JPH0274930A - 光スイッング素子 - 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、複数の光導波路が互いに交錯する領域に介挿
した光学材料に対する電圧印加もしくは電流注入に基づ
くその光学材料の屈折率変化によってその光学材料の平
坦界面で生ずる全反射を用いて複数光導波路間の切換え
を行なう光スィッチ、方向性結合器等の光スイッチング
素子に関し、特に、その光学材料の介挿に伴う光の吸収
損失を低減するとともに、その光学材料に対する電圧印
加もしくは電流注入のための構成が製作容易となるよう
にしたものである。

（従来の技術） 従来のこの稲光スイッチング素子においても、均一に構
成した切換え対象の複数光導波路が交錯する領域に局所
的に介挿した光学材料に電圧を印加し、あるいは、電流
を注入することにより、その光学材料の平坦界面を境に
して屈折率の格段の差を発生させ、かかる屈折率差に基
づく光の全反射現象あるいは相互干渉現象を利用して光
導波路間の切換えを行なっていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の二〇種光スイッチング素子には、
つぎのような解決を要する課題があった。

（１）複数光導波路が交錯する領域に局所的に介挿した
半導体光学材料に電圧印加もしくは電流注入を施してそ
の屈折率を低減させていたので、その屈折率変化に伴う
光吸収係数の増加により光の全反射現象が損なわれた。

（２）複数光導波路が交錯する領域に介挿した光学材料
に屈折率変化を起こさせるめに局所的に電圧を印加する
には、電圧印加電極の位置の微細精密な制御が必要であ
った。

（３）複数光導波路が交錯する領域に介挿した光学材料
に屈折率変化を起させるために局所的に電流を注入する
には、ウェーハ内部に電流狭窄構造を構成する必要があ
るのみならず、その構成位置の微細精密な制御が必要で
あった。

（課題を解決するための手段） 本発明の目的は、上述した従来の課題を解決し、複数光
導波路が交錯する領域に介挿した光学材料に屈折率変化
を起させて光の全反射による光導波路の切換えを行なう
ための電圧印加時もしくは電流注入時における屈折率変
化に伴う光吸収の増加を軽減するとともに、電圧印加も
しくは電流注入のための構成およびその位置制御を容易
にした光スイッチング素子を提供することにある。

従来の交差型光スイッチにおいては、２光導波路の交差
領域に介挿した半導体光学材料に電圧印加あるいは電流
注入を施し、フランツ・ケルディッシェ効果あるいはキ
ャリヤのプラズマ効果により屈折率を低下させて屈折率
差に基づく光の全反射により光路を切換えるようにして
いたのに対し、本発明者等は、量子構造をなした半導体
光学材料に電界を印加したとき、屈折率が低下する波長
域と屈折率が増大する波長域とが存在することを理論お
よび実験により明らかにするとともに、屈折率が低下す
る波長域より屈折率が増大する波長域の方が電界無印加
時における光の吸収損失が少ないことを見出し、かかる
新たな知見に基づき、電圧無印加時に予め設定した屈折
率差により全反射を起こさせ、電圧印加時に介挿光学材
料の屈折率を増大させて予め設定しである屈折率差を相
殺し、光を直進させることにより、屈折率変化に伴う光
吸収増加を軽減するようにして本発明をなしたものであ
る。

本発明は、上述した目的を達成するために、前述した種
類の光スイッチング素子について、電圧無印加時あるい
は電流無注入時に光の全反射を起こさせるようにして複
数光導波路交錯領域に活性光学材料を介挿しておき、電
圧印加時あるいは電流注入時にその活性光学材料の屈折
率を増大させて光を直進させるようにして光路の切換え
を行ない、屈折率の変化に伴う光吸収増大を軽減するよ
うにするとともに、光の直進および全反射を制御する活
性光学材料を電気光学定数あるいは電流注入による屈折
率変化係数の相異なる２種類の光学材料の接合により構
成して、電圧印加あるいは電流注入のために複雑な構成
を採り、また、その構成位置を微細精密に制御する必要
がないようにしたものである。

