JPH01178932A - 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、牛導体材料を用いた元スイッチに関する。

〔従来の技術〕

２つの入出力ボート間の光信号の接続を切り換える元ス
イッチは光伝送、光変換に於ける最も重要な構成要素で
ある。このような光スイッチは光導波路により方向性結
合器、交叉１分岐等を形成し、その部分の屈折率を物理
光学効果を利用して変化させることにより実現できる。

現在屈折率変化を得るだめの手段として一次電気元学効
果（ボ、ケルス効果）が最も広く用いられているが、比
較的電気光学係数の大きなＬｉＮｂｏ３等の強誘電体材
料を用いても実用的に得られる比屈折率変化は１０−ｓ
台と小さく、素子の小型化が難しい。

これに対して近年半導体多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の
積層面に垂直な方向に一４界を印加した際ζ吸収端近傍
の波長で大きな屈折率変化が生じることが報告され、こ
れを利用した元スイッチが提案されている（ＩＪＥ子通
信学会論文誌Ｅ、オｇ６８巻７３７〜７３９頁、１９８
５年）。

ここでこのＭＱＷ構造の電界による屈折率変化の原理に
ついて説明する。

ＭＱＷ構造とは、電子波動の波長（ド・ブロイ波長）程
度の厚みの半導体層をそれよシパンドギャ、プの広い半
導体ではさんだ量子井戸（ＱＷ）を層厚方向に多重に形
成したもので電子、正孔波動の二次元化によりバルク材
料とは犬きく異なる物性を示すことから注目されている
。

第３図（ａ）、＃）はＭＱＷ構造に層に垂直な方向に光
を伝搬させた際の吸収端近傍の光の吸収係数及び屈折率
スペクトラムの電界による変化の様子を示すものである
０層に垂直の電界Ｅがない場合には吸収係数スペクトラ
ムには重い正孔（ｈｈ）。

軽い正孔（！ｈ）と電子の準位間の遷移に対応したエキ
シトン吸収ピークが見られ、これに対応して屈折率スペ
クトラムには大きな段差が見られム電界Ｅを印加してい
くと、電子、正孔準位のシフトが生じ吸収端の長波長側
への移動がおこる。この際エキシトン吸収ピークは多少
のブロードニングを生ずるものの１０”Ｖ／ｃｍｇ度の
強電界に於いても安定に存在する。

・電界Ｅの印加による吸収端シフトに対応して。

屈折率スペクトラム上の段差も長波長側に移動する。こ
のため屈折率変化が生じる訳でその絶対１直ＦｉＩＸＩ
　Ｏ’Ｖ／！ｉｆｏ［Ｊ”？’ＩＯ”（Ｄ：１ｒ−１”
に及ぶことが報告されておシ、この現象を利用した交叉
導波路全反射型光スイッチの設計結果ではスイッチ部長
数１００μｍ以下の小型光スイッチが可能であることが
報告されている。この光スイッチは半導体材料を用いて
いるため光源、受光器とのモノリシ、り集積化も可能で
ある。

〔発明が解決しよりとする問題点〕

ここで説明したＭＱＷの層に垂直な方向の電界印加によ
る屈折率変化は本質的に吸収係数の変化を伴なう。従っ
てこの現象を利用した元スイッチでは光の切換と共に大
きな光損失が生じてしまう。

