JP3249235B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光通信、光情報処理
分野における光信号の光スイッチに係り、特に多重歪量
子井戸構造の半導体多層薄膜を用いた光スイッチに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体極薄膜の両側を、エネルギーギャ
ップの大きな別の半導体ではさんだ量子井戸構造は、通
常のバルク半導体には見られない様々な新しい性質を有
しており、光デバイスへの応用が期待されている。例え
ば、量子井戸構造に電界を印加したときに、量子閉じこ
めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect 、
以下ＱＣＳＥと呼ぶ）によって引き起こされる屈折率変
化は通常のバルク半導体に比べてかなり大きいことが理
論及び実験により示されており、この効果を利用した光
スイッチは、小型かつ高速動作が期待されるため、実用
化を目指した研究が活発に行なわれている。

【０００３】図６は、例えば「固体物理」２４巻 １１
号（１９８９）pp１５８〜１６４に示された従来の２×
２光マトリクススイッチの構成図であり、図６におい
て、１はＩｎＰ基板、２はＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、
３はＩｎＰクラッド層、４，５は電極、６，６ａおよび
６ｂは光入出射口、７はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量
子井戸構造、８は多重量子井戸構造７を構成するＩｎＰ
バリア層、９はＩｎＰバリア層８により上下から囲まれ
たＩｎＧａＡｓＰ井戸層である。図７は多重量子井戸構
造７のバンドダイアグラムである。図７において、
（ａ）は無電界時、（ｂ）に電界Ｅ印加時のものであ
る。なおＩｎＧａＡｓＰ井戸層９の組成はＩｎＰバリア
層８に格子整合している。

【０００４】図６における光導波路はリッジ型光導波路
と呼ばれ、入射光は主として、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド
層２の部分を進行する。同図において、２本の光導波路
は適当な交差角で交差しており、交差部１０にＩｎＧａ
ＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造７が形成されている。
入射光は入射口６から上記交差部に入り、出射口６ａま
たは６ｂから出射される。

【０００５】次に動作について説明する。光の伝搬行路
は以下のようにして切り換えることができる。すなわち
多重量子井戸構造７に部分的に適当な電圧を加えると、
電圧の加わった部分は屈折率が低下するので、導波光は
その界面で全反射を起こし出射口６ｂから出射される。
多重量子井戸構造７に電界を印加しない時は、光の全反
射条件が満たされないので入射光は出射口６ａから出射
される。

【０００６】次に、印加電界の制御により多重量子井戸
構造７の屈折率が変化することを説明する。無電界時に
は、図７（ａ）に示すように、伝導帯の電子及び価電子
帯のホールの各準位に伴う波動関数は、井戸の中心に関
して対称である。ここで図７（ｂ）の矢印のように、井
戸層面に垂直な電界Ｅを印加すると、伝導帯の波動関数
は中心より左側に、価電子帯の波動関数は中心より右側
に移動する。

【０００７】波動関数が変形する結果として、準位間の
光学遷移に関与する振動子強度は変化する。その変化
は、（１）式に示すような行列要素Ｍijを計算すること
で、見積ることができる。但し、（１）式において、Ｆ
ie（ｚ）は電子のｉ番目のサブバンドの波動関数、Ｆjh
（ｚ）はホールのｊ番目のサブバンドの波動関数であ
る。

【０００８】

【数１】

【０００９】またこの時、伝導帯の量子化準位が低下
し、価電子帯の量子化準位が上昇するので、印加電界強
度の増大と共に、実効エネルギーギャップは減少する。
従って入射光に対する吸収係数のピーク波長は、低エネ
ルギー側にシフトする。このような実効エネルギーギャ
ップ及び振動子強度の変化の結果、光吸収係数の波長依
存性が変化する。

【００１０】上記のような井戸面内の自由キャリアの準
位間遷移の他に、励起子に関連した光学遷移をも考える
必要がある。電界印加時には、図７（ｂ）のように励起
子を構成している電子とホールは分極するので、両者の
間に働くクーロン引力が低下する。したがって、励起子
の結合エネルギーは減少し、井戸面内でのボーア半径が
増大する。その結果、さきに説明した振動子強度の変化
はさらに助長される。また量子井戸内では、１００ｋＶ
／ｃｍ程度の強電界のもとでも、励起子は安定に存在し
得る。従って、電界印加時にも、励起子の吸収スペクト
ル形状そのものは大きく変化せず、そのピーク波長が低
エネルギー側にシフトするだけであるため、特に励起子
の吸収波長付近では電界の有無により吸収係数は大きく
変化する。

