JPS63121826A - 導波型光スイツチ - 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】 （産業上の利用分野〕 本発明は、導波型光スイッチに関し、特に先導波路中を
伝搬する光の進路を電気的に制御する導波型光スイッチ
に関する。

（従来の技術） この種の従来の導波型光スイッチの一例が電子通信学会
技術研究報告Ｖｏ　１．８４．Ｎｏ、９４゜１９８４年
７月２３日発行、０ＱＦ８４−５１第１０１〜１０７頁
に示されている。この光スィッチは、方向性結合器型の
光スィッチで、化合物半導体を基板とするものであり、
レーザーダイオード、受光器等の一体化（モノリシック
集積化）が可能という特徴を持っている。

以下、第２図を参照して詳しく説明する。図示のように
、この光スィッチは、ｎ　ＩｎＰ基板１５に、ｎ　　Ｉ
ｎＧａＡＳＰ下部クラッド層１４、ｎ−ＩｎＧａＡＳＰ
導波層１４． １）　　ＩｎＧａＡｓＰ上部クラッド層１２、および上
部電極１１を順に形成し、一方基板１５の裏面に下部電
極を形成して成るものでおる。

導波層１３の屈折率は電界によって大きくなるか、電極
間に印加する電圧を一定としたとき導波層により大きな
電界が生じるようにするため、りランド層１２．１４の
キャリア密度を１〜２Ｘ１０１８ｆｆ−３程度と低くす
ることにより、これらの層の抵抗を小さくし、また電圧
印加時に導波層内１４内に空乏層が拡がるように、導波
層１４と上部クラッド層１２とでｐｎ接合を形成してい
る。

こうすることにより、電極１１．１６間に電圧を印加（
ｐｎ接合に対して逆電圧となるよう上部電極１１を下部
電極に対して負とする）したとき、空乏層部分の抵抗が
高くなり、電界がその部分に集中して、この高い電界に
よる電気光学効果によって屈折率が大幅に変化する。第
１図の光スィッチは、この屈折率変化を利用して、光の
スイッチングを行なわせるものである。

尚、導波層のキャリア密度は、キャリアによる光の吸収
を防ぐためＩ　Ｘ　１０　”７ｃｍ’以下としておる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら上記の構成では屈折率変化が十分でなく、
所望のスイッチング特性が得らない場合があった。

この発明は、屈折率変化がより大きく、従ってスイッチ
ング特性のすぐれた導波型光スイッチを提供することを
目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明の導波型光スイッチは、基板上に形成された導波
層と、導波層の上方に形成された電極とを有し、導波層
の外部に導波層の一方の表面に近接してｐｎ接合面を形
成し、電極に電圧を印加したときに空乏層がｐｎ接合か
ら導波層の略全体に拡がることを特徴とするものである
。

〔作用〕

上記のように、ｐｎ接合を導波部の外側に位置するよう
に構成すると、電圧を印加していないときに空乏層外に
位置し、電圧を印加したときに空乏層内に位置する領域
が導波層全体の中で占める割合が大きくなり、従って、
導波光に対する実効的屈折率変化が大きくなる。即ち、
空乏層領域外の部分では、プラズマ効果による屈折率低
下がおるが、本発明では、電圧を印加していない状態で
空乏層領域外の部分が、従来よりも広いので、プラズマ
効果による、導波光に対する実効的屈折率の低下をより
大幅にできる。一方、電圧を印加した状態では、空乏層
の導波層内における拡がりが、従来と略同程度であるの
で、他の条件が同じでおれば、屈折率を従来と同程度に
することができる。

従って、全体として屈折率の変化を大きくすることがで
きる。

〔実施例〕

第１図は本発明一実施例の導波型光スイッチを示したも
のでおる。この導波型スイッチは、第２図と同様、方向
性結合器型の光スィッチで、第３図に示すように、所定
の結合長ｇにわたって２つの導波路１３ａ、１３ｂが近
接して配置されたものでおる。

