JPH1152439A - Optical switch - Google Patents

Optical switch

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JPH1152439A
JPH1152439A JP20583897A JP20583897A JPH1152439A JP H1152439 A JPH1152439 A JP H1152439A JP 20583897 A JP20583897 A JP 20583897A JP 20583897 A JP20583897 A JP 20583897A JP H1152439 A JPH1152439 A JP H1152439A
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optical
signal light
light
sub
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Nobuo Suzuki
信夫 鈴木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable optical switching of high repetition at an ultra-high speed by setting the wavelengths of control light and signal light in such a manner that a reverse refractive index fluctuation is attained with absorption saturation by using the saturation of the inter-sub-band absorption in quantized wells as principle. SOLUTION: The nonlinear optical response of the inter-sub-band absorption region 2 on a sapphire region 2 is used as the switch principle. The signal light is introduced into the inter-sub-band absorption region 2 from the end face of the substrate 1 via an optical waveguide 3. On the other hand, the control light pulse is introduced from the end face of the substrate 1 via an optical waveguide 41 (42 ) into the inter-sub-band absorption region 2. Two pieces of nonlinear optical waveguides 51 , 52 are formed in the inter-sub-band absorption region 2 with a slight deviation from the perpendicular direction with respect to an incident surface in such a manner that these waveguides are mode coupled near the input part but are separated in the output part. The outputs of the nonlinear optical waveguides 51 , 52 are outputted outside via respective output optical waveguides 61 , 62 . At this time, the wavelengths of the control light and the signal light are so set that the refractive index fluctuation by the absorption saturation is reversed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光制御型の光スイ
ッチに係わり、特に半導体量子井戸中のサブバンド間遷
移を利用した超高速のデジタル光スイッチに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical switch of an optical control type, and more particularly to an ultra-high-speed digital optical switch utilizing transition between subbands in a semiconductor quantum well.

【0002】[0002]

【従来の技術】来るべきマルチメディア時代の光時分割
多重(OTDM)技術や光周波数分割多重(OFDM)
技術を駆使したテラビット光ネットワークにおいては、
信号光のルーティングのようなノード処理が技術のボト
ルネックになるものと予想される。従来の電気的な処理
では不可能な大容量のデータ処理を光ノードにより実現
するためには、超高速で高効率の光制御型光ルーティン
グスイッチの開発が急務である。
2. Description of the Related Art Optical time division multiplexing (OTDM) technology and optical frequency division multiplexing (OFDM) in the coming multimedia era
In terabit optical networks that make full use of technology,
Node processing, such as signal light routing, is expected to become a technology bottleneck. In order to realize large-capacity data processing that cannot be performed by conventional electrical processing using optical nodes, it is urgently necessary to develop an ultra-high-speed and high-efficiency optically controlled optical routing switch.

【0003】現在研究開発が進められている超高速の光
スイッチとしては、非線形ループミラー(NOLM)に
代表されるような光ファイバの非線形性を用いた光スイ
ッチや、図16に示したマッハツエンダー干渉計型の半
導体光スイッチがある。これらは基本的に干渉計であ
り、2つに分岐された信号光のうち一方の位相を強い制
御光パルスによる非線形光学効果でπシフトさせること
で、出力カプラから出力される信号光の分岐を切り替え
るというものである。
As ultra-high-speed optical switches currently under research and development, there are optical switches using the nonlinearity of an optical fiber such as a non-linear loop mirror (NOLM), and a Machtz shown in FIG. There is a semiconductor optical switch of the ender interferometer type. These are basically interferometers. By shifting the phase of one of the two split signal lights by π by a nonlinear optical effect due to a strong control light pulse, the split of the signal light output from the output coupler is changed. It is to switch.

【0004】図17は、このような干渉計型の光スイッ
チの制御光入力パワーと信号光出力を模式的に説明する
図である。干渉計型であるから、光入出力特性は基本的
に周期性を有しており、制御光パワーは信号光の位相を
πシフトさせるのに適当な動作点に合わせる必要があ
る。しかしながら、環境温度、制御光パワー、結合係数
などの変動により動作点は敏感に変動するので、複雑な
安定化回路等を付加しない限り、望ましい光スイッチン
グ動作を維持することは困難である。
FIG. 17 is a diagram schematically illustrating a control light input power and a signal light output of such an interferometer type optical switch. Since it is an interferometer type, the optical input / output characteristics basically have periodicity, and the control light power needs to be adjusted to an appropriate operating point to shift the phase of the signal light by π. However, since the operating point fluctuates sensitively due to fluctuations in the environmental temperature, the control light power, the coupling coefficient, and the like, it is difficult to maintain a desirable optical switching operation unless a complicated stabilizing circuit or the like is added.

【0005】一方、電気制御型の光スイッチではこのよ
うな高速動作は不可能であるが、動作点の変動に強いデ
ジタル光スイッチ(DOS)が実現されている。図18
はその構成を模式的に示す図である。徐々に2つに分か
れる分岐光導波路に複数の電極を形成しておき、逆バイ
アスないし電流注入で分岐光導波路の屈折率分布を不均
等にすることで、信号光が相対的に屈折率が高い分岐に
スイッチされるようにしたものである。
[0005] On the other hand, such a high-speed operation is not possible with an electrically controlled optical switch, but a digital optical switch (DOS) that is resistant to fluctuations in the operating point has been realized. FIG.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration. A plurality of electrodes are formed on the branch optical waveguide that is gradually divided into two, and the refractive index distribution of the branch optical waveguide is made uneven by reverse bias or current injection, so that the signal light has a relatively high refractive index. It is designed to be switched to a branch.

【0006】しかしながら、超高速の光制御型では、以
下に述べるような問題により良好なDOSは実現できて
いなかった。即ち、制御光で屈折率を低下させる場合
は、制御光ビームが光導波路断面の中で分散してしまう
ので、良好なスイッチングが行えない。制御光で屈折率
が増大する場合は、自己収束効果で安定な光導波が可能
である。ところが、信号光に対しても屈折率が上昇する
ので、パワーの大きな制御光とパワーの小さな制御光の
分離が困難である。さらに、信号光の伝搬特性が制御光
パルス波形(パワー変動や温度変動により変化)により
大きく変化するため、安定な出力信号光が得られない。
また、相互位相変調により信号光に大きな波長チャーピ
ングが発生してしまう。
[0006] However, in the ultra-high-speed light control type, a satisfactory DOS has not been realized due to the following problems. That is, when the refractive index is reduced by the control light, the control light beam is dispersed in the cross section of the optical waveguide, so that good switching cannot be performed. When the refractive index is increased by the control light, stable optical waveguide can be achieved by the self-focusing effect. However, since the refractive index also increases for the signal light, it is difficult to separate the high-power control light from the low-power control light. Further, since the propagation characteristic of the signal light greatly changes due to the control light pulse waveform (change due to power fluctuation and temperature fluctuation), stable output signal light cannot be obtained.
Also, large wavelength chirping occurs in the signal light due to the cross-phase modulation.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、超高
速動作可能な光制御型の光スイッチでは、温度変動や制
御光パワー変動により信号光の伝搬特性が大きく変化す
るため、安定な出力信号光が得られないという問題があ
った。
As described above, in the conventional optical switch of the optical control type capable of operating at an ultra-high speed, since the propagation characteristics of the signal light greatly change due to the temperature fluctuation and the control light power fluctuation, a stable output signal is obtained. There was a problem that light could not be obtained.

【0008】本発明は、上記の事情を考慮して成された
もので、その目的とするところは、超高速で高速繰り返
しの光スイッチングを行うことができ、かつ温度変動や
制御光パワー変動に対して安定なデジタル光スイッチを
提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to enable ultra-high-speed and high-speed repetitive optical switching, and to prevent temperature fluctuation and control light power fluctuation. An object of the present invention is to provide a digital optical switch that is stable with respect to the digital optical switch.

