JP2880294B2 - 複屈折のない半導体導波路 - Google Patents
複屈折のない半導体導波路Info
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は半導体電気光学デバイス、特に半導体光導波
路に関するものである。
路に関するものである。
背景技術 複屈折のない光デバイスおよび電気光学（electro−o
ptical）デバイスが光ファイバ通信システムに必要であ
る。光ハァイバ通信システムの多くは、伝送される光の
偏波を保存しない標準の単一モードシリカハァイバを用
いている。このシステムの場合、光信号の光ハァイバ中
のいかなる点およびいかなる時間の偏光状態を知ること
ができず、この光信号の偏光状態は周囲状態および履歴
のある信号伝送経路に沿って発生する他の変化の結果と
して時間および距離の変化を受ける。ファイバ伝送経路
中の点またはその端部に配置されたデバイスが光の偏光
状態に依存する応答特性を有する場合、この信号は劣化
し限界において喪失するおそれがある。
ptical）デバイスが光ファイバ通信システムに必要であ
る。光ハァイバ通信システムの多くは、伝送される光の
偏波を保存しない標準の単一モードシリカハァイバを用
いている。このシステムの場合、光信号の光ハァイバ中
のいかなる点およびいかなる時間の偏光状態を知ること
ができず、この光信号の偏光状態は周囲状態および履歴
のある信号伝送経路に沿って発生する他の変化の結果と
して時間および距離の変化を受ける。ファイバ伝送経路
中の点またはその端部に配置されたデバイスが光の偏光
状態に依存する応答特性を有する場合、この信号は劣化
し限界において喪失するおそれがある。
良好に規定された光学面を有する光デバイスおよび電
気光学デバイスは、一般的にある偏光依存性を有してい
る。すなわち、これらのデバイスは光学面内で偏光して
いる光に対してはある態様で作用し光学面と直交する方
向に偏光した光に対しては別の態様で作用する。光学面
は２個の直交する方向で相異なる光学的または他の物理
的な変化によりほぼ規定することができる。特に、導波
光の伝搬方向に対して非対称なモード光導波断面を有す
る導波路構造体を含む集積化された光デバイスおよび電
気光学デバイスは一般的に複屈折性を有し、集積化され
たデバイスの面に平行な方向（電場と直交する、すなわ
ちTE）に電気的に偏光した導波される光信号および集積
化されたデバイスの面と直交する方向（磁場と直交す
る、すなわちTM）に偏光した光信号に対して異なるモー
ダル（modal）実効屈折率を有している。これにより、
集積化されたデバイスはTE偏光した光信号およびTM偏光
した光信号に対して大幅に異なる動作を行うおそれがあ
る。入射光信号の偏光状態がTEまたはTM偏光した導波光
だけを発生させるように固定されていない場合、この動
作上の差異はデバイスの作動性能を劣化させるおそれが
ある。
気光学デバイスは、一般的にある偏光依存性を有してい
る。すなわち、これらのデバイスは光学面内で偏光して
いる光に対してはある態様で作用し光学面と直交する方
向に偏光した光に対しては別の態様で作用する。光学面
は２個の直交する方向で相異なる光学的または他の物理
的な変化によりほぼ規定することができる。特に、導波
光の伝搬方向に対して非対称なモード光導波断面を有す
る導波路構造体を含む集積化された光デバイスおよび電
気光学デバイスは一般的に複屈折性を有し、集積化され
たデバイスの面に平行な方向（電場と直交する、すなわ
ちTE）に電気的に偏光した導波される光信号および集積
化されたデバイスの面と直交する方向（磁場と直交す
る、すなわちTM）に偏光した光信号に対して異なるモー
ダル（modal）実効屈折率を有している。これにより、
集積化されたデバイスはTE偏光した光信号およびTM偏光
した光信号に対して大幅に異なる動作を行うおそれがあ
る。入射光信号の偏光状態がTEまたはTM偏光した導波光
だけを発生させるように固定されていない場合、この動
作上の差異はデバイスの作動性能を劣化させるおそれが
ある。
このような複屈折感知集積化光デバイスの例として、
スール（Soole）等著“Monolithic InP/InGaAsP/InP gr
ating spectrometer for the 1.48−1.56μm wavelengt
h range",Applied Physics Letters,vol.58,1991,pp.19
49−1951に記載されているエッチングされた反射回折格
子に基づくもの、またはザンギブル（M.Zirngibl）等著
“Demonstration of a 15×15 Arrayed Waveguide Mult
iplexer on InP,"IEEE Photonics Technology Letters,
vol.4,1992,pp.1250−1253に記載されているフェーズド
アレイに基づくデマルチプレクサのような半導体導波路
波長マルチプレクサ／デマルチプレクサがある。一方、
これらのデバイスは、偏光していない光と共に用いる場
合性能が低下してしまう。この理由は、モーダル複屈折
により、TM偏光した導波された光信号がTM偏光した導波
された光信号とは僅かに異なる角度で分散するからであ
る。この角度分散の結果、ある波長の導波光により搬送
されるTM信号が僅かに異なる波長のTE偏光した光により
搬送される信号と同一方向に分散してしまう。波長が僅
かに異なる２個の信号の一致により、導波される光信号
が両方の偏光状態の成分を含む場合、異なる波長で搬送
される信号間にクロストークが発生する。一般的にTEお
よびTM偏光した導波光に対するモーダル実効屈折率の差
による導波信号の偏光状態を感知する別の種類の半導体
導波路を用いる集積化されたルーティング装置も、TEお
よびTMの両方の偏光状態で導波される光信号に対して動
作する場合、同様に性能が低下するおそれがある。この
ようなルーティング装置の例として、方向性カップラ、
マッハーツェンダ干渉カップラ、およびマルチモード干
渉デバイスが挙げられる。これらデバイスの例は、ハン
スペルガ（Hunsperger）著、Integrated Optics:Theory
and Technology,3d ed.,Springer,Heidelberg,1991、
ディー グリーン（D.Green）著、Fiver Optic Network
s,Prentice Hall,1993、およびソルダノ（Soldano）
著、Multimode Interference Couplers,Delft Universi
ty Press,1994がある。
スール（Soole）等著“Monolithic InP/InGaAsP/InP gr
ating spectrometer for the 1.48−1.56μm wavelengt
h range",Applied Physics Letters,vol.58,1991,pp.19
49−1951に記載されているエッチングされた反射回折格
子に基づくもの、またはザンギブル（M.Zirngibl）等著
“Demonstration of a 15×15 Arrayed Waveguide Mult
iplexer on InP,"IEEE Photonics Technology Letters,
vol.4,1992,pp.1250−1253に記載されているフェーズド
アレイに基づくデマルチプレクサのような半導体導波路
波長マルチプレクサ／デマルチプレクサがある。一方、
これらのデバイスは、偏光していない光と共に用いる場
合性能が低下してしまう。この理由は、モーダル複屈折
により、TM偏光した導波された光信号がTM偏光した導波
された光信号とは僅かに異なる角度で分散するからであ
る。この角度分散の結果、ある波長の導波光により搬送
されるTM信号が僅かに異なる波長のTE偏光した光により
搬送される信号と同一方向に分散してしまう。波長が僅
かに異なる２個の信号の一致により、導波される光信号
が両方の偏光状態の成分を含む場合、異なる波長で搬送
される信号間にクロストークが発生する。一般的にTEお
よびTM偏光した導波光に対するモーダル実効屈折率の差
による導波信号の偏光状態を感知する別の種類の半導体
導波路を用いる集積化されたルーティング装置も、TEお
よびTMの両方の偏光状態で導波される光信号に対して動
作する場合、同様に性能が低下するおそれがある。この
ようなルーティング装置の例として、方向性カップラ、
マッハーツェンダ干渉カップラ、およびマルチモード干
渉デバイスが挙げられる。これらデバイスの例は、ハン
スペルガ（Hunsperger）著、Integrated Optics:Theory
and Technology,3d ed.,Springer,Heidelberg,1991、
ディー グリーン（D.Green）著、Fiver Optic Network
s,Prentice Hall,1993、およびソルダノ（Soldano）
著、Multimode Interference Couplers,Delft Universi
ty Press,1994がある。
集積化された光デバイスおよび電気光学デバイスは一
般に光信号の偏光状態が未知の光ファイバシステムにお
いて用いられているので、これらデバイスの偏光依存性
を抑制または最小にするための精力的な努力が払われて
いる。
般に光信号の偏光状態が未知の光ファイバシステムにお
いて用いられているので、これらデバイスの偏光依存性
を抑制または最小にするための精力的な努力が払われて
いる。
複屈折効果を低減する多くの一般的な試みは、光信号
が偏光感知性のデバイスに入射する前に光信号の偏光状
態を制御する付加的な素子を導入することであった。こ
れらの方法は、Greenの上掲文献の第316〜318頁に記載
されている偏光変化、ハイズマン（Heismann）著“Anal
ysis of a Reset−Free Polarization Controller for
Fast Automatic Polarization Stabilization in Fiber
−optic Transmission Systems",Journal of Lightwave
Technology,vol.12,1994,pp.690−699に記載されてい
る偏光制御、ハイズマン（Heismann）等著“Electroopt
ic Polarization Scramblers for Optically Amplified
Long−Haul Transmission Systems,"IEEE Photonics T
echnology Letters,vol.9,1994,pp.1156−1158に記載さ
れている能動偏光スクランブリング、および米国特許第
5,159,481号明細書に記載されている受動偏光スクラン
ブリングを含む。しかしながら、これらの方法は全て付
加的な素子および素子間の相互接続部を含んでいるの
で、複雑な構造となってしまうが、これは回避するのが
好ましい。より満足のいくアプローチは、導波路デバイ
スが用いられる応用例に対するシステムの劣化が無視で
きる程度に十分に小さい偏光依存性を有するように設計
できる場合に得られる。
が偏光感知性のデバイスに入射する前に光信号の偏光状
態を制御する付加的な素子を導入することであった。こ
れらの方法は、Greenの上掲文献の第316〜318頁に記載
されている偏光変化、ハイズマン（Heismann）著“Anal
ysis of a Reset−Free Polarization Controller for
Fast Automatic Polarization Stabilization in Fiber
−optic Transmission Systems",Journal of Lightwave
Technology,vol.12,1994,pp.690−699に記載されてい
る偏光制御、ハイズマン（Heismann）等著“Electroopt
ic Polarization Scramblers for Optically Amplified
Long−Haul Transmission Systems,"IEEE Photonics T
