JPH0646272B2 - 導波型光ゲートスイッチ - Google Patents
導波型光ゲートスイッチInfo
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- JPH0646272B2 JPH0646272B2 JP60112279A JP11227985A JPH0646272B2 JP H0646272 B2 JPH0646272 B2 JP H0646272B2 JP 60112279 A JP60112279 A JP 60112279A JP 11227985 A JP11227985 A JP 11227985A JP H0646272 B2 JPH0646272 B2 JP H0646272B2
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- G—PHYSICS
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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- G02F1/01708—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells in an optical wavequide structure
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光伝送路における光信号の開閉を行う光ゲート
スイッチに関するものである。
スイッチに関するものである。
近年の光通信システムの発展に伴ない、従来にない新し
い機能やサービスを提供するシステムが考えられてい
る。その様なシステムで必要とされるデバイスとして、
超高速切換が可能、低電圧動作，小型で集積化が容易と
いったより高性能な光スイッチが挙げられる。従来の光
スイッチとしてはプリズム，レンズ若しくは光伝送路自
体を移動させるいわゆる機械式のものが広く用いられて
いるが、スイッチング速度の高速性，動作の信頼性，他
の光素子との集積化等の事を考えると、今後は半導体を
用いた光スイッチが主流になると考えられる。半導体光
スイッチを大別すると、その制御手段により電界効果型
と電流注入型に分けられる。電界効果型としては、 （１）電界による光の吸収端の変化を利用したフランツ
・ケルディッシュ効果を用いたもの （２）電気光学効果による屈折率変化を利用した方向性
結合器 などがあり、電流注入型としては、 （３）電流注入による利得を利用した半導体レージスイ
ッチ （４）吸収を利用した自由キャリア吸収を使ったもの （５）屈折率変化を利用したフリーキャリア・プラズマ
効果を用いたもの などがある。（３）〜（５）の電流注入型の半導体光ス
イッチはそのスイッチング速度がキャリアの寿命によっ
て決まるために、数GHz以上の超高速動作を実現するの
は困難である。（１），（２）の電界効果型のものは、
そのスイッチング速度はスイッチの素子容量によって決
まってくるために数GHz以上の超高速動作は期待できる
ものの、実際にスイッチングを行うための動作電圧が高
いといった欠点がある。特に方向性結合器の場合は素子
長も数mmと比較的大きく、低電圧、小型集積化等の事を
同時に実現するのは困難である。（１）のフランツ・ケ
ルディッシュ効果を利用したものは方向性結合器に比べ
素子長が１mm前後と小さく、また光の吸収を利用したゲ
ート型スイッチであるために、低電圧化の可能性があ
り、スイッチの性能としては優れている。
い機能やサービスを提供するシステムが考えられてい
る。その様なシステムで必要とされるデバイスとして、
超高速切換が可能、低電圧動作，小型で集積化が容易と
いったより高性能な光スイッチが挙げられる。従来の光
スイッチとしてはプリズム，レンズ若しくは光伝送路自
体を移動させるいわゆる機械式のものが広く用いられて
いるが、スイッチング速度の高速性，動作の信頼性，他
の光素子との集積化等の事を考えると、今後は半導体を
用いた光スイッチが主流になると考えられる。半導体光
スイッチを大別すると、その制御手段により電界効果型
と電流注入型に分けられる。電界効果型としては、 （１）電界による光の吸収端の変化を利用したフランツ
・ケルディッシュ効果を用いたもの （２）電気光学効果による屈折率変化を利用した方向性
結合器 などがあり、電流注入型としては、 （３）電流注入による利得を利用した半導体レージスイ
ッチ （４）吸収を利用した自由キャリア吸収を使ったもの （５）屈折率変化を利用したフリーキャリア・プラズマ
効果を用いたもの などがある。（３）〜（５）の電流注入型の半導体光ス
イッチはそのスイッチング速度がキャリアの寿命によっ
て決まるために、数GHz以上の超高速動作を実現するの
は困難である。（１），（２）の電界効果型のものは、
そのスイッチング速度はスイッチの素子容量によって決
