JPH0721594B2 - 光スイツチ - Google Patents
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- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
- G02F1/3137—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions
- G02F1/3138—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions the optical waveguides being made of semiconducting materials
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- 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】 （発明の技術分野） 本発明は半導体を用いた光スイッチの改善に関するもの
である。
である。
（従来技術とその問題点） 光信号の通過する光路を切換えたり、開閉したりする光
スイッチは、広帯域光伝送路の切換え、変換，光集積化
への応用など、光通信システムの高度化に欠かせぬ素子
である。光スイッチのなかで電子式のものはスイッチ部
分に電界を印加したり或いは電流を流したりすることに
より、光スイッチ部分の屈折率を変化させ、光の進路を
変えるので光の全反射を利用するもの（内部全反射型）
と、二本の光導波路間の光結合を利用するもの（結合導
波路型）とがある。
スイッチは、広帯域光伝送路の切換え、変換，光集積化
への応用など、光通信システムの高度化に欠かせぬ素子
である。光スイッチのなかで電子式のものはスイッチ部
分に電界を印加したり或いは電流を流したりすることに
より、光スイッチ部分の屈折率を変化させ、光の進路を
変えるので光の全反射を利用するもの（内部全反射型）
と、二本の光導波路間の光結合を利用するもの（結合導
波路型）とがある。
第１図は誘電体材料を用いた従来の結合導波路型光スイ
ッチの模式図であり、Ｇは光導波路部、Ｓは光スイッチ
部を示したものである。対向する２つの電極に、図に示
した極性で電圧をかけると、その電圧の大きさに応じて
屈折率が変化し、導波路の結合の度合が変化する。例え
ばａから光を入射し、ａ′から出でくる光を観測してい
ると、ａ′からの光出力は第２図に示すように、電圧の
増加に応じて周期的に変化し、出射口の切変えができ
る。しかし、屈折率を正確に制御しないと切換えが不完
全となり、クロストークが大きくなる。温度変化など環
境条件によって、電圧に対する屈折率変化量が異なる。
この屈折率の制御は非常に難しい。
ッチの模式図であり、Ｇは光導波路部、Ｓは光スイッチ
部を示したものである。対向する２つの電極に、図に示
した極性で電圧をかけると、その電圧の大きさに応じて
屈折率が変化し、導波路の結合の度合が変化する。例え
ばａから光を入射し、ａ′から出でくる光を観測してい
ると、ａ′からの光出力は第２図に示すように、電圧の
増加に応じて周期的に変化し、出射口の切変えができ
る。しかし、屈折率を正確に制御しないと切換えが不完
全となり、クロストークが大きくなる。温度変化など環
境条件によって、電圧に対する屈折率変化量が異なる。
この屈折率の制御は非常に難しい。
一方内部全反射型光スイッチの場合には、屈折率変化を
規定値以上にとれば、切換えが不完全となることはない
ので、光スイッチ素子へ供給する電圧に許される変動の
値が大きく、実用上有利である。しかし、全反射を起こ
すには相対値で10-3オーダの大きな屈折率変化が必要な
為、屈折率変化の大きな誘電体を材料に用いても100V近
い電圧が必要となり、実用上問題があった。
規定値以上にとれば、切換えが不完全となることはない
ので、光スイッチ素子へ供給する電圧に許される変動の
値が大きく、実用上有利である。しかし、全反射を起こ
すには相対値で10-3オーダの大きな屈折率変化が必要な
為、屈折率変化の大きな誘電体を材料に用いても100V近
い電圧が必要となり、実用上問題があった。
しかるに、最近半導体pn接合へ順方向電流を流し、キャ
リア蓄積を行うと屈折率変化量が非常に大きくなること
がわかった（例えばIEEE Journal of Quantum Electron
ics誌,QE−19巻,1983年10月号,1525〜1530頁）。この効
果を用いて光導波路の交差部分にスイッチ部を構成した
場合の斜視図を第３図に示す。第４図は第３図中のＡ−
Ａ′で切断した部分（スイッチ部）の断面図である。第
４図において、１はn+−InP基板、２はInPと格子接合す
るｎ−In1-x-yGaxAlyAsよりなる導波路層、３はｎ−In
0.52Al0.48Asよりなるクラッド層、４はp+−In0.52Al
0.48As領域、５はｐ側電極、６はｎ側電極、７は電極５
及び６に電圧を印加したときに導波路層２で屈折率が変
化する屈折率可変領域である。光導波路はリッジ構造に
よる屈折率導波型となっている。この従来例の動作を説
明する。光導波路２′（導波路層２のうち実際に光が導
波する領域）およびスイッチ部分（光導波路２′が交差
