(57)【要約】  本発明は、位相変調部と干渉計光回路部の光結合損の問題を回避でき、かつ集積化による小型化が可能なモノリシック集積型の光ゲートスイッチを実現することを課題とする。本発明の光ゲートスイッチは、サブバンド間遷移による位相変調効果を示す量子井戸をコア層とする光導波路ウエハと、該光導波路ウエハ上に形成されたマイケルソン干渉計と、該マイケルソン干渉計反射側のアームの一方に干渉計の光バランスを調整するための可変光強度減衰部とを備える。
2012111689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブバンド間遷移による位相変調効果を示す量子井戸をコア層とする光導波路ウエハと、該光導波路ウエハ上に形成されたマイケルソン干渉計と、該マイケルソン干渉計反射側のアームの一方に干渉計の光バランスを調整するための可変光強度減衰部とを備えたことを特徴とする光ゲートスイッチ。
【請求項２】
上記コア層は、上記マイケルソン干渉計の位相変調用側アームの端面側の部分領域に位置する位相変調部と、バンド間遷移の吸収端波長が短波長へ移動した特性を有する領域とを、備えることを特徴とする請求項１記載の光ゲートスイッチ。
【請求項３】
上記マイケルソン干渉計の反射側のアームの端面に、制御光を導入できるように部分反射膜を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ゲートスイッチ。
【請求項４】
上記マイケルソン干渉計の信号光入出力側アーム端面に、無反射膜を形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ゲートスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ゲートスイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＧａＡｓ/ＡｌＡｓＳｂ半導体量子井戸のサブバンド間遷移をＴＭ偏波光で光励起すると、吸収損のないＴＥ偏波光に対して数ピコ秒の応答速度をもつ位相変調効果が発生することが発見された(非特許文献１参照)。この位相変調効果を応用した超高速光ゲートスイッチが本発明者らにより報告されている(非特許文献２参照)。この光ゲートスイッチでは、ミラー、偏波ビームスプリッタ等の数ｍｍから１ｃｍ角程度のサイズをもつ光学部品を組み合わせて構成された空間光学系型のマッハーツェンダー干渉計の形態をもつ。その干渉計の一方の光路に、位相変調効果を示す量子井戸を含む光導波路を導入して光ゲートスイッチとして動作する。この光ゲートスイッチを用いて、１６０Ｇｂ/ｓ光時分割多重信号の４０Ｇｂ/ｓ信号への多重分離や、１６０Ｇｂ/ｓ信号の波長変換等の動作が報告され、超高速位相変調効果のデバイス応用への原理的な実証がなされている。【０００３】
空間光学系型の光ゲートスイッチは干渉計のサイズが大きいために、ゲートスイッチ動作の不安定性が問題となっている。実用上の観点から、半導体プロセス技術により、光ゲートスイッチを構成する部品を光集積回路化することにより、光ゲートスイッチを小型化することが望ましい。【０００４】
サブバンド間遷移による位相変調効果を利用した光ゲートスイッチの集積化光回路の設計において、次のことに留意する必要がある。ＴＭ偏波の制御光が光導波路内を伝播する際に、サブバンド間遷移により吸収されることにより、量子井戸の屈折率が変化し、ＴＥ偏波の信号光に対して位相変調が発生する。一方、ＴＥ偏波は位相変調用の光導波路内では量子井戸内のサブバンド間及びバンド間光遷移による光減衰を受けない。このため光回路内の位相変調をかけたい部分へＴＭ光制御光を導波するための工夫が必要である。【０００５】
前記の観点から、本発明と類似した形態をもつデバイスとして、半導体光増幅器(ＳＯＡ)における位相変調効果を利用したマイケルソン干渉計型の波長変換器が開示されている（非特許文献３、４参照）。ファイバーから射出した制御光を直接的に光導波路の位相変調部へ導入する点と、マイケルソン干渉計の反射側のアームの一方を位相変調部とする点が、本発明と類似している。
非特許文献３では、マイケルソン干渉計自体は光ファイバーやカプラにより構成されているのに対し、非特許文献４ではＳＯＡの効果をもつ基板上にモノリシック集積化されている。これらの論文はＳＯＡの光非線形性による位相変調効果を利用しており、サブバンド間遷移による位相変調効果を光集積化する際に必要となる技術の詳細については範囲外である。また干渉計の光路間の光強度のバランスを保つ機構が本発明と異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特願２０１０−１４５８９９号(特開２０１２−００８４３０号公報）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Opt. Lett.,vol.32, no.7, pp.751-753, 2007.
