(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に光結合する，同心楕円状の回折格子と光増幅層と導波路層とを有する光共振器であって，
光の共振波長を楕円周方向に変化させたことを特徴とする光部品。
【請求項２】
相互に光結合する，同心円または同心楕円状の回折格子と光増幅層と導波路層とを有する光共振器であって，
該導波路層の厚さを該回折格子の円周または楕円周方向に変化させ，これによって光の共振波長を円周または楕円周方向に変化させたことを特徴とする光部品。
【請求項３】
前記光増幅層と前記導波路層とに独立して電流もしくは電圧を印加できる電極を有することを特徴とする請求項１または２記載の光部品。
【請求項４】
前記光共振器の内部または外部に同心円または同心楕円状の３次以上の回折格子を有することを特徴とする請求項１乃至３記載の光部品。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の光部品に対し，前記回折格子付近の前記光増幅層に電流注入または前記導波路層に電圧印加をおこなって，該回折格子の円周または楕円周方向に光の出射方向を制御することを特徴とする光部品の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は, 光通信や光インタコネクションに用いる光部品 (光機能素子及び半導体レーザ) 及びその駆動方法に関する。
【０００２】
近年, 光通信や光インタコネクションが注目され，この実現のために, 光の出射方向を自由に変化できる光機能素子があれば, システム構成上の自由度が著しく向上する。
【０００３】
【従来の技術】
光の出射方向を自由に変化できる素子の従来例として, 図11に示される特殊な半導体レーザ (特開平 4-233291 号公報) がある。
【０００４】
図11〜図14は従来例の説明図である。
この素子の構造は図11に示されるように，光増幅層 (図示の導波層) と同心円状の１次の回折格子による円形共振器と，さらに同心円状に高次（３次）の回折格子と，円形の共振器の横（円周方向）モードを起こさせる構造，例えば円形の増幅層に注入する電流を調節することによって，発振する向きを円周方向に沿って変える構造とを有している。
【０００５】
この素子は，光増幅層と，同心円状の回折格子による円形の光共振器によって半導体レーザとして発振し，図12に示されるように光の定在波が円の半径方向及び円周方向に振動の節と腹ができるようにモードを立たせることができる。
【０００６】
そして，図13に示されるように３次の回折格子によって，光は斜め上または斜め下に向かって放射される。
次に, 図14に示されるように, 増幅層への電流注入を調整することにより, 共振器の円周方向のモードの腹 (光強度のピーク) の生じる向きを変えることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のビーム偏向レーザでは，出射方向を変えるために極めて多くの電極を必要としたため，素子作製工程及び駆動方法が複雑化し, 応用分野が著しく制限されている。
【０００８】
本発明は, 簡単な電極構成の素子とその駆動法を提供し，光の出射方向を円周方向に偏向できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決は，
1)  相互に光結合する，同心楕円状の回折格子と光増幅層と導波路層とを有する光共振器であって，光の共振波長を楕円周方向に変化させたことを特徴とする光部品，あるいは
2)  相互に光結合する，同心円又は同心楕円状の回折格子と光増幅層と導波路層とを有する光共振器であって，該導波路層の厚さを該回折格子の円周または楕円周方向に変化させ，これによって光の共振波長を円周または楕円周方向に変化させたことを特徴とする光部品，あるいは
3)  前記光増幅層と前記導波路層とに独立して電流もしくは電圧を印加できる電極を有することを特徴とする前記１または２記載の光部品，あるいは，
4)  前記光共振器の内部または外部に同心円または同心楕円状の３次以上の回折格子を有することを特徴とする前記１乃至３記載の光部品、あるいは，
5)  前記１乃至４記載の光部品に対し，前記回折格子付近の前記光増幅層に電流注入または前記導波路層に電圧印加をおこなって，該回折格子の円周または楕円周方向に光の出射方向を制御することを特徴とする光部品の駆動方法により達成される。
【００１０】
【作用】
図１〜図４は本発明の原理説明図である。
図で， 1は半導体基板で, p-InP 基板， 2は３次回折格子， 3は１次回折格子， 4は導波路層でIn0.71Ga0.29As0.62P0.38 層,  5は分離層でn-InP 層,  6は光増幅層でIn0.58Ga0.42As0.90P0.10 層,  7はクラッド層でp-InP 層である。
