JPH0262501A - 半導体可変波長フィルタ - 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〕 本発明は半導体可変波長フィルタに関する。

〔従来の技術〕

多数の互いに波長の異なる光信号の中から所望の波長の
信号だけを遷択してとり出す可変波長フィルタは、波長
分割多重光通信や波長分割光交換システムにおいて、重
要なデバイスである。このような可変波長フィルタには
、これまで種々のものが報告されているが、中でも半導
体の屈折率変化と回折格子の鈍い波長選択特性を利用し
た導波路型の半導体可変波長フィルタは、制御性の点、
小型である点と、他の素子との集積化が容易などの点で
優れている。半導体を用いた可変波長フィルタとしては
、従来次のようなものが報告されている。一つはレーザ
共振器中に回折格子を備えている分布帰還形レーザ（Ｄ
ＦＢレーザ）をレーザ発振しきい値以下で使用したフィ
ルタがある。しきい電流値以下でＤＦＢレーザに注入す
る電流を変化させると、活性領域の屈折率が変化するた
め回折格子の実効的な周期が変化し、透過する波長を制
御することができる。このＤＦＢレーザ型フィルタに関
しては例えばアプライド・フィジックス・レターズ誌（
Ｈ，Ｋａｗａｇｕｃｈｉ他、Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、Ｌｉｔｔ、５０，６６．１９８７）などに詳
しく述べられている。他の従来例としては第７図に示し
たような位相シフト回折格子フィルタがある。この可変
波長フィルタは、入射光に対して透明な（すなわち、入
射光のエネルギに対して禁制帯域が広い）光ガイド層１
３０に注入する電流によって、この層の屈折率を変化さ
せ、回折格子１９０の実効的な周期を変えている。光ガ
イド層１３０の境界面に設けられた回折格子１９０には
中央部に回折格子周期が半周期ずれた位相シフト部１８
０が設けられているので、入射光に対して狭帯域の透過
特性が得られる。光ガイド層１３０は上下を禁制帯幅の
大きなｎ形およびｎ形の半導体１００゜２００　（ｐ影
領域１００、ｎ影領域２００）ではさまれている。第１
の従来例と異なる点は、このフィルタが利得を生じる活
性層を有していないことで、これにより、波長可変範囲
が大きくとれる。このフィルタに関しては沼居らにより
３６２年秋電子情報通信学会半導体、材料部門全国大会
講演論集２−１２１に述べられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来例に示したような半導体可変波長フィルタには次の
ような問題点があった。まず第１の従来例であるＤＦＢ
レーザ型のフィルタでは、フィルタ特性が入射光強度に
よって大きく劣化するという問題があった。すなわち入
射光強度が大きくなると、透過帯域幅が広がる。これは
このフィルタが利得を有しており、しかも利得の高いし
きい値付近の電流でのみ狭い透過帯域が得られるので、
入射光強度が大きくなると、入射光によって屈折率が変
化し、利得の非対称化（つまり透過帯域幅の拡大）が生
じるためである。次に第２の従来例である位相シフト回
折格子フィルタでは、大きな消光比がとれないという欠
点がある。このフィルタでは利得がないために、ＤＦＢ
レーザ型フィルタのように、入射光強度によって透過帯
域幅が変化することはないが、逆に利得がないため、電
流注入によって屈折率の変化と同時に自由電子吸収によ
る吸収損失が増大する。吸収損失が増大するとフィルタ
の透過特性が劣化する。すなわち、出力の減少、消光比
の劣化、透過帯域幅の拡大が生じる。実際、このフィル
タでは５ｄｌｌ程度の消光比しか得られていない。吸収
損失の増大による特性劣化を小さくするためには、フィ
ルタ（素子）の長さを短くして、吸収損失の影響を小さ
くすればよいが、素子長を短くすると、回折格子の効果
が低下しするどい透過特性が得られなくなる。そこで、
回折格子の結合係数を大きくする必要があるが、従来例
のような構造、すなわち回折格子が半導体内に埋め込ま
れているような構造では、結合係数を大きくすることに
は限界があった。実際得られている結合係数は１００ｃ
ｍ−１以下である。しかし、このタイプのフィルタにお
いて十分な消光比を得るなめには、２００〜３００ｃｍ
−’以上の大きな結合係数が必要であり、従来の構造で
は実現困難であった。

