JPS60235123A - 光スイツチ - Google Patents

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
するものである。

（１） 〔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
る光の偏向を用いたもの、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
を組み合わせたものな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するに至
っていない。また方向性結合器型では１〜２μｍの精密
加工技術が必要であり、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、また光の偏向を
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等の欠点があった。こ
のため、光スィッチのマトリックス数が多くなると素子
長さが敵国以上となり、伝送損失の増大をまねくという
本質的な欠点があった。

ここでは時に本発明と関係の深い光偏向型光スイッチの
問題点について図を用いて更にくわしく（２） 説明する。第１図は光偏向型光スイッチ（別名反射型と
も呼ばれている。）を示す平面図、第２図は第１図■−
■線における部分断面図で、■はニオブ酸リチウム（Ｌ
ｉＮｂＯ，）等の電気光学効果を有する結晶基板、２−
１．２−２．３−１．３−２は結晶基板の表面に形成さ
れた光導波路で、結晶基板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
−３゜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
にそれぞれそ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を図において矢印六方向に伝搬する光６を交
叉部４−１で光導波路３−１を伝搬するように矢印Ｂ方
向に切換えようとする場合（３） 電界印加電極５−１に電圧を印加し、交叉部４−１の電
極５−１ではさ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換えられる。

この場合、電界印加電極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って相異するから適宜設定する必
要がある。又屈折率を低下させる程度は、入射する光６
が全反射する値となるように電界印加電極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。

ＬｉＮｂ０．において、光６の波長が６３２８人の場合
光導波路及び交叉部の屈折率はＴＩを拡散させた場合約
２．２２となる。基板ｌの電気光学係数γは約３０Ｘ１
０−１２ｍ／Ｖであり、電気光学効果による交叉部４−
１の屈折率変化ＡｎはΔｎ＝−ｎａ７Ｅ （ただしＥは電界強度） （４） で表わされるので、この場合Ｅ＝５Ｖ／μｍの電界強度
でＡ　ｎ　＝０．０Ｏ０５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。即ち１．１度とすれば分離角（
２０）は２．２度となり光導波路２−１と３−１とを２
．２度以下の角度で交叉するように構成すればよい。印
加する電界強度Ｅを大きくすれば角度θも大きくなる。

しかしながら例えＥ＝５０■／μｍの大きな電界強度を
加えても分離角（２θ）は７．７度と小さいものである
。

通常光ファイバは直径が１２５μｍであり、光ファイバ
と光スィッチを結合させるには、先導波路２−１．２−
２および３−１．３−２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
ツチ部の長さしは３．３閣と長く、光スイツチアレイの
数が多くなると光集積化が困難である。このように反射
型は光スィッチの動作電圧が高い上に、光スィッチの全
長が（５） 非常に長くなるという欠点がある。これは、Ｌ　ｉＮ　
ｂ　Ｏａ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Ｓ　
ＢＮ　（Ｓ　ｒ−Ｂ　ａ−Ｎ　ｂ−０）のような単結晶
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ダメ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。

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Ｇ　ａ　Ａ　ｓやＩｎＰ
系のｍ−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までに高くな
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
振値よりも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（６） 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、クラマースークロニッヒ（Ｋ　ｒａｍ
ｅｒｓ　−Ｋ　ｒｏｎｉｇ）の関係式で関係ずけられる
ため、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。

数値例を示すために、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ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３図に示す。これからもわかるよう
に屈折率の変化が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の所で生じている。第３図におけ
る２つのカーブは、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のそれぞれ異なったものである。

第３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Ｉ　Ｘ　１０　”ｃｍ−３以上では屈折率の変
化量は絶対値で±０．０３以上にも達する。この０．０
３という屈折率差は第１図に示した全反射型では、２つ
の導波路２−１と３−１との分離角（２θ）が（７） １５．２度と驚異的に増大する。またプラス、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。

しかしながら、この領域の光吸収損失は大きいというこ
とは言うまでもない。第４図にその吸収係数のスペクト
ラムを示す。レーザ発振値近傍では約２Ｘ１０”ａｎ−
’の吸収係数をもっている。これは光伝送損失で８６９
　ｄ　Ｂ　／　ｃｍに相当する。光の伝送損失を０．５
　ｄ　Ｂ以下におさえるには長さ５μｍ以下にする必要
がある。第１図に示したように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のぞましい。第１図
の全反射部５−１１の厚みを５μｍ程度にすれば以上の
説明より分離角（２θ）が大きく、しかも低損失な光ス
ィッチが構成できる。分離角から光スィッチの長さは１
０×１０素子数の場合でも１ＩＩＩ１１以下となる。

又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大きな（８） 特徴をもつ。この場合言うまでもなく全反射部以外は低
損失な先導波路、例えばキャリア濃度が１Ｏ１４ｃ１１
１程度をもつＧ　ａ　Ａ　ｓ高抵抗層で構成する必要が
ある。

以上は、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ活性層の場合について説明した
が、ＧａＡｓ−ＡＱＧａＡｓといった超格子で形成され
た場合には更にこの現像が顕著にあられれる。

第５図は一例として、ＡＭＧａＡｓ障壁層の厚みが９３
人とＧ　ａ　Ａ　ｓ井戸層の厚みが８３人における屈折
率の光子エネルギスペクトラムである。第５図かられか
るように、光子エネルギーが１．５Ｉ３Ｖ近辺で幅０．
２　ｅ　Ｖの大きな分散カーブを示している。これは光
の波長では０．８３μｍ近辺で０．０６μｍの幅をもつ
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、
第３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、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単層の場合にくらべ
約３０倍程度分散が大きいため屈折率の変化も１桁以上
、すなわち±０．３が期待できる。この場合には第１図
に示（９） した２本の光導波路の分離角（２θ）は約４５度となり
光スイッチ長は完全に１圃以下と／Ｊ％さく、光量積比
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　ｄ　Ｂ　／　ｃｍとな
り、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ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ｌＯμｍ程度と大き
く取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が構成できる。

