JPH06332017A - 半導体光スイッチ - Google Patents
半導体光スイッチInfo
- Publication number
- JPH06332017A JPH06332017A JP12234893A JP12234893A JPH06332017A JP H06332017 A JPH06332017 A JP H06332017A JP 12234893 A JP12234893 A JP 12234893A JP 12234893 A JP12234893 A JP 12234893A JP H06332017 A JPH06332017 A JP H06332017A
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- JP
- Japan
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- optical switch
- semiconductor optical
- drain
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- optical
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Abstract
(57)【要約】
【目的】低消費電力化，高速化でかつ十分なスイッチン
グ特性を持つ化合物半導体光スイッチを提供する。 【構成】交差する２本の半絶縁結晶で構成された光導波
路の交差領域の一部にキャリヤドープ領域を設け、その
上部にゲート電極、両側にソースおよびドレイン電極を
配置したMESFET構造を設け、ゲートおよびドレイン電圧
をスイッチング領域に印加することによってスイッチン
グ領域を空乏化することによってその領域の屈折率を制
御し、入射光をスイッチングする。
グ特性を持つ化合物半導体光スイッチを提供する。 【構成】交差する２本の半絶縁結晶で構成された光導波
路の交差領域の一部にキャリヤドープ領域を設け、その
上部にゲート電極、両側にソースおよびドレイン電極を
配置したMESFET構造を設け、ゲートおよびドレイン電圧
をスイッチング領域に印加することによってスイッチン
グ領域を空乏化することによってその領域の屈折率を制
御し、入射光をスイッチングする。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光通信，光交換，光情報
処理あるいは光コンピュータなどに必要な光スイッチに
係り、特に、高速動作に好適な半導体光スイッチに関す
る。
処理あるいは光コンピュータなどに必要な光スイッチに
係り、特に、高速動作に好適な半導体光スイッチに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】これまで、数多くの光スイッチの材料お
よび方式が提案されているが、その中で化合物半導体を
用いた光スイッチは、小型でかつ他の光素子との集積化
が可能であるという特徴を持っている。化合物半導体光
スイッチの方式には、電界印加の方向によって順方向型
および逆方向型がある。これまで発表されている順方向
動作型半導体光スイッチは、そのスイッチング時間がキ
ャリヤの寿命に制限されるため、高速動作が困難、ある
いはスイッチング動作に必要な電力が大きくなるという
問題があった。また逆方向型半導体光スイッチは上記の
ような問題点は少ないものの、駆動電圧が高い，スイッ
チング特性が不十分であるなどの問題点を持っていた。
よび方式が提案されているが、その中で化合物半導体を
用いた光スイッチは、小型でかつ他の光素子との集積化
が可能であるという特徴を持っている。化合物半導体光
スイッチの方式には、電界印加の方向によって順方向型
および逆方向型がある。これまで発表されている順方向
動作型半導体光スイッチは、そのスイッチング時間がキ
ャリヤの寿命に制限されるため、高速動作が困難、ある
いはスイッチング動作に必要な電力が大きくなるという
問題があった。また逆方向型半導体光スイッチは上記の
ような問題点は少ないものの、駆動電圧が高い，スイッ
チング特性が不十分であるなどの問題点を持っていた。
【０００３】以下に従来提案されている化合物半導体光
スイッチの動作原理および問題点について詳細に述べ
る。
スイッチの動作原理および問題点について詳細に述べ
る。
