(57)【要約】【課題】本発明は、ドライバと光位相干渉回路との間にＣカットを設けることなく駆動可能な光位相干渉回路を提供する。【解決手段】本発明の光位相干渉回路は、基板上に、ｎ型窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体多重量子井戸層及びｐ型窒化物系半導体クラッド層とを順次積層して形成された光導波路構造を備えた光位相干渉回路であって、前記窒化物系半導体多重量子井戸層においてビルトイン電界によって生じる電圧は、前記光位相干渉回路を駆動するためのＤＣバイアス電圧に等しいことを特徴とする。【選択図】図２
2013228594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｎ型窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体多重量子井戸層及びｐ型窒化物系半導体クラッド層とを順次積層して形成された光導波路構造を備えた光位相干渉回路であって、
前記窒化物系半導体多重量子井戸層においてビルトイン電界によって生じる電圧は、前記光位相干渉回路を駆動するためのＤＣバイアス電圧に等しいことを特徴とする光位相干渉回路。
【請求項２】
前記窒化物系半導体多重量子井戸層は、ＧａＮ障壁層及びＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸層を備え、ｘ＝０．１〜０．４であることを特徴とする請求項１に記載の光位相干渉回路。
【請求項３】
前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記ｐ型窒化物系半導体クラッド層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項２に記載の光位相干渉回路。
【請求項４】
前記光位相干渉回路は、マッハツェンダ型光スイッチであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光位相干渉回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光位相干渉回路に関し、より詳細には、窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速光通信システムや光情報処理システムにおけるキーデバイスの１つとして、光位相干渉回路がある。光位相干渉回路としては、ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いたマッハツェンダ（ＭＺ）型光スイッチやＭＺ型光変調器等が挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。ＭＺ型光スイッチにおいては、２つのアーム導波路に電界を印加してそれぞれのアーム導波路の屈折率を変化させて光変調を行うことにより、光をオンオフすることができる。
【０００３】
ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路では、１次の電気光学効果であるポッケルス効果を用いた屈折率変化により光変調を行う。図１は、ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路における印加電界と屈折率変化との関係を示す。図１に示されるように、ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路においては、ポッケルス効果（１次の効果）により印加電界に対して線形に屈折率が変化する。
【０００４】
ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いたＭＺ型光スイッチでは、電気光学効果の波長依存性が小さいため、スイッチの波長依存性を小さくすることが可能であるとともに、電気光学効果の応答速度が非常に早いため、高速なスイッチング応答が可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】N. Yoshimoto, Y. Shibata, S. Oku, S. Kondo, Y. Noguchi, K. Wakita and M. Naganuma "Fully polarisation independent Mach-Zehnder optical switch using a lattice-matched InGaAlAs/InAlAs MQW and high-mesa waveguide structure", ELECTRONICS LETTERS, 1996年7月18日、Vol. 32, No 15.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路は逆バイアスで動作するため、光位相干渉回路を駆動するためには駆動ＲＦ電圧Ｖｐｐとは別にＤＣバイアス電圧Ｖｐを印加する必要がある。ＤＣバイアス電圧Ｖｐは、典型的には光位相干渉回路を駆動した際に得られる変調光出力が、変調光出力の最大値（スイッチＯＦＦ状態）と最小値（スイッチＯＮ状態）と間の半分の値となるように設定され、このＤＣバイアス電圧Ｖｐが光位相干渉回路のドライバにかかると、動作が不安定となるか又はドライバが壊れる場合がある。そのため、ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路を使用する場合においては、ＤＣバイアス電圧Ｖｐが光位相干渉回路のドライバに印加されないように、ドライバと光位相干渉回路との間にＣカットが必要となるため、素子の小型化やコストの低減を図ることが困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドライバと光位相干渉回路との間にＣカットを設けることなく駆動することが可能な光位相干渉回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に記載の光位相干渉回路は、基板上に、ｎ型窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体多重量子井戸層及びｐ型窒化物系半導体クラッド層とを順次積層して形成された光導波路構造を備えた光位相干渉回路であって、前記窒化物系半導体多重量子井戸層においてビルトイン電界によって生じる電圧は、前記光位相干渉回路を駆動するためのＤＣバイアス電圧に等しいことを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の光位相干渉回路は、請求項１に記載の光位相干渉回路であって、前記窒化物系半導体多重量子井戸層は、ＧａＮ障壁層及びＡｌxＧａ1-xＮ量子井戸層を備え、ｘ＝０．