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JP4076733B2 - Surface type optical-optical switch and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP4076733B2 - Surface type optical-optical switch and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP4076733B2 JP2001105633A JP2001105633A JP4076733B2 JP 4076733 B2 JP4076733 B2 JP 4076733B2 JP 2001105633 A JP2001105633 A JP 2001105633A JP 2001105633 A JP2001105633 A JP 2001105633A JP 4076733 B2 JP4076733 B2 JP 4076733B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信・光情報処理システムを構成すると期待される光交換・光中継器などに利用可能な光論理・光スイッチ動作を行う光半導体装置に関するものである。より具体的には、半導体多重量子井戸(MQW;Multi Quantum Well)構造薄膜の光非線形性を利用した面型光−光スイッチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、このような分野の先行技術文献としては、以下のようなものがあった。
〔1〕特開平7−325275号
〔2〕特開平7−36065号
〔3〕R.Jin,et,al.,Appl.Phys.Lett.,61(15),12 Oct.p.1745(1992)
〔4〕M.H.Moloney,et.al.,Appl.Phys.Lett.,64(8),21 Feb.p.997(1994)
MQW構造薄膜の光非線形性(強い光を照射することにより多量のキャリアが生じて、吸収係数の減少と屈折率の変化をもたらす効果)を利用した従来の光−光スイッチの構成は、屈折率変化を利用した分散型と吸収係数の減少(ブリーチング)効果を利用した吸収型がある。いずれもMQW構造薄膜を2枚の反射膜で挟んだ構造を持っている。
【0003】
図8はMQW構造薄膜の光吸収スペクトルと屈折率スペクトルの光非線形性を示す図であり、図8(a)は横軸に波長(nm)、縦軸に吸収係数(×104 cm-1)を、図8(b)は横軸に波長(nm)、縦軸に屈折率変化Δnを示している。
【0004】
分散型の光−光スイッチの場合、消光比を大きくとるためには、反射膜の反射率を大きくし、Q値を高める必要があるが、それに伴い、信号波長の許容範囲が狭くなり、そのため、素子の作製が困難になる。そこで、信号波長に対する制約を緩和したのが、図9(a)に示される吸収型である。
【0005】
その吸収型は、信号光Ps、制御光PcともにMQW構造薄膜の基底量子準位のやや低いエネルギーに存在する励起子吸収ピークの波長に設定される。このとき、素子の両面には、反射防止膜が施されており、図9(b)のグラフに示すように、制御光Pcが照射されると、キャリアが励起され、信号光Psに対しブリーチングが生じ、信号光Psは透過するようになる。
【0006】
さらに、図9(c)に示すような反射型を採用することにより、光非線形特性の増強を図り、消光比を大きくすることができる。特に吸収型ではブリーチング特性は制御光Pcの強度に対し急峻には変化しないため、信号光Psと制御光Pcの強度に大きな違いがないと、大きな消光比は取れない。このため、MQW構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜に関して、低反射膜と高反射膜の間隔が光学長にして(m+1/2)λ/2(ただし、mは整数、λは信号光波長)とし、低反射膜の反射率を、制御光Pcが照射されていない時における高反射膜を備えたMQW構造薄膜の信号光Psに対する反射率とほぼ等しく設定して、信号光Psが低反射膜側から入射し高反射膜で反射され低反射膜側から出射する構造を採用して、干渉効果により大きな消光比を実現してきた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したMQW構造薄膜の光非線形性を利用した従来の光−光スイッチでは、強い制御光Pcが消えてから吸収係数の値がもとの大きな値に回復するまでの時間(吸収回復時間:τ)には1ピコ秒程度かかり、これを更に短縮することは困難であった。
【0008】
また、1ピコ秒程度の応答性を実現するために、MQW構造薄膜は、分子線エピタキシー(MBE)法で用いられる通常の成長温度に比べて遙かに低温度で成長させる必要があり(上記した先行技術文献〔2〕参照)、そのため、製作された結晶内には格子欠陥などの結晶欠陥を多量に含んでしまう。このために結晶そのものの性質が長期安定性に欠けるという問題があった。
【0009】
更に、Beなどのp型ドーパントを多量に添加し、成長後に600℃程度の温度で数分間の熱処理を施す工程などが必要である(上記した先行技術文献〔2〕参照)。このように製造過程が複雑である上に、低温成長や熱処理など通常とは違う、あるいは確立されているとは言いがたい製作条件を用いなければならないので、歩留まり、再現性の上からも課題を残している。
【0010】
本発明は、上記状況に鑑みて、吸収回復時間を向上させて、極めて速い応答性を実現することができる面型光−光スイッチおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕半導体多重量子井戸構造薄膜と、該半導体多重量子井戸構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜を有し、信号光が前記低反射膜側から入射し、前記高反射膜で反射されて前記低反射膜側から出射する構成をとり、制御光のオン/オフにより前記信号光のオン/オフを制御する面型光−光スイッチにおいて、前記制御光および信号光の波長が、前記半導体多重量子井戸構造薄膜の基底量子準位(n=1)ではなく、高次量子準位(n≧2)に相当する波長と一致するように半導体多重量子井戸構造を構成することを特徴とする。
