結合多重量子井戸構造による多波光制御に関する研究

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1.本研究は、光通信・光情報処理の分野で渇望されている高速で低消費電力で動作する光スイッチ・光変調器に関する。井戸幅の異なる多数の量子井戸を薄い障壁層を挟んで重ねたGaAs/AlGaAs非対称結合多重量子井戸構造を作製し、その光応答特性を評価することによって、特定波長の光を制御光とし複数の波長の信号光の高速変調を可能にするための素子構造の最適化を図ることを目的とする。2.本研究で提案するデバイスは光励起された電子と正孔のトンネル効果の差異による電荷分離に基づく内部電界が誘起する量子閉じこめシュタルク効果ならびに準位の共鳴・非共鳴現象による波動関数の変化(光学的振動子強度の変化)を利用する新しい動作原理に基づくものであり、立ち上がり速度は電子のトンネル速度によって決定される。フェムト秒レーザによるポンプ・プローブ法により立ち上がり速度2-3ピコ秒が得られることを明らかにした。3.単一デバイスにおける多波動作を確認するため、応答特性の波長依存性を評価した。それぞれの量子井戸の特性波長における応答特性はトンネル効果による電子の増減を反映し異なる非線形性を示すことが見出された。4.量子井戸構造を光スイッチとして用いる場合、立ち下がり時間は励起されたキャリアの寿命によって決まる。本デバイスでは数ナノ秒であった。試料にp形層を導入し、活性層をp-i構造に埋め込むことによってあらかじめ電界を付与し、光励起による電界の緩和現象をスイッチ動作に適用したところ立ち下がり時間は60-80ピコ秒と2桁近い短縮が達成された。