JPH0882705A

JPH0882705A - 光波長選択素子

Info

Publication number: JPH0882705A
Application number: JP24336094A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mori; 浩森; Haruo Nagai; 治男永井
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1994-09-12
Filing date: 1994-09-12
Publication date: 1996-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】光通信や光集積回路に使用される光フィルタに
関する。特に、導波層中に形成された回折格子によっ
て、特定の波長の透過を制御する光波長選択素子に関す
る。【構成】半導体基板１と、半導体基板の上部に形成され
半導体基板の屈折率より大きくかつ温度依存性のある屈
折率を有する半導体光導波層３と、半導体光導波層に形
成された回折格子２と、半導体光導波層の上部に形成さ
れ半導体光導波層の屈折率より小さい屈折率を有する半
導体クラッド層４と、半導体光導波層と電気的に絶縁さ
れ外部から供給される電流によって半導体光導波層を加
熱し、外部から入射された光の中から回折格子のブラッ
グの回折条件に基づいた波長を選択して出射する加熱手
段５とを備えた光波長選択素子である。

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

【０００１】光通信や光集積回路に使用される光フィル
タに関する。特に、導波層中に形成された回折格子によ
って、特定の波長の透過を制御する素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】特定の周波数のみを反射または通過させ
るフィルタとして回折格子を用いる周期構造付き導波路
（以下、導波層という。）は、優れたフィルタ作用を有
する。一般に、光フィルタは光学多層薄膜技術によって
作製されることが多いが、これは高度な技術が要求され
る上、半導体デバイスのように量産化することが難し
い。また、ファブリペロー型レーザダイオード（以下、
ＬＤという。）をファブリペローエタロンとして使用す
れば構成は単純となるが、縦モード間隔ごとに透過領域
ができてしまい、フィルタリング波長の単一化は不可能
であり、用途は限定される。その点、回折格子を用いた
周期構造付き導波層では、回折格子のピッチと導波層の
透過屈折率とによって決定される固有のブラッグ波長が
発生するので、波長選択性の強いフィルタを形成するこ
とができる。

【０００３】光フィルタの種類として、大きく分けて活
性フィルタと受動フィルタとがある。活性フィルタと
は、単に、光をフィルタリングするだけではなく、フィ
ルタに利得を与えてアンプの機能を持たせたものをいう
（従来技術１）。半導体からなる活性フィルタでは印加
電流を発振しきい値よりも下の値にバイアスしておき、
入射光の光注入によって発振させる。回折格子を備えた
活性フィルタの構成はいわゆるＤＦＢレーザやＤＢＲレ
ーザとほとんど同じで、一般にはバンドパスフィルタと
して動作する。

【０００４】しかし、この活性フィルタには、以下の問
題点がある。第１に、利得レベルは入射光強度に大きく
依存する。すなわち、活性フィルタとは、ＬＤを発振す
るしきい値のわずか下にバイアスしておき、入射した光
によって利得を補い、レーザ発振に至らせてレーザ光を
出力させ、入射光があたかも増幅されて透過したように
機能させるものである。透過波長はファブリペロー型Ｌ
Ｄの場合には縦モード間隔で多数存在するという問題が
ある。また、ＤＦＢ型の光フィルタやＤＢＲ型の光フィ
ルタでは内蔵する回折格子のピッチによって透過する波
長が単一に決定される。しかし、透過することができる
波長の光が入射された場合であっても、入射レベルが低
く発振に至らない場合には透過とみなされない程度の出
力しか得られないことになる。さらに、ＤＦＢ型の光フ
ィルタの場合には、波長設定電流と利得設定電流とが同
一であるため、レーザ発振しない程度の範囲でしかバイ
アス値を設定できず、波長可変幅は著しく制限される。
ＤＢＲ型の光フィルタの場合には、波長設定電流と利得
設定電流とをそれぞれ独立して設定することが可能であ
るが、構造が複雑となり作製が困難なほか、後述する副
モードでの透過や吸収損失の問題がある。また、活性フ
ィルタにおいて、一般に利得を得るためには、入射光の
偏波方向が正確に制御されている必要があり、ファイバ
結合をとる場合には、偏波保存ファイバの使用と偏波面
調整作業とが要求される。さらに、電流注入のための電
極が必要であり、ダイオードとするためのＰＮ構造、電
流狭窄構造などを施す必要がある。

【０００５】第２に、ファブリペローモードの影響を受
けやすく、透過領域が複数できてしまう可能性がある。
特に、ＤＢＲ型の光フィルタの場合、レーザ発振モード
とそれに隣接する副モードとのしきい利得の差はあまり
大きくなく、活性フィルタとして使用した場合には、副
モード波長でレーザ発振にいたる可能性があり、透過領
域が単一にならなくなってしまう。

