JP2703244B2 - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JP2703244B2 JP63006291A JP629188A JP2703244B2 JP 2703244 B2 JP2703244 B2 JP 2703244B2 JP 63006291 A JP63006291 A JP 63006291A JP 629188 A JP629188 A JP 629188A JP 2703244 B2 JP2703244 B2 JP 2703244B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は小型・集積化可能でしかも動作速度の速い光
スイッチに関するものである。
(従来の技術) 従来、この種の光スイッチとしては第2図に示す構成
の光ゲートスイッチがあった(M.Ojima et al.,“Optic
al NOR gate using diode laser sources"Appl.Opt.,vo
l.25,no.14,1986,pp−2311−2313参照)。図中、1は信
号光源、2は集光用レンズ、3は制御用光源、4は偏光
ビームスプリッタ、5はファブリペロエタロンで、高反
射膜6と光非線型媒質7とで構成される。
第3図は第2図におけるファブリペロエタロン5の光
入力パワPinに対する光出力パワPoutの特性を示した図
である。
今、高反射膜6を有しているファブリペロエタロン5
の初期状態が入射信号光波長に対して透過率が低い状態
に設定してあるものとする。信号光源1より集光用レン
ズ2及び偏光ビームスプリッタ4を介してファブリペロ
エタロン5へ入射する信号光の強度が増加すると、光非
線型媒質7の屈折率が減少し、光入力パワPinがPcに達
した点で突然ファブリペロエタロン5の状態は透過状態
に遷移し光出力パワPoutはP′c点に達する。
一方、この状態から光入力パワPinを減少させると同
じ入出力特性を描かず、光出力パワPoutはP′cから
P′b,P′aへと徐々に減少するが、光入力パワPinがPa
に達した点で突然ファブリペロエタロン5の状態は遮断
状態に遷移し、急激に光出力パワPoutが減少する。この
動作がいわゆる光双安定動作である。
従って、制御用光源3からPc以上の光パワをファブリ
ペロエタロン5に注入してやれば、光パワPa以上の間に
わたって透過の状態になり、信号光も通すことが可能と
なる。なお、ここでは信号光と制御信号光を挿入損失を
少なくして合波するために互いの光の偏光面を直交させ
て偏光ビームスプリッタ4で合波している。3dBの挿入
損失を許容すれば半透鏡でも同様な機能を得ることがで
きる。
(発明が解決しようとする課題) 従来の光ゲートスイッチは前述したような構成となっ
ているため、以下のような欠点があった。
(1)個別素子で構成するため、小型・集積化が困難で
ある。
(2)ビーム形状の光を用いて構成するため、位置精度
がきびしく、安定性が悪い。
(3)ファブリペロエタロン素子を小さく構成すること
が難しいため、必要とする制御用光パワが大きくなる。
(4)ファブリペロエタロン素子を小さく構成すること
が難しいため、オン・オフの応答速度が速くできない。
本発明の目的は従来のものに見られた上記の如き欠点
に鑑み、小型・集積化が可能でしかも動作速度の速い光
スイッチを提供することにある。
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明の光スイッチにおい
ては、光スイッチ部を量子閉じ込め構造の半導体媒質で
形成すると共に該光スイッチ部への信号光の入力・出力
導波路を信号光波長で決るフォトンエネルギより大きい
バンドギャップエネルギを有する半導体導波路で形成
し、該光スイッチ部に該信号光の入力・出力導波路と直
交する方向から制御信号光を当てて信号光をオン・オフ
するように構成し、さらに制御信号光を該量子閉じ込め
構造の井戸層に垂直な電界の振動面を持つ光とした。
(作用) 本発明によれば、光スイッチ部に該信号光の入力・出
力導波路と直交する方向から、量子閉じ込め構造の井戸
層に垂直な電界の振動面を持つ制御信号光を当てること
によって、半導体媒質の光透過度が変化し信号光のオン
・オフを行うことができる。
(実施例) 第1図は本発明の第一の実施例を説明する図であっ
て、図中、5′は導波路構造に形成したファブリペロエ
タロン(光スイッチ部)で、一対の平行な高反射膜6と
該高反射膜6間に設けられた光非線型媒質7とからな
る。8は信号光の入力導波路、9は信号光の出力導波路
で、それぞれ高反射膜6と対向している。10は制御信号
光G1,G2の入射用導波路で、信号光の入力・出力導波路