まってくるために数GHz以上の超高速動作は期待できる
ものの、実際にスイッチングを行うための動作電圧が高
いといった欠点がある。特に方向性結合器の場合は素子
長も数mmと比較的大きく、低電圧、小型集積化等の事を
同時に実現するのは困難である。（１）のフランツ・ケ
ルディッシュ効果を利用したものは方向性結合器に比べ
素子長が１mm前後と小さく、また光の吸収を利用したゲ
ート型スイッチであるために、低電圧化の可能性があ
り、スイッチの性能としては優れている。
フランツ・ケルディッシュ効果というのは、電界印加に
よりそれに応じて基礎吸収端が長波長側へ遷移するとい
う効果である。スイッチの導波層（ここで導波層とは光
が伝搬する半導体層のことである）のバンドギャップ波
長λｇを光源の波長λよりも少し短めにとっておくと、
電界が加わらない時はλがλｇよりも長いために光の吸
収は起こらないが、電界が加わり基礎吸収端が長波長側
へ遷移しλ以上になるとそれに応じた光の吸収が起こ
る。この効果を利用すると電界によって光の吸収を制御
するゲートスイッチを製作することができる。以下、フ
ランツ・ケルディッシュ効果を用いた従来の導波型の光
ゲートスイッチについて説明する。
よりそれに応じて基礎吸収端が長波長側へ遷移するとい
う効果である。スイッチの導波層（ここで導波層とは光
が伝搬する半導体層のことである）のバンドギャップ波
長λｇを光源の波長λよりも少し短めにとっておくと、
電界が加わらない時はλがλｇよりも長いために光の吸
収は起こらないが、電界が加わり基礎吸収端が長波長側
へ遷移しλ以上になるとそれに応じた光の吸収が起こ
る。この効果を利用すると電界によって光の吸収を制御
するゲートスイッチを製作することができる。以下、フ
ランツ・ケルディッシュ効果を用いた従来の導波型の光
ゲートスイッチについて説明する。
第３図にＩｎＰ系の材料を用いた場合のフランツ・ケル
ディッシュ効果を用いた導波型光ゲートスイッチの斜視
図を示す。n+−ＩｎＰ基板11の上にＩｎＰよりも屈折率
の高い単層のn-−ＩｎＧａＡｓＰ導波層12、さらにその
上にn-−ＩｎＰ層13が第３図の様に積層され、n-−Ｉｎ
Ｐ層13の中にp+−ＩｎＰ14が逆バイアス電界を導波型12
に有効に印加させるように拡散されている。また電極1
5，電極16は逆バイアス印加用の電極である。p+側の電
極15はストライプ状であり、その両側のＩｎＰ層13は第
３図に示すように途中までエッチングされ導波層12がリ
ブ型の３次元導波路を形成する構造となっている。入射
光17は導波型光ゲートスイッチの導波層12に入射され
る。この場合、n-−ＩｎＧａＡｓＰ導波層12のバンドギ
ャップ波長λｇは光源の波長λよりも少し短かめの組成
にされているので、電界が印加されてない時は入射光17
は導波層12内で吸収を受けずにそのまま出射光18として
出力される。しかし、一旦導波層12に電界が印加される
と、n-−ＩｎＧａＡｓＰ導波層12の基礎吸収端は長波長
側へ遷移し、波長λの光は導波層12内で吸収を受ける結
果、出力光18を取り出すことはできない。この様にして
導波型光ゲートスイッチが得られる。
ディッシュ効果を用いた導波型光ゲートスイッチの斜視
図を示す。n+−ＩｎＰ基板11の上にＩｎＰよりも屈折率
の高い単層のn-−ＩｎＧａＡｓＰ導波層12、さらにその
上にn-−ＩｎＰ層13が第３図の様に積層され、n-−Ｉｎ
Ｐ層13の中にp+−ＩｎＰ14が逆バイアス電界を導波型12
に有効に印加させるように拡散されている。また電極1
5，電極16は逆バイアス印加用の電極である。p+側の電
極15はストライプ状であり、その両側のＩｎＰ層13は第
３図に示すように途中までエッチングされ導波層12がリ
ブ型の３次元導波路を形成する構造となっている。入射
光17は導波型光ゲートスイッチの導波層12に入射され
る。この場合、n-−ＩｎＧａＡｓＰ導波層12のバンドギ
ャップ波長λｇは光源の波長λよりも少し短かめの組成
にされているので、電界が印加されてない時は入射光17
は導波層12内で吸収を受けずにそのまま出射光18として
出力される。しかし、一旦導波層12に電界が印加される
と、n-−ＩｎＧａＡｓＰ導波層12の基礎吸収端は長波長
側へ遷移し、波長λの光は導波層12内で吸収を受ける結
果、出力光18を取り出すことはできない。この様にして
導波型光ゲートスイッチが得られる。
このようなフランツ・ケルディッシュ効果を利用した従
来の単層構造の導波型ゲートスイッチについて第４図を
用いて、スイッチング電圧又は電界，バンドギャップ波
長及び光源波長，消光比，素子長などに関して定量的に
述べる。第４図は「アプライド・フィジクス・レターズ
(Appl.Phys.Lett.34(1979)744)」に記載されているもの
を引用したのものであり、電界による吸収係数の変化を
横軸を波長にして示したものである。この場合、ＩｎＧ
ａＡｓＰのフランツ・ケルディッシュ効果について説明
