JPH07183483A - Light switch array - Google Patents

Light switch array

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JPH07183483A
JPH07183483A JP32836093A JP32836093A JPH07183483A JP H07183483 A JPH07183483 A JP H07183483A JP 32836093 A JP32836093 A JP 32836093A JP 32836093 A JP32836093 A JP 32836093A JP H07183483 A JPH07183483 A JP H07183483A
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gaas
light
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optical switch
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慎治 松尾
Takashi Kurokawa
隆志 黒川
Tatsushi Nakahara
達志 中原
Seiji Fukushima
誠治 福島
Taketaka Kohama
剛孝 小濱
Yoshitaka Ooiso
義孝 大礒
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Abstract

PURPOSE:To realize a light switch array of large quenching ratio and rapid response velocity by constituting a light switch comprised of a photosensitive part, an amplification part and an output part formed of a vertical resonator type surface light emitting laser monolithically on a substrate. CONSTITUTION:A layer comprised of an i-GaAs optical absorption layer 102, an n<->-GaAs channel layer 103 and an n<+>-GaAs contact layer 104 is formed on a semiinsulation GaAs substrate 101 as a photosensitive part and an amplification part. Furthermore, a layer comprised of a surface light emission layer including an InGaP layer 105 as an etching stop layer, an n-DBR layer 106 constituted by forming 30 periods of n-AlAs/n-AlGaAs alternately as a light modulation part, an i-AlGaAs active layer 107, a p-DBR layer 108 constituted by forming 25 periods of P-AlAs/p-AlGaAs alternately is formed by molecular beam epitaxy. The formed wafer is processed and a light switch is prepared.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光信号により駆動およ
び制御される光スイッチアレイに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical switch array driven and controlled by an optical signal.

【0002】[0002]

【従来の技術】光スイッチアレイは光信号処理や光情報
処理のキーデバイスとしてその開発が非常に望まれてい
る。従来、この種の素子としては、例えば文献(IEE
E PHOTONICS TECHNOLOGY LE
TTERS 1巻、62頁(1989))にみられるよ
うに、フォトダイオードと負荷抵抗および定電圧源から
なる受光部、FETからなる増幅部、多重量子井戸(M
QW)pin型光変調器からなる光変調部により構成さ
れ、フォトダイオードに入射する弱い入力光で、MQW
−pin型光変調器に照射された光の透過光強度を変化
させる機能を持つ「フィールド・エフェクト・トランジ
スタ・シード(FET−SEED)」と呼ばれる素子が
提案されている。この素子では、量子閉じ込めシュタル
ク効果により、一定強度でバイアスされた光の透過光強
度をそれと同一波長の入力光により制御することができ
る。その構成と特性を図15を参照して説明する。
2. Description of the Related Art The development of an optical switch array as a key device for optical signal processing and optical information processing is highly desired. Conventionally, as an element of this type, for example, a document (IEEE)
E PHOTONICS TECHNOLOGY LE
TTERS, Vol. 1, p. 62 (1989)), a photodetector consisting of a photodiode, a load resistor and a constant voltage source, an amplifying part consisting of an FET, a multiple quantum well (M
QW) pin type optical modulator, which is an optical modulator,
An element called "field effect transistor seed (FET-SEED)" having a function of changing the transmitted light intensity of the light applied to the -pin type optical modulator has been proposed. In this element, the transmitted light intensity of the light biased at a constant intensity can be controlled by the input light having the same wavelength as the quantum confined Stark effect. The configuration and characteristics will be described with reference to FIG.

【0003】p−GaAs基板上にp−AlGaAs
層、i−MQW層、n- −GaAs層およびn+ −Ga
Asの順に積層されたエピタキシャル基板を図15
(A)のように加工してある。FETは右側のMQW−
pin構造の内、n- −GaAs層をチャネルとして用
いている。いま、左側のMQW−pin構造に入射され
る光を入力光、右側のMQW−pin構造に入射される
光をバイアス光、その透過光を出力光とすると、図15
(B)に示す特性が現われる。
P-AlGaAs on a p-GaAs substrate
Layer, i-MQW layer, n -- GaAs layer and n + -Ga layer
FIG. 15 shows an epitaxial substrate laminated in the order of As.
It is processed as shown in (A). FET is MQW- on the right side
In the pin structure, the n -GaAs layer is used as a channel. Now, assuming that the light incident on the left MQW-pin structure is the input light, the light incident on the right MQW-pin structure is the bias light, and the transmitted light thereof is the output light, FIG.
The characteristic shown in (B) appears.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の素子
では、次の問題点があった。
However, the above-mentioned device has the following problems.

【0005】第一に、光変調部としてMQW−pinダ
イオードを用いているため消光比が低く、かつ、損失が
大きい。
First, since the MQW-pin diode is used as the light modulator, the extinction ratio is low and the loss is large.

【0006】第二に、光変調部にはバイアス光を入射す
る必要があるので光学系が複雑になる。
Secondly, since it is necessary to enter bias light into the light modulator, the optical system becomes complicated.

【0007】第三に、光変調部の動作電圧が10V程度
と大きいため、応答速度が遅い。
Thirdly, since the operating voltage of the light modulator is as large as about 10V, the response speed is slow.

