(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御光で信号光をオン／オフする光−光スイッチング方法において、
ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．８以下）、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ（ｙは０以上０．８２以下）、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚは０．４以上１以下）およびＩｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃ（ａ、ｂ、ａ＋ｂは０以上１以下、ｃは０より大きく１未満、又は、ａ、ｂ、ａ＋ｂは０より大きく１未満、ｃは０以上１以下。但し、両組成が重複する場合を除く。）のいずれかの組成からなる二光子吸収特性を有する化合物半導体（ただし、量子井戸、量子細線、量子ドットのような量子効果のある構造および半導体周期構造を有しない）に、光強度の低い信号光を照射しつつ、光強度の高い制御光を間欠的に照射し、該制御光の照射時には発生した二光子吸収により該信号光の通過を遮断し、該制御光の非照射時には該信号光を通過させることを特徴とする、光−光スイッチング方法。
【請求項２】
ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ中のｘが０より大きく０．５３以下であり、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ中のｙが０以上０．６９以下であり、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ中のｚが０．４以上０．７５以下であることを特徴とする、請求項１記載の光−光スイッチング方法。
【請求項３】
前記信号光と前記制御光は、式［ｈｃ／λsignal＋ｈｃ／λcontrol  ≧ ｈｃ／λgap （式中、ｈ：プランク定数、ｃ：光の速度、λsignal：信号光の波長、λcontrol：制御光の波長、λgap：前記化合物半導体の基礎吸収端の波長）］の関係を満たすことを特徴とする、請求項１または請求項２記載の光−光スイッチング方法。
【請求項４】
前記化合物半導体が単結晶であることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の光−光スイッチング方法。
【請求項５】
前記化合物半導体がバルク半導体であることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の光−光スイッチング方法。
【請求項６】
ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．８以下）、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ（ｙは０以上０．８２以下）、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚは０．４以上１以下）およびＩｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃ（ａ、ｂ、ａ＋ｂは０以上１以下、ｃは０より大きく１未満、又は、ａ、ｂ、ａ＋ｂは０より大きく１未満、ｃは０以上１以下。但し、両組成が重複する場合を除く。）のいずれかの組成からなる二光子吸収特性を有する化合物半導体（ただし、量子井戸、量子細線、量子ドットのような量子効果のある構造および半導体周期構造を有しない）、該化合物半導体へ入力する制御光と信号光の伝播手段および該半導体を透過した信号光の伝播手段からなることを特徴とする、光−光スイッチング素子。
【請求項７】
ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ中のｘが０より大きく０．５３以下であり、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ中のｙが０以上０．６９以下であり、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ中のｚが０．４以上０．７５以下であることを特徴とする、請求項６記載の光−光スイッチング素子。
【請求項８】
前記化合物半導体が単結晶であることを特徴とする、請求項６または請求項７記載の光−光スイッチング素子。
【請求項９】
前記化合物半導体がバルク半導体であることを特徴とする、請求項６〜請求項８のいずれか１項記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１０】
前記制御光の伝播手段と前記信号光の伝播手段が導波路であり、前記化合物半導体へ連結していることを特徴とする、請求項６〜請求項９のいずれか１項記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１１】
前記信号光の入力用導波路と前記制御光の入力用導波路と、前記信号光の出力用導波路とが、前記化合物半導体を挟んで対向位置にあることを特徴とする、請求項１０記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１２】
前記信号光の入力用導波路と前記信号光の出力用導波路とが、前記化合物半導体を挟んで対向位置にあり、前記制御光の入力用導波路が、前記信号光の入力用導波路と前記信号光の出力用導波路を結ぶ直線に交叉するように前記化合物半導体に連結していることを特徴とする、請求項１０記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１３】
前記化合物半導体が、それよりも屈折率が小さいクラッドで挟持または包囲されていることを特徴とする、請求項１１または請求項１２記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１４】
各導波路と前記化合物半導体とが、基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１１または請求項１２記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１５】
前記化合物半導体が、それよりも屈折率が小さいクラッドで挟持または包囲されていることを特徴とする、請求項１４記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１６】
前記化合物半導体、前記クラッド、前記導波路ともに層状であり、前記化合物半導体、前記クラッドは、下部クラッド層、前記化合物半導体層、上部クラッド層の順に、および前記導波路は、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層の順に、基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１５記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１７】
前記化合物半導体が平面視にて正方形または長方形であることを特徴とする、請求項１１または請求項１２記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１８】
前記化合物半導体が平面視にて略Ｔ字形であり、前記信号光の入力用導波路と前記信号光の出力用導波路が、略Ｔ字の横線部分を挟んで対向位置に連結しており、前記制御光用の導波路が略Ｔ字の縦線の下端に連結していることを特徴とする、請求項１０記載の光−光スイッチング素子。
【請求項１９】
前記一対の導波路間の距離は、１００ｎｍ〜５００μｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１１または請求項１２記載の光−光スイッチング素子。
【請求項２０】
基板上に前記化合物半導体を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする、請求項１４記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
【請求項２１】
基板上に、下部クラッド層、前記化合物半導体層、ついで上部クラッド層を積層する工程および導波路用の下部クラッド層、コア層、ついで上部クラッド層を積層する工程からなることを特徴とする、請求項１６記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
【請求項２２】
二光子吸収特性を有する化合物半導体結晶ウェーハ上に、エピタキシー成長法を用いて前記化合物半導体層を形成する工程および前記導波路を形成する工程からなることを特徴とする、請求項２１記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
【請求項２３】
前記化合物半導体層を形成する工程は、分子線エピタキシー法又は有機金属化学堆積法を用いることを特徴とする、請求項２２記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
【請求項２４】
(1)基板上に前記化合物半導体用下部クラッド層を形成し、該下部クラッド層上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する前記化合物半導体コア層を形成し、ついで該コア層上に前記化合物半導体用上部クラッド層を形成する工程、(2)前記上部クラッド層上（但し、平面視にて略Ｔ字形状の導波路形成予定領域を除く）にレジスト層を形成する工程、(3)導波路形成予定領域の前記上部クラッド層、前記コア層および前記下部クラッド層をエッチングして除去する工程、(4)前記レジスト層上と導波路形成予定領域の基板上に導波路用下部クラッド層を形成し、該導波路用下部クラッド層上に導波路用コア層を形成し、ついで該導波路用コア層上に導波路用上部クラッド層を形成する工程、(5)前記レジスト層およびその上層部をリフトオフする工程、(6)平面視にて略Ｔ字形状の導波路領域および前記化合物半導体用上部クラッド層上にレジスト層を形成する工程、(7)前記レジスト層で被覆されていない前記化合物半導体用上部クラッド層、前記化合物半導体コア層および前記化合物半導体用下部クラッド層をエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジスト層を除去する工程からなることを特徴とする、請求項１２を引用した請求項１７記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング方法、二光子吸収スイッチング素子、すなわち二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報化社会において情報量の増大化が顕著であり、それに対応すべく光を用いた光通信及び光情報処理システムの構築が期待されている。特に光通信及び光情報処理システムにおいては、光交換器、光中継器などが期待され、これを実現するには光を用いるスイッチング素子やこれらを用いた論理回路などが必要である。光を用いるスイッチング素子やこれらを用いた論理回路においては、広い波長領域において高速に応答することが求められている。【０００３】