すなわち、本発明光スイッチング素子は、少。

くとも単一の入力光導波路を少なくとも２個の１カ導波
路のいずれかに切換えて係合させる光スッチング素子に
おいて、各前記光導波路が共通（通過する光学媒質内に
、入力光の波長領域にお（る屈折率が、前記入力光導波
路の屈折率より小；く、電圧印加により増大して前記入
力光導波路と屈折率にほぼ等しくなる光学材料よりなる
光学半領域を設け、前記光学材料の平坦界面において、
前記光学材領域に電圧を印加しないときに前記シ刃光導
波路からの入力光が全反射して前記出力）導波路への出
力光となり、前記光学材領域に電Ｅを印加したときに前
記入力光導波路からの入力ｙが直進して前記出力光導波
路への出力光となるＪうにしたことを特徴とするもので
ある。

また、本発明光スイッチング素子は、少なく２も単一の
入力光導波路を少なくとも２個の出力光導波路のいずれ
かに切換えて係合させる光スイ・ンチング素子において
、各前記光導波路が共通に通過する光学媒質内に、屈折
率が互いに異なる２種ｔ　　類の光学材料の接合よりな
る光学材領域を設け、Ｂ　　その光学材領域をなす前記
２種類の光学材料のうイ　　ち屈折率が大きく、電圧印
加もしくは電流注入にこ　　よる屈折率変化が小さい方
の光学材料と、屈折率す　　が小さく、電圧印加もしく
は電流注入による屈折さ　　率増加が大きい方の光学材
料との平坦接合界面にり　　おいて、前記光学材領域に
電圧印加もしくは電流す　　注入を施さないときに前記
入力光導波路からの入力光が全反射して前記出力光導波
路への出力光と（なり、前記光学材領域に電圧印加もし
くは電流性６　　人を施したときに前記入力光導波路か
らの入力光−が直進して前記出力光導波路への出力光と
なるようにしたことを特徴とするものである。

（作　用） したがって、本発明光スイッチング素子においては、電
圧印加もしくは電流注入による活性光学°　　材料の屈
折率変化に伴う光吸収の増大が軽減されるとともに、電
圧印加あるいは電流注入を簡易に１　　行なうことが可
能となる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

なお、本発明は、同一媒質領域において互いに交錯する
複数光導波路間において光路の切換えを行なう光スイン
チ、光方向性結合器、マツハツエンダ型光変調器等の光
スイッチング素子一般に広く適用し得るものであり、以
下には、専ら、最も好適な適用例とする交差型光スイッ
チに適用した場合について本発明の詳細な説明はするが
、本発明はこの適用例に限られるものではないこと勿論
である。

まず、交差型光スイッチの概略構成を第１図に示す。こ
の種交差型光スイッチは、図示のように低屈折率のクラ
ッド層１に囲まれて界面で全反射させて光を閉じ込める
ように構成した高屈折率のコア層２からなり、Ｘ字形に
交差した２本の光導波路の交差領域に、各光導波路とそ
れぞれ交差するようにして活性光学材料ブロック３を介
挿し、その活性光学材料の屈折率を電圧印加もしくは電
流注入により変化させて、コアＮ２の屈折率とほぼ等し
くしたときには各光導波路中の光を直進させ、コア層２
の屈折率より小さくしたときにはブロック３の界面で全
反射させて一方の光導波路中の光を他方の光導波路に導
くようにし、例えば入力ボート１１からの入力光Ｐｉｌ
を出力ボートＯＩと０□とに切換えて導き、出力光Ｐ。

、とｐａｔとのいずれか一方を取出すものである。

かかる概略構成によって光路切換えを行なう交差型光ス
イッチは、具体的には、一般に、第２図に示す基本的構
成によって製作する。

すなわち、半導体結晶基板４に高屈折率・低損失の半導
体光学材料よりなるコア層２を形成して、　　Ｘ字形に
交差した光導波路を設け、その交差領域に各コア層２と
それぞれ交差するように延在させて電圧印加もしくは電
流注入による屈折率変化の大きい半導体よりなる活性光
学材料ブロック３を介挿し、かかる構成の基板表面全体
を覆い、しかも、コア層２を覆う部分の層厚を増して光
の漏洩壱低減させるようにして低屈折率の光学材料より
なるクラッドＮ１を形成し、活性光学材料プロラック３
の介挿位置におけるクラッド層１の上面と基板４の下面
とに電圧印加用の電極５と５′とをそれぞれ形成する。

