JP3445226B2 - Directional coupler, optical modulator, and wavelength selector - Google Patents

Directional coupler, optical modulator, and wavelength selector

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JP3445226B2 JP2000208238A JP2000208238A JP3445226B2 JP 3445226 B2 JP3445226 B2 JP 3445226B2 JP 2000208238 A JP2000208238 A JP 2000208238A JP 2000208238 A JP2000208238 A JP 2000208238A JP 3445226 B2 JP3445226 B2 JP 3445226B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本願発明は、光半導体装置に
関するものである。より具体的には、本願発明は、縦型
方向性結合器に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical semiconductor device. More specifically, the present invention relates to a vertical directional coupler.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、目覚ましい発展をとげる光伝送シ
ステムにおいて、方向性結合器は光スイッチや強度変調
器あるいは波長選択フィルタ等に応用が可能な有力な素
子である。
2. Description of the Related Art In recent years, in an optical transmission system which has been remarkably developed, a directional coupler is a powerful element applicable to an optical switch, an intensity modulator, a wavelength selection filter, and the like.

【0003】方向性結合器は、通常、図1に示すような
平行に近接配置された2つの光導波路100、101を
有して構成される。2本の光導波路100、101が十
分接近しているので、これらを伝搬する光の導波モード
が結合し光導波路間で光のパワーの移行が起こる。この
パワーの移行の様子は光導波路の伝播定数β1、β2
と、結合係数κよって決まる。図1にこの伝搬の様子が
模式的に示されている。光強度が山形に示され、その強
度が山形の高さに相当する。図1に見られるように、2
つの光導波路間のパワーの配分は光の進行方向に沿って
変化して行く。一方の光導波路に入射した光が他方に移
行し、そのパワーが最大になる距離Lを結合長と言う。
この結合長は、L=π/2・γで表される。尚、ここ
で、γ及びΔは次の式で表わされる。
A directional coupler usually includes two optical waveguides 100 and 101 arranged close to each other in parallel as shown in FIG. Since the two optical waveguides 100 and 101 are sufficiently close to each other, the waveguide modes of the light propagating therethrough are coupled to each other, so that the light power is transferred between the optical waveguides. The state of this power transfer is determined by the propagation constants β1, β2 of the optical waveguide.
And the coupling coefficient κ. FIG. 1 schematically shows this propagation state. The light intensity is shown in a chevron, and the intensity corresponds to the height of the chevron. As can be seen in FIG.
The power distribution between the two optical waveguides changes along the light traveling direction. The distance L at which the light incident on one optical waveguide shifts to the other and its power is maximized is called the coupling length.
This bond length is represented by L = π / 2 · γ. Here, γ and Δ are represented by the following equations.

【0004】γ=(κ221/2 Δ=(β1−β2)/2 図2は方向性結合器のパワーの移行の様子を示したもの
である。図2では、横軸が規格化した距離、縦軸は規格
化した光出力の強度である。Δが0の場合と、(√3)
κの場合について、各々第1の光導波路と第2の光導波
路における出力を示している。尚、本願明細書では√3
あるいは(√3)は3の立方根を示す。Δが0の場合は
実線で、(√3)κの場合のには点線で示している。図
中の曲線から、第1の光導波路と第2の光導波路におけ
る出力の割合を見ることが出来る。2つの光導波路の伝
播定数β1とβ2とが一致するとき、結合長Lはπ/
(2κ)となる。この時、実線で表わされた第1の光導
波路の規格化出力が1.0の時、実線で表わされた第2
の光導波路の規格化出力が0の場合が出現する。ここ
で、光のパワーは一方の光導波路から他方へ100%移
行しているのである。尚、2つの光導波路の伝播定数β
1とβ2とが一致するときは、上記のΔが0のときに相
当する。一方伝播定数に差があるときは、光パワーの移
行は小さくなる。即ち、図2の点線によってΔ=√3の
例を見れば理解される。第2の光導波路に光出力が現
れ、第1の光導波路から第2の光導波路に一部の光が移
行するが、その移行する光の出力は小さなものに留ま
る。
Γ = (κ 2 + Δ 2 ) 1/2 Δ = (β 1 −β 2) / 2 FIG. 2 shows a state of power transfer of the directional coupler. In FIG. 2, the horizontal axis represents the normalized distance, and the vertical axis represents the normalized light output intensity. When Δ is 0, (√3)
For the case of κ, the output in the first optical waveguide and the output in the second optical waveguide are shown. In the specification of the present application, $ 3
Alternatively, (√3) indicates a cubic root of 3. When Δ is 0, it is indicated by a solid line, and when (√3) κ, it is indicated by a dotted line. From the curves in the figure, the ratio of the output in the first optical waveguide and the output in the second optical waveguide can be seen. When the propagation constants β1 and β2 of the two optical waveguides match, the coupling length L becomes π /
(2κ). At this time, when the normalized output of the first optical waveguide shown by the solid line is 1.0, the second optical waveguide shown by the solid line
The case where the normalized output of the optical waveguide is zero appears. Here, the power of light has shifted 100% from one optical waveguide to the other. The propagation constant β of the two optical waveguides
The case where 1 and β2 coincide corresponds to the case where Δ is 0. On the other hand, when there is a difference in the propagation constant, the transition of the optical power becomes small. That is, it can be understood by looking at the example of Δ = √3 by the dotted line in FIG. Light output appears in the second optical waveguide, and some light is transferred from the first optical waveguide to the second optical waveguide, but the output of the transferred light remains small.

【0005】従来の方向性結合器の例を図3に示す。こ
の例では、基板上に同じ伝播定数を持つ2本の光導波路
27、28を平行配置しその結合部の長さをLまたはそ
の奇数倍に一致させている。従って電圧を印加しない場
合、例えば、第1の入力ポート20から入射した光は、
完全に他方の光導波路に移行し第2の出力ポート23か
ら取り出せる。スイッチングを行うときには、第1の電
極24を通して電界を、光導波路27、28の結合部に
印加し、結合部の長さが結合長Lの偶数倍になるように
設定する。このとき、第1の入力ポート20から入射し
た光は、第1の出力ポート22から取り出すことができ
る。尚、第2の入力ポート21から入射した光に対して
も、第1の出力ポート22、あるいは第2の出力ポート
23に対して同様な動作が実現できる。尚、25は第2
の電極である。
FIG. 3 shows an example of a conventional directional coupler. In this example, two optical waveguides 27 and 28 having the same propagation constant are arranged in parallel on the substrate, and the length of the coupling portion is set to L or an odd multiple thereof. Therefore, when no voltage is applied, for example, light incident from the first input port 20 is
The light completely shifts to the other optical waveguide and can be taken out from the second output port 23. When switching is performed, an electric field is applied to the coupling portion of the optical waveguides 27 and 28 through the first electrode 24, and the length of the coupling portion is set to be an even multiple of the coupling length L. At this time, light incident from the first input port 20 can be extracted from the first output port 22. The same operation can be realized for the first output port 22 or the second output port 23 with respect to the light incident from the second input port 21. 25 is the second
Electrodes.

【0006】ここで光導波路間のクラッド層26は結合
状態を決定する重要な役割を果たす。この層の幅が小さ
い程、また屈折率は光導波路に近い程、2本の光導波路
間の結合は強くなり結合距離は短くなる。
Here, the cladding layer 26 between the optical waveguides plays an important role in determining the coupling state. The smaller the width of this layer and the closer the refractive index to the optical waveguide, the stronger the coupling between the two optical waveguides and the shorter the coupling distance.

【0007】しかしながらリソグラフィーや加工精度の
限界から、通常はクラッド層23の屈折率は光導波路の
外側のクラッド層の屈折率と同じに設定せざるを得ず、
その幅も1ミクロンを大幅に下回る構造にはできなかっ
た。
However, due to limitations in lithography and processing accuracy, usually the refractive index of the cladding layer 23 must be set to the same as the refractive index of the cladding layer outside the optical waveguide.
The width could not be much less than 1 micron.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】以上の如く、従来の方
向性結合器では、光導波路間のクラッド層の厚さが薄く
できないため結合長が小さくできず、必然的に素子サイ
ズも大きくなった。従って、このような方向性結合器を
組み合わせてマトリックススイッチを構成しようという
場合、スイッチ自体が非常に大きくなってしまうという
問題点があった。
As described above, in the conventional directional coupler, the thickness of the cladding layer between the optical waveguides cannot be reduced, so that the coupling length cannot be reduced and the element size is inevitably increased. . Therefore, when a matrix switch is configured by combining such directional couplers, there is a problem that the size of the switch itself becomes very large.