本発明の目的はこれらの問題を改善し、狭い透過帯域幅
が得られ、消光比が大きく、かつ波長チューニング時や
入射光強度が強い時にも、フィルタ特性が大きく劣化し
ない半導体可変波長フィルタを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕 本発明の可変波長フィルタは４種類あり、それは、 （１）１回折格子による波長選択性を利用した導波路形
半導体波長フィルタであって、禁制帯幅の広い半導体層
によって囲まれたストライブ状の光ガイド領域を少くと
も含み、前記光ガイド領域のストライプにそった半導体
表面に回折格子が形成されており、かつ、前記光ガイド
領域の両側にｐ形およびｎ形半導体層が形成されており
、かつ前記光ガイド領域の禁制帯幅が入射光のエネルギ
より大きいことを特徴とする構成のものと、（２）、（
１）に記された半導体可変波長フィルタの前記回折格子
の中央部に回折格子周期がずれた位相シフト部が設けら
れており、かつ前記光ガイド層に液注入が可能なことを
特徴とする構成のものと、 Ｄ）、（１）に記された半導体可変波長フィルタの前記
光ガイド領域のストライプの中央付近にのみ電流注入が
可能なことを特徴とする構成のものと、 （４）、（＋）に記された半導体可変波長フィルタの前
記光ガイド領域にそったストライブの中央付近に入射光
に対して利得を有する活性層が形成されており、前記活
性層に電流注入が可能なことを特徴とする構成のもので
ある。

〔実施例〕

次に図面により本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の可変波長フィルタの実
施例（第１実施例）を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ
）は光軸にそった断面図である。

基本的な動作原理は第２の従来例で述べた位相シフト回
折格子フィルタと同じである。この実施例の特徴は光ガ
イド層１３０とクラッド層１４０から成る光ガイド領域
に設けた回折格子１９０が従来例のように半導体層内に
埋め込まれておらず、素子表面に形成されている点であ
る。回折格子の結合係数は回折格子１９０の形成されて
いる面の両側にある物質の屈折率差が大きいほど大きな
値となる。従来例の場合は両側の物質がともにＩｎＰと
ＩｎＧａＡｓＰという半導体であり、その屈折率差は１
０％程度であった。一方、第′１図の実施例の場合は片
側が半導体（この場合はＩｎＰクラッド層１４０）　、
もう片側が空気であるため、屈折率は１対３と非常に大
きい、したがって、同じ深さの回折格子１９０を形成し
た場合でも従来例と比べて結合係数は非常に大きくなる
。このため、素子の長さを短くしても十分大きな消光比
がとれ、電流注入による吸収損失増大の影響も低減でき
る。

ただしこの場合には、従来例と違って光ガイド層１３０
の層に垂直方向に電流注入することができない。そこで
本発明では、第１図（ａ）に示したように光ガイド層１
３０に横方向から電流注入を同う構造となっている。具
体的にはストライブ状の光ガイド層１３０を両側から光
ガイドＦＪ１３０より禁制帯幅の広いｐ影領域１００と
ｎ影領域２００で埋め込むことによって横方向からの電
流注入を可能にしている。基板１１０は半絶縁性の半導
体基板を用いているので、横方向がら光ガイド層１３０
にのみ有効に電流が注入される。注入された電流によっ
て光ガイド層１３０の屈折率が変化し、実効的な回折格
子１９０の周期が変化し、透過波長が変化する点は従来
例と同じである。素子の中央部には、回折格子１９０の
周期が半周期ずれた位相シフト部１８０が存在する点も
従来例と同じである。

以下、具体的な製造手順と素子特性について述べる。成
長はすべて有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ成長）によっ
て行った。まず、半絶縁性ＩｎＰ基板１１０の上に、Ｉ
ｎＰバッファ層１２０、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（λ
、　＝１４　μｍ）　１３０、ＩｎＰクラッド層１４０
を順次成長する。次に干渉露光法を用いて位相シフト部
１８０を有する周期２４０ｎｍの回折格子１９０をＩｎ
Ｐクラッド層１４０の全面に形成する。次に５ｉ０２膜
をマスクとしてｎ影領域２００に相当する部分を選択的
にエツチングした後、同じ５ｉ０２マスクを用いて、エ
ツチング除去した領域にｎ形１ｎＰ層を選択的に成長し
てｎ影領域２００を形成する。マスクを除去した後、再
び同様の工程によって、今度はｐ形ＩｎＰ層を選択的に
成長してｐ影領域１００を形成する。最後にそれぞれの
領域１００，２００に電極３００をつけ、へき開によっ
て素子を切り出し、両端面にＳｉＮ膜をつけ無反射コー
ト膜１７０とする。素子の長さは１００μｍ、光ガイド
層１３０の幅と厚さはそれぞれ２μｍと０．４μｍ、回
折格子１９０の深さは０．１μｍである。結合係数は約
、４００ｃｍ−１であった。

第２図はこの可変波長フィルタの透過特性の例を表わし
ている。電流を長さない時には１．５５μｍ付近にある
ストップバンドの中央に鋭い透過ピークが存在する特性
を示し、電流の増加とともに透過ピークは短波長側にシ
フトした。５０ｍＡの電流で２ｎｍのチューニングが可
能であった。この時透過ピーク波長での透過損失は１０
ｄＢ以下で、帯域幅も０．１ｎｍ以下に保持されていた
。、最大の消光比として２０ｄｌ１以上の値が得られた
。また、１．５５μｍ付近で１０波長の信号の選択が可
能であった。

