JPH07113711B2 - Semiconductor waveguide type optical switch - Google Patents

Semiconductor waveguide type optical switch

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JPH07113711B2
JPH07113711B2 JP60186704A JP18670485A JPH07113711B2 JP H07113711 B2 JPH07113711 B2 JP H07113711B2 JP 60186704 A JP60186704 A JP 60186704A JP 18670485 A JP18670485 A JP 18670485A JP H07113711 B2 JPH07113711 B2 JP H07113711B2
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multiple quantum
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昭 味澤
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信,光情報処理の分野において、光伝送
路における光信号の開閉を行う光スイッチに関するもの
である。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical switch that opens and closes an optical signal in an optical transmission line in the fields of optical communication and optical information processing.

〔従来技術とその問題点〕[Prior art and its problems]

近年の光通信システムの発展に伴い、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いる。
その様なシステムで必要とされるデバイスとしてはその
一つに超高速切換可能,低電圧動作,小型で集積化が容
易といった可能性をもつ半導体を用いた光スイッチが挙
げられる。その中で、小型化,低電圧化等の面で比較的
性能の優れているフランツ・ケルディッシュ効果を用い
た光スイッチが考えられる。しかしながらこの光スイッ
チにも次の様な欠点があった。以下、単層のガイド層で
のフランツ・ケルディッシュ効果を用いた導波型光スイ
ッチについて説明する。
With the development of optical communication systems in recent years, systems that provide unprecedented new functions and services have been considered.
One of the devices required for such a system is an optical switch using a semiconductor, which has the possibility of ultra-high-speed switching, low-voltage operation, small size, and easy integration. Among them, an optical switch using the Franz-Keldysh effect, which has relatively excellent performance in terms of downsizing and voltage reduction, can be considered. However, this optical switch also has the following drawbacks. Hereinafter, a waveguide type optical switch using the Franz-Keldysh effect in a single guide layer will be described.

フランツ・ケルディッシュ効果というのは、電界印加に
よりそれに応じて基礎吸収端が長波長側へ移動するとい
う効果である。スイッチの導波層のバンドキャップ波長
λを光源の波長λより少し短かめにしておく。ここで
言う導波層(ガイド層)というのは光が伝搬する半導体
層のことである。電界が導波層に印加されない時はλが
λよりも長いために伝搬する光は吸収されないが、電
界が印加され基礎吸収端がλ以上まで長波長側へ広がっ
てくるとそれに応じた光の吸収が起こる。この効果を利
用すると電界によって光の吸収を制御するゲートスイッ
チを製作することができる。
The Franz-Keldysh effect is the effect that the fundamental absorption edge moves to the long wavelength side in response to the application of an electric field. The band-cap wavelength λ g of the waveguide layer of the switch is set slightly shorter than the wavelength λ of the light source. The waveguide layer (guide layer) referred to here is a semiconductor layer through which light propagates. When the electric field is not applied to the waveguiding layer, λ is longer than λ g , so the propagating light is not absorbed, but when an electric field is applied and the basic absorption edge spreads to the long wavelength side up to λ or more, the corresponding light Absorption of. By utilizing this effect, it is possible to manufacture a gate switch that controls absorption of light by an electric field.

