JP2002519842A - フォトニック集積回路用の双導波管べースの設計 - Google Patents

フォトニック集積回路用の双導波管べースの設計

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ゴカール，ミリンド・アール
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ザ トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシテイ
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Abstract

(57)【要約】 非対称型双導波管（エイテージー）構造（１１）は対称型双導波管構造にあるモード間干渉の負の効果を著しく減少させそしてそれは種々の光学的素子に実現するために有効に使用出来る。本発明の該エイテージー構造（１１）はエピタキシアルの再成長の必要なしに１つのエピタキシアル構造上にモノリシックに作ることが出来る。該エイテージー内の受動的導波管の実効屈折率は、伝播の偶数及び奇数モードの１つのモードが主として該受動的導波管内に閉じ込められ相手方が能動的導波管（７１）内に閉じ込められよう、対称型双導波管のそれからは変えられる。２つのカプルされた導波管の異なる実効屈折率は偶数及び奇数モードが非常に非対称型になる結果を産み出す。該能動的導波管（７１）内のより大きい閉じ込め係数を有するモードはより高い利得を経験し、支配的になる。更に、該受動的導波管（１２５）を通る光の伝送用に或る周波数を選択するためにグレーテイング領域が該受動的導波管（１２５）の頂部に組み込まれる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関係出願】
本発明は、その主題が全体としてここに組み込まれる１９９８年６月２４日出
願の「フォトニック集積回路に用いる双導波管ベースの設計」の名称の米国仮出
願第６０／０９０、４５１号に関する。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は光学的通信の分野に関し、特にフォトニック集積回路（photonic int
egrated circuits）に於ける導波管（waveguide）の設計に関する。
【０００３】
【発明の背景】
フォトニック集積回路｛ピーアイシー（PIC）｝は複雑な光学的回路を形成す
るために益々使用される集積技術のプラットフオームを提供している。該ピーア
イシー技術は、能動的及び受動的双方の、多くの光学的素子が１つの基盤上に集
積されることを可能にする。例えば、ピーアイシーエスは集積化されたレーザー
、集積化された受信器、導波管（waveguides）、検波器、半導体光学的増幅器（
semiconductor optical amplifiers）｛エスオーエイ（SOA）｝、そして他の能
動的及び受動的半導体光学的素子を含んでもよい。ピーアイシー内での能動的及
び受動的素子のこの様なモノリシック（monolithic）な集積化は光学的通信での
使用のために有効な集積技術のプラットフオームを提供する。
【０００４】 特に多用途のピーアイシーのプラットフオーム技術は能動的及び受動的導波管
が極微電界カプリング（evanescent field coupling）を用いて垂直方向カプラ
ー形状（vertical directional coupler geometry）で組み合わされる集積化（i
ntegrated）双導波管（twin waveguide）｛テージー（TG）｝構造である。公知
の様に、該テージー構造は上に能動的及び受動的素子が成層され作られる構造を
作るために１つのエピタキシアル成長過程（epitaxial growth step）を必要と
するだけである。すなわち、テージーは、各々が種々のレイアウトと部品を有す
る種々のピーアイシーエスが同じベースウエーハから作られ得るプラットフオー
ム技術を提供する。全ての集積される部品は成長後のパターン化により規定され
、エピタキシアル再成長（epitaxial re-growth）の必要性を除いてくれる。加
えて、テージーベースのピーアイシーの能動的及び受動的部品は、該ピーアイシ
ー上の素子の配置と種類を決定するために使用される成長後の処理過程で別々に
最適化出来る。
【０００５】 しかしながら、従来のテージー構造は、導波管カプリング（waveguide coupli
ng）が光学的モード間の相互作用により素子長さに強く左右される欠点を蒙って
いる。従来技術のテージー構造の共通の問題は該素子構造自身内の変動に対する
感度の結果としてレーザーしきい値電流と受動的導波管へのカプリングとを制御
する能力に比較的欠けていることである。該感度変動は従来のテージー構造での
伝播の偶数及び奇数モード間の相互作用から起こる。この相互作用は該レーザー
キャビテイ（laser cavity）内の建設的及び破壊的干渉へ導き、それは該素子の
該しきい値電流（threshold current）、モード利得（modal gain）、カプリン
