JPH0311784A

JPH0311784A - 半導体光スイッチ

Info

Publication number: JPH0311784A
Application number: JP14720089A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mikami; 修三上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1989-06-09
Publication date: 1991-01-21
Anticipated expiration: 2013-05-06
Also published as: JP2747329B2

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ッチに関するもので
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
ｌ、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、このモノリンツ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
ぞれ臂界面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、主レーザのレーザ発振を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、第１の導
電型の第１の半導体層と、第１の活性層と、第２の導電
型の第２の半導体層と、第２の活性層と、第１の導電型
の第３の半導体層とを表記した順に積層したストライプ
状半導体積層構造を有し、かつ、前記第１及び第３の半
導体層の各々に形成した第１の導電型の第１及び第２の
電極層と、前記第２の半導体層に形成した第２の導電型
の第３の電極層とを備え、さらに、前記第２の活性層は
隣接した２次の回折格子からなるストライプ方向の共振
器構造を有し、前記第１の活性層は前記第２の活性層と
は異なるストライプ方向の共振器構造を有するようにし
た。

また、請求項（２）では、前ｉｃ！　２次の回折格子を
前記第２の活性層に隣接した当該節２の活性層より大き
なバンドギャップ・エネルギを有する組成よりなる導波
層に形成した。

また、請求項（３）では、前記第２の電極層を、ストラ
イプの長手方向に分割した。

また、請求項（４）では、１次の回折格子を、前記第１
の活性層に隣接した当該ｍｌの活性層より大きなバンド
ギャップ・エネルギを有する組成よりなる導波層に形成
した。

さらにまた、請求項（５）では、前記第１の電極層を、
ストライプ方向の長手方向に分割した。

（作　用）請求項（１）によれば、第１の電極層と第３の電極層間
に、所定の閾値以上の電流を供給すると、第１の活性層
を含む領域は発振状態となる。

一方、第２の電極層と第３の電極層間に、所定の閾値以
上の電流を供給すると、第２の活性層を含む領域は発振
状態となる。

このとき、第２の活性層領域の発振光は、２次の回折格
子により、ストライプ方向に垂直な方向、即ち、各層の
積層方向に出射されて、第１の活性層のストライプ方向
の全面に亘り注入される。これにより、十分な「発振消
衰効果」が生じ、第１の活性層領域の発振が停止する。

また、請求項（２）によれば、第２の活性層への発振光
の影響が導波層により緩和さ゛れる。

また、請求項（３）によれば、例えば、分割電極の一方
には電流を供給せず、他方に所定の値のバイアス電流を
供給し、第２の活性層領域に外部から、この領域の発振
波長近傍の波長を有する制御用レーザ光を注入すること
により、当該領域は発振を開始し、制御用レーザ光の入
射が停止されても、発振状態を維持する（メモリ機能を
有する）。

また、バイアス電流を上記より低い所定の値に設定し、
ここで所定の閾値以上の光パワーの制御用レーザ光が入
射されると、第２の活性層領域は発振を開始し、制御用
レーザ光の入射が停止されると、発振を停止する。

従って、この状態において、第２の活性層領域に制御用
レーザ光が入射されると、第２の活性層領域は発振し、
この発振光は２次の回折格子の作用により発振状態にあ
った第１の活性層領域に注入されて、このときのみ、第
１の活性層領域の発振が停止し、制御用レーザ光の入射
が停止されると再び第１の活性領域は発振状態に復帰す
る、いわゆる光インバータ動作が行なわれる。

また、請求項（４）によれば、第１の活性層領域は１次
の回折格子を含む共振器構造によりレーザ発振する。

また、請求項（５）によれば、分割された第１の電極へ
のバイアス電流値が所望の値に設定され、かつ第２の活
性層領域への制御用レーザ光の波長を第２の活性層のゲ
イン波長の範囲内に設定することにより、第１の活性層
領域の発振波長の変換が行なわれる。

（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
、例えば第１の導電型（以下、ｐ型という）ＩｎＰ単結
晶より構成されている。１２はｐ型１ｎＰ基板１１上面
に形成した第１の半導体層（クラッド層）で、ｐ型１ｎ
Ｐ層より構成されている。

１３は第１の半導体層１２上面に形成した第１の活性層
で、バンドギャップ・エネルギ波長１．５５μｍのノン
ドープＩｎＧａＡｓＰ層より構成されている。

１４は第１の活性層１３上面に形成した第２の半導体層
で、第２の導電型（以下、ｎ型という）ＩｎＰ層より構
成されている。。

１５は２次の回折格子で、後記する方法によって半導体
層１４上面の一部に形成されている。

１６は回折格子１５上面に形成された導波層で、バンド
ギャップ・エネルギ波長１．３μｍのｎ型Ｌ　ｎ　Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ　Ｐ層より構成されている。

