JPH0760225B2 - Optical switch - Google Patents

Optical switch

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JPH0760225B2
JPH0760225B2 JP63095646A JP9564688A JPH0760225B2 JP H0760225 B2 JPH0760225 B2 JP H0760225B2 JP 63095646 A JP63095646 A JP 63095646A JP 9564688 A JP9564688 A JP 9564688A JP H0760225 B2 JPH0760225 B2 JP H0760225B2
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JP
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optical switch
waveguide
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electrode
gain
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正宏 池田
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Description

【発明の詳細な説明】 (1)発明の属する技術分野 本発明は小型で集積化のできる光スイッチに関するもの
である。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical switch which is small and can be integrated.

(2)従来の技術とその問題点 従来のこの種の光スイッチとしては第1図に示す構成の
ものが知られている。(例えば文献S.Tarucha,H.Iwamur
a,T.Saku and H.Okamoto.“Wavequide-TypeOptical Mod
ulaton of GaAs Quantum Well Double Heterostructure
s Using Electric Field Effect on Exciton Absorpto
n,"Japanese Journal of Appl,Phys,vol.24.No.6.PP.L4
42-L444,1985)。ここで、1はp側電極、2はp型半導
体のクラッディング、3は量子井戸構造の活性層、4は
n型半導体のクラッディング、5はn側電極、6は集光
用レンズ、7は印加電圧用負電源を表している。
(2) Conventional Technology and its Problems As a conventional optical switch of this type, the configuration shown in FIG. 1 is known. (For example, literature S. Tarucha, H. Iwamur
a, T.Saku and H.Okamoto. “Wavequide-TypeOptical Mod
ulaton of GaAs Quantum Well Double Heterostructure
s Using Electric Field Effect on Exciton Absorpto
n, "Japanese Journal of Appl, Phys, vol.24.No.6.PP.L4
42-L444, 1985). Here, 1 is a p-side electrode, 2 is a p-type semiconductor cladding, 3 is an active layer having a quantum well structure, 4 is an n-type semiconductor cladding, 5 is an n-side electrode, 6 is a condenser lens, 7 Represents a negative power source for applied voltage.

第2図は第1図に示したGaAs系素子の波長に対する吸収
特性を示したものである。実線の特性は電圧が印加され
ていない状態での吸収特性で、破線の特性はpn接合に逆
方向電圧として1V印加された状態での吸収特性を表して
いる。この図から分るように量子構造の活性層によって
生ずる励起子の吸収ピークが逆方向電界の印加によって
シフトする。この吸収の変化を光のスイッチングに利用
するものである。光スイッチ素子として挿入損失が小さ
く、かつアイソレーションが大きく取れる波長として、
この場合には0.86μmの信号光が選ばれる。この場合に
は、オン時(電界がかかっていない状態)の吸収が約60
cm-1、オフ時(−1.0Vの印加時)の吸収が約250cm-1
あるから、素子長が200μmとすると、オン時の挿入損
失は約5.2dBとなり、アイソレーションは約16.5dBとな
る。印加する電圧を変えてもこの値には大差はなく、挿
入損失が小さくてアイソレーションの大きい良好な特性
を得る事は困難であった。
FIG. 2 shows the absorption characteristics with respect to the wavelength of the GaAs element shown in FIG. The solid line shows the absorption characteristics when no voltage is applied, and the broken line shows the absorption characteristics when a reverse voltage of 1 V is applied to the pn junction. As can be seen from this figure, the absorption peak of excitons generated by the active layer of the quantum structure shifts by the application of a reverse electric field. This change in absorption is used for switching light. As a wavelength that has a small insertion loss as an optical switch element and a large isolation,
In this case, the signal light of 0.86 μm is selected. In this case, the absorption is about 60 when it is on (when no electric field is applied).
Since the absorption at cm -1 and off (when applying -1.0 V) is about 250 cm -1 , when the element length is 200 μm, the insertion loss when on is about 5.2 dB and the isolation is about 16.5 dB. Become. Even if the applied voltage was changed, there was no great difference in this value, and it was difficult to obtain good characteristics with small insertion loss and large isolation.

また、第1図のように信号光の入出力にはレンズ結合を
利用しているため、小型で高集積の光スイッチを構成す
る事が難しいという欠点があった。
Further, as shown in FIG. 1, since the lens coupling is used for inputting / outputting the signal light, there is a drawback that it is difficult to construct a compact and highly integrated optical switch.

(3)発明の目的 本発明の目的は、オン時の挿入損失を小とし、アイソレ
ーションを大きくして高集積化することができる構造と
した光スイッチを提供することにある。
(3) Object of the Invention It is an object of the present invention to provide an optical switch having a structure capable of reducing insertion loss when turned on and increasing isolation to achieve high integration.

