JP2747324B2

JP2747324B2 - 半導体光スイッチ

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Publication number: JP2747324B2
Application number: JP12455589A
Authority: JP
Inventors: 修三上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1989-05-19
Publication date: 1998-05-06
Anticipated expiration: 2013-05-06
Also published as: JPH02304422A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光伝送システムあるいは光集積回路におい
て用いられる光制御型の半導体光スイッチに関するもの
である。

（従来の技術）発光状態にある半導体レーザの活性層領域に、外部か
ら別のレーザ光を照射することにより、初期のレーザ光
を停止させることができる。この現象は、半導体レーザ
の「発振消衰効果」と称される（W.J.Grande and C.L.T
angによる論文App1.Phys.Lett.誌51巻1780頁1987年参
照）。

一方、従来より、外部から注入光を照射する代わり
に、ストライプ状共振器構造を有する二つの半導体レー
ザを同一基板上に作製し、かつ、これら二つの共振器構
造を直交させて配置したモノリシック構造の素子が提案
されている。

第２図は、このモノリシック構造を有する従来の半導
体光スイッチの構成図である。第２図において、１は基
板、２は主レーザ電極ストライプ（以下、主レーザとい
う）、３は従レーザ電極ストライプ（以下、従レーザと
いう）である。これら主レーザ２及び従レーザ３は、そ
れぞれ劈界面4a,4bからなるストライプ状共振器構造を
有し、基板１上に互いの共振器構造部が直交し重複領域
５が形成するように、モノリシックに形成されている。

このような構成において、例えば、主レーザ２が発進
状態の時に、従レーザ３を発進させると、上記した「発
進消衰効果」により、主レーザ２からの出力O outを偏
重することができる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記半導体光スイッチによれば、主レ
ーザ２及び従レーザ３の共振器構造部が直交した構成と
したため、これらが交差する重複領域５は共振器長の一
部のみとなっている。従って、主レーザ２の共振器長全
体に亘り、従レーザ３のスイッチ光（発振光）を注入す
ることができず、相互作用が不十分である。このため、
主レーザ２の発振が完全に停止することはなく、主レー
ザ２の発振光強度が数10％減少するのみであり、十分な
オン／オフ比を実現できないという欠点があった。

一方、大きな「発振消衰効果」を得るために、従レー
ザ３のストライプ幅を、主レーザ２の共振器長に近ずけ
ることが考えられる。しかしながら、これでは、従レー
ザ３のストライプ幅が大きくなるため、発振に要する電
流値が極めて大きくなってしまい。室温での連続発振が
不可能になるという問題点を有する。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、二つの半導体レーザ間の相互作用が十分に
行われ、互いに他方のレーザ発振を100％停止すること
ができ、十分なオン／オフ比を得ることができる半導体
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、請求項（１）では、活性槽
を当該活性層よりバンドギャップエネルギーが大きく、
屈折率の小さいｐ型領域とｎ型領域の物質間に配置し、
さらに、ｐ型及びｎ型電極層を備えた半導体光スイッチ
において、前記活性層は、ストライプ方向に光を反射す
る共振器構造を有する超格子構造の半導体結晶よりなる
第１のストライプ状発光部と、ストライプ方向に光を反
射する共振器構造を有する前記超格子構造を混晶化した
半導体結晶よりなる第２のストライプ状発光部とを有
し、かつ、前記第１のストライプ状発光部の一側と前記
第２のストライプ状発光部の一側とを所定長に亘って一
体化させて光分波領域を形成した構成としている。

また、請求項（２）では、少なくとも前記第１及び第
２のストライプ状発光部のうちいずれか一方に、所定の
曲率を有する曲部を形成した。

（作用）請求項（１）によれば、ｐ型電極層とｎ型電極層間
に、所定の閾値以上の電流を供給すると、第１のストラ
イプ状発光部は発振状態となり、主としてTEモード光を
励起される。一方、ｐ型電極層とｎ型電極層間に、所定
の閾値以上の電流を供給すると、第２のストライプ状発
光部は発振状態となり、主としてTMモード光が励起され
ることになる。

