JP4158098B2 - 光スイッチの駆動方法及びこれを用いた駆動回路 - Google Patents
光スイッチの駆動方法及びこれを用いた駆動回路 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
本発明は、キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法に関し、特に高速駆動が可能な光スイッチの駆動及びこれを用いた駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の通信ネットワークであるＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）等では、通常電気信号をもって情報を伝送する通信方式となっている。
【０００３】
光信号をもって情報を伝送する通信方法は大量のデータを伝送する基幹ネットワークやその他一部のネットワークで用いられているだけである。また、これらのネットワークは”point to point”の通信であり、”フォトニックネットワーク”と言える通信網までは発達していないのが現状である。
【０００４】
このような”フォトニックネットワーク”を実現するためには、電気信号の送信先を切り換えるルータやスイッチングハブ等といった装置と同様の機能を有する”光ルータ”や”光スイッチングハブ”等が必要になる。
【０００５】
また、このような装置では高速に伝送経路を切り換える光スイッチが必要になり、ニオブ酸リチウムやＰＬＺＴ（Lead Lanthanum Zirconate Titanate）等の強誘電体を用いたものや、半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換えるものが存在する。
【０００６】
さらに、最近では平面ガラス光導波路上に集積したヒーターで発熱させ、当該ヒータが形成され部分の屈折率を変化させることにより、スイッチング動作を行わせるものもある。
【０００７】
そして、従来の半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−１３０２３６号公報
【特許文献２】
特開平６−２８９３３９号公報
【非特許文献１】
「2x2 Optical Waveguide Switch with Bow-Tie Electrode Based on Carrier-Injection Total Internal Reflection in SiGe Alloy」, Baojun Li and Soo-Jin Chua, p206-p208, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.13, NO.3, MARCH 2001
【０００９】
図４及び図５はこのような従来の光スイッチの一例を示す平面図及び断面図である。図４において１はＧａＡｓやＩｎＰ等の半導体の基板、２は”Ｘ字状”の光導波路を有するｎ型の光導波路層、３は電子が注入されるＮ電極、４は正孔が注入されるＰ電極である。
【００１０】
図４において基板１上には”Ｘ字状”の光導波路を有する光導波路層２が形成され、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分には長方形状のＮ電極３が形成される。また、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍であってＮ電極３に並行して長方形状のＰ電極４が形成される。
【００１１】
一方、図５は図４中”Ａ−Ａ’”における断面図であり、１，２，３及び４は図４と同一符号を付してあり、５はｐ型のＧａＡｓ等のコンタクト層、６はｎ型のＡｌＧａＡｓ等のクラッド層、７はｎ型のＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等のキャップ層、８はＳｉＯ２ 等の絶縁膜、９ａ，９ｂ及び９ｃは絶縁層であるポリイミド層、１０ａ及び１０ｂは配線パターンである。
【００１２】
基板１上にはコンタクト層５、クラッド層６及び光導波路層２が台形状になるように順次形成され、光導波路層２上の一部にはキャップ層７が形成される。
【００１３】
基板１、コンタクト層５、クラッド層６及び光導波路層２上であってキャップ層７及びコンタクト層５の一部以外には絶縁膜８が形成される。また、キャップ層７及びコンタクト層５の一部にＮ電極３及びＰ電極４がそれぞれ形成される。
【００１４】
絶縁膜８上にはポリイミド層９ａ，９ｂ及び９ｃがそれぞれ形成され、配線パターン１０ａはポリイミド層９ａ上に形成されると共にＮ電極３に接続され、配線パターン１０ｂはポリイミド層９ｃ上に形成されると共にＰ電極４に接続される。
【００１５】
ここで、図４に示す従来例の動作を図５を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、Ｎ電極３及びＰ電極４には電流が供給されない。
【００１６】
このため、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分を直進して図４中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。
【００１７】
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、Ｎ電極３から電子が注入され、Ｐ電極４からは正孔が注入され、このため、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。
【００１８】
このため、プラズマ効果によって図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図４中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。
【００１９】
この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路の交差部分にキャリア（電子、正孔）を注入して交差部分の屈折率を制御することにより、光信号の出射される位置を制御、言い換えれば、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４及び図５に示す従来例では、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分へのキャリアの注入効率を高くするためコンタクト層５とクラッド層６によって形成されるＰＮ接合のダイオード構造を用いており、図示しない駆動回路から駆動電流がＮ電極３及びＰ電極４に印加されることになる。
【００２１】
”ナノ秒”程度の速度でこのようなＰＮ接合のダイオード構造の構成を有する光スイッチを高速動作させようとした場合には、ＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差が大きく異なることに起因する駆動電流の反射により、図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分に有効にキャリアを注入できなくなり高速動作が困難であると言った問題点があった。
【００２２】