制御光により信号光のオン／オフを制御する光−光スイッチが、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている。【０００４】
特許文献１、特許文献２記載の光−光スイッチは一光子吸収特性を有する半導体を利用しており、特許文献３の光−光スイッチは二光子吸収特性を有する擬一次元遷移金属化合物を利用している。【０００５】
図１（Ａ）は一光子吸収特性を示す概念図である。【０００６】
一光子吸収特性は、図1（Ａ）の上部の伝導帯と下部の価電子帯との間のバンドギャップに相当するエネルギー以上のエネルギーを有する光が当たれば、一個の光子を吸収して価電子帯から伝導帯に電子が遷移するという特性である。【０００７】
特許文献１記載の光−光スイッチは、一光子吸収特性を利用しており、半導体薄膜のバンドギャップエネルギーがその制御光や信号光などの光の波長に対応するフォトンエネルギーよりも８０ｍｅＶ以上小さくなるようにしたものである。この光−光スイッチは、高速応答性を得るために，バンド端波長（基礎吸収端）ではなく、それよりも短い波長（バンド内部波長）を利用しており、そのために低温成長の試料を用いる必要がないことを特徴としている。【０００８】
ここで、一光子吸収を利用した可飽和吸収特性は、強い光励起密度によって発生した高密度キャリアが状態密度を占有するために生じるバンドフィリング効果、あるいは高密度キャリアによって生じる多体効果であるバンドギャップのリノーマリゼーション効果、更にはワニエ励起子に基づく位相空間フィリング効果などによって生じるものである。そのため、価電子帯から伝導帯に励起された電子が元に戻るためには再結合過程を経なければならない。【０００９】
しかしながら、特許文献１の光−光スイッチでは、結局、励起キャリアのバンド端での再結合過程を高速化しているわけではないため、励起されたキャリア（電子，ホール）がバンド端にたまってしまい、連続使用すると特性が劣化していく「パターン効果」が発生するという問題がある。【００１０】
特許文献２記載の光−光スイッチは、一光子吸収特性を利用しており、半導体基板上に製作したIII −Ｖ族化合物半導体からなる半導体薄膜結晶において、該薄膜結晶は成長温度が１５０℃〜４５０℃の範囲であり、Ｖ族元素とIII 族元素のビーム強度比Ｖ／III が２〜２００の範囲であり、Ｂｅ又はＣのドーパントがドープされているという条件で成長されており、該薄膜結晶がそのバンド端波長で吸収飽和の過渡特性において１ｐｓ程度の時定数を持つ急峻な応答だけを示し、その他の緩慢応答は無視できる程度に小さくするものである。つまり、広波長帯域性・超高速性を得るために、Be又はＣドーピングと低温成長をした半導体材料を用いて緩慢応答成分を除去することを特徴としている。【００１１】
しかしながら、特許文献２記載の意図的に薄膜中に結晶欠陥を導入する手法では各半導体材料に応じて成長温度やドーパント量などを個々に調節しなければならず、また再結合速度は有限であるために連続パルス照射時にはキャリアの蓄積が生じる「パターン効果」が生じやすいという問題がある。【００１２】
特許文献１、特許文献２記載の一光子吸収特性を利用した光−光スイッチは、光通信波長として極めて有用な１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲の様々な波長に対する高速応答が実現されていないという問題もある。【００１３】
さらには、一光子吸収を利用した光非線形材料の中には同時に起こる二光子吸収に阻害されて使いにくい恐れがあるものがあり問題である。【００１４】
一方、材料の二光子吸収特性とは、光強度の高い光を当てると二つの光子を用いた遷移確率（二光子吸収）が上がり、材料の光の吸収係数が増加する特性である。図１（Ｂ）は二光子吸収特性を示す概念図である。図１（Ｂ）で示すように光強度の高い光を当てると二個の光子を吸収して価電子帯から伝導帯に電子が遷移するという特性である。【００１５】
なお、ＩｎＰにおける二光子吸収特性が下記非特許文献１に記載されており、ＧａＡｓとＩｎＰにおける二光子吸収特性の検討が下記非特許文献２に記載されているが、ともに光−光スイッチへの応用は、記載も示唆もされていない。また、ＧａＡｓは二光子吸収特性を実質的に有するとは言えず、光−光スイッチングへ応用は困難である。【００１６】
特許文献３記載の光−光スイッチは、光で別の光をオンオフする光−光スイッチにおいて、非線形光学材料として擬１次元遷移金属酸化物を使用し、ポンプ光（制御光）とプローブ光（信号光）のフォトンエネルギーの和を、二光子吸収のピークの近傍に設定したことを特徴としている。特許文献３記載の光−光スイッチは、二光子の各々のエネルギー（波長）を変え、二光子吸収の効率のよい二光子のエネルギー和を検討している。そして、その二光子のエネルギー和値における二光子吸収の時間応答を検討している。【００１７】
特許文献３記載の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチ、すなわち光−光スイッチング素子は、非線形光学材料がＳｒ２ＣｕＯ３又はＳｒＣｕＯ２であり、組成を変化させることができないため、物性（波長依存性や２光子吸収特性など）の最適化ができないという問題、基板上に成長できないため光導波路を作製し難いという問題、デバイスの集積化に向かないという問題がある。【００１８】
光−光スイッチにおける信号光の波長は、通常の光通信波長域（１２００ｎｍ−１７００ｎｍ）にあることが好ましく、特には最もよく使用される１５５０ｎｍ（＝０．８ｅＶ）近傍であることが好ましい。しかしながら、特許文献３では、信号光の波長が１５５０ｎｍ（＝０．８ｅＶ）である場合の二光子吸収特性である透過率変化の測定結果は無く、信号光の波長が光通信波長域（１３００ｎｍ−１６００ｎｍ）の範囲であったとしても、１．３８μｍ、すなわち１３８０ｎｍ（＝０．９ｅＶ）での二光子吸収特性である透過率変化の測定結果はτ＝１．８ｐｓという遅い応答成分が大きく、この遅い成分があるために次の信号光の透過率が影響されてしまうという問題がある。【００１９】
【特許文献１】特開２００３−８４３２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７０５９６号公報
【特許文献３】特許第３５３３１３７号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｖｉｇｎａｕｄら、“Ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｉｎ  ＩｎＰ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  １．５５μｍ  ｒａｎｇｅ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２００４年、８５巻、２号、２３９〜２４１頁
【非特許文献２】Ｃ．Ｃ．Ｌｅｅら、“Ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｉｎ  ＧａＡｓ  ａｎｄ  ＩｎＰ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２０巻、１号、１８〜２０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
そこで、本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、連続使用しても「パターン効果」が生じにくく、光通信波長域において広波長帯域性を有し、高速応答の光−光スイッチングが可能である光−光スイッチング方法；連続使用しても「パターン効果」が生じにくく、材料設計上の尤度が高く、すなわち材料組成を変化させることにより光学物性（波長依存性や二光子吸収特性）の最適化が容易であり、作製条件の制限がゆるく、すなわちドーパント、量子準位等の条件設定が不要であり、基板上での作製が容易であり、デバイスの集積化が可能である光−光スイッチング素子、および前記光−光スイッチング素子を効率よく簡易に製造することができる光−光スイッチング素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的は、以下の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング方法、光−光スイッチング素子およびその製造方法により達成される。【００２２】
本願第１群の発明は、以下の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング方法に関する。【００２３】
［１］制御光で信号光をオン／オフする光−光スイッチング方法において、二光子吸収特性を有する半導体に、光強度の低い信号光を照射しつつ、光強度の高い制御光を間欠的に照射し、該制御光の照射時には発生した二光子吸収により該信号光の通過を遮断し、該制御光の非照射時には該信号光を通過させることを特徴とする光−光スイッチング方法。
［２］前記信号光と前記制御光は、式［ｈｃ／λsignal＋ｈｃ／λcontrol  ≧ ｈｃ／λgap （式中、ｈ：プランク定数、ｃ：光の速度、λsignal：信号光の波長、λcontrol：制御光の波長、λgap：前記半導体の基礎吸収端の波長）］の関係を満たすことを特徴とする［１］記載の光−光スイッチング方法。
［３］前記半導体は、その基礎吸収端の波長が１７００ｎｍ以下であり、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で、二光子吸収特性を有することを特徴とする［１］または［２］記載の光−光スイッチング方法。
［４］前記半導体がIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体であることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載の光−光スイッチング方法。
［５］前記III族元素がＩｎ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種であり、前記V族元素がＡｓ，Ｐ，Ｎの少なくとも１種である（但し、ＧａＡｓを除く）ことを特徴とする［４］記載の光−光スイッチング方法。
［６］前記化合物半導体がＩｎＰ，ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．８以下）、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ（ｙは０以上０．８２以下）、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚは０以上１以下）およびＩｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃ（ａ、ｂ、ａ＋ｂは０以上１以下、ｃは０より大きく１未満、又は、ａ、ｂ、ａ＋ｂは０より大きく１未満、ｃは０以上１以下。但し、両組成が重複する場合を除く。）の少なくともいずれかの組成からなることを特徴とする［５］記載の光−光スイッチング方法。
