JP2851156B2

JP2851156B2 - 光回路集積素子

Info

Publication number: JP2851156B2
Application number: JP31096590A
Authority: JP
Inventors: 漢明麦; 久治柳川
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1999-01-27
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JPH04181924A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は半導体材料で構成されている光回路集積素子
に関し、更に詳しくは、光偏波スイッチとして機能する
光回路集積素子に関する。

（従来の技術）最近、各種多様な導波路型の光機能デバイスが提案さ
れている。しかし、これらデバイスの多くは、特定方向
に偏光している光に対してのみ動作するものである。そ
のため、現在、実施段階に入りつつある光ファイバ通信
においては、上記デバイスは、予め光を偏波制御しなけ
れば実用に供することができないという問題がある。

このようなことから、偏波分離器や偏波無依存の光ス
イッチに関する研究が盛んに行われている。

それらの先行技術に関し、図面に則して説明する。

まず、第11図は、T.Sunadaらが電子情報通信学会論文
誌Ｃ−Ｉ（vol J73−Ｃ−I.No9.pp559〜566,1990年９
月）に発表したものの概略斜視図である。

このデバイスは、LiNbO₃基板１の上にTiドープのSiO₂
で非対称なＸ分岐光導波路２を形成し、図の位置に３個
の電極３を配設して各電極間に図示のような電圧印加が
できるようにしたもので、偏波無依存性光スイッチおよ
びTEモード/TMモード分離器として機能することができ
る。そして、光モードスプリッタおよび偏波光スイッチ
として機能した場合の消光比は、それぞれ、18dB,30dB
と報告されている。

第12図は、J.SaulnierらがECOC90−229（1990）で提
案したものを示す概略平面図で、同じくLiNbO₃基板の上
にTiドープのSiO₂で光導波路を形成し、図のように電極
（斜線の領域）を配設して、各電極に図のような電圧印
加をできるようにしたものである。このデバイスを光モ
ードスプリッタおよび偏波光スイッチとして機能させた
ときの消光比は、それぞれ、15dB,18dBと報告されてい
る。

第13図および第13図のXIV−XIVに沿う断面図である第
14図に示したデバイスは、M.OkudaらがPhotonic Switch
ing pp38〜40,1990に提案したもので、Si基板４の上にS
iO₂から成るコア５をクラッド６に埋込んで方向性結合
器型の光導波路７を形成し、一方の光導波路の図の位置
にCr薄膜を添着して電流注入用電極８とし、他方の光導
波路の図の位置にａ−Si薄膜９を装荷したものである。
このデバイスの消光比は、光モードスプリッタとして機
能する場合は19.5dB、光偏波スイッチとして機能する場
合は24dBである。

（発明が解決しようとする課題）最近の光通信、とくにコヒーレント通信の分野におい
ては、偏波ダイバーシティ光受信方式が検討されてい
る。この方式では、直交する２つの偏波、例えばTEモー
ドとTMモードを分離して個別に取出し、これらをヘテロ
ダイン受信器で受信してそれぞれの信号に復調したのち
再合成することによって受信感度を向上させる。

この場合、ほとんどが半導体材料で構成されているレ
ーザダイオード、発光ダイオード、受光素子などの能動
素子を用いて組立てられるヘテロダイン受信器との間で
モノリシックな集積比ができるように、半導体材料から
成る光偏波分離器または光偏波スイッチが不可欠のキー
デバイスとして求められる。

しかしながら、前記した３種類の従来デバイスは、い
ずれも全ての部分が半導体材料で構成されていないの
で、上記したような能動素子とのモノリシックな集積化
は不可能である。

しかも、これらのデバイスは、素子の寸法形状が大き
くなり、かつ温度変化に対して著しい特性劣化を引き起
し、高消費電力であるため光損傷やDCドリフトを受けや
すいという問題がある。

本発明は従来の光機能素子に関して既に述べてきた問
題の全てを一挙に解決することができる新規な構造の光
回路集積素子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、
半導体材料から成りかつpn接合構造が形成されている光
導波路を備え、少なくとも１個の入射ポートおよび少な
くとも２個の出射ポートを有する少なくとも１個の光偏
波分離素子と、半導体材料から成りかつpn接合構造が形
成されている光導波路を備え、少なくとも１個の入射ポ
ートおよび少なくとも２個の出射ポートを有する少なく
とも１個の偏波無依存光スイッチ素子とを、半導体基板
の上で、互いの入射ポートと出射ポートを直列に接続し
て集積したことを特徴とする光回路集積素子が提供され
る。

