JP2971419B2

JP2971419B2 - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2971419B2
Application number: JP20583897A
Authority: JP
Inventors: 信夫鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-11-08
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: JPH1152439A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光制御型の光スイ
ッチに係わり、特に半導体量子井戸中のサブバンド間遷
移を利用した超高速のデジタル光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】来るべきマルチメディア時代の光時分割
多重（ＯＴＤＭ）技術や光周波数分割多重（ＯＦＤＭ）
技術を駆使したテラビット光ネットワークにおいては、
信号光のルーティングのようなノード処理が技術のボト
ルネックになるものと予想される。従来の電気的な処理
では不可能な大容量のデータ処理を光ノードにより実現
するためには、超高速で高効率の光制御型光ルーティン
グスイッチの開発が急務である。

【０００３】現在研究開発が進められている超高速の光
スイッチとしては、非線形ループミラー（ＮＯＬＭ）に
代表されるような光ファイバの非線形性を用いた光スイ
ッチや、図１６に示したマッハツエンダー干渉計型の半
導体光スイッチがある。これらは基本的に干渉計であ
り、２つに分岐された信号光のうち一方の位相を強い制
御光パルスによる非線形光学効果でπシフトさせること
で、出力カプラから出力される信号光の分岐を切り替え
るというものである。

【０００４】図１７は、このような干渉計型の光スイッ
チの制御光入力パワーと信号光出力を模式的に説明する
図である。干渉計型であるから、光入出力特性は基本的
に周期性を有しており、制御光パワーは信号光の位相を
πシフトさせるのに適当な動作点に合わせる必要があ
る。しかしながら、環境温度、制御光パワー、結合係数
などの変動により動作点は敏感に変動するので、複雑な
安定化回路等を付加しない限り、望ましい光スイッチン
グ動作を維持することは困難である。

【０００５】一方、電気制御型の光スイッチではこのよ
うな高速動作は不可能であるが、動作点の変動に強いデ
ジタル光スイッチ（ＤＯＳ）が実現されている。図１８
はその構成を模式的に示す図である。徐々に２つに分か
れる分岐光導波路に複数の電極を形成しておき、逆バイ
アスないし電流注入で分岐光導波路の屈折率分布を不均
等にすることで、信号光が相対的に屈折率が高い分岐に
スイッチされるようにしたものである。

【０００６】しかしながら、超高速の光制御型では、以
下に述べるような問題により良好なＤＯＳは実現できて
いなかった。即ち、制御光で屈折率を低下させる場合
は、制御光ビームが光導波路断面の中で分散してしまう
ので、良好なスイッチングが行えない。制御光で屈折率
が増大する場合は、自己収束効果で安定な光導波が可能
である。ところが、信号光に対しても屈折率が上昇する
ので、パワーの大きな制御光とパワーの小さな制御光の
分離が困難である。さらに、信号光の伝搬特性が制御光
パルス波形（パワー変動や温度変動により変化）により
大きく変化するため、安定な出力信号光が得られない。
また、相互位相変調により信号光に大きな波長チャーピ
ングが発生してしまう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、超高
速動作可能な光制御型の光スイッチでは、温度変動や制
御光パワー変動により信号光の伝搬特性が大きく変化す
るため、安定な出力信号光が得られないという問題があ
った。

【０００８】本発明は、上記の事情を考慮して成された
もので、その目的とするところは、超高速で高速繰り返
しの光スイッチングを行うことができ、かつ温度変動や
制御光パワー変動に対して安定なデジタル光スイッチを
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（構成）本発明の骨子は、スイッチング原理として量子
井戸中のサブバンド間吸収の飽和を用い、かつ制御光と
信号光の波長を吸収飽和による屈折率変動が逆になるよ
うに設定することにある。

【００１０】即ち本発明は、光制御型の光スイッチにお
いて、伝導帯に複数のサブバンドが存在する半導体量子
井戸層を内部に有し、モード結合している入力部から出
力部に向けて徐々に２つに分岐するように構成され、強
い光の入射によりサブバンド間の吸収の飽和を生じる非
線形光導波路と、前記サブバンド間の吸収の飽和により
屈折率が低下する波長の信号光を、前記非線形光導波路
の入力部に入力する手段と、前記サブバンド間吸収の飽
和により屈折率が増大する波長の制御光を、前記非線形
光導波路に片側に偏るように入射する手段と、前記非線
形光導波路の出力部の２つの分岐の一方から信号光を出
力する手段とを具備してなることを特徴とする。

