JPH02238441A - light switch - Google Patents

light switch

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Publication number
JPH02238441A
JPH02238441A JP5939389A JP5939389A JPH02238441A JP H02238441 A JPH02238441 A JP H02238441A JP 5939389 A JP5939389 A JP 5939389A JP 5939389 A JP5939389 A JP 5939389A JP H02238441 A JPH02238441 A JP H02238441A
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JP
Japan
Prior art keywords
optical waveguide
semiconductor optical
semiconductor
light
refractive index
Prior art date
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Pending
Application number
JP5939389A
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Japanese (ja)
Inventor
Masayoshi Kato
正良 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH02238441A publication Critical patent/JPH02238441A/en
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光導波路型の光スイッチに関する。[Detailed description of the invention] Industrial applications The present invention relates to an optical waveguide type optical switch.

従来の技術 近年、光デバイスに用いられるこの種の光導波路型光ス
イッチとしては、電気光学効果を利用したものが、盛ん
に開発されている。この内、特に注目されているのが、
LiNbO.なる強誘電体にTiを拡散して光導波路を
形成したものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION In recent years, optical waveguide type optical switches of this type used in optical devices that utilize electro-optic effects have been actively developed. Of these, the one that has received particular attention is
LiNbO. An optical waveguide is formed by diffusing Ti into a ferroelectric material.

また、LiTaO.なる強誘電体やPLZT薄膜を用い
たものもある。さらには、半導体レーザなどとの集積を
目的とし、GaAs,I nPなどの化合物半導体エビ
タキシャル結晶光導波路の研究も盛んである。
Also, LiTaO. Some use ferroelectric materials or PLZT thin films. Furthermore, research into compound semiconductor epitaxial crystal optical waveguides made of GaAs, InP, etc. is also active for the purpose of integration with semiconductor lasers and the like.

何れにしても、これらの光導波路型光スイッチの場合、
基本的には、光導波路中を伝搬する光波の位相や、モー
ドを変えることにより、光のスイッチングを行うもので
ある。
In any case, in the case of these optical waveguide type optical switches,
Basically, light switching is performed by changing the phase and mode of light waves propagating in an optical waveguide.

発明が解決しようとする課題 ところが、前述した強誘電体による光導波路型の場合、
電気光学効果があまり大きくないため、素子長が長くな
ってしまう。また、半導体レーザとの集積化も困難であ
る。
Problems to be Solved by the Invention However, in the case of the above-mentioned optical waveguide type using ferroelectric material,
Since the electro-optic effect is not very large, the element length becomes long. Furthermore, integration with a semiconductor laser is also difficult.

また、GaAsなどの化合物半導体エビタキシャル結晶
光導波路の場合、その殆どが電気光学効果として、キャ
リア注入によるプラズマ効果を利用したもので、強誘電
体光導波路の場合の電気光学効果より屈折率変化が大き
いものの、スイッチングを行わせるには、まだ屈折率変
化の小さいものである。
In addition, in the case of compound semiconductor epitaxial crystal optical waveguides such as GaAs, most of them utilize the plasma effect due to carrier injection as an electro-optic effect, and the refractive index change is more pronounced than the electro-optic effect in the case of ferroelectric optical waveguides. Although it is large, the change in refractive index is still small enough to perform switching.

この点、最近、電気光学効果の大きいものとして、多重
量子井戸構造(Multi Quantum Well
)を有する半導体光導波路が提案されている(前述した
キャリア注入型の場合の屈折率変化がO.数%であるの
に対し、このMQW型では電界印加時に数%の屈折率変
化を示す)。しかし、光スイッチとしては、全反射型の
ものが考えられているに過ぎない。
In this regard, recently, a multi-quantum well structure (Multi Quantum Well structure) has been developed as a structure with a large electro-optic effect.
) has been proposed (while the refractive index change in the carrier injection type described above is several 0.0%, this MQW type shows a refractive index change of several % when an electric field is applied). . However, only total reflection type optical switches have been considered.

課題を解決するための手段 並列配置させた2つの多重量子井戸構造の半導体光導波
路による方向性結合器と、前記半導体光導波路間の多重
量子構造部を挾んで形成した一対の電極と、これらの電
極間に選択的に電圧を印加する電源手段とより構成した
。
Means for Solving the Problems A directional coupler including two semiconductor optical waveguides having a multi-quantum well structure arranged in parallel, a pair of electrodes formed by sandwiching a multi-quantum structure between the semiconductor optical waveguides, and It was composed of a power source means for selectively applying a voltage between the electrodes.