本発明の光回路集積素子は全体が半導体材料で構成さ
れていて、全体が少なくとも３端子を有する素子であ
る。

そして、光偏波分離素子と偏波無依存光スイッチ素子
が互いの入射ポートと出射ポートを直列に接続すること
によって集積されている。

したがって、本発明の光回路集積素子においては、全
体の入射ポート側に光偏波分離素子が位置し、全体の出
射ポート側に偏波無依存光スイッチ素子が位置するタイ
プのものと、全体の入射ポート側に偏波無依存光スイッ
チ素子が位置し、全体の出射ポート側に光偏波分離素子
が位置するタイプのものとがある。

前者のタイプの素子の場合は、最初に位置する光偏波
分離素子で入射光が偏光に分離されたのち、次の偏波無
依存光スイッチ素子で両偏光のスイッチング動作がなさ
れることにより全体が光偏波スイッチとして機能する。

後者のタイプの素子の場合は、最初に位置する偏波無
依存光スイッチ素子で入射光のスイッチング動作がなさ
れ、次の光偏波分離素子で前記スイッチングしている入
射光が偏光に分離されることにより、結果として、全体
が光偏波スイッチとして機能することになる。

（作用）１個の偏波分離素子が全体の入射ポート側に位置し、
その後段に１個の偏波無依存光スイッチ素子が位置して
両者が集積されている光回路集積素子を例として、本発
明の光回路集積素子の作用を説明する。

まず、第１図は上記した構成の光回路集積素子を示す
概略構成図である。

図において、半導体基板11の上には、半導体材料から
成りしかもpn接合構造を有する光導波路を備えた光偏波
分離素子12と偏波無依存光スイッチ素子13が前者を全体
の入射ポート側に配置した状態で形成されている。この
光偏波分離素子12は１個の入射ポート14と２個の出射ポ
ート15a,15bを備え、また、偏波無依存光スイッチ素子1
3は２個の入射ポート16a,16bと２個の出射ポート17a,17
bを備えていて、光偏波分離素子12の出力ポート15a,15b
は、偏波無依存光スイッチ素子13の入射ポート16a,16b
と接続部18でそれぞれ直列に接続されることにより、半
導体基板上に光偏波分離素子12と偏成無依存光スイッチ
13がこの順序で集積されている。したがって、得られた
光回路集積素子は、全体で、１個の入射ポートと２個の
出射ポートの３端子を有している。

今、入射ポート14から例えばTEモードとTMモードのよ
うなｘ偏光とｙ偏光を含む光を入射して、光偏波分離素
子12に適当な電気信号を与えると、その光導波路のpn接
合構造の働きで両偏光が光偏波分離素子12のそれぞれの
出射ポート5a,5bに分離される。そして、ｘ偏光は出射
ポート15a、ｙ偏光は出射ポート15bを通って伝搬し、下
流に位置する偏波無依存光スイッチ素子13の入射ポート
16a、入射ポート16bにそれぞれが入射する。ついで、偏
波無依存光スイッチ素子13に適当な電気信号１を与える
ことにより、ｘ偏光とｙ偏光がそれぞれ出射ポート17
a、出射ポート17bから出射する。そして、偏波無依存光
スイッチ素子13に適当な別の電気信号２を与えることに
より、ｘ偏光とｙ偏光の出射ポートが切換えられて、ｘ
偏光は出射ポート17bから、ｙ偏光は出射ポート17aから
出射する。

したがって、上記した一連の動作によって、この光回
路集積素子は、偏光を分離し、分離されて偏光状態が異
なっているこれら両偏光を切換えることになり、結局、
光偏波スイッチとして機能する。

第２図は、第１図において光偏波分離素子12と偏波無
依存光スイッチ素子との配置順序を逆にした場合の光回
路集積素子を示す概略平面図である。

この素子において、入射ポート14から例えばTEモード
とTMモードのようなｘ偏光とｙ偏光を含む光を入射し
て、偏波無依存光スイッチ素子13に適当な電気信号１を
与えると、その光導波路のpn接合構造の働きで入射光は
出射ポート15a、または出射ポート15bのいずれかから出
射する。ついで、更に別の電気信号２を与えると、入射
光の出射ポートが切換わる。すなわち、電気信号1,電気
信号２を偏波無依存光スイッチ素子13に与えることによ
り、ｘ偏光とｙ偏光を含む入射光の出射ポートが切換え
られる。

入射光は、つぎに、入射ポート16aまたは入射ポート1
6bから光偏波分離素子12に入射する。そして、この光偏
波分離素子12に適当な電気信号を与えると、入射光はｘ
偏光とｙ偏光に分離されて、それぞれの偏光が出射ポー
ト17a,17bから出射する。