第１図に示すように、この光スィッチは、ｎ＋ＧａＡＳ
基板２５上に形成されたｎ又はｎ＋ＧａＡＳＡ１下部ク
ラッド層２４と、下部クラッド層２４上に形成されたｎ
ＧａＡＳ導波層２３と、導波層２３上に形成された上部
クラッド層２２とを有する。これらの層２２〜２４は、
基−５＝ 板２５上に順次エビキタシャル成長させることにより形
成される。上部クラッド層２２上には上部電極２１が形
成され、一方基板２５の裏面即ち下面には下部電極２６
が形成されている。上部クラッド層２２は、導波層２３
上に形成された第１の層２２ｂと第１の層２２ｂ上に形
成された第２の層２２ａとから成り、第１の層２２ｂは
ｎＧａＡｓＡ　ｌで形成されてあり、第２の層２２ａは
ｐ又はｐ　ＧａＡｓＡｌで形成されており、第１の層２
２ｂと第２の層２２ａの界面はｐｎ接合を形成している
。また、第１の層２２ｂと導波層２３の界面はへテロ接
合を形成している。

クラッド層２４およびクラッド層２２の第２の＠２２ａ
（Ｄキャリア密度は１×１０１６〜ｌＸ１０１７ｃｍ−
３であり、抵抗が低くしである。一方、導波層２３およ
びクラッド層２２の第１の層２２ｂのキャリア密度は２
×１０１７〜ｌＸ１０１８ｃｍ−３程度としである。キ
ャリアを生じさせるためのドナーとしては、例えば３ｉ
、ｌ’−ｅ、３ｎが用いられる。

本実施例で上記のように、導波層２３のキャリア密度を
高くするのは、プラズマ効果による屈折率の変化を積極
的に利用するためでおる。即ち、プラズマ効果による屈
折率の変化は、電極２１゜２６に電圧を印加しないとき
の導波層２３内の平均的キャリア密度と電圧を印加した
ときの導波層２３内の平均的キャリア密度の差に比例す
る。また、電圧を印加しないときのキャリア密度と、電
圧印加によって形成された空乏層内のキャリア密度の比
は１０：１程度である。従って屈折率の変化へｎは電圧
を印加しないときのキャリア密度に１−０．１＝０．９
を掛（ブた値に比例する。従って、電圧を印加しないと
きのキャリア密度が高い程、プラズマ効果による屈折率
の変化は大きい。

電圧を印加しないときのキャリア密度が２×１０１７ｃ
ｍ−３でおる場合、屈折率の変化Δｎは１×１０−３程
度である。一方、キャリア密度か１×１０１７ｃｍ−３
でおれば、屈折率の変化△ｎは５×１０−４程度て必る
。尚、キャリア密度を高くすると光の吸収が大きくなる
が、そのロスは上記の程度のキャリア密度でおれば１０
ｄＢ／ｃｍ程度に抑えられる。

以下、第４図および第５図を参照して詳細に説明する。

第４図は第２図の構造に対応し、第５図は第１図の構造
に対応する。第４図および第５図で、Ｇは導波光の界分
布、１２Ｕ、２２Ｕは導波層’１３．２３と下部クラッ
ドｌ１１２．２２との界面１３Ｕ、２３Ｕは導波層１３
，２３と上部クラッド層１４．２４との界面、２４Ｍは
上部クラッド層２４の第１の層２４ｂと第２の層２４ａ
の界面である。また、３３．３７は電圧を印加しないと
きの空乏層の下端を示し、３４．３８は電圧を印加した
ときの空乏層の下端を示している。さらに３５．３９は
電圧を印加しないときのｎ領域内の空乏層の拡がりを示
し、３６．４０は電圧を印加したときのｎ領域内の空乏
層の拡がりを示している。

光の界分布の拡がりは、導波層とクラッド層の屈折率差
を０．１とすることにより、厚さが１μｍ以下の導波層
に対しては導波層の厚さの２倍程度と小さくすることが
できる。さらに、電極間に１０Ｖ程度の、ｐｎ接合に対
して逆の電圧を印加すると、空乏層は２倍程度に拡がる
。

まず、第２図のようにｐｎ接合が導波層の上端面と一致
している場合について、第４図を参照して説明する。

第４図に示したように電圧を印加しないときの空乏層の
下端３３を導波層の中央に設定すると、１０Ｖの電圧を
印加したときは、空乏層の下端は導波層の下端に略一致
する。−例として、導波層の厚みが０．２μｍであると
すると、電圧を印加しないときと電圧を印加したときと
では空乏層の下端の位置が０．１μｍ程度変化する。即
ち、導波層の下半分では、電圧を印加していないときと
、電圧を印加したときでキャリア密度が異り、プラズマ
効果による屈折率の変化が生じる。第４図では斜線を施
した部分が、この部分（プラズマ効果により屈折率が変
化する部分）に対応する。従って導波光に対する実効的
屈折率変化△ｎｅは△ｎにβ−（斜線部の面積）／（光
の界分布全部の面積）を乗じた値になる。

