JPH025028A - 非線形光方向性結合器 - 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、元スイッチング、波長変換、光増幅などの機
能を有し、将来の光通信システムや元情報処理システム
において重要なエレメントとなる光制御素子に関し、特
に光制御光スイッチとして用いて好適な非線形光方向性
結合器に関する。

（従来の技術） 将来の光通信システム、光情報処理システムにおいては
、光の広帯域性を活かすために、光信号を電気の制御信
号ではなく光の制御信号によって制御するいわゆる光制
御光素子が必要とされる。

このような光制御光素子としては、上記適用分野から考
えて、高速動作、低エネルギー動作、高集積の容易性、
他の光デバイスとの動作波長の整合性等が要求される。

これまでに糧々の動作機能に基づく光制御光素子が提案
されているが、化合物半導体薄膜における大きな光学的
非線形性を利用した素子は小型で高集積化に適し、低エ
ネルギー動作の可能性があり、現状の光デバイスとの整
合性も良いことから将来有望である。とりわけ、ＧａＡ
ｓ等の化合物半導体の励起子吸収飽和に伴う非線形屈折
率変化を利用した光制御光素子が、比較的低エネルギー
で室温動作する可能性があることから近年注目されてい
る。中でも、２本の光導波路間の光エネルギーの結合状
態を導波路伝搬光のパワーにより制御する方式の非線形
光方向性結合器は、光のスイッチング、変調、波長変換
、増幅などの機能を持たせることができ、現有の電気制
御の光方向性結合器の技術をある程度用いることもでき
るから研究が活発化しており、素子設計や動作解析に関
する報告及び試作結果に関する報告がなされるようにな
ってきた。

第３図に、Ｐ、　Ｌｉ　ＫａｍＷａ　　らによりエレク
トロニクスレターズ（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ８ＬＥＴＴ
ＥＲ８）誌１９８５年１月３日号（第２１巻）２６ペー
ジから２８ページに報告された非線形光方向性結合器の
従来例を示す。第３図に示した非線形光方向性結合器に
おいては、ＧａＡｓ基板１００上にＡＩＧａＡｓ（Ａｌ
のモル比Ｘはｘ＝０．４）バッファ層１０１、Ａ、１Ｇ
ａＡｓ　（ｘ＝０．３）クラッド層１０２が積層され、
ＡＩ（３−ａＡｓクラッド層１０２の上には厚さ１００
　ＡのＧａ７１ｉ、ｓ薄膜と３０ＯＡ厚のＡｌＧａＡｓ
　（ｘ　＝　０．３　）薄膜とが交互に積層されたＧａ
Ａｓ　／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）導波層１
０３が形成されている。さらに前記（３ａＡｓ／ＡＩＧ
ａＡｓＭＱＷ導波層１０３の上には、ＭＱＷ４波層１０
３に局所的に応力を印加して、フォトエラスチックな効
果により応力が印加された部分の屈折率を増加させて３
次元導波路を形成するための１対のんのストリップパタ
ーン３０１が形成されている。このような構造により、
第３図に示すように、応力印加用Ａｕストリップ３０１
のエツジ直下の部分に２本の近接した光導波路１１０ａ
および１１０ｂが形成されている。ここで、２本の光導
波路１１０ａと１１０ｂの間隔は１０μｍである。第３
図の非線形光方向性結合器では、以上に述べたように、
２本の近接した光導波路を有する光方向性結合器が形成
されている。ここで、２本の入射側光導波路１１０ａま
たは１１０ｂのうちの一方の導波路に元を入射させると
、入射光パワーの小さいときには、素子長と方向性結合
器の完全結合長の比で決まるある一定の割合で出射光１
１２ａと１１２ｂに導波光は分配される。例えば素子長
が完全結合長に等しければ、入射側光導波路１１０ａよ
り入射された光は、入射光パワーの小さいときには、出
射端では完全に他方の光導波路に移りｍ射光１１２ｂと
して取り出される。ところが、入射光パワーが大きくな
ると、ＭＱＷ導波路における励起子吸収飽和に伴う非線
形な屈折率変化により２本の導波路間の位相整合粂件が
くずれ、入射光のパワーの増加と共に他方の光導波路へ
移る光量は減少する。そこで、入射光自身のパワーによ
り出力される光導波路が選択されるという元制御元スイ
ッチ動作をこの素子においては、原理的には行うことが
できる。Ｐ、　ＬｉＫａｍ　Ｗａらは素子長１．７　ｍ
ｍ　（完全結合長に一致）の上述の素子において、特性
としては充分とは甫えないものの、入射光パワーの変化
による元スイッチングの基本的な動作を観測している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、第３図に示した従来構造においては、一
方の入射側光導波路から光が入射されたとき、励起子形
成、フォノンによる励起子分解という課程を経て生成さ
れたキャリアが他方の導波路へもドリフトして行くから
、入射側の光導波路の等側屈折率のみならずもう一方の
導波路の等価屈折率も減少し、それほど大きな位相不整
合量が得られず、結果としてあまりよいクロストーク特
性が得られないか、もしくは設計通りのスイッチング特
性が得られない。第３図の非線形元方向性結合器にはこ
のような欠点がある。この現象は、結晶の純度を高くし
て行けば行（はど問題となる。