作用 一方の半導体光導波路に入射した光は屈折率差によりこ
の半導体光導波路中に閉じ込められながら伝搬するが、
方向性結合器としての作用に従い、その一部は近くに並
設された他方の半導体光導波路中に結合して行き、完全
結合長伝搬した後、他方の半導体光導波路中に完全に移
行して出射される。しかし、2つの半導体光導波路間の
多重量子構造部を挾んで形成した一対の電極に電圧を印
加し、多重量子構造部に電界を印加すると、この部分の
屈折率が低下する。この状態では、一方の半導体光導波
路中を伝搬した光はこの中に閉じ込められ、他方の半導
体光導波路中には結合しない。
Effect The light incident on one semiconductor optical waveguide propagates while being confined in this semiconductor optical waveguide due to the difference in refractive index.
According to its action as a directional coupler, a part of it is coupled into the other semiconductor optical waveguide that is arranged in parallel nearby, and after propagating through the complete coupling length, it completely migrates into the other semiconductor optical waveguide. It is emitted. However, when a voltage is applied to a pair of electrodes formed between two semiconductor optical waveguides sandwiching a multiple quantum structure, and an electric field is applied to the multiple quantum structure, the refractive index of this portion decreases. In this state, the light propagated in one semiconductor optical waveguide is confined therein and is not coupled into the other semiconductor optical waveguide.

よって、入射光はこの一方の半導体光導波路から射出さ
れる。つまり、電極を用いた電界印加により、2つの半
導体光導波路間の多重量子構造部の屈折率を制御するこ
とにより、光の閉じ込め状態を変化させ、2つの半導体
光導波路間の光学的結合を制御することにより、光スイ
ッチングさせることができる。
Therefore, the incident light is emitted from this one semiconductor optical waveguide. In other words, by controlling the refractive index of the multi-quantum structure between two semiconductor optical waveguides by applying an electric field using electrodes, the confinement state of light is changed and the optical coupling between the two semiconductor optical waveguides is controlled. By doing so, optical switching can be performed.

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。Example An embodiment of the present invention will be described based on the drawings.

本実施例は、リブ形多重量子井戸構造(MQW)を有す
る半導体光導波路構成を利用したものである。まず、半
導体基板l上には光閉じ込め用の低屈折率層2が形成さ
れている。この低屈折率層2上には、リブ形MQWの半
導体光導波路が形成されている。即ち、低屈折率層2上
に多重量子構造部3を形成し、この多重量子構造部3の
最上層に低屈折率のクラッド層を図示の如く凸形状に作
製し、その等価屈折率差により2つの半導体光導波路4
.5を形成してなる。ここに、これらの半導体光導波路
4,5の中央部付近(領域E)では接近しており、方向
性結合器6として構成されている。
This embodiment utilizes a semiconductor optical waveguide structure having a rib-type multiple quantum well structure (MQW). First, a low refractive index layer 2 for light confinement is formed on a semiconductor substrate l. On this low refractive index layer 2, a rib-shaped MQW semiconductor optical waveguide is formed. That is, a multiple quantum structure 3 is formed on a low refractive index layer 2, and a low refractive index cladding layer is formed in a convex shape as shown in the figure on the top layer of this multiple quantum structure 3. Two semiconductor optical waveguides 4
.. 5 is formed. Here, these semiconductor optical waveguides 4 and 5 are close to each other near the center (area E), and are configured as a directional coupler 6.

一方、このような2つの半専体光導波路4,5が接近し
た領域Eにおいて、これらの半導体光導波路4,5間に
位置させて表裏両面(多重量【一構造部3表面及び半導
体基板l下而)には、領域Eの長さ相当の長さの一対の
?talf27a,7bが設けられている。これらの電
極7a,7b間には、スイッチング信号に応じて電源手
段(図示せず)により、選択的に電圧が印加されるもの
である。
On the other hand, in a region E where such two semi-dedicated optical waveguides 4 and 5 are located close to each other, the semiconductor optical waveguides 4 and 5 are located between the front and back surfaces (multi-weight [one structure part 3 surface and the semiconductor substrate l ) has a pair of lengths equivalent to the length of area E. talfs 27a and 7b are provided. A voltage is selectively applied between these electrodes 7a and 7b by a power supply means (not shown) according to a switching signal.

このような構成において、今、半導体光辱波路4に対し
て光が入射するものとする。また、電極7a,?b間に
は電圧が印加されていないとする。
In such a configuration, it is assumed that light is now incident on the semiconductor optical waveguide 4. Moreover, the electrode 7a, ? Assume that no voltage is applied between b.

