JP3455575B2 - 光半導体装置 - Google Patents
光半導体装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光半導体装置に係わり、
特にエネルギー損失のない光伝送路や、超高速応答が可
能な光スイッチ、光論理素子等の光半導体装置に関す
る。
特にエネルギー損失のない光伝送路や、超高速応答が可
能な光スイッチ、光論理素子等の光半導体装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、長距離大容量の光通信システムの
発展に伴い大容量の光交換システムや光情報処理システ
ムが必要となってきている。このようなシステムでは光
スイッチや光論理演算素子、特に超高速で動作する素子
が必要である。
発展に伴い大容量の光交換システムや光情報処理システ
ムが必要となってきている。このようなシステムでは光
スイッチや光論理演算素子、特に超高速で動作する素子
が必要である。
【０００３】この目的のために、例えば、量子井戸構造
における励起子の電界下での光学特性を生かしたＳＥＥ
Ｄ（Self-Electro Optic Device ）の光スイッチが盛ん
に研究・開発されている（アプライド・フィジクス・レ
ターズ、４５巻１３頁、１９８４）。
における励起子の電界下での光学特性を生かしたＳＥＥ
Ｄ（Self-Electro Optic Device ）の光スイッチが盛ん
に研究・開発されている（アプライド・フィジクス・レ
ターズ、４５巻１３頁、１９８４）。
【０００４】しかしながら、この種の光スイッチはＣＲ
時定数にそのスピードが制限され、高速応答ができない
という問題があった。また、ＳＥＥＤにおいては励起子
を利用しているため、時間応答をナノ秒以下にすること
が困難であった。これは励起子の寿命がナノ秒程度であ
る結果、励起子が生成されると、その消滅にナノ秒程度
の時間が必要になるからである。
時定数にそのスピードが制限され、高速応答ができない
という問題があった。また、ＳＥＥＤにおいては励起子
を利用しているため、時間応答をナノ秒以下にすること
が困難であった。これは励起子の寿命がナノ秒程度であ
る結果、励起子が生成されると、その消滅にナノ秒程度
の時間が必要になるからである。
【０００５】いったん形成されたキャリアをすばやく緩
和する方法としては、サブバンド間遷移を用いるか、低
温成長した結晶を用いるか、あるいはトンネル効果を用
いる方法がある。ところが、これらの方法においては、
キャリアのエネルギーは最終的に熱になるため、スイッ
チの繰り返しが速くなってくると、温度が上昇し正常な
動作をしなくなるという問題があった。
和する方法としては、サブバンド間遷移を用いるか、低
温成長した結晶を用いるか、あるいはトンネル効果を用
いる方法がある。ところが、これらの方法においては、
キャリアのエネルギーは最終的に熱になるため、スイッ
チの繰り返しが速くなってくると、温度が上昇し正常な
動作をしなくなるという問題があった。
【０００６】これらの技術に対しキャリアを実励起しな
い方法、あるいは実質的に励起しない方法が提案されて
いる。フィジカル・レビュー・レターズ第５９巻、第９
号（１９８７）、１０１４〜１０１７頁には、ＣＲ時定
数によるスイッチング時間の制限がない方法が示されて
いる。
い方法、あるいは実質的に励起しない方法が提案されて
いる。フィジカル・レビュー・レターズ第５９巻、第９
号（１９８７）、１０１４〜１０１７頁には、ＣＲ時定
数によるスイッチング時間の制限がない方法が示されて
いる。
【０００７】この方法では、例えば、図８に示すよう
に、ＧａＡｓ量子井戸層９１とＡｌＧａＡｓ量子障壁層
９２とで構成された量子井戸構造の価電子帯の電子を伝
導帯へ非共鳴光で仮想励起し、その結果生じる仮想キャ
リアが元になって生じる光非線形効果を用いている。仮
想キャリアの非共鳴光に対する応答は、ピコ秒以下の超
短時間で生じることが知られているため、超高速動作が
期待できる。
に、ＧａＡｓ量子井戸層９１とＡｌＧａＡｓ量子障壁層
９２とで構成された量子井戸構造の価電子帯の電子を伝
導帯へ非共鳴光で仮想励起し、その結果生じる仮想キャ
リアが元になって生じる光非線形効果を用いている。仮
想キャリアの非共鳴光に対する応答は、ピコ秒以下の超
短時間で生じることが知られているため、超高速動作が
期待できる。
【０００８】しかしながら、非共鳴光が共鳴エネルギー
に近い場合は、フォノンを介して実励起が生じる。ま
た、実励起を抑えるために離調エネルギー（Ｅ1 −Ｅ
2 ）を大きくすると、十分な仮想励起が得られず、十分
な光非線形性が得られないという新たな問題が生じる。
に近い場合は、フォノンを介して実励起が生じる。ま
た、実励起を抑えるために離調エネルギー（Ｅ1 −Ｅ
2 ）を大きくすると、十分な仮想励起が得られず、十分
な光非線形性が得られないという新たな問題が生じる。
【０００９】このような問題を解決する方法として、励
起子を用いた自己誘導透過現象という実質的にエネルギ
ーの吸収のない現象を利用した方法が提案されている。
これは図８のデバイスにおいて、励起子遷移エネルギー
に対応する波長のポンプパルス光を入射するものであ
る。
起子を用いた自己誘導透過現象という実質的にエネルギ
ーの吸収のない現象を利用した方法が提案されている。
これは図８のデバイスにおいて、励起子遷移エネルギー
に対応する波長のポンプパルス光を入射するものであ
る。
【００１０】しかしながら、半導体中の励起子を用いた
理想的な自己誘導透過現象は現在のところ見つけられて
