JPH07120795A - 半導体光マトリックススイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 信号光の消光特性の劣化を低減すると共に、
信号光の偏波方向に依存しない半導体光マトリックスス
イッチを提供すること。 【構成】 光の入射端に光ファイバ結合用のモードサイ
ズ変換導波路１１ａ，１１ｂを設け、半導体増幅器１２
ａ，１２ｂを介して分岐導波路１３ａ，１３ｂ、に接続
する。分岐導波路から吸収型光変調器１４ａ〜１４ｄを
介して合波導波路１５ａ，１５ｂに接続し、これらを半
導体基板上に形成して２×２光マトリックススイッチを
構成する。さらに、モードサイズ変換導波路の形状を光
の入射方向に向かって横幅が徐々に狭くなるテーパ状に
形成すると共に、同様に半導体増幅器の形状を光の伝搬
方向に対して横幅のみをテーパ状に形成する。 【効果】 光入射端での結合散乱光成分が低減され、Ｓ
／Ｎ比の低下が低減されると共に、入射偏波方向による
利得変動が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の伝送路を切り替え
る半導体光マトリックススイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の光通信システムの発展、実用化に
伴い、伝送される情報量が増大しつつある。そのような
中、光伝送システムにおいて、多数の光伝送路の接続を
任意に、しかも高速に切り替える光マトリックススイッ
チが必要とされている。

【０００３】光マトリックススイッチの構成としては、
広帯域信号が扱え、さらに放送モード機能を持ち、マト
リックス規模が簡単に拡大できるという点で、光分岐回
路と光ゲートスイッチ及び合波回路から構成される分岐
合波型光マトリックススイッチが優れているものとして
評価されている。このタイプの光マトリックススイッチ
として、ゲート素子に半導体レーザを用いるものが報告
され、例えば、昭和６０年度電子通信学会予稿集、姫野
等、Ｓ７−３、ｐ．１−３４５頁に記載されたような、
石英系導波路回路に半導体レーザをハイブリッド接続し
て光マトリックススイッチを構成したものが知られてい
る。

【０００４】しかし、半導体レーザを用いた分岐ゲート
型光マトリックススイッチはスイッチ自身が利得を持つ
ので、回路内の導波損失を補償できるという利点はある
が、スイッチ動作の高速化が難しいとういう問題点があ
る。また、より高速化を目指し、ゲート素子に電界印加
型吸収変調器を使用する光マトリックススイッチが提案
されている（特開平４−１５５３０９号公報）。

【０００５】一方、方向性結合器を用いた半導体光マト
リックスイッチもＧａＡｓ、ＩｎＰ系において数多く報
告されている（例えば、浜本等、１９９１年電子情報通
信学会春季全大予稿集ｃ−２２５に記載される）。この
タイプのスイッチは回路内損失が少なく、ノイズも少な
いことから、スイッチ構成として理想的な光マトリック
ススイッチを構成することできる。しかし、半導体を用
いてスイッチを構成する場合には、ポケルス効果或いは
量子閉じ込めシュタルク効果等を用いてその変調動作を
行うため、通常の＜１，０，０＞面の基板材料から製作
される素子ではＴＥ偏波の光しか変調できず、偏波依存
性が大きいという問題点がある。また、方向性結合器を
半導体で構成するので、材料の屈折率波長分散の影響が
大きく、微小な波長変動でも結合長が異なってしまう。
そのため、使用波長帯域が狭いなどの問題点がある。

【０００６】このため、半導体の光マトリックススイッ
チは、その高速性から非常に期待は大きいものの、偏波
依存性、波長依存性等に関する問題点があり、実際の機
能デバイスとして利用されることは少ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】分岐合波型半導体光マ
トリックススイッチは、波長依存性が少なく、容易に規
模拡大が可能であるが、分岐の際に−３ｄＢ、合波（合
流）の際に−３ｄＢの損失を伴うために、多段に接続す
る場合には、損失が大きくなり、信号交換特性を大幅に
劣化させてしまうという問題点がある。このため、前述
した分岐或いは合波を行う回路では、回路内部に半導体
増幅器を集積し、分岐、合波によって失う光出力を回復
或いは補償しなくてはならない。しかしながら、半導体
増幅器を用いると、信号光の消光特性（Ｓ／Ｎ比）が劣
化してしまうし、入射される信号光の偏波方向によって
増幅器の増幅率及び吸収変調器の吸収係数が異なるとい
った問題を抱えている。

