JPS623221A - 光変調器 - Google Patents

光変調器

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JPS623221A
JPS623221A JP14173085A JP14173085A JPS623221A JP S623221 A JPS623221 A JP S623221A JP 14173085 A JP14173085 A JP 14173085A JP 14173085 A JP14173085 A JP 14173085A JP S623221 A JPS623221 A JP S623221A
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electric field
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Kenichi Nishi
研一 西
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NEC Corp
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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。

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比を得ることのできる高
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
を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・オフ
・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
にずらす、というものであるが、これは、同時に電子と
正孔を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。また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薄膜を有し、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、該半導体薄膜中の狭い禁制帯幅を有す
る半導体層の禁制帯幅が積層方向に関して中央部近傍で
最大値をとり両端部に近づくにつれ減少することに特徴
がある。
(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、電界が印加されていない場合
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。ここで、電子の
波動関数11と正孔の波動関数12の電界による変形に
ついて考える。無電界時、つまり第1図(a)の場合で
は、どちらの波動関数も、狭バンドギヤツプ層(以下量
子井戸層と呼ぶ)の中の両側のへテロ界面付近に存在し
ており、しかもほぼ左右対称の形状をしていることがわ
かる。そのため、2つの波動関数の重なり積分の値はほ
ぼ1とな゛る。しかるに電界印加により量子井戸層での
バンド構造が変形した際の波動関数は、本発明による構
造によれば第1図(b)に示すように、電子と正孔で反
対側のへテロ界面付近に非常に局在するようになり、そ
のため2つの波動関数の重なり積分の値は、波動関数が
指数関数的に減少する領域でしが重なりあわないため0
に近い値となる。この重列積分の値は吸収係数にほぼ比
例し、また電界印加によっては電子のエネルギー準位1
3と正孔のエネルギー準位14の差によって決まる吸収
端のエネルギー15(第1図(C))は減少するので、
この電界印加による吸収係数スペクトルの変化は第1図
(C)に示すようになる。実線は無電界時の吸収係数ス
ペクトル16.破線は電界印加時の吸収係数スペクトル
17である。
したがって、無電界時の吸収端よりやや大きいエネルギ
ー18を有する光について考えてみれば、無電界時では
吸収係数が大きいため、この量子井戸層で非常に吸収さ
れるが、電界印加時では吸収係数がOに近い値をとるた
めこの量子井戸層ではほとんど吸収されないことがわが
る。したがって、このエネルギー18を有する光の強度
変調を電界印加のオン・オフにより高い消光比でもって
行なえることがわかる。
また、この際に必要な電界の大きさも、本発明l叩 ト
 ス、L専シ占マーl+ゴヒ+ r−a、  七 ノ 
プ −ト フ、+)−−白一り打 −1変調についても
電界により波動関数の形状を変化させることが本質なの
で原理的に数十GHz以上まで     □の変調が可
能である。
(実施例) 第2図(a)に本発明第1の実施例の光変調器の斜視図
を、第2図(b)にそのバンド図を示す。本実施例は分
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21上に
厚さ1.011mのSiドープn型GaAsドツファ一
層22.厚さ2.0層mのSiドープn型A10.4G
ao6Asクラッド層23を積層した。次にA1組成比
XをOがら0.15まで連続的に増     加させた
のち再びOまで連続的に減少させた厚さ100人のノン
ドープAlxGa1−xAs量子井戸層24と厚さ  
   80人のシンドープA1o、4GaO,6Asバ
リヤ層25を交互に30周期積層し薄膜構造を形した。
この上に厚さ2.0層mのBeドープp型Al、4Ga
o、6Asクラッド層26、厚さ     ′0.5層
mのBeドープP型GaAs コンタクト層27を成長
     ・′して多層構造を製作した。次にこれを5
層5mm程度の大きさにし、上面および下面に電極28
を製作した後、円形に上面および下面のGaAs層まで
選択的にエツチングにより除去したものである。
