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JPH0656458B2 - Light control element - Google Patents
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JPH0656458B2 - Light control element - Google Patents

Light control element

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JPH0656458B2
JPH0656458B2 JP60062429A JP6242985A JPH0656458B2 JP H0656458 B2 JPH0656458 B2 JP H0656458B2 JP 60062429 A JP60062429 A JP 60062429A JP 6242985 A JP6242985 A JP 6242985A JP H0656458 B2 JPH0656458 B2 JP H0656458B2
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layer
electric field
quantum well
light
algaas
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雅彦 藤原
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NEC Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は変調、スイッチ動作等を行なうための光制御素
子に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical control element for performing modulation, switch operation, and the like.

(従来技術とその問題点) 近年の画像情報等の高速/広帯域の信号を取り扱う光伝
送ネットワークの構想等により、光伝送システムの高速
/広帯域化への要求が強まっている。現在の光伝送シス
テムで光源として用いられている半導体レーザ(LD)は
小型で高効率、直接変調が可能等の優れた点を持ってい
るが、数GHz以上の帯域では直接変調可能な周波数の上
限に近づくことや、直接変調時の波長変動等のため、次
第に直接変調が難しくなってくる。この問題を解決する
一つの方法として直流駆動したLDと超高速の外部変調
器を組み合せて用いることが考えられており、そのた
め、小型で低電圧駆動可能な超高速外部変調器が求めら
れている。このような超高速外部変調器を実現する手段
としてはキャリアの移動をともなわない電気光学効果、
フランツ・ケルディッシュ効果等を利用することが考え
られている。
(Prior Art and its Problems) Due to the concept of an optical transmission network that handles high-speed / broadband signals such as image information in recent years, there has been an increasing demand for a high-speed / broadband optical transmission system. The semiconductor laser (LD) used as a light source in the current optical transmission system has advantages such as small size, high efficiency, and direct modulation capability. Direct modulation gradually becomes difficult due to approaching the upper limit and fluctuations in wavelength during direct modulation. As one method for solving this problem, it is considered to use a combination of an LD driven by direct current and an ultra-high speed external modulator, and therefore, an ultra-high speed external modulator which is compact and can be driven at a low voltage is required. . As a means for realizing such an ultra-high-speed external modulator, an electro-optical effect without carrier movement,
It is considered to use the Franz-Keldish effect or the like.

電気光学効果を利用した変調器ではLiNbO3基板上のTi
拡散導波路を用いた分岐干渉型、方向性結合器型の進行
波電極構造のもので20GHz近い変調帯域が得られている
が、実用的な4V程度以下の変調電圧を得るためには1
0mm程度以上の素子長が必要となり、小型化は難しい。
このような変調器については雑誌「アプライド・フィジ
クス・レターズ(Applied Physics Letters)」第4
3巻、1983年998〜1001頁に掲載のC.M.ギー(C.M.Gee)
他による論文と、雑誌「アイ・イーイー・イー・ジャー
ナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス(IEEE Jour
nal of Quantm Electronics)」第19巻、1983年、
1339〜1341頁に掲載のR.C.アルファーネス(R.C.Alfern
ess)他による論文に於て詳しく述べられている。
In the modulator using the electro-optic effect, Ti on LiNbO 3 substrate
A branching interference type or directional coupler type traveling wave electrode structure using a diffusion waveguide has obtained a modulation band close to 20 GHz, but in order to obtain a practical modulation voltage of about 4 V or less, 1
It is difficult to reduce the size because the element length of 0 mm or more is required.
For such a modulator, see "Applied Physics Letters," Vol.
Volume 3, CM Gee (CMGee) published on pages 998 to 1001 in 1983.
Papers by others and the journal "IE Journal of Quantum Electronics (IEEE Jour
nal of Quantm Electronics) ", Volume 19, 1983,
RC Alphanes (RCAlfern, published on pages 1339 to 1341)
ess) in a paper by others.

