JPH01128046A - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JPH01128046A
JPH01128046A JP28523187A JP28523187A JPH01128046A JP H01128046 A JPH01128046 A JP H01128046A JP 28523187 A JP28523187 A JP 28523187A JP 28523187 A JP28523187 A JP 28523187A JP H01128046 A JPH01128046 A JP H01128046A
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JP
Japan
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waveguide
center line
refractive index
waveguides
branching
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JP28523187A
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English (en)
Inventor
Junichi Shimizu
淳一 清水
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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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、半導体材料を用いた光スイッチに関する。
〔従来の技術〕
1つの入力ポートからの光信号を2つの出力ボート間で
切り換える光スイッチは、光伝送、光交換における最も
重要な構成要素である。このような光スイッチは、光導
波路により方向性結合器。
交差2分岐等を形成し、その部分の屈折率を物理光学効
果を利用して変化させることにより実現できる。現在、
屈折率変化を得るための手段として一次電気光学効果(
ポッケルス効果)が最も広く用いられているが、比較的
電気光学係数の大きなLiNb0.等の強誘電体材料を
用いても実用的に得られる比屈折率変化は10−3台と
小さく、素子の小型化が難しい。
これに対して近年、半導体多重量子井戸(MQW)構造
の層に垂直な電界を印加した際に、吸収端の近傍の波長
で大きな屈折率変化が生じることが報告され、これを利
用した光スイッチが提案されている(昭和60年度電子
通信学会半導体・材料部門全国大会予編集、  1−1
07)、この光スイ・ソチを、第3図に示す。第3図に
おいて、31は多重量子井戸、32は電極、33は導波
路をそれぞれ示している。
この他、1つの入力ポートからの光信号を2つの出力ポ
ート間で切り換える光スイッチとしては、2つの出力ポ
ートのうち1つを光吸収型ゲートを用いて消光させる分
岐・ゲート型光スイッチが、電子情報通信学会総合全国
大会(昭和62年)予編集、4−269ページに掲載さ
れている。この光スイッチを、第4図に示す。光吸収型
ゲートはMQW構造に電界を印加した際に吸収端が長波
長側に移動し、吸収損失が増加することを利用したもの
である。
以上のように、MQW構造は、電界によって吸収端が長
波長側に移動することにより屈折率変化および吸収係数
変化が生ずることから、光スイッチの構成には有用であ
る。
ここで、MQW構造について説明する。MQW構造は、
電子波動の波長(ド・ブロイ波長)程度の厚みの半導体
層をそれよりバンドギャップの広い半導体ではさんだ量
子井戸(QW)を層厚方向に多重に形成したもので、電
子、正孔波動の二次元化によりバルク材料とは大きく異
なる物性を示すことから注目されている。
MQW構造に層に垂直な方向に光を伝搬させた際の吸収
端近傍の光の吸収係数及び屈折率スペクトラムの電界に
よる変化は、層に垂直の電界Eがない場合には、吸収係
数スペクトラムには重い正孔、軽い正孔と電子の準位間
の遷移に対応したエキシトン吸収ピークが見られ、これ
に対応して屈折率スペクトラムには大きな段差が見られ
る。電界Eを印加してい(と、電子5正孔準位のシフト
が生じ吸収端の長波長側への移動がおこる。この際エキ
シトン吸収ビークは多少のブロードニングを生ずるもの
の10’V/c+s程度の強電界においても安定に存在
する。
電界Eの印加による吸収端シフトに対応して、屈折率ス
ペクトラム上の段差も長波長側に移動する。このため屈
折率変化が生じる訳でその絶対値は1×10ゝV/cm
程度の電界で10−”のオーダに及ぶことが報告されて
おり、この現象を利用した交差導波路全反射型光スイッ
チの設計結果では、スイッチ部長数100μm以下の小
型光スイッチが可能であることが報告されている(昭和
60年度電子通信学会半導体・材料部門全国大会予稿集