［７］前記化合物半導体がＩｎＰ，ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．５３以下）、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ（ｙは０以上０．６９以下）、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚは０以上０．７５以下）およびＩｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃ（ａ、ｂ、ａ＋ｂは０以上１以下、ｃは０より大きく１未満、又は、ａ、ｂ、ａ＋ｂは０より大きく１未満、ｃは０以上１以下。但し、両組成が重複する場合を除く。）の少なくともいずれかの組成からなることを特徴とする［５］記載の光−光スイッチング方法。
［８］前記半導体が単結晶であることを特徴とする［４］〜［７］のいずれかに記載の光−光スイッチング方法。【００２４】
本願第２群の発明は、以下の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子に関する。【００２５】
［９］二光子吸収特性を有する半導体、該半導体へ入力する制御光と信号光の伝播手段および該半導体を透過した信号光の伝播手段とからなることを特徴とする光−光スイッチング素子。
［１０］制御光と信号光の伝播手段が導波路であり、前記半導体へ連結していることを特徴とする［９］記載の光−光スイッチング素子。
［１１］信号光と制御光の入力用導波路と、信号光出力用導波路とが、前記半導体を挟んで対向位置にあることを特徴とする［１０］記載の光−光スイッチング素子。
［１２］信号光入力用導波路と信号光出力用導波路とが、前記半導体を挟んで対向位置にあり、制御光入力用導波路が、信号光入力用導波路と信号光出力用導波路を結ぶ直線に交叉するように前記半導体に連結していることを特徴とする［１０］記載の光−光スイッチング素子。
［１３］前記半導体がそれよりも屈折率が小さいクラッドで挟持または包囲されていることを特徴とする［１１］または［１２］記載の光−光スイッチング素子。
［１４］各導波路と前記半導体とが基板上に形成されていることを特徴とする［１１］または［１２］記載の光−光スイッチング素子。
［１５］前記半導体がそれよりも屈折率が小さいクラッドで挟持または包囲されていることを特徴とする［１４］記載の光−光スイッチング素子。
［１６］前記半導体、前記クラッド、前記導波路ともに層状であり、前記半導体、前記クラッドは、下部クラッド層、半導体層、上部クラッド層の順に、および前記導波路は、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層の順に、基板上に形成されていることを特徴とする［１５］記載の光−光スイッチング素子。
［１７］前記半導体が平面視にて正方形または長方形であることを特徴とする［１１］または［１２］記載の光−光スイッチング素子。
［１８］前記半導体が平面視にて略Ｔ字形であり、信号光入力用導波路と信号光出力用導波路が、略Ｔ字の横線部分を挟んで対向位置に連結しており、制御用導波路が略Ｔ字の縦線の下端に連結していることを特徴とする［１０］記載の光−光スイッチング素子。
［１９］基礎吸収端の波長が、１７００ｎｍ以下であり、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で、二光子吸収特性を有することを特徴とする［９］記載の光−光スイッチング素子。
［２０］前記二光子吸収特性を有する半導体がIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体であることを特徴とする［９］または［１９］記載の光−光スイッチング素子。
［２１］前記III族元素がＩｎ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種であり、前記V族元素がＡｓ，Ｐ，Ｎの少なくとも１種である（但し、ＧａＡｓを除く）ことを特徴とする［２０］記載の光−光スイッチング素子。
［２２］前記化合物半導体がＩｎＰ，ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．８以下）、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ（ｙは０以上０．８２以下）、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚは０以上１以下）およびＩｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃ（ａ、ｂ、ａ＋ｂは０以上１以下、ｃは０より大きく１未満、又は、ａ、ｂ、ａ＋ｂは０より大きく１未満、ｃは０以上１以下。但し、両組成が重複する場合を除く。）の少なくともいずれかの組成からなることを特徴とする［２１］記載の光−光スイッチング素子。
［２３］前記化合物半導体がＩｎＰ，ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．５３以下）、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ（ｙは０以上０．６９以下）、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚは０以上０．７５以下）およびＩｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃ（ａ、ｂ、ａ＋ｂは０以上１以下、ｃは０より大きく１未満、又は、ａ、ｂ、ａ＋ｂは０より大きく１未満、ｃは０以上１以下。但し、両組成が重複する場合を除く。）の少なくともいずれかの組成からなることを特徴とする［２１］記載の光−光スイッチング素子。
［２４］前記一対の導波路間の距離は、１００ｎｍ〜５００μｍの範囲内にあることを特徴とする［１１］または［１２］記載の二光子吸収スイッチング素子。
［２５］前記半導体が単結晶であることを特徴とする［２０］〜［２３］のいずれかに記載の光−光スイッチング素子。【００２６】
前記［１７］では、「前記半導体が平面視にて正方形または長方形であることを特徴とする［１３］〜［１６］のいずれかに記載の光−光スイッチング素子」であってもよい。
前記［１８］では、「前記半導体が平面視にて略Ｔ字形であり、信号光入力用導波路と信号光出力用導波路が、略Ｔ字の横線部分を挟んで対向位置に連結しており、制御用導波路が略Ｔ字の縦線の下端に連結していることを特徴とする［１３］〜［１６］のいずれかに記載の光−光スイッチング素子」であってもよい。
前記［１９］では、「基礎吸収端の波長が、１７００ｎｍ以下であり、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で、二光子吸収特性を有することを特徴とする［１０］〜［１８］のいずれかに記載の光−光スイッチング素子」であってもよい。
前記［２０］では、「前記二光子吸収特性を有する半導体がIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体であることを特徴とする［１０］〜［１８］のいずれかに記載の光−光スイッチング素子」であってもよい。
前記［２４］では、「前記一対の導波路間の距離は、１００ｎｍ〜５００μｍの範囲内にあることを特徴とする［１３］〜［１８］のいずれかに記載の二光子吸収スイッチング素子」であってもよい。【００２７】
本願第３群の発明は、以下の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子の製造方法に関する。【００２８】
［２６］基板上に二光子吸収特性を有する半導体を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする［１４］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
［２７］基板上に、下部クラッド層、半導体層、ついで上部クラッド層を積層する工程および導波路用の下部クラッド層、コア層、ついで上部クラッド層を積層する工程からなる［１６］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
［２８］二光子吸収特性を有する半導体結晶ウェーハ上に、エピタキシー成長法を用いて半導体層を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする［２６］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
［２９］前記二光子吸収特性を有する半導体層を形成する工程は、分子線エピタキシー法又は有機金属化学堆積法のいずれかを用いることを特徴とする［２８］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
［３０］(1)基板上に二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層を形成し、該下部クラッド層上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体コア層を形成し、ついで該コア層上に二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層を形成する工程、(2)前記上部クラッド層上（但し、平面視にて略Ｔ字形状の導波路形成予定領域を除く）にレジスト層を形成する工程、(3)導波路形成予定領域の前記上部クラッド層、前記コア層および前記下部クラッド層をエッチングして除去する工程、(4)前記レジスト層上と導波路形成予定領域の基板上に導波路用下部クラッド層を形成し、該導波路用下部クラッド層上に導波路用コア層を形成し、ついで該導波路用コア層上に導波路用上部クラッド層を形成する工程、(5)前記レジスト層およびその上層部をリフトオフする工程、(6)平面視にて略Ｔ字形状の導波路領域および二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層上にレジスト層を形成する工程、(7)前記レジスト層で被覆されていない二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、二光子吸収特性を有する半導体コア層および二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層をエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジスト層を除去する工程からなることを特徴とする、［１２］を引用した［１７］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。【００２９】
前記［２６］では、「基板上に二光子吸収特性を有する半導体を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする［１５］〜［２５］のいずれかに記載の光−光スイッチング素子の製造方法」であってもよい。
前記［２７］では、「基板上に、下部クラッド層、半導体層、ついで上部クラッド層を積層する工程および導波路用の下部クラッド層、コア層、ついで上部クラッド層を積層する工程からなる［１７］〜［２５］のいずれかに記載の光−光スイッチング素子の製造方法」であってもよい。【００３０】
