JP2910218B2 - 半導体光モードスプリッタ - Google Patents
半導体光モードスプリッタInfo
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- JP2910218B2 JP2910218B2 JP28613490A JP28613490A JP2910218B2 JP 2910218 B2 JP2910218 B2 JP 2910218B2 JP 28613490 A JP28613490 A JP 28613490A JP 28613490 A JP28613490 A JP 28613490A JP 2910218 B2 JP2910218 B2 JP 2910218B2
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- optical
- waveguide
- optical waveguide
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、将来の光通信システムや光情報処理システ
ムにおいて重要なエレメントとなる半導体光モードスプ
リッタに関する。
ムにおいて重要なエレメントとなる半導体光モードスプ
リッタに関する。
光モードスプリッタは将来の高速光通信システム、光
情報処理システムのキーエレメントの１つと考えられ、
各所で研究開発が活発化してきている。光モードスプリ
ッタとしては、LiNbO3等の誘電体を用いたものと、GaAs
やInPの半導体を用いたものとが考えられているが、光
アンプ等の他の光素子やFET等の電子回路との集積化が
可能な半導体光モードスプリッタへの期待が近年高まり
つつある。このような半導体光モードスプリッタとして
は、上記適用分野から考えて、TEモード,TMモードの任
意の分岐や低消費電力動作、低損失動作、高集積の容易
性等が要求される。半導体光モードスプリッタの方式と
しては、積層型方向性結合器を用いたものや、分岐導波
路を用いたものがある。村上（K.MURAKAMI）らは、電子
情報通信学会光・量子エレクトロニクス研究会報告（OQ
E−78−96,1978）においてLiNbO3を用いて、積層方向に
配置された２本の導波路間のモード結合を適当な厚さの
低屈折率誘電体中間層を設ける事で制御し、TEモードと
TMモードの分離を行う光モードスプリッタを報告してい
る。しかし、この場合、常にモードの分岐が生じてTE,T
M両モードに対して分岐先が固定されてしまっており、
任意のモードを任意の導波路に取り出したい場合には用
いる事ができなかった。また、LiNbO3上の分岐導波路を
用いたTE,TMコード導波路がマスダ（M.MASUDA）らから
アプライド・フィジックス・レターズ誌第37巻20頁（AP
PLIED PHYSICS LETTERS Vol.37 No.1 20−22）に報告さ
れている。しかし、この素子はTEモードに関してのみ光
路の切り替えが可能で、TMモードは常に一方向の分岐へ
固定されている。従って、TMモードを切り替える事がで
きないといった問題点を有していた。
情報処理システムのキーエレメントの１つと考えられ、
各所で研究開発が活発化してきている。光モードスプリ
ッタとしては、LiNbO3等の誘電体を用いたものと、GaAs
やInPの半導体を用いたものとが考えられているが、光
アンプ等の他の光素子やFET等の電子回路との集積化が
可能な半導体光モードスプリッタへの期待が近年高まり
つつある。このような半導体光モードスプリッタとして
は、上記適用分野から考えて、TEモード,TMモードの任
意の分岐や低消費電力動作、低損失動作、高集積の容易
性等が要求される。半導体光モードスプリッタの方式と
しては、積層型方向性結合器を用いたものや、分岐導波
路を用いたものがある。村上（K.MURAKAMI）らは、電子
情報通信学会光・量子エレクトロニクス研究会報告（OQ
E−78−96,1978）においてLiNbO3を用いて、積層方向に
配置された２本の導波路間のモード結合を適当な厚さの