する。第４図中の実線は、ＩｎＧａＡｓＰに加わる電界
Ｅがゼロの場合と５×104Ｖ／cmの場合における波長と
吸収係数の関係を示している。ここではＩｎＧａＡｓＰ
のバンドギャップ波長λｇ＝1.20μｍとしている。
来の単層構造の導波型ゲートスイッチについて第４図を
用いて、スイッチング電圧又は電界，バンドギャップ波
長及び光源波長，消光比，素子長などに関して定量的に
述べる。第４図は「アプライド・フィジクス・レターズ
(Appl.Phys.Lett.34(1979)744)」に記載されているもの
を引用したのものであり、電界による吸収係数の変化を
横軸を波長にして示したものである。この場合、ＩｎＧ
ａＡｓＰのフランツ・ケルディッシュ効果について説明
する。第４図中の実線は、ＩｎＧａＡｓＰに加わる電界
Ｅがゼロの場合と５×104Ｖ／cmの場合における波長と
吸収係数の関係を示している。ここではＩｎＧａＡｓＰ
のバンドギャップ波長λｇ＝1.20μｍとしている。
従来の単層構造の場合、λｇ＝1.20μｍとなる組成で導
波層を製作しても基礎吸収端の形状は1.20μｍのところ
できれいには切れず、長波長側へ大きく裾（テイル）を
ひいてしまうために、第４に示す様にＥ＝０Ｖ／cmの場
合においてもλ＝1.28μｍ以下の波長の光はそれに応じ
た吸収を受ける。従ってＥ＝０Ｖ／cmにおいて光源の光
が吸収を受けない様にするには、ＩｎＧａＡｓＰのバン
ドギャップ波長λｇと入射光の波長λは0.08μｍ〜0.1
μｍ程度広く離さなければならない。ここでバンドギャ
ップ波長λｇ＝1.20μｍ，入射光の波長λ1.29μｍの場
合について述べる。層厚１μｍの導波層に電界を印加す
ると、第４図より５Ｖで50cm-1の吸収係数が得られるこ
とがわかる。ゲートスイッチとして必要な素子長を１mm
以下、消光比を20dB以上とすると、その時の吸収係数は
46cm-1以上が必要となってくる。従って従来の単層構造
の場合、フランツ・ケルディッシュ効果を利用して素子
長１mm以下，消光比20dB以上の導波型光ゲートスイッチ
を得ようとすると、スイッチング電圧は５Ｖ以上が必要
である。
波層を製作しても基礎吸収端の形状は1.20μｍのところ
できれいには切れず、長波長側へ大きく裾（テイル）を
ひいてしまうために、第４に示す様にＥ＝０Ｖ／cmの場
合においてもλ＝1.28μｍ以下の波長の光はそれに応じ
た吸収を受ける。従ってＥ＝０Ｖ／cmにおいて光源の光
が吸収を受けない様にするには、ＩｎＧａＡｓＰのバン
ドギャップ波長λｇと入射光の波長λは0.08μｍ〜0.1
μｍ程度広く離さなければならない。ここでバンドギャ
ップ波長λｇ＝1.20μｍ，入射光の波長λ1.29μｍの場
合について述べる。層厚１μｍの導波層に電界を印加す
ると、第４図より５Ｖで50cm-1の吸収係数が得られるこ
とがわかる。ゲートスイッチとして必要な素子長を１mm
以下、消光比を20dB以上とすると、その時の吸収係数は
46cm-1以上が必要となってくる。従って従来の単層構造
の場合、フランツ・ケルディッシュ効果を利用して素子
長１mm以下，消光比20dB以上の導波型光ゲートスイッチ
を得ようとすると、スイッチング電圧は５Ｖ以上が必要
である。
また、この場合のスイッチング速度について考える。フ
ランツ・ケルディッシュ効果を利用した導波型光ゲート
スイッチを含む電界による効果を利用したスイッチにお
いてはスイッチング速度はスイッチの素子容量によって
決まってくるため、素子長１mm，電界が印加される厚み
１μｍ，幅５μｍとすると12ＧＨｚの変調が可能という
ことになる。その様な可能性はあるものの、実際に10Ｇ
Ｈｚ以上の超高速変調を行うためにはその超高速の駆動
回路が必要であり、そのためのスイッチング電圧は２Ｖ
以下が必要となってくる。前述した様に、従来の単層構
造の結晶においては基礎吸収端の裾びきのためにバンド
ギャップ波長λｇと光源の波長λを近づけることはでき
ず、従って所望の吸収係数を得る為の電圧は高く、２Ｖ
以下に下げることは困難であった。
ランツ・ケルディッシュ効果を利用した導波型光ゲート
スイッチを含む電界による効果を利用したスイッチにお
いてはスイッチング速度はスイッチの素子容量によって
決まってくるため、素子長１mm，電界が印加される厚み
１μｍ，幅５μｍとすると12ＧＨｚの変調が可能という
ことになる。その様な可能性はあるものの、実際に10Ｇ
Ｈｚ以上の超高速変調を行うためにはその超高速の駆動
回路が必要であり、そのためのスイッチング電圧は２Ｖ
以下が必要となってくる。前述した様に、従来の単層構
造の結晶においては基礎吸収端の裾びきのためにバンド
ギャップ波長λｇと光源の波長λを近づけることはでき
ず、従って所望の吸収係数を得る為の電圧は高く、２Ｖ
以下に下げることは困難であった。
この様に従来の単層構造の結晶におけるフランツ・ケル
ディッシュ効果を利用した導波型光ゲートスイッチにお
