JPH07505729A - 光学的スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学的スイッチング装置 本発明は光スイツチング装置に関し、高いビット速度の通信リンクにおける特定 の応用を発見している。

高いデータ速度を伝達することができる通信リンクは、それらが情報の増加した レベルを伝送し、および／またはより多数の顧客にサービスする単一の物理的接 続を介するリンクを提供することができるので便利である。例えば、通信リンク 上の時分割多重化信号は多数のタイムスロットを提供することができ、それ故、 潜在的に、多数の顧客にサービスし、リンク自体は高いデータ速度を伝達する。

通信リンク上のデータをアクセスするために、リンク上の情報を受信機に下方向 に負荷することが必要である。時分割多重化では１人の特定の顧客が下方向に負 荷される１以上の選択された時間スロットから情報を必要とする。このことを行 うためにスイッチング装置が使用されてもよく、装置のスイッチング速度は高速 度通話を伝達するためのリンク能力と釣合っている。光通信では、データ速度は 将来、１００　Ｇビット／秒はどの高さを達成することが予想されている。これ は１０のタイムスロットで伝送され、ＩＯＣビット／秒で１０個のチャンネルを 提供する。

通信リンクを使用して顧客数の潜在的な増加と共に、将来の回路網の超高速度ビ ットは回路網の処理に大きな柔軟性を有する通信機関を提供し、また、顧客に新 しく大きな帯域幅のサービスを与えることを可能にする。本発明は超高速ビット リンクを達成する重要な部分に関し、１００　Ｇビット／秒の光時分割多重化（ ＯＴＤＭ）信号からＩＯＣビット／秒のビット流をデマルチプレクスする能力の あるタイプのスイッチを提供する。光クロツク信号は全ての毎１０番目ビットを スイッチするために使用される。リンク上の全てのデータを回復するために１０ 個のスイッチング装置が並列に使用される。

光入力により制御されることができるスイッチング装置を含んでいるスイッチン グ装置が知られている。例えば文献（“１３０ｐｓ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｏｆ　 Ａ１１−ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　ａ　ＧａＡｓＭｕｌｔｉ 　Ｑｕａｎｌｕｍ　Ｗｅｌｌ　Ｄｉｒｅｃｆｉｏｎａｌ　Ｃｏｕｐｌｅｒ”　５ Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ７ｓｉｃｓ　Ｌｅｖｅｒｓ　、　５８巻、Ｎｏ、　１９． １９９１年５月１３日）で−は１３０　ｐＳの回復時間が多重量子ウェルを使用 してゼロギャップの方向性結合器で報告されている。しかしながら本発明で非常 に高速の回復時間が達成できたことが発見された。回復時間の績少は潜在的によ り高速のスイッチを提供し、回復時間は限定要素である。

本発明によると、高いデータ速度で動作する光通信システムで使用される半導体 光スイツチング装置が提供され、このスイッチング装置は先導波体を具備し、そ れは基体に設けられているｐ−ｎ接合を含み、通信リンクから第１の波長のデー タ信号を、第２の波長の制御信号を受信し、制御信号は使用において装置を横切 る大きなキャパシタンスが存在する装置のデータ信号の光通路の長さを変化する ためにｐ−ｎ接合の領域の電気キャリアの生成により第１の波長で導波体の少な くとも１部の屈折率を変化させるように動作する。

大きなキャパシタンスの目的は制御信号の装置への人力により生成された後、で きるだけ速（接合領域からキャリアを掃出すことである。これは大きなキャパシ タンスが光生成キャリアのために低インピーダンスの再結合通路を提供するため に達成され、従って装置の回復と、潜在的スイッチング速度を高める。

例えばデータ信号が導波体により誘導され、制御信号が導波体に直角に入力され 、それによって誘導されないようにデータおよび制御信号は両者とも装置を通っ て誘導される必要はないが、好ましくはデータおよび制御信号の両者が導波体に 沿って誘導される。これは特にデータおよび制御信号が同一の入力と出力ポート を導波体と共有するならば装置の整列を容易にする。

装置の大きなキャパシタンスは使用において実質的に一定の電位がｐ−ｎ接合を 横切って維持されることを可能にする。

これはこの電位が接合領域からキャリアを掃出すための駆動力を提供するので好 ましい。

さらに装置の大きなキャパシタンスは好ましくは装置内で電気キャリアのＡＣ成 分の再結合を助長する。装置内で生じる再結合用の配置により例えば結合ワイヤ の高いＡＣインピーダンスにより、再結合が装置の外部で生じるときに遭遇する 潜在的な長い遅延が防止されることかできる。