【０００８】また、この種の回路マトリックスは各ゲー
ト素子に電極が多く設けられているため、制御系が複雑
になりやすい。加えて、スイッチを動作させるためには
高周波コネクタを接続しなくてはならないので、コネク
タ接続用の取出し電極を数多く設けなくてはならない等
の問題点があった。

【０００９】さらに、ｎ×ｎ光マトリックススイッチは
多数の光ファイバ入射端を持つことから、光ファイバア
レイ素子等との接続を行わなればならない。しかし、光
回路を構成する光導波路構造は、そのほとんどが通常の
サイズの埋め込み型構造か、ストリップ装荷型導波路構
造、或いはリッジ型構造であるため、光ファイバとの結
合に際して損失や散乱が多く、各接続点における結合効
率が変動してしまう。このため、光回路を通過する光出
力が入射ポートによって異なる等の問題点があり、良好
な素子特性を得ることができず、光ファイバとの結合を
前提とした半導体光マトリックススイッチはその回路構
成が非常に難しかった。

【００１０】本発明の目的は上記の問題点に鑑み、信号
光の消光特性の劣化を低減すると共に、信号光の偏波方
向に依存しない半導体光マトリックススイッチを提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、請求項１では、半導体基板上に形成さ
れ、第１の光入射端に続く第１の分岐回路により第１の
光導波路及び第２の光導波路に分岐し、第２の光入射端
に続く第２の分岐回路により第３の光導波路及び第４の
光導波路に分岐し、前記第１の光導波路と第３の光導波
路が第１の合波回路により合波して第１の光出射端に連
なり、前記第２の光導波路と第４の光導波路が第２の合
波回路により合波し第２の光出射端に連なると共に、前
記第１乃至第４の各光導波路にスイッチ部が介在されて
なる２×２の半導体光マトリックススイッチにおいて、
前記第１及び第２の分岐回路の前段に配置された複数の
半導体増幅器を設けると共に、前記スイッチ部として吸
収型変調器を用いた半導体マトリックススイッチを提案
する。

【００１２】また、請求項２では、請求項１記載の半導
体マトリックススイッチにおいて、前記半導体基板上に
形成され前記光入射端と前記半導体増幅器とを連結する
モードサイズ変換用の光導波路を設けると共に、該光導
波路の幅を前記光入射端に向ってテーパ状に狭く形成し
た半導体光マトリックススイッチを提案する。

【００１３】また、請求項３では、請求項２記載の半導
体マトリックススイッチにおいて、前記モードサイズ変
換用の光導波路の導波路コア層は導波路ガイド層の幅の
みを狭くした横幅テーパ構造とＩｎＧａＡｓＰエッチン
グストップ層によって構成される半導体光マトリックス
スイッチを提案する。

【００１４】また、請求項４では、請求項１、２又は３
記載の半導体マトリックススイッチにおいて、前記半導
体増幅器の活性層が光導波路コア層の上部に積層されて
形成され、該活性層の幅が入射端と出射端の両方に向っ
てテーパ状に狭く形成されている半導体光マトリックス
スイッチを提案する。

【００１５】また、請求項５では、請求項１，２，３又
は４記載の半導体マトリックススイッチにおいて、前記
第１の導波路と第４の導波路に配置された吸収型変調器
の電極を共通とし、前記第２の導波路と第３の導波路に
配置された吸収型変調器の電極を共通とした半導体マト
リックススイッチを提案する。

【００１６】さらに、請求項６では、請求項１、２、
３、４又は５に記載の２×２の半導体光マトリックスス
イッチを多段に接続してなるｎ×ｎの半導体光マトリッ
クススイッチを提案する。

【００１７】

【作用】本発明の請求項１によれば、第１及び第２の分
岐回路のそれぞれの前段に半導体増幅器が設けられると
共に、スイッチ部として吸収型変調器が用いられるの
で、分岐・合波による損失が前記半導体増幅器によって
補われると共に、増幅による信号光のＳ／Ｎ比の低下が
低減される。即ち、回路内損失により信号光強度が低下
してから増幅したのでは、半導体増幅器から放射される
ショットノイズ、自然放出光ノイズ等のノイズが信号光
に加わり、これらのノイズに信号光が隠れる割合が増え
てしまうが、信号光に損失を与える以前に増幅を行って
いるので、前記ノイズに信号光が隠れる割合が低減され
る。さらに、例えば前記吸収型光変調器にバルクのＩｎ
ＧａＡｓＰ素材を吸収層として用い、フランツ−ケルデ
ィッシュ効果によって吸収変調することで、偏波方向に
よる吸収効率の変化が低減される。

