JPS6381305A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体材料による光集積回路に関する。

（従来の技術） 光集積回路は１つの基板上に種々の光素子を集積し、機
能を実現するものであり、近年の光通信システムの高遊
化にともないその実現が期待されるものである。特にＧ
ａＡＱＡｓ、　ＩｎＧａＡｓＰ系等の■−ｖ族化合物半
導体材料は、発光、受光、スイッチ、導波等の機能を総
て実現できるためモノリシックな光集積回路用材料とし
て優れている。

従来の半導体材料による光集積回路では発光、受光、ス
イッチ等のアクティブな素子と受動光導波路とを結合す
る方法として、 （１）方向性結合によるもの（特開昭５０−１５９２８
７　）（２）もれ結合によるもの（１１誌「アイ・イー
・イー・イー・ジャーナル・オプ・カンタム・エレクト
ロニクス（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎ
ｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔ−ｒｏｎｉｃｓ　）第ＱＥ−１５巻
１９７９年、７２−８２頁）（３）直接結合によるもの
（ｌｓ誌「アプライド・７（ジクス・レターズ（Ａｐｐ
ｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ−ｒｓ）第２７
巻、１９７５年、２４１〜２４３頁）が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） これらの方法のうち、（１）は層厚、屈折率の設定条件
が厳しくまた（３）は活性、受動導波路の位置が合うよ
うに埋込成長する必要がありそれぞれ製作が難しい、こ
れに対して、（２）は受動導波路上に部分的に活性導波
路を形成するもので比較的製作は容易であるが、活性導
波路の方が屈折率が高く、活性導波路から受動導波路へ
の光のもれを利用しているため結合の効率が低い。

本発明の目的は、このような問題点を除去し、製作が容
易でかつ受動導波路とアクティブ素子間の結合効率の高
い光集積回路を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による光集積回路は：多重量子井戸構造とこの多
重量子井戸構造に電界を印加し又は電流を注入する手段
とが、半導体基板に形成された導波路層の上に部分的に
形成してあり；前記多重量子井戸構造は、ドブロイ波長
程度の厚みの第１の半導体層をこの第１の半導体層より
バンドギャップの大きな第２の半導体層によりはさんだ
量子井戸を層厚方向に多着に重ねてなり；前記導波路層
は前記多重量子井戸構造よりバンドギャップが大きくか
つ屈折率の高いことを特徴とする。

（作用） 本発明は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の■バンドギャッ
プと屈折率を独立に制御可能■電界の印加により複素屈
折重石−ｎ−ｊｋの実部、虚部が共に変化という特徴を
利用したものである。ここでまず、この点について説明
する。

第２図を参照してＭＱＷ構造のバンドギャップについて
説明する。第２図（ａ）はＭＱＷのうち１つの量子井戸
のエネルギ・バンド図を示したものである。ＭＱＷの場
合もバリアの層厚を充分厚くすれば各井戸は孤立した状
態と考えることができ第２図（ａ）と同じエネルギ・バ
ンド図で考えることができる。この量子井戸は伝導帯の
電子、価電子帯の正孔に対してそれぞれ深きΔＥ３、Δ
Ｅ７の量子井戸として働き、それぞれに不連続なエネル
ギー準位を形成する。ここでは簡単のため電子、重い正
孔（）１．Ｈ，）、軽い正孔（Ｌ、Ｈ，）にそれぞれ１
つずつ準位が形成されるとした。第２図（ｂ）は状態密
度を示したものでバルク状態では１点鎖線で示したよう
な放物線関数で示されたものが量子井戸化することによ
り実線のような階段状の分布となる。これに従いバンド
ギャップもプルク状態のＥ、からＥ、。Ｗへ変化する。

このバンドギャップの変化の大きさは量子井戸の深さΔ
Ｅｇ。

ΔＥ、と、ウェル内での正孔、電子の有効質量、及びウ
ェル厚により制御できる。つまりバリア、ウェルの材料
が決まった場合、主としてウェル厚により制御すること
ができる。

一方、ＭＱＷ構造の屈折率は、ＭＱＷを構成する全原子
による混晶の屈折率により近似できる。

つまり、バリア、ウェル材料及びその厚みの比により屈
折率は制御できる。従ってＭＱＷ構造ではバンドギャッ
プと屈折率を独立に制御すとことができる。通常の混晶
ではバンドギャップが大きい稈屑折率が低いが、ＭＱＷ
ではバンドギャップが小さくかつ屈折率が低い層を得る
ことができる。

