JP5988193B2 - Planar light modulator - Google Patents
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Description
本発明は、i−GaAs層を有し、i−GaAs層の主面に垂直な方向に光を入射させる平面型光変調器であり、逆電圧の印加によってi−GaAs層の吸収係数を変化させることにより、光の強度を変化させる平面型光変調器に関する。 The present invention is a planar optical modulator that has an i-GaAs layer and allows light to enter in a direction perpendicular to the main surface of the i-GaAs layer, and changes the absorption coefficient of the i-GaAs layer by applying a reverse voltage. The present invention relates to a planar light modulator that changes the intensity of light.
近年、光通信分野や光情報処理分野では高速化、大容量化が進められており、高速応答、低電圧駆動、高消光比の空間半導体光変調器の実現が要請されている。2次元配置のスイッチ素子や集積化を目指す場合には、2次元的な配列の容易さから、主面に垂直な方向から光を入射させる平面型の光変調器が望まれている。 In recent years, in the optical communication field and the optical information processing field, high speed and large capacity have been promoted, and realization of a high-speed response, low voltage drive, and high extinction ratio spatial semiconductor optical modulator is required. In the case of aiming at a two-dimensional arrangement of switch elements or integration, a planar light modulator that allows light to enter from a direction perpendicular to the main surface is desired because of the ease of two-dimensional arrangement.
そのような平面型光変調器として、特許文献1に記載のものが知られている。特許文献1に記載の平面型光変調器は、n−GaAs基板と、n−GaAs基板上に形成されたi−GaAs層と、i−GaAs層上に形成されたショットキー電極と、n−GaAs基板のi−GaAs層形成側とは反対側の面に形成されたオーミック電極と、によって構成されている。ショットキー電極は中央部に窓が開けられたリング状であり、オーミック電極も中央部に窓が開けられている。この平面型光変調器は、この窓部分から光を垂直に入射させ、オーミック電極とショットキー電極間に逆電圧を印加してi−GaAs層の吸収係数を変化させることにより、光の強度を変化させるものである。吸収係数の変化は、フランツ・ケルディッシュ効果によるものである。 As such a planar light modulator, the one described in Patent Document 1 is known. The planar optical modulator described in Patent Document 1 includes an n-GaAs substrate, an i-GaAs layer formed on the n-GaAs substrate, a Schottky electrode formed on the i-GaAs layer, and an n− And an ohmic electrode formed on the surface opposite to the i-GaAs layer forming side of the GaAs substrate. The Schottky electrode has a ring shape with a window at the center, and the ohmic electrode also has a window at the center. In this planar light modulator, light is incident vertically from the window portion, and a reverse voltage is applied between the ohmic electrode and the Schottky electrode to change the absorption coefficient of the i-GaAs layer, thereby increasing the light intensity. It is something to change. The change in absorption coefficient is due to the Franz-Keldish effect.
この平面型光変調器では、駆動電圧の低減、高消光比を実現するために、逆電圧印加時の空乏層の厚さをなるべく厚くし、i−GaAs層内の電界強度を均一にすることが必要である。そのため、i−GaAs層の電子濃度をできる限り低減することが必要である。また、高速応答の実現のためにはi−GaAs層の移動度をなるべく高める必要がある。特許文献1には、そのような電子濃度が低く、かつ移動度の高いi−GaAs層を形成する方法が示されている。 In this planar optical modulator, in order to reduce the drive voltage and achieve a high extinction ratio, the thickness of the depletion layer when applying a reverse voltage is made as large as possible, and the electric field strength in the i-GaAs layer is made uniform. is necessary. Therefore, it is necessary to reduce the electron concentration of the i-GaAs layer as much as possible. In order to realize a high-speed response, it is necessary to increase the mobility of the i-GaAs layer as much as possible. Patent Document 1 discloses a method of forming an i-GaAs layer having such a low electron concentration and high mobility.
しかし、フランツ・ケルディッシュ効果を用いた特許文献1の平面型光変調器では、駆動電圧を十分に低くすることができず、さらなる駆動電圧の低減が求められていた。 However, the planar optical modulator of Patent Document 1 using the Franz-Keldish effect cannot sufficiently reduce the drive voltage, and further reduction of the drive voltage has been demanded.
本発明は、新規な動作原理の平面型光変調器であり、その目的は、低電圧駆動の平面型光変調器を実現することである。 The present invention is a planar optical modulator based on a novel operating principle, and an object thereof is to realize a planar optical modulator driven at a low voltage.
請求項1に記載の発明は、温度77Kにおける移動度が2.0×10 5 〜3.1×10 5 cm 2 /V・s、同じく温度77Kにおける電子濃度が1×10 12 〜1×10 13 /cm 3 、厚さが20〜30μmであるi−GaAs層と、i−GaAs層上に位置し、i−GaAs層中に空乏層を形成し、i−GaAs層にショットキー接触する透明電極と、i−GaAs層の透明電極側とは反対側に位置する裏面電極と、を有し、透明電極は、平面視において円形であり、その直径は前記i−GaAs層の厚さの2〜5倍であり、i−GaAs層の吸収係数スペクトルは、室温において励起子による光吸収ピークを有し、光吸収ピークよりも長波長側で急激に減少し、光吸収ピークは、透明電極と裏面電極間に印加する逆電圧を増加させることで、長波長側へシフトし、i−GaAs層の主面に垂直な方向に透過させる光の強度を、透明電極と裏面電極間への逆電圧(裏面電極側を透明電極側に対して正電位とする電圧)の印加による前記i−GaAs層の吸収係数の変化によって変調し、透過させる光は、光吸収ピークよりも長波長側近傍であって波長870〜900nmであり、消光比は、駆動電圧5〜12Vで10dB以上である、ことを特徴とする平面型光変調器である。 According to the first aspect of the present invention, the mobility at a temperature of 77K is 2.0 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s, and the electron concentration at a temperature of 77K is 1 × 10 12 to 1 × 10. An i-GaAs layer having a thickness of 13 / cm 3 and a thickness of 20 to 30 μm, a transparent layer located on the i-GaAs layer, forming a depletion layer in the i-GaAs layer, and being in Schottky contact with the i-GaAs layer An electrode and a back electrode positioned opposite to the transparent electrode side of the i-GaAs layer, the transparent electrode is circular in plan view, and its diameter is 2 times the thickness of the i-GaAs layer. The absorption coefficient spectrum of the i-GaAs layer has a light absorption peak due to excitons at room temperature, and decreases sharply on the longer wavelength side than the light absorption peak. By increasing the reverse voltage applied between the backside electrodes, Shifted to the long side, the intensity of light to be transmitted in a direction perpendicular to the main surface of the i-GaAs layer, a positive potential with respect to the transparent electrode and the reverse voltage (transparent electrode side back electrode side to between the back electrode The light that is modulated and transmitted by the change in the absorption coefficient of the i-GaAs layer due to the application of voltage) is near the wavelength longer than the light absorption peak and has a wavelength of 870 to 900 nm, and the extinction ratio is 5 V It is a planar light modulator characterized by being 10 dB or more at -12 V.
