JPH06180405A - Semiconductor optical element and te/tm phase matching optical waveguide element formed by using strain super lattice - Google Patents

Semiconductor optical element and te/tm phase matching optical waveguide element formed by using strain super lattice

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JPH06180405A
JPH06180405A JP4353567A JP35356792A JPH06180405A JP H06180405 A JPH06180405 A JP H06180405A JP 4353567 A JP4353567 A JP 4353567A JP 35356792 A JP35356792 A JP 35356792A JP H06180405 A JPH06180405 A JP H06180405A
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JP
Japan
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optical
semiconductor
optical waveguide
waveguide
wave
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JP4353567A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichiro Nakanishi
宏一郎 中西
Hitoshi Oda
仁 織田
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Canon Inc
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Abstract

PURPOSE:To provide the waveguide type semiconductor optical element suitable for integration and the optical waveguide element which realizes the perfect mode conversion between a TE wave/TM wave by using a strain super lattice. CONSTITUTION:This semiconductor optical element is constituted of a semiconductor optical element part 10 having an optical waveguide 6a inclined with a substrate 2 surface, an optical element part 12 having an optical waveguide 6c horizontal with the substrate 2 surface and a juncture which has the optical waveguide 6b changing continuously in the inclination with the substrate 2 surface from 45 deg. to 0 deg. and smoothly connect the two optical waveguides 6a, 6c. The lattice constant of the well layer of the optical waveguide for which the structure of the semiconductor strain super lattice is used is made smaller than that of a barrier layer. An intra-surface tensile stress is applied to the optical waveguide to make the base level of light holes stabler than that of heavy holes. The optical transition probability between the light holes and the base level of the transmission band atoms is increased.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、戻り光の影響に対して
安定に動作する導波型の半導体光デバイス、及び光通
信、光情報処理、光計測機器に使用する光集積回路など
においてTE波とTM波との間の位相整合が図られた光
導波路素子に関するものである。光導波路素子は相反ま
たは非相反のTE/TMモード変換器に応用されるもの
であり、特に非相反のモード変換器は、戻り光を遮断し
雑音を誘起しない光アイソレータに応用される。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a waveguide type semiconductor optical device which operates stably against the influence of return light, and an optical integrated circuit used for optical communication, optical information processing, optical measuring equipment and the like. The present invention relates to an optical waveguide device in which phase matching between a wave and a TM wave is achieved. The optical waveguide element is applied to a reciprocal or non-reciprocal TE / TM mode converter, and in particular, the non-reciprocal mode converter is applied to an optical isolator that blocks return light and does not induce noise.

【0002】[0002]

【従来の技術及びその課題】現在、社会の高度情報化が
急速に発展し、大量の情報を高速に処理する事が要求さ
れている。そうした中で、通信や記録に光を用いた情報
処理技術が、その高速性、大容量といった特性のために
広く用いられるようになってきている。その光を用いた
情報処理技術の中で、半導体レーザは光通信や光ディス
クなどの光源として広範囲にわたって使用されており、
今や欠く事の出来ないデバイスとなっている。しかし、
この半導体レーザは本質的には光の発振器であるため、
戻り光に対して弱く、自分自身からの出射光が戻って来
ると不安定動作、雑音の増大などを生起するという問題
が存在した。
2. Description of the Related Art At present, advanced information technology in society is rapidly developing, and it is required to process a large amount of information at high speed. Under such circumstances, information processing technology using light for communication and recording has been widely used because of its characteristics such as high speed and large capacity. Among the information processing technology using the light, the semiconductor laser is widely used as a light source for optical communication and optical disks,
It is now an indispensable device. But,
Since this semiconductor laser is essentially an optical oscillator,
There is a problem that it is weak against return light and causes unstable operation and increase in noise when the light emitted from itself returns.

【0003】また、半導体光アンプは光信号を電気信号
に変換せずに増幅するため、信号の劣化を抑える事がで
き、光通信において重要なデバイスであるが、半導体レ
ーザと同様に戻り光に対しては弱く、雑音などが増大す
るという問題が存在した。この半導体レーザや半導体光
アンプに対する戻り光対策としては、光アイソレータを
使用するのが一般的な対応である。この光アイソレータ
は光におけるダイオードともいうべき働きをするもの
で、光を一方向にしか通さない作用を持ち、従来、一般
的には磁気光学効果を利用して構成される。
Further, since the semiconductor optical amplifier amplifies an optical signal without converting it into an electric signal, it can suppress the deterioration of the signal and is an important device in optical communication. On the other hand, there was a problem that it was weak and noise increased. An optical isolator is generally used as a measure for returning light to the semiconductor laser and the semiconductor optical amplifier. This optical isolator functions as a diode in light, has a function of allowing light to pass through in only one direction, and conventionally is generally constituted by utilizing a magneto-optical effect.

【0004】この光アイソレータには大別して 1.バルク型アイソレータ 2.導波型アイソレータ がある。1.のバルク型アイソレータは構成が簡単であ
り、性能的にも特に問題はなく既に実用化されている
が、半導体レーザに比べてかなり大型なものになってし
まい、集積化には適さない。また、2.の導波型アイソ
レータであるが、アイソレータからの出力を完全なTE
もしくはTMに偏光にするために、非相反部と相反部と
からなる構成のものが提案されているが、非相反部、相
反部の構成方法やエピタキシャル成長技術など、実際に
製作する上で様々な技術的困難が存在し、実用化には程
遠いというのが現状である。
This optical isolator is roughly classified into 1. Bulk type isolator 2. There is a guided wave isolator. 1. The bulk type isolator has a simple structure and has no particular problem in terms of performance, and has already been put to practical use, but it is considerably larger than a semiconductor laser and is not suitable for integration. Also, 2. Is a waveguide type isolator, but the output from the isolator is
Alternatively, a structure having a non-reciprocal portion and a reciprocal portion has been proposed in order to make TM polarized light. However, various methods such as a method of forming the non-reciprocal portion and the reciprocal portion, an epitaxial growth technique, and the like have been proposed. Currently, there are technical difficulties and it is far from practical use.

【0005】ところで、集積光回路には導波型のデバイ
スが多いため、集積化をにらんだ半導体光素子としては
出力光がTEモード、もしくはTMモードであるほうが
有利である(一般的にはTEモード)。また、前記した
ように半導体レーザ、半導体光アンプなどは戻り光に対
して弱く、その対策としては光アイソレータが使用され
る。光アイソレータの概念図を図8に示す。光アイソレ
ータに入射した光は光源側の偏光子で直線偏光になり、
非相反部(一般的には磁気光学効果を利用したファラデ
ー回転子が用いられる。)で45°の回転をうけ、出力
側の偏光子を通って出射する。戻り光は出力側の偏光子
を通って非相反部で同じ方向に45°回転を受け、入射
したときと90°偏波面が回転しているので光源側の偏
光子を通過できず、光源まで戻る事はない。導波型のデ
バイスでは通常TE偏光なので、光源側も出力側も共に
TE偏光である事が望ましい。しかし、図8でみると光
源側と出力側の偏光状態は45°傾いている。
By the way, since many integrated optical circuits have waveguide type devices, it is advantageous for a semiconductor optical device considering integration that the output light is a TE mode or a TM mode (generally, TE mode). Further, as described above, the semiconductor laser, the semiconductor optical amplifier, and the like are weak against the return light, and an optical isolator is used as a countermeasure against this. A conceptual diagram of the optical isolator is shown in FIG. Light incident on the optical isolator becomes linearly polarized by the light source side polarizer,
The non-reciprocal portion (generally, a Faraday rotator utilizing the magneto-optical effect is used) is rotated by 45 °, and the light is emitted through the polarizer on the output side. The returned light passes through the output side polarizer and is rotated by 45 ° in the same direction at the non-reciprocal part, and because the polarization plane is rotated by 90 ° from when it was incident, it cannot pass through the light source side polarizer and reaches the light source. There is no return. Since the waveguide type device is usually TE polarized light, it is desirable that both the light source side and the output side be TE polarized light. However, as seen in FIG. 8, the polarization states on the light source side and the output side are inclined by 45 °.