グ効率（coupling efficiency）及び出力カプリングパラメータ（output coupli
ng parameter）に影響する。該しきい値電流はそれを上回ると該レーザーがレー
ザー動作する電流を表し、該モード利得は該レーザー小平面（laser facets）間
の媒質を通って進むことにより達成される利得であり、そして該カプリング効率
は該光学的素子内の能動的及び受動的領域間の光学的電力(optical power)伝達
のパーセンテージであることを記しておく。要するに、従来型テージー構造はレ
ーザーキャビテイの長さ、偶数／奇数モード相互作用及び積層構造内の変動によ
る動作特性で不安定な感度の難点がある。
【０００６】 変型されたテージー構造がフオレスト他（Forest et al.）への米国特許第５
、８５９、８６６号で開示されたが、それは該従来型テージー構造の動作問題の
幾つかに向けられており、それは上及び下の導波管の間に吸収層（又は損失層）
を追加し、それにより該偶数モードに追加的損失を導入することによりそれの奇
数モードとの相互作用が減衰されることに依っている。ここに説明される本発明
と共通の発明者を含むその特許は引用によりここに組み入れられる。該’８６６
特許に説明された該変型されたテージー構造は、等しい実効屈折率の能動的及び
受動的導波管を作ることにより各導波管層内で該能動的及び受動的両モード用に
比較的等しい閉じ込め係数（confinement factor）を有するよう設計されている
。該最終閉じ込め係数は比較的同じであるが、それは該偶数及び奇数の光学的モ
ードは該能動的及び受動的導波管内で比較的等しく分割されるからである。該変
型されたテージー構造での該吸収層は該偶数モード上でのレーザー動作を抑制し
、それにより該テージーカプリング効率をレーザーキャビテイ長さから独立した
ものにさせている。該吸収層は実質的に該偶数モードの伝播を除去する一方、該
奇数モードへは最小の影響しか有しない。該吸収層による偶数モード伝播の実質
的な除去に伴い、モードの相互作用は大幅に除去され、該しきい値電流、モード
利得、カプリング効率及び出力カプリングの様な動作パラメータへの影響のない
光学的電力伝達となる。
【０００７】 しかしながら、該’８６６特許の該変型されたテージー構造は、光学的通信シ
ステム用に設計されたピーアイシーエスでの重要な部品である進行波光学的増幅
器（traveling-wave optical amplifier）｛テーダブリューエイ（TWA）｝を有
する素子では有効ではない。テーダブリューエイとして動作する吸収層を有する
テージー素子では、該能動的領域を通る１回の通過（the single pass through
the active region）での追加的吸収は該偶数モードを除去するには不充分であ
る。レーザーとテーダブリューエイエスと双方を集積化するために有効に使用出
来る共通の光学的構造を持つことが望まれる。
【０００８】 従って、進行波光学的増幅器（テーダブリューエイ）で使用するための比較的
簡単で、費用効果のある集積化企画を提供する必要性が光学的通信の技術の中に
ある。
【０００９】 更にレーザーと進行波光学的増幅器（テーダブリューエイ）とで安定性を保証
する双導波管（テージー）構造を提供する必要性が当該技術に存在する。
【００１０】 更に随伴カプリング損失（concomitant coupling loss）なしにモード的干渉
の負の効果を可成り減少させるテージー構造を提供する必要性が当該技術に存在
する。
【００１１】 更に、１つのエピタキシアル構造上でモノリシックに作られ得る前記利点を有
するテージー構造を提供する必要性が当該技術に存在する。
【００１２】
【発明の概要】
本発明はモード的干渉の負の効果を可成り減少させる非対称型双導波管｛エイ
テージー（ATG）｝構造を提供するがそれはレーザーと進行波光学的増幅器（テ
ーダブリューエイ）の両者を実現するために有効に使用され得るものである。本
発明の該エイテージーは該レーザーと該テーダブリューエイでの安定性を有利に
保証する。加えて、本発明の提供するエイテージーはエピタキシアル再成長の必
要なく１つのエピタキシアル構造上にモノリシックに作ることが出来る。最も重
要なことは、本発明の該エイテージーは応用の広いプラットフオーム技術であり
、それにより各々が種々のレイアウトと部品とを有する種々のピーアイシーエス
が同じベースウェーハから作られることが可能で、実質的なモード利得とピーア
イシー部品間の無視出来るカプリング損失とをもたらすように従来の半導体処理
技術で変型され得るのである。
【００１３】 本発明の該エイテージー構造の実施例では、該エイテージーの受動的導波管の
１つの実効屈折率（effectiove index）は、伝播の偶数及び奇数モードの１つの
モードが受動的導波管に主として閉じ込められ、相手方のモードが該能動的導波
管に閉じ込められるように、対称型双導波管のそれから変えられる。結果として
、該能動的導波管内でのより大きい閉じ込め係数（confinement factor）を有す
るモードはより高い利得を経験し、支配的になる。
