JP2005266632A - 光スイッチ - Google Patents
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Abstract
【課題】 光応答速度を高速化できる光導波路型の半導体光スイッチを実現することを目的にする。
【解決手段】 本発明は、一方から入射された光信号を途中で２つに分岐して出射する光導波路が形成され、分岐する部分で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改良を加えたものである。本光スイッチは、光信号が伝搬されるコア層またはこのコア層を含む光導波路層内に量子井戸構造を挿入したことを特徴とするものである。
【選択図】 図２
【解決手段】 本発明は、一方から入射された光信号を途中で２つに分岐して出射する光導波路が形成され、分岐する部分で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改良を加えたものである。本光スイッチは、光信号が伝搬されるコア層またはこのコア層を含む光導波路層内に量子井戸構造を挿入したことを特徴とするものである。
【選択図】 図２
Description
本発明は、一方から入射された光信号を途中で２つに分岐して出射する光導波路が形成され、分岐する部分で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、詳しくは、光応答速度を高速化できる光導波路型の半導体光スイッチに関するものである。
現在の通信ネットワークであるＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）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。
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”point to point”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。
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。さらに、これらの装置の測定を行う光通信用測定機器等も必要になる。
そして、このような装置（光通信システムや光通信用測定機器）では高速に伝送経路を切り換える光スイッチが必要となる。ここで、半導体に光導波路を形成し、さらに電流注入領域を設け、半導体中に電流（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従来の光スイッチの説明をする。
図６および図７は従来の光スイッチの一例を示す平面図および断面図である（例えば、非特許文献１参照）。図６において基板１は、”Ｘ字状”の光導波路２が形成される。電極３は、”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分に形成される。電極４は、”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分の近傍であって電極３に並行して形成される。
一方、図７は図６中”Ａ−Ａ’”における断面図である。図７において、基板５はｐ型のＳｉ等である。コア層６はｐ型のＳｉＧｅ層であり、基板５上に形成される。そして、入射光の大部分は、このコア層６で導波され伝搬される。また、コア層６には”Ｘ字状”の光導波路２が形成される。コンタクト用のｎ＋領域７は、光導波路２の交差部分に形成される。コンタクト用のｐ＋領域８は、交差部分の近傍に形成される。
絶縁膜１１はＳｉＯ２等であり、ｎ＋領域７、ｐ＋領域８の上を除くコア層６の上に形成される。ｎ側電極９は、ｎ＋領域７の上に形成される。ｐ側電極１０は、ｐ＋領域８の上に形成される。
続いて、図６、図７に示す従来例の動作を説明する。
光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極３（電極９）および電極４（電極１０）には電流が供給されない。このため、図６に示す”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図６中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は交差部分を直進して図６中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。
光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極３（電極９）および電極４（電極１０）には電流が供給されない。このため、図６に示す”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図６中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は交差部分を直進して図６中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、ｐ側電極１０からｎ＋領域７を通ってｎ側電極９に電流が流れる。つまり、電極３（電極９）から電子が注入され、電極４（電極１０）からは正孔が注入される。このため、交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。そして、ｎ＋領域７側に近い光導波路のキャリア濃度が増加する。