【００１８】また、請求項２によれば、半導体基板上に
光入射端と前記半導体増幅器とを連結するモードサイズ
変換用の光導波路が設けられると共に、該光導波路の幅
は前記光入射端に向ってテーパ状に狭く形成される。こ
れにより、光入射端における結合散乱光成分が低減され
る。

【００１９】また、請求項３によれば、前記モードサイ
ズ変換用の光導波路の導波路コア層は導波路ガイド層の
幅のみを狭くした横幅テーパ構造と例えば素子製作の段
階で形成されるＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層に
よって構成され、前記エッチングストップ層が前記モー
ドサイズ変換用の光導波路の一部に取り入れられるの
で、クラッド層となる前記エッチングストップ層等の屈
折率制御を行う必要がなくなる。

【００２０】また、請求項４によれば、前記半導体増幅
器の活性層が光導波路コア層の上部に積層されて形成さ
れた装荷型とされ、該活性層の幅が入射端と出射端の両
方に向ってテーパ状に狭く形成される。これにより、再
現性の低い再成長を利用した付き合わせ型を用いる必要
がなく、広い面積に亙り、光結合率、利得等の素子間の
バラツキを小さくできると共に、前記活性層と光導波路
コア層との結合率が増加して伝搬損失が低減され、基板
からの放出光成分が低減される。

【００２１】また、請求項５によれば、第１の導波路と
第４の導波路に配置された吸収型変調器の電極が共通と
され、第２の導波路と第３の導波路に配置された吸収型
変調器の電極が共通とされるので、電極数が従来と比べ
て半減される。

【００２２】また、請求項６によれば、請求項１、２、
３、４又は５に記載の２×２の半導体光マトリックスス
イッチが多段に接続されてｎ×ｎの半導体光マトリック
ススイッチが構成される。

【００２３】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。図１は、一実施例の２×２の半導体光マトリッ
クススイッチを示す構成図であり、本構成の光マトリッ
クススイッチを多段に接続することにより、図２に示す
ｎ×ｎの光マトリックススイッチを容易に構成すること
ができる。

【００２４】図１において、１は２×２の半導体光マト
リックススイッチ（以下、マトリックススイッチと称す
る）で、光ファイバ結合用のモードサイズ変換導波路
（以下、変換導波路と称する）１１ａ，１１ｂ、半導体
増幅器１２ａ，１２ｂ、分岐導波路１３ａ，１３ｂ、吸
収型光変調器（以下、光変調器と称する）１４ａ〜１４
ｄ、合波導波路１５ａ，１５ｂから構成されている。

【００２５】半導体増幅器１２ａは一方の変換導波路１
１ａの出射端と分岐導波路１３ａの入力端との間に介在
され、半導体増幅器１２ｂは他方の変換導波路１１ｂの
出射端と分岐導波路１３ｂの入力端との間に介在されて
いる。

【００２６】また、分岐導波路１３ａの一方の出射端と
合波導波路１５ａの一方の入射端は光導波路１６ａによ
って接続され、分岐導波路１３ｂの一方の出射端と合波
導波路１５ｂの一方の入射端は光導波路１６ｂによって
接続されている。さらに、分岐導波路１３ａの他方の出
射端と合波導波路１５ｂの他方の入射端は光導波路１６
ｃによって接続され、分岐導波路１３ｂの他方の出射端
と合波導波路１５ａの他方の入射端は光導波路１６ｄに
よって接続されている。また、各光導波路１６ａ〜１６
ｄには光変調器１４ａ〜１４ｄが介在して設けられてい
る。

【００２７】前述した構成よりなるマトリックススイッ
チにおける動作は、一方の変換導波路１１ａ側から入射
する信号光Ｉ１が変換導波路１１ａにより半導体増幅器
１２ａに結合され、半導体増幅器１２ａによって約１０
ｄＢ増幅されて分岐導波路１３ａに伝搬される。分岐導
波路１３ａでは、信号光Ｉ１を光導波路１６ａと光導波
路１６ｃにそれぞれ５０％ずつ光強度を分配し、光変調
器１４ａ及び１４ｃに入射する。

【００２８】また、他方の変換導波路１１ｂ側から入射
された信号光Ｉ２は、同様に変換導波路１１ｂ、半導体
増幅器１２ｂを経て、分岐導波路１３ｂに至り、該分岐
導波路１３ｂで光導波路１６ｂ及び１６ｄに光強度を２
分して伝搬され、分波光はそれぞれ光変調器１４ｂ、１
４ｄに入射される。

