JPH0695182A

JPH0695182A - 光スイッチ

Info

Publication number: JPH0695182A
Application number: JP17541893A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shibata; 泰夫柴田; Masahiro Ikeda; 正宏池田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1993-07-15
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【目的】従来のものに比べて顕著な高速スイッチング
動作が可能でかつ吸収損失の少ない光スイッチを提供す
ることを目的とする。【構成】制御光によって信号光をオン・オフ制御する
光制御型グレーテイング光スイッチは、信号光の透過お
よび反射を切り替えるスイッチ領域と、スイッチ部に信
号光を導く入出力光導波路領域と、制御光と信号光とを
コリニアに合波する合波器領域と、制御光と信号光とを
分離する分波器領域とが設けられていることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導波路中での光伝搬に
もとづいた情報伝達システムに利用される光スイッチ、
特に制御光によって信号光をオン・オフ制御する光制御
型グレーテイング光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】光制御型の光スイッチは、超高速光スイ
ッチングシステムや全光学的信号処理システム実現のた
めのキーデバイスとして重要である。なかでもIII-V 族
化合物半導体の多重量子井戸（ＭＱＷ）を用いた光スイ
ッチは、ＭＱＷの非線形性が大きい、半導体レーザを光
源として用いることができる等の特徴があり最も有望な
光スイッチのひとつして研究開発され、面型Ｆａｂｌｙ
−Ｐｅｒｏｔエタロン（A. Miqus et al., Appl. Phys.
Lett. 46, 70. 198５）、導波路型方向性結合器（R. J
in et al., Appl. Phys. Lett. 53, 1791. 1988 ）等が
報告されている。なかでも導波路型の光スイッチとして
光制御型グレーテイング光スイッチ（ＯＧ−ＳＷ）がそ
のすぐれたスイッチング特性から注目されている（例え
ば特許出願公開平１−１８２８３３号）。

【０００３】図１３ないし図１７にもとづいて従来の光
制御型グレーテイング光スイッチの一例を説明する。

【０００４】図１３は従来の光スイッチの構成を説明す
るための斜視図、そして図１４はその平面図である。図
中、参照符号１（１Ａおよび１Ｂ）は信号光の入出力光
導波路（コア）、２は信号光の透過・反射を切り替える
スイッチング部、３は制御光導波路、４はＩｎＰクラッ
ド、そして５はＩｎＰ基板である。

【０００５】図１５，図１６および図１７は、それぞれ
図１３におけるＡ−Ａ′線、Ｂ−Ｂ′線およびＣ−Ｃ′
線に沿う断面図であり、入出力光導波路１Ａおよび１Ｂ
は、Ｉｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.59Ｐ_0.41によるコアで構成
される。グレーデイング２は多重量子井戸構造とした光
線形媒質で構成され、その内部構造は井戸部６と障壁部
７とからなる。井戸部６はＩｎ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓ層を５
０オングストロームの厚さで形成したものであり、一方
障壁部７はＩｎＰ層を７５オングストロームの厚さで形
成したものである。なお、多重量子井戸構造のバンドギ
ャップ波長λ_gは１．５０μｍである。このバンドギャ
ップ波長とは、半導体素子のバンドギャップできまる吸
収帯波長λ_g のことで、入射光の波長λがλ＜λ_g なら
ば入射光は吸収され、λ＞λ_g ならば入射光は透過され
る。この光スイッチは、コア１とグレーテイング２の光
軸が一致するように構成されている。ここで、光軸はＸ
軸およびＹ軸と直交するＺ軸に沿った光の伝播方向に一
致している（これらの軸は、図１３に示した３次元空間
を決める）。制御光導波路３はクラッド４に埋め込まれ
たＩｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.59Ｐ_0.41からなるコアで構成
されている。制御光導波路３の構造もＡ−Ａ′線断面と
同じである。

【０００６】図１３に示すように、従来の光スイッチ
は、入出力光導波路１と制御光導波路３が互いに直交す
るようにして配置されており、信号光と制御光とが互い
に直交してグレーテイング２に注入される。

【０００７】つぎに、このような構成からなる従来の光
スイッチのスイッチング動作を以下説明する。ここで
は、本発明との比較を容易とするために後述する本実施
例で用いられた信号波長１．５５μｍを使用する場合の
スイッチング動作について説明する。

