JP3123672B2 - 光半導体素子 - Google Patents
光半導体素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光伝送、光交換、光情
報処理、光記録などに用いられる光変調器や、波長分割
多重（ＷＤＭ）光通信、波長分割多重光交換、光演算な
どに用いられる波長可変フィルタなどの光半導体素子に
関する。
報処理、光記録などに用いられる光変調器や、波長分割
多重（ＷＤＭ）光通信、波長分割多重光交換、光演算な
どに用いられる波長可変フィルタなどの光半導体素子に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、駆動電圧が低く、高速駆動でき、
更に半導体レーザなどの他の光電子素子との集積化が容
易である半導体を利用した光変調器は既知である。例え
ば、電界印加による半導体（バルク構造や量子井戸構造
の半導体層など）の吸収端シフトを利用した吸収型光変
調器、及び電界印加による屈折率変化を利用した方向性
結合器型或は全反射型変調器が知られている。
更に半導体レーザなどの他の光電子素子との集積化が容
易である半導体を利用した光変調器は既知である。例え
ば、電界印加による半導体（バルク構造や量子井戸構造
の半導体層など）の吸収端シフトを利用した吸収型光変
調器、及び電界印加による屈折率変化を利用した方向性
結合器型或は全反射型変調器が知られている。
【０００３】前者はｐ−ｉ−ｎ構造を持つ半導体導波路
から成り、電界を印加することでフランツケルディシュ
効果或はＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効果）によ
り図８の如く吸収端がシフトして光吸収率が変化し、或
る波長の光の透過率の制御が可能となるものである（Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．４７，ｐ．
１１４８−１１５０（１９８５）参照）。しかし、この
タイプの光変調器では、消光比を向上させる為に使用波
長を吸収端に近付ける必要があり、従って透過状態での
透過率が低くなっていた。よって、挿入損失が大きいと
いう欠点があった。また、吸収端波長に依存して、どの
様な波長の光をも変調できるものではなく使用波長すな
わち被変調波長が制限されるという難点もある。
から成り、電界を印加することでフランツケルディシュ
効果或はＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効果）によ
り図８の如く吸収端がシフトして光吸収率が変化し、或
る波長の光の透過率の制御が可能となるものである（Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．４７，ｐ．
１１４８−１１５０（１９８５）参照）。しかし、この
タイプの光変調器では、消光比を向上させる為に使用波
長を吸収端に近付ける必要があり、従って透過状態での
透過率が低くなっていた。よって、挿入損失が大きいと
いう欠点があった。また、吸収端波長に依存して、どの
様な波長の光をも変調できるものではなく使用波長すな
わち被変調波長が制限されるという難点もある。
【０００４】後者の方向性結合器型もしくは全反射型の
ものは、図９（ａ）、（ｂ）に示す如く、２つの導波路
の結合領域（（ａ）の場合）或いは交差領域（（ｂ）の
場合）に電極を設け、ここへの電界印加により屈折率変
化を起こし光波の導波路間移行を行なうものである（電
子通信学会研究報告ＯＱＥ８６−３９参照）。この結
果、一方の導波路出射端からの出力光に変調がかけられ
る。しかし、このタイプの光変調器においては、屈折率
変化により光変調度を制御しているにも係らず、屈折率
変化と同時に必然的に光吸収率も変化してしまう為、光
変調が安定的にかけられないという欠点があった。しか
も、素子長を短くする（すなわち導波路長を短くする）
と共に駆動電圧の低減化を図る為に、一定電界に対して
大きな屈折率変化を得ようとすると、被変調光波長の設
定が光吸収の大きな波長域に近付いてしまう難点もあ
る。
ものは、図９（ａ）、（ｂ）に示す如く、２つの導波路
の結合領域（（ａ）の場合）或いは交差領域（（ｂ）の
場合）に電極を設け、ここへの電界印加により屈折率変
化を起こし光波の導波路間移行を行なうものである（電
子通信学会研究報告ＯＱＥ８６−３９参照）。この結
果、一方の導波路出射端からの出力光に変調がかけられ
る。しかし、このタイプの光変調器においては、屈折率
変化により光変調度を制御しているにも係らず、屈折率
変化と同時に必然的に光吸収率も変化してしまう為、光
変調が安定的にかけられないという欠点があった。しか
も、素子長を短くする（すなわち導波路長を短くする）
と共に駆動電圧の低減化を図る為に、一定電界に対して
大きな屈折率変化を得ようとすると、被変調光波長の設
定が光吸収の大きな波長域に近付いてしまう難点もあ
る。
【０００５】一方、従来、波長分割多重型システムにお
いて、チャネルを分割する装置として分波器が用いられ
ている。これは、例えば、干渉フィルタやグレーティン
グなどの波長分散素子を用い、波長に依存して透過／反
射成分に分かれたり反射角度が異なることを利用して分
波を行なうものである。しかし、こうした分波器は数波
長の情報を同時に受信できる反面、波長領域に多重化さ
れている情報を空間領域に分割するので素子の面積の拡
大を招き、更にそれとの関係から集積可能な光検出器の
数に限度が生じて波長多重の高密度化が困難である。
いて、チャネルを分割する装置として分波器が用いられ
ている。これは、例えば、干渉フィルタやグレーティン
グなどの波長分散素子を用い、波長に依存して透過／反
射成分に分かれたり反射角度が異なることを利用して分
波を行なうものである。しかし、こうした分波器は数波
長の情報を同時に受信できる反面、波長領域に多重化さ
れている情報を空間領域に分割するので素子の面積の拡
大を招き、更にそれとの関係から集積可能な光検出器の
数に限度が生じて波長多重の高密度化が困難である。
【０００６】これを解決する手段として波長可変フィル
タがあり、これを用いれば波長多重方式に対応して１つ
の光検出器で十分対処でき、更に波長可変フィルタのチ
ャネル数を拡張すれば波長多重度の増大も図れる。波長