【0009】本願発明は、方向性結合器の小型化を可能
にすると共に設計の自由度を大きくするものである。
The present invention makes it possible to reduce the size of a directional coupler and increase the degree of freedom in design.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】光通信システムにおいて
スイッチング、光強度変調、波長選択を行う縦型方向性
結合器に関する。本発明は、素子間のクラッド層の厚さ
や屈折率を制御し、素子の小型化を可能にするとともに
設計の自由度を大きくするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a vertical directional coupler for performing switching, light intensity modulation, and wavelength selection in an optical communication system. The present invention controls the thickness and the refractive index of the cladding layer between the devices, thereby enabling the miniaturization of the devices and increasing the degree of freedom in design.

【0011】上記目的を達成するために本発明では2本
の光導波路を基板と垂直方向に配置し、且つ2本の光導
波路に独立に電界を印加するために2本の光導波路の間
に導電層を設けている。垂直配置にすることで各光導波
路層及びクラッド層は結晶成長の段階で独立に制御する
ことが可能となる。従って例えば、光導波路間のクラッ
ド層の厚さを平面型方向性結合器では不可能な程度にま
で薄くすることが可能となる。その結果、結合長は大幅
に小さくなり素子全体のサイズも大幅に小さくできる。
あるいは2つの光導波路の屈折率を変えた構造も容易に
可能になるなど、設計の自由度は大幅に増すことなる。
また本構造においては光導波路間クラッド層に電界を印
加し屈折率を制御することも容易なのでこれを利用して
方向性結合器に新しい機能を持たせることも可能とな
る。
In order to achieve the above object, according to the present invention, two optical waveguides are arranged in a direction perpendicular to the substrate, and between the two optical waveguides to apply an electric field independently to the two optical waveguides. A conductive layer is provided. With the vertical arrangement, each optical waveguide layer and cladding layer can be independently controlled at the stage of crystal growth. Therefore, for example, the thickness of the cladding layer between the optical waveguides can be reduced to a level that cannot be achieved with a planar directional coupler. As a result, the coupling length is significantly reduced, and the size of the entire device can be significantly reduced.
Alternatively, a structure in which the refractive index of the two optical waveguides is changed can be easily realized, so that the degree of freedom in design is greatly increased.
Further, in this structure, it is easy to control the refractive index by applying an electric field to the cladding layer between the optical waveguides, so that the directional coupler can be provided with a new function by utilizing this.

【0012】本願発明の骨子は、基板上に第1の光導波
路と、クラッド層と、第2の光導波路とを前記基板に対
して垂直方向に配置されて少なくとも有し、前記第1の
光導波路あるいは第2の光導波路の各光導波を行う領
域、あるいは前記クラッド層のいずれかに電界を印加す
る電極を有する方向性結合器と言うことが出来る。
The gist of the present invention is to have at least a first optical waveguide, a cladding layer, and a second optical waveguide which are arranged on a substrate in a direction perpendicular to the substrate, and wherein the first optical waveguide is provided. It can be said that it is a directional coupler having an electrode for applying an electric field to either the waveguide or the region of the second optical waveguide where each optical waveguide is performed, or any one of the cladding layers.

【0013】更には、本願発明は、基板上に第1の光導
波路と、クラッド層と、第2の光導波路とを前記基板に
対して垂直方向に配置されて少なくとも有し、前記第1
の光導波路あるいは第2の光導波路の各光導波を行う領
域、あるいは前記クラッド層のいずれかに電界を印加
し、電界が印加された領域の屈折率を変化させ前記第1
の光導波路あるいは第2の光導波路の各光導波路の伝搬
特性を変化させる方向性結合器と言うことが出来る。
Further, the present invention has at least a first optical waveguide, a cladding layer, and a second optical waveguide disposed on a substrate in a direction perpendicular to the substrate, and
An electric field is applied to one of the cladding layer and the optical waveguide or the second optical waveguide, in which each optical waveguide is applied, and the refractive index of the region to which the electric field is applied is changed to change the first and second optical waveguides.
Or the directional coupler that changes the propagation characteristics of each optical waveguide of the second optical waveguide or the second optical waveguide.

【0014】第1の光導波路あるいは第2の光導波路の
各光導波を行う領域に電界を印加する場合と、クラッド
層のいずれかに電界を印加する場合で、その動作は異な
る。しかし、いずれの方法によっても、第1及び第2の
光導波路のコア領域の屈折率と第1の光導波路と第2の
光導波路との間の配置したクラッド層の屈折率の相対的
な大きさを変化させ、第1及び第2の光導波路の光学的
な結合状態を変化させるものである。
The operation differs between the case where an electric field is applied to a region of the first optical waveguide or the second optical waveguide where each optical waveguide is performed and the case where an electric field is applied to any one of the cladding layers. However, in either method, the relative refractive index of the core region of the first and second optical waveguides and the relative refractive index of the cladding layer disposed between the first and second optical waveguides are increased. This changes the optical coupling state of the first and second optical waveguides.

【0015】その一つの形態は、2つの光導波路間の光
の伝搬状態を変化させ、一方の光導波路から他方の光導
波路への光の移行を可能なす。更に、別な形態は、光強
度の変調、即ち、光変調器としての利用を可能とする。
更に、別な形態は、波長選択を可能とする。
One embodiment changes the propagation state of light between two optical waveguides, and allows light to travel from one optical waveguide to another optical waveguide. Still another form allows modulation of light intensity, ie, use as a light modulator.
Yet another configuration allows for wavelength selection.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本願の具体的な実施の形態を説明
するに先立って、本願発明の主な形態を具体的に列挙す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Prior to describing specific embodiments of the present invention, main modes of the present invention will be specifically listed.

【0017】(1)第1の形態は、基板上に形成された
第1の導波路と、当該第1の導波路と基板とに垂直方向
に当該第1の光導波路の方向にクラッド層を介して形成
された第2の光導波路を有する縦型方向結合器であっ
て、該第1の光導波路を含む平面と該第2の光導波路を
含む平面の間のクラッド層に少なくとも1層の電界印加
の為の導電層を含むことを特徴とする方向性結合器であ
る。
(1) In a first mode, a first waveguide formed on a substrate and a cladding layer in a direction perpendicular to the first waveguide and the substrate in a direction of the first optical waveguide are provided. A vertical directional coupler having a second optical waveguide formed therethrough, wherein at least one layer is provided in a cladding layer between the plane including the first optical waveguide and the plane including the second optical waveguide. A directional coupler including a conductive layer for applying an electric field.

【0018】(2)第2の形態は、前記方向性結合器
が、第1の光導波路あるいは第2光導波路の少なくとも
一方に量子井戸が形成されていることを特徴とする前記
項目(1)に記載の方向性結合器である。
(2) In the second aspect, the directional coupler is characterized in that a quantum well is formed in at least one of the first optical waveguide and the second optical waveguide. Is a directional coupler described in 1. above.

【0019】(3)第3の形態は、前記項目(1)又は
(2)に記載の方向性結合器が、第1の光導波路と第2
の光導波路の間のクラッド層に量子井戸が形成されてい
ることを特徴とする方向性結合器である。
(3) In a third mode, the directional coupler according to the above item (1) or (2) comprises a first optical waveguide and a second optical waveguide.
A directional coupler is characterized in that a quantum well is formed in a cladding layer between the optical waveguides.

【0020】(4)第4の形態は、前記項目(1)より
(3)に記載の方向性結合器が、第1の光導波路と第2
の光導波路の間のクラッド層中にp型とn型の導電層を
少なくとも1層づつ含み、該クラッド層に電界印加が可
能であることを特徴とする方向性結合器である。
(4) In a fourth mode, the directional coupler according to any one of the above items (1) to (3) includes a first optical waveguide and a second optical waveguide.
A directional coupler, comprising at least one p-type and n-type conductive layers in a cladding layer between the optical waveguides described above, and applying an electric field to the cladding layer.