(4)発明の構成 (4−1)発明の特徴と従来の技術との差異 本発明は、導波路部とスイッチ部の構造が同じであり、
かつオン時に順方向に電流を注入しオフ時に逆方向電圧
を印加することを最も主要な特徴とする。従来の技術と
は、オン時に利得が得られる点が大きく異なる。
(4) Configuration of the Invention (4-1) Differences between Features of the Invention and Prior Art The present invention has the same structure of the waveguide section and the switch section,
In addition, the most main feature is that a current is injected in the forward direction when turned on and a reverse voltage is applied when turned off. It is significantly different from the conventional technique in that gain is obtained at the time of turning on.

(4−2)実施例 第3図は本発明に用いる素子の構造を説明するための図
であり、1はp側電極、2はp型Al0.3Ga0.7Asのクラッ
ディング、3は量子井戸構造の活性層で、GaAs80Å,Al
0.2Ga0.8As50Åの周期を約10層構成する。また、4はn
型Al0.3Ga0.7Asのクラッディング、5はn側電極、7及
び8は各々逆方向及び順方向用電極、9はP+型GaAs層を
表している。
(4-2) Example FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of an element used in the present invention, in which 1 is a p-side electrode, 2 is p-type Al 0.3 Ga 0.7 As cladding, and 3 is a quantum well. Structure active layer, GaAs80Å, Al
A period of 0.2 Ga 0.8 As 50Å is composed of about 10 layers. 4 is n
A type Al 0.3 Ga 0.7 As cladding, 5 is an n-side electrode, 7 and 8 are electrodes for reverse and forward directions, respectively, and 9 is a P + type GaAs layer.

今、電極に順方向電流を注入すると、活性層3における
キャリアは反転分布となる。これは半導体レーザにおけ
る反転分布と同じであり、活性層3は吸収媒質から利得
媒質へと変化する。
When a forward current is injected into the electrode, carriers in the active layer 3 have an inverted population. This is the same as the population inversion in the semiconductor laser, and the active layer 3 changes from the absorption medium to the gain medium.

第2図における一点鎖線の波長特性は0.5V順方向に電圧
を印加した場合の利得特性を示している。この場合に
は、0.86μmの波長で利得のピークが観測され、約300c
m-1の利得となる。ここで導波路端面に反射防止膜が施
されていれば発振が防止され、200μmの利得導波路長
で約26dBの利得が得られる。従って、オンの時には0.5V
の順方向電圧、オフの時には1.0Vの逆方向電圧を印加す
ることによって、素子長200μmスイッチでオン時に26d
Bの利得、アイソレーション47.7dBのスイッチ特性が得
られる。実際の素子構成では、入出力部の導波路での損
失と光信号の結合損失があるため、オン時の利得は減少
するが、全損失を補償して全体としての利得を得る事は
不可能ではない。
The wavelength characteristic of the one-dot chain line in FIG. 2 shows the gain characteristic when a voltage is applied in the forward direction of 0.5V. In this case, a gain peak is observed at a wavelength of 0.86 μm,
The gain is m -1 . If an antireflection film is applied to the end face of the waveguide, oscillation is prevented, and a gain of about 26 dB can be obtained with a gain waveguide length of 200 μm. Therefore, 0.5V when on
By applying a forward voltage of 1.0V and a reverse voltage of 1.0V when the switch is off, the device length is 200μm and 26d
B gain and switch characteristics with isolation of 47.7 dB are obtained. In the actual device configuration, there is a loss in the waveguide of the input / output section and a coupling loss of the optical signal, so the gain at the time of ON is reduced, but it is impossible to compensate the total loss to obtain the overall gain. is not.

第4図は第3図におけるA-A′断面の構造で、10はn型A
l0.3Ga0.7Asの埋込層、11はp型Al0.3Ga0.7Asのブロッ
ク層、12はSiO2層を示している。第4図に示すように、
導波路を埋込型の導波路で構成することによって光の散
乱損失及び電流の活性層3への閉じ込め効果を上げるこ
とができるが、リッヂ型の導波路構造で構成することも
できる事は言うまでもない。
Fig. 4 shows the structure of the AA 'cross section in Fig. 3, and 10 is n-type A.
l 0.3 Ga 0.7 As buried layer, 11 is a p-type Al 0.3 Ga 0.7 As block layer, and 12 is a SiO 2 layer. As shown in FIG.
By configuring the waveguide as a buried type waveguide, it is possible to enhance the scattering loss of light and the effect of confining the current in the active layer 3, but it goes without saying that it can also be configured by a ridge type waveguide structure. Yes.

第5図は本発明の実施例の構造図を示す。本構造ではオ
ン用の電極とオフ用の電極を分離して構成しているた
め、オンとオフを独立に制御することができる。従っ
て、オンとオフのタイミングをオーバラップすることに
よってスイッチング速度を早くする事が可能となる。
FIG. 5 shows a structural diagram of an embodiment of the present invention. In this structure, since the ON electrode and the OFF electrode are configured separately, ON and OFF can be controlled independently. Therefore, it is possible to increase the switching speed by overlapping the on and off timings.

