JPH0887038A

JPH0887038A - 光制御型半導体光スイッチ

Info

Publication number: JPH0887038A
Application number: JP24845194A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Suzuki; 信夫鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-17
Filing date: 1994-09-17
Publication date: 1996-04-02
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: JP3378376B2

Abstract

(57)【要約】【目的】キャリア寿命に制限されない超高速、高効率
の光制御型半導体光スイッチを提供すること。【構成】半導体基板２１上に活性導波路層２２とクラ
ッド層２３を積層してなるストライプ状の半導体光導波
路と、この半導体光導波路に制御光と信号光を入射させ
る機構と、制御光の波長において半導体光導波路の損失
と利得が平衡するように電子と正孔の密度を調整するた
めに、半導体光導波路に電流を供給するための電極２
５，２６とを備え、制御光により信号光の出力強度や位
相を変化させる光制御型半導体光スイッチであって、活
性導波路層２２の材料として、そのバンド内吸収（価電
子帯間吸収や量子井戸のサブバンド間吸収）の共鳴波長
が制御光の波長と等しいものを用いたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光制御型の半導体光ス
イッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体レーザ，低損失光ファイ
バ，光ファイバ増幅器，高速集積回路などのオプトエレ
クトロニクス関連技術の発展により、毎秒１０ギガビッ
トという大量の情報を長距離伝送することが可能となっ
た。来るべきマルチメディア時代においては、一般の末
端利用者も高精細映像情報など大量の情報をリアルタイ
ムで利用することになるので、さらに大容量の情報を伝
送・処理できるインフラストラクチャーの構築が必要と
なる。

【０００３】しかし、高速集積回路技術の発展にもかか
わらず、毎秒数十ギガビット以上の情報を処理する電子
装置は、配線遅延の問題，消費電力の問題，製造・実装
コストの問題などで非常に高価なものになってしまう。
このため、電子的に一度に扱えないような大量の情報を
光にのせたまま処理する新しい光ルーティング技術への
期待が高まっている。その実現には、数ｐｓ以下の高速
・高繰り返しスイッチングを実現できる、光制御型の超
高速光ルーティング・スイッチ（ルータ）の開発が重要
である。

【０００４】これまでに提案されている光制御型超高速
光スイッチで技術的に最も進んでいるのは、非線形光ル
ープミラー（ＮＯＬＭ）やＫｅｒｒシャッタに代表され
る、光ファイバの非線形性（Ｋｅｒｒ効果）を利用した
光スイッチである。しかし、光ファイバを用いた非線形
光スイッチは一般に、サイズが大きい、音響振動の影響
に敏感で安定性に難がある、高価などの問題がある。ま
た、光論理素子として用いるには、一段当たりの遅延時
間が長すぎるという問題もあった。

【０００５】実用性の観点では、半導体光導波路を用い
た非線形光スイッチに期待がかけられている。しかし、
半導体非線形光スイッチには、非共鳴波長においては非
線形性が小さすぎてスイッチングに必要なエネルギーが
大きくなり過ぎるという問題があり、共鳴波長近辺にお
いては比較的大きな非線形性が得られるもののキャリア
寿命で繰り返しが制限されてしまう上、吸収も大きいと
いう問題があった。従って、高速性と効率の両立できる
光制御型の半導体光スイッチは未だ実現されていない。

【０００６】この問題を解決する一つの可能性として、
活性透明光導波路中の非線形性が注目されている（例え
ば、C.T.Hultgren, et al., Appl. Phys. Lett., vol.5
9, pp.635-637, 1991 、C.T.Hultgren, et al., Appl.
Phys. Lett., vol.61, pp.2767-2768, 1992 など）。こ
れは、進行波型半導体レーザ増幅器を、バイアス電流と
光波長を利得と損失が平衡する条件に設定して使うもの
である。

【０００７】図１３に、上記文献に示されている、励起
光パルス（パルス幅４４０ｆｓ）を透過させた後の透過
プローブ光パルスの位相の時間変化を示す。プローブ光
の位相変化は内部の屈折率変化に比例している。（ａ）
では利得領域にバイアスされており、強い励起光が入射
するとその増幅にキャリアが消費されるため、利得の飽
和が起こる。逆に、損失領域にバイアスされた（ｃ）の
場合は、強い励起光パルスで励起されたキャリアによ
り、損失の飽和が起こる。いずれの場合も、飽和の回復
時間はキャリア寿命のオーダーである。このため、屈折
率変化には元の値まで回復するのに数ｎｓを要する成分
が大きく重畳し、安定な高速繰り返し動作を実現するこ
とができない。

【０００８】これに対して、（ｂ）の透明条件では利得
飽和も損失飽和も生じないため、遅い屈折率変化成分が
現れず、高速の屈折率変化のみを利用することができ
る。また、損失が電流注入による誘導放出利得により補
償されているので、挿入損失も小さく抑えることがで
き、多段接続にも有利である。

【０００９】高速の屈折率変化は、最初の大きな負の屈
折率変化成分とその直後に生じる正の屈折率変化成分と
に分離することができる。最初の負の屈折率変化は、二
光子吸収（ＴＰＡ）や自由キャリア吸収などによるキャ
リアの励起によると考えられている。高エネルギ状態に
励起されたキャリアは、１ｐｓ以内にフォノンや他のキ
ャリアとの衝突でエネルギを失い、低エネルギ状態に緩
和する。このとき、キャリアの平均温度が上昇すること
（キャリア・ヒーティング）により、正の屈折率変化が
生じるものと考えられている。暖められたキャリアは、
さらにフォノンとの衝突でエネルギを失い、数ｐｓ以内
には元の状態に戻る。従って、高速の屈折率変化のみを
利用できれば、数百Ｇｂｐｓの高速繰り返し動作が実現
できるとされている。

【００１０】二光子吸収は、非共鳴波長での非線形性の
主たる要因と考えられている。非共鳴波長では十分大き
な非線形性が得られないが、この例では入射光が共鳴波
長であるため、比較的大きな非線形性が実現されてい
る。文献（K.L.Hall et al., Appl. Phys. Lett., vol.
62, pp.1320-1322, 1993）に示されている数値を用いて
概算すると、パルス幅１ｐｓ以上の励起パルスの場合、
プローブ光にπシフトを与えるピーク・パワーはおおよ
そ５．２Ｗ／Ｌで与えられる。ここで、Ｌは単位をｍｍ
で表した素子長である。従って、長さ１０ｍｍの素子を
用いれば、約５００ｍＷのピークパワーでスイッチング
が実現できることになる。このピークパワーは、高出力
の半導体パルス・レーザで実現可能な値である。しか
し、実用的にはさらにパワーを低く抑える必要がある。