また屈折率変化の符号は第３図（ｂ）よシわかるように
短波長側から順に■、ｅ、ｏとなる領域が生じ。

電界強度と共にその領域の幅が変化するため、デバイス
設計の際にこの点を考慮に入れなければならない。

本発明の目的はこのような問題を除き、小型で光源、受
光器等のモノリシック集積化が可能でかつ光の切換に伴
う損失変化が小さい元スイッチを提供することにある。

〔問題を解決するための手段〕

基板上に２本の光導波路が交差した交差部あるいは互い
に近接して方向性結合器を形成した方向性結合器部また
は１本の光導波路が分岐したＹ分岐を有し、交差部ある
いは方向性結合器部またはＹ分岐部に屈折率変化を生じ
させる手段を有する光スイッチに於いて、少なくとも屈
折率変化を生じさせるべき部分の光導波路が、ド・ブロ
イ波長程度の専みの第１の半導体層と前記第１の半導体
層よりバンドギャップの広い第２の半導体層によ多構成
される量子井戸を積層方向に少なくとも１つ含む構造で
あシ、前記構造の前記量子井戸に量子井戸の各層に平行
な方向に電界を印加する手段と、前記電界が印加される
童子井戸に近接する量子井戸に垂直な方向に電界全印加
する手段とから成っていることを特徴とする。

〔作用〕

本発明は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造に特有な室温エキ
シトンによる共鳴吸収の消失にともなう屈折率変化を前
記共鳴吸収のシフトによる屈折率変化を併用したもので
ある。まず、＠記共鳴吸収の消失にともな５屈折率変化
の原理について説明する。

第４図１ａ）　、　ｔｂ）はＭＱＷ構造の各層に水平な
電界Ｅ、ｒによる層に垂直に伝搬する光に対する吸収係
数、屈折率の変化の傾向を示す図である。層に水平な電
界Ｂ／ｌが印加されていない際には吸収端近くの吸収係
数スペクトラムには基低準位のｌい正孔（ｈｈ）、軽い
正孔（Ｉｌｈ）と電子との間の遷移に関係した２つのエ
キシトン吸収ピークが明瞭に見られる。屈折率スペクト
ラムにはエキシトン吸収ピークに対応して大きな段差が
生じる。これに対しＥ　ｕ、を印加した際には量子井戸
（ＱＷ）層内でエキシトンのイオン化が生じ吸収係数ス
ペクトラム上ではエキシトン共鳴による吸収ピークが消
失し、バンドギヤｙプのｒｅｎｏｒｎａｌｉｚａｔ　ｉ
ｏｎが生じる。この際′Ｘ要なことは吸収端の位置の変
化は電界が層に垂直な場合（Ｅ工）に比べ大幅に小さい
ことである。一方屈折率スペクトラム上に生じていた段
差はエキシトン吸収の存在によるものであった訳である
から、Ｅηの印加によりエキシトン吸収ピークが消滅す
れば、屈折率スペクトラム上の段差も消える。従って吸
収端近傍の波長に於て大きな屈折率変化が得られる。し
かも第４図（ｂ）から明らかなように、この屈折率変化
の符号は吸収端の長波長側では負、短波長側では正とい
う単純な変化をする。吸収端の長波長側でｉｔ電界が層
に垂直な場合のように吸収端の移動をともなわないため
大きな損失変化は生じない。

一方、室温エキシトンの共鳴吸収のシフトにともなう屈
折率変化は層に垂直な電界Ｅ上が印加されることにより
屈折率スペクトラム上に生じてい是大きな段差もシフト
する。この際のシフトは層に逆バイアスが印加される際
には第３図ｔｂ＋のように長波長側へのシフトである。

従って吸収端近傍の波長では屈折率変化の量はこれらの
層に平行な電界による変化ｎ７７、と垂直な電界による
変化ｎユの和になる。

エキシトン吸収ピークの消失がここで述べたように１−
に水平な方向の電界によるエキシトンのイオン化により
生じることＦｉ雑誌「フィジカル・レビｚ　−Ｂ　（Ｐ
ｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　８月、第３２巻１０４
３〜１０６０頁（１９８５年）に述べられているがこの
他に２バンドギヤ、プより高エネルギーな光の照射、及
びフリーキャリア注入によってもおこすことができる（
ｈ誌「ジャーナル・オプ・オプティカル・ンテエティ・
オプ・アメリカＡ　（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　０ｐｔｉ
ｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　ＡｎｅｒｉｃａＡ月第
２巻、１１３５〜１１４２頁（１９８５年）。