echnology Letters,vol.9,1994,pp.1156−1158に記載さ
れている能動偏光スクランブリング、および米国特許第
5,159,481号明細書に記載されている受動偏光スクラン
ブリングを含む。しかしながら、これらの方法は全て付
加的な素子および素子間の相互接続部を含んでいるの
で、複雑な構造となってしまうが、これは回避するのが
好ましい。より満足のいくアプローチは、導波路デバイ
スが用いられる応用例に対するシステムの劣化が無視で
きる程度に十分に小さい偏光依存性を有するように設計
できる場合に得られる。
導波路コアと導波路クラッド層との間の屈折率差が比
較的小さい半導体導波路またはモード電界が導波コア内
にほぼ含まれる半導体導波路は、そのように構成されて
いない半導体導波路よりも微弱なモーダル複屈折を呈す
る。最初の効果は、ソール等の前述した文献によりおよ
びビセジャ（Bissessur）等の“16 channel phased arr
ay wavelength demultiplexer on InP with low polari
zation sensitivity,"Electronics Letters,vol.30,199
4,pp.2336−2337に記載されている文献により最近開発
されている。しかしながら、これらの導波路は導波デバ
イスに組み込むのに適当でない場合があり、しかもしば
しば導波される光信号に対して無視できないモーダル複
屈折を与えてしまう。厚い上側クラッド層を有する正方
形断面の埋め込みリブ型導波路は、対称性の理由により
導波されるモード光に複屈折が生じない。また、チャン
（Chiang）著“Dispersion characteristics of strip
dielectric waveguides,"IEEE Transactions on Microw
ave Theory and Techniques,vol.39,pp.349−352,1991
で説明されているように、注意深く予め定めた屈折率差
および寸法比を有するストリップ導波路のような導波路
断面形状は複屈折のないものとすることができる。この
効果は、ベルビーク（Verbeek）等著“Large Bandwidth
Polarisation Independent and Compact 8 Channel PH
ASAR Demultiplexer/Filter,"post−deadline paper,PD
13,Optical Fiber Conference,pp.63−65,San Jose,C
A.,Feb.20−25,1994において開発された。しかしなが
ら、これら特定の構造は集積化された光デバイスまたは
電気光学デバイスに組み込むの有用でない場合がある。
較的小さい半導体導波路またはモード電界が導波コア内
にほぼ含まれる半導体導波路は、そのように構成されて
いない半導体導波路よりも微弱なモーダル複屈折を呈す
る。最初の効果は、ソール等の前述した文献によりおよ
びビセジャ（Bissessur）等の“16 channel phased arr
ay wavelength demultiplexer on InP with low polari
zation sensitivity,"Electronics Letters,vol.30,199
4,pp.2336−2337に記載されている文献により最近開発
されている。しかしながら、これらの導波路は導波デバ
イスに組み込むのに適当でない場合があり、しかもしば
しば導波される光信号に対して無視できないモーダル複
屈折を与えてしまう。厚い上側クラッド層を有する正方
形断面の埋め込みリブ型導波路は、対称性の理由により
導波されるモード光に複屈折が生じない。また、チャン
（Chiang）著“Dispersion characteristics of strip
dielectric waveguides,"IEEE Transactions on Microw
ave Theory and Techniques,vol.39,pp.349−352,1991
で説明されているように、注意深く予め定めた屈折率差
および寸法比を有するストリップ導波路のような導波路
断面形状は複屈折のないものとすることができる。この
効果は、ベルビーク（Verbeek）等著“Large Bandwidth
Polarisation Independent and Compact 8 Channel PH
ASAR Demultiplexer/Filter,"post−deadline paper,PD
13,Optical Fiber Conference,pp.63−65,San Jose,C
A.,Feb.20−25,1994において開発された。しかしなが
ら、これら特定の構造は集積化された光デバイスまたは
電気光学デバイスに組み込むの有用でない場合がある。
例えば、チェン（Chiang）等の米国特許第5,117,469
号明細書に記載されているように、導波路領域内の量子
井戸に導入された歪みが複屈折に作用することは周知で
ある。量子井戸を含む導波路を用いる偏光作用のない多
数のデバイスが提案され実証されている。ある形式のも
のは、ズッカの米国特許第5,090,790号明細書およびズ
ッカ（Zucker）等の文献“Strained quantum wells for
polarization−independent electrooptic waveguide
switches,"Journal of Lightwave Technology,vol.10,1
992,pp.1926−1930に開示されている。これらの文献
は、量子井戸層への引っ張り歪みの導入が、量子井戸材
料のバンド構造に対して、量子サイズ効果により価電子
帯に生ずる軽いホールと重いホール（light and heavy
hole）をスプリットさせる効果とは反対となるような態
様で作用することを教示している。さらに、量子井戸層
に予め定めた十分な引っ張り歪みを形成するは量子井戸
導波領域の特性のうち偏光感知性を抑制するので、その
挙動は導波するTE偏光した光およびTM偏光した光に対し
てほぼ同一になる。
号明細書に記載されているように、導波路領域内の量子
井戸に導入された歪みが複屈折に作用することは周知で
ある。量子井戸を含む導波路を用いる偏光作用のない多
数のデバイスが提案され実証されている。ある形式のも
のは、ズッカの米国特許第5,090,790号明細書およびズ
ッカ（Zucker）等の文献“Strained quantum wells for
polarization−independent electrooptic waveguide
switches,"Journal of Lightwave Technology,vol.10,1
992,pp.1926−1930に開示されている。これらの文献
は、量子井戸層への引っ張り歪みの導入が、量子井戸材
料のバンド構造に対して、量子サイズ効果により価電子
帯に生ずる軽いホールと重いホール（light and heavy
hole）をスプリットさせる効果とは反対となるような態
様で作用することを教示している。さらに、量子井戸層
に予め定めた十分な引っ張り歪みを形成するは量子井戸
導波領域の特性のうち偏光感知性を抑制するので、その
挙動は導波するTE偏光した光およびTM偏光した光に対し
てほぼ同一になる。
後述するように、ズッカ（Zucker）の開示内容と同様
な方法で量子井戸に引っ張り歪みを導入する多数の量子
井戸デバイス構造体が報告されている。ジョマ（Joma）
等は、“Strained layer quantum well semiconductor
optical "amplifiers:polarization−insensitive ampl
ification",Fiber and Integrated Optics,vol.10,199
1,pp.361−364に量子井戸増幅器について記載してい
る。ラビキュマ（Ravikumar）等は、“Observation of
polarization independent electro−optic effect in
InGaAs/InP tensile strained quantum well and its p
roposal for optical switch,"Applied Physics Letter
s,vol.61,1992,pp.1904−1906頁において電界誘導吸収
について説明している。ズッカ等は、その文献において
干渉計スイッチについて説明している。TEおよびTM偏光
した光についてほぼ等価な性能を得るため量子井戸に特
有な効果を用いるデバイスの別の例は、TEおよびTM偏光
した光についてほぼ等しい光利得を発生させるために圧
縮歪み量子井戸および引っ張り歪み量子井戸の両方を含
む量子井戸導波増幅器が含まれ、ティーメイジャ（Tiem
eijer）等“Polarization insensitive multiple quant
um−well laser amplifiers for the 1300nm window,"A
pplied Physics Letters,vol.62,1993,pp.826−828およ
びニューカーク（Newkirk）等“1.5μm Multiquantum−
Well Semiconductor Optical Amplifier with Tensile
and Compressively Strained Wells for Polarizaion I
ndependent Gain,"IEEE Photonics Technology Letter
s,vol.4,1993,pp.406−408に記載されている。タダ（Ta
da）等は、文献“Polarization independent optical w
aveguide intensity switch with parabolic quantum w
ell,"Applied Physics Letters,vol.59,1991,pp.2778−
2780において、パラボリックな量子井戸を用いる量子井
戸強度スイッチについて記載している。最後に、ヤマグ
チ（Yamaguchi）等は、文献“Polarization Independen
t Waveguide Modulator Using a Novel Quantum Well w
ith Mass−Dependent Width",IEEE Photonics Technolo
gy Letters,vol.6,1994,pp.1442−1444において、質量
依存帯域幅を有する量子井戸を用いる変調器について記
載している。
な方法で量子井戸に引っ張り歪みを導入する多数の量子
井戸デバイス構造体が報告されている。ジョマ（Joma）
等は、“Strained layer quantum well semiconductor
optical "amplifiers:polarization−insensitive ampl
ification",Fiber and Integrated Optics,vol.10,199
1,pp.361−364に量子井戸増幅器について記載してい
る。ラビキュマ（Ravikumar）等は、“Observation of
polarization independent electro−optic effect in
InGaAs/InP tensile strained quantum well and its p
roposal for optical switch,"Applied Physics Letter
s,vol.61,1992,pp.1904−1906頁において電界誘導吸収
について説明している。ズッカ等は、その文献において
干渉計スイッチについて説明している。TEおよびTM偏光
した光についてほぼ等価な性能を得るため量子井戸に特
有な効果を用いるデバイスの別の例は、TEおよびTM偏光
した光についてほぼ等しい光利得を発生させるために圧
縮歪み量子井戸および引っ張り歪み量子井戸の両方を含
む量子井戸導波増幅器が含まれ、ティーメイジャ（Tiem
