JP2897371B2 - Semiconductor waveguide polarization controller - Google Patents

Semiconductor waveguide polarization controller

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JP2897371B2
JP2897371B2 JP21388790A JP21388790A JP2897371B2 JP 2897371 B2 JP2897371 B2 JP 2897371B2 JP 21388790 A JP21388790 A JP 21388790A JP 21388790 A JP21388790 A JP 21388790A JP 2897371 B2 JP2897371 B2 JP 2897371B2
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polarization
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semiconductor
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啓郎 小松
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Nippon Electric Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/313Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3132Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
    • G02F1/3133Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type the optical waveguides being made of semiconducting materials

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、将来のコヒーレント光通信システムの偏光
ダイバーシティ受信器等において重要なエレメントとな
る偏光制御素子、特に小型で動的な偏光スイッチングが
可能な半導体方向性結合器型の偏光ビームスプリッタと
偏光スイッチに関する。
The present invention relates to a polarization control element which is an important element in a polarization diversity receiver or the like of a future coherent optical communication system, and in particular, enables a small and dynamic polarization switching. The present invention relates to a semiconductor directional coupler type polarization beam splitter and a polarization switch.

(従来の技術) 偏光ビームスプリッタは、将来のコヒーレント光通信
システムにおける偏光ダイバーシティ受信系のキーエレ
メントの1つと考えられ、また光サーキュレータ等を構
成する場合にも重要なコンポーネントがある。しかしな
から、従来の偏光ビームスプリッタはサイズの大きなバ
ルク部品、いわゆるマイクロオプティックス部品、によ
り構成されており、装置の小型化、高密度実装、生産性
等の点で問題がある。これに対して、光導波路を用いて
偏光ビームスプリッタを構成すれば、素子の小型が可能
であり、他の素子との同一基板上への集積化による高密
度実装も可能であり、また現有のフォトリソグラフィ技
術等のウェハプロセス技術が利用できることから生産性
の点でも有利である。このような、導波路技術を用いた
偏光ビームスプリッタとしては、M.Okunoらが石英系導
波路を用いた導波型偏光ビームスプリッタ/偏光スイッ
チについて1990年光スイッチングに関する国際会議(19
90 International Topical Meeting on Photonic Switc
hing)論文番号13A−5において報告している。この石
英系導波路による偏光ビームスプリッタ/偏光スイッチ
においては既存のSiデバイス製作技術が利用でき、比較
的生産性良く導波型偏光ビームスプリッタを製造できる
という利点があるが、石英導波路の場合素子サイズが大
きくなるという難点や屈折率等を変化させるための効果
が熱的な効果しか無いため高速の動的な制御は期待でき
ない、発光素子や受光素子等の半導体デバイスをモノリ
シックに集積できない等の難点がある。
(Prior Art) A polarization beam splitter is considered as one of the key elements of a polarization diversity receiving system in a future coherent optical communication system, and also has an important component when configuring an optical circulator and the like. However, the conventional polarizing beam splitter is composed of a bulk component having a large size, that is, a so-called micro optic component, and has problems in miniaturization of the device, high-density mounting, productivity, and the like. On the other hand, if a polarization beam splitter is configured using an optical waveguide, the element can be downsized, and high-density mounting by integration with other elements on the same substrate is possible. Since a wafer process technology such as a photolithography technology can be used, it is also advantageous in terms of productivity. For such a polarization beam splitter using waveguide technology, M. Okuno et al. Described a 1990 international conference on optical switching on a waveguide type polarization beam splitter / polarization switch using a silica-based waveguide (19.
90 International Topical Meeting on Photonic Switc
hing) Reported in article number 13A-5. The polarization beam splitter / polarization switch using the silica-based waveguide has the advantage that the existing Si device manufacturing technology can be used and the waveguide-type polarization beam splitter can be manufactured with relatively high productivity. The difficulty of increasing the size and the effect of changing the refractive index etc. are only thermal effects, so high-speed dynamic control cannot be expected, and semiconductor devices such as light-emitting elements and light-receiving elements cannot be monolithically integrated. There are difficulties.