すなわち、結晶の純度を高くして材料の非線形性を大き
くしたり光吸収損失を減少させたりしようとすればする
ほど、結果としてフリーキャリアの平均自由行程が長く
なり、キャリアが他方の光導波路に達する割合も大きく
なるので、材料を最適化して行くとスイッチング特性が
悪化するということになり、大きな問題である。

（課題を解決するための手段） 上述のような課題を解決するために、本発明においては
、一つの半導体基板上に形成された近接した２本の光導
波路間の元エネルギーの結合を利用する半導体元方向性
結合器において、前記２本の光導波路の間に、これら２
本の光導波路間隔に比べて幅が非常に狭（かつ少なくと
も該光導波路の深さと同程度の深さを有する非発光再結
合中心をふくむ領域が、前記光導波路に沿って形成され
ていることを特徴とする非線形光方向性結合器の構造を
採用した。

（作用） 本発明においては、方向性結合器の２本の近接した光導
波路の間に、光導波路間隔に比べて充分に幅の狭い非発
光再結合中心注入領域が、非線形屈折率媒質よりなる光
導波路には少なくとも形成されている。従って、一方の
光導波路への光入射によって発生したフリーキャリアは
、他方の光導波路へとドリフトして行く課程で非発光再
結合中心注入領域において再結合し、他方の光導波路に
達せず、他方の導波路の等側屈折率を変化させない。し
たがって、結晶の純度が高（ても、光入射時に従来より
も大きな位相不整合量を得ることができ、スイッチング
特性が改善される。また、前述のように２本の光導波路
の間に配置された非−再結合中心に注入領域の幅は導波
路間隔に比べて充分に狭いので、フリーキャリアにとっ
ては非発光再結合中心注入領域の存在は重要であるが、
伝搬光にとっては非発光再結合中心注入領域が存在して
もしなくても横方向の屈折率分布は変化せず従来通りの
設計手法を用いて光方向性結合器を設計することができ
る。もちろん導波路内の光学的非線形性は非発光再結合
中心注入領域の存在によってほとんど影響を受けず、ま
た素子の導波損失も増加しないので、素子のスイッチン
グ特性改善が非線形効果を減少させることなく、また導
波損失を増加させることなく達成される。さらに本発明
においては、単に２本の光導波路の間にイオン注入を行
うだけでよいので素子構造が非常に簡単であり、素子の
製造方法も簡単である。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明を一層詳しく説明する。

第１図は本発明によるＧａＡｓ／Ａｌ　ＧａＡｓ非線形
光方向性結合器の一実施例を示す斜視図である。

第１図においては、ＧａＡｓ基板１００上にＡＩＧａＡ
ｓ（ｘ＝０．４）バッファ層１０１、ＡｌＧａＡｓ　（
ｘ　＝　０．３　）クラッド層１０２が成長され、Ａｌ
ＣＥａＡｓクラッド層１０２の上層厚０２００Ａの噂田
暁ミ学ＧａＡｓウェルと厚さ３００ＡのＡｌＧａＡｓ　
（ｘ　＝　０３　）バリアとが交互に積層されたＧａＡ
ｓ　／ＡｌＧａＡｓ　　ＭＱＷ導波層１０３が成長され
ている。前記ＧａＡｓ　／　ＡｌＧａＡｓ　　Ｍ　Ｑ　
Ｗ導波層１０３の上には、応力印加により３次元導波路
を形成するための１対の油ストリップ３０１が形成され
ている。ここで、応力印加用Ｍストリッップ３０１が形
成されている。ここで、応力印加用Ａｕストリップ３０
１のエツジ直下に形成された２本の光導波路１１０ａと
１１０ｂの間には、２本の光導波路のほぼ中央に、幅が
導波路間隔に比べて充分に狭＜、　ＡＩＧａＡ、ｓクラ
ッド層１０２にまで達する「−（プロトン）注入領域１
０９が光伝搬方向に沿って形成されている。ここで、Ａ
　Ｉ　ＧａＡｓバッファ層１０１、ＡｌＧａＡｓクラッ
ド層１０２　、ＧａＡｓ／Ａｌ（３ａＡｓＭＱＷ導波層
１０３の厚さば、それぞれ２μｍ、１μｍ１μｍ程度で
あり、応力印加用Ａｕストリップ３０１の厚さは０．５
μｍ程度である。また２本の入射側光導波路１１０ａお
よび１１０ｂの間隔は１０μｍ程度であるのに対して、
Ｈ十注入領域１０９０幅は０．５μｍ以下である。この
とき、Ｗ−注入領域１０９０幅は光導波路幅および光導
波路間隔に比べて充分に狭いので、例えば非注入領域よ
りわずかに屈折率が低下するＨ１人領域があっても横方
向（層に平行な方向）の屈折率分布は「−注入領域が無
い場合とほとんど変わらない。したがって光導波路を設
計する際には「−注入領域１０９の部分を考慮した設計
をする必要はない。

