JPH02127627A

JPH02127627A - エタロン型光双安定素子

Info

Publication number: JPH02127627A
Application number: JP28032188A
Authority: JP
Inventors: Koji Nonaka; 弘二野中; Hitoshi Kawaguchi; 仁司河口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-11-08
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1990-05-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は光情報処理、光交換システムに用いられる光層
安定素子に関し、特に信号光ゲート処理および光メモリ
保持動作の優れた機能を有するエタロン型光層安定素子
に関する。

〔従来の技術〕

従来の代表的なエタロン型光層安定素子について、ギプ
スらのアプライド　フィジックス　レター４１　（Ｉ９
８２年）、第２２１頁（Ｇｊｂｂｓ　ａｔ、　ａｌ、　
Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、、　ＮＱ４１　（１９８２）　
ｐ、２２１）において論じられている。このエタロン型
光層安定素子の主な構成は、第７図に示すごとく、光非
線形媒質であるＧａＡｓ／ＧａＡＱＡｓよりなる膜厚が
４．１μｍの多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｑ
ｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ（ＭＱＷ））半導体膜１、およ
び素子作製時にエツチングストップ層の役割を果たす膜
厚が０．２μ両のＧａＡＱＡｓ層２、そして誘電体より
なる多層の高反射膜３およびＧａＡｓ成長基板４により
構成されている。

このエタロン型光層安定素子の製作法は、まずＧａＡｓ
成長基板４上に、エツチングストップ層として十分の厚
さをもつＧａＡｌ２Ａｓ層２と、光非線形媒質であるＧ
ａＡｓ／ＧａＡＱＡｓよりなるＭＱＷ半導体膜１を結晶
成長させる。そして、ＭＱＷ半導体膜１の結晶表面に、
高反射膜３を蒸着法により付与した後、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
成長基板４の中央部をエツチング処理によりくり抜き、
ＭＱＷ半導体膜１の裏面を露出して、高反射膜３を蒸着
することにより作製される。この方法により得られた光
層安定素子は、ＭＱＷ半導体膜１の上下の高反射膜３を
光共振器とする非線形ファブリ−ペロ−エタロンと呼ば
れる光共振器構造を有するものである。

このような光共振器構造を有するエタロン型光層安定素
子において、入力する光信号の強度によって、ＭＱＷ半
導体膜１からなる光非線形媒質の屈折率が変化する。こ
の結果、第８図（ａ）に示すごとく、透過光ピーク波長
が入射光強度により変化するシャープな波長選択フィル
タとしての働きをする。そして、第８図（ｂ）に示すご
とく、急峻な透過ピークのわずかに短波側に光入射する
ことにより、その入射光強度によって光出力が大きく変
化し、第８図（ｃ）に示すような光入出力特性（ヒステ
リシス）をもつ、２値安定な光層安定動作を行うことが
できる特徴がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来構造のエタロン型光層安定素子を用いた場
合に、非線形エタロンの透過ピークの短波長側（高エネ
ルギー側）において光層安定動作が得られるが、以下に
示す重大な欠点ならびに問題点があった。

（１）機械強度を維持するために、ＧａＡｓ成長基板を
一部しかくり抜くことができず、光層安定素子としての
活用面積が極めて小さく限定される。

（２）上記（１）の理由により光層安定素子の並列動作
が原理的に難しくなる（３）光パワーを吸収するＭＱＷ半導体膜材料を、熱伝
導性の悪いＳｉｎ、／Ｔｉｅ２などの多層膜で直接閉じ
込めているため、熱による影響によって光層安定素子の
動作に不安定性が現れる（熱による非線形効果は光励起
キャリアによる非線形応答と逆向きの作用として現れる
。）ので、熱の蓄積を避けるため動作実行時間を延ばす
ことができなくなる。すなわち、素子性能としてはビッ
トレートが上げられず、またメモリ保持動作時間の延長
ができないという問題が生じる。

