JP2000347231A

JP2000347231A - 光ゲートスイッチ素子

Info

Publication number: JP2000347231A
Application number: JP11161699A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Hashimoto; 陽一橋本; Hirohito Yamada; 博仁山田; Hiroyuki Yokoyama; 弘之横山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】高価な光サーキュレーターや半面鏡を用いる
ことによる問題、迷光による消光特性劣化の問題、さら
には可飽和吸収光ゲート端面での光反射により、制御光
が信号出力光に混入することによる消光比劣化の問題を
解決する。【解決手段】一方の端面に１個の光入出力ポート２、
他方の端面に２個の光入出力ポート３，４を備えた１×
２多モード干渉計型光カプラ１を使用し、一方の端面に
ある光入出力ポート２に信号光を入射するためのテーパ
状光導波路５と、さらにその光導波路途中には可飽和吸
収領域１５を備え、かつ、反対側の端面にある２個の入
出力ポートのうち、一方（３）に制御光を入射させる光
導波路６を、他方（４）に、信号光を出力する曲がり導
波路７を備えたことを特徴とするものである。更に、曲
がり導波路７に出力光を信号光の入射方向に対して垂直
方向に取り出すための曲がり部分を備えることも特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、超高速光通
信に用いて好適な、光ゲートスイッチ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超大容量光通信システムを構築す
るにあたり、電子回路による応答速度の制限を受けない
全光学的な光伝送技術、光信号処理技術への要求が高ま
っている。その主要な技術の一つとして、光によって光
信号のスイッチングを行う全光学式光ゲートスイッチが
挙げられる。全光学式光ゲートスイッチを実現しようと
する試みとしては、従来から以下に示す方法が知られて
いる。その方法とは、可飽和吸収領域を含む半導体光導
波路に、信号光とその信号光をスイッチングする制御光
を各々が対向する方向から入射し、可飽和吸収領域での
制御光による吸収飽和を用いてスイッチング制御された
信号光を光導波路から取り出し、半面鏡や光サーキュレ
ータ等を用いてこれを制御光と分離して取り出すもの
で、４０Ｇｂ／ｓの光信号から１０Ｇｂ／ｓ信号への光
分離が実現されることが、例えば、「I. Ogura et al.,
“Picosecond all-optical gate using a saturable a
bsorber in Mode-locked laser”, IEEE Photon. Thchn
ol. Lett., vol.10, No.4, pp.603-605, April 1998」
に報告されている。

【０００３】図２は、上記従来技術としての可飽和吸収
領域を含む半導体光導波路構造を用いた全光学式光ゲー
トスイッチの構成を示したものである。この例では、可
飽和吸収領域を含む光導波路２０は可飽和吸収領域２１
と利得領域２２との２電極分割された電極を備えたＩｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＳＰ多重量子井戸構造を有してお
り、素子両端面には反射防止膜２３が施されている。こ
の素子の動作は、光導波路の左側からスイッチング制御
される信号光２６が入射し、可飽和吸収領域２１を通過
し、さらに利得領域２２で増幅されて、右端から出て行
く。一方、信号光２６を制御する制御光２７は、光導波
路の右側から入射し、利得領域２２で増幅されて可飽和
吸収領域２１に入る。この場合のスイッチング動作のメ
カニズムとしては、可飽和吸収領域２１での制御光２７
による吸収飽和を用いている。即ち、可飽和吸収領域に
相対的に強い制御光２７が入射していない時は、この領
域には大きな光吸収損失が存在するために、信号光２６
はこの領域を通過する時に大きな損失を受けて、右端か
らは殆ど出力されない。これに対して右側から制御光２
７が入射している時は、可飽和吸収領域２１が制御光２
７により吸収飽和を起こすので、この部分での光吸収損
失が小さくなり、信号光が出力される。

