JPH0760237B2 - 導波型光スイツチ - Google Patents
導波型光スイツチInfo
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- JPH0760237B2 JPH0760237B2 JP61267699A JP26769986A JPH0760237B2 JP H0760237 B2 JPH0760237 B2 JP H0760237B2 JP 61267699 A JP61267699 A JP 61267699A JP 26769986 A JP26769986 A JP 26769986A JP H0760237 B2 JPH0760237 B2 JP H0760237B2
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- Japan
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- waveguide
- voltage
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- optical switch
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、導波型光スイッチに関し、特に光導波路中を
伝搬する光の進路を電気的に制御する導波型光スイッチ
に関する。
伝搬する光の進路を電気的に制御する導波型光スイッチ
に関する。
（従来の技術） この種の従来の導波型光スイッチの一例が電子通信学会
技術研究報告Vol.84.No.94,1984年７月23日発行、OQE84
−51第101〜107頁に示されている。この光スイッチは、
方向性結合器型の光スイッチで、化合物半導体を基板と
するものであり、レーザーダイオード、受光器等の一体
化（モノリシック集積化）が可能という特徴を持ってい
る。
技術研究報告Vol.84.No.94,1984年７月23日発行、OQE84
−51第101〜107頁に示されている。この光スイッチは、
方向性結合器型の光スイッチで、化合物半導体を基板と
するものであり、レーザーダイオード、受光器等の一体
化（モノリシック集積化）が可能という特徴を持ってい
る。
以下、第２図を参照して詳しく説明する。図示のよう
に、この光スイッチは、n+InP基板15に、n+InGaAsP下部
クラッド層14、n-InGaAsP導波層13、P+InGaAsP上部クラ
ッド層12、および上部電極11を順に形成し、一方基板15
の裏面に下部電極を形成して成るものである。
に、この光スイッチは、n+InP基板15に、n+InGaAsP下部
クラッド層14、n-InGaAsP導波層13、P+InGaAsP上部クラ
ッド層12、および上部電極11を順に形成し、一方基板15
の裏面に下部電極を形成して成るものである。
導波層13の屈折率は電界によって大きくなるが、電極間
に印加する電圧を一定としたとき導波層により大きな電
界が生じるようにするため、クラッド層12,14のキャリ
ア密度を１〜２×1018cm-3程度と高くすることにより、
これらの層の抵抗を小さくし、また電圧印加時に導波層
13内に空乏層が拡がるように、導波層13と上部クラッド
層12とpn接合を形成している。こうすることにより、電
極11,16間に電圧を印加（pn接合に対して逆電圧となる
よう上部電極11を下部電極に対して負とする）したと
き、空乏層部分の抵抗が高くなり、電界がその部分に集
中して、この高い電界による電気光学効果によって屈折
率が大幅に変化する。第２図の光スイッチは、この屈折
率変化を利用して、光のスイッチングを行なわせるもの
である。
に印加する電圧を一定としたとき導波層により大きな電
界が生じるようにするため、クラッド層12,14のキャリ
ア密度を１〜２×1018cm-3程度と高くすることにより、
これらの層の抵抗を小さくし、また電圧印加時に導波層
13内に空乏層が拡がるように、導波層13と上部クラッド
層12とpn接合を形成している。こうすることにより、電
極11,16間に電圧を印加（pn接合に対して逆電圧となる
