JPH02259731A - 光導波路装置およびその使用方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は光導波路装置とその使用方法に関し、更に詳し
くは、スイッチ、光変調器のような光素子においては、
偏波依存性が最小限に抑制され、かつ低注入電流で大き
な屈折率変化を発現することができる光導波路装置とそ
の使用方法に関する。

（従来の技術） 光通信の分野においては、今後予想される半導体レーザ
やフォトダイオードなどの能動素子と一緒にモノリシッ
ク集積化が可能であるということから、半導体材料を用
いた光素子の研究が進められている。

例えば、第１０図に示したような方向性結合器において
は、下部電極１０１の上にｎ型半導体から成る基板１０
２が形成され、この基板１０２の上にはｎ０型半導体の
下部クラッド層１０３、更にこの下部クラッド層１０３
の上にｎ”型半導体のコア層１０４が順次形成され、こ
のコア層１０４の上には、ｐ型半導体から成り互いにエ
バネッセント結合状態を保持して２本の上部クラッド層
１０５ａ、１０５ｂが導波路として並設され、これら上
部クラッド層１０５ａ、１０５ｂの上面には上部電極１
０６ａ、１０６ｂが形成されいてる。

この方向性結合器は、一方の上部クラッド層に逆電圧を
印加してこの上部クラッド層とコア層１０４との界面に
おけるｐｎ接合面の空乏層をコア層１０４側に拡大せし
め、もってコア層に電気光学効果または／およびフラン
ツケルデイツシュ効果に基づく屈折率変化を生起せしめ
、各クラッド層間の結合状態を偏倚させることにより、
コア層１０４内の光伝搬径路を変化させ、逆電圧を印加
しなかった他方の上部クラッドから光を射出させるもの
である。すなわち、この方向性結合器の場合、ｐｎ接合
面への逆電圧印加により光スイツチ機能が発揮される。

また、光スィッチとしては、導波路交差型で電流注入型
のものが知られている０例えば、第１１図に示したよう
なＸ交差導波路を有する光スィッチにおいては、半導体
基板２０１の上に、所定組成の半導体から成る薄層が、
下部クラッド層（ｎ型半導体）、コア層（ｎ型半導体）
、上部クラッド層（Ｐ型半導体）として順次積層されて
導波路２０２．２０３が形成されている。

この導波路２０２，２０３はＸ字形に交差して分岐点２
０４を形成する。そして、全体の表面は絶縁ｖＲＰａで
被覆されている。

分岐点２０４には、その中央位置にスリット状の窓が形
成されていて、その上に電極２０５が例えば蒸着されて
いる。この電ｐｉ２０５からは、前記した窓から電流が
分岐点２０４で交差する導波路内に注入されるようにな
っている。

この光素子は、電極２０５から順方向電圧を印加して、
上部クラッド層とコア層との界面のｐｎ接合面に順方向
電流を注入することにより、この分岐点２０４でプラズ
マ分散効果または／およびバンドフィリング効果を起さ
せてその部分の屈折率を低下させ、その結果、導波光を
この分岐点２０４で全反射させ、その伝搬方向を変化さ
せることにより、光の伝搬する導波路を転換させスイン
チング効果を発揮させるものである。

また、この電流注入型の光素子の場合、上部クラッド層
もｎ型半導体で形成し、分岐点２０４の窓からＺｎのよ
うなｐ型不純物を拡散せしめて上部クラッド層内にｐｎ
接合面を形成するタイプのものも知られている。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来から知られている半導体光素子は、い
ずれもその内部にｐｎ接合面を有しており、このｐｎ接
合面への働きかけを行なうことにより、光の伝搬経路を
変化させ、そのことで光素子としての各種デバイス機能
を発揮せしめるものである。

すなわち、方向性結合器の場合は、逆電圧印加により上
部クラッドとコア層との界面におけるｐｎ接合面の電気
光学効果または／およびフランツケルデイツシュ効果を
利用するものであり、また、導波路交差型で電流注入型
の場合は、順方向電圧の印加に基づく順方向電流を分岐
点におけるｐｎ接合面に注入し、そのことにより、ｐｎ
接合面で生起するプラズマ分散効果または／およびバン
ドフィリング効果を利用するものである。

