JPH03282428A - 光機能素子およびその駆動方法 - 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） 本発明は新規な構造の光機能素子とその駆動方法に関し
、更に詳しくは、光モードスプリッタや光スィッチとし
て有用な光機能素子に関する。

（従来の技術） 半導体材料で構成する光機能素子としては、例えば、光
モードスプリッタ、光スィッチ、光変調器、光合分波器
などが研究の対象になっている。

これらのうち、光モードスプリッタについて、従来例を
図面に則して説明する。

まず、第６図は、Ｍ、　ＫｏｂａｙａｓｈｉらがＡｐｐ
ｌ。

Ｐｈ１ｓ、Ｌｅｔｔ、、ｖｏｊ７３２．ｐｐ３００〜３
０２（１９７Ｂ）で提案した光モードスプリッタを示す
概略斜視図である。

この光モードスプリッタは、光導波路がＳｉＯ＊Ｔａ２
０５のガラス系材料で構成されていて、基板１の上に２
次元導波路として導波層２．介在層３を順次堆積し、こ
の介在層３の上に薄膜導波層４を所定の角度で傾斜せし
めて形成し、光を図のＺ方向から入射して光のＴＥモー
ドとＴＭモードを分離するものである。すなわち、Ｚ方
向から導波層２に光を入射すると、薄膜導波層４の傾斜
がもたらすモード選択条件を満たして、入射光のうちの
ＴＥモード５ａが薄膜導波層４と結合し、１Ｍモード５
ｂは薄膜導波層４と結合することなくそのまま直進して
いく。したがって、ＴＥモード５ａと１Ｍモード５ｂが
分離される。

第７図と第８図は、Ｍ、ＫｕｓｕｄａとＧ、Ｌ、Ｙｉｐ
がＡｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、ｖｏｆｆ３７゜ｐ
ｐ２０〜２２（１９８０）で提案した光モードスプリッ
タを示す。

この光モードスプリッタにおいては、まず、ＬｉＮｂＯ
３系の材料を用いてＹ分岐する多モード導波路が形成さ
れている（第７図）。そして、第７図の■−■線に沿う
断面図である第８図に示したように、主路６の一部と一
方の分岐導波路（図では６ｂ）にＡ　ｌ　ｔ　Ｏｓ層の
ようなバッファ層７を介在せしめることにより、分岐導
波路６ａと分岐導波路６ｂの等価屈折率を相違させ、ま
た、第８図のように一組の電極８ａ、８ｂを添着して両
電極間に電圧印加ができるようになっている。

今、分岐導波路６ａの等価屈折率をｎｌ＋分岐導波路６
ｂの等価屈折率をＢ２とし、またｎｌ＜Ｂ２とする。

この状態で、主路６にＴＥモードとＴＭモードが共存す
る光を入射する。分岐導波路６ｂの等価屈折率が分岐導
波路６ａのそれよりも大きいので、入射した光は分岐導
波路６ｂに閉じ込められそこから出射する。

しかし、ここで電極８ａ、８ｂ間に電圧を印加すＳと、
電気光学効果により、分岐導波路６ｂの等価屈折率はＴ
Ｅモートに対してのみ低下する。

したがって、印加電圧値がこの屈折率低下をＩｎ＋ｎ！
　１より大きくすると、それより高い印加電圧値におい
ては、主路６に入射した光のＴＥモードは等価屈折率が
分岐導波路６ｂよりも大きくなっている分岐導波路６ａ
に閉じ込められそこから出射することになる。一方、入
射光のうちのＴＭモードに対しては、分岐導波路６ａと
分岐導波路６ｂの等価屈折率は何ら変化しないので、Ｔ
Ｍモードは分岐導波路６ｂを導波して出射していく。

このようにして、電極からの電圧印加により、入射光を
ＴＥモードとＴＭモードに分離することができる。

第９図は、Ｍ、　Ｅ　ｒｍａｎらが、１５ｔｈ　　ＥＣ
０Ｃ。

ＴｈＢ２０−１　　（１９８９）で提案した光モードス
プリッタの概略斜視図である。

この光モードスプリッタは、半導体材料を用いることに
より、互いに平行配置された２本の導波路９ａ、９ｂで
方向性結合器型の光導波路を形成し、一方の導波路（図
では９ｂ）の上面に単に金属層ＩＯを被覆形成したもの
である。