【００１１】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。（１）半導体量子井戸層は、窒素を含むIII-Ｖ族半導体
からなること。（1a）半導体量子井戸層は、ＧａＮ井戸層とＡｌ_x Ｇａ
_1-x Ｎ障壁層（１≧ｘ≧０．７）からなること。（1b）移動層に３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の電子が溜まるよ
うに、半導体量子井戸層を構成する層の全部ないしその
一部にｎ型不純物がドープされていること。

【００１２】（２）非線形光導波路は、信号光に対する
利得を有すること。（2a）非線形光導波路の一部に少なくともインジウムと
ガリウムと砒素とを構成元素として含む活性層が形成さ
れており、この活性層に電流を注入する手段が設けられ
ていること。（2b）（2a）の構成において、量子井戸層は窒素を含む
III-Ｖ族半導体からなり、活性層と近接して形成されて
いること。（2c）（2a）の構成において、活性層に流れる電流は量
子井戸層を流れないこと。

【００１３】(3) 非線形光導波路は、２本の光導波路で
形成され、各々の入力部は近接してモード結合している
が、各々の出力部は分離していること。 (4) 非線形光導波路は、入力側が１本で出力側が２本の
Ｙ分岐導波路で形成され、信号光は入力側から入力さ
れ、制御光は出力側から入力されること。

【００１４】（作用）本発明において、非線形光導波路
の制御光が伝搬する部位は、制御光に対しては屈折率が
増大するのに対して信号光に対しては屈折率が低下する
ので、信号光のみが制御光が伝搬しない分岐の方にスイ
ッチされる。このスイッチングは所定パワー以上の制御
光入力に対して安定なので、温度変動や制御光パワー変
動に強いデジタルな光スイッチングが実現される。

【００１５】しかも、信号光と制御光のパワー分布の重
なりが小さいので、信号光の伝搬特性は制御光のパワー
変化の影響を受けにくい。また、信号光と制御光が異な
る分岐を伝搬するうえ波長も異なるので、信号光と制御
光の分離も容易である。さら、サブバンド間遷移をスイ
ッチング原理としているので、非常に高速、高繰り返し
のスイッチ動作が可能である。

【００１６】また、半導体量子井戸層が、伝導帯不連続
の大きな窒素を含むIII-Ｖ族半導体で構成されている
と、短波長のサブバンド間吸収が可能になるので、光フ
ァイバ通信などで重要な近赤外波長帯で動作する光スイ
ッチが可能となる。

【００１７】また、窒化物半導体量子井戸はサブバンド
間緩和時間も短いので、高速応答（≧１Ｔｂ／ｓ）が可
能となる。さらに、窒化物半導体量子井戸ではキャリア
密度を高く（１０¹⁹ｃｍ^-3）することができる。キャリ
ア密度を３×１０¹⁸以上にすることで、大きな非線形光
吸収を実現することができる。

【００１８】また、非線形光導波路が信号光に対する利
得を有していれば、サブバンド間吸収等による信号光の
減衰を補償することができ、入力光を下回らない出力を
得ることが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係わる光スイッチの主要部を上面からみた構成を模式的
に示す図である。また、図２、３、４は、それぞれ図１
の光スイッチのＸ−Ｘ´断面、Ｙ−Ｙ´断面、Ｚ−Ｚ´
断面を模式的に示す図である。なお、信号入出力部を含
むモジュールの構成は従来技術と同様であるので、その
説明を省略する。

【００２０】本実施形態の光スイッチは、サファイヤ基
板１上に形成されたサブバンド間吸収領域２の非線形光
学応答をスイッチ原理として用いている。信号光は光導
波路３を介して基板１の端面からサブバンド間吸収領域
２に導かれる。一方、制御光パルスは光導波路４₁ 又は
４₂ を介してサブバンド間吸収領域２に導かれる。サブ
バンド間吸収領域２には、２本の非線形光導波路５₁ ，
５₂ が、入力部では近接してモード結合するが出力部で
は分離するように、入射面に対して垂直方向から若干ず
らして形成されている。非線形光導波路５₁ ，５₂ の出
力は、それぞれ出力光導波路６₁ ，６₂ を介して外部に
出力される。