【００１１】このように、活性透明光導波路を用いれば
高速の光スイッチングが可能になるように思われるが、
実は二光子吸収で価電子帯から伝導帯に電子が励起され
ているため、その蓄積により動作速度が制限されてしま
う。即ち、二光子吸収で発生した高エネルギの電子と正
孔は、数ｐｓ以内の短い間にはそれぞれ伝導帯の底近傍
と価電子帯の頂点近傍まで緩和するが、この状態でもキ
ャリアが過剰に励起されていることには変わりがない。
一発のパルスにより励起されるキャリアの数は少ない
が、高速繰り返しで多数のキャリアが蓄積すると吸収の
飽和が生じるため、励起パターンに依存してキャリア寿
命（〜ｎｓ）程度の時定数の特性変動が生じてしまうこ
とになる。

【００１２】一方、活性透明光導波路を用いた光制御型
光スイッチにおいては、信号光と制御光の波長を共に利
得ピーク波長近傍に設定するのが雑音抑制の点で有利で
あるが、この場合両者の波長がほぼ同じであるため、信
号光の分離が困難という問題があった。また、活性透明
光導波路を用いたものに限らず、半導体光制御型光スイ
ッチには、出力光の消光比が十分大きくとれないという
致命的な問題もあった。これらの問題について、文献
（S.G.Lee et al.,Appl.Phys.Lett.,vol.64,pp.454-45
6，1994）に示されている透明活性導波路を用いた非線
形方向性結合器（ＮＬＤＣ）型光スイッチを例にとっ
て、以下に説明する。

【００１３】図１４は、ｎ型ＧａＡｓ基板上３０１上に
形成された従来例のＮＬＤＣ光スイッチの断面構造図で
ある。活性層３０２はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子
井戸からなり、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０３とｐ
型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０４に挟まれている。ｐ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層３０４の上にはｐ型ＧａＡｓコ
ンタクト層３０５が形成されている。ｐ型ＡｌＧａＡｓ
クラッド層３０４とｐ型ＧａＡｓコンタクト層３０５に
は、２つのストライプ状のメサ領域３０６ａ，３０６ｂ
が形成されており、このメサ３０６ａ，３０６ｂにより
光導波路のチャンネルが規定されている。各メサの幅は
３μｍ、高さは０．９μｍ、メサの間隔は２μｍであ
り、素子長さは１．３ｍｍである。メサを含む上面には
電極３０７が、基板下部には電極３０８がそれぞれ形成
されており、活性層３０２への電流注入により入力光に
対してほぼ透明条件に設定できる。

【００１４】入力光はパルス幅２００ｆｓのパルス光で
あり、信号光と制御光の区別はなく、入力光のエネルギ
により出力チャンネルがスイッチされるようになってい
る。回復時間は１ｐｓ以下である。図１５に各チャンネ
ルへの出力比の入力エネルギ依存性を示す。破線はＴＥ
モードに対する結果であり、出力比は１：３から１．
７：１の間で変化している。実線はＴＭモードに対する
結果であり、出力比は１：３から１．４：１の間で変化
している。両チャンネルの出力が等しくなるクロスオー
バー点はＴＥモードで６ｐＪと報告されている。

【００１５】この例では、０：１から１：０の間の完全
スイッチングが実現できていない。その一つの理由は、
素子長が方向性結合器の弱励起時の完全結合長の自然数
倍とずれているためである。しかし、仮にこのずれがな
く、弱励起時の出力比が０：１であったとしても、ＮＬ
ＤＣでは１：０の出力を得ることはできない。この理由
は、各点の等価屈折率が光強度に依存し、しかも各チャ
ンネルが結合しているため、入力光強度に依存して光強
度比がチャンネルの各点で変化し、それに伴い結合の程
度も変化するため、方向性結合器としての均一性や対称
性が失われ、完全結合条件が成立しなくなるためであ
る。この問題は、非対称マッハツェンダ干渉計型の光ス
イッチにおいても同様であり、弱励起時と強励起時で各
分岐の導波特性が変化するため、強励起時の消光比を大
きくすることができない。

【００１６】この文献には、時間応答の測定に当たって
ポンプ光とプローブ光の偏波を変えた例が述べられてい
る。この方法により制御光と信号光の分離は不可能では
ないが、例えば半導体では偏波分離光カプラの集積化は
困難であり、集積化された実用的な形で制御光と信号光
の分離機能を実現することは困難であった。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の光
制御型の半導体超高速光スイッチにおいては、低パワー
で超高速のスイッチングができないという問題があっ
た。特に、活性透明半導体光導波路中の非線形性を用い
た光スイッチの場合、二光子吸収（ＴＰＡ）により発
生，蓄積したキャリアの寿命が高速繰り返し動作を制限
するという問題があった。

【００１８】また、従来の光制御型光スイッチにおいて
は、高速かつ高効率な光スイッチングを実現するに当た
って、信号光出力先の完全スイッチングが困難であり、
さらに制御光と信号光の分離が困難であるという問題が
あった。

【００１９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、キャリア寿命に制限さ
れない超高速、高効率の光制御型半導体光スイッチを提
供することにある。

【００２０】また、本発明の他の目的は、制御光と信号
光を容易に分離でき、しかも信号光の出力光の出力先を
ほぼ完全にスイッチングできる光制御型半導体光スイッ
チを提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、活性透
明光導波路の非線形性を利用した光制御型半導体光スイ
ッチにおいて、その光導波路を構成する層構造の少なく
とも一部に、そのバンド内吸収の共鳴波長が入射光波長
とおおむね等しくなるような材料を用いることで、バン
ド内吸収による非線形性を二光子吸収による非線形性よ
りも増大させることにある。

【００２２】即ち、本発明（請求項１）は、ストライプ
状の半導体光導波路と、この半導体光導波路に制御光と
信号光を入射する手段と、制御光の波長においてこの半
導体光導波路の損失と利得が平衡するように電子と正孔
の密度を調整する手段とを備え、制御光により信号光の
出力強度や位相を変化させる光制御型半導体光スイッチ
であって、前記半導体光導波路の少なくとも一部に、バ
ンド内吸収の共鳴波長が制御光の波長とほぼ等しい材料
を用いてなることを特徴とする。

【００２３】ここで、バンド内吸収の具体例としては、
重い正孔帯や軽い正孔帯からスピン軌道分離帯への価電
子帯間吸収及び量子井戸におけるサブバンド間吸収があ
げられる。

