JP3689038B2 - Semiconductor optical functional device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の状態で所定の処理を施す半導体光機能デバイスに係わり、特に半導体光増幅器、ならびに超短光パルス信号により別の信号光の強度,位相,或いは出力先等を制御する非線形光半導体デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
インターネットの普及等に伴う情報量の急増により、基幹伝送系においては近い将来、毎秒数百ギガ〜数十テラビットの大量の情報が光ファイバを飛び交うものと予想されている。このような超大容量の光ネットワークを実現するためには、高性能な光増幅器、1Tb/sオーダーの超高速動作が可能な光スイッチング素子、波長変換素子などの光機能デバイスが必要である。
【0003】
光通信用の光増幅器としては、希土類をドープした光ファイバ増幅器やファイバ・ラマン増幅器があり、既に広く使われている。一方、光LANや装置内等の用途向けには、進行波型半導体光増幅器の導入も検討されている。進行波型半導体光増幅器は、半導体レーザの端面に低反射コートを施して、高レベルの電流を注入してもレーザ発振しないようにしたものであり、その一端面から入射された光はバンド間の誘導放出利得を受けて増幅されて出力される。進行波型半導体光増幅器は、光ファイバ増幅器と比べて遙かに小型で消費電力も小さい。また、希土類ドープの光ファイバ増幅器と比べて波長の自由度も大きい。
【0004】
しかし、利得帯域全体にわたって出力されるASE(Amplified Spontaneous Emission)雑音が信号光対雑音比を悪化させることは、応用上の制約条件となっている。また、利得飽和レベルが低いため、十分な出力を得られないという問題もあった。このため、半導体光増幅器が光増幅素子として利用できる応用範囲は極めて限定されていた。
【0005】
半導体光増幅器は、光増幅器としてよりもむしろ、光スイッチ,波長変換素子等の非線形光デバイスとしての応用が期待されている。強い光パルスが入射すれば利得飽和や屈折率の変調が起こるので、様々な非線形光デバイスとして使用することができる。利得を有する光増幅器を用いた非線形光デバイスは、スイッチング・パワーが低く、高効率なのが特長である。しかし、バンド間遷移に基づく利得変化はキャリア寿命により制限されるので、応答速度は通常数十Gb/s程度、アシスト光の注入など特殊な工夫をした場合でもせいぜい数百Gb/sまでしか動作させることができなかった。
【0006】
一方、1Tb/s級の超高速光スイッチング素子の動作原理として、窒化物半導体のサブバンド間遷移の可飽和吸収の利用が提案されている(例えば、特開平8−179387公報、N. Suzuki and N. Iizuka, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 36, pp. L1006-1008, 1997年)。サブバンド間の緩和時間はバンド間の緩和時間(キャリア寿命)と比べて3桁程度高速である。特に、窒化物半導体の量子井戸を用いれば、光通信で重要な近赤外域でのサブバンド間遷移を実現できるうえ、LOフォノンと電子の相互作用が大きいのでサブバンド間緩和時間をInGaAs系と比べて一桁以上速くできる。
【0007】
例えば、GaN系量子井戸におけるサブバンド間緩和時間は、室温,光通信波長帯で200〜400fsと短いので、そのサブバンド間吸収の飽和を利用すれば、1Tb/s程度の超高速繰り返しのビット・モード光スイッチング動作も可能になる。また、半導体を利用しているので、小型,軽量,安定な光スイッチを実現でき、量産化が可能なことは言うまでもない。さらに、窒化物半導体は特に強靭な半導体材料であり、温度上昇に対しても強い。
【0008】
サブバンド間吸収は井戸に垂直な電界成分に対して生じるから、基板面に垂直に光を入射する面型光スイッチへの応用は困難であり、主として光導波型の非線形光デバイスに応用される。光導波路型の非線形光デバイスとして様々な形態が考えられるが、例えばサブバンド間吸収の飽和を利用した可飽和吸収光ゲート・スイッチの場合、吸収飽和を起さない程度のパルス・エネルギーの信号光パルスと、吸収飽和を起す程度の大きなパルス・エネルギーを有する制御光パルスが光導波路に入射される。いずれのパルスも、サブバンド間吸収の生じる波長範囲内にあるものとする。信号光パルスのみが入射した場合は、信号光パルスは吸収されて出力されない。信号光パルスと制御光パルスが同時に入射した場合は、制御光による可飽和吸収で信号光パルスに対する吸収が減るため、信号光は出力される。
【0009】
このような光ゲート・スイッチで十分な消光比(スイッチのON/OFF比)を得るためには、GaN系の場合で最低数pJオーダーの制御光パルス・エネルギーが必要であり、これは1THzでは数Wの平均パワーに相当する。通常、制御光パルスもあるパターンで変調された信号であり、このようなパワーに増幅するのは困難である。
【0010】
信号光の波長を吸収帯域の端のほうに設定すれば、制御光による可飽和吸収で位相が変調される光位相変調素子として用いることもできる。この位相変調素子を光干渉計の中に組み込むことで、干渉計型光ゲート・スイッチや光路切り替えスイッチとして応用することもできる。また、吸収帯域内の二つの波長の光のビート成分によるサブバンド間キャリア分布の変化を利用した四光波混合型の光スイッチや波長変換素子等にも応用することが可能である。しかし、いずれの場合も強い制御光や励起光が必要であることが、実用化を妨げる最大の課題となっている。
【0011】
上記サブバンド間遷移の超高速性と半導体光増幅器の高効率性を併せ持つ非線形光デバイスを実現する方法として、サブバンド間遷移を用いた光増幅器を利用することが考えられる。波長3μm以上の波長では、サブバンド間遷移を利用した半導体レーザとして、量子カスケード・レーザ(QCL)が知られている。QCLは、電子注入領域と活性領域からなる単位構造を複数周期積層した活性層を光導波構造の中に設け、外部から電圧を印加して活性層にキャリアを注入できるようにしたものである。QCLについては、例えば、米国特許第 5,457,709 号(発明者 Capasso et al.、出願日1997年3月27日)などに開示されている。
【0012】
図14に、QCLの活性層を構成する単位構造100の伝導帯バンド構造の例を示す。この単位構造100は電子注入領域101と活性領域102から構成されており、電子注入領域101と活性領域102のいずれも、InGaAs井戸層103とAlGaInAs障壁層104からなる量子井戸ないし超格子からなる。電子注入領域101はチャープ半導体超格子層からなり、図示のようなミニバンド105が形成されている。活性領域102は通常、多重量子井戸層か半導体超格子層からなるが、ここでは議論を単純化するために単一の量子井戸で表した。この活性領域102には、基底準位E1 、励起準位E2 の二つのサブバンドが形成されている。
【0013】
活性層には、電極やクラッド層を介して十分な電界が印加されている。電子は、図の左側から電子注入領域101のミニバンド105を介して、活性領域102の励起準位E2 に注入される。活性領域102の基底準位E1 から右側の電子注入領域101に排出される時定数とミニバンド105から励起準位E2 に電子が注入される時定数のいずれもが、E2 からE1 に電子が緩和する時定数より十分に短いので、十分な電流を流せば活性領域102に反転分布を形成でき、誘導放出利得を生じる。端面に高反射コーティング膜を施す等して共振器を構成すれば、レーザ発振を得ることができる。
【0014】
原理的には、QCLの端面に低反射コートを施してレーザ発振を抑制すれば、光増幅器として使用できるはずであり、これを応用すれば、超高速かつ高効率な非線形光半導体デバイスが実現できるはずである。GaN/AlN系,InGaAs/AlAsSb系,ZnSe/BeTe系などで、光通信に用いられる波長1.3〜1.6μm帯でも近赤外波長のサブバンド間遷移が実現されている。しかしながら、QCLやQCLの構造を利用した光増幅器を近赤外波長で実現することは、以下に示す理由により極めて困難であった。
【0015】
近赤外サブバンド間遷移を実現するための障壁層は、障壁高さが高く有効質量も大きい傾向があるので、トンネリングによる結合が弱く、超格子を電子が伝搬する時定数が長くなる。しかも、近赤外波長のサブバンド間遷移ではE2 のエネルギー・レベルが高くなるので、電子注入領域101のミニバンド105のエネルギー・レベルも活性領域102に接する領域で十分に高くする必要がある。しかし、井戸層の厚さには1モノレーヤの限界があり、この部分の井戸層の組成を障壁層の組成に近づけない限り、このようなレベルを実現することはできない。
【0016】
障壁層材料に近い組成を持つ半導体層にも、キャリア密度を上げられない、有効質量が大きい、移動度が低い、等の不都合がある。さらに、ミニバンドのレベルを左側の活性領域のE1 から右側の活性領域のE2 まで持ち上げるためには、電子注入領域の層厚を厚く(超格子を構成する井戸数を非常に多く)しなければならない。このため、電子注入領域の電子輸送時間が長くなり、E2 への電子注入時間とE1 からの電子排出時間が短いという前提条件を満たさなくなってしまう。従って、近赤外域では、サブバンド間の反転分布の形成は非常に困難であった。
【0017】
また、単位構造一層当たりの電圧降下が大きい(フォトン・エネルギー+アルファの電圧降下が必要なので、一単位構造あたり1V近い電圧降下になる)ため、全体として非常に高い電圧が必要になる。さらに、電子注入層の層厚が厚いということは、活性層における活性領域と導波光とのオーバーラップが小さくなるということを意味する。近赤外光は中赤外光より導波モード径が小さくなるから、活性層の厚さをそれほど厚くできない。従って、十分な利得を得るのに必要な単位構造の積層数を確保することが困難になる。
【0018】
このように、QCL構造を利用した光増幅器では、近赤外域で十分な利得が得られず、非線形光半導体デバイスとしても、所要の特性を得ることはできなかった。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、バンド間遷移を利用した従来技術の半導体光増幅器は、ASE雑音が大きく、利得飽和レベルが低いため、応用範囲が極めて限定されていた。また、従来技術の半導体光増幅器を用いた非線形光半導体デバイスでは、1Tb/s級以上の超高速動作が不可能であった。一方、GaNなどのサブバンド間遷移を利用した非線形光デバイスは、高速・広帯域ではあるが、効率が低く、スイッチング・エネルギーが大きいという課題があった。
【0020】
従来技術の組み合わせであるサブバンド間遷移を利用した光増幅器では、近赤外域で十分な利得が得られないという課題があり、非線形光半導体デバイスとしても超高速かつ高効率の特性を得ることはできなかった。
【0021】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、低雑音で飽和レベルの大きな半導体光増幅器や、超高速でかつスイッチング・エネルギーの低い非線形半導体光デバイス等を実現するための半導体光機能デバイスを提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
(構成)
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【0023】
即ち、本発明の半導体光機能デバイスは、少なくとも二つのサブバンドを有する第1の量子井戸(光増幅領域)と、少なくとも二つのサブバンドを有しかつそのサブバンド間エネルギー差が前記第1の量子井戸のサブバンド間エネルギー差よりも大きな第2の量子井戸(電子励起領域)と、の少なくとも二つの量子井戸が障壁層により結合した単位結合量子井戸構造が、複数層周期的に積層されてなる半導体積層構造と、この半導体積層構造を含む光導波構造と、前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加する手段と、前記光導波構造の一端側から光を入射する手段と、前記光導波構造の他端側から光を出射する手段と、前記半導体積層構造に前記第2の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入する手段と、を具備してなり、前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加し、かつ前記第2の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入したときに、前記単位結合量子井戸構造の第2の量子井戸の励起準位から障壁層をトンネルして前記単位結合量子井戸構造の下流側に隣接する単位結合量子井戸の第1の量子井戸にキャリアが流れることを特徴とする。
【0024】
また、本発明の好ましい実施態様として、以下のようなものがある。
(1)半導体積層構造は、窒化物半導体により構成されていること。
(2)光導波構造に入射する光は、第1の量子井戸のサブバンド間遷移帯域内の信号光であること。これにより、半導体光増幅器を構成すること。
(3)光導波構造に入射する光は、第1の量子井戸ないし第2の量子井戸のサブバンド間遷移帯域内の信号光と制御光であること。これにより、非線形光半導体デバイスを構成すること。
(4)第1の量子井戸の基底準位は第2の量子井戸の基底準位より、量子井戸を構成している材料のLOフォノン・エネルギーに相当するエネルギーより高いレベルにあること。
(5)第1の量子井戸の基底準位と第2の量子井戸の基底準位は強く結合しており、そのエネルギー差は30meV以上であること。
(6)第1の量子井戸と第2の量子井戸のサブバンド間遷移波長は、いずれも2μm以下であること。
【0025】
(7)第1の量子井戸は、第2の量子井戸と反対側にステップ状ないし連続的な組成傾斜領域を有すること。