このようにすると、導波路９ａと導波路９ｂの間では、
ＴＥモードとＴＭモードに対する等価屈折率が相違する
ようになる。

したがって、導波路９ａにＴＥモードとＴＭモードか共
存する光を入射すると、金属層１ｏが被覆されている導
波路９ｂにはＴＥモードか結合して、ＴＥモードは導波
路９ｂを導波してそこから出射する。しかし、ＴＭモー
ドは導波路９ｂに結合することがないため、導波路９ａ
からそのまま出射していく。すなわち、ＴＥモードとＴ
Ｍモードは分離される。

次に、光スィッチのうち方向性結合器型のものにつき説
明する。

第１０図は一様Δβ型の光スィッチの概略平面図である
。この光スィッチの場合には、図示しない基板の上に、
２本の光導波路１１．１２か配置されていて、光導波路
１１ａと光導波路１２ａは互いにエバネッセント結合す
るように近傍して平行装置され、図の点線で囲んだ領域
Ａが結合部になっている。

そして、いずれか一方の光導波路（図では１ｌａ）の上
には電極１３が形成されていて、この電極１３から電圧
印加や電流注入ができるようになっている。

この光スィッチの場合、例えば、光導波路１２の上流側
端部１２ｂから光を入射して電極１３を無駆動状態にし
ておくと、光は、結合部Ａにおいて、光導波路１１ａと
結合して光導波路１１の下流側端部１１ｃから出射する
。すなわち、上流側端部１２ｂから入射した光は光導波
路１１の下流側端部１１ｃから８射して、光導波路１２
の下流側端部１２ｃからは出射しない。

しかし、電極１３から例えば電流注入して光導波路１１
ａの等偏屈折率を低下せしめると、光導波路１２の上流
側端部１２ｂから入射した光は、光導波路１１ａと結合
することなく、光導波路１２ａを通り下流側端部１２ｃ
からのみ出射する。すなわち、電極１３からの電流注入
により、光の出射は、下流側端部１１ｃから下流側端部
１２ｃへと変更され、ここにスイッチング機能が発現す
る。

しかしながら、この−様Δββ型光ビイソチを機能させ
るためには、電極１３の無駆動状態において、２本の光
導波路１１．１２の下流側端部１１ｃ。

１２ｃの出射比率をｌ：０（または０：１）に予め調整
しておくことが必要である。そのことは、結合部Ａにお
ける各光導波路１１ａ、１２ａの長さや相互間の距離を
厳密に制御することによって可能となる。しかしながら
、結合部Ａの長さを高い精度で形成することは、現在の
フォトリソグラフィー技術の水準では非常に困難である
。そのため、−様Δβ型光スイッチの場合には、光結合
の過程で不可避的に漏話が生してしまう。

−様Δβ型光スイッチの上記した問題を解消するものと
して、第１１図の概略平面図で示したような反転Δβ型
光スイッチが提案されている。

この光スィッチの結合部Ａにおいては、光導波路１１ａ
の下流側部分１１ｄと光導波路１２ａの上流側部分１２
ｄの上に、互いに点対称となるように、電極１３ａと電
極１３ｂがそれぞれ形成され、この電極１３ａ、１３ｂ
は導通部１３ｃを介して互いに導通状態にある。なお、
この構造において、電極１３ａは光導波路１１ａの上部
側部分１１ｅに形成され、また電極１３ｂは光導波路１
２ａの下流側部分１２ｅに形成されていてもよい。

この構造の光スィッチは、−様Δβ型光スイッチの場合
と異なり、結合状態が結合部Ａの初期状態によって規制
されることはない。

そして、まず、電極１３ａ、１３ｂを無駆動状態にして
、例えば光導波路１２の上流側端部１２ｂから光を入射
すると、結合部Ａで光は光導波路１１ａと結合してそこ
に閉じ込められ、下流側端部１１ｃから出射する。

