JP2836050B2

JP2836050B2 - 光波長フィルター及びそれを用いた装置

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Publication number: JP2836050B2
Application number: JP1314841A
Authority: JP
Inventors: 肇坂田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1998-12-14
Anticipated expiration: 2013-12-14
Also published as: JPH03174503A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、波長多重光情報伝送システム等において、
光波の分波もしくは合波を行なう為の光波長フィルター
ないしそれを用いた光検出器、光増幅器などに関し、特
に方向性結合器を用い高屈折率領域部分と低屈折率領域
部分の割合が変化するグレーティングを備えた光波長フ
ィルターないしそれを用いた光検出器、光増幅器などに
関する。

［従来の技術］従来の方向性結合器を用いた光波長フィルターは例え
ば、R.C.Alferness他:Applied Physics Letters,33,P
161（1978）、特開昭61−250607あるいは三木他、電子
通信学会研究報告OQE81−129に記載されているもののよ
うに、方向性結合器を構成する２つの光導波路が同一基
板上に形成されていた。

第21図はこのような従来の光波長フィルターの構成を
示す図である。同図において、２つの導波路191、192
は、図示の如く、線幅ないし高さW₁、W₂、屈折率n₁、n₂
などが異なって形成されている為、夫々の光導波路19
1、192を伝搬する導波光の波長と伝搬定数との分散関係
も異なっている。このとき、特定の波長域の導波光に対
して両導波路の伝搬定数が一致し、２つの導波路191、1
92間で光結合が起こる。つまり、この特定の波長域の光
のみが選択されて、導波路191、192間で光パワーを移行
させることができる。

また、２つの導波光の光電界分布が存在する領域のい
ずれかに２つの導波路間の伝搬定数差を補償するグレー
ティングを形成しておき、上記従来例と同様に特定の波
長域の光のみを選択して導波路間で光パワーを移行する
例も知られている。

こうして、従来、光パワーの移行を利用して、信号光
と特定波長の光波との間で合波ないし分波を行なう為
に、光波長フィルターが用いられていた。

［発明が解決しようとする課題］しかし乍ら、上記従来例で得られるフィルター特性で
は、第22図に示す様に、中心波長を含む透過帯域（メイ
ンローブ）の両側に無視できない大きさのサイドローブ
が形成されていた。サイドローブの存在は、波長多重化
された光信号のクロストークを招いたり、クロストーク
を避ける為に十分な波長間隔を開ける必要性を生じさ
せ、通信可能なチャネル数を低減させるなどといった素
子の性能向上の妨害要因となっていた。

その対策として、例えば、R.C.Alferness他:IEEE Jo
urnal of Quantum Electronics、QE−14、No.11、P.
843（1978）（第23図参照）に示す様に、方向性結合器
を構成する導波路193、194の間隔にテーパをつけること
により、光学的結合の強さを光の進行方向に沿って変化
させ、上述のサイドローブを抑圧する提案がなされてい
る。

しかし、この方法では、第23図に示す様に導波路193
を曲線状に形成するのが困難であり、また積層型の方向
性結合器とする場合は更に製作の困難度が増すという難
点がある。

従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、上述のサ
イドローブを充分に抑圧しつつかつ作成も比較的簡単な
構成を有する光波長フィルター及びそれを用いた装置を
提供することにある。

［課題を解決する為の手段］上記目的を達成する本発明では、波長多重化された光
の中より特定の光波を波長選択する光波長フィルターに
おいて、前記波長多重化光が入射し伝搬する第１の導波
路と、前記特定光波が伝搬する第２の導波路と、該第１
及び第２の導波路及びその周辺領域のいずれかに形成さ
れたグレーティングとを具備し、該グレーティングは、
一定の周期を有し、且つ、一対の高屈折率領域と低屈折
率領域により１周期が構成されるように、交互に配置さ
れた高屈折率領域と低屈折率領域とからなっており、前
記１周期における高屈折率領域と低屈折率領域の占める
割合が、グレーティングの中央部分から光の入射側及び
伝搬側に向かって略対称的に変化している。

上記構成の光波長フィルターにおいて、上記第２の導
波路の伝搬光の光電変換を行なう光検出部を加えれば波
長多重化された光信号の中より特定の光波を分波して検
出する光検出器が構成され、上記第２の導波路を、ここ
に光が入射されるときにその強度に応じたキャリアを生
じる光吸収層とすればこの吸収層により入力光のうち特
定の光波のみを選択的に検出する光検出器が構成され、
更に、上記第２の導波路を、光増幅の行なわれる活性層
とし、グレーティングを、活性層と第１の導波路と平行
な同一平面内に距離を置いて、夫々、同一の選択波長を
有する如く、一対設け、そして一対のグレーティングの
間に注入電流が流れる様に電極を形成すれば、半導体レ
ーザ構造の用いられた光増幅器が構成される。

