(57)【要約】【課題】  超高速でかつスイッチング・エネルギーが低く、製造も容易な、窒化物半導体中のサブバンド間遷移を利用した導波型光制御素子を実現する。【解決手段】  基板上に、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層、ＧａＮコア層、ＡｌＮクラッド層からなる多層構造が形成され、非線形光学応答を生じる光制御導波路部５の入力側に、テーパ導波路部４を介して入力導波路部３が設けられた半導体導波型光制御素子において、光制御導波路部５は多層構造をメサ状に加工した単一モード光導波路からなり、入力導波路部３及びテーパ導波路部４は多層構造の上にＡｌＮ膜１６を堆積したリッジ型光導波路からなり、テーパ導波路部４は、入力導波路部３から光制御導波路部５に向けて多層構造のメサの幅とＡｌＮ膜１６の厚さが減少し、導波路部４の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、ＡｌＮ膜１６の厚さの変化に対応して減少している。【選択図】      図１
2005215395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移により非線形光学応答を生じる光制御導波路部の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられた半導体導波型光制御素子であって、
基板上に、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、この多重量子井戸層を上下から挟むＧａＮコア層と、このＧａＮコア層の下部に設けられた平均屈折率がＧａＮコア層より低い窒化物半導体下部クラッド層と、前記ＧａＮコア層の上部に設けられた平均屈折率がＧａＮコア層より低い窒化物半導体上部クラッド層と、を有してなる多層構造が形成され、
前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層，前記ＧａＮコア層，及び前記多重量子井戸層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、
前記入出力導波路部及びテーパ導波路部は、前記多層構造の上に前記基板よりも屈折率の高い装荷層が形成されたリッジ型光導波路からなり、
前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記装荷層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、
且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における装荷層の厚さの変化に対応して減少していることを特徴とする半導体導波型光制御素子。
【請求項２】
前記装荷層は、絶縁膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体導波型光制御素子。
【請求項３】
前記絶縁膜は、ＡｌＮ膜、ＳｉＮx 膜、又はＡｌＮ膜とＳｉＮx 膜の積層構造であることを特徴とする請求項２記載の半導体導波型光制御素子。
【請求項４】
前記装荷層は、ＧａＮ層、又はＧａＮ層と厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＮ層の積層構造からなることを特徴とする請求項１記載の半導体導波型光制御素子。
【請求項５】
窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移により非線形光学応答を生じる光制御導波路部の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられた半導体導波型光制御素子であって、
前記光制御導波路部から前記入出力導波路部に至る光導波路が、前記基板側から少なくとも、窒化物半導体からなる下部クラッド層と、この下部クラッド層よりも平均屈折率が高いＧａＮ下部コア層と、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、ＧａＮ層を主構成要素とする上部コア層と、平均屈折率が前記基板よりも高く前記上部コア層よりも低い上部クラッド層と、を積層してなる多層構造からなり、
前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層，前記上部コア層，前記多重量子井戸層，及び前記下部コア層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、
前記入出力導波路部は、前記上部コア層の厚さが前記光制御導波路部より厚く形成されたリッジ型光導波路からなり、
前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記上部コア層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、
且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における上部コア層の厚さの変化に対応して減少していることを特徴とする半導体導波型光制御素子。
【請求項６】
前記光制御導波路部における多層構造の合計層厚は０．９μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は５記載の半導体導波型光制御素子。
【請求項７】
前記上部クラッド層はＡｌＮ膜、ＳｉＮx 膜、又はＡｌＮ膜とＳｉＮx 膜の積層構造であることを特徴とする請求項５記載の半導体導波型光制御素子。
【請求項８】
前記光制御導波路部のメサ側面は、前記上部クラッド層と同じ材料で覆われていることを特徴とする請求項５記載の半導体導波型光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高速光スイッチ、波長変換素子等の各種の光制御素子に係わり、特に窒化物半導体量子井戸中のサブバンド間遷移を利用した半導体導波型光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及等に伴う情報量の急増により、基幹伝送系においては近い将来、毎秒数百ギガ〜数百テラビットの大量の情報が光ファイバを飛び交うものと予想されている。このような超大容量の光ネットワークを実現するためには、１Ｔｂ／ｓオーダーの超高速動作が可能な光スイッチング素子や広帯域可変波長変換素子などの光制御素子が必要である。処理の高速化や広帯域化により、部品数の削減，小型化，制御の単純化，波長管理の簡単化等が計れる。特に、半導体光制御素子は、光ファイバ等を使った光制御素子と比べて小型，軽量，安定であり、量産化，低コスト化，集積化，低遅延時間化，高速繰り返し動作等の観点でも有利である。
