JP2991418B2 - 半導体光制御素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体光制御素子およびその製造方法Info
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- layer
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】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
なる半導体光スイッチおよび光変調器、特に伝搬光の損
失が小さく、半導体のエッチングを伴わないため製造方
法としても簡単な半導体光スイッチおよび光変調器に関
する。
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
なる半導体光スイッチおよび光変調器、特に伝搬光の損
失が小さく、半導体のエッチングを伴わないため製造方
法としても簡単な半導体光スイッチおよび光変調器に関
する。
【０００２】
【従来の技術】光スイッチや光変調器は将来の高速光通
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。
光スイッチや光変調器としては、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で、小型化、多チ
ャンネル化も容易な半導体光スイッチ、光変調器への期
待が近年高まりつつある。このような半導体光スイッ
チ、光変調器としては、上記適用分野から考えて、高速
動作、低損失動作、低消費電力動作、低電圧動作、高集
積の容易性等が要求される。
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。
光スイッチや光変調器としては、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で、小型化、多チ
ャンネル化も容易な半導体光スイッチ、光変調器への期
待が近年高まりつつある。このような半導体光スイッ
チ、光変調器としては、上記適用分野から考えて、高速
動作、低損失動作、低消費電力動作、低電圧動作、高集
積の容易性等が要求される。
【０００３】半導体光スイッチ、光変調器に利用される
物理効果としては、これまでに電流注入に伴い屈折率変
化が生ずるバンドフィリング効果もしくはフリーキャリ
アプラズマ効果、電界印加に伴い屈折率変化が生ずる電
気光学効果や、多重量子井戸に電界を印加したときに励
起子吸収ピークの移動に伴い屈折率変化が生ずるＱＣＳ
Ｅ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｓｔａ
ｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ）効果等が挙げられ、それらの効果
を利用した光スイッチや光変調器が試作検討されてい
る。このうち、電流注入によるバンドフィリング効果も
しくはフリーキャリアプラズマ効果を用いた光スイッチ
や光変調器は動作速度が遅くまた消費電力が大きいとい
う難点があり、また多重量子井戸構造におけるＱＣＳＥ
効果を用いた光スイッチや光変調器は本質的に低損失化
が困難であるという問題点がある。
物理効果としては、これまでに電流注入に伴い屈折率変
化が生ずるバンドフィリング効果もしくはフリーキャリ
アプラズマ効果、電界印加に伴い屈折率変化が生ずる電
気光学効果や、多重量子井戸に電界を印加したときに励
起子吸収ピークの移動に伴い屈折率変化が生ずるＱＣＳ
Ｅ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｓｔａ
ｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ）効果等が挙げられ、それらの効果
を利用した光スイッチや光変調器が試作検討されてい
る。このうち、電流注入によるバンドフィリング効果も
しくはフリーキャリアプラズマ効果を用いた光スイッチ
や光変調器は動作速度が遅くまた消費電力が大きいとい
う難点があり、また多重量子井戸構造におけるＱＣＳＥ
効果を用いた光スイッチや光変調器は本質的に低損失化
が困難であるという問題点がある。
【０００４】これに対して電気光学効果を用いた光スイ
ッチや光変調器は、他の効果を用いたものに比べて素子
長は長くなるものの、高速、低消費電力動作が可能であ
り、また低損失であるという利点も有している。低損失
性に関しては、近年Ｅ．Ｋａｐｏｎらによって波長１．
５２μm において０．１５ｄＢ／cmという低損失光導波
路がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で実現できることがアプ
ライド フィジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌第５０巻第２３号（１
９８７）のＰ１６２８〜１６３０ページにおいて報告さ
れている。ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのバンドギャッ
プ波長は１．３μm 帯および１．５μm 帯に比べて十分
に短波長側にあるため、上述のような低損失光導波路を
実現することができる。しかも、電気光学効果には波長
依存性が少ないので、動作波長がバンドギャップから離
れていても屈折率変化はバンドギャップ近傍の場合とそ
れ程変わらない。
ッチや光変調器は、他の効果を用いたものに比べて素子
長は長くなるものの、高速、低消費電力動作が可能であ
り、また低損失であるという利点も有している。低損失
性に関しては、近年Ｅ．Ｋａｐｏｎらによって波長１．
５２μm において０．１５ｄＢ／cmという低損失光導波
路がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で実現できることがアプ
ライド フィジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌第５０巻第２３号（１
９８７）のＰ１６２８〜１６３０ページにおいて報告さ
れている。ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのバンドギャッ
プ波長は１．３μm 帯および１．５μm 帯に比べて十分
に短波長側にあるため、上述のような低損失光導波路を
実現することができる。しかも、電気光学効果には波長
