JPH03164710A - 半導体光導波路部品 - 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、半導体で構成され、かつその上部クラッド層
内にｐｎ接合面が形成されているリッジ装荷型の光導波
路を備えている半導体光導波路部品に関し、更に詳しく
は、光導波路への電圧印加または電流注入による前記光
導波路の屈折率の変化効率が太き（、しかもｐｎ接合面
を形成しているｎ型半導体層における注入キャリアの吸
収損失を小さくすることができる光導波路を備えた半導
体光導波路部品に関する。

（従来の技術） 半導体で構成した光回路部品のうち、例えば、方向性結
合器型光スイッチ、Ｘ型全反射光スイッチ、Ｙ型分岐光
スイッチ、光合分波器、光変調器のような光素子は、半
導体基板の上にリッジ状に装荷された光導波路を備え、
その上部クラッド層にｐｎ接合面が形成されている構造
になっている。

そして、このｐｎ接合面に電圧を印加することにより電
気光学効果を発揮させたり、またはｐｎ接合面に電流を
注入してプラズマ効果やバンドフィリング効果を生起せ
しめて、光が導波するコア層の屈折率を変化させること
により、光路の変更。

波長の分離１周波数や位相の変調などの機能を実現して
いる。

このような光導波路の構造を、２本の光導波路が互いに
平行に近接して形成されている方向性結合器型の光スィ
ッチの場合について、第３図に則して説明する。

第３図において、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕのような電極材料
から成る下部電極１の裏面には、ｎ”　ＧａＡｓのよう
なｎ型半導体の基板２が形成されている。

半導体基板２上には、例えば厚みが０．５μｍ程度のｎ
”　ＧａＡｓから成るバッファー層３を介して、ｎ”Ｇ
ａＡｆＡｓから成る厚み３．０μｍ程度の下部クラッド
層４．ｎ−ＧａＡｓから成る厚み１．０μｍ程度のコア
層５．Ｈ−ＧａＡｆＡｓから成るｎ型上部クラッド層６
．ｐ”　ＧａＡｆＡｓから成るｎ型上部クラッド層７が
順次積層され、リッジ状の光導波路Ａ、　　Ｂが形成さ
れている。そして、これら光導波路Ａ、　　Ｂ全体の表
面はＳｉＯｘのような絶縁薄膜８で被覆され、スイッチ
部の光導波路Ａ、　　Ｂにおける絶縁薄膜８の一部は例
えばスリット状に除去されて窓８ａ、８ｂが形成され、
この部分には例えば蒸着法によってＣｒ／ＡｕやＴｉ／
Ｐｔ／Ａｕのような電極材料から成る上部電極９ａ、９
ｂが添着されている。

このようにして、光導波路Ａ、　　Ｂの上部クラッド層
は、ｎ型上部クラッド層６とｎ型上部クラッド層７で構
成され、これら各層の界面がｐｎ接合面ＩＯを形成し、
また、ｐ型クラッド層７はそのスイッチ部において、上
部電極９ａ、９ｂと接触している。

この光スィッチの場合、例えば上部電極９ａと下部電極
Ｉの間に逆方向の電圧を印加すると、電気光学効果によ
り、ｐｎ接合面１０からコア層５側に空乏層が広がって
、コア層５の屈折率が変化する。その結果、光導波路Ａ
への光の導波は起こらず、光は光導波路Ｂのみを導波す
る。すなわち、光路変更が起こり、スイッチング動作が
発現する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記した従来構造の光スィッチにおいて、低
電圧でスイッチング動作を実現しようとしたときには、
その低電圧を印加してもコア層５の屈折率の変化効率を
最大限に発揮させるようにすることが必要である。

そのためには、コア層５におけるキャリア濃度をＩ　Ｘ
　１０　ｌＳｃｍ−’程度の低濃度状態にし、そのこと
により、印加する電圧が低電圧であってもｐｎｎ接合面
ｌ上り下方の空乏層の広がりがコア層５の全体に拡張で
きるようにすることが必要である。

したがって、ｐｎ接合面ＩＯは可能な限りコア層５に近
接させることが好ましくなる。

また、印加した電圧が全て有効にｐｎ接合面に作用する
ためには、上部電極９ａ（または９ｂ）とｎ型上部クラ
ッド層７の上面との接触はオーミック接触であることが
必要である。

このようなオーミック接触を実現するためには、ｎ型上
部クラッド層７におけるキャリア濃度を４ＸＩＯ”ｃｎ
？以上にすることが必要であるとされている。

しかしながら、ｎ型上部クラッド層７のキャリア濃度を
４　Ｘ　ｌ　ＯＩｇｃｍ−’以上の高濃度にすると、光
導波路のｐ型上部クラッド層における吸収損失は大きく
なり、長波長の光、例えば、波長１．５５μｍの光は導
波しなくなる。