【０００３】
１Ｔｂ／ｓ級の超高速半導体光制御素子の動作原理として、窒化物半導体量子井戸中のサブバンド間遷移に基づく可飽和吸収の利用が提案されている（例えば、特許文献１参照）。サブバンド間の緩和時間はバンド間の緩和時間（キャリア寿命）と比べて３桁程度高速である。これまでにＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ系、ＣｄＳ／ＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ系、ならびにＧａＮ／Ａｌ（Ｇａ）Ｎ系の量子井戸構造において、光ファイバ通信に使われる近赤外波長域のサブバンド間遷移が実現されている。中でもＧａＮ系は、ＬＯフォノンと電子の相互作用が大きいので、サブバンド間緩和時間をＩｎＧａＡｓ系と比べて一桁以上速くできる。
【０００４】
例えば、ＧａＮ量子井戸におけるサブバンド間緩和時間は室温、光通信波長帯で１４０〜４００ｆｓである。そのサブバンド間遷移の可飽和吸収（強い光が入射すると吸収係数が減少する現象）を利用すれば、１Ｔｂ／ｓ程度の超高速繰り返し時にもパターン効果（素子の応答時間が信号タイムスロットと比べて長いため、パターンに依存して応答波形等が変化したり、なまってしまったりする現象）のない、光スイッチング動作が可能になる。
【０００５】
しかし、一般に光スイッチの高速応答と消費エネルギーの間はトレードオフの関係にあり、高速の光スイッチほどエネルギー密度の高い光パルスが必要である。光通信波長帯のＧａＮ／ＡｌＮ系サブバンド間吸収の吸収ピーク波長付近における飽和光エネルギー強度（サブバンド間吸収の吸収係数が半分に減る入力光パルス・エネルギー密度）は、パルス幅（ここでは１００〜５００ｆｓを想定）や吸収スペクトル幅（量子井戸の均一性、界面の平坦性、イオン化不純物密度、井戸層の電子密度等に依存）により多少変わるが、数百ｆＪ／μｍ2 のオーダーである。
【０００６】
小さなエネルギーのパルスでスイッチングを行うためには、光導波路のモード断面積を小さくして、エネルギー密度を高くする必要がある。しかるに、断面積の小さな光導波路は外部との光結合効率が低く、強いパルス・エネルギーを入力しないと導波路内にスイッチングに必要なエネルギーを結合することができない。このような大きなエネルギーの超短光パルスは、光ファイバを波形劣化なしに安定に伝送することが困難であり、使用できる光源もあまり実用的でないものに限られていた。
【０００７】
従って、実用的な光スイッチを実現するためには、光入出力部の断面積は大きいが光スイッチ主要部の断面積が小さい、いわゆるスポット変換機能の付いた構造が必須となる。単なる幅のテーパだけでは十分な光結合効率と多重量子井戸層への強い光閉じ込めを両立させることができない。理想的なスポット変換構造は、テーパ状ＧａＮコア層をＡｌ（Ｇａ）Ｎクラッド層で埋め込んだ構造である（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
しかし、厚いＡｌＮ層や段差上のＡｌＮ層は高品質な結晶を成長するのが困難である。その一因は、ＧａＮ層との間で２．４％の格子不整合があるためで、ＡｌＮ厚膜を成長したり、段差上にＡｌＮ層を成長したりすると、大量の欠陥が発生したりして結晶品質が低下したり、更には基板が反ったりする。また、ＡｌＮ層は成長チャンバ内の残存酸素の影響等を受けやすく、この点からも高品質の厚膜を成長することが困難である。
【０００９】
その上、ＭＢＥで平坦な膜を成長するためのやや III族リッチな条件でＡｌＮ厚膜を成長すると、表面にたくさんのＡｌドロップレットが形成されることが多い。このドロップレットは純粋なＡｌではなく、Ａｌ化合物を含むため、後で塩酸処理等により除去することが難しい。ドロップレットが残っている状態では、微細パターンの形成が極めて困難である。また、ドロップレットを除去できたとしても、その下には通常転位等の結晶欠陥が形成されており、エッチング時に大きなピットができたり、転位に電子が集まったりして、深刻な光伝搬損失の原因となる。
【００１０】
従って、テーパ上のＧａＮコア層をＡｌＮクラッド層で埋め込んだ構造などのスポット径変換構造を、結晶品質をそれほど悪化させず、歩留まり良く作製することは困難であった。
【特許文献１】特開平８−１７９３８７公報
【特許文献２】特開２０００−２９４３１０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、ＧａＮ系サブバンド間遷移を利用した半導体導波型光制御素子は高速・広帯域ではあるが、効率が低く、スイッチング・エネルギーが大きいという課題があり、実用上の障害になっていた。また、格子不整合が大きく、高品質の厚いＡｌＮ層や段差上のＡｌＮ層の成長が困難であるため、上記課題を解決するためのスポット径変換構造の作製が困難であった。
【００１２】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、超高速で且つスイッチング・エネルギーが低く、且つ製造も容易な半導体導波型光制御素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１４】
