JPS63313888A

JPS63313888A - 光学電子素子

Info

Publication number: JPS63313888A
Application number: JP62149906A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Hirata; 隆昭平田; Takeshi Inoue; 武史井上
Original assignee: Optical Measurement Technology Development Co Ltd
Current assignee: Optical Measurement Technology Development Co Ltd
Priority date: 1987-06-16
Filing date: 1987-06-16
Publication date: 1988-12-21
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: JPH0638544B2

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〕本発明は半導体光導波路を備えた光学電子素子、例えば
半導体レーザ、光増幅器、光導波素子その他に利用する
。特に、光導波路の屈折率分布の制御に関する。本明細
書において「光導波路」とは、光ビームが伝搬する領域
だけでなく、その周辺の領域を含めた構造をいう。

〔概　要〕

本発明は、半導体材料により形成された光導波路を備え
た光学電子素子において、光導波路の側部に電圧を印加してその内部の領域と側部
の領域との間に屈折率変化を生じさせることにより、光導波路の有効屈折率を可変に制御するものである。

〔従来の技術〕

半導体レーザ、光増幅器、先導波素子その他の光学電子
素子では、光導波路内に屈折率差を形成することにより
光ビームを閉じ込めている。これらの素子では、一般に
光導波路が層状に構成され、層間方向では、材料の選択
により容易に屈折率差を生じさせることができる。これ
に対して層面内で屈折率差を生じさせるには、（１）光導波層をメサ型にエツチングし、このメサ型構
造の周囲を屈折率の異なる材料で埋める、（２）先導波
層を多重量子井戸層により形成し、不純物拡散により多
重量子井戸層を無秩序化する等の方法が用いられている。

（１）の方法を利用した光学電子素子の例は、例えば、
イクオ・ミド他、ｒｌｎＧａＡｓ、Ｐダブル・チャネル
・プレーナ・ベリイド・ヘテロストラフチャー・レーザ
・ダイオード（ＤＣ−ＰＢ）ｌ　ＬＤ）・ウィズ・イフ
ェクティブ・カレント・コンファインメント」、ＩＥＩ
Ｅ８ジャーナル・オブ・ライトウニイブ・テクノロジ第
ＬＴ−１巻第１号１９８３年３月（ＩＫ［ＩＯＭＩＴＯ
ｅｔ。

ａｌ、”　ＩｎＧａＡｓＰ　Ｄｏｕｂｌｅ−Ｃｈａｎｎ
ｅｌ−Ｐｌａｎｅｒ−Ｂｕｒｉｅｄ−Ｈｅｔｅｒｏ−ｓ
ｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｌａ５ｅｒ　Ｄｉｏｄｅ　（ＤＣ−
ＰＢＨＬＤ）　ＷｉｔｈＢｆｆｅｃｔｉｖｅ　　Ｃｕｒ
ｒｅｎｔ　　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ”、　　　ＩＢＢ
［ｉ　　Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　Ｖｏｌ、　ＬＴ−１，Ｎｏ、１
．　Ｍａｒｃｈ１９８３）　に説明されている。

また、（２）の方法を利用した光学電子素子の例は、例
えば、タダシ・フクザワ他、ｒＧａＡＩＡｓベリイド・
マルチクラオンタム・ウェル・レーザズ・フアプリケー
テド・パイ・デフニージョンインデユースト・デスオー
ダリング」、アメリカ合衆国物理学会論文誌アプライド
・フィジクス・レターズ第４５巻第１号１９８４年１月
１日（Ｔａｄａｓｈｉ　Ｆｕｋｕｚａｗａｅｔ、ａｌｌ
”　ＧａＡｌＡｓ　　ｂｕｒｉｅｄ　　ｍｕｌｔｉｑｕ
ａｎｔｕｍ　　ｗｅｌｌｌａｓｅｒｓ　ｆａｈｒｉｃａ
ｔｅｄ　　ｂｙ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｔ
ｌ　ｄｉｓ−ｏｒｄｅｒｉｎｇ”、　　Ａｐｐｌ、Ｐｈ
ｙｓ、Ｌｅｔｔ、４５（１）、　　Ｉ　　Ｊｕｌｙ　　
１９８４）に説明されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上述した（１）の方法では再成長の処理が必要
であり、また、（２）の方法では多重量子井戸層に不純
物を拡散する必要があり、どちらの方法でも製造工程が
複雑となる欠点があった。また、屈折率差の生じる位置
がフォトリングラフィにより決定されるため、その間隔
を１μｍ以下にすることが回能であり、その位置が固定
される欠点があった。

