JPS62260126A

JPS62260126A - 半導体光スイツチ

Info

Publication number: JPS62260126A
Application number: JP10305486A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Suzuki; 正敏鈴木; Yukio Noda; 野田　行雄; Yukitoshi Kushiro; 久代　行俊; Shigeyuki Akiba; 重幸秋葉
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1986-05-07
Filing date: 1986-05-07
Publication date: 1987-11-12
Also published as: JPH059011B2

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。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は光路を切替えるための光スィッチに係わり、特
に半導体レーザと集積化が可能な半４体光スイッチに関
するものである。

（従来技術とその問題点）光スィッチは光通信システムにおける光路の切替を行う
ものであり、光源切替器等に用いられている。特に、全
反射型の代表的な光スィッチとしては、電気光学効果の
大きいＬｉＮｂ０．等の強誘電体系材料を用いたものと
ＰＬＺＴセラミックスを用いたものがある。しかし、上
述の材料系は半導体レーザと集積化できないため、近年
は半辱体材料を用いた光スィッチが注目されている。

半導体材料系を用いた半Ｗ体光スイッチには、外部印加
電界によって生しる電気光学効果による屈折率変化を利
用するものと、電流注入によって生ずるキャリア効果に
よる屈折率変化を利用するものとがある。しかし、キャ
リア効果を利用した半専体光スイッチは低電流でも消光
比を大きくとれるものの、キャリアライフタイムによる
スイッチング速度に制限があり、数百メガビット以上で
のスイッチ動作が困難である。

一方電気光学効果による屈折率変化を用いた半導体光ス
ィッチは、高速スイッチ動作が可能なものの同一動作電
圧の場合に強誘電体系材料に比べて電気光学効果が小さ
いため、出力端子間のクロストークが増大し消光比が劣
化する。このクロストークを低減するためには、２つの
光導波路層の交差角を大きくすれば良いが、交差角を大
きくすると動作電圧が数十■と高くなってしまうという
欠点があった。

以上のように、従来の半導体光スィッチでは、消光比が
大きく、かつ高速のスイッチングを低電圧で動作させる
ことが困難であった。従って、これらの条件を満足する
半導体光スィッチが強く望まれていた。

（発明の目的及び特徴）本発明は、上述した従来技術の欠点に鑑みなされたもの
で、消光比が大きくかつ高速のスイッチングを行うこと
のできる半導体スイッチを行うことのできる半専体光ス
イッチを提供することを目的とする。

本発明の特徴は入射光の偏波モード、光反射層の層厚も
しくは禁制帯幅、光の進行方向、基板の面方位（印加電
界の方向）をそれぞれ適切な条件に定めることにより、
光反射層の電気吸収効果による屈折率変化量と電気光学
効果による屈折率変化量とが互いに重畳して屈折率変化
量の絶対値を増大させたことにある。

（発明の原理）ＧａＡｓやＩｎＰ等で代表される化合物半導体は、バン
ドギャップエネルギーＥｇより僅かに低いフォトンエネ
ルギーｈνの入射光に対し、電界を印加すると電気吸収
効果が起こり、吸収係数と屈折率との双方が変化する。

例えば、バンドギャップエネルギーＥｇとフォトンエネ
ルギーｈνとのエネルギー差ΔＥｇ（＝Ｅｇ−ｈ！’）
が２０ｍｅＶ〜７０ｍｅＶの範囲においては、電気吸収
効果による屈折率は電界強度１５０ＫＶ／ｃｍ以下では
増大し、逆に、エネルギー差ΔＥｇが２０ｍｅＶ以下で
かつ電界強度を１５０ＫＶ／ｃｍ以上とすれば減少し、
その変化量は電気光学効果により生ずる屈折率変化量の
数倍になることが知られている。（Ｔ、Ｅ、　Ｖａｎ　
Ｅｃｋ　ｅｔ　ａｌ、　Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、　ＬｅｔＬ、　４Ｂ、　ｐｐ　４５１〜４５
３．　Ｆｅｂ、　１９８６）。