【００２４】また、本発明（請求項２）は、光制御型半
導体光スイッチにおいて、信号光を入力して第１の中間
光路と第２の中間光路に分岐する信号光分岐手段と、制
御光を入力する制御光入力導波路と、制御光入力導波路
と第１の中間光路とを第１の光導波路と第２の光導波路
とに結合する第１の光カプラと、第１の光導波路と第２
の光導波路を第３の中間光路と制御光出力光路とに結合
する第２の光カプラと、第２の中間光路に分岐された光
を伝搬させる参照光路と、第３の中間光路と参照光路と
を第１の信号光出力光路と第２の信号光出力光路とに結
合する出力光カプラとから構成され、第１の光カプラか
ら第２の光カプラまでの部分は制御光の有無に関わらず
信号光を主として第３の中間光路に出力する第１のマッ
ハツェンダ干渉計を構成しており、第１及び第２の信号
光出力光路へ出力される信号光は、第１の光導波路及び
第２の光導波路中における非線形光学効果により、制御
光の有無に従って第３の中間光路を伝搬する信号光の位
相が変化し、その結果として出力光カプラの主たる信号
光出力先が切り換わることを特徴とする。

【００２５】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 信号光分岐手段はＹ分岐であってもかまわないし、
１：１光カプラであってもかまわない。第１のマッハツ
ェンダ干渉計が制御光の有無に関わらず信号光を主とし
て第３の中間光路に出力するようにするためには、第１
及び第２の光カプラが１：１光カプラであり、かつ第１
の光導波路と第２の光導波路が対称であることにより実
現される。 (2) 第２の中間光路と参照光路の間に、第１のマッハツ
ェンダ干渉計と同様の第２のマッハツェンダ干渉計が構
成されていること。即ち、第２の制御光入力導波路と第
２の中間光路を第３の光導波路と第４の光導波路とに結
合する第３の光カプラと、第３の光導波路と第４の光導
波路を参照光路と第２の制御光出力光路とに結合する第
４の光カプラとから構成される第２のマッハツェンダ干
渉計が、信号光分岐手段出力の第２の中間光路と出力光
カプラの参照光路入力の間に挿入されており、第１のマ
ッハツェンダ干渉計から構成される光路との対称性が確
保されていることが好ましい。 (3) 第１の光導波路と第２の光導波路が、電流注入手段
を有する半導体活性導波路から構成されており、この半
導体活性導波路は制御光波長の微弱光に対して利得が損
失とほぼ平衡するようにバイアスされていること。先に
述べた第２のマッハツェンダ干渉計を有する光制御型光
スイッチでは、第３の光導波路と第４の光導波路が、そ
れぞれ第１及び第２の光導波路と同じように形成されて
いることが好ましい。 (4) 全体が半導体基板上にモノリシックに形成されてい
ること。 (5) 第１の光導波路中から第２の光カプラに入力される
光と、第２の光導波路から第２の光カプラに入力される
光と、の間の位相を調整する手段が設けられているこ
と。 (6) 参照光路から出力光カプラに入力される光と、第３
の中間光路から出力光カプラに入力される光と、の間の
位相を調整する手段が設けられていること。

【００２６】

【作用】本発明（請求項１）において、半導体光導波路
内部には電流注入による高密度のキャリア（電子と正
孔）が存在している。この光導波路は、励起光波長に対
してバンド間吸収等によるキャリア発生と誘導放出によ
るキャリア減少が平衡した透明状態にバイアスされてい
るので、励起光が入射してもキャリア数は殆ど変化しな
い。しかるに、励起光波長とバンド内吸収の共鳴波長が
概ね等しいため、キャリアの一部は励起光を吸収して高
エネルギ状態に励起される。元々存在するキャリアがバ
ンド内で励起されるので、キャリア数は変化しない。キ
ャリアのエネルギ分布の変化に伴って、瞬間的に大きな
屈折率や透過率の変化が生じる。しかし、励起されたホ
ット・キャリアは、バンド内緩和により短時間のうちに
元の平衡状態に復帰する。即ち、励起パルスが入射され
ると直ちに大きな屈折率や透過率の変化が起こるが、励
起パルスがなくなって数ｐｓのうちには屈折率や透過率
は元の値に復帰する。

【００２７】厳密には、副次的に起こる二光子吸収のた
めキャリア密度も僅かに変化する。しかし、バンド内吸
収が共鳴により増大しているため、従来の活性透明導波
路と比べて小さな励起光パワーで使用することができ、
二光子吸収の影響を小さく抑えることができる。従っ
て、高速繰り返し時においてもキャリア蓄積による時定
数の長い特性変動の影響を小さく抑えることができる。

【００２８】また、本発明（請求項２）において、信号
光分岐手段は、信号光を、制御光と干渉することになる
第１の中間光路への光と、参照光となる第２の中間光路
への光とに、１：１に分岐する。第１の光カプラにおい
て信号光は第１の光導波路と第２の光導波路に１：１に
分岐される。また、第１の制御光入力導波路から制御光
が信号に同期して入力された場合、制御光も第１の光カ
プラにより第１の光導波路と第２の光導波路に１：１に
分岐される。この制御光がある場合、第１の光導波路を
伝搬する信号光は非線形光学効果により位相がφシフト
する。三次の非線形性の場合、この位相変化は制御光パ
ワーに比例する。このとき、第２の光導波路を伝搬する
信号光も位相がφシフトする。

【００２９】このように、第２の光カプラに入力される
２つの光の位相の関係は制御光の有無に関わらず一定で
ある。第２の光カプラも第１の光カプラと同じ１：１カ
プラであるため、相反性の原理により、制御光の有無に
関わらず、信号光は第３の中間光路に出力される。一
方、制御光は制御光出力光路に分岐されることになる。
この結果、信号光と制御光の分離が計れることになる。
なお、ここで用いる信号光は制御光と比べて微弱であ
り、自分自身による位相シフトは無視できる。また、第
１の光カプラと第２の光カプラは非線形性の小さな受動
カプラを用いており、制御光の存在により分岐比は殆ど
変化しない。

【００３０】第２の光カプラから第３の中間光路を通っ
て出力光カプラに入力される信号光は、第１の制御光入
力導波路から入射された制御光がある場合には、制御光
がない場合と比べてφだけ位相がシフトしている。一
方、第２の中間光路に分岐された参照信号光は、第１の
制御光入力導波路から入射された制御光の影響に関わら
ず一定の位相で参照光路から出力光カプラに入力され
る。

【００３１】この結果、第３の中間光路から入力される
信号光と参照光路から入力される信号光の位相により、
出力光カプラから第１の出力光路に出力される信号と第
２の出力光路に出力される信号光の出力比が変化するこ
とになる。特に、制御光がない場合の出力先が第１の出
力光路になるように設定されており、制御光による位相
シフトφがπないしはπの奇数倍である場合、制御光が
ある場合の出力は第２の出力光路に完全に切り換えられ
る。このようにして、制御光の混入なしに信号光出力比
を０：１から１：０にほぼ完全に切り換えることが可能
となる。