すると,この光は屈折率差(第4図(b)参照)により
この半導体光導波路4中に閉じ込められながら伝搬する
。しかし、全ての光が半導体光導波路4に局在するので
はなく、その電界は、この半導体光導波路4からしみ出
している(第4図(c)参照)。この時、本実施例のよ
うに、もう一つの半導体光導波路5が近くに並列的に存
在すると、この電界のしみ出しにより、半導体光導波路
4中を光が伝搬していく過程において、第5図に示すよ
うに、他方の半導体光導波路5に徐々に結合して行き、
完全結合長伝搬した後には、lOO%の光がこの半導体
光導波路5中に移行して射出されることになる。即ち、
半導体光専波路4に入射した光が半導体光導波路5から
射出される。
Then, this light propagates while being confined within this semiconductor optical waveguide 4 due to the refractive index difference (see FIG. 4(b)). However, all the light is not localized in the semiconductor optical waveguide 4, and the electric field seeps out from the semiconductor optical waveguide 4 (see FIG. 4(c)). At this time, if another semiconductor optical waveguide 5 exists in parallel nearby as in the present embodiment, the leakage of this electric field causes the fifth As shown in the figure, it is gradually coupled to the other semiconductor optical waveguide 5,
After propagating through the complete coupling length, 100% of the light moves into this semiconductor optical waveguide 5 and is emitted. That is,
The light incident on the semiconductor optical waveguide 4 is emitted from the semiconductor optical waveguide 5.

一方、電極7a,7b間に電圧を印加した場合を考える
。これらの電極7a,7b間に電圧を印加して、第3図
(a)に示すように、半心体光導波路4,5間の多重量
子+1′17造部3両面に電界を印加すると、屈折率が
変化する。この屈折率変化は、同図(b)に示すように
電界印加領域の屈折率が小さくなる変化である。よって
、同図(C)に示すように電界のしみ出しもなく、半導
体光導波路4に入射し伝搬する光は、この半導体光導波
路4中に完全に閉じ込められ、領域Eにあっても、他方
の半導体光導波路5には結合しない状態となる。この結
果、電界を印加しない時と異なり、半導体光導波路4に
入射した光がそのままこの半専体光辱波路4から射出さ
れる。
On the other hand, consider a case where a voltage is applied between electrodes 7a and 7b. When a voltage is applied between these electrodes 7a and 7b and an electric field is applied to both sides of the multiquantum +1'17 structure 3 between the semi-central optical waveguides 4 and 5, as shown in FIG. 3(a), The refractive index changes. This refractive index change is a change in which the refractive index of the electric field application region becomes smaller, as shown in FIG. 2(b). Therefore, as shown in FIG. 4C, the light that enters and propagates into the semiconductor optical waveguide 4 is completely confined within the semiconductor optical waveguide 4 without any electric field seeping out, and even if it is in the region E, the light that propagates in the semiconductor optical waveguide 4 is completely confined within the semiconductor optical waveguide 4. It is in a state where it is not coupled to the semiconductor optical waveguide 5 of. As a result, unlike when no electric field is applied, the light incident on the semiconductor optical waveguide 4 is directly emitted from the semi-dedicated optical waveguide 4.

即ち、多重量子構造部3が電極7a,7bによる電界の
印加の有無により、第3図(b)、第4図(b)に示す
ように屈折′率変化するので、光の閉じ込め状態が変化
して、2つの半導体光導波路4.5間の光学的結合を変
えることができ、光スイッチングが可能となる。ここに
、MQWの電界印加による屈折率変化は、高速動作が可
能で、その屈折率変化が大きいため、消光比の大きな高
速光スイッチを実現できる。
That is, the refractive index of the multi-quantum structure 3 changes as shown in FIGS. 3(b) and 4(b) depending on whether or not an electric field is applied by the electrodes 7a and 7b, so the light confinement state changes. As a result, the optical coupling between the two semiconductor optical waveguides 4.5 can be changed, and optical switching becomes possible. Here, the refractive index change due to the application of an electric field to the MQW enables high-speed operation, and since the refractive index change is large, a high-speed optical switch with a large extinction ratio can be realized.

また、集積化構成可能な光スイッチであり、例えば半導
体レーザを光源とする光変調器への応用も容易である。
Moreover, it is an optical switch that can be integrated and configured, and can be easily applied to, for example, an optical modulator using a semiconductor laser as a light source.

第6図に、光強度変調器への応用例を示す。これは、2
つの半導体光導波路4,5の近接並置箇所を離して、そ
こに、これらの半導体光導波路4,5に並列的に損失領
域をなす光導波路8を形成し、電極7a,7bを各々光
導波路の両側に分割して設け、共通電極9を経て電圧が
印加されるようにしたものである。前記光導波路8には
半導体レーザloからの光が入射される。
FIG. 6 shows an example of application to a light intensity modulator. This is 2
An optical waveguide 8 forming a loss region is formed in parallel to the semiconductor optical waveguides 4 and 5 by separating the adjacent locations of the two semiconductor optical waveguides 4 and 5, and electrodes 7a and 7b are connected to the respective optical waveguides. It is arranged so that it is divided on both sides, and a voltage is applied through a common electrode 9. Light from the semiconductor laser lo is incident on the optical waveguide 8.