一方、電気光学効果による屈折率は、入射光の偏波モー
ド、電界の印加方向、入射方向に依存して変化する。例
えば、ＩｎＰ等の閃亜鉛鉱形の結晶構造（２６面体を有
し、魚群４３ｍ結晶とも呼ばれている）を有する半導体
において、入射光の偏波モードがＴＥ波、電界の印加方
向を＜１００＞結晶軸に平行にし、入射光の進行方向が
＜０１１＞となるようにした場合には、入射光の主電界
成分が＜０１１＞結晶軸に対し平行となり、電気光学効
果により生ずる屈折率が減少する。逆に入射光の進行方
向を＜０１１＞とした場合は屈折率が増大する。

従って、ハンド間遷移により生ずる電気吸収効果の屈折
率変化と電気光学効果による屈折率変化とが重畳される
ように入射光の偏波モード、電界の印加方向等を定めれ
ば、電気光学効果のみを利用した場合に比べて同一の動
作電圧で数倍の屈折率変化を得ることができる。

本発明はこの原理を用いて半導体スイッチを構成したも
のである。

以下に図面を用いて本発明の詳細な説明する。

（実施例）第１図は本発明による実施例であり、半専体光スイッチ
の模式図である。

第１図において、図（ａｌは模式図、図（ｂｌは模式図
のａ−ａ’に沿う縦断面図、図（Ｃ）は模式図のｂ−ｂ
ｏに沿う縦断面図であり、１は面方位が（１００）面の
ｎ″ＩｎＰＩｎＰ基板　−１ｎＧａＡｓ　Ｐ光導波路層
、３はｎ１ｎＰクラッド層、４はＩｎＰ基板１上に形成
されたメサ部、５はｎ　−１ｎＧａＡｓ　Ｐ光反射層、
６はｐ″″ＩｎＰ層、７はｐ側電極、８はｎ側電極であ
る。

動作を説明する。まず電極７及び８に電圧を印加しない
場合、ポート１からのＴＥモードの１．５５μｍ帯入射
光は、ストリップ装荷型の光導波路層２中を伝搬し、ボ
ート２との交差点にある光反射層５で全反射されてポー
ト３から取り出される。

これは、光反射層５の膜厚が光導波路層２の膜厚よりも
僅かに薄くなっているため、光反射頭載の実効的な屈折
率は、光導波領域の実効的屈折率よりもΔｎだけ小さく
なっており、入射光が全反射することによる。

次に、電圧を印加した場合には、入射光がＴＥモードで
あるために入射光の主電界成分が＜０１１〉方向とほぼ
平行（厳密には、交差角θ／２だけずれる）となり、電
気吸収効果による屈折率と電気光学効果による屈折率と
が共に増加する。従って、光反射層の実効的な屈折率が
低印加電圧でも光導波路層の実効的な屈折率と同一もし
くは大きくなるため、ポートｌから入射した入射光は直
進してポート４から取り出すことができる。

例えば、波長１．５５μｍのＴＥ波の入射光に対して光
導波路層２の層厚を０．４μ鋼、禁制帯幅エネルギーの
波長をλｇ＝１．４８μｍ、ストリップの幅を３μｍと
し、メサ部４の高さを（１，０２μｍ、光反射層５０層
厚を０．０３８μｍとすれば、先導波路部と光反射部の
実効的な屈折率差Δｎは、２ＸＩＯ−３程度となり、全
反射の臨界角に交差角θを定めればθ々４°となる。こ
の時光反射厄５の長さは、９０μｍ程度に短くすること
ができる。又、光を直進させ、２０ｄＢ以上の消光比を
得るために必要な電圧は９ｖとなる。この値は、電気光
学効果のみを用いた場合の約４分の１である。なお、電
極７゜８間の接合容量は、０．５ρＦ以下と小さくなる
ため、１０ＧＩＩｚ以上の周波数帯域が得られる。

上述の説明では、光４波路部と光反射部の実効的な屈折
率差を光導波路層２と光反射層５の層厚を変えることに
より実現しているが、これは先導波路Ｎ２の禁制帯幅エ
ネルギーを光反射層５の禁制帯幅エネルギよりも僅かに
大きくすることによっても実現することができる。又、
逆に光導波路層２の禁制帯幅エネルギーを光反射層５の
！１を側帯幅エネルギーよりも僅かに小さくし、かつ光
反射層の層厚を光導波路層の層厚よりも薄くすることに
よっても実現することができる。

（実施例２）第２図は本発明による第２の実施例であり、図（ａｌは
半導体光スィッチの模式図、図（ｂｌは模式図のａ−ａ
”に沿う縦断面図、図（Ｃ）は模式図をｂ−ｂ”に沿う
縦断面図である。

