JPH0268516A - 光通信変調装置 - Google Patents
光通信変調装置Info
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- JPH0268516A JPH0268516A JP1171738A JP17173889A JPH0268516A JP H0268516 A JPH0268516 A JP H0268516A JP 1171738 A JP1171738 A JP 1171738A JP 17173889 A JP17173889 A JP 17173889A JP H0268516 A JPH0268516 A JP H0268516A
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
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- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
-
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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。
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、光通信において、電気信号に応答して電磁放
射する変調とスイッチングに関する。
射する変調とスイッチングに関する。
[従来技術の説明]
光通信の重要な側面として、近赤外線放射の変調とスイ
ッチングがとりわけ、注目を集めている。
ッチングがとりわけ、注目を集めている。
特に現在重要な点は、電気信号によるそのような放射の
変調である。変調は、光源の強弱の直接変調の形を取る
が、あるいは、例えば、はぼ一定強度を有する光源から
の放射に応用できるような間接変調手段が望ましい。。
変調である。変調は、光源の強弱の直接変調の形を取る
が、あるいは、例えば、はぼ一定強度を有する光源から
の放射に応用できるような間接変調手段が望ましい。。
そのような間接変調装置は、C,J、ハスナミアン他の
記載した論文「超格子をドーピングしたガリウムひ素中
の変調可能な電磁吸収」 (アプライドフィジックスレ
ター第50巻(1987年)915−917ページ)に
開示されている。それは、ガリウム・ひ素手導体層の超
格子を使用しており、それは4個のグループ(Nドープ
・真性・Pドープ・真性)から成る。以下に記述する本
発明は、吸収特性を改良し、バイアス能力を強化した半
導体変調装置を提供しようとする試みによって、成され
たものである。
記載した論文「超格子をドーピングしたガリウムひ素中
の変調可能な電磁吸収」 (アプライドフィジックスレ
ター第50巻(1987年)915−917ページ)に
開示されている。それは、ガリウム・ひ素手導体層の超
格子を使用しており、それは4個のグループ(Nドープ
・真性・Pドープ・真性)から成る。以下に記述する本
発明は、吸収特性を改良し、バイアス能力を強化した半
導体変調装置を提供しようとする試みによって、成され
たものである。
本発明の関連文献は、以下のE、 F、 シニバー
ト等によるものが挙げられる。
ト等によるものが挙げられる。
(1)「分子線エピタキシによる新しい凸凹半導体超格
子中の放射電子ホール再結合」 (フィジカルレビュー
B 第32巻(1985年) 1085〜1089ペ
ージ) (2)「デルタドープ電界効果トランジスタ(δFET
J (IEEE 電子部品論文集 第ED33巻(
1988年) 625−632ページ)(3)「デル
タドープn型GAAS中に於ける不純物の偏在」 (ア
プライドフィジックスレター第52巻(1988年>
1508−1510ページ)(発明の概要) 光通信において用いられる電磁放射は、半導体層構造中
に可変電界を生成する電気信号に応じて変調される。好
ましい実施例において、本質的に、非ドープの半導体材
料は、適当な基板上にエピタキシャル成長されて、イン
ターリーブされた薄く高濃度にドープされたドナー領域
(N型)とアクセプタ(P型)領域として用いられる。
子中の放射電子ホール再結合」 (フィジカルレビュー
B 第32巻(1985年) 1085〜1089ペ
ージ) (2)「デルタドープ電界効果トランジスタ(δFET
J (IEEE 電子部品論文集 第ED33巻(
1988年) 625−632ページ)(3)「デル
タドープn型GAAS中に於ける不純物の偏在」 (ア
プライドフィジックスレター第52巻(1988年>
1508−1510ページ)(発明の概要) 光通信において用いられる電磁放射は、半導体層構造中
に可変電界を生成する電気信号に応じて変調される。好
ましい実施例において、本質的に、非ドープの半導体材
料は、適当な基板上にエピタキシャル成長されて、イン
ターリーブされた薄く高濃度にドープされたドナー領域
(N型)とアクセプタ(P型)領域として用いられる。
光変調において好ましい光入射は、層構造に直交するも
のであるが、他の方向(例えば平行入射)でもかまわな
い。
