JPH06505363A - 歪み量子井戸を用いた偏波依存型および偏波変化型光電気素子 - 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】 歪み量子井戸を用いた偏波依存型および偏波変化型光電気素子 灸肌０云野 本発明は検出器、増幅器、レーザなどの半導体光電気素子に関する。特に、コヒ ーレント偏波変化型受信器において有用な偏波選択性の光素子に関する。

歿吸ｑ互月 通信システムにおける単一モード光ファイバの利用は、ファイバの受信端におけ る偏波感受性を伴う多くの問題を導いた。

今日、単一モートファイバは与えられた周波数の単一モードだけを伝搬するため に用いられている。たとえそのモードが定められた直線偏波でファイバに送り出 されても、受信端においては偏波方向に関する制御はしない。実際には、ファイ バの出射端における偏波方向は、短い間の時間で見掛は上でたらめに変化してい る。

直接光検出器では光キャリアの周期よりも実質上長い、時間平均の光り信号の強 度を測定する。はとんどの直接光検出器は偏波無感受型なので、偏波モードの状 態は問題でない。しかしながら、ファイバが異なったキャリア周波数の多重光信 号を送る波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいては偏波の問題が発生する。直 接光検出を用いるＷＤＭ受信器は、直接光検出器へ希望したチャネルだけを通す ように多重周波数のＩＤＭ信号を光学的にフィルタしなければならない。しかし ながら、はとんどの安価な狭帯域の同調可能な光フィルタは偏波感受性があり、 透過の大きさが光の直線偏波の角度に依存する。このような偏波感受型フィルタ を用いたＷＤＭ受信機は、希望したチャネルの時間によりでたらめに変化する偏 波の状態によって信号が薄れることになる。そのため偏波無感受型同調可能光フ ィルタの開発に努力が注がれている。

コヒーレント光検出は、変調されていない基準信号を光キヤリア周波数で出力す る局部光発振器が必要である。コヒーレント検出は、基準信号中の偏波成分に一 致したデータ信号の偏波成分を検出する。コヒーレント検出は、直接検出ではノ イズから区別できない低いパワーレベルの信号の検出が可能である。

しかしながら、光フアイバ中の偏波の制御がない場合、コヒーレント検出では偏 波変化が必要である。５ｈａｎｉらは、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅ ｔｔｅｒｓ第５６巻（１９９０年）、２０９２−２０９３ページに「偏波変化受 信のための集積された光端末」と題して偏波変化型コヒーレント受信器について 発表している。このような集積された受信器の構造を図１に示した。第１の先導 波路１０はデータ信号を運び、第２の光導波路１２はＴＥと７Ｍ方向に４５度偏 波した局部発振器（ＬＯ）信号を運ぶ。ＬＯ倍信号、ＴＥと７Ｍモードを等壷金 む。データ信号とＬＯ倍信号３ｄＢ分離器１４で結合される。両方の導波路１０ ．１２は両方の信号を等量適ぶことになる。導波路１０．１２はそれぞれの偏波 分離器１６．１８へ導かれ、そこでＴＭモートは第３と第４の導波路２０．２２ にそれぞれ運ばれ、ＴＥモードは第１、第２の導波路１０．１２にそれぞれ残る 。四つの直接光検出器２４は四つの導波路１０．１２．２０と２２の強度を検出 し、それぞれの電気信号工７、工２、Ｉ３、工、を出力する。これらの四つの電 気信号は平衡出力器により次のように結合される。

１１　１２　”　（２Ｐ、Ｐｌ）Ｌ／２Ｓｉｎｅ　（”）１３−１４　ｃｃ　（ ２Ｐ、Ｐ０１／２ｃｏｓθ、（２）ここでＰ、はデータ信号の光パワーで、ＰＩ はＬＯ倍信号光パワーであり、それぞれＴＥと７Ｍモードのベクトル和の大きさ になっている。θはＬＯ倍信号偏波状態に対するデータ信号の相対的な偏波角度 である。平衡出力は電流の違いに基づいておりＬＯノイズの影響を減少する。こ れらの平衡出力は次の偏波変化出力を生成するために用いられる。

（Ｉｔ−Ｉ２）２＋　（７３／４）２ａｃ２ＰｓＰｔ、（３）Ｐ、は定数と仮定 するため、偏波状態θが時間に対し変化しても、偏波変化出力はデータ信号Ｐ、 の時間依存性を与える。

従来の偏波変化型受信器にはいくつかの不利がある。三つの分Ｎｉ器１４．１６ ．１８が必要であり、それぞれ近似的に図に示した構造をしている。分離器は検 出器２４の十倍以上の表面積を占有する。分離器に形成された導波路は、光分離 領域から光結合領域を分離するために曲がらなければならない。その曲がりは大 きく、光信号の損失の原因となる。

