JPS6374039A - 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） 本発明は光通信、光信号を光のまま切換える光交換等に
用いる半導体光スィッチに関する。

（従来の技術） 近年の光システムの高度化、高性能化に伴い、小型の光
スィッチへの要求が高まっている。小型の光スィッチを
実現するための一つの構造として雑誌「アイ・イー・イ
ー・イー・ジャーナル・才ブ・カンタム・エレクトロニ
クスＪ（ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕ
ｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）第ＱＥ−１４巻、１９７
８年、５１３〜５１７頁に報告されているような全反射
型光スイッチが知られている。これは２木の交叉した光
導波路の交叉部の屈折率を電気光学効果を利用して低下
させ、全反射により光の切換を交叉した導波路間で行な
うものである。この全反射型光スイッチは１ス理的には
小型化が可能であるが、前述の論文では電気光学効果に
より屈折率を変化させろことを考えているから得られる
屈折率変化が小さい。そこで、この従来の全反射型光ス
イッチは、２本の先導波路の交叉角を大きくとることが
できず、小型化、低クロス）・−り化が魚しかった。

一方この問題を解決するため、電気通信学会論文誌（英
文）第Ｅ６８巻、１９８５年、７３７〜７３９頁に掲載
された論文では多重量子井戸構造に電界を印加した際の
吸収端近傍での屈折率変化を利用することが提案されて
いる。

第２図は提案されている光スィッチを示す平面図である
。２木の半導体材料による光導波路２１ａ　、　２１ｂ
が交差角θで交わるように配置され、その交差部に多重
量子井戸構造を持つ部分２２（図の斜線を施した部分）
が形成されている。この交差部の交差角の小さい方の２
等分線Ａ−Ａ’に沿って多重量子井戸構造の半分には電
極２３を介して電界を印加する手段が形成されている。

この状態で光導波路２１ｂの左側から入射した光は通常
は直進してそのまま出射する。しかし電極２３によりＭ
ＱＷの半分に電界を印加するとその部分の屈折率が低下
し、全反射が生じ光導波路２１ａへ光は出射される。電
界によるＭＱＷの屈折率変化は１％程度と見つもられる
ので交差角を１０°以上にとることが可能となり非常に
小型な光スィッチが期待できる。

（発明が解決しようとする問題点） このようなＭＱＷの電界による屈折率変化は後に詳しく
説明するように吸収端のシフトに伴なうもので、大きな
屈折率変化を得るためには光吸収が大きな波長領域で用
いなくてはならない。提案きれている光スィッチでは交
差部全体がＭＱＷ構造となっているからこの部分での光
吸収が大きく、このスイッチを多段化、多チャンネル化
するには問題がある。また、１に極の構造から光導波路
２１ａの左側や２１ｂの右側から入射した光に対しては
全反射面が形成されず完全な２×２スイツチにならない
という問題もある。

本発明の目的は、このような問題を除去し、小型低損失
で多段化、多チャンネル化するのに適した２×２光スイ
ツチを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による光スィッチは二手導体基板上に形成された
ドブロイ波長程度の厚みの第１の半導体層を前記第１の
半導体層よりもバンドギャップの広い第２の半導体層に
よりはさんだ量子井戸を１厚方向に多重に有する多重量
子井戸構造と、この多重量子井戸構造に電界を印加する
手段とから成る反射部と；この反射部に互いに角度を持
って導波光を入射させ、前記多重量子井戸構造に比べバ
ンドギャップが広くほぼ等しい実効屈折率を持つ複数の
光導波路からと成ることを特徴とするものである。

（作用） 本発明は量子井戸（ＱＷ）構造に電界を印加した際の複
素屈折率ｎ＝ｎ−ｊｋの変化を利用したものである。ま
ずこの電界による複素屈折率ｎの変化について説明する
。

第３図は、ＧａＡｓ／　ＡＱＧａＡｓ　Ｑ　Ｗ構造に電
界ＥをＱＷに垂直に印加した際の光吸収スペクトルの変
化を測定して得た特性図である。電界ＥよりＱＷのポテ
ンシャル構造が傾き、量子準位の移動、電子、正孔波動
関数ウェル内でのかたよりが生じるから、吸収端より長
波長側では吸収係数の増大、吸収端より短波長側では逆
に吸収係数の減少が生じる。一方、複素屈折率ｎ＝ｎ−
ｊｋのｋは吸収係数αとに一λα／４π（但しλは波長
）の関係があり、更にｎとｋはクラマース・クローニッ
ヒの関係により関係付けられているから、上述のような
吸収係数αの変化は屈折率ｎの変化ももたらす。

第４図はこのような関係をもとにある電界強度に於ける
吸収係数変化（Δα）、屈折率変化（Δｎ）のスペクト
ルの概要を示したものである。尚λ、はＱＷのバンドギ
ャップ波長であり、簡単のためエキシトン共鳴吸収等に
よる微細構造は省略した。第４図よりλ、く入く入、の
範囲ではΔαは正、Δｎは負、λ、くλではΔα、Δｎ
共に正の符号を持つことがわかる。つまり、大きな負の
屈折率変化を得るためには、使用波長をもともと非常に
吸収の大きな吸収端より高エネルギ側か、電界により吸
収が著しく増大する波長域におく必要がある。

本発明はこの点に鑑み、為されたものでＭ　Ｑ　Ｗ構造
を交叉部中心の極く細いメザストライプ状の反射部に限
定することにより低損失化を計ったものである。

更に、一つの材料系の混晶では組成を変化させた場合、
バンドギャップの広い組成程屈折率が低くなり、バンド
ギャップと屈折率は独立に制御できない。しかしＭＱＷ
構造ではバンドギャップはウェル、バリアの組成及び厚
み、平均的な屈折率差はウェル、バリアの組成及び厚み
の比によりある程度独立に制御できる。従って反射部と
その周囲で組成が変化していても実効的に屈折率差を十
分小さくする設計が可能でありクロストークも小さく抑
えることができる。

