JP5686347B2 - 双安定素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光導波路構造の双安定素子に関し、特に、動作電流の条件として、双安定動作における広い動作電流領域（ヒステリシス幅）が得られる双安定素子に関する。
近年、全光ルータの実現などに必要な光メモリ機能を有する素子として、双安定素子が検討され、中でも、半導体双安定素子が検討されている。
半導体双安定素子と一口に言っても、様々な原理がこれまでに報告されているが、特に、比較的安定した双安定動作が実現される代表例としては、多モード干渉光導波路内における異なる２つの光導波経路を有する構造を利用した半導体双安定素子が、特許文献１及び非特許文献１に報告されている。
この半導体双安定素子は、双安定素子として優れた動作が報告されているが、（１）双安定動作におけるヒステリシス幅（以下、双安定ヒステリシス幅と称す）が狭い（動作電流値の数％以内に電流を設定しないと双安定動作が得られない）という課題や、（２）素子全長が長く集積化にはあまり適さないという課題があった。
これらの課題を解決する双安定素子が、特許文献２及び非特許文献２に報告されている。
特に、非特許文献２では、双安定ヒステリシス幅が動作電流値の１０％程度という、これまでにない広い動作電流の条件が得られることが実証されている。
特開２００３−８４３２７号公報 特願２００８−２５０１１０号公報
M.Takenaka他,「Multimode Interference Bistable Laser Diode」,IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 15, No.8, pp.1035-1037 H.A.Bastawrous他,「A Novel Active MMI Bi-Stable Laser Using Cross-Gain Saturation Between Fundamental and First Order Modes」,Proceedings ofThe 34th European Conference on Optical Communication (ECOC 2008, Brussels, Belgium), P.2.15, pp.81-82, September 2008
しかしながら、従来の双安定素子は、これまでにない広い動作電流の条件が得られたといっても、双安定ヒステリシス幅が動作電流値の１０％程度であり、将来の高集積化を考えると、更なる広い双安定ヒステリシス幅を得る必要があるという課題がある。すなわち、従来の双安定素子においては、高集積化を図ると、製造誤差により、集積デバイスの全ての構成素子において、同一の動作電流値において双安定動作が得られるとは限らず、同一の動作電流で制御することが困難である。このため、従来の双安定素子を備えた集積デバイスにおいては、各素子において異なる動作電流を設定する必要があり（図１７（ａ）参照）、実用化が困難であるという課題がある。これに対し、更なる広い双安定ヒステリシス幅を得られることは、製造誤差による、各素子において双安定動作が得られる動作電流のばらつきに対応する、共通の動作電流を設定することができる（図１７（ｂ）参照）。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、従来の双安定素子と比較して、小型化を図ることができると共に、より広い双安定ヒステリシス幅を得ることができる双安定素子を提供するものである。
本発明に係る双安定素子においては、基板上に配設され、一端面にＭ（Ｍは２以上の整数）個のポートを有し、他端面にＮ（Ｎは１以上、Ｍ以下の整数）個のポートを有する多モード干渉光導波路と、基板上に配設され、多モード干渉光導波路の一端面側の各ポートに一端面がそれぞれ接続されるＭ本の光導波路からなる第１の光導波路群と、基板上に配設され、多モード干渉光導波路の他端面側の各ポートに一端面がそれぞれ接続されるＮ本の光導波路からなる第２の光導波路群と、を備え、多モード干渉光導波路が、入射する光の強度が大きくなると吸収係数が減少して吸収光量の飽和が起きる可飽和吸収領域を有するものである。
本発明に係る双安定素子においては、従来の双安定素子と比較して、小型化を図ることができると共に、広い双安定ヒステリシス幅を得ることができる。
第１の実施形態に係る双安定素子の概略構成の一例を示す平面図である。 （ａ）は図１に示す双安定素子の矢視Ａ−Ａ'線の断面図であり、（ｂ）は図１に示す双安定素子の矢視Ｂ−Ｂ'線の断面図である。 （ａ）は双安定素子の動作を説明するための説明図であり、（ｂ）は他の双安定素子の動作を説明するための説明図である。 （ａ）は図１に示す双安定素子における双安定ヒステリシス幅を説明するための説明図であり、（ｂ）は従来の双安定素子における双安定ヒステリシス幅を説明するための説明図である。 第１の実施形態に係る双安定素子の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１に示す双安定素子の矢視Ａ−Ａ'線の断面図に対応するＭＯＣＶＤ法により結晶構造を製作した状態の断面図であり、（ｂ）は図５（ａ）に示す断面図に対してマスクを形成した状態の断面図であり、（ｃ）は図５（ｂ）に示す断面図に対してエッチングによりリッジ構造を形成した状態の断面図である。 第１の実施形態に係る双安定素子の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１に示す双安定素子の矢視Ｂ−Ｂ'線の断面図に対応する電気的分離溝用のマスクを形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図６（ａ）に示す断面図に対してエッチングにより電気的分離溝を形成した状態の断面図であり、（ｃ）は図２（ｂ）に示す断面図に対して熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成した状態の断面図である。 第１の実施形態に係る双安定素子の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図６（ｃ）に示す断面図に対して電気的分離溝上にマスクを形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図７（ａ）に示す断面図に対してエッチングにより電気的分離溝以外のＳｉＯ2膜を除去した状態の断面図であり、（ｃ）は図７（ｂ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。 第１の実施形態に係る双安定素子の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図２（ａ）に示す断面図に対して熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図８（ａ）に示す断面図に対して光導波路を除く領域上にマスクを形成した状態の断面図であり、（ｃ）は図８（ｂ）に示す断面図に対してエッチングにより光導波路上のＳｉＯ2膜を除去した状態の断面図であり、（ｄ）は図８（ｃ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。 第１の実施形態に係る双安定素子の他の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１に示す双安定素子の矢視Ｂ−Ｂ'線の断面図に対応する主励起領域上にマスクを形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図９（ａ）に示す断面図に対してエッチングにより主励起領域以外のコンタクト層を除去した状態の断面図であり、（ｃ）は図９（ｂ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図であり、（ｄ）は図９（ｃ）に示す断面図に対して熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成した状態の断面図である。 第１の実施形態に係る双安定素子の他の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図９（ｄ）に示す断面図に対して可飽和吸収領域上にマスクを形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図１０（ａ）に示す断面図に対してエッチングにより主励起領域のＳｉＯ2膜を除去した状態の断面図であり、（ｃ）は図１０（ｂ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。 （ａ）は第２の実施形態に係る双安定素子の概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１１（ａ）に示す双安定素子の矢視Ｃ−Ｃ'線の断面図である。 （ａ）は第３の実施形態に係る双安定素子の概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は第３の実施形態に係る双安定素子の概略構成の他の例を示す平面図である。 第３の実施形態に係る双安定素子の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１２に示す双安定素子の矢視Ｄ−Ｄ'線の断面図に対応するＭＯＣＶＤ法により結晶構造を製作した状態の断面図であり、（ｂ）は図１３（ａ）に示す断面図に対してマスクを形成した状態の断面図であり、（ｃ）は図１３（ｂ）に示す断面図に対してエッチングによりハイメサ構造を形成した状態の断面図であり、（ｄ）は図１３（ｃ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。 