可変フィルタとしてはＴＥ−ＴＭモード変換器を利用す
る装置（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．
５３，１３，（１９８８）参照）。偶奇モード変換器を
利用する装置（電子情報通信学会研究報告ＯＱＥ８１−
１２９、（１９８１）参照）、ＳＡＷ（表面音響波）を
利用する装置（電子情報通信学会研究報告ＵＳ８８−４
２，（１９８８）参照）などが知られている。しかし、
これらはいずれも１００Å以上の広い波長可変範囲を有
するものの、いずれもＬｉＮｂＯ3を利用した装置であ
る為、光検出器との結合損失が問題となる。また、屈折
率を電気光学効果（ポッケルス効果）により得る為に、
数十Ｖから百数十Ｖといった高い電圧を必要とする。更
に、ＧａＡｓ、ＩｎＰといった化合物半導体を用いる波
長可変フィルタとして、ＤＦＢ（分布帰還型）もしくは
ＤＢＲ（分布反射型）レーザ、或はファブリペロー型レ
ーザを発振しきい値以下で利用するタイプ（電子情報通
信学会研究報告ＯＱＥ８８−６５、（１９８８）参照）
が知られている。これらは、光検出器との集積化が可能
で、且つ電流注入により利得を持たせ得るという利点を
有する。しかし、波長可変範囲は屈折率の変化幅によ
り、直接、決定されるので、現状では数Åから数十Å程
度の値しか得られていない。
タがあり、これを用いれば波長多重方式に対応して１つ
の光検出器で十分対処でき、更に波長可変フィルタのチ
ャネル数を拡張すれば波長多重度の増大も図れる。波長
可変フィルタとしてはＴＥ−ＴＭモード変換器を利用す
る装置（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．
５３，１３，（１９８８）参照）。偶奇モード変換器を
利用する装置（電子情報通信学会研究報告ＯＱＥ８１−
１２９、（１９８１）参照）、ＳＡＷ（表面音響波）を
利用する装置（電子情報通信学会研究報告ＵＳ８８−４
２，（１９８８）参照）などが知られている。しかし、
これらはいずれも１００Å以上の広い波長可変範囲を有
するものの、いずれもＬｉＮｂＯ3を利用した装置であ
る為、光検出器との結合損失が問題となる。また、屈折
率を電気光学効果（ポッケルス効果）により得る為に、
数十Ｖから百数十Ｖといった高い電圧を必要とする。更
に、ＧａＡｓ、ＩｎＰといった化合物半導体を用いる波
長可変フィルタとして、ＤＦＢ（分布帰還型）もしくは
ＤＢＲ（分布反射型）レーザ、或はファブリペロー型レ
ーザを発振しきい値以下で利用するタイプ（電子情報通
信学会研究報告ＯＱＥ８８−６５、（１９８８）参照）
が知られている。これらは、光検出器との集積化が可能
で、且つ電流注入により利得を持たせ得るという利点を
有する。しかし、波長可変範囲は屈折率の変化幅によ
り、直接、決定されるので、現状では数Åから数十Å程
度の値しか得られていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】以上説明した様に、従
来の半導体導波路を利用した光変調器では、光吸収率の
制御もしくは屈折率の制御を利用していたが、いずれの
方法によっても挿入損失、消光比、被変調波長の自由度
などにおいて満足できるものでなかった。また、従来の
技術によるフィルタでも、充分満足な性能を有する波長
可変フィルタが得られなかった。
来の半導体導波路を利用した光変調器では、光吸収率の
制御もしくは屈折率の制御を利用していたが、いずれの
方法によっても挿入損失、消光比、被変調波長の自由度
などにおいて満足できるものでなかった。また、従来の
技術によるフィルタでも、充分満足な性能を有する波長
可変フィルタが得られなかった。
【０００８】従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑
み、充分満足な性能を有し得る光変調器や波長可変フィ
ルタなどとして用いうる構造を有した光半導体装置を提
供することにある。
み、充分満足な性能を有し得る光変調器や波長可変フィ
ルタなどとして用いうる構造を有した光半導体装置を提
供することにある。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】上記目的を達成する本発明
の波長可変フィルタは、積層された第１及び第２の半導
体導波路から構成される方向性結合器を有する波長可変
フィルタであって、該方向性結合器の層構成が、ｐ−ｉ
−ｎ−ｉ−ｐ構造及びｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造のいずれ
かであり、該第１及び第２の半導体導波路が共にｉ層で
構成されていること、光が入射する該第１の半導体導波
路に比べ該第２の半導体導波路の層厚が厚く、且つ屈折
率が高いこと、該第１及び第２の半導体導波路にはそれ
ぞれ逆電圧、順電圧が独立に印加される様に構成され
て、該逆電圧の印加に応じて該順電圧を印加すること、
及び該第１及び第２の半導体導波路に各々中心強度を有
する導波モードが、相互結合する領域にグレーティング
が形成されていることを特徴とする。また、上記目的を
達成する本発明の光変調器は、積層された第１及び第２
の半導体導波路から構成される方向性結合器を有する光
変調器であって、該方向性結合器の層構成が、ｐ−ｉ−
ｎ−ｉ−ｐ構造及びｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造のいずれか
であり、該第１及び第２の半導体導波路が共にｉ層で構
成されていること、光が入射する該第１の半導体導波路
に比べ該第２の半導体導波路の層厚が厚く、且つ屈折率
が高いこと、該第１及び第２の半導体導波路にはそれぞ
れ逆電圧、順電圧が独立に印加される様に構成されて、
該逆電圧の印加に応じて該順電圧を印加すること、及び
該第１及び第２の半導体導波路に各々中心強度を有する
導波モードが、相互結合する領域にグレーティングが形
成されていること、該逆電圧によって光の強度を変調す
ることを特徴とする。
の波長可変フィルタは、積層された第１及び第２の半導
体導波路から構成される方向性結合器を有する波長可変
フィルタであって、該方向性結合器の層構成が、ｐ−ｉ
−ｎ−ｉ−ｐ構造及びｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造のいずれ