【０００８】グレーテイング２は、ブラッグ波長として
設定する信号光の波長帯によってそのピッチ等が決定さ
れる。例えば、一般に信号光は１．５５μm の波長の光
を用いるのでグレーテイングのブラッグ波長λ_B を１．
５５μｍとする必要がある。すなわち、波長１．５５μ
ｍ付近で強い反射特性を示すとともに、ここからやや離
れた波長では光を透過させることが可能となるような一
次回折格子としてグレーテイングを形成する必要があ
る。ブラッグ波長λ_B はグレーテイングのピッチΛと一
定の関係にあり、この従来例ではグレーテイングのピッ
チΛを０．２４μｍ、また厚さｔを０．３４μｍとする
ことによってブラッグ波長λ_B ＝１．５５μｍに対応さ
せている。また、反射結合係数κは、周期的な屈折率の
変化の大きさと周期的屈折率変化のある領域への光の閉
じ込め率とによって決定されかつ前進波（入射光）と後
退波（反射光）との結合の度合を示すものである。そこ
で、光線形媒質およびクラッド５の屈折率がそれぞれ
３．４および３．２であるから、グレーテイング２の深
さｇを０．１５μｍとすることによって反射結合係数κ
を約３００ｃｍ^-1以上とすることができる。さらに、こ
こでグレーテイング２の長さＬ_g を１００μｍとする
と、最大反射率を約９９％とすることができる。

【０００９】図１８は、グレーテイング２における波長
−反射率特性を示すものである。信号波長λ_S ＝１．５
５μｍに対応させて、ブラッグ波長λ_B を１．５５μm
となるようにしてある。したがって、初期状態（制御光
の入射がない状態で図中の曲線Ａ）ではグレーテイング
２は反射状態となる。この図ではブラッグ波長λ_B から
離れた波長帯で反射率が最初に０になる波長までの波長
幅からなる反射帯域△λは約３０オングストロームであ
る。したがって、グレーテイング２に制御光を入射し、
光非線形媒質でキャリアを励起して屈折率を変化させ、
ブラッグ波長λ_B を△λだけシフトさせれば、波長の変
化による反射率の値の変化は曲線Ａが低波長帯△λだけ
シフトした曲線Ｂとなり、その結果、グレーテイング２
は信号光（λ_S ＝１．５５μｍ）に対して反射状態から
透過状態へとスイッチングされる。この時、スイッチの
初期状態からの遷移は多重量子井戸構造のバンド間遷移
時間で決まるため非常に高速である。

【００１０】以上のように、従来の光制御型グレーテイ
ング光スイッチは、光スイッチ部を量子閉じ込め型構造
の半導体媒質で構成し、制御信号光を入力出力導波路と
直交する方向から注入する構成としたため、以下のよう
な利点がある。

【００１１】(i) 導波路型で構成できるため小型・集積
化が可能；(ii)導波路型で構成するため、スイッチング
所要パワーが小さくてすむ；(iii) 信号光と制御光とを
直交さっせるため相互作用による悪影響がなく、光アイ
ソレータ等が不要な簡易な構成となる；(iv)信号光と制
御信号光を任意の波長に設定できるため構成が容易で高
性能化が図れる；そして(iv)同一構成でゲート型光スイ
ッチのみならず双安定型光メモリ、波形整形等高機能化
が容易に行える。

【００１２】

【本発明が解決しようとする課題】しかし、初期状態へ
の復帰は多重量子井戸構造のキャリアのライフタイムに
よって制限されるため、スイッチング時間に１０ｎｓ程
度の時間を必要とする。したがって、このような動作速
度では高速動作に適さないという問題があった。

