JPH055910A

JPH055910A - 光を変調する方法及び光変調器

Info

Publication number: JPH055910A
Application number: JP3182961A
Authority: JP
Inventors: Hajime Sakata; 肇坂田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-07-09
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 1993-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】光通信システム、光交換装置、光情報装置、光
記録装置などに用いる設計時に使用波長の選択の自由度
が大きく、安定に動作する光変調器である。【構成】光変調器は積層された２層の上側及び下側半導
体導波路層１、２から構成される方向性結合器を有す
る。導波路層１、２を含む層構成がｐｉｎ構造であり、
上側半導体導波路層１がｉ層で構成され、その上の、２
層の導波路層１、２の導波モードが相互結合する領域に
グレーティング３が形成される。電極９、１１を介して
電気信号が印加されると、回折格子３によって結合され
る光の波長が変化し、その結果、下側の導波路層２から
出力される光が電気信号に応じて変調される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信システム、光交
換装置、光情報処理装置或は光記録装置などに用いられ
る光変調器及びそれを用いて光を変調する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、駆動電圧が低く、高速駆動でき、
更に半導体レーザなどの他の光電子素子との集積化が容
易である半導体を利用した光変調器は既知である。

【０００３】例えば、電界印加による半導体（バルク構
造や量子井戸構造の半導体層など）の吸収端シフトを利
用した吸収型光変調器が、Applied Pysics Letters,Vo
l.47,pp.1148〜1150(1985)で提案されている。また、電
界印加による屈折率変化を利用した方向性結合器型の光
変調器が、電子情報通信学会研究報告ＯＱＥ８６−３９
（１９８６）で提案されている。

【０００４】前者はｐ−ｉ−ｎ構造を持つ半導体導波路
から成り、電界を印加することでフランツケルディシュ
効果或はＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効果）によ
り図１４の如く吸収端がシフトして光吸収率が変化し、
或る波長の透過率の制御が可能となるものである。しか
し、このタイプの光変調器では、消光比を向上させる為
に使用波長を吸収端に近付ける必要があり、従って透過
状態での透過率が低くなっていた。よって、挿入損失が
大きいという欠点があった。また、吸収端波長に依存し
て、どのような波長の光をも変調できるものではなく使
用波長すなわち被変調波長が制限されるという難点もあ
る。

【０００５】図１２（Ａ）は、従来の方向性結合器型の
光変調器の第１の例を示す概略平面図であり、図１２
（Ｂ）は、図１２（Ａ）の光変調器のＡ−Ａ′線に沿っ
た断面図である。第１の例の光変調器では、２つの導波
路の結合領域に電極を設け、この電極から電界を印加す
ることにより、屈折率変化を生じさせて、光波を導波路
間で移行させるものである。

【０００６】図１３（Ａ）は、従来の方向性結合器型の
光変調器の第２の例を示す概略平面図であり、図１３
（Ｂ）は、図１３（Ａ）の光変調器のＡ−Ａ′線に沿っ
た断面図である。第２の例の光変調器では、２つの導波
路の交差領域に電極を設け、この電極から電界を印加す
ることにより屈折率変化を生じさせて、光波を導波路間
で移行させるものである。

【０００７】これらの方向性結合器型の光変調器では、
一方の導波路出射端からの出力光に変調がかけられる。
しかし、このタイプの光変調器においては、屈折率変化
により光変調度を制御しているにも係らず、屈折率変化
と同時に必然的に光吸収率も変化してしまう為、光変調
が安定的にかけられないという欠点があった。しかも、
素子長を短くする、すなわち導波路長を短くすると共に
駆動電圧の低減化を図る為に、一定電界に対して大きな
屈折率変化を得ようとすると、被変調光波長の設定が光
吸収の大きな波長域に近付いてしまう難点もある。

【０００８】一方、従来、波長分割多重型システムにお
いて、チャネルを分割する装置として分波器が用いられ
ている。これは、例えば、干渉フィルタやグレーティン
グなどの波長分散素子を用い、波長に依存して透過／反
射成分に分かれたり反射角度が異なることを利用して分
波を行なうものである。しかし、こうした分波器は数波
長の情報を同時に受信できる反面、波長領域に多重化さ
れている情報を空間領域に分割するので素子の面積の拡
大を招き、更にそれとの関係から集積可能な光検出器の
数に限度が生じて波長多重の高密度化が困難である。

【０００９】これを解決する手段として波長可変フィル
タがあり、これを用いれば波長多重方式に対応して１つ
の光検出器で十分対処でき、更に波長可変フィルタのチ
ャネル数を拡張すれば波長多重度の増大も図れる。この
ような波長可変フィルタとして、Applied Pysics Lette
rs,Vol.53,pp.13〜15(1988)では、ＴＥ−ＴＭモード変
換器を利用するフィルタが提案されている。また、電子
情報通信学会研究報告ＯＱＥ８１−１２９（１９８１）
では、偶奇モード変換器を利用した波長可変フィルタが
提案されている。更に、電子情報通信学会研究報告ＵＳ
８８−４２（１９８８）では、表面音響波（ＳＡＷ）を
利用した波長可変フィルタが提案されている。

