集積型光デバイスおよびそれを用いた光通信ネットワーク
【目的】集積型光デバイス及び光通信ネットワークである。
【構成】半導体基板１０上に、第１のコア層１２を含む光導波路と第２のコア層１５を含む光導波路を積層した二重光導波路構造を有する。導波型光デバイスは導波方向に複数領域１、２、３に分割されている。領域１、２、３のうち少なくとも１つの領域１、３は、二重光導波路構造の光分布を制御する屈折率変調層２０を有する。複数領域１、２、３それぞれにおいて、キャリアを注入する電極１８、１９を有する。キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能を持ち得る。
【構成】半導体基板１０上に、第１のコア層１２を含む光導波路と第２のコア層１５を含む光導波路を積層した二重光導波路構造を有する。導波型光デバイスは導波方向に複数領域１、２、３に分割されている。領域１、２、３のうち少なくとも１つの領域１、３は、二重光導波路構造の光分布を制御する屈折率変調層２０を有する。複数領域１、２、３それぞれにおいて、キャリアを注入する電極１８、１９を有する。キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能を持ち得る。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信などに用いられる集積型光デバイス、特に集積型光カップラ及び半導体光増幅器、更にはこのデバイスを用いた光通信ネットワークに関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信、特に、光ローカルエリアネットワークに用いられる光デバイスのうち、光増幅器の重要度が近年急激に増している。光増幅器は、大きく分けてファイバ増幅器と半導体増幅器に分けられ、用途によって使い分けが行われている。
【０００３】半導体増幅器（以下ＬＤＡとも言う）の場合、半導体レーザと同等の構造を有しているため、集積化に優れていることが大きな長所である。ＬＤＡを中心に集積化した例として、Ｋ．Ｙ．ＬＩＯＵらによる“ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ Ｙ−ｂｒａｃｈｉｎｇ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ”（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ ＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃｓ ’９０，講演番号ＣＤＦ７）に開示されたものがある。図１４はこの模式図である。
【０００４】ＩｎＰ基板８００上に光アンプ部８０１、Ｙ分岐部８０２、ＰＩＮ受光部８０３を集積化した構造になっている。層構成は、活性層（波長１．３μｍ）の下に光ガイド層（波長１．１μｍ）を有する構造となっており、活性層は光アンプ部８０１と受光部８０３で共通である。Ｙ分岐部８０２は活性層を除去した構造になっており、光アンプ部８０１および受光部８０３の端面は無反射コーティングされている。各部の導波路の導波損失および結合損失がきわめて小さいこと、およびＹ分岐部８０２で２方向に分岐しそれぞれでモニタできることが特長となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この構成には大きな欠点がある。すなわち信号光が必ずＬＤＡを通過するため、ＬＤＡにトラブルが生じた場合、信号光に大きなダメージを与えることになる。半導体光アンプはＬＤ以上にキャリア注入量が高く、内部劣化の確率はＬＤ以上に大きいと考えられ、劣化に対するフェイルセイフ機能は不可欠である。そのためには、ＬＤＡの前後に通常の光スイッチを設けることが考えられる。たとえば、特公平４−６４０４４では、レンズやプリズムなどの光学部品を外付けして用いているが、この手法では、外付けにせざるを得ないため、必然的に大型化すると共に価格も上昇し、集積化の長所が失われる。即ち、ＬＤＡ特有の長所が失われる。
【０００６】本発明は、以上の課題に鑑みて考案されたもので、その目的は、集積型光デバイス、特にｎｏｒｍａｌｌｙ ｏｐｅｎの半導体光スイッチを集積化することでＬＤＡにフェイルセイフの機能を持たせた構成を有する集積型光カップラ及び半導体光増幅器、更にはこのデバイスを用いた光通信ネットワークを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、半導体基板上に、少なくとも第１クラッド層、第１コア層、第２クラッド層、第３クラッド層、第２コア層および第４クラッド層を積層した構造を有する導波型光デバイスであり、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該領域のうち少なくとも１つの領域では前記第２クラッド層および第３クラッド層の間に屈折率変調層を有し、前記複数領域それぞれにおいて前記第１コア層あるいは前記第２コア層にキャリアを注入する機構を有することを特徴とする集積型光デバイスである。
【０００８】具体的には、該屈折率変調層がグレーティングで形成されていたり、第１コア層あるいは第２コア層あるいはその両方の構造が単一あるいは複数の量子井戸からなっていたり、入射光に対し前記第１コア層および第２コア層が、透明媒質あるいは利得媒質であったりする。
【０００９】また、本発明の骨子は、半導体基板上に、少なくとも第１導電型の第１クラッド層、第１導電型の第１コア層、第１導電型の第２クラッド層、第２コア層および第２導電型の第３クラッド層を積層した構造を有する導電型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該分割領域のうち少なくとも１つの領域では前記第２クラッド層中あるいは第３クラッド層中あるいはその両方に周期的電流狭窄層を有することを特徴とする集積型光デバイスである。
【００１０】この時、周期的電流狭窄層は近接する前記クラッド層と同一の屈折率を有する物質からなり、かつその導電型が前記クラッド層のそれと異なっていたり、前記第１コア層あるいは第２コア層あるいはその両方の構造が単一あるいは複数の量子井戸からなっていたり、入射光に対し前記第１コア層および第２コア層が、透明媒質あるいは利得媒質であったりする。
【００１１】また、本発明の骨子は、半導体基板上に、第１光導波路と第２光導波路を積層した二重光導波路構造を有する導波型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該領域のうち少なくとも１つの領域は、前記二重光導波路構造の光分布を制御する屈折率変調手段を有し、前記複数領域それぞれにおいてキャリアを注入する手段を有することを特徴とする集積型光デバイスである。
【００１２】また、具体的な応用としては、この集積光デバイスが複数の端局を有するバス型の光伝送路上に配置されていることを特徴とする光通信ネットワークや、この集積光デバイスが複数の端局を有するスター型の光伝送路上に配置されていることを特徴とする光通信ネットワークがある。
【００１３】
【作用】２本の導波路を近接させた構造の光デバイスは方向性結合器として一般的によく知られている。このとき、各々の伝搬定数をβ1およびβ2とするとΔβ＝β2−β1および導波路間隔ｄや結合長Ｌによってパワー分岐比が決まり、カプラやスイッチの機能をもたせることができる。さらに、２導波路間に伝搬定数を変調する層すなわち屈折率変調層（態様は、代表的には、以下に述べる２つがある）を導入することで、設計の自由度や製作上の許容度を上げたり、新たな機能、例えば光フィルタリング機能を付加することができる。
【００１４】一方、導波路のコア層にキャリアを注入することで、コアの材料で決まる波長域の利得媒質として光アンプあるいは半導体レーザとして使用することができるだけでなく、コア層の屈折率が低下するため、光の強度分布を変化させることができる。
