JP3816924B2 - Semiconductor waveguide type light control element - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、超高速光スイッチ、波長変換素子等の各種の光制御素子に係わり、特に窒化物半導体量子井戸中のサブバンド間遷移を利用した半導体導波型光制御素子に関する。   The present invention relates to various light control elements such as an ultrafast optical switch and a wavelength conversion element, and more particularly to a semiconductor waveguide type light control element using intersubband transition in a nitride semiconductor quantum well.

インターネットの普及等に伴う情報量の急増により、基幹伝送系においては近い将来、毎秒数百ギガ〜数百テラビットの大量の情報が光ファイバを飛び交うものと予想されている。このような超大容量の光ネットワークを実現するためには、1Tb/sオーダーの超高速動作が可能な光スイッチング素子や広帯域可変波長変換素子などの光制御素子が必要である。処理の高速化や広帯域化により、部品数の削減,小型化,制御の単純化,波長管理の簡単化等が計れる。特に、半導体光制御素子は、光ファイバ等を使った光制御素子と比べて小型,軽量,安定であり、量産化,低コスト化,集積化,低遅延時間化,高速繰り返し動作等の観点でも有利である。   Due to the rapid increase in the amount of information accompanying the spread of the Internet, a large amount of information of several hundreds of gigabits to several hundreds of terabits per second is expected to fly over the optical fiber in the near future in the backbone transmission system. In order to realize such an ultra-high capacity optical network, an optical control element such as an optical switching element or a broadband variable wavelength conversion element capable of an ultra-high speed operation on the order of 1 Tb / s is required. By increasing the processing speed and bandwidth, it is possible to reduce the number of parts, downsize, simplify control, simplify wavelength management, and so on. In particular, semiconductor optical control elements are smaller, lighter, and more stable than optical control elements that use optical fibers, etc., from the viewpoint of mass production, cost reduction, integration, low delay time, high-speed repetitive operation, etc. It is advantageous.

1Tb/s級の超高速半導体光制御素子の動作原理として、窒化物半導体量子井戸中のサブバンド間遷移に基づく可飽和吸収の利用が提案されている(例えば、特許文献1参照)。サブバンド間の緩和時間はバンド間の緩和時間(キャリア寿命)と比べて3桁程度高速である。これまでにInGaAs/AlAsSb系、CdS/ZnSe/BeTe系、ならびにGaN/Al(Ga)N系の量子井戸構造において、光ファイバ通信に使われる近赤外波長域のサブバンド間遷移が実現されている。中でもGaN系は、LOフォノンと電子の相互作用が大きいので、サブバンド間緩和時間をInGaAs系と比べて一桁以上速くできる。   As an operating principle of a 1 Tb / s class ultrahigh-speed semiconductor optical control device, the use of saturable absorption based on intersubband transition in a nitride semiconductor quantum well has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The relaxation time between subbands is about three orders of magnitude faster than the relaxation time between carriers (carrier life). So far, inter-subband transitions in the near-infrared wavelength region used for optical fiber communication have been realized in InGaAs / AlAsSb, CdS / ZnSe / BeTe, and GaN / Al (Ga) N quantum well structures. Yes. Among them, the GaN system has a large interaction between the LO phonon and the electron, so that the intersubband relaxation time can be increased by an order of magnitude or more compared to the InGaAs system.

例えば、GaN量子井戸におけるサブバンド間緩和時間は室温、光通信波長帯で140〜400fsである。そのサブバンド間遷移の可飽和吸収(強い光が入射すると吸収係数が減少する現象)を利用すれば、1Tb/s程度の超高速繰り返し時にもパターン効果(素子の応答時間が信号タイムスロットと比べて長いため、パターンに依存して応答波形等が変化したり、なまってしまったりする現象)のない、光スイッチング動作が可能になる。   For example, the intersubband relaxation time in the GaN quantum well is 140 to 400 fs at room temperature and in the optical communication wavelength band. Using saturable absorption of the transition between subbands (a phenomenon in which the absorption coefficient decreases when strong light is incident), pattern effects (element response time compared to signal time slots) even at ultra-high-speed repetitions of about 1 Tb / s Therefore, it is possible to perform an optical switching operation without causing a response waveform or the like to change or become distorted depending on the pattern.

しかし、一般に光スイッチの高速応答と消費エネルギーの間はトレードオフの関係にあり、高速の光スイッチほどエネルギー密度の高い光パルスが必要である。光通信波長帯のGaN/AlN系サブバンド間吸収の吸収ピーク波長付近における飽和光エネルギー強度(サブバンド間吸収の吸収係数が半分に減る入力光パルス・エネルギー密度)は、パルス幅(ここでは100〜500fsを想定)や吸収スペクトル幅(量子井戸の均一性、界面の平坦性、イオン化不純物密度、井戸層の電子密度等に依存)により多少変わるが、数百fJ/μm2 のオーダーである。 However, there is generally a trade-off between the high-speed response of an optical switch and the energy consumption, and an optical pulse with a higher energy density is required for a high-speed optical switch. The saturation light energy intensity (input optical pulse energy density at which the absorption coefficient of intersubband absorption is reduced by half) near the absorption peak wavelength of GaN / AlN intersubband absorption in the optical communication wavelength band is the pulse width (here, 100). ˜500 fs) and absorption spectrum width (depending on the uniformity of the quantum well, flatness of the interface, ionized impurity density, electron density of the well layer, etc.), but on the order of several hundreds fJ / μm 2 .

小さなエネルギーのパルスでスイッチングを行うためには、光導波路のモード断面積を小さくして、エネルギー密度を高くする必要がある。しかるに、断面積の小さな光導波路は外部との光結合効率が低く、強いパルス・エネルギーを入力しないと導波路内にスイッチングに必要なエネルギーを結合することができない。このような大きなエネルギーの超短光パルスは、光ファイバを波形劣化なしに安定に伝送することが困難であり、使用できる光源もあまり実用的でないものに限られていた。   In order to perform switching with a small energy pulse, it is necessary to reduce the mode cross-sectional area of the optical waveguide and increase the energy density. However, an optical waveguide with a small cross-sectional area has low optical coupling efficiency with the outside, and energy required for switching cannot be coupled into the waveguide unless strong pulse energy is input. Such an ultrashort optical pulse with a large energy makes it difficult to stably transmit an optical fiber without waveform deterioration, and a usable light source is limited to an impractical one.

従って、実用的な光スイッチを実現するためには、光入出力部の断面積は大きいが光スイッチ主要部の断面積が小さい、いわゆるスポット変換機能の付いた構造が必須となる。単なる幅のテーパだけでは十分な光結合効率と多重量子井戸層への強い光閉じ込めを両立させることができない。理想的なスポット変換構造は、テーパ状GaNコア層をAl(Ga)Nクラッド層で埋め込んだ構造である(例えば、特許文献2参照)。   Therefore, in order to realize a practical optical switch, a structure with a so-called spot conversion function in which the cross-sectional area of the optical input / output unit is large but the cross-sectional area of the main part of the optical switch is small is essential. A mere taper of width cannot achieve both sufficient optical coupling efficiency and strong optical confinement in the multiple quantum well layer. An ideal spot conversion structure is a structure in which a tapered GaN core layer is embedded with an Al (Ga) N cladding layer (see, for example, Patent Document 2).

しかし、厚いAlN層や段差上のAlN層は高品質な結晶を成長するのが困難である。その一因は、GaN層との間で2.4%の格子不整合があるためで、AlN厚膜を成長したり、段差上にAlN層を成長したりすると、大量の欠陥が発生したりして結晶品質が低下したり、更には基板が反ったりする。また、AlN層は成長チャンバ内の残存酸素の影響等を受けやすく、この点からも高品質の厚膜を成長することが困難である。   However, it is difficult to grow a high-quality crystal with a thick AlN layer or a stepped AlN layer. One reason for this is that there is a 2.4% lattice mismatch with the GaN layer. When an AlN thick film is grown or an AlN layer is grown on a step, a large number of defects are generated. As a result, the crystal quality deteriorates and the substrate warps. In addition, the AlN layer is easily affected by residual oxygen in the growth chamber, and it is difficult to grow a high-quality thick film from this point.

その上、MBEで平坦な膜を成長するためのやや III族リッチな条件でAlN厚膜を成長すると、表面にたくさんのAlドロップレットが形成されることが多い。このドロップレットは純粋なAlではなく、Al化合物を含むため、後で塩酸処理等により除去することが難しい。ドロップレットが残っている状態では、微細パターンの形成が極めて困難である。また、ドロップレットを除去できたとしても、その下には通常転位等の結晶欠陥が形成されており、エッチング時に大きなピットができたり、転位に電子が集まったりして、深刻な光伝搬損失の原因となる。   In addition, when an AlN thick film is grown under slightly III-rich conditions for growing a flat film by MBE, many Al droplets are often formed on the surface. Since the droplets are not pure Al but contain Al compounds, it is difficult to remove them by hydrochloric acid treatment or the like later. In the state where the droplets remain, it is extremely difficult to form a fine pattern. Even if the droplets can be removed, crystal defects such as dislocations are usually formed under the droplets, and large pits are formed during etching or electrons are collected at the dislocations, resulting in serious light propagation loss. Cause.

従って、テーパ上のGaNコア層をAlNクラッド層で埋め込んだ構造などのスポット径変換構造を、結晶品質をそれほど悪化させず、歩留まり良く作製することは困難であった。
特開平8−179387公報 特開2002−107776号公報
Therefore, it has been difficult to produce a spot diameter conversion structure such as a structure in which a tapered GaN core layer is embedded with an AlN cladding layer without deteriorating crystal quality so much and with a high yield.
JP-A-8-179387 JP 2002-107776 A

上述のように、GaN系サブバンド間遷移を利用した半導体導波型光制御素子は高速・広帯域ではあるが、効率が低く、スイッチング・エネルギーが大きいという課題があり、実用上の障害になっていた。また、格子不整合が大きく、高品質の厚いAlN層や段差上のAlN層の成長が困難であるため、上記課題を解決するためのスポット径変換構造の作製が困難であった。   As described above, the semiconductor waveguide optical control device using the GaN-based intersubband transition has high speed and wide bandwidth, but has problems of low efficiency and large switching energy, which is a practical obstacle. It was. Further, since the lattice mismatch is large and it is difficult to grow a high-quality thick AlN layer or a stepped AlN layer, it is difficult to produce a spot diameter conversion structure for solving the above-described problems.

本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、超高速で且つスイッチング・エネルギーが低く、且つ製造も容易な半導体導波型光制御素子を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor waveguide light control element that is ultrafast, has low switching energy, and is easy to manufacture. is there.

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。   In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.

