JPH06281973A - 半導体光スイッチ - Google Patents

半導体光スイッチ

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Publication number
JPH06281973A
JPH06281973A JP6701393A JP6701393A JPH06281973A JP H06281973 A JPH06281973 A JP H06281973A JP 6701393 A JP6701393 A JP 6701393A JP 6701393 A JP6701393 A JP 6701393A JP H06281973 A JPH06281973 A JP H06281973A
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JP
Japan
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ridge
waveguide
phase modulation
directional coupler
optical
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Pending
Application number
JP6701393A
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English (en)
Inventor
Mitsuru Naganuma
充 永沼
Kenji Kono
健治 河野
Naoya Watabe
直也 渡部
Yasuhiro Kondo
康洋 近藤
Masashi Nakao
正史 中尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な製作プロセスで低損失の半導体光スイ
ッチを提供する。 【構成】 光方向性結合器と位相変調用導波路とが半導
体基板上に集積化されたマハツェンダー型の半導体光ス
イッチにおいて、リッジ幅や高さおよびその両側の溝幅
の少なくとも一つが導波方向に沿って変化するようにあ
らかじめ半導体基板上にリッジ構造を形成しかつ少なく
とも位相変調用導波路領域のリッジ5の両側に4μm以
下の幅の溝6を形成し、リッジ構造上に前記光方向性結
合器と位相変調用導波路とを形成し、前記位相変調導波
路のコア部15のバンドギャップ波長が前記光方向性結
合器のバンドギャップ波長より大きく、当該位相変調導
波路のコア部と当該光方向性結合器とが結晶成長の再成
長界面を横切ることなく接続しているようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信、光交換、光計測
に用いられる半導体光スイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】光通信、光変換、光計測の分野において
光スイッチは極めて重要なデバイスであり、これまで
に、方向性結合器型、増幅器を用いた光ゲート型、交差
した導波路の屈折率を制御する全反射型、マハツェンダ
ーの一方のアームでの伝搬位相を制御するマハツェンダ
ー型などがある。この中で、半導体を用いた光スイッチ
はその吸収係数、屈折率の注入電流あるいは印加電界依
存性が誘電体材料より大きいので素子寸法を小さくでき
るという利点がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このように半導体光ス
イッチは小型で低電流あるいは低電圧で駆動でき、レー
ザ等のアクティブ素子とモノリシックに結合できるとい
う利点があるが、半導体は誘電体に較べて吸収が大きい
という欠点がある。従って、電流注入や電圧印加を行う
作動領域に対してパッシブ導波路領域が透明になるよう
に素子構造を設計し、スイッチ全体としての挿入損を減
らす必要がある。このためには、光が導波するコア部分
のバンドギャップ波長がパッシブ導波路領域では作動領
域より短波長になるようにする必要がある。
【0004】従来技術では一旦エピタキシャル成長した
コア層の一部をエッチングにより除去し、ついで除去さ
れた部分に再度異なる組成のコア層を成長する方法がと
らえれていた。しかし、この方法では、プロセスが複雑
になり、また、エッチングおよび再成長を繰り返すため
に、光が導波する界面に乱れが生じたり、不純物が混入
したりして、特性劣化を招くという問題があった。
【0005】本発明は、このような事情に鑑み、簡単な
製作プロセスで低損失の半導体スイッチを提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体光スイッチは、光方向性結合器
と位相変調用導波路とが半導体基板上に集積化されたマ
ハツェンダー型の半導体光スイッチにおいて、前記半導
体基板上にあらかじめ形成されたリッジ構造上に前記光
方向性結合器と位相変調用導波路とがが形成されてお
り、該リッジの幅や高さおよびその両側の溝の幅の少な
くとも一つが光の導波方向に沿って変化しかつ少なくと
も位相変調用導波路領域のリッジは両側に溝を有するチ
ャネル構造であり、前記位相変調導波路のコア部のバン
ドギャップ波長が前記光方向性結合器のバンドギャップ
波長より大きく、当該位相変調導波路のコア部と当該光
方向性結合器とが結晶成長の再成長界面を横切ることな
く接続しているようにしたものである。
【0007】また、上記構成において、リッジの高さが
1μm以上で、位相変調用導波路領域のチャネル溝幅が
4μmであるのが好ましい。
【0008】なお、本発明で光方向性結合器は、Y分岐
型(2×1)カプラや3dB(2×2)カプラを含むも
のである。
【0009】
【作用】本発明では、上記の問題点を解決するために、
リッジの幅や高さ、溝の幅が光の導波方向に沿って変化
する構造をあらかじめ基板上に造り付けておくことによ
り、エピタキシャル成長を1回で済ませる。ここで、リ
ッジの幅や高さ、溝の幅は、これらのうち一つもしくは
複数の項目を変化させるようにすればよい。
【0010】基板上に形成されたリッジ状構造の形状に
より、成長したエピタキシャル層の組成や厚さが変化す
る。すなわち、基板上に成長したエピタキシャル層は、
光の導波方向に沿ってバンドギャップ波長が変化する。
従って、適当な幅と高さのリッジとこれを挟む溝を有す
る構造を基板上に造り付け、これを基板としてエピタキ
シャル成長することにより1回の成長で作動領域と透明
領域とが滑らかに接続された導波構造が製作できる。
【0011】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0012】本発明の第1の実施例に係る半導体光スイ
ッチを図1に示す。本実施例の光スイッチは、波長1.