一方フランツ・ケルディッシュ効果を利用したものでは
雑誌「アプライド・フィジクス・レターズ(Applied R
hysics Letters)」第28巻、1976年544〜546頁に掲載の
G.E.スティルマン(G.E. Stillman)他の論文で1mm以
下の素子で消光比〜20dB、立上り時間1nsec以下とい
う特性が報告されているが、一般に変調電圧が高く、高
速信号の電圧(一般に2V程度以下)を考えると実際に
超高速の変調動作を得ることは難しい。
On the other hand, in the one using the Franz Keldysh effect, the magazine "Applied Physics Letters (Applied R
hysics Letters) ", Volume 28, 1976, pp. 544-546.
GE Stillman et al. Reported that extinction ratio is ~ 20dB and rise time is 1nsec or less for a device of 1mm or less. Generally, the modulation voltage is high and the voltage of high speed signal (generally about 2V or less). Considering, it is difficult to actually obtain ultra-high speed modulation operation.

これに対し1984年6月に米国で開かれた「レーザと電気
光学に関する会議′84(Conoerence on Lasers an
d Electro-Optics′84)」に於て発表されたT.H.ウッ
ド(T.H.Wood)他による論文では通常のフランツ・ケル
ディッシュ効果とは異なるGaAlAs/GaAs多重量子井戸構
造に於ける電界吸収効果を利用した変調器により100pse
c以下の立上り、立下り応答を得たことが報告されてい
る。この変調器の構造、動作原理については雑誌「アプ
ライド・フィジクス・レターズ(Applied Phgsics Le
tters)」第44巻、1984年16〜18頁に掲載のT.H.ウッド
(T.H.Wood)他の論文(以下文献1)と略す)で詳しく
述べられているが、ここでもその論文をもとにこの変調
器の構造、動作原理について説明する。
On the other hand, “Conoerence on Lasers ann'84 (Conference on Lasers and Electro-Optics) held in the United States in June 1984.
d Electro-Optics '84) ”, a paper by TH Wood et al., which uses the electric field absorption effect in a GaAlAs / GaAs multiple quantum well structure different from the usual Franz-Keldysh effect. 100pse
It has been reported that rising and falling responses of c or less were obtained. For the structure and operating principle of this modulator, refer to the magazine "Applied Phgsics Lez".
"Tters)", Vol. 44, pp. 16-18, 1984, TH Wood, et al. (abbreviated as "Reference 1" below), and this modulation is also based on that paper. The structure and operating principle of the vessel will be described.

第3図は従来既知の電界吸収型光変調器の構造を示すも
のである。n+-GaAs基板1の上にn+-GaAsバッファ層2、
n+-AlGaAsエッチ・ストップ層3n+-AlGaAs/GaAs超格子
コンタクト層4、i−AlGaAs/GaAs超格子バッファ属
5、i-AlGaAs/GaAs多重量子井戸層6、i-AlGaAs/Ga
As超格子バッファ層7、p+-AlGaAs/GaAs超格子コンタ
クト層8、p+-AlGaAsコンタクト層9が分子線エピタキ
シャル(MBE)法により成長されている。エピタキシ
ャル層側はn+-GaAs基板1迄円柱状にエッチングされ、
メサ型p-i-nダイオードを形成している。この光変調器
ではエピタキシャル層に垂直に信号光を通すのでp+-AlG
aAsコンタクト層9には中央部に光の透過用の穴を設け
たオーム性電極10が形成されている。一方n+-GaAs基板
9側も基板による光の吸収を除くため、光の通路に当る
部分をn+-GaAsバッファ層2迄エッチングにより除き基
板下部にオーム性電極11が形成されている。被変調光
20aはエピタキシャル層側からビーム状に変調器に入射
し、基板側から変調光20bが取り出される。
FIG. 3 shows the structure of a conventionally known electro-absorption optical modulator. n + -GaAs n + -GaAs buffer layer 2 on the substrate 1,
n + -AlGaAs etch stop layer 3 n + -AlGaAs / GaAs superlattice contact layer 4, i-AlGaAs / GaAs superlattice buffer group 5, i-AlGaAs / GaAs multiple quantum well layer 6, i-AlGaAs / Ga
The As superlattice buffer layer 7, p + -AlGaAs / GaAs superlattice contact layer 8 and p + -AlGaAs contact layer 9 are grown by the molecular beam epitaxial (MBE) method. The epitaxial layer side is etched up to the n + -GaAs substrate 1 in a cylindrical shape,
It forms a mesa pin diode. In this optical modulator, signal light passes vertically through the epitaxial layer, so p + -AlG
An ohmic electrode 10 having a hole for transmitting light is formed in the center of the aAs contact layer 9. On the other hand, on the side of the n + -GaAs substrate 9 as well, in order to eliminate the absorption of light by the substrate, the ohmic electrode 11 is formed in the lower part of the substrate by removing the portion corresponding to the light path up to the n + -GaAs buffer layer 2 by etching. Modulated light
20a enters the modulator in a beam form from the epitaxial layer side, and modulated light 20b is extracted from the substrate side.

