JPH0232322A - 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、光伝送や光交換において利用され、半導体材
料を用いてなる光スィッチに関する。

（従来の技術とその課題） ２つの入出力ボート間の光信号の接続を切り換える光ス
ィッチは、光伝送、光交換に於ける最も重要な構成要素
である。このような光スィッチは光導波路により方向性
結合器、交差、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ろことにより実現できる。

現在屈折率変化を得るための手段として一次電気光学効
果（ポッケルス効果）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１恒体
材料を用いても実用的に得られる比屈折率変化は１０　
　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
のエキシトンピークの電界などによる変化よって生ずる
、吸収端近傍での屈折率変化が非常に大きいことが注目
され、これを利用した各種の光スィッチが提案されてい
る。

第５図は白木らによって提案されている光スィッチの一
例の上面図を示すものであり、電気通信学会論文誌（英
文）第Ｅ６８巻、１９８５年、７３７〜７３９頁（こ掲
載された論文を引用したものである。

２本の半導体材料による光導波路２１ａ、２１ｂが交差
角θで交わるように配置され、その交差部にＭＱＷ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等分線Ｂ−Ｂ’に
沿って電極２３が形成され［（ｉ２３を介してＭＱＷ部
２に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２３ｉこより交差部２等
分線上に電界を印加するとその部分のＭＱＷ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
。彼らによれば電界によるＭＱＷの屈折率変化は１％程
度と見積られるので交差角１０°以上にすることが可能
となり非常に小型な光スィッチが期待できるとされてい
る。

しかしながらこの様なＭＱＷの電界による屈折率変化は
吸収端、あるいはエキシトンピークのシフト（こ伴うも
のなので、大きな屈折率変化を得るためには光吸収が犬
＠な波長域を用いなくてはならない。提案されている光
スィッチでは導波路ガイド層の交差部分がＭＱＷ構造と
なっているので、屈折率変化１％を得る波長域ではＭＱ
Ｗ部の吸収係数は数１００ｃｍ’程度であるから実際の
導波路型のデバイスを実現するのは困難である。また、
屈折率変化と導波損失にはトレードオフの関係があり、
ある程度使用波長をエキシトンビークより長波長側に設
定し、低損失化を優先した場合には、電界印加により得
られる屈折率変化は小さくなり、印加電圧の増大または
、クロストークの劣化を招く恐れがある。このように、
従来の構成の光スィッチの構造では低導波損失化、低ク
ロストーク化及び低電圧化のすべてを満足することはで
きないなどの問題があった。このように従来の光スィッ
チには解決すべき課題があった。

本発明の目的は、このような課題を解決し、低導波損失
が得られ、低電圧で動作し、低クロストーク化が可能と
なる光スィッチを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明による元スイッチは、半導体基板上に形成された
第一の光４波路と、前記第一の光導波路と交差し又は該
第１の光導波路から分岐する第二〇光導波路と、前記第
一および第二の先導波路の交差部または分岐部に形成さ
れた屈折率変化を生じさせる部分とからなる全反射型光
スイッチにおいて、前ＨＣ第一及び第二の光導波路の導
波層が前記半導体基板に対して平行な方向に各層をもつ
第一の多重童子井戸構造からなり、前記交差部の交差角
の二等分線上に沿った部分または前記分岐部の分岐角の
二等分線上に沿った部分が前記第一の多重量子井戸構造
の各層に対して垂直方向に各層を持つ第二の多重量子井
戸構造からなり、前記第一の多重量子井戸構造の各層に
対しては垂直であり前記第二の多重量子井戸構造の各層
に対しては平行である方向に電界を印加する手段を有す
ることを１％僧とするものである。

（作用） 本発明は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造への平行′シ界
（こよる室温エキシトンの消滅によって生ずるエキシト
ンピーク長波長側での屈折率減少と、ＭＱＷへの垂直電
界によるエキシトンピークの長波長側へのシフトによっ
て生ずる屈折率増加を相加的に利用することにより実現
するものである。