なお以上の説明ではＧ　ａ　Ａ　ｓ系の半導体について
のみ説明したが、Ｉ　ｎ　Ｐ　ｙ　Ｉ　ｎ　ＧａＡｓＰ
　ｇ　ＧａＳｂ。

ＧａＡＱＡｓＳｂの場合についても全く同様である。

また本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く１０） ないのに対して、例えば超格子構造の場合には光導波路
の分離角（２θ）を４５度と取らないで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
徴をもっている。

なお、以上の場合の説明には全反射型を用いたがブラッ
グ回折を用いるように電極を光導波路の交叉部にある最
適な間隔で配置した構成にすれば、全反射ではなくブラ
ッグ回折が得られ先導波路の分離角は更に大きくなる。

以上述べてきた原理にもとづいた光スィッチはすでに松
材らによって特願昭５８−２４２０４９号出願に見られ
るごとく提案されている。同提案では、電流によって屈
折率を変化させる層をＩｎＰ−ＩｎＱａＡ、ｓＰのよう
なヘテロ型超薄膜で構成している。しかし一般にヘテロ
型超格子薄膜の作製には格子整合のために厳密な組成制
御が必要であり、高度のエピタキシャル成長技術を要す
ると共に、材料系にも制限が生じる。

〔発明の目的〕

本発明はこの超格子薄膜をｎ型およびＰ型の同（１１） 一物質で構成したいわゆるｎ１ｐｉ型超格子とすること
によって前述の欠点を除去し、材料の制限が無く、かつ
作製が容易な高性能の光スィッチを提供することにある
。

〔発明の概要〕

前に述べた電流注入による屈折率変化の効果はＧａＡｓ
−ＡＱＧａＡｓのようなヘテロ型超格子だけでは無く、
ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓとｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓを積層したｎ
１ｐｉ型超格子においても同様に表われる。Ｐ型層とｎ
型のＧ　ａ　Ａ　ｓ層を各々９０人積層した超格子薄膜
の屈折率の光子エネルギースペク１〜ラムは、実効禁制
帯幅がＧ　ａ　Ａ　ｓ単独層の場合よりも約２００ｍ　
ｅ　Ｖ減少しているが、分数の型は第５図とほぼ同程度
であり、したがってヘテロ型超格子の場合と同じように
±０，３程度の屈折率変化を生じる。

それゆえ前述の光スィッチとしての利点はそのまま保存
される。一方、積層する簿膜結晶は全く同一の物質であ
り、ドーピング材が異なるのみであるから異種物質間の
格子整合の必要が全く無く、非常に容易に超格子を作製
することができる。

（１２） 〔発明の実施例〕 以下本発明の実施例を第１図を用いて説明する。

Ｓｔドープ（１００）ＧａＡｓ基板を用い分子ビームエ
ピタキシャル（ＭＢＥ）法により、ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
とＰ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ、各々９０人を厚み１．５μｍ成
長させた。この超格子層のバンドギャップは１．１μｍ
となるようにドーピング量を調整した。

次に液相成長法により厚み約２μｍのＧａＡＱＡｓクラ
ッド層を形成した。次に光導波路の交叉部５−１．５−
２．５−３．５−４の対角線上に通常のリソグラフは技
術とイオンミリング法を用いて長さ３０μｍ、幅４μｍ
のストライプを第１図の５−１の配置のように４本形成
した。続いてストライプ以外のＧ　ａ　Ａ　ｓ基板上に
液相成長法によりＧ　ａ　Ａ　ｓ高抵抗エピタキシャル
層を３μｍ成長させた。その後光導波路２−１．２−２
．３−１．３−２を幅５μｍ深さ０．５μｍのリッジ型
にイオンミリング法で形成した。この時の光導波路の分
離角（２θ）は１５度、光導波路の間隔を１２５μｍと
した。作製した長さ１．６　ｍの４×４光スイツ（１３
） チに波長１．１μｍの半導体レーザ光を入射したところ
光導波路は多モードであった。超格子部に電流を２８ｍ
Ａ流したときの光スィッチの消光比は一３０ｄＢ以下と
小さく、伝送損失も２ｄＢ以下と良好であった。

〔発明の効果〕 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
えることができるスイッチを高度なエピタキシャル技術
を用いず、しかも広い材料を用いて作製することができ
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ｎ−ｎ線における部分断面図である
。第３図、第４図はＧ　ａ　Ａ　ｓ埋込みへテロ構造半
導体レーザにおける屈折率変化と吸収係数のスペクトル
を示す図で、第５図、第６図はＧａＡｓ−ＡＱＧａＡｓ
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
トルを示す図である□。 ■・・・基板結晶、２−１．２−２．３−１．３−２（
１４） ・・・光導波路、４−１．４−２．４−３．４−４・・
・（１５） 第　ｌ　目 −１ 第２図 −７

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ■−■化合物半導体結晶基板上に周囲より屈折率の高い
   互いに交叉する複数組の光導波路および交叉部に上記両
   光導波路に対して所定の角度に形成された使用波長にバ
   ンドギャップが近接する少なくとも１つの■−■化合物
   半導体ストライプ層を備え、上記ストライプ層に電流を
   印加して当該領域の屈折率を変化させて伝搬光を反射ま
   たは回折させて光のスイッチングを行う素子において、
   当該領域がｎ型およびｐ型の■−■化合物半導体を交互
   に積層した超格子薄膜で構成されていることを特徴とし
   た光スィッチ。