第３の実施形態に係る双安定素子の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１２（ａ）に示す双安定素子の矢視Ｅ−Ｅ'線の断面図に対応する電気的分離溝用のマスクを形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図１４（ａ）に示す断面図に対してエッチングにより電気的分離溝を形成した状態の断面図であり、（ｃ）は図１２に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図であり、（ｄ）は図１４（ｃ）に示す断面図に対して熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成した状態の断面図である。 第３の実施形態に係る双安定素子の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１４（ｄ）に示す断面図に対して電気的分離溝上にマスクを形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図１５（ａ）に示す断面図に対してエッチングにより電気的分離溝以外のＳｉＯ2膜を除去した状態の断面図であり、（ｃ）は図１５（ｂ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。 第３の実施形態に係る双安定素子の製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１３（ｄ）に示す断面図に対して熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図１６（ａ）に示す断面図に対して光導波路を除く領域上にマスクを形成した状態の断面図であり、（ｃ）は図１６（ｂ）に示す断面図に対してエッチングにより光導波路上のＳｉＯ2膜を除去した状態の断面図であり、（ｄ）は図１６（ｃ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。 広い双安定ヒステリシス幅の重要性を説明するための説明図であり、（ａ）は従来の双安定素子における双安定ヒステリシス幅を示す図であり、（ｂ）は本発明に係る双安定素子における双安定ヒステリシス幅を示す図である。
（本発明の第１の実施形態）
双安定素子１００は、図１に示すように、後述する、多モード干渉光導波路１と、第１の光導波路群２と、第２の光導波路群３とが基板１０上に集積されている。
多モード干渉光導波路１は、基板１０上に配設され、一端面１ａにＭ（Ｍは２以上の整数）個のポートを有し、他端面１ｂにＮ（Ｎは１以上、Ｍ以下の整数）個のポートを有する能動光導波路である。また、多モード干渉光導波路１は、基板１０の表面側の外部電極（以下、表面電極と称す）と基板１０の裏面側の外部電極（以下、裏面電極と称す）との間にバイアス電流を供給して活性層を励起する主励起領域２１と、入射する光の強度が大きくなると吸収係数が減少して吸収光量の飽和が起きる可飽和吸収領域２２とを有する。この可飽和吸収領域２２は、レーザー発振が開始されるまでは可飽和吸収状態となっているが、一旦、レーザー発振が開始された後は、可飽和吸収領域２２には十分な電子及び正孔が作り出されており、可飽和吸収領域２２での損失が減少してレーザー発振が持続される。
なお、本実施形態においては、一端面１ａに２個のポートを有し、他端面１ｂに１個のポートを有する多モード干渉光導波路１を例に挙げて説明するが、このポート数を有する多モード干渉光導波路１に限られるものではない。特に、本実施形態に係る多モード干渉光導波路１は、後述する式（１）に従い設定した、光の導波方向に沿った導波路の長さ（以下、導波路長と称す）が１３５μｍ程度であり、導波路幅が７．４μｍ程度である、略矩形状の干渉領域を有する。
また、本実施形態においては、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２が、光の伝播モードとしての０次モード光と１次モード光とが重畳しない領域にある。例えば、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２は、領域幅を多モード干渉光導波路１の導波路幅とし、領域長を多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側から所定の長さまでの導波路長として、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側から所定の長さまでの領域である。特に、本実施形態においては、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２の領域長である、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側からの所定の長さとして、２９μｍ（後述する電気的分離溝４を除くと２５μｍ）程度としている。なお、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２の領域長である、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側からの所定の長さとしては、双安定素子１００の特性並びに多モード干渉光導波路１の導波路長（及び導波路幅）から設定すればよく、例えば、多モード干渉光導波路１の導波路長に対して、半分以下にすることにより、レーザー発振に寄与する主励起領域２１の領域を確保することができる。また、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２の領域長である、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側からの所定の長さとしては、例えば、多モード干渉光導波路１の導波路幅以上にすることにより、後述する所望の広い双安定ヒステリシス幅を得ることができる。
特に、本実施形態に係る双安定素子１００は、前述した通り、多モード干渉光導波路１の導波路長Ｌ１が１３５μｍであり、多モード干渉光導波路１の導波路幅が７．４μｍ程度であり、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２の領域長Ｌ２（後述する電気的分離溝４の幅４μｍを含む）が２９μｍである。このため、多モード干渉光導波路１の導波路長Ｌ１に対する可飽和吸収領域２２の領域長Ｌ２の百分率は、２１．５％（＝２９μｍ／１３５μｍ×１００）であり、例に挙げた条件を満たし、後述する所望の広い双安定ヒステリシス幅を得つつ、主励起領域２１の領域を確保することができる。
電気的分離溝４は、多モード干渉光導波路１の長さ方向を横断するように、後述するコンタクト層１６の一部を除去することで形成される。なお、本実施形態に係る電気的分離溝４は、主励起領域２１と可飽和吸収領域２２との境界から可飽和吸収領域２２側にかけて、長さ４μｍ程度で多モード干渉光導波路１に配設する。
第１の光導波路群２は、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側の各ポートに一端面がそれぞれ接続されるＭ本の光導波路からなり、第１の光導波路群２の各光導波路は、可飽和吸収領域２２を有する能動光導波路である。また、第１の光導波路群２は、各光導波路の他端面を入射面及び／又は出射面とする。
なお、本実施形態においては、一端面１ａ側に２個のポートを有する多モード干渉光導波路１を例に挙げて説明するために、第１の光導波路群２は、２本の光導波路（第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ）からなる。また、第１の光導波路２ａ及び第２の光導波路２ｂは、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側の辺に対して略垂直に接続され、互いに並設されている。
特に、本実施形態に係る第１の光導波路２ａ及び第２の光導波路２ｂは、導波路長が６５μｍ程度であり、導波路幅が２．７μｍ程度である、略矩形形状の直線導波路である。また、第１の光導波路群２の各光導波路（第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ）における可飽和吸収領域２２が、領域幅を各光導波路の導波路幅とし、領域長を各光導波路の導波路長としている。すなわち、第１の光導波路２ａ及び第２の光導波路２ｂは、主励起領域２１が存在せず、可飽和吸収領域２２のみからなる。
第２の光導波路群３は、多モード干渉光導波路１の他端面１ｂ側の各ポートに一端面がそれぞれ接続されるＮ本の光導波路からなり、第２の光導波路群３の各光導波路は、能動光導波路である。また、第２の光導波路群３は、各光導波路の他端面を入射面及び／又は出射面とする。
なお、本実施形態においては、他端面１ｂ側に１個のポートを有する多モード干渉光導波路１を例に挙げて説明するために、第２の光導波路群３は、１本の光導波路（第３の光導波路３ａ）からなる。また、第３の光導波路３ａは、多モード干渉光導波路１を介して、第１の光導波路群２における第１の光導波路２ａに対向する位置に配設される。すなわち、第３の光導波路３ａは、光の伝播モードとしての０次モード光と１次モード光とを許容する光導波路である。
特に、本実施形態に係る第３の光導波路３ａは、導波路長が９０μｍ程度であり、導波路幅が２．７μｍ程度である、略矩形形状の直線導波路である。また、第３の光導波路３ａは、可飽和吸収領域２２が存在せず、主励起領域２１のみからなる。
