JPH0656457B2 - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JPH0656457B2
JPH0656457B2 JP61204881A JP20488186A JPH0656457B2 JP H0656457 B2 JPH0656457 B2 JP H0656457B2 JP 61204881 A JP61204881 A JP 61204881A JP 20488186 A JP20488186 A JP 20488186A JP H0656457 B2 JPH0656457 B2 JP H0656457B2
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JP
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layer
semiconductor
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multiple quantum
waveguide
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JP61204881A
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雅彦 藤原
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は半導体材料を用いた光スイッチに関するもので
ある。
(従来の技術) 光通信システムの超高速化やコヒーレント伝送に代表さ
れるようなシステム高度化、更に光交換機、光コンピュ
ータ等の研究の進展に併い、光スイッチ等の光制御素子
の特性向上が強く望まれるようになっている。このよう
な要求を実現する手段として雑誌「エレクトロニクス・
レターズ(Electronics Letters)」、第21巻、1985
年、693〜694頁に報告されているような、多重量子井戸
(MQW)構造の電界効果を利用した導波型光スイッチ
が考えられている。
この光スイッチは電界印加によるMQWの吸収端長波長
側に於ける吸収増大を利用したもので、MQW構造を用
いることにより吸収端の急崚化、エキシトン共鳴吸収の
有効利用が可能となり、従来のダブル・ヘテロ(DH)
構造光導波路を用いた電界吸収型光スイッチに比べ高効
率動作が可能となる。またキャリアの寿命に支配されな
い動作機構によっているため超高速動作が可能で、実際
に100psec(半値全幅)の短光パルスを創り出した例が
報告されている。
(発明が解決しようとする問題点) この型の光スイッチの特性は入射光の偏光状態に大きく
依存しており、高効率なスイッチングのためには入射光
の偏光が一方向にそろっている必要がある。しかし、通
常の光ファイバにより伝送された光の偏光状態は一般に
ランダムであるため、この型の光スイッチ/変調器では
有効にスイッチングされないという問題がある。
本発明の目的はこのような問題点を解決し、特性が入射
光の偏光状態に依存し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) 本願の第1の発明の光スイッチは、ド・ブロイ波長程度
の厚みの第1の半導体層をこの半導体層よりバンドギャ
ップの広い第2の半導体によりはさんだ量子井戸構造を
層厚方向に多重に有する多重量子井戸構造と、この多重
量子井戸構造のバンドギャップにほぼ等しいバンドギャ
ップを有する厚膜の第3の半導体とを導波層内に含む光
導波路と、この光導波路に電界を印加する手段とを有
し、前記多重量子井戸構造と前記第3の半導体とは層厚
方向に積層されて前記光導波路をなしていることを特徴
とする。
第2の発明の光スイッチは、ド・ブロイ波長程度の厚み
の第1の半導体層をこの半導体層よりバンドギャップの
広い第2の半導体によりはさんだ量子井戸構造を層厚方
向に多重に有する多重量子井戸構造を導波路層内に含む
第1の光導波路と、前記多重量子井戸構造のバンドギャ
ップにほぼ等しいバンドギャップを有する厚膜の第3の
半導体層を導波路層内に含む第2の光導波路とを光学的
に縦続接続した構造と、前記第1及び第2の光導波路に
電界を印加する手段とを有し、前記多重量子井戸構造と
前記第3の半導体とは共通の半導体基板上に層方向に互
いに端面を突き合わせて形成されていることを特徴とす
る。
(作用) 本発明の作用を説明するために、まず半導体MQW構造
及び、バルク半導体に於ける電界による光吸収変化につ
いて説明する。ここでは材料としてAlGaAs系半導体を用
いるが、以下の議論は直接遷移のInGaAsP、InGaAs/InAl
As系等の興味あるIII−V系半導体材料に適用できる。
AlGaAs系半導体のバンド構造を考えると波長k=0に於
て、伝導帯はスピンに関し2重に縮退しており、価電子
帯は重い正孔(hh)及び軽い正孔(lh)がそれぞれス
ピンに関して重に縮退した4重縮退構造であり、それぞ
れk=0に於て最小、最大値をとっている。MQW構造
では価電子帯の縮退が解け、hh、lhはそれぞれ独立の
バンドを形成する。このMQW構造ではバルクとは選択
則が異なり、hh、lhと電子とのバンド間遷移確率相対
値としては界ベクトルがMQW層に平行()な光に
対しhhで3/4lhで1/4、電界ベクトルがMQW層に垂直
(⊥)な光に対し、hhで0、lhで1となる。従って
MQWを導波路層とする光導波路では電界ベクトルの向
き、つまり導波モードによりhh、lhに併うエキシトン
吸収の大きさが大きく異なる。
第3図は雑誌「アブライド・フィジクス・レターズ(Ap
plied Physics Letters)」第47巻、1985年、1148〜115
0頁に於て報告されているGaAs/AlGaAsMQW導波路のT
E、TMモードに対する吸収端近傍の光吸収スペクトル
の電界による変化を示している(電界強度は(i)1.
