(57)【要約】【課題】光吸収層の層厚を増加させることなく、消光比の偏波依存性の低減と、光閉じ込め係数の向上とを同時に図ることが可能な光ゲート素子を提供する。【解決手段】半導体基板１１上に、第１のクラッド層１２、バルク材料からなる光吸収層１３、および、第２のクラッド層１４が順次積層された導波路構造を備え、前記導波路構造は、光吸収層１３と第１のクラッド層１２との間、および、光吸収層１３と第２のクラッド層１４との間に光閉じ込め層１５、１６をさらに有し、光閉じ込め層１５、１６の屈折率が、第１および第２のクラッド層１２、１４の屈折率よりも大であるとともに、光吸収層１３の屈折率よりも小であることを特徴とする。【選択図】図１
2012181351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１１）上に、第１のクラッド層（１２）、バルク材料からなる光吸収層（１３）、および、第２のクラッド層（１４）が順次積層された導波路構造を備え、相互吸収飽和特性を利用して光信号のサンプリングを行うために用いられる光ゲート素子であって、
前記導波路構造は、前記光吸収層と前記第１のクラッド層との間、および、前記光吸収層と第２のクラッド層との間に光閉じ込め層（１５、１６）をさらに有し、
前記光閉じ込め層の屈折率が、前記第１および第２のクラッド層の屈折率よりも大であるとともに、前記光吸収層の屈折率よりも小であることを特徴とする光ゲート素子。
【請求項２】
前記光閉じ込め層の組成波長が、前記光吸収層の組成波長よりも７０ｎｍ以上短いことを特徴とする請求項１に記載の光ゲート素子。
【請求項３】
前記導波路構造は、ハイメサ導波路構造と、
光入射端面（１０ａ）および光出射端面（１０ｂ）のうちの少なくとも一方の端面と前記ハイメサ導波路構造との間に形成され、前記ハイメサ導波路構造と光の導波方向に連続する埋込み導波路構造と、を含み、
前記埋込み導波路構造における前記光吸収層は、前記導波方向に直交する幅が、前記少なくとも一方の端面に向かって狭くなる幅減少領域を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ゲート素子。
【請求項４】
前記埋込み導波路構造における前記光吸収層が、前記少なくとも一方の端面と前記幅減少領域との間に、前記幅減少領域と前記導波方向に連続し、かつ、前記導波方向に直交する幅が一定である幅一定領域をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の光ゲート素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ゲート素子に係り、特に、相互吸収飽和特性を利用して光信号のサンプリングを行うために用いられる光ゲート素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光サンプリング装置においては、光信号のサンプリングを行う光ゲート素子として、電界吸収効果を利用した電界吸収型半導体光変調器（以下、ＥＡ光変調器と記す）が用いられている。電界吸収効果とは、電界の印加により半導体材料のバンド構造が変化し、それに伴って光の吸収係数が変化する効果である。
【０００３】
図１４は、ＥＡ光変調器における光の吸収特性を示す概念図である。図１４に示すように、ＥＡ光変調器の光吸収層に逆バイアス電圧が印加されていない時の吸収特性（実線）と比較して、光吸収層に逆バイアス電圧が印加されている時の吸収特性（破線）は、全体的に長波長側にシフトする。このことは、逆バイアス電圧非印加時に吸収係数が十分小さい値となるとともに、逆バイアス電圧印加時に吸収係数が十分に大きな値となる波長域が存在することを意味している。
【０００４】
従って、上記の波長域に、ＥＡ光変調器に入力される光信号の波長（図１４中に動作波長として示す）が含まれるようにＥＡ光変調器を設計することにより、ＥＡ光変調器は、逆バイアス電圧非印加時に光信号を透過させ、逆バイアス電圧印加時に光信号を遮断する光ゲート素子として機能する。
【０００５】
このような光ゲート機能を実現できる素子としては、例えば、バルク構造の光吸収層を備えたもの（例えば、特許文献１参照）や、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の光吸収層を備えたもの（例えば、特許文献２参照）等が公知である。
【０００６】
なお、ＥＡ光変調器は、上述のように、印加される逆バイアス電圧に応じて吸収係数が変化する電界吸収効果を利用して光信号を強度変調するだけでなく、ポンプ光として入力される光パルスの光強度に応じて吸収係数が変化する相互吸収飽和特性を利用して光信号を強度変調することもできる。
【０００７】
