JPH0527274A

JPH0527274A - 光スイツチ

Info

Publication number: JPH0527274A
Application number: JP3184237A
Authority: JP
Inventors: Shigemitsu Maruno; 茂光丸野; Mitsunobu Gotoda; 光伸後藤田; Yoshitoku Nomura; 良徳野村; Kenichi Otsuka; 健一大塚; Hiroshi Sugimoto; 博司杉本; Masayuki Imaizumi; 昌之今泉; Hajime Ishihara; 一石原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1991-07-24
Publication date: 1993-02-05
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: JP2940238B2

Abstract

(57)【要約】【目的】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光路を高速で制御することを目的と
する。【構成】２本の光導波路を交差させ、交差部において
入射光を全反射させることにより、光の伝搬する光路を
切換えるようにした光スイッチにおいて、従来の構成で
は、交差部に多重量子井戸構造を設け、多重量子井戸構
造に電圧を印加することにより、交差部の屈折率を変化
させていた。本発明による全反射型光スイッチでは、交
差部に多重歪量子井戸構造を設け、多重歪量子井戸構造
の量子井戸層を、量子井戸層内にある電子の空間的に閉
じこめられる領域と、ホールの空間的に閉じこめられる
領域が異なるように構成し、多重歪量子井戸構造に電界
を印加することにより、交差部の屈折率を変化させる。【効果】低消費電力で動作し、高速応答特性をもち、
かつ、偏波面依存性のない光スイッチを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光通信、光情報処理分
野における光信号の光スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、固体物理 Vol.24 No.11 1989 p
158 に示された従来の２×２光マトリックススイッチの
構成図、図７はこの光マトリックススイッチを構成する
多重量子井戸構造の構成図である。また、図８は、この
光マトリックススイッチの動作原理を説明するための量
子井戸層のバンドダイアグラムである。図において、１
はＩｎＰ基板、２はＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、３はＩ
ｎＰクラッド層、８、８ａは電極、９は光の入射口、９
ａ、９ｂは光の出射口、１０はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ
多重量子井戸構造、７は多重量子井戸構造１０を構成す
るＩｎＰバリア層、１１はＩｎＰバリア層７により上下
からかこまれたＩｎＧａＡｓＰウェル層である。図６
（ａ）は無電界時の、図６（ｂ）は電界印加時のそれぞ
れ多重量子井戸構造１０のバンドダイアグラムである。
なお、ＩｎＧａＡｓＰウェル層１１の組成はＩｎＰバリ
ア層７に格子整合するものになっている。

【０００３】図６における光導波路はリッジ型光導波路
と呼ばれ、導波路はＩｎＰクラッド層３のディップ形状
下のＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２の部分に形成される。
図５において、このような２本のリッジ型光導波路は、
適当な交差角で交差している。この交差部にはＩｎＰ／
ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造１０が形成されてい
る。入射光は入射口９から上記交差部に入り、出射口９
ａまたは９ｂから出射される。

【０００４】次に動作について説明する。光の伝搬光路
は以下のようにしてスイッチされる。多重量子井戸構造
１０に適当な電界を印加して、この部分の屈折率を変化
させることにより、入射口９から入射した光は全反射さ
れて、出射口９ｂから出射される。多重量子井戸構造１
０に電界を印加しないときは、光の全反射条件が満たさ
れないので、入射光は出射口９ａから出射される。

