JPH03235915A - 光機能素子 - 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】 ［概要］ 光機能素子に係り、特に光通信、光信号処理において、
波長の選択等の自由度を得るために用いられる光機能素
子に関し、 少ない発熱量で大きく屈折率を変化させることかできる
光機能素子を提供することを目的とし、多重量子井戸構
造の光導波路層と、前記光導波路層を挾むクラッド層と
、前記光導波路層の活性領域となる部位にキャリアを注
入して発光を行なう第１の電極と、前記活性領域に隣接
し、位相調整領域となる部位の前記光導波路層にキャリ
アを注入する第２の電極とを有し、前記第２の電極から
キャリアを注入して前記光導波路層の屈折率を変化させ
ることにより、前記活性領域における発光光の共振波長
特性を変化させるように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は光機能素子に係り、特に光通信、光信号処理に
おいて、波長の選択等の自由度を得るために用いられる
光機能素子に関する。

［従来の技術］ 近年、光通信の実用期を迎え、光信号の大容量化を目毒
した波長多重による通信、交換、更にコヒーレント通信
といった波長軸上の光信号の自由度を生かす試みが進ん
でいる。これに伴って波長可変性をもったレーザ光源、
波長可変フィルタ、波長変換レーザ等の光機能素子が要
求されている。

一方、光信号の処理のために光信号を一旦電気信号に変
換してしまうと、光信号における高速な変調速度での信
号処理が電気信号においても必要となり、比較的低速で
信号路を切換えるような場合でも光信号における高速な
変調速度で信号処理する必要がある。したかって、低速
でもよいから光信号のままで光路を切換えることができ
る光スィッチのような光機能素子が求められている。

また、一般に求められている光回路の機能を実現するに
は、多数の光機能素子が必要となるので個々の光機能素
子の消費電力を抑える必要がある。

屈折率の変化を利用した従来の光機能素子は、電圧印加
型（逆バイアス）と電流注入型（順バイアス）に大別さ
れる。

電圧印加型光機能素子は、電界によるフランツ・ゲルデ
イツシュ（ＦＫ）効果や電気光学（ＥＯ）効果や量子閉
込めシュタルク効果（ＱＣ８Ｅ）により屈折率か変化す
る。電圧印加型光機能素子の動作速度はＣＲ時定数によ
り制限されるため素子容量を小さくすることで高速動作
が期待できる。

しかし、電圧変化に対する屈折率の変化は小さいため、
動作に必要な屈折率変化を生ずるためには大きな電圧変
化が必要となる。

一方、電流変化型光機能素子は、注入されたキャリア（
電子又は正孔）により生ずるバンドフィリング（ＢＦ）
効果やプラズマ（ＰＬ）効果により屈折率か変化する。

動作速度はキャリアの寿命により制限されるため、数ｎ
５ｅｃ〜数十ｎ５ｅｃの応答速度であるが、屈折率変化
が電圧印加型に比べて比較的大きいという利点かある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の電流注入型の光機能素子でも依然
として注入電流に対する屈折率変化か小さいという問題
があった。大きな屈折率変化を確保するためには、注入
電流を多くする必要があり、発熱量が多くなると共に素
子が長くなるという問題があった。

本発明の目的は、少ない発熱量で大きく屈折率を変化さ
せることができる光機能素子を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の原理を第１図乃至第４図を用いて説明する。

第１図は本発明の原理構成を示す図である。クラッド層
としてのｎ型半導体層２とｐ型半導体層４の間に多重量
子井戸（ＭＱＷ）光導波路層３が挿入され、ｎ型半導体
層２下面にｎ側型［ｉ５が形成され、ｐ型半導体層４上
面にｐｍ電極６が形成された構造をしている。ｎ側電極
５とｐＯ！ｌ電極６間に電圧を印加することによりＭＱ
Ｗ光導波路層３にキャリアを注入することができる。

ＭＱＷ光導波路層３ではエネルギー状態密度が階段状に
なるためバンドフィリング効果がバルク半導体と異なる
。第２図（ａＬ　（ｂ）にバルク半導体とＭＱＷ半導体
における吸収率αの変化を示す。

