JPH0548890B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体材料を用いた光スイツチの駆動
方法に関するものである。

（従来技術とその問題点） 近年の光通信システムの本格的な実用化に伴い
従来にない新しい機能やサービスを提供するシス
テムが考えられてきている。そのようなシステム
で必要とされるデバイスとして、多数の光伝送路
の接続を高速に切換える光スイツチがあげられ
る。

このような光スイツチとしては、従来プリズム
レンズ若しくは光伝送路自体を移動させる、いわ
ゆる機械式のものが広く用いられていたが、スイ
ツチング速度の高速性、動作の信頼性、多チヤン
ネル化等の要求を考えると、非機械式かつ集積化
が可能なスイツチが今後主流となると考えられ
る。

そのような光スイツチとしては、光信号を一旦
電気信号に変換して電気的スイツチング回路によ
り切換えを行つた後、再び電気信号を光信号に変
換する方法も考えられるが、光の波長等の特性が
保存でき、スイツチされる光信号の帯域を全く制
限しないことから光信号を光信号のまゝに切換え
る型の光スイツチが望ましい。そのための光スイ
ツチとしては音響光学（AO）効果、電気光学
（EO）効果、磁気光学（MO）効果等の物理光学
効果を利用した導波型光スイツチが良く知られて
いる。

このような光スイツチを実現するためには上述
の種々の効果を持つ結晶材料等が利用されている
が、特にSiやGaAlAs／GaAs、InGaAsP／InP
等の半導体材料を用いた光スイツチでは、光検出
器、発光素子とのモノリシツクな集積化が可能に
なるためこれらの材料は特に重要である。

従来、これらの半導体材料では電気光学効果、
キヤリア注入、欠乏効果を利用した方向性結合器
型、Ｙ分岐型等の光スイツチが実現されている。

こゝでは、その一つの例としてInGaAsP／InP
系の方向性結合器型光スイツチをとりあげ、その
構造、動作について説明する。

第２図は、方向性結合器型光スイツチの構造を
示す図である。図に示した光スイツチは雑誌アブ
ライド フイジツクス レターズ（Applied
Physics Letters）第40巻、1982年の653〜655頁
に記載されている光スイツチとほぼ同様のもので
ある。（100）n⁺−InP基板１の上に通常の液相若
しくは気相成長法によりn^-−InPガイド層２を成
長させたウエハにCd若しくはZnへ全面拡散を行
いn^-−InPガイド層２中に極く薄いP⁺−InP層３
を形成する。その後ウエハのエピタキシヤル層側
にｐ型オーム性電極となるTi／Pt／Auを２本の
〈110〉の方向に平行から近接した２本のストライ
プ状になるように通常のフオトリソグラフイ・エ
ツチング若しくはソフト・オフ法により形成す
る。この２本のTi／Pt／Auストライプ状のｐ側
電極４ａ，４ｂをマスクとしてP⁺−InP層３を除
き、メサ構造としn⁺−InP基板１側にはAuGeNi
によるｎ側オーム性電極６を蒸着し、電極抵抗の
低減のための熱処理の後ストライプに垂直な方向
に劈開により適当な素子長となるように光の入出
力端面を形成して、第２図に示した構造を製作す
る。

第２図の２本のメサ部分５ａ，５ｂはそれぞれ
リブ・ガイドとなつており、それが２本位相同期
して近接しているため分布結合し、完全結合長
L₀と呼ばれる距離を周期として光パワーの移動
が行われる。そこで、２本のリブ・ガイド５ａ，
５ｂを完全結合長L₀の間のみ結合させるように
すればリブ・ガイド５ｂに入射した光は完全にリ
ブ・ガイド５ｂに結合しリブ・ガイド５ａから出
射する。

こゝでｐ側電極の一方4aとｎ側電極との間に
逆バイアスを印加するとｐ−ｎ接合からリブ・ガ
イド５ａ中に空乏層が拡がり、空乏層内に電界に
よる電気光学効果及びキヤリア欠乏効果によりリ
ブガイドの５ａの導波層の屈折率が変化する。そ
のため、２本の分布結合したリブ・ガイド間の位
相同期条件がくずれ、入射端でリブ・ガイド５ｂ
に入射した光はリブ・ガイド５ａには結合せずそ
のまゝリブ・ガイド５ｂから出射する。このよう
にして２本のガイド間でスイツチの動作が実現さ
れる。InP、GaAs、GaPは結晶点群（43ｍ）に
属しており、リブ・ガイドの方向を〈011〉方向
にとつておくとこのような逆バイアスによる
〈100〉方向の電界による電気光学によりTEに類
似のモードに対する屈折率は増大する。また、空
乏層のキヤリア欠乏効果によつても屈折率は増加
する。つまり、逆バイアスを印加された側のリブ
ガイド５ａ中の屈折率変化Δnは次にように書け
る。