Ｗｅｉｎｅｒらは、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ第４７巻 （１９８５年）、６６４−６６７ページに「単一量子井戸導波路の大きな非等方 性光特性」と題して、中央に量子井戸を持つ導波路を伝搬するＴＥと７Ｍモード の吸収が異なることを発表した。彼らはいかなる有用な素子についても述べてい ないが、その効果か偏波感受型素子へ適用できる可能性を示唆した。同様に、Ｃ ｈｏａらは、ＩＥＥＥ　ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅ ｒｓ第１巻（１９８９年）、３７６−３７８ページに「ｒｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ ＡｓＰ多重量子井戸導波路型検出器の光電気特性」と題して歪みの無い量子井戸 検出器の偏波感受性を発表した。しかし、彼らは偏波特性を利用できなかった。

聚野ｑ厘！ 本発明の目的は偏波感受型光検出器を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、従来の技術で要求されたものより少ない構成部品の 偏波変化型光受信器を提供することである。

さらに別の目的は、このような受信器の複雑さを減少させることを可能にする直 接光検出器を提供することである。

さらにもう一つの目的は、偏波無感受型光増幅器や偏波変化型光受信器の局部発 振器に用いられる二偏波レーザを提供することである。

本発明を要約すれば、導波路を伝搬する光の一方の偏波を優先的に、吸収し光信 号に変換、増幅、またはレーザとする歪み量子井戸光電気素子である。このよう な偏波感受型検出器は導波路上の最初の検出器として配置することで偏波変化型 受信器に組み込むことができ、さらに導波路上に二番目の偏波無感受型検出器を 配置することで偏波分離器の必要性を除ける。また、簡単な光デイスクピックア ップとして用いることもできる。

図面の簡単な説明 図１は回路に集積された平衡偏波変化型光受信器の詳細図である。

図２は発明の詳細な説明するのに有用な歪み量子井戸の断面図である。

図３は無歪みおよび等方的に歪んだ半導体のバンド構造を示している。

図４は導波路の縦軸方向に偏波導波路型検出器を持つ偏波変化型検出器の縦方向 断面図である。

図５は図４の５−５における検出器の横方向断面図である。

図６は光磁気ピックアップの詳細図と概略図である。

図７は集積された偏波変化型コヒーレント受信器の詳細図と概略図である。

図８は図７の８−８における受信器の断面図である。

図９と図１０は集積コヒーレント受信器の二つの実施例を合わせた詳細図と概略 図である。

図１１は偏波多重化レーザ発振器の断面図である。

図１２は偏波多重化トランシーバの断面図である。

図１３は偏波無依存型光増幅器の断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明 本発明は、歪み量子井戸の検出器またはそのほかの光電気素子において、歪みの 導入によるバンドの分離を利用している。

例えば、図２の断面図に示したように、歪み量子井戸はＩｎｘＧａｔ−ｘＡｓ、 ｘ≠０．５３の薄い量子井戸３０が、ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓＰ四元 混晶の厚い上側および下側バリア層３２．３４に挟まれて形成される。ここでＩ ｎ。５ｘＧａｏ、ｎ７ＡｓはＩｎＰに格子整合である。ＩｎｔＧａｌ−ｘＡｓの 格子定数は組成比Ｘで変化し、量子井戸層３０は歪んでおりＸ＞０．５３では圧 縮歪みである。もし図３の左に示したようにＩｎ、Ｇａ　、ｘＡｓ材料が歪んで いないなら、ヘビーホールバンド３６とライトホールバンド３８はｒ点（ｋ＝ｏ ）で縮退しており、その吸収は全ての偏波に対し等方的である。しかしながら、 図３の右に示したように単一軸方向歪みεはヘビーホールバンド３６とライトホ ールバンド３８の縮退を取り除く。図２の平面構造では、実際には二軸方向歪み を導入する。しかしながら、二軸方向歪みはバンド構造の対称性を保つ静水圧歪 みと、対称性を崩す単一軸方向歪みの和として説明される。量子サイズ効果を無 視すると二つのバンド間の分離エネルギーは次のように与えられる。

ここでｂは変形ポテンシャル、Ｃ１ｌとＣｔ□は弾性定数、εは界面に平行な二 軸歪みである。同様な効果は、Ｇａ　１−　ｔ　Ｉｎ工ＡＳｙＰｔ−ｙ材料ても 起こる。

ＩｎｘＧａ１−ｔＡｓ材料の場合、以上の定数はＧａＡｓとＩｎＡｓの値から補 となり、二軸歪みεは量子井戸層３０のインジウム組成Ｘの関数としてＶｅｇａ ｒｄ則を用いて、 °″′６・９（、ｒ　−５３）％　（６）と書ける。ここでは、組成Ｘは百分率 である。