低屈折率誘電体中間層を設ける事で制御し、TEモードと
TMモードの分離を行う光モードスプリッタを報告してい
る。しかし、この場合、常にモードの分岐が生じてTE,T
M両モードに対して分岐先が固定されてしまっており、
任意のモードを任意の導波路に取り出したい場合には用
いる事ができなかった。また、LiNbO3上の分岐導波路を
用いたTE,TMコード導波路がマスダ（M.MASUDA）らから
アプライド・フィジックス・レターズ誌第37巻20頁（AP
PLIED PHYSICS LETTERS Vol.37 No.1 20−22）に報告さ
れている。しかし、この素子はTEモードに関してのみ光
路の切り替えが可能で、TMモードは常に一方向の分岐へ
固定されている。従って、TMモードを切り替える事がで
きないといった問題点を有していた。
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、任意のモー
ドを任意の分岐導波路に分離・導波することを可能にす
ることである。
ドを任意の分岐導波路に分離・導波することを可能にす
ることである。
上述の問題点を解決する為に本発明に於いては、電気
光学効果によって発生する屈折率変化の符号がTE,TMモ
ード間で反転する半導体基板上に、ｎ型（またはｐ型）
半導体クラッド層、アンドープ半導体導波層、アンドー
プ半導体クラッド層、ｐ型（またはｎ型）半導体クラッ
ド層、ｐ型（またはｎ型）半導体キャップ層が順次積層
された層構造を有し、少なくともアンドープ半導体クラ
ッド層の一部または全部、ｐ型（またはｎ型）半導体ク
ラッド層、およびｐ型（またはｎ型）半導体キャップ層
が除去されて形成されたリブ型の１本光導波路、前記１
本光導波路から分岐されたリブ型の２本光導波路を有
し、前記２本光導波路の互いの導波路間隔が連続的に広
がる構造を有し、前記２本導波路及び半導体基板裏面に
電極を有する事を特徴とする半導体光モードスプリッタ
の構造を採用している。
光学効果によって発生する屈折率変化の符号がTE,TMモ
ード間で反転する半導体基板上に、ｎ型（またはｐ型）
半導体クラッド層、アンドープ半導体導波層、アンドー
プ半導体クラッド層、ｐ型（またはｎ型）半導体クラッ
ド層、ｐ型（またはｎ型）半導体キャップ層が順次積層
された層構造を有し、少なくともアンドープ半導体クラ
ッド層の一部または全部、ｐ型（またはｎ型）半導体ク
ラッド層、およびｐ型（またはｎ型）半導体キャップ層
が除去されて形成されたリブ型の１本光導波路、前記１
本光導波路から分岐されたリブ型の２本光導波路を有
し、前記２本光導波路の互いの導波路間隔が連続的に広
がる構造を有し、前記２本導波路及び半導体基板裏面に
電極を有する事を特徴とする半導体光モードスプリッタ
の構造を採用している。
本発明におけるＹ分岐型光モードスプリッタは１本光
導波路部、前記導波路部が２本に分岐した２本光導波路
部から構成される。信号光は１本光導波路部側から入射
し、アンドープ半導体導波層を導波する。２本光導波路
部の各光導波路上に設けた電極により任意の光導波路部
に電界を印加する事が可能であり、電気光学効果による
屈折率変化によって生じた２本の光導波路間の非対称性
（即ち、伝搬定数差）によって、光を２本の光導波路の
うち任意の１本に分岐させる事が可能である。以下に非
対称Ｙ分岐型光導波路の動作原理を述べる。
導波路部、前記導波路部が２本に分岐した２本光導波路
部から構成される。信号光は１本光導波路部側から入射
し、アンドープ半導体導波層を導波する。２本光導波路
部の各光導波路上に設けた電極により任意の光導波路部
に電界を印加する事が可能であり、電気光学効果による
屈折率変化によって生じた２本の光導波路間の非対称性
（即ち、伝搬定数差）によって、光を２本の光導波路の
うち任意の１本に分岐させる事が可能である。以下に非
対称Ｙ分岐型光導波路の動作原理を述べる。
第３図に示すようにＹ分岐光導波路において、例えば
１本の多モード光導波路21に、２本の幅の異なる（伝搬
定数が異なる）単一モード光導波路が接続されていると
仮定する。今、２本の光導波路の分岐角が非常に小さい
