(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の入力光導波路と、
前記入力光導波路の下流側に接続された光合波器と、
前記光合波器の出力側に接続された１つ以上の出力光導波路と、
前記光合波器の出力側において前記出力導波路に隣接する部分に形成された放射光吸収領域とを備え、
前記入力光導波路と光合波器と出力光導波路の少なくとも１つの層構造がｐｎ接合構造またはｐｉｎ接合構造であり、前記放射光吸収領域は該ｐｎ接合構造またはｐｉｎ接合構造と同じ層構造であり、かつ該層構造のｐｎ接合構造またはｐｉｎ接合構造に対して逆方向電界を形成する電圧を印加する手段が設けられており、
前記放射光吸収領域に電圧を印加して逆方向電界を形成することで、光合波器からの放射光を吸収して、出力側光導波路に結合しない放射光成分が拡散することを防止することを特徴とする半導体光導波路素子。
【請求項２】
前記放射光吸収領域に電圧を印加する手段における電流変化を測定する手段をさらに備え、電流変化を測定する手段は、前記放射光を吸収したことにより発生する光吸収電流を検知することで、放射光となって出力側光導波路に結合しない成分を検知することを特徴とする請求項１に記載の半導体光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光導波路素子に関し、詳細には、放射光吸収機能または光強度モニター機能を有する半導体光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光導波路素子を利用した半導体光導波路型デバイスは、近年の結晶成長技術や高精度加工技術の進展によって、これまでの半導体レーザダイオードに代表される単機能素子から、光信号処理の機能を内蔵した集積型のデバイスへと、その開発の潮流が変化している。
【０００３】
半導体の機能素子を集積化したデバイスは、それぞれ電気的、光学的に分離された機能素子間を、入出力光導波路で結合することによって集積型デバイスとして形成される。このような光導波路では、複数の半導体光導波路素子において導波光を合波または分波することによって、信号光の分配や、位相状態の干渉といった機能を実現している。
【０００４】
複数の光導波路から伝搬される光信号を合波するには、一般的に図１に示すようなＭＭＩ（多モード干渉：Multi-Mode-Interferometer）合波器が用いられる。ＭＭＩによる合波原理は、複数の入力側光導波路１１ａ、１１ｂから入射した光Ｌ１、Ｌ２が、多モード導波路（スラブ導波路）部分１２で互いに干渉し、これらの光の位相条件によって、光強度が強めあう位置（距離と方向）が決まるため、この位置に出口側光導波路１３ａ、１３ｂを形成することで、光の合波出力光を取り出すことが可能になる。
【０００５】
しかしながら実際には、合波器からの出力光の集光位置は、さまざまな要因によって影響を受ける。要因の一つとしては、実際の合波器の作製精度がある。合波器の特性は、導波路材料の屈折率と長さ、幅で決まる出力光の焦点位置と、形成される出力導波路の位置とで決定される。ここで、屈折率の値や長さ、幅といった数値は、作製される素子の加工制御精度に依存するため、実際には設計値からのずれが生じる。
【０００６】
また他の要因としては、半導体の屈折率は温度によって変化するため、素子温度の変動によっても出力光導波路への合波出力強度は影響を受けることが挙げられる。同様に、入射する光の波長が異なる場合も、波長の違いによって屈折率が変わるため、異なる波長の光を１つの合波器で合波する場合、波長の差異は温度が変動した場合と同様の影響を考える必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４４９９６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような、ＭＭＩ合波器からの放射光を防止するいくつかの手法が提案されている。一例として、複数の半導体レーザダイオードと集積された半導体合波器の出力側において出力光導波路に隣接する部分に、半導体レーザの活性層組成からなる半導体層を用いて、放射光を吸収する領域を形成したものがある。しかしながら、導波光に対して光の吸収効率が大きい組成である半導体レーザダイオードとの集積素子であれば、吸収するための領域を形成するのみで効果があるが、半導体導波路素子の組成のように、光の吸収係数が小さい場合は、このような形状による放射光の吸収は困難となる。
【０００９】