光−光スイッチング素子の製造方法は、以下の通りでもよい。
［３１］(1)基板上に二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層を形成し、該下部クラッド層上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体コア層を形成し、ついで該コア層上に二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層を形成する工程、(2)前記上部クラッド層上（但し、平面視にて略Ｔ字の縦線である導波路形成予定領域を除く）にレジスト層を形成する工程、(3)導波路形成予定領域の前記上部クラッド層、前記コア層および前記下部クラッド層をエッチングして除去する工程、(4)前記レジスト層上と導波路形成予定領域の基板上に導波路用下部クラッド層を形成し、該導波路用下部クラッド層上に導波路用コア層を形成し、ついで該導波路用コア層上に導波路用上部クラッド層を形成する工程、(5)前記レジスト層およびその上層部をリフトオフする工程、(6) 導波路用上部クラッド層および二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層上（但し、平面視にて略Ｔ字の横線）にレジスト層を形成する工程、(7)前記レジスト層で被覆されていない二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、二光子吸収特性を有する半導体コア層および二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層をエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジスト層を除去する工程からなることを特徴とする、［１２］を引用した［１７］記載（但し、平面視にて長方形のもの）の光−光スイッチング素子の製造方法。
［３２］(1)基板上に二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層を形成し、該下部クラッド層上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体コア層を形成し、ついで該コア層上に二光子吸収特性を有する半導体上部クラッド層を形成する工程、(2) 前記上部クラッド層上に平面視にて略Ｔ字形状のレジストを形成する工程、(3)前記レジスト層で被覆されていない二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、二光子吸収特性を有する半導体コア層および二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層をエッチングして除去する工程、ついで(4)前記レジスト層を除去する工程からなることを特徴とする［１８］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
【発明の効果】
【００３１】
本願第１群の発明の光−光スイッチング方法によると、連続使用しても「パターン効果」が生じにくく、通常の光通信波長域において広波長帯域性を有し、高速応答の光−光スイッチングが可能となる。本願第２群の発明の光−光スイッチング素子は、連続使用しても「パターン効果」が生じにくく、通常の光通信波長における高速応答が可能であり、材料設計上の尤度が高く、すなわち材料組成を変化させることにより光学物性（波長依存性や二光子吸収特性）の最適化が容易であり、作製条件の制限がゆるく、すなわちドーパント、量子準位等の条件設定が不要であり、基板上での作製が容易であり、デバイスの集積化が可能である。また、本願第３群の発明の光−光スイッチング素子の製造方法により、前記光−光スイッチング素子を効率よく簡易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一光子吸収特性及び二光子吸収特性を説明するための図。
【図２】二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング動作を説明する図。
【図３】成長温度毎のＩｎＧａＡｓ組成比と基礎吸収端波長との関係を示す図
【図４】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ａの断面概略図。
【図５】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｂの斜視概略図。
【図６】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｃの斜視概略図。
【図７】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｄの斜視概略図。
【図８】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｅの斜視概略図。
【図９】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｆの斜視概略図。
【図１０】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｇの斜視概略図。
【図１１】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｃの製造方法を示す図。
【図１２】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｄの製造方法を示す図。
【図１３】実施形態に係る光−光スイッチング素子Ｅの製造方法を示す図。
【図１４】光透過率変化を測定するための測定系を示す概略図。
【図１５】ポンプ・プローブ法における測定系を示す概略図。
【図１６】ＩｎＰを用いた場合の二光子吸収特性を示す図。
【図１７】Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓを用いた場合の二光子吸収特性を示す図。
【図１８】ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓのｘを変化させた場合における吸収係数の変化を示す図。
【図１９】化合物半導体層にドーパントを混ぜた場合における吸収係数の変化を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
Ａ…二光子吸収スイッチング素子、Ｂ…二光子吸収スイッチング素子、Ｃ…二光子吸収スイッチング素子、Ｄ…二光子吸収スイッチング素子、Ｅ…二光子吸収スイッチング素子、Ｆ…二光子吸収スイッチング素子、Ｇ…二光子吸収スイッチング素子、
ＰＣ…導波路形成予定領域、ＰＤ…導波路形成予定領域、ＱＣ…二光子吸収特性を有する半導体形成予定領域、ＱＤ…二光子吸収特性を有する半導体形成予定領域、ＱＥ…二光子吸収特性を有する半導体形成予定領域、
１Ａ…二光子吸収特性を有する半導体、２０Ａ…入力用導波路、２０ＬＡ…入力用導波路の下部クラッド層、２０ＭＡ…入力用導波路のコア層、２０ＨＡ…入力用導波路の上部クラッド層、２１Ａ…出力用導波路、２１ＬＡ…出力用導波路の下部クラッド層、２１ＭＡ…出力用導波路のコア層、２１ＨＡ…出力用導波路の上部クラッド層、３Ａ…構造基板、
１Ｂ…二光子吸収特性を有する半導体、２０Ｂ…入力用導波路、２０ＬＢ…入力用導波路の下部クラッド層、２０ＭＢ…入力用導波路のコア層、２０ＨＢ…入力用導波路の上部クラッド層、２１Ｂ…出力用導波路、２１ＬＢ…出力用導波路の下部クラッド層、２１ＭＢ…出力用導波路のコア層、２１ＨＢ…出力用導波路の上部クラッド層、２２Ｂ…制御光入力用導波路、２２ＬＢ…制御光入力用導波路の下部クラッド層、２２ＭＢ…制御光入力用導波路のコア層、２２ＨＢ…制御光入力用導波路の上部クラッド層、
１Ｃ…二光子吸収特性を有する半導体、１ＬＣ…二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層、１ＭＣ…二光子吸収特性を有する半導体コア層、１ＨＣ…二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、２０Ｃ…入力用導波路、２０ＬＣ…入力用導波路の下部クラッド層、２０ＭＣ…入力用導波路のコア層、２０ＨＣ…入力用導波路の上部クラッド層、２１Ｃ…出力用導波路、２１ＬＣ…出力用導波路の下部クラッド層、２１ＭＣ…出力用導波路のコア層、２１ＨＣ…出力用導波路の上部クラッド層、２２Ｃ…制御光入力用導波路、２２ＬＣ…制御光入力用導波路の下部クラッド層、２２ＭＣ…制御光入力用導波路のコア層、２２ＨＣ…制御光入力用導波路の上部クラッド層、２Ｃ…導波路、２ＬＣ…導波路の下部クラッド層、２ＭＣ…導波路のコア層、２ＨＣ…導波路の上部クラッド層、３Ｃ…構造基板、
１Ｄ…二光子吸収特性を有する半導体、１ＬＤ…二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層、１ＭＤ…二光子吸収特性を有する半導体コア層、１ＨＤ…二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、２２Ｄ…制御光入力用導波路、２２ＬＤ…制御光入力用導波路の下部クラッド層、２２ＭＤ…制御光入力用導波路のコア層、２２ＨＤ…制御光入力用導波路の上部クラッド層、２Ｄ…導波路、２ＬＤ…導波路の下部クラッド層、２ＭＤ…導波路のコア層、２ＨＤ…導波路の上部クラッド層、３Ｄ…構造基板、
１Ｅ…二光子吸収特性を有する半導体、１ＬＥ…二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層、１ＭＥ…二光子吸収特性を有する半導体コア層、１ＨＥ…二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、３Ｅ…構造基板、
１Ｆ…二光子吸収特性を有する半導体、２０Ｆ…入力用導波路、２１Ｆ…出力用導波路、２２Ｆ…制御光入力用導波路、３Ｆ…構造基板、４Ｆ…分波器
１Ｇ…二光子吸収特性を有する半導体、２０Ｇ…入力用導波路、２１Ｇ…出力用導波路、３Ｆ…構造基板、４Ｇ…分波器、５Ｇ…レンズ
６Ｃ…レジスト層、７Ｃ…レジスト層、６Ｄ…レジスト層、７Ｄ…レジスト層、６Ｅ…レジスト層、７Ｅ…レジスト層
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。【００３５】
本願第１群の発明である光−光スイッチング方法は、二光子吸収特性を有する半導体材料に対し、二光子吸収を生じさせない光強度が低い光のみを照射した場合は光子を吸収しないため、半導体材料を透過することができるが、光強度の低い光と同時にほぼ同一の場所に光強度の高い光を照射した場合は、二光子吸収が起こり、光強度の低い光も透過させなくなる、という現象に着目して発明したものである。この光−光スイッチング方法は、制御光で信号光をオン／オフする光−光スイッチング方法において、二光子吸収特性を有する半導体に、光強度の低い信号光を照射しつつ、光強度の高い制御光を間欠的に照射し、該制御光の照射時には発生した二光子吸収により該信号光の通過を遮断し、該制御光の非照射時には該信号光を通過させることを特徴とする。この際、該信号光と制御光は、式［ｈｃ／λsignal＋ｈｃ／λcontrol  ≧ ｈｃ／λgap （式中、ｈ：プランク定数、ｃ：光の速度、λsignal：信号光の波長、λcontrol：制御光の波長、λgap：前記半導体の基礎吸収端の波長）］の関係を満たすことが望ましい。【００３６】