まずこれらの電界による屈折率変化について簡単に説明
する。第３図（ａ）　、　（１はそれぞれＭＱＷ構造の
各層に平行な電界による、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
平行な電界が印加されていない場合には吸収端近くの吸
収スペクトラムには２つのエキシトン吸収ピークが明瞭
にみられる。吸収係数トクラマースクローニツヒの関係
にある屈折率の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。これに対し電界Ｅを印
加した場合には量子井戸内でエキシトンのイオン化が生
じ吸収スペクトラム上ではエキシトン共鳴（こよる吸収
ビークが消失する。一方屈折率スペクトラム上の段差は
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
、Ｅの印加によりエキシトン吸収ビークが消減すれば、
屈折率スペクトラム上の段差も消える。従って吸収端近
端の波長に於ては大きな屈折率変化が得られ、屈折率は
エキシトンビーク短波長側では増加、長波長側では減少
する。

次にＭＱＷの各層に垂直な方向（こ電界を印加した場合
を考える。この時、平行電界の場合とは違ってエキシト
ンは消減せず、ある程度の形状を保ったままで長波長側
ヘシフトする。第４図（ωにその吸収スペクトルの形状
を示した。従って、これとクラマースクローニツヒの関
係にある屈折率スペクトルも電界が００時の段差を保っ
たまま第４図（ｂ）のように長波長側ヘシフトした形状
となる。

その結果電界が００時のエキシトンビーク波長近傍では
最初にあった屈折率スペクトルの段差程度大きく電界に
より屈折率は負ｆこ変化するが、ある程度長波長側の波
長域では電界により正に変化する。

従って本発明による光スィッチの構造で、第３図、第４
図の屈折率スペクトル上のλ０の波長を用いれば、二つ
の導波路の交差部あるいは分岐部で得られる電界による
屈折率変化は、ＭＱＷへの平行電界による負の屈折率変
化と垂直電界による正の屈折率変化の和と考えられ、等
測的にはこの波長では、従来のものに比べて大きな屈折
率変化を得ることができ低クロストークが得られる。ま
た当然、使用している波長はエキシトンビークよりかな
り長波長側であるから、損失化も図れる。

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図は本発明による光スィッチの一実施例を示す図で
あり、第１図（帽まその実施例の斜視図、第１図（ｂ）
は同図（ａ）のＡ−Ａ′線を通る面において矢印方向に
見た該実施例の断面図である（但し、Ａ−Ａｉは基板１
の上面に平行で実施例のウェハの上面に接する線である
）。この実施例は本発明を交差感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／Ａｌ
ＧａＡｓ　系を用いた場合につき説明するが、Ｉ　ｎＧ
ａＡｓＰ／Ｉ　ｎＰ　、　Ｉ　ｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡ
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本発明が適用
可能なことは言うまでもない。

また第２図は本実施例の光スィッチの製作過程を示す図
である。まず第２図を用いて本実施例の製作方法につい
て説明する。ｎ”　ＧａＡｓ基板１上にｎ＋−ＡＩＧａ
Ａｓ　（ＡＩのモル比ｘ＝０．３８）バッファ層２（０
，５μｍ）を介して　１−ＡＩＧａＡｓ（ＡＩのモル比
ｘ＝０．３８）クラッド層（０，８μｍ）３．１＝Ｇａ
Ａｓ／ＡｌＡｓ　　ＭＱＷ（つｚ／ｌｚ厚１００Ａバリ
ア厚１００Ａ）ガイド層（０，７／Ａｍ）４、ｉ−Ａ　
Ｉ　ＧａＡ　ｓ　（Ａ　Ｉのモル比ｘ＝０．３８）クラ
ッド層（０，５ｆｉ　ｍ　）　５、ｉ　−ＧａＡｓ　ｔ
−ラグ層（０，３μｍ）６をＭＯＶＰＥ法に上り順次成
長する（第２図（ａ））。

次にレジストを用いフォトリソグラフィー法により形成
したＳｉ０ｇマスク１１を用いて幅１μｍでｎ＋−ＡＩ
ＧａＡｓバッファ層２に達する程度の深さのストライプ
状の溝を反応性イオンビームエツチング法により形成す
る。このときエツチング面は平滑でかつ基板に対して垂
直となっている（第２図（ｂ））。次にＭＯＶＰＥ法に
よりこの溝を埋め込む。