【０００４】上述したメカニズムで、スイッチング動作
を行うことが可能であるが、この場合、光導波路の右側
から出力される光は、制御光２７と同一直線上を通るこ
とになるので、この２つの光波を分離する工夫が必要と
なる。従来例に従えば、この場合、光サーキュレータ２
５を用いてこの２つの光波を分離している。光サーキュ
レータ２５とは、磁気光学効果を用いて光の通過方向の
交通整理を行うもので、この例の場合、図に示す様に３
つの光入出力ポートを備えているが、図に示す方向にし
か光が通過することができないので、スイッチングされ
た信号光２８と制御光２７を分離することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例に従えば、可飽和吸収領域を含む半導体光導波
路による全光学式光スイッチでは、信号光と制御光の分
離を行なうために、光サーキュレータ等の高価な光学部
品が必要となり、構成が複雑で、機械的安定性に欠ける
といった問題があった。また、信号光と出力光を光学的
に同一線上を伝搬させるために、可飽和吸収領域を含む
光導波路以外を伝搬する迷光がスイッチング制御された
信号光に混入して出力されるために、スイッチング特性
の消光比の劣化を招くことがあり、更に、可飽和吸収光
ゲート端面での光反射により、制御光が信号出力光に混
入することによって消光比劣化を招くこともあった。ま
た、可飽和吸収領域を含む半導体光導波路は、なるべく
狭い導波路構造にして光波を効率よく閉じ込めて、スイ
ッチングの動作エネルギを低減する必要があるが、この
ような狭い光導波路構造は逆に、信号光や制御光を半導
体導波路に入れる場合の光学結合を悪くし、高い結合率
を得ることを難しくしていた。

【０００６】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、可飽和吸収領域を含む光導波路と光波の分離・
合成を行う多モード干渉計型光カプラを集積化し一体形
成することにより、上述した可飽和吸収体を含む半導体
導波路と複数の光学部品の組み合わせによる従来の全光
学式光スイッチの欠点を除去し、集積化により機械的安
定性が良く、迷光や端面反射による消光比劣化を抑え、
かつ、スイッチング動作エネルギの低減と低い挿入損失
を両立させることができる光ゲートスイッチ素子を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために請求項１に記載の光ゲートスイッチ素子は、少な
くとも、一方の端面に１個の光入出力ポート、他方の端
面に２個の光入出力ポートを備え、光波の多モード干渉
効果により光の合分波を行う多モード干渉計型光カプラ
と、この多モード干渉計型光カプラの一方の端面におけ
る１個の光入出力ポートに信号光を入射すると共に、そ
の途中に可飽和吸収領域を備え前記信号光のスイッチン
グを行う光導波路と、前記多モード干渉計型光カプラの
他方の端面における２個の光入出力ポートのうちいずれ
か一方に制御光を入射させる光導波路と、前記２個の光
入出力ポートにおける残りの光入出力ポートに前記信号
光を出力する光導波路を備えて成ることを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の光ゲートスイッチ素子
は、請求項１に記載の同素子において、前記信号光を出
力する光導波路は、出力光を信号光の入射方向に対して
垂直方向に取り出す曲がり部分を備えて成ることを特徴
とする。請求項３に記載の光ゲートスイッチ素子は、請
求項２に記載の同素子において、前記可飽和吸収領域を
備える光導波路部分の幅はそれに接続されている光導波
路の幅より狭く、かつ、前記接続されている光導波路の
幅に対してその導波路幅がテーパ状に変化しながら可飽
和吸収領域光導波路部分に接続されて成ることを特徴と
する。

【０００９】請求項４に記載の光ゲートスイッチ素子
は、請求項１または３に記載の同素子において、前記可
飽和吸収領域を含む光導波路と、前記多モード干渉計型
光カプラを一体形成し単一半導体基板上にモノリシック
集積することを特徴とする。請求項５に記載の光ゲート
スイッチ素子は、請求項４に記載の同素子において、前
記多モード干渉型光カプラ上に電極を形成し、順方向電
流を流しキャリアを注入することで半導体光増幅器とし
ての機能を持たせ、入射する信号光及び制御光を増幅す
ることを特徴とする。