6×104V/cm,(ii)105V/cm,(iii)1.3×105V/c
m,(iv)1.8×105V/cm,(v)2.2×105V/cm)。図
より明らかにTMモードに対してはhhに対応するエキシ
トン吸収が存在しない分だけ吸収端は高エネルギー例に
寄っており、同一電界に対する吸収端シフト量もTEモ
ードに比べ小さいため、吸収変調効率は低下する。これ
が、MQW導波路構造電界吸収型光スイッチ/変調器の
特性が入射光の偏光状態に依存する原因である。
これに対し、GaAs/AlGaAsDS導波器のようなバルク半
導体材料光導波路では価電子帯の縮退が解けないためN
QWとは逆にTMモードに対する電界吸収はTEに比べ
4倍大きいことが理論的に解明されている(雑誌「ソビ
エト・フィジクス−セミコンダクターズ(Soviet Physi
cs-Semiconductors)」第3巻、1970年、876〜884
頁)。従って導波路層にMQWとバルク材料を併用する
ことにより互いの偏光依存性を補い、全体として特性の
偏光依存性の小さい光スイッチを実現できる。本発明は
この事実を利用したものである。
(実施例1) 第1図は本願の第1の発明の一実施例を示す斜視図であ
り、この斜視図は実施例の井振器軸に垂直な面における
断面構造を示している。ここでも例としてGaAs/GaAlAs
系材料を用いた場合について説明する。まず本実施例の
製作について説明する。n+−GaAs基板11上にn+−Ga
Asバッファ層12、n+−AlGaAsクラッド層13(Alモル比
x=0.3、i−AlGaAsガイド層14(x=0.05)、i−GaA
s/AlGaAsMQWガイド層15、i−AlGaAsクラッド層16
(x=0.3)、p−AlGaAsクラッド層17(x=0.3)、p
−GaAsキャップ層18をMBE法により成長する。次にウ
ェハ・エビ層側にTi/Ptを蒸着し、幅3〜8μmの導波
路パターンとなるメタル・ストライプ19をフォトリソグ
ラフィ法により形成し、続いてメタル・ストライプ19を
マスクとしてp−AlGaAsクラッド層17迄をエッチ・オフ
する。ウェハ裏面にはオーミック電極となるAuGeNi20を
蒸着し熱処理によりアロイ化する。また最後に図示はし
ていないがボンディング用パッド部にTi/Auを部分的に
積層する。入出射端面は壁開により形成した。
次にこの実施例の動作について説明する。MQWではバ
ンドギャップはウェル−バリア間のポテンシャル高さと
ウェル幅により、屈折率はウェル、バリアの素成とその
厚みの比により制御できるから、混晶に比べ導波路の設
計の自由度が高い。ここではi−AlGaAsガイド層14のAl
モル比x=0.05、i−GaAs/AlGaAsMQWガイド層15の
バリアのx=0.3、ウェル層lz=70Åにとることによ
り両者のバンドギャップ波長λg〜0.83μmに一致させ
ることができる。このとき、使用波長λ=0.86μmに於
てn+−AlGaAsクラッド層13、i−AlGaAsガイド層14、
i−MQWガイド層15の屈折率はそれぞれ3.4,3.58,3.5
5となる。従ってi−AlGaAsガイド層14、i−MQWガ
イド層15の厚みを0.2μm程度にとることにより単一モ
ード・ガイドを実現できる。
このような光ガイドにガイド層吸収端0.83μmより長波
長側の光(ここではλ=0.86μmを用いた)入射させ電
極19,20間に逆バイアスを印加するとガイド層には電界
が印加されその強度に応じた電界吸収が生じる。その際
先に述べたようにi−AlGaAsガイド層14ではTMモード
が、i−MQWガイド層15ではTEモードがより強く吸
収される。従ってそれぞれのガイド層が単独に存在して
いる際に生じる偏光依存性が解消される。試作した素子
では素子500μmのサンプルで消光比20dBを得るのに必
要な電圧はTE、TMモード共に4V程度であった。
(実施例2) 第2図は本願の第2の発明の一実施例を示す断面図であ
る。n+−GaAs基板11の上にまずn+−GaAsバッファ層
12、n+−AlGaAsクラッド層13(x=0.3)、i−GaAs/
