JP2014002384A

JP2014002384A - 光学素子

Info

Publication number: JP2014002384A
Application number: JP2013127595A
Authority: JP
Inventors: Yongtak Lee; ヨンタク、リー; Ravindran Sooraj; ラビンドラン、ソーラジ; Chan Il Yeo; チャンイル、ヨ
Original assignee: Gwangju Institute of Science and Technology
Current assignee: Gwangju Institute of Science and Technology
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-01-09
Also published as: KR20130141850A; US20130336611A1

Abstract

【課題】本発明は、半導体工程に和合可能で（compatible）、他の半導体素子と共に集積が可能で、かつ偏光に独立的な特性を有し、光吸収による光信号損失がないだけでなく、量子井戸構造がなくても小さい面積で多様な機能が遂行できる光学素子を提供するためのものである。
【解決手段】本発明の光学素子は一方向に延びる第１導波路を備える。前記第１導波路の側面に第２導波路が位置する。前記第２導波路は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び前記第１及び第２導電型半導体層の間に位置するアンドープド半導体層を備え、かつ前記アンドープド半導体層の屈折率は前記第１及び第２導電型半導体層の屈折率に比べて大きい。前記第２導波路の前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層に第１電極と第２電極とが各々接続する。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は半導体素子に関し、より詳しくは半導体基盤の光学素子に関する。

光通信のために主に使われる１．３umと１．５５um波長で動作する光スイッチと光変調器はＬｉＮｂＯ_３（Lithium-Niobate）物質を主に使用し、電気光学効果（electro-optic
effect；ＥＯ）を主要動作メカニズム（principal
mechanism of operation）に用いる。しかしながら、このような光素子は体積が大きく、光の偏光（polarization）特性に非常に敏感であるので、光通信にシステム活用に適合できず、半導体物質でないＬｉＮｂＯ_３を使用するによって、他の半導体素子及びプラットフォーム（platform）と共に集積し難いという短所がある。

半導体物質を用いた光スイッチと光変調器はレーザーダイオード（Laser diode）、光増幅器（Optical
amplifier）、光検出器（Photo
detector）などのような半導体素子と共に集積可能であるので活用度が非常に高い。しかしながら、電気光学効果を用いて半導体物質基盤の素子を動作させることは、ＬｉＮｂＯ_３対比効果が微小である。

一般に、光通信のために使われる半導体基盤の光スイッチと光変調器は、電子吸収効果（electro absorption
effect；ＥＡ）を主要動作メカニズムに用いる。電子吸収効果はバイアス供給を通じて半導体物質のエネルギー準位（energy level）を変化（傾ける）させることによって、半導体物質のバンドギャップエネルギー（bandgap
energy）と光信号の光子エネルギー（photon energy）とが整合（matching）されるようにして、半導体物質による光信号（光子）吸収率を変化させ、それによって半導体物質の屈折率を変化させる。電子吸収効果を用いて光信号を効率的にスイッチング及び変調するためには、光信号の光子エネルギーに近接したバンドギャップエネルギーを有する半導体物質が求められる。これは、電子吸収効果の強度が半導体のバンドギャップエネルギー付近で最も強く、半導体物質のバンドギャップエネルギーより小さいほど弱くなるためである。しかしながら、光信号の光子エネルギーが半導体物質のバンドギャップエネルギーと近づいたり高い場合、半導体物質による光信号の吸収が高まり、それによって光信号の損失も高まって電子吸収効果基盤の光素子の性能が低下する問題が発生する。

電子吸収効果基盤の光スイッチと光変調器が動作できる波長は半導体物質の組成比によって制限され、１つの装置を用いて多くの波長で使用できない。言い換えると、動作波長に合う物質組成比を有する半導体物質で製作した光スイッチまたは変調器はただ１波長のみでスイッチングまたは変調役割を円滑に遂行することができる。これは、電子吸収効果基盤の光スイッチと変調器の設計を複雑にさせる。

電子吸収効果を高めるために使用する方法の中には、量子井戸（Quantum well）構造を半導体構造に含める方法がある。しかしながら、量子井戸構造は成長が複雑で、成長時に細心な注意が求められ、正確な量子井戸幅（width）の調節が必要であるという短所があるので、電子吸収効果基盤の光スイッチ及び変調器の設計と製作を難しくする。また、量子井戸構造を含む場合、偏光に依存的特性を見せる。その結果、電子吸収基盤の光スイッチと変調器の性能は入力光信号の偏光に依存する。このような偏光依存的特性を解決するためには、偏光板（polariser）のような追加的構成要素が求められ、これは光通信応用において全体システム構成を複雑にさせる。

本発明が解決しようとする課題は、半導体工程に和合可能（compatible）で、他の半導体素子と共に集積が可能で、かつ偏光に独立的な特性を有し、光吸収による光信号損失がないだけでなく、量子井戸構造がなくても小さい面積で多様な機能が遂行できる光学素子を提供することにある。

本発明の光学素子は、一方向に延びる第１導波路を備える。前記第１導波路の側面に第２導波路が位置する。前記第２導波路は第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び前記第１及び第２導電型半導体層の間に位置するアンドープド半導体層を備え、前記アンドープド半導体層の屈折率は前記第１及び第２導電型半導体層の屈折率に比べて大きい。前記第２導波路の前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層に第１電極と第２電極が各々接続する。

他の態様に従う本発明の光学素子は、一方向に延びる第１導波路を備える。前記第１導波路の側面に第２導波路が位置する。前記第２導波路は第１クラッド層、第２クラッド層、及びこれらの間に位置するコア層を備え、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層に印加されたバイアス電圧によって前記コア層の有効屈折率が変わる。

本発明によれば、第１導波路の側面にバイアス電圧によって有効屈折率が変わる第２導波路を配置させる。この後、前記バイアス電圧を変化させて前記第２導波路の有効屈折率を変化させ、これによって前記第２導波路を進行する光の位相または波長を変化させることができる。また、前記第１導波路と前記第２導波路との相互作用により光学素子は、光スイッチ、光変調器、または光分配器に多様に使用できる。

また、前記第２導波路は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び前記第１及び第２導電型半導体層の間に位置するアンドープド半導体層を備え、前記アンドープド半導体層の屈折率は前記第１及び第２導電型半導体層の屈折率に比べて大きい。言い換えると、前記第２導波路は二重ヘテロ接合であるＰＩＮ構造を有する。これに加えて、前記第１導波路も前記第２導波路と同一な層構成を有することができる。

本発明に従う光学素子は半導体工程を通じて形成できるので、半導体工程を通じて形成される他の素子と共に集積（integration）されることができ、偏光に独立的な特性を有し、光吸収による光信号損失がないだけでなく、量子井戸構造がなくても小さい面積で多様な機能を動作波長制限無しで遂行することができる。

ＧａＡｓ層に順方向バイアスが印加される時、波長に従う有効屈折率の変化を示すグラフである。本発明の第１実施形態に従う光学素子を示す平面図である。図２ａの切断線Ｉ−Ｉ′による断面図である。本発明の第２実施形態に従う光学素子を示す平面図である。図３ａの切断線Ｉ−Ｉ′による断面図である。本発明の第３実施形態に従う光学素子を示す平面図である。図４ａの切断線Ｉ−Ｉ′及び切断線ＩＩ−ＩＩ′による断面図である。本発明の一実施形態に従う光学素子を示す斜視図である。図１の切断線ＩＩ−ＩＩ′に沿って工程段階別に取られた本発明の一実施形態に従う光学素子の製造方法を示す断面図である。図１の切断線ＩＩ−ＩＩ′に沿って工程段階別に取られた本発明の一実施形態に従う光学素子の製造方法を示す断面図である。図１に図示された光学素子の動作方法を示す斜視図である。図１に図示された光学素子の動作方法を示す斜視図である。図５乃至図８を参照して説明した光学素子が光スイッチまたは光変調器として動作することを示すグラフである。図５乃至図８を参照して説明した光学素子が光分配器として動作することを示すグラフである。図５乃至図８を参照して説明した光学素子が光減衰器として動作することを示すグラフである。本発明の第５実施形態に従う光学素子を示す平面図である。図１２ａの切断線Ｉ−Ｉ′による断面図である。本発明の他の実施形態に従う光学素子を示す斜視図である。製造例１に従う光学素子の各共振リングに印加されたバイアス電圧に対する屈折率変化を示すグラフである。製造例１に従う光学素子の各共振リングにバイアス電圧が印加された時に発生したキャリア密度に対する屈折率変化を示すグラフである。各々製造例１に従う光学素子の転送導波路に入力される一連の波長に対する転送導波路及び抽出導波路で出力される波長の正規化された強度を示すグラフである。各々製造例１に従う光学素子の転送導波路に入力される一連の波長に対する転送導波路及び抽出導波路で出力される波長の正規化された強度を示すグラフである。製造例１に従う光学素子の共振リングにバイアスが印加された時の屈折率変化量に対する出力波長である１３０５．２８nmと１５６０．１６nmの正規化された強度を示すグラフである。