、1−107 ) 。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来例で示した屈折率変化を利用する光スイッチでは、
入力ポートに対して出力ポートのうちの1つが入力ポー
トの延長線上にあるために、出力ポート間の角度が太き
(とれないことから素子長が大きくなるという問題があ
った。
また、同じ〈従来例で示したような入力ポートを2つの
出力ポートに分けて、そのうちの1つを光吸収型のゲー
トを用いて消光させる分岐・ゲート型光スイッチでは、
分岐部で本質的に3dBの損失があるという問題があっ
た。
本発明の目的は、上記のような従来の光スイッチの問題
点を解決し、小型で光源、受光器等のモノリシック集積
化が可能でかつ光の切り換えに伴う分岐損失のない光ス
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〕
本発明は、第1の導波路および前記第1の導波路の中心
線に対して互いに異なる方向に分岐される第2.第3の
導波路をもつY分岐型の導波路と、前記第1の導波路と
前記第2.第3の導波路の分枝部の一部の屈折率変化を
生じさせる手段とから成る光スイッチにおいて、 前記第1.第2および第3の導波路のうち少なくとも屈
折率変化を生じさせるべき部分は、ド・ブロイ波長程度
の厚みの第1の半導体層とそれよりバンドギャップの広
い第2の半導体層により挟んだ量子井戸を層厚方向に少
なくとも1つ含む構造であり、 前記第1の導波路の中心線と前記第2の導波路の中心線
の交差角の半分の交差角で前記第1の導波路の中心線と
交わり、前記第1の導波路の中心線と前記第2の導波路
の中心線の交点の近傍を通る直線をエツジの一部とする
、前記第1の導波路の中心線に対して前記第3の導波路
側にある第1の電極と、 前記第1の導波路の中心線と前記第3の導波路の中心線
の交差角の半分の交差角で前記第1の導波路の中心線と
交わり、前記第1の導波路の中心線と前記第3の導波路
の中心線の交点の近傍を通る直線をエツジの一部とする
、前記第1の導波路の中心線に対して前記第2の導波路
側にある第2の電極を有することを特徴としている。
〔作用〕
本発明は多重量子井戸(MQW)構造に特有な室温エキ
シトンによる共鳴吸収の電界による移動とそれに伴う屈
折率変化を利用することにより従来技術の問題点を解決
した。前述したよう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・クローニンヒの
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2図(a)、  (b)に示す。
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もそれぞれ第2
図(a)、  (b)に示されている。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103〜1
0’cm−’の増加、屈折率は10−2程度の減少が得
られる。従って電界によるこの大きな吸収係数変化と屈
折率変化の両方を交差型光スイッチに適用することによ
り、小型で分岐損失のない高性能な交差型光スイッチが
得られる。
また、この光スイッチは半導体材料を用いているため光
源、受光器とのモノリシック集積化も可能である。
〔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図は本発明による光スイッチの一実施例を示す図で
あり、第1図(a)は斜視図、第1図(b)は上面図で
ある。材料系としては、GaAs / A I G a
 A s糸材料を用いた場合につき説明するが、InP
/InGaAsP、InGaAs/ 1 n A I 
A s系等、室温で安定なエキシトン吸収ピークが観測
できるMQW構造が製作できる材料系であれば、本発明
が適用可能なことは言うまでもない。第1図を参照し、
本実施例の製作方法を説明しながらその構成について説
明する。
p型GaAs基板l上に、p型A 1 o、 z5G 
a o、 bsAsクラッドJ’12 (厚み1.um
)、ノンドープGaAs/Alo、zsGao、1sA
s  MQWガイド層3 (0,4、crm) 、ノン
ドープA1o、zsGao、1sASクラッド層4 (
0,5μm) 、n型GaAs)ツブ層5 (0,1μ
m)をMBE法により連続成長する。GaAS/A1o
、5sGao、65AS  MQWガイドM3は、厚み
100人のGa A s 、 A 1 o、xsGa、
、、、、sAs層を20周期交互に積層したものである
以下では簡単のためAlのモル比を略して記述する。
次にフォトリソグラフィ法により幅8μm2分岐角(δ
) 10〜32°のY分岐パターンのマスクをエビ層側
に形成し、反応性イオン・ビームエッチフグ法によりマ
スク以外のGaAs )ツブN5およびAj!GaAs
層4をエツチングする。この際のエツチングは、Aj!