【0008】第四に、量子閉じ込めシュタルク効果を用
いた光変調部は動作波長の範囲が数nmに制限され、さ
らに熱等により光変調部の動作波長が変動するためバイ
アス光源への波長の制限が厳しい。
Fourthly, the operating wavelength range of the optical modulator using the quantum confined Stark effect is limited to several nm, and the operating wavelength of the optical modulator fluctuates due to heat or the like, so that the wavelength of the bias light source is limited. Is tough.

【0009】本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
消光比が大きく、高速な応答速度を有する光スイッチア
レイを実現することにある。
The object of the present invention is to solve the above problems,
It is to realize an optical switch array having a large extinction ratio and a high response speed.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

1)本発明の光スイッチアレイは、入力信号を電気信号
に変換する受光部と、その電気信号を増幅する増幅部
と、その増幅された電気信号により出力光を発振する垂
直共振器型面発光レーザからなる出力部とから成る光ス
イッチが、モノリシックに基板上に構成されていること
を特徴とする。
1) The optical switch array of the present invention includes a light receiving section for converting an input signal into an electric signal, an amplifying section for amplifying the electric signal, and a vertical cavity surface emitting device for oscillating output light by the amplified electric signal. An optical switch composed of an output section composed of a laser is monolithically formed on the substrate.

【0011】2)さらに、本発明の光スイッチアレイ
は、上記1)記載の素子において、受光部がMSM(M
etal−Semiconductor−Metal)
フォトダイオードあるいはフォトコンダクタからなるこ
とを特徴とする。
2) Further, in the optical switch array of the present invention, in the element described in 1) above, the light receiving portion is MSM (M
etal-Semiconductor-Metal)
It is characterized by comprising a photodiode or a photoconductor.

【0012】3)また、本発明の光スイッチアレイは、
上記1)記載の素子において、受光部が複数の受光素子
からなることを特徴とする。
3) Further, the optical switch array of the present invention comprises:
The element described in 1) above is characterized in that the light receiving portion is composed of a plurality of light receiving elements.

【0013】[0013]

【作用】上述のような課題を解決するために本発明で
は、前述の問題点が以下のように解決されている。
In order to solve the above problems, the present invention solves the above problems as follows.

【0014】すなわち、本発明による光スイッチアレイ
では、光変調部として面発光レーザ(SELD)を用い
ているため高コントラストが得られる。また、動作電圧
も2V程度で充分であるので高速動作が実現できる。ま
た、本素子にはバイアス光が必要なく、入力用の光源の
みで動作するため、光源の波長に制限が少なく、加えて
光学系が簡単になる。さらに、本素子を多段に構成して
前段からの出力光を入力光とするような光接続を行って
光インターコネクション等の処理を行う場合、SELD
は、発振波長が膜厚の揺らぎに対して非常に敏感であ
り、制御が難しいが、受光部としてpinダイオード、
MSMフォトダイオード等を用いれば100nm以上の
広範囲の波長でほぼ均一な光感度を得られるため、前段
のSELDの発振波長に制限がなくなり、多段化に有利
であるという特徴も持つ。
That is, in the optical switch array according to the present invention, since the surface emitting laser (SELD) is used as the optical modulator, high contrast can be obtained. Further, since an operating voltage of about 2V is sufficient, high speed operation can be realized. Further, since this element does not require bias light and operates only with a light source for input, the wavelength of the light source is not limited, and the optical system is simplified. In addition, when the present device is configured in multiple stages and the optical connection such that the output light from the previous stage is used as the input light is performed to perform processing such as optical interconnection, SELD
Is difficult to control because the oscillation wavelength is very sensitive to the fluctuation of the film thickness,
If an MSM photodiode or the like is used, almost uniform photosensitivity can be obtained in a wide range of wavelengths of 100 nm or more, so that there is no limitation on the oscillation wavelength of the SELD in the preceding stage, which is also advantageous for multi-stages.

【0015】[0015]

【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明を実施
例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定
されないことは勿論である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, but it goes without saying that the present invention is not limited thereto.

【0016】まず、図1を参照して本発明の素子の構造
について述べた後、図2から図8を参照してその動作原
理と特性について説明する。以下では、受光部としてM
SMフォトダイオードを、増幅部としてFETを用いた
例を説明するが、これ以外にも受光部としてはpinダ
イオード、フォトコンダクタ、増幅部としてはヘテロ接
合トランジスタ等のバイポーラトランジスタを用いても
構成できる。さらに、図9から図14を用いて、素子の
層構成と光スイッチ特性の具体例を示す。
First, the structure of the device of the present invention will be described with reference to FIG. 1, and then the operating principle and characteristics thereof will be described with reference to FIGS. 2 to 8. In the following, as the light receiving unit, M
An example in which the SM photodiode is used as the amplifying section and the FET is used will be described. However, other than this, the light receiving section can be configured by using a pin diode or a photoconductor, and the amplifying section can be formed by using a bipolar transistor such as a heterojunction transistor. Further, with reference to FIGS. 9 to 14, specific examples of the layer structure of the element and the optical switch characteristics will be shown.

