JPS63100422A

JPS63100422A - 導波型光スイツチ

Info

Publication number: JPS63100422A
Application number: JP24652086A
Authority: JP
Inventors: Akira Ajisawa; 味澤　昭
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-10-17
Filing date: 1986-10-17
Publication date: 1988-05-02

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】（産業上の利用分野）本発明は、光通信、光情報処理の分野において、光伝送
路における光信号の開閉を行なう半導体光スィッチに関
する。

（従来の技術）半導体光スィッチは、超高速切換が可能で、低電圧で動
作し、小型で集積化が容易といった特徴をもち、将来の
光通信システムに用いられる光デバイスとして重要であ
る。その中で電界による光吸収変化を利用した導波型光
スイッチがある。これは導波路中を伝搬している導波光
を電界印加によって０Ｎ−ＯＦＦ動作をさせるものであ
る。ここではこの様な動作原理に基づく導波型光スイッ
チのうち、動作電圧、変調光の０Ｎ−ＯＦＦ比（以下消
光比と呼ぶ）、導波損失等の面で比較的優れた特性をも
つ、ガイド層に禁制帯幅の異なるそれぞれ５００Å以下
の層を交互に積層した多層構造（以下これを多重量子井
戸構造と呼ぶ）を用いた光スィッチ（昭和６０年度電子
通信学会総合全国大会５３−４　）について説明する。

第５図はそのスイッチの斜視図である。

ｎ　”　−ＧａＡｓ基板２１上に分子線エピタキシャル
法によりｎ　”　−Ａｌｌ　＊　、　ｘＧａｅ　、ｙＡ
ｓクラッド層２２を１．５−成長ζせ、次にｎ　−−Ｇ
ａＡｓ／ＡｊｌＧａＡｓ多重量子井戸ガイド２３として
ＧａＡｓ１子井戸ＪＩ１００人＋　Ａｊｌ＊、ｘＧａｅ
、ａＡｓ障ｑＪｉ３００人を１６周期、更にＰ　”　−
ＡＩｉ　ｏ　、　ｓＧａ＠　、　ｙＡｓクラッド層２４
を１．５１”ｓ　　ｐ”　−ＧａＡｓ：！ｆ”ｒ　ツブ
層２５を成長させ、ｎ側、ｐ側にオーミック電極２６　
、２７を取り付はストライブ形のハイ・メサ構造の３次
元導波路を形成する。この様な多重量子井戸構造の光吸
収スペクトルには状態密度の階段状の変化、鋭いエキシ
トンピークの出現といった量子サイズ効果により基礎吸
収端の短波長化、及び急峻化が見られる。また、この多
重量子井戸構造に電界を印加するとエキシトンのピーク
の長波長側への移動とともに吸収端が長波長側へ移動し
裾をひくようになる。この吸収端の急峻化と、電界によ
るエキシトンの吸収ピークの長波長側への移動を利用し
て、他に比べて比較的性能の優れた導波型光スイッチが
実現きれている。ここでの被変調光の波長はエキシトン
の吸収ピークの波長より約２０ｎｍ長波長側（エネルギ
ーに換算して約３０ｍｅＶ低エネルギー側）を用いてお
りその時のこの光スィッチの特性は一例を挙げると素子
長１−２００−で、電圧２．３Ｖ。

消光比７ｄＢである。

（発明が解決しようとする問題点）一般にこの様な電界による吸収端のシフトに基づく光吸
収変化を利用したスイッチの場合ある一定の消光比が得
られる電圧（以下単に電圧と呼ぶ）と導波損失は波長に
対してトレードオツの関係にある。導波路を形成してい
る媒質の吸収端よりもかなり長波長側（例えば吸収端と
のエネルギー差に換算して５０ｍｅＶ以上低エネルギー
側）の波長の光を被変調光として用いれば導波損失は下
がるが電圧は大きくなる。また逆に吸収端の極く近傍（
吸収端とのエネルギー差として３０ｍｅＶ以下）の波長
の光を被変調光として用いると電圧は低くなるが、導波
損失は非常に大きくなる。またスイッチとして得られる
電圧／消光比、導波損失などの値は素子長！によって異
なってくる。従来例ではｊ！−２００ｍであるが、今後
比較のために１−５００ｑの素子として議論することに
する。その場合前述のスイッチの電圧／消光比は２．　
：９Ｖ／１８ｄＢであり、また導波損失は１．５ｄＢ程
度である。前述した様にこの型のスイッチは電圧と導波
損失がトレードオツの関係にあるため、これ以上の低電
圧化、低導波損失化（＜２Ｖ＜１ｄＢ）を同時に満足す
るのは原理的に言って困難である。