【非特許文献２】IEICE Trans.Electron., vol.E92-C, no.6, pp.187-193,2009.
【非特許文献３】Electron. Lett.29 (1993) 2047
【非特許文献４】JapaneseJournal of Applied Physics, Vol.43, No.6A,2004, pp.3424-3428
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明と関連のある技術として、位相変調効果を示すIII-V族半導体導波路とＳｉ細線導波路光回路を直接バット結合したハイブリッド集積化光ゲートスイッチが、本発明者らのグループにより提案されている(特許文献１参照)。ＳＯＩ(Silicon on insulator)基板上に形成されたＳｉ細線導波路においては、コアとクラッド材料の間の屈折率差は２程度と大きく、光導波路の曲げ半径を小さくできるので、超小型の干渉計光回路を容易に実現することができるという利点がある。
この特許文献１では、Ｓｉ細線導波路によるマイケルソン干渉計の反射側の一方のアームの光導波路と、位相変調効果を示すIII-V族半導体導波路を接続させることにより、位相変調部を干渉計内に導入している。信号光、制御光はともにＳｉ細線導波路光回路側からバット接合部を通じて、III-V族半導体導波路へ導入されている。しかし、シリコン細線導波路とIII-V族半導体導波路の接続において、サブミクロン以下の位置合わせ精度が要求され、かつシリコン細線導波路とIII-V族半導体導波路の導波路モードサイズを一致させる方法が確立されておらず、実用上十分な光結合効率をとることは困難である。現在までのところ、このハイブリッド集積の形態をもつ実用的な光ゲートスイッチは実現されていない。【０００９】
サブバンド間遷移による位相変調効果を利用した光ゲートスイッチで実際に高速動作が実証された前記の非特許文献２の技術では、光学部品を組みわせて作製された空間光学系型のデバイスであるため、干渉計の光路長は〜１０ｃｍ程度と大きい。干渉計の設置されている周囲の温度や振動などの環境変化により波長オーダーの光路長変化は容易に発生してしまう。このため光ゲートスイッチの安定化動作のため、干渉計の光路長差を一定に保つ必要があった。
具体的には、ピエゾ素子をつけたミラーによる微動機構及びその位置安定化回路が必要であり、デバイス構成が複雑になるという問題点があった。また、多数の光ゲートスイッチを同時に動作させる必要がある場合、複数個の光ゲートスイッチを集積する必要がある。これまでの空間光学系の配置では、装置全体のサイズが大きくなるという問題点があった。【００１０】
上記の問題点を解決するためには、環境変化に対して安定度の高い、かつ集積化してもサイズが小型な光ゲートスイッチの開発が課題であった。
特許文献１で開示されたシリコン光細線とIII-V族半導体導波路をハイブリッド集積した光ゲートスイッチにおいては小型化が期待できるが、位相変調を発生させるIII-V族半導体導波路と、干渉計用の光集積回路との間の高い光結合効率を得るのが難しいという問題がある。接続部による光結合損により、位相変調を生じさせるのに必要な十分な制御光パワーが、III-V族半導体導波路に位相変調部に届かず、位相変調効率が落ちる。さらに信号光は、結合部を往復する必要があり、結合損が倍増する。以上により光ゲートで切り出された信号光に対して十分な信号/雑音比を得ることが困難である。【００１１】
本発明は、以上の状況を考慮して、位相変調部と干渉計光回路部の光結合損の問題を回避でき、かつ集積化による小型化が可能なモノリシック集積型の光ゲートスイッチを実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題は、以下の光ゲートスイッチによって解決される。
