、簡便な製造工程にて実現できる
非線形光デバイスを提供できる。
内の活性層としては、窒化物系化合物半導体層からな
り、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大きさが、多
重量子井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しい
か又は減少し、且つ自己の各量子井戸を形成する障壁層
の厚さが、前記多重量子井戸構造に印加される電界の方
向に沿って等しいか又は増加するように形成されている
ので、請求項１の効果に加え、窒化物系化合物半導体層
により形成されるため、簡便な製造工程にて実現できる
非線形光デバイスを提供できる。
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る非線形光デバ
イスの全体構成を示す斜視図
イスの全体構成を示す斜視図
【図２】同実施の形態における非線形光デバイスの層構
成を示す断面図
成を示す断面図
【図３】同実施の形態におけるレーザ活性層の構成を示
す断面図
す断面図
【図４】同実施の形態における動作を説明するための電
界未印加時のエネルギーバンド図
界未印加時のエネルギーバンド図
【図５】同実施の形態における動作を説明するための電
界印加時のエネルギーバンド図
界印加時のエネルギーバンド図
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ活性層
の構成を示す断面図
の構成を示す断面図
１…サファイア基板 ２…光導波路 ３…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 ４…ｎ型ＩｎＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ多重量子井
戸層 ５…アンドープＧａＮ層 ６…ｎ型ＧａＮ層 ７，２７０…レーザ活性層 ８…ｎ型ＧａＮ層 ９〜１１…電極 １２…反射防止膜 ７１，２７１…ｎ型ＧａＮ ７２，７４，２７２，２７４…ｎ型ＡｌＧａＮグレーデ
ィング層 ７３，２７３…アンドープＡｌＧａＮ／アンドープＧａ
Ｎ量子井戸層 ７３ａ，７３ｃ，２７３ａ，２７３ｃ…Ａｌ0.67Ｇａ
0.33Ｎ障壁層 ７３ｂ，７３ｄ，７３ｆ，７３ｈ，７３ｊ，７３ｌ，７
３ｎ，２７３ｂ…ＧａＮ井戸層 ７３ｅ，７３ｇ，７３ｉ，７３ｋ…Ａｌ0.78Ｇａ0.22Ｎ
障壁層 ７３ｉ，７３ｋ…ＡｌO.89Ｇａ0.11Ｎ障壁層 ７３ｍ，７３ｏ…ＡｌＮ障壁層 ７５，２７５…ｎ型ＧａＮ ７６，２７６…ｎ型ＡｌＡｓクラッド層 ２７３ｄ…ｎ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ井戸層 ２７３ｅ，２７３ｇ…Ａｌ0.76Ｇａ0.24Ｎ障壁層 ２７３ｆ…ｎ型Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ井戸層 ２７３ｈ…ｎ型Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ井戸層 ２７３ｉ，２７３ｋ…ＡｌO.86Ｇａ0.14Ｎ障壁層 ２７３ｊ…ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ井戸層 ２７３ｌ…ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎ井戸層 ２７３ｍ，２７３ｏ…ＡｌO.97Ｇａ0.03Ｎ障壁層 ２７３ｎ…ｎ型Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層 ΔＥｓ…サブバンド間エネルギー Ｅ０…基底準位 Ｅ１…励起準位 Ｅｉ…電界
戸層 ５…アンドープＧａＮ層 ６…ｎ型ＧａＮ層 ７，２７０…レーザ活性層 ８…ｎ型ＧａＮ層 ９〜１１…電極 １２…反射防止膜 ７１，２７１…ｎ型ＧａＮ ７２，７４，２７２，２７４…ｎ型ＡｌＧａＮグレーデ
ィング層 ７３，２７３…アンドープＡｌＧａＮ／アンドープＧａ
Ｎ量子井戸層 ７３ａ，７３ｃ，２７３ａ，２７３ｃ…Ａｌ0.67Ｇａ
0.33Ｎ障壁層 ７３ｂ，７３ｄ，７３ｆ，７３ｈ，７３ｊ，７３ｌ，７
３ｎ，２７３ｂ…ＧａＮ井戸層 ７３ｅ，７３ｇ，７３ｉ，７３ｋ…Ａｌ0.78Ｇａ0.22Ｎ
障壁層 ７３ｉ，７３ｋ…ＡｌO.89Ｇａ0.11Ｎ障壁層 ７３ｍ，７３ｏ…ＡｌＮ障壁層 ７５，２７５…ｎ型ＧａＮ ７６，２７６…ｎ型ＡｌＡｓクラッド層 ２７３ｄ…ｎ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ井戸層 ２７３ｅ，２７３ｇ…Ａｌ0.76Ｇａ0.24Ｎ障壁層 ２７３ｆ…ｎ型Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ井戸層 ２７３ｈ…ｎ型Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ井戸層 ２７３ｉ，２７３ｋ…ＡｌO.86Ｇａ0.14Ｎ障壁層 ２７３ｊ…ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ井戸層 ２７３ｌ…ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎ井戸層 ２７３ｍ，２７３ｏ…ＡｌO.97Ｇａ0.03Ｎ障壁層 ２７３ｎ…ｎ型Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層 ΔＥｓ…サブバンド間エネルギー Ｅ０…基底準位 Ｅ１…励起準位 Ｅｉ…電界
