JP2004279898A

JP2004279898A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2004279898A
Application number: JP2003073495A
Authority: JP
Inventors: Shinji Iio; 晋司飯尾; Masayuki Suehiro; 雅幸末広; Shinichi Nakajima; 眞一中島; Yoshiyuki Asano; 義之浅野; Akira Miura; 明三浦; Takeshi Yagihara; 剛八木原; Shinji Kobayashi; 信治小林; Sadaji Oka; 貞治岡
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】駆動回路への負担を小さくし、高速動作が可能な光スイッチを実現する。
【解決手段】キャリア注入による屈折率変化により光導波路の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、前記光導波路が形成された半導体基板上に前記注入されたキャリアを蓄積するキャリア蓄積層を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
本発明は、キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関し、特に注入された有効なキャリアが有効な部分に蓄積されやすい構造とし、注入電流を低減することが可能な光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の通信ネットワークであるＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）やＷＡＮ（ＷｉｄｅＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等では、通常電気信号をもって情報を伝送する通信方式となっている。
【０００３】
光信号をもって情報を伝送する通信方法は大量のデータを伝送する基幹ネットワークやその他一部のネットワークで用いられているだけである。また、これらのネットワークは”ｐｏｉｎｔｔｏｐｏｉｎｔ”の通信であり、”フォトニックネットワー
ク”と言える通信網までは発達していないのが現状である。
【０００４】
このような”フォトニックネットワーク”を実現するためには、電気信号の送
信先を切り換えるルータやスイッチングハブ等といった装置と同様の機能を有する”光ルータ”や”光スイッチングハブ”等が必要になる。
【０００５】
また、このような装置では高速に伝送経路を切り換える光スイッチが必要になり、ニオブ酸リチウムやＰＬＺＴ（ＬｅａｄＬａｎｔｈａｎｕｍＺｉｒｃｏｎａｔｅＴｉｔａｎａｔｅ）等の強誘電体を用いたものや、半導体に光導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換えるものが存在する。
【０００６】
そして、従来の半導体に光導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−３２０２１９号公報
【非特許文献１】
「２ｘ２ＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅｇｕｉｄｅＳｗｉｔｃｈｗｉｔｈＢｏｗ−ＴｉｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＢａｓｅｄｏｎＣａｒｒｉｅｒ−ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＴｏｔａｌＩｎｔｅｒｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｎＳｉＧｅＡｌｌｏｙ」，ＢａｏｊｕｎＬｉａｎｄＳｏｏ−ＪｉｎＣｈｕａ，ｐ２０６−ｐ２０８，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１３，ＮＯ．３，ＭＡＲＣＨ２００１
【０００８】
図４及び図５はこのような従来の光スイッチの一例を示す平面図及び断面図である。
図４において基板１上には”Ｘ字状”の光導波路を有する光導波路層２が形成され、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分には長方形状のＮ電極３が形成される。
また、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍であってＮ電極３に並行して長方形状のＰ電極４が形成される。
【０００９】
一方、図５は図４中”Ａ−Ａ’”における断面図であり、１はｐ型Ｓｉ基板、２は“Ｘ字状”の光導波路を有するｐ型のＳｉＧｅ層、３は電子が注入されるＮ電極、４は正孔が注入されるＰ電極である。
この例ではキャリア注入はＳｉのＰＮダイオードへ順方向電流を流すことで行なわれる。
【００１０】
ここで、図４に示す従来例の動作を図４を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、Ｎ電極３及びＰ電極４には電流が供給されない。
【００１１】
このため、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図４中”ＰＩ０１”から入射した光信号は交差部分を直進して図４中”ＰＯ０１”に示す部分から出射される。
【００１２】
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、Ｎ電極３から電子が注入され、Ｐ電極４からは正孔が注入され、このため、前記交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。
【００１３】
このため、プラズマ効果によって”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図４中”ＰＩ０１”から入射した光信号は交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図４中”ＰＯ０２”に示す部分から出射される。
【００１４】