また上述した様な電界による吸収変化を用いたちの以外
にも、電界による屈折率の変化を用い、導波光の導波モ
ードを変化させ、光の０Ｎ−ＯＦＦを行なうゲートスイ
ッチがある。これは「アプライド・フィジクス・レター
ズ（Ａｐｐｌ　、　Ｐｈｙｓ　、　Ｌｅｔｔ　。

Ｖｏｌ、３２．Ｎｏ、１０．１５　Ｍａｙ　１９７Ｂ　
　Ｐ、６６３）、　Ｊに記載されているものである。電
界による吸収係数の増加の効果を使っていないためスイ
ッチング特性は素子長８．５Ｉ！Ｉ１１ノモノテ導波損
失５ｄＢ　、電圧２５ｖ、消光比９．２ｄＢと、ゲート
スイッチとしての特性は他のものに比べ劣っている。

本発明の目的は、この問題点を解決した低電圧。

低損失動作が可能な半導体導波型光スイッチを提供する
ことにある。

（問題点を解決するための手段）前述の問題点を解決するために本発明が提供する導波型
光スイッチは、半導体基板上に形成きれたガイド層と、
このガイド層の周囲に配されていてそのガイド層に光を
閉じ込める複数のクラッド層と、これら複数のクラッド
層のうちの少なくとも一部に電界を印加する手段とから
成り、前記電界が印加諮れる前記少なくとも一部のクラ
ッド層は被変調光に対する屈折率及び吸収係数が前記電
界により増大する媒質から成り、前記電界による前記少
なくとも一部のクラッド層の屈折率の増大により前記ガ
イド層を伝搬する導波光がカットオフ状態になる値に前
記少なくとも一部のクラッド層の屈折率が設定きれてい
ることを特徴とする。

（作用）第４図を用いて本発明の動作原理について説明する。こ
こではガイド層の両側（左右又は上下）にクラッド層が
あり、そのクラッド層が前項に記した媒質より成ってい
るものとする。第４図（ａ）は電界が印加きれていない
時のガイド層及びクラッド層の屈折率分布であり、同図
（ｂ）はその時の導波光の界分布である。また同図（Ｃ
）はクラッド層に電界が印加された時の屈折率分布であ
る。

無電界時には第４図（ａ）の様な屈折率分布をもってい
るため、入射光は屈折率の高いガイド層に閉じ込められ
、第４図（ｂ）の様な界分布でガイド層内を導波しスイ
ッチの出射端から出力される。

ガイド層及びクラッド層は被変調光に対して吸収係数が
小さく透明な媒質で構成きれるので、導波撰失は小さい
、また次に電界が印加きれた場合は、クラッド層の屈折
率が増大し第４図（ｃ）に示す様な屈折率分布となる。

この場合導波光はカットオフ状態となりガイド層への入
射光はガイド層の両側のクラッド層へ放射され、ガイド
層中には閉じ込められなくなる。更に印加電界によりク
ラッド層の吸収係数も増大するので、クラッド層に放射
されてきた光はそこで吸収されてしまい出射端からは出
力されない、第４図（Ｃ）中の斜線部分は吸収係数の非
常に大きい領域を示している。

この様にしてスイッチング動作が実現できる。またここ
で示した作用はその媒質として実施例にも示した様に多
重量子井戸構造を用いることにより得ることができる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。第１図は本発明の第１の実施例を示す模式的な
斜視図である。尚、本実施例は、ＧａＡｓ／ＡＱＧａＡ
ｓ系の半導体スイッチであって、電界により屈折率及び
吸収係数が増大するクラッド層としてＧａＡｓ／ｊ’ｄ
ｌＧａＡｓ多重量子井戸層を用いたものである。また第
１図の導波型光スイッチは、ガイド層の両側が多重量子
井戸クラッド層で構成され、そのクラッド層に導波光制
御のための電界印加手段を有している。