【0017】図1は、素子の構成を示したものである。
図1(A)は素子の基本構成を示したもので、光変調部
10としての面発光レーザ12と増幅部20としてのF
ET22は定電圧源に対して直列に接続される。このと
き、面発光レーザ12は順バイアスになるように接続さ
れている。24、26、28はそれぞれFET22のソ
ース、ゲート、ドレインである。受光部30としてのM
SMフォトダイオード32と負荷抵抗34も定電圧源と
ともに直列に接続され、MSMフォトダイオード32と
負荷抵抗34の接点36はFETのゲート26に接続さ
れる。Pin、Pout はそれぞれ入力光、出力光である。
入力光PinはMSMフォトダイオード32に入射する。
図1(B)は受光部を2個のMSMフォトダイオード3
2,32直列に接続して構成した場合の図である。この
場合、それぞれのMSMフォトダイオードに入力する光
信号をPA およびPB とすると、PA とPB 両方が同時
に入力した場合にのみFET22のゲート電圧が変化
し、後述するように、V1 >V2 のときNAND動作
を、V1 <V2 のときAND動作をする。図1(C)は
受光部30を2個のMSMフォトダイオード32,32
を並列に接続して構成した場合の図である。それぞれの
MSMフォトダイオードに入力する光信号をPAおよび
B とすると、PA およびPB どちらか一方でも入力し
た場合にFETのゲート電圧が変化し、後述するように
1 >V2 のときNOR動作を、V1 <V2 のときOR
動作をする。
FIG. 1 shows the structure of the device.
FIG. 1A shows the basic structure of the device. The surface emitting laser 12 as the light modulator 10 and the F as the amplifier 20 are shown.
The ET22 is connected in series with a constant voltage source. At this time, the surface emitting laser 12 is connected so as to be forward biased. Reference numerals 24, 26 and 28 are the source, gate and drain of the FET 22, respectively. M as the light receiving unit 30
The SM photodiode 32 and the load resistor 34 are also connected in series together with the constant voltage source, and the contact 36 of the MSM photodiode 32 and the load resistor 34 is connected to the gate 26 of the FET. P in and P out are input light and output light, respectively.
The input light P in enters the MSM photodiode 32.
FIG. 1B shows an MSM photodiode 3 having two light receiving parts.
It is a figure at the time of comprising and connecting 2 and 32 series. In this case, when an optical signal to be input to each of the MSM photodiode and P A and P B, only the gate voltage of the FET22 is changed if both P A and P B are entered simultaneously, as described below, V 1 A NAND operation is performed when> V 2 , and an AND operation when V 1 <V 2 . In FIG. 1C, the light receiving unit 30 is provided with two MSM photodiodes 32, 32.
It is a figure in the case of connecting and connecting in parallel. When the optical signals input to the respective MSM photodiodes are P A and P B , the gate voltage of the FET changes when either P A or P B is input, and as described later, V 1 > V 2 NOR operation when, OR when V 1 <V 2
To work.

【0018】次に、本発明の素子の動作原理を説明す
る。
Next, the operating principle of the device of the present invention will be described.

【0019】図2は面発光レーザの電流−電圧特性およ
び電流−出力光強度の関係の一例を示している。しきい
値電流は1.5mA、そのときの電圧は2.2Vであ
る。光出力光強度は電圧が増加するにつれて増加する。
例えば、電流が3.1mAのときに出力光強度は1mW
である。
FIG. 2 shows an example of the relationship between the current-voltage characteristics and the current-output light intensity of the surface emitting laser. The threshold current is 1.5 mA and the voltage at that time is 2.2V. The light output light intensity increases as the voltage increases.
For example, the output light intensity is 1 mW when the current is 3.1 mA.
Is.

【0020】図3(A)は図1(A)の構成におけるM
SMフォトダイオードに入射する入射光強度に対するゲ
ート電圧の変化を示している。FETのゲート電圧VG
をVG1からVG2(VG1<VG2)まで入力光により変動さ
せる場合はV1 より少し小さく(0.1V程度)、V2
をVG2より大きく(MSMフォトダイオードの耐圧より
小さければ自由に設定できる)設定する。従って、入力
光強度の増加とともにゲート電圧は増加する。また、F
ETのドレイン電流のゲート電圧依存性は図3(B)に
示した。その結果、ドレイン電流の入力光強度依存性は
図3(C)に示されるようになる。
FIG. 3A shows M in the configuration of FIG.
The change of the gate voltage with respect to the incident light intensity which is incident on the SM photodiode is shown. FET gate voltage V G
When V is changed from V G1 to V G2 (V G1 <V G2 ) by the input light, it is slightly smaller than V 1 (about 0.1 V) and V 2
Is set to be larger than V G2 (freely set as long as it is smaller than the withstand voltage of the MSM photodiode). Therefore, the gate voltage increases as the input light intensity increases. Also, F
The gate voltage dependence of the ET drain current is shown in FIG. As a result, the dependency of the drain current on the input light intensity is as shown in FIG.