している領域）は同一組成の材料で作られているので、
入射口a,bより入った光は、電極５−６間に電圧がかか
っていない場合には、入射光がまっすぐ進みそれぞれ出
射口ａ′,b′より出射される。次に電極５−６間に順方
向電圧を加えると、電流は主に電極５の直下の屈折可変
領域７を通って流れる。この時、領域７では禁止帯幅に
相当する波長λｇの近傍において、注入キャリア濃度に
応じた屈折率変化（減少）が生じる。２本の光導波路
２′の交差角度をθとし、上記屈折率変化の相対値を｜
Δn|/nとすると、 θ＜2cos-1（１−｜Δn|/n） ……（１） が満足されれば、スイッチ部分で全反射が起こる。即
ち、a,bより入射した光は、光スイッチでの全反射によ
って、それぞれｂ′,a′へ出射する。計算によれば、領
域７の部分の波長λｇを1.51μｍに設定した場合、波長
1.55μｍでは｜Δn|/nは3.2×10-3となり、注入キャリ
ア濃度１×1018cm-3の時、交差角度θに許される最大角
は9.1度にも達する。。この為、スイッチの寸法を小さ
くでき、又クロストークを低く押さえることが可能とな
る。しかしpn接合を使うために小数キャリア（正孔）の
注入は避けられず、電流注入停止後元に復帰するのに時
間がかかり、数10nsecも必要である。従って、高速の切
換えには使用できないという欠点があった。又、スイッ
チ部分と導波路部分を同一組織とした場合、電流注入に
よる屈折率変化の大きい波長では、吸収による損失も大
きくなるという欠点があった。
リア蓄積を行うと屈折率変化量が非常に大きくなること
がわかった（例えばIEEE Journal of Quantum Electron
ics誌,QE−19巻,1983年10月号,1525〜1530頁）。この効
果を用いて光導波路の交差部分にスイッチ部を構成した
場合の斜視図を第３図に示す。第４図は第３図中のＡ−
Ａ′で切断した部分（スイッチ部）の断面図である。第
４図において、１はn+−InP基板、２はInPと格子接合す
るｎ−In1-x-yGaxAlyAsよりなる導波路層、３はｎ−In
0.52Al0.48Asよりなるクラッド層、４はp+−In0.52Al
0.48As領域、５はｐ側電極、６はｎ側電極、７は電極５
及び６に電圧を印加したときに導波路層２で屈折率が変
化する屈折率可変領域である。光導波路はリッジ構造に
よる屈折率導波型となっている。この従来例の動作を説
明する。光導波路２′（導波路層２のうち実際に光が導
波する領域）およびスイッチ部分（光導波路２′が交差
している領域）は同一組成の材料で作られているので、
入射口a,bより入った光は、電極５−６間に電圧がかか
っていない場合には、入射光がまっすぐ進みそれぞれ出
射口ａ′,b′より出射される。次に電極５−６間に順方
向電圧を加えると、電流は主に電極５の直下の屈折可変
領域７を通って流れる。この時、領域７では禁止帯幅に
相当する波長λｇの近傍において、注入キャリア濃度に
応じた屈折率変化（減少）が生じる。２本の光導波路
２′の交差角度をθとし、上記屈折率変化の相対値を｜
Δn|/nとすると、 θ＜2cos-1（１−｜Δn|/n） ……（１） が満足されれば、スイッチ部分で全反射が起こる。即
ち、a,bより入射した光は、光スイッチでの全反射によ
って、それぞれｂ′,a′へ出射する。計算によれば、領
域７の部分の波長λｇを1.51μｍに設定した場合、波長
1.55μｍでは｜Δn|/nは3.2×10-3となり、注入キャリ
ア濃度１×1018cm-3の時、交差角度θに許される最大角
は9.1度にも達する。。この為、スイッチの寸法を小さ
くでき、又クロストークを低く押さえることが可能とな
る。しかしpn接合を使うために小数キャリア（正孔）の
注入は避けられず、電流注入停止後元に復帰するのに時
間がかかり、数10nsecも必要である。従って、高速の切
換えには使用できないという欠点があった。又、スイッ
チ部分と導波路部分を同一組織とした場合、電流注入に
よる屈折率変化の大きい波長では、吸収による損失も大
きくなるという欠点があった。
（発明の目的及び特徴） 本発明は上述した従来技術の欠点を解決するためになさ
れたもので、小型，低電圧で高速応答を可能とし、かつ
吸収損の少ない光スイッチを提供することを目的とす
る。
れたもので、小型，低電圧で高速応答を可能とし、かつ
吸収損の少ない光スイッチを提供することを目的とす
る。
本発明の特徴は、導波路層が交差している領域である光
スイッチ部分をｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造となるように各
半導体を積層すると共に、各ｉ層はｎ層に比べて実効的
屈折率が高く、かつ実効的禁制帯幅が小さくなるような
超格子層で形成し、熱平衡状態でｉ−ｐ−ｉ層が空乏化
するようなｉ−ｐ−ｉ層の各層の層厚及び不純物濃度で
構成したことにある。
スイッチ部分をｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造となるように各
半導体を積層すると共に、各ｉ層はｎ層に比べて実効的
屈折率が高く、かつ実効的禁制帯幅が小さくなるような
超格子層で形成し、熱平衡状態でｉ−ｐ−ｉ層が空乏化
するようなｉ−ｐ−ｉ層の各層の層厚及び不純物濃度で