のであるが、他の方向(例えば平行入射)でもかまわな
い。
本発明の装置は、広い波長領域を有し、光強度が変調さ
れ、かつ透明状態と不透明状態の大きな対照比が得られ
、その動作電圧は、集積回路で一般的に用いられる範囲
にあり、高スピード(例えば、GHz)能力を有する。
れ、かつ透明状態と不透明状態の大きな対照比が得られ
、その動作電圧は、集積回路で一般的に用いられる範囲
にあり、高スピード(例えば、GHz)能力を有する。
(実施例の説明)
第1図には、基板11.エピタキシャル成長半導体層1
2、n型ドープ領域層13、n型ドープ領域層14、電
気接点15.16、光ファイバー7が示されている。接
点材料は、半導体材料中に拡散したものとして示され、
拡散領域151.181を形成する。適当な(変調され
た)電圧が接点15.18間にかかると、層構造中にお
けるエネルギーhνの入力電磁放射の吸収は、その電圧
の関数として変化する。その結果、強度変調放射が光フ
ァイバー7の中に入る。
2、n型ドープ領域層13、n型ドープ領域層14、電
気接点15.16、光ファイバー7が示されている。接
点材料は、半導体材料中に拡散したものとして示され、
拡散領域151.181を形成する。適当な(変調され
た)電圧が接点15.18間にかかると、層構造中にお
けるエネルギーhνの入力電磁放射の吸収は、その電圧
の関数として変化する。その結果、強度変調放射が光フ
ァイバー7の中に入る。
半導体ホスト材料として適当な物は、第■−■族材料(
ガリウム・ひ素)の2元材料、第■−■族材料(ガリウ
ム、インジウム、リン、ひ素)の2元及び、4元材料、
第■−■族、第■族材料である。この材料の選択におい
て重要なことは、エネルギーバンドギャップE と対応
する波長λ8であり、問題となる波長λの変調が、λ
くλを満足すること要求される。例えば、ガリウム・ひ
素はE = 1.424eVで゛、λ が877ナ
ノメ一タg であるので、この素子は、約900から1000ナノメ
ータの間の波長において、変調するのに適している。ガ
リウム・ひ素源から放射された光では、素子は、より高
いギャップのホスト材料(例えば、アルミニウムーガリ
ウム−ひ素)を含むのが望ましい。一方、典型的には、
単一の半導体材料が、ホスト材料として用いられるが、
波長応答を広げるという意味においては、別の材料でも
かまわない。
ガリウム・ひ素)の2元材料、第■−■族材料(ガリウ
ム、インジウム、リン、ひ素)の2元及び、4元材料、
第■−■族、第■族材料である。この材料の選択におい
て重要なことは、エネルギーバンドギャップE と対応
する波長λ8であり、問題となる波長λの変調が、λ
くλを満足すること要求される。例えば、ガリウム・ひ
素はE = 1.424eVで゛、λ が877ナ
ノメ一タg であるので、この素子は、約900から1000ナノメ
ータの間の波長において、変調するのに適している。ガ
リウム・ひ素源から放射された光では、素子は、より高
いギャップのホスト材料(例えば、アルミニウムーガリ
ウム−ひ素)を含むのが望ましい。一方、典型的には、
単一の半導体材料が、ホスト材料として用いられるが、
波長応答を広げるという意味においては、別の材料でも
かまわない。
都合の良い事に、半導体層12とドーパント層13.1
4は、分子線エピタキシ(MBE)によりx方向に連続
して堆積される。しかし、他の方法(例えば、有機金属
化学気相成長(MOCVD))でもかまわない。第1図
に示されるような接点を形成するのに、ドーパント材料
を選択的に含むこと(δ−ドーピング)は、シャドウマ
スク技術によって利用される。
4は、分子線エピタキシ(MBE)によりx方向に連続
して堆積される。しかし、他の方法(例えば、有機金属
化学気相成長(MOCVD))でもかまわない。第1図
に示されるような接点を形成するのに、ドーパント材料
を選択的に含むこと(δ−ドーピング)は、シャドウマ
スク技術によって利用される。
一般的な構造寸法は、ドープ領域間の距離は、50から
500ナノメータの範囲である。好ましいド−ブ領域の
厚さは、10ナノメータ以下で、さらに好ましくは、5
ナノメータ以下であるが、このことについては、不純物
吸収の好ましい最少化の観点から以下に説明する。好ま
しい2次元ドーパント濃度は、5 X 1012から2
X 10’cm−2の範囲にある。第1II−IV族
材料(例えばガリウム−ひ素)の場合においては、p型
ドーピングは、ベリリウムによって、n型ドーピングは
、シリコンによってなされる。そのようなドーパントは
、ガリウム・ひ素結晶格子におけるガリウムモル−ヤの
ガリウムサイトを5%以下のオーダで占有する。あるい
は、P型ドーピングは、ひ素サイトのカーボンによって
なされる。
500ナノメータの範囲である。好ましいド−ブ領域の
厚さは、10ナノメータ以下で、さらに好ましくは、5
ナノメータ以下であるが、このことについては、不純物
吸収の好ましい最少化の観点から以下に説明する。好ま
しい2次元ドーパント濃度は、5 X 1012から2
X 10’cm−2の範囲にある。第1II−IV族
材料(例えばガリウム−ひ素)の場合においては、p型
ドーピングは、ベリリウムによって、n型ドーピングは