即ち本発明は、窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移により非線形光学応答を生じる光制御導波路部の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられた半導体導波型光制御素子であって、基板上に、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、この多重量子井戸層を上下から挟むGaNコア層と、このGaNコア層の下部に設けられた平均屈折率がGaNコア層より低い窒化物半導体下部クラッド層と、前記GaNコア層の上部に設けられた平均屈折率がGaNコア層より低い窒化物半導体上部クラッド層と、を有してなる多層構造が形成され、前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層,前記GaNコア層,及び前記多重量子井戸層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、前記入出力導波路部及びテーパ導波路部は、前記多層構造の上に前記基板よりも屈折率の高い装荷層が形成されたリッジ型光導波路からなり、前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記装荷層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における装荷層の厚さの変化に対応して減少していることを特徴とする。   That is, the present invention relates to the optical control waveguide via the tapered waveguide section on at least one of the input side or the output side of the optical control waveguide section that generates a nonlinear optical response due to intersubband transition in the nitride semiconductor multiple quantum well. A semiconductor waveguide type optical control device having an input / output waveguide portion having a larger mode cross-sectional area than the waveguide portion, a nitride semiconductor multiple quantum well layer that causes intersubband transition on the substrate, A GaN core layer sandwiching the quantum well layer from above and below, a nitride semiconductor lower cladding layer having an average refractive index lower than that of the GaN core layer, and an average provided on the GaN core layer. And a nitride semiconductor upper cladding layer having a refractive index lower than that of the GaN core layer, and the light control waveguide section includes at least the upper cladding layer of the multilayer structure. The GaN core layer and the multi-quantum well layer are formed of a mesa-shaped single mode optical waveguide formed by removing the multi quantum well layer outside the mesa, and the input / output waveguide portion and the tapered waveguide portion are formed on the multilayer structure. A tapered ridge type optical waveguide formed with a loading layer having a refractive index higher than that of the substrate, wherein the tapered waveguide portion is a width of the mesa having the multilayer structure from the input / output waveguide portion to the light control waveguide portion. And the thickness of the loading layer continuously or intermittently decreases, and extends from the portion in contact with the input / output waveguide portion toward both sides of the tapered waveguide portion toward the light control waveguide portion. The thickness of the slab portion is reduced corresponding to a change in the thickness of the loaded layer in the tapered waveguide portion.

また本発明は、窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移により非線形光学応答を生じる光制御導波路部の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられた半導体導波型光制御素子であって、前記光制御導波路部から前記入出力導波路部に至る光導波路が、前記基板側から少なくとも、窒化物半導体からなる下部クラッド層と、この下部クラッド層よりも平均屈折率が高いGaN下部コア層と、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、GaN層を主構成要素とする上部コア層と、平均屈折率が前記基板よりも高く前記上部コア層よりも低い上部クラッド層と、を積層してなる多層構造からなり、前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層,前記上部コア層,前記多重量子井戸層,及び前記下部コア層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、前記入出力導波路部は、前記上部コア層の厚さが前記光制御導波路部より厚く形成されたリッジ型光導波路からなり、前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記上部コア層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における上部コア層の厚さの変化に対応して減少していることを特徴とする。   The present invention is also directed to at least one of the input side and the output side of the optical control waveguide unit that generates a nonlinear optical response due to intersubband transition in the nitride semiconductor multiple quantum well, via the tapered waveguide unit. A semiconductor waveguide light control element provided with an input / output waveguide portion having a larger mode cross-sectional area than the waveguide portion, wherein the optical waveguide extending from the light control waveguide portion to the input / output waveguide portion is the substrate The main components are at least a lower clad layer made of a nitride semiconductor, a GaN lower core layer having an average refractive index higher than that of the lower clad layer, a nitride semiconductor multiple quantum well layer that causes intersubband transition, and a GaN layer. The light control waveguide section is composed of a multilayer structure formed by laminating an upper core layer as a component and an upper clad layer having an average refractive index higher than that of the substrate and lower than that of the upper core layer. A mesa-shaped single mode optical waveguide formed by removing at least the upper cladding layer, the upper core layer, the multiple quantum well layer, and the lower core layer of the layer structure outside the mesa, and the input / output waveguide The waveguide section is composed of a ridge-type optical waveguide in which the upper core layer is formed thicker than the light control waveguide section, and the taper waveguide section extends from the input / output waveguide section to the light control waveguide section. The width of the mesa of the multilayer structure and the thickness of the upper core layer are continuously or intermittently reduced toward the light control waveguide portion from the portion in contact with the input / output waveguide portion. The thickness of the slab portion extending on both side surfaces of the tapered waveguide portion is reduced corresponding to the change in the thickness of the upper core layer in the tapered waveguide portion.

本発明によれば、入出力導波路部とテーパ導波路部により素子外部からモード断面積の小さな光制御導波路部に効率的に光を結合できる。また、光制御導波路部はモード断面積が小さく光閉じ込め効果の強い単一モードのいわゆるハイメサ型光導波路なので、窒化物半導体多重量子井戸層における光電界強度を大きくでき、吸収飽和などの非線形光学効果を比較的小さなパワーの入力光で効率的に生ぜしめることができる。入出力導波路部はモード断面積が大きくても伝搬モード数がそれほど多くならないリッジ型光導波路としたことで、適切なアライメントにより擬似単一モードとして使用することができる。この結果、モード間の干渉による光出力変動等の不安定も抑圧できる。また本発明では、テーパ導波路部において、入出力導波路部から光制御導波路部に向けてリッジ型光導波路の幅を狭くすると共に、スラブ部の厚さを薄くしているので、放射損失を低レベルに抑制することができる。   According to the present invention, light can be efficiently coupled from the outside of the device to the light control waveguide portion having a small mode cross-sectional area by the input / output waveguide portion and the tapered waveguide portion. In addition, the optical control waveguide is a single-mode high-mesa optical waveguide with a small mode cross-sectional area and a strong optical confinement effect. Therefore, the optical electric field strength in the nitride semiconductor multiple quantum well layer can be increased, and nonlinear optics such as absorption saturation The effect can be produced efficiently with a relatively small power input light. The input / output waveguide portion is a ridge type optical waveguide that does not increase the number of propagation modes even if the mode cross-sectional area is large, and can be used as a pseudo single mode by appropriate alignment. As a result, instability such as light output fluctuation due to interference between modes can be suppressed. In the present invention, in the tapered waveguide portion, the width of the ridge type optical waveguide is reduced from the input / output waveguide portion to the light control waveguide portion, and the thickness of the slab portion is reduced. Can be suppressed to a low level.

従って、プロセス歩留まりや光導波特性を低下させていた厚いAlN膜のエピタキシャル成長が不要になるので、製造が容易になり、歩留まりも向上し、ひいてはコストや環境負荷も低減することができる。これにより、超高速で且つスイッチング・エネルギーが低く、且つ製造も容易な半導体導波型光制御素子を実現することが可能となる。   Therefore, since the epitaxial growth of a thick AlN film that has deteriorated the process yield and optical waveguide characteristics is not required, the manufacturing is facilitated, the yield is improved, and the cost and environmental load can be reduced. As a result, it is possible to realize a semiconductor waveguide light control element that is ultrafast, has low switching energy, and is easy to manufacture.

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。以下の説明において、特に断らない限り、光波長は1.55μm近傍の近赤外波長で、偏波はTMモード(電界が井戸層に垂直)を仮定している。   The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. In the following description, unless otherwise specified, it is assumed that the optical wavelength is a near-infrared wavelength in the vicinity of 1.55 μm, and the polarization is TM mode (the electric field is perpendicular to the well layer).

(第1の実施形態)
図1〜図7は、本発明の第1の実施形態に係わる半導体導波型光制御素子(光スイッチ)を説明するための図である。
(First embodiment)
FIGS. 1-7 is a figure for demonstrating the semiconductor waveguide type optical control element (optical switch) concerning the 1st Embodiment of this invention.

本実施形態に係わる光スイッチは、サファイア基板1(0001)面上に積層された窒化物半導体導波層2を主構成要素としてなる。窒化物半導体導波路2は入力側から、長さ約30μmの入力導波路部3、長さ40μmの入力テーパ導波路部4、長さ360μmの光スイッチ主要部(光制御導波路部)5、長さ40μm出力テーパ導波路部6、長さ約30μmの出力導波路部7から構成される。ここでは説明を簡単化するため、入力導波路部3と出力導波路部7、入力テーパ導波路部4と出力テーパ導波路部6は、それぞれ伝搬方向に関して対称な同一構造を有するものと仮定し、出力側の詳細な説明は省略する。実際の光スイッチでは、入力側と出力側が対称な構造である必要はない。   The optical switch according to this embodiment includes a nitride semiconductor waveguide layer 2 stacked on the sapphire substrate 1 (0001) surface as a main component. The nitride semiconductor waveguide 2 includes, from the input side, an input waveguide section 3 having a length of about 30 μm, an input taper waveguide section 4 having a length of 40 μm, an optical switch main section (light control waveguide section) 5 having a length of 360 μm, The output taper waveguide section 6 has a length of 40 μm and the output waveguide section 7 has a length of about 30 μm. Here, to simplify the explanation, it is assumed that the input waveguide portion 3 and the output waveguide portion 7 and the input tapered waveguide portion 4 and the output tapered waveguide portion 6 have the same structure symmetrical with respect to the propagation direction. Detailed description on the output side will be omitted. In an actual optical switch, it is not necessary that the input side and the output side have a symmetrical structure.

本実施形態で説明する光スイッチの特徴は、光導波路を構成する層構造の上部に、窒化物半導体層と屈折率差が小さい絶縁体膜が用いられていることにある。具体的には、スパッタで形成したAlN膜が用いられている例について説明を行う。   The feature of the optical switch described in this embodiment is that an insulator film having a small refractive index difference from that of the nitride semiconductor layer is used above the layer structure constituting the optical waveguide. Specifically, an example in which an AlN film formed by sputtering is used will be described.

図1は、この半導体導波型光スイッチの光入力部付近、即ち入力導波路部3から光スイッチ主要部5の入口に至る部分の構造を模式的に示す図である(縮尺は正確ではない)。入力側と出力側が対称なので、図1の入力導波路部3と入力テーパ導波路部4は、出力側から見ればそれぞれ出力導波路部7と出力テーパ導波路部6に相当する。図面では省略したが、光導波路の端面には無反射コーティングが施されている。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of the vicinity of the optical input portion of this semiconductor waveguide optical switch, that is, the portion from the input waveguide portion 3 to the entrance of the main portion 5 of the optical switch (the scale is not accurate). ). Since the input side and the output side are symmetric, the input waveguide section 3 and the input tapered waveguide section 4 in FIG. 1 correspond to the output waveguide section 7 and the output tapered waveguide section 6, respectively, when viewed from the output side. Although not shown in the drawing, an antireflection coating is applied to the end face of the optical waveguide.