【0021】(5)第5の形態は、前記項目(1)より
(4)に記載の方向性結合器を複数連結することによっ
て構成されることを特徴とする光マトリックス・スイッ
チである。
(5) A fifth mode is an optical matrix switch constituted by connecting a plurality of the directional couplers according to the above items (1) to (4).

【0022】(6)第6の形態は、前記項目(1)より
(4)に記載の方向性結合器を光の強度変調に用いるこ
とを特徴とした光変調器である。
(6) A sixth mode is an optical modulator characterized in that the directional coupler according to any of the above items (1) to (4) is used for intensity modulation of light.

【0023】(7)第7の形態は、前記項目(4)に記
載の方向性結合器のクラッド層に電圧を印加して該方向
性結合器の2つの光導波路間の結合状態を変化させるこ
とにより、少なくとも一方の出力口から出力される光の
波長を変化させることを特徴とする波長選択器である。
(7) In a seventh mode, a voltage is applied to the cladding layer of the directional coupler according to the item (4) to change a coupling state between two optical waveguides of the directional coupler. Thus, the wavelength selector changes the wavelength of light output from at least one output port.

【0024】本願発明は装置の小型化に有利であり、上
記方向性結合器、光変調器、光スイッチ、波長選択器な
どを、光通信用のモジュールに用いて好都合である。更
には、これらを用いての光通信システムを構築すること
が出来る。以下、こうした例である。
The present invention is advantageous for miniaturization of the apparatus, and it is advantageous to use the directional coupler, the optical modulator, the optical switch, the wavelength selector, and the like for a module for optical communication. Furthermore, an optical communication system using these can be constructed. The following is such an example.

【0025】(8)第8の形態は、前記項目(6)に記
載の光変調器と該変調器に入力光を光学的に結合させる
ための集光手段と、該変調器からの出力光を外部の光フ
ァイバーに光学的に結合させるための集光手段を内蔵し
た光通信用モジュールである。
(8) An eighth mode is the optical modulator according to the item (6), a light condensing means for optically coupling input light to the modulator, and output light from the modulator. This is an optical communication module having a built-in condensing means for optically coupling the optical fiber to an external optical fiber.

【0026】(8)第9の形態は、前記項目(6)に記
載の半導体光変調器を有する送信手段と、この送信手段
からの出力光を導波するための導波手段と、この導波手
段からの出力光を受信するための受信手段とを有する光
通信システムである。
(8) A ninth embodiment is directed to a transmitting unit having the semiconductor optical modulator according to the item (6), a waveguide unit for guiding output light from the transmitting unit, and a waveguide unit. And a receiving unit for receiving the output light from the wave unit.

【0027】<実施の形態1>図4は本発明による方向
性結合器の実施の形態の例を示す斜視図である。図5は
図4に示す方向性結合器素子のAAの断面での断面図で
ある。
<First Embodiment> FIG. 4 is a perspective view showing an example of an embodiment of a directional coupler according to the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of the directional coupler element shown in FIG.

【0028】所定の基板に第1のクラッド層9が設けら
れる。この第1のクラッド層9上に、半導体材料による
埋込み層8によって、埋め込まれた第2の光導波路2が
形成される。埋め込まれた第2の光導波路2の上部に
は、第1の導伝型の第1の半導体層11が配され、更
に、この第1の半導体層11と埋込み層8とを覆って、
第2の導伝型の第2の半導体層3が形成される。この第
2の導伝型の第2の半導体層3を挟んで、前記第1の導
伝型の第1の半導体層11と反対側に、第1の光光導波
路1が埋込み層7によってその側面を埋め込まれて形成
される。尚、前記第1の光光導波路1の上部には前記第
1の光光導波路1の電界を印加する為の第2の導伝型の
半導体層10が設けられている。又、前記第2の導伝型
の第2の半導体層3と、前記クラッド層9の裏面に、第
2の導伝型の電極、第1の導伝型の電極が各々設けられ
る。
A first cladding layer 9 is provided on a predetermined substrate. The embedded second optical waveguide 2 is formed on the first clad layer 9 by the embedded layer 8 made of a semiconductor material. A first conductive type first semiconductor layer 11 is disposed above the buried second optical waveguide 2, and further covers the first semiconductor layer 11 and the buried layer 8.
A second conductive second semiconductor layer 3 is formed. On the side opposite to the first conductive type first semiconductor layer 11 with the second conductive type second semiconductor layer 3 interposed therebetween, the first optical waveguide 1 is formed by a buried layer 7. Formed with embedded side surfaces. Note that a second conductive semiconductor layer 10 for applying an electric field of the first optical waveguide 1 is provided above the first optical waveguide 1. A second conductive type electrode and a first conductive type electrode are provided on the back surface of the second conductive type second semiconductor layer 3 and the back surface of the cladding layer 9, respectively.

【0029】本願発明の構造では、前記第1の半導体層
11と第2の半導体層3との厚さの和が、第1の光導波
路1と第2の光導波路2との間隔を規定している。2つ
の導波路間隔が、当該方向性結合器の構成部材の積層方
向に設定されている。そして、第1、第2、及び第3の
電極によって、第1の光導波路1あるいは第2の光導波
路2に電界を印加し、一方の光導波路から他方の光導波
路への光の移行を実現するものである。本素子では、表
面n電極4とp電極5を通して光導波路1に、また、裏
面n電極6とp電極5を通して光導波路2に、それぞれ
独立に電界を印加することが出来る。
In the structure of the present invention, the sum of the thicknesses of the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 3 defines the distance between the first optical waveguide 1 and the second optical waveguide 2. ing. The distance between the two waveguides is set in the stacking direction of the components of the directional coupler. Then, an electric field is applied to the first optical waveguide 1 or the second optical waveguide 2 by the first, second, and third electrodes, and light is transferred from one optical waveguide to the other optical waveguide. Is what you do. In this element, an electric field can be independently applied to the optical waveguide 1 through the front n-electrode 4 and the p-electrode 5 and to the optical waveguide 2 through the back n-electrode 6 and the p-electrode 5.

【0030】前記各部材の具体的例を例示すれば、次の
通りである。参照符号1、2はi−In0.58Ga0.42
0.10.9/i−In0.81Ga0.19As0.450.55で構
成された多重量子井戸型(MQW:Multi Qua
ntum Well)光導波路、3はp−InP層、4
は表面n電極、5はP電極、6は裏面n電極をそれぞれ
示す。7、8はi−InP埋め込み層、9はn−InP
クラッド層、10はMQW導波路に電界を印加する為の
n−InP層、同様に11はp−InP層である。光導
波路は幅及び深さともに一辺が2ミクロンで、シングル
モード光導波路となっている。3と11の厚さの和の光
導波路間隔は0.5μmとした。MQW層は、10ペア
の、6nm幅のi−In0.58Ga0.42As0.10.9(バ
ンドギャップ0.790eV)の量子井戸と15nm幅
のi−In0.81Ga0.19As0.450.55(バンドギャッ
プ1.06eV)バリアの組み合わせから形成される。
井戸層及びバリア層ともに無歪みでInPに格子整合す
る。4の光導波路に沿った長さは400ミクロンであ
る。表面側のn側電極4とp側電極5を通して、MQW
光導波路1に、又、裏面のn側電極6とp側電極5を通
してMQW光導波路2に、それぞれ独立に電圧を印加す
ることが出来る構成となっている。
The following is a specific example of each of the above members. Reference numerals 1 and 2 are i-In 0.58 Ga 0.42 A
s 0.1 P 0.9 / i-In 0.81 Ga 0.19 As 0.45 P 0.55 composed of multiple quantum wells (MQW: Multi Qua)
3) p-InP layer, 4)
Denotes a front surface n electrode, 5 denotes a P electrode, and 6 denotes a rear surface n electrode. 7, 8 are i-InP buried layers, 9 is n-InP
The clad layer 10 is an n-InP layer for applying an electric field to the MQW waveguide, and similarly, 11 is a p-InP layer. The optical waveguide has a width and depth of 2 μm on each side and is a single mode optical waveguide. The distance between the optical waveguides, which is the sum of the thicknesses of 3 and 11, was 0.5 μm. The MQW layer comprises 10 pairs of a 6-nm wide i-In 0.58 Ga 0.42 As 0.1 P 0.9 (band gap 0.790 eV) quantum well and a 15-nm wide i-In 0.81 Ga 0.19 As 0.45 P 0.55 (band gap 1. 06eV) formed from a combination of barriers.
Both the well layer and the barrier layer are lattice-matched to InP without distortion. The length along the optical waveguide of No. 4 is 400 microns. Through the n-side electrode 4 and the p-side electrode 5 on the front side, the MQW
A voltage can be independently applied to the optical waveguide 1 and to the MQW optical waveguide 2 through the n-side electrode 6 and the p-side electrode 5 on the back surface.