【０００５】印加電界の制御により多重量子井戸構造１
０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、量子井戸内の吸収係数が変化する。
入射エネルギーｈｆ（ｈ：プランク定数、ｆ：入射光の
周波数）に対する吸収係数Ａ（ｈｆ）は次式で与えられ
る。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、Ｃは比例定数、Ｍ_ehは電子とホー
ルそれぞれの基底量子準位Ｅ_e とＥ_h 間の運動量行列要
素、Ｆ_e（ｚ）とＦ_h（ｚ）はそれぞれ電子とホールの
波動関数で、ｚは量子井戸に垂直な方向にとる。Ｄ（ｈ
ｆ）は伝導帯と価電子帯の２次元結合状態密度である。
電界を印加したとき、電子の基底量子準位Ｅ_e は低エネ
ルギー側に、ホールの基底量子準位Ｅ_h は高エネルギー
側にシフトするため、吸収係数Ａ（ｈｆ）のピークは入
射エネルギーｈｆの低エネルギー側にシフトする。屈折
率の変化量と吸収係数との間には、クラマース・クロー
ニッヒの関係がある。したがって、多重量子井戸構造１
０に適当な電界を印加することにより、特定な波長をも
つ入射光に対して屈折率を変化させることができる。

【０００８】例えば、入射光の波長が１５００ｎｍ、印
加電圧が１００ｋＶ／ｃｍのとき、屈折率変化はおよそ
１％である。このとき、２本の光導波路の交差角を３°
以下になるように設定しておくと、入射光９から入射し
た光に対して、交差部において全反射条件がみたされ
て、入射光は出射口９ｂより出射される。このように多
重量子井戸構造１０の印加電界を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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の光スイッチは以
上のように構成されているので、スイッチング効率は導
波光の偏波面に依存し、おもにＴＥモードの光に対して
のみ高いスイッチング効率をもつという問題点がある。
これは、上述した式１に示されるように吸収係数の変化
量、したがって屈折率の変化量が、ウェル層１１の電子
とホールの基底量子準位間の運動量行列要素に比例する
ことから、多重量子井戸構造１０では、ＴＥモードの光
に対してのみ大きな屈折率変化が得られるからである。

【００１０】また、大きな屈折率変化を得るためには、
大きな電圧を電極８、８ａ間に印加する必要があること
から、消費電力が大きくなるという問題点がある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】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、光導波路の交
差部における屈折率を高速かつ低電圧で変化させること
ができ、入射光の偏波面に依存しないスイッチング特性
をもつ光スイッチを得ることを目的としている。

【００１２】この発明にかかる光スイッチは、光導波路
の交差部に多重歪量子井戸構造を設け、この多重歪量子
井戸構造の歪量子井戸層を、格子定数がバリア層の格子
定数よりも小さく、かつ、バンドギャップがバリア層の
バンドギャップよりも小さい歪バリア層を、格子定数が
バリア層と同じで、かつ、バンドギャップが歪バリア層
層のバンドギャップよりも小さいウェル層の両側に配置
することにより構成し、歪バリア層の格子定数を歪バリ
ア層の価電子帯頂上のエネルギー準位が、ウェル層の価
電子帯頂上のエネルギー準位に等しいか、同程度になる
ように選び、また、この多重歪量子井戸構造に電界を印
加できるようにしたものである。

【００１３】

【作用】この発明における光導波路の交差部に形成され
た多重歪量子井戸構造は、歪量子井戸内にある電子の空
間的に閉じこめられる領域と比べて、ホールの空間的に
閉じこめられる領域の方が広くなり、また、価電子帯の
ヘビーホール準位およびライトホール準位間の運動量行
列要素が等しくなることにより、入射光がＴＥモードで
なくても電界の印加でＴＥモードの入射光と同程度の屈
折率変化を生じる。

【００１４】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図によって説明
する。図１は２×２光マトリックススイッチの構成図、
図２はこの光マトリックススイッチを構成する多重歪量
子井戸構造の構成図である。また、図３は、この光マト
リックススイッチの動作原理を説明するための量子井戸
層のバンドダイアグラムである。なお、図４、図５はこ
の発明の他の実施例における光マトリックススイッチの
動作原理を説明するための量子井戸層のバンドダイアグ
ラムである。図において、１はＩｎＰ基板、２はＩｎＧ
ａＡｓＰ光ガイド層、３はＩｎＰクラッド層、４はＩｎ
Ｐ基板１と光ガイド層２およびクラッド層３で構成され
た２本の光導波路の交差部に形成されたＩｎＰ／ＩｎＧ
ａＡｓ多重歪量子井戸構造、５は多重歪量子井戸構造４
を構成するＩｎＧａＡｓウェル層、６はＩｎＧａＡｓ歪
バリア層、７はＩｎＰバリア層、８、８ａは電極、９は
光の入射口、９ａ、９ｂは光の出射口である。図３
（ａ）は無電界時の、図３（ｂ）は電界印加時のそれぞ
れ多重歪量子井戸構造４のバンドダイアグラムである。
なお、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２とＩｎＧａＡｓウェ
ル層５の組成はＩｎＰバリア層７に格子整合するものに
なっている。