【００３２】但し、第１及び第２の光導波路と第１及び
第２の光カプラの存在により、第３の中間光路の信号光
と参照光路の信号光との間で強度やパルス幅広がりなど
に不一致が生じ、完全スイッチングができなくなる可能
性もある。このような場合でも、第１のマッハツェンダ
干渉計と同じ構造の第２のマッハツェンダ干渉計が参照
光路側に挿入されていれば、第３の中間光路から出力光
カプラに入力される信号光と参照光路から出力光カプラ
に入力される信号光を等価なものにすることができるの
で、完全スイッチングが保証される。ルータとして用い
る場合には第２のマッハツェンダ干渉計には第２の制御
光入力導波路から制御光を入射する必要がない。

【００３３】第１及び第２の光導波路が半導体活性導波
路から構成され、この半導体活性導波路が、制御光波長
の微弱光に対して利得が損失とほぼ平衡するようにバイ
アスされている場合、キャリア寿命に制限されない高速
の光スイッチングが実現される。本発明の第１及び第２
の光導波路を半導体で構成する場合は光導波路部が長く
なるため、このような損失が小さく非線形性の大きい活
性透明光導波路の使用が極めて好ましい実施態様とな
る。この実施態様でさらに第３及び第４の光導波路を有
する場合について、これらも第１及び第２の光導波路と
同じ活性透明導波路とすることになる。

【００３４】本発明の光制御型半導体光スイッチは、全
体が半導体基板上にモノリシックに形成されていると、
各マッハツェンダ干渉計の対称性を確保することが容易
になる。また、光導波路の接続点が減る上、温度変化な
どの影響なども各部が同じように感じるため、安定性や
信頼性が向上する。勿論、接続損失を小さくでき、小型
軽量化が計れ、製造・調整コストを低減できることはい
うまでもない。

【００３５】なお、第１の光導波路と第２の光導波路の
微妙な対称性のずれがあると、第２の光カプラにおいて
信号光と制御光の分離が不完全になる。一方の光導波路
の位相を他方の光導波路の位相に対してシフトさせる手
段が挿入されていれば、対称性のずれを補償することが
可能となる。この関係は、第３の光導波路と第４の光導
波路により構成される第２のマッハツェンダ干渉計にお
いても同じである。また、第１のマッハツェンダ干渉計
と参照光路（又は第２のマッハツェンダ干渉計）から構
成される第３のマッハツェンダ干渉計においても同様で
ある。特に、信号光分岐手段が対称Ｙ分岐で両方の光路
が完全に対称な場合、制御光が無い場合の第１の出力光
路と第２の出力光路に対する分岐比は１：１になってし
まうため、一方の光路のみ出力させるためには、一方の
位相を他方に対して最初からπ／２バイアスしておく必
要がある。位相調整手段は、例えば位相変調器を光導波
路に集積化したり、第２の制御光入力導波路からバイア
ス光を入力することで実現できる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。（実施例１）図１は、本発明の第１の実施例に係わるマ
ッハツェンダ干渉計型光スイッチの構成を模式的に示す
図である。

【００３７】偏波保存ファイバ型１：１入力光カプラ１
と偏波保存ファイバ型１：１出力光カプラ２との間にマ
ッハツェンダ干渉計が構成されており、干渉計の第１の
分岐には、第１の偏波分離ファイバカプラ３、進行波型
半導体レーザ増幅器２０、第２の偏波分離ファイバカプ
ラ４が挿入されており、第２の分岐にはＬｉＮｂＯ₃か
らなる強度変調器５と位相変調器６が挿入されている。

【００３８】信号光は波長１．３μｍの直線偏波のパル
ス光であり、入力光カプラ１の入力端子１１から入射
し、出力光カプラ２の出力端子１３，１４から出射す
る。制御光は信号光とほぼ同一波長で、信号光と直交す
る直線偏波を有するパルス光である。制御光は第１の偏
波分離ファイバカプラ３から入射し、第２の偏波分離フ
ァイバカプラ４から出射する。信号光のピークパワは１
ｍＷ以下であり、制御光のピークパワーは約２００ｍＷ
である。それぞれのパルス幅は２ｐｓ，５ｐｓである。

【００３９】図２に、進行波型半導体レーザ増幅器２０
の構造を模式的に示す。このレーザ増幅器は、ｐ型Ｃｄ
Ｔｅ基板２１上に形成されたＨｇ_0.3Ｃｄ_0.7Ｔｅ活性
導波層２２、ｎ型ＣｄＴｅクラッド層２３からなり、ク
ラッド層２３をストライプ状のメサ２４にすることによ
り、光導波路が規定されている。メサ２４の上部には電
極２５が、基板下部には電極２６が形成されている。光
導波路の入出射端面には反射防止膜２７が形成されてい
る。電極２５，２６からの電流注入により、活性導波層
２２は損失と利得が釣り合った活性透明状態にバイアス
されている。

【００４０】強度変調器５は、出力光カプラ２において
第１と第２の分岐から入力される光強度が等しくなるよ
うに、第２の分岐の光強度を調整する。位相変調器６
は、制御光がない場合に信号出力が全て第１の出力端子
１３から出射するように、第２の分岐の位相を調整す
る。

【００４１】この状態で信号光パルスに同期して制御光
パルスが入射すると、活性透明状態にバイアスされたＨ
ｇ_0.3Ｃｄ_0.7Ｔｅ活性導波層２２中の非線形光学効果
により、信号光の位相が変化する。この変化の過程につ
いては次に説明する。出力端における位相変化が丁度π
になるように制御光パルス強度を調整しておくと、出力
光カプラ２の信号出力は出力端子１４にスイッチされ
る。この動作速度は、従来技術の説明で述べたように２
ｐｓ以下と高速である。

【００４２】図３に、Ｈｇ_1-xＣｄ_xＴｅのバンドギャ
ップＥｇとスピン軌道分離エネルギΔ₀の組成依存性を
示す。Ｈｇ_0.3Ｃｄ_0.7ＴｅではＥｇ〜Δ₀となってお
り、その共鳴波長は約１．３μｍである。この波長の励
起光がＨｇ_0.3Ｃｄ_0.7Ｔｅ活性透明光導波層２２に入
射した場合を考える。透明状態にあるため、正味の禁制
帯間遷移は抑制されている。一方、価電子帯間の共鳴吸
収により正孔のスピン軌道分離帯への励起が生じる。

【００４３】この系では、ブリルアン帯のΓ点付近にお
ける各価電子帯の有効質量はおおよそ０．４ｍ₀で、差
が小さい（分散曲線が平行に近く結合状態密度が大き
い）ために吸収係数も大きい。従って、強い励起光によ
り効率的にホットな正孔が生成されることになる。正孔
のエネルギ分布の変化に伴って、屈折率が変化する。こ
のとき、重い正孔帯や軽い正孔帯の正孔が減少するた
め、利得も瞬間的に減少する。

