JPH02118620A - 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】 〈産業上の利用公費〉 本発明は二本の光導波路を所定の角度で交差させ、交差
部での光の進路を電気的に切り換える光スイッチの改善
に関するものである。

〈従来の技術及び発明が解決しようとする課題〉光導波
路ネットワーク中を伝搬する光の光路を任意に切り換え
る光スイッチ（よ、光交換、光集積回路への応用など、
光通信、光情報システムの高度化に欠かせない素子であ
る。この中で半導体の電気的制御Ｉ（電界印加またはキ
ャリア注入）による屈折率変化を用いた全反射形光スイ
ッチは、半導体光源や半導体電平素子との集積化が容易
で、かつ屈折率変化が他の光スイツチ素子に比べて大き
いため小形化が可能であるなど、将来の光技術の発展に
とって重要な素子である。しかしこの種の素子では、交
差部における導波光のり四ストークの問題やスイッチイ
ング特性の点で問題があり、現在までに十分実用に供す
る良好な素子は実現されていない。これは誘電体光スイ
ッチに比べ半導体光スイッチの歴史が比較的浅く、適切
な素子設計や製作技術が確立されていないためであるが
、半導体光スイッチには電子素子としての問題と、光導
波路としての問題の両面があり、これらの問題が十分に
解決されていない。

例えば、特開昭６３−１３０２３号及び特開昭６３−２
６６３６号などには第８図及び第９図に示される電流注
入全反射形光スイッチが記載されている。両図に示され
るように光導波路１，２はある交差角２θで交差し、そ
の交差部５の中央部は電気的制御によって屈折率が変化
し、その屈折率の低下による全反射によって光路が切り
換えられるようになっている。即ち、第９図（ａｌに示
すように基板１１上には、下部狭窄層１２．クラッド層
１３゜導波路層１４．クラッド層１５．上部狭窄層１６
が順に積層され、その低面には電極１９が設けられてい
る。導波路層１４は中央の厚さが周囲よりも階段状に大
きくなっており（ｈ２〉ｈ、）、厚さの大きな中央部が
先導波路１，２である。つまり、導波路構造としては、
埋込み形リブ（リッジ）構造であり、屈折率の大きな導
波路層をリッジ構造とし、屈折率の小さなりラッド層１
３．１５で上下から埋め込んだいわゆる三次元スラブガ
イドである。従って、垂直方向に屈折率が小大小なる三
層構造となるばかりでなく、水平方向にも屈折率が小大
小なる三層構造となっており、縦方向のみならず横方向
にも伝搬光は閉じ込められる。伝搬光の等両底折率は、
各層を構成する物質の屈折率及びその層厚で決まり、導
波路層１４の厚いリブ部分は等両底折率は小さい。

更に、電流注入形光スイッチでは第９図（ｂ）に示すよ
うに交差部５に電極１８が設けられ、電流狭窄構造が形
成されている。即ち、電流が注入されると吸収端シフト
あるいは自由キャリアプラズマ効果によって、この領域
の屈折率が低下し、そのため交差部５における導波光の
直進か反射の制御を行うことができるが、素子のスイッ
チ特性を良好なものにするためには、できるだけ、電流
の集中度を上げる必要がある。このため、導波路層１４
、クラッド層１３．１５の上下であって、交差部５の中
央部分に電気的狭窄領域３，４が設けられ、これら電気
的狭窄領域３，４は電気的障壁となって、周囲に電流が
拡散するのを防いでいる。しかし通常、導波路層１４は
透過する光の吸収を小さくし、かつ電気的特性の変化（
例えばキャリア密度の変化）を大きくするため、この層
のキャリア密度ばてきるｔ！け小さく設定される。しか
しこれはクラッド層１３．１５の電気伝導度に比べ導波
路層１４の電気伝導度を悪化させることになり、この層
が一種の電気的バリアとなり、たとえ導波路層１３．１
５の上下で電流狭窄が行ってあっても、電流が横方向に
広がり易く良好なスイッチ特性が得られなかった。

