JPH0685035B2 - 光スイツチ - Google Patents

光スイツチ

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JPH0685035B2
JPH0685035B2 JP61015632A JP1563286A JPH0685035B2 JP H0685035 B2 JPH0685035 B2 JP H0685035B2 JP 61015632 A JP61015632 A JP 61015632A JP 1563286 A JP1563286 A JP 1563286A JP H0685035 B2 JPH0685035 B2 JP H0685035B2
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/313Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3137Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions
    • G02F1/3138Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions the optical waveguides being made of semiconducting materials

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はキャリヤ注入方式を用いた屈折率変化及び又は
吸収係数変化を利用した光スイッチに係り、特に高速動
作を行い、素子寸法が小さく、光集積回路に好適な光ス
イッチに関する。
〔従来の技術〕
従来のキャリヤ注入方式を用いた光スイッチとしては、
屈折率変化を利用した光路切替え光スイッチとして全反
射型光スイッチがあり、井上他、昭和60年度電子通信学
会半導体・材料部門全国大会予稿集S7−4に記載されて
いる。又、吸収係数変化を利用した光量調整開閉スイッ
チとして損失変調器型光スイッチがあり、山口他、昭和
60年度電子通信学会総合全国大会予稿集926に記載され
ている。これら光スイッチはキャリヤを注入した際に生
じる大きな屈折率変化及び又は吸収係数変化を利用する
もので、小型で高消光比を持つという特徴がある。しか
し、これらの光スイッチでは、光路切替え及び又は光量
調節開閉を行なうスイッチ部に注入されたキャリヤはス
イッチをOFFにしたい時、即ちキャリヤの注入を停止し
た時、スイッチ部のキャリヤが再結合のライフタイムに
従って消滅するためその応答速度は数nsec〜数10nsec程
度に制限されていた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は光スイッチの応答速度(スイッチング速
度)の高速化の点について配慮がされておらず、スイッ
チング時間をnsec以下に高速化することが困難という問
題があった。
本発明の目的は素子寸法が小さく、高消光比を持ち、光
集積回路に好適なキャリヤ注入型光スイッチのスイッチ
ング速度を飛躍的に向上させることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、キャリヤ注入型光スイッチのスイッチ部又
はその近傍に電極を設けてスイッチOFF時にキャリヤを
該電極を介して急速に取り除くことにより少なくとも達
成される。
〔作用〕
本発明の光スイッチの1例として全反射型光スイッチを
第1図に示している。第1図(a)は(b)に示した全
反射型光スイッチの交差部(スイッチ部)のA−A′断
面図であり、光スイッチ部の構造を示している。図に示
したように半導体領域1,2,3に密接又は近接して電極4,
5,6を設け、キャリヤの注入を停止した後の期間におい
て、電極4,5間及び又は電極5,6間に電位差が生じるよう
に回路を設定しておけば、光波が導波されている半導体
領域2から極めて高速にキャリヤを引き抜くことができ
る。即ちキャリヤが半導体領域2内を移動する距離を
W、拡散定数をDとすると次の式で表わされるキャリヤ
の拡散による走行時間τtに従ってキャリヤを引き抜け
る。
ここで、キャリヤを例えば電子とし、半導体領域2に例
えばGaAs,GaAlAs,InP,InGaAs,InGaAsP等の材料を用いる
と拡散定数の大きさは約80〜130cm2/secであることが知
られている。したがってW=1μmとするとτt=39〜
63psecとなり、極めて高速にキャリヤを引き抜くことが
できることになる。この時領域2内のキャリヤの変化量
は、前記スイッチ部の屈折率変化量及び又は吸収係数変
化量となって直ちに現れるので、第1図に示した全反射
型光スイッチの光の反射率が急変して高速スイッチ動作