(8)第1の量子井戸の第2の量子井戸とは反対側に、第1及び第2の量子井戸間の障壁層よりも薄い別の障壁層を介して第3の量子井戸が設けられていること。
(9)第2の量子井戸の励起準位は、キャリアの流れの下流側に相当する隣接層とトンネリングにより結合した擬似束縛準位であること。
(10)単位結合量子井戸構造とこれに隣接する単位結合量子井戸構造の間の層には1MV/cm以上の電界がかかっていること。
【0026】
(11)励起光は連続光であること。
(12)励起光はパルス光で、制御光や信号光の到達に先立って入射されていること。
(13)実施態様(12)において、励起光は光導波構造から導入されること。
(14)励起光は、光導波構造の側面から導入されること。
【0027】
なお、厳密には、結合量子井戸では第1の量子井戸と第2の量子井戸の両方にまたがってサブバンドが形成される。ここでは議論を簡単化するために、第1(第2)の量子井戸のキャリア存在確率が第2(第1)の量子井戸のキャリア存在確率より大きなサブバンド(基底準位、励起準位)を「第1(第2)の量子井戸のサブバンド(基底準位、励起準位)」と呼ぶことにする。また、第1(第2)の量子井戸が超格子構造である場合は、「サブバンド」を「ミニバンド」と読み替えるものとする。
【0028】
(作用)
本発明の構成において、電圧が印加され励起光が入射していない状態では、第2の量子井戸の基底準位に大多数のキャリアが分布している。十分な強度の励起光が入射すると、キャリアは第2の量子井戸の励起準位に励起される。励起されたキャリアは、印加電圧による電位降下により、短時間のうちに隣接する単位結合量子井戸構造の第1の量子井戸の励起準位に注入される。
【0029】
第1の量子井戸の励起準位は、第2の量子井戸の励起準位より低いレベルにある。従って、第1の量子井戸の励起準位の寿命は、LOフォノンの放出を伴う基底準位への緩和過程により支配されている。その緩和レートは、波長2μm以下のサブバンド間遷移では、第2の量子井戸の励起準位から第1の量子井戸の励起準位への緩和レート、第1の量子井戸の基底準位から第2の量子井戸の基底準位への緩和レート、のいずれよりも小さい。
【0030】
従って、電圧印加でキャリアが注入され、励起光による第2の量子井戸の励起レートが十分に大きければ、第1の量子井戸の励起準位の寿命が最も長くなり、第1の量子井戸の基底準位と励起準位の間に反転分布が形成される。その結果、第1の量子井戸のサブバンド間遷移エネルギーに相当する波長帯に誘導放出利得を生じる。その波長帯域内の信号光が入射されれば増幅されて出射される。単位結合量子井戸構造の数を増やし、強い励起光を入射することで、飽和利得を増大させることができる。また、サブバンド間遷移では自発発光が殆ど起こらないので、ASE雑音の発生は無視でき極めて低雑音である。(但し、励起光の雑音を拾うので、雑音の小さな励起光が必要である。)サブバンド間遷移エネルギーは井戸幅等に依存しているから、井戸構造の設計を変えることにより、近赤外から中赤外域のいろいろな波長の光増幅器を作製することができる。
【0031】
また、実施態様(3)のように非線形光デバイスとして動作させる場合における信号光と制御光の波長については、動作のさせ方により様々な組み合わせが考えられる。
【0032】
例えば、制御光は光増幅領域の利得帯域内でかつ電子励起領域の吸収帯域外にあり、信号光は光増幅領域の利得帯域と電子励起領域の吸収帯域の重なった波長範囲内にあるものとする。この場合、強い制御光パルスが入射していない状態では、信号光パルスは光導波構造を伝搬する際に利得と吸収の両者の影響を受ける。利得の方が吸収より大きくなるように設定しておけば、入力より大きな出力が得られる。光増幅領域の利得を飽和させるのに十分なパルス・エネルギーを持つ制御光パルスが信号光パルスに同期して光導波路を伝搬すると、利得飽和により信号光の増幅が抑制されて吸収の方が大きくなるため、信号光は光導波路伝搬に伴って減衰し、出力されない。この場合は、符号が反転したインバータ動作となる。
【0033】
波長配置を変更して利得と吸収の関係を反転させれば、吸収飽和型の非反転動作にも適用できる。この場合でも、制御光ないし信号光に対して光増幅領域の利得が寄与するので、高効率化ないし低スイッチング・エネルギー化が図れる。
【0034】
このように、制御光パルスの有無により信号光パルスに対する光導波路の透過率を変化させることができる。或いは、この変化に伴って、信号光パルスの位相を変化させることもできる。この変化に係わる現象は全て高速であるから、超高速の光制御が実現される。従来のサブバンド間遷移の可飽和吸収のみを利用した非線形光半導体デバイスと異なり、制御光、信号光、或いはその両方に対する利得があるため、高効率でスイッチング・エネルギーも低減できる。
【0035】
なお、実施態様(1)の窒化物半導体においては、サブバンド間緩和時間は近赤外波長域でも数百fs、LOフォノン・エネルギーに相当する近接サブバンド間の緩和時間やサブバンド内緩和時間は数十fs以内と短い。また、キャリア−キャリア散乱時間もGaAs系などと比べて一桁短い数十fsオーダーである。従って、注入電流と励起光強度が十分に大きければ、光増幅により励起準位のキャリアが不足してもすぐに近接準位からキャリアが補充されるので、利得飽和レベルは高い。また、単位量子井戸構造の数を増やすことにより、利得飽和レベルを増大させることができる。但し、単位量子井戸構造の数が多いほど、必要な印加電圧と励起光強度は大きくなる。非線形光デバイスに応用した場合、関連する緩和過程の時定数がいずれもサブピコ秒なので、毎秒1テラビット以上の超高速光スイッチを実現できる。
【0036】
実施態様(4)の場合は、第1の量子井戸の基底準位にある電子は、LOフォノン放出を伴って短い時間(窒化物半導体で100fs程度)の間に第2のサブバンドの基底準位に緩和する。
【0037】
実施態様(5)のように二つの量子井戸が強く結合している状態では、二つの基底サブバンドの包絡線関数の二乗は、いずれも第1の量子井戸と第2の量子井戸の両者にピークを有する。二つのサブバンドの電子の位相差により、主として第1の量子井戸にキャリアが存在する状態や第2の量子井戸にキャリアが存在する状態が生じる。誘導放出により第1の量子井戸の励起サブバンドから二つの基底サブバンドに落ちた瞬間にはキャリアは第1の量子井戸に存在しているが、共鳴する二つの準位のエネルギー差ΔEで決まる量子ビートの周期(h/ΔE)の半分の時定数で第2のサブバンドの基底準位に移動する。実際には、量子ビートは位相緩和時間のオーダー(窒化物半導体で10〜30fs、AsやPを主要構成元素とする半導体で100fsオーダー)で減衰するが、井戸間のキャリア移動速度はおおむねこの時定数から見積もることができる。井戸間の結合が強く、ΔEが30meV以上なら、この時定数は高々100fsである。
【0038】
第1の量子井戸の励起準位の寿命は、波長が短いほど長くなる。従って、実施態様(6)のようにサブバンド間遷移波長が2μm以下なら、この寿命を他の関係する時定数より長く設定すること、即ち反転分布を形成することが容易になる。
【0039】
実施態様(7)のように、第1の量子井戸の第2の量子井戸と反対側にステップ状ないし連続的な組成傾斜領域(中間組成層)を設けることにより、容易に第1の量子井戸のサブバンド間エネルギーを第2の量子井戸のサブバンド間エネルギーより小さくすることができる。
【0040】
実施態様(8)の構造においても、第1の量子井戸と第3の量子井戸は強く結合しているので、第3の量子井戸の基底準位をオリジンとするサブバンドが、第1の量子井戸と第3の量子井戸からなる結合量子井戸の最低励起準位となる。そして、この結合量子井戸を本来の第1の量子井戸とみなせば、容易に第1の量子井戸(第1の量子井戸と第3の量子井戸からなる結合量子井戸)のサブバンド間エネルギーを第2の量子井戸のサブバンド間エネルギーより小さく設定することができる。
【0041】
実施態様(9)の如く第2の量子井戸の励起準位がキャリアの流れの下流側に相当する隣接層とトンネリングにより結合した擬似束縛準位であれば、第2の量子井戸の励起準位に励起されたキャリアを隣接する下流側の単位結合量子井戸の第1の量子井戸の励起準位に注入する時間を短縮できる。
【0042】
また、実施態様(10)のように単位結合量子井戸構造とこれに隣接する単位結合量子井戸構造の間の層に1MV/cm以上の電界がかかっていても、第2の量子井戸の励起準位に励起されたキャリアを隣接する下流側の単位結合量子井戸の第1の量子井戸の励起準位に注入する時間を短縮できる。
【0043】
実施態様(11)のように、励起光がCW光であれば、時間変動の小さな安定動作が可能である。
【0044】
実施態様(12)のように、励起光がパルス光であれば、励起光の平均パワーを小さく抑えることができる。但し、信号光パルスや制御光パルスが到着する前に反転分布を形成するためには、励起光パルスが制御光パルスや信号光パルスより先に到達していることが必要である。励起光が前記制御光パルスと同期し、かつ制御光パルスより幅の広い周期的な光パルスであれば、連続的に励起する場合と比べて励起光の平均パワーを低く抑えることができ、かつ制御光パルスや信号光パルス到達時に十分な利得を得ることができる。
【0045】
励起光がパルス光の場合、実施態様(13)のように励起光パルスが光導波路から導入されれば、パルス幅を制御光パルスより少し広い程度に抑えることができ、効率的である。
【0046】
実施態様(14)のように、励起光を光導波路の側面から導入する方法も考えられる。この場合は、第2の量子井戸を光導波路の全体にわたってほぼ均一に励起することが可能で、光導波路を長くして制御光パルスと信号光パルスの相互作用長を長くすることができる。励起光は制御光パルスや信号光パルスが光導波路を伝搬している間照射されていればよく、この条件を満たせばパルス光であっても連続光であってもかまわない。
【0047】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【0048】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる半導体光増幅器の主な構成要素を模式的に示す斜視図である。この光半導体光増幅器20は、サファイア基板1(0001)面上に積層された下部窒化物半導体層2、この下部窒化物半導体層2上に窒化物半導体からなる半導体積層構造3と上部窒化物半導体層4が順に積層されたメサ状の光導波路5、下部窒化物半導体層2上に前記光導波路5に接して形成されたポリイミド膜6、このポリイミド膜6と光導波路5の上に形成され上部窒化物半導体層4と電気的に接続された上部電極7、ならびに下部窒化物半導体層2に電気的に接続された下部電極8などからなる。素子長は約400μmである。
【0049】
窒化物半導体層2,3,4はウルツ鉱型で、ここでは表面は III族極性面となっている。結晶成長の条件によっては微小な極性反転ドメインが形成されることもあるが、III 族極性面が支配的である限り大きな影響はない。なお、V族極性で作成した場合は、以下の説明で電流,電界の向きを逆にすればよい。窒化物半導体層にはこの他にも転位等の欠陥が多数存在するが、本発明のようにサブバンド間遷移を利用したデバイスでは、バンド間遷移を利用した発光デバイスにおける非発光再結合センターのような致命的な影響はもたらさない。以下の説明では、量子井戸の大部分は±1モノレーヤ程度の揺らぎで作製されていることを前提とするが、発明の作用・効果に本質的な影響をもたらさない上記のような結晶欠陥の存在は無視することとする。
【0050】
上部電極7には下部電極8に対して負の電圧が印加され、その結果、上部電極7から光導波路5の上部窒化物半導体層4,窒化物半導体積層構造3,下部窒化物半導体層2を通って、下部電極8へと電子が流れる。
【0051】
光導波路5に入射される光9は、波長1.45μm帯の信号光である。光導波路5の他方の端からは、出射光10が取り出される。下部窒化物半導体層2はスラブ光導波路となっており、図1の右側面から波長0.98μmの低雑音の励起光11が入射され、光導波路5に導かれる。いずれの光も、サブバンド間遷移が許容される基板(井戸層)に垂直な方向に偏波している。
【0052】
図2は、この半導体光増幅器20の断面層構造を模式的に示す図である。下部窒化物半導体層2は、厚さ0.15μmのアンドープAlN層22、厚さ0.3μmの第1のn型GaN層23、および厚さ0.05μmの第1のAlGaN組成傾斜層24からなる。第1のAlGaN組成傾斜層24は、下から上に向かってGaNに近い組成からAlNに近い組成へとステップ状に変化するように形成されている。第1のAlGaN組成傾斜層24の上には、窒化物半導体積層構造3と上部窒化物半導体層4がメサ状に積層されており、このメサ構造によりリッジ型の光導波路5が規定されている。光導波路5のメサ幅は1.5μmである。上部窒化物半導体層4は、下から上に向かって組成がAlNに近い組成からGaNに近い組成へとステップ状に変化する厚さ0.05μmの第2のAlGaN組成傾斜層25、及び厚さ0.1μmの第2のn型GaN層26から構成される。n型GaN層23,26には、Siが1×1020cm-3程度ドープされている。
【0053】
半導体積層構造3は、実質的に同じ構造(結晶成長に起因する多少の変動は許容するものとする)の結合量子井戸構造31が30周期積層されてなる。図3は、この結合量子井戸構造31の三周期分の伝導帯バンド構造を説明する図である。III 族極性では、左側が表面側、右側が基板側である。なお、V族極性の場合は、逆になる。この結合量子井戸構造31は、二つの第1のアンドープAlN障壁層32,32Rの間に形成された、厚さ約0.75nmのアンドープAl0.65Ga0.35N井戸中間層33、厚さ約0.75nmの第1のn型GaN井戸層34、厚さ約1nmの第2のアンドープAlN障壁層35、及び厚さ約1nmの第2のn型GaN井戸層36からなる。第1のアンドープAlN障壁層32の厚さは1.8nmで、一周期の厚さは5.3nmである。n型GaN井戸層34,36には、Siが5×1019cm-3程度ドープされている。
【0054】