即ち本発明は、窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移により非線形光学応答を生じる光制御導波路部の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられた半導体導波型光制御素子であって、基板上に、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、この多重量子井戸層を上下から挟むＧａＮコア層と、このＧａＮコア層の下部に設けられた平均屈折率がＧａＮコア層より低い窒化物半導体下部クラッド層と、前記ＧａＮコア層の上部に設けられた平均屈折率がＧａＮコア層より低い窒化物半導体上部クラッド層と、を有してなる多層構造が形成され、前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層，前記ＧａＮコア層，及び前記多重量子井戸層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、前記入出力導波路部及びテーパ導波路部は、前記多層構造の上に前記基板よりも屈折率の高い装荷層が形成されたリッジ型光導波路からなり、前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記装荷層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における装荷層の厚さの変化に対応して減少していることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移により非線形光学応答を生じる光制御導波路部の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられた半導体導波型光制御素子であって、前記光制御導波路部から前記入出力導波路部に至る光導波路が、前記基板側から少なくとも、窒化物半導体からなる下部クラッド層と、この下部クラッド層よりも平均屈折率が高いＧａＮ下部コア層と、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、ＧａＮ層を主構成要素とする上部コア層と、平均屈折率が前記基板よりも高く前記上部コア層よりも低い上部クラッド層と、を積層してなる多層構造からなり、前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層，前記上部コア層，前記多重量子井戸層，及び前記下部コア層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、前記入出力導波路部は、前記上部コア層の厚さが前記光制御導波路部より厚く形成されたリッジ型光導波路からなり、前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記上部コア層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における上部コア層の厚さの変化に対応して減少していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入出力導波路部とテーパ導波路部により素子外部からモード断面積の小さな光制御導波路部に効率的に光を結合できる。また、光制御導波路部はモード断面積が小さく光閉じ込め効果の強い単一モードのいわゆるハイメサ型光導波路なので、窒化物半導体多重量子井戸層における光電界強度を大きくでき、吸収飽和などの非線形光学効果を比較的小さなパワーの入力光で効率的に生ぜしめることができる。入出力導波路部はモード断面積が大きくても伝搬モード数がそれほど多くならないリッジ型光導波路としたことで、適切なアライメントにより擬似単一モードとして使用することができる。この結果、モード間の干渉による光出力変動等の不安定も抑圧できる。また本発明では、テーパ導波路部において、入出力導波路部から光制御導波路部に向けてリッジ型光導波路の幅を狭くすると共に、スラブ部の厚さを薄くしているので、放射損失を低レベルに抑制することができる。
【００１７】
従って、プロセス歩留まりや光導波特性を低下させていた厚いＡｌＮ膜のエピタキシャル成長が不要になるので、製造が容易になり、歩留まりも向上し、ひいてはコストや環境負荷も低減することができる。これにより、超高速で且つスイッチング・エネルギーが低く、且つ製造も容易な半導体導波型光制御素子を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。以下の説明において、特に断らない限り、光波長は１．５５μｍ近傍の近赤外波長で、偏波はＴＭモード（電界が井戸層に垂直）を仮定している。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１〜図７は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体導波型光制御素子（光スイッチ）を説明するための図である。
【００２０】
本実施形態に係わる光スイッチは、サファイア基板１（０００１）面上に積層された窒化物半導体導波層２を主構成要素としてなる。窒化物半導体導波路２は入力側から、長さ約３０μｍの入力導波路部３、長さ４０μｍの入力テーパ導波路部４、長さ３６０μｍの光スイッチ主要部（光制御導波路部）５、長さ４０μｍ出力テーパ導波路部６、長さ約３０μｍの出力導波路部７から構成される。ここでは説明を簡単化するため、入力導波路部３と出力導波路部７、入力テーパ導波路部４と出力テーパ導波路部６は、それぞれ伝搬方向に関して対称な同一構造を有するものと仮定し、出力側の詳細な説明は省略する。実際の光スイッチでは、入力側と出力側が対称な構造である必要はない。
【００２１】
本実施形態で説明する光スイッチの特徴は、光導波路を構成する層構造の上部に、窒化物半導体層と屈折率差が小さい絶縁体膜が用いられていることにある。具体的には、スパッタで形成したＡｌＮ膜が用いられている例について説明を行う。
【００２２】
図１は、この半導体導波型光スイッチの光入力部付近、即ち入力導波路部３から光スイッチ主要部５の入口に至る部分の構造を模式的に示す図である（縮尺は正確ではない）。入力側と出力側が対称なので、図１の入力導波路部３と入力テーパ導波路部４は、出力側から見ればそれぞれ出力導波路部７と出力テーパ導波路部６に相当する。図面では省略したが、光導波路の端面には無反射コーティングが施されている。
【００２３】
入力導波路部３は伝搬モードが二つのリッジ型光導波路であり、光スイッチ主要部５は単一モードのハイメサ型光導波路である。テーパ導波路部４では、入力導波路部３から光スイッチ主要部５までの４０μｍの範囲で、光導波路幅が３μｍから０．８μｍまで減少している。この間の３箇所に、一箇所当たり４００ｎｍの段差８が設けられている。段差を作製する際のレジストのベーク条件やエッチング条件等により、この段差はなるべく緩い傾斜になるように工夫されている。テーパ導波路部４により構造の異なる光導波路部３，５が接続されるが、テーパ導波路部４は多モードの光導波路であってもよい。リッジ型光導波路の両側面には、窒化物半導体層のスラブ部９が存在する。