第4図にフランツ・ケルディッシュ効果による吸収係数
の変化を、バンドキャップエネルギーEgと入射光のフォ
トンエネルギー とのエネルギー差 を横軸にして示した。この第4図は「アプライド・フィ
ジクス・レターズ(Appl.Phys.Lett.34(1979)744)」
に記載されているものを引用したものである。ここでは
E=0V/cmと5×104V/cmとした場合を示した。実際にフ
ランツ・ケルディッシュ効果を用いて光ゲートスイッチ
を製作した場合、光源の波長λをスイッチのバンドキャ
ップ波長λの長波長近傍つまり が小さい値に設定すると、第4図からもわかるように、
基礎吸収端の形状はEgのところで急峻には切れず、長波
長側に大きく裾(テイル)をひいているためE=0V/cm
の場合においても大きな吸収を受け、スイッチとしては
導波損失の大きなものとなってしまう。例えば とした場合、その時の導波損失としては50dB/cmといっ
た非常に大きな値となってしまう。従って導波損失を小
さくするためにはバンドギャップエネルギーと入射光の
フォトンエネルギーとのエネルギー差 を80〜100meV以上にしなくてはならない。しかし を大きくすると、ある電界強度変化に対する吸収係数変
化は小さくなってしまい、十分な消光比が得られない。
この様に単層のガイド層でのフランツ・ケルディッシュ
効果を用いた光ゲートスイッチにおいては、結晶の基礎
吸収端の裾びきのため低損失,低電位,高消光比といっ
た十分な性能のものを得るのは困難であった。
Fig. 4 shows the change in absorption coefficient due to the Franz-Keldysh effect as a function of the band cap energy E g and the photon energy of the incident light. Energy difference from Is shown on the horizontal axis. This Figure 4 is "Applied Physics Letters (Appl.Phys.Lett.34 (1979) 744)"
It is a quotation of what is described in. Here, the case where E = 0 V / cm and 5 × 10 4 V / cm is shown. When an optical gate switch is actually manufactured by using the Franz-Keldysh effect, the wavelength λ of the light source is set near the long wavelength of the band-cap wavelength λ g of the switch, that is, When is set to a small value, as can be seen from Fig. 4,
The shape of the fundamental absorption edge does not cut sharply at E g , and has a large tail on the long wavelength side, so E = 0 V / cm
In the case of, too, the absorption is large, and the waveguide loss becomes large as a switch. For example In that case, the waveguide loss at that time will be a very large value of 50 dB / cm. Therefore, in order to reduce the waveguide loss, the energy difference between the bandgap energy and the photon energy of the incident light Must be above 80-100 meV. However When is increased, the change in absorption coefficient with respect to a certain change in the electric field becomes small, and a sufficient extinction ratio cannot be obtained.
As described above, in the optical gate switch using the Franz-Keldysh effect in the single guide layer, the one having sufficient performance such as low loss, low potential, and high extinction ratio due to the skirting of the basic absorption edge of the crystal. It was hard to get.

この基礎吸収端の裾びきという問題を解決するためにガ
イド層に禁制帯幅の異なるそれぞれ500Å以下の層を交
互に積層した多層構造(以下これを多重量子井戸構造と
呼ぶ)を用いた場合の導波型の光変調気が考えられてい
る(昭和60年度電子通信学会総合全国大会S3−4)。第
5図はその一例である。n+−GaAs基板21上に分子線エピ
タキシャル法によりn+−Al0.3Ga0.7Asクラッド層22を1.
5μm成長させ、次にn-−GaAs/AlGaAs多重量子井戸ガイ
ド23としてGaAs量子井戸層100Å,Al0.2Ga0.8As障壁層30
0Åを16周期、更にp+−Al0.3Ga0.7Asクラッド層24を1.5
μm、p+−GaAsキャップ層25を成長させ、n側,p側にオ
ーミック電極26,27を取りつけストライプ形のハイ・メ
サ構造の導波路を形成している。この様な多重量子井戸
構造の光吸収スペクトルには状態密度の段階状の変化、
鋭いエキシトンピークの出現といった量子サイズ効果に
より基礎吸収端の端波長化、及び急峻化が見られる。ま
た、この多重量子化井戸構造に電界を印加するとエキシ
トンのピークの長波長側への移動とともに吸収端が長波
長側へ移動し裾をひくようになる。このことを利用して
多重量子井戸構造導波路においても吸収端の長波長側近
傍での電界による光の吸収の変調を行う光ゲートスイッ
チが実現されている。この構造においては単一層の導波
路の場合に比べ吸収端が急峻化しているために、光源の
波長を吸収端に近づけることができ、低電圧化,高消光
比化などの高性能化が期待できる。しかしながら、この
場合でもやはり次の様な問題点があった。多重量子井戸
構造のエキシトンを伴う吸収端は単一層の場合の基礎吸
収端に比べ急峻化はしているものの、それは理想的な状
態ではない。多重量子井戸層の界面のゆらぎ、不純物の
影響などにより吸収端には取り除くことのできない裾び
きが存在している。特に入射光の波長が吸収端に近づく
につれその影響は大きくなる。従って、多重量子井戸構
造導波路を用いたとしても、吸収端に入射光の波長を近
づけ、低電圧化,高消光比化を図り、更に導波損失まで
下げることは非常に困難なことである。
In order to solve the problem of skirting of the fundamental absorption edge, when a multilayer structure (hereinafter referred to as a multiple quantum well structure) in which layers with different forbidden band widths of 500 Å or less are alternately laminated is used for the guide layer, Waveguide-type optical modulation is considered (1985, National Electro-Communications Society General Conference S3-4). FIG. 5 shows an example. n + -GaAs n by molecular beam epitaxy on the substrate 21 + -Al 0.3 Ga 0.7 As cladding layer 22 1.
5 μm growth, and then n -- GaAs / AlGaAs multiple quantum well guide 23 as GaAs quantum well layer 100Å, Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer 30
16 cycles of 0Å, and p + −Al 0.3 Ga 0.7 As clad layer 24 of 1.5
A μm, p + -GaAs cap layer 25 is grown, ohmic electrodes 26 and 27 are attached to the n-side and p-side to form a stripe-shaped high-mesa structure waveguide. The optical absorption spectrum of such a multiple quantum well structure has a stepwise change in the density of states,
Due to the quantum size effect such as the appearance of a sharp exciton peak, the wavelength at the fundamental absorption edge becomes sharper and sharper. Further, when an electric field is applied to this multi-quantized well structure, the absorption edge moves to the long wavelength side as the exciton peak moves to the long wavelength side, and the tail ends. Utilizing this fact, an optical gate switch that realizes modulation of light absorption by an electric field in the vicinity of the long wavelength side of the absorption edge is realized also in the multiple quantum well structure waveguide. In this structure, the absorption edge is steeper than in the case of a single-layer waveguide, so the wavelength of the light source can be made closer to the absorption edge, and high performance such as low voltage and high extinction ratio is expected. it can. However, even in this case, there are still the following problems. The absorption edge with excitons in the multiple quantum well structure is steeper than the basic absorption edge in the case of a single layer, but it is not an ideal state. There is a skirt that cannot be removed at the absorption edge due to the fluctuation of the interface of the multi-quantum well layer and the influence of impurities. In particular, the influence increases as the wavelength of the incident light approaches the absorption edge. Therefore, even if a multiple quantum well structure waveguide is used, it is very difficult to bring the wavelength of incident light close to the absorption edge to achieve a low voltage and a high extinction ratio and further reduce the waveguide loss. .