第１図に示す非線形方向性結合器の製造方法を以下に説
明する。

ＧａＡｓ基板１００上にＭＢＥ法もしく　＆ｍＶＰＥ法
を用いて２１１？ＦＬ程度のＡｌＧａＡｓ　（ｘ　＝　
０．４）バッファ層１０１．１μ、程度のＡｌＧａＡｓ
　（ｘ　＝　０．３　）クラッド層１０２．１００八程
度のＧａＡｓ膜と３００八程度のＡｌＧａＡｓ　（ｘ　
＝　０．３）膜を交互に２５周期程度積層したＧａＡｓ
　／　ＡｌＧａＡｓ　ＭＱＷ導波路１０３を順次成長す
る。その後、通常の蒸着法、フォトリングラフィ法及び
エツチング法を用いて幅２０μｍ以上、厚さ０．５μｍ
程度のＡｕストリップ３０１を形成する。

この後、集束イオンビームを用いてマスクレスで虻注入
を行うか、あるいは集束イオンビームｗ、元法を用いて
０５μｍ以下のストライプ状の間隙を有するマスクパタ
ーンを形成した後にＩ−（”イオン注入を行うかして幅
０５μｍ以下で深さがＡｌＧａＡｓクラッド層に達する
Ｈ＋注入領域１０９を２本の光導波路間に形成する。

以上が本発明によるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ非線形元方
向性結合器の一実施例の構成及び製造方法の一例であり
、上述の製造方法により得られた第１図に示した構造の
非線形光方向性結合器のスイッチング特性が従来よりも
改善される原理を以下に説明する。

本発明においては、第１図に示すようにＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ　ＭＱＷ導波層１０３内で２本の導波路間にＩ
（”注入領域１０９を有している。耐が注入された領域
においては格子欠陥が生じ、この欠陥を介してフリーキ
ャリアの再結合が促進される。従って、片側の光導波路
への光入射によって発生したフリーキャリアは七〇光導
波路がら外側へと拡散して行くが、他方の光導波路へ向
けて拡散して行ったフリーキャリアは途中のＨ＋注入領
域１０９において再結合する。本実施例においては、２
本の光導波路の間にフリーキャリアの再結合を促進する
Ｈ＋注入領域１０９が存在するために、一方の光導波路
内で生成されたフリーキャリアは他方の光導波路へと拡
散して行かない。従って一方の光導波路で生成されたフ
リーキャリアが他方の光導波路の等側屈折率を減少させ
ることはない。よって本実施例においては、虻注入領域
が無い場合に叱べてより大きな位相不整合量が得られ、
スイッチング特性が改善される。つまり、従来に比べて
、同一の入射光パワーに対してはよりクロストークが減
少し、スイッチングに要する光パワーも従来よりも減少
する。そしてこの効果は結晶の純度が高ければ高いほど
顕著になる。また前述のように２本の光導波路の間に配
置されたＴ−Ｉ”注入領域の幅は導波路間隔に比べて充
分に狭いので、フリーキャリアにとってはＨ＋＋注入領
域存在は重要であるが、伝搬光にとってはＨ＋＋注入領
域存在してもしなくても横方向の屈折率分布は変化せず
、従来通りの設計手法を用いて方向性結合器を設計する
ことができる。もちろん導波路内の光学的非線形性はＩ
−１＋注入領域の存在によってほとんど影響を受けず、
また素子の導波損失も増加しないので、素子のスイッチ
ング特性改善が非線形効果を減少させることなく、また
導波損失を増加させることなく達成される。さらに本発
明においては、単に２本の光導波路の間にトｒイオン注
入を行うだけでよいので素子構造が非常に簡単であり、
素子の製造方法も簡単である。