【0006】そこで導波型のアイソレータとしては、非
相反部の後に相反部を用いて非相反部と逆方向に回転を
与えて光源側と偏光状態を同じにする構成のものが提案
されている(図9)。図9において、96、98はTE
モード通過フィルタないしTE選択部である光導波路上
に金属膜を装荷した構成の金属蒸着膜である。100は
非相反モード変換導波路ないし非相反部で、ファラデー
効果を有する磁気光学結晶(光進行方向の磁気モーメン
トMを有する)で形成され、入射光94、戻り光108
の偏光面をそれぞれ非相反に45度回転させる。102
は相反モード変換導波路ないし相反部で、コットン−ム
ートン効果ないしフォークト効果を有する磁気光学結晶
(光進行方向に垂直な面内で導波路に直角な方向とθm
を成す方向の磁気モーメントMを有する)で形成され、
入射光94、戻り光108の偏光面を相反に45度回転
させる。これらの素子を、基板92上の磁気光学薄膜
に、光入射側から、TEモード通過フィルタ96、非相
反モード変換導波路100、相反モード変換導波路10
2、TEモード通過フィルタ98の順に配置して集積型
光アイソレータを構成する。入射光94は、フィルター
96によりTEモードの導波光となり、非相反モード変
換導波路100と相反モード変換導波路102による偏
光面の回転方向が逆であるため、これらの導波路10
0、102を通過した後は再びTEモードとなり、フィ
ルタ98を通過して出射光106となる。一方、戻り光
108は、非相反モード変換導波路100と相反モード
変換導波路102による偏光面の回転が順方向であるた
め、これらの導波路100、102を通過した後はTM
モードとなってフィルタ96により阻止される。
Therefore, as the waveguide type isolator, there has been proposed a structure in which the reciprocal portion is used after the non-reciprocal portion to rotate in the opposite direction to the non-reciprocal portion so that the light source side has the same polarization state. (FIG. 9). In FIG. 9, 96 and 98 are TE
It is a vapor-deposited metal film having a structure in which a metal film is loaded on an optical waveguide which is a mode pass filter or a TE selection unit. Reference numeral 100 denotes a non-reciprocal mode conversion waveguide or a non-reciprocal portion, which is formed of a magneto-optical crystal having a Faraday effect (having a magnetic moment M in the light traveling direction), an incident light 94 and a return light 108.
The polarization planes of are rotated non-reciprocally by 45 degrees. 102
Is a reciprocal mode conversion waveguide or a reciprocal part, and is a magneto-optical crystal having the Cotton-Mouton effect or Voigt effect (in the plane perpendicular to the light traveling direction, the direction perpendicular to the waveguide and θ m
With a magnetic moment M in the direction
The polarization planes of the incident light 94 and the return light 108 are rotated by 45 degrees in opposite directions. These elements are applied to the magneto-optical thin film on the substrate 92 from the light incident side, the TE mode pass filter 96, the nonreciprocal mode conversion waveguide 100, and the reciprocal mode conversion waveguide 10.
2. The TE mode pass filter 98 is arranged in this order to form an integrated optical isolator. The incident light 94 becomes TE-mode guided light by the filter 96, and the polarization directions of the non-reciprocal mode conversion waveguide 100 and the reciprocal mode conversion waveguide 102 are opposite to each other.
After passing through 0 and 102, it becomes TE mode again, and passes through the filter 98 to become emitted light 106. On the other hand, in the return light 108, the rotation of the polarization plane by the nonreciprocal mode conversion waveguide 100 and the reciprocal mode conversion waveguide 102 is in the forward direction, and therefore, after passing through these waveguides 100 and 102, TM
Mode and blocked by filter 96.

【0007】しかし、相反部102と非相反部100で
は使用する材料や磁界の印加方向が異なるのが普通であ
り、同一領域に作り込む事は技術的に非常な困難であ
り、実現はされていない。非相反部のみのアイソレータ
を集積した半導体レーザも提案されているが、入射光が
半導体レーザからのTEモードで入射してくるため、出
射光は基板に対して45°偏光状態が傾いており、集積
化には不適当な状態であり、なんらかの手法で偏光状態
を基板に対して垂直または水平に補正してやる必要があ
った。
However, the reciprocal portion 102 and the non-reciprocal portion 100 are usually different in the material used and the magnetic field application direction, and it is technically very difficult to make them in the same region, and they have been realized. Absent. A semiconductor laser integrated with an isolator for only the non-reciprocal portion has been proposed, but since the incident light is incident in the TE mode from the semiconductor laser, the emitted light is inclined at 45 ° with respect to the substrate, This is an unsuitable state for integration, and it was necessary to correct the polarization state vertically or horizontally with respect to the substrate by some method.

【0008】また、近年、情報伝達の高速化、情報記録
の大容量に伴い、光ファイバー通信や光ディスクメモリ
などの光システムが開発されている。そして、これらの
システムに用いられる光デバイスを集積化することによ
りコンパクトで低コストの光集積デバイスの開発が進め
られている。この集積デバイス実現のために重要な技術
の1つがTE/TM波の位相整合技術である。特に、非
相反TE/TMモード変換器である集積光アイソレータ
はキーデバイスの1つと考えられている。
In recent years, optical systems such as optical fiber communication and optical disk memory have been developed in accordance with the speeding up of information transmission and the large capacity of information recording. Then, compact and low-cost optical integrated devices are being developed by integrating the optical devices used in these systems. One of the important techniques for realizing this integrated device is the TE / TM wave phase matching technique. In particular, the integrated optical isolator, which is a non-reciprocal TE / TM mode converter, is considered to be one of the key devices.

【0009】以下には、光アイソレータに限定して説明
を進めることにする。光通信システムには、1.3また
は1.5μmの波長を用いる幹線系の中長距離伝送シス
テムと0.8μm帯を用いるLAN(ローカルエリアネ
ットワーク)等の近距離伝送システムが存在する。いず
れの場合にも半導体レーザから出た光をファイバー端面
に集光させファイバー中を導波させる。この時、ファイ
バーや他の光学部品の端面で反射した光は半導体レーザ
の活性層に戻る。その結果、半導体レーザの発振が不安
定になりパワー変動および波長変動が生ずる。特にDB
R(分布反射型)レーザやDFB(分布帰還型)レーザ
に対しては単一モードが多モードになる等の影響が大き
い。また、将来の通信方式として注目されているコヒー
レント光通信は光のON/OFFを行うことなく位相を
変化させるのみであるため、特に戻り光の影響が大き
い。
In the following, the description will be limited to the optical isolator. In optical communication systems, there are main-line medium and long distance transmission systems that use wavelengths of 1.3 or 1.5 μm and short-distance transmission systems such as LANs (local area networks) that use the 0.8 μm band. In either case, the light emitted from the semiconductor laser is focused on the end face of the fiber and guided in the fiber. At this time, the light reflected by the end faces of the fiber and other optical components returns to the active layer of the semiconductor laser. As a result, the oscillation of the semiconductor laser becomes unstable, causing power fluctuation and wavelength fluctuation. Especially DB
R (distributed reflection type) lasers and DFB (distributed feedback type) lasers are greatly affected by a single mode becoming multimode. Further, the coherent optical communication, which is attracting attention as a future communication system, only changes the phase without turning ON / OFF the light, and therefore the influence of the returning light is particularly large.

【0010】更に、光ディスクメモリにおいては光学部
品からの反射光に加え、ディスク基板からの反射光が半
導体レーザに戻り前述の不安定性や雑音を誘起する。こ
の波長域では1/4波長板と偏光ビームスプリッタを組
み合わせた簡易型光アイソレータが用いられることもあ
るが、アイソレーション比は最大でも20dB程度にす
ぎない。また、戻り光の偏光面が変化してしまうとアイ
ソレーション比は更に小さくなるので、光磁気ディスク
の様にディスクからの反射光の偏光面の回転を信号とし
て検出しようとするシステムでは戻り光の影響が更に深
刻である。そのため、半導体レーザに数100MHzの
高周波信号を重畳させ、レーザを多モード発振させて、
戻り光に対してレーザが影響を受けないような対症療法
がとられている。 以上に述べたように、戻り光による
雑音の発生は光通信においては伝送信号のエラーレート
を増大させ、光ディスクメモリにおいては再生信号の劣
化を引き起こす。
Further, in the optical disk memory, in addition to the reflected light from the optical components, the reflected light from the disk substrate returns to the semiconductor laser to induce the above-mentioned instability and noise. In this wavelength range, a simple optical isolator in which a quarter-wave plate and a polarization beam splitter are combined may be used, but the isolation ratio is only about 20 dB at the maximum. In addition, if the polarization plane of the return light changes, the isolation ratio becomes smaller, so in systems that detect the rotation of the polarization plane of the reflected light from the disk as a signal, such as a magneto-optical disk, The impact is more serious. Therefore, a high frequency signal of several 100 MHz is superposed on the semiconductor laser to oscillate the laser in multiple modes,
Symptomatic treatment is used so that the laser is not affected by the returning light. As described above, the generation of noise due to the returning light increases the error rate of the transmission signal in the optical communication and causes the deterioration of the reproduction signal in the optical disk memory.

【0011】半導体レーザへの戻り光を取り除く唯一の
素子が光アイソレータである。光アイソレータは非可逆
な透過特性を有するもので、戻り光を完全に遮断して半
導体レーザの活性層に再入射するのを防ぐ。発光素子や
受光素子を同一基板上に形成するところの光集積回路に
おいても光アイソレータは必須の部品である。
The only element that removes the return light to the semiconductor laser is an optical isolator. The optical isolator has an irreversible transmission characteristic and completely blocks the returning light to prevent the returning light from re-incident on the active layer of the semiconductor laser. An optical isolator is an essential component in an optical integrated circuit in which a light emitting element and a light receiving element are formed on the same substrate.