この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路の交差部分にキャリア（電子、正孔）を注入して交差部分の屈折率を制御することにより、光信号の出射される位置を制御、言い換えれば、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、キャリア注入型の光スイッチの場合では、駆動電流をより小さくし、駆動回路への負担を軽減することにより動作を容易にすることができる。
この例では、キャリア注入はＳｉのＰＮダイオードへ順方向電流を流すことで行われている。このような構造では、注入されたキャリアが、途中で蓄積されることなく容易に反対側の電極まで流れ出てしまう。そのため、非常に多くの電流を流し込むことになり、駆動回路への負担が大きく、高速動作させることも難しくなってしまう。
【００１６】
即ち、注入されたキャリアが、途中で蓄積されることなく容易に反対側の電極まで流れ出てしまうため、動作には非常に多くの電流を流し込む必要があり、そのため駆動回路への負担が大きく、高速動作させることも難しくなるという問題があった。
本発明は、注入された有効なキャリアが有効な部分に蓄積されやすい構造とし、駆動回路への負担を小さくし、高速動作させることを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明の光スイッチは、請求項１においては、
キャリア注入による屈折率変化により光導波路の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、前記光導波路が形成された半導体基板上に前記注入光スイッチ。
【００１８】
請求項２においては、請求項１記載の光スイッチにおいて、
半絶縁基板上にクラッド層、光導波路層を積層し、前記クラッド層のバンドギャップを光導波路層より広げる構成とすることにより光導波路層をキャリア蓄積層としたことを特徴とする。
【００１９】
請求項３においては、請求項１または２記載の光スイッチにおいて、
光導波路層の上部にこの層よりバンドキャップが広い半導体層を設けたことを特徴とする。
【００２０】
請求項４においては、請求項３に記載の光スイッチにおいて、
光導波路層の上部にこの層よりバンドキャップが広い半導体層を設けるとともに、ｐｎタイプの異なる層で形成したことを特徴とする。
【００２１】
請求項５においては、請求項１〜４のいずれかに記載の光スイッチにおいて、
光導波路層をｎタイプの半導体としたことを特徴とする。
【００２２】
請求項６においては、請求項１〜５のいずれかに記載の光スイッチにおいて、光導波路層はクラッド層よりバンドギャップの狭い半導体層とするとともにｐｎタイプの異なる層で形成したことを特徴とする。
【００２３】
請求項７においては、請求項１〜６のいずれかに記載の光スイッチにおいて、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、
クラッド層としてｐ−ＡｌＧａＡｓ
光導波路層としてクラッド層よりＡｌ含有率が低い（０を含む）ｎ−ＡｌＧａＡｓを積層したことを特徴とする。
【００２４】
請求項８においては、請求項１〜６のいずれかに記載の光スイッチにおいて、
半導体材料としてＳｉＧｅ系を用いたことを特徴とする。
【００２５】
請求項９においては、請求項１〜６のいずれかに記載の光スイッチにおいて、
半導体材料としてＩｎＧａ（Ａｌ）ＡｓＰ系を用いたことを特徴とする。
【００２６】
請求項１０においては、請求項１〜６のいずれかに記載の光スイッチにおいて、
半導体材料としてＧａＩｎＮＡｓ系を用いたことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る光スイッチの一実施例を示す断面図、図２は図１に示す光スイッチの電流注入時のバンド模式図である。なお、平面図は図４に示す従来のものと同様なのでここでの記載と説明は省略する。
【００２８】
図１において、１はＧａＡｓやＩｎＰ等の半導体の基板、２は”Ｘ字状”の光導波路を有するｎ^―−ＧａＡｓからなる光導波路層、３は電子が注入されるＮ電極、４は正孔が注入されるＰ電極である。
５はｐ^＋−ＧａＡｓからなるコンタクト層、６はｐ−ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層、７はｎ^＋−ＧａＡｓのキャップ層、８はＳｉＯ_２等の絶縁膜、９ａ，９ｂ及び９ｃは絶縁層であるポリイミド層、１０ａ及び１０ｂは配線パターンである。
【００２９】
基板１上にはコンタクト層５、クラッド層６及び光導波路層２が台形状になるように順次形成され、光導波路層２上の一部にはキャップ層７が形成される。
【００３０】
基板１、コンタクト層５、クラッド層６及び光導波路層２上であってキャップ層７及びコンタクト層５の一部以外には絶縁膜８が形成される。また、キャップ層７及びコンタクト層５の一部にＮ電極３及びＰ電極４がそれぞれ形成される。
【００３１】
絶縁膜８上にはポリイミド層９ａ，９ｂ及び９ｃがそれぞれ形成され、配線パターン１０ａはポリイミド層９ａ上に形成されると共にＮ電極３に接続され、配線パターン１０ｂはポリイミド層９ｃ上に形成されると共にＰ電極４に接続される。
【００３２】
図２は図１に示す光スイッチの電流注入時のバンド模式図を示すものである。
キャリア注入型光スイッチでは、キャリアを注入することで半導体の屈折率変化を起こし、それによって光の経路の切り替えを行う。この屈折率変化量は、キャリアのタイプによっても大きく異なる。
【００３３】
この屈折率変化量は、キャリアの有効質量に反比例するため、有効質量の小さいキャリアほどキャリア変化に対応する屈折率変化が大きい。通常の半導体では、ホールより電子の方が有効質量が小さいため、電子を注入した場合の屈折率変化の方が、ホールを注入した場合の屈折率変化に対して大きい。
【００３４】
また、光導波路層での屈折率変化のみが、経路切り替えに有効となる。すなわち、キャリアを注入することによって、光導波路層に電子が溜まりやすい構造にすることで、光スイッチの駆動電流を低くできる。
【００３５】
図２に示した光スイッチは、光導波路層を比較的濃度の低い（１０^１７ｃｍ^３以下）ｎ型，クラッド層を中程度（１０^１６〜５×１０^１８ｃｍ^３程度）の濃度のｐ型にしている。ホールは、下部ｐ^＋−ＧａＡｓコンタクト層からｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層を通して、ｎ^―−ＧａＡｓ光導波路層に注入される。