本発明の平面型光変調器は、i−GaAs層の主面に垂直な方向に光を入射させ、電極構造と裏面電極間に逆電圧(裏面電極側を電極構造側に対して正電位とする電圧)を印加することによりi−GaAs層の吸収係数を変化させ、i−GaAs層を透過して出力される光の強度を変調するものである。また、その消光比を駆動電圧5〜12Vで10dB以上とすることが可能な高消光比の平面形光変調器である。 In the planar light modulator of the present invention, light is incident in a direction perpendicular to the main surface of the i-GaAs layer, and a reverse voltage is applied between the electrode structure and the back electrode (the back electrode side is set to a positive potential with respect to the electrode structure side). Is applied to change the absorption coefficient of the i-GaAs layer and modulate the intensity of the light transmitted through the i-GaAs layer. Further, the present invention is a planar optical modulator having a high extinction ratio capable of setting the extinction ratio to 10 dB or more at a driving voltage of 5 to 12V.
本発明の特徴は、従来のフランツ・ケルディッシュ効果を用いた動作原理ではなく、励起子吸収を用いた動作原理であることである。 The feature of the present invention is not an operation principle using the conventional Franz-Keldish effect but an operation principle using exciton absorption.
本発明の平面型光変調器の動作原理を以下に説明する。i−GaAs層の移動度、電子濃度を所定範囲とすることにより、i−GaAs層の吸収係数スペクトルには励起子による光吸収ピークが生じる。この光吸収ピークより長波長側では、吸収係数は急激に減少する。また、電極構造とオーミック電極間に印加する逆電圧を増加させると、光吸収ピークは長波長側へとシフトする。したがって、励起子による光吸収ピークの長波長側近傍の光を入射させた場合、i−GaAs層の吸収係数は、印加する逆電圧の変化に対して大きく変化する。その結果、本発明の平面型光変調器は、低電圧駆動で高消光比な動作を実現することができる。 The operation principle of the planar light modulator of the present invention will be described below. By setting the mobility and electron concentration of the i-GaAs layer within a predetermined range, a light absorption peak due to excitons occurs in the absorption coefficient spectrum of the i-GaAs layer. On the longer wavelength side than this light absorption peak, the absorption coefficient decreases rapidly. Further, when the reverse voltage applied between the electrode structure and the ohmic electrode is increased, the light absorption peak shifts to the long wavelength side. Therefore, when light in the vicinity of the long wavelength side of the light absorption peak due to excitons is incident, the absorption coefficient of the i-GaAs layer varies greatly with changes in the applied reverse voltage. As a result, the planar light modulator of the present invention can realize an operation with a high extinction ratio by low voltage driving.
この励起子吸収の効果を向上させるために、i−GaAs層は、温度77Kにおける移動度を1.0×105 〜3.1×105 cm2 /V・s、同じく温度77Kにおける電子濃度を1×1012〜1×1014/cm3 とすることが望ましい。より望ましくは、i−GaAs層の温度77Kにおける移動度を、1.5×105 〜3.1×105 cm2 /V・s、温度77Kにおける電子濃度を、1×1012〜3×1013/cm3 の範囲とすることである。さらに望ましくは、i−GaAs層の温度77Kにおける移動度を、2.0×105 〜3.1×105 cm2 /V・s、温度77Kにおける電子濃度を、1×1012〜1×1013/cm3 とすることである。 In order to improve the effect of exciton absorption, the i-GaAs layer has a mobility at a temperature of 77K of 1.0 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s, and an electron concentration at a temperature of 77K. Is preferably 1 × 10 12 to 1 × 10 14 / cm 3 . More desirably, the mobility of the i-GaAs layer at a temperature of 77K is 1.5 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s, and the electron concentration at a temperature of 77K is 1 × 10 12 to 3 ×. The range is 10 13 / cm 3 . More preferably, the mobility of the i-GaAs layer at a temperature of 77K is 2.0 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s, and the electron concentration at a temperature of 77K is 1 × 10 12 to 1 ×. 10 13 / cm 3 .
i−GaAs層の厚さは、5〜30μmとすることが望ましい。5μmよりも薄いと、励起子吸収の効果を十分に発揮させることができず望ましくない。また、30μmよりも厚いとi−GaAs層による光の吸収が増大し、駆動電圧も上昇してしまうため望ましくない。より望ましい厚さは10〜30μmであり、さらに望ましくは20〜30μmである。また、電極構造とi−GaAs層との界面からi−GaAs層側に伸びる空乏層の厚さが、i−GaAs層の厚さよりも大きくなるように、i−GaAs層の厚さ、電子濃度を設定する必要がある。i−GaAs層中の電界強度が均一となり、低電圧駆動と高消光比を両立させ、安定した動作を実現させるためである。 The thickness of the i-GaAs layer is desirably 5 to 30 μm. If it is thinner than 5 μm, the effect of exciton absorption cannot be sufficiently exhibited, which is not desirable. On the other hand, if it is thicker than 30 μm, light absorption by the i-GaAs layer increases and the drive voltage also rises, which is not desirable. A more desirable thickness is 10 to 30 μm, and even more desirably 20 to 30 μm. Further, the thickness of the i-GaAs layer and the electron concentration so that the thickness of the depletion layer extending from the interface between the electrode structure and the i-GaAs layer toward the i-GaAs layer is larger than the thickness of the i-GaAs layer. Need to be set. This is because the electric field strength in the i-GaAs layer becomes uniform, and both low voltage driving and a high extinction ratio can be achieved to achieve stable operation.
電極構造は、i−GaAs層上に直接ショットキー接触する電極が形成された構造や、i−GaAs層上に絶縁膜が形成され、絶縁膜上に電極が形成されたMIS型構造であってもよい。 The electrode structure is a structure in which an electrode in direct Schottky contact is formed on an i-GaAs layer, or an MIS type structure in which an insulating film is formed on an i-GaAs layer and an electrode is formed on the insulating film. Also good.
これらの電極構造は、透明材料(透明とは本発明の平面型光変調器により変調する光の波長に対して透明であることを意味する。以下において同じ)を用いる場合には、i−GaAs層上であって光を入射させる領域(光透過領域)に設けられていることが望ましい。電極構造下のi−GaAs層中の電界強度を均一とすることができ、平面型光変調器の駆動電圧を低減することができるからである。ショットキー接触する透明な電極の材料としては、ITOなどの透明導電性酸化物や、ポリアニリンなどの透明有機導電性材料を用いることができる。 In the case of using a transparent material (transparent means transparent to the wavelength of light modulated by the planar light modulator of the present invention, the same applies hereinafter) for these electrode structures. It is desirable to be provided in a region on which light is incident (light transmission region). This is because the electric field strength in the i-GaAs layer under the electrode structure can be made uniform, and the driving voltage of the planar light modulator can be reduced. As a material for the transparent electrode that comes into Schottky contact, a transparent conductive oxide such as ITO or a transparent organic conductive material such as polyaniline can be used.