構成したことにある。
（発明の構成） 以下に図面を用いて詳細に説明する。
（実施例） 第５図は本発明の実施例を示す斜視図であり、第６図
（ａ）は第５図においてＢ−Ｂ′で切断した部分の断面
図、第６図（ｂ）は層12の拡大図である。11はn+InP基
板、12はInPと格子整合するIn0.53Ga0.47AsとIn0.52Al
0.48Asの超薄膜多層構造より成りｉ−ｐ−ｉを形成する
導波路層、13は非ドープIn0.52Al0.48Asよりなるクラッ
ド層、14はn+−In0.52Al0.48As領域、15,16は電極、17
は屈折率可変領域である。導波路はリッジ構造によりる
屈折率導波型となっている。層12は、第７図のエネルギ
ー帯図に示すような層構造をしている。即ち、第６図
（ｂ）に示す如く、n+−InP基板11上に非ドープIn0.52A
l0.48As層（厚さ100Å）と非ドープIn0.53Ga0.47As層
（厚さ100Å）を１組（Q1）として、Q1を50組（合計厚
さd1＝１μｍ）を積層して第１のｉ層（以下、「第１の
超格子層」と称す）、次にBeを1018cm-3にドープしたｐ
型半導体層であるp+−In0.52Al0.48As層（厚さd0＝100
Å）を一層、次に再び非ドープIn0.53Ga0.47As層（厚さ
100Å）と非ドープIn0.52Al0.48As層（厚さ100Å）を１
組（Q2）として、Q2を３組（合計厚さd2＝600Å）を積
層して第２のｉ層（以下、「第２の超格子層」と称す）
を形成した構造である。なお、第１及び第２の超格子層
を形成している非ドープIn0.53Ga0.47As層と非ドープIn
0.52Al0.58As層のキャリア濃度は1015cm-3以下である。
（ａ）は第５図においてＢ−Ｂ′で切断した部分の断面
図、第６図（ｂ）は層12の拡大図である。11はn+InP基
板、12はInPと格子整合するIn0.53Ga0.47AsとIn0.52Al
0.48Asの超薄膜多層構造より成りｉ−ｐ−ｉを形成する
導波路層、13は非ドープIn0.52Al0.48Asよりなるクラッ
ド層、14はn+−In0.52Al0.48As領域、15,16は電極、17
は屈折率可変領域である。導波路はリッジ構造によりる
屈折率導波型となっている。層12は、第７図のエネルギ
ー帯図に示すような層構造をしている。即ち、第６図
（ｂ）に示す如く、n+−InP基板11上に非ドープIn0.52A
l0.48As層（厚さ100Å）と非ドープIn0.53Ga0.47As層
（厚さ100Å）を１組（Q1）として、Q1を50組（合計厚
さd1＝１μｍ）を積層して第１のｉ層（以下、「第１の
超格子層」と称す）、次にBeを1018cm-3にドープしたｐ
型半導体層であるp+−In0.52Al0.48As層（厚さd0＝100
Å）を一層、次に再び非ドープIn0.53Ga0.47As層（厚さ
100Å）と非ドープIn0.52Al0.48As層（厚さ100Å）を１
組（Q2）として、Q2を３組（合計厚さd2＝600Å）を積
層して第２のｉ層（以下、「第２の超格子層」と称す）
を形成した構造である。なお、第１及び第２の超格子層
を形成している非ドープIn0.53Ga0.47As層と非ドープIn
0.52Al0.58As層のキャリア濃度は1015cm-3以下である。
このような構成にすることにより、スイッチ部Ｓはｎ
（基板11）−ｉ（第１の超格子層）−ｐ（ｐ型半導体
層）−ｉ（第２の超格子層）−ｎ（層14）が形成され
る。ここで重要なことは、スイッチ部Ｓに印加電圧等の
外部エネルギーが加わっていない状態（熱平衡状態）に
おいて導波路層12（ｉ−ｐ−ｉ）が空乏化するようにｉ
−ｐ−ｉ層の層厚及び不純物濃度を決定することであ
る。これは本発明の特徴により、電圧印加時に多数キャ
リア（電子）だけが電流に寄与し、小数キャリア（正
孔）は電流に寄与しないようにして応答速度を速めるた
めである。すなわち、ｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造でｉ−ｐ
−ｉ層が空乏化されていれば、電圧を印加しても両ｎ層
（11及び14層）の電子しかないので電流に寄与するのは
多数キャリアだけとなる。但し、導波路層12のｐ型半導
体層をあまり厚くするとｐ型半導体層の正孔も無視でき
なくなるので、ｐ型半導体層の層厚は適当に選ぶ必要が
ある。
（基板11）−ｉ（第１の超格子層）−ｐ（ｐ型半導体
層）−ｉ（第２の超格子層）−ｎ（層14）が形成され
る。ここで重要なことは、スイッチ部Ｓに印加電圧等の
外部エネルギーが加わっていない状態（熱平衡状態）に
おいて導波路層12（ｉ−ｐ−ｉ）が空乏化するようにｉ
−ｐ−ｉ層の層厚及び不純物濃度を決定することであ
る。これは本発明の特徴により、電圧印加時に多数キャ
リア（電子）だけが電流に寄与し、小数キャリア（正
孔）は電流に寄与しないようにして応答速度を速めるた
めである。すなわち、ｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ構造でｉ−ｐ
−ｉ層が空乏化されていれば、電圧を印加しても両ｎ層
（11及び14層）の電子しかないので電流に寄与するのは
多数キャリアだけとなる。但し、導波路層12のｐ型半導
体層をあまり厚くするとｐ型半導体層の正孔も無視でき