【００１４】 図解される実施例では、１．５５μｍの波長のインジウムガリウム砒素リン／
インジウムリンの多数量子ウエル（multiple quantum well）｛エムキューダブ
リュー（MQW）｝レーザーと進行波光学的増幅器（テーダブリューエイ）とのモ
ノリシックな集積化が本発明の該エイテージー構造を用いて達成される。該レー
ザーと該増幅器とはガス源分子ビームエピタキシーにより成長された同じ変形さ
れた（strained）インジウムガリウム砒素リンのエムキューダブリュー能動的層
を共有し、一方下にある受動的導波管層は該能動的素子間のオンチップの光学的
相互接続用に使用される。この特定の実施例では、該受動的導波管は該能動的導
波管よりも高い実効屈折率を有し、該偶数及び奇数モードは高度に非対称型とな
る。該導波管用に選ばれた材料の厚さと屈折率の適切な組み合わせが実効屈折率
の修正となる。該エイテージー構造は該偶数と奇数のモード間を差別するために
モード的利得の差を利用する。
【００１５】 更なる実施例では、モノリシックに集積化された素子の能動的導波管は従来の
半導体エッチング技術により横方向にテーパを付けられる。該能動的導波管の該
テーパを付けられた領域は、能動的及び受動的素子の接合部で、該受動的導波管
と該能動的導波管の間の光学的エネルギーの共振的又は断熱的カプリングにより
カプリング損失を減少させるのを助ける。結果として、該モード的利得は対称型
テージー構造と比較して著しく、テーパを付けられないエイテージー構造でのカ
プリング損失は無視可能なレベルに減少する。
【００１６】
【詳細な説明】
背景で言及したように、フォトニック集積化への双導波管の取り組みは、各々
が種々のレイアウトと部品を有する、種々のピーアイシーが同じベースウェーハ
から作ることが出来るのでウェーハが１回のエピタキシアル成長過程で成長する
多用途向きのプラットフオーム技術を示す。典型的には、上層は利得を有する能
動的素子｛例えば、レーザー、エスオーエイエス（SOAs）｝用に使用されるが、
より大きいバンドギャップエネルギー（bandgap energy）を有する下部層は該能
動的素子（含む複数素子）により発生される光学的エネルギーのエッチングされ
た導波管を介してのオンチップ操作（on-chip manipulation）用に使用される。
この様なテージー構造化されたピーアイシーを用いて、半導体光学的増幅器（エ
スオーエイエス）、フアブリ−ペロー（Fabry-Perot）そして１周波数分布型ブ
ラグ反射器（single frequency distributed Bragg reflector）｛デービーアー
ル（DBR）｝レーザーの様な能動的部品が、Ｙ分岐及び多数ビームスプリッター
（Y-branches and multi-beam splitters）、方向性カプラー、分布型ブラグフ
イードバックグレーテイングセクション（distributed Bragg feedback grating
sections）、多数モード干渉｛エムエムアイ（MMI）｝カプラーそしてマッハゼ
ーンダー（Mach-Zehnder）変調器の様な受動的部品と集積化出来る。
【００１７】 前に言及したように、該簡単なテージー構造化されたピーアイシーには光学的
モード間の相互作用により、導波管カプリングと素子長さの間の強い依存性の難
点がある。テージーレーザー用には、この問題は米国特許第５、８５９、８６６
号を相互引用して開示した様に、上層及び下層導波管の間に吸収層を追加するこ
とにより取り組まれた。この様な挿入吸収層は該偶数モードへの追加損失を招来
し、それにより該奇数モードとの相互作用を減衰させる。しかしながら、損失層
の考えは１回通過型（single-pass）、又は進行波光学的増幅器（テーダブリュ
ーエイ）へは有効には適用出来ず、そこでは該偶数及び奇数の両モードが考慮さ
れねばならない。テーダブリューエイを組み込むテージー構造では、該能動的領
域の１回の通過での追加的吸収は該偶数モードを除去するには不充分であり、そ
れはテーダブリューエイでは該半導体レーザーの両小平面で反射率（reflectivi
ty）が抑制されるからである。
【００１８】 従って、テージーでのモード選択への新しい、より有利な取り組みをここで開
示する−すなわちテーダブリューエイとレーザーで有効に利用出来る非対称型双
導波管構造である。上記説明の様に、対称型テージーでは、各導波層（waveguid
ing layer）内の偶数及び奇数の両モードについて等しい閉じ込め係数（confine
ment factors）が存在する。これは該導波管間の概略完全な電力伝送を可能にし
そしてエッチングされた半小平面での最大出力カップリングは何れのモード用に
も５０パーセントである。他方、本発明の非対称型双導波管（エイテージー）構
造では、受動的又は能動的導波管層の実効屈折率は対称型テージー構造で使用さ
れるそれに比較して変化される。実効屈折率を異ならせる結果として、該偶数及
び奇数モードの伝播は該導波管の間で等しくなく分割される。この不等分割は図
１でグラフ式に示されるが、該図は本発明のエイテージー構造のモード的インテ
ンシテイ（modal intensity）と屈折率プロフアイルとを図解している。図で分
