(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の交互に配置された狭いバンドギャップ半導体層及び広いバンドギャップ半導体層を有する超格子構造と、
光を変調する為に、第二の低い電圧範囲と境を接する第一の電圧範囲の電圧を前記超格子構造に加える電源と、
を備える、光を変調する為の光変調器であって、
異なる狭いバンドギャップ層内の電子と正孔のエネルギー状態の波動関数が結合され、前記超格子構造は吸収端により特徴づけられる吸収スペクトルを有し、
第一の電圧範囲では電圧が増加するにつれて吸収端が赤方偏移し、光に対する超格子構造の透過率が減少し、
第二の電圧範囲では、電圧が増加するにつれて吸収端が青方偏移し、透過率が増加する、
光変調器。
【請求項２】
前記第一の電圧範囲では、前記波動関数は実質的に分離され、前記吸収端は、同じ狭いバンドギャップ層内でのエネルギー状態間の移行により決定される、
請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記第一の電圧範囲の電圧の印加に続いて、前記電源が、変調器内の光の通過により変調器内に生成される電子と正孔を取り除く為に、前記第二の電圧範囲の電圧を前記変調器に印加する、
請求項１または２に記載の光変調器。
【請求項４】
実質的に、狭いバンドギャップ層には、非発光性の電子トラップがなく、少なくとも１つの広いバンドギャップ層に非発光性の電子トラップが種付けられている、
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光変調器。
【請求項５】
前記少なくとも１つの広いバンドギャップ層が、全ての広いバンドギャップ層を含む、
請求項４に記載の光変調器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの広いバンドギャップ層が、全部ではないが、いくつかの広いバンドギャップ層を含む、
請求項４に記載の光変調器。
【請求項７】
前記少なくとも１つの広いバンドギャップ層が、二層毎の広いバンドギャップ層を含む、請求項６に記載の光変調器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの広いバンドギャップ層が、４層毎の広いバンドギャップ層を含む、請求項６に記載の光変調器。
【請求項９】
前記狭いバンドギャップ層の厚さは、１０ナノメーター以下である、
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の光変調器。
【請求項１０】
前記狭いバンドギャップ層の厚さは、実質的には３ナノメーターである、
請求項９に記載の光変調器。
【請求項１１】
前記広いバンドギャップ層の前記厚さは、６ナノメーター以下である、
請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の光変調器。
【請求項１２】
前記広いバンドギャップ層の前記厚さは、実質的には３ナノメーターである、
請求項１１に記載の光変調器。
【請求項１３】
狭いバンドギャップ層に対する広いバンドギャップ層の厚さの比は１以上である、
請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の光変調器。
【請求項１４】
前記比率は２以上である、請求項１３に記載の光変調器。
【請求項１５】
前記比率は３以上である、請求項１３に記載の光変調器。
【請求項１６】
前記超格子構造を構成する狭いバンドギャップ層の数は５０より上である、請求項１〜請求項１５のいずれかに記載の光変調器
【請求項１７】
前記超格子構造に含まれる狭いバンドギャップ層の数は実質的には２００である、
請求項１６に記載の光変調器。
【請求項１８】
前記超格子構造に含まれる狭いバンドギャップ層の数は実質的には３００である、
請求項１６に記載の光変調器。
【請求項１９】
前記超格子構造はpinダイオードの真性（intrinsic）領域内に形成される、
請求項１〜請求項１８のいずれかに記載の光変調器。
【請求項２０】
前記第一の電圧範囲は下限が３０ボルト未満である、
請求項１〜請求項１９のいずれかに記載の光変調器。
【請求項２１】
前記第一の電圧範囲の下限は、１５ボルト未満である、
請求項２０に記載の光変調器。
【請求項２２】
前記第一の電圧範囲の下限は、５ボルトから１０ボルトの間である、
請求項２１に記載の光変調器。
【請求項２３】
前記第一の電圧範囲の下限は、実質的に２５ボルトである、
請求項２０に記載の光変調器。
【請求項２４】
前記第一の電圧範囲は、２５ボルトから５５ボルトの電圧範囲である、
請求項２０に記載の光変調器。
【請求項２５】
前記狭いバンドギャップ層はGaAsで形成される、
請求項１〜請求項２４のいずれかに記載の光変調器。
【請求項２６】
前記広いバンドギャップ層はAlxGa(1-x)Asで形成される、
請求項１〜請求項２５のいずれかに記載の光変調器。
【請求項２７】
ｘは０．７以下である、請求項２６に記載の光変調器。
【請求項２８】
ｘは実質的に０．３である、請求項２７に記載の光変調器。
【請求項２９】
複数の交互に配置された狭いバンドギャップ半導体層及び広いバンドギャップ半導体層を有する超格子構造に、光線が入射するように光線を誘導することと、
光を変調する為に、第二の低い電圧範囲に境を接する第一の電圧範囲の電圧を前記超格子構造に加えることと、
を含む、光線の強度を変調する方法であって、
電圧が超格子に加えられていない時、異なる狭いバンドギャップ層内の電子と正孔のエネルギー状態の波動関数が結合され、前記超格子構造が、吸収端により特徴づけられる吸収スペクトルを有し、
第一の電圧範囲では電圧が増加するにつれて吸収端が赤方偏移し、光に対する
超格子構造の透過率は減少し、第二の電圧範囲では電圧が増加するにつれて吸収端が青方偏移し、光の透過率が増加する、方法。
【請求項３０】
前記第一の電圧範囲では、実質的に前記波動関数は分離され、前記吸収端は同じ狭いバンドギャップ層内のエネルギー状態間の移行により決定される、