なくなるので、ｐ型半導体層の層厚は適当に選ぶ必要が
ある。
なお、上述した各層の層厚及び不純物濃度は１例であ
り、本願発明者らの経験によれば、第１及び第２の超格
子層を形成する薄膜の層厚は300Å以下で不純物濃度は1
016cm-3以下、ｐ型半導体層の層厚は500Å以下で不純物
濃度は1017cm-3以上にして各層の層厚及び不純物濃度を
適当に選び、かつｎ層（基板11及び層14）の不純物濃度
1017cm-3以上にすれば空乏化できる。但し、この時のｎ
層の層厚は限定する必要はない。
り、本願発明者らの経験によれば、第１及び第２の超格
子層を形成する薄膜の層厚は300Å以下で不純物濃度は1
016cm-3以下、ｐ型半導体層の層厚は500Å以下で不純物
濃度は1017cm-3以上にして各層の層厚及び不純物濃度を
適当に選び、かつｎ層（基板11及び層14）の不純物濃度
1017cm-3以上にすれば空乏化できる。但し、この時のｎ
層の層厚は限定する必要はない。
次に、スイッチ部Ｓに電圧を印加した時と印加しない時
の屈折率可変領域17の屈折率変化について説明する。
の屈折率可変領域17の屈折率変化について説明する。
電極15及び16に順方向の電圧を印加しない時、屈折率可
変領域17の屈折率は変化しないため、入射光が直進し、
逆に順方向電圧を印加した時、屈折率可変領域17の屈折
率は低下して全反射するため入射光が切換えられて他の
出射口から取り出される。
変領域17の屈折率は変化しないため、入射光が直進し、
逆に順方向電圧を印加した時、屈折率可変領域17の屈折
率は低下して全反射するため入射光が切換えられて他の
出射口から取り出される。
まず、電圧を印加しない時のスイッチ部Ｓにおける各層
の屈折率は、n+−InP基板11の屈折率が3.2、n+−In0.52
Al0.48As領域14の屈折率が3.1、導波路層12の第１及び
第２の超格子層の実効的屈折率は3.3とそれぞれなる。
なお、第１および第２の超格子層を形成しているIn0.52
Al0.48As及びIn0.53Ga0.47Asそれぞれの屈折率は3.1及
び3.5であるが、これらの薄膜（例えば100Å）を多層構
造にすることにより、導波路層12の実効的屈折率は3.3
となる。（但し、波長は1.51μｍ）。従って、導波路層
12の実効的屈折率は両ｎ層の屈折率よりも大きいため入
射光が、導波路層12に閉じ込められ、かつ屈折率可変領
域17の屈折率が変化していないため入射光は直進する。
の屈折率は、n+−InP基板11の屈折率が3.2、n+−In0.52
Al0.48As領域14の屈折率が3.1、導波路層12の第１及び
第２の超格子層の実効的屈折率は3.3とそれぞれなる。
なお、第１および第２の超格子層を形成しているIn0.52
Al0.48As及びIn0.53Ga0.47Asそれぞれの屈折率は3.1及
び3.5であるが、これらの薄膜（例えば100Å）を多層構
造にすることにより、導波路層12の実効的屈折率は3.3
となる。（但し、波長は1.51μｍ）。従って、導波路層
12の実効的屈折率は両ｎ層の屈折率よりも大きいため入
射光が、導波路層12に閉じ込められ、かつ屈折率可変領
域17の屈折率が変化していないため入射光は直進する。
次に電極15及び16に順方向電圧を印加すると、超格子の
構造となっている屈折率可変領域17の屈折率は大幅に低
下するため、入射光は可変領域17で全反射して他の出射
口から取り出される。以下に、従来のpn接合の構造に比
べて本発明の超格子構造の屈折率可変領域17の屈折率が
大幅に低下する理由について説明する。
構造となっている屈折率可変領域17の屈折率は大幅に低
下するため、入射光は可変領域17で全反射して他の出射
口から取り出される。以下に、従来のpn接合の構造に比
べて本発明の超格子構造の屈折率可変領域17の屈折率が
大幅に低下する理由について説明する。
ｐ型半導体層であるp+−In0.52Al0.48As層により電子に
対する障壁が形成されるがその高さφＢは で与えられる。但し、NAはp+−In0.52Al0.48As層の不純
物濃度、εＳは層12の平均的な比誘電率、εＯは真空中
の誘電体である。例えばεＳ＝12とするとφＢ0.85eV
となる。
対する障壁が形成されるがその高さφＢは で与えられる。但し、NAはp+−In0.52Al0.48As層の不純
物濃度、εＳは層12の平均的な比誘電率、εＯは真空中
の誘電体である。例えばεＳ＝12とするとφＢ0.85eV
となる。
今電極15を正、16を負とすると、電圧増加と共に、基板
11に接する側の第１の超格子層に電子が注入されるが、
p+−In0.52Al0.48Asによるエネルギー障壁によって、第
１の超格子層に電子濃度が増加する。これに伴って屈折
率の誘電分極成分が変化し、屈折率は減少する。超格子
中の禁止帯幅の小さい、いわゆる量子井戸部分に関する
屈折率変化は、密度行列法により求められる。即ち、誘
電分極に伴う屈折率成分ndは で与えられる（例えば、Japanese Journal of Applied
Plysics誌,20巻,1981年７月号,1279〜1288頁を参照）。
ここで、ｎは屈折率、Enmは伝導帯−価電子帯間のエネ
ルギー差、Egは禁止帯幅、ｇ（Enm）は伝導帯および価
電子帯の両方を考慮した状態密度、Re（ｘ（１））は線