【0009】[0009]

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

(構成)本発明の骨子は、スイッチング原理として量子
井戸中のサブバンド間吸収の飽和を用い、かつ制御光と
信号光の波長を吸収飽和による屈折率変動が逆になるよ
うに設定することにある。
(Constitution) The gist of the present invention is to use the saturation of the intersubband absorption in the quantum well as the switching principle and to set the wavelengths of the control light and the signal light so that the refractive index fluctuation due to the absorption saturation is reversed. is there.

【0010】即ち本発明は、光制御型の光スイッチにお
いて、伝導帯に複数のサブバンドが存在する半導体量子
井戸層を内部に有し、モード結合している入力部から出
力部に向けて徐々に2つに分岐するように構成され、強
い光の入射によりサブバンド間の吸収の飽和を生じる非
線形光導波路と、前記サブバンド間の吸収の飽和により
屈折率が低下する波長の信号光を、前記非線形光導波路
の入力部に入力する手段と、前記サブバンド間吸収の飽
和により屈折率が増大する波長の制御光を、前記非線形
光導波路に片側に偏るように入射する手段と、前記非線
形光導波路の出力部の2つの分岐の一方から信号光を出
力する手段とを具備してなることを特徴とする。
That is, the present invention relates to an optical switch of an optical control type, in which a semiconductor quantum well layer having a plurality of sub-bands in a conduction band is provided therein, and the mode-coupling input portion gradually increases from an input portion to an output portion. A non-linear optical waveguide that is configured to branch into two, and that causes absorption saturation between subbands due to the incidence of strong light, and a signal light having a wavelength whose refractive index decreases due to the saturation of absorption between the subbands. Means for inputting to the input portion of the nonlinear optical waveguide, means for injecting control light having a wavelength at which the refractive index increases due to saturation of the intersubband absorption into the nonlinear optical waveguide so as to be biased to one side, and Means for outputting signal light from one of the two branches of the output section of the wave path.

【0011】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)半導体量子井戸層は、窒素を含むIII-V族半導体
からなること。 (1a)半導体量子井戸層は、GaN井戸層とAlx Ga
1-x N障壁層(1≧x≧0.7)からなること。 (1b)移動層に3×1018cm-3以上の電子が溜まるよ
うに、半導体量子井戸層を構成する層の全部ないしその
一部にn型不純物がドープされていること。
Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) The semiconductor quantum well layer is made of a group III-V semiconductor containing nitrogen. (1a) The semiconductor quantum well layer is composed of a GaN well layer and Al x Ga
1-x N barrier layer (1 ≧ x ≧ 0.7). (1b) All or a part of a layer constituting the semiconductor quantum well layer is doped with an n-type impurity such that electrons of 3 × 10 18 cm −3 or more are accumulated in the moving layer.

【0012】(2)非線形光導波路は、信号光に対する
利得を有すること。 (2a)非線形光導波路の一部に少なくともインジウムと
ガリウムと砒素とを構成元素として含む活性層が形成さ
れており、この活性層に電流を注入する手段が設けられ
ていること。 (2b)(2a)の構成において、量子井戸層は窒素を含む
III-V族半導体からなり、活性層と近接して形成されて
いること。 (2c)(2a)の構成において、活性層に流れる電流は量
子井戸層を流れないこと。
(2) The nonlinear optical waveguide has a gain for signal light. (2a) An active layer containing at least indium, gallium, and arsenic as a constituent element is formed in a part of the nonlinear optical waveguide, and a means for injecting current into the active layer is provided. (2b) In the configuration of (2a), the quantum well layer contains nitrogen
It is made of a III-V semiconductor and is formed close to the active layer. (2c) In the configuration of (2a), a current flowing in the active layer does not flow in the quantum well layer.

【0013】(3) 非線形光導波路は、2本の光導波路で
形成され、各々の入力部は近接してモード結合している
が、各々の出力部は分離していること。 (4) 非線形光導波路は、入力側が1本で出力側が2本の
Y分岐導波路で形成され、信号光は入力側から入力さ
れ、制御光は出力側から入力されること。
(3) The nonlinear optical waveguide is formed of two optical waveguides, and each input section is mode-coupled in close proximity, but each output section is separated. (4) The nonlinear optical waveguide is formed of one Y-branch waveguide on the input side and two Y-branch waveguides on the output side. Signal light is input from the input side, and control light is input from the output side.

【0014】(作用)本発明において、非線形光導波路
の制御光が伝搬する部位は、制御光に対しては屈折率が
増大するのに対して信号光に対しては屈折率が低下する
ので、信号光のみが制御光が伝搬しない分岐の方にスイ
ッチされる。このスイッチングは所定パワー以上の制御
光入力に対して安定なので、温度変動や制御光パワー変
動に強いデジタルな光スイッチングが実現される。
(Function) In the present invention, the portion of the nonlinear optical waveguide through which the control light propagates has an increased refractive index for the control light but a reduced refractive index for the signal light. Only the signal light is switched to the branch where the control light does not propagate. Since this switching is stable with respect to a control light input having a predetermined power or more, digital optical switching that is resistant to temperature fluctuations and control light power fluctuations is realized.

【0015】しかも、信号光と制御光のパワー分布の重
なりが小さいので、信号光の伝搬特性は制御光のパワー
変化の影響を受けにくい。また、信号光と制御光が異な
る分岐を伝搬するうえ波長も異なるので、信号光と制御
光の分離も容易である。さら、サブバンド間遷移をスイ
ッチング原理としているので、非常に高速、高繰り返し
のスイッチ動作が可能である。
In addition, since the power distribution of the signal light and the control light have a small overlap, the propagation characteristics of the signal light are less affected by the power change of the control light. Further, since the signal light and the control light propagate through different branches and have different wavelengths, it is easy to separate the signal light and the control light. Furthermore, since the switching principle is based on the transition between sub-bands, a very high-speed and high-repetition switching operation is possible.

【0016】また、半導体量子井戸層が、伝導帯不連続
の大きな窒素を含むIII-V族半導体で構成されている
と、短波長のサブバンド間吸収が可能になるので、光フ
ァイバ通信などで重要な近赤外波長帯で動作する光スイ
ッチが可能となる。
If the semiconductor quantum well layer is made of a group III-V semiconductor containing nitrogen having a large discontinuity in the conduction band, it becomes possible to absorb short wavelengths between sub-bands. Optical switches that operate in important near-infrared wavelength bands are possible.

【0017】また、窒化物半導体量子井戸はサブバンド
間緩和時間も短いので、高速応答(≧1Tb/s)が可
能となる。さらに、窒化物半導体量子井戸ではキャリア
密度を高く(1019cm-3)することができる。キャリ
ア密度を3×1018以上にすることで、大きな非線形光
吸収を実現することができる。
Further, since the nitride semiconductor quantum well also has a short inter-subband relaxation time, a high-speed response (≧ 1 Tb / s) is possible. Further, in the nitride semiconductor quantum well, the carrier density can be increased (10 19 cm −3 ). By setting the carrier density to 3 × 10 18 or more, large nonlinear light absorption can be realized.

【0018】また、非線形光導波路が信号光に対する利
得を有していれば、サブバンド間吸収等による信号光の
減衰を補償することができ、入力光を下回らない出力を
得ることが可能となる。
If the nonlinear optical waveguide has a gain with respect to the signal light, it is possible to compensate for the attenuation of the signal light due to intersubband absorption or the like, and it is possible to obtain an output not less than the input light. .