【００１０】しかし、これらはいずれも１００Å以上の
広い波長可変範囲を有するものの、いずれもＬｉＮｂＯ
₃を利用した装置である為、光検出器との結合損失が問
題となる。また、屈折率変化を電気光学効果（ポッケル
ス効果）により得る為に、数１０Ｖから１００数１０Ｖ
といった高い電圧を必要とする。更に、ＧａＡｓ、Ｉｎ
ｐといった化合物半導体を用いる波長可変フィルタとし
て、ＤＦＢ（分布帰還型）もしくはＤＢＲ（分布反射
型）レーザを発振閾値以下で利用するタイプのものが知
られている。また、電子情報通信学会研究報告ＯＱＥ８
８−６５（１９８８）では、ファブリペロー型レーザ
を、発振閾値以下で利用した波長可変フィルタが提案さ
れている。

【００１１】これらは、光検出器との集積化が可能で、
且つ電流注入により利得を持たせ得るという利点を有す
る。しかし、波長可変範囲は屈折率の変化幅により、直
接、決定されるので、現状では数Åから数１０Å程度の
値しか得られていない。

【００１２】

【発明の解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、上記の課題に鑑み、設計時に使用波長の選択の自由
度が大きく、安定に動作する光変調器およびそれを用い
て光を変調する方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決する為の手段】本発明の上記目的を達成す
る光変調器は以下のものを有することをその要旨とす
る：基板；前記基板上に形成された第１の導波路層、該
第１の導波路層は、外部から入力された光を伝搬させ、
変調された光を出力する；前記基板上に、第１の導波路
と層厚方向に積み重なって形成された第２の導波路層、
該第２の導波路層は、第１の導波路層とその導波モード
が互いに異なる；前記第１及び第２の導波路層の各々の
導波モードが重なり合う領域に設けられた回折格子、該
回折格子は、第１の導波路層を伝搬する光の内、選択さ
れた波長域の光を第２の導波路層に結合させる；及び変
調された電気信号を印加する為の電極；ここで、電極を
介して電気信号が印加されると、回折格子によって結合
される光の波長が変化し、結果として第１の導波路層か
ら出力される光が電気信号に応じて変調される。

【００１４】また、上記目的を達成する上記光変調器を
用いて光を変調する方法は以下のステップを有すること
をその要旨とする：第１の導波路層に光を入力する；第
１の導波路中を入力された光を伝搬させる；回折格子に
よって、第１の導波路層を伝搬する光の内、選択された
波長域の光を第２の導波路層に結合させる；電極を介し
て、変調された電気信号を印加し、回折格子によって結
合される光の波長を変化させる、この波長の変化によっ
て、第１の導波路層を伝搬する光が変調される；及び変
調された光を第１の導波路層より出力する。

【００１５】更に、本発明の一実施態様の光変調器は次
の構成要素から成る：前記基板上に形成された、第１の
導電型を有する半導体から成る第１のクラッド層；前記
第１のクラッド層上に形成された、第１の導電型を有す
る半導体から成る第１の導波路層、該第１の導波路層
は、外部から入力された光を伝搬させ、変調された光を
出力する；前記第１の導波路層上に形成された、第１の
導電型を有する半導体から成る第２のクラッド層；前記
第２のクラッド層上に形成された、量子井戸構造のイン
トリンシック半導体から成る第２の導波路層、該第２の
導波路層は、第１の導波路層とその導波モードが互いに
異なる；前記第２の導波路層上に形成された、第２の導
電型を有する半導体から成る第３のクラッド層；前記第
１及び第２の導波路層の各々の導波モードが重なり合う
領域に設けられた回折格子、該回折格子は、第１の導波
路層を伝搬する光の内、選択された波長域の光を第２の
導波路層に結合させる；及び第１、第２の導波路、第
１、第２及び第３のクラッド層に逆バイアスの変調され
た電界を印加する為の電極；ここで、電極を介して電界
が印加されると、回折格子によって結合される光の波長
が変化し、結果として第１の導波路層から出力される光
が変調される。

【００１６】また、上記実施態様の光変調器を用いて、
光の変調を行なう方法は次のステップから成る：第１の
導波路層に光を入力する；第１の導波路中を入力された
光を伝搬させる；回折格子によって、第１の導波路層を
伝搬する光の内、選択された波長域の光を第２の導波路
層に結合させる；電極を介して、第１、第２の導波路、
第１、第２及び第３のクラッド層に逆バイアスの変調さ
れた電界を印加し、回折格子によって結合される光の波
長を変化させる、この波長の変化によって、第１の導波
路層を伝搬する光が変調される；及び変調された光を第
１の導波路層より出力する。

【００１７】

【実施例】図１及び図２は本発明の光変調器の第１実施
例を示す側方断面図及び正面断面図である。

【００１８】先ず、その原理、構成を説明する。本実施
例は積層型の方向性結合器を有し、これを構成する２層
の導波路１、２は互いに屈折率、層厚が異なるいわゆる
非対称方向性結合器となっている。この方向性結合器は
０次及び１次のモードが伝搬する条件を成立させてお
り、０次モードは主に上側導波路１を伝搬し、１次モー
ドは主に下側導波路２を伝搬する。

