(57)【要約】オプトエレクトロニックデバイス、とりわけ、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）１５ａを有して電気光学効果により動作するオプトエレクトロニック変調器５ａを開示する。オプトエレクトロニック変調器デバイス５ａは、少なくとも一つの共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）１５ａを有する導波手段１０ａを備えており、このとき、加えられた電場による該デバイスの半導体材料の吸収係数の変化が動作波長において無視できる。このようにして、デバイス５ａは、導波路１０ａの屈折率を変化させる電気光学効果によってのみ概ね動作する。このため、このデバイス５ａは、位相変調器として機能することができる。デバイス１５ａは、簡略的に共鳴トンネルダイオード電気光学変調器（ＲＴＤ−ＥＯＭ）と呼ぶことにした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの共鳴トンネルダイオードすなわちＲＴＤを有する導波手段を備え、加えられた電場による該デバイスの半導体材料の吸収係数の変化が動作波長において無視できるように設けられているオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
概ね単に前記導波手段の屈折率を変化させる電気光学効果だけで動作するように構成されていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
前記半導体材料は、前記導波手段のコア層の一部を含んでいることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
１０００ｎｍ〜１６００ｎｍ、もしくは６００ｎｍ〜９００ｎｍの導波領域に用いるために適した構成とされていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
少なくとも部分的に４元ＩＩＩ‐Ｖ族半導体化合物から形成されていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
前記４元ＩＩＩ‐Ｖ族半導体化合物は、インジウム・ガリウム・アルミニウム・ヒ素とされていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項７】
請求項５に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
前記４元ＩＩＩ‐Ｖ族半導体化合物は、インジウム・ガリウム・ヒ素・リンとされていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
前記ＲＴＤの少なくとも一方の側、及び選択的には両側に、４元ＩＩＩ‐Ｖ族半導体化合物層が設けられていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
前記ＲＴＤは、少なくとも部分的にインジウム・ガリウム・ヒ素から形成されていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
一つもしくは複数の多重量子井戸を有していることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項１１】
少なくとも一つの共鳴トンネルダイオード、すなわちＲＴＤを有する導波手段を備え、動作波長での電気光学効果が共鳴的に増大させられるようなバンドギャップを持つように半導体材料が選択されているオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項１２】
少なくとも一つの入力部と、少なくとも一つの出力部と、第１ならびに第２の導波路とを備え、該第１の導波路もしくは第２の導波路の少なくとも一つが少なくとも一つの共鳴トンネルダイオード、すなわちＲＴＤを有し、加えられた電場によるデバイスの半導体材料の吸収係数における変化が、動作波長において無視できるように設けられているオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
マッハ・ツェンダ干渉計を備えていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項１４】
請求項１２に記載のオプトエレクトロニック変調器デバイスにおいて、
方向性結合器を備えていることを特徴とするオプトエレクトロニック変調器デバイス。
【請求項１５】
