JPH08297263A - 半導体光導波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高機能及び多機能の光源、受光素子等に適用
可能な半導体光導波素子を提供すること。 【構成】 活性層を有する第１の半導体光導波層及び前
記活性層より十分に禁制帯幅が広い材料からなる第２の
半導体光導波層から構成される光導波路と、前記活性層
に電流を注入する手段と、前記第２の半導体光導波層の
バンド内吸収の共鳴波長を電気的に制御する手段とを具
備し、前記第２の半導体光導波層のバンド内吸収の共鳴
波長は、前記活性層への電流注入により生じる誘導放出
利得波長帯域内に設定されていることを特徴とする半導
体光導波素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体光導波素子に係
り、特に、光導波層内のバンド内遷移を外部から制御す
ることにより様々な機能を実現することの可能な半導体
光導波素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ、低損失光ファイバ、光フ
ァイバ増幅器、高速集積回路などのオプトエレクトロニ
クス関連技術の発展により、毎秒１０ギガビットという
大量の情報を長距離伝送することが可能となった。しか
し、来るべきマルチメディア時代においては、一般の末
端利用者も高精細映像情報などの大量の情報をリアルタ
イムで利用することになるので、更に大容量の情報を伝
送・処理できるインフラストラクチャーの構築が必要に
なる。

【０００３】光ファイバの広帯域特性を生かして大容量
の情報伝送・処理を行うには、光周波数多重（光ＦＤ
Ｍ）技術や光時分割多重（光ＴＤＭ）技術を用いるのが
妥当と考えられる。そこで、大規模で効率的な光ＦＤＭ
ネットワークや光ＴＤＭネットワークの実現に向けて、
新しい機能を有する光素子を開発することが急務となっ
ている。

【０００４】例えば、光ＦＤＭ／光ＴＤＭネットワーク
では、図７に示すような波長変換ノードが、信号の交換
や波長チャンネルの再利用に重要な役割を果たすと考え
られる。進行波型半導体レーザ増幅器からなる波長変換
素子１４３に信号入力光（波長λ_q ）と強い励起光（λ
_p ）を入射すると、四光波混合により信号共役光（波長
λ_c ）も出力される。このλ_c 成分のみを狭帯域波長フ
ィルタ１４４で取り出し、光ファイバ増幅器１４５で増
幅することにより、十分な強度の波長変換出力が得られ
る。

【０００５】ところが、従来の波長フィルタでは、λ_c
を高速に切り替えることが極めて困難であった。機械式
の波長可変フィルタや音響光学効果を用いた波長可変フ
ィルタは切り替え速度が遅すぎて、このような用途には
使えない。分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザや分布ブ
ラッグ反射器型（ＤＢＲ）半導体レーザを応用した波長
可変フィルタでは、サブナノ秒の高速切り替えが可能で
あるが、共振型なので多重反射によりパルス幅が広がっ
てしまい、短光パルス信号のフィルタとしては不適切で
ある。従って、従来技術によりλ_c を高速に切り替える
ようとすると、波長変換素子１４３の出力を設定波長の
ことなる複数の狭帯域フィルタに導いて、その一出力を
選択するというような効率の悪い手段を取らざるをえな
かった。可変波長フィルタの例に限らず、光ＦＤＭ／光
ＴＤＭネットワークの発展は、新原理に基づく新機能光
素子の開発に依存するところ大である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の例のように、マ
ルチメディア時代を担う光ＴＤＭ／光ＦＤＭネットワー
クを実現するためには、従来技術では実現できなかった
高速可変波長フィルタのような新しい機能の実現が必須
である。本発明の目的は、高機能及び多機能の光源、受
光素子等に適用可能な半導体光導波素子を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、活性層を有する第１の半導体光導波層及
び前記活性層より十分に禁制帯幅が広い材料からなる第
２の半導体光導波層から構成される光導波路と、前記活
性層に電流を注入する手段と、前記第２の半導体光導波
層のバンド内吸収の共鳴波長を電気的に制御する手段と
を具備し、前記第２の半導体光導波層のバンド内吸収の
共鳴波長は、前記活性層への電流注入により生じる誘導
放出利得波長帯域内に設定されていることを特徴とする
半導体光導波素子を提供する。

【０００８】かかる半導体光導波素子において、前記第
２の半導体光導波層のバンド内吸収の共鳴波長を制御す
る手段は、第２の半導体光導波層に電界を印加する手段
とすることが出来る。

【０００９】第２の半導体光導波層を構成する半導体材
料として、前記第１の半導体光導波層の活性層の禁制帯
幅の２倍を超える、好ましくは３倍を越える大きな禁制
帯幅を有する材料を使用することが出来る。かかる要件
を満たす第１の半導体光導波層を構成する材料としてＩ
ｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等を、第２の半導体光導波層を構
成する材料としてＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を用い
ることが出来る。また、第２の半導体光導波層は、量子
井戸構造とすることが出来る。