かかる基本的構成の交差型光スイッチにおいて、従来は
介挿ブロック３を電圧印加により屈折率が低下する活性
半導体光学材料により構成して、電圧印加時にブロック
３の平坦界面で全反射を起こすようにしていたので、電
圧印加による屈折率変化に伴う光吸収係数の増大により
所要の全反射作用が阻害されていた。

これに対し、本発明においては、第２図示の基本的構成
の線Ａ−Ａ’に沿った横断面によって第３図乃至第６図
に詳細に示すように、光導波路交差領域の構成を改良し
、屈折率変化に伴って従来体じていた光吸収の増大を軽
減するとともに、活性光学材料ブロック３のみに局限す
るために従来微細な位置制御を要していた電圧印加もし
くは電流注入の構成を簡易化している。

すなわち、本発明においては、まず、第３図（ａ）のＡ
−Ａ’断面に示すように、結晶基板４上において、屈折
率ｎ８を有するコア層２に介挿して屈折率ｎ、を有する
活性半導体光学材料ブロック３を従来と同様の形状寸法
に形成するとともに、クラッド層１の上面および結晶基
板４の下面にそれぞれ設ける電圧印加用電極５および５
′も従来と同様の形状寸法に形成するが、介挿ブロック
３をなす活性半導体光学材料には、その屈折率ｎ、の電
圧印加による変化Δｎ、（Ｅ）がつぎのような光学波長
域特性を呈することを本発明者等が新たに見出した後述
するような半導体材料を用いる。

すなわち、本発明による交差型光スイッチに用いる活性
半導体光学材料の屈折率ｎ１の電圧印加による変化△ｎ
、（Ｅ）は、第３図（ｂ）に示すように、その半導体材
料が呈するエネルギーレヘルのギャップ幅に対応した光
学波長より短波長の波長域λにおいて負側に著しく低下
するとともに、光吸収係数の著しい増大を伴うも、エネ
ルギーギャップ幅に対応した光学波長より長波長の波長
域において、第３図（ｂ）に矢印で示すように、正側に
顕著に上昇するとともに、かかる屈折率変化に伴う光吸
収係数の増大が上述した短波長域におけるよりも格段に
少ない。したがって、本発明光スイッチング素子におい
ては、かかる長波長域における活性半導体光学材料ブロ
ック３の電圧印加による屈折率変化を活用して、穫めて
軽微な光吸収の増大のちとに効率よく光の全反射を起こ
させて光路切換えを行なうことを最大の特長としている
。

すなわち、本発明による交差型光スイッチにおいては、
光導波路交差領域に介挿する活性半導体光学材料ブロッ
ク３の電圧印加による屈折率変化が上述したように正と
なる長波長領域で光路切換えを行なうように活性半導体
の材料を選び、あるいは、入力光の波長域を設定し、通
例、低損失・高屈折率であって電圧印加による屈折率変
化がわずかな光学材料を用いて光導波路を構成するコア
Ｎ２の屈折率ｎ１に対して電圧無印加時の屈折率ｎ、が
全反射を起こすに十分な屈折率差を呈する活性半導体材
料により介挿ブロック３を構成する。

したがって、本発明による交差型光スイッチにおいては
、電圧無印加時に介挿ブロック３の平坦界面において、
例えば第１図示の概略構成における入力ポートＩＩから
の入力光Ｐｉｌを軽微な光吸収のみによって効率よく全
反射させ、出力ポート〇−・ら出力光Ｐｏｔとして取出
し、電圧印加時には介挿ブロック３の屈折率ｎ、を増大
させてコア層２のわずかに変化した屈折率ｎｗにほぼ等
しくし、入力ポートＴ、からの入力光Ｐｉ＋を直進させ
て出力ポート０□から出力光Ｐ。２として取出す。