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係わる光スイッチの主要部を上面からみた構成を模式的
に示す図である。また、図2、3、4は、それぞれ図1
の光スイッチのX−X´断面、Y−Y´断面、Z−Z´
断面を模式的に示す図である。なお、信号入出力部を含
むモジュールの構成は従来技術と同様であるので、その
説明を省略する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. (First Embodiment) FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a main part of an optical switch according to a first embodiment of the present invention as viewed from above. FIGS. 2, 3, and 4 correspond to FIGS.
XX ′ section, YY ′ section, ZZ ′ of the optical switch of FIG.
It is a figure which shows a cross section typically. Note that the configuration of the module including the signal input / output unit is the same as that of the related art, and a description thereof will be omitted.

【0020】本実施形態の光スイッチは、サファイヤ基
板1上に形成されたサブバンド間吸収領域2の非線形光
学応答をスイッチ原理として用いている。信号光は光導
波路3を介して基板1の端面からサブバンド間吸収領域
2に導かれる。一方、制御光パルスは光導波路41 又は
2 を介してサブバンド間吸収領域2に導かれる。サブ
バンド間吸収領域2には、2本の非線形光導波路51
2 が、入力部では近接してモード結合するが出力部で
は分離するように、入射面に対して垂直方向から若干ず
らして形成されている。非線形光導波路51 ,52 の出
力は、それぞれ出力光導波路61 ,62 を介して外部に
出力される。
The optical switch of the present embodiment uses the nonlinear optical response of the intersubband absorption region 2 formed on the sapphire substrate 1 as a switching principle. The signal light is guided from the end face of the substrate 1 to the inter-subband absorption region 2 via the optical waveguide 3. On the other hand, the control pulse is led to intersubband absorption region 2 through the light guide 4 1 or 4 2. In the intersubband absorption region 2, two nonlinear optical waveguides 5 1 ,
5 2, in the mode coupling to the output portion proximate the input unit so as to separate, is formed slightly deviated from a direction perpendicular to the plane of incidence. The output of the nonlinear optical waveguide 5 1, 5 2 are outputted to the outside through respective output optical waveguides 6 and 62.

【0021】サブバンド間吸収領域2以外の部分は、ア
ンドープAlN下部クラッド層7、アンドーブAlGa
Nコア層8、アンドープAlN上部クラッド層9からな
る光導波構造を有している。なお、サファイヤ基板1上
に良好な窒化物半導体層を形成するために必要な低温成
長バッファ層等、本発明の作用原理に直接関係しない層
はその記載を省略した。
The portion other than the inter-subband absorption region 2 includes an undoped AlN lower cladding layer 7 and an undoped AlGa
The optical waveguide structure has an N core layer 8 and an undoped AlN upper cladding layer 9. Layers not directly related to the operation principle of the present invention, such as a low-temperature growth buffer layer necessary for forming a good nitride semiconductor layer on the sapphire substrate 1, are not described.

【0022】上部クラッド層9にリッジを作製すること
で光導波路3,41 ,42 ,61 ,62 が形成されてい
る。一方、サブバンド間吸収領域2では、コア層8の代
わりに多重量子井戸からなる非線形光導波路層10が形
成されており、同様に上部クラッドに形成されたリッジ
により非線形光導波路51 ,52 が規定されている。光
電界は、上下方向ではコア層8や多重量子井戸層10を
中心に一部がクラッド層7,9にしみ出すように導波さ
れ、左右方向ではリッジで等価屈折率が高くなっている
部分を中心に導波される。
The optical waveguide 3 and 4. 1 by making a ridge in the upper cladding layer 9, 4 2, 6 1, 6 2 are formed. On the other hand, the intersubband absorption region 2, a multiple quantum well nonlinear optical waveguide layer 10 made of is formed, the non-linear optical waveguide 5 1 by ridges formed similarly to the upper cladding in place of the core layer 8, 5 2 Is stipulated. The optical electric field is guided in the vertical direction so that a part thereof leaks into the cladding layers 7 and 9 centering on the core layer 8 and the multiple quantum well layer 10, and the ridge has a high equivalent refractive index in the horizontal direction. Is guided around.

【0023】入力光導波路3,41 ,42 と非線形光導
波路51 ,52 の突き合わせ結合部は、光導波路3を介
して導入された信号光が2つの非線形光導波路51 ,5
2 にほぼ等しく結合するように、また、光導波路41
2 を介して導入される制御光の殆どはそれぞれ対応す
る非線形光導波路51 ,52 に結合するように構成され
ている。
The butt-coupling portions of the input optical waveguides 3, 4 1 , 4 2 and the nonlinear optical waveguides 5 1 , 5 2 are arranged so that the signal light introduced via the optical waveguide 3 is used for the two nonlinear optical waveguides 5 1 , 5 2.
2 so as to be almost equal to each other, and the optical waveguides 4 1 ,
4 2 Most introduced is controlled light through and is configured to couple to a nonlinear optical waveguide 5 1, 5 2 corresponding respectively.

【0024】この実施形態では、信号光が2つの非線形
導波路51 ,52 に効率良く結合するように、光導波路
3の先端はテーパ状に細くなっており、信号光パワーは
結合部において隣接する2本の光導波路41 ,42 にほ
ぼ同程度しみ出して導波されるように構成されている。
非線形導波路51 ,52 と出力導波路61 ,62 の間の
結合係数は、どちらの分岐も同じように構成されている
ので、制御光が入力されていない状態では、信号光は2
つの出力光導波路61 ,62 からほぼ均等に出力され
る。
In this embodiment, the tip of the optical waveguide 3 is tapered so that the signal light is efficiently coupled to the two nonlinear waveguides 5 1 and 5 2 . The optical waveguides are configured so as to exude to substantially the same extent and be guided by two adjacent optical waveguides 4 1 and 4 2 .
The coupling coefficient between the nonlinear waveguides 5 1 , 5 2 and the output waveguides 6 1 , 6 2 is the same for both branches, so that the signal light is not input when the control light is not input. 2
The light is output almost equally from the two output optical waveguides 6 1 and 6 2 .

【0025】図5は、サブバンド間吸収領域2の基板法
線方向の光導波構造を示す伝導帯バンド図である。サブ
バンド間吸収領域2の下部クラッド層7と上部クラッド
層9に挟まれた非線形光導波路層10は、下から順に、
アンドープAl0.7 Ga0.3N光ガイド層111 、アン
ドープAlN層121 、厚さ1.56nm(6モノレー
ヤ)のn型(キャリア密度3×1018cm-3)GaN井
戸層13と厚さ約2nm(8モノレーヤ)のアンドープ
AlN障壁層14からなる多重量子井戸層(20井
戸)、アンドープAlN層122 、及びアンドープAl
0.7 Ga0.3 N光ガイド層112 から構成されている。
量子井戸の伝導帯には、2つのサブバンド15,16が
形成されており、その遷移波長は1.49μm(エネル
ギー差0.83eV)である。
FIG. 5 is a conduction band diagram showing the optical waveguide structure of the intersubband absorption region 2 in the direction normal to the substrate. The nonlinear optical waveguide layers 10 sandwiched between the lower cladding layer 7 and the upper cladding layer 9 in the intersubband absorption region 2 are arranged in order from the bottom.
Undoped Al 0.7 Ga 0.3 N optical guide layer 11 1 , undoped AlN layer 12 1 , 1.56 nm (6 monolayer) n-type (carrier density 3 × 10 18 cm −3 ) GaN well layer 13 and thickness of about 2 nm (8 monolayers) a multiple quantum well layer (20 wells) composed of an undoped AlN barrier layer 14, an undoped AlN layer 12 2 , and an undoped Al
And a 0.7 Ga 0.3 N light guide layer 11 2.
Two subbands 15 and 16 are formed in the conduction band of the quantum well, and the transition wavelength thereof is 1.49 μm (the energy difference is 0.83 eV).