また、波長が１．３μｍの光の場合は、光の導波は可能
であるが、上記したｐｎｎ接合面ｌ上コア層５に近接せ
しめたときに、光の伝搬損失は増加するという不都合が
生ずる。

このことを、下部クラッド層４がキャリア濃度Ｉ　Ｘ　
ｌ　０１７ｃｍ−”のｎ　”Ａ　ｌ　ｏ、　＋Ｇａｏ、
　５Ａｓ（厚み３．０μｍ）、コア層５がキャリア濃度
Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓ（厚みｔ、ｏμ
ｍ）、ｎ型上部クラッド層６がキャリア濃度Ｉ　Ｘ　１
０”ｃｍ−’のｎ　Ａｅ　ｏ、　＋Ｇａｏ、　Ｊｓ（厚
みを３μｍとする）、ｎ型上部クラッド層７がキャリア
濃度４　Ｘ　１０　”ｃｍ−３の（厚みは１−３μｍと
する）の光導波路の場合について、第４図に示した。第
４図から明らかなように、ｐｎ接合面ＩＯがコア層５に
近接すればするほど、伝搬損失は大きくなっている。

このように、従来構造の光導波路においては、吸収損失
を小さく抑制しなからｐｎ接合面をコア層に近接せしめ
ることにより、低電圧（したがって、小電流）でスイッ
チング動作を実現するということは不可能であった。

本発明は、上記したような問題を解決し、低電圧の印加
または小電流の注入によっても、コア層の屈折率の変化
効率が最大限に発揮できると同時に、ｐ型上部クラッド
層における吸収損失を最小限に抑制することができる構
造の光導波路を備えた半導体光導波路部品の提供を目的
とする。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明においては、下
部電極の裏面に形成されたｎ型半導体の基板の上に、ｎ
型半導体の下部クラッド層、ｎ型半導体のコア層、ｎ型
半導体の上部クラッド層。

ｎ型半導体の上部クラッド層が順次形成され、前記ｎ型
半導体の上面には、電圧印加用または電流注入用の上部
電極が添着されている少な（とも１本の光導波路を有す
る半導体光導波路部品において、前記ｎ型半導体の上部
クラッド層が、高キャリア濃度の上層と低キャリア１度
の下層との２層構造になっていることを特徴とする半導
体光導波路部品が提供される。

本発明の光導波路は、ｐ型上部クラッド層が２層構造に
なっていて、そのうちの上層はキャリア濃度の高いｎ型
半導体層からなり、下層はキャリア濃度の低いｎ型半導
体層から構成されていることを除いては、第３図で示し
た従来の光導波路の構造の場合と変わることはない。

この光導波路において、上層のキャリア濃度は約４　Ｘ
　ｌ　Ｏ”ｃｍ−’程度になっていて、下層のキャリア
濃度は約Ｉ　Ｘ　１０　”ｃｍ−”程度になっている。

（作用） 本発明の半導体光導波路部品の光導波路の場合、そのｐ
型上部クラッド層が上記構成になっているので、キャリ
ア濃度が高い上層と上部電極との間はオーミック接触が
実現して印加した逆電圧の全ては有効に作用することが
できるようになるため、低電圧の印加でも電気光学効果
によるコア層の屈折率の変化効率を最大限に発揮できる
ようになる。

また、下層のキャリア濃度は従来の場合に比べて約２桁
小さくなっているので、この下層における光の吸収損失
は小さくなり、下層の下面、すなわちｐｎ接合面をコア
層に近接せしめても、長波長の光に対するスイッチング
動作は可能になる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は、第３図に示した方向性結合器型光スイッチにおけ
る一方の光導波路に対応する光導波路の断面図である。

第１図において、下部電極ｌの裏面に形成されたｎ”Ｇ
　ａＡ　ｓ基板２の上に、厚み０．５μｍのｎ＋ＧａＡ
ｓバッファー層３を介して、ｎ　”Ａ　ｌ　ｏ、　＋Ｇ
ａｏ１Ａｓから成る下部クラッド層４（キャリア濃度ｌ
Ｘｌ０１７ｃｍ　−’　、厚み３．０　μｍ）　、ｎ−
ＧａＡｓから成るコア層５（キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０
”ｃｍ−’、厚み１．０μｍ）、ｎ　”’　Ａ　１　ｏ
、　＋Ｇａｏ、　ｓＡｓから成るｎ型上部クラッド層６
（キャリア１度Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ−”、厚み０．６μ
ｍ）を順次形成し、更にこのｎ型上部クラッド層６の上
には、ｐ　Ａ　１　ｏ、　＋Ｇａｏ、　ｓＡｓから成る
ｐ型上部クラッド層の下層７ａ（キャリア濃度Ｉ　Ｘ　
１０１７ｃｎ＋−’厚み０．７μｍ）およびり　＋Ａ　
ｌ　ｏ、　＋Ｇａｇ、　ｓＡｓから成るｐ型上部クラッ
ド層の上層７ｂ（キャリア濃度４　Ｘ　ｌ　Ｏ”ｃｒｎ
−”、厚み０．２μｍ）を順次形成し、全体の表面をＳ
ｉｎ、薄膜８で被服した。薄膜８の一部を除去して窓８
ａを形成したのち、ここにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着して
上部電極９ａを添着した。