【0031】次に、本素子の製造方法を図6Aより図6
Fを参酌して説明する。
Next, a method of manufacturing the present element will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to F.

【0032】図6Aに例示されるように、n−InP基
板上に有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて、
n−InP層9、i−InGaAsP系材料を用いたM
QW層30、p−InP層31の各層を順次エピタキシ
ャル成長した。図面では前記基板は省略されている。
尚、以下の図において、基板とn−InP層とは同じ材
料となるので、同じ符号9で示した。従って、符号9の
半導体は基板とこの上部層を合わせ示す。
As illustrated in FIG. 6A, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is used on an n-InP substrate.
n-InP layer 9, M using i-InGaAsP-based material
Each layer of the QW layer 30 and the p-InP layer 31 was sequentially epitaxially grown. In the drawings, the substrate is omitted.
In the following figures, since the substrate and the n-InP layer are made of the same material, they are denoted by the same reference numeral 9. Accordingly, the semiconductor denoted by reference numeral 9 indicates the substrate and this upper layer together.

【0033】次に、フォトリソグラフィー技術を用い
て、光導波路の形状にレジストパターンを形成する。そ
して、このレジストパターンをマスク領域として、通例
のドライエッチングで、MQW層30、p−InP層3
1のメサ形状を形成した。図6Bにこの状態が示され
る。再び、MOCVD法でi−InP層8を成長してこ
のメサ形状を埋め込んだ後に、更に、p−InP層3、
i−InGaAsPMQW層32、n−InP層33の
各層を成長した(図6C)。次に図6Bにおける状態の
形成の場合と同様なプロセスを用いて、図6Dに示すよ
うに埋め込んだ光導波路の直上にメサ形状を形成した。
このメサ形状は、MQW光導波路、1及びp−InP層
9によって構成される。その後、MOCVD法を用い
て、図6Eのようにi−InP層7でこのリッジを完全
に埋め込んだ。
Next, a resist pattern is formed in the shape of the optical waveguide by using a photolithography technique. Then, using this resist pattern as a mask region, the MQW layer 30 and the p-InP layer 3 are formed by ordinary dry etching.
1 was formed. FIG. 6B shows this state. Again, after growing the i-InP layer 8 by MOCVD and embedding this mesa shape, the p-InP layer 3
Each layer of the i-InGaAs PMQW layer 32 and the n-InP layer 33 was grown (FIG. 6C). Next, a mesa shape was formed immediately above the embedded optical waveguide as shown in FIG. 6D by using a process similar to that for forming the state in FIG. 6B.
This mesa shape is constituted by the MQW optical waveguide, 1 and the p-InP layer 9. Thereafter, the ridge was completely buried with the i-InP layer 7 as shown in FIG. 6E by using the MOCVD method.

【0034】次にフォトリソグラフィーとウエットエッ
チングでp−InP層3の一部を露出させ(図6F)、
電極材料の蒸着し、次いでフォトリソグラフィー・ミリ
ングを施し、図6Gに示すようにn電極4、p電極5を
形成した。最後に基板を所望の厚さにまで研磨し(図6
H)、裏面n電極6形成した(図6I)。上記両電極に
はAuGe合金を用い、蒸着にて形成した。これらの電
極は、Ti、Pt、Moなどの耐熱性金属とAuの積層
膜を用いることも可能である。
Next, a part of the p-InP layer 3 is exposed by photolithography and wet etching (FIG. 6F).
An electrode material was deposited and then subjected to photolithography milling to form an n-electrode 4 and a p-electrode 5 as shown in FIG. 6G. Finally, the substrate is polished to a desired thickness (FIG. 6).
H), the back surface n-electrode 6 was formed (FIG. 6I). An AuGe alloy was used for both of the electrodes, and was formed by vapor deposition. For these electrodes, a laminated film of Au and a heat-resistant metal such as Ti, Pt, or Mo can be used.

【0035】本願発明によれば、2本の光導波路の間隔
や、その組成は結晶成長条件によって決定される。従っ
て、これらの条件や特性を、完全に任意に設定すること
が可能である。本実施の形態では2本の光導波路の組成
や形状を全く同一とした。しかし、これらの設定も、前
述の通り、結晶成長条件を変えることにより、自由に選
ぶことができる。
According to the present invention, the distance between the two optical waveguides and the composition thereof are determined by the crystal growth conditions. Therefore, it is possible to completely set these conditions and characteristics arbitrarily. In the present embodiment, the compositions and shapes of the two optical waveguides are exactly the same. However, as described above, these settings can be freely selected by changing the crystal growth conditions.

【0036】例えば、本実施の形態では、InP基板の
格子整合するInGaAsPの量子井戸構造を用いた
が、所望の屈折率や使用する光の波長帯域に応じて、I
II族元素の材料にIn、Ga、Alの少なくともいず
れか、V族元素の材料にAs、P、Nの少なくともいず
れかを、含有せしめた組成としたIII―V族化合物半
導体材料を用いることが出来る。
For example, in the present embodiment, an InGaAsP quantum well structure lattice-matched to an InP substrate is used.
A group III-V compound semiconductor material having a composition containing at least one of In, Ga, and Al as a material of a group II element and at least one of As, P, and N as a material of a group V element may be used. I can do it.

【0037】又、本実施の形態では、2本の光導波路の
組成や形状を全く同一としたが、これらも結晶成長の条
件を変えることによって、異なる組成や形状の光導波路
群を形成することが出来る。
In this embodiment, the compositions and shapes of the two optical waveguides are completely the same. However, it is also possible to form optical waveguide groups having different compositions and shapes by changing the conditions for crystal growth. Can be done.

【0038】次に、本例の縦型の方向性結合器の動作に
ついて説明する。
Next, the operation of the vertical directional coupler of this embodiment will be described.

【0039】図7は本発明による方向性結合器の実施の
形態の例を示す平面図である。図8及び図9は図7に示
す方向性結合器素子のAAの断面での断面図である。各
図は別な動作状態を示している。図10は当該方向性結
合器の主要部の屈折率分布を示す図である。図11は第
1の光導波路に導波される光の強度分布の屈折率依存
性、図12は第2の光導波路に導波される光の強度分布
の屈折率依存性を示す図である。図13は第1及び第2
の各光導波路の出力端からの出力強度の、第1の光導波
路へ印加する電圧依存性を示した図である。
FIG. 7 is a plan view showing an embodiment of the directional coupler according to the present invention. 8 and 9 are cross-sectional views of the directional coupler element shown in FIG. 7 taken along the line AA. Each figure shows a different operation state. FIG. 10 is a diagram showing a refractive index distribution of a main part of the directional coupler. FIG. 11 is a diagram illustrating the refractive index dependence of the intensity distribution of light guided to the first optical waveguide, and FIG. 12 is a diagram illustrating the refractive index dependence of the intensity distribution of light guided to the second optical waveguide. . FIG. 13 shows the first and second
FIG. 5 is a diagram showing the dependence of the output intensity from the output end of each optical waveguide on the voltage applied to the first optical waveguide.

