JPH0394236A - 半導体光スイッチ及び半導体光マトリックススイッチ - 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、各種光回路、光情報処理装置等において光伝
送路間の接続を任意に切換える半導体光スイッチ及び半
導体光マトリックススイッチに関する。

従来の技術 従来、この種の光スイッチ又はマト・リックススイッチ
としては例えば特開昭５８−５０５１７号公報に示され
るものがある。第６図及び第７図はその構成例を示すも
ので、入力用先導波路１・出力用先導波路２間を、導波
構造を持つ半導体ＰＮ接合素子（光スイッチ素子）３に
より光結合したものである。このＰＮ接合素子３は例え
ばＧａＡＱ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓのダブルヘテ
ロ接合型の半導体レーザ構造のものである。注入電流印
加用電圧■（　Ｒ　Ｌは負荷抵抗）によるＰＮ接合素子
３への注入電流をオン・オフさせることにより、導波部
での利得が制御され、出力光のスイッチ動作が行われる
。第６図は２×２マトリックススイッチ構成例を示し、
４は光分岐回路、５は光合波回路である。

また、特開昭６　１−２３　１　５３０号公報に示され
るような光スイッチ回路もある。第８図はその構成例を
示すもので、例えば２×２マトリックスのスイッチ回路
で光電／電光変換を用いた４つの光ゲートスイッチ６（
６ａ〜６ｄ）を同一平面上に配列したものである。光分
岐・光ゲート型スイッチ回路の基本的なスイッチング動
作は従来のものと同様であり、入力光７ａ，７ｂが各々
光分岐８ａ，８ｂを通って分岐され、各光ゲートスイッ
チ６ａ〜６ｄに入り、各々の光ゲートスイッチ６ａ〜６
ｄへの制御信号端子６ｅからの制御信号に応じて任意の
スイッチング状態を得、出力用導波路９ａ，９ｂを経て
出力光１０ａ，ｊｏｂとして取り出すものである。ここ
に、光ゲートスイッチ６の一つのエレメントは、第９図
に示すように、入力光７を受ける受光素子１ｌと、出力
光１０を取り出す発光素子ｌ２とを隣接させてなる。つ
まり、光ゲートスイッチ６を光電／電光変換手段とし、
オン状態では光を通しオフ状態では光を通さない機能を
持たせて出力光をスイッチングさせるものである。

発明が解決しようとする課題 特開昭５８−５０５１７号公報方式によれば、光スイッ
チ（ＰＮ接合素子）や光分岐及び合波回路を同一半導体
基板上に作製することは可能であるが、低損失な導波路
や高効率の光分岐・合波機能を得るには、結晶戒長を複
数回行わせる必要がある等、作製面で問題がある。また
、基本的にはブレーナ構造であるため、スイッチ素子の
集積度やスイッチ自体の大きさの点でも問題がある。

一方、特開昭６　１−２３　１　５３０号公報によれば
、入力光を一旦電気信号に変換し再び光に変換している
ために再生・増幅系となっているので、挿入損失やクロ
ストークなどを考える必要がなく、波形劣化も補正し得
る利点を持つ。しかし、広帯域の光信号を高速に切換え
るためには、情報、制御信号間の干渉を除く必要がある
等、中間のスイッチング回路に対する要求が非常に厳し
いものとなってしまう。

課題を解決するための手段 半導体基板上に、先導波層の厚さ方向両面をこの先導波
層より低屈折率で禁止帯の大きいクラッド層により挾み
込んだダブルヘテロ構造の光導波路を有する半導体光ス
イッチにおいて、前記半導体基板に対する垂直方向の入
射光を複数の導波光に分岐させて前記光導波路に結合さ
せる結合手段を設け、各導波光の光導波路領域に対して
個別に制御されて外部から選択的にキャリアを注入させ
るキャリア注入手段を設け、各導波光毎に前記半導体基
板に平行又は垂直な方向に出射光を取り出す出射部を設
けた。

特に、請求項２記載の発明では、１つの入射光を複数の
入射光に分岐する分岐手段を設け、分岐数分の請求項１
記載の半導体光スイッチを同一半導体基板上にモノリシ
ックに集積形成してマトリックス構成した。

作用 半導体基板に対して垂直方向の入射光は結合手段により
複数の導波光に分岐されて先導波路中に導波される。こ
の時、ダブルヘテロ構造部分の先導波路領域中、外部か
らキャリアを注入させない領域では吸収が大きく導波光
は伝搬されないが、キャリアを注入した領域では利得が
増加して増幅器として作用し導波光は増幅された状態で
伝搬し、対応する出射部から取り出される。ここに、ダ
ブルヘテロ構造を用いているので、光電変換を要せず、
光一光のスイッチングが可能であり、かつ、増幅機能を
持つため、クロストークが少なく挿入損失の小さいもの
となる。また、光電／電光変換を要しないため、高速で
広帯域のスイッチングも可能となる。