適切なキャパシタンスは類似構造の既知の装置で使用されるよりも高い結合パッ ドキャパシタンスを提供することにより達成されることができる。−例えば後者 は接合を横切って０゜５ｐＦ程度のキャパシタンスと０．１ｐＦまたはそれ以下 の結合パッドキャパシタンスを有する。既知の装置では目的は存在するキャパシ タンスを減少することである。本発明による装置は対照的に５ｐＦから５０ｐＦ の範囲で使用され冬キャパシタンスを与える。例えば５ボルトの逆バイアス下で 、接合は０．６ｐＦのキャパシタンス（Ｃｄ”）を提供するが、結合パッドキャ パシタンスを含むスイッチング装置は全体として２３ｐＦのキャパシタンス（Ｃ ｅＸ、）を有する。

接合はＰＩＮ接合として設けられることができ、第２の（制御）波長での光吸収 はキャリアとして電子ホールの対（ＥＨＰ）を生じさせる。

特に有効な信号と制御波長は１．５５μｍと１．３μｍであり、これらは共通し て光通信で使用され、これらの波長の光源は容易に得られる。

本発明の実施例によるスイッチング装置は周期的に（選択的に）信号波長を伝送 またはブロックすることによりスイッチとして使用されることができる。これは マツハツエンダ−干渉計の１つの腕に装置を配置するか、またはファプリーベロ ー（Ｆ　Ｐ）空洞または方向性結合器を具備するように装置を構成することによ り達成される。

本発明の特定の実施例が例により添付図面を参照して説明される。

図１は本発明の実施例によりデマルチプレクス（ＤＥＭＵＸ）チップの斜視図を 示している。

図２は図１のチップの導波体領域の断面を示している。

図３は図１のＤＥＭＵＸチップの回路モデルを示している。

図４は図１のＤ　Ｅ　Ｍ　Ｕ　Ｘチップの調査動作用の実験的装置を示している 。

図５は図４の実験装置で得られる実験結果、特に光学的に変調された信号と光変 調信号との８Ｊ＋１定比を示している。

図６は本発明で使用されるＤＥＭＵＸチップの別の実施例を示している。

図１．２を参照すると、本発明の実施例はｌ、５５μｍの波長で１００　Ｇビッ ト／秒のＯＴＤＭ信号からＩＯＣビット／秒のビット流をデマルチプレクスする ように設計されているＰＩＮ導波体装置１を具備する。このようなスイッチング 装置は１゜３μｍの波長の光学的クロック信号を有するＤＥＭＵＸチップとして 使用され、クロック信号は例えば１００Ｇビツト／秒の信号の１０番目のビット 毎にスイッチするために使用される。

ＰＩＮ導波体装置構造１はＭＯＶＰＥ成長技術により成長され、これらはよく知 られているのでここではさらに説明しない。構造はＳｎでドープされたＩｎＰ基 体２に基づく。基体への層の成長は以下の通りであり、 ｉ）屈折率が基体に整合している２Ｘ１０１８ｃｍ−３に硫黄でドープしたｎ− のＩｎＰ層３と、 ｉｉ）　３　ｘ　１０１７（ｍ−３に硫黄でドープしたｎ−の１ｎＰバッファ層 ４と、 ｉｉｉ　）　０．３０μｍの４元（Ｑ）の１．４４層５と、ｉｖ）　０．　１８ μｍのドープされていないＩｎＰ層６と、ｖ）８．３Ｘ１０１７ｃｍ−３に亜鉛 でドープしたｐ＋のＩｎ２層７の順序である。

図１を特に参照すると、入力および出力ポート８．９はそれぞれ導波体構造の一 方の端部にファセットとして設けられる。Ｑｌ、４４の誘導層５の１．３μｍの 光の吸光はＥＨＰに上昇し、１．５５μｍの光に対するこの層５の屈折率（Δｎ ）で関連する変化となる。１．５５μｍでの透過された強度は装置１をマツハツ エンダ−干渉計タイプの装置に配置することにより、またはファプリーペロー空 洞に依存することにより光学的に、制御されることができる。超高速動作はさら に後述するように掃引ＥＨＰのチップの再結合の新しい方法を使用して可能にさ れる。屈折率Δｎの変化はパン下充満とバンドギャップ収縮と自由キャリア吸収 の効果によるものであり、以下の２つの参考文献で説明されている。

