JPS63118722A - 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】 ［産業上の利用分！！！テコ 本発明は小型にして動作速度が速く低価格化が可能な光
スイッチに関するものである。

［従来の技術］ 従来光路を電気的に変えることができる光スイッチとし
ては、第２図に示す全反射型のものが良く知られている
。第２図で１はＬｉＮｂＯ３基板、２は基板上にＴｉを
蒸着し、熱拡散することにより形成した導波路、３は導
波路の交差部分に電界を印加するための電極である。第
２図でＴＬ極に電界を印加すると、電気光学効果により
交差部分の屈折率が低下し、一方の導波路に入射した信
号光は全反射され、他方の導波路にスイッチングされる
。

［発明が解決しようとする問題点コ しかしながら、電気光学効果による屈折率の変化Δｎは
、１０−’オーダと小さく、導波路の交差角は１°程度
しかとれない。このため、２本の導波路を分離するため
に、スイッチを構成する導波路長が長くなり、大規模集
積化が難しく、かつクロストークが避けられないという
欠点があった。

本発明の目的は、電気光学効果による屈折率変化に比へ
て一桁程度大きな屈折率変化が得られ、交差角が大きく
とれ、かつ小型化の可能な全反射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］ このような目的を達成するために、本発明の光スイッチ
はＧａＡｓ基板上にｎ型へｊ２　ＧａＡｓから°なる第
１のクラッド層、ｐ型へｌ　ＧａＡｓからなり中央部に
スリットを有する電流狭さく層が順次形成され、電流狭
さく層の中央上にｎ型ＧａＡｓからなるコア層、コア層
の周囲にｎ型ＡｆｌＧａＡｓからなる第２のクラッド層
が形成され、コア層および第２のクラッド層の上にｐ型
Ａｎ　ＧａＡｓからなる第３のクラッド層、第３のクラ
ッド層の上に中央部にスリットを有するＳｉＯ２膜が形
成され、５ｉ０２膜上およびＳｉＯ２膜のスリット部分
に金属層が形成されたスイッチング部と、スイッチング
部と角度をもって交差し、コア部がＧａＡｓ、クラッド
部がＡＪ２　ＧａＡｓからなる導波路とからなることを
特徴とする。

［作　用コ 本発明の光スイッチは、半導体中の自由キャリアプラズ
マ振動を利用し、電流狭さく層および導波路のパラメー
タを適切に設計することにより、有効なキャリア注入が
行え、かつ単一モード光ファイバとの結合損失を最小に
することができる。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の概略構成を説明する図であって、４は
ＧａＡｓ光導波路、５および５Ａは電極、６はクラット
層および基板であり、構造の詳細は第３図、第４図で述
べる。第１図において、導波路交差部分の電極から電流
力冑主人されていない場合は、各導波路に入射した光は
導波路の交差部分で直進し、対応する導波路から出射す
る。一方、交差部分の導波路に電圧を印加しキャリアを
注入すると、自由キャリアプラズマ効果によりキャリア
か注入された部分の屈折率が低下し、導波路交差角２θ
が以下の条件を満足するとき、各導波路から入射した信
号は全反射され、スイッチングが可能となる。

θ　く　θ　ｃ　＝ｆｌ：Ｏ５−’（１−Δ　口／ｎ）
　　　　　　　　　（１）（１）式でｎは導波路の屈折
率、Δｎはキャリア注入による屈折率変化である。

第３図および第４図は、第１図に示した光スイッチのス
イッチング部分Ａ−Ａ’　および導波路部分Ｂ−Ｂ’　
　における詳細断面図である。但し、第４図は断面の一
部のみを示しである。第３図および第４図において、１
１はＧａＡｓ基板、１２はｎ型ＡｆｌＧａＡｓからなる
第１のクラッド層、１３はｐ型Δ１２．　ＧａＡｓ層か
らなる電流狭さく層で、中央部にスリット１３Δを有し
ている。１４はｎ型ＧａＡｓからなる導波路コア部で、
第１図における導波路コア部４に相当する。１５はｎ型
へｎ　ＧａＡｓからなる第２のクラッド部、１６はｐ型
Ａｕ　ＧａＡｓ層からなる第３のクラッド部である。基
板１１および第１ないし第３のクラッド部１２，１５．
１６が第１図におけるクラッド部６に相当する。１７は
５ｉ０２からなる絶縁層で中央部にスリット１７Ａ　を
有する。１８はＳｉＯ２のスリブ）−１７Ａ内を埋めか
つ５ｉ０２１１菟１７の一部を覆う電極、１８＾は下部
電極で、１８．１８Ａはそれぞれ例えば八ｕなどからな
り、第１図の５．５＾に相当する。このような構成にす
ると、　Ａｎのモル比を選ぶことによってコア部とクラ
ッド層の比屈折率差を任意に設定することができる。ま
たコア部とクラッド層により半導体レーザと同様にダブ
ルへテロ接合が形成され、キャリアをコア部に閉じこめ
ることができる。ｐ型へλＧａＡｓ層Ｉ３は第２のクラ
ッド層Ｉ５とｎ−ｐ接合を形成、し、高抵抗層を形成し
て電流狭さく層として機能する。