また、放射光を誘導するため導波構造を出力側光導波路の側部に形成することにより、出力側へ光が放射されることを防止する形状も考えられている（特許文献１参照）。しかしながら、放射光の導波構造のみでは、出力側への放射光は抑制されるが、出力側への放射光が他の方向へ放出されてしまうおそれもあるため、実際に半導体素子を筐体内に設置する場合には、筐体内での乱反射の影響を考慮することが必要な場合もある。
【００１０】
以上のように、従来の技術では、半導体導波路構造を形成する組成の半導体層からなる素子においては、出力側光導波路に結合されなかった放射光成分を十分に抑制することが困難であった。
【００１１】
本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、出力側光導波路に結合されなかった放射光成分を十分に抑制することができる半導体導波路素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、２つ以上の入力光導波路と、前記入力光導波路の下流側に接続された光合波器と、前記光合波器の出力側に接続された１つ以上の出力光導波路と、前記光合波器の出力側において前記出力導波路に隣接する部分に形成された放射光吸収領域とを備え、前記入力光導波路と光合波器と出力光導波路の少なくとも１つの層構造がｐｎ接合構造またはｐｉｎ接合構造であり、前記放射光吸収領域は該ｐｎ接合構造またはｐｉｎ接合構造と同じ層構造であり、かつ該層構造のｐｎ接合構造またはｐｉｎ接合構造に対して逆方向電界を形成する電圧を印加する手段が設けられており、前記放射光吸収領域に電圧を印加して逆方向電界を形成することで、光合波器からの放射光を吸収して、出力側光導波路に結合しない放射光成分が拡散することを防止することを特徴とする半導体光導波路素子である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体光導波路素子において、前記放射光吸収領域に電圧を印加する手段における電流変化を測定する手段をさらに備え、電流変化を測定する手段は、前記放射光を吸収したことにより発生する光吸収電流を検知することで、放射光となって出力側光導波路に結合しない成分を検知することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の半導体光導波路素子を示す図である。
【図２】半導体層構造における逆方向へ印加された電界強度と光吸収との相関を光波長ごとに示す図である。
【図３】第１の実施形態の半導体光導波路素子を示す図である。
【図４】半導体光導波路素子の具体的な層構成を示す図である。
【図５】逆バイアスについて説明する図である。
【図６】第２の実施形態の半導体光導波路素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１６】
本発明の半導体光導波路素子は、ＭＭＩ合波器の出力側において、接続される出力導波路に隣接する部分を入力光導波路と同じ半導体層構成のｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合に形成し、この部分に対し逆方向電界を印加する手段を備えて構成されている。
【００１７】
半導体光導波路の入力光導波路を形成する半導体層構造には、ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合の半導体層構造が用いられるが、伝搬特性を良好にする観点から、伝搬する光に対して十分に吸収損失が小さい組成の半導体が用いられる。したがって、この層構造は、放射光に対してもほとんど吸収する効果を持たない。しかし、半導体のｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合に、逆方向電界を印加することで、エネルギーバンド構造を変化させ、光の吸収係数を大きくすることが可能である。
【００１８】
図２は半導体層構造における逆方向へ印加された電界強度と光吸収との相関の例を光波長ごとに示す図である。半導体組成で決まるバンドギャップ波長が光の波長に対して十分大きい場合は、逆方向電界を印加しない場合の吸収はほとんどないが、図２に示すように、ある程度の逆方向電界が印加されると急激に吸収損失が大きくなる。この性質を利用することで、電界印加部分のみ光の吸収係数を大きくして、放射光を素子外部へ拡散することを低減することが可能となる。
【００１９】
本発明の半導体光導波路素子では、上記の性質を利用して、放射光吸収機能または光強度モニター機能を有する半導体光導波路素子を実現している。半導体光導波路素子は光導波路型半導体デバイスの合波器として利用することができ、出力側導波路に結合されないで放射される光を吸収する機能を持つことによって、光信号に対して雑音となる放射光を抑制する。