【0012】しかし、薄膜導波路を用いた導波型光アイ
ソレータにおいて最も重要な課題は、TE波とTM波と
の伝搬定数差によるモード変換効率の低下である。TE
波とTM波との伝播定数差をΔβとすると Δβ=2π/λ・(nTE−nTM) (1) となり、TE波からTM波へのモード変換効率Rは R=θ2 F/{θ2 F+(Δβ/2)2}・sin2{θ2 F+(Δβ/2)2l}1/2 (2) と与えられる。ここでθFは単位長さあたりのファラデ
ー回転角、lは導波距離である。上式から明らかなよう
に、伝播定数差が存在すると、完全なモード変換が実現
できないことが分かる。
However, the most important problem in the waveguide type optical isolator using the thin film waveguide is the reduction of the mode conversion efficiency due to the difference in the propagation constants of the TE wave and the TM wave. TE
Δβ = 2π / λ · (n TE −n TM ) (1), where Δβ is the propagation constant difference between the TM wave and the TM wave, and the mode conversion efficiency R from the TE wave to the TM wave is R = θ 2 F / { It is given as θ 2 F + (Δβ / 2) 2 } · sin 22 F + (Δβ / 2) 2 l} 1/2 (2). Here, θ F is the Faraday rotation angle per unit length, and l is the waveguide distance. As is clear from the above equation, it is found that complete mode conversion cannot be realized if there is a propagation constant difference.

【0013】上記の偏波の変化の様子はポアンカレ球を
用いると、図16の様に図示される。A点で表される直
線偏波(TE波)は導波するにつれ、経度0度上の点M
と球の中心Oとを結ぶ線を中心軸として球面上を回る。
赤道面から測った点Mまでの角度θは tanθ=θF/(Δβ/2) (3) と与えられる。図16より明らかなように、Δβが有限
である限り、A点で表される直線偏波(TE波)はいく
ら導波しても同じ経路をたどるだけで、45度の直線偏
波に対応する赤道上の点Eには到達できないことが分か
る。この45度の直線偏波を得るためには、Δβをゼロ
とすべくTE波とTM波との伝播定数を合わせることが
必要である。
The above-mentioned change of polarization is shown in FIG. 16 when a Poincare sphere is used. As the linearly polarized wave (TE wave) represented by the point A is guided, the point M on the longitude 0 °
And the center O of the sphere are circled on the spherical surface with the line connecting them as the central axis.
The angle θ from the equatorial plane to the point M is given by tan θ = θ F / (Δβ / 2) (3). As is apparent from FIG. 16, as long as Δβ is finite, the linearly polarized wave (TE wave) represented by the point A can be linearly polarized at 45 degrees simply by following the same path no matter how guided. It can be seen that point E on the equator cannot be reached. In order to obtain this 45-degree linearly polarized wave, it is necessary to match the propagation constants of the TE wave and the TM wave so that Δβ becomes zero.

【0014】今まで、導波型アイソレータとして検討さ
れてきた磁性ガーネットやII−VI族磁性半導体は立
方晶系である。このような等方的な材料からなる薄膜導
波路においては、形状複屈折性によって、図17
(a)、(b)に示す様に有限な膜厚においては、TE
波に対する屈折率(nTE)がTM波に対するもの
(nTM)より大きいので位相整合を図ることが困難であ
る。そのため導波型光アイソレータは実現されていな
い。
Magnetic garnets and II-VI group magnetic semiconductors, which have been studied as waveguide type isolators, are cubic systems. In a thin film waveguide made of such an isotropic material, due to the shape birefringence, FIG.
As shown in (a) and (b), when the film thickness is finite, TE
Since the refractive index (n TE ) for waves is larger than that for TM waves (n TM ), it is difficult to achieve phase matching. Therefore, the waveguide type optical isolator has not been realized.

【0015】以上述べたように、従来、薄膜導波路を用
いた導波型光アイソレータにおいては形状複屈折による
位相不整合を如何に補償するかが最も大きな課題となっ
ている。
As described above, in the conventional waveguide type optical isolator using the thin film waveguide, how to compensate the phase mismatch due to the shape birefringence has been the most important issue.

【0016】以上より、本発明の第1の目的は、簡単な
構造で戻り光に強く、安定な動作をし、かつ出射される
光出力の偏光は完全なTEもしくはTMモードである集
積化に適した導波型の半導体光素子、及びその半導体光
素子を用いた光通信システムを提供することにある。
In view of the above, the first object of the present invention is to realize integration in which the structure is simple, strong against return light, stable in operation, and the polarization of the emitted light output is perfect TE or TM mode. An object of the present invention is to provide a suitable waveguide type semiconductor optical device and an optical communication system using the semiconductor optical device.

【0017】また、本発明の第2の目的は、歪超格子を
用いることにより、上記の形状複屈折による位相不整合
の問題を解決し、TE波/TM波間の完全なモード変換
を実現する光導波路素子、及びそれを用いた光通信シス
テムを提供することにある。
A second object of the present invention is to solve the above-mentioned problem of phase mismatch due to shape birefringence by using a strained superlattice and realize complete mode conversion between TE wave and TM wave. An object is to provide an optical waveguide device and an optical communication system using the same.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の目的を達
成する半導体光素子においては、基板面に対して45°
傾いた光導波路を持つ半導体光素子部と、基板面に対し
て水平な光導波路を持つ光素子部と、基板面に対しての
傾きが45°から0°まで連続的に変化している光導波
路を持ち、互いに45°傾いた前記2つの光導波路を滑
らかにつないでいる接続部とから構成され、出射光が基
板面に対して完全に垂直または水平な偏波面を持つこと
を特徴とする。
In a semiconductor optical device that achieves the first object of the present invention, it is 45 ° with respect to the substrate surface.
A semiconductor optical element section having an inclined optical waveguide, an optical element section having an optical waveguide horizontal to the substrate surface, and an optical element whose inclination with respect to the substrate surface continuously changes from 45 ° to 0 °. It is characterized in that it has a waveguide and a connecting portion that smoothly connects the two optical waveguides inclined at 45 ° to each other, and that the emitted light has a plane of polarization completely vertical or horizontal to the substrate surface. .

【0019】本発明の第1の形態では、面選択性エッチ
ング、および面選択ドーピングを用いて半導体レーザ部
や半導体光アンプ部の活性層を基板にたいして45°傾
けて成長させる事により、上記光素子部であるアイソレ
ータ部を非相反部のみで構成する事が可能であり、かつ
出射光は基板に対して完全なTE偏光またはTM偏光と
することができる。基板に対して45°傾いた活性層を
用いる事でアイソレータ部に入射する光の偏光状態はや
はり基板に対して45°の傾きをもった偏光状態であ
り、アイソレータの非相反部で45°の回転を受けて出
射すると基板に対して完全なTE、もしくはTM偏波と
なる。ここでTEになるかTMになるかは半導体レーザ
部などの発振モードに依存し、レーザ部がTEモード
(レーザの活性層に対して)で発振していればアイソレ
ータ部からの出射光はTEモード(基板に対して)、レ
ーザ部がTMモード(レーザの活性層に対して)で発振
していればTMモード(基板に対して)となる。通常の
半導体レーザにおいては端面での反射率がTMモードに
比べてTEモードが大きく、TEモードで発振するもの
が普通であり、導波型デバイスはTEモードで動作する
ものが多いので、以下の本発明の第1の形態の実施例で
はTEモードについてのみ説明する。
According to the first aspect of the present invention, the above-mentioned optical device is obtained by growing the active layer of the semiconductor laser section or the semiconductor optical amplifier section at an angle of 45 ° with respect to the substrate by using surface-selective etching and surface-selective doping. It is possible to configure the isolator part, which is a part, with only the non-reciprocal part, and the emitted light can be TE polarized light or TM polarized light that is completely polarized with respect to the substrate. By using the active layer inclined at 45 ° with respect to the substrate, the polarization state of the light incident on the isolator portion is also the polarization state having an inclination of 45 ° with respect to the substrate, and the polarization state at the non-reciprocal portion of the isolator is 45 °. When it is rotated and emitted, it becomes a perfect TE or TM polarized wave with respect to the substrate. Whether TE or TM depends on the oscillation mode of the semiconductor laser section or the like. If the laser section oscillates in the TE mode (relative to the active layer of the laser), the light emitted from the isolator section is TE. If the laser section oscillates in the TM mode (relative to the substrate) and the TM mode (relative to the active layer of the laser), the mode becomes the TM mode (relative to the substrate). In a normal semiconductor laser, the reflectance at the end face is larger in the TE mode than in the TM mode, and it is common that the semiconductor device oscillates in the TE mode. Since many waveguide devices operate in the TE mode, In the embodiment of the first mode of the present invention, only the TE mode will be described.

