JP2937148B2 - 半導体集積型偏波モード変換器 - Google Patents

半導体集積型偏波モード変換器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光機能素子
に関し、特に、光ファイバ通信システム等に用いられ、
光が直交する偏波モードであるＴＥモード及びＴＭモー
ド間において、そのモード変換、モードフィルターある
いは光増幅を行うことができる光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体レーザは、超高速及び
長距離の光ファイバ通信システムにおける光源として多
く用いられている。
【０００３】しかしながら、従来の半導体レーザにおい
ては、光ファイバからの微小な反射戻り光によって内部
において雑音が生じ、それにより、伝送符号誤りが生じ
てしまう虞れがあった。
【０００４】そこで、一般に、半導体レーザが用いられ
る光ファイバ通信システムにおいては、光アイソレータ
を用い、それにより、半導体レーザへの戻り光を除去す
る方法が利用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
ものにおいては、半導体レーザへの戻り光を除去するた
めに光アイソレータが用いられているが、光アイソレー
タは、材料の加工や組立に多くの工数を必要とし、ま
た、高価であるとともに信頼性や安定性に乏しいため、
光ファイバ通信システムに利用すると、システム全体の
信頼性や安定性が損なわれてしまうという問題点があ
る。
【０００６】本発明は、上述したような従来の技術が有
する問題点に鑑みてなされたものであって、光アイソレ
ータを用いることなく、半導体レーザへの戻り光を除去
することができる半導体光機能素子を提供することを目
的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、ウェルに圧縮歪が導入されたＭＱＷ構造を
具備する第１の領域とウェルに引っ張り歪が導入された
ＭＱＷ構造を具備する第２の領域とが半導体導波路の長
さ方向に直列連結され、前記第１の領域及び第２の領域
に互いに分離独立に形成された電極がそれぞれ設けら
れ、前記第１の領域及び前記第２の領域が、前記電極に
印加されるバイアス電圧によって利得領域または吸収領
域となる半導体集積型偏波モード変換器であって、前記
第１の領域に設けられた電極に逆バイアス電圧が印加さ
れ、前記第２の領域に設けられた電極に順バイアス電圧
が印加されることにより、前記第１の領域にＴＥモード
成分を有する光が入射された場合に前記第２の領域がＴ
Ｍモードで発振することを特徴とする。
【０００８】また、ウェルに圧縮歪が導入されたＭＱＷ
構造を具備する第１の領域とウェルに引っ張り歪が導入
されたＭＱＷ構造を具備する第２の領域とが半導体導波
路の長さ方向に直列連結され、前記第１の領域及び第２
の領域に互いに分離独立に形成された電極がそれぞれ設
けられ、前記第１の領域及び前記第２の領域が、前記電
極に印加されるバイアス電圧によって利得領域または吸
収領域となる半導体集積型偏波モード変換器であって、
前記第１の領域に設けられた電極に順バイアス電圧が印
加され、前記第２の領域に設けられた電極に逆バイアス
電圧が印加されることにより、前記第１の領域にＴＭモ
ード成分を有する光が入射された場合に前記第１の領域
がＴＥモードで発振することを特徴とする。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】（作用）以下に、上記のように構成された
半導体光機能素子の動作原理について説明する。
【００１５】まず、半導体集積型偏波モード変換器とし
ての動作原理について説明する。
【００１６】図１は、本発明の半導体光機能素子を半導
体集積型偏波モード変換器として動作させた場合の動作
原理について説明するための図であり、（ａ）はその構
造を示す断面図、（ｂ）は入射ＴＥモード光パワーに対
する共振器ネット利得及び発振するＴＭモード光パワー
の依存性を示す図である。
【００１７】半導体集積型偏波モード変換器としての構
造は、図１（ａ）に示すように、複合共振器構造を有す
る半導体レーザの構造と同じである。すなわち、通常の
レーザを用いた共振器が、半導体導波路の長さ方向に隣
接する第１の領域１と第２の領域２の二つの領域に分け
られ、第１の領域１にはウェルに圧縮歪が導入されたＭ
ＱＷ構造を有する領域が設けられ、また、第２の領域２
にはウェルに引っ張り歪が導入されたＭＱＷ構造を有す
る領域が設けられている。さらに、第１の領域１及び第
２の領域２には、互いに分離独立に形成されている電極
３，４がそれぞれ設けられている。
【００１８】量子井戸に圧縮歪あるいは引っ張り歪が導
入されると、井戸のバンド構造が変化する。ここで、圧
縮歪ＭＱＷにおいては、その価電子帯第一準位がＨＨバ
ンドであるため、その領域においてＴＥモードの光に対
して増幅あるいは吸収作用が働く。一方、引っ張り歪Ｍ
ＱＷにおいては、その価電子帯第一準位がＬＨバンドで
あるため、その領域においてＴＭモ−ドの光に対して増
幅あるいは吸収作用が働く。なお、増幅か吸収かはそれ
ぞれの領域に設けられた電極に印加される電圧によって
制御され、電極に印加される電圧が順バイアスの場合は
増幅作用が働き、逆バイアスの場合は吸収作用が働く。
【００１９】仮に、圧縮歪ＭＱＷ構造を有する第１の領
域１に逆バイアス電圧が印加され、かつ、引っ張り歪Ｍ
ＱＷ構造を有する第２の領域２に順バイアス電圧が印加
された状態において、第１の領域１にＴＥモード成分を
有する光が入射する場合を考える。
【００２０】図１（ｂ）に示すように、入射するＴＥモ
ードパワーが増加するに連れて、入射したＴＥモード成
分を有する光が第１の領域１内の圧縮歪ＭＱＷを有する
領域において吸収されることより、複合共振器の損失が
低減され、ネット利得が増加する。そして、ネット利得
が閾値利得以上になると、第２の領域２内の引っ張り歪
ＭＱＷ構造を有する領域からＴＭモード成分を有する光
が発振し、ＴＭモード成分を有する出射光が得られる。
【００２１】このようにして、ＴＥモード成分を有する
入射光がＴＭモード成分を有する光に変換される。
【００２２】また、圧縮歪ＭＱＷ構造を有する第１の領
域１に順バイアス電圧が印加され、かつ、引っ張り歪Ｍ
ＱＷ構造を有する第２の領域２に逆バイアス電圧が印加
された状態において、第１の領域１にＴＭモード成分を
有する光が入射した場合は、上記と同様な原理により、
ＴＭモード成分を有する入射光がＴＥモード成分を有す
る光に変換される。
【００２３】次に、半導体集積型偏波モードフィルタと
しての動作原理について説明する。
【００２４】図２は、本発明の半導体光機能素子を半導
体集積型偏波モードフィルタとして動作させた場合の動
作原理について説明するための図であり、（ａ）はその
構造を示す断面図、（ｂ）はＴＥモード及びＴＭモード
それぞれにおける電界分布を示す図である。
【００２５】半導体集積型偏波モードフィルタとしての
構造は、図２（ａ）に示すように、図１に示した半導体
集積型偏波変換器としての構造と同じであるが、半導体
集積型偏波モードフィルタとして動作させるためには、
第１の領域１あるいは第２の領域２に印加する順バイア
ス電圧の値を、順バイアスが印加される領域においてレ
ーザ発振が起こらない程度に小さくすればよい。
【００２６】例えば、図２（ａ）に示すように、圧縮歪
ＭＱＷ構造を有する第１の領域１に逆バイアス電圧が印
加され、かつ、引っ張り歪ＭＱＷ構造を有する第２の領
域２にレーザ発振が起こらない程度の順バイアス電圧が
印加された状態において、第１の領域１にＴＥ及びＴＭ
の二つのモード成分を持つ光が入射した場合、図２
（ｂ）に示すように、入射した光のＴＥモード及びＴＭ
モードの成分のうち、ＴＥモードの成分が第１の領域１
内の圧縮歪ＭＱＷ構造を有する領域において吸収され、
第２の領域２内の引っ張り歪ＭＱＷ構造を有する領域か
らＴＭモード成分を有する光のみが出射される。
【００２７】また、圧縮歪ＭＱＷ構造を有する第１の領
域１にレーザ発振が起こらない程度の順バイアス電圧が
印加され、かつ、引っ張り歪ＭＱＷ構造を有する第２の
領域２に逆バイアス電圧が印加された状態において、第
１の領域１にＴＥ及びＴＭの二つのモード成分を持つ光
が入射した場合、入射した光のＴＥモード及びＴＭモー
ドの成分のうち、ＴＭモードの成分が第２の領域２内の
引っ張り歪ＭＱＷ構造を有する領域において吸収され、
第２の領域２内の引っ張り歪ＭＱＷ構造を有する領域か
らＴＥモード成分を有する光のみが出射される。
【００２８】それにより、入射光のＴＥあるいはＴＭモ
ード成分を選択的に除去する半導体集積型偏波モードフ
ィルタとして機能させることもできる。
【００２９】次に、集積型偏波モード独立増幅半導体光
アンプとしての動作原理について説明する。
【００３０】図３は、本発明の半導体光機能素子を集積
型偏波モード独立増幅半導体光アンプとして動作させた
場合の動作原理について説明するための図であり、
（ａ）はその構造を示す断面図、（ｂ）はＴＥモード及
びＴＭモードそれぞれにおける電界分布を示す図であ
る。
【００３１】集積型偏波モード独立増幅半導体光アンプ
としての構造は、図３（ａ）に示すように、図１に示し
た半導体集積型偏波変換器としての構造と同じである
が、集積型偏波モード独立増幅半導体光アンプとして動
作させるためには、第１の領域１及び第２の領域２に順
バイアス電圧を印加し、それぞれ領域のバイアスを調整
すればよく、それにより、ＴＥモード及びＴＭモード各
々の利得を独立にコントロールすることができる。
【００３２】第１の領域１及び第２の領域２に順バイア
スが印加された状態において、第１の領域１にＴＥ及び
ＴＭの二つのモード成分を持つ光が入射した場合、図３
（ｂ）に示すＴＥモード及びＴＭモードの電界分布から
分かるように、入射した光のＴＥモード及びＴＭモード
の光パワーが、それぞれ第１の領域１及び第２の領域２
の利得領域において増幅され、それにより、集積型偏波
モード独立増幅半導体光アンプとして機能する。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。
【００３４】図４は、本発明の半導体光機能素子を半導
体集積型偏波モード変換器として用いた場合の実施の一
形態を示す図であり、（ａ）はＴＥモード成分の光をＴ
Ｍモード成分の光に変換する例を示す図、（ｂ）はＴＭ
モード成分の光をＴＥモード成分の光に変換する例を示
す図である。
【００３５】以下に、図４に示す半導体光機能素子の製
造方法について説明する。
【００３６】まず、ＩｎＰ基板２１上にＩｎＧａＡｓＰ
クラッド層２２を成長させ、その後、二回の選択成長に
より隣接する圧縮歪ＭＱＷ及び引っ張り歪ＭＱＷを形成
する。
【００３７】次に、ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２２とＩ
ｎＰ基板２１を埋め込み成長させ、通常のフォトリソグ
ラフィーとエッチングにより、２μｍ幅のリッジ導波路
を形成する。
【００３８】その後、ＩｎＰ基板２１の下面に全面電極
１５を形成するとともに、上面に、圧縮歪ＭＱＷ構造を
有する第１の領域１１と引っ張り歪ＭＱＷ構造を有する
第２の領域２とを分離してそれぞれ独立な電極１３，１
４を形成する。
【００３９】本形態においては、上述した原理から分か
る様に、引っ張り歪ＭＱＷを有する第２の領域１２へ電
流を注入するとともに、圧縮歪ＭＱＷを有する第１の領
域１１に逆バイアス電圧を印加することにより、図４
（ａ）に示すようにＴＥモードからＴＭモードへの変換
を行うことができる。
【００４０】また、図４（ｂ）に示すように、圧縮歪Ｍ
ＱＷを有する第１の領域１１に順バイアス電圧、引っ張
り歪ＭＱＷを有する第２の領域１２に逆バイアス電圧を
それぞれ印加すると、ＴＭモードからＴＥモードへの変
換を行うことができる。
【００４１】図５は、本発明の半導体光機能素子を半導
体集積型偏波モードフィルタとして用いた場合の実施の
一形態を示す図であり、（ａ）はＴＥモード及びＴＭモ
ード成分の光が入射されてＴＭモード成分の光のみが出
射される例を示す図、（ｂ）はＴＥモード及びＴＭモー
ド成分の光が入射されてＴＥモード成分の光のみが出射
される例を示す図である。
【００４２】半導体光機能素子を半導体集積型偏波モー
ドフィルタとして機能させるためには図５に示すよう
に、図４において示したものにＡＲ膜２３を蒸着し、第
１の領域１１あるいは第２の領域１２に印加する順バイ
アス電圧の値を、順バイアスが印加される領域において
レーザ発振が起こらない程度に小さくすればよい。
【００４３】これにより、入射光がＴＥ及びＴＭの二つ
のモード成分を持つ場合に、図５（ａ），（ｂ）に示す
バイアス電圧のかけ方によって、それぞれ入射光のＴＥ
モードあるいはＴＭモード成分が選択的にカットされ、
残ったモードの光のみが増幅されて通過し、半導体集積
型偏波モードフィルタとして機能する。
【００４４】図６は、本発明の半導体光機能素子を集積
型偏波モード独立増幅半導体アンプとして用いた場合の
実施の一形態を示す図である。
【００４５】図６に示すように、圧縮歪ＭＱＷ構造を有
する第１の領域１１及び引っ張り歪ＭＱＷ構造を有する
第２の領域１２の両方ともに順バイアス電圧を印加し、
それぞれの領域に印加するバイアス電圧を調整すれば、
ＴＥモード及びＴＭモード各々の利得が独立にコントロ
ールされ、集積型偏波モード独立増幅半導体アンプとし
て機能する。
【００４６】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４７】請求項１及び請求項２に記載のものにおい
ては、第１の領域に圧縮歪ＭＱＷ構造を有する領域が設
けられ、第２の領域に引っ張り歪ＭＱＷ構造を有する領
域が設けられているため、ＴＥモード成分を有する光及
びＴＭモード成分を有する光に対する透過率を独立に制
御することができる。
【００４８】請求項３及び請求項４に記載のものにおい
ては、第１の領域及び第２の領域に設けられた電極に互
いに異なるバイアス電圧を印加することにより、入射し
た光の成分を変換して出力する半導体集積型偏波モード
変換器として駆動させることができる。
【００４９】請求項５及び請求項６に記載のものにおい
ては、第１の領域及び第２の領域に設けられた電極に互
いに異なるバイアス電圧を印加し、かつ、順バイアス電
圧の印加においては、その領域においてレーザ発振が起
こらない程度の小さな順バイアス電圧を印加することに
より、ＴＥモード及びＴＭモード成分を有する光が入射
した場合に一方の成分のみを通過させて出力する半導体
集積型偏波モードフィルタとして駆動させることができ
る。
【００５０】それにより、光ファイバ通信システムに利
用された場合、光ファイバからの微小な反射戻り光が吸
収され、伝送符号誤りが生じる虞れがなくなる。
【００５１】請求項７に記載のものにおいては、第１の
領域及び第２の領域に設けられた電極にそれぞれ調整さ
れた順バイアスを印加することにより、入射した光のＴ
Ｅモード及びＴＭモード成分のそれぞれの利得を独立に
制御して光を出力する集積型偏波モード独立増幅半導体
光アンプとして駆動させることができる。
【００５２】また、この構造を半導体レーザとモノリシ
ック集積して、半導体レーザからの出力光の偏波を制御
することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体光機能素子を半導体集積型偏波
モード変換器として動作させた場合の動作原理について
説明するための図であり、（ａ）はその構造を示す断面
図、（ｂ）は入射ＴＥモード光パワーに対する共振器ネ
ット利得及び発振するＴＭモード光パワーの依存性を示
す図である。
【図２】本発明の半導体光機能素子を半導体集積型偏波
モードフィルタとして動作させた場合の動作原理につい
て説明するための図であり、（ａ）はその構造を示す断
面図、（ｂ）はＴＥモード及びＴＭモードそれぞれにお
ける電界分布を示す図である。
【図３】本発明の半導体光機能素子を集積型偏波モード
独立増幅半導体光アンプとして動作させた場合の動作原
理について説明するための図であり、（ａ）はその構造
を示す断面図、（ｂ）はＴＥモード及びＴＭモードそれ
ぞれにおける電界分布を示す図である。
【図４】本発明の半導体光機能素子を半導体集積型偏波
モード変換器として用いた場合の実施の一形態を示す図
であり、（ａ）はＴＥモード成分の光をＴＭモード成分
の光に変換する例を示す図、（ｂ）はＴＭモード成分の
光をＴＥモード成分の光に変換する例を示す図である。
【図５】本発明の半導体光機能素子を半導体集積型偏波
モードフィルタとして用いた場合の実施の一形態を示す
図であり、（ａ）はＴＥモード及びＴＭモード成分の光
が入射されてＴＭモード成分の光のみが出射される例を
示す図、（ｂ）はＴＥモード及びＴＭモード成分の光が
入射されてＴＥモード成分の光のみが出射される例を示
す図である。
【図６】本発明の半導体光機能素子を集積型偏波モード
独立増幅半導体アンプとして用いた場合の実施の一形態
を示す図である。
【符号の説明】
１，１１ 第１の領域 ２，１２ 第２の領域 ３，４，１３，１４，１５ 電極 ２１ ＩｎＰ基板 ２２ ＧａＩｎＡｓＰクラッド層 ２３ ＡＲ膜
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 G02B 6/126 G02B 3/14 G02F 1/025

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ウェルに圧縮歪が導入されたＭＱＷ構造
    を具備する第１の領域とウェルに引っ張り歪が導入され
    たＭＱＷ構造を具備する第２の領域とが半導体導波路の
    長さ方向に直列連結され、前記第１の領域及び第２の領
    域に互いに分離独立に形成された電極がそれぞれ設けら
    れ、前記第１の領域及び前記第２の領域が、前記電極に
    印加されるバイアス電圧によって利得領域または吸収領
    域となる半導体集積型偏波モード変換器であって、 前記第１の領域に設けられた電極に逆バイアス電圧が印
    加され、前記第２の領域に設けられた電極に順バイアス
    電圧が印加されることにより、前記第１の領域にＴＥモ
    ード成分を有する光が入射された場合に前記第２の領域
    がＴＭモードで発振することを特徴とする半導体集積型
    偏波モード変換器。
  2. 【請求項２】 ウェルに圧縮歪が導入されたＭＱＷ構造
    を具備する第１の領域とウェルに引っ張り歪が導入され
    たＭＱＷ構造を具備する第２の領域とが半導体導波路の
    長さ方向に直列連結され、前記第１の領域及び第２の領
    域に互いに分離独立に形成された電極がそれぞれ設けら
    れ、前記第１の領域及び前記第２の領域が、前記電極に
    印加されるバイアス電圧によって利得領域または吸収領
    域となる半導体集積型偏波モード変換器であって、 前記第１の領域に設けられた電極に順バイアス電圧が印
    加され、前記第２の領域に設けられた電極に逆バイアス
    電圧が印加されることにより、前記第１の領域にＴＭモ
    ード成分を有する光が入射された場合に前記第１の領域
    がＴＥモードで発振することを特徴とする半導体集積型
    偏波モード変換器。
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