【0021】図4は、図1(A)の素子の動作特性を説
明する図である。図3(C)のドレイン電流の入力光強
度依存性と、面発光レーザの電流−電圧特性を電源電圧
と合わせて考えたときの特性を示している。まず、入力
光がP0 の場合は動作点はaにあり、面発光レーザには
ほとんど電流が流れない。従って、図2から出力光強度
はほとんど0である。入力光強度をP2 にすると、動作
点はcに移り、面発光レーザに流れる電流が発振しきい
値になる。入力光強度をさらに増加させると、面発光レ
ーザは発振を開始し、出力光は急激に大きくなる。従っ
て、図5のような出力特性になる。このとき、Vb が小
さい場合には入力光を大きくしてもある電流値で飽和す
るため、この場合、図に示されるように出力光強度に飽
和がみられる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operating characteristics of the element shown in FIG. FIG. 3C shows the dependency of the drain current on the input light intensity and the characteristics when the current-voltage characteristics of the surface emitting laser are considered together with the power supply voltage. First, when the input light is P 0 , the operating point is at a, and almost no current flows in the surface emitting laser. Therefore, from FIG. 2, the output light intensity is almost zero. When the input light intensity is set to P 2 , the operating point shifts to c, and the current flowing through the surface emitting laser becomes the oscillation threshold. When the input light intensity is further increased, the surface emitting laser starts oscillating and the output light rapidly increases. Therefore, the output characteristics are as shown in FIG. At this time, when V b is small, the input light is saturated at a certain current value even if the input light is increased, and in this case, the output light intensity is saturated as shown in the figure.

【0022】また、この素子では、V1 、V2 に印加す
る電圧を反転させると入出力特性を反転させることがで
きる。図6(A)の場合は、V1 をVG2より少し大きく
(0.1V程度)、V2 をVG1より小さく、つまりマイ
ナス極性に設定した。従って、この場合は、入力光強度
の増加とともにゲート電圧は減少する。その結果、ドレ
イン電流の入力光強度依存性は図6(B)に示される。
ドレイン電流は入力光強度の増加に連れて減少する。
Further, in this element, the input / output characteristics can be inverted by inverting the voltages applied to V 1 and V 2 . In the case of FIG. 6A, V 1 is set to be slightly larger than V G2 (about 0.1 V), and V 2 is set to be smaller than V G1 , that is, a negative polarity. Therefore, in this case, the gate voltage decreases as the input light intensity increases. As a result, the dependency of the drain current on the input light intensity is shown in FIG.
The drain current decreases as the input light intensity increases.

【0023】図7は、素子の動作特性を説明する図であ
る。図4の場合と同様にして電流−電圧特性を示す。ま
ず、入力光がP0 の場合は動作点はaにあり、面発光レ
ーザに大きな電流が流れているため、大きな出力光強度
が得られる。入力光強度を増加させると、次第に出力光
は小さくなり、入力光強度がP3 のときに面発光レーザ
を流れる電流はしきい値と等しくなる。入力光強度をさ
らに増加させると、面発光レーザはもはや発振せずに自
然放出光のみとなる。従って、図8のような入出力特性
になる。このときも、Vb が小さな場合はFETのゲー
ト電圧が小さくなってもあるゲート電圧までは電流値が
減少しないため、入力光強度が小さな領域で、図に示さ
れるように出力光強度が一定の領域がある。
FIG. 7 is a diagram for explaining the operating characteristics of the device. The current-voltage characteristics are shown as in the case of FIG. First, when the input light is P 0 , the operating point is at a, and a large current is flowing through the surface emitting laser, so that a large output light intensity can be obtained. When the input light intensity is increased, the output light gradually becomes smaller, and the current flowing through the surface emitting laser becomes equal to the threshold value when the input light intensity is P 3 . When the input light intensity is further increased, the surface emitting laser no longer oscillates but only spontaneous emission light is emitted. Therefore, the input / output characteristics are as shown in FIG. Also at this time, when V b is small, the current value does not decrease up to a certain gate voltage even if the gate voltage of the FET becomes small. Therefore, in the region where the input light intensity is small, the output light intensity is constant as shown in the figure. Area.

【0024】(具体例)次に、図1に示す本発明の光ス
イッチアレイの具体例を図9に示す。図9はGaAs/
AlGaAsを用いた場合の素子の断面図である。
(Specific Example) Next, a specific example of the optical switch array of the present invention shown in FIG. 1 is shown in FIG. Figure 9 shows GaAs /
It is a sectional view of an element when AlGaAs is used.

