JPS6113222A - 集積化導波型光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光通信システムなど（こ用いられ低電圧、低損
失で高速（こ光の変調を行なうことができ、発光、受光
デバイスとも集積化が可能な半導体材料を用いた集積化
導波型元素子に関するものである。

（従来技術とその問題点） 近年の光通信システムの本格的な実用化に伴い、種々の
機能を持ったより性能の高い元デバイスが必要となって
きている。このようなデバイスとして光路の切り換えを
行なう光スィッチや、光の伝搬状態を変化させる光変調
器などがある。これらのデバイスでは電気光学効果を利
用したものが特性も優れ広く用いられている。このよう
な電気光学効果を利用した光スィッチ又は光変調器など
め導波型元素子としてはＬｉＮｂＯ３のような誘電体材
料を用いたものやＧａＡｓ　、ＩｎＰ　などのような半
導体材料を用いたものがある。誘電体材料を用いた導波
型光素子は非常に光の伝搬損失が低く低電圧動作が可能
であるなど有利な点もあるが、光源などとのモノリシッ
ク化には不適当である。それに対し半導体材料を用いた
導波型元素子は発光。

受光デバイスとのモノリシック化が可能であり将来の光
集積回路を実現するために重要である。

従来このような電気光学効果を利用した半導体導波型光
素子としては方向性結合器型変調器／スイッチがあった
。方向性結合器は２本の導波路を有し、電気光学効果に
よる導波光の伝搬状態の変化を利用して２本の導波路間
でスイッチングを行なう訳であるがそれを１本の導波路
にのみ注目すれば位相変調器として取扱うことができる
。ここではその位相変調器を例ζことり基本的な構造及
び動作についての説明を行なう。第１図は例としてＩｎ
ＧａＡｓＰ／ＩｎＰ糸の材料を使った場合の位相変調器
の基本的な構造を示す図である。これは最も簡単な構造
であるが、このような構造であると非常に元の伝搬損失
が大きい。このことは後に詳細に述べる。第１図は元の
伝搬方向に対して垂直な面で切った時の位相変調器の断
面図である、ｎ＋−Ｉ　ｎ　Ｐ基板５゛の上にｎ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰガイド層４及びｐ　−ＩｎＧａＡｓＰのｐ＋
拡散層が第１図の様にり＋ ブ形に積層ざ九、その上に電極２を有している。

ｐ＋拡散層３の屈折率をｎ、ガイド層４の屈折率をｎ４
　基板・５の屈折率をｎｌ　とすると一般にｎ４）ｎｌ
　、　ｎ４　）ｎｌの関係にある。また第１図に示す様
にガイド構造がリブ型をとっている為に水平方向に関し
ては実効的な屈折率は同じ屈折率のガイド層中でも電極
の下の部分の万がその両側の部分よりも少し高い。従っ
てｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層４に入射した光は垂直方
向、水平方向の両方向に関して閉じ込められ、導波路が
形成され一３次元的に伝搬する。ここで電極２に逆バイ
アス電圧信号１を印加する。すると低キヤリア濃度層で
あるガイド層４に空乏層が拡がり電界がかかり、その電
界による電気光学効果によってガイド層４を伝搬する元
の伝搬状態が変化し、出射光は逆バイアス電圧信号１に
応じた位相の変化を示す。以上の様にして位相変調が行
なわれる訳である。

しかしながらこの様な構造をもつ電気光学効果を利用し
た導波型元素子は次に述べるような問題点があった。ガ
イド層４のすぐ上下に光の吸収の非常に大きなｐ＋拡散
層３及びキャリア濃度の高い低抵抗基板５が厚く存在し
ている為、ガイド層からしみ出した光のほとんどはｐ　
拡散層３、低抵抗基板５により吸収され、それが伝搬損
失となる。電界強度を高め変調効率を高めるためにはガ
イド層４を薄（すればよいが組成が一定の場合にはガイ
ド層４の厚みを薄くすればその分ガイド層外への光のし
み出しは大きくなり伝搬損失も大きくなってしまうので
、伝搬損失の事を考慮に入れるとガイド層厚はそれ程薄
くできない。またガイド層厚を厚くすると伝搬損失は少
なくなるが有効な電界をかけてやることができず、所望
の位相変化を得る為の電圧が、大きいものとなってしま
う。