【0040】当該方向性結合器に電圧を印加しない状態
では、図10に実線で示すように、方向性結合器を構成
する2つの光導波路の屈折率は等しい。図9に示すよう
に、基板に対して上側の電極4と導電層3との間に電圧
を印加すると、電圧が印加された第1の光導波路1の屈
折率が上昇し、屈折率分布は非対称となる。このよう
に、方向性結合器の一方の光導波路の屈折率を変化させ
た場合の、伝搬する光の光のパワー配分を示したのが図
11及び図12である。各図共、横軸は光の伝搬方向の
距離、縦軸は規格化された光のパワーを示す。図11は
光導波路1中のパワー、図12は光導波路2中のパワー
を示す。各々、光導波路1と2との屈折率の差Δnを0
から1.2×10-3まで変化させた場合の結果を示して
いる。各図ではΔn=0とΔn=1.2×10-3の曲線
に指示しているが、これらの曲線の間に示された曲線群
は、これらの間の屈折率の差を有する場合の特性を示し
ている。図11において、距離が0において光パワーが
1であるのは、第1の光導波路1のみに光が入射された
状態を示している。光伝搬距離の増加に伴って、図11
に示す第1の光導波路1では光パワーが減少、図12示
す第2の光導波路2では光パワーが増大する。このこと
は、光が光導波路1から光導波路2に移行する様子を示
している。更に、伝搬距離が増大すると、光導波路1で
は、光パワーは再び増加し規格化パワーが1に戻り始め
る。これと同じ状態で、第2の光導波路2では第1の光
導波路1と逆の光の状態を呈する。このように、伝搬距
離の増大に伴って、光のパワーは第1の光導波路1と第
2の光導波路2との間を往復することとなる。Δn=0
の場合の曲線を図11と図12とを比較してみると、
0.4mm付近で完全に移行する様子が理解される。各
図で0.4mmの場合に位置を点線で示した。
When no voltage is applied to the directional coupler, as shown by the solid line in FIG. 10, the two optical waveguides constituting the directional coupler have the same refractive index. As shown in FIG. 9, when a voltage is applied between the upper electrode 4 and the conductive layer 3 with respect to the substrate, the refractive index of the first optical waveguide 1 to which the voltage is applied increases, and the refractive index distribution becomes Becomes asymmetric. FIGS. 11 and 12 show the power distribution of the propagating light when the refractive index of one optical waveguide of the directional coupler is changed as described above. In each figure, the horizontal axis indicates the distance in the light propagation direction, and the vertical axis indicates the normalized light power. 11 shows the power in the optical waveguide 1, and FIG. 12 shows the power in the optical waveguide 2. In each case, the difference Δn between the refractive indices of the optical waveguides 1 and 2 is set to 0.
3 shows the result when the value is changed from 1.2 × 10 −3 to 1.2 × 10 −3 . In each figure, the curves of Δn = 0 and Δn = 1.2 × 10 −3 are indicated, but the group of curves shown between these curves is the case where there is a refractive index difference between them. The characteristics are shown. In FIG. 11, when the distance is 0 and the optical power is 1, it indicates a state in which light is incident only on the first optical waveguide 1. As the light propagation distance increases, FIG.
In the first optical waveguide 1 shown in FIG. 12, the optical power decreases, and in the second optical waveguide 2 shown in FIG. 12, the optical power increases. This shows how light moves from the optical waveguide 1 to the optical waveguide 2. Further, as the propagation distance increases, the optical power in the optical waveguide 1 increases again, and the normalized power starts to return to 1. In the same state, the second optical waveguide 2 exhibits a light state opposite to that of the first optical waveguide 1. As described above, as the propagation distance increases, the power of light reciprocates between the first optical waveguide 1 and the second optical waveguide 2. Δn = 0
Comparing the curves in the case of FIG. 11 with FIG.
It can be seen that the transition completely occurs near 0.4 mm. In each figure, the position is indicated by a dotted line when the distance is 0.4 mm.

【0041】本実施の形態では、結合器の長さをこの
0.4mmとする。こうすることによって、第1の光導
波路1に電圧を印加しない状態では、第1の光導波路1
に入射した光は100%、第2の光導波路2の出射口か
ら取り出される。この状態が図8に例示したものであ
る。
In the present embodiment, the length of the coupler is 0.4 mm. By doing so, when no voltage is applied to the first optical waveguide 1, the first optical waveguide 1
100% of the light incident on the second optical waveguide 2 is extracted from the exit of the second optical waveguide 2. This state is illustrated in FIG.

【0042】一般に光パワーの完全移行に必要な距離
は、2つの光導波路の間隔が短いほど小さい。こうし
た、光の移行に関する現象は、2つの光導波路が平面的
に配置されても、積層方向に配置されても全く同様であ
る。本実施の形態では、縦型結合の構造を取ることによ
って、2つの光導波路の間隔を極めて短くすることを可
能とした。従って、平面型方向性結合器より1桁程度短
い結合部の長さを実現することが可能となった。こうし
て、本願発明は極めて小型の方向性結合器を提供するこ
とが出来る。本例の場合、具体的には、例えば、光導波
路の間隔は0.5μmとし、結合部の長さは0.4mm
であった。
In general, the distance required for complete transfer of optical power is smaller as the distance between two optical waveguides is shorter. Such a phenomenon relating to light transfer is exactly the same whether the two optical waveguides are arranged in a plane or in the stacking direction. In the present embodiment, by taking the structure of the vertical coupling, it is possible to make the interval between the two optical waveguides extremely short. Therefore, it is possible to realize a length of the coupling portion which is shorter than the planar directional coupler by about one digit. Thus, the present invention can provide a very small directional coupler. In the case of this example, specifically, for example, the interval between the optical waveguides is 0.5 μm, and the length of the coupling portion is 0.4 mm.
Met.

【0043】図11及び図12を参酌すると、光導波路
の一方に電界を印加し、Δnが増大すると、光パワーの
移行は不完全となり、且つ移行の周期も短くなることが
理解される。これは、屈折率分布が非対称になり、高屈
折率の光導波路に光が偏るためである。Δnが1.2×
10-3では、Δnが0の場合に比較して、移行の周期が
丁度半分になる。即ち、本例では具体的に伝搬距離が
0.4mmで第1の光導波路1に光パワーが局在した状
態である。図9にこの状態を示す。この時、第1の光導
波路1に入射した光は、100%第1の光導波路1の射
出口から取り出される。
Referring to FIGS. 11 and 12, it is understood that when an electric field is applied to one of the optical waveguides and Δn increases, the transition of the optical power becomes incomplete and the transition period becomes shorter. This is because the refractive index distribution becomes asymmetric and the light is biased toward the optical waveguide having a high refractive index. Δn is 1.2 ×
At 10 -3 , the transition cycle becomes just half as compared with the case where Δn is 0. That is, in this example, specifically, the propagation distance is 0.4 mm and the optical power is localized in the first optical waveguide 1. FIG. 9 shows this state. At this time, the light that has entered the first optical waveguide 1 is extracted 100% from the exit of the first optical waveguide 1.

【0044】図13は、以上詳細に説明したスイッチン
グの様子をまとめて示したものである。縦軸は第1及び
第2の光導波路1、2の出射パワー、横軸は第1の光導
波路1への印加電圧である。この例では、電圧が1Vで
光は完全にスチッチングされる。この電圧が前記Δnが
1.2×10-3を与えるに必要な電圧である。
FIG. 13 collectively shows switching states described in detail above. The vertical axis represents the output power of the first and second optical waveguides 1 and 2, and the horizontal axis represents the voltage applied to the first optical waveguide 1. In this example, the light is completely switched at a voltage of 1V. This voltage is a voltage necessary for giving the Δn of 1.2 × 10 −3 .

【0045】本実施の形態では、電界の無印加時には、
屈折率分布が対称で、電界の印加時には非対称になる構
成とした。しかし、上述したように、2つの光導波路の
材料組成や屈折率などは任意に設定できる。従って、電
圧の無印加時に非対称、電圧の印加時に対称という構成
とすることも当然可能である。
In this embodiment, when no electric field is applied,
The configuration was such that the refractive index distribution was symmetric and asymmetric when an electric field was applied. However, as described above, the material composition and the refractive index of the two optical waveguides can be arbitrarily set. Therefore, it is of course possible to adopt a configuration that is asymmetric when no voltage is applied and symmetric when voltage is applied.

【0046】<実施形態2>本例は少なくとも2つの光
導波路間のクラッド層に電圧を印加する例である。そし
て、本例は、具体的には、光スチッチ、光強度変調器あ
るいは波長選択器などに好適な光デバイスの例である。
<Embodiment 2> This embodiment is an example in which a voltage is applied to a clad layer between at least two optical waveguides. This example is specifically an example of an optical device suitable for an optical switch, an optical intensity modulator, a wavelength selector, or the like.

