JP2786669B2

JP2786669B2 - 半導体光スイッチ

Info

Publication number: JP2786669B2
Application number: JP11725889A
Authority: JP
Inventors: 修三上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2013-08-13
Also published as: JPH02297527A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、入力光の強度によって光出力の状態を制御
するマッハツェンダ干渉型の半導体光スイッチに関する
ものである。

（従来の技術）第２図は、光−光スイッチング動作を行なう従来のマ
ッハツェンダ干渉型半導体光スイッチ示す構成図であ
る。

第２図において、１は基板で、光非線形性を有する半
導体よりなる。2A及び2Bは基板１上に形成されたストラ
イプ状光ガイド部よりなる第１及び第２のＹ分岐部で、
それぞれ1:1の等パワー分岐の機能を有している。3Aは
ストライプ状光ガイド部よりなる第１の分岐路で、第１
及び第２のＹ分岐部2A及び2Bの一の分岐端同士を接続
し、その長さはL_Aに設定されている。3Bはストライブ状
光ガイド部よりなる第２の分岐路で、第１及び第２のＹ
分岐部2A及び2Bの他の分岐端同士を接続し、その長さは
L_Bに設定されている。

第２図の構成における特徴的なことは、第１及び第２のＹ分岐部2A及び2B間に挟まれた２本の
第１及び第２の分岐路3A及び3Bの長さL_AとL_Bとが異なっ
ている点、光ガイド部全領域が光非線形性を有する物質にて構成
されている点、である。

次に、第２図の半導体光スイッチの光−光スイッチン
グ動作の原理について説明する。

当該半導体光スイッチに入力された入力光Oinは、第
１のＹ分岐部2Aにて等分に分岐されて、第１及び第２の
分岐路3A及び3Bをそれぞれ伝搬する。

入力光Oinの強度をP_inとすると、第１及び第２の分岐
路3A及び3Bにおける光強度は等しく、P_in/2で与えられ
る。半導体基板１の屈折率をn₀、光非線形係数をn₂とす
ると、第１及び第２の分岐路3A及び3Bを伝搬した後の光
の位相は、第１の分岐路3A（長さL_A）： φ_Ａ＝２π（n₀＋n₂P_in/2）L_A/λ 第２の分岐路3B（長さL_B）： φ_Ｂ＝２π（n₀＋n₂P_in/2）L_B/λ となる。

従って、第２のＹ分岐部2Bにて合波した時、両者の位
相差△は、 △＝φ_Ａ−φ_Ｂ＝（L_A−L_B）（n₀＋n₂P_in/2）２π／λ で与えられる。このとき、第１の分岐路3Aの長さL_Aと第
２の分岐路3Bの長さL_Bとは、L_A≠L_Bなる関係を満足して
いるので、位相差△は入力される光の強度P_inの関数と
なり、入力光強度に応じて位相差△が変化することにな
る。

従って、位相差△がπの奇数倍のときには、２本の第
１及び第２の分岐路3A及び3Bからの光波は打ち消し合
い、出力光Ooutは最小となる。これに対して、位相差△
がπの偶数倍のときには、最大の出力を得る。

（発明が解決しようとする課題）このような、いわゆる光非線形スイッチング作用を効
率よく誘起させるためには、光非線形係数n₂が大きいこ
とが不可欠である。半導体、特に100Å程度の超薄膜を
積層構造にしたもの、即ち、超格子構造では大きい光非
線形係数n₂が期待されている。

しかしながら、通常「可飽和吸収」という現象を用い
ているため、入力光の波長付近では大きな吸収を持つ。
その結果、その波長では光の吸収が大きく、光ガイド部
としての伝搬損失が増大するという問題点があった。従
って、上記従来の構成では、全光ガイド部が光非線形性
物質により構成されているため、デバイスへの応用の
際、光挿入損が大きくなるという欠点がある。

また、マッハツェンダ干渉型半導体光スイッチが動作
するために必要不可欠とされる条件は、２本の分岐路で
光強度に依存する位相差が生じることである。従って、
一方の分岐路のみで光非線形性に起因する位相変化を誘
起すればよい。

即ち、上記構成の場合には、光非線形性を有する物質
は第１及び第２のＹ分岐部2A及び2B間の２本の第１及び
第２の分岐路3A及び3Bのうちのいずれか一方にあればよ
い。この目的のため、２回のエピタキシャル成長を行
い、光非線形部と光ガイド部の半導体材料を変える対策
が考えられる。