【００１０】本発明の半導体光導波素子におけるバンド
内共鳴吸収の具体的な例としては、量子井戸のサブバン
ド間吸収、価電子帯のサブバンド間吸収、価電子帯間吸
収などが挙げられる。

【００１１】本発明の半導体光導波素子は、以下に記載
するような様々な態様が可能であり、これらにより多種
多様な機能を実現することができる。即ち、第２の半導
体光導波層は、電界印加によりバンド内共鳴吸収のスペ
クトルが変化するように設定することが出来る。サブバ
ンド間吸収を用いた半導体光導波素子の場合、電界印加
によるサブバンド間遷移エネルギ変化を増大させるため
には、井戸構造を非対称にするなどの手法が知られてい
る。

【００１２】第２の半導体光導波層の少なくとも一部に
は、不純物がド−プされていてもよい。第１の半導体光
導波層と第２の半導体光導波層は、近接積層されて一体
の光導波路を構成していてもよい。また、前記第１の半
導体光導波層と第２の半導体光導波層は、直列に接続さ
れていてもよい。更に、光導波路が第１と第２の半導体
光導波層うち一方のみからなる部分と、両方に近接して
積層一体化されている部分とから構成されていてもよ
い。更にまた、第１の半導体光導波層と第２の半導体光
導波層の間に第３の半導体光導波層が介在していてもよ
い。

【００１３】第２の半導体光導波層のバンド内吸収共鳴
波長は、活性層の利得帯域内に一つだけであってもよい
し、複数設定されていてもよい。また、前記第２の半導
体光導波層は、光導波路に沿って複数の領域に分割さ
れ、かつ第２の光導波層に電界を印加してバンド内吸収
共鳴波長を制御する手段も各領域毎に独立して設けられ
ていてもよい。この場合、領域ごとにバンド内吸収共鳴
波長が異なっていても良い。なお、複数の領域とは、例
えば、井戸幅が広めの領域と狭めの領域とすることが出
来る。

【００１４】光導波路には、進行方向に沿って伝搬光が
多重反射することを防止する手段が設けられていてもよ
い。この場合、本発明の半導体光導波素子は、進行波型
光導波素子となる。具体的には、入出射端面への反射防
止膜の形成、窓構造の導入、他の素子との光導波路によ
るモノリシック集積化、端面を光導波路に対して垂直か
らずらす、などの手法がある。

【００１５】また、本発明の半導体光導波素子を半導体
レーザのような共振型素子として利用する場合には、特
定波長の光を共振させるための光帰還手段を設けてもよ
い。光帰還手段としては、回折格子、へき開面、エッチ
ング面などを利用することができる。

【００１６】

【作用】本発明の半導体光導波素子において、第１の半
導体光導波層内の活性層では、電流が注入されることに
より、バンド端エネルギ近傍の広い波長帯域にわたって
誘導放出利得が生じる。第２の半導体光導波層は、活性
層より禁制帯幅が十分に広い半導体層から構成されてい
るので、活性層の利得帯域波長の光に対してバンド間吸
収は生じないが、バンド内吸収を生じる。バンド内吸収
の大きさは、第２の半導体光導波層のキャリア密度に依
存するので、ド−プする不純物の濃度等により好ましい
値に設定することが出来る。バンド内共鳴吸収のスペク
トル幅は高々数十ｍｅＶであり、バンド間吸収のスペク
トル幅や活性層の利得スペクトル幅と比べて狭い。

【００１７】光導波路に伝搬する光は、活性層の利得と
第２の半導体光導波層の吸収の両方を感じるため、その
正味の利得スペクトルにはバンド内吸収による利得のホ
ールが生じることとなる。バンド内吸収共鳴波長が活性
層の利得帯域内に複数設定されている場合は、利得ホー
ルの位置を適当にオーバーラップさせたり間隔を開けた
りすることで、様々な透過スペクトルを有する活性波長
フィルタを構成することができる。活性層は利得を有す
るので、透過波長域には利得が遮断波長域には損失が生
じる。

【００１８】第２の半導体光導波層に電界を印加する
と、利得のホールの位置や大きさが変化する。第２の半
導体光導波層とその電圧印加手段が複数の領域に分割さ
れている場合は、更に複雑な透過特性制御が可能とな
る。バンド内吸収スペクトルの変化は、量子井戸のサブ
バンド間吸収でも価電子帯間吸収でも電界変化に瞬間的
に追従するので、高速である。