55μmの信号光に対して設計されたものである。
【0013】図1はエピタキシャル成長を行う前の基板
のリッジおよび溝の構造を示している。用いた基板はn
型InPであり、ゼロギャップ方向性結合器による分岐
部1Aおよび1Bとこれら分岐部1Aおよび1Bに挟ま
れた位相調整用導波路部2とから構成されている。分岐
部1Aおよび1Bには、ゼロギャップ方向性結合器の基
礎となる中心導波路部リッジ3およびこれに接続される
4本のパッシブ導波路部リッジ4が形成されており、位
相調整用導波路部2には、分岐部1Aおよび1Bのパッ
シブ導波路部リッジ4同士を接続する2本の位相調整用
導波路部リッジ5が形成されている。これらの各リッジ
3,4および5の高さは2μmで基板面上で一様であ
る。一方、ゼロギャップ方向性結合器の中心部導波路部
リッジ3のリッジ幅は2.5μm、パッシブ導波路部リ
ッジ4および位相調整用導波路部リッジ5のリッジ幅は
1.5μmである。また、位相調整用導波路部リッジ5
の両側には溝6を介してリッジ7が配置されている。こ
の溝6の幅は3μmである。かかる構造に基板上にエピ
タキシャル成長することにより導波路構造を形成し、半
導体光スイッチとする。
【0014】図2は位相調整用導波路部2のエピタキシ
ャル成長後の断面構造を示している。すなわち、上記構
造の基板8に有機金属気相成長法により、波長1.1μ
m組成で厚さ150ÅのInGaAsP層をバリア層と
し、厚さ17ÅのInGaAs層を井戸層とする量子井
戸活性層9を成長し、さらに続けて厚さ2μmのp型I
nP層10,およびキャップ層11を成長し、最後にp
型電極層12およびn型電極層13を形成する。なお、
14は電極分離用のトレンチ溝である。
【0015】ここで、位相調整用導波路部リッジ5上に
形成された量子井戸活性層9は、位相調整用導波路のコ
ア15となる。このコア15は、両側に幅3μmの溝6
がある位相調整用導波路部リッジ5上に形成されたもの
であるので、コア15のバンドギャップ波長は1.5μ
mであり、1.55μmの信号光に対して量子閉じ込め
シュタクル効果を用いて位相調整を効率良く行うことが
できる。一方、中心部導波路部リッジ3およびパッシブ
導波路部リッジ4の両側には10μm以上の幅の溝があ
るので、後述するようにこれらの上に形成される導波路
コアのバンドギャップ波長は1.35μm以下であり、
信号光1.55μmに対して十分透明である。
【0016】本光スイッチに入力端16から信号光を結
合し出力端17および18から出射する光パワーを評価
した結果、位相調整導波路領域に印加する電圧により消
光比20dB以上が得られた。
【0017】ここで、エピタキシャル層として厚さ17
ÅのInGaAsと、波長1.1μm組成の厚さ150
ÅのInGaAsP層とからなる量子井戸構造を成長し
た場合について、フォトルミネセンス(PL)波長の変
化を図3および図4に示す。図3はリッジ高さを2μm
としたときの波長シフト量の溝幅依存性を、リッジ幅を
パラメータとして示したものである。また、図4は溝幅
を2μmに固定したときの波長シフト量のリッジ高さ依
存性をリッジ幅をパラメータとして示したものである。
なお、リッジ構造のない平坦な基板上でのPL発光波長
は1.27μmである。
【0018】図3および図4に示すように、リッジ構造
寸法を光の導波方向に変化させておけばこれを基板とし
て成長したエピタキシャル層は光の導波方向に沿ってバ
ンドギャップ波長が変化する。従って、適当な幅と高さ
のリッジとこれを挟む溝を有する構造を基板上に造り付
け、これを基板としてエピタキシャル成長することによ
り1回の成長で作動領域と透明領域が滑らかに接続され
た導波構造が製作できる。
【0019】具体的には、図3より、リッジの両側の溝
の幅を4μm以下にすれば、そのリッジ上に形成された
コア部のバンドギャップ波長が大きく変化することが明
らかである。また、図4より、リッジの高さが1μm以
上にすれば、そのリッジの幅を変化させることによりそ
の上に形成されたコア部のバンドギャップ波長が大きく
変化させることができることが明らかである。したがっ
て、本発明では、位相変調用導波路領域のリッジの両側
に4μm以下の幅の溝を設けるのが好ましく、リッジ高
さは1μm以上とするのが好ましい。
【0020】本発明の第2の実施例にかかる光スイッチ
を説明する。本実施例の光スイッチは、実施例1と同じ
基板を用いたもので、導波構造形成後の位相調整導波路
部2の断面図を図5に示す。
【0021】図5に示すように、本実施例では、基板上
