JP2583480B2 - 光スイッチ及び光スイッチアレイ - Google Patents
光スイッチ及び光スイッチアレイInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/315—Digital deflection, i.e. optical switching based on the use of controlled internal reflection
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- G02F1/3137—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions
- G02F1/3138—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions the optical waveguides being made of semiconducting materials
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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、光通信システムにおいて光を伝搬する光フ
ァイバ内のおのおのの光信号を他の数本の光ファイバの
それぞれ任意の一本に導くことを可能にした光スイッチ
に関する。
ァイバ内のおのおのの光信号を他の数本の光ファイバの
それぞれ任意の一本に導くことを可能にした光スイッチ
に関する。
従来の光スイッチでは、光伝送媒質の音響光学効果に
よる光の偏光を用いたもの、媒質の電気光学効果による
光の偏向を用いたもの、方向性結合器の結合係数を電気
光学効果により変えるもの、方向性結合器と光位相変調
器を組み合せたものなどが提案されているが、これらは
いずれも低損失特性、低漏話特性、高速性などの光導波
路スイッチの基本的な特性をすべて完全に満足させるに
至っていない。また、方向性結合器型では１〜２μｍの
精密加工技術が必要であり、さらにまた、長さが長く、
光導波路間の分離距離が得られない等の欠点があり、ま
た、光の偏向を用いたものでは、複雑な構造を有する電
極が必要であり、また、大きな分離角が得られないなど
の欠点があった。このため、光スイッチのマトリックス
数が多くなると素子長さが数cm以上となり、伝送損失の
増大をまねくという本質的な欠点があった。
よる光の偏光を用いたもの、媒質の電気光学効果による
光の偏向を用いたもの、方向性結合器の結合係数を電気
光学効果により変えるもの、方向性結合器と光位相変調
器を組み合せたものなどが提案されているが、これらは
いずれも低損失特性、低漏話特性、高速性などの光導波
路スイッチの基本的な特性をすべて完全に満足させるに
至っていない。また、方向性結合器型では１〜２μｍの
精密加工技術が必要であり、さらにまた、長さが長く、
光導波路間の分離距離が得られない等の欠点があり、ま
た、光の偏向を用いたものでは、複雑な構造を有する電
極が必要であり、また、大きな分離角が得られないなど
の欠点があった。このため、光スイッチのマトリックス
数が多くなると素子長さが数cm以上となり、伝送損失の
増大をまねくという本質的な欠点があった。
ここでは、特に本発明と関係の深い光偏光型光スイッ
チの問題点について図面を用いてさらに詳しく説明する
（この種の光スイッチについては、特開昭54−7951号公
報参照）。
チの問題点について図面を用いてさらに詳しく説明する
（この種の光スイッチについては、特開昭54−7951号公
報参照）。
第１図は光偏向型光スイッチ（別名、光反射型とも呼
ばれている。）を示す平面図、第２図は第１図のII−II
断面の一部を示す図である。１はニオブ酸リチウム（Li
NbO3）等の電気光学効果を有する結晶基板、２−１、２
−２、３−１、３−２は結晶基板１の表面に形成された
光導波路で、基板結晶１の表面からTiなどの金属を拡散
することにより形成される。４−１、４−２、４−３、
４−４はそれぞれ交叉する二つの光導波路の交叉部、５
−１、５−２、５−３、５−４は各交叉部の表面にそれ
ぞれの長い方の対角線を挾む位置に形成された一対の電
極で、図示は省略しているが、それぞれ引出線で入力端
子に接続され、選択的に一対の電極間に所定値の電圧が
印加されるように構成され、光導波路の各交叉部に電界
を印加する電界印加用電極を構成している。
ばれている。）を示す平面図、第２図は第１図のII−II
断面の一部を示す図である。１はニオブ酸リチウム（Li
NbO3）等の電気光学効果を有する結晶基板、２−１、２
−２、３−１、３−２は結晶基板１の表面に形成された
光導波路で、基板結晶１の表面からTiなどの金属を拡散
することにより形成される。４−１、４−２、４−３、
４−４はそれぞれ交叉する二つの光導波路の交叉部、５
−１、５−２、５−３、５−４は各交叉部の表面にそれ
ぞれの長い方の対角線を挾む位置に形成された一対の電
極で、図示は省略しているが、それぞれ引出線で入力端
子に接続され、選択的に一対の電極間に所定値の電圧が
印加されるように構成され、光導波路の各交叉部に電界
を印加する電界印加用電極を構成している。
このように構成された光スイッチアレイは、例えば、
光導波路２−１を図において矢印Ａ方向に伝搬する光６
を交叉部４−１で光導波路３−１を伝搬するように矢印