また、エキシトン吸収ピークの移動によりエキシトン吸
収ピークの長波長側で屈折率が正に変化することは雑誌
［エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ　Ｉｅｆｆｅｒｓ月第２２巻８８８〜８８９頁（１９
８６年）に述べられている。

本発明はこのようなエキシトン吸収ピークの消失にとも
なう屈折率変化をエキシトン吸収ピークの移動にともな
う屈折率変化を併用して光スイッチに応用したものであ
る。以下本発明につき実施例により詳細に説明する。

〔実施例〕 第１図は本発明による元スイッチの第１の実施例を示す
図でこの実施例は本発明を交叉導波路全反射型スイッチ
に適用したものである。材料系としてはＧａＡｓ／Ａｊ
ＧａＡｓ系材料を用いた場合につき説明するがＩｎＧａ
ＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰＩ　ｎ　Ａ　ｌｊ　Ａ
　ｓ系等室温で安定なエキシトン吸収ピークが観測でき
るＭＱＷ構造が製作できる材料系であれば２本発明が適
用可能なことはどう迄もない。

実施例の上面図第１図（ａ）、斜視図第１図（ｂｌを参
照し本実施例の製作方法について説明する。

ｎ型ＧａＡｓ基板４上にすべてノンドープでＧａＡｓバ
、ファ層５（ｈみ０．１　ｆｉ　ｍ　）　ｅ　ＡＡ！ｏ
、ｓｉＧ　ａ　６４Ｂ　Ａ　Ｓクラッド層６　（１μｍ
）、ＧａＡｓ／Ａ１６．３ｇ　ｏａｌｌＪＩ　ＡｓＭＱ
Ｗガイド層７（１μｍ）。

をＭ２Ｒ法により連続成長する。Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ　／　
Ａ　ｊ　６４ｓｏａｌｌＪＩ　Ａｓ　ＭＱＷガイド層７
は厚み１００ＡのＧａ　Ａｓ　、　Ａ１６．Ｈａａｌｌ
＊＠ＩＩ　Ａｓ層を５０周期交互に積層したものである
（以下では簡単のためＡＩのモル比を略して記述する）
。次にフォトリングラフィ法により１１１１！１０μｍ
、交叉角ｌＯ〜２０６の交叉パターンのマスクをエビ層
側に形成し１反応性イオン・ビームエツチング法により
マスク以外のＭＱＷガイド層７を工、チングする。この
際工、チングｄ　Ｍ　Ｑ　Ｗガイド層７の途中で止める
ように制御した。このエツチングにより２本の装荷型チ
ャンネルガイド７ａ、７ｂによる交叉導波路が形成され
る。次に広い方の交差角の２等分線Ａ−Ａ’に対称に狭
い方の交差角の２等分線Ｂ−Ｂ’に沿って工、チングさ
れたＭＱＷガイド１−面にシ璽ットキー電極１ａ、１ｂ
を形成する。この電極は層に平行な方向に電界を印加す
るための電極である。

次に、この平行電界印加領域に交わらないようにＡ−Ａ
’およびＢ−１３’に対称にエツチングされていないＭ
ＱＷガイド層面にシ璽、トキー電極２ａ＊　２ｂを形成
する。さらに、オーミック性電極３をｎ−ＧａＡｓ基板
４面上に形成し、最後にＡ　−Ａ′に平行に入出射端面
をへき開によ多形成した。

第１図（ａｌはデバイスの上面図を示すものである。

シ冒ット中−電極１ａ、ｌｂは交差チャネルガイド３ａ
　、３ｂの小さい方の交差角の２等分線Ｂ−Ｂ′に沿っ
て、大きい方の交差角Ａ−Ａ’に対称な位置にチャネル
の交差部の外側に形成しである。尚、実際にはボンディ
ングのためのパッド及び引き出し線も形成しているが図
では省略した。