【００２９】通常、光変調器１４ａと１４ｂの電極を同
一にし、また光変調器１４ｃと１４ｄの電極を同一に構
成することにより、信号光（入射光）Ｉ１，Ｉ２の光伝
送路の切替えにおいて同期反転動作を簡単に行うことが
できる。即ち、信号光Ｉ１，Ｉ２は光変調器１４ａ及び
１４ｂがオン状態で且つ光変調器１４ｃ及び１４ｄがオ
フ状態のときに、それぞれ光導波路１６ａ，１６ｂを伝
搬し、合波導波路１５ａ，１５ｂを経てそれぞれ出射光
Ｏ１，Ｏ２となる。

【００３０】また、光変調器１４ａ及び１４ｂがオフ状
態で且つ光変調器１４ｃ，１４ｄがオン状態のときに、
信号光Ｉ１は光導波路１６ｃを伝搬して合波導波路部１
５ｂに至り、出射光Ｏ２として出射する。さらに、信号
光Ｉ２は光導波路１６ｄを伝搬して合波導波路１５ａに
至り、出射光Ｏ１として出射する。これにより、２×２
のスイッチング動作を行うことができる。

【００３１】このとき、信号光Ｉ１，Ｉ２は分岐導波路
１３ａ，１３ｂにおいて５０％の光を失い、再び、合波
導波路１５ａ，１５ｂでも５０％の光を失う。このた
め、信号光を損失なく光マトリックススイッチ内を通過
させるために、回路内に集積した半導体増幅器１３ａ，
１３ｂは６ｄＢ以上の増幅率に設定されている。

【００３２】次に、前述した光マトリックススイッチ素
子の構造及び製作方法について説明する。図３は２×２
の光マトリックススイッチ素子の鳥瞰図である。図にお
いて、２０は光マトリックススイッチ素子本体（以下、
素子本体と称する）で、モードサイズ変換導波路領域２
１ａ，２１ｂ、増幅器領域２２ａ，２２ｂ、分岐導波路
領域２３ａ，２３ｂ、吸収型光変調器領域（以下、変調
器領域と称する）２４ａ〜２４ｄ、合波導波路領域２５
ａ，２５ｂ、出射導波路領域２６ａ，２６ｂから構成さ
れている。

【００３３】以下、それぞれの工程における素子構成を
図４乃至図１６の概略構成図に示し、これらに基づいて
製作方法を説明する。まず、素子製作に当たっては、図
４に示すようにｎ型半導体基板３０１の上面に、半導体
基板３０１よりもドーピング濃度の低いｎ型のＩｎＰ層
３０２、吸収層及び導波路層となるＩｎＧａＡｓＰ
（１．４２μｍ組成）層３０３、ＩｎＰエッチングスト
ップ層３０４、ＩｎＧａＡｓＰ（１．５５μｍ組成）活
性層又は引っ張り歪み量子井戸構造の活性層３０５、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ組成）のガイド層３０６、ｐ
型のＩｎＰ層３０７を、記述の順に有機金属気相成長法
（以下、ＭＯＶＰＥ法と称する）によって成長させる。
続いて、半導体増幅器１２ａ，１２ｂとなる領域の上部
にマグネトロンスパッタ法により形成した酸化硅素膜３
０８をエッチングマスクとして配置する。

【００３４】次に、図５に示すように、酸化硅素膜３０
８をマスクにして、その他の領域をドライエッチング、
又は塩酸系或いは硫酸系のウエットエッチングを交互に
行うことによってＩｎＰエッチングストップ層３０４の
上部まで、活性層３０５、ガイド層３０６、ＩｎＰ層３
０７をエッチングする。このときＩｎＰエッチングスト
ップ層３０４、活性層３０５及びガイド層３０６は、図
６に示すように光の伝搬方向に３００μｍに亙って横幅
のみをテーパ構造にした形状にする。

【００３５】次いで、図７に示すように、モードサイズ
変換導波路領域２１ａ，２１ｂにのみ光入射位置に向か
って幅が２μｍから０．３μｍへと狭くなるようにレジ
ストによりパターニングし、ドライエッチングによっ
て、ＩｎＧａＡｓＰ層３０３、ＩｎＰエッチングストッ
プ層３０４、及びＩｎＰ層３０２の一部までエッチング
する。続いて、レジストパターンを完全に除去した後、
図８に示すように、ノンドープＩｎＰ層３０９と０．０
５μｍ厚の薄いＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ組成）エッ
チングストップ層３１０並びに半絶縁ＩｎＰ（鉄イオン
ドープ）層３１１を記述の順に成長させる。