いては超高速変調の可能性はあるものの、それに応じた
低電圧化が困難であったため、その可能性が十分に生か
されていなかった。また、ここではＩｎＰ系の材料につ
いて説明したが、導波層に電界を印加する手段を有して
いればＧａＡｓ系の材料を用いても、また、構造も第３
図以外の構造を考えたとしても、ほぼ同様な説明が成り
立つ。
ディッシュ効果を利用した導波型光ゲートスイッチにお
いては超高速変調の可能性はあるものの、それに応じた
低電圧化が困難であったため、その可能性が十分に生か
されていなかった。また、ここではＩｎＰ系の材料につ
いて説明したが、導波層に電界を印加する手段を有して
いればＧａＡｓ系の材料を用いても、また、構造も第３
図以外の構造を考えたとしても、ほぼ同様な説明が成り
立つ。
また、導波型の光ゲートスイッチではないが、印加電界
による光の吸収を利用したものに、文献「アプライド・
フィジクス・レターズ(Appl.Phys.Lett.44(1984)16)」
に記載されているＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓを用いた「ハ
イスピード・オプティカル・モジュレーション」という
ものがある。これは500Å以下の禁制帯幅の異なる半導
体層を交互に積層し多層構造を形成し、そこに電界を印
加しその制御を行なっているが、その多層構造のヘテロ
界面と光の入射，伝搬方向が垂直であり、導波構造を有
していないため、光の吸収が起こる領域が短く、基礎吸
収端に非常に近いところではフランツ・ケルディッシュ
効果よりも吸収の大きいエキシトンの吸収を使っても十
分な吸収は得られていないためスイッチの性能としては
不十分なものである。また入射光が層方向に対し垂直で
あるために他素子例えば導波型の半導体レーザとの集積
化などに難があった。
による光の吸収を利用したものに、文献「アプライド・
フィジクス・レターズ(Appl.Phys.Lett.44(1984)16)」
に記載されているＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓを用いた「ハ
イスピード・オプティカル・モジュレーション」という
ものがある。これは500Å以下の禁制帯幅の異なる半導
体層を交互に積層し多層構造を形成し、そこに電界を印
加しその制御を行なっているが、その多層構造のヘテロ
界面と光の入射，伝搬方向が垂直であり、導波構造を有
していないため、光の吸収が起こる領域が短く、基礎吸
収端に非常に近いところではフランツ・ケルディッシュ
効果よりも吸収の大きいエキシトンの吸収を使っても十
分な吸収は得られていないためスイッチの性能としては
不十分なものである。また入射光が層方向に対し垂直で
あるために他素子例えば導波型の半導体レーザとの集積
化などに難があった。
以上の様に従来は、低電圧動作で超高速変調が可能、し
かも高い消光比が得られ、集積化にも適するような光ゲ
ートスイッチは得られていなかった。
かも高い消光比が得られ、集積化にも適するような光ゲ
ートスイッチは得られていなかった。
本発明の目的は上述したような従来の印加電界によって
光の吸収を制御する光ゲートスイッチの欠点を除去し、
小型かつ集積化に適し、低電圧で動作し、超高速変調が
可能な導波型光ゲートスイッチを提供することにある。
光の吸収を制御する光ゲートスイッチの欠点を除去し、
小型かつ集積化に適し、低電圧で動作し、超高速変調が
可能な導波型光ゲートスイッチを提供することにある。
本発明の導波型光ゲートスイッチは、印加電界に応じて
基礎吸収端が長波長側へ遷移するフランツ・ケルディッ
シュ効果を利用して半導体の吸収損失を印加電界によっ
て制御する導波型光ゲートスイッチにおいて、前記導波
型光ゲートスイッチの光を吸収する部分が半導体層と前
記半導体層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有する半導
体層とが交互に積層された多層構造を有し、かつ前記多
層構造のヘテロ界面が光の伝搬方向と平行であり、光の
伝搬方向と垂直な断面で前記多層構造の平均屈折率より
低い屈折率の半導体が前記多層構造を両側からはさみ前
記多層構造が導波構造を形成していることを特徴として
いる。
基礎吸収端が長波長側へ遷移するフランツ・ケルディッ
シュ効果を利用して半導体の吸収損失を印加電界によっ
て制御する導波型光ゲートスイッチにおいて、前記導波
型光ゲートスイッチの光を吸収する部分が半導体層と前
記半導体層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有する半導
体層とが交互に積層された多層構造を有し、かつ前記多
層構造のヘテロ界面が光の伝搬方向と平行であり、光の
伝搬方向と垂直な断面で前記多層構造の平均屈折率より
低い屈折率の半導体が前記多層構造を両側からはさみ前
記多層構造が導波構造を形成していることを特徴として
いる。