同図から明らかなように、ＭＱＷ半導体ではバンド端近
傍となると吸収率αの変化が大きくなる。

吸収率ａの変化Δαと屈折率ｎの変化Δｎとの間にはク
ラマース・クロニッヒの関係が成立するから、ＭＱＷ半
導体は、第３図（ａ）、（ｂ）　Ｃ＝示すヨウに、バル
ク半導体に比べて大きな屈折率変化Δｎを得ることがで
きる。特にバンドギャップよりも小さなエネルギの光信
号に対して有効である。

第４図に、第１図の構造を用いてバルク半導体とＭＱＷ
半導体（２０ウエル）における屈折率変化Δｎ１．を測
定した結果を示す。

本発明は、キャリア注入により屈折率が大きく変化する
という上述の多重量子井戸半導体の性質を利用したもの
であり、多重量子井戸構造の光導波路層と、前記光等波
路層を挟むクラッド層と、前記光導波路層の活性領域と
なる部位にキャリアを注入して発光を行なう第１の電極
と、前記活性領域に隣接し、位相調整領域となる部位の
前記光導波路層にキャリアを注入する第２の電極とを有
し、前記第２の電極からキャリアを注入して前記光導波
路層の屈折率を変化させることにより、前記活性領域に
おける発光光の共振波長特性を変化させることを特徴と
する。

［作用］ 本発明によれば、多重量子井戸半導体の光導波路層にキ
ャリアを注入することにより、その屈折率を変化させる
ようにしているので、少ない発熱量で大きく屈折率を変
化させることができる。

［実施例］ 本発明の第１の実施例による光機能素子を第５図を用い
て説明する。

本実施例の光機能素子は電流を注入することにより波長
が変化する可変波長増幅フィルタ又は可変波長レーザと
して機能する。

光機能素子において、ｎ型ＩｎＰ基板１０上にＭＱＷ光
導波路層１２が形成されている。ＭＱＷ光導波路層１２
は、例えば約６０へ属のＩ　ｎＧａＡｓＰ井戸層（λ＝
１．５５μｍ＞と約１２０八属のＩｎＧａＡｓＰ障壁層
（λ＝１．２４μｍ）とを交互に２０層積層した超格子
構造である。

本実施例の光機能素子は光が増幅される活性領域と位相
を調整する位相調整領域とに分かれている。ＭＱＷ光導
波路層１２の活性領域のみにバルクのＩｎＧａＡｓＰ活
性層（λ＝１．５５．ｕｍ）１４が形成され、ＩｎＧａ
ＡｓＰ活性層１４及びＭＱＷ光導波路層１２の全体にｐ
型ＩｎＰ層１６が形成されている。

ｎ型ＩｎＰ基板１０下面にはｎ側型［！１８が形成され
、Ｐ型ＩｎＰ層１６上には活性領域にｐ＠第１電極２０
ａ、位相調整領域にｐ側第２＠極２０ｂが形成され、活
性領域と位相調整領域に独立に異なる電流１ａ、Ｉｂを
注入するようにしている。

ｐ間第２電極２０ｂから電流１ｂを注入することにより
、位相調整領域におけるＭＱＷ光導波路０ 層１２の屈折率を変化させて活性領域と臂開面までの光
学的長さを変化させる。これによりファブリペロ−共振
モード波長が変化する。

ｐ間第１電［ｉ　２０　ａから活性領域に注入する電流
Ｉａが闇値電流以上であれば可変波長レーザとして機能
し、閾値電流以下であれば可変波長増幅フィルタとして
機能する。

本実施例によれば、光導波路層にバルク半導体を用いた
場合に比べて約１．５倍の波長変化を実現することがで
きた。

なお、本実施例の光機能素子において活性領域のｎ型１
ｎＰ基板１０とＭＱＷ光導波路層１２の界面に回折格子
を形成するようにすれば、単一モードの分布帰還型（Ｄ
ＦＢ）可変波長レーザ又は分布帰還型＜ＤＦＢ）可変波
長増幅フィルタとなる。この場合には位相調整領域に電
流Ｉｂを注入してＭＱＷ光導波路層１２の屈折率を変化
させることにより、端面位相を調整して波長を可変する
。