【００２４】
図２は、光スイッチ主要部５の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図である。光スイッチ主要部５は、サファイア基板１側から、厚さ２００ｎｍのアンドープＡｌＮ下部クラッド層１１、厚さ２００ｎｍのアンドープＧａＮ下部コア層１２、厚さ４ｎｍのアンドープＡｌＮ障壁層と厚さ約２ｎｍのＳｉドープＧａＮ井戸層を１０．５対交互に積層した多重量子井戸層１３、厚さ２００ｎｍのアンドープＧａＮ層上部コア層１４、および厚さ２００ｎｍのアンドープＡｌＮ上部クラッド層１５からなる。この窒化物半導体積層構造は分子ビーム・エピタキシャル成長（ＭＢＥ）により形成された単結晶エピタキシャル成長層である。この層構造は、ドライエッチングにより幅０．８μｍのハイメサ型光導波路に加工されている。
【００２５】
なお、このハイメサ型光導波路を単一モードにするためには、メサ幅０．９μｍ以下、メサ部の層厚０．９μｍ以下とする必要がある。この光導波路は、断面積が小さく、多重量子井戸層１３にモードのピークが当たるため、多重量子井戸層１３における光強度を高くでき、比較的小さなパワーの入力光で効率的に吸収飽和を起こすことができる。光導波路側面にスラブ部が残っている場合でも、スラブ部の厚さが０．２μｍ以下であれば、この条件を満たす。
【００２６】
図３は、入力導波路部３の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図である。入力導波路部３の下部の層構造は光スイッチ主要部５の層構造１１〜１５と同じであり、その上に装荷層として厚さ１．２μｍのＡｌＮ膜１６が形成されている。このＡｌＮ膜１６は、ＭＢＥ成長ではなく、スパッタにより形成された絶縁膜である。下地層の影響で配向しやすい傾向はあるが、単結晶膜ではないので、厚いＡｌＮエピタキシャル成長層の場合に生じるような欠陥の発生と、それに起因する伝搬損失の増大が抑えられる。屈折率は２．０〜２．１であり、クラッド層としてのＡｌＮエピタキシャル成長層と同等の働きをする。この層構造はドライエッチングにより、幅３μｍ、高さ１μｍのリッジ型光導波路に加工されている。
【００２７】
この光導波路には、厚さ方向にも横方向に腹が三つ以上の伝搬モードは存在しない。基本モードに加えて横方向や高さ方向に腹が二つの伝搬モード（奇モード）も存在するが、比較的断面サイズが大きいので、奇モードを励振しないように入射光のアライメントを適切に調整すれば、擬似単一モード光導波路として使用することができる。
【００２８】
サイズが大きいにも拘わらず、厚さ方向ないし横方向に腹が三つ以上の高次のモードが存在し得ないのは、スラブ・モードとの結合により放射が起こり、伝搬モードにならないためである。全体の層厚に対してメサを深くしすぎると、スラブ・モードとの結合が弱まって多モードになってしまう。一方、層厚に対してメサが低すぎると光の閉じ込めが弱くなり、放射損失が増加する。メサ幅も、広すぎると多モードになり、狭すぎると結合効率の低下や放射損の増加が起こる。層厚やメサ幅は、それぞれ光スイッチ主要部５の２倍以上ないと、テーパ構造の効果が不十分である。構造により若干の違いはあるが、メサ高さの目安は層厚の８０％〜１３０％程度である。さらに、メサ幅の目安は層厚の８０％〜２００％程度である。
【００２９】
この光導波路はモード断面積が大きいので、先球テーパファイバやレンズを介して外部と高効率の結合が可能である。従って、入力導波路部３の璧開位置に多少の誤差があっても、光スイッチ特性や光結合特性のバラツキは小さく抑えられる。
【００３０】
図４は光伝搬方向に沿って入力テーパ導波路部４を上下に切断した断面層構造を示す図、図５はテーパ導波路部４外部のスラブ部９を図４と平行な面で切断した断面層構造である。なお、図４、図５では、伝搬方向と上下方向で縮尺が大きく異なっている。テーパ導波路部４のスパッタ形成ＡｌＮ膜１６は、長さ１０μｍ毎に設けられた高さ４００ｎｍの段差８ａ，８ｂ，８ｃにより徐々に薄くなり、最後の段差８ｃの先では上部ＡｌＮクラッド層１５が露出している。テーパ導波路部４の段差に対応して、スラブ部９にも段差８ｄ，８ｅ，８ｆが形成されており、最後の段差８ｆでサファイア基板１が露出している。
【００３１】
上述の構造は、基板全面にＡｌＮ下部クラッド層１１からスパッタ形成ＡｌＮ膜１６までを積層した後、光の伝搬方向と垂直に順次３段の段差８を作製し、その後に光導波路部３，４，５，６，７を形成することにより作製できる。２５０ｎｍ以上の厚いＡｌＮ膜の成長や段差上の成長もないため、結晶品質の低下やドロップレットの発生がなく、製造が容易である。段差８の傾斜角が小さいので、光導波路パターンが細いにも拘わらず、再現性の良いプロセスが可能である。
【００３２】
多結晶と単結晶の違いはあるが、Ｃｌ2 ／ＢＣｌ3 ／Ａｒ系のドライエッチングにより、スパッタ形成ＡｌＮ膜１６と他のエピタキシャル成長層１１〜１５は同時にエッチングされる。但し、条件によっては材料によりエッチレートが異なるため、導波路部の段差８ａ，８ｂ，８ｃと対応するスラブ部９の段差８ｄ，８ｅ，８ｆの高さが異なる。なお、説明を単純化するために、光導波路のメサ側面が垂直な場合について図示したが、実際の素子では側面に多少傾斜があっても差し支えない。
【００３３】
図６は、多重量子井戸層１３の伝導帯の構造を模式的に示す図である。III 族極性では、左側が表面側、右側が基板側である。井戸数は１０であるが、図６では中心付近の２周期についてのみ示してある。前述のように、多重量子井戸層１３は、厚さ４ｎｍのアンドープＡｌＮ障壁層１７と厚さ約２ｎｍのＧａＮ井戸層１８からなり、ＧａＮ井戸層１８にはＳｉが４×１０19ｃｍ-3程度ドープされている。
【００３４】
主面が（０００１）面のウルツ鉱型窒化物半導体ヘテロ構造には、ピエゾ電気効果と自発分極により大きな電界（数ＭＶ／ｃｍ）が生じている。この電界の向きは、ＡｌＮとＧａＮで逆になる。表面電荷の再分布や井戸層をまたがるキャリアの空間的な移動により、中央付近の井戸では一周期当たりの電圧降下がほぼゼロになっている。井戸層１８にはＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５の五つサブバンドが形成されているが、熱平衡状態で電子は殆どＥ１のみに存在する。Ｅ１−Ｅ２間のサブバンド間吸収波長は１．６μｍ付近にある。Ｅ１，Ｅ２のレベルは、内部電界の変動があってもそれほど変化しないが、Ｅ３以上の準位は内部電界（応力、厚さ等）の揺らぎに敏感であり、場所による変動が大きい。Ｅ１−Ｅ２間以外の遷移による吸収は非常に微弱である。