【０００４】（１）キャリヤ注入型光スイッチ この方式の光スイッチはK.Ishida等によってアプライド
フィジックス レター（“Applied Physics Letter
s”）誌第３０巻１４１ページから１４２ページ（１９
８７）に記載されているように、スイッチング領域にキ
ャリヤを注入したとき、バンドフィリング効果などによ
る屈折率低下現象を利用した全反射によって入射光をス
イッチングする方式である。図１にその概要を示す。本
方式は素子寸法を小型化出来、またスイッチング状態が
入射光の偏光状態に依存しないという利点を持っている
が、そのスイッチング時間が、注入したキャリヤの寿命
に制限されるため高速化に困難がある。
フィジックス レター（“Applied Physics Letter
s”）誌第３０巻１４１ページから１４２ページ（１９
８７）に記載されているように、スイッチング領域にキ
ャリヤを注入したとき、バンドフィリング効果などによ
る屈折率低下現象を利用した全反射によって入射光をス
イッチングする方式である。図１にその概要を示す。本
方式は素子寸法を小型化出来、またスイッチング状態が
入射光の偏光状態に依存しないという利点を持っている
が、そのスイッチング時間が、注入したキャリヤの寿命
に制限されるため高速化に困難がある。
【０００５】（２）多重量子井戸（ＭＱＷ）型光スイッ
チ この方式は、例えば、エレクトロニクス レターズ(“E
lectronics Letters”）誌第 ２４巻４１５ぺージより
４１６ページ（１９８８）に記載されている。図２に示
すようにスイッチング領域に多重量子井戸を用いている
ため、バンドギャップに近い波長を用いて高い屈折率変
化を利用出来る利点があるが、高い消光比が得られにく
い、また動作電圧が高くなるなどの問題点を持ってい
る。
チ この方式は、例えば、エレクトロニクス レターズ(“E
lectronics Letters”）誌第 ２４巻４１５ぺージより
４１６ページ（１９８８）に記載されている。図２に示
すようにスイッチング領域に多重量子井戸を用いている
ため、バンドギャップに近い波長を用いて高い屈折率変
化を利用出来る利点があるが、高い消光比が得られにく
い、また動作電圧が高くなるなどの問題点を持ってい
る。
【０００６】（３）キャリヤ空乏型光スイッチ 例えばアイイーイーイー フォトニックス テクノロジ
ー レターズ（IEEEPhotonics Technology Letters）誌
第１１巻１６８ページから１７０ページに、あるいはジ
ャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジッ
クス(JapaneseJournal of Applied Physics)誌第３１巻
２７４８ページから２７５２ページに記載されているよ
うに、あらかじめ所定の領域にドープされたキャリヤを
外部から電界を印加して引き抜くことによってスイッチ
ングを行う。この方式の概要を図３に示す。この方式は
スイッチング領域が明確に規定されているため、全反射
が効率良く行われるという利点を持っているが、高い消
光比が得られにくい，駆動電圧が高くなるなどの問題点
がある。また、本方式のスイッチ構造は、導波路中にド
ープした比較的高濃度のキャリヤによる吸収損失のた
め、導波路損失が大きくなる、また空乏領域境界におけ
る散乱損失が大きくなるなどの問題点があった。
ー レターズ（IEEEPhotonics Technology Letters）誌
第１１巻１６８ページから１７０ページに、あるいはジ
ャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジッ
クス(JapaneseJournal of Applied Physics)誌第３１巻
２７４８ページから２７５２ページに記載されているよ
うに、あらかじめ所定の領域にドープされたキャリヤを
外部から電界を印加して引き抜くことによってスイッチ
ングを行う。この方式の概要を図３に示す。この方式は
スイッチング領域が明確に規定されているため、全反射
が効率良く行われるという利点を持っているが、高い消
光比が得られにくい，駆動電圧が高くなるなどの問題点
がある。また、本方式のスイッチ構造は、導波路中にド
ープした比較的高濃度のキャリヤによる吸収損失のた
め、導波路損失が大きくなる、また空乏領域境界におけ
