JPH05173200A - 量子井戸構造の半導体素子を用いて光を変調する方法及び装置 - Google Patents
量子井戸構造の半導体素子を用いて光を変調する方法及び装置Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- 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
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Abstract
(57)【要約】
【目的】仮想電荷分極が過渡的に生じる現象を利用して
ピコ秒或はそれ以下の超高速度で光を変調する光変調方
法及び装置である。 【構成】量子井戸構造でのキャリアの仮想励起による過
渡的な空間電界生成を用いる。電気光学効果を介して量
子井戸構造の光学的屈折率異方性を励起し、この光学的
屈折率異方性により量子井戸構造を伝搬する光の偏光状
態を変化させる。仮想励起された電子・正孔対の波動関
数１７、１８が半導体量子井戸構造部に印加されている
静電界の為に非対称になって、仮想電荷分極が過渡的に
生じる現象を利用する。
ピコ秒或はそれ以下の超高速度で光を変調する光変調方
法及び装置である。 【構成】量子井戸構造でのキャリアの仮想励起による過
渡的な空間電界生成を用いる。電気光学効果を介して量
子井戸構造の光学的屈折率異方性を励起し、この光学的
屈折率異方性により量子井戸構造を伝搬する光の偏光状
態を変化させる。仮想励起された電子・正孔対の波動関
数１７、１８が半導体量子井戸構造部に印加されている
静電界の為に非対称になって、仮想電荷分極が過渡的に
生じる現象を利用する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、量子井戸構造の半導体
素子を用いて、ピコ秒或はそれ以下の超高速度で光を変
調する方法及び装置に関する。
素子を用いて、ピコ秒或はそれ以下の超高速度で光を変
調する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光変調装置として、photorefract
ive （ＰＲ）効果を用いたものが提案されている。この
ＰＲ効果を、図５を用いて説明する。
ive （ＰＲ）効果を用いたものが提案されている。この
ＰＲ効果を、図５を用いて説明する。
【０００３】図５は、バルク電気光学結晶のエネルギー
バンドを示す図である。ここで、或る不純物準位４２に
ある電子４１を光学的に伝導帯に励起すると、この電子
４１は、伝導帯において拡散及びドリフトし、その後、
捕獲準位４３によって捕獲される。この電子の捕獲によ
って生じる空間電界は、電気光学効果（ポッケルス効
果）によって非線形屈折率変化を起こす。この様な現象
がＰＲ効果と呼ばれている。前記不純物準位４２は、通
常、浅い準位であるドナー準位やアクセプタ準位に対し
て、室温の熱エネルギー（２６ｍｅＶ）に比べ十分大き
なエネルギーギャップを持つ深い準位と呼ばれる。ま
た、捕獲準位４３は、通常、不純物準位４２のイオン化
準位から成る。
バンドを示す図である。ここで、或る不純物準位４２に
ある電子４１を光学的に伝導帯に励起すると、この電子
４１は、伝導帯において拡散及びドリフトし、その後、
捕獲準位４３によって捕獲される。この電子の捕獲によ
って生じる空間電界は、電気光学効果（ポッケルス効
果）によって非線形屈折率変化を起こす。この様な現象
がＰＲ効果と呼ばれている。前記不純物準位４２は、通
常、浅い準位であるドナー準位やアクセプタ準位に対し
て、室温の熱エネルギー（２６ｍｅＶ）に比べ十分大き
なエネルギーギャップを持つ深い準位と呼ばれる。ま
た、捕獲準位４３は、通常、不純物準位４２のイオン化
準位から成る。
【０００４】このＰＲ効果は、数ｍＷ程度のレーザ光パ
ワーで大きな非線形屈折率変化が得られるという利点を
有するが、光励起キャリア（この例では電子）の移動及
び捕獲を用いる為に、その応答速度は高々数マイクロ秒
程度である。
ワーで大きな非線形屈折率変化が得られるという利点を
有するが、光励起キャリア（この例では電子）の移動及
び捕獲を用いる為に、その応答速度は高々数マイクロ秒
程度である。
【０００５】これを克服する為に、最近、バリア層をグ
レーディドギャップとした、即ちバンドギャップが層厚
方向に変化している構造にした半導体井戸構造がＲａｌ
ｐｈｅｔ．ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．６３，ｐｐ．２２７２−２２
７５（１９８９）において提案されている。図６（ａ）
〜（ｃ）にこれを示す。図６（ａ）に示す如く、バリア
層の価電子帯５１と伝導帯５２はグレーディドギャップ
構造になっており、これによりビルトイン（ｂｕｉｌｔ
−ｉｎ）電界が形成されている。ここにおいて、グレー
ディドギャップバリア層で光入射により生成される正孔
５３と電子５４は、上記ビルトイン電界によりドリフト
して夫々価電子帯と伝導帯での量子井戸５５、５６で捕
獲される。この時、電子５４と正孔５３のドリフト速度
の違いにより、図６（ｂ）のように電子５４の方が早く
上記量子井戸５６に捕獲される。この為、図６（ｃ）の
ように正孔５３が量子井戸５５に捕獲されるまでの間、
電子５４と正孔５３との間で過渡的に空間電界が生じ
る。これがバリア層での電気光学効果を介して屈折率の
変化を誘起するのである。
レーディドギャップとした、即ちバンドギャップが層厚
方向に変化している構造にした半導体井戸構造がＲａｌ
ｐｈｅｔ．ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．６３，ｐｐ．２２７２−２２
７５（１９８９）において提案されている。図６（ａ）
〜（ｃ）にこれを示す。図６（ａ）に示す如く、バリア
層の価電子帯５１と伝導帯５２はグレーディドギャップ
構造になっており、これによりビルトイン（ｂｕｉｌｔ
−ｉｎ）電界が形成されている。ここにおいて、グレー
ディドギャップバリア層で光入射により生成される正孔
５３と電子５４は、上記ビルトイン電界によりドリフト
して夫々価電子帯と伝導帯での量子井戸５５、５６で捕
獲される。この時、電子５４と正孔５３のドリフト速度
の違いにより、図６（ｂ）のように電子５４の方が早く
上記量子井戸５６に捕獲される。この為、図６（ｃ）の
ように正孔５３が量子井戸５５に捕獲されるまでの間、
電子５４と正孔５３との間で過渡的に空間電界が生じ
る。これがバリア層での電気光学効果を介して屈折率の
変化を誘起するのである。
【０００６】電子５４と正孔５３が量子井戸５６、５５
に捕獲された後では、両者間に空間的な分離がないので
上記過渡的な空間電界は消滅する。こうした過渡的な過
程のＰＲ効果の応答速度は、電子５４が量子井戸５６に
捕獲されるまでのドリフト時間で概ね決まる為に、立ち
上がりの応答速度としてピコ秒程度が実験的に得られて
いる。
に捕獲された後では、両者間に空間的な分離がないので
上記過渡的な空間電界は消滅する。こうした過渡的な過