請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第一の電圧範囲の電圧の印加に続いて、変調器内の光の通過により変調器内に生成される電子と正孔を取り除く為に、前記第二の範囲の電圧を変調器に印加することを含む、
請求項２９または３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光シャッタ、特に半導体超格子もしくは多重量子井戸構造を利用した光シャッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体多重量子井戸(MQW)もしくは、超格子（SL）を利用した光変調器が知られている。
【０００３】
MQW構造は、狭いバンドギャップの材料の層の各々が２つの広いバンドギャップの材料の層の間に挟まれるように、広いバンドギャップの半導体材料の層と交互に設けられた狭いバンドギャップの半導体材料の薄い層とが積層されている。その交互の構造は、伝導帯の電子と価電子帯の正孔を閉じ込める事のできる狭いバンドギャップ内に配置された、一連の量子井戸を形成する。狭いバンドギャップ層の各々は、伝導帯の電子を閉じ込める量子井戸と、価荷電子帯の正孔を閉じ込める量子井戸を有する。
【０００４】
狭いバンドギャップ層内の量子井戸の幅は、狭いバンド層幅の厚さにほぼ等しい。一般に、狭いバンドギャップ層の厚さ、すなわち量子井戸の幅は、光子が電子を狭いバンドギャップ材料の価電子帯から伝導帯に励起する時に中間状態として生成される励起子の直径よりも実質的に小さい。電子の量子井戸の深さは、狭いバンドギャップ材料と広いバンドギャップ材料の伝導帯の底部間の差に、実質的に等しい。正孔の量子井戸の深さは、狭いバンドギャップ材料と広いバンドギャップ材料の価電子帯の最上部間の差に、実質的に等しい。
【０００５】
MQW構造において量子井戸の深さと広いバンドギャップ層の厚さは、狭いバンドギャップ層の量子井戸内に捕捉された電子もしくは正孔の波動関数が、狭いバンドギャップ層の両側の広いバンドギャップ層内で急速に消滅するようになっている。結果として、MQW構造では、狭いバンドギャップ層の量子井戸に閉じ込められた電子と正孔は、別の狭いバンドギャップ層により閉じ込められる電子と正孔と、実質的には隔離される。以下、広いバンドギャップ層を“障壁層”と呼び、狭いバンドギャップ層を“量子井戸層”と呼ぶ。
【０００６】
電場が、MQW構造内の層の平面に垂直に加えられた時に、同じ量子井戸層の量子井戸内に捕捉された電子と正孔に関しての、許容波動関数（allowed wave function）のエネルギーレベルは、お互いの方向に向かって変位する。その結果、価電子帯から伝導帯に電子を移動させ、そしてそれにより電子―正孔対を生成するのに必要な最小量のエネルギーは減少し、MQWの吸収スペクトルは、赤方偏移する。赤方偏移は、価電子帯から伝導帯に電子を持ち上げる際の中間状態としての電子―正孔励起子を励起するために必要なエネルギーの最小量を減少させる効果である量子閉じ込めシュタルク効果により生じる。MQW構造の吸収スペクトルの吸収端付近の波長、以下“動作波長”と呼ぶ、を持つ光に対する吸収係数の１００００ｃｍ−１単位の変化は、吸収スペクトルが赤方偏移させる事により実現することができる。
【０００７】
その開示が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第4525687号は、Ga(1-x)AlxAs（Xは〜０．３６）で形成される広いバンドギャップ障壁層の間に挟まれた５０層のGaAsの狭バンドの量子井戸層を備えた小口径のMQW光シャッターについて述べている。その層は、pinダイオードの真性部分に形成される。その開示が参照により本明細書に組み込まれるPCT出願WO99/40478号は、広口径のMQW高周波光変調器について述べている。
【０００８】
MQW変調器の動作は、とりわけ、MQWの量子井戸に捕捉された電子と正孔の離脱時間により制約される。変調器が光束と相互作用した後、一度、正孔と電子がMQW変調器のMQW量子井戸内に捕捉されると、正孔と電子は、変調器の量子井戸領域から離脱するために有限の離脱時間を必要とする。MQW変調器の変調効果と同様の変調効果を提供する量子井戸は、量子井戸からの正孔と電子の離脱を一般には遅らせる。光により誘起された電子と正孔の量子井戸内での累積は、変調器の吸収スペクトルを赤方偏移させるためにMQWに加えられる電界の効果を、遮蔽し、減少させる傾向がある。加えて、変調器に加えられる電場に応じて光誘起電子・正孔が動くことにより生成されるMQW層内の電流は、層のオーム加熱を発生しうる。加熱は、変調器の吸収スペクトルの吸収端での不要な偏移の原因となる。
【０００９】
その開示が参照により本明細書に組み込まれる、K.Goossen他による米国特許第5210428号の指摘によれば、出版物Applied  Physics Letters,Vol.57,No 22,PPに掲載された記事が、量子井戸の深さと障壁層の厚さを減少させる事により、MQW変調器内の離脱時間は低減しうると示唆している。その特許には、低減された離脱時間をもたらす浅い量子井戸の特別な構成を備えたMQW変調器を記載されている。浅い量子井戸を提供するために、変調器内の障壁層の有効バンドギャップエネルギーは、変調器内の縦方向の光フォノンエネルギーと励起子吸収エネルギーの合計よりも小さくさるように選定される。W.H.Knox らによる米国特許第5436756号には、変調器の量子井戸領域に陽子のような非発光性の再結合中心の種をまく事によって、MQW変調器内の光により誘起された電子からの電流を減少させることについての記載がある。
【００１０】