［実施例］第１図は本発明の第１実施例の構成を示す図である。

先ず、本実施例の構造について説明する。本実施例
は、GaAsである基板１上に、厚さ0.5μｍのGaAsである
バッファ層２、厚さ1.5μｍのAl_0.5Ga_0.5Asであるクラ
ッド層３、GaAsとAl_0.4Ga_0.6Asとが交互に積層されて多
重量子井戸（MQW）とされた厚さ0.1μｍの第１導波路
４、厚さ0.8μｍのAl_0.5Ga_0.5Asであるクラッド層５、G
aAsとAl_0.2Ga_0.8Asとが交互に積層されてMQWとされた厚
さ0.4μｍの第２導波路６を分子線エピタキシャル（MB
E）法により順に成長させている。次に、フォトレジス
トを用いたフォトリソグラフィー法によってレジストマ
スク作製後、反応性イオンビームエッチング（RIBE）に
より第２導波路６の上面の一部に深さ0.07μｍのコラゲ
ーションから成るグレーティング７を形成する。

本実施例では、フィルタースペクトルのサイドローブ
を抑圧する為、グレーティング７の結合係数を光の進行
方向に沿って、その中央部分から光の入射側及び伝搬側
に向かって略対称的に変化させている。つまり、グレー
ティング７のパターンを第１図に示す様に、ピッチΛは
一定で、グレーティング７を構成する山と谷（或はライ
ンとスペース）の割合を光の進行方向に沿って変化させ
ている。山が高屈折率n₂の部分であり、谷が低屈折率n₁
の部分である。

続いて、グレーティング７形成後、スパッタリング法
によりSiO₂8をグレーティング７上に成膜する。次に、
再びフォトレジストを塗布し、導波光の横方向閉じ込め
用のストライプをパターニングした後、RIBE法によりGa
As基板１が露出する位置までウェハーをエッチングす
る。この際、ストライプの先端は、光入力時に第１の導
波路４のみに光を結合させる為に光の進行方向に対して
斜めにカットする。

こうして、次に液相エピタキシャル（LPE）法によりA
l_0.5Ga_0.5Asを成長させ、ストライプを埋め込み、その
後再びSiO₂を全面に成膜する。この結果、第１図に示す
２つの導波路４、６が積層された構造が得られる。

この様に、本実施例の光波長フィルターは、導波路
（第１導波路４、第２導波路６）が層方向に２層積層さ
れ、これらによる方向性結合器が構成されている。各導
波路４、６は、厚さや組成が異なるように形成されてい
るので、各々を導波する光の伝搬定数は異なるものとな
る。第２導波路６に形成されたグレーティング７は、光
結合される波長を選択する為のもので、そのピッチや山
と谷の割合の変化により選択される波長域が決定され
る。

第２図は本実施例の導波モードの光電界分布を示す。
縦軸は光の電界強度分布を示し、横軸は第２導波路６の
上面を基準とした積層方向の距離を示す。この様に、本
実施例の導波路４、６における導波モードには、第１導
波路４を中心として成立する奇モード11と第２導波路６
を中心として成立する偶モード12があり、グレーティン
グ７はこの偶モード12と奇モード１とが重なり合う部分
（第２図の第２導波路６の左側の部分）に上記の如き態
様で形成されている。

本実施例の動作について以下に説明する。

今、波長0.8μｍから0.86μｍに亙って波長多重化さ
れた入力光14を、第１図に示す如く、第１導波路４へ入
力結合させる。２つの導波路４、６において成立するモ
ードには、前述した様に、偶モード12と奇モード11があ
るが、第１導波路４に入力された入力光14は、第１導波
路４を中心とする奇モード11として伝搬してゆく。この
とき、グレーティング７の存在しない領域では奇モード
11と偶モード12は伝搬定数が異なる為、殆ど結合せず独
立に近い形で伝搬する。しかし、グレーティング７の存
在する領域では、奇モード11の伝搬定数β_oddと偶モー
ド12の伝搬定数β_evenの間に以下の関係が成立すれば、
光パワーの移行が生じる。

β_even（λ）−β_odd（λ）２π／Λ ……（１）ここでλは光の波長であり、Λはグレーティングのピ
ッチである。

以上の様な光パワー移行が生じれば、入力光14が結合
した奇モード11の導波光は偶モード12の導波光に変換さ
れる。従って、入力光14は最終的に第２導波路６を伝搬
する光波となり選択出力光15となって出力される。他の
波長の光は、そのまま非選択出力光16として第１導波路
４から出力される。

ところで、このとき２つの導波路４、６を伝搬する光
波の結合の強さを表わす係数として結合係数ｇがある。
この結合係数ｇは次の式で表わされる。

ｇ＝∫ε_even（ｘ）・A₁（ｘ）・ε_odd（ｘ）dx ……（２）ここで、ε_even、ε_oddは夫々偶モード12、奇モード
の光の電界分布を表わしており、A₁はグレーティング７
のフーリエ係数の１次回折光に相当する成分である。矩
形波状のグレーティング７を仮定すればA₁（ｘ）は次式
で表わされる。

ここで、ｑ＝１（β_evenとβ_oddの結合が１次回折光に
より行なわれるので）であり、n₂、n₁は夫々グレーティ
ング７の山と谷を構成する材料の屈折率であり、Λはグ
レーティング７のビッチ、ｗは谷の幅である。

