JPH02304422A - 半導体光スイッチ - 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、光伝送システムあるいは光集積回路において
用いられる光制御型の半導体光スイ・ソチに関するもの
である。

（従来の技術） 発光状態にある半導体レーザの活性層領域に、外部から
別のレーザ光を照射することにより、初期のレーザ光を
停止させることができる。この現象は、半導体レーザの
「発振消衰効果」と称される（Ｗ、　Ｊ、　Ｇｒａｎｄ
ｅ　　ａｎｄ　　Ｃ，Ｌ、　Ｔａｎｇによる論文Ａｐｐ
１．Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ。

誌　５１巻１７８０頁１９８７年　参照）。

一方、従来より、外部から注入光を照射する代わりに、
ストライプ状共振器構造を有する二つの半導体レーザを
同一基板上に作製し、かつ、これら二つの共振器構造を
直交させて配置したモノリシック構造の素子が提案され
ている。

第２図は、このモノリシック構造を有する従来の半導体
光スイッチの構成図である。第２図において、１は基板
、２は主レーザ電極ストライプ（以下、主レーザという
）、３は従レーザ電極ストライプ（以下、従レーザとい
う）である。これら主レーザ２及び従レーザ３は、それ
ぞれ襞界面４ａ、４ｂからなるストライプ状共振器構造
を有し、基板１上に互いの共振器構造部が直交し重複領
域５を形成するように、モノリシックに形成されている
。

このような構成において、例えば、主レーザ２が発振状
態の時に、従レーザ３を発振させると、上記した「発振
消衰効果」により、主レーザ２からの出力光Ｏｏｕｔを
変調することができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記半導体光スイッチによれば、主レー
ザ２及び従レーザ３の共振器構造部が直交した構成とし
たため、これらが交差する重複領域５は共振器長の一部
のみとなっている。従って、主レーザ２の共振器長全体
に亘り、従レーザ３のスイッチ光（発振光）を注入する
ことができず、相互作用が不十分である。このため、主
レーザ２の発振が完全に停止することはなく、主レーザ
２の発振光強度が数１０％減少するのみであり、十分な
オン／オフ比を実現できないという欠点があった。

一方、大きな「発振消衰効果」を得るために、従レーザ
３のストライプ幅を、主レーザ２の共振器長に近ずける
ことが考えられる。しかしながら、これでは、従レーザ
３のストライプ幅が大きくなるため、発振に要する電流
値が極めて大きくなってしまい、室温での連続発振が不
可能になるという問題点を有する。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、二つの半導体レーザ間の相互作用が十分に行
われ、互いに他方のレーザ発振を１００％停止すること
ができ、十分なオン／オフ比を得ることができる半導体
光スイッチを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、活性層を
当該活性層よりバンドギャップエネルギーが大きく、屈
折率の小さいｎ型領域とｎ型領域の物質間に配置し、さ
らに、ｐ型及びｎ型電極層を備えた半導体光スイッチに
おいて、前記活性層は、ストライプ方向に光を反射する
共振器構造を有する超格子構造の半導体結晶よりなる第
１のストライプ状発光部と、ストライプ方向に光を反射
する共振器構造を有する前記超格子構造を混晶化した半
導体結晶よりなる第２、のストライプ状発光部とをＨし
、かつ、前記第１のストライプ状発光部の一側と前記第
２のストライプ状発光部の一側とを所定長に亘って一体
化させて光分波領域を形成した構成としている。

また、請求項（２）では、少なくとも前記第１及び第２
のストライプ状発光部のうちいずれか一方に、所定の曲
率を有する曲部を形成した。

（作　用） 請求項（１）によれば、ｐ摺電極層とｎ型電極層間に、
所定の閾値以上の電流を供給すると、第１のストライプ
状発光部は発振状態となり、主としてＴＥモード光が励
起される。一方、ｐ摺電極層とｎ型電極層間に、所定の
閾値以上の電流を供給すると、第２のストライプ状発光
部は発振状態となり、主としてＴＭモード光が励起され
ることになる。

ここで、例えば、第１のストライプ状発光部を上記のよ
うに発振状態にしておき、この状態で、第２のストライ
プ状発光部を発振させると、第１のストライプ状発光部
による光と第２のストライプ状発光部による光とが互い
に相手の発光領域に侵入し、十分な大きさの相互作用を
及ぼしあう。

