JPH01124833A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光交換、光情報処理等の分野において、光信号
、特にファイバからの出射光ＹＬＥＤ光の様に偏光状態
の一定でない光信号の光路の切換えを行なう半導体光ス
ィッチに関するものである。

〔従来の技術〕

近年の光システムの高度化、高性能化に併い、小型の光
スィッチへの要求が高まっている。小型の光スィッチを
実現するための一つの構造として雑誌「アイ・イー−イ
ー・イー・ジャーナル・オプ・カンタム・エレクトロニ
クスＪ　（ＩＥＥＥ　Ｊ。

ｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ）第ＱＥ−１４巻、１９７８年、５１３〜５１７
頁に報告されているような全反射型光スイッチが知られ
ている。これは２本の交叉した光導波路の交叉部の屈折
率を電気光学効果を利用して低下させ、全反射シζより
光の切換を、交叉した導波路間で行なうものである。

この全反射型光スイッチは原理的には小型化が可能であ
るが、前述の論文では電気光学効果により屈折率を変化
させることを考えているため得られる屈折率変化が小さ
い。そのため２本のｙｔ、４波路の交叉角を大きくとる
ことができず、小型化、低クロトーク化が難しかった。

一方この問題を解決するため、電気通信学会論大詰（英
文）第Ｅ６８巻、１９８５年、７３７〜７３９頁に掲載
された論文では一重量子井戸構造に電界を、印加した際
の吸収端近傍での屈折率変化を利用することが提案され
ている。

第２図は提案されている光スィッチの上面図を示すもの
である。２本の半導体材料による光導波路２１ａ−，２
１ｂが交差角０で交わるように配置され、その交差部に
多量子井戸構造を持つ部分、２２（図の斜線を施した部
分）が形成されている。この交差部の交差角の小さい方
の２等分１Ａ−Ａ’　に沿りて多重量子井戸構造の半分
には電極２３を介して電界を印加する手段が形成されて
いる。この状態で光導波路２１ｂの左側から入射した光
は通常は直進してそのまま出射する。しかし電極２３に
より多重量子井戸構造の半分に電界を印加すると、その
部分の屈折率が低下し、全反射が生じ光導波路２１ａへ
光は出射される。電界による多重量子井戸構造の屈折率
変化は１％程度と見つもられるので交差角を１０°以上
にとることが可能となシ非常に小型な光舶ヘツチが期待
できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような多重量子井戸構造の電界による屈折率変化は
銃に詳しく説明するように吸収端あるいはエキシトンピ
ークのシフトに伴なうものである。

多重量子井戸構造は積層方向に対して平行な偏光（以下
ＴＥと呼ぶ）と垂直な偏光（以下ＴＭと呼ぶ）の光を入
射した場合、各々に関与するエキシトンのピーク波長が
異なるため、ＴＥに対する屈折率変化ｔＴＭに対する屈
折率変化では、それらが得られる波長域が異なる。−例
としてＧ　ａ　Ａ　ｓ　／Ａ（Ａｓ多重量子井戸構造で
量子井戸層厚が１０ＯＡのウェハを用いた場合のその測
定結果を第３図に示す。この様に電界による屈折率減少
が得られる波長域はＴＭの方がＴＥに比べて約１０ｎｍ
短波長側にあシ、多重量子井戸構造の屈折率減少には、
ある波長で注目した場合、大きな偏光依存性があること
がわかる。従って、前述の様な多重量子井戸構造を用い
た導波型の光スィッチでは良好なスイ保存ファイバや偏
光補償器が必要とカシ、システムにとっては非常に使い
にくいというのが問題と、なっている。

本発明の目的はこのような問題を解決し、ＴＥに対して
もＴＭに対しても良好なスイッチング特性を得ることが
でき、システム側からも使い易い、偏光に依存しない光
スィッチを提供することにある。