この場合は、例えば、図１４の破線で示した吸収特性を与える逆バイアス電圧をＥＡ光変調器に印加する。ポンプ光がオンとなる期間では、光吸収層における光吸収が飽和し、吸収係数（光損失）が小さい状態（即ち、ゲートが開いた状態）となる。一方、ポンプ光がオフとなる期間では、光吸収係数（光損失）が大きい状態（即ち、ゲートが閉じている状態）となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−５９９８１号公報
【特許文献２】特開２００４−１６３７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
通常、光通信システムを構成する光ファイバや各種光素子の状態は、外的要因（環境温度や外力等）によって時々刻々変化し、これに起因して光通信システムから送出される光信号の偏波方向も時々刻々変化する。このため、光通信システムからの光信号を測定する装置に適用される光ゲート素子には、任意の偏波方向の光信号に対して常に一定の消光比を実現するために偏波無依存性が求められる。ＭＱＷ構造の光吸収層には、バルク構造の光吸収層と比較して偏波依存性が大きいという欠点がある。
【００１０】
図１５は、バルク構造の光吸収層を備えたＥＡ光変調器における光吸収層の層厚と光吸収層の光閉じ込め係数の関係を示すグラフである。光吸収層の層厚が薄い場合には、光吸収層と水平方向に電界成分を持つＴＥモードに対する光閉じ込め係数が、光吸収層と垂直方向に電界成分を持つＴＭモードに対する光閉じ込め係数に比べて大きな値を持つ。一方、光吸収層の層厚を十分に厚くすると、両者の差は縮まり、共に１に近づく。従って、ＥＡ光変調器で偏波無依存化を実現するためには、光吸収層を厚くして光閉じ込め係数を大きくすることが有効である。
【００１１】
また、従来から、ＭＱＷ構造の光吸収層を備えたＥＡ光変調器においては、光閉じ込め係数を増大させるために、光閉じ込め層（ＳＣＨ層）で光吸収層を挟む方法も用いられてきた。一方、バルク構造の光吸収層を備えたＥＡ光変調器では、ＭＱＷ構造と比較して光吸収層の光閉じ込め係数が大きいため、わざわざＳＣＨ層で光吸収層を挟む方法は用いられなかった。
【００１２】
既に述べたように、相互吸収飽和特性を利用したＥＡ光変調器においては、入力されるポンプ光のオン／オフに応じて、ゲートが開いたり閉じたりする。ここで、ポンプ光の発生装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光を増幅するファイバアンプと、を含むものである。ポンプ光の発生装置のコスト低減とサイズ低減の観点からは、ポンプ光パワーを低減してファイバアンプの数を減らした構成とすることが重要である。ポンプ光パワーを低減するためには、ＥＡ光変調器の光吸収層の体積を極力小さくしておくことが有効である。
【００１３】
しかしながら、光吸収層の幅を細くして体積を減少させる場合には、光吸収層の側面の平坦度の乱れの影響が顕著になり、それに伴う光散乱が増えるため損失が増大するという問題が生じる。一方、光吸収層を薄くして体積を減少させる場合は、偏波無依存化のために光吸収層を厚くする要請と矛盾することになる。即ち、ポンプ光パワーの低減のために光吸収層を薄くすると、偏波依存性が悪化し、消光比が劣化するという結果を招いていた。
【００１４】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、光吸収層の層厚を増加させることなく、消光比の偏波依存性の低減と、光閉じ込め係数の向上とを同時に図ることが可能な光ゲート素子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】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光ゲート素子は、半導体基板上に、第１のクラッド層、バルク材料からなる光吸収層、および、第２のクラッド層が順次積層された導波路構造を備え、相互吸収飽和特性を利用して光信号のサンプリングを行うために用いられる光ゲート素子であって、前記導波路構造は、前記光吸収層と前記第１のクラッド層との間、および、前記光吸収層と第２のクラッド層との間に光閉じ込め層をさらに有し、前記光閉じ込め層の屈折率が、前記第１および第２のクラッド層の屈折率よりも大であるとともに、前記光吸収層の屈折率よりも小である構成を有している。
【００１６】
この構成により、光吸収層の層厚を増加させることなく、消光比の偏波依存性の低減と、光閉じ込め係数の向上とを同時に図ることが可能な光ゲート素子を実現できる。
【００１７】
また、本発明の請求項２の光ゲート素子は、前記光閉じ込め層の組成波長が、前記光吸収層の組成波長よりも７０ｎｍ以上短い構成を有している。
この構成により、逆バイアス電圧印加時に光閉じ込め層が光吸収層として作用することを妨げることができる。
【００１８】
また、本発明の請求項３の光ゲート素子は、前記導波路構造は、ハイメサ導波路構造と、光入射端面および光出射端面のうちの少なくとも一方の端面と前記ハイメサ導波路構造との間に形成され、前記ハイメサ導波路構造と光の導波方向に連続する埋込み導波路構造と、を含み、前記埋込み導波路構造における前記光吸収層は、前記導波方向に直交する幅が、前記少なくとも一方の端面に向かって狭くなる幅減少領域を有する構成を有している。