程のＰＲ効果の応答速度は、電子５４が量子井戸５６に
捕獲されるまでのドリフト時間で概ね決まる為に、立ち
上がりの応答速度としてピコ秒程度が実験的に得られて
いる。
【０００７】また、立ち下がり時間は正孔５３の量子井
戸５５での捕獲に要する時間で概ね決まり、量子井戸５
６、５５中での電子５４−正孔５３間の再結合時間に制
限されない。なぜなら、量子井戸５６、５５内に捕獲さ
れた電子５４と正孔５３との間には空間的な分離がない
ので空間電界は生じず、上記ＰＲ効果に寄与しないから
である。従って、立ち下がり時間もピコ秒から１０ピコ
秒オーダーが期待できる。しかし、実際には、バリア層
での不純物トラップに起因するＰＲ効果のナノ秒オーダ
ーの立ち下がり時間の裾引きが生じるという問題があっ
た。
戸５５での捕獲に要する時間で概ね決まり、量子井戸５
６、５５中での電子５４−正孔５３間の再結合時間に制
限されない。なぜなら、量子井戸５６、５５内に捕獲さ
れた電子５４と正孔５３との間には空間的な分離がない
ので空間電界は生じず、上記ＰＲ効果に寄与しないから
である。従って、立ち下がり時間もピコ秒から１０ピコ
秒オーダーが期待できる。しかし、実際には、バリア層
での不純物トラップに起因するＰＲ効果のナノ秒オーダ
ーの立ち下がり時間の裾引きが生じるという問題があっ
た。
【０００８】以上の様に、ＰＲ効果を用いた純光学的な
光波の変調では、量子井戸構造を用いたキャリアの実励
起によるものでも、光励起されたキャリアの走行時間及
び不純物準位での捕獲により、立ち上がり及び立ち下が
りの応答速度が制限されるという欠点があった。
光波の変調では、量子井戸構造を用いたキャリアの実励
起によるものでも、光励起されたキャリアの走行時間及
び不純物準位での捕獲により、立ち上がり及び立ち下が
りの応答速度が制限されるという欠点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】よって、本発明の目的
は、上記従来技術の問題点を解決し、ピコ秒或はそれ以
下の超高速度で光を変調することができる光変調方法及
び装置を提供することにある。
は、上記従来技術の問題点を解決し、ピコ秒或はそれ以
下の超高速度で光を変調することができる光変調方法及
び装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】本発明の上記目的を達成す
る光変調装置は以下を有することを特徴とする：量子井
戸構造を備えた半導体素子；半導体素子の量子井戸構造
に電界を印加する手段；半導体素子に偏光したプローブ
光を入射する手段、該プローブ光は、量子井戸構造にお
ける電気光学効果によって、その偏光状態が変化して半
導体素子から出射される；半導体素子に、その量子井戸
構造に仮想電荷励起を生じさせるポンプ光を入射する手
段、ここで、仮想電荷励起よって、量子井戸構造に印加
された電界がスクリーニングされる；及び半導体素子か
ら出射した光の偏光状態の変化を強度変化に変換する偏
光子。
る光変調装置は以下を有することを特徴とする：量子井
戸構造を備えた半導体素子；半導体素子の量子井戸構造
に電界を印加する手段；半導体素子に偏光したプローブ
光を入射する手段、該プローブ光は、量子井戸構造にお
ける電気光学効果によって、その偏光状態が変化して半
導体素子から出射される；半導体素子に、その量子井戸
構造に仮想電荷励起を生じさせるポンプ光を入射する手
段、ここで、仮想電荷励起よって、量子井戸構造に印加
された電界がスクリーニングされる；及び半導体素子か
ら出射した光の偏光状態の変化を強度変化に変換する偏
光子。
【００１１】また、上記の装置を用いて、光を変調する
方法は以下のステップを有することを特徴とする：半導
体素子の量子井戸構造に電界を印加する；半導体素子に
偏光したプローブ光を入射する、該プローブ光は、量子
井戸構造における電気光学効果によって、その偏光状態
が変化して半導体素子から出射される；半導体素子に、
その量子井戸構造に仮想電荷励起を生じさせるポンプ光
を入射する、ここで、仮想電荷励起によって、量子井戸
構造に印加された電界がスクリーニングされる；及び半
導体素子から出射した光の偏光状態の変化を偏光子によ
って強度変化に変換する。
方法は以下のステップを有することを特徴とする：半導
体素子の量子井戸構造に電界を印加する；半導体素子に
偏光したプローブ光を入射する、該プローブ光は、量子
井戸構造における電気光学効果によって、その偏光状態
が変化して半導体素子から出射される；半導体素子に、
その量子井戸構造に仮想電荷励起を生じさせるポンプ光
を入射する、ここで、仮想電荷励起によって、量子井戸
構造に印加された電界がスクリーニングされる；及び半
導体素子から出射した光の偏光状態の変化を偏光子によ
って強度変化に変換する。
【００１２】また、本発明の一実施態様の光変調装置は
以下を有する： （ａ）以下のものから成る半導体素子、基板；基板上に
形成された第１の導電型を有する第１の半導体層；第１
の半導体層上に形成された多重量子井戸層；多重量子井
戸層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体
層；及び第１及び第２の半導体層に各々電気的にコンタ
クトされた一対の電極； （ｂ）半導体素子に逆バイアスの電界を印加する、前記
電極に接続された電圧源； （ｃ）半導体素子に偏光したプローブ光を入射する手
段、該プローブ光は、多重量子井戸層における電気光学
効果によって、その偏光状態が変化して半導体素子から
出射される； （ｄ）半導体素子に、その多重量子井戸層に仮想電荷励
起を生じさせるポンプ光を入射する手段、ここで、仮想
電荷励起によって、量子井戸構造に印加された電界がス
クリーニングされる；及び （ｅ）半導体素子から出射した光の偏光状態の変化を強
度変化に変換する偏光子。
以下を有する： （ａ）以下のものから成る半導体素子、基板；基板上に
形成された第１の導電型を有する第１の半導体層；第１
の半導体層上に形成された多重量子井戸層；多重量子井
戸層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体
層；及び第１及び第２の半導体層に各々電気的にコンタ
クトされた一対の電極； （ｂ）半導体素子に逆バイアスの電界を印加する、前記
電極に接続された電圧源； （ｃ）半導体素子に偏光したプローブ光を入射する手
段、該プローブ光は、多重量子井戸層における電気光学
効果によって、その偏光状態が変化して半導体素子から
出射される； （ｄ）半導体素子に、その多重量子井戸層に仮想電荷励
起を生じさせるポンプ光を入射する手段、ここで、仮想
電荷励起によって、量子井戸構造に印加された電界がス
クリーニングされる；及び （ｅ）半導体素子から出射した光の偏光状態の変化を強
度変化に変換する偏光子。
【００１３】
【作用】即ち、本発明の装置は、量子井戸構造でのキャ
リアの仮想励起（光照射される間のみ励起が起こるも
の）による過渡的な空間電界生成を用いて電気光学効果
を介して量子井戸構造の光学的屈折率異方性を励起し、
