JPH10505174A

JPH10505174A - 複屈折のない半導体導波路

Info

Publication number: JPH10505174A
Application number: JP8529414A
Authority: JP
Inventors: カニュー，キャサリン，ジェネヴィーヴ; ソン，ギー，ヒュー; スール，ジュリアン，バーナード，ドナルド
Original assignee: ベルコミュニケーションズリサーチ，インコーポレイテッド
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1998-05-19
Anticipated expiration: 2016-03-04
Also published as: EP0873530A4; US5732179A; JP2880294B2; WO1996030787A1; EP0873530A1

Abstract

(57)【要約】基板（１０）上に複数の層（１８）を具え、これらの層のうち数個の層（６２）が基板に対して引っ張り歪みを有し、他の層（６４）は圧縮歪みを有する複屈折のない半導体導波路。導波構造体中を伝搬し導波路層のバンドギャップよりも小さいフォトンエネルギーを有する導波される光信号に対する複屈折性のない挙動は、歪みにより導波路構造体の個々の層に導入される複屈折が、全ての層に歪みがない場合に存在する導波路構造体の固有の幾何学的モーダル複屈折を補償するのに十分なときに得られる。これは、導波される光のフォトンエネルギーに比較的近いバンドギャップエネルギーを有する１個またはそれ以上の層に予め定めた量の引っ張り歪みを導入すると共に導波される光信号のフォトンエネルギーから比較的離れたバンドギャップエネルギーを有する１個またはそれ以上の層に予め定めた量の圧縮歪みを導入することにより達成される。このようにして、歪み導入欠陥を回避する部分的または全体としての歪み補償を用いることにより、モーダル複屈折のほとんどない導波路構造体を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】複屈折のない半導体導波路発明の分野本発明は半導体電気光学デバイス、特に半導体光導波路に関するものである。背景技術複屈折のない光デバイスおよび電気光学(electro-optical)デバイスが光ファイバ通信システムに必要である。光ハァイバ通信システムの多くは、伝送される光の偏波を保存しない標準の単一モードシリカハァイバを用いている。このシステムの場合、光信号の光ハァイバ中のいかなる点およびいかなる時間の偏光状態を知ることができず、この光信号の偏光状態は周囲状態および履歴のある信号伝送経路に沿って発生する他の変化の結果として時間および距離の変化を受ける。ファイバ伝送経路中の点またはその端部に配置されたデバイスが光の偏光状態に依存する応答特性を有する場合、この信号は劣化し限界において喪失するおそれがある。良好に規定された光学面を有する光デバイスおよび電気光学デバイスは、一般的にある偏光依存性を有している。すなわち、これらのデバイスは光学面内で偏光している光に対してはある態様で作用し光学面と直交する方向に偏光した光に対しては別の態様で作用する。光学面は２個の直交する方向で相異する光学的または他の物理的な変化によりほぼ規定することができる。特に、導波光の伝搬方向に対して非対称なモード光導波断面を有する導波路構造体を含む集積化された光デバイスおよび電気光学デバイスは一般的に複屈折性を有し、集積化されたデバイスの面に平行な方向（電場と直交する、すなわちＴＥ）に電気的に偏光した導波される光信号および集積化されたデバイスの面と直交する方向（磁場と直交する、すなわちＴＭ）に偏光した光信号に対して異なるモーダル(modal)実効屈折率を有している。これにより、集積化されたデバイスはＴＥ偏光した光信号およびＴＭ偏光した光信号に対して大幅に異なる動作を行うおそれがある。入射光信号の偏光状態がＴＥまたはＴＭ偏光した導波光だけを発生させるように固定されていない場合、この動作上の差異はデバイスの作動性能を劣化させるおそれがある。このような複屈折感知集積化光デバイスの例として、スール(Soole)等著"Mono lithic InP/InGaAsP/InP grating spectrometer for the 1.48-1.56μm wavelen gth range"，Applied Physics Letters，vol.58，1991，pp.1949-1951に記載されているエッチングされた反射回折格子に基づくもの、またはザンギブル(M．Zi rngibl)等著"Demonstration of a 15×15 Arrayed Waveguide Multiplexer on I nP,"IEEE Photonics Technology Letters，vol.4，1992，pp.1250-1253に記載されているフェーズドアレイに基づくデマルチプレクサのような半導体導波路波長マルチプレクサ／デマルチプレクサがある。一方、これらのデバイスは、偏光していない光と共に用いる場合性能が低下してしまう。この理由は、モーダル複屈折により、ＴＭ偏光した導波された光信号がＴＭ偏光した導波された光信号とは僅かに異なる角度で分散するからである。この角度分散の結果、ある波長の導波光により搬送されるＴＭ信号が僅かに異なる波長のＴＥ偏光した光により搬送される信号と同一方向に分散してしまう。波長が僅かに異なる２個の信号の一致により、導波される光信号が両方の偏光状態の成分を含む場合、異なる波長で搬送される信号間にクロストークが発生する。一般的にＴＥおよびＴＭ偏光した導波光に対するモーダル実効屈折率の差による導波信号の偏光状態を感知する別の種類の半導体導波路を用いる集積化されたルーティング装置も、ＴＥおよびＴＭの両方の偏光状態で導波される光信号に対して動作する場合、同様に性能が低下するおそれがある。このようなルーティング装置の例として、方向性カップラ、マッハーツェンダ干渉カップラ、およびマルチモード干渉デバイスが挙げられる。これらデバイスの例は、ハンスペルガ(Hunsperger)著、Integrated Optics: The ory and Technology，3ded.，Springer，Heidelberg，1991、ディーグリーン( D．