しかしながら、前者の場合、印加できる逆電圧値はｐｎ
接合の降伏電圧よりも小であることが必要であるという
制限を受ける。また、半導体材料においては、屈折率変
化に比例する電気光学係数はそれはと大きくはなく、そ
れゆえ大きな屈折率変化を発現せしめることが困難であ
る。更に、電気光学効果においては、偏波依存性を有す
るため、光素子システムにおける偏波面の制御または光
素子自体の偏波依存性の補償をしなければならないとい
う問題がある。

後者の場合、順方向電流注入によるｐｎ接合面のプラズ
マ分散効果を利用するとき、この順方向電流注入により
誘起されたバンドフィリング効果は、半導体材料の吸収
端から離隔するほど長波長域では小さくなる。そのため
、光素子に所望する性能を発揮せしめるに必要な屈折率
変化を得るためには、分岐点に数１００ｍＡという大電
流を注入することが必要になる。

しかしながら、このような大電流の注入は、ｐｎ接合の
破壊や光に対する吸収損失の増大という不都合を招くこ
とになる。

このような問題は、例えば、順方向電流注入部の導波路
の厚みを薄くしてキャリア密度の増加を図るというよう
な、光素子の設計改良によって多少とも改善することが
できる。しかし、このような対策は、光素子の製造時に
おける各要素の寸法精度を厳密に管理しなければならな
いという場合が多く、実際には、そのような厳密な精度
で光素子を製造することは極めて困難である。

本発明は、上記した問題を解決し、新規な知見に基づい
て開発された光または電気部品の提供を目的とする。

（４１題を解決するための手段） 本発明者らは、上記した問題を解決すべく鋭意研究を重
ねた結果、ｐｎ接合面にその降伏電圧以上の逆電圧を印
加すると、極めて小さい逆方向注入電流によっても大き
な屈折率変化を実現することができるという新たな知見
を得、この知見に基づいて本発明の光または電気部品を
開発するに到った。

すなわち、本発明の光または電気部品は、半導体材料か
ら成り、かつ、ｐｎ接合面を有する光または電気部品に
おいて、前記ｐｎ接合面のｐ型半導体に、降伏電圧値以
上の逆方向電圧を印加するための電圧印加部が形成され
ていることを特徴とする。

（作用） 本発明の素子において、電圧印加部からｐｎ接合面に降
伏電圧値以上の逆方向電圧を印加すると、ｐｎ接合面に
注入される逆方向電流が２ｃ数ｍＡ程度と小さくても、
極めて大きい屈折率変化を得ることかできるようになる
。

（発明の実施例） 実施例１ 第１図に斜視図として示したような方向性結合型光スィ
ッチを製造した。また、第１図の■−■線に沿う断面図
を第２図に示した。

これらの図において、まず、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｌｌから
成る下部電極１の上には、組成：ＧａＡｓのｎ０型半導
体基Ｉｆｉ２．厚み０．３μｍのｎ゛型ＧａＡｓ半導体
層３が順次形成され、更にその上に、厚み３．０μｍの
ｎ・型ＧａＡｌＡｓ半導体層が下部クラッド層４として
、厚み１．０ｃｍのｎ−型ＧａＡｓ半導体層がコア層５
として形成されている。

このコア層５の上には、互いに近接してリッジ状に上部
クラッド層を含む導波路６，６が形成されている。

この導波路６．６は、厚み１．０μｍのｎ−型ＧａＡ　
Ｉ　Ａｓ半導体層６ａとこの上に形成される厚み０．５
μｍのｐ型ＧａＡｌＡｓ半導体層６ｂとから成る上部ク
ラッド層、およびこの上部クラッド層の上にキャップ層
６ｃ、６ｃとして形成される厚み０．５μｍのｎ〜型Ｇ
ａＡｓ半導体層から構成されている。