少なくとも一つの請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のオプトエレクトロニックデバイスを備えている通信ネットワークの基地局。
【請求項１６】
少なくとも一つの請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のオプトエレクトロニックデバイスを備えている通信ネットワーク。
【請求項１７】
半導体導波路内の電場を生じさせたり無くしたりして、電気光学効果により半導体導波路の屈折率を変えるために共鳴トンネルダイオード構造を用いる共鳴トンネルダイオード構造の使用方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の共鳴トンネルダイオード構造の使用方法において、
前記半導体導波路を、低屈折率材料によって囲まれた半導体のコアから構成することを特徴とする共鳴トンネルダイオード構造の使用方法。
【請求項１９】
請求項１７または請求項１８に記載の共鳴トンネルダイオード構造の使用方法において、
前記コア半導体を、単量子井戸ないし多重量子井戸といった半導体ナノ構造もしくは半導体化合物から選択することを特徴とする共鳴トンネルダイオード構造の使用方法。
【請求項２０】
請求項１７から請求項１９のいずれか１項に記載の共鳴トンネルダイオード構造の使用方法において、
半導体層から前記ＲＴＤを構成し、該半導体層を層間の量子力学的なトンネルを使うものにして、微分負性抵抗を持つ電流電圧特性を有するデバイスを実現することを特徴とする共鳴トンネルダイオード構造の使用方法。
【請求項２１】
請求項１７から請求項２０のいずれか１項に記載の共鳴トンネルダイオード構造の使用方法において、
共鳴トンネルダイオード構造により生じさせられたり無くされたりする屈折率を変化させる電場を光導波路内で用い、これにより、使用中に導波路内を進行する光の位相変化を制御できるようにすることを特徴とする共鳴トンネルダイオード構造の使用方法。
【請求項２２】
半導体材料内の電場を生じさせたり無くしたりして、電気光学効果により半導体の屈折率を変化させ、この結果、材料内を通過する光束の位相を制御する共鳴トンネルダイオード構造の使用方法。
【請求項２３】
量子井戸といった半導体ナノ構造および／または半導体化合の使用方法であって、前記量子井戸が、電場を生じさせたり無くしたりするのにＲＴＤと組み合わせる際に重要などの波長でも、電気光学効果を増加させるように選択されたバンドギャップを持つようにする半導体ナノ構造および／または半導体化合の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善されたオプトエレクトロニックデバイス（光電子素子）に係り、とりわけ、共鳴トンネルダイオード（RTD; resonant tunnelling diode）を備えて電気光学効果により動作するオプトエレクトロニック変調器（optoelectronic modulator）に関する。
【背景技術】
【０００２】
同じく同出願人による特許文献１としての国際公開第００／７２３８３号パンフレットは、共鳴トンネルダイオード（RTD）を備えたオプトエレクトロニック変調器デバイス（optoelectronic modulator device）、電気光学吸収効果（electro-absorption effect）に基づく該デバイスの動作について開示している。このようなデバイスは、「ＲＴＤ−ＥＡＭ」と呼ばれてきたが、特殊な用途に対してはかなりの問題に苦しむことがある。
【特許文献１】
国際公開第００／７２３８３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明の課題は、別構成のオプトエレクトロニック変調器デバイスを提供することによって、斯かる問題に対処することを模索することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、オプトエレクトロニック変調器デバイスは、少なくとも一つの共鳴トンネルダイオード（RTD）を有する導波手段を備え、かけられた電場に伴うデバイスの半導体材料の吸収係数における変化が、動作波長において無視できるように設けられている。
【０００５】
このようにして、上記デバイスは、概ね単に、導波路の屈折率を変化させる電気光学効果だけで動作できる。それ故、このデバイスは、位相変調器として機能できる。
【０００６】
上記デバイスは、簡略的に「共鳴トンネルダイオード電気光学変調器（RTD-EOM; Resonant Tunnelling Diode Electro-optic Modulator）」と呼ぶことができよう。
【０００７】
上記半導体材料は、上記導波手段のコア層の部分を備えていることが好ましい。