左側の第1のアンドープAlN障壁層32、アンドープAl0.65Ga0.35N井戸中間層33、第1のn型GaN井戸層34、及び第2のアンドープAlN障壁層35からなる第1の量子井戸37は、光増幅領域として働く。第2のアンドープAlN障壁層35、第2のn型GaN井戸層36、及び右側の第1のアンドープAlN障壁層32Rからなる第2の量子井戸38は、電子励起領域として働く。第1のアンドープAlN障壁層32Rは、左側の結合量子井戸構造31から右側の隣接する結合量子井戸構造31Rへ電子を注入するための電子注入領域としても機能する。
【0055】
主面が(0001)面のウルツ鉱型窒化物半導体ヘテロ構造には、ピエゾ電気効果と自発分極により大きな電界が生じる。この電界は、AlNとGaNで逆向きである。さらに、上部電極7と下部電極8の間に外部から電圧が印加され、第1の量子井戸37と第2の量子井戸38のそれぞれの第1サブバンドE2 ,E1 が適度に結合するように調整されているものとする。このとき、AlN障壁層32,35、Al0.65Ga0.35N井戸中間層33、及びn型GaN井戸層34,36にかかっている電界は、それぞれ約−4.85MV/cm,約−1MV/cm,約6.15MV/cmとなっている。
【0056】
全体としては、図3の左側の結合量子井戸ほど電子に対するポテンシャルが高く、電子は図の左側から右側へ向かって流れる。結合量子井戸31の一周期当たりの電圧降下は約0.35Vで、30周期で約10Vの電圧降下になる。
【0057】
図3には、この結合量子井戸構造31に形成されるサブバンドE1 ,E2 ,E3 ,E4 と、そのそれぞれの包絡線関数の二乗の形状を模式的に示してある。サブバンドE1 とサブバンドE2 は強く結合しており、いずれも二つの量子井戸37,38にほぼ等確率で電子が分布する基底準位である(以後、E1 とE2 をまとめて、第1の量子井戸と第2の量子井戸の共通の「基底準位」と考える。)。サブバンドE1 とE2 のエネルギー差は約30meV(場所による不均一性で多少の変動はある)であり、その量子ビートの周期は約140fsである。サブバンドE3 は、主として第1の量子井戸に束縛された励起準位(以後、「第1の量子井戸の励起準位」と呼ぶ。)である。サブバンドE4 は、主として第2の量子井戸に弱く束縛された励起準位(以後、「第2の量子井戸の励起準位」と呼ぶ。)で、右側の第1のアンドープAlN障壁層32の三次元量子状態とトンネリングにより結合している。
【0058】
基底準位E1 ,E2 と第1の量子井戸の励起準位E3 との間の遷移波長は約1.1μm、基底準位E1 ,E2 と第2の量子井戸の励起準位E4 との間の遷移波長は約1.41μmである。(ヘテロ界面の組成変化が急峻とした仮定した場合の遷移波長の計算値は、それぞれ約1μmと約1.3μmであるが、井戸層厚が薄い量子井戸では界面の組成ゆらぎの影響で計算値より長めの波長になる傾向がある。)各サブバンド間の遷移エネルギーは、膜厚の揺らぎ等により場所により若干の変動があり、これは吸収スペクトル幅を広げる原因となる。
【0059】
本実施形態では、第2のn型GaN層26から半導体積層構造3の最初(図1、図2では上端、図3では左端に相当)の結合量子井戸層31への電子の注入は、第2のAlGaN組成傾斜層25の組成傾斜と電界によるポテンシャルの傾斜により実現されている。もちろん、第2のAlGaN組成傾斜層25を用いる代わりに、その基底サブバンド(E1 に相当)が隣接するn型GaN層26と結合した第2の量子井戸と類似構造の量子井戸を設けて、励起光により基底サブバンドの電子をその励起サブバンド(第2の量子井戸のE4 に相当)に励起することによっても、電子の注入が可能である。
【0060】
図3右端の結合量子井戸構造の励起準位E4 はn型GaN層23より電子に対するポテンシャルが高いので、電子注入の観点からは第1のAlGaN組成傾斜層24は不要である。本実施形態では、第1のAlGaN組成傾斜層24は、励起光を導波するスラブ光導波路のクラッドとして作用する。
【0061】
電界により左側の第1のアンドープAlN障壁層32から第1の量子井戸37に注入された電子は、励起準位E3 に捕獲される。励起準位E3 から基底準位E1 及びE2 へのLOフォノン放出を伴う緩和時間は約500fsである。E1 とE2 の包絡線関数の二乗はほぼおなじ形状なので、E1 とE2 にほぼ等確率で緩和する。E1 とE2 の干渉で電子は二つの量子井戸を行ったり来たりする、いわゆる量子ビートを生じる。E1 とE2 のエネルギー差ΔEが30meVのときの量子ビートの周期(h/ΔE、但しhはプランクの定数)は約140fsなので、第1の量子井戸37で緩和した電子は、70fs後には殆ど第2の量子井戸38に移動している。
【0062】
この電子は、スラブ光導波路を介して光導波路5へ導入された励起光により、直ちに第2の量子井戸の励起準位E4 に励起される。励起準位E4 は右側の第1のアンドープAlN障壁層32Rの三次元量子状態と結合している。励起準位E4 に対する実効的な障壁は低いので、励起された電子は100fs位の間に第1のアンドープAlN障壁層32Rに逃げ出し、強い電界により右側の隣接する結合量子井戸31Rの第1の量子井戸37Rの励起準位E3 に注入される。
【0063】
励起準位E4 に励起された電子の一部は第1の量子井戸37の励起準位E3 に緩和する。また、第1のアンドープAlN障壁層32から注入された電子の一部は直接第2の量子井戸38の励起準位E4 に捕獲される。しかし、半導体積層構造3のトータル厚さ(30周期で159nm)が導波モード・サイズ(〜μm)に比べて十分薄いので、結合量子井戸構造毎の光強度の差異は小さく、それぞれの結合量子井戸構造31における電子の動きはバランスしている。従って、全体として電子は左側の結合量子井戸構造から右側の結合量子井戸構造へと流れ、特定の結合量子井戸構造に電子が蓄積したり空乏化したりすることはない。
【0064】
十分に強い励起光が入射している場合、基底準位E1 ,E2 から励起準位E4 に電子が励起されるレートと、右側の第1の量子井戸37Rの励起準位E3 に電子が注入されるレートは、いずれも励起準位E3から基底準位E1 ,E2 へ電子が緩和するレートより大きい。従って、励起準位E3 の電子密度の方が基底準位E1 ,E2 の電子密度より大きい反転分布の状態が作り出される。この結果、第1の量子井戸(光増幅領域)37では波長1.4μm付近に利得を生じる。第2の量子井戸(電子励起領域)38の光吸収は、励起光により部分的に吸収が飽和した状態になる。
【0065】
図4は、光増幅領域37の利得スペクトル、励起光が入射した際の電子励起領域38の吸収スペクトル、ならびに入射光9,11の波長配置の関係を説明する図である。励起光は電子励起領域38で吸収されるが、光増幅領域37では吸収されない。信号光は、電子励起領域38の吸収を殆ど受けず、光増幅領域37の利得により増幅される。励起光パワーと注入電流が十分に大きく、入力信号光のレベルが十分に低ければ、利得飽和は生じない。サブバンド間遷移では自発発光確率が極めて低いので、ASE雑音の発生は無視でき、極めて低雑音の光増幅が実現される。
【0066】
光励起を利用して、各結合量子井戸31における電圧降下を小さく抑えているので、印加電圧を比較的小さく抑えることができる。(仮に光励起を行わない量子カスケード・レーザと類似の構造でこのような機能を実現することができたとしても、所要電圧は3倍以上になってしまう。)量子カスケード・レーザ類似構造と比べて一周期の厚さを薄くできるので、導波モードの光電界とのオーバーラップも大きく、厚さ方向の光強度の不均一の影響も小さく、効率的である。
【0067】
本実施形態の半導体光増幅器は、様々な変形が可能である。例えば、信号光パワーが増大している出射端側で利得飽和を生じさせないために、出射端側で励起光パワーが大きくなるように調整しておいてもよい。或いは、側面からの入射11に加えて出射端側からも励起光を注入するという使い方もできる。信号光がパルス光の場合は、励起光を信号光パルスに同期したパルス光として、励起光の平均パワーを低減することができる。この場合、光導波路5を伝搬するパルス信号光を完全にカバーするタイミングで励起光パルスを入射する必要がある。井戸幅等の設計を変更すれば、励起光波長や信号光波長を変更することも可能である。
【0068】
(第2の実施形態)
第1の実施形態の半導体光増幅器は、そのまま非線形半導体光デバイス(利得飽和形光ゲート・スイッチ)として用いることができる。入力光を除けば、各部の構造,バンド構造,機能等は第1の実施形態の半導体光増幅器と同じなので、その構成の説明は省略する。
【0069】
第2の実施形態における非線形半導体光デバイスの光導波路5に入射される光9は、波長1.48μm,パルス幅約200fs,繰り返し160Gb/sの制御光パルスと、波長1.3μm,パルス幅約100fs,繰り返し160Gb/sの信号光パルスである。下部窒化物半導体層2はスラブ光導波路となっており、図1の右側面から波長0.98μm,幅約3ps,繰り返し160GHzの励起光パルス11が入射され、光導波路5に導かれる。いずれの光も、サブバンド間遷移が許容される基板(井戸層)に垂直な方向に偏波している。
【0070】
光導波路5に制御光パルスが入力されず、十分に強い励起光強度が入射している場合、基底準位E1 ,E2 から励起準位E4 に電子が励起されるレートと、右側の第1の量子井戸37Rの励起準位E3 に電子が注入されるレートは、いずれも励起準位E3 から基底準位E1 ,E2 へ電子が緩和するレートより大きい。従って、励起準位E3 の電子密度の方が基底準位E1 ,E2 の電子密度より大きい反転分布の状態が作り出される。この結果、第1の量子井戸(光増幅領域)37では波長1.4μm付近に利得を生じる。第2の量子井戸(電子励起領域)38の光吸収は、励起光により部分的に吸収が飽和した状態になる。
【0071】
この非線形光半導体デバイスは160Gb/sで動作する。制御光パルスは、信号光パルスに重なるようなタイミングで入射される。励起光パルスは、光導波路5のどの位置においても制御光パルスに重なるようなタイミングで入射される。励起光のパルス幅は3psであり、長さ400μmの光導波路5を信号光パルスと制御光パルスが伝搬する時間(約2.8ps)より広い。制御光パルスと信号光パルスは変調されているが、励起光パルスは6.25ps毎に周期的に入射される。
【0072】
図5は、光増幅領域37の利得スペクトル、励起光が入射した際の電子励起領域38の吸収スペクトル、ならびに入射光9,11の波長配置の関係を説明する図である。励起光は電子励起領域38で吸収されるが、光増幅領域37では吸収されない。制御光パルスは、電子励起領域38の吸収を殆ど受けない。入射端近傍で制御光パルスのフロント・エッジが増幅されるが、利得飽和のため制御光パルスの後ろ側は、殆ど増幅されないか、減衰する。従って、光導波路5を伝搬するにつれて制御光のパルス幅は狭まり、スペクトルも広がる。しかし、どの位置においても制御光パルスのフロント・エッジは増幅されるので、制御光パルスは全体としては増幅を受けて光導波路5の奥の方まで伝播する。また、それに続く利得飽和の影響は、隣接する左側の結合量子井戸構造からE3 に電子が供給される時定数と量子ビートと励起光により第1の量子井戸の基底準位から電子が排出される時定数のオーダー(いずれも100fs前後)だけ継続する。従って、光導波路5全体で信号光パルスに対する利得を飽和させることができる。
【0073】
制御光パルスがない場合、信号光パルスは光増幅領域37の利得と電子励起領域38の損失の両方の影響を受けるが、前者の方が大きいので増幅されて出射する。増幅率は、注入電流と励起光の強度に強く依存する。高効率の増幅を実現するためには、注入電流と励起光のレベルをうまくバランスさせる必要がある。但し、バンド間遷移を利用した光増幅器と異なり、サブバンド間遷移では自発発光が殆ど起こらないので、利得スペクトル帯域内のASE雑音は無視できる。
【0074】
一方、制御光パルスが入射された場合、E3 に溜まっていた電子が基底準位E1 ,E2 に落ちることで光増幅が行われるので、光増幅領域37の利得は飽和する。制御光パルスが強い場合は、瞬間的には損失側に振り込まれるが、平均的には利得の小さな状態になる。従って、光増幅領域37のトランジェントな吸収や電子励起領域38の吸収により信号光パルスは光導波路5を伝搬する間に吸収され、光導波路5から出力されない。
【0075】
本実施形態の非線形光半導体デバイスによれば、制御光パルスは少なくともフロント・エッジが増幅されるので、可飽和吸収を用いた光ゲートと比べて一桁以上小さいパルス・エネルギー(<1pJ)でスイッチングが可能になる(符合は反転するので、インバータ動作となる。)。制御光パルスがない場合、信号光パルスは入力より増幅されて出力され、しかもASE雑音の付加がない。(制御光のスペクトルが広がるので、制御光パルスのクロストークを避けるために、制御光と信号光の波長はある程度離しておく必要がある。)信号光パルスは制御光の有無に応じて利得または損失を受けるので、デバイス長が短くても消光比を大きくとれる。また、時定数が100fsオーダーの高速現象のみ利用しているので、高速性も損なわれない。
【0076】
図6は、側面から均一に励起光を注入するために0.98μm帯の歪InGaAsパルス光源50を集積化した構成の例である。このパルス光源50は、モード同期レーザ51とテーパ型光増幅器52を集積化したものである。モード同期レーザ51は、利得領域53,可飽和吸収領域54,チューニング領域55等から構成される。それぞれの領域には電極56が形成され、裏面には共通電極が形成されている。後ろ側の端面からサブハーモニック・シンクロナス・モード同期のための同期光を入射することができるようになっており、制御光パルスや信号光パルスに同期した励起光パルスを出力することができる。
【0077】