以上説明した様に従来の構造においては、電界印加を制
御手段とした導波型の光スイッチとして動作電圧,消光
比,損失の面で優れた性能のものは得られていなかっ
た。
As described above, in the conventional structure, a waveguide type optical switch using electric field application as a control means has not been obtained with excellent performance in terms of operating voltage, extinction ratio and loss.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明の目的は上述した様な従来の電界印加によってガ
イド層を伝搬する光の制御を行う導波型光スイッチの欠
点を除去し、小型かつ集積化に適し、低電圧で動作し、
高消費比,低損失な導波型光スイッチを提供することに
ある。
The object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the waveguide type optical switch that controls the light propagating through the guide layer by applying an electric field as described above, and is compact and suitable for integration, and operates at a low voltage.
It is to provide a waveguide type optical switch with a high consumption ratio and low loss.

〔発明の構成〕[Structure of Invention]

本発明は、導波路層を伝搬している導波光の制御を電界
を印加することにより行う半導体導波型光スイッチにお
いて、前記導波路層が、単一層と前記単一層の上下少な
くとも一方に存在する多重量子井戸層とから構成され、
前記多重量子井戸層のヘテロ界面に垂直に電界を印加す
る手段を有し、前記多重量子井戸構造がもつ基底準位の
エキシトンの吸収ピーク波長が被変調光の波長に対して
短波長近傍に設定され、前記被変調光に対し、前記多重
量子井戸層の平均的屈折率は、電界印加前においては前
記単一層の屈折率よりわずかに小さく、電界印加を行う
ことによって前記単一層の屈折率より大きくなるような
屈折率をもち、かつ電界印加を行ったときの前記多重量
子井戸層の吸収係数が電界印加前よりも高くなることを
特徴とする半導体導波型光スイッチである。
The present invention relates to a semiconductor waveguide type optical switch for controlling guided light propagating in a waveguide layer by applying an electric field, wherein the waveguide layer exists in a single layer and at least one of upper and lower sides of the single layer. And a multiple quantum well layer to
It has a means for applying an electric field perpendicularly to the hetero interface of the multiple quantum well layer, and the absorption peak wavelength of the exciton of the ground level of the multiple quantum well structure is set near a short wavelength with respect to the wavelength of the modulated light. For the modulated light, the average refractive index of the multiple quantum well layer is slightly smaller than the refractive index of the single layer before the electric field is applied, and the average refractive index of the multiple quantum well layer is smaller than that of the single layer by applying the electric field. It is a semiconductor waveguide type optical switch having a refractive index that increases and an absorption coefficient of the multiple quantum well layer when an electric field is applied is higher than that before the application of an electric field.

