JPH025029A - 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、光スイッチング、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光情報処理システム
において重要なエレメントとなる光制御光素子に関し、
特に光制御光スィ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。

これまでに種々の動作機構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ｌこおける大きな光学
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ｐ１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、Ｇａ
Ａ　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　、　Ｌ　ｉ　Ｋａｍ　Ｗａ　　ら（こより
エレクトロークスレターズ（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ８Ｌ
ＥＴＴＥＲ８）誌１９８５年１月３日号（第２１巻）２
６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ｔこおいては、ＧａＡｓ基板１００上にＡｌＧａＡ
ｓ　（ＡＩのモル比Ｘはｘ＝０．４）バッファ層１０１
、Ａ　ＩＧａＡ、ｓ　（ｘ＝０．３　）クラッド層１０
２が積層され、Ａ　Ｉ　ＧａＡ　ｓクラッド層１０２の
上には厚さ１００ＸのＧａＡｓ薄膜と３０ＯＡ厚のＡｌ
ＧａＡｓ　（ｘ＝０．３　）薄膜とが交互ｌこ積層され
たＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　　多重量子井戸（ＭＱＷ）
導波層１０３が形成されている。さらをこ前記ＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓ　　ＭＱＷ導波層１０３の上（こは、Ｍ
ＱＷ導波層１０３に局所的に応力を印加して、）第１・
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Ａ
ｕ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ｔこより、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
ｌこ、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１１
０ａまたは１１０ｂのうちの一方の導波路に光を入射さ
せると、入射光パワーの小さいとき（こは、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１１２ａと１１２ｂに導波光は分配される。例え
ば素子長が完全結合長ｌこ等しければ、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ζこ他方の光導波路ｔこ移シ出
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
位相整合条件がくずれ、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
光制御光スイツ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、Ｌｉ　　Ｋａｍ　Ｗａ　　ら
は素子長１、７　ｍｍ　（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言えないものの、
入射光パワーの変化による光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
導波路の等価屈接率も減少し、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図の非線形光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
て行けば行くほど問題となる。

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（こ達する割合も大き
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、２本の光導波路の間の導波層の一部の
領域は他の導波層の部分よりもバンドギャップの広い半
導体材料よりなっており、該バンドギャップの広い半導
体材料よりなる領域の幅が前記２本の光導波路の間隔よ
りも十分に狭く、該バンドギャップの広い半導体材料よ
りなる領域が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ｔこおいては、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バ
ンドギャップの広い領域が、非線形屈折率媒質よりなる
光導波層に形成されている。

このバンドギャップの広（い領域は、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が、他方の光
導波路へとドリフトして行く課程において障壁となり、
フリーキャリアが他方の光導波路をこ達するのを防止す
るため、他方の導波路の等側屈折率が変化するのを防止
する。したがって、結晶の純度が高くても、光入射時ｌ
こ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バンドギャップの広い領域
の幅は導波路間隔に比べて充分に狭いので、フリーキャ
リアにとってはバンドギャップの広い領域の存在は重要
であるが、伝搬光にとってはバンドギャップの広い領域
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
バンドギャップの広い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。