電極構造として不透明材料(たとえばAuなど)を用いる場合には、光透過領域に窓を開け、電極構造による光の吸収を抑制するようにすることが望ましい。窓を開けたパターンとしては、平面視でリング状のパターン(中央部に円形の窓を有したパターン)を採用することができる。リング状とする場合、その窓の直径は、i−GaAs層の厚さの2〜5倍とすることが望ましい。電極構造下のi−GaAs層中の電界強度を均一とすることができ、平面型光変調器の駆動電圧を低減することができるからである。 When an opaque material (such as Au) is used as the electrode structure, it is desirable to open a window in the light transmission region to suppress light absorption by the electrode structure. As the pattern in which the window is opened, a ring-shaped pattern (a pattern having a circular window at the center) in a plan view can be adopted. In the case of a ring shape, the diameter of the window is preferably 2 to 5 times the thickness of the i-GaAs layer. This is because the electric field strength in the i-GaAs layer under the electrode structure can be made uniform, and the driving voltage of the planar light modulator can be reduced.
i−GaAs層は、n−GaAs基板などの基板上に形成されていてもよいし、基板上に形成されていなくてもよい。基板上に形成されていない場合とは、たとえば基板上にi−GaAs層を成長させた後にエッチングや研磨などによって基板を除去したものである。また、基板とi−GaAs層との間にAlGaAs層を有していてもよい。i−GaAs層よりもバンドギャップエネルギーの大きなAlGaAs層を設けることでリーク電流を低減することができ、駆動電圧を低減することができるとともに、安定した動作を実現することができる。AlGaAs層のIII 族金属に対するAl組成比を20〜30mol%、AlGaAs層の厚さを0.1〜0.5μmとすることがより望ましい。リーク電流の低減効果がより大きくなり、より安定した動作を実現することができる。また、AlGaAs層は、基板をエッチングによって除去する際にエッチングストッパ層として利用することもできる。 The i-GaAs layer may be formed on a substrate such as an n-GaAs substrate, or may not be formed on the substrate. The case where it is not formed on the substrate means that the substrate is removed by etching or polishing after growing an i-GaAs layer on the substrate, for example. Further, an AlGaAs layer may be provided between the substrate and the i-GaAs layer. By providing an AlGaAs layer having a larger band gap energy than the i-GaAs layer, leakage current can be reduced, driving voltage can be reduced, and stable operation can be realized. More preferably, the Al composition ratio of the AlGaAs layer to the group III metal is 20 to 30 mol%, and the thickness of the AlGaAs layer is 0.1 to 0.5 μm. The effect of reducing leakage current is further increased, and more stable operation can be realized. The AlGaAs layer can also be used as an etching stopper layer when the substrate is removed by etching.
本発明の平面形光変調器によって変調する光の波長は、i−GaAs層の励起子吸収ピークよりも長波長側であって、なるべく励起子吸収ピーク側であることが望ましい。高い消光比を得ることができるためである。具体的には870〜920nmとすることが望ましい。 The wavelength of light modulated by the planar light modulator of the present invention is preferably on the longer wavelength side than the exciton absorption peak of the i-GaAs layer, and on the exciton absorption peak side as much as possible. This is because a high extinction ratio can be obtained. Specifically, the thickness is desirably 870 to 920 nm.
本発明において、電極構造は、i−GaAs層にショットキー接触するショットキー電極であり、その平面視におけるパターンは円形の窓を有したリング状であり、その窓の直径はi−GaAs層の厚さの2〜5倍であってもよい。 In the present invention, the electrode structure is a Schottky electrode in Schottky contact with the i-GaAs layer, and the pattern in plan view is a ring shape having a circular window, and the diameter of the window is that of the i-GaAs layer. may I 2-5 Baidea of thickness.
本発明において、ショットキー電極はAuまたはAu膜を含む多層膜であってもよい。 In the present invention, the Schottky electrode may be Au or a multilayer film including an Au film .
本発明において、電極構造は、i−GaAs層上に位置する絶縁膜と、絶縁膜上に位置する電極と、により構成されるMIS型構造であってもよい。 In the present invention, the electrode structure may be an MIS type structure constituted by an insulating film located on the i-GaAs layer and an electrode located on the insulating film .
本発明において、i−GaAs層とオーミック電極との間に、AlGaAs層を有することを特徴とする平面型光変調器であってもよい。 In the present invention, a planar light modulator characterized by having an AlGaAs layer between the i-GaAs layer and the ohmic electrode may be used.
本発明において、AlGaAs層は、III 族金属に対するAl組成比が20〜30mol%、厚さが0.1〜0.5μmであってもよい。 In the present invention, the AlGaAs layer may have an Al composition ratio of 20 to 30 mol% and a thickness of 0.1 to 0.5 μm with respect to the group III metal .
本発明において、裏面電極は、i−GaAs層に対してオーミック接触するオーミック電極であってもよい。 In the present invention, the back electrode may be an ohmic electrode that is in ohmic contact with the i-GaAs layer .
本発明者らは、特許文献1に開示されたi−GaAs層の形成方法を用いて平面型光変調器を試作・評価したところ、吸収係数のスペクトルに励起子吸収による光吸収ピークが見られ、その光吸収ピークより長波長側では急激に吸収係数が減少することを発見した。また、その励起子による光吸収ピークは、平面型光変調器に印加する逆電圧を増加させると長波長側へシフトすることを発見した。 When the present inventors prototyped and evaluated a planar optical modulator using the method of forming an i-GaAs layer disclosed in Patent Document 1, a light absorption peak due to exciton absorption was observed in the spectrum of the absorption coefficient. It was found that the absorption coefficient abruptly decreased on the longer wavelength side than the light absorption peak. It was also found that the light absorption peak due to the exciton shifts to the longer wavelength side when the reverse voltage applied to the planar light modulator is increased.
本発明は、この発見に基づき作製された平面型光変調器であり、励起子吸収を動作原理とするものである。この平面型光変調器によれば、励起子吸収ピークより長波長側での急激な吸収係数の減少と、逆電圧印加による励起子吸収ピークのシフトと、によって非常に低い駆動電圧で高い消光比を得ることができる。また、本発明のi−GaAs層は非常に移動度が高いため、10〜100psオーダーの非常に高速な応答性を有している。 The present invention is a planar light modulator manufactured based on this discovery, and uses exciton absorption as an operating principle. According to this planar light modulator, a high extinction ratio can be achieved at a very low driving voltage due to a sharp decrease in absorption coefficient on the longer wavelength side than the exciton absorption peak and a shift of the exciton absorption peak due to application of a reverse voltage Can be obtained. Further, since the i-GaAs layer of the present invention has a very high mobility, it has a very high speed response of the order of 10 to 100 ps.
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
図1は、実施例1の平面型光変調器の構成を示した図であり、図1(a)は断面図である。実施例1の平面型光変調器は、n−GaAs基板10と、n−GaAs基板10上に位置するi−GaAs層11と、i−GaAs層11上に位置する透明電極12と、n−GaAs基板10裏面(i−GaAs層11形成側とは反対側の面)に位置する電極13(本発明の裏面電極)と、によって構成されている。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a planar light modulator according to the first embodiment, and FIG. 1A is a cross-sectional view. The planar light modulator according to the first embodiment includes an n-GaAs substrate 10, an i-GaAs layer 11 positioned on the n-GaAs substrate 10, a transparent electrode 12 positioned on the i-GaAs layer 11, and an n- It is comprised by the electrode 13 (back surface electrode of this invention) located in the GaAs substrate 10 back surface (surface on the opposite side to the i-GaAs layer 11 formation side).
n−GaAs基板10は、主面が(100)面であり、厚さ25μm、電子濃度3×1018/cm3 である。n−GaAs基板10は、厚さ350μmのn−GaAs基板10上にi−GaAs層11を形成後、n−GaAs基板10裏面を研磨することで25μmの厚さまで薄くしたものである。 The n-GaAs substrate 10 has a main surface of (100), a thickness of 25 μm, and an electron concentration of 3 × 10 18 / cm 3 . The n-GaAs substrate 10 is thinned to a thickness of 25 μm by forming the i-GaAs layer 11 on the 350 μm thick n-GaAs substrate 10 and then polishing the back surface of the n-GaAs substrate 10.
i−GaAs層11は、厚さ10μm、温度77Kにおける移動度が1×105 〜3.1×105 cm2 /V・s、同じく温度77Kにおける電子濃度が1×1012〜1×1014/cm3 である。 The i-GaAs layer 11 has a thickness of 10 μm, a mobility of 1 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s at a temperature of 77 K, and an electron concentration of 1 × 10 12 to 1 × 10 at a temperature of 77 K. 14 / cm 3 .
