JPS60134219A - 光スイツチ - Google Patents

光スイツチ

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JPS60134219A
JPS60134219A JP58242049A JP24204983A JPS60134219A JP S60134219 A JPS60134219 A JP S60134219A JP 58242049 A JP58242049 A JP 58242049A JP 24204983 A JP24204983 A JP 24204983A JP S60134219 A JPS60134219 A JP S60134219A
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宏善 松村
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茅根　直樹
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Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、光通信システムにおいて光を伝搬する光フア
イバ内のおのおのの光信号を他の数本の光ファイバのそ
れぞれ任意の一本に導くことを可能にした光スィッチに
関する。
〔発明の背景〕
従来の光スィッチでは、光伝送媒質の音響光学効果によ
る光の偏光を用いたもの、媒質の電気光学効果による光
の偏向を用いたもの、方向性結合器の結合係数を電気光
学効果により変えるもの、方向性結合器と光位相変調器
を組み合せたもの々どが提案されているが、これらはい
ずれも低損失特性、低漏話特性、高速性などの光導波路
スイッチの基本的な特性をすべて完全に満足させるに至
づていない。寸だ、方向性結合器型では１〜２μｍの精
密加工技術が必要であり、さらにまた、長さが長く、光
導波路間の分離距離が得られない等の欠点があり、寸だ
、光の偏向を用いたものでは、複雑な構造を有する電極
が必要であり、また、大きな分離角が得られないなどの
欠点があった。このだめ、光スィッチのマトリックス数
が多くなると素子長さが数Ｃ１ｎ以上となり、伝送損失
の増大を１ねくという本質的な欠点があった。
とこでは、特に本発明と関係の深い光測光型光スイッチ
の問題点について図面を用いてさらに詳しく説明する（
この種の光スィッチについては、特開昭５４−７９５１
号公報参照）。
第１図は光偏向型光スイッチ（別名、光反射型とも呼ば
れている。）を示す平面図、第２図は第１図の■−■断
面の一部を示す図である。１はニオブ酸リチウム（Ｌ　
＋　Ｎｂ　Ｏｓ　）等の電気光学効果を有する結晶基板
、２−１．２−２．３−１．６−２は結晶基板１の表面
に形成されだ光導波路で、基板結晶１の表面からＴｉな
どの金属を拡散することにより形成される。４−１．４
−２．４−６．４−４はそれぞれ交叉する二つの光導波
路の交叉部、５−１．５−２．５−３．５−４は各交叉
部の表面にそれぞれの長い方の対角線を挾む位置に形成
された一対の電極で、図示は省略しているが、それぞれ
引出線で入力端子に接続され、選択的に一対の電極間に
所定値の電圧が印加されるように構成され、光導波路の
各交叉部に電界を印加する電界印加用電極を構成してい
る。
このように構成された光スイツチアレイは、例えば、光
導波路２−１を図において矢印入方向に伝搬する光６を
交叉部４−１で光導波路ろ−１を伝搬するように矢印Ｂ
方向に切換えようとする場合、電界印加用電極５−１に
電圧を印加し、光導波路の交叉部４−１の電極５−１で
挾まれた部分で屈折率を低下させる。このようにすると
光６は屈折率が低下した部分で反射され、矢印Ｂ方向に
伝搬方向が切り換えられる。
この場合、電界印加用電極５−１を構成する一対の電極