eijer）等“Polarization insensitive multiple quant
um−well laser amplifiers for the 1300nm window,"A
pplied Physics Letters,vol.62,1993,pp.826−828およ
びニューカーク（Newkirk）等“1.5μm Multiquantum−
Well Semiconductor Optical Amplifier with Tensile
and Compressively Strained Wells for Polarizaion I
ndependent Gain,"IEEE Photonics Technology Letter
s,vol.4,1993,pp.406−408に記載されている。タダ（Ta
da）等は、文献“Polarization independent optical w
aveguide intensity switch with parabolic quantum w
ell,"Applied Physics Letters,vol.59,1991,pp.2778−
2780において、パラボリックな量子井戸を用いる量子井
戸強度スイッチについて記載している。最後に、ヤマグ
チ（Yamaguchi）等は、文献“Polarization Independen
t Waveguide Modulator Using a Novel Quantum Well w
ith Mass−Dependent Width",IEEE Photonics Technolo
gy Letters,vol.6,1994,pp.1442−1444において、質量
依存帯域幅を有する量子井戸を用いる変調器について記
載している。
上述した例の設計は、基本的に偏光不感知性能を得る
ために量子井戸の存在に依存している。これら従来技術
の教示内容は、量子サイズ効果を顕著するための十分に
薄い層を含む導波路構造体に限定されている。さらに、
これら従来技術のいずれも導波路構造体のモーダル複屈
折を抑制することを直接教示していない。複屈折は、デ
バイスが導波光の２個の偏光した光に対して同一の実効
光屈折率を与えるようにする必要があり、また、例えば
能動増幅器の偏光強度は、光利得のような光学的パラメ
ータが２個の偏光した光に対して同一になる必要があ
る。Zuckerは２つの偏光した光が導波路構造体の層を伝
搬するときにそれら偏光した光に対する材料屈折率を等
しくすることを教示しているが、彼女が教示している唯
一の方法は吸収率αを等しくすることに関するものであ
る。Zuckerは引っ張り歪みを用いて波長に対する発振器
強度の比を等しくし２個の直交する偏光TEおよびTMに対
して重いホールおよび軽いホールを非同調にさせている
が、その手法は、１個またはそれ以上の引っ張り歪み形
成層を含む導波路構造体により保存される２個の偏光モ
ードの導波光のモーダル屈折率β/k0を確実に等しくす
るものではない。モーダル屈折率を等しくすることはよ
り複雑で基本的な課題である。
ために量子井戸の存在に依存している。これら従来技術
の教示内容は、量子サイズ効果を顕著するための十分に
薄い層を含む導波路構造体に限定されている。さらに、
これら従来技術のいずれも導波路構造体のモーダル複屈
折を抑制することを直接教示していない。複屈折は、デ
バイスが導波光の２個の偏光した光に対して同一の実効
光屈折率を与えるようにする必要があり、また、例えば
能動増幅器の偏光強度は、光利得のような光学的パラメ
ータが２個の偏光した光に対して同一になる必要があ
る。Zuckerは２つの偏光した光が導波路構造体の層を伝
搬するときにそれら偏光した光に対する材料屈折率を等
しくすることを教示しているが、彼女が教示している唯
一の方法は吸収率αを等しくすることに関するものであ
る。Zuckerは引っ張り歪みを用いて波長に対する発振器
強度の比を等しくし２個の直交する偏光TEおよびTMに対
して重いホールおよび軽いホールを非同調にさせている
が、その手法は、１個またはそれ以上の引っ張り歪み形
成層を含む導波路構造体により保存される２個の偏光モ
ードの導波光のモーダル屈折率β/k0を確実に等しくす
るものではない。モーダル屈折率を等しくすることはよ
り複雑で基本的な課題である。
以下の説明は、予め定めた圧縮歪みが形成された層お
よび引っ張り歪みが形成された層の両方を導波路構造体
に含ませることを利用して、いかにして導波路構造体の
モーダル複屈折のない動作を達成するかを示す。これ
は、導波路構造体内に含まれる薄い層の量子サイズ効果
の起こり得る発生にかかわらず、一般的に導波路構造体
に関するものである。開示されている複屈折抑制の意義
は、一般的に称されているプレナ導波路、リッジ導波
路、ストリップで負荷された導波路（strip−loaded gu
ide）、および埋め込みリブ導波路を含む広い範囲の導
波路に適用でき、これらの導波路に限定されるものでは
ない。
よび引っ張り歪みが形成された層の両方を導波路構造体
に含ませることを利用して、いかにして導波路構造体の
モーダル複屈折のない動作を達成するかを示す。これ
は、導波路構造体内に含まれる薄い層の量子サイズ効果
の起こり得る発生にかかわらず、一般的に導波路構造体
に関するものである。開示されている複屈折抑制の意義
は、一般的に称されているプレナ導波路、リッジ導波
路、ストリップで負荷された導波路（strip−loaded gu
ide）、および埋め込みリブ導波路を含む広い範囲の導
波路に適用でき、これらの導波路に限定されるものでは
ない。
発明の概要 本発明は、導波路を構成する層に予め定めた量の歪み
を導入することにより、２個の偏光した光間のモーダル
複屈折を全体として大幅に低減されまたは除去された半
導体導波路構造体として要約することができる。導波路
は、導波路を構成する層のバンドギャップよりも小さい
フォトンエネルギーを有する光信号を導波する。
を導入することにより、２個の偏光した光間のモーダル
複屈折を全体として大幅に低減されまたは除去された半
導体導波路構造体として要約することができる。導波路
は、導波路を構成する層のバンドギャップよりも小さい
フォトンエネルギーを有する光信号を導波する。
光学的異方性材料に導入された歪みはその材料中に光
複屈折を発生する。従って、面内歪みを用いて導波路構
造体のモーダル複屈折を制御することができる。一般的
に、基板に対する引っ張る歪みを層に導入することは導
波路構造体の形状により生ずるモーダル複屈折を減少さ
せるように作用し、その逆も真実であり、圧縮歪みの導
入は導波路構造体のモーダル複屈折を増大する。一方、
一般的に、構造的な複屈折を全体として補償するのに必
要な単一層中の上引っ張り歪みの量はその層中に欠陥が
形成されるレベルを超えてしまう。本発明は、欠陥が形
成されることなく十分な引っ張り歪みを許容する。
複屈折を発生する。従って、面内歪みを用いて導波路構
造体のモーダル複屈折を制御することができる。一般的
に、基板に対する引っ張る歪みを層に導入することは導
波路構造体の形状により生ずるモーダル複屈折を減少さ
せるように作用し、その逆も真実であり、圧縮歪みの導
入は導波路構造体のモーダル複屈折を増大する。一方、
一般的に、構造的な複屈折を全体として補償するのに必
要な単一層中の上引っ張り歪みの量はその層中に欠陥が
形成されるレベルを超えてしまう。本発明は、欠陥が形
成されることなく十分な引っ張り歪みを許容する。
半導体層中の所定量の歪みにより導入される複屈折は
半導体材料のバンドギャップエネルギーと複屈折を受け
る光のフォトンエネルギーとの間の差の関数であり、フ
ォトンエネルギーが歪みを有する材料のバンドギャップ
エネルギーに近づくにしたがって大きさが増大する。こ
の関数的な依存性により多層導波路構造体への歪み導入
方法が適切に制御され、１個またはそれ以上の層へ導入
された引っ張り歪みは１個またはそれ以上の層へ圧縮歪
みを導入することにより部分的にまたは完全に補償する
ことができ、その結果正味の歪み限界を超えることなく
全体として歪みが形成された構造体は導波光のフォトン
エネルギーの範囲にわたって導波路構造体のモーダル複
屈折を抑制しまたは大幅に除去する正味の複屈折を導入
する。III−Ｖ族またはII−VI族元素により構成される
導波路構造体の場合、導波される光のフォトンエネルギ
ーに接近したバンドギャップエネルギーを有する１個ま
たは複数の層に予め定めた量の引っ張り歪みを導入する
と共に導波される光信号のフォトンエネルギーよりも離
れたバンドギャップエネルギーを有する１個または複数
の層に予め定めた量の圧縮歪みを導入することにより、
複屈折を都合よく減少させることができる。このように
して、フォトンエネルギーの範囲の導波される光信号に
対してモーダル複屈折のほとんどない導波路構造体を、
部分的にまたは完全に歪み補償された導波路構造体とし
て実現することができる。
半導体材料のバンドギャップエネルギーと複屈折を受け
る光のフォトンエネルギーとの間の差の関数であり、フ
ォトンエネルギーが歪みを有する材料のバンドギャップ
エネルギーに近づくにしたがって大きさが増大する。こ
の関数的な依存性により多層導波路構造体への歪み導入
方法が適切に制御され、１個またはそれ以上の層へ導入
された引っ張り歪みは１個またはそれ以上の層へ圧縮歪
みを導入することにより部分的にまたは完全に補償する
ことができ、その結果正味の歪み限界を超えることなく
全体として歪みが形成された構造体は導波光のフォトン
エネルギーの範囲にわたって導波路構造体のモーダル複
屈折を抑制しまたは大幅に除去する正味の複屈折を導入
する。III−Ｖ族またはII−VI族元素により構成される
導波路構造体の場合、導波される光のフォトンエネルギ
ーに接近したバンドギャップエネルギーを有する１個ま
たは複数の層に予め定めた量の引っ張り歪みを導入する
と共に導波される光信号のフォトンエネルギーよりも離
れたバンドギャップエネルギーを有する１個または複数
の層に予め定めた量の圧縮歪みを導入することにより、
複屈折を都合よく減少させることができる。このように
して、フォトンエネルギーの範囲の導波される光信号に
対してモーダル複屈折のほとんどない導波路構造体を、
部分的にまたは完全に歪み補償された導波路構造体とし
て実現することができる。
図面の簡単な説明 図１〜図４は本発明により複屈折のないようにするこ
とができる導波路構造体の実施例の断面図である。これ
らの図面は導波される光の伝搬方向と直交する断面とし
て表示する。図１はプレナ導波路構造体を示し、図２は
リッジ導波路構造体を示し、図３はストリップで負荷さ
れた導波路構造体を示し、および図４は埋め込みリブ導
波路構造体を示す。
とができる導波路構造体の実施例の断面図である。これ
らの図面は導波される光の伝搬方向と直交する断面とし
て表示する。図１はプレナ導波路構造体を示し、図２は
リッジ導波路構造体を示し、図３はストリップで負荷さ
れた導波路構造体を示し、および図４は埋め込みリブ導
波路構造体を示す。
図５は光弾性が測定される光のフォトンエネルギーに
おける半導体材料の光弾性依存性を示す。３個の異なる
材料の光弾性を図示し、各バンドギャップエネルギーは
エネルギー軸上の矢印で示す。光弾性効果のないフォト
ンエネルギーは半導体材料に依存し、このような条件が
存在する場合はバンドギャップエネルギーから離れた低
いフォトンエネルギーに対して通常発生する。
おける半導体材料の光弾性依存性を示す。３個の異なる
材料の光弾性を図示し、各バンドギャップエネルギーは
エネルギー軸上の矢印で示す。光弾性効果のないフォト
ンエネルギーは半導体材料に依存し、このような条件が
存在する場合はバンドギャップエネルギーから離れた低
いフォトンエネルギーに対して通常発生する。
図６は、材料組成の連続的な変化に対してバンドギャ
ップが連続的に変化する半導体材料系におけるバンドギ
ャップよりも小さいフォトンエネルギーでの所定の層歪
みについて観測される複屈折の変化を示す。この曲線
は、破線で図示したフォトンエネルギーでの図５に表示
したような曲線の組から得ることができる。
ップが連続的に変化する半導体材料系におけるバンドギ
ャップよりも小さいフォトンエネルギーでの所定の層歪
