(57)【要約】 【課題】  双安定素子、特に半導体双安定レーザーには、（１）安定した動作条件が得られにくい、（２）小型化が難しい、という課題があった。【解決手段】  基板上に、多モード干渉光導波路と、前記多モード干渉光導波路の前後に、前記多モード干渉光導波路より幅の細い第一の光導波路と、前記多モード干渉光導波路より幅の細い第二の光導波路と、前記多モード干渉光導波路より幅の細い第三の光導波路とが接続され、前記第一の光導波路が、１次モード許容導波路であることを特徴とし、前記第二の光導波路において、０次モードと１次モードとが定在波として存在できることを特徴とする双安定素子。【選択図】  図１
2008250110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、多モード干渉光導波路と、前記多モード干渉光導波路の前後に、前記多モード干渉光導波路より幅の細い光導波路が複数個接続され、前記多モード干渉光導波路より幅の細い光導波路の少なくとも１つが、０次モードと１次モードとを許容する光導波路であることを特徴とする双安定素子。
【請求項２】
請求項１記載の幅の細い光導波路が、３個接続されていることを特徴とする双安定素子。
【請求項３】
請求項２記載の幅の細い光導波路のうち少なくとも１つが、０次モードと１次モードとが定在波として存在できることを特徴とする双安定素子。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の基板が、半導体基板であることを特徴とする双安定素子。
【請求項５】
請求項４記載の双安定素子の光導波路が、能動光導波路であることを特徴とする双安定素子。
【請求項６】
請求項５記載の双安定素子の光導波路が、過飽和吸収領域を有することを特徴とする双安定素子。
【請求項７】
請求項１乃至６記載の幅の細い光導波路が、４個接続されていることを特徴とする双安定素子。
【請求項８】
請求項７記載の幅の細い光導波路のうち少なくとも１つが、０次モードと１次モードとが定在波として存在できることを特徴とする双安定素子。
【請求項９】
請求項７乃至８記載の双安定素子の光導波路が、能動光導波路であることを特徴とする双安定素子。
【請求項１０】
請求項９記載の双安定素子の光導波路が、過飽和吸収領域を有することを特徴とする双安定素子。
【請求項１１】
請求項７記載の幅の細い導波路のうち少なくとも１つが、不要光除去機能を有する光導波路であることを特徴とする双安定素子。
【請求項１２】
請求項１１記載の不要光除去機能が、光吸収領域であることを特徴とする双安定素子。
【請求項１３】
請求項１１記載の不要光除去機能が、曲線導波路であることを特徴とする双安定素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双安定素子に関し、特に小型で安定した動作が得られる双安定素子の光導波路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、全光ルータの実現などに必要な光メモリ機能を有する素子として、双安定素子、中でも半導体双安定素子が検討されている。半導体双安定素子と一口に言っても、様々な原理がこれまでに報告されているが、中でも、特に比較的安定した双安定動作が実現される代表例としては、多モード干渉光導波路中における異なる２つの光導波経路を有する構造を利用した双安定素子が、中野らによって特許文献１及び非特許文献１に報告されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の半導体双安定素子は、双安定素子として優れた動作が報告されているが、（１）動作電流条件が狭い（設定電流値の数%以内に電流設定しないと双安定動作が得られない）、（２）素子全長が長く集積化にはあまり適さない、という課題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上述の双安定素子の課題であった、（１）動作条件が比較的広い、（２）集積に適した小型化が可能、という２つの目的を達成することにある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８４３２７号公報
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Photonics Technology Letters, Vol. 15, No.8, pp.1035-1037
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための手段として、本発明の双安定素子は、基板上に、多モード干渉光導波路と、前記多モード干渉光導波路の前後に、前記多モード干渉光導波路より幅の細い光導波路が複数個接続され、前記多モード干渉光導波路より幅の細い光導波路の少なくとも１つが、０次モードと１次モードとを許容する光導波路であることを特徴とする。
【０００７】
また、前記幅の細い光導波路が、３個接続されていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記幅の細い光導波路のうち少なくとも１つが、０次モードと１次モードとが定在波として存在できることを特徴とする。
【０００９】