以下、本発明をより具体的に説明するために本発明に従う好ましい実施形態を添付した図面を参照してより詳細に説明する。しかしながら、本発明はここに説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。

本明細書において、層が他の層または基板“上”にあると言及される場合に、それは他の層または基板の上に直接形成できるか、またはそれら間に第３の層が介されることもできる。また、本明細書において、上方、上（部）、上面などの方向的な表現は、下方、下（部）、下面、または側方、側（部）、側面などの意味としても理解できる。即ち、空間的な方向の表現は相対的な方向として理解されなければならず、絶対的な方向を意味するように限定的に理解されてはならない。これに加えて、本明細書において“第１”または“第２”は構成要素に如何なる限定を加えようとするものではなく、単に構成要素を区別するための用語として理解されるべきである。

また、明細書の全体に亘って同一な参照番号は同一な構成要素を示す。

第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及びこれらの間に介されたアンドープド半導体層（または、真性半導体層）を有する光学素子において、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間にバイアス電圧が印加されれば、前記アンドープド半導体層の内の自由キャリア密度が変化することがある。このような自由キャリア密度の変化は前記アンドープド半導体層の有効屈折率を変化させることができる。

自由キャリア密度の変化が有効屈折率を変化させることは、バンドギャップ収縮（ＢＧＳ）効果、バンドフィリング（ＢＦ）効果、及び自由電荷吸収（ＦＣＡ）効果によるものであることがある。

まず、バンドギャップ収縮の原理は、次の通りである。前記光学素子に順方向バイアスが印加される場合、前記アンドープド半導体層の伝導帯（conduction
band）の下部に電子が積まれ、価電子帯（valence band）の上部に正孔が積まれる。電子と正孔の波動関数は電荷（電子と正孔）濃度が小さい場合、互いに重ならない。しかしながら、電荷密度が臨界電荷密度（critical
carrier density）を超える場合、注入された電荷の波動関数は互いに相互作用するようになる。このような電荷の相互作用はアンドープド半導体層の伝導帯端（conduction
band edge）を下に移動させ（低める）、価電子帯端を上に移動させる（高める）。したがって、アンドープド半導体層のバンドギャップが減少するようになるが、これをバンドギャップ収縮という。

また、前記光学素子に順方向バイアスが印加された時、アンドープド半導体層に電荷が注入されるにつれて、アンドープド半導体層の伝導帯は電子で詰められる。その結果、伝導帯に電子が占めることができるエネルギー状態（energy state）が高まるようになる。電子が落ち着くことができるエネルギー準位の上昇はアンドープド半導体層により吸収できる光子のエネルギーも上昇することを意味する。その結果、アンドープド半導体層による吸収率が減少するようになるが、これをバンドフィリング効果という。

次の式はバンドギャップ収縮効果とバンドフィリング効果による吸収係数（absorption
coefficient）の変化を表す。

ここで、Ｃ_ｈｈとＣ_ｌｈは定数であり、ｆｖ、ｆｃはフェルミ確率関数（Fermi
propability function）を表す。Ｅ′ｇはバンドギャップ収縮効果により減少したバンドギャップエネルギーを意味し、ＥｇとＥは各々バンドギャップエネルギーと光子のエネルギーを示す。

次の式はバンド収縮効果とバンドフィリング効果による吸収率の変化によるアンドープド半導体層の有効屈折率変化を表す。

ここで、△ｎ_{ＢＧＳ＋ＢＦ}と△αＥ_{ＢＧＳ＋ＢＦ}は各々バンド収縮効果とバンドフィリング効果による有効屈折率変化と吸収係数変化を表し、ＰＶは積分の主値（Principal
Value of the integral）である。

一方、光子はアンドープド半導体層の伝導帯または価電子帯に存在する自由電荷（電子または正孔）により吸収できる。これを自由電荷吸収効果といい、次のように有効屈折率を変化させる。

ここで、△ｎ_ＦＣＡは自由電荷吸収による半導体物質の有効屈折率変化を意味し、ＮとＰは各々電子と正孔の数を表し、ｍ_ｅ、ｍ_ｈｈ、ｍ_ｌｈは各々電子、ｈｅａｖｙ正孔、ｌｉｇｈｔ正孔の有効質量（effective
mass）を示す。

バンドギャップ収縮効果、バンドフィリング効果、及び自由電荷吸収効果による有効屈折率の総変化量（△ｎＴＯＴＡＬ）は、次の通りである。

図１は、ＧａＡｓ層に順方向バイアスが印加される時、波長に従う有効屈折率の変化を示すグラフである。

図１を参照すると、ＧａＡｓ層に順方向バイアス（１．６Ｖ、２．０Ｖ、２．５Ｖ）が印加されてＧａＡｓ層の内に電荷が注入される時、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギー（８７０nm、１．４２４ｅＶ）より小さい光子エネルギーを有する波長（＞８７０nm）でＧａＡｓ層の有効屈折率は減少する（変化量は負数）。ＧａＡｓのバンドギャップに該当する波長より遠く離れた動作波長では電荷注入による屈折率変化がｉ領域でスイッチングまたは変調が不可能である程度に非常に大きくなる。図１において、黒い点線は光通信で主に使われる１．３umと１．５５um波長を示す。

前述した原理は後述するように、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及びこれらの間に介されたアンドープド半導体層（または、真性半導体層）を有する構造を用いたマッハ・ツェンダー干渉計（Mach-Zehnder
Interferometer；ＭＺＩ）、方向性結合器（directional
coupler；ＤＣ）、リング共振器（Ring-resonator）、またはこれらを組み合わせた光学素子に適用可能である。

（第１実施形態）
図２ａは本発明の第１実施形態に従う光学素子を示す平面図であり、図２ｂは図２ａの切断線Ｉ−Ｉ′による断面図である。本実施形態に従う光学素子はマッハ・ツェンダー干渉計でありうる。

図２ａ及び図２ｂを参照すると、基板１００が提供される。前記基板１００は導体基板または半導体基板でありうる。前記導体基板は金属基板で、前記半導体基板はＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＩｎＰ基板、またはＧａＰ基板でありうる。

前記基板１００の下部に第１電極１０５が配置できる。一方、前記基板１００の上に第１クラッド層１１０、コア層１２０、及び第２クラッド層１３０が順次に配置される。前記第１クラッド層１１０、前記コア層１２０、及び前記第２クラッド層１３０は、二重ヘテロ接合ダイオード（double hetero
junction diode）を構成することができる。具体的に、前記第１クラッド層１１０は第１導電型半導体層で、前記第２クラッド層１３０は第２導電型半導体層で、前記コア層１２０はアンドープド半導体層でありうる。また、前記第１クラッド層１１０はｎ型半導体層で、前記第２クラッド層１３０はｐ型半導体層でありうる。前記コア層１２０は約０．１um乃至約１umでありうる。

前記コア層１２０がアンドープド半導体層の場合に、これを通じて伝播される光信号は前記コア層１２０のバンドギャップエネルギーに比べて小さいエネルギーに対応する波長を有することができる。この場合、前記コア層１２０に光信号が吸収されないことがあるので、これを通じて伝播される光信号の損失を減らすことができる。このような光信号は７００nm以上の波長を有することができ、具体的に１０００nm以上の波長を有することができ、より具体的には１３００nm乃至１６００nmの波長を有することができる。最も具体的な例として、前記光信号は有線光通信分野でたくさん使われる約１３００nmまたは約１５５０nmの波長を有することができる。しかしながら、これに限定されるものではない。

前記コア層１２０／前記クラッディング層１１０、１３０は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＞ｘ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、好ましくはｙ＞ｘ＋０．２、０＜ｘ＜０．４５）、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ１−ｘＰｘ／ＩｎｂＧａ１−ｂＡｓ１−ａＰａ（ａ＞ｘ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、好ましくはａ＞ｘ＋０．２、０．１＜ｘ＜１）、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮなどの化合物半導体層またはこれらの組合でありうる。具体的に、前記コア層１２０／前記クラッディング層１１０、１３０は値段が比較的高いＩｎと、毒性、引火性、及び爆発性を有するＰとを使用しないＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓでありうる。また、前記コア層１２０／前記クラッディング層１１０、１３０は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic
Chemical Vapor Deposition）またはＭＢＥ（Molecular Beam
Epitaxy）などを使用して前記基板１００の上にエピ成長できる。