【0026】図6は、サブバンド間吸収領域2以外の領
域の基板法線方向の光導波構造を示す伝導帯バンド図で
ある。サブバンド間吸収領域2以外の部分のコア層8
は、非線形光導波路層10におけるアンドープAlN層
121 、GaN井戸層13、AlN障壁層14、及びア
ンドープAlN層122 を全て、アンドープAl0.5
0.5 N層17で置き換えた構成になっている。
FIG. 6 is a conduction band diagram showing an optical waveguide structure in a region other than the inter-subband absorption region 2 in the direction normal to the substrate. Core layer 8 in portion other than inter-subband absorption region 2
Is undoped AlN layer 12 1 in the nonlinear optical waveguide layer 10, GaN well layer 13, AlN barrier layer 14, and an undoped AlN layer 12 2 All undoped Al 0.5 G
a 0.5 N layer 17 has been substituted.

【0027】図7は、サブバンド間吸収とその緩和過程
を説明するための図(井戸に平行な面内のサブバンドの
分散曲線)である。GaNとAlNの伝導帯不連続は2
eV近くあるので、サブバンド間吸収で第2のサブバン
ド16に励起された電子が、量子井戸外部に漏れ出す心
配はない。光が入射していない状態では、電子の大部分
は第1のサブバンド15の底の方に分布している。井戸
法線方向に偏波成分を持ち、サブバンド間遷移に共鳴す
る波長の短パルス光が入射すると、サブバンド間吸収に
より電子の一部は瞬間的に第2のサブバンド16に励起
される。なお、以下の説明では、光は全て井戸に垂直方
向に偏波したTMモードであることを仮定する。
FIG. 7 is a diagram (dispersion curve of the sub-band in a plane parallel to the well) for explaining the inter-sub-band absorption and its relaxation process. The conduction band discontinuity of GaN and AlN is 2
Since it is close to eV, there is no concern that the electrons excited in the second sub-band 16 due to the inter-subband absorption leak out of the quantum well. When no light is incident, most of the electrons are distributed toward the bottom of the first sub-band 15. When short pulse light having a polarization component in the well normal direction and having a wavelength that resonates with the transition between sub-bands is incident, some of the electrons are instantaneously excited by the second sub-band 16 due to the absorption between the sub-bands. . In the following description, it is assumed that all light is in the TM mode polarized in the direction perpendicular to the well.

【0028】入射光の強度が強い場台には、第1のサブ
バンド15に分布する電子数の減少により、瞬間的な吸
収飽和を生じる。この動作は室温でも、室温より高温で
も発現する。
On the field base where the intensity of the incident light is strong, an instantaneous absorption saturation occurs due to a decrease in the number of electrons distributed in the first sub-band 15. This operation occurs even at room temperature or at a temperature higher than room temperature.

【0029】第2のサブバンド16に励起された電子
は、LOフォノン(約90meV)との相互作用によっ
て、第1のサブバンド15の高エネルギー状態に緩和さ
れる。この波長帯にサブバンド間吸収を持つGaN井戸
層の場合、その緩和時間は概ね100fsのオーダーで
ある。この結果、第1のサブバンド15内には大きなエ
ネルギーを持つ非平衡電子が発生するが、電子間の相互
作用により20fs前後の時定数で熱平衡フェルミ分布
(初期状態よりフェルミレベルとキャリア温度が高い)
に緩和する。また、高エネルギーの電子は、LOフォノ
ン(約90meV)を吐き出しながら、元の低エネルギ
ーの状態へと緩和していく。
The electrons excited in the second sub-band 16 are relaxed to the high energy state of the first sub-band 15 by the interaction with the LO phonon (about 90 meV). In the case of a GaN well layer having inter-subband absorption in this wavelength band, its relaxation time is on the order of 100 fs. As a result, non-equilibrium electrons having a large energy are generated in the first sub-band 15, but due to the interaction between the electrons, the thermal equilibrium Fermi distribution (the Fermi level and the carrier temperature are higher than the initial state) with a time constant of about 20 fs. )
To relax. The high-energy electrons release LO phonons (about 90 meV) and relax to the original low-energy state.

【0030】この過程で非平衡のLOフォノンが大量に
発生した場合は、一部の電子がLOフォノンを再吸収す
ることによりサブバンド内のエネルギー緩和にピコ秒オ
ーダーの裾引きが発生する。しかし、一旦第1のサブバ
ンド15に緩和した電子は20fs程度の短い間に熱平
衡分布に緩和してしまうので、LOフォノンの再吸収に
より第2のサブバンド16に戻る確率は低い。また、2
つのサブバンド15,16の分散曲線はほぼ平行なの
で、吸収の飽和は概ね第1のサブバンド15にいる電子
数で決まり、電子がサブバンド内で取る波数(運動エネ
ルギー)には殆ど依存しない。
When a large amount of non-equilibrium LO phonons are generated in this process, some electrons re-absorb the LO phonons, so that picosecond order tailing occurs in the energy relaxation in the sub-band. However, since the electrons once relaxed to the first sub-band 15 relax to the thermal equilibrium distribution in a short time of about 20 fs, the probability of returning to the second sub-band 16 by LO phonon reabsorption is low. Also, 2
Since the dispersion curves of the two sub-bands 15 and 16 are substantially parallel, the saturation of absorption is substantially determined by the number of electrons in the first sub-band 15, and hardly depends on the wave number (kinetic energy) that the electrons take in the sub-band.

【0031】また、GaNの禁制帯幅は約3.5eVと
広く、波長1.55μmの光に対して、多光子吸収も含
めてバンド間吸収は起こらない。従って、強い光パルス
によるサブバンド間吸収飽和の時定数は、ほぼサブバン
ド間緩和時間のみによって決まる。即ち、パルス光がな
くなってから100fsオーダーの時定数で吸収は元の
状態に復帰することになる。
Further, the forbidden band width of GaN is as wide as about 3.5 eV, and no inter-band absorption, including multiphoton absorption, occurs for light having a wavelength of 1.55 μm. Therefore, the time constant of the intersubband absorption saturation due to the strong light pulse is substantially determined only by the intersubband relaxation time. In other words, the absorption returns to the original state with a time constant of the order of 100 fs after the disappearance of the pulse light.

【0032】図8はサブバンド間吸収スペクトルと等価
屈折率の分散スペクトルを説明するための図であり、図
中の実線は、井戸に垂直な電界成分を持つTMモードの
光に対する、サブバンド間吸収スペクトルとそれに基づ
く等価屈折率の分散スペクトルを表す。図中の破線は、
強い光が入射した場合の吸収と屈折率の波長依存性を表
す。サブバンド間吸収の飽和があると、吸収ピーク波長
の長波長側では屈折率の低下が起こり、短波長側では屈
折率の増大が起こることになる。このような短い時間
(〜100fs)の間では、電子の移動は無視できるの
で、光の通過する部分のみの屈折率が変化する。
FIG. 8 is a diagram for explaining the intersubband absorption spectrum and the dispersion spectrum of the equivalent refractive index. The solid line in FIG. 8 indicates the TM mode light having an electric field component perpendicular to the well. It shows an absorption spectrum and a dispersion spectrum of an equivalent refractive index based on the absorption spectrum. The broken line in the figure
It shows the wavelength dependence of absorption and refractive index when strong light is incident. When the absorption between the sub-bands is saturated, the refractive index decreases on the long wavelength side of the absorption peak wavelength, and the refractive index increases on the short wavelength side. During such a short time (〜100 fs), the movement of the electrons can be ignored, so that the refractive index of only the portion through which light passes changes.

【0033】ここで、制御光の波長はサブバンド間吸収
ピーク波長の短波長側である1.45μmに設定され、
信号光の波長はサブバンド間吸収ピークの長波長側であ
る1.55μmに設定されているものとする。いずれの
波長も、サブバンド間吸収とその飽和の影響を受ける周
波数帯域内部にある。
Here, the wavelength of the control light is set to 1.45 μm, which is the short wavelength side of the absorption peak wavelength between subbands.
It is assumed that the wavelength of the signal light is set to 1.55 μm, which is the long wavelength side of the absorption peak between subbands. Both wavelengths are within the frequency band affected by intersubband absorption and its saturation.