【００１０】上述した構成において、可飽和吸収領域と
光合分波機構を備えた多モード干渉型光カプラを集積化
することにより、迷光や端面反射による消光比劣化を抑
えて、なおかつスイッチング動作エネルギの低減と低い
挿入損失を両立させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態である
光ゲートスイッチ素子の構造を示す図である。本発明
の光ゲートスイッチ素子は、ＩｎＰ等の半導体基板１６
上にモノリシックに作製できる。可飽和吸収領域１５と
可飽和吸収領域を含むテーパ状光導波路部分５および多
モード干渉計型光カプラ部分１は、同一層構造によって
実現できるため、ここでは、ｎ−ＩｎＰ半導体基板上
に、ｎ−ＩｎＰクラッド層（約1μｍ）、ノンドープＩ
ｎＧａＡｓＰ活性層（約0.3μｍ）、ｐ−ＩｎＰ上部ク
ラッド層（約2μｍ）、ｐ+-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
（約0.2ミクロン）を順次積層している。このような半
導体ウエハをドライエッチング等により、図に示す様な
テーパ状光導波路部分５を有する可飽和吸収領域１５、
１×２光入出力ポート（一方の端面に１個の光入出力ポ
ート２を備え、他方の端面に２個の光入出力ポート３，
４を備える）を持ち、その分岐比が５０％の多モード干
渉計型光カプラ１、更新に、曲がり導波路部分７を含む
入出力光導波路に加工する。可飽和吸収領域１５の長さ
は約２００μｍ、幅は１μｍ、多モード干渉計型光カプ
ラ１の大きさは、幅１０μｍ、長さ１４０μｍとした。
また、曲がり導波路部分７の曲率半径は１００μｍで、
テーパ部分を除くこれら光導波路の幅は２μｍとした。

【００１２】可飽和吸収領域１５として動作させるため
には、この部分に電極を形成して逆バイアス電圧を印加
する必要がある。そのため、この部分に分離電極を形成
し、この領域にのみ逆バイアス電圧を印加できるように
してある。また、多モード干渉計型光カプラ１は半導体
光増幅器としても用いるため、この部分にも分離電極を
形成して、順方向電流を注入できる構造としている。ま
た、信号光、制御光が入射する光導波路端面および出力
光が出射する端面には反射防止膜１１を施している。

【００１３】以下、図１に示す光ゲートスイッチの動作
につき詳細に説明する。まず、可飽和吸収による光スイ
ッチング動作から説明する。可飽和吸収領域１５を含む
テーパ状光導波路５は、入射光強度に依存した非線形な
透過特性をもつ。つまり、可飽和吸収の飽和強度より弱
い強度の光が入射した場合には、可飽和吸収領域１５は
大きな吸収損失を有するために、この領域を通過する光
は大きな損失を受ける。しかし、可飽和吸収の飽和強度
より強い強度の光が入射すると吸収飽和が生じるため、
この領域の吸収損失は小さくなり、この領域を通過する
光の損失は小さくなる。

【００１４】可飽和吸収領域１５におけるこのようなメ
カニズムを利用して、信号光８のみが入射して制御光９
が入射していない時は、吸収飽和を起こさず吸収損失が
大きいために、信号光８はこの領域で殆ど吸収されてし
まい出力されないが、信号光８に加えて制御光９が同時
に入射した場合には、吸収飽和によりこの領域の損失が
小さくなり、信号光８が出力される。このような動作に
より、可飽和吸収領域１５を含むテーパ状光導波路５に
よりスイッチング動作を実現できる。この可飽和吸収領
域により吸収飽和やその回復は非常に短い時間で応答す
るので、ピコ秒の光スイッチング動作を実現することも
可能である。