超格子（SL）構造も、障壁層間に挟まれた量子井戸層の積み重ねにより形成された連続した量子井戸を備える。しかしながら、MQW構造とは区別されるSL内では、障壁層の幅と量子井戸の高さは、量子井戸内の電子と正孔の波動関数が、個々の量子井戸に閉じ込められるようになっている。量子井戸間の電子と正孔の実質上の通り抜けは、存在する。量子井戸内の波動関数は、相対的に強く結合し、実際には、実質的に量子井戸層の積み重ねの全高さに及び、且つ許容されるエネルギーのバンドを形成するエネルギーを持つ拡張された波動関数を形成する。SLと垂直な層に電場を加えた時、量子井戸間の波動関数の結合は低減され、同じ量子井戸層内の電子と正孔の許容される波動関数のエネルギーは、お互いに離れるよう変位させられる。変位は、許容される波動関数により定義されるエネルギー帯の幅を狭くする事による結果である。その結果、量子井戸層の価電子帯から量子井戸層の伝導帯に電子を伝達するのに必要とされる最小量のエネルギーは増加し、MQWの吸収スペクトルは、青方向に偏移される。
【００１１】
SL構造を備えた光変調器が、その開示が参照によって本明細書に組み込まれる、P.Vosinによる米国特許第5194983号に記述されている。４ナノメータの厚さの層を持つSL構造についての青方偏移を示す吸収スペクトルが、SL構造に加えられる異なった電場について、その特許に示されている。
【００１２】
SLの吸収スペクトルが赤方偏移しているＳＬもまた可能である。“赤方偏移”をするMQW変調器では、光を変調するのに使用される赤方偏移は、同じ量子井戸層内の許容される電子と正孔のエネルギー状態間で生じる移行、つまり“直接の移行”のエネルギー差を変化させる事により提供される。SLの隣の量子井戸層内で生じる、量子井戸内の電子と正孔の許容される状態間の“斜め”の移行が、電場の利用による赤方向に偏移された吸収スペクトルを提供する。しかしながら、斜めの移行により提供される赤方偏移は、一般に、光の吸収係数の変化をもたらし、その変化は“直接の” 赤方偏移により提供される吸収係数の変化よりも、実質的に小さい。望ましいオン／オフ比を提供する為に、光を変調する為に斜めの移行を使用するSL変調器は、一般に SLの量子井戸層を通過する光に対して相対的に長い経路長を提供しなければならない。その開示が参照により本明細書に組み込まれる、E.Bigan他による米国特許第5073809号には、量子井戸層が、適切なオン／オフ比を提供するのに十分な長さをもった導波管の中心（core）として機能する、“赤方偏移されたSL” 変調器について記述されている。
【００１３】
SL内では障壁層は相対的に薄いので、SL内の光誘起された電子と正孔の離脱時間は相対的に短く、SLはMQW変調器ほどには離脱時間に影響されない。しかしながら、SLの動作波長における光の吸収係数の変化は、MQW変調器の動作波長における光について達成可能な吸収係数の変化よりも実質的に小さい。したがって、ＳＬに対してのオン／オフ伝達比は、一般的に、実質上、MQW変調器で達成可能なオン／オフ伝達比よりも小さい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態の側面は、光により誘起された電子と正孔の比較的低減された離脱時間と先行例のMQW変調器で達成された物と同等のオン／オフ伝達率をもつ光多重層半導体変調器の提供に関する。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態の側面は、変調器に加えられた電場内の光により誘起された電子と正孔の動作により生成される比較的低減された電流をもつ光多重層半導体変調器の提供に関する。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態の側面は、先行例のMQW変調器と比較して、変調器の光軸に沿った変調器の単位長さ当たりでの比較的大きなオン／オフ比をもつ光多重層半導体変調器の提供に関する。
【００１７】
本発明の一つの実施形態によると、光変調器は、相対的に薄い障壁層の間に挟まれた量子井戸層を持つSL構造と、変調器がMQW変調器と同じように機能するバイアス電圧でSL構造にバイアスをかける電源を備える。
【００１８】
本発明の一つの実施形態によると、バイアス電圧はSL構造内に電場を生成し、その電場は、異なった量子井戸層の量子井戸内の電子と正孔の許容される波動関数を実質的に分離させる。結果として、バイアスされた変調器では、変調器の量子井戸層の電子と正孔の許容される波動関数は、電子と正孔の波動関数が従来例のMQW変調器に閉じ込められるのと同様の方法で閉じ込められる。バイアスされたSL構造はそれから、本発明の一つの実施形態によると、従来例のMQW変調器で動作された同様の方法で、動作される。電源により変調器に加えられる電圧は、変調器の量子井戸層材料の吸収スペクトルの赤方向への偏移を引き起こすバイアス電圧より上に増加される。赤方向への偏移は、変調器の動作波長での光の吸収係数の実質的な増加を引き起こす。以下、本発明の一つの実施形態による、SL構造内の波動関数を分離するのに用いられるバイアス電圧を、“分離電圧”と呼ぶことにする。
【００１９】
MQWのような変調器として動作する“分離されたSL構造変調器”の量子井戸材料における動作波長の光についての吸収係数の変化は、本発明の一つの実施形態によると、従来のMQW変調器により達成された量子井戸材料の吸収係数の変化と実質的に同じになりうる事を発明者はみいだした。加えて、変調器に備えられた障壁層は従来のMQW変調器の障壁層よりも薄い為、変調器の光軸方向の単位長さ当たりの量子井戸層材料は、従来のMQW変調器よりも多く存在する。SLもしくはMQW変調器に加えられた電圧に対しての量子井戸材料の応答が、変調器の動作波長での光の吸収係数の変化を、実質的に決定する。変調器がより多くの量子井戸材料を備える限りは、一般的にオン／オフ伝達率は増加する。結果として、与えられた電圧については、本発明の一つの実施形態による変調器のオン／オフ伝達率は、いくつかの従来例のMQW変調器で得られたオン／オフ伝達率と、しばしば、等しいかもしくは、より大きくなりうる。
【００２０】