参考文献（ｉｉ）　Ｃａｒｒｉｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ　ＣｈａｎｇＣｉｎ　Ｒｅ ｆｒｉｃｊｉｖＣＩｎｄｅｘ　ｏ（ＩｎＰ　、ＧａＡｓ　ａｎｄ　ＩｎＧａＡｓ Ｐ　’　ＩＥＥＥ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｊｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏ ｎｉｃｓ　、　２６巻、Ｎｏ、　ｌ、　１９９０年１月参考文献（ｉｉｉ　）　 “ＩｎＰ　６ａｌｎＡｓＰ　Ｇｕｉｄｅｄ　ｗａｖｅ　Ｐｔａｓｅ　ＭｏｄｕＩ ａｊｏｒｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃａｒｒｉｔｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｅｆｌｅｃ ｔｓ、Ｔｈｅｏｒ７　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｆ　”　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏ ｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｓ　１０巻、Ｎｏ、　１．１ ９９２年１月 図面で示された本発明の実施例の動作の実践的な詳細について以下説明する。

スイッチに必要なパルスエネルギ さらに１．３μｍまたは１．５５μｍの通信窓で動作する他の装置と集積するた めの潜在性を有することは別として、ＩｎＰに整合したＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ格子 を使用することはΔｎが所定の波長に対して最大にされるようにそのバンドギャ ップが選択される点で有効である。１．４４μｍのバンドギャップ波長はｌ、５ ５μｍに近似したこの波長のためにΔｎの大きな値を与えるように選択され、容 認できる小さい吸光係数を維持する。

バンドギャップのこの選択のためにΔｎへの優勢な貢献はバンド充満であること が期待され、バンドギャップ収縮と自由キャリア吸収プロセスはより小さく、互 いに反対の極性である（前述の参考文献（１１）参照）。バンド充満効果のみの 考慮から、Δｎを約５　ｘ　１０”　ｃ　ｍ−３の自由キャリア密度に関連づけ る比例定数は論理的に予測される（前述の参考文献（ｉｉｉ　）参照）。高い精 細度のＦＰ空洞はこの位相変調を１゜５５μｍの光の強度変調に変換するために 使用される。これは屈折率か１．５５μｍで８４％、１．３μｍで８％の入力／ 出力ポート８．９でファセット被覆を施すことにより達成される。これらの被覆 が長さ５４０μｍの装置に施されるとき、９．１ｄＢのコントラスト比はＦＰス ペクトルを通しての同調により達成される。１．３μｍの光のＩｐＪが装置に結 合されるとき得られる評価コントラスト比は前述の比例定数および標準的なＦＰ 理論（参考文献（ｉ　ｖ）　：　”Ｓｉｍｐｌｅ　ａｎ＋ｌ　Ａｃｃｕｒａｔｅ 　ＬｏｓｓＭｅ＋＋ｓｕｒｅｍｅｎｌ　ｆｏｒ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　 ０ｐｔｉｃａｌ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　”　。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　、　２１巻、５８１〜５８３頁）を 使用して６゜１ｄＢに計算される。

ドープされていない導波体を使用してΔｎを誘起した自由キャリアの最初の調査 は、自由キャリアがこの材料システムで約８ｎｓの寿命時間を有することを示し た。動作装置ではこの細巾キャリアの寿命時間は１００　Ｇビット−１の動作を 助長するために１０パルスより少なく減少される必要があ−る。実際的な目的の ためにオン切換え時間はスイッチのオフ時間と比較して瞬間的である。ｐ接触部 （結合パッド）１１とｎ接触部（金属被着基体）　１２との間の十分な逆バイア スの印加により空乏化された誘導層５．６を横切って電界が設定されることがで き、この層からの伝送時間により決定される速度でＥＨＰの除去を生じる。電子 とホールの飽和されたキャリア速度がＩｎＧａＡｓの７Ｘ１０　ｃｍ　および５ Ｘ１０６ｃｍ−１と同じ値を有すると仮定するならば、全てのキャリアはｌＯパ ルスより少ない空乏領域から除去され、平均キャリア走行時間は４．４パルス（ 参考文献（■）：　“Ｇａ１ｎＡｓＰ＾ｌ１ｏｙ　Ｓｅｍ１ｃ。

ｎｄｕｃｌｏｒｓ”　、１９８２年）である。

誘導領域からキャリアを除去するため光学スイッチを逆バイアスする考えは以前 報告されている（前述の参照文献（ｉ）参照）。ＭＱＷ構造の逆バイアスにより キャリアは１３０ｐｓに回復時間を落とすために誘導領域から掃出される。しか しながら、ここで報告された装置構造は以下の２つの方法で非常に異なっている 。第１に、バルクな半導体の誘導層を使用する。この結果として生成されたキャ リアはバリアをトンネル効果で通過する必要な（、誘導層から出る途中で速度を 落とさない。第２およびより基本的なダイバージェンスは空乏領域からＥＨＰを 除去することにより開始される電流、＜ルスに関する。キャリアが飽和されたキ ャリア速度で掃引されるとき、この電流パルスは大きさが数百ｍＡである。数オ ームより上のインピーダンスでは、数ボルトの電位が）くイアスミ圧とは反対に 外部回路を横切って生成されることがわかる。

