JPH04172315A - Ｙ分岐型光スイッチおよびその駆動方法 - 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） 本発明は半導体で構成されたＹ分岐型光スイッ　　　　
　チおよびその駆動方法に関する。

（従来の技術） 半導体材料で構成する光機能素子としては、例えば、光
スィッチ、光モードスプリッタ、光変調器、光合分波器
などが研究の対象になっている。

これらのうち、光スィッチに関しては、Ｐ、Ｐｒａ−ｎ
ｅＳｔｒａｎｄらによって、ＬｉＮｂＯ５結晶を用いた
Ｙ分岐光スイッチが提案されている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓＬｅｔ　ｔｅｒｓ、　ｖｏ　１２６．　Ｎｏ、　
１．　ｐｐ、　４〜５．１９９０）。

この光スィッチは、第５図の平面図で示したように、Ｘ
−カットＬｉＮｂＯ３結晶の基板上に、Ｙ分岐導波路が
形成され、入射側光導波路ｌとそこからＹ分岐を有する
２本の出射測光導波路２ａ。

２ｂを形成し、更に図の斜線で囲った領域に電圧印加用
の電極３ａ、３ｂ、３ｃを形成した構造になっている。

この光スィッチは、３個の電極からそれぞれ所定値の正
あるいは負の極性の電圧を印加することにより電気光学
効果を発現せしめ、もって、２本の出射側光導波路２ａ
、２ｂの実効屈折率をそれぞれ変化させるものである。

すなわち、電極群を無稼動の状態にして入射側光導波路
ｌからＴＥモード光を入射すると、その光は等分されて
出射側光導波路２ａ、２ｂから出射する。ここで、電極
群にそれぞれ所定値の電圧を印加することにより、仮に
出射側光導波路２ａの実効屈折率が出射側光導波路２ｂ
のそれよりも大になったとすると、入射光は実効屈折率
の高い出射側光導波路２ａを伝搬してそこから出射して
いく。

すなわち、このＹ分岐型光スイッチは電極群への電圧印
加操作により、スイッチング機能か発現する。この状態
を示す特性グラフか第６図である。

しかしながら、ＬｉＮｂ０ｚ結晶を用いたこの構造の光
スィッチの場合、はとんどか半導体で構成されているＬ
Ｄ、ＬＥＤ、ＦＤなとの能動素子とモノリシックに集積
化することは困難である。

また、第６図の特性グラフからも明らかなように、スイ
ッチング動作を行わせるためには１００Ｖ近い高電圧を
印加することか必要になるため、高消費電力、また、こ
の光スィッチは、高い消光比を実現できない。

一方、Ｈ、Ｙ　ａｎａｇａｖａらによッテ、最近、半導
体から成る新たな構造の光機能素子が提案されている（
ＥＣＯＣ−９０−１２５，５ｅｃｔｉｏｎ　ＭｏＢ４．
５．１９９０）。

この素子は電圧印加と電流注入の操作を組合わせて作動
させるものであって、電圧印加によるｐｎ接合構造での
電気光学効果の偏波依存性、電流注入によるｐｎ接合構
造でのプラズマ効果やバンドフィリング効果の偏波無依
存性を利用することによって光モードスプリッタあるい
は光スィッチとして機能させるものである。

この素子は、高い消光比を有し、また、他の半導体素子
とのモノリシックな集積化か可能であり、同時に、半導
体から成る光スィッチが抱えている偏波依存性に基づく
制約を可成り軽減するという改善効果をもたらすもので
あるといえる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記したＨ、　Ｙａｎａｇａｗａらの提案し
た光機能素子は、その全体構造は方向性結合器型であり
、Ｙ分岐型ではない。