（実施例） 第１図は本発明による光スィッチの一実施例の構造を示
す図である。ここではＧａＡｓ／　ＡＱＧａＡｓ系材料
を用いた場合について示した。

まず本実施例の製作について説明する。ｎ　＋−ＧａＡ
ｓ基板１上にｎ　”　−ＧａＡｓバッファ層２を介して
、ｎ　”　−ＡＱＧａＡｓクラッド居３、ｉ　−ＧａＡ
ｓ／ＡＱＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）泗４（ＧａＡ
ｓウェル５〜１００人、ＡＱＧａＡｓバリア（ＡＱモル
比ｘ−０，５５）届厚〜１００人）、ｐ”　　ＡＱＧａ
Ａｓキャップ層５をＭＢＥ法により連続成長する０次に
このウェハに幅２−のメサストライプ６を反応性イオン
ビーム・エツチングによりｎ　”　−ＧａＡｓバッファ
層２に達する迄形成する。この後、液相エピタキシャル
法（ＬＰＥ）によりこのメサストライプ６をｉ　−Ａｕ
ＧａＡｓクラッド！（Ｘ−０，２８）７．１−ＡＱＧａ
Ａｓガイド層（ｘ　＝０．２）　８．１−ＡＱＧａＡｓ
クラッド層（ｘ−０，２８）９により埋込む。この際過
飽和度の制御により最後のｉ　　ＡＱＧａＡｓクラッド
泗９がメサストライプ６の上面をおおうように成長した
。このようにして成長したウェハにメサストライプ６が
中心線となるような交叉リブ光導波路１０ａ　、　１０
ｂパターンをエツチングにより形成し、交叉部のメサス
トライプ上の１−ＡＱＧａＡｓクラッド店に選択的にＰ
＋領域を形成しその上にｐ側オーム性電極１１を、また
ｎ　”−ＧａＡｓ基板１にｎ型オームｉ極１２を形成し
た。ここで使用波長λ〜０．８６−近傍で考えるとｉ−
ＭＱＷ部１４．１−Ａｌ１ＧａＡｓガイド居８．１−Ａ
ＩＩＧａＡｓクラッド層７，９の屈折率はそれぞれ３．
４５　、３．４７　、３．４２であり、１−ＡＱＧａＡ
ｓガイド層８を伝搬する光に対する実効屈折率はｉ−Ｍ
ＱＷ部４の屈折率にほぼ等しくなるように決定した。

この構造における１−ＡＱＧａＡｓガイド欝８．１−Ａ
ＱＧａＡｓクラッド層７．９のバンドギャップ波長はそ
れぞれ０．７４ｐｓｎ　、　０．７−であり、入＝　０
．８６１ｍの波長に於ては充分吸収損失は小さな値とな
っている。

次に本実施例の動作について説明する。説明の簡単化の
ために光は第１図の手前から２本の光導波路１０ａ　、
　１０ｂに入射することにする。電極に電圧を印加しな
い場合には光導波路１０ａ、１０ｂに入射した光はその
まま直進し出射する。電極１１　、１２間に逆バイアス
信号を印加するとメサストライプ６中のＭＱＷ層４に電
界が印加きれ、先に説明したように屈折率の減少、吸収
係数の増大が生じ全反射が生じる。この時屈折率変化の
太ききは１％程度に達するので交叉角１０°程度にとる
ことも可能である。しかも電界により屈折率が大きく変
化するのはＭＱＷ部のみであるから屈折率変化の生じる
界面は非常に急峻であり、ひいては全反射時のクロスト
ークも非常に小さい。

本実施例ではＧａＡｓ／　ＡＱＧａＡｓ系材料について
説明したが、本発明はＩｎＧａＡｓＰ／　ＩｎＰ、　Ｉ
ｎＧａＡｓＰ　ＩｎＡＱＡ！３系等の材料系にも適用可
能なことは言う迄もない。実施例では電界印加手段とし
てはｐ−ｎ接合を用いたが、本発明にはショットキー接
合、ＭＩＳ構造も利用可能である。また、実施例におい
ては光導波路としてリブ型を用いたが、本発明では埋込
み型等の他の三次元光導波路も使用できろ。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば小型／低電
圧かつ低クロスト−り特性を持つ２×２光スーｒツチが
実現でき、この光スィッチは光交換や光通信停の分野で
利用価値が非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の４”１弯造を示す斜視図、
第２図は従来の光スィッチを示す部分平面図、第３図お
よび第４図は本発明に用いる多重量子井戸構造の電界に
よる吸収係数変化および屈折率変化を示す特性図である
。 図に於て１，２，３，４，５，７，８，９．２２は半導
体、１．１　、１２．２３は電極、６はメサストライプ
、１０ｇ　、　１０ｂ　、　２１ａ　、　２１ｂは先導
波路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に形成されたドブロイ波長程度の厚みの第
   １の半導体層を前記第１の半導体層よりもバンドギャッ
   プの広い第２の半導体層によりはさんだ量子井戸を層厚
   方向に多重に有する多重量子井戸構造と、この多重量子
   井戸構造に電界を印加する手段とから成る反射部と；こ
   の反射部に互いに角度を持って光を入射させ、前記多重
   量子井戸構造に比べバンドギャップが広くほぼ等しい実
   効屈折率を持つ複数の光導波路とから成ることを特徴と
   する光スイッチ。