後述する励起子吸収の効果をより発揮するためには、i−GaAs層11の温度77Kにおける移動度を1.5×105 〜3.1×105 cm2 /V・s、温度77Kにおける電子濃度を1×1012〜3×1013/cm3 とすることが望ましい。さらに望ましくは、温度77Kにおける移動度を2×105 〜3.1×105 cm2 /V・s、温度77Kにおける電子濃度を1×1012〜1×1013/cm3 とすることである。 In order to further exhibit the effect of exciton absorption described later, the mobility of the i-GaAs layer 11 at a temperature of 77K is set to 1.5 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s at a temperature of 77K. The electron concentration is desirably 1 × 10 12 to 3 × 10 13 / cm 3 . More desirably, the mobility at a temperature of 77K is 2 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s, and the electron concentration at a temperature of 77K is 1 × 10 12 to 1 × 10 13 / cm 3. is there.
なお、実施例1ではi−GaAs層11の厚さを10μmとしているが、これに限るものではなく、5〜30μmの範囲とすればよい。5μmよりも薄いと、後述する励起子吸収の効果を十分に発揮させることができず望ましくない。また、30μmよりも厚いとi−GaAs層11による光の吸収が増大し、駆動電圧も上昇してしまうため望ましくない。より望ましい厚さは10〜30μmであり、さらに望ましくは20〜30μmである。 In the first embodiment, the thickness of the i-GaAs layer 11 is 10 μm, but the thickness is not limited to this and may be in the range of 5 to 30 μm. If it is thinner than 5 μm, the effect of exciton absorption described later cannot be sufficiently exhibited, which is not desirable. On the other hand, if it is thicker than 30 μm, the absorption of light by the i-GaAs layer 11 increases and the drive voltage also rises, which is not desirable. A more desirable thickness is 10 to 30 μm, and even more desirably 20 to 30 μm.
i−GaAs層11は、以下の方法によって作製した。 The i-GaAs layer 11 was produced by the following method.
まず、試料台上に原料であるGaAsと金属Gaを設置した。原料のGaAsには、電子濃度が1×1015〜8×1015/cm 3 の多結晶GaAsを用いた。Gaは、6g、GaAsは、35mgとした。次に、GaAsとGaを配置した試料台を反応管の中に挿入し、反応管内を10-8torrに減圧し、800℃まで加熱した。次に、水素ガスを反応管内に59sccmで流した。この状態で反応管の内部を800℃に維持し、水素ガスを流した状態で24〜25時間保持し、GaとGaAsの混合融液を生成し、混合融液に含まれる不純物を水素ガスにより排出させるようにした。形成するi−GaAs層11の移動度および電子濃度は、この保持時間によって、目的の範囲に制御することが可能である。 First, raw material GaAs and metal Ga were placed on a sample stage. As the raw material GaAs, polycrystalline GaAs having an electron concentration of 1 × 10 15 to 8 × 10 15 / cm 3 was used. Ga was 6 g, and GaAs was 35 mg. Next, a sample stage on which GaAs and Ga were arranged was inserted into the reaction tube, the inside of the reaction tube was depressurized to 10 −8 torr, and heated to 800 ° C. Next, hydrogen gas was flowed into the reaction tube at 59 sccm. In this state, the inside of the reaction tube is maintained at 800 ° C., and kept for 24 to 25 hours in a state in which hydrogen gas is flown to produce a mixed melt of Ga and GaAs, and impurities contained in the mixed melt are caused by hydrogen gas. It was made to discharge. The mobility and electron concentration of the i-GaAs layer 11 to be formed can be controlled within a target range by this holding time.
次に、反応管を室温まで低下させて、試料台を反応管から取り出し、試料台にn−GaAs基板10を設置した。このとき、n−GaAs基板10の表面がGaAsの混合融液に触れる前には環境に晒されないように、n−GaAs基板10表面を他のGaAs基板で覆うようにした。次に、試料台を反応管の中に戻した。次に、反応管内を10-8torrに減圧し、800℃まで加熱した。次に水素ガスを反応管内に59sccmで流した。 Next, the reaction tube was lowered to room temperature, the sample stage was taken out of the reaction tube, and the n-GaAs substrate 10 was placed on the sample stage. At this time, the surface of the n-GaAs substrate 10 was covered with another GaAs substrate so that the surface of the n-GaAs substrate 10 was not exposed to the environment before coming into contact with the mixed melt of GaAs. Next, the sample stage was returned to the reaction tube. Next, the inside of the reaction tube was depressurized to 10 −8 torr and heated to 800 ° C. Next, hydrogen gas was flowed into the reaction tube at 59 sccm.
次に、雰囲気温度を2℃/minの速さで冷却を開始した。雰囲気温度がGaAsの成長温度である798℃に達したときに、n−GaAs基板10とGaAsの混合融液とを接触させた。そして、2℃/minの速さで冷却を続けながら、n−GaAs基板10上にGaAsを液相成長させた。この結晶成長は雰囲気温度が753℃となったときに終了させた。以上により、n−GaAs基板10上にi−GaAs層11を形成した。 Next, cooling was started at an ambient temperature of 2 ° C./min. When the ambient temperature reached 798 ° C., which is the growth temperature of GaAs, the n-GaAs substrate 10 and the mixed melt of GaAs were brought into contact with each other. Then, GaAs was grown in a liquid phase on the n-GaAs substrate 10 while continuing cooling at a rate of 2 ° C./min. This crystal growth was terminated when the ambient temperature reached 753 ° C. Thus, the i-GaAs layer 11 was formed on the n-GaAs substrate 10.