これにより、十分な「発振消衰効果」が生じ、第１のス
トライプ状発光部の発振が停止する。

逆に、第２のストライプ状発光部を発振状態としておき
、この状態で、第１のストライプ状発光部を発振させる
と、上記と同様の原理に基づき、先に発振状態にあった
第２のストライプ状発光部の発振が停止する。

また、請求項（２）によれば、例えば、第１のスドライ
ブ状発光部の一部に曲部が形成されていると、第２のス
トライプ状レーザ部にて励起されたＴＭモード光は、相
互作用時に第１のストライプ状発光部に侵入するが、曲
部にて放射作用を受けて消滅し、第１のストライプ状発
光部の出射端部から出射されない。

また、第２のストライプ状発光部の一部に曲部が形成さ
れていると、第１のストライプ状レーザ部にて励起され
たＴＥモード光は、相互作用時に第２のストライプ状発
光部に侵入するが、曲部にて放射作用を受けて消滅し、
第２のストライプ状発光部の出射端部から出射されない
。

（実施例） 第１図は、本発明による半導体光スイッチの第１の実施
例を示す構成図である。第１図において、１１は基板で
、例えばｎ型ＧａＡｓ単結晶より構成されている。１２
はＧａＡｓ基板１１上面に形成されたバッファ層で、Ｇ
ａＡｓ基板１１より低い屈折率を有するｎ型のＡＮ　　
Ｇａ　　　Ａｓ（例Ｘ　　　　　　ｌ−ｘ えば、ｘ−０，３）より構成されている。

１３は第１のストライプ状発光部（以下、第１ｔ−ｙ　
Ａ　ｓ　（例えば、ｙ−ｏ、ａ　）の１００Ａ程度の薄
層の繰り返し構造とした超格子層より構成されている。

また、第１の発光部１３は、男界面による共振器構造を
有し、ストライプ方向に光を反射する機能を有する。

１４は第２のストライプ状発光部（以下、第２の発光部
という）で、前記第１の発光部１３と同様の超格子層を
後記する方法により破壊した平均１組成２を有するＡＩ
　　Ｇａ　　　Ａｓ（例えば、ｚ　　　１−ｚ 上記と同様に１００Ａ程度の層厚の繰り返しの場合で、
かつ、完全混晶の場合、ｚ＝ｏ、１５となる）混晶より
構成されている。また、第１の発光部１４は、襞界面に
よる共振器構造を有し、ストライプ方向に光を反射する
機能を有する。

１５は光分波領域で、第１の発光部１３の一側のクラッ
ド領域が第２の発光部１４のコア領域にて構成され、か
つ、第２の発光部１４の一側のクラッド領域が第１の発
光部１４のコア領域にて構成されるように、第１及び第
２の発光部１３及び１４を一体化形成して構成されてい
る。この先分波領域１５は、第１及び第２の発光部１３
及び１４のストライプ方向の全長に亘って形成されてい
る。また、第１及び第２の発光部１３及び１４にて、い
わゆる半導体レーザにおける活性層が構成される。

１６は光分波領域１５の上面全体に亘って形成されたク
ラッド層で、ｐ型のＡｆＩ　Ｇａ　　　Ａｓｘ　　　１
−ｘ （例えば、ｘ＝０．３　）より構成されている。

１７はクラッド層１６の上面全体に亘って形成された電
極層で、ｐ型のＧａＡｓにより構成されている。

１８ａ、１８ｂは電極層１７の上面に形成されたｐ型電
極で、それぞれＣｒ　／　Ａ　ｕより構成されている。

ｐ型電極１８ａは第１の発光部１３の上面と、ｐ型電極
１８ｂは第２の発光部１４の上面とそれぞれ対向するよ
うに、互いに分離して形成されている。

１９はＧａＡｓ基板１１の下面全体に亘って形成された
ｎ型共通電極で、Ａ　ｕ　Ｇ　ｅ　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕ
より構成されている。

なお、上記第１及び第２の発光部１３及び１４の屈折率
は、バッファ層１２及びクラッド層１６より高屈折率で
あり、これらが一体となって、後記する方法により幅Ｗ
（５〜６μｍ）、高さＨ（５０００Ａ〜２μｍ　）のり
ッジ型のストライプ構造（ストライプ状光導波路）に形
成されている。