例えば、図６及び図７は光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性及び電圧−容量特性を示す特性曲線図である。図６中”ＣＨ１１”に示す特性曲線から図６中”ＳＣ１１（０ｍＡ）”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図６中”ＳＶ１１（０Ｖ）”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分にはキャリアが注入されないため光スイッチは”ＯＦＦ”状態になる。
【００２３】
一方、図６中”ＣＨ１１”に示す特性曲線から図６中”ＳＣ１２”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図６中”ＳＶ１２”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分にキャリアが注入されるため光スイッチは”ＯＮ”状態になる。
【００２４】
この時、図７中”ＣＨ２１”に示す特性曲線からＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差は図７中”ＤＣ２１”に示すようになり、この容量値差に起因する駆動電流の反射により、図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分に有効にキャリアを注入できなくなってしまう。
従って本発明が解決しようとする課題は、高速駆動が可能な光スイッチの駆動方法及びこれを用いた駆動回路を実現することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法であって、
光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する１対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにＰＮ接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをＯＮ状態にし、前記光スイッチに前記光スイッチがＯＮ状態に遷移しない程度の数１００μＡ〜数１０ｍＡの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをＯＦＦ状態にすることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００２６】
請求項２記載の発明は、
キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路において、
光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する１対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにＰＮ接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをＯＮ状態にし、前記光スイッチに前記光スイッチがＯＮ状態に遷移しない程度の数１００μＡ〜数１０ｍＡの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをＯＦＦ状態にすることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は光スイッチ及び本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路の一実施例を示す構成ブロック図である。但し、図１に示す光スイッチの平面図は図４に示す平面図と同じであるため説明及び記載は省略する。
【００３４】
図１において１，２，３，４，５，６，７及び８は図５と同一符号を付してあり、５０は１〜８で構成される光スイッチ、５１は本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路である。
【００３５】
駆動回路５１の入力端子には図１中”ＣＳ３１”に示すような制御信号が入力され、図１中”ＤＣ３１”及び”ＤＣ３２”に示す駆動回路５１の出力である駆動電流はＮ電極３及びＰ電極４にそれぞれ印加される。
【００３６】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２及び図３を用いて説明する。図２及び図３は光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性及び電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【００３７】
ここで、図１に示す実施例の動作を図４を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、Ｎ電極３及びＰ電極４には電流が供給されない。
【００３８】
このため、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分を直進して図４中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。
【００３９】
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、Ｎ電極３から電子が注入され、Ｐ電極４からは正孔が注入され、このため、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。
【００４０】
このため、プラズマ効果によって図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図４中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。
【００４１】
この時、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態における注入キャリアは”１０１７〜１０１９ｃｍ−３”程度と非常に大きい。このため、光スイッチ５０の構造に依存するものの、例えば、光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向電流値は”数１０ｍＡ〜数１００ｍＡ”程度になる。
【００４２】
そして、図２中”ＣＨ４１”に示す曲線特性のように順方向電流は順方向の電圧に対して指数関数的に増加し、図３中”ＣＨ５１”に示す特性曲線のように容量は順方向の電圧の平方根に比例する。
【００４３】
従って、光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向電流に対する容量変化は、順方向電流値が小さい領域では変化が大きく、順方向電流が大きい領域では変化が小さくなる。
【００４４】
このため、光スイッチ５０の”ＯＦＦ”状態において印加する順方向電流を前述のように”０ｍＡ”にするのではなく、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態に遷移しない程度（”数１００μＡ〜数１０ｍＡ”程度）のバイアス電流を印加することにより、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態と、”ＯＦＦ”状態との容量値差を小さくする。
【００４５】