【0047】まず、本例の光デバイスの構成を説明す
る。図14は本発明による方向性結合器の他の実施の形
態を示す概観図である。図15は図14の構造のAA断
面の断面図である。図16は本例の動作を説明する為の
図である。
First, the configuration of the optical device of this embodiment will be described. FIG. 14 is a schematic view showing another embodiment of the directional coupler according to the present invention. FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line AA of the structure of FIG. FIG. 16 is a diagram for explaining the operation of the present example.

【0048】図14及び図15に示す構造は、図4及び
図5に例示した実施の形態1の構造と類似構造を有する
が、特に電圧の印加の為の電極の配置が異なる。
The structure shown in FIGS. 14 and 15 has a structure similar to the structure of the first embodiment illustrated in FIGS. 4 and 5, but differs particularly in the arrangement of electrodes for applying a voltage.

【0049】所定の基板に第1のクラッド層47が設け
られる。この第1のクラッド層47上に、半導体材料に
よる埋込み層48によって、埋め込まれた第2の光導電
41が形成される。埋め込まれた第2の光導波路41
の上部には、第1の導伝型の第1の半導体層が配され、
更に、この第1の半導体層と埋込み層48とを覆って、
の導伝型の第2の半導体層44及びクラッド層43
が形成される。このクラッド層43の上部に第の導伝
型の第の半導体層42が形成される。これらの半導体
層42、43、及び44を挟んで、前記第1の導伝型の
第1の半導体層との反対側に、第1の光導波路40が埋
込み層46によってその側面を埋め込まれて形成され
る。そして、前記半導体層42に電極6及び前記半導体
層44に電極45が設けられる。本デバイスはこの両電
極に電圧を印加し、クラッド層43の屈折率を変化させ
るのである。図16は、電圧印加によって、クラッド層
43の屈折率が変化する状態を示したものである。変化
は点線で変化した状態を示す。
A first cladding layer 47 is provided on a predetermined substrate. A buried second photoconductive path 41 is formed on the first clad layer 47 by a buried layer 48 made of a semiconductor material. Embedded second optical waveguide 41
A first semiconductor layer of a first conductivity type is disposed on top of
Further, covering the first semiconductor layer and the buried layer 48,
First second semiconductor layer of the conductivity type of 44 and the cladding layer 43
Is formed. A second conductive third semiconductor layer 42 is formed on the cladding layer 43. These semiconductor layers 42, 43, and across the 44, on the opposite side of the first semiconductor layer of the first conductivity type, a first optical waveguide 40 is embedded its side by a buried layer 46 Formed. The electrode 6 is provided on the semiconductor layer 42 and the electrode 45 is provided on the semiconductor layer 44. In this device, a voltage is applied to both electrodes to change the refractive index of the cladding layer 43. FIG. 16 shows a state in which the refractive index of the cladding layer 43 changes by applying a voltage. The change is indicated by a dotted line.

【0050】先ず、以下、実施の形態の具体的構成を説
明する。本実施の形態では、光導波路40、41の組成
をi−In0.58Ga0.42As0.10.9とし、その間にp
−InP層42とn−InP層44で挟んだi−In
0.58Ga0.42As0.10.9/i−In0.81Ga0.19As
0.450.55よりなるMQW層43を設けた。このMQW
構造の光導波路自体は通例の方法に従って十分である。
p−InP層42にはp側電極5が、n−InP層44
にはn側電極45がそれぞれ形成されている。2つの光
導波路をとりまくクラッドとなる46、47はi−In
P層である。本実施形態の動作の特徴は、2つの光導波
路の屈折率は変化させず、光導波路間のクラッド層の屈
折率を変化させることにある。このため最大移行パワー
を100%に保ったまま、結合長を変化させることがで
きる。
First, a specific configuration of the embodiment will be described below. In the present embodiment, the compositions of the optical waveguides 40 and 41 are i-In 0.58 Ga 0.42 As 0.1 P 0.9, and p
I-In sandwiched between -InP layer 42 and n-InP layer 44
0.58 Ga 0.42 As 0.1 P 0.9 / i-In 0.81 Ga 0.19 As
An MQW layer 43 made of 0.45 P 0.55 was provided. This MQW
The structured optical waveguide itself is sufficient according to customary methods.
The p-side electrode 5 is provided on the p-InP layer 42 and the n-InP layer 44.
Are formed with n-side electrodes 45, respectively. The claddings 46 and 47 surrounding the two optical waveguides are i-In
P layer. The feature of the operation of the present embodiment is that the refractive index of the cladding layer between the optical waveguides is changed without changing the refractive index of the two optical waveguides. Therefore, the coupling length can be changed while maintaining the maximum transition power at 100%.

【0051】本実施形態の素子は光スイッチ、光強度変
調器に好適なのは言うまでもないが、波長選択器に特に
好適である。その動作の概念を示したのが図17、18
である。それらは別な波長の光を選択的に取り出す例を
示している。
It goes without saying that the device of this embodiment is suitable for an optical switch and a light intensity modulator, but is particularly suitable for a wavelength selector. FIGS. 17 and 18 show the concept of the operation.
It is. They show examples of selectively extracting light of another wavelength.

【0052】伝播定数βは光の波長によって異なるの
で、結合長には波長依存性がある。従って、方向性結合
器に広い波長範囲の光を入射した場合、素子の長さと等
しい結合長をもつ波長の光だけが反対側の光導波路に移
行する。例えば、図17の例では、第1の光導波路40
に、波長λ0、λ1、λ2、λ3、及びλ4を有する光
束を入射する。光の波長によって結合長の長さが異なる
ので、波長λ0の光のみが、第2の光導波路に光が移行
するごとく結合長を設定しておけば、波長λ0の光のみ
第2の光導波路に光が移行する。
Since the propagation constant β differs depending on the wavelength of light, the coupling length has wavelength dependence. Therefore, when light in a wide wavelength range is incident on the directional coupler, only light having a wavelength having a coupling length equal to the length of the element is transferred to the optical waveguide on the opposite side. For example, in the example of FIG. 17, the first optical waveguide 40
, Light beams having wavelengths λ0, λ1, λ2, λ3, and λ4 are incident. Since the length of the coupling length varies depending on the wavelength of the light, if the coupling length is set so that only the light of wavelength λ0 is transferred to the second optical waveguide, only the light of wavelength λ0 is converted into the second optical waveguide. The light travels to

【0053】本例では、電極6と電極45への電圧印加
によって、2つの光導波路40、41の間のクラッド層
43の屈折率を変化させる。もって、第2の光導波路よ
り取り出す光の波長を選択することができる。図18は
電圧の印加による制御で、波長λ1の光のみ第2の光導
波路に光が移行する例を示した。図17の例と同様に、
第1の光導波路40に、波長λ0、λ1、λ2、λ3、
及びλ4を有する光束を入射しても、波長λ1の光のみ
第2の光導波路に光が移行する。本例では印加電圧によ
って、他の波長を選択するこのも可能である。このよう
に、本例では、選択する波長を自由に選ぶことを可能と
する。また、本例では、光が伝搬するコアの部分に損失
が大きい量子井戸構造を用いなくても良い為、伝搬損失
が小さく出来る利点がある。
In this example, the refractive index of the cladding layer 43 between the two optical waveguides 40 and 41 is changed by applying a voltage to the electrodes 6 and 45. Thus, the wavelength of the light extracted from the second optical waveguide can be selected. FIG. 18 shows an example in which only the light of wavelength λ1 is transferred to the second optical waveguide by control by applying a voltage. As in the example of FIG.
In the first optical waveguide 40, wavelengths λ0, λ1, λ2, λ3,
And λ4, only light of wavelength λ1 transfers to the second optical waveguide. In this example, it is also possible to select another wavelength by the applied voltage. Thus, in this example, it is possible to freely select the wavelength to be selected. Further, in this example, there is no need to use a quantum well structure having a large loss in a core portion where light propagates, and thus there is an advantage that a propagation loss can be reduced.

【0054】<実施形態3>次に、本願発明の光デバイ
スを適用したいくつかの装置やシステムを例示する。
<Third Embodiment> Next, some apparatuses and systems to which the optical device of the present invention is applied will be described.