したがって、本実施形態に係る双安定素子１００は、多モード干渉光導波路１の一部及び第１の光導波路群２から可飽和吸収領域２２が構成され、多モード干渉光導波路１の可飽和吸収領域２２と第１の光導波路群２の可飽和吸収領域２２とが連続して、可飽和吸収領域２２の領域長の全長が９４μｍ（電気的分離溝４を除くと９０μｍ）程度である。また、本実施形態に係る双安定素子１００は、多モード干渉光導波路１の一部及び第２の光導波路群３から主励起領域２１が構成される。
なお、主励起領域２１を構成する、多モード干渉光導波路１の一部と第２の光導波路群３（第３の光導波路３ａ）とは、層構造が同一である。また、可飽和吸収領域２２を構成する、多モード干渉光導波路１の一部と第１の光導波路群２（第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ）とは、層構造が同一である。特に、本実施形態においては、多モード干渉光導波路１における電気的分離溝４を除き、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２（第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ）及び第２の光導波路群３（第３の光導波路３ａ）とは、層構造が同一である。
具体的には、主励起領域２１の断面構造は、図２（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板を基材とする基板１０上に、ｎ型半導体であるｎ−ＩｎＰからなるバッファ層１１、長波長帯（１．５５μｍ帯）の双安定素子を実現する活性層となるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰからなる発光層１２、ｐ型半導体であるｐ−ＩｎＰからなる第１のクラッド層１３、ｐ型半導体であるｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるエッチングストッパ層１４、ｐ型半導体
であるｐ−ＩｎＰからなる第２のクラッド層１５、ｐ型半導体であるｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１６が、それぞれ積層されたリッジ構造である。また、可飽和吸収領域２２の断面構造は、図２（ｂ）に示すように、主励起領域２１の断面構造に対し、電気的分離溝４となる領域（以下、分離溝領域２２ａと称す）において、コンタクト層１６を除去した断面構造である。
このリッジ構造は、図２（ａ）に示すように、非導波領域において、コンタクト層１６及び第２のクラッド層１５がエッチングにより除去された構造である。
特に、本実施形態においては、バッファ層１１の膜厚は１００ｎｍ程度であり、発光層１２の膜厚は１００ｎｍ程度であり、第１のクラッド層１３の膜厚は２００ｎｍ程度であり、エッチングストッパ層１４の膜厚は１０ｎｍ程度であり、第２のクラッド層１５の膜厚は８００ｎｍ程度であり、コンタクト層１６の膜厚は１５０ｎｍ程度である。
なお、本実施形態に係る双安定素子１００は、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３をリッジ構造としているが、必ずしもこの層構造に限るわけではなく、例えば、埋め込み構造やハイメサ構造であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る発光層１２は、ＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure：分離閉じ込めヘテロ構造）と多重量子井戸（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）とからなる通常の発光層であるが、必ずしもこの発光層に限られるものではなく、例えば、ひずみ多重量子井戸としてもよいし、バルク発光層としてもよい。
また、本実施形態に係る発光層１２は、波長を１．５５μｍ帯としているが、必ずしもこの波長帯に限られるものではなく、例えば、１．３μｍ帯としてもよいし、可視光帯としてもよい。
さらに、本実施形態に係る発光層１２は、材料系をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰとしているが、必ずしもこの材料系に限られるものではなく、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓとしてもよいし、波長帯に合わせて自由に材料系を設定したとしても適用可能である。
ここで、本実施形態に係る双安定素子１００によって、広い双安定ヒステリシス幅が得られる原理を説明する。
まず、本原理を説明するにあたり、対向する２つの面に２個のポートをそれぞれ有する多モード干渉光導波路型の双安定素子として、特許文献１に開示された全光フリップフロップにおける双安定素子２００の動作原理を、図３（ａ）を用いて説明する。
なお、従来の双安定素子２００は、図３（ａ）に示すように、平面視において略矩形形状に形成された多モード干渉光導波路２０１と、この多モード干渉光導波路２０１に結合された第１の光導波路２０２ａ、第２の光導波路２０２ｂ、第３の光導波路２０３ａ及び第４の光導波路２０３ｂを備える。また、第１の光導波路２０２ａ及び第２の光導波路２０２ｂは、多モード干渉光導波路２０１の一端面２０１ａに結合し、第３の光導波路２０３ａ及び第４の光導波路２０３ｂは、多モード干渉光導波路２０１の一端面２０１ａと対向する他端面２０１ｂに結合している。また、第１の光導波路２０２ａ及び第３の光導波路２０３ａは、略同一直線上に位置し、第２の光導波路２０２ｂ及び第４の光導波路２０３ｂは、略同一直線上に位置している。
図３（ａ）に示すように、従来の双安定素子２００の動作原理は、一般的に、多モード干渉光導波路２０１内において、（１）同時に発振可能な２つの光導波経路（図３においては、光導波経路２１１及び光導波経路２１２）を有すること、（２）２つの光導波経路間での相互利得差によって、どちらか一方の光導波経路での発振が選択されること、による。
例えば、ある一定の動作電流を能動光導波路（多モード干渉光導波路２０１、第１の光導波路２０２ａ、第２の光導波路２０２ｂ、第３の光導波路２０３ａ、第４の光導波路２０３ｂ）に予め注入したうえで、外部からポート２２１に光を入力すると、ポート２２１を入力端とする一の光導波経路２１１がレーザー発振の光導波経路として選択される。この際、多モード干渉光導波路２０１内での一の光導波経路２１１に対する利得が、他の光導波経路２１２に対する利得と比較して集中することとなり、結果として、一の光導波経路２１１のみでの発振が得られることになる。
この状態において、今度は、ポート２２２に光を入力すると、ポート２２２を入力端とする他の光導波経路２１２がレーザー発振の光導波経路として選択される。この際、多モード干渉光導波路２０１内での他の光導波経路２１２に対する利得が、一の光導波経路２１１に対する利得と比較して集中することとなり、結果として、他の光導波経路２１２のみでの発振が得られ、代わりに、一の光導波経路２１１でのレーザー発振が停止することになる。このようにして、従来の双安定素子２００は、２つの双安定状態が作り出される。
しかしながら、この図３（ａ）に示すように、２つの光導波経路である光導波経路２１１と光導波経路２１２とが交差する領域２３１は、多モード干渉光導波路２０１内に占める割合が僅かであり、従来の双安定素子２００は、この僅かな領域における相互利得差を利用しているために、広い双安定ヒステリシス幅が得られないという課題があった。
これに対し、一端面に２個のポートを有し、他端面に１個のポートを有する多モード干渉光導波路型の双安定素子として、特許文献２に開示された双安定素子３００の動作原理を、図３（ｂ）を用いて説明する。
なお、従来の双安定素子３００は、図３（ｂ）に示すように、平面視において略矩形形状に形成された多モード干渉光導波路３０１と、この多モード干渉光導波路３０１に結合された第１の光導波路３０２ａ、第２の光導波路３０２ｂ及び第３の光導波路３０３ａとを備える。また、第１の光導波路３０２ａ及び第２の光導波路３０２ｂは、多モード干渉光導波路３０１の一端面３０１ａに結合し、第３の光導波路３０３ａは、多モード干渉光導波路３０１の一端面３０１ａと対向する他端面３０１ｂに結合している。また、第１の光導波路３０２ａ及び第３の光導波路３０３ａは、略同一直線上に位置しており、第２の光導波路３０２ｂは、これらと略平行に設けられている。
この従来の双安定素子３００は、光の伝播モードとして、以下の２つの安定モードを有する。
（ｉ）０次モード光
０次モード光は、外部からポート３２１に光を入力すると、第２の光導波路３０２ｂから多モード干渉光導波路３０１へ入射し、多モード干渉光導波路３０１内を略クランク状に導波した後、第３の光導波路３０３ａのポート３２２から出射する（図３（ｂ）に示す光導波経路３１１）。
（ｉｉ）１次モード光
１次モード光は、外部からポート３２３に光を入力すると、第１の光導波路３０２ａから多モード干渉光導波路３０１へ入射し、多モード干渉光導波路３０１内を略直線状に導波した後、第３の光導波路３０３ａのポート３２２から出射する（図３（ｂ）に示す光導波経路３１２）。
このように、第３の光導波路３０３ａは、０次モード光と１次モード光とが定在波として存在できるように構成されている。また、多モード干渉光導波路３０１は、０次モード光と１次モード光とが一体となり重畳する領域（相互利得抑制領域３３１）を備えている。
以上のように、本実施形態に係る双安定素子１００の動作原理は、多モード干渉光導波路１内において、（１）同時に発振可能な２つの光導波経路として、略クランク状の光導波経路（図３（ｂ）に示す光導波経路３１１に相当）と略直線状の光導波経路（図３（ｂ）に示す光導波経路３１２に相当）とを利用すること、（２）２つの光導波経路間での相互利得差によって、どちらか一方の光導波経路での発振が選択されること、による。