【００１９】
この構成により、ハイメサ導波路構造において光吸収層幅を広く、埋込み導波路構造において光吸収層幅を狭くすることにより、任意の偏波方向の光信号に対するサンプリングを可能とするとともに、光ファイバや光導波路素子との結合効率が良好な光ゲート素子を実現できる。
【００２０】
また、本発明の請求項４の光ゲート素子は、前記埋込み導波路構造における前記光吸収層が、前記少なくとも一方の端面と前記幅減少領域との間に、前記幅減少領域と前記導波方向に連続し、かつ、前記導波方向に直交する幅が一定である幅一定領域をさらに有する構成を有している。
【００２１】
この構成により、光ゲート素子の製造工程における劈開位置のずれの許容範囲が広くなり、素子端面における光吸収層の幅が劈開により変動することを防止できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、光吸収層と第１のクラッド層との間、および、光吸収層と第２のクラッド層との間に光閉じ込め層を具備することにより、光吸収層の層厚を増加させることなく、消光比の偏波依存性の低減と、光閉じ込め係数の向上とを同時に図ることが可能な光ゲート素子を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る光ゲート素子の概略構成を示す斜視図
【図２】本発明に係る光ゲート素子の概略構成を示す上面図
【図３】本発明に係る光ゲート素子の概略構成を示す正面図、Ａ−Ａ'線断面図、Ｂ−Ｂ'線断面図
【図４】本発明に係る光ゲート素子の要部の構成を示す正面図
【図５】光導波路層の光閉じ込め係数を数値計算により求めた結果を示すグラフ
【図６】光導波路層およびクラッド層の屈折率特性の一例を示す概念図
【図７】光導波路層およびクラッド層の屈折率特性の他の例を示す概念図
【図８】逆バイアス電圧非印加時と逆バイアス電圧印加時における、光信号の波長と光吸収層における損失（消光比）の関係を示すグラフ
【図９】本発明に係る光ゲート素子の他の構成を示す上面図
【図１０】本発明に係る光ゲート素子の製造方法を示す工程図
【図１１】本発明に係る光ゲート素子の製造方法を示す工程図
【図１２】本発明に係る光ゲート素子を適用したサンプリング波形測定装置の要部の構成を示す概略図
【図１３】本発明に係る光ゲート素子を適用したサンプリング波形測定装置の測定原理を説明する説明図
【図１４】従来のＥＡ光変調器における光の吸収特性を示す概念図
【図１５】従来のハイメサ導波路構造における光吸収層の層厚と光吸収層の光閉じ込め係数の関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る光ゲート素子の実施形態について図面を用いて説明する。本発明に係る光ゲート素子は、相互吸収飽和特性を利用して光信号のサンプリングを行うものである。
【００２５】
図１は本実施形態に係る光ゲート素子１の概略構成を示す斜視図であり、図２は上面図、図３は正面図（ａ）、図２のＡ−Ａ'線断面図（ｂ）、および図２のＢ−Ｂ'線断面図（ｃ）である。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。
【００２６】
図２に示すように、光ゲート素子１は、劈開によって形成された光入射端面１０ａと光出射端面１０ｂとの間に形成された導波路構造を備える。この導波路構造は、さらに、ハイメサ導波路構造Ｉと、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂのうちの少なくとも一方の端面とハイメサ導波路構造Ｉとの間に形成され、ハイメサ導波路構造Ｉと光の導波方向に連続する埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbと、を含む。ここで、ＩＩaは光入射端面１０ａ側の埋込み導波路構造を、ＩＩbは光出射端面１０ｂ側の埋込み導波路構造を指している。なお、以降では、単に導波路構造と記述する場合は、ハイメサ導波路構造Ｉと埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbの両方を指すものとする。
【００２７】
図１、図３に示すように、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbは、ｎ−ＩｎＰからなる半導体基板１１と、半導体基板１１上に形成されたｎ−ＩｎＰからなるｎ型クラッド層（第１のクラッド層）１２と、ｎ型クラッド層１２の上方に形成されたバルクのＩｎＧａＡｓＰからなる光吸収層１３と、光吸収層１３の上方に形成されたｐ−ＩｎＰからなるｐ型クラッド層（第２のクラッド層）１４と、を有する。
【００２８】