8,9と直交する如く光非線型媒質7と対向して設けられ
る。
また、第4図は第1図における入力導波路8のA−
A′線における要部の拡大断面図である。図中、11はコ
アであり、信号光波長が1.55μmの場合には、例えばバ
ンドギャップエネルギに相当する波長λgが1.3μmに
相当するIn0.72Ga0.28As0.590.41で構成され、また、
12はクラッド部であり、InPで構成される。コア11の幅
と厚さは各々約5μmと0.5μmである。制御信号光の
導波路10の構造も第4図に示すものと同じである。これ
らの導波路は半導体レーザの埋込成長技術と同様の技術
で製造することができる。
第5図(a)は第1図における光スイッチ部5′のB
−B′線における拡大断面図である。図中、12はクラッ
ドであり、InPで形成され、13は多重量子井戸構造(量
子閉じ込め構造)をなした光非線型媒質である。第5図
の(b)は光非線型媒質13の内部構成を更に拡大して示
したもので、14は井戸層を構成し、例えばIn0.47Ga0.53
Asを50Åの厚さで形成し、15は障壁層を構成し、例えば
InPを75Åの厚さで形成する。この周期構造を約40層形
成することによって室温で波長1.50μmに電子と重いホ
ールによって形成されるエキシトンのピークが観測され
た。第1図の構成における光スイッチ動作は基本的には
第2図の場合と同様である。
即ち、今、高反射膜6を有しているファブリペロエタ
ロン5′の初期状態が入射信号光I1,I2の波長1.55μm
に対して透過率が低い状態に設定してあるものとする。
制御信号光G1,G2として1.50μmの波長の光を制御信号
光の導波路10から入力・出力導波路8,9と直交する方向
で光非線型媒質7に注入すると吸収され、信号光波長1.
55μmでの屈折率が変化してファブリペロエタロン5′
の状態は透過状態になる。
高反射膜6はTiO2とSiOの多層膜をスパッタリングす
ることによって間隙に付着させた。得られた反射率が0.
82とすると消光比は原理的には20dB以上となるが内部損
失のために若干劣化する。
ここで、スイッチングに要する光パワについて説明す
る。
第1図におけるファブリペロエタロン5′の長さlは
約5μmである。エタロンの状態を遮断状態から透過状
態、あるいはその逆の状態へスイッチングするには内部
の屈折率をnとした場合にnlの変化Δnlが信号光波長の
1/4になれば良い。従って、信号光波長が1.55μmの場
合には屈折率の変化Δnが0.078となればスイッチング
されることになる。
多重量子井戸構造の光非線型媒質においては1kW/cm2
の光パワで屈折率の変化が0.1に達する(例えば、横山
他「応用物理学会62年度秋季大会予稿集18a−ZG−
5」参照)。
第1図の構成において、入力導波路8、出力導波路
9、制御信号光導波路10を全て5μm幅で構成すると、
Δnを0.078とする光パワは39μW以上である。この時
の制御信号光はエキシトンのピーク波長での吸収を用い
るため偏波方向は問わない。なお、高速での光スイッチ
ングを行う場合には量子井戸構造の井戸層に対して垂直
な光の電界を印加する必要がある。従って、第1図の構
成では電界が紙面に対して垂直な振動方向を持った偏波
の制御信号光を用いる。
次に、ファブリペロエタロン5′の初期状態設定につ
いて説明する。
初期状態を第1図の構成における作製精度で決定する
ためにはファブリペロエタロン5′の長さlを100Å以
下の精度で作製する必要がある。現在、第1図の構成の
ファブリペロエタロン5′はリアクティブ性のガスを用
いたリアクティブ・イオン・ビーム・エッチング技術で
製造するため、±1000Å程度の精度しか得られない。
従って、ここでは第1図における光非線型媒質7の部
分に紙面に垂直な直流電界を印加することによってチュ
ーニングを取る。第1図の構成でウェハ厚を100μmに
作製した場合にはチューニング量Δnを0.078とすると
印加する電圧は約6.3Vとなり、容易に初期設定が可能で
ある。
なお、第1図の構成では制御信号光導波路10が同一平
面内に直交して設けられているが、制御信号光導波路10
が紙面に垂直に設けられても、あるいは制御信号光が例
えばレンズ系を用いてビーム状で光非線型媒質7に導波
されても同様な光スイッチング動作が可能なことは言う
までもない。
第6図は本発明の第二の実施例を説明する図であっ
て、光スイッチ部を回折格子(グレーティング)で構成
したものである。16は導波路構造を持ったグレーティン
グの光スイッチ部を表わす。その他の構成は前記第一の
実施例と同様である。また、第7図は第6図における光
スイッチ部16のC−C′線における断面図であり、グレ
ーティングは信号光の伝播方向に直交するように形成さ
れている。第8図はグレーティング光スイッチ部の波長