かであり、該第１及び第２の半導体導波路が共にｉ層で
構成されていること、光が入射する該第１の半導体導波
路に比べ該第２の半導体導波路の層厚が厚く、且つ屈折
率が高いこと、該第１及び第２の半導体導波路にはそれ
ぞれ逆電圧、順電圧が独立に印加される様に構成され
て、該逆電圧の印加に応じて該順電圧を印加すること、
及び該第１及び第２の半導体導波路に各々中心強度を有
する導波モードが、相互結合する領域にグレーティング
が形成されていることを特徴とする。また、上記目的を
達成する本発明の光変調器は、積層された第１及び第２
の半導体導波路から構成される方向性結合器を有する光
変調器であって、該方向性結合器の層構成が、ｐ−ｉ−
ｎ−ｉ−ｐ構造及びｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造のいずれか
であり、該第１及び第２の半導体導波路が共にｉ層で構
成されていること、光が入射する該第１の半導体導波路
に比べ該第２の半導体導波路の層厚が厚く、且つ屈折率
が高いこと、該第１及び第２の半導体導波路にはそれぞ
れ逆電圧、順電圧が独立に印加される様に構成されて、
該逆電圧の印加に応じて該順電圧を印加すること、及び
該第１及び第２の半導体導波路に各々中心強度を有する
導波モードが、相互結合する領域にグレーティングが形
成されていること、該逆電圧によって光の強度を変調す
ることを特徴とする。
【００１０】
【００１１】本発明の構成によれば、使用する光が電流
注入により増幅される第２の導波路と、電圧印加又は電
流注入により屈折率変化が起こって光フィルタリング制
御ないし光変調などを行なう第１の導波路とが別になっ
ている。そのため、第１の導波路の屈折率制御にともな
う吸収率の変化を第２の導波路における光増幅を用いて
補償し、波長にかかわらず、常に、安定な透過利得を得
ることができる。また、非選択波長は、第２の導波路に
移行しないため、光増幅を受けることができない。その
ため、選択波長と比較して、光強度レベルを低くでき、
Ｓ／Ｎ比の向上をはかることができる。
注入により増幅される第２の導波路と、電圧印加又は電
流注入により屈折率変化が起こって光フィルタリング制
御ないし光変調などを行なう第１の導波路とが別になっ
ている。そのため、第１の導波路の屈折率制御にともな
う吸収率の変化を第２の導波路における光増幅を用いて
補償し、波長にかかわらず、常に、安定な透過利得を得
ることができる。また、非選択波長は、第２の導波路に
移行しないため、光増幅を受けることができない。その
ため、選択波長と比較して、光強度レベルを低くでき、
Ｓ／Ｎ比の向上をはかることができる。
【００１２】
【実施例】実施例１ 図１は本発明による波長可変フィルタの実施例を示す。
先ず、その原理、構成を説明する。本実施例は積層型の
方向性結合器を有し、これを構成する２層の導波路１、
２は互いに屈折率、層厚が異なるいわゆる縦型非対称方
向性結合器となっている。この方向性結合器は０次及び
１次のモードが伝搬する条件を成立させており、０次モ
ードは主に上側導波路２を伝搬し、１次モードは主に下
側導波路１を伝搬する。
先ず、その原理、構成を説明する。本実施例は積層型の
方向性結合器を有し、これを構成する２層の導波路１、
２は互いに屈折率、層厚が異なるいわゆる縦型非対称方
向性結合器となっている。この方向性結合器は０次及び
１次のモードが伝搬する条件を成立させており、０次モ
ードは主に上側導波路２を伝搬し、１次モードは主に下
側導波路１を伝搬する。
【００１３】０次モードの伝搬定数をβ0、１次モード
の伝搬定数をβ1とすれば、導波路１、２間の非対称性
の為に伝搬定数β0、β1は大きく異なっている。このと
き、上側導波路を下側導波路と比較して屈折率を高く、
且つ、層厚を薄くしておけば、図６のように２つの伝搬
定数の関係は波長分散は異なるが、有効屈折率の値が一
致する波長がある。すなわち、この波長λCにおいて、
０次と１次モードの結合が生じる。
の伝搬定数をβ1とすれば、導波路１、２間の非対称性
の為に伝搬定数β0、β1は大きく異なっている。このと
き、上側導波路を下側導波路と比較して屈折率を高く、
且つ、層厚を薄くしておけば、図６のように２つの伝搬
定数の関係は波長分散は異なるが、有効屈折率の値が一
致する波長がある。すなわち、この波長λCにおいて、
０次と１次モードの結合が生じる。
【００１４】しかし、上側導波路が、下側導波路と比較
して、屈折率が高く、且つ、層厚が厚い場合は、伝搬定
数の一致する波長が生じない。そこで、この方向性結合
器には、上側導波路２に伝搬定数差を補償するグレーテ
ィング３が形成されている。グレーティング３の周期を
Λ、入射波長をλとすれば、 β0（λ）−β1（λ）＝２π／Λ・・・（１） を満足する波長λにおいて、図７のように０次及び１次
モードの結合が生じる。
して、屈折率が高く、且つ、層厚が厚い場合は、伝搬定
数の一致する波長が生じない。そこで、この方向性結合
器には、上側導波路２に伝搬定数差を補償するグレーテ
ィング３が形成されている。グレーティング３の周期を
Λ、入射波長をλとすれば、 β0（λ）−β1（λ）＝２π／Λ・・・（１） を満足する波長λにおいて、図７のように０次及び１次
モードの結合が生じる。
【００１５】以上の構成により、下側導波路１へ入射し
た光４は１次モードとなり、特定の波長λにおいて０次
モードと結合して上側導波路２への移行を起こす。それ
以外の波長では０次モードと結合を起こさず、下側導波
路１をそのまま伝搬する。
た光４は１次モードとなり、特定の波長λにおいて０次
モードと結合して上側導波路２への移行を起こす。それ
以外の波長では０次モードと結合を起こさず、下側導波
路１をそのまま伝搬する。
【００１６】第１実施例の波長可変フィルタでは、上記
の方向性結合器がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓで構成されて
おり、上側導波路２がキャリアノンドープの状態すなわ
ちｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）層となっており、上側導波
路２の上部のクラッド層５及びコンタクト層６がｐ型に
ドープされたｐ層、上下導波路１、２間の中間クラッド
層７がｎ型にドープされたｎ層、下側導波路層１がｉ層