特に、２つの光導波経路３１１及び光導波経路３１２の重なり領域（相互利得抑制領域３３１）は、より広い領域で重なることを利用している。これは、本実施形態に係る多モード干渉光導波路１において、ビート長をＬπとし、実効導波路幅をＷeとし、導波領域の屈折率をｎrとし、波長をλとした場合に、多モード干渉光導波路１の導波路長ＬMMIを下記式（１）とすると、０次モードに対してはクロス方向、１次モードに対してはバー方向に自己干渉像が生じる現象を利用している結果による。
しかしながら、一方で、図３（ｂ）に示す構造においても、相互利得抑制領域３３１に属さない、すなわち、同時に発振可能な２つの光導波経路（光導波経路３１１、光導波経路３１２）が重なっていない領域（非相互利得抑制領域３３２）は存在しており、この領域を何らかの方法で改善すれば、より一層、広い双安定ヒステリシス幅が得られることを意味している。
そこで、本願発明者らによる最近の研究の結果により、以下の事実が明らかになった。
（１）可飽和吸収領域における２つの光導波経路は、相互利得抑制領域としては寄与しない。すなわち、双安定ヒステリシス幅を左右するのは、主励起領域における２つの光導波経路の重ね合わせである。
（２）能動光導波路である多モード干渉光導波路の一部を可飽和吸収領域としても、能動多モード干渉効果が得られる。
この事実（１）は、２つの光導波経路の重ね合わせが得られない領域（非相互利得抑制領域）を可能な限り可飽和吸収領域とすることで、主励起領域における２つの光導波経路の重なり領域（相互利得抑制領域）が占める割合を高め、より大きな相互利得抑制が得られるということを意味する。すなわち、広い双安定ヒステリシス幅を得るためには、２つの光導波経路が理論上重ならない領域（非相互利得抑制領域）を可能な限り可飽和吸収領域とすればよいことになる。
さらに、事実（２）によると、これまでは実証されたことのなかった、多モード干渉光導波路の一部を可飽和吸収領域とした能動導波路において、能動多モード干渉効果が得られるという事実が明らかになった。このため、多モード干渉光導波路のうち、２つの光導波経路の重なりが殆ど得られていない領域（非相互利得抑制領域）をも可飽和吸収領域とすることで、主励起領域としては、理論上、ほぼ完全（全領域）に２つの光導波経路間での重ね合わせ（相互利得抑制領域）が得られることになる。
以上の原理に基づいて設計した、本実施形態に係る双安定素子１００は、図４（ａ）に示すように、非特許文献２に報告されている８ｍＡの双安定ヒステリシス幅（図４（ｂ）参照）と比較して、１０倍以上に相当する９３ｍAという極めて広い双安定ヒステリシス幅を得ることができた。
なお、本実施形態においては、前述した式１に従い、多モード干渉光導波路１の導波路長を設定したが、必ずしもこの導波路長に正確に設定する必要はなく、多モード干渉光導波路１の導波路長を、式１で得られる値の±１０％程度以内に設定すれば、本発明は適用可能である。
また、本実施形態においては、図３（ｂ）において、０次モード光の入力ポートをポート３２１とし、１次モード光の入力ポートをポート３２３として説明したが、この入力ポートの組み合わせに限られるものではなく、例えば、０次モード光の入力ポートをポート３２２とし、１次モード光の入力ポートをポート３２３としても、本発明は適用可能である。また、０次モード光の入力ポートをポート３２１として、１次モード光の入力ポートをポート３２２としてもよいし、０次モード光及び１次モードの入力ポートをポート３２２として、０次モード光の出力ポートをポート３２１とし、１次モードの出力ポートをポート３２３としてもよい。
つぎに、図２、図５乃至図８を参照して、本実施形態に係る双安定素子１００の製造方法を説明する。
まず、通常のｎ−ＩｎＰ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法を用いて、ｎ−ＩｎＰ膜３１（バッファ層１１）、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯膜３２（発光層１２）、第１のｐ−ＩｎＰ膜３３（第１のクラッド層１３）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３４（エッチングストッパ層１４）、第２のｐ−ＩｎＰ膜３５、ｐ−ＩｎＧａＡｓ膜３６を成長させる（図５（ａ））。
そして、ステッパ（縮小投影露光装置）によるフォトリソグラフィ法を用いて、図１に示す、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２、第２の光導波路群３の平面形状に合わせて、ｐ−ＩｎＧａＡｓ膜３６上にエッチング用のマスク３７を形成する（図５（ｂ））。
このマスク３７を用いて、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）法によりドライエッチングを施して、コンタクト層１６となるｐ−ＩｎＧａＡｓ膜３６、第２のクラッド層１５となる第２のｐ−ＩｎＰ膜３５における不要な部分を部分的（マスクが形成されていない部分のみ）に除去し、断面形状としてリッジ構造を形成する（図５（ｃ））。
この後、コンタクト層１６の直上にあるマスク３７を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図２（ａ））。
なお、以下の製造工程は、リッジ構造とした多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３に対して、主励起領域２１と可飽和吸収領域２２とに領域分けする製造工程となる。
つぎに、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１に示す、電気的分離溝４を除く平面形状に合わせて、コンタクト層１６及びエッチングストッパ層１４上にエッチング用のマスク３８を形成する（図６（ａ））。
このマスク３８を用いて、硫酸系のエッチング液によるウェットエッチングを施して、電気的分離溝４を構成する多モード干渉光導波路１の一部（分離溝領域２２ａ）のコンタクト層１６を除去する（図６（ｂ））。
この後、分離溝領域２２ａ以外にある、コンタクト層１６及びエッチングストッパ層１４の直上にあるマスク３８を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図２（ｂ））。
つぎに、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を用いて、基板１０全面にＳｉＯ2膜３９を形成する（図６（ｃ）、図８（ａ））。
そして、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１に示す、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３を除く平面形状と、電気的分離溝４の平面形状とに合わせて、ＳｉＯ2膜３９上にエッチング用のマスク４０を形成する（図７（ａ）、図８（ｂ））。
この後、このマスク４０を用いて、ＢＨＦ（バッファード弗酸）のエッチング液によるウェットエッチングを施して、分離溝領域２２ａを除く多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３にあるＳｉＯ2膜３９を除去する（図７（ｂ）、図８（ｃ））。
そして、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３以外と分離溝領域２２ａとにあるＳｉＯ2膜３９の直上にあるマスク４０を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図７（ｃ）、図８（ｄ））。
つぎに、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１に示す、分離溝領域２２ａを除く多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３の平面形状に合わせて、コンタクト層１６上に図示しないフォトレジストを形成する。
そして、バイアス電流を供給して活性層を励起するための外部電極（表面電極）となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極材料を、基板１０全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
その後、リフトオフ法を用いて、図示しないフォトレジストを有機溶剤により除去することで、フォトレジスト上のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極材料も同時に除去する。
なお、本実施形態においては、分離溝領域２２ａを除く可飽和吸収領域２２と主励起領域２１とにあるコンタクト層１６上に表面電極を形成したが、主励起領域２１と可飽和吸収領域２２とが導通しないのであれば、主励起領域２１のみに表面電極を形成してもよい。また、可飽和吸収領域２２（分離溝領域２２ａを含む）を除く基板１０全面に表面電極を形成してもよいし、主励起領域２１と分離溝領域２２ａとに表面電極を形成してもよいし、可飽和吸収領域２２（分離溝領域２２ａを除く）を除く、基板１０全面に表面電極を形成してもよい。
特に、可飽和吸収領域２２にも表面電極を形成することは、可飽和吸収領域２２にもバイアス電流を注入することができる構成となり、双安定ヒステリシス幅が十分に得られている場合には、可飽和吸収領域２２にバイアス電流を注入することにより、双安定ヒステリシス幅を犠牲にして、動作電流を下げることができる。
その後、光導波路が形成されていない基板１０の裏面を研磨して、バイアス電流を供給して活性層を励起するための外部電極（裏面電極）となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を、基板１０の裏面全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