【0034】いま、信号光が光導波路3から入射され、
同時に強い制御光パルス(パルス幅100fs)が光導
波路41 を介して非線形光導波路51 に入射された場合
を考える。強い制御光により非線形光導波路51 の制御
光に対する屈折率が上昇するので、制御光パルスは他方
の非線形光導波路52 に殆ど結合することなく、非線形
光導波路51 を伝搬し、出力光導波路61 から出射され
る。この制御光は、外部に設けられた波長フィルタによ
り容易に遮断することができる。
Now, the signal light enters from the optical waveguide 3,
Consider the case where it is incident on the nonlinear optical waveguide 5 1 simultaneously strong control optical pulse (pulse width 100 fs) via an optical waveguide 4 1. Since the refractive index with respect to the control light of the nonlinear optical waveguide 5 1 rises due to strong control light, the control light pulse without substantially binding to the other nonlinear optical waveguide 5 2 propagates through the nonlinear optical waveguide 5 1, the output optical waveguide emitted from 6 1. This control light can be easily blocked by a wavelength filter provided outside.

【0035】一方、制御光が伝搬している非線形光導波
路51 の信号光に対する屈折率は低下するので、信号光
のパワーは相対的に屈折率の高い非線形光導波路52
方へと押しやられることになる。従って、十分な長さを
伝搬後には、殆どの信号光パワーは非線形光導波路52
に移動し、信号光は出力光導波路62 のみから出力され
る。
On the other hand, the control light is a refractive index relative to the nonlinear optical waveguide 5 1 of the signal light propagating decreases, the power of the signal light pushes towards the relatively high refractive index nonlinear optical waveguide 5 2 Will be done. Therefore, after propagating a sufficient length, most of the signal light power nonlinear optical waveguide 5 2
Go, the signal light is outputted from only the output optical waveguides 6 2.

【0036】図9に、制御光強度と出力信号光強度の関
係を示す。実線が制御光の伝搬する分岐の出力、破線が
制御光の伝搬しない分岐の出力を示す。非線形光導波路
1,52 の長さを150μm、入力部の非線形光導波
路51 ,52 の間隔を0.5μm、出力部の非線形光導
波路51 ,52 の間隔を1.5μmとすると、屈折率変
化は約0.3%で十分であり、スイッチングに必要な制
御光パルスのエネルギーは10pJ程度で十分である。
制御光がこれより十分に強ければ、相対的に屈折率が高
い非線形光導波路52 へ信号光が押しやられる状況が維
持されるので、出力光導波路62 のみから信号光が出力
される。また、信号光と制御光の重なりが小さいので、
制御光パルス波形に依存した信号光伝搬特性(強度、パ
ワー分布、位相など)の変動は小さい。
FIG. 9 shows the relationship between the control light intensity and the output signal light intensity. The solid line shows the output of the branch where the control light propagates, and the broken line shows the output of the branch where the control light does not propagate. Nonlinear optical waveguide 5 1, 5 2 of 150μm length, nonlinear optical waveguide 5 1, 5 2 of 0.5μm intervals of the input unit, and 1.5μm spacing nonlinear optical waveguide 5 1, 5 2 of the output unit Then, a change in the refractive index of about 0.3% is sufficient, and the energy of the control light pulse required for switching is about 10 pJ.
If the control light is strong than this well, a situation where a relatively high refractive index signal light to the nonlinear optical waveguide 5 2 is forced because is maintained, the signal light is output only from the output optical waveguide 6 2. Also, since the overlap between the signal light and the control light is small,
The fluctuation of the signal light propagation characteristics (intensity, power distribution, phase, etc.) depending on the control light pulse waveform is small.

【0037】従って、干渉計型や非線形方向性結合器型
では実現できなかった、制御光パルスエネルギー変動や
環境温度変動等の影響を殆ど受けないデジタル光スイッ
チングが実現される。
Therefore, digital optical switching which is hardly affected by fluctuations in control light pulse energy and environmental temperature, which cannot be realized by the interferometer type or the non-linear directional coupler type, is realized.

【0038】同様に、制御光パルスが光導波路42 から
のみ入力された場合には、信号光は出力光導波路61
ら出力される。同時に2つの導波路41 ,42 に制御光
パルスが入力された場合は、2つの分岐51 ,52 の屈
折率変化が同じなので、両方の出力光導波路61 ,62
からほぼ同じパワーの信号光が出力される。
[0038] Similarly, when the control pulse is inputted only from the optical waveguide 4 2, the signal light is outputted from the output optical waveguide 61. When the control light pulse is input to the two waveguides 4 1 and 4 2 at the same time, the refractive index changes of the two branches 5 1 and 52 are the same, so that both the output optical waveguides 6 1 and 6 2
Output signal light having substantially the same power.

【0039】前述のように吸収飽和の時定数はサブバン
ド間緩和の時定数である100fsのオーダーであり、
2つのサブバンド15,16のキャリア分布は1ps以
内には元の状態に復帰しているから、毎秒1テラビット
の超高速繰り返し動作においてもパターン効果(過去の
履歴依存)を生じることがない。制御光パルス・エネル
ギーも10pJ程度で十分である。従って、超高速繰り
返し、低スイッチングエネルギーの光デジタルスイッチ
ングが実現される。勿論この光スイッチは室温以上の温
度でも動作する。
As described above, the time constant of absorption saturation is of the order of 100 fs, which is the time constant of relaxation between subbands.
Since the carrier distribution of the two subbands 15 and 16 returns to the original state within 1 ps, the pattern effect (past history dependence) does not occur even in the ultra-high-speed repetition operation of 1 terabit per second. A control light pulse energy of about 10 pJ is sufficient. Therefore, optical digital switching with ultra-high speed repetition and low switching energy is realized. Of course, this optical switch operates even at a temperature higher than room temperature.

【0040】(第2の実施形態)図10は、本発明の第
2の実施形態に係わる光スイッチの構成を示す模式的に
示す図である。本実施形態に係わる光スイッチは、Si
基板上に作製された2枚の平面光回路(PLC)21
1 ,212 とサファイヤ基板上に形成された窒化物半導
体光集積回路22を主要部としてなる。第1の実施形態
の説明同様、入出力ファイバやモジュールの構成は説明
を省略する。
(Second Embodiment) FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of an optical switch according to a second embodiment of the present invention. The optical switch according to the present embodiment is Si switch
Two planar optical circuits (PLCs) 21 fabricated on a substrate
1, made as 21 2 and the nitride is formed on a sapphire substrate a semiconductor optical integrated circuit 22 of the main unit. As in the description of the first embodiment, the description of the configuration of the input / output fiber and the module is omitted.

【0041】窒化物半導体光集積回路22は、第1の実
施形態におけるサブバンド間吸収領域2と同様に、Ga
N/Al(Ga)N多重量子井戸層をアンドープAl
(Ga)Nクラッド層で挟んだ層構造を有する。GaN
/Al(Ga)N多重量子井戸層はn型にドープされて
おり、そのサブバンド間吸収波長は1.5μm付近にあ
る。
The nitride semiconductor optical integrated circuit 22 has the same structure as the inter-subband absorption region 2 in the first embodiment.
N / Al (Ga) N multiple quantum well layer is undoped Al
It has a layer structure sandwiched between (Ga) N cladding layers. GaN
The / Al (Ga) N multiple quantum well layer is doped n-type, and its intersubband absorption wavelength is around 1.5 μm.