ここで、例えば、第１のストライプ状発光部を上記の
ように発振状態にしておき、この状態で、第２のストラ
イプ状発光部を発振させると、第１のストライプ状発光
部による光と第２のストライプ状発光部による光とが互
いに相手の発光領域に侵入し、十分な大きさの相互作用
を及ぼしあう。これにより、十分な「発振消衰効果」が
生じ、第１のストライプ状発光部の発振が停止する。

逆に、第２のストライプ状発光部を発振状態としてお
き、この状態で、第１のストライプ状発光部を発振させ
ると、上記と同様の原理に基づき、先に発振状態にあっ
た第２のストライプ状発光部の発振が停止する。

また、請求項（２）によれば、例えば、第１のストラ
イプ状発光部の一部に曲部が形成されていると、第２の
ストライプ状レーザ部にて励起されたTMモード光は、相
互作用時に第１のストライプ状発光部に侵入するが、曲
部にて放射作用を受けて消滅し、第１のストライプ状発
光部の出射端部から出射されない。

また、第２のストライプ状発光部の一部に曲部が形成
されていると、第１のストライプ状レーザ部にて励起さ
れたTEモード光は、相互作用時に第２のストライプ状発
光部に侵入するが、曲部にて放射作用を受けて消滅し、
第２のストライプ状発光部の出射端部から出射されな
い。

（実施例）第１図は、本発明による半導体光スイッチのの第１の
実施例を示す構成図である。第１図において、11は基板
で、例えばｎ型GaAs単結晶より構成されている。12はGa
As基板11上面に形成されたバッファ層で、GaAs基板11よ
り低い屈折率を有するｎ型のAl_xGa_1-xAs（例えば、ｘ＝
0.3）より構成されている。

13は第１のストライプ状発光部（以下、第１の発光部
という）で、GaAs及びAl_yGa_1-yAs（例えば、ｙ＝0.3）
の100Å程度の薄層の繰り返し構造とした超格子層より
構成されている。また、第１の発光部13は、劈界面によ
る共振器構造を有し、ストライプ方向に光を反射する機
能を有する。

14は第２のストライプ状発光部（以下、第２の発光部
という）で、前記第１の発光部13と同様の超格子層を後
記する方法により破壊した平均Al組成ｚを有するAl_zGa
_1-zAs（例えば、上記と同様に100Å程度の層厚の繰り返
しの場合で、かつ、完全混晶の場合、ｚ＝0.15となる）
混晶より構成されている。また、第１の発光部14は、劈
界面による共振器構造を有し、ストライプ方向に光を反
射する機能を有する。

15は光分波領域で、第１の発光部13の一側のクラッド
領域が第２の発光部14のコア領域にて構成され、かつ、
第２の発光部14の一側のクラッド領域が第１の発光部14
のコア領域にて構成されるように、第１及び第２の発光
部13及び14を一体化形成して構成されている。この光分
波領域15は、第１及び第２の発光部13及び14のストライ
プ方向の全長に亘って形成されている。また、第１及び
第２の発光部13及び14にて、いわゆる半導体レーザにお
ける活性層が構成される。

16は光分波領域15の上面全体に亘って形成されたクラ
ッド層で、ｐ型のAl_xGa_1-xAs（例えば、ｘ＝0.3）によ
り構成されている。

17はクラッド層16の上面全体に亘って形成された電極
層で、ｐ型のGaAsにより構成されている。

18a,18bは電極層17の上面に形成されたｐ型電極で、
それぞれCr/Auより構成されている。ｐ型電極18aは第１
の発光部13の上面と、ｐ型電極18bは第２の発光部14の
上面とそれぞれ対向するように、互いに分離して形成さ
れている。

19はGaAs基板11の下面全体に亘って形成されたｎ型共
通電極で、AuGeNi/Auより構成されている。

なお、上記第１及び第２の発光部13及び14の屈折率
は、バッファ層12及びクラッド層16より高屈折率であ
り、これらが一体となって、後記する方法により幅Ｗ
（５〜６μｍ）、高さＨ（5000Å〜２μｍ）のリッジ型
のストライプ構造（ストライプ状光導波路）に形成され
ている。