本発明は、以上の問題点を解決し、製造が容易で、しか
も光導波路内における屈折率差の生じる位置および屈折
率の変化量を可変に制御できる光学電子素子を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光学電子素子は、半導体材料により形成された
光導波路と、この光導波路の周辺部の少なくとも一部の
領域に電圧を印加し、その領域に空乏層を発生させて内
部の領域との間に屈折率変化を生じさせる屈折率変化発
生手段とを備えたことを特徴とする。

屈折率変化発生手段は、印加電圧の変化により屈折率変
化の生じる位置を可変に制御する手段を含むことが望ま
しい。

〔作　用〕

本発明の光学電子素子は、屈折率差を生じさせるために
、材料または構造を変化させるのではなく、電圧印加に
より生じる屈折率の変化を利用する。すなわち、半導体
光導波路の周辺部に電圧を印加し、その部分のバンドが
曲げることにより生じる屈折率変化により、その部分と
光導波路内部との間に屈折率差を生じさせる。

光導波路の内部と周辺部との間に屈折率差が生じると、
この光導波路を伝搬する光に対する実効的な屈折率が変
化し、その光の位相を変化させることができる。したが
って、本発明の素子を光導波素子として利用した場合に
は位相変調を行うことができ、レーザ共振器として利用
した場合には発振周波数を可変に制御できる。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例光学電子素子の断面図を示す
。この実施例は、光変調素子に本発明を実施したもので
ある。

この実施例素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成された
ｎ型Ａｌｏ、、Ｇａｏｏ、Ａｓクラッド層２、ｎ型Ｇａ
Ａｓ導波層３およびｎ型Ａｌ００．Ｇａｏ、７ＡＳクラ
ッド層４の層構造をもち、クラッド層２の一部、導波層
３およびクラッド層４がメサ型にエツチングされ、その
表面にはＳｉ３Ｎ、絶縁層５を介して電極６が設けられ
ている。基板１の裏面には電極７が設けられている。本
明細書の説明において「上」とは、基板１に各層を成長
させる方向の意味であり、この素子の使用上の位置関係
を示すものではない。

基板１、クラッド層２、導波層３、クラッド層４、絶縁
層５、電極６および電極７の厚さは、それぞれ４００　
μｍ程度、ｌ　μｍ、　０．２ｔｔｍ、１　μＩＩ＋％
　０．１　μｍｓ０．５μｍおよび０．５μｍである。

クラッド層２のエツチングされた部分の厚さは０．５μ
ｍである。クラッド層２、導波層３およびクラッド層２
のドープ量はいずれもＩ　ＸＩＯ”ｃｍ　’である。

導波層３とその両側のクラッド層２．４とは屈折率が異
なるため、光ビームは導波層３に沿って伝搬する。また
、電極６と電極７との間に電圧を印加すると、導波層３
の両側の部分のバンドが曲がり、実効的なバンドギャッ
プが変化する。これによりその領域の吸収係数が変化し
、屈折率が変化する。このため導波層３の中央部と両側
の部分との間に屈折率差が生じる。

導波層３に沿って伝搬する光ビームは、全成分が導波路
３の中央部を伝搬するのではなく、一部の成分がクラッ
ド層２．４または導波層３の側部を伝搬する。これらの
光ビームが伝搬する領域を以下「導波領域」という。導
波領域の有効屈折率は、導波層３の中央部の屈折率と、
その領域の寸法と、周囲の屈折率との関数となる。した
がって、導波路３の側部に電圧を印加することにより、
その領域の屈折率を変化させ、屈折率差の生じる位置を
変化させて、導波領域の有効屈折率を変化させることが
できる。

クラッド層４上の絶縁層５および電極６は、クラッド層
４を保護するうえで都合がよいが必ずしも必要ではなく
、利用形態によってはクラッド層４が剥き出しになる構
造でもよい。

第２図は導波層３周辺の領域の拡大断面図を示す。電極
６．７に電圧を印加することにより、導波層３およびク
ラッド層２．４の側部で屈折率変化が生じる。第２図で
は、屈折率変化の生じる領域を参照番号８で示す。屈折
率変化が生じる領域は、電圧印加によりバンドの曲がる
領域と実質的に一致する。