【００１３】従来の光スイッチが抱えていた動作速度に
ついての問題を解決するために、特公平４−２０８９２
０号はグレーテイングの反射結合係数を５００ｃｍ^-1と
し、あるいは量子井戸構造の不純物濃度を５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以上とすることによって光スイッチの動作速度を約
1ns に短縮可能とした。しかし、このような動作速度は
十分満足されるものではなく、より一層の高速動作が求
められている。また従来の光スイッチでは信号光波長が
多重量子井戸構造のバンド端波長に近いため、信号光に
対する吸収係数が５０〜１００ｃｍ^-1程度で、スイッチ
部のみでの吸収損失が３〜６ｄＢであった。そこで、本
発明は、従来のものに比べて顕著な高速スイッチング動
作が可能でかつ吸収損失の少ない光スイッチを提供する
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第一の発明にもとづく光スイッチは、制御光によっ
て信号光の透過および反射をオン・オフ制御する光制御
型グレーテイング光スイッチにおいて、信号光の透過お
よび反射を切り替えるオン・オフ制御をするスイッチ領
域と、スイッチ領域に信号光を入力することおよび信号
光をスイッチ領域から出力させることを行う入出力光導
波路領域と、制御光と信号光とをコリニアに合波し、制
御光を信号光とともにスイッチ領域へ誘導する合波器領
域と、制御光と信号光とを分離する分波器領域とが設け
られたことを特徴とする。好ましくはスイッチ領域は制
御光が吸収されない非共鳴な媒質からなるグレーテイン
グスイッチであり、非共鳴な媒質はII-VI 族化合物およ
びIII-V 族化合物からなる群から選択される半導体、好
ましくはＧａＡｓ系半導体およびＩｎＰ系半導体から選
択される。また、好ましくはスイッチ領域は制御光が吸
収される媒質からなるグレーテイングスイッチであって
もよい。この制御光が吸収される媒質は、III-V 群化合
物半導体多重量子井戸構造およびII-VI 群化合物半導体
多重量子井戸構造からなる群から選択される。さらに、
好ましくは合波器領域および分波器領域の少なくとも一
つは方向性結合器型カプラであるか、もしくはグレーテ
イングカプラである。そして、スイッチ領域と、入出力
光導波路領域と、合波器領域と、分波器領域とがそれぞ
れ同一基板上にリッジ型導波路構造または埋め込み型導
波路構造として設けられる。このような構成からなる光
スイッチは、さらに第二の制御光によって信号光の透過
および反射をオン・オフ制御する第二のスイッチ領域
と、第二スイッチ領域と分波器領域とに結合した第二の
入出力光導波路領域と、第二制御光と信号光とをコリニ
アに合波し第二制御光を信号光とともに第二スイッチ領
域へ誘導する第二の合波器領域と、第二制御光と信号光
とを分離する第二の分波器領域とが設けられてもよい。

【００１５】第二の発明にもとづく光スイッチは、制御
光によって信号光の透過および反射をオン・オフ制御す
る光スイッチにおいて、半導体基板と、基板上に形成さ
れ、かつ信号光を誘導するための第一光導波路と、第一
光導波路内に形成され、かつ多重量子井戸構造からなる
単一共鳴媒質からなり、信号光の透過及び反射を切り替
えることによってオン・オフ制御を行うグレーテイング
と、基板上に形成されかつ制御光を誘導し、信号光に制
御光をコリニアに合波させて信号光とともに制御光をグ
レーテイングへ誘導するための方向性結合器として形成
されるように第一光導波路と一部分が近接した第二光導
波路と、制御光と信号光とを分離し、かつ第一光導波路
に結合したグレーテイングカプラとからなるもので、さ
らに、グレーテイングは制御光が結合しない場合に信号
光を透過し、一方制御光が結合しない場合は信号光を反
射することによって、グレーティングはスイッチとして
作動することを特徴とする。

【００１６】

【作用】上記の構成によって、信号光と制御光とがコリ
ニアに入射するために、スイッチングパワーが低減さ
れ、またスイッチング時間が大幅に短縮される。

【００１７】

【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。

【００１８】＜実施例１＞図１および図２は本発明にも
とづく光スイッチの好適な一実施例を説明するためのも
ので、図１は光スイッチの斜視図、図２は図１のＤ−
Ｄ′線に沿う断面図である。これらの図に示した光スイ
ッチは、ＧａＡｓ基板上１２にＡｌＧａＡｓクラッド１
１ａ，ＧａＡｓコア１０およびＡｌＧａＡｓクラッド１
１ｂを積層させてなる積層体上に隆起した制御光導波路
と信号光導波路１７とを有するリッジ（隆起）型光導波
路構造のものである。

【００１９】この光スイッチの信号光導波路１７は、両
端部を入出力光導波路領域１４とし、さらに信号光の透
過・反射を切り替えるためのグレーテイングスイッチ領
域１３、制御光と信号光とを合波するための方向性結合
器型カプラ領域１５、そして制御光と信号光とを分離す
るためのグレーテイングカプラ領域１６が形成されてい
る。この実施例では、信号光導波路１７の幅を２μｍと
した。

【００２０】グレーテイングスイッチ領域１６の製造方
法は、既知の方法を用いた。すなわち、電子ビーム露光
法によってグレーテングのレジストパターンを作製し、
つづいてＡｒイオンビームエッチングによってグレーテ
イングを作製し、さらにクラッドを厚く成長させ（ＭＯ
ＶＰＥ）、最後にＣ₂ Ｈ₆ ＲＩＥによりクラッドに導波
路パターンを形成してリッジ型素子にする。この際、グ
レーテイングスイッチ領域１６は信号光波長１．５５μ
ｍ帯に対応してグレーテイングのブラッグ波長が１．５
５μｍとなるように形成され、長さを１００μｍ、そし
てピッチを０．２４μｍとした。またＧａＡｓコアおよ
びＡｌＧａＡｓクラッドの屈折率はそれぞれ３．５およ
び３．３であることから、そこでグレーテイングの深さ
を０．１５μｍとすることによって、反射結合係数κを
約３００ｃｍ^-1以上とすることができ、さらにグレーテ
イングの長さを１００μｍとすることで最大反射率を約
９９％とすることができた。