この図の例ではパルス光源50は光導波路5と垂直に配置されているが、光導波路5におけるパルス伝播遅延を考慮して、光導波路5の入射端側ほど励起光パルスが早く到着するように傾斜させて配置させることも可能である。また、モード同期レーザ51と光増幅器52の間に光分岐部を設け、分岐ごとに遅延量の異なる光遅延導波路と光増幅器を設け、複数の光増幅器から光導波路5の入射端側ほど早く励起光パルスが出射するように構成することもできる。
【0078】
本実施例は、そのほかにも発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。
【0079】
(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態に係わる、非線形光半導体デバイス74を用いたマッハツェンダ干渉計型超高速光分岐スイッチの主な構成を示す模式図である。ここに用いられている非線形光半導体デバイス74の構成は、前記図1、図2に示した第1の実施形態の半導体光増幅器20の構成と同様なので、図を用いた詳細な説明は省略する。但し、側面からの励起光の注入はない。層構造は若干異なるが、その詳細は後で説明する。
【0080】
このマッハツェンダ干渉計型光スイッチは、石英光導波路61上に受動光導波路62により接続された光素子が集積化されてなる。光入出力ポートとして、信号光入力ポート63、励起光・制御光入力ポート64、第1の信号光出力ポート65、第2の信号光出力ポート66、励起光・制御光出力ポート67の五つがある。信号光入力ポート63からは、波長1.35μm,パルス幅100fs,繰り返し1Tb/sの信号光パルスが入力される。制御光入力ポート64からは、波長1.55μm,パルス幅200fs,繰り返し1Tb/sの制御光パルスと、波長1.2μm,パルス幅500fs,繰り返し1THzの励起光パルスとが、ほぼ同時に入射される。制御光パルスは信号光パルスに重なるようなタイミングで入射するように設定されている。励起光パルスは、制御光パルスと信号光パルスに重なるよう、かつ制御光パルスより早いタイミングで入射される。制御光パルスと信号光パルスは変調されている。励起光パルスは周期的なクロック・パルスである。
【0081】
信号光入力ポート63から入力された信号光パルスは、光カプラ68により所定の分岐比で第1の分岐71と第2の分岐72に分割される。第1の分岐71に分岐した信号光パルスは、波長カプラ73により制御光入力ポート64から入力された制御光パルスと合波され、非線形光半導体デバイス74に導かれる。
【0082】
非線形光半導体デバイス74は、所定のパワーの制御光パルスが入力されたときに、信号光パルスの透過率を殆ど変化させずに位相がπシフトするように設計されている。その動作については後述する。
【0083】
非線形光半導体デバイス74を出力された信号光パルスは、波長カプラ75により制御光パルスや励起光パルスと分離され(励起光パルスは殆ど透過しない)、1:1光カプラ69において第2の分岐72を通ってきた参照光パルスと干渉させられる。二つの分岐71,72の光路長は、信号光パルスの伝搬遅延が同じになるように設定されている。入力側の光カプラ68の分岐比は、1:1光カプラ69において二つのパルス強度が概ねバランスするように設定されているが、第2の分岐72に設けられた光強度変調器76により微調整ができるようになっている。第2の分岐72に設けられた光位相変調器77は、制御光パルスが入射されていない状態で信号光パルスが第1の信号光出力ポートのみから出力されるように調整されており、制御光パルスにより信号光パルスがπシフトを受けた場合は第2の信号光出力ポート66から出力される。
【0084】
波長カプラ75で分離された制御光パルスは制御光出力ポート67から出力される。分離しきれずに信号光出力ポートに出力される制御光波長の漏れ成分は、波長フィルタにより除くことが可能である。
【0085】
非線形光半導体デバイス74の非線形光半導体層(第1の実施形態の半導体積層構造3に相当)は、実質的に同じ構造の結合量子井戸構造81が10周期積層されてなる。図8は、この結合量子井戸構造81の三周期分の伝導帯バンド構造を説明する図である。この結合量子井戸構造81は、二つの第1のアンドープAlN障壁層82,82Rの間に形成された、厚さ約0.75nmのアンドープAl0.65Ga0.35N井戸中間層83、厚さ約0.75nmの第1のn型GaN井戸層84、厚さ約0.75nmの第2のアンドープAlN障壁層85、及び厚さ約1nmの第2のn型GaN井戸層86からなる。第1のアンドープAlN障壁層82の厚さは1.25nmである。n型GaN井戸層84,86には、Siが5×1019cm-3程度ドープされている。一周期の厚さは4.5nmで、10周期の合計厚は45nmである。
【0086】
左側の第1のアンドープAlN障壁層から第2のアンドープAlN障壁層までの層82,83,84,85が光増幅領域として働く第1の量子井戸87を構成しており、第2のアンドープAlN障壁層から右側の第1のアンドープAlN障壁層までの層85,86,82Rが電子励起領域として働く第2の量子井戸88を構成している。第1のアンドープAlN障壁層32は、電子注入領域としても機能する。AlN障壁層82,85、Al0.65Ga0.35N井戸中間層83、及びn型GaN井戸層84,86にかかっている電界は、それぞれ約−5.9MV/cm,約−2.05MV/cm,約5.1MV/cmである。結合量子井戸81一周期当たりの電圧降下は約0.44Vで、10周期で約4.4Vの電圧降下になる。
【0087】
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、第1の量子井戸87と第2の量子井戸88のそれぞれの基底準位E2 ,E1 のエネルギー差ΔEが89meVと、LOフォノンのエネルギーに共鳴するように設定されている点である。サブバンドE2 とE3 は主に第1の量子井戸87に束縛されており、サブバンドE1 とE4 は主に第2の量子井戸88に束縛されている。第1の実施形態の結合量子井戸構造31と比べて第2のAlN障壁層85が薄いので、基底準位E1 ,E2 、励起準位E3 ,E4 のいずれも、もう一方の量子井戸にもかなりの存在確率を有している。
【0088】
励起準位E3 から基底準位E2 へのLOフォノン放出を伴う緩和時間は約500fsである。第1の量子井戸87の励起準位E3 から基底準位E2 に緩和、或いは発光により遷移した電子は、10fs程度の時間でLOフォノンを1個放出して第2の量子井戸88の基底準位E1 に緩和する。量子ビートを利用した第1の実施形態の結合量子井戸構造31では、励起光によりE4 に励起しきれなかった電子がさらに70fs後に第1の量子井戸37に戻ってしまう恐れもあったが、本実施形態の結合量子井戸構造81では、このような恐れもない。89meVのエネルギー差は熱エネルギーより大きいので、熱的に電子がE2 に戻る確率も低い。従って、第1の実施形態の結合量子井戸構造31と比べて、E2 からの電子の排出が高速化され、E2 ,E3 間の反転分布がさらに形成されやすくなる。その他の点では、結合量子井戸構造81の作用は概ね第1の実施形態の結合量子井戸構造31と同様なので、説明を省略する。
【0089】
励起光パルスが入射する前は、電子は大部分がE1に溜まっており、電流は殆ど流れない。励起光パルスが入射されると、E1 に溜まっていた電子の半数以上はE4 を介してE3 に移動する。励起光パルスを制御光パルスより少し早く入射することにより、制御光パルスが到着する前に反転分布が形成される。本実施例では、励起光パルスが制御光パルスや信号光パルスと同時に伝搬するので、励起光のパルス幅を短くできる。この結果、励起光を側面から入射した場合より、繰り返し動作速度を上げることができる。但し、光導波路全体に励起光を伝搬させるため、強い励起が必要である。
【0090】
図9は、光増幅領域87で十分な利得が得られるレベルの電流が注入され、励起光パルスが入射された直後の、光増幅領域87の利得、電子励起領域88の吸収、及び入射光の波長配置の関係を説明する図である。光増幅領域87の利得ピーク波長は1.45μm、電子励起領域88の吸収ピーク波長は1.25μmである。第1の実施形態と比べてE4 の閉じ込めが弱いため、電子励起領域88の吸収スペクトル幅が、第1の実施形態の場合(図4、図5)と比べて広くなっている。制御光パルスがない場合、信号光パルスは光増幅領域87の利得と電子励起領域88の損失がほぼバランスしているので、入力とほぼ同じパワーで出力される。電子励起領域88の励起準位は閉じ込めが弱いので、スペクトルも広くなっている。このため、制御光パルスが入射されると、光増幅領域87の利得飽和と電子励起領域88の吸収飽和が同時に生じる。その結果、信号光パルスに対する利得も損失も小さくなり、やはり入力とほぼ同じパワーで出力される。制御光波長には正味の利得があるので、サブバンド間吸収を用いた従来の可飽和吸収光ゲートと比べて小さいパルス・エネルギーでスイッチングを行うことができる。
【0091】
図10は、励起光が入射された場合の屈折率変化の波長依存性を説明する図である。制御光パルスが入射されると、光増幅領域においても電子励起領域においても信号光波長で屈折率が減少するので、大きな位相シフトが得られる。以上の結果、制御光パルスの入射により、信号光パルスの強度を大きく変化させずに位相をπシフトできるので、前述の図6の干渉計型の構成において、信号光出力ポートの高速かつ高消光比でスイッチングできる。もちろん、単独で光制御型の光位相変調器として用いることもできる。
【0092】
本発明の第3の実施形態の非線形光半導体デバイスは、様々な変形,応用が可能である。例えば、図11は、図8における中間層83を第3のGaN井戸層89で置き換えた構造である。同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。第1の井戸層84と第3の井戸層89は第2の障壁層85よりも薄い第3の障壁層85bを介して強く結合しており、第1の井戸層84と第3の井戸層89と第3の障壁層85bからなる結合量子井戸構造が第1の量子井戸(光増幅領域)として機能する。図11には各サブバンドの包絡線関数の二乗もプロットしたが、図8の場合とほぼ同じであり、全く同様に機能する。この構造では、中間組成を用いないので、結晶成長が容易になる。
【0093】
また、光増幅領域を単一量子井戸ではなく、超格子としてもよい。この場合、これまでの説明中のE2 ,E3 をサブバンドのレベルではなくエネルギーに幅を持ったミニバンドのレベルと読みかえればよい。同様に、電子励起領域も超格子で構成してもよい。この場合も同様に、E1 ,E4 をミニバンドのレベルと読みかえればよい。或いは、電子励起領域を複数の量子井戸で構成してもよい。
【0094】
図12は、二個の量子井戸が結合した電子励起領域を有する変形例の、単位結合量子井戸構造90の2周期分の伝導帯バンド構造を模式的に示した図である。この単位結合量子井戸構造90は、電子注入領域91,光増幅領域92,及び電子励起領域93からなる。光増幅領域92は、上流側に2段の組成中間層を有する第1の量子井戸94からなる。電子励起領域93は、ほぼ同じ構造の第2の量子井戸95と第3の量子井戸96からなる。
【0095】
図12では、サブバンドのエネルギー・レベルは、電子の存在確率が高い部分のみ太線で表してある。第1の量子井戸94の基底準位E2 と第2の量子井戸95の基底準位E’1のエネルギー差、第2の量子井戸95の基底準位E’1と第3の量子井戸96の基底準位E1 のエネルギー差、及び第2の量子井戸95の励起準位E’4と第3の量子井戸96の励起準位E4 のエネルギー差は、いずれもほぼLOフォノンのエネルギーに等しくなるように設定されている。従って、発光ないし緩和によりE3 からE’1に落ちた電子は、短い時間の間に緩和と励起光の吸収によりE1 ないしE’4、及びE4 と電子注入領域91を経て、下流側の光増幅領域92の励起準位E3 に輸送される。この構成では、E2 からの電子の排出が図8の場合よりさらに容易になる。また、第1の量子井戸の組成中間層も2段になっているため、E3 への電子の注入効率も高くできる。
【0096】
図13は、励起光,制御光,信号光の波長配置を変えて非反転の可飽和吸収ゲートに応用した例である。励起光パルスは光増幅領域87による増幅も受けるので、光導波路の奥の方までレベルを殆ど変えずに伝播することができる。励起光パルスのため、光増幅領域87の利得も電子励起領域88の吸収も部分的に飽和した状態になっている。この状態にさらに強くてパルス幅の狭い制御光パルスが入射すると、光増幅領域87の利得も電子励起領域88の吸収も完全に飽和する。信号光パルスは電子励起領域88の吸収帯域内にあるが、光増幅領域87の利得帯域から外れた波長にある。従って、制御光パルスがなければ吸収され、制御光パルスにより吸収が飽和すれば透過する。
【0097】
このケースでは、非線形光学動作は主として従来型の吸収飽和により実現されており、光増幅領域は制御光パルスの損失補償を主目的として使われている。制御光パルスは光増幅領域87の利得と電子励起領域88の吸収の平衡により、あまりパルス・エネルギーや波形を変化させずに光導波路を伝搬することができる。この効果に加え、励起光パルスによりある程度吸収飽和が起こりかけていることも相俟って、スイッチングに必要な制御光パルス・エネルギーを低く抑えることができる。また、光導波路が長くても制御光パルスを伝搬させることができるので、信号光出力の消光比を高めることができる。
【0098】
或いは、信号光パルスの波長を正味の吸収が小さな領域に設定しておけば、位相変調器として用いることもできる。この場合、制御光が長い距離減衰せずに伝搬させられるので、比較的小さな制御光エネルギーで大きな位相シフトを得ることができる。即ち、変調効率が向上する。励起光パルスは一種のバイアスとして働くので、非変調時の位相バイアスの微調整にも利用できる。
【0099】
本発明は、以上述べた3つの実施形態やその変形例以外にも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。例えば、第1、第2の実施形態の層構造を第3の実施形態のような位相変調器、干渉計型光分岐スイッチに応用したり、第3の実施例のような層構造を第1の実施形態の半導体光増幅器や第2の実施形態の利得飽和形光ゲート・スイッチに応用したりすることもできる。また、励起光と制御光を入力とする光演算素子として用いてもよい。或いは、励起光や制御光や信号光の波長数を複数にして、さらに複雑な動作を実現させることも可能である。