Ｄ　Ｅ　ＭＵ　Ｘチップとバイアス回路は図３で示されている回路素子モデルＩ Ｏにより表されることができる。５ｖの逆ノくイアスの下ではｐｉｎ接合は３７ ０ｐＡの漏洩電流と、キャパシタンスＣｄ＝０．６ｐＦを有する。金属被覆され た隆起部から結合パッド１１までの通路と関連する抵抗１３は約Ｒ＝　１．６Ω である。０．１μｍのＳｉＮｘの誘電体層を使用して製造された大きい面積の結 合パッド１１は一５ｖでＣｅｘ、＝２３ｐＦのキャノ＜シタンスを有する。１． ３μｍのクロックパルスが１０ＧＨｚの反復率を有するとき、生成された電流は １０ＧＨｚのステ・ツブで１００ＧＨｚを越えるまで上昇するＡＣ成分に加えて ＤＣ成分から構成される。ＤＥＭＵＸチ・ンプはバイアス電圧の供給を容易にす るためにレーザヘッダに結合されている。必然的に種々の外部抵抗Ｒと直列に動 作する数ｎＨの結合ワイヤインダクタンスし、１４が存在する。Ｒが数オームよ りも小さく１限り、電流のＤＣ成分は多量に接合電位を落とすことなくチップか ら離れて再結合する。これらの周波数での結合ワイヤの大きなインピーダンスの ためにＡＣ成分では事情が異なる。

これは高い値のＣにより可能にされるチ・ツブの再結合でｘｔ 必要である。Ｒに直列のインダクタンスが無視できる程度の大きさであることを 仮定する先に上げられた値では、１００Ｇビット−１の動作は低い逆電圧に対し て予測される。

高速度の動作を改良するために結合パッドキャパシタンスを増加する考えは光検 出器と電子光学変調器に必要な方法と直接反対であり、この装置を前の動作とは 別に離して設定する。

実験 図４で示されているレイアウトを使用して、１．５６μｍのＤＦＢ１５からのＣ Ｗビームは、逆バイアスされたＤＥＭＵＸチップ１からの送信ＴＥモードが小さ いΔｎに対する送信強度の変化が最適化されるＦＰスペクトル中の点にほぼある ように波長同調される。このビームはＩＧＨｚの反復速度でＤＦＢ１６の利得を 切換えることにより得られる約２５パルスのＦＷＨＭ期間の増幅された１、３μ ｍのパルスによりＤＥＭＵＸチップ１において変調される。信号は高速度のｐｉ ｎ光検出器１７により検出され、増幅され、ｒｆスペクトル分析装置１８上で表 される。各周波数における信号レベルはその周波数における１、３μｍの信号に 対して較正される。１１μｍパルスのスペクトルはＷＤＭ結合器１９の出力を高 速度のｐｉｎ１７に接続することにより観察される。時間ドメインでこのソース を使用して応答が問題とする範囲外におけるスペクトル成分により支配されるの で周波数ドメインで測定が行われる。

結果および論述 ＩＶの逆バイアスでのＤＥＭＵＸチップ１によって、光学変調が２０ＧＨｚまで の周波数で観察される。この測定方法を使用して、約２０ＧＨｚで落ちる１、３ μｍパルスのスペクトルにより課された制限がある。１．５６μｍの信号と１． ３μｍの信号の測定比が図５に表示されている。問題としている周波数範囲（１ ０ＧＨｚ以上）では変調信号に対する変調比はほぼ一定に維持されることが認め られる。電流再結合通路のインピーダンスが周波数によって変化するので、これ はこの周波数範囲にわたってインピーダンスは飽和されたキャリア速度から自由 キャリアの速度を低下しないように十分に低くすることが提案されている。１． ５６μｍ信号の観察された光学変調は４．４ｐｓの平均キャリア寿命時間とΔｎ の比例定数５×１０１０−２Ｏ０が仮定されるならば１．３μｍ信号のレベルか ら理論的に予測されるものよりも５の係数だけ大きい。１０ＧＨｚより下で変調 信号に対する変調比は周波数の減少とともに増加する。これは正確にモデル化さ れるが、これらの周波数でより高い再結合路電気インピーダンスに関するものと 考えられている。ＣｄとＣｅｘｔ　との間の通路のインピーダンスが無視できる ように作られているならば、この設計はデマルチプレクサとして考えられる役割 に加えて全ての光学波長コンノく一タとして機能する。