この光学的屈折率異方性により量子井戸構造を伝搬する
光の偏光状態を変化させるものである。この様に本発明
の装置は、仮想励起された電子・正孔対の波動関数が半
導体量子井戸構造部に印加された静電界の為に非対称に
なって、仮想電荷分極が過渡的に生じる現象を利用する
ので、応答速度の立ち上がり、立ち下がり共に仮想的な
キャリア励起過程に関わり、例えばサブピコ秒程度の高
速変調が可能となる。
リアの仮想励起（光照射される間のみ励起が起こるも
の）による過渡的な空間電界生成を用いて電気光学効果
を介して量子井戸構造の光学的屈折率異方性を励起し、
この光学的屈折率異方性により量子井戸構造を伝搬する
光の偏光状態を変化させるものである。この様に本発明
の装置は、仮想励起された電子・正孔対の波動関数が半
導体量子井戸構造部に印加された静電界の為に非対称に
なって、仮想電荷分極が過渡的に生じる現象を利用する
ので、応答速度の立ち上がり、立ち下がり共に仮想的な
キャリア励起過程に関わり、例えばサブピコ秒程度の高
速変調が可能となる。
【００１４】
【実施例】先ず、量子井戸中での仮想電荷分極励起の現
象について説明する。この現象は、例えば、山西正道
応用物理 第５８巻，ｐｐ．１９６９−１７０７（１９
８９）に記載されている。図１はＤＣ（静）電界が量子
井戸積層方向に平行に印加された量子井戸構造を示し、
伝導帯の基底サブバンド１１及び価電子帯の基底サブバ
ンド１２の波動関数１３、１４は、傾斜したバンド構造
により、図の如く空間的にずれて非対称になっている。
この為に、ＤＣ電界を加えないときと比べて実効エネル
ギーギャップと振動子強度が変化し、光学的な分散特性
（光吸収率、屈折率の波長依存性）に変化が生じる。こ
の様な状況で、基底サブバンド１１、１２間の励起子エ
ネルギーギャップに対して離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）し
た光子エネルギーｈνの非共鳴光をここに入射させる
と、コヒーレントな仮想遷移による電子励起が生じる。
この時、仮想励起された電子・正孔対の波動関数１７、
１８は、量子井戸構造に印加された上記ＤＣ電界の為に
図１に示す如く非対称になって、仮想電荷分極が光入力
の間のみ過渡的に生じる。この分極は、ＤＣ電界をスク
リーニングする方向、即ち減殺する方向に反電界Ｅとし
て働く。この過程は、仮想的なキャリア励起である為
に、その応答速度は立ち上がり、立ち下がり共にサブピ
コ秒となる。そして、この場合の反電界Ｅによる量子井
戸構造の電圧降下変化Ｖは量子井戸１つの幅をＬ、量子
井戸の数をＮとすると、Ｖ＝Ｅ×Ｌ×Ｎとなる。
象について説明する。この現象は、例えば、山西正道
応用物理 第５８巻，ｐｐ．１９６９−１７０７（１９
８９）に記載されている。図１はＤＣ（静）電界が量子
井戸積層方向に平行に印加された量子井戸構造を示し、
伝導帯の基底サブバンド１１及び価電子帯の基底サブバ
ンド１２の波動関数１３、１４は、傾斜したバンド構造
により、図の如く空間的にずれて非対称になっている。
この為に、ＤＣ電界を加えないときと比べて実効エネル
ギーギャップと振動子強度が変化し、光学的な分散特性
（光吸収率、屈折率の波長依存性）に変化が生じる。こ
の様な状況で、基底サブバンド１１、１２間の励起子エ
ネルギーギャップに対して離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）し
た光子エネルギーｈνの非共鳴光をここに入射させる
と、コヒーレントな仮想遷移による電子励起が生じる。
この時、仮想励起された電子・正孔対の波動関数１７、
１８は、量子井戸構造に印加された上記ＤＣ電界の為に
図１に示す如く非対称になって、仮想電荷分極が光入力
の間のみ過渡的に生じる。この分極は、ＤＣ電界をスク
リーニングする方向、即ち減殺する方向に反電界Ｅとし
て働く。この過程は、仮想的なキャリア励起である為
に、その応答速度は立ち上がり、立ち下がり共にサブピ
コ秒となる。そして、この場合の反電界Ｅによる量子井
戸構造の電圧降下変化Ｖは量子井戸１つの幅をＬ、量子
井戸の数をＮとすると、Ｖ＝Ｅ×Ｌ×Ｎとなる。
【００１５】ところで、量子井戸構造を構成する半導体
は、通常、静電界に対する構成原子配置での電気光学効
果（ポッケルス効果）を有しているので、元々印加され
ているＤＣ電界による電気光学効果に加えて上記の反電
界Ｅによって電気光学効果の変化が生じることになる。
このことは、概にＤＣ電界の印加により誘起されている
上記量子井戸構造の光学的異方性が反電界Ｅに発生によ
り更に変化することを意味する。
は、通常、静電界に対する構成原子配置での電気光学効
果（ポッケルス効果）を有しているので、元々印加され
ているＤＣ電界による電気光学効果に加えて上記の反電
界Ｅによって電気光学効果の変化が生じることになる。
このことは、概にＤＣ電界の印加により誘起されている
上記量子井戸構造の光学的異方性が反電界Ｅに発生によ
り更に変化することを意味する。
【００１６】この反電界Ｅによる電圧降下変化Ｖで生じ
る光学的異方性による屈折率の相対変化量Δψは次式で
与えられる。 Δψ＝２π／λ・ｑｎ3ｒeffＶ・・・・・（１） ここで、λは真空中の波長、ｑは結晶方位とＤＣ電界と
の相対関係に依存する定数、ｎは屈折率、ｒeffは実効
的な電気光学係数である。
る光学的異方性による屈折率の相対変化量Δψは次式で
与えられる。 Δψ＝２π／λ・ｑｎ3ｒeffＶ・・・・・（１） ここで、λは真空中の波長、ｑは結晶方位とＤＣ電界と
の相対関係に依存する定数、ｎは屈折率、ｒeffは実効
的な電気光学係数である。
【００１７】本発明は、上記の様な屈折率の変化を利用
して、光の偏光状態を変化させ、光を変調するものであ
る。
して、光の偏光状態を変化させ、光を変調するものであ
る。
【００１８】図２は、本発明に用いられる半導体素子の
一例を示す略断面図である。図２において、符号１はｎ
+−ＧａＡｓ基板、符号２はｎ+−ＧａＡｓから成るエピ
タキシャル成長の為のバッファ層、符号３はｎ+−Ａｌ
ＧａＡｓから成るエッチングストップ層、符号４はｎ型
半導体から成る超格子構造のコンタクト層、符号５はノ
ンドープのイントリンシック（ｉ−）半導体から成る超
格子構造のバッファ層、符号６はｉ−半導体から成る多
重量子井戸層を夫々示す。また、符号７はｉ−半導体か
ら成る超格子構造のバッファ層、８はｐ型半導体から成
る超格子構造のコンタクト層、９はｐ+−ＡｌＧａＡｓ
から成るトップコンタクト層を夫々示す。
一例を示す略断面図である。図２において、符号１はｎ
+−ＧａＡｓ基板、符号２はｎ+−ＧａＡｓから成るエピ
タキシャル成長の為のバッファ層、符号３はｎ+−Ａｌ
ＧａＡｓから成るエッチングストップ層、符号４はｎ型
半導体から成る超格子構造のコンタクト層、符号５はノ
ンドープのイントリンシック（ｉ−）半導体から成る超
格子構造のバッファ層、符号６はｉ−半導体から成る多
重量子井戸層を夫々示す。また、符号７はｉ−半導体か
ら成る超格子構造のバッファ層、８はｐ型半導体から成
る超格子構造のコンタクト層、９はｐ+−ＡｌＧａＡｓ