【0100】
これらの光スイッチを波長変換素子として利用することも可能である。例えば、第2の実施形態において、信号光パルスをクロック・パルス、制御光パルスを入力信号とすれば、入力信号のパターンが波長の異なるクロック・パルスに転写される(符号は反転する)。
【0101】
これ以外にも、他の素子と組み合わせたり、集積化したりして、さまざまな機能を実現することができる。材料系も、II−VI族半導体、InGaAs/AlAsSb系などが利用できる。
【0102】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、極めて低雑音で飽和レベルの高い半導体光増幅器が実現できる。また、サブバンド間吸収を用いた従来の可飽和吸収光ゲートと比べて小さいパルス・エネルギーで、高効率かつ高速に、信号光の強度,位相,光出力先等をスイッチングすることが可能になる。そして、可飽和吸収ゲートや光分岐スイッチとして用いた場合は、従来技術より消光比も改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わる半導体光増幅器の構造を模式的に示す斜視図。
【図2】第1の実施形態に係わる半導体光増幅器の層構造を模式的に示す断面図。
【図3】第1の実施形態に係わる半導体光増幅器の半導体積層構造を構成する結合量子井戸構造三周期分のバンド図。
【図4】第1の実施形態に係わる半導体光増幅器の波長配置を説明する図。
【図5】第2の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの波長配置を説明する図。
【図6】第2の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスを励起光光源と集積化した構成例を模式的に示す図。
【図7】第3の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスを用いた超高速光分岐スイッチの構成を模式的に示す図。
【図8】第3の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの非線形光半導体層を構成する結合量子井戸構造三周期分のバンド図。
【図9】第3の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの波長配置を説明する図。
【図10】第3の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの制御光による屈折率変化を説明する図。
【図11】第3の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの光増幅領域の変形例を説明する伝導帯バンド構造図。
【図12】第3の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの電子注入領域の変形例を説明する伝導帯バンド構造図。
【図13】本発明の波長配置の変形例を説明する図。
【図14】従来の技術の量子カスケード・レーザの活性層を構成する単位構造2周期分の伝導帯バンド構造を模式的に示す図。
【符号の説明】
1…サファイア基板
2,4…窒化物半導体層
3…非線形光半導体層
5…メサ光導波路
6…ポリイミド
7,8…電極
9…入射光
10…出射光
11…励起光
20…半導体光増幅器/非線形光半導体デバイス(利得飽和型光ゲート・スイッチ)
22…アンドープAlN層
23…第1のn型GaN層
24…第1のAlGaN組成傾斜層
25…第2のAlGaN組成傾斜層
26…第2のn型GaN層
31,81…半導体積層構造の一積層周期の結合量子井戸構造
32,82…第1のアンドープAlN障壁層(電子注入領域)
33,83…アンドープAlGaN井戸中間層
34,84…第1のn型GaN井戸層
35,85…第2のアンドープAlN障壁層
36,86…第2のn型GaN井戸層
37,87…第1の量子井戸(光増幅領域)
38,88…第2の量子井戸(電子励起領域)
50…半導体光励起素子
51…モード同期レーザ
52…テーパ型半導体光増幅素子
53,54…利得領域
55…可飽和吸収領域
56…電極
57…同期光入力
61…石英光集積回路
62…受動光導波路
63…信号光入力ポート
64…制御光入力ポート
65…第1の信号光出力ポート
66…第2の信号光出力ポート
67…制御光出力ポート
68…光カプラ
69…1:1光カプラ
71…第1の分岐
72…第2の分岐
73,75…波長カプラ
74…第2の実施形態の非線形光半導体デバイス(光位相変調素子)
76…光強度変調器
77…光位相変調器
89…第3のGaN井戸層
90…変形例の単位結合量子井戸構造
91…電子注入領域
92…光増幅領域
93…電子励起領域
94…第1の量子井戸
95…第2の量子井戸
96…第3の量子井戸
101…電子注入領域
102…活性領域
103…井戸層
104…障壁層
105…ミニバンド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical functional device that performs predetermined processing in the state of an optical signal, and in particular, a semiconductor optical amplifier and a nonlinear that controls the intensity, phase, or output destination of another signal light by an ultrashort optical pulse signal. The present invention relates to an optical semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Due to the rapid increase in the amount of information accompanying the spread of the Internet, a large amount of information of several hundred gigabits to several tens of terabits per second is expected to fly over the optical fiber in the near future in the backbone transmission system. In order to realize such an ultra-high-capacity optical network, high-performance optical amplifiers, optical functional devices such as optical switching elements capable of ultra-high-speed operation on the order of 1 Tb / s, and wavelength conversion elements are required.
[0003]
As optical amplifiers for optical communication, rare earth-doped optical fiber amplifiers and fiber Raman amplifiers are already widely used. On the other hand, introduction of traveling wave type semiconductor optical amplifiers is also being studied for applications such as optical LANs and in apparatuses. A traveling-wave semiconductor optical amplifier has a low-reflection coating on the end face of a semiconductor laser so that laser oscillation does not occur even when a high level of current is injected. In response to the stimulated emission gain, it is amplified and output. Traveling wave type semiconductor optical amplifiers are much smaller and consume less power than optical fiber amplifiers. In addition, the degree of freedom in wavelength is greater than that of rare-earth-doped optical fiber amplifiers.
[0004]
However, the fact that ASE (Amplified Spontaneous Emission) noise output over the entire gain band deteriorates the signal light-to-noise ratio is a constraint in application. There is also a problem that a sufficient output cannot be obtained because the gain saturation level is low. For this reason, the application range in which the semiconductor optical amplifier can be used as an optical amplifying element has been extremely limited.
[0005]
Semiconductor optical amplifiers are expected to be applied as nonlinear optical devices such as optical switches and wavelength conversion elements rather than as optical amplifiers. If a strong light pulse is incident, gain saturation and refractive index modulation occur, so that it can be used as various nonlinear optical devices. A nonlinear optical device using an optical amplifier having a gain is characterized by low switching power and high efficiency. However, since the gain change based on interband transition is limited by the carrier lifetime, the response speed is usually about several tens of Gb / s, and even when special measures such as assist light injection are used, it operates only up to several hundred Gb / s. I couldn't let you.
[0006]
On the other hand, the use of saturable absorption of transition between subbands of nitride semiconductors has been proposed as an operating principle of a 1 Tb / s class ultrahigh-speed optical switching element (for example, JP-A-8-179387, N. Suzuki and N. Iizuka, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 36, pp. L1006-1008, 1997). The relaxation time between subbands is about three orders of magnitude faster than the relaxation time between carriers (carrier life). In particular, if nitride semiconductor quantum wells are used, intersubband transitions in the near-infrared region, which are important for optical communications, can be realized, and the interaction between LO phonons and electrons is large, so the intersubband relaxation time can be reduced to that of InGaAs. Compared to one digit faster.
