JP2801351B2

JP2801351B2 - 光機能素子およびその駆動方法

Info

Publication number: JP2801351B2
Application number: JP2083337A
Authority: JP
Inventors: 漢明麦; 久治柳川
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1998-09-21
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: JPH03282428A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は新規な構造の光機能素子とその駆動方法に関
し、更に詳しくは、光モードスプリッタや光スイッチと
して有用な光機能素子に関する。

（従来の技術）半導体材料で構成する光機能素子としては、例えば、
光モードスプリッタ，光スイッチ，光変調器，光合分波
器などが研究の対象になっている。

これらのうち、光モードスプリッタについて、従来例
を図面に則して説明する。

まず、第６図は、M.KobayashiらがAppl.Phys.Lett.,v
ol32,pp300〜302（1978）で提案した光モードスプリッ
タを示す概略斜視図である。

この光モードスプリッタは、光導波路がSiO₂−Ta₂O₅
のガラス系材料で構成されていて、基板１の上に２次元
導波路として導波層2,介在層３を順次堆積し、この介在
層３の上に薄膜導波層４を所定の角度で傾斜せしめて形
成し、光を図のＺ方向から入射して光のTEモードとTMモ
ードを分離するものである。すなわち、Ｚ方向から導波
層２に光を入射すると、薄膜導波層４の傾斜がもたらす
モード選択条件を満たして、入射光のうちのTEモード5a
が薄膜導波層４と結合し、TMモード5bは薄膜導波層４と
結合することなくそのまま直進していく。したがって、
TEモード5aとTMモード5bが分離される。

第７図と第８図は、M.KusudaとG.L.YipがAppl.Phys.L
ett.,vol37,pp20〜22（1980）で提案した光モードスプ
リッタを示す。

この光モードスプリッタにおいては、まず、LiNbO₃系
の材料を用いてＹ分岐する多モード導波路が形成されて
いる（第７図）。そして、第７図のVIII−VIII線に沿う
断面図である第８図に示したように、主路６の一部と一
方の分岐導波路（図では6b）にAl₂O₃層のようなバッフ
ァ層７を介在せしめることにより、分岐導波路6aと分岐
導波路6bの等価屈折率を相違させ、また、第８図のよう
に一組の電極8a,8bを添着して両電極間に電圧印加がで
きるようになっている。

今、分岐導波路6aの等価屈折率をn₁,分岐導波路6bの
等価屈折率をn₂とし、またn₁＜n₂とする。

この状態で、主路６にTEモードとTMモードが共存する
光を入射する。分岐導波路6bの等価屈折率が分岐導波路
6aのそれよりも大きいので、入射した光は分岐導波路6b
に閉じ込められそこから出射する。

しかし、ここで電極8a,8b間に電圧を印加すると、電
気光学効果により、分岐導波路6bの等価屈折率はTEモー
ドに対してのみ低下する。したがって、印加電圧値がこ
の屈折率低下を|n₁−n₂|より大きくすると、それより高
い印加電圧値においては、主路６に入射した光のTEモー
ドは等価屈折率が分岐導波路6bよりも大きくなっている
分岐導波路6aに閉じ込められそこから出射することにな
る。一方、入射光のうちのTMモードに対しては、分岐導
波路6aと分岐導波路6bの等価屈折率は何ら変化しないの
で、TMモードは分岐導波路6bを導波して出射していく。
このようにして、電極からの電圧印加により、入射光を
TEモードとTMモードに分離することができる。

第９図は、M.Ermanらが、15th ECOC.ThB20−１（198
9）で提案した光モードスプリッタの概略斜視図であ
る。

この光モードスプリッタは、半導体材料を用いること
により、互いに平行配置された２本の導波路9a,9bで方
向性結合器難の光導波路を形成し、一方の導波路（図で
は9b）の上面に単に金属層10を被覆形成したものであ
る。

このようにすると、導波路9aと導波路9bの間では、TE
モードとTMモードに対する等価屈折率が相違するように
なる。

したがって、導波路9aにTEモードとTMモードが共存す
る光を入射すると、金属層10が被覆されている導波路9b
にはTEモードが結合して、TEモードは導波路9bを導波し
てそこから出射する。しかし、TMモードは導波路9bに結
合することがないため、導波路9aからそのまま出社して
いく。すなわち、TEモードとTMモードは分離される。