（４）エツチングの選択性を操作するために、わざわざ
選択ケミカルエツチングのためのエツチングストップ層
を結晶成長させなければならない。

また、非常に薄いＭＱＷ半導体膜の厚さのわずかな差で
（厚さの逆数で）透過ピークモード数が決まり、自由な
透過ピーク波長（動作波長）の選択、制御が困難となる
。

（５）光層安定動作のスイッチオンは比較的高速である
が、スイッチオフがキャリアの緩和時間に支配され、ス
イッチング時間が遅く成る。

本発明の目的は、−上記従来技術の欠点ならびに問題点
を解消するものであって、ＩｎＰ基板の長波長光の透過
性および優れた熱伝導性に着目して。

機械的強度を十分に保持しつつ熱の影ｌａ（効果）を除
去し、スイッチング時間の高速化をはかり、かつ利用す
る光波長を比較的自由に選択することができる構造のエ
タロン型光層安定素子を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のエタロン型光層安定素子は、ＩｎＰ基板の光の
長波長透過性、高い熱伝導率および高精度の研磨加工技
術を利用することによって、熱の影響を除去し、かつ利
用光の波長選択の自由度。

取扱の容易さ、スイッチオフのスピードの高速化を同時
に満たす素子構造としたことを特徴とするものである。

ここで、本発明のエタロン型光層安定素子の構造につい
て、図面に基づいて説明する。第１図に、本発明のエタ
ロン型光層安定素子の一動作区画分の構造の一例を示す
。図において、Ｒ工、Ｒ２は、誘電体よりなる多層の高
反射膜（高反射ミラー）であり、５は、埋め込み成長に
より形成したＩｎＰ埋め込み層（光導波路クラッド層）
であって、このＩｎＰ埋め込み層５は、熱拡散層、キャ
リアの表面再結合促進境界領域も兼ねている。８は、Ｉ
ｎＰ層にＺｎなどの不純物を拡散させた不純物拡散領域
（アロイ化）であって、これは光導波路のコア層に相当
し、ファブリ−ペロ−エタロンモード制御のためのスペ
ーサおよび熱拡散層（ヒートシンク）も兼ねている。７
は、光非線形領域を形成するＭＱＷ半導体膜である。そ
して、ＩｎＰ（ノンドープ）層６よりなるスペーサ層の
表面は、高反射膜Ｒ１，Ｒ，を蒸着させて、先兵振器端
面のミラーの役割をも果たすため非常に高精度な平行平
面であることが必要である。本発明の光層安定素子にお
いては、高精度のＩｎＰなどの半導体の研磨加工技術を
用いることによりこれを実現した。

第１図において、高反射膜Ｒ８側から入射した双安定動
作コントロール光は、ＩｎＰ　（ノンドープ）層６、Ｍ
ＱＷ半導体膜７および不純物拡散領域８によって構成さ
れる光導波路領域を伝搬し、高反射膜Ｒ工とＲ２の間で
多重反射しエタロンモードを形成する。このとき、光共
振器中の光非線形領域であるＭＱＷ半導体膜７の吸収領
域の境界付近で光の一部が吸収される。このとき、励起
子の吸収飽和現象により、屈折率の変化が誘起されエタ
ロン透過モードの波長が移動する。この結果、光入出力
特性に２値安定性のあるヒステリシスをもつ光層安定動
作が実現する。しかし、このとき吸収された光との相互
作用により熱の原因となるフォノンや、スイッチオン状
態に向かうのを妨げる拡散寿命の長いキャリアが生成さ
れる。本発明の素子では、光非線形領域であるＭＱＷ半
導体膜の周囲を、ＩｎＰ層により囲む光導波型構造を形
成するばかりでなく、ＩｎＰ層の熱伝導性の良さを利用
し熱を拡散させ、良好なヒートシンクとして利用する。

また、同時に、生成したキャリアが異なる半導体間の境
界領域で、キャリアの再結合消滅が急激に促進される「
表面再結合現象」を有効に利用することができる。また
、ＭＱＷ領域だけでは制御の難しいエタロンモードをＩ
ｎＰ層の研磨厚さの制御により、結晶成長の後に調整す
ることができるのでその制御が容易になる。一方。

ＩｎＰ層により素子の機械的強度が強化され、ＩｎＰ層
のほとんど全面積が活用できるようになり、なおかつ、
光導波型構造により隣合ったチャンネルとのクロストー
クが圧倒的に改善される。

以上のような理由により、上述した従来技術の問題点（
１）の機械強度、（２）の並列動作への適性、（３）の
熱による不安定性、（４）エタロンモードの制御性、（
５）キャリア拡散時間の遅さによるスイッチオフ時間の
限界などの諸問題を、本発明の素子により飛躍的に改善
、解決することができる。