第6図は2×2の光マトリクス・スイッチを構成した実
施例であり、13は上記構造の導波路部、14は上記構造の
光スイッチ部を表している。
FIG. 6 shows an embodiment in which a 2 × 2 optical matrix switch is constructed. Reference numeral 13 denotes the waveguide section having the above structure, and 14 denotes the optical switch section having the above structure.

今、Pin 1から信号光が入射し、P2 outの出力導波路を選
択する場合には、1411の電極には逆方向の電圧を、1412
の電極には順方向の電圧を各々印加することによって達
成される。また、1411と1412の両電極に同時に順方向電
圧を印加することによって、挿入損失なしに両出力導波
路に信号光を出射することができる。
Now, when the signal light is input from P in 1 and the output waveguide of P 2 out is selected, a voltage in the reverse direction is applied to the electrode of 14 11 and 14 12
This is achieved by applying a forward voltage to each of the electrodes. Further, 14 11 and by applying a forward voltage simultaneously to both electrodes 14 12, it is possible to emit signal light without insertion loss at both the output waveguide.

なお本実施例ではGaAs系の実施例について説明したが、
InP系の光スイッチも構成できることは言うまでもな
い。
In this embodiment, the GaAs-based embodiment has been described.
It goes without saying that an InP optical switch can also be configured.

(5)発明の効果 以上説明したよに、本発明の光スイッチでは、活性層に
量子井戸構造を有した導波路の一部に電極を設け、オン
の時には利得を、オフの時には吸収を起こさせてスイッ
チングする構成としているため、以下のような利点があ
る。
(5) Effects of the Invention As described above, in the optical switch of the present invention, an electrode is provided in a part of a waveguide having a quantum well structure in the active layer, and gain is generated when the waveguide is on, and absorption is generated when the waveguide is off. Since it is configured to perform switching, there are the following advantages.

i)導波路部,スイッチ部とも同一構造で構成できるた
め集積化した光スイッチ網を作成する事が容易である。
i) Since the waveguide section and the switch section can be configured with the same structure, it is easy to create an integrated optical switch network.

ii)挿入損失のない利得を持った光スイッチ網を得る事
ができる。
ii) An optical switch network with gain without insertion loss can be obtained.

iii)アイソレーションの大きい特性が得られる。iii) A characteristic with large isolation is obtained.

iv)クロストークの小さい光スイッチ網が構成できる。iv) An optical switch network with small crosstalk can be constructed.

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

第1図は従来の光スイッチ構成図、第2図は吸収係数の
波長依存性を示す特性図、第3図は本発明に用いる素子
の構造を説明するための断面図、第4図は第3図のA−
A′線での構造断面図、第5図は本発明の実施例を示す
断面図、第6図は2×2光マトリクス・スイッチの構成
図である。 1…p側電極、2…p型半導体クラッディング、3…量
子井戸構造の活性層、4…n型半導体クラッディング、
5…n側電極、6…集光用レンズ、7…逆方向用電源、
8…順方向用電源、9…p+…コンタクト層、10…n型埋
込層、11…p型ブロック層、12…SiO2層、13…導波路
部、14…スイッチ部。
FIG. 1 is a configuration diagram of a conventional optical switch, FIG. 2 is a characteristic diagram showing wavelength dependence of absorption coefficient, FIG. 3 is a sectional view for explaining a structure of an element used in the present invention, and FIG. A- in Figure 3
FIG. 5 is a sectional view showing a structure taken along the line A ', FIG. 5 is a sectional view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 1 ... p-side electrode, 2 ... p-type semiconductor cladding, 3 ... active layer having quantum well structure, 4 ... n-type semiconductor cladding,
5 ... n side electrode, 6 ... condensing lens, 7 ... reverse direction power supply,
8 ... Forward power source, 9 ... P + ... Contact layer, 10 ... N-type buried layer, 11 ... P-type block layer, 12 ... SiO 2 layer, 13 ... Waveguide section, 14 ... Switch section.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】pn接合を有する半導体素子への印加電圧に
よって光信号をオン・オフするゲート型光スイッチにお
いて、前記pn接合の中間に設けられる活性層として量子
井戸構造を持った導波路の一部に2つに分割された電極
を備え、一方を順方向電流注入用電極とし、他方を逆方
向電圧印加用電極とし、前記2つの電極への電流又は電
圧をオン又はオフにするタイミングがオーバーラップす
るように構成されたことを特徴とする光スイッチ。
1. A gate type optical switch for turning on / off an optical signal by a voltage applied to a semiconductor element having a pn junction, wherein a waveguide having a quantum well structure is provided as an active layer provided in the middle of the pn junction. The electrode is divided into two parts, one is a forward current injection electrode, the other is a reverse voltage application electrode, and the timing of turning on or off the current or voltage to the two electrodes is over. An optical switch characterized by being configured to wrap.
【請求項2】前記導波路の端面に反射防止膜が施された
構造を有することを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の光スイッチ。
2. The optical switch according to claim 1, wherein the optical switch has a structure in which an antireflection film is applied to an end face of the waveguide.
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