【００１１】
本発明の構造は図１に示されるように，同心楕円状の回折格子と光増幅層による光共振器を有する。図示のようにｘ，ｙ方向を指定する。同心楕円状回折格子の間隔Λｘ，Λｙは互いに異なっている。これにより，この共振器の光のうち，ｘ軸方向及びｙ軸方向に進むとき最も強く共振する光の波長λｘmax , λｙmax は，
λｘmax ＝ 2・ｎeq・Λｘ            (1)
λｙmax ＝ 2・ｎeq・Λｙ            (2)
となる。ここで，ｎeqはこの共振器の光導波路中の等価屈折率である。
【００１２】
いま，Λｘ＞Λｙとすると, λｘmax ＞λｙmax となる。
また，図２(A) に示されるように，光増幅層で最も強く光を増幅できる波長をλｇとする。この共振器の導波層において，図２(B) に示されるように
ｎeq＝ｎeq1 のときに，
λｙmax ＝ 2・ｎeq1 ・Λｙ≒λｇmax 
となる。このため, 波長λｙmax でレーザ発振し，光はｙ軸方向に発振する。
【００１３】
ここで，図２(C) の示されるように等価屈折率ｎeqを変化することができて，ｎeq＝ｎeq2 ＜ｎeq1 となったときは
λｘmax ＝ 2・ｎeq2 ・Λｘ≒λｇmax 
となり, このため, 波長λｘmax でレーザ発振し，光はｘ軸方向に発振する。
【００１４】
これらの機能の結果，共振器中での光の共振方向を変えることができるので，共振器から外部に取り出される光の方向は変わる。
次に，別の原理を図３，４を用いて説明する。
【００１５】
図３の構造は，同心円状の回折格子と光増幅層による光共振器を有する。また図示のようにｘ，ｙ方向を指定する。同心円状回折格子の間隔Λｘ，Λｙは同じであってもかまわない。図３(A) の斜線部において光導波層の膜厚が薄くなっている。図３(B) にＯ−ｘ，Ｏ−ｙ断面を示す。Ｏ−ｙ断面の導波路がＯ−ｘ断面に比べて途中から薄くなっており，等価屈折率ｎeqy は小さくなる。
【００１６】
このため，ｙ方向に共振する光の波長は，ｘ方向のものに比べて短くなる。この光共振器のうち，ｘ軸方向及びｙ軸方向に進むとき最も強く共振する光の波長λｘmax , λｙmax は，
λｘmax ＝ 2・ｎeqx ・Λｘ            (3）
λｙmax ＝ 2・ｎeqy ・Λｙ            (4）
となる。ここで，ｎeqはこの共振器の光導波路中の等価屈折率である。
【００１７】
いま，Λｘ＞Λｙとすると, λｘmax ＞λｙmax となる。
また，図４(A) に示されるように，光増幅層で最も強く光を増幅できる波長をλｇとする。この共振器の導波層において，図４(B) に示されるように
ｎeqy ＝ｎeqy1になるように回折格子の寸法を設計すると，
λｙmax ＝ 2・ｎeqy1・Λｙ≒λｇmax 
となる。このため, 波長λｙmax でレーザ発振し，光はｙ軸方向に発振する。
【００１８】
ここで，図４(C) の示されるように等価屈折率ｎeqが変化しｎeqx ，ｎeqy の両方が低下して, ｎeqx ＝ｎeqx2＜ｎeqx1, ｎeqy ＝ｎeqy2＜ｎeqy1となったときは
λｘmax ＝ 2・ｎeq2 ・Λｘ≒λｇmax 
となり, このため, 波長λｘmax でレーザ発振し，光はｘ軸方向に発振する。
【００１９】
これらの機能の結果，共振器中での光の共振方向を変えることができるので，共振器から外部に取り出される光の方向は変わる。
また，等価屈折率を変えるには，周知の方法である半導体層への電流注入や電圧印加によっておこなうことができる。例えば，図１または図３において，光増幅層全体と光導波路層全体に独立に電流を注入するような構造にすれば，この光導波路全体に電流を注入する１つの電極のバイアスを変えることにより光出射方向を変えることができる。
【００２０】
以上で，本発明の原理説明を図１〜４を用いておこなった。本発明において，楕円（または円）周方向に光の共振波長を変えるために，図１においては回折格子の間隔を円周方向で変え，また図３では同じ目的のため，導波路層の等価屈折率を変えた。
【００２１】
【実施例】
図５は本発明の第１の実施例の説明図である。
まず，p-InP 基板 1に, レジストと電子ビーム露光法を用いるリソグラフィ技術及びドライエッチング技術により, 同心楕円状の回折格子 2, 3 を刻む。以下の説明では基板平面上でｘ軸方向と，それに垂直なｙ軸方向を用いる。
【００２２】
楕円の中心からｘ軸方向に30〜70μｍの間に, 間隔をｘ軸方向に715 nm, ｙ軸方向に700 nmとした同心楕円状の３次回折格子 2を刻む。また, 楕円の中心からｘ軸方向に80〜200 μｍの間に，間隔をｘ軸方向に238 nm, ｙ軸方向に233 nmとした同心楕円状の１次回折格子 3を刻む。この時の回折格子の凹凸の高さは数100 nmである。