形感受率の実数部分である。（３）式を用いて、電子注
入による屈折率の相対変化分（Δn/nΔnd/n）の波長
依存性を求めた結果を第８図に示す。ここでは量子井戸
の厚さは100Å，注入電子濃度を１×1018cm-3の場合に
ついて計算してある。又、比較のため第１の超格子層の
実効的禁止帯幅（0.82eV）とほぼ同じ禁止帯幅を有し、
InPと格子整合のとれるIn1-x-yGaxAlyAsについて、pn接
合を形成した場合（第３図，第４図の従来例の場合に対
応する）の屈折率の相対変化分についても、同時に示し
た。
11に接する側の第１の超格子層に電子が注入されるが、
p+−In0.52Al0.48Asによるエネルギー障壁によって、第
１の超格子層に電子濃度が増加する。これに伴って屈折
率の誘電分極成分が変化し、屈折率は減少する。超格子
中の禁止帯幅の小さい、いわゆる量子井戸部分に関する
屈折率変化は、密度行列法により求められる。即ち、誘
電分極に伴う屈折率成分ndは で与えられる（例えば、Japanese Journal of Applied
Plysics誌,20巻,1981年７月号,1279〜1288頁を参照）。
ここで、ｎは屈折率、Enmは伝導帯−価電子帯間のエネ
ルギー差、Egは禁止帯幅、ｇ（Enm）は伝導帯および価
電子帯の両方を考慮した状態密度、Re（ｘ（１））は線
形感受率の実数部分である。（３）式を用いて、電子注
入による屈折率の相対変化分（Δn/nΔnd/n）の波長
依存性を求めた結果を第８図に示す。ここでは量子井戸
の厚さは100Å，注入電子濃度を１×1018cm-3の場合に
ついて計算してある。又、比較のため第１の超格子層の
実効的禁止帯幅（0.82eV）とほぼ同じ禁止帯幅を有し、
InPと格子整合のとれるIn1-x-yGaxAlyAsについて、pn接
合を形成した場合（第３図，第４図の従来例の場合に対
応する）の屈折率の相対変化分についても、同時に示し
た。
なお、従来例の場合には、注入される電子および正孔濃
度が共に１×1018cm-3とした。
度が共に１×1018cm-3とした。
同図からわかるように電流注入によって、禁止帯幅に相
当する波長λｇ近傍では屈折率が減少する。例えば、従
来例（破線）ではピーク値で−0.50％の変化に過ぎな
いが、本発明（実線）では−1.08％にも及ぶ。従っ
て、交差角度θは約16度となり、素子の小型化も可能と
なる。又、λｇより0.1μｍ長波長にずれた1.61μｍで
は、従来例の−0.23％に対し、本発明では−0.38％とな
る。このように同一の注入キャリア濃度では、屈折率変
化分が、従来例の約２倍になる。
当する波長λｇ近傍では屈折率が減少する。例えば、従
来例（破線）ではピーク値で−0.50％の変化に過ぎな
いが、本発明（実線）では−1.08％にも及ぶ。従っ
て、交差角度θは約16度となり、素子の小型化も可能と
なる。又、λｇより0.1μｍ長波長にずれた1.61μｍで
は、従来例の−0.23％に対し、本発明では−0.38％とな
る。このように同一の注入キャリア濃度では、屈折率変
化分が、従来例の約２倍になる。
又、本発明では前述のように導波路層12がｉ−ｐ−ｉ構
造となっているため小数キャリアの注入は無いので、印
加電圧を０とした時の電流の応答遅れも無く、又屈折率
変化の応答遅れも無い。このため、従来例では数10ナノ
秒必要だった光路切換えが、１ナノ秒以下で可能とな
る。
造となっているため小数キャリアの注入は無いので、印
加電圧を０とした時の電流の応答遅れも無く、又屈折率
変化の応答遅れも無い。このため、従来例では数10ナノ
秒必要だった光路切換えが、１ナノ秒以下で可能とな
る。
更に、本発明による超格子構造では、吸収端近傍におけ
る吸収係数の変化が急峻であるため、λｇより少し長波
長側では、吸収係数はバルク材料に比べてより小さくな
る。このためスイッチ部分Ｓでの吸収損を小さくできる
ばかりでなく、スイッチ部と同一組成の構造を光導波路
に使用した場合に従来例に比べて吸収損を小さくするこ
とができる。
る吸収係数の変化が急峻であるため、λｇより少し長波
長側では、吸収係数はバルク材料に比べてより小さくな
る。このためスイッチ部分Ｓでの吸収損を小さくできる
ばかりでなく、スイッチ部と同一組成の構造を光導波路
に使用した場合に従来例に比べて吸収損を小さくするこ
とができる。
なお、スイッチ部にはλｇ近傍の光を照射するので、光
吸収による電子−正孔対が発生するが、λｇより長波長
側の光を使用することによりその発生を十分低くおさえ
ることが可能であり、光スイッチの応答速度，クロスト
ーク等に影響ないような設計が可能である。
吸収による電子−正孔対が発生するが、λｇより長波長
側の光を使用することによりその発生を十分低くおさえ
ることが可能であり、光スイッチの応答速度，クロスト
ーク等に影響ないような設計が可能である。
作製方法について述べると、結晶成長については、分子
線エピタキシャル成長法，気相成長法等により容易に成
長可能である。又、電流通路の形成についてはイオン打
込み技術が使える。電極形成，リッジ構造形成などにつ
いても従来技術で作製可能であることは言うまでもな
い。
線エピタキシャル成長法，気相成長法等により容易に成
長可能である。又、電流通路の形成についてはイオン打