(発明が解決しようとする課題) 前述のように導波型の偏光ビームスプリッタ/偏光ス
イッチは装置の小型化、高密度実装、生産性等の点で有
望であるが、現在提案されている石英系導波路による偏
光ビームスプリッタには、素子サイズがそれほど小さく
ならない、動的制御に向かない、発光素子・受光素子と
のモノリシック集積が不可能、等の難点がある。本発明
は半導体導波路、特に発光・受光素子同じ化合物半導体
よりなる光導波路を用いて偏光ビームスプリッタ/偏光
スイッチを構成し、上述の問題点を解決しようとするも
のである。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, the waveguide-type polarization beam splitter / polarization switch is promising in terms of miniaturization of the device, high-density mounting, productivity, and the like. A polarizing beam splitter using a system waveguide has disadvantages such as a small element size, not suitable for dynamic control, and monolithic integration with a light emitting element and a light receiving element. The present invention is intended to solve the above-mentioned problems by constructing a polarization beam splitter / polarization switch using a semiconductor waveguide, particularly an optical waveguide made of the same compound semiconductor as the light emitting / receiving element.

(課題を解決するための手段) 上述のような問題点を解決するために、本発明の半導
体導波路型偏光制御素子は(100)方位半導体基板上に
第1の半導体クラッド層、半導体導波層、第2の半導体
クラッド層が少なくとも積層されており、該半導体基板
上に形成された2本の近接した3次元光導波路により方
向性結合器を形成する手段と、前記2本の3次元半導体
光導波路の各々へ電界を独立に印加する手段とを具備し
ており、2本の近接した3次元光導波路において1本の
光導波路から他方の光導波路へと導波光パワーが完全に
移行するのに必要な長さをTEモード、TMモードに対して
各々LTE,LTMとするとき、方向性結合器の素子長Lと
LTE、LTMがほぼ等しいことを特徴とする。
(Means for Solving the Problems) In order to solve the above-mentioned problems, a semiconductor waveguide type polarization control element of the present invention comprises a first semiconductor cladding layer, a semiconductor waveguide Means for forming a directional coupler by two adjacent three-dimensional optical waveguides formed on the semiconductor substrate, wherein the two three-dimensional semiconductors are formed on the semiconductor substrate. Means for independently applying an electric field to each of the optical waveguides, such that the guided optical power is completely transferred from one optical waveguide to the other in two adjacent three-dimensional optical waveguides. When the required lengths are L TE and L TM for the TE mode and the TM mode, respectively, the element length L of the directional coupler is
LTE and LTM are substantially equal.