一方交差部５を光導波特性からみると、入射光は交差部
入口（第１図中Ａ’　−Ａ’線）で導波路幅が片側にだ
け広くなるため、導波光はこの方向に軸ずれを起こす。

これを抑制するために、交差部５での屈折率を導波路部
に比べ高める必要があった。例えば特開昭６３−２６６
３６号では、二本の光導波路が作る交差部全体の屈折率
が超格子層へのイオン注入と無秩序化により導波路領域
のものより大きくされている。しかし交差部の屈折率を
大きくすることは、屈折率低下を用いる全反射スイッチ
の全反射スイッチの原理に逆らうもので、このため素子
の動作特性が制限されていた。また交差部５の屈折率を
大きくするためにば、リブの高さｈ２を高く　（光導波
路１゜２となる部分の厚さを厚く）することにより、よ
り簡単に行い得るが、キャリア濃度の少ない導波路層の
厚さを厚くすることは、電流の構法がりを大きくし電流
狭窄の面からは不利であった。

本発明の目的は、導波光の直進時の光軸ずれを抑制する
とともに、動作時の屈折率低下をより有効にし、また電
気的狭窄面においても優れた特性の光スイツチ素子を提
供することにある。

く課題を解決するための手段〉 斯かる目的を達成する本発明の光スイッチにかかる構成
は二つの光導波路を所定の角度で交差させ、その交差部
の中の一部に電気的制御によって屈折率が低下する領域
を設け、その屈折率低下による全反射によって光路の切
り換えを行う光スイッチにおいて、前記交差部の等偏屈
折率を、前記交差部をのぞく光導波路部の等偏屈折率よ
りも大きくし、前記領域の等偏屈折率を、前記領域をの
ぞく前記交差部の等偏屈折率よりも小さくしたことを特
徴とする。

また、上記光スイッチにおける前記領域の電気伝導度を
前記領域をのぞく前記交差部の電気伝導度よりも大きく
しても良く、また前記領域をのぞく前記交差部は、導波
路層に該導波路層と異なる層をペテロ接合することによ
って等偏屈折率が増大されたたものであっても良い。更
に、前記光スイッチは前記光導波路を光がどちらの方向
に進行する場合であっても、前記電気的制御によって光
路の切り換えができる対称な切換特性を有するものであ
っても良い。

く作　　　用〉 光スイッチにおける交差部の等偏屈折率を、前記交差部
をのぞく先導波路部の等偏屈折率よりも大きくすると、
導波光の直進時の光軸ずれが抑制される。また、電気的
制御にょっ？− て屈折率が低下する領域の等偏屈折率を、その領域をの
ぞく交差部の等偏屈折率よりも小さくすることにより、
光路の切り換え動作時における全反射に必要な屈折率減
少効果が大きくなり、素子特性が改良される。更に、電
気的制輝により屈折率の低下する領域の電気伝導度を、
その領域をのぞく交差部の電気伝導度よりも大きくする
ことにより、電気的狭窄効果が改良される。

〈実　施　例〉 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。尚、第８図及び第９図に示す光スイッチと同一
の構造部分については、同一符号を付して詳細な説明を
省略する。

また、半導体光スイッチとしてはＧ　ａ　Ａ　ｓ　／Ａ
ｌＧａＡｓ系へテロ接合を用いた注入形全反射光スイッ
チ素子に限らず、その他の光素子材料、例えばＩ　ｎｐ
／　Ｉ　ｎＧａＡｓＰ系、Ａｊ　Ｉ　ｎＡｓ／Ｇａ１ｎ
Ａｓ系などであっても、また素子動作形式についても電
界制御形光スイッチであっても良い。

第一実施例 本発明では、まず交差部または交差部周辺６の等偏屈折
率を導波路部８（交差部をのぞく部分）のものより大き
くする。これは例えば交差部周辺６の導波路層１４の厚
さを導波路部８より厚くする事によってなし得る。即ち
導波路部８の導波路層厚をｈ２としたまま、交差部また
はその周辺６における厚さｈ３をｈ２より大きくすれば
良い（ｈ３＞　ｈ２）。第２図（ａｌはこれを示したも
のである。このようにすれば、導波光が交差部５に侵入
した際に交差部５で等偏屈折率が大きくなるためガイド
性が高められ、前述の光軸ずれを抑制する事ができる。