る散乱損失が大きくなるなどの問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はこれま
で述べたような従来発表されている化合物半導体光スイ
ッチの問題点を克服し、キャリヤ注入型光スイッチ、言
い替えると順方向電圧印加型光スイッチの長所、すなわ
ち、十分なスイッチング特性を持ち、かつ逆方向電圧印
加型光スイッチの特徴である高速スイッチングなどの長
所を併せ持つ光スイッチを提供することにある。
で述べたような従来発表されている化合物半導体光スイ
ッチの問題点を克服し、キャリヤ注入型光スイッチ、言
い替えると順方向電圧印加型光スイッチの長所、すなわ
ち、十分なスイッチング特性を持ち、かつ逆方向電圧印
加型光スイッチの特徴である高速スイッチングなどの長
所を併せ持つ光スイッチを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では導波路に半絶縁性結晶を用い、スイッチ
ング領域にのみあらかじめその周囲の導波路よりも高い
濃度のキャリヤをドープしておき、この領域に逆方向電
界を印加することによってスイッチングを行う。
に、本発明では導波路に半絶縁性結晶を用い、スイッチ
ング領域にのみあらかじめその周囲の導波路よりも高い
濃度のキャリヤをドープしておき、この領域に逆方向電
界を印加することによってスイッチングを行う。
【０００９】この時、金属−半導体電界効果型トランジ
スタ（MESFET）構造のドレインとゲートの双方による電
界のみを用いることによって、スイッチング領域にドー
プされたキャリヤを迅速かつ効率的にスイッチングを行
うことを可能とするものである。
スタ（MESFET）構造のドレインとゲートの双方による電
界のみを用いることによって、スイッチング領域にドー
プされたキャリヤを迅速かつ効率的にスイッチングを行
うことを可能とするものである。
【００１０】
【作用】本発明の詳細を図面を用いて詳細に説明する。
図４（ａ）に本発明の半導体光スイッチの概要を示す。
また図４（ｂ）にMESFET構造部分（スイッチング領域Ａ
−Ａ′）の断面図を示す。ドレインおよびゲート電圧が
０のとき、すなわち、スイッチがオフ状態のとき、光導
波路２００より入射した光は、スイッチング領域にドー
プされた高濃度のキャリヤによって、この領域の屈折率
がその周囲の導波路のそれよりも低いために、その界面
で全反射され、出射端５００に導かれる。一方、ドレイ
ンおよびゲートに電界が印加されたとき、スイッチがオ
ン状態のとき、これらの電界によってドープされたキャ
リヤが引き抜かれるため、スイッチング領域の屈折率は
導波路のそれと一様になり、入射光は直進して出射端４
００に導かれる。
図４（ａ）に本発明の半導体光スイッチの概要を示す。
また図４（ｂ）にMESFET構造部分（スイッチング領域Ａ
−Ａ′）の断面図を示す。ドレインおよびゲート電圧が
０のとき、すなわち、スイッチがオフ状態のとき、光導
波路２００より入射した光は、スイッチング領域にドー
プされた高濃度のキャリヤによって、この領域の屈折率
がその周囲の導波路のそれよりも低いために、その界面
で全反射され、出射端５００に導かれる。一方、ドレイ
ンおよびゲートに電界が印加されたとき、スイッチがオ
ン状態のとき、これらの電界によってドープされたキャ
リヤが引き抜かれるため、スイッチング領域の屈折率は
導波路のそれと一様になり、入射光は直進して出射端４
００に導かれる。
【００１１】このようにして、外部からの電界によって
入射光を出射端４００，５００のいずれかにスイッチす
ることが可能となる。ここでゲート電圧は導波路の垂直
方向に印加され、ドレイン電圧は面内方向に印加される
ため、キャリヤは従来型の逆方向印加型光スイッチに比
較してより効果的に引き抜かれる。
入射光を出射端４００，５００のいずれかにスイッチす
ることが可能となる。ここでゲート電圧は導波路の垂直
方向に印加され、ドレイン電圧は面内方向に印加される
ため、キャリヤは従来型の逆方向印加型光スイッチに比
較してより効果的に引き抜かれる。
【００１２】
【実施例】本発明の一実施例を図４を用いて説明する。
ＧａＡｓ基板１００上に厚さ0.5μｍの半絶縁性AlGaAs
（Ａｌ：０.３，Ｇａ：０.７）バッファ層１０３，厚さ
０.５μｍ のキャリヤ濃度２×１０17／cm3InGaAs（Ｉ
ｎ：0.35，Ｇａ：0.65）光導波層１１２，厚さ０.１μ
ｍの１×１０16／cm3AlGaAs(Ａｌ：０.３，Ｇａ：０.