みについて観測される複屈折の変化を示す。この曲線
は、破線で図示したフォトンエネルギーでの図５に表示
したような曲線の組から得ることができる。
図７は最小にされた複屈折を有する本発明の導波路の
設計手法のフロー線図である。
設計手法のフロー線図である。
図８はバンドギャップエネルギーおよびInGaAsP系材
料の格子定数のグラフである。
料の格子定数のグラフである。
図９は本発明の導波路の実施例の断面図である。
好適実施例の詳細な説明 本発明は、図１〜図４の光の伝搬方向と直交する面の
断面として示す導波路構造体を含む種々の多数の導波路
構造体として実施することができる。この導波路構造体
は、特に図１に示すプレナ導波路、図２に示すリッジ型
導波路、図３に示すストリップで負荷された導波路、ま
たは図４に示す埋め込みリブ型導波路に分類される。こ
れらの導波路構造体は基板10上に形成され、下側クラッ
ド層12、導波コア層14および上側クラッド層16を具え
る。導波路コア14は、後述する本発明の説明に基づいて
歪み形成された複数の層18を含んでいる。図１〜図４の
線図的な表現は図示のためだけのものであり、本発明は
図示の形状、形態または相対的寸法に限定されるもので
はない。特に、導波路コアは、厚さの不均一な複数の
層、並びに歪み形成されおよび歪み形成されていない複
数の層を含むことができ、上側および下側クラッド層は
数個の層で構成することができ、その一部の層は歪み形
成することができる。
断面として示す導波路構造体を含む種々の多数の導波路
構造体として実施することができる。この導波路構造体
は、特に図１に示すプレナ導波路、図２に示すリッジ型
導波路、図３に示すストリップで負荷された導波路、ま
たは図４に示す埋め込みリブ型導波路に分類される。こ
れらの導波路構造体は基板10上に形成され、下側クラッ
ド層12、導波コア層14および上側クラッド層16を具え
る。導波路コア14は、後述する本発明の説明に基づいて
歪み形成された複数の層18を含んでいる。図１〜図４の
線図的な表現は図示のためだけのものであり、本発明は
図示の形状、形態または相対的寸法に限定されるもので
はない。特に、導波路コアは、厚さの不均一な複数の
層、並びに歪み形成されおよび歪み形成されていない複
数の層を含むことができ、上側および下側クラッド層は
数個の層で構成することができ、その一部の層は歪み形
成することができる。
図１〜図４に図示した構造体において、特定のフォト
ンエネルギーの光を導波路コア14の中心で導波させるた
め、一般的にコアは周囲領域の屈折率よりも大きい実効
屈折率を有する必要がある。有効に導波させるための精
密な条件並びに導波モードの実効屈折率および導波モー
ドフィールドプロファイルの形状の評価は、半導体導波
路の設計における当業者に知られている通常の方法によ
り決定することができる。
ンエネルギーの光を導波路コア14の中心で導波させるた
め、一般的にコアは周囲領域の屈折率よりも大きい実効
屈折率を有する必要がある。有効に導波させるための精
密な条件並びに導波モードの実効屈折率および導波モー
ドフィールドプロファイルの形状の評価は、半導体導波
路の設計における当業者に知られている通常の方法によ
り決定することができる。
図１〜図４に表示されているような半導体導波路構造
体は、半導体結晶成長技術の当業者により行われている
数個の周知の成長技術により成長形成することができ
る。層が基板材料に格子整合するように成長する場合、
この層の材料に歪みは生じない。このような歪みのない
層がIII−Ｖ族元素およびII−VI族元素で構成される半
導体化合物の亜鉛添加構造のような立方晶系結晶で構成
され、かつこの層が量子サイズ効果が顕著に現れる程薄
くない場合、この層は光学的に等方性になる。
体は、半導体結晶成長技術の当業者により行われている
数個の周知の成長技術により成長形成することができ
る。層が基板材料に格子整合するように成長する場合、
この層の材料に歪みは生じない。このような歪みのない
層がIII−Ｖ族元素およびII−VI族元素で構成される半
導体化合物の亜鉛添加構造のような立方晶系結晶で構成
され、かつこの層が量子サイズ効果が顕著に現れる程薄
くない場合、この層は光学的に等方性になる。
光学的に等方性の層を含む導波路構造体であっても、
ある程度のモーダル複屈折性を有している。すなわち、
層の面内にあり伝搬方向と直交する電気ベクトルを有す
るTE光固有モードは以下の実効屈折率を有する。
ある程度のモーダル複屈折性を有している。すなわち、
層の面内にあり伝搬方向と直交する電気ベクトルを有す
るTE光固有モードは以下の実効屈折率を有する。
ここで、βTEは導波路内でのTE導波モードの伝搬定数
であり、k0は自由空間での伝搬定数である。同様に、層
の面内の磁気ベクトルを有する直交モードの実効屈折率
は以下の式により与えられる。
であり、k0は自由空間での伝搬定数である。同様に、層
の面内の磁気ベクトルを有する直交モードの実効屈折率
は以下の式により与えられる。
nTEとnTMとの間に差が発生する。この理由は、層間の
界面の電磁的境界条件が２個の偏光TEおよびTMの導波モ
ードに別々に作用するからである。
界面の電磁的境界条件が２個の偏光TEおよびTMの導波モ
ードに別々に作用するからである。
分析は、TE偏光した光に対するモーダル屈折率nTEは
一般的にTM偏光した光に対するモーダル屈折率nTMより
も大きいことを示している。この関係は、例えばクラッ
ド層12および16の屈折率よりも大きい屈折率を有する単
一の導波層14を有する図１に示す導波路の場合容易に示
すことができ、マーカス（Marcuse）著Theory of Diele
ctric Optical Waveguides,2nd ed.,Academic Press,19
91,pp.1−59を参照されたい。この関係は、図２〜図４
に示すように、プレナ導波路構造体の摂動と見なすこと
ができる導波路断面を有する高屈折率コア層をおよび導
波路構造体については一般的に真実である。一般的に、
他の条件が等しい場合、導波コア14とクラッド層12およ
び16との間の界面における屈折率不連続性ncore−nclad
（しばしば、屈折率コントラストと称する）が大きけれ
ば大きい程、より大きいモーダル複屈折が存在する。
一般的にTM偏光した光に対するモーダル屈折率nTMより
も大きいことを示している。この関係は、例えばクラッ
ド層12および16の屈折率よりも大きい屈折率を有する単
一の導波層14を有する図１に示す導波路の場合容易に示
すことができ、マーカス（Marcuse）著Theory of Diele
ctric Optical Waveguides,2nd ed.,Academic Press,19
91,pp.1−59を参照されたい。この関係は、図２〜図４
に示すように、プレナ導波路構造体の摂動と見なすこと
ができる導波路断面を有する高屈折率コア層をおよび導
波路構造体については一般的に真実である。一般的に、
他の条件が等しい場合、導波コア14とクラッド層12およ
び16との間の界面における屈折率不連続性ncore−nclad
（しばしば、屈折率コントラストと称する）が大きけれ
ば大きい程、より大きいモーダル複屈折が存在する。
上述したように、多くの導波路構造体を含む集積化光
デバイスおよび電気光学デバイスの場合、導波モードの
実効屈折率はそのデバイスの動作に対して極めて重要で
あり、モーダル複屈折の存在は、このデバイスが混合さ
れたTEおよびTM偏光状態の光信号で動作する場合その性
能を低下させてしまう。一般的に、光信号処理機能が導
波信号のモーダル屈折率により決定される全ての集積化
光デバイスは、混合されたTEおよびTM偏光状態の光信号
が存在する場合、零にならない複屈折により性能が劣化
してしまう。
デバイスおよび電気光学デバイスの場合、導波モードの
実効屈折率はそのデバイスの動作に対して極めて重要で
あり、モーダル複屈折の存在は、このデバイスが混合さ
れたTEおよびTM偏光状態の光信号で動作する場合その性
能を低下させてしまう。一般的に、光信号処理機能が導
波信号のモーダル屈折率により決定される全ての集積化
光デバイスは、混合されたTEおよびTM偏光状態の光信号
が存在する場合、零にならない複屈折により性能が劣化
してしまう。
光学的な複屈折は、信号を伝達する半導体層に制御さ
れた歪みを導入することにより制御することができる。
これらの層は、材料緩和することなく歪みが適応できる
場合、異なる組成および僅かに異なる格子定数の下側基
板上にエピタキシャル成長することができる。この上側
に成長した層は一様に歪み形成されると言われており、
面内歪みは基板と直交する方向の結晶構造の歪みに適応
する。以後、応力および歪みはデバイスの面内の二軸応
力および歪みに関するものとする。
れた歪みを導入することにより制御することができる。
これらの層は、材料緩和することなく歪みが適応できる
場合、異なる組成および僅かに異なる格子定数の下側基
板上にエピタキシャル成長することができる。この上側
に成長した層は一様に歪み形成されると言われており、
面内歪みは基板と直交する方向の結晶構造の歪みに適応
する。以後、応力および歪みはデバイスの面内の二軸応
力および歪みに関するものとする。
安定限界内において、後に成長した層の面内格子定数
は基板の格子定数と整合し面外格子定数は反対方向に変
化するので、ある符号の面内二軸歪みは層と直交する方
向の別符号の軸歪みに適合する。成長形成した層内の歪
みエネルギーが結晶デイスロケーションの形成を防止す
るために必要なある限界以下に維持されれば、この一様
な歪みを有する層は半導体結晶成長の分野の当業者はよ
く知られている方法を用いて成長させることができ、こ
れらの層は欠陥の導入に関して時間に対して安定であ
る。このような安定な層の存在は、マッティユウ（Matt
hews）等著“Defects in epitaxial multilayers,"Jour
nal of Crystal Growth,vol.27,1974,pp.118−125によ
り最初に開示された。このような層の歪みの存在により
内部応力が生じ、光学的に異方性の亜鉛添加III−Ｖ族
およびII−VI族立方晶系結晶の応力は多少の光複屈折を
導入する。導波路構造体内に含まれる歪みを有する半導
体材料層に導入された複屈折は、この導波路構造体のモ
ーダル複屈折を変更する。
は基板の格子定数と整合し面外格子定数は反対方向に変
化するので、ある符号の面内二軸歪みは層と直交する方
向の別符号の軸歪みに適合する。成長形成した層内の歪
みエネルギーが結晶デイスロケーションの形成を防止す
るために必要なある限界以下に維持されれば、この一様
な歪みを有する層は半導体結晶成長の分野の当業者はよ
く知られている方法を用いて成長させることができ、こ
れらの層は欠陥の導入に関して時間に対して安定であ
る。このような安定な層の存在は、マッティユウ（Matt
hews）等著“Defects in epitaxial multilayers,"Jour
nal of Crystal Growth,vol.27,1974,pp.118−125によ
り最初に開示された。このような層の歪みの存在により
内部応力が生じ、光学的に異方性の亜鉛添加III−Ｖ族
およびII−VI族立方晶系結晶の応力は多少の光複屈折を
導入する。導波路構造体内に含まれる歪みを有する半導
体材料層に導入された複屈折は、この導波路構造体のモ
ーダル複屈折を変更する。
応力を受けた材料中に存在する複屈折は光弾性係数に
より表され、この光弾性係数は印加された応力Ｘ‖の方
向に平行な方向に測定した誘電定数ε‖の実数部分と直
交する方向に測定した誘電定数ε⊥の実数部分との間の
誘導された差に関係する。ここで、平行な方向は一般的
なプレナ構造体の面内にある。アダチ（Adachi）は、文
献Physical Properties of III−V Semiconductor Comp
ounds:InP,InAs,GaAs,GaP,InGaAs,and InGaAsP,Wiley,1
992,pp.193−222において関連する化合物半導体の光弾
性について種々の概念を述べている。１次線形光弾性係
数αPEは以下の式により与えられる。
より表され、この光弾性係数は印加された応力Ｘ‖の方