【００１９】０次モードの伝搬定数をβ₀、１次モード
の伝搬定数をβ₁とすれば、導波路１、２間の非対称性
の為に伝搬定数β₀、β₁は大きく異なっている。そこ
で、この方向性結合器には、上側導波路１に伝搬定数差
を補償するグレーティング３が形成されている。グレー
ティング３の周期をΛ、入射波長をλとすれば、 β₀（λ）−β₁（λ）＝２π／Λ・・・・・（１）を満足する波長λにおいて、０次及び１次モードの結合
が生じる。

【００２０】以上の構成により、下側導波路２へ入射し
た光４は１次モードとなり、特定の波長λにおいて０次
モードと結合して上側導波路１への移行を起こす。それ
以外の波長では０次モードと結合を起こさず、下側導波
路２をそのまま伝搬する。

【００２１】第１実施例の光変調器では、上記の方向性
結合器がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓで構成されており、上
側導波路１がキャリアノンドープの状態即ちｉ（ｉｎｔ
ｒｉｎｓｉｃ）層となっており、上側導波路１の上部の
クラッド層５及びコンタクト層６がｐ型にドープされた
ｐ層、上下導波路１、２間のクラッド層７、下側導波路
層２及び下側導波路２の下部クラッド層８がｎ型にドー
プされたｎ層となっている。つまり、上側導波路（ｉ
層）１を挾んで全体がｐ−ｉ−ｎ構造を形成している。

【００２２】上記の光変調器には、電極９及び１１を介
して、電圧源１４より逆バイアスの電界が印加される。
印加される電界は、スイッチ１３が変調信号Ｓにしたが
って開閉することによって、変調されている。

【００２３】ここで、ｐ側コンタクト層６上の電極９と
ｎ⁺基板１０下部の電極１１間に逆電界即ちｎ側電極１
１に正電圧が印加されたとき、ｉ層である上側導波路１
に電界が集中的に加わる。上側導波路１がＭＱＷ（多重
量子井戸構造）を含む構造であれば、この逆電界により
ＱＣＳＥが生じ上側導波路１の吸収率が変化する。従っ
て、クラマース・クロニッヒの関係で表わされる様に同
時に屈折率も変化する。

【００２４】その結果、上側導波路１を主に伝搬する０
次モードの伝搬定数β₀が変化し、上記（１）式を満足
する波長λの値が変化する。ここで、波長変化幅は屈折
率変化幅により、直接、決定されてはいない。

【００２５】図３は、図１の構成における下側導波路２
の透過スペクトルすなわち入射光と出射光１２の強度比
を表わしている。静的状態即ち、電界を印加しない状態
では、図３の符号２１で示す様に特定の波長λすなわち
上側導波路１へ移行する波長で透過率が急速に低下す
る。言い換えれば、波長λを中心として透過阻止帯が生
じる。次に、電界を印加した状態では、（１）式を満足
する、すなわち上側導波路１へ移行する波長はλ′とな
り、図３の符号２２のように透過阻止帯が移動する。

【００２６】以上の様に、電界に応じて透過阻止帯を制
御することにより、例えば、波長λの入射光４に対し
て、下側導波路２をそのまま伝搬して出射光１２として
出射される光の光量すなわち透過率を制御可能であり、
光変調器が成立することになる。

【００２７】本実施例では、グレーティング３を付加し
て波長選択性を鋭くした方向性結合器を用いている為、
僅かの透過阻止帯の移行で大きな透過率変化が生じる。
すなわち、図４に示す様に、特定の波長λを持つ被変調
光に対して、僅か１Ｖ程度の差で光のＯＮ−ＯＦＦを得
ることができる。

【００２８】また、本実施例においては、被変調光（使
用される光）の導波路となる下側導波路２は、ここで電
界印加による屈折率変化量を確保する必要がないので、
被変調光の波長に対して吸収端を充分離せる為、被変調
光の吸収による挿入損失は極めて小さい。通常、１ｄＢ
以下である。更に、上記ｐ−ｉ−ｎ構造では、電界印加
によって下側導波路２には電界が加わらない構成である
ので、吸収率、屈折率の変化が生じず、よってこの点か
らも下側導波路２の吸収端を被変調光の波長から充分離
せるのである。

【００２９】つまり、本発明による光変調器では、電界
印加により屈折率、吸収率の変化する層と被変調光（使
用する光）を導波し出力させる層とが分離されており、
その為、被変調光（使用する光）は屈折率変化に伴う吸
収率変化の影響を受けない様に設計できる。こうして屈
折率制御により光変調が行なえる。ここで下側導波路２
を伝搬する１次モードの光も、若干、上側導波路１にそ
の光強度分布の裾が存在して吸収率の変化を受ける。し
かしながら、この吸収率の変化量は全体光量からすれば
微量で実際上問題とはならない。

【００３０】更に、本実施例では、上側導波路１の電界
印加量に対する屈折率変化量を大きくする為、上側導波
路１の吸収端を被変調光波長に比較的近く設定してい
る。その結果、吸収率の絶対値が大きく吸収率の変化量
も大きくなる。逆に言えば、屈折率変化を起こさせる上
側導波路１に移行する光は使用しないので、ここでの吸
収損失を犠牲にしても屈折率変化量が大きくなる様に設
計できるのである。従って、上側導波路１へ移行した光
は大きな吸収損失を受け殆ど出射しない。むしろ、上側
導波路１へ移行した光は使わないので大きな吸収損失を
与えて殆ど出射しない様にしている。被変調光の波長設
定より、上側導波路１からも出射光が生じる場合は、図
１の様に出射側の上側導波路１を削除すれば良い。