込み技術が使える。電極形成，リッジ構造形成などにつ
いても従来技術で作製可能であることは言うまでもな
い。
以上の実施例説明では、光導波路として、リッジ構造を
用いたが、埋込み構造等、通常の光導波路に用いられる
構造は全て使用可能である。特に埋込み構造については
超格子構造部分に、不純物をイオン注入或いは拡散によ
り導入することにより超格子が無秩序化する現象を利用
して、容易に作製できる。
用いたが、埋込み構造等、通常の光導波路に用いられる
構造は全て使用可能である。特に埋込み構造については
超格子構造部分に、不純物をイオン注入或いは拡散によ
り導入することにより超格子が無秩序化する現象を利用
して、容易に作製できる。
又、スイッチ部Ｓと光導波路部Ｇについて同一組成の構
造を用いて説明したが、光導波路部は全く異なる組成・
構造を用いてもかまわない。
造を用いて説明したが、光導波路部は全く異なる組成・
構造を用いてもかまわない。
光スイッチ部分の材料組成についても、他の混晶も使用
可能である。例えば、n+−InP基板上に、In0.53Ga0.47A
sとInPの超格子による導波路層、InPクラッド層を形成
した構造、或いはn+−GaAs基板上にn+−Ga1-xAlxAsバッ
ファ層を介して、GaAsとGa1-yAlyAsの超格子による導波
路層、Ga1-xAlxAsクラッド層を形成した構造を採用する
ことができる。
可能である。例えば、n+−InP基板上に、In0.53Ga0.47A
sとInPの超格子による導波路層、InPクラッド層を形成
した構造、或いはn+−GaAs基板上にn+−Ga1-xAlxAsバッ
ファ層を介して、GaAsとGa1-yAlyAsの超格子による導波
路層、Ga1-xAlxAsクラッド層を形成した構造を採用する
ことができる。
（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明はｎ−ｉ−Ｐ−
ｉ−ｎ構造による三角障壁を利用して、電子のみの注入
を行うことにより、光スイッチの高速応答化を図ると共
に、ｉ層部分に超格子層を用いることにより、スイッチ
ングに必要な注入キャリア濃度換言すれば所要電流の低
減をはかり、なおかつ光吸収損の小さい光スイッチを実
現するものである。従って、広帯域光伝送路の切換えに
適用可能であり、光ケーブルシステムの分岐回路，衛星
内の光スイッチ・マトリックスなど、小型・軽量・低消
費電力の要求される光スイッチとして用いることがで
き、その効果は大である。
ｉ−ｎ構造による三角障壁を利用して、電子のみの注入
を行うことにより、光スイッチの高速応答化を図ると共
に、ｉ層部分に超格子層を用いることにより、スイッチ
ングに必要な注入キャリア濃度換言すれば所要電流の低
減をはかり、なおかつ光吸収損の小さい光スイッチを実
現するものである。従って、広帯域光伝送路の切換えに
適用可能であり、光ケーブルシステムの分岐回路，衛星
内の光スイッチ・マトリックスなど、小型・軽量・低消
費電力の要求される光スイッチとして用いることがで
き、その効果は大である。
第１図は従来の結合導波路型光スイッチ例を示す斜視
図、第２図は第１図の光スイッチの出力特性を示す特性
図、第３図は光導波路の交差部分にスイッチを構成した
他の従来例を示す斜視図、第４図は第３図の従来例にお
けるＡ−Ａ′に沿う断面図、第５図は本発明の一実施例
を示す斜視図、第６図（ａ）（ｂ）は第５図の実施例に
おけるＢ−Ｂ′に沿う断面図及び超薄膜多層構造の導波
路層の拡大断面図、第７図は第５図の実施例における超
薄膜多層構造の導波路層のエネルギー帯図、第８図は本
発明に用いる超格子中の量子井戸部分の屈折率相対変化
の波長依存性を示す特性図である。 1,11……基板（n+−InP）、 ２……導波路層（ｎ−In1-x-yGaxAlAs）、 ３……クラッド層（ｎ−In0.52Al0.48As）、 ４……p+−In0.52Al0.48As領域、 ５……ｐ側電極、６……ｎ側電極、 ７……屈折率可変領域、11……基板（n+InP）、 12……超薄膜多層構造より成る導波路層、 13……クラッド層（非ドープIn0.52Al0.48As）、 14……n+In0.52Al0.48As領域、 15,16……電極、17……屈折率可変領域。
図、第２図は第１図の光スイッチの出力特性を示す特性
図、第３図は光導波路の交差部分にスイッチを構成した
他の従来例を示す斜視図、第４図は第３図の従来例にお
けるＡ−Ａ′に沿う断面図、第５図は本発明の一実施例
を示す斜視図、第６図（ａ）（ｂ）は第５図の実施例に
おけるＢ−Ｂ′に沿う断面図及び超薄膜多層構造の導波
路層の拡大断面図、第７図は第５図の実施例における超
薄膜多層構造の導波路層のエネルギー帯図、第８図は本
発明に用いる超格子中の量子井戸部分の屈折率相対変化
の波長依存性を示す特性図である。 1,11……基板（n+−InP）、 ２……導波路層（ｎ−In1-x-yGaxAlAs）、 ３……クラッド層（ｎ−In0.52Al0.48As）、 ４……p+−In0.52Al0.48As領域、 ５……ｐ側電極、６……ｎ側電極、 ７……屈折率可変領域、11……基板（n+InP）、 12……超薄膜多層構造より成る導波路層、 13……クラッド層（非ドープIn0.52Al0.48As）、 14……n+In0.52Al0.48As領域、 15,16……電極、17……屈折率可変領域。