、シリコンによってなされる。そのようなドーパントは
、ガリウム・ひ素結晶格子におけるガリウムモル−ヤの
ガリウムサイトを5%以下のオーダで占有する。あるい
は、P型ドーピングは、ひ素サイトのカーボンによって
なされる。
第2図のグラフは、ドーパント濃度を距離座標X(第1
図に対応)の関数として、得られたジグザクあるいは、
スムーズなエネルギーバンドパターンを示し、これには
、価電子帯と伝導帯とこれらのバンド体の禁制帯(ギャ
ップ)を示している。
図に対応)の関数として、得られたジグザクあるいは、
スムーズなエネルギーバンドパターンを示し、これには
、価電子帯と伝導帯とこれらのバンド体の禁制帯(ギャ
ップ)を示している。
第2図に示されたバンドダイアグラムは、接点15.1
6間の0バイアス電圧に対応するもので、正あるいは、
負のバイアス電圧を印加したものは、それぞれ、第3,
4図に示されるような、ジグザグパターンのピークから
谷までのエネルギー差の減少と増加を意味する。
6間の0バイアス電圧に対応するもので、正あるいは、
負のバイアス電圧を印加したものは、それぞれ、第3,
4図に示されるような、ジグザグパターンのピークから
谷までのエネルギー差の減少と増加を意味する。
物理学の観点から素子の機能は次の通りである(第5図
参照)。光は、トンネル吸収あるいは、電磁吸収と称さ
れる二段階プロセスによって吸収される。その第1段階
は、半導体の価電子帯から禁制帯中にある中間状態52
への電子51の励起で、吸収ホトンのエネルギーhνは
、半導体ホスト材料のエネルギーギャップより小さい。
参照)。光は、トンネル吸収あるいは、電磁吸収と称さ
れる二段階プロセスによって吸収される。その第1段階
は、半導体の価電子帯から禁制帯中にある中間状態52
への電子51の励起で、吸収ホトンのエネルギーhνは
、半導体ホスト材料のエネルギーギャップより小さい。
第2段階では、そのギャップの中間状態52から半導体
の伝導帯にある許容状態53へのトンネル吸収である。
の伝導帯にある許容状態53へのトンネル吸収である。
このトンネリング確率は、半導体の電界に直接依存する
。そしてこの電界は、変調器に印加される電圧に比例す
る。かくして、トンネル吸収による光量と補足伝達光量
は、印加電圧により制御される。
。そしてこの電界は、変調器に印加される電圧に比例す
る。かくして、トンネル吸収による光量と補足伝達光量
は、印加電圧により制御される。
本発明の別の重要な側面は、問題となっているエネルギ
ー(例えば、バンドギャップエネルギ以下のエネルギー
)における不純物吸収の阻止に関連し、そのような吸収
は、印加電位とは無関係で、そのコントラスト比に悪影
響を及ぼす。この点(こ関し、さらに第6図において、
ドープくントス/くイク54,55間の領域は、ドープ
されておらず、エネルギーギャップE 以下のエネルギ
ーでの不純物吸収は、ここでは、生じない。そのような
エネルギーにおける不純物吸収は、ドープ領域54.5
5でも発生しない。というのは、V型のボテンシャル井
戸における最低エネルギーレベルEoがシフトするから
である。かくして、高透明な素子状態1こおいては、問
題のエネルギーにおける不純物吸収は、はとんどあり得
ない。
ー(例えば、バンドギャップエネルギ以下のエネルギー
)における不純物吸収の阻止に関連し、そのような吸収
は、印加電位とは無関係で、そのコントラスト比に悪影
響を及ぼす。この点(こ関し、さらに第6図において、
ドープくントス/くイク54,55間の領域は、ドープ
されておらず、エネルギーギャップE 以下のエネルギ
ーでの不純物吸収は、ここでは、生じない。そのような
エネルギーにおける不純物吸収は、ドープ領域54.5
5でも発生しない。というのは、V型のボテンシャル井
戸における最低エネルギーレベルEoがシフトするから
である。かくして、高透明な素子状態1こおいては、問
題のエネルギーにおける不純物吸収は、はとんどあり得
ない。
不純物吸収に関し上記の点において、ドープ領域の好ま
しい厚さは、V型ポテンシャル井戸の最低サブバンドの
空間量(spatial extent) Z oによ
って制限される。文献2で論じたように、そのような量
は、次式で表わされる。
しい厚さは、V型ポテンシャル井戸の最低サブバンドの
空間量(spatial extent) Z oによ
って制限される。文献2で論じたように、そのような量
は、次式で表わされる。
Zo = 172 [h (2rnEo)凸。
Eo= 1/42−173[e2h2N2/ (22m
)]”3EoはV型ポテンシャルにおける最低固有状態
のエネルギーで、eは基本チャージで、Nは2次元ドー
パント濃度で、εは半導体誘電率で、mは有効電子量あ
るいは、ホールキャリア量である。
)]”3EoはV型ポテンシャルにおける最低固有状態
のエネルギーで、eは基本チャージで、Nは2次元ドー
パント濃度で、εは半導体誘電率で、mは有効電子量あ
るいは、ホールキャリア量である。
たとえば、ガリウムひ素においては、N−10’cm−
2、E−188meVでZ−5,4ナノメータである。
2、E−188meVでZ−5,4ナノメータである。
(実施例)
ガス源分子線エピタキシーを用いてガリウム・ひ素基板