から成るトップコンタクト層を夫々示す。
【００１９】トップコンタクト層９上には、ｐ型電極１
０が形成され、基板１の底面には、ｎ型電極２０が形成
されている。電極１０は、開孔２６を有するリング状に
形成され、開孔２６からは、後述するプローブ光及びポ
ンプ光から成る入射光２２が入射される。一方、電極２
０、基板１及びバッファ層２にも、開孔２７が形成され
ており、この開孔２７より偏光状態が変化した出射光２
３が出射する。電極１０及び２０の間には、電圧源２１
によって逆バイアスのＤＣ電圧が印加されている。
０が形成され、基板１の底面には、ｎ型電極２０が形成
されている。電極１０は、開孔２６を有するリング状に
形成され、開孔２６からは、後述するプローブ光及びポ
ンプ光から成る入射光２２が入射される。一方、電極２
０、基板１及びバッファ層２にも、開孔２７が形成され
ており、この開孔２７より偏光状態が変化した出射光２
３が出射する。電極１０及び２０の間には、電圧源２１
によって逆バイアスのＤＣ電圧が印加されている。
【００２０】上記の半導体素子は、以下の様に作製され
た。まず、ｎ+−ＧａＡｓ基板１上に、厚さ０．５μｍ
のｎ+−ＧａＡｓバッファ層２、厚さ１μｍのｎ+−Ａｌ
ＧａＡｓエッチングストップ層３を順次成長させた。次
に、層３上に、厚さ２９Åのｎ+−ＧａＡｓ層と、厚さ
６９Åのｎ+−ＡｌＧａＡｓ層を交互に２０周期成長さ
せ、コンタクト層４を形成した。次に、層４上に、厚さ
２９Åのｉ−ＧａＡｓ層と、厚さ６９Åのｉ−ＡｌＧａ
Ａｓ層を交互に３０周期成長させ、バッファ層５を形成
した。次に、厚さ１００Åのｉ−ＡｌＧａＡｓから成る
井戸層と、厚さ１００Åのｉ−ＡｌＡｓから成るバリア
層とを、交互に２０周期成長させ、多重量子井戸層６を
形成した。次に、多重量子井戸層６上に、厚さ２９Åの
ｉ−ＧａＡｓ層と、厚さ６９Åのｉ−ＡｌＧａＡｓ層を
交互に３０周期成長させ、バッファ層７を形成した。次
に、層７上に、厚さ２９Åのｐ+−ＧａＡｓ層と、厚さ
６９Åのｐ+−ＡｌＧａＡｓ層を交互２０周期成長さ
せ、コンタクト層８を形成した。次に、層８上に厚さ１
μｍのｐ+−ＡｌＧａＡｓトップコンタクト層９を成長
させた。これらの半導体層の成長には、分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）を用いた。ＭＢＥの代わりに、有機金属
化学気相堆積（ＭＯ−ＣＶＤ）法を用いても良い。
た。まず、ｎ+−ＧａＡｓ基板１上に、厚さ０．５μｍ
のｎ+−ＧａＡｓバッファ層２、厚さ１μｍのｎ+−Ａｌ
ＧａＡｓエッチングストップ層３を順次成長させた。次
に、層３上に、厚さ２９Åのｎ+−ＧａＡｓ層と、厚さ
６９Åのｎ+−ＡｌＧａＡｓ層を交互に２０周期成長さ
せ、コンタクト層４を形成した。次に、層４上に、厚さ
２９Åのｉ−ＧａＡｓ層と、厚さ６９Åのｉ−ＡｌＧａ
Ａｓ層を交互に３０周期成長させ、バッファ層５を形成
した。次に、厚さ１００Åのｉ−ＡｌＧａＡｓから成る
井戸層と、厚さ１００Åのｉ−ＡｌＡｓから成るバリア
層とを、交互に２０周期成長させ、多重量子井戸層６を
形成した。次に、多重量子井戸層６上に、厚さ２９Åの
ｉ−ＧａＡｓ層と、厚さ６９Åのｉ−ＡｌＧａＡｓ層を
交互に３０周期成長させ、バッファ層７を形成した。次
に、層７上に、厚さ２９Åのｐ+−ＧａＡｓ層と、厚さ
６９Åのｐ+−ＡｌＧａＡｓ層を交互２０周期成長さ
せ、コンタクト層８を形成した。次に、層８上に厚さ１
μｍのｐ+−ＡｌＧａＡｓトップコンタクト層９を成長
させた。これらの半導体層の成長には、分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）を用いた。ＭＢＥの代わりに、有機金属
化学気相堆積（ＭＯ−ＣＶＤ）法を用いても良い。
【００２１】次に、コンタクト層９上に、ＡｕＧｅ膜を
蒸着し、リング状の部分を残してエッチングすることに
よって、電極１０を形成した。基板１の底面には、Ｃｒ
ＡｕＮｉ膜を蒸着し、電極２０を形成した。最後に、電
極２０、基板１及びバッファ層２の一部を、エッチング
ストップ層３に達するまでエッチングし、開孔２７を形
成した。
蒸着し、リング状の部分を残してエッチングすることに
よって、電極１０を形成した。基板１の底面には、Ｃｒ
ＡｕＮｉ膜を蒸着し、電極２０を形成した。最後に、電
極２０、基板１及びバッファ層２の一部を、エッチング
ストップ層３に達するまでエッチングし、開孔２７を形
成した。
【００２２】上記の様に作製された半導体素子の多重量
子井戸層のエネルギーバンド図を図３（ａ）及び（ｂ）
に示す。これらの図において、符号２４は量子井戸層
を、符号２５はバリア層を示す。図３（ａ）は、電圧源
２１から外部電界Ｅ0が印加されていない状態を示す。
量子井戸層２４は、ＡｌxＧａ1-xＡｓから形成され、バ
リア層は前述の様にＡｌＡｓから形成されている。ここ
で、井戸層２４におけるＡｌの組成比ｘは、ｘ＝０．３
から層厚方向に連続的に変化する様に形成され、井戸層
２４は、傾斜したバンドギャップを有している。
子井戸層のエネルギーバンド図を図３（ａ）及び（ｂ）
に示す。これらの図において、符号２４は量子井戸層
を、符号２５はバリア層を示す。図３（ａ）は、電圧源
２１から外部電界Ｅ0が印加されていない状態を示す。
量子井戸層２４は、ＡｌxＧａ1-xＡｓから形成され、バ
リア層は前述の様にＡｌＡｓから形成されている。ここ
で、井戸層２４におけるＡｌの組成比ｘは、ｘ＝０．３
から層厚方向に連続的に変化する様に形成され、井戸層
２４は、傾斜したバンドギャップを有している。
【００２３】上記の量子井戸構造に、電圧源２１より逆
バイアスの電界Ｅ0を印加すると、図３（ｂ）のように
エネルギー状態が変化する。この状態で、量子井戸構造
に仮想電荷励起を生じさせるポンプ光を入射させると、
図１で説明した様に、入射している間のみ、電荷の分極
が生じ、反電界Ｅが生じる。この反電界Ｅよって、印加
されている電圧はＶで示す値、降下する。
バイアスの電界Ｅ0を印加すると、図３（ｂ）のように
エネルギー状態が変化する。この状態で、量子井戸構造
に仮想電荷励起を生じさせるポンプ光を入射させると、
図１で説明した様に、入射している間のみ、電荷の分極
が生じ、反電界Ｅが生じる。この反電界Ｅよって、印加
されている電圧はＶで示す値、降下する。
【００２４】上記電圧降下変化Ｖの値に関して、Ｍ．Ｙ
ａｍａｎｉｓｈｉ ａｎｄ Ｍ．Ｋｕｒｏｓａｋｉ，Ｉ
ＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｒｅｃｔｒｏｎ，Ｖｏ
ｌ．ＱＥ−２４，ｐｐ．３２５〜３３１（１９８８）に
は、以下の様な数値例が記載されている。
ａｍａｎｉｓｈｉ ａｎｄ Ｍ．Ｋｕｒｏｓａｋｉ，Ｉ
ＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｒｅｃｔｒｏｎ，Ｖｏ
ｌ．ＱＥ−２４，ｐｐ．３２５〜３３１（１９８８）に
は、以下の様な数値例が記載されている。
【００２５】即ち、図３（ａ）に示す様なＧａ1-xＡｌx
Ａｓ／ＡｌＡｓのグレーディドギャップ（ギャップが線