５−１の極性及び印加すべき電圧は、結晶基板１の種類
及び結晶軸の方向等によつ〆相違するから適宜選択する
必要がある。壕だ、屈折率を低下させる程度は、入射す
る光が全反射するように電界印加用電極５−１と光導波
路２−１とのなす角θを選定する必要がある。
基板結晶１としてＬ　ＩＮ　ｂ　０３を用い、ＴＩを十
分に拡散して光導波路を形成した場合、波長６３２８Ａ
の光に対する光導波路及び交叉部の屈折率は約２．２２
となる。基板結晶１の電気光学係数γは約３０Ｘ１０　
ｍ／Ｖであり、電気光学効果による交叉部４−１の屈折
率変化Δｎは、 Δｎ　＝　１／２　ｎ６γＢ　（ただしＥは電界強度）
で表わされるので、この場合、Ｆｌ：＝５Ｖ／μｍの電
界強度でΔｎ　＝　０．０００５となる。この電界が印
加された交叉部４−１の屈折率は約２．２１９５となり
、全反射角は８８．７８４度であるから、光導波路２−
１と電界印加用電極５−１とのなす角度θは１．２１６
度以下となるように構成すればよい。すなわち、１．１
度とすれば分離角（２θ）は２．２度となり、光導波路
２−１と３−１とを２．２度以下で交叉するように構成
すればよい。印加する電界強度を大きくすれば角度θも
大きくなる。しかしながら、たとえＥ　＝　５０　Ｖ／
μｍのような大きな電界強度を加えても分離角（２０）
は入７度と小さいものである。
通常、光ファイバは直径が１２５μｍ程度であり光ファ
イバと光スィッチを結合させるには、光導波路２−１．
２−２及び′５−１．３−２の間隔は１２５μｍ以上で
なければならない。分離角（２θ）が２．２度の場合に
は、光スイツチ部の長さくＬ）は３、３　ｍ　ｍと長く
なり、光スイツチアレイの数が多くなると、光集積化が
困難になる。このように反射型ハ光スイッチの動作電圧
が高い上に、光スィッチの全長が非常に長くなるという
欠点がある。これは、Ｌ　ＩＮ　ｂ　０３の電気光学係
数が小さいことによる。
この解決方法として、電気光学効果の大きな、例えば５
Ｉ３Ｎ　（Ｓｒ　−Ｂ、ａ　−Ｎｂ−ｏ）のような材料
の単結晶を用いることが考えられる。しかし、これらの
結晶は電場と光の相乗効果による光タリージで、光導波
路中に光散乱中心が生じる可能性があり、非常に不安定
である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上述の従来技術の欠点を除去した、小
型、低分散で分離能力がすぐれ、かつ高集積化が可能な
光スィッチ及びそのアレイを提供することにある。
〔発明の概要〕
媒質の屈折率を変化させるには、通常、上述の電気光学
効果を用いているが、それ以外にＧａ　ＡｓやＩｎＰ系
のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の吸収端の移動によっても
屈折率を変化させることができる。半導体レーザの励起
のレベルが零バイアスからしきい値バイアス捷でに高く
なった時には、レーザ発振値における吸収は光導波路損
失が無視出来るくらいに充分な利得の状態（吸収係数が
負）に変化する。この利得変化の最も大きな所は、レー
ザ発振値より少し高いエネルギーで生じる。しかしなが
ら、注入されたキャリアの増加による利得変化は利得自
身が正の値（すなわち増幅状態）になったのではなく、
光吸収損失が吸収端の移動によって小さくなったために
生じるのである。すなわち、利得変化は屈折率の虚数部
が減少するために生じるのである。誘電率の実数部、虚
数部は、クラマースークｏ　−＝　ノヒ（Ｋｒａｍｅｒ
ｓ　−Ｋｒｏｎｉｇ　）　の関係式で関係づけられるだ
め、この利得変化は屈折率の実数部をも必然的に変化さ
せる。
数値例を示すだめに、ＧａＡｓ活性層をもつ埋込みへテ
ロ構造半導体レーザにおける屈折率の実数部変化のスペ
クトラムを第６図に示す。これからもわかるように、屈
折率の変化の大きい所はレーザ発振値よりもわずかに大
きな光子エネルギーの所で生じている。第６図における