透明電極12は、厚さ0.12μmのポリアニリンからなる。また、図1(b)に示すように、素子中央部に平面視で円形のパターンに形成されている。その円形の直径は、i−GaAs層11の厚さの2〜5倍である。図1(b)は、実施例1の平面型光変調器を上方(透明電極12側)から見た図である。透明電極12はi−GaAs層11に対してショットキー接触している。このショットキー接触により、透明電極12の接触するi−GaAs層11表面からn−GaAs基板10側に向かって厚さ方向に空乏層が延びる。この空乏層はi−GaAs層11の厚さよりも厚くなるようにi−GaAs層11の厚さおよび電子濃度を設定している。これにより、i−GaAs層11中の電界強度が均一となり、低電圧駆動と高消光比を両立させ、安定した動作を実現させることができる。透明電極12には、ポリアニリン以外の透明な導電性有機材料、たとえば、PEDET:PSS(ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルホン酸)などを用いてもよく、ITO(酸化インジウムスズ)、ZnO(酸化亜鉛)などの透明導電性酸化物を用いてもよい。 The transparent electrode 12 is made of polyaniline having a thickness of 0.12 μm. Further, as shown in FIG. 1B, a circular pattern is formed in the central portion of the element in plan view. The circular diameter is 2 to 5 times the thickness of the i-GaAs layer 11. FIG. 1B is a diagram of the planar light modulator according to the first embodiment viewed from above (transparent electrode 12 side). The transparent electrode 12 is in Schottky contact with the i-GaAs layer 11. By this Schottky contact, a depletion layer extends in the thickness direction from the surface of the i-GaAs layer 11 with which the transparent electrode 12 contacts to the n-GaAs substrate 10 side. The thickness and electron concentration of the i-GaAs layer 11 are set so that the depletion layer is thicker than the i-GaAs layer 11. As a result, the electric field strength in the i-GaAs layer 11 becomes uniform, and both low voltage driving and a high extinction ratio can be achieved, and a stable operation can be realized. The transparent electrode 12 may be made of a transparent conductive organic material other than polyaniline, such as PEDET: PSS (polyethylenedioxythiophene: polystyrenesulfonic acid), ITO (indium tin oxide), ZnO (zinc oxide). A transparent conductive oxide such as may be used.
電極13は、Ni/Au/Ge(ここで記号「/」は積層であることを意味し、A/BはAを成膜した後Bを成膜することを意味する。つまり電極13はn−GaAs基板10裏面側から順にNi、Au、Geを積層させた構造であることを示す)からなる。また図1(c)に示すように、平面視で素子中央部にスリット状の窓13aが開けられたパターンに形成されている。図1(c)は実施例1の平面型光変調器を下方(電極13側)から見た図である。電極13は、i−GaAs層11に対してオーミック接触している。透明電極12、電極13は直流電源に接続されており、逆電圧(電極13側を透明電極12側に対して正電位とする電圧)が印加される。 The electrode 13 is Ni / Au / Ge (where the symbol “/” means stacking, and A / B means that A is deposited and then B is deposited. A GaAs substrate 10 having a structure in which Ni, Au, and Ge are stacked in this order from the back side. Further, as shown in FIG. 1C, a pattern is formed in which a slit-like window 13a is opened at the center of the element in plan view. FIG. 1C is a diagram of the planar optical modulator of the first embodiment viewed from below (electrode 13 side). The electrode 13 is in ohmic contact with the i-GaAs layer 11. The transparent electrode 12 and the electrode 13 are connected to a DC power source, and a reverse voltage (a voltage that makes the electrode 13 side a positive potential with respect to the transparent electrode 12 side) is applied.
なお、電極13はショットキー接触する材料(たとえば透明電極12と同一材料)でもよいが、駆動電圧の低減のためには実施例1のようにオーミック接触する材料が望ましい。 The electrode 13 may be made of a Schottky contact material (for example, the same material as that of the transparent electrode 12). However, in order to reduce the driving voltage, a material that makes ohmic contact as in the first embodiment is desirable.
次に、実施例1の平面型光変調器の動作について説明する。 Next, the operation of the planar light modulator according to the first embodiment will be described.
この平面型光変調器には、透明電極12側から素子主面に対して垂直な方向に光が入射される。そして、透明電極12、i−GaAs層11、n−GaAs基板10を透過させ、電極13に開けられた窓13aから光が出力される。 Light enters the planar light modulator in a direction perpendicular to the element main surface from the transparent electrode 12 side. Then, light passes through the transparent electrode 12, the i-GaAs layer 11, and the n-GaAs substrate 10, and light is output from a window 13 a opened in the electrode 13.
そして、透明電極12、電極13間に逆電圧(電極13側を透明電極12に対して正電位とする電圧)を印加し、その電圧値によってi−GaAs層11の吸収係数を変化させることにより、平面型光変調器から出力される光強度を変化させる。 Then, by applying a reverse voltage (a voltage at which the electrode 13 side is a positive potential with respect to the transparent electrode 12) between the transparent electrode 12 and the electrode 13, and changing the absorption coefficient of the i-GaAs layer 11 according to the voltage value. The light intensity output from the planar light modulator is changed.
従来、このような構造の平面型光変調器の動作原理は、フランツ・ケルディッシュ効果によるものであり、これは高電圧の印加により吸収端が長波長側にシフトする現象を利用するものであった。 Conventionally, the operation principle of a planar optical modulator having such a structure is based on the Franz-Keldish effect, which utilizes the phenomenon that the absorption edge shifts to the long wavelength side when a high voltage is applied. It was.
一方、実施例1の平面型光変調器は、i−GaAs層11の温度77Kにおける移動度を1×105 〜3.1×105 cm2 /V・s、同じく温度77Kにおける電子濃度を1×1012〜1×1014/cm3 とすることで、従来とは異なる動作原理によって平面型光変調器を実現するものである。 On the other hand, in the planar light modulator of Example 1, the mobility of the i-GaAs layer 11 at a temperature of 77 K is 1 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s, and the electron concentration at a temperature of 77 K is also the same. By setting it to 1 * 10 < 12 > -1 * 10 < 14 > / cm < 3 >, a planar light modulator is implement | achieved by the operation principle different from the past.
図2(a)は、実施例1の平面型光変調器の動作原理について説明する図であり、図2(b)は、従来のフランツ・ケルディッシュ効果による平面型光変調器の動作原理について説明する図である。この2つの図は、横軸を波長、縦軸を吸収係数としたイメージ図である。 FIG. 2A is a diagram for explaining the operating principle of the planar optical modulator of the first embodiment, and FIG. 2B is an operating principle of the conventional planar optical modulator based on the Franz-Keldish effect. It is a figure explaining. These two figures are image diagrams in which the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the absorption coefficient.
実施例1の平面型光変調器では、i−GaAs層11の移動度、電子濃度を上記説明の範囲としたことにより、i−GaAs層11の吸収係数スペクトルに励起子による光吸収ピークが常温でも見られるようになる(図2(a)参照)。このような励起子による光吸収ピークは、従来GaAsでは極低温にしないと発生しないものであった。i−GaAs層11の吸収係数スペクトルは、励起子による光吸収ピークよりも長波長側では急激に減少する。また、透明電極12、電極13間に印加する逆電圧の大きさを増加させると、励起子による光吸収ピークは長波長側へとシフトする。したがって、実施例1の平面型光変調器に入射させる光の波長を励起子による光吸収ピークの長波長側近傍とすると、逆電圧の大きさの変化によって、吸収係数は大きく変化する。以上のような動作原理から、実施例1の平面型光変調器は駆動電圧を非常に低くすることができる。 In the planar optical modulator of Example 1, the mobility and electron concentration of the i-GaAs layer 11 are in the above-described ranges, so that the absorption coefficient spectrum of the i-GaAs layer 11 has a light absorption peak due to excitons at room temperature. However, it can be seen (see FIG. 2A). Such a light absorption peak due to excitons has not occurred in conventional GaAs unless the temperature is extremely low. The absorption coefficient spectrum of the i-GaAs layer 11 rapidly decreases on the longer wavelength side than the light absorption peak due to excitons. Further, when the magnitude of the reverse voltage applied between the transparent electrode 12 and the electrode 13 is increased, the light absorption peak due to excitons shifts to the longer wavelength side. Therefore, if the wavelength of the light incident on the planar optical modulator of the first embodiment is close to the long wavelength side of the light absorption peak due to excitons, the absorption coefficient changes greatly due to the change in the magnitude of the reverse voltage. From the above operation principle, the driving voltage of the planar optical modulator of the first embodiment can be made very low.