【００１５】この時、コアにキャリアを注入する際、キャリア密度が周期的に異なるように設定することで、上記２つの作用（光増幅および光強度分布変化）を同時に満足させることもできる。たとえば、第１のコア層および第２のコア層で方向性結合器を形成し、一方、たとえば、第１コア層にのみ周期的にキャリアを注入する場合を考える。１×１０18ｃｍ-3程度キャリア注入すると屈折率は１０-3オーダで低下する（Ｃａｓｅｙ ａｎｄ Ｐａｎｉｓｈ； Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａｓｅｒｓ （Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， １９７８）参照）。従って、周期的にキャリアを注入することは、屈折率可変グレーティングを形成することと等価である。
【００１６】また、第１のコア層および第２のコア層で方向性結合器を形成し（この場合は、屈折率可変グレーティングが形成されている）、一方、たとえば、第１コア層にのみキャリアを注入してもよい。
【００１７】以上の両方の場合において、グレーティングベクトルをＫとするとＢｒａｇｇ条件（位相整合条件）は、β2＝β1＋Ｋ ・・・・・（１）
となる。ここでΔ＝β2−（β1＋Ｋ） ・・・・・（２）
とすると、パワー移行率ηは η＝１／（１＋（Δ／κ）2）・（ｓｉｎβcｚ）2 ・・・・・（３）
となる。ここでκは２導波路間の結合効率、ｚは進行方向の座標であり、βc＝（κ2＋Δ2）1/2 ・・・・・（４）
である。
【００１８】これより最大パワー移行率ηmaxは ηmax＝１／（１＋（Δ／κ）2） ・・・・・（５）
であり、最大完全結合長ＬはＬ＝π／２βc ・・・・・（６）
で表わせる。
【００１９】屈折率可変グレーティングが形成されている場合、導波路１および２の実効屈折率をｎ1およびｎ2とすると、１×１０18ｃｍ-3程度キャリア注入すると屈折率は１０-3オーダで低下する。この結果、伝搬定数は低下し、κは上昇する。
【００２０】導波路１のみにキャリア注入を行ったときの導波路１の伝搬定数および導波路２との結合効率をβ1,injおよびκinjとすると、β1,inj＝β1−Δβ1となる（Δβ1＞０）
となり、この時、キャリア注入時のΔをΔinjで表すと（２）式よりΔinj＝Δ＋Δβ1となり、パワー移行率はηintは（３）式よりηint＝１／（１＋（Δ／κinj＋Δβ1,inj／κinj）2）・（ｓｉｎβc,injｚ）2となる。
【００２１】従って、キャリア注入時にκは上昇することからも ≫１・・・・・キャリア非注入時 Δ／κ： ・・・・・（７）
≪１・・・・・キャリア注入時となるように層構成の設定が可能である。こうして、キャリア注入時にηintが大きくなってパワーの移行が起こり、非注入時にはパワー移行が起こらない様にできる。
【００２２】この時、グレーティングがない場合にはκ≪１となるので Δ／κ ≫１・・・・・常時 ・・・・・（８）
となり、パワー移行が起こらない。
【００２３】特に光アンプのように高注入のデバイスの場合、屈折率のキャリア注入効果は大きいため設計上有利となる。
【００２４】一方、周期的にキャリアを注入する場合、キャリア非注入時にはＫ＝０なのでΔc＝β2−β1 非注入時Δinj＝β2,inj−（β1,inj＋Ｋ） 注入時＝Δc−Ｋ。
【００２５】キャリア非注入時のκをκ≪１と選ぶことにより ≫１・・・キャリア非注入時 Δ／κ : ・・・（７′）
≪１・・・キャリア注入時となる。こうして、キャリア注入時にパワーの移行が起こり、非注入時にはパワー移行が起こらない様にできる。
【００２６】また、周期的電流狭窄層がないときには、常時 Δ／κ ≫１ ・・・（８′）
となるように層構成の設定が可能であり、パワー移行が起こらない様にできる。
【００２７】特にＬＤＡのように高注入のデバイスの場合、屈折率のキャリア注入効果は大きいため設計上有利となる。
【００２８】尚、キャリア注入量によって屈折率が異なるので、実効的なグレーティングピッチは変化する。この結果、フィルタリング効果が現れるが、フィルタ帯域はグレーティング形状を制御することで目的に応じて広くも狭くも設定できるので場合に応じて設計すればよい。
【００２９】
【実施例１】図１は本発明の第１の実施例の断面図である。光の進行方向に対して、３個の領域が直列につながれた構成になっている。領域１および３はカプラ領域、領域２は利得領域ないし光増幅部である。領域１および３では（７）式が、領域２では（８）式が成り立つように層構成を設計した。
【００３０】たとえば、図１において、１０はｎ型ＧａＡｓ基板、１１はｎ型第１クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ１．５μｍ）、１２はｎ型第１コア層（Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ、厚さ０．１μｍ）、１３はｎ型第２クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ０．５μｍ）、１４はｎ型第３クラッド層（Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ、厚さ０．５μｍ）、１５はアンドープ第２コア層（Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ、厚さ０．０５μｍ）、１６はｐ型第４クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ１．５μｍ）、１７はコンタクト層（ＧａＡｓ）である。１８および１９は正電極および負電極であり、２０は屈折率を変調するためのグレーティングである。本実施例の場合、導波光の波長を８６０ｎｍとして、グレーティング２０は、ピッチ８．５μｍ、深さ１．２ｎｍのサインカーブに設定した。
【００３１】領域１および３のデバイス長は（４）式で決まる完全結合長（本実施例では５００μｍ）とし、領域２（増幅部）のデバイス長は６００μｍとした。また、入出力端面には、無反射（ＡＲ）コート２２を施している。２１は先球ファイバである。
【００３２】動作原理について図２を用いて説明する。例えば、波長８６０ｎｍの光を第１コア層１２のみに導波させる場合を考える。
【００３３】１）全領域にキャリアを注入しない時図２において、屈折率の変化はないので光導波路２５に入力された光２６は第２導波路２４の導波モードとは全くカップルしない。従って、領域２および領域３を通過し、外部へ出力される。
【００３４】２）全領域にキャリアを注入したとき図３において、第１導波路２５に導波された光３１は、グレーティング２０によって変調を受けると共に、第２導波路２４とカップリングする。注入されたキャリア密度に対して移行率１００％となるように設定されているので、完全結合長だけ導波すると移行率１００％で導波路２４へ移る（電界分布を３２で示した）。領域２は利得領域になっているため光増幅のみが行われ、光強度が大きくなる（電界分布を３３で示した）。次に、導波光３４が進行する領域３では、領域１と同様に導波路２４から導波路２５に移行し、無反射端面２２を介して外部へ出力される。領域２では、キャリア注入に関係なく、カップルしないので、所望の光増幅をするためにキャリア注入量やデバイス長を選ぶことができる。
【００３５】
【実施例２】第１実施例では光アンプ部のコア１５はバルクのＡｌＧａＡｓを用いたが、量子井戸層（ＱＷ）を用いてもよい。図６はこの場合の層構成の一例の各層のＡｌ含有率を示す。第２コア層をＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ（障壁層）・ＧａＡｓ（井戸層）の５対からなる多重量子井戸構造１５ａとしている。この結果、利得スペクトルは第１実施例に比べ狭帯域化できるとともに、利得の大きさをも大きくすることができる。図１１は、キャリアの注入レベルを同等にしたときのバルクの利得スペクトル７０１および多重量子井戸の利得スペクトル７０２を模式的に表したものである。