との導波型光スイッチの構造を、その製造方法とともに
説明する。　ｎ”″−ＧａＡｓ基板１の上に分子線エピ
タキシー法によりｎ′″−ＡＩＧａＡｓクラッド層２　
、　ｎ−−ＧａＡｓ／Ａｌ１ＧａＡｓ多重量子井戸クラ
ッド届３を成長させる０次に３次元導波路を形成するた
めに、イオンシリングなどの方法を用い多重量子井戸層
３にＡＱＧａＡｓクラッド層２に達する程度の深きのス
トライブ状の溝を掘り、それを液相成長法を用いてｎ　
−−ＭＧａＡｓで埋め込み、ガイド層４を形成し、次に
ｎ　−−ＡＪＩＧａＡｓクラッド層５．ｎ−−ＧａＡｓ
キ〜ツブ層６を順次成長させ、ｎ′″−多重量子井戸ク
ラッド層３に電界を印加するために選択的にｎ−一多重
量子井戸クラッド層３上部よりｎ−一多重量子井戸クラ
ッド層３に達する程度まで亜鉛を拡散させ部分的にｐ＋
拡散層７を形成する。最後にｐｏ−拡散層上にｐ側電極
８．ｎ”−ＧａＡｓ基板にｎ側電極９をとりつける。

ここで多重量子井戸クラッド層３の井戸層及び障壁層の
各層厚及び組成を（ＧａＡｓ　、　Ａｌｌ　＠　、　５
Ｇａａ　、　ｍＡｓ　）ｍ（８５人、９５人）とし、そ
れを３０周期、ガイド層４の組成をＡｌｌ　ｍ　、　ｘ
Ｇａ＊　、　ｍＡｓ、層厚は溝が埋め込まれる程度、ク
ラッド層２，５の組成をＭ＠、ｓｓＧ８ｍ、ａｔＡｓ、
層厚を１〜２−程度、キャップ層６の厚さは０．５〜１
−程度にしておく、また溝の幅は１．６−とする、また
ｐ側電極８には金・亜鉛、ｎ側電極９には金・ゲルマニ
ウムを用いオーミック接触を形成する。ｐ側電極８及び
ｎ側電極９はｐ９−拡散層７を介して多重量子井戸クラ
ッド層３のへテロ界面に垂直に電界を印加する手段を構
成する０以上述べた装作プロセスはあくまでも一例であ
ってこのプロセスに限定されない、多重量子井戸層は気
相成長法や金属有機物法などを用いて成長してもよく、
埋め込み層は気相成長法を用いてもよい。

また３次元導波路を形成するための溝の形成法はイオン
シリングには限らず、ｐ０拡散届の拡散ソースも亜鉛に
限るものではない。

次に本発明に用いた多重量子井戸クラッド層の電界によ
る屈折率と吸収係数の変化について第３図を用いて説明
する。一般に多重量子井戸の吸収スペクトルには吸収端
の近傍で鋭いエキシトンピークが見られる。また、吸収
と屈折率の間にはクラマース・クローニツヒの関係があ
り、エキシトンのピークの存在によって屈折率スペクト
ルはエキシトンピーク波長付近で大きな変化を示す、そ
れらの吸収スペクトルと屈折率スペクトルの様子をそれ
ぞれ第３図（ａ）、（ｂ）に示す０次に、多重量子井戸
に電界を印加した場合の吸収と屈折率について述べる。

多重量子井戸に電界を印加すると、エキシトンピークは
長波長側へ移動しその半値幅は広がる。そのエキシトン
ピークの長波長側への移動に伴って、屈折率スペクトル
も長波長側へ移動する。その時の吸収スペクトルと屈折
率スペクトルの様子をそれぞれ第３図（ｃ）、（ｄ）に
示す、電界がない場合のエキシトンのピーク波長を被変
調光の波長の短波長近傍に設定すると、電界印加により
吸収係数は１０１〜ｌＱ’ａｎ−’、屈折率は１０−１
程度の増加が得られる。