かる様に、この特定の場合に、奇数モードは主として能動的導波管に閉じ込めら
れる一方、偶数モードは受動的導波管へより強く閉じ込められる。又該図は、下
記で説明される本発明の図解的実施例に対して、能動的導波管内の量子ウエル内
の両モード用の計算閉じ込め係数（calculated confinement factor）（ΓQW）
とそれらの受動的導波管へとカップリング係数とを示す（それぞれ奇数及び偶数
モード用にCo、Ce）。
【００１９】 本発明のエイテージー構造を用いると、奇数モードは該エッチングされた小平
面でより高い利得と反射率とを有し、それ故にエイテージーレーザーで支配的に
なりやすい。従って、この様なエイテージーレーザーには、対称型テージーで必
要な該吸収層は是認されない（not warranted）。しかしながら、該エイテージ
ーの能動的導波管で実施された進行波光学的増幅器（テーダブリューエイ）につ
いては状況はより複雑であり、それは両モードが考慮されねばならないからであ
る。光が該エイテージーテーダブリューエイ部分に入ると、それは、受動的導波
管の該モードに対応するモードのオーバラップインテグラル（overlap integral
s）に等しい振幅カプリング係数、CeとCoとを有する偶数（e）及び奇数（o）モ
ードに分かれる。同じカプリング係数は該テージー部分の終端にも適用される。
利得飽和効果を無視して、全入力−出力電界伝送比（total input-to-output el
ectric-field transmission ratio）は下記となる。
【００２０】 Eout/Ein=Ce 2exp(Γe QWgL/2)+Co 2exp(Γo QWgL/2)exp(iΔk・L) ここでgは該量子ウエルスタック（quantum well stack）の利得、Lは該テージー
部分の長さ、そしてΔk・Lはそれらの僅かに異なる伝播定数による該増幅器出力
での該偶数及び奇数モード間位相差である。充分に大きいgLについては、該奇数
モードは該偶数モードより遙かに大きく増幅され、位相に無関係に該テーダブリ
ューエイ出力を支配する。この場合には、該偶数モードは無視出来て、該入力−
出力の電力利得は下記となる。
【００２１】 Pout/Pin=Co 4exp(Γo QWgL) 従って、本発明の該エイテージー構造は該モードを差別するために損失層よりも
寧ろ利得を利用する。これはモード干渉効果を減少させることによりエイテージ
ーレーザーとテーダブリューエイエスの両者の安定性を保証する。
【００２２】 本発明の図解実施例が図２に略図的に描かれている。該図解されたエイテージ
ー構造１１では、図で垂直断面で示される様に、２つの積み重ねた導波管層６１
と７１とが被覆層（cladding layers）３１と４１とで分離されている。該能動
的導波管７１は高利得用に多数量子ウエル（multiple quantum wells）１１５を
組み込んでいる。例示的実施例用に、６つのこの様な量子ウエルが選択され、該
能動的導波管はレーザーとエイテージーとを実現している。垂直小平面（vertic
al facets）１５０と１６０とが該レーザーと該エイテージー用に該能動的導波
管内に形成されている。受動的領域６１は該能動的導波管から放射される光の伝
播用に受動的導波管１２５を組み込んでいる。該導波管層の屈折率と厚さとは、
それぞれ奇数及び偶数モード用の受動的導波管内の閉じ込め係数の３０：７０の
比を達成するように選ばれる。最終の量子ウエル閉じ込め係数は奇数モード用が
１１％そして偶数モード用が５％である。
【００２３】 図３に略図的に描かれたこの図解エイテージー構造の製作は硫黄ドープされた
（１００）ｎ＋インジウムリン基盤上でガス源分子ビームエピタキシー（gas-so
urce molecular beam epitaxy）を使用して行われる。エピタキシアルな成長の
後、該レーサーとエイテージーの能動的領域はプラズマ蒸着されたSiNχの３０
００オングストロームの厚さの層を使用してマスクされる。そのマスクされてな
い範囲が該第１導波管の底まで０．８Ｗ／ｃｍ2でのCH4:7H2のプラズマで反応式
イオンエッチングを使用してエッチングされる（etched）。このエッチングは該
素子の受動的領域からその上部導波管層と量子ウエルとを取り除き、同時に該レ
ーザー及びテーダブリューエイ用の該垂直小平面（図２の１５０と１６０）を形
成する。
【００２４】 次いで峰部導波管（ridge waveguide）を規定するために第２の５μ幅のSiNχ マスクが使用される。この峰部（図３に示す）は該レーザー部分内の該エッチン
グされた小平面に直角に走りそして該増幅器内への光学的フイードバックを防止
するために両テーダブリューエイ小平面に於いて法線位置から７度の角度にチル
トされる。該峰部導波管は、インジウムガリウム砒素リン用には1H2SO4:1H2O2:1
0H2Oを、インジウムリン用には3HCl:1H3PO4を使用して材料選択的湿式エッチン
グにより形成される。該峰部は約３．８μｍ幅で、１つの横方向モードをサポー
トする。該能動的及び受動的領域での該峰部高さは異なっており、２つのインジ