Green)著、Fiver Optic Networks，Prentice Hall，1993、およびソルダノ(Soldano)著、Multimode Inte rference Couplers，Delft University Press，1994がある。集積化された光デバイスおよび電気光学デバイスは一般に光信号の偏光状態が未知の光ファイバシステムにおいて用いられているので、これらデバイスの偏光依存性を抑制または最小にするための精力的な努力が払われている。複屈折効果を低減する多くの一般的な試みは、光信号が偏光感知性のデバイスに入射する前に光信号の偏光状態を制御する付加的な素子を導入することであった。これらの方法は、Green の上掲文献の第３１６〜３１８頁に記載されている偏光変化、ハイズマン(Heismann)著"Analysis of a Reset-Free Polarization C ontroller for Fast Automatic Polarization Stabilization in Fiber-optic T ransmission Systems"，Journal of Lightwave Technology，vol.12，1994，pp. 690-699に記載されている偏光制御、ハイズマン(Heismann)等著"Electrooptic P olarization Scramblers for Optically Amplified Long-Haul Transmission Sy stems,"IEEE Photonics Technology Letters，vol.9，1994，pp.1156-1158に記載されている能動偏光スクランブリング、および米国特許第５，１５９，４８１号明細書に記載されている受動偏光スクランブリングを含む。しかしながら、これらの方法は全て付加的な素子および素子間の相互接続部を含んでいるので、複雑な構造となってしまうが、これは回避するのが好ましい。より満足のいくアプローチは、導波路デバイスが用いられる応用例に対するシステムの劣化が無視できる程度に十分に小さい偏光依存性を有するように設計できる場合に得られる。導波路コアと導波路クラッド層との間の屈折率差が比較的小さい半導体導波路またはモード電界が導波コア内にほぼ含まれる半導体導波路は、そのように構成されていない半導体導波路よりも微弱なモーダル複屈折を呈する。最初の効果は、ソール等の前述した文献によりおよびビセジャ(Bissessur)等の"16channel ph ased array wavelength demultiplexer on InP with low polarization sensiti vity,”Electronics Letters，vol.30，1994，pp.2336-2337に記載されている文献により最近開発されている。しかしながら、これらの導波路は導波デバイスに組み込むのに適当でない場合があり、しかもしばしば導波される光信号に対して無視できないモーダル複屈折を与えてしまう。厚い上側クラッド層を有する正方形断面の埋め込みリブ型導波路は、対称性の理由により導波されるモード光に複屈折が生じない。また、チャン(Chiang)著"Dispersion characteristics of strip dielectric waveguides,"IEEE Transactions on Mic rowave Theory and Techniques，vol.39，pp.349-352，1991 で説明されているように、注意深く予め定めた屈折率差および寸法比を有するストリップ導波路のような導波路断面形状は複屈折のないものとすることができる。この効果は、ベルビーク(Verbeek)等著"Large Bandwidth Polarisation Independent and Compa ct 8 Channel PHASAR Demultiplexer/Filter,"post-deadline paper，PD13，Opt ical Fiber Conference，pp.63-65，San Jose，CA.，Feb．20-25，1994において開発された。しかしながら、これら特定の構造は集積化された光デバイスまたは電気光学デバイスに組み込むの有用でない場合がある。例えば、チェン(Chiang)等の米国特許第５，１１７，４６９号明細書に記載されているように、導波路領域内の量子井戸に導入された歪みが複屈折に作用することは周知である。量子井戸を含む導波路を用いる偏光作用のない多数のデバイスが提案され実証されている。ある形式のものは、ズッカの米国特許第５，０９０，７９０号明細書およびズッカ(Zucker)等の文献"Strained quantum wells fo r polarization-independent electrooptic waveguide switches,”Journal of Lightwave Technology，vol.10，1992，pp.1926-1930に開示されている。これらの文献は、量子井戸層への引っ張り歪みの導入が、量子井戸材料のバンド構造に対して、量子サイズ効果により価電子帯に生ずる軽いホールと重いホール(light and heavy hole)をスプリットさせる効果とは反対となるような態様で作用することを教示している。さらに、量子井戸層に予め定めた十分な引っ張り歪みを形成するは量子井戸導波領域の特性のうち偏光感知性を抑制するので、その挙動は導波するＴＥ偏光した光およびＴＭ偏光した光に対してほぼ同一になる。後述するように、ズッカ(Zucker)の開示内容と同様な方法で量子井戸に引っ張り歪みを導入する多数の量子井戸デバイス構造体が報告されている。ジョマ(Jom a)等は、"Strained layer quantum well semiconductor optical amplifiers: polarization-insensitive amplification"，Fiber and Integrate d Optics，vol.10，1991，pp.361-364 に量子井戸増幅器について記載している。