【0020】本発明の第1の形態を更に要して言えば、
第1の方向に伸延した光導波路を持つ第1の素子部と、
第1の方向に対して傾いた第2の方向に伸延した光導波
路を持つ第2の素子部と、第1の方向から第2の方向ま
で傾きが連続的に変化している光導波路を持ち、互いに
45°傾いた前記2つの光導波路を滑らかにつないでい
る接続部とから構成されたことを特徴とする半導体光素
子である。
To further sum up the first aspect of the present invention,
A first element portion having an optical waveguide extending in a first direction,
It has a second element portion having an optical waveguide extending in a second direction inclined with respect to the first direction and an optical waveguide having an inclination continuously changing from the first direction to the second direction. , A semiconductor optical device comprising a connection portion that smoothly connects the two optical waveguides inclined by 45 ° to each other.

【0021】また、本発明の第2の目的を達成する光導
波路素子においては、半導体歪超格子構造を用いた光導
波路において、井戸層の格子定数を障壁層のそれより小
さくすることにより、面内引っ張り応力を与え軽い正孔
の基底準位を重い正孔のそれより安定化し、軽い正孔と
伝導帯電子の基底準位との間の光学遷移確率を大きくす
ることによりTM波の屈折率がTE波の屈折率よりも大
きくされ、かつ形状複屈折による異方性によりTE波と
TM波との伝搬定数が一致するような厚さに前記光導波
路が設定されていることを特徴とする。
Further, in the optical waveguide device which achieves the second object of the present invention, in the optical waveguide using the semiconductor strained superlattice structure, the lattice constant of the well layer is made smaller than that of the barrier layer, and Refractive index of TM wave by applying internal tensile stress to stabilize the ground level of light holes more than that of heavy holes and increase the optical transition probability between light holes and ground level of conduction band electrons. Is larger than the refractive index of the TE wave, and the optical waveguide is set to a thickness such that the propagation constants of the TE wave and the TM wave match due to anisotropy due to shape birefringence. .

【0022】本発明の第2の形態の原理を説明する。ま
ず、歪の無い場合の超格子(量子井戸111の格子定数
Wと障壁層112の格子定数aBが等しい)の屈折率に
ついて述べる。図10(a)に示される様に、両側を障
壁層112で挟まれた量子井戸111においては、図1
0(b)のごとく量子閉じ込めによってエネルギー準位
が離散化し、有効質量の違いによって、重い正孔hhに
対する基底準位hh1と軽い正孔lhに対するそれlh
1とが分離する。そのときの状態密度を図10(c)に
示す。
The principle of the second aspect of the present invention will be described. First, the refractive index of the superlattice (the lattice constant a W of the quantum well 111 and the lattice constant a B of the barrier layer 112 are equal) in the absence of strain will be described. As shown in FIG. 10A, in the quantum well 111 sandwiched between the barrier layers 112 on both sides, the quantum well 111 shown in FIG.
The energy level is discretized by quantum confinement like 0 (b), and due to the difference in effective mass, the ground level hh1 for heavy holes hh and that for light holes lh
1 and are separated. The density of states at that time is shown in FIG.

【0023】量子閉じ込めによる基底準位の分離の場合
には、図10(b)に示すように、必ず重い正孔hhに
よる基底準位hh1が軽い正孔lhによる基底準位lh
1の上にくる(図10(b)、(c)では電子に対する
エネルギーの高低を示すので、正孔は上の準位ほどエネ
ルギーが低いことになる)。これは重い正孔hhの波動
関数が閉じ込め方向に垂直な面内でドーナツ状に平らに
なっているため、障壁層112からの反発を軽い正孔l
hよりも受けにくくエネルギー的に安定となるためであ
る。
In the case of the ground level separation by quantum confinement, as shown in FIG. 10B, the ground level hh1 caused by the heavy hole hh is always the ground level lh caused by the light hole lh.
1 (in FIGS. 10 (b) and 10 (c), the energy of electrons is high and low, so that the energy level of holes is lower in the upper level). This is because the wave function of the heavy hole hh is flat in a donut shape in the plane perpendicular to the confining direction, so that the repulsion from the barrier layer 112 is reduced by the light hole l.
This is because it is more difficult to receive than h and is energy stable.

【0024】従って、このような格子整合系において、
バンド端ないし吸収端波長付近での吸収や屈折率は重い
正孔の基底準位hh1と伝導帯での基底準位e1との光
学遷移によって支配される。この2つのレベル間の光学
遷移に対して、波動関数の対称性から、電界ベクトルが
井戸111面に平行なTE波のみが有限な値を持ち、垂
直なTM波に対しては零となる。その結果、格子整合し
た量子井戸構造においては図11に示す様に、バンド端
付近(λ0で示す)でTE波に対する屈折率nTEがTM
波に対するものnTMよりも常に大きくなるという量子井
戸に特有な偏波面依存性が生じる。
Therefore, in such a lattice matching system,
The absorption and the refractive index near the band edge or the absorption edge wavelength are dominated by the optical transition between the ground level hh1 of heavy holes and the ground level e1 of the conduction band. Due to the symmetry of the wave function with respect to the optical transition between these two levels, only the TE wave whose electric field vector is parallel to the plane of the well 111 has a finite value, and it becomes zero for the vertical TM wave. As a result, in the lattice-matched quantum well structure, as shown in FIG. 11, the refractive index n TE for the TE wave is TM near the band edge (indicated by λ 0 ).
A polarization plane peculiar to a quantum well occurs that it is always larger than n TM for waves.

【0025】次に本発明の第2の形態に関するところの
歪超格子について説明する。図12(a)に示すように
障壁層112の格子定数aBが井戸層111の格子定数
Wより大きい場合の歪超格子を考える。このとき格子
定数の違いによって図14に示すように障壁層112と
井戸層111にはそれぞれ面内圧縮応力と面内引っ張り
応力が働く。面内引っ張り応力に対しては軽い正孔lh
が重い正孔hhより安定になり、面内圧縮応力に対して
は逆になることが知られている。その結果、超格子のエ
ネルギーバンドは図12(b)のようになる。即ち、井
戸層111においては軽い正孔lhが重い正孔hhより
上にきて、障壁層112では逆になる。井戸層111内
にできるそれぞれの基底準位lh1、hh1もこの順と
なる。従って、障壁層112の格子定数が井戸層111
よりも大きい歪超格子においてはe1−lh1遷移が主
となる。この遷移は電界ベクトルが井戸面に垂直なTM
波に対して大きな振動子強度を持ち、TE波に対しては
小さいので吸収端近傍における屈折率は図13のように
なる。この様に、歪超格子を用いることにより、TM波
に対する屈折率nTMをTE波の屈折率nTEよりも大きく
することが可能となる。
Next, a strained superlattice according to the second embodiment of the present invention will be described. Consider a strained superlattice in which the lattice constant a B of the barrier layer 112 is larger than the lattice constant a W of the well layer 111 as shown in FIG. At this time, due to the difference in lattice constant, in-plane compressive stress and in-plane tensile stress act on the barrier layer 112 and the well layer 111, respectively, as shown in FIG. Light hole lh against in-plane tensile stress
Is more stable than the heavy holes hh, and is opposite to the in-plane compressive stress. As a result, the energy band of the superlattice becomes as shown in FIG. That is, in the well layer 111, the light holes lh come above the heavy holes hh, and in the barrier layer 112, the opposite occurs. The respective ground levels lh1 and hh1 formed in the well layer 111 are also in this order. Therefore, the lattice constant of the barrier layer 112 is different from that of the well layer 111.
In the larger strained superlattice, the e1-lh1 transition is dominant. This transition is caused by the TM in which the electric field vector is perpendicular to the well surface.
Since it has a large oscillator strength for waves and is small for TE waves, the refractive index near the absorption edge is as shown in FIG. Thus, by using the strained superlattice, the refractive index n TM for TM waves can be made larger than the refractive index n TE for TE waves.

【0026】次に、この様な歪超格子をコア層とする光
導波路の有効屈折率の導波路厚依存性を図15に示す。
前述のように歪超格子自体の屈折率は異方的であるの
で、導波路が十分厚い場合にはTM波に対するもののほ
うが大きい(図13参照)。反対に導波路が非常に薄く
なると形状複屈折の効果が大きくなり、TE波に対する
屈折率nTEがTM波のものnTMより大きくなる(図17
(b)参照)。従って、両者の有効屈折率が一致する或
る有限な膜厚d0が必ず存在する。よって、TE波とT
M波との伝播定数差Δβが零となり、この導波路におい
てはTE/TM波の位相整合がなされているので図16
のポアンカレ球においては北極点(N)の回りに回転す
ることになり(赤道面から測った点Mまでの角度θが9
0°となるから)、水平偏波に対応する点Aは赤道上、
つまりずっと直線偏光のままで45度偏波の点Eに到達
することができる。
FIG. 15 shows the dependence of the effective refractive index of an optical waveguide having such a strained superlattice as a core layer on the waveguide thickness.
As described above, since the refractive index of the strained superlattice itself is anisotropic, it is larger for the TM wave when the waveguide is sufficiently thick (see FIG. 13). On the contrary, when the waveguide becomes very thin, the effect of shape birefringence becomes large, and the refractive index n TE for TE waves becomes larger than that for TM waves (n TM ).
(See (b)). Therefore, there always exists a certain finite film thickness d 0 with which the effective refractive indices of both are the same. Therefore, TE wave and T
The propagation constant difference Δβ with the M wave becomes zero, and the phase matching of the TE / TM wave is performed in this waveguide.
In the Poincare sphere of, it will rotate around the north pole (N) (angle θ from the equatorial plane to point M is 9
Point A corresponding to the horizontal polarization is on the equator,
That is, it is possible to reach the point E of 45-degree polarized light with the linearly polarized light as it is.