おらず、実際にはエネルギーの吸収が起こり、発熱の問
題がある。
理想的な自己誘導透過現象は現在のところ見つけられて
おらず、実際にはエネルギーの吸収が起こり、発熱の問
題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来より
種々の超高速応答が可能な光スイッチが提案され、ある
程度の期待はできたが、その欠点も顕著になり、本命視
されるものはまだ無い。本発明は、上記事情を考慮して
なされたもので、その第１の目的とするところは、超高
速動作を実現する上で必要な発熱の問題がない光半導体
装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的
は、超高速動作可能な光半導体装置を提供することにあ
る。
種々の超高速応答が可能な光スイッチが提案され、ある
程度の期待はできたが、その欠点も顕著になり、本命視
されるものはまだ無い。本発明は、上記事情を考慮して
なされたもので、その第１の目的とするところは、超高
速動作を実現する上で必要な発熱の問題がない光半導体
装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的
は、超高速動作可能な光半導体装置を提供することにあ
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために本発明の光半導体装置（請求項１）は、半導体
基板に形成された量子構造と、この量子構造にパルス面
積が２πｎ（ｎは自然数）のパルス光を入射するパルス
光入射手段とを備え、前記量子構造は、前記パルス光を
入射する前に、伝導帯または価電子帯に電子または正孔
が存在する第１のサブバンドと、この第１のサブバンド
よりエネルギー準位が高く、前記第１のサブバンドの電
子または正孔がサブバンド間遷移可能な状態の第２のサ
ブバンドとを有することを特徴とする。
るために本発明の光半導体装置（請求項１）は、半導体
基板に形成された量子構造と、この量子構造にパルス面
積が２πｎ（ｎは自然数）のパルス光を入射するパルス
光入射手段とを備え、前記量子構造は、前記パルス光を
入射する前に、伝導帯または価電子帯に電子または正孔
が存在する第１のサブバンドと、この第１のサブバンド
よりエネルギー準位が高く、前記第１のサブバンドの電
子または正孔がサブバンド間遷移可能な状態の第２のサ
ブバンドとを有することを特徴とする。
【００１３】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の光半導体装置（請求項２）は、半導体基板に形
成された量子構造と、この量子構造にパルス面積が２π
ｎ（ｎは自然数）のパルス光を入射するパルス光入射手
段と、前記量子構造に光信号を入射する光信号入射手段
とを備え、前記量子構造は、前記パルス光を入射する前
に、伝導帯または価電子帯に電子または正孔が存在する
第１のサブバンドと、この第１のサブバンドよりエネル
ギー準位が高く、前記第１のサブバンドの電子または正
孔がサブバンド間遷移可能な状態の第２のサブバンドと
を有することを特徴とする。
本発明の光半導体装置（請求項２）は、半導体基板に形
成された量子構造と、この量子構造にパルス面積が２π
ｎ（ｎは自然数）のパルス光を入射するパルス光入射手
段と、前記量子構造に光信号を入射する光信号入射手段
とを備え、前記量子構造は、前記パルス光を入射する前
に、伝導帯または価電子帯に電子または正孔が存在する
第１のサブバンドと、この第１のサブバンドよりエネル
ギー準位が高く、前記第１のサブバンドの電子または正
孔がサブバンド間遷移可能な状態の第２のサブバンドと
を有することを特徴とする。
【００１４】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の他の光半導体装置（請求項３）は、半導体基板
に形成された量子構造と、この量子構造にパルス面積が
２πｎ（ｎは自然数）のパルス光を入射するパルス光入
射手段と、前記量子構造に光信号を入射する光信号入射
手段と、前記パルス光により制御されるものであって、
前記光信号が前記量子構造内で感じる複素屈折率を変化
させ、前記量子構造から出力される前記光信号の振幅ま
たは位相を変化させる変化手段とを備え、前記量子構造
は、前記パルス光を入射する前に、伝導帯または価電子
帯に電子または正孔が存在する第１のサブバンドと、こ
の第１のサブバンドよりエネルギー準位が高く、前記第
１のサブバンドの電子または正孔がサブバンド間遷移可
能な状態の第２のサブバンドとを有することを特徴とす
る。
本発明の他の光半導体装置（請求項３）は、半導体基板
に形成された量子構造と、この量子構造にパルス面積が
２πｎ（ｎは自然数）のパルス光を入射するパルス光入
射手段と、前記量子構造に光信号を入射する光信号入射
手段と、前記パルス光により制御されるものであって、
前記光信号が前記量子構造内で感じる複素屈折率を変化
させ、前記量子構造から出力される前記光信号の振幅ま
たは位相を変化させる変化手段とを備え、前記量子構造
は、前記パルス光を入射する前に、伝導帯または価電子
帯に電子または正孔が存在する第１のサブバンドと、こ
の第１のサブバンドよりエネルギー準位が高く、前記第
１のサブバンドの電子または正孔がサブバンド間遷移可
能な状態の第２のサブバンドとを有することを特徴とす
る。
【００１５】上記光半導体装置をより具体化すると以下
のようになる。前記変化手段として、非線形ファブリ・
ペロー・エタロン、マッハ・ツェンダー型干渉計または
