JPH02154476A - 半導体光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要１ 特定の波長の光のみを取出して利用することのできる半
導体光学装置に関し、 選択波長帯域か狭く、かつ光阻止帯域の広い半導体光学
装置を提供することを目的とし、半導体基板上に、第１
の回折格子とλ／４シフトを有する第２の回折格子と、
第１の回折格子へ光を入射する入射導波路と、第１の回
折格子からの反射光を第２の回折格子へ入射する伝達導
波路とを有し、第２の回折格子から波長選択した光を取
出すように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は半導体光学装置に関し、特に特定の波長の光の
みを取出して利用することのできる半導体光学装置に関
する。

近年、光フアイバー通信の大容量化等のため、波長多重
通信方式の実現が要求されている。このため、任意の特
定の波長の光だけ通過させる光波長フィルタ機能が、特
に受光装置側の機能として望まれている。

［従来の技術］ 第２図に従来技術による波長選択機能を有する半導体光
学装置であるλ／４シフト型回折格子を示す。

導波層５１の両側をバッファ層５２．５３か挾み、導波
層５１の少なくとも片側の表面に（図では上面）に周期
的凹凸による回折格子が形成されている。回折格子はあ
る位置５５において、光の波長大の１／４に相当する位
相シフト有する。

このようなλ／４シフト型回折格子は第２図（Ａ＞に示
゛すような透過率の波長特性を示す。すなわち格子周期
と導波路の屈折率等で決まるブラッグ波長λ０に狭波長
帯域の透過帯５７を有する。

波長λ０の両側に阻止帯５８ａ、５８ｂか形成されるが
、波長がさらにλ０から離れると透過率は再び上昇して
いる。

第２図（Ｂ）は、入射光がブラック波長λ０付近の狭波
長帯域にいくつかのピークを持つ場合を示す。ブラック
波長λ０のピークは透過し、それ以外のピークは阻止帯
５８ａ、５８ｂで阻止され透過しない。このようにして
１つの波長ピークのみを選択できる。

ところが入射光のピークか広い波長帯域に分布すると、
λ／４シフト型回折格子のみでは有効に波長選択ができ
なくなる。

第２図（Ｃ）に広波長帯域の入射光の場合の動作を示す
。ブラック波長λ０よりある程度以上能れた波長の光は
λ／４シフト型回折格子の阻止帯５’８’ａ、５８ｂを
越してその外側の透過帯５９ａ、５９ｂに入ってしまう
。従って、λ／４シフト型回折格子を通しても阻止され
ないで出てきてしまう。

［発明か解決しようとする課題］ このように、従来技術の波長選択によれば、狭い波長帯
域で単一ピークを選択しようとするとその周囲で阻止で
きる阻止帯の波長帯域幅が狭かつた。

従って、最大波長多重度が制限されるという欠点を生じ
ていた。

本発明の目的は、選択する波長帯域か狭く、かつ光阻止
帯域の広い半導体光学装置を提供することである。

本発明の他の目的は、光阻止帯域が広く、かつ選択波長
を可変できる、波長多重度の高い光通信システムに適し
た半導体光学装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 第１図（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の原理説明図である。第
１図（Ａ）に基本構成と構成要素の特性を示す。

入射光１は入射導波路５を通ってブラッグ波長λＯを中
心とした所定波長帯Ｑ元金回折（ブラック波長）する回
折格子２に入射する。回折格子２で回折（反射）された
回折光は、伝達導波路７を通ってλ／４シフト型回折格
子３に入射する。λ／４シフト型回折格子３は、回折格
子２の反射波長帯域内で狭い波長帯域幅の光透過帯域を
有する。。

このλ／４シフト型回折格子３から波長選択した光４を
取出す。

回折格子２、λ／４シフト型回折格子３はそれぞれ第１
図（Ａ＞に示すような波長依存の透過率特性を有する。

第１図（・Ｂ）は入射光のスペクトルの例である。

信号波長λ４を中心と−する７本の波長ピークがあると
する。ブラッグ波長λ０がこの信号波長λ４に対応する
ようにする。この時、回折格子２の透過光は第１図（Ｅ
）のようなスペクトルをもつ。

回折格子２からの回折（反射）光は、透過光の残りの成
分で第１図の（Ｄ）のよ−うなスペクトルを持つ。λ／
４シフト型回折格子３の透過出力光４は第１図（Ｃ）の
ようなスペクトルを持つ。