第２図は本発明によるＧａＡｓ　／ＡｌＧａＡｓ非線形
光方向性結合器の他の実施例を示す斜視図である。

図においては、ＧａＡｓ基板１００上にＡＩ　ＧａＡｓ
　（ｘ　＝０．２〜０．４）バッファ層１０１、ＡｌＧ
ａＡｓ　（ｘ　＝　０．１〜０３）クラッド層１０２が
成長され、ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２の上に厚さ１
００ＡのＧａＡｓウヱルと厚さ１００にのＡＩＧａＡｓ
（ｘ＝　０．１〜０．３）バリアとが交互に積層された
ＧａＡｓ３−、１ＧａＡｓ　ＭＱＷ導波層１０３が成長
されている。前記ＧａＡｓ／Ａ１．　ＧａＡｓＭＱＷ導
波層１０３の上には、ストライプ状のリブ部を有するＡ
ｌＧａＡｓ　（ｘ　＝　０．１〜０．３）クラッド層１
０４が形成されている。ここで、２本のストライプ状の
リブ導波路１０５ａと１０５ｂとの間には、２本の光導
波路のほぼ中央に、幅が導波路間隔に比べて充分に狭＜
　ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２にまで達するトｒ注入
領域１０９が光伝搬方向に沿って形成されている。ここ
で、ＡｌＧａＡｓバッファ層１０１、ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層１０２　、ＧａＡｓ／ＡＩＧａＡｓＭＱＷ導波層
１０３の厚さは、それぞれ２μｍ、　２μｍ１μｍ程度
であり、上部のＡｌＧａＡｓクラッド層１０４の厚さは
リブ導波路部分で１μｍ程度、それ以外の部分で０．５
μｍ程度である。また２本のリブ導波路１０５ａおよび
１０５ｂの幅および間隔は、それぞれ２〜８μｍ、１．
５〜５μｍ程度であるのに対して、Ｉ−（”注入領域１
０９０幅は０．１μｍ以下である。このとき、Ｈ＋注入
領域１０９０幅は光導波路幅および光導波路間隔に比べ
て充分に狭いので、例えＩ（＋注入領域があっても横方
向（層に平行な方向）の屈折率分布はＨ＋＋注入領域無
い場合とほとんど変わらない。したがって光導波路を設
計する際にはＨ十注入領域１０９０部分を考慮した設計
をする必要はない。

第２図に示す非線形方向性結合器の製造方法を以下に説
明する。

ＧａＡｓ基板１００上に、ＭＢＥ法もしくはＭＯＶＰＥ
法を用いて２μｍ程度のＡ　ｌＧａＡｓ　（ｘ　＝　０
．２〜０．４）バッファ層１０１．２ｐｍ程度のＡＩＧ
ａＡｓ（ｘ＝０．１〜０．３）クラッド層１０２，１０
０Ａ程度のＧａＡｓ膜と１ｏｏＡ程度のＡＩＧａＡｓ（
ｘ＝０．１〜０．３）膜を交互に５０周期程度積層した
ＧａＡｓ　／ＡＩＧａＡｓＭＱＷ導波層１０３．１μｍ
程度のＡＩ　ＧａＡｓ　（ｘ　＝を用いて、ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層１０４を幅２〜８μｍ深さ０．５〜１μｍ
程度のリブ形状に加工する。この後、集束イオンビーム
を用いてマスクレスでＨ＋注入を行うか、あるいは集束
イオンビーム露光性を用Ｃ・て幅０．１μｍ以下のスト
ライブ状の間隙を有するマスクパターンを形成した後に
１“イオン注入を行うかして幅０．１μｍ以下で深さが
ＡｌＧａＡｓクラッド層に達するＨ＋注入領域１０９を
２本の光導波路間に形成する。

以上が本発明によるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ非線形光方
向性結合器の他の実施例の構成及び製造方法の一例であ
り、上述の製造方法により得られた第２図に示した構造
の非線形光方向性結合器のスイッチング特性が従来より
も改善される原理を以下に説明する。