本願第１群の発明である光−光スイッチング方法の原理は、図２に示す通りであり、光強度の低い光であるパルス列の信号光（図中（ａ））と光強度の高い光であるパルス列の制御光（図中（ｂ））を半導体の同一場所に照射したとき、制御光と時間的に重ならない信号光だけが出力光（図中（ｃ））として現れ、制御光と重なる信号光は半導体に吸収される。なお、前記信号光は間欠的、連続的でもよく特に限定されない。また前記制御光は間欠的、例えばパルス列であることが望ましい。そこでは、時間変化が急峻であると同時に、この動作を実現するために必要な制御光の強度ができるだけ小さいことが望ましい。ここで、信号光の光強度Ｉｓは好ましくは、１０ｎＪ／ｃｍ２ ＜ Ｉｓ ＜ １μＪ／ｃｍ２であり、制御光の光強度Ｉｃは好ましくは１μＪ／ｃｍ２ ≦ Ｉｃ ＜ １０Ｊ／ｃｍ２であり、より好ましくは、１０μＪ／ｃｍ２ ＜ Ｉｃ ＜ １００ｍＪ／ｃｍ２である。なお、信号光の光強度の下限値は光通信において誤り率ε＜１０−１１を満たす程度の光強度である。使用する信号光と制御光の波長は、使用する半導体の基礎吸収端の波長以上であり、該半導体の二光子吸収特性を有する波長の範囲内である。また、制御光、信号光は光強度の点および光パルスの時間幅の点でレーザー光であることが好ましい。【００３７】
制御光の照射時間や制御光がパルス光である場合のパルス幅は、特に限定されないが、二光子吸収特性を有する半導体が壊れない範囲である。制御光は光強度が強いために、同じ強度でも照射時間（パルス時間幅）が長くなると半導体が破壊・加工されてしまう。この細かい条件は、試料やレーザーの繰り返し周期などいろいろな要素で変わってくる。［００３６］に記載した制御光強度（１μＪ／ｃｍ２≦Ｉｃ＜１０Ｊ／ｃｍ２）の範囲で、レーザーアブレーション（半導体をレーザーで加熱したときに構成元素の一部もしくは全てを蒸発すること。）が起きないようにしなければならない。そこで、１μＪ／ｃｍ２≦Ｉｃ＜１００μＪ／ｃｍ２の場合は、パルス幅は１００ｐｓ以上でも構わないが、１００μＪ／ｃｍ２≦Ｉｃ＜１ｍＪ／ｃｍ２の場合はパルス幅を１００ｐｓ以下〜１０ｐｓ以下（１００μＪ／ｃｍ２の場合は１００ｐｓ以下であり、１ｍＪ／ｃｍ２の場合は１０ｐｓ以下であり、１００μＪ／ｃｍ２と１ｍＪ／ｃｍ２の間では１００ｐｓと１０ｐｓの中間値（制御光強度とパルス幅は反比例関係であり、その関係から得られる）以下という意味である。）に、１ｍＪ／ｃｍ２≦Ｉｃ＜１０ｍＪ／ｃｍ２の場合はパルス幅を１０ｐｓ以下〜１ｐｓ以下に、１０ｍＪ／ｃｍ２≦Ｉｃ＜１００ｍＪ／ｃｍ２の場合はパルス幅を１ｐｓ以下〜０．１ｐｓ以下に、１００ｍＪ／ｃｍ２≦Ｉｃ＜１０Ｊ／ｃｍ２の場合はパルス幅を０．１ｐｓ以下にすることが望ましい。【００３８】
通常の光通信で使用される光の波長は１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内であるため、前記二光子吸収特性を有する半導体の基礎吸収端の波長は１２００ｎｍより小さく、該半導体は１２００ｎｍ〜１７００ｎｍにおいて二光子吸収特性を有することが最も望ましい。このような半導体であると、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍという極めて広い範囲内の波長の信号光と制御光を光−光スイッチングに利用することができる。また、前記二光子吸収特性を有する半導体の基礎吸収端の波長が１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの中間にある場合、例えば二光子吸収特性を有する半導体の基礎吸収端が１５００ｎｍである場合でも、１５００ｎｍ〜１７００ｎｍで二光子吸収特性を有すれば、１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内の波長の信号光と制御光を光−光スイッチングに利用することができる。なお、将来、光通信で使用される光の波長の下限が１２００ｎｍ未満、例えば１０００ｎｍに移行した場合でも、前記二光子吸収特性を有する半導体の基礎吸収端が１０００ｎｍであり、１０００ｎｍ〜１７００ｎｍで二光子吸収特性を有すれば、１０００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内の波長の信号光と制御光を光−光スイッチングに利用することができる。【００３９】
前記二光子吸収特性を有する半導体は、好ましくはIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体である。前記III族元素は好ましくはＩｎ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種であり、前記V族元素は好ましくはＡｓ，Ｐ，Ｎの少なくとも１種である。ここで、III族元素とV族元素は１：１の比であることが好ましい。なお、ＧａＡｓは実質的に二光子吸収特性を有しないので、二光子吸収特性を有する半導体にも、化合物半導体にも含まれない。【００４０】
Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種とは、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの１種でもよく、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの２種の併用でもよく、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの３種の併用でもよい。Ａｓ，Ｐ，Ｎの少なくとも１種とは、Ａｓ，Ｐ，Ｎのうちの１種でもよく、Ａｓ，Ｐ，Ｎのうちの２種の併用でもよく、Ａｓ，Ｐ，Ｎの３種の併用でもよい。【００４１】
ここで、化合物半導体が、ＩｎＰ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ、およびＩｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃのいずれかであっても、一光子吸収が起こらない望ましい二光子吸収特性を得ることができるためには、各元素の割合が所定の範囲内であることが極めて望ましい。【００４２】
ＩｎＰの場合はＩｎとＰとの比が１：１であることが極めて望ましく、ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓの場合はｙが０以上０．６９以下の範囲内にあることが望ましく、ＩｎｚＧａ１−ｚＮの場合はｚが０以上０．７５以下の範囲内にあることが望ましく、０．４以上０．７５以下の範囲内にあることが望ましい。また、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの場合はｘが０より大きく０．５３以下の範囲内にあることが望ましく、０．０５以上０．５３以下の範囲内にあることがより望ましい。ただし、基礎吸収端の波長はその半導体層の成長温度に依存するため、半導体の成長温度により望ましい範囲が左右される可能性がある。特に、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの結晶を半導体層として用いる場合は結晶成長温度（Ｔｇ）が３８０℃である場合は０より大きく０．２７以下の範囲内にあることが望ましい。もちろん、ｘが０．２７より大きい０．５３であっても、基礎吸収端が１７００ｎｍとなり、１７００ｎｍで光−光スイッチングが可能となる。結晶成長温度（Ｔｇ）が１００℃である場合は０より大きく０．５３以下の範囲内にあることが望ましい。もちろん、ｘが０．５３より大きい０．８であっても、基礎吸収端が１７００ｎｍとなり、１７００ｎｍで光−光スイッチングが可能となる。【００４３】
基礎吸収端の波長が１７００ｎｍ以下であり、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で二光子吸収特性を有する化合物半導体は、具体的には、ＩｎＰ，ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（成長温度３８０℃であり、ｘは０より大きく０．５３以下）、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（成長温度１００℃であり、ｘは０より大きく０．８以下）、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ（ｙは０以上０．８２以下）またはＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚは０以上１以下）、Ｉｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃ（ａ、ｂ、ａ＋ｂは０以上１以下、ｃは０より大きく１未満、又は、ａ、ｂ、ａ＋ｂは０より大きく１未満、ｃは０以上１以下。但し、両組成が重複する場合を除く。）の少なくともいずれかの組成からなる化合物半導体である。そして、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの全域で二光子吸収特性を有することが望ましいので、基礎吸収端が１２００ｎｍ以下であり、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で二光子吸収特性を有する化合物半導体が望ましい。具体的には、ＩｎＰ，ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（成長温度３８０℃であり、ｘは０より大きく０．２７以下）、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（成長温度１００℃であり、ｘは０より大きく０．５３弱以下）、ＩｎｙＡｌ1−ｙＡｓ（ｙは０以上０．６９以下）またはＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚは０以上０．７５以下）、Ｉｎ（１−ａ−ｂ）ＧａａＡｌｂＡｓ（１−ｃ）Ｎｃ（ａ、ｂ、ａ＋ｂは０以上１以下、ｃは０より大きく１未満、又は、ａ、ｂ、ａ＋ｂは０より大きく１未満、ｃは０以上１以下。但し、両組成が重複する場合を除く。）の少なくともいずれかの組成からなる化合物半導体である。【００４４】
上記化合物半導体の組成では、III族（Ｉｎ, Ｇａ, Ａｌ）の和とV族（Ａｓ, Ｐ, Ｎ）の和の比は、いずれの場合も１：１であるが、その誤差範囲は、III族（Ｉｎ, Ｇａ, Ａｌ）の和とV族（Ａｓ, Ｐ, Ｎ）の和の比で表すと、III族：V族 =４９．９：５０．１〜５０．１：４９．９であればよく、より望ましくはIII族：V族 = ４９．９９：５０．０１〜５０．０１：４９．９９である。なお、化合物半導体材料と基礎吸収端の関係について下記の表１と図３に記載する。なお、図３は、成長温度毎のＩｎＧａＡｓ組成比と基礎吸収端波長との関係を示す。【００４５】
【表１】
0004590645.tif 000002
【００４６】