次に本発明では、導波路部８に比べ等偏屈折率を大きく
した交差部５内にあって、電気的制御によって屈折率の
低下する領域（以下、屈折率制御領域という）７の等偏
屈折率を、他の交差部に比べ小さくする。これは例えば
屈折率制御領域７の導波路層１４の厚さｈ４を他の交差
部５に比べ薄くすることによってなし得る（ｈ４＜ｈ３
）。第２図（ｂ）はこれを示す。つまり、本発明では光
の直進に有利となるよう交差部５での屈折率を上昇させ
つつ、光路切換の際の全反射に有利となるよう、屈折率
制御領域７においては、屈折率を下げたものである。こ
のようにしであるため、本発明では交差部５において光
の直進時の軸ずれを抑制でき、かつ電流注入時において
は全反射に有利な屈折率減少をより効果的に発揮させる
ことができる。また上記において、等側屈折率を大きく
する領域を交差部またはその周辺６としたが、これは交
差部入口における効果を確定するためであり、入口付近
のいわゆる交差部周辺６を広くしてもよいし、また逆に
交差部内の屈折率制御領域７を入口付近でより細くして
も良い。以下の実施例についても同様である。

第二実施例 第２図では、ｈ４〉ｈ２なる場合で示したが、屈折率制
御領域７の導波路部１４の膜厚をさらに薄くシ（ｈ４＜
ｈ２）、この部分の部分的な等側屈折率をもとの導波路
部８のそれよりも小さくすることもできる。ただし交差
部を導波路部８よりみた場合、交差部全体の等側屈折率
は導波路部８より太き（し、直進光の軸ずれを抑制する
範囲で行わなければならない。これは屈折率制御領域７
が、導波路部８より等側屈折率を大きくした交差部内に
あるため可能である。一方この素子を電、気的特性から
みると、屈折率制御領域７では、膜厚が薄く上下方向で
の電気伝導度が大きいため、電流または電圧集中は３，
４の通路を通ってかつ最も電気伝導度の良い屈折率制御
領域７の部分に極めて良好に起こる。通常導波路層１４
は光吸収を小さくするために、キャリア濃度をできるだ
け少なく、従って伝導度を悪くしなければならず、この
層を薄くすることはこの部分の上下方向の伝導度を上げ
、電気的な集中度を高める点で効果は大きい。即ち交差
部において電気伝導度の小さい導波路層の厚さを厚くす
ることは、より導波路層の薄い周辺への電流または電界
の広がりを助長することになり、電気的集中の点からみ
れば不利となるが、その中における屈折率制御領域７内
の電気伝導度を良くすることにより、逆にこの部分の電
気的集中をより大きくすることができる。前記光学的特
性からみた場合、ｈ４はｈ２より小さくできるものの等
側屈折率による制限があったが、電気的集中の点からす
ると、ｈ４はその制限よりさらに小さくしてもよい。

即ち交差部全体の等側屈折率が、導波路部８における等
側屈折率と同じか、それ以下にすることもできる。これ
らは直進時と反射時の特性を交換することとなるが、そ
の特性の比較により選定することができる。なお導波路
層１４の電気伝導度に比ベクラッド層１３゜１５の電気
伝導度をよくすれば、さらにこの電流集中効果をより大
きくすることができる。

このように電気的集中効率を高めることによ一１２＝ す、少ない電流注入または電圧印加で屈折率減少を有効
に引き起こすことができる。このように交差部の配置や
、屈折率制御領域７の形状、各層の電気的特性は光学的
、電気的設計に従い任意とすることができる。

第三実施例 上記の実施例では、交差部の等側屈折率を高めるための
方法として、導波路層１４の交差部における厚みが導波
路部８より厚くする事によってなされていたが、本実施
例では、交差部の等側屈折率を高めまたは電気的狭窄性
を上げるために、材料組成および電気伝導性が導波路層
１４と異なる層６２を第３図に示すように屈折率制御領
域７の両側に設けている。即ち層６２はクラッド層１５
に比べ屈折率が大きいが、導波路層１４と組成の異なる
材料または電気伝導性を有する材料からなる。異なった
組成を用いるのは素子製作面での容品性のためであり、
異なった電気伝導性を用いるのは電気的狭窄性をさらに
有効にするためのもので、これらはどちらか一方でも、
両方同時にでも用いてもかまわない。後者の場合であれ
ば、例えば導波路層１４がｎ−ＧａＡｓ。

クラッド層がｐ−ＡＩｏ４Ｇａ０．６Ａｓのとき、層６
２を半絶縁性Ａ４゜、　、５Ｇ　ａ　ｏ、　８５Ａ　ｓ
とする。半絶縁性のＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ層は、例え
ば酸素ドープによるエピタキシャル成長により、容易に
得られる。