以上の一連の動作により、光偏波分離素子12に入射す
る入射光は、前記したように、偏波無依存光スイッチ素
子13でその出射ポートが切換えられるので、この素子の
全体の出射ポート17a,17bから出射する偏光も切換わる
ことになり、結果として、この場合も光偏波スイッチと
して機能する。

（発明の実施例）以下に本発明の光回路集積素子の実施例を添付図面に
基づいて詳細に説明する。

第３図は、第１図における光偏波分離素子12と偏波無
依存光スイッチ素子13がいずれも方向性結合器の場合を
示す概略平面図である。

光偏波分離素子12は、互いに平行配置してエバネッセ
ント結合する２本の光導波路A,Bに、第４図で示したよ
うな逆電圧印加用電圧Δβ電極19と順方向電流注入用反
転Δβ電極20を組合わせて形成されている。

すなわち、光導波路Ａの上流側部分A₁と他方の光導波
路Ｂの下流側部分B₂の上には、それぞれ、逆電圧印加用
電極19a,19bが互いに導電部19cで導通する状態で形成さ
れ、これら電極19a,19bからは光導波路Ａの上流側部分A
₁と光導波路Ｂの下流側部分B₂に逆電圧印加ができるよ
うになっている。

また、光導波路Ａの下流側部分A₂と光導波路Ｂの上流
側部分B₁の上には、それぞれ、順方向電流注入用電極20
a,20bが互いに導通部20cで導通する状態で、しかも、逆
電圧印加用電極19a,19bとは導通することのない状態で
形成され、これら電極20a,20bから光導波路Ａの下流側
部分A₂と光導波路Ｂの上流側部分B₁に順方向電流印加が
できるようになっている。

一方、偏波無依存光スイッチ素子13は、互いに平行配
置してエバネッセント接合する２本の光導波路C,Dに、
第５図で示したように、第４図の順方向電流注入用電極
20と同じような順方向電流注入用反転Δβ電極21を形成
して構成されている。

また、上記光偏波分離素子12と偏波無依存光スイッチ
素子13の箇所における断面構造は第６図のようになって
いる。

すなわち、まず、例えば、AuCeNi/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
成る厚み0.5μｍのバッファ層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から成る厚み
3.0μｍの下部クラッド層34,n^-GaAsから成る厚み1.0μ
ｍのコア層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から成る厚み0.6μｍのク
ラッド36aおよびpAlGaAsから成る厚み0.9μｍのクラッ
ド36bと、このクラッド36bの上に形成され、厚みが0.5
μｍであるp⁺GaAsのキャップ層36cから構成され、クラ
ッド36aとクラッド36bの界面がpn接合構造を形成してい
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/Tt/Auを蒸着して上部電極38が形成
される。

この上部電極38が、前記したような逆電圧印加用電極
19または順方向電流注入用電極20として機能する。

つぎに、この実施例素子の作用について説明する。

今、導波路Ａの入射ポート14からｘ偏光とｙ偏光を含
む光を入射して、まず、電極20から所定値の順方向電流
を注入する。電極20の直下に位置する光導波路における
コア層35の屈折率は偏波無依存で生起するpn接合構造の
プラズマ効果やバンドフィリング効果によって低下し、
ある注入電流値で光導波路A,B間はクロス状態になっ
て、入射ポート14から入射した光は光導波路Ｂに移行し
てその出射ポート15bを伝搬する。

この状態を維持しながら、つぎに電極19に逆バイアス
電圧を印加する。偏波依存性の電気光学効果が生起し
て、電極19の直下に位置する光導波路におけるコア層35
の屈折率がｘ偏波に対してのみ高くなり、ある印加電圧
値で高導波路A,B間はｘ偏波に対してのみクロス状態と
なって、ｘ偏波は光導波路Ａに移行して出射ポート15a
を伝搬する。このとき、ｙ偏光は上記電気光学効果の影
響を受けないので、そのまま出射ポート15bを伝搬す
る。

したがって、入射光の偏光成分はｘ偏光とｙ偏光に分
離され、それぞれは出射ポート15a、出力ポート15bから
出射し、接続部18において、偏波無依存光スイッチ素子
13の各入射ポート16a,16bに入射する。

ついで、偏波無依存光スイッチ素子13の電極21に適当
な値I₁の電流を注入する。電極21の直下に位置する光導
波路では前記したように偏波無依存のプラズマ効果やバ
ンドフィリング効果が生起して光導波路C,D間は両偏光
に対してクロス状態となる。したがって、出射ポート15
aを伝搬していたｘ偏光は光導波路Ｄに移行してその出
射ポート17bから出射し、また出射ポート15bを伝搬した
きたｙ偏光は光導波路Ｃに移行してその出射ポート17a
から出射する。