１７は導波層１６上面に形成した第２の活性層で、バン
ドギャップ・エネルギ波長１．５５μｍのノンドープＩ
ｎＧａＡｓＰ層より構成されている。

１８は第２の活性層１７の上面全体に亘って形成された
第３の半導体層で、ｐ型１ｎＰ層により構成されている
。

１９は第３の半導体層１８の上面に形成したｐ型電極層
で、バンドギャップ・エネルギ波長１．３μｍのＩ　ｎ
ＧａＡｓ　Ｐ層より構成されている。

２０はｐ型１ｎＰ基板１１の下面全体に亘って形成した
第１のｐ型電極で、Ａｕ−Ｚｎ−Ｎｉより構成されてい
る。

２１はｐ型電極層１９の上面全体に亘って形成された第
２のｐ型電極で、Ａｕ−Ｚｎ−Ｎｉより構成されている
。

２２はｎ型共通電極（第３の電極）で、第２の半導体１
４上面の回折格子１５の形成領域以外の領域に形成され
ており、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉより構成されている。

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、液相成長法（ＬＰＥ）、分子線エピタキシィ（Ｍ
ＢＥ）あるいは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）など
の結晶成長法を用いて、基板１１上に、第１の半導体層
１２、第１の活性層１３、続いて第２の半導体層１４を
全面にエピタキシィ成長する。

次に、２次の回折格子のパターンを第２の半導体層１４
の上面に、ホログラフィック露光あるいは電子線描画法
により描いてから、エツチング法により凹凸のパターン
に加工する。

次に回折格子１５の上面に、ｎ型の導波層１６、第２の
活性層１７、ｐ型の第３の半導体層１８及びｐ重電極層
１９まで引き続き、工午タキシイ成長する。このエビキ
タキシイ成長の後、ストライプ構造を残し、他の部分を
第２の半導体層１４の上面が露出するまで、エツチング
により除去する。

次いで、ｐ型１ｎＰ基板１１の下面及びｐ重電極層１９
の上面にＡｕ−Ｚｎ−Ｎｉからなる第１のｐ型電極２０
及び第２のｐ型電極２１をそれぞれ形成し、かつ、露出
した第１の半導体層１４上面にはＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉから
なるｎ型共通電極２２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。

このように作製された第１図の半導体光スイッチは、活
性層が縦方向に２段に形成されており、第１の半導体層
１２、第１の活性層１３並びに第２の半導体層１４から
なる臂界面を共振器構造とする半導体レーザ（以下、主
レーザという）Ａと、第２の半導体層１４．２次の回折
格子１５、導波層１６、第２の活性層１７並びに第３の
半導体層１８からなる２次の回折格子１５を共振器構造
とする半導体レーザ（以下、従レーザという）Ｂとを有
し、これら、主レーザＡ及び従レーザＢは互いに独立に
発振することができる（詳細はＮａｇａ　１氏らの論文
、Ｊａｐａｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、誌２１巻３号
Ｌ１７３−Ｌ１７５頁（１９８２）　　参照）。

次に、上記構成による動作を説明する。

例えば、第１のｐ型電極２ｏとｎ型共通電極２２間に、
所定の閾値以上の電流を供給すると、主レーザＡは発振
状態となる。

この状態で、第２のｐ型電極２１とｎ型共通電極２２間
に、所定の閾値以上の電流を供給すると、従レーザＢは
発振状態となる。

このとき、従レーザＢの発振光は、２次の回折格子１５
により、ストライプ方向に対して垂直な方向、即ち、基
板１１面に垂直な方向に出射される。従って、この出射
光は、内蔵されたレーザ、即ち、主レーザＡのストライ
プ全面に亘り注入される。これにより、十分な大きさの
「発振消衰効果」が生じ、主レーザＡの発振が停止する
。

以上のように、本第１の実施例によれば、第１及び第２
の活性層１３及び１７を縦方向に２段形成し、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す
る主レーザＡと、２次の回折格子１５を用いた共振器構
造を有する従レーザＢとを２段階にモノリシックに集積
したので、従レーザＢの発振光により、発振状態にある
主レーザＡのレーザ発振を１００％停止することができ
、十分なオン／オフ比を有する半導体光スイッチを実現
している。また、埋め込み構造としているため、低い閾
値電流値を実現している。