【００２３】
その後，液相成長(LPE) 法または有機金属気相成長法(MOVPE) 法を用いて基板上に
厚さ0.25μｍのIn0.71Ga0.29As0.62P0.38(組成波長1.3 μｍ, ノンドープ) からなる導波路層 4,
厚さ0.1 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) からなる分離層 5,
厚さ0.10μｍのIn0.58Ga0.42As0.90P0.10(組成波長1.55μｍ, ノンドープ) からなる光増幅層 6,
厚さ0.30μｍのp-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層 7を成長する。
【００２４】
次に, 基板上面に酸化膜等のマスクを被着して, 選択エッチング法により円の中心から200 μｍ以内を残して, 深さ 1μｍ程度にウエットエッチングする。
次に, マスクを被着したまま，再び
厚さ0.5 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層 8,
厚さ0.25μｍのn-In0.71Ga0.29As0.62P0.38(組成波長1.3 μｍ) からなるエッチング停止層 9,
厚さ0.5 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層10を成長する。
【００２５】
次に, エッチングによりマスクを除去し，更に,
厚さ約 3μｍのp-InP(ドープ濃度 2×1018cm-3) からなるクラッド層11,
厚さ0.25μｍの p+ -InGaAsP (ドープ濃度 5×1018cm-3) からなるコンタクト層12を成長する。
【００２６】
その後は電極形成プロセスにより素子を完成させる。例えば, 基板上全面にTi/Pt/Au複合層からなる第１の電極13を被着し，円の中心から半径方向に70〜230 μｍを残して, 第１の電極13とコンタクト層12を除去し，円の中心から半径方向に230 μｍより外側を, HBr 系エッチャント等によりInP をエッチングし，エッチング停止層 9に達するまで続ける。エッチング停止層 9の上にTi/Pt/Au複合層からなる第２の電極14を設ける。最後に, 基板の裏面全面にTi/Pt/Au複合層からなる第３の電極15を設ける。
【００２７】
図６は実施例１に示した素子の駆動方法の実施例の説明図である。
図５に示されるｎ側電極（第２の電極）を共通電極とし，光増幅器側のｐ側電極（第１の電極）を正にバイアスして電流を流し，レーザを発振させる。３次の同心円状回折格子によって，光は基板から斜め上に向かって出射される。また，導波路側のｐ側電極（第３の電極）を正にバイアスして電流を流し，この電流の量を調節して光の出射方向を円周方向に変える。
【００２８】
図７は実施例１に示した素子の駆動方法の別の実施例の説明図である。
図５に示されるｎ側電極（第２の電極）を共通電極とし，光増幅器側のｐ側電極（第１の電極）を正にバイアスして電流を流し，レーザを発振させる。また，導波路側のｐ側電極（第３の電極）を負にバイアスして電圧を印加，この電圧を変えて導波路層の等価屈折率を調節して光の出射方向を円周方向に変える。
【００２９】
図８は本発明の第２の実施例の説明図である。
まず，p-InP 基板 1に, レジストと電子ビーム露光法を用いるリソグラフィ技術及びドライエッチング技術により, 同心円状の回折格子 2, 3 を刻む。
【００３０】
円の中心から半径方向に30〜70μｍの間に, 間隔715 nmの同心円状の３次回折格子 2を刻む。また, 楕円の中心から半径方向に80〜200 μｍの間に，間隔が238 nmの同心円状の１次回折格子 3を刻む。この時の回折格子の凹凸の高さは数100 nmである。
【００３１】
この実施例の回折格子は円形であるが，より効果的にするには実施例１のように楕円にする。
その後，液相成長法またはMOVPE 法を用いて基板上に
厚さ0.15μｍのIn0.58Ｇａ0.42Ａｓ0.90Ｐ0.10（組成波長1.55μｍ,ノンドープ) からなる光増幅層 6,
厚さ0.1 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018ｃｍ-3）からなる分離層 5,
厚さ0.25μｍのIn0.71Ｇａ0.29Ａｓ0.62Ｐ0.38（組成波長1.3 μｍ, ノンドープ) からなる導波路層 4を成長する。
【００３２】
次に，燐酸系のエッチャントを用いて，図８の平面図に示される斜線部の導波路層 4の上側を約 0.1μｍエッチングする。
ついで， 厚さ0.30μｍのp-InP(ドープ濃度 1×1018ｃｍ-3）層 7を成長する。
以下は実施例１と同様に次の工程をおこなう。