方向性結合器を用いる（請求項４）。
のようになる。前記変化手段として、非線形ファブリ・
ペロー・エタロン、マッハ・ツェンダー型干渉計または
方向性結合器を用いる（請求項４）。
【００１６】前記半導体基板としては、例えば、ＩｎＰ
基板を用いる。前記量子構造は、 III-V族化合物半導体
の量子井戸層および量子障壁層とで構成する。例えば、
Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y （０≦ｘ，ｙ≦１）からな
る量子井戸層とＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ａｓ（０≦ｘ，
ｙ≦１）からなる量子障壁層とで構成する。
基板を用いる。前記量子構造は、 III-V族化合物半導体
の量子井戸層および量子障壁層とで構成する。例えば、
Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y （０≦ｘ，ｙ≦１）からな
る量子井戸層とＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ａｓ（０≦ｘ，
ｙ≦１）からなる量子障壁層とで構成する。
【００１７】前記量子構造は、 III-V族化合物半導体か
らなる量子井戸層と、 II-VI族化合物半導体からなる量
子障壁層とで構成する。ここで、量子構造とは、電子あ
るいは正孔のエネルギー準位を量子化して電子あるいは
正孔を閉じ込めることができる構造を指し、例えば、量
子井戸、量子細線、量子箱などがある。
らなる量子井戸層と、 II-VI族化合物半導体からなる量
子障壁層とで構成する。ここで、量子構造とは、電子あ
るいは正孔のエネルギー準位を量子化して電子あるいは
正孔を閉じ込めることができる構造を指し、例えば、量
子井戸、量子細線、量子箱などがある。
【００１８】
【作用】本発明者の研究によれば、パルス面積が２πｎ
（ｎは自然数）のパルス光を本発明の如きの量子構造に
入射することにより、理想的な自己誘導透過現象が得ら
れることが分かった。この理由は以下のように考えられ
る。
（ｎは自然数）のパルス光を本発明の如きの量子構造に
入射することにより、理想的な自己誘導透過現象が得ら
れることが分かった。この理由は以下のように考えられ
る。
【００１９】すなわち、従来の自己誘導透過現象は励起
子を利用したものであるため、励起子を形成するクーロ
ン力と光電磁場との相互作用があっても安定であり、こ
れにより、理想的な自己誘導透過現象が妨げられてしま
う。
子を利用したものであるため、励起子を形成するクーロ
ン力と光電磁場との相互作用があっても安定であり、こ
れにより、理想的な自己誘導透過現象が妨げられてしま
う。
【００２０】一方、本発明の場合、自己誘導透過現象は
サブバンド間遷移を利用したものであるため、クーロン
力と光電磁場との相互作用がないので、エネルギー損失
のない理想的な自己誘導透過現象が生じる。
サブバンド間遷移を利用したものであるため、クーロン
力と光電磁場との相互作用がないので、エネルギー損失
のない理想的な自己誘導透過現象が生じる。
【００２１】したがって、このような知見に基づいた本
願発明（請求項１）によれば、理想的な自己誘導透過現
象が生じるため、パルス光は吸収されず、熱の発生を抑
制できる。
願発明（請求項１）によれば、理想的な自己誘導透過現
象が生じるため、パルス光は吸収されず、熱の発生を抑
制できる。
【００２２】また、本発明（請求項２）によれば、サブ
バンド間遷移の大きな非線形性とキャリアの高速遷移に
より、超高速度の光スイッチを実現できる。すなわち、
パルス光が入射していないときに、第１のサブバンドと
第２のサブバンドとのエネルギー差に対応した光信号が
入射すると、この光信号のエネルギーは第１のサブバン
ドのキャリアに吸収され（あるいは吸収されず）、この
キャリアは第２のサブバンドに高速遷移する結果、量子
井戸構造から光信号は出力されなくなる（あるいは出力
される）。
バンド間遷移の大きな非線形性とキャリアの高速遷移に
より、超高速度の光スイッチを実現できる。すなわち、
パルス光が入射していないときに、第１のサブバンドと
第２のサブバンドとのエネルギー差に対応した光信号が
入射すると、この光信号のエネルギーは第１のサブバン
ドのキャリアに吸収され（あるいは吸収されず）、この
キャリアは第２のサブバンドに高速遷移する結果、量子
井戸構造から光信号は出力されなくなる（あるいは出力
される）。
【００２３】このような状態において、パルス光を入射
すると、サブバンド間遷移の大きな非線形性により、第
１のサブバンドと第２のサブバンドとのエネルギー差が
短時間で変化するため、光信号は吸収されず（あるいは
吸収され）、量子井戸構造から光信号が出力されるよう
になる（あるいは出力されなくなる）。
すると、サブバンド間遷移の大きな非線形性により、第
１のサブバンドと第２のサブバンドとのエネルギー差が
短時間で変化するため、光信号は吸収されず（あるいは
吸収され）、量子井戸構造から光信号が出力されるよう
になる（あるいは出力されなくなる）。
【００２４】したがって、このような光信号の吸収の有
無を利用することにより超高速度の光スイッチを形成で
きる。そして、光信号をパルス光に比べて微弱（低エネ
ルギー）にすれば、パルス光の理想的な自己誘導透過現
象により、発熱の問題も生じない。
無を利用することにより超高速度の光スイッチを形成で
きる。そして、光信号をパルス光に比べて微弱（低エネ
ルギー）にすれば、パルス光の理想的な自己誘導透過現