【００１９】進行方向に沿った多面反射防止手段を有す
る進行波型の構成の場合、透過波長の高速光パルスは多
重反射によりパルス波形が乱れたり複数に別れたりする
ことなく伝搬する。遮断波長の光パルスが入射した場
合、バンド内吸収で高いレベルに励起されたキャリア
は、電界により外部に引き出されなくても数ピコ秒以内
の短時間内に元のレベルに緩和するので、吸収飽和によ
るパターン効果を生じない。

【００２０】第２の半導体光導波層への電界の印加によ
り、特定波長の吸収係数が変わるので、本発明の半導体
光導波素子は、光強度変調器としても応用することが可
能である。

【００２１】一般に、電界の印加により吸収スペクトル
が大きく変化する場合は、その近傍の波長の屈折率も大
きく変化するから、本発明の半導体光導波素子は、屈折
率変化を利用する素子にも応用することができる。バン
ド間吸収と比べて吸収スペクトル幅が狭いため、吸収ス
ペクトルのすぐ外側の波長を利用することで、吸収変化
は小さいが屈折率変化の大きな位相変調器を実現するこ
とができる。

【００２２】また、波長と印加電圧の設定により、制御
光パワーや電界による吸収係数変化と屈折率変化の比
（αパラメータ）を大きく変えることができる。また、
進行波型光増幅器内部の相互位相変調を利用した光制御
型光スイッチや、進行波型光増幅器内部の四光波混合や
利得飽和を利用した波長変換素子に本発明の構造を応用
すれば、外部電圧端子を介して吸収係数や変換効率など
の動作条件の制御が可能となる。

【００２３】更に、バンド内吸収で生じた高エネルギの
キャリアを共鳴トンネリングなどで引き出す工夫を付け
加えれば、高速に波長同調可能な光検出器が実現され
る。更にまた、光帰還手段を設けて共振型光導波素子と
した場合、共振型波長フィルタ、共振型光制御・スイッ
チング素子などとして用いられるほか、多機能な光源と
しても利用することができる。例えば、共振構造の内部
に第２の半導体導波層が設けられている場合は、第２の
半導体導波層への電圧の印加により、高速に波長を変え
られる波長可変レーザ、第２の半導体導波層を電圧で特
性制御可能な可飽和吸収体としたモードロック・レー
ザ、損失スイッチで短パルスを発生するレーザ光源など
への応用が可能である。共振構造の外部に第２の半導体
導波層が設けられている場合は、強度変調器集積化光
源、位相変調器集積化光源などが実現できる。

【００２４】第２の半導体光導波層を構成する半導体材
料に活性層の禁制帯幅の２倍を十分に超える大きな禁制
帯幅を有する材料を使用すると、第２の半導体光導波層
が光導波路を伝搬する光を二光子吸収により吸収するこ
とによる第２の半導体光導波層でのキャリア密度変化が
防止できるので、キャリア寿命に限定される時定数が百
ｐｓ以上の遅い特性変化を抑止して、良好な高速応答特
性を実現することができる。

【００２５】より一般的には、第２の半導体光導波層の
バンド間吸収を使用光波長の１／Ｎより十分短くするこ
とで、Ｎ個の光子を吸収する多光子バンド間吸収過程も
防止することが出来る。

【００２６】このように、本発明の半導体光導波素子
は、光源、光検出素子、光のスペクトル・強度・位相な
どを変える光導波素子、あるいはこれらの複合機能を有
する素子など、様々な光素子に応用できる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例の波長変換素子につい
て、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の
実施例に係る半導体光導波素子の可変波長フィルタの構
造を示す模式図である。この図では、素子の一部を切断
して内部の断面も示してある。この実施例の可変波長フ
ィルタは、ＩｎＧａＡｓＰ層を活性層とする進行波型半
導体レーザー増幅器であり、活性層への電流注入経路の
外に、活性層と一体の光導波路の一部になるようにＧａ
Ｎ／ＡｌＮ量子井戸層（第２の光導波層）を形成し、そ
のサブバンド間共鳴吸収波長を電界により制御できるよ
うにしたものである。

【００２８】図１の可変波長フィルタでは、ｐ型ＩｎＰ
基板１上にストライプ状に光導波路２が形成されてお
り、この光導波路２は、下部クラッドを兼ねるＩｎＰ基
板１、ｐ^- 型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３、アンドープＩ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層４、ｎ型Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光導波層５、アンドープＩｎＧａＮ層１
１、サブバンド間遷移共鳴吸収層となるアンドープＧａ
Ｎ／ｎ型ＡｌＮからなる量子井戸層１２、上部クラッド
となるｎ型ＡｌＧａＮ層１３が積層された構造を有して
いる。

【００２９】光導波路２の外部は、ｎ型ＩｎＰ層８とｐ
型ＩｎＰ層９とからなる電流狭搾層、及び活性層４の側
面に接触するように積層されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層７
に囲まれている。ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸層１２は、導
波路に沿って井戸幅が広めな領域と狭めな領域とから構
成される。光導波路２の両側面には溝１４が形成されて
おり、リッジ型の光導波路を構成している。