【００３３】
次に, 基板上面に酸化膜等のマスクを被着して, 選択エッチング法により円の中心から200 μｍ以内を残して, 深さ 1μｍ程度にウエットエッチングする。
次に, マスクを被着したまま，再び
厚さ0.5 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層 8,
厚さ0.25μｍのn-In0.71Ga0.29As0.62P0.38(組成波長1.3 μｍ) からなるエッチング停止層 9,
厚さ0.5 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層10を成長する。
【００３４】
次に, エッチングによりマスクを除去し，更に,
厚さ約 3μｍのp-InP(ドープ濃度 2×1018cm-3) からなるクラッド層11,
厚さ0.25μｍの p+ -InGaAsP (ドープ濃度 5×1018cm-3) からなるコンタクト層12を成長する。
【００３５】
その後は電極形成プロセスにより素子を完成させる。例えば, 基板上全面にTi/Pt/Au複合層からなる第１の電極13を被着し，円の中心から半径方向に70〜230 μｍを残して, 第１の電極13とコンタクト層12を除去し，円の中心から半径方向に230 μｍより外側を, HBr 系エッチャント等によりInP をエッチングし，エッチング停止層 9に達するまで続ける。エッチング停止層 9の上にTi/Pt/Au複合層からなる第２の電極14を設ける。最後に, 基板の裏面全面にTi/Pt/Au複合層からなる第３の電極15を設ける。
【００３６】
図９は本発明の第３の実施例の説明図である。
まず，p-InP 基板 1に, レジストと電子ビーム露光法を用いるリソグラフィ技術及びドライエッチング技術により, 同心円状の回折格子 2, 3 を刻む。
【００３７】
円の中心から半径方向に30〜70μｍの間に, 間隔715 nmの同心円状の３次回折格子 2を刻む。また, 楕円の中心から半径方向に80〜200 μｍの間に，間隔が238 nmの同心円状の１次回折格子 3を刻む。この時の回折格子の凹凸の高さは数100 nmである。
【００３８】
その後，液相成長法またはMOVPE 法を用いて基板上に
厚さ0.15μｍのIn0.58Ｇａ0.42Ａｓ0.90Ｐ0.10（組成波長1.55μｍ, ノンドープ) からなる光増幅層 6,
厚さ0.1 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018ｃｍ-3）からなる分離層 5,
厚さ0.25μｍのIn0.71Ｇａ0.29Ａｓ0.62Ｐ0.38（組成波長1.3 μｍ, ノンドープ) からなる導波路層 4を成長する。
【００３９】
次に, 燐酸系のエッチャントを用いて，図９の平面図に示される斜線部の導波路層 4をエッチング除去する。
ついで、厚さ0.30μｍのp-InP(ドープ濃度 1×1018ｃｍ-3）層 7を成長する。
【００４０】
以下は実施例１，２と同様に次の工程をおこなう。
次に, 基板上面に酸化膜等のマスクを被着して, 選択エッチング法により円の中心から200 μｍ以内を残して, 深さ 1μｍ程度にウエットエッチングする。
【００４１】
次に, マスクを被着したまま，再び
厚さ0.5 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層 8,
厚さ0.25μｍのn-In0.71Ga0.29As0.62P0.38(組成波長1.3 μｍ) からなるエッチング停止層 9,
厚さ0.5 μｍのn-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層10を成長する。
【００４２】
次に, エッチングによりマスクを除去し，更に,
厚さ約 3μｍのp-InP(ドープ濃度 2×1018cm-3) からなるクラッド層11,
厚さ0.25μｍの p+ -InGaAsP (ドープ濃度 5×1018cm-3) からなるコンタクト層12を成長する。
【００４３】
その後は電極形成プロセスにより素子を完成させる。例えば, 基板上全面にTi/Pt/Au複合層からなる第１の電極13を被着し，円の中心から半径方向に70〜230 μｍを残して, 第１の電極13とコンタクト層12を除去し，円の中心から半径方向に230 μｍより外側を, HBr 系エッチャント等によりInP をエッチングし，エッチング停止層 9に達するまで続ける。エッチング停止層 9の上にTi/Pt/Au複合層からなる第２の電極14を設ける。最後に, 基板の裏面全面にTi/Pt/Au複合層からなる第３の電極15を設ける。
【００４４】
実施例２，３は導波路層と光増幅層が実施例１に対して上下逆になっているが，実施例２，３の駆動方法は実施例１と同様である。