Ｂ方向に切換えようとする場合、電界印加用電極５−１
に電圧を印加し、光導波路の交叉部４−１の電極５−１
で挾まれた部分で屈折率を低下させる。このようにする
と光６は屈折率が低下した部分で反射され、矢印Ｂ方向
に伝搬方向が切り換えられる。
光導波路２−１を図において矢印Ａ方向に伝搬する光６
を交叉部４−１で光導波路３−１を伝搬するように矢印
Ｂ方向に切換えようとする場合、電界印加用電極５−１
に電圧を印加し、光導波路の交叉部４−１の電極５−１
で挾まれた部分で屈折率を低下させる。このようにする
と光６は屈折率が低下した部分で反射され、矢印Ｂ方向
に伝搬方向が切り換えられる。
この場合、電界印加用電極５−１を構成する一対の電
極５−１の極性及び印加すべき電圧は、結晶基板１の種
類及び結晶軸の方向等によって相違するから適宜選択す
る必要がある。また、屈折率を低下させる程度は、入射
する光が全反射するように電界印加用電極５−１と光導
波路２−１とのなす角θを選定する必要がある。
極５−１の極性及び印加すべき電圧は、結晶基板１の種
類及び結晶軸の方向等によって相違するから適宜選択す
る必要がある。また、屈折率を低下させる程度は、入射
する光が全反射するように電界印加用電極５−１と光導
波路２−１とのなす角θを選定する必要がある。
基板結晶１としてLiNbO3を用い、Tiを十分に拡散して
光導波路を形成した場合、波長6328Åの光に対する光導
波路及び交叉部の屈折率は約2.22となる。基板結晶１の
電気光学係数γは約30×10-12m/Vであり、電気光学効果
による交叉部４−１の屈折率変化Δｎは、 Δｎ＝1/2n3γＥ（ただしＥは電界強度） で表わされるので、この場合、Ｅ＝5V/μｍの電界強度
でΔｎ＝0.0005となる。この電界が印加された交叉部４
−１の屈折率は約2.2195となり、全反射角は88.784度で
あるから、光導波路２−１と電界印加用電極５−１との
なす角度θは1.216度以下となるように構成すればよ
い。すなわち、1.1度とすれば分離角（２θ）は2.2度と
なり、光導波路２−１と３−１とを2.2度以下で交叉す
るように構成すればよい。印加する電界強度を大きくす
れば角度θも大きくなる。しかながら、たとえＥ＝50V/
μｍのような大きな電界強度を加えても分離角（２θ）
は7.7度と小さいものである。
光導波路を形成した場合、波長6328Åの光に対する光導
波路及び交叉部の屈折率は約2.22となる。基板結晶１の
電気光学係数γは約30×10-12m/Vであり、電気光学効果
による交叉部４−１の屈折率変化Δｎは、 Δｎ＝1/2n3γＥ（ただしＥは電界強度） で表わされるので、この場合、Ｅ＝5V/μｍの電界強度
でΔｎ＝0.0005となる。この電界が印加された交叉部４
−１の屈折率は約2.2195となり、全反射角は88.784度で
あるから、光導波路２−１と電界印加用電極５−１との
なす角度θは1.216度以下となるように構成すればよ
い。すなわち、1.1度とすれば分離角（２θ）は2.2度と
なり、光導波路２−１と３−１とを2.2度以下で交叉す
るように構成すればよい。印加する電界強度を大きくす
れば角度θも大きくなる。しかながら、たとえＥ＝50V/
μｍのような大きな電界強度を加えても分離角（２θ）
は7.7度と小さいものである。
通常、光ファイバは直径が125μｍ程度であり、光フ
ァイバと光スイッチを結合させるには、光導波路２−
１、２−２及び３−１、３−２の間隔は125μｍ以上で
なければならない。分離角（２θ）が2.2度の場合に
は、光スイッチ部の長さ（Ｌ）は3.3mmと長くなり、光
スイッチアレイの数が多くなると、光集積化が困難にな
る。このように反射型は光スイッチの動作電圧が高い上
に、光スイッチの全長が非常に長くなるという欠点があ
る。これは、LiNbO3の電気光学係数が小さいことによ
る。
ァイバと光スイッチを結合させるには、光導波路２−
１、２−２及び３−１、３−２の間隔は125μｍ以上で
なければならない。分離角（２θ）が2.2度の場合に
は、光スイッチ部の長さ（Ｌ）は3.3mmと長くなり、光
スイッチアレイの数が多くなると、光集積化が困難にな
る。このように反射型は光スイッチの動作電圧が高い上
に、光スイッチの全長が非常に長くなるという欠点があ
る。これは、LiNbO3の電気光学係数が小さいことによ
る。
この解決方法として、電気光学効果の大きな、例えば
SBN（Sr−Ba−Nb−Ｏ）のような材料の単結晶を用いる
ことが考えられる。しかし、これらの結晶は電場と光の
相乗効果による光ダメージで、光導波路中に光散乱中心
が生じる可能性があり、非常に不安定である。
SBN（Sr−Ba−Nb−Ｏ）のような材料の単結晶を用いる
ことが考えられる。しかし、これらの結晶は電場と光の
相乗効果による光ダメージで、光導波路中に光散乱中心
が生じる可能性があり、非常に不安定である。
本発明の目的は、上述の従来技術の欠点を除去した、
小型、低分散で分離能力がすぐれ、かつ高集積化が可能
な光スイッチ及びそのアレイを提供することにある。
小型、低分散で分離能力がすぐれ、かつ高集積化が可能
な光スイッチ及びそのアレイを提供することにある。
この目的を達成するため、本発明においては、化合物
半導体基板と、前記基板上に形成され、所定の幅と厚み
ならびに周囲より高い屈折率をもつ前記基板と同系の化
合物半導体の帯状層を有し、かつ鋭角をなす所定の角度
で互いに交叉する少なくとも一本ずつの光導波路と、平
行四辺形をなす前記光導波路の交叉部の長い方の対角線