次に、本発明のエタロン型光層安定素子の作製方法につ
いて説明する。

まず、別途用意したＩｎＰ基板上に。

Ｉ　ｎＡ　Ｑ　Ａｓ層を０．２μｍの膜厚に積層し、さ
らにその上に６．８ｎｍのＩｎＧａＡｓ層と６．５ｎｍ
のＩｎＡｌ２Ａｓ層を交互に２００層づつ積層し、いわ
ゆる、　ＭＱＷ（ＭＵＬＴＩＰＬＥ　ＱＵＡＮＴＵＭ　
ＷＥＬＬ）半導体膜の部分である非線形媒質層（ＮＬ）
を形成する。

次に、余分なＩｎＰ基板の部分を高精度の平行平面研磨
技術により、設定した任意の厚さ（例えば２０μｍ）に
ＩｎＰ基板を研磨する。このとき、研磨面がファプリー
ペロ共振器の片側のミラー面となるため平行度の良い研
磨を行う。

次に、１８ｎｍのＴｉ０２層および２８ｎ　ｍのＳｉＯ
２層を、研磨されたＩｎＰ基板面上に積層し、反射率９
６％の片側の高反射膜（高反射ミラー）Ｒ工を形成する
。このとき、残されたＩｎＰ基板は、動作波長１．５５
μｍの付近では透明であり、なんら光学的に減衰を起こ
さない。

続いて、この研磨された基板上にホトリソプラノィの技
術により５μｍ程度の円形部分を除いて。

ＲＩＥドライエツチング技術によりＭＱＷ半導体膜の周
囲を円柱状に残して堀り落としてしまうことにより光導
波路を形成する。さらに、Ｚｎなとの不純物を拡散して
ＭＱＷ半導体膜をアロイ化することにより、光導波路を
単一モード条件まで微細化する。さらに、円柱状に残さ
れたＭＱＷ半導体膜とＩｎＰ基板の周囲をＩｎＰの埋め
込み成長層により囲む。

続いて、円形に形成されたＭＱＷ半導体膜の表面部に、
１８ｎｍのＴｉｅ、層および２８ｎ　ｍの５ｉｎ２層を
交互に７層づつ積層し、他方の高反射膜（高反射ミラー
）Ｒ２を形成する。

これにより、ＩｎＰ層と不純物を拡散したＭＱＷ半導体
膜の周辺部分をクラッドとする面方向に垂直な非線形光
導波路を、面方向に多数もつ並列処理可能な本発明のエ
タロン型光層安定素子が得られる。第２図に上記の方法
で作製したエタロン型光層安定素子の全体の構成を示す
。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ、図面を参照しながら、
さらに詳細に説明する。

（実施例１）第３図に、本実施例におけるエタロン型光層安定素子の
配置構成を示す。図において、Ｍ　Ｌ　Ａ、　。

およびＭＬＡ２は、その各々が対向して、素子の各−動
作区画分の表面にフォーカスされたマイクロレンズアレ
イであって、このマイクロレンズアレイＭＬＡ、、ＭＬ
Ａ、の間には、第１図に示した構造の本発明の素子、す
なわち、Ｔｉｅ２，５ｉ０３などの誘電体よりなる高反
射膜（高反射ミラー）Ｒ１，Ｒ，および光非線形媒質で
あるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓＰ／Ｉ
ｎＰなどのＭＱＷ半導体膜７、光導波路形成のためのＺ
ｎなどの不純物拡散領域（アロイ化）８．平行平面とし
たＩｎＰ　（ノンドープ）層６、埋め込み成長によるＩ
ｎＰ埋め込み層（光導波路クラッド層）５からなる本発
明のエタロン型光層安定素子（ＢＯＤ）が配置されてい
る。そして、制御光としてＩｃが、例えば垂直偏光をも
ち、信号光としてＩｓが水平偏光をもつような光にする
ことで、同一光軸上よりマイクロレンズアレイＭＬＡ工
に入射されて結合され、この結合光（Ｉｓ＋Ｉｃ）が光
層安定素子（ＢＯＤ）に入射される。本実施例において
は。