【0025】半絶縁性GaAs基板101上に受光部、
増幅部として i−GaAs光吸収層102(2μm) n- −GaAsチャネル層103(0.2μm) n+ −GaAsコンタクト層104(0.4μm)から
なる層を、また、エッチングストップ層としてInGa
P層105(10nm) さらに、光変調部として n−AlAs(71.5nm)/n−Al0.15Ga0.85
As(62.9nm)を交互に30周期積層した構造か
らなるn−DBR(DistributedBragg
Reflector)層106,i−AlGaAs活
性層107、p−AlAs(71.5nm)/p−Al
0.15Ga0.85As(62.9nm)を交互に25周期積
層した構造からなるp−DBR層108を含む面発光レ
ーザからなる層を分子線エピタキシャル成長法により形
成した。p型、n型ドーパントにはそれぞれBe、Si
を用いた。
A light receiving portion on the semi-insulating GaAs substrate 101,
A layer composed of an i-GaAs light absorption layer 102 (2 μm) n -GaAs channel layer 103 (0.2 μm) n + -GaAs contact layer 104 (0.4 μm) as an amplification section, and InGa as an etching stop layer.
P layer 105 (10 nm) Further, as an optical modulator, n-AlAs (71.5 nm) / n-Al 0.15 Ga 0.85
N-DBR (Distributed Bragg) having a structure in which As (62.9 nm) is alternately laminated for 30 periods.
Reflector) layer 106, i-AlGaAs active layer 107, p-AlAs (71.5 nm) / p-Al
A layer made of a surface emitting laser including a p-DBR layer 108 having a structure in which 25 cycles of 0.15 Ga 0.85 As (62.9 nm) were alternately laminated was formed by a molecular beam epitaxial growth method. Be and Si are used as p-type and n-type dopants, respectively.
Was used.

【0026】この成長ウェハを図9のように加工して光
スイッチを作成した。p型電極110としてはAuZn
Niを、n型電極111としてはAuGeNi、ショッ
トキ電極112としてはTi/Pt/Au、素子間配線
用金属113としてはCr/Auを用いた。この場合、
負荷抵抗114としてタングステンシリサイド薄膜を用
いたが、これ以外の金属薄膜やFETを用いたアクティ
ブ抵抗も可能である。さらに、ポリイミド115により
段差を埋めている。また、イオン注入法等を行い、メサ
分離を行わずに素子を作成することも可能である。アレ
イ化の場合には、この素子を二次元的に並べればよい。
This grown wafer was processed as shown in FIG. 9 to prepare an optical switch. AuZn as the p-type electrode 110
Ni, AuGeNi was used as the n-type electrode 111, Ti / Pt / Au was used as the Schottky electrode 112, and Cr / Au was used as the inter-element wiring metal 113. in this case,
Although the tungsten silicide thin film is used as the load resistor 114, an active resistor using a metal thin film or FET other than this is also possible. Further, the step is filled with the polyimide 115. Further, it is also possible to carry out an ion implantation method or the like to fabricate the element without performing the mesa separation. In the case of arraying, these elements may be arranged two-dimensionally.

【0027】図10は本実施例の素子特性を示してい
る。図10(A)はVb およびV2 を3V、V1 を−
0.2Vに設定した場合である。入力光が10μW以下
のときは出力光は1μW以下の自然放出光のみである
が、入力光をさらに増加させると出力光強度は増加し、
入力光強度が100μWのときに出力光強度は1mWと
なった。図10(B)はVb を3V、V2 を−3V、V
1 を0.2Vに設定した場合である。入力光がないとき
は出力光は1mW以上であるが、入力光をさらに増加さ
せると出力光強度は減少し入力光強度が100μWのと
きに出力光強度は1μW以下となった。また、この素子
の応答速度はどちらの場合でも入力光強度100μWの
ときにオン時間、オフ時間とも1ns以下であった。さ
らに、入力光の波長を750nm〜870nmまで変化
させても特性の変化はなかった。
FIG. 10 shows the device characteristics of this embodiment. In FIG. 10A, V b and V 2 are 3 V and V 1 is −
This is the case when set to 0.2V. When the input light is 10 μW or less, the output light is only spontaneous emission light of 1 μW or less, but when the input light is further increased, the output light intensity increases,
When the input light intensity was 100 μW, the output light intensity was 1 mW. In FIG. 10B , V b is 3 V, V 2 is −3 V, V
This is the case when 1 is set to 0.2V. When there was no input light, the output light was 1 mW or more, but when the input light was further increased, the output light intensity decreased, and when the input light intensity was 100 μW, the output light intensity became 1 μW or less. In both cases, the response speed of this element was 1 ns or less for both the on-time and the off-time when the input light intensity was 100 μW. Furthermore, the characteristics did not change even if the wavelength of the input light was changed from 750 nm to 870 nm.

【0028】図9に示した第一の実施例では、エッチン
グストップ層を挿入することによってFET部分のn+
−GaAsコンタクト層(0.4μm)の頭だしを行っ
た。これはFETのゲート部分をエッチングによりリセ
スを形成する際に、n- −GaAsチャネル層より上に
残っている層の膜厚ムラがあるとn- −GaAsチャネ
ル層の厚さに揺らぎが出てFETの電流電圧特性に揺ら
ぎが出ることを防ぐためである。この揺らぎをさらに抑
えるためにHEMT等を用いてチャネル層厚を均一にす
ることも可能である。
In the first embodiment shown in FIG. 9, by inserting an etching stop layer, n + of the FET portion is inserted.
The head of the -GaAs contact layer (0.4 µm) was pierced. This in forming the recess by etching the gate portion of the FET, n - if there is unevenness in thickness of the remaining layer above the -GaAs channel layer n - fluctuations in the thickness of the -GaAs channel layer out This is to prevent the current-voltage characteristics of the FET from fluctuating. In order to further suppress this fluctuation, it is possible to make the channel layer thickness uniform by using HEMT or the like.