位置で前記両光導波路を遮断するように形成され、所定
の幅と厚みをもつストライプ電極とを備え、前記電極を
介して前記電極の下部領域へ電流を注入することにより
前記光導波路の前記下部領域の屈折率を変化させて前記
下部領域で前記一方の光導波路内を伝搬してきた前記光
を反射又は回折させて前記他方の光導波路に前記光の進
路を切り換えるように構成されている光スイッチであっ
て、前記光導波路を構成する材料の吸収端は前記光導波
路内を伝搬する光の波長に近接するものであり、前記下
部領域で光の進路を切り換える際に、前記下部領域への
所要の電流注入により前記吸収端が移動し、それにより
前記下部領域での前記光導波路の屈折率変化率が正また
は負に変化するように構成する。
半導体基板と、前記基板上に形成され、所定の幅と厚み
ならびに周囲より高い屈折率をもつ前記基板と同系の化
合物半導体の帯状層を有し、かつ鋭角をなす所定の角度
で互いに交叉する少なくとも一本ずつの光導波路と、平
行四辺形をなす前記光導波路の交叉部の長い方の対角線
位置で前記両光導波路を遮断するように形成され、所定
の幅と厚みをもつストライプ電極とを備え、前記電極を
介して前記電極の下部領域へ電流を注入することにより
前記光導波路の前記下部領域の屈折率を変化させて前記
下部領域で前記一方の光導波路内を伝搬してきた前記光
を反射又は回折させて前記他方の光導波路に前記光の進
路を切り換えるように構成されている光スイッチであっ
て、前記光導波路を構成する材料の吸収端は前記光導波
路内を伝搬する光の波長に近接するものであり、前記下
部領域で光の進路を切り換える際に、前記下部領域への
所要の電流注入により前記吸収端が移動し、それにより
前記下部領域での前記光導波路の屈折率変化率が正また
は負に変化するように構成する。
すなわち、媒質の屈折率を変化させるには、通常、上
述の電気光学効果を用いているが、それ以外にGaAsやIn
P系のIII−Ｖ族化合物半導体の吸収端の移動によっても
屈折率を変化させることができる。半導体レーザの励起
のレベルが零バイアスからしきい値バイアスまでに高く
なった時には、レーザ発振値における吸収は光導波路損
失が無視出来るくらいに充分な利得の状態（吸収係数が
負）に変化する。この利得変化の最も大きな所は、レー
ザ発振値より少し高いエネルギーで生じる。しかしなが
ら、注入されたキャリアの増加による利得変化は利得自
身が正の値（すなわち増幅状態）になったのではなく、
光吸収損失が吸収端の移動によって小さくなったために
生じるのである。すなわち、利得変化は屈折率の虚数部
が減少するために生じるのである。誘電率の実数部、虚
数部は、クラマース−クローニッヒ（Kramers−Kroni
g）の関係式で関係づけられるため、この利得変化は屈
折率の実数部をも必然的に変化させる。
述の電気光学効果を用いているが、それ以外にGaAsやIn
P系のIII−Ｖ族化合物半導体の吸収端の移動によっても
屈折率を変化させることができる。半導体レーザの励起
のレベルが零バイアスからしきい値バイアスまでに高く
なった時には、レーザ発振値における吸収は光導波路損
失が無視出来るくらいに充分な利得の状態（吸収係数が
負）に変化する。この利得変化の最も大きな所は、レー
ザ発振値より少し高いエネルギーで生じる。しかしなが
ら、注入されたキャリアの増加による利得変化は利得自
身が正の値（すなわち増幅状態）になったのではなく、
光吸収損失が吸収端の移動によって小さくなったために
生じるのである。すなわち、利得変化は屈折率の虚数部
が減少するために生じるのである。誘電率の実数部、虚
数部は、クラマース−クローニッヒ（Kramers−Kroni
g）の関係式で関係づけられるため、この利得変化は屈
折率の実数部をも必然的に変化させる。
数値例を示すために、GaAs活性層をもつ埋込みヘテロ
構造半導体レーザにおける屈折率の実数部変化のスペク
トラムを第３図に示す。これからもわかるように、屈折
率の変化の大きい所はレーザ発振値よりもわずかに大き
な光子エネルギーの所で生じている。第３図における２
つの曲線１、２は半導体レーザに電流を加えた時に注入
されるキャリア濃度がそれぞれ、１×1018cm-3、0.5×1
018cm-3である場合を示す。第３図からわかるように、
通常レーザ発振する注入キャリア濃度１×1018cm-3以上
では、屈折率の変化量は、レーザ発振の光子エネルギー
の近傍では絶対値で±0.03以上にも達する。この0.03と
いう屈折率差は第１図に示したような全反射型光スイッ
チでは、２つの光導波路２−１と３−１との分離角（２
θ）が15.2度と驚異的に増大する。また、屈折率差のプ
ラスとマイナスを有効に利用すれば（すなわち屈折率差
0.06を利用すれば）、分離角（２θ）は21.6度と更に大
きくなる。この分離角は注入キャリア濃度を増せば増加
するものである。
構造半導体レーザにおける屈折率の実数部変化のスペク
トラムを第３図に示す。これからもわかるように、屈折
率の変化の大きい所はレーザ発振値よりもわずかに大き
な光子エネルギーの所で生じている。第３図における２
つの曲線１、２は半導体レーザに電流を加えた時に注入
されるキャリア濃度がそれぞれ、１×1018cm-3、0.5×1
018cm-3である場合を示す。第３図からわかるように、
通常レーザ発振する注入キャリア濃度１×1018cm-3以上
では、屈折率の変化量は、レーザ発振の光子エネルギー
の近傍では絶対値で±0.03以上にも達する。この0.03と