に実施例1と同じく量子井戸活性層9を成長した後、先
に出願した特許出願(特願平3−285470号)に示
す方法により、p型InP層19、続いてSe不純物濃
度1×1019cm-3のn型InP層20を成長する。こ
こで、上述した方法はメサ構造埋め込み成長時にVI族の
ドーパントを用いた高濃度n型InP層を用い、該In
P層がメサ構造上部に成長しない条件を実現するもので
ある。以後は実施例1のp型InP層10の成長以降と
同じプロセスを行う。
【0022】本実施例の構造では、n型InP層20が
電流ブロック層として働くため、電極12から効率良く
リッジ上の量子井戸活性層9にキャリアを注入すること
ができる。このプラズマ効果を利用することにより屈折
率したがって伝搬光の位相を変化させることができ、本
素子をマハツェンダー型光スイッチとして用いることが
できる。
【0023】以上説明した実施例では1.5μm光の導
波についてInGaAsP系材料で説明したが、1.3
μm等の他の波長帯でも材料系および組成を選ぶことに
より同様な効果が実現できる。
【0024】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば簡単
な製作プロセスでマハツェンダー型光スイッチが実現で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に用いる基板を示す平面
図である。
【図2】本発明の第1の実施例に係る光スイッチの位相
調整導波路部の断面図である。
【図3】リッジ基板上に成長した量子井戸構造のフォト
ルミネッセンス波長の溝幅依存性を示す図である。
【図4】リッジ基板上に成長した量子井戸構造のフォト
ルミネッセンス波長のリッジ高さ依存性を示す図であ
る。
【図5】本発明の第2の実施例に係る光スイッチの位相
調整導波路部の断面図である。
【符号の説明】
1A,1B 分岐部 2 位相調整用導波路部 3 中心導波路部リッジ 4 パッシブ導波路部リッジ 5 位相調整用導波路部リッジ 6 溝 8 InP基板 9 量子井戸活性層 10 p型InP層 11 キャップ層 12,13 電極層 14 電極分離用トレンチ溝 15 位相調整用導波路のコア 16 入力端 17,18 出力端 19 p型InP層 20 n型InP層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 康洋 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 中尾 正史 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光方向性結合器と位相変調用導波路とが
    半導体基板上に集積化されたマハツェンダー型の半導体
    光スイッチにおいて、前記半導体基板上にあらかじめ形
    成されたリッジ構造上に前記光方向性結合器と位相変調
    用導波路とがが形成されており、該リッジの幅や高さお
    よびその両側の溝の幅の少なくとも一つが光の導波方向
    に沿って変化しかつ少なくとも位相変調用導波路領域の
    リッジは両側に溝を有するチャネル構造であり、前記位
    相変調導波路のコア部のバンドギャップ波長が前記光方
    向性結合器のバンドギャップ波長より大きく、当該位相
    変調導波路のコア部と当該光方向性結合器とが結晶成長
    の再成長界面を横切ることなく接続していることを特徴
    とする半導体光スイッチ。
  2. 【請求項2】 リッジの高さが1μm以上で、位相変調
    用導波路領域のチャネル溝幅が4μm以下である請求項
    1に記載の半導体光スイッチ。
JP6701393A 1993-03-25 1993-03-25 半導体光スイッチ Pending JPH06281973A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100438891B1 (ko) * 2001-12-20 2004-07-02 한국전자통신연구원 반도체 광 변조기

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100438891B1 (ko) * 2001-12-20 2004-07-02 한국전자통신연구원 반도체 광 변조기

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