第３図は、本発明による半導体光スイッチの第２の実施
例を模式的に示した横断面図である。本第２の実施例と
前記第１の実施例の異なる点は、第２のｐ型電極２１を
、ストライプ方向に２分割し、ｐ型電極２１ａ、２１ｂ
を形成したことにあり、主レーザＡ及び従レーザＢの構
成は、第１の実施例と同様である。

このような構成において、分割した一方のｐ型電極２１
ａには、電流１１を供給せず（Ｉｆ　−０）、他方のｐ
型電極２１ｂに所定の値の電流■２を供給することによ
り、あるいは、二つの電極・への供給電流１．１と１２
の大きさに差を持たせることにより、従レーザＢは、光
出力（Ｌ）−電流（Ｉ２）の関係に双安定動作を示すよ
うになる。

第４図は、ｐ型電極２１ａに電流Ｉｔを供給せず、Ｐ型
電極２１ｂに電流Ｉ２を供給した場合の、従レーザＢの
双安定動作を説明するための図である。第４図において
、横軸はｐ型電極２１ｂへの供給電流■２を、縦軸は従
レーザＢの光出力りをそれぞれ表している。

電流Ｉｆを供給しない（Ｉｆ−０）ｐ型電極２１ａの下
部の第２の活性層１７は、可飽和領域として作用するこ
とが知られており、第４図に示すように、双安定動作を
示す。

今、電流バイアスを第４図に示すｂ点に設定し、従レー
ザＢに外部から、従レーザＢの発振波長近傍の波長の制
御用レーザ光（以下、制御光）ＣＬを注入することによ
り、従レーザＢはメモリ動作を行なう。即ち、制御光Ｃ
Ｌが入射されると、従レーザＢは発振を開始し、制御光
ＣＬの入射が停止されても（オフ）、発振状態を維持す
る。

また、電流バイアス点を第４図に示すａ点に設定すれば
、微分動作を行なう。即ち、制御光ＣＬとして所定の閾
値以上の光パワーが入射されると、従レーザＢは発振を
開始し、制御光ＣＬがオフになると、発振を停止する。

なお、従レーザＢの共振器は、２次の回折格子１５にて
構成されている。従って、前述のように制御光のオン・
オフにより制御された従レーザＢの発振光は、内蔵され
た主レーザＡの発振状態を制御することができる。

その結果、第５図に示すような光インバータ動作が可能
となる。例えば、従レーザＢの電流バイアスを、第４図
に示すａ点に設定すると、制御光ＣＬが入射されたＩｉ
ｆ間のみ、主レーザＡの発振状態をオフ状態にすること
ができる。

なお、従レーザＢに入射された制御光ＣＬが、入射側と
別の端面から漏れること、及び従レーザＢの発振光がそ
の端面から出射されることを防止するためには、従レー
ザＢの出射端面に吸収の大きい媒質、即ち、バンドギャ
ップ・エネルギの大きい媒質を設けるか、あるいは、エ
ツチングにより端面を斜めに加工すればよい。本実施例
においては、従レーザＢの共振器構造は、２次の回折格
子１５を用いて構成されているから、端面加工の影響は
ない。

第６図は、本発明による半導体光スイッチの第３の実施
例を模式的に示した横断面図である。本節３の実施例と
前記第２の実施例の異なる点は、第１の活性層１３と第
２の半導体層１４間に導電層１６と同一構成の導電層１
６ａを形成し、さらに、１次の回折格子１５ａを形成し
、主レーザＡを襞界面ではなく、１次の回折格子１５ａ
を用いた共振器構造とし、かつ、第１のｐ型電極２０を
ストライプ方向に２分割して、ｐ型電極２０ａ。

２０ｂを形成したことにある。

一般に、回折格子を共振器として用いた半導体レーザ、
即ち、ＤＦＢ型、ＤＢＲ型の半導体レーザにおいては、
分割された電極へのバイアス電流値を制御することによ
り、発振波長を正確に制御できることが知られている。

第６図の構成において、従レーザＢへの制御光ＣＬの入
射に伴い、主レーザＡの発振が制御されることは、前記
第１及び第２の実施例と同様であり、その説明はここで
は省略する。

第６図の半導体光スイッチでは、このような主レーザＡ
の発振状態の制御の機能に加えて、主レーザＡの発振波
長が、分割したｐ型電極２０ａ。

２０ｂへの電流値により制御可能なことにより、「波長
変換素子」としての動作が可能となっている。

即ち、主レーザＡのバイアス電流値を設定しておき、こ
の状態で、制御光ＣＬを従レーザＢに入射し、従レーザ
Ｂを発振させると、設定された波長のレーザ光Ａｏｕｔ
　　（第３図）が主レーザＡより出力する。このとき、
制御光ＣＬの波長は、従レーザＢを構成する第２の活性
層１７のゲイン波長の範囲内であればよい。