〔構成の詳細な説明〕 本発明は上述の構成をとることにより従来技術の問題点
を解決した。導波層を上述した多層構造（以下これを多
重量子井戸構造と呼ぶ）にした場合においても、その導
波層に電界を印加することにより基礎吸収端の長波長側
の吸収係数が増大してフランツ・ケルディッシュ効果が
みられる。また、電界印加がない場合は、多重量子井戸
構造による量子効果（エネルギー準位が量子化される）
のためにバンドギャップ波長付近での裾びきがなくなり
基礎吸収端が非常に急峻化された。従って、基礎吸収単
の裾びきのために、導波層のバンドギャップ波長λｇと
光源波長λを大きく離しておかねばならなかった従来の
光ゲートスイッチに比べ、導波層を多重量子井戸構造に
することにより、光源波長λを導波層のバンドギャップ
波長λｇの長波長近傍に設定することができ、小さな電
界変化により大きな吸収係数の変化を得ることができ
る。この様に導波層を多重量子井戸構造にすることによ
り、非常に低電圧で従って超高速変調も可能なフランツ
・ケルディッシュ効果を用いた導波型光ゲートスイッチ
が得られる。
を解決した。導波層を上述した多層構造（以下これを多
重量子井戸構造と呼ぶ）にした場合においても、その導
波層に電界を印加することにより基礎吸収端の長波長側
の吸収係数が増大してフランツ・ケルディッシュ効果が
みられる。また、電界印加がない場合は、多重量子井戸
構造による量子効果（エネルギー準位が量子化される）
のためにバンドギャップ波長付近での裾びきがなくなり
基礎吸収端が非常に急峻化された。従って、基礎吸収単
の裾びきのために、導波層のバンドギャップ波長λｇと
光源波長λを大きく離しておかねばならなかった従来の
光ゲートスイッチに比べ、導波層を多重量子井戸構造に
することにより、光源波長λを導波層のバンドギャップ
波長λｇの長波長近傍に設定することができ、小さな電
界変化により大きな吸収係数の変化を得ることができ
る。この様に導波層を多重量子井戸構造にすることによ
り、非常に低電圧で従って超高速変調も可能なフランツ
・ケルディッシュ効果を用いた導波型光ゲートスイッチ
が得られる。
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図は本発明の１つの実施例を示す図であ
り、多重量子井戸構造におけるフランツ・ケルディッシ
ュ効果を用いた導波型光ゲートスイッチの斜視図を示
す。尚、本実施例ではＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の半導
体材料を用いたものにつき説明する。
明する。第１図は本発明の１つの実施例を示す図であ
り、多重量子井戸構造におけるフランツ・ケルディッシ
ュ効果を用いた導波型光ゲートスイッチの斜視図を示
す。尚、本実施例ではＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の半導
体材料を用いたものにつき説明する。
本実施例の導波型光ゲートスイッチは、次のようなプロ
セスで製作される。n+−ＩｎＰ基板１の上に気相成長等
の方法により導波層となるべき多重量子井戸層２を積層
する。この多重量子井戸構造は、n-×ＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層と、この層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有
する層厚200Åのn-−ＩｎＰ層、すなわち障壁層とを25
周期交互に積層し多層構造とした。更に多重量子井戸層
の上にn-−ＩｎＰ層３を積層し、ｐ−ｎ接合を形成する
ために、n-−ＩｎＰ層３の中で導波路となる部分の上に
p+−ＩｎＰ層４を亜鉛（Ｚｎ）の選択的拡散により形成
する。更に、p+−ＩｎＰ層４の上に金−亜鉛を用いオー
ミック接触を形成し、ｐ側のストライプ電極５を取りつ
け、ストライプ電極５をマスクとしてストライプ電極５
の両側のＩｎＰ層３をエッチングによりＩｎＰ層３の途
中まで削除してリブ型導波路を形成する。その後、n+−
ＩｎＰ基板１に金−錫を用いオーミック接触を形成し、
ｎ側電極６を取りつける。なお、多重量子井戸層２をは
さむn+−ＩｎＰ基板１およびn-−ＩｎＰ層３の各屈折率
は、多重量子井戸層２の平均屈折率より低くなるように
選定する。ここで述べた製作プロセスはあくまでも一例
であって、n-−ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層，n-−ＩｎＰ
障壁層より成る多重量子井戸構造である導波層２に電界
が印加できる構造がとれればよく、特に製作プロセスは
限定されない。
セスで製作される。n+−ＩｎＰ基板１の上に気相成長等
の方法により導波層となるべき多重量子井戸層２を積層
する。この多重量子井戸構造は、n-×ＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層と、この層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有