形に３０％まで変化している）量子井戸構造を考えて、
Ｌ（量子井戸幅）＝２０ｎｍ，Ｅ0（ＤＣ電界）＝９０
ｋＶ／ｃｍ、Ｎ（量子井戸数）＝２５、Ｉin（入力光強
度）＝ＩＧＷ／ｃｍ2で離調エネルギーが５０ｍｅＶと
するとＶ＝０．４Ｖとなる。この値を（１）式に代入し
て、量子井戸構造の積層方向を＜００１＞方位としλ＝
１．０６μｍ、ｑ＝１、ｎ＝３．４８、ｒeff＝１．４
×１０-12ｍ／Ｖを用いると、＜１１０＞と＜−１１０
＞方位間の相対的位相差はΔψ＝１．４×１０-4ラジア
ン＝０．００８°となる。この値は図６（ａ）〜（ｃ）
に示したＲａｌｐｈらの方法による結果と同程度の位相
変化である。この結果は、量子井戸がグレーデッドギャ
ップでない一定の構造でも上述と同程度の位相差が得ら
れることを示す。
Ａｓ／ＡｌＡｓのグレーディドギャップ（ギャップが線
形に３０％まで変化している）量子井戸構造を考えて、
Ｌ（量子井戸幅）＝２０ｎｍ，Ｅ0（ＤＣ電界）＝９０
ｋＶ／ｃｍ、Ｎ（量子井戸数）＝２５、Ｉin（入力光強
度）＝ＩＧＷ／ｃｍ2で離調エネルギーが５０ｍｅＶと
するとＶ＝０．４Ｖとなる。この値を（１）式に代入し
て、量子井戸構造の積層方向を＜００１＞方位としλ＝
１．０６μｍ、ｑ＝１、ｎ＝３．４８、ｒeff＝１．４
×１０-12ｍ／Ｖを用いると、＜１１０＞と＜−１１０
＞方位間の相対的位相差はΔψ＝１．４×１０-4ラジア
ン＝０．００８°となる。この値は図６（ａ）〜（ｃ）
に示したＲａｌｐｈらの方法による結果と同程度の位相
変化である。この結果は、量子井戸がグレーデッドギャ
ップでない一定の構造でも上述と同程度の位相差が得ら
れることを示す。
【００２６】このような、位相変化、即ち、偏光状態の
変化を、偏光子で光の強度変化に変換すると、超高速の
光変調が可能となる。以下にこれを利用した本発明の光
変調装置を説明する。
変化を、偏光子で光の強度変化に変換すると、超高速の
光変調が可能となる。以下にこれを利用した本発明の光
変調装置を説明する。
【００２７】図４は、本発明の光変調装置の一実施例を
示す概略図である。図４において、符号３１は、図２の
様な半導体素子を示す。また、符号３９は、半導体素子
３１に向けて偏光したプローブ光３３を出射するプロー
ブ光源、符号３８は、半導体素子３１に向けてポンプ光
３２を出射するポンプ光源、符号４０は、プローブ光源
３３とポンプ光３２を合成する光学素子を夫々示す。半
導体素子３１を透過して偏光状態が変化した光３４は、
位相板３５を透過し位相が調整される。位相板３５を透
過した光は、偏光子３６を透過することによって、偏光
状態の変化が強度変化に変換され、強度変調光３７とな
る。
示す概略図である。図４において、符号３１は、図２の
様な半導体素子を示す。また、符号３９は、半導体素子
３１に向けて偏光したプローブ光３３を出射するプロー
ブ光源、符号３８は、半導体素子３１に向けてポンプ光
３２を出射するポンプ光源、符号４０は、プローブ光源
３３とポンプ光３２を合成する光学素子を夫々示す。半
導体素子３１を透過して偏光状態が変化した光３４は、
位相板３５を透過し位相が調整される。位相板３５を透
過した光は、偏光子３６を透過することによって、偏光
状態の変化が強度変化に変換され、強度変調光３７とな
る。
【００２８】図４において、ＤＣ電界の印加された半導
体素子３１に、前記の仮想電荷分極が誘起される適当な
波長と光強度を有するポンプ光３２を入射させると、量
子井戸構造に電圧変化が誘起される。そして、この半導
体素子３１に、素子を構成する半導体の結晶軸方向に対
して、適当な偏光状態のプローブ光３３を入射させる
と、このプローブ光は、量子井戸構造において、位相変
化Δψを受ける。例えば、プローブ光としては、図４の
ｚ軸を＜００１＞方位とするとｘ軸の＜１１０＞方位と
ｙ軸の＜−１１０＞方位に同じ大きさの成分を有する偏
光が用いられる。
体素子３１に、前記の仮想電荷分極が誘起される適当な
波長と光強度を有するポンプ光３２を入射させると、量
子井戸構造に電圧変化が誘起される。そして、この半導
体素子３１に、素子を構成する半導体の結晶軸方向に対
して、適当な偏光状態のプローブ光３３を入射させる
と、このプローブ光は、量子井戸構造において、位相変
化Δψを受ける。例えば、プローブ光としては、図４の
ｚ軸を＜００１＞方位とするとｘ軸の＜１１０＞方位と
ｙ軸の＜−１１０＞方位に同じ大きさの成分を有する偏
光が用いられる。
【００２９】また、プローブ光３３は、この半導体素子
３１での光吸収を受けないが電気光学効果に十分感度の
ある波長を用いる様にするのが好ましい。こうして、半
導体素子３１の透過光３４は位相板３５と偏光子３６に
よりその位相変化が光強度の変化に変換され、変調光３
７として出力される。
３１での光吸収を受けないが電気光学効果に十分感度の
ある波長を用いる様にするのが好ましい。こうして、半
導体素子３１の透過光３４は位相板３５と偏光子３６に
よりその位相変化が光強度の変化に変換され、変調光３
７として出力される。
【００３０】この変調光３７の光強度Ｉは、次式から求
められる。 Ｉ＝１／２・Ｉ0｛１＋ｓｉｎ２θｃｏｓψ｝・・・・（２） ここで、Ｉ0は透過光３４の全光強度、θはｘ軸方向に
対する偏光子３６の透過軸方位の角度である。また、位
相板３５のｘ軸方位とｙ軸方位との相対位相差をφ、プ
ローブ光３３のｘ軸方位とｙ軸方位との相対位相差を
ρ、半導体素子３１での入射プローブ光３３がないとき
の光学的異方性のｘ軸方位とｙ軸方位との相対位相差を
εとすると、ψは、 ψ＝Δψ＋ρ＋φ＋ε・・・・（３） と表わせる。従って、θ＝π／４として位相板３５の位
相差φを、 φ＝−ρ−ε±π／２・・・・（４） となる様に設定すると、 Ｉ＝１／２・Ｉ0｛１±ｓｉｎΔψ｝・・・・（５） となる（式（４）（５）の複号は順不同である）。ここ
で注意することは、相対位相変化量Δψの変化を最も感
度良くする為にバイアス点をψ＝±π／２に設定したこ
とである。上述の例では、プローブ光３３の両直交偏光
成分の位相差を任意としていたが、（４）式を満足する
様に予め位相差ρを与えておいても良い。こうした場合
には、位相板３５は図４の位置に置く必要はなくなる。
即ち、位相板３５を半導体素子３１よりも前に置いて
（４）式を満たす様にしても良い。或は、プローブ光３
３として位相差ρが±π／２の円偏光を用いて、ウォラ
ストン・プリズムや偏光プリズム等でｘ軸偏光とｙ軸偏
光とを分けて差動検出を行なっても良い。
められる。 Ｉ＝１／２・Ｉ0｛１＋ｓｉｎ２θｃｏｓψ｝・・・・（２） ここで、Ｉ0は透過光３４の全光強度、θはｘ軸方向に
対する偏光子３６の透過軸方位の角度である。また、位
相板３５のｘ軸方位とｙ軸方位との相対位相差をφ、プ
ローブ光３３のｘ軸方位とｙ軸方位との相対位相差を
ρ、半導体素子３１での入射プローブ光３３がないとき
の光学的異方性のｘ軸方位とｙ軸方位との相対位相差を
εとすると、ψは、 ψ＝Δψ＋ρ＋φ＋ε・・・・（３） と表わせる。従って、θ＝π／４として位相板３５の位