次にＭＱＷの電界による複素屈折重石の変化について説
明する。

第３図はＧａＡｓ／　ＡＱＧａＡｓＭ　Ｑ　Ｗ構造に電
界ＥをＱＷに垂直に印加した際の光吸収スペクトルの変
化を測定して得た特性図である。電界ＥによりＱＷのポ
テンシャル構造が傾き、量子準位の移動、電子・正孔波
動関数のウェル内でのかたよりが生じるため吸収端より
長波長側では吸収係数の増大、吸収端より短波長側では
逆に吸収係数の減少が生じる。一方、複素屈折重石−ｎ
−ｊｋのｋは吸収係数αとに一λα／４π（但しλは波
長）の関係があり、更にｎとｋはクラマース・クローニ
ツヒの関係により関係付けられている。このため、上述
のような吸収係数αの変化は屈折率実部ｎの変化ももた
らる。

第４図はこのような関係をもとにある電界強度に於ける
吸収係数変化（Δα）、屈折率変化（Δｎ）のスペクト
ルの概要を示したものである。尚、λ、はＭＱＷのバン
ドギャップ波長である、これよりλ、より長波長側では
屈折率、吸収係数共に正に変化つまり増加することがわ
かる。

以上のようなＭＱＷの特性を考えると、ＭＱＷはより屈
折率が高くバンドギャップが大きい導波路層に対して電
界を印加しない時にはクラッドとして用いることができ
電界を印加した際には吸収型光ゲート・スイッチ若しく
は光検出器として用いることができる。

また、光導波層上のＭＱＷは、その上にＭＱＷよりバン
ドギャップが広く光導波層と異なる導電型の層を積層す
れば、ダブル・ヘテロｐ−ｎ構造となり、順方向電流の
注入によりＭＱＷ部に利得を与えることができる。光の
パワーの大部分は光導波層中に有るため通常のＬＤに比
べ所要電流は大きくなるがこの構造によりレーザ発振、
アンプ動作を得ることができる。

本発明はこのようなＭＱＷの特性を利用したものであり
、以下実施例により詳細に説明する。

（実施例） 第１図（ａ）は本発明による光集積回路の一実施例を示
す斜視図であり、２人力、２出力の分岐ゲート型マトリ
クス・スイッチに適用した例を示している。ここでは例
としてＧａＡＱＡｓ／　ＧａＡｓ系材料を用いた場合に
ついて説明する。まず、本実施例の製作方法について説
明する。

ｎ　”　−ＧａＡｓ基板１上にｎ　”　−ＧａＡｓバッ
ファ層２、ｎ　”　−ＡＱＧａＡｓクラッド層３（Ａ１
１モル比ｘ＝０．３１屈折率ｎ＝３．４３）、ｎ−ＡＱ
ＧａＡｓガイド層４（ｘ−０，２１，ｎ＝３．４６）、
ｉ　−ＧａＡｓ／　ＡＱＡｓＭ　Ｑ　Ｗクラッド層５（
Ｇａａｓウェル：厚み１１５人、ＡＱＡｓバリア：厚み
１１５人×３０周期）、ｐ−ＡＱＧａＡｓ層６（ｘｗＯ
，３１，ｎ＝３．４３）、ｐ４″−ＧａＡｓキャ’ｙブ
層７をＭＢＥ法により連続成長する０次にｐ側にオーミ
ンク電極８を形成した後、フォトリソグラフィ法及び反
応性イオンビーム・エツチング（ＲＩＢＥ　）により第
１図（ｂ）に示すような光回路パターン９をｎ　−Ａ１
ｌＧａＡｓガイド層４の途中進達するリプ形状として形
成する０次に再びＲＩＢＥにより各光回路部の折れ曲り
部に反射面（例えば１０）を形成するように第１図（ｂ
）の針線部分をｎ　”　−ＡＱＧａＡｓクラッド層３に
達する迄除去する。　ＲＩＢＥ法ではＡ１モル比によら
ずほぼ等速で高い垂直性を持つエツチング面が得られる
。この後で中心のスイッチ１１ａ。

１１ｂ　、　ｌｉｅ　、　ｌｉｄ以外の部分でオーミッ
ク電極８、ｐ　”　−ＧａＡｓキ’ｖｙブ層７　ｐ−Ａ
ＱＧａＡｓ層６、ＭＱＷクラッド層５を除去し、基板裏
面にｎ側オーミック電極１２を形成、最後にへき開によ
り入出射端面を形成した。