しかしながら、この方法では、高度なエピタキシャル
成長技術を必要としたり、しかもその結果作製された接
続部における結合効率が悪い等の問題点があった。

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、低損失であり、しかも効率よくスイッチン
グを行なえるとともに、作製が容易な半導体光スイッチ
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、本発明では、半導体超格子
構造を混晶化したストライプ状光ガイド部からなり、光
パワーを等分に分岐または合波させる第１及び第２の分
岐部と、半導体超格子構造を混晶化したストライプ状光
ガイド部からなり、前記第１及び第２の分岐部の一の分
岐端同士を接続した第１の分岐路と、半導体超格子構造
を混晶化したストライプ状光ガイド部からなり、前記第
１及び第２の分岐部の他の分岐端同士を接続した第２の
分岐路と、半導体超格子構造のストライプ状光ガイド部
からなり、かつ、前記第１及び第２の分岐路のいずれか
一方の一側に接して一体化した第３の分岐路とを備え
た。

（作用）前記構成によれば、例えば、第１の分岐部の合波側端
部から入力された信号光としてのTMモード光は、第１の
分岐部にて等分に分岐されて、第１及び第２の分岐路を
それぞれ伝搬する。

これら各分岐光は、第１及び第２の分岐路の混晶化部
をそれぞれ伝搬した後、第２の分岐部に到達し、ここで
合波されて当該半導体光スイッチの出力光として、第２
の分岐部の合波側端部から出力される。

一方、第３の分岐路の一端部から入力された制御光と
してのTEモード光は、第３の分岐路、即ち、超格子構造
部を伝搬した後、当該第３の分岐路の他端側から出力さ
れる。

このように、信号光（TMモード光）と制御光（TEモー
ド光）とは、別々の出力端から出力される。

上記一連の動作において、第１及び第３の分岐路が一
体化された領域では、TEモード光及びTMモード光が共に
通過する。このとき、第３の分岐路の半導体超格子構造
部に、当該超格子の吸収端波長を有するTEモード光が入
力されると、半導体超格子構造部において可飽和吸収が
起こり、屈折率が変化する。これにより、一体化領域通
過するTMモード光は、この屈折率変化による位相変化を
受けることになる。

従って、第１及び第２の分岐路を伝搬した各分岐光の
間には位相差が生じる。その位相差の大きさにより、TM
モード光の振幅が変調を受けることになる。

（実施例）第１図（ａ）は、本発明に係るマッハツェンダ干渉型
半導体光スイッチの前提となる実施例を示す構成図、第
１図（ｂ）は第１図（ａ）のＸ−Ｘ線矢視方向の拡大断
面図である。

第１図（ａ），（ｂ）において、10は基板で、例えば
GaAs単結晶より構成されている。11は基板10上に形成さ
れたクラッド層で、例えばエピタキシャル成長により厚
さ３μｍに形成されたAl_0.3Ga_0.7Asより構成されてい
る。

12A及び12Bはストライプ状光ガイド部よりなる第１及
び第２のＹ分岐部で、GaAs/Al_0.3Ga_0.7As（厚さ各100
Å）からなる超格子構造を後記する方法により破壊した
混晶から構成されており、それぞれ1:1の等パワー分岐
の機能を有している。

13Aはストライプ幅Ｗが約３μｍのストライプ状光ガ
イド部よりなる第１の分岐路で、第１及び第２のＹ分岐
部12A及び12Bの一の分岐端同士を接続している。

第１の分岐路13Aの一部には、長さがL_SL、厚さが２μ
ｍに設定されたGaAs/Al_0.3Ga_0.7As（厚さ各100Å）の超
格子構造部14aを有する光非線形部14が形成されてい
る。第１図（ｂ）は、その断面構造を示している。第１
の分岐路13Aの残りの部分は、上記超格子構造を後記す
る方法により破壊した混晶から構成されている。

13Bはストライプ状光ガイド部よりなる第２の分岐路
で、第１及び第２のＹ分岐部12A及び12Bの他の分岐端同
士を接続している。その長さ等の構造パラメータは第１
の分岐路13Aと同様に設定されている。

第２の分岐路13Bは、その全領域に亘って、第１及び
第２のＹ分岐部12A及び12Bと同様に、GaAs/Al_0.3Ga_0.7A
s（厚さ各100Å）からなる超格子構造を後記する方法に
より破壊した混晶から構成されている。