入力導波路部3は伝搬モードが二つのリッジ型光導波路であり、光スイッチ主要部5は単一モードのハイメサ型光導波路である。テーパ導波路部4では、入力導波路部3から光スイッチ主要部5までの40μmの範囲で、光導波路幅が3μmから0.8μmまで減少している。この間の3箇所に、一箇所当たり400nmの段差8が設けられている。段差を作製する際のレジストのベーク条件やエッチング条件等により、この段差はなるべく緩い傾斜になるように工夫されている。テーパ導波路部4により構造の異なる光導波路部3,5が接続されるが、テーパ導波路部4は多モードの光導波路であってもよい。リッジ型光導波路の両側面には、窒化物半導体層のスラブ部9が存在する。   The input waveguide section 3 is a ridge type optical waveguide having two propagation modes, and the optical switch main section 5 is a single mode high mesa type optical waveguide. In the tapered waveguide section 4, the optical waveguide width decreases from 3 μm to 0.8 μm in the range of 40 μm from the input waveguide section 3 to the optical switch main section 5. At three points in between, a step 8 having a thickness of 400 nm per one point is provided. Depending on the resist baking conditions, etching conditions, and the like at the time of forming the step, the step is devised so as to be as gentle as possible. Although the optical waveguide portions 3 and 5 having different structures are connected by the tapered waveguide portion 4, the tapered waveguide portion 4 may be a multimode optical waveguide. The slab portions 9 of the nitride semiconductor layer exist on both side surfaces of the ridge type optical waveguide.

図2は、光スイッチ主要部5の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図である。光スイッチ主要部5は、サファイア基板1側から、厚さ200nmのアンドープAlN下部クラッド層11、厚さ200nmのアンドープGaN下部コア層12、厚さ4nmのアンドープAlN障壁層と厚さ約2nmのSiドープGaN井戸層を10.5対交互に積層した多重量子井戸層13、厚さ200nmのアンドープGaN層上部コア層14、および厚さ200nmのアンドープAlN上部クラッド層15からなる。この窒化物半導体積層構造は分子ビーム・エピタキシャル成長(MBE)により形成された単結晶エピタキシャル成長層である。この層構造は、ドライエッチングにより幅0.8μmのハイメサ型光導波路に加工されている。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure perpendicular to the light propagation direction of the main part 5 of the optical switch. The optical switch main part 5 includes, from the sapphire substrate 1 side, an undoped AlN lower cladding layer 11 having a thickness of 200 nm, an undoped GaN lower core layer 12 having a thickness of 200 nm, an undoped AlN barrier layer having a thickness of 4 nm, and a Si having a thickness of about 2 nm. It consists of a multiple quantum well layer 13 in which 10.5 pairs of doped GaN well layers are alternately stacked, an undoped GaN layer upper core layer 14 having a thickness of 200 nm, and an undoped AlN upper cladding layer 15 having a thickness of 200 nm. This nitride semiconductor multilayer structure is a single crystal epitaxial growth layer formed by molecular beam epitaxial growth (MBE). This layer structure is processed into a high-mesa optical waveguide having a width of 0.8 μm by dry etching.

なお、このハイメサ型光導波路を単一モードにするためには、メサ幅0.9μm以下、メサ部の層厚0.9μm以下とする必要がある。この光導波路は、断面積が小さく、多重量子井戸層13にモードのピークが当たるため、多重量子井戸層13における光強度を高くでき、比較的小さなパワーの入力光で効率的に吸収飽和を起こすことができる。光導波路側面にスラブ部が残っている場合でも、スラブ部の厚さが0.2μm以下であれば、この条件を満たす。   In order to make this high mesa type optical waveguide into a single mode, it is necessary to make the mesa width 0.9 μm or less and the mesa layer thickness 0.9 μm or less. Since this optical waveguide has a small cross-sectional area and a peak of a mode hits the multiple quantum well layer 13, the light intensity in the multiple quantum well layer 13 can be increased, and absorption saturation occurs efficiently with relatively small power input light. be able to. Even when the slab part remains on the side surface of the optical waveguide, this condition is satisfied if the thickness of the slab part is 0.2 μm or less.

図3は、入力導波路部3の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図である。入力導波路部3の下部の層構造は光スイッチ主要部5の層構造11〜15と同じであり、その上に装荷層として厚さ1.2μmのAlN膜16が形成されている。このAlN膜16は、MBE成長ではなく、スパッタにより形成された絶縁膜である。下地層の影響で配向しやすい傾向はあるが、単結晶膜ではないので、厚いAlNエピタキシャル成長層の場合に生じるような欠陥の発生と、それに起因する伝搬損失の増大が抑えられる。屈折率は2.0〜2.1であり、クラッド層としてのAlNエピタキシャル成長層と同等の働きをする。この層構造はドライエッチングにより、幅3μm、高さ1μmのリッジ型光導波路に加工されている。   FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure perpendicular to the light propagation direction of the input waveguide section 3. The layer structure below the input waveguide section 3 is the same as the layer structures 11 to 15 of the optical switch main section 5, and an AlN film 16 having a thickness of 1.2 μm is formed thereon as a loading layer. The AlN film 16 is an insulating film formed not by MBE growth but by sputtering. Although there is a tendency to be easily oriented due to the influence of the underlayer, since it is not a single crystal film, the generation of defects and the increase in propagation loss caused by it can be suppressed as in the case of a thick AlN epitaxial growth layer. The refractive index is 2.0 to 2.1, and functions in the same manner as an AlN epitaxial growth layer as a cladding layer. This layer structure is processed by dry etching into a ridge type optical waveguide having a width of 3 μm and a height of 1 μm.

この光導波路には、厚さ方向にも横方向に腹が三つ以上の伝搬モードは存在しない。基本モードに加えて横方向や高さ方向に腹が二つの伝搬モード(奇モード)も存在するが、比較的断面サイズが大きいので、奇モードを励振しないように入射光のアライメントを適切に調整すれば、擬似単一モード光導波路として使用することができる。   In this optical waveguide, there are no propagation modes having three or more antinodes in the lateral direction in the thickness direction. In addition to the basic mode, there are also two propagation modes (odd mode) in the horizontal and height directions, but the cross-sectional size is relatively large, so the alignment of incident light is adjusted appropriately so as not to excite the odd mode. Then, it can be used as a pseudo single mode optical waveguide.

サイズが大きいにも拘わらず、厚さ方向ないし横方向に腹が三つ以上の高次のモードが存在し得ないのは、スラブ・モードとの結合により放射が起こり、伝搬モードにならないためである。全体の層厚に対してメサを深くしすぎると、スラブ・モードとの結合が弱まって多モードになってしまう。一方、層厚に対してメサが低すぎると光の閉じ込めが弱くなり、放射損失が増加する。メサ幅も、広すぎると多モードになり、狭すぎると結合効率の低下や放射損の増加が起こる。層厚やメサ幅は、それぞれ光スイッチ主要部5の2倍以上ないと、テーパ構造の効果が不十分である。構造により若干の違いはあるが、メサ高さの目安は層厚の80%〜130%程度である。さらに、メサ幅の目安は層厚の80%〜200%程度である。   Despite its large size, there can be no higher-order modes with three or more antinodes in the thickness direction or in the lateral direction because radiation occurs due to coupling with the slab mode and does not become a propagation mode. is there. If the mesa is made too deep with respect to the overall layer thickness, the coupling with the slab mode is weakened, resulting in multiple modes. On the other hand, if the mesa is too low with respect to the layer thickness, light confinement becomes weak and radiation loss increases. If the mesa width is too wide, it becomes multimode, and if it is too narrow, the coupling efficiency decreases and the radiation loss increases. If the layer thickness and mesa width are not more than twice that of the main part 5 of the optical switch, the effect of the taper structure is insufficient. Although there are some differences depending on the structure, the standard of mesa height is about 80% to 130% of the layer thickness. Furthermore, the standard of mesa width is about 80% to 200% of the layer thickness.

この光導波路はモード断面積が大きいので、先球テーパファイバやレンズを介して外部と高効率の結合が可能である。従って、入力導波路部3の璧開位置に多少の誤差があっても、光スイッチ特性や光結合特性のバラツキは小さく抑えられる。   Since this optical waveguide has a large mode cross-sectional area, it can be highly efficiently coupled to the outside via a tip spherical taper fiber or a lens. Therefore, even if there is a slight error in the open position of the input waveguide section 3, variations in the optical switch characteristics and the optical coupling characteristics can be suppressed to be small.

図4は光伝搬方向に沿って入力テーパ導波路部4を上下に切断した断面層構造を示す図、図5はテーパ導波路部4外部のスラブ部9を図4と平行な面で切断した断面層構造である。なお、図4、図5では、伝搬方向と上下方向で縮尺が大きく異なっている。テーパ導波路部4のスパッタ形成AlN膜16は、長さ10μm毎に設けられた高さ400nmの段差8a,8b,8cにより徐々に薄くなり、最後の段差8cの先では上部AlNクラッド層15が露出している。テーパ導波路部4の段差に対応して、スラブ部9にも段差8d,8e,8fが形成されており、最後の段差8fでサファイア基板1が露出している。   4 is a diagram showing a cross-sectional layer structure in which the input tapered waveguide portion 4 is vertically cut along the light propagation direction. FIG. 5 is a sectional view of the slab portion 9 outside the tapered waveguide portion 4 taken along a plane parallel to FIG. Cross-sectional layer structure. 4 and 5, the scale is greatly different between the propagation direction and the vertical direction. The sputter-formed AlN film 16 of the tapered waveguide section 4 is gradually thinned by steps 8a, 8b, and 8c having a height of 400 nm provided every 10 μm in length, and the upper AlN cladding layer 15 is formed beyond the last step 8c. Exposed. Corresponding to the step of the tapered waveguide portion 4, steps 8d, 8e, 8f are also formed in the slab portion 9, and the sapphire substrate 1 is exposed at the final step 8f.

上述の構造は、基板全面にAlN下部クラッド層11からスパッタ形成AlN膜16までを積層した後、光の伝搬方向と垂直に順次3段の段差8を作製し、その後に光導波路部3,4,5,6,7を形成することにより作製できる。250nm以上の厚いAlN膜の成長や段差上の成長もないため、結晶品質の低下やドロップレットの発生がなく、製造が容易である。段差8の傾斜角が小さいので、光導波路パターンが細いにも拘わらず、再現性の良いプロセスが可能である。   In the above-described structure, the AlN lower cladding layer 11 to the sputtered AlN film 16 are laminated on the entire surface of the substrate, and then three steps 8 are sequentially formed perpendicular to the light propagation direction, and then the optical waveguide portions 3 and 4 are formed. , 5, 6 and 7 can be produced. Since there is no growth of a thick AlN film having a thickness of 250 nm or more and no growth on the steps, the crystal quality is not lowered and droplets are not generated, and the production is easy. Since the inclination angle of the step 8 is small, a process with good reproducibility is possible even though the optical waveguide pattern is thin.