（１）サブバンド間遷移による位相変調効果を示す量子井戸をコア層とする光導波路ウエハと、該光導波路ウエハ上に形成されたマイケルソン干渉計と該マイケルソン干渉計反射側のアームの一方に干渉計の光バランスを調整するための可変光強度減衰部とを備えたことを特徴とする光ゲートスイッチ。
（２）上記コア層は、上記マイケルソン干渉計の位相変調用側アームの端面側の部分領域に位置する位相変調部と、バンド間遷移の吸収端波長が短波長へ移動した特性を有する領域とを、備えることを特徴とする(１)に記載の光ゲートスイッチ。
（３）上記マイケルソン干渉計の反射側のアームの端面に、制御光を導入できるように部分反射膜を形成したことを特徴とする(１)又は(２)に記載の光ゲートスイッチ。
（４）上記マイケルソン干渉計の信号光入出力側アーム端面に、無反射膜を形成したことを特徴とする(１)乃至(３)のいずれか１に記載の光ゲートスイッチ。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、環境変化に対して安定度の高い、かつ集積化してもサイズが小型な光ゲートスイッチが実現できる。また本発明によれば、光ゲートで切り出された信号光に対して十分な信号/雑音比を得ることができる。
また、ポート３に接続される位相変調部１５以外の部分は、ＰあるいはＡｓイオン注入と急速アニールにより量子井戸混合を生じさせ、バンド間遷移の吸収端波長を短波長化すると、素子の光損失が低減でき、信号対雑音比を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の基本構成図
【図２】試作した光ゲートスイッチの光学顕微鏡写真
【図３】試作した光ゲートスイッチの動作試験中の写真
【図４】試作した光ゲートスイッチの静的ＯＮ/ＯＦＦ消光特性
【図５】試作した光ゲートスイッチの動的スイッチ特性
【図６】試作した光ゲートスイッチに１６０Ｇｂ/ｓ信号光を入力し、パルス列分離動作させたときに得られた４０Ｇｂ/ｓの出力波形
【図７】実施例２の構造
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に本発明の光ゲートスイッチの構成図を示す。
光ゲートスイッチの全体の構成は以下のとおりである。
（１）４つの入出力ポート(ポート１〜４)と分岐部５によりマイケルソン干渉計を構成している。
（２）ポート１及び２は信号光入出力部であり、無反射膜1２が設けられている。またポート３及び４は、信号光の反射部として働くと同時に、ポート３は制御光の入力部としての機能をもたせるために、部分反射膜1３が設けられている。
（３）分岐部５とポート４との間には、分岐部６と７、位相調整バイアス部９、減衰部１０、１１から構成されたマッハーツェンダー干渉計からなる可変光強度減衰部１４が設けられている。
（４）分岐部５とポート３との間には、位相変調用の干渉計アームとして動作すると同時に、マイケルソン干渉計の静的な位相調整バイアス部８が設けられている。
（５）分岐部６と７の間の光路のうちの一方には、光強度を可変減衰させるための位相調整バイアス部９が設けられている。
なおこの光ゲートスイッチ光集積回路のすべての分岐部は、ＴＥ偏波の信号光に対して３ｄＢ分岐として最適に動作するように、そのサイズが設計されている。
図７に本発明の光ゲートスイッチの改良された構成を示す。
（６）ポート３に接続される位相変調部１５以外の部分は、ＰあるいはＡｓイオン注入と急速アニールにより量子井戸混合を生じさせて、バンド間遷移の吸収端波長を短波長化する。量子井戸混合の処理を行うことにより、ＴＥ偏波信号光が光回路中を伝搬するときに生じるバンド間遷移吸収による影響を避けることができる。このため素子の光損失が低減でき、信号対雑音比を高めることができる。
【００１６】
各部の詳細について以下説明する。
ポート１とポート２はそれぞれ信号入力部と出力部となるために、導波路端面はヘキカイにより形成されており、信号の反射損を抑制するために無反射膜が蒸着されている。
ポート１から入力されたＴＥ偏波信号光は、分岐部５で等強度に分岐され、それぞれポート３及び４へと導かれる。
