JPH02242234A - 光機能素子 - 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〕 光機能素子に関し、 入射光に対する反射光あるいは透過光の強度を、電気信
号あるいは光信号などの外部からの信号により制御する
ことを目的とし、 １枚の基板上に、その１部が光スイッチング導波路部を
構成するように配設された２つの光導波路と、前記光導
波路の２つの光出力端に設けられた、それぞれ相異なる
反射率を有する光反射手段と、前記光スイッチング導波
路部において光のスイッチ制御を行うための制御手段と
を少なくとも備えるように光機能素子を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、入射光に対する反射光あるいは透過光の強度
を外部信号により制御■する光機能素子の構成に関する
。

近年、光ファイバやレーザ光源の進歩・発達に伴い、光
通信をはじめ光波術を応用した各種のシステム、デバイ
スが実用化され広く利用されるようになる一方、ますま
す、その高度技術開発への要請が強まってきた。

たとえば、光通信の分野においても、従来、光ファイバ
を伝送系とし、信号処理は電気信号に変換して行う方式
が主として実用化されてきたが、光通信システムの高速
化、小形化、高信頼度化などへの要求から、光信号を直
接電気信号あるいは光信号によって制御する方式の開発
が進められており、それに必要な各種の集積化された光
素子、たとえば、反射率あるいは透過率を電気あるいは
光信号によって制御する光機能素子などの開発が求めら
れている。

〔従来の技術〕

２枚のハーフミラ−または高反射率ミラーを平行に配置
し、その間にガラスその他の媒質を入れた光学素子をフ
ァブリ・ベロのエタロンと言い、光の多重反射による干
渉特性から、光波長を求めるためなどに用いられること
はよく知られている。

一方、最近になって、半導体超格子構造を有する、たと
えば、ＧａＡｓ／Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）は大きな非線形屈折率を持っており、したがってこ
れを媒質に用いれば非線形エタロン素子を構成できるこ
とが発表されている。たとえば、一方のミラーとしての
Ａ　Ｉ！、　Ａｓ／Ａ　Ｑ　ＧａＡｓ多層膜からなるブ
ラッグ反射層の上に、ＧａＡｓ／Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ多重
量子井戸層を積層形成して、反射型非線形エタロン素子
を作成し、このエタロンを外部共振器型半導体レーザの
可変帰還ミラーとして用い、両面に無反射コートしたレ
ーザ素子をはさんで、もう一方の反射グレーティングと
の間で外部共振器を構成させ、エタロンに外部制御光を
照射すると、前記ＧａＡｓ／Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ多重量子
井戸層の屈折率が変って光路長も変化し、その結果、干
渉条件が変わり、エタロンの反射率が変化することを利
用して、半導体レーザ発振を０Ｎ１０ＦＦさせるように
している（電子情報通信学会、光・量子エレクトロニク
ス研究会技術研究報告資料、　Ｎｏ、ＯＱＥ　８７−１
３８　、１９８７．１２．２１参照）。

第６図は以上説明したような、従来の反射率制御光機能
素子（多重量子井戸エタロン）の断面図である。図中、
４０は反射膜で金属膜でも誘電体多層反射膜でも適宜選
べばよい。８０は多重量子井戸層で、たとえば、ＧａＡ
ｓ／Ａ　Ｉ　ＧａＡｓの超格子層を交互に数１０層を分
子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）、あるいは、有機金属
分解製膜法（ＭＯ−ＣＶＤ）などによって作成すればよ
い。Ｐｉ　は入射光、ｐアは反射光で６０は外部から照
射する制御光ｐ。である。

このような基本構成によって、上述のごと（制御光Ｐｃ
を外部から照射することにより、多重量子井戸層８０の
キャリア数が変化するので、その部分の屈折率が変化し
、その結果、多重量子井戸層８０の光路長が変って光の
干渉条件も変化するので、反射光ｐ１が変化、すなわち
、反射率＝Ｐｒ　／ｐｉを外部からの制御光ｐｃによっ
て制御することができる。なお、外部からの制御光Ｐｃ
０代わりに多重量子井戸層８００両端に電界を印加して
も、同様に反射率を変化させることが可能である。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、上記の多重量子井戸エタロンも本質的にはエタ
ロンであるので、反射率は波長依存性を持っている。

第７図は従来例（多重量子井戸エタロン）における反射
率−光波長特性図である。エタロンの反射率はよく知ら
れているように、媒質を一往復したときの位相差が２ｍ
π（ｍは整数）の時に反射率が殆どゼロになる。したが
って、波長によってゼロ反射点が異なって現れる。多重
量子井戸エタロンでは前記のごと（、外部制御光又は外
部制御電界によって媒体の屈折率が変化するので、図示
したごと（ゼロ反射率の波長が、制御光強度あるいは印
加電界強度の増加とともに変化する。