上にδ−ドープしたガリウム・ひ素をlθ周期堆積する
。ドーパント「スパイク」間の純ガリウム・ひ素の厚さ
は約200ナノメータで、ドープ領域は約1ナノメータ
の厚さを有し、2次元ドーパント濃度は1013cn+
−2である。ベリリウムとシリコンは、それぞれp型、
n型ドーパントとして、用いられる。基板は研磨される
が、これは、入力放射のスキャタリングを最小にするた
めである。
上にδ−ドープしたガリウム・ひ素をlθ周期堆積する
。ドーパント「スパイク」間の純ガリウム・ひ素の厚さ
は約200ナノメータで、ドープ領域は約1ナノメータ
の厚さを有し、2次元ドーパント濃度は1013cn+
−2である。ベリリウムとシリコンは、それぞれp型、
n型ドーパントとして、用いられる。基板は研磨される
が、これは、入力放射のスキャタリングを最小にするた
めである。
このn型部分、p型部分は、それぞれ、選択的にここで
、 堆積されたすず接点と亜鉛全接点に接触し、これらの接
点は、約60秒間425℃の温度を保持して、合金化さ
れる。
、 堆積されたすず接点と亜鉛全接点に接触し、これらの接
点は、約60秒間425℃の温度を保持して、合金化さ
れる。
この結果、得られた素子は、実験装置でテストされた。
ここで、単一バス−174メータのモノクロメータを用
いて、この素子にパッド接触したマルチモード・シリカ
・ファイバに集光した。伝送光はシリコンの光ダイオー
ドで検知し、「ロック−イン」技術を用いて、増幅した
。素子の接点間に印加される異なる電圧毎に、その結果
を第4図に示す。比較的広い範囲の波長(Δλ〉100
ナノメータ)を通して有意義な変調が達成されている。
いて、この素子にパッド接触したマルチモード・シリカ
・ファイバに集光した。伝送光はシリコンの光ダイオー
ドで検知し、「ロック−イン」技術を用いて、増幅した
。素子の接点間に印加される異なる電圧毎に、その結果
を第4図に示す。比較的広い範囲の波長(Δλ〉100
ナノメータ)を通して有意義な変調が達成されている。
というのは、光源波長と変調器(ナノメータオーダの波
長範囲を有する)波長との正確なマツチングは要求され
ないからである。不透明状態と透明状態の観察される最
大のコントラスト比は、約950ナノメータの波長で、
約1:1.7(即ち70%)である。不透明状態と透明
状態間の電位差は、約3.3Vで、この小さな電位差は
変調器を通常の電気回路に組み込むのには好ましい。
長範囲を有する)波長との正確なマツチングは要求され
ないからである。不透明状態と透明状態の観察される最
大のコントラスト比は、約950ナノメータの波長で、
約1:1.7(即ち70%)である。不透明状態と透明
状態間の電位差は、約3.3Vで、この小さな電位差は
変調器を通常の電気回路に組み込むのには好ましい。
第1図は本発明の1実施例による変調装置の側面図、
第2図は第1図の装置のドーピング図と、エネルギバン
ド図、 第3図は正バイアス下における第1図の装置のエネルギ
バンド図、 第4図は負バイアス下における第1図の装置のエネルギ
バンド図、 第5図は第2図のエネルギバンド図の1部を示す図、 第6図は第1図の装置により伝送された光の強度間の関
係を異なるバイアス電圧と波長の関数として示した図で
ある。 出 願 人:アメリカン テレフォン アンド1司 :桂木雄二 波長 λ(−
ド図、 第3図は正バイアス下における第1図の装置のエネルギ
バンド図、 第4図は負バイアス下における第1図の装置のエネルギ
バンド図、 第5図は第2図のエネルギバンド図の1部を示す図、 第6図は第1図の装置により伝送された光の強度間の関
係を異なるバイアス電圧と波長の関数として示した図で
ある。 出 願 人:アメリカン テレフォン アンド1司 :桂木雄二 波長 λ(−
Claims (10)
- (1)基板支持半導体構造を有し、 前記構造は、個々に接続されインターリーブされたn型
領域とp型領域(13、14)を含む半導体層(12)
を含み、 前記領域の厚さは、前記領域の存在により得られるポテ
ンシャル井戸の最小サブバンドの空間量以下であること
を特徴とする光通信変調装置。 - (2)前記領域の厚さは、10ナノメータ未満であるこ
とを特徴とする請求項1記載の装置。 - (3)前記領域間の距離は、50以上500以下ナノメ
ータの範囲にあることを特徴とする請求項1記載の装置
。 - (4)前記領域のドーパント濃度は、5×10^1^2
以上2×10^1^3以下cm^−^2/ドープ領域の
範囲にあることを特徴とする請求項1記載の装置。 - (5)前記構造は、主に一つの半導体材料で形成される
ことを特徴とする請求項1記載の装置。 - (6)前記半導体材料は、主にガリウム・ひ素からなる
ことを特徴とする請求項5記載の装置。 - (7)前記構造は、研磨基板上にあることを特徴とする
請求項1記載の装置。 - (8)前記装置に入射する電磁放射源をさらに有するこ
とを特徴とする請求項記載の装置。 - (9)前記電磁放射の入射は、前記領域にほぼ垂直であ
ることを特徴とする請求項8記載の装置。 - (10)前記装置から、放射する光を伝送するに適した
光ファイバをさらに有することを特徴とする請求項1記