【００３５】
この光スイッチの光入力部近傍の光伝搬の様子をシミュレーションした。但し、計算時間短縮のため、入力導波路部３の長さは１０μｍに短縮し、入射光のビーム径は３μｍを仮定した。その結果、入力導波路部３と入力テーパ導波路部４の内部ではモード間（非伝搬モードも含む）の干渉が見られ、基板１やスラブ部９への放射損失も見られるが、端面で入力導波路部３に結合した光の６０%程度が光スイッチ主要部５の基本モードに結合するのが分かった。入力ビーム形状を最適化していないが、外部から光スイッチ主要部までの光結合損失は８ｄＢであった。
【００３６】
図７に、本実施形態の光スイッチの光透過特性を従来の光スイッチと比較して示す。入力スイッチ光の波長は１．５５μｍ、被スイッチ光の波長とパルス・エネルギーはそれぞれ１．７μｍと１０ｆＪで、パルス幅はいずれも２００ｆｓである。
【００３７】
比較例としては、図１３に示したリッジ型光導波路（ＲＷＧ）を考える。この光導波路は、サファイア基板１上に積層された、薄いＡｌＮバッファ層４１、厚さ１μｍの下部ＧａＮ層４２、波長１．５７〜１．５８μｍ付近にサブバンド間吸収があるＧａＮ／ＡｌＮ多重量子井戸層４３、厚さ１μｍの上部ＧａＮ層４４からなる。上部ＧａＮ層４４は幅３μｍのメサ状に加工されており、璧開により長さ５００μｍの導波型光デバイスとなっている。
【００３８】
図１３に示す構造の導波型光制御素子では、波長１．６５μｍの信号光パルスに対する透過／吸収が、波長１．５５μｍの強い制御光パルスによる可飽和吸収によりスイッチングされる。この光導波路への光結合損失は５ｄＢ程度であるが、入射光が厚さ約２μｍ、幅約３μｍ程度の領域に広がって伝搬するため、多重量子井戸層４３における光強度（エネルギー密度）を高く取れない。このため、図７に点線（ＲＷＧ）で示したように、消光比１０ｄＢのスイッチングに要する光パルス・エネルギーは約２３ｐＪ程度と大きく、実用的ではなかった。
【００３９】
そこで、断面が０．８μｍ角の小さなハイメサ（ＨＭ）光導波路を考える。この光導波路の場合、多重量子井戸層４３への光閉じ込めは強いが、外部からの光結合損失が１５ｄＢ程度ある。従って、図７に一点鎖線（ＨＭ）で示したように、消光比を１０ｄＢ以上とるために外から供給すべき光パルス・エネルギーは２３．４ｐＪとなり、しかも挿入損失が図１３のリッジ型光導波路よりかなり大きかった。
【００４０】
これに対し、本実施形態の光スイッチ（実線、ＴＡＰＥＲ）では、１０ｄＢの消光比を得るのに必要なスイッチング光パルス・エネルギーは、４．８ｐＪに改善された。このように本実施形態によれば、超高速光スイッチングに必要なパルス・エネルギーを大幅に低減することができる。
【００４１】
なお、光スイッチ主要部５において安定な単一モード伝搬を実現するためには、内部に多重量子井戸層１３を含むコア層１２，１４が、コア層より屈折率の低いクラッド層１１，１５に挟まれていることが必須である。この条件を満たさない場合（クラッド層が片側のみの場合も含め）、上下にジグザグに伝搬する光成分が顕著になり、長い光スイッチ主要部５を安定に伝搬させることができない。基板１への放射成分の増大や多重量子井戸層１３への光閉じ込め係数の低下が起こり、光スイッチング特性が低下する。
【００４２】
出力側６，７においては、光ビームが広がり、出射角が小さくなり、外部との光結合損失が低減される。入力側と同じ結合方式であれば、光伝搬の相反性により、ほぼ同程度の結合効率（８ｄＢ）が実現される。出力テーパ導波路部６、出力導波路部７がない場合と比べて約７ｄＢの改善になる。
【００４３】
本実施形態の半導体導波型光導波素子は、様々な変形が可能である。例えば、スパッタでもＡｌＮ膜１６を１．２μｍも堆積すると、堆積方法によってはエピタキシャル成長層にかかる応力が大きくなり、クラックの発生等の問題を生じる。その対策として、ＡｌＮ膜の上半分（６００ｎｍ程度）を、ＡｌＮ層と屈折率が近いＳｉＮx 膜（ｎ＝１．９〜２．１）で置き換えることができる。多層構造にすることで、応力の影響を低減できる。屈折率がほぼ等しいか、ＡｌＮ膜より大きくならないようにＳｉＮx 膜の堆積方法を制御すれば、光伝搬特性を上述の実施形態とほぼ同様にできる。
【００４４】
また、エピタキシャル成長ＡｌＮ層を２００ｎｍ程度余分に積層し、その上にＳｉＮx 膜を１μｍ積層するなど、様々な変形、組み合わせ、応用が可能である。熱伝導の悪いＳｉＮx  膜を使うのは放熱の観点からは若干不利になるが、入力導波路部３や入力テーパ導波路部４ではサブバンド間吸収による熱の発生が少ないので、この部分での使用に限れば、実質的な問題は生じない。
【００４５】
なお、ＭＢＥ成長層の最上層がＡｌＮだと表面が酸化されやすく、ＡｌＮ上部クラッド層１５と装荷層としてのＡｌＮ膜１６の界面付近に光導波特性に悪影響を及ぼす欠陥が生じる場合がある。その影響を避けるためには、上部クラッド層１５と装荷層１６との間に薄いＧａＮ層を挟んでもよい。
【００４６】
また、光導波路や基板の表面が窒化物半導体（或いはＳｉＮx 膜）より屈折率の小さな誘電体膜や絶縁膜で覆われていても構わない。例えば、光導波路の周囲が厚さ６００ｎｍ程度のＳｉＯ2 膜で覆われている場合、ポリイミド膜で平坦化されている場合等においても、上述の伝搬特性にはそれほど極端な差は現れない。
【００４７】
ＡｌＮクラッド層１１，１５や多重量子井戸層１３のＡｌＮ障壁層１７の一部や全部がＡｌＧａＮ層であったり、ＧａＮ／ＡｌＮ多層構造であったりしても構わない。例えば、ＡｌＮクラッド層とＧａＮコア層の間にＧａＮ／ＡｌＮ多層構造を設ければ、グレーデッドインデックス的な光閉じ込めが実現できる。また、ＧａＮ／ＡｌＮ多層構造は、転位の低減にも有効である。また、屈折率差を大きくしたり、井戸を深くしたりする目的で、コア層や井戸層の少なくとも一部をＩｎＧａＮ層としてもよい。
【００４８】
他の素子と直列に集積化する場合等、テーパ導波路部が入力側（４）か出力側（６）のいずれか一方のみにしか必要ない場合もある。入力導波路部３や出力導波路部７が長い受動導波路として用いられる場合もありうる。勿論、このような受動導波路は曲線形状であっても構わない。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々様々な変形が考えられる。