優れた掃引キャリア技術を使用したＤＥＭＵＸチ・ツブは高精細度のＦＰ空洞技 術またはよりよく知られているマツノーツエンダ一方法のいずれか一方を使用す ることにより超高速ビット流をデマルチプレクスするために使用されることがで きる。ＦＰ空洞方法が使用されるときスイッチングパルスで必要なエネルギ量は 少ない。しかしながら、１００Ｇビ・ントー１ビット流のライン幅は少なくとも Ｑ、３ｎｍであり、これはＤＥＭＵＸ　ＦＰスペクトルの閉接する最大値の間隔 と比較して無視できる程小さくはない。空洞中の平均光子寿命時間をビット期間 よりも小さい値に維持するための必要条件に沿ってで報告されたものよりも低い 値に減少して得られる一利点はほとんどない。

図６を参照すると、本発明の実施例で使用されるＤＥＭＵＸチップの別の形態は 二重チャンネル装置６１．６２によって挟まれた隆起部６０を具備する。チップ １ａの上部表面は薄い（１００ＯＡ）窒化物層の上部の金属被膜６３である。電 気接触は隆起領域のみに行われる。層構造はその他では図１で示されているもの と同一である。

二重チャンネル構造は種々の深さのチャンネルエツチングまたは他の変数で使用 されてもよい。１例としてはエツチングが誘導層５の途中またはその上の一部分 で停止する。

図６で示されている形態のＤＥＭＵＸチップは特に簡単な構造を有し、従って、 高い生産率で容易に製造される。

周波数（ＧＨｚ） １１．−１＾−１ｃ、ＮＩＩＰＣＴＩＧＢ９３１００７６２フロントページの続 き （７２）発明者　ムーブイー、ディピッド・グラハムイギリス国、アイビー４・ ５ビーイー、サフォーク、イブウィッチ、トキオ・ロード（７２）発明者　ウェ イタ、ディピッドイギリス国、アイビー１０・０２キユー、サフォーク、レビン トン、チャーチ・レーン（番地なし）、゛クロエソ′

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）高いデータ速度で動作する光通信システムで使用される半導体光学スイッ チング装置において、スイッチング装置は基体に設けられているｐ−ｎ接合を含 んだ光導波体を具備し、この導波体は通信リンクから第１の波長のデータ信号と 第２の波長の制御信号とを受ける入力および出力ポートを有し、制御信号はｐ− ｎ接合の領域で電気キャリアを生成することによって第１の波長で導波体の少な くとも１部の屈折率を変調するように動作し、その結果、装置のデータ信号の光 通路の長さを変化し、使用において、装置を横切って大きなキャパシタンスが存 在する半導体光学スイッチング装置。
2. （２）データ信号および制御信号の両者が導波体に沿って誘導される請求項１記 載の装置。
3. （３）装置の大きなキャパシタンスが使用において、実質上一定の電位がｐ−ｎ 接合を横切って維持されることを可能にしている請求項１または２記載の装置。
4. （４）使用において、装置の大きなキャパシタンスが装置内の電気キャリアによ る電流のＡＣ成分の再結合を助長する請求項１、２または３記載の装置。
5. （５）前記スイッチング装置が１００ｐ秒以下の回復時間を有する請求項１乃至 ４のいずれか１項記載の装置。
6. （６）前記スイッチング装置が１０ｐ秒以下の回復時間を有する請求項１乃至５ のいずれか１項記載の装置。
7. （７）装置の大きなキャパシタンスが大きな面積の結合パッドにより与えられる 請求項１乃至６のいずれか１項記載の装置。
8. （８）チャンネルに挟まれている隆起構造を有し、前記導波体が隆起構造内に位 置され、前記大きな面積の結合パッドが隆起構造とチャンネル全体に実質上設け られている請求項７記載の装置。
9. （９）前記大きなキャパシタンスが５ｐＦ以上の値を有する請求項１乃至８のい ずれか１項記載の装置。
10. （１０）前記高いデータ速度が１０ＧＨｚ以上の周波数における変調を構成する 請求項１乃至９のいずれか１項記載の装置。
11. （１１）前記導波体がファプリーペロー空洞内にある請求項１乃至１０のいずれ か１項記載の装置。
12. （１２）ファブリーペロー空洞のファセットの反射が第２の波長よりも第１の波 長で大きい請求項１１記載の装置。
13. （１３）請求項１乃至１２のいずれか１項によるスイッチング装置を具備した時 分割多重光通信信号を使用において、デマルチプレクスするデマルチプレクス装 置。