GaAsクラッド層4の途中で止めるように制御した。
このエツチングにより1本の導波路9とこの導波路の中
心線に対して互いに反対方向の2本の分岐導波路10a
、10bが形成される。次に、分岐角δの半分の角度で
、導波路9の中心線と分岐導波路IQa、10bの中心
線の交点14の近傍を通る直線15.16を一方のエツ
ジとするn側電極6および7を、Ti−Pt−Auで導
波路9および分岐導波路lQa、10b上に形成する。
さらにp側電極8をCr−Auによって形成する。最後
に導波路9の中心線に垂直な方向に入出射端面をへき開
により形成した。なお、実際にはボーディングのための
バットおよび引き出し線も形成しているが、図では省略
した。
第1図(a)を用いて実際のスイッチ動作について説明
する。ここでは、切り換える光の波長としてMQWガイ
ド層3の吸収端(バンドギャップ波長λ、 =0.85
μm)より長波長側を考え、0.870μmを選んだ。
導波路9に入射した光13は、n側電極6および7とp
側電極8間に電圧を印加しない時は、通常の3dB損失
のあるY分岐導波路となる。ところが、n側電極6とp
側電極8間に電圧を印加した際には電極6の直下のMQ
Wガイド層3にマイナスの屈折率変化が誘起され、それ
により入射光13は電極7側の分岐導波路10に全反射
され、出射光11となる。この屈折率変化の大きさは相
対変化Δn / nとして1O−3〜10−2のオーダ
である。全反射角θをΔn / nの間にはsinθ=
(1−Δn / n )の関係があるため、Δn / 
n =10−3〜1O−2の屈折率変化により5°〜1
6°の交差角の光導波路で全反射型光スイッチを得るこ
とができる。一方、n側電極7とp側電極8間に電圧を
印加した際にも同様な過程で、出射光12を得ることが
できる。すなわち、印加電圧を電極6〜8間と電極7〜
8間で切り換えることにより、出射光路を切り換えるこ
とができる。この際、入射側導波路と出射側導波路の交
差角は5°〜16°であるので、分岐導波路のなす分岐
角δは10〜32°と大きくとれる。また、電圧印加を
行えば、電極直下のMQWガイド層3では吸収が大きく
なるために、加工誤差などで漏れる光を吸収することが
でき、そのため出射光11と出射光12の光量比を大き
くとれる。さらに、全反射を用いているので、分岐損失
がないために挿入損失も低減できる。
〔発明の効果〕
以上詳細に説明したように、本発明によれば、従来の交
差型の光スイッチや分岐ゲート型の光スイッチよりも小
型でモノリシック集積が可能でかつ光の切り換えにとも
なう損失変化が小さい光スイッチが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、  (b)は、本発明による光スイッチ
の一実施例を説明するための斜視図及び上面図、 第2図(a)、  (b)は、本発明の光スイッチの動
作原理となるMQWの屈折率変化を説明する図、 第3図及び第4図は、従来例を説明するための図である
。 9・・・・・・導波路 10a、10b・・分岐導波路 6.7・・・・n側電極 8・・・・・・p側電極 代理人 弁理士  岩 佐  義 幸 (a) (b) 第1図 波長 第2図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1の導波路および前記第1の導波路の中心線に
    対して互いに異なる方向に分岐される第2、第3の導波
    路をもつY分岐型の導波路と、前記第1の導波路と前記
    第2、第3の導波路の分岐部の一部の屈折率変化を生じ
    させる手段とから成る光スイッチにおいて、前記第1、
    第2および第3の導波路のうち少なくとも屈折率変化を
    生じさせるべき部分は、ド・ブロイ波長程度の厚みの第
    1の半導体層とそれよりバンドギャップの広い第2の半
    導体層により挟んだ量子井戸を層厚方向に少なくとも1
    つ含む構造であり、 前記第1の導波路の中心線と前記第2の導波路の中心線
    の交差角の半分の交差角で前記第1の導波路の中心線と
    交わり、前記第1の導波路の中心線と前記第2の導波路
    の中心線の交点の近傍を通る直線をエッジの一部とする
    、前記第1の導波路の中心線に対して前記第3の導波路
    側にある第1の電極と、 前記第1の導波路の中心線と前記第3の導波路の中心線
    の交差角の半分の交差角で前記第1の導波路の中心線と
    交わり、前記第1の導波路の中心線と前記第3の導波路
    の中心線の交点の近傍を通る直線をエッジの一部とする
    、前記第1の導波路の中心線に対して前記第2の導波路
    側にある第2の電極を有することを特徴とする光スイッ
    チ。
JP28523187A 1987-11-13 1987-11-13 光スイッチ Pending JPH01128046A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02308125A (ja) * 1989-05-23 1990-12-21 Furukawa Electric Co Ltd:The 導波路型光スイッチ
JPH0391723A (ja) * 1989-09-05 1991-04-17 Furukawa Electric Co Ltd:The 光スイッチ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02308125A (ja) * 1989-05-23 1990-12-21 Furukawa Electric Co Ltd:The 導波路型光スイッチ
JPH0391723A (ja) * 1989-09-05 1991-04-17 Furukawa Electric Co Ltd:The 光スイッチ

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