【００２１】なお、この光スイッチに入射される信号光
の波長は１．５５μｍ帯であることから、この波長帯で
はＧａＡｓでの吸収は無視できるため入出力光導波路も
グレーテイング部と同一のＧａＡｓ層を用いることがで
きる。

【００２２】つぎに、ここで近接かつ平行となるように
配置された２本の導波路における光の導波について説明
する。

【００２３】導波路の端面から入射された光は、コアと
クラッドとの境界で全反射され、コア内に閉じ込められ
て伝搬する。導波路の構造（コア径、屈折率および比屈
折率差）と光源からの光の波長λ（波数は、ｋ＝２π／
λ）が与えられた場合には、光線は任意の伝搬角をとる
ことができず、所定の位相整合条件を満足させるとびと
びの伝搬角からなる光線のみが伝搬可能となる。このよ
うな位相整合条件を満足させる光波の形態を“モード”
と呼ぶ。導波路中の電界を偶モードと奇モードの和とし
て表すことができる。二つの導波路を互いに近付けた場
合には、おのおのの導波路のモードは相互に結合する。
方向性結合器のモード結合特性は導波路中の偶モードと
奇モードとの干渉にもとづく。導波路が近接している領
域（結合領域）においては、互いに直交する正規モード
として偶および奇対称モードが存在する。ここでＥ_e
（ｘ），β_e ，Ｅ₀ （ｘ），β₀ はそれぞれ偶、および
奇モードの電界分布および伝搬定数とする。いま、入力
端ｚ＝０で一方の導波路（コアＩとする) ら光が入力さ
れると、この点で電界振幅が等しい偶・奇モードが同相
で励起される。

【００２４】

【数１】|E(x,0)|＝|E_e(x)＋E₀(x)|＝E₁(x) Ｅ₁ （ｘ）はコアＩに局在する電界分布である。

【００２５】距離ｚにおける電界は、

【００２６】

【数２】 |E(x,z)|＝|E_e(x)＋E₀(x) exp[j(β_e −β₀)z]| と表される。これらのモードが結合領域を伝搬していく
につれて２つのモード間に位相差Ｐ

【００２７】

【数３】Ｐ＝（β_e −β₀ ）・ z が生じ、伝搬距離が

【００２８】

【数４】Ｌ＝π／（β_e −β₀ ）となったとき位相差がπとなる。

【００２９】このとき、

【００３０】

【数５】|E(x,z)|＝|E_e(x)−E₀(x)|＝E₂(x) Ｅ₂ （ｘ）はもう一方の導波路（コアIIとする）に局在
した電界を表すことから、偶・奇モードの合成電界分布
は結合領域外におけるコアIIの導波モードの電界分布と
一致したことになる。すなわち、光がコアIIに移行した
ことを表す。結合領域の長さ（結合長；Ｌ_c ）がＬであ
れば一方の導波路から入射した光が損失なく１００％も
う一方の導波路に移行することになる。このＬを完全結
合長という。完全結合長は導波光の伝搬定数に依存する
ため、導波光の波長により完全結合長は変化する。

【００３１】いま、波長λ₁ の導波光に対する完全結合
長がＬ₁ 、波長λ₂ の導波光に対する完全結合長がＬ₂
であるとする。図１のカプラ部１５では結合長Ｌ_c を

【００３２】

【数６】L_c＝ (2n＋1)L₁ (n＝0,1,2,…) にとってあり、導波路１８から入力された波長λ₁ の光
は２本の導波路間で移行を繰り返しながら最終的には導
波路１７に結合する。一方、結合長Ｌ_c は、

【００３３】

【数７】L_c＝2nL₂ (n＝1,2,…）の関係も同時に満たすような長さにとってあるため導波
路１７から入力された波長λ₂ の光は２本の導波路間で
移行を繰り返しながら最終的には導波路１７から取り出
される。したがって導波路１８から入射した波長λ₁ の
光、導波路１７から入射した波長λ₂ の光がともに導波
路１７に結合し、領域１５は波長カプラとして動作す
る。

【００３４】ここで導波路１８から波長λ₁ ＝１．０６
μｍの制御光を入射し、導波路１７から波長λ₂ ＝１．
５５μｍの信号光を入射したとする。カプラ領域１５の
結合長Ｌ_c は、