【００１７】
分岐部５とポート３間及び分岐部５とポート４間の光路はマイケルソン干渉計の干渉アームとなるように、ポート３と４ではＴＥ偏波信号光を反射させる必要がある。このためポート３と４はヘキカイにより端面が形成されており、部分反射膜を形成する。
ポート３の導波路端面を部分反射膜とすることにより、ＴＭ偏波の制御光をポート３から導波路内へ導入することが可能となる。
ポート３から光導波路内に入力されたＴＭ偏波制御光は、サブバンド間遷移吸収により急速に減衰する。このためポート３から分岐部５に至る光路内で、ＴＭ偏波制御光を完全に減衰することが理想である。この部分の光路の屈折率だけを変化させるように、光路長が設計されている。
したがって分岐部５において分岐され後、ポート３で反射して分岐部５に戻ってきたTE信号光は、ＴＭ偏波制御光により発生した屈折率変化の影響を受けて、位相変調効果を受けている。
【００１８】
分岐部５で分岐されポート４へ導かれたＴＥ偏波信号は、分岐部６及び７で構成されたマッハーツェンダー干渉計からなる可変光強度減衰部を通過した後、ポート４で反射して同じ経路をたどって、分岐部５へ戻る。可変光強度減衰部の目的については、後に説明する。
ポート３及び４で反射されて分岐部５に戻ってきたＴＥ偏波の信号は、分岐部５により再び合波されるが、干渉条件に応じてポート１あるいはポート２へ導かれる。
【００１９】
分岐５とポート３との間に、位相調整バイアス部８を設ける。位相調整バイアス部８は、ＴＭ偏波制御光による動的な屈折率変化以外のマイケルソン干渉計のアーム間の位相バイアスを調整するために用いる。位相調整バイアス部として、典型的には金属薄膜によるヒーターが使われる。分岐部５とポート３との間の光導波路を加熱して、その屈折率変化により位相バイアスを制御することが可能である。
【００２０】
次に、可変光強度減衰部１４の目的・動作について説明する。
TM偏波制御光をポート３に入力すると、制御光がサブバンド間遷移により吸収され、熱に変換される。ポート３導波路端面からＴＭ制御光が減衰する部分までの導波路において、この発熱は生じており、この部分の導波路の温度が上昇する。その結果、半導体量子井戸のバンド間遷移による吸収端が長波長側にシフトする。このような状況において、ＴＥ偏波信号光が量子井戸のバンド間遷移の吸収端よりわずかに長波に設定されている場合には、熱効果で長波長側へシフトした量子井戸のバンド間遷移吸収を受ける。発熱による効果は応答速度が遅く、１０ＧＨｚ程度以上の繰り返し光パルスの制御光に対して、ほとんど静的な振る舞いを示す。ポート３から反射して戻ってきた信号光のこの熱効果による静的な減衰は、マイケルソン干渉計のもう一方のアームから反射して戻ってきた光との間の光強度バランスをくずす。これは干渉度合いの低下により、光ゲートスイッチ動作時のＯＮ/ＯＦＦ消光比の低下をもたらし、光ゲートスイッチ動作に支障をきたす。
【００２１】
このような熱効果によるマイケルソン干渉計の光強度アンバランスを補償するために、可変光強度減衰部１４を用いる。可変光強度減衰部１４内のマッハーツェンダー干渉計の両アームの位相バイアスが０のとき、ポート１から入力され分岐部５で分岐された後、可変減衰側のアームへ導かれたTE偏波信号光は、すべて分岐部７よりポート４へ導かれる。位相調整バイアス部９により位相差を０から少しずらしていくにつれて、一部の光が分岐部７より減衰部１１へ導かれて、光強度が減衰する。このため分岐部７においてポート４へ分岐される光成分が小さくなる。さらにポート４で反射した信号光の一部が、分岐部６で減衰部１０へ分岐されるために、分岐部５へ戻る光成分の強度が減少する。このようにして分岐部５から、可変光減衰部アーム側へ分岐された信号光の戻り光強度を、位相調整バイアス部９を用いて制御することができる。
【００２２】
（実施例１）
モノリシック集積型の光ゲートスイッチを形成するための好ましい実施例について説明する。