および下側導波路１の下部のクラッド層８がｐ型にドー
プされたｐ層となっている。つまり、２層の導波路（ｉ
層）を挟んで全体がｐ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ構造を形成して
いる。
の方向性結合器がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓで構成されて
おり、上側導波路２がキャリアノンドープの状態すなわ
ちｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）層となっており、上側導波
路２の上部のクラッド層５及びコンタクト層６がｐ型に
ドープされたｐ層、上下導波路１、２間の中間クラッド
層７がｎ型にドープされたｎ層、下側導波路層１がｉ層
および下側導波路１の下部のクラッド層８がｐ型にドー
プされたｐ層となっている。つまり、２層の導波路（ｉ
層）を挟んで全体がｐ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ構造を形成して
いる。
【００１７】この構成によれば、基板側ｐ側電極９とｎ
型中間クラッド層７の電極（不図示）間に逆電界すなわ
ちｐ側電極９に負電圧を印加すれば、ｉ層である下側導
波路１に電界が集中的に加わる。ここで、下側導波路１
がＭＱＷ（多重量子井戸構造）を含む構造であれば、こ
の逆電界によりＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効
果）が生じ下側導波路１の吸収率が変化する。従って、
クラマース・クロニッヒの関係で表わされる様に同時に
屈折率も変化する。
型中間クラッド層７の電極（不図示）間に逆電界すなわ
ちｐ側電極９に負電圧を印加すれば、ｉ層である下側導
波路１に電界が集中的に加わる。ここで、下側導波路１
がＭＱＷ（多重量子井戸構造）を含む構造であれば、こ
の逆電界によりＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効
果）が生じ下側導波路１の吸収率が変化する。従って、
クラマース・クロニッヒの関係で表わされる様に同時に
屈折率も変化する。
【００１８】その結果、下側導波路１を主に伝搬する１
次モードの伝搬定数β1が変化し、上記（１）式を満足
する波長λの値が変化する（すなわち波長変化幅は屈折
率変化幅により、直接、決定されてはいない）。
次モードの伝搬定数β1が変化し、上記（１）式を満足
する波長λの値が変化する（すなわち波長変化幅は屈折
率変化幅により、直接、決定されてはいない）。
【００１９】（１）式を満足する波長λは、０次モード
に変換され、上側導波路２へ移行する。λ以外の波長、
すなわち非選択波長の光は、下側導波路１を伝搬し続け
るが、下側導波路１はＱＣＳＥにより吸収が増大してい
るため、少なからぬ減衰を受ける。
に変換され、上側導波路２へ移行する。λ以外の波長、
すなわち非選択波長の光は、下側導波路１を伝搬し続け
るが、下側導波路１はＱＣＳＥにより吸収が増大してい
るため、少なからぬ減衰を受ける。
【００２０】しかし、この構成によれば、ｎ型中間クラ
ッド層７の電極と、上側ｐ型コンタクト層６上の電極１
０間に順電界すなわち、ｐ側電極１０に正電圧を印加す
れば、ｉ層である上側導波路２にキャリアが注入され
る。その結果、上側導波路２は所望の波長にて、光利得
を得ることになる。したがって、選択波長の光は、上部
導波路２に移行し光増幅を受けることが可能で、下側導
波路１で受けた減衰を補償して波長可変時にも一定の透
過利得を保つことができる。
ッド層７の電極と、上側ｐ型コンタクト層６上の電極１
０間に順電界すなわち、ｐ側電極１０に正電圧を印加す
れば、ｉ層である上側導波路２にキャリアが注入され
る。その結果、上側導波路２は所望の波長にて、光利得
を得ることになる。したがって、選択波長の光は、上部
導波路２に移行し光増幅を受けることが可能で、下側導
波路１で受けた減衰を補償して波長可変時にも一定の透
過利得を保つことができる。
【００２１】本実施例では、波長多重された複数の波長
の光信号の中から任意の波長の信号を上側導波路２に移
行して出力する波長可変フィルタを構成するものであ
る。非対称な方向性結合器とグレーティングを利用する
波長フィルタは、非対称方向性結合器を構成する導波路
のモード分散を用いる波長フィルタと比較して、グレー
ティングによるモード変換を利用する為にフィルタバン
ド幅の狭いフィルタ特性が得られる。
の光信号の中から任意の波長の信号を上側導波路２に移
行して出力する波長可変フィルタを構成するものであ
る。非対称な方向性結合器とグレーティングを利用する
波長フィルタは、非対称方向性結合器を構成する導波路
のモード分散を用いる波長フィルタと比較して、グレー
ティングによるモード変換を利用する為にフィルタバン
ド幅の狭いフィルタ特性が得られる。
【００２２】本フィルタの作製は、ｐ+−ＧａＡｓ基板
１１の上に、順に、ｐ−ＧａＡｓバッファ層（１１に含
まれる）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層８、アン
ドープＭＱＷ（ＧａＡｓ／Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ）からな
る下側導波路１（０．２μｍの厚さ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇ
ａ0.5Ａｓ中間クラッド層７（０．７μｍの厚さ）、ア
ンドープＭＱＷ（ＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ）から
なる上側導波路２（０．２５μｍの厚さ）、ｐ−Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ａｓグレーティング層３（０．１μｍ厚さ）
をＭＢＥ（分子線エピタキシー）法により成長する。次
いで、レジストパターニングによりグレーティングを形
成しＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）法によ
り周期９μｍのコラゲーション状グレーティングをグレ
ーティング層３に形成する。