このような半導体光スイッチは半導体結晶積層によるダ
ブルヘテロ構造をベースとするもので集積化に適し、分
岐された入射光に対応する複数の半導体光スイッチを同
一半導体基板上にモノリシックに集積形成することによ
り、多チャネル化を容易に実現できる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図及び第２図に基づいて説
明する。

まず、概念的に示す第１図により基本構或及び動作を説
明する。この半導体光スイッチ２０は、入射光２ｌを結
合部（結合手段）２２により左右の光導波路２　３　ａ
，　２　３　ｂに分岐結合させ、２つの導波光２４ａ，
２４ｂを励起させる。一方、注入電流（キャリア）２５
ａ，２５ｂを制御し、電極２６ａ，２６ｂに対応する光
導波路２３ａ，２３ｂ領域の利得を制御することにより
、これらの先導波路２　３　ａ，　２　３　ｂ中を伝搬
する光を吸収又は増幅し、出射部２７ａ，２７ｂからの
出射光２８ａ，２８ｂをスイッチングするものである。

第２図に、具体的な構成例を示す。基本的には、半導体
結晶材料を積層し積層方向に垂直な方向に出力させるよ
うにしたものである。まず、ｎ型のＧａＡｓによる半導
体基板３１上に、通常の半導体結晶成長プロセスを用い
て、ｎ型のＡＡＧａＡＳによるクラッド層３２、ｐ型の
ＧａＡｓによる先導波層３３、ｐ型のＡＱＧａＡｓによ
るクラッド層３４を順次積層してダブルヘテロ構造とす
る。

即ち、クラッド層３２．３４は光導波層３３に対して低
屈折率であり、かつ、先導波層３３よりも禁止帯の大き
いものである。これらの表面に、ｐ型のＧａＡｓによる
キャップ層３５が積層されている。そして、キャップ層
３５間には入射窓３６が形成されて左右に２分割され、
各々のキャップ層３５上に各々電極２６ａ，２６ｂが形
成されている。入射窓３６に対応する裏面側には半導体
基板３１からクラッド層３２、光導波路３３、クラッド
層３４の一部に至る４５゜反射鏡（全反射利用）による
結合部２２がエッチング等により形威され、ダブルヘテ
ロ構造からなる光導波路２３ａ，２３ｂが分離形威され
ている。半導体基板３１の裏面側にも電極２　６　ａ，
　　２　６　ｂに対応する電極３７ａ，３７ｂが蒸着等
の通常の半導体加工プロセスにより形成され、各光導波
路２３ａ，２３ｂ領域部分に対して外部から注入電流２
５ａ，２５ｂを選択的に注入させるキャリア注入手段３
８ａ，３８ｂが構威されている。これらのキャリア注入
手段３８ａ，３８ｂは個別に制御される。

このような摺成において、入射光２１　（波長は、Ｇａ
Ａｓのバンドギャップ近傍）は、半導体基板３１に対し
て垂直方向に入射窓３６から半導体光スイッチ２０に入
射する。入射後、結合部２２で全反射されて左右の先導
波路２３ａ，２３ｂに結合され、導波光２４ａ，２４ｂ
が励起される。ここに、光導波路２３ａ，２３ｂは光導
波層３３とクラッドｆｆ３２．３４との積層によるダブ
ルヘテロ構造であって通常の半導体レーザと同様な構造
をなしているため、キャリア注入手段３８ａ，３８ｂに
より電極２６ａ，３７ａ間、電極２６ｂ，３７ｂ間に電
界が印゛加されていない場合（又は、逆バイアスされて
いる場合）には、吸収が大きく導波光２４ａ，２４ｂは
光導波路２　３　ａ，　　２　３　ｂ中を伝搬されない
。一方、順方向にバイアスされて光導波路２３ａ，２３
ｂに対してキャリアが注入されると、利得が増加し、発
振閾イ直近傍では増幅器として作用する。このため、例
えば第２図に示すように注入電流２５ａのみを注入（破
線で示す注入電流２５ｂ側は注入せず）すると、光導波
路２３ａ側に励起された導波光２４ａのみが増幅されて
出射部２７ａより出射され、先導波路２３ｂ側に励起さ
れた導波光２４ｂは吸収されてしまい伝搬されず、出射
部２７ｂから出射されない。

注入電流２５ｂ側に切換えれば、逆となる。このように
、キャリア注入手段３８ａ，３８ｂによるキャリア注入
を制御することにより、出射光２８ａ，２８ｂをスイッ
チングできることになる。

