JPS59135424A - 光変調器 - Google Patents

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】 もしくは遠赤外光の変調器に関するものである。

従来、波長数μｍ以上の長波長光の変調器としては大別
して、材料の音響光学効果を用い、材料内に外部電界に
よって生ぜしめた音波の定在波により光を回折し変調を
行うものと、材料の電気光学効果を利用して光の位相変
調を行うものとの種類が存在する。

音響光学効果を用いた素子は、媒体として長波長帯でそ
の効果の最も大きいものの一つであるＧｅを用いた場合
でも、回折効率が４０％と小さく、また変調帯域も１０
　ＭＨｚ程度に限定され、さらに大形で、かつ高い変調
電圧が必要であるなどの欠点があった。

また電気光学効果を用いる素子はＧａＡｓ　、　０ｃｌ
Ｓｅ等の長波長帯における電気光学定数の最も大きい材
料を用いたものでも、現在のところ数％という低い効率
しか得られていないという欠点があった。

本発明は自由電子または正孔と光との相互作用が波長が
長くなるほど増大することに着目し、光共振器内に設置
された半導体試料中に被変調光を透過させ、この部分の
自由電子または正孔の濃度を変化させることにより、長
波長光の変調を行うとともに、共振器構造、キャリア閉
じ込め層、多層ｐｎ接合構造の採用により、感度の向上
を図っていることを特徴とする。以下図面により本発明
の詳細な説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示し、１はｎ形低濃度
ＧａＡｌＡｓ基板、２はｎ形低濃度ＧａＡＳキャリア閉
じ込み層で、キャリア濃度変動領域を形成している。３
はｐ形高濃度ＧａＡｌＡｓ層、４はオーミック電極、５
は反射率調整用誘電体多層膜であり、両端面Ｓ□、Ｓ２
は平行に鏡面研磨されているとする。

第２図は本発明の第２の実施例を示し、ｎ形のキャリア
閉じ込め層２とｐ形の高濃度層８をＮ同周期的に積み重
ねた構造をもち、第１図と同じく平行に鏡面研磨された
端面をもつ。

第１および第２の実施例の動作原理を以下に説明する。

左側の誘電体多層膜５０ついた窓から被変調光Ｐｉを入
射し、キャリア濃度変動領域であるキャリア閉じ込め層
２と高濃度層３との間のｐｎ接合にオーミック電極４を
通して順方向電圧を印加する。その効果として、高濃度
層３の高密度キャリアがキャリア閉じ込め層２の内部へ
注入され、閉じ込め層２のキャリア濃度が大きく変化す
る。

一方、被変調光Ｐｉの波数に−ｋｒ＋ｉｋｉはキャリア
濃度ｎ。と次式のように関係している（ｎ：試料の屈折
率、ω：角周波数、Ｃ：光の速度、τ。：衝突緩和時間
）。（参考文献、朝食書店発行、物性物理学シリーズ１
「固体プラズマ」用村殆著、第１章） ｋ　　−ｋ２．ｉｋ土 ここで（ｎｏ：キャリア濃度、ε。゛真空の誘電率、ｅ
ｓ　’比誘電率） 閉じ込め層のキャリア濃度ｎ。の変化により、ω、を通
じて斗およびに土が変化し、これにより被変調光ｐｉの
ｇＡ＃Ａ、位相が変調されることになる。

さらに試料が７アブリベロー共振器内にあることにより
、共振器間距離を所定の値に調整すれば、共振器の鋭い
共鳴ピーク付近で外部に取り出された反射光ＰＴは共鳴
効果により、さらに強められた振幅・位相変調を受ける
ことになる。

またキャリア閉じ込め層を形成することにより、局所的
なキャリア密度を上げることができ、同程度の変調を行
うに必要な注入電流密度を１０〜１００分の１に低下さ
せることができる。

なお第２の実施例では、このような動作を行うキャリア
閉じ込め層２と高密度Ｒ３が交互にＮ層積み重ねられて
おり、第１の実施例に比べ、反射光のさらに低注入電流
水準での変調が可能になる。

ただしこの構造で注入動作を行うには、高密度層３と次
のＮに属する閉じ込め層２の間に、薄い高密度ｐ　−Ｇ
ａＡｓ層を形成し、トンネル接合により極力降服電圧を
低下させる必要がある。

第８図は本発明の第８の実施例を示し、６はＳｉ。

ＧａＡｓ　、　ＩｎＳｂなどの半導体層、７は被変調光
Ｐｉに対して透明なショットキ電極である。これを動作
するには、オーミック電極４とショットキ電極７の間に
逆方向電圧を印加する。その効果として、ショットキ電
極７近傍の半導体層６の内部に空乏層がひろがり、かつ
その幅が逆方向印加電圧によって変化する。したがって
半導体層６の内部で自由キャリアが存在する領域が変化
し、この変化が第１、第２の実施例と同様の動作原理に
より、被変調光Ｐｌに作用し、反射光Ｐｒの振幅・位相
が変調されることになる。