【００２０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の半導体光導波路素子について図面に基づいて説明する。本実施形態では、半導体光導波路素子として２×２のスラブ型ＭＭＩを用いた光合波器を例に挙げて説明する。図３は第１の実施形態の半導体光導波路素子を示す図である。図３において、（ａ）は半導体光導波路素子の上面の模式図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ’断面図である。図４はｐｉｎ接合により形成された半導体光導波路素子の層構成の一例を示す図である。
【００２１】
本実施形態の半導体光導波路素子は、光入力Ｌ１または光入力Ｌ２が入力される２本の入力導波路１１ａ、１１ｂと、この２本の入力導波路１１ａ、１１ｂに接続されたスラブ型ＭＭＩ１２と、ＭＭＩ１２の光出力側に設けられた出力導波路１３ａ、１３ｂとを有する光導波路が基板１５上に積層されて構成されている。半導体光導波路素子は、ｎ型半導体から構成される基板１５上に、ｉ型半導体から構成される導波路層１６が積層されている。さらに電極１４が上下に設けられる領域にｐ型半導体から構成される接続層１７ａが積層されて構成されている。また、電極１４が上部に設けられていない領域の上には、ｉ型半導体から構成されるクラッド層１７ｂが積層されている。本実施形態では、入力導波路１１ａ、１１ｂのみがｐｉｎ接合構造を有している。図３では、基板１５の下面全体に金属電極１４が設けられている例を挙げて説明したが、金属電極１４は上面に設けられた金属電極１４に対応して選択的に設けてもよい。
【００２２】
図４に示すように、基板１５は、ｎ−ＩｎＰ基板と、ｎＩｎＧａＡｓＰコンタクト層とｎ−ＩｎＰクラッド層とを積層して構成される。導波路層１６は、ｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ  ＭＱＷ層の上下にｉ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層を設けて構成される。また、接続層１７ａは、ｐ−ＩｎＰクラッド層の上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を積層した構成である。基板１５または接続層１７ａにおいて、コンタクト層は、Ａｕ電極１４と接する側に設けられる層であり、クラッド層は、導波路層１６と接する側に設けられる層である。このとき、ｉ型半導体から構成されるクラッド層１７ｂ（図３参照）は、ｉ−ＩｎＰクラッド層として構成できる。
【００２３】
入力導波路１１ａ、１１ｂには、光入力Ｌ１またはＬ２が入力され、上下に設けられた電極１４に電圧印加することによって、２つの光入力Ｌ１、Ｌ２の位相を変化させて、ＭＭＩ１２において所望の干渉を生じるように調整される。ＭＭＩ１２の出力側には、ＭＭＩ１２からの光出力が最大となる位置に出力導波路１３ａ、１３ｂが設けられており、入力側光導波路１１ａ、１１ｂからＭＭＩ１２に入力された光は、干渉効果によって出力側光導波路１３ａ、１３ｂに導波されるが、ＭＭＩ１２の長さ、幅、屈折率、温度、光の波長等、種々の要素の影響で、放射光となって出力側導波路１３ａ、１３ｂへ導波されない成分は、出力側光導波路１３ａ、１３ｂの近傍に放射光として伝搬する。
【００２４】
ＭＭＩ１２の半導体層構造の場合、縦方向（図３（ｂ）上下方向）への光の閉じ込めは放射光が進行中も常に行われるが、横方向（図３（ａ）上下方向）に対しては閉じ込められないため、ＭＭＩ１２の出力側において、横方向へ広がった形で放射される。本実施形態の半導体光導波路素子では、出力光導波路１３ａ、１３ｂに隣接する部分に光導波路１１ａ、１１ｂと同様のｐｎ構造あるいはｐｉｎ構造とし、ここに電圧印加手段１９により逆方向電界を印加できるように電極１４を形成した放射光吸収領域１８により、横方向に広がった放射光を吸収することが可能になる。
【００２５】
ここで必要となるｐｎ構造あるいはｐｉｎ層構造は、光導波路を形成する半導体層構造と同じものを用いることができる。実際には、全面に結晶成長によって層構造を形成した後、形成した層構造を光導波路の形状に加工するフォトリソグラフィ工程の際に、同時に放射光吸収領域１８を残すような加工をすることで、従来の半導体光導波路形成工程と全く同じ工程で作製することが可能である。放射光吸収領域１８の形状は、図３では平面視において三角形状となる態様が示されているが、これに限定されず、出力導波路１３ａ、１３ｂに隣接する部分から放射状に拡散してくる光を吸収し、吸収し切れなかった光を入射側へ反射しない機能を有していればどのような形状としてもよい。例えば、平面視において、半円形や四角形などの任意の形状とすることができる。いずれの形状にした場合でも、必要に応じて端面部分に無反射加工が施されていることが好ましい。