【0012】
〔2〕半導体多重量子井戸構造薄膜と、該半導体多重量子井戸構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜を有し、信号光が前記低反射膜側から入射し、前記高反射膜で反射されて前記低反射膜側から出射する構成をとり、制御光のオン/オフにより前記信号光のオン/オフを制御する面型光−光スイッチの製造方法において、前記制御光および信号光の波長が、前記半導体多重量子井戸構造薄膜の基底量子準位(n=1)ではなく、高次量子準位(n≧2)に相当する波長と一致するように半導体多重量子井戸構造を構成するステップと、前記半導体多重量子井戸構造薄膜を分子線エピタキシー法により成長させるステップを備えることを特徴とする。
【0013】
〔3〕上記〔2〕記載の面型光−光スイッチの製造方法において、前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはBeまたは他のp型ドーパントが1種類またはそれ以上、1×1017cm-3以上の濃度で添加されることを特徴とする。
【0014】
〔4〕上記〔2〕記載の面型光−光スイッチの製造方法において、前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはSiまたは他のn型ドーパントが1種類またはそれ以上、1×1017cm-3以上の濃度で添加されることを特徴とする。
【0015】
〔5〕上記〔2〕記載の面型光−光スイッチの製造方法において、前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはBeまたは他のp型ドーパントが1種類またはそれ以上、1×1017cm-3以上の濃度で、さらにSiまたは他のn型ドーパントが1種類またはそれ以上、1×1017cm-3以上の濃度で添加されていることを特徴とする。
【0016】
〔6〕上記〔2〕記載の面型光−光スイッチの製造方法において、 前記半導体多重量子井戸構造薄膜の量子井戸層と障壁層との間に、0.5%以上の圧縮性または伸張性の格子歪を含むことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0018】
図1は本発明の第1実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の構成図である。
【0019】
本発明の実施例を化合物半導体の最も基本的な材料であるGaAsとAlAsからなるMQW構造薄膜について示す。
【0020】
図1に示すように、MQW構造薄膜はGaAs基板10上にMBE法を用いて通常用いられる成長温度である560℃の成長温度でAl0.3 Ga0.7 Asエッチストップ層11、(GaAs−AlAs)MQW(100周期)層12、Al0.3 Ga0.7 Asキャップ層13を順次成長させた。(GaAs−AlAs)MQW層12にはドーパントは意図的に添加していない。
【0021】
図2はその面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の波長に対する吸収スペクトルを示す図である。
【0022】
ここでは、(GaAs−AlAs)MQWの量子井戸層12の厚さは15nmとしてある。成長後、化学エッチングによりGaAs基板10をAl0.3 Ga0.7 Asエッチストップ層11まで除去した後、弱い光で測定した吸収スペクトルが図2に示されている。
【0023】
この試料の(GaAs−AlAs)MQWの量子井戸層12の厚さは通常よりやや厚く設定してあるために、吸収端に現れる重い正孔(hh)の励起子の吸収ピークと軽い正孔(lh)の励起子ピークは重なり、その結果、単一のピークのように見えている。n=1のピークは波長λ=855nmに現れ、n=2のピークは波長λ=819nmに現れている。
【0024】
図3はこれらの波長のレーザー光パルスを用いてポンプ−プローブ法を用いて吸収回復時間τを測定した結果の時間応答波形を示す図である。
【0025】
この図に示すように、上記した波長λ=855nm、波長λ=819nmのレーザー光パルスを用いてポンプ−プローブ法を用いて吸収回復時間τを測定した結果、波長λ=855nmではτ=80ピコ秒、波長λ=819nmではτ=8ピコ秒と1桁の差異があることが実験的に示されている。
【0026】
なお、図2には種々の波長のレーザー光を用いて測定した飽和励起光密度Is(この値が小さいほど、弱い光でも光ブリーチングが起こることを示す光非線形性の大きさの尺度であり、後述する図7に詳述)を示しているが、n=1の波長に比べてn=2の波長の近くではIsは約1桁大きくなっている。これはn=2の付近では光ブリーチングが起こりにくいことを示してはいるが、吸収係数自体が大きいためにIsが大きく測定される見かけ上の効果も含まれている。
【0027】
以下、本発明の他の実施例について説明する。
【0028】
図4は本発明の第2実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の構成図である。
【0029】
この実施例では、GaAs基板10上にMBE法を用いて通常用いられる成長温度である600℃の成長温度でAl0.3 Ga0.7 Asエッチストップ層11、Be−(GaAs−AlAs)MQW(100周期)層12′、Al0.3 Ga0.7 Asキャップ層13を順次成長させた。Be−(GaAs−AlAs)MQW層12′にはドーパントとしてBeを7.8×1017cm-3の濃度で一様にドープしてある。
【0030】
また、Be−(GaAs−AlAs)MQWのGaAs量子井戸層12′の厚さは通常よく用いられる値に近い7nmとしてある。成長後、化学エッチングによりGaAs基板10をAl0.3 Ga0.7 Asエッチストップ層11まで除去した後、弱い光で測定した吸収スペクトルを図5に示す。
【0031】
この試料はBeがドープしてあるために、吸収端に現れる重い正孔(hh)の励起子の吸収ピークと軽い正孔(lh)の励起子ピークは重なり、その結果、単一のピークのように見えている。n=1のピークは波長λ=821nmに現れ、n=2のピークは波長λ=741nmに現れている。
【0032】