したがって、この構造においては反射率のスイッチング
は、この波長特性、言い換えれば共振特性のシャープさ
で決まるが、この共振特性のシャープさを実現するため
に反射膜４０の反射率、媒質の光吸収率、外部からの制
御条件や媒質の屈折率変化などに対する要求条件が厳し
く、現状では充分な共振特性が得られず、すなわち、同
一波長の光に対して、安定して大きな反射率変化が得ら
れないという問題があり、その解決が必要であった。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、１枚の基板１上に、その１部が光スイッ
チング導波路部１０を構成するように配設された２つの
光導波路２および３と、前記光導波路２および３の２つ
の光出力端２１及び３１に設けられた、それぞれ相異な
る反射率を有する光反射手段４および５と、前記光スイ
ッチング導波路部１０において光のスイッチ制御を行う
ための制御手段６とを少なくとも備えたことを特徴とす
る光機能素子によって解決することができる。

〔作用〕

本発明によれば、２つの光導波路の出力端に反射率が大
きく異なる光反射手段をそれぞれ設け、外部からの制御
手段によって光スィッチの切り換えを行い、反射光ある
いは透過光の光路を制御して選択するので、大きな反射
率あるいは透過率の変化を得ることができ、かつ、反射
率あるいは透過率スイッチングの波長依存性が極めて小
さい光機能素子を得ることが可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例（電気信号制御型）を説明する
図で、（イ）は平面図、（ロ）は同図（イ）に示したＡ
−Ａ“線に沿った断面図である。

図中、１は外径８　Ｘ　２　ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの
ｎ−ＩｎＰ基板である。

同図（ロ）に示した８は光導波路膜でＩｎＧａＡ１５Ｐ
膜を４μｍの厚さにＬＰＥあるいはＭＯ−ＣＶＤ法によ
って基板１の上にに形成した。さらにその上に、ｎ−−
ＩｎＰバッファ層＋　Ｐ−１ｎＰ層、　Ｐ−［ｎＧａＡ
ｓＰコンタクト層、制御手段６としてのＴｉ／Ｐｔ／Ａ
ｕ金属電極層を形成した。基板ｌの反対面には同じく制
御手段６としてのＡｕＧｅ／Ａｕ金属電極層を形成した
。

光導波路２および３は図示した如く、いわゆるリッジ形
先導波路を構成するように通常のホトエツチング法で巾
４μｍのパターンを形成した。

同図（イ）の２および３は光導波路を基板の上方から見
たもので、その中央部分で方向性結合器型平行導波路部
１０を形成させており、その部分の長さは４ｍｍ、ギャ
ップは４μｍとした。

４および５は反射率が大きく異なる光反射手段で、こ＼
では４として波長１．５μｍのレーザ光に対して高反射
率の５ｉＯｄアモルファスＳｉ多層膜を、また、５とし
ては同じく波長１．５μｍのレーザ光に対して殆ど反射
しない、すなわち、膜厚１／４波長のＳｉＮ、無反射膜
をそれぞれ光導波路２および３の出力端に被着形成した
。

一方、光導波路２および３の入力端には膜厚１／４波長
のＳｉＮ、無反射膜７を被着形成した。

６は制御手段でこの実施例では前記光導波路２または３
上の金属を極膜と基板下面の金属電極膜の間に、制御電
源６′を用いてパルス電圧を印加した。

いま、第１図（イ）の左端上方の先導波路２から光強度
Ｐｒのレーザ光が入射し、方向性結合器型平行導波路部
１０に達すると、２本の近接した平行導波路の間のモー
ド結合により、光の進行に伴って対称・非対称モードの
位相差がπになる位置で、光は全て先導波路３に移行す
る（電子情報通信学会績：を子情報通信ハンドブック、
　ｐ１０５１゜１９８８発行参照）。

しかし、もし、このとき制御電極間に電圧を印加すると
、先導波路膜の電気光学効果によって、屈折率の変化が
生じ前記対称・非対称モードの位相差が２πまたは０に
なる電圧で、光は先導波路３に移行しないで先導波路２
の出力端２１側にスイッチする。すなわち、外部電界に
よって先導波路２の左端に入射したレーザ光を、先導波
路２または３の光出力端３１と２１の間でスイッチさせ
ることができる。

第２図は本発明の実施例（電気信号制御型）の光スイッ
チング特性図である。同図（イ）は方間性結合器の電圧
印加による光スイツチ特性図で、印加電圧がＯのとき入
射光ｐ！は光導波路３にスイ・ンチしてｐｚ／ｐ五　＝
１　、Ｐ＋　／　Ｐｚ　＝ｏとなり、印加電圧Ｖｏ　　
（この実施例の場合は２０ｖ）で光導波路２にスイッチ
してＰｇ　／　Ｐｉ　−０＋Ｐ＋／Ｐｉ＝１　となる。