【００３６】
一方電子はｎ^＋−ＧａＡｓキャップ層からｎ^―−ＧａＡｓ光導波路層に注入される。この場合、電子は、光導波路層に注入されるが、クラッド層がｐ型のＡｌＧａＡｓ層であるため、電子にとっては大きな障壁となり、電子は光導波路層に溜まりやすくなる。
【００３７】
上述のような構成のキャリア注入型光スイッチによれば、濃度変化による屈折率変化が比較的大きい電子が、光導波路層に溜まりやすい構造になっている。そのため、光スイッチの駆動電流を低くすることができ、駆動回路への負担を軽減できる。
【００３８】
なお、実施例では、ＡｌＧａＡｓ系の半導体で構成しているが、ＳｉＧｅ系、ＩｎＧａ（Ａｌ）ＡｓＰ系、ＧａＩｎＮＡｓ系のような同様の効果を示す半導体材料で構成しても良い。
また、本実施例では、下部にコンタクト層、上部にはキャップ層を設けているが、コンタクト層の代わりにクラッド層にイオン注入や不純物拡散などでコンタクト領域を形成しても良い。
【００３９】
また、キャップ層の代わりに、光導波路層にイオン注入や不純物拡散などでコンタクト領域を形成しても良い。
【００４０】
また、光導波路層はクラッド層よりバンドギャップの狭い半導体層としｐｎタイプの異なる層で形成した場合、光導波路層をｎにしたときは電子、ｐにしたときはホールの蓄積効果が高くなる。
【００４１】
また、光導波路層の上部にこの層よりバンドキャップが広い半導体層を設けるとともにｐｎタイプの異なる層で形成した場合、光導波路層をｎにしたときは電子、ｐにしたときはホールの蓄積効果が高くなる。
【００４２】
更に、本実施例では、光導波路層とクラッド層でバンドギャップの異なる半導体層が接しているシングルへテロ構造になっているが、図３に示すようにキャップ層と光導波路層との間に、光導波路層の下部のクラッド層とｐｎ反転したホール蓄積層２０を設けてダブルへテロ構造にすると、光導波路層に電子もホールも蓄積でき、さらに駆動電流が低減できる。
また、本実施例では、光導波路の横方向の光の閉じ込めにリッジ型を使用しているが、本提案の効果は、導波路の光の横方向閉じ込め方法には依存しない。
【００４３】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。
特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、キャリア注入による屈折率変化により光導波路の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、前記光導波路が形成された半導体基板上に前記注入されたキャリアを蓄積するキャリア蓄積層を設け、
注入された有効なキャリアが有効な部分に蓄積されやすい構造としたので、駆動回路への負担を小さくし、高速動作させることができる。
また、光導波路層をｎタイプの半導体としたので、屈折率変化がホールより大きな電子の蓄積効果を高めることができる。
更に、光導波路層をクラッド層よりバンドギャップの狭い半導体層とし、ｐｎタイプの異なる層で形成したので、光導波路層をｎにしたときは電子、ｐにしたときはホールの蓄積効果を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光スイッチの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す断面図の電流注入時のバンド模式図である。
【図３】他の実施例の電流注入時のバンド模式図である。
【図４】本発明及び従来の光スイッチの一例を示す平面図である。
【図５】従来の光スイッチの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１基板
２光導波路
３Ｎ電極
４Ｐ電極
５コンタクト層
６クラッド層
７キャップ層
８絶縁膜
９ａ，９ｂ，９ｃポリイミド層
１０ａ，１０ｂ配線パターン

Claims

キャリア注入による屈折率変化により光導波路の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、前記光導波路が形成された半導体基板上に前記注入されたキャリアを蓄積するキャリア蓄積層を設けたことを特徴とする光スイッチ。
半絶縁基板上にクラッド層、光導波路層を積層し、前記クラッド層のバンドギャップを光導波路層より広げる構成とすることにより光導波路層をキャリア蓄積層としたことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
光導波路層の上部にこの層よりバンドキャップが広い半導体層を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の光スイッチ。
光導波路層の上部にこの層よりバンドキャップが広い半導体層を設けるとともに、ｐｎタイプの異なる層で形成したことを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
光導波路層をｎタイプの半導体としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光スイッチ。
光導波路層はクラッド層よりバンドギャップの狭い半導体層とするとともにｐｎタイプの異なる層で形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光スイッチ。
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、
クラッド層としてｐ−ＡｌＧａＡｓ
光導波路層としてクラッド層よりＡｌ含有率が低い（０を含む）ｎ−ＡｌＧａＡｓを積層したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光スイッチ。
半導体材料としてＳｉＧｅ系を用いたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光スイッチ。
半導体材料としてＩｎＧａ（Ａｌ）ＡｓＰ系を用いたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光スイッチ。
半導体材料としてＧａＩｎＮＡｓ系を用いたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光スイッチ。