Claims (1)
- 【請求項１】２つの半導体光導波路が互いに交差する領
域で入射光の光路を切換えるスイッチ部が形成されてい
る光スイッチにおいて、 前記スイッチ部はｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎの各半導体層が順
次積層され、該ｉ層は該ｎ層に比べて実効的屈折率が高
く、かつ実効的禁制帯幅が小さくなるような半導体薄膜
を複数積層した超格子層で形成し、 前記ｉ−ｐ−ｉ層が熱平衡状態で空乏化するように前記
ｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ層の不純物濃度及び前記ｉ−ｐ−ｉ
層の層厚が決定されて構成されていることを特徴とする
光スイッチ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62008199A JPH0721594B2 (ja) | 1987-01-19 | 1987-01-19 | 光スイツチ |
| US07/143,816 US4795225A (en) | 1987-01-19 | 1988-01-13 | Semiconductor optical switch |
| DE8888300384T DE3878938T2 (de) | 1987-01-19 | 1988-01-19 | Optischer schalter. |
| EP88300384A EP0276115B1 (en) | 1987-01-19 | 1988-01-19 | Optical switch |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62008199A JPH0721594B2 (ja) | 1987-01-19 | 1987-01-19 | 光スイツチ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63177114A JPS63177114A (ja) | 1988-07-21 |
| JPH0721594B2 true JPH0721594B2 (ja) | 1995-03-08 |
Family
ID=11686596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62008199A Expired - Fee Related JPH0721594B2 (ja) | 1987-01-19 | 1987-01-19 | 光スイツチ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4795225A (ja) |
| EP (1) | EP0276115B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0721594B2 (ja) |
| DE (1) | DE3878938T2 (ja) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4734907A (en) * | 1985-09-06 | 1988-03-29 | Washington University | Broadcast packet switching network |
| FR2618221B1 (fr) * | 1987-07-17 | 1991-07-19 | Thomson Csf | Detecteur d'onde electromagnetique et analyseur d'image comportant un tel detecteur. |
| JPH01134430A (ja) * | 1987-11-20 | 1989-05-26 | Oki Electric Ind Co Ltd | 分布結合形光スイッチ |
| GB8814365D0 (en) * | 1988-06-16 | 1988-07-20 | Marconi Gec Ltd | Optical devices |
| JP2733263B2 (ja) * | 1988-10-04 | 1998-03-30 | キヤノン株式会社 | 集積型光ノードおよびそれを用いたバス型光情報システム |
| US5033811A (en) * | 1988-11-04 | 1991-07-23 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Optical switch |
| JP2656598B2 (ja) * | 1989-01-30 | 1997-09-24 | 株式会社日立製作所 | 半導体光スイッチ及び半導体光スイッチアレイ |
| US5422967A (en) * | 1989-01-30 | 1995-06-06 | Hitachi, Ltd. | Self-routing optical switch and optical switch array |
| US5394491A (en) * | 1989-01-30 | 1995-02-28 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor optical switch and array of the same |