【0027】本発明の第2の形態を更に要して言えば、
半導体歪超格子構造を用いた光導波路において、井戸層
の格子定数を障壁層のそれより小さくすることにより、
面内引っ張り応力を与え軽い正孔の基底準位を重い正孔
のそれより安定化し、軽い正孔と伝導帯電子の基底準位
との間の光学遷移確率を大きくすることによりTM波の
屈折率がTE波の屈折率よりも大きくされることを利用
していることにある。
To further explain the second aspect of the present invention,
In the optical waveguide using the semiconductor strained superlattice structure, by making the lattice constant of the well layer smaller than that of the barrier layer,
Refraction of TM waves by applying in-plane tensile stress to stabilize the ground level of light holes more than that of heavy holes and increasing the optical transition probability between light holes and the ground level of conduction band electrons. It is based on the fact that the index is made larger than the refractive index of TE waves.

【0028】[0028]

【実施例1】図1に本発明を用いて構成した集積型の半
導体レーザの実施例1の概念図を示す。半導体レーザ部
10で発生した光は図1(a)中A−A′において接続
部11の導波路6bに入射するが、この時の出射光は、
活性層4(断面のみ示す)が基板2に対して45°傾い
て形成されているので、その傾きを反映して、界分布、
偏光面(偏波面)ともに基板2に対して45°傾いた状
態である。しかしながら、A−A′においては接続部1
1の光導波路6bもまた基板2に対して45°傾いてお
り、半導体レーザ部10の活性層4と平行であるため、
半導体レーザ部10の光導波路6aからの光出力はほと
んど損失なく接続部11の光導波路6bに入射する事が
出来る。
[Embodiment 1] FIG. 1 is a conceptual diagram of Embodiment 1 of an integrated semiconductor laser constructed by using the present invention. The light generated by the semiconductor laser portion 10 is incident on the waveguide 6b of the connection portion 11 at AA 'in FIG. 1A, but the emitted light at this time is
Since the active layer 4 (only the cross section is shown) is formed with an inclination of 45 ° with respect to the substrate 2, the field distribution, reflecting the inclination,
Both the plane of polarization (plane of polarization) is inclined by 45 ° with respect to the substrate 2. However, in A-A ', the connecting portion 1
Since the optical waveguide 6b of No. 1 is also inclined at 45 ° with respect to the substrate 2 and is parallel to the active layer 4 of the semiconductor laser unit 10,
The optical output from the optical waveguide 6a of the semiconductor laser section 10 can be incident on the optical waveguide 6b of the connection section 11 with almost no loss.

【0029】図1(d)の左側部に示す状態で接続部1
1の光導波路6bに入射した光は、基板2に対して45
°傾いた偏波状態を保ったまま接続部11の光導波路6
bを伝播していくが、接続部11の光導波路6bの傾き
は基板2に対して45°傾いている状態から基板2と平
行な状態まで滑らかに変化しているため、界分布の傾き
は光導波路6bを伝播していくうちに変化していき、図
1(d)の中央部に示す如く、B−B′においてアイソ
レータ部12の光導波路6cに入射する時には基板2に
対して平行となっている。アイソレータ部12の光導波
路6cは基板2に対して平行であるため、界分布が基板
2と平行になった接続部11からの出力光は、ほとんど
損失無くアイソレータ部12の光導波路6cに入射し、
アイソレータ部12の非相反部8の光導波路6cを伝播
する過程において磁気光学効果(ファラデー回転など)
によって偏光面の回転を受け(図1(d)の右側部参
照)、界分布は基板2表面に対して平行、偏光方向は完
全なTEモードとなってモードセレクタ14から出射す
る。A−A′、C−C′におけるそれぞれの光導波路の
傾きと偏光方向の状態を図1(b)、図1(c)に示
す。また、前述した様に、接続部11入り口(A−
A′)、接続部11出口(B−B′)、出射口(C−
C′)における界分布と偏波状態を図1(d)に示す。
In the state shown on the left side of FIG.
The light incident on the optical waveguide 6 b of No. 1 is 45
The optical waveguide 6 of the connecting portion 11 while maintaining the tilted polarization state
Although it propagates through b, the inclination of the optical waveguide 6b of the connection portion 11 changes smoothly from the state of being inclined by 45 ° with respect to the substrate 2 to the state of being parallel to the substrate 2, so the inclination of the field distribution is It changes as it propagates through the optical waveguide 6b and becomes parallel to the substrate 2 when entering the optical waveguide 6c of the isolator portion 12 at BB ', as shown in the central portion of FIG. 1 (d). Has become. Since the optical waveguide 6c of the isolator section 12 is parallel to the substrate 2, the output light from the connection section 11 whose field distribution is parallel to the substrate 2 enters the optical waveguide 6c of the isolator section 12 with almost no loss. ,
Magneto-optical effect (Faraday rotation, etc.) in the process of propagating through the optical waveguide 6c of the non-reciprocal portion 8 of the isolator portion 12.
The polarization plane is rotated by (see the right side of FIG. 1D), the field distribution is parallel to the surface of the substrate 2, and the polarization direction becomes the complete TE mode and the light is emitted from the mode selector 14. The inclination and polarization state of each optical waveguide in AA 'and CC' are shown in FIGS. 1 (b) and 1 (c). Further, as described above, the entrance of the connecting portion 11 (A-
A '), the outlet of the connecting portion 11 (BB'), the outlet (C-
The field distribution and polarization state in C ') are shown in Fig. 1 (d).

【0030】ここでアイソレータ部12の非相反部8の
長さを1、印加磁界16の強さをHとすると偏波面の回
転角θは θ=V1H である。ここでVはヴェルデ定数と呼ばれる物質固有の
比例係数である。アイソレータ部12の非相反部8の長
さや印加磁界16の強さは、アイソレータ部12の非相
反部8を構成している磁性半導体のヴェルデ定数Vを考
慮し、半導体レーザ部10の発振波長においてθ=45
°になるように設定されている。こうしてアイソレータ
部12の非相反部8から出た光は完全なTE偏光の光で
あり、かつその界分布は基板2表面に対して平行となっ
ている。最後にモードセレクタ14を通って出射する
が、完全なTEモードであるため、損失を受けることな
く出射光18としてC−C′から出射できる。
When the length of the nonreciprocal portion 8 of the isolator portion 12 is 1 and the strength of the applied magnetic field 16 is H, the rotation angle θ of the plane of polarization is θ = V1H. Here, V is a proportional coefficient unique to a substance called Verde constant. The length of the non-reciprocal portion 8 of the isolator portion 12 and the strength of the applied magnetic field 16 are set at the oscillation wavelength of the semiconductor laser portion 10 in consideration of the Verdet constant V of the magnetic semiconductor forming the non-reciprocal portion 8 of the isolator portion 12. θ = 45
It is set to be °. In this way, the light emitted from the non-reciprocal portion 8 of the isolator portion 12 is a completely TE-polarized light, and its field distribution is parallel to the surface of the substrate 2. Finally, the light is emitted through the mode selector 14, but since it is a complete TE mode, it can be emitted from C-C 'as the emitted light 18 without any loss.

【0031】この出射した光18がなんらかの原因でC
−C′に戻ってきたとする。戻り光20のうちのTE偏
光成分だけがモードセレクタ14を通過して、アイソレ
ータ部12の非相反部8を通過する際にファラデー効果
によって加算的に(出射光の場合と同方向に)45°の
回転を受けB−B′の接続部11に入射する。B−B′
に入射した戻り光は、A−A′の半導体レーザ部10出
射口まで戻ってきた時には半導体レーザ部10の発振モ
ード(TEモード)とは直交する偏光状態(TMモー
ド)となっているので(図1(b)の入射光参照)、半
導体レーザ部10の発振モードと結合する事ができず、
半導体レーザ部10の動作に悪影響を及ぼす事はない。
The emitted light 18 is C for some reason.
Suppose you have returned to -C '. Only the TE polarization component of the return light 20 passes through the mode selector 14 and when it passes through the non-reciprocal portion 8 of the isolator portion 12, the Faraday effect causes an additional 45 ° (in the same direction as for the emitted light). Is incident on the connection portion 11 of BB '. BB '
Since the return light that has entered is incident on the AA ′ emission port of the semiconductor laser section 10, it has a polarization state (TM mode) orthogonal to the oscillation mode (TE mode) of the semiconductor laser section 10 ( (Refer to incident light in FIG. 1B), it cannot be combined with the oscillation mode of the semiconductor laser unit 10,
There is no adverse effect on the operation of the semiconductor laser unit 10.