本実施例においては、第２図に示すようＫＧａＡｓ／Ａ
Ｉ　ＧａＡｓ　ＭＱＷ導波層１０３内で２本の導波路間
Ｈ＋注入領域１０９が存在している。このとき、片側の
光導波路への光入射によって発生したフリーキャリアは
その光導波路から外側へと拡散して行くが、他方の光導
波路へ向けて行ったフリーキャリアは途中のＨ注入領域
１０９のにおいて再結合する。本実施例においては、２
本の光導波路の間に７リーキヤリアの再結合を促進する
イ注入領域１０９が存在するために、一方の光導波路内
で生成されたフリーキャリアは他方の光導波路へと拡散
して行かない。従って一方の光導波路で生成されたフリ
ーキャリアが他方の光導波路の等側屈折率を減少させる
ことはない。よって本実施例においても、トｒ注入領域
が無い場合に比べてより大きな位相不整合量が得られ、
スイッチング特性が改善される。つまり、従来に比べて
、同一の入射光パワーに対してはよりクロストークが減
少し、スイッチングに要する光パワーも従来よりも減少
する。そしてこの効果は結晶の細度が高ければ高いほど
顕著になる。また前述のように、２本の光導波路の間に
配置されたＷ−注入領域の幅は導波路間隔に比べて充分
に狭いので、フリーキャリアにとってほぼ注入領域の存
在は重要であるが、伝搬光にとってはＨ＋注入領域が存
在してもしな（ても横方向の屈折率分布は変化せず、従
来通りの設計手法を用いて方向性結合器を設計すること
ができる。

もちろん導波路内の光学的非線形性はＨ＋注入領域の存
在によってほとんど影響を受けず、また素子の導波損失
も増加しないので、素子のスイッチング特性改善が非線
形効果を減少させることなく、また導波損失を増加させ
ることなく達成される。

さらに本発明においては、単に２本の光導波路の間にイ
オン注入を行うだけでよいので素子構造が非常に簡単で
あり、素子の製造方法も簡単である。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではない
。実施例としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　ＭＱＮを
導波層として用いた非線形光方向性結合器を取り上げた
が、これに限るものではなく、バルクのＧａＡｓを用い
てもよ（、またＩｎＰ系などの他の材料を用いた非線形
光方向性結合器に対しても本発明は適用可能である。ま
た、注入する物質としてもＨ＋（プロトン）に限るもの
ではなく、非線形屈折率媒質中で非発光再結合中心とな
るものであれば他の物質でもよく、例えばＧａＡｓ、　
ＩｎＰ中で深い準位を形成するＦｅやＣｒ等のイオンを
注入してもよい。

また、実施例では２本の光導波路のほぼ中心線上に、導
波路に平行なＨ＋註八へ域を設けたが、Ｈ＋注入領域は
中心線上にある必要は必ずしもなく、また導波路に平行
である必要もない。またＷ注入領域はまっすぐである必
要はなく、湾曲、蛇行していてもよい。

横方向に屈折率導波構造を導入する手段も実施例以外の
構造、例えばストライプ状の半導体光導波層を設け、こ
れを光導波路とし、この上下左右に材質の異なる層を設
けた埋め込み構造など、どのような手段を用いてもよい
。

（発明の効果） 以上に述べたように、本発明によれば、従来の設計手法
に変更を加えることなく非線形光方向性結合器のスイッ
チング特性の改善及びスイッチングに必要な入射パワー
の低減を図ることができる。

しかも、この効果は結晶の純度が高くなればなるほど顕
著となるので、素子特性向上のために非常に有効である
。

ブ型非線形光方向性結合器の構造を示す斜視図、第３図
は非線形光方向性結合器の従来例を示す斜視図である。

１００−−　ＧａＡｓ基板、１０１−−　ＡｌＧａＡｓ
バッファ層、１０２・・・・・・ＡｌＧａＡｓクラッド
層、１０３・＝　−ＧａＡｓ　／　ＡＩ　ＧａＡｓ　Ｍ
ＱＷ導波層、１０４・・・・・・ＡｌＧａＡｓクラッド
層、１０５ａ、　１０５ｂ−−リプ導波路、１０９・・
・・・引＋（プロトン）注入領域、１１０　ａ　＋１１
０ｂ・・・・・・入射側光導波路、１１１・・・・・・
入射光、１１２ａ、　１１２ｂ・・・・・・出射光、３
０１・・・・・・応力印加用Ａｕストリップ。

代理人　弁理士　　本　庄　伸　介

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一つの半導体基板上に形成された近接した２本の光導波
   路間の光エネルギーの結合を利用する半導体光方向性結
   合器において、前記２本の光導波路の間に、これら２本
   の光導波路の間隔に比べて幅が非常に狭くかつ少なくと
   も該光導波路の深さと同程度の深さを有する非発光再結
   合中心をふくむ領域が、前記光導波路に沿って形成され
   ていることを特徴とする非線形光方向性結合器。