【００３１】この様に、本実施例では上側導波路１に移
行した光は大きな伝搬損失を受ける為、再び下側導波路
２に結合する効率は小さい。よって、不必要な光が再び
下側導波路２に戻ることを考慮しなくても良いので、本
光変調器の素子長すなわち結合長は完全結合長以上であ
れば良く、完全結合長の作製精度はさほど厳しく要求さ
れず、従って素子作製の再現性が高くなる。

【００３２】第１実施例の光変調器は次の如く作製され
た。ｎ⁺−ＧａＡｓ基板１０上に、分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）もしくは有機金属化学気相堆積（ＭＯ−ＣＶ
Ｄ）法により、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１５を０．５μ
ｍ厚で、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下部クラッド層８を
１．５μｍ厚で、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下側導波層２
を０．１μｍ厚で、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間クラッ
ド層７を０．８μｍ厚で、順次積層した。この層７上
に、ｉ−ＧａＡｓ（厚さ６０Å）から成る複数の井戸層
と、ｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（厚さ１００Å）から成る
複数のバリア層とを交互に、全体の厚さが０．３５μｍ
となるように積層し、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の上
側導波路１を形成した。次に、周期６．９μｍのグレー
ティング３を、溝方向が基板１０の順メサ方向となる様
に、フォトリソグラフィー法で上側導波路１の上面に
０．０８μｍの深さのコラゲーションを食刻することに
よって形成した。次いで、ＭＯ−ＣＶＤ法により、グレ
ーティング３上に、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上部クラッ
ド層５を１．５μｍ厚で、ｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層
６を０．５μｍ厚で成長した。

【００３３】更に、続いて、グレーティング３と直交す
る方向すなわち基板１０の逆メサ方向にストライプマス
クをフォトレジストで作製し、ＧａＡｓ基板１０が出現
するまでエッチングを行なう。フォトレジスト除去後、
図２に示す如くｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層４１、ｉ−Ａ
ｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層４２、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層４
３をコンタクト層６の高さまで再成長する。そして、Ｓ
ｉＯ₂膜４４をストライプ状に領域を除いて成膜し、電
極９を蒸着し、基板１０裏面をラッピング後、裏面電極
１１を同じく蒸着しアロイングを行なった。

【００３４】この結果、図２に示す様な２層の導波路
１、２を含むｐｉｎ型光変調器が形成された。この素子
長は３５０μｍである。ｉ−ＭＱＷから成る上側導波路
１の吸収端ピーク波長は電子−重い正孔間のエネルギー
ギャップで表わされ、１．５０ｅＶすなわち波長で０．
８２４μｍであり、被変調光の波長（この場合、波長
０．８３μｍの被変調光を本デバイスに入射させ、出射
光を観察する）に対して、吸収率が極めて高く、同時に
屈折率変化も大きい。これに対して、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ
_0.7Ａｓから成る下側導波路２では、吸収端が被変調光
波長０．８３μｍと比較して充分短波長側にあり光吸収
率は小さい。

【００３５】以上の実施例では、図４の如き印加電圧対
透過強度の関係が得られ、入力として２ＧＨｚのＮＲＺ
信号を印加してＣＷ光（連続光）の出力強度を観察した
ところ極めて良好な追従波形が得られた。

【００３６】図５は光変調器の第２実施例を示す。第１
実施例と同様に、ｎ⁺−ＧａＡｓ基板５１上にｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層５０を０．５μｍ厚で、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓ下部クラッド層５２を１．５μｍ厚で、ｎ−
Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下側導波路５３を０．０８μｍ厚
で、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間クラッド層５４を０．
９μｍ厚で、ｉ−Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ上側導波路５５を
０．３μｍで順次積層した。次に、周期７．４μｍのグ
レーティング（不図示）を上側導波路５５に形成した
後、一部の上側導波路５５をエッチングにより削除し
た。続いて、再成長によりｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上部
クラッド層５６を１．５μｍ厚で、ｐ⁺−ＧａＡｓコン
タクト層５７を０．５μｍ厚で成長した。

【００３７】更に、２μｍ幅のストライプ状レジストマ
スクをグレーティングの溝方向と直交する方向に形成
し、ＲＩＢＥ（反応性イオンエッチング）法により下側
導波路５３の上方０．２μｍの位置まで食刻した。レジ
スト剥離後、Ｓｉ₃Ｎ₄膜５８をｐ−ＣＶＤ（プラズマ化
学気相堆積）法により成膜し、フォトリソグラフィー法
でストライプ上部のみのＳｉ₃Ｎ₄膜をエッチングし、ｐ
⁺−ＧａＡｓコンタクト層５７を露出させた。その後、
上面に電極５９を蒸着し、基板５１裏面もラッピング
後、電極６０を蒸着し、アロイングを経て、図５の如き
素子長４００μｍの光変調器が作製された。

【００３８】第２実施例では、上側導波路５５の側面が
剥き出していてＳｉ₃Ｎ₄膜５８と接している。ＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓの屈折率３．４〜３．６とＳｉ₃Ｎ₄の屈
折率１．９〜２．０との差が大きい為、上側導波路５５
の導波光の界面散乱による伝搬損失は大きい。よって、
上側導波路５５へ結合した使用されない光は都合よく大
きな損失を受ける。