ラビキュマ(Ravikumar)等は、"Observation of polarization independent el ectro-optic effect in InGaAs/InP tensile strained quantum well and its p roposal for optical switch,"Applied Physics Letters，vol.61，1992，pp.19 04-1906頁において電界誘導吸収について説明している。ズッカ等は、その文献において干渉計スイッチについて説明している。ＴＥおよびＴＭ偏光した光についてほぼ等価な性能を得るため量子井戸に特有な効果を用いるデバイスの別の例は、ＴＥおよびＴＭ偏光した光についてほぼ等しい光利得を発生させるために圧縮歪み量子井戸および引っ張り歪み量子井戸の両方を含む量子井戸導波増幅器が含まれ、ティーメイジャ(Tiemeijer)等"Polarization insensitive multiple qu antum-well laser amplifiers for the 1300nm window,"Applied Physics Lette rs，vol.62，1993，pp.826-828およびニューカーク(Newkirk)等"1.5μm Multiqu antum-Well Semiconductor Optical Amplifier with Tensile and Compressivel y Strained Wells for Polarizaion-Independent Gain,"IEEE Photonics Techno logy Letters，vol.4，1993，pp.406-408に記載されている。タダ(Tada)等は、文献"Polarization-independent optical waveguide intensity switch with pa rabolic quantum well,"Applied Physics Letters，vol.59，1991，pp.2778-278 0において、パラボリックな量子井戸を用いる量子井戸強度スイッチについて記載している。最後に、ヤマグチ(Yamaguchi)等は、文献"Polarization-Independe nt Waveguide Modulator Using a Novel Quantum Well with Mass-Dependent Wi dth"，IEEE Photonics Technology Letters，vol.6，1994，pp.1442-1444 において、質量依存帯域幅を有する量子井戸を用いる変調器について記載している。上述した例の設計は、基本的に偏光不感知性能を得るために量子井戸の存在に依存している。これら従来技術の教示内容は、量子サイズ効果を顕著するための十分に薄い層を含む導波路構造体に限定されている。さらに、これら従来技術のいずれも導波路構造体のモーダル複屈折を抑制することを直接教示していない。複屈折は、デバイスが導波光の２個の偏光した光に対して同一の実効光屈折率を与えるようにする必要があり、また、例えば能動増幅器の偏光強度は、光利得のような光学的パラメータが２個の偏光した光に対して同一になる必要がある。Zu ckerは２つの偏光した光が導波路構造体の層を伝搬するときにそれら偏光した光に対する材料屈折率を等しくすることを教示しているが、彼女が教示している唯一の方法は吸収率αを等しくすることに関するものである。Zuckerは引っ張り歪みを用いて波長に対する発振器強度の比を等しくし２個の直交する偏光ＴＥおよびＴＭに対して重いホールおよび軽いホールを非同調にさせているが、その手法は、１個またはそれ以上の引っ張り歪み形成層を含む導波路構造体により保存される２個の偏光モードの導波光のモーダル屈折率β／ｋ_oを確実に等しくするものではない。モーダル屈折率を等しくすることはより複雑で基本的な課題である。以下の説明は、予め定めた圧縮歪みが形成された層および引っ張り歪みが形成された層の両方を導波路構造体に含ませることを利用して、いかにして導波路構造体のモーダル複屈折のない動作を達成するかを示す。これは、導波路構造体内に含まれる薄い層の量子サイズ効果の起こり得る発生にかかわらず、一般的に導波路構造体に関するものである。開示されている複屈折抑制の意義は、一般的に称されているプレナ導波路、リッジ導波路、ストリップで負荷された導波路(str ip-loaded guide)、および埋め込みリブ導波路を含む広い範囲の導波路に適用でき、これらの導波路に限定されるものではない。発明の概要本発明は、導波路を構成する層に予め定めた量の歪みを導入することにより、２個の偏光した光間のモーダル複屈折を全体として大幅に低減されまたは除去された半導体導波路構造体として要約することができる。導波路は、導波路を構成する層のバンドギャップよりも小さいフォトンエネルギーを有する光信号を導波する。光学的異方性材料に導入された歪みはその材料中に光複屈折を発生する。従って、面内歪みを用いて導波路構造体のモーダル複屈折を制御することができる。一般的に、基板に対する引っ張る歪みを層に導入することは導波路構造体の形状により生ずるモーダル複屈折を減少させるように作用し、その逆も真実であり、圧縮歪みの導入は導波路構造体のモーダル複屈折を増大する。一方、一般的に、構造的な複屈折を全体として補償するのに必要な単一層中の上引っ張り歪みの量はその層中に欠陥が形成されるレベルを超えてしまう。本発明は、欠陥が形成されることなく十分な引っ張り歪みを許容する。半導体層中の所定量の歪みにより導入される複屈折は半導体材料のバンドギャップエネルギーと複屈折を受ける光のフォトンエネルギーとの間の差の関数であり、フォトンエネルギーが歪みを有する材料のバンドギャップエネルギーに近づくにしたがって大きさが増大する。この関数的な依存性により多層導波路構造体への歪み導入方法が適切に制御され、１個またはそれ以上の層へ導入された引っ張り歪みは１個またはそれ以上の層へ圧縮歪みを導入することにより部分的にまたは完全に補償することができ、その結果正味の歪み限界を超えることなく全体として歪みが形成された構造体は導波光のフォトンエネルギーの範囲にわたって導波路構造体のモーダル複屈折を抑制しまたは大幅に除去する正味の複屈折を導入する。