【0032】次に、面選択ドーピング(plane−s
elective doping)と面選択性エッチン
グ(plane−selective substra
teetching)を用いて45°傾いた活性層4を
持つ半導体レーザ10を作製する方法を説明する。Si
ドープのGaAs、AlGaAsのMBE成長におい
て、成長条件によっては電気伝導度のタイプがGaAs
基板2への面方位依存性を示す事がある。例えば、MB
E成長したSiドープのGaAsは(111)A、(2
11)A、(311)A面(III族の元素が主に出た
面)上への成長ではpタイプの伝導度を示し、(10
0)面上への成長においてはnタイプの伝導度を示す。
そこで、GaAs(100)基板を加工して(111)
A面と(100)面とが存在してやるようにし、成長条
件をコントロールしながら成長してやると基板に対して
45°傾いた活性層4を持つ半導体レーザが作製でき
る。
Next, plane selective doping (plane-s)
selective doping and plane-selective substrata
A method of manufacturing the semiconductor laser 10 having the active layer 4 tilted by 45 ° by using the technique of etching will be described. Si
In MBE growth of doped GaAs and AlGaAs, the conductivity type is GaAs depending on the growth conditions.
In some cases, the plane orientation dependency on the substrate 2 may be exhibited. For example, MB
E-grown Si-doped GaAs is (111) A, (2
11) A and (311) growth on the A plane (the plane on which the group III element mainly appears) shows p-type conductivity, and (10
It exhibits n-type conductivity when grown on the (0) plane.
Then, the GaAs (100) substrate is processed into (111)
A semiconductor laser having an active layer 4 tilted at 45 ° with respect to the substrate can be manufactured by allowing the A plane and the (100) plane to exist and growing while controlling the growth conditions.

【0033】フォトレジストとウェットエッチングを用
いた基板の加工法を図2に示す。基板2にフォトレジス
トを用いて[011]方向にストライプを形成する。そ
の状態で(111)A面を出すのに有効なplane−
selectiveなエッチャント、例えばH3PO4
22=1:10のエッチャントを使用してエッチング
を行い、[011]方向に伸びるストライプ状の(11
1)A面傾斜を作製する。次にフォトレジストを除去
し、アンモニア系エッチャント(NH4OH:H22
2O=1:1:10)で5秒ほどエッチングし、純水
で十分洗浄した後、MBE装置内に導入し、成長を行
う。この時に基板温度とフラックス比(V族とIII族
の飛来分子数比)を制御する事で(111)A面上のS
iドープしたGaAs、AlGaAsの伝導度を制御す
る事が可能である。
FIG. 2 shows a substrate processing method using a photoresist and wet etching. A stripe is formed on the substrate 2 using a photoresist in the [011] direction. In that state, a plane that is effective to bring out the (111) A plane-
selective etchant, for example, H 3 PO 4:
Etching was carried out using an etchant of H 2 O 2 = 1: 10, and stripe-shaped (11
1) A plane tilt is prepared. Then the photoresist is removed, an ammonia-based etchant (NH 4 OH: H 2 O 2:
After etching with H 2 O = 1: 1: 10) for about 5 seconds and thoroughly washing with pure water, it is introduced into the MBE apparatus and grown. At this time, by controlling the substrate temperature and the flux ratio (the ratio of the number of flying molecules of V group and III group), S on the (111) A surface
It is possible to control the conductivity of i-doped GaAs and AlGaAs.

【0034】伝導度制御を行って作製した電流ブロック
層50を持つ半導体レーザの断面図を図3に示す。層構
成は図3に示した通りである。図3中、Siドープのn
−AlGaAs層24のように(100)、(111)
A面ともにn−typeの伝導度を持たせる時には、基
板温度580°C、As4/Ga=18(圧力比)で成
長を行い、図3中、Siドープのn−AlGaAs層3
2、Siドープのp−AlGaAs層44やSiドープ
のn−AlGaAs層36、Siドープのp−AlGa
As層42のように(100)面ではn−type、
(111)A面ではp−typeを得るときには基板温
度670°C、As4/Ga=18にて成長を行う。図
2で説明したようにパターニングされたn+−GaAs
基板22上に基板温度などを制御して成長を行い、(1
11)A面上に選択的にp−typeドーピングを行う
事で電流ブロック層50を持つダブルヘテロ(DH)構
造を構成する事が出来る。
FIG. 3 shows a sectional view of a semiconductor laser having a current blocking layer 50 produced by controlling conductivity. The layer structure is as shown in FIG. In FIG. 3, Si-doped n
-Like the AlGaAs layer 24 (100), (111)
When the n-type conductivity is given to both the A faces, the growth is performed at a substrate temperature of 580 ° C. and As 4 / Ga = 18 (pressure ratio), and the Si-doped n-AlGaAs layer 3 shown in FIG.
2. Si-doped p-AlGaAs layer 44, Si-doped n-AlGaAs layer 36, Si-doped p-AlGa
In the (100) plane as the As layer 42, n-type,
On the (111) A plane, when p-type is obtained, growth is performed at a substrate temperature of 670 ° C. and As 4 / Ga = 18. N + -GaAs patterned as described in FIG.
Growth is performed on the substrate 22 by controlling the substrate temperature and the like, and (1
11) A double hetero (DH) structure having the current blocking layer 50 can be formed by selectively performing p-type doping on the A surface.

【0035】ここで問題なのは(111)A面上への成
長を円滑に行う事である。単に基板温度などを制御して
DH構造を作成しても(111)A面上への成長は一般
的にあまり円滑に行われず、滑らかな平面ではなくラフ
ネスのある非平面になりやすい。このように(111)
A面、すなわちGaAs活性層28にラフネスが存在す
ると光学的な損失が大きく、レーザ動作が望めない。そ
こで、成長中にHe−Neレーザ、またはArレーザを
用いて(111)A面のみに照射し、(111)A面上
でのマイグレーションを促進してやる事で、(111)
A面上においても光学的損失の少ない、滑らかな面成長
を実現できる(図4参照)。
The problem here is that the growth on the (111) A plane is carried out smoothly. Even if the DH structure is created by simply controlling the substrate temperature and the like, the growth on the (111) A plane is generally not so smooth, and a rough non-planar surface is likely to be formed instead of a smooth flat surface. Like this (111)
If the surface A, that is, the GaAs active layer 28 has roughness, optical loss is large and laser operation cannot be expected. Therefore, by irradiating only the (111) A surface with a He-Ne laser or an Ar laser during growth to promote migration on the (111) A surface,
It is possible to realize smooth surface growth with little optical loss on the A surface (see FIG. 4).

【0036】[0036]

【実施例2】本発明の半導体発光素子は出射光が完全な
TEモード、または完全なTMモードであるため、他の
導波型光デバイスとの集積化を有効に行う事が可能であ
る。図5、図6に本発明の半導体発光素子を用いて構成
した光通信システムの概念図を示す。図5は本発明の半
導体発光素子を用いて構成される光通信システムの全体
図である。図5において、72は光ファイバなどの光伝
送路、60、62、64はこの光伝送路72を用いて通
信を行う端末、66、68、70は端末からの電気信号
を光信号に変換して光伝送路72上に送出し、光伝送路
72からの光信号を電気信号に変換して端末に伝送する
集積型端局装置である。
Second Embodiment Since the emitted light of the semiconductor light emitting device of the present invention is a perfect TE mode or a perfect TM mode, it can be effectively integrated with other waveguide type optical devices. 5 and 6 are conceptual diagrams of an optical communication system configured using the semiconductor light emitting device of the present invention. FIG. 5 is an overall view of an optical communication system configured using the semiconductor light emitting device of the present invention. In FIG. 5, 72 is an optical transmission line such as an optical fiber, 60, 62 and 64 are terminals that perform communication using this optical transmission line 72, and 66, 68 and 70 convert electric signals from the terminals into optical signals. Is an integrated type terminal station device that transmits the optical signal from the optical transmission line 72 into an electric signal and transmits the electric signal to the terminal.