本発明は、上記Ｈ，Ｙａｎａｇａｗａらの光機能素子に
適用されている技術思想に依拠して開発されたもので、
前記したＰ、　　ＰｒａｎｅｓｔｒａｎｄらのＹ分岐型
半導体光スイッチに比べてその消費電力を低減すること
ができる新規な構造のＹ分岐型光スイッチとその駆動方
法の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明においては、半
導体基板の上に積層されている半導体から全体か成り、
１本の入射側光導波路と該入射側光導波路からＹ分岐し
て延在する２本の出射側先導波路ををし、前記各先導波
路にはｐｎ接合構造が形成され、かつ、前記２本の出射
側光導波路の上には、それぞれ、互いに独立して電極か
形成されていることを特徴とする■分岐型光スイッチか
提供され、また、前記電極の一方に所定値の逆電圧を印
加し、ついで他方の電極から所定値の電流を注入して、
前記入射側光導波路から入射したＴＥモード光を逆電圧
印加の出射側先導波路からのみ出射させることを特徴と
するＹ分岐光スイッチの駆動方法、ならびに、前記電極
の一方から所定値の電流を注入し、ついで他方の電極に
所定値の逆電圧を印加して、前記入射側光導波路から入
射したＴＥモード光を逆電圧印加の出射側光導波路から
のみ出射させることを特徴とするＹ分岐光スイッチの駆
動方法が提供される。

（作用） まず、本発明のＹ分岐型光スイッチでは、半導体基板の
上に公知の成膜技術によって半導体の薄層を順次積層し
て構成され、そのＹ字型をした光導波路にはｐｎ接合構
造が形成されている。

ここで、基板の半導体は閃亜鉛鉱型の結晶構造を有し、
その面方位（１００）の上に前記半導体の薄層が積層さ
れている。そして、入射側光導波路とそこからＹ分岐す
る２本の出射側先導波路が延在する方向は、前記基板の
半導体の面方位に対しく１１０＞の方向になっている。

このようなｐｎ接合構造を有する光導波路に所定値の逆
電圧を印加すると、この光導波路では、電気光学効果が
発現してその実効屈折率は高くなる。しかし、上記効果
はＴＥモードに対してのみ発現する効果であって偏波依
存性である。

一方、この光導波路（ｐｎ接合構造）に所定値の電流を
注入すると、光導波路では、プラズマ効果やバンドフィ
リング効果が生じて屈折率が小さくなる。そして、この
効果は、ＴＥモード、７Ｍモードのいずれに対しても発
現するもので、偏波無依存である。

本発明のＹ分岐型型光スイッチは上記効果を利用するこ
とによって駆動させる。

本発明のＹ分岐光スイッチにおいては、その２本の出射
側先導波路の上にそれぞれ独立して電極が形成されてい
る。これらの２個の電極は、一方が電圧印加用電極とし
て機能する場合には他方の電極が電流注入用電極として
機能する。

今、両電極を無駆動状態にして、入射側光導波路からＴ
、Ｅモード光を入射する。入射光はＹ分岐点で等分配さ
れ、２本の出射側光導波路のそれぞ′れから等出力で出
射する。

ここで、一方の出射側光導波路（光導波路Ａという）の
電極から所定値の電圧を印加するとその電極直下に位置
する光導波路Ａの実効屈折率は高くなる。ついで、この
状態を維持しながら、他方の出射側光導波路（光導波路
Ｂという）の電極から所定値の電流を注入するとその電
極直下に位置する光導波路Ｂの実効屈折率は低くなる。

したがらで、前者の光導波路Ａと後者の光導波路Ｂとの
間では、その実効屈折率の差は可成り大きくなる。その
ため、入射光（ＴＥモード）のほとんどは、前者の光導
波路Ａ（電圧印加されている先導波路）に伝搬し、そこ
から出射していく。

すなわち、分岐光導波路Ａの光の出力パワーは（１，０
）の状態になる。

ついで、光導波路Ｂに電圧を印加したのち光導波路Ａに
電流を注入すると、入射光は光導波路Ｂからのみ出射す
るので、その出力パワーは（０，１）に転換する。

この場合、２本の光導波路Ａ、　Ｈの間では、−方の実
効屈折率が高（なると同時に他方の実効屈折率が低くな
るので、両屈折率の差は、それぞれを単独で駆動させた
ときよりも大きくなる。