【0042】PLC211 には、窒化物半導体光集積回
路22に信号光を導入するための光導波路23と制御光
を導入するための光導波路24が形成されている。窒化
物半導体光集積回路22には、非対称の2本の非線形光
導波路251 ,252 が形成されている。光導波路23
の出力は主として非線形光導波路251 に結合するが一
部は非線形光導波路252 にも結合するように、光導波
路24の出力は殆ど非線形光導波路251 のみに結合す
るように、突き合わせ接続されている。
[0042] PLC 21 1, the optical waveguide 24 for introducing control light optical waveguide 23 for introducing the signal light into the nitride semiconductor light integrated circuit 22 is formed. In the nitride semiconductor optical integrated circuit 22, two asymmetric nonlinear optical waveguides 25 1 and 25 2 are formed. Optical waveguide 23
Some the output of the primarily bound to the non-linear optical waveguide 25 1 to bind to the non-linear optical waveguide 25 2, output as is most bind only to the non-linear optical waveguide 25 1 of the optical waveguide 24 is butt connected ing.

【0043】非線形光導波路251 ,252 は、入射部
では平行近接して形成され、相互に結合しているが、途
中から小さな角度で分岐し、出射部では独立な光導波路
となっている。非線形光導波路251 の方が非線形光導
波路252 より広めに形成されており、強い制御光パル
スが入射されない場合、信号光は伝搬に伴って相対的に
等価屈折率の大きな非線形光導波路251 の方に移動
し、非線形光導波路251 から出力される。
The non-linear optical waveguides 25 1 and 25 2 are formed in parallel and close proximity to each other at the incident portion and are coupled to each other, but branch off at a small angle from the middle and become independent optical waveguides at the output portion. . The non-linear optical waveguide 25 1 is formed wider than the non-linear optical waveguide 25 2 , and when a strong control light pulse is not incident, the non-linear optical waveguide 25 1 having a relatively large equivalent refractive index is propagated as the signal light propagates. moves toward the, output from the nonlinear optical waveguide 25 1.

【0044】制御光PLC212 には、それぞれ非線形
光導波路251 ,252 と突き合わせ接続された出力光
導波路261 ,262 が形成されている。図11は、図
10に示すPLC211 のW−W´切断面を模式的に説
明する図である。各光導波路のコア部分23,24はG
eが添加されたSiO2 からなり、SiO2 クラッド2
7で周囲を囲まれている。光は一部がクラッド27にし
み出した形で導波される。
[0044] The control light PLC 21 2, respectively nonlinear optical waveguide 25 1, 25 2 and butt connected output optical waveguides 26 1, 26 2 are formed. Figure 11 is a diagram schematically illustrating the W-W'cut surface of PLC 21 1 shown in FIG. 10. The core portions 23 and 24 of each optical waveguide are G
e made of SiO 2 and SiO 2 clad 2
It is surrounded by 7. The light is guided in such a manner that a part of the light leaks into the cladding 27.

【0045】動作の原理は第1の実施形態の場合とほぼ
同じであるが、本実施形態では光導波路構造が非対称で
あり、制御光が片入力である点が異なっている。信号光
は、サブバンド間吸収波長よりやや長い波長のTM光で
あり、強い制御光がない場合には、前述のように非線形
導波路251 ,252 の非対称性により、非線形光導波
路251 から出力される。サブバンド間吸収波長よりや
や短い波長でTMモードの強い制御光パルスが光導波路
24を介して非線形光導波路251 に入射されると、非
線形導波路251 の信号光に対する等価屈折率が相対的
に低下し、信号光は伝搬するに従って非線形光導波路2
2 の方に押しやられる。
The principle of the operation is almost the same as that of the first embodiment, except that the present embodiment has an asymmetric optical waveguide structure and a single input control light. Signal light is slightly longer wavelengths of TM light than the absorption wavelength intersubband, when there is no strong control light, the nonlinear waveguide 25 1, 25 2 of the asymmetry as described above, the nonlinear optical waveguide 25 1 Output from A strong control optical pulse of the TM mode a slightly shorter wavelength than the intersubband absorption wavelength is incident on the nonlinear optical waveguide 25 1 through the optical waveguide 24, the equivalent refractive index is relative with respect to the nonlinear waveguide 25 1 of the signal light And as the signal light propagates, the nonlinear optical waveguide 2
It is pushed towards the 5 2.

【0046】この結果、あるパワー以上の制御光パルス
が光導波路24から入力されると、信号光は非線形光導
波路252 の方にデジタルにスイッチされる。従って、
本実施形態においても、繰り返しが非常に速くてスイッ
チングに要するエネルギーも小さな、光デジタルスイッ
チングが実現される。
[0046] As a result, when the control pulse above a certain power is input from the optical waveguide 24, the signal light is switched to the digital towards the nonlinear optical waveguide 25 2. Therefore,
Also in the present embodiment, optical digital switching is realized in which repetition is very fast and energy required for switching is small.

【0047】(第3の実施形態)図12は、本発明の第
3の実施形態に係わる光スイッチの概略構成を示す模式
図である。この光スイッチは、PLC31、サブバンド
間吸収波長約1.5μmのn型AlN/GaN量子井戸
を光導波層として有する半導体光集積回路32、光ファ
イバ33、光サーキュレータ371 ,372 ,373
主たる構成要素としてなる。窒化物半導体光集積回路3
2には非線形光導波路からなるY分岐35が、PLC3
1にはY分岐35の出力部と突き合わせ結合している光
導波路361 ,362 が、それぞれ形成されている。Y
分岐35の分岐角は、3ミリラジアンである。光ファイ
バ33は各導波路35,361 ,362 突き合わせ結合
している。
(Third Embodiment) FIG. 12 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an optical switch according to a third embodiment of the present invention. The optical switch includes a PLC 31, a semiconductor optical integrated circuit 32 having an n-type AlN / GaN quantum well having an intersubband absorption wavelength of about 1.5 μm as an optical waveguide layer, an optical fiber 33, and optical circulators 37 1 , 37 2 , and 37 3. Is the main component. Nitride semiconductor optical integrated circuit 3
2 has a Y-branch 35 made of a nonlinear optical waveguide,
Optical waveguide 36 1 bonded against the output of the Y-branch 35 in 1, 36 2 are formed, respectively. Y
The branch angle of the branch 35 is 3 milliradians. Optical fiber 33 is butt-coupled each waveguide 35, 36 1, 36 2.

【0048】本実施形態では、前の実施形態とは異な
り、制御光パルスと信号光は逆方向に伝搬する。即ち、
入力信号光は光サーキュレータ373 と光ファイバ33
を介して図の左側からY分岐35に入力されるのに対し
て、制御光は光サーキュレータ371 又は372 、光フ
ァイバ33、光導波路361 又は362 を介して、図の
右側からY分岐35に入力される。制御光と信号光の出
力は、光サーキュレータ371 ,372 ,373 により
分離される。信号光は1.6μm、制御光パルスの波長
は1.4μmである。
In this embodiment, unlike the previous embodiment, the control light pulse and the signal light propagate in opposite directions. That is,
Input signal light optical circulator 37 3 and the optical fiber 33
Whereas inputted from the left side of the figure Y branch 35 via a control light optical circulator 37 1 or 37 2, optical fiber 33, through the optical waveguide 36 1 or 36 2, Y from the right side of FIG. It is input to branch 35. The output of the control light and the signal light is separated by the optical circulator 37 1, 37 2, 37 3. The signal light is 1.6 μm, and the wavelength of the control light pulse is 1.4 μm.

【0049】例えば、光サーキュレータ372 から制御
光パルスが入力された場合、Y分岐35の光導波路36
2 に接続された分岐の信号光に対する等価屈折率が低下
し、信号光は相対的に屈折率が高い光導波路361 に接
続された分岐に集中する。逆に、光サーキュレータ37
1 から制御光パルスが入力された場合は、光導波路36
2 の分岐から信号光が出力される。サブバンド間吸収の
飽和による屈折率変化の原理や動作は、前の2つの実施
形態と同様である。従って、本実施形態においても、超
高速の繰り返しでスイッチングエネルギーの低い光デジ
タルスイッチが実現される。
[0049] For example, if the control pulse from the optical circulator 37 2 is input, the optical waveguide of the Y branch 35 36
Equivalent refractive index is decreased with respect to the signal light of the connected branches into two, the signal light is concentrated on a relatively refractive index is connected to the high light waveguide 36 1 branch. Conversely, the optical circulator 37
When a control light pulse is input from 1 , the optical waveguide 36
The signal light is output from the second branch. The principle and operation of the change in the refractive index due to the saturation of the intersubband absorption are the same as those of the previous two embodiments. Therefore, also in the present embodiment, an optical digital switch with low switching energy can be realized by ultra-high-speed repetition.