【００２１】サブバンド間吸収領域２以外の部分は、ア
ンドープＡｌＮ下部クラッド層７、アンドーブＡｌＧａ
Ｎコア層８、アンドープＡｌＮ上部クラッド層９からな
る光導波構造を有している。なお、サファイヤ基板１上
に良好な窒化物半導体層を形成するために必要な低温成
長バッファ層等、本発明の作用原理に直接関係しない層
はその記載を省略した。

【００２２】上部クラッド層９にリッジを作製すること
で光導波路３，４₁ ，４₂ ，６₁ ，６₂ が形成されてい
る。一方、サブバンド間吸収領域２では、コア層８の代
わりに多重量子井戸からなる非線形光導波路層１０が形
成されており、同様に上部クラッドに形成されたリッジ
により非線形光導波路５₁ ，５₂ が規定されている。光
電界は、上下方向ではコア層８や多重量子井戸層１０を
中心に一部がクラッド層７，９にしみ出すように導波さ
れ、左右方向ではリッジで等価屈折率が高くなっている
部分を中心に導波される。

【００２３】入力光導波路３，４₁ ，４₂ と非線形光導
波路５₁ ，５₂ の突き合わせ結合部は、光導波路３を介
して導入された信号光が２つの非線形光導波路５₁ ，５
₂ にほぼ等しく結合するように、また、光導波路４₁ ，
４₂ を介して導入される制御光の殆どはそれぞれ対応す
る非線形光導波路５₁ ，５₂ に結合するように構成され
ている。

【００２４】この実施形態では、信号光が２つの非線形
導波路５₁ ，５₂ に効率良く結合するように、光導波路
３の先端はテーパ状に細くなっており、信号光パワーは
結合部において隣接する２本の光導波路４₁ ，４₂ にほ
ぼ同程度しみ出して導波されるように構成されている。
非線形導波路５₁ ，５₂ と出力導波路６₁ ，６₂ の間の
結合係数は、どちらの分岐も同じように構成されている
ので、制御光が入力されていない状態では、信号光は２
つの出力光導波路６₁ ，６₂ からほぼ均等に出力され
る。

【００２５】図５は、サブバンド間吸収領域２の基板法
線方向の光導波構造を示す伝導帯バンド図である。サブ
バンド間吸収領域２の下部クラッド層７と上部クラッド
層９に挟まれた非線形光導波路層１０は、下から順に、
アンドープＡｌ_0.7 Ｇａ_0.3Ｎ光ガイド層１１₁ 、アン
ドープＡｌＮ層１２₁ 、厚さ１．５６ｎｍ（６モノレー
ヤ）のｎ型（キャリア密度３×１０¹⁸ｃｍ^-3）ＧａＮ井
戸層１３と厚さ約２ｎｍ（８モノレーヤ）のアンドープ
ＡｌＮ障壁層１４からなる多重量子井戸層（２０井
戸）、アンドープＡｌＮ層１２₂ 、及びアンドープＡｌ
_0.7 Ｇａ_0.3 Ｎ光ガイド層１１₂ から構成されている。
量子井戸の伝導帯には、２つのサブバンド１５，１６が
形成されており、その遷移波長は１．４９μｍ（エネル
ギー差０．８３ｅＶ）である。

【００２６】図６は、サブバンド間吸収領域２以外の領
域の基板法線方向の光導波構造を示す伝導帯バンド図で
ある。サブバンド間吸収領域２以外の部分のコア層８
は、非線形光導波路層１０におけるアンドープＡｌＮ層
１２₁ 、ＧａＮ井戸層１３、ＡｌＮ障壁層１４、及びア
ンドープＡｌＮ層１２₂ を全て、アンドープＡｌ_0.5 Ｇ
ａ_0.5 Ｎ層１７で置き換えた構成になっている。