ウムガリウム砒素リンのエッチストップ層（etch-stop layer）により制御され
ている。該湿式エッチングプロセス中、該レーザー及びテーダブリューエイの乾
式エッチングされた小平面は該垂直壁上で連続する峰部マスクにより保護される
。分離SiNχの蒸着に続いて、該ウェーハはホトレジストでスピンコートされる
が、該ホトレジストは次いで該峰部の頂部が露出されるまでO2プラズマで中でエ
ッチングされる。次いで該SiNχは該峰部から除去され、該ホトレジストの除去
が追従する。次の過程で、p及びn接触部（p- and n- contacts）がそれぞれTi/N
i/Au(200/500/1200オングストローム）とGe/Au/Ni/Au（270/450/215/1200オング
ストローム）を使用して電子ビーム蒸着される。最後に、後部レーザー小平面と
該テーダブリューエイ出力導波管が劈開される（cleaved）。
【００２５】 これまで説明した本発明の該エイテージー構造に於いて、該２つの光学的モー
ド（奇数と偶数）用の閉じ込め係数は該能動的及び受動的導波管の間で等しくな
く分割される。結果として、該モードの１つは該受動的導波管内に主として閉じ
込められそして相手方は該能動的導波管内に閉じ込められる。上の導波管内に主
として含まれるモードはより大きな利得を経験し支配的になる。かくして、該エ
イテージー構造は対称型テージー構造に勝る、利得の有利さと、一般により高い
安定性とを提供する。しかしながら、又該エイテージー構造は該対称型テージー
で経験するよりも比較してより大きいカプリング損失を生ずる。該エイテージー
構造のより高い利得はカプリング損失でのこの比較しての欠点を埋め合わせるよ
り以上である一方、より低いカプリング損失を有するエイテージー構造を提供す
ることは望ましい。その目的に、エイテージー内で能動的から受動的導波管へと
その逆との間でカプリング電力の効率を改善する本発明の更に進んだ実施例をこ
こで開示する。
【００２６】 特に本発明のこの更に進んだ実施例は該能動的領域とその隣接する受動的領域
の間のカプリングを誘導するために該能動的導波管に横方向テーパを付ける。こ
の実施は該導波管層間のカプリング損失を著しく減ずる一方、該能動的領域内の
主モード用の絶対利得（absolute gain）を維持する。能動的導波管上のテーパ
と組み合わされたこの様なエイテージーの動作は前には複雑なエピタキシアル再
成長プロセスを使用してのみ可能だった素子の動作に匹敵する。
【００２７】 図４を参照すると、本発明のエイテージーテーパカプラーの例示的実施例が示
されている。図４の例示的エイテージー構造１１は、下部の受動的層のそれより
も高い実効屈折率を有する上部の能動的層内の２．４μｍ幅の浅い峰部導波管を
組み込んでいる。従って、伝播の偶数モードは該多数量子ウエルの能動的領域内
で高い閉じ込め係数を有する。この条件下で、フアブリーペローレーザー（Fabr
y-Perot laser）の偶数モードのみが著しい利得を受ける。この増幅されたモー
ドの利得領域終端の該受動的層内へのカプリングは、該能動的層を通しての該導
波管峰部のエッチ深さを増すことにより達成され、横方向テーパ領域８１により
追従される高コントラスト横方向導波管を形成する。該例示的実施例用には、指
数関数状テーパが使用され、それは直線形テーパよりも少ないモード変換損失を
有する。しかしながら、多数断面テーパのみならず、他の形のテーパも該能動的
導波管内に組み込まれてもよくそしてそれは本発明の考慮の中に入っていること
は理解されるべきである。
【００２８】 該例示的実施例用の１．１μｍのテーパを付けられた導波管幅に於いては、該
二つの導波管の実効屈折率は整合され、該電力は該下部導波管内にカプルされる
。該テーパが更に狭まると、その実効屈折率は該受動的導波管のそれよりも小さ
くなり、結果として該モードを該下部層内に拘束する。このカプリング配備は該
テーパを付けられてないエイテージー構造が強く非対称型に留まる限り小さな波
長変化には非常に不感応性である。
【００２９】 該例示的エイテージーテーパカプラーの製作は下記の様であり、すなわち、イ
ンジウムガリウム砒素リンの受動的導波管６１がｎ＋ドープされた（１００）イ
ンジウムリン基盤５１上に最初に成長させられる。該受動的導波管６１は０．５
μｍの厚さであり、１．２μｍのエネルギーギャップカットオフ波長λgを有す
る。０．５μｍの厚さのインジウムリン被覆層４１は１．２μｍのエネルギーギ
ャップカットオフ波長のλgを有するインジウムガリウム砒素リンの能動的導波
管７１により追従される。該能動的導波管７１は６つの、１３５オングストロー
ムの厚さの、１％圧縮変形され、２２８オングストロームのバリヤで分離された
、インジウムガリウム砒素リンの量子ウエルを組み込む。インジウムリン頂部被
覆層３１が１．２μｍの厚さに成長させられ、次いで０．２μｍの厚さのp+イン
ジウムガリウム砒素リン接触部層２１が該頂部被覆層３１の頂部上に成長させら
れる。
【００３０】 一旦該ベースとなる双導波管構造が成長させられると、両端にテーパを有する
