光ゲート素子
【課題】任意の偏波方向の光入力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提供する。
【解決手段】半導体基板上に、下部クラッド層、活性層１３、および、上部クラッド層が順次積層された導波路構造を備え、該導波路構造は、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、を含み、埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbは、活性層１３の光の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。
【解決手段】半導体基板上に、下部クラッド層、活性層１３、および、上部クラッド層が順次積層された導波路構造を備え、該導波路構造は、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、を含み、埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbは、活性層１３の光の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。
【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。
【０００３】
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。具体的には、図９に示すように、ＥＡ光変調器に逆バイアス電圧が印加されていない状態では、ある波長域における吸収係数が十分小さく、一方、ＥＡ光変調器に逆バイアス電圧が印加されている状態では、吸収スペクトラムが長波長側に移動して該波長域における吸収係数が増加する。
【０００４】
従って、上記の波長域にＥＡ光変調器の動作波長が含まれるように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。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、特許文献１に開示されたようなハイメサ導波路構造を有する半導体デバイスが公知である。
【０００５】
図１０に示すように、特許文献１に開示された従来のハイメサ型ＥＡ光変調器１００においては、ｎ+−ＩｎＰ基板６１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２が形成され、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２上に、バンドギャップエネルギーが異なるｉ−ＩｎＧａＡｓＰバリアを複数組み合わせて構成した多重量子井戸（ＭＱＷ）コア層であるｉ−ＭＱＷコア層６３が形成されている。ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２とｉ−ＭＱＷコア層６３との幅方向の各側面とｎ+−ＩｎＰ基板６１の上面との間にｐ−ＩｎＰ埋込み層６４およびｎ−ＩｎＰ埋込み層６５が形成されている。
【０００６】
ｉ−ＭＱＷコア層６３およびｎ−ＩｎＰ埋込み層６５の上面には、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６６、ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６７が形成されている。このｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６７の上面にｐ電極６８が取付けられ、ｎ+−ＩｎＰ基板６１の下面にｎ電極６９が取付けられている。さらに、ハイメサ導波路の側面には、電極間の電気的キャパシタンスを減らすためにポリイミド７０が形成されている。ｐ電極６８はこのポリイミド７０の上面とｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６７の上面とを共通に覆う。ｐ電極６８には、電気信号を入出力するためのボンディングワイヤ７１が接続される。
【０００７】
ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６６、ｉ−ＭＱＷコア層６３およびｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２は光を導波する光導波路を構成している。ここで、ｉ−ＭＱＷコア層６３は、その屈折率がｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６６とｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２よりも高く、光を導波する中心的な役割を有している。
【０００８】
ｐ−ＩｎＰ埋込み層６４およびｎ−ＩｎＰ埋込み層６５の光の伝播方向に直交する方向の幅は、光入射端面に向かって連続的に広がっている。なお、ｉ−ＭＱＷコア層６３の幅は、光入射端面から光出射端面に亘って一定である。ｐ−ＩｎＰ埋込み層６４およびｎ−ＩｎＰ埋込み層６５を上記の形状とするのは、光入射端面から入射して光導波路を伝播する光がｉ−ＭＱＷコア層６３で吸収されることに起因して発生するジュール熱を効率的にｎ+−ＩｎＰ基板６１に逃がすためである。
【０００９】
上記の構成により、ハイメサ型ＥＡ光変調器１００は、ハイメサ導波路の側面に埋込み層を備える構造とすることにより、耐入力パワーを改善している。
【００１０】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】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】
【００１２】
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光ゲート機能を発揮するために偏波無依存性が求められる。
【００１３】
既に述べたハイメサ導波路構造で偏波無依存化を実現するためには、ハイメサ導波路の活性層がある程度広い幅を有する必要があることが経験的に分かっている。また、ハイメサ導波路の活性層の幅が狭すぎると、ハイメサ導波路の側面の平坦度の乱れの影響をより強く受けることになり、それに伴う光散乱が増えるため透過損失が増えるという問題も生じる。
【００１４】
しかしながら、特許文献１に開示されたような従来のハイメサ型ＥＡ光変調器において偏波無依存化および透過損失の低減を実現するために活性層幅を広げると、光入出射端面近傍の光導波路がシングルモード導波路とならず、光ファイバとの結合損失が悪化するという問題があった。
【００１５】
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、任意の偏波方向の光入力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提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、下部クラッド層、活性層、および、上部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、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活性層は、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構成を有している。
【００１７】
この構成により、ハイメサ導波路構造において活性層幅を広く、埋込み導波路構造において活性層幅を狭くすることにより、任意の偏波方向の光入力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。
【００１８】
また、本発明の請求項２の光ゲート素子は、前記埋込み導波路構造における前記活性層が、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構成を有している。
【００１９】
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、素子端面における活性層の幅が劈開により変動することを防止できる。
【００２０】
また、本発明の請求項３の光ゲート素子は、前記活性層がバルク材料からなることを特徴とする構成を有している。
この構成により、偏波無依存化を容易に実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、偏波無依存のハイメサ導波路構造と、素子端面に向かって活性層幅が徐々に狭くなる埋込み導波路構造と、を具備することにより、任意の偏波方向の光入力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提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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他の構成を示す上面図