Claims (2)
- 【請求項１】 光導波路と、前記光導波路の一部に形成
された複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造と、前
記多重量子井戸構造の少なくとも一部の各量子井戸によ
り構成され、サブバンド間遷移による光誘導放出を生じ
る活性層とを備えた非線形光デバイスであって、 前記活性層は、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大
きさが、前記多重量子井戸構造に印加される電界の方向
に沿って等しいか又は減少するように形成されることを
特徴とする非線形光デバイス。 - 【請求項２】 光導波路と、前記光導波路の一部に形成
された複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造と、前
記多重量子井戸構造の少なくとも一部の各量子井戸によ
り構成され、サブバンド間遷移による光誘導放出を生じ
る活性層とを備えた非線形光デバイスであって、 前記活性層は、自己の各量子井戸のエネルギー障壁の大
きさが、前記多重量子井戸構造に印加される電界の方向
に沿って等しいか又は減少するように形成され、且つ、
自己の各量子井戸を形成する障壁層の厚さが、前記多重
量子井戸構造に印加される電界の方向に沿って等しいか
又は増加するように形成された窒化物系化合物半導体層
であることを特徴とする非線形光デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8244785A JP2922160B2 (ja) | 1996-09-17 | 1996-09-17 | 非線形光デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8244785A JP2922160B2 (ja) | 1996-09-17 | 1996-09-17 | 非線形光デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1090738A true JPH1090738A (ja) | 1998-04-10 |
| JP2922160B2 JP2922160B2 (ja) | 1999-07-19 |
Family
ID=17123895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8244785A Expired - Fee Related JP2922160B2 (ja) | 1996-09-17 | 1996-09-17 | 非線形光デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2922160B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001077352A (ja) * | 1999-09-07 | 2001-03-23 | Sony Corp | 半導体素子およびその製造方法 |
| US6423984B1 (en) | 1998-09-10 | 2002-07-23 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride compound semiconductor |
| JP2002353569A (ja) * | 2001-05-23 | 2002-12-06 | Akihiro Ishida | 半導体レーザ素子、半導体レーザ装置 |
| JP2003046202A (ja) * | 2001-05-23 | 2003-02-14 | Akihiro Ishida | 光機能性化合物半導体超格子構造物及びその製造方法 |
| JP2004200375A (ja) * | 2002-12-18 | 2004-07-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体レーザ装置およびその製造方法 |
| JP2011186169A (ja) * | 2010-03-08 | 2011-09-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光変調器 |
| JP2017526015A (ja) * | 2014-06-10 | 2017-09-07 | 中国科学院蘇州納米技術与納米倣生研究所Ｓｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｎａｎｏ−Ｔｅｃｈ Ａｎｄ Ｎａｎｏ−Ｂｉｏｎｉｃｓ（Ｓｉｎａｎｏ），Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ | 低次元電子プラズマ波に基づくテラヘルツ変調器及びその製造方法 |
-
1996
- 1996-09-17 JP JP8244785A patent/JP2922160B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2922160B2 (ja) | 1999-07-19 |
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|---|---|---|---|
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