このときガスの流量、ガス圧、ガスの切り替え時間を適
当に設定し溝の壁面へｉ　−ＧａＡｓ／Ａ　ＩＡｓＭＱ
Ｗ（ウェル厚１００Ａ、バリア厚１００Ａ）７が形成さ
れる条件にて成長する。Ｓ　ｉＣｈマスク１１は成長の
選択性を持っているので、成長するのは溝の内部だけで
ある（第２図（Ｃ））。次にこのＳ　ｉＯ２マスク１１
取り除き、再びＳｉＯ２マスク１２を用い、最終的に導
波路の交差部となる部分にのみＣｄを選択的に拡散する
。拡散の深さは０．８μｍである。このように部分的に
ｐ型拡散領域８を作ｊ）ｐ−ｉ−ｎ構造を用いた電界印
加手段を形成する（第２図Ｕ））。次にＳ　ｉ０２マス
ク１２を剥離しフォトリソグラフィー法により形成した
レジストマスクを用いてエツチングにより交差型のリプ
型導波路を形成する。このとき溝を埋め込んだＭＱＷ部
分が交差導波路の交差角の２等分線上に配置されるよう
にパターニング時の目合わせを行う。交差導波路の交差
角は９°であり、幅は６μｍである。レジストを剥離し
た後、ｐ側電極９、基板側の電極１０を取り付ける（第
２図（ｅ））。

最後にへき開により入出力端面を形成する。素子長は約
５００　Ｊｉｍである。この時、１−ＡＩＧａＡｓクラ
ッド層３．５の屈折率はそれぞれ３．３８．ｊ−ＧａＡ
ｓ／ＡｌＡｓ　Ｍ　ＱＷ　４の屈折率は３．４３であり
、縦方向には各層の屈折率差による光の閉じ込めにより
、また横方向にはリブ型形状をもたせることにより交差
型の３次元導波路を形成している。

本実施例の製作工程においては基板に対して垂直方向の
ＭＱＷを形成するための溝を形成しＭＱＷの壁面成長を
行った後に交差型のチャネル導波路を形成した例を示し
たが、チャネル導波路を形成した後にその交差部に溝を
形成し、ＭＱＷを成長するといの製作工程を用いてもよ
い。

次に第１図を用いて実際のスイッチの動作について説明
する。入射光１３はＭＱＷ４．７のエキシト／ビーク波
長（８４５ｎｍ）よりある程度長波長側でＭＱＷへの垂
直電界１こよって屈折率が正に変化する領域の波長（８
７５ｎｍ）、第３、第４図におけるλ０の光を用いた。

まず電極９−１０間に′電界が印加されていない場合を
考える。

この時はＭＱＷ４とＭＱＷ７とは同一組成であり、屈折
率整合がとれているためＭＱＷガイド層４に入射された
入射光１３はＭＱＷ部分を直進し出力光１４として取り
出せる。交差角は９°と大きいから、交差部での多少の
等測的な屈折率差がクロストークに与える影響はほとん
どない。次に電極９−１０間にｐ−１−ｎ構造への逆バ
イアス電圧が印加された場合を考える。このときはＭＱ
Ｗ４の各層に対してはほぼ垂直に、溝の壁面に成長した
ＭＱＷ７の各層に対しては平行に電界が印加される。第
３図及び第４図を用いて説明したように、ＭＱＷに平行
に電界が印加されるとエキシトンのイオン化によるエキ
シトン消滅が起こりエキシトンビーク長波長側の波長λ
Ｇでは屈折率が０．５Ｘ程度大きく減少する。またＭＱ
Ｗに垂直（こ電界が印加された場合は、この波長では屈
折率は０．２　Ｘ程度増加する。従って入射光１３はＭ
ＱＷ４で０゜２Ｘの屈折率増加、ＭＱＷ７で０．５％の
屈折率減少即ち、合計０．７％の屈折率減少を交差部で
感じること（こなり、交差導波路と壁画成長されたＭＱ
Ｗ７との間に全反射条件が満たされるに充分な屈折率差
か生じ、入射光１３は交差部中央で全反射され出射光１
５として取り出される。また入射光１３は交差部へ入る
手前の電極部直下で、電界による屈折率増加を感じるが
屈折率変化部分への入射光の入射角か深いから問題とは
ならない。