次に、光スイッチのうち方向性結合器型のものにつき
説明する。

第10図は一様Δβ型の光スイッチの概略平面図であ
る。この光スイッチの場合には、図示しない基板の上
に、２本の光導波路11,12が配置されていて、光導波路1
1aと光導波路12aは互いにエバネッセント結合するよう
に近傍して平行配置され、図の点線で囲んだ領域Ａが結
合部になっている。

そして、いずれか一方の光導波路（図では11a）の上
には電極13が形成されていて、この電極13から電圧印加
や電流注入ができるようになっている。

この光スイッチの場合、例えば、光導波路12の上流側
端部12bから光を入射して電極13を無駆動状態にしてお
くと、光は、結合部Ａにおいて、光導波路11aと結合し
て光導波路11の下流側端部11cから出射する。すなわ
ち、上流側端部12bから入射した光は光導波路11の下流
側端部11cから出射して、光導波路12の下流側端部12cか
らは出射しない。

しかし、電極13から例えば電流注入して光導波路11a
の等価屈折率を低下せしめると、光導波路12の上流側端
部12bから入射した光は、光導波路11aと結合することな
く、光導波路12aを通り下流側端部12cからのみ出射す
る。すなわち、電極13からの電流注入により、光の出射
は、下流側端部11cから下流側端部12cへと変更され、こ
こにスイッチング機能が発現する。

しかしながら、この一様Δβ型光スイッチを機能させ
るためには、電極13の無駆動状態において、２本の光導
波路11,12の下流側端部11c,12cの出射比率を1:0（また
は0:1）に予め調整しておくことが必要である。そのこ
とは、結合部Ａにおける各光導波路11a,12aの長さや相
互間の距離を厳密に制御することによって可能となる。
しかしながら、結合部Ａの長さを高い精度で形成するこ
とは、現在のフォトリソグラフィー技術の水準では非常
に困難である。そのため、一様Δβ型光スイッチの場合
には、光結合の過程で不可避的に漏話が生じてしまう。

一様Δβ型光スイッチの上記した問題を解消するもの
として、第11図の概略平面図で示したような反転Δβ型
光スイッチが提案されている。

この光スイッチの結合部Ａにおいては、光導波路11a
の下流側部分11dと光導波路12aの上流側部分12dの上
に、互いに点対称となるように、電極13aと電極13bがそ
れぞれ形成され、この電極13a,13bは導通部13cを介して
互いに導通状態にある。なお、この構造において、電極
13aは光導波路11aの上部側部分11eに形成され、また電
極13bは光導波路12aの下流側部分12eに形成されていて
もよい。

この構造の光スイッチは、一様Δβ型光スイッチの場
合と異なり、結合状態が結合部Ａの初期状態によって規
制されることはない。

そして、まず、電極13a,13bを無駆動状態にして、例
えば光導波路12の上流側端部12bから光を入射すると、
結合部Ａで光は光導波路11aと結合してそこに閉じ込め
られ、下流側端部11cから出射する。

ついで、電極13a（13b）に電圧印加または電流注入を
行うと、ある電圧値または電流値で光導波路11aと光導
波路12aの間ではクロス状態が形成され、さらにその値
が増加すると、スルー状態を経たのちスイッチング動作
が発現する。

すなわち、電極13a（13b）からの電圧印加や電流注入
により、全体のΔβが反転して、上流側端部12bから入
射した光は、下流側端部11cから下流側端部12cへの出射
端が変更する。

（発明が解決しようとする課題）上記した各光機能素子において、まず、第６図で示し
た光モードスプリッタは集積化に不適であると同時に、
導波層，介在層，薄膜導波層などの堆積を高精度で行う
ことが困難であり、そのため、素子の縦方向（厚み方
向）におけるモード結合条件を適切に実現することは困
難である。

また、第７図で示した構造のものは、集積化が困難で
あるとともに、単一モード通信にとって不適であるとい
う問題がある。

更に、第９図で示した光モードスプリッタにおいて
は、結合部の長さがTEモードに対する完全結合長と等し
くなければ機能しないので、その機能実現のためには極
めて高い寸法精度で結合部を形成しなければならない。

いずれの場合であっても、上記した光モードスプリッ
タの場合、モードの分離効率が悪く、高い消光比が得ら
れないという難点がある。

また、上記した反転Δβ型光スイッチの場合、たしか
に結合状態は結合部の初期状態と無関係に制御すること
が可能である。しかし、一般に、クロス状態の形成に要
する電圧値や電流値はそれほど大きな値ではないが、ス
ルー状態を実現するための電圧値や電流値は可成り大き
い値となる。