【図５】本発明に係る光ゲート素子の製造方法を示す工程図
【図６】本発明に係る光ゲート素子の製造方法を示す工程図
【図７】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８】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９】従来のＥＡ光変調器における光の吸収特性を示すグラフ
【図１０】従来のＥＡ光変調器の概略構成を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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入力信号のサンプリングを行うものである。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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からなる下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２の上方に形成されたバルクのＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１３と、活性層１３の上方に形成されたｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１４と、を有する。なお、活性層１３は、ＳＣＨ層（光閉じ込め層）１５ａ、１５ｂに上下を挟まれていてもよいが、これらのＳＣＨ層１５ａ、１５ｂは必須の構成要件ではない。
【００２７】
下部クラッド層１２、活性層１３、ＳＣＨ層１５ａ、１５ｂ、および上部クラッド層１４は、光入射端面１０ａから入射した光入力信号を導波させ、導波の過程でこの光入力信号を活性層１３で吸収する光導波路を構成する。
【００２８】
埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおいては、光導波路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１６およびｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１７が形成されている。
【００２９】
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１７およびｐ−ＩｎＰからなる下部埋込み層１６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からなる下部クラッド層１２およびｐ−ＩｎＰからなる下部埋込み層１６、ならびに、ｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１７およびｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１４が、それぞれ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。
【００３０】
導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbに含まれる上部クラッド層１４上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１８が形成されている。一方、図２、図３に符号１９ａ、１９ｂ、１９ｃを付して示す溝部によって導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbと隔てられた上部クラッド層１４の上面、ならびに、溝部１９ａ〜１９ｃ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２０が形成されている。
【００３１】
さらに、上部クラッド層１４上には、コンタクト層１８または絶縁層２０を介して、ｐ型の上部電極２１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２２が取付けられている。
【００３２】
上部電極２１は、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbの上部にコンタクト層１８を介して形成される主電極部２１ａと、溝部１９ｂ、１９ｃ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１６および上部埋込み層１７の上部に絶縁層２０を介して形成される電極パッド部２１ｂ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２１を示しており、間隔の狭い斜線を施した部分は活性層１３を示している。
【００３３】
コンタクト層１８は、図３（ｃ）などに示したように、主電極部２１ａの直下に形成されるが、電極パッド部２１ｂの直下、かつ、下部埋込み層１６および上部埋込み層１７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２１および下部電極２２間の下部埋込み層１６および上部埋込み層１７を介したリーク電流を低減するためである。
【００３４】
埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける活性層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。
【００３５】
さらに、埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける活性層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。
【００３６】
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における活性層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。
【００３７】
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４に示すように、埋込み導波路構造ＩＩa、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。なお、図４（ａ）は一方の端面が光入射端面１０ａである場合、図４（ｂ）は一方の端面が光出射端面１０ｂである場合の光ゲート素子１の上面をそれぞれ示している。
【００３８】
なお、ハイメサ導波路構造Ｉにおける活性層１３の幅は、発明の概要の項で述べた光散乱の影響を避けるため３μｍ以上とする。また、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける活性層１３の幅Ｗa、Ｗbは、ハイメサ導波路構造Ｉにおける活性層１３の幅よりも１μｍ以上細くすることが望ましい。
【００３９】
また、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける活性層１３の幅Ｗa、Ｗbが適切な値でありさえすれば、活性層１３の幅減少領域の幅は、図２や図４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。
【００４０】
なお、下部埋込み層１６および上部埋込み層１７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、活性層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。
【００４１】
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５、図６を用いて説明する。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。
【００４２】
図５（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でｎ型不純物の濃度が１．０×１０18ｃｍ−3であるｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層１２を形成する。この下部クラッド層１２の上面に、層厚が１００ｎｍ程度のＳＣＨ層１５ａを形成した後、ＳＣＨ層１５ａの上面に、層厚が０．１〜０．３μｍ程度でノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなるバルクの活性層１３を形成し、これに引き続き層厚が１００ｎｍ程度のＳＣＨ層１５ｂを形成する。