する層厚200Åのn-−ＩｎＰ層、すなわち障壁層とを25
周期交互に積層し多層構造とした。更に多重量子井戸層
の上にn-−ＩｎＰ層３を積層し、ｐ−ｎ接合を形成する
ために、n-−ＩｎＰ層３の中で導波路となる部分の上に
p+−ＩｎＰ層４を亜鉛（Ｚｎ）の選択的拡散により形成
する。更に、p+−ＩｎＰ層４の上に金−亜鉛を用いオー
ミック接触を形成し、ｐ側のストライプ電極５を取りつ
け、ストライプ電極５をマスクとしてストライプ電極５
の両側のＩｎＰ層３をエッチングによりＩｎＰ層３の途
中まで削除してリブ型導波路を形成する。その後、n+−
ＩｎＰ基板１に金−錫を用いオーミック接触を形成し、
ｎ側電極６を取りつける。なお、多重量子井戸層２をは
さむn+−ＩｎＰ基板１およびn-−ＩｎＰ層３の各屈折率
は、多重量子井戸層２の平均屈折率より低くなるように
選定する。ここで述べた製作プロセスはあくまでも一例
であって、n-−ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層，n-−ＩｎＰ
障壁層より成る多重量子井戸構造である導波層２に電界
が印加できる構造がとれればよく、特に製作プロセスは
限定されない。
以上のようにして製作され、かつ上述したような構造の
導波型光ゲートスイッチにおいて、多重量子井戸構造の
ヘテロ界面に平行に光を入射させる場合に、電波層２へ
の入射光７は電極５と電極６の間に逆バイアス電圧を加
えない時、即ち導波層２に電界が印加されていない場
合、層方向に対して垂直方向にはn-−ＩｎＧａＡｓＰ，
n-−ＩｎＰ多重量子井戸構造による導波層２の平均的な
屈折率と、その導波層２をはさむＩｎＰ基板１及びＩｎ
Ｐ層３の屈折率との差により、水平方向にはリブ型構造
による等価的な屈折率差のために閉じ込められ３次元的
に導波し出射光８として取り出される。
導波型光ゲートスイッチにおいて、多重量子井戸構造の
ヘテロ界面に平行に光を入射させる場合に、電波層２へ
の入射光７は電極５と電極６の間に逆バイアス電圧を加
えない時、即ち導波層２に電界が印加されていない場
合、層方向に対して垂直方向にはn-−ＩｎＧａＡｓＰ，
n-−ＩｎＰ多重量子井戸構造による導波層２の平均的な
屈折率と、その導波層２をはさむＩｎＰ基板１及びＩｎ
Ｐ層３の屈折率との差により、水平方向にはリブ型構造
による等価的な屈折率差のために閉じ込められ３次元的
に導波し出射光８として取り出される。
次に導波層２に電界が印加された場合を考える。その場
合入射光７は導波層２の中で印加された電界に応じた吸
収を受ける。導波層２は多重量子井戸構造をとっている
ために導波層２の中のＩｎＧａＡｓＰの基礎吸収端はＩ
ｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長λｇ付近で急峻化さ
れている。従って入射光７の波長λをＩｎＧａＡｓＰの
バンドギャップ波長λｇの長波長近傍に設定することが
でき、その結果小さな電界で大きな吸収が得られ、フラ
ンツ・ケルディッシュ効果を用いた導波型光ゲートスイ
ッチの低電圧化が図れる。
合入射光７は導波層２の中で印加された電界に応じた吸
収を受ける。導波層２は多重量子井戸構造をとっている
ために導波層２の中のＩｎＧａＡｓＰの基礎吸収端はＩ
ｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長λｇ付近で急峻化さ
れている。従って入射光７の波長λをＩｎＧａＡｓＰの
バンドギャップ波長λｇの長波長近傍に設定することが
でき、その結果小さな電界で大きな吸収が得られ、フラ
ンツ・ケルディッシュ効果を用いた導波型光ゲートスイ
ッチの低電圧化が図れる。
更に多重量子井戸構造におけるフランツ・ケルディッシ
ュ効果を利用した導波型光ゲートスイッチについて、第
２図を用いて、スイッチング電圧又は電界，バンドギャ
ップ波長及び光源波長，消光比，素子長などに関して定
量的に述べる。従来例と同様に材料はＩｎＧａＡｓＰを
例にとってその多重量子井戸構造におけるフランツ・ケ
ルディッシュ効果について説明する。第２図において横
軸は波長，縦軸は吸収係数を示している。また第２図中
の実線はＩｎＧａＡｓＰに加わる電界がゼロの場合と２
×104Ｖ／cmの場合における波長と吸収係数の関係を示
している。ここではＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波
長λｇ＝1.20μｍとしている。第２図のＥ＝０Ｖ／cmの
実線で示されている様に、多重量子井戸構造にした場
合、基礎吸収端の形状はλｇのところで非常に急峻な形
となっている。従って従来の導波型光ゲートスイッチに
比べ光源波長λをλｇに非常に近づけることができる。
そのためここではλｇ＝1.20μｍ、入射光の波長λ＝1.