本発明の第２の実施例による光機能素子を第６図を用い
て説明する。第１の実施例と同一の構成要素には同一の
符号を付して説明を省略する。

本実施例の光機能素子は可変波長レーザヒして機能し、
第１の実施例の光機能素子に分布反射器（ＤＢＲ＞領域
を設けたものである。すなわち、位相調整領域の左側の
ｎ型ＩｎＰ基板１０とＭＱＷ光導波路層１２の界面に回
折格子２２を形成して分布反射器領域とし、分布反射器
領域にも独立のＰ門弟３電極２０ｃを設ける。

Ｐ型第２電極２０ｂから注入する電流Ｉｂ及びｐ＠第３
電極２０ｃから注入する電流Ｉｃを変化させることによ
り位相調整領域及び分布反射器領域におけるＭＱＷ光導
波路層１２の屈折率を変化させてレーザの発振波長を変
化させる。

本実施例によれば、光導波路層にＭＱＷ半導体を用いた
のでバルク半導体を用いた場合より大きく波長を変化さ
せることができる。

本発明の第３の実施例による光機能素子を第７図を用い
て説明する。第１及び第２の実施例と同一の構成要素に
は同一の符号を付して説明を省略する。

１ 本実施例の光機能素子は、波長変換レーザとして機能し
、第２の実施例の光機能素子の活性領域におけるＰ間第
１電極２０ａをタンデム電極２０ａ′、２０ａ”にして
可変波長光双安定レーザとするものである。すなわち、
活性領域のｐ型１ｎＰ層１６上に２つのタンデム電極２
０ａ′、２０ａ″を設け、タンデム電極２０ａ′と２０
　ａ　″間を可飽和吸収領域とする光双安定活性領域を
形成する。

本実施例によれば、光導波路層にＭＱＷ半導体を用いた
のでバルク半導体を用いた場合に比較して少ない電流で
波長を大きく変化させることができる光双安定レーザを
実現できる。

本発明の第４の実施例による光機能素子を第８図を用い
て説明する。第１乃至第３の実施例と同一の構成要素に
は同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例の光機能素子は、分布帰還＜ＤＦＢ）活性領域
の中央に位相調整領域を挿入して可変波長増幅フィルタ
として機能させるものである。

２ ｎ型ＩｎＰ基板１０上にＭＱＷ光導波路層１２が形成さ
れ、左右の分布帰還活性領域のＭＱＷ光導波路層１２上
にバルクのＩｎＧａＡｓＰ活性層１４ａ、１４ｂが形成
されている。分布帰還活性領域におけるｎ型ＩｎＰ基板
１０とＭＱＷ光導波路層１２の界面に回折格子２２ａ、
２２ｂを形成して分布帰還活性領域とする。分布帰還活
性領域のＰ型ＩｎＰ層１６上には、それぞれｐｆｌｌｌ
電極２０ｄ、２０ｅを形成し、璧開面に無反射コーテイ
ング膜２４ａ、２４ｂを形成する。

本実施例によれば、光導波路層にＭＱＷ半導体を用いた
のでバルク半導体を用いた場合に比較して少ない電流で
波長を大きく変化させることができる。

本発明の第５の実施例による光機能素子を第９図及び第
１０図を用いて説明する。第９図は平面図であり、第１
０図（ａ）、　ｆｂ）はそれぞれＡ−Ａ線断面図、Ｂ−
Ｂ線断面図である。

本実施例の光機能素子は全反射型光スイッチの機能を有
し、ｎ型１ｎＰ基板３０上にＸ字状に交３ ４ 差したＩｎＧａＡｓＰ光導波路層３２ａ、３２ｂを形成
する。Ｘ字状光導波路層３２ａ、３２ｂの交差位置にＭ
ＱＷ反射半導体層３４を形成し、ＭＱＷ反射半導体層３
４上にｐ型１ｎＰ半導体層３６を形成する。ｎ側電極３
８はｎ型ＩｎＰ基板３０上面に形成され、ｐ制電＠４０
はＭＱＷ反射半導体層３４上方のｐ型ＩｎＰ半導体層３
６上に形成される。