（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　／　ＡｌＧａＡｓ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　、ＡＩＧａＡｓ
（ｘ＝０．３）クラッド層１０２が成長され、ＡｌＧａ
Ａｓクラッド層１０２の上に厚さ１００ＡのＧａＡ　Ｓ
ウェルと厚さ３００＾のＡ　ｌＧａＡｓ　（ｘ　＝　０
．３）バリアとが交互に積層されたＧａＡｓ／ＡＩＧａ
ＡｓＭＱＷ導波層１０３が成長されている。前記ＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓ　　ＭＱＷ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Ａｕ
ストリップ３０１が形成されている。ここで、応力印加
用Ａｕストリップ３０１のエツジ直下に形成された２本
の光導波路１１０ａと１１０ｂの間の導波層中には、２
本の光導波路のほぼ中央に、幅が導波路間隔ζこ比べて
充分に狭いＡ　Ｉ　ＧａＡ　ｓ　（ｘ≧０．３）障壁部
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２μｍ１１μｍ、１μｍ程度であり
、応力印加用Ａｕスト＝　９− リップ３０１の厚さ０．５μｍ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１０μ
ｍ程度であるのに対して、ＡｌＧａＡｓｌＧａＡｓ障壁
幅１０９５μｍ以下である。このときＡ　Ｉ　Ｇ　ａＡ
　ｓ障壁部１０９の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ＡｌＧａＡｓ障壁部があ
っても横方向（層に平行な方向）の屈折率分布はＡｌＧ
ａＡｓ障壁部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ＡｌＧａＡｓｌＧａＡｓ
障壁幅１０９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法もしくはＭＯＶＰＥ法
を用いて厚さ２μｍ程度のＡＩＧａＡｓ（ｘ＝０．４）
バッファ層１０１．１μｍ程度のＡＩＧａＡｓ（ｘ＝０
．３）クラッド層１０２．１μｍ程度のＡＩＧａＡｓ（
ｘ≧０．３）バリア層を順次成長する。その後、フォト
リングラフィ法とエツチング法を用いてＡｌＧａＡｓ　
バリア層を幅０．５μｍ以下のストライプ形状の部分（
ＡＩＧａＡｓ障壁部１０障壁全１０９除去する。そして
再度ＭＢＥ法もしくはＭＯＶＰＥ法を用いてＡｌＧａＡ
ｓバリア層が除去されてＡｌＧａＡｓクラッド層１０２
０表面が露出した部分ｌこ選択的ζこ１００Ａ程度のＧ
ａＡ　ｓ膜と３００Ａ程度のＡｌＧａＡｓ　（ｘ＝０．
３　）膜を交互に２５周期程度積層したＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ　ＭＱＷ導波層１０３を成長してＡｌＧａＡｓ
ｌＧａＡｓ障壁幅１０９゜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。

以上が本発明によるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　非線形光
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／Ａ　
Ｉ　ＧａＡｓ　Ｍ　Ｑ　Ｗ導波層１０３内で２本の導波
路間にＡｌＧａＡｓｌＧａＡｓ障壁幅１０９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
キャリアは七〇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拡散して行ったフリーキャリア
は途中（こＡｌＧａＡｓｌＧａＡｓ障壁幅１０９ために
他方の光導波路へ拡散して行くことを阻止される。すな
わち、本実施例においては、２本の光導波路の間にＧａ
Ａｓ／Ａ　ｌＧａＡｓ　Ｍ　ＱＷのウェルであるＧａＡ
ｓのバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する
Ａ　Ｉ　ＧａＡ　ｓ障壁部１０９が存在するためｌこ、
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、ＡｌＧａＡｓ障壁部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（こ要する
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ζこ配置
されたＡｌＧａＡｓ障壁部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ＡｌＧａＡｓ
障壁部の存在は重要であるが、伝搬光ｌことってはＡｌ
ＧａＡｓ障壁部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ＡｌＧａＡｓ障壁部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。

第２図は本発明ｌこよる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Ａ　Ｉ　ＧａＡ
　ｓ（ｘ＝　０．２〜０．４　）バッファ層１０１　、
ＡＩＧａＡｓ（ｘ＝０．１〜０．３）クラッド層１０２
が成長され、ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２の上に厚さ
１００ＡのＧａＡ　ｓウェルと厚さ１００ＡのＡｌＧａ
Ａｓ　（ｘ＝０．１〜０．３）バリアとが交互に積層さ
れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　　ＭＱＷ導波層１０３が
成長されている。