そのため、光導波路を構成している半導体において高
消費電力の導入による発熱によりpn接合の破壊が起こり
やすく素子寿命の短縮化がまぬがれない。

本発明は上記したような問題を全て解決することがで
きる光機能素子とその駆動方法の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段）上記した目的を達成するために、本発明においては、
半導体材料から成る２本の光導波路が互いにエバネッセ
ント結合して平行配置されている結合部を有する方向性
結合器型の光機能素子において、一方の光導波路の上流
側部分と他方の光導波路の下流側部分とには互いに通し
て電圧印加用電極がそれぞれ形成され、また、前記一方
の光導波路の下流側部分と前記他方の光導波路の上流側
部分とには互いに導通し、かつ、前記電圧印加用電極と
導通することなく電流注入用電極がそれぞれ形成されて
いることを特徴とする光機能素子が提供され、また、前
記電流注入用電極から所定値の電流を光導波路に注入し
て光導波路間でクロス状態を形成し、ついで前記クロス
状態を維持しつつ、前記電圧印加用電極に所定値の電圧
を印加してTEモードのみのスルー状態を形成することに
より、光導波路に入射せしめた光のTEモードとTMモード
を分離することを特徴とする前記光機能素子の駆動方法
が提供され、更に前記電圧印加用電極から所定値の電圧
を印加して光導波路間でクロス状態を形成し、前記クロ
ス状態を維持しつつ、前記電流注入用電極から所定値の
電流を注入して、光導波路に入射する光のTEモードの光
路変更を行わせることを特徴とする前記光機能素子の駆
動方法が提供される。

（作用）まず、本発明の光機能素子は半導体材料から成る方向
性結合器型のものであって、その光導波路はpn接合構造
になっている。

このpn接合構造の光導波路に所定値の電流を注入する
と、光導波路では、プラズマ効果やバンドフィリング効
果が生じてその屈折率が小さくなる。そして、上記効果
は、TEモード,TMモードのいずれに対しても発現して偏
波無依存である。

一方、pn接合構造の光導波路に所定値の電圧を印加す
ると、その光導波路では、電気光学効果が生じてその屈
折率が大きくなる。そして、上記効果はTEモードに対し
てのみ発現する偏波依存性の特性である。

本発明の光機能素子は上記した効果を利用することに
より駆動させる。

この光機能素子においては、結合部の２本の光導波路
に反転Δβ構造で電流注入電極と電圧印加電極が形成さ
れている。

したがって、TEモードとTMモードが共存する光を光導
波路の一方に入射した状態において、まず、電流注入電
極から電流を注入すると、電極の直下に位置する光導波
路の間でクロス状態が形成され、光は他方の光導波路か
らのみ出射する。このとき、出射する光はTEモードとTM
モードが共存する光である。

ついで、その状態を保持し、すなわち、その状態を維
持する電流を電流注入用電極から注入しつつ、更に電圧
印加用電極から電圧印加を行うと、電極直下に位置する
光導波路の間で電気光学効果が起こってTEモードに対す
る屈折率が増加するようになる。

その結果、光導波路間ではTEモードのみに対するスル
ー状態が発現し、入射した光のうちTEモードは光を入射
した光導波路から出射し、TMモードは他方の光導波路か
らのみ出射する。

このように、本発明の光機能素子を上記したように駆
動せしめることにより、それを光モードスプリッタとし
て使用することができる。

また、この光機能素子の一方にTEモードの光を入射し
た状態で電圧印加用電極から所定電圧を印加すると、電
極直下の光導波路間はクロス状態となり、TEモードは他
方の光導波路と結合してそこから出射する。

そして、この状態を保持して電流注入用電極から所定
値の電流を注入すると、その電極直下の光導波路の屈折
率は低下するので、光を入射した一方の光導波路がスル
ー状態となる。その結果、他方の光導波路から出射して
いたTEモードは、入射した一方の光導波路から出射する
ように光路変更する。かくして、スイッチング動作が発
現する。

このように、本発明の光機能素子を駆動することによ
り、この光機能素子を方向性結合器型光スイッチとして
使用することができる。

（実施例）以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。

第１図は本発明の光機能素子の概略平面図である。

図において、後述する断面構造を有する光導波路21,2
2が、その結合部Ａにおいては、各光導波路部分23,24が
互いにエバネッセント結合するように近傍して平行配置
されている。

光導波路部分23の上流側部分23aと他方の光導波路部
分24の下流側部分24bの上には、それぞれ、電流注入用
電極25a,25bが互いに導通部25cで導通する状態で形成さ
れ、これら電極25a,25bからは光導波路部分23の上流側
部分23aと光導波路部分24の下流側部分24bに電流注入が
できるようになっている。