【０００８】
上記デバイスは、導波領域１０００〜１６００ｎｍ、もしくはこの範囲に代わる６００〜９００ｎｍでの使用に適合させることができる。
【０００９】
上記オプトエレクトロニック変調器デバイスは、少なくとも部分的に４元ＩＩＩ‐Ｖ族半導体化合物（quaternary III-V semiconductor alloy）から作られていることが好ましい。
【００１０】
４元ＩＩＩ‐Ｖ族半導体化合物は、好適には、インジウム・ガリウム・アルミニウム・ヒ素（InGaAlAs）とすることができる。この他に、４元ＩＩＩ‐Ｖ族半導体化合物は、インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（InGaAsP）とすることができる。
【００１１】
４元ＩＩＩ‐Ｖ族半導体化合物層は、上記ＲＴＤの少なくとも一方の側、さらに好ましくは両方の側に設けることができる。
【００１２】
上記ＲＴＤは、少なくとも部分的にインジウム・ガリウム・ヒ素（InGaAs）から形成することができる。
【００１３】
上記デバイスは、一つもしくは複数の多重量子井戸（MQW）を備えることができる。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、オプトエレクトロニック変調器デバイスは、少なくとも一つの共鳴トンネルダイオード（RTD）を有する導波手段を備え、動作波長での電気光学効果が共鳴的に増大させられるようなバンドギャップを持つように該デバイスの半導体材料が選択されて設けられている。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、オプトエレクトロニック変調器デバイスは、少なくとも一つの入力部と、少なくとも一つの出力部と、第１ならびに第２の導波路とを備え、該第１の導波路もしくは第２の導波路の少なくとも一つが少なくとも一つの共鳴トンネルダイオード（RTD）を有し、加えられた電場に伴うデバイスの半導体材料の吸収係数における変化が、動作波長において無視できるように設けられている。
【００１６】
一実施形態において、上記デバイスは、マッハ・ツェンダ干渉計を備えていてもよい。
【００１７】
他の実施形態において、上記デバイスは、方向性結合器（directional coupler）を備えていてもよい。
【００１８】
本発明の第４の態様によれば、通信ネットワークの基地局が設けられ、この局が、上記第１〜第３の態様による少なくとも一つのオプトエレクトロニックデバイスを有している。
【００１９】
本発明の第５の態様によれば、上記第１〜第３の態様による少なくとも一つのオプトエレクトロニックデバイスを有する通信ネットワークが設けられる。
【００２０】
本発明の第６の態様によれば、共鳴トンネルダイオード（RTD）構造が用いられ、これにより、半導体導波路内に電場が加えられたり消されたりすることで、電気光学効果により半導体導波路の屈折率が変えられるようになる。
【００２１】
上記半導体導波路は、低屈折率材料によって囲まれた半導体のコアから構成することができる。このコア半導体は、任意の半導体化合物、あるいは単量子井戸ないし多重量子井戸（MQW; Multiple Quantum Well）といった半導体ナノ構造とすることができる。
【００２２】
ＲＴＤは、層間の量子力学的なトンネル現象を利用する複数半導体層から構成することができ、これにより、微分負性抵抗を持つ電流電圧特性を有するデバイスが得られるようになっている。
【００２３】
ＲＴＤによりオン状態とオフ状態が切り替えられ、屈折率を変化させる電場は、光導波路において、該導波路内を伝播する光の位相変化を制御可能にするために用いることができる。
【００２４】
光の位相変化は、デバイス内で光をオン／オフしたり変調したりするためのマッハ・ツェンダ干渉計ならびに方向性結合器といったようなデバイス構成に利用することができる。
【００２５】
本発明の第７の態様によれば、ＲＴＤ構造が用いられ、これにより、半導体導波路内に電場が加えられたり消されたりすることで、電気光学効果により半導体導波路の屈折率が変えられ、その結果、材料を出る光束の位相が制御されるようになっている。
【００２６】
本発明の第８の態様によれば、半導体化合物、および／または量子井戸（QW; Quantum Well）といった半導体ナノ構造が用いられる。この量子井戸は、電場を切り替える（生じさせたり無くしたりする）ためにＲＴＤと組み合わせる際に重要などの波長でも、電気光学効果を増加させるように選択されるバンドギャップを持つように設けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、図面を参照しながら、単なる実例にすぎない本発明の実施形態によって説明する。
