JPH03294826A - 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〕 この発明は光通信、光情報処理分野において、光導波路
を伝搬する信号光の行路を高速制御する光スィッチに関
するものである。

〔従来の技術〕

第４図は、例えば（エレクトロニクス　レターズＶｏ１
．２０．　ｐ２２Ｂ（１９８４）　）に示された従来の
光スィッチを示す平面図であり、第５図は断面図である
。

第４図、第５図において、１はｎ型ＩｎＰ基板、１１は
ＩｎＰ基板１に格子整合するノンドープ■ｎＧａＡｓ　
Ｐ導波路層、１２はＰ型ＩｎＰクランド層、６と７は電
極、８は光入射口である。

光導波路層１１は、角度２θで交差しているリッジ形導
波路である。交差部はｎ型１ｎＰ／ＩｎＧ　ａ　Ａ　ｓ
　Ｐ　／　Ｐ型１ｎＰダブルへテロ構造により形成され
ている。入射光はポート８がら上記交差部に入り、ボー
ト８°または８″から出射される。

電子と正孔がそれぞれ電極６と７からＰｎ接合を介して
、光導波路層１１に注入されると、その屈折率はプラズ
マ効果により低下する。例えば、入射光の波長が１．５
μｍ、注入されたキャリア密度がＩ　Ｘ　１０　”ｃ＃
−”のとき、屈折率変化Δｎは、およそ５Ｘ１０−３で
ある。今、信号光がポート８から入射したとすると、交
差角２θが２″〜３゜よりも小さいとき、導波路１１の
交差部へのＩＸＩ　Ｑ　Ｉｍｃ−３程度のキャリア注入
により入射光を全反射させて、ボート８”から出射させ
ることができる。一方、キャリアを注入しないときは、
レーザー光はボート８′から出射する。このように導波
路１１の交差領域へのキャリアの注入量を電流注入方式
で制御することにより、入射光のスイッチングを行うこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の光スィッチは、以上のように構成されているので
、スイッチング速度はＰｎ接合部の注入キャリアの寿命
（これは通常数ナノ秒台）で制限され、変調帯域はＩＧ
Ｈｚ以下となるため、高速変調ができないという問題点
があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、入射光に対する屈折率変化において偏波面の
依存性をなくすことができるとともに、信号光に対し高
速応答でき、さらに低消費電力で動作できる光スィッチ
を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る光スィッチは、光導波路層を歪超格子構
造とし、該歪超格子構造における電子とホールの基底量
子準位が等しくなるように、ヘビーホール励起子とライ
トホール励起子の再結合エネルギーを一致させる構成と
するとともに、該先導波路層の上部に接するリッジ導波
型クラッド層と、２本の該光導波路層の交差部に電界を
印加するための電極とを備えたものである。

〔作用〕

この発明においては、光導波路層を歪超格子構造とし、
該歪超格子構造における電子とホールの基底量子準位が
等しくなるように、ヘビーホール励起子とライトホール
励起子の再結合エネルギーを一致させる構成とし、該光
導波路層の上部に接するリッジ導波型クラッド層と、２
本の該光導波路層の交差部に電界を印加するための電極
とを備えたから、入射光に対する屈折率変化において偏
波面の依存性をなくすことができるとともに、信号光に
対し高速応答でき、さらに低消費電力で動作できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は、本発明の一実施例による光スィッチの断面図
であり、第２図は平面図である。

図において、１はｎ型１ｎＰ基板、２はｎ型ＩｎＰバン
ファ層、３はＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　Ｐ
歪超格子導波路層、４は第２図に示すようにＸ字状にエ
ツチングされたＰ型１ｎＰクラッド層、５はクラッド層
４の上にオーミックコンタクトをとるためにハイトープ
したＰ型１ｎＧａＡｓｌ、６と７は電極、８は光入射口
、８°と８　Ｉ＋は光出射口である。但し、ＩｎＧａＡ
ｓ層５の組成はＩｎＰに格子整合したものとする。第３
図は第２図のａａ間の断面図である。図において、９は
歪超格子層３のＩｎＰバリア層、ｌＯはＩ　ｎＧａＡｓ
ウェル層である。