次にこの変調器の動作原理について説明する。第3図に
示す構造はp-i-nダイオード構造となっているので、電
極10、11の間に逆バイアスを印加すると、高抵抗なi層
の部分に電界が印加される。第4図は電界の有無による
多重量子井戸(MQW)層内の1つの量子井戸のエネル
ギー・バンド状態を説明するための図である。量子井戸
構造ではGaAsウェルの中に電子とホールが閉じ込めら
れ、それぞれのエネルギー準位が離散化してEo,Eo′と
いう準位を形成する。((a))この準位のエネルギー、
数はウェルとバリアのバンドギャップ差、ウェル層厚等
により異なるが、ここでは簡単のため電子、ホールにそ
れぞれ1つの準位が形成されるとした。このようなMQ
W層に垂直に電界を印加するとポテンシャル全体が電界
強度に応じて傾斜し波動関数のしみ出しにより量子化さ
れた準位のエネルギーが変化し、見かけ上のバンドギャ
ップが小さくなる(b)。つまりMQW層に垂直な方向の
電界によりバンドギャップを制御できることになり、バ
ンドギャップ波長近傍の光に対してはこの現象を利用し
た変調器が可能となる。この現象はバルクのフランツ・
ケルディッシュ効果と非常に類似したものであるが、M
QW構造をとることにより変調の効率を大幅に高めるこ
とができる。第5図は文献1)で報告されている第3図
に示した構造の変調器の光透過率の波長特性を示したも
のである。MQW構造をとることにより室温でもエキシ
トンが安定に存在出来、ヘビーホール(HH)、ライトホ
ール(LH)に対応したエキシトン共鳴吸収ピークが明確
にあらわれている。電界の印加と共にそのピークが低エ
ネルギー側にシフトしていくのがわかり、この効果が固
定した波長の光に対しての変調器に利用できることを示
している。この効果はフランツ・ケルディッシュ効果同
様超高速応答が可能で電界印加のため電気系のCR時定
数を小さくすることにより実際に100psoc以下の立上
り、立下りが得られている。しかも光路長はμmのオー
ダーであり非常に小型の変調器が得られる。
Next, the operating principle of this modulator will be described. Since the structure shown in FIG. 3 is a pin diode structure, when a reverse bias is applied between the electrodes 10 and 11, an electric field is applied to the high resistance i layer portion. FIG. 4 is a diagram for explaining an energy band state of one quantum well in a multiple quantum well (MQW) layer depending on the presence or absence of an electric field. In the quantum well structure, electrons and holes are confined in the GaAs well, and their energy levels are discretized to form levels Eo and Eo '. ((A)) Energy of this level,
Although the number depends on the band gap difference between the well and the barrier, the well layer thickness, etc., here, for simplicity, it is assumed that one level is formed for each of the electron and hole. MQ like this
When an electric field is applied vertically to the W layer, the entire potential tilts according to the electric field strength, and the energy of the quantized level changes due to the seepage of the wave function, and the apparent band gap becomes small (b). That is, the bandgap can be controlled by the electric field in the direction perpendicular to the MQW layer, and a modulator using this phenomenon is possible for light near the bandgap wavelength. This phenomenon is due to bulk Franz
Very similar to the Keldysh effect, but with M
By adopting the QW structure, the efficiency of modulation can be greatly improved. FIG. 5 shows the wavelength characteristic of the light transmittance of the modulator having the structure shown in FIG. 3 reported in the literature 1). Due to the MQW structure, excitons can exist stably even at room temperature, and exciton resonance absorption peaks corresponding to heavy holes (HH) and light holes (LH) clearly appear. It can be seen that the peak shifts to the low energy side with the application of an electric field, indicating that this effect can be used for a modulator for light of a fixed wavelength. Similar to the Franz-Keldish effect, this effect enables an ultra-high-speed response, and the rise and fall of 100 psoc or less is actually obtained by reducing the CR time constant of the electric system to apply the electric field. Moreover, the optical path length is on the order of μm, and a very small modulator can be obtained.