第４図は第２図の実施例の計算結果の一例を示し、半導
体基板１を’ｐ　−ＡｌＧａＡｓ　（ｎｏ−１０１５／
ｃｍ８、Ｅｇ−１，９ｅＶ　）、キャリア閉じ込め層２
をｐ−ＧａＡＳ　（ｎｏ−’ｔｏ１５／ｃｍ８、Ｅｇ−
１，４８Ｖ’）　、高濃度層８をｎ−ＡＩＧａＡＳ　（
ｎｏ−２Ｘ１０１８／ａｍ８、Ｅｇ−１、ｏｅｖ　）と
し、それぞれ所定の厚みを持たせしめ、キャリア閉じ込
め層２と高濃度層３の繰り返しＮを１５とし、被変調光
Ｐ４として１０．６　μｍ　ＯＷ　Ｌ／　−ザ光を用い
た場合の変調特性である。

第４図において、カーブａはキャリア閉じ込め層２への
キャリア注入がなく、そのキャリア濃度がｎ。−１ｏ　
　（ａｍ　　）の場合、ｂはキャリア閉じ込め層２への
キャリア注入が行われ、キャリア濃度がｎ。−１０１８
（Ｃ「８）となった場合のカーブで、いずれも反射光強
度Ｐ　と入射光強度Ｐｉとの比の光共振器長依存性を計
算したもので、第４図においては、第２図における１層
の厚みＴｓをｎλ′から（ｎ−１％）λ′まで変えた場
合についてのものである。

ただしｎは十分大きい正整数（≧１００）で、λ′は１
０．６μｍ光の１層内での波長である。

この二つの特性曲線の差Δがこの実施例で得られる振幅
変調を与える。その最大値はＴＳを（ｎ十％）λ′付近
に設定した場合で、約６０％の振幅変調率が可能となる
。

またこれらの実施例の変調速度は注入された自由キャリ
アの再結合寿命で決まるが、たとえばＯｒ　−ＧａＡＳ
を用いた場合、その値はＩ　ｎｓ以下になり、したがっ
て変調器の帯域はＩ　ＧＨ２程度が可能となる。

以上説明したように、本発明の光変調器は、被変調光の
ビーム径程度の半導体素子を用Ｖ）、室温連続動作可能
な１０００　Ａ／ａｍ”以下と評価される低注入水準、
すなわち順方向低電圧で動作し、かつ最大７０％もの振
幅変調と、ｎｏ−１０１８（ｃｍ−８）’あたり１８０
°に近い位相変調が得られ、またＩ　ＧＨｚ程度の帯域
も得られるので、小形で、かつ高効率、高速な赤外光も
しくは遠赤外光の変調器が実現できる利点がある。

したがって、通信、計測をはじめとする赤外光もしくは
遠赤外光の高速制御を必要とする分野において有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例図、第２図は本発明の第
２の実施例図、第３図は本発明の第３の実施例図、竿４
図は第２図の実施例の計算結果の一例を示す図である。 １・・・ｎ形低濃度ＧａＡＩＡＳ基板、２・・・ｎ形低
濃度ＧａＡＳキャリア閉じ込め層、８・・・ｐ形高沸度
ＧａＡＩＡＳ層、４・・・オーミック電極、５・・・反
射率調整用誘電体多層膜、６−・・Ｓｉ　、　ＧａＡＳ
　、　ＩｎＳｂなどの半導体層、７・・・被変調光Ｐｉ
に対して透明なショットキ電極。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　対向して設置された所定の反射率および透過率を有
   する１対の反射鏡からなる光共振蓋構造を有し、その光
   共振器内の光軸−Ｆに透光性の半導体物質が設置され、
   その半導体物質はその光の通過部にその部分の自由電子
   または正孔の濃度の変化するギヤリア濃度変動領域を有
   し、このキャリア濃度変動領域の近傍に一つまたは複数
   のｐｎ接合、またはシコットキ接合が形成されており、
   その接合に所定の電圧を印加するだめの電極および電圧
   印加回路が設置されていることを特徴とする光変調器。 ２、特許請求の範囲第１項記載の光変調器において、半
   導体物質の光の入射および出射の端面を平面もしくは曲
   面の鏡面となし、この１対の端面を前記光共振器の１対
   の反射鏡とすることを特徴とする光変調器。 ＆　特許請求の範囲第１項記載の光変調器において、前
   記透光性半導体物質の光の透過部の構造を、所定の厚み
   および所定の濃度をもつｐ形およびｎ形層が光路に沿っ
   て交互に所定の繰り返しだけ重ねた多層構造とすること
   を特徴とする光変調器。 ４、　特許請求の範囲第１項記載の光変調器において、
   光共振器内の透光性半導体物質のキャリア濃度変動領域
   部分のエネルギーバンドギャップが隣接部分のエネルギ
   ーバンドギャップよりも小さい値に設定され、キャリア
   閉じ込め層とされていることを特徴とする光変調器。