【００３０】また、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層７の上部、ｎ
型ＡｌＧａＮ層１３の上部、及びｐ型ＩｎＰ層の下部に
は、それぞれオーミック電極１５，１６，１７が形成さ
れている。入出射端面には反射防止膜１８が形成されて
おり、光導波路２が端面まで届いていない、いわゆる窓
構造との組み合わせにより、端面反射率は０．０１％以
下に抑えられている。

【００３１】このような構造は、例えば以下のようにし
て形成することができる。まず、光導波層３、活性層
４、光導波層５が順次エピタキシャル成長された半導体
エピタキシャル成長基板１を用意する。また、これとは
別に、サファイヤなどの別の基板上に、ＺｎＯ層やバッ
ファ層を介して、ＩｎＧａＮ層１１、サブバンド間遷移
共鳴吸収層１２、及びＡｌＧａＮ層１３からなる窒化物
エピタキシャル多層膜を積層しておく。領域ごとに合計
２回の選択成長を行うことで井戸幅変調構造が作製でき
るが、ＩｎＧａＡｓＰ系で良く知られたマスク選択成長
（マスク幅で成長速度が変化）などの既存技術を応用す
れば、１回の成長で井戸幅変調構造を作製することも可
能である。

【００３２】次に、ＺｎＯ層の選択エッチングにより基
板と窒化物エピタキシャル多層膜を分離する。このよう
にして得たエピタキシャル多層膜を、ＩｎＧａＡｓＰか
らなる光導波層５とアンドープＩｎＧａＮ層１１が対向
するようにＩｎＰ基板１に圧着し、水素雰囲気中で高温
処理を行うことにより一体化する。対向するどちらの層
もＩｎを含むため、良好な直接接着が可能である。

【００３３】このようにして形成された直接接着積層構
造を、ドライエッチングにより光導波路２の形に加工し
た後、窒化物エピタキシャル多層膜を選択成長マスクと
して用いて、埋め込み層８，９，７をエピタキシャル成
長する。その後、導波路側面のドライエッチによる溝１
４の形成、上部電極１５，１６の形成、ＩｎＰ基板１の
裏面の研磨、下部電極１７の形成、へき開やダイシング
によるチップ切り出し、反射防止膜１８の形成などの工
程を経て、図１に示すような構造を得ることができる。

【００３４】このようにして得た半導体チップは、下部
電極１７を介してヒートシンクと電流端子を兼ねるＡｕ
コートＡｌＮサブマウント付きＣｕマウントに搭載さ
れ、上部電極はボンディングとストリップラインを介し
て給電ラインと接続され、入出力用光ファイバ、ファイ
バとこの波長変換素子の低損失の光結合を実現するため
の非球面レンズ対、光アイソレータ、ペルチェ冷却器な
どとともにモジュールに組み込まれて使用される。

【００３５】図１に示す可変波長フィルタにおいて、電
子は上部電極１５からＩｎＰ埋め込み層７及びＩｎＧａ
ＡｓＰ層５を介して活性層４に注入され、正孔は基板１
からＩｎＧａＡｓＰ層３を介して活性層４に注入され
る。電子と正孔の反転分布によって活性層４に誘導放射
利得が生じるため、光導波路２に入射した波長１．５５
μｍ近傍の光は増幅されることになる。光導波路に沿っ
た方向に多重反射がないため、光電流注入時にもレーザ
発振は起こらず、高利得の増幅が実現される。

【００３６】ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮの禁制帯幅
は、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰの禁制帯幅よりずっと大き
く、活性層４や光導波層５のキャリアに対するエネルギ
障壁が高いため、キャリアの注入は起こらない。また、
ＧａＮの禁制帯幅（３．４〜３．６ｅＶ）が広いため、
波長１．５５μｍ帯（光子エネルギ〜０．８ｅＶ）の光
が入射してもバンド間遷移による二光子吸収、三光子吸
収、四光子吸収は生じず、ＧａＮ井戸層のキャリア密度
はほとんど変動しない。

【００３７】ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸層１２では、伝導
帯に深い量子井戸が形成されている。ＡｌＮやＧａＮの
伝導帯の底はΓ₁ 点である。量子井戸層１２の障壁層と
なるＡｌＮはｎ型にドーピングされているが、光のない
状態では電子の大部分はポテンシャルが低いＧａＮのΓ
₁ の第１サブバンドに分布している。ＡｌＮの不純物が
ヘテロ界面のポテンシャル等に悪影響を及ぼすのを避け
るため、ｎ型ＡｌＮ障壁層とアンドープＧａＮ井戸層の
間にアンドープＡｌＮ層を介在させても良い。最も外側
のＡｌＮ障壁層をアンドープとして厚さを十分にとれ
ば、電圧印加時にも実電流が流れるのを防ぐことができ
る。