【００２７】図７は、サブバンド間吸収とその緩和過程
を説明するための図（井戸に平行な面内のサブバンドの
分散曲線）である。ＧａＮとＡｌＮの伝導帯不連続は２
ｅＶ近くあるので、サブバンド間吸収で第２のサブバン
ド１６に励起された電子が、量子井戸外部に漏れ出す心
配はない。光が入射していない状態では、電子の大部分
は第１のサブバンド１５の底の方に分布している。井戸
法線方向に偏波成分を持ち、サブバンド間遷移に共鳴す
る波長の短パルス光が入射すると、サブバンド間吸収に
より電子の一部は瞬間的に第２のサブバンド１６に励起
される。なお、以下の説明では、光は全て井戸に垂直方
向に偏波したＴＭモードであることを仮定する。

【００２８】入射光の強度が強い場台には、第１のサブ
バンド１５に分布する電子数の減少により、瞬間的な吸
収飽和を生じる。この動作は室温でも、室温より高温で
も発現する。

【００２９】第２のサブバンド１６に励起された電子
は、ＬＯフォノン（約９０ｍｅＶ）との相互作用によっ
て、第１のサブバンド１５の高エネルギー状態に緩和さ
れる。この波長帯にサブバンド間吸収を持つＧａＮ井戸
層の場合、その緩和時間は概ね１００ｆｓのオーダーで
ある。この結果、第１のサブバンド１５内には大きなエ
ネルギーを持つ非平衡電子が発生するが、電子間の相互
作用により２０ｆｓ前後の時定数で熱平衡フェルミ分布
（初期状態よりフェルミレベルとキャリア温度が高い）
に緩和する。また、高エネルギーの電子は、ＬＯフォノ
ン（約９０ｍｅＶ）を吐き出しながら、元の低エネルギ
ーの状態へと緩和していく。

【００３０】この過程で非平衡のＬＯフォノンが大量に
発生した場合は、一部の電子がＬＯフォノンを再吸収す
ることによりサブバンド内のエネルギー緩和にピコ秒オ
ーダーの裾引きが発生する。しかし、一旦第１のサブバ
ンド１５に緩和した電子は２０ｆｓ程度の短い間に熱平
衡分布に緩和してしまうので、ＬＯフォノンの再吸収に
より第２のサブバンド１６に戻る確率は低い。また、２
つのサブバンド１５，１６の分散曲線はほぼ平行なの
で、吸収の飽和は概ね第１のサブバンド１５にいる電子
数で決まり、電子がサブバンド内で取る波数（運動エネ
ルギー）には殆ど依存しない。

【００３１】また、ＧａＮの禁制帯幅は約３．５ｅＶと
広く、波長１．５５μｍの光に対して、多光子吸収も含
めてバンド間吸収は起こらない。従って、強い光パルス
によるサブバンド間吸収飽和の時定数は、ほぼサブバン
ド間緩和時間のみによって決まる。即ち、パルス光がな
くなってから１００ｆｓオーダーの時定数で吸収は元の
状態に復帰することになる。

【００３２】図８はサブバンド間吸収スペクトルと等価
屈折率の分散スペクトルを説明するための図であり、図
中の実線は、井戸に垂直な電界成分を持つＴＭモードの
光に対する、サブバンド間吸収スペクトルとそれに基づ
く等価屈折率の分散スペクトルを表す。図中の破線は、
強い光が入射した場合の吸収と屈折率の波長依存性を表
す。サブバンド間吸収の飽和があると、吸収ピーク波長
の長波長側では屈折率の低下が起こり、短波長側では屈
折率の増大が起こることになる。このような短い時間
（〜１００ｆｓ）の間では、電子の移動は無視できるの
で、光の通過する部分のみの屈折率が変化する。

【００３３】ここで、制御光の波長はサブバンド間吸収
ピーク波長の短波長側である１．４５μｍに設定され、
信号光の波長はサブバンド間吸収ピークの長波長側であ
る１．５５μｍに設定されているものとする。いずれの
波長も、サブバンド間吸収とその飽和の影響を受ける周
波数帯域内部にある。

【００３４】いま、信号光が光導波路３から入射され、
同時に強い制御光パルス（パルス幅１００ｆｓ）が光導
波路４₁ を介して非線形光導波路５₁ に入射された場合
を考える。強い制御光により非線形光導波路５₁ の制御
光に対する屈折率が上昇するので、制御光パルスは他方
の非線形光導波路５₂ に殆ど結合することなく、非線形
光導波路５₁ を伝搬し、出力光導波路６₁ から出射され
る。この制御光は、外部に設けられた波長フィルタによ
り容易に遮断することができる。