このように、第１図（ａ），（ｂ）の半導体光スイッ
チは、上記超格子構造の吸収端近傍の波長8600Åを有す
る光に対して単一モード伝搬を可能とする２箇所の第１
及び第２のＹ分岐部12A及び12Bと２本の第１及び第２の
分岐路13A及び13Bとによりストライプ状光ガイド部が形
成されており、光非線形部14を除くストライプ状光ガイ
ド部は、上記超格子構造を混晶化して構成されている。

ここで混晶化とは、何らかの人為的な方法で、一旦エ
ピタキシャル成長で形成した超格子構造を破壊し、混晶
することである。その結果、半導体材料のエネルギーギ
ャップは増大し、吸収端波長は短波長側にシフトする。

従って、元の超格子材料の吸収端近傍の光に対して
も、光損失が無く透明な状態となる。混晶化の度合が10
0％ではなく、部分的混晶であっても、吸収端波長は短
波長側にシフトする。

次に、この混晶化の方法について説明する。

まず、第１図（ｂ）に示すような積層構造を形成した
後に、第１の分岐路13Aの光非線形部14（長さL_SL）とな
す領域以外の基板全面に、SiO₂膜をCVD法により堆積す
る。実際には、全面にSiO₂膜を堆積した後で、光非線形
部14のみに窓明けを行う。

次いで、水素雰囲気中にて900℃、15秒間アニール処
理を施す。この結果、SiO₂膜が堆積された領域では、混
晶化が起こる。実際にこの方法により混晶化した結果、
吸収端が700Å短波長側にシフトした。一方、SiO₂膜の
窓が開いていた光非線形部14では、超格子構造が保存さ
れている。

このように、混晶化部では吸収端が700Å短波長側に
シフトしたため、元の超格子の吸収端波長8600Åの光に
対して、吸収損失が著しく小さくなり、光ガイド部とし
ての伝搬損失は2dB/cm程度以下となり、光吸収の問題は
解決されている。

これに対して、光非線形部14では、混晶化プロセス後
も、２次元励起子に起因する光吸収ピークが観測され、
可飽和吸収に基づく光非線形性は保存されている。即
ち、光非線形係数n₂の大きさは、元の超格子構造の値が
保持されている。

次に、上記構成による動作を説明する。

当該半導体光スイッチに入力された波長8600Åの入力
光Oinは、第１のＹ分岐部12Aにて等分に分岐されて、第
１及び第２の分岐路13A及び13Bをそれぞれ伝搬する。

第１の分岐路13Aに分岐された分岐光は、混晶化部を
所定距離伝搬した後、超格子構造からなる光非線形部14
に到達する。光非線形部14では、超格子の吸収端波長を
有する光の入力に伴ない可飽和吸収が起こり、屈折率が
変化する。この屈折率変化により光非線形部14への分岐
光は、位相が変化する。次いで、位相変化作用を受けた
分岐光は、混晶化部を伝搬した後、第２のＹ分岐部12B
の一の分岐端に到達する。

一方、第１のＹ分岐部12Aにより、第２の分岐路13Bへ
分岐された光は、第２の分岐路13B（全て混晶化部）を
伝搬した後、第２のＹ分岐部12Bの他の分岐端に到達す
る。

このように、第２のＹ分岐部12Bに到達した各分岐光
は、ここで合波され、当該半導体光スイッチの出力光Oo
utして出力される。

これら合波される各分岐光の２本の分岐路13A及び13B
にて誘起される位相差△は、 △＝φ_Ａ−φ_Ｂ＝｛（n_sl−n_dis）＋P_inn₂/2｝（L_SL2π／λ）で与えられる。ここで、入力光強度をP_in、混晶化部の
屈折率をn_dis、光非線形部14の屈折率をn_slとしてい
る。

従って、第１及び第２の分岐路13A及び13Bによる各分
岐光の位相差△は、入力光強度により決定され、これに
応じて効率よく光スイッチング動作が行なわれる。

以上のように、本前提となる実施例によれば、マッハ
ツェンダ干渉型半導体光スイッチを構成するストライプ
状光ガイド部からなる第１及び第２のＹ分岐部12A及び1
2B並びに第１及び第２の分岐路13A及び13Bのうち、第１
の分岐路13Aの一部分のみに半導体超格子構造部を残存
させた光非線形部14を形成し、残りのストライプ状光ガ
イド部を混晶化した構造としたので、低損失で、しかも
効率のよいスイッチング動作が行なえる半導体光スイッ
チを実現できる。