Ｘ字状の光導波路層３２ａ、３２ｂの左側端部の一方が
入射口４２であり、右側端部が出射口４４ａ、４４ｂで
ある。

本実施例の光スィッチでは、ｐ側電極４０からキャリア
を注入することにより、入射口４２から入射した光を出
射口４４ａ、４４ｂのいずれかがら出射するように切換
えることができる。例えば、Ｐ制電ｔｉｆ！４０からキ
ャリアが注入されていない状態では、入射口４２から光
導波路層３２ａを通ってきた光が通過して出射口４４ａ
から出射される。

一方、ｐＨｌｌ電極４０からキャリアを注入するとＭＱ
Ｗ反射半導体層３４の屈折率が変化し、入射口４２から
光導波路層３２ａを通ってきた晃がＭＱＷ反射半導体層
３４側面で全反射して光導波路層３２ｂを通って出射口
４４ｂから出射される。

本実施例では、反射半導体層にＭＱＷ半導体を用いたの
で少量のキャリア注入により大きく屈折率を変化させて
光の経路を切換えることができる。

本発明の第６の実施例による光機能素子を第１１図を用
いて説明する。第５の実施例と同一の構成要素には同一
の符号を付して説明を省略する。

本実施例の光機能素子は方向性結合器の機能を有してい
る。ｎ型ＩｎＰ基板３０上に形成された２つの光導波路
４６ａ、４６ｂの結合位置に第５の実施例と同様にＭＱ
Ｗ反射半導体層３４を形成し、ＭＱＷ反射半導体層３４
上方にＰ側電極４０を形成する。

本実施例の方向性結合器によれば、第５の実施例の光ス
ィッチと同様にして、ｐ側電極４０からキャリアを注入
することにより、ＭＱＷ反射半導体層３４の屈折率を変
化させ、出射口４４ａ、４４ｂから出射する光のパワー
比を変化させること５ ができる。

本発明の第７の実施例による光機能素子を第１２図を用
いて説明する。第５及び第６の実施例と同一の構成要素
には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例の光機能素子はマツハツエンダ型変調器の機能
を有している。ｎ型ＩｎＰ基板３０上に、入力光導波路
４８、入力光導波路４８から分岐した分岐光導波路５０
ａ、５０ｂ、分岐光導波路５０ａ、５０ｂが合流した出
力光導波路５２を形成し、分岐光導波路５０ａ、５０ｂ
の一方に第５及び第６の実施例と同様にＭＱＷ反射半導
体層３４を形成し、ＭＱＷ反射半導体層３４上方にｐ側
電極４０を形成する。

なお、分岐光導波路５０ａ、５０ｂの両方にＭＱＷ反射
半導体層３４及びｐ側電極４０を設けてもよい。

本実施例のマツハツエンダ型変調器によれば、Ｐ側電極
４０からキャリアを注入することにより、ＭＱＷ反射半
導体層３４の屈折率を変化させて入６ 射光に対する変調度を変化させることができる。

本発明は上記実施例に限らず屈折率の変化を用いて光を
制御する素子であれば他の光機能素子にも本発明を適用
することができる。

なお、上述の第１乃至第７の実施例では本発明の特徴で
ある多重量子井戸構造の半導体層を用いているが、多重
量子井戸構造の井戸の数は２０〜３０が適当である。す
なわち、井戸の数を増加させると、光閉込め率は上昇す
るが井戸内のキャリア濃度が低下するため、屈折率が低
下してしまう。