変調器の障壁層は、従来のMQW変調器の障壁層よりも薄いので、変調器の電子と正孔の離脱時間は、一般的に従来例のMQW変調器の電子と正孔の離脱時間よりも短くなる。加えて、電源により変調器に加えられる電圧が、異なった量子井戸の波動関数が“再結合される”電圧となる分離電圧未満まで減少される時、変調器は、よりいっそう短い電子と正孔の離脱時間をもつSL構造として動作する。SL構造をMQW構造に変異（morph）させる適当な分離電圧未満の電圧により生成される適度な電場の存在により、光により誘起された変化は、急速にSL構造の外へ広がっていく。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態によると、変調器の障壁層は、低温度で障壁層を成長させる事により生成される事が文献で知られているような、非発光性の再結合トラップを種付けされる。量子井戸層はトラップにより種付けされない。トラップの場所では、光により誘起された電子は、非発光性の再結合プロセスで、比較的急速に光により誘起された正孔と結合する。結果として、再結合トラップは、実質的に変調器の光により誘起された電子と正孔の存続時間を縮める役目をする。その結果トラップは、光により誘起された電子と正孔の急速な移転と、変調器に加えられる電場内の電子と正孔の運動から生じる電流の低減をもたらす。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態によると、全ての障壁層は、非発光性の再結合トラップを種付けされている。しかしながら、トラップを種付けする事は、高価なプロセスである。本発明のいくつかの実施形態によると、光により誘起された電子と正孔の存続時間の効果的な低減が可能である事と、いくつかの障壁層のみ種付けする事により、変調器を種付けするコストが削減できる事を、発明者はみいだした。例えば、本発明の一つの実施形態により変調器の４層中の１層にのみ種付けする事は、変調器の光により誘起された電子と正孔の存続時間の効果的な低減を提供すると共に、変調器の製作費用の実質的な節減を提供し得る事を、発明者は見出した。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、層を種付けする方法は、SL構造を持つ変調器について記述されているが、SL構造もしくはMQW構造のみならずヘテロ結合の構造体一般に、この方法は適用出来る事に注意しなければならない。
【００２４】
光を変調する為の光変調器は、本発明の実施形態によれば、このようにして提供され、
異なる狭いバンドギャップ層内の電子と正孔のエネルギー状態の波動関数が結合されている状態の、複数の交互に配置された狭いバンドギャップ半導体層及び広いバンドギャップ半導体層を有する超格子構造と、
光を変調する為に、第一の０でない電圧と第二の０でない電圧との間の電圧を、超格子構造に加える電源と、
を備える。
【００２５】
さらに、第一の電圧では、波動関数は分離され、変調器は狭いバンドギャップ層内のエネルギー状態間の移行により決定される吸収端を備えた吸収スペクトルを持ってもよい。さらに、第二の電圧では、吸収端は赤方向に偏移されてもよい。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態によると、電源により変調器に０電圧が加えられた時、光変調器は吸収端を備えた吸収スペクトルを持ち、第一の電圧での吸収端は、０電圧の吸収端に対して青方向に偏移される。さらに、第二の電圧での吸収端は、第一の電圧の吸収端の位置に対して赤方向に偏移されてもよい。
【００２７】
本発明のいくつかの実施形態では、第二の電圧は第一の電圧よりも大きい。
【００２８】
さらに、電源は、第二の電圧の適用に続いて、変調器内を通過する光の透過により生成される電子と正孔を移動させる為に、第一の電圧よりも小さい電圧を変調器に加えてもよい。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態によると、実質的には、０個の狭いバンドギャップ層と少なくとも１つの広いバンドギャップ層は非発光性の電子トラップを種付けられている。さらに、少なくとも１つの広いバンドギャップ層は、全ての広いバンドギャップ層からなりたってもよい。さらに、少なくとも１つの広いバンドギャップ層は、全部ではない、いくつかの広いバンドギャップ層からなりたってもよい。さらに、少なくとも１つの広いバンドギャップ層は、一層毎に広いバンドギャップ層からなりたってもよい。さらに、少なくとも１つの広いバンドギャップ層は、４層毎に広いバンドギャップ層からなりたってもよい。本発明のいくつかの実施形態では、広いバンドギャップ層のトラップは、低温で、広いバンドギャップ層を成長させる事により、生成される。
【００３０】
本発明のいくつかの実施形態では、狭いバンドギャップ層の厚さは、１０ナノメーター以下である。さらに、狭いバンドギャップ層の厚さは、実質的には３ナノメーターであってもよい。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態では、広いバンドギャップ層の厚さは、６ナノメーター以下である。さらに、広いバンドギャップ層の厚さは、実質的には３ナノメーターであってもよい。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態では、広いバンドギャップ層と狭いバンドギャップ層の厚さの比は１以上である。さらに、比率は２以上であってもよい。さらに、比率は３以上であってもよい。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態では、超格子構造を構成する狭いバンドギャップ層の数は５０より上である。さらに、超格子構造を構成する狭いバンドギャップ層の数は実質的には２００であってもよい。さらに、超格子構造を構成する狭いバンドギャップ層の数は実質的には３００であってもよい。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態では、超格子構造はpinダイオードの真性（intrinsic）領域内に形成される。