相差φを、 φ＝−ρ−ε±π／２・・・・（４） となる様に設定すると、 Ｉ＝１／２・Ｉ0｛１±ｓｉｎΔψ｝・・・・（５） となる（式（４）（５）の複号は順不同である）。ここ
で注意することは、相対位相変化量Δψの変化を最も感
度良くする為にバイアス点をψ＝±π／２に設定したこ
とである。上述の例では、プローブ光３３の両直交偏光
成分の位相差を任意としていたが、（４）式を満足する
様に予め位相差ρを与えておいても良い。こうした場合
には、位相板３５は図４の位置に置く必要はなくなる。
即ち、位相板３５を半導体素子３１よりも前に置いて
（４）式を満たす様にしても良い。或は、プローブ光３
３として位相差ρが±π／２の円偏光を用いて、ウォラ
ストン・プリズムや偏光プリズム等でｘ軸偏光とｙ軸偏
光とを分けて差動検出を行なっても良い。
【００３１】上記の例の様に、本発明ではプローブ光３
３の波長は電気光学効果に対して感度がある領域にあれ
ば良いので、半導体素子３１に対して光吸収の無い波長
を広い波長域に亙って選択することができるという特長
がある。また、図４の例で２つに分けたポンプ光３２と
プローブ光３３を１つにして、ポンプ光のみで両者を兼
ねる様にしても良い。この場合でも仮想電荷誘起を起こ
すのみであるからポンプ光の光吸収は非常に少ない。
３の波長は電気光学効果に対して感度がある領域にあれ
ば良いので、半導体素子３１に対して光吸収の無い波長
を広い波長域に亙って選択することができるという特長
がある。また、図４の例で２つに分けたポンプ光３２と
プローブ光３３を１つにして、ポンプ光のみで両者を兼
ねる様にしても良い。この場合でも仮想電荷誘起を起こ
すのみであるからポンプ光の光吸収は非常に少ない。
【００３２】図４の上記実施例では、ポンプ光３２とプ
ローブ光３３が素子３１の量子井戸構造に対して垂直に
入射する場合を示したが、ポンプ光３２とプローブ光３
３が量子井戸構造に対して平行に入射する場合や、ポン
プ光３２或はプローブ光３３の一方が量子井戸構造に対
して垂直で他方が量子井戸構造に対して平行に入射する
場合でも同様の効果が得られる。この場合、量子井戸構
造に対して垂直な方向に導波路構造を形成してポンプ光
３２或はプローブ光３３を導波させることが、相互作用
長及び光強度を増大する意味で望ましい。
ローブ光３３が素子３１の量子井戸構造に対して垂直に
入射する場合を示したが、ポンプ光３２とプローブ光３
３が量子井戸構造に対して平行に入射する場合や、ポン
プ光３２或はプローブ光３３の一方が量子井戸構造に対
して垂直で他方が量子井戸構造に対して平行に入射する
場合でも同様の効果が得られる。この場合、量子井戸構
造に対して垂直な方向に導波路構造を形成してポンプ光
３２或はプローブ光３３を導波させることが、相互作用
長及び光強度を増大する意味で望ましい。
【００３３】また、素子３１の量子井戸構造の両側に高
反射率の薄膜構造を形成して共振器構造を作り、仮想電
荷励起がないときに（即ちポンプ光が入力していないと
きに）ＤＣ電界印加により電気光学効果を介して生じて
いる光学的異方性の一方の光学軸に対する屈折率につい
て該共振器が共振条件を満たす（或は満たさない）様に
しても良い。この構成によって、仮想電荷励起が起きた
時に該共振条件が変化して該光学軸に平行な偏光成分の
プローブ光透過率或は反射率が大きく変化するので、プ
ローブ光の透過光或は反射光の偏光状態が大きく変化
し、検出時のＳ／Ｎが向上する。
反射率の薄膜構造を形成して共振器構造を作り、仮想電
荷励起がないときに（即ちポンプ光が入力していないと
きに）ＤＣ電界印加により電気光学効果を介して生じて
いる光学的異方性の一方の光学軸に対する屈折率につい
て該共振器が共振条件を満たす（或は満たさない）様に
しても良い。この構成によって、仮想電荷励起が起きた
時に該共振条件が変化して該光学軸に平行な偏光成分の
プローブ光透過率或は反射率が大きく変化するので、プ
ローブ光の透過光或は反射光の偏光状態が大きく変化
し、検出時のＳ／Ｎが向上する。
【００３４】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明によれば、Ｄ
Ｃ（静）電界印加した量子井戸を有する半導体量子井戸
構造において、例えば、超短パルスの光により仮想的に
量子井戸中に電荷（電子・正孔対）を励起して量子井戸
中でのＤＣ電界を該超短パルスにより変調することで、
該変調された電界により該量子井戸を構成する半導体が
有する電気光学効果を介して該量子井戸構造の光学的異
方性の大きさを変調し、該量子井戸構造中を伝搬する光
の偏光状態を変調する様にしているので、例えば、サブ
ピコ秒の立ち上がり、立ち下がり応答時間の光の位相及
び強度変調が可能となり高速光変調、スイッチングなど
が実現できる。
Ｃ（静）電界印加した量子井戸を有する半導体量子井戸
構造において、例えば、超短パルスの光により仮想的に
量子井戸中に電荷（電子・正孔対）を励起して量子井戸
中でのＤＣ電界を該超短パルスにより変調することで、
該変調された電界により該量子井戸を構成する半導体が
有する電気光学効果を介して該量子井戸構造の光学的異
方性の大きさを変調し、該量子井戸構造中を伝搬する光
の偏光状態を変調する様にしているので、例えば、サブ
ピコ秒の立ち上がり、立ち下がり応答時間の光の位相及
び強度変調が可能となり高速光変調、スイッチングなど
が実現できる。
【図１】本発明における仮想電荷分極励起を説明するた
めのエネルギーバンド図である。
めのエネルギーバンド図である。
【図２】本発明に用いられる半導体素子の一例を示す略
断面図である。
断面図である。
【図３】（ａ）は電界が印加されていない状態の図２の
量子井戸層のエネルギーバンド図、（ｂ）は電界が印加
された状態の図２の量子井戸層のエネルギーバンド図で
ある。
量子井戸層のエネルギーバンド図、（ｂ）は電界が印加
された状態の図２の量子井戸層のエネルギーバンド図で
ある。
【図４】本発明の光変調装置の一実施例を示す概略図で
ある。
ある。
【図５】従来のＰＲ効果による屈折率変化の原理を説明
する為のエネルギーバンド図である。
する為のエネルギーバンド図である。
【図６】ＰＲ効果を用いた従来の電気光学素子の例を説
明する為のエネルギーバンド図である。
明する為のエネルギーバンド図である。
１ 基板 ２ バッファ層 ３ エッチングストップ層 ４ ｎ型の超格子構造のコンタクト層 ５，７ 超格子構造のバッファ層 ６ 多重量子井戸層 ８ ｐ型の超格子構造のコンタクト層 ９ トップコンタクト層 １０ ｐ型電極 ２０ ｎ型電極 ２１ 電圧源 ２６，２７ 開孔 １１ ＤＣ電界印加時の量子井戸での伝導帯の
最低サブバンド １２ ＤＣ電界印加時の量子井戸での価電子帯
の最低サブバンド １３，１４ 夫々最低サブバンド１１，１２に対応す
る電子と正孔の波動関数 １５，１６ デチューニングした光パルス入射で励起
された仮想電荷を表わす伝導帯と価電子帯のサブレベル １７，１８ 夫々サブレベル１５，１６に対応する仮
想的な電子と正孔の波動関数 ３１ 半導体素子 ３５ 位相板 ３６ 偏光子 ３８ ポンプ光源 ３９ プローブ光源 ４０ ポンプ光・プローブ光合成用光学素子 ２４ 量子井戸層 ２５ バリア層