【００３６】
【実施例３】図５は本発明の第３実施例の断面図である。光の進行方向に対して、同じく、３個の領域が直列につながれた構成になっている。領域１および３は光カプラ部、領域２は光増幅部である。領域１および３では（７´）式が、領域２では（８´）式が成り立つように層構成を設計した。
【００３７】たとえば、図５において、１００はｎ型ＧａＡｓ基板、１０１はｎ型第１クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ１．５μｍ）、１０２はｎ型第１コア層（Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ、厚さ０．１μｍ）、１０３はｎ型第２クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ０．５μｍ）、１０４はアンドープ第２コア層（Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ、厚さ０．０５μｍ）、１０５はｐ型第３クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ１．５μｍ）、１０６はコンタクト層（ＧａＡｓ）である。１０７および１０８は正電極および負電極であり、１０９は屈折率を変調するための周期的電流狭窄層である。本実施例の場合、導波光の波長を８６０ｎｍとして、周期的電流狭窄層１０９のグレーティングはピッチ８．５μｍ、デューティ５０％の矩形状に設定した。
【００３８】領域１および３のデバイス長は（４）式で決まる完全結合長（本実施例では５００μｍ）とし、領域２（増幅部）のデバイス長は６００μｍとした。また、先球光ファイバ１１０に対向した入出力端面には、無反射（ＡＲ）コート１１１を施している。
【００３９】次に第３実施例の製作方法について簡単に説明する。
【００４０】たとえば、通常の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）を用いて、まず、（１００）ｎ型ＧａＡｓ基板１００上に第１クラッド層１０１から第２コア層１０４まで成長する。第２コア層１０４を成長したあと、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（厚さ０．３μｍ、キャリア濃度ｐ〜３×１０17ｃｍ-3）、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（厚さ０．５μｍ、キャリア濃度ｎ〜３×１０17ｃｍ-3）を形成した後、前述したようにピッチ８．５μｍのグレーティングパターンを、その深さがｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層に達するようにエッチングする。この後、引続き、ＭＯＣＶＤでｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（厚さ０．７μｍ、キャリア濃度ｐ〜３×１０17ｃｍ-3）を成長する。
【００４１】キャリア濃度を〜３×１０17ｃｍ-3に設定したのは、キャリア非注入時にこの領域で屈折率差が生じないようにするためである。この結果、周期的電流狭窄層１０９が作製される。この後、コンタクト層１０６を成長する。
【００４２】横モードの制御のために、埋め込み構造等をつくり付け、電極１０７、１０８を形成することで本実施例は完成する。図８は図５の断面の模式図であり、図中、４０１はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高抵抗埋め込み層である。この横モードの制御のための構造は他の実施例についても同じである。
【００４３】次に第３実施例の動作原理について図６を用いて説明する。例えば、波長８６０ｎｍの光を第１コア層１０２のみに導波させる場合を考える。
【００４４】１）全領域にキャリアを注入しない時図６において、前述のように周期的電流狭窄層１０９付近では屈折率の変化はないので光導波路２０５に入力された光２０１は導波路２０４の導波モードとは全くカップルしない。従って、領域２および領域３を通過し、外部へ出力される（フェイルセイフ機能）。
【００４５】２）全領域に独立にキャリアを注入した時正電極１０７から注入されたキャリアは、周期的電流狭窄層１０９によってキャリア分布が変調され、第２コア層１０４中に、キャリア分布ができ、これに対応した等価的屈折率分布が形成される。
【００４６】従って、導波路２０５に導波された光３０１は、図７に示す様に、周期的電流狭窄層１０９によって導波路２０４とカップリングする。注入されたキャリア密度に対して移行率１００％となるように設定されているので、完全結合長だけ導波すると移行率１００％で導波路２０４へ移る（電界分布を３０２で示した）。第２コア層１０４を通過したキャリアは第１コア層１０２にも流れ込むが、キャリアの拡散効果やキャリアの注入効率が低い（第１コア層１０２にはｐｎ接合はないため）ために第１コア層１０２では屈折率は変調されない。
【００４７】領域２は利得領域になっているため光増幅のみが行われ、光強度が大きくなる（電界分布を３０３で示した）。次に、導波光３０４が進行する領域３では、領域１と同様に導波路２０４から導波路２０５に移行し、無反射端面１１１を介して外部へ出力される。領域２はキャリア注入に関係なく、カップルしないので所望の光増幅をするためにキャリア注入量やデバイス長を選ぶことができる。
【００４８】本実施例ではｎ基板を用いたがキャリアによって拡散長が異なるのでｐ基板を用いた方が有利なこともある。
【００４９】
【実施例４】図９は本発明の第４の実施例の模式図である。周期的電流狭窄層１０９´が第２クラッド層１０３´中に設定されている点が、第３の実施例とは異なっている。
【００５０】この結果、１）キャリア注入時に第２コア層１０４におけるキャリア分布が、同じグレーティングパターンを用いても第３実施例とは異なる、すなわち実効的なグレーティングが異なること、２）周期的電流狭窄層１０９´の位置によっては第１コア層１０２にもキャリア分布を誘起すること、３）製作上、再成長で利得層１０４を形成するため第３実施例よりも高度な製作技術を必要とすること、などの結果をもたらす。
【００５１】２）を積極的に利用し、第１コア層１０２を利得媒質にすることでよりカップリングを大きくすることができるが、非キャリア注入時には損失媒質になる可能性がある。動作原理は第３実施例と同じである。
【００５２】
【実施例５】第３、第４実施例では、光アンプ部のコア層１０４はバルクのＡｌＧａＡｓを用いたが量子井戸層（ＱＷ）を用いてもよい。図１０はこの場合の層構成の一例の各層のＡｌ含有率を示す。第２コア層をＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ（障壁層）・ＧａＡｓ（井戸層）の５対からなる多重量子井戸構造１０４ａとしている。この結果、利得スペクトルは第３、第４実施例に比べ狭帯域化できるとともに、利得の大きさも大きくすることができる。図１１は、キャリア注入レベルを同等にしたときのバルクの利得スペクトル７０１および多重量子井戸の利得スペクトル７０２を模式的に表したものである。
【００５３】また、第２コア層として歪量子井戸層を用いることで、ＴＥモードおよびＴＭモードに等しい利得を与える（偏波無依存ＬＤＡ）ことも可能である。
【００５４】次に、本発明の装置を光通信ネットワークへ適用した実施例について説明する。伝送路形態がバス型、スター型あるいはループ型の光通信ネットワークにおいて、光を分岐して情報を取り出す際、分岐方法および分岐数に応じた光増幅器が必要になる。