[0007]
For example, the intersubband relaxation time in a GaN quantum well is as short as 200 to 400 fs at room temperature and in the optical communication wavelength band. Therefore, if the saturation of the intersubband absorption is used, an ultra-high repetition bit of about 1 Tb / s.・ Mode light switching operation is also possible. In addition, since a semiconductor is used, it is needless to say that a small, light and stable optical switch can be realized and mass production is possible. Further, nitride semiconductors are particularly tough semiconductor materials and are resistant to temperature rise.
[0008]
Intersubband absorption occurs for the electric field component perpendicular to the well, so it is difficult to apply it to a planar optical switch in which light is incident perpendicularly to the substrate surface, and is mainly applied to optical waveguide nonlinear optical devices. . Various forms of optical waveguide type nonlinear optical devices are conceivable. For example, in the case of a saturable absorption optical gate switch using the saturation of intersubband absorption, signal light with a pulse energy that does not cause absorption saturation. A control light pulse having a pulse and a pulse energy large enough to cause absorption saturation is incident on the optical waveguide. Both pulses are assumed to be in a wavelength range where intersubband absorption occurs. When only the signal light pulse is incident, the signal light pulse is absorbed and not output. When the signal light pulse and the control light pulse are incident at the same time, the signal light is output because the saturable absorption by the control light reduces the absorption of the signal light pulse.
[0009]
In order to obtain a sufficient extinction ratio (switch ON / OFF ratio) with such an optical gate switch, a control light pulse energy of the order of a few pJ is necessary in the case of GaN, which is 1 THz. This corresponds to an average power of several W. Usually, the control light pulse is also a signal modulated with a certain pattern, and it is difficult to amplify it to such power.
[0010]
If the wavelength of the signal light is set at the end of the absorption band, it can also be used as an optical phase modulation element whose phase is modulated by saturable absorption by the control light. By incorporating this phase modulation element into an optical interferometer, it can be applied as an interferometer type optical gate switch or optical path switching switch. The present invention can also be applied to a four-wave mixing type optical switch, a wavelength conversion element, or the like that uses a change in intersubband carrier distribution due to beat components of light of two wavelengths in the absorption band. However, in any case, the need for strong control light and excitation light is the biggest problem that hinders practical use.
[0011]
As a method for realizing a nonlinear optical device having both the ultra-high speed of the intersubband transition and the high efficiency of the semiconductor optical amplifier, it is conceivable to use an optical amplifier using the intersubband transition. At a wavelength of 3 μm or more, a quantum cascade laser (QCL) is known as a semiconductor laser using intersubband transition. In QCL, an active layer in which a plurality of unit structures each composed of an electron injection region and an active region are stacked is provided in an optical waveguide structure so that carriers can be injected into the active layer by applying a voltage from the outside. QCL is disclosed, for example, in US Pat. No. 5,457,709 (inventor Capasso et al., Filing date March 27, 1997).
[0012]
FIG. 14 shows an example of the conduction band structure of the
[0013]
A sufficient electric field is applied to the active layer via the electrode and the cladding layer. The electrons are excited from the left side of the figure through the
[0014]
In principle, if low-reflection coating is applied to the end face of the QCL to suppress laser oscillation, it should be usable as an optical amplifier. By applying this, an ultrafast and highly efficient nonlinear optical semiconductor device can be realized. It should be. In the GaN / AlN system, InGaAs / AlAsSb system, ZnSe / BeTe system, etc., near-infrared wavelength intersubband transition is realized even in the wavelength band of 1.3 to 1.6 μm used for optical communication. However, it has been extremely difficult to realize an optical amplifier using the QCL or the QCL structure at a near infrared wavelength for the following reason.
[0015]
Since the barrier layer for realizing the near-infrared intersubband transition tends to have a high barrier height and a large effective mass, the coupling due to tunneling is weak, and the time constant for electrons to propagate through the superlattice becomes long. Moreover, in the near-infrared wavelength intersubband transition, E 2 Therefore, the energy level of the
[0016]
A semiconductor layer having a composition close to that of the barrier layer material also has disadvantages such as an inability to increase the carrier density, a large effective mass, and a low mobility. Furthermore, the level of the miniband is changed to E 1 E on the right side of the active region 2 In order to increase the thickness of the electron injection region, the thickness of the electron injection region must be increased (the number of wells constituting the superlattice is very large). For this reason, the electron transport time in the electron injection region becomes longer, and E 2 Electron injection time and E 1 Will no longer meet the precondition that the time for electron emission from is short. Therefore, in the near infrared region, it is very difficult to form an inversion distribution between subbands.
[0017]
Further, since the voltage drop per unit structure is large (the voltage drop of photon energy + alpha is necessary, the voltage drop is close to 1 V per unit structure), and therefore a very high voltage is required as a whole. Furthermore, a thick electron injection layer means that the overlap between the active region and the guided light in the active layer is reduced. Since near-infrared light has a smaller waveguide mode diameter than mid-infrared light, the thickness of the active layer cannot be increased so much. Therefore, it becomes difficult to secure the number of stacked unit structures necessary to obtain a sufficient gain.
[0018]
As described above, the optical amplifier using the QCL structure cannot obtain a sufficient gain in the near-infrared region, and a required characteristic cannot be obtained even as a nonlinear optical semiconductor device.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the semiconductor optical amplifier of the prior art using interband transition has a very limited application range because it has a large ASE noise and a low gain saturation level. In addition, a nonlinear optical semiconductor device using a conventional semiconductor optical amplifier cannot operate at an ultrahigh speed of 1 Tb / s or higher. On the other hand, a nonlinear optical device using intersubband transition such as GaN has a problem of high efficiency and low switching energy although it is high speed and wide band.
[0020]
In the optical amplifier using intersubband transition, which is a combination of the prior art, there is a problem that sufficient gain cannot be obtained in the near infrared region, and it is possible to obtain ultra-high speed and high efficiency characteristics as a nonlinear optical semiconductor device. could not.
[0021]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to realize a semiconductor optical amplifier having a low noise and a large saturation level, a nonlinear semiconductor optical device having a very high speed and a low switching energy, and the like. An object of the present invention is to provide a semiconductor optical functional device.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
(Constitution)
In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.
[0023]
That is, the semiconductor optical functional device of the present invention has a first quantum well (light amplification region) having at least two subbands and at least two subbands, and the energy difference between the subbands is the first quantum well. A second quantum well (electronic excitation region) larger than the energy difference between the sub-bands of the quantum well, and at least two quantum wells Is a barrier A unit-coupled quantum well structure coupled by layers is a semiconductor multilayer structure in which a plurality of layers are periodically stacked, an optical waveguide structure including the semiconductor multilayer structure, and a voltage in the stacking direction with respect to the semiconductor multilayer structure. Apply Means for injecting light from one end side of the optical waveguide structure, means for emitting light from the other end side of the optical waveguide structure, and intersubband absorption of the second quantum well in the semiconductor multilayer structure Means for injecting excitation light in a band, When a voltage is applied to the semiconductor multilayer structure in the stacking direction and excitation light in the intersubband absorption band of the second quantum well is injected, the second of the unit coupled quantum well structure The tunnel flows through the barrier layer from the excitation level of the quantum well, and carriers flow to the first quantum well of the unit coupled quantum well adjacent to the downstream side of the unit coupled quantum well structure. It is characterized by that.
[0024]
Further, preferred embodiments of the present invention include the following.
(1) The semiconductor multilayer structure is made of a nitride semiconductor.
(2) The light incident on the optical waveguide structure is signal light within the intersubband transition band of the first quantum well. This constitutes a semiconductor optical amplifier.
(3) The light incident on the optical waveguide structure is signal light and control light in the intersubband transition band of the first quantum well or the second quantum well. This constitutes a nonlinear optical semiconductor device.
(4) The ground level of the first quantum well is higher than the ground level of the second quantum well and is higher than the energy corresponding to the LO phonon energy of the material constituting the quantum well.
(5) The ground level of the first quantum well and the ground level of the second quantum well are strongly coupled, and the energy difference is 30 meV or more.
(6) The intersubband transition wavelengths of the first quantum well and the second quantum well are both 2 μm or less.
[0025]
(7) The first quantum well has a step-like or continuous composition gradient region on the opposite side to the second quantum well.
(8) The third quantum well is provided on the opposite side of the first quantum well from the second quantum well via another barrier layer thinner than the barrier layer between the first and second quantum wells. That.
(9) The excitation level of the second quantum well is a pseudo-binding level that is coupled by tunneling to an adjacent layer corresponding to the downstream side of the carrier flow.
(10) An electric field of 1 MV / cm or more is applied to the layer between the unit coupled quantum well structure and the unit coupled quantum well structure adjacent thereto.
[0026]
(11) The excitation light is continuous light.
(12) The excitation light is pulsed light and is incident prior to the arrival of control light and signal light.
(13) In the embodiment (12), the excitation light is introduced from the optical waveguide structure.
(14) Excitation light should be introduced from the side of the optical waveguide structure.
[0027]
Strictly speaking, in the coupled quantum well, a subband is formed across both the first quantum well and the second quantum well. Here, in order to simplify the discussion, subbands (base level, excitation level) in which the carrier existence probability of the first (second) quantum well is larger than the carrier existence probability of the second (first) quantum well. Is referred to as a “subband (base level, excitation level) of the first (second) quantum well”. When the first (second) quantum well has a superlattice structure, “subband” is read as “miniband”.
[0028]
(Function)
In the configuration of the present invention, a majority of carriers are distributed in the ground level of the second quantum well in a state where a voltage is applied and no excitation light is incident. When excitation light with sufficient intensity is incident, the carriers are excited to the excitation level of the second quantum well. The excited carriers are injected into the excited level of the first quantum well of the adjacent unit coupled quantum well structure in a short time due to the potential drop due to the applied voltage.
[0029]
The excitation level of the first quantum well is at a lower level than the excitation level of the second quantum well. Therefore, the lifetime of the excited level of the first quantum well is governed by the relaxation process to the ground level accompanied by the emission of LO phonon. The relaxation rate is the relaxation rate from the excitation level of the second quantum well to the excitation level of the first quantum well in the transition between subbands having a wavelength of 2 μm or less, and from the ground level of the first quantum well. It is smaller than any of the relaxation rates to the ground level of the quantum well of 2.
[0030]
Therefore, if the carrier is injected by applying a voltage and the excitation rate of the second quantum well by the excitation light is sufficiently large, the lifetime of the excitation level of the first quantum well becomes the longest, and the base of the first quantum well is obtained. An inversion distribution is formed between the level and the excitation level. As a result, a stimulated emission gain is generated in a wavelength band corresponding to the intersubband transition energy of the first quantum well. If signal light within that wavelength band is incident, it is amplified and emitted. The saturation gain can be increased by increasing the number of unit coupled quantum well structures and entering strong excitation light. Further, since spontaneous emission hardly occurs at the transition between subbands, the generation of ASE noise can be ignored and the noise is extremely low. (However, since the noise of the pumping light is picked up, pumping light with a small noise is required.) Since the transition energy between subbands depends on the well width, etc., the near infrared can be changed by changing the design of the well structure. To optical amplifiers of various wavelengths in the mid-infrared region.
[0031]
In addition, in the case of operating as a nonlinear optical device as in the embodiment (3), various combinations of the wavelengths of the signal light and the control light are conceivable depending on how to operate.
[0032]
For example, the control light is within the gain band of the optical amplification region and outside the absorption band of the electron excitation region, and the signal light is within the wavelength range where the gain band of the optical amplification region and the absorption band of the electron excitation region overlap. To do. In this case, when a strong control light pulse is not incident, the signal light pulse is affected by both gain and absorption when propagating through the optical waveguide structure. If the gain is set to be larger than the absorption, an output larger than the input can be obtained. When a control light pulse with sufficient pulse energy to saturate the gain in the optical amplification region propagates through the optical waveguide in synchronization with the signal light pulse, the gain saturation suppresses the amplification of the signal light and the absorption is greater. Therefore, the signal light is attenuated as the optical waveguide propagates and is not output. In this case, the inverter operation is performed with the sign reversed.