【００３８】ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸層の井戸幅の広め
な領域では、Γ₁ の第１サブバンドとΓ₁ の第２サブバ
ンドの間のエネルギ差が０．７９ｅＶになるように井戸
幅が設定されている。一方、井戸幅の狭めな領域では、
サブバンド間のエネルギ差が０．８１ｅＶになるように
設定されている。第１サブバンドと第２サブバンド間の
遷移はＴＭモードに対して許容遷移である。

【００３９】２つのサブバンドの井戸に平行な波数に対
するエネルギ分散曲線の間隔は、電子が存在するΓ₁ の
近傍では、波数にほとんど依存せず一定なため、井戸幅
の揺らぎや不純物によるポテンシャルの揺らぎなどの不
均一広がりの要因を抑えれば、吸収スペクトルの幅を２
０ｍｅＶ程度に狭くすることが可能である。

【００４０】光は活性層４付近に分布ピークを有する
が、一部はＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸層１２にしみ出すよ
うなモードで導波される。従って、上述のサブバンド間
遷移に相当する波長のＴＭモード光が導波路２を伝搬す
ると、その一部は吸収されて第１のサブバンドの電子を
第２のサブバンドに励起する。活性層４の利得（１点鎖
線）と電圧無印加時のＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸層１２の
損失のスペクトル（破線）を図２（ａ）に、正味の透過
スペクトル特性を図２（ｂ）の実線で示す。サブバンド
間吸収の裾による透過帯域の損失は、活性層４の利得に
より補償されている。

【００４１】電極１５，１６間に電圧をかけて井戸に電
界を印加すると、量子閉込めシュタルク効果によりサブ
バンド間エネルギ間隔が広がり、共鳴波長は短波長側に
シフトする。ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸１２の構造をＡｌ
Ｎ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮのような非対称構造に
すると、吸収スペクトル幅はやや広くなるものの、電界
印加によるサブバンド間共鳴吸収波長変化を強調するこ
とができる。電圧印加時の正味の利得損失スペクトルを
図２（ｂ）に破線で示す。電界による透過波長変化の速
度は、主として電圧駆動系のＬＣＲで制限され、数百ｐ
ｓの応答が可能である。

【００４２】なお、この実施例では第２の半導体光導波
層の２つの領域（井戸幅が広めの領域と狭めな領域）を
共通の電極１６で同時に制御する構成としたが、２つの
領域の吸収ピーク波長の電圧に対するシフト量は厳密に
言えば異なっている。また、吸収スペクトルの幅や吸収
係数も電圧に依存して変化する。これらの変化にもかか
わらず、透過特性をほぼ一定に保って透過ピーク波長を
制御するためには、それぞれの領域を独立に制御できる
ように、電極１６も２つの領域に分割して設けるのが好
ましい。また、このような分割電極構造にすると、透過
帯域幅など、透過波長以外の特性も制御可能となる。

【００４３】第２の半導体導波層１２をさらに多数の領
域に分割すれば、複数の透過波長を有するフィルタや、
透過帯域や吸収帯域が複雑に分布した可変波長フィルタ
等も実現することができる。

【００４４】本実施例の可変波長フィルタでは、入射端
面に形成された反射防止膜１９と窓構造により光の多重
反射が防止されているので、短光パルスに対してもパル
ス波形が広がることがない。また、第２のサブバンドに
励起された電子は、数ピコ秒程度のごく短時間のうちに
電子やフォノンとの衝突を繰り返しながら、元の低エネ
ルギの状態に緩和していくので、数ｐｓ周期に短パルス
光列のエネルギを吸収する場合でも、前のパルスの影響
が後のパルスの波形に影響を及ぼすことはない。

【００４５】以上説明した本発明の第１の実施例に係る
可変波長フィルタは、活性層が一体に形成されていな
い、高速波形可変可能なサブバンド間吸収による光吸収
部とサブバンド間吸収のない光増幅器部とをカスケード
接続しただけの素子とは、下記の点で異なっている。

【００４６】即ち、光吸収部の後に光増幅器を接続した
構成では、吸収波長に光増幅器の発生するＡＳＥ雑音が
のってしまい、信号対雑音比が悪化してしまう。初段で
信号対雑音比の悪化してしまった信号は、いくら増幅し
ても信号品質は向上しない。これに対して、本発明の半
導体光導波素子では、吸収波長域のＡＳＥ雑音も吸収す
るので、信号対雑音比を高くできる。本発明の半導体光
導波素子は、増幅機能も有しており、信号対雑音比に優
れた初段増幅器として考えれば、さらに後に光増幅器を
つなげてより大きな出力を得ることが可能である。