【００４４】図４に示すように、励起されたホットな正
孔は、キャリア間衝突やフォノンとの衝突により短時間
のうちにエネルギを失っていく。ホット・キャリアのバ
ンド内緩和に要する時間は０．１ｐｓ以下である。この
緩和に伴って放出されるエネルギにより、他のキャリア
も暖められる（キャリア・ヒーティング）。このように
してホットな状態になったキャリアも、フォノンとの衝
突等により徐々にエネルギを失い、１ｐｓ以内に元の平
衡状態に復帰する。即ち、励起パルスが入射されると直
ちに大きな屈折率変化が起こるが、励起パルスがなくな
って約１ｐｓのうちには屈折率と透過率は元の値に回復
する。

【００４５】厳密には、副次的に起こる二光子吸収のた
めキャリア密度も若干変化する。しかし、価電子帯間吸
収による非線形性が共鳴により増大しているので、従来
の活性透明光導波路と比べて小さな励起光パワーでスイ
ッチングでき、パワーの二乗に比例する二光子吸収の影
響を小さく抑えることができる。また、活性層２２には
既に高密度の電子と正孔が存在しているため、ホットホ
ールの衝突電離によるキャリア発生も生じにくい。従っ
て、毎秒数百Ｇｂ／ｓの高速繰り返し動作時において
も、過剰に発生したキャリアの蓄積による時定数の長い
特性変動を小さく抑えることができ、パターン効果が生
じない。

【００４６】このように本実施例によれば、バンド内光
吸収による非線形性が共鳴により増大しているので、従
来の活性透明導波路と比べて小さな励起子パワーでスイ
ッチングできる。また、禁制帯を越えてキャリアが励起
される二光子吸収の影響を小さく抑えることができるの
で、キャリア寿命に制限されない高繰り返しの高速光ス
イッチング動作を実現することができる。（実施例２）図５は本発明の第２の実施例に係わる非線
形方向性結合器型の歪量子井戸半導体光スイッチの構成
を模式的に示す図、図６はその導波路に沿った断面構造
を模式的に示す図である。

【００４７】この光スイッチは、ｎ−ＩｎＰ基板３１上
に形成されており、中央部にはメサ状の活性光導波路３
２ａ，３２ｂが方向性結合器を形成している。両端部に
は活性光導波路３２ａ，３２ｂに接続されたメサ状の受
動光導波路３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄが形成され
ている。活性光導波路３２には、基板３１の上に、アン
ドープＩｎＧａＡｓＰ受動導波層３４、薄いアンドープ
ＩｎＰエッチストップ層３５、ＩｎＧａＡｓ／歪ＡｌＡ
ｓ量子井戸層３６、ＩｎＧａＡｓＰ導波層３７、ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層３８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰオーミック・
コンタクト層３９が順に積層されている。受動光導波路
３３は、基板３１と半絶縁性ＩｎＰ層４０でアンドープ
ＩｎＧａＡｓＰ受動導波層３４を挟んだ構成をしてい
る。

【００４８】各活性光導波路３２ａ，３２ｂの上部と基
板１の下部には、それぞれオーミック電極４１ａ，４１
ｂ，４２が形成されている。図にはないが、電極４１
ａ，４１ｂは絶縁膜を介して形成されたパッドにそれぞ
れ接続され、ボンディングにより外部回路と接続されて
いる。入出射端面には反射防止コーティング４３が施さ
れている。この全体は、下部電極４２を介してヒートシ
ンクと接地を兼ねるＣｕマウントに搭載されている。

【００４９】図７は、この活性光導波路３２を構成する
歪量子井戸活性層３６主要部の伝導帯バンド構造を模式
的に示す図である。この量子井戸層３６は、薄いＩｎＧ
ａＡｓ井戸層４４が、薄い伸張歪ＡｌＡｓ障壁層４５で
挟まれた基本構造を２５周期積層した構造をしている。
この井戸の内部には２つのサブバンド４６，４７が存在
している。障壁層が薄いため、各井戸のサブバンド４
６，４７はトンネリングで結合し、ミニバンドを形成し
ている。そのＴＭモード光に対するサブバンド間遷移エ
ネルギーはおよそ０．８ｅＶ（共鳴波長１．５５μｍ）
である。このような大きなサブバンド間隔が実現できる
ことは、（J.H.Smet et al., Appl. Phys.Lett., vol.6
4, pp.986-987, 1994）に示されている。

【００５０】また、この活性光導波路３２は、波長１．
５５μｍのＴＭモード光に対して透明、ＴＥモード光に
対して若干利得を持つようにバイアスされている。この
ため、第１のサブバンド４６にはトンネリングを介して
高密度の電子が注入されている。一方、第２のサブバン
ド４７は通常空状態になっている。

【００５１】波長１．５５μｍの弱い信号光パルスはＴ
Ｅモードで一方の活性透明光導波路３２ａに入射する。
励起光パルスが無い状態では、方向性結合器は完全結合
状態にあり、信号光パルスは３３ｄに出射する。一方、
波長１．５５μｍの強い励起光パルスはＴＭモードで他
方の活性透明光導波路３２ｂに入射する。強い励起光パ
ルスがあると、Ｋｅｒｒ効果により活性透明光導波路３
２の屈折率が変化し、信号光の出力先は３３ｃにスイッ
チされる。制御光は偏波カプラなどで信号光と分離する
ことができる。

【００５２】この第２の実施例の動作も、第１の実施例
の動作と同様である。即ち、波長１．５５μｍの強い励
起光が一方の活性透明光導波路３２に入射した場合、正
味のバンド間遷移が抑制されているのに対して、サブバ
ンド間の共鳴吸収により第１のサブバンド４６から第２
のサブバンド４７への励起が生じる。このサブバンド間
遷移はＴＭモード光に対して許容であり、また、一般に
サブバンド間遷移による非線形性は大きいので、大きな
屈折率変化が生じる（Ｋｅｒｒ効果）ことになる。

【００５３】第２のサブバンド４７に励起された電子
は、キャリア間衝突やフォノンとの衝突により短時間の
うちにエネルギを失っていく。サブバンド間やバンド内
の電子の緩和時間は０．１ｐｓ以下である。この緩和に
伴って暖められた他のキャリアも、フォノンとの衝突等
により徐々にエネルギを失う。この緩和過程で電子がＬ
点やＸ点に散乱されると、Γ点に戻るのに１ｐｓ程度を
要するため、第１の実施例と比べて回復時間がやや長く
なるが、それでも励起パルスがなくなって数ｐｓの内に
は元の状態に復帰する。このため、励起光パルスが入る
と瞬間的に大きな屈折率変化が生じるが、励起光パルス
が通り過ぎた後数ｐｓ以内に元の屈折率に戻る。