つまり、結合係数ｇは、この場合、グレーティング７
のピッチΛに占める山と谷の割合に依存する。第３図
は、本実施例の構成による方向性結合器型光波長フィル
ターにおいて、グレーティング７の山と谷の割合を変化
させたときの結合係数ｇの変化を表わしたグラフであ
る。この図示例では、山と谷の割合が0.075:0.25付近で
結合の強さは最大となり、それ以上でも以下でも結合の
強さは低下する。但し、この結合の強さが最大となる山
と谷の割合は導波路の構成により異なり、この例では上
記の割合であった。

そこで、本実施例では、先ず、0.83μｍの光を中心波
長光として波長フィルタリングを行なう為、（１）式よ
りピッチΛ＝7.8μｍとし、またグレーティング７を構
成する山と谷の割合の変化を第１図の様にしている。す
なわち、グレーティング領域の中心で山と谷の割合を0.
7:0.3とし、周辺に行くに従って谷の割合が次第に増大
していき、両端では0.1:0.9となっている。

この様に、山と谷の割合をグレーティング中心から周
辺にかけて変化させることにより、結合係数すなわち結
合の強さを第23図の従来例と同様な態様で変化させてい
る。

ここで、結合長ないし完全結合長Ｌを説明して結合の
強さの分布の具体例を示す。

導波光の進行方向をｚ方向と表わし、完全結合長を
Ｌ、ｚ方向に変化する結合係数をＧ（ｚ）とすると、となる。

ここでＧ（ｚ）を分布させる関数をテーパー関数と呼
び、これをＦ（ｚ）と置けばＧ（ｚ）＝G₀・Ｆ（ｚ） ……（５）（G₀定数）となる。但しＦ（ｚ）はＬで正規化されている。つま
り、式（４）、（５）、（６）より完全結合長Ｌが求めら
れ、G₀L＝π２ ∴Ｌ＝π/2G₀ G₀は本実施例では21.5cm^-1なので、結合長ＬはＬ＝73
0（μｍ）である。

そこで、本実施例では結合長730μｍ、結合の強さの
分布を表わすテーパー関数Ｆ（Ｚ）を第４図に示すハミ
ング関数としている。このハミング関数はＦ（ｚ）＝１＋0.852・cos（２πz/L）で表わされる。

以上の構成の結果、本実施例では、第１導波路４に入
力した光14のうち第２導波路６から出力される選択出力
光15のフィルタースペクトルは第５図の様になった。比
較の為に、第６図に、グレーティングの山と谷の割合を
一定として結合の強さをグレーティング領域に亙って一
定とした例のスペクトルを示す。第５図と第６図の比較
より、本実施例の構成によりサイドローブの抑圧が充分
に得られることが分かる。第５図のフィルタースペクト
ルを見ると、半値全幅は55Åであり、メインローブの中
心波長における透過光強度とそれから100Å離れた波長
における透過光強度の比は約30dBであることが分かる。

なお、第１図の構成において、入出射端面には、端面
反射に伴う効率の低下、リップルの発生を抑圧する目的
でZrO₂から成る無反射コーティングが施されている。

第７図は第２の実施例を示す。第２実施例では、第１
実施例と同様にして、GaAs基板21上に、厚さ0.5μｍのG
aAsであるバッファ層22、厚さ1.5μｍのAl_0.5Ga_0.5Asで
あるクラッド層23、GaAsとAl_0.4Ga_0.6Asとが交互に積層
されたMQWから成る厚さ0.15μｍの第１導波層24、厚さ
0.9μｍのAl_0.5Ga_0.5Asであるクラッド層25、GaAsとAl
_0.2Ga_0.8Asとが交互に積層されたMQWから成る厚さ0.5μ
ｍの第２導波層26をMBE法により成長させる。次に、フ
ォトレジストとRIBE法を用いて、第２導波層26を深さ0.
3μｍのグレーティング（不図示）に切り込み、その後L
PE法によりAl_0.5Ga_0.5As27を再成長させグレーティング
の谷を埋め込む。続いて、GaAsをキャップ層28として成
長させ、次にSiO₂によるストライプを形成した後、横方
向の光閉じ込めを行なう為にストライプの両側にZn（又
はSi）等の不純物を熱拡散させる。これにより第１導波
層24と第２導波層26の両側がディスオーダリングされ、
ここに屈折率の低い領域29が形成されて第７図の光波長
フィルターが得られる。

両側に形成された低屈折率領域29により、第１導波層
24及び第２導波層26中の導波光は横方向に閉じ込めら
れ、導波光の回折広がりによる損失が低減され、高効率
な光波長フィルターが得られる。

横方向閉じ込めは、第１、第２実施例の方法以外にも
リッジを形成する方法や、装荷法など、種々適用可能で
ある。

第２実施例では、グレーティングを構成する山（高屈
折率部分）と谷（低屈折率部分）の割合を、中心から周
辺にかけて0.6:0.4から1:0という如く山の割合を増加さ
せている。

この構成により、グレーティング領域における結合係
数の変化は第８図に示す如きブラックマン関数状となっ
ている。ブラックマン関数はＦ（ｚ）＝１＋1.19・cos
（２πz/L）＋0.19・cos（４πz/L）で表わされる。

第２実施例のフィルタースペクトルは第９図の様にな
り、サイドローブの抑圧された様子が分かる。伴値全幅
は73Åであり、メインローブの中心波長での透過率とこ
れから100Å離れた波長における透過率の比は30〜30dB
以上となっている。