次に、上記構成による半導体スイッチの作製方法につ
いて説明する。

まず、分子線エピタキシィ（MBE）あるいは有機金属
気相成長法（MOCVD）などの原子層レベルに膜厚制御が
可能な結晶成長法を用いて、基板11上に、バッファ層1
2、続いて超格子層、クラッド層16、電極層17を全面に
エピタキシィ成長する。

次に、第２の発光部14となる領域のみにSiO₂膜等の選
択的堆積などの処理を施した後、例えば、900℃の条件
下において、30秒高温アニール処理を行ない混晶化させ
る。ここで、混晶化とは、不純物を拡散するか、あるい
はここで適用したある種の人為的操作によって、超格子
構造が組成の一様な混晶になることをいう。この混晶化
により、超格子構造に比べてエネルギーギャップが広が
る。なお、混晶化の程度が完全でなく、部分的であって
も、エネルギーギャップは、混晶化の程度に応じて広が
る。

次いで、反応性イオンエッチングあるいは湿式エッチ
ングなど適当なエッチング豊富を採用することにより、
上記した構造パラメータの幅Ｗ及び高さＨを有するスト
ライプ構造を形成する。

さらに、電極層17の上面にCr/Auによりｐ型電極18a,1
8bを、GaAs基板11の下面にAuGeNi/Auによりｎ型共通電
極19を形成することにより、半導体光スイッチの作製が
完了する。

次に、上記構成による動作を第３図及び第４図に基づ
いて順に追って説明する。

第３図は、第１図の光分波領域15における横方向の屈
折率分布を示す図である。第３図において、実線は偏
波方向が基板11面に対して平行なTEモード光の屈折率
を、破線は偏波方向が基板11面に対して垂直なTMモー
ド光の屈折率をそれぞれ示している。

ここで、第１の発光部13の屈折率をNs、第２の発光部
14の屈折率をNaとすると、両者の間には次のような関係
があることが知られている。

第２の発光部14の屈折率NaはTE及びTMモード光に対し
てほぼ同一である。即ち、 Na（TE）＝Na（TM）なる関係を満足する。

ところが、第１の発光部13の屈折率Nsには偏波依存性
があり、次のような関係を満足する。

TEモード光:Ns（TE）＞Na（TE） TEモード光:Ns（TM）＜Na（TM）また、その屈折率差は約２×10^-3である。なお、混晶化
の程度が完全でなくとも、その程度に応じてこれらの関
係が成立する（光学的性質については、1987年開催の
『レーザ電子光学国際会議（CLEO）での発表論文WQ−
４』参照）。

従って、横方向の屈折率は、第３図に示すように、４
領域A,B,C,Dに分かれる。これらの領域のうち、Ａ及び
Ｄは空気領域を、Ｂは第２の発光部14の領域を、Ｃは第
１の発光部13の領域をそれぞれ示している。

第３図から分かるように、光分波領域15の横方向の屈
折率分布において、TEモード光に対する屈折率のピーク
値は、第１の発光部13の領域Ｃにある。一方、TMモード
光に対する屈折率のピーク値は、第２の発光部14の領域
Ｂにある。

また、一般に、高屈折率の物質からなるコア領域を、
低屈折率の物質からなるクラッド領域にて囲んだ光導波
路において、光は高屈折率のコア領域を伝搬する特性を
有する。

従って、光分波領域15に入射された光は、その偏波方
向によって自動的に分波され、TEモード光は超格子構造
部をコア領域とする第１の発光部13に沿って伝搬され、
TMモード光は混晶構造部をコア領域とする第２の発光部
14に沿って伝搬される。即ち、入射光からTEモード光と
TMモード光とが空間的に分離されて伝搬されることにな
る。