さらに、光吸収層１３は、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層（光閉じ込め層）１５、１６に上下を挟まれている。即ち、ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１５、光吸収層１３、ＳＣＨ層１６、およびｐ型クラッド層１４は、この順に積層されている。以降では、特に、ＳＣＨ層１５、光吸収層１３、およびＳＣＨ層１６を光導波路層と呼ぶ。光導波路層は、光入射端面１０ａから入射した光信号を導波させ、印加される逆バイアス電圧に応じて光信号を光吸収層１３で吸収するようになっている。
【００２９】
埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおいては、光導波路層の光の導波方向に直交する幅方向の側面に、ｐ−ＩｎＰからなる下部埋込み層１７およびｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１８が形成されている。
【００３０】
逆バイアス電圧非印加時には、ｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１８およびｐ−ＩｎＰからなる下部埋込み層１７は、逆バイアスの方向となり、電流ブロック層として機能する。一方、逆バイアス電圧印加時には、ｎ−ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２およびｐ−ＩｎＰからなる下部埋込み層１７、ならびに、ｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１８およびｐ−ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１４が、電流ブロック層として機能する。
【００３１】
導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbに含まれるｐ型クラッド層１４上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１９が形成されている。一方、図２、図３に符号２０ａ、２０ｂ、２０ｃを付して示す溝部によって導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbと隔てられたｐ型クラッド層１４の上面、ならびに、溝部２０ａ〜２０ｃの側面および底面には、例えばＳｉＮx膜またはＳｉＯ2膜からなる絶縁層２１が形成されている。
【００３２】
さらに、ｐ型クラッド層１４上には、コンタクト層１９または絶縁層２１を介して、ｐ型の上部電極２２が取付られている。一方、半導体基板１１の下面にはｎ型の下部電極２３が取付けられている。
【００３３】
上部電極２２は、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbの上部にコンタクト層１９を介して形成される主電極部２２ａと、溝部２０ｂ、２０ｃによって導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbと隔てられた領域の下部埋込み層１７および上部埋込み層１８の上部に絶縁層２１を介して形成される電極パッド部２２ｂと、からなる。なお、図２の上面図において、間隔の広い斜線を施した部分は上部電極２２を示しており、間隔の狭い斜線を施した部分は光吸収層１３を示している。
【００３４】
コンタクト層１９は、図３（ｃ）などに示したように、主電極部２２ａの直下に形成されるが、電極パッド部２２ｂの直下、かつ、下部埋込み層１７および上部埋込み層１８の直上には形成されないことが好ましい。これは、上部電極２２および下部電極２３間の下部埋込み層１７および上部埋込み層１８を介したリーク電流を低減するためである。
【００３５】
以下、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbが有するＳＣＨ層１５、１６の構成について詳細に述べる。図４は、光ゲート素子１の要部の構成を示す正面図である。ＳＣＨ層１５、１６は、図４（ａ）に示すように単層、または図４（ｂ）に示すように多層（例えば３層）からなるものである。
【００３６】
図５に、ＳＣＨ層１５、１６が単層からなる場合（図４（ａ））について、光導波路層の光閉じ込め係数を数値計算により求めた結果を示す。ここでは、光吸収層１３の層厚は０．３μｍ、その組成波長は１．４７μｍ、ＳＣＨ層１５、１６の組成波長はいずれも１．３５μｍとしている。
【００３７】
図５（ａ）において、実線はＴＥモードに対する光閉じ込め係数を、破線はＴＭモードに対する光閉じ込め係数のＳＣＨ層１５、１６の層厚依存性を示している。ここで、グラフの横軸のＳＣＨ層厚とは、ＳＣＨ層１５とＳＣＨ層１６の層厚の和を意味している。図５（ａ）のグラフより、いずれの伝播モードについても、光閉じ込め係数のＳＣＨ層厚依存性に極大値が存在することが分かる。