(作用) 本発明においては、電気光学効果を利用した半導体導
波型方向性結合器を偏光制御素子、特に偏光ビームスプ
リッタ/偏光スイッチとして用いており、TEモード、TM
モードに対する完全結合長と方向性結合器の素子長とを
ほぼ一致させている。従って方向性結合器に電圧を印加
しないときには、TEモード、TMモードとも入射側とは異
なる方の導波路より出射する。これに対して、一方の導
波路のみへ電圧を印加し電気光学効果により2本の導波
路間の位相整合を解くと、TEモードに対してはスイッチ
ングが生じTEモード光は入射側の導波路より出射するよ
うになる。ところで、本発明においては基板として(10
0)方位基板を用いているので、GaAsやInP等の化合物半
導体の場合、TMモードに対しては電気光学効果による屈
折率変化が生じない。従って一方の導波路に電界を印加
してもTMモードに対してはスイッチングは生じず、TMモ
ード光は電圧を印加しないときと同様に入射側とは異な
る導波路より出射する。従って、一方の導波路にのみあ
る適当な電圧を印加すれば、偏光ビームスプリッタ動作
が得られることなる。この様子を模式的に第2図に示
す。第2図より判るように、本発明を用いれば電圧を印
加しないときには同一の導波路からTE、TM両モード光を
取り出し、電圧を印加することによって、片方の導波路
からはTEモード光を、もう一方の導波路からはTMモード
光を取り出すという偏光スイッチングの動作も可能であ
る。しかもこの偏光スイッチングは電気光学効果を利用
しているために非常に高速である。
(Operation) In the present invention, a semiconductor waveguide type directional coupler utilizing the electro-optic effect is used as a polarization control element, in particular, a polarization beam splitter / polarization switch.
The perfect coupling length for the mode and the element length of the directional coupler almost match. Therefore, when no voltage is applied to the directional coupler, both the TE mode and the TM mode exit from the waveguide different from the one on the incident side. On the other hand, when a voltage is applied to only one waveguide and the phase matching between the two waveguides is solved by the electro-optic effect, switching occurs for the TE mode, and the TE mode light is transmitted to the waveguide on the incident side. It comes out more. By the way, in the present invention, (10
0) Since the azimuth substrate is used, in the case of compound semiconductors such as GaAs and InP, the refractive index does not change due to the electro-optic effect in the TM mode. Therefore, even if an electric field is applied to one of the waveguides, switching does not occur in the TM mode, and the TM mode light is emitted from a waveguide different from that on the incident side in the same manner as when no voltage is applied. Therefore, when a certain appropriate voltage is applied to only one of the waveguides, a polarization beam splitter operation can be obtained. This is schematically shown in FIG. As can be seen from FIG. 2, when the present invention is used, when no voltage is applied, the TE mode light and the TM mode light are extracted from the same waveguide, and by applying the voltage, the TE mode light is emitted from one of the waveguides. A polarization switching operation of extracting TM mode light from the other waveguide is also possible. In addition, this polarization switching is very fast because of utilizing the electro-optic effect.

本発明においては前述のように半導体導波路技術を用
いて偏光ビームスプリッタを構成する。従って小型の素
子、具体的にはmmオーダもしくは1mm以下の大きさの素
子サイズ、が実現できる。また、前述のように、屈折率
を変化させる手段として高速の電気光学効果が利用でき
るので、偏光スイッチングを高速で行うことが可能であ
る。さらに、導波路材料として発光・受光素子と同一の
化合物半導体材料を用いることができるので発光素子、
受光素子、3dBカップラと該偏光ビームスプリッタを同
一基板上にモノリシック集積して一枚の基板上に偏波ダ
イバーシティ受信回路光学系を構成することなども可能
であり、幅広い適用分野を有する。
In the present invention, as described above, the polarization beam splitter is configured using the semiconductor waveguide technology. Therefore, a small element, specifically, an element size of the order of mm or 1 mm or less can be realized. Further, as described above, since the high-speed electro-optic effect can be used as a means for changing the refractive index, the polarization switching can be performed at a high speed. Furthermore, since the same compound semiconductor material as the light emitting / receiving element can be used as the waveguide material, the light emitting element,
It is possible to monolithically integrate a light receiving element, a 3 dB coupler, and the polarization beam splitter on the same substrate to form a polarization diversity receiving circuit optical system on one substrate, and has a wide range of application fields.

(実施例) 以下図面を参照して本発明の半導体導波路型偏光制御
素子、即ちビームスプリッタと偏光スイッチについて詳
細に説明する。
(Embodiment) A semiconductor waveguide type polarization control device of the present invention, that is, a beam splitter and a polarization switch will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図は本発明によるGaAs/AlGaAs導波型偏光ビーム
スプリッタ/偏光スイッチの実施例を示す斜視図であ
る。図においては、(100)方位n+−GaAs基板101上に形
成されたリブ型のGaAs/AlGaAs導波型偏光ビームスプリ
ッタ/偏光スイッチが示されている。
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a GaAs / AlGaAs waveguide type polarization beam splitter / polarization switch according to the present invention. In the figure, a rib-type GaAs / AlGaAs waveguide polarization beam splitter / polarization switch formed on a (100) -oriented n + -GaAs substrate 101 is shown.