第３図は本発明の可変波長フィルタの第２実施例を示す
図である。位相シフト部を含む回折格子が素子表面のＩ
ｎＰクラッド層に形成されている点は第１実施例と同じ
であり、これによって大きな結合係数が得られる。第１
実施例と異る点は、光導波路の構造としてリッジガイド
型を用いている点である。すなわち回折格子１９０の形
成されたクラッド層１４０のみがストライプ状に形成さ
れており、光ガイド層１３０は全面に形成されている。

電流注入を行うためのｐ影領域１００とｎ影領域２００
はここではイオン注入によって形成している。製造手順
は次の通りである。まず半絶縁性１ｎＰ基板１１０の上
にＩｎＰバッファ層１２０、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
１３０、ＩｎＰクラッド層１４０を順次ＭＯＶＰＥ成長
によって成長する。次に干渉露光法によって全面に位相
シフト回折格子１９０を形成する。ここまでは第１実施
例と同じである。次に、ストライプ領域を残して、クラ
ッド層１４０を選択的に除去する０次に、ｐ影領域１０
０とｎ影領域２００に該当する領域にそれぞれ別々にイ
オン注入によって不純物をドーピングしてｐ影領域１０
０、ｎ影領域２００を形成する。ρ影領域１００．ｎ形
領域２００に電極３００をつけた後、素子を切り出し、
端面に無反射コート膜１７０を形成する。フィルタの特
性としては第１実施例のものとほぼ同様な特性が得られ
、やはり１．５５μｍ付近で１０波長の信号選択が可能
であった。

第４図は本発明の可変波長フィルタの第３実施例を示す
斜視図である。素子のストライブ中央付近に位相制御領
域４００が設けられており、この領域の光ガイド層１３
０にのみ電流注入が可能である０回折格子１９０が素子
表面に形成されている点は第１実施例と同じであるが、
位相シフト部１８０の変わりに設けられた位相制御領域
４００には回折格子１９０が形成されていない。

第５図は本発明のフィルタ特性を表す図である。やはり
ストップバンド内で実線のような鈍い透過ピークが現わ
れている。位相制御領域４００の光ガイド層１３０に電
流を注入すると、この領域の屈折率が変化し、両側の回
折格子１９０の間の実効的な位相関係が変化するため、
ストップバンド内に現われる透過ピークが第５図の破線
のようにシフトする。これによって透過波長を制御する
ことができる。波長チューニングの原理は第１および第
２実施例と若干具なるが、ここでも良好なフィルタ特性
を得るためには大きな結合係数が必要である。製造手順
は第１の実施例とほとんど同じである。ストライブ中央
の位相制御領域４００の光ガイド層１３０にだけ電流を
注入するために、この位相制御領域にのみ電極３００を
設け、位相制御の両側の領域との電気的な分離は図のよ
うな分離溝５００によって行っている。素子の長さは全
体で１５０μｍ位相制御領域４００の長さが５０μｍで
ある。第５図に示したように電流を注入した時、透過ピ
ーク波長はストップバンドの長波長側から短波長側にシ
フトした。電流を注入すると吸収損失の増大によってや
はり、透過強度の減少と透過帯域幅の増大が若干生じる
がその程度は小さい、実際２ｎｍのチューニング時に帯
域幅は０．１５ｎｍ以下に保持されていた。

第６図は本発明の可変波長フィルタの第４実施例を示す
光軸方向の断面図である。素子の動作原理および素子構
造は第４図の第３実施例とほぼ同じである。第３実施例
との違いは、位相制御領域４００に光ガイド層１３０の
他に、入射光に対して利得を有する活性層１５０が存在
することである。この活性層１５０に横方向から電流注
入を行うことによって、屈折率を変え、両側にある回折
格子１９０の間の実効的な位相関係を変化させ、ストッ
プバンド内に現われる透過ピークが変化する。この構造
では位相制御の領域４００が利得を有しているため、第
５図のような電流注入による透過強度の減少は生じず、
むしろ若干の透過強度の増大゛が生じる。また透過帯域
幅も増大しない。