そして、複数の双安定素子１００が形成された基板１０に対して、隣り合う双安定素子１００間の境界に沿って劈開することで、図１に示す構造を有する双安定素子１００を得ることができる。
なお、本実施形態に係る製造方法においては、フォトリソグラフィ法にステッパを用いているが、必ずしもこれに限られるわけではなく、例えば、電子ビーム露光装置であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、ＳｉＯ2膜３９の形成に熱ＣＶＤ法を用いているが、例えば、プラズマＣＶＤ法であっても、スパッタ法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、リッジ構造の製造工程におけるエッチング方法としてＩＣＰ法を用いているが、ＩＣＰ法に限られるものではなく、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）法、ウェットエッチング法又はＮＬＤ（magnetic neutral loop discharge）法であっても適用可能である。
さらに、本実施形態に係る製造方法においては、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、表面電極の形成方法として、リフトオフ法を用いているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、フォトリソグラフィ法を用いて電極パターンを形成し、その後、ミリング等により不要部分のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極材料を除去する方法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る双安定素子１００においては、多モード干渉光導波路１に電気的分離溝４を形成し、主励起領域２１と可飽和吸収領域２２とを領域分けしたが、可飽和吸収領域２２にバイアス電流を供給することができない構造であれば、電気的分離溝４を形成する必要はなく、例えば、可飽和吸収領域２２の全領域において、コンタクト層１６を除去することが考えられる。
この場合には、前述した図６及び図７に示す製造工程の代わりに、図９及び図１０に示すように、以下の製造工程が考えられる。
まず、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１に示す、可飽和吸収領域２２となる領域を除く平面形状に合わせて、コンタクト層１６及びエッチングストッパ層１４上にエッチング用のマスク３８を形成する（図９（ａ））。
このマスク３８を用いて、硫酸系のエッチング液によるウェットエッチングを施して、可飽和吸収領域２２となる領域のコンタクト層１６を除去する（図９（ｂ））。
この後、可飽和吸収領域２２となる領域以外にある、コンタクト層１６及びエッチングストッパ層１４の直上にあるマスク３８を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図９（ｃ））。
つぎに、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を用いて、基板１０全面にＳｉＯ2膜３９を形成する（図９（ｄ）、図８（ａ））。
そして、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１に示す、主励起領域２１となる領域を除く平面形状に合わせて、ＳｉＯ2膜３９上にエッチング用のマスク４０を形成する（図１０（ａ）、図８（ｂ））。
この後、このマスク４０を用いて、ＢＨＦ（バッファード弗酸）のエッチング液によるウェットエッチングを施して、主励起領域２１となる領域にあるＳｉＯ2膜３９を除去する（図１０（ｂ）、図８（ｃ））。
そして、主励起領域２１となる領域以外にあるＳｉＯ2膜３９の直上にあるマスク４０を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図１０（ｃ）、図８（ｄ））。
つぎに、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、主励起領域２１となる領域のコンタクト層１６上に図示しないフォトレジストを形成する。
そして、バイアス電流を供給して活性層を励起するための外部電極（表面電極）となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極材料を、基板１０全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
その後、リフトオフ法を用いて、図示しないフォトレジストを有機溶剤により除去することで、フォトレジスト上のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極材料も同時に除去する。
以上のように、本実施形態に係る双安定素子１００は、多モード干渉光導波路１が可飽和吸収領域２２を有し、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２が、光の伝播モードとしての０次モード光と１次モード光とが重畳しない領域（非相互利得抑制領域）にある。これにより、主励起領域２１は、０次モード光及び１次モード光の光導波経路の重なりが十分に得られている相互利得抑制領域とすることができ、極めて広い双安定ヒステリシス幅を得ることができるという作用効果を奏する。
特に、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２は、領域幅を多モード干渉光導波路１の導波路幅とし、領域長を多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側から所定の長さまでの導波路長として、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側から所定の長さまでの領域である。これにより、主励起領域２１と可飽和吸収領域２２との領域分けを容易に設定することができるという作用効果を奏する。
なお、本実施形態に係る双安定素子１００は、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２が、光の伝播モードとしての０次モード光と１次モード光とが重畳しない領域（非相互利得抑制領域）にあるが、０次モード光と１次モード光とが重畳する領域（相互利得抑制領域）に有してもよい。
また、本実施形態に係る双安定素子１００は、第１の光導波路群２に可飽和吸収領域２２を有しているが、第１の光導波路群２に可飽和吸収領域２２を設けず、多モード干渉光導波路１のみに可飽和吸収領域２２を有してもよい。
これらの場合には、第１の光導波路群２の一部のみに可飽和吸収領域２２を有していた従来の双安定素子に対して、多モード干渉光導波路１に可飽和吸収領域２２を設けることができ、可飽和吸収領域２２を確保するために必要な第１の光導波路群２の長さを必要とせず、双安定素子１００の小型化を図ることができる。
しかしながら、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２の面積を大きくするほど、双安定システリシス幅は広がるのであるが、双安定素子１００を動作させる電流値が上がり、双安定素子１００を備える集積デバイスの消費電力が高くなる。すなわち、双安定システリシス幅を広げることと集積デバイスの消費電力を低下させることとは、トレードオフの関係にある。このため、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２の面積は、集積デバイスの仕様に応じて、適宜設定することが好ましい。
特に、可飽和吸収領域２２は、多モード干渉光導波路１における非相互利得抑制領域に設け、不足する可飽和吸収領域２２の面積を第１の光導波路群２に確保することがより好ましい。これにより、双安定素子１００は、第１の光導波路群２の長さを必要最低限に抑えつつ、双安定素子１００を備える集積デバイスの消費電力を抑制し、双安定システリシス幅を広げることができるという作用効果を奏する。
（本発明の第２の実施形態）
図１１（ａ）は第２の実施形態に係る双安定素子の概略構成の一例を示す平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示す双安定素子の矢視Ｃ−Ｃ'線の断面図である。図１１において、図１乃至図１０と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
多モード干渉光導波路１は、一端面１ａに２個のポートを有し、他端面１ｂに２個のポートを有する。特に、本実施形態に係る多モード干渉光導波路１は、前述した式（１）に従い設定した、導波路長が１３５μｍ程度であり、導波路幅が７．４μｍ程度である、略矩形状の干渉領域を有する。
また、本実施形態においては、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２が、光の伝播モードとしての０次モード光と１次モード光とが重畳しない領域にある。
例えば、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２は、領域幅を多モード干渉光導波路１の導波路幅とし、領域長を多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側から所定の長さまでの導波路長として、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側から所定の長さまでの領域である。また、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２は、領域幅を多モード干渉光導波路１の導波路幅とし、領域長を多モード干渉光導波路１の他端面１ｂ側から所定の長さまでの導波路長として、多モード干渉光導波路１の他端面１ｂ側から所定の長さまでの領域である。