【０００６】第３に、活性フィルタにおいては、素子寿
命が限られるという問題がある。すなわち、活性層はＬ
Ｄと同等の寿命（ＩｎＰ系であれば１０万時間オーダ）
しか有しないため、フィルタ特性もこれに制限される。

【０００７】そこで、以上の問題点が存しない光フィル
タとして、素子に利得を加えず、外部から入射された光
を単純にフィルタリングする光フィルタ、すなわち、受
動フィルタがある。（従来技術２）。

【０００８】受動フィルタに関して、従来行われてきた
波長可変原理は以下の二通りである。第１の方法は、導
波層に電流を注入し、導波層内のキャリア密度の変化が
引き起こすプラズマ効果を利用して屈折率を変える方法
である。第２の方法は、素子のＰＮ構造に対して逆バイ
アス電圧をかけ、電気光学効果によって屈折率を変化さ
せる方法がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来技術２で述べた、
受動フィルタの種類のうち、導波層に電流を注入するも
のでは、電流を導波層に注入してプラズマ効果を起こさ
せているので、導波層内部のキャリア密度の増加による
吸収損失の増大を引き起こし、光出力が低下するという
問題がある。ＰＮ構造に逆バイアス電圧を加え、電気光
学効果によって屈折率を変化させる方法は屈折率変化が
小さく、その結果、波長を可変する幅が小さいという問
題がある。すなわち、ＰＮ構造に逆バイアス電圧を加え
る方法では、電圧の変化量に対する屈折率の変化量が小
さく、印加できる電圧にも限度があるからである。した
がって、本発明の目的は、半導体光導波層に外部から電
流や、電圧を加えることなく、半導体光導波層の屈折率
を変化させ、半導体光導波層に外部から入射された光の
波長を変化させることができる光波長選択素子を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、以下の手段を採用した。すなわち、半
導体基板１と、その半導体基板１の上部に形成され、半
導体基板１の屈折率より大きくかつ温度依存性のある屈
折率を有する半導体光導波層３と、半導体光導波層３に
形成された回折格子２と、半導体光導波層３の上部に形
成され、半導体光導波層３の屈折率より小さい屈折率を
有する半導体クラッド層４と、半導体光導波層３と電気
的に絶縁され、外部から供給される電流によって半導体
光導波層３を加熱し、外部から入射された光の中から回
折格子２のブラッグの回折条件に基づいた波長を選択し
て出射する加熱手段５とを備えた光波長選択素子であ
る。

【００１１】

【作用】本発明の光波長選択素子では、半導体光導波層
３の近傍に絶縁膜８を介して、加熱手段５を備えてい
る。温度の関数である半導体光導波層３の等価屈折率を
ｎ（Ｔ）とすると、ブラッグの回折条件である式ｍλ＝
２ｎ（Ｔ）Λを満たす波長λのみが回折されて透過しな
い。ここで、Λは回折格子２のピッチを意味し、ｍは回
折の次数を意味する。本発明は、加熱手段５である薄膜
抵抗に電力を与えて発熱させ、絶縁膜８によって半導体
光導波層３のキャリア密度の変化を抑え、半導体光導波
層３を加熱することにより等価屈折率ｎ（Ｔ）を変える
ことによって吸収損失を増大させることなく、回折波長
を変えようとするものである。

【００１２】

【実施例】

（第１の実施例）第１の実施例を図１、図２を用いて説
明する。図１は、本発明の光波長選択素子の構造を表し
た図である。図２は、本発明の光波長選択素子のフィル
タリングの様子を示す図である。図１（Ａ）は素子の斜
視図、図１（Ｂ）は素子を半導体光導波層３に平行に切
断した断面図である。素子の構造を作製手順を説明する
ことにより明らかにする。

【００１３】まず、ＩｎＰの半導体基板１上に１．５５
μｍの波長の光をブラッグ条件のｍ＝１の回折条件で回
折する２４２０オングストロームのピッチの回折格子２
を形成する。回折格子２の上に１．３μｍ帯のＩｎＧａ
ＡｓＰからなる半導体光導波層３を成長する。したがっ
て、回折格子は半導体光導波層３に形成されているとも
いえる。次に、ＩｎＰの半導体クラッド層４を成長し、
横モードが制御されるように、１．５μｍの幅のメサ形
の半導体光導波層３の両側にＩｎＰの半導体クラッド層
４を再成長する。そして、半導体クラッド層４の上部に
ＳｉＯ₂の絶縁膜８を介して加熱手段５としてＰｔのス
トライプ状の薄膜抵抗を形成する。さらに、外部から入
射された光の進行方向に対して垂直な端面に１．５５μ
ｍ帯の波長に対応する無反射コート９を施す。ここで、
上記の方法により作製された素子は、図２に示すよう
に、素子の一方の端面から半導体光導波層に入射された
１．５５μｍ帯の光は、反対側の端面から出射される。
その出射された光のスペクトルは、いわゆるバンドリジ
ェクション型のフィルタリングを示し、所望の波長が回
折格子によってｍ＝１の回折を受け、透過を阻害されて
いる。