ところで、上記第１、第２実施例の結合係数のテーパ
関数の他にも、以下の様な分布がある。

すなわち、レイズドコサイン関数、Ｆ（ｚ）＝１＋cos（２πz/L） ……（７）カイザー関数、Ｆ（ｚ）＝［γ/sinh（γ）］I₀（γ｛１−（2z/L）^２｝^1/2） ……（８）などの関数分布でも同様にサイドローブを抑圧できる。

上式の中で、Ｌは完全結合長、ｚは導波路に沿った位
置を表わし、−L/2≦ｚ≦L/2であり、γは任意の数であ
り、I₀は０次の第１種ベッセル関数である。

また、上記実施例ではグレーティングは第２導波路
６、26に形成されているが、グレーティングを作製する
位置は、導波光の光電界分布（偶モード12、奇モード1
1）が共に存在する所ならいずれでもかまわない。ただ
し、結合効率がそれに応じて異なるので、結合長Ｌを調
整する必要がある。

なお、以上の各実施例はすべてGaAs/AlGaAs系材料か
ら構成されていたが、無論、InGaAs/InGaPなどの他の化
合物半導体あるいはSiO₂/TiO₂などのガラス系材料、LiN
bO₃、LiTaO₃、BSOなどの光学結晶などから構成すること
も可能であることは明白である。

第10図は本発明の第３の実施例の構成を示す。

本実施例は、本発明による光波長フィルターの構造を
用いることにより、波長洗濯性を有する光検出器を集積
化して実現したものである。

まず、本実施例の構造について説明する。n⁺−GaAsで
ある基板31上に、厚さ0.5μｍのｎ−GaAsであるバッフ
ァ層32、厚さ1.5μｍのｎ−Al_0.5Ga_0.5Asであるクラッ
ド層33、厚さ0.2μｍのｎ−Al_0.3Ga_0.7Asである第１導
波層34、厚さ0.8μｍのｎ−Al_0.5Ga_0.5Asであるクラッ
ド層35、ｉ−GaAsとｉ−Al_0.4Ga_0.6Asとが交互に積層さ
れて多重量子井戸化された厚さ0.4μｍの第２導波層36
を分子線エピタキシャル（MBE）法を用いて順に成長さ
せる。その後、フォトリソグラフィー法を用いて、深さ
0.05μｍ、ピッチ7.7μｍで、且つ山と谷の領域の割合
が光の進行方向に沿ってカイザー関数分布（上記（８）
式）で変化するコラゲーションより成るグレーティング
37を第２導波層36の上面に長さ1.277mmに亙って形成す
る。

次に、この上に液相エピタキシャル（LPE）法を用い
てｉ−Al_0.5Ga_0.5Asであるクラッド層38、厚さ0.5μｍ
のｉ−GaAsであるキャップ層39を再成長させる。その
後、グレーティング37と隣接する領域のクラッド層38及
び第２導波層36をエッチングによって除去する。更に、
この除去部分に、厚さ0.1μｍのｉ−GaAsである吸収層4
0、厚さ1.2μｍのｐ−Al_0.5Ga_0.5Asであるクラッド層4
1、厚さ0.5μｍのp⁺−GaAsであるキャップ層42をLPE法
によって再成長させ、続いて、キャップ層42上にCr/Au
から成る電極43を形成し、基板31の裏面にAuGe/Auから
成る電極44を形成する。

本実施例のものにおいては、第１導波層34に入力した
きた光46のうち、光波長フィルターで選択された波長を
有する光のみ、第２導波層36へ結合し、光検出部である
吸収40で吸収される。光検出部は、ｐ−ｉ−ｎ構造とな
っており、電極43、44間には逆バイアスが印加されてい
る。そのため、吸収により生じたキャリアは電流信号と
して検出される。

第11図は本実施例のものにおいて電気として取り出さ
れる信号光の波長特性を示す図である。

波長選択特性である−3dBの帯域幅すなわち半値全幅
は約78Åであり、メインローブの中心波長での出力電流
とこれから100Å離れた波長における出力電流の比（す
なわち波長間クロストーク）は約30dBであり、サイドロ
ーブが充分抑圧されていることが分かる。

第12図は本発明の第４図の実施例の構成を示す図であ
る。

本実施例は、n⁺−GaAsである基板51上に、厚さ0.5μ
ｍのｎ−GaAsであるバッファ層52、厚さ1.5μｍのｎ−A
L_0.5Ga_0.5Asであるクラッド層53、厚さ30Åのｎ−GaAs
と厚さ70ÅのAl_0.5Ga_0.5Asとが交互に積層された厚さ0.
2μｍの多重量子井戸（MQW）である導波層54、厚さ0.7
μｍのｎ−Al_0.5Ga_0.5Asであるクラッド層55、厚さ0.4
μｍのｉ−GaAsである光吸収層56を分子線エピタキシャ
ル（MBE）法を用いて順に成長させたものである。

次に、フォトレジストを用いたフォトリグラフィー法
によりレジストマスクを作成し、光吸収層56の上面にア
ンモニアと過酸化水素水を用いてエッチングを行ない、
深さ0.2μｍ、ピッチ5.5μｍで、且つグレーティング57
の山と谷の領域割合が光の進行方向に沿って上記（７）
式のレイズドコサイン関数分布のコラゲーションから成
るグレーティング57を長さ100μｍに亙って形成する。