半絶縁性のＡｌＧａＡｓの層６２の中央部即ち屈折率制
御領域７では、少なくとも導波路層１４が現われるまで
エツチングにより除去されている。この構造では、屈折
率制御領域７をエツチングで薄くする際に１組成が異な
るため、選択エツチングの手法が使用でき素子作製が非
常に容易となる。例えば湿式でエツチングを行うとする
と、ＡｌＧａＡｓ系選択エツチング液、この場合はＡＪ
を含む層をより速くエツチングする弗酸または弗酸系エ
ツチング液（例えばＡＢエツチング液として知られてい
るもの）などを使用すればＡ　ｊ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓのみ
をエツチングし、ＧａＡｓ上面でエツチングを止めるこ
とが容易である。なお図はｈ２＝ｈ４の場合を示したが
、必要ならこの後さらにエツチングを行いｈ２＞ｈ４と
してもよい。−度選択エッチングでｈ２＝　ｈ４まで行
っているため、この後の微小なエツチングの制御は容易
である。

また層６２が半絶縁性であるため、この部分からの電流
リークは全くないため、下部の電流狭窄とあわせて屈折
率制御領域７における狭窄は完全である。従って本実施
例では、素子作製が容易でかつ電流狭窄も完全な素子を
提供することができる。

第四実施例 ｐ形半導体はｎ形半導体に比べて吸収が大きいため、通
常導波路層１４にはｎ形半導体が使用きれる。この場合
、上記実施例では電流注入用のｐｎ接合は屈折率制御領
域７におけるクラッド層１５と導波路層１４の界面に形
成される（層厚ｈ１の部分のｐｎ接合は電気的狭窄領域
３及び４により電流狭窄されているため、この部分の品
質は屈折率制御領域７に比べ素子特性に対する影響は少
ない。）。

ところが作製の途中で屈折率制御領域７の部分の導波路
層１４が、上のｐ−ＡｊＧａＡｓクラッド層のエピタキ
シャル成長時に表面ｔこさらされるため、ｐｎ接合の品
質が悪化する。即ち接合界面で多くの再結合順位が形成
され、導波路層内に有効なキャリア注入が行われない。

これを避けるため、この実施例では第４図に示すように
導波路層（ｎ−ＧａＡｓ　）　　１４　ａの上部にｐ−
ＧａＡｓ層１４ｂを形成する。ｐｎ接合はこの下面（１
４ａ　／　１４　ｂ界面）に形成される。従ってクラッ
ド層等の埋込み成長時に、このｐｎ接合を保護すること
ができ、最初の成長で形成されたｐｎ接合の品質を保つ
ことができる。

第五実施例 これまでの実施例では、下部狭窄層１２は基板表面に例
えば選択拡散や選択イオン注入によって形成され、基板
表面は平坦なものであった。このため光導波路１，２の
作製には導波路層１４をリッジ状にエツチングすること
により行っていた。また拡散やイオン注入を行った基板
上にエピタキシャル成長することは、一般に結晶性の点
で高品質のものが得に（い。そこで、本実施例では下部
電気的狭窄及び導波路形成用にエピタキシャル成長層を
用いるのである。第５図〜第７図にこれを示す。図は第
三実施例に対応するものであるが、他の実施例について
も適用できる。ＧａＡｓ基板１１上にＡｊＧａＡｓ層１
２ｂ、１２ｃ　（少なくとも一方は半絶縁性）を形成し
、光導波路１，２に相当する部分を選択エツチングする
。この時生じたこのステップの保存または消滅を次のエ
ピタキシャル成長の際に制御するようにする。即ち下部
クラッド層１３の成長はステップをできるだけ保存する
ように、また導波路層１４は消滅するようにする。エピ
タキシャル成長法例えばＭＯＣＶＤ法では、成長温度、
速度などによりこのような制御は可能である。この方法
では導波路層１４を工ツチングすることなく、光導波路
１，２が形成できる。またＡＪＧａＡｓ層１２ｂ、１２
ｃば半絶縁性であるため、下部電気的狭窄用層としても
作用する。この後は、第三実施例を同じ方法で作製する
。なお第７図では層６２はなくてもよい。これらの方法
では導波路層の段差と下部電流狭窄が同時にてき、作製
が簡単で結晶性のよい素子を提供することがてきる。以
上説明したように本発明の光スイッチでは、交差部の光
学的特性とスイッチのための電気的特性の両者が同時に
改善する事ができるため、優れた光スイツチ性能を得る
ことがてきる。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明の光スイッチでは、交差部の
等価屈折率を大きくし、かつその中の屈折率制御領域の
等価屈折率を小さ（することにより導波光の直進時の光
軸ずれを抑制するとともにスイッチ動作時における屈折
率減少効果を大きくし、さらに屈折率制御領域の電気伝
導度を大きくしてより電気的集中が起こり易くしたため
、クロストークが少なく、スイッチ特性の良い素子を実
現することができ、従って素子の小形化にも効果がある
。