また、本実施例では、混晶化を実行する方法として、
SiO₂やSi₃N₄膜等の誘電体膜を超格子基板の所望の箇所
に堆積し、高温で急加熱する方法にて行なっているた
め、混晶化に際し、外部から余計な不純物の混入がな
く、キャリアあ数が増加しないため、光吸収の増加を伴
わず、光デバイスの作製において、極めて効果的な方法
ある。

また、混晶化する領域を基板内で自由に設定でき、残
りの領域ではもとの超格子の特徴を保存できる。

従って、超格子構造を有する光ガイド構造部を作製し
たあと、所望の領域のみ局所的に、混晶化を実施し、光
損失の小さい光ガイド部を形成できるため、高度なエピ
タキシャル技術を要さず、混晶化部と超格子との接続を
損失なく行うことができ、作製も容易に行なうことがで
きる。

第３図は、本発明に係るマッハツェンダ干渉型半導体
光スイッチの一実施例を示す構成図である。本一実施例
では、前記前提となる実施例の構成要素に、ストライプ
状光ガイド部からなる第３の分岐路13Cを加え、以下の
ような構成としている。

即ち、第１及び第２のＹ分岐部12A及び12B並びに第１
及び第２の分岐路13A及び13Bからなる、いわゆるマッハ
ツェンダ干渉系の基本構造部を全て混晶化している。一
方、第３の分岐路13Cの一部に、前提となる実施例と同
様の方法により超格子構造部を有する光非線形部15を残
存させ、第３の分岐路13Cの残りの部分を混晶化した構
造としている。さらに、第１の分岐路13Aの長手方向の
一側（混晶化部）と第３の分岐路13Cの光非線形部15の
一側とを隣接させて一体化した光スイッチ部20を構成し
ている。エピタキシャル構造及び混晶化のプロセスは、
前記前提となる実施例の場合と同様である。

また、第３図の構成においては、第１のＹ分岐部12A
の合波側端部が、信号光としてのTMモード光O_TMの入力
ポート21、第３の分岐路13Cの一端部が、制御光として
のTEモード光O_TEの入力ポート22、第２のＹ分岐部12Bの
合波側端部並びに第１の分岐路13Cの他端部が出力ポー
ト23及び24となっている。

次に、第３図の構成による動作を第４図に基づいて説
明する。

第４図は、光スイッチ部20の等価屈折率分布を示す図
である。第４図において、横軸は空間を表しており、４
つの領域I,II,III,IVに分かれる。即ち、領域Ｉ及びIV
は両端の屈折率が低い部分を、領域IIは第１の分岐路13
Aの混晶化部を、領域IIIは第３の分岐路13Cにおける超
格子構造が保存された光非線形部15をそれぞれ示してい
る。さらに、第４図において、実線は各領域のTEモー
ド光に対する屈折率を、破線は各領域のTMモード光に
対する屈折率をそれぞれ示している。

第４図に示すように、混晶化部の屈折率n_dis、元の超
格子構造部の屈折率n_slの間には、 TEモード光に対して:n_sl＞n_dis TMモード光に対して:n_sl＜n_dis の偏波依存性があり、混晶化部ではTEモード光とTMモー
ド光の屈折率がほぼ等しい関係にあることが知られてい
る。

従って、光スイッチ部20においては、TEモード光に対
しては、領域III、即ち、光非線形部15の超格子構造部
がコア領域、また、TMモード光に対しては、領域II、即
ち、第１の分岐路13Aの混晶化部がコア領域として作用
することになる。

従って、入力ポート21から入力された信号光としての
TMモード光O_TMは、第１のＹ分岐部12Aにて等分に分岐さ
れて、第１及び第２の分岐路13A及び13Bをそれぞれ伝搬
する。

これら各分岐光は、第１及び第２の分岐路13A及び13B
の混晶化部をそれぞれ伝搬した後、第２のＹ分岐部12B
に到達し、ここで合波されて、当該半導体光スイッチの
出力光として出力ポート23から出力される。

一方、入出力ポート22から入力された制御光としての
TEモード光O_TEは、第３の分岐路13Cの混晶化部、光非線
形部15、混晶化部の順に伝般した後、出力ポート24から
出力される。

このように、信号光（TMモード光）と制御光（TEモー
ド光）とは、別々の出力ポート23,24から出力されるこ
とになる。

この一連の動作において、光スイッチ部20では、上記
したように、TEモード光O_TE及びTMモード光O_TMが共に通
過する構造になっている。このとき、光非線形部15に超
格子の吸収端波長を有するTEモード光O_TEが入力される
と、前提となる実施例の場合と同様の原理にて、半導体
超格子構造部において可飽和吸収が起こり、屈折率が変
化する。これにより、光スイッチ部20を通過するTMモー
ド光O_TMは、この屈折率変化による位相変化を受けるこ
とになる。