[0033]
If the relationship between gain and absorption is reversed by changing the wavelength arrangement, it can also be applied to absorption saturation type non-inverting operation. Even in this case, since the gain of the optical amplification region contributes to the control light or signal light, high efficiency or low switching energy can be achieved.
[0034]
Thus, the transmittance of the optical waveguide with respect to the signal light pulse can be changed depending on the presence or absence of the control light pulse. Alternatively, the phase of the signal light pulse can be changed along with this change. Since all the phenomena related to this change are high-speed, ultra-high speed optical control is realized. Unlike conventional nonlinear optical semiconductor devices that use only saturable absorption of intersubband transitions, there is gain for control light, signal light, or both, so switching energy can be reduced with high efficiency.
[0035]
In the nitride semiconductor of the embodiment (1), the intersubband relaxation time is several hundred fs even in the near infrared wavelength region, and the relaxation time between adjacent subbands corresponding to LO phonon energy or the intrasubband relaxation time. Is as short as several tens of fs. The carrier-carrier scattering time is also on the order of several tens of fs, which is one digit shorter than that of a GaAs system or the like. Accordingly, if the injection current and the excitation light intensity are sufficiently large, the carrier is replenished immediately from the adjacent level even if the excitation level of the carrier is insufficient due to the optical amplification, so that the gain saturation level is high. Also, the gain saturation level can be increased by increasing the number of unit quantum well structures. However, the greater the number of unit quantum well structures, the greater the required applied voltage and excitation light intensity. When applied to nonlinear optical devices, since the time constants of the related relaxation processes are all sub-picoseconds, an ultrafast optical switch of 1 terabit per second or more can be realized.
[0036]
In the case of the embodiment (4), the electrons in the ground level of the first quantum well are in the ground level of the second subband in a short time (about 100 fs in the nitride semiconductor) with LO phonon emission. To relax.
[0037]
In the state in which the two quantum wells are strongly coupled as in the embodiment (5), the squares of the envelope functions of the two base subbands are both applied to both the first quantum well and the second quantum well. Has a peak. Due to the phase difference between the electrons in the two subbands, a state in which carriers mainly exist in the first quantum well and a state in which carriers exist in the second quantum well are generated. The carrier is present in the first quantum well at the moment when it falls from the excitation subband of the first quantum well to the two base subbands by stimulated emission, but is determined by the energy difference ΔE between the two levels that resonate. It moves to the ground level of the second subband with a time constant that is half the period of the quantum beat (h / ΔE). Actually, the quantum beat is attenuated by the order of the phase relaxation time (10-30 fs for nitride semiconductor, 100 fs for semiconductors containing As and P as main constituent elements), but the carrier movement speed between wells is almost at this time. Can be estimated from a constant. If the coupling between wells is strong and ΔE is 30 meV or more, this time constant is at most 100 fs.
[0038]
The lifetime of the excitation level of the first quantum well becomes longer as the wavelength is shorter. Accordingly, when the intersubband transition wavelength is 2 μm or less as in the embodiment (6), it is easy to set the lifetime longer than other related time constants, that is, to form an inverted distribution.
[0039]
As in the embodiment (7), the first quantum well can be easily formed by providing a stepped or continuous composition gradient region (intermediate composition layer) on the opposite side of the first quantum well from the second quantum well. Can be made smaller than the intersubband energy of the second quantum well.
[0040]
Also in the structure of the embodiment (8), since the first quantum well and the third quantum well are strongly coupled, a subband whose origin is the ground level of the third quantum well is the first quantum well. This is the lowest excitation level of a coupled quantum well composed of a well and a third quantum well. If this coupled quantum well is regarded as the original first quantum well, the intersubband energy of the first quantum well (the coupled quantum well composed of the first quantum well and the third quantum well) can be easily determined as the first quantum well. It can be set smaller than the energy between subbands of the quantum well of 2.
[0041]
If the excitation level of the second quantum well is a quasi-bound level coupled by tunneling to the adjacent layer corresponding to the downstream side of the carrier flow as in the embodiment (9), the excitation level of the second quantum well The time for injecting the carriers excited in the first quantum well of the adjacent unit-coupled quantum well into the first quantum well can be shortened.
[0042]
Even if an electric field of 1 MV / cm or more is applied to the layer between the unit coupled quantum well structure and the unit coupled quantum well structure adjacent thereto as in the embodiment (10), the excitation level of the second quantum well is It is possible to shorten the time for injecting the carriers excited to the position to the excitation level of the first quantum well of the adjacent unit-coupled quantum well.
[0043]
As in the embodiment (11), when the excitation light is CW light, stable operation with small time fluctuation is possible.
[0044]
If the excitation light is pulsed light as in the embodiment (12), the average power of the excitation light can be kept small. However, in order to form an inversion distribution before the signal light pulse or the control light pulse arrives, it is necessary that the excitation light pulse arrives before the control light pulse or the signal light pulse. If the excitation light is synchronized with the control light pulse and is a periodic light pulse having a width wider than the control light pulse, the average power of the excitation light can be suppressed lower than in the case of continuous excitation, and A sufficient gain can be obtained when the control light pulse or the signal light pulse arrives.
[0045]
When the excitation light is pulsed light, if the excitation light pulse is introduced from the optical waveguide as in the embodiment (13), the pulse width can be suppressed to be slightly wider than the control light pulse, which is efficient.
[0046]
As in the embodiment (14), a method of introducing excitation light from the side surface of the optical waveguide is also conceivable. In this case, the second quantum well can be excited almost uniformly over the entire optical waveguide, and the optical waveguide can be lengthened to increase the interaction length between the control light pulse and the signal light pulse. The excitation light only needs to be irradiated while the control light pulse or the signal light pulse is propagating through the optical waveguide. If this condition is satisfied, the excitation light may be pulsed light or continuous light.
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.
[0048]
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing main components of the semiconductor optical amplifier according to the first embodiment of the present invention. The optical semiconductor optical amplifier 20 includes a lower nitride semiconductor layer 2 stacked on a sapphire substrate 1 (0001) surface, a semiconductor stacked
[0049]
The
[0050]
A negative voltage is applied to the
[0051]
The light 9 incident on the optical waveguide 5 is signal light having a wavelength of 1.45 μm.
[0052]
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional layer structure of the semiconductor optical amplifier 20. The lower nitride semiconductor layer 2 includes an undoped AlN layer 22 having a thickness of 0.15 μm, a first n-type GaN layer 23 having a thickness of 0.3 μm, and a first AlGaN
[0053]
The
[0054]
Left first undoped
[0055]
A large electric field is generated in the wurtzite nitride semiconductor heterostructure whose principal surface is the (0001) plane due to the piezoelectric effect and spontaneous polarization. This electric field is opposite for AlN and GaN. Further, an external voltage is applied between the
[0056]
As a whole, the potential of electrons in the coupled quantum well on the left side of FIG. 3 is higher, and the electrons flow from the left side to the right side of the figure. The voltage drop per cycle of the coupled quantum well 31 is about 0.35 V, and the voltage drop is about 10 V in 30 cycles.
[0057]
FIG. 3 shows the subband E formed in the coupled
[0058]
Ground level E 1 , E 2 And the excitation level E of the first quantum well Three The transition wavelength between and is about 1.1 μm, the ground level E 1 , E 2 And the excitation level E of the second quantum well Four The transition wavelength between and is about 1.41 μm. (The calculated values of the transition wavelength under the assumption that the composition change at the heterointerface is steep are about 1 μm and 1.3 μm, respectively. However, in the quantum well with a thin well layer, the calculated value is affected by the composition fluctuation of the interface. There is a tendency that the wavelength becomes longer.) The transition energy between subbands varies slightly depending on the location due to fluctuations in film thickness, etc., which causes the absorption spectrum width to be widened.
[0059]
In the present embodiment, electrons are injected from the second n-
[0060]
Excitation level E of the coupled quantum well structure at the right end of FIG. Four Has a higher potential for electrons than the n-type GaN layer 23, and therefore the first AlGaN
[0061]
Electrons injected from the first undoped
[0062]
This electron is immediately excited by the excitation light E introduced into the optical waveguide 5 through the slab optical waveguide, and the excitation level E of the second quantum well. Four Excited. Excitation level E Four Are coupled to the three-dimensional quantum state of the first undoped AlN barrier layer 32R on the right side. Excitation level E Four Since the effective barrier with respect to is low, the excited electrons escape to the first undoped AlN barrier layer 32R during about 100 fs, and excitation of the first
[0063]
Excitation level E Four Some of the electrons excited by the excitation level E of the first quantum well 37 Three To relax. Further, some of the electrons injected from the first undoped
[0064]
When sufficiently strong excitation light is incident, the ground level E 1 , E 2 To excitation level E Four And the excitation level E of the right
[0065]
FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship among the gain spectrum of the
[0066]
Since the voltage drop in each coupled quantum well 31 is suppressed to be small by utilizing photoexcitation, the applied voltage can be suppressed to be relatively small. (Even if such a function can be realized with a structure similar to a quantum cascade laser that does not perform optical excitation, the required voltage is more than three times.) Compared to a quantum cascade laser similar structure Since the thickness of one period can be reduced, the overlap with the optical field of the waveguide mode is large, and the influence of non-uniformity of the light intensity in the thickness direction is small, which is efficient.
[0067]
The semiconductor optical amplifier of this embodiment can be variously modified. For example, in order not to cause gain saturation on the output end side where the signal light power is increased, the pump light power may be adjusted to be increased on the output end side. Alternatively, in addition to the
[0068]
(Second Embodiment)
The semiconductor optical amplifier according to the first embodiment can be used as it is as a nonlinear semiconductor optical device (gain saturated optical gate switch). Except for the input light, the structure, band structure, function, etc. of each part are the same as those of the semiconductor optical amplifier of the first embodiment, and the description of the structure is omitted.
[0069]
The light 9 incident on the optical waveguide 5 of the nonlinear semiconductor optical device according to the second embodiment has a wavelength of 1.48 μm, a pulse width of about 200 fs, a repetitive 160 Gb / s control light pulse, a wavelength of 1.3 μm, and a pulse width of about This is a signal light pulse of 100 fs and 160 Gb / s repeatedly. The lower nitride semiconductor layer 2 is a slab optical waveguide. An excitation
[0070]
When a control light pulse is not input to the optical waveguide 5 and a sufficiently strong excitation light intensity is incident, the ground level E 1 , E 2 To excitation level E Four And the excitation level E of the right
[0071]
This nonlinear optical semiconductor device operates at 160 Gb / s. The control light pulse is incident at a timing that overlaps the signal light pulse. The excitation light pulse is incident at a timing such that it overlaps the control light pulse at any position of the optical waveguide 5. The pulse width of the pumping light is 3 ps, which is wider than the time (about 2.8 ps) in which the signal light pulse and the control light pulse propagate through the optical waveguide 5 having a length of 400 μm. The control light pulse and the signal light pulse are modulated, but the excitation light pulse is periodically incident every 6.25 ps.
[0072]
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship among the gain spectrum of the
[0073]
When there is no control light pulse, the signal light pulse is affected by both the gain of the
[0074]
On the other hand, when a control light pulse is incident, E Three The electrons accumulated in the ground level E 1 , E 2 Since the optical amplification is performed by falling to, the gain of the
[0075]
According to the nonlinear optical semiconductor device of this embodiment, since at least the front edge of the control light pulse is amplified, switching is performed with a pulse energy (<1 pJ) that is one digit or less smaller than that of an optical gate using saturable absorption. (The sign is inverted, so that the inverter operates.) When there is no control light pulse, the signal light pulse is amplified and output from the input, and no ASE noise is added. (Because the spectrum of the control light is broadened, the wavelengths of the control light and the signal light need to be separated to some extent in order to avoid crosstalk of the control light pulse.) The signal light pulse has a gain or a gain depending on the presence or absence of the control light. Since loss is incurred, the extinction ratio can be increased even if the device length is short. Further, since only a high-speed phenomenon having a time constant of the order of 100 fs is used, high-speed performance is not impaired.
[0076]
FIG. 6 shows an example of a configuration in which a strained InGaAs pulsed light source 50 in the 0.98 μm band is integrated in order to uniformly inject excitation light from the side surface. This pulse light source 50 is an integrated type of a mode-locked
[0077]
In the example of this figure, the pulse light source 50 is arranged perpendicular to the optical waveguide 5, but in consideration of the pulse propagation delay in the optical waveguide 5, the excitation light pulse arrives earlier toward the incident end side of the optical waveguide 5. It is also possible to arrange them at an angle. Further, an optical branching section is provided between the mode-locked
[0078]
The present embodiment can be variously modified and applied without departing from the spirit of the invention.