【００３５】

【数８】L_c＝3L₁ ＝2L₂ ＝1.8 mm としたため、制御光・信号光ともに導波路１７に結合
し、スイッチ部に同一光路を通り入射する。

【００３６】いま、波長１．５５μｍの信号光がスイッ
チ部１３に入射したとすると、信号光はグレーテイング
で反射される。ここで信号光と同一光路をとり、波長
１．０６μｍの制御光を入射させたとする。ＧａＡｓは
波長１．０６μｍの光に対しては透明であり、ＧａＡｓ
コア内にキャリアは励起されない。したがって、この場
合ＧａＡｓの屈折率は制御光の電界により変化すること
になる（光カー効果）。ここで、光カー効果とは、光の
パワー（すなわち, 電界の２乗）に比例して屈折率が変
化することで、すなわち、光の電界E によって屈折率が
ｎ₀ からｎ₀ ＋ｎ₂ ｜Ｅ｜₂ に変化する。この場合、係
数ｎ₂ がカー定数（光カー効果の非線形屈折率）と呼ば
れるもので、この値は材料固有の値であるが多重量子井
戸（ＭＱＷ）構造にすることによって１．５倍程度に改
善される。なお、この実施例において光カー効果の非線
形屈折率ｎ₂ は１０^-10 ｃｍ² ／Ｗのオーダーである。
ブラッグ波長をΔλ＝３０オングストロームシフトさせ
るのに必要な屈折率変化は約０．００７であるため、導
波路内における導波光のスポットサイズ、すなわち光の
電界の広がりであるモードサイズが約３μｍ² となる。
スイッチングに必要な屈折率変化Δｎ_SWとスイッチング
に必要なピークパワー密度１０との関係は、

【００３７】

【数９】l₀＝Δn_SW/n₂ (W/cm²) となる。これにより制御光ピークパワーは、

【００３８】

【数１０】l₀ × ［モードサイズ］によって求められる。したがって、この実施例では、ス
イッチングに必要な制御光ピークパワーは、２．１Ｗと
なる。したがって、２．１Ｗの制御光を導波路に入射し
てやれば、ブラッグ波長がシフトし信号光がグレーテイ
ング１３を透過してスイッチングが行われる。この場合
のスイッチング時間は１ｐｓ程度であり、キャリアライ
フタイムによらない高速なスイッチングが可能である。

【００３９】スイッチングが行われ信号光がグレーテイ
ング１３を通過した際、制御光もグレーテイング１３を
通過し、信号光・制御光はともにグレーテイングカプラ
１６に入射する。

【００４０】ここでグレーテイングカプラの動作につい
て説明する。

【００４１】図３にグレーテイングカプラのベクトルダ
イヤグラムを示す。（Ａ）は、信号光に対するベクトル
ダイアグラム、（Ｂ）は制御光に対するベクトルダイヤ
グラムである。図中、ｋ＝２π／λは真空中での波数、
ｎ_Ｉはクラッド層の屈折率、ｎ_IIはコア層の屈折率、
ｎ_eqは導波路の透過屈折率、Ｋ＝２π／Λはグレーテイ
ングの格子ベクトル、Λはグレーテイングの周期であ
る。ここで添え字ｓは信号光、ｃは制御光を表してい
る。グレーテイングに伝搬定数β＝ｋ・ｎ_eqをもつ導波
光が入射した場合、この波に付随して伝搬定数

【００４２】

【数１１】β_q ＝β＋ q ・ K (q＝0,±1,±2,・・・）をもつ空間高調波が生じる。空間高調波のうち

【００４３】

【数１２】｜β_q|＜ k・n_I の関係を満たす次数ｑがある場合は、この空間高調波
は、

【００４４】

【数１３】n_IS ・ sin θ＝β_q ＝ k ・ n_eq＋ q ・ K できまる放射角θで上下クラッド方向へ放射される。し
たがって、図９に示すように、

【００４５】

【数１４】K_s ・ n_IS ＜ |β_q|＝ |β−K|＜ k_c ・ n_IS となるようにグレーテイングの周期をとれば信号光はグ
レーテイングの影響を受けずにそのまま伝搬し、制御光
だけが導波路外へ放射されて信号光と制御光との分離が
行われる。その結果、信号光のみを取り出すことが可能
となり、スイッチングの多段接続も可能となる。したが
って、本発明のスイッチを組み合わせて多段に接続する
ことによりマトリックススイッチも構成することができ
る。