これらの波長を含むいくつかの波長のレーザー光パルスを用いてポンプ−プローブ法を用いて吸収回復時間τを測定した結果の時間応答波形を図6に示すが、波長λ=821nmとλ=800nmではτ=60ピコ秒、波長λ=760nmとλ=741nmではτ=0.3ピコ秒以下(測定装置の時間分解能が0.2ピコ秒)と2桁以上の差異があることがこの実験により示されている。
【0033】
なお、図5には吸収回復時間τと測定波長λの関係を光吸収スペクトルに重ねて示してある。波長λが780nmと800nmの間でτは急峻に変化していることを示している。
【0034】
図7は光吸収係数(実際には光吸収係数と量子井戸層の全厚さの積αL)が入射する光の強度によって変化する様子を波長λ=820nm(n=1の励起子吸収ピーク波長)と波長λ=741nm(n=2の励起子吸収ピーク波長)について測定した結果を示す。αは入射光強度が強くなると共に減少するが、その様子は、
α=α0 /(1+I/Is)+β
として記述できる。このときのIsは飽和励起光密度と呼ばれる。この値が小さいほど、弱い光でも光ブリーチングが起こることを示しており、光非線形性の大きさの尺度である。
【0035】
図7はλ=820nmの場合、Is=50μJ/cm2 、λ=741nmの場合、Is=280μJ/cm2 であることを示している。
【0036】
図5には種々の波長λで測定したIsを光吸収スペクトルに重ねて示している。ここでもIsはn=1の波長に比べてn=2の波長の近くでは約1桁大きくなっている。これはn=2の付近では光ブリーチングが起こりにくいことを示してはいるが、吸収係数自体が大きいためにIsが大きく測定される見かけ上の効果も含まれている。
【0037】
以上に説明した通り、本発明は、MQW構造薄膜の基底量子準位(n=1)ではなく、高次量子準位(n≧2)に相当する波長帯と制御光および信号光の波長が一致する様に設定することを特徴としており、MQW構造の作製条件としてはMBE法における通常の成長条件を用いて作製する場合について記述したが、これにとどまることなく、有機金属気相堆積法(MOCVD)やその他の方法を用いて作製しても同様の効果が得られることは記すまでもない。
【0038】
更に、MQW構造薄膜としてBeを7.8×1017cm-3の濃度でドープした試料について記述したが、濃度はこれに限定されるものではなく、1×1017cm-3以上であればよい。また、ドーパントとしてBeについて記述したが、これに限定されることはなく、その他のp型ドーパント、またはSiやその他のn型ドーパントを添加しても同様の効果が得られる。更には、単一種類のドーパントでなく、複数種類のドーパントを添加しても同様の効果が得られる。
【0039】
上記したように、n=2の量子準位付近の波長帯では基底量子準位付近に比べると光ブリーチングが起こりにくい。このことは光スイッチング動作を行わせるためにはより大きな強度の制御光を必要とすることを意味する。この問題を回避するためには、歪量子井戸構造を採用する方法が有効である。n=1の量子準位の波長帯付近では、歪量子井戸構造は歪を含まない量子井戸構造に対してIsが小さいことが知られている(上記した先行技術文献〔3〕及び〔4〕参照)。高次の量子準位に相当する波長帯を用いることを特徴とする本発明においても、歪量子井戸構造を採用することによって、Isを低下させることができることは容易に考えが及ぶところである。
【0040】
以上の説明においては、MQW構造薄膜として化合物半導体の代表的な材料であるGaAsとAlAsの組み合わせについて記述したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の半導体の組み合わせは当然のこと、化合物半導体以外の材料を用いたMQW構造薄膜にも適用できることは明らかである。
【0041】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0042】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明は、制御光および信号光の波長がMQW構造薄膜の基底量子準位(n=1)ではなく、高次量子準位(n≧2)に相当する波長となるように設定することにより、極めて速い応答速度を有する面型光−光スイッチを実現することができる。
【0043】
すなわち、制御光により高次の量子準位に付随する励起子吸収ピークに共鳴的に励起された励起子は格子振動との衝突の結果、100〜200フェムト秒の時間以内に解離して電子−正孔プラズマとなり、更に、電子も正孔も同程度の時間以内にそれぞれの基底量子準位に緩和していく。
【0044】
その結果、弱い信号光に対する吸収係数は制御光が切れてから、τ=数100フェムト秒以内に制御光が来る前の大きな吸収係数の値に回復する。このようにMQW構造薄膜について、その高次量子準位に付随する励起子吸収ピーク波長が信号光や制御光の波長と一致するかその近傍に来るように波長関係を構成した面型光−光スイッチは、τ=1ピコ秒を切る短時間の応答速度を持つ。
【0045】
そして、本発明に用いられるMQW構造薄膜は、MBE法などにより通常の条件で成長できるので、材料特性の不安定性は全くなく、再現性に優れ、製造歩留まりが極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の構成図である。
【図2】 本発明の第1実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の波長に対する吸収スペクトルを示す図である。
【図3】 本発明の第1実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の所定の波長のレーザー光パルスを用いてポンプ−プローブ法を用いて吸収回復時間τを測定した結果の時間応答波形を示す図である。
【図4】 本発明の第2実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の構成図である。
【図5】 本発明の第2実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の波長に対する特性図である。
【図6】 本発明の第2実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の信号光の時間応答波形を示す図である。
【図7】 本発明の第2実施例を示す面型光−光スイッチ(MQW構造薄膜)の入射光強度に対する光吸収係数の特性図である。