象により、発熱の問題も生じない。
【００２５】
【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る光半導
体装置の概略構造を示す断面図と同装置の量子構造のバ
ンドダイヤグラムである。
説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る光半導
体装置の概略構造を示す断面図と同装置の量子構造のバ
ンドダイヤグラムである。
【００２６】これを製造工程に従い説明すると、まず、
ＩｎＰ基板１１を用意する。次いでこのＩｎＰ基板１１
上にＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１２（厚さ１μｍ）、
ＡｌＡｓ障壁層１３（厚さ３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ井戸
層１５（厚さ１ｎｍ）、ＩｎＡｓ井戸層（厚さ１ｎｍ）
１４を順次有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形
成する。引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＩｎＡｓ井
戸層１４上に同様なＩｎＧａＡｓ井戸層１５、ＡｌＡｓ
障壁層１３，ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１２を順次形
成する。これら１３，１４，１５により量子井戸構造が
構成されている。ここで、ＩｎＡｓ井戸層１４はＳｉを
２．０×１０17ｃｍ-3ドーピングしてある。更に、連続
して厚さ１μｍのＩｎＡｌＡｓキャップ層（不図示）を
成長する。
ＩｎＰ基板１１を用意する。次いでこのＩｎＰ基板１１
上にＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１２（厚さ１μｍ）、
ＡｌＡｓ障壁層１３（厚さ３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ井戸
層１５（厚さ１ｎｍ）、ＩｎＡｓ井戸層（厚さ１ｎｍ）
１４を順次有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形
成する。引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＩｎＡｓ井
戸層１４上に同様なＩｎＧａＡｓ井戸層１５、ＡｌＡｓ
障壁層１３，ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１２を順次形
成する。これら１３，１４，１５により量子井戸構造が
構成されている。ここで、ＩｎＡｓ井戸層１４はＳｉを
２．０×１０17ｃｍ-3ドーピングしてある。更に、連続
して厚さ１μｍのＩｎＡｌＡｓキャップ層（不図示）を
成長する。
【００２７】このようにして得られたウェーハからチッ
プを切り出し、その吸収スペクトルを調べたところ、１
５２０ｎｍに鋭い吸収特性を示した。これは図１に示す
バンドダイヤグラムの第１のサブバンドＳＢ１から第２
のサブバンドＳＢ２への共鳴吸収によるものである。
プを切り出し、その吸収スペクトルを調べたところ、１
５２０ｎｍに鋭い吸収特性を示した。これは図１に示す
バンドダイヤグラムの第１のサブバンドＳＢ１から第２
のサブバンドＳＢ２への共鳴吸収によるものである。
【００２８】このチップに波長１５００ｎｍの微弱なパ
ルス幅２００ｆｓの光信号を図示しない光信号入射手段
により入射（照射）した。更に、共鳴波長である１５２
０ｎｍ、パルス幅２００ｆｓのポンプ光を図示しないパ
ルス光入射手段によりパルス面積が２πとなる強度で入
射（照射）したときの光信号の変化の様子を調べた。
ルス幅２００ｆｓの光信号を図示しない光信号入射手段
により入射（照射）した。更に、共鳴波長である１５２
０ｎｍ、パルス幅２００ｆｓのポンプ光を図示しないパ
ルス光入射手段によりパルス面積が２πとなる強度で入
射（照射）したときの光信号の変化の様子を調べた。
【００２９】その結果、上記ポンプ光（２πパルス光）
を入射している間だけ光信号が吸収され易くなり、光信
号の出力強度が素子に入射する前の５０％までに減少す
ることが分かった。この変化はまさに共鳴光である２π
パルス光が入射しているときのみであり、２πパルス光
が消えた瞬間にもとに戻ることがわかった。
を入射している間だけ光信号が吸収され易くなり、光信
号の出力強度が素子に入射する前の５０％までに減少す
ることが分かった。この変化はまさに共鳴光である２π
パルス光が入射しているときのみであり、２πパルス光
が消えた瞬間にもとに戻ることがわかった。
【００３０】この現象は文献アプライド・フィジクス・
レターズ第５１巻（１９８７）１６７０頁に述べられて
いるステップ構造を持つ量子井戸構造のサブバンド間で
実励起をした場合のサブバンド間エネルギーの増加と類
似のものと考えられる。
レターズ第５１巻（１９８７）１６７０頁に述べられて
いるステップ構造を持つ量子井戸構造のサブバンド間で
実励起をした場合のサブバンド間エネルギーの増加と類
似のものと考えられる。
【００３１】すなわち、実励起によりサブバンド間エネ
ルギー差が増大し、吸収ピーク波長が短波長側にシフト
した結果、光信号が吸収されたと考えられる。ここで、
本発明の場合、励起エネルギーはパルス光に戻ってくる
ため速い応答が得られるとともに、温度の上昇がなく５
０ＧＨｚの繰り返し動作時にも安定なスイッチング動作
