(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度７７Ｋにおける移動度が２．０×１０5 〜３．１×１０5 ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、同じく温度７７Ｋにおける電子濃度が１×１０12〜１×１０13／ｃｍ3 、厚さが２０〜３０μｍであるｉ−ＧａＡｓ層と、
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。
【請求項２】
前記透明電極は、ＩＴＯであることを特徴とする請求項１に記載の平面型光変調器。
【請求項３】
前記透明電極は、導電性有機材料であることを特徴とする請求項１に記載の平面型光変調器。
【請求項４】
前記透明電極は、ポリアニリンであることを特徴とする請求項３に記載の平面型光変調器。
【請求項５】
前記ｉ−ＧａＡｓ層と前記裏面電極との間に、ＡｌＧａＡｓ層を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の平面型光変調器。
【請求項６】
前記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である、ことを特徴とする請求項５に記載の平面型光変調器。
【請求項７】
前記裏面電極は、前記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る、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の平面型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４９６５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、温度７７Ｋにおける移動度が２．０×１０5 〜３．１×１０5 ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、同じく温度７７Ｋにおける電子濃度が１×１０12〜１×１０13／ｃｍ3 、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
【００２６】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
【発明の効果】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例１の平面型光変調器の構成を示した図。
【図２】実施例１の平面型光変調器の動作原理を示した図。
【図３】透過スペクトルの印加電圧依存性を示したグラフ。
【図４】消光比を示したグラフ。
【図５】実施例２の平面型光変調器の構成を示した図。
【図６】透過率と逆電圧との関係を示したグラフ。
【図７】実施例３の平面型光変調器の構成を示した図。
【図８】実施例４の平面型光変調器の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【実施例１】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
ｉ−ＧａＡｓ層１１は、以下の方法によって作製した。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【実施例２】
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【実施例３】
【００６４】
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。
【実施例４】
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
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。
【符号の説明】
【００７２】
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
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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