このキャリア濃度の増加により図６に示す”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分の屈折率が低くなるように変化する。例えば、図６中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は交差部分に生じた低屈折率の領域（光導波路２内のｎ＋領域７側に近い領域）と屈折率変化がほとんどない領域（光導波路２内の残り半分の領域）との境で全反射されて図６中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。
この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路２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、光信号が伝搬される伝送経路を切り換えることが可能になる。
従って、光導波路２内で、電流注入によってキャリア濃度が増加して屈折率変化が生じる領域と生じない領域との境を明確にして、光反射が生じるようにする方が効率よく光反射領域を生成できる。また、キャリア濃度による屈折率変化はプラズマ分散効果に基づいて生じることから（例えば、非特許文献２参照）、同じキャリア濃度の時には、キャリア（自由電子と自由正孔）の有効質量が小さい方が屈折率変化が大きくなる。このため、有効質量が小さい材料系を用いることにより、より低い電流注入量（電流密度）で大きい屈折率変化が生じ、低電流駆動の光スイッチを実現できる。
次に、キャリア（自由電子と自由正孔）の有効質量が小さい材料系を用いた従来の光スイッチの断面図の一例を図８に示す（例えば、非特許文献３参照）。
図８において、基板１２はＩｎＰ等である。コア層１３は、例えば４元層のｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層であり、基板１２の上に形成される。ｎ型のＩｎＰ層１４は、コア層１３の上に形成される。ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層１５は、ｎ型のＩｎＰ層１４の上に形成される。絶縁膜１６はＳｉＯ２ 等であり、ＩｎＧａＡｓＰ層１５の上に形成される。ｐ側電極１７は、絶縁膜１６の上に形成され、ｎ側電極１８は、基板１２の裏面に形成される。
図８に示す光スイッチは、基板１２上にコア層１３、ＩｎＰ層１４およびＩｎＧａＡｓＰ層１５が順次形成され、コア層１３までエッチングすることによって”Ｘ字状”の光導波路が形成される。
そして、図８中”ＤＲ１１”に示す部分にはｐ型不純物が拡散される。そして、図８中”ＤＲ１１”に示す部分に接触するように電極１７が形成され、基板１２の裏面には電極１８が形成される。
図８に示す従来例においては、キャリア（自由電子と自由正孔）の有効質量が小さい材料系を用いることにより、より低い電流注入量（電流密度）で大きな屈折率変化が得られ、低電流駆動の光スイッチを実現することができる。
続いて、電流狭窄によって、屈折率変化領域を限定する構成の光スイッチを説明する。図９および図１０は、交差部分の光導波路内にｐ型領域を設けて電流搾取を行い、高いキャリア濃度の領域を制限して屈折率変化領域を限定する従来の光スイッチの一例を示す平面図および断面図である（例えば、非特許文献４参照）。
図９において半導体の基板１９は、”Ｘ字状”の光導波路２０が形成される。電極２１は、”Ｘ字状”の光導波路２０の交差部分に形成される。
一方、図１０は図９中”Ｂ−Ｂ’”における断面図である。図１０において、基板２２は、例えば、ＩｎＰ等である。下部クラッド層２３は、例えば、ｎ型のＩｎＰ層であり、基板２２の上に形成される。コア層２４は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層であり、下部クラッド層２３の上に形成される。上部クラッド層２５は、ｎ型のＩｎＰ層であり、コア層２４の上に形成される。コンタクト層２６は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層であり、上部クラッド層２５の上に形成される。
図１０中”ＤＲ３１”〜”ＤＲ３３”に示す部分にはｐ型不純物であるＺｎが拡散される。酸化膜２７は、ＳｉＯ２ 等であり、図１０中”ＤＲ３３”に示す拡散領域以外のコンタクト層２６の上に形成される。ｐ側電極２８は、図１０中”ＤＲ３３”に示す拡散領域上に形成される。ｎ側電極２９は、基板２２の裏面に形成される。
ここで、図９および図１０に示す従来例の動作を説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極２１（電極２８）および図示しない基板１９裏面の電極（図１０中の電極２２に相当する。）には電流が供給されない。