従って有効な電界を得る為にはガイに層厚をそれ程厚く
することはできない。この様にガイド層厚を薄くすると
電圧は低くなるが伝搬損失は大きくなり、ガイド層厚を
厚くすると伝搬損失は小さくなるが電圧は大きくなると
いったように電圧と伝搬損失とはトレード・オフの関係
にあり、従ってこの様な構造では電圧と伝搬損失の両方
を低くすることはできなかった。

次にもうひとつ゛の従来例として、伝搬損失を低減する
ための構造にするためにガイド層と電極及びガイド層と
基板との間に光の吸収の少ないバッファ層を設けた例に
ついての説明をする。第２図は伝搬損失低減のためのバ
ッファ層全設けた場合の位相変調器を説明Ｔるための図
である。またここでは実際の半導体材料であるＩ　ｎ　
ＧａＡｓ　’ｐ／　Ｉ　ｎ　Ｐを用いた場合の説明を行
なう。第２図は光の導波方向に対して垂直な面で切った
時の位相変調器の断面図である。ｎ　−ＩｎＰ基板１６
の上にｎ−ＩｎＰバ、ファ層１５、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
ガイド層１４、ｎ　−ＩｎＰ　バッファ層１３、ｐ−Ｉ
ｎＰ拡散層１２、電極１１が第２図の様に積層されてい
る。ｎ　−ＩｎＧａＡｓ’Ｐガイ　ド層１４の屈折率を
ｎ１４．その他ｐ＋−ＩｎＰ１２、ｎ−ＩｎＰバッファ
層１３、ｎ　−ＩｎＰバッファ層１５の屈折率をそれぞ
れ”１１　ｐ　ｎｔａ　ｔ　ｎ１５　　とおくとｎ１４
　＞　ｎｔｔ　＝　ｎｌｊ　＝　ｎ１ｌｌ　　である。

また水平方向に関してはリブ型構造をとることｔこより
、冥効的に屈折率差をつけている。この様にしてガイド
に入射してきた元はガイド層１４の中を三次元的に導波
する。変調の方法は前述の例と同様で電極１１と低抵抗
ｎ＋−１ｎＰ基板１６の間に逆バイアス電圧信号１０を
印加しそれに応じた電気光学効果により生ずる伝搬状態
の変化を利用している。

この様にガイド層１４の上下にバッファ層１３　、１５
を設けた構造においては、ガイド層１４よりガイド層１
４の上下にある光吸収の少ないバッファ層１３゜１５へ
しみ出した光はほとんど損失とはならす、そのバ、ファ
層１３　、１５の外側にあるｎ　−ＩｎＰ基板までバッ
ファ層１３　、１５を通り抜けてしみ出していった少量
の光のみが伝搬損失となる。従ってバッファ層を設ける
ことによって以前よりも伝搬損失を示さくすることがで
き、また、バ、ファ層が厚（なればそれだけ伝搬損失も
小さくなると言える。

しかしバッファ層１３　、１５を設けた事によって電界
のかかる厚みが太き（なってしまうので、その公印加電
圧も高くなり結局損失と電圧という２点を考えるとバッ
ファ層を殺けたからと言うて、低損失かつ低電圧な素子
が実現できるとは言えない。