第４図は、光分波領域15における光強度分布を示す図
である。第４図において、実線′はTEモード光の強度
分布を、破線′はTMモード光の強度分布をそれぞれ示
している。また、第３図と同様に、Ａ及びＤは空気領域
を、Ｂは第２の発光部14の領域を、Ｃは第１の発光部13
の領域をそれぞれ示している。

第４図から分かるように、TEモード光のピーク値は、
第１の発光部13の領域Ｃの近傍にあり、TMモード光のピ
ーク値は、第２の発光部14の領域Ｂの近傍にある。か
つ、TE及びTMの両モードの光波は、互いに相手の領域に
も広がっている。このことは、両モードの光波は、互い
に相互作用を及ぼしあうことを示している。

従って、第１図の構成において、ｐ型電極18aとｎ型
共通電極19間に、所定の閾値以上の電流を供給すると、
第１の発光部13は発振状態となり、主としてTEモード光
が励起される。一方、ｐ型電極18bとｎ型共通電極19間
に、所定の閾値以上の電流を供給すると、第２の発光部
14は発振状態となり、主としてTMモード光が励起される
ことになる。

ここで、例えば、第１の発光部13を上記のように発光
状態にしておき、この状態で、第２の発光部14を発振さ
せると、第１の発光部13による発振光と第２の発光部14
による発振光とが互いに相手のコア領域に侵入し、十分
な大きさの相互作用を及ぼしあう。これにより、十分な
「発振消衰効果」が生じ、第１の発光部13の発振が停止
する。

逆に、第２の発光部14を発振状態としておき、この状
態で、第１の発光部13を発振させると、上記と同様の原
理に基づき、先に発振状態にあった第２の発光部14の発
振が停止する。

なお、混晶化構造を有する第２の発光部14は、前述し
たように、混晶化のために超格子構造の第１の発光部13
に比べ、エネルギーギャップが広がっており、発振波長
は第１の発光部13よりも若干短い。しかし、これは超格
子層の利得波長域の中にあるように設定することができ
るので、十分に相互作用を及ぼすことができる。

以上のように、本第１の実施例によれば、いわゆる半
導体レーザの活性層を、劈界面を用いたストライプ方向
に光を反射する共振器構造を有し、かつ、超格子構造の
第１の発光部13と、劈界面を用いたストライプ方向に光
を反射する共振器構造を有し、かつ、前記超格子構造を
混晶化した混晶化構造の第２の発光部14とから構成する
と共に、第１及び第２の発光部13及び14の一側同士を所
定長に亘って一体化してなる光分波領域15を形成したの
で、第１及び第２の発光部13及び第４間の相互作用が十
分に行われ、互いに他方のレーザ発振を100％停止する
ことができ、十分なオン／オフ比を有する半導体光スイ
ッチを実現している。

第５図は、本発明による半導体光スイッチの第２の実
施例を示す構成図である。本第２の実施例では、前記第
１の実施例の構成に加えて、光分波領域15の第１及び第
２の発光部13及び14を含む各々の一端に、所定の曲率を
もって形成された曲部21a,22aをそれぞれ有するストラ
イプ状レーザ部21b,22bを接続し、全体として光分波領
域15を含む第１及び第２のストライプ状レーザ部21及び
22を構成している。

接続したストライプ状レーザ部21bの発光部は、第１
の発光部13と同様の超格子構造からなり、その上に、第
１図と同様にクラッド層16、電極層17並びにｐ型電極18
aが表記した順に形成されている。

同様に、ストライプ状レーザ部22bの発光部は、第２
の発光部14と同様の超格子構造を混晶化した混晶化構造
からなり、その上に、第１図と同様にクラッド層16、電
極層17並びにｐ型電極18bが表記した順に形成されてい
る。

また、ストライプ状レーザ部21bと22bは、非接触状態
に形成されている。

このような構成においては、第１及び第２のストライ
プ状レーザ部21及び22は、曲部21a及び22aが形成されて
いるため、相互作用時に相手のコア領域に侵入した偏波
光は、侵入先の発光部を伝搬して曲部21aまたは22aに到
達し、ここで放射され消滅する。