前記第２クラッド層１３０は互いに異なる厚さを有する領域を備える。前記第２クラッド層１３０の厚い領域は他の領域に比べてその下部に光を拘束させることができる確率が高いので導波路として定義できる。具体的に、前記第２クラッド層１３０の厚い領域は、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２を定義することができる。前記第１導波路ＷＧ１の一端と前記第２導波路ＷＧ２の一端とは互いに結合され、前記第１導波路ＷＧ１の他端と前記第２導波路ＷＧ２の他端とはまた互いに結合できる。その結果、前記光学素子は入力端（input port）、Ｙ接合ビーム分配器（Y-junction
beam splitter）、アーム−１（Ａｒｍ−１）、アーム−２（Ａｒｍ−２）、Ｙ接合ビーム結合器（Y-junction
beam combinder）、及び出力端（output port）を備えることができる。この際、前記結合された領域を除外した前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２との間の間隔、即ち、前記アーム−１（Ａｒｍ−１）と前記アーム−２（Ａｒｍ−２）との間の間隔はカップリングが起こらない程度に大きいことがある。

前記アーム−２（Ａｒｍ−２）の第２クラッド層１３０の上に第２電極１５０が配置できる。前記コア層１２０は前記第１及び第２クラッディング層１１０、１３０に比べて屈折率が大きいことがある。したがって、このような屈折率差によって前記コア層１２０の内に光が拘束できる。整理すると、前記第２クラッド層１３０の厚い領域の下部のうち、前記コア層１２０の内で光が拘束できる。

前記コア層１２０の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）は前記コア層１２０の内の自由キャリアの密度に依存する。前述したように、前記コア層１２０の内の自由キャリアの密度が増加すれば、前記コア層１２０の有効屈折率は減少する。反対に、前記コア層１２０の内の自由キャリアの密度が減少すれば、前記コア層１２０の有効屈折率は増加する。このようなコア層１２０の内の自由キャリアの密度は前記コア層１２０の両端にかかるバイアス電圧に依存する。一例として、前記第１電極１０５と前記第２電極１５０との間に順方向バイアス（forward bias）が印加されれば、前記アーム−２（Ａｒｍ−２）領域の内のコア層１２０に電子及び正孔が注入されて自由キャリア密度が増加する。反対に、逆方向バイアス（reverse bias）が印加されれば、前記アーム−２（Ａｒｍ−２）領域の内のコア層１２０の内の空乏領域が大きくなって自由キャリア密度は減少する。前記コア層１２０の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）の変化は前記コア層１２０の内で進行する光の位相を変化させることができる。

このような光学素子の動作原理は、次の通りである。

入力端で入力された光信号はＹ接合ビーム分配器により両分されてアーム−１とアーム−２に伝播され、Ｙ接合ビーム結合器によりまた結合された後、出力端に出力される。この際、前記第１電極１０５と前記第２電極１５０との間にバイアス、例えば順方向バイアスを印加する場合、アーム−２領域の内のコア層１２０に電荷が注入されて有効屈折率が変化できる。前述したように、有効屈折率の変化はアーム−２領域の内のコア層１２０を進行する光の位相を変化させることができる。したがって、アーム−１領域を進行した光とアーム−２領域を進行した光とは互いに異なる位相を有することができる。このような位相の差によって前記出力端に出力される光信号はスイッチングまたは変調できる。一例として、前記バイアスがアーム−２領域の内のコア層１２０を進行する光の位相をπ（１８０゜）だけ変化させることに充分な場合、アーム−１領域を進行した光とアーム−２領域を進行した光とは互いに相殺干渉されて前記出力端では光信号が検出されないことがある。

（第２実施形態）
図３ａは本発明の第２実施形態に従う光学素子を示す平面図であり、図３ｂは図３ａの切断線Ｉ−Ｉ′による断面図である。本実施形態に従う光学素子は方向性結合器でありうる。本実施形態に従う光学素子の断面構造は、後述するものを除いては第１実施形態に従う光学素子の断面構造と類似している。

図３ａ及び図３ｂを参照すると、基板１００が提供される。前記基板１００の下部に第１電極１０５が配置できる。一方、前記基板１００の上に第１クラッド層１１０、コア層１２０、及び第２クラッド層１３０が順次に配置される。前記第２クラッド層１３０は互いに異なる厚さを有する領域を備える。前記第２クラッド層１３０が厚い領域は他の領域に比べてその下部に光を拘束させることができる確率が高いので導波路として定義できる。具体的に、前記第２クラッド層１３０の厚い領域は第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２を定義することができる。前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２との間の間隔が光学フィールド（optical field）が相互作用して互いにカップリング可能な程度に狭くなる領域で、前記第１導波路ＷＧ１及び前記第２導波路ＷＧ２は各々アーム−１とアーム−２と呼ばれることができる。前記アーム−２（Ａｒｍ−２）の第２クラッド層１３０の上に第２電極１５０が配置できる。

前記コア層１２０は、前記第１及び第２クラッディング層１１０、１３０に比べて屈折率が大きいことがある。したがって、このような屈折率の差によって前記コア層１２０の内に光が拘束できる。整理すると、前記第２クラッド層１３０の厚い領域の下部のうち、前記コア層１２０の内で光が拘束できる。

このような光学素子の動作原理は、次の通りである。

前記第１電極１０５と前記第２電極１５０との間にバイアス電圧を印加しない場合、前記アーム−１領域の内のコア層１２０と前記アーム−２領域の内のコア層１２０は屈折率が同一であることがある。したがって、前記第２導波路ＷＧ２の入力端で入力された光信号はアーム−１を進行する時、アーム−２に大部分カップリングできる。その結果、前記第１導波路ＷＧ１の出力端（output 1）で光信号が検出できる。

一方、前記第１電極１０５と前記第２電極１５０との間にバイアス、例えば順方向バイアスを印加した場合、前記アーム−２領域の内のコア層１２０の屈折率は、前記アーム−１領域の内のコア層１２０の屈折率と変わることがある。したがって、前記第２導波路ＷＧ２の入力端で入力された光信号はアーム−１を進行する時、アーム−２にカップリングされないことがある。その結果、前記第２導波路ＷＧ２の出力端（output 2）で光が検出できる。

（第３実施形態）
図４ａは本発明の第３実施形態に従う光学素子を示す平面図であり、図４ｂは図４ａの切断線Ｉ−Ｉ′及び切断線ＩＩ−ＩＩ′による断面図である。本実施形態に従う光学素子はマッハ・ツェンダー干渉計と方向性結合器とが組み合わせた光学素子でありうる。本実施形態に従う光学素子の断面構造は後述するものを除いては、第１実施形態に従う光学素子の断面構造と類似している。

図４ａ及び図４ｂを参照すると、基板１００が提供される。前記基板１００の下部に第１電極１０５が配置できる。一方、前記基板１００の上に第１クラッド層１１０、コア層１２０、及び第２クラッド層１３０が順次に配置される。前記第２クラッド層１３０は互いに異なる厚さを有する領域を備える。

前記第２クラッド層１３０が厚い領域は他の領域に比べてその下部に光を拘束させることができる確率が高いので導波路として定義できる。具体的に、前記第２クラッド層１３０の厚い領域は第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２を定義することができる。前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２とはその間の間隔が狭くなってから広くなり、また狭くなるように配置できる。前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２との間の間隔が狭くなる領域を方向性結合領域（ＤＣ−１、ＤＣ−２）といい、前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２との間の間隔が広い領域をマッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）ということができる。したがって、前記導波路の進行方向に第１方向性結合領域（ＤＣ−１）、マッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）、及び第２方向性結合領域（ＤＣ−２）が順次に配置できる。前記方向性結合領域（ＤＣ−１、ＤＣ−２）では前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２との間の間隔は光学フィールド（optical field）が相互作用して互いにカップリングが可能な程度に狭くなることがあり、前記マッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）で前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２との間の間隔はカップリングが起こらない程度に大きいことがある。前記マッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）の長さをＬとする時、前記方向性結合領域（ＤＣ−１、ＤＣ−２）の長さはＬ／２である。

前記第１方向性結合領域（ＤＣ−１）で前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２とは各々アーム−１（Ａｒｍ−１）とアーム−２（Ａｒｍ−２）と呼ばれることができ、前記マッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）で前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２とは各々アーム−３（Ａｒｍ−３）とアーム−４（Ａｒｍ−４）と呼ばれることができ、前記第２方向性結合領域（ＤＣ−２）で前記第１導波路ＷＧ１と前記第２導波路ＷＧ２とは各々アーム−５（Ａｒｍ−５）とアーム−６（Ａｒｍ−６）と呼ばれることができる。前記アーム−４（Ａｒｍ−３）の第２クラッド層１３０の上に第２電極１５０が配置できる。