すなわち、出力パワーを（１，０）ヰ（０，１）に転換
する際に、両電極からの印加電圧および注入電流は、そ
れぞれを単独で駆動させて同様の出力パワーの転換を実
現する場合よりも小さい値にすることができる。換言す
れば、本発明のＹ分岐型光スイッチは低消費電力で光ス
イツチング動作を実現することができる。

なお、本発明のＹ分岐型光スイッチは上記原理に基づい
て駆動するので、その駆動方法は前記したような電圧印
加から電流注入を行うという手順に限定されるものでは
なく、逆に、まず一方の電極に所定値の電流注入を行な
ってその直下の先導波路の実効屈折率を低くし、ついで
その状態を維持しつつ他方の電極に所定値の逆電圧を印
加してその直下の先導波路の実効屈折率を高くするとい
う手順で行ってもよい。

このように、本発明のＹ分岐型光スイッチは、出射側光
導波路の上に形成されているそれぞれの電極へ、電圧印
加と電流注入を交互に行うことによって、低消費電力で
、スイッチング機能を発揮する。

（実施例） 以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明のＹ分岐型光スイッチの概略平面図であ
り、第２図は第１図のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である
。

これらの図において、光導波路は、一方向に直線状に延
びる１本の入射側光導波路１１と、この入射側光導波路
１１から所定の分岐角θをなしてＹ分岐して延在する２
本の出射側光導波路１２ａ１２ｂで構成されている。こ
こで、分岐角θは０．５゜以下の小角である。

各出射側光導波路１２ａ、１２ｂの上には、電極１３ａ
、１３ｂが導通ずることなく互いに独立した状態で形成
され、これら電極１３ａ、１３ｂからは出射側光導波路
１２ａ、１２ｂに電圧印加と電流注入ができるようにな
っている。

このＹ分岐型光スイッチの断面構造は第２図に示した通
りである。

すなわち、まず、例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成る下
部電極２１の上に、ｎ　”Ｇ　ａＡ　ｓから成る基板２
２．同じ＜ｎ”ＧａＡｓから成るバッファ層２３が順次
形成されている。ここで、基板２２の面方位は（１００
）になっている。また面方位は（１１１）であってもよ
い。

このバッファ層２３の上にはｎ”ＡｌＧａＡｓかる下部
クラッド層２５．ｎ−ＧａＡｓから成るコア層２６か順
次形成され、更に、コア層２６に上にはｎ−ＡｌＧａＡ
ｓから成る上部クラッド層２７かリッジ状に形成されて
いる。

この上部クラッド層２７は、ｎ−、ＡＡＧａＡｓから成
るクラッド層２７　ａ、ｐＡ４ＧａＡｓから成るクラッ
ド層２７ｂおよびｐ”ＧａＡＳから成るキャップ層２７
ｃを順次積層して構成され、クラット層２７ａとクラッ
ド層２７ｂの接合界面かｐｎ接合構造になっている。

上部クラッド層２７の上面は５ｉＣｈのような絶縁膜２
８で被覆され、その上部には窓２８ａが形成されたのち
、ここにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着して電極１３ａ、１３
ｂが形成されている。

なお、上記した半導体の各層は、電極１３ａ。

１３ｂからの電圧印加によってその直下の出射側光導波
路１２ａ、　１２ｂで電気光学効果を発現させて実効屈
折率を高めるために、＜１１０＞の方向が、それぞれの
出射測光導波路が延在する方向と略−致するように成膜
される。

つぎにこのＹ分岐光スイッチの駆動方法と効果を説明す
る。

まず、電極１３ａから所定値の逆電圧を印加し、ついで
電極１３ｂから所定値の順電流を注入する。

電極１３ａの直下に位置する出射側光導波路１２ａでは
電気光学効果が発現してその実効屈折率は高くなり、他
方、電極１３ｂの直下に位置する出射側先導波路１２ｂ
では、プラズマ効果やバンドフィリング効果が発現して
その実効屈折率は低くなる。

そのため、入射側光導波路１１から入射したＴＥモード
光は、高屈折率の出射側光導波路１２ａの方に伝搬して
そこからのみ出射する。すなわち、出射パワーの状態は
（１，０）になる。