前記ＧａＡｓ／ＡＩ　ＧａＡｓ　Ｍ　Ｑ　Ｗ導波層１０
３の上には、ストライプ状のリブ部を有するＡＩＧａＡ
ｓ（ｘ＝０．１〜０．３）クラッド／１１０４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１
０５ｂとの間には、２本の光導波路のほぼ中火に、幅が
導波路間隔に比べて充分に狭いＡ　Ｉ　Ｇ　ａＡ　ｓ障
壁部１０９が光伝搬方向ｌこ沿って形成されている。こ
こで、Ａ　Ｉ　ＧａＡ　ｓバラフッ層１０１　、　Ａｌ
ＧａＡｓクラッド層１０２、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　
Ｍ　ＱＷ導波層１０３の厚さは、それぞれ２μｍ、２μ
ｍ、１μｍ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０．５μｍ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、Ａｌ
ＧａＡｓｌＧａＡｓ障壁幅１０９２　ｐ　ｍ以下である
。このとき、ＡＩＧａＡ、ｓ障壁部１０９の幅は光導波
路幅および光導波路間隔に比べて充分に狭いので、例え
ＡｌＧａＡｓ障壁部があっても横方向（層に平行な方向
）の屈折率分布はＡｌＧａＡｓ障壁部が無い場合とほと
んど変らない。したがって光導波路を設計する際（こは
ＡｌＧａＡｓｌＧａＡｓ障壁部分０９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’１１１ｍ１１１Ａ程ＧａＡｓ（ｘ＝０．２
〜０．４）バｙファ層１０１．２μｍ程度のＡＩＧａＡ
ｓ（ｘ＝０．１〜０．３）　　クラッド層１０２．１μ
ｍ程度のＡｌＧａＡｓ　（ｘ≧０．３）バリア層を順次
成長する。その後、フォトリングラフィ法とエツチング
法を用いてＡ　Ｉ　ＧａＡ　ｓバリア層を幅０．２μｍ
以下のストライプ形状の部分（ＡＩＧａＡｓ障壁部１０
９）を残して除去する。そして再度ＭＢＥ法もしくはＭ
ＯＶＰＥ　法を用いてＡｌＧａＡｓバリア層が除去され
てＡ　Ｉ　Ｇ’＃　クラッド層１０２の表面が露出した
部分に選択的に１００Ａ程度のＧａＡｓ膜と１００Ｘ程
度のＡＩＧａＡｓ（ｘ＝０．１〜０．３　）を交互ζこ
５０周期程度積層したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　　Ｍ　
ＱＷ導波層１０３を成長してＡ　Ｉ　ＧａＡ　ｓ障壁部
１０９を埋め込み、さらにその上に１μｍ程度のＡＩ　
ＧａＡｓ　（ｘ　＝０．１〜０．３）クラッド層１０４
を成長する。その後、通常のフォトリングラフィ法とエ
ツチング法を用いて、ＡｌＧａＡｓクラッド層１０４を
幅２〜８μｍ１深さ０．５〜１μｍ程度のリプ形状に加
工する。

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
あるが、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は第一図の実施例と同様であるの
でここでは省略する。

なお、本発明は上記の実施例ｔこ限定されるものではな
い。実施例としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＭＱＷ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
てもよく、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、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ＡｌＧａＡｓ障壁部を設けたが、ＡｌＧａ
Ａｓ障壁部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Ａ　Ｉ　ＧａＡ　
ｓ障壁部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
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ非線形光方向性結合器の構造を示す斜視図、第２図は
本発明の他の実施例であるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　リ
プ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　”−ａＡＩ
ＧａＡｓノ＜ッファ層、１０２・・・・・・Ａ　Ｉ　Ｇ
ａＡ　ｓクラッド層、１０３−＝＝ＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ　　ＭＱＷ導波層、１０４・・・・・・ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層、１０５ａ、１０５ｂ−・・−・−リプ導
波路、１０９　・・＝−ＡｌＧａＡｓ障壁部、１１０ａ
、１１０ｂ・・・・・・入射側光導波路、１１１・・・
・・・入射光、１１２ａ。 １１２ｂ・・・・・・出射光、３０１・・・・・・応力
印加用Ａｕストリップ。 代理人　弁理士　　　本　庄　伸　介 第３ 図

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本の光導波路の間の導波層の一部
   の領域は他の導波層の部分よりもバンドギャップの広い
   半導体材料よりなっており、該バンドギャップの広い半
   導体材料よりなる領域の幅が前記２本の光導波路の間隔
   よりも十分に狭く、該バンドギャップの広い半導体材料
   よりなる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。