向に平行な方向に測定した誘電定数ε‖の実数部分と直
交する方向に測定した誘電定数ε⊥の実数部分との間の
誘導された差に関係する。ここで、平行な方向は一般的
なプレナ構造体の面内にある。アダチ（Adachi）は、文
献Physical Properties of III−V Semiconductor Comp
ounds:InP,InAs,GaAs,GaP,InGaAs,and InGaAsP,Wiley,1
992,pp.193−222において関連する化合物半導体の光弾
性について種々の概念を述べている。１次線形光弾性係
数αPEは以下の式により与えられる。
半導体材料の光弾性係数は測定される光の波長に応じ
て変化することが知られており、一般的に材料のバンド
ギャップ付近のフォトンエネルギーについて負の大きな
絶対値を有している。例えば、アダチは、デバイス基板
の主要な成長面（100）および（111）上に成長した歪ん
だ層についての二元系III−Ｖ族半導体InAs,InP,GaAsお
よびGaPの線形光弾性係数についての実験データを示し
ている。一連のこの種類の材料についてフォトンエネル
ギーの関数としての典型的な光弾性の変化を図５に線図
的に示す。曲線20は特定の材料組成のフォトンエネルギ
ーに対する光弾性係数の典型的な変化を示す。この材料
の対応する電子的なバンドギャップエネルギーを矢印22
で示す。曲線24および26は対応するバンドギャップエネ
ルギー28および30を有する２個の別の材料の光弾性係数
をそれぞれ示す。曲線20,24および26は、イントラバン
ドギャップフォトンエネルギーが増大するにしたがって
大きくなる負の傾きを以て単調に減少し、バンドギャッ
プエネルギー22,28および30に急激に降下する。この挙
動は、III−Ｖ族およびII−VI族元素で構成されるよう
な多くの半導体材料の場合一般的であり、曲線の細部形
態においておよびある場合において横座標の光弾性の零
値29と交差する点においてだけ相違している。
て変化することが知られており、一般的に材料のバンド
ギャップ付近のフォトンエネルギーについて負の大きな
絶対値を有している。例えば、アダチは、デバイス基板
の主要な成長面（100）および（111）上に成長した歪ん
だ層についての二元系III−Ｖ族半導体InAs,InP,GaAsお
よびGaPの線形光弾性係数についての実験データを示し
ている。一連のこの種類の材料についてフォトンエネル
ギーの関数としての典型的な光弾性の変化を図５に線図
的に示す。曲線20は特定の材料組成のフォトンエネルギ
ーに対する光弾性係数の典型的な変化を示す。この材料
の対応する電子的なバンドギャップエネルギーを矢印22
で示す。曲線24および26は対応するバンドギャップエネ
ルギー28および30を有する２個の別の材料の光弾性係数
をそれぞれ示す。曲線20,24および26は、イントラバン
ドギャップフォトンエネルギーが増大するにしたがって
大きくなる負の傾きを以て単調に減少し、バンドギャッ
プエネルギー22,28および30に急激に降下する。この挙
動は、III−Ｖ族およびII−VI族元素で構成されるよう
な多くの半導体材料の場合一般的であり、曲線の細部形
態においておよびある場合において横座標の光弾性の零
値29と交差する点においてだけ相違している。
歪み形成層の面内応力は、立方晶系結晶について開発
されたマトリックスノーテーションとして以下の式で表
すことができるコンプライアンステンソルによりこの層
歪みと関係する。
されたマトリックスノーテーションとして以下の式で表
すことができるコンプライアンステンソルによりこの層
歪みと関係する。
XiSij＝Zj （４） ここで、Ｘは応力であり、Ｚは歪みであり、Ｓはコン
プライアンスマトリックスである。（100）基板面上へ
の通常のエピタキシャル成長の場合、面内応力は以下の
式で表すことができる。
プライアンスマトリックスである。（100）基板面上へ
の通常のエピタキシャル成長の場合、面内応力は以下の
式で表すことができる。
ここで、asは基板の格子定数であり、acは歪みが生じ
ている層の緩和した格子定数であり、従って（as−ac）
/acが歪みが生じている層の面内歪みとなる。
ている層の緩和した格子定数であり、従って（as−ac）
/acが歪みが生じている層の面内歪みとなる。
式（４）と（５）とを組み合わせることにより、（10
0）基板上に成長した歪みを有する層についての面内層
歪みと層複屈折との関係が与えられる。
0）基板上に成長した歪みを有する層についての面内層
歪みと層複屈折との関係が与えられる。
少なくともこの種類の材料において、係数1/（S11＋S
12）は正であり、符号を考慮すると、層中の引っ張り歪
みが、典型的な導波路構造体について前述したマルカス
により付された符号のモーダル複屈折値が減少した複屈
折を層中に導入することが示される。
12）は正であり、符号を考慮すると、層中の引っ張り歪
みが、典型的な導波路構造体について前述したマルカス
により付された符号のモーダル複屈折値が減少した複屈
折を層中に導入することが示される。
nTE−nTM＞０ （７） 導波路の１個またはそれ以上の構成層に十分な引っ張
り歪みを導入することは、導波路層構造体のモーダル複
屈折を零まで減少させる傾向にある。一方、前述したよ
うに、歪みは成長層に任意に形成することはできない。
むしろ、歪みの量は、層の厚さおよび成長プロセスが行
われる条件に依存するある限界以下に維持する必要があ
る。（Matthews等の上掲文献参照）。計算結果は、ほぼ
一般的に用いられる半導体導波路構造体の複屈折を零に
減少させるのに必要な歪み量が、歪みを有する層が緩和
してディスロケーションを形成する疑似限界を超えるこ
とを示している。ディスロケーションの形成は、導入さ
れた歪み量による所望の複屈折の減少の達成に対する妨
げとなる。
り歪みを導入することは、導波路層構造体のモーダル複
屈折を零まで減少させる傾向にある。一方、前述したよ
うに、歪みは成長層に任意に形成することはできない。
むしろ、歪みの量は、層の厚さおよび成長プロセスが行
われる条件に依存するある限界以下に維持する必要があ
る。（Matthews等の上掲文献参照）。計算結果は、ほぼ
一般的に用いられる半導体導波路構造体の複屈折を零に
減少させるのに必要な歪み量が、歪みを有する層が緩和
してディスロケーションを形成する疑似限界を超えるこ
とを示している。ディスロケーションの形成は、導入さ
れた歪み量による所望の複屈折の減少の達成に対する妨
げとなる。
本発明は、予め定めた光周波数域において複屈折が零
かまたは大幅に低減して光を導波し、引っ張り歪みおよ
び圧縮歪みの両方を有するが安定でディスロケーション
のない層を含む半導体導波路構造体を提供する。一部の
層が引っ張り歪みを有し一部の層が圧縮歪みを有する複
数の層を具える半導体導波路構造体は、構成する導波路
層のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエ
ネルギー域の導波される光信号に対してモーダル複屈折
をほとんど有しないように形成することができる。複屈
折のない挙動は、導波する光のフォトンエネルギー付近
のバンドギャップエネルギーを有する１個またはそれ以
上の層に予め定めた量の引っ張り歪みを加えると共に導
波する光信号のフォトンエネルギーから離れたバンドギ
ャップを有する１個またはそれ以上の層に予め定めた量
の圧縮歪みを加えることにより得られる。導波光のエネ
ルギーを引っ張り歪みが与えられた材料のバンドギャッ
プエネルギーに接近させることにより、引っ張り歪みが
形成された層により生ずるモーダル複屈折の抑制が優勢
になる。零またはほぼ零のモーダル複屈折および零また
はほぼ零の正味の歪みエネルギーを有する導波路構造体
は、このようにして形成することができる。
かまたは大幅に低減して光を導波し、引っ張り歪みおよ
び圧縮歪みの両方を有するが安定でディスロケーション
のない層を含む半導体導波路構造体を提供する。一部の
層が引っ張り歪みを有し一部の層が圧縮歪みを有する複
数の層を具える半導体導波路構造体は、構成する導波路
層のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエ
ネルギー域の導波される光信号に対してモーダル複屈折
をほとんど有しないように形成することができる。複屈
折のない挙動は、導波する光のフォトンエネルギー付近
のバンドギャップエネルギーを有する１個またはそれ以
上の層に予め定めた量の引っ張り歪みを加えると共に導
波する光信号のフォトンエネルギーから離れたバンドギ
ャップを有する１個またはそれ以上の層に予め定めた量
の圧縮歪みを加えることにより得られる。導波光のエネ
ルギーを引っ張り歪みが与えられた材料のバンドギャッ
プエネルギーに接近させることにより、引っ張り歪みが
形成された層により生ずるモーダル複屈折の抑制が優勢
になる。零またはほぼ零のモーダル複屈折および零また
はほぼ零の正味の歪みエネルギーを有する導波路構造体
は、このようにして形成することができる。
開示した原理は図示の実施例により示されるが、本発
明はこの実施例に限定されるものではない。材料組成を
調整することによりバンドギャップエネルギーが連続的
に変化するように成長できる材料系について検討する。
種々の材料組成の光弾性係数は図５に示す関数的な依存
性を有する。図５のフォトンエネルギー32のようなバン
ドギャップよりも小さいフォトンエネルギーの場合、所
定量の面内歪みに対して導入される複屈折は、図６の曲
線34で示す材料のバンドギャップにしたがって変化す
る。これら材料の弾性定数は組成の関数として相対的に
一定であるので（Adachiの上掲文献頁20〜26参照）、曲
線34の形状は光弾性係数αPEにほぼ依存する。式（６）
により比例係数が与えられる。曲線34は、フォトンエネ
ルギーライン32とバンドギャップ22,28,30により測定し
た図５の光弾性曲線20,24および26との交点から得るこ
とができる。
明はこの実施例に限定されるものではない。材料組成を
調整することによりバンドギャップエネルギーが連続的
に変化するように成長できる材料系について検討する。
種々の材料組成の光弾性係数は図５に示す関数的な依存
性を有する。図５のフォトンエネルギー32のようなバン
ドギャップよりも小さいフォトンエネルギーの場合、所
定量の面内歪みに対して導入される複屈折は、図６の曲
線34で示す材料のバンドギャップにしたがって変化す
る。これら材料の弾性定数は組成の関数として相対的に
一定であるので（Adachiの上掲文献頁20〜26参照）、曲
線34の形状は光弾性係数αPEにほぼ依存する。式（６）
により比例係数が与えられる。曲線34は、フォトンエネ
ルギーライン32とバンドギャップ22,28,30により測定し
た図５の光弾性曲線20,24および26との交点から得るこ
とができる。
上側および下側クラッド層16および12が同様な材料組
成を有すると共に歪み形成されず、コア14が厚さおよび
歪みが等しく引っ張り歪みおよび圧縮歪みが交互に形成
された層から成る超格子で構成されている図１のプレナ
導波路構造体の場合について検討する。この場合、図６
に示すように、引っ張り歪み形成層は導波光のフォトン
エネルギー32に比較的近いバンドギャップエネルギー36
の組成を有するように選択し、圧縮歪み形成層は比較的
遠く離れたバンドギャップエネルギー38を有するように
選択し、これらバンドギャップエネルギー36および38は
このフォトンエネルギー以上とする。
成を有すると共に歪み形成されず、コア14が厚さおよび
歪みが等しく引っ張り歪みおよび圧縮歪みが交互に形成
された層から成る超格子で構成されている図１のプレナ
導波路構造体の場合について検討する。この場合、図６
に示すように、引っ張り歪み形成層は導波光のフォトン
エネルギー32に比較的近いバンドギャップエネルギー36
の組成を有するように選択し、圧縮歪み形成層は比較的
遠く離れたバンドギャップエネルギー38を有するように
選択し、これらバンドギャップエネルギー36および38は
このフォトンエネルギー以上とする。
曲線34の形状に鑑みて、引っ張り歪みの加えられた層
の歪みにより誘起された複屈折は、等しい厚さおよび歪