Δn＝１／２n³γ₄₁E＋eλ²N／8π²nC²ε₀m^* 但しこゝにｎはガイド層屈折率、γ₄₁は媒質の
電気光学定数、Ｅは電界強度、ｅは電荷素量、λ
は導波光波長、Ｃは光速、ε₀は真空の誘電率、
m^*は媒質中のキヤリアの有効質量をそれぞれ表
わす。

式中の第１項が電気光学効果、第２項がキヤリ
ア欠乏効果による寄与を示している。こゝで、
InPでの値としてｎ＝３，２、γ₄₁＝1.4×10^-12
（ｍ／Ｖ）、m^*／m_e＝0.08を用い、波長λ＝1.3μ
ｍ、Ｎ＝１×10^-15（cm^-3）、Ｅ＝１×10⁷（Ｖ／ｍ）
で考えると上式第１項、第２項は２×10^-4、２×
10^-5程度となる。１×10⁷（Ｖ／ｍ）という電界強
度は非常に高いものであるがこのような強電界に
よつても得られる屈折率変化は10^-4のオーダとい
う非常に小さなものである。

そのため従来InP GaAs系等の半導体材料によ
る方向性結合器型光スイツチでは素子の駆動電圧
及び素子長を実用的な範囲に迄低減するのが難し
かつた。以上の説明はInP系の方向性結合器型光
スイツチを例にとつたが、一般にGaAlAs／
GaAs、GaP等の−族化合物半導体材料では
電気光学係数はほぼ一定であり、他の構造のスイ
ツチを考えても屈折率の変化を利用する限り、上
述の問題は半導体材料のスイツチに共通の問題で
ある。

（発明の目的） 本発明は、上述の問題を除去し、小型の光スイ
ツチでも低電圧駆動が可能な半導体光スイツチの
駆動方法の提供することにある。

（発明の構成） 本発明は、半導体材料によるチヤンネル導波路
により方向性結合器、交叉若しくは分岐を形成し
前記方向性結合器、交叉若しくは分岐の光の伝搬
方向に略平行な対称軸に対してほぼ対称な部分に
独立に電界印加若しくは電流注入を行うための第
１、第２の接合を含む電極を有する半導体光スイ
ツチの駆動方法であつて、前記第１の電極には光
スイツチの駆動信号に応じた順方向の信号を印加
し、前記第２の電極には前記順方向の信号に同期
した逆方向の信号を印加することを特徴とする半
導体光スイツチの駆動方法である。

（本発明の作用・原理） 本発明は、半導体材料の電気光学効果、キヤリ
ア欠乏による屈折率変化と、キヤリア注入による
屈折率変化を共に利用するものである。電気光学
効果を有する半導体導波路に電界を印加した際の
屈折率変化Δn_Rは先に示した(1)の式のように書
け、電気光学効果とキヤリア欠乏効果を相加的に
用いる場合にはΔn_Rの符号は正となる。一方、電
流注入によりキヤリア数が増大した場合にはキヤ
リア欠乏効果と同様の自由電子プラズマの効果に
より屈折率が変化するが、この場合には屈折率変
化Δn_Fの符号は負となり、次のように書ける。

Δn_F＝−eλ²Ni／8π²nC²ε₀m^* ただし、Niは注入キヤリア数である。つまり、
電界印加、電流注入により正負の符号の異なる屈
折率変化が得られることになる。半導体材料では
有効に電界を印加するためにはｐ−ｎ接合やシヨ
ツトキ接合の逆バイアス印加時の空乏層が利用さ
れるが、この接合は順バイアスとすることによ
り、効率の良い電流注入手段ともなる。従つて極
く通常の電極構造により正、負の符号の異なる屈
折率変化が得られる。

方向性結合器型、交叉導波路型、Ｙ分岐型等の
光スイツチでは結合、交叉、分岐部で、光の伝搬
方向に対して非対称な屈折率変化を生じさせ、そ
れによりスイツチ動作を得ている。従来は電界の
印加、電流注入により、結合、交叉、分岐部の光
伝搬方向に対して対称な一方のみの部分の屈折率
を増加若しくは減少させることによりスイツチ動
作を得ていたため、非常に効果が小さく、スイツ
チの小型化、低電圧化を計ることができなかつ
た。