例えば、図２中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から、”数１００μＡ〜数１０ｍＡ”程度のバイアス電流として図２中”ＳＣ４１”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図２中”ＳＶ４１”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分には十分なキャリアが注入されないため光スイッチは”ＯＦＦ”状態になる。
【００４６】
一方、図２中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から図２中”ＳＣ４２”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図２中”ＳＶ４２”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分に十分なキャリアが注入されるため光スイッチは”ＯＮ”状態になる。
【００４７】
この時、図３中”ＣＨ５１”に示す特性曲線からＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差は図３中”ＤＣ５１”に示すようになり、図７中”ＤＣ２１”に示す容量値差と比較して”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化を小さくすることができる。
【００４８】
このため、この容量値差に起因する駆動電流の反射も小さくなり、従来例と比較して図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分に有効にキャリアを注入することが可能になる。言い換えれば、従来例と比較して光スイッチの高速駆動が可能になる。
【００４９】
この結果、光スイッチ５０が”ＯＦＦ”状態の場合に、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加することにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００５０】
なお、図１に示す光スイッチの断面構造（図５に示す従来例と同様）では絶縁膜８の上にポリイミド層９ａ，９ｂ及び９ｃを形成し、その上に配線パターン１０ａ及び１０ｂを形成している構造を例示しているが、ポリイミド層及び配線パターンに関しては必須の構成要素ではない。
【００５１】
また、図１に示す光スイッチの断面構造（図５に示す従来例と同様）では、伝播する光信号を閉じ込めるためコンタクト層５、クラッド層６や光導波路層２を台形状に形成しているが、必須の構成ではない。
【００５２】
また、図１（図５）の説明に際してはキャップ層上にＮ電極１１等を、コンタクト層上にＰ電極１２等を形成する構成となっているが、Ｎ電極とＰ電極の形成位置を入れ替えても勿論構わない。
【００５３】
本願の光スイッチに関しては、光の伝播する光導波路内にキャリアを導入して、その部分での屈折率を低下させることにより光を全反射させてスイッチングを実現している。そして、当該キャリアを効果的に蓄積させるためにＰＮ接合を形成しているので、ＰＮ接合の極性を逆にしても原理的に動作は可能である。
【００５４】
具体的には、実施例の断面図に相当する図５におけるｎ型のキャップ層７、ｎ型の光導波路層２、ｎ型のクラッド層６及びｐ型のコンタクト層５をそれぞれ、ｐ型のキャップ層、ｐ型の光導波路層、ｐ型のクラッド層６及びｎ型のコンタクト層として形成すれば良い。
【００５５】
また、キャップ層７は電極と光導波路層との間の抵抗を低減するためのものであって、光スイッチの動作に関しては本質的な構成要素ではない。
【００５６】
また、図１（図５）ではＰＮ接合の位置をクラッド層とコンタクト層との間に形成しているが、勿論、これに限定される訳ではなく、光導波路層とクラッド層との間にＰＮ接合を形成しても構わない。
【００５７】
また、図１（図５）ではキャップ層７及びコンタクト層５を形成しているが、キャップ層７或いはコンタクト層５の機能を代替する領域を光導波路層２或いはクラッド層６等に設けることにより、当該キャップ層７及びコンタクト層５を省略しても構わない。
【００５８】
具体的には、イオン注入によってキャップ層７或いはコンタクト層５の機能を代替する領域を光導波路層２或いはクラッド層６や半導体基板１等に形成するにより、当該キャップ層７及びコンタクト層５を省略することが可能になる。
【００５９】
また、図１（図４）では光導波路層に”Ｘ字状”、言い換えれば、２本の直線の光導波路が交差した形状の光導波路を形成する構成となっているが、光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路を形成する構成であれば構わない。
【００６０】
また、出射用の光導波路を２つ有する光導波路でれば”ｙ字状”であっても、その他の形状であっても構わない。ここで、”ｙ字状”の光導波路とは、１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する形状である。さらに、、”Ｘ字状”と”ｙ字状”とを組み合わせた形状の光導波路であっても構わない。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１及び請求項２の発明によれば、光スイッチが”ＯＦＦ”状態の場合に、光スイッチが”ＯＮ”状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加することにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光スイッチ及び本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性を示す特性曲線図である。
【図３】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【図４】このような従来の光スイッチの一例を示す平面図である。
【図５】このような従来の光スイッチの一例を示す断面図である。
【図６】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性を示す特性曲線図である。
【図７】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 光導波路層
３ Ｎ電極
４ Ｐ電極
５ コンタクト層
６ クラッド層
７ キャップ層
８ 絶縁膜
９ａ，９ｂ，９ｃ ポリイミド層
１０ａ，1０ｂ 配線パターン
５０ 光スイッチ
５１ 駆動回路
本発明は、キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法に関し、特に高速駆動が可能な光スイッチの駆動及びこれを用いた駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の通信ネットワークであるＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）等では、通常電気信号をもって情報を伝送する通信方式となっている。
【０００３】
光信号をもって情報を伝送する通信方法は大量のデータを伝送する基幹ネットワークやその他一部のネットワークで用いられているだけである。また、これらのネットワークは”point to point”の通信であり、”フォトニックネットワーク”と言える通信網までは発達していないのが現状である。