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態では、第一の電圧は３０ボルト未満である。さらに、第一の電圧は１５ボルト未満であってもよい。さらに、第一の電圧は５ボルトと１０ボルトの間の値であってもよい。さらに、第一の電圧は実質的に２５ボルトであってもよい。本発明のいくつかの実施形態では、第二の電圧は２５ボルトと５５ボルトの間の値である。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態では、狭いバンドギャップ層はGaAsで形成される。本発明のいくつかの実施形態では、広いバンドギャップ層はAlxGa(1-x)で形成される。さらに、ｘは０．７未満であってもよい。さらに、ｘは実質的に０．３であってもよい。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、光線の強度を変調する方法が更には提供され、：
超格子構造に加えられる電圧がない場合に異なる狭いバンドギャップ層内の電子と正孔のエネルギー状態の波動関数が結合されている状態で、前記構造内の光の透過率を決定する為に、複数の交互に配置された狭いバンドギャップ半導体層及び広いバンドギャップ半導体層を有する超格子構造に０でない電圧を加える事と、前記構造上で入射するように光を誘導する事と、透過率を変化させ、それにより光を変調する為に、前記構造に前記第一の電圧と異なる０でない第二の電圧を加える事と、
からその方法は構成される。
【００３８】
さらに、第一の電圧では、波動関数は分離され、変調器は同じ狭いバンドギャップ層内のエネルギー状態間の移行により決定される吸収端を備えた吸収スペクトルを持ってもよい。さらに、第二の電圧の吸収端は、第一の電圧の吸収端の位置に対して赤方向に偏移されてもよい。
【００３９】
上記に代えて又は加えて、第一の電圧の吸収端は、超格子構造に加えられる電圧がない状態で変調器を特徴づける吸収スペクトルの吸収端に対して、青方向に偏移される。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態によれば、第二の電圧は第一の電圧よりも大きい。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態によれば、第二の電圧の適用に続いて、変調器内を通過する光の透過により生成される電子と正孔を移動させる為に、第一の電圧よりも小さい電圧が変調器に加えられる。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態によれば、光変調器が更には提供され、
複数の交互に配置された狭いバンドギャップ半導体層及び広いバンドギャップ半導体層を有する多層のヘテロ結合構造と、
少なくとも１つの広いバンドギャップ層と実質的に０個の狭いバンドギャップ層に配置された電子トラップと、
とをその光変調器は備える。
【００４３】
少なくとも１つの広いバンドギャップ層は、全ての広いバンドギャップ層からなる。さらに、少なくとも１つの広いバンドギャップ層は、全部ではない、いくつかの広いバンドギャップ層からなりたってもよい。さらに、少なくとも１つの広いバンドギャップ層は、一層毎に広いバンドギャップ層からなりたってもよい。さらに、少なくとも１つの広いバンドギャップ層は、４層毎に広いバンドギャップ層からなりたってもよい。本発明のいくつかの実施形態では、広いバンドギャップ層のトラップは、低温で、広いバンドギャップ層を成長させる事により、生成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
下記は、本発明の実施形態の例を記載したものであり、ここに添付した図面を参照しながら読まれるべきものである。図面において、１以上の図面に現れる同一の構造、要素又は部分は、通常、それらが現れる全ての図面において同じ符号を付されている。図面に示されている部品及び特徴の寸法は、説明の便利と明瞭のために選択されたもので必ずしも実寸ではない。
図１Aは、本発明の実施形態による、光変調器２０の断面の概略図を示している。光変調器２０は、高濃度にPドーピング（doped）された層２４と高濃度にNドーピング(doped）された層２６の間に形成された、エピタキシャル超格子（すなわちSL）構造２２、を備える。SL構造２２と高濃度にドーピングされた層２４、２６はpin ダイオード２８を形成する。SL構造２２は、広いバンドギャップ障壁層３２と交互に存在する複数の狭い“量子井戸”層３０を備える。図１Aでは、２、３の量子井戸層３０と障壁層３２のみが、示されている。“狭い”と“広い”という単語は、バンドギャップ層３０，３２の事を意味し、層の厚さを意味するものではない事に注意されたい。
【００４５】
狭いバンドギャップ量子井戸層は、量子井戸層３０の材料内の電子―正孔励起子の直径未満の厚さである事が好ましい。一般的に、量子井戸層３０の厚さは、１０ナノメーター以下である。異なった量子井戸層の電子と正孔の波動関数が強く結合する為には、障壁層３２は実質的に量子井戸層３０より薄い事が好ましい。
【００４６】
斜線で示された、オーム接触電極３４と３６は、当技術分野で既知の方法を用いて、それぞれ層２４、２６上に設けられる。電極３４と３６は、図１Aに示されるように、開口した中央領域３８をもつ“ピクチャー”フレームの形に形成されても良い。電極３４と３６の中央領域３８は、光が変調器２０から入りおよび／または出ていく、変調器の開口部を規定している。上記で参照されたＰＣＴ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ  ＷＯ  ９９／４０４７８に記載されているような、さまざまな別のタイプの接触電極を、本発明の実施に用いても良い。変調器２０で変調された光は、変調器２０に対し入力、出力するように示された、波線の矢印２１で模式的に表される。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態では、障壁層３２は、低温下で層を成長させる事によって生成されるトラップのような、非発光性のトラップが種付けられる。本発明のいくつかの実施形態では、すべての障壁層３２は、トラップが種付けられる。しかしながら種付は高価なプロセスである。したがって、本発明のいくつかの実施形態では、いくつかの障壁層３２にのみ、種付けされる。すべての障壁層より、むしろいくつかの障壁層に種付けする事により、変調器２０の種付費用は削減できる。図１Aでは、障壁層３２は４層につき１層毎に、円４０で表されるトラップが種付けされる。トラップ４０は、変調器２０で生成された、光誘起された電子と正孔の、非発光性の再結合拠点としての役割を果たし、それゆえにそれらの存続時間を低減させる。