依存性が少ないので、動作波長がバンドギャップから離
れていても屈折率変化はバンドギャップ近傍の場合とそ
れ程変わらない。
【０００５】しかしながら、上述の低損失ＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓ光導波路はウエット化学エッチングにより形
成されたものであり、微細な導波路を広い面積にわたっ
て再現性良く形成するには不向きである。したがって、
上述の導波路形成法ではいくら低損失の導波路が実現で
きても、それを集積光デバイスへ適用したり、もしくは
単体光デバイスの量産化へと適用したりすることは難し
い。
ｌＧａＡｓ光導波路はウエット化学エッチングにより形
成されたものであり、微細な導波路を広い面積にわたっ
て再現性良く形成するには不向きである。したがって、
上述の導波路形成法ではいくら低損失の導波路が実現で
きても、それを集積光デバイスへ適用したり、もしくは
単体光デバイスの量産化へと適用したりすることは難し
い。
【０００６】これに対して、ドライエッチングを利用す
れば微細な導波路を広い面積にわたって再現性良く形成
することができる。しかしながら、現状のドライエッチ
ング技術ではエッチング底面やエッチング側面に微少な
凹凸ができることは避けられず、その凹凸により伝搬光
に散乱損失が生ずるので、損失低減には限りがある。さ
らに、ドライエッチングにおいてはエッチング底面にダ
メージが誘起され、このダメージも伝搬光に対して損失
を与える。このような理由によりドライエッチングを用
いた半導体光導波路の損失をウエット化学エッチングを
用いた場合のように減少させるのは困難である。しか
も、材料がＩｎＰ系の場合、ドライエッチング自体がま
だ確立されていないという問題点がある。これは、Ｉｎ
ＰやＧａＡｓのような化合物半導体材料のドライエッチ
ングに通常用いられる塩素ガスあるいは塩素と他のガス
の混合ガスを用いて、ＩｎＰ系材料をドライエッチング
すると、化学的に安定なＩｎの塩化物ＩｎＣｌ3 が生成
され、この塩化物がエッチングの進行を阻止するため実
用的なエッチング速度を得ることが難しいことに起因す
る。このＩｎの塩化物の生成を抑えるためにＩｎＰ系の
ドライエッチングにおいて、化学反応性を抑え主に物理
スパッタによりエッチングすることも考えられるが、そ
の場合にはエッチング底面のダメージが大きくなり望ま
しくない。近年、ＩｎＰ系の材料のドライエッチングに
メタン系のガスを用いることも提案されている。しかし
ながら、メタン系ガスを用いた場合には炭素による半導
体材料の汚染が避けられず、やはり問題は残る。
れば微細な導波路を広い面積にわたって再現性良く形成
することができる。しかしながら、現状のドライエッチ
ング技術ではエッチング底面やエッチング側面に微少な
凹凸ができることは避けられず、その凹凸により伝搬光
に散乱損失が生ずるので、損失低減には限りがある。さ
らに、ドライエッチングにおいてはエッチング底面にダ
メージが誘起され、このダメージも伝搬光に対して損失
を与える。このような理由によりドライエッチングを用
いた半導体光導波路の損失をウエット化学エッチングを
用いた場合のように減少させるのは困難である。しか
も、材料がＩｎＰ系の場合、ドライエッチング自体がま
だ確立されていないという問題点がある。これは、Ｉｎ
ＰやＧａＡｓのような化合物半導体材料のドライエッチ
ングに通常用いられる塩素ガスあるいは塩素と他のガス
の混合ガスを用いて、ＩｎＰ系材料をドライエッチング
すると、化学的に安定なＩｎの塩化物ＩｎＣｌ3 が生成
され、この塩化物がエッチングの進行を阻止するため実
用的なエッチング速度を得ることが難しいことに起因す
る。このＩｎの塩化物の生成を抑えるためにＩｎＰ系の
ドライエッチングにおいて、化学反応性を抑え主に物理
スパッタによりエッチングすることも考えられるが、そ
の場合にはエッチング底面のダメージが大きくなり望ま
しくない。近年、ＩｎＰ系の材料のドライエッチングに
メタン系のガスを用いることも提案されている。しかし
ながら、メタン系ガスを用いた場合には炭素による半導
体材料の汚染が避けられず、やはり問題は残る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述のように電気光学
効果を利用した半導体光スイッチや光変調器は有望であ
るが、ドライエッチング技術がまだ未成熟であるという
事情もあり、大規模集積化や単体光デバイスの量産化へ
と適用できるような微細でしかも低損失な光導波路を製
作する技術が確立していない。
効果を利用した半導体光スイッチや光変調器は有望であ
るが、ドライエッチング技術がまだ未成熟であるという
事情もあり、大規模集積化や単体光デバイスの量産化へ
と適用できるような微細でしかも低損失な光導波路を製
作する技術が確立していない。
【０００８】本発明の目的は、半導体のエッチングを行
わずに微細で低損失な化合物半導体光導波路を製造する
方法を提供し、この製造方法により製作される種々の半
導体光制御素子を提供することにある。
わずに微細で低損失な化合物半導体光導波路を製造する
方法を提供し、この製造方法により製作される種々の半
導体光制御素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体光制御素
子は、半導体基板上に半導体第一クラッド層、半導体導
波層、半導体第二クラッド層が順次積層された層構造を
有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層および半
導体キャップ層によるリッジが形成され、前記リッジに
より直線形状の３次元光導波路と曲線形状の３次元光導
波路が同一基板上に連続して形成された半導体光制御素
子であって、前記直線形状の３次元光導波路のリッジ側
面が（１１１）面であることを特徴とする。また前記直
線形状の３次元光導波路の一部に独立に電界を印加する
位相変調部が形成されていることを特徴とする。
子は、半導体基板上に半導体第一クラッド層、半導体導
波層、半導体第二クラッド層が順次積層された層構造を
有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層および半
導体キャップ層によるリッジが形成され、前記リッジに
より直線形状の３次元光導波路と曲線形状の３次元光導
波路が同一基板上に連続して形成された半導体光制御素
子であって、前記直線形状の３次元光導波路のリッジ側
面が（１１１）面であることを特徴とする。また前記直