【００３６】この成長では酸化硅素膜３０８を選択成長
マスクとして用いることができるため、図８に示すよう
に増幅器領域２２ａ，２２ｂには、ノンドープＩｎＰ層
３０９、エッチングストップ層３１０及び半絶縁ＩｎＰ
層３１１は成長されない。続いて、図９に示すように、
レジストマスクを用いて、ゲート素子となる変調器領域
２４ａ〜２４ｄを幅１０μｍ、長さ３００μｍに亙り、
塩酸：リン酸溶液によりエッチングする。この状態にお
けるひとつの光導波路に沿った断面構造を図１０に示
す。

【００３７】図９に示した工程におけるエッチングによ
り変調器領域２４ａ〜２４ｄにおける半絶縁ＩｎＰ層３
１１がエッチングされ、エッチングストップ層３１０に
よってエッチングが止められている。このエッチング溶
液はＩｎＰは溶かすが、ＩｎＧａＡｓＰは溶かすことが
ないため、エッチングストップ層３１０によってエッチ
ングを止めることができる。

【００３８】次に、変調器領域２４ａ〜２４ｄにおいて
表面に現れたエッチングストップ層３１０を硫酸と過酸
化水素と水の混合液で除去し、続いて、増幅器領域２２
ａ，２２ｂの酸化硅素膜３０８をフッ酸で除去した後、
図１１に示すように、ｐ型のＩｎＰ層３１２とｐ型のＩ
ｎＧａＡｓＰ層３１３を記述の順に成長させる。

【００３９】この後、増幅器領域２２ａ，２２ｂ及び変
調器領域２４ａ〜２４ｄのみにＩｎＧａＡｓＰ層３１３
を残し、他の領域のＩｎＧａＡｓＰ層３１３を除去す
る。ＩｎＧａＡｓＰ層３１３を除去した後、図１２に示
すように、酸化硅素膜３１４をマスクにして、モードサ
イズ変換導波路領域２１ａ，２１ｂはメサ幅１５μｍ、
他の導波路回路領域は幅２μｍでメサ型のエッチングを
行いＩｎＰ層３１２を除去する。

【００４０】最後にモードサイズ変換導波路領域２１
ａ，２１ｂ以外の領域を、メサ構造を中心にしてメサの
両脇を幅５μｍでエッチングして溝を形成し、図３に示
すような構造となし、このメサの両脇の溝をポリイミド
によって埋める。さらに、電極パッドを形成すると共に
電極分離を行い、半導体基板３０１の下面を研磨し、下
面全体にＡｕＧｅＮｉとＡｕからなる電極を形成するこ
とで素子を完成する。

【００４１】このときの光の入射方向から見た素子断面
構造を図１３乃至図１４に示す。図１３はモードサイズ
変換導波路領域２１ａ，２１ｂの断面図、図１４は導波
路断面図、図１５は変調器領域２４ａ〜２４ｄの断面
図、図１６は増幅器領域２２ａ，２２ｂの断面図であ
る。これらの図において、３１５はポリイミドであり、
３１６は金属電極である。

【００４２】光マトリックススイッチ内に半導体増幅器
１２ａ，１２ｂを集積する位置は、(a) 本実施例に示す
ような分岐導波路１３ａ，１３ｂの前段とする場合の他
に、(b) 光変調器１４ａ〜１４ｄの後段に設ける場合
と、(c) 合波導波路１５ａ，１５ｂの後段に設ける場合
が考えられる。図１７は、これら３種の位置に半導体増
幅器１２ａ，１２ｂを集積して設けた場合におけるそれ
ぞれの出射信号光（方形パルス形状）の光強度を実験に
よって求めた結果を示している。図において、横軸は時
間を表し、縦軸は光強度を表している。

【００４３】ここで、各場合における半導体増幅器１２
ａ，１２ｂの増幅率は同一値に設定し、導波路損失（分
岐、合波以外の吸収散乱損失）はそれぞれの場合におい
て一様とした。この実験結果から、半導体増幅器１２
ａ，１２ｂの増幅率が同一であるにもかかわらず、本実
施例の場合、即ち分岐導波路１３ａ，１３ｂの前段に半
導体増幅器１２ａ，１２ｂを集積して設けた場合が、信
号光のＳ／Ｎ比が最も良好であることがわかる。これ
は、回路内損失により、信号光強度が低下するにもかか
わらず、各増幅器１２ａ，１２ｂから、ショットノイ
ズ、自然放出光ノイズ等のノイズが一定量必ず加わるた
めであり、信号光の強度が低下してから増幅したので
は、これらのノイズに信号光が隠れる割合が増えること
を意味している。