が得られることができる。
ルギー差が増大し、吸収ピーク波長が短波長側にシフト
した結果、光信号が吸収されたと考えられる。ここで、
本発明の場合、励起エネルギーはパルス光に戻ってくる
ため速い応答が得られるとともに、温度の上昇がなく５
０ＧＨｚの繰り返し動作時にも安定なスイッチング動作
が得られることができる。
【００３２】かくして本実施例によれば、光スイッチを
簡便な方法で実現できるため、大容量の情報処理システ
ムで用いる光半導体装置を低コストで得られ、しかも、
発熱の問題がないので信頼性は高いものとなる。
簡便な方法で実現できるため、大容量の情報処理システ
ムで用いる光半導体装置を低コストで得られ、しかも、
発熱の問題がないので信頼性は高いものとなる。
【００３３】また、光信号を用いなければ、本実施例の
光半導体装置は２πパルス光を損失なく伝送する理想的
な光導波路として利用できる。また、本実施例では２π
パルス光を用いたが、パルス面積が２πｎ（ｎは自然
数）であれば、自己誘導透過現象が起こる。
光半導体装置は２πパルス光を損失なく伝送する理想的
な光導波路として利用できる。また、本実施例では２π
パルス光を用いたが、パルス面積が２πｎ（ｎは自然
数）であれば、自己誘導透過現象が起こる。
【００３４】図２は、本発明の第２の実施例に係る光半
導体装置の概略構造を示す断面図である。本実施例の光
半導体装置の先の実施例のそれと異なる点は、量子井戸
構造を左右非対称にしたことにある。
導体装置の概略構造を示す断面図である。本実施例の光
半導体装置の先の実施例のそれと異なる点は、量子井戸
構造を左右非対称にしたことにある。
【００３５】すなわち、製造工程は第１の実施例とほぼ
同様であるが、ＩｎＧａＡｓ井戸層１５をＩｎＡｓ井戸
層１４の片側のみ形成した。本実施例によれば、第１の
実施例より大きな６０％近い消光比が得られた。これは
文献ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス第６５
巻（１９８９）４３７７頁に述べられているように、非
対称構造によりシュタルクシフトがより大きくなったた
めと解される。
同様であるが、ＩｎＧａＡｓ井戸層１５をＩｎＡｓ井戸
層１４の片側のみ形成した。本実施例によれば、第１の
実施例より大きな６０％近い消光比が得られた。これは
文献ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス第６５
巻（１９８９）４３７７頁に述べられているように、非
対称構造によりシュタルクシフトがより大きくなったた
めと解される。
【００３６】図３は、本発明の第３の実施例に係る光半
導体装置の概略構造を示す断面図である。ここまでの実
施例では吸収ピークの位置が励起により変化することを
利用したものであるが、本実施例のように屈折率の変化
を利用することも有効である。
導体装置の概略構造を示す断面図である。ここまでの実
施例では吸収ピークの位置が励起により変化することを
利用したものであるが、本実施例のように屈折率の変化
を利用することも有効である。
【００３７】すなわち、素子の上部と下部とに金薄膜２
１をそれぞれコーティングして反射鏡を形成すると、こ
のように互いに平行な２枚の金薄膜２１の反射鏡で囲ま
れた量子井戸構造は非線形ファブリ・ペロー・エタロン
として働くようになる。透過ピーク位置は２枚の金薄膜
（反射鏡）間の光学距離で決まる。このように光非線形
をもつ媒質（量子井戸構造）からなるエタロンを光スイ
ッチに利用する原理は例えばアプライド・フィジクス・
レターズ第４９巻（１９８６）７４９頁に述べられてい
る。
１をそれぞれコーティングして反射鏡を形成すると、こ
のように互いに平行な２枚の金薄膜２１の反射鏡で囲ま
れた量子井戸構造は非線形ファブリ・ペロー・エタロン
として働くようになる。透過ピーク位置は２枚の金薄膜
（反射鏡）間の光学距離で決まる。このように光非線形
をもつ媒質（量子井戸構造）からなるエタロンを光スイ
ッチに利用する原理は例えばアプライド・フィジクス・
レターズ第４９巻（１９８６）７４９頁に述べられてい
る。
【００３８】本実施例では、エタロンの透過ピーク位置
を波長１５５０ｎｍとし、共鳴吸収波長より長波長側の
透明域に設定した。このエタロンに横方向から波長１５
２０ｎｍの２πパルス光（幅２００ｆｓ）を入射（照
射）すると、シュタルク効果によりサブバンド間遷移の
吸収ピークが短波長側に動くと同時に屈折率が減少する
ため、２枚の反射鏡間の光学距離が減少し、エタロンの
透過スペクトルが短波長側にシフトする。
を波長１５５０ｎｍとし、共鳴吸収波長より長波長側の
透明域に設定した。このエタロンに横方向から波長１５
２０ｎｍの２πパルス光（幅２００ｆｓ）を入射（照
射）すると、シュタルク効果によりサブバンド間遷移の
吸収ピークが短波長側に動くと同時に屈折率が減少する
ため、２枚の反射鏡間の光学距離が減少し、エタロンの
透過スペクトルが短波長側にシフトする。
【００３９】サブバンド間遷移における非線形性、つま
り、屈折率の変化量はバンド間遷移に比べ非常に大きい
ため、エタロンの透過スペクトルも１６ｎｍと大きくシ
フトするのが観測された。
り、屈折率の変化量はバンド間遷移に比べ非常に大きい
ため、エタロンの透過スペクトルも１６ｎｍと大きくシ
フトするのが観測された。
【００４０】上記２πパルス光（幅２００ｆｓ）の照射
の有無によるエタロンの透過スペクトルの違いを図４に
示す。この図４から、例えば、波長１５３０ｎｍの光信
号を用いれば、２πパルス光を照射しているときに出力