２つの曲線１．２は半導体レーザに電流を加えた時に注
入されるキャリア濃度がそれぞれ、１×１０１８ｃｍ−
６，０，５×１０１８ｃｍ−３である場合を示す。第６
図かられかるように、通常レーザ発振する注入キャリア
濃度１×１０１８ｃｍ−６以上では、屈折率の変化量は
、レーザ発振の光子エネルギーの近傍では絶対値で±０
．０６以上にも達する。この０．０６という屈折率差は
第１図に示したような全反射型光スイッチでは２つの光
導波路２−１と６−１との分離角（２θ）が１５．２度
と驚異的に増大する。また、屈折率差のプラスとマイナ
スを有効に利用すれば（すなわち屈折率差０．０６を利
用すれば）、分離角（２θ）は２１．６度と更に大きく
なる。この分離角は注入キャリア濃度を増せば増加する
ものである。
しかし々から、この領域の光吸収損失は大きいことは言
う捷でもない。第４図にその吸収係数のスペクトラムを
示す。曲線１及び２はそれぞれ注入キャリア濃度が１．
０Ｘ１０　Ｃｍ　及び０．５Ｘ１０１８ＣＩＴ＋−３の
場合のものである。レーザ発振値近傍では約２Ｘ１（］
ｃｍ　の吸収係数をもっている。これは光伝送損失で８
６９ｄＢ／ｃｍに相当する。光の伝送損失をＱ、５ｄＢ
／ｃ＋η以下におさえるには、この領域の長さを５μｍ
以下にする必要がある。第１図に示したような光スィッ
チでは光の伝送損失を出来るだけ小さくすることが望ま
しい。すなわち、全反射部、例えば第１図の光導波路の
交叉部４−１における一対の電極５−１下の全反射部厚
み（第２図に示したｄ）を５μｍ程度にすれば、以上の
説明より分離角（２θ）が大きく、しかも低損失々光ス
イッチが構成できる。分離角から光スイツチ部の長さは
、１０　Ｘ　１０素子数の場合でも１ｍｍ以下となる。
また、分離角が大きいと、単一モードスイッチのみなら
ず、多モードスイッチとしても使用できる特徴をもつ。
この場合言う捷でもなく、全反射部以外は低損失な光導
波路、例えばｉ　ｏ　１４　Ｃｒｎ　３程度のキャリア
濃度をもつＧａＡ、ｓ高抵抗層で構成する必要がある。
以上は全反射部をＧａＡｓ活性層で形成した場合につい
て説明しだが、Ｇａ　Ａｓ　−Ａｌｌ　Ｇａ　Ａ、ｓと
いった超格子で形成した場合には更にこの現象が顕著に
あられれる。
第５図は、−例としてＡ４ＧａＡｓ障壁層の厚みを９６
久、ＧａＡｓ井戸層の厚みを８６穴として積層した超格
子における屈折率の光子エイルギスペクトラムを示した
ものである。第５図かられかるように、光子エネルギが
１，５ｅＶ近辺で幅ｏ、２ｅ■の大きな分散カーブを示
している。これは光の波長では０．８３１１ｒｎ近辺で
０．０６μｍの幅をもっことに相当する。このような分
散をもつ超格子にキャリアを注入していくと、分散カー
ブは平坦になろうとして、第６図に示したものと同様に
屈折率の変化が生じる。超格子構造の場合は、Ｇａ　Ａ
ｓ単層の場合にくらべ、約′５０倍程度分散が大きいだ
め屈折率の変化も１桁以」−１すなわち±０．６が期待
できる。
との場合には、第１図に示しだ交叉する２本の光導波路
の分離角（２θ）は約４５度となり、光スイッチ長（１
・）は完全に１ｍｍ以下と小さく、より高密度な光集積
化が可能になる。また、超格子構造の場合には、第６図
に示すように吸収係数はレーザ発振値で急激に減少して
いる。光伝送損失にすると約４００　ｄＢ　７ｃｍとな
り、ＧａＡｓ単層の場合にくらべ、損失は半分以下であ
る。このため、全反射部の厚さも１ｏｍｍ程度と大きく
とれるという利点がある。
以上説明したように、全反射を生じさせる領域にキャリ
ア注入による屈折率変化を生じる半導体媒質を用いるこ
とにより、小型、高性能な光スィッチを構成することが
できる。
なお、以上の説明ではＧａＡｓ系の半導体についテノみ
説明したが、ＩｎＰ、　ＩｎＧａＡｓＰ５Ｇａｒｂ。
Ｑａ　ｋｌ　ＡＳ　８１）等のＩＩＩ　−Ｖ族化合物半
導体についても全く同様であり、さらに、Ｃｄ　Ｓ　、