〔発明の原理〕[Principle of Invention]

本発明は上述の構成をとることにより従来技術の問題点
を解決した。本発明の原理について第2図を用いて説明
する。前述したように多重量子井戸の吸収スペクトルに
は吸収端の近傍で鋭いエキシトンピークが見られる。ま
た、吸収と屈折率の間にはクラマース・クローニッヒの
関係があり、エキシトンのピークの存在によって屈折率
スペクトルはエキシトンピーク波長付近で大きな変化を
示す。それらの吸収スペクトルと屈折率スペクトルの様
子をそれぞれ第2図(a),(b)に示す。次に、多重
量子井戸に電界を印加した場合の吸収と屈折率について
述べる。多重量子井戸に電界を印加すると、エキシトン
ピークは長波長側へ移動しその半値幅は広がる。そのエ
キシトンピークの長波長側への移動に伴って、屈折率ス
ペクトルも長波長側へ移動する。その時の吸収スペクト
ルと屈折率スペクトルの様子をそれぞれ第2図(c),
(d)に示す。電界がない場合のエキシトンピーク波長
を被変調光の波長の短波長近傍に設定すると、電界印加
により吸収係数は103〜104cm-1、屈折率は10-2程度の増
加が得られる。従って電界によるこの大きな吸収係数変
化と屈折率変化の両方を導波型光スイッチに適用するこ
とにより、導波損失,動作電圧,消光比などの面では従
来にない高性能な導波型光スイッチが得られる。
The present invention has solved the problems of the prior art by adopting the above configuration. The principle of the present invention will be described with reference to FIG. As described above, a sharp exciton peak is seen near the absorption edge in the absorption spectrum of the multiple quantum well. Further, there is a Kramers-Kronig relationship between the absorption and the refractive index, and the presence of the exciton peak causes the refractive index spectrum to change greatly near the exciton peak wavelength. The states of the absorption spectrum and the refractive index spectrum are shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), respectively. Next, the absorption and the refractive index when an electric field is applied to the multiple quantum well will be described. When an electric field is applied to the multiple quantum well, the exciton peak moves to the long wavelength side and its half-width widens. As the exciton peak moves to the long wavelength side, the refractive index spectrum also moves to the long wavelength side. The states of the absorption spectrum and the refractive index spectrum at that time are shown in FIG.
It shows in (d). When the exciton peak wavelength in the absence of an electric field is set near the short wavelength of the modulated light, the absorption coefficient is increased by 10 3 to 10 4 cm -1 and the refractive index is increased by about 10 -2 by applying the electric field. Therefore, by applying both the large change in absorption coefficient and the change in refractive index due to the electric field to the waveguide type optical switch, a high performance waveguide type optical switch, which is unprecedented in terms of waveguide loss, operating voltage, extinction ratio, etc. Is obtained.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。第1図は本発明の1つの実施例を示す導波型光
スイッチの斜視図である。尚、本実施例ではGaAs/AlGaA
s系の半導体材料を用いたものにつき説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a waveguide type optical switch showing one embodiment of the present invention. In this example, GaAs / AlGaA
A description will be given of the one using the s-based semiconductor material.

この導波型光スイッチの構造を、その構造方法とともに
説明する。n+−GaAs基板1の上に分子線エピタキシー法
によりn+−AlGaAs層2,n-−AlGaAs単一層3,n-−GaAs/AlG
aAs多重量子井戸層4,p+−AlGaAs層5を成長させる。次
に3次元ガイドを形成するために、導波路となる部分の
両側をエッチングによりn+−AlGaAs層2に達するまで落
とし、導波路の両側を液相成長法により、n-−AlGaAs埋
込み層6で埋込み、最後にp側にストライプ電極7及び
n側に電極8を取りつける。
The structure of this waveguide type optical switch will be described together with its structure method. n + -AlGaAs layer 2 by molecular beam epitaxy on the n + -GaAs substrate 1, n - -AlGaAs single layer 3, n - -GaAs / AlG
An aAs multiple quantum well layer 4 and ap + -AlGaAs layer 5 are grown. Next, in order to form a three-dimensional guide, both sides of the portion to be the waveguide are etched to reach the n + -AlGaAs layer 2, and both sides of the waveguide are subjected to the liquid phase epitaxy method to form the n -- AlGaAs buried layer 6 Then, the stripe electrode 7 is attached to the p side and the electrode 8 is attached to the n side.