このため、”Ｘ字状”の光導波路２０の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図９中”ＰＩ２１”から入射した光信号は交差部分を直進して図９中”ＰＯ２１”に示す部分から出射される。
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、電極２１（電極２８）および図示しない基板１９裏面の電極（図１０中の電極２２に相当する。）に電流が供給され交差部分にキャリア（電子、正孔）が注入される。
このため、プラズマ効果によって”Ｘ字状”の光導波路２０の交差部分の電極２１直下の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図９中”ＰＩ２１”から入射した光信号は交差部分に生じた低屈折率部分との境で全反射されて図９中”ＰＯ２２”に示す部分から出射される。
この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路２０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、光信号が伝搬される伝送経路を切り換えることが可能になる。
Baujun Li, Guozheng Li, Enke Liu, Zuimin Jiang, Chengwen Pei and Xun Wang,「1.55μm reflerction-type optical waveguide switch based on SiGe/Si plasma dispersion effect」, Appl. Phys. Lett., Vol.75, No.1, pp.1-3, (1999)
Baujun Li, and Soo-Jin Chua, 「2×2 Optical Waveguide Switch with Bow-Tie Electrode Based on Carrier-Injection Total Internal Reflection in SiGe Alloy」, IEEE Photon. Tech. Lett. Vol.13, No.3, pp.206-208, 13(2001)
Hiroaki Inoue, Hitoshi Nakamura, Kenichi Morosawa, Yoshimitsu Sasaki, Toshio Katsuyama, and Naoki Chinone, 「An 8mm Length Nonblocking 4×4 Optical Switch Array」, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.6, No.7, pp.1262-1266, (1988)
K. Ishida, H. Nakamura, H. Matsumura, T. Kadoi, and H. Inoue,「InGaAsP/InP optical switches using carrier induced refractive index change」, Appl. Phys. Lett., Vol.50, No.19, pp.141-142, (1987)
上記に示した従来例は、電流（キャリア）注入によりキャリア濃度が増加して屈折率変化が生じる（屈折率が減少する）領域と、屈折率変化が生じない領域との境で光反射が生じて光スイッチングされ、光信号の伝送経路を切り替える。
従って、プラズマ分散効果に基づく屈折率変化に基づいた原理（前述の非特許文献２参照）、あるいは、半導体材料のバンド間遷移の光吸収端波長のシフトに起因する（バンドフィリング効果）（応用物理学会、光学懇話会編者、「光集積回路−基礎と応用−」、初版、朝倉書店、1988年4月10日、第5章 p104参照）屈折率変化に基づいた原理で動作する。
しかしながら、キャリア濃度変化により光信号の伝送経路を光スイッチングする光スイッチの光応答速度は、キャリア寿命によって制限される。そのため、光スイッチの電流注入領域、すなわち屈折率変化領域の半導体材料と構造とに依存するキャリア寿命によって光応答速度が決定される。例えば上記に示した従来例では、駆動電流の注入を止めても、キャリアの寿命のため光スイッチの光応答速度が数１０〜数１００［ｎｓｅｃ］となり、光応答速度が遅いという問題があった。
そこで本発明の目的は、光応答速度を高速化できる光導波路型の半導体光スイッチを実現することにある。
請求項１記載の発明は、
一方から入射された光信号を途中で２つに分岐して出射する光導波路が形成され、前記分岐する部分で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おいて、
前記光信号が伝搬されるコア層またはこのコア層を含む光導波路層内に量子井戸構造を挿入したことを特徴とするものである。
一方から入射された光信号を途中で２つに分岐して出射する光導波路が形成され、前記分岐する部分で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おいて、
