JP2503558B2 - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JP2503558B2
JP2503558B2 JP62336023A JP33602387A JP2503558B2 JP 2503558 B2 JP2503558 B2 JP 2503558B2 JP 62336023 A JP62336023 A JP 62336023A JP 33602387 A JP33602387 A JP 33602387A JP 2503558 B2 JP2503558 B2 JP 2503558B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は光交換、光情報処理の分野において光信号の
光路の切換えを行なう半導体光スイッチに関するもので
ある。
(従来の技術) 近年の光システムの高度化、高性能化に伴い、小型の
光スイッチへの要求が高まっている。小型の光スイッチ
を実現するための一つの構造として雑誌「アイ・イー・
イー・イー・ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロ
ニクス」(IEEE Journal of Quantum Electronics)第Q
E−14巻、1978年、513〜517頁に報告されているような
全反射型光スイッチが知られている。これは2本の交差
した光導波路の交差部の屈折率を電気光学効果を利用し
て低下させ、全反射により光の切換を交差した導波路間
で行なうものである。この全反射型光スイッチは原理的
には小型化が可能であるが、前述の論文では電気光学効
果により屈折率を変化させることを考えているため得ら
れる屈折率変化が小さい。そのため2本の光導波路の交
差角を大きくとることができず、小型化低クロストーク
化が難しかった。
一方この問題を解決するため、電気通信学会論文誌
(英文)第E68巻、1985年、737〜739頁に掲載された論
文では多重量子井戸(MQW)構造に電界を印加した際の
吸収端近傍での屈折率変化を利用することが提案されて
いる。
第5図は提案されている光スイッチの上面図を示すも
のである。2本の半導体材料による光導波路21a,21bが
交差角θで交わるように配置され、その交差部にMQWを
持つ部分22(図の斜線を施した部分)が形成されてい
る。この交差部の交差角の小さい方の2等分線A−A′
に沿ってMQWの半分には電極23を介して電界を印加する
手段が形成されている。この状態で光導波路21bの左側
から入射した光は通常は直進してそのまま出射する。し
かし電極23によりMQWの半分に電界を印加するとその部
分の屈折率が低下し、全反射が生じ光導波路21aへ光は
出射される。電界によるMQWの屈折率変化は1%程度と
見つもられるので交差角を10゜以上にとることが可能と
なり非常に小型な光スイッチが期待できる。
(発明が解決しようとする問題点) このようなMQWの電界による屈折率変化は吸収端ある
いはエキシトンのピークのシフトに伴なうものなので、
大きな屈折率変化を得るためには光吸収が大きな波長域
で用いなくてはならない。提案されている光スイッチで
は導波路のガイド層がMQW構造となっているため光の吸
収損失が大きく、このスイッチを多段化、多チャンネル
化するには問題がある。
本発明の目的はこのような問題を解決し、小型低損失
で多段化、多チャンネル化するのに適した光スイッチを
提供することにある。
(問題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板上
の互いに交差又は分岐する光導波路が、多重量子井戸構
造より成るクラッド層と、前記多重量子井戸構造に比べ
広いバンドギャップをもつガイド層とから構成され、前
記交差又は分岐する光導波路の交差又は分岐する部分の
一部に電界を印加する手段を設けたものである。
(作用) 本発明は多重量子井戸(MQW)構造の電界による大き
な屈折率の減少を利用したものである。まずこの屈折率
の減少について、GaAs/AlGaAsMQW構造を例にとって説明
する。
MQWの場合その量子サイズ効果により室温エキシトン
が存在するために光吸収係数スペクトルは、エキシトン
吸収ピーク波長付近で急激な変化を示す。またそれとク
ラマース・クローニッヒの関係にある屈折率スペクトル
も波長に対し大きく変化する。電界がMQWに垂直に印加
されると光吸収スペクトルは全体的に長波長側へシフト
し、同時に屈折率スペクトルも同様に長波長側へシフト
する。それにより各波長において吸収係数変化Δaと屈
折率変化Δnが得られる。第3図は波長に対するこのΔ
n/nを示したものであり、雑誌「エレクトロニクス・レ