また、光導波路部分23の下流側部分23bと光導波路部
分24の上流側部分24aの上には、それぞれ、電圧印加用
電極26a,26bが互いに導通部26cで導通する状態で、しか
し、電流注入用電極25a,25bとは導通することのない状
態で形成され、これら電極26a,26bから光導波路部分23
の下流側部分23bと光導波路部分24の上流側部分24aに電
圧印加ができるようになっている。

なお、本発明においては、電極25a,25bを電圧印加
用、電極26a,26bを電流注入用にしてもよい。

つぎに、この光機能素子の断面構造は、第１図のII−
II線に沿う断面図である第２図で示すとおりである。

すなわち、まず、例えば、AuGeNi/Auから成る下部電
極31の上に、n⁺GaAsから成る基板32、同じくn⁺GaAsから
バッファ層33が形成されている。そして、このバッファ
層33の上にはn⁺AlGaAsから成る下部クラッド層34,n^-GaA
sから成るコア層35が順次形成され、更に、コア層35の
上には上部クラッド層36がリッジ状に形成されている。
この上部クラッド層36は、n^-AlGaAsから成るクラッド層
36aおよびpAlGaAsから成るクラッド層36bと、このクラ
ッド層36bの上に形成されるp⁺GaAsの層36cから構成さ
れ、クラッド層36aとクラッド層36bの界面がpn接合界面
になっている。

そして、上部クラッド層36の上面はSiO₂のような絶縁
膜37で被覆され、その上部には窓37aが形成されたの
ち、ここに例えばTi/Pt/Auを蒸着して上部電極25a,26b
を形成し、全体が結合部Ａにおける光導波路部分23,24
になっている。

なお、このように半導体を積層して光導波路部分23,2
4を構成する場合には、その光導波路の配置は、各層の
半導体の結晶面（100）上に、方向＜01＞と平行な方
向となるようにする。このような構成にしないと、前記
した電流注入によるプラズマ効果やバンドフィリング効
果，電圧印加による電気光学効果が発現しないからであ
る。

この光機能素子の駆動方法と効果を次に説明する。ま
ず、光モードスプリッタとして駆動する場合を説明す
る。

電極25a,25bにまず順方向電流を注入すると、その直
下に位置する光導波路部分の上流側部分23a,下流側部分
24bの間ではクロス状態が形成され、例えば光導波路21
の上流側端部21aから入射した光（TEモードとTMモード
が共存）は光導波路22の下流側端部22bからのみ出射す
る。

この状態を保持して、電極26a,26bから逆電圧を印加
すると、その直下に位置する光導波路部分の下流側部分
23b,上流側部分24aでは電気光学効果が発現して、TEモ
ードに対してのみスルー状態になって下流側端部21bか
らTEモードが出射する。

したがって、光導波路21の下流側端部21bからはTEモ
ードが、光導波路22の下流側端部22bからはTMモードが
出射して、光モードが分離される。

この状態の１例を第３図に示す。すなわち、本発明の
光機能素子においては、クロス状態時の注入電流値は10
mAで、そのときのTMモードの消光比は20dBであり、また
スルー状態時における印加電圧は23Vで、そのときのTE
モードの消光比は18dBになる。

次に光スイッチとして駆動する場合を説明する。

まず、電極26a,26bから所定値の逆電圧を印加する。
電極直下の光導波路部分の下流側部分23bと上流側部分2
4aとの間では、電気光学効果によりクロス状態が形成さ
れ、例えば、光導波路21の上流側端部21aから入射した
光（TEモードのみ）は光導波路22の下流側端部22bから
のみ出射する。

この状態を保持して、電極25a,25bから順方向の電流
を注入すると、その直下に位置する光導波路部分の上流
側部分23a,下流側部分24bではプラズマ効果やバンドフ
ィリング効果が発現して、光導波路部分23はスルー状態
になって下流側端部21bからTEモードが出射する。

そして、電極25a,25bからの電流注入を停止すると、T
Eモードは再び光導波路の下流側端部22bから出射する。

すなわち、電極26a,26bからの電圧印加を保持した状
態で電極25a,25bからの電流注入をオン−オフすること
により、TEモードのスイッチング動作が可能になる。

この状態の１例を第４図に示す。図中、実線は電圧印
加による結合側の出力を示し、点線は電流注入による結
合側の出力を表す。第４図は、第２図で示した断面構造
の光機能素子において、n^-AlGaAsのクラッド層36Aの厚
みが0.8μｍのときのスイッチング特性図である。