【００４７】逆に、光増幅器で増幅してからサブバンド
間吸収による光吸収部に光を入射した場合、サブバンド
間吸収の飽和やそれに伴う熱の発生や大きな非線形性の
ために、光入力レベルやパタ−ンに依存しない安定な動
作を得ることが困難となる。これに対して、本発明の半
導体光導波素子の構成によれば、入力レベルに関して広
いダイナミックレンジを実現することができる。

【００４８】図３は、本発明の第１の実施例の半導体光
導波素子を高速波長可変フィルタとして用いた場合の、
波長変換ノードの構成例を示す図である。この波長変換
ノード４０の主たる構成要素は、高速波長可変半導体レ
ーザ４１、信号光と波長可変半導体レーザ４１からの出
力光とを合波するカプラ４２、進行波型半導体レーザ増
幅器からなる波長変換素子４３、本発明の第１の実施例
に係る半導体光導波素子（高速可変波長フィルタ）４
４、光ファイバ増幅器４５、及び制御装置４６である。

【００４９】図３に示す波長変換ノード４０において、
信号光は波長λ_q の短パルス列からなるパケットから構
成される。高速波長可変半導体レーザ４２は、信号光パ
ルスに同期したタイミングで、パケットごとに決められ
た波長λ_p の励起光パルスを出す。波長λ_q の信号光と
波長λ_p の励起光は、波長変換素子４３内において四光
波混合し、波長変換素子４３からは波長λ_c ＝２λ_p −
λ_q の共役信号光が発生する。

【００５０】制御装置４６は、元の信号パケットの波長
λ_q と、変換により得たいパケットの波長λ_c とから決
定される波長λ_p に、高速波長可変半導体レーザ４２の
発振波長を制御するとともに、高速可変波長フィルタ４
４の透過波長をλ_c に制御する。この結果、パケット毎
に波長変換を行うことができる。

【００５１】このノードの後段に、波長により出力が決
定される光回路（ＰＬＣ）などを接続しておけば、信号
のルーティングが可能となるし、波長再利用可能なアド
・ドロップ・マルチプレクサなどにも応用可能である。
また、このようなノード４０を並列に複数個並べ、ルー
ティング用ＰＬＣを介して多段接続すれば、空間・波長
併用型の光交換機も実現できる。

【００５２】従来の波長変換ノ−ドでは応答速度が遅い
ため、切り替え時間の遅い波長交換型クロスコネクトは
実現できても、このような高速パケットの交換は実現で
きなかったものである。本発明の半導体光導波素子によ
れば、上述の応用例に限らず、様々な新しい機能が実現
できる。

【００５３】なお、以上の説明では、図３に示す応用例
において、高速可変波長フィルタ４４に本発明の光導波
素子を適用したが、本発明はこれに限らず、進行波型半
導体レーザ増幅器からなる波長変換素子４３にも、本発
明を適用することが可能である。

【００５４】即ち、サブバンド間吸収波長が四光波混合
に関与する光の波長に近ければ、キャリア・ヒーティン
グやスペクトラル・ホールバーニングに起因する四光波
混合の効率を増強させることが可能である。さらに、外
部からサブバンド間吸収スペクトルを制御することで、
変換に関わる波長の組み合わせごとに波長変換特性を最
適化制御することが可能となる。

【００５５】例えば、四光波混合に関与するキャリア密
度変化、キャリア・ヒーティング、スペクトラル・ホー
ルバーニングの三成分の位相の干渉関係により変換効率
が下がる波長の組み合わせ条件がある。このような場合
にも、例えばキャリア・ヒーティングによる非線形感受
率χ⁽³⁾ の実部と虚部の比（αパラメータ）を第２の半
導体光導波層への電圧印加により変化させれば、変換効
率が干渉で強め合うように制御することができ、波長の
組み合わせにかかわらず、より高効率の波長変換を行う
ことができる。

【００５６】このように、本発明の半導体光導波素子
は、波長変換素子にも可変波長フィルタにも使える多機
能素子である。従って、同一プロセスで波長変換素子と
可変波長フィルタとを一体・集積化して作製することも
可能である。このように集積化することにより、（１）
接続用ファイバとの結合損失を減らることが出来る、
（２）環境変化に対する安定性を高めることが出来る、
（３）モジュール化の手間を省くことが出来る、（４）
小型・軽量化を図ることが出来る、（５）低コスト化す
ることが出来るなど、様々な利点を得ることが出来る。
また、以下に示す第２の実施例におけるように、波長可
変レーザとしても適用できるので、波長変換ノードの大
部分を一チップ化することも可能である。