次に、上記構成による半導体光スイッチの作製方法につ
いて説明する。

まず、分子線エピタキシィ　（ＭＢＥ）あるいは有機金
属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの原子層レベルに膜厚
制御が可能な結晶成長法を用いて、基板１１上に、バッ
ファ層１２、続いて超格子層、クラッド層１６、電極層
１７を全面にエピタキシィ成長する。

次に、第２の発光部１４となる領域のみにＳｉＯ□膜等
の選択的堆積などの処理を施した後、例えば、９００℃
の条件下において、３０秒高温アニール処理を行ない混
晶化させる。ここで、混晶化とは、不純物を拡散するか
、あるいはここで適用したある種の人為的操作によって
、超格子構造が組成の一様な混晶になることをいう。こ
の混晶化により、超格子構造に比べてエネルギーギャッ
プが広がる。なお、混晶化の程度が完全でなく、部分的
であっても、エネルギーギャップは、混晶化の程度に応
じて広がる。

次いで、反応性イオンエツチングあるいは湿式エツチン
グなど適当なエツチング方法を採用することにより、上
記した構造パラメータの幅Ｗ及び高さＨを有するストラ
イプ構造を形成する。

さらに、電極層１７の上面にＣｒ　／　Ａ　ｕによりｐ
種電極１８ａ、１８ｂを、ＧａＡｓ基板１１の下面にＡ
　ｕ　Ｇ　ｅ　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕによりｎ型共通電極
１９を形成することにより、半導体光スイッチの作製が
完了する。

次に、上記構成による動作を第３図及び第４図に基づい
て順を追って説明する。

第３図は、第１図の光分波頭域１５における横方向の屈
折率分布を示す図である。第３図において、実線■は偏
波方向が基板１１面に対して平行なＴＥモード光の屈折
率を、破線■は偏波方向が基板１１面に対して垂直なＴ
　Ｍモード光の屈折率をそれぞれ示している。

ここで、第１の発光部１３の屈折率をＮｓ、第２の発光
部１４の屈折率をＮａとすると、両者の間には次のよう
な関係があることが知られている。

第２の発光部１４の屈折率ＮａはＴＥ及び１Ｍモード光
に対してほぼ同一である。即ち、Ｎａ　（ＴＥ）−Ｎａ
　（ＴＭ） なる関係を満足する。

ところが、第１の発光部１３の屈折率Ｎｓには偏波依存
性があり、次のような関係を満足する。

ＴＥモード光：Ｎｓ　（ＴＥ）＞Ｎａ　（ＴＥ）Ｔ　Ｍ
モード光：　Ｎｓ　（ＴＭ）＜Ｎａ　（ＴＭ）また、そ
の屈折率差は約２×１０−３である。なお、混晶化の程
度が完全ではなくとも、その程度に応じてこれらの関係
が成立する（光学的性質については、１９８７年開催の
「レーザ電子光学国際会、１ｉａ（ＣＬＥＱ）での発表
論文ＷＱ−４Ｊ参照）。

従って、横方向の屈折率は、第３図に示すように、４領
域Ａ、Ｂ’、Ｃ，Ｄに分かれる。これらの領域のうち、
八及びＤは空気領域を、Ｂは第２の発光部１４の領域を
、Ｃは第１の発光部１３の領域をそれぞれ示している。

第３図から分かるように、光分波頭域１５の横方向の屈
折率分布において、ＴＥモード光に対する屈折率のピー
ク値は、第１の発光部１３の領域Ｃにある。一方、Ｔ　
Ｆｖ１モード光に対する屈折率のピーク値は、第２の発
光部１４の領域Ｂにある。

また、一般に、高屈折率の物質からなるコア領域を、低
屈折率の物質からなるクラッド領域にて囲んだ先導波路
において、光は高屈折率のコア領域を伝搬する特性を有
する。

従って、光分波頭域１５に入射された光は、その偏波方
向によって自動的に分波され、ＴＥモード光は超格子構
造部をコア領域とする第１の発光部１３に沿って伝搬さ
れ、１Ｍモード光は混晶構造部をコア領域とする第２の
発光部１４に沿って伝搬される。即ち、入射光からＴＥ
モード光と１Ｍモード光とが空間的に分離されて伝搬さ
れることになる。

