JPS623220A

JPS623220A - 光変調器

Info

Publication number: JPS623220A
Application number: JP14172785A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nishi; 研一西; Hiroyoshi Rangu; 博義覧具
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1985-06-28
Publication date: 1987-01-09
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: JPH0650366B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は低駆動電圧で高い消光化が得られ、吸収端の短
波長化、長波長化の両方を行なうことのできる高速変調
可能な光変調器に関するものである。

（従来技術とその問題点）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際には、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、光源からの光出力も
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
レーザ中のキャリヤ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ヤ寿
命により制限され、毎秒約４ギガビツト以上の直接変調
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。

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−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　Ｊｏ
ｕｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）誌
１９８３年２２巻Ｌ２２に掲載されているように、多層
薄膜半導体に電界を印加する事により、吸収端を長波長
側にずらす、というものであるが、これは、同時に電子
と正孔も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。しかも、電界の印加方向を変化
させても吸収端の短波長化は原理的に困難で、高い消光
比の変調を得るための駆動電圧も実用上はまだ高めであ
る。

（問題点を解決するための手段）本発明による光変調器は、１層ないし多層の、膜厚が電
子の平均自由行程程度以下である半導体層　　　　　　
′膜を有し、該半導体薄膜に積層方向に電界を印加する
手段を有する光変調器において、該半導体膜中の狭禁制
帯幅を有する半導体層の禁制帯幅が積層方向に関して単
調に変化してなることに特徴がある。

また、上記半導体薄膜が積層方向に関してｐ型半導体層
とｎ型半導体層にはさまれた領域にあり、該半導体薄膜
中の狭禁制帯幅を有する半導体層の禁制帯幅が、積層方
向に関してｐ型半導体層に近づくほど狭くなるよう変化
しているとさらによい効果が得られる光変調器となる。

（発明の作用・原理）以下、図面を用いて本発明の作用・原理を説明する。ま
ず、本発明による光変調器の、１層ないし多層の半導体
薄膜構造のバンド構造を模式的に、電界が印加されて′
ν）ない場合について第１図（ａ）に、積層方向に電界
が印加されている場合について第１図（ｂ）に示す。こ
の図では薄膜構造が量子井戸層１層から成っている例を
示した。量子井戸層とバリア層を交互に多数積層した薄
膜構造でも原理は同じである。この多層の積層構造から
成る薄膜構造は光の閉じ込めの点では１層のものより有
利である。ここでは話をわかりやすくするため１層の場
合で原理を説明する。ここで、横軸は積層方向すなわち
２方向の位置とし、縦軸はバンド構造のエネルギーであ
る。エネルギーは量子井戸の中間点でのバンド端の値を
基準に考え、電子に対しては、第１図の上向きの方向も
正に、正孔に対しては下向きを正に考える。そして、量
子井戸層の中間点を２軸の原点と考える。矩形の量子井
戸ポテンシャルを、積層方向に印加した電界によりバン
ド端が斜めになるように変形させた場合、電子、正孔等
キャリヤの存在できるエネルギー準位は、電界を印加し
ていない場合の矩形の量子井戸ポテンシャルの中でのエ
ネルギー準位と比べ、低減されることが理論的に示され
ている（バスタート、他、フイジカルレビｚ−Ｂ（Ｐｈ
ｙｓ、Ｒｅｖ、Ｂ）２８巻１９８３年３２４１ページ）
。特に、量子井戸層が１００人程度量上ある場合のエネ
ルギー準位の低下量は量子井戸のポテンシャル深さにほ
とんど依存せず、次式で近似的にあられすことができる
。

ここで、ｍ＊はキャリヤの有効質量、ｅは電子の　　　
　　喝電荷の絶対値、Ｆは量子井戸内での電界による空
間的エネルギー変化を表わすパラメータ、Ｌｚは量子井
戸の幅、ｈはブランクの定数を２ｎで除したものであ゛
る。また、Ｃは１０−３程度の大きさの正の定数である
。この式は、量子井戸内のハミルトニアンＨが、矩形の
量子井戸におけるハミルトニアンをＨｏとして、Ｈ＝Ｈｏ＋１ｅＩＦ・ｚ　　　　　　　　　　　　　（
２）となる場合のエネルギー準位変化量を変分法により
計算したものである。　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　・□・さて、第１図（ａ）のような本発明によ
る量子井戸構造においては、ハミルトニアンは　　　　
　　　　　　　　　・。