［作用］ 屈折率による回折格子は、屈折率変化の振幅と回折格子
の長さ等に依存した反射特性を有する６すなわち、結合
係数か屈折率変化の振幅に比例し、屈折率変化の振幅は
講が深くなるにつれて大きくなるので、結合係数は清の
深さに依存する。反射帯域の幅を狭くするには、講の深
さを浅く　講の数を多くすればよい。

このようにして、λ／４シフト型回折格子３の入力光の
波長帯域を回折格子２によってλ／′４シフト型回折格
子３の阻止帯域より狭くしておけば、λ／４シフト型回
折格子３て波長選択を行った時、意に反する波長光か漏
れることがなくなる。

すなわち、第１図（Ｂ）の例えば７本のピークを持つ入
力光に対し、回折格子２て反射させることで、ます波長
帯域幅を比較的狭くする。回折格子２の回折光は、第１
図（Ｄ）に示すように中央のピークλ４を中心として数
少ないピークλ３、λ４、λ５のみを含むものとなる。

残りの成分は回折格子２の透過光として右方へ出射する
。このように狭帯域化された第１図（Ｄ）の回折光の波
長帯域は、λ／４シフト型回折格子３の阻止帯域内に入
る。従って、ブラック波長と合う光を透過させるλ／４
シフト型回折格子３の出力光４は、第１図（Ｃ）に示す
ような単一のピーりλ４のみを含むものとなる。

回折格子２で反射された光のうちλ／４シフト型回折格
子３でも反射された光は多重反射するか、λ／４ジフト
型回折格子３の結合係数×回折格子長を回折格子２のそ
れに対し十分大きくしておけはほとんどの光か回折格子
２の透過光として出射される。

［実施例１ 第３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に本発明の実施例による
半導体光学装置を概略的に示す。

第３図（Ａ）は平面図である６人射光は反射防止膜１１
を設けたチップ１３の１側壁から第１導波路１５に入射
する。第１導波路１５は第３導波路１７とｙ字形に合流
して第２導波路１９に連続する。ずなわち導波路１５．
１７．１９がｙ字形分岐２０を形成している。ｙ字形分
岐は、例えは西原他著「光集積回路」　（オーム社、１
．９８５　）に説明されているように、足の１本の導波
路から入った光は両方の分岐手に分配され、１本の分岐
手から入った光は足の部分に伝達される光導波機能素子
である。第２導波路１つは回折格子２からなるＤ　Ｂ　
Ｒ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　ｒｅｆｌｅ
ｃｔｏｒ分布ブラック反射分布ブラフフッ射鏡３の他の
側壁に到達する。側壁上には反射防止膜２】が形成され
ている。第３導波路１７はｙ分岐から途中にλ／４シフ
ト型回折格子３を形成して入射面と同じ基板１３の１側
壁に到達する。

入射光１は、第１導波路１５に入射し、ｙ字形分岐２０
の１分岐から入って回折格子２に向かう第２導波路１９
に進む。回折格子２で１部は透過して透過光を形成し、
他は反射して回折光となる。

この反射回折光はｙ字形分岐２０で入射側分岐１５にも
１部戻るが、別の分岐である第３導波路１７に進む。第
３導波路１７を進む光はλ／４シフト型回折格子３に入
射し１部は反射され、他は透過して波長選択された出力
光４を形成する。

第３図（Ｂ）は回折格子（ＤＢＲ）２からλ／４シフト
型回折格子３に向かう光路に沿った縦断面図を示す。ま
た、第３図（Ｃ）は第３図（Ａ）の線ＣＣ’に沿う横断
面図を示す。

ｎ形１ｎＰの基板２５上に通信信号波長に対応した周期
を持つＤＢＲ用溝２７とλ／４シフト型回折格子用消２
つとか形成され、その上にノンドブＴｎＧａＡｓＰの導
波層３１、ｐ型１ｎＰの上側クラッド層３３、ｐ＋型１
ｎＧａＡｓＰのコンタクト層３５がエピタキシャルに形
成されている６溝２７．２９の上に成長した導波層３１
は厚さの変化を有し、回折格子（ＤＢＲ）２、λ／４シ
フト型回折格子３を形成する。

