JPS6132038A - 光集積回路 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、光通信、情報処理の分野に係り、特に化合物
半導体を用いることにより、半導体レーザ、変調器など
の多機能を備えた光デバイスの一体化に好適な構造をも
つ光集積回路に関するものである。

〔発明の背景〕

光集積回路は種々の機能をもつ光デバイスを一体に集積
させるもので、小型、高性能、低コストなどいくつかの
利直が期待される。現在、例えばＩＥＥＥ　Ｊ、Ｑｕａ
ｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、ｖｏｌ、ＱＥ−１９，１
３３９（１９８３）においてＲ，Ｃ，Ａｌｆｅｒｎｅｇ
ｓ、Ｃ，Ｈ，Ｊｏｙｎｅｒ、Ｌ、Ｌ、Ｂｕｌｌ及びＳ、
に、Ｋｏｒｏｔｋｙが”Ｈｉｇｈ　−５ｐｅｅｄ　、　
Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　−ＷａｎｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎａ
ｌ　　Ｃｏｕｐｌｅｒ　　５ｗ１ｔｃｈ／Ｍｏｄｕｌａ
ｔｏｒ　　ｆｏｒλ　＝１．３２μｍ　”と題して論じ
ているように、大きな電気光学効果を有するＬｉＮｂ０
３　　などの誘電体材料を用いた光集積回路の研究開発
が活発に行なわれている。このような誘電体材料を用い
た光集積回路では、単能形のデバイスとし、ての応用や
、光コンポーネントの性能を向上させるための手段とし
て用いられている場合が多い。しかし、各種光デバイス
あるいは電子デバイスを一体化させ、より多くの機能を
備えた能動先光集積回路を実現させるという観点から、
半導体材料を用いた光集積回路の研究開発がより重要に
なってきた。

以下、半導体材料を用いた光集積回路の一例として、信
学技報０ＱＥ−２８（１９７ｇ）において、河口が論じ
ている”ＧａＡｓ方向性結合器形光スイッチ″について
第１図を用いて説明する。導波路構造はｎ　”　ＧａＡ
ｓ基板（１−１）上にエピタキシャル成長により得たｎ
　−ＧａＡｓ層（１−２）を光導波層としたキャリア濃
度の差による屈折率差を用いる。この二次元導波路をリ
ブ構造の三次元光導波路（１−３）にし、これを二本並
置することにより、方向性結合器を形成する。素子長を
完全結合長に一致させ、リブガイド上に形成されたショ
ットキー電極（１−４）の一方と裏面電極（１−５）と
の間に逆方向電圧を印加する。このとき電気光学効果に
より、電圧が品加された光導波路は屈折率が変り、この
ため結合状態が変化するので、光のスイッチングを行な
うことができる。このような導波路構造をもつ方向性結
合器型光スイッチは変調器などとしても用いられ応用範
囲の広いものである６しかし、これらの光デバイスは、
一平面上に形成されるため、より高い集積化、あるいは
半導体レーザとの一体化を考慮したとき、必ずしも有利
な構造とはなっていない。

半導体レーザと光導波層との結合法については、文献Ｙ
、Ｓｕｅｍａｔｓｕ、Ｍ、Ｙａｍａｄａ　ａｎｄ　Ｋ、
Ｈａｙａｓｈｉ　：　Ａｍｕｌｌｉ−ｈｅｔｅｒｏ−Ａ
Ｑ（：ａＡ、ｓ　１ａｓｅｒ　ｗｉｔｈ　ｉｎｔｅｇｒ
ａｔｅｄｔｗｉｎ　−ｇｕｉｄｅ　、　Ｐｒｏｃ、　Ｉ
ＥＥＥ　（Ｌｅｔｔ、　）　、　６３．　ｐ、　２０８
　（１９７５）　。

などで見られるように、集積二重導波路（ＩＴＧ）レー
ザが検討されている。これは、集屑された２本の光導波
路間の結合を利用し、活性層とは別に出力用先導波路を
設けたものである。このように、一平面上ではなく、厚
さ方向に集屑した２本の光導波路においても方向性結合
器を形成することが可能である。なお、半導体レーザと
は別に、積層された２本の光導波路を利用した光調器を
に、Ｔａｄａとに、Ｈｉｒｏｓｅが、Ａｐｐｌ、　ｐｈ
ｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　ｖｏｌ、　ｐ５６１（１９７４）
におし１て、”Ａ　ｎｅｗ　ｌｉｇｈｔ　ｍｏｄｕｌａ
ｔｏｒ　ｕｓｉｎｇｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ　　ｏｆ
　　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ　　ｂｅｔｗｅｅｎ　　ｔ
、Ｗ。