次に末完スイッチの構成上、重要な導波路交差角につい
て述べる。

キャリア注入による屈折率変化Δｎは次式で与えられる
。

上式でε。は真空中での誘電率、ｎはＧａＡｓの屈折率
、ｆｆｉ。は電子の有効質量である。

（２）式に従ってキャリア濃度Ｎを５　Ｘ　１０”個／
ｃＩ１１３としたときの導波路の交差角２θを（１）式
を用いて計算すると波長λ。が１．３μｍでは約ｌＯ。

以下となる。また、（２）式から分かるように、キャリ
ア注入による屈折率変化は、波長の２乗に比例して大き
くなるので、波長１．３μｍで設計した光スイッチは１
．３　μｍより長波長でも使用可能となる。

実際には、導波路部に注入されたキャリアは導波路横方
向に拡散して実効的な屈折率変化は（２）式で与えられ
る値より小さくなるにこでは、横方向の拡散を考慮した
導波路交差角について述べる。横方向のキャリアの拡散
は次式の拡散方程式を解くことによって計算することが
できる。

上式で、Ｘは導波路中心から横方向への距離、ｎはキャ
リア濃度、Ｄは拡散係数、では注入されたキャリアの寿
命であり、再結合による寿命で。

と導波路縦方向の走行時間ｄ／μｎＥ（ｄは導波路の厚
さ、μ。はキャリアの移動度）との短い方をとって計算
した。計算結果の一例を第５図に示す。第５図は導波路
の厚さｄを２μｍ、電極の幅２ｓを４μｍとしたときの
キャリア濃度の分布を示す。縦軸の値は横方向の拡散が
ない場合のキャリア濃度に対して規格化しである。図か
ら横方向のキャリアの拡散により実効的なキャリア４度
は実際に注入されたキャリア濃度の６割程度に減少する
ことが分かる。

第６図は、さらに導波路の厚さ方向のキャリア分布をも
考慮して第２図、第３図の構成で所定の電圧を印加した
場合に得られる実効的なキャリア濃度、交差角および電
流密度の関係を示す。図から導波路の厚さｄを１μｍに
設定すると、５°の交差角２θを得るためには実効キャ
リア濃度が約１０８個／ｃｍ３になり、この時の所要電
流密度が１００ＫＡ／ｃｍ２であり、このために必要な
電圧は約１ｖであることがわかる。従ってここで示した
光スイッチは低電圧で動作可能で遠隔制御も容易である
。また導波路の厚さを２μｍに設定すると所要電流密度
は、２００にへ／ｃｍ２．所要電圧は約３ｖとなる。

次に上述した光スイッチを構成した場合の光スイツチ固
有の損失および単一モード光ファイバとの結合損失を小
さくする方法について述べる。光スイッチの損失は導波
路損失と導波路交差部における散乱損失から成るが、後
者は小さいとしてここでは、導波路損失を評価する。自
由キャリアのプラズマ振動による光損失変化Δαは次式
で与えられる。

（ここでμ８は電子の移動度である。）ＧａＡｓにおい
てキャリア濃度Ｎを１０１８個／ｃ＋ｎ’およびｚｏ１
５個／ｃｍ３　として甜算した吸収係数の波長依存性を
第７図に示す。第７図から分かるようにＮ　＝　１０′
５個／ｃｍ３としたときのＧａＡｓの吸収係数αは波長
１．３１．ｔｍ　１’１Ｏ−３程度とＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰの導波路に比べて極めて小さく、大規模スイッチ
実現の可能性があることが分かる。またＮ　＝　１［１
１８個／ｃｍ３としてもαは２程度である。電流注入部
分のキャリア密度は１０１８個／ｃｒａ３程度なのでキ
ャリア注入部分への界のしみ出しによる光損失は無視で
きることが分かる。