そして、上部クラッド層の上面はＳｔｏｗの絶縁薄膜７
で被覆され、キャップ層６ｃ、６ｃと接触する箇所には
、導波路６．６の長手方向に沿って窓８．８が形成され
、これらの窓を介してＣｒ／Ａｕの上部電極９，９が前
記キャップ層６ｃ、６ｃと接触して形成され、ｐ型Ｇａ
Ａｊ！Ａｓ半導体層６ｂへ降伏電圧値以上の逆方向電圧
を印加するための電圧印加部１０．１０が形成されてい
る。

この光スィッチにおいては、ｎ−型ＧａＡｊ！Ａｓ半導
体層６ａとｐ型ＧａＡｊ！Ａｓ半導体層６ｂとの界面が
ｐｎ接合面になっている。

この光スィッチの導波路６，６に光を入射せしめ、下部
電極１と一方の電圧印加部ＩＯとの間に降伏電圧値以上
の逆方向電圧を印加して注入電流値（ｓ＋Ａ）を測定し
た。印加電圧を変化させることにより注入電圧値を変え
、そのときの結合側の光出力強度を測定した。その結果
を第３図に示した。

また、比較のために、両電極間に順方向電圧を印加して
注入電流値を測定し、そのときの結合側光出力強度を測
定した。その結果も第３図に示した。第３図中、−ロー
印は本発明の場合、−Δ−印は比較例の場合である。

第３図から明らかなように、本発明の光素子の場合は、
わずか２０数ｍＡの注入電流で屈折率が大きく変化し、
優れたスイッチング効果を発揮している。これに反し、
比較例の場合は、１５０ｍＡ以上の電流注入によっても
結合側の光出力の変化は極めてわずかである。

実施例２ 第４図に斜視図を、第５図に第４図のＶ−■線に沿う導
波路交差部分の断面図で示しような導波路がＸ型に交差
する光スィッチを製造した。

第５図において、Ａ　ｕ　Ｇ　ｅ　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕ
の下部電極１１の上には、厚み２５０μｍのｎ４型Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ半導体基板１２、厚み０．５　ｐ　ｍのｎ０
型ＧａＡｓ半導体層１３、厚み４ｐｍのｎ１型Ａ　ｌ　
ｍ、　＋　Ｇａｓ、　ＩＡｓ半導体層１４（下部クラッ
ド層）、厚み０．０５μｍのｎ０型Ａｊ！＊、４Ｇａｓ
、６Ａｓ半導体層１５がこの順序で積層され、更にその
上には、リッジ状に、厚み０．８μｍのｎ−型ＧａＡｓ
半導体層１６（コア層）、厚み０．１μｍのｎ−型Ｇａ
Ａｓ半導体層１７、厚み０．０５ａｍのｐ０型Ａ　ｊ！
　＊、　ａ　Ｇａｓ、　６Ａｓ半導体層１８、厚み０．
４　ｐ　ｍのｐ゛型Ａｆｆｉ、＋Ｇａ＊、ｇＡｓ半導体
層１９（上部クラッド層）がこの順序で形成され、また
その上には厚ｂｏ、４ａｍのｎ−型Ａ　ｌ　＠、　Ｉ　
Ｇａｓ、　＊Ａｓ半導体層２０（キャップ層）、厚み０
．２μｍのｎ−型Ｇ　ａ　Ａ　ａ半導体層２１が形成さ
れ、その全体はＳｔｏｗの絶縁薄膜２２で被覆されてい
る。

そして、導波路の交差部にはスリット状の窓２３が形成
されていて、この窓の部分から上部クラッド層の厚みの
途中までの間にはＺｎが拡散せしめられてＺｎ拡散領域
２４を形成している。

窓２３の上には、Ｃｒ／Ａｕの上部電極２５が形成され
、前記したＺｎ拡散領域２４と接触してｐ型の上部クラ
ッド層へ逆方向電圧を印加するための電圧印加部２６が
構成されている。

この光スィッチにおいては、ｐ゛型Ａ！！、ａ、　ａＧ
ａ＊、　ｈＡｓ半導体層１８とｎ−型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ半
導体７１１７との界面がｐｎ接合面になっている。

この光スィッチの一方の導波路に光を入射せしめ、両極
！、２６の間に降伏電圧値以上の逆方向電圧を印加し、
そのときの注入電流値と他方の導波路からの光出力強度
との関係を調べた。その結果を第６図に示した。