【００１１】一方、屈折率と吸収係数の間には、クラマ
ース・クローニッヒの関係があるので、多重量子井戸構
造７に適当な電界を印加することにより、吸収係数が変
化すると、特定の波長を持つ入射光に対して屈折率を同
時に変化させることができる。

【００１２】例えば、入射光の波長が１５００ｎｍ、印
加電界が１００ｋＶ／ｃｍのとき、屈折率変化はおよそ
１％である。このとき、２本の光導波路の交差角を３°
以下になるように設計しておくと、入射口６から入射し
た光に対して、交差部１０において全反射条件が満たさ
れて、入射光は出射口６ｂから出射される。このように
多重量子井戸構造７の印加電界を制御することにより、
入射光のスイッチングを行なうことができる。

【００１３】一方、入射光に対する光透過率を変化させ
て光のスイッチングを行なうｐ−ｉ−ｎダイオード構造
のＳＥＥＤ型光スイッチも提案されている。

【００１４】図８は、例えば雑誌アイ・イー・イー・イ
ー・ジャーナル オブ クオンタムエレクトロニクスの
１９８９年、第２１巻、９号、ｐｐ１４６２−１４７６
（IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-21,
NO.9, 1989, pp1462-1476)に示された従来のＳＥＥＤ
（self-electro-optic device)型光スイッチの断面側面
図である。図８において、１３は定電圧電源、１４は外
部抵抗、１５はｐ−ＡＩＧａＡｓ層、１６は光吸収層
（ｉ層）、１７は多重量子井戸構造、１８はＡｌＧａＡ
ｓバリア層、１９はＧａＡｓ井戸層、２０はｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ層、２１は入力光、２２は出力光である。

【００１５】次に動作について説明する。ＳＥＥＤ型光
スイッチには様々な動作モードがあり、それぞれ応用が
考えられているが、ここでは入力光強度に対する出力光
の光双安定動作について説明する。量子井戸内のｎ＝１
の重い正孔の励起子の吸収ピーク波長よりやや長波長側
の入射光をデバイスに照射したときの光電流と逆バイア
ス電圧の関係について述べる。逆バイアス電圧を増大さ
せると、量子井戸層にかかる電界が増加し、励起子吸収
ピーク波長は長波長側に移動する。ｎ＝１の重い正孔の
励起子の吸収ピーク波長が入力波長と一致すると、入力
光２１は図８のＧａＡｓ井戸層１９で大きな吸収を受
け、外部回路に大きな光電流が流れる。さらに逆バイア
ス電圧を増大させると、ｎ＝１の重い正孔の励起子の吸
収ピーク波長が長波長側に移動し、入力光２１の吸収が
減少するので光電流の吸収も減少する。続いてさらに逆
バイアス電圧を増大させると、ｎ＝１の軽い正孔の励起
子の吸収ピーク波長が入力波長と一致するので、入力光
２１は図８のＧａＡｓ井戸層１９で大きな吸収を受け、
再び外部回路に大きな光電流が流れる。以上の結果を総
合すると光電流と逆バイアス電圧の関係は図９（ａ）の
曲線２４で与えられる。

【００１６】従って入力光の強度を一定とすると、外部
負荷直線は直線２３で与えられるので、動作点は２５，
２６，２７となる。この内で安定な動作点は２５，２７
だけである。同様にして入力光２１の強度を変化させた
時の動作点の位置を調べることにより、図９（ｂ）に示
したような光入力に対する、光出力の光双安定動作が理
解できる。このようにＳＥＥＤ型光スイッチは、負荷の
電流電圧特性に対して、入力光２１の強度を変えること
によってスイッチングを行うことができる。

【００１７】一方、ＳＥＥＤ型光スイッチのように、逆
バイアスされた量子井戸構造を持つ素子は基本的にはキ
ャパシタとして働く。従って充電に要する時間は入力光
強度と逆比例の関係にある。しかしキャリアが量子井戸
から出ていく速さは有限であるため、量子井戸内部にキ
ャリアの蓄積が起こり、その結果、あるキャリアの蓄積
レベルで励起子が飽和して吸収ピークの、励起子に起因
した急峻性が損なわれる。したがって、量子井戸構造の
吸収率の変化を光のスイッチングに用いる上で入力光強
度に上限があった。