【００３９】第２実施例の動作でも、第１実施例と同じ
く、下側導波路５３へ入射結合した被変調光が印加電圧
量に応じて上側導波路５５と結合し、下側導波路５３か
ら出射する光量が制御される。この時の屈折率変化は、
ｉ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ上側導波路５５（バルク層）の
吸収端及び吸収スペクトルが電界に応じて変化するいわ
ゆるフランツケルディシュ効果に起因している。上側導
波路５５へ結合した光は吸収及び導波路の側面散乱によ
り消失する為、下側導波路５３のみにおいて光の入出射
が実行できる。

【００４０】第２実施例の光変調器の挿入損失は、光の
入出力結合損失が大半で、伝搬損失は極めて少ない。伝
搬損失は素子長５００μｍに対して０．７〜０．８ｄＢ
程度である。また、消光比は極めて高く３０ｄＢ以上が
容易に得られる。更に、応答速度も駆動電圧供給側の高
速動作が得られれば、数ＧＨｚから１０数ＧＨｚの応答
が可能である。その他、動作原理は第１実施例と実質的
に同じである。

【００４１】以上の第１、第２実施例では、逆電圧印加
による電界効果すなわちＱＣＳＥ、フランツケルディシ
ュ効果による屈折率変化を利用した光変調器であった
が、勿論、順電圧印加によるキャリア注入に基づくプラ
ズマ効果、バンドフィリング効果というキャリア量変化
による屈折率変化を利用しても良い。

【００４２】本発明の原理によれば、僅かの屈折率変化
により、（１）式中のβ₀（λ）、β₁（λ）のλが変化
することによって充分な変調度が得られる為、キャリア
注入により付随的に生じる熱発生も低く押えることがで
きる。

【００４３】図６は光変調器の第３実施例を示す。第３
実施例ではグレーティングを、上記実施例の如く上側導
波路ではなく上下導波路の中間部に形成している。本実
施例は以下の如く作製される。

【００４４】ＭＢＥ法により、ＧａＡｓ基板６１上に、
ＧａＡｓバッファ層８６（ｎ＝２×１０¹⁸ｃｍ^-3）を
０．５μｍ厚で、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層（ｎ＝
１×１０¹⁷ｃｍ^-3）６２を１．５μｍ厚で、Ａｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ａｓ下側導波路層（ｎ＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3）６３
を０．１μｍ厚で、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間クラッド層
（ｎ＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3）６４を０．４μｍ厚で、複数
のＧａＡｓ（厚さ５０Å）井戸層と、複数のＡｌ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓ（厚さ１００Å）バリア層を交互に積層して
成るＭＱＷ層（ｎ＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3）６５を０．１μ
ｍ厚で成長した。

【００４５】続いて、フォトリソグラフィー法により、
ＭＱＷ層６５をグレーティング状にエッチングし、再び
Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間クラッド層（ｐ＝１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）６６を０．４μｍ厚で、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ上側
導波路層（ノンドープ）６７を０．３μｍ厚で、Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層（ｐ＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3）６
８を１．５μｍ厚で、ＧａＡｓコンタクト層（ｐ＝１×
１０¹⁸ｃｍ^-3）６９を０．５μｍ厚でＭＯ−ＣＶＤ法に
より成長した。

【００４６】更に、第２実施例の工程と同様にして、導
波路の形成、電極７０、８７形成を行ない光変調器を形
成した。

【００４７】本実施例では、電界印加により屈折率、吸
収率が変化する上側導波路（ｉ層）６７と、０次モード
と１次モードの結合が行なわれるグレーティング６５と
が分離されている。その為、下側導波路６３を伝搬する
１次モードの分布が上側導波路６７に及んでいなくても
グレーティング部６５で０次モード（上側導波路６７を
中心に伝搬するモード）との結合が起こる。よって、下
側導波路６３を伝搬する１次モードが上側導波路６７の
吸収を受ける割合は、先の実施例と比べて低くなる様に
設計できる。出力光の入力光（共に下側導波路６７を中
心に伝搬する）に対する変調特性は先の実施例と同様で
あった。

【００４８】ところで、以上の実施例のグレーティング
形成位置はあくまで例示であり、その位置は両導波路を
夫々中心として伝搬する両モードの結合する位置ならい
ずれでも良い。例えば、下側導波路に形成しても同様の
効果が得られる。ただ、使用する光が出力される導波路
は、屈折率、吸収率が電界印加で変化するｉ層の導波路
とは異なる方の導波路とする必要がある。

【００４９】図７及び図８は波長可変フィルタの構成例
を示す側方断面図及び正面断面図である。この波長可変
フィルタの動作原理は光変調器の例で説明したものと略
同じであり、下の導波路７１に入射結合した光のうち、
グレーティング７２により導波路間結合の生じる波長に
おいて、上の導波路７３への結合が起こり光の移行が生
じる。よって、上側導波路７３からは図９（Ａ）の如き
バンドパスフィルタ特性が得られ、下側導波路７１から
は図９（Ｂ）の如きノッチフィルタ特性が得られる。