前記コア層１２０は前記第１及び第２クラッディング層１１０、１３０に比べて屈折率が大きいことがある。したがって、このような屈折率の差によって前記コア層１２０の内に光が拘束できる。整理すると、前記第２クラッド層１３０の厚い領域の下部のうち、前記コア層１２０の内で光が拘束できる。

このような光学素子の動作原理は、次の通りである。

まず、第２導波路ＷＧ２の入力端に位相０、強度１の光信号が入力できる。この光信号は第１方向性結合領域（ＤＣ−１）のアーム−２からアーム−１にカップリングされてアーム−１で位相π／２、強度１／２を有する第１光信号と、アーム−２で位相０、強度１／２を有する第２光信号とに分離できる。この後、第１光信号はアーム−３を通じてマッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）を通過し、第２光信号はアーム−４を通じてマッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）を通過することができる。この際、第１電極１０５と第２電極１５０との間にバイアスが印加されない場合、第１光信号は位相π／２、強度１／２を有する状態を維持することができる。また、第２光信号も位相０、強度１／２を有する状態を維持することができる。この後、第２方向性結合領域（ＤＣ−２）で前記第１光信号（位相π／２、強度１／２）はアーム−５からアーム−６にカップリングされながら、アーム−６に位相π／２を足した位相π、強度１／４の信号を伝達し、アーム−５では位相π／２、強度１／４に残存することができる。一方、前記第２光信号（位相０、強度１／２）はアーム−６からアーム−５にカップリングされながら、アーム−５に位相π／２を足した位相π／２、強度１／４の信号を伝達し、アーム−６では位相０、強度１／４に残存することができる。その結果、アーム−５に連結された第１導波路ＷＧ１の出力端（output 1）ではアーム−５に残存する位相π／２、強度１／４の光信号とアーム−６から伝えられた位相π／２、強度１／４の光信号が補強干渉を起こして位相π／２、強度１／２の光信号が検出できる。一方、アーム−６に連結された第２導波路ＷＧ２の出力端（output 2）ではアーム−６に残存する位相０、強度１／４の光信号とアーム−５から伝えられた位相π、強度１／４の相殺干渉を起こして光信号が検出されないことがある。

これとは異なり、前記第１電極１０５と前記第２電極１５０との間に順方向バイアス電圧を印加した場合、前記アーム−４領域の内のコア層１２０の屈折率は変化され、屈折率変化は前記アーム−４領域を進行する光信号の位相を変化させることができる。前記アーム−４領域を進行する光信号の位相をπだけ変化させることができるように前記第１電極１０５と前記第２電極１５０との間に充分な順方向バイアス電圧を印加する。

この場合の光学素子の動作方法を説明すれば、次の通りである。第２導波路ＷＧ２の入力端に位相０、強度１の光信号が入力できる。この光信号は第１方向性結合領域（ＤＣ−１）のアーム−２からアーム−１にカップリングされてアーム−１で位相π／２、強度１／２を有する第１光信号と、アーム−２で位相０、強度１／２を有する第２光信号とに分離できる。この後、第１光信号はアーム−３を通じてマッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）を通過し、第２光信号はアーム−４を通じてマッハ・ツェンダー干渉領域（ＭＺ）を通過することができる。この際、アーム−３を通過した第１光信号は位相π／２、強度１／２を有する状態を維持することができる。一方、前述したように前記アーム−４領域を進行する光信号の位相をπだけ変化させることができるように前記第１電極１０５と前記第２電極１５０との間に充分なバイアス電圧が印加されるので、前記アーム−４領域を進行する第２光信号は位相π、強度１／２を有することができる。この後、第２方向性結合領域（ＤＣ−２）で前記第１光信号（位相π／２、強度１／２）はアーム−５からアーム−６にカップリングされながら、アーム−６に位相π／２を足した位相π、強度１／４の信号を伝達し、アーム−５では位相π／２、強度１／４に残存することができる。一方、前記第２光信号（位相π、強度１／２）はアーム−６からアーム−５にカップリングされながら、アーム−５に位相π／２を足した位相３π／２、強度１／４の信号を伝達し、アーム−６では位相π、強度１／４に残存することができる。その結果、アーム−５に連結された第１導波路ＷＧ１の出力端（output 1）ではアーム−５に残存する位相π／２、強度１／４の光信号とアーム−６から伝えられた位相３π／２、強度１／４の光信号が相殺干渉を起こして光信号が検出されないことがある。一方、アーム−６に連結された第２導波路ＷＧ２の出力端（output 2）ではアーム−６に残存する位相π、強度１／４の光信号とアーム−５から伝えられた位相π、強度１／４の光信号が補強干渉を起こして位相π、強度１／２の光信号が検出できる。

このような光学素子は１×２光学スイッチだけでなく、変調器に利用可能である。

（第４実施形態）
図５は、本発明の一実施形態に従う光学素子を示す斜視図である。

図５を参照すると、基板１０が提供される。前記基板１０は導体基板または半導体基板でありうる。前記導体基板は金属基板で、前記半導体基板はＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＩｎＰ基板、またはＧａＰ基板でありうる。

前記基板１０の上に一方向に延びた第１導波路２０が配置できる。また、前記基板１０の上で前記第１導波路２０の側面に第２導波路４０、第３導波路５０、及び第４導波路３０が順次に位置できる。前記第１導波路２０は転送導波路で、前記第２導波路４０は閉鎖環形状を有する第１共振リングで、前記第３導波路５０も閉鎖環形状を有する第２共振リングで、前記第４導波路３０は抽出導波路でありうる。

この際、前記第１共振リング４０を中心に前記転送導波路２０の向かい側に前記基板１０の上に延びた前記抽出導波路（dropping
waveguide）３０が配置され、前記第１共振リング４０と前記抽出導波路３０との間に第２共振リング５０が位置できる。

前記第１共振リング４０は第１及び第２クラッディング層４１、４３とこれらの間に配置され、前記第１及び第２クラッディング層４１、４３に比べて屈折率の大きいコア層４２を備えることができる。一例として、前記第１クラッド層４１、前記コア層４２、及び前記第２クラッド層４３は、前記基板１０の上に順次に積層されて位置できる。前記第１共振リング４０は二重ヘテロ接合ダイオード（double hetero
junction diode）でありうる。具体的に、前記第１クラッド層４１は第１導電型半導体層で、前記第２クラッド層４３は第２導電型半導体層で、前記コア層４２はアンドープド半導体層でありうる。また、前記第１クラッド層４１はｎ型半導体層で、前記第２クラッド層４３はｐ型半導体層でありうる。前記第１及び第２クラッド層４１、４３は互いに関係無しで約１乃至約２umでありうる。前記コア層４２は約０．１um乃至約１umでありうる。前記第１及び第２クラッド層４１、４３に第１共振リング電極１５と第２共振リング電極４５が各々接続できる。

前記第２共振リング５０は、前記第１共振リング４０と同一または類似の構造を有することができる。具体的に、前記第２共振リング５０は第１及び第２クラッディング層５１、５３とこれらの間に配置され、前記第１及び第２クラッディング層５１、５３に比べて屈折率の大きいコア層５２を備えることができる。前記第２共振リング５０も二重ヘテロ接合ダイオードでありうる。具体的に、前記第１クラッド層５１、前記コア層５２、及び前記第２クラッド層５３は前記基板１０の上に順次に積層されて位置できる。この際、前記第１クラッド層５１は第１導電型半導体層で、前記第２クラッド層５３は第２導電型半導体層で、前記コア層５２はアンドープド半導体層でありうる。また、前記第１クラッド層５１はｎ型半導体層で、前記第２クラッド層５３はｐ型半導体層でありうる。前記第１及び第２クラッド層５１、５３に前記第１共振リング電極１５と第３共振リング電極５５が各々接続できる。この際、前記第１共振リング電極１５は前記第１共振リング４０の第１クラッド層４１と前記第２共振リング５０の第１クラッド層５１に共通的に接続できる。このような第１共振リング電極１５は導体または半導体である前記基板１０の下部に配置されて、前記基板１０を通じて前記第１クラッド層４１、５１に共通的に接続できる。

前述したように、前記第１共振リング４０に備えられたコア層４２は第１及び第２クラッド層４１、４３に比べて屈折率が大きい。また、前記第２共振リング５０に備えられたコア層５２は第１及び第２クラッド層５１、５３に比べて屈折率が大きい。したがって、前記共振リング４０、５０はその周りに沿って共振される光を前記コア層４２、５２に拘束させることができる。