【００５５】
【実施例６】図１２は本発明の装置を光ブースタアンプとして使用する場合の適用例である。４００はバスライン、４０１および４０２は光リピータ、４０３〜４０６は光ノード、４０７〜４１０は能動型光スイッチである。光リピータ４０１および４０２が本発明の装置を含んでおり、分岐毎にロスするパワーを補うために用いられている。通常は光リピータ４０１、４０２と光スイッチ４０７〜４１０は連動しており、分岐数に応じた増幅を光リピータ４０１あるいは４０２で行い、増幅が行われているときはスイッチは常にノード側に開いている。
【００５６】なんらかの理由で光アンプにトラブルが生じた場合には、光アンプの供給電源が切れると同時に、能動型光スイッチもクローズし、バスライン４００上の光信号は損失を受けることなく通過する。すなわち、フェイルセーフ機能が働く。
【００５７】
【実施例７】図１３は本発明の装置をブースタアンプ＋スイッチとして使用する場合の適用例である。５００は光伝送路、５０１は本実施例の装置を含む光アンプ／光スイッチ、５０２はスター型光スイッチ、５０３〜５０７は光ノードである。
【００５８】ブースタアンプとしての機能は第６実施例の場合と同じである。各端局が発信するときは、光アンプ／光スイッチ５０１の電流を切ることで単なる透過デバイスとなる。したがって、たとえば、送信、受信を交互に行うピンポン通信のネットワークを容易に組むことができる。
【００５９】
【発明の効果】本発明の効果は以下の通りである。
【００６０】１）光スイッチ、光アンプ、光変調器、光合流分岐器がモノリシックに集積化さ れうるため、小型かつ高機能になりうる。
２）光アンプ等の能動デバイスが故障した場合のフェイルセーフが自動的に行われる。
３）他デバイスとの集積化が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の第１実施例の模式的断面図。
【図２】第１実施例の動作原理を説明する模式図。
【図３】第１実施例の動作原理を説明する模式図。
【図４】本発明の装置の第２実施例の層構成を説明する図。
【図５】本発明の装置の第３実施例の模式的断面図。
【図６】第３実施例の動作原理を説明する模式図。
【図７】第３実施例の動作原理を説明する模式図。
【図８】第３実施例の横断面図。
【図９】本発明の装置の第４実施例の模式的断面図。
【図１０】本発明の装置の第５実施例の層構成を説明する図。
【図１１】第２及び第５実施例の利得スペクトルの模式図。
【図１２】本発明の装置を適用した光通信システムの実施例を示す図。
【図１３】本発明の装置を適用した光通信システムの実施例を示す図。
【図１４】従来例を示す斜視図。
【符号の説明】
１０、１００ 基板
１１、１０１ 第１クラッド層
１２、１０２ 第１コア層
１３、１０３、１０３´ 第２クラッド層
１４、１０５ 第３クラッド層
１５、１５ａ、１０４、１０４ａ 第２コア層
１６ 第４クラッド層
１７、１０６ コンタクト層
１８、１０７ 正電極
１９、１０８ 負電極
２０ グレーティング
２１、１１０ 先球光ファイバ
２２、１１１ 無反射膜
２４、２５、２０４、２０５ 光導波路
１０９、１０９´ 周期的電流狭窄層
３５０ 高抵抗埋め込み層
４００ 光バスライン
４０１、４０２ 光リピータ
４０３〜４０６、５０３〜５０７ 光ノード
４０７〜４１０ 能動型光スイッチ
５００ 光伝送路
５０１ 光アンプ／光スイッチ
５０２ スターカプラ
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信などに用いられる集積型光デバイス、特に集積型光カップラ及び半導体光増幅器、更にはこのデバイスを用いた光通信ネットワークに関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信、特に、光ローカルエリアネットワークに用いられる光デバイスのうち、光増幅器の重要度が近年急激に増している。光増幅器は、大きく分けてファイバ増幅器と半導体増幅器に分けられ、用途によって使い分けが行われている。
【０００３】半導体増幅器（以下ＬＤＡとも言う）の場合、半導体レーザと同等の構造を有しているため、集積化に優れていることが大きな長所である。ＬＤＡを中心に集積化した例として、Ｋ．Ｙ．ＬＩＯＵらによる“ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ Ｙ−ｂｒａｃｈｉｎｇ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ”（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ ＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃｓ ’９０，講演番号ＣＤＦ７）に開示されたものがある。図１４はこの模式図である。
【０００４】ＩｎＰ基板８００上に光アンプ部８０１、Ｙ分岐部８０２、ＰＩＮ受光部８０３を集積化した構造になっている。層構成は、活性層（波長１．３μｍ）の下に光ガイド層（波長１．１μｍ）を有する構造となっており、活性層は光アンプ部８０１と受光部８０３で共通である。Ｙ分岐部８０２は活性層を除去した構造になっており、光アンプ部８０１および受光部８０３の端面は無反射コーティングされている。各部の導波路の導波損失および結合損失がきわめて小さいこと、およびＹ分岐部８０２で２方向に分岐しそれぞれでモニタできることが特長となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この構成には大きな欠点がある。すなわち信号光が必ずＬＤＡを通過するため、ＬＤＡにトラブルが生じた場合、信号光に大きなダメージを与えることになる。半導体光アンプはＬＤ以上にキャリア注入量が高く、内部劣化の確率はＬＤ以上に大きいと考えられ、劣化に対するフェイルセイフ機能は不可欠である。そのためには、ＬＤＡの前後に通常の光スイッチを設けることが考えられる。たとえば、特公平４−６４０４４では、レンズやプリズムなどの光学部品を外付けして用いているが、この手法では、外付けにせざるを得ないため、必然的に大型化すると共に価格も上昇し、集積化の長所が失われる。即ち、ＬＤＡ特有の長所が失われる。
【０００６】本発明は、以上の課題に鑑みて考案されたもので、その目的は、集積型光デバイス、特にｎｏｒｍａｌｌｙ ｏｐｅｎの半導体光スイッチを集積化することでＬＤＡにフェイルセイフの機能を持たせた構成を有する集積型光カップラ及び半導体光増幅器、更にはこのデバイスを用いた光通信ネットワークを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、半導体基板上に、少なくとも第１クラッド層、第１コア層、第２クラッド層、第３クラッド層、第２コア層および第４クラッド層を積層した構造を有する導波型光デバイスであり、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該領域のうち少なくとも１つの領域では前記第２クラッド層および第３クラッド層の間に屈折率変調層を有し、前記複数領域それぞれにおいて前記第１コア層あるいは前記第２コア層にキャリアを注入する機構を有することを特徴とする集積型光デバイスである。
【０００８】具体的には、該屈折率変調層がグレーティングで形成されていたり、第１コア層あるいは第２コア層あるいはその両方の構造が単一あるいは複数の量子井戸からなっていたり、入射光に対し前記第１コア層および第２コア層が、透明媒質あるいは利得媒質であったりする。