最低サブバンド １２ ＤＣ電界印加時の量子井戸での価電子帯
の最低サブバンド １３，１４ 夫々最低サブバンド１１，１２に対応す
る電子と正孔の波動関数 １５，１６ デチューニングした光パルス入射で励起
された仮想電荷を表わす伝導帯と価電子帯のサブレベル １７，１８ 夫々サブレベル１５，１６に対応する仮
想的な電子と正孔の波動関数 ３１ 半導体素子 ３５ 位相板 ３６ 偏光子 ３８ ポンプ光源 ３９ プローブ光源 ４０ ポンプ光・プローブ光合成用光学素子 ２４ 量子井戸層 ２５ バリア層
Claims (25)
- 【請求項１】 以下を有することを特徴とする光変調装
置：量子井戸構造を備えた半導体素子；半導体素子の量
子井戸構造に電界を印加する手段；半導体素子に偏光し
たプローブ光を入射する手段、該プローブ光は、量子井
戸構造における電気光学効果によって、その偏光状態が
変化して半導体素子から出射される；半導体素子に、そ
の量子井戸構造に仮想電荷励起を生じさせるポンプ光を
入射する手段、ここで、仮想電荷励起によって、量子井
戸構造に印加された電界がスクリーンされる；及び半導
体素子から出射した光の偏光状態の変化を強度変化に変
換する偏光子。 - 【請求項２】 前記量子井戸構造は、量子井戸層と、該
井戸層をサンドイッチにしたバリア層とから成り、前記
井戸層は、層厚方向に傾斜したバンドキャップを有する
請求項１記載の光変調装置。 - 【請求項３】 更に、偏光子に至るプローブ光の光路中
に配置された位相板から成る請求項１記載の光変調装
置。 - 【請求項４】 前記半導体素子を構成する結晶の＜００
１＞方位をｚ方向、＜１１０＞方位をｘ方向及び＜−１
１０＞方位をｙ方向としたとき、プローブ光は、そのｘ
方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分とが等しい大きさを
有し、半導体素子にｚ方向に入射される請求項１記載の
光変調装置。 - 【請求項５】 更に、偏光子に至るプローブ光の光路中
に配置された位相板から成り、偏光子の透過軸方位のｘ
方向に対する角度をθ、プローブ光が入射していないと
きの半導体素子のｘ方向とｙ方向との相対位相差をε、
プローブ光のｘ方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分との
相対位相差をρ、位相板の位相差をφとしたときに、以
下の条件を満足する請求項４記載の光変調装置。 θ＝π／４ φ＝−ρ−ε±π／２ - 【請求項６】 以下のステップを有することを特徴とす
る量子井戸構造を備えた半導体素子及び偏光子を用い
て、光を変調する方法：半導体素子の量子井戸構造に電
界を印加する；半導体素子に偏光したプローブ光を入射
する、該プローブ光は、量子井戸構造における電気光学
効果によって、その偏光状態が変化して半導体素子から
出射される；半導体素子に、その量子井戸構造に仮想電
荷励起を生じさせるポンプ光を入射する、ここで、仮想
電荷励起によって、量子井戸構造に印加された電界がス
クリーニングされる；及び半導体素子から出射した光の
偏光状態の変化を偏光子によって強度変化に変換する。 - 【請求項７】 前記半導体素子を構成する結晶の＜００
１＞方位をｚ方向、＜１１０＞方位をｘ方向及び＜−１
１０＞方位をｙ方向としたとき、プローブ光は、そのｘ
方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分とが等しい大きさを
有し、半導体素子にｚ方向に入射される請求項６記載の
光変調装置。 - 【請求項８】 偏光子に至るプローブ光の光路中に位相
板が設けられ、偏光子の透過軸方位のｘ方向に対する角
度をθ、プローブ光が入射していないときの半導体素子
のｘ方向とｙ方向との相対位相差をε、プローブ光のｘ
方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分との相対位相差を
ρ、位相板の位相差をφとしたときに、以下の条件を満
足する請求項７記載の光変調装置。 θ＝π／４ φ＝−ρ−ε±π／２ - 【請求項９】 以下を有することを特徴とする光の偏光
状態を変化させる装置：量子井戸構造を備えた半導体素
子；半導体素子の量子井戸構造に電界を印加する手段；
半導体素子に偏光したプローブ光を入射する手段、該プ
ローブ光は、量子井戸構造における電気光学効果によっ
て、その偏光状態が変化して半導体素子から出射され
る；及び半導体素子に、その量子井戸構造に仮想電荷励
起を生じさせるポンプ光を入射する手段、ここで、仮想
電荷励起によって、量子井戸構造に印加された電界がス
クリーニングされる。 - 【請求項１０】 前記量子井戸構造は、量子井戸層と、
該井戸層をサンドイッチにしたバリア層とから成り、前
記井戸層は、層厚方向に傾斜したバンドギャップを有す
る請求項９記載の光変調装置。 - 【請求項１１】 前記半導体素子を構成する結晶の＜０
０１＞方位をｚ方向、＜１１０＞方位をｘ方向および＜
−１１０＞方位をｙ方向としたとき、プローブ光は、そ
のｘ方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分とが等しい大き
さを有し、半導体素子にｚ方向に入射される請求項９記
載の光変調装置。 - 【請求項１２】 以下のステップを有することを特徴と
する量子井戸構造を備えた半導体素子を用いて、光の偏
光状態を変化させる方法：半導体素子の量子井戸構造に
電界を印加する；半導体素子に偏光したプローブ光を入
射する、該プローブ光は、量子井戸構造における電気光
学効果によって、その偏光状態が変化して半導体素子か
ら出射される；及び半導体素子に、その量子井戸構造に
仮想電荷励起を生じさせるポンプ光を入射する、ここ
で、仮想電荷励起よって、量子井戸構造に印加された電
界がスクリーニングされる。 - 【請求項１３】 前記半導体素子を構成する結晶の＜０
０１＞方位をｚ方向、＜１１０＞方位をｘ方向及び＜−
１１０＞方位をｙ方向としたとき、プローブ光は、その
ｘ方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分とが等しい大きさ
を有し、半導体素子にｚ方向に入射される請求項１２記
載の光変調装置。 - 【請求項１４】 以下を有することを特徴とする光変調
装置： （ａ）以下のものから成る半導体素子、基板；基板上に
形成された第１の導電型を有する第１の半導体層；第１
の半導体層上に形成された多量子井戸層；多重量子井戸
層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体
層；及び第１及び第２の半導体層に各々電気的にコンタ
クトされた一対の電極； （ｂ）半導体素子に逆バイアスの電界を印加する、前記
電極に接続された電圧源； （ｃ）半導体素子に偏光したプローブ光を入射する手
段、該プローブ光は、多重量子井戸層における電気光学
効果によって、その偏光状態が変化して半導体素子から
出射される； （ｄ）半導体素子に、その多重量子井戸層に仮想電荷励