【００４４】この結果から、本実施例による分岐導波路
１３ａ，１３ｂの前段に半導体増幅器１２ａ，１２ｂを
集積して設ける回路構成は、光マトリックススイッチ素
子内部における信号光Ｓ／Ｎ比の向上に、効果があるこ
とがわかる。また、この効果は、図２に示したｎ×ｎ光
マトリックススイッチにおいて信号光入射端に配置され
た２×２の光マトリックススイッチ１に限られる効果で
はない。入射端の光マトリックススイッチ１に続く後段
の光マトリックススイッチの接続段数は、前述した理由
による信号光Ｓ／Ｎ比低下のために制限されるが、本実
施例の位置に半導体増幅器を集積して設けた場合、約１
段分のＳ／Ｎ比の低下が低減できるため接続段数を拡大
することができる。このことは、光マトリックススイッ
チの構成上、非常に大きな効果である。

【００４５】また、導波路層の上部に積層構造で集積す
る半導体増幅器１２ａ，１２ｂの活性層３０５及びガイ
ド層３０６は、前述したように光の伝搬方向に沿って横
幅を狭くするテーパ構造を取り入れているので、活性層
３０５と該活性層３０５の下側に位置する光導波路との
結合率が増加して光の伝搬損失が低減されるため、従来
に比べて基板放出光成分を大幅に低減することができ
る。

【００４６】図１８は、本実施例のテーパ構造を取り入
れた積層構造（図１８の(a) ）と、従来のテーパ構造を
取り入れていない積層構造（図１８の(b) ）のそれぞれ
における光伝搬状況を比較し、その測定結果を図示した
ものである。この測定結果から、従来構造に比べ、本実
施例の構造では基板放出光成分が５％以下に低減されて
いることがわかる。この結果は、本実施例の構造を適用
することにより、光マトリックススイッチにおいて隣接
する他の光導波路へのクロストークノイズを低減できる
と共に、光変調器による消光比も３ｄＢ程度改善できる
ことを意味している。

【００４７】加えて、本実施例による、光マトリックス
スイッチのファイバ入射端に集積形成されたモードサイ
ズ変換導波路の構造は、図１３に示したようにエッチン
グストップ層３１０をモードサイズ変換導波路構造の一
部に取り入れることによって、クラッド層となるエッチ
ングストップ層３１０やＩｎＰ層３０２のバッファ層へ
の屈折率制御を行う必要がないので、素子製作工程が簡
略化でき、かつ高いファイバ結合特性を維持することが
できる。さらに、本願出願人が提案している半導体光デ
バイス（特願平５−１６２９８０号）よりも、各層のサ
イズ依存性を抑制でき、良好な特性を得ることができ
る。

【００４８】実際に製作した素子において、集積した増
幅器を光受光器として使い、各ファイバ入射端から通常
のフラットエンドファイバを用いて、入射する信号光を
光電流に変換する測定を行った結果を図１９に示す。図
において、(a) は増幅器領域２４ａによって構成される
増幅器１４ａからの出力を表し、(b) は増幅器領域２４
ｂによって構成される増幅器１４ｂからの出力を表して
いる。各ファイバ入射端から１ｍＷの光を入射したと
き、各ファイバ入射端から入射した光は、ほぼ一様に約
０．８ｍＡの光電流として観測できた。この値は、半導
体増幅器１２ａ，１２ｂの光電子変換効率を１００％と
仮定すると、ファイバ入射端における結合損失と半導体
増幅器１２ａ，１２ｂに至るまでの結合損失及び伝搬損
失の和が約２ｄＢ程度であり、各入射端とも安定した結
合効率を有していることを示しており、従来の技術とほ
ぼ同様の結合効率を高い再現性をもって実現できること
がわかる。

【００４９】また、本実施例における光マトリックスス
イッチは、光変調器１４ａと１４ｂの電極を同一とし、
さらに光変調器１４ｃと１４ｄの電極を同一としたの
で、スイッチ素子のマトリックス規模が拡大した場合
に、電極取り出しポート数を従来の１／２に削減できる
ばかりか、光変調器の制御を非常に単純化することがで
きる。

【００５０】このような電極構成によって、１電極あた
りの素子静電容量は、各光変調器の電極を個別に制御す
る単電極デバイスの容量に対して約２倍になるが、電極
パッドをポリイミド及び厚い半絶縁性のＩｎＰ層の上に
設けるため、静電容量は約０．６ｐＦに低減されてい
る。この結果から、本素子がもつ高速動作特性（周波数
特性）又はスイッチング特性としては、高周波遮断周波
によって表現すると（Δｆ＝１／πＣＲ）、約１０ＧＨ
ｚの高周波帯域を確保することができる。