しかしながらこのMQW構造の電界吸収効果はバルクの
フランツ・ケルディッシュ効果に比べ変調効率は高いと
は言え、真の高速応答のための低電圧化にはまだ不充分
である。第5図からもわかるように例えば被変調光の波
長を853mm(光子エネルギ1.454eV)に選んでも8Vの電
圧印加により得られる変調度は〜50%にしかならない。
However, the electric field absorption effect of this MQW structure is higher in modulation efficiency than the bulk Franz-Keldysh effect, but it is still insufficient for lowering the voltage for a true high-speed response. As can be seen from FIG. 5, even if the wavelength of the modulated light is selected to be 853 mm (photon energy 1.454 eV), the modulation degree obtained by applying a voltage of 8 V is only -50%.

(発明の目的) 本発明の目的は上述のような問題を除去し、小型で低電
圧で超高速、高変調度の光変調が可能な光制御素子を提
供することにある。
(Object of the Invention) An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned problems, and to provide a small-sized light control element capable of performing light modulation with a low voltage, an ultrahigh speed, and a high degree of modulation.

(発明の構成) 本発明は、ドブロイ波長程度の厚みの第1の半導体層を
前記第1の半導体層よりバンドギャップの広い第2の半
導体層によりはさんだ量子井戸を層厚方向に多重に有す
る多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の各層に
水平若しくは前記多重量子井戸構造を横切るように光を
伝搬させる手段と、前記多重量子井戸構造の光の伝搬す
る部分に電界を印加する手段とを有し、前記電界を印加
する手段により印加される電界の方向が前記多重量子井
戸構造の各層に対して傾いている構成となっている。
(Structure of the Invention) The present invention has multiple quantum wells sandwiching a first semiconductor layer having a thickness of about de Broglie wavelength and a second semiconductor layer having a wider bandgap than the first semiconductor layer in the layer thickness direction. A multi-quantum well structure, means for propagating light in each layer of the multi-quantum well structure horizontally or across the multi-quantum well structure, and means for applying an electric field to a light propagating portion of the multi-quantum well structure. And the direction of the electric field applied by the means for applying the electric field is inclined with respect to each layer of the multiple quantum well structure.

(発明の原理) MQWへの電界印加効果のうちMQW層に垂直に電界を
印加した場合については既に説明した。MQW層に水平
に電界を印加した場合にはこれとは全く異なる機構によ
る効果が現われることが知られている。この点について
は雑誌「アプライド・フィジクス・レターズ(Applied
Phgsics Letters)第42巻、1983年864〜866頁の掲載
のD.S.チェムラ(D.S.Chemla)他による論文(以下文献
2)と略す)に詳しく述べられている。本発明はMQW
層に垂直、水平方向の電界を併用することにより変調の
効率を高めるものであるから、ここでまずMQW層に水
平な方向の電界の効果について説明する。
(Principle of the Invention) Of the effects of applying an electric field to the MQW, the case where an electric field is applied vertically to the MQW layer has already been described. It is known that when a horizontal electric field is applied to the MQW layer, an effect due to a completely different mechanism appears. In this regard, the magazine "Applied Physics Letters (Applied
Phgsics Letters) Vol. 42, pp. 864-866, 1983, published by DS Chemla et al. (Abbreviated as Reference 2 below). The invention is MQW
Since the modulation efficiency is improved by using the electric fields in the vertical and horizontal directions in combination with the layer, the effect of the electric field in the horizontal direction on the MQW layer will be described first.