【００１８】上記の問題点を解決するためには、量子井
戸のバリアを低くして、キャリアの脱離を促進すればよ
い。このような考えに基づいた試みとして、例えば１９
９０年発行の雑誌アプライド・フィジックス・レターズ
５７巻、２４号のｐｐ２５８２−２５８４（Applied Ph
ysics Letters, vol. 57, No.24, 1990, pp2582-2584）
に示されているように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料
でＡｌの組成ｘ（従ってＧａの組成ｌ−ｘ）が０．０２
から０．０６のバリアの低い量子井戸を用いて、ＳＥＥ
Ｄ型光スイッチを構成した例がある。

【００１９】以下、図を用いてその構成を簡単に説明す
る。図１０において、２８はＧａＡｓキャップ層、２９
はｎ−ＧａＡｓ基板、３０は電極、３１は５０周期の量
子井戸層、３２はＡｌの組成ｘが０．０２から０．０６
のＡｌＧａＡｓバリア層である。入力光２１は図１０の
ようにＧａＡｓキャップ層２８を通過してＡｌＧａＡｓ
バリア層３２とＧａＡｓ井戸層１９からなる５０周期の
量子井戸層３１に入射し、素子の逆バイアス電圧の値に
応じた吸収を受けた後に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２０を透
過して図１０の下方に出射する。この時ｎ−ＧａＡｓ基
板２９によって出力光２２が吸収されないように、ｎ−
ＡｌＧａＡｓ層２０に達するまでｎ−ＧａＡｓ基板２９
をエッチングで除去する必要がある。なお簡単のため図
８では省略したが、実際の素子の作製プロセスにおいて
は、同様にＧａＡｓ基板をエッチングで除去する必要が
ある。

【００２０】次に動作について説明する。図１１はＡｌ
の組成ｘが０．０２のＡｌＧａＡｓバリア層３２を含
み、従ってＧａＡｓ井戸層１９に対する全バンドオフセ
ットが室温の熱エネルギーと同程度の、量子井戸層を有
するサンプルに対する、入力光の透過率の波長依存性を
表す。図１１において、３３と３４は各々、逆バイアス
電圧０Ｖと−２Ｖにおける入力光の透過率の波長依存性
を表す曲線である。逆バイアス電圧０Ｖにおいては、曲
線３３のように強い励起子吸収が見られる。電場をかけ
ると励起子は容易にイオン化し、吸収ピーク波長が長波
長側に移動し、逆バイアス電圧−２Ｖでは励起子の吸収
ピークがほとんど見られなくなる。数値例として、逆バ
イアス電圧を１Ｖから−３Ｖまで変化させると、透過率
は２９％から４７％まで変化する。

【００２１】このように量子井戸のバリアを低くするこ
とにより、入力光の飽和強度が大きく、小さなバイアス
電圧で大きな透過率変化を得られるＳＥＥＤ型光スイッ
チを構成することができる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】従来の２×２光マトリ
クススイッチは以上のように構成されているので、大き
な屈折率変化を得るためには大きな電圧を電極４，５間
に印加する必要があり、消費電力が大きくなるなどの問
題点があった。また、従来のＳＥＥＤ型光スイッチは以
上のように構成されているので、入力光に対する大きな
吸収係数の変化を得るためには電極３０，３０ａ間の印
加電圧を大きくする必要があり、消費電力が大きくなる
などの問題点があった。

【００２３】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、交差部の屈折率または透過率を
高速かつ低電圧で変化させることができ、したがって、
低電圧で動作させることができ、消費電力を小さくする
ことができる光スイッチを提供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る光
スイッチは、基板上に形成された複数の光導波路の交差
部に部分的に電界を印加することにより、該交差部の屈
折率を変化させ入射光を全反射させて光の伝搬する行路
を切り換える全反射型の光スイッチであり、前記交差部
に、歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造
を形成し、前記歪量子井戸層を、格子定数が前記基板の
格子定数と等しいかまたはわずかに大きい１つ以上の第
一の半導体層と、該第一の半導体層の両面に形成され、
格子定数が前記基板の格子定数より小さく、かつバンド
ギャップが前記基板のバンドギャップより小さい第二の
半導体層と、前記第一及び第二の半導体層により形成さ
れた積層体の両面に形成され、格子定数が前記基板の格
子定数と等しい第三の半導体層とを備えるように構成
し、前記第二の半導体層の格子定数を、該第二の半導体
層の価電子帯頂上のエネルギー準位が前記第一の半導体
層の価電子帯頂上のエネルギー準位と等しいかまたは同
程度となり、かつ前記第一の半導体層の伝導帯下端のエ
ネルギー準位と前記第二の半導体層の伝導帯下端のエネ
ルギー準位との差が電界印加時に電子の波動関数が前記
第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さ
くなるように設定したものである。