しかし、井戸の数が２０〜３０であれば光閉込め率、キ
ャリア濃度ともに実用上十分なものが得られる。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明によれば、少ない発熱量で大きく屈
折率を変化させることができるので、動作電流を低減さ
せると共に、波長可変幅を拡大し、光機能素子の小形化
をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成を示す図、 第２図はバルク半導体とＭＱＷ半導体の吸収率の変化を
示すグラフ、 第３図はバルク半導体とＭＱＷ半導体の屈折率の変化を
示すグラフ、 第４図はバルク半導体とＭＱＷ半導体の屈折率変化の測
定結果を示すグラフ、 第５図は本発明の第１の実施例による可変波長増幅フィ
ルタ又は可変波長レーザを示す図、第６図は本発明の第
２の実施例による可変波長レーザを示す図、 第７図は本発明の第３の実施例による波長変換レーザを
示す図、 第８図は本発明の第４の実施例による可変波長増幅フィ
ルタを示す図、 第９図、第１０図は本発明の第５の実施例による光スィ
ッチを示す図、 第１１図は本発明の第６の実施例による方向性結合器を
示す図、 第１２図は本発明の第７の実施例によるマツハツエンダ
型変調器を示す図である。 図において、 ２・・・ｎ型半導体層 ３・・・多重量子井戸光導波路層 ４・・・Ｐ型半導体層 ５・・・ｎ１ＰＩ電極 ６・・・ｐ側電極 １０・・・ｎ型ＩｎＰ基板 １２・・・ＭＱＷ光導波路層 １４＝−１ｎＧａＡｓＰ活性層 １６・・・ｐ型ＩｎＰ層 １８・・・ｎ側電極 ２０ａ・・・ｐ門弟１電極 ２０ｂ・・・ｐ門弟２電極 ２０ｃ・・・ｐ門弟３電極 ２０ｄ、２０　ｅ　−ｐ側電極 ２０ａ’　、２０ａ　　・・・タンデム電極２２・・・
回折格子 ９ ２ａ、２２ｂ・・・回折格子 ４ａ、２４ｂ・・・無反射コーテイング膜０・・・ｎ型
ＩｎＰ基板 ２ａ、３２ｂ・・−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路屑４・・・
ＭＱＷ反射半導体層 ６・・・ｐ型ＩｎＰ半導体層 ８・・・ｎ＠電極 ０・・・ｐｌ！Ｉ電極 ２・・・入射口 ４ａ、４４ｂ・・・出射口 ６ａ、４６ｂ・・・光導波路 ８・・・入力光導波路 Ｏａ、５０ｂ・・・分岐光導波路 ２・・・出力光導波路 ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多重量子井戸構造の光導波路層と、 前記光導波路層を挟むクラッド層と、 前記光導波路層の活性領域となる部位にキャリアを注入
   して発光を行なう第１の電極と、前記活性領域に隣接し
   、位相調整領域となる部位の前記光導波路層にキャリア
   を注入する第２の電極とを有し、 前記第２の電極からキャリアを注入して前記光導波路層
   の屈折率を変化させることにより、前記活性領域におけ
   る発光光の共振波長特性を変化させることを特徴とする
   光機能素子。 ２、第１の光導波路と、 前記第１の光導波路と交差する第２の光導波路と、 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の交差位置に
   形成され、多重量子井戸構造を有する反射半導体層と、 前記反射半導体層にキャリアを注入する電極とを有し、 前記電極からキャリアを注入して前記反射半導体層の屈
   折率を変化させることにより、前記第１の光導波路に入
   射された光の経路を前記第１の光導波路又は第２の光導
   波路に切換えることを特徴とする光機能素子。 ３、第１の光導波路と、 前記第１の光導波路と光学的に結合した第２の光導波路
   と、 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の結合位置に
   形成され、多重量子井戸構造を有する制御半導体層と、 前記反射半導体層にキャリアを注入する電極とを有し、 前記電極からキャリアを注入して前記制御半導体層の屈
   折率を変化させることにより、前記結合位置における光
   結合強度を変化させることを特徴とする光機能素子。 ４、入力光が入射する入力光導波路と、 前記入力光導波路から分岐した複数の分岐光導波路と、 前記分岐光導波路を合流させ、出力光を得る出力光導波
   路と、 前記複数の分岐光導波路の少なくとも一つに形成された
   多重量子井戸構造の制御半導体層と、前記制御半導体層
   にキャリアを注入する電極とを有し、 前記電極からキャリアを注入して前記制御半導体層の屈
   折率を変化させることにより、入射光に対する変調度を
   変化させが出力光を得ることを特徴とする光機能素子。