【００４８】
量子井戸層３０の量子井戸内における許容される電子と正孔の状態の波動関数とエネルギーを変更する為に、変調器２０は、電極３４と３６に電圧を加える電源５０を備える。許容される状態のエネルギーレベルを変更する事により、電源５０は、変調器２０の動作波長の光の透過率を制御する。
【００４９】
本発明による一つの実施形態では、量子井戸層３０と障壁層３２のSL構造の結果として通常強力に結合している量子井戸内の電子と正孔の波動関数を分離するように、電源５０は、分離電圧によってpinダイオード２８に逆バイアスを加える。分離電圧では、SL構造２２は、変調器２０の動作波長の光を変調するために赤方偏移されうる吸収端を持つ吸収スペクトルを持つ。本発明による実施形態では、電源５０は、pin ダイオード２８に加える電圧を分離電圧より上の電圧に増加することにより吸収端を赤方偏移させる。赤方偏移の結果、変調器の動作波長の光に対しては、変調器２０の量子井戸層３０の材料の吸収係数が増加し、変調器の透過率は減少する。
【００５０】
変調器２０の吸収端が赤方偏移し、変調器の動作入射波長の光により誘起された電子と正孔が生成される期間の後に、電子と正孔は再結合し、および／またはSL構造２２の周りをドリフトする。障壁層３２は先行例のMQR変調器の障壁層よりも相対的に薄いので、電子と-正孔の離脱時間は先行例のMQR変調器よりも短い。
【００５１】
加えて、本発明のいくつかの実施形態では、吸収端が赤方偏移し、光誘起された電子と正孔が生成される期間の後、電源５０は、pin ダイオード２８に分離電圧より小さい適当（moderate）な電圧で逆バイアスを与える。この低減されたバイアス電圧で、量子井戸層３０の電子と正孔の波動関数が“再結合”される。結果として、SL構造２２の量子井戸により捕捉されうる光誘起された電子と正孔は、量子井戸をより容易に通り抜けることができ、相対的にSL構造２２の外側をすばやく動く。
【００５２】
障壁層３２のトラップ４０の密度は、低減された電圧により取り払われた電子と正孔の、捕捉から生じる平均有効再結合進路長が、実質的に超格子構造２２の幅よりも小さくなるような密度である事が好ましい。結果として、実質的に、低減されたバイアスス電圧によって取り払われたすべての電子と正孔は、トラップが種付けされた障壁層３２で捕捉され、再結合し、電極３４と３６それぞれに到達しない。
【００５３】
本発明者は、変調器２０と同様の変調器で、本発明の実施形態による、変調器内の赤方偏移を実験的に確認した。その変調器は、２８０層の量子井戸層３０と２８１層の障壁層３２を備えたSL構造２２を持つ。狭いギャップ層３０は、GaAsで構成され、広いギャップ層３２は、AlxGa(1-x) （Xは〜0.3）で構成される。狭いバンドギャップ層３０と広いバンドギャップ層３２は、共に約３ナノメータの厚さであり、結果としてSL構造２２の総厚さは約１．６８ミクロンである。変調器は、７８７．５ナノメータの動作波長を持つ。
【００５４】
電源５０が変調器に約２５ボルトの電圧を加える時、変調器の電子と正孔の波動関数は、分離する。赤方偏移は、分離電圧より上の電圧で観察された。図１Bは、この変調器において０V、２５V、５５Vの時の、実験により決定された吸収端１２０、１２１、１２２それぞれのグラフである。２５Vで得られる吸収端１２１は、０Vの吸収端１２０と比較して青方偏移している。５５Vの吸収端１２２は、吸収端１２０と吸収端１２１両方と比較して赤方偏移している。２５Vと５５Vの中間の電圧では、吸収端は吸収端１２１と比較して赤方偏移している、５５Vの吸収端１２２で赤方偏移している量よりも小さい量の吸収端が得られる。動作波長７８７．５ナノメータでは、両頭矢印１２４で示された吸収端１２１と吸収端１２２との差は、約４であるオン／オフ伝達率を提供する。
【００５５】
本発明の実施形態によれば、変調器は、上記で与えられたものとは違った構造的、及び動作パラメーターの値を持ち得る事に注目すべきである。分離電圧は２５V以外でも良く、障壁層の厚さは約３ナノメータの厚さとは限らず、０．３以外のXも有用であり得る。更には、本発明の実施形態によれば、変調器は、２８０層より多い、もしくは少ない数の量子井戸層を持ち得、４以外のオン／オフ伝達率を提供し得る。実質的には、分離電圧が確立され得、そして分離電圧よりも大きな電圧がSL構造の吸収端を赤方向に偏移させるあらゆるSL構造が、本発明の実施において使用されて良い。
【００５６】
有用（advantageous）なXの値は０．７未満と予測され、そして、障壁と量子井戸の有用（advantageous）な厚さは、それぞれ約６ナノメータ未満、約１０ナノメータ未満と予測される。加えて、変調器の軸に沿った単位長さ当たりのオン／オフ伝達率を増加させるには、量子井戸層は障壁層よりもより厚い事が有利となる。本発明のいくつかの実施形態では、量子井戸層と障壁層の厚さの比は２より上となっている。本発明のいくつかの実施形態では、量子井戸層と障壁層の厚さの比は３より上となっている。分離電圧の有用（advantageous）な値は、３０V未満であると予測される。本発明のいくつかの実施形態では、分離電圧の値は、１５V未満となっている。本発明による一つの実施形態によれば、量子井戸層の有用（advantageous）な数は、５０よりであると予測される。本発明による実施形態によれば、量子井戸層の数は、２００より上である。本発明によるいくつかの実施形態によれば、量子井戸層の数は、３００より上である。