前記化合物半導体は、Ｂｅ、Ｆｅ、Ｃｒなどのドーパントが含まれていても良いし含まれていなくても良い。二光子吸収特性にドーパントの影響が殆ど見られないためである。但し、ドーパントを導入すると、半導体層における一光子吸収特性が阻害されてくるため、二光子吸収特性のみをより強調するためにはドーパントを含ませることが好ましい。その場合、不純物濃度で概ね１０１６〜１０２０ｃｍ−３程度含有させることが好ましい。III族元素とV族元素とからなる化合物半導体、特には、前記III族元素がＩｎ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種であり、前記V族元素がＡｓ，Ｐ，Ｎの少なくとも１種であるIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体は、ドーパントの厳密な調整が不必要となるため、材料設計の尤度を確保することができる。【００４７】
前記化合物半導体は、以下の点で作製条件の制限がゆるい。
(1)量子準位の形成が不要である
1光子吸収による吸収飽和を利用した光−光スイッチには、量子準位や励起子を利用したものが多く、このためには量子井戸を作製しなければならない。量子井戸の作製には、量子井戸の作製条件（井戸層の組成・幅，障壁層の組成・幅）を厳密に設定し、それらの成長中の揺らぎも押さえなくてはならず、この4つのパラメータのうち1つでもずれると量子準位もずれてしまう。しかしながら、前記化合物半導体ではそれらが不要なため作製が容易であり、工業的には歩留まりがよくなる。
(2)成長中の組成揺らぎが問題にならない
化合物半導体の組成は［００３９］〜［００４４］に記載した条件さえ満たせばよい。そのため、成長中に複数の元素間の組成比が多少揺らいでも（通常、成長中のxの揺らぎは±０．０５以下に押さえられる）問題ない。
(3)成長温度を厳密に調節する必要がない
図３に示されているように、通常の成長温度（５００℃〜６００℃）の半分以下の温度である２５０℃でも、基礎吸収端の波長はさほど変化していないことから分かる。成長温度は、一光子吸収が起きない範囲でありさえすればよい。
(4)不純物濃度（普通はドーピング濃度と同意義であるが、意図していない不純物の濃度を含む場合にはその濃度との合計濃度）やキャリア濃度に依存しない。したがって、不純物濃度を制御する必要がなく、作製が簡便である。また成長温度（成長温度が変わるとキャリア濃度が変化する場合が多い）については、上述の通りである。
なお、前記化合物半導体は、III族元素とV族元素との組合せ、元素比、あるいは成長温度を変えることにより、半導体の基礎吸収端波長と二光子吸収特性を示す波長範囲を制御できるので、光−光スイッチング素子を調製するのに至便である。【００４８】
前記半導体は、単結晶、多結晶及びアモルファスのいずれでも良いが、好ましくは単結晶である。多結晶やアモルファスであると、基礎吸収端の急峻さが失われ基礎吸収端の波長が短くなるが、二光子吸収に使用する二つの波長のうち一方を短くしてやれば多結晶やアモルファスでも二光子吸収を生じさせることができるようになるためである。【００４９】
本願第２群の発明である二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子は、二光子吸収特性を有する半導体、該半導体へ入力する制御光と信号光の伝播手段および該半導体を透過した信号光の伝播手段とからなる。該半導体は前記通りである。該半導体の形状は特に限定されず、基板上の薄膜状、基板上に成長した層状、薄片状、テープ状、紐状、チップ状が例示される。光の進行方向に対して垂直な面の半導体の高さと幅は、光の拡散抑制の観点で共に２００μｍ以下が望ましく、１００μｍ以下がより望ましく、１０μｍ以下がさらに望ましい。高さ、幅共に１μｍ前後のものが最良である。光の進行方向の半導体の長さは、１００ｎｍ〜５００μｍの範囲内が望ましい。制御光と信号光の伝播手段は、光源から発した制御光と信号光を該半導体に伝播でき、該半導体を透過した信号光を伝播できるものであればよく、導波路（例えば、石英ガラス製）、光ファイバー（例えば、石英ガラス製）、光ファイバーアレイ、レンズアレイ、レンズが例示される。二光子吸収特性を有する半導体を導波路形にすれば、すなわち該半導体をコアとし、それよりも屈折率が小さいクラッド（例えば、コアの化合物半導体より屈折率が小さい化合物半導体）で挟持もしくは包囲すれば、信号光の伝播手段ともすることができ、あるいは信号光の伝播手段および制御光の伝播手段ともすることができる。【００５０】
基板上に半導体層を形成させる場合は、上記の半導体単層を形成することも可能であるし、これら半導体からなる薄膜を複数積層することも可能である。【００５１】
基板としては、平坦であれば特段に制限は無く様々なものを使用することができるが、好ましくは構造基板（例えば、サファイア板、石英板）であり、より好ましくは上に二光子吸収特性を有する半導体層を成長させることができる構造基板である。例えば後述の分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用いる場合や有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ法）等の結晶成長法を用いる場合、その結晶成長に用いる半導体基板をそのまま基板として用いることができる。基板は、特に限定されないが、成長させる半導体と格子定数が一致もしくは出来るだけ近いこと、また結晶構造が同じであることが望ましい。したがって、化合物半導体が望ましく、より望ましくは二光子吸収特性を有する半導体の元素をベースとした化合物半導体である。【００５２】
本願第２群の発明の好ましい実施形態に係る二光子吸収スイッチング素子Ａは、構造基板３Ａ上に形成された二光子吸収特性を有する半導体層１Ａと、この半導体層１Ａに対して制御光と信号光を導入する入力用光導波路２０Ａ及びこの半導体層を挟んで入力用光導波路と対向して配置される出力用光導波路２１Ａとから構成されている（図４参照）。なお、図示していないが、信号光と制御光とは半導体１Ａの手前で合流している（例えば、図９のように、並行して配置された信号光用導波路と制御光用導波路が半導体１Ａの手前で合流している場合、各導波路を近接させる方向性結合器を用いる場合である）。この二光子吸収特性を有する半導体層１Ａ、入力用導波路２０Ａ及び出力用導波路２１Ａを有する限り、二光子吸収スイッチング素子として機能するが、機械的安定性や製作性等の観点から、二光子吸収スイッチング素子は構造基板３Ａ上に形成され固着していることが極めて望ましい（図４参照）。【００５３】
二光子吸収特性を有する半導体１Ａを挟んで対向して配置される入力用導波路２０Ａの先端と出力用導波路２１Ａの先端の間の距離は、１００ｎｍ〜５００μｍの範囲内にあることが望ましい。このような範囲を採用すると、光通信波長として極めて有用な１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲を基礎吸収端よりも長くして使用する範囲とすることができる。加えて二光子吸収は高速性にも優れているので、かかる二光子吸収特性を有する半導体を用いて作製される光‐光スイッチング素子などの光非線型デバイスや光制御デバイスは広波長域にて高速動作することが可能となる。【００５４】
入力用導波路２０Ａおよび出力用導波路２１Ａは、所望の波長の光が伝播可能なものであれば、特段限定されず、好ましくはコア層２０ＭＡ（２１ＭＡ）と、このコア層２０ＭＡ（２１ＭＡ）よりは屈折率が小さい一対のクラッド層２０ＬＡおよび２０ＨＡ（２１ＬＡおよび２１ＨＡ）で挟持あるいは包囲した構成からなる（図４参照）。なお、図４の光−光スイッチング素子は、入力用導波路２０Ａから光強度の高い制御光と光強度の低い信号光の双方を同時に伝播させる構成を採用している。この構成の光−光スイッチング素子は、光強度の低い信号光のみを入力用導波路２０Ａから半導体層１Ａへと伝播させることにより信号光を透過させて出力光を生じさせ、光強度の低い信号光と光強度の高い制御光を入力用導波路２０Ａから半導体層１Ａへと伝播させることにより二光子吸収を生じさせて信号光を遮断することによってスイッチング機能を発揮させている。【００５５】
図５の光−光スイッチング素子Ｂは、光強度の低い信号光を伝播する入力用導波路２０Ｂと、光強度の高い制御光を伝播する二光子吸収特性制御用の入力用導波路２２Ｂとを別々に設ける態様を採用しており、制御光の入力用導波路２２Ｂは、信号光入力用導波路２０Ｂと信号光出力用導波路２１Ｂを結ぶ直線に直交するように、半導体層１Ｂに連結している。なお、該入力用導波路２２Ｂは、該直線に対し例えば、４５°〜９０°未満の角度で、斜めに交叉するようにしてもよい。【００５６】
出力用導波路２１Ｂは、信号光が入力用導波路２０Ｂとの間に配置された半導体層１Ｂを透過した場合に出力光を伝播させるためのものであるため、入力用導波路２０Ｂと対向して一対に形成されていることが重要である。この入力用導波路２０Ｂと出力用導波路２１Ｂの間には二光子吸収特性を有する半導体層１Ｂが配されているが、光の損失の関係から、入力用導波路２０Ｂと半導体層１Ｂ、出力用導波路２１Ｂと半導体層１Ｂは、それぞれ空気層を介することなく直結していることが好ましく、一体成形されていることがより好ましい。一体成形されていない場合は、光路結合用接着剤，光導波路形成樹脂等により密着させることが好ましい。また、これらの対向する導波路間の距離は、光の伝達を行うことができる限り特段に制限されないが、遷移確率が高い状態において、十分に光を遮断することができる範囲および光の損失を許容できる範囲を考慮して１００ｎｍ〜５００μｍの範囲にあることが望ましく、より望ましくは１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内である。これらは、図４に示すタイプの光−光スイッチング素子においても同様である。【００５７】
図６の光−光スイッチング素子Ｃは、構造基板３Ｃ上に、下部クラッド層１ＬＣ、該下部クラッド層１ＬＣ上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体層１ＭＣ、該半導体層１ＭＣ上に上部クラッド層１ＨＣの順に積層されてなる積層体１Ｃが形成され、信号光入力用導波路２０Ｃと信号光出力用導波路２１Ｃとが該積層体１Ｃを挟んで対向する位置に形成され、制御光入力用導波路２２Ｃが該一対の信号光用導波路を結ぶ直線に略直角に交叉するように前記積層体１Ｃに連結しており、請求項１７記載（但し、平面視にて正方形のもの）の光−光スイッチング素子の好ましい実施形態である。信号光と制御光が積層体１Ｃ中の半導体層１ＭＣで交叉するので、半導体１ＭＣがスイッチング部となる。【００５８】
図７の光−光スイッチング素子Ｄは、構造基板３Ｄ上に、下部クラッド層１ＬＤ、該下部クラッド層１ＬＤ上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体層１ＭＤ、該半導体層１ＭＤ上に上部クラッド１ＨＤ層の順に積層されてなる積層体１Ｄが形成され、該積層体１Ｄは平面視にてＴ字の横線を形成しており、制御光入力用導波路２２Ｄが平面視にてＴ字の縦線を形成するように該積層体１Ｄに連結しており、請求項１７記載（但し、平面視にて長方形のもの）の長方形の光−光スイッチング素子の好ましい実施形態である。この光−光スイッチング素子では、図示していない導波路を伝播してきた信号光を略Ｔ字の横線に相当する部分（即ち、１ＭＤの左端）に入力し、制御光を略Ｔ字の縦線に相当する部分（即ち、２２ＭＤの上端）に入力する。積層体１Ｄ中の信号光と制御光との交叉部分がスイッチング部となる。【００５９】