【００５７】本発明の第２の実施例に係る半導体光導波
素子は、本発明を波長可変ＤＦＢレーザに応用したもの
である。図４は、その光導波路５２に沿った断面を模式
的に示す図である。

【００５８】図４に示す波長可変ＤＦＢレーザでは、ｐ
型ＩｎＰ基板５１上に、ｐ^- 型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
５３、アンドープ伸張歪ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ量子井戸活性層５４、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５
５、アンドープＩｎＧａＮ層６１、サブバンド間遷移共
鳴吸収層となるアンドープＧａＮ／ｎ型ＡｌＮからなる
量子井戸層６２、上部クラッドとなるｎ型ＡｌＧａＮ層
６３が順次積層されている。かかる基本構造は、第１の
実施例に係る可変波長フィルタとほぼ同様である。光導
波路５２に垂直な断面構造も、第１の実施例に係る可変
波長フィルタとほぼ同様である。

【００５９】ｎ型ＡｌＧａＮ層６３の上部と基板５１下
部にはそれぞれ電極６５，６７が形成されており、図示
されていないが、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５５は第
１の実施例と同様に、第３の電極に電気的に接続されて
いる。電流注入方法、電圧印加方法なども、第１の実施
例に係る可変波長フィルタと同様である。モジュールに
は光アイソレータが組み込まれており、外部反射光がレ
ーザに戻ることを防止している。

【００６０】図４に示す波長可変ＤＦＢレーザが第１の
実施例に係る可変波長フィルタと異なる主な点は、Ｉｎ
Ｐ基板５１とＩｎＧａＡｓＰ光導波層５３の界面に回折
格子７０が形成されている点、活性層が歪量子井戸構造
を有している点、及び活性層が光導波路方向に沿って複
数の領域を有していない点である。回折格子７０の中央
部には４分の１波長の位相シフタ７１が形成されてお
り、両端面には反射防止膜７２が形成されている。ま
た、ＧａＮ／ＡｌＮ層６２の井戸数は第１の実施例より
多めに設定されており、光モード分布と井戸層の重なり
が大きくなるようになっている。

【００６１】回折格子による光帰還があるため、十分な
電流を活性層５４に注入すると単一モード発振が起こ
る。位相シフタ７１と反射防止膜７２があるため、ブラ
ッグ波長を中心とするストップ・バンドの中央付近で安
定に発振する。活性層５４は伸張歪量子井戸からなるた
め、発振モードはＴＭモードとなる。

【００６２】図５に示すように、ＴＭモードに対する屈
折率は、サブバンド間吸収の生じる波長帯の長波長側で
高く、短波長側で低くなっている。吸収スペクトル幅は
狭いが、サブバンド間吸収の影響で屈折率変化を生じる
波長範囲は広い。その変化量は、サブバンド間吸収共鳴
波長とのデチューニングが大きくなるにしたがって小さ
くなる。

【００６３】従って、第２の半導体光導波層６２に電界
を印加しない時のサブバンド間吸収共鳴波長とレーザ発
振波長の間のデチューニングを適切に設定しておけば、
電界の印加により、吸収係数を大きく変えることなく屈
折率を小さくすることが可能である。また、光モードと
ＧａＮ井戸層のオーバーラップを大きくしてあるので、
光導波路の等価屈折率の減少も大きく、発振波長は短波
長側に大きくシフトする。

【００６４】波長変化の応答速度はＬＣＲ制限であり、
駆動回路や実装方法などに注意を払えば、容易にサブナ
ノ秒の波長同調動作が実現できる。バンド間遷移では吸
収スペクトルの広がりが大きいため、屈折率だけを変え
ることは困難であった。本発明では、吸収係数を大きく
変えることなく屈折率を変化させることが出来るので、
出力パワー変動を小さく抑えることが可能である。

【００６５】以上、波長可変レーザへの応用例を示した
が、回折格子がなく、両端面を反射面としたファブリ・
ペロ型半導体レーザに適用し、第２の半導体光導波層を
可飽和吸収体として用いて、モード同期をかけることも
可能である。また、図６（ａ）に示すように、第２の半
導体光導波層９１は導波路９２の一部のみに形成されて
いてもよい。あるいは、図６（ｂ）に示すように、活性
層９３のある領域と第２の半導体光導波層９１のある領
域を直列につなげてもよい。更に、電圧端子９４に正弦
波電圧を加えて吸収を制御し、強制モード同期をかける
ことができる。正弦波により共鳴波長が発振中心波長の
両側に振れるように設定すれば、変調電圧の２倍の周期
で強制モード同期をかけることができる。受動モード同
期を行う場合でも、ｃｗ電圧により特性の制御が可能と
なる。

【００６６】ＤＦＢレーザの共振器の外部に第２の半導
体導波層を集積化した場合は、光変調器集積化光源とし
ても応用できる。この場合、図５から明らかなように、
波長とバイアスの設定により屈折率変化と吸収係数の変
化の比（αパラメータ）を大きく変えることが可能であ
る。