【０００９】また、本発明の骨子は、半導体基板上に、少なくとも第１導電型の第１クラッド層、第１導電型の第１コア層、第１導電型の第２クラッド層、第２コア層および第２導電型の第３クラッド層を積層した構造を有する導電型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該分割領域のうち少なくとも１つの領域では前記第２クラッド層中あるいは第３クラッド層中あるいはその両方に周期的電流狭窄層を有することを特徴とする集積型光デバイスである。
【００１０】この時、周期的電流狭窄層は近接する前記クラッド層と同一の屈折率を有する物質からなり、かつその導電型が前記クラッド層のそれと異なっていたり、前記第１コア層あるいは第２コア層あるいはその両方の構造が単一あるいは複数の量子井戸からなっていたり、入射光に対し前記第１コア層および第２コア層が、透明媒質あるいは利得媒質であったりする。
【００１１】また、本発明の骨子は、半導体基板上に、第１光導波路と第２光導波路を積層した二重光導波路構造を有する導波型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該領域のうち少なくとも１つの領域は、前記二重光導波路構造の光分布を制御する屈折率変調手段を有し、前記複数領域それぞれにおいてキャリアを注入する手段を有することを特徴とする集積型光デバイスである。
【００１２】また、具体的な応用としては、この集積光デバイスが複数の端局を有するバス型の光伝送路上に配置されていることを特徴とする光通信ネットワークや、この集積光デバイスが複数の端局を有するスター型の光伝送路上に配置されていることを特徴とする光通信ネットワークがある。
【００１３】
【作用】２本の導波路を近接させた構造の光デバイスは方向性結合器として一般的によく知られている。このとき、各々の伝搬定数をβ1およびβ2とするとΔβ＝β2−β1および導波路間隔ｄや結合長Ｌによってパワー分岐比が決まり、カプラやスイッチの機能をもたせることができる。さらに、２導波路間に伝搬定数を変調する層すなわち屈折率変調層（態様は、代表的には、以下に述べる２つがある）を導入することで、設計の自由度や製作上の許容度を上げたり、新たな機能、例えば光フィルタリング機能を付加することができる。
【００１４】一方、導波路のコア層にキャリアを注入することで、コアの材料で決まる波長域の利得媒質として光アンプあるいは半導体レーザとして使用することができるだけでなく、コア層の屈折率が低下するため、光の強度分布を変化させることができる。
【００１５】この時、コアにキャリアを注入する際、キャリア密度が周期的に異なるように設定することで、上記２つの作用（光増幅および光強度分布変化）を同時に満足させることもできる。たとえば、第１のコア層および第２のコア層で方向性結合器を形成し、一方、たとえば、第１コア層にのみ周期的にキャリアを注入する場合を考える。１×１０18ｃｍ-3程度キャリア注入すると屈折率は１０-3オーダで低下する（Ｃａｓｅｙ ａｎｄ Ｐａｎｉｓｈ； Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａｓｅｒｓ （Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， １９７８）参照）。従って、周期的にキャリアを注入することは、屈折率可変グレーティングを形成することと等価である。
【００１６】また、第１のコア層および第２のコア層で方向性結合器を形成し（この場合は、屈折率可変グレーティングが形成されている）、一方、たとえば、第１コア層にのみキャリアを注入してもよい。
【００１７】以上の両方の場合において、グレーティングベクトルをＫとするとＢｒａｇｇ条件（位相整合条件）は、β2＝β1＋Ｋ ・・・・・（１）
となる。ここでΔ＝β2−（β1＋Ｋ） ・・・・・（２）
とすると、パワー移行率ηは η＝１／（１＋（Δ／κ）2）・（ｓｉｎβcｚ）2 ・・・・・（３）
となる。ここでκは２導波路間の結合効率、ｚは進行方向の座標であり、βc＝（κ2＋Δ2）1/2 ・・・・・（４）
である。
【００１８】これより最大パワー移行率ηmaxは ηmax＝１／（１＋（Δ／κ）2） ・・・・・（５）
であり、最大完全結合長ＬはＬ＝π／２βc ・・・・・（６）
で表わせる。
【００１９】屈折率可変グレーティングが形成されている場合、導波路１および２の実効屈折率をｎ1およびｎ2とすると、１×１０18ｃｍ-3程度キャリア注入すると屈折率は１０-3オーダで低下する。この結果、伝搬定数は低下し、κは上昇する。
【００２０】導波路１のみにキャリア注入を行ったときの導波路１の伝搬定数および導波路２との結合効率をβ1,injおよびκinjとすると、β1,inj＝β1−Δβ1となる（Δβ1＞０）
となり、この時、キャリア注入時のΔをΔinjで表すと（２）式よりΔinj＝Δ＋Δβ1となり、パワー移行率はηintは（３）式よりηint＝１／（１＋（Δ／κinj＋Δβ1,inj／κinj）2）・（ｓｉｎβc,injｚ）2となる。
【００２１】従って、キャリア注入時にκは上昇することからも ≫１・・・・・キャリア非注入時 Δ／κ： ・・・・・（７）
≪１・・・・・キャリア注入時となるように層構成の設定が可能である。こうして、キャリア注入時にηintが大きくなってパワーの移行が起こり、非注入時にはパワー移行が起こらない様にできる。
【００２２】この時、グレーティングがない場合にはκ≪１となるので Δ／κ ≫１・・・・・常時 ・・・・・（８）
となり、パワー移行が起こらない。
【００２３】特に光アンプのように高注入のデバイスの場合、屈折率のキャリア注入効果は大きいため設計上有利となる。
【００２４】一方、周期的にキャリアを注入する場合、キャリア非注入時にはＫ＝０なのでΔc＝β2−β1 非注入時Δinj＝β2,inj−（β1,inj＋Ｋ） 注入時＝Δc−Ｋ。
【００２５】キャリア非注入時のκをκ≪１と選ぶことにより ≫１・・・キャリア非注入時 Δ／κ : ・・・（７′）
≪１・・・キャリア注入時となる。こうして、キャリア注入時にパワーの移行が起こり、非注入時にはパワー移行が起こらない様にできる。
【００２６】また、周期的電流狭窄層がないときには、常時 Δ／κ ≫１ ・・・（８′）
となるように層構成の設定が可能であり、パワー移行が起こらない様にできる。
【００２７】特にＬＤＡのように高注入のデバイスの場合、屈折率のキャリア注入効果は大きいため設計上有利となる。
【００２８】尚、キャリア注入量によって屈折率が異なるので、実効的なグレーティングピッチは変化する。この結果、フィルタリング効果が現れるが、フィルタ帯域はグレーティング形状を制御することで目的に応じて広くも狭くも設定できるので場合に応じて設計すればよい。
【００２９】
【実施例１】図１は本発明の第１の実施例の断面図である。光の進行方向に対して、３個の領域が直列につながれた構成になっている。領域１および３はカプラ領域、領域２は利得領域ないし光増幅部である。領域１および３では（７）式が、領域２では（８）式が成り立つように層構成を設計した。
【００３０】たとえば、図１において、１０はｎ型ＧａＡｓ基板、１１はｎ型第１クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ１．５μｍ）、１２はｎ型第１コア層（Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ、厚さ０．１μｍ）、１３はｎ型第２クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ０．５μｍ）、１４はｎ型第３クラッド層（Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ、厚さ０．５μｍ）、１５はアンドープ第２コア層（Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ、厚さ０．０５μｍ）、１６はｐ型第４クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ１．５μｍ）、１７はコンタクト層（ＧａＡｓ）である。１８および１９は正電極および負電極であり、２０は屈折率を変調するためのグレーティングである。本実施例の場合、導波光の波長を８６０ｎｍとして、グレーティング２０は、ピッチ８．５μｍ、深さ１．２ｎｍのサインカーブに設定した。
【００３１】領域１および３のデバイス長は（４）式で決まる完全結合長（本実施例では５００μｍ）とし、領域２（増幅部）のデバイス長は６００μｍとした。また、入出力端面には、無反射（ＡＲ）コート２２を施している。２１は先球ファイバである。
【００３２】動作原理について図２を用いて説明する。例えば、波長８６０ｎｍの光を第１コア層１２のみに導波させる場合を考える。
【００３３】１）全領域にキャリアを注入しない時図２において、屈折率の変化はないので光導波路２５に入力された光２６は第２導波路２４の導波モードとは全くカップルしない。従って、領域２および領域３を通過し、外部へ出力される。
【００３４】２）全領域にキャリアを注入したとき図３において、第１導波路２５に導波された光３１は、グレーティング２０によって変調を受けると共に、第２導波路２４とカップリングする。注入されたキャリア密度に対して移行率１００％となるように設定されているので、完全結合長だけ導波すると移行率１００％で導波路２４へ移る（電界分布を３２で示した）。領域２は利得領域になっているため光増幅のみが行われ、光強度が大きくなる（電界分布を３３で示した）。次に、導波光３４が進行する領域３では、領域１と同様に導波路２４から導波路２５に移行し、無反射端面２２を介して外部へ出力される。領域２では、キャリア注入に関係なく、カップルしないので、所望の光増幅をするためにキャリア注入量やデバイス長を選ぶことができる。
【００３５】
【実施例２】第１実施例では光アンプ部のコア１５はバルクのＡｌＧａＡｓを用いたが、量子井戸層（ＱＷ）を用いてもよい。図６はこの場合の層構成の一例の各層のＡｌ含有率を示す。第２コア層をＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ（障壁層）・ＧａＡｓ（井戸層）の５対からなる多重量子井戸構造１５ａとしている。この結果、利得スペクトルは第１実施例に比べ狭帯域化できるとともに、利得の大きさをも大きくすることができる。図１１は、キャリアの注入レベルを同等にしたときのバルクの利得スペクトル７０１および多重量子井戸の利得スペクトル７０２を模式的に表したものである。
【００３６】
【実施例３】図５は本発明の第３実施例の断面図である。光の進行方向に対して、同じく、３個の領域が直列につながれた構成になっている。領域１および３は光カプラ部、領域２は光増幅部である。領域１および３では（７´）式が、領域２では（８´）式が成り立つように層構成を設計した。
【００３７】たとえば、図５において、１００はｎ型ＧａＡｓ基板、１０１はｎ型第１クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ１．５μｍ）、１０２はｎ型第１コア層（Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ、厚さ０．１μｍ）、１０３はｎ型第２クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ０．５μｍ）、１０４はアンドープ第２コア層（Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ、厚さ０．０５μｍ）、１０５はｐ型第３クラッド層（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、厚さ１．５μｍ）、１０６はコンタクト層（ＧａＡｓ）である。１０７および１０８は正電極および負電極であり、１０９は屈折率を変調するための周期的電流狭窄層である。本実施例の場合、導波光の波長を８６０ｎｍとして、周期的電流狭窄層１０９のグレーティングはピッチ８．５μｍ、デューティ５０％の矩形状に設定した。
【００３８】領域１および３のデバイス長は（４）式で決まる完全結合長（本実施例では５００μｍ）とし、領域２（増幅部）のデバイス長は６００μｍとした。また、先球光ファイバ１１０に対向した入出力端面には、無反射（ＡＲ）コート１１１を施している。
【００３９】次に第３実施例の製作方法について簡単に説明する。
【００４０】たとえば、通常の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）を用いて、まず、（１００）ｎ型ＧａＡｓ基板１００上に第１クラッド層１０１から第２コア層１０４まで成長する。第２コア層１０４を成長したあと、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（厚さ０．３μｍ、キャリア濃度ｐ〜３×１０17ｃｍ-3）、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（厚さ０．５μｍ、キャリア濃度ｎ〜３×１０17ｃｍ-3）を形成した後、前述したようにピッチ８．５μｍのグレーティングパターンを、その深さがｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層に達するようにエッチングする。この後、引続き、ＭＯＣＶＤでｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（厚さ０．７μｍ、キャリア濃度ｐ〜３×１０17ｃｍ-3）を成長する。
【００４１】キャリア濃度を〜３×１０17ｃｍ-3に設定したのは、キャリア非注入時にこの領域で屈折率差が生じないようにするためである。この結果、周期的電流狭窄層１０９が作製される。この後、コンタクト層１０６を成長する。
【００４２】横モードの制御のために、埋め込み構造等をつくり付け、電極１０７、１０８を形成することで本実施例は完成する。図８は図５の断面の模式図であり、図中、４０１はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高抵抗埋め込み層である。この横モードの制御のための構造は他の実施例についても同じである。
【００４３】次に第３実施例の動作原理について図６を用いて説明する。例えば、波長８６０ｎｍの光を第１コア層１０２のみに導波させる場合を考える。
【００４４】１）全領域にキャリアを注入しない時図６において、前述のように周期的電流狭窄層１０９付近では屈折率の変化はないので光導波路２０５に入力された光２０１は導波路２０４の導波モードとは全くカップルしない。従って、領域２および領域３を通過し、外部へ出力される（フェイルセイフ機能）。
【００４５】２）全領域に独立にキャリアを注入した時正電極１０７から注入されたキャリアは、周期的電流狭窄層１０９によってキャリア分布が変調され、第２コア層１０４中に、キャリア分布ができ、これに対応した等価的屈折率分布が形成される。
【００４６】従って、導波路２０５に導波された光３０１は、図７に示す様に、周期的電流狭窄層１０９によって導波路２０４とカップリングする。注入されたキャリア密度に対して移行率１００％となるように設定されているので、完全結合長だけ導波すると移行率１００％で導波路２０４へ移る（電界分布を３０２で示した）。第２コア層１０４を通過したキャリアは第１コア層１０２にも流れ込むが、キャリアの拡散効果やキャリアの注入効率が低い（第１コア層１０２にはｐｎ接合はないため）ために第１コア層１０２では屈折率は変調されない。
【００４７】領域２は利得領域になっているため光増幅のみが行われ、光強度が大きくなる（電界分布を３０３で示した）。次に、導波光３０４が進行する領域３では、領域１と同様に導波路２０４から導波路２０５に移行し、無反射端面１１１を介して外部へ出力される。領域２はキャリア注入に関係なく、カップルしないので所望の光増幅をするためにキャリア注入量やデバイス長を選ぶことができる。
【００４８】本実施例ではｎ基板を用いたがキャリアによって拡散長が異なるのでｐ基板を用いた方が有利なこともある。
【００４９】
【実施例４】図９は本発明の第４の実施例の模式図である。周期的電流狭窄層１０９´が第２クラッド層１０３´中に設定されている点が、第３の実施例とは異なっている。
【００５０】この結果、１）キャリア注入時に第２コア層１０４におけるキャリア分布が、同じグレーティングパターンを用いても第３実施例とは異なる、すなわち実効的なグレーティングが異なること、２）周期的電流狭窄層１０９´の位置によっては第１コア層１０２にもキャリア分布を誘起すること、３）製作上、再成長で利得層１０４を形成するため第３実施例よりも高度な製作技術を必要とすること、などの結果をもたらす。
【００５１】２）を積極的に利用し、第１コア層１０２を利得媒質にすることでよりカップリングを大きくすることができるが、非キャリア注入時には損失媒質になる可能性がある。動作原理は第３実施例と同じである。
【００５２】
【実施例５】第３、第４実施例では、光アンプ部のコア層１０４はバルクのＡｌＧａＡｓを用いたが量子井戸層（ＱＷ）を用いてもよい。図１０はこの場合の層構成の一例の各層のＡｌ含有率を示す。第２コア層をＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ（障壁層）・ＧａＡｓ（井戸層）の５対からなる多重量子井戸構造１０４ａとしている。この結果、利得スペクトルは第３、第４実施例に比べ狭帯域化できるとともに、利得の大きさも大きくすることができる。図１１は、キャリア注入レベルを同等にしたときのバルクの利得スペクトル７０１および多重量子井戸の利得スペクトル７０２を模式的に表したものである。
【００５３】また、第２コア層として歪量子井戸層を用いることで、ＴＥモードおよびＴＭモードに等しい利得を与える（偏波無依存ＬＤＡ）ことも可能である。
【００５４】次に、本発明の装置を光通信ネットワークへ適用した実施例について説明する。伝送路形態がバス型、スター型あるいはループ型の光通信ネットワークにおいて、光を分岐して情報を取り出す際、分岐方法および分岐数に応じた光増幅器が必要になる。
【００５５】
【実施例６】図１２は本発明の装置を光ブースタアンプとして使用する場合の適用例である。４００はバスライン、４０１および４０２は光リピータ、４０３〜４０６は光ノード、４０７〜４１０は能動型光スイッチである。光リピータ４０１および４０２が本発明の装置を含んでおり、分岐毎にロスするパワーを補うために用いられている。通常は光リピータ４０１、４０２と光スイッチ４０７〜４１０は連動しており、分岐数に応じた増幅を光リピータ４０１あるいは４０２で行い、増幅が行われているときはスイッチは常にノード側に開いている。
【００５６】なんらかの理由で光アンプにトラブルが生じた場合には、光アンプの供給電源が切れると同時に、能動型光スイッチもクローズし、バスライン４００上の光信号は損失を受けることなく通過する。すなわち、フェイルセーフ機能が働く。
【００５７】
【実施例７】図１３は本発明の装置をブースタアンプ＋スイッチとして使用する場合の適用例である。５００は光伝送路、５０１は本実施例の装置を含む光アンプ／光スイッチ、５０２はスター型光スイッチ、５０３〜５０７は光ノードである。
【００５８】ブースタアンプとしての機能は第６実施例の場合と同じである。各端局が発信するときは、光アンプ／光スイッチ５０１の電流を切ることで単なる透過デバイスとなる。したがって、たとえば、送信、受信を交互に行うピンポン通信のネットワークを容易に組むことができる。
【００５９】
【発明の効果】本発明の効果は以下の通りである。
【００６０】１）光スイッチ、光アンプ、光変調器、光合流分岐器がモノリシックに集積化さ れうるため、小型かつ高機能になりうる。
２）光アンプ等の能動デバイスが故障した場合のフェイルセーフが自動的に行われる。
３）他デバイスとの集積化が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の第１実施例の模式的断面図。
【図２】第１実施例の動作原理を説明する模式図。
【図３】第１実施例の動作原理を説明する模式図。
【図４】本発明の装置の第２実施例の層構成を説明する図。
【図５】本発明の装置の第３実施例の模式的断面図。
【図６】第３実施例の動作原理を説明する模式図。
【図７】第３実施例の動作原理を説明する模式図。
【図８】第３実施例の横断面図。
【図９】本発明の装置の第４実施例の模式的断面図。
【図１０】本発明の装置の第５実施例の層構成を説明する図。
【図１１】第２及び第５実施例の利得スペクトルの模式図。
【図１２】本発明の装置を適用した光通信システムの実施例を示す図。
【図１３】本発明の装置を適用した光通信システムの実施例を示す図。
【図１４】従来例を示す斜視図。
【符号の説明】
１０、１００ 基板
１１、１０１ 第１クラッド層
１２、１０２ 第１コア層
１３、１０３、１０３´ 第２クラッド層
１４、１０５ 第３クラッド層
１５、１５ａ、１０４、１０４ａ 第２コア層
１６ 第４クラッド層
１７、１０６ コンタクト層
１８、１０７ 正電極
１９、１０８ 負電極
２０ グレーティング
２１、１１０ 先球光ファイバ
２２、１１１ 無反射膜
２４、２５、２０４、２０５ 光導波路
１０９、１０９´ 周期的電流狭窄層
３５０ 高抵抗埋め込み層
４００ 光バスライン
４０１、４０２ 光リピータ
４０３〜４０６、５０３〜５０７ 光ノード
４０７〜４１０ 能動型光スイッチ
５００ 光伝送路
５０１ 光アンプ／光スイッチ
５０２ スターカプラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体基板上に、少なくとも第１クラッド層、第１コア層、第２クラッド層、第３クラッド層、第２コア層および第４クラッド層を積層した二重光導波路構造を有する導波型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該領域のうち少なくとも１つの領域では前記第２クラッド層および第３クラッド層の間に屈折率変調層を有し、前記複数領域それぞれにおいて前記第１コア層あるいは前記第２コア層にキャリアを注入する手段を有することを特徴とする集積型光デバイス。
【請求項２】 前記屈折率変調層がグレーティングで形成されていることを特徴とする請求項１記載の集積型光デバイス。
【請求項３】 前記第１コア層あるいは第２コア層あるいはその両方の構造が単一あるいは複数の量子井戸からなることを特徴とする請求項１または２記載の集積型光デバイス。
【請求項４】 入射光に対し前記第１コア層が透明媒質であることを特徴とする請求項１または２記載の集積型光デバイス。
【請求項５】 入射光に対し前記第２コア層が利得媒質であることを特徴とする請求項１または２記載の集積型光デバイス。
【請求項６】 請求項１記載の集積型光デバイスが複数の端局を有するバス型の光伝送路上に配置され、キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能によりネットワークに支障をきたさないことを特徴とする光通信ネットワーク。
【請求項７】 請求項１記載の集積型光デバイスが複数の端局を有するスター型の光伝送路上に配置され、キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能によりネットワークに支障をきたさないことを特徴とする光通信ネットワーク。