まず第1図に示したGaAs/AlGaAs導波型偏光ビームス
プリッタ/偏光スイッチの製造方法について簡単に説明
する。(100)方位n+−GaAs基板101上にn−AlGaAs(Al
の組成比x=0.5)クラッド層102を1.5μm程度、i−G
aAs導波層103を0.2μm、i−AlGaAs(Alの組成比x=
0.5)クラッド層104を0.4μm、p−AlGaAs(Alの組成
比x=0.5)クラッド層108を0.6μm、p+−GaAsキャッ
プ層105を0.2μm、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法
を用いて順次積層する。その後、p側電極材料であるTi
/Au膜を基板全面に蒸着し、通常のフォトリソグラフィ
法によりこのTi/Au膜を2本のストライプ形状に加工す
る。さらにこのストライプ形状に加工されたTi/Au膜お
よびTi/Au膜上に残されたフォトレジストをマスクとし
てRIBE(Reactive Ion Beam Etching)法によりストラ
イプ部以外の部分をp−AlGaAsクラッド層108とi−AlG
aAsクラッド層104の界面に達するまでエッチングにより
除去し、第1図に示すような2本の近接したリブ光導波
路を形成する。その後(100)面n+−GaAs基板101の研
磨、n側電極材料であるAuGeNi/AuNiの蒸着、および電
極アロイを行った後、素子を2mmの長さにへき開して素
子製作を終了する。ここで、リブ光導波路の幅は各々2.
5μm、導波路間隔は2.85μmである。
First, a method of manufacturing the GaAs / AlGaAs waveguide type polarization beam splitter / polarization switch shown in FIG. 1 will be briefly described. (100) orientation n + -GaAs substrate 101 on the n-AlGaAs (Al
The composition ratio x = 0.5) of the cladding layer 102 is about 1.5 μm, i-G
When the aAs waveguide layer 103 is 0.2 μm thick, i-AlGaAs (Al composition ratio x =
0.5) The cladding layer 104 is 0.4 μm, the p-AlGaAs (Al composition ratio x = 0.5) cladding layer 108 is 0.6 μm, the p + -GaAs cap layer 105 is 0.2 μm, and the MBE (Molecular Beam Epitaxy) method is used. Laminate. Then, the p-side electrode material Ti
An / Au film is deposited on the entire surface of the substrate, and this Ti / Au film is processed into two stripes by a normal photolithography method. Further, using the Ti / Au film processed into the stripe shape and the photoresist remaining on the Ti / Au film as a mask, portions other than the stripe portion are formed by p-AlGaAs cladding layers 108 and i by a reactive ion beam etching (RIBE) method. −AlG
It is removed by etching until it reaches the interface of the aAs cladding layer 104 to form two adjacent rib optical waveguides as shown in FIG. Thereafter, the (100) plane n + -GaAs substrate 101 is polished, AuGeNi / AuNi as an n-side electrode material is deposited, and an electrode alloy is formed. Then, the device is cleaved to a length of 2 mm to complete the device fabrication. Here, the width of the rib optical waveguide is 2.
5 μm and the waveguide spacing is 2.85 μm.