【００４３】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、層厚が８０ｎｍのＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）をＳＣＨ層１５ｂ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。
【００４４】
なお、図５（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。
【００４５】
次に、図５（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１５ｂ、活性層１３、ＳＣＨ層１５ａ、および下部クラッド層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。
【００４６】
次に、図５（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１６およびｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１７を順次積層する。
【００４７】
具体的には、層厚が０．７μｍでＺｎを不純物とし、不純物の濃度が１×１０18ｃｍ−3である下部埋込み層１６と、この下部埋込み層１６の上側に、層厚が１．１５μｍでＳｉを不純物とし、不純物の濃度が２×１０18ｃｍ−3である上部埋込み層１７を形成する。
【００４８】
次に、エッチングマスク２７をフッ酸で除去して、図６（ｄ）に示すように、層厚が数μｍ程度でｐ型不純物の濃度が５〜７×１０17ｃｍ−3であるｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１４を積層して、上部埋込み層１７の上面を覆う。
【００４９】
さらに、図６（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、層厚が８０ｎｍのＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）を上部クラッド層１４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。
【００５０】
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、上部クラッド層１４、上部埋込み層１７、下部埋込み層１６、および下部クラッド層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、下部クラッド層１２の底面まで行ってもよいし、下部クラッド層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６（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、上部クラッド層１４の上面を露出させる。
【００５１】
次に、図６（ｆ）に示すように、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbにおける上部クラッド層１４の上面に、層厚が１μｍ未満のｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１８をＭＯＶＰＥ法によって積層する。
【００５２】
さらに、コンタクト層１８が形成されていない上部クラッド層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上部クラッド層１４、上部埋込み層１７、下部埋込み層１６、および下部クラッド層１２の各側面と、下部クラッド層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２０を形成する。
【００５３】
最後に、図１に示したように、コンタクト層１８の上面および絶縁層２０の上面の一部にｐ型の上部電極２１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２２を蒸着形成する。
【００５４】
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５、図６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。
【００５５】
なお、埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける活性層１３が既に述べた幅一定領域（活性層１３の幅が一定）を有する場合には、劈開位置が多少前後しても光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける活性層１３の幅Ｗa、Ｗbが変化しないため好ましい。
【００５６】
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、光入力信号の強度変調を行うとする。
【００５７】
図７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の活性層１３を含む光導波路に、光入射端面１０ａ側から光通信システム（不図示）からの光入力信号（例えば、４０Ｇｂｐｓ）が入力される。光ゲート素子１には、光入力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２１および下部電極２２を介して加えられている。
【００５８】
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側から光導波路に入力される。光パルスＰｓがオンとなる期間では、活性層１３内でキャリアが励起される。この励起キャリアが活性層１３内に蓄積されることにより、活性層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。
【００５９】
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活性層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。
【００６０】
これにより、光パルスＰｓがオンとなるタイミングで光入力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入力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。
【００６１】
図８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８（ｂ））の繰返し周期は光入力信号（図８（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、光入力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。
【００６２】
この相対的なサンプリング位置の差をΔｔとすると、光入力信号が繰返し波形の場合、光入力信号を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。
【００６３】
光ゲート素子１の出力信号（図８（ｃ））からは、光入力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）を用いて高速の光入力信号の波形を観測することが可能になる。
【００６４】
以上説明したように、本発明に係る光ゲート素子は、任意の偏波方向の光入力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】
【００６５】
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入力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】
【００６６】
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 下部クラッド層
１３ 活性層
１４ 上部クラッド層
１５ａ、１５ｂ ＳＣＨ層
１６ 下部埋込み層
１７ 上部埋込み層
１８ コンタクト層
１９ａ〜１９ｃ 溝部
２０ 絶縁層
２１ 上部電極
２１ａ 主電極部
２１ｂ 電極パッド部
２２ 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
【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。
【０００３】
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。具体的には、図９に示すように、ＥＡ光変調器に逆バイアス電圧が印加されていない状態では、ある波長域における吸収係数が十分小さく、一方、ＥＡ光変調器に逆バイアス電圧が印加されている状態では、吸収スペクトラムが長波長側に移動して該波長域における吸収係数が増加する。