第４図は、光分波頭域１５における光強度分布を示す図
である。第４図において、実線■°はＴＥモード光の強
度分布を、破線■゛はＴ　Ｍモード光の強度分布をそれ
ぞれ示している。また、第３図と同様に、Ａ及びＤは空
気領域を、Ｂは第２の発光部１４の領域を、Ｃは第１の
発光部１３の領域をそれぞれ示している。

第４図から分かるように、ＴＥモード光のピーク値は、
第１の発光部１３の領域Ｃの近傍にあり、１Ｍモード光
のピーク値は、第２の発光部１４の領域Ｂの近傍にある
。かつ、ＴＥ及びＴＭの両モードの光波は、互いに相手
の領域にも広がっている。このことは、両モードの光波
は、互いに相互作用を及ぼしあうことを示している。

従って、第１図の構成において、ｐ型７１１１８ａとｎ
型共通電極１９間に、所定の閾値以上の電流を供給する
と、第１の発光部１３は発振状態となり、主としてＴＥ
モード光が励起される。一方、ｐ素電極１８ｂとｎ型共
通電極１９間に、所定の閾値以上の電流を供給すると、
第２の発光部１４は発振状態となり、主として７Ｍモー
ド光が励起されることになる。

ここで、例えば、第１の発光部１３を上記のように発振
状態にしておき、この状態で、第２の発光部１４を発振
させると、第１の発光部１３による発振光と第２の発光
部１４による発振光とが互いに相手のコア領域に侵入し
、十分な大きさの相互作用を及ぼしあう。これにより、
十分な「発振消衰効果」が生じ、第１の発光部１３の発
振が停止する。

逆に、第２の発光部１４を発振状態としておき、この状
態で、第１の発光部１３を発振させると、上記と同様の
原理に基づき、先に発振状態にあった第２の発光部１４
の発振が停止する。

なお、混晶化構造を有する第２の発光部１４は、前述し
たように、混晶化のために超格子構造の第１の発光部１
３に比べ、エネルギーギャップが広がっており、発振波
長は第１の発光部１３よりも若干短い。しかし、これは
超格子層の利得波長域の中にあるように設定することが
できるので、十分に相互作用を及ぼすことができる。

以上のように、本第１の実施例によれば、いわゆる半導
体レーザの活性層を、臂界面を用いたストライプ方向に
光を反射する共振器構造を有し、かつ、超格子構造の第
１の発光部１３と、羽界面を用いたストライプ方向に光
を反射する共振器構造を有し、かつ、前記超格子構造を
混晶化した混晶化構造の第２の発光部１４とから構成す
ると共に、第１及び第２の発光部１３及び１４の一側同
士を所定長に亘って一体化してなる光分波領域１５を形
成したので、第１及び第２の発光部１３及び１４間の相
互作用が十分に行われ、互いに他方のレーザ発振を１０
０％停止することができ、十分なオン／オフ比を有する
半導体光スイッチを実現している。

第５図は、本発明による半導体光スイッチの第２の実施
例を示す構成図である。本第２の実施例では、前記第１
の実施例の構成に加えて、光分波領域１５の第１及び第
２の発光部１３及び１４を含む各々の一端に、所定の曲
率をもって形成された曲部２１ａ、２２ａをそれぞれ有
するストライプ状レーザ部２１ｂ、２２ｂを接続し、全
体として光分波領域１５を含む第１及び第２のストライ
プ状レーザ部２１及び２２を構成している。

接続したストライプ状レーザ部２１ｂの発光部は、第１
の発光部１３と同様の超格子構造からなり、その上に、
第１図と同様にクラッド層１６、電極層１７並びにｐ型
電極１８ａが表記した順に形成されている。

同様に、ストライプ状レーザ部２２ｂの発光部は、第２
の発光部１４と同様の超格子構造を混晶化した混晶化構
造からなり、その上に、第１図と同様にクラッド層１６
、電極層１７並びにｐ素電極１８ｂが表記した順に形成
されている。

また、ストライプ状レーザ部２１ｂと２２ｂは、非接触
状態に形成されている。

このような構成においては、第１及び第２のストライプ
状レーザ部２１及び２２は、曲部２１ａ及び２２ａが形
成されているため、相互作用時に相手のコア領域に侵入
した偏波光は、侵入光の発光部を伝搬して曲部２１ａま
たは２２ａに到達し、ここで放射され消滅する。