ｃｏｕｐｌｅｄ　ｇｕｉｄｅｓ”と題して検討している
。これは３次元的な光の閉じ込めを行なわないプレーナ
ガイド構造となっている。そのため集積化の高い構造と
は言えず、またレーザとの一体化を特に考慮していない
。

以上述べたように、半導体材料を用いた光デバイスは種
々検討されているが、半導体の特長を生かし、高密度な
光集積回路を実現するためには、個々の光デバイス間の
結合が重要な問題である。

そのためには、光スィッチ、変調器、半導体レーザなど
が相互に構造上の接近を図らなければならない。

〔発明の目的〕

本発明は、複数の光導波路を立体的に積層させることに
より、従来の一平面上に形成された導波路形光デバイス
よりもさらに集積化を高め、同時に半導体レーザ等の他
の光デバイスとの結合に対して有効な構造をもつ光集積
回路を提供することにある。

〔発明の概要〕

以下、本発明の概略を第２図を用いて説明する。

第２図では、キャリア濃度が大きいｎ＋一基板（２−１
）上に、低キヤリア濃度で低損失なｎ−一光導波層（２
−３）が、それによりもバンドギャップエネルギーの大
きく、屈折率が小さいｐ−クラッド層（２−２）とｎ−
クラッド（２−４）とＫはさまれて形成されている。さ
らにその上にこの１１−一光導波層（２−３）と同程度
の屈折率を有するｐ−光導波層（２−５）とそれよりも
屈折−の小さいｐ−クラッド層（２−６）が積層されて
いる。この２つの光導波層（２−３）、（２−５）は、
それらの間のｎ−クラッド層の膜厚が数μｍと薄いため
、−組の方向性結合器をなしている。

いま、このような積層構造をもつ化合物半導体の上面と
下面とにオーミック接触の金属電極（２−８）、（２−
９）を設け、上面を（−）、下面を（＋）となる極性で
厚さ方向に電圧を印加する。

但し、上面の金属電極とクラッド層（２−６）との間に
は、オーミック抵抗を小さくするためのｐ′″−キャッ
プ層（２−７）が介入されているとき、上部光導波層（
２−５）は逆バイアスが印加され、空乏層が広がるため
、電気光季効果により、屈折率を高くすることができる
。一方、下部光導波層（２−３）では上のｎ−クラッド
層（２−４）から注入された電子が下のＰ−クラッド層
（２−２）のエネルギーの壁のために閉じ込められてキ
ャリア濃度が高くなる。このため、プラズマ効果により
、屈折率は低くなる。この結果、２つの光導波層を伝搬
する光の伝搬定数を変化させることにより、結合度を変
化させて、光スィッチ、変調器などを構成することがで
きる。下の光導波層（２−３）をはさむサンドイッチ構
造はｎ−ｎ−Ｐダブルヘテロ構造の半導体レーザと同一
の構造となっており、このような構造の光導波層は、半
導体レーザと一体化する上で有利である。第２図ではｎ
−ｎ−ｐダブルヘテロ構造半導体レーザとの結合を考慮
して説明したが、ｎ−ｐ−ｐ構造の場合も同様である。

この場合、方向性結合器をなす２つの光導波層（２−３
）、（２−５）はＰ−先導波層となる。

以上は、簡単のため、光の進行方向に対して横方向の光
の閉じ込めを行なわない２次元のプレート形構造につい
て説明したが、部分的に光導波層の厚さをかえたリブ形
光導波路を形成されば、３次元的な光の閉じ込めを行な
うことができる。方向性結合器の結合部分では、２つの
光導波路間隔は数μｍと極めて接近しており、導波光を
分離することは難しい。しかし、光導波路間のクラッド
層（２−４）の厚さをなめらかに変化させたり、あるい
は曲がりをもつリブ形光導波路を形成すれば、光導波路
中を伝搬する光パワーを立体的に分離することができる
。第３図はその一例を示したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。構造は第２図に示した
ものと同様である。キャリア濃度が１０　”ａｍ−”、
屈折率が３．４３のＳｉドープｎ′″ＧａＡｇ基板上に
、ｐＧａＡ　Ｑ　Ａｓ層ｔｎ−ＧａＡｇ層、　ｎＧａＡ
　Ｑ　Ａｓ層。