【図8】 従来のMQW構造薄膜の光吸収スペクトルと屈折率スペクトルの光非線形性を示す図である。
【図9】 従来の吸収型MQW構造薄膜素子の説明図である。
【符号の説明】
10 GaAs基板
11 Al0.3 Ga0.7 Asエッチストップ層
12 (GaAs−AlAs)MQW(100周期)層
12′ Be−(GaAs−AlAs)MQW(100周期)層
13 Al0.3 Ga0.7 Asキャップ層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical semiconductor device that performs an optical logic / optical switch operation that can be used for an optical switch / optical repeater and the like that are expected to constitute an optical communication / optical information processing system. More specifically, the present invention relates to a planar optical-optical switch that utilizes optical nonlinearity of a semiconductor multiple quantum well (MQW) structure thin film.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, prior art documents in such fields include the following.
[1] JP-A-7-325275 [2] JP-A-7-36065 [3] R.A. Jin, et, al. , Appl. Phys. Lett. , 61 (15), 12 Oct. p. 1745 (1992)
[4] M.M. H. Moloney, et. al. , Appl. Phys. Lett. , 64 (8), 21 Feb. p. 997 (1994)
The structure of the conventional optical-optical switch using the optical nonlinearity of the MQW structure thin film (the effect that a large amount of carriers are generated by irradiating strong light, resulting in a decrease in absorption coefficient and a change in refractive index) is a refractive index. There are a dispersion type that uses change and an absorption type that uses the effect of reducing the absorption coefficient (bleaching). In either case, the MQW structure thin film is sandwiched between two reflective films.
[0003]
FIG. 8 is a diagram showing the optical nonlinearity of the light absorption spectrum and the refractive index spectrum of the MQW structure thin film. FIG. 8A shows the wavelength (nm) on the horizontal axis and the absorption coefficient (× 10 4 cm −1 on the vertical axis. FIG. 8B shows the wavelength (nm) on the horizontal axis and the refractive index change Δn on the vertical axis.
[0004]
In the case of a dispersion type optical-optical switch, in order to increase the extinction ratio, it is necessary to increase the reflectivity of the reflection film and increase the Q value. This makes it difficult to manufacture the device. Therefore, the absorption type shown in FIG. 9A has relaxed the restriction on the signal wavelength.
[0005]
The absorption type is set to the wavelength of the exciton absorption peak existing at a slightly lower energy of the ground quantum level of the MQW structure thin film for both the signal light Ps and the control light Pc. At this time, both surfaces of the element are provided with antireflection films, and as shown in the graph of FIG. 9B, when the control light Pc is irradiated, the carriers are excited, and the signal light Ps is bleached. And signal light Ps is transmitted.