【００５４】第２の実施例でも、励起光パワーが減らせ
るので、二光子吸収の影響を小さく抑えることができ
る。また、活性透明光導波層３２には既に高密度の電子
と正孔が存在しているため、ホット・エレクトロンの衝
突電離によるキャリア発生も生じにくい。従って、毎秒
数百Ｇｂ／ｓの高速繰り返し動作時においても、過剰に
発生したキャリアの蓄積による時定数の長い特性変動を
小さく抑えることができ、パターン効果が生じない。

【００５５】このように第２の実施例においても、従来
よりも高繰り返しの高速光スイッチング動作を、従来よ
り小さな励起エネルギで実現することができる。

【００５６】なお、本発明は上記の各実施例に限定され
るものではなく、種々に変形，応用することができる。
例えば、歪超格子や歪量子井戸を用いて禁制帯幅、価電
子帯間吸収エネルギ、サブバンド間の分離エネルギなど
を人工的に変えることで、他波長での使用を可能にする
ことができる。また、歪により有効質量などの材料定数
を制御して非線形性を大きくするなどの応用も可能であ
る。活性光導波路の材料やスイッチの構成も上記実施例
に限定されるものではない。例えば、第１の実施例の強
度変調器や位相変調器は必須なものではないし、マッハ
ツェンダ干渉計の両方の分岐に活性透明導波路が入って
いてもよい。光スイッチ、光カプラなどが半導体上にモ
ノリシック集積化されていてもよい。（実施例３）図８は、本発明の第３の実施例に係わる光
制御型光スイッチの構成を示す図である。この実施例の
光制御型光スイッチは、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上にモノ
リシックに形成されている。

【００５７】第１の光カプラ１１１、第２の光カプラ１
１２、第３の光カプラ１１３、第４の光カプラ１１４、
信号光分岐手段となる第５の光カプラ１１５、信号出力
光カプラとなる第６の光カプラ１１６の全ては、方向結
合器型の１：１光カプラ（３ｄＢカプラ）からなる。

【００５８】入力光信号は入力導波路１３５から第５の
光カプラ１１５の一方の入力ポートに入力される。第５
の光カプラ１１５は、入力信号光を、第１の中間光導波
路（第１の中間光路）１３１と第２の中間光導波路（第
２の中間光路）１３２に１：１に分岐する。

【００５９】第１の中間光導波路１３１と第１の制御光
入力光導波路１４１は、第１の光カプラ１１１により、
第１の光導波路１２１と、第１の光導波路と対称な構造
を有する第２の光導波路１２２とに接続されている。第
１の光導波路１２１と第２の光導波路１２２は、中央部
で交差して位置を入れ替えた後、第２の光カプラ１１２
により、第１の制御光出力導波路（第１の制御光出力光
路）１４３と第３の中間光導波路（第３の中間光路）１
３３に結合されている。第１の光カプラ１１１から第２
の光カプラ１１２に至る部分は、第１のマッハツェンダ
干渉計１５１を構成している。

【００６０】同様に、第２の中間光導波路１３２と第２
の制御光入力光導波路１４２は、第３の光カプラ１１３
により、第１の光導波路と同じ構造を有する第３の光導
波路１２３と、第２の光導波路と同じ構造を有する第４
の光導波路１２４とに接続され、これらの２つの光導波
路１２３，１２４は、第４の光カプラ１１４により、第
２の制御光出力導波路（第２の制御光出力光路）１４４
と第４の中間光導波路（参照光路）１３４に結合されて
いる。第３の光カプラ１１３から第４の光カプラ１１４
に至る部分は、第１の対称マッハツェンダ干渉計と同一
構成の第２のマッハツェンダ干渉計１５２を構成してい
る。

【００６１】第３の中間光導波路１３３と第４の中間光
導波路１３４は、第６の光カプラ１１６により、第１の
出力光導波路（第１の信号光出力光路）１３６と第２の
出力光導波路（第２の信号光出力光路）１３７に結合し
ている。そして、第５の光カプラ１１５から第６の光カ
プラ１１６に至る全体が、第３のマッハツェンダ干渉計
を構成しており、この第３のマッハツェンダ干渉計は、
各分岐にそれぞれ第１のマッハツェンダ干渉計１５１と
第２のマッハツェンダ干渉計１５２を有する構成になっ
ている。

【００６２】第１から第４の光導波路１２１，１２２，
１２３，１２４は、それぞれ合計長さ１０ｍｍの活性導
波路部１６１，１６２，１６３，１６４及び長さ５００
μｍの位相変調部１７１，１７２，１７３，１７４とを
有している。

【００６３】図９（ａ）は、入力導波路１３５から第５
の光カプラ１１５、第１の中間光導波路１３１、第１の
光カプラ１１１、第１の光導波路１２１、第２の光カプ
ラ１１２、第３の中間光導波路１３３、及び第６の光カ
プラ１１６を経て、第１の出力導波路１３６に至る光路
の、導波路に沿った断面構造を模式的に示す図である。
この図では、光カプラにおける隣接チャンネルとの光結
合は無視して描いてある。第１の光導波路１２１の一部
は活性導波路部１６１、別の一部は位相変調部１７１と
なっている。構造の対称のため、他の分岐を通る信号光
も全く同じ断面構造の光導波路を通過することになる。
光導波路１３５，１３６，１３７，１４１，１４２，１
４３，１４４の入出射端面には反射防止コーティング１
３９が形成さけれおり、光ファイバにより外部と接続さ
れている。

【００６４】基本的な導波路層構造は、クラッド層を兼
ねるｎ型ＩｎＰ基板１０１、波長１．２μｍ組成のアン
ドープＩｎＧａＡｓＰからなる共通受動導波層１０２、
第１の導波路１２１の活性導波路部１６１のみに形成さ
れた波長１．５５μｍ組成の活性導波層１０３、ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層１０４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰオーミック
・コンタクト層１０５とからなる。基板下部には共通電
極１０６が形成されている。光カプラ１１５，１１１，
１１２，１１６のコンタクト層上には分岐比を１：１に
微調整するための逆バイアス電圧印加電極２１５、２１
１、２１２、２１６が形成されている。

【００６５】活性導波路部１６１のコンタクト層上に
は、活性導波路を透明条件にバイアスするための電流注
入電極２６１が形成されている。また、位相変調部１７
１のコンタクト層上には、マッハツェンダ干渉計の位相
調整を行うための逆バイアス電極２７１が形成されてい
る。電極が形成された部分以外の光導波路は、コンタク
ト層１０５の全てとｐ型ＩｎＰクラッド層１０４の大部
分が除去され、半絶縁性ＩｎＰ層１０７で埋め込まれて
おり、各上部電極は電気的にアイソレートされている。