このようにして実際のスイッチングが行われる。

またエキシトンのイオン化による消滅に必要な電界強度
は３　Ｘ　１０’Ｖ／ｃｍ　　程度でありｐ拡散のフロ
ントからｎ　層まで約１．５μｍであるからスイッチン
グに必要な電圧としては４．５ｖと換算される。またＭ
ＱＷへの垂直電界ｆこよるエキシトンの長波長側へのシ
フトに関してもこの程度の電界強度で十分に可能である
。従って従来の平行に並べた２本の電極間の′電圧を加
える方式に比べて１／２以下に低電圧化される。また本
発明の構造においては、屈折率減少を生じさせるＭＱＷ
部分は交差部中央線上に形成された垂直エツチングによ
る溝の内部にあり、屈折率増加を生じさせるＭＱＷ部分
はその外側にあるから、屈折率の段差がブロードになる
ことはなく、急峻な屈折率段差面つまり全反射面が形成
される。従ってスイッチング状Ｑに於いても一３０ｄＢ
以上と充分なりロストークが得られる。またエキシトン
ビークに対してかなり長波長側の波長を使用しているか
ら、ＭＱＷガイド層４の導波損失は小さく、更に電圧印
加Ｅこよる損失の変動も数％以下と非常に小さい。また
ここで述べた屈折率変化はＭＱＷの層に平行な電界でｐ
　−ｉ　−ｎ構造への逆バイアスを利用しているから、
その応答速度は素子のＣＲ時定数で決まり数ｐｓｅｃ程
度である。

本実施例では交差導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、本発明のボイントは基板等に形
成した溝の壁面に成長させたＭＱＷの層に平行な電界印
加により得られる屈折率変化を利用することにあり、Ｙ
分岐型等既１こ知られている種々のスイッチ構造に本発
明が適用できることは明らかである。

（発明の効果） 以上に詳細に説明したように本発明によれば、低電圧、
低クロストークで更ｔこ低損失な光スィッチが得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す斜視図、第１図
６）は同図（姉のＡ　−Ａ’線矢視断面図、第２図は第
１図芙施例の製造方法を説明するための工程図、第３図
はＭ　Ｑ　Ｗに平行な電界が印加された場合の屈折率変
化を説明するための図、第４図はＭ　Ｑ　Ｗに垂直な電
界が印加された場合の屈折率変化を説明するための図、
第５図は従来の光スィッチを説明するための概念図であ
る。 図１こおいて １　・−・・−ｎ”−ＧａＡｓ基板、２・・・・・・ｎ
＋−ＡＩＧａＡｓバッファ層、３，５・・・・・・１Ａ
ＩＧａＡｓ　　クラッド層、４　・−・−１−ＧａＡｓ
／ＡｌＡｓ　　ＭＱＷガイド層、６・・・・・・１−Ｇ
ａＡｓ）　ツブｊ−１７−・−・−１−ＧａＡｓ／Ａｌ
Ａｓ　ＭＱＷ。 ８・・・・・・ｐ型拡散領域、９．１０．２３・・・・
・・電極、１１．１２・・・・・・５ｉＯｚマスク、１
３・・・・・・入射光、１４．１５・・・・・・出射光
、２１ａ、２１ｂ・・・・・・光導波路、２２・・・・
・・ＭＱＷである。 代理人　弁理士　　　本　庄　伸　介 （ｂ） （ｃ） 第１図 第２図 へＯ ；及五− 第３図 ＾−０ ７Ｌ長−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に形成された第一の光導波路と、前記第一
   の光導波路と交差し又は該第１の光導波路から分岐する
   第二の光導波路と、前記第一および第二の光導波路の交
   差部または分岐部に形成された屈折率変化を生じさせる
   部分とからなる全反射型光スイッチにおいて、前記第一
   及び第二の光導波路の導波層が前記半導体基板に対して
   平行な方向に各層をもつ第一の多重量子井戸構造からな
   り、前記交差部の交差角の二等分線上に沿った部分また
   は前記分岐部の分岐角の二等分線上に沿った部分が前記
   第一の多重量子井戸構造の各層に対して垂直方向に各層
   を持つ第二の多重量子井戸構造からなり、前記第一の多
   重量子井戸構造の各層に対しては垂直であり前記第二の
   多重量子井戸構造の各層に対しては平行である方向に電
   界を印加する手段を有することを特徴とする光スイッチ
   。