【００４９】
このように本実施形態によれば、入出力導波路部３とテーパ導波路部４により素子外部からモード断面積の小さな光スイッチ主要部５に効率的に光を結合できる。また、光スイッチ主要部５はモード断面積が小さく光閉じ込め効果の強い単一モードのハイメサ型光導波路なので、窒化物半導体多重量子井戸層における光電界強度を大きくでき、吸収飽和などの非線形光学効果を比較的小さなパワーの入力光で効率的に生ぜしめることができる。さらに、入出力導波路部３はモード断面積の大きくても伝搬モード数がそれほど多くならない、メサ高さが層厚の８０％〜１３０％で、メサ幅が層厚の８０％〜２００％のリッジ型光導波路としたことで、適切なアライメントにより擬似単一モードとして使用することができる。この結果、モード間の干渉による光出力変動等の不安定も抑圧できる。断面サイズが大きいので、アライメントも比較的容易である。
【００５０】
リッジ型導波路の入出力導波路部３とハイメサ型導波路の光スイッチ主要部５で導波路構造が異なるが、テーパ導波路部４におけるメサの高さの変動を小さく抑えており、比較的損失の小さな接続が実現される。一般的にリッジ型光導波路の幅を狭くするとスラブ部９への放射損失が増大するが、本実施形態においてはスラブ部９の厚さも薄くなるので、放射損失を低レベルに抑制することができる。
【００５１】
即ち本実施形態によれば、ドロップレット、転位、反り等の発生、増加を介してプロセス歩留まりや光導波特性を低下させていた厚いＡｌＮ膜のエピタキシャル成長が不要になるので、製造が容易になり、歩留まりも向上し、ひいてはコストや環境負荷も低減することができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体導波型光制御素子（光スイッチ）の入力導波路部３の断面構造を模式的に示す図である。
【００５３】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なるところは、ＡｌＮ絶縁膜１６の代わりにＧａＮエピタキシャル成長層２１が使われていることのみである。他の部分の構成は全く同じなので、その説明を省略する。ＧａＮは多少厚くても高品質な単結晶層をＭＢＥで成長することができる。
【００５４】
本実施形態に係わる光スイッチの光入力部近傍の光伝搬の様子をシミュレーションした。第１の実施形態の場合と同様に、入射光のビーム径は３μｍを仮定し、入力導波路部３の長さは１０μｍとした。入力導波路部３においては、屈折率の大きいＧａＮ層２１が上部クラッド層１５の上にもあるので、一種の結合光導波路になっている。第１の実施形態の場合と比べると、入力導波路部３や入力テーパ導波路部４における光分布が、屈折率が高くて厚いＧａＮ層２１に寄る傾向がある。このため、段差８で反射して基板１に放射される損失成分が増えるが、スラブ部９への放射損失が減る。結果として、光スイッチ主要部５の基本モードに結合できる光の割合は、第１の実施形態の場合と殆ど同じになる。従って、第１の実施形態の光スイッチとほぼ同等の光スイッチ特性が得られる。
【００５５】
第１の実施形態の項で述べたように、光スイッチ主要部５における上部クラッド層１５は必須である。上部クラッド層１５もＧａＮ層に置き換えてしまった構造についての光伝搬のシミュレーションを行ったところ、基本モードでの安定な伝搬が得られず、多重量子井戸層１３への光閉じ込めも悪くなるのが分かった。
【００５６】
本実施形態の光スイッチも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。例えば、図９に示したように、ＧａＮ層２１の中に段差エッチング制御用の薄いＡｌＮ層２２を挟んでもよい。例えば、ＡｌＮのエッチレートがＧａＮのエッチレートより小さくなるようなエッチング条件と、ＡｌＮとＧａＮの選択性が小さくなるエッチング条件を使い分けることにより、段差エッチング深さを制御することが可能である。或いは、ＡｌＮ層２２をマーカー層として用い、エッチング生成物（Ａｌ化合物）をモニターすることでも、エッチング深さを制御することが可能になる。このＡｌＮ層２２は薄いので、結晶品質への影響は小さい。
【００５７】
なお、図９には記載しなかったが、一番上のＧａＮ層２１の上にもＡｌＮ層２２があって構わない。勿論、これらのＡｌＮ層２２に替えてＡｌＮ／ＧａＮ多層構造やＡｌＧａＮ層を用いても同様の効果が得られる。また、装荷層としては、ＡｌＮやＧａＮに限らず、サファイア基板よりも屈折率の高いものを用いることができる。
【００５８】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体導波型光制御素子（光スイッチ）の入力テーパ導波路部４を、光伝搬方向に沿って上下に切断した断面層構造を模式的に示す図である。また、図１１と図１２は、この光スイッチの入力導波路部３と光スイッチ主要部５の断面構造を模式的に示す図である。基本的な構成は第１の実施形態と類似なので、ここでは第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５９】
本実施形態の光スイッチは、以下のようにして作製される。まず、平坦な（０００１）サファイア基板１上に、ＭＢＥにより窒化物半導体層１１，３１，１２，１３，３４を成長する。より具体的には、基板１の上に、転位低減、表面平坦化、極性制御のためのバッファ層を兼ねた厚さ５０ｎｍのＡｌＮクラッド層１１を積層し、その上にＧａＮ層とＡｌＮ層を１５対成長した総厚１５０ｎｍのＡｌＮ／ＧａＮ多層構造３１を積層する。ＡｌＮ／ＧａＮ多層構造３１は、下のＡｌＮクラッド層１１側でＡｌＮ層の方が厚めで、上のＧａＮコア層１２側でＧａＮ層の方が厚めになるように、ＧａＮ層とＡｌＮ層の相対的な割合が変調された屈折率傾斜層となっている。この多層構造３１は、転位の低減にも効果がある。ＧａＮ下部コア層１２と多重量子井戸層１３は第１の実施形態と同じであるが、その上には厚さ１．４μｍの上部ＧａＮ層３４が積層される。
【００６０】