つぎに、注入電流を増加して所定値I₂（I₂＞I₁）を注
入すると、光導波路C,D間は両偏光に対するクロス状態
からスルー状態に転換する。したがって、出射ポート15
aを伝搬したきたｘ偏光はそのまま出射ポート17aから出
射し、出射ポート15bを伝搬してきたｙ偏光は出射ポー
ト17bから出射する。

このように、光偏波分離素子12で分離されたｘ偏光と
ｙ偏光は、偏波無依存光スイッチ素子13における注入電
流の変化によって偏波状態の切換えを行なうことができ
る。すなわち、この光回路集積素子は偏波スイッチとし
て動作する。

第７図は他の実施例素子を示す概略平面図である。こ
の素子の場合、光偏波分離素子12は実施例１と同じ構造
であるが、偏波無依存光スイッチ素子13が実施例１で示
したような方向性結合器型ではなくＸ交差型偏波無依存
光スイッチで構成されている。

このＸ交差型偏波無依存光スイッチ素子13は、第８図
の概略平面図で示したように、その入射ポート16aと16b
が交差部ＥにおいてＸ交差して延在し、入射ポート16a
は全体の出射ポート17bと、また入射ポート16bは全体の
出射ポート17aに接続していて、交差部Ｅが第８図のIX
−IX線に沿う断面図である第９図に示したような断面構
造をもつものである。

すなわち、第９図において、AuGeNi/Auから成る下部
電極41の上に、n⁺GaAsから成る基板42、同じくn⁺GaAsか
らバッファ層43が形成されている。そして、このバッフ
ァ層43の上にはn⁺Al_0.1Ga_0.9Asから成る下部クラッド層
44、n^-Al_0.1Ga_0.9Asから成るn^-クラッド層45、n^-GaAsか
ら成るコア層46が順次形成され、更に、コア層46の上に
はn^-Al_0.1Ga_0.9Asから成るn^-クラッド層47、pAl_0.1Ga
_0.9Asから成るｐ型クラッド層48、p⁺GaAsから成るp⁺キ
ャップ層49が形成され、ｐ型クラッド層48とn^-クラッド
層47の界面がpn接合構造になっている。

そして、全体の表面はSiO₂のような絶縁膜50で被覆さ
れその上部には交差部の長手方向に延びるスリット状の
窓51が形成されたのち、ここに例えばTi/Tt/Auを蒸着し
て上部電極52が形成されている。

なお、窓51は、交差部Ｅの略中心の位置に狭い幅で形
成することが好ましい。

この光回路集積素子において、光偏波分離素子12の作
用は第３図で示した光回路集積素子の場合と同じであ
る。

したがって、まず、入射ポート14から入射したｘ偏光
とｙ偏光は光偏波分離素子12で分離されて、それぞれ、
出射ポート15a,15bを伝搬する。

そして、素子13を駆動しない場合は、ｘ偏光は、出射
ポート15a、入射ポート16aを伝搬し、そのまま、交差部
Ｅを直進して出射ポート17bから出射し、ｙ偏光は、出
射ポート15b,入射ポート16bを伝搬し、そのまま交差部
Ｅを直進して全体の出射ポート17aから出射していく。
また、ｙ偏光は、出射ポート15b、入射ポート16bを伝搬
し、そのまま、交差部Ｅを直進して全体の出射ポート17
aから出射していく。

つぎに、素子13の上部電極52から順方向電流を注入す
る。注入された電流は、ｐ型クラッド層48に集中されn^-
コア層46に向かって流れるため、n^-コア層46ではプラズ
マ効果とバンドフィリング効果が生起してその屈折率が
低下する。

そして、ある注入電流値I_Rになると、n^-コア層46内に
は交差部Ｅの中心位置に長手方向に延びる帯状の屈折率
低下領域53が発現する。

そのため、入射ポート16aからのｘ偏光はこの屈折率
低下領域53で全反射して、第８図の矢印のように、出射
ポート17aへと光路を変更し、また入射ポート16bからの
ｙ偏光は、同じくこの屈折率低下領域53で全反射して、
第８図の矢印のように、出射ポート17bへと光路変更す
る。

すなわち、光偏波分離素子12で分離された両偏波は、
このＸ交差型偏波無依存光スイッチ素子13で偏波状態が
切換えられるので、全体は光偏波スイッチとして機能す
る。