【００４６】以上、制御光と信号光とを合波する構造と
して方向性結合器型カプラを、制御光と信号光とを分離
する構造としてグレーテイングカプラを用いた場合につ
いて説明してきたが、制御光と信号光とを合波・分離す
る構造の両方とも方向性結合器型カプラを用いた場合、
両方ともグレーテイングカプラを用いた場合、あるいは
合波用にグレーテイングカプラを、分離用に方向性結合
型カプラを用いた場合にも全く同様な効果が期待でき
る。ただし、合波用にグレーテイングカプラを用いる場
合は、制御光を前述の角度θ方向から入射させることに
なる。

【００４７】なお、既に述べたように従来はスイッチ部
のみでの光の吸収損失が３〜６ｄＢであったが、このよ
うな構成からなる本発明にもとづく光スイッチでは非共
鳴領域を用いるために光の吸収損失がなくスイッチ部で
の損失は散乱損失のみで０．１ｄＢ下であった。

【００４８】この実施例では、ＧａＡｓバルクを光導波
路のコアとして用いた場合について説明してきたが、Ａ
ｌＧａＡｓ半導体またはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量
子井戸構造、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸
構造等のＧａＡｓ系半導体を用いた場合についても全く
同様の効果が期待できる。また、ＣｄＴｅ，ＺｎＴｅ，
ＺｎＳ等ワイドギャップII-VＩ族化合物半導体を用いた
場合についても同様である。さらに、信号光および制御
光波長よりも短いバンド端波長を有するＩｎＰ系化合物
半導体、例えばＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｌＡ
ｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓおよびそれらを用いた多重量子井
戸構造についても同様の議論が成り立つことは言うまで
もない。さらに半導体ドープガラス等のガラス系材料、
あるいは有機系材料を用いた場合でも同様な効果が期待
できる。

【００４９】以上説明したように、本実施例の光スイッ
チは、導波信号光の透過・反射を切り替える構造を信号
光および制御光の両者に対し吸収スペクトルが非共鳴で
あるような媒質で構成し、制御光と信号光とを合波・分
離する構造を有する構成としたことによって、 (i) スイッチオフ時間が従来のものと比較して大幅に短
縮される； (ii)信号光の吸収損失が大幅に低減される; (iii) 入出力光導波路がスイッチ部と同一の半導体で構
成でき、製作プロセスが簡略化される； (iv)スイッチングパワーが低減される； (v) 光学部品を必要としないため安価かつ動作が安定す
る；そして (vi)信号光と制御光の偏光状態を任意に選ぶことができ
る、という利点が獲られる。

【００５０】さらに、本発明にもとづく光スイッチの構
成は上記の実施例に限定されることなくいろいろな変形
例が可能である。以下、本発明にもとづく光スイッチの
他の実施例について説明する。もちろん、本発明はこれ
らの実施例に限定されるものではない。

【００５１】＜実施例２＞図４および図５は、本発明の
第二の実施例を説明するためのもので、図４が光スイッ
チの斜視図、そして図５がＥ−Ｅ′線の沿う断面図であ
る。実施例１では、制御光と信号光とを合波する部分の
みに方向性結合器型カプラを用いたが、この実施例では
制御光と信号光とを合波・分離する構造の両方とも方向
性結合器型カプラ１５および１５′を用いた場合を示し
ている。

【００５２】＜実施例３＞図６および図７は、本発明の
第三の実施例を説明するためのもので、図６が光スイッ
チの斜視図、そして図７がＦ−Ｆ′線に沿う断面図であ
る。この実施例では、制御光と信号光とを合波・分離す
る構造の両方ともグレーテイングカプラ１６および１
６′を用いた場合を示している。合波用にグレーテイン
グカプラを、分離用に方向性結合型カプラを用いた場合
は素子の構造は図７のものと同一であるが、信号光・制
御光の伝搬方向が逆になる。

【００５３】＜実施例４＞図８は、本発明の第四の実施
例を説明するためのもので、実施例１の光スイッチ（図
１）においてグレーテイングスイッチ部を制御光を吸収
する物質で構成した場合の図１のＤ−Ｄ′線に沿う断面
図である。図中符号１９はＩｎＰクラッド、２０は多重
量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓからなる井戸層とＩｎＰか
らなる障壁層）、２１はＩｎＧａＡｓＰイド層、２２は
ＩｎＰ基板、２３は信号光の透過・反射を切り替えるグ
レーテイングスイッチ部、２４は入出力光導波路部、２
５は方向性結合器型カプラ部、２６はグレーテイングカ
プラ部である。この場合も方向性結合器型カプラ部およ
びグレーテイングカプラ部の作用については実施例１の
場合と全く同一である。しかし、実施例４の光スイッチ
の場合、グレーテイングスイッチ部に入射した制御光は
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重量子井戸構造で吸収され、キ
ャリアが生じる。その結果、バンドフィリング、プラズ
マ効果といったキャリア効果により屈折率が変化しスイ
ッチングが行われる。従来のものでは、この発生したキ
ャリアは再結合と拡散との二つの効果により消滅する
が、この実施例の場合は制御光が信号光とコリニアに入
射するために幅２μｍの導波路径程度に絞りこまれるこ
と考えられる。このため、再結合に比べ拡散の効果が支
配的になりスイッチング時間は従来のものに比べて一桁
以上短縮される。