前記光信号が伝搬されるコア層またはこのコア層を含む光導波路層内に量子井戸構造を挿入したことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
光導波路層は、前記光導波路を伝搬する伝搬光が閉じ込められる領域であることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
前記光導波路がスラブ型の光導波路であることを特徴とするものである。
光導波路層は、前記光導波路を伝搬する伝搬光が閉じ込められる領域であることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
前記光導波路がスラブ型の光導波路であることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
前記量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光の波長が、前記光信号の波長と異なることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
前記量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光を除去する波長選択フィルタを設けたことを特徴とするものである。
前記量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光の波長が、前記光信号の波長と異なることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
前記量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光を除去する波長選択フィルタを設けたことを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、
前記光導波路は、２本の直線の光導波路が交差したことを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、
前記光導波路は、１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する光導波路を有することを特徴とするものである。
前記光導波路は、２本の直線の光導波路が交差したことを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、
前記光導波路は、１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する光導波路を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜７によれば、光信号の伝送経路の切り替えが行われる部分のコア層またはこのコア層を含む光導波路層内にバンドギャップが狭い量子井戸構造を挿入するので、この量子井戸構造による発光キャリア再結合でキャリア寿命を短くすることができる。これにより、光スイッチの光応答速度を高速化できる。
請求項１〜７によれば、光信号の伝送経路の切り替えが行われる部分のコア層またはこのコア層を含む光導波路層内にバンドギャップが狭い量子井戸構造を挿入するので、この量子井戸構造による発光キャリア再結合でキャリア寿命を短くすることができる。これにより、光スイッチの光応答速度を高速化できる。
また、キャリア注入・光導波路型の光スイッチに量子井戸構造を挿入するだけなので、単純な光スイッチ構造で、従来の製作プロセスを用いて光応答速度を高速化した光スイッチを容易に製作することができる。従って、実用的価値が非常に高い。
請求項４によれば、
量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光の波長を、光スイッチに入射される光信号の波長と異なるようにするので、量子井戸構造が挿入されたことによる光吸収の増加を低減することができる。
量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光の波長を、光スイッチに入射される光信号の波長と異なるようにするので、量子井戸構造が挿入されたことによる光吸収の増加を低減することができる。
請求項５によれば、
波長選択フィルタが、量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光を除去するので、発光キャリア再結合で発生した光の影響を容易に遮断することができる。
波長選択フィルタが、量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光を除去するので、発光キャリア再結合で発生した光の影響を容易に遮断することができる。
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る光スイッチの一実施例を示す平面図である。また、図２は、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１において半導体の基板３０上には、”Ｘ字状”の光導波路３１が形成される。電極３２は、”Ｘ字状”の光導波路３１の交差部分（光信号を分岐する部分であり、光スイッチ部とも呼ばれる）に形成される。