III-V 族またはII-VI 族元素により構成される導波路構造体の場合、導波される光のフォトンエネルギーに接近したバンドギャップエネルギーを有する１個または複数の層に予め定めた量の引っ張り歪みを導入すると共に導波される光信号のフォトンエネルギーよりも離れたバンドギャップエネルギーを有する１個または複数の層に予め定めた量の圧縮歪みを導入することにより、複屈折を都合よく減少させることができる。このようにして、フォトンエネルギーの範囲の導波される光信号に対してモーダル複屈折のほとんどない導波路構造体を、部分的にまたは完全に歪み補償された導波路構造体として実現することができる。図面の簡単な説明図１〜図４は本発明により複屈折のないようにすることができる導波路構造体の実施例の断面図である。これらの図面は導波される光の伝搬方向と直交する断面として表示する。図１はプレナ導波路構造体を示し、図２はリッジ導波路構造体を示し、図３はストリップで負荷された導波路構造体を示し、および図４は埋め込みリブ導波路構造体を示す。図５は光弾性が測定される光のフォトンエネルギーにおける半導体材料の光弾性依存性を示す。３個の異なる材料の光弾性を図示し、各バンドギャップエネルギーはエネルギー軸上の矢印で示す。光弾性効果のないフォトンエネルギーは半導体材料に依存し、このような条件が存在する場合はバンドギャップエネルギーから離れた低いフォトンエネルギーに対して通常発生する。図６は、材料組成の連続的な変化に対してバンドギャップが連続的に変化する半導体材料系におけるバンドギャップよりも小さいフォトンエネルギーでの所定の層歪みについて観測される複屈折の変化を示す。この曲線は、破線で図示したフォトンエネルギーでの図５に表示したような曲線の組から得ることができる。図７は最小にされた複屈折を有する本発明の導波路の設計手法のフロー線図である。図８はバンドギャップエネルギーおよびＩｎＧａＡｓＰ系材料の格子定数のグラフである。図９は本発明の導波路の実施例の断面図である。好適実施例の詳細な説明本発明は、図１〜図４の光の伝搬方向と直交する面の断面として示す導波路構造体を含む種々の多数の導波路構造体として実施することができる。この導波路構造体は、特に図１に示すプレナ導波路、図２に示すリッジ型導波路、図３に示すストリップで負荷された導波路、または図４に示す埋め込みリブ型導波路に分類される。これらの導波路構造体は基板１０上に形成され、下側クラッド層１２、導波コア層１４および上側クラッド層１６を具える。導波路コア１４は、後述する本発明の説明に基づいて歪み形成された複数の層１８を含んでいる。図１〜図４の線図的な表現は図示のためだけのものであり、本発明は図示の形状、形態または相対的寸法に限定されるものではない。特に、導波路コアは、厚さの不均一な複数の層、並びに歪み形成されおよび歪み形成されていない複数の層を含むことができ、上側および下側クラッド層は数個の層で構成することができ、その一部の層は歪み形成することができる。図１〜図４に図示した構造体において、特定のフォトンエネルギーの光を導波路コア１４の中心で導波させるため、一般的にコアは周囲領域の屈折率よりも大きい実効屈折率を有する必要がある。有効に導波させるための精密な条件並びに導波モードの実効屈折率および導波モードフィールドプロファイルの形状の評価は、半導体導波路の設計における当業者に知られている通常の方法により決定することができる。図１〜図４に表示されているような半導体導波路構造体は、半導体結晶成長技術の当業者により行われている数個の周知の成長技術により成長形成することができる。層が基板材料に格子整合するように成長する場合、この層の材料に歪みは生じない。このような歪みのない層がIII-V 族元素およびII-VI 族元素で構成される半導体化合物の亜鉛添加構造のような立方晶系結晶で構成され、かつこの層が量子サイズ効果が顕著に現れる程薄くない場合、この層は光学的に等方性になる。光学的に等方性の層を含む導波路構造体であっても、ある程度のモーダル複屈折性を有している。すなわち、層の面内にあり伝搬方向と直交する電気ベクトルを有するＴＥ光固有モードは以下の実効屈折率を有する。ここで、β_TEは導波路内でのＴＥ導波モードの伝搬定数であり、ｋ_oは自由空間での伝搬定数である。同様に、層の面内の磁気ベクトルを有する直交モードの実効屈折率は以下の式により与えられる。ｎ_TEとｎ_TMとの間に差が発生する。この理由は、層間の界面の電磁的境界条件が２個の偏光ＴＥおよびＴＭの導波モードに別々に作用するからである。分析は、ＴＥ偏光した光に対するモーダル屈折率ｎ_TEは一般的にＴＭ偏光した光に対するモーダル屈折率ｎ_TMよりも大きいことを示している。この関係は、例えばクラッド層１２および１６の屈折率よりも大きい屈折率を有する単一の導波層１４を有する図１に示す導波路の場合容易に示すことができ、マーカス(Marcu se)著Theory of Dielectric Optical Waveguides，2nd ed.，Academic Press，1 991，pp.1-59を参照されたい。この関係は、図２〜図４に示すように、プレナ導波路構造体の摂動と見なすことができる導波路断面を有する高屈折率コア層をおよび導波路構造体については一般的に真実である。一般的に、他の条件が等しい場合、導波コア１４とクラッド層１２および１６との間の界面における屈折率不連続性ｎ_core−ｎ_clad（しばしば、屈折率コントラストと称する）が大きければ大きい程、より大きいモーダル複屈折が存在する。上述したように、多くの導波路構造体を含む集積化光デバイスおよび電気光学デバイスの場合、導波モードの実効屈折率はそのデバイスの動作に対して極めて重要であり、モーダル複屈折の存在は、このデバイスが混合されたＴＥおよびＴＭ偏光状態の光信号で動作する場合その性能を低下させてしまう。一般的に、光信号処理機能が導波信号のモーダル屈折率により決定される全ての集積化光デバイスは、混合されたＴＥおよびＴＭ偏光状態の光信号が存在する場合、零にならない複屈折により性能が劣化してしまう。光学的な複屈折は、信号を伝達する半導体層に制御された歪みを導入することにより制御することができる。これらの層は、材料緩和することなく歪みが適応できる場合、異なる組成および僅かに異なる格子定数の下側基板上にエピタキシャル成長することができる。この上側に成長した層は一様に歪み形成されると言われており、面内歪みは基板と直交する方向の結晶構造の歪みに適応する。以後、応力および歪みはデバイスの面内の二軸応力および歪みに関するものとする。