【００３５】一方、制御光が伝搬している非線形光導波
路５₁ の信号光に対する屈折率は低下するので、信号光
のパワーは相対的に屈折率の高い非線形光導波路５₂ の
方へと押しやられることになる。従って、十分な長さを
伝搬後には、殆どの信号光パワーは非線形光導波路５₂
に移動し、信号光は出力光導波路６₂ のみから出力され
る。

【００３６】図９に、制御光強度と出力信号光強度の関
係を示す。実線が制御光の伝搬する分岐の出力、破線が
制御光の伝搬しない分岐の出力を示す。非線形光導波路
５₁，５₂ の長さを１５０μｍ、入力部の非線形光導波
路５₁ ，５₂ の間隔を０．５μｍ、出力部の非線形光導
波路５₁ ，５₂ の間隔を１．５μｍとすると、屈折率変
化は約０．３％で十分であり、スイッチングに必要な制
御光パルスのエネルギーは１０ｐＪ程度で十分である。
制御光がこれより十分に強ければ、相対的に屈折率が高
い非線形光導波路５₂ へ信号光が押しやられる状況が維
持されるので、出力光導波路６₂ のみから信号光が出力
される。また、信号光と制御光の重なりが小さいので、
制御光パルス波形に依存した信号光伝搬特性（強度、パ
ワー分布、位相など）の変動は小さい。

【００３７】従って、干渉計型や非線形方向性結合器型
では実現できなかった、制御光パルスエネルギー変動や
環境温度変動等の影響を殆ど受けないデジタル光スイッ
チングが実現される。

【００３８】同様に、制御光パルスが光導波路４₂ から
のみ入力された場合には、信号光は出力光導波路６₁ か
ら出力される。同時に２つの導波路４₁ ，４₂ に制御光
パルスが入力された場合は、２つの分岐５₁ ，５₂ の屈
折率変化が同じなので、両方の出力光導波路６₁ ，６₂
からほぼ同じパワーの信号光が出力される。

【００３９】前述のように吸収飽和の時定数はサブバン
ド間緩和の時定数である１００ｆｓのオーダーであり、
２つのサブバンド１５，１６のキャリア分布は１ｐｓ以
内には元の状態に復帰しているから、毎秒１テラビット
の超高速繰り返し動作においてもパターン効果（過去の
履歴依存）を生じることがない。制御光パルス・エネル
ギーも１０ｐＪ程度で十分である。従って、超高速繰り
返し、低スイッチングエネルギーの光デジタルスイッチ
ングが実現される。勿論この光スイッチは室温以上の温
度でも動作する。

【００４０】（第２の実施形態）図１０は、本発明の第
２の実施形態に係わる光スイッチの構成を示す模式的に
示す図である。本実施形態に係わる光スイッチは、Ｓｉ
基板上に作製された２枚の平面光回路（ＰＬＣ）２１
₁ ，２１₂ とサファイヤ基板上に形成された窒化物半導
体光集積回路２２を主要部としてなる。第１の実施形態
の説明同様、入出力ファイバやモジュールの構成は説明
を省略する。

【００４１】窒化物半導体光集積回路２２は、第１の実
施形態におけるサブバンド間吸収領域２と同様に、Ｇａ
Ｎ／Ａｌ（Ｇａ）Ｎ多重量子井戸層をアンドープＡｌ
（Ｇａ）Ｎクラッド層で挟んだ層構造を有する。ＧａＮ
／Ａｌ（Ｇａ）Ｎ多重量子井戸層はｎ型にドープされて
おり、そのサブバンド間吸収波長は１．５μｍ付近にあ
る。

【００４２】ＰＬＣ２１₁ には、窒化物半導体光集積回
路２２に信号光を導入するための光導波路２３と制御光
を導入するための光導波路２４が形成されている。窒化
物半導体光集積回路２２には、非対称の２本の非線形光
導波路２５₁ ，２５₂ が形成されている。光導波路２３
の出力は主として非線形光導波路２５₁ に結合するが一
部は非線形光導波路２５₂ にも結合するように、光導波
路２４の出力は殆ど非線形光導波路２５₁ のみに結合す
るように、突き合わせ接続されている。