【００６６】図９（ｂ）は、活性導波路部１６１，１６
２，１６３，１６４を含む導波方向と垂直なＸ−Ｙ断面
の構造を模式的に示す図である。各光導波路は幅２μｍ
のメサ１０８に加工されており、ポリイミド１０９によ
り平坦に埋め込まれている。図には示していないが、上
部の各電極はパッドに配線接続され、ポンディングワイ
ヤにより外部回路に接続されており、下部電極は放熱体
と接地を兼ねるＣｕブロックにＡｕＳｎハンダにより固
定されている。

【００６７】ここで、第１の実施例の光スイッチの動作
について説明する。例として、信号光がデータレート１
００Ｇｂ／ｓ、パルス幅１ｐｓのパルス例で、繰り返し
２５ＧＨｚ、パルス幅５ｐｓの台形状の制御光パルスに
より４：１の光デマルチプレクシングを行う場合を考え
る。制御光ピークパワーは、第１及び第２の光導波路１
２１，１２２において信号光の位相をπシフトさせるよ
うに約１Ｗに調整されている。図１０に示すように、信
号光パルスが制御光パルスのピーク平坦部と重なるよう
に、両パルスのタイミングが調整されているものとす
る。この光スイッチは活性透明導波路を用いているの
で、このような高速・高繰り返しのパルスにも十分応答
する。

【００６８】ここで、第１から第４の光導波路の活性導
波路部１６１，１６２，１６３，１６４は、入力光波長
に対して透明条件になるようにバイアスされているもの
とする。また、光カプラ１１１，１１２，１１３，１１
４，１１５，１１６は逆バイアス電圧印加により分岐比
が１：１になるように調整されており、マッハツェンダ
干渉計１５１，１５２，１５３は位相変調部１７１，１
７２，１７３，１７４で位相補償されて完全に対称にな
っているものとする。各１：１光カプラ１１１，１１
２，１１３，１１４，１１５，１１６において、チャン
ネルを乗り換えるクロス光はチャンネルを直進する光に
対して、位相がπ／２シフトすることに注意して動作を
考える。

【００６９】まず、制御光が無い場合について考える。
信号光パルスは、光ファイバから入力導波路１３５に入
射し、第５の光カプラ１１５により第１のマッハツェン
ダ干渉計１５１に繋がる第１の中間導波路１３１と第２
のマッハツェンダ干渉計１５２に繋がる第２の中間導波
路１３２に１：１に分岐される。第１の中間導波路１３
１に分岐した光は、第１の光カプラ１１１により第１の
光導波路１２１と第２の光導波路１２２に１：１に分岐
される。制御光がなく信号光は微弱であるため、活性導
波路部１６１，１６２では非線形光学効果による位相シ
フトは生じない。従って、第２の光カプラ１１２の入力
部において、第１の光導波路１２１から入力される光と
第２の光導波路１２２から入力される光の位相差は、第
１の光カプラ出力で与えられたπ／２に等しい。

【００７０】この結果、第１のマッハツェンダ干渉計１
５１の信号光出力は、全て第３の中間導波路１３３に結
合し、第１の制御光出力導波路１４３への出力は０にな
る。第２のマッハツェンダ干渉計１５２に分岐した信号
光も、全く同様にして第４の光カプラ１１４で全て第４
の中間導波路１３４に結合する。同様に、第３のマッハ
ツェンダ干渉計１５３の出力となる第６の光カプラ１１
６に入力される２つの信号光の位相差は、入力部第５の
光カプラ１１５で与えられたπ／２のままである。この
結果、全ての信号光は第１の出力光導波路１３６に出力
されることになる。

【００７１】次に、制御光が第１の制御光入力導波路１
４１を介して第１の光カプラ１１１から第１のマッハツ
ェンダ干渉計１５１に入力された場合の動作を考える。
制御光は第１の光導波路１２１と第２の光導波路１２２
において、信号光の位相を等しくπシフトさせる。第１
のマッハツェンダ干渉計１５１は２つの分岐の同相位相
シフトに対して出力先を変えないので、信号光は制御光
が存在する場合でも第３の中間導波路１３３に出力され
る。一方、制御光は全て第１の制御光出力導波路１４３
に出力される。しかし、第３のマッハツェンダ干渉計１
５３においては、第１のマッハツェンダ干渉計１５１を
含む分岐のみ位相がπシフトされているので、信号光出
力先は第２の信号光出力導波路１３７に切り換えられる
ことになる。

【００７２】このように、本実施例の構成によれば、１
００Ｇｂ／ｓという超高速の信号光出力を０：１から
１：０にほぼ完全にスイッチングでき、制御光と信号光
の分離も計ることができる。

【００７３】なお、本発明の構成は上記の実施例に限定
されるものではない。例えば、第１と第２の光カプラの
長さを、一方が完全結合長の１／２、他方が完全結合長
の３／２としておけば、前者のクロス光の位相シフトが
π／２に対して後者のそれは−π／２となるので、交差
１２５を設ける必要がなくなる。或いは、第１の光導波
路１２１と第２の光導波路１２２の位相差がπとなるよ
うに予めバイアスしておいても、交差１２５をなくすこ
とができる。

【００７４】また、安定性や小型軽量化に目をつぶれ
ば、ファイバ型光カプラや光ファイバを組み合わせて
も、上記機能を実現することができる。

【００７５】また、本発明は様々に変形、応用して使用
することができる。例えば、本発明の光スイッチでは、
制御光の再利用ができる。第１の実施例の構成の光スイ
ッチ１８０ａ，１８０ｂ，１８０ｃを図１１のように３
個カスケード接続し、各光スイッチへ入る制御光と信号
光のタイミングを遅延光導波路１８１ａ，１８１ｂで１
０ｐｓずつずらしていくと、１００Ｇｂ／ｓから２５Ｇ
ｂ／ｓ×４出力への光デマルチプレクシングができる。
制御パルス光光源１８２、受信用高速導波型フォトダイ
オード１８３ａ，１８３ｂ，１８３ｃ，１８３ｄと共に
全体をモノリシックに集積化できる。

【００７６】入力信号分岐手段に光カプラを用いた場
合、信号光を二入力とした応用も可能である。即ち、制
御光に従って、二入力信号の出力をクロス状態とバー状
態の間でスイッチできる。これにより、光制御型の超高
速光交換動作を実現できることになる。これは、例えば
光ＡＴＭ交換のセルフルーティング・スイッチなどに応
用できる。

【００７７】また、第２のマッハツェンダ干渉計を有す
る光スイッチでは、第１の制御光入力導波路から入力さ
れる第１の制御光と、第２の制御光入力導波路から入力
される第２の制御とにより光論理演算を行わせることも
可能である。第２のマッハツェンダ干渉計の出力信号光
位相が第２の制御光によりψ変化することにより、第３
のマッハツェンダ干渉計の出力光カプラにおける位相差
はφ−ψとなる。これを利用して、例えば第３のマッハ
ツェンダ干渉計出力において２つの制御光のエクスクル
ーシブＯＲとその否定に相当する信号出力を得ることが
できる。この他に、第２の制御光を連続光として位相バ
イアスに使うことも可能である。