安定限界内において、後に成長した層の面内格子定数は基板の格子定数と整合し面外格子定数は反対方向に変化するので、ある符号の面内二軸歪みは層と直交する方向の別符号の軸歪みに適合する。成長形成した層内の歪みエネルギーが結晶デイスロケーションの形成を防止するために必要なある限界以下に維持されれば、この一様な歪みを有する層は半導体結晶成長の分野の当業者によく知られている方法を用いて成長させることができ、これらの層は欠陥の導入に関して時間に対して安定である。このような安定な層の存在は、マッティユウ(Matthews)等著"Defects in epitaxial multilayers,"Journal of Crystal Growth，vol.27， 1974，pp.118-125により最初に開示された。このような層の歪みの存在により内部応力が生じ、光学的に異方性の亜鉛添加III-V 族およびII-VI 族立方晶系結晶の応力は多少の光複屈折を導入する。導波路構造体内に含まれる歪みを有する半導体材料層に導入された複屈折は、この導波路構造体のモーダル複屈折を変更する。応力を受けた材料中に存在する複屈折は光弾性係数により表され、この光弾性係数は印加された応力Ｘ_‖の方向に平行な方向に測定した誘電定数ε_‖の実数部分と直交する方向に測定した誘電定数ε_⊥の実数部分との間の誘導された差に関係する。ここで、平行な方向は一般的なプレナ構造体の面内にある。アダチ(Ada chi)は、文献Physical Properties of III-V Semiconductor Compounds: InP，I nAs，GaAs，GaP，InGaAs，and InGaAsP，Wiley，1992，pp.193-222において関連する化合物半導体の光弾性について種々の概念を述べている。１次線形光弾性係数α_PEは以下の式により与えられる。 ε_‖−ε_⊥ ＝α_pEＸ_‖ (3) 半導体材料の光弾性係数は測定される光の波長に応じて変化することが知られており、一般的に材料のバンドギャップ付近のフォトンエネルギーについて負の大きな絶対値を有している。例えば、アダチは、デバイス基板の主要な成長面（１００）および（１１１）上に成長した歪んだ層についての二元系III-V 族半導体ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＡｓおよびＧａＰの線形光弾性係数についての実験データを示している。一連のこの種類の材料についてフォトンエネルギーの関数としての典型的な光弾性の変化を図５に線図的に示す。曲線２０は特定の材料組成のフォトンエネルギーに対する光弾性係数の典型的な変化を示す。この材料の対応する電子的なバンドギャップエネルギーを矢印２２で示す。曲線２４および２６は対応するバンドギャップエネルギー２８および３０を有する２個の別の材料の光弾性係数をそれぞれ示す。曲線２０，２４および２６は、イントラバンドギャップフォトンエネルギーが増大するにしたがって大きくなる負の傾きを以て単調に減少し、バンドギャップエネルギー２２，２８および３０に急激に降下する。この挙動は、III-V 族およびII-VI 族元素で構成されるような多くの半導体材料の場合一般的であり、曲線の細部形態においておよびある場合において横座標の光弾性の零値２９と交差する点においてだけ相違している。歪み形成層の面内応力は、立方晶系結晶について開発されたマトリックスノーテーションとして以下の式で表すことができるコンプライアンステンソルによりこの層歪みと関係する。Ｘ_iＳ_ij ＝Ｚ_j (4) ここで、Ｘは応力であり、Ｚは歪みであり、Ｓはコンプライアンスマトリックスである。（１００）基板面上への通常のエピタキシャル成長の場合、面内応力は以下の式で表すことができる。ここで、ａ_sは基板の格子定数であり、ａ_cは歪みが生じている層の緩和した格子定数であり、従って（ａ_s−ａ_c）／ａ_cが歪みが生じている層の面内歪みとなる。式（４）と（５）とを組み合わせることにより、（１００）基板上に成長した歪みを有する層についての面内層歪みと層複屈折との関係が与えられる。少なくともこの種類の材料において、係数１／（Ｓ₁₁＋Ｓ₁₂）は正であり、符号を考慮すると、層中の引っ張り歪みが、典型的な導波路構造体について前述したマルカスにより付された符号のモーダル複屈折値が減少した複屈折を層中に導入することが示される。ｎ_TE − ｎ_TM ＞０ (7) 導波路の１個またはそれ以上の構成層に十分な引っ張り歪みを導入することは、導波路層構造体のモーダル複屈折を零まで減少させる傾向にある。一方、前述したように、歪みは成長層に任意に形成することはできない。むしろ、歪みの量は、層の厚さおよび成長プロセスが行われる条件に依存するある限界以下に維持する必要がある。（Matthews等の上掲文献参照）。計算結果は、ほぼ一般的に用いられる半導体導波路構造体の複屈折を零に減少させるのに必要な歪み量が、歪みを有する層が緩和してディスロケーションを形成する疑似限界を超えることを示している。ディスロケーションの形成は、導入された歪み量による所望の複屈折の減少の達成に対する妨げとなる。本発明は、予め定めた光周波数域において複屈折が零かまたは大幅に低減して光を導波し、引っ張り歪みおよび圧縮歪みの両方を有するが安定でディスロケーションのない層を含む半導体導波路構造体を提供する。一部の層が引っ張り歪みを有し一部の層が圧縮歪みを有する複数の層を具える半導体導波路構造体は、構成する導波路層のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエネルギー域の導波される光信号に対してモーダル複屈折をほとんど有しないように形成することができる。複屈折のない挙動は、導波する光のフォトンエネルギー付近のバンドギャップエネルギーを有する１個またはそれ以上の層に予め定めた量の引っ張り歪みを加えると共に導波する光信号のフォトンエネルギーから離れたバンドギャップを有する１個またはそれ以上の層に予め定めた量の圧縮歪みを加えることにより得られる。導波光のエネルギーを引っ張り歪みが与えられた材料のバンドギャップエネルギーに接近させることにより、引っ張り歪みが形成された層により生ずるモーダル複屈折の抑制が優勢になる。零またはほぼ零のモーダル複屈折および零またはほぼ零の正味の歪みエネルギーを有する導波路構造体は、このようにして形成することができる。