〔問題を解決するための手段〕

本発明による光スィッチは半導体基板上の互いに交差す
る光導波路を前記光導波路の交差部の中心線上に配され
た反射部分より構成される光の全反射を用いた交差型光
スイッチにおいて、前記反射部分が、異なる２つの量子
井戸層厚をもつ多重量子井戸構造から構成され、前記多
重量子井戸構造の積層面に対して垂直に電界を印加する
手段を”もつことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明は多’＊ｉｔ子井戸構造に電界を印加した際に生
ずる屈折率減少の得られる波長域が、多重量子井戸構造
の量子井戸層の層厚に依存することを利用したものであ
る。まずこの電界による屈折率変化について説明する。

多重量子井戸構造の吸収スペクトルにはその量子サイズ
効果により鋭いエキシトンの吸収ピークが観測される。

この多重量子井戸構造に積層面に対して垂直外電界Ｅを
印加すると多重量子井戸構造のポテンシャル構造が傾き
量子準位が低エネルギー側へ移動するのに伴ってエキシ
トンの吸収ピークは長波長側へ移動する。それＫよりエ
キシトンの吸収ピーク近傍の波長域では非常に大きな吸
収係数変化Δαが得られる。吸収係数と屈折率の間には
クラマース・り占−ニツヒの関係があるため、この吸収
係数変化Δαは屈折率の変化ｌｎをもたらす。また多重
量子井戸構造は入射光にＴＥを入射した場合をＴＭを入
射した場合とではその吸収特性は異なる。これはＴＥに
関するエキシトンは電子と重い正孔（ｅ−ｈｈ）間と電
子と軽い正孔（ｅ−１ｈ）間の２つ存在するが、ＴＭで
はｅ−１ｈ間のエキシトンのみが関与しているからであ
る。

また吸収スペクトルやフォトカレント測定などＫよって
現われるこれらのエキシトンピークはｅ　−ｈｈ間のも
のはｅ−１ｈ間のものに比べて約１０ｎｍ長波長側にあ
る。多重量子井戸構造の電界による屈折率変化は主にこ
れらのエキシトンピークの電界による長波長側へのシフ
トによって生じるため、ＴＥに対する屈折率変化とＴＭ
に対する屈折率変化とＴＭＫ対する屈折率変化では轟然
それらが得られる波長域は異なる。先にも述べたがＧａ
Ａｓ／ＭＡ　ｓ多重量子井戸構造の場合でのその測定結
果が第３図に示されている。

また多重量子井戸構造の量子準位又はバンドギャップエ
ネルギーは多重量子井戸構造を構成する量子井戸層の厚
さ（ウェル厚）Ｌ２と障壁の高さによって決定され、Ｌ
２を厚くするとバンドギャップエネルギーは低くなりそ
の結果エキシトンビーク波長はより長波長側に存在する
様になる。従ってウェル厚を変えるととくより、電界印
加によってＴＥＫおける屈折率減少が得られる波長域と
ＴＭにおける屈折率減少が得られる波長域とを一致させ
ることが可能である。

本発明はこれを利用し、交差型スイッチの反射部分に２
種類のウェル厚の量子井戸層を持つ多重量子井戸構造を
用いることによりどんな偏光に対しても電界による屈折
率減少が得られスイッチング動作が可能の光スィッチで
ある。

次に本発明の素子の基本的な動作について簡単に説明す
る。交差型光導波路のひとつの入力端からある一定の波
長のＴＥ、ＴＭの両方の成分をもった入射光が交差部中
心の反射部（以下ＭＱＷ反射部と呼ぶ）にある角度で入
射されたとする。このＭＱＷ反射部は第１及び第２の各
々ウェル厚の異なる量子井戸層を積層した多重量子井戸
構造で構成され、第１の量子井戸層では入射光波長のＴ
Ｅ酸成分対して、第２の量子井戸層では第１の量子井戸
層よりもウェル厚を厚＜ＬＴＭ成分に対して電界による
屈折率減少が得られるフェル厚に設定しておく。またＭ
ＱＷ反射部での屈折率減少がない時には入射光がＭＱＷ
反射部をそのｔま通過する様ＫＭＱＷ反射部の多重量子
井戸構造の屈折率及び光導波路の屈折率を設定しておく
。また光導波路とＭＱＷ反射部とは多重量子井戸構造の
屈折率減少が生じた時に入射光が全反射を起こす角度に
設定しておく。ＭＱＷ反射部に電界が印加されてない時
には多重量子井戸構造の屈折率変化はなく入射光は、Ｔ
Ｅ、ＴＭ酸成分もそのまま通過する。