【００４３】非線形光導波路２５₁ ，２５₂ は、入射部
では平行近接して形成され、相互に結合しているが、途
中から小さな角度で分岐し、出射部では独立な光導波路
となっている。非線形光導波路２５₁ の方が非線形光導
波路２５₂ より広めに形成されており、強い制御光パル
スが入射されない場合、信号光は伝搬に伴って相対的に
等価屈折率の大きな非線形光導波路２５₁ の方に移動
し、非線形光導波路２５₁ から出力される。

【００４４】制御光ＰＬＣ２１₂ には、それぞれ非線形
光導波路２５₁ ，２５₂ と突き合わせ接続された出力光
導波路２６₁ ，２６₂ が形成されている。図１１は、図
１０に示すＰＬＣ２１₁ のＷ−Ｗ´切断面を模式的に説
明する図である。各光導波路のコア部分２３，２４はＧ
ｅが添加されたＳｉＯ₂ からなり、ＳｉＯ₂ クラッド２
７で周囲を囲まれている。光は一部がクラッド２７にし
み出した形で導波される。

【００４５】動作の原理は第１の実施形態の場合とほぼ
同じであるが、本実施形態では光導波路構造が非対称で
あり、制御光が片入力である点が異なっている。信号光
は、サブバンド間吸収波長よりやや長い波長のＴＭ光で
あり、強い制御光がない場合には、前述のように非線形
導波路２５₁ ，２５₂ の非対称性により、非線形光導波
路２５₁ から出力される。サブバンド間吸収波長よりや
や短い波長でＴＭモードの強い制御光パルスが光導波路
２４を介して非線形光導波路２５₁ に入射されると、非
線形導波路２５₁ の信号光に対する等価屈折率が相対的
に低下し、信号光は伝搬するに従って非線形光導波路２
５₂ の方に押しやられる。

【００４６】この結果、あるパワー以上の制御光パルス
が光導波路２４から入力されると、信号光は非線形光導
波路２５₂ の方にデジタルにスイッチされる。従って、
本実施形態においても、繰り返しが非常に速くてスイッ
チングに要するエネルギーも小さな、光デジタルスイッ
チングが実現される。

【００４７】（第３の実施形態）図１２は、本発明の第
３の実施形態に係わる光スイッチの概略構成を示す模式
図である。この光スイッチは、ＰＬＣ３１、サブバンド
間吸収波長約１．５μｍのｎ型ＡｌＮ／ＧａＮ量子井戸
を光導波層として有する半導体光集積回路３２、光ファ
イバ３３、光サーキュレータ３７₁ ，３７₂ ，３７₃ を
主たる構成要素としてなる。窒化物半導体光集積回路３
２には非線形光導波路からなるＹ分岐３５が、ＰＬＣ３
１にはＹ分岐３５の出力部と突き合わせ結合している光
導波路３６₁ ，３６₂ が、それぞれ形成されている。Ｙ
分岐３５の分岐角は、３ミリラジアンである。光ファイ
バ３３は各導波路３５，３６₁ ，３６₂ 突き合わせ結合
している。

【００４８】本実施形態では、前の実施形態とは異な
り、制御光パルスと信号光は逆方向に伝搬する。即ち、
入力信号光は光サーキュレータ３７₃ と光ファイバ３３
を介して図の左側からＹ分岐３５に入力されるのに対し
て、制御光は光サーキュレータ３７₁ 又は３７₂ 、光フ
ァイバ３３、光導波路３６₁ 又は３６₂ を介して、図の
右側からＹ分岐３５に入力される。制御光と信号光の出
力は、光サーキュレータ３７₁ ，３７₂ ，３７₃ により
分離される。信号光は１．６μｍ、制御光パルスの波長
は１．４μｍである。

【００４９】例えば、光サーキュレータ３７₂ から制御
光パルスが入力された場合、Ｙ分岐３５の光導波路３６
₂ に接続された分岐の信号光に対する等価屈折率が低下
し、信号光は相対的に屈折率が高い光導波路３６₁ に接
続された分岐に集中する。逆に、光サーキュレータ３７
₁ から制御光パルスが入力された場合は、光導波路３６
₂ の分岐から信号光が出力される。サブバンド間吸収の
飽和による屈折率変化の原理や動作は、前の２つの実施
形態と同様である。従って、本実施形態においても、超
高速の繰り返しでスイッチングエネルギーの低い光デジ
タルスイッチが実現される。