| US5008717A (en) * | 1989-03-03 | 1991-04-16 | At&T Bell Laboratories | Semiconductor device including cascaded modulation-doped quantum well heterostructures |
| US5144603A (en) * | 1990-03-07 | 1992-09-01 | Hitachi, Ltd. | Optical head incorporating refractive index distribution changeable lens |
| JPH04125977A (ja) * | 1990-09-17 | 1992-04-27 | Nec Corp | ヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード |
| DE69115205T2 (de) * | 1990-09-24 | 1996-06-27 | Philips Electronics Nv | Optisch schaltbare Vorrichtung. |
| US5173956A (en) * | 1991-02-01 | 1992-12-22 | Hughes Aircraft Company | Thermally driven optical switch method and apparatus |
| US5148506A (en) * | 1991-04-26 | 1992-09-15 | Texas Instruments Incorporated | Optical crossbar switch |
| US5369718A (en) * | 1991-10-15 | 1994-11-29 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Total internal reflection-type optical waveguide switch |
| US6236772B1 (en) * | 1997-08-01 | 2001-05-22 | Advanced Photonics Technology, Inc. | Linearized Y-fed directional coupler modulators |
| US6977764B1 (en) * | 2004-06-15 | 2005-12-20 | International Business Machines Corporation | High-speed field-effect optical switch |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60149030A (ja) * | 1983-12-21 | 1985-08-06 | Nec Corp | 光スイツチ |
| JP2583480B2 (ja) * | 1983-12-23 | 1997-02-19 | 株式会社日立製作所 | 光スイッチ及び光スイッチアレイ |
| JPS60173519A (ja) * | 1984-02-06 | 1985-09-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体光スイツチ |
| JPS60252329A (ja) * | 1984-05-29 | 1985-12-13 | Hitachi Ltd | 光スイツチ |
-
1987
- 1987-01-19 JP JP62008199A patent/JPH0721594B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1988
- 1988-01-13 US US07/143,816 patent/US4795225A/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-01-19 EP EP88300384A patent/EP0276115B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-01-19 DE DE8888300384T patent/DE3878938T2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63177114A (ja) | 1988-07-21 |
| US4795225A (en) | 1989-01-03 |
| DE3878938D1 (de) | 1993-04-15 |
| DE3878938T2 (de) | 1993-06-17 |
| EP0276115B1 (en) | 1993-03-10 |
| EP0276115A2 (en) | 1988-07-27 |
| EP0276115A3 (en) | 1989-07-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |