JP2003270593A - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JP2003270593A
JP2003270593A JP2002073946A JP2002073946A JP2003270593A JP 2003270593 A JP2003270593 A JP 2003270593A JP 2002073946 A JP2002073946 A JP 2002073946A JP 2002073946 A JP2002073946 A JP 2002073946A JP 2003270593 A JP2003270593 A JP 2003270593A
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light
waveguide
signal
silicon
control
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JP2002073946A
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English (en)
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Yasuhisa Omura
泰久 大村
Yukio Iida
幸雄 飯田
Yasuhiko Arai
泰彦 新井
Yutaka Maeda
裕 前田
Susumu Tamura
進 田村
Kazuhiro Nakamura
和広 中村
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Kansai University
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Kansai University
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積回路上に形成容易かつコンパクトで高効
率の光スイッチを提供する。 【解決手段】 シリコンにより形成された信号光通過部
1の信号光導波路1aにシリコンのエネルギーギャップ
より低いエネルギーを有する波長帯の信号光SLが通過
する。信号光導波路1aの周囲は、信号光SLの有する
エネルギーよりもエネルギーギャップの大きい二酸化シ
リコンで形成された導波路保護体1bにより取り囲まれ
ている。光制御部2から信号光SLと交差するような制
御光CLを照射する。制御光CLは、シリコンのエネル
ギーギャップより高いエネルギーを有する波長帯の光で
あり、二酸化シリコンで形成された制御光導波路2aに
より信号光通過部1に導かれる。制御光導波路2aは、
当該制御光導波路2aの有する幅より短い幅を有する導
波路支持体2bにより支持されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光の強度を制御す
ることにより信号光を制御する光スイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】現在、次世代の更なる高速光通信を実現
させるために光信号を電気信号に変換することなく、光
の強度を制御することにより信号光を制御する光スイッ
チが研究されている。現在、電気信号、熱等の光以外の
手段によって信号光強度を制御する光スイッチや、非線
形誘電体、化合物半導体等を用い、制御光によって制御
する光スイッチ等が開発されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの光ス
イッチには、それぞれ問題がある。
【0004】電気信号を用いる場合には、当該電気信号
を加えるために、信号光を制御するだけの所定長さを有
する電極部が必要になる等、光以外の手段によって信号
光強度を制御する光スイッチは、構造的にコンパクト化
することが困難な場合がある。特に、電気信号を用い、
直接電流を流すことによって信号光を制御する場合に
は、多くの電流を流す必要があるため効率がよくなく、
微細化が進み電力消費を極力避けたい集積回路に適用す
るのは困難な場合も生じ得る。
【0005】また、従来の制御光によって制御する光ス
イッチ等は、高速で動作させることができるが、屈折率
差の小さい媒質で構成されているため、光スイッチの信
号光および制御光の導波路を長く設定する必要があると
ともに、幅方向にも屈折のための場所が必要であるた
め、構造上光スイッチを小さくすることができなかっ
た。
【0006】さらに、化合物半導体を用いる光スイッチ
においては、シリコン集積回路に用いる場合、化合物半
導体が当該基板であるシリコンと馴染み難く、シリコン
基板上に当該光スイッチを形成することは困難な場合が
あった。
【0007】本発明は、かかる従来技術の問題点を解決
するべくなされたもので、集積回路上に形成容易かつコ
ンパクトで高効率の光スイッチを提供することを目的と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る光スイッチ
は、シリコンのエネルギーギャップより小さいエネルギ
ーを有する波長帯の信号光が通過するためのシリコンで
形成された信号光導波路および前記信号光導波路の周囲
を信号光が飛び出さないように保護するための二酸化シ
リコンで形成された導波路保護体を有する信号光通過部
と、前記信号光を制御するためのシリコンのエネルギー
ギャップより大きいエネルギーを有する波長帯の制御光
を前記信号光通過部に導くための二酸化シリコンで形成
された制御光導波路および前記制御光導波路を支持する
ための導波路支持体を有する光制御部を具備し、前記信
号光通過部と前記光制御部とは、前記信号光と前記制御
光とが、交差するように形成され、前記導波路支持体
は、前記制御光導波路の有する幅より短い幅を有するも
のである。
【0009】本発明にかかる光スイッチによれば、シリ
コンにより形成された信号光通過部の信号光導波路に信
号光が通過する。信号光は、シリコンのエネルギーギャ
ップより低いエネルギーを有する波長帯の光であるた
め、シリコン中にエネルギーが奪われることなく通過す
ることができる。信号光導波路の周囲は、信号光導波路
より屈折率の高い二酸化シリコンで形成された導波路保
護体により取り囲まれている。これによって、信号光導
波路を通過する信号光は、信号光導波路と導波路保護体
との界面において、信号光導波路側に全反射される。こ
のため、信号光通過部を通過する信号光は、信号光導波
路内に閉じ込められ、損失なく伝搬することができる。
【0010】このような信号光通過部を通過する信号光
を制御する際に、光制御部から信号光と交差するような
制御光を照射する。制御光は、シリコンのエネルギーギ
ャップより高いエネルギーを有する波長帯の光である。
制御光は、信号光と波長帯が異なるため、信号光に直接
影響を与えることがない。
【0011】この制御光は、シリコンを酸化することに
よりシリコン上に容易に形成することができる二酸化シ
リコンで形成された制御光導波路により信号光通過部に
導かれる。制御光導波路は、当該制御光導波路の有する
幅より短い幅を有する導波路支持体により支持されてい
る。これにより、制御光導波路を通過する制御光が導波
路支持体を通過する際に、土台となる基板等に制御光が
透過して損失するのを抑制することができる。
【0012】シリコンで形成された信号光導波路にシリ
コンのエネルギーギャップより高いエネルギーを有する
制御光を照射することにより、信号光導波路中に電子−
正孔対が発生する。信号光導波路中に所定の電子−正孔
対が発生すると自由キャリア効果が生じ、電子−正孔対
によってエネルギーが消費される。エネルギー保存則に
より、自由キャリア効果の相互作用として信号光のエネ
ルギーが減衰される。すなわち、信号光は、光スイッチ
を通過することができなくなる。制御光の照射を止める
と電子−正孔対が発生しなくなるため、信号光のエネル
ギーの減衰がなくなり、再び信号光が光スイッチを通過
することができるようになる。
【0013】このようにして、互いに馴染みのよいシリ
コンおよび二酸化シリコンで光スイッチを容易に形成す
ることができる。また、制御光の照射を制御することに
より、自由キャリア効果を利用して容易かつ電力を消費
することなく信号光を制御することができる。さらに、
屈折率や光路長に関係なく光スイッチを構成することが
できるため、光スイッチをコンパクトに形成することが
できる。
【0014】好ましくは、前記信号光通過部および光制
御部は、シリコン基板上に二酸化シリコン層が積層され
た基板上に形成され、前記導波路支持体は、二酸化シリ
コンで形成されるように構成される。
【0015】集積回路基板としては、シリコン基板上に
二酸化シリコンが積層されたシリコン集積回路が多く用
いられる。この場合、シリコン集積回路の二酸化シリコ
ン層上に、信号光通過部の導波路保護体および光制御部
の導波路支持体が同じ二酸化シリコンで形成される。
【0016】このように、互いに馴染みのよい材料によ
り光スイッチをシリコン集積回路基板上に形成するた
め、シリコン集積回路上に容易に光スイッチを形成する
ことができる。
【0017】好ましくは、信号光導波路は、所定のシリ
コン結晶欠陥を内包されてなるように構成される。
【0018】この場合、シリコンで信号光導波路を形成
する際に、予め所定のシリコン結晶欠陥が内包される。
シリコン中にシリコン結晶欠陥が内包されていると電子
−正孔対が発生し易いことが知られている。
【0019】このようなシリコン結晶欠陥を信号光導波
路に内包させることにより、制御光照射による電子−正
孔対の発生を促進させることができる。したがって、制
御光を照射してから信号光が減衰するまでの応答速度を
向上させることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の一実施の
形態における光スイッチの概略図である。
【0021】本発明に係る光スイッチは、シリコンのエ
ネルギーギャップより小さいエネルギーを有する波長帯
の信号光SLが通過するためのシリコンで形成された信
号光導波路1aおよび前記信号光導波路1aの周囲を信
号光SLが飛び出さないように保護するための二酸化シ
リコンで形成された導波路保護体1bを有する信号光通
過部1と、前記信号光SLを制御するためのシリコンの
エネルギーギャップより大きいエネルギーを有する波長
帯の制御光CLを前記信号光通過部1に導くための二酸
化シリコンで形成された制御光導波路2aおよび前記制
御光導波路2aを支持するための導波路支持体2bを有
する光制御部2を具備し、前記信号光通過部1と前記光
制御部2とは、前記信号光SLと前記制御光CLとが、
交差するように形成され、前記導波路支持体2bは、前
記制御光導波路2aの有する幅より短い幅を有するもの
である。
【0022】本発明にかかる光スイッチによれば、シリ
コンにより形成された信号光通過部1の信号光導波路1
aに信号光SLが通過する。信号光SLは、シリコンの
エネルギーギャップより低いエネルギーを有する波長帯
の光であるため、シリコン中にエネルギーが奪われるこ
となく通過することができる。信号光導波路1aの周囲
は、信号光導波路1aより屈折率の高い二酸化シリコン
で形成された導波路保護体1bにより取り囲まれてい
る。これによって、信号光導波路1aを通過する信号光
SLは、信号光導波路1aと導波路保護体1bとの界面
において、信号光導波路1a側に全反射される。このた
め、信号光通過部1を通過する信号光SLは、信号光導
波路1a内に閉じ込められ、損失なく伝搬することがで
きる。
【0023】このような信号光通過部1を通過する信号
光SLを制御する際に、光制御部2から信号光SLと交
差するような制御光CLを照射する。制御光CLは、シ
リコンのエネルギーギャップより高いエネルギーを有す
る波長帯の光である。制御光CLは、信号光SLと波長
帯が異なるため、信号光SLに直接影響を与えることが
ない。
【0024】この制御光CLは、シリコンを酸化するこ
とによりシリコン上に容易に形成することができる二酸
化シリコンで形成された制御光導波路2aにより信号光
通過部1に導かれる。制御光導波路2aは、当該制御光
導波路2aの有する幅より短い幅を有する導波路支持体
2bにより支持されている。これにより、制御光導波路
2aを通過する制御光CLが導波路支持体2bを通過す
る際に、土台となる基板3,4等に制御光CLが透過し
て損失するのを抑制することができる。
【0025】シリコンで形成された信号光導波路1aに
シリコンのエネルギーギャップより高いエネルギーを有
する制御光CLを照射することにより、信号光導波路1
a中に電子−正孔対が発生する。信号光導波路1a中に
所定の電子−正孔対が発生すると自由キャリア効果が生
じ、電子−正孔対によってエネルギーが消費される。
【0026】ここで、自由キャリア効果について説明す
る。シリコンのエネルギーギャップ以上のエネルギーを
有する制御光CLが照射されると、シリコンの価電子帯
から伝導帯へ電子が励起される。電子の励起に伴って正
孔も価電子体に生じ、それぞれにおいて、電子-正孔対
が形成される。この電子-正孔対は自由キャリアとして
自由に信号光導波路内を移動することができる。この電
子−正孔対の運動によりエネルギーが消費される。ま
た、電子−正孔対が存在することにより、結果として部
分的に信号光導波路1aの内部抵抗が小さくなり、イン
ピーダンスの不整合が生じる。このような不整合部分に
おいては、信号光SLは反射、拡散されてしまう。この
ように、自由キャリア効果が生じると信号光導波路1a
内においてエネルギーが消費される。
【0027】エネルギー保存則により、自由キャリア効
果の相互作用として信号光SLのエネルギーが減衰され
る。すなわち、信号光SLは、光スイッチを通過するこ
とができなくなる。制御光CLの照射を止めると電子−
正孔対が発生しなくなるため、信号光のエネルギーの減
衰がなくなり、再び信号光SLが光スイッチを通過する
ことができるようになる。
【0028】このようにして、互いに馴染みのよいシリ
コンおよび二酸化シリコンで光スイッチを容易に形成す
ることができる。また、制御光CLの照射を制御するこ
とにより、自由キャリア効果を利用して容易かつ電力を
消費することなく信号光SLを制御することができる。
さらに、屈折率や光路長に関係なく光スイッチを構成す
ることができるため、光スイッチをコンパクトに形成す
ることができる。
【0029】なお、信号光SLは、単一モード伝搬する
光であっても多モード伝搬する光であっても構わない
が、単一モード伝搬する光を信号光SLとして用いた場
合、信号光導波路1aの幅が小さくても伝搬するため、
光スイッチをよりコンパクトに形成することができる。
【0030】本実施の形態においては、前記信号光通過
部1および光制御部2は、シリコン基板3上に二酸化シ
リコン層4が積層された基板上に形成され、前記導波路
支持体2bは、二酸化シリコンで形成されるように構成
される。
【0031】集積回路基板としては、シリコン基板3上
に二酸化シリコンが積層されたシリコン集積回路が多く
用いられる。この場合、シリコン集積回路の二酸化シリ
コン層4上に、信号光通過部1の導波路保護体1bおよ
び光制御部2の導波路支持体2bが同じ二酸化シリコン
で形成される。
【0032】このように、互いに馴染みのよい材料によ
り光スイッチをシリコン集積回路基板上に形成するた
め、シリコン集積回路上に容易に光スイッチを形成する
ことができる。
【0033】本実施の形態においては、信号光導波路1
aは、所定のシリコン結晶欠陥を内包されてなるように
構成される。
【0034】この場合、シリコンで信号光導波路1aを
形成する際に、予め所定のシリコン結晶欠陥が内包され
る。シリコン中にシリコン結晶欠陥が内包されていると
電子−正孔対が発生し易いことが知られている。
【0035】このようなシリコン結晶欠陥を信号光導波
路1aに内包させることにより、制御光照射による電子
−正孔対の発生を促進させることができる。したがっ
て、制御光を照射してから信号光が減衰するまでの応答
速度を向上させることができる。
【0036】なお、本実施の形態においては、内包させ
る前記シリコン結晶欠陥は、前記信号光導波路1aの前
記制御光CLが照射される部位近傍に内包させる。この
場合、制御光CLを照射しない際に、信号光SLを信号
光通過部1において減衰させることなく、効率よく通過
させることができる。
【0037】ここで、本実施の形態における光スイッチ
において、信号光通過部1および光制御部2の位置関係
について説明する。図2は図1の光スイッチの側面図で
ある。図2(a)は制御光CL照射方向からの側面図で
あり、図2(b)は信号光照射方向からの側面図であ
る。
【0038】信号光SLおよび制御光CLが交差するの
であれば、信号光導波路1aおよび制御光導波路2a
は、どのような角度をもって配置されてもよいが、本実
施の形態においては、前記制御光導波路2aおよび前記
信号光導波路1aは、前記制御光CLが前記信号光SL
に対して垂直に入射されるように配置されるように構成
される。
【0039】この場合、信号光通過部1における制御光
CLの照射部位を短くすることができるため、光スイッ
チをよりコンパクトに形成することができる。また、信
号光導波路1aにシリコン結晶欠陥を内包させる場合、
結晶欠陥をより効率よく内包させることができるため、
信号光に影響を与えることなく応答速度の速い光スイッ
チを形成することができる。
【0040】本実施の形態においては、図2に示される
ように、前記制御光導波路2aは、前記制御光CLの一
部が前記導波路保護体1bにも入射されるように配置さ
れるように構成される。
【0041】この場合、制御光導波路2aからの制御光
CLの一部がまっすぐ信号光導波路1aに照射される。
また、制御光CLの一部が導波路保護体1bを通って導
波路保護体1bの外面部すなわち空気との界面で反射さ
れつつ、信号光導波路1aの周囲を巡回するように導波
路保護体1b内を通過する。その後、前記界面で反射し
た信号光導波路1aに衝突した部位で制御光CLは、自
由キャリア効果を生じさせる。
【0042】これにより、制御光CLが信号光導波路1
aに照射される表面積がより大きくなり自由キャリア効
果の発生を促進させることができ、応答速度をより早く
することができる。
【0043】続いて、本実施の形態における光スイッチ
の形成方法について説明する。本実施の形態において
は、シリコン基板上にエピタキシャル成長させることに
より各部を積層させる。エピタキシャル成長とは、物質
を真空中で気化または蒸発させ、下地単結晶表面上に吸
着、成長させるとその下地結晶の影響を受けて成長面お
よび軸方向がその下地結晶のものと一致して単結晶状の
薄膜ができる現象を利用したものである。
【0044】本発明の光スイッチは、シリコンとそれを
酸化して得られる二酸化シリコンのみで構成されてい
る。よってシリコン基板上に各部を容易にエピタキシャ
ル成長させることができる。この際、成長基板として用
いたシリコン基板を本実施の形態におけるシリコン基板
3としてそのまま光スイッチ全体を形成することが可能
である。
【0045】特に、本実施の形態においては、分子線エ
ピタキシー法(MBE;MolecularBeam Epitaxy法)が
用いられる。MBE法は、10-10Torr程度の長光真空
中で基板に分子線または原子線を入射させ、基板上にエ
ピタキシャル成長層を形成する方法であって、高度に制
御された真空蒸着法である。このようなMBE法を用い