【００５０】（第４の実施形態）図１３は、本発明の第
４の実施形態に係わる光スイッチの概略構成を示す模式
図である。また、図１４、１５は、それぞれ図１３のＵ
−Ｕ´断面とＶ−Ｖ´断面を模式的に示す図である。

【００５１】この光スイッチは、ｐ型ＩｎＰ基板４１上
に形成されたＩｎＧａＡｓＰ活性層４７をコア層とする
リッジ型光導波路４３，４４₁ ，４４₂ ，４６₁ ，４６
₂ と、サファイヤ基板４２上に形成されたＧａＮ／Ａｌ
Ｎ多重量子井戸層５５及びＡｌ（Ｇａ）Ｎクラッド層５
６からなるメサ構造をＩｎＧａＡｓＰ活性層４７の一部
の上部に直接接着して一体化した非線形光導波路４５
₁ ，４５₂ とを主要構成要素としてなる。この例では、
接着面は量子井戸層５５のＡｌＮ層とｎ型ＩｎＰクラッ
ド層５６であるが、他の層を間に介在させても良い。

【００５２】非線形光導波路４５₁ ，４５₂ では、活性
層４７からしみ出した光電界の一部がＧａＮ／ＡｌＮ多
重量子井戸層５５に重なることによりサブバンド間吸収
が生じる。活性層４７に電流を注入するために、厚さ
０．１８μｍのｎ型ＩｎＰクラッド層５０、ｎ型ＩｎＰ
５１とｐ型ＩｎＰ５２からなる電流ブロック領域４８、
電極４９，５４が設けられている。近接するリッジ４
３，４４₁ ，４４₂ の間には、ポリイミド５３が埋め込
まれている。接着面を構成するＡｌＮ層とｎ型ＩｎＰク
ラッド層５６のバンド不連続のため、ＧａＮ／ＡｌＮ多
重量子井戸層５５には電流は注入されない。

【００５３】この光スイッチの動作は前述の実施形態の
光スイッチの動作と類似であるが、光導波路４３，４４
₁ ，４４₂ ，４６₁ ，４６₂ が電流注入による利得を有
している点が異なる。前の実施形態のように光導波路が
利得を持たない場合、サブバンド間吸収損失のため信号
光出力は入力よりもかなり小さくなってしまい、外部で
何らかの補償が必要になる。これに対して、本実施形態
のように利得があれば、入力と同程度ないしそれ以上の
信号光出力を得ることが可能となる。その他の点は前の
実施形態と同様であり、超高速の繰り返しでスイッチン
グエネルギーの低い光デジタルスイッチが実現される。

【００５４】（変形例）本発明は、上記の実施形態に限
られるものではなく、様々な組み合わせ、変形が可能で
ある。例えば、入出力部のＰＬＣに波長フィルタを集積
化したり、複数の光スイッチを同一基板上に集積化した
りしてもよい。また、第４の実施形態のように半導体基
板を用いた場合には、制御光パルス光源を集積化しても
よい。

【００５５】サブバンド間吸収を生じる材料もＡｌ（Ｇ
ａ）Ｎ／ＧａＮ量子井戸に限定されるものではなく、サ
ブバンド間吸収波長も１．５μｍ付近に限定されるもの
ではない。量子井戸層に対称結合量子井戸や非対称量子
井戸を用いて複数のサブバンド間吸収ピークを持つよう
にしてもよい。或いは、障壁層を薄くして超格子構造と
し、サブバンド間吸収というよりミニバンド間吸収の形
で用いてもよい。これらの場合も、制御光波長は吸収飽
和により屈折率が増大する波長に、信号光波長は吸収飽
和により屈折率が低下する波長に設定するものとする。
第１の実施形態では、井戸層のみに不純物ドーピングを
行ったが、量子井戸層全体にドーピングをしても、障壁
層の全部ないし一部に変調ドーピングを行っても構わな
い。光導波路の具体的な構造、形態も上記の実施形態に
限定されるものではない。その他、本発明の要旨を逸脱
しない範囲で、種々変形して実施することができる。