この円形の「窓部」に垂直方向に光を入射し、電圧を上
記電極間に印加して、吸収係数スペクトルの電圧依存性
を調べた所、第1図(C)のような傾向がはっきりと出
現した。そして無電界時の吸収端より上のエネルギーを
有する光(波長的800nm)の透過率は無電界時には
約3%、5Vの逆バイアス電圧印加時には約80%と、
消光比にして約14dBと非常に良好な値が得られた。
高速変調特性としては、約300MHzまで良好な強度
変調がかかった。この上限は電極間の寄性容量によるも
のである。
次に本発明第2の実施例について説明する。第3図に本
実施例の斜視図を示す。これは、薄膜構造は量子井戸層
とバリヤ層の積層周期が8周期であること以外は第1の
実施例と同一である。次に基板の上面および下面に電極
31を製作し、基板上面にCVD法によりSio2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
.5μm幅のストライプ状に8102膜を残して他の部
分を除去し、しかる後、SiO2膜の付着していない部
分をn型A10.4GaO,6Asクラッド層23まで
エツチングにより除去してから残っていたSiO2を除
去して導波路構造を形成したものである。
この導波路長を200pmとし、波長800nmのレー
ザ光を入射して電界印加による透過率を測定した所、無
電界時には約0.5%、IVの逆バイアス電圧印加時に
は約40%となり、消光比に−して約20dBと非常に
良好な値が得られた。高速変調特性としても、約3GH
z以上まで良好な強度変調特性が得られた。
しかも、これは素子の寄生容量によって決定されるもの
であった。
以上ここでは2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はじめは広が
り途中から狭くなることに特徴があり、この変化のしか
た、変化のピークの位置、材料系、半導体成長方法等に
は何ら限定されないことは明らかである。そして上記禁
制帯幅の変化のしかたも第4図(a)のごとく空間的に
2次曲線的であってもよいし、第4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、原理的に数十GHzの強度変調を行なうこと
ができるという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、(b)はそれぞれ本発明による光変調器
の多層薄膜構造の電界印加のない場合のバンド図、およ
び電界印加時のバンド図であり、第1図(コ)はこの2
つの場合における吸収係数スペクトルを示す図である。 第2図(a)、(b)はそれぞれ第1の実施例の斜視図
、およびバンド図である。第3図は第2の実施例の斜視
図である。第4図(a)、(b)は量子井戸内のバンド
構造の変形例を示すバンド図である。 図において 11・・・電子の波動関数 12・・・正孔の波動関数
13・・・電子のエネルギー準位 14・・・正孔のエネルギー準位 1仄−1−…111v%/7−1 〒 ÷ 11、七−
16−0,無電界時の吸収係数スペクトル17・・・電
界印加時の吸収係数スペクトル1800.吸収端よりや
や大きいエネルギー21・・・n型GaAs基板  2
2・・・n型GaAsバッファ一層23・n型A1o、
4GaO,6Asクラッド層24−0.ノンドープA1
xGat−xAs(x;0−0.15−0)量子井戸層 25−・・ノンドープAI。、4Gao6AsGa型層
26・、、p型A1o、4Gao、s Asクラッド層
27・・・p型GaAsコンタクト層 28・・・電極      31・・・電極木1図 (C) 、1−2  図 (a) 2日 オ 2 図 (b) 、?3  図 オ 4 図 (b)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 膜厚が電子の平均自由行程以下の半導体層を1層または
    多層積層した半導体薄膜構造と、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狭い禁制帯幅を有す
    る半導体層の禁制帯幅が積層方向に関して中央部近傍で
    最大値をとり両端部に近づくにつれ減少することを特徴
    とする光変調器。
JP14173085A 1985-06-28 1985-06-28 光変調器 Granted JPS623221A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14173085A JPS623221A (ja) 1985-06-28 1985-06-28 光変調器
US06/878,741 US4727341A (en) 1985-06-28 1986-06-26 Optical modulator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14173085A JPS623221A (ja) 1985-06-28 1985-06-28 光変調器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS623221A true JPS623221A (ja) 1987-01-09
JPH0545003B2 JPH0545003B2 (ja) 1993-07-08

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ID=15298872

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JP14173085A Granted JPS623221A (ja) 1985-06-28 1985-06-28 光変調器

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