【００５７】
例えば、図１Bで示された実験結果を提供するものと同様の変調器で、しかし、３ナノメータの代わりに８ナノメータの厚さのGaAsの狭い障壁層３０を持つ変調器は、５〜１０Vの間で分離電圧を持つであろうと、本発明者は予測する。８ナノメータの狭い障壁層３０（すなわち量子井戸層）内にあるエネルギー帯は、実験に用いた変調器の３ナノメータの量子井戸層のエネルギー帯よりも狭い故に、分離電圧は“実験に用いた変調器”内の分離電圧と較べて低減されている。加えて、GaAsの狭い障壁層３０の厚さを増やすことによって、変調器のオン／オフ伝達率は約２０になる事が予測される。
【００５８】
変調器の上記例は、GaAsをベースにした超格子を備えているが故に、先行例の実施形態によれば、変調器内に備えられた超格子は、別のIII-V族元素の組み合わせを基本としうる事に注目すべきである。
【００５９】
図２A−２Ｃは、電源５０によるpinダイオード２８に加えられる電圧が、SL構造２２内の量子井戸の電子と正孔の許容される最低エネルギー状態に相当するエネルギーと波動関数に与える効果を模式的に示している。
【００６０】
図２A−２Ｃそれぞれは、SL構造２２内の量子井戸層３０と障壁層３２の平面の垂直方向に沿った位置の関数として、価電子帯の最上部とSL構造２２内の伝導帯の底部のエネルギーのグラフを示している。グラフで、層の垂直方向はZ方向を意味する、そして、Z方向に沿った変位は、横軸に沿った任意の単位により示されている。量子井戸層３０と障壁層３２の境界は、破線６０で示されている。エネルギーは、任意の単位により、縦軸に沿って示されている。
【００６１】
図２Aは、量子井戸層３０と障壁層３２のバンドギャップの差の結果として、SL構造２２の量子井戸層３０に形成された電子と正孔の量子井戸を、それぞれ６２と６４で模式的に示している。Zの関数としてのSL構造２２の価電子帯の最上部のエネルギーは、量子井戸層３０と障壁層３２間の価電子帯の最上部のエネルギーの違いを表す線６６で示される。Zの関数としてのSL構造２２の伝導帯の底部のエネルギーは、量子井戸層３０と障壁層３２間の伝導帯の底部のエネルギーの違いを表す線６８で示される。量子井戸層３０の狭いバンドギャップは矢印７０で示され、そして、横の障壁層３２の広いバンドギャップは矢印７２で示される。
【００６２】
図２Aにおいては、電源５０は、pinダイオード２８の電極３４、３６間に電圧差を与えておらず、SL構造２２には電場が存在しない。量子井戸６２内の電子の許容される状態の波動関数は強く結合し、そして、SL構造２２内の電子状態に関して、そのエネルギーは、許容されるエネルギー帯を形成する。異なる量子井戸６２における、所与の許容エネルギーを有する波動関数は、共振状態になり、及び共に“融合し”、その結果、波動関数はSL構造２２内の全ての層にまたがった単一の広がった波動関数となる。電子は比較的簡単に障壁層３２を通り抜け、そして、異なる量子井戸層３０の量子井戸６２間を比較的自由に動く。結果として、電子は、実質的にSL構造２２の全ての体積（volume）内を、比較的自由に動くことが可能となる。
【００６３】
量子井戸６２内の電子の最低許容エネルギー状態の“融合した”波動関数の振幅は、図２A中の斜線が施された帯７４の幅で模式的に示されている。量子井戸の最低エネルギー状態により決定されるSL構造２２のエネルギー帯は、図２Aの斜線が施された帯７６で模式的に表されている。帯７６の幅は、エネルギー帯を規定する状態のエネルギーの広がり（energy spread）を表す。同様に、量子井戸６４内の正孔の波動関数は強く結合し、量子井戸６４内の正孔の許容される状態のエネルギー帯を規定する。正孔も、実質的にSL構造２２の全ての体積内を、比較的自由に動くことが可能である（けれども、その大きな有効重量の為に、一般的に、正孔はより遅くなり、そして、電子よりも量子井戸構造に、より閉じ込められ易い。）。量子井戸６４内の正孔の最低エネルギー状態における、Zの関数としての結合した波動関数の振幅は、斜線が施された帯７８の幅で模式的に表されている。斜線が施された帯８０は、量子井戸６４内の正孔の最低エネルギー状態のエネルギー帯を表す。
【００６４】
電場が無い場合には、電子を変調器２０の価電子帯から伝導帯に持ち上げるには、帯域８０の最上部と帯域７６の底部間のエネルギー差と等しい最小エネルギー量”E0“を必要とする。最小エネルギーE0と書かれた両頭矢印は、電子を伝導帯に持ち上げるために必要な最小エネルギーを示している。
【００６５】
本発明による一つの実施形態によれば、図２Bにおいては、電源５０は、電極３４と３６間に分離バイアス電圧を加える。分離電圧は、量子井戸６２、６４の形状を変更する電場”ε0“をSL構造２２内に生成し、そして、それぞれの量子井戸内の電子と正孔の状態の波動関数を分離させる。電場ε0の方向は、ε0と表示された白抜き矢印の方向で示され、そして、位置エネルギーはZの正の方向で増加する。電場ε0が与えられた結果、隣の量子井戸６２内の電子状態は、共振から外れる。電子の波動関数は分離され、各量子井戸６２の領域に局所化される。加えて、量子井戸６２内の波動関数のエネルギー帯の幅（例えば、図２Aに示されるエネルギー帯の幅７６、８０の幅）は減少し、そして、それぞれのエネルギー帯は、明確に規定されたエネルギーを持つエネルギーレベルになる。
【００６６】
量子井戸６２の最低エネルギー状態内の電子に対しての、“閉じ込められた”電子の波動関数の振幅は、量子井戸内に配置された、先細りした帯域９０で模式的に表される。量子井戸６２内の最低電子エネルギー状態のエネルギーレベルは、線９２で模式的に表される。
【００６７】
電場ε0が存在するとき、正孔の波動関数も同様に分離してそれぞれの量子井戸６４の範囲に閉じ込められ、正孔のエネルギー帯は、それぞれのエネルギーレベルに収束する。量子井戸６４の最低エネルギー状態にある正孔に対しての、閉じ込められた正孔の波動関数の大きさは、先細りした帯域９４で模式的に表される。量子井戸６４の最低エネルギー状態にあるエネルギーレベルは、線９６で模式的に表される。