つぎに、電極１３ｂから電圧印加、ついで電極１３ｂか
ら電流注入へと駆動態様を変えると、入射光は出射側先
導波路１２ｂからのみ出射して出射パワーの状態は（０
，１）に転換する。すなわち、スイッチング動作が実現
する。

この状態を第３図および第４図に示す。第３図は波長１
．３μｍのＬＤ光源入力の場合であり、第４図は波長１
．５５μｍのＬＤ光源入力の場合である。これらの図に
おいて、・印は電圧印加した出射側光導波路、■印は電
流注入した出射側光導波路をそれぞれ表し、また、実線
は電圧印加による結合側の出力パワーを表し、点線は電
流注入による結合側の出力パワーを表す。

図から明らかなように、印加電圧を約２０Ｖに維持し、
注入電流を１００ｍＡ（第３図の場合）または１２０ｍ
Ａ（第４図の場合）にすると、スイッチング動作が発現
する。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明のＹ分岐型光スイ
ッチは、一方の出射側光導波路に電圧印。

加し、それを維持して他方の出射側光導波路に電流注入
することにより、画先導波路間の相対的な実効屈折率の
差を大きくすることができる。この印加電圧の値はｐｎ
接合構造の降伏電圧以下で行われるが、この電圧印加に
よる出射測光導波路における電力の消費はほとんどなく
、また、注入電−流（スイッチング電流）か少なくても
光導波路間の上記実効屈折率の差を大きくすることが可
能であるため、消費電力が少なくても、スイッチング動
作をすることができる。

したがって、光導波路におけるｐｎ接合構造の破壊は抑
制され、その結果、素子の使用寿命は向上し、信頼性も
高くなる。

また、他の半導体から成る能動素子とのモノリシックな
集積化も可能であり、高い消光比特性を備えている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＹ分岐型光スイッチの概略平面図、第
２図は第１図のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、第３図およ
び第４図は本発明の光スィッチのスイッチング特性を示
すグラフで、第３図は波長１．３μｍの場合、第４図は
波長１．５５μｍの場合であり、第５図は従来のＹ分岐
型光スイッチの概略平面図、第６図は第５図の光スィッ
チのスイッチング特性図である。 １１・・・入射側光導波路、１２ａ、１２ｂ・・・出射
側光導波路、１３ａ、１３ｂ・・・電極、２１・・・下
部電極、２２・・・基板、２３・・・バッファ層、２４
・・・下部クラッド層、２５・・・下部クラッド層、２
６・・・コア層、２７・・・上部クラッド層、２７ａ・
・・クラッド層、２７ｂ・・・クラッド層、２７ｃ・・
・キャップ層、２８・・・絶縁膜、２８ａ・・・窓。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の上に積層されている半導体から全体
   が成り、１本の入射側光導波路と該入射側光導波路から
   Ｙ分岐して延在する２本の出射側光導波路を有し、前記
   各光導波路にはｐｎ接合構造が形成され、かつ、前記２
   本の出射側光導波路の上には、それぞれ、互いに独立し
   て電極が形成されていることを特徴とするＹ分岐型光ス
   イッチ。
2. （２）前記半導体は閃亜鉛鉱型の結晶構造を有し、前記
   半導体基板の面方位は（１００）であり、また、前記各
   光導波路の中心線の方位は略＜１＠１＠０＞である請求
   項１に記載のＹ分岐型光スイッチ。
3. （３）請求項１の電極の一方に所定値の逆電圧を印加し
   、ついで他方の電極から所定値の電流を注入して、請求
   項１の入射側光導波路から入射したＴＥモード光を逆電
   圧印加の出射側光導波路からのみ出射させることを特徴
   とする請求項１のＹ分岐型光スイッチの駆動方法。
4. （４）請求項１の電極の一方から所定値の電流を注入し
   、ついで他方の電極に所定値の逆電圧を印加して、請求
   項１の入射側光導波路から入射したＴＥモード光を逆電
   圧印加の出射側光導波路からのみ出射させることを特徴
   とする請求項１に記載のＹ分岐型光スイッチの駆動方法
   。