【0037】集積型端局装置の構成例を示す図6におい
て、74は端末からの電気信号を光信号に変換して光伝
送路88、90上に送出する半導体レーザ部であり、そ
の活性層は基板に対して45°傾いている。76は光ア
イソレータ部で基板面に対して平行な導波路をもつ非相
反部のみから構成されており、入射光と出射光が互いに
直交するように偏光面を回転させ、半導体レーザ部74
への戻り光を防いでいる。75は光導波路が滑らかに変
化している接続部であり、半導体レーザ部74と光アイ
ソレータ部76の導波路を滑らかにつないでいる。80
は光伝送路88、90を伝送されてきた光信号を電気信
号に変換し、変換した信号が自端局機に接続されている
端末に送信されてきたものであれば信号を接続端末に伝
達する半導体光検出器(前述した半導体レーザと同じ構
造を有する)であり、導波路は基板に対して45°傾い
ている。78は光アイソレータ部76と同様な光アイソ
レータ部で信号が光伝送路88、90へ戻るのを防いで
いる。79は接続部75と同様な光アイソレータ部78
と半導体光検出器80の導波路を滑らかにつないでいる
接続部である。更に、82は半導体レーザ構造を有する
半導体光増幅器、84は光伝送路88、90を伝送され
てきた光信号の一部を半導体光検出器80へ導くT字カ
ップラ、86は半導体レーザ74からの光信号を光伝送
路88、90へ導くT字カップラ、88、90は光ファ
イバなどの光伝送路である。
In FIG. 6 showing an example of the configuration of the integrated type terminal device, 74 is a semiconductor laser section for converting an electric signal from a terminal into an optical signal and transmitting it to the optical transmission lines 88 and 90, and its active layer. Is tilted at 45 ° with respect to the substrate. Reference numeral 76 denotes an optical isolator section, which is composed only of a non-reciprocal section having a waveguide parallel to the substrate surface. The polarization plane is rotated so that the incident light and the outgoing light are orthogonal to each other, and the semiconductor laser section 74 is provided.
It prevents the return light to. Reference numeral 75 denotes a connection portion in which the optical waveguide changes smoothly, and connects the waveguides of the semiconductor laser portion 74 and the optical isolator portion 76 smoothly. 80
Converts the optical signal transmitted through the optical transmission lines 88 and 90 into an electric signal, and transmits the signal to the connection terminal if the converted signal is transmitted to the terminal connected to the own terminal station. The semiconductor photodetector (having the same structure as the above-mentioned semiconductor laser), and the waveguide is tilted at 45 ° with respect to the substrate. Reference numeral 78 denotes an optical isolator section similar to the optical isolator section 76, which prevents signals from returning to the optical transmission paths 88 and 90. 79 is an optical isolator section 78 similar to the connection section 75.
And a waveguide of the semiconductor photodetector 80 are smoothly connected. Further, 82 is a semiconductor optical amplifier having a semiconductor laser structure, 84 is a T-shaped coupler for guiding a part of the optical signal transmitted through the optical transmission lines 88, 90 to the semiconductor photodetector 80, and 86 is a semiconductor laser 74. T-shaped couplers 88 and 90 for guiding the optical signals to the optical transmission lines 88 and 90 are optical transmission lines such as optical fibers.

【0038】ところで、本発明の半導体光素子では、互
いに45°傾いている導波路を傾きが徐々に変化してい
っている導波路をもつ接続部で接続しているため、全体
的に損失のほとんど無い導波構造が形成出来る。図7
に、傾きが徐々に変化していく導波路をもつ接続部をイ
オンビームによって作製する一例を示す。イオンビーム
を導波路の長軸方向に走査させながら導波路の短軸方向
に移動させて、基板上またはその上の積層部(図7で試
料として示す)に導波路構造を形成するが、長軸方向へ
の走査の際にイオン電流を走査と同期させて変化させる
ことにより、傾きを徐々に変化させて導波路構造を形成
する事が出来る。光導波路は、基板または積層部に、以
上の様にして形成された傾きが徐々に変化した溝部91
に適当な膜を積層することで形成される。
By the way, in the semiconductor optical device of the present invention, since the waveguides which are inclined by 45 ° are connected by the connecting portion having the waveguide whose inclination is gradually changed, almost all of the loss is caused. A waveguide structure that does not exist can be formed. Figure 7
An example of producing a connection part having a waveguide whose inclination changes gradually by an ion beam is shown in FIG. While the ion beam is scanned in the long axis direction of the waveguide, the ion beam is moved in the short axis direction of the waveguide to form a waveguide structure on the substrate or a laminated portion (shown as a sample in FIG. 7) on the substrate. The waveguide structure can be formed by gradually changing the inclination by changing the ion current in synchronization with the scanning during the scanning in the axial direction. The optical waveguide is formed in the substrate or the laminated portion in the above-described groove portion 91 in which the inclination is gradually changed.
It is formed by laminating an appropriate film on.

【0039】また、以上において、半導体レーザ、半導
体光アンプまたは半導体光検出器を構成している材料は
GaAs、AlGaAs、ZnCdSe、InP、In
GaAs、ZnCdSSe、InGaAsPなどであ
り、光アイソレータはCdTe、CdMnTe、ZnS
e、ZnMnSe、YIGなどで構成される。
In the above, the materials constituting the semiconductor laser, semiconductor optical amplifier or semiconductor photodetector are GaAs, AlGaAs, ZnCdSe, InP and In.
GaAs, ZnCdSSe, InGaAsP, etc., and the optical isolator is CdTe, CdMnTe, ZnS.
e, ZnMnSe, YIG and the like.

【0040】[0040]

【実施例3】本発明の第2の形態の本実施例では、Ga
As基板上にZnSeバッファおよびZnMnSe/Z
nSe超格子バッファ層を形成した後、3層導波路構造
を形成する。導波路はZnMnSe/ZnSe超格子コ
ア層(例えば、ZnSe井戸層60Å/ZnMnSe障
壁層40Åを積層したもの)を上下のZnMnSeクラ
ッド層で挟んだ構造である。コア層のMn組成を20%
とすると井戸層111と障壁層112との格子定数のミ
スフィットは0.8%となり、井戸層111に面内引っ
張り応力が働く。その結果、TM波に対する屈折率nTM
がTE波に対するものnTEより大きくなり、膜自体が異
方性を持つ。従って、屈折率異方性の大きさに対応し
て、その異方性を形状複屈折性が補償するように、コア
層の厚さを決めることで位相整合導波路を得ることがで
きる(図15参照)。
Third Embodiment In the present embodiment of the second aspect of the present invention, Ga
ZnSe buffer and ZnMnSe / Z on As substrate
After forming the nSe superlattice buffer layer, a three-layer waveguide structure is formed. The waveguide has a structure in which a ZnMnSe / ZnSe superlattice core layer (for example, a stack of ZnSe well layers 60Å / ZnMnSe barrier layers 40Å) is sandwiched between upper and lower ZnMnSe cladding layers. 20% Mn composition of core layer
Then, the misfit of the lattice constant between the well layer 111 and the barrier layer 112 becomes 0.8%, and the in-plane tensile stress acts on the well layer 111. As a result, the refractive index n TM for TM waves
Is larger than n TE for TE waves, and the film itself has anisotropy. Therefore, a phase matching waveguide can be obtained by determining the thickness of the core layer so that the shape birefringence compensates for the anisotropy of the refractive index anisotropy (Fig. 15).

【0041】前記光導波路は、井戸層としてCdTe、
障壁層としてCdMnTeから構成されてもよい。その
際、バッファ、超格子バッファ層、クラッド層の材料も
それに応じて変えればよい。
The optical waveguide has CdTe as a well layer,
The barrier layer may be made of CdMnTe. At that time, the materials of the buffer, the superlattice buffer layer, and the cladding layer may be changed accordingly.

【0042】この半導体光素子も光アイソレータなどと
して、図5、図6で説明した様に、光通信システムに用
いられる。
This semiconductor optical device is also used as an optical isolator or the like in the optical communication system as described with reference to FIGS.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、例えば、半導体レーザ部、半導体光検出器などのデ
バイスを、導波路を基板に対して45°傾けて成長させ
て構成した事により、アイソレータ部を非相反部のみで
構成しても、出射光が完全なTE偏光であり、戻り光の
存在にほとんど影響されない集積型の半導体光素子が出
来る。
As described above, according to the present invention, for example, a device such as a semiconductor laser section or a semiconductor photodetector is formed by growing a waveguide with an inclination of 45 ° with respect to a substrate. As a result, even if the isolator section is composed of only the non-reciprocal section, the emitted light is completely TE-polarized light, and an integrated semiconductor optical device that is hardly affected by the presence of return light can be obtained.

【0044】また、本発明により、TE/TM位相整合
を必要とする導波路デバイス(例えば光アイソレータ)
の実現が可能となる。
Further, according to the present invention, a waveguide device (for example, an optical isolator) that requires TE / TM phase matching is used.
Can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment of the present invention.

【図2】面選択エッチングを用いて(100)GaAs
基板に(111)A面傾斜を作り込むための加工法を説
明する図である。
FIG. 2: (100) GaAs using face-selective etching
It is a figure explaining the processing method for making a (111) A surface inclination in a board.

【図3】面選択エッチング、面選択ドーピングを用いて
構成した半導体レーザ部の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor laser portion configured by using face-selective etching and face-selective doping.

【図4】(111)A面上でのラフネスの低減法を説明
する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a method of reducing roughness on a (111) A plane.

【図5】本発明の素子を光通信システムに応用した例を
示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example in which the device of the present invention is applied to an optical communication system.

【図6】本発明の素子を用いて構成された集積型端局装
置の概念図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram of an integrated type terminal device configured using the element of the present invention.

【図7】導波路の傾きが変化している接続部の作製法を
説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a method of manufacturing a connection portion in which the inclination of the waveguide is changed.

【図8】光アイソレータの概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram of an optical isolator.