レーザー峰部導波管はSiNχマスクを用いて０．８Ｗ／ｃｍ2でCH4/H2（１：７）
プラズマ内でエッチングされる。該１．２μｍの高さの峰は該能動的導波管の上
約０．２μｍで終了する。次ぎに、該レーザーの利得領域をカバーするが該テー
パはカバーしないように第２の広幅のSiNχマスクが追加される。エッチングは
該能動的導波管を通して続けられ該テーパと該エッチングされた小表面を規定す
るが、後者は望ましくない反射を防止するために該導波管縦軸線から７度の角度
でチルトされる。次ぎに、７００ｎｍの高さの受動的峰部がパターンを付けられ
、エッチングされ、下部導波管内へ０．２μｍ延びている。エッチング後、３０
００オングストロームの厚さのSiNχ電気的分離層が蒸着され、それに自己整合
されたホトレジストプロセスを用いてパターンを付けられたTi/Ni/Au（２００／
５００／１２００オングストローム）ｐ接触部が追従する。最後に該ウエーハは
約１００μｍに薄くされそしてGe/Au/Ni/Au（２７０／４５０／２１５／１２０
０オングストローム）ｎ接触部が蒸着されそして摂氏３６０度でアニールされる
。
【００３１】 発明者は該テーパカプラーによる該集積素子内の追加的損失は無視出来ること
を実験的に結論付けた。又実験結果はLA=2.05mmを有する集積化レーザーを備え
たエイテージーテーパカプラーは小平面当たり２４％の傾斜効率（slope effici
ency per facet）を有して約３５ｍＷ以下の出力電力を生じたことを示している
。赤外線ビデオカメラを用いた該小平面の画像形成では該電力の殆ど全ては該導
波管から放射され、非常に少しの光が該テーパを付けられた領域から散乱される
ことを示している。
【００３２】 更に進んだ実施例では、該受動的導波管の頂部にグレーテイング領域（gratin
g region）が組み込まれた。グレーテイング領域は従来受動的導波管上にエッチ
ングされるか又は形成されそして３角形の先端を有するよう形付けられるか又は
繰り返しパターンを有する形で正弦波状又は長方形状とすることが出来た。該グ
レーテイング領域は、該受動的導波管を通しての光の伝送用に或る周波数を選択
するために使用される。該グレーテイング領域の周期を選択的に調節することに
より、反射されるべき周波数が選択出来る。
【００３３】 本発明は又、受動的層内に形成された導波管により相互接続された、かつ、各
能動的から受動的への接合部にあり隣接部分間の光の低損失光学的カプリングを
提供するテーパを利用した、能動的部品としてレーザーとテーダブリューエイを
使用して、他の集積化された素子内で実施されることも可能である。
【００３４】
【結論】 ２つの伝播モードの１つを選択するために利得を利用する新しい、非対称型の
双導波管（エイテージー）構造を使用した、モノリシックで集積化されたインジ
ウムガリウム砒素リンのエムキューダブリュー（MQW）レーザーと光学的増幅器
がここで開示された。該エイテージー構造は進行波増幅器（テーダブリューエイ
）で有効に利用され得るが、そこでは１７ｄＢまでの内部利得性能と低利得リッ
プルとが得られる。
【００３５】 該エイテージー構造は、該能動的及び受動的導波管間で２つの光学的モードが
等しくなく分割される点で従来技術の対称型双導波管構造と異なる。これは該導
波管の実効屈折率を対称型モード条件で要求されるそれから僅かに変えることに
より達成される。結果として、該モードの１つは該受動的導波管へ主に閉じ込め
られる。能動的導波管内のより大きい閉じ込め係数を有するモードはより高い利
得を経験し、主モードとなる。対称型構造内のそれと比較して該主モード用のよ
り小さいカプリング比は、その中の該能動的領域の、該対称型テージーのそれよ
り大きいその閉じ込め係数によるそのモード用のより高い利得により埋め合わせ
される。
【００３６】 本発明の該エイテージー構造は１回の材料成長過程を使用し、その過程に該テ
ージー構造の上部及び下部導波管内に能動的及び受動的素子を描く（delineate
）乾式及び湿式エッチング過程が追従する。
【００３７】 更に進んだ実施例では、本発明の該エイテージー構造は、エイテージーを用い
て可能なより高い利得を維持する一方該エイテージー構造で作られる能動的及び
受動的素子間のカプリング損失を減ずるためにテーパカプラーと集積化される。
【００３８】 本発明は種々の図解実施例で説明されたが、本発明をここで開示した精確な実
施例に限定することは意図されてない。従って、この説明は図解用のみと解釈さ
れるべきである。この技術の当業者は種々の変更や変型を行うことが可能である
がそれは本発明の範囲と精神とから離れるものではない。それ故に、本発明の範
囲は付属する請求項とその等化物により規定され、保護されるものである。該請
求項の範囲内の全ての変型の排他的使用が留保されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の非対称型双導波管（エイテージー）構造の偶数及び奇数モードの屈折
率プロフアイルである。
【図２】 本発明の該エイテージー構造の略図である。
【図３】 本発明のエイテージー構造用の素子製造を図解する略図を示す。