よう上部電極11を下部電極に対して負とする）したと
き、空乏層部分の抵抗が高くなり、電界がその部分に集
中して、この高い電界による電気光学効果によって屈折
率が大幅に変化する。第２図の光スイッチは、この屈折
率変化を利用して、光のスイッチングを行なわせるもの
である。
尚、導波層のキャリア密度は、キャリアによる光の吸収
を防ぐため１×1017cm-3以下としてある。
を防ぐため１×1017cm-3以下としてある。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上記の構成では屈折率変化が十分でなく、
所望のスイッチング特性が得られない場合があった。
所望のスイッチング特性が得られない場合があった。
この発明は、屈折率変化がより大きく、従ってスイッチ
ング特性のすぐれた導波型光スイッチを提供することを
目的とする。
ング特性のすぐれた導波型光スイッチを提供することを
目的とする。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、電極に電圧を印加したときに空乏層がpn接合
から導波層の略全体に拡がるようにされた導波型光スイ
ッチに関するものである。そして、本発明の導波型光ス
イッチは、基板の上方に形成された導波層と、その導波
層上に形成された上部クラッド層と、そのクラッド層の
上方に形成された電極とを有し、上部クラッド層内であ
って導波層の表面から離間して上記pn接合面を形成して
あることを特徴とするものである。
から導波層の略全体に拡がるようにされた導波型光スイ
ッチに関するものである。そして、本発明の導波型光ス
イッチは、基板の上方に形成された導波層と、その導波
層上に形成された上部クラッド層と、そのクラッド層の
上方に形成された電極とを有し、上部クラッド層内であ
って導波層の表面から離間して上記pn接合面を形成して
あることを特徴とするものである。
（作用） 上記のように、pn接合を導波部の外側に位置するように
構成すると、電圧を印加していないときに空乏層外に位
置し、電圧を印加したときに空乏層内に位置する領域が
導波層全体の中で占める割合が大きくなり、従って、導
波光に対する実効的屈折率変化が大きくなる。即ち、空
乏層領域外の部分では、プラズマ効果による屈折率低下
があるが、本発明では、電圧を印加していない状態で空
乏層領域外の部分が、従来よりも広いので、プラズマ効
果による、導波光に対する実効的屈折率の低下をより大
幅にできる。一方、電圧を印加した状態では、空乏層の
導波層内における拡がりが、従来と略同程度であるの
で、他の条件が同じであれば、屈折率を従来と同程度に
することができる。従って、全体として屈折率の変化を
大きくすることができる。
構成すると、電圧を印加していないときに空乏層外に位
置し、電圧を印加したときに空乏層内に位置する領域が
導波層全体の中で占める割合が大きくなり、従って、導
波光に対する実効的屈折率変化が大きくなる。即ち、空
乏層領域外の部分では、プラズマ効果による屈折率低下
があるが、本発明では、電圧を印加していない状態で空
乏層領域外の部分が、従来よりも広いので、プラズマ効
果による、導波光に対する実効的屈折率の低下をより大
幅にできる。一方、電圧を印加した状態では、空乏層の
導波層内における拡がりが、従来と略同程度であるの
で、他の条件が同じであれば、屈折率を従来と同程度に
することができる。従って、全体として屈折率の変化を
大きくすることができる。
（実施例） 第１図は本発明一実施例の導波型光スイッチを示したも
のである。この導波型光スイッチは、第２図と同様、方
向性結合器型の光スイッチで、第３図に示すように、所
定の結合長ｌにわたって２つの導波路13a,13bが近接し
て配置されたものである。
のである。この導波型光スイッチは、第２図と同様、方
向性結合器型の光スイッチで、第３図に示すように、所
定の結合長ｌにわたって２つの導波路13a,13bが近接し
て配置されたものである。
第１図に示すように、この光スイッチは、n+GaAs基板25
上に形成されたｎ又はn+GaAsAl下部クラッド層24と、下
部クラッド層24上に形成されたnGaAs導波層23と、導波