MQWの層に水平な面内ではエキシトンが2次元的な水
素原子に類似した形で存在している。従って通常の水素
原子と同様にエキシトンを形成するホール、電子の間に
はクローン相互作用が働いている。MQW層に水平な方
向の電界はMQWのエネルギーバンド構造には全く影響
を与えないが、エキシトン内のクーロン・ポテンシャル
形状を大きく変形させる。電界によるエネルギがエキシ
トンのイオン化エネルギより大きくなればエキシトンは
消滅し、当然対応する共鳴吸収ピークも消失する。第6
図は文献2)で報告されているMQWに水平な方向の電界
によるMQWに垂直に透過する光に対応する吸収係数ス
ペクトルを示している。ここでも、ヘビー・ホール(H
H)、ライト・ホール(L.H.)に対応した共鳴吸収ピー
クが現われており、電界の印加によりそのピークが低エ
ネルギー側にシフトし、吸収係数自体も減少していくの
がわかる。
Excitons exist in a plane similar to the two-dimensional hydrogen atom in the plane horizontal to the MQW layer. Therefore, the clonal interaction works between holes and electrons that form excitons, similar to ordinary hydrogen atoms. The electric field in the direction horizontal to the MQW layer has no effect on the energy band structure of the MQW, but it significantly deforms the Coulomb potential shape in the exciton. When the energy due to the electric field becomes larger than the ionization energy of the excitons, the excitons disappear and naturally the corresponding resonance absorption peak also disappears. Sixth
The figure shows the absorption coefficient spectrum corresponding to the light transmitted perpendicularly to the MQW due to the electric field in the direction horizontal to the MQW reported in Reference 2). Again, the heavy hole (H
Resonance absorption peaks corresponding to H) and light holes (LH) appear, and it can be seen that the peak shifts to the low energy side due to the application of the electric field, and the absorption coefficient itself also decreases.

以上のことと、先に説明したMQWに垂直な方向の電界
の効果を併せて考えるとどちらの方向の電界に対しても
エキシトンの共鳴吸収ピークは電界により低光子エネル
ギー側にシフトし、吸収係数自体も小さくなっていくこ
とがわかる。従って、MQWに水平、垂直な方向の電界
の効果を併用することにより相加的、相乗的に変調効率
を高めることができる。MQW層に水平、垂直方向の電
界の効果を併用するためにはMQW層に斜めに電界を印
加するのが有効である。例えばMQW層に45゜傾けて電
界を印加すればMQWに水平、垂直な方向の電界成分は
それぞれ印加電界強度の になる。簡単のためMQWに水平、垂直な方向の電界が
光変調度に同程度に寄与するとし両方向の電界が単に相
加的としても、斜め電界により、MQWに水平、若しく
は垂直方向のみに電界を印加した場合に比べ変調の効率
倍高めることができる。従って同一変調度を得るのに必
要な電圧を小さくでき、小形、高消光比、低電圧の変調
器が可能となる。
Considering the above and the effect of the electric field in the direction perpendicular to the MQW described above, the resonance absorption peak of exciton shifts to the low photon energy side due to the electric field in both directions, and the absorption coefficient You can see that the size itself is getting smaller. Therefore, the modulation efficiency can be additively and synergistically increased by using the effect of the electric field in the horizontal and vertical directions together with the MQW. It is effective to apply an electric field obliquely to the MQW layer in order to use the effect of the electric field in the horizontal and vertical directions together in the MQW layer. For example, if an electric field is applied to the MQW layer at an angle of 45 °, the electric field components in the directions horizontal and vertical to the MQW will be become. For simplicity, it is assumed that the electric fields in the horizontal and vertical directions to the MQW contribute to the optical modulation degree to the same degree, but even if the electric fields in both directions are merely additive, the oblique electric field applies the electric field only in the horizontal or vertical direction to the MQW. Modulation efficiency compared to Can be doubled. Therefore, the voltage required to obtain the same degree of modulation can be reduced, and a compact, high extinction ratio, low voltage modulator can be realized.

以下本発明につき実施例により詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples.

(実施例) 第1図は本発明による光制御素子の第1の実施例を示す
ものである。第1図を用いてまず本実施例の製作方法に
ついて説明する。ここではAlGaAs/GaAs系の半導体材料
を用いた場合について説明するが本発明がこの材料に限
定されるものではないことは言う迄もない。
(Embodiment) FIG. 1 shows a first embodiment of the light control element according to the present invention. First, the manufacturing method of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, the case of using an AlGaAs / GaAs-based semiconductor material will be described, but it goes without saying that the present invention is not limited to this material.