みの圧縮歪み形成層に誘起された複屈折よりも大きく、
従ってこの歪みが導波路のコア中に誘起する正味の複屈
折が存在する。誘起された正味の複屈折の符号は、導波
路構造体のモーダル複屈折を抑制するようにする。すな
わち、正味の複屈折は引っ張り歪みにより調整される。
層の歪みを適切に調整することにより、モーダル複屈折
は導波される光のエネルギーにおいて完全に抑制され、
この値付近のエネルギー域の光に対してほぼ零にされる
ことができる。この導波路構造体は等しく反対向きの歪
みを有する等しい数の層を含むので、正味の内部歪みエ
ネルギーは零となりこの導波路構造体は熱力学的に安定
である。
の歪みにより誘起された複屈折は、等しい厚さおよび歪
みの圧縮歪み形成層に誘起された複屈折よりも大きく、
従ってこの歪みが導波路のコア中に誘起する正味の複屈
折が存在する。誘起された正味の複屈折の符号は、導波
路構造体のモーダル複屈折を抑制するようにする。すな
わち、正味の複屈折は引っ張り歪みにより調整される。
層の歪みを適切に調整することにより、モーダル複屈折
は導波される光のエネルギーにおいて完全に抑制され、
この値付近のエネルギー域の光に対してほぼ零にされる
ことができる。この導波路構造体は等しく反対向きの歪
みを有する等しい数の層を含むので、正味の内部歪みエ
ネルギーは零となりこの導波路構造体は熱力学的に安定
である。
設計手法 超格子導波路は、図７に示す以下の手法を用いて所定
の波長においてほぼ零の複屈折を有するように設計する
ことができる。
の波長においてほぼ零の複屈折を有するように設計する
ことができる。
初めに、ステップ40において、必要とされる導波路の
実効屈折率および受け入れることができる一般的なモー
ドサイズ範囲が確立されるように通常の基準に基づいて
導波路を設計する。所定のクラッド材料場合、これら２
個のパラメータがガイドコアの平均屈折率nAVGおよびそ
の厚さｄを決定する。設計手法のこの部分は多数の構造
形態について良好に開発されている。マーカスの文献は
分析的な基礎を与えている。極めて簡単な例として、屈
折率n1の２個の厚いクラッド層間に挟まれた屈折率がn2
で厚さがtgのコア層を考える。ハンスパージャの文献の
第34頁に記載されているように、この構造体は、以下の
式が成立する場合各整数msにより表されるTEモードを保
持することができる。
実効屈折率および受け入れることができる一般的なモー
ドサイズ範囲が確立されるように通常の基準に基づいて
導波路を設計する。所定のクラッド材料場合、これら２
個のパラメータがガイドコアの平均屈折率nAVGおよびそ
の厚さｄを決定する。設計手法のこの部分は多数の構造
形態について良好に開発されている。マーカスの文献は
分析的な基礎を与えている。極めて簡単な例として、屈
折率n1の２個の厚いクラッド層間に挟まれた屈折率がn2
で厚さがtgのコア層を考える。ハンスパージャの文献の
第34頁に記載されているように、この構造体は、以下の
式が成立する場合各整数msにより表されるTEモードを保
持することができる。
ここで、λ０は光放射の自由空間波長である。シング
ルモード動作の場合、コアの全有効厚さtgは、１以下の
msの値について式（８）に等号を与え、ms＝０のシング
ルモードだけを与えるように選択する。以下の実施例に
存在する典型的な材料について、これらの条件はTMおよ
びTE偏光の両方についてシングル導波モードを保持する
ようにする。
ルモード動作の場合、コアの全有効厚さtgは、１以下の
msの値について式（８）に等号を与え、ms＝０のシング
ルモードだけを与えるように選択する。以下の実施例に
存在する典型的な材料について、これらの条件はTMおよ
びTE偏光の両方についてシングル導波モードを保持する
ようにする。
ステップ42において、導波コアが単一の歪み形成され
ていない層の場合に存在するモーダル複屈折を計算す
る。これは、導波路構造体を適切な境界条件を用いて明
確に検討することにより行う。上述した簡単なケースに
ついての分析は、例えばMarcuseの上掲文献頁１〜19に
より与えられる。このモーダル複屈折の量を抑制する必
要がある。
ていない層の場合に存在するモーダル複屈折を計算す
る。これは、導波路構造体を適切な境界条件を用いて明
確に検討することにより行う。上述した簡単なケースに
ついての分析は、例えばMarcuseの上掲文献頁１〜19に
より与えられる。このモーダル複屈折の量を抑制する必
要がある。
対応する導波路コアは超格子を用いて形成され、この
超格子において対の層の屈折率はまとめて平均屈折率n
AVGとして取り扱い、すなわち第１の層はn1＞nAVGの屈
折率を有し、第２の層はn2＜nAVGの屈折率を有する。２
個の組成を選択するため、スワミネーザン（Swaminatha
n）等著、Materials Aspects of GaAs and InP Based S
tructures,Prentice Hall,1991,p.13に示されるグラフ
と同様な図８に示す形式のグラフを利用することが有用
である。このグラフは、四元系化合物In1-xGaAsyP1-yに
ついてバンドギャップエネルギー値を実線で格子パラメ
ータを破線で共に組成パラメータｘおよびｙの関数とし
て示す。上側左の領域は直接的でないバンドギャップを
形成し、これらバンドギャップは関連性を有していな
い。5.87Åの格子パラメータInPと整合する近い格子を
示す。InP基板を用いる場合、5.87Å以上（グラフ中の
ラインの下側）の緩和した格子定数を有する材料は圧縮
歪みを呈し、5.87Å以下の緩和した格子パラメータを有
する材料は引っ張り歪みを呈する。
超格子において対の層の屈折率はまとめて平均屈折率n
AVGとして取り扱い、すなわち第１の層はn1＞nAVGの屈
折率を有し、第２の層はn2＜nAVGの屈折率を有する。２
個の組成を選択するため、スワミネーザン（Swaminatha
n）等著、Materials Aspects of GaAs and InP Based S
tructures,Prentice Hall,1991,p.13に示されるグラフ
と同様な図８に示す形式のグラフを利用することが有用
である。このグラフは、四元系化合物In1-xGaAsyP1-yに
ついてバンドギャップエネルギー値を実線で格子パラメ
ータを破線で共に組成パラメータｘおよびｙの関数とし
て示す。上側左の領域は直接的でないバンドギャップを
形成し、これらバンドギャップは関連性を有していな
い。5.87Åの格子パラメータInPと整合する近い格子を
示す。InP基板を用いる場合、5.87Å以上（グラフ中の
ラインの下側）の緩和した格子定数を有する材料は圧縮
歪みを呈し、5.87Å以下の緩和した格子パラメータを有
する材料は引っ張り歪みを呈する。
ステップ44において、より小さいエネルギーバンドギ
ャップの層組成を、作動光のエネルギー（1.55μｍの波
長、または0.8eVのエネルギー）に接近しているエネル
ギーとしてバンドテイルでの顕著な吸収を回避するよう
に作動光のエネルギーよりも十分に高い組成点60に配置
する。格子パラメータは、ディスローションを導入する
材料緩和が生ずることなく層に合理的な引っ張り歪み
（5.87Å以下の格子定数）を与えるように選択され、こ
の層は、この層が量子効果が歪み効果を顕著に減少させ
る量子井戸域の範囲外に位置するように十分な厚さとす
る。このようにして導入された引っ張り歪みは導波路全
体のモーダル屈折を減少させる。
ャップの層組成を、作動光のエネルギー（1.55μｍの波
長、または0.8eVのエネルギー）に接近しているエネル
ギーとしてバンドテイルでの顕著な吸収を回避するよう
に作動光のエネルギーよりも十分に高い組成点60に配置
する。格子パラメータは、ディスローションを導入する
材料緩和が生ずることなく層に合理的な引っ張り歪み
（5.87Å以下の格子定数）を与えるように選択され、こ
の層は、この層が量子効果が歪み効果を顕著に減少させ
る量子井戸域の範囲外に位置するように十分な厚さとす
る。このようにして導入された引っ張り歪みは導波路全
体のモーダル屈折を減少させる。
ステップ46において、他の層について組成点62を選択
する。この組成点は第１の点60よりもはるかに大きいバ
ンドギャップエネルギーを有すると共に圧縮歪みとなる
ように5.87Åよりも大きな格子定数を有し、第１の層の
引っ張り歪みと平衡する厚さを含んでいる。圧縮性の層
および引っ張り性の層の両方について疑似限界内に維持
する要件の観点において、これらの層は、厚さと歪みの
大きさとの積により与えられるほぼ同一の歪みエネルギ
ーを有する必要がある。複屈折および歪み補償の両方の
計算において、層の歪みと厚さとの積極めて重要であ
る。多くの場合、圧縮性および引っ張り性の歪みは複屈
折に対して異なる符号を与える。
する。この組成点は第１の点60よりもはるかに大きいバ
ンドギャップエネルギーを有すると共に圧縮歪みとなる
ように5.87Åよりも大きな格子定数を有し、第１の層の
引っ張り歪みと平衡する厚さを含んでいる。圧縮性の層
および引っ張り性の層の両方について疑似限界内に維持
する要件の観点において、これらの層は、厚さと歪みの
大きさとの積により与えられるほぼ同一の歪みエネルギ
ーを有する必要がある。複屈折および歪み補償の両方の
計算において、層の歪みと厚さとの積極めて重要であ
る。多くの場合、圧縮性および引っ張り性の歪みは複屈
折に対して異なる符号を与える。
組成60および62は共に、導波される光がいずれの材料
中でも吸収されないように導波光のフォトンエネルギー
よりも大きなバンドギャップを有するように選択する。
中でも吸収されないように導波光のフォトンエネルギー
よりも大きなバンドギャップを有するように選択する。
ステップ48において、式（６）を用いて光を伝搬させ
る層についてほぼ合成された導波路のモーダル複屈折を
計算する。引っ張り層および圧縮層の組成または厚さを
変更し、ステップ50で試験を行い複屈折が十分に零に到
達するまでステップ44から48を繰り返す。
る層についてほぼ合成された導波路のモーダル複屈折を
計算する。引っ張り層および圧縮層の組成または厚さを
変更し、ステップ50で試験を行い複屈折が十分に零に到
達するまでステップ44から48を繰り返す。
歪みレベルの決定において、所定の厚さの単一の層に
導入でき歪み量に限界があることを想起する必要があ
る。また、現在の成長技術は、三元系InAsPおよび低いA
s濃度のInGaAsPに含ませることができる砒素の量に限界
がある。分子ビームエピタキシは、現在のOMCVDよりも
大きな歪みを形成することができるように思われる。歪
みの限界は、成長装置、成長条件、化学前駆物質および
現在の成長化学および物理の知識により厳格に規定され
る。この限界が高くなるほど、より大きな歪みの導入は
本発明の利点となる。
導入でき歪み量に限界があることを想起する必要があ
る。また、現在の成長技術は、三元系InAsPおよび低いA
s濃度のInGaAsPに含ませることができる砒素の量に限界
がある。分子ビームエピタキシは、現在のOMCVDよりも
大きな歪みを形成することができるように思われる。歪
みの限界は、成長装置、成長条件、化学前駆物質および
現在の成長化学および物理の知識により厳格に規定され
る。この限界が高くなるほど、より大きな歪みの導入は
本発明の利点となる。
実施例 図９に断面として示す本発明の例示的実施例を成長さ
せて試験した。この実施例は1.5μｍ波長の光信号を用
いるように設計され、公称1.21Qの導波路を有し、すな
わち1.21μｍ域におけるバンドギャップ波長を有する導
波路コアにより支持されたものと類似の電界プロファイ
ルが得られるように設計した四元系化合物InGaAsPを有
していた。この公称コアは1.08Qおよび1.43Qの超格子に
分解した。
せて試験した。この実施例は1.5μｍ波長の光信号を用
いるように設計され、公称1.21Qの導波路を有し、すな
わち1.21μｍ域におけるバンドギャップ波長を有する導
波路コアにより支持されたものと類似の電界プロファイ
ルが得られるように設計した四元系化合物InGaAsPを有
していた。この公称コアは1.08Qおよび1.43Qの超格子に
分解した。