一方、従来のフランツ・ケルディッシュ効果による平面型光変調器では、図2(b)のように、印加する逆電圧を増加させることで吸収端の長波長側へシフトさせることにより、光の吸収係数を変化させている。図2(a)、(b)を比較するとわかるように、逆電圧の値をV1からV3(V1<V3)へと変化させたときの吸収係数の変化は、励起子吸収を用いた場合に比べて、フランツ・ケルディッシュ効果を利用した場合は非常に小さな変化となっている。したがって、フランツ・ケルディッシュ効果による平面型光変調器は、励起子吸収により動作する実施例1の平面型光変調器に比べて駆動電圧が高い。 On the other hand, in the conventional planar light modulator based on the Franz-Keldish effect, as shown in FIG. 2B, the absorption voltage is increased by shifting the applied reverse voltage to the longer wavelength side by increasing the applied reverse voltage. The coefficient is changed. As can be seen by comparing FIGS. 2 (a) and 2 (b), the change in the absorption coefficient when the reverse voltage value is changed from V1 to V3 (V1 <V3) is as follows when exciton absorption is used. In comparison, the change is very small when the Franz-Keldish effect is used. Therefore, the planar light modulator based on the Franz Keldish effect has a higher drive voltage than the planar light modulator of the first embodiment that operates by exciton absorption.
このように、実施例1の平面型光変調器によれば、従来の平面型光変調器に比べて大きく吸収係数を変化させることができ、駆動電圧の低減を図ることができる。 As described above, according to the planar light modulator of the first embodiment, the absorption coefficient can be greatly changed as compared with the conventional planar light modulator, and the driving voltage can be reduced.
なお、実施例1の平面型光変調器の動作原理をより正確に述べれば、実施例1の平面型光変調器において従来のフランツ・ケルディッシュ効果が消失したわけではなく、フランツ・ケルディッシュ効果に加えて励起子吸収による効果が相乗されていると考えられる。 If the operation principle of the planar light modulator of the first embodiment is described more precisely, the conventional Franz Keldish effect is not lost in the planar light modulator of the first embodiment. In addition to this, the effect of exciton absorption is considered to be synergistic.
また、実施例1の平面型光変調器では、i−GaAs層11の光透過領域上にショットキー接触する透明電極12が形成されているため、透明電極12の直下からi−GaAs層11の光透過領域に向かって空乏層が伸び、その光透過領域において小さな逆電圧の印加でも電界強度を均一とすることができる。したがって、印加電圧を増加させていったときに、実際に励起子による光吸収ピークがシフトするまでの印加電圧値を小さくすることができ、その結果、平面型光変調器の駆動電圧を低減することができる。 Further, in the planar light modulator of the first embodiment, the transparent electrode 12 that is in Schottky contact is formed on the light transmission region of the i-GaAs layer 11, so that the i-GaAs layer 11 is directly under the transparent electrode 12. The depletion layer extends toward the light transmission region, and the electric field strength can be made uniform even by applying a small reverse voltage in the light transmission region. Therefore, when the applied voltage is increased, the applied voltage value until the light absorption peak due to excitons is actually shifted can be reduced, and as a result, the driving voltage of the planar light modulator is reduced. be able to.
図3は、実施例1の平面型光変調器の透過スペクトルを示す。透過スペクトルは、透明電極12、電極13間に印加する逆電圧値を0V、5V、8V、10V、11Vとした5つの場合について測定した。図3のように、いずれの印加電圧の場合でも、870nm付近に励起子による光吸収ピークが見られることがわかる。また、励起子による光吸収ピークよりも長波長側では透過光強度が急激に増大していることがわかる。また、印加電圧が5Vを越えると、印加電圧の増加につれて励起子による光吸収ピークが長波長側へシフトしていくことがわかる。このように、図3は、実施例1の平面型光変調器の動作原理が、励起子による光吸収ピークが印加電圧の増加によって長波長側へシフトするためであることを支持している。 FIG. 3 shows a transmission spectrum of the planar light modulator of the first embodiment. The transmission spectrum was measured in five cases where the reverse voltage applied between the transparent electrode 12 and the electrode 13 was 0V, 5V, 8V, 10V, and 11V. As shown in FIG. 3, it can be seen that a light absorption peak due to excitons is observed in the vicinity of 870 nm at any applied voltage. Further, it can be seen that the transmitted light intensity rapidly increases on the longer wavelength side than the light absorption peak due to excitons. It can also be seen that when the applied voltage exceeds 5 V, the light absorption peak due to excitons shifts to the longer wavelength side as the applied voltage increases. Thus, FIG. 3 supports that the principle of operation of the planar optical modulator of Example 1 is that the light absorption peak due to excitons shifts to the longer wavelength side as the applied voltage increases.
図4は、消光比の波長依存性を示したグラフである。消光比は、透明電極12、電極13間の印加電圧を0Vとした場合の出力光強度に対し、印加電圧を5V、8V、10V、11Vとした場合の出力光強度の比である。871〜872nmにおいて、印加電圧8Vで約4dB、10Vで約7.5dB、11Vで約10dBの消光比が得られていることがわかる。なお、光吸収ピークがシフトするまでに、つまり平面型光変調器が動作するまでに5Vの電圧を必要としているが、このオフセット電圧はi−GaAs層11の電子濃度を低くすることで小さくすることが可能である。原理的には、オフセット電圧を最少とすることで印加電圧5Vで10dB以上の消光比が得られる。したがって、印加電圧5〜12Vで10dB以上の消光比が得られることが推察される。 FIG. 4 is a graph showing the wavelength dependence of the extinction ratio. The extinction ratio is the ratio of the output light intensity when the applied voltage is 5V, 8V, 10V, and 11V with respect to the output light intensity when the applied voltage between the transparent electrode 12 and the electrode 13 is 0V. It can be seen that at 871 to 872 nm, extinction ratios of about 4 dB at an applied voltage of 8 V, about 7.5 dB at 10 V, and about 10 dB at 11 V are obtained. Note that a voltage of 5 V is required until the light absorption peak shifts, that is, until the planar optical modulator operates. This offset voltage is reduced by lowering the electron concentration of the i-GaAs layer 11. It is possible. In principle, an extinction ratio of 10 dB or more can be obtained at an applied voltage of 5 V by minimizing the offset voltage. Therefore, it is presumed that an extinction ratio of 10 dB or more can be obtained at an applied voltage of 5 to 12V.