ついで、電極１３ａ（１３ｂ）に電圧印加または電流注
入を行うと、ある電圧値または電流値で光導波路１１ａ
と光導波路１２ａの間ではクロス状態が形成され、更に
その値が増加すると、スルー状態を経たのちスイッチン
グ動作が発現する。

すなわち、電極１３ａ（１３ｂ）からの電圧印加や電流
注入により、全体のΔβが反転して、上流側端部１２ｂ
から入射した光は、下流側端部１１ｃから下流側端部１
２ｃへの畠射端が変更する。

（発明が解決しようとする課題） 上記した各光機能素子において、まず、第６図で示した
光モードスプリッタは集積化に不適であると同時に、導
波層、介在層、薄膜導波層などの堆積を高精度で行うこ
とが困難であり、そのため、素子の縦方向（厚み方向）
におけるモート結合条件を適切に実現することは困難で
ある。

また、第７図で示した構造のものは、集積化が困難であ
るとともに、単一モード通信にとって不適であるという
問題がある。

更に、第９図で示した光モードスプリッタにおいては、
結合部の長さがＴＥモードに対する完全結合長と等しく
なければ機能しないので、その機能実現のためには極め
て高い寸法精度で結合部を形成しなければならない。

いずれの場合であっても、上記した光モードスプリッタ
の場合、モードの分離効率が悪く、高い消光比が得られ
ないという難点がある。

また、上記した反転Δβ型光スイッチの場合、たしかに
結合状態は結合部の初期状態と無関係に制御することが
可能である。しかし、一般に、クロス状態の形成に要す
る電圧値や電流値はそれほど大きな値ではないが、スル
ー状態を実現するための電圧値や電流値は可成り大きい
値となる。

そのため、光導波路を構成している半導体において高消
費電力の導入による発熱によりｐｎ接合の破壊が起こり
やすく素子寿命の短縮化がまぬがれない。

本発明は上記したような問題を全て解決することができ
る光機能素子とその駆動方法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、半
導体材料から成る２本の光導波路が互いにエバネッセン
ト結合して平行配置されている結合部を有する方向性結
合器型の光機能素子において、一方の光導波路の上流側
部分と他方の光導波路の下流側部分とには互いに導通し
て電圧印加用電極がそれぞれ形成され、また、前記一方
の光導波路の下流側部分と前記他方の光導波路の上流側
部分とには互いに導通し、かつ、前記電圧印加用電極と
導通ずることなく電流注入用電極がそれぞれ形成されて
いることを特徴とする光機能素子が提供され、また、前
記電流注入用電極から所定値の電流を光導波路に注入し
て光導波路間でクロス状態を形成し、ついで前記クロス
状態を維持しつつ、前記電圧印加用電極に所定値の電圧
を印加してＴＥモードのみのスルー状態を形成すること
により、光導波路に入射せしめた光のＴＥモードとＴＭ
モードを分離することを特徴とする前記光機能素子の駆
動方法が提供され、更に、前記電圧印加用電極から所定
値の電圧を印加して光導波路間でクロス状態を形成し、
前記クロス状態を維持しつつ、前記電流注入用電極から
所定値の電流を注入して、光導波路に入射する光のＴＥ
モードの光路変更を行わせることを特徴とする前記光機
能素子の駆動方法が提供される。

（作用） まず、本発明の光機能素子は半導体材料から成る方向性
結合器型のものであって、その光導波路はｐｎ接合構造
になっている。

このｐｎ接合構造の光導波路に所定値の電流を注入する
と、光導波路では、プラズマ効果やバンドフィリング効
果が生じてその屈折率が小さくなる。そして、上記効果
は、ＴＥモード、ＴＭモードのいずれに対しても発現し
て偏波無依存である。

一方、ｐｎ接合構造の光導波路に所定値の電圧を印加す
ると、その光導波路では、電気光学効果が生じてその屈
折率が大きくなる。そして、上記効果はＴＥモードに対
してのみ発現する偏波依存性の特性である。