【００３８】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示したＴＭモードに対する光閉じ込め係数を、ＴＥモードに対する光閉じ込め係数で除した結果を示すものである。このグラフから、ＳＣＨ層厚が厚いほど、光閉じ込め係数の偏波依存性が解消されることが分かる。
【００３９】
以上の数値計算結果から、ＳＣＨ層１５、１６の層厚が厚いほど偏波依存性は解消されるが、光閉じ込め係数には最適値（極大値）が存在するため、これらの両方の効果のバランスを考慮してＳＣＨ層１５、１６の層厚を設計する必要があることが分かる。
【００４０】
下記の［表１］に、ｎ型クラッド層１２、光吸収層１３、ＳＣＨ層１５、１６、ｐ型クラッド層１４の組成波長および層厚の設計例をまとめる。即ち、［表１］に示した設計例においては、ＳＣＨ層厚としてＴＥモードに対する光閉じ込め係数の極大値近傍の値を採用している。また、図５（ｂ）より、この場合の光閉じ込め係数の偏波依存性は、ＳＣＨ層１５、１６が存在しない場合と比較して、明らかに解消されていることが分かる。さらに、ＳＣＨ層厚をＴＥモードに対する光閉じ込め係数の極大値近傍の値から増加させると、光閉じ込め係数の偏波依存性はさらに解消されることが分かる。
【表１】
2012181351.tif 000003
【００４１】
図６に、各層の屈折率特性の概念図を示す。図６においては、ｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１４の屈折率をｎc、光吸収層１３の屈折率をｎa、ＳＣＨ層１５、１６の屈折率をｎsとしている。図６に示した各層の屈折率の大小関係は、組成波長の大小関係と一致し、光吸収層１３から遠ざかるに従って小さくなるように設定されている。即ち、ＳＣＨ層１５、１６の屈折率は、クラッド層１２、１４の屈折率よりも大であるとともに、光吸収層１３の屈折率よりも小である。
【００４２】
次に、ＳＣＨ層１５、１６がそれぞれ３層からなる場合（図４（ｂ））について、下記の［表２］にｎ型クラッド層１２、光吸収層１３、ＳＣＨ層１５、１６、ｐ型クラッド層１４の組成波長および層厚の設計例をまとめる。また、図７に、各層の屈折率特性の概念図を示す。図７においては、ｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１４の屈折率をｎc、光吸収層１３の屈折率をｎa、ＳＣＨ層１５を構成する各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃの屈折率をそれぞれｎ1、ｎ2、ｎ3としている。同様に、ＳＣＨ層１６を構成する各層１６ａ、１６ｂ、１６ｃの屈折率をそれぞれｎ1、ｎ2、ｎ3としている。
【表２】
2012181351.tif 000004
【００４３】
この場合も、各層の屈折率の大小関係は、組成波長の大小関係と一致し、光吸収層１３から遠ざかるに従って小さくなるように設定されている。また、ＳＣＨ層１５、１６を構成する層相互間の屈折率差は、全て等しくてもよいし、次式に示すように光吸収層１３から各クラッド層１２、１４に向かうに従って小さくなってもよい。
【数１】
2012181351.tif 000005
【００４４】
なお、図６、７には各層の屈折率が階段状に変化する屈折率特性を示したが、屈折率特性は、これに限定されず、屈折率が直線状あるいは曲線状に変化する領域を有していてもよい。また、屈折率特性は、光吸収層１３を中心として対称であっても非対称であってもよい。
【００４５】
既に述べたように、光吸収層１３に逆バイアス電圧が印加されると、吸収特性は長波側へシフトする。図８は、逆バイアス電圧非印加時（０Ｖ）と逆バイアス電圧印加時（−２Ｖ，−４Ｖ，−６Ｖ）における、光信号の波長と光吸収層１３における損失（消光比）の関係を示すグラフである。例えば、波長１５５０ｎｍの光信号に対して３０ｄＢ以上の消光比を確保できる逆バイアス電圧（例えば、−４Ｖ）を光吸収層１３に印加する場合の吸収特性は、逆バイアス電圧非印加時の吸収特性から約７０ｎｍシフトすることが図８のグラフから読み取れる。
【００４６】
このような吸収特性のシフトは、光吸収層１３と同様にバルクのＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５、１６についても起こる。つまり、上記の逆バイアス電圧を印加した時にＳＣＨ層１５、１６も光吸収層として作用しないようにするためには、ＳＣＨ層１５、１６の組成波長は光吸収層１３の組成波長より７０ｎｍ以上短いことが好ましい。
【００４７】
以下、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbが有する光吸収層１３の構成について詳細に述べる。
埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける光吸収層１３は、光の導波方向に直交する幅が、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂのうちの少なくとも一方の端面に向かって狭くなる幅減少領域（図２中のテーパ部）を有する。
【００４８】
さらに、埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける光吸収層１３は、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂのうちの少なくとも一方の端面と幅減少領域との間に、幅減少領域と光の導波方向に連続し、かつ、光の導波方向に直交する幅が一定である幅一定領域（図２中の平行部）をさらに有していてもよい。
【００４９】
なお、図１〜図３には、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂの両端面とハイメサ導波路構造Ｉとの間に埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbが形成される構成を示した。光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける光吸収層１３の幅Ｗa、Ｗbは、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂのそれぞれを介して光結合する光ファイバや光導波路素子との結合効率が適切な値となるように設定すればよい。
【００５０】
どちらか一方の端面を介した光結合のみで高い結合効率を得られればよい場合には、図９に示すように、埋込み導波路構造ＩＩaまたはＩＩbが該一方の端面とハイメサ導波路構造Ｉとの間のみに形成されてもよい。即ち、１０ａを光入射端面、１０ｂを光出射端面としてもよく、またはその逆としてもよい。
【００５１】
なお、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける光吸収層１３の幅Ｗa、Ｗbは、ハイメサ導波路構造Ｉにおける光吸収層１３の幅よりも細くすることが望ましい。
【００５２】
また、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける光吸収層１３の幅Ｗa、Ｗbが適切な値でありさえすれば、光吸収層１３の幅減少領域の幅は、図２や図９に示したテーパ状に限らず、例えば、階段状などの任意の形状に従って減少してもよい。
【００５３】
なお、下部埋込み層１７および上部埋込み層１８は、上述のｐ型およびｎ型のＩｎＰの代わりに、例えばＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰやノンドープＩｎＰを用いて形成してもよい。また、半導体基板１１としてｎ−ＩｎＰ材料を採用したが、ｐ−ＩｎＰ基板や半絶縁性ＩｎＰ基板などを採用してもよい。また、光吸収層１３を構成するバルク材料としてＩｎＧａＡｓＰを採用したが、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｌＡｓを採用してもよい。
【００５４】
以下、本実施形態に係る光ゲート素子１の製造方法の一例を図１０、図１１を用いて説明する。ここでは、ＳＣＨ層１５、１６がそれぞれ３層からなる構成について述べる。まず、（１００）結晶面を上面とし、長尺方向が＜０１１＞方向、短尺方向が＜０−１１＞方向である長方形に形成され、ｎ型の不純物がドープされたｎ−ＩｎＰからなる半導体基板１１を準備する。
【００５５】
図１０（ａ）に示すように、半導体基板１１の上面に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、層厚が０．５μｍのｎ−ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２を形成する。このｎ型クラッド層１２の上面に、層厚がそれぞれ１５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５ｃ、１５ｂ、１５ａを順次積層する。なお、ＳＣＨ層１５ａ、１５ｂ、１５ｃの組成波長は、［表２］に示した通りである。
【００５６】
そして、ＳＣＨ層１５（１５ｃ）の上面に、層厚が０．１〜０．３μｍ程度でノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなるバルクの光吸収層１３を形成し、これに引き続き層厚がそれぞれ１５ｎｍのＳＣＨ層１６ａ、１６ｂ、１６ｃを順次積層する。なお、ＳＣＨ層１６ａ、１６ｂ、１６ｃの組成波長は、［表２］に示した通りである。