前記第１及び第２共振リング４０、５０は下記の式である共振条件を満たす最大共振波長とこれから所定の分布を有する波長を共振させることができる。

前記の数式で、ｍは整数で、λ_ｒは最大共振波長（resonant
wavelength）で、Ｒは共振リングの半径で、ｎ_ｅｆｆは共振リングに備えられたコア層の有効屈折率である。この際、前記λ_ｒは所定の分布（例えば、変形されたローレンツィアン（modified
Lorentian）分布またはボックス類似（Box like）分布）を有する共振波長のうち、最大強度を有する共振波長でありうる。

前記コア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）は前記コア層４２、５２の内の自由キャリアの密度に依存することができる。一例として、前記コア層４２、５２の内の自由キャリアの密度が増加すれば、前記コア層４２、５２の有効屈折率は減少する。反対に、前記コア層４２、５２の内の自由キャリアの密度が減少すれば、前記コア層４２、５２の有効屈折率は増加する。このようなコア層４２、５２の内の自由キャリアの密度は前記共振リング４０、５０に印加するバイアス電圧に依存する。一例として、前記共振リング４０、５０に順方向バイアス（forward bias）が印加されれば、前記コア層４２、５２に電子及び正孔が注入されて自由キャリア密度が増加する。反対に、前記共振リング４０、５０に逆方向バイアス（reverse bias）が印加されれば、前記コア層４２、５２の内の空乏領域が大きくなって自由キャリア密度は減少する。

このように、前記コア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）は前記共振リング４０、５０に印加するバイアス電圧に依存する。これによって、前記共振リング４０、５０の最大共振波長（λ_ｒ）は前記共振リング４０、５０に印加するバイアス電圧に依存する。例えば、前記共振リング４０、５０に順方向電圧を印加すれば、前記コア層４２、５２の有効屈折率は減少し、または前記共振リング４０、５０に逆方向電圧を印加すれば、前記コア層４２、５２の有効屈折率は増加し、これによって前記最大共振波長（λ_ｒ）が変化できる。

前記主導波路２０は第１及び第２クラッディング層２１、２３とこれらの間に配置されたコア層２２を具備することができる。一例として、前記第１クラッディング層２１、前記コア層２２、及び前記第２クラッディング層２３は、前記基板１０の上に順次に積層されて位置できる。前記コア層２２は、前記クラッディング層２１、２３に比べて屈折率が大きいことがある。これによって、前記主導波路２０の入力端で入力される光信号は前記コア層２２の内に拘束されて前記主導波路２０の出力端に伝達できる。この際、前記光信号は前記コア層２２と前記クラッディング層２１、２３との間の界面で全反射されながら伝播できる。前記第１及び第２クラッディング層２１、２３と前記コア層２２は半導体層でありうる。一例として、前記主導波路２０も二重ヘテロ接合ダイオードでありうる。具体的に、前記第１クラッディング層２１は第１導電型半導体層で、前記コア層２２はアンドープド半導体層で、前記第２クラッディング層２３は第２導電型半導体層でありうる。一例として、前記第１クラッディング層２１はｎ型半導体層で、前記第２クラッディング層２３はｐ型半導体層でありうる。

前記抽出導波路３０は前記主導波路２０と同一または類似の構成を有することができる。例えば、前記抽出導波路３０も第１及び第２クラッディング層３１、３３とこれらの間に配置され、これらより屈折率の大きいコア層３２を備えることができる。これに加えて、前記主導波路２０と前記抽出導波路３０は前記第１及び第２共振リング４０、５０と同一な層構成を有することができるが、この場合、製造工程が容易になる利点がある。しかしながら、これに限定されるものではなく、前記主導波路２０と前記抽出導波路３０は前記第１及び第２共振リング４０、５０と異なる構造を有することもでき、また前記主導波路２０と前記抽出導波路３０が互いに異なる構造を有することもできる。

前記主導波路２０、前記抽出導波路３０、前記第１及び第２共振リング４０、５０に備えられたコア層２２、４２、５２、３２が半導体層の場合に、これらを通じて伝播される光信号は前記コア層２２、４２、５２、３２のバンドギャップエネルギーに比べて小さいエネルギーに対応する波長を有することができる。この場合、前記コア層２２、４２、５２、３２に前記光信号が吸収されないことがあるので、これらを通じて伝播される光信号の損失を減らすことができる。このような光信号は７００nm以上の波長を有することができ、具体的に１０００nm以上の波長を有することができ、より具体的には１３００nm乃至１６００nmの波長を有することができる。最も具体的な例として、前記光信号は有線光通信分野でたくさん使われる約１３００nmまたは約１５５０nmの波長を有することができる。しかしながら、これに限定されるものではない。

前記コア層２２、３２、４２、５２／前記クラッディング層２１、２３、３１、３３、４１、４３、５１、５３は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ＞ｙ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ１−ｘＰｘ／ＩｎｂＧａ１−ｂＡｓ１−ａＰａ（ｘ＜ａ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１）、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮなどの化合物半導体層またはこれらの組合でありうる。具体的に、前記コア層２２、３２、４２、５２／前記クラッディング層２１、２３、３１、３３、４１、４３、５１、５３は値段が比較的高いＩｎを使用しないＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓでありうる。

一方、前記主導波路２０と前記第１共振リング４０との間の距離、前記第１共振リング４０と前記第２共振リング５０との間の距離、及び前記第２共振リング５０と前記抽出導波路３０との間の距離はカップリングが容易に起こることができる程度に狭いことがある。一例として、数百nm、具体的に３００nm以下であることがある。

前記実施形態において、前記基板１０が伝導性基板であると記述したが、これに限定されず、前記基板１０は絶縁基板であることもある。この場合、前記第１共振リング電極１５は前記基板１０と前記第１クラッド層４１、５１との間に配置されることもできる。

また、前記導波路２０、３０の前記第１クラッド層２１、３１の下部と前記第２クラッド層２３、３３の上部に各々電極を形成することもできる。この場合、前記導波路２０、３０にバイアスを加えて前記導波路２０、３０に備えられたコア層２２、３２の有効屈折率を変化させることができ、これによって前記導波路２０、３０が伝播する波長の範囲を変化させることができる。

図６ａ及び図６ｂは、図５の切断線ＩＩ−ＩＩ′に沿って工程段階別に取られた本発明の一実施形態に従う光学素子の製造方法を示す断面図である。具体的な物質の例示は図５を参照して説明した部分を参照する。

図６ａを参照すると、基板１０の上に第１クラッド層１、コア層２、及び第２クラッド層３を順次に積層することができる。前記第１クラッド層１、コア層２、及び第２クラッド層３は、前記基板１０の上にＣＶＤ法などを使用して形成されることができ、一例としてＭＯＣＶＤ（Metal Organic
Chemical Vapor Deposition）またはＭＢＥ（Molecular
Beam Epitaxy）などを使用してエピタキシャルに成長できる。

図６ｂを参照すると、前記第２クラッド層３、前記コア層２、及び前記第１クラッド層１を順次にエッチングして、転送導波路２０、第１共振リング４０、第２共振リング５０、及び抽出導波路３０を形成することができる。この後、前記転送導波路２０、前記第１共振リング４０、前記第２共振リング５０、及び前記抽出導波路３０を覆う絶縁膜６０を形成後、前記絶縁膜６０を第２クラッド層２３、４３、５３、３３が露出されるまでエッチバックすることができる。前記絶縁膜６０はＢＣＢ（Benzo Cyclo
Butene）でありうる。

前記基板１０の下部面の上に第１電極１５を形成することができる。また、前記共振リング４０、５０の前記第２クラッド層４３、５３の上に第２電極４５、５５を各々形成することができる。

図７及び図８は、図５に図示された光学素子の動作方法を示す斜視図である。

図７を参照すると、転送導波路２０の入力端に一連の光信号（λ１…λａ…λｂ…λｎ）が入力できる。このような光信号（λ１…λａ…λｂ…λｎ）は前記主導波路２０に沿って伝播できる。具体的に、前記光信号（λ１…λａ…λｂ…λｎ）はクラッディング層２１、２３に比べて高い屈折率を有するコア層２２の内に拘束されて、前記コア層２２に沿って伝播できる。