【００２５】

【００２６】請求項２の発明に係る光スイッチは、前記
第三の半導体層の格子定数が前記第二の半導体層の格子
定数より小さく、かつ第三の半導体層のバンドギャップ
が前記基板のバンドギャップより小さいものである。

【００２７】請求項３の発明に係る光スイッチは、真性
層に量子井戸構造を含むｐ−ｉ−ｎ構造を有し、前記量
子井戸構造に電界を印加することにより該量子井戸構造
の入射光に対する光透過率を変化させ光のスイッチング
を行なうＳＥＥＤ型の光スイッチであり、前記量子井戸
構造を請求項２記載の多重歪量子井戸構造としたもので
ある。

【００２８】

【作用】請求項１の発明における光スイッチは、多重歪
量子井戸構造を構成する歪量子井戸層を、格子定数が基
板の格子定数と等しいかまたはわずかに大きい１つ以上
の第一の半導体層と、第一の半導体層の両面に形成さ
れ、格子定数が基板の格子定数より小さく、かつバンド
ギャップが基板のバンドギャップより小さい第二の半導
体層とを備えるように構成し、第二の半導体層の格子定
数を、第二の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位
が第一の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位と等
しいかまたは同程度となり、かつ第一の半導体層の伝導
帯下端のエネルギー準位と第二の半導体層の伝導帯下端
のエネルギー準位との差が電界印加時に電子の波動関数
が第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小
さくなるように設定したことにより、歪量子井戸内にあ
る電子が空間的に閉じ込められている領域より、正孔が
空間的に閉じ込められている領域の方が広くなり、電界
印加時に電子の波動関数が第二の半導体層に容易にしみ
だし、低い電界を印加した時にも十分な屈折率変化が生
じる。

【００２９】

【００３０】請求項２の発明における光スイッチは、第
三の半導体層の格子定数を第二の半導体層の格子定数よ
り小さく、かつ第三の半導体層のバンドギャップを基板
のバンドギャップより小さくしたことにより、屈折率変
化がさらに大きくなる。

【００３１】請求項３の発明における光スイッチは、量
子井戸構造を請求項２記載の多重歪量子井戸構造とした
ことにより、多重歪量子井戸構造の透過光強度が大きく
変化する。

【００３２】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１は２×２光マトリクススイッチの構成図であ
る。図において、１はＩｎｐ（基板）、２はＩｎＧａＡ
ｓＰ光ガイド層（光導波路）、３はＩｎＰクラッド層
（光導波路）、４１はＩｎＰ基板と光ガイド層２および
クラッド層３で構成された２本の光導波路の交差部４０
に形成されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構
造、４２は多重歪量子井戸構造４１を構成するＩｎＧａ
Ａｓ井戸層（第一の半導体層）、４３はＩｎＧａＡｓ歪
バリア層（第二の半導体層）、８はＩｎＰバリア層（第
三の半導体層）、４，５は電極６，６ａおよび６ｂは光
入出射口である。また、図２は多重歪量子井戸構造４１
のバンドダイヤグラムであり、図２において、（ａ）は
無電界時、（ｂ）は電界印加時のものである。なおＩｎ
ＧａＡｓＰ層の組成はＩｎＰに格子整合している。

【００３３】次に動作について説明する。まずＩｎＧａ
Ａｓ歪バリア層４３のＩｎの組成ｘ（したがってＧａの
組成 １−ｘ）について述べる。ＩｎＰとこれに格子整
合するＩｎＧａＡｓの価電子帯では、ガンマ点において
ヘビーホール準位とライトホール準位が縮退している。
いまこれら結晶薄膜の（００１）面内に二軸性の引っ張
り応力が加わると、ガンマ点においてライトホール準位
はヘビーホール準位に比べて高エネルギー側にシフトす
る。