７)キャップ層１０７を順次エピタキシャル成長した。
次いで通常のフォトリソグラフィ技術および化学エッチ
ング法によって交差角４°，幅３μｍのＸ型光導波路２
００，３００，４００，５００を形成した。ＳｎＮｉ／
Ｎｉ／ＡｕＧｅ／Ａｕよりなるソースおよびドレインの
オーミック性電極１１５，１１４を図に示すようにスイ
ッチング領域１２１の周辺に蒸着し、３８０℃で合金化
した後、スイッチング領域の上部のドレイン側にＰｔ／
Ａｕを用いてゲートとなるショットキー電極を形成し
た。スイッチング領域１２１以外のＸ型光導波路にプロ
トンイオンを注入し、スイッチング領域を除く領域を半
絶縁とした。これにより、光導波路部分のキャリヤによ
る吸収損失は小さくなり、かつスイッチング領域との界
面において、前述のように両者で屈折率が異なるため、
全反射が生じる。
ＧａＡｓ基板１００上に厚さ0.5μｍの半絶縁性AlGaAs
（Ａｌ：０.３，Ｇａ：０.７）バッファ層１０３，厚さ
０.５μｍ のキャリヤ濃度２×１０17／cm3InGaAs（Ｉ
ｎ：0.35，Ｇａ：0.65）光導波層１１２，厚さ０.１μ
ｍの１×１０16／cm3AlGaAs(Ａｌ：０.３，Ｇａ：０.
７)キャップ層１０７を順次エピタキシャル成長した。
次いで通常のフォトリソグラフィ技術および化学エッチ
ング法によって交差角４°，幅３μｍのＸ型光導波路２
００，３００，４００，５００を形成した。ＳｎＮｉ／
Ｎｉ／ＡｕＧｅ／Ａｕよりなるソースおよびドレインの
オーミック性電極１１５，１１４を図に示すようにスイ
ッチング領域１２１の周辺に蒸着し、３８０℃で合金化
した後、スイッチング領域の上部のドレイン側にＰｔ／
Ａｕを用いてゲートとなるショットキー電極を形成し
た。スイッチング領域１２１以外のＸ型光導波路にプロ
トンイオンを注入し、スイッチング領域を除く領域を半
絶縁とした。これにより、光導波路部分のキャリヤによ
る吸収損失は小さくなり、かつスイッチング領域との界
面において、前述のように両者で屈折率が異なるため、
全反射が生じる。
【００１３】このようにして試作した光スイッチのゲー
トに電圧を印加すると、−１Ｖの電圧で空乏層は光導波
層とバッファ層界面に達し、−２Ｖという低電圧で活性
領域を完全にカバーする。さらにドレイン電圧によって
印加された横方向電界もまた活性領域の空乏化に大きく
作用する。数値シミュレーションによれば−２Ｖのゲー
ト電圧印加によって、１.９×１０17／cm3のキャリヤを
空乏化できる結果が得られている。
トに電圧を印加すると、−１Ｖの電圧で空乏層は光導波
層とバッファ層界面に達し、−２Ｖという低電圧で活性
領域を完全にカバーする。さらにドレイン電圧によって
印加された横方向電界もまた活性領域の空乏化に大きく
作用する。数値シミュレーションによれば−２Ｖのゲー
ト電圧印加によって、１.９×１０17／cm3のキャリヤを
空乏化できる結果が得られている。
【００１４】試作光スイッチに波長０.９８μｍ の半導
体レーザの光を入射し、導波路の両出射端における光出
力のゲート電圧依存性を測定した結果を図５に示す。消
光比は１５ｄＢに達し、実用上十分であることが実験的
に確かめられた。またこの結果から計算される屈折率変
化は、０.３２％ に達した。
体レーザの光を入射し、導波路の両出射端における光出
力のゲート電圧依存性を測定した結果を図５に示す。消
光比は１５ｄＢに達し、実用上十分であることが実験的
に確かめられた。またこの結果から計算される屈折率変
化は、０.３２％ に達した。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば本光スイッチは電圧印加
型であるために、キャリヤ注入型に比べ消費電力を大幅
に低減出来ることが期待でき、スイッチング速度がキャ
リヤの寿命に制限されないという利点がある。さらに伝
播損失が小さな半絶縁性結晶を用い、スイッチング領域
のみにドーピングを行う方式であるために、従来の電圧
印加型光スイッチに比べ、挿入損失を大幅に低減出来、
さらにスイッチング領域／光導波路界面における屈折率
不連続によって生じる散乱損失も低減することが出来
る。また半絶縁領域を含むMESFET構造によってスイッチ
ング領域に効果的に縦および横方向電界を印加する方式