(100)n+-GaAs基板1の上にn+-AlGaAsバッファ層2(S
iドープ、厚み〜1μm)i-AlGaAsクラッド層30(厚
み〜0.6μm)、i−多重量子井戸層6、i-AlGaAsバッ
ファ層31(厚み〜0.6μm)、i−AlGaAsキャップ層
32(厚み〜0.5μm)を分子線エピタキシャルMBE
法により成長する。i−多重量子井戸層6は厚み〜100
ÅのGaAsウェル、AlGaAsバリアの10回繰り返しから成
り、全層厚は〜0.21μmである。AlGaAsのAlモル比は0.
3である。このようにして製作したウェハに2本の近接
して平行なギャップを有するSiO2のマスク33を介して
Znの拡数を行なう。この時、拡散のフロントをi-AlGaA
sクラッド層31中若しくはi−多重量子井戸層6で止
めるように制御する。拡散によるp+−領域はプラズマ効
果により屈折率が低下し、更に、i−多重量子井戸層6
中の拡散領域では多重量子井戸構造がくずれウェルとバ
リアの中間的組成のAlGaAsとなるため、更に屈折率が低
下する。従ってi−多重量子井戸層6のp+-拡散領域34
a,34bの中間部分36はチャンネル光導波路となる。最
後にp+-拡散領域34a,34b、及びn+-GaAs基板1にそれぞ
れオーム性電極35a,35b,36を形成し光の入出射用端面
をマイクロクリーブ若しくはドライエッチングにより製
作し端面に無反射コートを施す。光の導波路長は数〜数
10μmとした。
On the (100) n + -GaAs substrate 1, the n + -AlGaAs buffer layer 2 (S
i-doped, thickness-1 μm) i-AlGaAs cladding layer 30 (thickness-0.6 μm), i-multiple quantum well layer 6, i-AlGaAs buffer layer 31 (thickness-0.6 μm), i-AlGaAs cap layer 32 (thickness- 0.5 μm) molecular beam epitaxial MBE
Grow by law. i-Multiple quantum well layer 6 has a thickness of up to 100
It consists of 10 repetitions of Å GaAs well and AlGaAs barrier, and the total layer thickness is ~ 0.21μm. The Al molar ratio of AlGaAs is 0.
Is 3. Through the SiO 2 mask 33 having two parallel gaps close to the wafer thus manufactured
Expand the number of Zn. At this time, the diffusion front is set to i-AlGaA
It is controlled to stop in the s clad layer 31 or the i-multiple quantum well layer 6. In the p + − region due to diffusion, the refractive index is lowered by the plasma effect, and further, the i − multiple quantum well layer 6
In the inner diffusion region, the multiple quantum well structure is collapsed and AlGaAs having an intermediate composition between the well and the barrier is formed, so that the refractive index is further lowered. Therefore, the p + -diffusion region 34 of the i-multiple quantum well layer 6 is
An intermediate portion 36 between a and 34b serves as a channel optical waveguide. Finally, the ohmic electrodes 35a, 35b, 36 are formed on the p + -diffusion regions 34a, 34b and the n + -GaAs substrate 1, respectively, and the end faces for entering and exiting the light are manufactured by micro cleaving or dry etching, and the end faces are not reflected. Apply a coat. Light waveguide length is several to several
It was set to 10 μm.