本発明の光機能素子は上記した効果を利用することによ
り駆動させる。

この光機能素子においては、結合部の２本の光導波路に
反転Δβ構造で電流注入電極と電圧印加電極が形成され
ている。

したがって、ＴＥモードとＴＭモードが共存する光を光
導波路の一方に入射した状態において、まず、電流注入
電極から電流を注入すると、電極の直下に位置する光導
波路の間でクロス状態が形成され、光は他方の光導波路
からのみ出射する。

このとき、出射する光はＴＥモードとＴＭモードが共存
する光である。

ついで、その状態を保持し、すなわち、その状態を維持
する電流を電流注入用電極−から注入しつつ、更に電圧
印加用電極から電圧印加を行うと、電極直下に位置する
光導波路の間で電気光学効果が起こってＴＥモードに対
する屈折率が増加するようになる。

その結果、光導波路間ではＴＥモードのみに対するスル
ー状態が発現し、入射した光のうちＴＥモードは光を入
射した光導波路から出射し、ＴＭモードは他方の光導波
路からのみ出射する。

このように、本発明の光機能素子を上記したように駆動
せしめることにより、それを光モードスプリッタとして
使用することができる。

また、この光機能素子の一方にＴＥモードの光を入射し
た状態で電圧印加用電極から所定電圧を印加すると、電
極直下の光導波路間はクロス状態となり、ＴＥモードは
他方の光導波路と結合してそこから出射する。

そして、この状態を保持して電流注入用電極から所定値
の電流を注入すると、その電極直下の光導波路の屈折率
は低下するので、光を入射した一方の光導波路がスルー
状態となる。その結果、他方の光導波路から出射してい
たＴＥモードは、入射した一方の光導波路から出射する
ように光路変更する。かくして、スイッチング動作が発
現する。

このように、本発明の光機能素子を駆動することにより
、この光機能素子を方向性結合器型光スイッチとして使
用することができる。

（実施例） 以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明の光機能素子の概略平面図である。

図において、後述する断面構造を有する光導波路２１．
２２が、その結合部Ａにおいては、各光導波路部分２３
．２４が互いにエバネッセント結合するように近傍して
平行配置されている。

光導波路部分２３の上流側部分２３ａと他方の光導波路
部分２４の下流側部分２４ｂの上には、それぞれ、電流
注入用電極２５ａ、２５ｂが互いに導通部２５ｃで導通
ずる状態で形成され、これら電極２５ａ、２５ｂからは
光導波路部分２３の上流側部分２３ａと光導波路部分２
４の下流側部分２４ｂに電流注入ができるようになって
いる。

また、光導波路部分２３の下流側部分２３ｂと光導波路
部分２４の上流側部分２４ａの上には、それぞれ、電圧
印加用電極２６ａ、２６ｂが互いに導通部２６ｃで導通
ずる状態で、しかし、電流注入用電極２５ａ、２５ｂと
は導通することのない状態で形成され、これら電極２６
ａ、２６ｂから光導波路部分２３の下流側部分２３ｂと
光導波路部分２４の上流側部分２４ａに電圧印加ができ
るようになっている。

なお、本発明においては、電極２５ａ、２５ｂを電圧印
加用、電極２６ａ、２６ｂを電流注入用にしてもよい。

つぎに、この光機能素子の断面構造は、第１図の■−■
線に沿う断面図である第２図で示すとおりである。

すなわち、まず、例えば、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成る
下部電極３１の上に、ｎ　”Ｇ　ａＡ　ｓから成る基板
３２、同じ（ｎ”ＧａＡｓからバッファ層３３が形成さ
れている。そして、このバッファ層３３の上にはｎ”Ａ
ｌＧａＡｓから成る下部クラッド層３４゜ｎ−ＧａＡｓ
から成るコア層３５が順次形成され、更に、コア層３５
の上には上部クラッド層３６がリッジ状に形成されてい
る。この上部クラッド層３６は、ｎ−ＡｌＧａＡｓから
成るクラッド層３６ａおよびｐＡＩＧａＡｓから成るク
ラッド層３６ｂと、このクラッド層３６ｂの上に形成さ
れるｐ　”Ｇ　ａＡ　ｓの層３６ｃから構成され、クラ
ッド層３６ａとクラッド層３６ｂの界面がｐｎ接合界面
になっている。