載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/222,603 US4929064A (en) | 1988-07-21 | 1988-07-21 | Optical communications modulator device |
US222603 | 1994-04-01 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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JP2672371B2 JP2672371B2 (ja) | 1997-11-05 |
Family
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---|---|---|---|
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---|---|
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CA (1) | CA1317364C (ja) |
DE (1) | DE68919385T2 (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009505520A (ja) * | 2005-08-12 | 2009-02-05 | マックス リニアー、インコーポレイテッド | 広ダイナミックレンジ増幅器の利得制御 |
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JPH02136821A (ja) * | 1988-11-18 | 1990-05-25 | Fujitsu Ltd | 半導体光変調器 |
JP2758472B2 (ja) * | 1990-01-11 | 1998-05-28 | 三菱電機株式会社 | 光変調器 |
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KR960004594B1 (ko) * | 1993-03-17 | 1996-04-09 | 엘지전자주식회사 | 적외선 광 검출기 |
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US4784476A (en) * | 1987-01-27 | 1988-11-15 | Hughes Aircraft Company | Nipi refractive index modulation apparatus and method |
-
1988
- 1988-07-21 US US07/222,603 patent/US4929064A/en not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-06-07 CA CA000602053A patent/CA1317364C/en not_active Expired - Fee Related
- 1989-07-03 JP JP1171738A patent/JP2672371B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-13 EP EP89307106A patent/EP0352019B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-13 DE DE68919385T patent/DE68919385T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-07-13 ES ES89307106T patent/ES2063824T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-20 KR KR1019890010262A patent/KR900002104A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Publication number | Publication date |
---|---|
EP0352019A3 (en) | 1991-10-02 |
DE68919385D1 (de) | 1994-12-22 |
US4929064A (en) | 1990-05-29 |
CA1317364C (en) | 1993-05-04 |
EP0352019B1 (en) | 1994-11-17 |
DE68919385T2 (de) | 1995-03-30 |
JP2672371B2 (ja) | 1997-11-05 |
ES2063824T3 (es) | 1995-01-16 |
KR900002104A (ko) | 1990-02-28 |
EP0352019A2 (en) | 1990-01-24 |
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