開示した原理は図示の実施例により示されるが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。材料組成を調整することによりバンドギャップエネルギーが連続的に変化するように成長できる材料系について検討する。種々の材料組成の光弾性係数は図５に示す関数的な依存性を有する。図５のフォトンエネルギー３２のようなバンドギャップよりも小さいフォトンエネルギーの場合、所定量の面内歪みに対して導入される複屈折は、図６の曲線３４で示す材料のバンドギャップにしたがって変化する。これら材料の弾性定数は組成の関数として相対的に一定であるので（Adachiの上掲文献頁２０〜２６参照）、曲線３４の形状は光弾性係数α_PEにほぼ依存する。式（６）により比例係数が与えられる。曲線３４は、フォトンエネルギーライン３２とバンドギャップ２２，２８，３０により測定した図５の光弾性曲線２０，２４および２６との交点から得ることができる。上側および下側クラッド層１６および１２が同様な材料組成を有すると共に歪み形成されず、コア１４が厚さおよび歪みが等しく引っ張り歪みおよび圧縮歪みが交互に形成された層から成る超格子で構成されている図１のプレナ導波路構造体の場合について検討する。この場合、図６に示すように、引っ張り歪み形成層は導波光のフォトンエネルギー３２に比較的近いバンドギャップエネルギー３６の組成を有するように選択し、圧縮歪み形成層は比較的遠く離れたバンドギャップエネルギー３８を有するように選択し、これらバンドギャップエネルギー３６および３８はこのフォトンエネルギー以上とする。曲線３４の形状に鑑みて、引っ張り歪みの加えられた層の歪みにより誘起された複屈折は、等しい厚さおよび歪みの圧縮歪み形成層に誘起された複屈折よりも大きく、従ってこの歪みが導波路のコア中に誘起する正味の複屈折が存在する。誘起された正味の複屈折の符号は、導波路構造体のモーダル複屈折を抑制するようにする。すなわち、正味の複屈折は引っ張り歪みにより調整される。層の歪みを適切に調整することにより、モーダル複屈折は導波される光のエネルギーにおいて完全に抑制され、この値付近のエネルギー域の光に対してほぼ零にされることができる。この導波路構造体は等しく反対向きの歪みを有する等しい数の層を含むので、正味の内部歪みエネルギーは零となりこの導波路構造体は熱力学的に安定である。設計手法超格子導波路は、図７に示す以下の手法を用いて所定の波長においてほぼ零の複屈折を有するように設計することができる。初めに、ステップ４０において、必要とされる導波路の実効屈折率および受け入れることができる一般的なモードサイズ範囲が確立されるように通常の基準に基づいて導波路を設計する。所定のクラッド材料場合、これら２個のパラメータがガイドコアの平均屈折率ｎ_AVGおよびその厚さｄを決定する。設計手法のこの部分は多数の構造形態について良好に開発されている。マーカスの文献は分析的な基礎を与えている。極めて簡単な例として、屈折率ｎ₁の２個の厚いクラッド層間に挟まれた屈折率がｎ₂で厚さがｔ_gのコア層を考える。ハンスパージャの文献の第３４頁に記載されているように、この構造体は、以下の式が成立する場合各整数ｍ_sにより表されるＴＥモードを保持することができる。ここで、λ_o光放射の自由空間波長である。シングルモード動作の場合、コアの全有効厚さｔ_gは、１以下のｍ_sの値について式（８）に等号を与え、ｍ_s＝０のシングルモードだけを与えるように選択する。以下の実施例に存在する典型的な材料について、これらの条件はＴＭおよびＴＥ偏光の両方についてシングル導波モードを保持するようにする。ステップ４２において、導波コアが単一の歪み形成されていない層の場合に存在するモーダル複屈折を計算する。これは、導波路構造体を適切な境界条件を用いて明確に検討することにより行う。上述した簡単なケースについての分析は、例えばMarcuse の上掲文献頁１〜１９により与えられる。このモーダル複屈折の量を抑制する必要がある。対応する導波路コアは超格子を用いて形成され、この超格子において対の層の屈折率はまとめて平均屈折率ｎ_AVGとして取り扱い、すなわち第１の層はｎ₁＞ｎ_AVG の屈折率を有し、第２の層はｎ₂＜ｎ_AVGの屈折率を有する。２個の組成を選択するため、スワミネーザン(Swaminathan)等著、Materials Aspects of GaAs a nd InP Based Structures，Prentice Hall，1991，p.13に示されるグラフと同様な図８に示す形式のグラフを利用することが有用である。このグラフは、四元系化合物Ｉｎ_1-xＧａＡｓ_yＰ_1-yについてバンドギャップエネルギー値を実線で格子パラメータを破線で共に組成パラメータｘおよびｙの関数として示す。上側左の領域は直接的でないバンドギャップを形成し、これらバンドギャップは関連性を有していない。５．８７Åの格子パラメータＩｎＰと整合する近い格子を示す。ＩｎＰ基板を用いる場合、５．８７Å以上（グラフ中のラインの下側）の緩和した格子定数を有する材料は圧縮歪みを呈し、５．８７Å以下の緩和した格子パラメータを有する材料は引っ張り歪みを呈する。ステップ４４において、より小さいエネルギーバンドギャップの層組成を、作動光のエネルギー（１．５５μｍの波長、または０．８ｅＶのエネルギー）に接近しているがエネルギーとしてバンドテイルでの顕著な吸収を回避するように作動光のエネルギーよりも十分に高い組成点６０に配置する。格子パラメータは、ディスローションを導入する材料緩和が生ずることなく層に合理的な引っ張り歪み（５．８７Å以下の格子定数）を与えるように選択され、この層は、この層が量子効果が歪み効果を顕著に減少させる量子井戸域の範囲外に位置するように十分な厚さとする。このようにして導入された引っ張り歪みは導波路全体のモーダル屈折を減少させる。ステップ４６において、他の層について組成点６２を選択する。この組成点は第１の点６０よりもはるかに大きいバンドギャップエネルギーを有すると共に圧縮歪みとなるように５．８７Åよりも大きな格子定数を有し、第１の層の引っ張り歪みと平衡する厚さを含んでいる。圧縮性の層および引っ張り性の層の両方について疑似限界内に維持する要件の観点において、これらの層は、厚さと歪みの大きさとの積により与えられるほぼ同一の歪みエネルギーを有する必要がある。