β〜０．３であるので、本実施例のように、電圧を印加
しないとのキャリア密度を２×１０１７ｃｍ　　とした
とき△ｎ＝１Ｘ１０−３で逼るので、Δｎｅ＝０．３ｘ
１Ｘ１０　−３ｘｌＯ−４となる。

これに、電気光学効果による屈折率変化が加わる。

電気光学効果による屈折率の変化は６Ｘ１０−４程度で
必る。従って、 ３ｘ１０’＋６ｘ’ｌ０−４＝９ｘ１０−４　・・−（
１）が総合的屈折率変化である。一方、キャリア密度が
１×１０１７ｃｍ−３でおると、Δｎ＝５Ｘ１０−”で
必るのでΔｎｅ＝０．３ｘ５Ｘ１０−’＝１．５ｘ１０
−４でおり、これに電気光学効果による屈折率・・・（
２） となる。従ってキャリア密度を高めたことにより、屈折
率変化が （９ｘ１０　　）／（７，５Ｘ１０−４＞−１，２倍に
増加する。動作電圧が同じ必れば素子長を１／１．２倍
にできる。

次に、ｐｎ接合を導波層の外部に形成したことの作用効
果につ説明する。電圧を印加しない状態では空乏層の下
端は導波層の上部例えば導波層の上端から１／４の位置
にある。電圧を印加したときは空乏層の下端が導波層の
下端より少し下に位置するようになっている。例えば、
電圧を印加しないときと電圧を印加したときの空乏層の
下端の位置の差が導波層の厚さに等しく定められる。例
えば、導波層の厚さは０．１μｍである。こうすると、
β−（斜線部の面積〉／（光の界分布全部の面積）が０
．５程度となり、導波光に対する実効的屈折率変化Δｎ
ｅは、電圧を印加していないときのキャリア密度がＩ　
Ｘ　１０１７ｃｍ’の場合、Δｎｅ＝ｏ、５Ｘ５Ｘ　１
０’＝２．５Ｘ１０−４となる。これに電気光学効果に
よる屈折接変化６×１０−４を加えると、 ２．５ｘ１０　　＋６ｘ１ｏ−４＝８．５ｘ１０−４・
・・（３） となる。即ち、ｐｎ接合が導波層の上端にある場合（（
２）式）と比べ、 （８，５Ｘ１０’）　／　（７，５ｘ１０−４＞　＝８
．５／７．５＝１．３倍に増加する。また、キャリア密
度を２　Ｘ　’ｌ　Ｏ１７ｒ：ｍ−３とした場合は、Δ
ｎｅ＝ｏ、５ｘ１ｘ’ｌ０−３＝５ｘ１０−４となる。

これに電気光学効果による屈折率変化６Ｘ１０−４を加
えると、 ５Ｘ”１０　　＋６Ｘ１０’＝１１Ｘ１０’・・・（４
） となる。（２）式と比べると、 （１１ｘ１０−４）　／　（７，５ｘｌ　Ｏ−４＞　＝
１１／７．５＝１．４７倍に増加する。動作電圧が同じ
であれば素子長を短くすることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ｐｎ接合を導波層の外部
に位置させ、電極に電圧を印加しない状態ではキャリア
密度が高く、電圧を印加した状態では空乏層となってキ
ャリア密度が低くなる部分の占める割合を大きくしたの
で、プラズマ効果による屈折率変化を大ぎくすることが
できる。また、電圧を印加しない状態でのキャリア密度
、即ち不純物濃度を高くすることにより、プラズマ効果
による屈折率の変化を一層大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の導波型光スイッチの一部を切
り出して示す斜視図、第２図は従来の導波型光スイッチ
を示す斜視図、第３図は第１図の光スィッチの導波路の
パターンを示す平面図、第４図および第５図は光の界分
布および空乏層の拡がりを示す線図である。 ２１．２６−・・電極、２２ａ、２２ｂ、２４−・・ク
ラッド層、２３・・・導波層、２５・・・基板。 本１発明−大方包イ列０光スイッチ 茶　ｌ　＠ Ｕの光スィッチ 第２　図 芋３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板上に形成された導波層と、 上記導波層の上方に形成された電極とを有し、上記導波
   層の外部に上記導波層の一方の表面に近接してｐｎ接合
   面を形成し、 上記電極に電圧を印加したときに空乏層が上記ｐｎ接合
   から上記導波層の略全体に拡がることを特徴とする 導波型光スイッチ。