次に動作について説明する。

一般にジンクブレンド構造をもっｍ−ｖ族化合物半導体
の価電子帯トップのハシ下構造は１点においてヘビーホ
ールバンドとライトホールバンドが縮退している。これ
に引っ張り応力が加わると、１点においてライトホール
バンドはへビーホールバンドに比べて高エネルギー側に
シフトする。

また、ＩｎＰとＩｎヨＧａ、□Ａｓによる超格子構造を
作成した場合、バンドギャップの違いにより形成される
周期的ポテンシャルにより、ライトホールバンドはヘビ
ーホールバンドに比べて低エネルギー側にシフトする。

ここで第３図において、本発明による歪超格子構造を作
成した場合、まず光導波路Ｎ３のＩｎ。

Ｇａｐ−、Ａｓウェル層１０の組成Ｘについて検討する
。ｌｎＰ／Ｉｎｘ　Ｇａ１−ＸＡｓ歪超格子構造３では
、組成Ｘを適当に選ぶことによって、上記の引っ張り応
力と周期的ポテンシャルの２つの効果から超格子構造に
おいて、バルクと同じように価電子帯のヘビーホールバ
ンドとライトホールバンドを縮退させるようにすること
ができる。引っ張り応力と量子井戸の幅を次式に満たす
ように設計するとヘビーホール励起子とライトホール励
起子の再結合エネルギーを一致させることができ、従っ
て大きな吸収係数がこのエネルギー領域で得られる。

Ｅｇ’＋Ｅｅ＋Ｅｈｈ−Ｅｅｘ　＝　ＥＡ’＋Ｅｅ＋　
Ｅｌｈ−Ｅ９　　＝４１）（１）式でＥｅは電子の量子
準位、ＥｈｈとＥｌｈはそれぞれヘビーホールとライト
ホールの量子率ｈｈ　　　ｊｈ 位、ＥｅｘとＥｅｘはそれぞれへビーホール励起子とラ
イトホール励起子の束縛エネルギーである。

また、Ｅ賭とＥ　ｉＨはそれぞれヘビーホールとライト
ホールの引っ張り応力を受けた後のバルクのバンドギャ
ップで、次式により与えられる。

ｌｈ Ｅｇ＝Ｅｇ ５Ｅｓｈ Ｅｈｙ ・・・（３） ここで、Ｅｇは応力を受けないときのバルクのバンドギ
ャップエネルギー、５Ｅｓｈと５Ｅｈｙは引っ張り応力
に比例した量である。（２）式と（３）式かられかるよ
うに引っ張り応力により、ライトホールに対するバンド
ギャップエネルギーはヘビーホールに対するそれよりも
小さくなる。つまり、ライトホール準位はヘビーホール
準位よりも高エネルギー側にシフトする。

一方、超格子構造による周期的ポテンシャルは電子およ
びホールのエネルギー準位を増大させる方向に作用する
。このことは定性的に以下のように理解できる。無限大
のポテンシャル障壁をもつ単一量子井戸のホールの量子
準位は次式で与えられる。

（４）式において、ｍ＊ｈｈ（ｌｈ）はヘビーホール（
ライトホール）の有効質量、Ｌｚは井戸幅、負はブラン
ク定数、ｎは量子準位の次数である。ライトホールの有
効質量はヘビーホールのそれよりも小さいため、（４）
式よりライトホールの量子準位はヘビーホールのそれよ
りも大きくなる。このことを−を子モデルのバンドダイ
ヤグラム上で考えると、ホールに対する量子化効果によ
り、ライトホール準位はヘビーホール準位よりも低エネ
ルギー側にシフトさせられる。

以上のように引っ張り応力と周期的ポテンシャルの２つ
の効果により、歪超格子３においては、（１）式を満た
すように適当な材料の組合わせと適当な井戸幅の選択に
より、ヘビーホール励起子とライトホール励起子の再結
合エネルギーを一致させることができる。この結果、大
きな吸収係数が得られる。このような組合わせの候補と
して例えば、Ｉ　ｎＸ　Ｇ　ａ　Ｉ−Ｘ　Ａ　ｓ　／　
Ｉ　ｎ　Ｐの超格子構造において、組成Ｘを０．５３よ
りも小さくするとよい。この場合、Ｉ　ｎ、Ｇａ＋−ｘ
　Ａｓの格子定数はＩｎＰのそれよりも小さくなるため
、Ｉｎ、Ｇａ、□Ａｓウェル層１０には、ＩｎＰバリア
層９より界面に平行方向に引っ張り応力を受ける。