ここで多重量子井戸層4の井戸層及び障壁層の各層厚及
び組成を(GaAs,Al0.5Ga0.5As)=(85Å,95Å)としそ
れを12周期、単一層3の組成をAl0.15Ga0.85Asとし層厚
を0.2μm、n+−AlGaAs層2、p+−AlGaAs層5及びn-−A
lGaAs埋込み層6の組成をAl0.3Ga0.7Asとし、n+及びp+
−AlGaAs層2,5の層厚を1〜2μm程度にしておく。こ
の様にして単一層3と多重量子井戸層4を含む3次元導
波路を形成する。また、p側電極7には金・亜鉛、n側
電極8には金・ゲルマニウムを用いオーミック接触を形
成する。p側電極及びn側電極8は、多重量子井戸層4
のヘテロ界面に垂直に電界を印加する手段を構成する。
以上述べた製作プロセスはあくまでも一例であってこの
プロセスに限定されない。多重量子井戸層は、気相成長
法や金属有機物法などを用いて成長してもよく、埋込み
層は気相成長法を用いてもよい。また、3次元導波路は
形状はリブ型あるいは溝を掘った形状にしてもよい。更
には、多重量子井戸層は単一層の下に形成してもよく、
また単一層の上下に多重量子井戸層を形成してもよい。
Here, the thickness and composition of each of the well layer and the barrier layer of the multiple quantum well layer 4 are (GaAs, Al 0.5 Ga 0.5 As) = (85Å, 95Å), which is 12 periods, and the composition of the single layer 3 is Al 0.15 Ga 0.85. As, with a layer thickness of 0.2 μm, n + -AlGaAs layer 2, p + -AlGaAs layer 5 and n -- A
The composition of the lGaAs buried layer 6 is Al 0.3 Ga 0.7 As, n + and p +
The layer thickness of the AlGaAs layers 2 and 5 is set to about 1 to 2 μm. In this way, a three-dimensional waveguide including the single layer 3 and the multiple quantum well layer 4 is formed. Ohmic contact is formed by using gold / zinc for the p-side electrode 7 and gold / germanium for the n-side electrode 8. The p-side electrode and the n-side electrode 8 are the multiple quantum well layers 4
Means for applying an electric field perpendicularly to the hetero interface.
The manufacturing process described above is merely an example, and the present invention is not limited to this process. The multiple quantum well layer may be grown by using a vapor phase growth method, a metal organic material method or the like, and the buried layer may be formed by a vapor phase growth method. The three-dimensional waveguide may have a rib shape or a grooved shape. Furthermore, the multiple quantum well layer may be formed under a single layer,
Also, multiple quantum well layers may be formed above and below a single layer.

次に、本実施例の導波型光スイッチの動作について簡単
に述べる。n-−AlGaAs単一層3への入射光9は、電極7
と電極8の間に逆バイアス電圧を加えない時、即ちn-
GaAs/AlGaAs多重量子井戸層4に電界が印加されていな
い場合、屈折率の一番高いn-−AlGaAs単一層3を主に導
波する。この層は入射光に対して非常に低損失であるの
で光はそのまま伝搬し出射光10として取り出せる。n-
GaAs/AlGaAs多重量子井戸層4に電界が印加された場合
は、多重量子井戸層4のエキシトンピークの移動に伴っ
て平均的な屈折率が大きくなり単一層3の屈折率以上に
なる。すると、入射光9は主に多重量子井戸層4を伝搬
する様になる。多重量子井戸層4の屈折率の増加ととも
に吸収係数も大きくなる。従って、入射光9は多重量子
井戸層4を伝搬しながら大きな吸収を受ける。よって、
出射光10は消光され取り出せない。この様にして電界に
よる屈折率と吸収係数変化を利用した導波型の光スイッ
チが可能となる。
Next, the operation of the waveguide type optical switch of this embodiment will be briefly described. Light incident on the n -- AlGaAs single layer 3 is incident on the electrode 7
When no reverse bias voltage is applied between the electrode and the electrode 8, that is, n
When no electric field is applied to the GaAs / AlGaAs multiple quantum well layer 4, the n -AlGaAs single layer 3 having the highest refractive index is mainly guided. Since this layer has a very low loss with respect to the incident light, the light propagates as it is and can be taken out as the emitted light 10. n - -
When an electric field is applied to the GaAs / AlGaAs multiple quantum well layer 4, the average refractive index increases as the exciton peak of the multiple quantum well layer 4 moves, and becomes higher than the refractive index of the single layer 3. Then, the incident light 9 mainly propagates through the multiple quantum well layer 4. The absorption coefficient increases as the refractive index of the multiple quantum well layer 4 increases. Therefore, the incident light 9 is largely absorbed while propagating through the multiple quantum well layer 4. Therefore,
The emitted light 10 is extinguished and cannot be taken out. In this way, a waveguide type optical switch utilizing the change in the refractive index and the absorption coefficient due to the electric field becomes possible.