【００５１】また、これら二組の光変調器の動作電圧
は、例えば使用光波長を１．５２μｍとした場合、光変
調器１４ａ，１４ｂが５Ｖ、交差導波路上の光変調器１
４ｃ，１４ｄが４．８Ｖであった。

【００５２】最後に、半導体増幅器１２ａ，１２ｂの入
射光の偏波依存性を測定した結果を図２０に示す。図２
０は、１ｍＷのＴＥモード光とＴＭモード光における半
導体増幅器１２ａ，１２ｂへの注入電流と出力光の利得
との関係を示し、横軸は注入電流を、また縦軸は利得を
それぞれ表している。ここでは、半導体増幅器１２ａ，
１２ｂの活性層に引っ張り歪みの多重量子井戸構造を用
いた場合の測定結果を示している。この測定結果から、
注入電流が４０ｍＡから９０ｍＡの間のとき、ＴＥ，Ｔ
Ｍの偏波依存性がなくなることがわかった。また、変調
器動作への偏波依存性はなく、ＴＥモードの光信号での
スイッチング電圧と、ＴＭモードの光信号でのスイッチ
ング電圧には変化がなく、同様にスイッチングすること
ができた。

【００５３】これらのことから、本実施例による半導体
増幅器１２ａ，１２ｂの活性層を吸収層３０３及び導波
路ガイド層の上に積層構造で集積し、光回路内の導波路
層を光変調器１４ａ〜１４ｄの吸収層として用い、さら
にその動作をバルク材料のファランツ−ケルディッシュ
効果によって行うという方法を組み合わせることによ
て、光マトリックススイッチの動作を偏波無依存化する
ことができることがわかる。

【００５４】前述したように本実施例によれば、光入射
端にファイバ結合用のモードサイズ変換導波路１１ａ，
１１ｂを配置し、光入射端における結合散乱光の成分を
低減すると共に各入射ポートでの結合特性差をなくし、
分岐導波路１３ａ，１３ｂの前段に半導体増幅器１２
ａ，１２ｂを配置することで、半導体増幅器１２ａ，１
２ｂによる信号光のＳ／Ｎ比の低下を低減することがで
きた。

【００５５】また、半導体増幅器１２ａ，１２ｂには引
っ張り歪み量子井戸構造を用い、入射偏波方向による利
得変動を低減することができた。さらに、２つの光変調
器の電極を単電極化したので、制御系を単純化すること
ができた。さらにまた、半導体増幅器１２ａ，１２ｂの
活性層を、装荷型としたため、広い面積で、光結合、利
得等の素子間バラツキの少ない、均一なデバイス製作が
できた。

【００５６】この結果、方向性結合器や従来のゲートマ
トリックス素子の構成では実現が難しかった実用的な偏
波依存性の無いｎ×ｎ半導体マトリックススイッチを容
易に提供することができる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
よれば、分岐・合波による損失が前記半導体増幅器によ
って補われ、増幅による信号光のＳ／Ｎ比の低下が低減
されると共に、偏波方向による吸収効率の変化が低減さ
れるので、偏波方向に依存することのない良好なＳ／Ｎ
比を有する半導体光マトリックススイッチを得ることが
できる。

【００５８】また、請求項２によれば、上記の効果に加
えて、光入射端における結合散乱光成分が低減されるの
で、各入射ポートでの結合特性差が低減される。

【００５９】また、請求項３によれば、上記の効果に加
えて、クラッド層となる前記エッチングストップ層等の
屈折率制御を行う必要がなくなるので、素子の製作工程
が簡略化できると共に、高いファイバ結合特性を維持す
ることができる。

【００６０】また、請求項４によれば、上記の効果に加
えて、広い面積に亙り、光結合率、利得等の素子間のバ
ラツキを小さくできるので、均一なデバイスを製作でき
ると共に、半導体増幅器の活性層と光導波路コア層との
結合率が増加して伝搬損失が低減され、基板からの放出
光成分が低減されるので、隣接する光導波路間のクロス
トークノイズを低減でき、Ｓ／Ｎ比を向上させることが
できる。

【００６１】また、請求項５によれば、上記の効果に加
えて、電極数が従来と比べて半減されるので、制御系を
単純化することができる。

【００６２】また、請求項６によれば、実用的な偏波依
存性の無いｎ×ｎ半導体マトリックススイッチを容易に
構成することができるという非常に優れた効果を奏する
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における２×２半導体光マト
リックススイッチを示す構成図