起を生じさせるポンプ光を入射する手段、ここで、仮想
電荷励起によって、量子井戸構造に印加された電界がス
クリーニングされる；及び （ｅ）半導体素子から出射した光の偏光状態の変化を強
度変化に変換する偏光子。 - 【請求項１５】 前記多重量子井戸層は、複数の量子井
戸層と、複数のバリア層とが交互に積層されて成り、量
子井戸層は、層厚方向に傾斜したバンドギャップを有す
る請求項１４記載の光変調装置。 - 【請求項１６】 前記多重量子井戸層は、ＡｌＧａＡｓ
から成る複数の量子井戸層と、ＡｌＧａＡｓから成る複
数のバリア層とが交互に積層されて成る請求項１４記載
の光変調装置。 - 【請求項１７】 前記基板及び電極には、プローブ光を
透過させる為の開孔が設けられている請求項１４記載の
光変調装置。 - 【請求項１８】 更に、偏光子に至るプローブ光の光路
中に配置された位相板から成る請求項１４記載の光変調
装置。 - 【請求項１９】 前記半導体素子を構成する結晶の＜０
０１＞方位をｚ方向、＜１１０＞方位をｘ方向及び＜−
１１０＞方位をｙ方向としたとき、プローブ光は、その
ｘ方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分とが等しい大きさ
を有し、半導体素子にｚ方向に入射される請求項１４記
載の光変調装置。 - 【請求項２０】 更に、偏光子に至るプローブ光の光路
中に配置された位相板から成り、偏光子の透過軸方位の
ｘ方向に対する角度をθ、プローブ光が入射していない
ときの半導体素子のｘ方向とｙ方向との相対位相差を
ε、プローブ光のｘ方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分
との相対位相差をρ、位相板の位相差をφとしたとき
に、以下の条件を満足する請求項１９記載の光変調装
置。 θ＝π／４ φ＝−ρ−ε±π／２ - 【請求項２１】 以下を有することを特徴とする光の偏
光状態を変化させる装置： （ａ）以下のものから成る半導体素子、基板；基板上に
形成された第１の導電型を有する第１の半導体層；第１
の半導体層上に形成された多重量子井戸層；多重量子井
戸層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体
層；及び第１及び第２の半導体層に各々電気的にコンタ
クトされた一対の電極； （ｂ）半導体素子に逆バイアスの電界を印加する、前記
電極に接続された電圧源； （ｃ）半導体素子に偏光したプローブ光を入射する手
段、該プローブ光は、多重量子井戸層における電気光学
効果によって、その偏光状態が変化して半導体素子から
出射される；及び （ｄ）半導体素子に、その多重量子井戸層に仮想電荷励
起を生じさせるポンプ光を入射する手段、ここで、仮想
電荷励起によって、量子井戸構造に印加された電界がス
クリーニングされる。 - 【請求項２２】 前記多重量子井戸層は、複数の量子井
戸層と、複数のバリア層とが交互に積層されて成り、量
子井戸層は、層厚方向に傾斜したバンドギャップを有す
る請求項２１記載の光変調装置。 - 【請求項２３】 前記多重量子井戸層は、ＡｌＧａＡｓ
から成る複数の量子井戸層と、ＡｌＡｓから成る複数の
バリア層とが交互に積層されて成る請求項２１記載の光
変調装置。 - 【請求項２４】 前記基板及び電極には、プローブ光を
透過させる為の開孔が設けられている請求項２１記載の
光変調装置。 - 【請求項２５】 前記半導体素子を構成する結晶の＜０
０１＞方位をｚ方向、＜１１０＞方位をｘ方向及び＜−
１１０＞方位をｙ方向としたとき、プローブ光は、その
ｘ方向の偏光成分とｙ方向の偏光成分とが等しい大きさ
を有し、半導体素子にｚ方向に入射される請求項２１記
載の光変調装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3178654A JPH05173200A (ja) | 1990-07-02 | 1991-06-24 | 量子井戸構造の半導体素子を用いて光を変調する方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-175079 | 1990-07-02 | ||
| JP17507990 | 1990-07-02 | ||
| JP3178654A JPH05173200A (ja) | 1990-07-02 | 1991-06-24 | 量子井戸構造の半導体素子を用いて光を変調する方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05173200A true JPH05173200A (ja) | 1993-07-13 |
Family
ID=26496456
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3178654A Pending JPH05173200A (ja) | 1990-07-02 | 1991-06-24 | 量子井戸構造の半導体素子を用いて光を変調する方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05173200A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20200050048A1 (en) * | 2018-08-07 | 2020-02-13 | Sharp Kabushiki Kaisha | Display device |
| US11204621B2 (en) * | 2015-10-30 | 2021-12-21 | Essential Products, Inc. | System comprising a display and a camera that captures a plurality of images corresponding to a plurality of noncontiguous pixel regions |
-
1991
- 1991-06-24 JP JP3178654A patent/JPH05173200A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11204621B2 (en) * | 2015-10-30 | 2021-12-21 | Essential Products, Inc. | System comprising a display and a camera that captures a plurality of images corresponding to a plurality of noncontiguous pixel regions |
| US20200050048A1 (en) * | 2018-08-07 | 2020-02-13 | Sharp Kabushiki Kaisha | Display device |
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