【請求項８】 半導体基板上に、少なくとも第１導電型の第１クラッド層、第１導電型の第１コア層、第１導電型の第２クラッド層、第２コア層および第２導電型の第３クラッド層を積層した二重光導波路構造を有する導波型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該分割領域のうち少なくとも１つの領域では前記第２クラッド層中あるいは第３クラッド層中あるいはその両方に周期的屈折率変調層を有し、該周期的屈折率変調層によって前記二重導波路の光分布を制御することを特徴とする集積型光デバイス。
【請求項９】 前記周期的屈折率変調層が、それに近接する前記クラッド層と同一の屈折率を有する物質からなり、かつその導電型が前記クラッド層のそれと異なる領域と同じ領域とを周期的に有し、該複数領域に独立にキャリアを注入する手段を有することを特徴とする請求項８記載の集積型光デバイス。
【請求項１０】 前記第１コア層あるいは第２コア層あるいはその両方の構造が単一あるいは複数の量子井戸からなることを特徴とする請求項８または９記載の集積型光デバイス。
【請求項１１】 入射光に対し前記第１コア層が透明媒質であることを特徴とする請求項８または９記載の集積型光デバイス。
【請求項１２】 入射光に対し前記第２コア層が利得媒質であることを特徴とする請求項８または９記載の集積型光デバイス。
【請求項１３】 請求項８記載の集積光デバイスが複数の端局を有するバス型の光伝送路上に配置され、キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能によりネットワークに支障をきたさないことを特徴とする光通信ネットワーク。
【請求項１４】 請求項８記載の集積光デバイスが複数の端局を有するスター型の光伝送路上に配置され、キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能によりネットワークに支障をきたさないことを特徴とする光通信ネットワーク
【請求項１５】 半導体基板上に、第１光導波路と第２光導波路を積層した二重光導波路構造を有する導波型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該領域のうち少なくとも１つの領域は、前記二重光導波路構造の光分布を制御する屈折率変調層を有し、前記複数領域それぞれにおいてキャリアを注入する手段を有することを特徴とする集積型光デバイス。
【請求項１】 半導体基板上に、少なくとも第１クラッド層、第１コア層、第２クラッド層、第３クラッド層、第２コア層および第４クラッド層を積層した二重光導波路構造を有する導波型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該領域のうち少なくとも１つの領域では前記第２クラッド層および第３クラッド層の間に屈折率変調層を有し、前記複数領域それぞれにおいて前記第１コア層あるいは前記第２コア層にキャリアを注入する手段を有することを特徴とする集積型光デバイス。
【請求項２】 前記屈折率変調層がグレーティングで形成されていることを特徴とする請求項１記載の集積型光デバイス。
【請求項３】 前記第１コア層あるいは第２コア層あるいはその両方の構造が単一あるいは複数の量子井戸からなることを特徴とする請求項１または２記載の集積型光デバイス。
【請求項４】 入射光に対し前記第１コア層が透明媒質であることを特徴とする請求項１または２記載の集積型光デバイス。
【請求項５】 入射光に対し前記第２コア層が利得媒質であることを特徴とする請求項１または２記載の集積型光デバイス。
【請求項６】 請求項１記載の集積型光デバイスが複数の端局を有するバス型の光伝送路上に配置され、キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能によりネットワークに支障をきたさないことを特徴とする光通信ネットワーク。
【請求項７】 請求項１記載の集積型光デバイスが複数の端局を有するスター型の光伝送路上に配置され、キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能によりネットワークに支障をきたさないことを特徴とする光通信ネットワーク。
【請求項８】 半導体基板上に、少なくとも第１導電型の第１クラッド層、第１導電型の第１コア層、第１導電型の第２クラッド層、第２コア層および第２導電型の第３クラッド層を積層した二重光導波路構造を有する導波型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該分割領域のうち少なくとも１つの領域では前記第２クラッド層中あるいは第３クラッド層中あるいはその両方に周期的屈折率変調層を有し、該周期的屈折率変調層によって前記二重導波路の光分布を制御することを特徴とする集積型光デバイス。
【請求項９】 前記周期的屈折率変調層が、それに近接する前記クラッド層と同一の屈折率を有する物質からなり、かつその導電型が前記クラッド層のそれと異なる領域と同じ領域とを周期的に有し、該複数領域に独立にキャリアを注入する手段を有することを特徴とする請求項８記載の集積型光デバイス。
【請求項１０】 前記第１コア層あるいは第２コア層あるいはその両方の構造が単一あるいは複数の量子井戸からなることを特徴とする請求項８または９記載の集積型光デバイス。
【請求項１１】 入射光に対し前記第１コア層が透明媒質であることを特徴とする請求項８または９記載の集積型光デバイス。
【請求項１２】 入射光に対し前記第２コア層が利得媒質であることを特徴とする請求項８または９記載の集積型光デバイス。
【請求項１３】 請求項８記載の集積光デバイスが複数の端局を有するバス型の光伝送路上に配置され、キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能によりネットワークに支障をきたさないことを特徴とする光通信ネットワーク。
【請求項１４】 請求項８記載の集積光デバイスが複数の端局を有するスター型の光伝送路上に配置され、キャリア非注入時には、入射光がそのまま出力されるフェイルセイフ機能によりネットワークに支障をきたさないことを特徴とする光通信ネットワーク
【請求項１５】 半導体基板上に、第１光導波路と第２光導波路を積層した二重光導波路構造を有する導波型光デバイスであって、導波方向に複数領域に分割されているとともに、該領域のうち少なくとも１つの領域は、前記二重光導波路構造の光分布を制御する屈折率変調層を有し、前記複数領域それぞれにおいてキャリアを注入する手段を有することを特徴とする集積型光デバイス。
【図２】
【図４】
【図１】
【図３】
【図６】
【図１１】
【図５】
【図７】
【図９】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図４】
【図１】
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【図１０】
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【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開平６−２６５９５８
【公開日】平成６年（１９９４）９月２２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−８０１７０
【出願日】平成５年（１９９３）３月１５日
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【公開日】平成６年（１９９４）９月２２日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）３月１５日
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
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