【００７８】これまで、デジタルなルーティング・スイ
ッチ動作を仮定してきたが、制御光入力を連続的に変化
させれば、２つの出力の比を任意の値に調整することも
できる。この特性を利用して、超高速の光制御型光変調
器として用いることも可能である。本発明の第３の実施
例の光スイッチをアナログ的な光変調器に応用した場合
の入力光パワーと出力の関係を、図１２に示す。制御光
を二入力することで、信号光に対する複雑な変調動作も
実現できる。

【００７９】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。

【００８０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、光導
波路を構成する層構造の少なくとも一部に、そのバンド
内吸収の共鳴波長が入射光波長とおおむね等しくなるよ
うな材料を用いることにより、バンド内吸収による非線
形性を二光子吸収による非線形性よりも増大させること
ができ、これによって従来よりも高繰り返しの高速光ス
イッチング動作を、従来より小さな励起エネルギで実現
することができる。

【００８１】また本発明によれば、消光比が大きく信号
光の出力光の出力先をほぼ完全にスイッチングすること
ができ、しかも制御光と信号光の分離が可能な高速・高
効率の光制御型半導体光スイッチを実現することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる光スイッチの構成を模式
的に示す図。

【図２】第１の実施例に用いた進行波型半導体レーザ増
幅器の構造を模式的に示す図。

【図３】ＨｇＣｄＴｅのバンドギャップＥｇとスピン軌
道分離エネルギΔ₀の組成ｘ依存性を示す図。

【図４】ＨｇＣｄＴｅにおける価電子帯間吸収と、その
緩和過程を説明するための図。

【図５】第２の実施例に係わる光スイッチの構成を模式
的に示す図。

【図６】第２の実施例における光導波路に沿った断面構
造を模式的に示す図。

【図７】第２の実施例における活性光導波路主要部の伝
導帯バンド構造を模式的に示す図。

【図８】第３の実施例に係わる光制御型光スイッチの構
成を模式的に示す図。

【図９】第３の実施例における導波方向の断面構造と導
波方向に垂直な断面構造を模式的に示す図。

【図１０】第３の実施例におけるパルスのタイミングを
示す図。

【図１１】第３の実施例の応用例の光デマルチプレクサ
の構成を模式的に示す図。

【図１２】第３の実施例をアナログ光変調器に応用した
場合の入出力の関係を示す図。

【図１３】励起光パルス透過後の透過プローブ光パルス
の位相の時間変化を示す図。

【図１４】従来例の非線形方向性結合器の断面構造を示
す図。

【図１５】従来例の非線形方向性結合器の出力を示す
図。

【符号の説明】

１，２…光カプラ３，４…偏波カプラ５…強度変調器６…位相変調器２０…半導体レーザ増幅器２１，３１…半導体基板２２，３６…活性層２５，２６，４１，４２…電極２７，４３…反射防止膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ストライプ状の半導体光導波路と、この半
導体光導波路に制御光と信号光を入射する手段と、制御
光の波長においてこの半導体光導波路の損失と利得が平
衡するように電子と正孔の密度を調整する手段とを備
え、制御光により信号光の出力強度或いは位相を変化さ
せる光制御型半導体光スイッチであって、前記半導体光導波路の少なくとも一部に、バンド内吸収
の共鳴波長が制御光の波長とほぼ等しい材料を用いてな
ることを特徴とする光制御型半導体光スイッチ。
【請求項２】信号光を入力して第１の中間光路と第２の
中間光路に分岐する信号光分岐手段と、制御光を入力す
る制御光入力導波路と、制御光入力導波路と第１の中間
光路とを第１の光導波路と第２の光導波路とに結合する
第１の光カプラと、第１の光導波路と第２の光導波路を
第３の中間光路と制御光出力光路とに結合する第２の光
カプラと、第２の中間光路に分岐された光を伝搬させる
参照光路と、第３の中間光路と参照光路とを第１の信号
光出力光路と第２の信号光出力光路とに結合する出力光
カプラとから構成され、第１の光カプラから第２の光カプラまでの部分は制御光
の有無に関わらず信号光を主として第３の中間光路に出
力する第１のマッハツェンダ干渉計を構成しており、第３の中間光路から出力光カプラへ入力される信号光
は、第１の光導波路及び第２の光導波路中における非線
形光学効果により、制御光の有無に従って位相が変化
し、その結果として出力光カプラの主たる信号光出力先
が切り換わることを特徴とする光制御型半導体光スイッ
チ。
【請求項３】第２の中間光路と前記参照光路との間に
は、第２の中間光路とそれ以外の別の光路とを第３の光
導波路と第４の光導波路とに結合する第３の光カプラ
と、第３の光導波路と第４の光導波路とを前記参照光路
とそれ以外の別の光路とに結合する第４の光カプラとが
挿入されており、第３の光カプラから第４の光カプラまでの部分は信号光
を常に主として参照光路に出力する第２のマッハツェン
ダ干渉計を構成していることを特徴とする請求項２記載
の光制御型半導体光スイッチ。
【請求項４】信号光を入力して第１の中間光路と第２の
中間光路に分岐する信号光分岐手段と、第１の制御光を
入力する第１の制御光入力導波路と、第１の制御光入力
導波路と第１の中間光路とを第１の光導波路と第２の光
導波路とに結合する第１の光カプラと、第１の光導波路
と第２の光導波路とを第３の中間光路と第１の制御光出
力光路とに結合する第２の光カプラと、第２の制御光を
入力する第２の制御光入力導波路と、第２の制御光入力
導波路と第２の中間光路とを第３の光導波路と第４の光
導波路とに結合する第３の光カプラと、第３の光導波路
と第４の光導波路とを第４の中間光路と第２の制御光出
力光路とに結合する第４の光カプラと、第３の中間光路
と第４の中間光路とを第１の信号光出力光路と第２の信
号光出力光路とに結合する出力光カプラとから構成さ
れ、第１の光カプラから第２の光カプラまでの部分は制御光
の有無に関わらず信号光を主として第３の中間光路に出
力する第１のマッハツェンダ干渉計を構成しており、第
３の光カプラから第４の光カプラまでの部分は制御光の
有無に関わらず信号光を主として第４の中間光路に出力
する第２のマッハツェンダ干渉計を構成しており、第３及び第４の中間光路から出力光カプラへ入力される
信号光は、第１の光導波路，第２の光導波路，第３の光
導波路及び第４の光導波路中における非線形光学効果に
より、第１の制御光と第２の制御光の強弱に従って位相
が変化し、その結果として出力光カプラの信号光出力比
が変化することを特徴とする光制御型半導体光スイッ
チ。