　Ｃｄ　Ｓｅ　、　Ｚｎ　Ｓ、Ｚｎ５ｅ等のＩＪ’　−
ＶＩ族化合物半導体も同様に用いることができる。
また、本発明の光スィッチの特徴としては、半導体レー
ザと同様な構成のため、半導体レーザと一体化して外部
変調器として使用できること、従来の光スィッチはほと
んど単一モードスイッチでしか動作しないのに対して、
例えば超格子構造を用いた場合には光導波路の分離角（
２ｏ）を４５度にしないで、２０度程度にしておくと多
モードスイッチとしても働くという大きな特命をもって
いる。
なお、以上の場合の説明には全反射型光スイッチを用い
たが、ブラッグ回折を用いられるように電極を光導波路
の交叉部にある最適々間隔で配置した構成にすれば全反
射でなく、ブラッグ回折が得られ、光導波路の分離角は
更に大きくなる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
第７図は本発明の光スィッチの製造工程の概略説明図で
、図（ａ）は断面図、図（ｂ）は上面図、図（Ｃ）、（
ｄ）は図（ｂ）のｎｘ−ｍ断面で示した部分工程図、図
（ｅ）は上面図、図（ｆ）は図（ｅ）の斜視図である。
基板２１にはＳｎドープの（１０Ｄ）■ｎＰ基板を用い
た。基板２１上に分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）
によシ、Ｉｎ　Ｑａ　Ａ、ｓ　ｐ層、ＩｎＰ層の順に積
層した超格子構造の層２２を厚み１．５μｍに成長させ
た。
この超格子層２２のバンドギャップは光の波長１．２５
μｎ］に相当する組成を用いている。つぎに、超格子層
２２の上に液相成長法（ＬＩ）Ｅ法）Ｋより、厚み約２
μｍ程度のｌｎＰクラッド層２６、さらにその上に例え
ばＡｕ−Ｃｒ合金からなる電極用金属層る（図（ａ））
。
つぎに、本発明では電極と共に全反射部を形成する。第
１図では電極５−１〜５−４は光導波路２−１．２−２
と６−１．３−２の交叉部４−１〜４−４に一対の電極
として存在していだが、本発明では、図（ｂ）に示した
ように、積層基板２ｏに後の工程で設けるべき、点線で
四重れた光導波路２５−１．２５−２と２６−１．２６
−２の交叉部２７−１〜２７−４の長い方の対角線上に
一方の一本のストライプ電極をその下の全反射部ととも
に設け、他方の電極（例えばＡｕ−Ｃｒ合金がらなろ）
を積層基板２０の裏面全面に共通電極として設けるよう
にしたものである。そこで、金属層２４上の、ここで形
成すべき前記ストライプ電極に対応する位置に電極バタ
ー／と同形のホトレジストパターン２８を形成する。
ついで、図（Ｃ）　Ｋ示すように、ホトレジストパター
ン２８の周囲の不要部分なＪｎＰ基板２１に達するまで
除去し、ホトレジストパターン２８の下に耳（スｎ　ｎ
ｍｍＷ　Ａ　＋＋ｍハ＋　Ｌ　＝　ｌ−ｗｘｍａｚ　ｔ
ｓ＋　＋２４−４を形成すると同時にこれらの電極下に
ストライプ状のｉｎ　Ｐ　ｌｉｉ　’ｌ”、、超格子層
２２を残す。
つきに、図（ｄ）に示すように、電極２４−１〜２４−
４の周囲に露出しているｌｎＰ基板２１上に、ＬＰＢ法
により、厚み１μｍ月のＩｎＧａＡｓＰ層２９、その上
２９み２．５μＩｎのＩｎＰ層６０を成長させる。この
場合、１．ｎ　Ｇａ　Ａｓ　Ｐ層２９及びＩｎＰ層６０
のキャリア濃度は１Ｑ　ｃｍ　程度で、光の伝送損失は
２ｄＢ／ｃｎｒ以下である。
その後、図（ｅ）、（ｆ）に示すように、ストライプ電
極２４−１〜２４−４の周囲の、先に図（ｂ）に点線で
囲んで示した光導波路２４−１〜２４−４を幅５μ【１
］、高さ３７ｚｍ（７）リッジ型に、Ｉｎ　Ｇａ　Ａｓ
　Ｐ層２９を厚さ０．５μｍだけ残して、ＩｎＰ層６０
及びＪｎ　Ｇａ　Ａ、ｓ、Ｐ、層２９をイオンミーリン
グ法により除去して光導波路２４−１〜２４−４を形成
すれば本発明の光ヌイソチが得られる。この時の光導波
路の分離角（２０）は１５度、光導波路間の間隔は１２
５μｍとした。