が得られるスイッチを形成できる。また、１５６０ｎｍ
の光信号を用いれば、２πパルス光を照射してないとき
に出力が得られるスイッチを形成できる。
の有無によるエタロンの透過スペクトルの違いを図４に
示す。この図４から、例えば、波長１５３０ｎｍの光信
号を用いれば、２πパルス光を照射しているときに出力
が得られるスイッチを形成できる。また、１５６０ｎｍ
の光信号を用いれば、２πパルス光を照射してないとき
に出力が得られるスイッチを形成できる。
【００４１】実際に観測したオン状態からＯＦＦ状態へ
変化する様子を図５に示す。この図５から５００ｆｓ以
下の超高速動作（超高速スイッチング）が認めらること
が分かる。また、繰り返しの周波数を５０ＧＨｚにまで
増しても安定な動作が確認された。更に、このような非
線形のエタロンを使用すれば、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲと
いった論理素子を作ることも可能である。
変化する様子を図５に示す。この図５から５００ｆｓ以
下の超高速動作（超高速スイッチング）が認めらること
が分かる。また、繰り返しの周波数を５０ＧＨｚにまで
増しても安定な動作が確認された。更に、このような非
線形のエタロンを使用すれば、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲと
いった論理素子を作ることも可能である。
【００４２】図６は、本発明の第４の実施例に係る光半
導体装置の概略構造を示す平面図である。本実施例の光
半導体装置が第３の実施例と異なる点は、エタロンの代
わりにマッハ・ツェンダー型の干渉計を用いて複素屈折
率の変化による光の位相の変化を利用していることにあ
る。
導体装置の概略構造を示す平面図である。本実施例の光
半導体装置が第３の実施例と異なる点は、エタロンの代
わりにマッハ・ツェンダー型の干渉計を用いて複素屈折
率の変化による光の位相の変化を利用していることにあ
る。
【００４３】すなわち、光信号をＩｎＰ基板３１に形成
したＩｎＧａＡｓ光導波路３２に入射した後、２つの経
路に分岐するように光導波路を形成し、更に、その一方
の光導波路にサブバンド間遷移による自己誘導透過を起
こすためのＩｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造３３を形成
したことにある。
したＩｎＧａＡｓ光導波路３２に入射した後、２つの経
路に分岐するように光導波路を形成し、更に、その一方
の光導波路にサブバンド間遷移による自己誘導透過を起
こすためのＩｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造３３を形成
したことにある。
【００４４】量子井戸構造３３に２πパルス光を照射す
ることにより、屈折率変化を通して光信号の位相を変化
させることができる。そのため、再び合わさった光信号
は強めあったり、弱めあったりして出力光の強度（振
幅）が変化する。
ることにより、屈折率変化を通して光信号の位相を変化
させることができる。そのため、再び合わさった光信号
は強めあったり、弱めあったりして出力光の強度（振
幅）が変化する。
【００４５】このとき、２πパルス光は実質的に吸収さ
れないので温度上昇はほとんど生じない。同様に方向性
結合器に同量子井戸構造を設け、光の結合長を変化させ
ることによりスイッチング動作を得ることもできる。
れないので温度上昇はほとんど生じない。同様に方向性
結合器に同量子井戸構造を設け、光の結合長を変化させ
ることによりスイッチング動作を得ることもできる。
【００４６】図７は、本発明の第５の実施例に係る光半
導体装置の概略構造を示す断面図である。本実施例の光
半導体装置が第３の実施例のそれと異なる点は、素子の
両側面に金薄膜２１を設けてエタロンを形成したことに
ある。このような構成でも第３の実施例と同様な効果が
得られる。
導体装置の概略構造を示す断面図である。本実施例の光
半導体装置が第３の実施例のそれと異なる点は、素子の
両側面に金薄膜２１を設けてエタロンを形成したことに
ある。このような構成でも第３の実施例と同様な効果が
得られる。
【００４７】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、実施例では、半導体材料とし
て作成が容易なＩｎＰ系の材料を用いているが、他の材
料、例えば、III −Ｖ族化合物半導体とII−VI族化合物
半導体とを組み合わせた材料を用いても同様な効果が得
られる。
るものではない。例えば、実施例では、半導体材料とし
て作成が容易なＩｎＰ系の材料を用いているが、他の材
料、例えば、III −Ｖ族化合物半導体とII−VI族化合物
半導体とを組み合わせた材料を用いても同様な効果が得
られる。
【００４８】例えば、量子井戸層としてＧａＡｓ（ III
-V）を用い、量子障壁層としてＺｎＳ（ II-VI）を用
い、そして、量子井戸層をｐ型にドーピングすれば良
い。この場合、価電子帯のサブバンド間遷移による自己
誘導透過により超高速光スイッチ動作が可能となる。
-V）を用い、量子障壁層としてＺｎＳ（ II-VI）を用
い、そして、量子井戸層をｐ型にドーピングすれば良
い。この場合、価電子帯のサブバンド間遷移による自己
誘導透過により超高速光スイッチ動作が可能となる。
【００４９】また、上記実施例では、動作波長を１５０
０ｎｍ付近に設定したが、他の波長領域でもよい。また
同一基板上に多数の素子を集積化する事も可能である。
また、上記実施例では、伝導帯の電子のサブバンド間遷