第３図（Ａ）、（Ｃ）に示すように、導波路を形成する
部分はエツチングによってストライプ状に整形され、第
３図（Ｃ）に示すように側壁をＦｅドープ高抵抗１ｎＰ
の埋込層３７で埋め込まれている。この埋込構造により
、横方向にも光閉じ込め構造が形成されている。

第３図（Ｂ）に戻って、ｐ＋型１ｎＧａＡｓＰのコンタ
クト層３５は、ＤＢＲ２上の部分とλ／４シフト型回折
格子３上の部分とを残すようにパターン化され、その上
にＡｕ／　２ｎ／　Ａｕ等から形成されたｐ側電極３つ
、４１が設けられている。また「】型ＩｎＰの基板２５
上にはＡｕ／　Ｓｎ／八Ｕへのｎ側電極４３か形成され
ている。左右の側壁上には反射防止膜１１．２１が形成
されている。

以下、１具体的構成例に沿ってより詳しく説明する。な
お、これらは同等制限的意味を有しないことは自明であ
ろう。

第３図（Ａ）において、反射防止膜１１．２１の形成し
である側辺の長さは、例えば１０００μｍであり、ＤＢ
Ｒ２の長さは約１０００ｕ、ｍ、λ／４シフト型回折格
子３の長さは約８００μｍ、ｙ字型分岐点からＤＢＲ２
までの導波路長か約１０００μｍ、ｙ字形分岐点からλ
／４シフト型回折格子３まての導波路長か約２０００μ
ｍである。

導波路の幅は約２μｍである。ｙ字形分岐の分岐間の半
角θは約２度である。

第３図において、導波層３１のＩｎＧａＡｓＰはギヤツ
ブ波長的１．１μｍであり、導波層３１の厚さは約０，
２μｍである。上側クラッド層３３のｐ形１ｎＰは約５
×１０１７０ＩＢ−３のＣｄをドープしである。

上側クラッド層３３の厚さは約２μｍである。コンタク
ト層３５のｐ＋型１ｎＧａＡｓＰは約１．５μｍのギャ
ップ波長を持ち、２×１０１９ＣｒＲ−３の２ｎをドブ
しである。

中心波長１．５４μｍを対象とする場合、ＤＢＲ２はピ
ッチ２４００人、溝の深さ約０．０２μｍである。λ／
４シフＩ〜型回折格子３は、同様にピッチ２４００人、
清の深さ０．０２μｍであるが、中央に位相シフトを有
している。

このようにして作成したＤＢＲ２の反射特性を第４図（
Ａ）に示す。結合係数に一５０ＣＩ−’、長さ１０００
μｍ、吸収係数ａ　＝　２　ｃ＋ｎ−’の場合である。

１．５４μｍを中心波長として約０．００１μｍ強の波
長帯域の強い反射帯を有し、その両側に約０．００４μ
ｍの幅で次第に減少する弱い反射領域を示している。あ
る程度（例えば０．００５μｍ）以上中心波長から外れ
た光はほとんど反射されない。入射光１がＤＢＲ２で反
射されると入射光のスペクトルと第４図（Ａ）のスペク
Ｉ−ルとの積が反射回折光となって戻ってくる。

ＤＢＲ２で反射された光か入射するλ／４シフト型回折
格子３は、第４図（Ｂ）に示すような透過特性を示す。

に−５０ＣＩ１１−１、長さ８００　μｍ、α−２ｃｍ
−’、中央に位相シフトを有する場合である。中心波長
１．５４μｍに鋭い透過領域を有し、その両側に阻止帯
を有する。しかし、中心波長からｏ、ｏｏｔμｍ４Ｊ離
れる前に透過率は再び上がっている。入射光が直接この
λ／４シフト型回折格子３に入射する場合は、この透過
率の上がった波長領域に光が存在するとそれは阻止でき
す、光雑音となってしまう。

本実施例では、λ／４シフト型回折格子３の入射光は既
にＤＢＲ２で選択的に反射された光なので、合成透過率
は第４図（Ｃ）のようになる。すなわち、図示の少なく
とも１．５５μｍの広い波長領域で、中心波長１，５４
μｍの波長帯域にのみ鋭い半値幅０．０００２μｍの透
過率ピークを有する。透過率のピーク以外では透過率は
低く、透過波長帯域を外れると透過率はほぼ零である。