以上のようにして作製した長さ１．６ｍｍの４×４光ス
イツチに波長１．６μｍの半導体レーザ光を入射した所
、光導波路は単一モードではカく、多モード導波路であ
ることがわかった。超格子層に電流を約２３　ｍＡ流し
だ時の光スィッチの消光比は一３ＱｄＢ以下と小さく、
光伝送損失も２　ｄＢ以下と良好であった。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、電流を印加する
だけで屈折率を大きく変えることができるため、簡単な
構成で、かつ、多モードの光切換にも適用できる高集積
化可能な光スイツチアレイとすることができるので、実
用上大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の全反射型光スイッチアレイの一部分を示
す平面図、第２図は第１図の■−■断面の一部を示す図
、第６図、第４図はそれぞれＧ　ａ　Ａ　ｓ埋込みへテ
ロ構造半導体ｌ／−ザにおける屈折率変化と吸収係数の
スペクトルを示す図、第５図、第６図はそれぞれＧ　ａ
　Ａ　ｓ　−Ａ　ＩＩＧ　ａ　Ａ　ｓ超格子構造のレー
ザにおける屈折率と吸収係数のスペクトルを示す図、第
７図は本発明の光スィッチの一実施例の製造工程説明図
である。 図において、 １、・・・電気光学効果を示す結晶基板２−１，２−２
．３−１．３−２・・・光導波路４−１〜４−４・・・
光導波路の交叉部５〜１〜５〜４・・・電極　６・・光 ２０・　積層基板　２１・・　ＩｎＰ基板２２・　超格
子層　２３・・ＩｎＰクラッド層２４・・・金属層 ２４−１〜２４−４・・・電極 ２５−１．２４５−２．２６−１．２６−２・・・光導
波路２７−１〜２ツー４・・・光導波路の交叉部２８　
ホトレジストパターン ２９、・＝　ＩｎＧａＡｓＰ層　３０＝−ＩｎＰ層代理
人弁理士　中　村　純　之　助 卆　１　図 矛２図 矛３図 光工エネルギ“’−（ｃｐｎ−り 光）二ネル（−（ｃｍ−り 矛５図 １６図 光）エネルぞＣｅＶ） Ｊｉ？７　図 （Ｃ１） １？７図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）化合物半導体基板と、前記基板上に形成され、所
    定の幅と厚みならびに周囲より高い屈折率をもつ前記基
    板と同系の化合物半導体の帯状層からなり、かつ鋭角を
    なす所定の角度で互いに交叉する少なくとも一本づつの
    光導波路と、平行四辺形をなす前記光導波路の交叉部の
    長い方の対角線位置で前記両党導波路を遮断するように
    形成され、かつバンドギャップが使用する光の波長に近
    接する少なくとも一つの前記基板と同系の化合物半導体
    層から々る所定の幅と厚みをもつストライプ層とを備え
    、前記ストライプ層に電流を印加してその屈折率を変化
    させて前記ストライプ層部分で前記一方の光導波路内を
    伝搬してきた前記光を反射又は回折させて前記他方の光
    導波路に前記光の進路を切り換えるように構成されてい
    ることを特徴とする光スィッチ。 （２、特許請求の範囲第１項記載の光スィッチにおいて
    、前記光導波路の少なくとも一方が２本以上で構成され
    ている場合、前記２本以上の光導波路は互いに所定の間
    隔で平行に配列されていることを特徴とする光スィッチ
    。 （３）特許請求の範囲第１項又は第２項記載の光スィッ
    チにおいて、前記光スィッチを構成する前記化合物半導
    体がＩＩＩ−Ｖ族系又は■−■族系化合物半導体である
    ことを特徴とする光スィッチ。
JP58242049A 1983-12-23 1983-12-23 光スイッチ及び光スイッチアレイ Expired - Lifetime JP2583480B2 (ja)

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