本実施例は従来例のところで述べたＤＦＢレーザ型フィ
ルタと同様に利得を有する活性層１５０を有しているが
、ＤＦＢレーザ型フィルタと違って、活性層１５０のあ
る位相制御領域４００が全体の長さの一部分しかなく、
またしきい値よりかなり小さな注入電流でも鋭い透過ピ
ークが得られるため、入射光強度が増大した場合にも透
過帯域幅の広がりはほとんど生じない、製造手順のうち
第３実施例と異なる点は次の点である。まず第１回目の
成長によってＩｎＰバッファ層１２°０、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ　ｆｇ性層（λ、　＝１．５４μｍ）　１５０．　Ｉ
ｎＰ保護層１６０を順次成長した後、位相制御領域４０
０以外の保護層１６０と活性層１５０を選択的に除去す
る０次に２回目の成長によって全体にＩｎＧａ＾ｓＰ光
ガイド層（λ、　＝１ｊ　μｍ）　１３０とＩｎＰクラ
ッド層１４０を成長する。以下の位相制御領域４００に
のみ横方向から電流注入が可能なように電極を形成する
までの工程は、第３実施例と同じである。全体の長さ１
５０μｍ、位相制御領域４００の長さ５０μｍの素子で
、２ｎｍ以上の透過ピークのチューニングが可能であっ
た。この時帯域幅は０．１ｎｍ以下、透過損失は５ｄｂ
以下であった。

以上４つの実施例について詳細を述べてきたが、ここで
、若干の補足をしておく。まず第３実施例と第４実施例
では横方向がら電流を注入する構造として、第１実施例
と同じ横方向を選択成長による埋め込み構造としたが、
いずれも第２実施例のようなりッジガイド構造にしても
よい、また、すべての実施例とも他の横モード制御構造
、例えば基板にあらかじめ溝を設けておき、導波路部分
の光ガイド層だけを厚くしたような、いわゆるｃｓｐ　
（チャネルサブストレイトプレーナ）構造などでもよい
。実施例ではすべて半導体上に形成された回折格子の上
には何も保護膜がつけられていなかったが、例えば５ｉ
０２膜のような保護膜を回折格子の上につけてもやはり
大きな屈折率差がとれるので、本発明の効果はほとんど
変らない。

また実施例ではＭＯＶＰＥ法を用いて成長を行ったが、
液相エピタキシャル成長法など他の成長法を用いても実
現できる。さらに別の波長帯やＡＩＧａＡＳ系など他の
材料系の素子に対しても同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によれば、従来ではでき
なかったような大きな回折格子の結合効率が得られるな
め、狭い透過帯域幅と大きな消光比が得られ、かつ波長
チューニング時にもフィルタ特性が大きく劣化しない半
導体可変波長フィルタが得られる。実際第１実施例に示
した゛ような光ガイド層への電流注入によって実効的な
回折格子周期を変化させる位相シフト回折格子型フィル
タでは、入射光波長が１．５５μｍ付近で透過帯域幅を
０．１ｎｍ以下に保持したまま２ｎｍの波長チューニン
グが実現できな。最大の消光比は２０ｄＢ以上あり、１
０波長の信号の選択が可能であった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は第１実施例を表す斜視図、第１図（ｂ）
はその光軸方向の断面図、第２図は第１実施例のフィル
タ特性を表す図、第３図は第２実施例を表す斜視図、第
４図は第３実施例を表す斜視図、第５図は第３実施例の
フィルタ特性を表す図、第６図は第４実施例を表す断面
図、第７図は従来例を表す図である。 １００−ｐ影領域、２００　・・−ｎ影領域、３００・
・・電極、４００・・・位相制御領域、５００・・・分
離溝、１１０・・・基板、１２０・・・バッファ層、１
３０・・・光ガイド層、１４０・・・クラッド層、１５
０・・・活性層、１６０・・・保護層１７０・・・無反
射コート膜、１８０・・・位相シフト部、１９０・・・
回折格子。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）回折格子による波長選択性を利用した導波路形半
   導体波長フィルタであって、禁制帯幅の広い半導体層に
   よって囲まれたストライプ状の光ガイド領域を少くとも
   含み、前記光ガイド領域のストライプにそった半導体表
   面に回折格子が形成されており、かつ、前記光ガイド領
   域の両側にｐ形およびｎ形半導体層が形成されており、
   かつ前記光ガイド領域の禁制帯幅が入射光のエネルギよ
   り大きいことを特徴とする半導体可変波長フィルタ。
2. （２）第（１）項に記された半導体可変波長フィルタで
   あって、前記回折格子の中央部に回折格子周期がずれた
   位相シフト部が設けられており、かつ前記光ガイド領域
   に電流注入が可能なことを特徴とする半導体可変波長フ
   ィルタ。
3. （３）第（１）項に記された半導体可変波長フィルタで
   あって、前記光ガイド領域のストライプの中央付近にの
   み電流注入が可能なことを特徴とする半導体可変波長フ
   ィルタ。
4. （４）第（１）項に記された半導体可変波長フィルタで
   あって、前記光ガイド領域にそったストライプの中央付
   近に入射光に対して利得を有する活性層が形成されてお
   り、前記活性層に電流注入が可能なことを特徴とする半
   導体可変波長フィルタ。