いう屈折率差は第１図に示したような全反射型光スイッ
チでは、２つの光導波路２−１と３−１との分離角（２
θ）が15.2度と驚異的に増大する。また、屈折率差のプ
ラスとマイナスを有効に利用すれば（すなわち屈折率差
0.06を利用すれば）、分離角（２θ）は21.6度と更に大
きくなる。この分離角は注入キャリア濃度を増せば増加
するものである。
しかしながら、この領域の光吸収損失は大きいことは
言うまでもない。第４図にその吸収係数のスペクトラム
を示す。曲線１及び２はそれぞれ注入キャリア濃度が1.
0×1018cm-3及び0.5×1018cm-3の場合のものである。レ
ーザ発振値近傍では約２×102cm-1の吸収係数をもって
いる。これは光伝送損失で869dB/cmに相当する。光の伝
送損失を0.5dB/cm以下におさえるには、この領域の長さ
を５μｍ以下にする必要がある。第１図に示したような
光スイッチでは光の伝送損失を出来るだけ小さくするこ
とが望ましい。すなわち、全反射部、例えば第１図の光
導波路の交叉部４−１における一対の電極５−１下の全
反射部厚み（第２図に示したｄ）を５μｍ程度にすれ
ば、以上の説明により分離角（２θ）が大きく、しかも
低損失な光スイッチが構成できる。分離角から光スイッ
チ部の長さは、10×10素子数の場合でも1mm以下とな
る。また、分離角が大きいと、単一モードスイッチのみ
ならず、多モードスイッチとしても使用できる特徴をも
つ。この場合言うまでもなく、全反射部以外は低損失な
光導波路、例えば1014cm-3程度のキャリア濃度をもつGa
As高抵抗層で構成する必要がある。
言うまでもない。第４図にその吸収係数のスペクトラム
を示す。曲線１及び２はそれぞれ注入キャリア濃度が1.
0×1018cm-3及び0.5×1018cm-3の場合のものである。レ
ーザ発振値近傍では約２×102cm-1の吸収係数をもって
いる。これは光伝送損失で869dB/cmに相当する。光の伝
送損失を0.5dB/cm以下におさえるには、この領域の長さ
を５μｍ以下にする必要がある。第１図に示したような
光スイッチでは光の伝送損失を出来るだけ小さくするこ
とが望ましい。すなわち、全反射部、例えば第１図の光
導波路の交叉部４−１における一対の電極５−１下の全
反射部厚み（第２図に示したｄ）を５μｍ程度にすれ
ば、以上の説明により分離角（２θ）が大きく、しかも
低損失な光スイッチが構成できる。分離角から光スイッ
チ部の長さは、10×10素子数の場合でも1mm以下とな
る。また、分離角が大きいと、単一モードスイッチのみ
ならず、多モードスイッチとしても使用できる特徴をも
つ。この場合言うまでもなく、全反射部以外は低損失な
光導波路、例えば1014cm-3程度のキャリア濃度をもつGa
As高抵抗層で構成する必要がある。
以上では全反射部をGaAs活性層で形成した場合につい
て説明したが、GaAs−AlGaAsといった超格子で形成した
場合には更にこの現象が顕著にあらわれる。
て説明したが、GaAs−AlGaAsといった超格子で形成した
場合には更にこの現象が顕著にあらわれる。
第５図は、一例としてAlGaAs障壁層の厚みを93Å、Ga
As井戸層の厚みを83Åとして積層した超格子における屈
折率の光子エネルギスペクトラムを示したものである。
第５図からわかるように、光子エネルギが1.5eV近辺で
幅0.2eVの大きな分散カーブを示している。これは光の
波長では0.83μｍ近辺で0.06μｍの幅をもつことに相当
する。このような分散をもつ超格子にキャリアを注入し
ていくと、分散カーブは平坦になろうとして、第３図に
示したものと同様に屈折率の変化が生じる。超格子構造
の場合は、GaAs単層の場合にくらべ、約30倍程度分散が
大きいため屈折率の変化も１桁以上、すなわち±0.3が
期待できる。この場合には、第１図に示した交叉する２
本の光導波路の分離角（２θ）は約45度となり、光スイ
ッチ長（Ｌ）は完全に1mm以下と小さく、より高密度な
光集積化が可能になる。また、超格子構造の場合には、
第６図に示すように吸収係数はレーザ発振値で急激に減
少している。光伝送損失にすると約400dB/cmとなり、Ga
As単層の場合にくらべ、損失は半分以下である。このた
め、全反射部の厚さも10mm程度と大きくとれるという利
点がある。
As井戸層の厚みを83Åとして積層した超格子における屈
折率の光子エネルギスペクトラムを示したものである。
第５図からわかるように、光子エネルギが1.5eV近辺で
幅0.2eVの大きな分散カーブを示している。これは光の
波長では0.83μｍ近辺で0.06μｍの幅をもつことに相当
する。このような分散をもつ超格子にキャリアを注入し
ていくと、分散カーブは平坦になろうとして、第３図に
示したものと同様に屈折率の変化が生じる。超格子構造
の場合は、GaAs単層の場合にくらべ、約30倍程度分散が
大きいため屈折率の変化も１桁以上、すなわち±0.3が
期待できる。この場合には、第１図に示した交叉する２
本の光導波路の分離角（２θ）は約45度となり、光スイ
ッチ長（Ｌ）は完全に1mm以下と小さく、より高密度な
光集積化が可能になる。また、超格子構造の場合には、
第６図に示すように吸収係数はレーザ発振値で急激に減
少している。光伝送損失にすると約400dB/cmとなり、Ga
As単層の場合にくらべ、損失は半分以下である。このた
め、全反射部の厚さも10mm程度と大きくとれるという利
点がある。