【図４】 本発明のテーパーカプラーを有する該エイテージー構造の３次元略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ストウデンコブ，パベル アメリカ合衆国ニユージヤージイ州08540 プリンストン・ローレンスアパートメンツ 707 Ｆターム(参考） 2H047 KA02 KA03 KA04 KA13 KA15 KB05 KB06 KB08 KB09 KB10 MA01 MA07 PA24 QA02 TA32 2H079 AA02 AA12 BA01 CA04 DA16 EA05 EA07 KA20 2K002 AA02 AB09 AB27 AB30 CA13 DA07 DA12 5F073 AA13 AA74 AB25 BA01 CA12 CB02 CB22 DA05 DA22 EA29

Claims (40)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 双導波管構造を有するモノリシックに集積化された素子であ
    り、光学的電力が光の偶数及び奇数モードにより伝播される該集積化された素子
    に於いて、 光を放射するための能動的領域と、 前記光を伝播するための受動的領域とを具備しており、前記受動的領域は前記
    能動的領域とカプルされており、 前記偶数及び奇数モードは前記能動的及び受動的領域間で等しくなく分けられ
    ることを特徴とする集積化された素子。
  2. 【請求項２】 請求項１の素子に於いて、前記偶数及び奇数モードの１つは
    主に前記能動的領域に閉じ込められそして残りのモードは主に前記受動的領域に
    閉じ込められることを特徴とする素子。
  3. 【請求項３】 請求項１の素子に於いて、前記能動的領域に主に閉じ込めら
    れた前記モードの前記１つが前記残りのモードより高い利得を経験することを特
    徴とする素子。
  4. 【請求項４】 請求項１の素子に於いて、前記偶数及び奇数モードの１つの
    約７０パーセント以上が該能動的領域に閉じ込められることを特徴とする素子。
  5. 【請求項５】 請求項１の素子に於いて、前記素子が１つのエピタキシアル
    過程で作られることを特徴とする素子。
  6. 【請求項６】 請求項１の素子に於いて、光は導波管を介して能動的領域及
    び受動的領域に導かれ、前記導波管は成長後に規定されることを特徴とする素子
    。
  7. 【請求項７】 請求項１の素子に於いて、前記能動的領域は横方向テーパを
    有するよう構成されることを特徴とする素子。
  8. 【請求項８】 請求項７の素子に於いて、前記横方向テーパは指数関数曲線
    に従うことを特徴とする素子。
  9. 【請求項９】 請求項１の素子に於いて、前記能動的領域は浅い峰部導波管
    を組み込んでおり、前記受動的領域のそれより高い実効屈折率を有することを特
    徴とする素子。
  10. 【請求項１０】 請求項１の素子に於いて、前記素子がレーザーであること
    を特徴とする素子。
  11. 【請求項１１】 請求項１０の素子に於いて、前記レーザーが少なくとも１
    つの量子ウエルにより駆動されることを特徴とする素子。
  12. 【請求項１２】 請求項１１の素子に於いて、前記レーザー用の利得が少な
    くとも１つの量子ウエルにより提供されることを特徴とする素子。
  13. 【請求項１３】 請求項１２の素子に於いて、前記レーザー用の利得が光の
    前記モードの１つ用には前記光の前記モードの相手方用より高いことを特徴とす
    る素子。
  14. 【請求項１４】 請求項１の素子に於いて、前記素子が半導体光学的増幅器
    であることを特徴とする素子。
  15. 【請求項１５】 請求項１４の素子において、前記半導体光学的増幅器が進
    行波光学的増幅器として実施されていることを特徴とする素子。
  16. 【請求項１６】 請求項１４の素子に於いて、前記半導体光学的増幅器の利
    得が光の前記モードの１つ用は、前記光の前記モードの他用よりも高いことを特
    徴とする素子。
  17. 【請求項１７】 請求項１の素子に於いて、前記受動的領域が、前記能動的
    領域から選択された波長の光を反射し戻すために、グレーテイング領域を組み込
    んでいることを特徴とする素子。
  18. 【請求項１８】 垂直で非対称型の双導波管構造を有するモノリシックに集
    積化された素子であり、光学的電力が光の偶数及び奇数モードにより伝播される
    該集積化された素子に於いて、 半導体基盤と、 前記基板により支持された受動的導波管と、そして 前記受動的導波管にカプルされた能動的導波管とを具備しており、 前記受動的導波管と前記能動的導波管とは異なる実効屈折率を有することを特
    徴とする集積化された素子。
  19. 【請求項１９】 請求項１８の素子に於いて、前記能動的導波管と前記受動
    的導波管とが異なる垂直厚さを有することを特徴とする素子。
  20. 【請求項２０】 請求項１８の素子に於いて、前記能動的導波管と前記受動
    的導波管とが異なる屈折率を有することを特徴とする素子。