歪み量子井戸３０ては、量子井戸面４０に平行に偏波した光、つまりＴＥモード の吸収端は電子のバンド４２からヘビーホールバンド３６への遷移（電子／ヘビ ーホール遷移（ｅｈｈ））エネルギーと、電子のバンド４２からライトホールバ ンド３８への遷移（’１１子／ライトホール遷移（ｅｌｈ）　）エネルギーの両 方により決定される。しかし、量子井戸面４０に垂直に偏波した光、つまりＴ− ｍｌモードの吸収端は電子のバンド４２からライトホールバント３８への遷移エ ネルギーだけて決定される。図３の右に示したように、二軸圧縮歪みεではヘビ ーホールバンド３６は、ライトホールバンド３８の上にあり、二つのバンド３６ と３８のエネルギー分離Δｌｌ−１ｈは２ｋＴ　（室温で５２ｍｅＶ）より太き （なっている。そのため、光の波長λをそのエネルギーｈν＝　ｈｅ／λが電子 ／ライトホール遷移（ｅｌｈ）と電子／ヘビーホール遷移（ｅｈｈ）の間になる ように選択すると、歪み量子井戸はＴＥとＴＭモードの間に大きな非等方性吸収 を与える。さらに、二軸圧縮歪みのもとては、量子サイズ効果は式（４）の値を 越えてヘビーホールバンド３６とライトホールバンド３８の間の実際の分離Δｈ ｈ−１ｈをさらに増加する。

図２の構造は実際には概念的であり、効果的な動作には付加的構造か要求される 。図４と図５に横方向断面図を示した偏波変化型受信器４８は、半絶縁性工ΩＰ 基板５０を用いて低圧型有機金属気相成長法（ＯＭＣＶＤ）で成長を行い、一般 的な続く工程は、Ｚａｈらにより、ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏ ｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ第２巻（１９９［１年へ８５２−８５３ページに「サ ブミリアンペアしきい値の１．５μ幻帯歪み多重量子井戸レーザ」に述べられて いる。厚さ１μｍのｎ十型１．１μの組成の四元混晶下側接触層５２か基板５０ 上に成長される。１，１、ｃｚｍ組成の四元混晶とは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体がＧ ａ＋−ｘＩｎＪｓｙＰｌ−ｙの組成であり、ＸおよびｙがＩｎＰに格子整合して バンドギャップが１゜１μのの吸収端を持つように選択されていることを意味す る。次にΩ型下側ＩｎＰ層５４か２μのの厚さで成長され、さらにドープしてい ない６０ｎｍ厚１．０μｍ組成の四元混晶、ドープしていない５０ｎｆｌ厚１． １μｍ組成の四元混晶、ドープしていない４０ｎｗ＋厚１．２μｍ組成の四元混 晶、ドープしていない３０ｎｍ厚１．３μｍ組成の四元混晶を含む下側ＧＲＩＮ ＳＣＩＩＩ（傾斜屈折率分離閉じ込めヘテロ構造）導波層５６が成長される。

偏波導波路型検出器領域５８と分離領域６０では、活性層６２が３層の二軸圧縮 歪みのＩｎｘＧａ１−Ｊｓ井戸を二つのドープしていない１０ｎｍ厚の１．３μ 唖組成の四元混晶で分離された多重量子井戸層として成長される。図には二つの 量子井戸と一つの中間のバリアだけが描かれている。量子井戸の厚さはおよそ２ ｎｅで井戸の中の二軸歪みは圧縮歪みでおよそ１．７％となっており、組成ｘ＝ ０゜７８に対応する。

一方で従来の導波路型検出器領域６４は、活性層６２がドープせずに歪みの無い １５０ｎｍ厚のＩｎｏ　５３Ｇａａ　、　４７ＡＳ層で成長され、バリア層や歪 みを誘導するＸ≠０．５３の異なった組成は含んでいない。

検出器前の受動型導波路６６の中で、活性層６２は検出する光であるＴＥＳＴＭ モード両方を透過する四元混晶で成長されている。活性層６２の異なった成長は 、エツチングと再成長により成し遂げられる。一方の領域の垂直方向の構造を広 い領域に成長して望む領域をマスクし、さらされた領域がエツチングされる。続 いて、二番目の垂直構造がエツチングされた領域に再成長される。

偏波導波路型検出器領域５８の長さは４００μｍに選択され、分ｉ！領域６０の 長さは５０μ臥従来型導波路型検出器領域６４の長さは５０μｍに選択された。

上側のＧＲＩＮＳＣＨ導波層６８は、活性層６２上に下側の導波層５６を反転し た順番で成長した。二つの導波層５６と６８と活性層６２は導波路７０を形成す る。

図５に示したように導波路７０は、導波路７０の領域上をＳｉＯ□マスクで覆わ れて、下側の接触層５２までエツチングされ、導波路７０の頂上まで半絶縁性Ｉ ｎＰ層７２が再成長されることで１．５μｍの幅で横方向に限定されている。同 様に図４に示したように、半絶縁性１０２層７６を二つの検出器領域５８と６４ の間と、受動導波路領域上の５ｉｎ２を局所的に取り除き、分離領域６０と受動 導波路領域６６にも再成長した。ｐ型上側ＩｎＰ層７４は２μｊ厚で成長された 。