以上説明したように、全反射を生じさせる領域にキャ
リア注入による屈折率変化を生じる半導体媒質を用いる
ことにより、小型、高性能な光スイッチを構成すること
ができる。
リア注入による屈折率変化を生じる半導体媒質を用いる
ことにより、小型、高性能な光スイッチを構成すること
ができる。
なお、以上の説明ではGaAs系の半導体についてのみ説
明したが、InP、InGaAsP、GaSb、GaAlAsSb等のIII−Ｖ
族化合物半導体についても全く同様であり、さらに、Cd
S、CdSe、ZnS、ZnSe等のII−VI族化合物半導体も同様に
用いることができる。
明したが、InP、InGaAsP、GaSb、GaAlAsSb等のIII−Ｖ
族化合物半導体についても全く同様であり、さらに、Cd
S、CdSe、ZnS、ZnSe等のII−VI族化合物半導体も同様に
用いることができる。
また、本発明の光スイッチの特徴としては、半導体レ
ーザと同様な構成のため、半導体レーザと一体化して外
部変調器として使用できること、従来の光スイッチはほ
とんど単一モードスイッチでしか動作しないのに対し
て、例えば超格子構造を用いた場合には光導波路の分離
角（２θ）を45度にしないで、20度程度にしておくと多
モードスイッチとしても働くという大きな特徴をもって
いる。
ーザと同様な構成のため、半導体レーザと一体化して外
部変調器として使用できること、従来の光スイッチはほ
とんど単一モードスイッチでしか動作しないのに対し
て、例えば超格子構造を用いた場合には光導波路の分離
角（２θ）を45度にしないで、20度程度にしておくと多
モードスイッチとしても働くという大きな特徴をもって
いる。
なお、以上の場合の説明には全反射型光スイッチを用
いたが、ブラッグ回折を用いられるように電極を光導波
路の交叉部にある最適な間隔で配置した構成にすれば全
反射でなく、ブラッグ回折が得られ、光導波路の分離角
は更に大きくなる。
いたが、ブラッグ回折を用いられるように電極を光導波
路の交叉部にある最適な間隔で配置した構成にすれば全
反射でなく、ブラッグ回折が得られ、光導波路の分離角
は更に大きくなる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
以下の実施例は、化合物半導体基板と、この基板上に
形成され、所定の幅と厚み並びに周囲より高い屈折率を
持つ上記基板と同系の化合物半導体の帯状層から成り、
かつ鋭角を成す所定の角度で互いに交叉する少なくとも
１本ずつの光導波路と、平行四辺形をなす上記光導波路
の交叉部の長い方の対角線位置で上記両光導波路を遮断
するように形成され、かつバンドギャップが使用する光
の波長に近接する少なくとも１つの上記基板と同系の化
合物半導体層からなる所定の幅と厚みを持つストライプ
層とを備え、上記ストライプ層に電流を印加してその屈
折率を変化させて上記ストライプ層部分で上記一方の光
導波路内を伝搬してきた光を反射若しくは回折させて上
記他方の光導波路に光の進路を切り換えるように構成し
た例である。複数の光スイッチを組み合わせてアレイ状
にする場合、各光スイッチに光を導くための複数の光導
波路若しくは各光スイッチから射出される光を導くため
の複数の光導波路は、ほぼ平行に形成している。
形成され、所定の幅と厚み並びに周囲より高い屈折率を
持つ上記基板と同系の化合物半導体の帯状層から成り、
かつ鋭角を成す所定の角度で互いに交叉する少なくとも
１本ずつの光導波路と、平行四辺形をなす上記光導波路
の交叉部の長い方の対角線位置で上記両光導波路を遮断
するように形成され、かつバンドギャップが使用する光
の波長に近接する少なくとも１つの上記基板と同系の化
合物半導体層からなる所定の幅と厚みを持つストライプ
層とを備え、上記ストライプ層に電流を印加してその屈
折率を変化させて上記ストライプ層部分で上記一方の光
導波路内を伝搬してきた光を反射若しくは回折させて上
記他方の光導波路に光の進路を切り換えるように構成し
た例である。複数の光スイッチを組み合わせてアレイ状
にする場合、各光スイッチに光を導くための複数の光導
波路若しくは各光スイッチから射出される光を導くため
の複数の光導波路は、ほぼ平行に形成している。
第７図は本発明の光スイッチの製造工程の概略説明図
で、図（ａ）は断面図、図（ｂ）は上面図、図（ｃ）、
（ｄ）は図（ｂ）のIII−III断面で示した部分工程図、
図（ｅ）は上面図、図（ｆ）は図（ｅ）の斜視図であ
る。
で、図（ａ）は断面図、図（ｂ）は上面図、図（ｃ）、
（ｄ）は図（ｂ）のIII−III断面で示した部分工程図、
図（ｅ）は上面図、図（ｆ）は図（ｅ）の斜視図であ
る。
基板21にはSnドープの（100）InP基板を用いた。基板
21上に分子線エピタキシャル法（MBE法）により、InGaA
sP層、InP層の順に積層した超格子構造の層22を厚み1.5
μｍに成長させた。この超格子層22のバンドギャップは
光の波長1.25μｍに相当する組成を用いている。つぎ
に、超格子層22の上に液相成長法（LPE法）により、厚
み約２μｍ程度のInPクラッド層23、さらにその上に例
えばAn−Cr合金からなる電極用金属層24を厚み約0.3μ
ｍに形成し、積層基板20を作る（図（ａ））。
21上に分子線エピタキシャル法（MBE法）により、InGaA
sP層、InP層の順に積層した超格子構造の層22を厚み1.5
μｍに成長させた。この超格子層22のバンドギャップは
光の波長1.25μｍに相当する組成を用いている。つぎ