光集積回路を形成するためのウエハとしては、サブバンド間遷移による位相変調効果を生じさせる量子井戸構造を容易に成長させるために、ＩｎＰ基板を用いる。
【００２３】
分子線エピタキシー法によりＩｎＰ基板上にＩｎＰバッファー層を成長した後、詳細が開示されているＩｎＧａＡｓ/ＡｌＡｓＳｂ結合二重量子井戸構造（S.Gozuら、Applied Physics Express，2，042201-1-3（2009).）やこの量子井戸と同等以上の位相変調効果を示す量子井戸構造を、導波路として機能するために必要な厚みの相当する周期程度数を成長した後、１μｍ厚の上部クラッド層を成長する。上部クラッド層の材料としては、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ,ＧａＡｌＡｓＳｂのいずれかの材料が用いられる。多重に積層されたＩｎＧａＡｓ/ＡｌＡｓＳｂ結合二重量子井戸層は光導波路のコア層となる。その総厚みとして０.５〜０.６μｍ程度とすると、ハイメサ型の光導波路を作製する時には適当な寸法である。
【００２４】
ＩｎＧａＡｓ/ＡｌＡｓＳｂ結合二重量子井戸のコア層におけるサブバンド間遷移による吸収強度に応じて、マイケルソン干渉計の位相変調用側アームの長さ(ポート３から分岐部５までの光路)を決める必要がある。デバイス全体サイズの小型化の観点から、位相変調用側アーム長は極力短い方が好ましい。デバイス全長を１ｍｍ程度にするためには、サブバンド間遷移吸収強度として−４０ｄＢ/ｍｍ以上が好ましい。この場合、ＴＭ制御光は０.５ｍｍ伝播すると１％以下に光強度が減衰するため、位相変調用側アームの長さは０.５ｍｍ以下で十分であり、デバイス全体長を１ｍｍにすることができる。
【００２５】
波長１５５０ｎｍにおける、ＩｎＧａＡｓ/ＡｌＡｓＳｂ結合二重量子井戸層コア層のＴＥ偏波に対する屈折率は、３.３〜３.３５であり、ＩｎＰは３.１６である。この値を用いて、光集積回路を構成する光導波路のメサ幅・曲がり半径、分岐部サイズをビーム伝搬法によるシミュレーションにより決定する。光導波路としては曲がり半径を小さくすることのできるハイメサ型が好ましい。すなわち、光導波路形成時のエッチング深さとしては、量子井戸コア層の下端からさらに０.２〜０.３μｍ以上に垂直エッチングし、コア層における基板面内方向の光閉じ込めを強めた構造が好ましい。
【００２６】
ハイメサ型の光導波路において、前記の屈折率を用いてTE偏波に対するシングルモード導波路の条件を計算すると、メサ幅は約２μｍ以下となる。後に述べる好ましい分岐部の実施例では、ＭＭＩ(multi-mode-interference)カプラを採用したが、ＭＭＩの幅を８.４μｍとするとＭＭＩの長さは１０２μｍに短くできる。このとき分岐部に接続された２本の光導波路の間隔を２.８μｍとする必要があるために、接続導波路間のギャップの加工精度を考慮して、導波路メサ幅として１.６μｍを採用した。
上記の光導波路用のウエハに対して、通常の半導体プロセスを用いて図１に示した分岐部５〜７、減衰部１０、１１、分岐部をつなぐ接続用の光導波路をドライエッチング法により形成する。
【００２７】
好ましい分岐部の実施例として、ＭＭＩによる３ｄＢカプラが用いられる。分岐部の他の候補としては方向性結合器が用いられても良い。しかしシミュレーションの結果及び製造の容易性を考慮すると、３ｄＢカプラの効果となる方向性結合器とＭＭＩの長さを比較すると、ＭＭＩの方が短い長さで、３ｄＢカプラを実現できることがわかった。このため、特殊な事情がない限りＭＭＩカプラを用いることが好ましい。ＭＭＩカプラに接続できるシングルモード導波路の幅、接続導波路間のギャップ加工精度、デバイス全体長を１ｍｍ程度にするために必要なＭＭＩ長を考慮して、ＭＭＩ幅８.４μｍ、ＭＭＩ長１０２μｍとした。
【００２８】
可変光強度減衰部１４を構成する減衰部１０及び１１について説明する。
