【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ通信等に用いられる外部変調方式の多重量子井戸光変調素子に係わり、特に量子井戸構造の改良により光変調特性の改善をはかった多重量子井戸光変調素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信において、光信号を光ファイバで長距離伝搬した時に光信号の歪みを極力少なくするためには、光信号のスペクトル線幅が十分狭いことが必要になる。 半導体レーザの直接変調光を光信号に用いた場合、半導体レーザ内でのキャリアの変動に応じて発振周波数が変動するチャーピングと呼ばれる現象のためにスペクトル線幅が広がり、これが光信号のスペクトル狭帯化の妨げとなる。 これを改善するために、半導体レーザを連続発振させ、光の変調は外部変調器で行う外部変調方式が有望視されている。

【０００３】近年、外部変調器の一つとして、半導体多重量子井戸構造の量子閉じ込めシュタルク効果を利用した多重量子井戸光変調素子が提案されている（例えば、
DAB Miller et al. IEEE J.Quantum Electron. QE-2
2. 1816(1986) ）。 この素子の動作原理を、図５に示す。

【０００４】図５（ａ）は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる量子井戸構造に垂直方向の電界が印加された時のバンド・ダイヤグラムと波動関数を示す図であり、図中５１は量子井戸、５２は基底電子状態の波動関数、５３
は基底電子状態のエネルギー・レベルを示している。 電子及び正孔が障壁層によって閉じ込められているために、電子と正孔は電界分離せずに、高い電界においても励起子が存在する。

【０００５】また、量子準位間エネルギーは、シュタルク効果によって低エネルギー側に移動する。 図５（ｂ）
は、この様子を吸収係数の変化として示す図であり、図中５６は無電界下の多重量子井戸の吸収スペクトル、５
７は有限電界下の多重量子井戸の吸収スペクトルを示している。 量子井戸に印加される電界の増加に伴い吸収ピークが長波長側（低エネルギー側）にシフトするため、
入射波長をバンド端近傍（λin）に設定すれば、外部電界による光変調（この例では吸収損失型）が可能となる。

【０００６】通常、量子井戸構造は、ｐ−ｉ−ｎ構造のｉ層（ノンドープ層）に形成され、量子井戸への電界印加は逆バイアスにより実現される。 この変調素子のＯＮ
状態（透過状態）は素子を無バイアスにすることで、またＯＦＦ状態（吸収状態）は逆バイアスすることで得られる。

【０００７】しかしながら、この種の素子にあっては次のような問題があった。 即ち、高速又は強光入力で変調動作させると、光励起されたキャリアが多重量子井戸構造部（光吸収層）内にパイルアップし、図５（ｃ）に示すように吸収係数の低下を引き起こす。 このため、消光比（ＯＮ状態の光出力をＯＦＦ状態の光出力で割った値）が減少する等の障害を引き起こしていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、多重量子井戸光変調素子を超高速に或いは強光入力で変調動作させると、キャリアのパイルアップを引き起こし、消光比が劣化するという問題があった。

【０００９】本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、高速変調或いは強入力光強度においても消光比の劣化を招くことなく光変調動作を行うことができ、素子特性の向上をはかり得る多重量子井戸光変調素子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、光吸収層に励起された電子が多重量子井戸間の共鳴トンネルによって、より速やかに光吸収層の外に排出されるように量子井戸構造を設定することにより、高速変調時の消光比の劣化を防止することにある。

【００１１】即ち本発明は、所定波長の光が入射される光吸収層が複数個の量子井戸からなり、この光吸収層に加わるバイアス電圧により該光吸収層を入射光の波長に対して透過状態又は吸収状態に選択することにより、光吸収層を介して得られる光を変調する多重量子井戸光変調素子において、光吸収層の量子井戸は３つ以上の量子準位を有し、隣接する量子井戸間で第１量子準位と第２
量子準位の間の共鳴トンネル及び第２量子準位と第３量子準位の間の共鳴トンネルが、同一のバイアス電圧において生じるように量子井戸構造を設定してなることを特徴とする。 また、本発明の望ましい実施態様としては、
次の (1)〜(7) に示すものがあげられる。 (1) 光吸収層は、井戸層と障壁層を交互に積層してなる多重量子井戸構造であること。 (2) 量子井戸の３つ以上の量子準位のうち、少なくとも３つがほぼ等間隔であって、等間隔からのずれは共鳴トンネルの共鳴幅よりも小さいこと。 (3) 量子井戸が箱型ポテンシャルに薄い障壁層を挿入した井戸であること。 (4) 量子井戸が階段型ポテンシャルの井戸であること。 (5) 量子井戸が放物型ポテンシャルの井戸であること。 (6) 共鳴トンネルが、隣り合う３つの量子井戸の第１量子準位，第２量子準位及び第３量子準位の間で起こること。 (7) 共鳴トンネルが、光吸収層の透過状態又は吸収状態において起こること。