[0079]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a schematic diagram showing a main configuration of a Mach-Zehnder interferometer type ultrahigh-speed optical branching switch using a nonlinear optical semiconductor device 74 according to the third embodiment of the present invention. Since the configuration of the nonlinear optical semiconductor device 74 used here is the same as the configuration of the semiconductor optical amplifier 20 of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, detailed description using the drawings is omitted. . However, there is no injection of excitation light from the side. Although the layer structure is slightly different, the details will be described later.
[0080]
This Mach-Zehnder interferometer type optical switch is formed by integrating optical elements connected by a passive
[0081]
The signal light pulse input from the signal
[0082]
The nonlinear optical semiconductor device 74 is designed such that when a control light pulse with a predetermined power is input, the phase is shifted by π with almost no change in the transmittance of the signal light pulse. The operation will be described later.
[0083]
The signal light pulse output from the nonlinear optical semiconductor device 74 is separated from the control light pulse and the pump light pulse by the wavelength coupler 75 (almost no pump light pulse is transmitted), and the
[0084]
The control light pulse separated by the wavelength coupler 75 is output from the control light output port 67. The leakage component of the control light wavelength output to the signal light output port without being completely separated can be removed by the wavelength filter.
[0085]
The nonlinear optical semiconductor layer (corresponding to the
[0086]
[0087]
This embodiment differs from the first embodiment in that the ground level E of each of the first quantum well 87 and the second quantum well 88 is different. 2 , E 1 The difference in energy ΔE is 89 meV, which is set to resonate with the LO phonon energy. Subband E 2 And E Three Is mainly bound to the first quantum well 87, and the subband E 1 And E Four Is mainly bound to the second quantum well 88. Since the second
[0088]
Excitation level E Three To ground level E 2 The relaxation time with LO phonon emission into is about 500 fs. Excitation level E of first quantum well 87 Three To ground level E 2 The electrons transitioned by relaxation or light emission emit one LO phonon in a time of about 10 fs, and the ground level E of the second quantum well 88 1 To relax. In the coupled
[0089]
Before the excitation light pulse is incident, most of the electrons are accumulated in E1, and almost no current flows. When an excitation light pulse is incident, E 1 More than half of the electrons accumulated in E Four Through E Three Move to. By injecting the excitation light pulse slightly earlier than the control light pulse, an inversion distribution is formed before the control light pulse arrives. In this embodiment, since the pumping light pulse propagates simultaneously with the control light pulse and the signal light pulse, the pulse width of the pumping light can be shortened. As a result, the operation speed can be repeatedly increased as compared with the case where the excitation light is incident from the side surface. However, strong excitation is required to propagate the excitation light through the entire optical waveguide.
[0090]
FIG. 9 shows that the gain of the
[0091]
FIG. 10 is a diagram for explaining the wavelength dependence of the refractive index change when excitation light is incident. When the control light pulse is incident, the refractive index decreases at the signal light wavelength in both the optical amplification region and the electron excitation region, so that a large phase shift is obtained. As a result, the phase of the signal light pulse can be shifted by π without significantly changing the intensity of the signal light pulse by the incidence of the control light pulse. Therefore, in the interferometer type configuration shown in FIG. Can be switched at a ratio. Of course, it can also be used alone as a light control type optical phase modulator.
[0092]
The nonlinear optical semiconductor device according to the third embodiment of the present invention can be variously modified and applied. For example, FIG. 11 shows a structure in which the
[0093]
The optical amplification region may be a superlattice instead of a single quantum well. In this case, E in the above description 2 , E Three Can be read as the level of a mini-band with a wide range of energy, not the level of a sub-band. Similarly, the electron excitation region may be formed of a superlattice. In this case as well, E 1 , E Four Can be read as mini-band level. Alternatively, the electron excitation region may be composed of a plurality of quantum wells.
[0094]
FIG. 12 is a diagram schematically showing a conduction band structure for two periods of the unit coupled quantum well structure 90 in a modified example having an electron excitation region in which two quantum wells are coupled. This unit coupled quantum well structure 90 includes an
[0095]
In FIG. 12, the energy level of the subband is represented by a thick line only in a portion where the existence probability of electrons is high. Ground level E of the first quantum well 94 2 And the ground level E ′ of the second quantum well 95 1 Difference in energy, ground level E ′ of the second quantum well 95 1 And the ground level E of the third quantum well 96 1 And the excitation level E ′ of the second quantum well 95 Four And the excitation level E of the third quantum well 96 Four Are set to be substantially equal to the LO phonon energy. Therefore, E or E Three To E ' 1 The electrons that have fallen into the E due to relaxation and absorption of excitation light in a short time. 1 Or E ' Four , And E Four Through the
[0096]
FIG. 13 shows an example in which the wavelength arrangement of excitation light, control light, and signal light is changed and applied to a non-invertible saturable absorption gate. Since the excitation light pulse is also amplified by the
[0097]
In this case, the nonlinear optical operation is realized mainly by conventional absorption saturation, and the optical amplification region is mainly used for loss compensation of the control light pulse. The control light pulse can propagate through the optical waveguide without much change in pulse energy or waveform due to the balance between the gain of the
[0098]
Alternatively, if the wavelength of the signal light pulse is set in a region where the net absorption is small, it can be used as a phase modulator. In this case, since the control light is propagated without being attenuated over a long distance, a large phase shift can be obtained with relatively small control light energy. That is, the modulation efficiency is improved. Since the excitation light pulse acts as a kind of bias, it can also be used for fine adjustment of the phase bias during non-modulation.
[0099]
The present invention can be variously modified and applied in addition to the above-described three embodiments and modifications thereof without departing from the spirit of the invention. For example, the layer structure of the first and second embodiments is applied to the phase modulator and the interferometer type optical branch switch as in the third embodiment, or the layer structure as in the third example is applied to the first. It can also be applied to the semiconductor optical amplifier of the embodiment and the gain saturation type optical gate switch of the second embodiment. Moreover, you may use as an optical arithmetic element which inputs excitation light and control light. Alternatively, more complex operations can be realized by using a plurality of wavelengths of excitation light, control light, and signal light.
[0100]
It is also possible to use these optical switches as wavelength conversion elements. For example, in the second embodiment, if the signal light pulse is a clock pulse and the control light pulse is an input signal, the pattern of the input signal is transferred to a clock pulse having a different wavelength (the sign is inverted).
[0101]
In addition, various functions can be realized by combining or integrating with other elements. As the material system, II-VI group semiconductors, InGaAs / AlAsSb systems, and the like can be used.
[0102]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor optical amplifier having a very low noise and a high saturation level. In addition, it is possible to switch the intensity, phase, optical output destination, etc. of signal light with high efficiency and high speed with a smaller pulse energy than conventional saturable absorption optical gates using intersubband absorption. . When used as a saturable absorption gate or an optical branching switch, the extinction ratio can be improved as compared with the prior art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a semiconductor optical amplifier according to a first embodiment.
FIG. 2 is a sectional view schematically showing a layer structure of the semiconductor optical amplifier according to the first embodiment.
FIG. 3 is a band diagram corresponding to three cycles of a coupled quantum well structure constituting the semiconductor multilayer structure of the semiconductor optical amplifier according to the first embodiment.
FIG. 4 is a view for explaining the wavelength arrangement of the semiconductor optical amplifier according to the first embodiment.
FIG. 5 is a view for explaining the wavelength arrangement of a nonlinear optical semiconductor device according to the second embodiment.
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a configuration example in which a nonlinear optical semiconductor device according to a second embodiment is integrated with a pumping light source.
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of an ultrafast optical branch switch using a nonlinear optical semiconductor device according to a third embodiment.
FIG. 8 is a band diagram corresponding to three cycles of a coupled quantum well structure constituting a nonlinear optical semiconductor layer of a nonlinear optical semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 9 is a view for explaining the wavelength arrangement of a nonlinear optical semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 10 is a view for explaining a change in refractive index due to control light of the nonlinear optical semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 11 is a conduction band structure diagram illustrating a modification of the optical amplification region of the nonlinear optical semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 12 is a conduction band structure diagram illustrating a modification of the electron injection region of the nonlinear optical semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 13 is a view for explaining a modification of the wavelength arrangement of the present invention.
FIG. 14 is a diagram schematically showing a conduction band structure for two periods of a unit structure constituting an active layer of a quantum cascade laser according to the prior art.
[Explanation of symbols]
1 ... Sapphire substrate
2,4 ... Nitride semiconductor layer
3 ... Nonlinear optical semiconductor layer
5 ... Mesa optical waveguide
6 ... Polyimide
7, 8 ... Electrode
9 ... Incident light
10 ... outgoing light
11 ... Excitation light
20 ... Semiconductor optical amplifier / nonlinear optical semiconductor device (gain saturated optical gate switch)
22 ... Undoped AlN layer
23: First n-type GaN layer
24. First AlGaN composition gradient layer
25: Second AlGaN composition gradient layer
26: Second n-type GaN layer
31, 81... Coupled quantum well structure having a single-layer period of a semiconductor multilayer structure
32, 82 ... first undoped AlN barrier layer (electron injection region)
33, 83 ... Undoped AlGaN well intermediate layer
34, 84 ... first n-type GaN well layer
35, 85 ... second undoped AlN barrier layer
36, 86 ... second n-type GaN well layer
37, 87 ... first quantum well (light amplification region)
38, 88 ... second quantum well (electron excitation region)
50. Semiconductor photoexcitation element
51. Mode-locked laser
52. Tapered semiconductor optical amplifier
53, 54 ... Gain region
55. Saturable absorption region
56 ... Electrode
57 ... Synchronous light input
61 ... Quartz optical integrated circuit
62: Passive optical waveguide
63 ... Signal light input port
64 ... Control light input port
65: First signal light output port
66 ... Second signal light output port
67 ... Control light output port
68 ... Optical coupler
69: 1: 1 optical coupler
71 ... 1st branch
72. Second branch
73, 75 ... wavelength coupler
74: Nonlinear optical semiconductor device (optical phase modulation element) of the second embodiment
76: Light intensity modulator
77 ... Optical phase modulator
89 ... Third GaN well layer
90. Unit-coupled quantum well structure of modification
91 ... Electron injection region
92: Light amplification region
93 ... Electronic excitation region
94: First quantum well
95 ... Second quantum well
96 ... third quantum well
101: Electron injection region
102 ... Active region
103 ... well layer
104 ... barrier layer
105 ... Mini band
Claims (11)
この半導体積層構造を含む光導波構造と、
前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加する手段と、
前記光導波構造の一端側から光を入射する手段と、
前記光導波構造の他端側から光を出射する手段と、
前記半導体積層構造に前記第2の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入する手段と、
を具備してなり、
前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加し、かつ前記第2の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入したときに、前記単位結合量子井戸構造の第2の量子井戸の励起準位から障壁層をトンネルして前記単位結合量子井戸構造の下流側に隣接する単位結合量子井戸の第1の量子井戸にキャリアが流れることを特徴とする半導体光機能デバイス。A first quantum well (light amplification region) having at least two subbands, and an energy difference between the subbands of the first quantum well, the energy difference between the subbands having at least two subbands. A semiconductor multilayer structure in which a unit coupled quantum well structure in which at least two quantum wells of the second quantum well (electron excitation region) are coupled by a barrier layer is periodically stacked.
An optical waveguide structure including this semiconductor laminated structure;
Means for applying a voltage in the stacking direction to the semiconductor stacked structure;
Means for entering light from one end of the optical waveguide structure;
Means for emitting light from the other end of the optical waveguide structure;
Means for injecting excitation light in the intersubband absorption band of the second quantum well into the semiconductor multilayer structure;
Comprising a result, the
The second quantum well of the unit coupled quantum well structure when a voltage is applied to the semiconductor multilayer structure in the stacking direction and the excitation light in the intersubband absorption band of the second quantum well is injected. A semiconductor optical functional device, characterized in that carriers flow through a first quantum well of a unit coupled quantum well that is tunneled through a barrier layer from the excited level of and adjacent to the downstream side of the unit coupled quantum well structure .
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