【００３４】ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構造
４１では、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３にのみ歪が加わ
るようにすることができる。これにより、ＩｎＧａＡｓ
井戸層４２の価電子帯のガンマ点におけるヘビーホール
準位およびライトホール準位と、ＩｎＧａＡｓ歪バリア
層４３のライトホール準位を等しくさせることができ
る。なおＩｎＧａＡｓ井戸層４２のヘビーホール準位と
ライトホール準位が量子井戸構造にも関わらず縮退する
のは、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のライトホール準位
がエネルギー的に近づくことにより、ＩｎＧａＡｓ井戸
層４２のホールを閉じこめるポテンシャルバリアがなく
なるためである。

【００３５】このような系の候補として例えばＩｎＧａ
Ａｓ歪バリア層４３のＩｎの組成ｘをＩｎＰに格子整合
する値である０．５３よりも小さくするとよい。ＩｎＧ
ａＡｓ井戸層４２のＩｎの組成ｘは０．５３に等しい
か、わずかに大きくする。この場合ＩｎＧａＡｓ歪バリ
ア層４３の格子定数はＩｎＧａＡｓ井戸層４２やＩｎＰ
バリア層８の格子定数よりも小さくなるため、ＩｎＧａ
Ａｓ歪バリア層４３には界面に平行方向に引っ張り応力
を受ける。ＩｎＰバリア層８で挟まれたＩｎＧａＡｓ井
戸層４２とＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のトータルの厚
みは、界面での格子不整合によりミスフィット転位が生
じる臨界膜厚よりも小さくなるように選ぶものとする。
従って上で説明した状況がこの系について成立する。

【００３６】次に、多重歪量子井戸構造４１に電界を印
加することにより、この部分の屈折率変化を起こさせる
メカニズムについて図２に基づき説明する。図２におい
て、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２及びＩｎＧａＡｓ歪バリア
層４３からなり、ＩｎＰバリア層８で挟まれている部分
（以下、簡単のためにこの部分を歪多層井戸と呼ぶ）の
膜厚はホールに対する量子井戸としての２次元的な閉じ
込めが成立し、かつミスフィット転位が生じる臨界膜厚
よりも小さくなる程度に設定されている。図２では井戸
数が２の場合の具体例について示したが上記条件が満た
されていれば井戸数が異なる場合においても当然成立す
る。図２（ａ）に示したように無電界時には電子はＩｎ
ＧａＡｓ井戸層４２に、ホールは歪多層井戸全体に閉じ
こめられている。電界を印加すると、図２（ｂ）に示す
ように電子の波動関数は、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３
へ容易に滲み出す。その結果励起子はイオン化し、無電
界時と比較すると入射光に対する屈折率は大きく変化す
る。屈折率変化を入射光の行路切り替えに用いるのは従
来例と同様であるが、以下の点で本実施例は従来例と比
較して優れた特性を有する。

【００３７】式（１）からわかるように、伝導帯と価電
子帯の量子化準位間の光学的遷移の振動子強度は、電子
とホールの波動関数の重なり積分に比例する。電界によ
り電子とホールは互いに逆方向に変位するので、この波
動関数の重なり積分の値は、電子とホールの波動関数の
変位量が大きいほど小さくなる傾向を示す。従来例にお
ける多重量子井戸構造７では、図７に示すように電界が
印加されたとき、電子とホールは同じ量子井戸内で互い
に逆方向に変位する。一方、本実施例における多重歪量
子井戸構造４１では、図２に示すように電界が印加され
たとき、電子の波動関数はＩＮＧａＡｓ井戸層４２から
ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３に大きくしみだし、又ホー
ルの波動関数は、ホールに対するポテンシャルバリアが
ないためにＩｎＰバリア層８によってせき止まられる位
置まで電子とは反対方向に変位することができる。従っ
て波動関数の重なり積分の値は、従来例と比べて、より
小さな印加電界で大きく変化し、励起子もイオン化する
ので大きな屈折率変化が得られることになる。