しかして、第３図示のＡ−Ａ’断面構成による本発明の
交差型光スイッチにおいては、従来どおりに、屈折率変
化を起こさせる介挿ブロック３のみに電圧印加部位を局
限するために微小寸法の電極５．５′を用いて、その位
置を微細精密に制御する必要があるが、その点も併わせ
で改良した本発明による交差型光スイッチのＡ−Ａ’断
面構成の例を第４図（ａ）　、　（ｂ）に示す。図示の
構成例においては、コア層２を構成する半導体光学材料
をも適切に選定して、第４図（ｂ）に点線で示すように
、光導波路をなすコア層２の屈折率ｎｗの電圧印加によ
る変化△ｎ、（Ｅ）が４、介挿ブロック３の活性屈折率
ｎ３の電圧印加による変化Δｎ、ａ（Ｅ）より格段に小
さく、しかも、ずれた波長域で生ずるようにする。その
結果、電圧印加によりコア層２の導波屈折率ｎ、が多少
変化しても第３図示のＡ−Ａ’断面構成によるのと同様
の光路切換えを十分に達成することができるので、電圧
印加用の電極５゜５′を、第４図（ａ）に示すように、
介挿ブロック３に比して十分に大きくし、その位置も概
略設定すれば足りるようにして、製作容易とすることが
できる。

なお、以上の説明にいおては、光導波路交ｔｆｌ”６ｉ
域に介挿し、た活性半導体光学材料ブロック３を挟んで
電極を配置し、電圧印加によって介挿ブロック３の活性
屈折率ｎ、１を変化させる構成としたが、例えば介挿ブ
ロック３と電＋ｌｉ５，５’　との間に介在する半導体
層の周縁部に不純物を拡散させるなどの電流狭窄構造を
形成して行なう電流注入により介挿半導体光学材料ブロ
ック３の活性屈折率ｎ。

を変化させるようにした場合においても、第４図（ａ）
に示したと同様に、屈折率自体が相違するとともに、電
流注入による屈折率変化係数が格段に相違する半導体光
学材料によってコア層２および介挿ブロック３をそれぞ
れ構成することにより、介挿ブロック３にのみ電流注入
が行なわれる構成とする必要のないセルフアライメント
構造を適用することができる。

つぎに、第４図（ａ）に示した活性屈折率変化領域局限
構造を一層明確にした介挿半導体光学材料ブロックのＡ
　−Ａ　’断面構成の具体例を第５図に示す。図示の構
成例においては、低損失光導波路をなすコア層２の交差
領域に介挿し、電圧無印加時の屈折率がコア層２の屈折
率より小さく、電圧印加時にはその活性屈折率ｎ１が少
なくともコア層２の導波屈折率ｎ８に等しく増大する活
性半導体光学材料ブロック３として半導体量子井戸構造
を用い、電圧印加に対して高感度の屈折率変化を呈する
ようにするとともに、その屈折率変化ａＤ域を的確に局
限するようにしである。

すなわち、ｎ型半導体基板４上に結晶成長によって超薄
膜多層構成の半導体量子井戸構造よりなる活性感波頭域
３３を形成するともとに、その活性感波頭域３ａとコア
層２との間に介在する低損失導波領域３．とにより屈折
率変化領域を的確に局限した高感度・高効率の活性半導
体光学材料ブロック３を構成する。

なお、実際には、超薄膜多層構成の半導体量子井戸構造
（Ｍｕｌｔｉ−ロｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）は井戸層と
障壁層とを交互に積重ねた多層構造からなり、１．５　
ミクロン長波長域で使用可能な具体例としては、井戸層
を禁制帯波長１．５５μｍのＧａ１ｎＡｓＰ薄膜とし、
障壁層を禁制帯波長０．９２μｍのｘｎｐｉ膜とするこ
とができ、かかる構成の活性感波頭域３１を挟持する低
損失導波領域３ｂは、井戸層の禁制帯波長より短波長の
禁制帯波長を有するＧａＴｎＡｓＰの半導体材料により
構成することができる。