一方、第１及び第２共振リング４０、５０にバイアス電圧が印加されない。この場合、前記共振リング４０、５０に備えられたコア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）はコア層４２、５２をなす物質自体の屈折率、即ち、元屈折率（ｎ_ｏｒｇ）でありうる。この場合、前記転送導波路２０に沿って伝播される光信号のうち、前記＜数式１＞を満たすλｂは前記第１共振リング４０にカップリングできる。また、前記第１共振リング４０の周りに沿って共振するλｂは前記第２共振リング５０と抽出導波路３０に順次にカップリングできる。その結果、前記抽出導波路３０の出力端にλｂが出力できる。

この際、前記転送導波路２０と前記第１共振リング４０とが互いに隣接する領域では前記転送導波路２０から伝播される光の方向と前記第１共振リング４０の周りに沿って共振される光の方向（Ｄ１）が平行をなすことができる。また、前記第１共振リング４０と前記第２共振リング５０とが互いに隣接する領域では前記第１共振リング４０の周りに沿って共振される光の方向（Ｄ１）と前記第２共振リング５０の周りに沿って共振される光の方向（Ｄ２）とが平行をなすことができる。これは、前記第２共振リング５０と前記抽出導波路３０との間でも同様でありうる。例えば、前記転送導波路２０の内で光信号が図示された方向に伝播される場合、λｂは前記第１共振リング４０の周りに沿って時計方向（Ｄ１）に共振されることができ、この後、前記第２共振リング５０にカップリングされて時計反回り方向（Ｄ２）に前記第２共振リング５０の周りに沿って共振できる。次に、λｂは前記抽出導波路３０にまたカップリングされた後、前記抽出導波路３０に沿って伝播されて前記抽出導波路３０の出力端に出力できる。この場合、前記抽出導波路３０の出力端は前記転送導波路２０の入力端と反対方向にあることがある。一方、転送導波路２０の出力端ではλｂを除外した他の波長が出力できる。

図８を参照すると、図７を参照して説明したものと同様に、転送導波路２０の入力端に一連の光信号（λ１…λａ…λｂ…λｎ）が入力できる。

一方、第１及び第２共振リング４０、５０にバイアス電圧が印加される。前記第１及び第２共振リング４０、５０に各々印加されるバイアス電圧は互いに同一でありうる。この場合、前記共振リング４０、５０に備えられたコア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ１）は前記コア層４２、５２の元屈折率（ｎ_ｏｒｇ）と異なるように変化できる。一例として、前記第１及び第２共振リング４０、５０に順方向バイアスが印加されれば、前記コア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ１）は前記半導体コア層４２、５２をなす物質自体の屈折率（ｎ_ｏｒｇ）と対比して減少する。

第１及び第２共振リング４０、５０にバイアス電圧が印加されない時、前記第１及び第２共振リング４０、５０で共振されていたλｂは、この場合、前記第１及び第２共振リング４０、５０でこれ以上共振されないことがある。その結果、λｂは前記主導波路２０の出力端に他の光信号と共に出力されることができ、前記抽出導波路３０の出力端ではこれ以上λｂは出力されないことがある。

一方、バイアスの印加による前記共振リング４０、５０に備えられたコア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ１）の変化によって、前記共振リング４０、５０は前記＜数式１＞を満たすλａを共振させることができる。その結果、λａは前記抽出導波路３０の出力端に出力されることができ、転送導波路２０の出力端ではλａを除外した他の波長が出力されることができる。

図９は、図５乃至図８を参照して説明した光学素子が光スイッチまたは光変調器として動作することを示すグラフである。

図５及び図９を参照すると、転送導波路２０に所定の強度（intensity）を有するλａの波長が入力される。

ｔ０〜ｔ１区間では第１及び第２共振リング４０、５０の両端に電界が印加されない。したがって、前記共振リング４０、５０の内のコア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）は元屈折率（ｎ_ｏｒｇ）と同一であることがある。一方、λａと元屈折率（ｎ_ｏｒｇ）は共振条件である＜数式１＞を満たす。その結果、０〜ｔ１区間では前記転送導波路２０に入力されたλａは前記第１共振リング４０、前記第２共振リング５０、及び抽出導波路３０に順次にカップリングされて、抽出導波路３０の出力端に出力できる。この際、前記転送導波路２０の出力端ではλａが出力されない。

しかしながら、ｔ１〜ｔ２区間では前記第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスが印加されてコア層４２、５２の有効屈折率をｎ_ｅｆｆ１に変化させる。これによって、 λａはこれ以上共振条件を満たさないので、λａは前記第１共振リング４０にカップリングされないことがある。その結果、λａは前記転送導波路２０の出力端で出力され、前記抽出導波路３０の出力端では出力されないことがある。

ｔ２〜ｔ３区間では第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスが印加されない。その結果、ｔ０〜ｔ１区間と同様に、前記転送導波路２０に入力されたλａは抽出導波路３０の出力端に出力され、前記転送導波路２０の出力端ではλａが出力されないことがある。

仮に、前記ｔ１〜ｔ２区間と同様に、前記第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスが印加された状態が持続されれば、前記光学素子は前記転送導波路２０から前記抽出導波路３０に光をスイッチする光スイッチとして作用することができる。

一方、前記ｔ０〜ｔ１、ｔ１〜ｔ２、及びｔ２〜ｔ３区間のように、前記第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスが印加された状態と印加されない状態が繰り返されれば、前記転送導波路２０と前記抽出導波路３０とから抽出される光の強度が時間によって変わることができるので、前記光学素子は光変調器として作用することができる。

図１０は、図５乃至図８を参照して説明した光学素子が光分配器として動作することを示すグラフである。

図５及び図１０を参照すると、転送導波路２０に所定の強度（intensity）を有するλａとλｂの波長が入力される。

ｔ０〜ｔ１区間では第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスが印加されない。したがって、前記共振リング４０、５０の内のコア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）は元屈折率（ｎ_ｏｒｇ）と同一であることがある。一方、λａと元屈折率（ｎ_ｏｒｇ）は共振条件を満たす。その結果、０〜ｔ１区間では前記転送導波路２０に入力されたλａは前記第１共振リング４０、前記第２共振リング５０、及び抽出導波路３０に順次にカップリングされて、抽出導波路３０の出力端に出力できる。この際、前記転送導波路２０の出力端ではλａが出力されず、λｂのみ出力できる。

しかしながら、ｔ１〜ｔ２区間では前記第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスが印加されてコア層４２、５２の有効屈折率をｎ_ｅｆｆ１に変化させる。これによって、 λａは共振条件をこれ以上満たさないので、λａは前記第１共振リング４０にカップリングされない一方、共振条件を満たすλｂは前記第１共振リング４０、前記第２共振リング５０、及び前記抽出導波路３０に順次にカップリングできる。その結果、λａは前記転送導波路２０の出力端で出力され、λｂは前記抽出導波路３０の出力端では出力できる。

ｔ２〜ｔ３区間では前記第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスがまた印加されない。その結果、ｔ０〜ｔ１区間と同様に、前記転送導波路２０に入力されたλａとλｂのうち、λａが抽出導波路３０の出力端に出力され、λｂは前記転送導波路２０の出力端で出力できる。

仮に、前記ｔ１〜ｔ２区間のように、前記第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスが印加された状態が持続されれば、または前記ｔ０〜ｔ１及び前記ｔ２〜ｔ３区間のように、前記第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスが印加されない状態が持続されれば、前記光学素子は前記転送導波路２０に入力されたλａとλｂのうちの１つを抽出導波路３０の出力端に出力させ、残りの１つを前記転送導波路２０の出力端に出力させることができるので、光分配器路として作用することができる。

図１１は、図５乃至図８を参照して説明した光学素子が光減衰器として動作することを示すグラフである。

図５及び図８を参照すると、転送導波路２０に所定の強度（intensity）を有するλａの波長が入力される。

ｔ０〜ｔ１区間では第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスを印加してコア層４２、５２の有効屈折率をｎ_ｅｆｆ１に変化させる。 λａは共振条件を満たさないので、λａは前記第１共振リング４０にカップリングされないことがある。その結果、λａは前記転送導波路２０の出力端で出力され、前記抽出導波路３０の出力端では出力されないことがある。

ｔ１〜ｔ２区間では前記第１及び第２共振リング４０、５０に印加されたバイアスが徐々に減少して０に至る。この場合、前記共振リング４０、５０の内のコア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）はｎ_ｅｆｆ１からｎ_ｏｒｇに徐々に変化できる。前述したように、＜数式１＞を満たすλｒは有効屈折率に対して所定の分布（例えば、変形されたローレンツィアン（modified
Lorentian）分布またはボックス類似（Box like）分布）を有する共振波長のうち、最大強度を有する共振波長であるので、前記コア層４２、５２の有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）がｎ_ｅｆｆ１からｎ_ｏｒｇに徐々に変化される時、λａが前記第１共振リング４０にカップリングされる強度が徐々に増加する。その結果、前記転送導波路２０の出力端ではλａの強度が徐々に減り、前記抽出導波路３０の出力端ではλａの強度が徐々に増加する。