また、前記基板が、半導体基板であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記双安定素子の光導波路が、能動光導波路であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記双安定素子の光導波路が、過飽和吸収領域を有することを特徴とする。
【００１２】
あるいは、本発明の双安定素子は、基板上に、多モード干渉光導波路と、前記多モード干渉光導波路の前後に、前記多モード干渉光導波路より幅の細い光導波路が複数個接続され、前記多モード干渉光導波路より幅の細い光導波路の少なくとも１つが、０次モードと１次モードとを許容する光導波路であることを特徴とし、前記幅の細い光導波路が、４個接続されていることを特徴とする。
【００１３】
また、前記幅の細い光導波路のうち少なくとも１つが、０次モードと１次モードとが定在波として存在できることを特徴とする。
【００１４】
また、前記基板が、半導体基板であることを特徴とする。
【００１５】
また、前記双安定素子の光導波路が、能動光導波路であることを特徴とする。
【００１６】
また、前記双安定素子の光導波路が、過飽和吸収領域を有することを特徴とする。
【００１７】
また、前記幅の細い光導波路のうち少なくとも１つが、不要光除去機能を有する光導波路であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記不要光除去機能が、光吸収領域であることを特徴とする。
【００１９】
また、前記不要光除去機能が、曲線導波路であることを特徴とする。
【００２０】
本発明による双安定素子は、多モード光干渉領域内において長い利得相互作用領域が得られるよう作用する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明による第１の効果は、安定した双安定動作範囲が得られることである。第２の効果は、小型化が得られることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施例に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態として、双安定素子の光導波路構成概要図が示されている。基板１００上に、第一の光導波路１０１と、多モード干渉光導波路１０２と、第二の光導波路１０３と、第三の光導波路１０４とが集積されている。
【００２５】
第一の光導波路１０１、第二の光導波路１０３、及び第三の光導波路１０４の導波路幅は４μｍ程度、多モード干渉光導波路１０２の導波路幅は１０μｍ程度としている。
【００２６】
第一の光導波路１０１の長さは５０μｍ程度、多モード干渉光導波路１０２の長さは２８０μｍ程度、第二の光導波路１０３及び第三の光導波路１０４の長さは５０μｍ程度としている。
【００２７】
また、図１のＡ−Ａ’で示される光導波路断面構造は、図２で示されるような、通常の多重量子井戸からなる発光層を用いたリッジ構造となっている。
【００２８】
また、第一の光導波路１０１と、多モード干渉光導波路１０２と、第二の光導波路１０３と、第三の光導波路１０４とは、層構造は同一で、差異はその導波路幅のみである。
【００２９】
その断面構造は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７から構成されている。前記ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３は、ＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）と多重量子井戸からなる通常の発光層である。
【００３０】
また、各層の厚さは、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２が１００ｎｍ程度、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３が１００ｎｍ程度、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４が２００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５が１０ｎｍ程度、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６が８００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７が１５０ｎｍ程度、それぞれ積層された構造となっている。
【００３１】
リッジ構造とするため、図２に示されるように、非導波領域においては、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７及び第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６がエッチングにより除去された構造となっている。
【００３２】
以下、本発明による第１の実施形態の双安定素子によって、安定した双安定動作範囲が得られ、更には小型化が得られる原理を説明する。
【００３３】