そして、上部クラッド層３６の上面は３ｉＣｈのような
絶縁膜３７で被覆され、その上部には窓３７ａが形成さ
れたのち、ここに例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着して上
部電極２５ａ、２６ｂを形成し、全体が結合部Ａにおけ
る光導波路部分２３．２４になっている。

なお、このように半導体を積層して光導波路部分２３．
２４を構成する場合には、その光導波路の配置は、各層
の半導体の結晶面（１００）上に、方向＜０１．１＞と
平行な方向となるようにする。

このような構成にしないと、前記した電流注入によるプ
ラズマ効果やバンドフィリング効果、電圧印加による電
気光学効果が発現しないからである。

この光機能素子の駆動方法と効果を次に説明する。まず
、光モードスプリッタとして駆動する場合を説明する。

電極２５ａ、２５ｂにます順方向電流を注入すると、そ
の直下に位置する光導波路部分の上流側部分２３ａ、下
流側部分２４ｂの間ではクロス状態が形成され、例えば
光導波路２１の上流側端部２１ａから入射した光（ＴＥ
モードとＴＭモードが共存）は光導波路２２の下流側端
部２２ｂからのみ出射する。

この状態を保持して、電極２６ａ、２６ｂから逆電圧を
印加すると、その直下に位置する光導波路部分の下流側
部分２３ｂ、上流側部分２４ａでは電気光学効果が発現
して、ＴＥモードに対してのみスルー状態になって下流
側端部２１ｂからＴＥモードが出射する。

したがって、光導波路２１の下流側端部２１ｂからはＴ
Ｅモードが、光導波路２２の下流側端部２２ｂからはＴ
Ｍモードが出射して、光モードが分離される。

この状態の１例を第３図に示す。すなわち、本発明の光
機能素子においては、クロス状態時の注入電流値はｌＯ
ｍＡで、そのときのＴＭモードの消光比は２０ｄＢであ
り、またスルー状態時における印加電圧は２３Ｖで、そ
のときのＴＥモードの消光比は１８ｄＢになる。

次に光スィッチとして駆動する場合を説明する。

まず、電極２６ａ、２６ｂから所定値の逆電圧を印加す
る。電極直下の光導波路部分の下流側部分２３ｂと上流
側部分２４ａとの間では、電気光学効果によりクロス状
態が形成され、例えば、光導波路２１の上流側端部２１
ａから入射した光（ＴＥモードのみ）は光導波路２２の
下流側端部２２ｂからのみ出射する。

この状態を保持して、電極２５ａ、２５ｂから順方向の
電流を注入すると、その直下に位置する光導波路部分の
上流側部分２３ａ、下流側部分２４ｂではプラズマ効果
やバンドフィリング効果が発現して、光導波路部分２３
はスルー状態になって下流側端部２１ｂからＴＥモード
が出射する。

そして、電極２５ａ、２５ｂからの電流注入を停止する
と、ＴＥモードは再び光導波路の下流側端部２２ｂから
出射する。

すなわち、電極２６ａ、２６ｂからの電圧印加を保持し
た状態で電極２５ａ、２５ｂからの電流注入をオン−オ
フすることにより、ＴＥモードのスイッチング動作が可
能になる。

この状態の１例を第４図に示す。図中、実線は電圧印加
による結合側の出力を示し、点線は電流注入による結合
側の出力を表す。第４図は、第２図で示した断面構造の
光機能素子において、ｎ−Ａｊ７ＧａＡｓのクラッド層
３６ａの厚みが０．８μｍのときのスイッチング特性図
である。

この場合、印加電圧値が１５Ｖになるとクロス状態が形
成され、その後、注入電流値を約５０ｍＡにするとスル
ー状態が実現する。第１１図で示した従来の反転Δβ型
光スイッチにおいては、一般に、注入電流値が約２００
ｍＡでスルー状態になることを考えると、本発明の光機
能素子は極めて小さい電流の注入でスイッチング特性を
発揮する。