【図9】従来の導波型アイソレータの概念図である。FIG. 9 is a conceptual diagram of a conventional waveguide type isolator.

【図10】歪みのない超格子について説明する図であ
る。
FIG. 10 is a diagram illustrating a distortion-free superlattice.

【図11】位相整合した量子井戸におけるバンド端付近
の屈折率を説明する図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating a refractive index near a band edge in a phase-matched quantum well.

【図12】本発明の歪超格子について説明する図であ
る。
FIG. 12 is a diagram illustrating a strained superlattice of the present invention.

【図13】超格子におけるバンド端付近の屈折率を説明
する図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a refractive index near a band edge in a superlattice.

【図14】面内圧縮応力と面内引っ張り応力について説
明する図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating in-plane compressive stress and in-plane tensile stress.

【図15】超格子をコア層とする光導波路の有効屈折率
の導波路厚依存性を説明する図である。
FIG. 15 is a diagram illustrating the waveguide thickness dependence of the effective refractive index of an optical waveguide including a superlattice as a core layer.

【図16】偏波の変化の様子を説明するポアンカレ球の
図である。
FIG. 16 is a diagram of a Poincare sphere for explaining how the polarization changes.

【図17】等方的な材料から成る薄膜導波路の屈折率を
説明する図である。
FIG. 17 is a diagram illustrating the refractive index of a thin film waveguide made of an isotropic material.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2,22,92……基板 4……活性層 6a,6b,6c……光導波路 8,100……非相反部 10,74……レーザ部 11,75,79……接続部 12,76,78……アイソレータ部 14,94,98……モードセレクタ 16……磁界 18……出射光 19……入射光 24,32,36,46,48……Siドープn−Al
GaAs層 26,30……AlGaAs層 28……GaAs活性層 34……Beドープp−AlGaAs層 38……Beドープp+−GaAs層 40……金属コンタクト 50……電流ブロック層 60,62,64……端末 66,68,70……端局装置 72,88,90……光伝送路 80……半導体光検出器 82……半導体光増幅器 84,86……T字カップラ 91……溝部 102……相反部 104……磁気光学薄膜 111……井戸層 112……障壁層
2, 22, 92 ... Substrate 4 ... Active layer 6a, 6b, 6c ... Optical waveguide 8,100 ... Non-reciprocal part 10, 74 ... Laser part 11, 75, 79 ... Connection part 12, 76, 78 ... Isolator part 14, 94, 98 ... Mode selector 16 ... Magnetic field 18 ... Emitted light 19 ... Incident light 24, 32, 36, 46, 48 ... Si-doped n-Al
GaAs layer 26, 30 ... AlGaAs layer 28 ... GaAs active layer 34 ... Be-doped p-AlGaAs layer 38 ... Be-doped p + -GaAs layer 40 ... Metal contact 50 ... Current blocking layer 60, 62, 64 ...... Terminals 66,68,70 ...... Terminal devices 72,88,90 ...... Optical transmission line 80 ...... Semiconductor photodetector 82 ...... Semiconductor optical amplifiers 84,86 ...... T-coupler 91 ...... Groove 102 ... ... Reciprocal part 104 ... Magneto-optical thin film 111 ... Well layer 112 ... Barrier layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H04B 10/02 // G02B 27/28 Z 9120−2K ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H04B 10/02 // G02B 27/28 Z 9120-2K

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板面に対して45°傾いた光導波路を
持つ半導体光素子部と、基板面に対して水平な光導波路
を持つ光素子部と、基板面に対しての傾きが45°から
0°まで連続的に変化している光導波路を持ち、互いに
45°傾いた前記2つの光導波路を滑らかにつないでい
る接続部とから構成され、出射光が基板面に対して完全
に垂直または水平な偏波面を持つことを特徴とする半導
体光素子。
1. A semiconductor optical device section having an optical waveguide inclined at 45 ° with respect to a substrate surface, an optical element section having an optical waveguide horizontal to the substrate surface, and an inclination at 45 ° with respect to the substrate surface. It has an optical waveguide that continuously changes from 0 ° to 0 °, and is composed of a connecting part that smoothly connects the two optical waveguides that are inclined to each other by 45 °, and the emitted light is completely perpendicular to the substrate surface. Alternatively, a semiconductor optical device having a horizontal plane of polarization.
【請求項2】 基板面に対して45°傾いた光導波路を
もつ半導体光素子部が半導体レーザ、半導体光アンプま
たは半導体光検出器であることを特徴とする請求項1に
記載の半導体光素子。
2. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor optical device portion having an optical waveguide inclined at 45 ° with respect to the substrate surface is a semiconductor laser, a semiconductor optical amplifier or a semiconductor photodetector. .
【請求項3】 基板面に対して水平な光導波路をもつ光
素子部が光アイソレータであることを特徴とする請求項
1に記載の半導体光素子。
3. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the optical device portion having an optical waveguide horizontal to the substrate surface is an optical isolator.
【請求項4】 基板に対して傾いた光導波路を持つ半導
体光素子部が面選択エッチング、および面選択ドーピン
グによって形成されていることを特徴とする請求項1に
記載の半導体光素子。
4. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor optical device portion having an optical waveguide inclined with respect to the substrate is formed by face-selective etching and face-selective doping.
【請求項5】 半導体レーザ、半導体光アンプまたは半
導体光検出器を構成している材料がGaAs、AlGa
As、ZnCdSe、InP、InGaAs、ZnCd
SSe、InGaAsPのうちの適当なものであること
を特徴とする請求項2に記載の半導体光素子。
5. The material forming the semiconductor laser, the semiconductor optical amplifier or the semiconductor photodetector is GaAs or AlGa.
As, ZnCdSe, InP, InGaAs, ZnCd
3. A semiconductor optical device according to claim 2, which is a suitable one of SSe and InGaAsP.
【請求項6】 光アイソレータがCdTe、CdMnT
e、ZnSe、ZnMnSe、YIGのうちの適当なも
ので構成されていることを特徴とする請求項3に記載の
半導体光素子。
6. The optical isolator is CdTe or CdMnT.
4. The semiconductor optical device according to claim 3, wherein the semiconductor optical device is made of an appropriate one of e, ZnSe, ZnMnSe, and YIG.
【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかに記載の半導
体光素子を用いて構成されている光通信デバイスを用い
て光通信を行うことを特徴とする光通信システム。
7. An optical communication system for performing optical communication using an optical communication device configured using the semiconductor optical device according to claim 1. Description:
【請求項8】 半導体歪超格子構造を用いた光導波路に
おいて、井戸層の格子定数を障壁層のそれより小さくす
ることにより、面内引っ張り応力を与え軽い正孔の基底
準位を重い正孔のそれより安定化し、軽い正孔と伝導帯
電子の基底準位との間の光学遷移確率を大きくすること
によりTM波の屈折率がTE波の屈折率よりも大きくさ
れ、かつ形状複屈折による異方性によりTE波とTM波
との伝搬定数が一致するような厚さに前記光導波路が設
定されていることを特徴とするTE波とTM波との間の
位相整合が図られた光導波路素子。
8. In an optical waveguide using a semiconductor strained superlattice structure, by making the lattice constant of a well layer smaller than that of a barrier layer, in-plane tensile stress is given and the ground state of light holes is changed to heavy holes. The refractive index of the TM wave is made higher than that of the TE wave by increasing the optical transition probability between the light hole and the ground level of the conduction band electron. An optical waveguide in which the TE wave and the TM wave are phase-matched, characterized in that the optical waveguide is set to a thickness such that the propagation constants of the TE wave and the TM wave match due to anisotropy. Waveguide element.
【請求項9】 前記光導波路は、井戸層としてZnS
e、障壁層としてZnMnSeからなることを特徴とす
る請求項8に記載の光導波路素子。
9. The optical waveguide comprises ZnS as a well layer.
The optical waveguide element according to claim 8, wherein the optical waveguide element is made of ZnMnSe as a barrier layer.
【請求項10】 前記光導波路は、井戸層としてCdT
e、障壁層としてCdMnTeからなることを特徴とす
る請求項8に記載の光導波路素子。
10. The optical waveguide comprises CdT as a well layer.
The optical waveguide device according to claim 8, wherein the optical waveguide element is made of e and the barrier layer is made of CdMnTe.
【請求項11】 請求項8乃至10のいずれかに記載の
半導体光素子を用いて構成されている光通信デバイスを
用いて光通信を行うことを特徴とする光通信システム。
11. An optical communication system for performing optical communication using an optical communication device configured using the semiconductor optical device according to claim 8. Description:
JP4353567A 1992-12-14 1992-12-14 Semiconductor optical element and te/tm phase matching optical waveguide element formed by using strain super lattice Pending JPH06180405A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6026107A (en) * 1996-11-06 2000-02-15 Nec Corporation Semiconductor optical functional device and method of driving the same

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US6026107A (en) * 1996-11-06 2000-02-15 Nec Corporation Semiconductor optical functional device and method of driving the same

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