図３は一般的な多モード干渉光導波路型双安定素子の動作原理を説明する図で、その双安定動作原理は、一般的に、多モード干渉光導波路３０２中において、（１）２つの同時に発振可能な経路（図３の経路３１１及び経路３１２）を有すること、（２）前記２つの経路間での相互利得差によって、どちらかの経路での発振が選択されること、による。例えば、ある一定の電流を能動光導波路に予め注入したうえで、外部から入力ポート３２１に光を入力すると、入力された経路３１１がレーザー発振経路として選択され、この際多モード干渉光導波路３０２内での経路３１１に対する利得が、経路３１２に対する利得に比較して集中することとなり、結果として経路３１１のみでの発振が得られることとなる。この状態で、今度は入力ポート３２２に光を入射すると、入力された経路３１２がレーザー発振経路として選択され、この際多モード干渉光導波路３０２内での経路３１２に対する利得が、経路３１１に対する利得に比較して集中することとなり、結果として経路３１２のみでの発振が得られ、代わりに経路３１１でのレーザー発振が停止することとなる。このようにして、２つの双安定状態が作り出される。
【００３４】
しかしながらこの図３を見ると、２つの経路３１１と３１２とが交差する領域３３１は、多モード干渉光導波路３０２の中でわずかであり、このわずかな領域における相互利得差を利用しているために、（１）安定した双安定状態（すなわち、片側の経路のみがレーザー発振する条件）が得られにくい、（２）相互利得差をある程度確保するために、比較的長い多モード干渉光導波路長が必要となり、結果として素子サイズが大きくなってしまう、という課題があった。
【００３５】
一方本発明の多モード干渉光導波路型双安定素子の原理は、下記のような原理による。
【００３６】
図１及び図４を参照してその動作原理を説明すると、図１及び図４に示す多モード干渉光導波路型双安定素子は、平面視において矩形状に形成された多モード干渉光導波路１０２と、この多モード干渉光導波路１０２に結合された第一の光導波路１０１、第二の光導波路１０３及び第三の光導波路１０４とを備える。第一の光導波路１０１及び第二の光導波路１０３は、多モード干渉光導波路１０２の一辺に結合している。第三の光導波路１０４は、多モード干渉光導波路１０２の上記一辺と対向する辺に結合している。第二の光導波路１０３及び第三の光導波路１０４は、ほぼ同一直線上に位置しており、第一の光導波路１０１は、これらと平行に設けられている。この多モード干渉光導波路型双安定素子は、以下の２つの安定モードを有する。
【００３７】
（ｉ）０次モード光
０次モード光は、第一の光導波路１０１から多モード干渉光導波路１０２へ入射し、多モード干渉光導波路１０２内をクランク状に導波した後、第三の光導波路１０４から出射する。
【００３８】
（ｉｉ）１次モード光
１次モード光は、第三の光導波路１０４から多モード干渉光導波路１０２へ入射し、多モード干渉光導波路１０２内を直線状に導波した後、第二の光導波路１０３から出射する。
【００３９】
上述のように、第二の光導波路１０３は、０次モードと１次モードとが定在波として存在できるように構成されている。多モード干渉光導波路１０２は、０次モード光と１次モード光が一体となる領域４３１を備えている。
【００４０】
以下、図４を参照して、本実施形態に係る多モード干渉光導波路型双安定素子の原理を説明する。
【００４１】
上述のように、本実施形態に係る多モード干渉光導波路型双安定素子の原理は、（１）２つの同時に発振可能な経路として４１１、４１２という経路を利用する、（２）前記２つの経路間での相互利得差によって、どちらかの経路での発振が選択されること、ということによる。特に２つの経路４１１、４１２との重なり領域４３１は、互いに半分近い領域で重なることを利用している。これは、本発明の多モード干渉光導波路において、ビート長：Ｌπ、実効導波路幅：Ｗｅ 、ｎｒ： 導波領域の屈折率、λ：波長とした時、多モード干渉光導波路長ＬＭＭＩを下記計算式：
【００４２】
【数１】
2008250110.tif 000003
【００４３】
とすると、０次モードに対してはクロス方向、１次モードに対してはバー方向に自己干渉像が生じる現象を利用している結果による。
【００４４】
図５はこの動作原理を説明するもので、図５（ａ）０次モードの、図５（ｂ）１次モードの、それぞれに対する自己干渉の様子をビーム伝搬法によってシミュレーションした結果である。
【００４５】
図５を見てわかるように、０次モード光に対してはクロス方向に、１次モード光に対してはバー方向に自己干渉像が得られることがわかる。
【００４６】
この原理を利用し、本発明では、例えば、ある一定の電流を能動光導波路に予め注入したうえで、外部からポート４２１に０次モード光を入力すると、経路４１１がレーザー発振経路として選択され、この際、経路４１１に対する利得が、経路４１２に対する利得に比較して集中することとなり、結果として経路４１１のみでの発振が得られることとなる。この状態で、今度はポート４２２に１次モード光を入射すると、経路４１２がレーザー発振経路として選択され、この際、経路４１２に対する利得が、経路４１１に対する利得に比較して集中することとなり、結果として経路４１２のみでの発振が得られ、代わりに経路４１１でのレーザー発振が停止することとなる。ここで２つの経路４１１、４１２との重なり領域は、互いに半分近い領域で重なっている。このため、設定注入電流値が従来に比べて広い電流範囲で設定できる（即ち、双安定状態が比較的安定的に作り出すことができる）うえ、ＭＭＩ領域長も比較的短く設定することができる。
【００４７】
なお、本発明では多モード干渉光導波路１０２（図１参照）の長さを数１に従って設定したが、必ずしも正確にこの長さを設定する必要は無く、数１の±１０％程度以内に多モード干渉光導波路１０２の長さが設定されていれば、本発明は適用可能である。