１〜０．４であることを特徴とする請求項１に記載の光位相干渉回路。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の光位相干渉回路は、請求項２に記載の光位相干渉回路であって、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記ｐ型窒化物系半導体クラッド層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の光位相干渉回路は、請求項１から３のいずれかに記載の光位相干渉回路であって、前記光位相干渉回路は、マッハツェンダ型光スイッチであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光位相干渉回路によると、組成を調整することによりピエゾ効果によって発生するビルトイン電界をＤＣバイアス電圧Ｖｐに対応する電界に一致させることができるため、駆動ＲＦ電圧Ｖｐｐのみで光位相干渉回路を駆動させることができる。従って、ＤＣバイアス電圧Ｖｐが不要になることにより、ドライバとＭＺ型光位相干渉回路との間のＣカットを設けることなく光位相干渉回路を駆動することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の光位相干渉回路によると、１次のポッケルス効果及び２次のカー効果による屈折率変化を合わせて用いることにより、少ない電界変化に対して大きな屈折率の変化が得られるため、低消費電力のスイッチを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路における印加電界と屈折率変化との関係を示す図である。
【図２】窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路における印加電界と屈折率変化との関係を示す図である。
【図３】光位相干渉回路における窒化物系半導体ＭＱＷのＡｌ組成と内部電界との関係を示す図である。
【図４】光位相干渉回路における窒化物系半導体ＭＱＷのＡｌ組成と光閉じ込め係数との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路の光導波路構造１０を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
従来のようなＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路において、１次のポッケルス効果による内部電界（ビルトイン電界）は上下クラッド層のｐｎドーピング量によって異なるが、図１に示されるように現実的なｐｎドーピング量でせいぜい数十ｋＶ／ｃｍ程度であり、この値を大幅に変えることはできない。光位相干渉回路を駆動するためのＤＣバイアス電圧Ｖｐに相当する電圧を得るために必要な電界は数百ｋＶ〜ＭＶ／ｃｍオーダーであるため、ＩｎＰ又はＧａＡｓ系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路では、ＤＣバイアス電圧Ｖｐに相当する電圧を得るために必要な電界をビルトイン電界でかけることはほぼ不可能であった。
【００１６】
本発明に係る光位相干渉回路は、窒化物系半導体ＭＱＷを用いて構成される。以下、本発明に係る窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路の構成を説明する。
【００１７】
図２は、窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路における印加電界と屈折率変化との関係を示す。窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路では、１次のポッケルス効果に加え、図２に示されるように、窒化物特有のピエゾ効果により、量子井戸層にＭＶ／ｃｍオーダーのビルトイン電界が発生するため、従来の材料系では効果が小さく無視することができた、印加電界の２乗に比例して屈折率が変化するＤＣカー効果（２次の効果）を加えることができる。ビルトイン電界の大きさは、後述のように、量子井戸の構造により調整することが可能なため、ビルトイン電界を調節することにより光位相干渉回路を駆動するために必要なＤＣバイアス電圧Ｖｐが予め印加されているような状態にすることができる。
【００１８】
図３は、光位相干渉回路における窒化物系半導体ＭＱＷのＡｌ組成と内部電界との関係を示す。図３に示されるように、窒化物系半導体ＭＱＷの内部電界は、Ａｌ組成に比例して増加し、０〜１３ＭＶ／ｃｍ程度となる。従って、窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路では、Ａｌ組成を設計することにより、０Ｖの時点でかかっているピエゾ効果によるビルトイン電界を０〜１３ＭＶ／ｃｍ程度の所望の値に設定することができる。ＤＣカー効果が顕著となり、光位相干渉回路を駆動するためのＤＣバイアス電圧Ｖｐに相当する電界を得るためには、１ＭＶ／ｃｍ以上の電界が必要となるため、１ＭＶ／ｃｍ以上のビルトイン電界が得られるようにＡｌ組成を設定することが好ましい。
【００１９】
従って、窒化物系半導体ＭＱＷをＭＺ型光変調器やＭＺ型スイッチに応用する際に、ビルトイン電界を調整してＤＣバイアス電圧Ｖｐに相当する電界に設定して印加することができるため、駆動ＲＦ電圧Ｖｐｐのみで光位相干渉回路を駆動させることができる。それにより、ＤＣバイアス電圧Ｖｐが不要になり、ドライバとＭＺ型光位相干渉回路との間にＣカットを設けることなくＭＺ型光位相干渉回路のアーム導波路にドライバを直結して駆動することが可能となる。
【００２０】
一方で、図４で後述するように、Ａｌ組成が大きすぎると、光の閉じ込めが弱くなるため、ＤＣカー効果が得られるとともに光閉じ込めを確保できるようなＡｌ組成にする必要がある。
【００２１】
図４は、光位相干渉回路における窒化物系半導体ＭＱＷのＡｌ組成と光閉じ込め係数との関係を示す。図４に示されるように、窒化物系半導体ＭＱＷのＡｌ組成が大きくなるにつれて、窒化物系半導体ＭＱＷ及び上下クラッド層における光閉じ込め係数が小さくなる。光の閉じ込めを確保するためには、光閉じ込め係数を０．０８以上にすることが好ましい。