[0006]
Furthermore, by adopting a reflection type as shown in FIG. 9C, the optical nonlinear characteristic can be enhanced and the extinction ratio can be increased. In particular, in the absorption type, the bleaching characteristic does not change steeply with respect to the intensity of the control light Pc. Therefore, regarding the low reflection film and the high reflection film arranged so as to sandwich the MQW structure thin film, the distance between the low reflection film and the high reflection film is set to the optical length (m + 1/2) λ / 2 (where m is The reflectance of the low reflection film is set to be substantially equal to the reflectance of the MQW structure thin film having the high reflection film when the control light Pc is not irradiated with respect to the signal light Ps. A structure in which the signal light Ps is incident from the low reflection film side, reflected by the high reflection film, and emitted from the low reflection film side has been adopted, and a large extinction ratio has been realized by the interference effect.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional optical-optical switch using the optical nonlinearity of the MQW structure thin film described above, the time until the value of the absorption coefficient is restored to the original large value after the strong control light Pc disappears (absorption recovery time). : Τ) takes about 1 picosecond, and it was difficult to further reduce this.
[0008]
Further, in order to realize a response of about 1 picosecond, the MQW structure thin film needs to be grown at a temperature much lower than the normal growth temperature used in the molecular beam epitaxy (MBE) method (see above). Therefore, a large amount of crystal defects such as lattice defects are included in the manufactured crystal. For this reason, there has been a problem that the properties of the crystals themselves lack long-term stability.
[0009]
Further, a process of adding a large amount of p-type dopant such as Be and performing a heat treatment for several minutes at a temperature of about 600 ° C. after the growth is necessary (see the above-mentioned prior art document [2]). In this way, the manufacturing process is complicated, and manufacturing conditions such as low-temperature growth and heat treatment that are unusual or difficult to establish must be used, so there are problems in terms of yield and reproducibility. Is leaving.
[0010]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a surface-type optical-optical switch that can improve absorption recovery time and realize extremely fast responsiveness, and a method for manufacturing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] A semiconductor multiple quantum well structure thin film, and a low reflection film and a high reflection film disposed so as to sandwich the semiconductor multiple quantum well structure thin film, and signal light is incident from the low reflection film side, In a surface light-optical switch that is configured to be reflected by a high reflection film and output from the low reflection film side, and to control on / off of the signal light by turning on / off of the control light, the control light and the signal light wavelength, the semiconductor multi-quantum well structure ground quantum level of the thin film (n = 1), rather than the high-order quantum level (n ≧ 2) by that matches the corresponding wavelength urchin semiconductor multiple quantum well structure It is characterized by comprising.
[0012]
[2] having a semiconductor multiple quantum well structure thin film, a low reflection film and a high reflection film disposed so as to sandwich the semiconductor multiple quantum well structure thin film, signal light is incident from the low reflection film side, In the manufacturing method of the surface light-optical switch, which is configured to reflect the high reflection film and emit from the low reflection film side, and to control the on / off of the signal light by the on / off of the control light, the control light and the wavelength of the signal light, the semiconductor multi-quantum well structure ground quantum level of the thin film (n = 1), rather than higher-order quantum level (n ≧ 2) by that matches the corresponding wavelength urchin semiconductor multiple quantum The method includes a step of forming a well structure and a step of growing the semiconductor multiple quantum well structure thin film by a molecular beam epitaxy method.
[0013]
[3] In the method for manufacturing a planar optical-optical switch according to [2], the semiconductor multiple quantum well structure thin film contains one or more Be or other p-type dopants at 1 × 10 17 cm −3. It is characterized by being added at the above concentration.
[0014]
[4] In the method for manufacturing a planar optical-optical switch according to [2] above, the semiconductor multiple quantum well structure thin film contains one or more Si or other n-type dopants at 1 × 10 17 cm −3. It is characterized by being added at the above concentration.
[0015]
[5] In the method for manufacturing a planar optical-optical switch according to [2], the semiconductor multiple quantum well structure thin film contains one or more Be or other p-type dopants at 1 × 10 17 cm −3. One or more Si or another n-type dopant is added at a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more at the above concentration.
[0016]
[6] In the method of manufacturing a planar optical-optical switch according to [2], a compressibility or stretchability of 0.5% or more is provided between the quantum well layer and the barrier layer of the semiconductor multiple quantum well structure thin film. The lattice distortion is included.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 is a block diagram of a surface type optical-optical switch (MQW structure thin film) according to a first embodiment of the present invention.
[0019]
An embodiment of the present invention will be described for an MQW structure thin film made of GaAs and AlAs, which is the most basic material of a compound semiconductor.
[0020]
As shown in FIG. 1, the MQW structure thin film has an Al 0.3 Ga 0.7 As etch stop layer 11 and a (GaAs-AlAs) MQW at a growth temperature of 560 ° C. which is a growth temperature usually used on the GaAs substrate 10 by using the MBE method. A (100 period) layer 12 and an Al 0.3 Ga 0.7 As cap layer 13 were grown sequentially. A dopant is not intentionally added to the (GaAs-AlAs) MQW layer 12.