【0050】(第4の実施形態)図13は、本発明の第
4の実施形態に係わる光スイッチの概略構成を示す模式
図である。また、図14、15は、それぞれ図13のU
−U´断面とV−V´断面を模式的に示す図である。
(Fourth Embodiment) FIG. 13 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an optical switch according to a fourth embodiment of the present invention. FIGS. 14 and 15 correspond to U in FIG.
It is a figure which shows the -U 'cross section and the VV' cross section typically.

【0051】この光スイッチは、p型InP基板41上
に形成されたInGaAsP活性層47をコア層とする
リッジ型光導波路43,441 ,442 ,461 ,46
2 と、サファイヤ基板42上に形成されたGaN/Al
N多重量子井戸層55及びAl(Ga)Nクラッド層5
6からなるメサ構造をInGaAsP活性層47の一部
の上部に直接接着して一体化した非線形光導波路45
1 ,452 とを主要構成要素としてなる。この例では、
接着面は量子井戸層55のAlN層とn型InPクラッ
ド層56であるが、他の層を間に介在させても良い。
This optical switch has a ridge type optical waveguide 43, 44 1 , 44 2 , 46 1 , 46 having an InGaAsP active layer 47 formed on a p-type InP substrate 41 as a core layer.
2 and GaN / Al formed on the sapphire substrate 42
N multiple quantum well layer 55 and Al (Ga) N clad layer 5
Non-linear optical waveguide 45 formed by directly bonding a mesa structure made of 6 to an upper part of the InGaAsP active layer 47 to be integrated.
1, comprising 45 2 and the main components. In this example,
The bonding surfaces are the AlN layer of the quantum well layer 55 and the n-type InP cladding layer 56, but other layers may be interposed.

【0052】非線形光導波路451 ,452 では、活性
層47からしみ出した光電界の一部がGaN/AlN多
重量子井戸層55に重なることによりサブバンド間吸収
が生じる。活性層47に電流を注入するために、厚さ
0.18μmのn型InPクラッド層50、n型InP
51とp型InP52からなる電流ブロック領域48、
電極49,54が設けられている。近接するリッジ4
3,441 ,442 の間には、ポリイミド53が埋め込
まれている。接着面を構成するAlN層とn型InPク
ラッド層56のバンド不連続のため、GaN/AlN多
重量子井戸層55には電流は注入されない。
[0052] In the non-linear optical waveguide 45 1, 45 2, intersubband absorption occurs by a part of the optical field that issued the active layer 47 Karashimi overlap GaN / AlN multiple quantum well layer 55. In order to inject a current into the active layer 47, an n-type InP cladding layer 50 having a thickness of 0.18 μm and an n-type InP
51 and a current block region 48 made of p-type InP 52;
Electrodes 49 and 54 are provided. Adjacent ridge 4
3,44 1, between 44 2, polyimide 53 is embedded. No current is injected into the GaN / AlN multiple quantum well layer 55 because of the band discontinuity between the AlN layer and the n-type InP cladding layer 56 forming the bonding surface.

【0053】この光スイッチの動作は前述の実施形態の
光スイッチの動作と類似であるが、光導波路43,44
1 ,442 ,461 ,462 が電流注入による利得を有
している点が異なる。前の実施形態のように光導波路が
利得を持たない場合、サブバンド間吸収損失のため信号
光出力は入力よりもかなり小さくなってしまい、外部で
何らかの補償が必要になる。これに対して、本実施形態
のように利得があれば、入力と同程度ないしそれ以上の
信号光出力を得ることが可能となる。その他の点は前の
実施形態と同様であり、超高速の繰り返しでスイッチン
グエネルギーの低い光デジタルスイッチが実現される。
The operation of this optical switch is similar to the operation of the optical switch of the above-described embodiment, except that the optical waveguides 43 and 44 are operated.
1, 44 2, 46 1, 46 2 is that it has a gain by current injection different. When the optical waveguide has no gain as in the previous embodiment, the signal light output is considerably smaller than the input due to intersubband absorption loss, and some external compensation is required. On the other hand, if there is a gain as in the present embodiment, it is possible to obtain a signal light output equal to or higher than the input. The other points are the same as those of the previous embodiment, and an optical digital switch having low switching energy is realized by ultra-high-speed repetition.

【0054】(変形例)本発明は、上記の実施形態に限
られるものではなく、様々な組み合わせ、変形が可能で
ある。例えば、入出力部のPLCに波長フィルタを集積
化したり、複数の光スイッチを同一基板上に集積化した
りしてもよい。また、第4の実施形態のように半導体基
板を用いた場合には、制御光パルス光源を集積化しても
よい。
(Modifications) The present invention is not limited to the above embodiment, but various combinations and modifications are possible. For example, a wavelength filter may be integrated in the PLC of the input / output unit, or a plurality of optical switches may be integrated on the same substrate. When a semiconductor substrate is used as in the fourth embodiment, a control light pulse light source may be integrated.

【0055】サブバンド間吸収を生じる材料もAl(G
a)N/GaN量子井戸に限定されるものではなく、サ
ブバンド間吸収波長も1.5μm付近に限定されるもの
ではない。量子井戸層に対称結合量子井戸や非対称量子
井戸を用いて複数のサブバンド間吸収ピークを持つよう
にしてもよい。或いは、障壁層を薄くして超格子構造と
し、サブバンド間吸収というよりミニバンド間吸収の形
で用いてもよい。これらの場合も、制御光波長は吸収飽
和により屈折率が増大する波長に、信号光波長は吸収飽
和により屈折率が低下する波長に設定するものとする。
第1の実施形態では、井戸層のみに不純物ドーピングを
行ったが、量子井戸層全体にドーピングをしても、障壁
層の全部ないし一部に変調ドーピングを行っても構わな
い。光導波路の具体的な構造、形態も上記の実施形態に
限定されるものではない。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。
The material that causes intersubband absorption is also Al (G
a) It is not limited to the N / GaN quantum well, and the absorption wavelength between sub-bands is not limited to around 1.5 μm. The quantum well layer may have a plurality of intersubband absorption peaks by using a symmetric coupling quantum well or an asymmetric quantum well. Alternatively, the barrier layer may be thinned to have a superlattice structure, and may be used in the form of interminiband absorption rather than intersubband absorption. Also in these cases, the control light wavelength is set to a wavelength at which the refractive index increases due to absorption saturation, and the signal light wavelength is set to a wavelength at which the refractive index decreases due to absorption saturation.
In the first embodiment, the impurity doping is performed only on the well layer. However, the doping may be performed on the entire quantum well layer, or the modulation doping may be performed on all or a part of the barrier layer. The specific structure and form of the optical waveguide are not limited to the above embodiments. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ス
イッチング原理として量子井戸中のサブバンド間吸収の
飽和を用い、かつ制御光と信号光の波長を吸収飽和によ
る屈折率変動が逆になるように設定することにより、超
高速で高繰り返しの光スイッチングが実現される。しか
も、所定入力以上の制御光入力に対して出力ポートが変
化しないので、温度変動や制御光パワー変動に対して安
定な光デジタルスイッチングが実現される。
As described in detail above, according to the present invention, the switching principle uses the saturation of the absorption between sub-bands in the quantum well, and the wavelength of the control light and the signal light is changed in the refractive index fluctuation due to the absorption saturation. By setting so as to realize, ultra-high speed and high repetition optical switching is realized. In addition, since the output port does not change with respect to a control light input equal to or more than a predetermined input, stable optical digital switching is realized with respect to temperature fluctuations and control light power fluctuations.