第２図は大きい方の交差角の２等分ｍｌ、　　Ａ／を含
みデバイスの各Ｉ−に垂直な面での断面図を示すもので
ある。この図を用いて本実施例の動作機構について説明
する。第１図（ａ）における２つのショットキー電極１
ａ、ｌｂ間に′−圧を印加した場合を考える。ここで例
えばシヨ、トキー′成極１ａ側をプラス、Ｉｂ側をマイ
ナスにバイアスしたとするとシッットキー電極１ａは順
バイアス、ｌｂは逆バイアスとなｐ、１ｂから２ａに向
かって空乏層が延びていく、従ってｌａ　、Ｉｂ間には
ＭＱＷガイド層７に平行な電界が印加される。

この場合には先に説明したようにエキシトンのイオン化
によるエキシトン吸収ピークの消滅が生じて屈折率変化
が誘起される。この屈折率変化はエキシトン吸収ピーク
の長波長側では負の変化を示し、ｎｔｒ領域１０でこの
変化が生ずる。以上の電圧を印加する際同時にオーミッ
ク電極３を１ａと同・１位にシ曹ットキー電極２ａ　、
　２ｂを１ｂと同電位となるように電圧を印加すると、
２ａ、２ｂは逆バイアスとなるから２ａ、２ｂからオー
ミック′−極３に向かって空乏層が延びていく。従って
。

２ａ、２ｂと３の間にはＭＱＷガイド層７に垂直な電界
が印加される。この場合には先に説明したようにエキシ
トン吸収ピークのシフトにより屈折率変化が誘起され、
エキシトン吸収ピークの長波長側では正の屈折率変化を
示す。この変化領域がｎ上領域９ａ、９ｂである。従っ
て、シ曹、トキー′成極１ａ、１ｂおよび２ａ　、２ｂ
の間の部分ｌＯでは、−！わシのＪｍ９ａ、９ｂよシも
相対的に屈折率の低下部分を作ることができ、全反射を
起こすことができる。この際の屈折率の変化１＝１第５
図のように層に水平な電界および垂直な電界をそれぞれ
単独で用いる際よシも両方の和で決まるため。

相対的に大きな屈折率の変化ｖｉ−得ることができる。

従って、チャネルガイド・交差角も大きくとれるため、
スイッチサイズを小型にすることが可能である。

第１図（ａｌを用いて実際のスイッチ動作について説明
する。ここでは切換える光の波長としてＭＱＷガイド層
７の吸収端（バンドギヤ、プ波長λｇ＝０．８５μｍ）
よシ長波長側を考え、０．８７５μｍを選んだ。チャン
ネルガイド７ａに入射した光８ａはショットキー電極１
ａ　、Ｉｂ間および２ａ。

３間に′１圧を印加しない時にはそのまま直進し出射光
８ｂとして出射される。この際チャネルガイド７ａ、７
ｂの交叉角が１０〜２０’と大きいためチャンネルガイ
ド７ｂへのクロストークは一３０ｄＢ以下である。シ胃
、トキー電極１ａ、Ｉｂ間に電圧を印加した際にはン１
．トキー１極ｌのＩｂ間の交差部のＭＱＷガイド１１！
７にマイナスの屈折率変化が誘起きれ、シ凹ットキー電
極２ａとオーミ、り１極３間に′１圧を印加した際には
シ璽ットキー隠極２ａの直下のＭＱＷカイト層７にプラ
スの屈折率変化が誘起される。このため入射光８ａはチ
ャンネルガイド７ｂ１４Ｉｌに全反射され、出射光８ｃ
となる。この際の屈折率変化の大きさは積層面に水平な
電界による変化が相対変化Δｎ　／　ｎとして〜−１０
″″！であり、積ノー面に垂直な電界による変化もΔｎ
　／　ｎとして〜＋１０″″虞程度であるので相的的な
屈折率差Ｆｉ〜２　Ｘ　ｌ　Ｏ−”となるため交差角が
ｌθ〜３２°の光導波路で全反射型スイッチを得ること
ができる。