なお、半導体結晶材料としてはＧ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ
　ａＡＱＡｓ系に限らず、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ系等であってもよい。

つづいて、本発明の第二の実施例を第３図により説明す
る。前記実施例で示した部分と同一部分は同一符号を用
いて示す。本実施例は、光導波路２３ａ，２３ｂ中にグ
レーテイング３９ａ’，３９ｂを形威し、半導体基板３
１に垂直方向（入射方向と同一方向）に出射光２　８　
ａ，　２　８　ｂを取り出すようにしたものである。こ
の場合、出射側の電極３７ａ，３７ｂ部分に出射窓（出
射部）がエッチング等により形成される。

第４図は本発明の第三の実施例を示し、４５゜反射鏡に
よる結合部２２に代えて、グレーテイング４０構造とし
、入射光２１をこのグレーテイング４０により各々の光
導波路２　３　ａ，　２　３　ｂに効率よく結合導波さ
せるようにしたものである。

また、本発明の第四の実施例を第５図により説明する。

本実施例は、第４図に示した構造の半導体光スイッチ２
０を、同一の半導体基板３ｌ上に例えば２行３列のマト
リックス状にモノリシックに集積形威して半導体光マト
リックススイッチ４ｌとしたものである。ここに、各行
毎に一つの入射光２１は分岐手段としての光ファイバ管
４２により３つの入射光に分岐され、各行毎の各半導体
光スイッチ２０の入射窓３６部分に入射される。

入射光２ｌはグレーティング４０により光導波路２　３
　ａ，　　２　３　ｂに結合され、注入電流を制御する
ことにより各導波路の利得を制御し、導波光をスイッチ
ングして出射光２８ａ又は２８ｂを基板３１に垂直方向
に出射させる。４　３　ａ，　４　３　ｂは出射窓であ
る。本例は、２行３列としたが、素子数を変えることに
より、Ｎ行Ｍ列（Ｎ，Ｍは整数）の空間マトリックスス
イッチを構或できる。

発明の効果 本発明は、上述したようにダブルヘテロ構造をベースと
する光導波路に対する外部からのキャリア注入を制御し
て導波光をスイッチングさせるようにしたので、光電変
換を要せず、光一光のスイッチングが可能となり、かつ
、増幅機能を持つため、クロストークが少なく挿入損失
の小さい光スイッチとすることができ、また、光？８／
電光変換を要しないため、高速で広帯域のスイッチング
も可能となり、さらには、このような半導体光スイッチ
は半導体結晶積層によるダブルヘテロ構造をベースとす
るもので集積化に適したものであり、分岐された入射光
に対応する複数の半導体光スイッチを同一半導体基板上
にモノリシックに集積形成することにより、多チャネル
化を容易に実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の第一の実施例を示す概念的な斜視図、
第２図は断面構造図、第３図は本発明の第二の実施例を
示す断面構造図、第４図は本発明の第三の実施例を示す
断面構造図、第５図は本発明の第四の実施例を一部切欠
いて示す斜視図、第６図は従来例を示すブロック図、第
７図はその接合素子の構或図、第８図は異なる従来例を
示す斜視図、第９図はその光ゲートスイッチの構或図で
ある。 ２０・・・半導体光スイッチ、２１・・・入射光、２２
・・・結合手段、２３ａ，２３ｂ・・・先導波路、２４
ａ，２　４　ｂ　・・・導波光、２７ａ，２７ｂ・・・
出射部、２８ａ，２８ｂ・・・出射光、３ｌ・・・半導
体基板、３２・・・クラッド層、３３・・・光導波層、
３４・・・クラツド層、３８ａ，３８ｂ・・・キャリア
注入手段、４０・・・結合手段、４２・・・分岐手段、
４３ａ，４３ｂ・・・出射部３ 図 ニ弔 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に、光導波層の厚さ方向両面をこの光
   導波層より低屈折率で禁止帯の大きいクラッド層により
   挾み込んだダブルヘテロ構造の光導波路を有する半導体
   光スイッチにおいて、前記半導体基板に対する垂直方向
   の入射光を複数の導波光に分岐させて前記光導波路に結
   合させる結合手段を設け、各導波光の光導波路領域に対
   して個別に制御されて外部から選択的にキャリアを注入
   させるキャリア注入手段を設け、各導波光毎に前記半導
   体基板に平行又は垂直な方向に出射光を取り出す出射部
   を設けたことを特徴とする半導体光スイッチ。 ２、１つの入射光を複数の入射光に分岐する分岐手段を
   設け、分岐数分の請求項１記載の半導体光スイッチを同
   一半導体基板上にモノリシックに集積形成したことを特
   徴とする半導体光マトリックススイッチ。