ｐ＋型の１８μｍ組成の四元混晶接触層７８は０．２μｊ厚で成長され分離領域 ６０上は二つの検出器領域５８と６４を分離するようにリングラフィにより除去 された。下側の接触は、横の領域をＤ＋型下側接触層５２までエツチングして共 通の電極８０が付けられた。さらに深くエツチングし導線８０を多重化すること で分離した電極にすることもできる。導線８２と８４はそれぞれ偏波導波路型検 出器５８と従来型導波路型検出器６４に接続された。

従来型導波路型検出器６４は歪みの活性層でないため、バンド構造は図３の左側 となる。それゆえＴＥと７Ｍ光に等方的に反応する。偏波感受性がありＴＥ光を 吸収する偏波導波路型検出器５８を従来型導波路型検出器６４と直列接続して、 ＴＥと７Ｍモードを分離して検出できる利点を持つ偏波変化型検出器４８を構成 する。偏波検出器５８における二つの偏波の吸収端の間にある光のエネルギー（ 波長）の分離器はもはや用いない。偏波検出器５８のための導線８２はＴＥモー ドの光パワーに比例した電流Ｌｔｘを与える。従来型検出器６４のための導線８ ４は主としてＴＭに偏波した残りの光パワーに比例した電流エア、を与える。以 上に述べた実施例では、偏波検出器５８はＴＥモードに対して１．５４μＶの吸 収端をもち、７Ｍモードに対して１．４μｍの吸収端をもつと考えている。

光の偏波状態の角度は二つの検出器５８と６４により生成された二つの電流の解 析により次のように決定される。

ここてθ。＝４５°とすると、 ここてΔθはバイアスされた偏波状態θ。がらの信号の偏波状態の変化である。

例１ 発明の概念は、図４に示した偏波導波路型検出器５８を製作することで確かめら れた。しがし、従来型導波路型検出器６４または、そのほかの非検出器導波路６ ６はない。導波路長５８は７５０μ口であった。１．４９６μｍの波長のレーザ 光を単一モード光ファイバとレンズにより入射した。バイアスのない状態で偏波 導波路型検出器５８を通り抜けた光は、別の光ファイバを通って別に用意した大 面積のＧｅフォトダイオードにより検出した。まず、レーザ光はＧｅフォトダイ オードが最大感度になるように入力ファイバ上で偏波制御器により７Ｍ偏波する ように確定された。続いて、偏波検出器５８のバイアスをゼロに合わせて、偏波 検出器５８とＧｅフォトダイオードの光電流信号がレーザと入力光ファイバ間に 挿入した二分の一波長板の回転角度の関数として測定された。

二分の一波長板の回転は入射光の偏波の回転になる。７Ｍ光に対するＴＥ偏彼検 出器５８の感度は、ＴＥ光に対する感度よりも９０％（−１１ｄＢ）以上減少し た。ＴＥ光に対するＧｅフォトダイオードの感度は、７Ｍ光に対する感度からほ とんど１００％減少し、ファイバ結合損失を含む偏波検出器５８におけるＴＥモ ードの外部量子効率は０．４８Ａ／Ｗ（４０％）と測定された。また、内部量子 効率は１００％に近いと見積もられる。偏波検出器における７Ｍモードの吸収損 失は４ｄＢと見積もられるが、導波路長を短くすることで減少できる。

図６に概念図と詳細図を合わせて示したように、偏波変化型受信器４８は回転し ている光磁気ディスク１４０から情報を読み出すためのピックアップとして用い ることができる。ディスク１４０からのレーザ光線の反射の偏波状態の変化Δθ を検出することによる。この方法は、Ｆｕｔａｍａｔａらにより、０ｐｔｉｃａ ｌ　Ｄａｔａ　Ｓｔｒａｇｅ、　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　５ＰＩＥ第１３１６ 巻（１９９０年）、１３６−１４２ページに「光磁気ヘッドの最適化」と題して 発表されている。偏波変化型検出器４８は０ＥＩＣＣ光電気集積回路）チップ１ ４２上に集積されており、導波路１４６に固定された偏波状態の光を出射するレ ーザ１４４を含む。レーザ導波路１４６と検出器導波路７０はそれぞれ発光およ び受光するためにチップ１４６の端まで伸びて、それらの光軸は（半導体／空気 界面での屈折を考慮して）記録された光磁気ディスク１４０の表面で交差する。