次に、液相エピキシャル（LPE）法を用いてｐ−Al_0.5
Ga_0.5Asであるクラッド層58を再成長させ、さらにp⁺−G
aAsであるキャップ層59を成長させる。最後に基板51の
裏面にAu−Geであるコンタクト層（不図示）とAuである
電極60を成膜させ、キャップ層59の上面にはCrであるコ
ンタクト層（不図示）とAuである電極61を成膜させる。
このようにしてｐ−ｉ−ｎ型フォトダイオードである光
検出器を作製した。本実施例の光検出器は上述の様に構
成されることにより、層方向に積層された導波層54と光
吸収層56とが方向性結合器を形成するものである。導波
層54と光吸収層56とは組成が異なるものとされ、層厚も
異なるものとされているので、各々を導波る光の伝搬定
数も異なるものとなる。光吸収層56の上面に形成される
グレーティング57は、その格子ピッチ及び山と谷領域の
割合の変化により方向性結合が行なわれる光を選択す
る。

次に、本実施例の動作について説明する。本実施例の
電極60、61間に逆バイアスを印加した状態とし、波長0.
01μｍきざみの波長0.78μｍから0.88μｍの光よりなる
信号光64を端面結合を用いて導波層54へ入射させる。入
力結合された信号光64は、第２図に示すような本光検出
器内で成立する偶、奇モード12、11のうち、導波層54に
中心強度を有する奇モード11となり、伝搬していく。こ
の奇モード11の光電界強度分布11は、第２図示するよう
に光吸収層56に殆どおよんでいないため、吸収層56での
吸収による伝搬損失は極めて少ない。

上述した様に特定の波長で（１）式の関係が満足され
れば、奇モード11の光は偶モード12に変換され、光吸収
層56に中心強度が移行する。本実施例の場合、格子ピッ
チΛは5.5μｍとされ、0.83μｍの波長が検出される。
こうして光吸収層56に移行した導波光は吸収され、電子
と正孔を生じ、光電流として外部に検出される。第13図
は検出される光の波長分布を示す図である。

半値全幅64Åでサイドローブが充分抑圧された鋭い波
長選択が行なわれている様子が把める。

なお、本実施例では、グレーティング57を用いた方向
正結合器としての完全結合長（結合効率が最大となる結
合領域の長さ）262μｍに達しない100μｍの長さでグレ
ーティング57の領域を設定したが、これは光検出器の応
答性を考慮した上でのことであり、受光面積の増大によ
る応答性の劣化が許せるなら、完全結合長にグレーティ
ング領域の長さを近付ければ光の吸収効率は更に増大す
る。

また、本実施例による素子をグレーティングのピッチ
や山と谷の割合の変化を変えて複数個、、縦列接続すれ
ば、複数の波長を有する信号光を同時検出可能な集積型
光検出器が作成することができる。

第14図は本発明の第５図の実施例の構成を示す図であ
る。

本実施例は横型に形成されたｐ−ｉ−ｎ構造により光
検出を行なうものである。

本実施例の構造は、半絶縁性GaAsである基板71上に、
厚さ0.5μｍのｉ−gaAsであるバッファ層72、厚さ1.5μ
ｍのｉ−Al_0.5Ga_0.5Asであるクラッド層73、厚さ50Åの
ｉ−GaAs層およびAl_0.5Ga_0.5Asが交互に積層されたMQW
である厚さ0.2μｍの導波層74、厚さ0.75μｍのｉ−Al
_0.5Ga_0.5Asであるクラッド層75、厚さ0.3μｍのｉ−GaA
sである光吸収層76を順に成膜させる。次に、第12図に
示した第４の実施例の同様の工程により、光吸収層76の
上面に深さ0.05μｍで結合の強さのテーパーのついたコ
ラゲーション状のグレーティング77を作成する。コラゲ
ーションのピッチは43.6μｍ、グレーティング領域の長
さは200μｍとした。この期厚さ1.5μｍのｉ−Al_0.5Ga
_0.5Asであるクラッド層78を成長させ、さらにSi₃N₄であ
る保護層79を成膜させる。

次に、保護層79の上面に幅２μｍの間隔をおいてZnと
Siとを両側に熱拡散させ、ｐ型領域80、ｎ型領域81を形
成させる。この後、ｐ型領域80の上部にp⁺−GaAsである
キャップ層82、Cr/Auである電極を作成し、ｎ型領域81
の上部にはn⁺−GaAsであるキャップ層84、Au−Ge/Auで
ある電極85を作成する。

こうして作製された横型ｐ−ｉ−ｎ構造に対して、逆
バイアスを印加した状態で、第４の実施例と同様、入力
光に対する検出強度の波長特性を観察した。その結果、
第４の実施例と同様に良好な波長選択性が得られた。

本実施例の構造は半絶縁性基板71を用いているため、
他の素子との電気的分離が容易で、複数個の光検出器を
集積する場合や、検出用アンプ、発光素子あるいは制御
用ドライバなどの集積化においても有利である。