【００５７】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）をＳＣＨ層１６（１６ｃ）の上面に積層した後、レジスト（不図示）を塗布し、フォトリソグラフィによって光導波路層を形成するための形状を有したマスクパターンを露光して現像する。そして、フッ酸によるエッチングでマスクパターンをＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）に転写して、絶縁性のエッチングマスク２７を形成する。
【００５８】
なお、図１０（ａ）にはマスクパターン２７として１つの素子に相当する部分のみを示しているが、同様のマスクパターンが素子の長尺方向である＜０１１＞方向に繰り返し形成されていてもよい。
【００５９】
次に、図１０（ｂ）に示すように、上記により形成されたエッチングマスク２７を用いて、ＳＣＨ層１６、光吸収層１３、ＳＣＨ層１５、およびｎ型クラッド層１２の途中までをウェットエッチングまたはドライエッチングする。ウェットエッチングの場合は、エッチング液として塩酸系あるいは塩酸／リン酸系のエッチング液を使用することにより、＜０−１１＞方向にほぼ垂直のエッチング面を形成することができる。
【００６０】
次に、図１０（ｃ）に示すように、エッチングで除去された部分にＭＯＶＰＥ法を用い、エッチングマスク２７を成長阻害マスクとして利用して、ｐ−ＩｎＰからなる下部埋込み層１７およびｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１８を順次積層する。
【００６１】
次に、エッチングマスク２７をフッ酸で除去して、図１１（ｄ）に示すように、層厚が０．４５μｍのｐ−ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１４と、ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１９を積層して、上部埋込み層１８の上面を覆う。
【００６２】
さらに、図１１（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）をコンタクト層１９の上面に積層した後、レジスト（不図示）を塗布し、フォトリソグラフィによって導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbを形成するための形状を有したマスクパターンを露光して現像する。そして、フッ酸によるエッチングでマスクパターンをＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）に転写して、絶縁性のエッチングマスク２８を形成する。
【００６３】
次に、上記により形成されたエッチングマスク２８を用いて、コンタクト層１９、ｐ型クラッド層１４、上部埋込み層１８、下部埋込み層１７、およびｎ型クラッド層１２をウェットエッチングまたはドライエッチングする。なお、このエッチングは、ｎ型クラッド層１２の底面まで行ってもよいし、ｎ型クラッド層１２の途中まで行ってもよい。既に述べたように、ウェットエッチングの場合は、＜０−１１＞方向に垂直な面を形成するために、エッチング液として塩酸系あるいは塩酸／リン酸系のエッチング液を使用する。そして、図１１（ｅ）に示すように、エッチングマスク２８をフッ酸で除去して、コンタクト層１９の上面を露出させる。
【００６４】
次に、エッチングマスク（不図示）を用いて導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbの上部以外のコンタクト層１９をエッチングで除去する。そして、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbの上部のコンタクト層１９、およびコンタクト層１９が形成されていないｐ型クラッド層１４の上面と、エッチングマスク２８を用いたエッチングによって形成されたｐ型クラッド層１４、上部埋込み層１８、下部埋込み層１７、およびｎ型クラッド層１２の各側面と、ｎ型クラッド層１２（または半導体基板１１）の上面に、ＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）からなる絶縁層２１を形成する。そして、図１１（ｆ）に示すように、主電極部２２ａが形成される部分の絶縁層２１をフッ酸で除去する。
【００６５】
最後に、図１に示したように、コンタクト層１９の上面および絶縁層２１の上面の一部にｐ型の上部電極２２を蒸着形成し、さらに、半導体基板１１の下面にｎ型の下部電極２３を蒸着形成する。
【００６６】
なお、以上の説明では１つの素子に相当する部分のみを示したが、実際には図１０、図１１に示した工程において、素子の長尺方向や短尺方向に複数の素子が連なった半導体ウエハを形成し、最後に劈開を行って個々の光ゲート素子に分離する。
【００６７】
なお、埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける光吸収層１３が既に述べた幅一定領域（光吸収層１３の幅が一定）を有する場合には、劈開位置が＜０１１＞方向に多少前後しても光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける光吸収層１３の幅Ｗa、Ｗbが変化しないため好ましい。