【００１４】次に、ＩｎＰの半導体基板１上に１．５５
μｍの波長の光をブラッグ条件のｍ＝２の回折条件で回
折する４８４０オングストロームのピッチの回折格子２
を形成する。以下の作製手順は回折条件ｍ＝１の回折格
子を有する素子と同様である。ここで、上記の方法によ
り作製された素子は、図２に示すように、素子の一方の
端面から半導体光導波層に入射された１．５５μｍ帯の
光は、ｍ＝２のブラッグの回折条件に対応する光のみが
入射方向に対して９０°の方向に出射される。その出射
された光のスペクトルは、バンドパス型のフィルタリン
グを示す。ブラッグ条件ｍ＝２の回折条件で回折する４
８４０オングストロームのピッチの回折格子２を形成し
た例では、半導体基板１の底面に受光素子７を備えてい
る。ここで、回折格子２のピッチを変えて、反射条件を
回折の次数ｍ＝２としたので、光の進行方向に対して光
が９０°の角度に回折する。反射光は受光素子７により
受けている。

【００１５】このように、回折条件の次数の選択によっ
て光が回折される角度を図２に示すように異なる方向に
設定できるので、本発明の素子を複数、光の進行方向に
直列に設置し、それぞれの素子の半導体光導波層に加え
る熱を制御することにより異なった波長を取り出すこと
もできる。

【００１６】以上の例では、回折格子の構造は位相連
続、一定ピッチであるが、回折格子２の構造を変えてλ
／４位相シフトを挿入した場合、光が入射されると光波
長選択素子内部においてブラッグ波長で共振条件が成り
立つ。この場合、素子の反対側の端面からはブラッグ波
長の光が透過し疑似バンドパスフィルタとなる。なぜな
らば、ブラッグ波長の近傍の波長は回折格子２の結合係
数とフィルタ長との積によって決定される禁止帯（スト
ップバンド）の範囲にわたり共振が抑圧されるからであ
る。回折格子２の構造を超周期構造にした場合、ブラッ
グ波長が複数存在する。すなわち、回折格子２が複数の
ブラッグ波長を有するため、回折する波長も複数とな
る。

【００１７】（第２の実施例）本発明の第２の実施例を
図３を用いて説明する。図３は、第１の実施例の素子の
両端面にいわゆる窓領域６を設けたものである。窓領域
６は、通常、半導体クラッド層４と同じ材質からなる。
窓領域６は、加熱手段５である薄膜抵抗の両端が窓領域
６に届く長さにしておくことが望ましい。このように窓
領域６を素子の両端面に設けておけば、無反射コート９
に加えてより反射を抑えて結合が改良される上、加熱手
段５により加熱される半導体光導波層３における温度分
布が回折格子の上の部分でフラットとなり、回折格子２
の実効チャーピングを抑えて反射特性のわずかな劣化を
も避けることができる。

【００１８】（第３の実施例）本発明の第３の実施例を
図４を用いて説明する。図４は、第１の実施例の素子を
複数モノリシックに集積したものである。すなわち、半
導体基板１と、半導体基板１の上部に形成され、半導体
基板１の屈折率より大きくかつ温度依存性のある屈折率
を有する半導体光導波層３と、半導体光導波層３に形成
され、外部から入射された光の進行方向に沿って順次形
成された複数個の回折格子２と、半導体光導波層３の上
部に形成され、半導体光導波層３の屈折率より小さい屈
折率を有する半導体クラッド層４と、複数個の回折格子
２に対応した位置に設けられ、半導体光導波層３と電気
的に絶縁され、外部から供給される電流によって半導体
光導波層３のそれぞれの複数個の回折格子２に対応した
位置を加熱し、外部から入射された光の中から所望の波
長を選択して出射する複数の加熱手段５とを備えた光波
長選択素子である。

【００１９】本実施例の素子では、波長分割多重方式の
ようにお互いにわずかに異なる複数の波長の光が信号に
載せられて同時に素子に入射されたときに、不要の波長
の光の信号をリジェクトして、必要な波長の光の信号の
みを取り出す。また、本実施例の素子では、半導体基板
１の底面に受光素子７を形成した場合、回折の次数ｍ＝
２として反射条件を変えたとき、光の進行方向に対して
光が９０°の角度にも回折することを利用し、反射光を
半導体基板１の底面に形成した受光素子７により受け
て、受光素子毎に異なった波長の光を取り出すことが可
能となる。この場合、複数の加熱手段５による加熱は個
別に行い、温度の差により半導体光導波層３の屈折率を
それぞれ変化させ、異なった波長の光を受光素子７から
取り出す。したがって、素子作製時には回折格子２のピ
ッチは一定にしておいてよい。また、入射される光の波
長に対応させて回折波長を設定できるため、素子作製時
における回折格子２のピッチの精度が緩和される。