【図２】ｎ×ｎの光マトリックススイッチを示す構成図

【図３】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素子
本体を示す鳥瞰図

【図４】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素子
の製作方法を説明する図

【図５】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素子
の製作方法を説明する図

【図６】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素子
の製作方法を説明する図

【図７】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素子
の製作方法を説明する図

【図８】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素子
の製作方法を説明する図

【図９】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素子
の製作方法を説明する図

【図１０】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素
子の製作方法を説明する図

【図１１】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素
子の製作方法を説明する図

【図１２】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素
子の製作方法を説明する図

【図１３】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素
子の製作方法を説明する図

【図１４】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素
子の製作方法を説明する図

【図１５】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素
子の製作方法を説明する図

【図１６】一実施例の半導体光マトリックススイッチ素
子の製作方法を説明する図

【図１７】半導体増幅器の位置の違いによるＳ／Ｎ比を
比較する図

【図１８】半導体増幅器領域の光の伝搬を示す図

【図１９】一実施例におけるテーパ加工した半導体増幅
器の光結合状態を示す図

【図２０】一実施例における半導体増幅器の入射光偏波
依存性を示す図

【符号の説明】

１…２×２の半導体光マトリックススイッチ、１１ａ，
１１ｂ…モードサイズ変換導波路、１２ａ，１２ｂ…半
導体増幅器、１３ａ，１３ｂ…分岐導波路、１４ａ〜１
４ｄ…吸収型光変調器、１５ａ，１５ｂ…合波導波路、
１６ａ〜１６ｄ…光導波路、２０…光マトリックススイ
ッチ素子本体、２１ａ，２１ｂ…モードサイズ変換導波
路領域、２２ａ，２２ｂ…増幅器領域、２３ａ，２３ｂ
…分岐導波路領域、２４ａ〜２４ｄ…吸収型光変調器領
域、２５ａ，２５ｂ…合波導波路領域、２６ａ，２６ｂ
…出射導波路領域、３０１…ｎ型半導体基板、３０２…
ｎ型ＩｎＰ層、３０３…ＩｎＧａＡｓＰ層、３０４…Ｉ
ｎＰエッチングストップ層、３０５…活性層、３０６…
ガイド層、３０７…ｐ型ＩｎＰ層、３０８…酸化硅素
膜、３０９…ノンドープＩｎＰ層、３１０…ＩｎＧａＡ
ｓＰエッチングストップ層、３１１…半絶縁ＩｎＰ層、
３１２…ｐ型ＩｎＰ層、３１３…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
層、３１５…ポリイミド、３１６…金属電極。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成され、第１の光入射
   端に続く第１の分岐回路により第１の光導波路及び第２
   の光導波路に分岐し、第２の光入射端に続く第２の分岐
   回路により第３の光導波路及び第４の光導波路に分岐
   し、前記第１の光導波路と第３の光導波路が第１の合波
   回路により合波して第１の光出射端に連なり、前記第２
   の光導波路と第４の光導波路が第２の合波回路により合
   波し第２の光出射端に連なると共に、前記第１乃至第４
   の各光導波路にスイッチ部が介在されてなる２×２の半
   導体光マトリックススイッチにおいて、 前記第１及び第２の分岐回路の前段に配置された複数の
   半導体増幅器を設けると共に、 前記スイッチ部として吸収型変調器を用いたことを特徴
   とする半導体マトリックススイッチ。
2. 【請求項２】 前記半導体基板上に形成され前記光入射
   端と前記半導体増幅器とを連結するモードサイズ変換用
   の光導波路を設けると共に、該光導波路の幅を前記光入
   射端に向ってテーパ状に狭く形成したことを特徴とする
   請求項１記載の半導体光マトリックススイッチ。
3. 【請求項３】 前記モードサイズ変換用の光導波路の導
   波路コア層は導波路ガイド層の幅のみを狭くした横幅テ
   ーパ構造とＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層によっ
   て構成されることを特徴とする請求項２記載の半導体光
   マトリックススイッチ。
4. 【請求項４】 前記半導体増幅器の活性層が光導波路コ
   ア層の上部に積層されて形成され、該活性層の幅が入射
   端と出射端の両方に向ってテーパ状に狭く形成されてい
   ることを特徴とする請求項１，２又は３記載の半導体光
   マトリックススイッチ。
5. 【請求項５】 前記第１の導波路と第４の導波路に配置
   された吸収型変調器の電極を共通とし、前記第２の導波
   路と第３の導波路に配置された吸収型変調器の電極を共
   通としたことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載
   の半導体マトリックススイッチ。
6. 【請求項６】 請求項１、２、３、４又は５に記載の２
   ×２の半導体光マトリックススイッチを多段に接続して
   なるｎ×ｎの半導体光マトリックススイッチ。