ｎ　−ＧａＡｓ層、　ｐＧａＡ　Ｑ　Ａｓ層、ｐ４Ｇａ
ＡＱＡｓ層を順次エピタキシャル成長させる。先導波層
となるｎ−−ＧａＡｓ層とこの光導波層にはさまれたク
ラッド層（ｎ−ＧａＡ　Ｑ　Ａｓ層）はＭＯＣｖＤ法に
よって、その他のｐ一層はＺｎドープのＬＰＥ法によっ
て形成した。光導波層（ｎ−−ＧａＡｓ層）のキャリア
濃度は１０”〜ｌ　Ｑ　ｌ５ｃＩｌｌ−４，屈折率は３
．４４である。ｐ　−ＧａＡ　ＩＡ　Ａｓ層と、ｎ　−
ＧａＡ　Ｑ　Ａｓ層のクラッド層は、ともにキャリア濃
度が１０″″ｃｍ−２．屈折率は基板と同程度かあるい
は若干小さく、光は良好にｎ−−ＧａＡｓ層に閉じ込め
られた。上面にはキャリア濃度、屈折率はそれぞれｎ４
′ＧａＡｓ基板のそれらと同程度のｐ　”　−ＧａＡｓ
層のキャップ層を介してＡ　ｕ　／　Ｇ　ｅ　／Ｎｉの
オーミック電極が形成され、下面にも同じＡ　ｕ　／　
Ｇ　ｅ　／　Ｎ　ｉのオーミック電極が形成されている
。厚さ方向に電圧を印加しないとき、上の光導波層から
入射された光は、そのほとんどが下の光導波路から出射
し、結合部の長さはほぼ完全結合長となっている。電圧
を印加すると、出射光のパワは下の光導波路から上の光
導波路に移行し、１０ｖの印加電圧で１０ｄＢの消光比
が得られた。

以上は光の進行方向に対して横方向の光の閉じ込めかな
い２次元の゛プレーナ形構造の実施例であるが、反応性
イオンビームエツチングを用い、光導波層内にリブ形構
造をもたせ、横方向にも光の閉じ込めを行なうことがで
きる。この反応性イオンビームエツチングはリブ形光導
波路の側面を極めて滑らかにすることができるので、微
細加工後、エピタキシャル成長゛が可能である。

〔発明の効果〕

本発明による光集積回路は、積層型方向性結合器をなし
、その一方の光導波路は、半導体レーザの活性層と同一
の構造となっている。そのため、半導体レーザと一体化
する上で極めて有利である。

さら番こ、このような多層構造をもつ光集積回路は、一
平面内の光の結合ばかりでなく、厚さ方向での光の結合
も行なうことができるので、より立体的な光集積結合を
構成することができる。従って、集積化が高く、小型で
、多くの機能を備えた光素子が形成できる可能性をもち
経済的にも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図はＧａＡｓ方向性結合器形光スイッチの一例を示
す図、第２図は本発明による光集積回路の構造を示した
図、第３図は第２図で示した光導波層内にリブ形光導波
路を形成し、光導波層を伝搬する光パワを立体的に分離
するような機能をもたせた光集積回路の一例を示した図
である。 １−１−　ｎ　”−Ｇａｚａ基板、１−２−　ｎ　−−
ＧａＡｓ層、１−３・・・リブ形光−波路、１−４・・
・ショットキー電極、１−５・・・裏面電極、２−１・
・・ｎ１一基板。 ２−２．２−６・・・ｐ−クラッド層、２−３．’２−
５・・・ｎ−一光導波層、２−４・・・ｎ−クラッド層
、２−７・・・Ｐｌ−キャップ層、２−８．２−９・・
・オ第１　口 ２−γ 児３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高いキャリア濃度をもつIII−Ｖ族化合物半導体基
   板上に、低キャリア濃度で低損失な光導波層を該光導波
   層よりバンドギャップエネルギーが大きく、しかも屈折
   率が小さいクラッド層ではさんだ、ｎ−ｐ−ｐあるいは
   ｎ−ｎ−ｐダブルヘテロ構造をなすエピタキシャル層を
   形成し、さらにその上に、上記光導波層と同程度の屈折
   率およびキャリア濃度をもつ他の光導波層と、この光導
   波層より屈折率の小さいｐｎ接合を形成するクラッド層
   を順次積層させ、厚さ方向に電界を印加させることによ
   って、上記２つの光導波層間で、光パワの移行を行なう
   ことを特徴とした光集積回路。 ２、上記２つの光導波層において、部分的に光導波層の
   厚さをかえたリブ形光導波路を形成し、３次元的に光の
   閉じ込めを行なうことを特徴とした特許請求の範囲第１
   項記載の光集積回路。