ディスク１４０の記録されたデータである局所領域により作られる偏波の回転Δ θの大きさを示す信号を出力するため、割算器１４８はＴＥ検出器５８からのＴ Ｅ出力とＴＭ検出器６４からの７Ｍ出力の比を得る。多数の変化検出器４８を０ ＥＩＣチツプ１４２上にアレイとして集積することができる。

図７に詳細図を示したように、−組の偏波変化型検出器８６と８８を偏波変化型 コヒーレント受信器を形成するように３ｄＢ導波路型分離器とともにモノリシッ クに集積できる。二つの導波路９２と９４が形成されている。検出器８６と８８ の導波路は図４と図５に示した７０の構造をしている。しかし、検出器８６と８ ８とは別の部分は、図８に示した簡単な断面構造をしている。基板５０とｎ゛型 下側接触層５２とｐ型下側層５４は図５に示した検出器５８と６４と同じである 。しかしながら、下側導波層５６の上の部分は３μｍ幅のリッジ９８に形成され 、埋め込みリッジ導波路９２または９４を形成するため半絶縁性ＩｎＰ層１００ で覆われる。従来と同様に二つの埋め込みリッジ導波路９２と９４は３ｄＢ分離 器９０を形成するために互いに近づけられる。分離器９０部分の導波路９２と９ ４の典型的な長さと間隔は、それぞれおよそ１■と２μｍである。

偏波変化型検出器８６と８８はそれぞれ、図４と図５に示したように偏波導波路 型検出器５８と従来型導波路型検出器６４を含む。

電気の導線の二つのベア８２と８４は、式（１）、（２）、（３）に示した光信 号工１、工２、Ｉ３、■、を運ぶ。局部発振器（ＬＯ）レーザ１０２は同一チッ プ上に集積することができ、一つの導波路９４の入力に取り付けられる。ＬＯレ ーザ１０２はＴＥと７Ｍ光を等量比力するものであり、また、三電極型の分布帰 還型（ＤＦＢ）レーザで実現されているような波長が同調可能なものである。波 長の制御は図示していない回路により行われる。このような設計は高度な集積で ある。

しかしながら、典型的なりＦＢレーザは、通常ＴＥモードのただ一つの光のモー ドしか発生しないので、ＬＯレーザ９４は、ＴＥと７Ｍモードの間に４５度の角 度を付けたモードを出力することになる。従来型の端面発光レーザでは、活性層 の光閉じ込め係数と反射鏡反射率がＴＥモードの方が大きいため、ＴＥが優先的 に発振する。しかしながら、後から示すように７Ｍモードのレーザも実現されて いる。それでもなお、平衡出力偏波変化型受信器は実現されていないが、同様な 効果は達成できる。図９に詳細図を示したようにＬＯレーザ１０２はＴＥ光を出 力する従来型端面発光レーザである。入力光の偏波の状態は偏波制御器１０４で ＴＥに制御される。たとえ入力状態の制御が完全でなく７Ｍ光が、７Ｍ検出器８ ６か８８で検出されても工、かＩ４のどちらかが最少になるように偏波制御器１ ０４を駆動する。直交する信号Ｉ、−４２は平衡検出出力を与えるように最大に なる。代わりの集積コヒーレント受信器を図１０に示した。従来型導波路型検出 器６４だけが、３ｄＢ分離器９０の後に用いられる。しかしながら、偏波導波路 型検出器５８は偏波制御器１０４と分離器９０の間にあり、偏波制御器１０４を 制御するのに用いられる。ＬＯレーザ１０２は、７Ｍモードを出力するレーザで ある。ＴＥ出カニ、は工１自身か最少になるように偏波制御器１０４を駆動し、 直交する７Ｍ出力の差ｌ３−Ｉ、は平衡検出出力となるように最大になる。

しかしながら、一般的に偏波制御器１０４は〜５０Ｖの高い駆動電圧が要求され チップ上に集積するのは困難である。それゆえ、二偏波波長同調型半導体レーザ を局部発振器１０２の代わりに用いることか望ましい。このような光源を実現す る一つの手段は、電流注入のもとて利得が偏波依存するという偏波変化型検出器 に類似の原理を用いる。Ｙａｍａｎｉｓｈｉらか、Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒ ｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ第２３巻（１９８４年）、Ｌ３５ −Ｌ３６ペーシに「量子井戸レーザにおける偏波依存運動量行列要素の解説」と いう題目で発表しているように、量子井戸レーザに対する運動量行列要素の二乗 Ｍ＝μ２は次のように与えられ、ここで上付き文字（ｅｈｈ）と（ｅｌｈ）は電 子／ヘビーホールと電子／ライトホール遷移をそれぞれ示す。また、下つき文字 は偏波ＴＥとＴＭを示す。つまり、電子／ライトホール遷移（ｅｌｈ）に対する ＴＭｆ１１得は最も大きな遷移行列要素である。順方向バイアスのダイオードレ ーザの利得はＭに比例する。二軸引っ張り歪みのもとてはライトホールバンド３ ８はヘビーホールバンド３６を越えて上がる。もし二軸引っ張り歪みによりこの 分離−Δｈｈ−ｔｈが２ｋＴ　（５２ＩＩｌｅｖ）よりも十分大きくなれば、大 きな７Ｍ利得は大きなＴＥ閉じ込めや反射に打ち勝ち、レーザはＴＭ偏波光を作 る。引っ張り歪みのもとでの実際の分離−Δい一１ｈは量子サイズ効果により減 少するので、厚い量子井戸が望ましい。