AlGaAsMQWガイド層15(ウェル:GaAs、厚み70Å、バ
リア:AlGaAs(x=0.3)、厚み80Å、MQW厚0.3μ
m)、i−AlGaAsクラッド層14をMBE法により成長し
た。次にフォトリソグラフィ法を用いて形成したSiO2マ
スクによりウェハにi−MQWガイド層15迄エッチング
した略垂直な端面を形成し、続いてLPE法による埋込
成長によりi−AlGaAsガイド層14(x=0.05、厚み0.4
μm)、i−AlGaAsクラッド層16aを形成する。SiO2マ
スクを除去した後に、Zn拡拡によりi−AlGaAsクラッド
層中にp+−領域21を形成し、p、n側それぞれにオー
ミック電極21,20を形成した。第2図の紙面に垂直な方
向には第1図に示した実施例同様にリブガイドによる横
モード制御構造を用いたが、そのプロセスについては簡
単のため省略した。端面は壁開により形成している。
この実施例ではバンドギャップのほぼ等しいi−AlGaAs
14とi−MQW15をガイド層とする導波路が縦続に接続
されている。それぞれの導波路では電界によりTM、T
Eモードがより強い吸収を受ける全体としては偏光依存
性が解消される。
ここで示した実施例はGaAs/AlGaAs系の半導体への適用
例を示したが本発明はAlGaAs系と同様の結晶構造、バン
ド構造を持つ半導体材料に適用可能なことは言う迄もな
い。
(発明の効果) 以上、詳細に説明したように本願発明によれば特性に偏
光依存性のない光スイッチが得られ、実用の利点は大き
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本願の第1の発明の一実施例を示す斜視図、第
2図は本願の第2の発明の一実施例を示す断面図、第3
図はMQWに於ける電界吸収特性を示す図である。 図に於て、11,12,13,14,15,16,17,18,16a,21は半導体、
19,20は電極である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ド・ブロイ波長程度の厚みの第1の半導体
    層をこの半導体層よりバンドギャップの広い第2の半導
    体によりはさんだ量子井戸構造を層厚方向に多重に有す
    る多重量子井戸構造と、この多重量子井戸構造のバンド
    ギャップにほぼ等しいバンドギャップを有する厚膜の第
    3の半導体とを導波層内に含む光導波路と、この光導波
    路に電界を印加する手段とを有し、前記多重量子井戸構
    造と前記第3の半導体とは層厚方向に積層されて前記光
    導波路をなしていることを特徴とする光スイッチ。
  2. 【請求項2】ド・ブロイ波長程度の厚みの第1の半導体
    層をこの半導体層よりバンドギャップの広い第2の半導
    体によりはさんだ量子井戸構造を層厚方向に多重に有す
    る多重量子井戸構造を導波路層内に含む第1の光導波路
    と、前記多重量子井戸構造のバンドギャップにほぼ等し
    いバンドギャップを有する厚膜の第3の半導体層を導波
    路層内に含む第2の光導波路とを光学的に縦続接続した
    構造と、前記第1及び第2の光導波路に電界を印加する
    手段とを有し、前記多重量子井戸構造と前記第3の半導
    体とは共通の半導体基板上に層方向に互いに端面を突き
    合わせて形成されていることを特徴とする光スイッチ。
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JPS60260017A (ja) * 1984-06-07 1985-12-23 Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> 光変調素子
JPH0732279B2 (ja) * 1985-01-22 1995-04-10 日本電信電話株式会社 半導体発光素子

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