図5は、実施例2の平面型光変調器の構成を示した図である。実施例1の平面型光変調器との違いは、透明電極12に替えて電極22が設けられている点である。それ以外の構造については実施例1と同様である。電極22は、Auからなり、i−GaAs層11に対してショットキー接触している。また、電極22は、平面視で、中央部に円形の窓22aが開けられたリング状のパターンである。窓22aの直径は、i−GaAs層11の厚さの2〜5倍である。窓22aの直径が2倍よりも小さいと、平面型光変調器に入射させる光の径を絞るのに手間がかかり、また光の入射位置と窓22aの位置を合わせることが難しくなり望ましくない。また、5倍よりも大きいと窓の中央部まで均一な電界強度とするために必要な逆電圧が大きくなり、平面型光変調器の駆動電圧が上昇してしまうため望ましくない。この窓22aからi−GaAs層11に対して垂直に光を入射させる。また、電極22と電極13は直流電源に接続され、電極22と電極13間に逆電圧(電極13側を電極22に対して正電位とする電圧)が印加される。この実施例2の平面型光変調器は、実施例1の平面型光変調器と同様の動作原理であり、従来の平面型光変調器に比べて駆動電圧の低減が図られている。 FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of the planar optical modulator according to the second embodiment. The difference from the planar light modulator of the first embodiment is that an electrode 22 is provided instead of the transparent electrode 12. Other structures are the same as those in the first embodiment. The electrode 22 is made of Au and is in Schottky contact with the i-GaAs layer 11. Further, the electrode 22 is a ring-shaped pattern in which a circular window 22a is opened at the center in a plan view. The diameter of the window 22 a is 2 to 5 times the thickness of the i-GaAs layer 11. If the diameter of the window 22a is smaller than twice, it takes time to reduce the diameter of the light incident on the planar light modulator, and it is difficult to match the position of the light incident position with the position of the window 22a. On the other hand, if it is more than 5 times, the reverse voltage required to obtain a uniform electric field strength up to the center of the window increases, and the driving voltage of the planar optical modulator increases, which is not desirable. Light enters the i-GaAs layer 11 perpendicularly from the window 22a. In addition, the electrode 22 and the electrode 13 are connected to a DC power source, and a reverse voltage (a voltage that makes the electrode 13 side a positive potential with respect to the electrode 22) is applied between the electrode 22 and the electrode 13. The planar light modulator according to the second embodiment has the same operation principle as that of the planar light modulator according to the first embodiment, and the driving voltage is reduced as compared with the conventional planar light modulator.
このように、実施例2の平面型光変調器では、透明な材料を用いる替わりに、円形の窓22aを有したリング状のパターンの電極22を採用している。実施例1に比べると、電極22に不透明材料を用いることができるため、材料の選択幅が広い点で優れている。また、電極22の窓22aの直径をi−GaAs層11の厚さの2〜5倍としているため、i−GaAs層11の光透過領域が均一な電界強度となるのに要する印加電圧値を小さくすることができ、印加電圧を増加させていったときに、実際に励起子による光吸収ピークがシフトするまでの印加電圧値を小さくすることができる。その結果、平面型光変調器の駆動電圧を低減することができる。 As described above, the planar light modulator of the second embodiment employs the ring-shaped pattern electrode 22 having the circular window 22a instead of using the transparent material. Compared to the first embodiment, an opaque material can be used for the electrode 22, which is excellent in that the material selection range is wide. Further, since the diameter of the window 22a of the electrode 22 is 2 to 5 times the thickness of the i-GaAs layer 11, the applied voltage value required for the light transmission region of the i-GaAs layer 11 to have uniform electric field strength is set. When the applied voltage is increased, the applied voltage value until the light absorption peak due to excitons is actually shifted can be reduced. As a result, the driving voltage of the planar light modulator can be reduced.
なお、より望ましい窓22aの直径は、i−GaAs層11の厚さの3〜5倍であり、さらに望ましくは3〜4倍である。 A more desirable diameter of the window 22a is 3 to 5 times the thickness of the i-GaAs layer 11, and further desirably 3 to 4 times.
図6は、実施例2の平面型光変調器において、窓22aの直径をi−GaAs層11の厚さの10倍である300μmとし、電極22の外径を325μmとし、入射光の波長を897nmとした、比較例の平面型光変調器の透過率の印加電圧依存性を示したグラフである。図6のように、0Vではほぼ100%の透過率であり、10Vで15%、15Vで10%、30Vで1%の透過率であり、10Vで8.2dB、15Vで10dB、30Vで20dBの消光比が得られていることがわかった。窓22aの直径をi−GaAs層11の厚さの10倍より小さくすると、駆動電圧をより低減することができると推察され、電極22の窓22aの直径をi−GaAs層11の厚さの2〜5倍とすれば、駆動電圧5〜15Vにおいて10dB以上の消光比が得られると考えられる。 FIG. 6 shows the planar light modulator of the second embodiment, wherein the diameter of the window 22a is 300 μm, which is 10 times the thickness of the i-GaAs layer 11, the outer diameter of the electrode 22 is 325 μm, and the wavelength of incident light is It is the graph which showed the applied voltage dependence of the transmittance | permeability of the flat type optical modulator of a comparative example set to 897 nm. As shown in FIG. 6, the transmittance is almost 100% at 0V, 15% at 10V, 10% at 15V, 1% at 30V, 8.2dB at 10V, 10dB at 15V, 20dB at 30V. It was found that the extinction ratio was obtained. If the diameter of the window 22a is made smaller than 10 times the thickness of the i-GaAs layer 11, it is presumed that the drive voltage can be further reduced, and the diameter of the window 22a of the electrode 22 is made smaller than the thickness of the i-GaAs layer 11. If it is 2 to 5 times, it is considered that an extinction ratio of 10 dB or more can be obtained at a driving voltage of 5 to 15V.
図7は、実施例3の平面型光変調器の構成を示した図である。実施例3の平面型光変調器は、実施例1の平面型光変調器において、n−GaAs基板10とi−GaAs層11との間にAlGaAs層30を設けた構造である。それ以外の構造については実施例1の平面型光変調器と同様である。AlGaAs層30は、III 族金属に対するAl組成比が20〜30%であり、厚さは0.1〜0.5μmである。このようにAlGaAs層30を設けることにより、逆電圧印加時のリーク電流が低減されるため、平面型光変調器の駆動電圧をさらに低減することができ、また、より安定した動作をさせることができる。 FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the planar optical modulator according to the third embodiment. The planar light modulator according to the third embodiment has a structure in which an AlGaAs layer 30 is provided between the n-GaAs substrate 10 and the i-GaAs layer 11 in the planar light modulator according to the first embodiment. Other structures are the same as those of the planar light modulator of the first embodiment. The AlGaAs layer 30 has an Al composition ratio with respect to the group III metal of 20 to 30% and a thickness of 0.1 to 0.5 μm. By providing the AlGaAs layer 30 in this manner, the leakage current when a reverse voltage is applied is reduced, so that the driving voltage of the planar optical modulator can be further reduced, and more stable operation can be achieved. it can.