中心波長から大きく離れた波長領域でも合成透過率はほ
とんど零に抑えられている。

第３図（Ｂ）、（Ｃ）を参照すると、Ｄ　ＢＲ，２、λ
／４シフ）〜型回折格子３の部分はｐｉｎタイオド構造
となっている。これらのタイオードに電極３９．４］、
、４３を介してバイアス電圧を印加すると導波層３１の
屈折率か変化して中心波長が変化する。

逆バイアスを印加すると、電気光学効果およびフランツ
・ゲルデイツシュ効果によって屈折率が変化する。

より大きく屈折率を変えるには順バイアスを印加する。

ダイオードに順方向電流か流れて、導波層３１にキャリ
アか注入され、グラスマ効果によって屈折率が低下する
。

このようにして、両ダイオードに制御したバイアスを印
加することにより同調受光が可能となる。

もちろん、同調機能を必要としない時は、電極３９．４
１．４３は必要ないので省略でき、ｐ型、】　４ ｎ型の導電性付与も省略することかてきる。

なお、λ／４シフト型回折格子３の出力側に、さらにデ
ィテクタ等を集積化してもよいことは自明であろう。

以上、実施例に沿って説明したが、これらは同等制限的
なものではなく、種々の変更、組合わせ等を行うことが
できることも自明てあろう。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれは、広い波長帯域の
入射光に対しても狭い選択波長帯域幅を有する半導体光
学装置が得られる。

また、ＤＢＲ３λ／４シフ１〜型回折格子に適当なバイ
アスを印加することにより、波長可変の波長選択を行う
ことができる。

くかを示す図、 第２図（Ａ　）、（Ｂ）、（Ｃ）は従来技術のλ／４シ
フｌ−型回折格子を説明する図で、（Ａ＞か構成と特性
を示す図、（Ｂ）か狭波長帯域の入射光に対する応答を
示す図、（Ｃ）が広波長帯域の入射光に対する応答を示
す図、 第３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例を示し
、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が縦断面図、（Ｃ）が横断面
図、 第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は第３図（Ａ）、（Ｂ）
、（Ｃ）に示す構成の１例のスペクトル特性を示し、（
Ａ）かＤＢＲの反射特性のグラフ、（Ｂ）がλ／４シフ
１〜型回折格子の透過特性のグラフ、（Ｃ）か合成フィ
ルタ特性のグラフである。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の原理説明図てあり、（
Ａ＞は構成と特性とを示す図、（Ｂ）〜（Ｅ）は入射光
のスペクトルか如何に変化してい入射光 回折格子（Ｄ　Ｂ　’Ｒ） λ／４シフ１へ型回折格子 波長選択された光 ５、７ １５、１７、 ３　つ、　４１ 導波路 チップ ９導波路 ｙ字形分岐 基板（ｎ型） 導波層 上側クラッド層（ｐ型） コンタクト層 埋込層 ｎ側電極 ｎ側電極 （Ａ、　）平面図 （Ｂ）縦断面図 （Ｃ）横断面図 本発明の実施例 第３図 波長（μｍ） （Ａ）ＤＢＨの反射特性 １．５３ １．５４ １．５５ 波長（μＴｒＬ） （Ｂ） 気シフト型１０１析格ｒの透過特性 スベク（・ル特性 第４図 特 許 庁 長 官 殿 １、事件の表示 ２、発明の名称 昭和６３年特許願第３０９０６１号 半導体光学装置 ３、補正をする者 事件との関係 郵便番号 住　　所 （５２２）名　称 ４、代理人郵便番号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、半導体基板上に第１の回折格子（２）とλ／４
   シフトを有する第２の回折格子（３）と、第１の回折格
   子へ光を入射する入射導波路（５）と、第１の回折格子
   からの反射光を第２の回折格子へ入射する伝達導波路（
   ７）とを有し、第２の回折格子（３）から波長選択した
   光を取出すことを特徴とする半導体光学装置。
2. （２）、請求項１記載の半導体光学装置であつて、第１
   の回折格子（２）と第２の回折格子（３）とがそれぞれ
   導波路の近傍内にｐｎ接合を有し、これらｐｎ接合にバ
   イアスを印加するための電極を備えていることを特徴と
   する半導体光学装置。