【0029】さらに、第二の実施例である、エッチング
ストップ層を用いない方法として、選択成長がある。こ
の場合、面発光レーザ部分の成長法としてはMOCVD
法を用いた。その手順を図11に示す。まず、第一の実
施例と同様の層構成で受光部、増幅部を成長する。この
際の成長法は分子線エピタキシャル成長法でも、MOC
VD法でもよい。すなわち、i−GaAs基板101、
i−GaAs光吸収層102、n- −GaAsチャネル
層103、n+ −GaAsコンタクト層104を順次積
層する(図11(A))。次に、SiO2 等の絶縁膜1
05aを蒸着し、その後、面発光レーザを成長するとこ
ろだけエッチングにより絶縁膜を除去する(図11
(B))。そして、MOCVD法により面発光レーザ部
分を成長する(図11(C))。最後に、図12のよう
に加工する。絶縁膜の窓の大きさは100μmとし、n
−DBR層の抵抗の影響を少なくし、活性層部分だけを
10μmとした。この場合、p−DBR層を半導体によ
り構成したがSiO2 /TiO2 等の誘電体多層膜11
6で構成することも可能である。この例を図13に示し
た。
Further, as a method which does not use an etching stop layer, which is the second embodiment, there is selective growth. In this case, MOCVD is used as a method for growing the surface emitting laser portion.
The method was used. The procedure is shown in FIG. First, the light receiving portion and the amplifying portion are grown with the same layer structure as in the first embodiment. The growth method at this time is MOC even if it is a molecular beam epitaxial growth method.
The VD method may be used. That is, the i-GaAs substrate 101,
The i-GaAs light absorption layer 102, the n -GaAs channel layer 103, and the n + -GaAs contact layer 104 are sequentially stacked (FIG. 11A). Next, an insulating film 1 such as SiO 2
05a is vapor-deposited, and thereafter the insulating film is removed by etching only where the surface emitting laser is grown (FIG. 11).
(B)). Then, the surface emitting laser portion is grown by the MOCVD method (FIG. 11C). Finally, it is processed as shown in FIG. The size of the window of the insulating film is 100 μm, and n
The influence of the resistance of the DBR layer was reduced, and only the active layer portion was set to 10 μm. In this case, the p-DBR layer is made of a semiconductor, but the dielectric multilayer film 11 of SiO 2 / TiO 2 or the like is used.
It is also possible to configure with 6. This example is shown in FIG.

【0030】このほかにエッチングストップ層を用いな
い方法としてイオン注入法によりFETを形成する方法
もある。
In addition to this, there is a method of forming an FET by an ion implantation method as a method without using an etching stop layer.

【0031】この場合は、半絶縁性GaAs基板上に受
光部、増幅部として i−GaAs光吸収層(2μm)からなる層を 光変調部として n−AlAs(7.15nm)/n−Al0.15Ga0.85
As(62.9nm)を交互に30周期積層した構造か
らなるn−DBR(Distributed Brag
g Reflector)層、i−AlGaAs活性
層、p−AlAs(71.5nm)/p−Al0.15Ga
0.85As(62.9nm)を交互に25周期積層した構
造からなるp−DBR層を含む面発光レーザからなる層
を分子線エピタキシャル成長法により形成した。p型、
n型ドーパントにはそれぞれBe、Siを用いた。
In this case, a layer composed of an i-GaAs light absorbing layer (2 μm) as a light receiving portion and an amplifying portion on a semi-insulating GaAs substrate is used as an optical modulating portion. N-AlAs (7.15 nm) / n-Al 0.15 Ga 0.85
N-DBR (Distributed Bragg) having a structure in which As (62.9 nm) is alternately laminated for 30 periods.
g Reflector) layer, i-AlGaAs active layer, p-AlAs (71.5 nm) / p-Al 0.15 Ga
A layer made of a surface emitting laser including a p-DBR layer having a structure in which 25 periods of 0.85 As (62.9 nm) were alternately laminated was formed by a molecular beam epitaxial growth method. p-type,
Be and Si were used as n-type dopants, respectively.

【0032】このエピタキシャル基板の光変調部用の層
にメサエッチングを行って面発光レーザを形成したあ
と、表面に露出しているi−GaAs光吸収層にn−チ
ャネル層を形成するためにSiイオンを注入してFET
を形成する。
After forming a surface emitting laser by performing mesa etching on the layer for the light modulating portion of this epitaxial substrate, Si is used to form an n-channel layer on the i-GaAs light absorbing layer exposed on the surface. Ion implantation and FET
To form.

【0033】これまでの実施例では受光部、増幅部とし
て、MSMフォトダイオードとFETを用いたが、pi
nダイオードとHBT(Hetero Bipolar
Transistor)で光スイッチアレイを構成し
た例が図14である。
In the above embodiments, the MSM photodiode and the FET are used as the light receiving portion and the amplifying portion.
n-diode and HBT (Hetero Bipolar)
FIG. 14 shows an example in which an optical switch array is composed of Transistor).