【００６７】本発明は上記の実施例に限定されるもので
はなく、種々様々に変形、応用することができる。即
ち、これまで、第２の半導体光導波層としてＧａＮ／Ａ
ｌＮ量子井戸を用いた例について説明してきたが、本発
明はこれに限らず、ＩｎＧａＡｓ／歪ＡｌＡｓ系の伝導
帯やＩＩ−ＶＩ族半導体の価電子帯などでも波長１．５
５μｍのサブバンド間吸収が実現できる。ＩｎＧａＡｓ
／歪ＡｌＡｓ系ならば、第１の半導体光導波層と第２の
半導体光導波層を１回のエピタキシャル成長で作製する
ことも可能である。もちろん、波長も１．５５μｍに限
定されるものではない。

【００６８】バンド内共鳴吸収には、価電子帯のサブバ
ンド間吸収や、価電子帯間吸収も利用できる。二光子吸
収を起こさないためには、ＧａＮのようなワイドギャッ
プ半導体を用いるのが好ましいが、逆に第２の半導体光
導波層での二光子吸収やバンド間共鳴吸収も組み合わせ
た新しい非線形光デバイスに応用することができる可能
性もある。非線形光デバイスとして用いる場合、ＴＭモ
ードとＴＥモードのサブバンド間吸収の大きさの違いを
利用すると、入出力光の偏光の組合せで多様な機能を実
現できる。もちろん、第１の光導波層もＩｎＧａＡｓＰ
系に限定されるものではない。また、第１の半導体光導
波層と第２の半導体光導波層の間に半導体以外の材料が
介在していても構わない。上記の材料、波長以外にも様
々な組み合わせが可能である。

【００６９】光導波路の構造も、埋め込み型、リッジ・
メサ型など、様々なタイプに応用できる。活性層への電
流狭搾構造や第２の半導体光導波層に電界をかける手段
の構造も、上記実施例に限定されるものではない。

【００７０】実現される機能も上記の実施例に限定され
るものではなく、偏波制御素子（ＴＭモードの吸収制御
が可能）、波長選択型光変調器、αパラメータの制御が
可能な光変調器や光増幅器、波長選択型光検出器、各種
干渉計型非線形光素子など、様々な新機能が実現でき
る。また、従来と同じ機能の素子にあっても、高性能化
を図ることができる。例えば、光制御型光スイッチで
は、高効率化と調整機能の付加が可能となる。また、第
１の実施例の末尾で説明したように、本発明の半導体光
導波素子は使い方により様々な機能を実現できる多機能
素子なので、様々な機能の半導体光導波素子を介して接
続、集積化した１チップ新機能素子も実現できる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体光
導波素子によれば、高速可変波長フィルタ、高効率波長
変換素子、高速波長可変レーザ、これらを集積化した機
能素子など、様々な新しい光デバイスに適用可能であ
り、それによって高機能・多機能な光源・受光素子・光
導波素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体光導波素子
の構造を模式的に示す図。

【図２】本発明の第１の実施例に係る半導体光導波素子
の透過スペクトルを模式的に示す図。

【図３】本発明の第１の実施例に係る半導体光導波素子
を高速波長可変フィルタとして用いた波長変換ノードの
構成例を示す図。

【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体光導波素子
の光導波路に沿った断面構造を模式的に示す図。

【図５】本発明の第２の実施例に係る半導体光導波素子
の電圧印加による吸収スペクトル（点線）と屈折率変化
（実線）を示す特性図。

【図６】本発明の第２の実施例に係る半導体光導波素子
の変形例を示す図。

【図７】従来技術の進行波型半導体レーザ増幅器と可変
波長フィルタを用いた波長変換ノードを説明する図。

【符号の説明】

１，５１…半導体基板、２，５２，９２…光導波路、
４，５４，９３…活性層、１２，６２，９１…第２の半
導体光導波層、１５，１６，１７，６５，６７，９４…
電極、１９，７２…反射防止膜、４２…波長可変レー
ザ、４３，１４３…波長変換素子、４４…可変波長フィ
ルタ、７０…回折格子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 活性層を有する第１の半導体光導波層及
   び前記活性層より十分に禁制帯幅が広い材料からなる第
   ２の半導体光導波層から構成される光導波路と、前記活
   性層に電流を注入する手段と、前記第２の半導体光導波
   層のバンド内吸収の共鳴波長を電気的に制御する手段と
   を具備し、前記第２の半導体光導波層のバンド内吸収の
   共鳴波長は、前記活性層への電流注入により生じる誘導
   放出利得波長帯域内に設定されていることを特徴とする
   半導体光導波素子。