平行して設けられる他方の光導波路も同様にして形成し
た。

上部電極９ａと上層７ｂとの間の接触状態を電極接触抵
抗測定やＩ−Ｖ特性測定によって調べたところ、オーミ
ック接触状態になっていた。

この光導波路を備えた反転Δβ方向性結合器型光スイッ
チ、−様Δβ方向性結合器型光スイッチを製作し、その
スイッチング特性と伝搬損失を波長１．３μｍの光で評
価した。比較のため、ｐ型上部クラッド層が２層構造で
はなくキャリア濃度４Ｘ　ｌ　Ｏ”ｃｍ−’、厚み０．
９μｍの１層構成の従来のものについても同様の評価試
験を行なった。

本発明の光スィッチにおける伝搬損失は約６６Ｂ／　ｃ
ｍであり、従来のものの場合は約９．５ｄＢ／ｃｍであ
った。

また、スイッチング特性の結果を第２図に示した。図中
、−〇−印は本発明の光スィッチ、・・・・・・・印は
従来構造の光スィッチの場合を示す。第２図から明らか
なように、本発明構造の光スィッチの場合は、従来のも
のに比べて、そのスイッチング電圧を約３０Ｖ低下させ
ることができる。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の半導体光導波路
部品は、下部電極の裏面に形成されたｎ型半導体の基板
の上に、ｎ型半導体の下部クラッド層、ｎ型半導体のコ
ア層、ｎ型半導体の上部クラッド層、ｎ型半導体の上部
クラッド層が順次形成され、前記ｎ型半導体の上面には
、電圧印加用または電流注入用の上部電極が添着されて
いる少なくとも１本の光導波路を有する半導体光導波路
部品において、前記ｎ型半導体の上部クラッド層が、高
キャリア濃度の上層と低キャリア濃度の下層との２層構
造になっていることを特徴とするので、低電圧（小電流
）でも上部クラッド層内のｐｎ接合面は有効に（作用）
して、コア層の屈折率変化効率を最大限に高めることが
でき、しかもｐ４゜ 型上部クラッド層における光の吸収損失も小さく、長波
光の光に対してもスイッチング動作を実現することがで
きる。

したがって、本発明の部品は、低損失であり、高電圧の
印加や大電流の注入に基づ＜ｐｎ接合面の破壊という事
態は発生せず、低消費電力で作動して信頼性の高いもの
となり、光スィッチ、光変調器のような光回路部品素子
としてその工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の部品が備えている光導波路のスイッチ
部における断面図、第２図は方向性結合器型光スイッチ
のスイッチング特性を示すグラフ、第３図は従来構造の
部品が備えている光導波路のスイッチ部における断面図
、第４図は従来構造の光導波路におけるｐｎ接合面とコ
ア層との距離伝搬損失の関係を示すグラフである。 ■・・・下部電極、２・・・ｎ型半導体の基板、３・・
・ｎ型半導体のバッファー層、４・・・ｎ型半導体の下
部クラッド層、５・・・ｎ型半導体のコア層、６・・・
ｎ型半導体の上部クラッド層、７・・・ｎ型半導体の上
部クラッド層、７ａ・・・ｐ型上部クラッド層の下層、
７ｂ・・・ｐ型上部クラッド層の上層、８・・・絶縁薄
膜、８ａ、８ｂ・・・窓、９ａ、９ｂ・・・上部電極、
１０・・・ｐｎ接合面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 下部電極の裏面に形成されたｎ型半導体の基板の上に、
   ｎ型半導体の下部クラッド層、ｎ型半導体のコア層、ｎ
   型半導体の上部クラッド層、ｐ型半導体の上部クラッド
   層が順次形成され、前記ｐ型半導体の上面には、電圧印
   加用または電流注入用の上部電極が添着されている少な
   くとも１本の光導波路を有する半導体光導波路部品にお
   いて、前記ｐ型半導体の上部クラッド層が、高キャリア
   濃度の上層と低キャリア濃度の下層との２層構造になっ
   ていることを特徴とする半導体光導波路部品。