その後、３回のパターニングとＣｌ2 ／ＢＣｌ3 ／Ａｒ系ドライエッチングにより、入出力テーパ導波路部４，６に長さ１０μｍ間隔で高さ約４００ｎｍの３段の段差８ａ，８ｂ，８ｃを形成する。このときのエッチングは、段差の傾斜が２０度以下になるような条件で行う。この結果、光スイッチ主要部５の上部ＧａＮ層３４の厚さは２００ｎｍになる。その後、１回のパターニングとＣｌ2 ／ＢＣｌ3 ／Ａｒ系ドライエッチングにより、入出力導波路部３，７で幅が約２．５μｍ、光スイッチ主要部５で幅が約０．５μｍとなるように、テーパ導波路部４，６を有する光導波路メサを形成する。エッチレートがＧａＮとＡｌＮで若干異なるため、メサの高さは入出力導波路部３，７で約８００ｎｍ、光スイッチ主要部５で約５００ｎｍとなっている。図では側面を垂直に描いたが、実際には側面の傾斜が８０度くらいの台形になる。
【００６１】
この上にスパッタによりＡｌＮ膜３５を３００ｎｍ程度堆積する。実際にはメサ側壁は若干傾斜しているので、側壁にも厚さ１５０〜２００ｎｍのＡｌＮ膜３５が堆積する。このＡｌＮ膜３５は、光スイッチ主要部５においては、上部及び側面のクラッド層として働く。さらに、全体をＳｉＯ2 膜等で覆ってもよい。その後、裏面研磨、璧開・切り出し、端面無反射コート形成、検査・選別等の工程を経て、検査に合格したチップは偏波保持ファイバ付モジュールに実装される。
【００６２】
この製造方法によれば、５０ｎｍを超える厚いＡｌＮ層の成長工程がないので、第１ないし第２の実施形態よりもさらに高品質で光損失の少ない結晶が得られる。テーパ導波路部４においては、徐々に屈折率の大きなＧａＮ層の断面寸法が縮小されていくので、損失を低く抑えることができる。また、光スイッチ主要部５においては、側面にもクラッドとなるＡｌＮ膜３５があるため、第１ないし第２の実施形態の光スイッチよりも幅方向の閉じ込め効果が大きくなり、多重量子井戸層１３内の光強度を上げることができ、より安定な基本モードの光伝搬が保証される。その他の点については、第１及び第２の実施形態とほぼ同様である。
【００６３】
本実施形態の光スイッチも、発明の趣旨を損なわない範囲で様々な変形、応用が可能である。例えば、第２の実施形態の変形例の場合と同様、ＧａＮ層４４の内部に段差エッチング制御用（或いはモニタ用）の薄いＡｌＮ層やＧａＮ／ＡｌＮ多層膜などを挿入してもよい。
【００６４】
（変形例）
本発明の半導体導波型光制御素子は、超高速光スイッチ（繰り返し〜１Ｔｂ／ｓ）だけでなく、光で光を変調する超高速光変調素子（変調帯域〜２ＴＨｚ程度）、変換波長可変の広帯域波長一括変換素子（最大波長シフト量〜１００ｎｍ程度）等にも応用可能である。多重量子井戸を結合多重量子井戸に替えて、光励起サブバンド間光増幅器として使用してもよい。必要な光パルス・スイッチング・エネルギーの低減、励起光パワーの低減等に効果がある。
【００６５】
基板もサファイアに限定されるものではない。例えば、将来高品質のＡｌＮ基板が利用できるようになれば、下部クラッド層をＡｌＮ基板で置き換えることも可能である。但し、Ｓｉ等の窒化物半導体より屈折率が高い基板を用いる場合には、基板と下部クラッド層の間に窒化物半導体より十分に屈折率の低い層を１μｍ程度挟む必要がある。
【００６６】
本発明は、以上述べた実施形態やその変形例以外にも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。
【００６７】
（まとめ）
以上説明したように本発明は、窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移による非線形光学応答を利用した半導体導波型光制御素子であって、非線形光学応答を生じる光制御導波路部を構成する光導波路の入力側か出力側の少なくとも一方に、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部を構成する光導波路よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられたものであり、特に、
（１ａ）基板上に、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、この多重量子井戸層を内部に有するＧａＮコア層と、このＧａＮコア層の下部に設けられた平均屈折率がＧａＮコア層より低い窒化物半導体下部クラッド層と、前記ＧａＮコア層の上部に設けられた平均屈折率がＧａＮコア層より低い窒化物半導体上部クラッド層と、を有してなる多層構造が形成され、
（１ｂ）前記光制御導波路部は、前記多層構造のうちの少なくとも前記上部クラッド層，前記ＧａＮコア層，及び前記多重量子井戸層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、
（１ｃ）前記入出力導波路部及びテーパ導波路部は、前記多層構造の上に厚さが該多層構造の合計層厚よりも厚く、前記基板よりも屈折率の高い装荷層が形成されたリッジ型光導波路からなり、
（１ｄ）前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記装荷層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、
（１ｅ）且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における装荷層の厚さの変化に対応して減少している、
ことを特徴とするものである。
【００６８】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００６９】
（１−１）装荷層は、絶縁膜であること。
【００７０】
（１−２）絶縁膜は、ＡｌＮ膜、ＳｉＮx 膜、又はＡｌＮ膜とＳｉＮx 膜の積層構造であること。
【００７１】
（１−３）装荷層は、ＧａＮ層、又はＧａＮ層と厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＮ層の積層構造からなること。
【００７２】
（１−４）多層構造の合計層厚は０．９μｍ以下であり、メサ幅は０．９μｍ以下であること。
【００７３】
（１−５）入出力導波路部における装荷層の屈折率は１．９以上であること。
【００７４】
（１−６）リッジ型光導波路におけるメサの高さは多層構造と装荷層の合計層厚の８０％〜１３０％であり、メサの幅は多層構造と装荷層の合計層厚の８０％〜２００％であること。
【００７５】
（１−７）基板は、サファイア，ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＮ，ＡｌＮの何れかであること。
【００７６】