次に印加電界の制御により歪超格子導波路層３の屈折率
が変化することを説明する。量子井戸に電界が印加され
たとき、電子とホールに対する量子準位のエネルギーが
低エネルギー側にシフトする。このため吸収スペクトル
のピークエネルギーが変化し、これにより、特定の波長
をもつ入射光に対する屈折率が変化する。無限大のポテ
ンシャル障壁をもつ単一量子井戸に電界Ｆを印加じたと
きの電子あるいはホールの基底状態のエネルギーシフト
ΔＥ１は次式で与えられる。

Ｃは定数である。このように電界印加により、吸収スペ
クトル中の励起子ピークのエネルギーは低エネルギー側
にシフトする。入射光の波長λに対する吸収率の変化量
Δα、。□と屈折率の変化量Δｎはαパラメータを用い
て次式で関連付けられる。

λ ここで、ｎＱＷは量子井戸の屈折率である。

本発明においては、ヘビーホール励起子とライトホール
励起子の電界効果の重ね合わせにより、歪超格子を用い
ていない通常の超格子構造を採用した場合に比べて同じ
印加電界に対して、より大きなΔα、。□が得られるた
め、（６）式よりΔｎもより大きくなる。先導波路３の
交差部に印加する電界により同交差部の屈折率を変化さ
せたことを除いて、入射光の行路がスイッチされる動作
は従来技術の動作のところで説明したことと同様である
。

但し、本発明における光スィッチでは、屈折率の変化を
大きくすることができるため、交差部の交差角を電流注
入方式の従来の光スィッチに比べて、より大きな交差角
とすることが可能となる。また、電流注入方式では、キ
ャリアの寿命で応答速度が制限されるが、電界制御方式
では、このような制限を受けずに、屈折率変化を大きく
できるため、高速応答特性が得られる。さらに入射光に
よるヘビーホール励起子とライトホール励起子の再結合
エネルギーが等しいので、各々の励起子による遷移が同
時におこり、入射光のＴＥ偏向とＴＭ偏向に対する屈折
率変化において偏波面の依存性がないという特徴がある
。

なお、上記実施例では、バリア層９にＩｎＰを用いたも
のを示したが、バリア層９に１ｎＰに格子整合するＩｎ
ＡｌＡｓを用いてもよい。また、他の材料系においても
式（１）を満たすように設計すれば、上記実施例と同様
の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係る光スィッチによれば、光
導波路層を歪超格子構造にするとともに、該歪超格子構
造における電子と基底量子準位が等しくなるようにヘビ
ーホール励起子とライトボール励起子の再結合エネルギ
ーを一致させる構成とし、該先導波路層の上部に接する
リッジ導波型クラッド層を設け、２本の先導波路層の交
差部に電界を印加する電極とを備えたので、入射光に対
する大きな吸収係数が得られ、屈折率変化の偏波面の依
存性をなくすことができ、かつ交差部における屈折率の
変化を大きくできるため、信号光に対し高速応答でき、
さらに低消費電力で動作できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光スィッチを示す断
面図、第２図はその平面図、第３図は第２図のａａ’間
の断面図、第４図は従来の光スィッチの平面図、第５図
はその断面図である。 図において、ｌはｎ型ｒｎＰ基板、２はｎ型ＩｎＰバッ
ファ層、３はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰｎＧａＡｓウェル層
４はＰ型１ｎＰクラッド層、５はＰ型ＩｎＣ，ａＡｓ層
、６と７は電極、８は光入射口、８′と８”は光出射口
、９はＩｎＰｎツバ９フｓＰ導波路層、１２はＰ型Ｉｎ
Ｐクラッド層である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｘ字状に交差した２本の光導波路を有し、該光導
   波路を伝搬する光の行路を選択できるようにした交差型
   光スイッチにおいて、 電子とホールの基底量子準位が等しくなるように、ヘビ
   ーホール励起子とライトホール励起子の再結合エネルギ
   ーを一致させる構造とした歪超格子により構成された上
   記光導波路層と、 該光導波路層の上部に接するリッジ導波型クラッド層と
   、 ２本の該光導波路層における交差部に電界を印加するた
   めの電極とを備えたことを特徴とする光スイッチ。