移を利用したが、価電子帯の正孔のサブバンド間遷移を
利用しても良い。更に、量子井戸の代わりに、量子細線
や量子箱におけるサブバンド間遷移を利用することもで
きる。
０ｎｍ付近に設定したが、他の波長領域でもよい。また
同一基板上に多数の素子を集積化する事も可能である。
また、上記実施例では、伝導帯の電子のサブバンド間遷
移を利用したが、価電子帯の正孔のサブバンド間遷移を
利用しても良い。更に、量子井戸の代わりに、量子細線
や量子箱におけるサブバンド間遷移を利用することもで
きる。
【００５０】また、本発明によれば、時間シフトによる
光スイッチも可能となる。これを説明すると以下のよう
になる。図１において、パルス信号光とこれを制御する
パルス光のどちらもパルス面積が２πとなるようにし、
且つパルスの幅が異なるようにしておく。時刻ｔ1 に装
置に入射した２πパルス信号光は、制御パルス光がない
場合、時刻ｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）に装置から出射する。
光スイッチも可能となる。これを説明すると以下のよう
になる。図１において、パルス信号光とこれを制御する
パルス光のどちらもパルス面積が２πとなるようにし、
且つパルスの幅が異なるようにしておく。時刻ｔ1 に装
置に入射した２πパルス信号光は、制御パルス光がない
場合、時刻ｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）に装置から出射する。
【００５１】ところが、２πパルス信号光に引き続き２
π制御パルス光を入射した場合、２π制御パルス光は２
πパルス信号光に追いつき、両者は相互作用を生じる。
その結果、２πパルス信号光は時刻ｔ2 でなく時刻ｔ3
（ｔ2 ＜ｔ3 ）に装置から出射する。
π制御パルス光を入射した場合、２π制御パルス光は２
πパルス信号光に追いつき、両者は相互作用を生じる。
その結果、２πパルス信号光は時刻ｔ2 でなく時刻ｔ3
（ｔ2 ＜ｔ3 ）に装置から出射する。
【００５２】よって、時刻ｔ2 で出射光を観測すれば、
２π制御パルス光の有無に応じてそれぞれ２πパルス信
号光をオフ状態やオン状態にすることができる。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。
２π制御パルス光の有無に応じてそれぞれ２πパルス信
号光をオフ状態やオン状態にすることができる。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。
【００５３】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、エ
ネルギー損失のない理想的な自己誘導透過現象を利用で
きるため、熱の発生を抑制でき、もって、理想的な光導
波路や超高速動作の光スイッチ等の光半導体装置の実現
が可能となる。
ネルギー損失のない理想的な自己誘導透過現象を利用で
きるため、熱の発生を抑制でき、もって、理想的な光導
波路や超高速動作の光スイッチ等の光半導体装置の実現
が可能となる。
【図１】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置の概
略構造を示す断面図および同装置の量子井戸構造の伝導
帯のダイヤグラム
略構造を示す断面図および同装置の量子井戸構造の伝導
帯のダイヤグラム
【図２】本発明の第２の実施例に係る光半導体装置の概
略構造を示す断面図
略構造を示す断面図
【図３】本発明の第３の実施例に係る光半導体装置の概
略構造を示す断面図
略構造を示す断面図
【図４】２πパルス光の照射前後における透過率と波長
との関係を示す特性図
との関係を示す特性図
【図５】透過光強度と時間と関係を示す特性図
【図６】本発明の第４の実施例に係る光半導体装置の概
略構造を示す平面図
略構造を示す平面図
【図７】本発明の第５の実施例に係る光半導体装置の概
略構造を示す断面図
略構造を示す断面図
【図８】従来の光半導体装置の概略構造を示す断面図お
よび同装置の量子井戸構造のバンドダイヤグラム
よび同装置の量子井戸構造のバンドダイヤグラム
１１…ＩｎＰ基板
１２…ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層
１３…ＡｌＡｓ障壁層
１４…ＩｎＡｓ井戸層
１５…ＩｎＧａＡｓ井戸層
２１…金薄膜
３１…ＩｎＰ基板
３２…ＩｎＧａＡｓ光導波路
３３…ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造
フロントページの続き
(56)参考文献 Ｄ．Ｊ．Ｎｅｗｓｏｎ ｅｔ．ａｌ,
Ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｐｔ
ｉｃａｌ ｂｉｓｔａｂｌｉｔｙ ｄｕ
ｅ ｔｏ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｔｅ
ｒｓｕｂｂａｎｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏ
ｎ ｉｎ ｓｔｅｐｐｅｄ ｍｏｄｕｌ
ａｔｉｏｎ−，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ，1987年11月，51（23），ｐ1670
−1672
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/29 - 7/00
Claims (4)