層23上に形成された上部クラッド層22とを有する。これ
らの層22〜24は、基板25上に順次エピキタシャル成長さ
せることにより形成される。上部クラッド層22上には上
部電極21が形成され、一方基板25の裏面即ち下面には下
部電極26が形成されている。上部クラッド層22は、導波
層23上に形成された第１の層22bと第１の層22b上に形成
された第２の層22aとから成り、第１の層22bはnGaAsAl
で形成されており、第２の層22aはｐ又はp+GaAsAlで形
成されており、第１の層22bと第２層22aの界面はpn接合
を形成している。また、第１の層22bと導波層23の界面
はヘテロ接合を形成している。
上に形成されたｎ又はn+GaAsAl下部クラッド層24と、下
部クラッド層24上に形成されたnGaAs導波層23と、導波
層23上に形成された上部クラッド層22とを有する。これ
らの層22〜24は、基板25上に順次エピキタシャル成長さ
せることにより形成される。上部クラッド層22上には上
部電極21が形成され、一方基板25の裏面即ち下面には下
部電極26が形成されている。上部クラッド層22は、導波
層23上に形成された第１の層22bと第１の層22b上に形成
された第２の層22aとから成り、第１の層22bはnGaAsAl
で形成されており、第２の層22aはｐ又はp+GaAsAlで形
成されており、第１の層22bと第２層22aの界面はpn接合
を形成している。また、第１の層22bと導波層23の界面
はヘテロ接合を形成している。
クラッド層24およびクラッド層22の第２の層22aの抵抗
は低くしてある。一方、導波層23およびクラッド層22の
第１の層22bのキャリア密度は２×1017〜１×1018cm13
程度としてある。キャリアを生じさせるためのドナーと
しては、例えばSi,Te,Snが用いられる。
は低くしてある。一方、導波層23およびクラッド層22の
第１の層22bのキャリア密度は２×1017〜１×1018cm13
程度としてある。キャリアを生じさせるためのドナーと
しては、例えばSi,Te,Snが用いられる。
本実施例で上記のように、導波層23のキャリア密度を高
くするのは、プラズマ効果による屈折率の変化を積極的
に利用するためである。即ち、プラズマ効果による屈折
率の変化は、電極21,26に電圧を印加しないときの導波
層23内の平均的キャリア密度と電圧を印加したときの導
波層23内の平均的キャリア密度の差に比例する。また、
電圧を印加しないときのキャリア密度と、電圧印加によ
って空乏層内のキャリア密度の比は10:1程度である。従
って屈折率の変化Δｎは電圧を印加しないときのキャリ
ア密度に１−0.1＝0.9を掛けた値に比例する。従って、
電圧を印加しないときのキャリア密度が高い程、プラズ
マ効果による屈折率の変化は大きい。電圧を印加しない
ときのキャリア密度が２×1017cm-3である場合、屈折率
の変化Δｎは１×10-3程度である。一方、キャリア密度
が１×1017cm-3であれば、屈折率の変化Δｎは５×10-4
程度である。尚、キャリア密度を高くすると光の吸収が
大きくなるが、そのロスは上記の程度のキャリア密度で
あれば10dB/cm程度に抑えられる。
くするのは、プラズマ効果による屈折率の変化を積極的
に利用するためである。即ち、プラズマ効果による屈折
率の変化は、電極21,26に電圧を印加しないときの導波
層23内の平均的キャリア密度と電圧を印加したときの導
波層23内の平均的キャリア密度の差に比例する。また、
電圧を印加しないときのキャリア密度と、電圧印加によ
って空乏層内のキャリア密度の比は10:1程度である。従
って屈折率の変化Δｎは電圧を印加しないときのキャリ
ア密度に１−0.1＝0.9を掛けた値に比例する。従って、
電圧を印加しないときのキャリア密度が高い程、プラズ
マ効果による屈折率の変化は大きい。電圧を印加しない
ときのキャリア密度が２×1017cm-3である場合、屈折率
の変化Δｎは１×10-3程度である。一方、キャリア密度
が１×1017cm-3であれば、屈折率の変化Δｎは５×10-4
程度である。尚、キャリア密度を高くすると光の吸収が
大きくなるが、そのロスは上記の程度のキャリア密度で