【００４８】
また本発明では、発光層２０３をＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）と多重量子井戸からなる通常の発光層としたが、必ずしもこれに限るわけではなく、例えばひずみ多重量子井戸としても良いし、バルク発光層としても適用可能である。
【００４９】
また、波長を１．５５μｍ帯としているが、必ずしもこれに限るわけではなく、例えば１．３μｍ帯でも良いし、可視光帯であっても本発明は適用可能である。
【００５０】
また材料系をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰとしているが、もちろんこれに限るわけではなく、ＩｎＧａＡｌＡｓとしても良いし、波長帯に合わせて自由に材料系を設定したとしても本発明は適用可能である。
【００５１】
また、光導波路構造としてリッジ構造としたが、これに限るわけではなく、例えば埋め込み構造やハイメサ構造としても本発明は適用可能である。
【００５２】
また、０次モードの入力ポートを４２１、１次モードの入力ポートを４２２としたが、これに限るわけではなく、例えば０次モードの入力ポートをポート４２２、１次モードの入力ポートをポート４２３としても本発明は適用可能である。
【００５３】
次に、図６及び図７を参照して第１の実施形態の製造方法を説明する。
【００５４】
始めに、通常のｎ−ＩｎＰ基板６０１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７を成長する（図６（ａ））。
【００５５】
次に、ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いて導波路形状にＳｉＯ２ マスク６０２を形成する（図６（ｂ））。
【００５６】
このマスクを用いて、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法によりエッチングを施し、リッジ７０３を形成する（図７（ａ））。
【００５７】
この後、熱ＣＶＤ法により全面にＳｉＯ２ 膜７０４を堆積し、ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いてリッジ直上のＳｉＯ２ 膜を除去し（図７（ｂ））、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上面電極材料を電子ビーム蒸着法により形成する。
【００５８】
この後、ウェハ裏面を研磨しＴｉ／Ａｕからなる裏面電極を形成し、端面位置にて劈開を行い、素子の製造を終了する。
【００５９】
なお、本実施の形態では、フォトリソグラフィにステッパを用いているが、これに限るわけではなく、例えば電子ビーム露光であっても適用可能である。またＳｉＯ２ 膜７０４形成法に熱ＣＶＤを用いているが、例えばプラズマＣＶＤ法であっても、スパッタ法であっても適用可能である。また、メサ形成工程方法についてもＩＣＰ法に限るわけではなく、例えばＲＩＥ法であっても適用可能であるし、ウェットエッチング法を適用しても良い。
【実施例２】
【００６０】
次に本発明の第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００６１】
図８を参照すると、本発明の第２の実施形態として、双安定素子の光導波路構成概要図が示されている。第１の実施例と同様に、基板８００上に、第一の光導波路８０１と、多モード干渉光導波路８０２と、第二の光導波路８０３と、第三の光導波路８０４とが集積されている。
【００６２】
また、第三の光導波路８０４の一部は、過飽和吸収領域８５１となっている。
【００６３】
第一の光導波路８０１、第二の光導波路８０３、及び第三の光導波路８０４の導波路幅は４μｍ程度、多モード干渉光導波路の導波路幅は１０μｍ程度としている。
【００６４】
第一の光導波路８０１及び第二の光導波路８０３の長さは５０μｍ程度、多モード干渉光導波路８０２の長さは２８０μｍ程度としている。第三の光導波路８０４の長さは１００μｍ程度とし、その内ポート４２２側５０μｍ程度を過飽和吸収領域８５１としている。
【００６５】
第１の実施例との差異は、過飽和吸収領域８５１を設けている点であり、その他は第１の実施例と同様である。
【００６６】
また、図８のＡ−Ａ’ で示される光導波路断面構造は、第１の実施例と同様に図２で示されるような、通常の多重量子井戸からなる発光層を用いたリッジ構造となっている。
【００６７】
また、第一の光導波路８０１と、多モード干渉光導波路８０２と、第二の光導波路８０３と、第三の光導波路８０４とは、層構造は同一で、差異はその導波路幅のみである。
【００６８】
その断面構造は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７から構成されている。前記ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３は、ＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）と多重量子井戸からなる通常の発光層である。
【００６９】