【0034】半絶縁性GaAs基板101上に受光部、
増幅部として n+ −GaAsコンタクト層120(0.5μm) n−AlGaAsエミッタ層121(0.2μm) p−GaAsベース層122(0.1μm) i−GaAs光吸収層およびコレクタ層123(1.0
μm) n+ −GaAsコンタクト層124(0.2μm)から
なる層を成長した。なお、面発光レーザ部分は第一、第
二の実施例と同様にして素子を構成できる。ただし、こ
の場合は図5と同じく、入力光強度の増加とともに出力
光強度が増加する入出力特性のもののみ実現できる。
A light receiving portion on the semi-insulating GaAs substrate 101,
N + -GaAs contact layer 120 (0.5 μm) n-AlGaAs emitter layer 121 (0.2 μm) p-GaAs base layer 122 (0.1 μm) i-GaAs light absorption layer and collector layer 123 (1. 0
μm) n + -GaAs contact layer 124 (0.2 μm) was grown. The surface emitting laser portion can form an element in the same manner as in the first and second embodiments. However, in this case, similarly to FIG. 5, only the input / output characteristic in which the output light intensity increases as the input light intensity increases can be realized.

【0035】これまでに述べた実施例はGaAs基板上
に成長したが、同様の素子をAlGaAs基板上に構成
することもできる。この場合、基板が面発光レーザの発
振波長に対して透過であるため、両面から光を入力でき
るという利点を持つ。
Although the embodiments described so far are grown on a GaAs substrate, similar devices can be constructed on an AlGaAs substrate. In this case, since the substrate is transparent to the oscillation wavelength of the surface emitting laser, there is an advantage that light can be input from both sides.

【0036】また、上記実施例ではGaAs/AlGa
Asで光スイッチアレイを構成したが、これに限るもの
ではなく、InGaAs/InP、InAlAs/In
GaAs、GaAs/InGaAs等の他の材料系にも
適用できる。
In the above embodiment, GaAs / AlGa is used.
Although the optical switch array is composed of As, it is not limited to this, and InGaAs / InP, InAlAs / In
It can also be applied to other material systems such as GaAs and GaAs / InGaAs.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光ス
イッチアレイによれば、光増幅作用を持ち、消光比が大
きく、低入力強度で高速に動作することが可能になる。
さらに、本発明による光スイッチアレイのうち、FET
を増幅部として用いたものは動作電圧により動作を反転
できるなどの特徴を持つ。これらの特徴により本発明に
よる光スイッチアレイや将来の光情報処理素子として非
常に有望である。
As described above, the optical switch array according to the present invention has an optical amplification function, a large extinction ratio, and can operate at high speed with low input intensity.
Further, in the optical switch array according to the present invention, the FET
The one using the as an amplifier has a feature that the operation can be inverted by the operating voltage. Due to these characteristics, it is very promising as the optical switch array according to the present invention and an optical information processing device in the future.

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

【図1】(A)、(B)および(C)は本発明の素子の
構造を示す回路図である。
1 (A), (B) and (C) are circuit diagrams showing the structure of an element of the present invention.

【図2】面発光レーザの電流−電圧特性および電流−出
力光強度の関係の一例を示す特性図である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of a relationship between current-voltage characteristics and current-output light intensity of a surface emitting laser.

【図3】(A)はV1 をVG1より少し小さく(0.1V
程度)、V2 をVG2より大きく(MSMフォトダイオー
ドの耐圧より小さければ自由に設定できる)設定した場
合のMSMフォトダイオードに入射する入射光強度に対
するゲート電圧の変化を示す特性図、(B)はFETの
ドレイン電流のゲート電圧依存性を示す特性図、(C)
はドレイン電流の入力光強度依存性を示す特性図であ
る。
FIG. 3 (A) shows that V 1 is slightly smaller than V G1 (0.1 V
Degree), the V 2 can be freely set smaller than the breakdown voltage of greater than V G2 (MSM photodiode) characteristic diagram showing the change of the gate voltage with respect to the incident light intensity incident on the MSM photodiode in the case of setting, (B) Is a characteristic diagram showing the gate voltage dependence of the drain current of the FET, (C)
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the dependency of drain current on the intensity of input light.

【図4】図1の素子の動作特性を説明する特性図であ
る。
FIG. 4 is a characteristic diagram illustrating operating characteristics of the device of FIG.

【図5】図1の素子の入出力特性を説明する特性図であ
る。
5 is a characteristic diagram illustrating input / output characteristics of the device of FIG.

【図6】(A)はV1 をVG2より少し大きく(0.1V
程度)、V2 をVG1より小さく、つまりマイナス極性に
設定した場合のゲート電圧の入力光強度依存性を示す特
性図、(B)は入力光強度が変化した場合のFETのド
レイン電流に対するドレイン電圧の関係を示す特性図で
ある。
FIG. 6 (A) shows that V 1 is slightly larger than V G2 (0.1 V
), V 2 is smaller than V G1 , that is, a characteristic diagram showing the dependency of the gate voltage on the input light intensity when the negative polarity is set, and (B) is the drain to FET drain current when the input light intensity changes. It is a characteristic view which shows the relationship of a voltage.