第５図は、前記したクラッド層３６ａの厚みが０．６μ
ｍである光機能素子のスイッチング特性を示す。この場
合には、わずか９Ｖの電圧印加でクロス状態になり、ま
た、注入電流がわずか２６ｍ　Ａでスルー状態が形成さ
れている。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の光機能素子は、
半導体材料から成る２本の光導波路が互いにエバネッセ
ント結合して平行配置されている結合部を有する方向性
結合器型の光機能素子において、一方の光導波路の上流
側部分と他方の光導波路の下流側部分とには互いに導通
して電圧印加用電極がそれぞれ形成され、また、前記一
方の光導波路の下流側部分と前記他方の光導波路の上流
側部分とには互いに導通し、かつ、前記電圧印加用電極
と導通ずることなく電流注入用電極がそれぞれ形成され
ていることを特徴とし、高い消光比の光モードスプリッ
タや方向性結合器型の光スィッチとして機能することが
できる。

その際に、印加する電圧や注入する電流はいずれも従来
に比べて小さい値であるため、光導波路におけるｐｎ接
合の破壊は防止され、素子の寿命向上、高信頼性を実現
することができる。

また、光導波路の形成においても、結合部の長さによる
結合比率の制限を受けることかないので、その製作も比
較的容易であり、量産性やコスト低減の点でも好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光機能素子の概略平面図、第２図は第
１図の■−■線に沿う断面図、第３図は本発明の光機能
素子の光モードスプリッタとしての動作特性を示すグラ
フ、第４図と第５図は本発明の光機能素子のスイッチン
グ特性を示すグラフ、第６図は従来の光モードスプリッ
タの概略斜視図、第７図は従来の他の光モードスプリッ
タの概略平面図、第８図は第７図の■−■線に沿う断面
図、第９図は更に別の従来の光モードスプリッタの概略
斜視図、第１０図は一様Δβ型光スイッチの概略平面図
、第１１図は反転Δβ型光スイッチの概略平面図である
。 Ａ・・・結合部、２１．２２・・・光導波路、２１ａ。 ２２ａ・・・光導波路の上流側端部、２１ｂ、２２ｂ・
・・光導波路の下流側端部、２３．２４・・・結合部に
おける光導波路部分、２３ａ、２４ａ・・・光導波路部
分の上流側部分、２３ｂ、２４ｂ・・・光導波路部分の
下流側部分、２５ａ、２５ｂ・・・電流注入用電極、２
５ｃ・・・導通部、２６ａ、２６ｂ・・・電圧印加用電
極、２６ｃ・・・導通部、３１・・・下部電極、３２・
・・基板、３３・・・バッファ層、３４・・・下部クラ
ッド層、３５・・・コア層、３６・・・上部クラッド層
、３６ａ・・・クラッド層、３６ｂ−・・クラッド層、
３６ｃｍｐ”ＧａＡｓ層、３７・・・絶縁膜、３７ａ・
・・窓。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体材料から成る２本の光導波路が互いにエバ
   ネッセント結合して平行配置されている結合部を有する
   方向性結合器型の光機能素子において、一方の光導波路
   の上流側部分と他方の光導波路の下流側部分とには互い
   に導通して電圧印加用電極がそれぞれ形成され、また、
   前記一方の光導波路の下流側部分と前記他方の光導波路
   の上流側部分とには互いに導通し、かつ、前記電圧印加
   用電極と導通することなく電流注入用電極がそれぞれ形
   成されていることを特徴とする光機能素子。
2. （２）請求項１に記載の電流注入用電極から所定値の電
   流を光導波路に注入して光導波路間でクロス状態を形成
   し、ついで前記クロス状態を維持しつつ、請求項１に記
   載の電圧印加用電極に所定値の電圧を印加してＴＥモー
   ドのみのスルー状態を形成することにより、光導波路に
   入射せしめた光のＴＥモードとＴＭモードを分離するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の光機能素子の駆動方法
   。
3. （３）請求項１に記載の電圧印加用電極から所定値の電
   圧を印加して光導波路間でクロス状態を形成し、前記ク
   ロス状態を維持しつつ、請求項１に記載の電流注入用電
   極から所定値の電流を注入して、光導波路に入射する光
   のＴＥモードの光路変更を行わせることを特徴とする請
   求項１に記載の光機能素子の駆動方法。