次に本実施例の動作について説明する。チャンネル光導
波路36にi-多重量子井戸構造6中のエキシトン共鳴吸
収波長近傍の光を導波する。電極、35a若しくは35bと3
6の間に逆バイアス電圧を印加するとp+-拡散領域34a,3
4bのフロント部分には空乏層が形成されその空乏層中に
電界が働く。ここでチャンネル光導波路36はp+-拡散
領域34a,34bのエッジ近傍に位置しており、導波光には
エピタキシャル層厚方向から傾いた電界がかかる。従っ
て先に述べたように多重量子井戸構造の各層に水平、垂
直方向の電界の効率が併用でき低電圧で変調動作が可能
となる。しかも拡散フロントのエッジ部分の電界強度は
一般に拡散フロント中心部分に比べて高いため一層の低
電圧化が可能となる。電圧の印加方法としてはP側電極
の35a,35b片方を用いてもよいし、両方を短絡して用い
ても良い。
Next, the operation of this embodiment will be described. Light in the vicinity of the exciton resonance absorption wavelength in the i-multiple quantum well structure 6 is guided to the channel optical waveguide 36. Electrodes, 35a or 35b and 3
When a reverse bias voltage is applied between 6 and p + -diffusion regions 34a, 3
A depletion layer is formed in the front part of 4b, and an electric field works in the depletion layer. Here, the channel optical waveguide 36 is located near the edges of the p + -diffusion regions 34a and 34b, and an electric field inclined from the epitaxial layer thickness direction is applied to the guided light. Therefore, as described above, the efficiency of the electric field in the horizontal and vertical directions can be used together in each layer of the multiple quantum well structure, and the modulation operation can be performed at a low voltage. Moreover, since the electric field strength at the edge portion of the diffusion front is generally higher than that at the central portion of the diffusion front, it is possible to further reduce the voltage. As a voltage application method, one of the P-side electrodes 35a and 35b may be used, or both may be short-circuited and used.

第2図は本発明の第2の実施例を示すものである。本実
施例では多重量子井戸構造を光導波路として用いず、多
重量子井戸構造を横切るように光を伝搬させる例を示し
ている。第2図を用いてまず本実施例の製作方法につい
て説明する。ここでもAlGaAs/GaAs系材料を用いた場合
につき説明する。(100)n+−GaAs基板1上にn+-GaAsバ
ッファ層2、n+-AlGaAsエッチストップ層3、n+-AlGaAs
バッファ層41をまず成長する。成長はMBE法以外の
成長法を用いてもよい。次にi-AlGaAsバッファ層中に化
学エッチングにより斜めのすりばち状の壁面を持つ穴41
aを形成する。穴41aを形成したウェハにMBE法により
i-AlGaAsバッファ層42、i−多重量子井戸層6、i-
AlGaAsバッファ層43、i-GaAsコンタクト層44をM
BE法により成長する。この際MBE法では成長速度に
異方性が無いため穴41aの形状に従って各層が成長され
る。次にi-GaAsコンタクト層44にTi,Pt,Au等のショ
ットキー電極10aを形成しそれをマスクとして円柱状にn
+-GaAs基板1迄メサエッチングを行なう。最後にショッ
トキー電極10a中央に光透過用の穴をあけ、基板側には
オーム性電極11を形成し光の透過部の基板をn+-AlGaA
sエッチストップ層3の途中迄除去する。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, an example in which light is propagated across the multiple quantum well structure without using the multiple quantum well structure as an optical waveguide is shown. First, the manufacturing method of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, the case of using the AlGaAs / GaAs material will be described. On (100) n + -GaAs substrate 1, n + -GaAs buffer layer 2, n + -AlGaAs etch stop layer 3, n + -AlGaAs
First, the buffer layer 41 is grown. A growth method other than the MBE method may be used for the growth. Next, a hole 41 having a slanted wall shape is formed in the i-AlGaAs buffer layer by chemical etching.
form a. The i-AlGaAs buffer layer 42, i-multiple quantum well layer 6, i-
The AlGaAs buffer layer 43 and the i-GaAs contact layer 44 are M
It grows by the BE method. At this time, in the MBE method, since the growth rate has no anisotropy, each layer is grown according to the shape of the hole 41a. Next, a Schottky electrode 10a made of Ti, Pt, Au or the like is formed on the i-GaAs contact layer 44, and is used as a mask to form a cylindrical n
+ -Mesa etching is performed up to GaAs substrate 1. Finally, a hole for light transmission is formed in the center of the Schottky electrode 10a, an ohmic electrode 11 is formed on the substrate side, and the substrate of the light transmission part is n + -AlGaA.
s The etch stop layer 3 is removed halfway.