ターズ」(Electronics Letters)第22巻、1986年、888
頁に記載されているものを引用した。第3図において波
長λでは電界印加(E=4.5×104V/cm)による屈折率
の減少Δn/nは約1%と大きな値が得られている。また
この他にもMQWの電界印加による屈折率の減少はMQWの各
ウェルに対してΔn/n=4%(E=1×105V/cm)という
報告も得られている。
本発明はこの電界による大きな屈折率減少が得られる
MQWを導波路のクラッド層として用い、クラッド層の屈
折率変化による導波光の等価的な屈折率変化を用いたも
のである。第4図は本発明に用いられる導波路の屈折率
分布を示したものであり、(a)は電界が印加されてい
ない(E=0)場合、(b)は電界が印加された(E>
0)場合を示した。ここでガイド層の屈折率をng,E=0
の時のMQWクラッド層の屈折率と導波路としての等価的
屈折率をそれぞれnc(0),neff(0),E>0の時をそ
れぞれnc(E),neff(E)とした。電界を印加するこ
とによりMQWクラッド層の屈折率は減少する。それに応
じて導波路の等価的屈折率もその割合は小さいが、電界
が印加されていない場合に比べて小さくなる。更にこの
場合、ガイド層の厚さ、各層の屈折率分布を適当に選ぶ
ことにより (nc(E)−nc(0))/nc(0)〜−1%のとき (neff(E)−neff(0))/neff(0))〜−0.3% つまりMQWクラッド層の屈折率減少が1%程度あれば
導波路の等価的屈折率を約0.3%減少させることが可能
であり、この程度の屈折率変化があれば交差型光スイッ
チを動作させるのには十分である。
本発明による交差型スイッチは、交差導波路の交差部
に部分的に電界を印加することで得られる等価的屈折率
の段差Δneff/neff〜0.3%を光の全反射に用いて動作さ
せるものである。
またこの構成では、クラッド層がMQWでありバンドギ
ャップと平均的な屈折率をある程度独立に制御できるた
め、所望の屈折率分布を得ながらガイド層のバンドギャ
ップをMQWクラッド層のバンドギャップに比べ十分広く
とることができる。従って本発明によるスイッチでは導
波光はクラッド層にしみ出したごく1部が吸収を受ける
のみであるため従来のMQWをガイド層として使用してい
たスイッチに比べ十分低損失で多段化、多チャンネル化
に適した光スイッチが実現できる。
(実施例) 第1図は本発明による光スイッチの第1の実施例の構
造を示す図であり、ここではGaAs/AlGaAs系材料を用
い、被変調光が入射されるガイド層の上下に電界により
屈折率の減少するMQWクラッド層がある場合について示
した。
まず本実施例の製作について説明する。p+−GaAs基板
1上にi−GaAs/AlAsMQW層2(GaAsウェル厚100Å,AlAs
バリア層120Å,32周期)を0.7μm,i−AlGaAs(Alの組成
x=0.27)ガイド層3を0.6μm,i−GaAs/AlAsMQW層4
(GaAsウェル厚100Å,AlAsバリア厚120Å,32周期)を0.
7μm,n+−GaAsキャップ層5を0.3μmそれぞれMBE法に
より成長する。
次にウェハエピ側にAuGeNi/AuNiのn側電極6を蒸着
し、将来の交差導波路となる部分の交差部においてその
中心線に対して片方のみを残す様にn側電極6のパター
ニングを行ない、このパターン化されたn側電極6をマ
スクとしてi−GaAs/AlAsMQWクラッド層4に達するまで
n+−GaAsキャップ層5をエッチングにより除去し島状の
メサを形成する。これにより部分適にp−n接合を形成
する。次にこの島状のメサが交差部のちょうど片側半分
の位置に在る様に交差型のレジストマスクをパターニン
グし、このマスクを用いi−AlGaAsガイド層3に達する
までi−GaAs/AlAsMQWクラッド層4をエッチングにより
除去し装荷構造の交差型光導波路を形成する。この時の
導波路は交差角は8゜、導波路幅は8μmである。最後
に基板側のAuZnのp側電極7を蒸着し各電極をアロイし
オーミックコンタクトを形成する。
次にこの実施例の動作について説明する。ここで使用
されているMQWのエキシトンピーク波長はMQWのウェル厚
とバリア組成によって決まりλex=845nmである。被変
調光の波長としては今回使用のMQWの電界による大きな
屈折率減少が得られるλ=850nmの波長とする。電界が
印加されていない場合、i−AlGaAsガイド層3の屈折率
はng=3.45,i−GaAs/AlAsMQWクラッド層2,4の屈折率はn
c(0)=3.4であり、i−AlGaAsガイド層3の層厚0.6
μmより得られる導波路の等価屈折率はneff(0)=3.