【００５０】本実施例では、波長多重された複数の波長
の光信号の中から任意の波長の信号を上側導波路７３に
移行して出力する波長可変フィルタを構成するものであ
る。非対称な方向性結合器とグレーティングを利用する
波長フィルタは、単に方向性結合器を構成する導波路の
モード分散を用いる波長フィルタと比較して、グレーテ
ィングによるモード変換を利用する為にフィルタバンド
幅の狭いフィルタ特性が得られる。

【００５１】本フィルタの作製は、ｎ⁺−ＧａＡｓ基板
７４上に、順にｎ−ＧａＡｓバッファ層７５、ｎ−Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層７６、ＭＱＷから成るｉ層の
下側導波路７１、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層７
７及びＭＱＷから成るｐ−上側導波路７３をＭＢＥ法に
より成長し、次いで、レジストパターニングによりグレ
ーティングを形成しＲＩＢＥ法によりコラゲーション状
グレーティング７２を上側導波路７３に形成する。

【００５２】レジスト除去後、ＬＰＥ（液層エピタキシ
ー）若しくはＭＯ−ＣＶＤ法によりｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5
Ａｓクラッド層７８及びｐ⁺−ＧａＡｓキャップ層７９
を成長した。続いて、グレーティング７２と直交方向に
ストライプパターンをレジストにより形成し、硫酸系エ
ッチャントによりウェハをバッファ層７５までストライ
プ状にエッチングした後、ＬＰＥにより図２の様にｐ−
Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層８０、φ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層
８１、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層８２を成長しストライ
プ状の部分の側面を埋め込んだ。

【００５３】その後、ストライプ状の部分を残して他の
全てをＳｉＯ₂膜８３でカバーした後、ＡｕＣｒ／Ａｕ
電極８４を蒸着し、裏面研磨後、ＡｕＧｅ／Ａｓ電極８
５を蒸着しアロイングを行なった。

【００５４】以上の様に作製したフィルタに対して逆電
圧を印加すると、φ−ＭＱＷから成る下側導波路７１に
電界が加わりＱＣＳＥにより屈折率が変化する。図１０
は電圧を０．５Ｖ、１．０Ｖ、１．５Ｖ、２Ｖと印加し
た例で、下部導波路７１から上部導波路７３への結合効
率を示している。電圧印加の変化によりバンドパスフィ
ルタの透過帯域が長波長側へシフトする様子が分かる。
これにより、多重化されたチャネルから１つの波長のチ
ャネルをフィルタリングできる。下側導波路７１を伝搬
して吸収しきれない光は、使用しないので何らかの方法
で吸収等をすれば良い。

【００５５】光フィルタにおいても、導波路をバルク層
として、逆電圧印加によりフランツケルディシュ効果で
屈折率変化を起こさせフィルタ特性における透過帯域の
シフトを生じさせても良い。ただし、素子長、グレーテ
ィング周期、深さ等は適当に設定し直す必要がある。

【００５６】更に、順方向電圧をｉ層である方の導波路
に印加し、キャリアが注入されることでプラズマ効果に
より屈折率が変化される様にしても良い。こうした例で
は、キャリア注入による為、利得の付与も可能で、入力
信号光の導波路との結合損失や導波路内での伝搬損失を
補償できる。

【００５７】図１１は、本発明の光変調器を用いた光通
信システムの一例を示すブロック図である。図１１にお
いて、符号２５₁、２５₂、及び２５₃は光送受信機を示
し、これらは、光ノード２４₁、２４₂及び２４₃を介し
て、光ファイバなどから成る光伝送路２３にコネクトさ
れている。また、光送受信機２５₁、２５₂及び２５₃は
夫々、端末２６₁、２６₂及び２６₃に接続され、これら
の端末からの指令に従って送受信機間で通信を行なう。

【００５８】光送受信機２５₁は、制御回路２９、光受
信機３０及び光送信機３１を含む。光受信機は、他の光
送受信機から送られてきた光信号を検出する光検出器３
２と、光検出器３２の出力から、信号を復調して制御回
路２９に送る復調回路３３とから成る。また、光送信機
３１は、半導体レーザなどから成る光源２８と、光源２
８から発した光を通信信号Ｓに応じて変調し、他の光送
受信機に向けて送信する光変調器２７とから成る。光送
受信機２５₂及び２５₃も、光送受信機２５₁と同様の構
成を有している。

【００５９】ここで、光変調器２７は、図１、図５及び
図６に示した、本発明の光変調器のいずれかが用いられ
る。光変調器２７は、制御回路２９から送られた通信信
号Ｓに従って、例えば図１の様に、変調された電界が印
加され、光源２８から入射した光を変調する。

【００６０】本発明は、以上説明した実施例の外にも種
々の応用が可能である。例えば、上記実施例では、光変
調器をＧａＡｓ系の半導体材料から形成したが、例え
ば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰなどの他の半導体材料から
形成しても良い。本発明は、特許請求の範囲を逸脱しな
い限りにおいて、このような応用例を全て含むものであ
る。

【００６１】

【発明の効果】以上、説明した様に、本発明によれば、
方向性結合器を構成する２導波路のうちのいずれかに順
又は逆電圧が加わる様な構成とし、他方の導波路を変調
用の光路として用いることにより、挿入損失ないし伝搬
損失が低く、低電圧駆動が可能で、広い波長可変範囲を
得られる波長分割多重型光通信、光交換、光演算などに
好適な光変調器、方法が実現される。また、こうしたデ
バイスは、他の光検出器、レーザなどの光電子素子との
集積化に適する。