図８の光−光スイッチング素子Ｅは、構造基板３Ｅ上に下部クラッド層１ＬＥが積層され、該下部クラッド層１ＬＥ上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体層１ＭＥが積層され、該半導体層１ＭＥ上に上部クラッド層１ＨＥが積層され、該積層体１Ｅは平面視にてＴ字形であり、請求項１８記載の光−光スイッチング素子の好ましい実施形態である。この光−光スイッチング素子では、図示していない導波路を伝播してきた信号光をＴ字の横線に相当する部分（即ち、１ＭＥの左端）に入力し、図示していない導波路を伝播してきた制御光をＴ字の縦線に相当する部分（即ち、１ＭＥ′の上端）に入力する。積層体１Ｅ中の信号光と制御光との交叉部分がスイッチング部となる。【００６０】
図９に係る光−光スイッチング素子Ｆは、構造基板３Ｆと、この構造基板３Ｆ上に形成される二光子吸収特性を有する半導体層１Ｆと、入力用導波路２０Ｆと、この入力導波路２０Ｆと半導体層１Ｆを挟んで反対例に配置される複数の出力用導波路２１Ｆと、出力用導波路２１Ｆと半導体層１Ｆとの間に配置され、上記各出力用導波路２１Ｆに入力用導波路２０Ｆからの光が伝播してきた場合に波長に応じて分岐する分波器４Ｆとから構成されている。なお入力用導波路２０Ｆは、半導体層１Ｆの手前側において、強い光を伝播させる二光子吸収特性制御用の導波路２２Ｆと接合されており、同じ導波路で半導体層１Ｆに信号光と制御光を伝播する構成となっている。このような構成とすれば、例えば、入力用導波路３Ｆから複数の波長の光を伝播させて半導体層１Ｆに入射すると同時に透過させ、分波器４Ｆで波長に応じて分岐させて所望の波長範囲の光のみを取り出すことが可能となる。この二光子吸収スイッチング素子を用いると、制御用の強い光は一種類ですみ、極めて簡便な構成で複数の波長の制御を行うことができるという利点がある。また、他の具体例として、入力用導波路２０Ｆと制御用導波路２２Ｆが接合されておらず、入力用導波路と制御用導波路を近接して形成した方向性結合器のような態様もある。また、波長分岐機能のない分波器を使用した場合、各出力用導波路の途中にバンドパスフィルタなどを配置する態様や、二光子吸収特性制御用の導波路２２Ｆの代わりに、レンズ５Ｇを介して光強度の高い制御光を半導体層１Ｇへ照射することにより光−光スイッチングを可能とする態様がある（図９、図１０参照）。【００６１】
本願第３群の発明である二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子の製造方法は、
［２４］基板上に二光子吸収特性を有する半導体を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする［１３］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
［２５］基板上に、下部クラッド層、半導体層、ついで上部クラッド層を積層する工程および導波路用の下部クラッド層、コア層、ついで上部クラッド層を積層する工程からなる［１５］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
［２６］二光子吸収特性を有する半導体結晶ウェーハ上に、エピタキシー成長法を用いて半導体層を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする［２５］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
［２７］前記二光子吸収特性を有する半導体層を形成する工程は、分子線エピタキシー法又は有機金属化学堆積法のいずれかを用いることを特徴とする［２６］記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
であるが、その具体例は以下の通りである。なお、該半導体は前記通りである。【００６２】
以下、図６の光−光スイッチング素子の製造方法について、図１１により説明する。図１１中の中央列（１′）、（８′）は平面図を示し、左列（１）〜（８）は、平面図のＹ−Ｙ′線断面を示し、右列（１″）〜（８″）は、平面図のＸ−Ｘ′線断面を示す。【００６３】
この製造方法は、
(1) ＧａＡｓからなる構造基板上３Ｃに、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｐＧａ１−ｐＡｓからなる（二光子吸収特性を有する半導体用）下部クラッド層１ＬＣを形成し、該下部クラッド層１ＬＣ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．５３以下）からなる二光子吸収特性を有する半導体コア層１ＭＣを形成し、ついで該コア層１ＭＣ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｐＧａ１−ｐＡｓからなる（二光子吸収特性を有する半導体用）上部クラッド層１ＨＣを形成する工程、(2)前記上部クラッド層１ＨＣ上（但し、平面視にて略Ｔ字形状の導波路形成予定領域ＰＣを除く）に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、レジストパターン層６Ｃを形成する工程、(3)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、導波路形成予定領域ＰＣの前記上部クラッド層１ＨＣ、前記コア層１ＭＣおよび前記下部クラッド層１ＬＣをエッチングして除去する工程、(4)前記レジストパターン層６Ｃ上と導波路形成予定領域ＰＣの基板１上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｑＧａ１−ｑＡｓからなる導波路用下部クラッド層２ＬＣを形成し、該導波路用下部クラッド層２ＬＣ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｐＧａ１−ｐＡｓからなる導波路用コア層２ＭＣを形成し、ついで該導波路用コア層２ＭＣ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｑＧａ１−ｑＡｓからなる導波路用上部クラッド層２ＨＣを形成する工程（但し、０≦ｐ＜ｑ≦１である）、(5)前記レジストパターン層６Ｃおよびその上層部２Ｃをリフトオフする工程、(6)導波路用上部クラッド層２ＨＤ（導波路形成予定領域ＰＣ）上および二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層１ＨＣ上に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、レジストパターン層７Ｃを形成する工程、(7)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、前記レジストパターン層７Ｃで被覆されていない（二光子吸収特性を有する半導体用）上部クラッド層１ＨＣ、二光子吸収特性を有する半導体コア層１ＭＣおよび（二光子吸収特性を有する半導体用）下部クラッド層１ＨＣをエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジストパターン層７Ｃを除去する工程からなる。【００６４】
図７の光−光スイッチング素子の製造方法について、図１２により説明する。図１２中の中央列（１′）、（８′）は平面図を示し、左列（１）〜（８）は、平面図のＹ−Ｙ′線断面を示し、右列（１″）〜（８″）は、平面図のＸ−Ｘ′線断面を示す。
この製造方法は、
(1) ＧａＡｓからなる構造基板３Ｄ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｐＧａ１−ｐＡｓからなる（二光子吸収特性を有する半導体用）下部クラッド層１ＬＤを形成し、該下部クラッド層１ＬＤ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．５３以下）からなる二光子吸収特性を有する半導体コア層１ＭＤを形成し、ついで該コア層１ＭＤ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｐＧａ１−ｐＡｓからなる（二光子吸収特性を有する半導体用）上部クラッド層１ＨＤを形成する工程、(2)前記上部クラッド層１ＨＤ上（但し、平面視にて略Ｔ字の縦線である導波路形成予定領域ＰＤを除く）に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、レジストパターン層６Ｄを形成する工程、(3)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、導波路形成予定領域ＰＤの前記上部クラッド層１ＨＤ、前記コア層１ＭＤおよび前記下部クラッド層１ＬＤをエッチングして除去する工程、(4)前記レジストパターン層６Ｄ上と導波路形成予定領域ＰＤの基板上３Ｄに、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｑＧａ１−ｑＡｓからなる導波路用下部クラッド層２ＬＤを形成し、該導波路用下部クラッド層２ＬＤ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｐＧａ１−ｐＡｓからなる導波路用コア層２ＭＤを形成し、ついで該導波路用コア層２ＭＤ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＡｌｑＧａ１−ｑＡｓからなる導波路用上部クラッド層２ＨＤを形成する工程、(5)前記レジストパターン層６Ｄおよびその上層部２Ｄをリフトオフする工程、(6)導波路用上部クラッド層２ＨＤ（導波路形成予定領域ＰＤ）上および二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層１ＨＤ上（但し、平面視にて略Ｔ字の横線）に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、レジストパターン層７Ｄを形成する工程、(7)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、前記レジストパターン層７Ｄで被覆されていない（二光子吸収特性を有する半導体用）上部クラッド層１ＨＤ、二光子吸収特性を有する半導体コア層１ＭＤおよび（二光子吸収特性を有する半導体用）下部クラッド層１ＬＤをエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジストパターン層７Ｄを除去する工程からなる。【００６５】
図８の光−光スイッチング素子の製造方法について、図１３により説明する。図１３中の中央列（１′）、（４′）は平面図を示し、左列（１）〜（４）は、平面図のＹ−Ｙ′線断面を示し、右列（１″）〜（４″）は、平面図のＸ−Ｘ′線断面を示す。
この製造方法は、