線形状の３次元光導波路の一部に独立に電界を印加する
位相変調部が形成されていることを特徴とする。
【００１０】本発明の半導体光制御素子の製造方法は、
（１００）面方位の半導体基板上に半導体第一クラッド
層、半導体導波層、半導体第二クラッド層を順次積層す
る工程と、該半導体第二クラッド層上に選択成長用誘電
体マスクにより曲線形状の光導波路部と長手方向が＜０
１１＞方向である直線形状の光導波路部の空隙部パタ−
ンを形成する工程と、前記空隙部に半導体第三クラッド
層および半導体キャップ層を選択的に成長することによ
りリッジ部を形成して３次元光導波路を形成する工程と
を少なくとも含むことを特徴とする。また該直線形状の
光導波路部の空隙部パタ−ンの一部が位相変調器の導波
路パタ−ンに相応することを特徴とする。
（１００）面方位の半導体基板上に半導体第一クラッド
層、半導体導波層、半導体第二クラッド層を順次積層す
る工程と、該半導体第二クラッド層上に選択成長用誘電
体マスクにより曲線形状の光導波路部と長手方向が＜０
１１＞方向である直線形状の光導波路部の空隙部パタ−
ンを形成する工程と、前記空隙部に半導体第三クラッド
層および半導体キャップ層を選択的に成長することによ
りリッジ部を形成して３次元光導波路を形成する工程と
を少なくとも含むことを特徴とする。また該直線形状の
光導波路部の空隙部パタ−ンの一部が位相変調器の導波
路パタ−ンに相応することを特徴とする。
【００１１】
【作用】本発明においては、種々の光制御素子を製作す
る際に半導体のエッチングは用いずに、選択成長の際の
マスクとなる薄い誘電体膜（例えばＳｉＯ2 膜）をエッ
チングによりパターニングし、リッジ部は選択的な結晶
成長により形成する。薄い誘電体膜を広い面積にわたっ
て、再現性良く、微細にパターニングすることは半導体
をμm オーダの深さにエッチングする場合に比べるとは
るかに容易である。したがって本発明の製造方法によれ
ば、微細な半導体光制御デバイスを再現性良く、広い面
積にわたって製造することができる。
る際に半導体のエッチングは用いずに、選択成長の際の
マスクとなる薄い誘電体膜（例えばＳｉＯ2 膜）をエッ
チングによりパターニングし、リッジ部は選択的な結晶
成長により形成する。薄い誘電体膜を広い面積にわたっ
て、再現性良く、微細にパターニングすることは半導体
をμm オーダの深さにエッチングする場合に比べるとは
るかに容易である。したがって本発明の製造方法によれ
ば、微細な半導体光制御デバイスを再現性良く、広い面
積にわたって製造することができる。
【００１２】しかも、本製造方法を用いればリッジ側面
を平滑な（１１１）面とすることができるのでリッジ側
面での散乱損失を無くすることができる。言うまでもな
くリッジ側面以外の部分もすべて平滑な結晶面であるの
で散乱損失は生じない。また、この製造方法において
は、半導体のドライエッチングを用いないので、エッチ
ングにより誘起されるダメージは全く生じず、それによ
る伝搬光の損失も生じない。
を平滑な（１１１）面とすることができるのでリッジ側
面での散乱損失を無くすることができる。言うまでもな
くリッジ側面以外の部分もすべて平滑な結晶面であるの
で散乱損失は生じない。また、この製造方法において
は、半導体のドライエッチングを用いないので、エッチ
ングにより誘起されるダメージは全く生じず、それによ
る伝搬光の損失も生じない。
【００１３】したがって、本発明によれば超低損失で微
細な半導体光制御デバイスを再現性良く、広い面積にわ
たって製造することができる。
細な半導体光制御デバイスを再現性良く、広い面積にわ
たって製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明を詳細
に説明する。図１は本発明による光制御素子の一実施例
としてＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ光位相変調器の実施例を
示す斜視図である。まず図１に示したＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰ光位相変調器の製造方法について、その工程を説
明するための図２、図３を用いて説明する。
に説明する。図１は本発明による光制御素子の一実施例
としてＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ光位相変調器の実施例を
示す斜視図である。まず図１に示したＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰ光位相変調器の製造方法について、その工程を説
明するための図２、図３を用いて説明する。
【００１５】まず、（１００）面方位のｎ−ＩｎＰ基板
１０１上に、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法と
略する）等を用いて、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２を約
１μm 、波長組成１．１５μm のｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導
波層１０３を０．３μm 、ｉ−ＩｎＰクラッド層１０４
を０．３μm 順次積層する（図２（ａ））。次に、ｉ−
ＩｎＰクラッド層１０４の上にＳｉＯ2 膜２０１を形成
し（図２（ｂ））、通常のフォトリソグラフィ技術を用
いてＳｉＯ2 膜２０１をパターニングする（図２
（ｃ））。このＳｉＯ2 膜は後にリッジ部を選択的に成
長する際のマスクとなるので、後にリッジを形成すべき
部分がストライプ状の空隙部２０２となるようにパター
ニングを行う、（図２（ｃ））。また、空隙部のストラ
イプ方向は［０１１］方向とし、ストライプ幅は４μm
である。次に、再度ＭＯＶＰＥ法を用いて、上述のスト
ライプ状の空隙部２０２上のみに選択的にｐ−ＩｎＰク
ラッド層１０５を０．６μm 、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャッ
プ層１０６を０．２μm 成長する（図２（ｄ））。この
とき、形成されたリッジの側面は（１１１）Ｂ面とな
り、平滑なリッジ側面が得られる。
１０１上に、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法と
略する）等を用いて、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２を約