【００２６】
このようにして形成された放射光吸収領域１８には、電界印加の電極を形成する必要があるが、フォトリソグラフィ工程の際に、半導体光導波路を用いた位相変調器や電界吸収型変調器等を作製する際に形成する電極構造と同じものを同時に形成することが可能である。
【００２７】
このようにして形成された放射光吸収領域に電界を印加することで、この部分のみの光吸収係数を大きくすることが可能になるため、出力導波路に結合されなかった放射光を吸収し、素子外部への放射を抑制することが可能となる。
【００２８】
ここで逆方向電界の印加について説明する。逆方向電界を形成するための印加電圧は、素子の温度、導波路コア層の厚さ、入射光の波長の３つのパラメータに応じて決定される最適電圧が存在する。印加電圧の下限は十分な吸収係数が得られるときの値であり、印加電圧の上限は電界破壊が生じない最大の値である。実動作条件として、素子温度４５℃、光波長１５３０ｎｍとしたときの印加電圧と吸収損失の実測例を図５に示す。図５に示す条件では、およそ１１Ｖ印加時で−１０ｄＢ（９０％吸収）、１３Ｖ印加時で−２０ｄＢ（９９％吸収）となります。印加電圧と吸収損失との関係は温度と光波長に依存して変化するので、同じ導波路を用いた場合でも、放射光の光波長によって最適な印加電圧は異なる。
【００２９】
本実施形態の半導体光導波路素子によれば、半導体導波路の層構造をそのまま用いて、逆方向の電界印加によって放射光を吸収することで、バンドギャップ波長の異なる半導体吸収層を新たに形成するための新たな結晶成長工程や作製プロセス工程を必要とせずに、出力側光導波路に結合しない放射光成分が拡散することを防止することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の半導体光導波路素子では、出力側光導波路に結合されない光強度成分が、放射光となって半導体素子から放出されることを抑制することで、迷光成分を低減する構成であった。第２の実施形態の半導体光導波路素子では、放射光の光強度を検出することで、相対的に出力光導波路への光強度の変化を検出することができるものである。図６は第２の実施形態の半導体光導波路素子を示す模式図である。本実施形態の半導体光導波路素子は、第１の実施形態の半導体光導波路素子において、逆方向電界を印加する手段１９に、電流計２０を設けることによって、放射光の吸収によって変化する印加電圧を測定する構成としたものである。逆バイアス電圧を印加した部分で発生する光吸収電流を検知することで、放射光となって出力側光導波路に結合しない成分を検知することができる。
【００３１】
本実施形態の半導体光導波路素子においても、第１の実施形態の半導体光導波路素子と同様に、半導体組成で決まるバンドギャップ波長より長い波長の光に対しても、ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合に逆方向電界を印加することで吸収係数を大きくし、光吸収を生じさせることが可能である。
【００３２】
このとき、吸収された光は電子と正孔が励起され、印加された電界によってそれぞれ正と負の電極側へ運ばれる。このようにして電流が生じるため、吸収された光強度は発生する電流と比例関係にある。したがって、電界印加と同時に、この時形成される回路に流れる電流を電流計２０で検知することで、出力光導波路に結合されない放射光の強度を計測することが可能になる。
【００３３】
本実施形態の半導体光導波路素子によれば、第１の実施形態の効果に加えて、電流として放射光の強度を検知することができる。
【００３４】
以上の実施形態では、半導体光導波路素子が２×２型の光合波器である場合を例に挙げて説明したが、入力導波路の本数は２本以上であり、出力導波路の本数は１本以上であればこれに限定されず、例えば２×１型の光合波器でも同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
Ｌ１、Ｌ２    光入力
１１ａ、１１ｂ    入力導波路
１２    スラブ型ＭＭＩ
１３ａ、１３ｂ    出力導波路
１４    電極
１５    基板
１６    導波路層
１７ａ    接続層
１７ｂ    クラッド層
１８    放射光吸収領域
【図１】
0005759414.tif 000002
【図２】
0005759414.tif 000003
【図３】
0005759414.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005759414.tif 000006
【図６】
0005759414.tif 000007