あれば10dB/cm程度に抑えられる。
以下、第４図および第５図を参照して詳細に説明する。
第４図は第２図の構造に対応し、第５図は第１図の構造
に対応する。第４図および第５図で、Ｇは導波光の界分
布、12U,22Uは導波層13,23と下部クラッド層14,24との
界面13U,23Uは導波層13,23と上部クラッド層12,22との
界面、24Mは上部クラッド層22の第１の層22bと第２の層
22aの界面である。また、33,37は電圧を印加しないとき
の空乏層の下端を示し、34,38は電圧を印加したときの
空乏層の下端を示している。さらに35,39は電圧を印加
しないときのｎ領域内の空乏層の拡がりを示し、36,40
は電圧を印加したときのｎ領域内の空乏層の拡がりを示
している。
第４図は第２図の構造に対応し、第５図は第１図の構造
に対応する。第４図および第５図で、Ｇは導波光の界分
布、12U,22Uは導波層13,23と下部クラッド層14,24との
界面13U,23Uは導波層13,23と上部クラッド層12,22との
界面、24Mは上部クラッド層22の第１の層22bと第２の層
22aの界面である。また、33,37は電圧を印加しないとき
の空乏層の下端を示し、34,38は電圧を印加したときの
空乏層の下端を示している。さらに35,39は電圧を印加
しないときのｎ領域内の空乏層の拡がりを示し、36,40
は電圧を印加したときのｎ領域内の空乏層の拡がりを示
している。
光の界面分布の拡がりは、導波層とクラッド層の屈折率
差を0.1とすることにより、厚さが１μｍ以下の導波層
に対しては導波層の厚さの２倍程度と小さくすることが
できる。さらに、電極間に10V程度の、pn接合に対して
逆の電圧を印加すると、空乏層は２倍程度に拡がる。
差を0.1とすることにより、厚さが１μｍ以下の導波層
に対しては導波層の厚さの２倍程度と小さくすることが
できる。さらに、電極間に10V程度の、pn接合に対して
逆の電圧を印加すると、空乏層は２倍程度に拡がる。
まず、第２図のようにpn接合が導波層の上端面と一致し
ている場合について、第４図を参照して説明する。
ている場合について、第４図を参照して説明する。
第４図に示したように電圧を印加しないときの空乏層の
下端33を導波層の中央に設定すると、10Vの電圧を印加
したときは、空乏層の下端は導波層の下端に略一致す
る。一例として、導波層の厚みが0.2μｍであるとする
と、電圧を印加しないときと電圧を印加したときとでは
空乏層の下端の位置が0.1μｍ程度変化する。即ち、導
波層の下半分では、電圧を印加していないときと、電圧
を印加したときとでキャリア密度が異り、プラズマ効果
による屈折率の変化が生じる。第４図では斜線を施した
部分が、この部分（プラズマ効果により屈折率が変化す
る部分）に対応する。従って導波光に対する実効的屈折
率変化ΔneはΔｎにβ＝（斜線部の面積）／（光の界分
布全部の面積）を乗じた値になる。
下端33を導波層の中央に設定すると、10Vの電圧を印加
したときは、空乏層の下端は導波層の下端に略一致す
る。一例として、導波層の厚みが0.2μｍであるとする
と、電圧を印加しないときと電圧を印加したときとでは
空乏層の下端の位置が0.1μｍ程度変化する。即ち、導
波層の下半分では、電圧を印加していないときと、電圧
を印加したときとでキャリア密度が異り、プラズマ効果
による屈折率の変化が生じる。第４図では斜線を施した
部分が、この部分（プラズマ効果により屈折率が変化す
る部分）に対応する。従って導波光に対する実効的屈折
率変化ΔneはΔｎにβ＝（斜線部の面積）／（光の界分
布全部の面積）を乗じた値になる。
β≒0.3であるので、本実施例のように、電圧を印加し
ないときのキャリア密度を２×1017cm-3としたときΔｎ
＝１×10-3であるので、Δne＝0.3×１×10-3＝３×10
-4となる。これに、電気光学効果による屈折率変化が加
わる。電気光学効果による屈折率の変化は６×10-4程度
である。従って、 ３×10-4＋６×10-4＝９×10-4 …（１） が総合的屈折率変化である。一方、キャリア密度が１×
1017cm-3であると、Δｎ＝５×10-4であるのでΔne＝0.