１１の上に、順に、ｐ−ＧａＡｓバッファ層（１１に含
まれる）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層８、アン
ドープＭＱＷ（ＧａＡｓ／Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ）からな
る下側導波路１（０．２μｍの厚さ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇ
ａ0.5Ａｓ中間クラッド層７（０．７μｍの厚さ）、ア
ンドープＭＱＷ（ＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ）から
なる上側導波路２（０．２５μｍの厚さ）、ｐ−Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ａｓグレーティング層３（０．１μｍ厚さ）
をＭＢＥ（分子線エピタキシー）法により成長する。次
いで、レジストパターニングによりグレーティングを形
成しＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）法によ
り周期９μｍのコラゲーション状グレーティングをグレ
ーティング層３に形成する。
【００２３】レジスト除去後、ＬＰＥ（液相エピタキシ
ー）若しくはＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によ
りｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層５を、そしてｐ+
−ＧａＡｓコンタクト層６を成長した。
ー）若しくはＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によ
りｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層５を、そしてｐ+
−ＧａＡｓコンタクト層６を成長した。
【００２４】続いて、グレーティング３と直交方向にス
トライプパターンをレジストにより形成し、硫酸系エッ
チャントによりウェハをｎ−ＡｌＧａＡｓ中間クラッド
層７までストライプ状にエッチングした後、ｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ中間クラッド層７上にｎ−ＧａＡｓコンタクト層
（不図示）を成長した。基板１１裏面とｐ−コンタクト
層６上にＡｕＧｅ／Ａｕ９、１０を、そして中間クラッ
ド層７上のｎ−コンタクト層上にＡｕＣｒ／Ａｕ（不図
示）を蒸着し、アロイングを行なった。
トライプパターンをレジストにより形成し、硫酸系エッ
チャントによりウェハをｎ−ＡｌＧａＡｓ中間クラッド
層７までストライプ状にエッチングした後、ｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ中間クラッド層７上にｎ−ＧａＡｓコンタクト層
（不図示）を成長した。基板１１裏面とｐ−コンタクト
層６上にＡｕＧｅ／Ａｕ９、１０を、そして中間クラッ
ド層７上のｎ−コンタクト層上にＡｕＣｒ／Ａｕ（不図
示）を蒸着し、アロイングを行なった。
【００２５】以上の様に作製したフィルタに対してｐ−
電極９と中間クラッド層７上のｎ−電極間に逆電圧を印
加すると、アンドープＭＱＷから成る下側導波路１に電
界が加わりＱＣＳＥにより屈折率が変化する。
電極９と中間クラッド層７上のｎ−電極間に逆電圧を印
加すると、アンドープＭＱＷから成る下側導波路１に電
界が加わりＱＣＳＥにより屈折率が変化する。
【００２６】図２は電圧を１．０Ｖ、１．５Ｖ、２．０
Ｖと印加した例で、下部導波路１から上部導波路２への
結合効率を示している。印加電圧の変化によりバンドパ
スフィルタの透過帯域が短波長側へシフトする様子が分
かる。
Ｖと印加した例で、下部導波路１から上部導波路２への
結合効率を示している。印加電圧の変化によりバンドパ
スフィルタの透過帯域が短波長側へシフトする様子が分
かる。
【００２７】このように下側導波路１の印加電圧に応じ
て透過帯域はシフトすると同時に、透過率も変化するの
で、本発明では、下部導波路１の印加電圧に応じて、上
部導波路２への注入電流量を制御して、選択波長の透過
利得の安定化をはかることを特徴としている。その結
果、図３のように透過利得が安定な波長可変特性が得ら
れた。これにより、多重化されたチャネルから１つの波
長のチャネルをフィルタリングできる。
て透過帯域はシフトすると同時に、透過率も変化するの
で、本発明では、下部導波路１の印加電圧に応じて、上
部導波路２への注入電流量を制御して、選択波長の透過
利得の安定化をはかることを特徴としている。その結
果、図３のように透過利得が安定な波長可変特性が得ら
れた。これにより、多重化されたチャネルから１つの波
長のチャネルをフィルタリングできる。
【００２８】無論、フィルタに要求される仕様によって
は、電界印加による波長シフトのみで、図２のような透
過率の変動が問題にならない場合もある。しかし、本発
明によれば、透過利得が常に安定するため、広い範囲で
仕様を満足できるフィルタを提供することができる。
は、電界印加による波長シフトのみで、図２のような透
過率の変動が問題にならない場合もある。しかし、本発
明によれば、透過利得が常に安定するため、広い範囲で
仕様を満足できるフィルタを提供することができる。
【００２９】導波路をバルク層として、逆電圧印加によ
りフランツケルディシュ効果で屈折率変化を起こさせフ
ィルタ特性における透過帯域のシフトを生じさせても良
い。但し、素子長、グレーティング周期、深さ等は適当
に設定し直す必要がある。
りフランツケルディシュ効果で屈折率変化を起こさせフ
ィルタ特性における透過帯域のシフトを生じさせても良
い。但し、素子長、グレーティング周期、深さ等は適当
に設定し直す必要がある。
【００３０】尚、以上の例ではＧａＡｓ系について説明
したが、勿論ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰといった他の半導
体材料を用いても良い。
したが、勿論ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰといった他の半導
体材料を用いても良い。