光スイッチを実際に応用する場合、光ファイバとの結合
損失はできるだけ小さくする必要がある。ここでは、単
一モード光ファイバと第３図。

第４図に示した光スイッチの導波路とのモードミスマツ
チ損失を最小にする導波路構造を開示する。

単一モード光ファイバおよび導波路の界分布を次式で仮
定する。

Ｈｘ　！ｅｘｐ　（−ｒ２／ｗ２）　　　　　　　　（
５）（５）式は単一モード光ファイバの界分布でありＷ
はモードフィールド形である。また（６）式は導波路の
界分布であり係数Ｍｌ−ＭＳ＋　α８．αア。

β８．βッは境界条件により決定される（座標系は第８
図参照）。（５）および（６）式を用いて計算した結合
損失と導波路パラメータの関係を第９図および第１Ｏ図
に示す。計算では単一モード光ファイバのコア径および
比屈折率差をそれぞれ１０／、１ｍおよび０．３％とし
た。また、石英およびＧａＡｓの屈折率をそれぞれ１．
４６および３．４５とし光ファイバと導波路は光学的に
接触していると仮定した。

第９図は、導波路の各厚さに対して比屈折率差と幅／厚
さを最適に設定した場合の結合損失を示す。また、第１
０図はこのときの比屈折率差と幅／厚さの最適値を示す
。第９図および第１Ｏ図から０．１μｍｘｌｏμｍの導
波路厚さに対して単一モード光ファイバと導波路の結合
損失を１ｄＢ以下による導波路の構造パラメータが存在
することが分かる。第９図の結合損失には、石英とＧａ
Ａｓの屈折率の差に起因する反射損失０．７８ｄＢが含
まれており、モードミスマツチ損失は０．２ｄＢ以下で
ある。従って導波路端面に例えば５ｉ３Ｎａ等の無反射
コートを施すことにより光スイッチの両端に光ファイバ
を結合したときの挿入損失は、光フアイバ端面のフレネ
ル反射損０．１５ｄＢとモードミスマツチ損失０．２ｄ
Ｂの和の２倍で０．７ｄＢ程度となる。

第７図に示したように導波路自体の損失は無視し得る程
小さいので導波路のパラメータを第９図および第１０図
に示すように選択することにより光ファイバ付のモジュ
ールとした場合の挿入損失を０．７ｄＢ程度にすること
が理論上可能なことが分かった。

先に述べた第６図の結果から、所要電流密度を考慮する
と導波路の厚さは２μｍ以下にすることが望ましいが、
この時の導波路のパラメータは第９図および第１Ｏ図を
用いて計算することができる。例えば導波路厚さが１μ
ｍの場合の最適導波路幅は１０μｍであり、比屈折率差
は０．１％となる。モードミスマツチ損失は第９図から
０．１２ｄＢとなり、ＧａＡｓ導波路にＳｉ３Ｎ４の無
反射コートを施した光スイッチの損失は光フアイバ端面
のフレネル反射損（０，１５ｄＢ）とモードミスマツチ
損失（０，１２ｄＢ）との和の２倍の０．５４ｄＢとな
る。

第１Ｏ図から各導波路の厚さｄに対する導波路幅ａすな
わちａ／ｄおよび比屈折率差Δは次式で近似できること
が分かる。

ｌｏｇ　　＝　Ｋ１１０ｇｄ＋　ｌｏｇｋ２（但し０．
１　ｐｍ≦ｄ　’：　１０μｍ。

に、−１，２００〜−１，１１５，ｋ２＝７．６〜１５
９）ｌｏｇΔ−に３　（ｌｏｇ６　１．５６）　２＋　
ｋ４（但し０．１　　ｐｍ　に、ｄ（，１０μｍ。

に３−０．２７〜０．３０．Ｊ−１，８，５〜−１，４
６）但し上記係数の範囲はモードミスマツチ損失が最適
値から０．２８ｄＢ劣化するａ／ｄおよびΔの範囲を示
す。

導波路交差角が一５°の場合人出力を光ファイバで行う
場合、２つのボートの間隔は１３ＯＡ１ｍ程度隔す必要
があり、このために必要なスイッチの導波路長は、約３
ｍｍとなり小型な光スイッチの実現が可能なことが分か
る。