なお、上記実施例では、電流狭窄は導波路層の上下で行
ったもので示したが簡単には、上側のみまたは下側のみ
でもかまわない。電気伝導のタイプについてもｐ形、ｎ
形逆でもよい。光導波路もリブ形で示したが、埋込み形
、疑似埋込み型などてもよいし、電流狭窄方法について
も、拡散、イオン注入、エピタキシャル層によるもの、
ヘテロ接合のビルトイン電圧の差によるものなどいずれ
でもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例の光スイッチの平面図、第
２図ｆ、）　（ｂｌはそれぞれ第１図中のＡＡ、Ｂ−Ｂ
線断面図、第３図、第４図はそれぞれ本発明の第三、第
四実施例にかかり、第３図（ａ）、第４図（ａ）は第１
図中のＡ−Ａ線に相当する一２０＝ 位置の断面図、第３図（ｂ）、第４図（ｂ）は第１図中
のＢ−Ｂ線に相当する位置の断面図である。第５図〜第
７図は本発明の第五実施例にかかり、第５図（ａ）、第
６図（ａ）、第７図（ａ）は第１図中のＡＡ線に相当す
る位置の断面図、第５図（ｂ）、第６　図（ｂｌ、　第
７１Ｈｂｌｌ−を第１　図中）Ｂ−Ｂ１ｓニ相当する位
置の断面図である。第８図は従来の光スイッチの平面図
、第９図（ａ）　（ｂｌはそれぞれ第８図中のＡ−Ａ、
Ｂ−Ｂ線断面図である。 図　　面　　中、 １．２ば光導波路、 ３．４は電気的狭窄領域、 ５は交差部、 ６は交差部又は交差部周辺、 ７は屈折率制御領域、 ８は導波路部、 １１は基板（ｎｒ−ＧａＡｓ　）、 １２は下部狭窄層（ｐ−ＧａＡｓ）、 １．２　ｂは半絶縁性ＡＪＧａＡｓ　。 １３．１５はクラッド層（１３：　　ｎ−ＡＪＧａＡｓ
　。 １　５　：　　ｐ−ＡＪＧａＡｓ　）　　、１４は導波
路層（例えばＧａＡｓ、１４ａはｎ−ＧａＡｓ　、　１
４　ｂはｐ−ＧａＡｓ）、１６は上部狭窄１ｍ１（ｎ−
ＧａＡｓ　）、１８、．１９は電極である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）二つの光導波路を所定の角度で交差させ、その交
   差部の中の一部に電気的制御によって屈折率が低下する
   領域を設け、その屈折率低下による全反射によって光路
   の切り換えを行う光スイッチにおいて、前記交差部の等
   価屈折率を、前記交差部をのぞく光導波路部の等価屈折
   率よりも大きくし、前記領域の等価屈折率を、前記領域
   をのぞく前記交差部の等価屈折率よりも小さくしたこと
   を特徴とする光スイッチ。
2. （２）前記領域の電気伝導度が、前記領域をのぞく前記
   交差部の電気伝導度よりも大きいことを特徴とする請求
   項（１）記載の光スイッチ。
3. （３）前記領域をのぞく前記交差部は、導波路層に該導
   波路層と異なる層をヘテロ接合することによって等価屈
   折率が増大されたことを特徴とする請求項（１）又は（
   ２）記載の光スイッチ。
4. （４）前記光導波路を光がどちらの方向に進行する場合
   であっても、前記電気的制御によって光路の切り換えが
   できる対称な切換特性を有することを特徴とする請求項
   （１）、（２）又は（３）記載の光スイッチ。