【００５４】＜実施例５＞図９は本発明の第五の実施例
を説明するためのもので、実施例４と同様にして実施例
２の光スイッチのグレーテイングスイッチ部を制御光を
吸収するような媒質で構成した場合を示す（図４のＥ−
Ｅ′線に沿う断面に相当）。

【００５５】＜実施例６＞図１０は本発明の第六の実施
例を説明するためのもので、実施例４と同様にして実施
例２の光スイッチのグレーテイングスイッチ部を制御光
を吸収するような媒質で構成した場合を示す（図６のＦ
−Ｆ′線に沿う断面に相当）。

【００５６】＜実施例７＞図１１および図１２は本発明
の第七の実施例（埋め込み型導波路構造）を説明するた
めのもので、図１１は光スイッチの斜視図、そして図１
２はＧ−Ｇ′線に沿う断面図である。この実施例では、
実施例１と同一構成の光スイッチにさらにＩｎＰクラッ
ドを積層させたものである。

【００５７】図中符号３０はＩｎＧａＡｓＰコア（λ_g
＜λ_S ）、３１はＩｎＰクラッド、３２はＩｎＰ基板、
３３はグレーテイングスイッチ部、３４は入出力光導波
路、３５は方向性結合器型カプラ、３６はグレーテイン
グカプラ、３７は信号光導波路、そして３８は制御光導
波路である。これは既知の製造方法によって製造可能で
あり、例えば以下のようしてグレーテイングが形成され
る。

【００５８】電子ビーム露光法によりグレーテイングの
レジストパターンを作製し、Ａｒイオンビームエッチン
グによりグレーテイングを作製する。つづいてＭＯＶＰ
Ｅ法によりグレーテイングを埋め込んだのち、Ｃ₂ Ｈ₆
リアクテイブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりコアの
導波路パターンを形成し、最後に全体をクラッドで埋め
込む（ＭＯＶＰＥ）。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にもとづく
光スイッチは、信号光の透過および反射を切り替えるス
イッチ部を有し、また、制御光と信号光とをコリニアに
合波するものなので、スイッチング時間は従来のものに
比べて一桁以上短縮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光スイッチの第一実施例を示す斜視図
である。