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

【図1】第1の実施形態に係わる光スイッチ主要部の上
面から見た構成を模式的に示す図。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a main part of an optical switch according to a first embodiment as viewed from above.

【図2】第1の実施形態に係わる光スイッチのX−X´
断面を模式的に示す図。
FIG. 2 is XX ′ of the optical switch according to the first embodiment.
The figure which shows a cross section typically.

【図3】第1の実施形態に係わる光スイッチのY−Y´
断面を模式的に示す図。
FIG. 3 is a diagram illustrating a YY ′ optical switch according to the first embodiment;
The figure which shows a cross section typically.

【図4】第1の実施形態に係わる光スイッチのZ−Z´
断面を模式的に示す図。
FIG. 4 is a view illustrating the ZZ ′ of the optical switch according to the first embodiment;
The figure which shows a cross section typically.

【図5】第1の実施形態に係わる光スイッチの、サブバ
ンド間吸収領域2の伝導帯バンド構造を模式的に示す
図。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a conduction band structure of the intersubband absorption region 2 of the optical switch according to the first embodiment.

【図6】第1の実施形態に係わる光スイッチの、サブバ
ンド間吸収領域2以外の領域の光導波層の伝導帯バンド
構造を模式的に示す図。
FIG. 6 is a view schematically showing a conduction band structure of an optical waveguide layer in a region other than the inter-subband absorption region 2 of the optical switch according to the first embodiment.

【図7】サブバンド間吸収とその緩和過程を説明する模
式図。
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating inter-subband absorption and its relaxation process.

【図8】強い光が入射してないとき(実線)と強い光が
入力されたとき(破線)のサブバンド間吸収スペクトル
と等価屈折率の分散スペクトルを説明する図。
FIG. 8 is a diagram illustrating an intersubband absorption spectrum and a dispersion spectrum of an equivalent refractive index when strong light is not incident (solid line) and when strong light is input (dashed line).

【図9】本発明の光スイッチにおける制御光パルス強度
と出力信号光強度の関係を示す。
FIG. 9 shows the relationship between the control light pulse intensity and the output signal light intensity in the optical switch of the present invention.

【図10】第2の実施形態に係わる光スイッチの構成を
示す模式的に示す図。
FIG. 10 is a diagram schematically showing a configuration of an optical switch according to a second embodiment.

【図11】第2の実施形態に係わる光スイッチのW−W
´断面を模式的に示す図。
FIG. 11 is a diagram illustrating the WW of the optical switch according to the second embodiment;
'A diagram schematically showing a cross section.

【図12】第3の実施形態に係わる光スイッチの概略構
成を示す模式図。
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of an optical switch according to a third embodiment.

【図13】第4の実施形態に係わる光スイッチの概略構
成を示す模式図。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an optical switch according to a fourth embodiment.

【図14】第4の実施形態に係わる光スイッチのU−U
´断面を模式的に示す図。
FIG. 14 shows UU of an optical switch according to a fourth embodiment.
'A diagram schematically showing a cross section.

【図15】第4の実施形態に係わる光スイッチのV−V
´断面を模式的に示す図。
FIG. 15 shows VV of the optical switch according to the fourth embodiment.
'A diagram schematically showing a cross section.

【図16】従来技術のマッハツエンダー干渉計型非線形
光スイッチの構成図。
FIG. 16 is a configuration diagram of a conventional Mach-Zehnder interferometer type nonlinear optical switch.

【図17】従来技術の干渉計型非線形光スイッチにおけ
る制御光入力と信号光出力の関係を説明する図。
FIG. 17 is a diagram illustrating the relationship between control light input and signal light output in a conventional interferometer type nonlinear optical switch.

【図18】従来技術のデジタルオプティカルスイッチの
構成図。
FIG. 18 is a configuration diagram of a conventional digital optical switch.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,42…サファイヤ基板 2,22,32…サブバンド間吸収領域 3,23,43…信号光入力光導波路 41 ,42 ,24,441 ,442 …制御光入力光導波
路 51 ,52 ,251 ,252 ,451 ,452 …非線形
光導波路 61 ,62 ,261 ,262 ,361 ,362 ,46
1 ,462 …出力光導波路 7,9,27…クラッド層 8,23,24…コア 10…量子井戸導波層 13…井戸層 14…障壁層 15…第1のサブバンド 16…第2のサブバンド 211 ,212 ,31…PLC 33…光ファイバ 35…非線形光Y分岐 371 ,372 ,373 …光サーキュレータ 41…p型InP基板 47…活性光導波路 48…電流ブロック領域 49,54…電極 50…n型InP層
1,42 ... sapphire substrate 2,22,32 ... intersubband absorption regions 3,23,43 ... signal light input optical waveguide 4 1, 4 2, 24, 44 1, 44 2 ... control light input optical waveguide 5 1, 5 2, 25 1, 25 2, 45 1, 45 2 ... nonlinear optical waveguide 6 1, 6 2, 26 1, 26 2, 36 1, 36 2, 46
1 , 46 2 ... output optical waveguide 7, 9, 27 ... cladding layer 8, 23, 24 ... core 10 ... quantum well waveguide layer 13 ... well layer 14 ... barrier layer 15 ... first subband 16 ... second Subbands 21 1 , 21 2 , 31 PLC 33 Optical fiber 35 Non-linear optical Y branch 37 1 , 37 2 , 37 3 Optical circulator 41 P-type InP substrate 47 Active optical waveguide 48 Current block region 49 54 ... electrode 50 ... n-type InP layer

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】伝導帯に複数のサブバンドが存在する半導
体量子井戸層を内部に有し、モード結合している入力部
から出力部に向けて徐々に2つに分岐するように構成さ
れ、強い光の入射によりサブバンド間の吸収の飽和を生
じる非線形光導波路と、 前記サブバンド間の吸収の飽和により屈折率が低下する
波長の信号光を、前記非線形光導波路の入力部に入力す
る手段と、 前記サブバンド間吸収の飽和により屈折率が増大する波
長の制御光を、前記非線形光導波路に片側に偏るように
入射する手段と、 前記非線形光導波路の出力部の2つの分岐の一方から信
号光を出力する手段とを具備してなることを特徴とする
光スイッチ。
1. A semiconductor quantum well layer having a plurality of subbands in a conduction band therein, wherein the semiconductor quantum well layer is configured so as to be gradually branched from an mode-coupled input portion to an output portion. A nonlinear optical waveguide that causes absorption saturation between sub-bands due to the incidence of strong light; and a unit that inputs signal light having a wavelength whose refractive index decreases due to saturation of absorption between the sub-bands to an input portion of the nonlinear optical waveguide. Means for injecting control light having a wavelength at which the refractive index increases due to saturation of the inter-subband absorption into the nonlinear optical waveguide so as to be biased to one side; and from one of two branches of an output section of the nonlinear optical waveguide. Means for outputting a signal light.
【請求項2】前記半導体量子井戸層は、窒素を含むIII-
V族半導体からなることを特徴とする請求項1記載の光
スイッチ。
2. The semiconductor quantum well layer according to claim 1, wherein said semiconductor quantum well layer comprises
2. The optical switch according to claim 1, wherein the optical switch is made of a group V semiconductor.
【請求項3】前記非線形光導波路は、信号光に対する利
得を有することを特徴とする請求項1記載の光スイッ
チ。
3. The optical switch according to claim 1, wherein said nonlinear optical waveguide has a gain for signal light.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013500505A (en) * 2009-07-30 2013-01-07 ユニヴェルシテ パリ−スュッド オンズ Electro-optic device based on absorption or rate change in ISB transition

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