この多重量子井戸クラッド層３の電界による吸収係数と
屈折率の増加をもとに第１図、第３図。

第４図を用いて本発明の導波型光スイッチの動作につい
て詳細に説明する。まず電界が印加されてない場合につ
いて述べる。その時の多重量子井戸クラッド層３の吸収
係数スペクトルと屈折率スペクトルはそれぞれ第３図の
（ａ）、（ｂ）に示されている。ここで入射光の波長を
λｍ　−０，８４ＰＰＡ（ｎω−１，４７ｅＶ）とする
、前述したＧａＡｓ／ＡＱＧａＡｓ多重量子井戸構造で
はｎ＝１のエレクトロンとヘビーホール間の遷移波長を
λ８、エキシトンのピーク波長をλ、とすると、それら
は入射光の波長λ、の短波長近傍にあり、λ１は〜０．
８３−１λ、は〜０．８３−となる。波長λ、において
はこの多重量子井戸クラッド層はα、なる吸収を受ける
が、α□の吸収はエキシトンピークによる吸収に比べれ
ば十分に小さい、また前述した各々の組成においては波
長λ、に対して、多重量子井戸クラッド層の平均的はな
屈折率はｎ、−３，４８，またガイド層４の屈折率はｎ
、−３，４９である。その時の横方向の屈折率分布が第
４図（ａ）であり、光はガイド層４に閉じ込められる。

その時の導波光の横方向の界分布が第４図（ｂ）に示さ
れている。またクラッド層２．５の屈折率はＡｌｌＧａ
Ａｓの組成より３．４であるので縦吏向も同様に光はガ
イド層４に閉じ込められる。従ってガイド層４への入射
光１０はガイド層内を３次元的に導波し出射光１１とし
て取り出せる。ガイド層４の吸収係数は波長λ、に対し
ては非常に小さい、また導波光がわずかにしみ出す多重
量子井戸クラッド層３の吸収係数α、も比較的小さく、
ガイド層４の上下のクラッド層２゜５の吸収係数も非常
に小さい、従って全体としての導波損失は従来例に示し
たガイド層が多重量子井戸で構成されているものに比べ
十分に小さい（５００Ｐｔｒｎの素子で１ｄＢ以下）。

次に多重量子井戸クラッド層３に電界が印加された場合
について述べる。その時の吸収スペクトルを第３図（Ｃ
）に示す、この場合、逆バイアス１圧として２〜３■印
加した時、電界強度としては約５　Ｘ　１０’Ｖ／ｃｍ
となり、その時、エキシトンのピークはλ、冒０．８３
−からλ、−０，８５−へ約２０ｎｍ。

長波長側へエネルギーに換算して３０ｗ４０ｍｅＶ低エ
ネルギー側へ移動する。従って、入射光の波長λｓ　”
−”　０．８４／４ＴＩに対する吸収係数α、はα、に
比べて非常に大きくなり、〜ｌＱ’ｃｍ−”程度となる
。電界印加によってエキシトンのピークを含めた吸収ス
ペクトル全体が長波長側へ移動するのに伴って、第３図
（ｄ）に示した様に屈折率スペクトルも長波長側へ移動
する。従って、波長λｓ”０．８４−での多重量子井戸
層の平均的な屈折率は、電界が印加されていない場合は
ｎ、ｍ３．４８であったのに対し、電界が印加きれた場
合はｎ＝−３，５１と１％程度大きくなりガイドＪ１４
の屈折率ｎ、−３，４９以上となる。その屈折率分布を
第４図（ｃ）に示す。

この時はガイド層４への入射光１０は横方向の閉じ込め
かないため、多重量子井戸クラッドＷ３に広がり、それ
までの導波光はカットオフ状態となる。

更に印加電界によりエキシトンのピーク、の長波長側シ
フトにより被変調光の波長λｓ　”　０．８４Ｐｒｒｎ
での吸収係数はα１〜ｌＱ’ｃｍ−’と非常に大きくな
るので、多重量子井戸クラッド層３に放射されてきた光
はそこで非常に大きな吸収を受け、出射端からの出力光
１１は出力されない、この様にして電界による入射光１
０の０Ｎ−ＯＦＦ動作が実現される。またこの時の消光
比はスイッチの素子長によって決まるが、この場合は素
子長ｆｆ１−５００−で消光比２０ｄＢ以上が得られる
。