第３図は導波層３のバンド図を示し、第４図および第５
図はそれぞれ導波層３の中央部および側部におけるバン
ド構造を示す。

導波層３がｎ型の場合に、電極６を導波層３に対して正
にバイアスすると、第３図に示すように導波層３の側部
でバンドが曲がり、その領域に電子が蓄積される。

導波層３の中央部では、第４図に示すように、伝導帯に
いくらかの電子が存在している。導波層３の側部では、
第５図に示すように、バンドの曲がりにより伝導帯の電
子が増加する。伝導帯の電子が増加すると、光吸収によ
り価電子帯の電子が伝導帯に移動するためのエネルギが
増大する。すなわち、実効的なバンドギャップがＥ、か
らＥ、′に増大する。これに伴ってこの領域の吸収係数
が変化し、屈折率が変化する。吸収係数と屈折率との関
係はクラマース・クローニッヒの関係式として知られて
いる。クラッド層２．４でも同様に屈折率が変化する。

このように、電界印加により、導波層３の側部の屈折率
を変化させて導波領域を形成することができる。バンド
の曲がる領域の長さと実効的なバンドギャップＥ、′と
は印加電圧により定まるため、印加電圧により導波領域
の有効屈折率を制御することができる。

バンドの曲がる領域の幅Ｗは、Ｋ　：　比誘電率（ＧａＡｓの場合は１３．１）、ε。

：　真空の誘電率、 ψ。：　ビルトインポテンシャル、 ■Ｒ＝　バイアス電圧、ｑ　：　電子の電荷、Ｎ、：　ドープ量（Ｉ　ＸＩＯ１７Ｃｍ−３）により計
算される。ψ。十ｖＲが５ｖ、３ｖ１１Ｖのとき、幅Ｗ
はそれぞれ０．２７μｍ、　０．２１μｍ、　０．１２
μｍとなる。すなわち、バイアス電圧を４Ｖ変化させる
ことにより、屈折率の変化する位置の間隔を０．３μｍ
変化させることができる。

以上の説明では、導波層３にｎ型ＧａＡｓを用い、クラ
ッド層２．４にｎ型Ａ１．．３Ｇａｏ、　、＾Ｓを用い
た例を示したが、他の半導体材料を用いても本発明を同
様に実施できる。また、ｎ型半導体のかわりにｎ型半導
体を用い、電極６を負にバイアスした場合にも、電子と
正孔との動作が逆になるだけで本発明を同様に実施でき
る。

第６図は本発明第二実施例光学電子素子の断面図を示す
。この実施例は、メサ型の＾ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓダブ
ルへテロ・レーザに本発明を実施したものである。

この実施例素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型Ａｌ
ＧａＡｓクラッド層２、アンドープＧａＡｓ活性層３′
およびｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４の層構造が設けら
れ、クラッド層２の一部、活性層３′およびクラッド層
４がメサ型にエツチングされている。このメサ型の活性
層３′およびクラッド層２．４の側部には、Ｓｉ３Ｎ、
絶縁層５を介して電極６が設けられている。クラッド層
４０表面および基板１の裏面には駆動用電極９が設けら
れている。

本実施例素子の特徴は、活性層３′およびクラッド層２
．４により形成されるメサ構造の両側に、絶縁層５を介
して電極６が設けられていることにある。

電極６は、活性層３′に対して正または負にバイアスす
ることができる。以下では電極６を活性層に対し正にバ
イアスした場合の動作を例に説明する。

第７図は活性層３′のバンド図を示し、第８図および第
９図はそれぞれ活性層３′の中央部および側部における
バンド構造を示す。

動作時には、第一実施例における導波層３と異なり、活
性層３′に電子および正孔が注入される。

注入された電子は、近似的に伝導帯の擬フエルミレベル
ＦＣの下側と伝導帯端Ｅｃとの間に存在し、注入された
正孔は、近似的に価電子帯の擬フエルミレベルＦｖの上
側と価電子帯端Ｅｖとの間に存在する。