多結晶と単結晶の違いはあるが、Cl2 /BCl3 /Ar系のドライエッチングにより、スパッタ形成AlN膜16と他のエピタキシャル成長層11〜15は同時にエッチングされる。但し、条件によっては材料によりエッチレートが異なるため、導波路部の段差8a,8b,8cと対応するスラブ部9の段差8d,8e,8fの高さが異なる。なお、説明を単純化するために、光導波路のメサ側面が垂直な場合について図示したが、実際の素子では側面に多少傾斜があっても差し支えない。 Although there is a difference between polycrystal and single crystal, the sputtered AlN film 16 and the other epitaxial growth layers 11 to 15 are simultaneously etched by Cl 2 / BCl 3 / Ar dry etching. However, since the etch rate differs depending on the material depending on conditions, the heights of the steps 8d, 8e, and 8f of the slab portion 9 corresponding to the steps 8a, 8b, and 8c of the waveguide portion are different. In order to simplify the description, the case where the mesa side surface of the optical waveguide is vertical is illustrated, but in an actual device, the side surface may be slightly inclined.

図6は、多重量子井戸層13の伝導帯の構造を模式的に示す図である。III 族極性では、左側が表面側、右側が基板側である。井戸数は10であるが、図6では中心付近の2周期についてのみ示してある。前述のように、多重量子井戸層13は、厚さ4nmのアンドープAlN障壁層17と厚さ約2nmのGaN井戸層18からなり、GaN井戸層18にはSiが4×1019cm-3程度ドープされている。 FIG. 6 is a diagram schematically showing the conduction band structure of the multiple quantum well layer 13. In Group III polarity, the left side is the front side and the right side is the substrate side. Although the number of wells is 10, FIG. 6 shows only two periods near the center. As described above, the multiple quantum well layer 13 includes the undoped AlN barrier layer 17 having a thickness of 4 nm and the GaN well layer 18 having a thickness of about 2 nm, and the GaN well layer 18 has Si of about 4 × 10 19 cm −3. Doped.

主面が(0001)面のウルツ鉱型窒化物半導体ヘテロ構造には、ピエゾ電気効果と自発分極により大きな電界(数MV/cm)が生じている。この電界の向きは、AlNとGaNで逆になる。表面電荷の再分布や井戸層をまたがるキャリアの空間的な移動により、中央付近の井戸では一周期当たりの電圧降下がほぼゼロになっている。井戸層18にはE1,E2,E3,E4,E5の五つサブバンドが形成されているが、熱平衡状態で電子は殆どE1のみに存在する。E1−E2間のサブバンド間吸収波長は1.6μm付近にある。E1,E2のレベルは、内部電界の変動があってもそれほど変化しないが、E3以上の準位は内部電界(応力、厚さ等)の揺らぎに敏感であり、場所による変動が大きい。E1−E2間以外の遷移による吸収は非常に微弱である。   A large electric field (several MV / cm) is generated in the wurtzite nitride semiconductor heterostructure whose principal surface is the (0001) plane due to the piezoelectric effect and spontaneous polarization. The direction of this electric field is reversed between AlN and GaN. Due to the redistribution of surface charge and the spatial movement of carriers across the well layer, the voltage drop per cycle is almost zero in the well near the center. Although five subbands E1, E2, E3, E4, and E5 are formed in the well layer 18, almost all electrons exist only in E1 in a thermal equilibrium state. The intersubband absorption wavelength between E1 and E2 is in the vicinity of 1.6 μm. The levels of E1 and E2 do not change so much even if the internal electric field fluctuates, but the level of E3 or higher is sensitive to fluctuations in the internal electric field (stress, thickness, etc.) and varies greatly depending on the location. Absorption due to transitions other than between E1 and E2 is very weak.

この光スイッチの光入力部近傍の光伝搬の様子をシミュレーションした。但し、計算時間短縮のため、入力導波路部3の長さは10μmに短縮し、入射光のビーム径は3μmを仮定した。その結果、入力導波路部3と入力テーパ導波路部4の内部ではモード間(非伝搬モードも含む)の干渉が見られ、基板1やスラブ部9への放射損失も見られるが、端面で入力導波路部3に結合した光の60%程度が光スイッチ主要部5の基本モードに結合するのが分かった。入力ビーム形状を最適化していないが、外部から光スイッチ主要部までの光結合損失は8dBであった。   The state of light propagation in the vicinity of the light input portion of this optical switch was simulated. However, in order to shorten the calculation time, the length of the input waveguide portion 3 was shortened to 10 μm, and the beam diameter of incident light was assumed to be 3 μm. As a result, interference between modes (including non-propagating modes) is observed inside the input waveguide section 3 and the input tapered waveguide section 4, and radiation loss to the substrate 1 and the slab section 9 is also observed. It was found that about 60% of the light coupled to the input waveguide section 3 was coupled to the fundamental mode of the optical switch main section 5. Although the input beam shape was not optimized, the optical coupling loss from the outside to the main part of the optical switch was 8 dB.

図7に、本実施形態の光スイッチの光透過特性を従来の光スイッチと比較して示す。入力スイッチ光の波長は1.55μm、被スイッチ光の波長とパルス・エネルギーはそれぞれ1.7μmと10fJで、パルス幅はいずれも200fsである。   FIG. 7 shows the light transmission characteristics of the optical switch of this embodiment in comparison with a conventional optical switch. The wavelength of the input switch light is 1.55 μm, the wavelength and pulse energy of the switched light are 1.7 μm and 10 fJ, respectively, and the pulse width is 200 fs.

比較例としては、図13に示したリッジ型光導波路(RWG)を考える。この光導波路は、サファイア基板1上に積層された、薄いAlNバッファ層41、厚さ1μmの下部GaN層42、波長1.57〜1.58μm付近にサブバンド間吸収があるGaN/AlN多重量子井戸層43、厚さ1μmの上部GaN層44からなる。上部GaN層44は幅3μmのメサ状に加工されており、璧開により長さ500μmの導波型光デバイスとなっている。   As a comparative example, consider the ridge type optical waveguide (RWG) shown in FIG. This optical waveguide includes a thin AlN buffer layer 41, a lower GaN layer 42 having a thickness of 1 μm, and a GaN / AlN multiple quantum layer having intersubband absorption in the vicinity of a wavelength of 1.57 to 1.58 μm. The well layer 43 is composed of an upper GaN layer 44 having a thickness of 1 μm. The upper GaN layer 44 is processed into a mesa shape having a width of 3 μm, and a waveguide type optical device having a length of 500 μm is formed by opening the top.

図13に示す構造の導波型光制御素子では、波長1.65μmの信号光パルスに対する透過/吸収が、波長1.55μmの強い制御光パルスによる可飽和吸収によりスイッチングされる。この光導波路への光結合損失は5dB程度であるが、入射光が厚さ約2μm、幅約3μm程度の領域に広がって伝搬するため、多重量子井戸層43における光強度(エネルギー密度)を高く取れない。このため、図7に点線(RWG)で示したように、消光比10dBのスイッチングに要する光パルス・エネルギーは約23pJ程度と大きく、実用的ではなかった。   In the waveguide type optical control element having the structure shown in FIG. 13, transmission / absorption with respect to a signal light pulse with a wavelength of 1.65 μm is switched by saturable absorption with a strong control light pulse with a wavelength of 1.55 μm. Although the optical coupling loss to this optical waveguide is about 5 dB, the incident light spreads and propagates in a region of about 2 μm in thickness and about 3 μm in width, so that the light intensity (energy density) in the multiple quantum well layer 43 is increased. I can't take it. Therefore, as indicated by a dotted line (RWG) in FIG. 7, the optical pulse energy required for switching with an extinction ratio of 10 dB is as large as about 23 pJ, which is not practical.

そこで、断面が0.8μm角の小さなハイメサ(HM)光導波路を考える。この光導波路の場合、多重量子井戸層43への光閉じ込めは強いが、外部からの光結合損失が15dB程度ある。従って、図7に一点鎖線(HM)で示したように、消光比を10dB以上とるために外から供給すべき光パルス・エネルギーは23.4pJとなり、しかも挿入損失が図13のリッジ型光導波路よりかなり大きかった。   Therefore, a small high mesa (HM) optical waveguide having a cross section of 0.8 μm square is considered. In the case of this optical waveguide, the optical confinement in the multiple quantum well layer 43 is strong, but the optical coupling loss from the outside is about 15 dB. Therefore, as indicated by a one-dot chain line (HM) in FIG. 7, the optical pulse energy to be supplied from the outside in order to obtain an extinction ratio of 10 dB or more is 23.4 pJ, and the insertion loss is the ridge type optical waveguide of FIG. It was much bigger.

これに対し、本実施形態の光スイッチ(実線、TAPER)では、10dBの消光比を得るのに必要なスイッチング光パルス・エネルギーは、4.8pJに改善された。このように本実施形態によれば、超高速光スイッチングに必要なパルス・エネルギーを大幅に低減することができる。   On the other hand, in the optical switch (solid line, TAPER) of this embodiment, the switching light pulse energy required to obtain an extinction ratio of 10 dB was improved to 4.8 pJ. Thus, according to the present embodiment, the pulse energy required for ultrafast optical switching can be greatly reduced.

なお、光スイッチ主要部5において安定な単一モード伝搬を実現するためには、内部に多重量子井戸層13を含むコア層12,14が、コア層より屈折率の低いクラッド層11,15に挟まれていることが必須である。この条件を満たさない場合(クラッド層が片側のみの場合も含め)、上下にジグザグに伝搬する光成分が顕著になり、長い光スイッチ主要部5を安定に伝搬させることができない。基板1への放射成分の増大や多重量子井戸層13への光閉じ込め係数の低下が起こり、光スイッチング特性が低下する。   In order to realize stable single mode propagation in the main part 5 of the optical switch, the core layers 12 and 14 including the multiple quantum well layers 13 are formed into the cladding layers 11 and 15 having a refractive index lower than that of the core layer. It is essential to be sandwiched. When this condition is not satisfied (including the case where the clad layer is only on one side), the light component propagating in a zigzag manner becomes significant, and the long optical switch main part 5 cannot be stably propagated. An increase in the radiation component to the substrate 1 and a decrease in the optical confinement coefficient in the multiple quantum well layer 13 occur, resulting in a decrease in optical switching characteristics.

出力側6,7においては、光ビームが広がり、出射角が小さくなり、外部との光結合損失が低減される。入力側と同じ結合方式であれば、光伝搬の相反性により、ほぼ同程度の結合効率(8dB)が実現される。出力テーパ導波路部6、出力導波路部7がない場合と比べて約7dBの改善になる。   On the output sides 6 and 7, the light beam spreads, the emission angle becomes small, and the optical coupling loss with the outside is reduced. If the coupling method is the same as that on the input side, almost the same coupling efficiency (8 dB) is realized due to the reciprocity of light propagation. Compared to the case where there is no output taper waveguide portion 6 and no output waveguide portion 7, the improvement is about 7 dB.