また、各層の厚さは、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２が１００ｎｍ程度、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３が１００ｎｍ程度、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４が２００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５が１０ｎｍ程度、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６が８００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７が１５０ｎｍ程度、それぞれ積層された構造となっている。
【００７０】
リッジ構造とするため、図２に示されるように、非導波領域においては、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７及び第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６がエッチングにより除去された構造となっている。
【００７１】
以下、本発明による第２の実施形態の双安定素子によって、安定した双安定動作範囲が得られ、更には小型化が得られる原理を説明する。
【００７２】
第２の実施例の動作原理も基本的には第１の実施例と同様である。図５はこの動作原理を説明するもので、図５（ａ）０次モードの、図５（ｂ）１次モードの、それぞれに対する自己干渉の様子をビーム伝搬法によってシミュレーションした結果である。
【００７３】
図５を見てわかるように、０次モード光に対してはクロス方向に、１次モード光に対してはバー方向に経路が設定される。
【００７４】
図４を参照すると、この原理を利用し、本発明では例えば、ある一定の電流を能動光導波路に予め注入したうえで、外部からポート４２１に０次モード光を入力すると、経路４１１がレーザー発振経路として選択され、この際、経路４１１に対する利得が、経路４１２に対する利得に比較して集中することとなり、結果として経路４１１のみでの発振が得られることとなる。この状態で、今度はポート４２２に光を入射すると、経路４１２がレーザー発振経路として選択され、この際、経路４１２に対する利得が、経路４１１に対する利得に比較して集中することとなり、結果として経路４１２のみでの発振が得られ、代わりに経路４１１でのレーザー発振が停止することとなる。ここで２つの経路４１１、４１２との重なり領域は、互いに半分近い領域で重なっている。このため、設定注入電流値が従来に比べて広い電流範囲で設定できる（即ち、双安定状態が比較的安定的に作り出すことができる）うえ、ＭＭＩ領域長も比較的短く設定することができる。
【００７５】
加えて、本実施例では過飽和吸収領域８５１（図８参照）が設けてあるため、第１の実施例と比べてより広い電流範囲で設定注入電流値が設定できる
【００７６】
なお、本発明では多モード干渉光導波路８０２の長さを数１に従って設定したが、必ずしも正確にこの長さを設定する必要は無く、数１の±１０％程度以内に多モード干渉光導波路８０２の長さが設定されていれば、本発明は適用可能である。
【００７７】
また本発明では、発光層２０３をＳＣＨ（ Separate Confinement Hetero-structure）と多重量子井戸からなる通常の発光層としたが、必ずしもこれに限るわけではなく、例えばひずみ多重量子井戸としても良いし、バルク発光層としても適用可能である。
【００７８】
また、波長を１．５５μｍ帯としているが、必ずしもこれに限るわけではなく、例えば１．３μｍ帯でも良いし、可視光帯であっても本発明は適用可能である。
【００７９】
また材料系をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰとしているが、もちろんこれに限るわけではなく、ＩｎＧａＡｌＡｓとしても良いし、波長帯に合わせて自由に材料系を設定したとしても本発明は適用可能である。
【００８０】
また光導波路構造としてリッジ構造としたが、これに限るわけではなく、例えば埋め込み構造やハイメサ構造としても本発明は適用可能である。
【００８１】
また、過飽和吸収領域８５１の長さを５０μｍとしているが、もちろんこの長さに限定するものではない。さらに、過飽和吸収領域８５１をポート４２２側に設定しているが、もちろんポート４２１及びポート４２３側に設定したとしても、本発明は適用可能である。
【００８２】
次に、図６、図７、及び図９、図１０を参照して第２の実施形態の製造方法を説明する。
【００８３】
第１の実施形態と同様に、始めに、通常のｎ−ＩｎＰ基板６０１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７を成長する（図６（ａ））。
【００８４】
次に、ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いて導波路形状にマスク６０２を形成する（図６（ｂ））。
【００８５】
このマスクを用いて、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法によりエッチングを施し、リッジ７０３を形成する（図７（ａ））。
【００８６】
この後、熱ＣＶＤ法により全面にＳｉＯ２ 膜７０４を堆積し、ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いてリッジ直上のＳｉＯ２ 膜を除去し（図７（ｂ））マスクを除去する。