第３図および第４図に示した構造は通常の半導体リソグ
ラフィ技術によって実現できる。例えば厚さ３５０μｍ
のＧａＡｓ基板１１上に、厚さ３μｍのｎ型Ａｌ１Ｇａ
Ａｓ層１２を設け、その上に幅４μｍのスリット１３Ａ
をもつｐ型ＡＪ！　ＧａＡｓ層１３を設は電流狭さく層
とする。ｐ型ＡｆＬＧａへＳ層の中心部にキャリア濃度
１０１７個／Ｃｍ３のｎ型ＧａＡｓコア部１４を、その
周囲にｎ型Ａｎ　ＧａＡｓ層のクラッド部１５を設け、
両者の厚さを１μｍ、クラッド部１５の幅を１０μｍと
する。さらにコア部１４．クラッド部１５の上に厚さ３
μｍのｐ型ＡＪＺ　ＧａＡｓの第３のクラッド層１６を
設ける。第３のクラッド層上にスリット１３八とほぼ同
じ大きさのスリット１７八を有するＳｉＯ２絶縁層１７
を設け、その上に電極１８を、ＧａＡｓ基板１１の下部
に電極１８Ａを設ける。

このようにして作製した光スイッチは、はぼ上述した計
算結果に近い動作を行うことができた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本スイッチは小型でかつ挿入損失
が小さく、さらに従来の半導体製造プロセスが適用でき
、大量生産が可能であるので、低価格化の可能性がある
という大きな利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光スイッチの構成を示す斜視図、 第２図は従来の光スイッチの斜視図、 第３図は第１図のＡ−Ａ’線に沿う断面図、第４図は第
１図のＢ−Ｂ’線に沿う断面の部分図、 第５図はキャリア濃度分布を示す線図、第６図は印加電
圧と実効キャリア濃度、交差角および電流密度の関係を
示す図、 第７図はＧａＡｓの損失波長特性図、 第８図は光ファイバとＧａＡｓ導波路のモードミススイ
ッチ損失を計算するための座標系を説明する図、 第９図は導波路の厚さと結合損失との関係を示す特性図
、 第ｉｏ図は導波路の厚さと比屈折率差および幅／厚さ比
との関係を示す特性図である。 １・・・ＬｉＮｂＯ５基板、 ２・・・Ｔｉ拡散導波路、 ３・・・電極、 ４・・・先導波路、 ５．５Ａ・・・電極、 ６・・・基板、 １ｌ−ＧａＡｓ基板、 １２・・・ｎ型へρＧａへＳ第１クラッド層、１３・・
・ｐ型へ１　ＧａＡｓ電流狭さく層、１４・・・ｎ型Ｇ
ａＡｓコア層、 １５・・・ｎ型へλＧａへＳ第２クラッド層、１６・・
・ｐ型へＩ１．　ＧａＡｓ１３クラッド層、１７・・・
ＳｉＯ２絶縁層、 １８．１８Ａ・・・電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ＧａＡｓ基板上にｎ型ＡｌＧａＡｓからなる第１の
   クラッド層、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなり中央部にスリッ
   トを有する電流狭さく層が順次形成され、該電流狭さく
   層の中央上にｎ型ＧａＡｓからなるコア層、該コア層の
   周囲にｎ型ＡｌＧａＡｓからなる第２のクラッド層が形
   成され、前記コア層および前記第２のクラッド層の上に
   ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる第３のクラッド層、該第３の
   クラッド層の上に中央部にスリットを有するＳｉＯ＿２
   膜が形成され、該ＳｉＯ＿２膜上および該ＳｉＯ＿２膜
   のスリット部分に金属層が形成されたスイッチング部と
   、該スイッチング部と角度をもって交差し、コア部がＧ
   ａＡｓ、クラッド部がＡｌＧａＡｓからなる導波路とか
   らなることを特徴とする光スイッチ。 ２）前記光スイッチの導波路幅をａ、厚さをｄ、導波路
   のコア部とクラッド部の比屈折率差をΔとしたとき、 ｌｏｇ（ａ／ｂ）＝Ｋ＿１ｌｏｇｄ＋ｌｏｇｋ＿２（但
   し０．１μｍ≦ｄ≦１０μｍ、 Ｋ＿１＝−１．２００〜−１．１１５、ｋ＿２＝７．６
   〜１５．９）ｌｏｇΔ＝Ｋ＿３（ｌｏｇｄ−１．５６）
   ＾２＋ｋ＿４（但し０．１μｍ≦ｄ≦１０μｍ、 Ｋ＿３＝０．２７〜０．３０、ｋ＿４＝−１．８５〜−
   １．４６）であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の光スイッチ。