ｔ２〜ｔ３区間では第１及び第２共振リング４０、５０にバイアスがまた印加されない。その結果、前記転送導波路２０に入力されたλａは抽出導波路３０の出力端に出力され、前記転送導波路２０の出力端では出力されないことがある。

前記ｔ１〜ｔ２区間のように、前記第１及び第２共振リング４０、５０に印加されたバイアス値が時間によって徐々に変化すれば、前記光学素子は前記転送導波路２０または前記抽出導波路３０から出力される光の強度が時間によって徐々に変わる光減衰器として作用することができる。

（第５実施形態）
図１２ａは本発明の第５実施形態に従う光学素子を示す平面図であり、図１２ｂは図１２ａの切断線Ｉ−Ｉ′による断面図である。本実施形態に従う光学素子は、共振リングと方向性結合器とを備える光学素子でありうる。本実施形態に従う光学素子は後述するものを除いては、第４実施形態に従う光学素子と類似している。しかしながら、本実施形態の断面構造は第１実施形態に従う光学素子と類似するものと図示されたが、これに限定されず、第４実施形態に従う光学素子と類似な断面構造を有することもできる。

図１２ａ及び図１２ｂを参照すると、基板１００が提供される。前記基板１００の下部に第１電極１０５が配置できる。一方、前記基板１００の上に第１クラッド層１１０、コア層１２０、及び第２クラッド層１３０が順次に配置される。前記第２クラッド層１３０は互いに異なる厚さを有する領域を備える。前記構造は実施形態４より半導体物質を薄くエッチングしても製作可能である。

前記第２クラッド層１３０の厚い領域は他の領域に比べてその下部に光を拘束させることができる確率が高いので光導波路として定義できる。具体的に、前記第２クラッド層１３０の厚い領域は転送導波路ＷＧ１、第１共振リングＲＲ１、第２共振リングＲＲ２、及び抽出導波路ＷＧ２を定義することができる。前記第１共振リングＲＲ１と第２共振リングＲＲ２の各々は平行した一対の直線と前記直線の両側端部を連結する一対の曲線を備えて、レースのような（race-like）構造を有することができる。前記第１共振リングＲＲ１に備えられた一側直線領域と前記転送導波路ＷＧ１との間の間隔、前記第１共振リングＲＲ１に備えられた一側直線領域と前記第２共振リングＲＲ２に備えられた一側直線領域との間の間隔、そして前記第２共振リングＲＲ２に備えられた一側直線領域と前記抽出導波路ＷＧ２との間の間隔は光学フィールド（optical field）が相互作用して互いにカップリング可能な程度に狭いことがある。

前記第１共振リングＲＲ１と前記第２共振リングＲＲ２の第２クラッド層１３０の上に第２電極１５０ａ、１５０ｂが各々配置できる。前記コア層１２０は前記第１及び第２クラッディング層１１０、１３０に比べて屈折率が大きいことがある。したがって、このような屈折率の差によって前記コア層１２０の内に光が拘束できる。整理すると、前記第２クラッド層１３０の厚い領域の下部のうち、前記コア層１２０の内で光が拘束できる。

このような光学素子の動作原理は、第４実施形態と類似するように、前記第１電極１０５と前記第２電極１５０ａ、１５０ｂの間にバイアス電圧が印加されない場合、前記転送導波路ＷＧ１の入力端を通じて入った光信号は前記第１共振リングＲＲ１と前記第２共振リングＲＲ２に順次にカップリングされて、前記抽出導波路ＷＧ２の出力端（drop port）に出力できる。しかしながら、前記第１電極１０５と前記第２電極１５０ａ、１５０ｂとの間にバイアス電圧が印加された場合、前記第１及び第２共振リングに備えられたコア層の屈折率が変わるので、前記転送導波路と前記第１共振リングとの間、前記第１共振リングと前記第２共振リングとの間、そして前記第２共振リングと前記抽出導波路との間のカップリング係数が変わって光信号がこれらの間でカップリングされないことがある。その結果、前記転送導波路ＷＧ１の入力端を通じて入った光信号は前記転送導波路ＷＧ１の出力端（transmit port）に出力できる。

（第６実施形態）
図１３は、本発明の他の実施形態に従う光学素子を示す斜視図である。本実施形態に従う光学素子は後述するものを除いては、図５乃至図１１を参照して説明した光学素子と類似している。

図１３を参照すると、前記基板１０の上に一方向に延びた転送導波路２０が配置できる。また、前記基板１０は前記転送導波路２０の側面に第１共振リング４０が位置できる。前記共振リング４０を中心に前記転送導波路２０の向かい側に前記基板１０の上に延びた抽出導波路３０が配置できる。図１を参照して説明した光学素子とは異なり、前記転送導波路２０と前記抽出導波路３０との間に奇数個、具体的に１つの共振リング４０が配置される。

このような光学素子において、前記転送導波路２０の入力端に一連の光信号（λ１…λａ…λｂ…λｎ）が入力される時、共振リング４０にバイアス電圧が印加されない場合、前記転送導波路２０に沿って伝播される光信号のち、共振条件を満たすλｂは前記共振リング４０と抽出導波路３０に順次にカップリングされて、前記抽出導波路３０の出力端に出力できる。

この際、前記転送導波路２０と前記共振リング４０とが互いに隣接する領域では前記転送導波路２０から伝播される光の方向と前記共振リング４０の周りに沿って共振される光の方向（Ｄ１）とが平行をなして、またこれは前記共振リング４０と前記抽出導波路３０との間でも同様である。例えば、前記転送導波路２０の内で光信号が図示された方向に伝播される場合、λｂは前記第１共振リング４０の周りに沿って時計方向（Ｄ１）に共振されることができ、この後、前記抽出導波路３０にまたカップリングされた後、前記抽出導波路３０に沿って伝播されて前記抽出導波路３０の出力端に出力できる。この場合、前記抽出導波路３０の出力端は前記転送導波路２０の入力端と同一な方向にあることがある。一方、転送導波路２０の出力端ではλｂを除外した他の波長が出力できる。

このように、第１乃至第６実施形態を通じて説明された半導体光学素子は光信号のスイッチング（switching）、変調（modulation）、強度（intensity）調節などに利用可能である。このために、バイアス（bias）供給を通じた電荷密度（carrier
density）調節を通じて半導体物質の屈折率（refractive
index）を変化させることによって、光信号をスイッチングしたり、変調及び強度調節を行う。前記の原理を用いる半導体素子は光通信システム（optic
communication system）、光連結（optical
interconnection）、光コンピューティング（optical
computing）、及び光信号処理（optical
signal processing）などに使用できる。

以下、本発明の理解を助けるために好ましい実験例（example）を提示する。但し、下記の実験例は本発明の理解を助けるためのものであり、本発明が下記の実験例により限定されるものではない。

（製造例１：光学素子製造）
ＧａＡｓ基板の上に約１．５umのｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層、アンドープドＧａＡｓ層、及び約１．５umのｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層をエピタキシャルに成長させた。前記ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層、前記アンドープドＧａＡｓ層、及び前記ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層を順次にエッチングして、図５に図示されたような転送導波路（図５の２０）、第１共振リング（図５の４０）、第２共振リング（図５の５０）、及び抽出導波路（図５の３０）を形成した。この後、前記基板の下部面の上に第１共振リング電極（図５の１５）を形成し、また前記共振リングのｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層（図５の４３、５３）の上に第２共振リング電極（図５の４５）と第３共振リング電極（図５の５５）を形成した。

図１４ａは製造例１に従う光学素子の各共振リングに印加されたバイアス電圧に対する屈折率変化を示すグラフであり、図１４ｂは製造例１に従う光学素子の各共振リングにバイアス電圧が印加された時に発生したキャリア密度に対する屈折率変化を示すグラフである。これは、製造例１により製造された厚さ１umのアンドープドＧａＡｓ層を有する光学素子と厚さ０．５umのアンドープドＧａＡｓ層を有する光学素子に対して１３０５．２８nmと１５６０．１６nmの波長を転送導波路の入力端に入力した状態で測定した。

図１４ａ及び図１４ｂを参照すると、共振リングの両端に印加されたフォワードバイアスが増加するほど屈折率変化量（△ｎ_{ｔｏｔａｌ}）、即ち、元屈折率に対する有効屈折率の差は大きくなった。また、共振リングの両端に印加されたフォワードバイアスによるキャリア密度が増加するほど屈折率変化量（△ｎ_{ｔｏｔａｌ}）が大きくなった。この際、屈折率変化量（△ｎ_{ｔｏｔａｌ}）は負の値を有するので、有効屈折率は元屈折率対比減少したことが分かる。