比較のために、両極１，２６の間に順方向電圧を印加し
て、注入電流値と他方の導波路からの光出力強度との関
係も調べ、その結果を第６図に示した。第６図中、−ロ
ー印は本発明の場合、−△−印は比較例の場合である。

実施例３ 第７図に斜視図を、第８図に第７図の■−■線に沿う出
力ポートの断面図で示されるような、Ｙ分岐単一モード
の光スィッチを製造した。

第８図において、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕの下部電極３１の
上には、厚み２５０μｍのｎ４型ＧａＡｓ半導体層３２
、厚み０．５　ａ　ｍのｎ１型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ半導体層
３３、厚み３．０　ｐ　ｍのｎ０型ＧａＡ／！Ａｓ半導
体層（下部クラッド層）３４、厚み０．９　ｐ　ｍのｎ
−型ＧａＡｓ半導体層（コア層）３５を順次形成し、こ
のコア層３５の上に、厚み０．８　ａ　ｍのｈ−型Ｇａ
Ａｊ！Ａｓ半導体層（上部クラッド層）３６ａ、３６ｂ
、厚み０、５、．１７　ｍのｎ−型Ｇ　ａ　Ａ　ａ半導
体層（キャップ層）３７ａ、３７ｂをリッジ状に形成し
て導波路とした。このキャップ層３７ａ、３７ｂと上部
クラッド層３６ａ、３６ｂの一部までにはＺｎが拡散せ
しめれらて、Ｚｎ拡散ｗＩｋｌｉ３８　ａ、　　３８　
ｂトナッている。

そして、全体の上面はＳｉＯ□の絶縁薄１１１３９で被
覆され、その一部には窓４０ａ、４０．ｂが形成され、
ここにＣｒ／Ａｕの上部電極４１ａ、４１ｂが添着され
て、前記したキャップ層３７ａ、３７ｂと接触すること
により、電圧印加部４２ａ、４２ｂを形成している。

この光スィッチにおいては、上部クラッド層３６ａ、３
６ｂ内に形成されているＺｎ拡散頭領域８ａ、３８ｂの
フロント面がｐｎ接合面になっている。

この光スィッチの入力ボート４３から光を入射せしめ、
両型ｆＩ３１と４１ａ、４１ｂとの間に降伏電圧値以上
の逆方向電圧を印加して、出力、＋　−ト４４ａ、４４
ｂからの光出力強度を測定した。

その結果を第９図に示した。

比較のために、電極３１と４１ａ、４１ｂとの間に順方
向電圧を印加して各出力ポートからの光出力強度を測定
した。その結果も第９図に示した。

第９図中、−ロー印、−■−印は、それぞれ、本発明の
場合における出力ボート４４ａ、４４ｂからの光出力強
度、−Δ−−ム−はそれぞれ比較例の場合における出カ
ポ−）４４ａ、４４ｂからの光出力強度である。