第15図は本発明の第６の実施例の構成を示す図であ
る。

本実施例は、波長分波検出機能に加えてFET構造によ
る増幅機能を付加したものである。

まず、構造について説明する。

本実施例は、第５の実施例と同様に半絶縁性GaAsであ
る基板91上に、厚さ0.5μｍのｉ−GaAsであるバッファ
層92、厚さ1.5μｍのｉ−Al_0.5Ga_0.5Asであるクラッド
層93、第５の実施例の導波層74と同様に構成された厚さ
0.2μｍの導波層94、厚さ0.6μｍのｉ−Al_0.5Asである
クラッド層95をMBE法を用いて順次形成される。この上
面に第４実施例と同様に結合の強さにテーパーのついた
コラゲーション状のグレーティング96を形成し、続い
て、厚さ0.4μｍのｎ−GaAs（ドーピング濃度〜１×10
¹⁷cm^-3）である光吸収層97を再成長させた後に、スパッ
タリングにより厚さ0.3μｍのSi₃N₄である絶縁膜98を成
膜させる。

次に、図示するように光吸収層97上にソース電極10
0、ゲート電極101、ドレイン電極102を作成し、FET構造
とする。ソース電極100およびドレイン電極102はAu−Ge
を下敷き層とするAu電極とされ、ゲート電極101はAlに
より形成されている。

本実施例の動作は前実施例と同様であり、導波層94に
入射した光が、グレーティング96領域でモード変換さ
れ、光吸収層97で吸収される。吸収された結果生じたキ
ヤリアは増幅され、ドレイン電流として検出される。

本実施例では波長検出機能に加えてFET構造による増
幅機能が付加されるため、検出感度に優れた光検出器が
得られる。

本実施例においても、グレーティング96の形成される
層は、光吸収層97、導波層94を中心に成立する導波モー
ド（偶モード12および奇モード11）が重なり合う領域な
らばいずれでも良い。

第16図は本発明の第７の実施例の構成を示す図、第17
図はそのＡ−Ａ′線断面図である。

本実施例は、ｎ−GaAsである基板111上に、ｎ−GaAs
であるバッファ層112、厚さ1.5μｍのｎ−Al_0.5Ga_0.As
である第１クラッド層113、ノンドープGaAsとAl_0.5Ga
_0.5Asとが交互に積層されて多重量子井戸（MQW）とされ
た厚さ0.2μｍの導波路114、ｎ−Al_0.5Ga_0.5Asである第
２クラッド層115、ノンドープGaAsとAl_0.4Ga_0.6Asとが
交互に積層されてMQWとされた厚さ0.4μｍの活性層116
を順に成長させる。ここまでの結晶成長方法は有機金属
気相成長法（MO−CVD法）を用いたが、分子線エピタキ
シャル法（MBE法）を用いても良い。活性層116を形成
後、その上面に光増幅を行なう信号光の波長に適し同一
の選択波長を有する２つのクレーティング117、118を間
隔を置いてフォトリソグラフィーによりそれぞれ形成す
る。次に、この上部に厚さ1.5μｍのｐ−Ll_0.5Ga_0.5As
である第３クラッド層119、厚さ0.2μｍのp⁺−GaAsであ
るキャップ層120、絶縁層121を順に形成させ、さらに、
キャップ層120の上面の、グレーティング117および118
の間に相当する部分にはｐ型電極122を、基板11の裏面
にはｎ型電極123を設ける。この第３クラッド層119およ
びキャップ層120の作成には液相エピタキシャル法（LPE
法）を用いたが、MO−CVD法を用いても良い。

次に、導波路114を三次元構造のものとするために導
波路114の両側を、第17図に示すように第１クラッド層1
13に至るまでウェットエッチングによって取り除き、こ
の部分にｐ−Al_0.5Ga_0.5Asである埋め込み層125とｎ−A
l_0.5Ga_0.5Asである埋め込み層126をLPE法によって成長
させ、埋め込み構造とする。

以上のように２層導波路（導波路114、活性層116）を
有する本実施例のものに、波長0.8μｍから0.86μｍま
で0.01μｍきざみの複数のレーザ光が重畳された入力光
128を導波路114へ入力結合させる。ここで本実施例で
は、0.83μｍの光を中心波長とし、波長フィルタリング
を行なう為、（１）式よりΛ＝９μｍ、完全結合長Ｌは
（６）式より250μｍとし、山と谷の領域の割合が光の
進行方向に沿って第８図に示す。ブラックマン関数分布
で変化している。こうして結合の変化しているグレーテ
ィング117により導波路114から活性層116に移行した信
号光は、電極122下部の活性層116がゲインを有するレー
ザ増幅部である為、伝搬中に増幅される。活性層116を
伝搬し、増幅された信号光は活性層116上に形成された
グレーティング118により前述した如く再び導波路114と
結合して入出力導波路114より出力される。

この様にグレーティング117とグレーティング118の間
だけに電流注入を行なうことにより、この区間以外の活
性層116の領域は吸収導波路と成るので、増幅された信
号光に不必要な信号入力が無くなると共に、増幅器から
生ずる信号波長以外の自然放出光を除去することが出来
る。あるいは、グレーティング117と118間以外はエッチ
ングにより除去しても同様な効果が得られる。