に、超格子層22の上に液相成長法（LPE法）により、厚
み約２μｍ程度のInPクラッド層23、さらにその上に例
えばAn−Cr合金からなる電極用金属層24を厚み約0.3μ
ｍに形成し、積層基板20を作る（図（ａ））。
つぎに、本発明では電極と共に全反射部を形成する。
第１図では電極５−１〜５−４は光導波路２−１、２−
２と３−１、３−２の交叉部４−１〜４−４に一対の電
極として存在していたが、本発明では、図（ｂ）に示し
たように、積層基板20に後の工程で設けるべき、点線で
囲まれた光導波路25−１、25−２と26−１、26−２の交
叉部27−１〜27−４の長い方の対角線上に一方の一本の
ストライプ電極をその下の全反射部とともに設け、他方
の電極（例えばAn−Cr合金からなる）を積層基板20の裏
面全面に共通電極として設けるようにしたものである。
そこで、金属層24上の、ここで形成すべき前記ストライ
プ電極に対応する位置に電極パターンと同形のホトレジ
ストパターン28を形成する。
第１図では電極５−１〜５−４は光導波路２−１、２−
２と３−１、３−２の交叉部４−１〜４−４に一対の電
極として存在していたが、本発明では、図（ｂ）に示し
たように、積層基板20に後の工程で設けるべき、点線で
囲まれた光導波路25−１、25−２と26−１、26−２の交
叉部27−１〜27−４の長い方の対角線上に一方の一本の
ストライプ電極をその下の全反射部とともに設け、他方
の電極（例えばAn−Cr合金からなる）を積層基板20の裏
面全面に共通電極として設けるようにしたものである。
そこで、金属層24上の、ここで形成すべき前記ストライ
プ電極に対応する位置に電極パターンと同形のホトレジ
ストパターン28を形成する。
ついで、図（ｃ）に示すように、ホトレジストパター
ン28の周囲の不要部分をInP基板21に達するまで除去
し、ホトレジストパターン28の下に長さ30μｍ、幅４μ
ｍのストライプ電極24−１〜24−４を形成すると同時に
これらの電極下にストライプ状のInP層23、超格子層22
を残す。
ン28の周囲の不要部分をInP基板21に達するまで除去
し、ホトレジストパターン28の下に長さ30μｍ、幅４μ
ｍのストライプ電極24−１〜24−４を形成すると同時に
これらの電極下にストライプ状のInP層23、超格子層22
を残す。
つぎに、図（ｄ）に示すように、電極24−１〜24−４
の周囲に露出しているInP基板21上に、LPE法により、厚
み１μｍのInGaAsP層29、その上に厚み2.5μｍのInP層3
0を成長させる。この場合、InGaAsP層29及びInP層30の
キャリア濃度は105cm-3程度で、光の伝送損失は2dB/cm
以下である。
の周囲に露出しているInP基板21上に、LPE法により、厚
み１μｍのInGaAsP層29、その上に厚み2.5μｍのInP層3
0を成長させる。この場合、InGaAsP層29及びInP層30の
キャリア濃度は105cm-3程度で、光の伝送損失は2dB/cm
以下である。
その後、図（ｅ）、（ｆ）に示すように、ストライプ
電極24−１〜24−４の周囲の、先に図（ｂ）に点線で囲
んで示した光導波路24−１〜24−４を幅５μｍ、高さ３
μｍのリッジ型に、InGaAsP層29を厚さ0.5μｍだけ残し
て、InP層30及びInGaAsP層29をイオンミーリング法によ
り除去して光導波路24−１〜24−４を形成すれば本発明
の光スイッチが得られる。この時の光導波路の分離角
（２θ）は15度、光導波路間の間隔は125μｍとした。
電極24−１〜24−４の周囲の、先に図（ｂ）に点線で囲
んで示した光導波路24−１〜24−４を幅５μｍ、高さ３
μｍのリッジ型に、InGaAsP層29を厚さ0.5μｍだけ残し
て、InP層30及びInGaAsP層29をイオンミーリング法によ
り除去して光導波路24−１〜24−４を形成すれば本発明
の光スイッチが得られる。この時の光導波路の分離角
（２θ）は15度、光導波路間の間隔は125μｍとした。
以上のようにして作製した長さ1.6mmの４×４光スイ
ッチに波長1.3μｍの半導体レーザ光を入射した所、光
導波路は単一モードではなく、多モード導波路であるこ
とがわかった。超格子層に電流を約23mA流した時の光ス
イッチの消光比は−30dB以下と小さく、光伝送損失も2d
B以下と良好であった。
ッチに波長1.3μｍの半導体レーザ光を入射した所、光
導波路は単一モードではなく、多モード導波路であるこ
とがわかった。超格子層に電流を約23mA流した時の光ス
イッチの消光比は−30dB以下と小さく、光伝送損失も2d
B以下と良好であった。
以上説明したように、本発明によれば、電流を印加す
るだけで屈折率を大きく変えることができるため、簡単
な構成で、かつ、多モードの光切換にも適用できる高集
積化可能な光スイッチアレイとすることができるので、
実用上大きな効果が得られる。
るだけで屈折率を大きく変えることができるため、簡単
な構成で、かつ、多モードの光切換にも適用できる高集
積化可能な光スイッチアレイとすることができるので、
実用上大きな効果が得られる。
第１図は従来の全反射型光スイッチアレイの一部分を示
す平面図、第２図は第１図のII−II断面の一部を示す
図、第３図、第４図はそれぞれGaAs埋込みヘテロ構造半
導体レーザにおける屈折率変化と吸収係数のスペクトル
を示す図、第５図、第６図はそれぞれGaAs−AlGaAs超格
子構造のレーザにおける屈折率と吸収係数のスペクトル