【００５６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ス
イッチング原理として量子井戸中のサブバンド間吸収の
飽和を用い、かつ制御光と信号光の波長を吸収飽和によ
る屈折率変動が逆になるように設定することにより、超
高速で高繰り返しの光スイッチングが実現される。しか
も、所定入力以上の制御光入力に対して出力ポートが変
化しないので、温度変動や制御光パワー変動に対して安
定な光デジタルスイッチングが実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係わる光スイッチ主要部の上
面から見た構成を模式的に示す図。

【図２】第１の実施形態に係わる光スイッチのＸ−Ｘ´
断面を模式的に示す図。

【図３】第１の実施形態に係わる光スイッチのＹ−Ｙ´
断面を模式的に示す図。

【図４】第１の実施形態に係わる光スイッチのＺ−Ｚ´
断面を模式的に示す図。

【図５】第１の実施形態に係わる光スイッチの、サブバ
ンド間吸収領域２の伝導帯バンド構造を模式的に示す
図。

【図６】第１の実施形態に係わる光スイッチの、サブバ
ンド間吸収領域２以外の領域の光導波層の伝導帯バンド
構造を模式的に示す図。

【図７】サブバンド間吸収とその緩和過程を説明する模
式図。

【図８】強い光が入射してないとき（実線）と強い光が
入力されたとき（破線）のサブバンド間吸収スペクトル
と等価屈折率の分散スペクトルを説明する図。

【図９】本発明の光スイッチにおける制御光パルス強度
と出力信号光強度の関係を示す。

【図１０】第２の実施形態に係わる光スイッチの構成を
示す模式的に示す図。

【図１１】第２の実施形態に係わる光スイッチのＷ−Ｗ
´断面を模式的に示す図。

【図１２】第３の実施形態に係わる光スイッチの概略構
成を示す模式図。

【図１３】第４の実施形態に係わる光スイッチの概略構
成を示す模式図。

【図１４】第４の実施形態に係わる光スイッチのＵ−Ｕ
´断面を模式的に示す図。

【図１５】第４の実施形態に係わる光スイッチのＶ−Ｖ
´断面を模式的に示す図。

【図１６】従来技術のマッハツエンダー干渉計型非線形
光スイッチの構成図。

【図１７】従来技術の干渉計型非線形光スイッチにおけ
る制御光入力と信号光出力の関係を説明する図。

【図１８】従来技術のデジタルオプティカルスイッチの
構成図。

【符号の説明】

１，４２…サファイヤ基板２，２２，３２…サブバンド間吸収領域３，２３，４３…信号光入力光導波路４₁ ，４₂ ，２４，４４₁ ，４４₂ …制御光入力光導波
路５₁ ，５₂ ，２５₁ ，２５₂ ，４５₁ ，４５₂ …非線形
光導波路６₁ ，６₂ ，２６₁ ，２６₂ ，３６₁ ，３６₂ ，４６
₁ ，４６₂ …出力光導波路７，９，２７…クラッド層８，２３，２４…コア１０…量子井戸導波層１３…井戸層１４…障壁層１５…第１のサブバンド１６…第２のサブバンド２１₁ ，２１₂ ，３１…ＰＬＣ３３…光ファイバ３５…非線形光Ｙ分岐３７₁ ，３７₂ ，３７₃ …光サーキュレータ４１…ｐ型ＩｎＰ基板４７…活性光導波路４８…電流ブロック領域４９，５４…電極５０…ｎ型ＩｎＰ層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】伝導帯に複数のサブバンドが存在する半導
体量子井戸層を内部に有し、モード結合している入力部
から出力部に向けて徐々に２つに分岐するように構成さ
れ、強い光の入射によりサブバンド間の吸収の飽和を生
じる非線形光導波路と、前記サブバンド間の吸収の飽和により屈折率が低下する
波長の信号光を、前記非線形光導波路の入力部に入力す
る手段と、前記サブバンド間吸収の飽和により屈折率が増大する波
長の制御光を、前記非線形光導波路に片側に偏るように
入射する手段と、前記非線形光導波路の出力部の２つの分岐の一方から信
号光を出力する手段とを具備してなることを特徴とする
光スイッチ。
【請求項２】前記半導体量子井戸層は、窒素を含むIII-
Ｖ族半導体からなることを特徴とする請求項１記載の光
スイッチ。
【請求項３】前記非線形光導波路は、信号光に対する利
得を有することを特徴とする請求項１記載の光スイッ
チ。