更にこの導波型光スイッチについて第2図,第3図を用
いて詳しく説明する。第2図において(a)と(b)は
それぞれ多重量子井戸層4に電界が印加されてない場合
の吸収スペクトルと屈折率スペクトルであり、(c)と
(d)はそれぞれ多重量子井戸層4に電界が印加された
場合の吸収スペクトルと屈折率スペクトルである。第3
図において、(a),(b)はそれぞれ電界が印加され
てない場合の導波路の屈折率分布と導波光の界分布であ
り、(c),(d)はそれぞれ電界が印加された場合の
導波路の屈折率分布と導波光の界分布である。
Further, this waveguide type optical switch will be described in detail with reference to FIGS. In FIG. 2, (a) and (b) are respectively an absorption spectrum and a refractive index spectrum when an electric field is not applied to the multiple quantum well layer 4, and (c) and (d) are each the multiple quantum well layer 4. 2 is an absorption spectrum and a refractive index spectrum when an electric field is applied to the. Third
In the figure, (a) and (b) are the refractive index distribution of the waveguide and the field distribution of the guided light when no electric field is applied, and (c) and (d) are the cases when an electric field is applied. And the field distribution of the guided light.

第2図(a)の吸収スペクトルにおいて入射光の波長を
λ=0.84μm とする。前述したGaAs/AlGaAs多重量子井戸構造ではn
=1のエレクトロンとヘビーホール間の遷移波長を
λ、エキシトンのピーク波長をλとすると、それら
は入射光の波長λの短波長近傍にあり、λは〜0.82
μm、λは〜0.83μmとなる。波長λにおいてはこ
の多重量子井戸層4はαなる吸収を受けるが、α
吸収はエキシトンピークになる吸収に比べれば十分に小
さい。また、この組成においては波長λに対して多重
量子井戸層4の平均的な屈折率はn1=3.48、単一層3の
屈折率はn3=3.51、n+及びp+−AlGaAs層2,5の屈折率はn
4=3.4である。その時の屈折率分布が第3図(a)であ
る。また、その時の導波光の界分布は第3図(b)に示
され、11は多重量子井戸層4の領域でαなる吸収を受
ける部分、12は単一層3の領域でほとんどの吸収を受け
ない部分である。入射光は屈折率の一番高いn2=3.51の
単一層3の部分を主に導波し、多重量子井戸層4へのし
み出しはわずかである。しかも、しみ出し部における吸
収係数αは比較的小さいため、全体としての導波損失
は従来の導波路が全て多重量子井戸層で構成されている
ものに比べ十分に小さいものとなる。
In the absorption spectrum of FIG. 2 (a), the wavelength of the incident light is λ 3 = 0.84 μm And In the GaAs / AlGaAs multiple quantum well structure described above, n
= 1 and the transition wavelength between the electron and the heavy hole is λ 1 , and the exciton peak wavelength is λ 2 , they are near the short wavelength of the incident light wavelength λ 3 , and λ 1 is ~ 0.82.
μm and λ 2 are up to 0.83 μm. While receiving this multiple quantum well layer 4 is alpha 1 absorption at the wavelength lambda 3, the absorption of alpha 1 is sufficiently small compared to the absorption becomes Ekishitonpiku. Further, in this composition, the average refractive index of the multiple quantum well layer 4 is n 1 = 3.48, the refractive index of the single layer 3 is n 3 = 3.51, and the n + and p + -AlGaAs layers 2 with respect to the wavelength λ 3 . , 5 has a refractive index n
4 = 3.4. The refractive index distribution at that time is shown in FIG. Also, the field distribution of the guided light at that time is shown in FIG. 3 (b), 11 is a portion that absorbs α 1 in the region of the multiple quantum well layer 4, and 12 is most of the absorption in the region of the single layer 3. It is the part that does not receive Incident light is guided mainly in the portion of the single layer 3 having the highest refractive index n 2 = 3.51 and the seeping into the multiple quantum well layer 4 is slight. Moreover, since the absorption coefficient α 1 in the exudation portion is relatively small, the waveguide loss as a whole is sufficiently smaller than that of the conventional waveguides which are all composed of multiple quantum well layers.