【００８７】
次に、第１の実施例とは異なり、導波方向でのリッジ直上断面を見ながら、図９及び図１０にてレーザー発振用電流注入領域９４１及び過飽和吸収領域８５１の製造方法を説明する。
【００８８】
ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いて電気的分離溝形成用のマスク９０１を形成する（図９（ａ））。
【００８９】
この際、分離溝領域９４２の長さは４μｍ程度としている。この後、硫酸系エッチング液を用いて、分離溝領域９４２のコンタクト層２０７を除去する（図９（ｂ））。
【００９０】
次にマスク９０１を除去した後、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ２ 膜１００１を全面に形成し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて分離溝領域９４２以外のリッジ直上のＳｉＯ２ を除去するようマスク１００２を形成する（図１０（ａ））。
【００９１】
この後、分離溝領域９４２以外のリッジ直上のＳｉＯ２ 膜を除去し（図１０（ｂ））、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上面電極材料を電子ビーム蒸着法により形成し、ステッパによるフォトリソグラフィ法により、９４１及び８５１とが導通しないよう電極パターニングを行う。
【００９２】
この後、ウェハ裏面を研磨しＴｉ／Ａｕからなる裏面電極を形成し、端面位置にて劈開を行い、素子の製造を終了する。
【００９３】
なお、本実施の形態では、フォトリソグラフィにステッパを用いているが、これに限るわけではなく、例えば電子ビーム露光であっても適用可能である。またＳｉＯ２ 膜１００１形成法に熱ＣＶＤを用いているが、例えばプラズマＣＶＤ法であっても、スパッタ法であっても適用可能である。また、メサ形成工程方法についてもＩＣＰ法に限るわけではなく、例えばＲＩＥ法であっても適用可能であるし、ウェットエッチング法を適用しても良い。
【実施例３】
【００９４】
本発明の第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００９５】
図１１を参照すると、本発明の第３の実施形態として、双安定素子の光導波路構成概要図が示されている。基板１１００上に、第一の光導波路１１０１と、多モード干渉光導波路１１０２と、第二の光導波路１１０３と、第三の光導波路１１０４と、第四の光導波路１１１０とが集積されている。
【００９６】
第一の光導波路１１０１、第二の光導波路１１０３、第三の光導波路１１０４、及び第四の光導波路１１１０の導波路幅は４μｍ程度、多モード干渉光導波路１１０２の導波路幅は１０μｍ程度としている。
【００９７】
第一の光導波路１１０１及び第二の光導波路１１０３の長さは５０μｍ程度、多モード干渉光導波路１１０２の長さは２８０μｍ程度、第三の光導波路１１０４及び第四の光導波路１１１０の長さは５０μｍ程度としている。
【００９８】
また、図１１のＡ−Ａ’で示される光導波路断面構造は、図２で示されるような、通常の多重量子井戸からなる発光層を用いたリッジ構造となっている。
【００９９】
また、第一の光導波路１１０１と、多モード干渉光導波路１１０２と、第二の光導波路１１０３と、第三の光導波路１１０４と、第四の光導波路１１１０は、層構造は同一で、差異はその導波路幅のみである。
【０１００】
その断面構造は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７から構成されている。前記ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３は、ＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）と多重量子井戸からなる通常の発光層である。
【０１０１】
また、各層の厚さは、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２が１００ｎｍ程度、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３が１００ｎｍ程度、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４が２００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５が１０ｎｍ程度、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６が８００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７が１５０ｎｍ程度、それぞれ積層された構造となっている。
【０１０２】
リッジ構造とするため、図２に示されるように、非導波領域においては、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７及び第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６がエッチングにより除去された構造となっている。また、第四の光導波路１１１０には電流が流れないようになっている。
【０１０３】
以下、本発明による第１の実施形態の双安定素子によって、安定した双安定動作範囲が得られ、更には小型化が得られる原理を説明する。