【００２０】ここで、第３の実施例の素子の半導体光導
波層３に対する加熱の制御について述べる。本実施例の
素子では、半導体光導波層に形成された回折格子が複数
存在する。これらによって、１ｎｍ間隔の複数の波長の
光を分離して検出するには、それぞれの回折格子に対応
した半導体光導波層の位置の温度が約１０°Ｃの温度差
を有していることが必要である。長距離伝送された光は
波長の揺らぎが発生することがあるが、第３の実施例の
素子では、加熱手段５に与える電力を調整することによ
り、波長の揺らぎに追随することができる。半導体クラ
ッド層４の厚さが２μｍ前後であり、ＳｉＯ₂からなる
絶縁膜８が約２００ｎｍの場合、回折波長を１０ｎｍ以
上シフトさせるのに必要な時間は数ミリ秒である。

【００２１】さらに、この技術を用いれば、光集積回路
中の分岐路にこの光波長選択素子を作り込み、光を波長
に応じて分岐させることも可能である。

【００２２】第３の実施例においては、複数の加熱手段
５により、それぞれ半導体光導波層３を加熱しているの
で、個々の半導体光導波層３が熱的に分離されているこ
とが必要である。そのことを以下説明する。

【００２３】半導体クラッド層４の厚さが２μｍ前後で
あり、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜８が約２００ｎｍの場
合、回折波長を１０ｎｍ以上シフトさせるだけの熱を一
つの加熱手段５に与えても、隣接した光波長選択素子が
水平方向に５０μｍ程度離れていれば、熱の影響はほと
んど及ばないことが有限要素法によるシミュレーション
からわかっている。また、それぞれの加熱手段５の間の
半導体クラッド層４をエッチングによって除去し、ポリ
イミド等の材質で埋め込めば、屈折率分布を損なうこと
なく熱伝導率を下げて熱的相関をより小さくすることも
可能である。

【００２４】すべての実施例において、半導体の材質は
ＩｎＰ系に限られるものではなく、ＧａＡｓ系でも可能
である。加熱手段５もＰｔの薄膜抵抗に限らず、Ｎｉの
ような金属の薄膜抵抗であってもよく、さらには、金属
の薄膜抵抗に限られるものではなく、半導体のように電
流を流して発熱するものであればよい。絶縁膜８も、Ｓ
ｉＯ₂に限らずＳｉＮ_X等、半導体結晶表面上に容易に
形成できる絶縁膜であればよい。半導体光導波層も単層
構造のみではなく、互いに屈折率の異なる複数の層を積
層して構成しても本発明の効果が得られる。

【発明の効果】

【００２５】本発明の波長選択素子では、半導体光導波
層に熱を加えることにより波長を変化させているので、
以下の効果が得られる。第１に、電流を流すことにより
波長を変化させる光フィルタに比して半導体結晶部の構
造が単純となり、歩留りの向上が容易となる。第２に、
屈折率を変えるために注入したキャリアの吸収により光
出力が低下するという問題は解決された。第３に、加熱
による半導体光導波層の屈折率変化量は大きいので、波
長可変幅が大きい。第４に、回折格子のピッチを変える
ことによって回折の次数ｍを変化させているので、光の
出射方向に制限がない。第５に、回折格子を複数備えた
構造の光波長選択素子の場合、波長分割多重方式のよう
にお互いにわずかに異なる複数の波長の光が信号に載せ
られて同時に入射されたときに、不要の波長の光の信号
をリジェクトして、必要な波長の光の信号のみを取り出
すことが可能となる。第６に、本発明の素子は受動素子
であるため、活性層の寿命に制限されることがなく、素
子寿命が活性フィルタに比べて長い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図及び断面図
である。

【図２】本発明の素子のフィルタリングの様子を示す図
である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す断面図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す断面図である。

【符号の簡単な説明】

１半導体基板。２回折格子。３半導体光導波層。４半導体クラッド層。５加熱手段。６窓領域。７受光素子。８絶縁膜。９無反射コート。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板（１）と、該半導体基板の上部
に形成され、該半導体基板の屈折率より大きくかつ温度
依存性のある屈折率を有する半導体光導波層（３）と、
該半導体光導波層に形成された回折格子（２）と、前記
半導体光導波層の上部に形成され、該半導体光導波層の
屈折率より小さい屈折率を有する半導体クラッド層
（４）と、前記半導体光導波層と電気的に絶縁され、外
部から供給される電流によって該半導体光導波層を加熱
し、外部から入射された光の中から前記回折格子のブラ
ッグの回折条件に基づいた波長を選択して出射する加熱
手段（５）とを備えた光波長選択素子。