特に、本実施形態においては、多モード干渉光導波路１における可飽和吸収領域２２の領域長である、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ及び他端面１ｂ側からの所定の長さとして、それぞれ２９μｍ（電気的分離溝４を除くと２５μｍ）程度としている。
第１の光導波路群２は、２本の光導波路（第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ）からなる。また、第１の光導波路２ａ及び第２の光導波路２ｂは、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側の辺に対して略垂直に接続され、互いに並設されている。
特に、本実施形態に係る第１の光導波路２ａ及び第２の光導波路２ｂは、導波路長が５０μｍ程度であり、導波路幅が１．５μｍ程度である、略矩形形状の直線導波路である。また、第１の光導波路群２の各光導波路（第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ）における可飽和吸収領域２２が、領域幅を各光導波路の導波路幅とし、領域長を各光導波路の導波路長としている。すなわち、第１の光導波路２ａ及び第２の光導波路２ｂは、主励起領域２１が存在せず、可飽和吸収領域２２のみからなる。
第２の光導波路群３は、２本の光導波路（第３の光導波路３ａ、第４の光導波路３ｂ）からなる。また、第３の光導波路３ａは、多モード干渉光導波路１を介して、第１の光導波路群２における第１の光導波路２ａに対向する位置に配設される。また、第４の光導波路３ｂは、多モード干渉光導波路１を介して、第１の光導波路群２における第２の光導波路２ｂに対向する位置に配設される。
特に、本実施形態に係る第３の光導波路３ａ及び第４の光導波路３ｂは、導波路長が５０μｍ程度であり、導波路幅が１．５μｍ程度である、略矩形形状の直線導波路である。また、第２の光導波路群３の各光導波路（第３の光導波路３ａ、第４の光導波路３ｂ）における可飽和吸収領域２２が、領域幅を各光導波路の導波路幅とし、領域長を各光導波路の導波路長としている。すなわち、第３の光導波路３ａ及び第４の光導波路３ｂは、主励起領域２１が存在せず、可飽和吸収領域２２のみからなる。
したがって、本実施形態に係る双安定素子１００は、多モード干渉光導波路１の一部、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３から可飽和吸収領域２２が構成され、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ側の可飽和吸収領域２２と第１の光導波路群２の可飽和吸収領域２２とが連続し、多モード干渉光導波路１の他端面１ｂ側の可飽和吸収領域２２と第２の光導波路群３の可飽和吸収領域２２とが連続する。すなわち、可飽和吸収領域２２の領域長が、第１の光導波路群２側及び第２の光導波路群３側において、それぞれ７９μｍ（電気的分離溝４を除くと７５μｍ）程度である。また、本実施形態に係る双安定素子１００は、多モード干渉光導波路１の一部から主励起領域２１が構成される。
なお、本実施形態に係る双安定素子１００の製造方法は、第２の光導波路群３側にも電気的分離溝４を設けるためのマスク３８と、第２の光導波路群３側の電気的分離溝４内にＳｉＯ2膜３９を残すためのマスク４０を用いる以外は、前述した第１の実施形態に係る双安定素子１００の製造方法と同様であるので、ここでの説明は省略する。
ここで、第２の実施形態に係る双安定素子１００によって、安定した双安定動作範囲（広い双安定ヒステリシス幅）が得られ、更には、双安定素子１００の小型化が得られる原理を説明する。
第２の実施形態に係る双安定素子１００の動作原理は、前述した第１の実施形態に係る双安定素子１００と基本的に同様であり、多モード干渉光導波路１のうち、２つの光導波経路の重なりが殆ど得られていない領域（非相互利得抑制領域）をも可飽和吸収領域２２とする。これにより、主励起領域２１としては、理論上、ほぼ完全（全領域）に２つの光導波経路間での重ね合わせ（相互利得抑制領域）が得られることになる。
この原理に基づき、第２の実施形態においては、２つの光導波経路の重なりが殆ど得られていない領域である、多モード干渉光導波路１における両脇（第１の光導波路群２側及び第２の光導波路群３側）の領域を可飽和吸収領域２２に設定し、これにより、結果として広い双安定ヒステリシス幅を得ることができる構造としている。
なお、第２の実施形態においては、多モード干渉光導波路１が、一端面１ａに２個のポートを有し、他端面１ｂに２個のポートを有するところのみが第１の実施形態と異なるところであり、この多モード干渉光導波路１による作用効果以外は、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
（本発明の第３の実施形態）
図１２（ａ）は第３の実施形態に係る双安定素子の概略構成の一例を示す平面図であり、図１２（ｂ）は第３の実施形態に係る双安定素子の概略構成の他の例を示す平面図である。図１３（ａ）は図１２に示す双安定素子の矢視Ｄ−Ｄ'線の断面図に対応するＭＯＣＶＤ法により結晶構造を製作した状態の断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示す断面図に対してマスクを形成した状態の断面図であり、図１３（ｃ）は図１３（ｂ）に示す断面図に対してエッチングによりハイメサ構造を形成した状態の断面図であり、図１３（ｄ）は図１３（ｃ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。図１４（ａ）は図１２（ａ）に示す双安定素子の矢視Ｅ−Ｅ'線の断面図に対応する電気的分離溝用のマスクを形成した状態の断面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）に示す断面図に対してエッチングにより電気的分離溝を形成した状態の断面図であり、図１４（ｃ）は図１２に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図であり、図１４（ｄ）は図１４（ｃ）に示す断面図に対して熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成した状態の断面図である。図１５（ａ）は図１４（ｄ）に示す断面図に対して電気的分離溝上にマスクを形成した状態の断面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）に示す断面図に対してエッチングにより電気的分離溝以外のＳｉＯ2膜を除去した状態の断面図であり、図１５（ｃ）は図１５（ｂ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。図１６（ａ）は図１３（ｄ）に示す断面図に対して熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成した状態の断面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示す断面図に対して光導波路を除く領域上にマスクを形成した状態の断面図であり、図１６（ｃ）は図１６（ｂ）に示す断面図に対してエッチングにより光導波路上のＳｉＯ2膜を除去した状態の断面図であり、図１６（ｄ）は図１６（ｃ）に示す断面図に対してマスクを除去した状態の断面図である。図１２乃至図１６において、図１乃至図１１と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
第１の光導波路群２は、隣り合う光導波路の一端面（多モード干渉光導波路１との境界面）間の間隔に対して他端面（基板１０の劈開面における入射面及び／又は出射面）間の間隔を広く、且つ、他端面が基板１０の劈開面に対して略平行に形成される。また、隣り合う光導波路のうち少なくとも一の光導波路が、曲線領域を含む曲線導波路（曲線領域のみからなる曲線導波路、又は、曲線領域と直線領域とからなる曲線導波路）である（例えば、図１２参照）。なお、第１の光導波路群２における光導波路の一端面近傍における光導波路の長さ方向は、多モード干渉光導波路１の一端面１ａと略垂直であるが、多モード干渉光導波路１と光導波路との境界の入射条件を満たすのであれば、略垂直でなくてもよい。これに対し、第１の光導波路群２における光導波路の他端面近傍における光導波路の長さ方向は、第１の光導波路群２における光導波路の他端面を反射面にするために、基板１０の劈開面と略垂直である。
第２の光導波路群３は、２本以上の光導波路からなる場合に、隣り合う光導波路の一端面（多モード干渉光導波路１との境界面）間の間隔に対して他端面（基板１０の劈開面における入射面及び／又は出射面）間の間隔を広げるように、隣り合う光導波路のうち少なくとも一の光導波路が、曲線領域を含む曲線導波路（曲線領域のみからなる曲線導波路、又は、曲線領域と直線領域とからなる曲線導波路）である（例えば、図１２（ｂ）参照）。なお、第２の光導波路群３における光導波路の一端面近傍における光導波路の長さ方向は、多モード干渉光導波路１の他端面１ｂと略垂直であるが、多モード干渉光導波路１と光導波路との境界の入射条件を満たすのであれば、略垂直でなくてもよい。これに対し、第２の光導波路群３における光導波路の他端面近傍における光導波路の長さ方向は、第２の光導波路群３における光導波路の他端面を反射面にするために、基板１０の劈開面と略垂直である。