本発明の光層安定素子を光ゲート部として用いている。

そして、結合光（Ｉｓ＋Ｉｃ）の高レベルで入射された
信号光Ｉｓは、制御光Ｉｃが入射されていると、はとん
ど減衰することなく光層安定素子（ＢＯＤ）を透過し、
変調光Ｉｎとして出射される。一方、制御光Ｉｃが入射
されていないと、信号光Ｉｓは反射して光層安定素子（
ＢＯＤ）を透過せず、変調光Ｉｓの出射は行われない。

このように、信号光Ｉｓは制御光Ｉｃによりオン、オフ
されることにより、光ゲート部の光層安定素子（ＢＯＤ
）でゲート動作が行われることになる。

しかるのちに、この互いに直行した制御光Ｉｃと信号光
Ｉｓを偏光ビームスプリッタＰＢＳ１により分離し、変
調された信号光Ｉｎを独立に抜き出すことが可能となる
。

しかし、従来の光層安定素子においては、上述した問題
点（５）により制御光Ｉｃをオフにした後も、しばらく
の間（２０ナノ秒以上）は素子の透過率が大きいままで
あり、変調された信号光Ｉｍが本来なら透過しないはず
であるにもかかわらず一部透過してしまいエラー信号の
原因となる。このため、素子のゲート保持時間や信号光
間隔を十分にとらなければならなくなり、第４図に示す
ごとく、ビットレートやスイッチ時間の性能が大きく制
限されることになる。しかし、本発明の素、子構造を用
いることにより、スイッチオフ時間が１００ピコ秒程度
に改良され、それだけエラーの発生率、動作時間の性能
が飛躍的に向上する。

一方、ゲート部への制御光Ｉｃがオンの状態を長時間（
５０マイクロ秒以上程度）維持しつづけると、上述した
従来技術の問題点（３）により、逆にゲートをオフ、つ
まり透過率を小さくする方向に力が働くため、オン状態
にある変調された信号光Ｉｍが小さくなったり、不安定
にオンオフを繰り返したりしてエラーの原因となる。本
発明の素子においては、熱による影響が著しく低減され
、例えば第４図の出射信号光に示すごとく正しい動作が
得られる。そして、従来技術の問題点であったゲート動
作時のエラー信号光（第４図のエラー信号光の斜線部）
や動作速度の遅れを大幅に改善することが可能であるこ
とが分かる。

（実施例２）第５図に、本実施例におけるエタロン型光層安定素子の
配置構成を示し、第６図に動作特性を示す。

図において、制御光Ｉｃとホールド光Ｉｈと書き込み光
１ｖが、ハーフミラ−ＨＭに入射されて結合され、（Ｉ
ｈ＋Ｉｗ）と信号光Ｉｓが、偏光ビームスプリッタＰＢ
Ｓ工に、互いに直行する方向から入射され、水平に偏光
を持つ信号光Ｉｓと結合制御光（Ｉｓ＋Ｉｗ）とが結合
され、この結合光（Ｉ　Ｓ＋　Ｉ　ｈ＋　Ｉ　ｗ）が光
層安定素子（ＢＯＤ）に入射される。このとき、結合光
の高レベルで入射された信号光ＩＳは、例えば書き込み
光Ｉｗが入射されていると光層安定素子（ＢＯＤ）を透
過し、この状態はホールド光Ｉｈが入射されている間は
維持され、信号光Ｉｓのみが偏光ビームスプリッタ１）
ＢＳ、を介して変調光ｌｌ１１として出射される。−方
、ホールド光Ｉｈが入射されていないと、透過状態がリ
セットされ、信号光Ｉｓは光層安定素子（ＢＯＤ）を透
過せず変調光Ｉｍの出射は行われない。このように本実
施例における光ゲートはメモリ機能を有している。

しかし、従来の光層安定素子においては、上述した問題
点（５）の原因によって、ゲートオフ、つまり透過率の
減少が速やかに行われないので、十分に長いリセット時
間を置かないと情報のリセットが十分に行われず、第６
図に示すようにこれがエラーの原因となる。これに対し
１本発明の光層安定素子においては、スイッチオン時間
が改良され、第６図に示すごとくエラーの発生率が極め
て少なく、動作速度の性能が向上される。一方。