可変強度減衰部１４が正常に動作するためには、減衰部に導かれた信号光が効率よく減衰し、反射光として戻らないようにする必要がある。本実施例では、曲げ半径１０μｍのＵ字導波路を設けることにより、光導波路内の光を曲げ損失により外部へ放射させるようにした。またＵ字導波路の終端にＵ字導波路を終端まで伝搬した信号光を減衰させるために、Ｕ字導波路の終端にテーパー導波路を接続した。導波路の幅を１.６μｍからモードカットオフサイズ以下の０.３μｍまで断熱的に減少させて、信号光の減衰を図った。
【００２９】
ドライエッチングにより光回路を形成した後、光導波路となる部分はメサ構造となり、基板上部のエッチング面よりとびだした構造をもつ。メサの保護及び、位相調整バイアス用のヒーター電極の、メサの段差による切れを避けるために、基板上面を平坦化するのが良い。好ましい実施例としては、ＢＣＢ(ベンゾサイクロブテン)などの耐熱性のある樹脂をスピンコートし、平坦化を行う。好ましくはＢＣＢとエッチング面との密着性を向上させるために、Ｓｉ3Ｎ4膜をスパッタリング等により製膜した後に、ＢＣＢによる平坦化を行うのがよい。
【００３０】
その後、位相調整バイアス部８、９を設ける。この実施例では位相調整バイアス部８、９として、通常の半導体プロセスにより、Ｔｉ(１００ｎｍ)/Ａｕ(１００ｎｍ)によりヒーター及び電極用パットを形成する。ヒーターの幅は１０μｍとした。
その後、基板の裏面をラッピングにより１００μｍ程度厚にまで薄くした後、デバイスチップをヘキカイにより切り出だす。ヘキカイ端面におけるポート１〜４の反射率を調整するために、ＥＣＲスパッタ装置により誘電体膜の蒸着を行う。ＥＣＲスパッタ法による誘電体膜の蒸着に際して、まずＥＣＲスパッタ装置内でヘキカイ端面をArプラズマにさらして、端面の清浄化を行った後、誘電体膜の製膜を行うのが、密着性の観点から好ましい。
【００３１】
図１に示すポート１、２側の端面には無反射膜として、ＺｒＯ2(チップ側)とＳｉＯ2との２層膜を蒸着した。一方、ポート３、４側には、５０％反射膜としてＳｉＯ2(チップ側)とＺｒＯ2の２層膜を蒸着した。
図２は、作製したモノリシック集積光ゲートスイッチを上部より観察した顕微鏡写真である。デバイス長１ｍｍの中に、マイケルソン干渉計、可変光強度減衰部等が集積されている様子がわかる。
【００３２】
（光ゲートスイッチの特性）
実施例に従って、作製したモノリシック集積型光ゲートスイッチの特性について説明する。
図３は、ポート２より波長１５６０ｎｍのＴＥ偏波の連続波(ＣＷ)信号光を入力したときの様子を、赤外カメラと顕微鏡により撮影したとき写真である。位相調整バイアス部８、９のヒーターには電流を流していない条件で撮影した。
分岐部５で分岐された信号光が、ポート３及び４の端面まで到達し、端面でわずかに放射モードに変換された信号光が白く光って見えているのが確認できる。
さらに、ポート３、４から反射した光が、分岐部５で合波された後、ポート１へ導かれていることが、ポート１の端面でわずかに放射モードに変換された信号光が白く光っていることにより、確認できる。
【００３３】
次にマイケルソン干渉計及び、可変光強度減衰部の動作を詳しく確認するために、位相調整バイアス部８、９に電圧を印加し、ヒーターを加熱しながら、ポート１から出力される信号光の強度を測定した。
図４に、試作した光ゲートスイッチの静的ＯＮ/ＯＦＦ消光特性を示す。図中内の数字は、位相調整バイアス部９の印加電圧(Ｖｏｌｔ)である。可変光減衰器内の位相バイアス調整部９の電圧が０のとき(減衰量が０)、位相調整バイアス部８の電圧を変化させると、２４ｄＢの強度変化が得られた。このことより、光ゲートスイッチの静的ＯＮ/ＯＦＦ消光比が、通常の用途で要求される値(〜２０ｄＢ程度)をクリアする性能であることを示している。
【００３４】
次に、可変光強度減衰部内の位相調整バイアス部９の電圧を大きくしながら、位相調整バイアス部８の電圧を変化させると、ポート２から出力される信号光の干渉による、信号の変化の大きさが小さくなっていることがわかる。これは、位相調整バイアス部９の電圧を大きくしていくと、可変光減衰器が動作しはじめて、ポート４で反射されて戻ってくる光強度が減少したため、マイケルソン干渉の光強度バランスがくずれていることを示している。このようにして、可変光減衰器が問題なく動作していることを確認した。