本実施形態の半導体導波型光導波素子は、様々な変形が可能である。例えば、スパッタでもAlN膜16を1.2μmも堆積すると、堆積方法によってはエピタキシャル成長層にかかる応力が大きくなり、クラックの発生等の問題を生じる。その対策として、AlN膜の上半分(600nm程度)を、AlN層と屈折率が近いSiNx 膜(n=1.9〜2.1)で置き換えることができる。多層構造にすることで、応力の影響を低減できる。屈折率がほぼ等しいか、AlN膜より大きくならないようにSiNx 膜の堆積方法を制御すれば、光伝搬特性を上述の実施形態とほぼ同様にできる。 The semiconductor waveguide type optical waveguide element of this embodiment can be variously modified. For example, if the AlN film 16 is deposited as much as 1.2 μm even by sputtering, depending on the deposition method, the stress applied to the epitaxial growth layer becomes large, causing problems such as generation of cracks. As a countermeasure, the upper half (about 600 nm) of the AlN film can be replaced with a SiN x film (n = 1.9 to 2.1) having a refractive index close to that of the AlN layer. By using a multilayer structure, the influence of stress can be reduced. If the deposition method of the SiN x film is controlled so that the refractive index is substantially equal or not larger than that of the AlN film, the light propagation characteristics can be made substantially the same as in the above-described embodiment.

また、エピタキシャル成長AlN層を200nm程度余分に積層し、その上にSiNx 膜を1μm積層するなど、様々な変形、組み合わせ、応用が可能である。熱伝導の悪いSiNx 膜を使うのは放熱の観点からは若干不利になるが、入力導波路部3や入力テーパ導波路部4ではサブバンド間吸収による熱の発生が少ないので、この部分での使用に限れば、実質的な問題は生じない。 Various modifications, combinations, and applications are possible, such as an extra epitaxially grown AlN layer of about 200 nm and an SiN x film of 1 μm laminated thereon. The use of a SiN x film having poor heat conduction is slightly disadvantageous from the viewpoint of heat dissipation, but in the input waveguide section 3 and the input tapered waveguide section 4, heat generation due to intersubband absorption is small. As long as it is limited to the use of, there is no substantial problem.

なお、MBE成長層の最上層がAlNだと表面が酸化されやすく、AlN上部クラッド層15と装荷層としてのAlN膜16の界面付近に光導波特性に悪影響を及ぼす欠陥が生じる場合がある。その影響を避けるためには、上部クラッド層15と装荷層16との間に薄いGaN層を挟んでもよい。   If the uppermost layer of the MBE growth layer is AlN, the surface is easily oxidized, and defects that adversely affect the optical waveguide characteristics may occur near the interface between the AlN upper cladding layer 15 and the AlN film 16 as the loading layer. In order to avoid the influence, a thin GaN layer may be sandwiched between the upper cladding layer 15 and the loading layer 16.

また、光導波路や基板の表面が窒化物半導体(或いはSiNx 膜)より屈折率の小さな誘電体膜や絶縁膜で覆われていても構わない。例えば、光導波路の周囲が厚さ600nm程度のSiO2 膜で覆われている場合、ポリイミド膜で平坦化されている場合等においても、上述の伝搬特性にはそれほど極端な差は現れない。 Further, the surface of the optical waveguide or the substrate may be covered with a dielectric film or an insulating film having a refractive index smaller than that of the nitride semiconductor (or SiN x film). For example, even when the periphery of the optical waveguide is covered with a SiO 2 film having a thickness of about 600 nm or when the optical waveguide is flattened with a polyimide film, the above-mentioned propagation characteristics do not show so much difference.

AlNクラッド層11,15や多重量子井戸層13のAlN障壁層17の一部や全部がAlGaN層であったり、GaN/AlN多層構造であったりしても構わない。例えば、AlNクラッド層とGaNコア層の間にGaN/AlN多層構造を設ければ、グレーデッドインデックス的な光閉じ込めが実現できる。また、GaN/AlN多層構造は、転位の低減にも有効である。また、屈折率差を大きくしたり、井戸を深くしたりする目的で、コア層や井戸層の少なくとも一部をInGaN層としてもよい。   A part or all of the AlN barrier layers 17 of the AlN cladding layers 11 and 15 and the multiple quantum well layer 13 may be an AlGaN layer or a GaN / AlN multilayer structure. For example, if a GaN / AlN multilayer structure is provided between the AlN cladding layer and the GaN core layer, graded index light confinement can be realized. The GaN / AlN multilayer structure is also effective in reducing dislocations. Further, for the purpose of increasing the difference in refractive index or deepening the well, at least a part of the core layer or the well layer may be an InGaN layer.

他の素子と直列に集積化する場合等、テーパ導波路部が入力側(4)か出力側(6)のいずれか一方のみにしか必要ない場合もある。入力導波路部3や出力導波路部7が長い受動導波路として用いられる場合もありうる。勿論、このような受動導波路は曲線形状であっても構わない。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々様々な変形が考えられる。   In some cases, such as when integrating in series with other elements, the tapered waveguide section may be required only on either the input side (4) or the output side (6). The input waveguide section 3 and the output waveguide section 7 may be used as a long passive waveguide. Of course, such a passive waveguide may have a curved shape. Various other modifications can be considered without departing from the scope of the present invention.

このように本実施形態によれば、入出力導波路部3とテーパ導波路部4により素子外部からモード断面積の小さな光スイッチ主要部5に効率的に光を結合できる。また、光スイッチ主要部5はモード断面積が小さく光閉じ込め効果の強い単一モードのハイメサ型光導波路なので、窒化物半導体多重量子井戸層における光電界強度を大きくでき、吸収飽和などの非線形光学効果を比較的小さなパワーの入力光で効率的に生ぜしめることができる。さらに、入出力導波路部3はモード断面積の大きくても伝搬モード数がそれほど多くならない、メサ高さが層厚の80%〜130%で、メサ幅が層厚の80%〜200%のリッジ型光導波路としたことで、適切なアライメントにより擬似単一モードとして使用することができる。この結果、モード間の干渉による光出力変動等の不安定も抑圧できる。断面サイズが大きいので、アライメントも比較的容易である。   As described above, according to the present embodiment, light can be efficiently coupled from the outside of the device to the optical switch main portion 5 having a small mode cross-sectional area by the input / output waveguide portion 3 and the tapered waveguide portion 4. Since the optical switch main part 5 is a single-mode high-mesa optical waveguide having a small mode cross-sectional area and a strong optical confinement effect, the optical electric field strength in the nitride semiconductor multiple quantum well layer can be increased, and nonlinear optical effects such as absorption saturation can be achieved. Can be efficiently generated with input light of relatively small power. Further, the input / output waveguide section 3 does not have a large number of propagation modes even if the mode cross-sectional area is large, the mesa height is 80% to 130% of the layer thickness, and the mesa width is 80% to 200% of the layer thickness. By using a ridge type optical waveguide, it can be used as a pseudo single mode by appropriate alignment. As a result, instability such as light output fluctuation due to interference between modes can be suppressed. Since the cross-sectional size is large, alignment is relatively easy.

リッジ型導波路の入出力導波路部3とハイメサ型導波路の光スイッチ主要部5で導波路構造が異なるが、テーパ導波路部4におけるメサの高さの変動を小さく抑えており、比較的損失の小さな接続が実現される。一般的にリッジ型光導波路の幅を狭くするとスラブ部9への放射損失が増大するが、本実施形態においてはスラブ部9の厚さも薄くなるので、放射損失を低レベルに抑制することができる。   Although the waveguide structure is different between the input / output waveguide portion 3 of the ridge waveguide and the optical switch main portion 5 of the high mesa waveguide, the fluctuation of the mesa height in the tapered waveguide portion 4 is suppressed to be relatively small. A low loss connection is realized. Generally, when the width of the ridge-type optical waveguide is narrowed, the radiation loss to the slab portion 9 is increased. However, in this embodiment, the thickness of the slab portion 9 is also thinned, so that the radiation loss can be suppressed to a low level. .

即ち本実施形態によれば、ドロップレット、転位、反り等の発生、増加を介してプロセス歩留まりや光導波特性を低下させていた厚いAlN膜のエピタキシャル成長が不要になるので、製造が容易になり、歩留まりも向上し、ひいてはコストや環境負荷も低減することができる。   That is, according to the present embodiment, the epitaxial growth of the thick AlN film, which has deteriorated the process yield and the optical waveguide characteristics through the generation and increase of droplets, dislocations, warpage, etc., is no longer necessary, which facilitates the production. In addition, the yield can be improved, and the cost and environmental load can be reduced.

(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係わる半導体導波型光制御素子(光スイッチ)の入力導波路部3の断面構造を模式的に示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the input waveguide portion 3 of the semiconductor waveguide light control element (optical switch) according to the second embodiment of the present invention.

本実施形態が先に説明した第1の実施形態と異なるところは、AlN絶縁膜16の代わりにGaNエピタキシャル成長層21が使われていることのみである。他の部分の構成は全く同じなので、その説明を省略する。GaNは多少厚くても高品質な単結晶層をMBEで成長することができる。   This embodiment is different from the first embodiment described above only in that a GaN epitaxial growth layer 21 is used instead of the AlN insulating film 16. Since the configuration of the other parts is exactly the same, the description thereof is omitted. Even if GaN is somewhat thick, a high-quality single crystal layer can be grown by MBE.

本実施形態に係わる光スイッチの光入力部近傍の光伝搬の様子をシミュレーションした。第1の実施形態の場合と同様に、入射光のビーム径は3μmを仮定し、入力導波路部3の長さは10μmとした。入力導波路部3においては、屈折率の大きいGaN層21が上部クラッド層15の上にもあるので、一種の結合光導波路になっている。第1の実施形態の場合と比べると、入力導波路部3や入力テーパ導波路部4における光分布が、屈折率が高くて厚いGaN層21に寄る傾向がある。このため、段差8で反射して基板1に放射される損失成分が増えるが、スラブ部9への放射損失が減る。結果として、光スイッチ主要部5の基本モードに結合できる光の割合は、第1の実施形態の場合と殆ど同じになる。従って、第1の実施形態の光スイッチとほぼ同等の光スイッチ特性が得られる。   The state of light propagation in the vicinity of the light input portion of the optical switch according to the present embodiment was simulated. As in the case of the first embodiment, the beam diameter of the incident light is assumed to be 3 μm, and the length of the input waveguide section 3 is 10 μm. In the input waveguide section 3, the GaN layer 21 having a large refractive index is also provided on the upper cladding layer 15, so that it is a kind of coupled optical waveguide. Compared to the case of the first embodiment, the light distribution in the input waveguide section 3 and the input tapered waveguide section 4 tends to be closer to the thick GaN layer 21 having a high refractive index. For this reason, although the loss component reflected by the level | step difference 8 and radiated | emitted to the board | substrate 1 increases, the radiation loss to the slab part 9 reduces. As a result, the proportion of light that can be coupled to the fundamental mode of the optical switch main part 5 is almost the same as in the first embodiment. Accordingly, optical switch characteristics substantially equivalent to those of the optical switch of the first embodiment can be obtained.