Ｈ＝Ｈｏ＋−・Ｚ　　（正孔に対して）（４）と考える
ことができる。ここで、Ｆｄｌ、　Ｆｖ１２はそれぞれ
伝導帯下端、価電子帯上端のエネルギーの量子井戸内で
の変化量を表わす。（３）式、および（４）式は、それ
ぞれＦｃ／ＬｚとＦｖ／Ｌｚをｌ　ｅ　ｌ・Ｆと書き直
せば（２）式と同一なことがわかる。したがって、本発
明による量子井戸構造における、矩形の量子井戸でのエ
ネルギー準位からの変化量は、電子に対して正孔に対しである。ここで、ｍｅ”、　ｍｈ”は電子、正孔の有効
質量である。

以上により、まず矩形の量子井戸ポテンシャルにおける
電子のエネルギー準位を８８、正孔のエネルギー準位も
εｈとすれば、第１図（ａ）の構造における電子および
正孔のエネルギー準位ε、’　１３．εｈ′１４は、と
なる。

次に、電界印加１２により第１図（ａ）のバンド構造が
第１図（ｂ）のように変化した際のキャリヤのエネルギ
ー準位について考える。ここで、電界印加による量子井
戸ポテンシャルの変化は第１図（ｂ）中のＸというエネ
ルギー準位巻で特性づけることができる。

このＸは、量子井戸内での伝導帯下端のエネルギー最小
部の電界印加によるエネルギー上昇量を表わす。印加電
界の大きさをＥとするとＸはｅ−Ｅ−Ｌｚ（ｅｖ）とし
て表わすことができる。

したがって、この場合のハミルトアンは、（３）式、（
４）式からＨ＝　Ｈａ　＋　−・ｚ　　　（正孔に対して）　　　
　　　（１０）Ｌｚと与えられる。よって、第１図（ａ）の場合の考察より
、ただちに電子正孔のエネルギー準位ε。１６゜εｈ″
１７はと与えられる。

さて、上記での考察結果をもとして、電界印加による本
発明による量子井戸構造の吸収端の変化量を考える。電
界印加がない際の吸収端８ｇ′、電界印加時の吸収端ｅ
ｇ″は、それぞれｃ、’　＝ｅ、’　へ’　＋ｅ、’　（但し、弓は、も
との禁制帯り　　　（１３）ｅ−＝″、”　　＋ｅｈ　
＋％　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（
１４）であるので、この変化量δε＝εｇ″−εｇ′ハ
、δε＝ｅ’−ｔ、′　＝（εＩ　十〇ｈ′　）−（ε
）　＋εｈ′　）となる。

通常の光変調器に用いられる（ＡＩＧａ）Ａｓや（Ｉｎ
Ｇａ）（ＡｓＰ）等の半導体においてはｍｅ”とｍｈ”
の比は１：１０程度、また、ＦｃとＦｖの比は、伝導帯
と価電子帯のヘテロ界面でのバンド不連続量に等しく２
：１から１：２程度であるので、（１５）式中の（ｍｈ
”・Ｆｖ　−ｍｅ＊−Ｆｃ）の値は通常圧となる。

ここで、第２図に電界印加による量子井戸ポテンシャル
の変形量Ｘと吸収端の変化量δεの関係を本発明による
場合を実線で、従来の矩形量子井戸での場合（Ｆｃ　＝
　Ｆｖ　＝　０に対応する）を破線で示す。

第２図を用いて実際に電圧を積層方向に印加し、量子井
戸層に電界を印加する際の吸収端の変化量について考え
る。電界がＯの時はＸがＯに対応する。

本発明では電界が０の状態から、量子井戸内の伝導帯下
端のエネルギー最小値が上昇する方向（以下正方向とよ
ぶ）に電界を印加すると吸収端は長波長化し、負方向に
印加すると短波長化する。しがち、この場合では、従来
と同じだけの電界を印加しＸの値を同じだけ変化させて
も吸収端の変化量は非常に大きくとれる。そして電子と
正孔の各波動関数は、第１図（ｂ）よりもわかるように
、量子井戸内で伝導帯下端または価電子帯上端が水平に
なる程度に大きな電界を印加しない限りは、反対方向の
ヘテ口界面に局在することはなく、重列積分値の変化は
小さい。そのため、吸収端を変化させても吸収係数の低
下率は小さい。

さらに、この量子井戸層をｐ型クラッド層とｎ型クラッ
ド層の間に位置させ、しかも禁制帯幅の狭くなっている
方にｐ型クラッド層がある場合では、ｐ−ｎ接合による
いわゆるビルトイン・ポテンシャルにより、外部からの
電界を印加しない場合でも第２図のＸが正の場合に対応
する内部電界が印加されていることになる。この場合で
外部から電界を印加すると、印加電界に対応する吸収端
の変化量はさらに大きくとれることがわかる。