ＭＱＷ反射部に電界が印加され５と上述した様に入射光
のＴＥ酸成分第１の量子井戸層で屈折率減少を感じ、ま
たＴＭ酸成分第２の量子井戸層で屈折率減少を感じる。

第１．第２の量子井戸層がＭＱＷ反射部に対してそれぞ
れ占める割合は、量子井戸層が１種類の場合に比べ半分
程度であシ、従って得られる屈折率減少もＴＥ、ＴＭ単
独で考えると半分程度に小さくなるが、一般に得られて
いる多重量子井戸構造の屈折率減少は１％と大きいため
、全反射条件に対してはほとんど影響されず、ＴＥ酸成
分ＴＭ酸成分もＭＱＷ反射部で全反射される。この様に
ＭＱＷ反射部をウェル厚を変えた２種類の量子井戸層で
構成された多重量子井戸構造とすることＫよｌ”Ｅｌｃ
対してもスイッチングが可能な光の全反射を用いた交差
型の光スィッチが実現できる。

また、多重量子井戸構造ではバンドギャップは多重量子
井戸構造を構成する量子井戸層、障壁層の組成及び厚さ
、平均的な屈折率は量子井戸層、障壁層の組成及び厚み
の比により決まるためこれらはある程度独立に制御でき
る。従ってＭＱＷ反射部とその周囲では組成が異なりて
いても実効的に屈折率差を十分に小さくする設計が可能
である。

〔実施例〕

第１図は本発明による光スィッチの一実施例を示す図で
あシ、（ａ）はその斜視図であシ（ｂ）はＭＱＷ反射部
の層構造を説明するための図である。ここではＧａＡｓ
／ＡｔＧａＡｓ系材料を用いた場合について示した。ま
ず本実施例の製作について説明する。