第９図から明らかなように、本発明の素子は、４゜ 比較例の場合に比べてはるかに小さい注入電流値で優れ
たスイッチング動作を行なっている。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の光または電気部
品は、電圧印加部から降伏電流値以上の逆方向電圧を印
加してｐｎ接合面に逆方向電流を注入すると、その電流
値が小さくてもｐｎ接合面においては極めて大きい屈折
率変化を発現することができる。したがって、従来のよ
うに、優れたデバイス機能を得るための設計精度の厳し
い基準設定も不要となり、素子の製造は容易となる。ま
た、それゆえ、使用寿命も長くなり、しかも素子として
の信顧性も向上してその工業的価値は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方向性結合器の斜視図、第２図は、
第１図の■−■線に沿う断面図、第３図は１．注入電流
値と結合側光出力強度との関係を示すグラフ、第４図は
、本発明の導波路Ｘ交差型の光スィッチの斜視図、第５
図は、第４図の■−Ｖ線に沿う断面図、第６図は、注入
電流値と反対側光出力強度との関係を示すグラフ、第７
図は、本発明のＹ分岐単一モード型光スイッチの斜視図
、第８図は、第７図の■−■線に沿う断面図１、第９図
は、注入電流値と出力ポートからの光出力強度との関係
を示すグラフ、第１０図は、従来の方向性結合器の斜視
図、第１１図は従来の導波路Ｘ交差型光スイッチの斜視
図である。 １　・＝ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ下部電極、２．、・ｎＩ型
ＧａＡｓ半導体ｌ１ｌ（基板）、３・−・ｎ”型Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ半導電層、４・・・ｎ゛型ＧａＡｌＡｓ半導体
層（下部クラッドＮ）、５・・・ｎ−型ＧａＡｓ半導体
層（コア層）、６・・・導波路、６ａ・・・ｎ−型Ｇａ
ＡｌＡｓ半導体層（上部クラッド層）、６ｂ・・・ｐ型
ＧａＡｌＡｓ半導体層（上部クラッド層）、６Ｃ・・・
ｎ”型ＧａＡｓ半導体層（キャップ層）、７・・・絶縁
薄膜、８・・・窓、９・・・Ｃｒ／Ａｕ上部１を橿、１
０　・・・電圧印加部、１ｌ−ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ下部
電極、１２・ｎ”型ＧａＡｓ半導体層（基板）、１３−
ｎ”型ＧａＡｓ半導体層、１１１・・ｎ　”　Ａ　ｊ！
　ｅ、　＋　Ｃ；ａｓ、　＊Ａｓ半導体層（下部クラッ
ド層）、１５−　ｎ　”Ａ　ｌ　ｍ、　ａＧａｏ、　ｈ
Ａｓ半導体層、１６・・・ｎ−型ＧａＡｓ半導体層（コ
ア層）、１７”’ｎ−型ＧａＡｓ半導体層、１８−Ｐ　
”型Ａｌ＊、ａＧａ＊、ｈＡｓ半導体層、１９−Ｐ’型
Ａ　１２　ｏ、　＋　Ｇａｅ、　＊Ａｓ半導体層（上部
クラッド層）、２０・＝ｎ−型Ａ　ｌ　ｏ、　＋　Ｇａ
ｐ、　ｅＡｓＡｓ半導体層ャップ層）、２１・・・ｎ−
型ＧａＡｓ半導体層、２２・・・絶縁薄膜、２３・・・
窓、２４・・・Ｚｎ拡散領域、２５・・・Ｃｒ　／　Ａ
　ｕ上部電極、２６・・・電圧印加部、３ｌ−ＡｕＧｅ
Ｎｉ／Ａｕ下部電極、３２・＝ｎ”型ＧａＡｓ半導体層
（基板）　、３３−ｎ　’型Ｃ，ａＡ　Ｉ　Ａｓ半導体
層、３４・・・ｎ゛型ＧａＡｊ！Ａｓ半導体層（下部ク
ラッド層）９．３５・・・ｎ−型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ半導体
層（コア層、３６　ａ、　　３６　ｂ・”ｎ−型ＧａＡ
ｌＡｓ半導体層（上部クラッド層）、３７ａ、３７ｂ・
・・ｎ−型ＧａＡｓ半導体層（キャップ層）、３８ａ、
３８ｂ・・・Ｚｎ拡散領域、３９・・・絶縁薄膜、４０
ａ、４０ｂ・・・窓、４１　ａ、４　ｌ　ｂ−Ｃｒ／Ａ
ｕ上部電極、４２ａ。 ４２ｂ・・・電圧印加部、４３・・・入力ポート、４４
ａ。 ４４ｂ・・・出力ポート。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体材料から成り、かつｐｎ接合面を有する光
   導波路装置において、前記ｐｎ接合面のｐ型半導体に、
   降伏電圧値以上の逆方向電圧を印加するための電圧印加
   部が形成されていることを特徴とする光導波路装置。
2. （２）半導体材料から成り、かつｐｎ接合面を有する光
   導波路装置の、前記ｐｎ接合面のｐ型半導体に設けられ
   た電圧印加部に、降伏電圧値以上の逆方向電圧を印加す
   ることを特徴とする光導波路装置の使用方法。