複屈折および歪み補償の両方の計算において、層の歪みと厚さとの積極めて重要である。多くの場合、圧縮性および引っ張り性の歪みは複屈折に対して異なる符号を与える。組成６０および６２は共に、導波される光がいずれの材料中でも吸収されないように導波光のフォトンエネルギーよりも大きなバンドギャップを有するように選択する。ステップ４８において、式（６）を用いて光を伝搬させる層についてほぼ合成された導波路のモーダル複屈折を計算する。引っ張り層および圧縮層の組成または厚さを変更し、ステップ５０で試験を行い複屈折が十分に零に到達するまでステップ４４から４８を繰り返す。歪みレベルの決定において、所定の厚さの単一の層に導入でき歪み量に限界があることを想起する必要がある。また、現在の成長技術は、三元系ＩｎＡｓＰおよび低いＡｓ濃度のＩｎＧａＡｓＰに含ませることができる砒素の量に限界がある。分子ビームエピタキシは、現在のＯＭＣＶＤよりも大きな歪みを形成することができるように思われる。歪みの限界は、成長装置、成長条件、化学前駆物質および現在の成長化学および物理の知識により厳格に規定される。この限界が高くなるほど、より大きな歪みの導入は本発明の利点となる。実施例図９に断面として示す本発明の例示的実施例を成長させて試験した。この実施例は１．５μｍ波長の光信号を用いるように設計され、公称１．２１Ｑの導波路を有し、すなわち１．２１μｍ域におけるバンドギャップ波長を有する導波路コアにより支持されたものと類似の電界プロファイルが得られるように設計した四元系化合物ＩｎＧａＡｓＰを有していた。この公称コアは１．０８Ｑおよび１．４３Ｑの超格子に分解した。３００Ｔｏｒｒ、５２０°Ｃで動作するＯＭＣＶＤを用い、III 族の前駆物質としてトリメチル−インジウムおよびトリエチル−ガリウム並びにＶ族前駆物質としてアルシンおよびホスフィンを用いて図１に示すようなプレナ導波路構造体を形成した。この構造体は、ＯＭＣＶＤ成長したＩｎＰバッファ層を有する（１００）配向したＩｎＰ基板６０上に堆積した。導波路コア１４は、交互に形成した１．０６％の引っ張り歪みが形成され公称フォトルミネッセンス端波長が１．４２μｍで厚さが１２．５ｎｍの近似組成Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ_0.8Ｐ_0.2の四元系材料層６２と０．６５％の圧縮歪みが形成され公称フォトルミネッセンス端波長が１．０８μｍで厚さが２０ｎｍで近似組成Ｉｎ_0.21Ａｓ_0.79Ｐの三元系材料層６４との２３個の対の超格子で構成した。層６２および６４の全てがアンドープである。この導波路はＩｎＰの単一上側層６６によりキャプした。代わりに、この導波路構造体が歪み形成されていないバンドギャップ波長１．２１μｍのＩｎＧａＡｓ材料のコアを有する場合、１．５μｍの真空波長域の導波光について０．００７５のモーダル複屈折が計算される。この複屈折の量は、約３．５ｎｍの真空波長で分離されたＴＥおよびＴＭ信号が直接一致するのに十分である。しかしながら、上述した歪みを有する層で構成される構造体は１．４９μｍの真空波長でちょうど１．１ｎｍの複屈折を生じた。すなわち、プレナ導波路材料がデマルチプレクサに形成された場合、ちょうど１．１ｎｍの真空波長により分離されるＴＥおよびＴＭ偏光の入射信号は出力部で一致した。これらの層の厚さおよび組成をさらに変更して正味の歪み量を変化させると共にさらにこの波長で生ずる複屈折の量を低減することができる。圧縮歪みを有する層についての上述した検討において圧縮歪みにより導入される複屈折の符号は引っ張り歪みを有する層の符号と反対であるとした。しかしながら、図６に示すように、ある材料系の場合において、曲線３４の右側は零を超えているので、高バンドギャップエネルギー３８の圧縮歪みが形成され導波路層は、導波光のフォトンエネルギーに接近したバンドギャップエネルギー３６の引っ張り歪み層と同一符号の複屈折を発生する可能性がある。このような場合、圧縮性歪みの作用は引っ張り歪みを有する層の作用に付加（減算するのではなく）されて導波路のモーダル複屈折を抑制する。上述した検討全体を通して、導波路層はバルク状の材料光学特性を有するものとした。しかしながら、極めて薄い層は量子サイズ効果を示しこれらの量子サイズ効果はモーダル複屈折を抑制するのに必要な層歪みの予備設定に考慮すべきであると認められる。これらの量子サイズ効果は、Quantum Well Lasers，Academi c Press，1994においてゾリー(Zory)により明確に説明されている。量子井戸の量子サイズ効果はバンドギャップを増大し価電子帯を分割し、これにより通常の導波路構造体の複屈折を増大することが周知である。従って、この量子サイズ効果は、モーダル複屈折が零の導波路を生産するために本発明の歪みにより補償されるべき正味の複屈折を増大する。一方、この量子サイズ効果は摂動とみなすことができ本明細書で開示した方法に付随するものである。上述した実施例はＩｎＡｓＰの側へ組成が移っていくＩｎＧａＡｓＰ族を用いたが、本発明は別のIII-V 族またはII-VI 族半導体を有益に用いることができる。特に、ＩｎＧａＡｓの側へ組成が移っていくＩｎＧａＡｓＰ族を用いることができる。上述した実施例は歪みを完全に平衡させるように試みたが、超格子全体がディスロケーションの形成に対して安定である限り、正味のトータル歪みが許容されるものと理解される。また、上述した実施例においては圧縮歪みの層お引っ張り歪みの層とを直接互いに隣接配置したが、これらの層間に歪みを有しない別の層を配置することもでき、この場合も疑似限界を超えないように全歪みを制御する意味において隣接しているものとする。また、上述した実施例はコア中の多層歪み層に関するが、本発明は１個またはそれ以上のクラッド層にも適用でき、特にモーダル電界分布がクラッド層中に顕著に張り出す場合にも適用することができる。さらに、上述した実施例および上記検討は受動型光導波路について行ったが、本発明は、例えばレーザまたは光増幅器のような光発生または利得を用いるもの或いは光検出器や他の非受動型デバイスのような電気信号発生を用いるもののような能動型デバイスと一体化した導波路にも同様に適用することができる。この典型的な能動型デバイスは、一導電型に不純物が添加されたコア１４を反対導電型のクラッド層１２および１６ではさんでｐ−ｎ接合を形成することができる。