【０１０４】
第３の実施例の動作原理も基本的には第１の実施例と同様である。図１２はこの動作を説明するもので、本発明では例えば、ある一定の電流を能動光導波路に予め注入したうえで、外部からポート１２２１に光を入力すると、経路１２１１がレーザー発振経路として選択され、この際、経路１２１１に対する利得が、経路１２１２に対する利得に比較して集中することとなり、結果として経路１２１１のみでの発振が得られることとなる。この状態で、今度は入力ポート１２２３に光を入射すると、入力された経路１２１２がレーザー発振経路として選択され、この際、経路１２１２に対する利得が、経路１２１１に対する利得に比較して集中することとなり、結果として経路１２１２のみでの発振が得られ、代わりに経路１２１１でのレーザー発振が停止することとなる。ここで２つの経路１２１１、１２１２との重なり領域１２３１は、互いに半分近い領域で重なっている。このため、設定注入電流値が従来に比べて広い電流範囲で設定できる（即ち、双安定状態が比較的安定的に作り出すことができる）うえ、ＭＭＩ領域長も比較的短く設定することができる。
【０１０５】
加えて、本実施例では第四の光導波路１１１０（図１１参照）が設定されている。この第四の光導波路１１１０は、不要光除去用光導波路として機能する。一般に、入力光として１次モード光のみを入力ポートへ入射するのは容易ではない。そのため簡便な方法としては、入力ポート中心からかなりずらした位置から光入射することにより、少なくとも０次モードと１次モードを励振させることができる。そこで図１２のポート１２２３の中心から導波路幅の１／４程度の距離を横方向にずらした位置から０次モード光を入力する。この際、１次モードが励振され、経路１２１２に沿って伝搬し、この経路のレーザー発振に寄与する。しかしながら、同時に経路１２１３に沿って０次モードが伝搬することになり、場合によっては経路１２１２の発振を阻害することがある。この現象を抑制するため、ポート１２２４に接続されている第四の光導波路１１１０には、電流を注入せずに、光を吸収させる領域として機能させている。これにより、経路１２１３での定在波が存在できなくなるため、ポート１２２３から入力される光のうち不要光が除去され、より安定した双安定状態が実現される。
【０１０６】
なお、本発明では多モード干渉光導波路１１０２の長さを数１に従って設定したが、必ずしも正確に長さを設定する必要は無く、数１の±１０％程度以内に多モード干渉光導波路１１０２の長さが設定されていれば、本発明は適用可能である。
【０１０７】
また本発明では、発光層２０３をＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）と多重量子井戸からなる通常の発光層としたが、必ずしもこれに限るわけではなく、例えばひずみ多重量子井戸としても良いし、バルク発光層としても適用可能である。
【０１０８】
また、波長を１．５５μｍ帯としているが、必ずしもこれに限るわけではなく、例えば１．３μｍ帯でも良いし、可視光帯であっても本発明は適用可能である。
【０１０９】
また材料系をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰとしているが、もちろんこれに限るわけではなく、ＩｎＧａＡｌＡｓとしても良いし、波長帯に合わせて自由に材料系を設定したとしても本発明は適用可能である。
【０１１０】
また光導波路構造としてリッジ構造としたが、これに限るわけではなく、例えば埋め込み構造やハイメサ構造としても本発明は適用可能である。
【０１１１】
また、第四の光導波路を光吸収領域としたが、必ずしもこれに限るわけではなく、たとえば曲線導波路として直線方向からずらすことによって不要光除外しても、本発明は適用可能である。また１次モード光を励振する方法として、ポート１２２３の中心から導波路幅の１／４程度の距離を横方向にずらした位置から０次モード光を入力しているが、必ずしも１／４程度とする必要は無く、仮に中心から入力したとしても１次モード励振は可能であるし、０次モード光の代わりに１次モード光を入射しても問題ない。
【０１１２】
また、本実施例では過飽和吸収領域を設けていないが、更に第２の実施例のように、ポート１２２２側、若しくはポート１２２１及び１２２３側に過飽和吸収領域を設けても、本発明は適用可能である。
【０１１３】
次に、図６、図７、及び図１３を参照して第２の実施形態の製造方法を説明する。
【０１１４】
第１の実施形態と同様に、始めに、通常のｎ−ＩｎＰ基板６０１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７を成長する（図６（ａ））。
【０１１５】
次に、ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いて導波路形状にマスク６０２を形成する（図６（ｂ））。
【０１１６】
このマスクを用いて、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法によりエッチングを施し、リッジ７０３を形成する（図７（ａ））。
【０１１７】
この後、熱ＣＶＤ法により全面にＳｉＯ２ 膜７０４を堆積する。
【０１１８】
次に、第１の実施例とは異なり、導波方向でのリッジ直上断面を見ながら、図１３にてレーザー発振用電流注入領域１３４１及び光吸収領域１３５１の製造方法を説明する。