- 【請求項１】半導体基板に形成された量子構造と、 この量子構造にパルス面積が２πｎ（ｎは自然数）のパ
ルス光を入射するパルス光入射手段とを具備してなり、 前記量子構造は、前記パルス光を入射する前に、伝導帯
または価電子帯に電子または正孔が存在する第１のサブ
バンドと、この第１のサブバンドよりエネルギー準位が
高く、前記第１のサブバンドの電子または正孔がサブバ
ンド間遷移可能な状態の第２のサブバンドとを有するこ
とを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項２】半導体基板に形成された量子構造と、 この量子構造にパルス面積が２πｎ（ｎは自然数）のパ
ルス光を入射するパルス光入射手段と、 前記量子構造に光信号を入射する光信号入射手段とを具
備してなり、 前記量子構造は、前記パルス光を入射する前に、伝導帯
または価電子帯に電子または正孔が存在する第１のサブ
バンドと、この第１のサブバンドよりエネルギー準位が
高く、前記第１のサブバンドの電子または正孔がサブバ
ンド間遷移可能な状態の第２のサブバンドとを有するこ
とを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項３】半導体基板に形成された量子構造と、 この量子構造にパルス面積が２πｎ（ｎは自然数）のパ
ルス光を入射するパルス光入射手段と、 前記量子構造に光信号を入射する光信号入射手段と、 前記パルス光により制御されるものであって、前記光信
号が前記量子構造内で感じる複素屈折率を変化させ、前
記量子構造から出力される前記光信号の振幅または位相
を変化させる変化手段とを具備してなり、 前記量子構造は、前記パルス光を入射する前に、伝導帯
または価電子帯に電子または正孔が存在する第１のサブ
バンドと、この第１のサブバンドよりエネルギー準位が
高く、前記第１のサブバンドの電子または正孔がサブバ
ンド間遷移可能な状態の第２のサブバンドとを有するこ
とを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項４】前記変化手段は、非線形ファブリ・ペロー
・エタロン、マッハ・ツェンダー型干渉計または方向性
結合器から選ばれることを特徴とする請求項３に記載の
光半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04236794A JP3455575B2 (ja) | 1994-03-14 | 1994-03-14 | 光半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04236794A JP3455575B2 (ja) | 1994-03-14 | 1994-03-14 | 光半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07248511A JPH07248511A (ja) | 1995-09-26 |
| JP3455575B2 true JP3455575B2 (ja) | 2003-10-14 |
Family
ID=12634076
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04236794A Expired - Fee Related JP3455575B2 (ja) | 1994-03-14 | 1994-03-14 | 光半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3455575B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0224911D0 (en) * | 2002-10-25 | 2002-12-04 | Council Cent Lab Res Councils | Tuneable phase shifter |
| JP5164897B2 (ja) * | 2009-03-12 | 2013-03-21 | 独立行政法人情報通信研究機構 | 光フィルタ |
| CN103367567B (zh) * | 2013-06-27 | 2016-07-06 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 基于铋元素的非矩形iii-v族半导体量子阱的制备方法 |
-
1994
- 1994-03-14 JP JP04236794A patent/JP3455575B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｄ．Ｊ．Ｎｅｗｓｏｎ ｅｔ．ａｌ，Ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｉｓｔａｂｌｉｔｙ ｄｕｅ ｔｏ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｔｅｒｓｕｂｂａｎｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｔｅｐｐｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，１９８７年１１月，５１（２３），ｐ１６７０−１６７２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07248511A (ja) | 1995-09-26 |
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