【0055】図19は実施の形態1に例示した方向性結
合器50を集積した光マトリクス・スイッチである。方
向性結合器は図示されたように光導波路によってマトリ
クス状に接続される。601より608の8つの入射光
が、701より708の8つの射出光となる。即ち、8
×8のマトリクスを構成している。図面には単に方向性
結合器50の配置のみを示しているが、各方向性結合器
50前述した電圧印加のスイッチ作用をなす為の電極は
図からは省略されている。これらの電極群によって、マ
トリクスなる光スイッチ動作をなすことが出来る。
FIG. 19 shows an optical matrix switch in which the directional coupler 50 exemplified in the first embodiment is integrated. The directional couplers are connected in a matrix by an optical waveguide as shown. Eight incident lights 601 to 608 become eight outgoing lights 701 to 708. That is, 8
A matrix of × 8 is formed. In the drawing, only the arrangement of the directional couplers 50 is shown, but the electrodes for switching the voltage application described above in each directional coupler 50 are omitted from the drawing. With these electrode groups, a matrix optical switch operation can be performed.

【0056】図20は実施の形態1に例示した方向性結
合器を光変調器として用いた光変調用通信モジュールで
ある。サブマウント101上に実施の形態1の方向性結
合器51とその光軸上に所望の光伝送路、例えば光ファ
イバー52とレンズ53を固定した光通信用変調器モジ
ュール55である。方向性結合器51の動作によって、
一方の光ファイバーから他方の光ファイバーへの光の伝
送の可否を可能とし、もって、光変調を行うことが可能
である。
FIG. 20 shows a communication module for optical modulation using the directional coupler exemplified in the first embodiment as an optical modulator. An optical communication modulator module 55 in which a directional coupler 51 according to the first embodiment is mounted on a submount 101 and a desired optical transmission path, for example, an optical fiber 52 and a lens 53 are fixed on the optical axis thereof. By the operation of the directional coupler 51,
It is possible to enable or disable the transmission of light from one optical fiber to the other optical fiber, thereby performing light modulation.

【0057】図21は、前記の光通信用変調器モジュー
ル55を用いた幹線系光通信システムである。送信装置
60は変調器モジュール54に光を入力するための半導
体レーザー61と、この変調器モジュールを駆動するた
めの駆動系62とを具備する。半導体レーザー61から
の光は変調器モジュール54で光信号に変換され、光フ
ァイバー63を通って受信装置64内の受光部65で検
出される。本光システムの各要素部材、例えば半導体レ
ーザ、受光部などは通例のもので十分である。
FIG. 21 shows a trunk optical communication system using the optical communication modulator module 55 described above. The transmitting device 60 includes a semiconductor laser 61 for inputting light to the modulator module 54 and a drive system 62 for driving the modulator module. The light from the semiconductor laser 61 is converted into an optical signal by the modulator module 54, passes through the optical fiber 63, and is detected by the light receiving unit 65 in the receiving device 64. Each element of the optical system, for example, a semiconductor laser, a light receiving unit, and the like, is a conventional one.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上述べたごとく本発明によれば、小型
で集積化可能な光スイッチ、光変調器、波長選択フィル
タに応用できる方向性結合器を得ることができる。更に
本発明により安価で信頼性の高い光通信モジュール及び
それらを用いた光通信システムを構築する事が出来る。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a directional coupler which can be applied to an optical switch, an optical modulator, and a wavelength selective filter which are small and can be integrated. Further, according to the present invention, an inexpensive and highly reliable optical communication module and an optical communication system using them can be constructed.

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

【図1】図1は一般的な方向性結合器の動作原理を説明
する図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the operation principle of a general directional coupler.

【図2】図2は一般的な方向性結合器の光波パワー移行
の様子を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a state of light wave power transfer of a general directional coupler.

【図3】図3は従来型の方向性結合器の例を示す平面図
である。
FIG. 3 is a plan view showing an example of a conventional directional coupler.

【図4】図4は本願発明の方向性結合器の例を示す斜視
図である。
FIG. 4 is a perspective view showing an example of the directional coupler of the present invention.

【図5】図5は本願発明の方向性結合器の例を示す断面
図である。
FIG. 5 is a sectional view showing an example of the directional coupler of the present invention.

【図6A】図6Aは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6A is a cross-sectional view of the device in a predetermined manufacturing process of the directional coupler of the present invention.

【図6B】図6Bは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6B is a sectional view of the device in a predetermined manufacturing process of the directional coupler of the present invention.

【図6C】図6Cは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6C is a cross-sectional view of the device in a predetermined manufacturing process of the directional coupler of the present invention.

【図6D】図6Dは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6D is a cross-sectional view of the device in a predetermined manufacturing step of the directional coupler of the present invention.

【図6E】図6Eは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6E is a sectional view of the device in a predetermined manufacturing step of the directional coupler of the present invention.

【図6F】図6Fは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6F is a cross-sectional view of the device in a predetermined manufacturing step of the directional coupler of the present invention.

【図6G】図6Gは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6G is a sectional view of the device in a predetermined manufacturing step of the directional coupler of the present invention.

【図6H】図6Hは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6H is a cross-sectional view of the device in a predetermined manufacturing step of the directional coupler of the present invention.

【図6I】図6Iは本願発明の方向性結合器の所定の製
造工程での装置の断面図である。
FIG. 6I is a sectional view of the device in a predetermined manufacturing process of the directional coupler of the present invention.

【図7】図7は本願発明の方向性結合器の例を示す平面
図である。
FIG. 7 is a plan view showing an example of the directional coupler of the present invention.

【図8】図7は本願発明の方向性結合器の第1の動作状
態の例を示す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing an example of a first operation state of the directional coupler of the present invention.

【図9】図9は本願発明の方向性結合器の第2の動作状
態の例を示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing an example of a second operation state of the directional coupler of the present invention.

【図10】図10は本願の別な実施の形態の動作を説明
する為の図である。
FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of another embodiment of the present invention.

【図11】図11は第1の光導波路に導波される光の強
度分布の屈折率依存性を示す図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating the refractive index dependence of the intensity distribution of light guided to the first optical waveguide.

【図12】図12は第2の光導波路に導波される光の強
度分布の屈折率依存性を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a refractive index dependence of an intensity distribution of light guided to a second optical waveguide.

【図13】図13は第1及び第2の各光導波路の出力端
からの出力強度のと第1の光導波路へ印加する電圧依存
性を示した図である。
FIG. 13 is a diagram showing the output intensity from the output end of each of the first and second optical waveguides and the voltage dependency applied to the first optical waveguide.

【図14】図14は本発明による光デバイスの他の実施
の形態を示す概観図である。
FIG. 14 is a schematic view showing another embodiment of the optical device according to the present invention.

【図15】図15は図14の構造のAA断面の断面図で
ある。
FIG. 15 is a sectional view taken along the line AA of the structure of FIG. 14;

【図16】図16は本願の別な光デバイスの例の動作を
説明する為の図である。
FIG. 16 is a diagram for explaining the operation of another example of the optical device of the present application.

【図17】図17は本願の可変波長フィルタの第1の動
作状態を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a first operation state of the variable wavelength filter of the present application.

【図18】図18は本願の可変波長フィルタの第2の動
作状態を示す図である。
FIG. 18 is a diagram illustrating a second operation state of the variable wavelength filter of the present application.

【図19】図19は本願発明の方向性結合器を用いた光
マトリクス・スイッチの例を示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing an example of an optical matrix switch using the directional coupler of the present invention.

【図20】図20は本願発明の光デバイスを実装した光
通信モジュールの模式図である。
FIG. 20 is a schematic diagram of an optical communication module on which the optical device of the present invention is mounted.