  21. 【請求項２１】 請求項１８の素子に於いて、光の前記モードの１つが光の
    前記モードの相手方と比較して概略７０／３０の分割比で前記能動的導波管内に
    閉じ込められることを特徴とする素子。
  22. 【請求項２２】 請求項１８の素子に於いて、光の前記モードの１つが光の
    前記モードの相手方と比較して概略３０／７０の分割比で前記受動的導波管内に
    閉じ込められることを特徴とする素子。
  23. 【請求項２３】 請求項１８の素子に於いて、光の前記モードの１つが前記
    他のモードより高い利得を有することを特徴とする素子。
  24. 【請求項２４】 請求項１８の素子に於いて、前記受動的導波管が、前記能
    動的導波管から選択された周波数の光を反射し戻すために、グレーテイング領域
    を組み込んでいることを特徴とする素子。
  25. 【請求項２５】 光の偶数及び奇数モードの伝播により光学的電力を伝送す
    るためのモノリシックに集積化された素子に於いて、 半導体基盤と、 前記半導体基盤により支持された受動的導波管と、 前記受動的導波管にカプルされた能動的導波管と、そして 前記能動的導波管から前記受動的導波管への光の前記モードの１つをカプルす
    るために前記能動的導波管内へ横方向に組み込まれたテーパを付けられた領域と
    を具備することを特徴とする集積化された素子。
  26. 【請求項２６】 請求項２５の素子に於いて、前記テーパを付けられた領域
    が光の前記モードの低損失カプリングを助長することを特徴とする素子。
  27. 【請求項２７】 請求項２５の素子に於いて、前記テーパを付けられた領域
    が指数関数状のテーパを実現することを特徴とする素子。
  28. 【請求項２８】 請求項２５の素子に於いて、前記テーパを付けられた領域
    がエッチングにより形成されることを特徴とする素子。
  29. 【請求項２９】 請求項２５の素子に於いて、前記受動的導波管が、前記能
    動的導波管からの選択された周波数の光を反射し戻すために、グレーテイング領
    域を組み込むことを特徴とする素子。
  30. 【請求項３０】 光の偶数及び奇数モードの伝播により光学的電力を伝送す
    るためのモノリシックに集積化された素子に於いて、 半導体基盤と、 前記半導体基盤にカプルされた受動的導波管と、そして 前記受動的導波管にカプルされた能動的導波管とを具備しており、前記能動的
    導波管は２つの端部と中間領域とを備えており、 前記受動的導波管と前記能動的導波管とは異なる実効屈折率を有しておりそし
    て前記能動的導波管の前記端部の少なくとも１つは前記中間領域より実質的に細
    くなるようテーパを付けられていることを特徴とする集積化された素子。
  31. 【請求項３１】 請求項３０の素子に於いて、前記素子が能動的素子である
    ことを特徴とする素子。
  32. 【請求項３２】 請求項３１の素子に於いて、前記少なくとも１つのテーパ
    を付けられた端部が前記能動的素子から受動的素子への光のカプリングを助長す
    ることを特徴とする素子。
  33. 【請求項３３】 請求項３０の素子に於いて、前記モードの１つの利得が前
    記他のモードの利得より高いことを特徴とする素子。
  34. 【請求項３４】 請求項３０の素子に於いて、前記少なくとも１つのテーパ
    を付けられた端部が光の前記モードの低損失カプリングを助長することを特徴と
    する素子。
  35. 【請求項３５】 請求項３０の素子に於いて、前記少なくとも１つのテーパ
    を付けられた端部は指数関数状にテーパを付けられることを特徴とする素子。
  36. 【請求項３６】 請求項３０の素子に於いて、前記受動的導波管が、前記能
    動的導波管からの選択された周波数の光を反射し戻すために、グレーテイング領
    域を組み込むことを特徴とする素子。
  37. 【請求項３７】 非対称型の双導波管構造を有するフォトニック集積回路素
    子を作る方法が、 基盤上に受動的導波管を付ける過程と、 前記受動的導波管上に能動的導波管を付ける過程とを具備しており、前記能動
    的導波管は前記受動的導波管とは異なる実効屈折率を有するよう配備されており
    、そして該方法は又、 前記能動的導波管上の能動的素子をエッチングする過程を具備していることを
    特徴とする非対称型の双導波管構造を有するフォトニック集積回路を作る方法。
  38. 【請求項３８】 請求項３７の方法が更に、 前記受動的導波管上の受動的素子をエッチングする過程を具備することを特徴
    とする方法。
  39. 【請求項３９】 請求項３７の方法が更に、 前記能動的素子上にテーパを付けられた領域をエッチングする過程を具備する
    ことを特徴とする方法。
  40. 【請求項４０】 請求項３７の方法が更に、 前記受動的導波管上にグレーテイング領域を形成する過程を具備することを特
    徴とする方法。
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