【０００４】
このような”フォトニックネットワーク”を実現するためには、電気信号の送信先を切り換えるルータやスイッチングハブ等といった装置と同様の機能を有する”光ルータ”や”光スイッチングハブ”等が必要になる。
【０００５】
また、このような装置では高速に伝送経路を切り換える光スイッチが必要になり、ニオブ酸リチウムやＰＬＺＴ（Lead Lanthanum Zirconate Titanate）等の強誘電体を用いたものや、半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換えるものが存在する。
【０００６】
さらに、最近では平面ガラス光導波路上に集積したヒーターで発熱させ、当該ヒータが形成され部分の屈折率を変化させることにより、スイッチング動作を行わせるものもある。
【０００７】
そして、従来の半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−１３０２３６号公報
【特許文献２】
特開平６−２８９３３９号公報
【非特許文献１】
「2x2 Optical Waveguide Switch with Bow-Tie Electrode Based on Carrier-Injection Total Internal Reflection in SiGe Alloy」, Baojun Li and Soo-Jin Chua, p206-p208, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.13, NO.3, MARCH 2001
【０００９】
図４及び図５はこのような従来の光スイッチの一例を示す平面図及び断面図である。図４において１はＧａＡｓやＩｎＰ等の半導体の基板、２は”Ｘ字状”の光導波路を有するｎ型の光導波路層、３は電子が注入されるＮ電極、４は正孔が注入されるＰ電極である。
【００１０】
図４において基板１上には”Ｘ字状”の光導波路を有する光導波路層２が形成され、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分には長方形状のＮ電極３が形成される。また、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍であってＮ電極３に並行して長方形状のＰ電極４が形成される。
【００１１】
一方、図５は図４中”Ａ−Ａ’”における断面図であり、１，２，３及び４は図４と同一符号を付してあり、５はｐ型のＧａＡｓ等のコンタクト層、６はｎ型のＡｌＧａＡｓ等のクラッド層、７はｎ型のＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等のキャップ層、８はＳｉＯ２ 等の絶縁膜、９ａ，９ｂ及び９ｃは絶縁層であるポリイミド層、１０ａ及び１０ｂは配線パターンである。
【００１２】
基板１上にはコンタクト層５、クラッド層６及び光導波路層２が台形状になるように順次形成され、光導波路層２上の一部にはキャップ層７が形成される。
【００１３】
基板１、コンタクト層５、クラッド層６及び光導波路層２上であってキャップ層７及びコンタクト層５の一部以外には絶縁膜８が形成される。また、キャップ層７及びコンタクト層５の一部にＮ電極３及びＰ電極４がそれぞれ形成される。
【００１４】
絶縁膜８上にはポリイミド層９ａ，９ｂ及び９ｃがそれぞれ形成され、配線パターン１０ａはポリイミド層９ａ上に形成されると共にＮ電極３に接続され、配線パターン１０ｂはポリイミド層９ｃ上に形成されると共にＰ電極４に接続される。
【００１５】
ここで、図４に示す従来例の動作を図５を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、Ｎ電極３及びＰ電極４には電流が供給されない。
【００１６】
このため、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分を直進して図４中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。
【００１７】
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、Ｎ電極３から電子が注入され、Ｐ電極４からは正孔が注入され、このため、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。
【００１８】
このため、プラズマ効果によって図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図４中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。
【００１９】
この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路の交差部分にキャリア（電子、正孔）を注入して交差部分の屈折率を制御することにより、光信号の出射される位置を制御、言い換えれば、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４及び図５に示す従来例では、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分へのキャリアの注入効率を高くするためコンタクト層５とクラッド層６によって形成されるＰＮ接合のダイオード構造を用いており、図示しない駆動回路から駆動電流がＮ電極３及びＰ電極４に印加されることになる。
【００２１】
”ナノ秒”程度の速度でこのようなＰＮ接合のダイオード構造の構成を有する光スイッチを高速動作させようとした場合には、ＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差が大きく異なることに起因する駆動電流の反射により、図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分に有効にキャリアを注入できなくなり高速動作が困難であると言った問題点があった。
【００２２】
例えば、図６及び図７は光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性及び電圧−容量特性を示す特性曲線図である。図６中”ＣＨ１１”に示す特性曲線から図６中”ＳＣ１１（０ｍＡ）”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図６中”ＳＶ１１（０Ｖ）”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分にはキャリアが注入されないため光スイッチは”ＯＦＦ”状態になる。
【００２３】
一方、図６中”ＣＨ１１”に示す特性曲線から図６中”ＳＣ１２”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図６中”ＳＶ１２”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分にキャリアが注入されるため光スイッチは”ＯＮ”状態になる。
【００２４】