図8は、実施例4の平面型光変調器の構成を示した図である。実施例4の平面型光変調器は、実施例1の平面型光変調器の透明電極12に替えて以下に説明する電極構造を採用したものである。その電極構造は、i−GaAs層11上に接して位置する透光性を有した絶縁膜40と、絶縁膜40上に接して位置する電極41と、によって構成されたMIS型構造である。絶縁膜40はi−GaAs層11上の全面に形成されていて、電極41は、実施例2の電極22と同様に光を入射させる領域に円形の窓を開けたリング状のパターンに形成されている。なお、絶縁膜40として不透明材料を用いる場合には絶縁膜40を電極41のようなリング状のパターンとすればよい。また、絶縁膜40に透明材料を用い、電極41に透明材料を用いる場合には、電極41は実施例1の電極12のように光を入射させる領域に円形のパターンに形成してもよい。絶縁膜40には、SiO2 、Al2 O3 、SiN、Si3 N4 、TiO2 などの材料を用いることができる。電極41には、Au、Inなどの材料を用いることができる。 FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the planar optical modulator according to the fourth embodiment. The planar light modulator of the fourth embodiment employs an electrode structure described below instead of the transparent electrode 12 of the planar light modulator of the first embodiment. The electrode structure is a MIS type structure composed of a light-transmitting insulating film 40 located in contact with the i-GaAs layer 11 and an electrode 41 located in contact with the insulating film 40. The insulating film 40 is formed on the entire surface of the i-GaAs layer 11, and the electrode 41 is formed in a ring-like pattern in which a circular window is opened in a region where light is incident, like the electrode 22 of the second embodiment. ing. In the case where an opaque material is used as the insulating film 40, the insulating film 40 may be a ring-shaped pattern like the electrode 41. Further, when a transparent material is used for the insulating film 40 and a transparent material is used for the electrode 41, the electrode 41 may be formed in a circular pattern in a region where light is incident like the electrode 12 of the first embodiment. For the insulating film 40, materials such as SiO 2 , Al 2 O 3 , SiN, Si 3 N 4 , and TiO 2 can be used. A material such as Au or In can be used for the electrode 41.
実施例4のように、実施例1〜3のショットキー接触の電極に替えて、MIS型構造を用いた場合においても、電極41直下のi−GaAs層11には空乏層が形成される。そのため、実施例1〜3と同様の、励起子吸収を動作原理とする平面型光変調器を実現することができる。 As in the fourth embodiment, a depletion layer is formed in the i-GaAs layer 11 immediately below the electrode 41 even when the MIS type structure is used instead of the Schottky contact electrodes in the first to third embodiments. Therefore, it is possible to realize a planar optical modulator having the principle of exciton absorption as in the first to third embodiments.
なお、実施例1、2、4においても、実施例3と同様に、n−GaAs基板10とi−GaAs層11との間にAlGaAs層を挿入してもよい。実施例3と同様にリーク電流を低減することができ、平面型光変調器の駆動電圧を低減することができるとともに、安定した動作を実現することができる。 In the first, second, and fourth embodiments, an AlGaAs layer may be inserted between the n-GaAs substrate 10 and the i-GaAs layer 11 as in the third embodiment. As in the third embodiment, the leakage current can be reduced, the driving voltage of the planar optical modulator can be reduced, and a stable operation can be realized.
また、実施例1〜4では、i−GaAs層11はn−GaAs基板10上に位置する構造としているが、n−GaAs基板10はエッチングや研磨などによって除去されていてもよい。n−GaAs基板10による光の吸収を減じることができるので、挿入損失を低減することができる。また、n−GaAs基板10とi−GaAs層11との間にAlGaAs層を形成しておけば、AlGaAs層はn−GaAs基板10をエッチングする際のエッチングストッパ層として利用することができる。 In the first to fourth embodiments, the i-GaAs layer 11 is positioned on the n-GaAs substrate 10, but the n-GaAs substrate 10 may be removed by etching or polishing. Since light absorption by the n-GaAs substrate 10 can be reduced, insertion loss can be reduced. Further, if an AlGaAs layer is formed between the n-GaAs substrate 10 and the i-GaAs layer 11, the AlGaAs layer can be used as an etching stopper layer when the n-GaAs substrate 10 is etched.
また、実施例1〜4では、i−GaAs層12の上方(電極12、22、41側)から光を入射させているが、反対側(電極13側)から光を入射させてもよい。 In Examples 1 to 4, light is incident from above the i-GaAs layer 12 (electrodes 12, 22, and 41 side), but light may be incident from the opposite side (electrode 13 side).
また、本発明の平面型光変調器によって変調する光の波長は、励起子による光吸収ピーク(常温、印加電圧0Vでおよそ870nm)よりも長波長側で、なるべく励起子吸収ピーク側であることが望ましい。高い消光比を得ることができるためである。具体的には870〜920nmとすることが望ましく、より望ましくは870〜900nmである。 The wavelength of the light modulated by the planar light modulator of the present invention is longer than the light absorption peak due to excitons (approximately 870 nm at room temperature and applied voltage of 0 V), and preferably as close to the exciton absorption peak as possible. Is desirable. This is because a high extinction ratio can be obtained. Specifically, the thickness is desirably 870 to 920 nm, and more desirably 870 to 900 nm.
本発明の平面型光変調器は、光通信分野における光スイッチや、プロジェクタなどに利用することができる。 The planar light modulator of the present invention can be used for an optical switch, a projector, etc. in the field of optical communication.
10:n−GaAs基板
11:i−GaAs層
12:透明電極
13、22、41:電極
30:AlGaAs層
40:絶縁膜
10: n-GaAs substrate 11: i-GaAs layer 12: transparent electrode 13, 22, 41: electrode 30: AlGaAs layer 40: insulating film
Claims (7)
前記i−GaAs層上に位置し、前記i−GaAs層中に空乏層を形成し、前記i−GaAs層にショットキー接触する透明電極と、
前記i−GaAs層の前記透明電極側とは反対側に位置する裏面電極と、
を有し、
前記透明電極は、平面視において円形であり、その直径は前記i−GaAs層の厚さの2〜5倍であり、
前記i−GaAs層の吸収係数スペクトルは、室温において励起子による光吸収ピークを有し、前記光吸収ピークよりも長波長側で急激に減少し、
前記光吸収ピークは、前記透明電極と前記裏面電極間に印加する逆電圧を増加させることで、長波長側へシフトし、
前記i−GaAs層の主面に垂直な方向に透過させる光の強度を、前記透明電極と前記裏面電極間への逆電圧の印加による前記i−GaAs層の吸収係数の変化によって変調し、
透過させる光は、前記光吸収ピークよりも長波長側近傍であって波長870〜900nmであり、
消光比は、駆動電圧5〜12Vで10dB以上である、
ことを特徴とする平面型光変調器。 The mobility at a temperature of 77K is 2.0 × 10 5 to 3.1 × 10 5 cm 2 / V · s, the electron concentration at a temperature of 77K is 1 × 10 12 to 1 × 10 13 / cm 3 , and the thickness is 20 An i-GaAs layer of ˜30 μm ;
A transparent electrode located on the i-GaAs layer, forming a depletion layer in the i-GaAs layer, and in Schottky contact with the i-GaAs layer ;
A back electrode located on the opposite side of the i-GaAs layer from the transparent electrode ;
Have
The transparent electrode is circular in plan view, and its diameter is 2 to 5 times the thickness of the i-GaAs layer,
The absorption coefficient spectrum of the i-GaAs layer has a light absorption peak due to excitons at room temperature, and decreases sharply on the longer wavelength side than the light absorption peak.
The light absorption peak is shifted to the long wavelength side by increasing the reverse voltage applied between the transparent electrode and the back electrode,
Modulating the intensity of light transmitted in a direction perpendicular to the main surface of the i-GaAs layer by changing the absorption coefficient of the i-GaAs layer by applying a reverse voltage between the transparent electrode and the back electrode;
The light to be transmitted is near the longer wavelength side than the light absorption peak and has a wavelength of 870 to 900 nm,
The extinction ratio is 10 dB or more at a driving voltage of 5 to 12 V.
Planar optical modulator, characterized in that.
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