次に第1図に示したGaAs/AlGaAs導波型偏光ビームス
プリッタ/偏光スイッチの動作原理について説明する。
第1図に示した構造の導波型偏光スイッチにおいては、
層に垂直な方向ではi−GaAs導波層103の屈折率が上下
のクラッド層の屈折率より高いので光はi−GaAs導波層
103中にその大部分が閉じ込められる。一方、層に水平
な方向では、突起状のリブが形成されている部分の方
が、エッチングにより上部クラッド層の大部分が除去さ
れた部分よりも実効的な屈折率が高くなる。したがって
導波光はリブ直下のi−GaAs導波層103中へ3次元的に
閉じ込められ、ストライプ状のリブ部に沿って光は伝搬
する。ところで、第1図に示した導波型偏光スイッチに
おいては、2本の光導波路の間隔が小さいため、2本の
導波路間には結合が生じている。したがって一方の光導
波路へ入射された光はある一定の長さ伝搬したところで
他方の光導波路へと完全に結合する。この長さは通常完
全結合長と呼ばれる。完全結合長は導波層厚、組成、導
波路幅、導波路間隔などの導波路作成条件に依存すると
ともに入射光の偏光状態にも依存する。これは導波路の
形状が層に水平な方向と層に垂直な方向とで異なってい
るためである。第1図に示した方向性結合器型偏光スイ
ッチの完全結合長の導波路間隔依存性を第3図に示す。
TMモードの完全結合長の方がTEモードの完全結合長より
長く、導波路間隔が広がるにつれて両者の差は大きくな
る傾向にある。しかしながら、導波路間隔を2.85μmと
すると、TEモードに対する完全結合長LTEは1.72mm、TM
モードに対する完全結合長LTMは2.46mmであり、両者と
も素子長2mmに近い値とすることができる。したがって
電極間に電圧を印加しないときには、両方のモードの入
射光とも素子出射の際には他方の光導波路へほぼ安全に
結合しており、いわゆる状態が実現される。その際の
クロストークCTは次式により計算され、 CT=10×LOG{P1/(P1+P2)} ここで、 P1=cos2(πL/2L0) P2=sin2(πL/L2L0) ただし、Lは素子長を、L0は完全結合長を表し、 である。
Next, the operation principle of the GaAs / AlGaAs waveguide type polarization beam splitter / polarization switch shown in FIG. 1 will be described.
In the waveguide type polarization switch having the structure shown in FIG.
In the direction perpendicular to the layer, light is transmitted through the i-GaAs waveguide layer 103 because the refractive index of the i-GaAs waveguide layer 103 is higher than that of the upper and lower cladding layers.
Most are confined in 103. On the other hand, in the direction horizontal to the layer, the effective refractive index is higher in the portion where the protruding ribs are formed than in the portion where most of the upper clad layer is removed by etching. Therefore, the guided light is confined three-dimensionally in the i-GaAs waveguide layer 103 immediately below the rib, and the light propagates along the stripe-shaped rib portion. By the way, in the waveguide type polarization switch shown in FIG. 1, since the interval between the two optical waveguides is small, coupling occurs between the two waveguides. Therefore, the light incident on one of the optical waveguides is completely coupled to the other optical waveguide after propagating for a certain length. This length is usually referred to as the complete bond length. The complete coupling length depends on the waveguide preparation conditions such as the thickness of the waveguide layer, the composition, the waveguide width, and the waveguide interval, and also depends on the polarization state of the incident light. This is because the shape of the waveguide is different between the direction horizontal to the layer and the direction perpendicular to the layer. FIG. 3 shows the waveguide spacing dependence of the complete coupling length of the directional coupler polarization switch shown in FIG.
The complete coupling length of the TM mode is longer than the complete coupling length of the TE mode, and the difference between the two tends to increase as the waveguide spacing increases. However, when the waveguide spacing is 2.85 μm, the complete coupling length L TE for the TE mode is 1.72 mm, and TM
Complete coupling length L TM responsive to the mode is 2.46 mm, it can be a value close to the element length 2mm both. Therefore, when no voltage is applied between the electrodes, both modes of incident light are almost safely coupled to the other optical waveguide when the element is emitted, so that a so-called state is realized. The crosstalk CT at that time is calculated by the following equation: CT = 10 × LOG {P 1 / (P 1 + P 2 )} where P 1 = cos 2 (πL / 2L 0 ) P 2 = sin 2 (πL / L2L 0 ) where L is the element length, L 0 is the complete coupling length, It is.