【００３８】実施例２．上記実施例１では、多重歪量子
井戸構造４１において、複数のＩｎＧａＡｓ井戸層４２
及びＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３により構成される歪多
層井戸が、ＩｎＰバリア層８で挟まれている場合につい
て示したが、図３に示すようにＩｎＰバリア層８の代わ
りにＩｎ組成０．５２でＩｎＰ基板に格子整合するＩｎ
_0.52Ａｌ_0.48Ａｓバリア層（第三の半導体層）５１で挟
まれる多重歪量子井戸構造５２の場合にも同様な効果が
ある。この構造では、多重歪量子井戸構造５２を結晶成
長させる際に、上記実施例１ではＡｓとＰの二種類の５
族元素が必要となるのに対して、本実施例では一種類の
５族元素Ａｓだけが必要なので、ヘテロ界面での５族元
素の切り替えを行なう必要がなくなり、より容易であ
る。

【００３９】実施例３．上記実施例２では、ＩｎＧａＡ
ｓの歪多層井戸をＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓバリア層５１で
挟まれる場合について示したが、図４に示すようにＩｎ
ＧａＡｓだけで構成される多重歪量子井戸構造６１の場
合にも同様な効果がある。この構造は、上記歪多層井戸
が、ＩｎＡｌＡｓバリア層５１の代わりに、Ｉｎ組成ｙ
（従ってＧａ組成１−ｙ）がＩｎＧａＡｓ歪バリア層４
３のＩｎ組成ｘよりもさらに小さい、別のＩｎＧａＡｓ
歪バリア層（第三の半導体層）６２によって挟まれたも
ので、実施例１で説明したバンドギャップに対する歪の
効果を引き出すためには、歪多層井戸の膜厚を転位の発
生が起こり始める臨界膜厚以下に設定すべきことはいう
までもない。この場合にも上記と同様に一種類の５族元
素Ａｓだけを用いて多重歪量子井戸構造６１を結晶成長
をさせることが可能なので、ヘテロ界面での５族元素の
切り替えが不要な点が利点である。

【００４０】実施例４．上記実施例３で説明したＩｎＧ
ａＡｓだけで多重歪量子井戸構造６１を構成した場合に
は、実施例１で説明した全反射型スイッチだけでなく、
透過型の光スイッチを構成することが可能となる。以
下、本実施例を図にしたがって簡単に説明する。図５に
おいて、７１はｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、７２は
ｐ−ＩｎＰ層、７３はｎ−ＩｎＰ層、７４はｎ−ＩｎＰ
基板である。この実施例では実施例３で説明したＩｎＧ
ａＡｓ多重歪量子井戸構造６１が光吸収層として素子中
に図５のように作り込まれている。

【００４１】次に動作について説明する。図４におい
て、（ａ）は無電界時のバンドダイアグラムである。電
界を印加すると、（ｂ）に示すようにＩｎＧａＡｓ井戸
層４２に閉じこめられた電子の波動関数はＩｎＧａＡｓ
歪バリア層４３に大きくしみだし、一方ホールの波動関
数は電子と反対方向にＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３まで
大きくしみだして、励起子はイオン化する。従って、実
施例１で説明したように無電界時と有電界時では、Ｉｎ
ＧａＡｓ井戸層４２、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３，６
２からなる多重歪量子井戸部分の、入力光に対する大き
な吸収係数の変化が起こり、透過光強度が大きく変化す
るので入力光２１のスイッチングが可能となる。

【００４２】このように本実施例では、ＩｎＰ系材料
で、ＩｎＧａＡｓ多重歪量子井戸構造６１を用いて透過
型の光スイッチを構成したので、低電圧で動作が可能で
あり、かつＩｎＰ基板は入力光に対して透明であるため
に、ＧａＡｓ系材料による従来例と比較すると基板をエ
ッチングする必要がなく、素子作製プロセスが簡単にな
るという効果がある。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、多重歪量子井戸構造を構成する歪量子井戸層を、格
子定数が基板の格子定数と等しいかまたはわずかに大き
い１つ以上の第一の半導体層と、第一の半導体層の両面
に形成され、格子定数が基板の格子定数より小さく、か
つバンドギャップが基板のバンドギャップより小さい第
二の半導体層とを備えるように構成し、第二の半導体層
の格子定数を、第二の半導体層の価電子帯頂上のエネル
ギー準位が第一の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー
準位と等しいかまたは同程度となり、かつ第一の半導体
層の伝導帯下端のエネルギー準位と第二の半導体層の伝
導帯下端のエネルギー準位との差が電界印加時に電子の
波動関数が第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度
に十分小さくなるように設定したので、低い電界を印加
した場合においても十分な屈折率変化を生じさせること
ができ、したがって、低電圧で動作させることができ、
消費電力を小さくする効果がある。