第1の実施形態の項で述べたように、光スイッチ主要部5における上部クラッド層15は必須である。上部クラッド層15もGaN層に置き換えてしまった構造についての光伝搬のシミュレーションを行ったところ、基本モードでの安定な伝搬が得られず、多重量子井戸層13への光閉じ込めも悪くなるのが分かった。   As described in the section of the first embodiment, the upper cladding layer 15 in the optical switch main part 5 is essential. When a simulation of light propagation was performed for a structure in which the upper cladding layer 15 was also replaced with a GaN layer, stable propagation in the fundamental mode was not obtained, and light confinement in the multiple quantum well layer 13 was also deteriorated. I understood.

本実施形態の光スイッチも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。例えば、図9に示したように、GaN層21の中に段差エッチング制御用の薄いAlN層22を挟んでもよい。例えば、AlNのエッチレートがGaNのエッチレートより小さくなるようなエッチング条件と、AlNとGaNの選択性が小さくなるエッチング条件を使い分けることにより、段差エッチング深さを制御することが可能である。或いは、AlN層22をマーカー層として用い、エッチング生成物(Al化合物)をモニターすることでも、エッチング深さを制御することが可能になる。このAlN層22は薄いので、結晶品質への影響は小さい。   The optical switch of the present embodiment can be variously modified and applied without departing from the spirit of the invention. For example, as shown in FIG. 9, a thin AlN layer 22 for controlling step etching may be sandwiched between GaN layers 21. For example, the step etching depth can be controlled by properly using an etching condition in which the etching rate of AlN is smaller than that of GaN and an etching condition in which the selectivity of AlN and GaN is small. Alternatively, the etching depth can be controlled by using the AlN layer 22 as a marker layer and monitoring the etching product (Al compound). Since the AlN layer 22 is thin, the influence on the crystal quality is small.

なお、図9には記載しなかったが、一番上のGaN層21の上にもAlN層22があって構わない。勿論、これらのAlN層22に替えてAlN/GaN多層構造やAlGaN層を用いても同様の効果が得られる。また、装荷層としては、AlNやGaNに限らず、サファイア基板よりも屈折率の高いものを用いることができる。   Although not shown in FIG. 9, the AlN layer 22 may also be present on the top GaN layer 21. Of course, the same effect can be obtained by using an AlN / GaN multilayer structure or an AlGaN layer instead of these AlN layers 22. Further, the loading layer is not limited to AlN or GaN, and a layer having a refractive index higher than that of the sapphire substrate can be used.

(第3の実施形態)
図10は、本発明の第3の実施形態に係わる半導体導波型光制御素子(光スイッチ)の入力テーパ導波路部4を、光伝搬方向に沿って上下に切断した断面層構造を模式的に示す図である。また、図11と図12は、この光スイッチの入力導波路部3と光スイッチ主要部5の断面構造を模式的に示す図である。基本的な構成は第1の実施形態と類似なので、ここでは第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
(Third embodiment)
FIG. 10 schematically shows a cross-sectional layer structure in which the input tapered waveguide section 4 of the semiconductor waveguide light control element (optical switch) according to the third embodiment of the present invention is cut vertically along the light propagation direction. FIG. FIGS. 11 and 12 are diagrams schematically showing the cross-sectional structures of the input waveguide section 3 and the optical switch main section 5 of the optical switch. Since the basic configuration is similar to that of the first embodiment, the description here will focus on the differences from the first embodiment.

本実施形態の光スイッチは、以下のようにして作製される。まず、平坦な(0001)サファイア基板1上に、MBEにより窒化物半導体層11,31,12,13,34を成長する。より具体的には、基板1の上に、転位低減、表面平坦化、極性制御のためのバッファ層を兼ねた厚さ50nmのAlNクラッド層11を積層し、その上にGaN層とAlN層を15対成長した総厚150nmのAlN/GaN多層構造31を積層する。AlN/GaN多層構造31は、下のAlNクラッド層11側でAlN層の方が厚めで、上のGaNコア層12側でGaN層の方が厚めになるように、GaN層とAlN層の相対的な割合が変調された屈折率傾斜層となっている。この多層構造31は、転位の低減にも効果がある。GaN下部コア層12と多重量子井戸層13は第1の実施形態と同じであるが、その上には厚さ1.4μmの上部GaN層34が積層される。   The optical switch of this embodiment is manufactured as follows. First, nitride semiconductor layers 11, 31, 12, 13, and 34 are grown on the flat (0001) sapphire substrate 1 by MBE. More specifically, a 50 nm thick AlN cladding layer 11 serving as a buffer layer for dislocation reduction, surface planarization, and polarity control is laminated on the substrate 1, and a GaN layer and an AlN layer are formed thereon. An AlN / GaN multilayer structure 31 having a total thickness of 150 nm grown by 15 pairs is stacked. The AlN / GaN multilayer structure 31 has a relative relationship between the GaN layer and the AlN layer so that the AlN layer is thicker on the lower AlN cladding layer 11 side and the GaN layer is thicker on the upper GaN core layer 12 side. This is a gradient refractive index layer in which a proper ratio is modulated. This multilayer structure 31 is also effective in reducing dislocations. The GaN lower core layer 12 and the multiple quantum well layer 13 are the same as those in the first embodiment, but an upper GaN layer 34 having a thickness of 1.4 μm is stacked thereon.

その後、3回のパターニングとCl2 /BCl3 /Ar系ドライエッチングにより、入出力テーパ導波路部4,6に長さ10μm間隔で高さ約400nmの3段の段差8a,8b,8cを形成する。このときのエッチングは、段差の傾斜が20度以下になるような条件で行う。この結果、光スイッチ主要部5の上部GaN層34の厚さは200nmになる。その後、1回のパターニングとCl2 /BCl3 /Ar系ドライエッチングにより、入出力導波路部3,7で幅が約2.5μm、光スイッチ主要部5で幅が約0.5μmとなるように、テーパ導波路部4,6を有する光導波路メサを形成する。エッチレートがGaNとAlNで若干異なるため、メサの高さは入出力導波路部3,7で約800nm、光スイッチ主要部5で約500nmとなっている。図では側面を垂直に描いたが、実際には側面の傾斜が80度くらいの台形になる。 Thereafter, three steps 8a, 8b and 8c having a length of about 400 nm are formed in the input / output tapered waveguide portions 4 and 6 at intervals of 10 μm by patterning and Cl 2 / BCl 3 / Ar dry etching three times. To do. Etching at this time is performed under the condition that the inclination of the step is 20 degrees or less. As a result, the thickness of the upper GaN layer 34 of the optical switch main part 5 becomes 200 nm. After that, by patterning once and Cl 2 / BCl 3 / Ar dry etching, the width of the input / output waveguide portions 3 and 7 is about 2.5 μm, and the width of the optical switch main portion 5 is about 0.5 μm. Then, an optical waveguide mesa having tapered waveguide portions 4 and 6 is formed. Since the etch rates are slightly different between GaN and AlN, the mesa height is about 800 nm in the input / output waveguide portions 3 and 7 and about 500 nm in the optical switch main portion 5. In the figure, the side surface is drawn vertically, but in reality, the side surface is trapezoidal with an inclination of about 80 degrees.

この上にスパッタによりAlN膜35を300nm程度堆積する。実際にはメサ側壁は若干傾斜しているので、側壁にも厚さ150〜200nmのAlN膜35が堆積する。このAlN膜35は、光スイッチ主要部5においては、上部及び側面のクラッド層として働く。さらに、全体をSiO2 膜等で覆ってもよい。その後、裏面研磨、璧開・切り出し、端面無反射コート形成、検査・選別等の工程を経て、検査に合格したチップは偏波保持ファイバ付モジュールに実装される。 On this, an AlN film 35 is deposited to a thickness of about 300 nm by sputtering. Actually, since the mesa side wall is slightly inclined, an AlN film 35 having a thickness of 150 to 200 nm is also deposited on the side wall. The AlN film 35 functions as an upper and side cladding layer in the optical switch main part 5. Further, the whole may be covered with a SiO 2 film or the like. Thereafter, the chip that has passed the inspection is mounted on the module with the polarization maintaining fiber through processes such as back surface polishing, widening / cutting, end surface non-reflective coating formation, inspection / selection, and the like.

この製造方法によれば、50nmを超える厚いAlN層の成長工程がないので、第1ないし第2の実施形態よりもさらに高品質で光損失の少ない結晶が得られる。テーパ導波路部4においては、徐々に屈折率の大きなGaN層の断面寸法が縮小されていくので、損失を低く抑えることができる。また、光スイッチ主要部5においては、側面にもクラッドとなるAlN膜35があるため、第1ないし第2の実施形態の光スイッチよりも幅方向の閉じ込め効果が大きくなり、多重量子井戸層13内の光強度を上げることができ、より安定な基本モードの光伝搬が保証される。その他の点については、第1及び第2の実施形態とほぼ同様である。   According to this manufacturing method, since there is no growth process of a thick AlN layer exceeding 50 nm, a crystal with higher quality and less optical loss than the first and second embodiments can be obtained. In the tapered waveguide portion 4, the cross-sectional dimension of the GaN layer having a large refractive index is gradually reduced, so that the loss can be kept low. In addition, since the optical switch main part 5 has the AlN film 35 serving as a cladding on the side surface, the confinement effect in the width direction becomes larger than that of the optical switch of the first or second embodiment, and the multiple quantum well layer 13 The light intensity of the light can be increased, and more stable fundamental mode light propagation is guaranteed. The other points are almost the same as those in the first and second embodiments.

本実施形態の光スイッチも、発明の趣旨を損なわない範囲で様々な変形、応用が可能である。例えば、第2の実施形態の変形例の場合と同様、GaN層44の内部に段差エッチング制御用(或いはモニタ用)の薄いAlN層やGaN/AlN多層膜などを挿入してもよい。   The optical switch of the present embodiment can be variously modified and applied without departing from the spirit of the invention. For example, as in the modification of the second embodiment, a thin AlN layer for step etching control (or for monitoring), a GaN / AlN multilayer film, or the like may be inserted into the GaN layer 44.

(変形例)
本発明の半導体導波型光制御素子は、超高速光スイッチ(繰り返し〜1Tb/s)だけでなく、光で光を変調する超高速光変調素子(変調帯域〜2THz程度)、変換波長可変の広帯域波長一括変換素子(最大波長シフト量〜100nm程度)等にも応用可能である。多重量子井戸を結合多重量子井戸に替えて、光励起サブバンド間光増幅器として使用してもよい。必要な光パルス・スイッチング・エネルギーの低減、励起光パワーの低減等に効果がある。
(Modification)
The semiconductor waveguide type optical control element of the present invention is not only an ultrafast optical switch (repetition to 1 Tb / s), but also an ultrafast optical modulator that modulates light with light (modulation band to about 2 THz), and a variable conversion wavelength. The present invention can also be applied to a broadband wavelength batch conversion element (maximum wavelength shift amount to about 100 nm). The multiple quantum well may be replaced with a coupled multiple quantum well and used as an optically pumped intersubband optical amplifier. It is effective in reducing necessary optical pulse switching energy and pumping light power.