【図21】図21は本願発明の光通信モジュールを用い
た光通信システムの模式図である。
FIG. 21 is a schematic diagram of an optical communication system using the optical communication module of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:i−InGaAsP/InPなるMQW光導波路 2:i−InGaAsP/InPなるMQW光導波路 3:p−InP導伝層、4:n−電極、5:p−電極、
6:n−電極、7:i−InP埋め込み層、8:i−I
nP埋め込み層、9:n−InP層 10:n−InP層、11:n−InP層、20:入力
ポート1、21:入力ポート2、22:出力ポート1、
23:出力ポート2、24:電極 25:電極、26:導波路間のクラッド層 30:i−InGaAsP/InPなるMQW層 31:p−InP層、32:i−InGaAsP/In
PなるMQW層 33:n−InP層、40:i−InGaAsPなる光
導波路 41:i−InGaAsPなる光導波路、42:p−I
nP層 43:i−InGaAsP/InP MQW層、44:n
−InP層 45:n−電極、46:i−InPクラッド層、47:
i−InPクラッド層 50:光変調器、51:サブマウント、52:光ファイ
バー、53:レンズ 54:光通信用変調器モジュール、60:送信装置、6
1:半導体レーザー 62:駆動系、63:光ファイバー、64:受信装置、
65:受光器。
1: MQW optical waveguide of i-InGaAsP / InP 2: MQW optical waveguide of i-InGaAsP / InP 3: p-InP conductive layer 4: 4: n-electrode, 5: p-electrode,
6: n-electrode, 7: i-InP buried layer, 8: i-I
nP buried layer, 9: n-InP layer, 10: n-InP layer, 11: n-InP layer, 20: input port 1, 21: input port 2, 22: output port 1,
23: Output port 2, 24: Electrode 25: Electrode, 26: Cladding layer between waveguides 30: MQW layer 31 of i-InGaAsP / InP 31: p-InP layer, 32: i-InGaAsP / In
P MQW layer 33: n-InP layer, 40: i-InGaAsP optical waveguide 41: i-InGaAsP optical waveguide, 42: pI
nP layer 43: i-InGaAsP / InP MQW layer, 44: n
-InP layer 45: n-electrode, 46: i-InP clad layer, 47:
i-InP cladding layer 50: optical modulator, 51: submount, 52: optical fiber, 53: lens 54: modulator module for optical communication, 60: transmitter, 6
1: semiconductor laser 62: drive system, 63: optical fiber, 64: receiving device,
65: light receiver.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/015 G02F 1/31 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/015 G02F 1/31

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に第1の光導波路と、i型の
ラッド層と、第2の光導波路とを前記基板に対して垂直
方向に配置されて少なくとも有し、前記クラッド層の
下面の各々にp型及びn型のいずれかの導電型の半導体
層を少なくとも含み、且つ前記第1の光導波路、半導体
層、クラッド層、半導体層 及び第2の光導波路が前記
基板に対して垂直方向に重ねて配置される領域を有し、
前記p型又はn型導電型の半導体層の各々に電極が設け
られ、前記電極間に電圧を印加して前記クラッド層に電
界印加が可能であり、当該電界によって前記第1の光導
波路と第2の光導波路との光学的結合状態を変化させ、
前記第1の光導波路と第2の光導波路間の結合長を変化
させることが可能なことを特徴とする方向性結合器。
To 1. A substrate, a first optical waveguide, and i-type click <br/> Rudd layer has at least are arranged in a vertical direction and a second optical waveguide to the substrate, on the cladding layer
The lower surface of each at least includes a semiconductor <br/> layer of either conductivity type p-type and n-type, and the first optical waveguide, a semiconductor
The layer, the cladding layer, the semiconductor layer , and the second optical waveguide are
Having an area arranged to be superimposed on the substrate in a vertical direction,
An electrode is provided on each of the p-type or n-type conductivity type semiconductor layers.
Voltage is applied between the electrodes to apply an electric current to the cladding layer.
The first light guide is applied by the electric field.
Changing the optical coupling state between the waveguide and the second optical waveguide,
Changing the coupling length between the first optical waveguide and the second optical waveguide
A directional coupler, characterized in that the directional coupler is capable of being operated.
【請求項2】 基板上に、i型の多重量子井戸構造の半
導体層と、この多重量子井戸構造の半導体層を挟んで、
第1のクラッド層によって前記多重量子井戸構造の半導
体層との対向面を除いて埋め込まれた第1の光導波路
と、別なクラッド層によって前記多重量子井戸構造の半
導体層との対向面を除いて埋め込まれた第2の光導波路
とを前記基板に対して垂直方向に配置されて少なくとも
有し、 前記多重量子井戸構造を有する半導体層の上下面にp型
とn型のいずれかの導電型の半導体層を少なくとも有
し、且つ前記p型又はn型導電型の半導体層の各々に電
極が設けられ、且つ前記基板面に沿った方向に、前記第
1の光導波路、半導体層、多重量子井戸構造を有する半
導体層、半導体層 及び第2の光導波路が前記基板に対
して垂直方向に重ねて配置される領域と、この領域を挟
んで前記第1の光導波路と第2の光導波路の各位置が前
記基板面に沿った方向の異なる位置にある領域とを有
し、 前記電極間に電圧を印加して前記多重量子井戸構造の半
導体層に電界印加が可能であり且つ、当該電界によって
前記第1の光導波路と第2の光導波路との光学的結合状
態を変化させ、前記第1の光導波路と第2の光導波路間
の結合長を変化させ、前記第1の光導波路と第2の光導
波路間の光の移行が可能なことを特徴とする方向性結合
器。
2. The method according to claim 1, wherein a half of an i-type multiple quantum well structure is formed on the substrate.
Sandwiching the conductor layer and the semiconductor layer having the multiple quantum well structure,
The semiconductor of the multiple quantum well structure is formed by a first cladding layer.
First optical waveguide embedded except for a surface facing a body layer
And a half of the multiple quantum well structure by another cladding layer.
Second optical waveguide embedded except for the surface facing the conductor layer
And at least vertically disposed with respect to the substrate
And a p-type semiconductor layer on the upper and lower surfaces of the semiconductor layer having the multiple quantum well structure.
And at least one of n-type conductive semiconductor layers
And electrically charges each of the p-type or n-type conductive semiconductor layers.
Poles are provided and in the direction along the substrate surface,
One optical waveguide, a semiconductor layer, and a half having a multiple quantum well structure.
A conductor layer, a semiconductor layer , and a second optical waveguide are paired with the substrate.
And the area vertically overlapped
And the first optical waveguide and the second optical waveguide are positioned at the front.
Areas at different positions along the substrate surface.
Then , an electric field can be applied to the semiconductor layer having the multiple quantum well structure by applying a voltage between the electrodes, and the electric coupling state between the first optical waveguide and the second optical waveguide is changed by the electric field. Changing the coupling length between the first optical waveguide and the second optical waveguide so that light can be transferred between the first optical waveguide and the second optical waveguide. Combiner.
【請求項3】請求項1より請求項のいずれかに記載の
前記方向性結合器を光の強度変調に用いることを特徴と
する光変調器。
3. An optical modulator, which comprises using the intensity modulation of the light the directional coupler according to claim 2 from claim 1.
【請求項4】 基板上に第1の光導波路と、i型の多
重量子井戸構造を有する半導体層と、第2の光導波路と
を前記基板に対して垂直方向に配置されて少なくとも有
し、前記多重量子井戸構造を有する半導体層の上下面に
p型とn型のいずれかの導電型の半導体層を少なくとも
含み、前記p型又はn型導電型の半導体層の各々に各々
の電極が設けられ、且つ前記第1の光導波路、p型又は
n型導電型の半導体層、多重量子井戸構造を有する半導
体層、n型又はp型導電型の半導体層 及び第2の光導
波路が前記基板に対して垂直方向に重ねて配置される領
域を有し、前記電極間に電圧を印加して前記クラッド層
に電界印加が可能であり、当該電界によって前記第1の
光導波路と第2の光導波路との光学的結合状態を変化さ
せ、前記第1の光導波路と第2の光導波路の少なくとも
一方に伝搬される光の波長変化が可能であることを特
徴とする波長選択器。
4. A first optical waveguide and an i-type multi- layer structure on a substrate.
A semiconductor layer having a quantum well structure, and a second optical waveguide disposed at least in a direction perpendicular to the substrate, and p-type and n-type are formed on upper and lower surfaces of the semiconductor layer having the multiple quantum well structure. At least a semiconductor layer of any one of the conductivity types, and each of the p-type or n-type conductivity semiconductor layer
And the first optical waveguide, p-type or
Semiconductor layer of n-type conductivity, semiconductor having multiple quantum well structure
Body layer, n-type or p-type conductivity type semiconductor layer , and second photoconductive layer
Where the waveguides are arranged vertically overlapping the substrate.
Having an area , an electric field can be applied to the clad layer by applying a voltage between the electrodes , and the electric field changes an optical coupling state between the first optical waveguide and the second optical waveguide, A wavelength selector, wherein the wavelength of light propagated to at least one of the first optical waveguide and the second optical waveguide can be changed.
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