を示す図、第７図は本発明の光スイッチの一実施例の製
造工程説明図である。 図において、 １……電気光学効果を示す結晶基板 ２−１、２−２、３−１、３−２……光導波路 ４−１〜４−４……光導波路の交叉部 ５〜１〜５〜４……電極、６……光 20……積層基板、21……InP基板 22……超格子層、23……InPクラッド層 24……金属層 24−１〜24−４……電極 25−１、25−２、26−１、26−２……光導波路 27−１〜27−４……光導波路の交叉部 28……ホトレジストパターン 29……InGaAsP層、30……InP層
す平面図、第２図は第１図のII−II断面の一部を示す
図、第３図、第４図はそれぞれGaAs埋込みヘテロ構造半
導体レーザにおける屈折率変化と吸収係数のスペクトル
を示す図、第５図、第６図はそれぞれGaAs−AlGaAs超格
子構造のレーザにおける屈折率と吸収係数のスペクトル
を示す図、第７図は本発明の光スイッチの一実施例の製
造工程説明図である。 図において、 １……電気光学効果を示す結晶基板 ２−１、２−２、３−１、３−２……光導波路 ４−１〜４−４……光導波路の交叉部 ５〜１〜５〜４……電極、６……光 20……積層基板、21……InP基板 22……超格子層、23……InPクラッド層 24……金属層 24−１〜24−４……電極 25−１、25−２、26−１、26−２……光導波路 27−１〜27−４……光導波路の交叉部 28……ホトレジストパターン 29……InGaAsP層、30……InP層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 宏司 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭54−66157（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−111739（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−28345（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】化合物半導体基板と、 前記基板上に形成され、所定の幅と厚みならびに周囲よ
り高い屈折率をもつ前記基板と同系の化合物半導体の帯
状層を有し、かつ鋭角をなす所定の角度で互いに交叉す
る少なくとも一本ずつの光導波路と、 平行四辺形をなす前記光導波路の交叉部の長い方の対角
線位置で前記両光導波路を遮断するように形成され、所
定の幅と厚みをもつストライプ電極とを備え、 前記電極を介して前記電極の下部領域へ電流を注入する
ことにより前記光導波路の前記下部領域の屈折率を変化
させて前記下部領域で前記一方の光導波路内を伝搬して
きた前記光を反射又は回折させて前記他方の光導波路に
前記光の進路を切り換えるように構成されている光スイ
ッチであって、 前記光導波路を構成する材料の吸収端は前記光導波路内
を伝搬する光の波長に近接するものであり、 前記下部領域で光の進路を切り換える際に、前記下部領
域への所要の電流注入により前記吸収端が移動し、それ
により前記下部領域での前記光導波路の屈折率変化率が
正または負に変化するように構成した ことを特徴とする光スイッチ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58242049A JP2583480B2 (ja) | 1983-12-23 | 1983-12-23 | 光スイッチ及び光スイッチアレイ |
| EP84308977A EP0147195B1 (en) | 1983-12-23 | 1984-12-20 | Optical switch |
| DE8484308977T DE3483146D1 (de) | 1983-12-23 | 1984-12-20 | Optischer schalter. |
| CA000470712A CA1244545A (en) | 1983-12-23 | 1984-12-20 | Optical switch |
| US06/684,784 US4737003A (en) | 1983-12-23 | 1984-12-21 | Optical switching device utilizing multiple quantum well structures between intersecting waveguides |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58242049A JP2583480B2 (ja) | 1983-12-23 | 1983-12-23 | 光スイッチ及び光スイッチアレイ |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29646095A Division JPH09105959A (ja) | 1995-11-15 | 1995-11-15 | 光スイッチ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60134219A JPS60134219A (ja) | 1985-07-17 |
| JP2583480B2 true JP2583480B2 (ja) | 1997-02-19 |
Family