次に本実施例の動作について説明する。本実施例では被
変調光20aは基板に垂直に入射し、変調光20bとして取り
出される。被変調光の波長はi-多重量子井戸層6中のエ
キシトン共鳴吸収波長近傍に設定する。ショットキー電
極10aと電極11の間に逆バイアスを印加するとショッ
トキー電極10aとn+-AlGaAsコンタクト層40間に電界が
かかるがi−多重量子井戸層6が基板1に傾いているた
め電界は多重量子井戸層に対して傾いて印加される。従
って先に述べたように多重量子井戸構造の各層に水平、
垂直な方向の電界の効果が併用でき、動作の電圧が可能
となる。電界印加手段としてはp-i-n構造を用いてもよ
い。
Next, the operation of this embodiment will be described. In this embodiment, the modulated light 20a is vertically incident on the substrate and is extracted as the modulated light 20b. The wavelength of the modulated light is set near the exciton resonance absorption wavelength in the i-multiple quantum well layer 6. When a reverse bias is applied between the Schottky electrode 10a and the electrode 11, an electric field is applied between the Schottky electrode 10a and the n + -AlGaAs contact layer 40, but the electric field is increased because the i-multiple quantum well layer 6 is inclined to the substrate 1. It is applied with an inclination with respect to the multiple quantum well layer. Therefore, as described above, horizontal to each layer of the multiple quantum well structure,
The effect of the electric field in the vertical direction can be used together, and the operating voltage becomes possible. A pin structure may be used as the electric field applying means.

以上の実施例では材料としてAlGaAs/GaAs系を考えた
が、InGaAsP/InP、InAs−GaSb系等の多重量子井戸構造
を用いてもよい。また実施例では光の変調動作について
のみ述べたが同様な構造により光双安定素子(雑誌「ア
プライド・フィジクス・レターズ(Applied Physics Le
tters)」第45巻、1984年、13〜15頁)等も実現
可能で、その際も本発明を適用することにより動作の低
消費パワー化が可能となる。
Although the AlGaAs / GaAs system is considered as the material in the above embodiments, a multi-quantum well structure such as InGaAsP / InP or InAs-GaSb system may be used. Although only the optical modulation operation is described in the embodiment, an optical bistable device (magazine “Applied Physics Letters” has a similar structure.
"Tters)", Vol. 45, 1984, pp. 13 to 15) and the like can be realized, and at that time, the low power consumption of the operation can be realized by applying the present invention.

(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば小型で、低電圧で超
高速、高変調度の光変調が可能な光制御素子が得られ
る。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a light control element which is small in size, capable of performing light modulation with a low voltage at an ultrahigh speed and a high modulation degree.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図、第2図は本発明による光制御素子の第1、第2
の実施例を示す図、第3図、第4図、第5図、第6図は
従来既知の光制御素子の構造、動作を説明するための図
である。図に於て、1、2、3、4、5、6、7、8、9、30、31、32、34a、3
4b、40、41、42、43、44は半導体、10、10a、11、35a、35bは電
極、33はSiO2、20a、20bは光、41aは穴、36はチャン
ネル導波路である。
1 and 2 show the first and second light control elements according to the present invention.
FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6 and FIG. 6 are views for explaining the structure and operation of a conventionally known light control element. In the figure, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 30, 31, 32, 34a, 3
4b, 40, 41, 42, 43, 44 are semiconductors, 10, 10a, 11, 35a, 35b are electrodes, 33 is SiO 2 , 20a, 20b is light, 41a is a hole, and 36 is a channel waveguide.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ドブロイ波長程度の厚みの第1の半導体層
を前記第1の半導体層よりバンドギャップの広い第2の
半導体層によりはさんだ量子井戸を層厚方向に多重に有
する多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の各層
に水平若しくは前記多重量子井戸構造を横切るように光
を伝搬させる手段と、前記多重量子井戸構造の光の伝搬
する部分に電界を印加する手段とを有し、前記電界を印
加する手段により印加される電界の方向が前記多重量子
井戸構造各層に対して傾いていることを特徴とする光制
御素子。
1. A multiple quantum well structure having multiple quantum wells sandwiching a first semiconductor layer having a thickness of about de Broglie wavelength and a second semiconductor layer having a wider band gap than the first semiconductor layer in a layer thickness direction. A means for propagating light horizontally in each layer of the multi-quantum well structure or across the multi-quantum well structure, and means for applying an electric field to the light propagating portion of the multi-quantum well structure, A light control element, wherein the direction of the electric field applied by the means for applying the electric field is inclined with respect to each layer of the multi-quantum well structure.
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