【００２２】
従って、図３及び図４に示されるＡｌ組成と内部電界及び光閉じ込め係数との関係を考慮すると、ＤＣカー効果が顕著となり且つ光閉じ込めを確保するためには、Ａｌ組成は０．１〜０．４程度が好ましい。加えて、結晶成長の観点からも、Ａｌ組成が０．４を超えると格子不整合による歪みが大きくなり、それに伴う転位による結晶欠陥の増加などで光学特性が劣化するため、その点からもＡｌ組成は０．１〜０．４程度が好ましい。
【００２３】
ここで、図３及び図４においては、例示としてＡｌ組成との関係を示したが、Ａｌに限定されることなく他の材料であってもその組成によって変化する。
【００２４】
このように、光位相干渉回路において窒化物系半導体ＭＱＷを使用した場合、組成を調整することによりピエゾ効果によって発生するビルトイン電界をＤＣバイアス電圧Ｖｐに相当する電界を得るために必要な電界に一致させることができる。従って、駆動ＲＦ電圧Ｖｐｐのみで光位相干渉回路を駆動させることができるため、ＤＣバイアス電圧Ｖｐが不要になり、ドライバとＭＺ型光位相干渉回路との間のＣカットが不要となる。さらに、１次のポッケルス効果及び２次のＤＣカー効果による屈折率変化を合わせて用いることが可能であるため、少ない電界変化に対して大きな屈折率の変化を得ることができ、低消費電力のスイッチを実現することが可能となる。また、光位相干渉回路において窒化物系半導体ＭＱＷを用いた場合、通信波長帯がバンドギャップから離れているため吸収損が小さいという利点がある。
【００２５】
［実施例］
以下、本発明に係る窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路の実施例を説明する。図５は、本発明の実施例に係る窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路の光導波路構造１０を示す。図５に示される光位相干渉回路の光導波路構造１０は、基板１上に、下部窒化物系半導体クラッド層２、窒化物系半導体ＭＱＷ層３及び上部窒化物系半導体クラッド層４が順次積層されている。エッチングプロセスにより、下部窒化物系半導体クラッド層２に至るまでエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路を作製している。以下、本発明の実施例に係る窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路の光導波路構造１０の構成を説明する。
【００２６】
本発明の実施例に係る光位相干渉回路の光導波路構造１０においては、例えば、サファイアからなる基板１上に、ｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる厚さ１．５μｍの下部窒化物系半導体クラッド層２を形成し、下部窒化物系半導体クラッド層２上にＧａＮ障壁層（２５ｎｍ）及びＡｌxＧａ1-xＮ量子井戸層（５ｎｍ、ｘ＝０．１〜０．４）を備える１０ＱＷの窒化物系半導体ＭＱＷ層３を形成し、窒化物系半導体ＭＱＷ層３上にｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる厚さ１．５μｍの上部窒化物系半導体クラッド層４を形成した。
【００２７】
上記のように構成された光導波路構造１０を有する光位相干渉回路においては、光閉じ込め係数は０．０８〜０．１であり、窒化物系半導体ＭＱＷ層３に生じるピエゾ電界は１ＭＶ／ｃｍ〜８ＭＶ／ｃｍである。従って、ビルトイン電界によって窒化物系半導体ＭＱＷ層３に生じる電圧が光位相干渉回路の駆動に必要なＤＣバイアス電圧と等しくなるようにＡｌ組成を調整することにより、光の閉じ込めを確保しながら、駆動ＲＦ電圧Ｖｐｐのみで駆動可能な光位相干渉回路を構成することができる。
【００２８】
ここで、本発明の実施例においては、基板としてサファイア基板を使用したが、例えばＧａＮ基板を使用することもできる。また、本発明の実施例において、導波路構造としてハイメサ導波路構造を例示したが、リッジ導波路構造としてもよい。
【００２９】
さらに、本発明の実施例においては、下部窒化物系半導体クラッド層２としてｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎを使用し、上部窒化物系半導体クラッド層４としてｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎを使用したが、それに限定されること無く、窒化物系半導体ＭＱＷ層３よりも屈折率が小さく、かつバンドギャップが大きい窒化物系半導体を使用することができる。例えば、窒化物系半導体クラッド層／窒化物系半導体ＭＱＷ層３の組み合わせとしては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ｈ−ＢＮ／ＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ又はＩｎＡｌＮ／ＧａＮなどを用いることができる。結晶成長の容易さでは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの組み合わせが好適である。特に、窒化物系半導体ＭＱＷ層３としてＧａＮを用いた場合、光導波路のモードを光ファイバのモードに近づけることができるので、従来材料系に比べて光ファイバの結合性が良く、光導波路が太く電極を形成しやすいため好適である。
【００３０】
本発明に係る窒化物系半導体ＭＱＷを用いた光位相干渉回路は、２次のＤＣカー効果を利用しているため、ＭＺ型光スイッチに適用することが好適であるが、ＤＣカー効果による屈折率変化の非線形部分を制御スイッチ側で吸収することなどによって補償することにより光変調器に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  基板
２  下部窒化物系半導体クラッド層
３  窒化物系半導体ＭＱＷ層
４  上部窒化物系半導体クラッド層
１０  光導波路構造
【図１】
2013228594.tif 000003
【図２】
2013228594.tif 000004
【図３】
2013228594.tif 000005
【図４】
2013228594.tif 000006
【図５】
2013228594.tif 000007