さらにもうひとつの従来例として低電圧、低損失のため
の構造としてガイド層の下に非常に薄い電界印加のため
の電極を備えた低抵抗層、その下に光吸収の少ない層を
設けた場合についての説明をする。第３図は低電圧、低
損失のための構造をもつ位相変調器を説明するための図
である。またここでも材料としてＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐを用いた場合の説明を行なう。第３図は光の導波方向
に対して垂直な面で切った時の位相変調器の断面図であ
る。光吸収の少ない低キヤリア濃度の高抵抗ＩｎＰ基板
２６上にｎ−ＩｎＰ低抵抗層５、ｎ−１ｎ　ＧａＡｓ　
Ｐガイド層冴、ｎ−ＩｎＰバ、ファ層２３、ｐ　−１ｎ
Ｐ拡散Ｎ２２、電極２１　、２８か第３図の様に積層さ
れている。ガイド層Ｕに入射した元は垂直方向にはｎ　
−ＩｎＧａＡｇＰ　　ガイド層Ｕとｎ　　−ＩｎＰｎア
バ２フフ り、水平方向ｌこはリブ型を形成することにより閉じ込
められ３次元的に導波する。ガイド層Ｕよりしみ出した
光は上方へは／橿，ファ層％、下方へは低抵抗Ｎ！Ｉ２
５、基板２６へと拡がる。上方のバ，ファ層銘は低キヤ
リア濃度の層である無光の吸収はほとんどなく、また下
方への光のしみ出しに関しては、光が吸収されるのはガ
イド層Ｕのすぐ下のキャリア濃度の高い層であるｎ−Ｉ
ｎＰ低抵抗層あのみで、。その下ｌζある低キヤリア濃
度基板２６における光の吸収はほとんどない。また低抵
抗層すは非常に薄い層のため、低抵抗層５における光の
吸収は、ガイド層Ｕの下方へしみ出した光のごく一部だ
けである“。従ってこの様な構造の導波型元素子におい
ては伝搬損失は非常に小さいと言うことができる。また
電極２１船こ逆バイアス電圧信号側を一印加することに
より位相変調を行なうわけであるが、ガイド唐箕の直下
に電界印加用電極となる低抵抗層２５がある為、ガイド
層別中に有効に電界を印加できることになり、電界を利
用した位相変調を行なうために必要な電圧は第２図に示
す様なバ、ファ層の外側から電圧をかける構造に比べ小
さくなる、 しかしながらこの様な半導体材料を用いた場合、。

半導体における電気光学効果が小さいため、ガイド層の
厚みなどを薄くし、パラメータを最適化していき低電圧
化を図ったとしてもせいぜい１０ｖが限度であり、高速
変調を行なうことができるＩＴＴＬレベルまで電圧を下
げる事は困難であった。

（発明の目的） 本発明の目的は上述したような欠点を除去し、低損失、
低電圧で高速変調動作が可能であり、将来の光集積回路
の一部分を担う可能性を有する半導体集積化導波型元素
子を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によればガイド層中を伝搬している導波光に電界
を印加する事により前記導波光の制御を行なう半導体導
波型元素子であって、前記ガイド層の電界印加方向の両
側の少なくとも一部に前記導波光の界分布に比較して極
く薄い低抵抗の層を前記ガイド層に隣接して設け、さら
に前記低抵抗の薄い層に連続して前記ガイド層よりも屈
折率が低く、光吸収の少ない比較的厚い層を設け、前記
低抵抗の薄い層に前記導波光の変調手段となる前記電界
を印加する為の電極を設け、前記光吸収の少ない比較的
厚い層のひとつに電気的に牛Ｐ３緑性をもった層を用い
、前記半絶縁性の層と隣接した前記低抵抗の薄い層を活
性層として利用したＦＥＴを形成し前記ＦＩＴを前記導
波型光素子の前記ガイド層の電界印加の制御手段とした
ことを特徴とＴる集積化導波型元素子が得られる。

（構成の詳細な説明） 本発明は上述の構成をとることにより従来技術の問題点
を解決した。まず低損失、低電圧化を図った第３の従来
例において光吸収の少ない比較的厚い層をこ、電気的に
半絶縁性の層を用い、それと隣接した低抵抗の薄い層が
ＰＥＴの活性層上に利用できるので、それらを用いて同
一基板上にＦＥＴと導波型光素子を集積化させる。この
ように同一の基板、同一の低抵抗層（ＰＥＴにおける活
性層）を利用しているのでＰＥＴを集積化したからと言
って製作に関する手間はほとんどない。またこのＦＥＴ
を用いて導波型光素子のガイド層に電界を印加させ、そ
の電界によってガイド中の導波光を制御する。よって制
御信号はＦＥＴのゲートに加えればよい。このようにＦ
ＥＴの増幅作用を利用しガイド層に電界を印加している
ためガイドにかかる電圧は変わらないが、ＦＥＴの駆動
電圧は低くてよく、見かけの電圧を下げることができる
。