同図（ロ）は反射光と透過光の電圧印加による光強度変
化図で、前記のごと（先導波路３の出力端３１では殆ど
反射が無く、先導波路２の出力端２１では殆ど全て反射
するので、同図（イ）に示したｐ！は透過光ｐ、となり
、ｐ、は反射光ｐ、となる。したがって、印加電圧がＯ
のとき、入射光ｐｉは光導波路３にスイッチして、ｐｃ
　／　Ｐｓ　＝ｌ　。

ｐｒ／ｐｔ＝ｏとなり、印加電圧Ｖｏ　　（この実施例
の場合は２０■）で先導波路２にスイッチしてｐｃ／　
Ｐｔ　＝Ｑ、ｐｒ／　Ｐｔ　＝ｉ　となる。すなわち、
入力端における反射率（ｐｒ　／　Ｐｉ　）および出力
端３１における透過率（ｐｔ／　Ｐｉ　）を外部電界に
よって任意に制御することができる。

なお、第１図では方向性結合器型平行導波路部１０の一
方だけに電界を印加したが、両方に印加してもよいこと
は勿論である。

第３図は本発明実施例（電気信号制御型）における反射
率−光波長特性図で、反射率（ｐｒ／ｐ＝が光の波長に
依存しないことがわかる。

また、上記実施例では光スィッチとして方向性結合器を
用いたが、全反射型光スイッチを使用してもよい。

−さらに、以上の実施例では半導体基板を用いたがその
基本動作は電気光学効果によっているので、ＬｉＮｂ０
ｚなどの電気光学効果を有する強誘電体結晶を使用して
同様に構成することができる。

第４図は本発明の他の実施例（光信号制御型）を説明す
る図である。前記第１図の構成と異なる〕 路膜８が半導体超格子層から構成されていることである
。

半導体超格子層としては、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰの組み合わせで同図（ロ）に示したように数１０
層を重ねたものを使用すればよい。

制御手段６としては、方向性結合器型平行導波路部１０
に直接光（ｐ、）を当て＼もよいし、また先導波路３の
左端の入力端から光（ｐ。）を入射してもよい。制御光
（ｐｃ）が方向性結合器型平行導波路部ｌＯに入射する
と、光導波路の結合部の多層量子井戸における光励起さ
れたキャリアによる屈折率変化が生じて、前記第１の実
施例における電気光学効果による場合と同様に、入力端
における反射率（ｐｒ　／　ｐｉ）および出力端３１に
おける透過率（ｐｔ／ｐ１）を外部からの光によって任
意に制御することができる。

なお、本実施例構成でも制御手段６として、方向性結合
器型平行導波路部１ｏに電界を印加するように構成して
、電界印加による多層量子井戸における量子閉じ込め効
果に伴う屈折率変化を利用しても、全く同様の働きを有
する光機能素子を得ることができる。

第５図は本発明の光機能素子に、レーザ増幅部として半
導体レーザ活性層９を光導波路２上に形成し、その一端
は臂開面によるミラーとし、もう一方のミラーとして本
発明の光機能素子を用いて外部共Ｈを構成することによ
って、外部からの制御光（ｐｃ）で可変ミラーとなし、
レーザ発振を０Ｎ１０ＦＦさせたり、あるいは、発振ス
ペクトル中の制御を行うことができる。なお、制御手段
として電気信号制御による素子構成をとってもよいこと
は勿論である。また、半導体レーザ活性層９の一面を臂
開面とするのでなく、光導波路上にグレーティングなど
の集積型の反射手段を用いて、集積レーザとしての機能
をより高めるようにしてもよいことは勿論である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば電気信号または光信
号により、反射率および透過率を大きく変えることがで
き、かつ、入力光波長依存性も極めて小さいので、反射
率制御光機能素子の性能向上に寄与するところが極めて
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例（電気信号制御型）を説明する
図、 第２図は本発明の実施例（電気信号制御型）の光スイッ
チング特性図、 第３図は本発明の実施例（電気信号制御型）における反
射率−光波長特性図、 第４図は本発明の他の実施例（光信号制御型）を説明す
る図、 第５図は本発明を半導体集積レーザの外部共振器に応用
した例を示す図、 第６図は従来の反射率制御光機能素子（多重量子井戸エ
タロン）の断面図、 第７図は従来例（多重量子井戸エタロン）における反射
率−光波長特性図である。 図において、 １は基板、 ２および３は光導波路、 ４および５は光反射手段、 ６は制御手段、 １０は方向性結合器型平行導波路部、 ２１および３１は光出力端である。 を 本を≦Ｅ月′のイ助ヌどしＪＯヒイ巳殉・Ｉ御呵シつＳ
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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １枚の基板（１）上に、その１部が光スイッチング導波
   路部（１０）を構成するように配設された２つの光導波
   路（２、３）と、 前記光導波路（２、３）の２つの光出力端（２１、３１
   ）に設けられた、それぞれ相異なる反射率を有する光反
   射手段（４、５）と、 前記光スイッチング導波路部（１０）において光のスイ
   ッチ制御を行うための制御手段（６）とを少なくとも備
   えたことを特徴とする光機能素子。