即ち、第１のストライプ状レーザ部21にて励起された
TEモード光は、相互作用時に第２のストライプ状レーザ
部22に侵入するが、曲部22aにて放射作用を受けて消滅
し、第２のストライプ状レーザ部22の出射端部から出射
されることはない。

同様に、第２のストライプ状レーザ部21にて励起され
たTMモード光は、相互作用時に第１のストライプ状レー
ザ部21に侵入するが、曲部21aにて放射作用を受けて消
滅し、第１のストライプ状レーザ部22の出射端部から出
射されることはない。

以上のように、本第２の実施例によれば、第１及び第
２のストライプ状レーザ部21及び22に、曲部21a及び22a
を形成したことにより、相互作用時に相手のコア領域に
侵入した偏波光は、侵入先の曲部21aまたは22aにて放射
作用を受けて消滅するため、各第１及び第２のストライ
プ状レーザ部21及び22の出射光は、他の偏光成分を含む
ことはない。従って、第１の実施例の効果に加えて、有
害なクロストークを最小限に抑止することができる。

なお、第１及び第２の実施例においては、共振器構造
として、劈界面を用いた場合を例に説明したが、これに
限定されるものではなく、回折格子を内蔵したDFB,DBR
構造を有する場合でも同様の効果を得ることができる。

また、当該半導体光スイッチをGaAs系の半導体積層構
造としたが、InP系の半導体積層構造としても同様の効
果を得ることができる。

（発明の効果）以上説明したように、請求項（１）によれば、活性層
は、ストライプ方向に光を反射する共振器構造を有する
超格子構造の半導体結晶よりなる第１のストライプ状発
光部と、ストライプ方向に光を反射する共振器構造を有
する前記超格子構造を混晶化した半導体結晶よりなる第
２のストライプ状発光部とを有し、かつ、前記第１のス
トライプ状発光部の一側と前記第２のストライプ状発光
部の一側とを所定長に亘って一体化させて光分波領域を
形成したので、第１及び第２のストライプ状発光部間の
相互作用が十分に行われ、いわゆる「発振消衰効果」に
より、互いに他方の発振を十分なオン／オフ比をもって
停止させることができる半導体光スイッチを提供できる
利点がある。

また、請求項（２）によれば、上記請求項（１）の効
果に加えて、有害となるクロストーク光の発生を抑止す
ることができる。

従って、本発明による半導体光スイッチは、招来の光
伝送システムあるいは光集積回路に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体光スイッチの第１の実施例
を示す構成図、第２図は従来の半導体光スイッチの構成
図、第３図は第１図の光分波領域における横方向の屈折
率分布を示す図、第４図は第１図の光分波領域の光強度
分布を示す図、第５図は本発明による半導体光スイッチ
の第２の実施例を示す構成図である。図中、11……ｎ型GaAs基板、12……ｎ型バッファ層、13
……第１のストライプ状発光部、14……第２のストライ
プ状発光部、15……光分波領域、16……Ｐ型クラッド
層、17……ｐ型電極層、18a,18b……ｐ型電極、19……
ｎ型共通電極、21……第１のストライプ状レーザ部、21
a,22a……曲部、22……第２のストライプ状レーザ部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層を当該活性層よりバンドギャップエ
ネルギーが大きく、屈折率の小さいｐ型領域とｎ型領域
の物質間に配置し、さらに、ｐ型及びｎ型電極層を備え
た半導体光スイッチにおいて、前記活性層は、ストライプ方向に光を反射する共振器構
造を有する超格子構造の半導体結晶よりなる第１のスト
ライプ状発光部と、ストライプ方向に光を反射する共振
器構造を有する前記超格子構造を混晶化した半導体結晶
よりなる第２のストライプ状発光部とを有し、かつ、前記第１のストライプ状発光部の一側と前記第２
のストライプ状発光部の一側とを所定長に亘って一体化
させ光分波領域を形成したことを特徴とする半導体光スイッチ。
【請求項２】少なくとも前記第１及び第２のストライプ
状発光部のうちいずれか一方に、所定の曲率を有する曲
部を形成した請求項（１）記載半導体光スイッチ。