24μｍとした場合について述べる。多重量子井戸構造に
よる導波層の厚み１μｍのところに電界を印加すると第
２図より２Ｖで50cm-1の吸収係数が得られることがわか
る。従来例の場合と同様にゲートスイッチとして必要な
素子長を１mm以下，消光比20dB以上とすると、その時の
吸収係数は46cm-1以上が必要である。従って導波層を多
重量子井戸構造にした場合には、フランツ・ケルディッ
シュ効果を利用して、素子長１mm以下、消光比20dB以上
の導波型光ゲートスイッチのスイッチング電圧は２Ｖで
よいことになる。この程度のスイッチング電圧であれば
実際の駆動回路の問題を含め10ＧＨｚ以上の超高速変調
を行うことができ、超高速で低電圧の導波型光ゲートス
イッチが得られる。また、スイッチング速度の問題は従
来例で説明した様に導波型光ゲートスイッチの素子とし
ては10ＧＨｚ以上の超高速変調の可能性をもっているこ
とは特に言うまでもない。
ュ効果を利用した導波型光ゲートスイッチについて、第
２図を用いて、スイッチング電圧又は電界，バンドギャ
ップ波長及び光源波長，消光比，素子長などに関して定
量的に述べる。従来例と同様に材料はＩｎＧａＡｓＰを
例にとってその多重量子井戸構造におけるフランツ・ケ
ルディッシュ効果について説明する。第２図において横
軸は波長，縦軸は吸収係数を示している。また第２図中
の実線はＩｎＧａＡｓＰに加わる電界がゼロの場合と２
×104Ｖ／cmの場合における波長と吸収係数の関係を示
している。ここではＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波
長λｇ＝1.20μｍとしている。第２図のＥ＝０Ｖ／cmの
実線で示されている様に、多重量子井戸構造にした場
合、基礎吸収端の形状はλｇのところで非常に急峻な形
となっている。従って従来の導波型光ゲートスイッチに
比べ光源波長λをλｇに非常に近づけることができる。
そのためここではλｇ＝1.20μｍ、入射光の波長λ＝1.
24μｍとした場合について述べる。多重量子井戸構造に
よる導波層の厚み１μｍのところに電界を印加すると第
２図より２Ｖで50cm-1の吸収係数が得られることがわか
る。従来例の場合と同様にゲートスイッチとして必要な
素子長を１mm以下，消光比20dB以上とすると、その時の
吸収係数は46cm-1以上が必要である。従って導波層を多
重量子井戸構造にした場合には、フランツ・ケルディッ
シュ効果を利用して、素子長１mm以下、消光比20dB以上
の導波型光ゲートスイッチのスイッチング電圧は２Ｖで
よいことになる。この程度のスイッチング電圧であれば
実際の駆動回路の問題を含め10ＧＨｚ以上の超高速変調
を行うことができ、超高速で低電圧の導波型光ゲートス
イッチが得られる。また、スイッチング速度の問題は従
来例で説明した様に導波型光ゲートスイッチの素子とし
ては10ＧＨｚ以上の超高速変調の可能性をもっているこ
とは特に言うまでもない。
また、ここではＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長を
λｇ＝1.20μｍ，入射光の波長をλ＝1.24μｍとした
が、これはあくまでも一例である。入射光の波長λをそ
のλのゆらぎ等でλがλｇ以下になることのない範囲内
でλｇにもっと近づければ、更に低電圧化，高消光比化
が図れることは第２図より明らかである。また、導波路
形状に関しても特に実施例に限定されるものではなく、
導波層に有効に電界が印加でき光が３次元的に導波する
構造であればよい。また、多重量子井戸構造における各
層厚についても、実施例では量子井戸層200Å，障壁層2
00Åとしたが、これも特に規定はなく量子井戸層が500
Å以下であり、基礎吸収端の急峻化といった量子効果が
現れる層厚であればよい。更に、重量子井戸層と障壁層
の周期に関しても、実施例に限定するものではない。ま
た、半導体材料に関してもＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の
材料のみならずＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の材料などを
用いてもよい。
λｇ＝1.20μｍ，入射光の波長をλ＝1.24μｍとした
が、これはあくまでも一例である。入射光の波長λをそ
のλのゆらぎ等でλがλｇ以下になることのない範囲内
でλｇにもっと近づければ、更に低電圧化，高消光比化
が図れることは第２図より明らかである。また、導波路
形状に関しても特に実施例に限定されるものではなく、
導波層に有効に電界が印加でき光が３次元的に導波する
構造であればよい。また、多重量子井戸構造における各
層厚についても、実施例では量子井戸層200Å，障壁層2
00Åとしたが、これも特に規定はなく量子井戸層が500
Å以下であり、基礎吸収端の急峻化といった量子効果が
現れる層厚であればよい。更に、重量子井戸層と障壁層
の周期に関しても、実施例に限定するものではない。ま
た、半導体材料に関してもＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の
材料のみならずＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の材料などを
用いてもよい。
以上詳細に説明したように本発明によれば、従来の単層
構造におけるフランツ・ケルディッシュ効果を用いた導
波型光ゲートスイッチに比べ低電圧化（今まで５Ｖ程度
で動作していたものが２Ｖ以下で動作する）が可能とな
り、それに伴って超高速変調が可能な導波型光ゲートス
イッチを得ることができ、将来の光機能素子，光回路，
又はそれらを集積化，システム化した光通信及び光情報
処理システム等の実現に寄与するところ大である。
構造におけるフランツ・ケルディッシュ効果を用いた導