従って半導体導波型光素子においては低電圧化に関して
限界のあった従来に比べ本構成をとることによりＴＴＬ
レベルまでの低電圧化が実現される。

また損失ｔこ関しては従来例と同様に低く、結局本構成
を用いると、低損失、低電圧で高速変調が可能な半導体
集積化導波型元素子が得られる。

（実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。第４図は本発明の１つの実施例を゛示す図である
。尚本実施例はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ糸の半導体材料
を用いたものにつき説明し、第４図には本発明の集積化
導波型元素子を例として位相変調器に適用した場合の光
の導波方向に対し垂直な面で切ったその断面図が示され
ている。光吸収の少ない半絶縁性ＩｎＰ基板３６上にｎ
＋−ＩｎＰ低抵抗層（活性層）３５、ｎ　−ＩｎＧａＡ
ｓＰ　ガイド層ｐ”−ＩｎＰ層３２を拡散させる。その
後エツチングなどによりＦＥＴ形成用の活性層３５の一
部分を露出させる。その露出された活性層の一部分をエ
ツチング及び絶縁膜４０をつけることにより電気的に分
離し、その後ドレイン電極３７、ゲート電極あ、ソース
電極３９を取りつけＭＩ８−ＦＥＴを形成する。またガ
イドに関してはｐ−ＩｎＰ拡散層３２上に電極３１を取
りつけリブ形にエツチングを行ない３次元導波路を形成
する。最後にドレインを極３７とガイド電極３１を配線
する。ここで述べた製作プロセスはあくまでも一例であ
って低抵抗層３５上にＦＥＴが形成でき、そのＦＢＴを
用いて低抵抗層３５の他方に形成された導波型元素子の
ガイドｉ３４に電界が印加するような構造がとれれば特
ｌこプロセスの指定は必要ない。

ゲート電極あにＴＴＬレベルの高速信号４１を入力する
と入力された信号はＦＥＴにより増幅され、ドレイン３
７とソース３９の間で取り出すことができ、ドレイン電
極３７とガイド電極３１を接続することにより、ガイド
層調にガイド層を伝搬する導波光を制御するのに十分な
電界を印加することができ、入力信号に応じた変調が可
能となる。このようにレベルで高速変調を行なうことが
できる導波型光素子が得られる、 第５図は本発明による集積化導波型元素子の等価回路を
示したものである。半導体導波型光素子５７は逆バイア
スデバイスなのでダイオードの記号で示されている。ゲ
ート端子５５に入力信号絽が入力される。入力信号部が
Ｈｉｇｈレベルの時はＦＥＴ５６はＯＮ状態となりドレ
イ、ン５３とソース５４の間に電流が流れ、それらの間
の夷位差はほとんどなく導波型光素子５７のガイド層に
は電圧がかからない。

また入力信号＆がＬｏｗレベルの時はＦＥＴ５６はＯＦ
Ｆ状態となりドレイン詔とソース５４の間にはほとんど
電流は流れず、ＦＥＴのＯＦＦ抵抗とバイアス、抵抗５
２とバイアス電圧５１で決まる電圧が導波型元素子５７
に加わり、ガイド層に電界を印加す−ることができる。

５９は入力値−ｑｓｓｔこよって導波型元素子５７に加
わる電界の様子を示している。このようにしてゲート５
５への信号に応じて導波型元素子５７のガイド層へ電界
を印加することができ、結局ゲートに入力ＴるＴＴＬレ
ベルの信号で導波光を制御することができる。従って本
発明により今まで以上に低電圧で高速変調を行なうこと
ができる集積化導波型光素子を得ることができる。

またここではＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ糸の半導体材料を
用いた位相変調器にＦＥＴを集積化した例を示したが、
半導体材料としてはＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ糸のもので
よく、また導波型元素子に関しては特に位相変調器であ
る必要はなく方向性結合器などでもよい。さらに導波路
構造について水平方向の光の閉じ込めはリブ型だけとは
限らす、基板や低抵抗層に溝を形成することにより行な
ってもよいし、また埋め込み構造をとることにより行な
ってもよい。菫た導波光の制御手段としては電気光学効
果を利用したもの以外にも、ｐｎ接合またはシヨ。

トキ接合に逆バイアスを印加すると基礎吸収端が長波長
側に移行するフランツ・ケルディッシー効果や電界によ
る空乏層の拡がりを利用したキャリアの欠乏効果などを
利用した導波型光素子にも本発明は適用可能である。

また低抵抗の薄い層（ＦＥＴの活性層）がガ′イド層の
上にある場合でもガイド層に半絶縁性の層を用いればそ
の活性層を利用してＦＩＴを形成することもできる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば低損失であ
ることは言うまでもなく、より低電圧で高速変調が可能
な半導体集積化導波型光素子を得ることができ、将来の
光集積回路の実現に寄与するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図はＩ　ｎ　Ｇ、ａＡ　ｓ　Ｐ／　Ｉ　ｎ　Ｐ糸の
半導体材料を用いた場合の位相変調器の基本的な構造、
動作を説明するための図、第２図は第１図に示した位相
変調器にバ、ファ層を設した場合の従来例を示すための
図、第３図は低損失、低電圧を図りガイド層の一方に電
界印加用の極く薄い層を設けた場合の従来例を説明する
ための図、第４図は本発明による集積化導波型光素子の
実施例を説明するための図、第５図は第４図の等価回路
を用いてＦＥＴの動作と導波型元素子の動作の関連を示
すための図である。 図において、１．１０．２０は変調用の逆バイアス信号
、　２　、１１　、２１　、２８　、３１は電極、　３
，１２゜ｎ、３２はｐ噛散層、　１３　、１５　、２３
　、３３はｎ−バ。 ファ層、４，１４，２４．３４はガイド層、　５，１６
はｎ＋基板、　あはｎ−基板、　５，３５はｎ＋−低抵
抗層（ＦＥＴの活性層）、　あは半絶縁性基板、３７は
ドレイン電極、　羽はゲート電極、　３９はソース電極
、　４０は絶縁膜、　４１はＴＴＬレベルの入力信号、
　５１はバイアス電圧、　５２はバイアス抵抗、　５３
はドレイン端子、　シはソース端子、５５はゲート端子
、　５６はＦＥＴ、　　５７は導波型元素子である逆バ
イアスデバイス、　５８は入力信号、５９は入力信号に
応じて導波型元素子に印加される電界の信号を示してい
る。 ＼、、／／ 第１図 ￥３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガイド層中を伝搬している導波光に電界を印加する事に
   より前記導波光の制御を行なう半導体導波型光素子であ
   って、前記ガイド層の電界印加方向の両側の少なくとも
   一方に前記導波光の界分布に比較して極く薄い低抵抗の
   層を前記ガイド層に隣接して設け、さらに前記低抵抗の
   薄い層に連続して前記ガイド層よりも屈折率が低く、光
   吸収の少ない比較的厚い層を設け、前記低抵抗の薄い層
   に前記導波光の変調手段となる前記電界を印加する為の
   電極を設けた半導体導波型光素子において前記光吸収の
   少ない比較的厚い層のひとつに電気的に半絶縁性をもっ
   た層を用い、前記半絶縁性の層と隣接した前記低抵抗の
   薄い層を活性層として利用したＦＥＴを形成し、前記Ｆ
   ＥＴを前記導波型光素子の前記ガイド層への電界印加の
   制御手段としたことを特徴とする集積化導波型光素子。