【００６８】
以上のように製造される本実施形態の光ゲート素子１の動作を、光ゲート素子１をサンプリング波形測定装置に適用した場合を例に取って説明する。ここでは、光ゲート素子１は、ポンプ光として入力される光パルスＰｓの光強度に応じて吸収係数が変化する相互吸収飽和特性を利用して、光信号の強度変調を行うとする。
【００６９】
図１２は、本実施形態の光ゲート素子１を適用したサンプリング波形測定装置の要部の構成を示す概略図である。光ゲート素子１の光吸収層１３を含む光導波路層に、光入射端面１０ａ側から光通信システム（不図示）からの光信号（例えば、４０Ｇｂｐｓ）が入力される。光ゲート素子１には、光信号の波長に対して高い吸収係数を示す逆バイアス電圧Ｖｂが、直流電源４０から上部電極２２および下部電極２３を介して加えられている。
【００７０】
この状態で、光パルス発生器（不図示）からの光パルスＰｓが光サーキュレータ５０を介して光出射端面１０ｂ側から光導波路層に入力される。光パルスＰｓがオンとなる期間では、光吸収層１３内でキャリアが励起される。この励起キャリアが光吸収層１３内に蓄積されることにより、光吸収層１３における光吸収が飽和し、吸収係数（光損失）が小さい状態（即ち、ゲートが開いた状態）となる。
【００７１】
一方、光パルスＰｓがオフとなる期間では、光パルスＰｓがオンとなる期間に励起されたキャリアが速やかに光吸収層１３に吸収され、吸収係数（光損失）が大きい状態（即ち、ゲートが閉じている状態）となる。
【００７２】
これにより、光パルスＰｓがオンとなるタイミングで光信号がサンプリングされて光出射端面１０ｂ側から出力される。サンプリングされた光信号は光サーキュレータ５０を介して受光器（不図示）に入力される。
【００７３】
図１３は、サンプリング波形測定装置のサンプリング波形の測定原理を説明する説明図である。光パルスＰｓ（図１３（ｂ））の繰返し周期は光信号（図１３（ａ））の繰返し周期の整数倍よりも僅かに長く設定されており、光信号のパルス波形上の相対的なサンプリング位置は、その一つ前のサンプリング位置よりも僅かに後方となる。
【００７４】
この相対的なサンプリング位置の差をΔｔとすると、光信号が繰返し波形の場合、光信号を０、Δｔ、２Δｔ、３Δｔ・・・の位置でサンプリングしたものと等価な信号が光ゲート素子１から出力される。
【００７５】
光ゲート素子１の出力信号（図１３（ｃ））からは、光信号のパルス波形を時間軸方向に拡大した包絡線が得られる。従って、低速の受光器（不図示）やＡＤ変換回路（不図示）を用いて高速の光信号の波形を観測することが可能になる。
【００７６】
以上説明したように、本発明に係る光ゲート素子は、光吸収層とｎ型クラッド層との間、および、光吸収層とｐ型クラッド層との間に光閉じ込め層を具備することにより、光吸収層の層厚を増加させることなく、消光比の偏波依存性の低減と、光閉じ込め係数の向上とを同時に図ることができる。
【００７７】
さらに、本発明に係る光ゲート素子は、任意の偏波方向の光信号に対するサンプリングを可能とするとともに、光ファイバや光導波路素子との結合効率を良好にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る光ゲート素子は、サンプリング波形測定装置や、サンプリング波形測定装置に光信号の品質を表す値を算出する信号品質算出回路を追加した信号品質モニタに適用可能な光ゲート素子として有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１  光ゲート素子
１０ａ  光入射端面
１０ｂ  光出射端面
１１  半導体基板
１２  ｎ型クラッド層（第１のクラッド層）
１３  光吸収層
１４  ｐ型クラッド層（第２のクラッド層）
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  ＳＣＨ層（光閉じ込め層）
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ  ＳＣＨ層（光閉じ込め層）
１７  下部埋込み層
１８  上部埋込み層
１９  コンタクト層
２０ａ〜２０ｃ  溝部
２１  絶縁層
２２  上部電極
２２ａ  主電極部
２２ｂ  電極パッド部
２３  下部電極
２７、２８  エッチングマスク
４０  直流電源
５０  光サーキュレータ
【図１】
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【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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