しかしながら、説明したように結合、交叉、分
岐部の光の伝搬方向に対して対称な一方の部分に
電界を印加し、他方に電流注入を行えば非常に大
きな屈折率分布の非対称性を得ることが出来るた
め、スイツチの低電圧駆動、小型化が可能とな
る。

また、Siのような電気光学効果を有していない
結晶でも接合部への逆方向電圧印加により生じる
空乏層内のキヤリア欠乏と、順方向電流注入によ
るキヤリア数増大を利用することができるため、
本発明による半導体光スイツチの駆動方法は有効
である。以下本発明の実施例につき、図面を用い
て詳細に説明する。

（実施例） 第１図は本発明をInP系方向性結合器型光スイ
ツチに適用した場合の実施例を示す図である。光
スイツチは先に説明に用いたInP系ホモ接合リブ
ガイド型のものを用いて説明する。

裏面にｎ側オーム性電極６を有する（100）n⁺
−InP基板１上にn^-−InPガイド層２及びP⁺−
InP層３、ｐ側電極４ａ，４ｂからなるリブ・ガ
イド５ａ・５ｂが近接平行して設置され方向性結
合器を形成している。

今、素子長は完全結合長に一致しているものと
する。入射端よりリブ・ガイド５ｂに入射した光
は光スイツチの駆動信号が全くない時には出射端
ではリブ・ガイド５ａから出射することになる。

次にスイツチの動作について説明する。

スイツチ駆動信号は端子７に加えられ、その信
号に応じ逆電圧発生器８は適当な値に変換した逆
バイアス信号をｂ側電極４ｂとｎ側電極６の間に
加える。一方、順電圧発生器９はスイツチ駆動信
号に応じた適当な値の順方向電圧をビルトインポ
テンシヤルを打消すためのバイアスと共に他方の
ｐ側電極とｎ側電極６の間に印加する。逆バイア
ス信号の与えられたリブ・ガイド５ｂ内では電気
光学効果及びキヤリアの欠乏により屈折率が増加
し、順順バイアス信号が印加されたリブ・ガイド
５ａでは注入キヤリアにより屈折率が減少する。
そのため、２本のリブ・ガイド間の位相同期条件
がくずれるため、リブ・ガイド５ｂに入射した光
はリブ・ガイド５ａには結合せず、そのまゝ５ｂ
から出射しスイツチ動作が得られる。しかも通常
の電気光学効果のみを利用した光スイツチに比べ
同一形状の光スイツチではより低電圧での動作が
可能となり、また同一動作電圧のスイツチを得る
ための素子長は非常に小さくできる。本実施例で
は素子長が完全結合長に一致した場合の例を示し
たが、素子長が完全結合長より長い場合にはΔβ
反転型の電極を用いればよく、その場合も本発明
を適用することが可能である。

以上の説明では光スイツチの構造として方向性
結合器型光スイツチを考えたが、交叉導波路型や
Ｙ分岐型の光スイツチでも交叉部分で外場より屈
折率分布の非対称を誘起する点は全く同じであ
り、本発明による半導体光スイツチの駆動方法が
同様に適用できる。また材料的に見ても
InGaAsP／InP、GaAlAs／GaAsのような電気
光学効果を有する半導体材料はもとよりSi，Ge
のような結晶材料の光スイツチにも先に述べたよ
うに適用できる。

また電極部分がｐ−ｎ接合、シヨツトキー接合
等の接合を含む場合には一つの電極を電界印加、
電流注入に共用できるため便利であるが、電界印
加と電流注入を行う電極を予め定めておけばMIS
構造なども利用できる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように本発明の半導体光ス
イツチの駆動方法によれば、小型のスイツチでも
非常に低電圧で駆動することができ、将来の種々
の光集積回路の実現に寄与するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は
方向性結合器型光スイツチを説明するための図で
ある。 図において、１，２，３は半導体層、４ａ，４
ｂ，６は電極、５ａ，５ｂはリブ・ガイド、７は
端子、８，９は電圧発生器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体材料によるチヤンネル導波路により方
   向性結合器、交叉若しくは分岐を形成し、前記方
   向性結合器、交叉若しくは分岐の光の伝搬方向に
   略平行な対称軸に対してほぼ対称な部分に独立に
   電界印加若しくは電流注入を行うための第１、第
   ２の接合を含む電極を有する半導体光スイツチの
   駆動方法であつて、前記第１の電極には光スイツ
   チの駆動信号に応じた順方向の信号を印加し、前
   記第２の電極には前記順方向の信号とは逆方向の
   極性の信号を印加することを特徴とする半導体光
   スイツチの駆動方法。