本実施例においては、素子長LとTEモードに対する完
全結合長LTE、TMモードに対する完全結合長LTMとをほぼ
等しくしているのでTEモード、TMモードいずれの場合に
おいてもクロストークを−10dB以下とすることができ
る。以上は電極間に電圧を印加しない場合であるが、2
本のp側電極のうち一方とn側電極107間に逆バイアス
電圧を印加すると電気光学効果によりi−GaAs導波層10
3とi−AlGaAsクラッド層104の屈折率が変化する。GaAs
は閃亜鉛鉱型結晶であるため(100)結晶方位を用いる
とTEモードに対しては電気光学効果による屈折率変化が
生ずるのに対して、TMモードに対しては全く電気光学効
果による屈折率変化が生じない。したがって本発明の場
合のように(100)結晶方位を用いた場合においては、T
Eモードにおいてはある適当な逆バイアス電圧を印加す
ることにより2本の光導波路間の位相差を とすると、一方の導波路から入射された光が他方の導波
路へ結合しないいわゆる状態が実現されるのに対し
て、TMモードにおいてはいくら電圧を印加しても2本の
光導波路間の位相差は生じず状態のまま留まる。従っ
て本発明を用いれば、第2図に模式的に示したように、
バイアス電圧印加時には偏光ビームスプリッタとして動
作させることができる。さらに、本発明を用いれば電圧
を印加しないときには同一の導波路からTE,TM両モード
を取り出し、電圧を印加することによって、片方の導波
路からはTEモード光を、もう一方の導波路からはTMモー
ド光を取り出すという偏光スイッチングの動作も可能で
ある。しかもこの偏光スイッチングは電気光学効果を利
用しているために非常に高速である、という特徴を有す
る。
In this embodiment, the complete coupling length L TE for element length L and the TE mode, because almost equal to the coupling length L TM for TM mode TE mode, crosstalk in either case TM modes -10dB It can be: The above is the case where no voltage is applied between the electrodes.
When a reverse bias voltage is applied between one of the p-side electrodes and the n-side electrode 107, the i-GaAs waveguide layer 10
3 and the refractive index of the i-AlGaAs cladding layer 104 change. GaAs
Is a zinc-blende type crystal. When the (100) crystal orientation is used, the refractive index changes due to the electro-optic effect for the TE mode, whereas the refractive index due to the electro-optic effect is completely generated for the TM mode. No change occurs. Therefore, when the (100) crystal orientation is used as in the case of the present invention, T
In the E mode, the phase difference between the two optical waveguides can be reduced by applying an appropriate reverse bias voltage. In this case, a so-called state in which light incident from one waveguide is not coupled to the other waveguide is realized. In the TM mode, however, no matter how much voltage is applied, the position between the two optical waveguides is reduced. No phase difference occurs and remains in the state. Therefore, according to the present invention, as schematically shown in FIG.
When a bias voltage is applied, the device can be operated as a polarizing beam splitter. Furthermore, by using the present invention, when no voltage is applied, both TE and TM modes are taken out from the same waveguide, and by applying a voltage, TE mode light is emitted from one waveguide and TE mode light is emitted from the other waveguide. A polarization switching operation of extracting TM mode light is also possible. In addition, this polarization switching has a feature that it is very fast because it utilizes the electro-optic effect.

第4図は第1図に示した導波型偏光ビームスプリッタ
/偏光スイッチにおいてp側電極106b側の光導波路から
入射光120を入力したときのスイッチング特性を示す図
である。図において実線はTEモードに対するスイッチン
グ特性を、破線はTMモードに対するスイッチング特性を
示している。第3図より逆バイアス電圧が0Vのときに
は、前述のように、導波光はTE,TM両モードとも入射側
の光導波路から他方の光導波路へほぼ完全に移行し状
態が実現されていることが判る。逆バイアス電圧を増加
して行くと、TEモードに対しては電気光学効果による屈
折率変化が生じある電圧(ここでは17.5V)で状態に
達する。しかしながら、TEモードに対しては電気光学効
果による屈折率変化が生じないため導波光は状態にと
どまっているので、TEモードが状態に達する電圧にお
いても、TMモードはやはり状態である。したがって、
TEモードに対して状態を実現する逆バイアス電圧(1
7.5V)において偏光ビームスプリッタ動作が実現され
る。このとき、TE,TM両モード間のクロストーク−10dB
以下は比較的容易に実現できる。また、逆バイアス電圧
を0Vと17.5Vの間で変えれば偏光スイッチングが可能な
ことも言うまでもない。
FIG. 4 is a diagram showing switching characteristics when the incident light 120 is input from the optical waveguide on the p-side electrode 106b side in the waveguide type polarization beam splitter / polarization switch shown in FIG. In the figure, the solid line shows the switching characteristics for the TE mode, and the broken line shows the switching characteristics for the TM mode. From FIG. 3, when the reverse bias voltage is 0 V, as described above, the guided light is almost completely transferred from the optical waveguide on the incident side to the other optical waveguide in both the TE mode and the TM mode. I understand. As the reverse bias voltage is increased, the refractive index changes due to the electro-optic effect in the TE mode and reaches a state at a certain voltage (17.5 V in this case). However, since the guided light remains in the state because the refractive index does not change due to the electro-optic effect in the TE mode, the TM mode is still in the state even at a voltage at which the TE mode reaches the state. Therefore,
Reverse bias voltage (1
7.5V), a polarizing beam splitter operation is realized. At this time, the crosstalk between both TE and TM modes is -10 dB
The following can be realized relatively easily. It goes without saying that polarization switching is possible if the reverse bias voltage is changed between 0V and 17.5V.

(発明の効果) 以上述べたように、本発明においては半導体導波路技
術を用いて偏光制御素子、即ちビームスプリッタを構成
する。従って小型の素子、具体的にはmmオーダもしくは
1mm以下の大きさの素子サイズ、が実現できる。また、
屈折率を変化させる手段として高速の電気光学効果が利
用できるので、偏光スイッチングを高速で行うことが可
能である。さらに、導波路材料として発光・受光素子と
同一の化合物半導体材料を用いることができるので、実
施例には示さなかったが、発光素子、受光素子、3dBカ
ップラと該偏光ビームスプリッタを同一基板上にモノリ
シックに集積して一枚の基板上に偏波ダイバーシティ受
信回路光学系を構成することなども可能であり、幅広い
適用分野を有する。
(Effects of the Invention) As described above, in the present invention, a polarization control element, that is, a beam splitter is formed by using the semiconductor waveguide technology. Therefore, a small device, specifically, on the order of mm or
An element size of 1 mm or less can be realized. Also,
Since a high-speed electro-optic effect can be used as a means for changing the refractive index, it is possible to perform polarization switching at a high speed. Further, since the same compound semiconductor material as the light-emitting / light-receiving element can be used as the waveguide material, the light-emitting element, the light-receiving element, the 3 dB coupler and the polarization beam splitter are provided on the same substrate (not shown in the embodiment). It is also possible to monolithically integrate and configure a polarization diversity receiving circuit optical system on one substrate, and has a wide range of application fields.

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではな
い。実施例としては、GaAs系の導波路型偏光ビームスプ
リッタ/偏光スイッチを取り上げたが、これに限るもの
ではなく、InP系などの他の半導体材料を用いた方向性
結合器型偏光ビームスプリッタ/偏光スイッチに対して
も本発明は同様に適用可能である。また、方向性結合器
を実現するための導波路構造として実施例においてはリ
ブ型光導波路を例にあげたが、これに限るものではな
く、埋め込み型等でもよい。また本発明が実施例で示し
た素子形状、すなわち各層の厚さや各層の組成及び導波
路寸法等、に限定されるものではないことは言うまでも
ない。
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. As an embodiment, a GaAs-based waveguide type polarization beam splitter / polarization switch has been described. However, the present invention is not limited to this, and a directional coupler type polarization beam splitter / polarization switch using another semiconductor material such as an InP type. The present invention is similarly applicable to switches. In the embodiment, a rib-type optical waveguide has been described as an example of a waveguide structure for realizing a directional coupler. However, the present invention is not limited to this, and a buried type or the like may be used. Needless to say, the present invention is not limited to the element shapes shown in the examples, that is, the thickness of each layer, the composition of each layer, the waveguide dimensions, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例であるGaAs/AlGaAs導波型偏
光制御素子(ビームスプリッタ/偏光スイッチ)の構造
を示す斜視図、第2図は本発明による導波型偏光ビーム
スプリッタ/偏光スイッチの動作を模式的に表す図、第
3図は一実施例であるGaAs/AlGaAs偏光ビームスプリッ
タ/偏光スイッチの完全結長の導波路間隔依存性および
その偏光依存性を示す図、第4図は一実施例であるGaAs
/AlGaAs偏光ビームスプリッタ/偏光スイッチのスイッ
チング特性を示す図である。 図において、101……(100)方位n+−GaAs基板、102…
…n−AlGaAsクラッド層、103……i−GaAs導波層、104
……i−AlGaAsクラッド層、105……p+−GaAsキャップ
層、106a,106b……p側電極、107……n側電極、108…
…p−AlGaAsクラッド層、120……入射光、121a,121b…
…出射光。
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a GaAs / AlGaAs waveguide polarization control element (beam splitter / polarization switch) according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a waveguide polarization beam splitter / polarization according to the present invention. FIG. 3 is a diagram schematically showing the operation of the switch, FIG. 3 is a diagram showing the waveguide spacing dependence of the complete length of the GaAs / AlGaAs polarization beam splitter / polarization switch and the polarization dependence thereof, and FIG. Is an example of GaAs
FIG. 4 is a diagram showing switching characteristics of a / AlGaAs polarization beam splitter / polarization switch. In the figure, 101 ... (100) orientation n + -GaAs substrate, 102 ...
... n-AlGaAs cladding layer, 103 ... i-GaAs waveguide layer, 104
... i-AlGaAs cladding layer, 105 ... p + -GaAs cap layer, 106a, 106b ... p-side electrode, 107 ... n-side electrode, 108 ...
... p-AlGaAs cladding layer, 120 ... incident light, 121a, 121b ...
... Outgoing light.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】(100)方位半導体基板上に第1の半導体
クラッド層、半導体導波層、第2の半導体クラッド層が
少なくとも積層されており、該半導体基板上に形成され
た2本の近接した3次元光導波路により方向性結合器を
形成する手段と、前記2本の3次元半導体光導波路の各
々へ電界を独立に印加する手段とを具備しており、2本
の近接した3次元光導波路において1本の光導波路から
他方の光導波路へと導波光パワーが完全に移行するのに
必要な長さTEモード、TMモードに対して各々LTE,LTM
するとき、方向性結合器の素子長LとLTE,LTMとがほぼ
等しいことを特徴とする半導体導波路型偏光制御素子。
A first semiconductor cladding layer, a semiconductor waveguide layer, and a second semiconductor cladding layer which are at least laminated on a (100) -oriented semiconductor substrate, and wherein two adjacent semiconductor cladding layers are formed on the semiconductor substrate; And a means for independently applying an electric field to each of the two three-dimensional semiconductor optical waveguides. one length TE mode necessary for the guided optical power is completely shifted from the optical waveguide to the other optical waveguide of the waveguide, each for the TM mode L TE, when the L TM, directional coupler Wherein the element length L is substantially equal to L TE and L TM .
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