従って、マッハツェンダ干渉系の光路を通過後、即
ち、第１及び第２の分岐路13A及び13Bを伝搬した各分岐
光の間には位相差が生じる。その位相差の大きさによ
り、TMモード光O_TMの振幅が変調を受けることになる。

以上のように、本一実施例によれば、信号光としての
TMモード光O_TMは、混晶化部のみにて構成されている第
１及び第２のＹ分岐部12A及び12B並びに第１及び第２の
分岐路13A及び13Bのみを伝搬するので、当該半導体光ス
イッチを通過しても挿入損失を受けることはない。

また、信号光としてのTMモード光O_TMと、制御光とし
てのTEモード光O_TEとは、それぞれ異なる出力ポートか
ら出力されるため、これらの光を分離するための偏光フ
ィルタは不用である。従って、光情報処理システムの構
成の簡易化を図れる利点がある。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、半導体超格子
構造を混晶化したストライプ状光ガイド部からなり、光
パワーを等分に分岐または合波させる第１及び第２の分
岐部と、半導体超格子構造を混晶化したストライプ状光
ガイド部からなり、前記第１及び第２の分岐部の一の分
岐端同士を接続した第１の分岐路と、半導体超格子構造
を混晶化したストライプ状光ガイド部からなり、前記第
１及び第２の分岐部の他の分岐端同士を接続した第２の
分岐路と、半導体超格子構造のストライプ状光ガイド部
からなり、かつ、前記第１及び第２の分岐路のいずれか
一方の一側に接して一体化した第３の分岐路とを備えた
ので、信号光を混晶化部のみにて構成されている第１及
び第２の分岐部並びに第１及び第２の分岐路のみを伝搬
させることができ、当該半導体光スイッチを通過しても
挿入損失を受けることがなく、かつその構造を作製する
に際し、高度なエピタキシ技術を必要としない。従っ
て、低損失で、しかも効率のよいスイッチング動作を行
なうことがで、また、作製の容易な半導体光スイッチを
提供できるとともに、効率のよい光情報システムを構築
できる利点がある。また、信号光と制御光とを分離して
取り出すことができるため、偏光板等の余分な光学素子
は不要であり、光情報処理システムの構成の簡易化を図
れる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係るマッハツェンダ干渉型半導
体光スイッチの前提となる実施例を示す構成図、第１図
（ｂ）は第１図（ａ）のＸ−Ｘ線矢視方向の拡大断面
図、第２図は従来のマッハツェンダ干渉型半導体光スイ
ッチの構成図、第３図は本発明に係るマッハツェンダ干
渉型半導体光スイッチの一実施例を示す構成図、第４図
は第３図の光スイッチ部の等価屈折率分布を示す図であ
る。図中、10……GaAs基板、11……クラッド層、12A……第
１のＹ分岐部、12B……第２のＹ分岐部、13A……第１の
分岐路、13B……第２の分岐路、13C……第３の分岐路、
14,15……光非線形部、14a……超格子構造部、20……光
スイッチ部、21,22……入力ポート、23、24……出力ポ
ート、O_TE……TEモード光（制御光）、O_TM……TMモード
光（信号光）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−68330（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−187220（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−1292（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．49 Ｎｏ．９ＰＰ．510〜512 （1986) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．53 Ｎｏ．22 ＰＰ．2185〜2187 （1988) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/00 - 1/025 G02F 1/29 - 3/02 G02B 6/12 - 6/14 H01S 3/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体超格子構造を混晶化したストライプ
状光ガイド部からなり、光パワーを等分に分岐または合
波させる第１及び第２の分岐部と、半導体超格子構造を混晶化したストライプ状光ガイド部
からなり、前記第１及び第２の分岐部の一の分岐端同士
を接続した第１の分岐路と、半導体超格子構造を混晶化したストライプ状光ガイド部
からなり、前記第１及び第２の分岐部の他の分岐端同士
を接続した第２の分岐路と、半導体超格子構造のストライプ状光ガイド部からなり、
かつ、前記第１及び第２の分岐路のいずれか一方の一側
に接して一体化した第３の分岐路とを備えたことを特徴とする半導体光スイッチ。