429である。この時入射光8は交差型導波路をそのまま
直進し出射光9として出力される。またi−AlGaAsガイ
ド層3のバンドギャップ波長はその組成より704nmであ
りガイド層3においては入射光の波長λ=850nmに対す
る吸収はほとんどなく受ける吸収損失はクラッド層にし
み出した光のみであるため低損失が実現されている。次
に電極6,7間にp−n接合に対して逆バイアス電圧が加
えられ、約1×105V/cmの電界が印加された場合につい
て考える。この時電界が印加される部分はp−n接合が
存在している交差型光導波路の交差部の片側半分だけで
あり、その部分ではi−GaAs/AlAsMQWクラッド層2,4の
屈折率は約1%減少しnc(E)=3.37となる。
これによってこの部分では導波路の等価的屈折率は約
0.3%減少しneff(E)=3.419となる。従って入射光8
は交差型光導波路を交差部の中央まで伝搬した時に4゜
の角度をもって約0.3%の屈折率減少を受けるため、導
波光は交差部中央で全反射され出射光10として出力され
る。また電界が印加された時にMQWクラッド層2,4での吸
収は多少変化するが、電界が印加されている部分で導波
光は全反射されてしまいその部分を通過しないので、吸
収変化による導波損失増加等の影響ない。
第2図は本発明による光スイッチの第2の実施例の構
造を示す図である。1本の光導波路11の途中に分岐用の
光導波路12を設け、分岐部の分岐角の2等分線を境とし
て分岐用の光導波路12の存在しない側にのみ電極13とp
−n接合を持ち部分的に電界が印加できる構造となって
いる。また、分岐角は8゜である。各層の構造、製造方
法は光導波路の形状が異なるのみ実施例1の場合とほぼ
同様である。次にスイッチの動作について簡単に述べ
る。電界E=0の時は入射光15は光導波路11を直進し出
射光16として取り出され。電極13,14間に逆デバイスが
加えられ電界がMQW18に印加された時は作用の項及び実
施例1で説明した様に、電界が印加された部分のみで等
価的屈折率が減少するため分岐部の分岐角の2等分線上
のところ約0.3%の屈折率段差ができ、導波光は全反射
され出射光17として取り出せる。これらに示した様な構
造、動作原理により、MQWクラッド層への電界印加によ
る導波路の等価的屈折率変化を光の全反射に用いた光路
切換機能をもつ光スイッチが実現される。
以上に示した第1及び第2の実施例においては材料と
してGaAs/AlGaAs系材料について説明したが、InGaAsP/I
nP,InGaAs/InAlAs系等の材料系にも適用可能なことは言
うまでもない。電界印加手段としてはp−n接合を用い
たが、ショットキー接合も利用可能である。MQWの各層
厚等に関しても同等の効果が得られれば本実施例に限る
ものではない。また光導波路としては装荷構造を用いた
が埋込み構造等の他の3次元光導波路も使用できる。
(発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明によれば小型で低
損失な光路切換機能をもつ光スイッチを実現することが
でき、光交換、光情報処理等の分野での利用価値が非常
に大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による光スイッチの第1の実施例の構造
を示す図である。第2図は本発明による光スイッチの第
2の実施例の構造を示す図である。第3図は本発明に用
いるMQW構造の電界による屈折率変化を説明するための
図。第4図は本発明の動作原理を説明するために用いる
電界による屈折率分布及び等価的屈折率変化を示す図。
第5図は従来のMQWの電界による屈折率変化を用いた光
スイッチを説明するための図である。 図において、1はp+−GaAs基板、2,4はi−GaAs/AlAsMQ
Wクラッド層、3はi−AlGaAsガイド層、5はn+−GaAs
キャップ層、6,7,13,14,23は電極、8,15は入射光、9,1
0,16,17は出射光、11,12,21a,21bは光導波路、18,22はM
QWである。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上の互いに交差又は分岐する光
    導波路が、多重量子井戸構造より成るクラッド層と、前
    記多重量子井戸構造に比べ広いバンドギャップをもつガ
    イド層とから構成され、前記交差又は分岐する光導波路
    の交差又は分岐する部分の一部に電界を印加する手段を
    有することを特徴とする光スイッチ。
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