次に、多重量子井戸層4に電界が印加された場合につい
て述べる。その時の吸収スペクトルを第2図(c)に示
す。この場合、逆バイアス電圧として4V程度印加した
時、電界強度としては5×104〜105V/cmとなり、その
時、エキシトンのピークはλ=0.83μmからλ=0.
85μmへ約20nm、エネルギーに換算して30〜40meV低エ
ネルギー側へ移動する。従って、入射光の波長λ=0.
84μmに対する吸収係数αはαに比べて非常に大き
くなり、〜104cm-1程度となる。電界印加によってエキ
シトンのピークを含めた吸収スペクトル全体が長波長側
へ移動するのに伴って、第2図(d)に示した様に屈折
率スペクトルも長波長側へ移動する。従って、波長λ
=0.84μmでの多重量子井戸層4の平均的な屈折率は、
電界が印加されていない場合はn1=3.48であったのに対
し、電界が印加された場合はn2=3.55と大きくなり、単
一層3の屈折率n3=3.51以上となる。その屈折率分布を
第3図(c)に示す。また、第3図(d)にその時の光
の界分布が示され、13は多重量子井戸層4の領域でα
が〜104cm-1なる非常に大きな吸収を受ける部分であ
り、14は単一層3の領域でほとんど吸収を受けない部分
である。入射光は屈折率の一番高いn2=3.55の多重量子
井戸層4の部分を主に導波する。従って、導波光のほと
んどが多重量子井戸層で吸収されてしまい結果的に大き
な消光比が得られる。
Next, a case where an electric field is applied to the multiple quantum well layer 4 will be described. The absorption spectrum at that time is shown in FIG. In this case, when a reverse bias voltage of about 4 V is applied, the electric field strength is 5 × 10 4 to 10 5 V / cm, and at that time, the exciton peak is λ 2 = 0.83 μm to λ 4 = 0.
About 20 nm to 85 μm, converted to energy and moved to the low energy side of 30-40 meV. Therefore, the wavelength of incident light λ 3 = 0.
The absorption coefficient α 2 for 84 μm is much larger than that of α 1 and is about 10 4 cm −1 . As the entire absorption spectrum including the exciton peak moves to the long wavelength side by the application of the electric field, the refractive index spectrum also moves to the long wavelength side as shown in FIG. 2 (d). Therefore, the wavelength λ 3
= 0.84 μm, the average refractive index of the multiple quantum well layer 4 is
When no electric field was applied, n 1 = 3.48, whereas when an electric field was applied, n 2 = 3.55, which was large, and the refractive index of the single layer 3 was n 3 = 3.51 or more. The refractive index distribution is shown in FIG. The field distribution of light at that time is shown in FIG. 3 (d), and 13 is the region of the multiple quantum well layer 4 with α 2
Is a region that absorbs a very large amount of ~ 10 4 cm -1 , and 14 is a region that hardly absorbs in the region of the monolayer 3. Incident light is mainly guided through the part of the multiple quantum well layer 4 having the highest refractive index n 2 = 3.55. Therefore, most of the guided light is absorbed by the multiple quantum well layer, resulting in a large extinction ratio.

以上より、この構造の導波型光スイッチは導波損失が非
常に少なく、更に低電圧(5V以下)で動作し大きな消光
比が得られ、電界を制御手段としているため数GHz以上
の高速変調も可能であり、特に触れなかったが、素子長
も1mm以下で十分製作可能である。
From the above, the waveguide type optical switch with this structure has very little waveguide loss, operates at a low voltage (5 V or less), and has a large extinction ratio. It is also possible, and although not mentioned in particular, the element length is 1 mm or less and it can be sufficiently manufactured.

また、ここで用いた入射光の波長,AlGaAsの各層の組
成,層厚,あるいはGaAs/AlGaAs多重量子井戸の各層厚
等に関しては、あくまで一つの例であって、電界による
吸収係数変化,屈折率変化などで実施例と同等の効果が
得られれば、特に実施例に限定するものではない。
The wavelength of the incident light, the composition of each layer of AlGaAs, the layer thickness, the layer thickness of each GaAs / AlGaAs multiple quantum well, etc. used here are merely examples, and the change in the absorption coefficient due to the electric field and the refractive index. The present invention is not particularly limited to the embodiment as long as the same effect as that of the embodiment can be obtained due to changes or the like.