図１５ａ及び図１５ｂの各々は製造例１に従う光学素子の転送導波路に入力される一連の波長に対する転送導波路及び抽出導波路で出力される波長の正規化された強度を示すグラフである。

図１５ａを参照すると、製造例１に従う光学素子の転送導波路に１３０２nm乃至１３０９nmの一連の波長を入力した。

前記光学素子の共振リングにバイアス電圧を印加しなかった場合（０Ｖ）、転送導波路の出力端（ＰＴ）では共振条件を満たす最大波長である１３０５．２８nmで出力強度が減少する一方、抽出導波路の出力端（ＰＤ）では共振条件を満たす最大波長である１３０５．２８nmで出力強度が増加したことが分かる。また、出力波長は前記最大共振波長を中心に変形されたローレンツィアン（modified
Lorentian）分布またはボックス類似（Box like）分布を有することが分かる。

一方、前記共振リングに２Ｖの順バイアスを印加した場合、転送導波路の出力端（ＰＴ）での出力強度対比抽出導波路の出力端（ＰＤ）での出力強度は１３０２nmと１３０９nmとの間の波長範囲で徐々に減少することが分かる。これは、共振リングに印加された２Ｖの順バイアスによって前記共振リングのコア層の有効屈折率が減少して、最大共振波長が１３０５．２８nmより短くなったためであると分析できる。

図１５ｂを参照すると、製造例１に従う光学素子の転送導波路に１５５７nm乃至１５６４nmの一連の波長を入力した。

前記光学素子の共振リングにバイアス電圧を印加しなかった場合（０Ｖ）、転送導波路の出力端（ＰＴ）では共振条件を満たす最大波長である１５６０．１６nmで出力強度が減少する一方、抽出導波路の出力端（ＰＤ）では共振条件を満たす最大波長である１５６０．１６nmで出力強度が増加したことが分かる。また、出力波長は前記最大共振波長を中心に変形されたローレンツィアン（modified
Lorentian）分布またはボックス類似（Box like）分布を有することが分かる。

一方、前記共振リングに２Ｖの順バイアスを印加した場合、転送導波路の出力端（ＰＴ）での出力強度対比抽出導波路の出力端（ＰＤ）での出力強度は１５５７nmと１５６４nmとの間の波長範囲で徐々に減少することが分かる。これは、共振リングに印加された２Ｖの順バイアスによって前記共振リングのコア層の有効屈折率が減少して、最大共振波長が１５６０．１６nmより短くなったためであると分析できる。

図１６は、製造例１に従う光学素子の共振リングにバイアスが印加された時の屈折率変化量に対する出力波長である１３０５．２８nmと１５６０．１６nmの正規化された強度を示すグラフである。

図１６を参照すると、共振リングにバイアスが印加されなくて屈折率変化量が０の場合、最大共振波長が１３０５．２８nmと１５６０．１６nmであることがあり、これらの出力強度は転送導波路の出力端（T port）では最小である一方、抽出導波路の出力端（D port）では最大であることが分かる。

一方、共振リングにバイアスが印加されて屈折率変化量が徐々に増加する場合、最大共振波長と１３０５．２８nmまたは１５６０．１６nmとの間の差は徐々に増加する。その結果、１３０５．２８nmまたは１５６０．１６nmがカップリングされる量は徐々に減って、これらの出力強度は抽出導波路の出力端（D port）では徐々に減少することが分かる。

以上、本発明を好ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想及び範囲内で当該分野で通常の知識を有する者によってさまざまな変形及び変更が可能である。

Claims

一方向に延びる第１導波路と、
前記第１導波路の側面に位置し、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び前記第１及び第２導電型半導体層の間に位置するアンドープド半導体層を備え、かつ前記アンドープド半導体層の屈折率は前記第１及び第２導電型半導体層の屈折率に比べて大きい第２導波路と、
前記第２導波路の前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層に各々接続する第１電極と第２電極と、
を含むことを特徴とする、光学素子。
前記アンドープド半導体層のバンドギャップエネルギーは前記光学素子が伝播する光のエネルギーに比べて大きいことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
前記アンドープド半導体層と前記第１及び第２導電型半導体層は化合物半導体層であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子。
前記アンドープド半導体層／前記第１及び第２導電型半導体層は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ＞ｙ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ１−ｘＰｘ／ＩｎｂＧａ１−ｂＡｓ１−ａＰａ（ｘ＜ａ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１）、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項３に記載の光学素子。
前記第１導波路は、第１クラッド層、第２クラッド層、及びこれらの間に位置するコア層を備え、
前記コア層の屈折率は前記第１及び第２クラッド層に比べて大きいことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
前記第１クラッド層は第１導電型半導体層であり、
前記コア層はアンドープド半導体層であり、
前記第２クラッド層は第２導電型半導体層であることを特徴とする、請求項５に記載の光学素子。
前記第１導波路の一端と前記第２導波路の一端とは互いに結合され、前記前記第１導波路の他端と前記第２導波路の他端とは互いに結合され、
前記結合された領域の間で前記第１導波路と前記第２導波路との間の間隔はカップリングが起こらない程度に大きいことを特徴とする、請求項１または６に記載の光学素子。
前記光学素子の一部領域で前記第１導波路と前記第２導波路との間の間隔はカップリングが起こる程に狭いことを特徴とする、請求項１または６に記載の光学素子。
前記一部領域は第１領域であり、
前記第１領域に隣接した前記光学素子の第２領域で前記第１導波路と前記第２導波路との間の間隔はカップリングが起こらない程度に大きく、
前記第２領域に隣接した前記光学素子の第３領域で前記第１導波路と前記第２導波路との間の間隔はカップリングが起こる程度に狭く、
前記第２電極は前記第２領域に位置した第２導波路の第２クラッド層の上に選択的に接続することを特徴とする、請求項８に記載の光学素子。
前記第２導波路は閉鎖環形状を有する共振リングであることを特徴とする、請求項１または６に記載の光学素子。
前記第１導波路は転送導波路であり、
前記共振リングを中心に前記転送導波路の向かい側に配置された抽出導波路をさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の光学素子。
前記共振リングは第１共振リングであり、
前記第１共振リングと前記抽出導波路との間に位置する第２共振リングをさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の光学素子。
前記第１共振リングと前記第２共振リングとは同一層構成を有することを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子。
前記転送導波路、前記第１共振リング、前記第２共振リング、及び前記抽出導波路は同一層構成を有することを特徴とする、請求項１３に記載の光学素子。
一方向に延びる第１導波路と、
前記第１導波路の側面に位置し、第１クラッド層、第２クラッド層、及びこれらの間に位置するコア層を備え、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層に印加されたバイアス電圧によって前記コア層の有効屈折率が変わる第２導波路を備えることを特徴とする、光学素子。
前記第１導波路の一端と前記第２導波路の一端とは互いに結合され、前記第１導波路の他端と前記第２導波路の他端とは互いに結合され、
前記結合された領域の間で前記第１導波路と前記第２導波路との間の間隔はカップリングが起こらない程度に大きいことを特徴とする、請求項１５に記載の光学素子。
前記光学素子の第１領域で前記第１導波路と前記第２導波路との間の間隔はカップリングが起こる程度に狭く、
前記第１領域に隣接した前記光学素子の第２領域で前記第１導波路と前記第２導波路との間の間隔はカップリングが起こらない程度に大きく、
前記第２領域に隣接した前記光学素子の第３領域で前記第１導波路と前記第２導波路との間の間隔はカップリングが起こる程度に狭く、
前記第２導波路は前記第１領域と前記第３領域で前記コア層の有効屈折率が変わらず、前記第２領域で選択的に前記第１クラッド層と前記第２クラッド層に印加されたバイアス電圧によって前記コア層の有効屈折率が変わることを特徴とする、請求項１５に記載の光学素子。
前記第２導波路は閉鎖環形状を有する共振リングであることを特徴とする、請求項１５に記載の光学素子。
前記第１導波路は転送導波路であり、
前記共振リングを中心に前記転送導波路の向かい側から前記基板の上に延びた抽出導波路をさらに含むことを特徴とする、請求項１８に記載の光学素子。
前記共振リングは第１共振リングであり、
前記第１共振リングと前記抽出導波路との間に位置し、第１クラッド層、第２クラッド層、及びこれらの間に位置するコア層を備え、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層に印加されたバイアス電圧によって前記コア層の有効屈折率が変わる第２共振リングをさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の光学素子。