図１は、本発明に係る光スイッチの一実施例を示す平面図である。また、図２は、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１において半導体の基板３０上には、”Ｘ字状”の光導波路３１が形成される。電極３２は、”Ｘ字状”の光導波路３１の交差部分（光信号を分岐する部分であり、光スイッチ部とも呼ばれる）に形成される。
一方、図２は図１中”Ｃ−Ｃ’”における断面図である。図２において、基板３３はＩｎＰ等である。ｎ＋ 型のＩｎＰ層３４は、基板３３の上に形成される。下部クラッド層３５は、ｎ型のＩｎＰ層であり、ＩｎＰ層３４の上に形成される。
コア層３６は、量子井戸構造が挿入され、下部クラッド層３５の上に形成される。具体的には、バリア層３６ａ内に量子井戸層３６ｂが挿入される。また、バリア層３６ａはｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層であり、量子井戸層３６ｂはｎ型のＩｎＧａＡｓ等である。そして、バリア層３６ａと量子井戸層３６ｂとが複数繰り返された構造をしている。
上部クラッド層３７はｎ型のＩｎＰ層であり、コア層３６の上に形成される。コンタクト層３８はｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層であり、上部クラッド層３７の上に形成される。図２中”ＤＲ４１”〜”ＤＲ４３”に示す部分にはｐ型不純物であるＺｎが拡散される。
酸化膜３９は、ＳｉＯ２ 等であり、図２中”ＤＲ４３”に示す拡散領域以外のコンタクト層３８と上位クラッド層３７の上に形成される。ｐ側電極４０は、図２中”ＤＲ４３”に示す拡散領域上に形成される。ｎ側電極４１は、基板３３の裏面に形成される。
このような光スイッチの製造工程を説明する。
基板３３上にＩｎＰ層３４、下部クラッド層３５を結晶成長させる。そして、平坦な下部クラッド層３５内で、ｐ側電極４０（厳密には、コンタクト層３８とｐ側電極４０が接触している部分）の直下以外の部分、すなわち、図２中”ＤＲ４１”および”ＤＲ４２”に示す部分にはｐ型不純物であるＺｎが選択拡散されて電流狭窄構造を形成する。
基板３３上にＩｎＰ層３４、下部クラッド層３５を結晶成長させる。そして、平坦な下部クラッド層３５内で、ｐ側電極４０（厳密には、コンタクト層３８とｐ側電極４０が接触している部分）の直下以外の部分、すなわち、図２中”ＤＲ４１”および”ＤＲ４２”に示す部分にはｐ型不純物であるＺｎが選択拡散されて電流狭窄構造を形成する。
その後、不純物拡散領域が形成された下部クラッド層３５上にはコア層３６（ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層３６ａ内にｎ−ＩｎＧａＡｓ層３６ｂが挿入されている）、上部クラッド層３７、コンタクト層３８が結晶成長により順次形成される。なお、これらの結晶成長は、従来から用いられている結晶成長法（例えば、有機金属気相エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル成長法等）が適用できる。
そして、図２中”ＤＲ４３”に示す部分（上部クラッド層３７、コンタクト層３８の一部）にはｐ型不純物であるＺｎが選択拡散される。次に、上部クラッド層３７の途中までエッチング加工を行い、スラブ型光導波路を形成する。
さらに、図２中”ＤＲ４３”の上部以外の部分に酸化膜３９を形成し、酸化膜３９が形成されていないコンタクト層３８に接続するようにｐ側電極４０が形成される。また、基板３３の裏面にはｎ側電極４１が形成される。
このような装置の動作を説明する。
光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極３２（図２中のｐ側電極４０に相当する。）および基板３０裏面の図示しないｎ側電極（図２中のｎ側電極４１に相当する。）には電流が供給されない。
光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極３２（図２中のｐ側電極４０に相当する。）および基板３０裏面の図示しないｎ側電極（図２中のｎ側電極４１に相当する。）には電流が供給されない。
このため、”Ｘ字状”の光導波路３１の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図１中”ＰＩ４１”から入射した光信号は交差部分を直進して図１中”ＰＯ４１”に示す部分から出射される。
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、電極３２および基板３０裏面の図示しないｎ側電極に電流が供給され光導波路３１の交差部分にキャリア（電子、正孔）が注入される。
具体的には、ｐ側電極４０から注入された電流は、図２中”ＤＲ４３”に示す不純物拡散領域、コア層３６を流れ、下部クラッド層３５内、図２中”ＤＲ４１”および”ＤＲ４２”に示す不純物拡散領域の間の部分を流れて基板３３側に流れ込む