電極６を正にバイアスすると、第７図に示すように、バ
ンドが活性層３′の両端で曲げられる。

このため、活性層３′の両端では、電子が増加して正孔
がなくなる。

活性層３′の側部の領域では、第９図に示すように、バ
ンドの曲がりにより伝導帯の電子が増加する。伝導帯の
電子が増加すると、光吸収により価電子帯の電子が伝導
帯に遷移するためのエネルギが増大する。すなわち、実
効的なバンドギャップがＥ、からＥ、′に増大する。こ
れに伴ってこの領域の吸収係数が変化し、屈折率が変化
する。

ｎ型のクラッド層２でも第一実施例と同様に屈折率が変
化する。バンドの曲がる領域の長さと実効的なバンドギ
ャップＥ、′とが印加電圧により決まるため、印加電圧
により活性層３′の有効屈折率を制御することができる
。

電極６を負にバイアスした場合にも、電子と正孔との動
作が逆になるだけで同様に本発明を実施できる。

第１０図は本発明第三実施例光学電子素子の断面図を示
す。

この実施例は、活性層３′とクラッド層４との間に薄い
低ドープ層４′が設けられたことが第二実施例と異なる
。上述したように、バンドの曲がる領域の幅、すなわち
屈折率の変化する領域の幅は、ドープ量を小さくするほ
ど広くなる。したがって、低ドープ層４′により屈折率
の変化する領域を拡張することができる。これにより、
導波層３の屈折率が変化とともに、低ドープ層４′で屈
折率が変化し、導波領域の有効屈折率を変化させること
ができる。ここで、ドープ量を少なくすると抵抗が大き
くなるので、低ドープ層４′の厚さは、十分な屈折率変
化が得られる程度に厚く、しかも抵抗が十分に小さい程
度に薄くできるように、クラッド層４とは分離し、任意
に設定できる。

第１１図は本発明第四実施例光学電子素子の断面図を示
す。

この実施例は、プレーナ型のレーザ素子に本発明を実施
したものである。

この光学電子素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型Ａ
ｌＧａＡｓクラッド層２、アンドープＧａＡｓ活性層３
′およびｐ型Ａ］ＧａＡｓクラッド層４を成長させた層
構造を有する。クラッド層４の表面および基板１の裏面
には、それぞれ駆動用電極９が設けられる。

クラッド層４の表面に設けられた電極９の両側には、絶
縁層５を介して屈折率制御用の電極６が設けられる。

電極６に電圧を印加すると、その近傍の領域１０でバン
ドが曲がり、屈折率が変化する。これにより、活性層３
′で発光した光ビームの導波領域の有効屈折率を変化さ
せることができる。

第１２図は本発明第五実施例光学電子素子の断面図を示
す。この実施例はメサ型Ａ　ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓダブ
ルへテロ・レーザに本発明を実施したものであり、電極
６′とクラッド層４との接合をショットキィ接合とし、
これを絶縁層の代わりに用いることが第二実施例と異な
る。

クラッド層４はメサ型にエツチングされ、その側部には
電極６′が設は亡れ亡。クラッド層２はｎ型、クラッド
層４はｐ型である。

この実施例において、電極６′を正にバイアスすると、
クラッド層４と電極６′との間が逆バイアスとなる。こ
れによりバンドが曲がり、この領域の屈折率が変化する
。

第二実施例ないし第五実施例に示した構造は、光増幅器
その他のレーザ素子以外の素子でも利用できる。

〔応用例〕

第１３図ないし第１６図は本発明の応用例を示す。

これらの素子は、屈折率差を形成するための電極が分割
して設けられ、その場所ごとに光導波路の有効屈折率を
変化させることができる。

第１３図は分布帰還レーザ素子に本発明を応用した例を
示す。このレーザ素子では、一本の光導波路１３１に対
して複数くこの例では３組）の電極対１３２．１３３．
１３４が設けられている。個々の電極対１３２．１３３
．１３４の電圧を制御して部分的に有効屈折率を変化さ
せることにより、等価的に回折格子１３５０位相をシフ
トさせて位相シフト分布帰還レーザとすることができる
。このレーザの最適な位相シフト量は動作条件により変
化するが、印加電圧を制御して位相シフト量を常に最適
に保ち、空間的ホールバーニングを抑えて最適な発振条
件を保つことができる。