第２図は本発明の第２の実施例を示す模式的な斜視図で
ある。ここでも前述した実施例と同様にＧａＡｓ／Ａｕ
ＧａＡｓ系の半導体スイッチであって電界により屈折率
及び吸収係数が増大するクラッド層としてＧａＡｓ／Ａ
ＪＩＧａＡｓ多重量子井戸層を用いたものについて説明
する。まず第２の実施例の構造及び製造方法を簡単に説
明する。ｎ′″−ＧａＡｓ基板１２の上に分子ａエピタ
キシー法によりｎ　−−ＧａＡａ／ＡｌｌＧａＡｓ多重
量子井戸クラッド１７１１３　、　ｐ　−−ＡＱＧａＡ
ｓガイドＪ１１４　、　ｐ　”　−／ＩＪ）ＧａＡｓク
ラッド層１５．　ｐ”　−ＧａＡｓキ〜ツブＪ５１６を
順次成長させ、更にｐ（Ｆｊ電ａ１７．ｎ側電極１８を
蒸着により取りつけ、最後にフォトリソグラフィー及び
化学エツチングにより第２図に示す様な装荷型の３次元
導波路を形成する。　ここで多重量子井戸クラッドＮ３
１３．ガイド后１４．クラッドＪ’１ｉ１５．キャップ
層１６の各層厚９組成及びｐ側電極１７．ｎ側電極１８
の材料は第１の実施例と同様とする。また装荷型ガイド
のストライブ幅１−前後でよい、またｐ側及びｎ（７Ｉ
ｊ′ｒｒｔ、極１７　、１８ハ多重を子井戸クラッド層
１３に垂直に電界を印加する手段を構成している。以上
述べた製作プロセスはあくまでも一例であり、分子線エ
ピタキシー法以外にも先に述べた方法、また装荷型ガイ
ド形成にはイオンシリングなどの方法を用いてもよく、
また３次元導波路としてはメサ型の構造にしてもよい。

次に本発明の第２の実施例の実際の動作について説明す
る。多重量子井戸クラッド層１３の電界による屈折率と
吸収係数の変化及びガイド層１４．クラッド層１５の組
成と屈折率、吸収係数の入射光の波長に対する関係は第
１の実施例と同様であるので、ここではそれらの詳しい
説明は行なわず、実際の動作のみについて簡単に説明す
る。

電界が印加きれていない場合はガイド層１４に入射した
入射光１９は縦方向には多重量子井戸クラッド層１３と
クラッドＪ’ｌ１５の屈折率と、ガイド層１４の屈折率
との差により、又横方向には装荷型構造をとることによ
り、３次元的に閉じ込められガイド層１４中を導波し出
射光２０として取り出せる。ここで、光源の波長に対し
ガイドＪ’ｌ１４は非常に透明。

多重量子井戸クラッド層１３．クラッド１５も比較的吸
収の小さい領域であるために、クラッド層へのしみ出し
光もそれ程吸収を受けず、非常に低導波損失なガイドと
なる。

次に電界が印加された場合は、第１の実施例で示した様
に多重量子井戸クラッド層１３の屈折率と吸収係数が増
加する。多重量子井戸クラッド層１３の屈折率がある程
度高くなり、ガイド層１４の屈折率に近くなると、入射
光１９はガイド層１４に閉じ込められなくなり多重量子
井戸クラッド層１３側更にそれよりも屈折率の高い基板
１２へと放射され、導波光はカットオフ状態となる。ま
た電界が印加された時の多重量子井戸クラッド層１３及
び基板１２は入射光の波長に対して非常に大きな吸収係
数をもっているので、放射きれた光はほとんどが吸収さ
れてしまう、従って第２の実施例においても第１の実施
例と同様の効果が得られる。

以上説明した様に本発明の導波型光スイッチは、導波損
失が非常に小さく（＜１ｄＢ）、更に小型（〜５０ｈｍ
　’）　、低電圧（２〜３Ｖ）で大きな消光比（＞２０
ｄＢ）が得られ、電界を制御手段としているため数ＧＨ
ｚ以上の高速動作も可能な光スィッチである。