さらに、第５図示の構成例においては、活性感波頭域３
□と低損失導波領域３．とよりなる活性半導体光学材料
ブロック３に接するクラッド層１の部分を低濃度のＰ型
１ｎＰ層６をもって構成し、半導体基板４とともに低濃
度のｎ型とする活性半導体光学材料ブロック３との間に
ｐｎ接合を構成し、電圧印加時のキャリヤ注入を容易に
する。かかる構成のクラッド層１および６の上面に被着
した絶縁層７を介してｐ型ＩｎＰ層６に接する電極５を
設けるとともに、ｎ型半導体基板４の下面に電極５′を
設けて活性半導体光学材料ブロック３に電圧を印加する
。なお、図示の例では、余分の浮遊容量を低減して電圧
印加の高速応答に適した構造とするために、上面電極５
を活性感波頭域３３の真上部分のみに形成しであるが、
前述したように、電圧印加が活性感波頭域３ａのみに作
用する構成としであるから、上面電極５は介挿ブロック
３の上面全体を覆って容易に配設し得るようにすること
もできる。

上述のように、活性半導体光学材料ブロック３における
所要の活性感波頭域３ａを量子井戸構造とした場合にお
ける電圧印加による印加電界強度に対する屈折率変化特
性の数値例を関連データとともに第６図に示す。第６図
に示す実線曲線は、材料組成によって決まるエネルギー
ギャップ相当の光学波長λｇ＝１．５５μｍ、層厚８０
人のＧａ　ＩｎＡｓＰ／　ＩｎＰ量子井戸構造しよりな
る活性導波領域３３に強度５Ｘ１０５Ｖ／ａｍの電界を
印加したときにおける屈折率ｎの変化率Δｎ　／　ｎ％
の波長特性を表わしたものであり、波長１．４μｍ近傍
で＝０．８％程度低減するも、前述したようにその屈折
率変化に伴って吸収損失が増大し、一方、波長１．５２
μｍ近傍では、＋０．５％程度増大するも、前述したと
おりにこの屈折率変化に伴う吸収損失の増大は格段に僅
少である。

かかる屈折率変化特性を呈する活性導波領域３１に隣接
する低損失導波領域３．の屈折率変化波長特性は、エネ
ルギーギャップ相当の光学波長λ、＝１．３μｍの組成
による量子井戸構造Ｑ８とした場合には、第６図に破線
で示すように、活性導波領域３゜の屈折率が＋０．５％
程度増大する波長１．５２μｍにおいても＋０．１％程
度増大するに留まる。なお、この低損失導波領域３ｂを
バルク組成とした場合における電界印加時のフランツ−
ケルデイツシュ効果として知られる屈折率変化の波長特
性は、第６図に一点鎖線で示すように、量子効果を用い
ていないがために、屈折率変化がかなり小さく　、０．
０５％以下のわずかな増大に留まる。