【００３５】
次に、ポート３より、ＴＭ偏波制御光(パルス繰り返し１０ＧＨｚ、波長１５４５ｎｍ,パルス幅２.４ｐｓ、パルスエネルギー８.７ｐＪ)、ポート２よりＴＥ偏波信号光(ＣＷ,波長１５６０ｎｍ)を入力して、ポート２へ戻ってきた信号光、及びポート１へ出力される信号光の時間波形を測定し、光ゲート動作を確認した結果を図５(ａ)(ｂ)に示す。図５(ａ)はポート２へ戻った信号光、（ｂ）はポート１へ出力された信号光を示す。なおポート２へ戻ってきた信号光を入力信号から分離するために、サーキュレーターを使用した。
図５において、１００ｐｓおきにＴＭ制御光がポート３に入射されたタイミングに応じて、ポート１より出力されたTE偏波信号光の光強度に上向きの変化（図５(ｂ））が生じている。また図５(ａ)に示すように、ポート２に戻ってきた信号光には下向きの変化が生じている。
【００３６】
図５の条件では、位相調整バイアス部８の印加電圧が３.４５Ｖに調整されている。この位相バイアス条件において、制御光が導波路に入射されていないときには、最も強め合う干渉条件となりポート２へ最大の信号強度が戻る。一方、このときポート１の出力信号は最も弱め合う干渉条件となり、ポート１へほぼ０に近い最小強度の光信号が出力される。図５(ａ)及び(ｂ)の時間波形において、平坦な信号強度を示す時間領域が、制御光が導波路に入射されていない時間領域に対応しており、ポート２及び１に対して、それぞれ最も強め合う条件と最も弱め合う条件に対応している。
上記の干渉条件に保持した状態で、制御光パルスがポート３へ入力され、サブバンド間遷移により導波路内で吸収されると、位相変調効果により、位相変調用アーム側で反射される信号光の位相が、最大でπラジアンだけシフトする。このため、ポート２においては、干渉条件が最も弱め合う状態へと変化し、信号強度が０近くにまで減少する。その後、制御光により生じた位相変調効果が消滅すると、信号光は元の最大強度の状態へと回復する。このため、図５(ａ)において、下向きのパルス状の光信号強度変化が観測されている。一方、ポート１では、ポート２とは正反対の光強度の時間変化を示す。すなわち制御光パルスが入射されると、最も強め合う干渉条件へと変化し、制御光パルスの入射と同期して、最大強度の信号光が出力される。このため、図５(ｂ)では上向きのパルス状の光強度変化が観測されている。
【００３７】
図５(ｂ)の時間波形がゲート動作の時間応答に対応している。測定されたピーク波形の半値幅は３.２ｐｓである。一方、入力した制御光のパルスの半値幅は２ｐｓであり、ゲート動作時間が、制御光の入力幅よりも大きい。この時間のずれはサブバンド間遷移により基底サブバンドから上位のサブバンドへ励起された電子が、基底サブバンドへ緩和するのに要する時間の分だけ遅れが生じていると考えられる。以上より、サブバンド間遷移による位相変調効果により、光ゲートスイッチが動作していることが確認できた。
【００３８】
次に、超高速光時間多重方式による光伝送システムで必要となる１６０Ｇｂ/ｓ光時間多重信号(４０Ｇｂ/ｓのＲＺ(return-to-zero)信号が４チャンネル時間多重されている)において光ゲートスイッチを動作させ、多重化されている信号の１チャンネル分を抜き出すパルス列分離の動作を行った。ＴＥ偏波信号光として１６０Ｇｂ/ｓ信号(波長１５６０ｎｍ)をポート２より入力し、ＴＭ偏波の制御光(波長１５４５ｎｍ,繰り返し４０ＧＨｚ、パルス幅２.４ｐｓ、パルスエネルギー２.９ｐＪ)をポート３より入力した。制御光が入力さていないとき、１６０Ｇｂ/ｓ信号がポート２から出力されないように、位相調整バイアス部８の印加電圧を１.５４Ｖｏｌｔに調整した。
【００３９】