波型光ゲートスイッチに比べ低電圧化（今まで５Ｖ程度
で動作していたものが２Ｖ以下で動作する）が可能とな
り、それに伴って超高速変調が可能な導波型光ゲートス
イッチを得ることができ、将来の光機能素子，光回路，
又はそれらを集積化，システム化した光通信及び光情報
処理システム等の実現に寄与するところ大である。
第１図はシステムによる導波型光ゲートスイッチの一実
施例を説明するための図、 第２図は第１図の導波型光ゲートスイッチにおける入射
光波長λとその吸収係数の関係を導波層にかかる電界が
Ｅ＝０Ｖ／cmとＥ＝２×104Ｖ／cmの場合について示す
図、 第３図は従来のバルクにおけるフランツ・ケルディッシ
ュ効果を用いた導波型光ゲートスイッチを説明するため
の図、 第４図は第３図のバルクの導波型光ゲートスイッチにお
ける入射光波長λとその吸収係数の関係を導波層にかか
る電界がＥ＝０Ｖ／cmとＥ＝５×104Ｖ／cmの場合につ
いて示す図である。 １，11……n+−ＩｎＰ基板 ２……n-−ＩｎＧａＡｓＰ，n-−ＩｎＰの多重量子井戸
層 ３，13……n-−ＩｎＰ層 ４，14……p+−ＩｎＰ層 ５，６，15，16……電極 ７，17……入射光 ８，18……出射光 12……n-−ＩｎＧａＡｓＰ導波層
施例を説明するための図、 第２図は第１図の導波型光ゲートスイッチにおける入射
光波長λとその吸収係数の関係を導波層にかかる電界が
Ｅ＝０Ｖ／cmとＥ＝２×104Ｖ／cmの場合について示す
図、 第３図は従来のバルクにおけるフランツ・ケルディッシ
ュ効果を用いた導波型光ゲートスイッチを説明するため
の図、 第４図は第３図のバルクの導波型光ゲートスイッチにお
ける入射光波長λとその吸収係数の関係を導波層にかか
る電界がＥ＝０Ｖ／cmとＥ＝５×104Ｖ／cmの場合につ
いて示す図である。 １，11……n+−ＩｎＰ基板 ２……n-−ＩｎＧａＡｓＰ，n-−ＩｎＰの多重量子井戸
層 ３，13……n-−ＩｎＰ層 ４，14……p+−ＩｎＰ層 ５，６，15，16……電極 ７，17……入射光 ８，18……出射光 12……n-−ＩｎＧａＡｓＰ導波層
Claims (1)
- 【請求項１】印加電界に応じて基礎吸収端が長波長側へ
遷移するフランツ・ケルディッシュ効果を利用して半導
体の吸収損失を印加電界によって制御する導波型光ゲー
トスイッチにおいて、前記導波型光ゲートスイッチの光
を吸収する部分が半導体層と前記半導体層の禁制帯幅よ
り大きい禁制帯幅を有する半導体層とが交互に積層され
た多層構造を有し、かつ前記多層構造のヘテロ界面が光
の伝搬方向と平行であり、光の伝搬方向と垂直な断面で
前記多層構造の平均屈折率より低い屈折率の半導体が前
記多層構造を両側からはさみ前記多層構造が導波構造を
形成していることを特徴とする導波型光ゲートスイッ
チ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60112279A JPH0646272B2 (ja) | 1985-05-27 | 1985-05-27 | 導波型光ゲートスイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60112279A JPH0646272B2 (ja) | 1985-05-27 | 1985-05-27 | 導波型光ゲートスイッチ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61270726A JPS61270726A (ja) | 1986-12-01 |
| JPH0646272B2 true JPH0646272B2 (ja) | 1994-06-15 |
Family
ID=14582719
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60112279A Expired - Lifetime JPH0646272B2 (ja) | 1985-05-27 | 1985-05-27 | 導波型光ゲートスイッチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0646272B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8727212D0 (en) * | 1987-11-20 | 1987-12-23 | Secr Defence | Optical beam steering device |
| JPH01217416A (ja) * | 1988-02-26 | 1989-08-31 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 光変調素子 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56150724A (en) * | 1980-04-23 | 1981-11-21 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Optical frequency modulator |
| JPS6017717A (ja) * | 1983-07-12 | 1985-01-29 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 半導体光変調素子 |
-
1985
- 1985-05-27 JP JP60112279A patent/JPH0646272B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61270726A (ja) | 1986-12-01 |
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