このような構成によれば、半導体レーザ10の光は光導
波路8に入射し、半導体光導波路4,5に結合して射出
される。ここに、共通電極9を経て電極7a,7b間に
電圧を印加すると、光導波路8両側部分の屈折率が変化
し、半導体光導波路4,5には結合しない状態となり、
半導体レーザ10の光は光導波路8に入射し、そのまま
この光導波路8から射出される。この時、電極7a,7
bに対する電圧、従って、発生させる電界の強さを制御
することにより、光導波路8における損失量も制御でき
、よって、光導波路8から強度変調された光を射出させ
ることができる。このように、本例の場合、上述した光
スイッチを変調器として用いているので、スペクトル線
幅が狭くて消光比の大きな被変調光を高速動作の下に得
ることができる。特に、本例によれば、前述した光スイ
ッチが通常の半導体レーザの製造プロセスを用いて作製
することも可能であり、第6図に示すように、同一基板
l上に半導体レーザ10とともにモノリシックに集積形
成することもできる。
According to such a configuration, the light from the semiconductor laser 10 enters the optical waveguide 8, is coupled to the semiconductor optical waveguides 4 and 5, and is emitted. When a voltage is applied between the electrodes 7a and 7b via the common electrode 9, the refractive index of both sides of the optical waveguide 8 changes, and the state is such that it is not coupled to the semiconductor optical waveguides 4 and 5.
The light from the semiconductor laser 10 enters the optical waveguide 8 and is emitted from the optical waveguide 8 as it is. At this time, electrodes 7a, 7
By controlling the voltage to b and, therefore, the strength of the electric field to be generated, the amount of loss in the optical waveguide 8 can also be controlled, and therefore intensity-modulated light can be emitted from the optical waveguide 8. In this way, in this example, since the optical switch described above is used as a modulator, modulated light with a narrow spectral linewidth and a large extinction ratio can be obtained under high-speed operation. In particular, according to this example, the optical switch described above can be manufactured using a normal semiconductor laser manufacturing process, and as shown in FIG. It can also be formed in an integrated manner.

しかして、本発明の光スイッチないしは光強度変調器に
よれば、長距離・大容量光ファイバ通信に用いる光源デ
バイスとして有望といえる。
Therefore, the optical switch or optical intensity modulator of the present invention can be said to be promising as a light source device for use in long-distance, large-capacity optical fiber communications.

発明の効果 本発明は、上述したように、並列配置させた2つの多重
量子井戸構造の半導体光導波路による方向性結合器と、
半導体光導波路間の多重量子構造部を挾んで形成され電
源手段により選択的に電圧が印加される一対の電極とを
設けたので、多重量子構造部の電界印加の有無による屈
折率変化により、光スイッチングでき、よって、高速動
作可能にして消光比の大きなスイッチング素子とするこ
とできるものである。
Effects of the Invention As described above, the present invention provides a directional coupler using two multi-quantum well structure semiconductor optical waveguides arranged in parallel;
Since a pair of electrodes are formed between the semiconductor optical waveguides and sandwich the multiple quantum structure and to which a voltage is selectively applied by the power supply means, light is It is possible to perform switching, therefore, it is possible to operate at high speed and to provide a switching element with a large extinction ratio.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

図面は本発明の一実施例を示すもので、第1図は平面図
、第2図は正面図、第3図は電圧印加時の多重量子構造
部付近の状態、屈折率分布及び電界分布の関係を示す説
明図、第4図は電圧無印加時の多重量子構造部付近の状
態、屈折率分布及び電界分布の関係を示す説明図、第5
図は電圧無印加時の半導体光導波路間の光結合動作を平
面的に示す説明図、第6図は光強度変調器への応用例を
示す平面図である。
The drawings show one embodiment of the present invention; FIG. 1 is a plan view, FIG. 2 is a front view, and FIG. 3 is a diagram showing the state near the multiple quantum structure when voltage is applied, the refractive index distribution, and the electric field distribution. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the state near the multiple quantum structure when no voltage is applied, the refractive index distribution, and the electric field distribution.
The figure is an explanatory plan view showing the optical coupling operation between semiconductor optical waveguides when no voltage is applied, and FIG. 6 is a plan view showing an example of application to a light intensity modulator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 並列配置させた2つの多重量子井戸構造の半導体光導波
路による方向性結合器と、前記半導体光導波路間の多重
量子構造部を挾んで形成した一対の電極と、これらの電
極間に選択的に電圧を印加する電源手段とよりなること
を特徴とする光スイッチ。
A directional coupler including two semiconductor optical waveguides having a multiple quantum well structure arranged in parallel, a pair of electrodes formed by sandwiching a multiple quantum structure between the semiconductor optical waveguides, and selectively applying a voltage between these electrodes. An optical switch characterized by comprising a power source means for applying .
JP5939389A 1989-03-10 1989-03-10 light switch Pending JPH02238441A (en)

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