[0021]
FIG. 2 is a diagram showing an absorption spectrum with respect to the wavelength of the surface light-optical switch (MQW structure thin film).
[0022]
Here, the thickness of the (GaAs-AlAs) MQW quantum well layer 12 is 15 nm. After the growth, the GaAs substrate 10 is removed up to the Al 0.3 Ga 0.7 As etch stop layer 11 by chemical etching, and the absorption spectrum measured with weak light is shown in FIG.
[0023]
Since the thickness of the (GaAs-AlAs) MQW quantum well layer 12 of this sample is set to be slightly thicker than usual, the absorption peak of excitons of heavy holes (hh) appearing at the absorption edge and light holes ( lh) exciton peaks overlap so that they look like a single peak. The peak at n = 1 appears at the wavelength λ = 855 nm, and the peak at n = 2 appears at the wavelength λ = 819 nm.
[0024]
FIG. 3 is a diagram showing a time response waveform as a result of measuring the absorption recovery time τ using a pump-probe method using laser light pulses of these wavelengths.
[0025]
As shown in this figure, as a result of measuring the absorption recovery time τ using the pump-probe method using the laser light pulse with the wavelength λ = 855 nm and the wavelength λ = 819 nm, τ = 80 pico at the wavelength λ = 855 nm. It has been experimentally shown that there is a one-digit difference from τ = 8 picoseconds at a second, wavelength λ = 819 nm.
[0026]
Note that FIG. 2 shows a saturation excitation light density Is measured using laser light of various wavelengths (a measure of the magnitude of optical nonlinearity indicating that optical bleaching occurs even with weak light as this value is smaller. 7, which will be described later in detail), Is is about an order of magnitude larger near the wavelength of n = 2 than the wavelength of n = 1. This indicates that optical bleaching is unlikely to occur in the vicinity of n = 2, but also includes an apparent effect that Is is measured to be large because the absorption coefficient itself is large.
[0027]
Hereinafter, other embodiments of the present invention will be described.
[0028]
FIG. 4 is a block diagram of a surface type optical-optical switch (MQW structure thin film) showing a second embodiment of the present invention.
[0029]
In this embodiment, an Al 0.3 Ga 0.7 As etch stop layer 11 and a Be- (GaAs-AlAs) MQW (100 cycles) at a growth temperature of 600 ° C., which is a growth temperature usually used on the GaAs substrate 10 by using the MBE method. A layer 12 ′ and an Al 0.3 Ga 0.7 As cap layer 13 were sequentially grown. The Be- (GaAs-AlAs) MQW layer 12 'are uniformly doped at a concentration of Be as a dopant 7.8 × 10 17 cm -3.
[0030]
Further, the thickness of the GaAs quantum well layer 12 'of Be- (GaAs-AlAs) MQW is set to 7 nm, which is close to a commonly used value. FIG. 5 shows an absorption spectrum measured with weak light after the growth, after removing the GaAs substrate 10 up to the Al 0.3 Ga 0.7 As etch stop layer 11 by chemical etching.
[0031]
Since this sample is doped with Be, the absorption peak of the exciton of heavy hole (hh) and the exciton peak of light hole (lh) appearing at the absorption edge overlap, and as a result, a single peak Looks like. The peak at n = 1 appears at the wavelength λ = 821 nm, and the peak at n = 2 appears at the wavelength λ = 741 nm.
[0032]
FIG. 6 shows time response waveforms as a result of measuring the absorption recovery time τ using the pump-probe method using laser light pulses of several wavelengths including these wavelengths, and the wavelengths λ = 821 nm and λ = 800 nm. In this experiment, τ = 60 picoseconds, and for wavelengths λ = 760 nm and λ = 741 nm, τ = 0.3 picoseconds or less (the time resolution of the measuring device is 0.2 picoseconds), which is a difference of two orders of magnitude or more. It is shown.
[0033]
In FIG. 5, the relationship between the absorption recovery time τ and the measurement wavelength λ is shown superimposed on the light absorption spectrum. It shows that τ changes sharply when the wavelength λ is between 780 nm and 800 nm.
[0034]
FIG. 7 shows how the light absorption coefficient (actually, the product αL of the light absorption coefficient and the total thickness of the quantum well layer) changes depending on the intensity of incident light, wavelength λ = 820 nm (n = 1 exciton absorption peak wavelength). ) And wavelength λ = 741 nm (n = 2 exciton absorption peak wavelength). α decreases with increasing incident light intensity.
α = α 0 / (1 + I / Is) + β
Can be described as Is at this time is called a saturated excitation light density. A smaller value indicates that optical bleaching occurs even with weak light, and is a measure of the magnitude of optical nonlinearity.