であるため、従来方式の電圧印加型光スイッチに比べ、
低駆動電圧でかつ良好なスイッチング特性が得られる。
型であるために、キャリヤ注入型に比べ消費電力を大幅
に低減出来ることが期待でき、スイッチング速度がキャ
リヤの寿命に制限されないという利点がある。さらに伝
播損失が小さな半絶縁性結晶を用い、スイッチング領域
のみにドーピングを行う方式であるために、従来の電圧
印加型光スイッチに比べ、挿入損失を大幅に低減出来、
さらにスイッチング領域／光導波路界面における屈折率
不連続によって生じる散乱損失も低減することが出来
る。また半絶縁領域を含むMESFET構造によってスイッチ
ング領域に効果的に縦および横方向電界を印加する方式
であるため、従来方式の電圧印加型光スイッチに比べ、
低駆動電圧でかつ良好なスイッチング特性が得られる。
【図１】従来のキャリヤ注入型光スイッチの斜視図。
【図２】従来の多重量子井戸型光スイッチの斜視図。
【図３】従来の空乏型光スイッチの斜視図。
【図４】本発明による光スイッチの説明図。
【図５】本発明による光スイッチのスイッチング特性
図。
図。
１００…基板、１０１…リッジ型光導波路の底部、１０
２…リッジ型光導波路の側壁、１０３…バッファ層、１
０４…光導波層、１０７…スイッチング領域のクラッド
層、１０８…導波路クラッド層、１０９…第２の光導波
路、１１０…第１の光導波路、１１２…スイッチング領
域内部の導波層、１１３…ショットキー電極（ゲー
ト）、１１４…オーミック電極（ドレイン）、１１５…
オーミック電極（ソース）、１１６…ドレイン−スイッ
チング領域間チャネル、１２１…スイッチング領域、２
００…第１の光導波路入射口、３００…第２の光導波路
入射口、４００…第１の光導波路の出射口、５００…第
２の光導波路出射口。
２…リッジ型光導波路の側壁、１０３…バッファ層、１
０４…光導波層、１０７…スイッチング領域のクラッド
層、１０８…導波路クラッド層、１０９…第２の光導波
路、１１０…第１の光導波路、１１２…スイッチング領
域内部の導波層、１１３…ショットキー電極（ゲー
ト）、１１４…オーミック電極（ドレイン）、１１５…
オーミック電極（ソース）、１１６…ドレイン−スイッ
チング領域間チャネル、１２１…スイッチング領域、２
００…第１の光導波路入射口、３００…第２の光導波路
入射口、４００…第１の光導波路の出射口、５００…第
２の光導波路出射口。
Claims (12)
- 【請求項１】半絶縁結晶よりなる第１の光導波路と第２
の光導波路が互いに交差し、その交差領域の上部にゲー
トが配置され、かつその外側にソースおよびドレインが
配置されてMESFET構造をなしていることを特徴とする半
導体光スイッチ。 - 【請求項２】請求項１において、スイッチング領域が半
絶縁性結晶よりなる前記第１および第２の光導波路より
も高いキャリヤ濃度をもち、ドレイン側に配置されてい
る半導体光スイッチ。 - 【請求項３】請求項１または２において、ショットキー
電極を持っている半導体光スイッチ。 - 【請求項４】請求項１，２または３において、前記光導
波路を伝播する光信号がスイッチング領域におけるキャ
リヤの濃度変化によって引き起こされる屈折率変化によ
って、その伝播方向を変える半導体光スイッチ。 - 【請求項５】請求項１，２，３または４において、外部
より印加する電圧が無いとき、前記第１の光導波路に入
射した光信号が、前記スイッチング領域にドープされた
キャリヤによって前記領域が低い屈折率を持つために前
記第２の光導波路にその光路を変える半導体光スイッ
チ。 - 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
ドレインとゲートに印加する電圧によって前記スイッチ
ング領域からキャリヤを引き抜くことによって入射光信
号がその光路を変えずに伝播する半導体光スイッチ。 - 【請求項７】請求項１，２，３，４，５または６におい
て、ゲートおよびドレインに印加された電界によって実
効屈折率がキャリヤ引き抜き効果，バンドシフト効果，
プラズマ効果，電界効果，ポッケルス効果、およびフラ
ンツ−ケルディッシュ効果によって変化させる半導体光
導波路。 - 【請求項８】請求項７において、キャリヤの引き抜きが
ソース−ドレイン間の縦方向電界と、ソース−ドレイン