第18図、第19図は本発明の第８の実施例の構成を示す
図である。

本実施例は、第７の実施例では埋め込み層125、126に
よって行なわれていた横方向の光閉じ込めを、その両側
をエッチングによって削除することにより行なうもので
ある。なお、本実施例の構成は第７の実施例とはほぼ同
様のものであり、同じものには同一番号を付している。

本実施例のものにおいては、第３クラッド層119を作
成後、その両側をフォトリソグラフィを用いた反応性イ
オンエッチング法（RIBE法もしくはRIE法）によって第
２クラッド層115（第１クラッド層113でも良い）に達す
るまでにエッチングし、図示するように三次元導波路11
6を形成させる。次に、第３クラッド層119と逆の導電形
であるｐ型不純物の熱拡散をエッチング端面に行なって
不純物拡散層131を形成させ、さらに同様の熱拡散を第1
9図に示すように活性層116の入出力端面に施して不純物
拡散層132を形成させる。

不純物拡散層131、132は、活性層116と導波路114の両
端の無秩序化を図るものである。その理由について以下
に述べる。本実施例のような三次元導波路を形成した場
合、活性層116の両端に無数の界面準位が存在するた
め、注入キャリアが界面準位を介して再結合し、無効な
注入キャリアが増加するとともに、導波路114から移行
した信号光が吸収されてしまう。

本実施例のものにおいては、不純物拡散層131によっ
て活性層116および導波路114の導波光と垂直な向きに対
する超格子構造の無秩序化が行なわれ、不純物拡散層13
2によって活性層116の導波光と平行な向きに対する超格
子構造の無秩序化が行なわれているので、活性層116に
不要な光が入力されなくなると同時に、増幅領域に生じ
る信号波長以外の自然放出光を散乱させることが出来、
これが光増幅された信号光と共に外部へ放出されること
を防ぐことが出来る。

このように、本実施例のものにおいては、第７の実施
例のものよりも結晶の成長を少なくすることができ、ま
た、導波路幅の制御も熱拡散の時間によって行なわれる
為、微妙な制御を行なうことが可能と成る。

第20図は本発明の第９図の実施例の構成を示す図であ
る。

本実施例は第７および第８の実施例と異なり、活性層
146迄の、基板141、バッファ層142、第１クラッド層14
3、導波路144および第２クラッド層145は全て不純物を
ドーピングしないノンドープGaAsとAlGaAsで成膜を行な
ったものである。成膜後、活性層146上にグレーティン
グ（不図示）を作製し、ｎ形の第３クラッド層147とキ
ャップ層148を再成長させる。この後、拡散マスクとし
てSi₃N₄膜を形成させ、更にフォトリソグラフィーによ
り約６μｍ幅のストライプを形成させてアンモニア水と
過酸化水素水より成るエッチャントにより選択的にｎ−
GaAsキャップ層148をエッチングした。次に両側のキャ
ップ層148上に対してZnAsとサンプルを真空封管し、650
℃、2.5h熱拡散を行ない不純物拡散層149を形成させ
る。この時の拡散フロントは、第１クラッド層143まで
到達するものとしており、導波路144および活性層146共
にZnにより無秩序化し、三次元導波路を形成させる。然
る後、拡散マスクを除去し、キャップ層148に拡散した
ｐ形層をエッチングによって除去し、ｐ形電極151形成
後、絶縁膜（SiO₂）を形成しフォトリソブラフィーによ
りスルーホールを形成しｎ形電極152の形成を行なう。

本実施例において素子性能は前述の第７および第８の
実施例と大差はない。しかし、本実施例は活性層146ま
でをノンドープ層としているため、光集積回路等を製作
するあたり、素子設計に自由度が増す。

このように、本実施例のものにおいては結晶成長時に
２つの導波路（活性層146および導波路144）を成膜方向
に製作することにより導波路間隔を精度良く設計するこ
とができ、かつ、山と谷の領域割合が光の進行方向に沿
って特定の関数分布で変化したグレーティングを併用し
ているため、入射光が入力される導波路144と活性層146
との間におけるクロストークが小さくなるとともに結晶
成長の設計やグレーティングの設計が容易なるものとな
るのでデバイスの最適化が容易となる。以上述べてきた
ように、上記第７から第９の実施例において、入出力導
波路、活性層を超格子構造であるMQWとしていたが、無
論通常の薄膜導波路でも良い。また、入出力導波路を活
性層の上部に設けた構造にする事も可能である。

また、複数の波長に対して光増幅を行なわせるため
に、複数の異なる周期を持ち結合の強さにテーパーのつ
いた一対のグレーティングを多数対（各組の選択波長が
各々異なる）設けても良い。

［発明の効果］本発明は、以上説明した様に構成されているので、以
下に記載する効果を奏する。

先ず、サイドローブの抑圧を実現する事により、信号
光波長間のクロストーク防止を向上させ、且つ特定の帯
域に収めることができるチャネル数域或は波長多重度を
増加させることができる。その為、同一時間内で伝送可
能な情報量を増加させられる。

また、この製造プロセスは成膜によるものであり、集
積化に適している為、光IC,OEIC（光電子IC）に好適で
あり、光情報伝送、幹線系、加入者系あるいは光LANと
いつた光通信、光コンピューティングに広く４応用する
事が可能である。