3×５×10-4＝1.5×10-4であり、これに電気光学効果に
よる屈折率変化６×10-4を加えると 1.5×10-4＋６×10-4＝7.5×10-4 …（２） となる。従ってキャリア密度を高めたことにより、屈折
率変化が （９×10-4）／（7.5×10-4）＝1.2 倍に増加する。動作電圧が同じであれば素子長を1/1.2
倍にできる。
ないときのキャリア密度を２×1017cm-3としたときΔｎ
＝１×10-3であるので、Δne＝0.3×１×10-3＝３×10
-4となる。これに、電気光学効果による屈折率変化が加
わる。電気光学効果による屈折率の変化は６×10-4程度
である。従って、 ３×10-4＋６×10-4＝９×10-4 …（１） が総合的屈折率変化である。一方、キャリア密度が１×
1017cm-3であると、Δｎ＝５×10-4であるのでΔne＝0.
3×５×10-4＝1.5×10-4であり、これに電気光学効果に
よる屈折率変化６×10-4を加えると 1.5×10-4＋６×10-4＝7.5×10-4 …（２） となる。従ってキャリア密度を高めたことにより、屈折
率変化が （９×10-4）／（7.5×10-4）＝1.2 倍に増加する。動作電圧が同じであれば素子長を1/1.2
倍にできる。
次に、上部クラッド層内であって導波層の表面から離間
してpn接合面を形成したこと即ちpn接合を導波路の外部
へ形成したことの作用効果について説明する。電圧を印
加しない状態では空乏層の下端は導波層の上部例えば導
波層の上端から1/4の位置にある。電圧を印加したとき
は空乏層の下端が導波層の下端より少し下に位置するよ
うになっている。例えば、電圧を印加しないときと電圧
を印加したときの空乏層の下端の位置の差が導波層の厚
さに等しく定められる。例えば、導波層の厚さは0.1μ
ｍである。こうすると、β＝（斜面部の面積）／（光の
界分布全部の面積）が0.5程度となり、導波光に対する
実効的屈折率変化Δneは、電圧を印加していないときの
キャリア密度が１×1017cm-3の場合、Δne＝0.5×５×1
0-4＝2.5×10-4となる。これに電気光学効果による屈折
率変化６×10-4を加えると、 2.5×10-4＋６×10-4＝8.5×10-4 …（３） となる。即ち、pn接合が導波層の上端にある場合
（（２）式）と比べ、 （8.5×10-4）／（7.5×10-4）＝8.5/7.5＝1.3倍に増加
する。また、キャリア密度を２×1017cm-3とした場合
は、Δne＝0.5×１×10-3＝５×10-4となる。これに電
気光学効果による屈折率変化６×10-4を加えると、 ５×10-4＋６×10-4＝11×10-4 …（４） となる。（２）式と比べると、 （11×10-4）／（7.5×10-4）＝11/7.5＝1.47倍に増加
する。動作電圧が同じであれば素子長を短くすることが
できる。
してpn接合面を形成したこと即ちpn接合を導波路の外部
へ形成したことの作用効果について説明する。電圧を印
加しない状態では空乏層の下端は導波層の上部例えば導
波層の上端から1/4の位置にある。電圧を印加したとき
は空乏層の下端が導波層の下端より少し下に位置するよ
うになっている。例えば、電圧を印加しないときと電圧
を印加したときの空乏層の下端の位置の差が導波層の厚
さに等しく定められる。例えば、導波層の厚さは0.1μ
ｍである。こうすると、β＝（斜面部の面積）／（光の
界分布全部の面積）が0.5程度となり、導波光に対する
実効的屈折率変化Δneは、電圧を印加していないときの
キャリア密度が１×1017cm-3の場合、Δne＝0.5×５×1
0-4＝2.5×10-4となる。これに電気光学効果による屈折
率変化６×10-4を加えると、 2.5×10-4＋６×10-4＝8.5×10-4 …（３） となる。即ち、pn接合が導波層の上端にある場合
（（２）式）と比べ、 （8.5×10-4）／（7.5×10-4）＝8.5/7.5＝1.3倍に増加
する。また、キャリア密度を２×1017cm-3とした場合
は、Δne＝0.5×１×10-3＝５×10-4となる。これに電
気光学効果による屈折率変化６×10-4を加えると、 ５×10-4＋６×10-4＝11×10-4 …（４） となる。（２）式と比べると、 （11×10-4）／（7.5×10-4）＝11/7.5＝1.47倍に増加
する。動作電圧が同じであれば素子長を短くすることが
できる。
（発明の効果） 以上のように本発明によれば、pn接合を導波層の外部に
位置させ、電極に電圧を印加しない状態ではキャリア密
度が高く、電圧を印加した状態では空乏層となってキャ
リア密度が低くなる部分の占める割合を大きくしたの
で、プラズマ効果による屈折率変化を大きくすることが