図１１に断面図を示したようにＴＭ偏波ＤＦＢレーザ１１０とＴＥ偏波ＯＦＢレ レー１１２は、共通の導波路７０上に形成される。活性層６２は７Ｍ偏波レーザ １１０では二軸引っ張り歪み量子井戸を含み、ＴＥ偏偏波し−１１２ては圧縮歪 み多重量子井戸を含む。例えば、他の層はＩｎＰに格子整合していると仮定し、 ＩｎｔＧａ、ｘＡｓの二軸引っ張り歪み量子井戸はｘ＝０．４の組成、また二軸 圧縮歪み量子井戸はｘ＝０．７８とする。ＴＥ偏波レーザ１１２の活性層６２は 図４のＴＥ検出器５８に接近して付ける。もちろんレーザダイオードは順バイア スで駆動し、ダイオード検出器は逆バイアスにする。

分離されたレーザ１１０と１１２の構造は、Ｚａｈらが、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓＬｅｔｔｅｒｓ第２５巻（１９８９年）、６５０−６５１ページに「電子ビー ムによる限定とイオンエツチングによるグレーティングによる１、５μ口帯λ／ ４シフトＤＦＢ−５ＩＰＢＥＩレーザダイオードの特性」と題して発表したレー ザに非常に似ている。各レーザ部分１１０と１１２においてレーザ発振を得るた めに必要な帰還はレーザ内部にλ／４位相シフトを持つグレーティング１１４と １１６により得る。こうして各レーザは、次式で与えられるＢｒａｇｇ波長の光 を発光する。

ｋｎ−２■ｇ”　（１０） ここでＡはそれぞれのグレーティング１１０または１１２の物理的な周期であり 、ｎ、はそのグレーティングのある導波路６２の実効屈折率である。一般的に二 つの偏波ＴＥとＴＭの実効屈折率は同じ導波路でさえ異なっている。それゆえ、 両方のレーザ１１０と１１２は互いのレーザのグレーティングの光学的な干渉な しに同じ波長λＢで発振する。レーザ１１０または１１２の波長は、三つに分離 したそれぞれのレーザの電極７８を下側接触層５２の共通電極と用いることによ り同調が可能である。

７Ｍ偏波レーザ１１０から右に伝搬するＴＭ光は、吸収されることなく二軸圧縮 歪みのＴＥ偏波レーザ１１２を通っていく。しかしながら、ＴＥ偏波レーザ１１ ２から左へ伝搬するＴＥ光は中間の分離領域１１８で吸収される。分離領域は二 輪圧縮歪み多重量子井戸を含み、再成長した半絶縁性ＩｎＰ＠域７６によりレー ザ１１０と１１２から分離されている分離電極１２０によりアースされている。

もし、レーザ１１０と１１２が別々に結合するように形成されると、無反射コー ト１２２を光帰還を防止するために反対側の面にも適用することになる。一方で 、図に示したレーザ１１０と１１２のペアは、図４のコヒーレント偏波変化型受 信器のＬＯレーザ１０２としても組み込める。二つのレーザ１１０と１１２の電 流はＴＥと７Ｍ出力が等量になるように調整される。別々の電流電極を持った共 通の導波路７０上のＴＥと７Ｍ偏波レーザ１１０と１１２の結合は、導波路また はファイバの同じ（または異なった）波長の二つのデータ信号の偏波合成の可能 性を与える。

例２ 二軸引っ張り歪みＴＭ偏波レーザの概念は１．５５μの帯レーザで確かめられた 。活性層は、ＧＲＩＮＳＣＨ導波路の中央のＩｎｘＧａ１−ｕｓの単−引っ張り 歪み量子井戸である。Ｇ［Ｎ５ＣＨは両側とも１４５ｎｍ厚の１．０μの組成の 四元混晶と、１４５ｎ＋＋＋厚の１．１μｍ組成の四元混晶と、１０ｎｍ厚の１ ．２μｍ組成の四元混晶でできている。量子井戸厚はおよそ２０ｎｍで、井戸層 の歪みの量はおよそ０．９％の引っ張りで、ｘ＝０．４に対応する。レーザは２ ００ｍＡ／ｃａ＋２の発振しきい値でＴＭ光で発光した。