この場合、印加電圧値が15Vになるとクロス状態が形
成され、その後、注入電流値を約50mAにするとスルー状
態が実現する。第11図で示した従来の反転Δβ型光スイ
ッチにおいては、一般に、注入電流値が約200mAでスル
ー状態になることを考えると、本発明の光機能素子は極
めて小さい電流の注入でスイッチング特性を発揮する。

第５図は、前記したクラッド層36aの厚みが0.6μｍで
ある光機能素子のスイッチング特性を示す。この場合に
は、わずか9Vの電圧印加でクロス状態になり、また、注
入電流がわずか26mAでスルー状態が形成されている。

（発明の効果）以上の説明で明らかなように、本発明の光機能素子
は、半導体材料から成る２本の光導波路が互いにエバネ
ッセント結合して平行配置されている結合部を有する方
向性結合器型の光機能素子において、一方の光導波路の
上流側部分と他方の光導波路の下流側部分とには互いに
導通して電圧印加用電極がそれぞれ形成され、また、前
記一方の光導波路の下流側部分と前記他方の光導波路の
上流側部分とには互いに導通し、かつ、前記電圧印加用
電極と導通することなく電流注入用電極がそれぞれ形成
されていることを特徴とし、高い消光比の光モードスプ
リッタや方向性結合器型の光スイッチとして機能するこ
とができる。

その際に、印加する電圧や注入する電流はいずれも従
来に比べて小さい値であるため、光導波路におけるpn接
合の破壊は防止され、素子の寿命向上，高信頼性を実現
することができる。

また、光導波路の形成においても、結合部の長さによ
る結合比率の制限を受けることがないので、その製作も
比較的容易であり、量産性やコスト低減の点でも好適で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光機能素子の概略平面図、第２図は第
１図のII−II線に沿う断面図、第３図は本発明の光機能
素子の光モードスプリッタとしての動作特性を示すグラ
フ、第４図と第５図は本発明の光機能素子のスイッチン
グ特性を示すグラフ、第６図は従来の光モードスプリッ
タの概略斜視図、第７図は従来の他の光モードスプリッ
タの概略平面図、第８図は第７図のVIII−VIII線に沿う
断面図、第９図は更に別の従来の光モードスプリッタの
概略斜視図、第10図は一様Δβ型光スイッチの概略平面
図、第11図は反転Δβ型光スイッチの概略平面図であ
る。Ａ……結合部、21,22……光導波路、21a,22a……光導波
路の上流側端部、21b,22b……光導波路の下流側端部、2
3,24……結合部における光導波路部分、23a,24a……光
導波路部分の上流側部分、23b,24b……光導波路部分の
下流側部分、25a,25b……電流注入用電極、25c……導通
部、26a,26b……電圧印加用電極、26c……導通部、31…
…下部電極、32……基板、33……バッファ層、34……下
部クラッド層、35……コア層、36……上部クラッド層、
36a……クラッド層、36b……クラッド層、36c……p⁺GaA
s層、37……絶縁膜、37a……窓。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体材料から成る２本の光導波路が互い
にエバネッセント結合して平行配置されている結合部を
有する方向性結合器型の光機能素子において、一方の光
導波路の上流側部分と他方の光導波路の下流側部分とに
は互いに導通して電圧印加用電極がそれぞれ形成され、
また、前記一方の光導波路の下流側部分と前記他方の光
導波路の上流側部分とには互いに導通し、かつ、前記電
圧印加用電極と導通することなく電流注入用電極がそれ
ぞれ形成されていることを特徴とする光機能素子。
【請求項２】請求項１に記載の電流注入用電極から所定
値の電流を光導波路に注入して光導波路間でクロス状態
を形成し、ついで前記クロス状態を維持しつつ、請求項
１に記載の電圧印加用電極に所定値の電圧を印加してTE
モードのみのスルー状態を形成することにより、光導波
路に入射せしめた光のTEモードとTMモードを分離するこ
とを特徴とする請求項１に記載の光機能素子の駆動方
法。
【請求項３】請求項１に記載の電圧印加用電極から所定
値の電圧を印加して光導波路間でクロス状態を形成し、
前記クロス状態を維持しつつ、請求項１に記載の電流注
入用電極から所定値の電流を注入して、光導波路に入射
する光のTEモードの光路変更を行わせることを特徴とす
る請求項１に記載の光機能素子の駆動方法。