この時、図７中”ＣＨ２１”に示す特性曲線からＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差は図７中”ＤＣ２１”に示すようになり、この容量値差に起因する駆動電流の反射により、図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分に有効にキャリアを注入できなくなってしまう。
従って本発明が解決しようとする課題は、高速駆動が可能な光スイッチの駆動方法及びこれを用いた駆動回路を実現することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法であって、
光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する１対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにＰＮ接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをＯＮ状態にし、前記光スイッチに前記光スイッチがＯＮ状態に遷移しない程度の数１００μＡ〜数１０ｍＡの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをＯＦＦ状態にすることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００２６】
請求項２記載の発明は、
キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路において、
光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する１対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにＰＮ接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをＯＮ状態にし、前記光スイッチに前記光スイッチがＯＮ状態に遷移しない程度の数１００μＡ〜数１０ｍＡの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをＯＦＦ状態にすることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は光スイッチ及び本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路の一実施例を示す構成ブロック図である。但し、図１に示す光スイッチの平面図は図４に示す平面図と同じであるため説明及び記載は省略する。
【００３４】
図１において１，２，３，４，５，６，７及び８は図５と同一符号を付してあり、５０は１〜８で構成される光スイッチ、５１は本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路である。
【００３５】
駆動回路５１の入力端子には図１中”ＣＳ３１”に示すような制御信号が入力され、図１中”ＤＣ３１”及び”ＤＣ３２”に示す駆動回路５１の出力である駆動電流はＮ電極３及びＰ電極４にそれぞれ印加される。
【００３６】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２及び図３を用いて説明する。図２及び図３は光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性及び電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【００３７】
ここで、図１に示す実施例の動作を図４を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、Ｎ電極３及びＰ電極４には電流が供給されない。
【００３８】
このため、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分を直進して図４中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。
【００３９】
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、Ｎ電極３から電子が注入され、Ｐ電極４からは正孔が注入され、このため、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。
【００４０】
このため、プラズマ効果によって図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図４中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。
【００４１】
この時、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態における注入キャリアは”１０１７〜１０１９ｃｍ−３”程度と非常に大きい。このため、光スイッチ５０の構造に依存するものの、例えば、光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向電流値は”数１０ｍＡ〜数１００ｍＡ”程度になる。
【００４２】
そして、図２中”ＣＨ４１”に示す曲線特性のように順方向電流は順方向の電圧に対して指数関数的に増加し、図３中”ＣＨ５１”に示す特性曲線のように容量は順方向の電圧の平方根に比例する。
【００４３】
従って、光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向電流に対する容量変化は、順方向電流値が小さい領域では変化が大きく、順方向電流が大きい領域では変化が小さくなる。
【００４４】
このため、光スイッチ５０の”ＯＦＦ”状態において印加する順方向電流を前述のように”０ｍＡ”にするのではなく、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態に遷移しない程度（”数１００μＡ〜数１０ｍＡ”程度）のバイアス電流を印加することにより、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態と、”ＯＦＦ”状態との容量値差を小さくする。
【００４５】
例えば、図２中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から、”数１００μＡ〜数１０ｍＡ”程度のバイアス電流として図２中”ＳＣ４１”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図２中”ＳＶ４１”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分には十分なキャリアが注入されないため光スイッチは”ＯＦＦ”状態になる。
【００４６】
一方、図２中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から図２中”ＳＣ４２”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図２中”ＳＶ４２”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分に十分なキャリアが注入されるため光スイッチは”ＯＮ”状態になる。
【００４７】