【００６８】
図２Aに示されているものと同じ量子井戸層内で、正孔のエネルギー帯７６の中央と電子のエネルギー帯８０の中央とのエネルギー差は、対応する、図２Bに示されるエネルギーレベル９２と９６とのエネルギー差に実質的に等しい。しかし、図２Aにおけるエネルギー帯７６の最上部とエネルギー帯８０の底部との間のエネルギー差は、エネルギーレベル９２と９６の間のエネルギー差よりも僅かに小さい。結果として、電源がpinダイオード２８に分離電圧を加える時に、電子を伝導帯に持ち上げるには、僅かであるが余分のエネルギーが必要とされ、そして、先行技術と同じように、変調器２０の吸収スペクトルは青方向に偏移する。電場ε0のある状態において、E0より大きい最小エネルギーE1が、変調器２０の電子を伝導帯に持ち上げるために必要とされる。E１で表示された両頭矢印線が最小エネルギーE1を図示している。
【００６９】
本発明による一つの実施形態によれば、図２Cにおいて、SL構造２２内で電場がε1>ε0となるような電場を生成するために、電源５０は分離電圧よりも大きい電圧をpinダイオード２８に加える。電場ε1は、既にそれぞれの量子井戸３０に閉じ込められ、電場ε0によってそれぞれのエネルギーレベルに縮小されたエネルギー帯を持つ、変調器２０内の波動関数９０、９４に作用する。量子井戸６２と６４の最低エネルギー状態に閉じ込められたエネルギーレベルに対するε0からε1への電場の増加効果は、MQW変調器内の電場により生じた量子閉じ込めスターク効果と同様であることを、本発明者は見出した。図２Bに示される量子井戸６２内の電子のエネルギーレベル９２は、低エネルギーに向かって偏移し、量子井戸の底部（すなわち量子井戸が配置されている量子井戸層内の価電子帯の底部）に近づくように動く。同様に、図２Bに示される量子井戸６４内の正孔に関するエネルギーレベル９６は、低エネルギーに向かって偏移し、量子井戸の最上部に近づくように動く。（正孔のエネルギー状態は、価電子帯の最上部に向かって減少し、そして、正孔のエネルギー状態が価電子帯の最上部に近づいた時、正孔の状態は量子井戸の底部に近づく事に注意すべきである）。ε0からε1へ電場を増加することにより得られた、偏移されたエネルギーレベルは、図２Cで模式的に、エネルギーレベル１００、１０２で示される。
【００７０】
エネルギーレベル９２、９６をそれぞれエネルギーレベル１００、１０２に“変換する”エネルギー帯９２と９６の偏移は、電子を量子井戸層３０の価電子帯から伝導帯に持ち上げるために必要な最小エネルギーを減少させる。ここで最小エネルギーは、層内のエネルギーレベル１００、１０２間のエネルギー差に等しく、E2<E1の関係を持つ。エネルギー差E2は、図２CでE2と表示された両頭矢印で示される。
【００７１】
電子を量子井戸層３０の伝導帯に持ち上げるために必要なエネルギーを減少させることにより、変調器２０の吸収スペクトルは赤方偏移する。本発明による一つの実施形態によれば、赤方偏移により、従来のMQW変調器によって達成されたオン／オフ率に実質的に到達し、あるいは追い越す程のオン／オフ伝達率を変調器２０の動作波長の光に対して提供しうる事を、本発明者は見出した。
【００７２】
本出願の明細書と請求項において、 “comprise=備える”、“include=含む”、“have=持つ”の各動詞およびその活用形は、各動詞の一つあるいは複数の目的語が、必ずしも部材（members）、構成物（components）、要素（elements）、もしくは単数あるいは複数の動詞の主語の部分（parts）を完全に列挙したものではない。
【００７３】
実施形態の詳細な記述を用いて本発明を説明してきたが、これらの記載は、例証として提供されているものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。記載された実施形態は、様々な特徴を備えるが、発明の全ての実施形態でそれらの特徴全てが必要な訳ではない。本発明のいくつかの実施形態は、いくつかの特徴のみ、または特徴のいくつかの可能な組合せを利用する。当業者は、記述された実施形態の変形および記述された実施形態において指摘された特徴の組合せとは別の組み合わせを有する本発明の実施態様を思いつくであろう。本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
図面は、以下に列挙されている。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態による、SL構造を備えた光変調器の断面図を模式的に示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施形態による、図１Ａに示された光変調器と同様の光変調器による青方向への偏移に続いての赤方向への偏移を示す吸収端から実験的に決められた、グラフを示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施形態による、変調器に加えられる電場がない状態の、図１Ａに示された光変調器のSL構造の量子井戸内の電子と正孔の波動関数と許容されるエネルギー状態のエネルギーレベルを、模式的に示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、分離電圧が変調器に加えられた時の、図１Ａと２Ａに示された光変調器のSL構造内の電子と正孔の許容される波動関数とエネルギーレベルを、模式的に示す。
【図２Ｃ】図２Cは、分離電圧よりも大きい電圧が変調器に加えられた時の、図１Ａと２Ａ-２Bに示された光変調器の電子と正孔の波動関数の効果を、模式的に示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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