【００３１】実施例２ 本発明による光半導体素子は、特定の波長において透過
率が制御可能であり、光変調器として構成しても良い。
率が制御可能であり、光変調器として構成しても良い。
【００３２】本実施例では、グレーティング３を付加し
て波長選択性を鋭くした方向性結合器を用いている為、
僅かの透過帯の移行で大きな結合効率変化が生じる。す
なわち、図４に示す様に、特定の波長λSを持つ被変調
光に対して、僅か１Ｖ程度の差で光のＯＮ−ＯＦＦを得
ることができる。
て波長選択性を鋭くした方向性結合器を用いている為、
僅かの透過帯の移行で大きな結合効率変化が生じる。す
なわち、図４に示す様に、特定の波長λSを持つ被変調
光に対して、僅か１Ｖ程度の差で光のＯＮ−ＯＦＦを得
ることができる。
【００３３】本発明の光変調器によれば、下側導波路１
の屈折率制御により、透過波長帯（結合波長帯）のシフ
トを行ない、被変調光の変調を行なうと同時に、上側導
波路１の利得制御により、同じく被変調光の変調を行な
うことができる。そのため、被変調光の波長によらず極
めて消光比が高く、且つ変調度の深い光変調器が得られ
る。
の屈折率制御により、透過波長帯（結合波長帯）のシフ
トを行ない、被変調光の変調を行なうと同時に、上側導
波路１の利得制御により、同じく被変調光の変調を行な
うことができる。そのため、被変調光の波長によらず極
めて消光比が高く、且つ変調度の深い光変調器が得られ
る。
【００３４】本実例の光変調器は、第１の実施例と同様
である。但し、下側導波路１はアンドープＭＱＷからな
り、電子−重い正孔間のエネルギギャップは、１．５０
ｅＶすなわち波長で８２４ｎｍであり、被変調光の波長
８３５ｎｍに対して、吸収率の変化が激しいが、同時に
屈折率変化も大きい。
である。但し、下側導波路１はアンドープＭＱＷからな
り、電子−重い正孔間のエネルギギャップは、１．５０
ｅＶすなわち波長で８２４ｎｍであり、被変調光の波長
８３５ｎｍに対して、吸収率の変化が激しいが、同時に
屈折率変化も大きい。
【００３５】上側導波路２はアンドープＡｌ0.06Ｇａ
0.94Ａｓからなり、光利得のピーク波長が８３５ｎｍ付
近にあり、低い注入電流量で充分な光利得を得ることが
できる。
0.94Ａｓからなり、光利得のピーク波長が８３５ｎｍ付
近にあり、低い注入電流量で充分な光利得を得ることが
できる。
【００３６】以上の本実施例では、入力として２ＧＨｚ
のＮＲＺ信号を印加したＣＷの入力光（連続光）の出力
強度を観察したところ極めて良好な追従波形が得られ
た。
のＮＲＺ信号を印加したＣＷの入力光（連続光）の出力
強度を観察したところ極めて良好な追従波形が得られ
た。
【００３７】本実施例の光変調器は、導波路の伝搬に伴
う散乱損失や屈折率制御時の吸収損失を補償できるた
め、挿入損失を消すことができる。さらに、透過帯域の
制御により、透過光強度を極めて低くすることができ、
且つ独立な光利得の制御により、透過光強度を充分高め
ることもできる。そのため、被変調光の消光比を容易に
３０ｄＢ以上に上げることができる。又、設定波長が自
由なため、広い波長域にわたって有効な光変調器を提供
することができる。
う散乱損失や屈折率制御時の吸収損失を補償できるた
め、挿入損失を消すことができる。さらに、透過帯域の
制御により、透過光強度を極めて低くすることができ、
且つ独立な光利得の制御により、透過光強度を充分高め
ることもできる。そのため、被変調光の消光比を容易に
３０ｄＢ以上に上げることができる。又、設定波長が自
由なため、広い波長域にわたって有効な光変調器を提供
することができる。
【００３８】以上の第１、第２実施例では、屈折率制御
を逆電圧印加によるＱＣＳＥで得たが、勿論、バルク結
晶におけるフランツケルディシュ効果を利用したり、順
電圧印加によるキャリア注入に基づくプラズマ効果、バ
ンドフィリング効果というキャリア量変化による屈折率
変化を利用しても良い。
を逆電圧印加によるＱＣＳＥで得たが、勿論、バルク結
晶におけるフランツケルディシュ効果を利用したり、順
電圧印加によるキャリア注入に基づくプラズマ効果、バ
ンドフィリング効果というキャリア量変化による屈折率
変化を利用しても良い。
【００３９】本発明の原理によれば、僅かの屈折率変化
により上記（１）式の関係を介して充分な変調度が得ら
れるため（（１）式中のβ0（λ）、β1（λ）のλが変
化すること）、キャリア注入により付随的に生じる熱発
生も低く押えることができる。
により上記（１）式の関係を介して充分な変調度が得ら
れるため（（１）式中のβ0（λ）、β1（λ）のλが変
化すること）、キャリア注入により付随的に生じる熱発
生も低く押えることができる。
【００４０】実施例３ 図５は光変調器の第３実施例を示す。第３実施例ではグ
レーティングを、上記実施例の如く上側導波路ではなく
上下導波路の中間部に形成している。本実施例は以下の
如く作製される。
レーティングを、上記実施例の如く上側導波路ではなく
上下導波路の中間部に形成している。本実施例は以下の
如く作製される。
【００４１】ＭＢＥ法により、ｎ+−ＧａＡｓ基板５１
上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層（不図示）（ｎ＝２×１
０18ｃｍ-3）を０．５μｍ厚で、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａ
ｓクラッド層（ｎ＝１×１０17ｃｍ-3）５２を１．５μ
ｍ厚で、アンドープＭＱＷ（ＧａＡｓ／Ａｌ0.4Ｇａ0.6
Ａｓ）下側導波路層５３を０．１μｍ厚で、ｐ−Ａｌ
0.5Ｇａ0.5Ａｓ中間クラッド層（ｐ＝１×１０17ｃ
ｍ-3）５４を０．４μｍ厚で、ＧａＡｓ（厚さ５０Å、
井戸）／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ（厚さ１００Å、バリア）
から成るｐ−ＭＱＷ層（ｐ＝１×１０17ｍ-3）５５を
０．１μｍ厚で成長した。
上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層（不図示）（ｎ＝２×１
０18ｃｍ-3）を０．５μｍ厚で、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａ
ｓクラッド層（ｎ＝１×１０17ｃｍ-3）５２を１．５μ