基板もサファイアに限定されるものではない。例えば、将来高品質のAlN基板が利用できるようになれば、下部クラッド層をAlN基板で置き換えることも可能である。但し、Si等の窒化物半導体より屈折率が高い基板を用いる場合には、基板と下部クラッド層の間に窒化物半導体より十分に屈折率の低い層を1μm程度挟む必要がある。   The substrate is not limited to sapphire. For example, if a high-quality AlN substrate can be used in the future, the lower cladding layer can be replaced with an AlN substrate. However, when a substrate having a higher refractive index than that of a nitride semiconductor such as Si is used, it is necessary to sandwich a layer having a refractive index sufficiently lower than that of the nitride semiconductor between the substrate and the lower cladding layer by about 1 μm.

本発明は、以上述べた実施形態やその変形例以外にも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。   The present invention can be variously modified and applied without departing from the spirit of the invention, in addition to the above-described embodiments and modifications thereof.

(まとめ)
以上説明したように本発明は、窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移による非線形光学応答を利用した半導体導波型光制御素子であって、非線形光学応答を生じる光制御導波路部を構成する光導波路の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部を構成する光導波路よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられたものであり、特に、
(1a)基板上に、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、この多重量子井戸層を内部に有するGaNコア層と、このGaNコア層の下部に設けられた平均屈折率がGaNコア層より低い窒化物半導体下部クラッド層と、前記GaNコア層の上部に設けられた平均屈折率がGaNコア層より低い窒化物半導体上部クラッド層と、を有してなる多層構造が形成され、
(1b)前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層,前記GaNコア層,及び前記多重量子井戸層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、
(1c)前記入出力導波路部及びテーパ導波路部は、前記多層構造の上に厚さが該多層構造の合計層厚よりも厚く、前記基板よりも屈折率の高い装荷層が形成されたリッジ型光導波路からなり、
(1d)前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記装荷層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、
(1e)且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における装荷層の厚さの変化に対応して減少している、
ことを特徴とするものである。
(Summary)
As described above, the present invention is a semiconductor waveguide light control element using a nonlinear optical response due to intersubband transition in a nitride semiconductor multiple quantum well, and includes a light control waveguide portion that generates a nonlinear optical response. An input / output waveguide portion having a mode cross-sectional area larger than that of the optical waveguide constituting the light control waveguide portion is provided on at least one of the input side or the output side of the optical waveguide constituting the optical waveguide portion via the tapered waveguide portion. And in particular,
(1a) On a substrate, a nitride semiconductor multiple quantum well layer causing intersubband transition, a GaN core layer having this multiple quantum well layer inside, and an average refractive index provided below the GaN core layer are A multilayer structure comprising a nitride semiconductor lower cladding layer lower than the GaN core layer and a nitride semiconductor upper cladding layer having an average refractive index lower than the GaN core layer provided on the GaN core layer is formed. ,
(1b) The light control waveguide section is a mesa-shaped single mode optical waveguide formed by removing at least the upper cladding layer, the GaN core layer, and the multiple quantum well layer of the multilayer structure outside the mesa. Consists of
(1c) The input / output waveguide section and the tapered waveguide section have a loading layer having a thickness higher than the total layer thickness of the multilayer structure and a higher refractive index than the substrate, on the multilayer structure. Consisting of a ridge-type optical waveguide,
(1d) In the tapered waveguide portion, the width of the mesa of the multilayer structure and the thickness of the loading layer decrease continuously or intermittently from the input / output waveguide portion to the light control waveguide portion. And
(1e) Further, the thickness of the slab portion extending from the portion in contact with the input / output waveguide portion toward both sides of the tapered waveguide portion toward the light control waveguide portion is equal to the thickness of the loading layer in the tapered waveguide portion. Decreasing in response to changes in thickness,
It is characterized by this.

ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。   Here, preferred embodiments of the present invention include the following.

(1−1)装荷層は、絶縁膜であること。   (1-1) The loading layer is an insulating film.

(1−2)絶縁膜は、AlN膜、SiNx 膜、又はAlN膜とSiNx 膜の積層構造であること。 (1-2) The insulating film is an AlN film, a SiN x film, or a laminated structure of an AlN film and a SiN x film.

(1−3)装荷層は、GaN層、又はGaN層と厚さが50nm以下のAlN層の積層構造からなること。   (1-3) The loading layer is composed of a GaN layer or a laminated structure of a GaN layer and an AlN layer having a thickness of 50 nm or less.

(1−4)多層構造の合計層厚は0.9μm以下であり、メサ幅は0.9μm以下であること。   (1-4) The total layer thickness of the multilayer structure is 0.9 μm or less, and the mesa width is 0.9 μm or less.

(1−5)入出力導波路部における装荷層の屈折率は1.9以上であること。   (1-5) The refractive index of the loading layer in the input / output waveguide section is 1.9 or more.

(1−6)リッジ型光導波路におけるメサの高さは多層構造と装荷層の合計層厚の80%〜130%であり、メサの幅は多層構造と装荷層の合計層厚の80%〜200%であること。   (1-6) The height of the mesa in the ridge type optical waveguide is 80% to 130% of the total layer thickness of the multilayer structure and the loading layer, and the width of the mesa is 80% to the total layer thickness of the multilayer structure and the loading layer. 200%.

(1−7)基板は、サファイア,SiC,Si,GaN,AlNの何れかであること。   (1-7) The substrate is any one of sapphire, SiC, Si, GaN, and AlN.

(1−8)リッジ型光導波路において、装荷層は多層構造の合計層厚よりも厚く形成されていること。   (1-8) In the ridge type optical waveguide, the loading layer is formed thicker than the total layer thickness of the multilayer structure.

また本発明は、窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移による非線形光学応答を利用した半導体導波型光制御素子であって、非線形光学応答を生じる光制御導波路部を構成する光導波路の入力側か出力側の少なくとも一方には、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部を構成する光導波路よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられたものであり、特に、
(2a)前記光制御導波路部から前記入出力導波路部に至る光導波路が、前記基板側から、窒化物半導体からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層より平均屈折率が高いGaN下部コア層と、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、GaN層を主構成要素とする上部コア層と、このGaN上部コア層の上部に設けられた平均屈折率が前記基板よりも高く前記上部コア層より低い上部クラッド層と、を少なくとも有してなる多層構造からなり、
(2b)前記光制御導波路部は、前記多層構造の少なくとも前記上部クラッド層,前記GaN上部コア層,前記多重量子井戸層,及び前記GaN下部コア層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、
(2c)前記入出力導波路部及びテーパ導波路部は、前記上部コア層の厚さが前記光制御導波路部より厚くなっており、前記入出力導波路部における多層構造の合計層厚が前記光制御導波路部における多層構造の合計層厚の2倍以上であるリッジ型光導波路からなり、
(2d)前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記上部コア層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、
(2e)且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における上部コア層の厚さの変化に対応して減少している、
ことを特徴とする。
The present invention also relates to a semiconductor waveguide type optical control element using a nonlinear optical response due to transition between subbands in a nitride semiconductor multiple quantum well, and an optical waveguide that constitutes an optical control waveguide section that generates a nonlinear optical response At least one of the input side or the output side of the is provided with an input / output waveguide portion having a larger mode cross-sectional area than the optical waveguide constituting the light control waveguide portion via the tapered waveguide portion, In particular,
(2a) An optical waveguide extending from the light control waveguide section to the input / output waveguide section includes, from the substrate side, a lower cladding layer made of a nitride semiconductor, and a GaN lower core having an average refractive index higher than that of the lower cladding layer A layer, a nitride semiconductor multiple quantum well layer that causes intersubband transition, an upper core layer having a GaN layer as a main component, and an average refractive index provided above the GaN upper core layer is higher than that of the substrate. A multilayer structure comprising at least an upper cladding layer that is higher than the upper core layer,
(2b) The light control waveguide section is a mesa-shaped structure formed by removing at least the upper cladding layer, the GaN upper core layer, the multiple quantum well layer, and the GaN lower core layer of the multilayer structure outside the mesa. Consisting of a single-mode optical waveguide,
(2c) In the input / output waveguide section and the tapered waveguide section, the upper core layer is thicker than the light control waveguide section, and the total layer thickness of the multilayer structure in the input / output waveguide section is A ridge-type optical waveguide that is at least twice the total layer thickness of the multilayer structure in the light control waveguide portion;
(2d) In the tapered waveguide portion, the width of the mesa of the multilayer structure and the thickness of the upper core layer decrease continuously or intermittently from the input / output waveguide portion toward the light control waveguide portion. And
(2e) and the thickness of the slab portion extending from the portion in contact with the input / output waveguide portion toward both sides of the tapered waveguide portion toward the light control waveguide portion is an upper core layer in the tapered waveguide portion. In response to changes in the thickness of the
It is characterized by that.

ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。   Here, preferred embodiments of the present invention include the following.

(2−1)上部クラッド層は、AlN膜、SiNx 膜、又はAlN膜とSiNx 膜の積層構造であること。 (2-1) The upper cladding layer has an AlN film, a SiN x film, or a laminated structure of an AlN film and a SiN x film.

(2−2)光制御導波路部のメサ側面も上部クラッド層と同じ材料で覆われていること。   (2-2) The mesa side surface of the optical control waveguide section is also covered with the same material as the upper cladding layer.

(2−3)上部クラッド膜の屈折率は1.9以上であること。   (2-3) The refractive index of the upper cladding film is 1.9 or more.

(2−4)リッジ型光導波路におけるメサの高さは多層構造と装荷層の合計層厚の80%〜130%であり、メサの幅は多層構造と装荷層の合計層厚の80%〜200%であること。   (2-4) The height of the mesa in the ridge type optical waveguide is 80% to 130% of the total layer thickness of the multilayer structure and the loading layer, and the width of the mesa is 80% to the total layer thickness of the multilayer structure and the loading layer. 200%.

(2−5)基板は、サファイア,SiC,Si,GaN,AlNの何れかであること。   (2-5) The substrate is any one of sapphire, SiC, Si, GaN, and AlN.

(2−6)多層構造の合計層厚は0.9μm以下であり、メサ幅は0.9μm以下であること。   (2-6) The total layer thickness of the multilayer structure is 0.9 μm or less, and the mesa width is 0.9 μm or less.

(2−6)リッジ型光導波路における多層構造の合計層厚が前記光制御導波路部における多層構造の合計層厚の2倍以上であること。   (2-6) The total layer thickness of the multilayer structure in the ridge-type optical waveguide is at least twice the total layer thickness of the multilayer structure in the light control waveguide section.