ｎ”−ＧａＡｓ基板１上にｎ”　ＡｌＧａＡｓ　（ＡＥ
のモル比Ｚ＝０．４）クラッド層２を１．０　ｔｔｍ　
％ｉ　−ＧａＡｓ基板１上　ｓ多重量子井戸構造３を０
．７　ａｍ　、　ｐ”−ＡｊＧａＡｓ（Ｍのモル比−？
＝０．４）クラッド層４を０．５　μｍＭＢＥ法により
連続成長する。この時１−ＧａＡｓ／ＡＥＡｓ多重量子
井戸構造３は第１図伽）に示す様に第１のＧａＡｓ量子
井戸層（ウェ／Ｌ／厚Ｌｚｔ＝９ＯＡ）１１゜ＡＩＡ　
ｓ障壁ｒ＠（バリア厚ＬＢ＝１０ＯＡ）１２．第２のＧ
ａＡｓ　ｉ−子井戸層（ウェル厚Ｌｚｚ＝１１　ＯＡ）
　１３　ｊｔＡｓ障壁層（バリア厚ＬＢ＝１０ＯＡ）１
２の４層を繰シ返し積層した構造とする。次にこのウェ
ノ〜に幅０．５μｍでストライプ状のＭＱＷ反射部を形
成するためにそのまわシを反応性イオンビームエツチン
グ（ＲＩＢｔａ）によｌ）ｎ”−ＧａＡｓ基板１に達す
る迄垂直にエツチングする。この様にしてまず２種類の
ウェル厚の童子井戸で構成されたＭＱＷ反射部を形成す
る。この後ＭＯＶＰＥ法（あるいはＭＢＥ法、ＬＰＥ等
の方法でも良い）ＫよりこのＭＱＷ反射部をｉ　−Ａｉ
ＧａＡｓ　（ｚ＝０．４　）クラッド層５、ｉ　−Ａ！
ＧａＡｓ（ｘ＝０．３）ガイド層６、ｉ　−ＡｔＧａ　
Ａ　ｓ　（ｚ＝０．４　）クラッド層７によ＃）埋め込
む。この際ＭＱＷ反射部の上部にはＳｉｎｇの保護膜を
つけ成長が進まない様にしておく。またＭＯＶＰＥによ
り埋め込み成長した各々の層厚は１−Ａｌ！ＧａＡｓク
ラッド層５を１、　Ｏｔｔｍ　、　　１−ＡｆｆｉＧａ
Ａｓガイド層６を０．７μｍ、１−ＡｉＧａＡｓグラッ
ド層７を０．５　／ＡｍとしＭＢＥにより成長した各層
厚とほぼ等・しくした。次ＫＭＱＷ反射部が中心線とな
る様に交差型光導波路１０を反応性イオンエツチングに
より形成する。エツチングの深さは１−ＡｉＧａＡｓガ
イドＩＶＪ６に達する程度とし装荷型の光導波路パター
ンを形成する。この時交差型光導波路１０の交差角は１
０°とする。最後にＭＱＷ反射部に多重量子井戸構造の
積層方向に対して垂直に電界を印加させるためのＰ［極
８とｎ側電極９を蒸着する。このＭＱＷ反射部中の２つ
の量子井戸層１１，１３のエキシトン峡収ピーク波長は
それぞれ８４０ｎｍ、８５０ｎｍであるので入射光とし
てこの程度の波長を考えると電界が印加されてない時の
ｉ−多重量子井戸構造３及び１−ＡｔＧａＡｓガイド層
７の屈折率は３．４３　、　ｎ　”−ＡＩＧａＡｓクラ
ッド層２　＊　Ｉ）　＋−ＡｉＧａＡｓクラッド層４．
１−ＡＩＧａＡｓクラッド層５，７の屈折率は３．３８
であシ、導波路構造としては多重量子井戸構造部分と、 とその他の部分ではほぼ同等どりる様に設定した。

また埋込み部分の１−ＡｉＧａＡｓガイド層６のバンド
ギャップ波長は７００ｎｍでろシ入射光に対しては十分
吸収損失の小さな値となっている。

次に本実施例によるスイッチの動作について第１図、第
４図を用いて説明する。第４図のウェル界による屈折率
変化Δｎ／ｎを横軸を波長としてそれぞれＴＥ、ＴＭに
ついて示したものである。ウェル厚９０ＡのＭＱＷのエ
キシトンビーク波長はウェル厚１１０Ａの多重量子井戸
構造のエキシトンビーク波長に比べ約１０ｎｍ短波長側
にある。従りて電界印加による屈折率変化が得られる波
長域もＴＥ、ＴＭそれぞれのウェル厚９０Ａの多重量子
井戸構造の方が短波長側にある。

ここで波長８４５ｎｍＯＴＥ、ＴＭ両方の成分をもった
光が第１図（ａ）の交差導波路１０の手前右側から入射
された場合を考える。ＭＱＷ反射部に電界が印加されて
いない時は先にも述べたが、光導波路部分とＭＱＷ反射
部との屈折率が整合しているために入射光はＭＱＷ反射
部をＴＥ、ＴＭ酸成分も直進し、そのまま出射される。