できる。また、電圧を印加しない状態でのキャリア密
度、即ち不純物濃度を高くすることにより、プラズマ効
果による屈折率の変化を一層大きくすることができる。
位置させ、電極に電圧を印加しない状態ではキャリア密
度が高く、電圧を印加した状態では空乏層となってキャ
リア密度が低くなる部分の占める割合を大きくしたの
で、プラズマ効果による屈折率変化を大きくすることが
できる。また、電圧を印加しない状態でのキャリア密
度、即ち不純物濃度を高くすることにより、プラズマ効
果による屈折率の変化を一層大きくすることができる。
第１図は本発明一実施例の導波型光スイッチの一部を切
り出して示す斜視図、第２図は従来の導波型光スイッチ
を示す斜視図、第３図は第１図の光スイッチの導波路の
パターンを示す平面図、第４図および第５図は光の界分
布および空乏層の拡がりを示す線図である。 21,26…電極、22a,22b,24…クラッド層、23…導波層、2
5…基板。
り出して示す斜視図、第２図は従来の導波型光スイッチ
を示す斜視図、第３図は第１図の光スイッチの導波路の
パターンを示す平面図、第４図および第５図は光の界分
布および空乏層の拡がりを示す線図である。 21,26…電極、22a,22b,24…クラッド層、23…導波層、2
5…基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 敬介 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−168219（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】電極に電圧を印加したときに空乏層がpn接
合から導波層の略全体に拡がるようにされた導波型光ス
イッチにおいて、 基板の上方に形成された上記導波層と、 上記導波層上に形成された上部クラッド層と、 上記上部クラッド層の上方に形成された上記電極とを有
し、 上記上部クラッド層内であって上記導波層の表面から離
間して上記pn接合面が形成されている、 ことを特徴とする導波型スイッチ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61267699A JPH0760237B2 (ja) | 1986-11-12 | 1986-11-12 | 導波型光スイツチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61267699A JPH0760237B2 (ja) | 1986-11-12 | 1986-11-12 | 導波型光スイツチ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63121826A JPS63121826A (ja) | 1988-05-25 |
| JPH0760237B2 true JPH0760237B2 (ja) | 1995-06-28 |
Family
ID=17448310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61267699A Expired - Fee Related JPH0760237B2 (ja) | 1986-11-12 | 1986-11-12 | 導波型光スイツチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0760237B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2590160B2 (ja) * | 1987-12-18 | 1997-03-12 | 株式会社日立製作所 | 光導波路 |
| JPH02259731A (ja) * | 1989-03-31 | 1990-10-22 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光導波路装置およびその使用方法 |
| JP2009128694A (ja) * | 2007-11-26 | 2009-06-11 | Sharp Corp | 光スイッチ素子 |
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-
1986
- 1986-11-12 JP JP61267699A patent/JPH0760237B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63121826A (ja) | 1988-05-25 |
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