【００２８】
先ず、図１〜４を参照すると、本発明の第１の実施形態によるオプトエレクトロニック変調器デバイスが一般に符号５ａによって示されている。このデバイス５ａは、少なくとも一つの共鳴トンネルダイオード（RTD）１５ａを有する導波手段１０ａを備え、このとき、使用中、かけられた電場に伴うデバイス５ａの半導体材料２０ａの吸収係数における変化が、動作波長λｏにおいて無視できる（すなわち、何ら吸収作用の効果が無い）ように設けられている。この半導体材料２０ａは、動作波長λｏでの電気光学効果が共鳴的に増大させられるようなバンドギャップを持つように選択される。デバイス５ａは、簡略的に共鳴トンネルダイオード電気光学変調器（RTD-EOM）と名づけた。
【００２９】
このように、デバイス５ａは、概ね、導波手段１０ａの屈折率を使用中に変化させる電気光学効果だけで動作する。
従って、このデバイス５ａは、位相変調器として働く。
【００３０】
好ましい実施形態において、上記半導体材料は、インジウム・アルミニウム・ガリウム・ヒ素（In1-x-yAlxGayAs）とされ、さらに、デバイス５ａは、１０００〜１６００ｎｍの範囲の波長で動作する。
【００３１】
デバイス５ａは、基板２５ａ、第１のクラッド層３０ａ、共鳴トンネルダイオード１５ａを有するコア（導波）層３５ａ、第２のクラッド層４５ａ、及び接点層５０ａを備えている。図１から分かるように、上記第１ならびに第２のクラッド層３０ａ，４５ａ、及びコア層３５ａは、例えばエッチングなどにより、然るべくリッジ導波路形態の導波手段１０ａに構成されている。
【００３２】
コア層３５ａの半導体ナノ構造ないし半導体化合物は、バンドギャップが、導波手段１０ａ内で導かれる光の光子エネルギーよりも大きなエネルギーを持っている。この結果、屈折率に変化が生じても、吸収に関しては最小限の変化しか生じない。
【００３３】
接点層５０ａは、高濃度ドープされた半導体とされている。第１ならびに第２のクラッド層３０ａ，４５ａは、コア層３５ａよりも低い屈折率を有する半導体からなり、そのため、ＩｎＡｌＡｓで形成することができる。コア層３５ａは、クラッド層３０ａ，４５ａよりも高い屈折率を有し、変調されるべき光の光子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有している。コア層３５ａは、例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓの化合物とすることができよう。
【００３４】
ＲＴＤ１５ａの層は、デバイス５ａの電流‐電圧特性に微分負性抵抗領域を生じさせる量子力学的なトンネル構造が形成されるようにコア層３５ａ内に組み込まれている。例えば、ＲＴＤ１５ａは、本実施形態において、２ｎｍのＡｌＡｓ層、６ｎｍのＩｎＧａＡｓ層、及び２ｎｍのＡｌＡｓ層から構成されている。
【００３５】
コア層３５ａの化合物ないし半導体ナノ構造は、動作波長λｏでの電気光学効果が増大させられるように選択されたバンドギャップを有することができる。例えば、変調されるべき光の波長が１５５０ｎｍであれば、ＩｎＡｌＧａＡｓのような化合物は、格子が基板（例えばＩｎＰ）に一致するようなＩｎ、Ａｌ、Ｇａ、及びＡｓの割合が選択され、さらに、１５５０ｎｍにおける光子エネルギーより僅かに大きなバンドギャップを生じさせるものでなければならない。これにより、１５５０ｎｍでの光吸収が最小化されることになる一方で、電気光学効果が共鳴的に増大させられることになる。
【００３６】
導波手段１０ａ内において、コア層３５ａ内に現れる電場が存在するのは、ＲＴＤ１５ａがピーク電流から最小電流に切り替えられるときである。この電場が電気光学効果により屈折率を変化させる。この屈折率の変化は、導波手段１０ａ内を導かれる光の位相を変える。このようにして光の位相変調が引き起こされ、多くの用途にこの位相変調を用いることができる。
【００３７】
図４から分かるように、動作波長λｏでの半導体材料２０ａの吸収係数αは、事実上ゼロであり、従って、電気光学吸収効果は、デバイス５ａを動作させる際に寄与しない。
【００３８】
さて、図５を参照すると、本発明の第２の実施形態によるオプトエレクトロニック変調器デバイスが図示されており、全体的に符号５ｂで示されている。このデバイス５ｂは、マッハ・ツェンダ干渉計を備え、入力部１００ｂ、出力部１０５ｂ、及び、これらの間の第１ならびに第２の導波路１１０ｂ，１１５ｂが設けられている。少なくとも上記第１の導波路１１０ｂ、それも好ましくは導波路１１０ｂ，１１５ｂの両方は、上述した第１の実施形態によるデバイス５ａを備えている。従って、デバイス５ａは、位相変調を行う。分枝部分内の位相変化は、該分枝部分の導波路１１０ｂ，１１５ｂを横切る電場によって生み出され、この電場は、ＲＴＤ１５ａによってオン状態とオフ状態に切り替えられる。