が得られる。このスイッチ時間τは通常τtの約2.3倍
で表わされ、約90〜145psecの高速動作が可能となる。
上記のように領域2内のキャリヤ量の変化は屈折率及び
又は吸収係数の変化を生じさせるので、第1図に示した
キャリヤ注入により動作する全反射型光スイッチの他、
方向性結合器型,光干渉計型,光共振器型,損失変調器
型,カットオフ型等の種々の光スイッチのうちキャリヤ
注入により動作するような全ての光スイッチに対し、本
願発明の原理を同様に適用できることは明らかである。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
実施例1. 第1図を用いて説明する。第1図(a)は第1図(b)
のA−A′断面図である。
まず、キャリヤ密度が2×1018cm-3のn型InP基板1の
表面層の一部にZn拡散領域7を形成し、続いて液相エピ
タキシ法を用いて、p−InGaAsP層2,n−InP層3および
n−InGaAsP層(キャップ層)13を順次形成した。
次にInP層3およびキャップ層13の一部にZnを拡散して
電流阻止領域8を形成した。
次に第1図に示すように、リッジ型光導波路9および10
を凸状にて形成するように層2,3および2の一部を、リ
ン酸系エッチング液を用いて除去した。
最後に蒸着法を用いて、電極5をAu−Znで、電極4およ
び6をAu−Ge−Niでそれぞれ形成して本願発明の2×2
端子光スイッチを完成した。
この光スイッチの光入射端14に波長1.55μmの光を入射
して光出射端16および17から出射する光の強度を測定し
て、光スイッチング特性を調べた。この時、電気的接続
は第4図のようにした。発振器19を用いてパルス幅2nse
c,パルス立上り0.1nsecおよびパルス振幅5Vp−pの電気
信号を印加したところ、光出射端16および17からの出射
光はそれぞれ極性が逆で、波形は上記電気信号の波形と
同一であった。応答の遅れは立上り立下り時間の遅れで
0.5nsec以下であった。
上記実施例に類似して第2図に示す構造の光導波路を用
いたストリップ装荷型光スイッチを上記方法に準じて製
作した。その結果、上記実施例と同様の結果が得られ
た。なお、第2図(a)は第2図(b)のA−A′断面
図である。
本実施例に類似してY字型分岐路構造の1×2端子光ス
イッチを上記方法に準じて製作した。その結果、上記実
施例と同様の結果が得られた。又、電極構成を第6図に
示したように配置しても同様の結果が得られた。この
際、電極6はその下にかくれて図示はされていない半導
体領域3のみに接し半導体領域2とは接しないように絶
縁層を挿入して作製した。
実施例2. 第3図を用いて説明する。
まず、キャリヤ密度が2×1018cm-3のn型InP基板1の
表面に、通常のエッチング法を用いて、実施例1におけ
る光導波路9,10に相当する光導波路を形成するために溝
11を設けた。次に基板表面の一部にZnを拡散して電流挟
窄層7を形成した。
続いて、液相エピタキシ法を用いて、バンドギャップエ
ネルギーの波長換算値が1.5μmのp−InGaAsP層2,n−I
nP層3およびInGaAsPによるギャップ層13を順次形成し
た。次にn−InP層3およびギャップ層13の一部にZn拡
散を行なって電流経路12(注入電流に対しては電流挟窄
層となっている)を形成した。最後にCr−Auを蒸着して
電極5,6を設け、Au−Ge−Niを蒸着して電極4を設けて
光スイッチを完成した。
この光スイッチの動作特性も実施例1の場合と同様であ
った。
なお、本実施例における光導波路はチャネル・ストライ
プ型光導波路とよばれる。
本実施例においても、前記実施例1と同様にY字型分岐
路構造を用いても、又電極構成を第6図に示したように
配置しても全く同様の結果が得られた。
実施例3. 第5図を用いて説明する。
この実施例は、絶縁性基板上にBH(Buried Hetrojunct
ion:埋込ヘテロ接合型)構造の光導波路を形成した光ス
イッチの一例である。
絶縁性InP基板100の上に液相エピタキシ法を用いてn+
InP層21を成長させ、その一部にZn拡散を行ない、電流
挟窄層7を形成した。
次にp−InGeAsP層25,p−InGeAsP光導波層26,n−InGaAs
P層27,n−InPクラッド層28およびn−InGaAsPキャップ
層13を順次液相エピタキシ法で結晶成長した。続いてBr
−メタノール系のエッチング液でメサエッチングを行な
って層7,25,26,27および28をメサ状に成形し、次にp−
InGaAsP層22およびn−InP層23を、このメサを埋めこむ
ように成長させた。続いてZnを拡散して電流挟窄層24を
形成し、さらに選択エッチングを行なって電極形成部分
を露出せしめ、そこに電極4,5および6を蒸着法で形成
して光スイッチを完成した。