或いは、ｐ−ｎ接合を形成する層は、アンドープドのコア１４またはいずれかの導電型のコア１４の上側に形成することができる。能動型デバイスをコア１４の一部分だけとすることができ、またはコア１４が能動型デバイスの一部だけを形成することもでき、或いはコアを能動領域から分離することもできる。開示内容は上述した図示の実施例またはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料系のプレナ導波路の例示した実施例に限定されるものではなく、図１〜図４に図示した導波路構造体並びに層構造、形状、構成層の厚さ、および歪みの全ての態様を含む導波路構造体、並びに高屈折率の１個以上の領域を用いる導波路構造体の全ての変形例を含むものと理解される。さらに、請求の範囲の方法は、一般的にIII-V 族およびII-VI 族元素で構成される半導体導波路材料系に適用することができる。従って、本発明は複屈折のない半導体導波路を得るための包括的で処理手順としての解決策を与えるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ソン，ギー，ヒュー大韓民国 506−３−３クワンジュクワンサン−グサンアム−ドン 572 クワンジュインスティテュートオブサイエンスアンドテクノロジー (72)発明者スール，ジュリアン，バーナード，ドナルドアメリカ合衆国 08837 ニュージャージー州エディソンパークウッドコート５

Claims

【特許請求の範囲】１．フォトンエネルギーを有する光信号を導波する複屈折が低減した半導体導波路であって、基板上に、少なくとも１個の圧縮歪みが形成された第２の層と隣接する少なくとも１個の引っ張り歪みが形成された第１の層を具え、この第１の層が前記フォトンエネルギーよりも大きい第１のバンドギャップを有する第１の半導体組成を有し、前記第２の層が前記第１のバンドギャップエネルギーよりも大きい第２のバンドギャップエネルギーを有する第２の半導体組成を有することを特徴とする導波路。２．２個のクラッドがコアをはさみ、このコアが前記第１および第２の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の導波路。３．導波路のコアと光学的に隣接すると共に前記第１および第２の層を含むクラッド層をさらに具えることを特徴とする請求項１に記載の導波路。４．請求項１に記載の導波路において、前記第１および第２の層が、交互に挟まれた複数の層で構成されることを特徴とする導波路。５．請求項１に記載の導波路において、前記第１および第２の半導体組成が、前記フォトンエネルギーにおいて反対符号を有する光弾性係数をそれぞれ有することを特徴とする導波路。６．請求項１に記載の導波路において、前記第１および第２の半導体組成を、II I-V 族およびII-VI 族から選択された化合物半導体でそれぞれ構成したことを特徴とする導波路。７．請求項６に記載の導波路において、前記層をＩｎＰの基板上に形成したことを特徴とする導波路。８．請求項７に記載の導波路において、交互に挟まれた複数の第１の層および複数の第２の層が導波路のコアを形成することを特徴とする導波路。９．請求項７に記載の導波路において、前記層が、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、またはＩｎＧａＡｓを含む組成を有することを特徴とする導波路。１０．請求項９に記載の導波路において、前記フォトンエネルギーが、約１．５ μｍの自由空間波長に対応することを特徴とする導波路。１１．請求項１に記載の導波路において、前記第１および第２の層が反対導電型の第３の層と第４の層との間に形成されて能動型導波路を形成することを特徴とする導波路。１２．請求項１に記載の導波路において、前記第１および第２の層と光学的に隣接する反対導電型の第３および第４の層をさらに具えることを特徴とする導波路。１３．２個のクラッド層およびこれらクラッド層間に挟まれたコアを具えると共に予め定めたフォトンエネルギーの導波路光に対する基板を有し、前記コアが複数の第２の層間に交互に挟まれた複数の第１の層を具え、前記第１の層が引っ張り歪みを有すると共に前記フォトンエネルギーよりも大きい第１のバンドギャップの第１の半導体組成を含み、前記第２の層が圧縮歪みを有すると共に前記フォトンエネルギーよりも大きい第２の半導体組成を含み、前記第１および第２の層のバンドギャップおよび組成並びに厚さを、導波される予め定めたフォトンエネルギーのＴＥモードおよびＴＭモードに対してほぼ等しい屈折率を有するように選択したことを特徴とする半導体導波路。１４．請求項１３に記載の導波路において、前記第２のバンドギャップエネルギーを前記第１のバンドギャップエネルギーよりも大きいことを特徴とする導波路。１５．請求項１３に記載の導波路において、前記フォトンエネルギーが、約１．５μｍの波長に対応することを特徴とする導波路。１６．請求項１３に記載の導波路において、前記基板をＩｎＰで構成したことを特徴とする導波路。１７．請求項１６に記載の導波路において、前記第１および第２の層がＩｎＡｓＰを含み、第１および第２の層の少なくとも一方の層がＧａを付加的に含むことを特徴とする導波路。１８．導波路を設計するに当たり、フォトンエネルギーを有する光を導波させるための平均屈折率および厚さを有する半導体導波路を設計する工程と、前記半導体導波路の複屈折を計算する工程と、前記フォトンエネルギーよりも大きい第１のエネルギーを有する半導体バンドギャップの組成を有する引っ張り歪みが形成される第１のコア層の厚さおよび組成を設定する工程と、前記第１のエネルギーよりも大きい第２のエネルギーを有する半導体バンドギャップの組成を有する圧縮歪みが形成される第２のコア層の厚さおよび組成を設定する工程とを具え、前記第１および第２のコア層が半導体導波路のコア領域に含まれることを特徴とする導波路の設計方法。１９．請求項１８に記載の方法において、前記１個またはそれ以上の第１の層および１個またはそれ以上の第２の層が、前記厚さを与える厚さを有すると共に前記平均屈折率のほぼ平均となる屈折率をそれぞれ有することを特徴とする方法。２０．請求項１９に記載の方法において、前記複数の第１の層および複数の第２の層が前記コア領域を構成すると共に前記コアの厚さにほぼ等しい全厚さを有することを特徴とする方法。