【図２】図１のＤ−Ｄ′線に沿う断面図である。

【図３】（Ａ）はグレーテイングカプラの信号光に対す
るベクトルダイアグラム、（Ｂ）はグレーテイングカプ
ラの制御光に対するベクトルダイアグラムである。

【図４】本発明の光スイッチの第二実施例を示す斜視図
である。

【図５】図４のＥ−Ｅ′線に沿う断面図である。

【図６】本発明の光スイッチの第三実施例を示す斜視図
である。

【図７】図６のＦ−Ｆ′線に沿う断面図である。

【図８】本発明の光スイッチの第四実施例を示す断面図
である。

【図９】本発明の光スイッチの第五実施例を示す断面図
である。

【図１０】本発明の光スイッチの第六実施例を示す断面
図である。

【図１１】本発明の光スイッチの第七実施例を示す斜視
図である。

【図１２】図１１のＧ−Ｇ′線に沿う断面図である。

【図１３】従来の光スイッチの一例を示す斜視図であ
る。

【図１４】図１３に示した光スイッチの正面図である。

【図１５】図１３のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。

【図１６】図１３のＢ−Ｂ′線に沿う断面図である。

【図１７】図１３のＣ−Ｃ′線に沿う断面図である。

【図１８】図１３に示した光スイッチのグレーテイング
における波長- 反射率特性図である。

【符号の説明】

１０ＧａＡｓコア（コア）１１ＡｌＧａＡｓクラッド（クラッド）１２ＧａＡｓ基板（基板）１３グレーティングスイッチ領域（グレーティング）１４入出力光導波路領域（導波路）１５方向性結合器型カプラ領域（カプラ部）１６グレーティングカプラ領域（グレーティングカプ
ラ）１７信号光導波路（導波路）１８制御光導波路（導波路）１９ＩｎＰクラッド２０多重量子井戸構造２１ＩｎＧａＡｓＰガイド層２２ＩｎＰ基板２３グレーティングカプラ部３０ＩｎＧａＡｓＰコア３１ＩｎＰクラッド３２ＩｎＰ基板３３グレーティングスイッチ部３４入出力光導波路３５方向性結合器型カプラ３６グレーティングカプラ３７信号光導波路３８制御光導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御光によって信号光の透過および反射
をオン・オフ制御する光制御型グレーテイング光スイッ
チにおいて、前記信号光の透過および反射を切り替えるオン・オフ制
御をするスイッチ領域と、前記スイッチ領域に前記信号光を入力することおよび前
記信号光を前記スイッチ領域から出力させることを行う
入出力光導波路領域と、前記制御光と前記信号光とをコリニアに合波し、前記制
御光を前記信号光とともに前記スイッチ領域へ誘導する
合波器領域と、前記制御光と前記信号光とを分離する分波器領域とが設
けられたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】請求項１記載の光スイッチにおいて、前
記スイッチ領域は制御光が吸収されない非共鳴な媒質か
らなるグレーテイングスイッチであることを特徴とする
光スイッチ。
【請求項３】請求項２記載の光スイッチにおいて、前
記非共鳴な媒質は、II-VI 族化合物およびIII-V 族化合
物からなる群から選択される半導体であることを特徴と
する光スイッチ。
【請求項４】請求項３記載の光スイッチにおいて、前
記半導体は、ＧａＡｓ系半導体およびＩｎＰ系半導体か
ら選択されることを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】請求項１記載の光スイッチにおいて、前
記スイッチ領域は前記制御光が吸収される媒質からなる
グレーテイングスイッチであることを特徴とする光スイ
ッチ。
【請求項６】請求項５記載の光スイッチにおいて、前
記制御光が吸収される媒質は、III-V 群化合物半導体多
重量子井戸構造およびII-VI 群化合物半導体多重量子井
戸構造からなる群から選択されることを特徴とする光ス
イッチ。
【請求項７】請求項１記載の光スイッチにおいて、前
記合波器領域および前記分波器領域の少なくとも一つは
方向性結合器型カプラであること特徴とする光スイッ
チ。
【請求項８】請求項１記載の光スイッチにおいて、前
記合波器領域および前記分波器領域の少なくとも一つは
グレーテイングカプラであること特徴とする光スイッ
チ。
【請求項９】請求項１記載の光スイッチにおいて、前
記スイッチ領域と、前記入出力光導波路領域と、前記合
波器領域と、前記分波器領域とがそれぞれ同一基板上に
リッジ型導波路構造として設けられたことを特徴とする
光スイッチ。
【請求項１０】請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記スイッチ領域と、前記入出力光導波路領域と、前記
合波器領域と、前記分波器領域とがそれぞれ同一基板上
に埋め込み型導波路構造として設けられたことを特徴と
する光スイッチ。
【請求項１１】請求項１記載の光スイッチにおいて、
さらに、第二の制御光によって前記信号光の透過および反射をオ
ン・オフ制御する第二の光スイッチ領域と、前記第二スイッチ領域と前記分波器領域とに結合した第
二の入出力光導波路領域と、前記第二制御光と前記信号光とをコリニアに合波し、前
記第二制御光を前記信号光とともに前記第二スイッチ領
域へ誘導する第二の合波器領域と、前記第二制御光と前記信号光とを分離する第二の分波器
領域とが設けられたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項１２】制御光によって信号光の透過および反
射をオン・オフ制御する光スイッチにおいて、半導体基板と、前記基板上に形成され、かつ前記信号光を誘導するため
の第一光導波路と、前記第一光導波路内に形成され、かつ多重量子井戸構造
からなる単一共鳴媒質からなり、前記信号光の透過及び
反射を切り替えることによって前記オン・オフ制御を行
うグレーテイングと、前記基板上に形成されかつ制御光を誘導し、前記信号光
に前記制御光をコリニアに合波させて前記信号光ととも
に前記制御光を前記グレーテイングへ誘導するための方
向性結合器として形成されるように前記第一光導波路と
一部分が近接した第二光光導波路と、前記制御光と前記信号光とを分離し、かつ前記第一光導
波路に結合したグレーテイングカプラとからなるもの
で、さらに、前記グレーテイングは前記制御光が結合しない
場合に前記信号光を透過し、一方前記制御光が結合しな
い場合は前記信号光を反射することによって、前記グレ
ーティングはスイッチとして作動することを特徴とする
光スイッチ。