【図7】素子の動作特性を説明する特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram illustrating operating characteristics of an element.

【図8】図7の場合の入出力特性を示す特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram showing input / output characteristics in the case of FIG.

【図9】GaAs/AlGaAsを用いた場合の素子の
断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view of an element when GaAs / AlGaAs is used.

【図10】(A)、(B)はそれぞれ本発明の素子の特
性図である。
10A and 10B are characteristic diagrams of the device of the present invention.

【図11】面発光レーザ部分をMOCVD法を用いて選
択成長する場合の手順を示す工程図であり、(A)は受
光部および増幅部成長を示す断面図、(B)は絶縁膜成
長およびパターニングを示す断面図、(C)は面発光レ
ーザ部分成長(MOCVD法による選択成長)を示す断
面図である。
11A and 11B are process diagrams showing a procedure for selectively growing a surface emitting laser portion by using a MOCVD method, FIG. 11A is a sectional view showing growth of a light receiving portion and an amplifying portion, and FIG. FIG. 3C is a cross-sectional view showing patterning, and FIG. 6C is a cross-sectional view showing partial surface emitting laser partial growth (selective growth by MOCVD method).

【図12】図11の場合の素子の構成図である。12 is a configuration diagram of an element in the case of FIG.

【図13】誘電体多層膜を用いた場合の素子の構成図で
ある。
FIG. 13 is a configuration diagram of an element when a dielectric multilayer film is used.

【図14】HBTとpinダイオードを用いた素子の構
成を示す断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of an element using an HBT and a pin diode.

【図15】(A)は従来例の素子の構成図、(B)はそ
の特性図である。
15A is a configuration diagram of an element of a conventional example, and FIG. 15B is a characteristic diagram thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 光変調部 12 面発光レーザ 20 増幅部 22 FET 24 ソース 26 ゲート 28 ドレイン 30 受光部 32 MSMフォトダイオード 34 負荷抵抗 36 接点 101 半絶縁性AlGaAs基板 102 i−GaAs層 103 n- −GaAsチャネル層 104 n+ −GaAsコンタクト層 105 InGaP層 106 n−DBR層 107 i−AlGaAs活性層 108 p−DBR層 110 p型電極 111 n型電極 112 ショットキ電極 113 Cr/Au 114 負荷抵抗層 115 ポリイミド層 116 誘電体多層膜ミラー 120 n+ −GaAsコンタクト層 121 n−AlGaAsエミッタ層 122 p−GaAsベース層 123 i−GaAs層光吸収層およびコレクタ層 124 n+ −GaAsコンタクト層 Pin 入力光 Pout 出力光 PA ,PB 光信号10 Light Modulation Section 12 Surface Emitting Laser 20 Amplification Section 22 FET 24 Source 26 Gate 28 Drain 30 Photoreception Section 32 MSM Photodiode 34 Load Resistor 36 Contact 101 Semi-insulating AlGaAs Substrate 102 i-GaAs Layer 103 n - GaAs Channel Layer 104 n + -GaAs contact layer 105 InGaP layer 106 n-DBR layer 107 i-AlGaAs active layer 108 p-DBR layer 110 p-type electrode 111 n-type electrode 112 Schottky electrode 113 Cr / Au 114 load resistance layer 115 polyimide layer 116 dielectric multilayer mirror 120 n + -GaAs contact layer 121 n-AlGaAs emitter layer 122 p-GaAs base layer 123 i-GaAs layer light-absorbing layer and the collector layer 124 n + -GaAs contact layer P in input Light P out output light P A, P B light signal

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 誠治 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 小濱 剛孝 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 大礒 義孝 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Seiji Fukushima 1-1-6 Uchisaiwai-cho, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Telegraph and Telephone Corporation (72) Taketaka Obama 1-1-6 Uchisai-cho, Chiyoda-ku, Tokyo No. Japan Telegraph and Telephone Corp. (72) Inventor Yoshitaka Oiso 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Telegraph and Telephone Corp.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入力信号を電気信号に変換する受光部
と、その電気信号を増幅する増幅部と、その増幅された
電気信号により出力光を発振する垂直共振器型面発光レ
ーザからなる出力部とを備えた光スイッチが、モノリシ
ックに基板上に構成されていることを特徴とする光スイ
ッチアレイ。
1. A light receiving section for converting an input signal into an electric signal, an amplifying section for amplifying the electric signal, and an output section including a vertical cavity surface emitting laser for oscillating output light by the amplified electric signal. An optical switch array characterized in that an optical switch including and is monolithically formed on a substrate.
【請求項2】 受光部がMSM(Metal−Semi
conductor−Metal)フォトダイオードあ
るいはフォトコンダクタからなることを特徴とする請求
項1記載の光スイッチアレイ。
2. The light receiving portion is an MSM (Metal-Semi).
2. The optical switch array according to claim 1, wherein the optical switch array comprises a photo diode or a photo conductor.
【請求項3】 受光部が複数の受光素子からなることを
特徴とする請求項1記載の光スイッチアレイ。
3. The optical switch array according to claim 1, wherein the light receiving section is composed of a plurality of light receiving elements.
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