ＭＱＷ反射部に電界が印加されると第４図に示した様に
波長８４５ｎｍの光においてはウェル厚９０Ａの第１の
量子井戸層ではＴＥ酸成分、ウェル厚１１０Ａの第２の
量子井戸層ではＴＭ酸成分屈折率の減少を得ることにな
る。単一の厚さの多重量子井戸構造ではその屈折率減少
はΔｎ／ｎ〜１％と非常に大きい。本発明の２種類のウ
ェル厚をもつ多重量子井戸構造では各量子井戸層に効い
てくる屈折率減少はその量子井戸層の割合が少ない分だ
け全体のＭＱＷ反射部としてみると小さぐなると考えら
れるが、それでもＴＥ、ＴＭに対してそれぞれΔｎ／ｎ
〜０．５％程度有シ、全反射程度有溝たすＫは十分な屈
折率減少である。従ってこのＭＱＷ反射部に入射した光
はＴＥ酸成分ＴＭ酸成分両方ともここで全反射され、反
射側の光導波路から出射され、ＴＥ、ＴＭに依らないス
イッチングが可能となる。

この様ＫＭＱＷ反射部を２８ｉ類のウェル厚を変えた多
重量子井戸構造で構成することＶＣより偏光に依存しな
い全反射を用いた交差型スイッチが実現できる。またこ
こでは２種類の量子井戸層のつ波長において、一方がＴ
Ｅに対して他方がＴＭＫ対して１．全反射が得られる屈
折率減少を生じるウェル厚であればこれに限るものでは
ない。

実施例（第１図（ｂ））ではウェル厚の異なる量子井戸
層は障壁層を挾んで交互に積層したが、必ずしも交互に
積層する必要はない。ランダムに配置してもよい。また
光を入射する光導波路の位置も任意であり、２Ｘ２のス
イッチ動作も同様に可能であることは言うまでもない。

本実施例では材料としてＧａＡｓ７ＭＧａＡｓ系材料に
ついて説明したが、Ｉ　ｎＧａＡｓＰ／Ｉ　ｎＰ　、　
Ｉ　ｎＧａＡｓ／ＩｎＡ１．Ａｓ系耽どの材料系にも適
用可能である。また光導波路としては装荷型を用いたが
、埋込み等の他の３０次元先導波路も使用可能である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明した様に１本発明によれば偏光依存性の
ない交差型光スイッチが実現できる。更にこのスイッチ
は多重量子井戸構造電界効果による屈折率変化を利用し
ているために小型でまた集積化にも適し、将来の光交換
システム、光情報処理等の分野での利用価値が非常に大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光スィッチの一実施例の構造を示
す図で（ａ）はその斜視図、（ｂ）は多重量子井戸構造
の各層、及び各々の層の関係を説明するための図である
。第２図は従来の多重量子井戸構造の電界による屈折率
変化を用いた光スィッチを説明するための図、第３図は
従来のスイッチのＭＱＷ反射部での電界による屈折率変
化を説明するための図、第４図は本発明の光スィッチの
動作を説明するために、ウェル厚の異なる多重量子井戸
構造の電界による屈折率変化のそれぞれの偏光特性を示
した図である。 図に於いて、１−−−−−−ｎ　ＧａＡｓ基板、’　２
　、４　、５゜７・・・・・・クラッド層、３，２２・
・・・・・多重量子井戸構造、６・・・・・・ガイド層
、８，９，２３・・・・・・電極、１０．２１ａ。 井戸層、１２・・・・・・ＡｌＡｓ障壁層、１３・・・
・・・第２のＧ　ａ　Ａ　ｓ量子井戸層である。 代理人　弁理士　　内　原　　　音 第１図 ”、ｂう” 第２図 ２１ｂ 第３図 ５皮長入　　（ｎｍ） 第４図 ８３０　　　　　ｆ３４０　８４５　　Ｆ３５０　　　
　．８６０５皮４駐　入　　　（ハｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上の互いに交差する光導波路と、前記光導波
   路の交差部の中心線上に配された反射部分より構成され
   る光の全反射を用いた交差型光スイッチにおいて、前記
   反射部分が層厚の異なる２つの量子井戸層をもつ多重量
   子井戸構造から構成され、前記多重量子井戸構造の積層
   面に対して垂直に電界を印加する手段をもつことを特徴
   とする光スイッチ。