(1)ＩｎＰからなる構造基板上３Ｅに、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦０．６９、但しｙ＝０．５２が望ましい）からなる（二光子吸収特性を有する半導体用）下部クラッド層１ＬＥを形成し、該下部クラッド層１ＬＥ上に、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０より大きく０．５３以下）からなる二光子吸収特性を有する半導体コア層１ＭＥを形成し、ついで該コア層上１ＭＥに、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によってＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦０．６９、但しｙ＝０．５２が望ましい）からなる（二光子吸収特性を有する半導体用）上部クラッド層１ＨＥを形成する工程、(2)前記上部クラッド層１ＨＥ上に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、平面視にて略Ｔ字形状のレジストパターン層６Ｅを形成する工程、(3)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、前記レジストパターン層６Ｅで被覆されていない二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層１ＨＥ、二光子吸収特性を有する半導体コア層１ＭＥおよび二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層１ＬＥをエッチングして除去する工程、ついで(4)前記レジストパターン層６Ｅを除去する工程からなる。【００６６】
上記各製造方法では、前記二光子吸収特性を有する半導体用各クラッド層、二光子吸収特性を有する半導体コア層、前記導波路用各クラッド層とコア層は、化合物半導体薄膜であり、具体的には化合物半導体薄膜結晶エピタキシャル膜である。その形成方法としては、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）の他に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、その他のエピタキシャル結晶成長法等の常法が例示される。
【実施例】
【００６７】
以下、本願第２群の発明の実施形態に係る二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子の性能を確かめるべく、実際に化合物半導体層を形成し、その特性を測定した。以下具体的に説明する。【００６８】
本実施例では、固体ソース分子線エピタキシャル法を用いて構造基板上に化合物半導体層を形成した。
より具体的には、下記表２における条件に基づき化合物半導体層を形成した。いずれも成長速度は１μｍ／ｈとし、成長中の真空度は２×１０−６Ｔｏｒｒとした。【００６９】
【表２】
0004590645.tif 000003
【００７０】
以上作成した各化合物半導体層について、まず、光透過率変化の励起強度密度依存性を測定した。図１４に本測定系を示す。【００７１】
本測定系では、レーザー光パルスを可変ＮＤ及びガラス板、対物レンズを介してシングルモード光ファイバーを介して試料（化合物半導体層）に導入し、その出力光を光パワーメーターで測定している。なお、リファレンスとしてガラス板からの反射光を光パワーメーターで測定している。【００７２】
また同様に、上記各半導体層について、二光子吸収の応答速度を常法であるポンプ・プローブ法により求めた。図１５にこの測定系を示す。【００７３】
これら測定系による測定結果を、図１６乃至図１９に示す。なお、以下に記載のΔαＬでは、一般的にαが光吸収係数であるが、Ｌ（試料の厚さ）が同じであれば、相対的な意味においてαＬは光吸収係数と言えるため、光吸収係数の変化と称している。【００７４】
まず、図１６（Ａ）は、上記試料番号１（ＩｎＰ）を半導体層２として用いて測定した場合であって、励起光強度密度を変化させた場合の光吸収係数の変化ΔαＬを示している。横軸は励起光強度密度（μＪ／ｃｍ２）を示し、縦軸は光吸収係数の変化ΔαＬを示している。ΔαＬは、励起光強度密度をＩ０、透過光強度密度をＩとしたときに、ΔαＬ＝−ｌｎ（Ｉ／Ｉ０）にて計算されるものである。この結果、ＩｎＰからなる化合物半導体層の場合、励起光強度密度が増加するに従い、ΔαＬが増加することが、１６３０ｎｍから１７００ｎｍにおいて確かめられており、一般的に使用される光通信波長域において、光−光スイッチング素子として十分使用できることがわかる。図１６（Ｂ）は、上記試料番号１（ＩｎＰ）を半導体層２として用いて測定した場合であって、遅延時間を変化させた場合の透過率変化ΔＴ／Ｔを示している。横軸は遅延時間（ｐｓ）を示し、縦軸は透過率変化ΔＴ／Ｔを示している。なお、信号光の光強度は０．９μＪ／ｃｍ２であり、制御光の光強度は１９０μＪ／ｃｍ２である。図１６（Ａ）では１６３０ｎｍ〜１７００ｎｍにおけるデータのみであるが、図１６（Ｂ）では１３９０〜１６５０ｎｍの範囲での応答速度を示している。応答速度の半値幅は０．２５ｐｓであり、非常に速い応答特性である。したがって、通常の光通信波長域である１３９０〜１７００ｎｍの範囲で、光−光スイッチング素子として十分な二光子吸収特性が現れていることが良く分かる。【００７５】
図１６（Ｂ）では、時間原点（遅延時間０ｐｓ；信号光と制御光とが時間的に完全に重なっている時刻）を中心に、遅延時間が負（信号光が制御光よりも先に試料に入射している場合）の時間領域と遅延時間が正（信号光が制御光よりも後に試料に入射している場合）の時間領域での波形が対称である。遅延時間が正の時間領域には、特許文献３のような遅い応答成分はない。一般的に、パターン効果がある系や元に戻る速度が遅い系でも遅延時間が負の波形はレーザー波形と同じ高速な応答波形を示すが、それらは遅延時間が正の領域では遅い応答成分が波形に現れ、時間原点について対称とならない。以上により、本実施例においてパターン効果が無いことが分かる。【００７６】
次に、図１７（Ａ）は、上記試料番号３のＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓを半導体層２として用いて測定した場合であって、励起光強度密度を変化させた場合の吸収係数の変化ΔαＬを示す。化合物半導体材料以外についてはほぼ図１５Ａとほぼ同様である。【００７７】
図１７（Ａ）によると、前記ＩｎＰと同様に、１６３０ｎｍ〜１７００ｎｍにおいて励起光強度密度の増大に伴うΔαＬの増大が確認でき、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓが二光子吸収特性に優れていることが確認できた。【００７８】
図１７（Ｂ）は、上記試料番号３（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ）を半導体層２として用いて測定した場合であって、遅延時間を変化させた場合の透過率変化ΔＴ／Ｔを示す。横軸は遅延時間（ｐｓ）を示し、縦軸は透過率変化ΔＴ／Ｔを示している。なお、信号光の光強度は０．９μＪ／ｃｍ２であり、制御光強度は１９０μＪ／ｃｍ２である。図１７（Ｂ）によると、応答のピークにおける半値幅が０．２５ｐｓであり、高速応答が実現できることが確かめられた。もちろん、図１６（Ａ）及び（Ｂ）と同様、図１７（Ａ）及び（Ｂ）により、１３９０ｎｍ〜１７００ｎｍにおいて二光子吸収特性が良く現れていることが分かり、通常の光通信波長域である１３９０ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲で、光−光スイッチング素子として好適に使用できることが分かった。【００７９】
図１７（Ｂ）は時間原点では、（遅延時間０ｐｓ；信号光と制御光とが時間的に完全に重なっている時刻）を中心に、遅延時間が負（信号光が制御光よりも先に試料に入射している場合）の時間領域と遅延時間が正（信号光が制御光よりも後に試料に入射している場合）の時間領域での波形が対称である。遅延時間が正の時間領域には、特許文献３のような遅い応答成分はない。一般的に、パターン効果がある系や元に戻る速度が遅い系でも遅延時間が負の波形はレーザー波形と同じ高速な応答波形を示すが、それらは遅延時間が正の領域では遅い応答成分が波形に現れ、時間原点について対称とならない。以上により、本実施例においてパターン効果が無いことが分かる。【００８０】
そこで、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓにおける望ましいｘの範囲を確かめるべく、ｘの数値を０〜０．５３の範囲で様々に変えた化合物半導体について励起光強度密度を変化させた場合の吸収係数の変化ΔαＬを調べた。この結果を図１８に示す。ｘの数値を様々に変えた化合物半導体材料は、上記表１における試料番号２乃至６に相当する。なお、励起光の波長は１７００ｎｍである。【００８１】
図１８によると、ＧａＡｓ以外はほぼ全て、励起光強度密度が増加するとΔαＬが増加しているものの、ＧａＡｓでは増加を示しておらず、むしろ減少する傾向を示している。これは、ＧａＡｓだと強い光を当てた場合であっても、光の遮断を行っていないことを示し、二光子吸収特性を有する半導体層として機能できないことを示している。従って、二光子吸収スイッチング素子として機能させる場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓのｘは、０より大きく０．５３よりも小さい範囲で二光子吸収特性を示していることが確認できた。これは上述した基礎吸収端とほぼ同じ望ましい範囲を示している。ここで、ｘの下限値は０．０５であることが好ましい。【００８２】
次に、ドーパントをドープした化合物半導体について、励起光強度密度を変化させた場合の吸収係数の変化ΔαＬを測定した。試料としては表２に示す試料番号１乃至３を用いた。その測定結果を図１９に示す。なお、図１９中では、ＩｎＧａＡｓバルク的薄膜と表示されているが、ＢｅドープＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバルク的薄膜のことである。【００８３】
この測定結果によると、図１８と同様に、ＣｒドープＧａＡｓ基板では励起光強度密度が増加してもΔαＬが殆ど増加していないのに対し、ＦｅドープＩｎＰ基板やＢｅドープＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバルク的薄膜では、二光子吸収特性を十分に示していることが確認できた。【００８４】
以上、二光子吸収特性を有する半導体、特には前記化合物半導体を光−光スイッチング素子のスイッチ部として利用することにより、光通信波長域にてサブピコ秒の動作速度を得ることが可能であることが分かった。
【産業上の利用の可能性】
【００８５】
本願発明の光−光スイッチング方法および光−光スイッチング素子は、光ゲート，光変調器，波長変換器，光サンプリングオシロスコープ，ルーター等に有用である。さらには、この二光子吸収スイッチング素子１つのみでも、光通信の波長分割多重（ＷＤＭ）方式のスイッチング素子として利用でき、必要なチャネル数だけ並列にて使用すれば、光時分割多重（ＯＴＤＭ）方式のスイッチング素子として利用できるため、ＯＴＤＭ−ＷＤＭ通信のスイッチング素子として利用可能である。
【図１】
0004590645.tif 000004
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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