【００６２】更に、波長可変フィルタとしては短い素子
長とできたり、また光変調器としては消光比が高く被変
調波長の自由度の高いものとできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調器の第１実施例を示す側方断面
図である。

【図２】本発明の光変調器の第１実施例を示す正面断面
図である。

【図３】図１の光変調器の透過スペクトルを示す図であ
る。

【図４】図１の光変調器における印加電圧に対する透過
率の変化を示す図である。

【図５】本発明の光変調器の第２実施例を示す概略斜視
図である。

【図６】本発明の光変調器の第３実施例を示す側方断面
図である。

【図７】波長可変フィルタの構成例を示す側方断面図で
ある。

【図８】波長可変フィルタの構成例を示す正面断面図で
ある。

【図９】同図（Ａ）、（Ｂ）は、夫々、図７の波長可変
フィルタにおける上側導波路及び下側導波路の透過スペ
クトルを示す図である。

【図１０】図７の波長可変フィルタにおける下側導波路
から上側導波路への結合効率を示す図である。

【図１１】本発明の光変調器を用いた光通信システムの
例を示すブロック図である。

【図１２】同図（Ａ）、（Ｂ）は、夫々、従来の方向性
結合器型の光変調器の第１の例を示す概略平面図及び略
断面図である。

【図１３】同図（Ａ）、（Ｂ）は、夫々、従来の方向性
結合器型の光変調器の第２の例を示す概略平面図及び略
断面図である。

【図１４】ＱＣＳＥを用いた従来の光変調器の吸収スペ
クトルを示す図である。

【符号の説明】１，５５，６７，７３上側導波
路２，５３，６３，７１下側導波
路３，８，５２，５４，５６，６２，６４，６６，６８，
７６，７７，７８クラッド層６，５７，６９，７９コンタク
ト層９，１１，５９，６０，７０，８７，８４，８５電極１０，５１，６１，７４基板１３スイッチ１４電圧源１５，５０，８６バッファ
層４１，４２，４３，８０，８１，８２埋め込み
層