【００３９】
入力部１００ｂで光信号を入力すると、この光信号は、第１ならびに第２の導波路１００ｂ，１１５ｂ間で分離することができ、第１の導波路１００ｂを通過する一部の信号は、位相変調され、その結果、出力部１０５ｂにて再び結合される光信号は、強度が変調される。
【００４０】
次に図６を参照すると、本発明の第３の実施形態によるオプトエレクトロニック変調器デバイスが図示されており、一般に符号５ｃで示されている。このデバイス５ｃは、方向性結合器を備え、第１ならびに第２の入力部１００ｃ，１０１ｃ、第１ならびに第２の出力部１０５ｃ，１０６ｃ、及び、これら入力部と出力部のそれぞれの間の第１ならびに第２の導波路１１０ｃ，１１５ｃが設けられている。少なくとも上記第１の導波路、それも好ましくは導波路１１０ｃ，１１５ｃは、上述の第１の実施形態によるデバイス５ａを備えている。
【００４１】
入力部１００ｃで光信号を入力すると、光信号は、第１もしくは第２の出力部１０５ｃ，１０６ｃの間で位相変化に応じてそのまま真直ぐ通されるか切り替えられることになる。この位相は、導波路１１０ｃ，１１５ｃを横切る電場によって変えられ、上記電場は、導波路１１０ｃ，１１５ｃ内のデバイス５ａのＲＴＤ１５ａによってオン状態とオフ状態に切り替えられる。
【００４２】
これまで述べてきた本発明の実施形態は、単に一例によって示されたものであり、決して本発明の観点を限定することを意味するものでないことは分かるであろう。
【００４３】
本発明の基本的な考え方は、電気光学効果を介して電場により生じるデバイスの半導体材料内での屈折率変化（このとき光吸収効果が実質最小限のゼロ）を利用し、これにより、光の位相、ならびに必要に応じて光の強度の変調が得られるようにするという点にあることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態によるオプトエレクトロニック変調器デバイスを端面から見た概略的な断面図である。
【図２】電場がかけられていないときの、図１のデバイスの製造に使われるウェハ構造を横切るバンド端を示す概略図である。
【図３ａ】付加電場が与えられていないときの、図２のウェハ構造の一部を横切るバンド端を示す概略断面図である。
【図３ｂ】付加電場が与えられたときの、図２のウェハ構造の一部を横切るバンド端を示す概略断面図である。
【図４】所定の半導体材料において、波長（λ）に対する吸収（α）をグラフで表した図である。
【図５】本発明の第２の実施形態によるオプトエレクトロニック変調器デバイスを概略的に示す上面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態によるオプトエレクトロニック変調器デバイスを概略的に示す上面図である。
【符号の説明】
【００４５】
５ａ，５ｂ，５ｃ・・・オプトエレクトロニック変調器デバイス
１０ａ・・・導波手段
１５ａ・・・共鳴トンネルダイオード
２０ａ・・・デバイス５ａの半導体材料
２５ａ・・・基板
３０ａ・・・第１のクラッド層
３５ａ・・・コア層
４５ａ・・・第２のクラッド層
５０ａ・・・接点層
１００ｂ・・・入力部
１０５ｂ・・・出力部
１１０ｂ・・・第１の導波路
１１５ｂ・・・第２の導波路
１００ｃ・・・第１の入力部
１０１ｃ・・・第２の入力部
１０５ｃ・・・第１の出力部
１０６ｃ・・・第２の出力部
１１０ｃ・・・第１の導波路
１１５ｃ・・・第２の導波路
【図１】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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2004524589.tif 000009
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2004524589.tif 000017
2004524589.tif 000018
2004524589.tif 000019
2004524589.tif 000020
2004524589.tif 000021
2004524589.tif 000022
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004524589.tif 000023
2004524589.tif 000024
【国際調査報告】
2004524589.tif 000025
2004524589.tif 000026
2004524589.tif 000027