従って、波長ｍのレーザ光が入射した時、波長ｎのレー
ザ光が出力されるように、バイアス”ｒｆ５Ｒ値を与え
ておけば、波長変換が可能となる。

なお、上記第１乃至第３の実施例においては、第１の活
性層１３と第２の活性層１７との中間層にｎ型の半導体
層を用いたが、これに限定されるものではなく、ｐ型の
半導体層を用いる構成も勿論可能である。

また、本実施例においては、ＩｎＰ系の半導体層スイッ
チについて説明したが、ＧａＡｓ系等、他の■−■化合
物を用いた半導体光スイッチも実現可能である。

（発明の効果）以上説明したように、請求項（１）によれば、第１の導
電型の第１の半導体層と、第１の活性層と、第２の導電
型の第２の半導体層と、第２の活性層と、第１の導電型
の第３の半導体層とを表記した順に積層したストライプ
状半導体積層構造を有し、かつ、前記第１及び第３の半
導体層の各々に形成した第１の導電型の第１及び第２の
電極層と、前記第２の半導体層に形成した第２の導電型
の第３の電極層とを備え、さらに、前記第２の活性層は
隣接した２次の回折格子からなるストライプ方向の共振
器構造を有し、前記第１の活性層は前記第２の活性層と
は異なるストライプ方向の共振器構造を有するようにし
たので、いわゆる十分な大きさの「発振消衰効果」によ
り、第１の活性層を有する主レーザ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、第２の活性層の劣化を防止することができ、
ひいては従レーザの寿命を延ばすことができる。

また、請求項（３）によれば、請求項（１）または請求
項（２）の効果に加えて、光インバータ動作のが可能と
なる利点がある。

また、請求項（４）または請求項（５）によれば、上記
請求項（，１）乃至請求項（３）の効果に加えて、波長
変換素子としての機能を得ることができる。

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図は本発明による半導体光スイッチの第２の実
施例を模式的に示した横断面図、第４図は本発明に係る
従レーザの双安定動作を説明するための図、第５図は第
３図の半導体光スイッチの光インバータ動作を説明する
ための図、第６図は本発明による半導体光スイッチの第
３の実施例を模式的に示した横断面図である。図中、１１・・・ｐ型１ｎＰ基板、１２・・・ｐ型の第
１の半導体層、１３・・・第１の活性層、１４・・・ｎ
型の第２の半導体層、１５・・・２次の回折格子、１５
ａ・・・１次の回折格子、１６．１６ａ・・・ｎ型の導
波層、１７・・・第２の活性層、１８・・・ｐ型の第３
の半導体層、１９・・・ｐ摺電極層、２０，２０ａ、２
０ｂ−・・第１のｐ型電極、２１，２１ａ、２１ｂ−・
・第２のｐ型電極、２２・・・ｎ型共通電極（第３電極
）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の導電型の第１の半導体層と、第１の活性層
と、第２の導電型の第２の半導体層と、第２の活性層と
、第１の導電型の第３の半導体層とを表記した順に積層
したストライプ状半導体積層構造を有し、かつ、前記第１及び第３の半導体層の各々に形成した第
１の導電型の第１及び第２の電極層と、前記第２の半導
体層に形成した第２の導電型の第３の電極層とを備え、さらに、前記第２の活性層は隣接した２次の回折格子か
らなるストライプ方向の共振器構造を有し、前記第１の
活性層は前記第２の活性層とは異なるストライプ方向の
共振器構造を有することを特徴とする半導体光スイッチ。
（２）前記２次の回折格子を、前記第２の活性層に隣接
した当該第２の活性層より大きなバンドギャップ・エネ
ルギを有する組成よりなる導波層に形成した請求項（１
）記載の半導体光スイッチ。
（３）前記第２の電極層を、ストライプの長手方向に分
割した請求項（１）または請求項（２）記載の半導体光
スイッチ。
（４）１次の回折格子を、前記第１の活性層に隣接した
当該第１の活性層より大きなバンドギャップ・エネルギ
を有する組成よりなる導波層に形成した請求項（１）、
（２）または（３）記載の半導体光スイッチ。
（５）前記第１の電極層を、ストライプ方向の長手方向
に分割した請求項（４）記載の導体光スイッチ。