次に本実施例の動作について説明する。光回路パターン
はｎ−ＡＱＧａＡｓガイド層４にリプガイドとして残っ
ている。第１図（ａ）の左側より２本の入力側リプガイ
ド２０ａ　、　２０ｂに入射した光はミラー面を利用し
た２つの光分岐１３ａ　、　１３ｂによりそれぞれ分岐
され、中央のスイッチｌｌａ　、　ｌｌｂ　、　ｌｌｃ
　、　ｌｉｄに入射する。各スイッチは電界を印加しな
い際にはＭＱＷクラッド層５への光のしみ出しは小さく
、吸収係数も小さいのでほとんに吸収されず、そのまま
入射光が出力される。

一方電界を印加すると、先に説明したように、ＭＱＷク
ラッド層５の吸収係数及び屈折率が増加し光は出射され
なくなる。各スイッチｌｌａ　、　ｌｌｂ　。

１１ｃ、ｌｉｄから出射した光はミラーを利用した合流
器１４ａ　、　１４ｂにより合流され出力側リプガイド
２０ｃ　、　２０ｄに出力きれる。ここで各スイッチ１
１ａ。

１１ｂ　、　ｌｉｅ　、　ｌｉｄの動作状態の組合せを
変えることにより入力側、出力側ガイド２０ａ　、　２
０ｂ　、　２０ｃ　、　２０ｄ間の任意の接続状態が実
現できる。

本実施例の製作には埋込成長や、方向性結合器の製作に
必要なような層厚、屈折率の厳しい制御は必要でない、
またスイッチ部とそれ以外の部分で導波路内の光分布は
多少異なるが、光はｎ−ＧａＡＱＡｓガイド層４を中心
に分布しており接続部での損失は小さく抑えることがで
きる。

本実施例ではＧａＡｓ／　ＡＱＧａＡｓ系材料を用いた
場合について説明したが、他の材料系についても本発明
が適用可能なことは明らかである。

本実施例の光スィッチはｐ−１−ｎ構造を持っており電
界印加時には光検出器としても用いることができ、その
場合には光信号に対応した電気信号を取り出すことがで
きる。

また、ｉ−ＭＱＷクラッド居５はそれよりバンドギャッ
プが広く、導電型の異なるＡｌ１ＧａＡｓ層４゜６には
さまれたダブルへテロｐ−ｎ構造であるから、電極８，
１２間に順バイアスを印加することにより光信号に利得
を与えることができる。この場合ＭＱＷ層５は光の分布
の中心にはなく注入電流を大きくしないと利得が得られ
ないが、ＭＱＷ構造ではレーザ発振しない値が低下する
ことが知られており、電流値の増加はＭＱＷを活性層と
しない場合に比べ小さく抑えることが可能である。また
光スィッチの人、出力部にこのような構造のＭＱＷクラ
ッド光アンプを設置して損失を補償することも可能であ
る。この場合も光アンプ部の製作は先に述べた光スィッ
チｌｌａ　、　ｌｌｂ　、　ｌｉｅ　、　ｌｉｄと同様
であり、光アンプ集稜のために大きな困難は生じない。

本実施例では２×２の光分岐／ゲート型スイッチを実現
するのに本発明を利用したが、他の光回路、機能を実現
するのにも応用可能なことはいう迄もない。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、製作が容
易で受動光導波路と能動素子部の結合効率の高い光集積
回路が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による光集積回路の一実施例を示
す斜視図、同図（ｂ）はこの実施例の製造工程において
形成する回路パターンを示す図、第２図（ａ）はＭＱＷ
のうちの１つの量子井戸のエネルギ・バンド図、第２図
（ｂ）はその量子井戸における状態密度とエネルギの関
係を示す図、第３図および第４図は本発明に用いるＭＱ
Ｗ層の特性を示す特性図である。 図に於て、１，２，３，４，５，６．７は半導体、８．
１２は電極、ｌｌａ　、　ｌｌｂ　、　ｌｉｅ　、　ｌ
ｉｄはスイッチ、１０はミラー、１３ａ、１３ｂは光分
岐、１４ａ　、　１４ｂは合流器、２０ａ　、　２０ｂ
　、　２０ｃ　、　２０ｄはガイド、９は光回路パター
ンである。 （ｂ） 第１図 第２図（ｂ） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多重量子井戸構造とこの多重量子井戸構造に電界を印加
   し又は電流を注入する手段とが、半導体基板に形成され
   た導波路層の上に部分的に形成してあり；前記多重量子
   井戸構造は、ドブロイ波長程度の厚みの第１の半導体層
   をこの第１の半導体層よりバンドギャップの大きな第２
   の半導体層によりはさんだ量子井戸を層厚方向に多層に
   重ねてなり；前記導波路層は前記多重量子井戸構造より
   バンドギャップが大きくかつ屈折率の高いことを特徴と
   する光集積回路。