すなわち、光導波路３１の交差部分のうち、幅方向の約半分（一部）の領域の電流密度が高くなり、プラズマ効果によって当該高電流密度部分の屈折率が低くなるように変化する。従って、例えば、図１中”ＰＩ４１”から入射した光信号は”Ｘ字状”の光導波路３０の交差部分に生じた低屈折率部分との境で全反射されて図１中”ＰＯ４２”に示す部分から出射される。
ここで、コア層３６に量子井戸構造を挿入しない場合と挿入した場合とのシミュレーション結果（屈折率分布と光強度分布）の一例を、図３、図４に示す。
図３はコア層３６に量子井戸層３６ｂを挿入しない場合（つまり、従来のコア層）であり、図４はコア層３６に量子井戸層３６ｂを挿入し量子井戸構造を設けた場合（つまり、本発明の実施例）である。また、図３（ａ）、図４（ａ）は屈折率分布であり、図３（ｂ）、図４（ｂ）は光強度分布である。図３、図４に示す光強度分布から、量子井戸層３６ｂの挿入に関わらず伝搬モードは単一（０次）モードとなっていることがわかる。
このため、光通信等に用いられる単一モードファイバーと本願発明に係る光スイッチの光導波路３１端との光結合の効率が高くなる。例えば、単一モードファイバから図１中の入射端”ＰＩ４１”への入射光の光結合や、図１中の出射端”ＰＯ４１”、”ＰＯ４２”から単一モードファイバへの出射光の光結合の効率が高くなる。
続いて、電流注入が終了した後の動作（つまり、駆動電流の注入を止め”ＯＮ”から”ＯＦＦ”への動作）を図５を用いて説明する。図５は、コア層３６内部の層構造とエネルギーバンドダイアグラムを示した図である。図５において、価電子帯と伝導帯との間のエネルギー（バンドギャップ）が大きいバリア層３６ａ（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層）は、例えば、厚さが２００［ｎｍ］程度であり、バンドギャップの小さい量子井戸層３６ｂ（ｎ−ＩｎＧａＡｓ層）は、例えば、５［ｎｍ］以下の厚さである。そして、これらの層３６ａ、３６ｂを複数繰り返した構造となっている。
一般的に、ｐ側電極４０からｐｎ接合を通して電流注入（順方向バイアス電流）されたキャリアは、順方向バイアス電圧をとめるとｐｎ接合による電界がおよぶ範囲ではドリフトしながら、あるいは、この電界に影響されない領域ではキャリアが拡散しながら消滅していく。この消滅過程には、伝導帯の自由電子１００と価電子帯の自由正孔１０１の直接的な再結合（発光再結合または発光キャリア再結合とも呼ばれる）、熱的なエネルギー変換（フォノンを含む遷移）を伴う再結合（非発光再結合）等の再結合過程が関与している。
図２に示す本発明の構造では、図５に示すエネルギーバンドダイアグラム内に示すように、バンドギャップの小さい量子井戸層３６ｂ内に自由電子１００、自由正孔１０１が束縛されて、主に発光再結合によりキャリアが消滅する。このとき、空間的に狭い（２次元井戸層）領域、つまり価電子帯の量子井戸層３６ｂ内に正孔１０１が束縛され、伝導帯の量子井戸層３６ｂ内に電子１００が束縛されるため、電子１００と正孔１０１とが空間的に狭い領域に閉じ込められ、再結合確率が増加して再結合速度が高くなる。
この結果、順方向バイアス電圧を止めた後の電流注入されたキャリアの寿命が、量子井戸層３６ｂの無い場合と比較して非常に短くなる。例えば、量子井戸層３６ｂでの再発光結合速度は１［ｎｓ］よりも十分に早い。従って、”ＯＮ”から”ＯＦＦ”での光応答速度の高速化が図れる。
なお、発光再結合で発生する光の波長は、量子井戸層３６ｂの厚さ（量子準位）で制御できるので、例えば、光スイッチを光通信に用いる場合は、光通信に用いられる波長１．５［μｍ］帯よりも十分に短い波長１．４［μｍ］以下に設定するとよい。
また、出射端ＰＯ４１、ＰＯ４２か出射端Ｐｏ４１、Ｐｏ４２の後段に、波長選択フィルタを設けてもよい。つまり、光通信に用いられる波長帯の光のみを通過させ、発光再結合で発生する光を通過させないとよい。このように、波長選択フィルタが、必要な波長の光のみを通過し、量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光を除去するので、発光再結合で発生した光の影響を容易に遮断することができる。
以上のように、コア層３６に量子井戸構造を挿入するので、駆動電流の注入を止めた後のキャリアの寿命が非常に短くなる。つまり、キャリアが量子井戸層３６ｂ内に束縛され、再結合確率が増加して再結合速度が高くなる。また、主に発光再結合によってキャリアが消滅する。これにより、キャリアの寿命が非常に短くなる。従って、光スイッチの光応答速度を高速化できる。
また、キャリア注入・光導波路型の光スイッチに量子井戸構造を挿入するだけなので、単純な光スイッチ構造で、従来の製作プロセスを用いて光応答速度を高速化した光スイッチを容易に製作することができる。従って、実用的価値が非常に高い。