【００１５】次に動作について説明する。まず、ＩｎＧ
ａＡｓ歪バリア層６の組成をＩｎ_xＧａ_1-xＡｓで表しＩ
ｎの組成ｘについて述べる。ＩｎＰとこれに格子整合す
るＩｎＧａＡｓの価電子帯では、ガンマ点においてヘビ
ーホール準位とライトホール準位が縮退している。いま
これら結晶薄膜の（００１）面内に２軸性の引張り応力
が加わると、ガンマ点においてライトホール準位はヘビ
ーホール準位に比べて高エネルギー側にシフトする。

【００１６】ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ多重歪量子井戸構造
４では、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層６のＩｎ組成ｘを適当
な値に選ぶことによって、上記の２軸性の引張り応力が
歪バリア層６にのみ加わるようにすることができる。こ
れにより、ＩｎＧａＡｓウェル層５の価電子帯のガンマ
点におけるヘビーホール準位およびライトホール準位
と、歪バリア層６のライトホール準位を等しくさせるこ
とができる。なお、ウェル層５のヘビーホール準位とラ
イトホール準位が、量子井戸構造にもかかわらず縮退す
るのは、歪バリア層６のライトホール準位がエネルギー
的に近づくことにより、ウェル層５のホールを閉じこめ
るポテンシャルバリアがなくなるためである。

【００１７】このような系の候補として例えば、歪バリ
ア層６のＩｎの組成ｘをＩｎＰに格子整合する値である
０．５３よりも小さくするとよい。この場合、歪バリア
層６の格子定数は、ウェル層５やＩｎＰバリア層７のそ
れよりも小さくなるため、歪バリア層６には界面と平行
方向の引張り応力を受ける。したがって、上述した状況
がこの系について成立する。

【００１８】多重歪量子井戸構造４に電界を印加するこ
とにより、この部分の屈折率変化を起させるメカニズム
は、従来の場合と同様である。ただし、以下の点によっ
て本発明の光スイッチは従来の光スイッチと比べて優れ
た特性をもつ。

【００１９】上述した式１からわかるように、吸収係数
Ａ（ｈｆ）は電子とホールの波動関数の重なり積分に比
例する。電界により電子とホールは互いに逆方向に変位
するので、この波動関数の重なり積分の値は、電子とホ
ールの波動関数の変位量が大きいほど小さくなる傾向を
示す。従来の多重量子井戸構造１０では、ず４に示すよ
うに電界が印加されたとき、電子とホールは同じ量子井
戸内で互いに逆方向に変位する。一方、本発明による多
重歪量子井戸構造４では、図２に示すように電界が印加
されたとき、電子の波動関数はウェル層５内に閉じこめ
られたままであるが、ホールに対する波動関数は、ホー
ルに対するポテンシャルバリアがないために歪バリア層
６まで変位することができる。したがって、波動関数の
重なり積分の値は、従来の場合に比べて、より小さな印
加電界で大きく変化することになる。

【００２０】実施例．２上記実施例では、多重歪量子井戸構造４においてウェル
層５と２つの歪バリア層６により構成される歪量子井戸
層が、ウェル層５を中心にして左右対称となる場合につ
いて示したが、図４に示すようにこれを左右非対称な構
造にしても、上記実施例と同様な効果を奏する。この場
合、一方の歪バリア層６の膜厚は、他方のそれよりも厚
くなるが、転移の発生が起り始める臨界膜あ厚以下にし
なければならない。