300Torr、520℃で動作するOMCVDを用い、III族の前駆
物質としてトリメチル−インジウムおよびトリエチル−
ガリウム並びにＶ族前駆物質としてアルシンおよびホス
フィンを用いて図１に示すようなプレナ導波路構造体を
形成した。この構造体は、OMCVD成長したInPバッファ層
を有する（100）配向したInP基板60上に堆積した。導波
路コア14は、交互に形成した1.06％の引っ張り歪みが形
成され公称フォトルミネッセンス端波長が1.42μｍで厚
さが12.5nmの近似組成In0.5Ga0.5As0.8Ｐ0.2の四元系材
料層62と0.65％の圧縮歪みが形成され公称フォトルミネ
ッセンス端波長が1.08μｍで厚さが20nmで近似組成In
0.21As0.79Ｐの三元系材料層64との23個の対の超格子で
構成した。層62および64の全てがアンドープである。こ
の導波路はInPの単一上側層66によりキャプした。
物質としてトリメチル−インジウムおよびトリエチル−
ガリウム並びにＶ族前駆物質としてアルシンおよびホス
フィンを用いて図１に示すようなプレナ導波路構造体を
形成した。この構造体は、OMCVD成長したInPバッファ層
を有する（100）配向したInP基板60上に堆積した。導波
路コア14は、交互に形成した1.06％の引っ張り歪みが形
成され公称フォトルミネッセンス端波長が1.42μｍで厚
さが12.5nmの近似組成In0.5Ga0.5As0.8Ｐ0.2の四元系材
料層62と0.65％の圧縮歪みが形成され公称フォトルミネ
ッセンス端波長が1.08μｍで厚さが20nmで近似組成In
0.21As0.79Ｐの三元系材料層64との23個の対の超格子で
構成した。層62および64の全てがアンドープである。こ
の導波路はInPの単一上側層66によりキャプした。
代わりに、この導波路構造体が歪み形成されていない
バンドギャップ波長1.21μｍのInGaAs材料のコアを有す
る場合、1.5μｍの真空波長域の導波光について0.0075
のモーダル複屈折が計算される。この複屈折の量は、約
3.5nmの真空波長で分離されたTEおよびTM信号が直接一
致するのに十分である。
バンドギャップ波長1.21μｍのInGaAs材料のコアを有す
る場合、1.5μｍの真空波長域の導波光について0.0075
のモーダル複屈折が計算される。この複屈折の量は、約
3.5nmの真空波長で分離されたTEおよびTM信号が直接一
致するのに十分である。
しかしながら、上述した歪みを有する層で構成される
構造体は1.49μｍの真空波長でちょうど1.1nmの複屈折
を生じた。すなわち、プレナ導波路材料がデマルチプレ
クサに形成された場合、ちょうど1.1nmの真空波長によ
り分離されるTEおよびTM偏光の入射信号は出力部で一致
した。これらの層の厚さおよび組成をさらに変更して正
味の歪み量を変化させると共にさらにこの波長で生ずる
複屈折の量を低減することができる。
構造体は1.49μｍの真空波長でちょうど1.1nmの複屈折
を生じた。すなわち、プレナ導波路材料がデマルチプレ
クサに形成された場合、ちょうど1.1nmの真空波長によ
り分離されるTEおよびTM偏光の入射信号は出力部で一致
した。これらの層の厚さおよび組成をさらに変更して正
味の歪み量を変化させると共にさらにこの波長で生ずる
複屈折の量を低減することができる。
圧縮歪みを有する層についての上述した検討において
圧縮歪みにより導入される複屈折の符号は引っ張り歪み
を有する層の符号と反対であるとした。しかしながら、
図６に示すように、ある材料系の場合において、曲線34
の右側は零を超えているので、高バンドギャップエネル
ギー38の圧縮歪みが形成され導波路層は、導波光のフォ
トンエネルギーに接近したバンドギャップエネルギー36
の引っ張り歪み層と同一符号の複屈折を発生する可能性
がある。このような場合、圧縮性歪みの作用は引っ張り
歪みを有する層の作用に付加（減算するのではなく）さ
れて導波路のモーダル複屈折を抑制する。
圧縮歪みにより導入される複屈折の符号は引っ張り歪み
を有する層の符号と反対であるとした。しかしながら、
図６に示すように、ある材料系の場合において、曲線34
の右側は零を超えているので、高バンドギャップエネル
ギー38の圧縮歪みが形成され導波路層は、導波光のフォ
トンエネルギーに接近したバンドギャップエネルギー36
の引っ張り歪み層と同一符号の複屈折を発生する可能性
がある。このような場合、圧縮性歪みの作用は引っ張り
歪みを有する層の作用に付加（減算するのではなく）さ
れて導波路のモーダル複屈折を抑制する。
上述した検討全体を通して、導波路層はバルク状の材
料光学特性を有するものとした。しかしながら、極めて
薄い層は量子サイズ効果を示しこれらの量子サイズ効果
はモーダル複屈折を抑制するのに必要な層歪みの予備設
定に考慮すべきであると認められる。これらの量子サイ
ズ効果は、Quantum Well Lasers,Academic Press,1994
においてゾリー（Zory）により明確に説明されている。
量子井戸の量子サイズ効果はバンドギャップを増大し価
電子帯を分割し、これにより通常の導波路構造体の複屈
折を増大することが周知である。従って、この量子サイ
ズ効果は、モーダル複屈折が零の導波路を生産するため
に本発明の歪みにより補償されるべき正味の複屈折を増
大する。一方、この量子サイズ効果は摂動とみなすこと
ができ本明細書で開示した方法に付随するものである。
料光学特性を有するものとした。しかしながら、極めて
薄い層は量子サイズ効果を示しこれらの量子サイズ効果
はモーダル複屈折を抑制するのに必要な層歪みの予備設
定に考慮すべきであると認められる。これらの量子サイ
ズ効果は、Quantum Well Lasers,Academic Press,1994
においてゾリー（Zory）により明確に説明されている。
量子井戸の量子サイズ効果はバンドギャップを増大し価
電子帯を分割し、これにより通常の導波路構造体の複屈
折を増大することが周知である。従って、この量子サイ
ズ効果は、モーダル複屈折が零の導波路を生産するため
に本発明の歪みにより補償されるべき正味の複屈折を増
大する。一方、この量子サイズ効果は摂動とみなすこと
ができ本明細書で開示した方法に付随するものである。
上述した実施例はInAsPの側へ組成が移っていくInGaA
aP族を用いたが、本発明は別のIII−Ｖ族またはII−VI
族半導体を有益に用いることができる。特に、InGaAsの
側へ組成が移っていくInGaAsP族を用いることができ
る。
aP族を用いたが、本発明は別のIII−Ｖ族またはII−VI
族半導体を有益に用いることができる。特に、InGaAsの
側へ組成が移っていくInGaAsP族を用いることができ
る。
上述した実施例は歪みを完全に平衡させるように試み
たが、超格子全体がディスロケーションの形成に対して
安定である限り、正味のトータル歪みが許容されるもの
と理解される。また、上述した実施例においては圧縮歪
みの層お引っ張り歪みの層とを直接互いに隣接配置した
が、これらの層間に歪みを有しない別の層を配置するこ
ともでき、この場合も疑似限界を超えないように全歪み
を制御する意味において隣接しているものとする。
たが、超格子全体がディスロケーションの形成に対して
安定である限り、正味のトータル歪みが許容されるもの
と理解される。また、上述した実施例においては圧縮歪
みの層お引っ張り歪みの層とを直接互いに隣接配置した
が、これらの層間に歪みを有しない別の層を配置するこ
ともでき、この場合も疑似限界を超えないように全歪み
を制御する意味において隣接しているものとする。
また、上述した実施例はコア中の多層歪み層に関する
が、本発明は１個またはそれ以上のクラッド層にも適用
でき、特にモーダル電界分布がクラッド層中に顕著に張
り出す場合にも適用することができる。
が、本発明は１個またはそれ以上のクラッド層にも適用
でき、特にモーダル電界分布がクラッド層中に顕著に張
り出す場合にも適用することができる。
さらに、上述した実施例および上記検討は受動型光導
波路について行ったが、本発明は、例えばレーザまたは
光増幅器のような光発生または利得を用いるもの或いは
光検出器や他の非受動型デバイスのような電気信号発生
を用いるもののような能動型デバイスと一体化した導波
路にも同様に適用することができる。この典型的な能動
型デバイスは、一導電型に不純物が添加されたコア14を
反対導電型のクラッド層12および16ではさんでｐ−ｎ接
合を形成することができる。或いは、ｐ−ｎ接合を形成
する層は、アンドープドのコア14またはいずれかの導電
型のコア14の上側に形成することができる。能動型デバ
イスをコア14の一部分だけとすることができ、またはコ
ア14が能動型デバイスの一部だけを形成することもで
き、或いはコアを能動領域から分離することもできる。
波路について行ったが、本発明は、例えばレーザまたは
光増幅器のような光発生または利得を用いるもの或いは
光検出器や他の非受動型デバイスのような電気信号発生
を用いるもののような能動型デバイスと一体化した導波
路にも同様に適用することができる。この典型的な能動
型デバイスは、一導電型に不純物が添加されたコア14を
反対導電型のクラッド層12および16ではさんでｐ−ｎ接
合を形成することができる。或いは、ｐ−ｎ接合を形成
する層は、アンドープドのコア14またはいずれかの導電
型のコア14の上側に形成することができる。能動型デバ
イスをコア14の一部分だけとすることができ、またはコ
ア14が能動型デバイスの一部だけを形成することもで
き、或いはコアを能動領域から分離することもできる。
開示内容は上述した図示の実施例またはInP/InGaAsP
材料系のプレナ導波路の例示した実施例に限定されるも
のではなく、図１〜図４に図示した導波路構造体並びに
層構造、形状、構成層の厚さ、および歪みの全ての態様
を含む導波路構造体、並びに高屈折率の１個以上の領域
を用いる導波路構造体の全ての変形例を含むものと理解
される。また、請求の範囲の方法は、一般的にIII−Ｖ
族およびII−VI族元素で構成される半導体導波路材料系
に適用することができる。
材料系のプレナ導波路の例示した実施例に限定されるも
のではなく、図１〜図４に図示した導波路構造体並びに
層構造、形状、構成層の厚さ、および歪みの全ての態様
を含む導波路構造体、並びに高屈折率の１個以上の領域
を用いる導波路構造体の全ての変形例を含むものと理解
される。また、請求の範囲の方法は、一般的にIII−Ｖ
族およびII−VI族元素で構成される半導体導波路材料系
に適用することができる。
従って、本発明は複屈折のない半導体導波路を得るた
めの包括的で処理手順としての解決策を与えるものであ
る。
めの包括的で処理手順としての解決策を与えるものであ
る。
フロントページの続き (72)発明者 ソン，ギー，ヒュー 大韓民国 506−３−３ クワンジュ クワンサン−グ サン アム−ドン 572 クワンジュ インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロ ジー (72)発明者 スール，ジュリアン，バーナード，ドナ ルド アメリカ合衆国 08837 ニュージャー ジー州 エディソン パークウッド コ ート ５ (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/138
Claims (20)
- 【請求項１】フォトンエネルギーを有する光信号を導波
する複屈折が低減した半導体導波路であって、基板上
に、少なくとも１個の圧縮歪みが形成された第２の層と
隣接する少なくとも１個の引っ張り歪みが形成された第
１の層を具え、この第１の層が前記フォトンエネルギー
よりも大きい第１のバンドギャップを有する第１の半導
体組成を有し、前記第２の層が前記第１のバンドギャッ
プエネルギーよりも大きい第２のバンドギャップエネル
ギーを有する第２の半導体組成を有することを特徴とす
る導波路。 - 【請求項２】２個のクラッドがコアをはさみ、このコア
が前記第１および第２の層を含むことを特徴とする請求
項１に記載の導波路。 - 【請求項３】導波路のコアと光学的に隣接すると共に前
記第１および第２の層を含むクラッド層をさらに具える
ことを特徴とする請求項１に記載の導波路。 - 【請求項４】請求項１に記載の導波路において、前記第