なお、以上の実施例素子の場合、その光偏波分離素子
12はいずれも方向性結合器型のものである。

しかし、光偏波分離素子としては方向性結合器型のも
のに限定されるものではなく、例えば、第10図の概略平
面図で示したように、全体がＹ分岐型であって、半導体
材料から成りかつpn接合構造を有する２本の分岐側光導
波路61,62のいずれか一方の路面に金属薄膜63が装荷さ
れ、かつ、前記金属薄膜63は前記pn接合構造への逆電圧
印加手段でもある偏波分離器を用いることもできる。こ
の場合には、１本の主光導波路が入射ポート14aであ
り、Ｙ分岐する２本の分岐側光導波路61,62がそれぞれ
出射ポート15a,15bになる。

（発明の効果）以上の説明で明らかなように、本発明の光回路集積素
子においては、光偏波分離素子が最終的には電圧印加に
よってモード選択をするため、高速動作が可能であり、
また注入電流は十数mA程度であるため、消費電力は低く
なり、更に、全体が半導体材料で構成されているので、
光損傷やDCドリフトを受けることなく、温度特性も優れ
ている。

また、偏波無依存光スイッチ素子は、主に電流注入に
よって動作するが、そのスイッチング速度は10^-9秒オー
ダーであり、動作電流値も、光導波路間をクロス状態に
する場合は十数mA、スルー状態にする場合は高々十数mA
程度であるため、光損傷やDCドリフトを受けないことは
勿論のこと、温度特性も前記光偏波分離素子と同程度に
優れている。

更に、本発明の光回路集積素子はその消光比が30dB以
上と極めて高く、全体は半導体材料で構成されているた
め、半導体材料から成る他の能動素子とモノリシックに
集積化することができ、偏波ダイバーシティ光受信方式
に使用する光偏波スイッチとしてその工業的価値は極め
て大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光回路集積素子の１構成例を示す概略
平面図、第２図は他の構成例を示す概略平面図、第３図
は本発明の１実施例を示す概略平面図、第４図は第３図
における光偏波分離素子の構成例を示す概略平面図、第
５図は第３図における偏波無依存光スイッチ素子の構成
例を示す概略平面図、第６図は第４図のVI−VI線に沿う
断面図、第７図は他の実施例を示す概略平面図、第８図
は第７図における偏波無依存光スイッチ素子の構成例を
示す概略平面図、第９図は第８図のIX−IX線に沿う断面
図、第10図は光偏波分離素子の他の例を示す概略平面
図、第11図は従来例の概略斜視図、第12図は他の実施例
の概略平面図、第13図は更に別の従来例の概略平面図、
第14図は第13図のXIV−XIV線に沿う断面図である。 11……半導体基板、12……光偏波分離素子、13……偏波
無依存光スイッチ素子、14……入射ポート、15a,15b…
…光偏波分離素子の出射ポート、16a,16b……偏波無依
存光スイッチ素子の入射ポート、17a,17b……出射ポー
ト、18……接続部、19……逆電圧印加用の反転Δβ電
極、19a,19b……電極、19c……電極19aと19bの導通部、
20,21……順方向電流注入用の反転Δβ電極、20a,20b…
…電極、20c……電極20aと20bの導通部、Ａ……光導波
路、A₁……光導波路Ａの上流側部分、A₂……光導波路Ａ
の下流側部分、Ｂ……光導波路、B₁……光導波路Ｂの上
流側部分、B₂……光導波路Ｂの下流側部分、C,D……光
導波路、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……n^-クラッド、36b……ｐクラッド、
36c……キャップ層、37……絶縁膜、37a……窓、38……
上部電極、41……下部電極、42……基板、43……バッフ
ァ層、44……下部クラッド層、45……n^-クラッド、46…
…n^-コア層、47……n^-クラッド層、48……ｐ型クラッド
層、49……p⁺キャップ層、50……絶縁膜、51……窓、52
……上部電極、53……屈折率低下領域、61,62……分岐
側光導波路、63……金属薄膜。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体材料から成りかつpn接合構造が形成
されている光導波路を備え、少なくとも１個の入射ポー
トおよび少なくとも２個の出射ポートを有する少なくと
も１個の光偏波分離素子と、半導体材料から成りかつpn
接合構造が形成されている光導波路を備え、少なくとも
１個の入射ポートおよび少なくとも２個の出射ポートを
有する少なくとも１個の偏波無依存光スイッチ素子と
を、半導体基板の上で、互いの入射ポートと出射ポート
を直列に接続して集積したことを特徴とする光回路集積
素子。