（１−８）リッジ型光導波路において、装荷層は多層構造の合計層厚よりも厚く形成されていること。
【００７７】
また本発明は、窒化物半導体多重量子井戸中のサブバンド間遷移による非線形光学応答を利用した半導体導波型光制御素子であって、非線形光学応答を生じる光制御導波路部を構成する光導波路の入力側か出力側の少なくとも一方には、テーパ導波路部を介して前記光制御導波路部を構成する光導波路よりもモード断面積の大きな入出力導波路部が設けられたものであり、特に、
（２ａ）前記光制御導波路部から前記入出力導波路部に至る光導波路が、前記基板側から、窒化物半導体からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層より平均屈折率が高いＧａＮ下部コア層と、サブバンド間遷移を生じる窒化物半導体多重量子井戸層と、ＧａＮ層を主構成要素とする上部コア層と、このＧａＮ上部コア層の上部に設けられた平均屈折率が前記基板よりも高く前記上部コア層より低い上部クラッド層と、を少なくとも有してなる多層構造からなり、
（２ｂ）前記光制御導波路部は、前記多層構造の少なくとも前記上部クラッド層，前記ＧａＮ上部コア層，前記多重量子井戸層，及び前記ＧａＮ下部コア層をメサ外部で除去してなるメサ状の単一モード光導波路からなり、
（２ｃ）前記入出力導波路部及びテーパ導波路部は、前記上部コア層の厚さが前記光制御導波路部より厚くなっており、前記入出力導波路部における多層構造の合計層厚が前記光制御導波路部における多層構造の合計層厚の２倍以上であるリッジ型光導波路からなり、
（２ｄ）前記テーパ導波路部は、前記入出力導波路部から前記光制御導波路部に向けて前記多層構造のメサの幅と前記上部コア層の厚さが連続的又は断続的に減少しており、
（２ｅ）且つ前記入出力導波路部に接する部分から前記光制御導波路部に向けて前記テーパ導波路部の両側面に延伸するスラブ部の厚さが、前記テーパ導波路部における上部コア層の厚さの変化に対応して減少している、
ことを特徴とする。
【００７８】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００７９】
（２−１）上部クラッド層は、ＡｌＮ膜、ＳｉＮx 膜、又はＡｌＮ膜とＳｉＮx 膜の積層構造であること。
【００８０】
（２−２）光制御導波路部のメサ側面も上部クラッド層と同じ材料で覆われていること。
【００８１】
（２−３）上部クラッド膜の屈折率は１．９以上であること。
【００８２】
（２−４）リッジ型光導波路におけるメサの高さは多層構造と装荷層の合計層厚の８０％〜１３０％であり、メサの幅は多層構造と装荷層の合計層厚の８０％〜２００％であること。
【００８３】
（２−５）基板は、サファイア，ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＮ，ＡｌＮの何れかであること。
【００８４】
（２−６）多層構造の合計層厚は０．９μｍ以下であり、メサ幅は０．９μｍ以下であること。
【００８５】
（２−６）リッジ型光導波路における多層構造の合計層厚が前記光制御導波路部における多層構造の合計層厚の２倍以上であること。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体光スイッチの光入力部付近の構造を模式的に示す斜視図。
【図２】第１及び第２の実施形態に係わる半導体光スイッチの光スイッチ主要部の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。
【図３】第１の実施形態に係わる半導体光スイッチの入力導波路部の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。
【図４】第１の実施形態に係わる半導体光スイッチにおいて、光伝搬方向に沿って入力テーパ導波路部を上下に切断した断面層構造を模式的に示す図。
【図５】第１実施形態に係わる半導体光スイッチにおいて、テーパ導波路部の両側に広がるスラブ部を、テーパ導波路の光伝搬方向と平行な面で上下に切断した断面層構造を模式的に示す図。
【図６】第１から第３の実施形態に係わる半導体光スイッチの多重量子井戸層の一部（量子井戸２周期分）の伝導帯バンド構造を模式的に示す図。
【図７】第１の実施形態に係わる半導体導光スイッチの光パルス入出力特性（ＴＡＰＥＲ）を従来技術の半導体導波型光制御素子の特性（ＲＷＧ，ＨＭ）と比較して示す図。
【図８】第２の実施形態に係わる半導体光スイッチの入力導波路部３の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。
【図９】第２の実施形態の変形例に係わる半導体導光スイッチにおいて、入力テーパ導波路部を光伝搬方向に沿って上下に切断した断面層構造を模式的に示す図。
【図１０】第３の実施形態に係わる半導体光スイッチにおいて、入力テーパ導波路部を光伝搬方向に沿って上下に切断した断面層構造を模式的に示す図。
【図１１】第３の実施形態に係わる半導体光スイッチの入力導波路部の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。
【図１２】第３の実施形態に係わる半導体光スイッチの光スイッチ主要部の光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。
【図１３】比較例として従来の半導体光スイッチの光伝搬方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００８７】
１…サファイア基板
２…窒化物半導体層
３…入力導波路部
４…入力テーパ導波路部
５…光スイッチ主要部
６…出力テーパ導波路部
７…出力導波路部
８…段差
９…スラブ部
１１…ＡｌＮ下部クラッド層
１２…ＧａＮ下部コア層
１３，４３…多重量子井戸層
１４…ＧａＮ上部コア層
１５…ＡｌＮ上部クラッド層
１６，３５…スパッタ形成ＡｌＮ膜
１７…ＡｌＮ障壁層
１８…ＳｉドープＧａＮ井戸層
２１，３４…ＧａＮ層
２２…エッチング制御用ＡｌＮ層
３１…ＧａＮ／ＡｌＮ多層構造
【図１】
2005215395.tif 000003
【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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