【０１１９】
ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いて、光吸収領域１３５１以外のリッジ直上のＳｉＯ２ 膜を除去する（図１３）。
【０１２０】
この後、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上面電極材料を電子ビーム蒸着法により形成し、ウェハ裏面を研磨しＴｉ／Ａｕからなる裏面電極を形成し、端面位置にて劈開を行い、素子の製造を終了する。
【０１２１】
なお、本実施の形態では、フォトリソグラフィにステッパを用いているが、これに限るわけではなく、例えば電子ビーム露光であっても適用可能である。またＳｉＯ２ 膜７０４形成法に熱ＣＶＤを用いているが、例えばプラズマＣＶＤ法であっても、スパッタ法であっても適用可能である。また、メサ形成工程方法についてもＩＣＰ法に限るわけではなく、例えばＲＩＥ法であっても適用可能であるし、ウェットエッチング法を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す、双安定素子の光導波路構成概要図。
【図２】図１のＡ−Ａ’ で示される光導波路断面構造図。
【図３】一般的な双安定素子の動作を説明する図。
【図４】本発明の第１の実施形態の双安定素子の動作を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施形態の双安定素子の動作原理を説明するシミュレーション結果の図。
【図６】本発明の第１、第２、及び第３の実施形態の双安定素子の製造方法を示す工程図で、（ａ）はＭＯＣＶＤ工程後の断面図、（ｂ）はマスク形成後の断面図。
【図７】本発明の第１、第２、及び第３の実施形態の双安定素子の製造方法を示す工程図で、（ａ）はＩＣＰエッチング工程後の断面図、（ｂ）はマスク除去後の断面図。
【図８】本発明の第２の実施形態を示す、双安定素子の光導波路構成概要図。
【図９】本発明の第２の実施形態の双安定素子の製造方法を示す工程図で、（ａ）は分離溝形成用マスク形成後の断面図、（ｂ）は分離溝形成後の断面図。
【図１０】本発明の第２の実施形態の双安定素子の製造方法を示す工程図で、（ａ）は分離溝カバー用マスク形成後の断面図、（ｂ）はカバー後の断面図。
【図１１】本発明の第３の実施形態を示す、双安定素子の光導波路構成概要図。
【図１２】本発明の第３の実施形態の双安定素子の動作を説明する図。
【図１３】本発明の第３の実施形態の双安定素子の製造方法を示す工程図で、光吸収領域カバー後の断面図。
【符号の説明】
【０１２３】
１００  基板
１０１  第一の光導波路
１０２  多モード干渉光導波路
１０３  第二の光導波路
１０４  第三の光導波路
２０１  ｎ−ＩｎＰ基板
２０２  ｎ−ＩｎＰバッファ層
２０３  ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１.５５mm帯発光層
２０４  第一のｐ−ＩｎＰクラッド層
２０５  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層
２０６  第二のｐ−ＩｎＰクラッド層
２０７  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３０２  多モード干渉光導波路
３１１  ポート３２１から入力された経路
３１２  ポート３２２から入力された経路
３２１  ポート
３２２  ポート
３３１  相互利得領域
４１１  ポート４２１から入力された経路
４１２  ポート４２２から入力された経路
４２１  ポート
４２２  ポート
４２３  ポート
４３１  相互利得領域
６０１  ｎ−ＩｎＰ基板
６０２  マスク
７０３  リッジ
７０４  ＳｉＯ２ 膜
８００  基板
８０１  第一の光導波路
８０２  多モード干渉光導波路
８０３  第二の光導波路
８０４  第三の光導波路
８５１  過飽和吸収領域
９０１  マスク
９４１  レーザー発振用電流注入領域
９４２  分離溝領域
１００１  ＳｉＯ２ 膜
１００２  マスク
１１００  基板
１１０１  第一の光導波路
１１０２  多モード干渉光導波路
１１０３  第二の光導波路
１１０４  第三の光導波路
１１１０  第四の光導波路
１２０２  多モード干渉光導波路
１２１１  ポート１２２１から入力された経路
１２１２  ポート１２２３から入力された経路
１２１３  ポート１２２３から入力された経路
１２２１  ポート
１２２２  ポート
１２２３  ポート
１２２４  ポート
１２３１  相互利得領域
【図１】
2008250110.tif 000004
【図２】
2008250110.tif 000005
【図３】
2008250110.tif 000006
【図４】
2008250110.tif 000007
【図５】
2008250110.tif 000008
【図６】
2008250110.tif 000009
【図７】
2008250110.tif 000010
【図８】
2008250110.tif 000011
【図９】
2008250110.tif 000012
【図１０】
2008250110.tif 000013
【図１１】
2008250110.tif 000014
【図１２】
2008250110.tif 000015
【図１３】
2008250110.tif 000016