ることによって、より高精度かつコンパクトに光スイッ
チを形成することができる。
【0046】本実施の形態においては、前記信号光導波
路1aおよび/または前記制御光導波路2aの断面は四
角形状であるように形成される。
【0047】この場合、積層し易い四角形状に信号光導
波路1aおよび/または制御光導波路2aを形成するこ
とにより、光スイッチの形成をより容易にすることがで
きる。また、これらを四角形状に形成することにより、
信号光導波路1aから信号光が透過してしまったり、制
御光導波路2aから制御光が透過してしまうことを抑制
し、信号光SLおよび制御光CLの損失をより小さくす
ることができる。
【0048】なお、一枚の基板上に複数の光スイッチを
並列に形成することも可能である。さらに、これらの光
スイッチを用い、並列に接続させることも可能である。
【0049】この場合、1つの集積回路基板上に複数の
光スイッチを設置する場合においても複数の光スイッチ
を一度に形成することができる。また、積層方向に複数
の光スイッチを形成して多層化することも可能である。
【0050】
【発明の効果】本発明に係る光スイッチによれば、互い
に馴染みのよいシリコンおよび二酸化シリコンで光スイ
ッチを容易に形成することができる。また、制御光の照
射を制御することにより、自由キャリア効果を利用して
容易かつ電力を消費することなく信号光を制御すること
ができる。さらに、屈折率や光路長に関係なく光スイッ
チを構成することができるため、光スイッチをコンパク
トに形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態における光スイッチの概
略図である。
【図2】図1の光スイッチの側面図である。
【符号の説明】
1…信号光通過部 1a…信号光導波路 1b…導波路
保護体 2…光制御部 2a…制御光導波路 2b…導波路支持体 3…シリコ
ン基板 4…二酸化シリコン層 SL…信号光 CL…
制御光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新井 泰彦 大阪府吹田市山手町3丁目3番35号 学校 法人 関西大学 工学部内 (72)発明者 前田 裕 大阪府吹田市山手町3丁目3番35号 学校 法人 関西大学 工学部内 (72)発明者 田村 進 大阪府吹田市山手町3丁目3番35号 学校 法人 関西大学 工学部内 (72)発明者 中村 和広 大阪府吹田市山手町3丁目3番35号 学校 法人 関西大学 工学部内 Fターム(参考) 2H079 AA08 AA13 BA01 CA05 DA16 DA25 EA03 EA07 EA08

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコンのエネルギーギャップより小さ
    いエネルギーを有する波長帯の信号光が通過するための
    シリコンで形成された信号光導波路および前記信号光導
    波路の周囲を信号光が飛び出さないように保護するため
    の二酸化シリコンで形成された導波路保護体を有する信
    号光通過部と、 前記信号光を制御するためのシリコンのエネルギーギャ
    ップより大きいエネルギーを有する波長帯の制御光を前
    記信号光通過部に導くための二酸化シリコンで形成され
    た制御光導波路および前記制御光導波路を支持するため
    の導波路支持体を有する光制御部とを具備し、 前記信号光通過部と前記光制御部とは、前記信号光と前
    記制御光とが、交差するように形成され、 前記導波路支持体は、前記制御光導波路の有する幅より
    短い幅を有することを特徴とする光スイッチ。
  2. 【請求項2】 前記信号光通過部および光制御部は、シ
    リコン基板上に二酸化シリコンが積層された基板上に形
    成され、 前記導波路支持体は、二酸化シリコンで形成されること
    を特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
  3. 【請求項3】 信号光導波路は、所定のシリコン結晶欠
    陥を内包されてなることを特徴とする請求項1または2
    記載の光スイッチ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008262052A (ja) * 2007-04-12 2008-10-30 Shin Etsu Chem Co Ltd 光導波路装置および光導波路装置の製造方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008262052A (ja) * 2007-04-12 2008-10-30 Shin Etsu Chem Co Ltd 光導波路装置および光導波路装置の製造方法

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