【００１５】次に、可飽和吸収領域１５を含むテーパ状
光導波路５によりスイッチング制御された信号光８と、
制御光９とを分離するための多モード干渉計型光カプラ
１による光波の合波・分波機能について説明する。１×
２ポート多モード干渉計型光カプラ１は、その内部での
光波の多モード干渉効果により光の合分波を行うことが
できる。例えば、図１に示す１×２ポートで、その分岐
比が５０％の多モード干渉計型光カプラ１の場合、左端
面の光入出力ポート２から入射された光（信号光８）
は、右端面に２個ある光入出力ポート３，４から入射光
強度の５０％の強度でそれぞれ出射される。また、逆
に、右端面に２個ある光入出力ポート３，４のどちらか
一方から光波を入射した場合は、入射光強度の５０％の
強度で左端面の光入出力ポート２に結合され光導波路を
伝搬する。一方、残り５０％の強度の光波は左側の光入
出力ポート２に結合せず、光導波路以外を伝搬するた
め、多モード干渉計型光カプラ１内で光散乱し消滅す
る。

【００１６】このことにより、適切な設計のもとでは、
右端面に２個ある光入出力ポート３（４）のどちらか一
方から入射した光が、右端面にある他方の光入出力ポー
ト４（３）から出力されることは無い。従って、左端面
にある光入出力ポート２から入射した信号光８は、右発
面にある２個光入出力ポート３，４にそれぞれ５０％ず
つ分配されて出力される。また、右端面にある光入出力
ポート３から入射する制御光９は、左端面にある光入出
力ポート２からその入射光強度の半分の強度で出射され
て、可飽和吸収領域１５を有する光導波路５に入ること
ができるが、右端面にあるもう一方の光入出力ポート４
に出力されることは無いので、信号光出力１０と制御光
９とを分離することができる。

【００１７】更に、可飽和吸収領域１５と多モード干渉
計型光カプラ１は、同じ半導体基板１６上に作製するこ
とが可能であるため、モノリシックに集積化することが
でき、可飽和吸収領域１５と多モード干渉計型光カプラ
１間の光波の結合に光学的な部品を必要としない。従来
例によれば、スイッチング制御された信号光と制御光が
同一直線上に配置される構成であるため、光サーキュレ
ータ等の光波を分離するための光学部品を用いたとして
も、可飽和吸収領域を通過せずに光導波路を透過してき
た光（迷光）が出力光として一緒に出力されるので、こ
の迷光による消光比劣化を招く場合もあった。これに対
して本発明の構造では、これら迷光と出力光を分離する
ために、出力光のポートが入射する信号光の同一直線上
にならないように、曲がり導波路７を設けて、垂直方向
に出力光を取り出す工夫をしている。また、従来例に示
す可飽和吸収型光ゲートの場合と異なり、モノリシック
に集積したデバイスでは、可飽和吸収領域を含む光導波
路部分の端面が存在しないため、端面反射の問題は除去
できる。

【００１８】前記光スイッチにおいては、可飽和吸収領
域を含む光導波路幅の狭い方が、同一パワーの光入射に
対して導波路内部での光強度が強くなり、大きな吸収飽
和が得られるので、スイッチング動作光パワー低減の点
では望ましい。しかしながら、導波路幅が１μｍ以下と
狭くなると外部からの光の入射が難しくなり、また導波
損失の増大を招く。そこで、可飽和吸収領域を含む光導
波路幅はなるべく狭く１μｍ以下にして、光入射端面の
幅は２μｍ程度と広くするような構造が望ましい。そこ
で本発明では、テーパ状の光導波路５を用いて、可飽和
吸収領域での導波路幅は１μｍ以下程度に狭くし、入射
端面では２μｍ程度となるようにテーパ状に滑らかな形
状としている。

【００１９】更に、本発明において使用される多モード
干渉計型光カプラ１は、可飽和吸収領域と同じＰＩＮ接
合ダイオート構造を有する半導体光導波路構造として作
製できるため、この多モード干渉計型光カプラ１上に電
極を形成し、１００ｍＡ〜２００ｍＡの順方向電流を流
しキャリアを注入することで、半導体光増幅器としての
機能を持たせ、導波路全体の光伝搬損失を補うこともで
きる。