[0035]
7 For λ = 820nm, Is = 50μJ / cm 2, the case of lambda = 741 nm, indicating that it is Is = 280μJ / cm 2.
[0036]
FIG. 5 shows Is measured at various wavelengths λ superimposed on the light absorption spectrum. Again, Is is about an order of magnitude greater near the wavelength of n = 2 than the wavelength of n = 1. This indicates that optical bleaching is unlikely to occur in the vicinity of n = 2, but also includes an apparent effect that Is is measured to be large because the absorption coefficient itself is large.
[0037]
As described above, according to the present invention, the wavelength band corresponding to the higher-order quantum level (n ≧ 2) and the wavelengths of the control light and the signal light are not the ground quantum level (n = 1) of the MQW structure thin film. Although the case where the MQW structure is manufactured using the normal growth conditions in the MBE method has been described as the manufacturing condition of the MQW structure, the metal organic vapor phase deposition method ( It goes without saying that the same effect can be obtained even if it is fabricated using MOCVD) or other methods.
[0038]
Furthermore, although a sample doped with Be at a concentration of 7.8 × 10 17 cm −3 has been described as an MQW structure thin film, the concentration is not limited to this, and the concentration is 1 × 10 17 cm −3 or more. Good. Moreover, although Be was described as a dopant, it is not limited to this, The same effect is acquired even if it adds another p-type dopant, Si, or another n-type dopant. Furthermore, the same effect can be obtained by adding a plurality of types of dopants instead of a single type of dopant.
[0039]
As described above, optical bleaching is less likely to occur in the wavelength band near the quantum level of n = 2 than in the vicinity of the base quantum level. This means that control light having a higher intensity is required to perform the optical switching operation. In order to avoid this problem, a method using a strained quantum well structure is effective. In the vicinity of the wavelength band of the quantum level of n = 1, it is known that the strained quantum well structure has a smaller Is than the strainless quantum well structure (the prior art documents [3] and [4] described above). reference). Even in the present invention characterized in that a wavelength band corresponding to a higher-order quantum level is used, it is easily thought that Is can be reduced by adopting a strained quantum well structure.
[0040]
In the above description, a combination of GaAs and AlAs, which are typical compound semiconductor materials, has been described as the MQW structure thin film. However, the present invention is not limited to this, and other semiconductor combinations are natural. It is apparent that the present invention can also be applied to an MQW structure thin film using a material other than a compound semiconductor.
[0041]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0042]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the present invention, the wavelengths of the control light and the signal light correspond to higher order quantum levels (n ≧ 2) instead of the ground quantum levels (n = 1) of the MQW structure thin film. by setting such a wavelength, a surface-type light has a very fast response speed - it is possible to realize an optical switch.
[0043]
That is, excitons that are resonantly excited to exciton absorption peaks associated with higher-order quantum levels by the control light are dissociated within a time of 100 to 200 femtoseconds as a result of collision with lattice vibration, and electron − It becomes hole plasma, and both electrons and holes relax to their respective ground quantum levels within the same amount of time.
[0044]
As a result, the absorption coefficient for the weak signal light is restored to the value of the large absorption coefficient before the control light arrives within τ = several hundred femtoseconds after the control light is cut off. In this way, for the MQW structure thin film, a planar light-light whose wavelength relationship is configured so that the exciton absorption peak wavelength associated with the higher-order quantum level coincides with or is close to the wavelength of the signal light or control light. The switch has a short response speed of less than τ = 1 picosecond.
[0045]
And since the MQW structure thin film used for this invention can be grown on normal conditions by MBE method etc., there is no instability of a material characteristic, it is excellent in reproducibility, and a manufacturing yield is very high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a planar optical-optical switch (MQW structure thin film) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an absorption spectrum with respect to wavelength of a surface-type optical-optical switch (MQW structure thin film) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a result of measuring an absorption recovery time τ using a pump-probe method using a laser light pulse of a predetermined wavelength of a surface optical switch (MQW structure thin film) showing a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the time response waveform.
FIG. 4 is a configuration diagram of a planar optical-optical switch (MQW structure thin film) showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a characteristic diagram with respect to wavelength of a surface-type optical-optical switch (MQW structure thin film) showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a time response waveform of signal light of a surface-type optical-optical switch (MQW structure thin film) according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a characteristic diagram of a light absorption coefficient with respect to incident light intensity of a surface light-optical switch (MQW structure thin film) showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing optical nonlinearity of a light absorption spectrum and a refractive index spectrum of a conventional MQW structure thin film.
FIG. 9 is an explanatory view of a conventional absorption type MQW structure thin film element.