また、ここで用いた入射光の波長、　ＡｆｌＧａＡｓの
各層の組成９層厚、あるいはＧａＡｓ／ＡｊｌＧａＡｓ
多重量子井戸の各層厚等に関しては、あくまで一つの例
であって、電界による吸収係数変化、屈折率変化などで
実施例と同等の効果が得られれば、特に実施例に限定す
るものではない、またここでは電界印加によって屈折率
と吸収係数の増大するクラッド層がガイド層の左右にあ
る構造とガイド層の下にある構造の２とおりについて示
したが、この様なりラッド層が、ガイド層の左右のどち
らか一方、あるいは上下両側又は上側のみについている
構造でもよい。

更に、半導体材料に関してもＧａＡｓ／ＡｕＧａＡｓ系
の材料のみならず、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　、　Ｉｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＡｆＡｓなどの材料を用いてもよい。

（発明の効果）以上詳細に説明したように本発明によれば、従来の多重
量子井戸層を導波路としていた導波型光スイッチに比べ
、導波損失を非常に下げることができ、動作電圧、消光
比、導波損失の面でともに高性使な導波型光スイッチが
可能となり、将来の光機能索子、光回路又はそれらを集
積化、システム化した光通信及び光情報処理システム等
の実現に寄与するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による導波型光スイッチの第
１及び第２の実施例をそれぞれ示す模式的な斜視図であ
る。第３図は本発明の導波型光スイッチの実施例の動作
原理を説明するための図であり、第３図（ａ）、（ｂ）
はそれぞれ電界が印加されていない場合の多重量子井戸
層の吸収スペクトルと屈折率スペクトルを示す図、第３
図（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ電界が印加きれた場合の多
１ｉ子井戸層の吸収スペクトルと屈折率スペクトルを示
す図である。第４図は本発明による導波型光スイッチの
動作原理を説明するための図であり、第４図（ａ）、（
ｂ）はそれぞれクラッド層礎電界が印加されていない場
合の導波路の屈折率と導波光の界分布を示す図、第４図
（Ｃ）は電界が印加され導波光がカットオフ状態となっ
た時の導波路の屈折率分布を示す図である。第５図は多
ｆｆｉ量子井戸店をガイド層とした従来の導波型光スイ
ッチを示す斜視図である。１　ｅ　１２　ｅ　２１　・”　ｎ　”−ＧａＡｓ基板
、２．２２・・・ｎ”−Ａｌｌにｄ５クラッド層、３　
、１３・・・ｎ　−−ＧａＡｓ／ＡＪＩＧａＡｓ多重量
子井戸クラッド層、４・・・ｎ　−−ＡＩＧａＡｓガイ
ド層、５　・・・ｎ　−−ＡＪＩＧａＡｓクラッド層、
６　・・・ｎ　−−ＧａＡｓキャップ層、７・・・ｐ９
拡散層、８．１７．２７・・・ｐ側電極、９，１８．２
６・・・ｎ側電極、１０．１９・・・入射光、１１　、
２０−・・出射光、１４・・・ｐ　”　−ＡＪＩＧａＡ
ｓガイド層、１５””ｐ”−ＡＪＩＱａＡｓクラッド層
、１６・・・ｐ　”−ＧａＡｓキ’ｒｙブ層、２３・・
・ｎ　−−ＧａＡｓ／ＡｊｌＧａＡｓ多重量子井戸ガイ
ド、２４　・・・ｐ”　−Ａｌ１ＧａＡｓクラッド層、
２５・・・ｐ　”　−ＧａＡｓキャップ層。

Claims

【特許請求の範囲】

半導体基板上に形成されたガイド層と、このガイド層の
周囲に配されていて前記ガイド層に光を閉じ込める複数
のクラッド層と、これら複数のクラッド層のうちの少な
くとも一部に電界を印加する手段とから成り、前記電界
が印加される前記少なくとも一部のクラッド層は被変長
光に対する屈折率及び吸収係数が前記電界により増大す
る媒質から成り、前記電界による前記少なくとも一部の
クラッド層の屈折率の増大により前記ガイド層を伝搬す
る導波光がカットオフ状態になる値に前記少なくとも一
部のクラッド層の屈折率が設定されていることを特徴と
する導波型光スイッチ。