（実施例）第３図に本発明第１の実施例の光変調器の斜視図を示す
。これは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により製作
したものである。これは、まずＳｉドープｎ型ＧａＡｓ
基板３１上に厚さ１．０１１ｍのＳｉドープｎ型ＧａＡ
ｓバッファ一層３２、厚さ２．０ｐｍのＳｉドープｎ型
Ａｌｏ。

４Ｇａｏ、ｓＡｓクラッド層３３を積層し、次にＡ１組
成比、Ｘを０から０．１５まで連続的に変化させた厚さ
１００人のノンドープＡｌｘＧａ１−ＡＳ量子井戸層３
４と厚さ８０人のノンドープＡｌｏ４Ｇａｏ、ｓＡｓバ
リヤ層３５を交互に３００周期積し、その上に厚さ２．
０ｐｍのＢｅドープｐ型Ａｌｏ、４Ｇａｏ。

６ＡＳクラッド層３６、厚さ０．５ｐｍのＢｅドープｐ
型ＧａＡｓコンタクト層３７を成長して多層構造を製作
した。次にこれを５Ｘ５ｍｍ程度の大きさにし、上面、
および下面のＧａＡｓ層を選択エツチングにより円形に
除去し、それ以外のＧａＡｓ層上に電極３８を製作した
ものである。

この円形のＧａＡｓ層を除去した部分に、垂直方向に光
を入射し、電圧を上記電極間に印加して透過光スペクト
ルの電圧依存性を調べた。

本実施例においては、ビルトイン・ポテンシャルにより
、第２図におけるＸ軸の原点がやや左側に移動する状態
に対応しているが、電圧を正方向、つまりｎ側の電極を
接地し、ｐ側の電極に負の電圧を印加した際には吸収端
は長波長化し、逆方向の電圧印加時には短波長化した。

＋２ｖから一２Ｖまでの電圧を印加した際の吸収端の変
化量は、−６ｍｅＶから＋３ｍｅＶであり、吸収端近傍
の吸収率はほとんど変動しなかった。そして、変調特性
も良好であった。

次に、本発明第２の実施例について説明する。第４図に
、本実施例の多層薄膜構造のバンドの模式図を示す。こ
の素子構造は、第１の実施例とほとんど同じであるが但
し量子井戸層を、Ａｔ組成比Ｘが０゜１５から０になる
ように製作し、ｐ型ＧａＡｓ層の方向に量子井戸層の禁
制帯幅が狭くなるようにした。そして、垂直方向に光を
入射して、吸収端の電圧依存性を調べた。ｎ側電極を接
地し、ｐ側電極に一２Ｖから＋２Ｖまで電圧を印加した
所、吸収端は、−１０ｍｅＶから＋７ｍｅＶまで変化し
、同一電圧でも第１の実施例以上の吸収端の変化が得ら
れた。そして、吸収端近傍の吸収率も、第１の実施例と
同様、電圧印加による変動は少なく、しかも良好な変調
特性も得られた。実際に、＋２Ｖの電圧印加時の吸収端
は、本実施例では約８０５ｎｍ、Ｏｖでは約８１０ｎｍ
、−２Ｖでは約８１４ｎｍであり波長８１２ｎｍの光の
吸収率をそれぞれの場合について測定した所、３％、３
０％、９７％となり、＋２Ｖから一２ｖの電圧変化によ
って得られる消光比は１５ｄＢと非常に良好な値であっ
た。

次に、本発明第３の実施例について説明する。第５図に
本実施例の斜視図を示す。これは気相成長法によりＳド
ープｎ型ＩｎＰ基板５１上に厚さ２．０ｐｍのＳドープ
ｎ型ＩｎＰバッファ一層５２を積層し、次にＡｓ組成比
Ｘを０．５０から０．６０まで連続的に変化させた厚さ
１２０人のノンドープＩｎｏ、７５Ｇａｏ、２５Ａｓｘ
Ｐ１−ｘ量子井戸層５３と厚さ６０人のノンドープＩｎ
Ｐバリヤ層５４を交互に６周期積層し、その上に厚さ２
．５ｐｍのＺｎドープｐ型ＩｎＰクラッド層５５、厚さ
０．５ｐｍのＺｎｎドープ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト
層５６を積層した基板を製作した。次に、基板の両面に
電極５７を製作し、そして基板上面にＣＶＤ法によりＳ
ｉＯ２膜を付着させた後、通常のフォトリソグラフィー
法により、１．５１１ｍ幅のストラ　　　　　　。