この時、図３中”ＣＨ５１”に示す特性曲線からＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差は図３中”ＤＣ５１”に示すようになり、図７中”ＤＣ２１”に示す容量値差と比較して”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化を小さくすることができる。
【００４８】
このため、この容量値差に起因する駆動電流の反射も小さくなり、従来例と比較して図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分に有効にキャリアを注入することが可能になる。言い換えれば、従来例と比較して光スイッチの高速駆動が可能になる。
【００４９】
この結果、光スイッチ５０が”ＯＦＦ”状態の場合に、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加することにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００５０】
なお、図１に示す光スイッチの断面構造（図５に示す従来例と同様）では絶縁膜８の上にポリイミド層９ａ，９ｂ及び９ｃを形成し、その上に配線パターン１０ａ及び１０ｂを形成している構造を例示しているが、ポリイミド層及び配線パターンに関しては必須の構成要素ではない。
【００５１】
また、図１に示す光スイッチの断面構造（図５に示す従来例と同様）では、伝播する光信号を閉じ込めるためコンタクト層５、クラッド層６や光導波路層２を台形状に形成しているが、必須の構成ではない。
【００５２】
また、図１（図５）の説明に際してはキャップ層上にＮ電極１１等を、コンタクト層上にＰ電極１２等を形成する構成となっているが、Ｎ電極とＰ電極の形成位置を入れ替えても勿論構わない。
【００５３】
本願の光スイッチに関しては、光の伝播する光導波路内にキャリアを導入して、その部分での屈折率を低下させることにより光を全反射させてスイッチングを実現している。そして、当該キャリアを効果的に蓄積させるためにＰＮ接合を形成しているので、ＰＮ接合の極性を逆にしても原理的に動作は可能である。
【００５４】
具体的には、実施例の断面図に相当する図５におけるｎ型のキャップ層７、ｎ型の光導波路層２、ｎ型のクラッド層６及びｐ型のコンタクト層５をそれぞれ、ｐ型のキャップ層、ｐ型の光導波路層、ｐ型のクラッド層６及びｎ型のコンタクト層として形成すれば良い。
【００５５】
また、キャップ層７は電極と光導波路層との間の抵抗を低減するためのものであって、光スイッチの動作に関しては本質的な構成要素ではない。
【００５６】
また、図１（図５）ではＰＮ接合の位置をクラッド層とコンタクト層との間に形成しているが、勿論、これに限定される訳ではなく、光導波路層とクラッド層との間にＰＮ接合を形成しても構わない。
【００５７】
また、図１（図５）ではキャップ層７及びコンタクト層５を形成しているが、キャップ層７或いはコンタクト層５の機能を代替する領域を光導波路層２或いはクラッド層６等に設けることにより、当該キャップ層７及びコンタクト層５を省略しても構わない。
【００５８】
具体的には、イオン注入によってキャップ層７或いはコンタクト層５の機能を代替する領域を光導波路層２或いはクラッド層６や半導体基板１等に形成するにより、当該キャップ層７及びコンタクト層５を省略することが可能になる。
【００５９】
また、図１（図４）では光導波路層に”Ｘ字状”、言い換えれば、２本の直線の光導波路が交差した形状の光導波路を形成する構成となっているが、光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路を形成する構成であれば構わない。
【００６０】
また、出射用の光導波路を２つ有する光導波路でれば”ｙ字状”であっても、その他の形状であっても構わない。ここで、”ｙ字状”の光導波路とは、１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する形状である。さらに、、”Ｘ字状”と”ｙ字状”とを組み合わせた形状の光導波路であっても構わない。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１及び請求項２の発明によれば、光スイッチが”ＯＦＦ”状態の場合に、光スイッチが”ＯＮ”状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加することにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光スイッチ及び本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性を示す特性曲線図である。
【図３】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【図４】このような従来の光スイッチの一例を示す平面図である。
【図５】このような従来の光スイッチの一例を示す断面図である。
【図６】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性を示す特性曲線図である。
【図７】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 光導波路層
３ Ｎ電極
４ Ｐ電極
５ コンタクト層
６ クラッド層
７ キャップ層
８ 絶縁膜
９ａ，９ｂ，９ｃ ポリイミド層
１０ａ，1０ｂ 配線パターン
５０ 光スイッチ
５１ 駆動回路
Claims (2)
- キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法であって、
光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する１対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにＰＮ接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをＯＮ状態にし、
前記光スイッチに前記光スイッチがＯＮ状態に遷移しない程度の数１００μＡ〜数１０ｍＡの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをＯＦＦ状態にする
ことを特徴とする光スイッチの駆動方法。 - キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路において、
光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する１対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにＰＮ接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをＯＮ状態にし、
前記光スイッチに前記光スイッチがＯＮ状態に遷移しない程度の数１００μＡ〜数１０ｍＡの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをＯＦＦ状態にする
ことを特徴とする駆動回路。
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