【０００４】
従って、上記の波長域にＥＡ光変調器の動作波長が含まれるように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。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、特許文献１に開示されたようなハイメサ導波路構造を有する半導体デバイスが公知である。
【０００５】
図１０に示すように、特許文献１に開示された従来のハイメサ型ＥＡ光変調器１００においては、ｎ+−ＩｎＰ基板６１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２が形成され、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２上に、バンドギャップエネルギーが異なるｉ−ＩｎＧａＡｓＰバリアを複数組み合わせて構成した多重量子井戸（ＭＱＷ）コア層であるｉ−ＭＱＷコア層６３が形成されている。ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２とｉ−ＭＱＷコア層６３との幅方向の各側面とｎ+−ＩｎＰ基板６１の上面との間にｐ−ＩｎＰ埋込み層６４およびｎ−ＩｎＰ埋込み層６５が形成されている。
【０００６】
ｉ−ＭＱＷコア層６３およびｎ−ＩｎＰ埋込み層６５の上面には、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６６、ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６７が形成されている。このｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６７の上面にｐ電極６８が取付けられ、ｎ+−ＩｎＰ基板６１の下面にｎ電極６９が取付けられている。さらに、ハイメサ導波路の側面には、電極間の電気的キャパシタンスを減らすためにポリイミド７０が形成されている。ｐ電極６８はこのポリイミド７０の上面とｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６７の上面とを共通に覆う。ｐ電極６８には、電気信号を入出力するためのボンディングワイヤ７１が接続される。
【０００７】
ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６６、ｉ−ＭＱＷコア層６３およびｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２は光を導波する光導波路を構成している。ここで、ｉ−ＭＱＷコア層６３は、その屈折率がｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６６とｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２よりも高く、光を導波する中心的な役割を有している。
【０００８】
ｐ−ＩｎＰ埋込み層６４およびｎ−ＩｎＰ埋込み層６５の光の伝播方向に直交する方向の幅は、光入射端面に向かって連続的に広がっている。なお、ｉ−ＭＱＷコア層６３の幅は、光入射端面から光出射端面に亘って一定である。ｐ−ＩｎＰ埋込み層６４およびｎ−ＩｎＰ埋込み層６５を上記の形状とするのは、光入射端面から入射して光導波路を伝播する光がｉ−ＭＱＷコア層６３で吸収されることに起因して発生するジュール熱を効率的にｎ+−ＩｎＰ基板６１に逃がすためである。
【０００９】
上記の構成により、ハイメサ型ＥＡ光変調器１００は、ハイメサ導波路の側面に埋込み層を備える構造とすることにより、耐入力パワーを改善している。
【００１０】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】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】
【００１２】
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光ゲート機能を発揮するために偏波無依存性が求められる。
【００１３】
既に述べたハイメサ導波路構造で偏波無依存化を実現するためには、ハイメサ導波路の活性層がある程度広い幅を有する必要があることが経験的に分かっている。また、ハイメサ導波路の活性層の幅が狭すぎると、ハイメサ導波路の側面の平坦度の乱れの影響をより強く受けることになり、それに伴う光散乱が増えるため透過損失が増えるという問題も生じる。
【００１４】
しかしながら、特許文献１に開示されたような従来のハイメサ型ＥＡ光変調器において偏波無依存化および透過損失の低減を実現するために活性層幅を広げると、光入出射端面近傍の光導波路がシングルモード導波路とならず、光ファイバとの結合損失が悪化するという問題があった。
【００１５】
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、任意の偏波方向の光入力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提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、下部クラッド層、活性層、および、上部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、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活性層は、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構成を有している。
【００１７】
この構成により、ハイメサ導波路構造において活性層幅を広く、埋込み導波路構造において活性層幅を狭くすることにより、任意の偏波方向の光入力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。
【００１８】
また、本発明の請求項２の光ゲート素子は、前記埋込み導波路構造における前記活性層が、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構成を有している。
【００１９】
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、素子端面における活性層の幅が劈開により変動することを防止できる。
【００２０】
また、本発明の請求項３の光ゲート素子は、前記活性層がバルク材料からなることを特徴とする構成を有している。
この構成により、偏波無依存化を容易に実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、偏波無依存のハイメサ導波路構造と、素子端面に向かって活性層幅が徐々に狭くなる埋込み導波路構造と、を具備することにより、任意の偏波方向の光入力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提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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他の構成を示す上面図
【図５】本発明に係る光ゲート素子の製造方法を示す工程図
【図６】本発明に係る光ゲート素子の製造方法を示す工程図
【図７】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８】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９】従来のＥＡ光変調器における光の吸収特性を示すグラフ
【図１０】従来のＥＡ光変調器の概略構成を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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入力信号のサンプリングを行うものである。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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からなる下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２の上方に形成されたバルクのＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１３と、活性層１３の上方に形成されたｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１４と、を有する。なお、活性層１３は、ＳＣＨ層（光閉じ込め層）１５ａ、１５ｂに上下を挟まれていてもよいが、これらのＳＣＨ層１５ａ、１５ｂは必須の構成要件ではない。