間の横方向電界とによって行われる半導体光導波路。 - 【請求項９】請求項１において、MESFET構造がソースお
よびドレインオーミック電極、およびショットキー電極
より構成されている半導体光スイッチ。 - 【請求項１０】請求項９において、スイッチング領域が
キャリヤ濃度の低いクラッド層と、キャリヤ濃度の高い
ガイド層からなる半導体光スイッチ。 - 【請求項１１】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９または１０において、スイッチング領域とドレイ
ンとがチャネルによって結合されている半導体光スイッ
チ。 - 【請求項１２】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９，１０または１１において、ソース、ドレイン電
極が導波路領域の外側に形成されている半導体光スイッ
チ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12234893A JPH06332017A (ja) | 1993-05-25 | 1993-05-25 | 半導体光スイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12234893A JPH06332017A (ja) | 1993-05-25 | 1993-05-25 | 半導体光スイッチ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06332017A true JPH06332017A (ja) | 1994-12-02 |
Family
ID=14833718
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12234893A Pending JPH06332017A (ja) | 1993-05-25 | 1993-05-25 | 半導体光スイッチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06332017A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005266632A (ja) * | 2004-03-22 | 2005-09-29 | Yokogawa Electric Corp | 光スイッチ |
| JP2009169188A (ja) * | 2008-01-17 | 2009-07-30 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光変調器 |
| WO2014062009A1 (ko) * | 2012-10-17 | 2014-04-24 | 한국과학기술원 | 빛의 반사 제어로 동작하는 광 로직 회로 및 그 광 로직 회로를 이용한 연산 장치 |
-
1993
- 1993-05-25 JP JP12234893A patent/JPH06332017A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005266632A (ja) * | 2004-03-22 | 2005-09-29 | Yokogawa Electric Corp | 光スイッチ |
| JP2009169188A (ja) * | 2008-01-17 | 2009-07-30 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光変調器 |
| WO2014062009A1 (ko) * | 2012-10-17 | 2014-04-24 | 한국과학기술원 | 빛의 반사 제어로 동작하는 광 로직 회로 및 그 광 로직 회로를 이용한 연산 장치 |
| KR101414400B1 (ko) * | 2012-10-17 | 2014-07-02 | 한국과학기술원 | 빛의 반사 제어로 동작하는 광 로직 회로 및 그 광 로직 회로를 이용한 연산 장치 |
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