即ち、第１のストライプ状レーザ部２１にて励起された
ＴＥモード光は、相互作用時に第２のストライプ状レー
ザ部２２に侵入するが、曲部２２ａにて放射作用を受け
て消滅し、第２のストライプ状レーザ部２２の出射端部
から出射されることはない。

同様に、第２のストライプ状レーザ部２２にて励起され
た７Ｍモード光は、相互作用時に第１のストライプ状レ
ーザ部２１に侵入するが、曲部２１ａにて放射作用を受
けて消滅し、第１のストライプ状レーザ部２１の出射端
部から出射されることはない。

以上のように、本第２の実施例によれば、第１及び第２
のストライプ状レーザ部２１及び２２に、曲部２１ａ及
び２２ａを形成したことにより、相互作用時に相手のコ
ア領域に侵入した偏波光は、侵入光の曲部２１ａまたは
２２ａにて放射作用を受けて消滅するため、各節１及び
第２のストライプ状レーザ部２１及び２２の出射光は、
他の偏光成分を含むことはない。従って、第１の実施例
の効果に加えて、有害なりロストークを最小限に抑止す
ることができる。

なお、第１及び第２の実施例においては、共振器構造と
して、襞界面を用いた場合を例に説明したが、これに限
定されるものではなく、回折格子を内蔵したＤＦＢ、Ｄ
ＢＲ構造を有する場合でも同様の効果を得ることができ
る。

また、当該半導体光スイッチをＧａＡｓ系の半導体積層
構造としたが、ＩｎＰ系の半導体積層構造としても同様
の効果を得ることできる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、活性層は
、ストライプ方向に光を反射する共振器構造を有する超
格子構造の半導体結晶よりなる第１のストライプ状発光
部と、ストライプ方向に光を反射する共振器構造を有す
る前記超格子構造を混晶化した半導体結晶よりなる第２
のストライプ状発光部とを有し、かつ、前記第１のスト
ライプ状発光部の一側と前記第２のストライプ状発光部
の一側とを所定長に亘って一体化させて光分波領域を形
成したので、第１及び第２のストライプ状発光部間の相
互作用が十分に行われ、いわゆる「発振消衰効果」によ
り、互いに他方の発振を十分なオン／オフ比をもって停
止させることができる半導体光スイッチを提供できる利
点がある。

また、請求項（２）によれば、上記請求項（１）の効果
に加えて、有害となるクロストーク先の発生を抑止する
ことができる。

従って、本発明による半導体光スイッチは、将来の光伝
送システムあるいは光集積回路に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体光スイッチの第１の実施例
を示す構成図、第２図は従来の半導体光スイッチの構成
図、第３図は第１図の光分波領域における横方向の屈折
率分布を示す図、第４図は第１図の光分波領域の光強度
分布を示す図、第５図は本発明による半導体光スイッチ
の第２の実施例を示す構成図である。 図中、１１・・・ｎ型ＧａＡｓ基板、１２・・・ｎ型バ
ッファ層、１３・・・第１のストライプ状発光部、１４
・・・第２のストライプ状発光部、１５・・・光分波領
域、１６・・・Ｐ型りラッド層、１７・・・ｐ重電極層
、１８ａ、１８ｂ・・・ｐ型電極、１９・・・ｎ型共通
電極、２１・・・第１のストライプ状レーザ部、２１ａ
。 ２２ａ・・・曲部、２２・・・第２のストライプ状レー
ザ部。 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　吉　　１）　精　　孝１５：光分波
領域 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性層を当該活性層よりバンドギャップエネルギ
   ーが大きく、屈折率の小さいｐ型領域とｎ型領域の物質
   間に配置し、さらに、ｐ型及びｎ型電極層を備えた半導
   体光スイッチにおいて、 前記活性層は、ストライプ方向に光を反射する共振器構
   造を有する超格子構造の半導体結晶よりなる第１のスト
   ライプ状発光部と、ストライプ方向に光を反射する共振
   器構造を有する前記超格子構造を混晶化した半導体結晶
   よりなる第２のストライプ状発光部とを有し、 かつ、前記第１のストライプ状発光部の一側と前記第２
   のストライプ状発光部の一側とを所定長に亘って一体化
   させて光分波領域を形成したことを特徴とする半導体光
   スイッチ。
2. （２）少なくとも前記第１及び第２のストライプ状発光
   部のうちいずれか一方に、所定の曲率を有する曲部を形
   成した請求項（１）記載半導体光スイッチ。