つぎに、本発明による上述したような交差型光スイッチ
に印加した信号電圧に応動する光路切換えの各部動作波
形の例を第７図（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示す。同図（
ａ）は印加信号電圧波形、同図（ｂ）は活性導波路３．
の屈折率ｎ、の変化波形、同図（ｃ）および（ｄ）は出
力光Ｐ。、およびＰＯ２の変化波形をそれぞれ示したも
のである。図示の各波形を対比すれば判るように、信号
電圧■を印加しない状態では、活性導波路３３の屈折率
ｎ３は隣接する低損失導波路３．の屈折率ｎ２より低い
値ｎ１七なり、入力光ｐｉ＋は活性導波路３．の平坦界
面で全反射されて出力ボート０．から出力光ＰＯＩ　と
して取出され、出力ポートＯＸからの出力光Ｐ。２は零
となる。また、信号電圧Ｖを印加しない状態では、活性
導波路３３の屈折率ｎ３は印加電圧に応じ増大して隣接
する低損失導波路３．の屈折率ｎ２とほぼ等しくなり、
入力光Ｐｉｔは直進して出力ポートｏｚから出力光ＰＯ
２として取出され、出力ポートＯ３からの出力光Ｐ６１
は零となる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、交差
型光スイッチ、方向性光結合器等の光スイッチング素子
における光学媒質の電圧印加もしくは電流注入による屈
折率変化を巧みに利用して光路の高速切換えを効率よく
的確に行なうことができ、信号電圧印加や信号電流注入
を施さない状態で得られる低損失の全反射により光路を
切換えるので、吸収損失の電圧・電流による変化が大き
い半導体光学媒質を用いた光導波路に対しても、挿入損
失の少ない光スイッチング素子を適用することができる
、という顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は交差型光スイッチの概略構成を示す平断面図、 第２図は交差型光スイッチの基本的構成を示す斜視図、 第３図（ａ）および（ｂ）は本発明による交差型光スイ
ッチの要部の一構成例およびその屈折率変化特性をそれ
ぞれ示す横断面図および特性曲線図、第４図（ａ）およ
び（ｂ）は本発明による交差型光スイッチの要部の他の
構成例およびその屈折率変化特性をそれぞれ示す横断面
図および特性曲線図、第５図は本発明による交差型光ス
イッチの要部のさらに他の構成例を示す横断面図、 第６図は本発明による交差型光スイッチの屈折率変化特
性の例を示す特性曲線図、 第７図（ａ）〜（ｄ）は本発明による交差型光スイッチ
の各部動作波形の例をそれぞれ示す波形図である。 Ｉ＋、Ｉｚ・・・入カポ−）　　　０．、Ｏ□・・・出
力ポートＰＨ１・・・入力光　　　　ＰＯＩ＋Ｐ６！・
・・出力光ｌ・・・クラッド層　　　　２・・・コア層
３・・・活性光学材料層　　３１・・・活性導波領域３
ｂ・・・低損失導波領域　４・・・半導体結晶基板５．
５′・・・電極　　　　　６・・・ｐ形層７・・・絶縁
層 第１図 交差型光スィッチ０安名ＰΦオｆｆＬＢＨ青バくＰ０２
　　　　　　Ｐｏｔ ｚｌ 第３図 第４図 Ｅ＝Ｏ：　　ｎ２＜ｎｔ、ｇ 第５＠ 第６図 本発明１：と３交差型光スイクチ（屈折牽変化特（生の
例λ（μｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも単一の入力光導波路を少なくとも２個の
   出力導波路のいずれかに切換えて係合させる光スイッチ
   ング素子において、各前記光導波路が共通に通過する光
   学媒質内に、入力光の波長領域における屈折率が、前記
   入力光導波路の屈折率より小さく、電圧印加により増大
   して前記入力光導波路の屈折率にほぼ等しくなる光学材
   料よりなる光学材領域を設け、前記光学材料の平坦界面
   において、前記光学材領域に電圧を印加しないときに前
   記入力光導波路からの入力光が全反射して前記出力光導
   波路への出力光となり、前記光学材領域に電圧を印加し
   たときに前記入力光導波路からの入力光が直進して前記
   出力光導波路への出力光となるようにしたことを特徴と
   する光スイッチング素子。 ２、少なくとも単一の入力光導波路を少なくとも２個の
   出力光導波路のいずれかに切換えて係合させる光スイッ
   チング素子において、各前記光導波路が共通に通過する
   光学媒質内に、屈折率が互いに異なる２種類の光学材料
   の接合よりなる光学材領域を設け、その光学材領域をな
   す前記２種類の光学材料のうち、屈折率が大きく、電圧
   印加もしくは電流注入による屈折率変化が小さい方の光
   学材料と、屈折率が小さく、電圧印加もしくは電流注入
   による屈折率増加が大きい方の光学材料との平坦接合界
   面において、前記光学材領域に電圧印加もしくは電流注
   入を施さないときに前記入力光導波路からの入力光が全
   反射して前記出力光導波路への出力光となり、前記光学
   材領域に電圧印加もしくは電流注入を施したときに前記
   入力光導波路からの入力光が直進して前記出力光導波路
   への出力光となるようにしたことを特徴とする光スイッ
   チング素子。