【００４４】

【００４５】また、請求項２の発明によれば、第三の半
導体層の格子定数を第二の半導体層の格子定数より小さ
く、かつ第三の半導体層のバンドギャップを基板のバン
ドギャップより小さくしたので、交差部の屈折率変化を
さらに大きくすることができ、したがって、より低電圧
で動作させることができ、消費電力をさらに小さくする
効果がある。

【００４６】また、請求項３の発明によれば、量子井戸
構造を請求項２記載の多重歪量子井戸構造としたので、
素子の透過光強度を大きく変化させることができ、した
がって、低電圧で動作させることができ、消費電力を小
さくする効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による全反射型光スイッチ
を示す斜視図である。

【図２】この発明の一実施例による光スイッチの動作原
理を説明するための歪量子井戸層のバンドダイアグラム
を示す図である。

【図３】この発明の他の実施例における歪量子井戸層の
バンドダイアグラムを示す図である。

【図４】この発明の他の実施例における歪量子井戸層の
バンドダイアグラムを示す図である。

【図５】この発明の一実施例による透過型光スイッチの
構成を示す断面側面図である。

【図６】従来の全反射型光スイッチを示す斜視図であ
る。

【図７】従来の光スイッチの動作原理を説明するための
量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。

【図８】従来のＳＥＥＤの構成を示す断面側面図であ
る。

【図９】従来のＳＥＥＤの動作原理および特性を示す説
明図である。

【図１０】従来の（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系での）改
良型ＳＥＥＤの構成を示す断面側面図である。

【図１１】従来の改良型ＳＥＥＤの透過率の波長依存性
を示す図である。

【符号の説明】

１ ＩｎＰ基板（基板） ２ ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（光導波路） ３ ＩｎＰクラッド層（光導波路） ８ ＩｎＰバリア層（第三の半導体層） ４０ 交差部 ４１ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構造（多重
歪量子井戸構造） ４２ ＩｎＧａＡｓ井戸層（第一の半導体層） ４３ ＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第二の半導体層） ５１ Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓバリア層（第三の半導体
層） ５２ 多重歪量子井戸構造 ６１ 多重歪量子井戸構造 ６２ ＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第三の半導体層） ７１ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層 ７２ ｐ−ＩｎＰ層 ７３ ｎ−ＩｎＰ層 ７４ ｎ−ＩｎＰ基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 一 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (72)発明者 杉本 博司 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平５−27274（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖ ｏｌ．56 Ｎｏ．14，ｐ．1347−1349 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/00 - 1/125 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された複数の光導波路の交
   差部に電界を印加することにより、該交差部の屈折率を
   変化させ入射光を全反射させて光の伝搬する行路を切り
   換える全反射型の光スイッチにおいて、前記交差部に、
   歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造を形
   成し、前記歪量子井戸層は、格子定数が前記基板の格子
   定数と等しいかまたはわずかに大きい１つ以上の第一の
   半導体層と、該第一の半導体層の両面に形成され、格子
   定数が前記基板の格子定数より小さく、かつバンドギャ
   ップが前記基板のバンドギャップより小さい第二の半導
   体層と、前記第一及び第二の半導体層により形成された
   積層体の両面に形成された第三の半導体層とを備え、 前記第二の半導体層の格子定数を、 該第二の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位が前
   記第一の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位と等
   しいかまたは同程度となり、かつ前記第一の半導体層の
   伝導帯下端のエネルギー準位と前記第二の半導体層の伝
   導帯下端のエネルギー準位との差が電界印加時に電子の
   波動関数が前記第二の半導体層にしみ出すことが可能な
   程度に十分小さくなるように設定した ことを特徴とする
   光スイッチ。
2. 【請求項２】 前記第三の半導体層は、その格子定数が
   前記第二の半導体層の格子定数より小さく、かつそのバ
   ンドギャップが前記基板のバンドギャップより小さいこ
   とを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
3. 【請求項３】 真性層に量子井戸構造を含むｐ−ｉ−ｎ
   構造を有し、前記量子井戸構造に電界を印加することに
   より該量子井戸構造の入射光に対する光透過率を変化さ
   せ光のスイッチングを行うＳＥＥＤ型の光スイッチにお
   いて、前記量子井戸構造を、請求項２記載の多重歪量子
   井戸構造としたことを特徴とする光スイッチ。