更に、半導体材料に関してもGaAs/AlGaAs系の材料のみ
ならず、InGaAsP/InP,InGaAs/InAlAsなどの材料を用い
てもよい。
Further, as the semiconductor material, not only the GaAs / AlGaAs-based material but also InGaAsP / InP, InGaAs / InAlAs, etc. may be used.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、従来の多重
量子井戸層を導波路としていた導波型光スイッチに比
べ、導波損失を非常に下げることができ、動作電圧,消
光比,導波損失の面でともに高性能な導波型光スイッチ
が可能となり、将来の光機能素子,光回路又はそれらを
集積化,システム化した光通信及び光情報処理システム
等の実現に寄与するところ大である。
As described in detail above, according to the present invention, the waveguide loss can be significantly reduced, and the operating voltage, the extinction ratio, and the conductivity can be reduced as compared with the conventional waveguide type optical switch in which the multiple quantum well layer is used as the waveguide. In terms of wave loss, a high-performance guided-wave optical switch becomes possible, which will contribute to the realization of future optical functional devices, optical circuits, or optical communication and optical information processing systems that integrate and systemize them. Is.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明による導波型光スイッチの実施例を説明
するための図、 第2図は本発明の導波型光スイッチの動作原理を説明す
るための図であり、第2図(a),(b)はそれぞれ電
界が印加されていない場合の多重量子井戸層の吸収スペ
クトルと屈折率スペクトルを示す図、第2図(c),
(d)はそれぞれ電界が印加された場合の多重量子井戸
層の吸収スペクトルと屈折率スペクトルを示す図、 第3図は本発明による導波型光スイッチの実施例を説明
するための図であり、第3図(a),(b)はそれぞれ
電界が印加されていない場合の導波路の屈折率分布と導
波光の界分布を示す図、第3図(c),(d)は電界が
印加された場合の導波路の屈折率分布と導波光の界分布
を示す図、 第4図は単層構造におけるフランツ・ケルディッシュ効
果を説明するための図、 第5図は従来の多重量子井戸層のみをガイド層とした導
波型光スイッチを説明するための図である。 1,21……n+−GaAs基板 2……n+−AlGaAs層 3……n-−AlGaAs単一層 4……n-−GaAs/AlGaAs多重量子井戸層 5……p+−AlGaAs層 6……AlGaAs埋込み層 7,8,26,27……電極 9……入射光 10……出射光 11,13……導波光の界分布で多重量子井戸層を導波する
部分 12,14……導波光の界分布で単一層を導波する部分 22……n+−AlGaAsクラッド層 23……n-−GaAs/AlGaAs多重量子井戸ガイド 24……p+−AlGaAsクラッド層 25……p+−GaAsキャップ層
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of the waveguide type optical switch according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of the waveguide type optical switch of the present invention. FIGS. 2 (c) and 2 (a) and 2 (b) are views showing the absorption spectrum and the refractive index spectrum of the multiple quantum well layer when no electric field is applied, respectively.
FIG. 3D is a diagram showing an absorption spectrum and a refractive index spectrum of the multiple quantum well layer when an electric field is applied, and FIG. 3 is a diagram for explaining an embodiment of the waveguide type optical switch according to the present invention. 3 (a) and 3 (b) respectively show the refractive index distribution of the waveguide and the field distribution of the guided light when no electric field is applied, and FIGS. 3 (c) and 3 (d) show the electric field. FIG. 4 is a diagram showing a refractive index distribution of a waveguide and a field distribution of guided light when applied, FIG. 4 is a diagram for explaining a Franz-Keldysh effect in a single layer structure, and FIG. 5 is a conventional multiple quantum well. It is a figure for explaining a waveguide type optical switch which made only a layer into a guide layer. 1,21 ...... n + -GaAs substrate 2 ...... n + -AlGaAs layer 3 ...... n -- AlGaAs single layer 4 ...... n -- GaAs / AlGaAs multiple quantum well layer 5 ...... p + -AlGaAs layer 6 ... … AlGaAs buried layer 7,8,26,27 …… Electrode 9 …… Incoming light 10 …… Emitting light 11,13 …… The part that guides the multiple quantum well layer by the field distribution of guided light 12,14 …… Waveform light field distribution that guides a single layer 22 …… n + −AlGaAs cladding layer 23 …… n −GaAs / AlGaAs multiple quantum well guide 24 …… p + −AlGaAs cladding layer 25 …… p + −GaAs Cap layer

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】導波路層を伝搬している導波光の制御を電
界を印加することにより行う半導体導波型光スイッチに
おいて、前記導波路層が、単一層と前記単一層の上下少
なくとも一方に存在する多重量子井戸層とから構成さ
れ、前記多重量子井戸層のヘテロ界面に垂直に電界を印
加する手段を有し、前記多重量子井戸構造がもつ基底準
位のエキシトンの吸収ピーク波長が被変調光の波長に対
して短波長近傍に設定され、前記被変調光に対し、前記
多重量子井戸層の平均的屈折率は、電界印加前において
は前記単一層の屈折率よりわずかに小さく、電界印加を
行うことによって前記単一層の屈折率より大きくなるよ
うな屈折率をもち、かつ電界印加を行ったときの前記多
重量子井戸層の吸収係数が電界印加前よりも高くなるこ
とを特徴とする半導体導波型光スイッチ。
1. A semiconductor waveguide type optical switch for controlling guided light propagating in a waveguide layer by applying an electric field, wherein the waveguide layer is a single layer and at least one of upper and lower sides of the single layer. Existing multiple quantum well layers, having means for applying an electric field perpendicular to the hetero interface of the multiple quantum well layers, and the absorption peak wavelength of excitons at the ground level of the multiple quantum well structure is modulated. The wavelength of light is set near a short wavelength, and the average refractive index of the multiple quantum well layer is slightly smaller than the refractive index of the single layer before the electric field is applied to the modulated light. By having a refractive index higher than that of the single layer, and the absorption coefficient of the multi-quantum well layer when an electric field is applied is higher than that before the electric field is applied. Guide Waveguide type optical switch.
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