ここで述べたように屈折率変化は先にも述べたようにＭ
ＱＷの績）−面に平行な方向の電界の他。

光照射、゛−流注入に−↓っても起こすことができるが
光照射、電流注入では自由キャリアの緩和過程が含まれ
るため応答スピードが数ｍ　ｓｅｃに制限される。これ
に対し積層面に平行な電界の効果はエキシトンのポテン
シャル変形を生じさせることであるため応答速度は素子
容量Ｃと抵抗分Ｒで決まるＣ８時定数で決まり数ｐ　ｓ
ｅｃ程度も可能である。

本実施例では交叉４波路全反射型光スイッチに本発明を
適用した例を示したが、本発明のポイントはＭＱＷの績
ノー面に平行な電界印加により得られる屈折率変化と積
ノー面に垂直な′電界印加により得られる屈折率変化を
伴用することにちゃ、スイ、チの構造として方向性結合
器型、Ｙ分岐型等既に知られている種々の構造に適用可
能なことは明らかである。

４波路構造は、実施例ではＭＱＷガイド層を一部エッチ
ングしてチャンネルガイドを形成したり１型４彼路構造
としたが、他の構造１例えば１ＭＱＷガイド層上に更に
クラ、ド層を設け、このクラ、ド層を一部工、チングし
てリプ構造とし１ＭＱＷＭＱＷガイドノー中的な屈折率
差が生じるようにした構造、あるいはＭＱＷガイド層上
にストライプ状の誘電体膜を形成した装荷型導波路構造
、さらにはｆｌｉｌＱＷガイド層中に不純物を尋人して
不純物導入領域と非導入領域とで屈折率を異ならしめて
導波路を形成する構造や、ＭＱＷガイド層をストライプ
状に設けてこの両側を半導体ノー等で埋め込んだ埋め込
み構造等どのような４（＆４構造としてもよい。

また、実施例ではＭＱＷガイド層上に設けた′電極はシ
肩ツ）＝？−型としたが、他のタイプ、例えは絶縁膜上
に金属電極を設けたＭＯＳ型、あるいは、不純物を拡散
しこの接合部を利用して′越谷を印加する接合型等どの
ような構造としてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明によれば小型でモノリ
シ、り集積がロエ能でかつ元の切換にともなう損失変化
が小さい元スイッチが得ら１Ｌる。

【図面の簡単な説明】

第１図、ｌ１４２図は本開明の実施例乞示す図、第３図
、第４図は従来の光スイッチの動作原理となるＭＱＷの
屈折率変化を説明するための図、第５図は本発明によっ
て相対的な屈折率差が大きくとれることを説明するため
の図である。 ｌａ　、ｌｂ　、２ａ　、２ｂ・−・−シ箇、トキー電
極。 ３・・・・・・オーミ、り電極、４・・・・・・Ｇａ人
３基板、５・・・・・・ノンドープＧａＡｓ層、６・・
・・・・ノンドープＡＩＧ　ａ　Ａ　ｓ層、７・・・・
・・ノンドープＭＱＷガイド層、７ａ、７ｂ・・・・・
・チャンネルガイド。 代理人　弁理士　　内　原　　　晋 ギ　１　　図 茅　２１！Ｉ 芽４　面 蘇−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に２本の光導波路が交差した交差部あるいは互い
   に近接して方向性結合器を形成した方向性結合器部また
   は１本の光導波路が分岐したＹ分岐部を有し、前記交差
   部あるいは方向性結合器部またはＹ分岐部に屈折率変化
   を生じさせる手段を備えている光スイッチに於いて、少
   なくとも屈折率変化を生じさせるべき部分の光導波路が
   、ド・ブロイ波長程度の厚みの第１の半導体層と前記第
   １の半導体層よりバンド・ギャップの広い第２の半導体
   層により構成される量子井戸を積層方向に少なくとも１
   つ含む構造であり、前記構造の前記量子井戸に量子井戸
   の各層に平行な方向に電界を印加する手段と、前記電界
   が印加される量子井戸に近接する量子井戸に垂直な方向
   に電界を印加する手段とから成っていることを特徴とす
   る光スイッチ。