に対する反射率の特性を説明する図である。
ここで、第6図の構成におけるスイッチング動作につ
いて説明する。
グレーティング光スイッイ部(グレーティング部)16
は信号光波長1.55μmでブラッグ波長の3次波長0.693
μmに一致している。従って、第7図におけるピッチΛ
は0.693μm、厚さtは0.5μm、多重量子井戸構造を持
つ光非線型媒質(多重量子井戸構造部)13の長さはピッ
チΛのちょうど半分とした。
多重量子井戸構造部13及びクラッド12の屈折率は各々
約3.5及び3.2となるため、グレーティング部16における
反射結合係数κは約0.05μm-1以上が得られる。
今、グレーティング部16の長さLが50μmの第6図の
構成とすると、最大反射効率は約16dBが得られる。ま
た、第8図に示したように反射率が最初に0となる反射
帯域幅Δλは183Åとなる。従って、グレーティング部1
6に制御信号光を当てて多重量子井戸構造部13の屈折率
を変化させ、反射率の中心波長λcを第8図に示したよ
うにΔλだけ変化させればグレーティング部16では透過
率が低い状態から透過状態へとスイッチングされる。
今、所要中心波長変化Δλcを183Åとすると多重量
子井戸構造部13での屈折率の変化量Δnは0.04必要とな
る。第6図の構成では制御信号光導波路10の幅は50μm
であり、必要とされる制御光パワは約0.2mW以上とな
る。この光パワは半導体レーザを極超短パルス動作させ
ることによって容易に達成された。
第6図の構成においても中心波長を信号光波長に初期
状態でチューニングすることは前述の電界制御法でも容
易に達成される。また、制御信号光の配置や偏波面につ
いても第1図の構成で説明したことが同様に適用できる
ことは言うまでもない。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば光スイッチ部を
量子閉じ込め構造の半導体媒質で構成し、該量子閉じ込
め構造の井戸層に垂直な電界の振動面を持つ制御信号光
を入力・出力導波路と直交する方向から当てる構成とし
たため、以下のような利点がある。
(1)導波路型で構成できるため、小型・集積化が可能
である。
(2)導波路型で構成するため、スイッチング所要パワ
が小さくて済む。
(3)信号光と制御信号光を直交させるため、相互作用
による悪影響がなく、光アイソレータ等が不用な簡易な
構成となる。
(4)信号光と制御信号光を任意の波長に設定できるた
め、構成が容易で高性能化が図れる。
(5)同一構成でゲート型光スイッチのみならず、双安
定型光メモリ、波形整形等高機能化が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第一の実施例を示す光スイッチの構成
図、第2図は従来の光ゲートスイッチの構成図、第3図
は第2図におけるファブリペロの光入出力特性図、第4
図は第1図A−A′線における要部の拡大断面図、第5
図は同じく第1図B−B′線での要部の拡大断面図、第
6図は本発明の第二の実施例の構成図、第7図は第6図
C−C′線での要部の拡大断面図、第8図はグレーティ
ング部の反射率−波長特性図である。 5,5′……ファブリペロエタロン、6……高反射膜、7
……光非線型媒質、8……入力導波路、9……出力導波
路、10……制御信号光導波路、11……コア、12……クラ
ッド、13……多重量子井戸構造をもった光非線型媒質、
14……井戸層、15……障壁層、16……グレーティング
部。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】制御信号光によって信号光をオン・オフす
    る光スイッチにおいて、 光スイッチ部を量子閉じ込め構造の半導体媒質で形成す
    ると共に該光スイッチ部への信号光の入力・出力導波路
    を信号光波長で決るフォトンエネルギより大きいバンド
    キャップエネルギを有する半導体導波路で形成し、 該光スイッチ部に該信号光の入力・出力導波路と直交す
    る方向から制御信号光を当てて信号光をオン・オフする
    ように構成し、 さらに制御信号光を該量子閉じ込め構造の井戸層に垂直
    な電界の振動面を持つ光とした ことを特徴とする光スイッチ。
  2. 【請求項2】制御信号光を該光スイッチ部まで導波路で
    導く構成とす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】光スイッチ部を信号光の伝播方向に直交す
    る回折格子で構成することを特徴とする請求項(1)又
    は(2)記載の光スイッチ。
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