更に、請求項4,5による本発明によれば、波長選択機
能を光検出器に兼備させる事が可能で、かつ、波長分解
能に優れ、集積化に適した光検出器を実現することがで
きる効果がある。また、本発明による素子は波長多重通
信システムに適用する光検出器として好適であり、他の
機能素子との集積化も容易である。

請求項７に記載のものにおいては、入力光中に含まれ
た特定波長の信号光を波長選択性および光結合効率良く
光増幅することができる効果がある。この場合の光増幅
は同一素子内で行なわれる為、他の部品と組合わせる必
要がなくなり、従来行なわれた光軸調整は不要となる。
また、活性層と導波路とは同一面に構成されない為、こ
れらを成長させる際の制御が１原子層オーダーで可能な
結晶成長法を用いることが出来、各導波路層厚、組成、
不純物量や種類を制御可能なことから極めて精度高く、
かつ再現性に優れたものとなり、製造を容易なものとす
ることができる効果がある。

請求項８に記載のものにおいては、上記効果に加え、
増幅された信号光に不要な光が混ざる事を更に防止する
ことができる効果がある。

請求項９に記載のものにおいては、上記効果に加え、
複数の波数の信号光を増幅することができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す面図、第２図は第１
実施例の導波モード光電界分布を示す図、第３図はグレ
ーティングのピッチの中で谷の幅が占める割合と完全結
合長ないし結合係数の関数を示す例の図、第４図は第１
実施例のグレーティングの結合係数の空間的変化を示す
図、第５図は第１実施例のフィルタースペクトルを示す
図、第６図は従来のグレーティングのフィルタースペク
トルを比較の為に示す図、第７図は第２実施例の構成を
示す図、第８図は第２実施例のグレーティングの結合係
数の空間的変化を示す図、第９図は第２実施例のフィル
タースペクトルを示す図、第10図は第３実施例を示す側
面図、第11図は第３実施例のフィルタースペクトルを示
す図、第12図は、愛４実施例を示す側面図、第13図は第
４実施例のフィルタースペクトルを示す図、第14図は第
５実施例を示す図、第15図は第６実施例を示す図、第16
図は第７実施例を示す側面図、第17図は第７実施例を示
す第16図のＡ−Ａ′線断面図、第18図は第８実施例を示
す正面図、第19図は第８実施例を示す側面図、第20図は
第９実施例を示す正面図、第21図は従来例の説明図、第
22図は従来例のフィルタースペクトルを示す図、第23図
は他の従来例の説明図である。１、21、31、51、71、91、111、141……基板、４、24、
34、54、74、94、114、144……第１導波路、６、26、36
……第２導波路、７、27、37、57、77、97、117、118…
…グレーティング、40、56、76、97……光吸収層、11
6、146……活性層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】波長多重化された光の中より特定の光波を
波長選択する光波長フィルターにおいて、前記波長多重
化光が入射し伝搬する第１の導波路と、前記特定光波が
伝搬する第２の導波路と、該第１及び第２の導波路及び
その周分領域のいずれかに形成されたグレーティングと
を具備し、該グレーティングは一定の周期を有し、且
つ、一対の高屈折率領域と低屈折率領域により１周期が
構成されるように、交互に配置された高屈折率領域と低
屈折率領域とからなっており、前記１周期における高屈
折率領域と低屈折率領域の占める割合が、グレーティン
グの中央部分から光の入射側及び伝搬側に向かって略対
称的に変化していることを特徴とする光波長フィルタ
ー。
【請求項２】前記第１及び第２の導波路は、半導体層を
積層することによって形成されている請求項１記載の光
波長フィルター。
【請求項３】前記第１及び第２の導波路は、各々を中心
とする導波モードが互いに異なる請求項１又は２記載の
光波長フィルター。
【請求項４】請求項１、２又は３記載の光波長フィルタ
ーと、前記第２の導波路を伝搬する光を光電変換する光
検出部とから成り、該光検出部で波長多重化された光信
号の中から特定の光波を分波して検出することを特徴と
する光検出器。
【請求項５】請求光１、２又は３記載の光波長フィルタ
ーを備え、前記第２の導波路が、ここに光が入射される
ときにその強度に応じたキャリアを発生する光吸収層か
ら成り、該光吸収層により波長多重化された光信号の中
から特定の光波を分波して検出することを特徴とする光
検出器。
【請求項６】前記光吸収層上にソース電極、ゲート電極
及びドレイン電極が形成されたFET構造を有し、光吸収
層で発生したキャリアを増幅してドレイン電流として検
出する請求項５記載の光検出器。
【請求項７】請求項１、２又は３記載の光波長フィルタ
ーを備え、前記第２の導波路が光増幅を行なう活性層か
ら成り、前記グレーティングが、前記活性層と第１の導
波路と平行な同一面内に距離を置いて、夫々、同一の選
択波長を有する如く、一対設けられ、更に該一対のグレ
ーティングの間に電流を注入する電極を設けたことを特
徴とする半導体レーザ構造を有する光増幅器。
【請求項８】前記活性層の終端部が無秩序化されている
請求項７の光増幅器。
【請求項９】前記一対のグレーティングが複数組形成さ
れ、各組の選択波長が各々異なる請求項７又は８記載の
光増幅器。