なお、本実施形態においては、図１２（ａ）に示すように、第１の光導波路群２が２本の曲線導波路（第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ）からなり、第２の光導波路群３が１本の直線導波路（第３の光導波路３ａ）からなる場合を例に挙げて説明する。
本実施形態に係る第１の光導波路２ａ及び第２の光導波路２ｂは、略Ｓ字の曲線領域及び直線領域からそれぞれなり、他端面（基板１０の劈開面における入射面及び／又は出射面）間の間隔が、一端面（多モード干渉光導波路１との境界面）間の間隔よりも広く形成されている。
なお、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ及び第３の光導波路３ａは、層構造が同一であり、ハイメサ導波路である。特に、本実施形態に係る多モード干渉光導波路１は、導波路長が１４０μｍ程度であり、導波路幅が８μｍ程度である。また、第１の光導波路２ａ、第２の光導波路２ｂ及び第３の光導波路３ａは、導波路幅が３μｍ程度である。
また、これらの断面構造は、図１３（ｄ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板を基材とする基板１０上に、ｎ型半導体であるｎ−ＩｎＰからなるバッファ層１１、長波長帯（１．５５μｍ帯）の双安定素子を実現する活性層となるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰからなる発光層１２、真性半導体であるｉ−ＩｎＰからなる第１のクラッド層１３、ｐ型半導体であるｐ−ＩｎＰからなる第２のクラッド層１５、ｐ型半導体であるｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１６が、それぞれ積層されたハイメサ構造である。
このハイメサ構造は、図１３（ｄ）に示すように、非導波領域において、コンタクト層１６、第２のクラッド層１５、第１のクラッド層１３、発光層１２及びバッファ層１１と共に、基板１０の一部がエッチングにより除去された構造である。
なお、発光層１２は、ＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure：分離閉じ込めヘテロ構造）と多重量子井戸（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）とからなる通常の発光層である。
特に、本実施形態においては、バッファ層１１の膜厚は１００ｎｍ程度であり、発光層１２の膜厚は１００ｎｍ程度であり、第１のクラッド層１３の膜厚は１００ｎｍ程度であり、第２のクラッド層１５の膜厚は９００ｎｍ程度であり、コンタクト層１６の膜厚は１５０ｎｍ程度である。
つぎに、図１３乃至図１６を参照して、本実施形態に係る双安定素子１００の製造方法を説明する。
まず、通常のｎ−ＩｎＰ基板１０上に、ＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：有機金属気相成長）法を用いて、ｎ−ＩｎＰ膜３１、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯膜３２、ｉ−ＩｎＰ膜４３、ｐ−ＩｎＰ膜４５、ｐ−ＩｎＧａＡｓ膜３６を順番に堆積し、積層を形成する（図１３（ａ））。
そして、ステッパ（縮小投影露光装置）による通常のフォトリソグラフィ法を用いて、図１２（ａ）に示す、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３の平面形状に合わせて、ｐ−ＩｎＧａＡｓ膜３６上にエッチング用のマスク３７を形成する（図１３（ｂ））。
このマスク３７を用いて、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング ）法によりドライエッチングを施して、コンタクト層１６となるｐ−ＩｎＧａＡｓ膜３６、第２のクラッド層１５となるｐ−ＩｎＰ膜４５、第１のクラッド層１３となるｉ−ＩｎＰ膜４３、発光層１２となるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯膜３２、バッファ層１１となるｎ−ＩｎＰ膜３１における不要な部分を部分的（マスクが形成されていない部分のみ）に除去し、断面形状としてハイメサ構造を形成する（図１３（ｃ））。なお、図１３（ｃ）においては、エッチングの進行が、基板１０の表面まで達して一部が除去されており、基板１０にエッチング底面１０ａを図示している。
この後、コンタクト層１６の直上にあるマスク３７を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図１３（ｄ））。
なお、以下の製造工程は、ハイメサ構造とした多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３に対して、主励起領域２１と可飽和吸収領域２２とに領域分けする製造工程となる。
つぎに、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１２（ａ）に示す、電気的分離溝４を除く平面形状に合わせて、コンタクト層１６及び基板１０のエッチング底面１０ａ上にエッチング用のマスク３８を形成する（図１４（ａ））。
このマスク３８を用いて、硫酸系のエッチング液によるウェットエッチングを施して、電気的分離溝４を構成する多モード干渉光導波路１の一部（分離溝領域２２ａ）のコンタクト層１６を除去する（図１４（ｂ））。
この後、分離溝領域２２ａ以外にある、コンタクト層１６及び基板１０のエッチング底面１０ａの直上にあるマスク３８を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図１４（ｃ））。
つぎに、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を用いて、基板１０全面にＳｉＯ2膜３９を形成する（図１４（ｄ）、図１６（ａ））。
そして、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１２（ａ）に示す、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３を除く平面形状と、電気的分離溝４の平面形状とに合わせて、ＳｉＯ2膜３９上にエッチング用のマスク４０を形成する（図１５（ａ）、図１６（ｂ））。
この後、このマスク４０を用いて、ＢＨＦ（バッファード弗酸）のエッチング液によるウェットエッチングを施して、分離溝領域２２ａを除く多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３にあるＳｉＯ2膜３９を除去する（図１５（ｂ）、図１６（ｃ））。
そして、多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３以外と分離溝領域２２ａとにあるＳｉＯ2膜３９の直上にあるマスク４０を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図１５（ｃ）、図１６（ｄ））。
つぎに、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１２（ａ）に示す、分離溝領域２２ａを除く多モード干渉光導波路１、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３の平面形状に合わせて、コンタクト層１６上に図示しないフォトレジストを形成する。
そして、バイアス電流を供給して活性層を励起するための外部電極（表面電極）となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極材料を、基板１０全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
その後、リフトオフ法を用いて、図示しないフォトレジストを有機溶剤により除去することで、フォトレジスト上のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極材料も同時に除去する。
なお、本実施形態においては、分離溝領域２２ａを除く可飽和吸収領域２２と主励起領域２１とにあるコンタクト層１６上に表面電極を形成したが、主励起領域２１と可飽和吸収領域２２とが導通しないのであれば、主励起領域２１のみに表面電極を形成してもよい。また、可飽和吸収領域２２（分離溝領域２２ａを含む）を除く基板１０全面に表面電極を形成してもよいし、主励起領域２１と分離溝領域２２ａとに表面電極を形成してもよいし、可飽和吸収領域２２（分離溝領域２２ａを除く）を除く、基板１０全面に表面電極を形成してもよい。
特に、可飽和吸収領域２２にも表面電極を形成することは、可飽和吸収領域２２にもバイアス電流を注入することができる構成となり、双安定ヒステリシス幅が十分に得られている場合には、可飽和吸収領域２２にバイアス電流を注入することにより、双安定ヒステリシス幅を犠牲にして、動作電流を下げることができる。
その後、光導波路が形成されていない基板１０の裏面を研磨して、バイアス電流を供給して活性層を励起するための外部電極（裏面電極）となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を、基板１０の裏面全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
そして、複数の双安定素子１００が形成された基板１０に対して、隣り合う双安定素子１００間の境界に沿って劈開することで、図１２（ａ）に示す構造を有する双安定素子１００を得ることができる。