この光スイッチは実施例1と同様に動作したが本実施例
の光スイッチは全ての電極が基板の片方の面にのみ形成
されているので、集積化への適用が容易である。
本実施例においても前記実施例1,2と同様にY字型分岐
路構造を用いても、又、電極構成を第6図に示したよう
に配置しても全く同様の結果が得られた。
以上の実施例1,2,3は光スイッチの原理として、キャリ
ヤ注入部の屈折率変化を利用していることから容易に理
解できるように、光スイッチの構成としては全反射型の
みならず、方向性結合器型,光干渉計型,光共振器型等
の屈折率変化を利用した全ての光スイッチ構成に対して
本発明は適用できる。
実施例4. 第7図を用いて説明する。第7図(a)は第7図(b)
のB−B′断面図である。
作製は実施例1と全く同様の手法を用いた。相異点は本
光スイッチが一本の光導波路9だけをもつことと、電極
6の幅すなわちB−B′方向の長さが光導波路9の幅と
同程度に大きいことである。
この光スイッチの光入射端14に光を入射して光出射端16
から出射する光の強度を実施例1と同様に測定したとこ
ろ、電極6に印加した信号波形に応じ光信号が変調さ
れ、その応答速度特性は実施例1,2,3と同様であった。
ストリップ装荷型光導波路を用いた上記実施例に類似し
て、実施例1,2,3と同様に光導波路構造をリッジ型,チ
ャンネル・ストライプ型,BH型光導波路を用いて構成し
ても同様の結果が得られた。
以上の実施例1,2,3,4において、各半導体の導電型を全
く反対にしても同様の結果が得られた。
また半導体としてGaAs−GaAlAs系,Si系を用いても同様
の結果が得られ、さらに、半導体間の接合がホモ接合で
あっても本発明を適用することができた。
ここで記述した実施例においては、電流挟窄層7,8,12,2
4を設けているが、この一部又は全部を取り除いた構成
においても同様の結果が得られた。この時、スイッチン
グの効率は電流の拡散のため若干悪化する傾向にある
が、作製が容易であるという利点を持つ。
〔発明の効果〕
本発明によれば、小型で高消光比の性能を有し、かつ応
答速度が顕著に大きい光スイッチが得られるので、大容
量光伝送・通信システム及び光交換システムの構築が容
易となり、したがってその産業上の効果は極めて大きい
ものである。
【図面の簡単な説明】
第1および2図は本発明の概要および実施例1を示す図
で、(b)は光スイッチの上面図、(a)は(b)のA
−A′での断面図である。第3図は実施例2における素
子の断面図、第4図は実施例における素子特性評価の際
の結線回路図、第5図は実施例3における素子の断面図
である。第6図は電極構成の異なる実施例の上面図、第
7図は実施例4を示す図で、(a),(b)は各々光ス
イッチの断面図及び上面図である。 1……半導体領域1、2……半導体光導波路領域2、3
……半導体領域3、4,5,6……電極、7,8および12……電
流狭窄のための電流ブロック層、9,10……光導波路、11
……光導波路を形成する溝、13……キャップ層、14〜17
……光入出射端、18……抵抗器、19……発振器、20……
定電圧電源、21……基板層、22,23……埋込み層、28…
…クラッド層、24……電流狭窄のための電流ブロック
層、25,27……バッファ層、26……光導波層。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体光導波路領域2に隣接し、該半導体
    と反対の導電型の半導体領域1及び該半導体領域1には
    隣接しないが該半導体光導波路領域2とは隣接し、該半
    導体領域2と反対の導電型の半導体領域3を有し、か
    つ、前記3つの半導体領域に機能するそれぞれの電極を
    有する光スイッチ。
  2. 【請求項2】上記領域2の全部又は1部において上記領
    域1及び又は上記領域3から注入されたキャリヤによる
    屈折率変化及び又は吸収係数変化を利用して光の光路切
    替え及び又は光量調節開閉を行い、かつ該領域1及び又
    は該領域3から電流,電圧を制御して該注入されたキャ
    リヤを急速に引き抜き上記光の光路切替え及び又は光量
    調節開閉のそれぞれ逆操作を高速に行う事を特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の光スイッチ。
  3. 【請求項3】上記半導体が化合物半導体である特許請求
    の範囲第1項もしくは、第2項記載の光スイッチ。
  4. 【請求項4】上記半導体領域1,2,3内に少くとも1個の
    電流狭窄領域を付加した特許請求の範囲第1,2もしくは
    3項記載の光スイッチ。
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