イブ状に５ｉ０２を残して他のＳｉＯ２を除去し、しか
る後、ＳｉＯ２の付着していない部分をｎ型ＩｎＰバッ
ファ一層５２までエツチングにより除去してから残って
いたＳｉＯ２を取りさって導波路構造を形成し　　　　
　、゛たものである。

この導波路構造に光を入射し、導波された光の透過スペ
クトルの、印加電圧依存性を測定したところ、印加電圧
が＋ＩＶ、　ＯＶ、　−ＩＶの際の吸収端はそれぞれ１
２９５ｎｍ、　１３０５ｎｍ、　１３１４ｎｍであった
。そして導波路長を２００ｐｍとし、波長１３００ｎｍ
のレーザ光を入射し、上記電圧を変調して印加したとこ
ろ、＋ＩＶ印加時はもとのレーザ光強度の約１％、−１
Ｖでは７０％の光が取り出された。この際の消光比は約
１８ｄＢと非常に優れたものであった。そして、この印
加電圧の変調により光の強度変調を行なったところ、変
調可能であった最高周波数は約３ＧＨｚであり、しかも
これは電極間の寄生容量により決定されたものであって
、素子構造によるものではなかった。

以上ここでは３つの実施例について述べたが、本発明は
量子井戸層の禁制帯幅が積層方向に関して単調に変化し
てなる、好ましくはｐ型半導体層の方向に狭くなるよう
変化してなることが本質であり、量子井戸での禁制帯幅
の変化のしかた、材料系、半導体成長方法等に何ら限定
されないことは明らかである。そして上記禁制帯幅の変
化の仕方も空間的に直線でなく第６図（ａ）のように湾
曲していても、第６図（ｂ）のようにステップ状に変化
していても本質的な効果は同様である。

（発明の効果）本発明による光変調器は、低電圧で高い消光比を得るこ
とができ、電圧印加方向の変化により吸収端の短波長化
、長波長化の両方が行なえ、しかも高速変調が可能であ
るという特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）は本発明の詳細な説明するため
のバンド構造を示す模式図である。第２図は量子井戸ポ
テンシャルの変形量Ｘと吸収端の変化量δεの関係を示
す図である。第３図は第１の実施例の斜視図である。第
４図は第２の実施例の多層薄膜構造のバンド構造を示す
模式図である。第５図は第３実施例の斜視図である。第
６図（ａ）、　（ｂ）は量子井戸層内のバンド構造の変
形例を示す模式図である。図において１１・・・量子井戸での伝導帯下端のポテンシャルエネ
ルギー変化量１２・・・量子井戸での価電子帯上端のポテンシャルエ
ネルギー変化量１３・・・電子のエネルギー準位１４・・・正孔のエネルギー準位１５・・・量子井戸ポテンシャルの変形を特徴づけるエ
ネルギー値１６・・・電界印加時の電子のエネルギー準位１７・・
・電界印加時の正孔のエネルギー準位３１−ｎ型ＧａＡ
ｓ基板　　３２・ｎ型ＧａＡｓバッファ一層３３−ｎ型
Ａｌｏ、＋Ｇａｏ、ｅＡｓクラッド層３４−・・ノンド
ープＡｌｘＧａｘ−ｘＡｓ（０≦Ｘ≦０．１５）量子井
戸層３５−・・ノンドープＡｌｏ、＋Ｇａｏ、ｅＡｓバリヤ
層３６・ｐ型Ａｊｏ、４Ｇａｏ、ｓＡｓクラッド層３７
・・・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８・・・電極　　　　５１・・・ｎ型ＩｎＰ基板５２
・・・ｎ型ＩｎＰバッファ一層５３・・・ノン　ドーフゴｎｏ、７ｓＧａｏ、２５Ａｓ
ｘＰｔ−ｘ（０，５０≦Ｘ≦０゜６０）量子井戸層５４・・・ノンドープＩｎＰバリヤ層５５・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層５６・・・ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層　　５７・
・・電極である。第１図（ａ）第２図第６図（ａ）（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電子の平均自由行程以下の膜厚を有する半導体層
を１層ないし多層具備した半導体膜構造と、該半導体薄
膜構造に積層方向に電界を印加する手段とを少なくとも
有し、さらに、該半導体薄膜構造を構成する半導体層の
うち禁制帯幅の小さい方の半導体層の禁制帯幅が積層方
向に関して単調に変化してなることを特徴とする光変調
器。
（２）ｐ型半導体層とｎ型半導体とで前記半導体薄膜構
造を挟み、かつ、該半導体薄膜構造中の狭禁制帯幅を有
する半導体層の禁制帯幅が、積層方向に関してｐ型半導
体に近づくほど狭くなるよう変化してなることを特徴と
する特許請求の範囲第（１）項記載の光変調器。