第1の実施形態に係わる半導体光スイッチの光入力部付近の構造を模式的に示す斜視図。The perspective view which shows typically the structure of the optical input part vicinity of the semiconductor optical switch concerning 1st Embodiment. 第1及び第2の実施形態に係わる半導体光スイッチの光スイッチ主要部の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the optical propagation direction of the optical switch main part of the semiconductor optical switch concerning 1st and 2nd embodiment. 第1の実施形態に係わる半導体光スイッチの入力導波路部の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the light propagation direction of the input waveguide part of the semiconductor optical switch concerning 1st Embodiment. 第1の実施形態に係わる半導体光スイッチにおいて、光伝搬方向に沿って入力テーパ導波路部を上下に切断した断面層構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional layer structure which cut | disconnected the input taper waveguide part up and down along the optical propagation direction in the semiconductor optical switch concerning 1st Embodiment. 第1実施形態に係わる半導体光スイッチにおいて、テーパ導波路部の両側に広がるスラブ部を、テーパ導波路の光伝搬方向と平行な面で上下に切断した断面層構造を模式的に示す図。In the semiconductor optical switch concerning 1st Embodiment, the figure which shows typically the cross-sectional layer structure which cut | disconnected the slab part extended on both sides of a taper waveguide part up and down in the surface parallel to the light propagation direction of a taper waveguide. 第1から第3の実施形態に係わる半導体光スイッチの多重量子井戸層の一部(量子井戸2周期分)の伝導帯バンド構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the conduction-band structure of a part (for 2 periods of quantum wells) of the multiple quantum well layer of the semiconductor optical switch concerning the 1st to 3rd embodiment. 第1の実施形態に係わる半導体導光スイッチの光パルス入出力特性(TAPER)を従来技術の半導体導波型光制御素子の特性(RWG,HM)と比較して示す図。The figure which compares the optical pulse input / output characteristic (TAPER) of the semiconductor light guide switch concerning 1st Embodiment with the characteristic (RWG, HM) of the semiconductor waveguide type optical control element of a prior art. 第2の実施形態に係わる半導体光スイッチの入力導波路部3の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the light propagation direction of the input waveguide part 3 of the semiconductor optical switch concerning 2nd Embodiment. 第2の実施形態の変形例に係わる半導体導光スイッチにおいて、入力テーパ導波路部を光伝搬方向に沿って上下に切断した断面層構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional layer structure which cut | disconnected the input taper waveguide part up and down along the optical propagation direction in the semiconductor light guide switch concerning the modification of 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係わる半導体光スイッチにおいて、入力テーパ導波路部を光伝搬方向に沿って上下に切断した断面層構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional layer structure which cut | disconnected the input taper waveguide part up and down along the optical propagation direction in the semiconductor optical switch concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わる半導体光スイッチの入力導波路部の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the light propagation direction of the input waveguide part of the semiconductor optical switch concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わる半導体光スイッチの光スイッチ主要部の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the optical propagation direction of the optical switch main part of the semiconductor optical switch concerning 3rd Embodiment. 比較例として従来の半導体光スイッチの光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the optical propagation direction of the conventional semiconductor optical switch as a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1…サファイア基板
2…窒化物半導体層
3…入力導波路部
4…入力テーパ導波路部
5…光スイッチ主要部
6…出力テーパ導波路部
7…出力導波路部
8…段差
9…スラブ部
11…AlN下部クラッド層
12…GaN下部コア層
13,43…多重量子井戸層
14…GaN上部コア層
15…AlN上部クラッド層
16,35…スパッタ形成AlN膜
17…AlN障壁層
18…SiドープGaN井戸層
21,34…GaN層
22…エッチング制御用AlN層
31…GaN/AlN多層構造
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sapphire substrate 2 ... Nitride semiconductor layer 3 ... Input waveguide part 4 ... Input taper waveguide part 5 ... Optical switch main part 6 ... Output taper waveguide part 7 ... Output waveguide part 8 ... Level difference 9 ... Slab part 11 ... AlN lower cladding layer 12 ... GaN lower core layer 13,43 ... Multiple quantum well layer 14 ... GaN upper core layer 15 ... AlN upper cladding layer 16,35 ... Sputtered AlN film 17 ... AlN barrier layer 18 ... Si doped GaN well Layers 21, 34 ... GaN layer 22 ... AlN layer for etching control 31 ... GaN / AlN multilayer structure

Claims (8)

窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移により非線形光学応答を生じる光制御導波路部の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられた半導体導波型光制御素子であって、
基板上に、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、この多重量子井戸層を上下から挟むGaNコア層と、このGaNコア層の下部に設けられた平均屈折率がGaNコア層より低い窒化物半導体下部クラッド層と、前記GaNコア層の上部に設けられた平均屈折率がGaNコア層より低い窒化物半導体上部クラッド層と、を有してなる多層構造が形成され、
前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層,前記GaNコア層,及び前記多重量子井戸層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、
前記入出力導波路部及びテーパ導波路部は、前記多層構造の上に前記基板よりも屈折率の高い装荷層が形成されたリッジ型光導波路からなり、
前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記装荷層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、
且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における装荷層の厚さの変化に対応して減少していることを特徴とする半導体導波型光制御素子。
A mode more than the light control waveguide section through the tapered waveguide section on at least one of the input side or the output side of the light control waveguide section that generates a nonlinear optical response due to intersubband transition in the nitride semiconductor multiple quantum well. A semiconductor waveguide light control element provided with an input / output waveguide portion having a large cross-sectional area,
A nitride semiconductor multiple quantum well layer that causes intersubband transition on a substrate, a GaN core layer sandwiching the multiple quantum well layer from above and below, and an average refractive index provided below the GaN core layer is a GaN core layer A multilayer structure comprising a lower nitride semiconductor lower cladding layer, and a nitride semiconductor upper cladding layer having an average refractive index lower than the GaN core layer provided on the GaN core layer;
The light control waveguide portion is a mesa-shaped single mode optical waveguide formed by removing at least the upper cladding layer, the GaN core layer, and the multiple quantum well layer of the multilayer structure outside the mesa,
The input / output waveguide portion and the tapered waveguide portion are formed of a ridge-type optical waveguide in which a loading layer having a refractive index higher than that of the substrate is formed on the multilayer structure.
In the taper waveguide portion, the width of the mesa of the multilayer structure and the thickness of the loading layer are continuously or intermittently reduced from the input / output waveguide portion toward the light control waveguide portion,
Further, the thickness of the slab portion extending from the portion in contact with the input / output waveguide portion toward both sides of the tapered waveguide portion toward the light control waveguide portion is equal to the thickness of the loading layer in the tapered waveguide portion. A semiconductor waveguide type light control element characterized by decreasing in response to a change.
前記装荷層は、絶縁膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体導波型光制御素子。   2. The semiconductor waveguide light control element according to claim 1, wherein the loading layer is an insulating film. 前記絶縁膜は、AlN膜、SiNx 膜、又はAlN膜とSiNx 膜の積層構造であることを特徴とする請求項2記載の半導体導波型光制御素子。 3. The semiconductor waveguide light control element according to claim 2, wherein the insulating film has an AlN film, a SiN x film, or a laminated structure of an AlN film and a SiN x film. 前記装荷層は、GaN層、又はGaN層と厚さが50nm以下のAlN層の積層構造からなることを特徴とする請求項1記載の半導体導波型光制御素子。   2. The semiconductor waveguide light control element according to claim 1, wherein the loading layer is composed of a GaN layer or a laminated structure of a GaN layer and an AlN layer having a thickness of 50 nm or less. 基板上に積層された窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移により非線形光学応答を生じる光制御導波路部の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられた半導体導波型光制御素子であって、
前記光制御導波路部から前記入出力導波路部に至る光導波路が、前記基板側から少なくとも、窒化物半導体からなる下部クラッド層と、この下部クラッド層よりも平均屈折率が高いGaN下部コア層と、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、GaN層を主構成要素とする上部コア層と、平均屈折率が前記基板よりも高く前記上部コア層よりも低い上部クラッド層と、を積層してなる多層構造からなり、
前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層,前記上部コア層,前記多重量子井戸層,及び前記下部コア層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、
前記入出力導波路部は、前記上部コア層の厚さが前記光制御導波路部より厚く形成されたリッジ型光導波路からなり、
前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記上部コア層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、
且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における上部コア層の厚さの変化に対応して減少していることを特徴とする半導体導波型光制御素子。
Light control via a tapered waveguide section on at least one of the input side or the output side of a light control waveguide section that generates a nonlinear optical response due to intersubband transition in a nitride semiconductor multiple quantum well stacked on a substrate A semiconductor waveguide light control element provided with an input / output waveguide portion having a larger mode cross-sectional area than the waveguide portion,
An optical waveguide from the light control waveguide section to the input / output waveguide section includes at least a lower cladding layer made of a nitride semiconductor from the substrate side, and a GaN lower core layer having an average refractive index higher than that of the lower cladding layer A nitride semiconductor multiple quantum well layer that causes intersubband transition, an upper core layer mainly composed of a GaN layer, an upper cladding layer having an average refractive index higher than that of the substrate and lower than that of the upper core layer, , And has a multilayer structure
The optical control waveguide section is a mesa-shaped single mode formed by removing at least the upper cladding layer, the upper core layer, the multiple quantum well layer, and the lower core layer of the multilayer structure outside the mesa. An optical waveguide,
The input / output waveguide section is composed of a ridge type optical waveguide in which the thickness of the upper core layer is formed thicker than the light control waveguide section,
In the taper waveguide portion, the mesa width of the multilayer structure and the thickness of the upper core layer are continuously or intermittently reduced from the input / output waveguide portion toward the light control waveguide portion,
The thickness of the slab portion extending from the portion in contact with the input / output waveguide portion toward both sides of the tapered waveguide portion toward the light control waveguide portion is the thickness of the upper core layer in the tapered waveguide portion. A semiconductor waveguide type light control element characterized by decreasing in response to a change in.
前記光制御導波路部における多層構造の合計層厚は0.9μm以下であることを特徴とする請求項1又は5記載の半導体導波型光制御素子。   6. The semiconductor waveguide light control element according to claim 1, wherein a total layer thickness of the multilayer structure in the light control waveguide portion is 0.9 μm or less. 前記上部クラッド層はAlN膜、SiNx 膜、又はAlN膜とSiNx 膜の積層構造であることを特徴とする請求項5記載の半導体導波型光制御素子。 6. The semiconductor waveguide light control device according to claim 5, wherein the upper cladding layer has an AlN film, a SiN x film, or a laminated structure of an AlN film and a SiN x film. 前記光制御導波路部のメサ側面は、前記上部クラッド層と同じ材料で覆われていることを特徴とする請求項5記載の半導体導波型光制御素子。   6. The semiconductor waveguide light control element according to claim 5, wherein the mesa side surface of the light control waveguide portion is covered with the same material as that of the upper clad layer.
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