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】以下のものを有することを特徴とする光
変調器：基板；前記基板上に形成された第１の導波路層、該第１
の導波路層は、外部から入力された光を伝搬させ、変調
された光を出力する；前記基板上に、第１の導波路と層
厚方向に積み重なって形成された第２の導波路層、該第
２の導波路層は、第１の導波路層とその導波モードが互
いに異なる；前記第１及び第２の導波路層の各々の導波
モードが重なり合う領域に設けられた回折格子、該回折
格子は、第１の導波路層を伝搬する光のうち、選択され
た波長域の光を第２導波路層に結合させる；及び変調さ
れた電気信号を印加するための電極；ここで、電極を介
して電気信号が印加されると、回折格子によって結合さ
れる光の波長が変化し、結果として第１の導波路層から
出力される光が電気信号に応じて変調される。【請求項２】前記第２の導波路層は、多重量子井戸構
造を有する請求項１記載の光変調器。【請求項３】前記回折格子は、第２の導波路層の一方
の面に形成されたコラゲーションから成る請求項１記載
の光変調器。【請求項４】更に、前記第１及び第２の導波路層の間
に形成された中間クラッド層と、この中間クラッド層、
第１及び第２の導波路層をサンドイッチにした第１及び
第２のクラッド層から成る請求項１記載の光変調器。【請求項５】前記基板、第１のクラッド層、第１の導
波路層及び中間クラッド層は、第１の導電型を有する半
導体からなり、第２の導波路層は、イントリンシック半
導体からなり、第２のクラッド層は、第２の導電型を有
する半導体から成る請求項４記載の光変調器。【請求項６】前記回折格子は、中間クラッド層の一部
に形成された、回折格子状にエッチングされた半導体層
から成る請求項４記載の光変調器。【請求項７】前記入力される光の少なくとも一部の波
長をλ、波長λの光に対する第１の導波路層の伝搬定数
をβ₁（λ）、波長λの光に対する第２の導波路層の伝
搬定数をβ₀（λ）、回折格子の周期をΛとしたとき
に、以下の条件を満足する請求項１記載の光変調器： β₀（λ）−β₁（λ）＝２π／Λ。【請求項８】光源と、光源から発した光を通信信号に
応じて変調する請求項１記載の光変調器とを含む光送信
機；光受信機及び；光送信機と光受信機とを接続する光
伝送路とから構成されることを特徴とする光通信ネット
ワーク。【請求項９】各々が、光源と光源から発した光を通信
信号に応じて変調する請求項１記載の光変調器とを含む
光送信機及び、光受信機から成る複数の光送受信機と；
これらの光送受信機を互いに接続する光伝送路とから成
ることを特徴とする光通信ネットワーク。【請求項１０】基板と、基板上に形成された第１の導
波路層と、基板上に第１の導波路と層厚方向に積み重な
って形成され、第１の導波路層とその導波モードが互い
に異なる第２の導波路層と、第１及び第２の導波路層の
各々の導波モードが重なり合う領域に設けられた回折格
子と、電極とから成る光変調器を用いて光を変調する方
法であって以下のステップを有する方法：第１の導波路
層に光を入力する；第１の導波路中を入力された光を伝
搬させる；回折格子によって、第１の導波路層を伝搬す
る光のうち、選択された波長域の光を第２の導波路層に
結合させる；電極を介して、変調された電気信号を印加
し、回折格子によって結合される光の波長を変化させ、
これによって、第１の導波路層を伝搬する光を変調させ
る；及び変調された光を第１の導波路層より出力する。【請求項１１】前記入力される光の少なくとも一部の
波長をλ、波長λの光に対する第１の導波路層の伝搬定
数をβ₁（λ）、波長λの光に対する第２の導波路層の
伝搬定数をβ₀（λ）、回折格子の周期をΛとしたとき
に、以下の条件を満足する請求項１０記載の光変調方
法； β₀（λ）−β₁（λ）＝２π／Λ。【請求項１２】以下のものを有することを特徴とする
光変調器：基板；前記基板上に形成された、第１の導電型を有する
半導体から成る第１のクラッド層；前記第１のクラッド
層上に形成された、第１の導電型を有する半導体から成
る第１の導波路層、該第１の導波路層は、外部から入力
された光を伝搬させ、変調された光を出力する；前記第
１の導波路層上に形成された、第１の導電型を有する半
導体から成る第２のクラッド層；前記第２のクラッド層
上に形成された、量子井戸構造のイントリンシック半導
体から成る第２の導波路層、該第２の導波路層は、第１
の導波路層とその導波モードが互いに異なる；前記第２
の導波路層上に形成された、第２の導電型を有する半導
体から成る第３のクラッド層；前記第１及び第２の導波
路層の各々の導波モードが重なり合う領域に設けられた
回折格子、該回折格子は、第１の導波路層を伝搬する光
の内、選択された波長域の光を第２の導波路層に結合さ
せる；及び第１、第２の導波路、第１、第２及び第３の
クラッド層に逆バイアスの変調された電界を印加するた
めの電極；ここで、電極を介して電界が印加されると、
回折格子によって結合される光の波長が変化し、結果と
して第１の導波路層から出力される光が変調される。【請求項１３】前記第２の導波路層は、多重量子井戸
構造を有する請求項１２記載の光変調器。【請求項１４】前記回折格子は、第２の導波路層の一
方の面に形成されたコラゲーションから成る請求項１２
記載の光変調器。【請求項１５】前記回折格子は、第２のクラッド層の
一部に形成された、回折格子状にエッチングされた半導
体層から成る請求項１２記載の光変調器。【請求項１６】前記入力される光の少なくとも一部の
波長をλ、波長λの光に対する第１の導波路層の伝搬定
数をβ₁（λ）、波長λの光に対する第２の導波路層の
伝搬定数をβ₀（λ）、回折格子の周期をΛとしたとき
に、以下の条件を満足する請求項１２記載の光変調器。 β₀（λ）−β₁（λ）＝２π／Λ。【請求項１７】光源と、光源から発した光を通信信号
に応じて変調する請求項１２記載の光変調器とを含む光
送信機；光受信機及び；光送信機と光受信機とを接続す
る光伝送路から構成されることを特徴とする光通信ネッ
トワーク。【請求項１８】各々が、光源と、光源から発した光を
通信信号に応じて変調する請求項１２記載の光変調器と
を含む光送信機及び、光受信機から成る複数の光送受信
機と；これらの光送受信機を互いに接続する光伝送路と
から成ることを特徴とする光通信ネットワーク。【請求項１９】基板と、基板上に形成された、第１の
導電型を有する半導体から成る第１のクラッド層と、第
１のクラッド層上に形成された、第１の導電型を有する
半導体から成る第１の導波路層と、第１の導波路層上に
形成された、第１の導電型を有する半導体から成る第２
のクラッド層と、第２のクラッド層上に形成された、量
子井戸構造のイントリンシック半導体から成り、第１の
導波路層とその導波モードが互いに異なる第２の導波路
層と、第２の導波路層上に形成された、第２の導電型を
有する半導体から成る第３のクラッド層と、第１及び第
２の導波路層の各々の導波モードが重なり合う領域に設
けられた回折格子と、電極とから成る光変調器を用い
て、光の変調を行なう方法であって以下のステップを有
する方法：第１の導波路層に光を入力する；第１の導波
路中を入力された光を伝搬させる；回折格子によって、
第１の導波路層を伝搬する光の内、選択された波長域の
光を第２の導波路層に結合させる；電極を介して、第
１、第２の導波路、第１、第２及び第２のクラッド層に
逆バイアスの変調された電界を印加し、回折格子によっ
て結合される光の波長を変化させ、この波長の変化によ
って、第１の導波路層を伝搬する光を変調させる；及び
変調された光を第１の導波路層より出力する。【請求項２０】前記入力される光の少なくとも一部の
波長λ、波長λの光に対する第１の導波路層の伝搬定数
をβ₁（λ）、波長λの光に対する第２の導波路層の伝
搬定数をβ₀（λ）、回折格子の周期をΛとしたとき
に、以下の条件を満足する請求項１９記載の光変調方
法： β₀（λ）−β₁（λ）＝２π／Λ。