以上の実施例では，完全な楕円または円の回折格子を用いたが，図10に示されるように部分的な楕円または円の回折格子を用いても同様の効果が得られる。
【００４５】
また，以上の実施例では，円の中心に回折格子が設けられていないが，特に問題はない。もし，円の中心部に回折格子を設けるならば，その間隔と等間隔であるよりもベッセル関数の零点の間隔に比例させた不等間隔にする方がよい。
【００４６】
また，以上の実施例では，高次の回折格子による光出射部は，光増幅層と回折格子からなる光共振器の内側に配置されているが，原理的にはこの共振器はこの共振器の外側であっても，外部であってもかまわない。
【００４７】
また，以上の実施例では，３次の回折格子による光出射部に光増幅層を設けているが，この部分には光増幅層はなくてもよい。
また，以上の実施例では，半導体レーザとして自発的に発振する場合について説明したが，適当なバイアス条件を与えておいて，外部光を，導波路層の延長線上から，または光出射部から入力することにより発振させるような利用法も可能である。
【００４８】
また，以上の実施例では，半導体レーザの光出射部として，３次の回折格子を用いている。これは光を外部に取り出す際に都合のよい従来技術であるので適用したが，特にその必要はない。そのときは，光は基板面内の導波路層に平行な面内に出射される。このときの光の出射方向は，実施例と同様に同心楕円（円）方向に変えることができる。
【００４９】
また，以上の実施例は，すべて半導体で構成されるが，其以外の材料を用いてもよい。例えば，屈折率変化層を誘電体で作製し，透明電極等を用いて電界をかけることで屈折率を変えることによっても実現できる。
【００５０】
また，実施例では回折格子部分の導波路層の厚さを円周方向に変えて等価屈折率を変えたが，この代わりに回折格子部分の導波路層の組成を円周方向に変えて同様な効果が得られることは自明である。このように，本発明では，楕円（円）形回折格子において楕円（円）周方向に共振波長を変え，あるいは導波路の屈折率を変えればよいので，実施例以外の方法で楕円（円）周方向に共振波長が変わるようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば, 簡単な電極構成の素子とその駆動法が実現でき，容易に光の出射方向を円周方向に偏向できるようになった。この結果，光通信や光インタコネクションのシステム構成の自由度を大幅に向上することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理説明図(1)
【図２】  本発明の原理説明図(2)
【図３】  本発明の原理説明図(3）
【図４】  本発明の原理説明図(4）
【図５】  本発明の実施例１の説明図
【図６】  実施例の駆動方法説明図(1)
【図７】  実施例の駆動方法説明図(2)
【図８】  本発明の実施例２の説明図
【図９】  本発明の実施例３の説明図
【図１０】  本発明の実施例４の説明図
【図１１】  従来例の説明図(1)
【図１２】  従来例の説明図(2)
【図１３】  従来例の説明図(3）
【図１４】  従来例の説明図(4）
【符号の説明】
1  半導体基板で  p-InP 基板
2  ３次回折格子
3  １次回折格子
4  導波路層でIn0.71Ga0.29As0.62P0.38(組成波長1.3 μｍ, ノンドープ) 層
5  分離層でn-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層
6  光増幅層でIn0.58Ga0.42As0.90P0.10(組成波長1.55μｍ, ノンドープ) 層
7  クラッド層でp-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層
8  n-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層
9  エッチング停止層でn-In0.71Ga0.29As0.62P0.38(組成波長1.3 μｍ) 層
10  n-InP(ドープ濃度 1×1018cm-3) 層
11  p-InP(ドープ濃度 2×1018cm-3) 層
12  コンタクト層で p+ -InGaAsP (ドープ濃度 5×1018cm-3) 層
13  第１の電極でTi/Pt/Au複合層 (ｐ側電極)
14  第２の電極でTi/Pt/Au複合層 (ｎ側電極)
15  第３の電極でTi/Pt/Au複合層 (ｐ側電極)
【図１】
0003728765.tif 000002
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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