第６図に示すように、ゲート部をオン状態にしてＩｈ（
ホールド光）でホールドし続けると、上述した従来技術
における問題点（３）によって、逆にゲートオフ、つま
り透過率を小さくする方向に透過率の低下、スイッチオ
フがメモリ保持動作中に生じエラーの原因となると共に
、メモリ保持動作時間を長時間とれない原因となる。こ
れに対し、本発明のエタロン型光層安定素子においては
熱影響が著しく低減され、長いメモリ保持動作時間にわ
たり正しい動作が得られることになる。このように、本
実施例に示した光層安定素子は、従来の素子の問題点で
あるゲート動作、メモリ保持動作時のエラー、動作速度
の遅れを大幅に改善することが可能であることが分かる
。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごとく本発明のエタロン型光層安定
素子によれば、従来の素子のは、キャリアの消滅時間、
熱の拡散時間が長いため、高速動作やメモリ保持時間、
ビットレートが大きく制限され、エラーの原因となって
いたのを、光非線形媒質の周囲をＩｎＰ層で囲む本発明
の素子構造とすることにより、従来技術における問題点
はすべて解消することができる優れた効果が生じる。す
なわち、ＩｎＰ層は、その優れた熱伝導性などの理由に
より急速な熱拡散、キャリアの表面再結合を促す。しか
も、光非線形媒質であるＭＱＷ半導体膜を結晶成長させ
るための基板として用いられている材料であるため格子
マツチングも良い。また、素子の動作波長である１、５
μ鑞付近において、極めて透明であるため、エタロン型
光共振器のなかに介在させても、なんら悪影響を引き起
こさない。そのため、エタロン型光層安定素子の特質を
損なうことな〈従来の問題点を解決することができる。

また、光共振器としての構造が簡単で、研磨技術により
光共振器モードの操作が容易であり、信頼性も高い。さ
らに、導波型の素子構造のため光を閉じ込める効率が良
く、動作に必要な光パワーも小さく、並列性も優れてい
る。したがって、本発明の素子は空間分割光交換、並列
光情報処理のグー１〜動作素子、メモリ動作素子、基本
演算素子などに好適に応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエタロン型光層安定素子の一動作区画
分の構造の一例を示す斜視図、第２図は本発明のエタロ
ン型光層安定素子の全体の構成の一例を示す斜視図、第
３図は実施例１において例示した光層安定素子の配置構
成を示す説明図、第４図は実施例１における光層安定素
子の動作（３端子ゲ一テイ動作）を示す説明図、第５図
は実施例２において例示した光層安定素子の配置構成を
示す説明図、第６図は実施例２における光層安定素子の
動作を示す説明図、第７図は従来の光層安定素子の全体
の構造を示す斜視図、第８図（ａ）。（ｂ）、（ｃ）は光層安定素子の基本的動作原理の説明
図である。１・・・ＭＱＷ半導体膜２・・・ＧａＡＱＡｓ層３・・・高反射膜４・・・Ｇ　ａ　Ａ　ｓ成長基板５・・・ＩｎＰ埋め込み層６・・・ＩｎＰ　（ノンドープ）層７・・・ＭＱＷ半導体膜・・不純物拡散領域（アロイ化）９・・・ＩｎＰ光導波路特許

Claims

【特許請求の範囲】１、信号光のゲート処理、光メモリの保持動作の機能を
有するファブリ−ペロ−エタロン型の光層安定素子にお
いて、ＩｎＰ基板と、該ＩｎＰ基板上に成長させた光非
線形媒質である多重量子井戸構造の半導体膜とを、誘電
体よりなる多層の高反射膜で挟持した構造とすることを
特徴とするエタロン型光双安定素子。２、特許請求の範囲第１項記載のエタロン型光双安定素
子において、多重量子井戸構造の半導体膜は、ＩｎＧａ
Ａｓ／ＩｎＡｌＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰよ
りなることを特徴とするエタロン型双安定素子。３、特許請求の範囲第１項または第２項に記載のエタロ
ン型光双安定素子において、ＩｎＰ基板と多重量子井戸
構造の半導体膜によって構成される光共振器の一部を円
柱状に形成し、該円柱状部の側壁に不純物を拡散させた
不純物拡散領域を有する構造の光導波路を少なくとも１
個設けた構成とすることを特徴とするエタロン型光双安
定素子。４、特許請求の範囲第３項記載のエタロン型光双安定素
子において、不純物拡散領域を有する光導波路の周囲を
、埋め込み成長によるＩｎＰ層で埋め込んだ構造とした
ことを特徴とするエタロン型光双安定素子。