なお、本実施形態に係る製造方法においては、フォトリソグラフィ法にステッパを用いているが、必ずしもこれに限られるわけではなく、例えば、電子ビーム露光装置であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、ＳｉＯ2膜３９の形成に熱ＣＶＤ法を用いているが、例えば、プラズマＣＶＤ法であっても、スパッタ法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、ハイメサ構造の製造工程における結晶成長方法としてＭＯＶＰＥ法を用いているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）法であっても適用可能である。
さらに、本実施形態に係る製造方法においては、エッチング方法としてＲＩＥ法を用いているが、ＩＣＰ法やウェットエッチング法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、フォトリソグラフィ法にステッパを用いているが、必ずしもこれに限られるわけではなく、例えば、電子ビーム露光装置であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、表面電極の形成方法として、リフトオフ法を用いているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、フォトリソグラフィ法を用いて電極パターンを形成し、その後、ミリング等により不要部分のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極材料を除去する方法であっても適用可能である。
なお、第３の実施形態においては、第１の光導波路群２及び／又は第２の光導波路群３の光導波路を曲線導波路にしたところのみが第１の実施形態及び第２の実施形態と異なるところであり、後述する曲線導波路による作用効果以外は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の作用効果を奏する。
双安定素子１００は、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３における光導波路の他端面（基板１０の劈開面における入射面及び／又は出射面）に光ファイバーを接続することが想定され、隣り合う光ファイバーの接続部分が干渉しないように、隣り合う光導波路の他端面における中心間の間隔を光ファイバーの直径（例えば、６２．５μｍ）以上にする必要がある。
これに対し、図１及び図１１（ａ）に示す双安定素子１００は、第１の光導波路群２及び第２の光導波路群３の光導波路が直線導波路であるために、隣り合う光導波路の一端面間の間隔が他端面間の間隔とほぼ同一であり、双安定素子１００（多モード干渉光導波路１）の小型化を図る場合に、隣り合う光導波路の他端面間の間隔が数μｍ程度しかない。
このため、図１及び図１１（ａ）に示す双安定素子１００では、光導波路の他端面と光ファイバーの入射面（出射面）とを突き合せて接続することができず、第１の光導波路群２（第２の光導波路群３）全体に対応するレンズや各光導波路にそれぞれ対応するマイクロレンズを介して光学的に接続する必要がある。なお、光導波路の他端面と光ファイバーの入射面（出射面）との接続にレンズを用いる場合には、部品点数が増加し、レンズの調整が必要となる。
これに対し、本実施形態に係る双安定素子１００は、隣り合う光導波路の一端面間の間隔に対して他端面間の間隔を広げるように（具体的には、隣り合う光導波路の他端面における中心間の間隔を光ファイバーの直径以上になるように）、隣り合う光導波路のうち少なくとも一の光導波路が曲線導波路である。これにより、光導波路の他端面と光ファイバーの入射面（出射面）とを突き合せて接続することができ、双安定素子１００と光ファイバーとの接続構造を単純にすることができるという作用効果を奏する。
なお、双安定素子１００をリッジ構造で製造した場合には、製造上、曲線導波路の曲線領域における曲率半径を数ｍｍ程度にしなければならず、隣り合う光導波路の他端面における中心間の間隔を光ファイバーの直径以上にするために、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ（他端面１ｂ）から基板１０の劈開面までの距離として０．５ｍｍ程度が必要になり、双安定素子１００が集積素子として成り立たない。
これに対し、双安定素子１００をハイメサ構造で製造する場合には、曲線導波路の曲線領域における曲率半径を２μｍ〜３μｍ程度にすることができ、多モード干渉光導波路１の一端面１ａ（他端面１ｂ）から基板１０の劈開面までの距離が３０μｍ程度で、隣り合う光導波路の他端面における中心間の間隔を光ファイバーの直径以上にすることができ、双安定素子１００を集積素子として成立させることができる。
１ 多モード干渉光導波路
１ａ 一端面
１ｂ 他端面
２ 第１の光導波路群
２ａ 第１の光導波路
２ｂ 第２の光導波路
３ 第２の光導波路群
３ａ 第３の光導波路
３ｂ 第４の光導波路
４ 電気的分離溝
１０ 基板
１０ａ エッチング底面
１１ バッファ層
１２ 発光層
１３ 第１のクラッド層
１４ エッチングストッパ層
１５ 第２のクラッド層
１６ コンタクト層
２１ 主励起領域
２２ 可飽和吸収領域
２２ａ 分離溝領域
３１ ｎ−ＩｎＰ膜
３３ 第１のｐ−ＩｎＰ膜
３４ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ膜
３５ 第２のｐ−ＩｎＰ膜
３６ ｐ−ＩｎＧａＡｓ膜
３７ マスク
３８ マスク
３９ ＳｉＯ2膜
４０ マスク
４３ ｉ−ＩｎＰ膜
４５ ｐ−ＩｎＰ膜
１００ 双安定素子
２００ 双安定素子
２０１ 多モード干渉光導波路
２０１ａ 一端面
２０１ｂ 他端面
２０２ａ 第１の光導波路
２０２ｂ 第２の光導波路
２０３ａ 第３の光導波路
２０３ｂ 第４の光導波路
２１１ 光導波経路
２１２ 光導波経路
２２１ ポート
２２２ ポート
２３１ 領域
３００ 双安定素子
３０１ 多モード干渉光導波路
３０１ａ 一端面
３０１ｂ 他端面
３０２ａ 第１の光導波路
３０２ｂ 第２の光導波路
３０３ａ 第３の光導波路
３１１ 光導波経路
３１２ 光導波経路
３２１ ポート
３２２ ポート
３２３ ポート
３３１ 相互利得抑制領域
３３２ 非相互利得抑制領域

Claims (8)

  1. 基板上に配設され、一端面にＭ（Ｍは２以上の整数）個のポートを有し、他端面にＮ（Ｎは１以上、Ｍ以下の整数）個のポートを有する多モード干渉光導波路と、
    前記基板上に配設され、前記多モード干渉光導波路の一端面側の各ポートに一端面がそれぞれ接続されるＭ本の光導波路からなる第１の光導波路群と、
    前記基板上に配設され、前記多モード干渉光導波路の他端面側の各ポートに一端面がそれぞれ接続されるＮ本の光導波路からなる第２の光導波路群と、
    を備え、
    前記多モード干渉光導波路が、入射する光の強度が大きくなると吸収係数が減少して吸収光量の飽和が起きる可飽和吸収領域を有することを特徴とする双安定素子。
  2. 前記請求項１に記載の双安定素子において、
    前記多モード干渉光導波路における前記可飽和吸収領域が、光の伝播モードとしての０次モード光と１次モード光とが重畳しない領域にあることを特徴とする双安定素子。
  3. 前記請求項１又は２に記載の双安定素子において、
    前記多モード干渉光導波路における前記可飽和吸収領域が、領域幅を当該多モード干渉光導波路の導波路幅とし、領域長を当該多モード干渉光導波路の一端面側から所定の長さまでの導波路長として、当該多モード干渉光導波路の一端面側から所定の長さまでの領域であることを特徴とする双安定素子。
  4. 前記請求項１乃至３のいずれかに記載の双安定素子において、
    前記第１の光導波路群の各光導波路が、前記可飽和吸収領域を有し、
    前記第１の光導波路群の各光導波路における前記可飽和吸収領域が、領域幅を当該各光導波路の導波路幅とし、領域長を当該各光導波路の導波路長としていることを特徴とする双安定素子。
  5. 前記請求項１乃至４のいずれかに記載の双安定素子において、
    前記第１の光導波路群及び第２の光導波路群における各光導波路のうち少なくとも１本の光導波路が、光の伝播モードとしての０次モード光と１次モード光とを許容する光導波路であることを特徴とする双安定素子。
  6. 前記請求項１乃至４のいずれかに記載の双安定素子において、
    前記第１の光導波路群及び第２の光導波路群がそれぞれ２本の光導波路からなり、
    前記多モード干渉光導波路における前記可飽和吸収領域が、領域幅を当該多モード干渉光導波路の導波路幅とし、領域長を当該多モード干渉光導波路の他端面側から所定の長さまでの導波路長として、当該多モード干渉光導波路の他端面側から所定の長さまでの領域であることを特徴とする双安定素子。
  7. 前記請求項６に記載の双安定素子において、
    前記第２の光導波路群の各光導波路が、前記可飽和吸収領域を有し、
    前記第２の光導波路群の各光導波路における前記可飽和吸収領域が、領域幅を当該各光導波路の導波路幅とし、領域長を当該各光導波路の導波路長としていることを特徴とする双安定素子。
  8. 前記請求項１乃至７のいずれかに記載の双安定素子において、
    前記第１の光導波路群は、隣り合う光導波路の一端面間の間隔に対して他端面間の間隔を広く、且つ、当該隣り合う光導波路の他端面が前記基板の劈開面に対して略平行に形成され、
    前記隣り合う光導波路のうち少なくとも一の光導波路が、曲線領域を含む曲線導波路であることを特徴とする双安定素子。
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