また、量子井戸層３６ｂの厚さ等（例えば、量子準位や、バリア層２６ａとなる厚いｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層の組成や、量子井戸層３６ｂを図２中ｎ−ＩｎＧａＡｓ層としたがバリア層３６ａのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層よりバンドギャップが小さい組成の異なるｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層の組成等）によって、発光再結合で発生する光の波長を制御できる。例えば量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光の波長を、光通信に用いられる波長と異なる発光波長にすることができると共に、コア層３６に量子井戸構造が挿入されたことによる光吸収の増加を低減することができる。
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
コア層３６に量子井戸構造を挿入できるキャリア注入方式の光スイッチには、本発明を適用することができる。例えば、従来例２、３の構成の光スイッチに本発明を適用してもよい。
コア層３６に量子井戸構造を挿入できるキャリア注入方式の光スイッチには、本発明を適用することができる。例えば、従来例２、３の構成の光スイッチに本発明を適用してもよい。
また、量子井戸構造のバリア層３６ａをＩｎＧａＡｓＰ層とし、量子井戸層３６ｂをＩｎＧａＡｓとする構成を示したが、他の材質、組成としてもよい。もちろん、基板やクラッド層等も同様である。
また、コア層３６内に量子井戸構造を挿入する構成を示したが、光信号が伝搬される層に量子井戸構造を挿入してもよい。つまり、光導波路３１を伝搬する伝搬光は、コア層３６だけでなく、このコア層３６よりも屈折率の低いクラッド層にも漏れて伝搬している（例えば、図３、４のシミュレーション結果参照）。従って、光導波路３１として光が伝搬する際、伝搬光が閉じ込められる領域となる光導波路層（コア層と、上部・下部クラッド層のうちコア層から光がしみ出している層）に量子井戸構造を挿入してもよい。
このように光導波路層に量子井戸構造を挿入するので、キャリア濃度変化により屈折率変化が影響する領域のキャリア寿命を短縮化することができる。これにより、クラッド層への漏れ光による光応答への影響を軽減することができる。従って、光スイッチの光応答速度を高速化できる。
また、基板３０上に形成された”Ｘ字状”の光導波路３１を例を示したが、勿論、出射用の光導波路を２つ有する光導波路でれば”ｙ字状”であっても、その他の形状であっても構わない。ここで、”ｙ字状”の光導波路３１とは、１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する形状である。
また、不純物拡散領域である”ＤＲ４３”を、光導波路３１が交差する交差部分の左半分に設ける構成を示したが、中央部分に設けてもよい。
また、基板３３の上にｎ＋ 型のＩｎＰ層３４を形成している例を示したが、必須の構成要素ではないので省略してもよい。
３０、３３ 基板
３１ 光導波路
３５ 下部クラッド層
３６ コア層
３６ａ バリア層
３６ｂ 量子井戸層
３７ 上部クラッド層
３１ 光導波路
３５ 下部クラッド層
３６ コア層
３６ａ バリア層
３６ｂ 量子井戸層
３７ 上部クラッド層
Claims (7)
- 一方から入射された光信号を途中で２つに分岐して出射する光導波路が形成され、前記分岐する部分で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おいて、
前記光信号が伝搬されるコア層またはこのコア層を含む光導波路層内に量子井戸構造を挿入したことを特徴とする光スイッチ。 - 光導波路層は、前記光導波路を伝搬する伝搬光が閉じ込められる領域であることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
- 前記光導波路がスラブ型の光導波路であ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。
- 前記量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光の波長が、前記光信号の波長と異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光スイッチ
- 前記量子井戸構造でキャリアが消滅するときの発光再結合によって発生する光を除去する波長選択フィルタを設け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。
- 前記光導波路は、２本の直線の光導波路が交差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。
- 前記光導波路は、１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する光導波路を有する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。
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