【００２７】
下部クラッド層１２、活性層１３、ＳＣＨ層１５ａ、１５ｂ、および上部クラッド層１４は、光入射端面１０ａから入射した光入力信号を導波させ、導波の過程でこの光入力信号を活性層１３で吸収する光導波路を構成する。
【００２８】
埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおいては、光導波路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１６およびｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１７が形成されている。
【００２９】
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１７およびｐ−ＩｎＰからなる下部埋込み層１６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からなる下部クラッド層１２およびｐ−ＩｎＰからなる下部埋込み層１６、ならびに、ｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１７およびｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１４が、それぞれ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。
【００３０】
導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbに含まれる上部クラッド層１４上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１８が形成されている。一方、図２、図３に符号１９ａ、１９ｂ、１９ｃを付して示す溝部によって導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbと隔てられた上部クラッド層１４の上面、ならびに、溝部１９ａ〜１９ｃ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２０が形成されている。
【００３１】
さらに、上部クラッド層１４上には、コンタクト層１８または絶縁層２０を介して、ｐ型の上部電極２１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２２が取付けられている。
【００３２】
上部電極２１は、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbの上部にコンタクト層１８を介して形成される主電極部２１ａと、溝部１９ｂ、１９ｃ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１６および上部埋込み層１７の上部に絶縁層２０を介して形成される電極パッド部２１ｂ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２１を示しており、間隔の狭い斜線を施した部分は活性層１３を示している。
【００３３】
コンタクト層１８は、図３（ｃ）などに示したように、主電極部２１ａの直下に形成されるが、電極パッド部２１ｂの直下、かつ、下部埋込み層１６および上部埋込み層１７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２１および下部電極２２間の下部埋込み層１６および上部埋込み層１７を介したリーク電流を低減するためである。
【００３４】
埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける活性層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。
【００３５】
さらに、埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける活性層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。
【００３６】
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における活性層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。
【００３７】
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４に示すように、埋込み導波路構造ＩＩa、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。なお、図４（ａ）は一方の端面が光入射端面１０ａである場合、図４（ｂ）は一方の端面が光出射端面１０ｂである場合の光ゲート素子１の上面をそれぞれ示している。
【００３８】
なお、ハイメサ導波路構造Ｉにおける活性層１３の幅は、発明の概要の項で述べた光散乱の影響を避けるため３μｍ以上とする。また、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける活性層１３の幅Ｗa、Ｗbは、ハイメサ導波路構造Ｉにおける活性層１３の幅よりも１μｍ以上細くすることが望ましい。
【００３９】
また、光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける活性層１３の幅Ｗa、Ｗbが適切な値でありさえすれば、活性層１３の幅減少領域の幅は、図２や図４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。
【００４０】
なお、下部埋込み層１６および上部埋込み層１７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、活性層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。
【００４１】
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５、図６を用いて説明する。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。
【００４２】
図５（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でｎ型不純物の濃度が１．０×１０18ｃｍ−3であるｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層１２を形成する。この下部クラッド層１２の上面に、層厚が１００ｎｍ程度のＳＣＨ層１５ａを形成した後、ＳＣＨ層１５ａの上面に、層厚が０．１〜０．３μｍ程度でノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなるバルクの活性層１３を形成し、これに引き続き層厚が１００ｎｍ程度のＳＣＨ層１５ｂを形成する。
【００４３】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、層厚が８０ｎｍのＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）をＳＣＨ層１５ｂ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。
【００４４】
なお、図５（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。
【００４５】
次に、図５（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１５ｂ、活性層１３、ＳＣＨ層１５ａ、および下部クラッド層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。
【００４６】
次に、図５（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１６およびｎ−ＩｎＰからなる上部埋込み層１７を順次積層する。
【００４７】
具体的には、層厚が０．７μｍでＺｎを不純物とし、不純物の濃度が１×１０18ｃｍ−3である下部埋込み層１６と、この下部埋込み層１６の上側に、層厚が１．１５μｍでＳｉを不純物とし、不純物の濃度が２×１０18ｃｍ−3である上部埋込み層１７を形成する。
【００４８】
次に、エッチングマスク２７をフッ酸で除去して、図６（ｄ）に示すように、層厚が数μｍ程度でｐ型不純物の濃度が５〜７×１０17ｃｍ−3であるｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１４を積層して、上部埋込み層１７の上面を覆う。