実施例１は、電圧が印加されない場合に全反射するよう
設計されているが、本実施例では、電圧が印加されない
場合には、光導波路層２と光反射層５との屈折率が等し
いため、ポート１から入射した波長１．５５μ…ＴＥモ
ードの入射光は直進しポート４から取り出される。

電圧を印加すると、光反射層５の屈折率は電気吸収効果
と電気光学効果によって増加する。ポート１から入射し
た入射光は、ｎ側電極８下の屈折率が増加している光導
波路層と、屈折率が変化していない光導波路層との境界
において全反射し、ポート３へ出力される。従って、本
実施例でも、実施例１と同様に低電圧で高速スイッチン
グが可能となる。

なお、上述の説明では、電界印加時に電気吸収効果によ
り屈折率が増加する場合を示したが、より高電界のもと
て屈折率が減少する場合には、光反射層５の光の進行方
向を上述した方向から９０゜ずらせて設定し、電気吸収
効果と電気光学効果によって屈折率が共に減少するよう
にしても、同様の光スィッチが構成できる。

表　　１表　　２表　　３表　　４表１〜表４は本発明が適用できる範囲を示したものであ
る。表１及び表２は電気吸収効果と電気光学効果とが正
の値をとって互いに重畳する場合を示したもので、表２
は表１の基板の面方位が（１００）である場合と同等な
面方位を有するもの、すなわち＜１１１＞に沿って３回
回転対称性を有する面方位における各関係を示したもの
である。同様に表１の（１１１）面方位については＜１
００＞に沿って４回回転反像性を有する面方位に全て適
用できる。

表３及び表４は表１（表２）とは逆に電気吸収効果と電
気光学効果とが負の値をとって互いに重畳する場合を示
したもので、特に表４は表３の基板の面方位が（１００
）の時と同等な面方位、すなわち＜１１１＞に沿って３
回回転対称性を有する面方位の各関係を示したものであ
る。

なお、（１１１）面方位と同等な面方位を持つ基板に対
しても同様に適用できる。

上述の説明ではストリップ装荷型の光導波路層２を例に
とり説明したが、埋め込み型光導波路層やリブ型光導波
路層でも良い。又、光導波路層。

光反射層はＭＱＷ構造としても良い。またＩｎＰ系の材
料に限定されることな（、ＧａＡｓ系等の閃亜鉛鉱結晶
構造の他の半導体にも適用できる。

（発明の効果）以上のように本発明は、基板の面方位や入射波の偏波モ
ード等を定めることにより、電気吸収効果と電気光学効
果との屈折率変化を重畳してその絶対値を増加させるこ
とができるため、消光比が大きく、かつ高速のスイッチ
ングを低電圧で動作する半導体光スィッチが実現でき、
その工業的価値は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明による実施例の構成図であり、
各図においてｆａ）は半導体光スィッチの模式図、（ｂ
）は模式図（ａ）のａ−ａ’　に沿う縦断面図、（Ｃ）
は模式図＋ａ）のｂ−ｂ’　に沿う縦断面図である。１−（１００）面ｎ”ｌｎＰ基板、　２　・−ｎ　−Ｉ
ｎＧａＡｓ　Ｐ光導波路層、　３・・・ｎ１ｎＰ上部ク
ラッド層、４・・・ｎ″ＩｎＰ基板上のメサ部、　　５
・・・ｎ−１ｎＧａＡｓＰ光反射層、　５＝・ｐ”ｌｎ
Ｐ層、　７・・・ｎ側電極、　８・・・ｎ側電極。

Claims

【特許請求の範囲】

鋭角に交差する２つの半導体光導波路層と、該光導波路
層の交差部に配置されかつ前記光導波路層の屈折率と相
等しいか又は該屈折率よりも小なる実効的な屈折率を有
する半導体光反射層とを基板上に備え、該光反射層に外
部電界を印加することにより前記光反射層の屈性率を変
化させて入射光の進行方向を変えるようにした半導体光
スイッチにおいて、前記基板を閃亜鉛鉱形の結晶構造に
し、前記基板の面方位、前記光導波路層の禁制帯幅エネ
ルギー及び該入射光の偏波モードは、前記外部電界の印
加時に電気吸収効果と電気光学効果との屈折率変化が互
いに重畳されその合成値の絶対値が増大するように定め
られていることを特徴とする半導体光スイッチ。