ときに、多モード光導波路21に基本（０次）モード10が
励振されたとすると、光は幅の太い（伝搬定数の大き
な）光導波路22に結合する（第３図Ａ）。また、１次モ
ードを励振すると光は幅の狭い（伝搬定数の小さな）光
導波路23に結合する（第３図Ｂ）。従って、１本導波路
を単一モード光導波路とする事で、常に光を幅の太い
（伝搬定数の大きな）光導波路22に結合する事が可能で
ある。
１本の多モード光導波路21に、２本の幅の異なる（伝搬
定数が異なる）単一モード光導波路が接続されていると
仮定する。今、２本の光導波路の分岐角が非常に小さい
ときに、多モード光導波路21に基本（０次）モード10が
励振されたとすると、光は幅の太い（伝搬定数の大き
な）光導波路22に結合する（第３図Ａ）。また、１次モ
ードを励振すると光は幅の狭い（伝搬定数の小さな）光
導波路23に結合する（第３図Ｂ）。従って、１本導波路
を単一モード光導波路とする事で、常に光を幅の太い
（伝搬定数の大きな）光導波路22に結合する事が可能で
ある。
また、屈折率変化は面方位が（100）であるGaAs半導
体基板上に製作した光導波路においては電界（Ｅ）の印
加に伴う電気光学効果によって生じる屈折率変化Δｎは
TEモードに対して ΔnTE＝Γ・neff 3・r41・E/2 TEモードに対して ΔnTM＝０ ただしneff:実効屈折率 r41:電気光学係数 Γ：光の閉じ込め係数 E:電界強度 であるためにTMモードに対するスイッチングができなか
った。しかし、結晶の面方位が（111）であるGaAs半導
体基板上に前記光モードスプリッタを製作すると、電気
光学効果によって生じる屈折率変化ΔｎはTEモードに対
して また、TMモードに対して であることから、TEモードに対しては（111）方向の電
界印加によって正の屈折率変化が生じ、TMモードには負
の屈折率変化が生じるために２本の導波路間の非対称性
がTE,TM両モード間で逆転し、各々別の導波路へTE,TMモ
ードが分岐する。また、電界を印加する導波路を変える
事によって、任意の導波路に、TE,TMモードを分岐させ
る事が可能である。
体基板上に製作した光導波路においては電界（Ｅ）の印
加に伴う電気光学効果によって生じる屈折率変化Δｎは
TEモードに対して ΔnTE＝Γ・neff 3・r41・E/2 TEモードに対して ΔnTM＝０ ただしneff:実効屈折率 r41:電気光学係数 Γ：光の閉じ込め係数 E:電界強度 であるためにTMモードに対するスイッチングができなか
った。しかし、結晶の面方位が（111）であるGaAs半導
体基板上に前記光モードスプリッタを製作すると、電気
光学効果によって生じる屈折率変化ΔｎはTEモードに対
して また、TMモードに対して であることから、TEモードに対しては（111）方向の電
界印加によって正の屈折率変化が生じ、TMモードには負
の屈折率変化が生じるために２本の導波路間の非対称性
がTE,TM両モード間で逆転し、各々別の導波路へTE,TMモ
ードが分岐する。また、電界を印加する導波路を変える
事によって、任意の導波路に、TE,TMモードを分岐させ
る事が可能である。
以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明によるGaAs/AlGaAsY分岐型光モードス
プリッタの一実施例を示す斜視概略図である。第２図は
本発明によるGaAs/AlGaAsY分岐型光モードスプリッタの
一実施例を示す平面概略図である。第４図は本実施例に
よるＹ分岐型光導波路において、右方向分岐光導波路に
30（Ｖ）の電圧を印加したときのTE,TM両モードの分岐
特性を示す図である。
プリッタの一実施例を示す斜視概略図である。第２図は
本発明によるGaAs/AlGaAsY分岐型光モードスプリッタの
一実施例を示す平面概略図である。第４図は本実施例に
よるＹ分岐型光導波路において、右方向分岐光導波路に
30（Ｖ）の電圧を印加したときのTE,TM両モードの分岐
特性を示す図である。
第１図においては、結晶面方位（111）であるｎ−GaA
s半導体基板上６にｎ−AlGaAs（Al含有率＝0.3〜0.5）
クラッド層5,GaAsアンドープ導波層4,AlGaAs（Al含有率
＝0.3〜0.5）アンドープクラッド層3,p−AsGaAs（Al含
有率＝0.3〜0.5）クラッド層2,p+−GaAsキャップ層１が
形成されている。
s半導体基板上６にｎ−AlGaAs（Al含有率＝0.3〜0.5）
クラッド層5,GaAsアンドープ導波層4,AlGaAs（Al含有率
＝0.3〜0.5）アンドープクラッド層3,p−AsGaAs（Al含
有率＝0.3〜0.5）クラッド層2,p+−GaAsキャップ層１が
形成されている。
ここで、ストライプ状のリブ部を有する１本光導波路
部９および２本光導波路部８がp+−GaAsキャップ層1,p-
−AlGaAsクラッド層２と、さらに電気的分離を行うため
のAlGaAsアンドープクラッド層３の一部まで導波路パタ
ーンは残して除去される事によって形成され、２本光導
波路部８および前記ｎ−GaAs半導体基板６の裏面に電極
７が形成されている。ｎ−AlGaAsクラッド層5,GaAsアン
ドープ導波層4,AlGaAsアンドープクラッド層3,p−AlGaA
sクラッド層2,p+−GaAsキャップ層１の厚さは、それぞ
れ１〜２μm,0.2μm,0.4μm,1.0μm,0.2μｍ程度であ
る。１本光導波路部９の長さは約2mm,幅２μｍである。
また、２本光導波路部８の分岐角は2mrad,導波路幅は２
μm,長さは3mm程度である。
部９および２本光導波路部８がp+−GaAsキャップ層1,p-
−AlGaAsクラッド層２と、さらに電気的分離を行うため
のAlGaAsアンドープクラッド層３の一部まで導波路パタ
ーンは残して除去される事によって形成され、２本光導
波路部８および前記ｎ−GaAs半導体基板６の裏面に電極
７が形成されている。ｎ−AlGaAsクラッド層5,GaAsアン
ドープ導波層4,AlGaAsアンドープクラッド層3,p−AlGaA
sクラッド層2,p+−GaAsキャップ層１の厚さは、それぞ
れ１〜２μm,0.2μm,0.4μm,1.0μm,0.2μｍ程度であ
る。１本光導波路部９の長さは約2mm,幅２μｍである。
また、２本光導波路部８の分岐角は2mrad,導波路幅は２
μm,長さは3mm程度である。
次にGaAs/AlGaAs半導体光モードスプリッタの製造方
法を簡単に説明する。結晶面方位（111）であるｎ−GaA
s半導体基板６上にMBE法もしくはMOVPE法を用いてｎ−A
lGaAs（Al含有率＝0.3〜0.5）クラッド層5,GaAsアンド
ープ導波層4,AlGaAs（Al含有率＝0.3〜0.5）アンドープ
クラッド層3,p−AlGaAs（ｘ＝0.3〜0.5）クラッド層2,p
+−GaAsキャップ層１を順次成長する。その後、電極７
を基板全面に形成した後、通常のフォトリソグラフィ法
とエッチング法を用いて電極７を幅２μｍ程度のリブ形
状に加工する。この後、再度通常のフォトリソグラフィ
法を用いてリブ部のマスキングを行い、リブ部以外のAl
GaAsアンドープクラッド層3,p−AlGaAsクラッド層2,p+
−GaAsキャップ層１をAlGaAsアンドープクラッド層３に
至るまで反応性イオンビームエッチング法により除去す
る。最後に、ｎ−GaAs半導体基板６の裏面に電極７を形
成する。
法を簡単に説明する。結晶面方位（111）であるｎ−GaA
s半導体基板６上にMBE法もしくはMOVPE法を用いてｎ−A
lGaAs（Al含有率＝0.3〜0.5）クラッド層5,GaAsアンド
ープ導波層4,AlGaAs（Al含有率＝0.3〜0.5）アンドープ
クラッド層3,p−AlGaAs（ｘ＝0.3〜0.5）クラッド層2,p
+−GaAsキャップ層１を順次成長する。その後、電極７
を基板全面に形成した後、通常のフォトリソグラフィ法
とエッチング法を用いて電極７を幅２μｍ程度のリブ形
状に加工する。この後、再度通常のフォトリソグラフィ
法を用いてリブ部のマスキングを行い、リブ部以外のAl
GaAsアンドープクラッド層3,p−AlGaAsクラッド層2,p+
−GaAsキャップ層１をAlGaAsアンドープクラッド層３に
至るまで反応性イオンビームエッチング法により除去す
る。最後に、ｎ−GaAs半導体基板６の裏面に電極７を形
成する。
以上が本発明による結晶の面方位が（111）であるGaA
s/AlGaAs半導体光モードスプリッタの実施例の構成及び
製造方法の一例である。
s/AlGaAs半導体光モードスプリッタの実施例の構成及び
製造方法の一例である。
第４図A,Bに、30（Ｖ）の電圧を右方向分岐光導波路3
3に印加したときのTEモード、TMモードのスイッチング
特性を光電力31,32の大きさで示す。この場合、TEモー
ドに対しては右方向分岐光導波路33の実効屈折率が高く
なり、TMモードに対しては左方向分岐光導波路34の実効
屈折率が相対的に高くなるので、入射光のTEモード成分
は右方向分岐光導波路33へTMモード成分は左方向分岐光
導波路34へと分岐する。素子端におけるクロストークは
両モードとも−15dB以上の値を示している。なお、印加
する電圧を左方向分岐光導波路34に変えればTEモード,T
Mモード成分の出射位置は逆転し、TEモード成分は左方
向分岐光導波路34より、TEモード成分は右方向分岐光導
波路34より出射する。
3に印加したときのTEモード、TMモードのスイッチング
特性を光電力31,32の大きさで示す。この場合、TEモー
ドに対しては右方向分岐光導波路33の実効屈折率が高く
なり、TMモードに対しては左方向分岐光導波路34の実効
屈折率が相対的に高くなるので、入射光のTEモード成分
は右方向分岐光導波路33へTMモード成分は左方向分岐光
導波路34へと分岐する。素子端におけるクロストークは
両モードとも−15dB以上の値を示している。なお、印加
する電圧を左方向分岐光導波路34に変えればTEモード,T
Mモード成分の出射位置は逆転し、TEモード成分は左方
向分岐光導波路34より、TEモード成分は右方向分岐光導
波路34より出射する。
以上述べたように、本発明によれば任意の分岐導波路
にTE,TMモードを分離する事が可能な半導体光モードス
プリッタを実現する事が可能である。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系の光半導体モードスプリッタを取り上げた
が、これに限るものではなく、InP系などの他の材料を
用いた半導体モードスプリッタに対しても、TE,TM両モ
ードに対する電気光学効果によって生じる屈折率変化の
符号が反転している場合に本発明は適用可能である。
にTE,TMモードを分離する事が可能な半導体光モードス
プリッタを実現する事が可能である。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系の光半導体モードスプリッタを取り上げた
が、これに限るものではなく、InP系などの他の材料を
用いた半導体モードスプリッタに対しても、TE,TM両モ
ードに対する電気光学効果によって生じる屈折率変化の
符号が反転している場合に本発明は適用可能である。
第１図は本発明によるGaAs/AlGaAsY分岐型光モードスプ
リッタの一実施例を示す斜視概略図である。第２図は本
発明によるGaAs/AlGaAsY分岐型光モードスプリッタの一
実施例を示す平面概略図である。第３図は非対称Ｙ分岐
型光導波路のスイッチング動作を示す図である。第４図
は本実施例によるＹ分岐型光導波路において、右方向分
岐光導波路に30（Ｖ）の電圧を印加した時のTE,TM両モ
ードの分岐特性を光電力の大きさで示す図である。 １……第２導電型半導体キャップ層、２……第２導電型
半導体クラッド層、３……アンドープ半導体クラッド
層、４……アンドープ半導体導波層、５……第１導電型
半導体クラッド層、６……半導体基板、７……電極、８
……２本光導波路部、９……１本光導波路部、10……基
本（０次）モード、11……１次モード、21……多モード
光導波路、22……幅の太い光導波路、23……幅の狭い光
導波路、31……TEモードの光電力、32……TMモードの光
電力、33……右方向分岐光導波路、34……左方向分岐光
導波路。
リッタの一実施例を示す斜視概略図である。第２図は本
発明によるGaAs/AlGaAsY分岐型光モードスプリッタの一
実施例を示す平面概略図である。第３図は非対称Ｙ分岐
型光導波路のスイッチング動作を示す図である。第４図
は本実施例によるＹ分岐型光導波路において、右方向分
岐光導波路に30（Ｖ）の電圧を印加した時のTE,TM両モ
ードの分岐特性を光電力の大きさで示す図である。 １……第２導電型半導体キャップ層、２……第２導電型
半導体クラッド層、３……アンドープ半導体クラッド
層、４……アンドープ半導体導波層、５……第１導電型
半導体クラッド層、６……半導体基板、７……電極、８
……２本光導波路部、９……１本光導波路部、10……基
本（０次）モード、11……１次モード、21……多モード
光導波路、22……幅の太い光導波路、23……幅の狭い光
導波路、31……TEモードの光電力、32……TMモードの光
電力、33……右方向分岐光導波路、34……左方向分岐光
導波路。
Claims (1)
- 【請求項１】電気光学効果によって発生する屈折率変化
の符号がTE,TMモード間で反転する半導体基板上に、第
１導電型半導体クラッド層、アンドープ半導体導波層、
アンドープ半導体クラッド層、第２導電型半導体クラッ
ド層、第２導電型半導体キャップ層が順次積層された層
構造を有し、少なくともアンドープ半導体クラッド層の
一部または全部、第２導電型半導体クラッド層、および
第２導電型半導体キャップ層が除去されて形成されたリ
ブ型の１本光導波路部、前記１本光導波路から分岐され
たリブ型の２本光導波路部を有し、前記２本光導波路部
の互いの導波路間隔が連続的に広がる構造を有し、前記
２本導波路部及び半導体基板裏面に電極を有する事を特
徴とする半導体光モードスプリッタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28613490A JP2910218B2 (ja) | 1990-10-24 | 1990-10-24 | 半導体光モードスプリッタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28613490A JP2910218B2 (ja) | 1990-10-24 | 1990-10-24 | 半導体光モードスプリッタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04159511A JPH04159511A (ja) | 1992-06-02 |
| JP2910218B2 true JP2910218B2 (ja) | 1999-06-23 |
Family
ID=17700374
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28613490A Expired - Lifetime JP2910218B2 (ja) | 1990-10-24 | 1990-10-24 | 半導体光モードスプリッタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2910218B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100397320B1 (ko) * | 2000-10-05 | 2003-09-06 | 주식회사 에이티아이 | 광 모드 크기 변환기 |
| US20060210498A1 (en) | 2005-03-18 | 2006-09-21 | Unilever Home & Personal Care Usa, Division Of Conopco, Inc. | Novel resorcinol derivatives for skin |
-
1990
- 1990-10-24 JP JP28613490A patent/JP2910218B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04159511A (ja) | 1992-06-02 |
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