第１４図は分布プラグ反射レーザ素子に本発明を応用し
た例を示す。このレーザ素子は、光導波路１４１が、利
得領域、位相制御領域および分布プラグ反射（ＤＢＲ）
領域に分割され、分布プラグ反射領域は回折格子１４２
により構成されている。各領域にはそれぞれ電極対１４
３．１４４．１４５が設けられている。電極対１４４．
１４５の電圧を独立に制御することにより、位相制御領
域および分布プラグ反射領域の有効屈折率を独立に変化
させ、発振周波数を制御することができる。

第１５図は複合共振器を示す。光導波路１５１に対して
二組の電極対１５２．１５３が設けられる。電極対１５
２が設けられた領域により第一共振器が構成され、電極
１５３が設けられた領域により第二共振器が構成される
。第一共振器と第二共振器との有効屈折率を変化させる
ことにより、その境界における反射の条件が変化する。

これは、半導体レーザの発振モードの制御に利用できる
。

第１６図は光ビームの出射径および方向を制御する素子
を示す。光導波路１６１に対して二組の電極対１６２．
１６３が設けられる。出力端側の電極対１６３について
は、導波路の左右の電圧をそれぞれ独立に制御できる。

電極対１６３の電圧により、端面近傍における導波領域
の幅を変化させて光ビームの出射径を制御できる。また
、電極対１６３の電圧を非対称にすることにより、光ビ
ームの出射方向を制御することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光学電子素子は、一般的
な半導体レーザの製造工程に屈折率を制御するための電
極を形成する工程が付加するだけで製造でき、容易に製
造できる。また、屈折率差の生じる位置の幅を電圧によ
り制御するた必、フォトリソグラフィにより決定される
幅量下、例えば１μｌ以下の幅にすることができる効果
がある。

また、光導波領域の有効屈折率を印加電圧により制御で
きるので、印加電圧による位相変調を行うことができる
。この場合に、電界によるバンドの曲がりという高速な
現象を利用しているため、緩和振動周波数による影響を
受けず、超高速変調が可能となる効果がある。

さらに、出射される光ビームの径および方向を制御でき
、他の素子との光学的な接続が容易となる効果がある。

屈折率差を生じさせるための電極を分割して配置した場
合には、その場所毎に光導波領域の有効屈折率を変化さ
せることができ、そのいくつかの電極を光出力の変調ま
たは発振周波数制御に利用できる。特に分布帰還レーザ
で本発明を実施した場合には、位相シフト量を印加電圧
により制御できるため、発振条件を常に最適に保つこと
ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例光学電子素子の断面図。第２図は導波層周辺の領域の拡大断面図。第３図は導波層のバンド図。第４図は導波層の中央部におけるバンド構造を示す図。第５図は導波層の側部におけるバンド構造を示す図。第６図は本発明第二実施例光学電子素子の断面図。第７図は活性層のバンド図。第８図は活性層の中央部におけるバンド構造を示す図。第９図は活性層の側部におけるバンド構造を示す図。第１０図は本発明第三実施例光学電子素子の断面図。第１１図は本発明第四実施例光学電子素子の断面図。第１２図は本発明第五実施例光学電子素子の断面図。第１３図は本発明応用例分布帰還レーザ素子を示す図。第１４図は本発明応用例分布プラグ反射レーザ素子を示
す図。′ 第１５図は本発明応用例複合共振器を示す図。第１６図は本発明応用例の光ビームの出射径および方向
を制御する素子を示す図。１・・・基板、２・・・クラッド層、３・・・導波層、
３′・・・活性層、４・・・クラッド層、４′・・・低
ドープ層、５・・・絶縁層、６．６′、７・・・電極、
９・・・駆動用電極、１３１．１４１．１５１．１６１
・・・光導波路、１３２．１３３．１３４．１４３．１
４４．１４５．１５２．１５３．１６２．１６３・・・
電極対、１４２・・・回折格子。特許出願人　光計測技術開発株式会社代理人　弁理士　井　出　直　孝ＤＦＢレーザ第１３図第１５図ＤＢＲレーデ第１４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体材料により形成された光導波路と、この光
導波路の周辺部の少なくとも一部の領域に電圧を印加し
、その領域に空乏層を発生させて内部の領域との間に屈
折率変化を生じさせる屈折率変化発生手段とを備えた光学電子素子。
（２）屈折率変化発生手段は、印加電圧の変化により屈
折率変化の生じる位置を可変に制御する手段を含む特許
請求の範囲第（１）項に記載の光学電子素子。