１および第２の層が、交互に挟まれた複数の層で構成さ
れることを特徴とする導波路。 - 【請求項５】請求項１に記載の導波路において、前記第
１および第２の半導体組成が、前記フォトンエネルギー
において反対符号を有する光弾性係数をそれぞれ有する
ことを特徴とする導波路。 - 【請求項６】請求項１に記載の導波路において、前記第
１および第２の半導体組成を、III−Ｖ族およびII−VI
族から選択された化合物半導体でそれぞれ構成したこと
を特徴とする導波路。 - 【請求項７】請求項６に記載の導波路において、前記層
をInPの基板上に形成したことを特徴とする導波路。 - 【請求項８】請求項７に記載の導波路において、交互に
挟まれた複数の第１の層および複数の第２の層が導波路
のコアを形成することを特徴とする導波路。 - 【請求項９】請求項７に記載の導波路において、前記層
が、InAsP、 InGaAsP、またはInGaAsを含む組成を有することを特徴
とする導波路。 - 【請求項１０】請求項９に記載の導波路において、前記
フォトンエネルギーが、約1.5μｍの自由空間波長に対
応することを特徴とする導波路。 - 【請求項１１】請求項１に記載の導波路において、前記
第１および第２の層が反対導電型の第３の層と第４の層
との間に形成されて能動型導波路を形成することを特徴
とする導波路。 - 【請求項１２】請求項１に記載の導波路において、前記
第１および第２の層と光学的に隣接する反対導電型の第
３および第４の層をさらに具えることを特徴とする導波
路。 - 【請求項１３】２個のクラッド層およびこれらクラッド
層間に挟まれたコアを具えると共に予め定めたフォトン
エネルギーの導波路光に対する基板を有し、前記コアが
複数の第２の層間に交互に挟まれた複数の第１の層を具
え、前記第１の層が引っ張り歪みを有すると共に前記フ
ォトンエネルギーよりも大きい第１のバンドギャップの
第１の半導体組成を含み、前記第２の層が圧縮歪みを有
すると共に前記フォトンエネルギーよりも大きい第２の
半導体組成を含み、前記第１および第２の層のバンドギ
ャップおよび組成並びに厚さを、導波される予め定めた
フォトンエネルギーのTEモードおよびTMモードに対して
ほぼ等しい屈折率を有するように選択したことを特徴と
する半導体導波路。 - 【請求項１４】請求項13に記載の導波路において、前記
第２のバンドギャップエネルギーを前記第１のバンドギ
ャップエネルギーよりも大きいことを特徴とする導波
路。 - 【請求項１５】請求項13に記載の導波路において、前記
フォトンエネルギーが、約1.5μｍの波長に対応するこ
とを特徴とする導波路。 - 【請求項１６】請求項13に記載の導波路において、前記
基板をInPで構成したことを特徴とする導波路。 - 【請求項１７】請求項16に記載の導波路において、前記
第１および第２の層が InAsPを含み、第１および第２の層の少なくとも一方の
層がGaを付加的に含むことを特徴とする導波路。 - 【請求項１８】導波路を設計するに当たり、 フォトンエネルギーを有する光を導波させるための平均
屈折率および厚さを有する半導体導波路を設計する工程
と、 前記半導体導波路の複屈折を計算する工程と、 前記フォトンエネルギーよりも大きい第１のエネルギー
を有する半導体バンドギャップの組成を有する引っ張り
歪みが形成される第１のコア層の厚さおよび組成を設定
する工程と、 前記第１のエネルギーよりも大きい第２のエネルギーを
有する半導体バンドギャップの組成を有する圧縮歪みが
形成される第２のコア層の厚さおよび組成を設定する工
程とを具え、 前記第１および第２のコア層が半導体導波路のコア領域
に含まれることを特徴とする導波路の設計方法。 - 【請求項１９】請求項18に記載の方法において、前記１
個またはそれ以上の第１の層および１個またはそれ以上
の第２の層が、前記厚さを与える厚さを有すると共に前
記平均屈折率のほぼ平均となる屈折率をそれぞれ有する
ことを特徴とする方法。 - 【請求項２０】請求項19に記載の方法において、前記複
数の第１の層および複数の第２の層が前記コア領域を構
成すると共に前記コアの厚さにほぼ等しい全厚さを有す
ることを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US413577 | 1995-03-30 | ||
| US08/413,577 US5732179A (en) | 1995-03-30 | 1995-03-30 | Birefringence-free semiconductor waveguide |
| US08/413,577 | 1995-03-30 | ||
| PCT/US1996/002925 WO1996030787A1 (en) | 1995-03-30 | 1996-03-04 | Birefringence-free semiconductor waveguide |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10505174A JPH10505174A (ja) | 1998-05-19 |
| JP2880294B2 true JP2880294B2 (ja) | 1999-04-05 |
Family
ID=23637782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8529414A Expired - Lifetime JP2880294B2 (ja) | 1995-03-30 | 1996-03-04 | 複屈折のない半導体導波路 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5732179A (ja) |
| EP (1) | EP0873530A1 (ja) |
| JP (1) | JP2880294B2 (ja) |
| WO (1) | WO1996030787A1 (ja) |
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| FR2784243B1 (fr) * | 1998-10-02 | 2000-11-24 | Cit Alcatel | Amplificateur optique en semi-conducteur |
| US6208792B1 (en) * | 1999-09-20 | 2001-03-27 | Lucent Technologies Inc. | Article comprising a planar optical waveguide with optically non-linear core |
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| JP4789320B2 (ja) * | 2000-12-01 | 2011-10-12 | 富士通株式会社 | 半導体光増幅器 |
| EP1219983B1 (en) * | 2000-12-22 | 2008-09-17 | Nippon Telegraph and Telephone Corporation | Polarization independent optical waveguide circuit |
| AUPR368201A0 (en) * | 2001-03-13 | 2001-04-12 | Redfern Integrated Optics Pty Ltd | Silica-based optical device fabrication |
| US6553170B2 (en) | 2001-08-31 | 2003-04-22 | Lightwave Microsystems Corporation | Method and system for a combination of high boron and low boron BPSG top clad fabrication process for a planar lightwave circuit |
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| US6580864B1 (en) * | 2002-01-14 | 2003-06-17 | Applied Wdm, Inc. | Birefringence free optical waveguide structures |
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| JP4109672B2 (ja) * | 2002-09-18 | 2008-07-02 | 富士通株式会社 | 光導波路デバイスおよび光導波路デバイスの製造方法 |
| GB0306279D0 (en) * | 2003-03-19 | 2003-04-23 | Bookham Technology Plc | High power semiconductor laser with large optical superlattice waveguide |
| US7146087B2 (en) * | 2004-01-13 | 2006-12-05 | Lionix Bv | Low modal birefringent waveguides and method of fabrication |
| BR112012029813A2 (pt) * | 2010-05-26 | 2017-03-07 | Univ Toledo | estrutura de célula fotovoltaica, método para fazer uma camada de interface de dispersão de luz para uma célula fotovoltaica e estrutura de célula fotovoltaica (pv) tendo uma camada de interface de dispersão |
| KR20130141850A (ko) * | 2012-06-18 | 2013-12-27 | 광주과학기술원 | 광학 소자 |
| US8867874B2 (en) * | 2012-12-06 | 2014-10-21 | Finisar Sweden Ab | Method for modifying the combining or splitting ratio of a multimode interference coupler |
| JP7516905B2 (ja) * | 2020-06-22 | 2024-07-17 | 住友大阪セメント株式会社 | 光導波路素子、光変調器、光変調モジュール、及び光送信装置 |
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|---|---|---|---|---|
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-
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-
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- 1996-03-04 WO PCT/US1996/002925 patent/WO1996030787A1/en not_active Application Discontinuation
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0873530A1 (en) | 1998-10-28 |
| WO1996030787A1 (en) | 1996-10-03 |
| JPH10505174A (ja) | 1998-05-19 |
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| US5732179A (en) | 1998-03-24 |
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