ｍ厚で、アンドープＭＱＷ（ＧａＡｓ／Ａｌ0.4Ｇａ0.6
Ａｓ）下側導波路層５３を０．１μｍ厚で、ｐ−Ａｌ
0.5Ｇａ0.5Ａｓ中間クラッド層（ｐ＝１×１０17ｃ
ｍ-3）５４を０．４μｍ厚で、ＧａＡｓ（厚さ５０Å、
井戸）／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ（厚さ１００Å、バリア）
から成るｐ−ＭＱＷ層（ｐ＝１×１０17ｍ-3）５５を
０．１μｍ厚で成長した。
【００４２】続いて、フォトリソグラフィー法により、
ＭＱＷ層５５を周期８μｍのグレーティングに形成し、
再びｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ中間クラッド層（ｐ−１×
１０17ｃｍ-3）５６を０．４μｍ厚で、アンドープＡｌ
0.06Ｇａ0.94Ａｓ上側導波路層（ノンドープ）５７を
０．３μｍ厚で、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
（ｎ＝１×１０17ｃｍ-3）５８を１．５μｍ厚で、ｎ+
−ＧａＡｓコンタクト層（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）５９
を０．５μｍ厚でＭＯＣＶＤ法により成長した。更に、
第１実施例の工程と同様にして、ｐ−ＡｌＧａＡｓ中間
クラッド層からｐ−電極を取り出して、光変調器を形成
した。
ＭＱＷ層５５を周期８μｍのグレーティングに形成し、
再びｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ中間クラッド層（ｐ−１×
１０17ｃｍ-3）５６を０．４μｍ厚で、アンドープＡｌ
0.06Ｇａ0.94Ａｓ上側導波路層（ノンドープ）５７を
０．３μｍ厚で、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
（ｎ＝１×１０17ｃｍ-3）５８を１．５μｍ厚で、ｎ+
−ＧａＡｓコンタクト層（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）５９
を０．５μｍ厚でＭＯＣＶＤ法により成長した。更に、
第１実施例の工程と同様にして、ｐ−ＡｌＧａＡｓ中間
クラッド層からｐ−電極を取り出して、光変調器を形成
した。
【００４３】本実施例では、電界印加により屈折率、吸
収率が変化する下側導波路（ｉ層）５３と、０次モード
と１次モードの結合が行なわれるグレーティング５５と
が分離されている。その為、下側導波路５３を伝搬する
１次モードの分布が上側導波路５７に及んでいなくても
グレーティング部５５で０次モード（上側導波路５７を
中心に伝搬するモード）との結合が起こる。よって、下
側導波路５３を伝搬する１次モードが上側導波路５７の
吸収を受ける割合は、先の実施例と比べて低くなる様に
設計できる。
収率が変化する下側導波路（ｉ層）５３と、０次モード
と１次モードの結合が行なわれるグレーティング５５と
が分離されている。その為、下側導波路５３を伝搬する
１次モードの分布が上側導波路５７に及んでいなくても
グレーティング部５５で０次モード（上側導波路５７を
中心に伝搬するモード）との結合が起こる。よって、下
側導波路５３を伝搬する１次モードが上側導波路５７の
吸収を受ける割合は、先の実施例と比べて低くなる様に
設計できる。
【００４４】ところで、以上の実施例のグレーティング
形成位置はあくまで例示であり、その位置は両導波路を
夫々中心として伝搬する両モードの結合する位置ならい
ずれでもよい。例えば、下側導波路に形成しても同様の
効果が得られる。
形成位置はあくまで例示であり、その位置は両導波路を
夫々中心として伝搬する両モードの結合する位置ならい
ずれでもよい。例えば、下側導波路に形成しても同様の
効果が得られる。
【００４５】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、２
層の積層された導波路に独立に電界が加わるように、導
波路をｉ層としたｐ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ−
ｉ−ｎ構造とすることにより、挿入損失ないし伝搬損失
が無視でき、低電圧駆動が可能で、広い波長可変範囲を
得られる波長分割多重型光通信、光交換、光演算などに
好適な光変調器やフィルタなどの光半導体装置が実現さ
れる。また、こうしたデバイスは他の光検出器、レーザ
などの光電子素子との集積化に適する。
層の積層された導波路に独立に電界が加わるように、導
波路をｉ層としたｐ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ−
ｉ−ｎ構造とすることにより、挿入損失ないし伝搬損失
が無視でき、低電圧駆動が可能で、広い波長可変範囲を
得られる波長分割多重型光通信、光交換、光演算などに
好適な光変調器やフィルタなどの光半導体装置が実現さ
れる。また、こうしたデバイスは他の光検出器、レーザ
などの光電子素子との集積化に適する。
【００４６】更に、波長可変フィルタとしては波長間ク
ロストークが低く短い素子長とできたり、また光変調器
としては変調度が深く消光比が高く、被変調波長の自由
度の高いものとできる。
ロストークが低く短い素子長とできたり、また光変調器
としては変調度が深く消光比が高く、被変調波長の自由
度の高いものとできる。
【図１】本発明の第１実施例の断面図。
【図２】印加電圧に対する透過率を示す図。
【図３】印加電圧に対する透過率を示す図。
【図４】第２実施例を説明する図。
【図５】第３実施例を示す断面図。
【図６】本発明の光半導体素子の原理を示す図。
【図７】本発明の光半導体素子の原理を示す図。
【図８】ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造の光
吸収スペクトルを示す図。
吸収スペクトルを示す図。
【図９】（ａ），（ｂ）は従来の光変調器の概形を示す
図。
図。
１，５３・・・下側導波路 ２，５７・・・上側導波路 ３，５５・・・グレーティング ５，７，８，５２，５４，５６，５８・・・クラッド層 ６，５９・・・コンタクト層 １１，５１・・・基板 ９，１０，６０，６１・・電極