図６は、ポート１より出力されたパルス列分離された４０Ｇｂ/ｓの信号である。２５ｐｓ間隔で観測されるデータ信号間の時間領域において、光強度はノイズレベルにまで抑制されており、光時分割多重された信号の、特定のチャンネルだけが良好に分離されていることが確認された。
【００４０】
（実施例２）
実施例２は、実施例１の基本構成において、さらに、ＴＥ偏波信号光に対する素子の伝搬損失を低減するための改良を行った例である。図７を参照して説明する。図７に、本発明の基本構成図(図１参照)において、位相変調部以外の導波路の信号光に対する損失を低減するための構造を示す。図７の位相変調部１５の領域以外を、燐イオン注入と急速アニールにより量子井戸混合を生じさせることを行う。実施例２の構造は、実施例１と同様に製造するが、次の工程で異なる。光集積回路作製のためのウエハ上の、位相変調部１５に相当する領域にＳｉＯ2等によりマスクを作製する。次に、位相変調部１５以外の領域に、たとえばＰあるいはＡｓイオンを、ドーズ量１×１０14〜１×１０15／ｃｍ2注入する。注入するイオンのエネルギーは、注入イオンの深さ方向の分布が、上部ＩｎＰクラッド層の中央部付近においてピークを持つように設定する。このイオン注入に伴い上部ＩｎＰクラッド層結晶中に空孔が注入される。その後、７００〜８００℃に急速に加熱しアニールすることにより、空孔が上部クラッド層より下部にある量子井戸コア層へ拡散することにより、サブバンド間遷移を生じさせる量子井戸層と障壁層の間で原子が混合される。このことにより、バンド間遷移の吸収端波長が短波長へ移動し、信号光の伝搬損失を低減することが可能になる。上記のイオン注入と急速アニールにより量子井戸混合を生じさせる工程の後、通常の半導体プロセスを用いて図１に示した分岐部５〜７、減衰部１０、１１、分岐部をつなぐ接続用の光導波路をドライエッチング法により形成することができる。
【００４１】
位相変調部１５は、図７に示すように、上記マイケルソン干渉計の位相変調用側アームの端面側の部分領域に位置する。本実施例２では、コア層は、位相変調部と、バンド間遷移の吸収端波長が短波長へ移動した特性を有する領域とを、備える。位相変調部１５は、マイケルソン干渉計の位相変調用側アームの長さの１／１０〜１、例えば１／２程度の長さにすることができる。ポート３に接続している前記位相変調部の長さは、位相変調用側アームの端部(ポート３)から入射したＴＭ波が減衰する距離に設定することが好ましいが、それより長くてもよい。バンド間遷移の吸収端波長が短波長へ移動する特性を有するコア層の領域は、上記位相変調部以外のコア層全体とすることが信号光の伝搬損失の低減の点から好ましいが、コア層の一部であっても低減の効果がある。
【符号の説明】
【００４２】
１  ポート１
２  ポート２
３  ポート３
４  ポート４
５  分岐部５
６  分岐部６
７  分岐部７
８  位相調整バイアス部８
９  位相調整バイアス部９
１０  減衰部１０
１１  減衰部１１
１２  無反射膜１２
１３  部分反射膜１３
１４  可変光強度減衰部１４
１５  位相変調部１５
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年9月3日(2013.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【非特許文献１】Opt. Lett., vol.32, no.7, pp.751-753, 2007.
【非特許文献２】IEICE Trans. Electron., vol.E92-C, no.2, pp.187-193,2009.
【非特許文献３】Electron. Lett. 30 (1994) 260
【非特許文献４】Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.6A,2004, pp.3424-3428
【国際調査報告】
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