ID=17083505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58242049A Expired - Lifetime JP2583480B2 (ja) | 1983-12-23 | 1983-12-23 | 光スイッチ及び光スイッチアレイ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4737003A (ja) |
| EP (1) | EP0147195B1 (ja) |
| JP (1) | JP2583480B2 (ja) |
| CA (1) | CA1244545A (ja) |
| DE (1) | DE3483146D1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8380015B2 (en) | 2009-03-31 | 2013-02-19 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. | Optical control device |
| US8526768B2 (en) | 2009-03-31 | 2013-09-03 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. | Light control device |
Families Citing this family (48)
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|---|---|---|---|---|
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| GB8423430D0 (en) * | 1984-09-17 | 1984-10-24 | British Telecomm | Optical switching means |
| GB8516108D0 (en) * | 1985-06-26 | 1985-07-31 | Gen Electric Co Plc | Optical switch |
| FR2584826B1 (fr) * | 1985-07-11 | 1987-10-09 | Labo Electronique Physique | Element de commutation optique entre deux guides de lumiere et matrice de commutation optique formee de ces elements de commutation |
| US4734907A (en) * | 1985-09-06 | 1988-03-29 | Washington University | Broadcast packet switching network |
| JPH0685035B2 (ja) * | 1986-01-29 | 1994-10-26 | 株式会社日立製作所 | 光スイツチ |
| JPS62260126A (ja) * | 1986-05-07 | 1987-11-12 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 半導体光スイツチ |
| JPS6371826A (ja) * | 1986-09-16 | 1988-04-01 | Hitachi Ltd | 光半導体装置 |
| US4813757A (en) * | 1986-11-26 | 1989-03-21 | Hitachi, Ltd. | Optical switch including bypass waveguide |
| FR2608783B1 (fr) * | 1986-12-23 | 1989-04-14 | Labo Electronique Physique | Element de commutation optique entre deux guides de lumiere et matrice de commutation optique formee de ces elements de commutation |
| JPH0721594B2 (ja) * | 1987-01-19 | 1995-03-08 | 国際電信電話株式会社 | 光スイツチ |
| JP2549121B2 (ja) * | 1987-07-02 | 1996-10-30 | 株式会社日立製作所 | 熱式空気流量計 |
| CH667155A5 (de) * | 1987-08-13 | 1988-09-15 | Landis & Gyr Ag | Lichtmodulator. |
| JPH01134430A (ja) * | 1987-11-20 | 1989-05-26 | Oki Electric Ind Co Ltd | 分布結合形光スイッチ |
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| JPH01259329A (ja) * | 1988-04-11 | 1989-10-17 | Hitachi Ltd | 光スイツチ |
| JP2928532B2 (ja) * | 1988-05-06 | 1999-08-03 | 株式会社日立製作所 | 量子干渉光素子 |
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