図４と図１１の実施例は、一つの偏波を透過して直交する別の信号を検出する単 一の導波路上にトランシーバを形成するように結合することができる。このよう なトランシーバ１２４の一つの実施例を図１２に断面図で示した。別々のトラン シーバ１２４は導電性のＩｎＰ基板１２６持ち、裏側で電気的に接触している。

導波路７０の左側は、図９に似た７Ｍ偏波レーザ１１０が形成され順バイアスさ れる。活性層６２は二軸引っ張り歪み単一量子井戸である。グレーティング１１ ４は７Ｍ偏波光を生成するように分布帰還を与える。一方で、導波路７０の右側 は図４に似たＴＥ偏波検出器５８が形成されて逆バイアスされ、分布帰還のグレ ーティングはない。活性層６２と分離領域１１８は二輪圧縮歪み多重量子井戸で ある。７Ｍ偏波レーザ１１０で作られたｎｌ光は分離領域１１８とＴＥ偏波検出 器５８を吸収なしに通る。吸収層１１８は右に伝搬するＴＥ自然放出光を吸収す る。トランシーバ１２４は左に伝搬するＴＥ偏波光を検出し右に伝搬する７Ｍ偏 波光を生成する。これら二つの偏波モードは同一の周波数である。導波路７０は 右側で偏波保存光ファイバに結合されるか、トランシーバ１２４が一部分でもあ る大規模光電気集積回路に形成された導波路に結合される。

トランシーバ１２４の変形として、左側よりもむしろ右側にグレーティングを配 置し、左側に図４の従来型検出器６４を配置する。そして、右側に図１１のＴＥ 偏波レーザ１１２を配置する。左側の検出器は活性層に二輪引っ張り歪み単一量 子井戸を含む。

このようなトランシーバは右側でファイバや導波路と結合するとＴＭ光を検出し ＴＥ光を生成する。これら二つのトランシーバは対向する通信導波路のペアとな りうる。

光増幅器は原理的には、帰還の無いレーザと分類てきる。結果として、ｌｆｆ１ １１の二偏波レーザ１０８はグレーティング１１４と１１６を除去することによ り図１３に示した広帯域偏波無依存光増幅器１３０に変形できる。ＴＥと７Ｍ偏 波の両方を含む信号は左側から入射する。ＴＭ光増幅器１３０は入力側に配置さ れ、活性層６２に二軸引っ張り歪み単一量子井戸を含む。順バイアスされて主に ＴＭ先に対し光利得を生成する。ＴＥ光増幅器１３２は出力側に配置され、活性 層６２は圧縮歪みか無歪みの多重量子井戸かバルク活性層を含む。二軸圧縮歪み または本来のＴＥ増幅の優先により、ＴＥ光増幅器１３２はおもにＴＥ光に対す る光利得を生成する。二つの増幅部１３０と１３２はＴＥ増幅部と同じ構造で、 電流駆動の無い小さい分離領域１３４により分離されている。増幅された信号は ＴＥとＴＭの両方を含み右側へ出力される。各部分の長さを適当に選択すること と、各レーザ領域１３０と１３２の電流■アアとＩｒｇの量を調整することで、 二つの偏波ＴＥとＴＭに対する利得を同じにする。

このようにして偏波無依存光増幅器を構成する。もし量子井戸活性層か両方の部 分１３０と１３２に使われると、光帯域と光飽和出力は量子井戸のステップ状状 態密度によりバルク活性層（そして、光フアイバ増幅器〕より大きい。大きい光 利得を得るために、導波路長は長くして、光帰還を最少にするために米国特許４ 、９６５．５２５に発表されているように無反射コート１２２を導波路の角度付 けした端面に配置する。

上記の実施例はＩｎＰ材料系をもとにしているが、本発明は他のＩＩＩ−Ｖ族半 導体、特にＧａＡＳ材料系にも同様に適応できる。

本発明の検出器と増幅器は、構造上は原理的に駆動源を逆バイアスにすると検出 器、順バイアスで増幅器とレーザに区別される。順バイアスは電極を電流源に接 続し、Ω側電極に正の電圧を加える。逆バイアスは、電極を電力回路と検出した 電圧を測定または用いるために導入した抵抗に並列接続することで達成される。

電力回路には通常、片側で逆バイアスされたダイオードと並列接続し、もう片側 で制限抵抗と電圧源に直列接続したカップリングキャパシタが直列に挿入される 。電力回路は逆バイアスではΩ側電極に正の電圧を加える。順バイアス、逆バイ アスは良く知られていることである。

ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、ｉ。

国際調査報告 フロントベージの続き （７２）発明者　イー、チュンエン アメリカ合衆国、０７７４６　ニューシャーシー州、マールボロ、ステイープル チェイスドライブ　５５

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．特性エネルギーを持った光に対して、基板表面に横方向に限定されて形成さ れた導波路と、 その導波路の第一の部分に近接して形成され、上記光と相互作用する歪み量子井 戸活性層を含み、第一の偏波光に対して第一の遷移エネルギーを持ち、第二の直 交する偏波光に対して第二の遷移エネルギーを持ち、その特性エネルギーが第一 と第二の遷移エネルギーの間にある第一の光電気素子と、上記導波路の第二の部 分に近接して形成され、上記第一の光電気素子の歪み量子井戸層と異なった歪み の特性を持つ活性層を含む第二の光電気素子と、 を有する偏波特性のある光電気システム。
2. ２．第二の光電気素子が量子井戸活性層を含む請求項１の偏波特性ある光電気シ ステム。
3. ３．第二の光電気素子の量子井戸層が第一の光電気素子の歪み量子井戸層と反対 に歪んでいる請求項２の偏波特性ある光電気システム。
4. ４．特性エネルギーを持った光に対して、基板表面に形成された導波路と、 上記導波路の第一の部分に近接して形成され、その光と相互作用する歪み量子井 戸活性層を含み、第一の偏波光に対して第一の遷移エネルギーを持ち、第二の直 交する偏波光に対して第二の遷移エネルギーを持ち、その特性エネルギーが第一 と第二の遷移エネルギーの間にある第一の光電気素子と、上記導波路の第二の部 分に近接して形成され、第一の光電気素子の歪み量子井戸層と異なった歪みの特 性を持つ活性層を含む第二の光電気素子と、 第一と第二の検出器となるように上記第一と第二の光電気素子にバイアスするた めのバイアスする手段と、上記導波路が上記第一の検出器の第一の側でその光を 受け、上記第二の検出器が上記第一の検出器の第二の側の上記導波路に配置され ている、 偏波変化型検出器。
5. ５．第二の検出器の活性層が、歪みの無い量子井戸層を含む請求項４の偏波変化 型検出器。
6. ６．第二の検出器の活性層が、第一の検出器の歪み量子井戸層に反対に歪んだ量 子井戸層を含む請求項４の偏波変化型検出器。
7. ７．導波路が入力信号を受信するための入力端を持つ請求項４の第一の偏波変化 型検出器と、 局部発振器レーザと、 導波路がその局部発振器レーザの出力に結合する入力端を持つ請求項４の第二の 偏波変化型検出器と、上記第一と第二の偏波変化型検出器の上記導波路が光学的 に結合するため、上記入力端と上記光電気素子の間に配置された光結合器と、 を有するコヒーレント偏波変化型受信器。
8. ８．請求項３の偏波特性を持つ光電気システムを含み、第一と第二の光電気素子 が光帰還手段を含み、さらに上記第一と第二の光電気素子をレーザとなるように バイアスするためにバイアスする手段を含む二偏波レーザ。
9. ９．請求項１の偏波特性を持つ光電気システムを含み、第一と第二の光電気素子 を光増幅器となるようにバイアスするためにバイアスする手段を含む二偏波光増 幅器。
10. １０．請求項１の偏波特性を持つ光電気システムを含み、その第一と第二の光電 気素子の第一の素子が光帰還方法を含み、さらにその第一の素子をレーザとなる ようにバイアスするためのバイアスする手段を含みその第一と第二の光電気素子 の第二の素子を検出器となるようにバイアスするためのバイアス手段を含む偏波 多重トランシーバ。
11. １１．基板と、 上記基板に形成され、その基板の周囲から発光する半導体レーザと、 上記基板に形成され、その周囲からその基板の中心部に伸びている光導波路と、 上記導波路の第一の直線部分に接近して形成された第一の光検出器と、 上記導波路の第二の直線部分に接近して形成された第二の光検出器であって、上 記第一と第二の光検出器が、その導波路を伝搬する光の少なくとも一つの偏波状 態に異なった感受性を持つものと、 上記レーザによる上記光の発光の偏波の回転を決定するために、上記第一と第二 の光検出器の出力を比較する電気的加工手段と、 とを有する光ピックアップ。
12. １２．第一の光検出器が圧縮歪みの量子井戸の第一の活性層を持ち、第二の光検 出器が上記第一の活性層と異なった歪み特性である第二の活性層を含む請求項１ １の光ピックアップ。
13. １３．第二の活性層が実質的に無歪みである請求項１２の光ピックアップ。
14. １４．第二の活性層が二軸引っ張り歪みの量子井戸である請求項１２の光ピック アップ。