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−25420（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−63012（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．55，Ｎｏ．19, ｐｐ．2011−2013（1989）Ｒ．Ｃ．Ａｌ ｆｅｒｎｅｓｓ ｅｔ ａｌ. Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．59，Ｎｏ．24, ｐｐ．3081−3083（1991）Ｈ．Ｓａｋａ ｔａ ｅｔ ａｌ. (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/015 - 1/025 G02F 1/313 G02F 1/35 - 1/365 ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)
Claims (2)
- 【請求項１】積層された第１及び第２の半導体導波路か
ら構成される方向性結合器を有する波長可変フィルタで
あって、 該方向性結合器の層構成が、ｐ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ構造及
びｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造のいずれかであり、該第１及
び第２の半導体導波路が共にｉ層で構成されているこ
と、 光が入射する該第１の半導体導波路に比べ該第２の半導
体導波路の層厚が厚く、且つ屈折率が高いこと、 該第１及び第２の半導体導波路にはそれぞれ逆電圧、順
電圧が独立に印加される様に構成されて、該逆電圧の印
加に応じて該順電圧を印加すること、 及び該第１及び第２の半導体導波路に各々中心強度を有
する導波モードが、相互結合する領域にグレーティング
が形成されていることを特徴とする波長可変フィルタ。 - 【請求項２】積層された第１及び第２の半導体導波路か
ら構成される方向性結合器を有する光変調器であって、 該方向性結合器の層構成が、ｐ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ構造及
びｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造のいずれかであり、該第１及
び第２の半導体導波路が共にｉ層で構成されているこ
と、 光が入射する該第１の半導体導波路に比べ該第２の半導
体導波路の層厚が厚く、且つ屈折率が高いこと、 該第１及び第２の半導体導波路にはそれぞれ逆電圧、順
電圧が独立に印加される様に構成されて、該逆電圧の印
加に応じて該順電圧を印加すること、 及び該第１及び第２の半導体導波路に各々中心強度を有
する導波モードが、相互結合する領域にグレーティング
が形成されていること、 該逆電圧によって光の強度を変調することを特徴とする
光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04025762A JP3123672B2 (ja) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | 光半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04025762A JP3123672B2 (ja) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | 光半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05188412A JPH05188412A (ja) | 1993-07-30 |
| JP3123672B2 true JP3123672B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=12174848
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04025762A Expired - Fee Related JP3123672B2 (ja) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | 光半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3123672B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE0100611L (sv) | 2001-02-22 | 2002-08-23 | Altitun Ab | Förfarande för att förlustkompensera ett avstämbart filter för en laser, jämte ett dylikt filter |
| SE518476C2 (sv) * | 2001-02-22 | 2002-10-15 | Altitun Ab | Metod för att förbättra selektiviteten i ett avstämbart vågledarfilter |
| JP5524821B2 (ja) * | 2010-12-27 | 2014-06-18 | 日本オクラロ株式会社 | 半導体レーザモジュール |
-
1992
- 1992-01-16 JP JP04025762A patent/JP3123672B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．１９，ｐｐ．２０１１−２０１３（１９８９）Ｒ．Ｃ．Ａｌｆｅｒｎｅｓｓ ｅｔ ａｌ． |
| Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．２４，ｐｐ．３０８１−３０８３（１９９１）Ｈ．Ｓａｋａｔａ ｅｔ ａｌ． |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05188412A (ja) | 1993-07-30 |
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