[Explanation of symbols]
10 GaAs substrate 11 Al 0.3 Ga 0.7 As etch stop layer 12 (GaAs-AlAs) MQW (100 period) layer 12 'Be- (GaAs-AlAs) MQW (100 period) layer 13 Al 0.3 Ga 0.7 As cap layer

Claims (6)

半導体多重量子井戸構造薄膜と、該半導体多重量子井戸構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜を有し、信号光が前記低反射膜側から入射し、前記高反射膜で反射されて前記低反射膜側から出射する構成をとり、制御光のオン/オフにより前記信号光のオン/オフを制御する面型光−光スイッチにおいて、前記制御光および信号光の波長が、前記半導体多重量子井戸構造薄膜の基底量子準位(n=1)ではなく、高次量子準位(n≧2)に相当する波長と一致するように半導体多重量子井戸構造を構成することを特徴とする面型光−光スイッチ。A semiconductor multiple quantum well structure thin film, and a low reflection film and a high reflection film disposed so as to sandwich the semiconductor multiple quantum well structure thin film, and signal light is incident from the low reflection film side, and the high reflection film In a surface-type optical-optical switch that takes a configuration of being reflected from the low reflection film side and is emitted from the low reflection film side, and controlling on / off of the signal light by turning on / off of the control light, the wavelengths of the control light and the signal light are , configuring the semiconductor multiple quantum well structure ground quantum level of the thin film (n = 1), rather than higher-order quantum level (n ≧ 2) by that matches the corresponding wavelength urchin semiconductor multiple quantum well structure A surface-type optical-optical switch. 半導体多重量子井戸構造薄膜と、該半導体多重量子井戸構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜を有し、信号光が前記低反射膜側から入射し、前記高反射膜で反射されて前記低反射膜側から出射する構成をとり、制御光のオン/オフにより前記信号光のオン/オフを制御する面型光−光スイッチの製造方法において、前記制御光および信号光の波長が、前記半導体多重量子井戸構造薄膜の基底量子準位(n=1)ではなく、高次量子準位(n≧2)に相当する波長と一致するように半導体多重量子井戸構造を構成するステップと、前記半導体多重量子井戸構造薄膜を分子線エピタキシー法により成長させるステップを備えることを特徴とする面型光−光スイッチの製造方法。A semiconductor multiple quantum well structure thin film, and a low reflection film and a high reflection film disposed so as to sandwich the semiconductor multiple quantum well structure thin film, and signal light is incident from the low reflection film side, and the high reflection film In the method of manufacturing the surface light-optical switch, which is configured to reflect the light from the low reflection film and emit light from the low reflection film side, and to control the on / off of the signal light by the on / off of the control light, the control light and the signal light wavelength, the semiconductor multi-quantum well structure ground quantum level of the thin film (n = 1), rather than the high-order quantum level (n ≧ 2) by that matches the corresponding wavelength urchin semiconductor multiple quantum well structure A method of manufacturing a planar optical-optical switch, comprising: a step of forming; and a step of growing the semiconductor multiple quantum well structure thin film by a molecular beam epitaxy method. 前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはBeまたは他のp型ドーパントが1種類またはそれ以上、1×1017cm-3以上の濃度で添加されることを特徴とする請求項2記載の面型光−光スイッチの製造方法。3. The planar light according to claim 2, wherein one or more Be or other p-type dopants are added to the semiconductor multiple quantum well structure thin film at a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more. -Manufacturing method of optical switch. 前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはSiまたは他のn型ドーパントが1種類またはそれ以上、1×1017cm-3以上の濃度で添加されることを特徴とする請求項2記載の面型光−光スイッチの製造方法。3. The planar light according to claim 2, wherein one or more Si or other n-type dopants are added to the semiconductor multiple quantum well structure thin film at a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more. -Manufacturing method of optical switch. 前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはBeまたは他のp型ドーパントが1種類またはそれ以上、1×1017cm-3以上の濃度で、さらにSiまたは他のn型ドーパントが1種類またはそれ以上、1×1017cm-3以上の濃度で添加されていることを特徴とする請求項2記載の面型光−光スイッチの製造方法。The semiconductor multiple quantum well structure thin film has one or more Be or other p-type dopants at a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more, and one or more Si or other n-type dopants. 3. The method of manufacturing a planar optical-optical switch according to claim 2, wherein the surface optical-optical switch is added at a concentration of 1 * 10 < 17 > cm < -3 > or more. 前記半導体多重量子井戸構造薄膜の量子井戸層と障壁層との間に、0.5%以上の圧縮性または伸張性の格子歪を含むことを特徴とする請求項2記載の面型光−光スイッチの製造方法。  3. The planar light-light according to claim 2, wherein a compressive or extensible lattice strain of 0.5% or more is included between the quantum well layer and the barrier layer of the semiconductor multiple quantum well structure thin film. A method for manufacturing a switch.
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