【００２１】この実施例においては、歪量子井戸層の非
対称性により、ホールの波動関数の電界に対する変位量
を、同じ印加電界について上記実施例よりも大きく変化
させることができる。したがって、波動関数の重なり積
分の値は、上記実施例と比べて、より大きく変化させる
ことができる。

【００２２】実施例．３電子とホールの波動関数の非対称な分布を得る方法とし
て、歪量子井戸層を図５に示すようにウェル層５の厚さ
を少しづつ変えたものと、歪バリア層６を交互に積層さ
せて構成してもよい。図６ではウェル層５が３層の場合
について示している。同図において、１２は電子の基底
量子準位を示す。

【００２３】電子の基底量子準位は、ウェル層厚が小さ
いほど高くなる。このため電子は、おもにウェル層厚が
最も大きいところ、したがって基底量子準位が最も低い
ところに分布する。一方、ホールの波動関数は図６に示
すように２つのＩｎＰバリア層７の間に広く分布する。
したがって、上記第２の実施例と同様の理由により、波
動関数の重なり積分の値を上記第１の実施例の場合より
も大きく変化させることがわかる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば２本の
光導波路の交差部に多重歪量子井戸構造を形成し、この
多重歪量子井戸構造の歪量子井戸層を、価電子帯のホー
ルが閉じこめられる領域を伝導帯の電子が閉じこめられ
る領域よりも広くなるように構成したので、低消費電力
で動作し、光の偏波面に依存しない光スイッチが得られ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による光スイッチの構成図
である。

【図２】この発明による光マトリックススイッチを構成
する多重歪量子井戸構造の構成図である。

【図３】この発明によるの光スイッチの動作原理を説明
するための歪量子井戸層のバンドダイアグラムである。

【図４】この発明の第２の実施例における歪量子井戸層
のバンドダイアグラムである。

【図５】この発明の第３の実施例における歪量子井戸層
のバンドダイアグラムである。

【図６】従来の光スイッチの構成図である。

【図７】従来の光スイッチを構成する多重量子井戸構造
の構成図である。

【図８】従来の光スイッチの動作原理を説明するための
量子井戸層のバンドダイアグラムである。

【符号の説明】

１ＩｎＰ基板２ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３ＩｎＰクラッド層４ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ多重歪量子井戸構造５ＩｎＧａＡｓウェル層６ＩｎＧａＡｓ歪バリア層７ＩｎＰバリア層８、８ａ電極９光の入射口９ａ、９ｂ光の出射口

フロントページの続き (72)発明者大塚健一尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者杉本博司尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者今泉昌之尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者石原一尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２本の光導波路を交差させ、この交差部
において入射光を全反射させることにより、光の伝搬す
る光路を切換えるようにした光スイッチにおいて、前記
交差部に、第１の半導体層と、この第１の半導体層の両
側に積層され格子定数が前記第１の半導体層の格子定数
よりも小さく、かつバンドギャップが前記第１の半導体
層のバンドギャップよりも小さい第２の半導体層とから
なる第１の半導体層群と、格子定数が前記第１の半導体
層の格子定数と同一で、かつバンドギャップが前記第２
の半導体層のバンドギャップよりも小さい第３の半導体
層を交互に積層して構成し、前記第２の半導体層の格子
定数を前記第２の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー
準位が、前記第３の半導体層の価電子帯頂上のエネルギ
ー準位に等しいか、同程度となるようにした多重歪量子
井戸構造を設け、この多重歪量子井戸構造に電界を印加できるようにした
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】前記第１の半導体層の両側に積層された
前記第２の半導体層をそれぞれ異なる厚さにしたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光スイッチ。
【請求項３】前記第１の半導体層群と、複数の厚さの
異なる前記第３の半導体層の間に前記第２の半導体層を
積層した第２の半導体層群を交互に積層したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項および特許請求の範囲第１
項記載の光スイッチ。