【００４９】
さらに、図６（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、層厚が８０ｎｍのＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）を上部クラッド層１４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。
【００５０】
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、上部クラッド層１４、上部埋込み層１７、下部埋込み層１６、および下部クラッド層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、下部クラッド層１２の底面まで行ってもよいし、下部クラッド層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６（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、上部クラッド層１４の上面を露出させる。
【００５１】
次に、図６（ｆ）に示すように、導波路構造Ｉ、ＩＩa、ＩＩbにおける上部クラッド層１４の上面に、層厚が１μｍ未満のｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１８をＭＯＶＰＥ法によって積層する。
【００５２】
さらに、コンタクト層１８が形成されていない上部クラッド層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上部クラッド層１４、上部埋込み層１７、下部埋込み層１６、および下部クラッド層１２の各側面と、下部クラッド層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２０を形成する。
【００５３】
最後に、図１に示したように、コンタクト層１８の上面および絶縁層２０の上面の一部にｐ型の上部電極２１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２２を蒸着形成する。
【００５４】
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５、図６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。
【００５５】
なお、埋込み導波路構造ＩＩa、ＩＩbにおける活性層１３が既に述べた幅一定領域（活性層１３の幅が一定）を有する場合には、劈開位置が多少前後しても光入射端面１０ａおよび光出射端面１０ｂにおける活性層１３の幅Ｗa、Ｗbが変化しないため好ましい。
【００５６】
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、光入力信号の強度変調を行うとする。
【００５７】
図７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の活性層１３を含む光導波路に、光入射端面１０ａ側から光通信システム（不図示）からの光入力信号（例えば、４０Ｇｂｐｓ）が入力される。光ゲート素子１には、光入力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２１および下部電極２２を介して加えられている。
【００５８】
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側から光導波路に入力される。光パルスＰｓがオンとなる期間では、活性層１３内でキャリアが励起される。この励起キャリアが活性層１３内に蓄積されることにより、活性層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。
【００５９】
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活性層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。
【００６０】
これにより、光パルスＰｓがオンとなるタイミングで光入力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入力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。
【００６１】
図８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８（ｂ））の繰返し周期は光入力信号（図８（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、光入力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。
【００６２】
この相対的なサンプリング位置の差をΔｔとすると、光入力信号が繰返し波形の場合、光入力信号を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。
【００６３】
光ゲート素子１の出力信号（図８（ｃ））からは、光入力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）を用いて高速の光入力信号の波形を観測することが可能になる。
【００６４】
以上説明したように、本発明に係る光ゲート素子は、任意の偏波方向の光入力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】
【００６５】
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入力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】
【００６６】
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 下部クラッド層
１３ 活性層
１４ 上部クラッド層
１５ａ、１５ｂ ＳＣＨ層
１６ 下部埋込み層
１７ 上部埋込み層
１８ コンタクト層
１９ａ〜１９ｃ 溝部
２０ 絶縁層
２１ 上部電極
２１ａ 主電極部
２１ｂ 電極パッド部
２２ 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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１１）上に、下部クラッド層（１２）、活性層（１３）、および、上部クラッド層（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、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活性層は、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光ゲート素子。
【請求項２】
前記埋込み導波路構造における前記活性層が、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１に記載の光ゲート素子。
【請求項３】
前記活性層がバルク材料からな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１】
半導体基板（１１）上に、下部クラッド層（１２）、活性層（１３）、および、上部クラッド層（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、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活性層は、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光ゲート素子。
【請求項２】
前記埋込み導波路構造における前記活性層が、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１に記載の光ゲート素子。
【請求項３】
前記活性層がバルク材料からな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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−８３４７３（Ｐ２０１２−８３４７３Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２８５８３（Ｐ２０１０−２２８５８３）
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
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