１μm 、波長組成１．１５μm のｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導
波層１０３を０．３μm 、ｉ−ＩｎＰクラッド層１０４
を０．３μm 順次積層する（図２（ａ））。次に、ｉ−
ＩｎＰクラッド層１０４の上にＳｉＯ2 膜２０１を形成
し（図２（ｂ））、通常のフォトリソグラフィ技術を用
いてＳｉＯ2 膜２０１をパターニングする（図２
（ｃ））。このＳｉＯ2 膜は後にリッジ部を選択的に成
長する際のマスクとなるので、後にリッジを形成すべき
部分がストライプ状の空隙部２０２となるようにパター
ニングを行う、（図２（ｃ））。また、空隙部のストラ
イプ方向は［０１１］方向とし、ストライプ幅は４μm
である。次に、再度ＭＯＶＰＥ法を用いて、上述のスト
ライプ状の空隙部２０２上のみに選択的にｐ−ＩｎＰク
ラッド層１０５を０．６μm 、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャッ
プ層１０６を０．２μm 成長する（図２（ｄ））。この
とき、形成されたリッジの側面は（１１１）Ｂ面とな
り、平滑なリッジ側面が得られる。
【００１６】次に選択成長用のマスクであるＳｉＯ2 膜
２０１を除去後（図３（ａ））、保護膜となるＳｉＯ2
膜１０７を形成する（図３（ｂ））。ＳｉＯ2 膜１０７
にｐ側電極コンタクト用の窓２０３を形成後（図３
（ｃ））、ＴｉとＡｕよりなるｐ側電極１０８を形成す
る（図３（ｄ））。最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１０１を１
００μm 程度の厚さに研磨した後ｎ−ＩｎＰ基板１０１
側にＡｕＧｅＮｉ／ＡｕＮｉよりなるｎ側電極１１０を
形成し（図３（ｅ））、素子をへき開し、必要に応じて
入出射端面に無反射コーティングを施して素子製作を終
了する。
２０１を除去後（図３（ａ））、保護膜となるＳｉＯ2
膜１０７を形成する（図３（ｂ））。ＳｉＯ2 膜１０７
にｐ側電極コンタクト用の窓２０３を形成後（図３
（ｃ））、ＴｉとＡｕよりなるｐ側電極１０８を形成す
る（図３（ｄ））。最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１０１を１
００μm 程度の厚さに研磨した後ｎ−ＩｎＰ基板１０１
側にＡｕＧｅＮｉ／ＡｕＮｉよりなるｎ側電極１１０を
形成し（図３（ｅ））、素子をへき開し、必要に応じて
入出射端面に無反射コーティングを施して素子製作を終
了する。
【００１７】以上の製造方法により製作された図１に示
した光制御素子の動作について以下に説明する。図１に
示した光制御素子のｐ側電極１０８とｎ側電極１１０と
の間に逆バイアス電圧を印加すると、ｉ−ＩｎＧａＡｓ
Ｐ導波層１０３とｉ−ＩｎＰクラッド層１０４に電界が
印加され、この電界によって一次の電気光学効果（ポッ
ケルス効果）によりｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０３と
ｉ−ＩｎＰクラッド層１０４の屈折率が変化する。した
がって、入射側端面よりｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０
３のバンドギャップ波長（λｇ＝１．１５μm ）よりも
長波長側の光を素子に入射すると、伝搬光はほとんど損
失なく出射側端面へと達するが、逆バイアス電圧を印加
すると電界により位相変調を受ける。よって、図１に示
した素子は位相変調器として動作する。図４は、図１に
示した素子の素子長を３mmとしたときの逆バイアス電圧
と位相変化量との関係を示す図である。入射光の波長は
１．３μm である。位相変化量をπとするのに要する電
圧Ｖπは５．８Ｖである。また、素子長３mmのときのこ
の素子の静電容量Ｃは２．２ｐＦあり、特性インピーダ
ンスが５０オーム（Ω）の系における変調周波数帯域と
しては約３ＧＨｚが得られる。
した光制御素子の動作について以下に説明する。図１に
示した光制御素子のｐ側電極１０８とｎ側電極１１０と
の間に逆バイアス電圧を印加すると、ｉ−ＩｎＧａＡｓ
Ｐ導波層１０３とｉ−ＩｎＰクラッド層１０４に電界が
印加され、この電界によって一次の電気光学効果（ポッ
ケルス効果）によりｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０３と
ｉ−ＩｎＰクラッド層１０４の屈折率が変化する。した
がって、入射側端面よりｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０
３のバンドギャップ波長（λｇ＝１．１５μm ）よりも
長波長側の光を素子に入射すると、伝搬光はほとんど損
失なく出射側端面へと達するが、逆バイアス電圧を印加
すると電界により位相変調を受ける。よって、図１に示
した素子は位相変調器として動作する。図４は、図１に
示した素子の素子長を３mmとしたときの逆バイアス電圧
と位相変化量との関係を示す図である。入射光の波長は
１．３μm である。位相変化量をπとするのに要する電
圧Ｖπは５．８Ｖである。また、素子長３mmのときのこ
の素子の静電容量Ｃは２．２ｐＦあり、特性インピーダ
ンスが５０オーム（Ω）の系における変調周波数帯域と
しては約３ＧＨｚが得られる。
【００１８】ところで、図１に示した光位相変調器にお
いて最も特徴的なことは、リッジ１３１を選択成長によ
り形成しており、リッジ側面１３０はもちろんのこと、
全ての面が平滑な結晶面であることである。このため従
来のエッチングにより形成した光導波路において必ず生
じていた散乱による損失が、本実施例においては生じな
い。したがって本発明では、従来に比べて大幅に低損失
な光位相変調器を実現できる。
いて最も特徴的なことは、リッジ１３１を選択成長によ
り形成しており、リッジ側面１３０はもちろんのこと、
全ての面が平滑な結晶面であることである。このため従
来のエッチングにより形成した光導波路において必ず生
じていた散乱による損失が、本実施例においては生じな
い。したがって本発明では、従来に比べて大幅に低損失
な光位相変調器を実現できる。
【００１９】本発明者らの実験によれば、全ての層がア
ンドープという点を除けば図１に示した本実施例と同じ
構造の導波路の伝搬損失は、波長１．３μm において
０．０７ｄＢ／cmと超低損失であった。これは、本発明
による光導波路の製造方法が散乱損失を生じさせない方
法であること、およびドライエッチングを用いていない
のでダメージによる損失が生じないためである。なお、
上述の実験により波長組成１．１５μm のＩｎＧａＡｓ
Ｐは波長１．３μm に対して透明であり、損失が生じな
いことも確認されている。本実施例においては電界を導
波層に印加するためにドーピング層を設けているため、
伝搬光が受ける損失は全ての層がアンドープの場合より
は増加する。しかしながら、それでも３mmの素子で伝搬
損失０．４ｄＢと超低損失とすることが可能である。
ンドープという点を除けば図１に示した本実施例と同じ
構造の導波路の伝搬損失は、波長１．３μm において
０．０７ｄＢ／cmと超低損失であった。これは、本発明
による光導波路の製造方法が散乱損失を生じさせない方
法であること、およびドライエッチングを用いていない
のでダメージによる損失が生じないためである。なお、
上述の実験により波長組成１．１５μm のＩｎＧａＡｓ
Ｐは波長１．３μm に対して透明であり、損失が生じな
いことも確認されている。本実施例においては電界を導
波層に印加するためにドーピング層を設けているため、
伝搬光が受ける損失は全ての層がアンドープの場合より
は増加する。しかしながら、それでも３mmの素子で伝搬
損失０．４ｄＢと超低損失とすることが可能である。
【００２０】図５に本発明による光制御素子の他の実施
例を示す。図５は本発明によるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
方向性結合器型光スイッチの実施例を示す斜視図であ
る。図５に示したＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ方向性結合器
型光スイッチの製造方法については、前述の第一の実施
例とほとんど同一であるので詳細は省略する。本実施例
の方向性結合器型光スイッチを製作する際に第１の実施
例と異なるのは、リッジを選択的に成長する際のＳｉＯ
2 マスクの形状とｐ側電極の形状だけである。図６に本
実施例におけるリッジ選択成長用ＳｉＯ2 マスク形状の
上面図を示す。２本のリッジ型導波路を近接して形成す
るように、２本の幅ｗのストライプ状空隙部２０２がｄ
だけ離されて並置されている。さらに、本実施例の場合
にはΔβ反転駆動を可能とするように、それぞれのスト
ライプ状空隙部はスリット部６１０により分離されてい
る。空隙部の幅ｗは４μm 、空隙部２０２の間隔ｄは２
μm、ＳｉＯ2 膜２０１の幅ｗｍは１５μm であり、１
素子当りの長さＬは４mm、スリット部６１０の長さｓは
４μm である。各層の組成、厚さ、ドーピング濃度は第
１の実施例と同一であり、電極材料等も第１の実施例と
同一である。
例を示す。図５は本発明によるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
方向性結合器型光スイッチの実施例を示す斜視図であ
る。図５に示したＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ方向性結合器
型光スイッチの製造方法については、前述の第一の実施
例とほとんど同一であるので詳細は省略する。本実施例
の方向性結合器型光スイッチを製作する際に第１の実施
例と異なるのは、リッジを選択的に成長する際のＳｉＯ
2 マスクの形状とｐ側電極の形状だけである。図６に本
実施例におけるリッジ選択成長用ＳｉＯ2 マスク形状の
上面図を示す。２本のリッジ型導波路を近接して形成す
るように、２本の幅ｗのストライプ状空隙部２０２がｄ
だけ離されて並置されている。さらに、本実施例の場合
にはΔβ反転駆動を可能とするように、それぞれのスト
ライプ状空隙部はスリット部６１０により分離されてい
る。空隙部の幅ｗは４μm 、空隙部２０２の間隔ｄは２
μm、ＳｉＯ2 膜２０１の幅ｗｍは１５μm であり、１
素子当りの長さＬは４mm、スリット部６１０の長さｓは
４μm である。各層の組成、厚さ、ドーピング濃度は第
１の実施例と同一であり、電極材料等も第１の実施例と
同一である。
【００２１】図５に示した光制御素子の動作について以
下に説明する。図５に示した光制御素子のｐ側電極１０
８ａおよび１０８ｂとｎ側電極１１０との間に逆バイア
ス電圧を印加すると、ｐ側電極１０８ａおよび１０８ｂ
直下の導波路のｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０３とｉ−
ＩｎＰクラッド層１０４に電界が印加され、この電界に
よって一次の電気光学効果（ポッケルス効果）によりｉ
−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０３とｉ−ＩｎＰクラッド層
１０４の屈折率が変化する。このため、片側の導波路へ
と入射した入射光１１１の他方の導波路への結合状態を
逆バイアス電圧により制御することができる。図７に、
図５に示した方向性結合器型光スイッチに波長１．３μ
m の光を入射したときのスイッチング特性図を示す。な
お、図７は素子長が４mmのときの、Δβ反転駆動時のス
イッチング特性であり、図５において入射光１１１がは
いったとき、出射光５０１ａと５０１ｂの光出力と逆バ
イアス電圧の関係を示している。逆バイアス電圧６．５
Ｖで他方の導波路へ完全に入射光パワーが移行する
（×）状態、１４．２Ｖで入射側光導波路から出射する
（＝）状態が実現できる。なお、この場合の素子容量Ｃ
は３ｐＦであり、スイッチングの周波数帯域として２．
２ＧＨｚが確保できる。
下に説明する。図５に示した光制御素子のｐ側電極１０
８ａおよび１０８ｂとｎ側電極１１０との間に逆バイア
ス電圧を印加すると、ｐ側電極１０８ａおよび１０８ｂ
直下の導波路のｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０３とｉ−
ＩｎＰクラッド層１０４に電界が印加され、この電界に
よって一次の電気光学効果（ポッケルス効果）によりｉ
−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０３とｉ−ＩｎＰクラッド層
１０４の屈折率が変化する。このため、片側の導波路へ
と入射した入射光１１１の他方の導波路への結合状態を
逆バイアス電圧により制御することができる。図７に、
図５に示した方向性結合器型光スイッチに波長１．３μ
m の光を入射したときのスイッチング特性図を示す。な
お、図７は素子長が４mmのときの、Δβ反転駆動時のス
イッチング特性であり、図５において入射光１１１がは
いったとき、出射光５０１ａと５０１ｂの光出力と逆バ
イアス電圧の関係を示している。逆バイアス電圧６．５
Ｖで他方の導波路へ完全に入射光パワーが移行する
（×）状態、１４．２Ｖで入射側光導波路から出射する
（＝）状態が実現できる。なお、この場合の素子容量Ｃ
は３ｐＦであり、スイッチングの周波数帯域として２．
２ＧＨｚが確保できる。
【００２２】ところで、図５に示した方向性結合器型ス
イッチにおいても、最も特徴的なことは、リッジ１３１
を選択成長により形成しており、リッジ側面１３０はも
ちろんのこと、全ての面が平滑な結晶面であることであ
る。このため従来のエッチングにより形成した光導波路
においては必ず生ずる散乱による損失が本実施例におい
ては生じないため、従来に比べて大幅に低損失な方向性
結合器型光スイッチを本発明により実現できることは、
第１の実施例の場合と同様である。
イッチにおいても、最も特徴的なことは、リッジ１３１
を選択成長により形成しており、リッジ側面１３０はも
ちろんのこと、全ての面が平滑な結晶面であることであ
る。このため従来のエッチングにより形成した光導波路
においては必ず生ずる散乱による損失が本実施例におい
ては生じないため、従来に比べて大幅に低損失な方向性
結合器型光スイッチを本発明により実現できることは、
第１の実施例の場合と同様である。
【００２３】図８に本発明による光制御素子の他の実施
例を示す。図８は本発明によるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
マッハツェンダー型光変調器の実施例を示す斜視図であ
る。図８に示したＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰマッハツェン
ダー型光変調器の製造方法については、前述の第１の実
施例および第２の実施例とほとんど同一であるので詳細
は省略する。マッハツェンダー型光変調器は３ｄＢ光分
岐器部８１０、２つの位相変調器部よりなる位相変調器
部８１１および光合流器部８１２により構成されるが、
いずれの部分でも導波路幅ｗは４μm である。また、図
８においては２つの位相変調器の長さは各々３mm、２つ
の位相変調器を電気的に分離するためのスリット部の長
さは４μm 、２つの位相変調器の間隔は２０μm であ
り、Ｙ字型の３ｄＢ光分岐器および光合流器とも曲線導
波路部の曲率半径は５mmである。各層の組成、厚さ、ド
ーピング濃度は第１の実施例と同一であり、電極材料等
も第１の実施例と同一である。
例を示す。図８は本発明によるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
マッハツェンダー型光変調器の実施例を示す斜視図であ
る。図８に示したＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰマッハツェン
ダー型光変調器の製造方法については、前述の第１の実
施例および第２の実施例とほとんど同一であるので詳細
は省略する。マッハツェンダー型光変調器は３ｄＢ光分
岐器部８１０、２つの位相変調器部よりなる位相変調器
部８１１および光合流器部８１２により構成されるが、
いずれの部分でも導波路幅ｗは４μm である。また、図
８においては２つの位相変調器の長さは各々３mm、２つ
の位相変調器を電気的に分離するためのスリット部の長
さは４μm 、２つの位相変調器の間隔は２０μm であ
り、Ｙ字型の３ｄＢ光分岐器および光合流器とも曲線導
波路部の曲率半径は５mmである。各層の組成、厚さ、ド
ーピング濃度は第１の実施例と同一であり、電極材料等
も第１の実施例と同一である。
【００２４】図８に示した光制御素子の動作について以
下に説明する。図８に示したマッハツェンダー型光変調
器の２つの位相変調器のうちの１つの位相変調器のｐ側
電極１０８とｎ側電極１１０との間に逆バイアス電圧を
印加すると、ｐ側電極１０８直下の導波路のｉ−ＩｎＧ
ａＡｓＰ導波層１０３とｉ−ＩｎＰクラッド層１０４に
電界が印加され、この電界によって一次の電気光学効果
（ポッケルス効果）によりｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１
０３とｉ−ＩｎＰクラッド層１０４の屈折率が変化す
る。このため、３ｄＢ光分岐器８１０により等分された
入射光１１１のうち一方は逆バイアス電圧の印加により
位相変調を受け、光合流器８１２により２つの光路の光
が合流されたときこの位相変調が強度変調へと変換され
る。したがって、片側の位相変調器へ、πの位相変化を
与えるような逆バイアス電圧Ｖπを印加すると入射光を
消光させることができる。図９に、図８に示したマッハ
ツェンダー型光変調器に波長１．３μm の光を入射した
ときの消光特性図を示す。逆バイアス電圧０Ｖで光透過
状態、逆バイアス電圧５．８Ｖで光消光状態であり、逆
バイアス電圧をさらに増加させると以下これを周期的に
繰り返す。なお、この場合の素子容量Ｃは２．２ｐＦで
あり、変調周波数帯域として３ＧＨｚが確保できる。
下に説明する。図８に示したマッハツェンダー型光変調
器の２つの位相変調器のうちの１つの位相変調器のｐ側
電極１０８とｎ側電極１１０との間に逆バイアス電圧を
印加すると、ｐ側電極１０８直下の導波路のｉ−ＩｎＧ
ａＡｓＰ導波層１０３とｉ−ＩｎＰクラッド層１０４に
電界が印加され、この電界によって一次の電気光学効果
（ポッケルス効果）によりｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１
０３とｉ−ＩｎＰクラッド層１０４の屈折率が変化す
る。このため、３ｄＢ光分岐器８１０により等分された
入射光１１１のうち一方は逆バイアス電圧の印加により
位相変調を受け、光合流器８１２により２つの光路の光
が合流されたときこの位相変調が強度変調へと変換され
る。したがって、片側の位相変調器へ、πの位相変化を
与えるような逆バイアス電圧Ｖπを印加すると入射光を
消光させることができる。図９に、図８に示したマッハ
ツェンダー型光変調器に波長１．３μm の光を入射した
ときの消光特性図を示す。逆バイアス電圧０Ｖで光透過
状態、逆バイアス電圧５．８Ｖで光消光状態であり、逆
バイアス電圧をさらに増加させると以下これを周期的に
繰り返す。なお、この場合の素子容量Ｃは２．２ｐＦで
あり、変調周波数帯域として３ＧＨｚが確保できる。
【００２５】ところで、図８に示したマッハツェンダー
型光変調器においても、最も特徴的なことは、リッジ１
３１を選択成長により形成しており、リッジ側面１３０
はもちろんのこと、全ての面が平滑な結晶面であること
である。このため従来のエッチングにより形成した光導
波路においては必ず生ずる散乱による損失が本実施例に
おいては生じない。したがって、従来に比べて大幅に低
損失な方向性結合器型光スイッチを本発明により実現で
きる。このことは第１、第２の実施例の場合と同様であ
る。
型光変調器においても、最も特徴的なことは、リッジ１
３１を選択成長により形成しており、リッジ側面１３０
はもちろんのこと、全ての面が平滑な結晶面であること
である。このため従来のエッチングにより形成した光導
波路においては必ず生ずる散乱による損失が本実施例に
おいては生じない。したがって、従来に比べて大幅に低
損失な方向性結合器型光スイッチを本発明により実現で
きる。このことは第１、第２の実施例の場合と同様であ
る。
【００２６】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、ＩｎＰ系の光制御素子
を取り上げたが、これに限るものではなく、ＧａＡｓ系
などの他の半導体材料を用いた光制御素子に対しても本
発明は同様に適用可能である。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。
ものではない。実施例としては、ＩｎＰ系の光制御素子
を取り上げたが、これに限るものではなく、ＧａＡｓ系
などの他の半導体材料を用いた光制御素子に対しても本
発明は同様に適用可能である。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。
【００２７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば超低
損失の光位相変調器、方向性結合器型光スイッチ、マッ
ハツェンダー型光変調器を得ることができる。しかも、
本発明においては、種々の光制御素子を製作する際に半
導体のエッチングは用いずに、選択成長の際のマスクと
なる薄い誘電体膜（例えばＳｉＯ2 膜）をエッチングに
よりパターニングし、リッジ部は選択的な結晶成長によ
り形成する。薄い誘電体膜を広い面積にわたって、再現
性良く、微細にパターニングすることは半導体をμm オ
ーダの深さにエッチングする場合に比べるとはるかに容
易である。したがって本発明の製造方法によれば、微細
な半導体光制御デバイスを再現性良く、広い面積にわた
って製造することができる。
損失の光位相変調器、方向性結合器型光スイッチ、マッ
ハツェンダー型光変調器を得ることができる。しかも、
本発明においては、種々の光制御素子を製作する際に半
導体のエッチングは用いずに、選択成長の際のマスクと
なる薄い誘電体膜（例えばＳｉＯ2 膜）をエッチングに
よりパターニングし、リッジ部は選択的な結晶成長によ
り形成する。薄い誘電体膜を広い面積にわたって、再現
性良く、微細にパターニングすることは半導体をμm オ
ーダの深さにエッチングする場合に比べるとはるかに容
易である。したがって本発明の製造方法によれば、微細
な半導体光制御デバイスを再現性良く、広い面積にわた
って製造することができる。
【図１】本発明の一実施例であるＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ光位相変調器の構造を示す斜視図である。
Ｐ光位相変調器の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明による光制御素子の製造方法を説明する
ための図である。
ための図である。
【図３】本発明による光制御素子の製造方法を説明する
ための図で図２の続きである。
ための図で図２の続きである。
【図４】本発明による光位相変調器の位相変調特性を示
す図である。
す図である。
【図５】本発明の一実施例であるＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ方向性結合器型光スイッチの構造を示す斜視図であ
る。
Ｐ方向性結合器型光スイッチの構造を示す斜視図であ
る。
【図６】本発明の一実施例であるＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ方向性結合器型光スイッチを製造する際の選択リッジ
成長用マスクパターンを示す図である。
Ｐ方向性結合器型光スイッチを製造する際の選択リッジ
成長用マスクパターンを示す図である。
【図７】本発明による方向性結合器型光スイッチのスイ
ッチング特性を示す図である。
ッチング特性を示す図である。
【図８】本発明の一実施例であるＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐマッハツェンダー型光変調器の構造を示す斜視図であ
る。
Ｐマッハツェンダー型光変調器の構造を示す斜視図であ
る。
【図９】本発明によるマッハツェンダー型光変調器の消
光特性を示す図である。
光特性を示す図である。
１０１ （１００）面ｎ−ＩｎＰ基板 １０２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 １０３ ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層 １０４ ｉ−ＩｎＰクラッド層 １０５ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １０６ ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層 １０７ ＳｉＯ2 膜 １０８ ｐ側電極 １０８ａ ｐ側電極 １０８ｂ ｐ側電極 １０８ｃ ｐ側電極 １０８ｄ ｐ側電極 １０９ ｐ側電極パッド １１０ ｎ側電極 １１１ 入射光 １２０ 出射光 １３０ リッジ側面（（１１１）Ｂ面） １３１ リッジ ２０１ ＳｉＯ2 膜 ２０２ 空隙部 ２０３ 窓 ５０１ａ 出射光 ５０１ｂ 出射光 ５１０ スリット ６１０ スリット部 ８１０ ３ｄＢ光分岐器部 ８１１ 位相変調器部 ８１２ 光合流器部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−119311（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−281231（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−90879（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−64604（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−126911（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−31814（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−21904（ＪＰ，Ａ) 特表 昭61−502297（ＪＰ，Ａ) Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．25 Ｎｏ．１ ｐｐ．Ｌ10 −Ｌ12（Ｊａｎｕａｒｙ 1986) Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅ ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．68 Ｎ ｏ．２ ｐｐ．560−568（15 Ｊｕｌｙ 1990)
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基板上に半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層が順次積層された
層構造を有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層
および半導体キャップ層によるリッジが形成され、前記
リッジにより直線形状の３次元光導波路と曲線形状の３
次元光導波路が同一基板上に連続して形成された半導体
光制御素子であって、前記直線形状の３次元光導波路の
リッジ側面が（１１１）面であることを特徴とする半導
体光制御素子。 - 【請求項２】 半導体基板上に半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層が順次積層された
層構造を有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層
および半導体キャップ層によるリッジが形成され、前記
リッジにより直線形状の３次元光導波路と曲線形状の３
次元光導波路が同一基板上に連続して形成され、前記直
線形状の３次元光導波路の一部に独立に電界を印加する
位相変調部が形成された半導体光制御素子であって、前
記直線形状の３次元光導波路のリッジ側面が（１１１）
面であることを特徴とする半導体光制御素子。 - 【請求項３】 （１００）面方位の半導体基板上に半導
体第一クラッド層、半導体導波層、半導体第二クラッド
層を順次積層する工程と、該半導体第二クラッド層上に
選択成長用誘電体マスクにより曲線形状の光導波路部と
長手方向が＜０１１＞方向である直線形状の光導波路部
の空隙部パタ−ンを形成する工程と、前記空隙部に半導
体第三クラッド層および半導体キャップ層を選択的に成
長することによりリッジ部を形成して３次元光導波路を
形成する工程とを少なくとも含むことを特徴とする半導
体光制御素子の製造方法。 - 【請求項４】 （１００）面方位の半導体基板上に半導
体第一クラッド層、半導体導波層、半導体第二クラッド
層を順次積層する工程と、該半導体第二クラッド層上に
選択成長用誘電体マスクにより曲線形状の光導波路部と
長手方向が＜０１１＞方向である直線形状の光導波路部
の空隙部パタ−ンを形成する工程と、前記空隙部に半導
体第三クラッド層および半導体キャップ層を選択的に成
長することによりリッジ部を形成して３次元光導波路を
形成する工程とを少なくとも含み、該直線形状の光導波
路部の空隙部パタ−ンの一部が位相変調器の導波路パタ
−ンに相応することを特徴とする半導体光制御素子の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8222963A JP2991418B2 (ja) | 1996-08-26 | 1996-08-26 | 半導体光制御素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8222963A JP2991418B2 (ja) | 1996-08-26 | 1996-08-26 | 半導体光制御素子およびその製造方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16853991A Division JP2754957B2 (ja) | 1991-07-10 | 1991-07-10 | 半導体光制御素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09105893A JPH09105893A (ja) | 1997-04-22 |
| JP2991418B2 true JP2991418B2 (ja) | 1999-12-20 |
Family
ID=16790636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8222963A Expired - Lifetime JP2991418B2 (ja) | 1996-08-26 | 1996-08-26 | 半導体光制御素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2991418B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5338456B2 (ja) * | 2009-04-28 | 2013-11-13 | 日本電気株式会社 | 半導体マッハツェンダー光変調器及びその製造方法、半導体光集積素子及びその製造方法 |
-
1996
- 1996-08-26 JP JP8222963A patent/JP2991418B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．１ ｐｐ．Ｌ１０−Ｌ１２（Ｊａｎｕａｒｙ １９８６） |
| Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．６８ Ｎｏ．２ ｐｐ．５６０−５６８（１５ Ｊｕｌｙ １９９０） |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09105893A (ja) | 1997-04-22 |
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