【００２０】以上説明のように、可飽和吸収領域を含む
光導波路５と光波の分離・合波を行う多モード干渉計型
光カプラ１を一体化形成することで、可飽和吸収領域へ
の光結合の問題を解決し、または光サーキュレータを必
要としない光ゲートスイッチを実現することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光ゲ
ートスイッチは、一方の端面に1個の光入出力ポート
を、それと反対側の端面には２個の光入出力ポートを備
えた１×２ポートの多モード干渉計型光カプラを使用
し、多モード干渉計型光カプラにおける一方の端面にあ
る光入出力ポートには、信号光を入射するための光導波
路と、さらにその光導波路途中には可飽和吸収領域を備
え、かつ、多モード干渉計型光カプラにおける反対側の
端面にある２個の入出力ポートのうち、一方の光入出力
ポートに制御光を入射させるための光導波路を、もう一
方の光入出力ポートに、信号光を出力するための光導波
路を備えたことを特徴とするものであり、更に、信号光
を出力するための光導波路が、出力光を信号光の入射方
向に対して垂直方向に取り出すための曲がり部分を備え
ることも特徴とするものである。このような可飽和吸収
領域と光合分波機構を備えた多モード干渉型光カプラを
集積化することで、迷光や端面反射による消光比劣化を
抑えて、なおかつスイッチング動作エネルギの低減と低
い挿入損失を両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における光ゲートスイッチの実施形態
の構造を示す図である。

【図２】従来例として例示した光ゲートスイッチの構
造を示す図である。

【符号の説明】

１… １×２多モード干渉計型光カプラ（部分）２、３、４…光入出力ポート５…テーパ状光導波路（部分）６…制御光が伝搬する光導波路（部分）７…曲がり導波路（部分）８…信号光９…制御光１０…信号光出力１１…反射防止膜１５…可飽和吸収領域１６…半導体基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者横山弘之東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA12 RA08 TA05 TA31 2K002 AA02 AB04 BA01 BA02 CA13 DA06 DA11 EA15 HA06 HA30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、一方の端面に１個の光入出
力ポート、他方の端面に２個の光入出力ポートを備え、
光波の多モード干渉効果により光の合分波を行う多モー
ド干渉計型光カプラと、この多モード干渉計型光カプラ
の一方の端面における１個の光入出力ポートに信号光を
入射すると共に、その途中に可飽和吸収領域を備え前記
信号光のスイッチングを行う光導波路と、前記多モード
干渉計型光カプラの他方の端面における２個の光入出力
ポートのうちいずれか一方に制御光を入射させる光導波
路と、前記２個の光入出力ポートにおける残りの光入出
力ポートに前記信号光を出力する光導波路を備えて成る
ことを特徴とする光ゲートスイッチ素子。
【請求項２】前記信号光を出力する光導波路は、出力
光を信号光の入射方向に対して垂直方向に取り出す曲が
り部分を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の
光ゲートスイッチ素子。
【請求項３】前記可飽和吸収領域を備える光導波路部
分の幅はそれに接続されている光導波路の幅より狭く、
かつ、前記接続されている光導波路の幅に対してその導
波路幅がテーパ状に変化しながら前記可飽和吸収領域光
導波路部分に接続されて成ることを特徴とする請求項２
に記載の光ゲートスイッチ素子。
【請求項４】前記可飽和吸収領域を含む光導波路と、
前記多モード干渉計型光カプラを一体形成し、単一半導
体基板上にモノリシック集積することを特徴とする請求
項１または３に記載の光ゲートスイッチ素子。
【請求項５】前記多モード干渉型光カプラ上に電極を
形成し、順方向電流を流してキャリアを注入することで
半導体光増幅器としての機能を持たせ、入射する信号光
及び制御光を増幅することを特徴とする請求項４に記載
の光ゲートスイッチ素子。