【００１２】

【作用】本発明によれば、変調動作を行うバイアス電圧の範囲内で、隣り合う３つ以上の量子井戸のエネルギー準位が互いに共鳴幅の範囲内で一致するように量子井戸構造を設定することにより、吸収状態において生成された電子・正孔対を量子井戸構造領域（光吸収層）から速やかに排出することができる。 このため、光吸収層にキャリアのパイルアップが起こるのを未然に防止することができる。 以下に、その理由を説明する。

【００１３】図４（ａ）は、多重量子井戸に逆バイアスを加えた場合の光誘起電流を示す特性図である。 印加電圧Ｖ ₁₀において光励起電流の絶対値が急激に増加するのは、Ｖ ₁₀において隣り合う量子井戸間の共鳴トンネル現象が起こるためである。 この事情を、図４（ｂ）に示す。 なお、図中４１a1，４２b1，４２a1，４３b1，４３
a1，４４b1，４４a1はＡｌＧａＡｓ層（障壁）、４２a
2，４２b2，４３a2，４３b2，４４a2，４４b2はＧａＡ
ｓ層（量子井戸）を示している。

【００１４】このような障壁挿入型量子井戸では、３つ以上の量子準位の間隔が等しくなるように構造を設定することが可能となる。 即ち、印加電圧Ｖ ₁₀において、右端の量子井戸４２の第１量子準位Ｅ1 と中央の量子井戸４３の第２量子準位Ｅ2 及び左端の量子井戸４４の第３
量子準位Ｅ3 は互いにエネルギー的に一致し、このため３つの量子井戸間で共鳴的にトンネル現象（Ｅ1 →Ｅ2
→Ｅ3 ）が起きる。

【００１５】ここで、３つの量子準位の間隔が等しいことから、右端の量子井戸４２の第２量子準位Ｅ2 と中央の量子井戸４３の第３量子準位Ｅ3 も互いにエネルギー的に一致し、さらに中央の量子井戸４３の第１量子準位Ｅ1 と左端の量子井戸４４の第２量子準位Ｅ2 も互いにエネルギー的に一致することになる。

【００１６】これに対し、従来の箱型ポテンシャルの量子井戸では３つの量子準位の間隔を等しくすることはできないため、２つの量子井戸間で第１量子準位から第２
量子準位（Ｅ1 →Ｅ2 ）へと共鳴的にトンネルした後、
量子井戸内で第１量子準位へと遷移してしまう。 このため、次の過程では再び第１量子準位から第２量子準位（Ｅ1 →Ｅ2 ）へトンネルすることになる。

【００１７】本発明の場合には、この過程で第２量子準位から第３量子準位（Ｅ2 →Ｅ3 ）へとトンネルするため、トンネル時間を大幅に低減することが可能となる。
なお上記の例では、３つの異なる量子準位のポテンシャル・エネルギーを互いに一致させる構造について説明したが、量子井戸構造（障壁挿入型，階段型，放物型）を適当に設定することにより、４つ以上の異なる量子準位のポテンシャル・エネルギーを一致させることも可能である。

【００１８】このように本発明では、隣接する量子井戸間で第１量子準位と第２量子準位の間の共鳴トンネル及び第２量子準位と第３量子準位の間の共鳴トンネルが、
同一のバイアス電圧において生じるように量子井戸構造を設定することにより、光励起キャリアを速やかに多重量子井戸から排出することが可能である。 従って、多重量子井戸構造部（光吸収層）におけるキャリアのパイルアップが緩和され、消光比の劣化を防いだ光変調動作が可能になる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施例に係わる多重量子井戸光変調素子の構成要素となるべき、多重量子井戸光吸収層のバンドダイアグラムである。 図１の（ａ）は障壁挿入型、（ｂ）は階段型、（ｃ）は方物型を示している。 ここでは特に、障壁挿入型について詳しく説明するが、他の方式に関しても基本的な考え方は同様である。

【００２１】図２は、本実施例の多重量子井戸光変調素子の素子構造を示す斜視図である。 多重量子井戸領域（光吸収層）２０はｉ層であり、ＡｌＧａＡｓ層２１
ａ，２１ｂ（２１ａ ₁ 〜２１ａ _n+1 ，２１ｂ ₁ 〜２１ｂ
_n+1 ）及びＧａＡｓ層２２ａ，２２ｂ（２２ａ ₁ 〜２２
ａ _n ，２２ｂ ₁ 〜２２ｂ _n ）を交互に積層して形成されている。 なお、図では２１ａ _x ，２１ｂ _xをまとめて２
１で示し、２２ａ _x ，２２ｂ _xをまとめて２２ _xで示している。

【００２２】多重量子井戸領域２０を挟んで、上側にｐ
型ＧａＡｓ層１１が形成され、下側にｎ型ＧａＡｓ層１
２が形成されている。 そして、ＧａＡｓ層１１，１２の表面には電極１３，１４がそれぞれ被着されている。 なお、図中１５は入射光を導入するためにｐ型ＧａＡｓ層１１及び電極１３に設けられた円形窓、１６は出射光を導出するためにｎ型ＧａＡｓ層１２及び電極１４に設けられた円形窓、３０は光変調のための駆動電源である。

【００２３】多重量子井戸領域２０において、障壁層としてのＡｌ _0.3 Ｇａ _0.7 Ａｓ層２１ａの幅は４ｎｍ，２
１ｂの幅は１ｎｍ、量子井戸としてのＧａＡｓ層２２ａ
の幅は９ｎｍ，２２ｂの幅は３ｎｍとした。 また、量子井戸数は５０とした。 この素子のビルトイン・ポテンシャルはおよそ１．２ｅＶであった。 さらに、励起子吸収ピークは、無バイアス時には０．８５０μｍであり、逆バイアス７Ｖ（１×１０ ⁵ Ｖ／ｃｍ）印加により０．８
７２μｍに移動した。

【００２４】一方、量子井戸の第１励起準位と基底準位のエネルギー差ΔＥ ₁₀及び第２励起準位のエネルギー差ΔＥ ₂₁は等しく共に７０ｍｅＶと計算され、これにより内部電界が、 ΔＥ ₁₀ ／Ｌp ＝４．１２×１０ ⁴ Ｖ／ｃｍ

【００２５】の時に共鳴トンネル現象が起こると計算される。 この内部電界は、本実施例の素子で２．３Ｖの逆バイアスを印加することに対応する。 そしてこのとき、
隣接する量子井戸間で第１量子準位と第２量子準位及び第２量子準位と第３量子準位が一致する。 具体的には、
量子井戸２２ａ _xの第１量子準位と量子井戸２２ａ _x+1
の第２量子準位が一致し、量子井戸２２ａ _x+1の第２量子準位と量子井戸２２ａ _x+2の第３量子準位が一致することになる。

【００２６】実際、この逆バイアスにおいて共鳴トンネルに由来する光励起電流の増大が観測された。 また、
２．３Ｖの逆バイアス印加時の励起子吸収ピーク波長は０．８６４μｍであった。 なお、２．３Ｖの逆バイアス印加時の吸収係数は、そのピークが無バイアス時に比べて低エネルギー側にシフトするものの、７Ｖの逆バイアス印加時の励起子吸収ピーク波長０．８７２μｍにおいては十分に小さいものであった。

【００２７】以上より、入射光波長として０．８７２μ
ｍの連続レーザ光を用い、図３に示すように、透過（Ｏ
Ｎ）状態のバイアスとしてＶ ₁ ＝−２．３Ｖ、また吸収（ＯＦＦ）状態のバイアスとしてＶ ₂ ＝−７Ｖを選んだ。 これにより、キャリアのパイルアップもなく数十Ｇ
Ｈｚ以上の超高速変調が可能となった。

【００２８】かくして本実施例によれば、隣接する量子井戸間で第１量子準位と第２量子準位の間の共鳴トンネル及び第２量子準位と第３量子準位の間の共鳴トンネルが、同一のバイアス電圧において生じるように量子井戸構造を設定することにより、光励起されたキャリアを光吸収層２０の外に速やかに排出することができる。 従って、高速変調或いは強入力光強度においても消光比の劣化を防いだ高速の光変調動作が可能となった。

【００２９】なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。 光吸収層となる多重量子井戸の材料系としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系に限るものではなく、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系，ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡ
ｓ系，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系等の他の材料系にも同様に適用できる。 素子構造としては、積層面に垂直に光を入射する場合に限らず、入射光が積層面に平行に入射される場合にも適用することができる。 また、図２
のような透過型の素子構造に限らず、分布ブラッグ反射膜などを利用した反射型の素子構造においても適用できる。

【００３０】また、実施例では障壁挿入型の量子井戸構造の場合について説明したが、階段型量子井戸（図１
（ｂ））や放物型量子井戸（図１（ｃ））の場合にも同様に適用できる。 その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、隣接する量子井戸間で第１量子準位と第２量子準位の間の共鳴トンネル及び第２量子準位と第３量子準位の間の共鳴トンネルが、同一のバイアス電圧において生じるように量子井戸構造を設定しているので、光励起キャリアを速やかに多重量子井戸から排出することが可能である。
従って、多重量子井戸吸収層におけるキャリアのパイルアップを未然に防止し、高速変調或いは強入力光強度においても、消光比等の性能の劣化することのない優れた素子特性の多重量子井戸光変調素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多重量子井戸光変調素子の構成要素となるべき多重量子井戸光吸収層のバンドダイアグラムを示す図。

【図２】本発明の一実施例に係わる多重量子井戸光変調素子の素子構造を示す斜視図。

【図３】実施例素子の動作を説明するためのタイミングチャート。

【図４】共鳴トンネルを高速化する多重量子井戸構造を説明するための模式図。

【図５】従来の多重量子井戸光変調素子の動作原理と問題点を説明するための模式図。

【符号の説明】

１１…ｐ型ＧａＡｓ層、 １２…ｎ型ＧａＡｓ層、 １３，１４…電極、 １５，１６…窓、 ２０…多重量子井戸領域（光吸収層）、 ２１…ｉ型ＡｌＧａＡｓ層（障壁層）、 ２２…ｉ型ＧａＡｓ層（量子井戸）、 ３０…駆動電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 手塚 勉 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 芦沢 康夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内