JPS6247620A - 導波型光スイツチ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信、光情報１１″−理の分野において、
光伝送路における光信号の開閉を行なう光スィッチに関
するものである。

〔従来技術とその問題点〕

近年の光通信システムの発展に伴い、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はその
一つに超高速切換可能、低電圧動作、小型で集積化が容
易といった可能性をもつ半導体を用いた光スィッチが挙
げられる。その中で、小型化、低電圧化等の面で比較的
性能の優れているフランツ・ケルディツシュ効果を用い
た光スィッチが考えられる。しかしながらこの光スィッ
チにも次の様な欠点があった。以下、単」のガイド層で
のフランツ・ケルディツシュ効果を用いた導波型光スイ
ッチについて説明する。

フランツ・ケルディツ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移動するとい
う効果である。スイッチの導波層のバンドギャップ波長
λ９を光源の波長λより少し短かめにしておく。ここで
言う導波層（ガイド層）というのは光が伝搬する半導体
層のことである。電界が導波層に印加されない時はλが
λ９よりも長いために伝搬する光は吸収されないが、電
界が印加され基礎吸収端がλ以上まで長波長側へ広がっ
てく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。

第４図にフランツ・ケルディツシュ効果による吸収係数
の変化を、バンドギャップエネルギーＥ９と入射光のフ
ォトンエネルギーｈωのエネルギー差（Ｅ９−ｈω）を
横軸にして示した。この第４図は「アプライド・フィジ
クス・レターズ（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、
３４（１９７９）　７４４　）　Ｊに記載されているも
のを引用したものである。ここではＥ＝ＯＶ／ｃｍと５
Ｘ１０’Ｖ／ｃｍとした場合を示した。実際にフランツ
・ケルディツシュ効果を用いて光ゲートスイッチを製作
した場合、光源の波長λをスイッチのバンドギャップ波
長λ、の長波長近傍つまり（Ｅ、−ｈω）が小さい値に
設定すると、第４図からもわかるように、基礎吸収端の
形状はＥ、のところで急峻には切れず、長波長側に大き
く裾（テイル）をひいているためＥ＝ＯＶ／ｃｍの場合
においても大きな吸収を受け、スイッチとしては導波損
失の大きなものとなってしまう。例えば（Ｅｇ−ｈ　ω
）　＝４Ｑｍ　ｅ　Ｖとした場合、その時の導波損失と
しては５０ｄＢ／ｃｍといった非常に大きな値となって
しまう。従って導波損失を小さくするためにはバンドギ
ャップエネルギーと入射光のフォトンエネルギーとのエ
ネルギー差（Ｅ、−ｈω）を８０〜ｌＱＱｍｅＶ以上に
しなくてはならない。しかしくＥ、−ｈω）を大きくす
ると、ある電界強度変化に対する吸収係数変化は小さく
なってしまい、十分な消光比が得られない。この様に単
層のガイド層でのフランツ・ケルディツシュ効果を用い
た光ゲートスイッチにおいては、結晶の基礎吸収端の裾
びきのため低損失、低電圧、高消光比といった十分な性
能のものを得るのは困難であった。

この基礎吸収端の裾びきという問題を解決するためにガ
イド層に禁制帯幅の異なるそれぞれ５００Ａ以下の層を
交互に積層した多層構造（以下これを多重量子井戸構造
と呼ぶ）を用いた場合の導波型の光変調器が考えられて
いる（昭和６０年度電子通信学会総合全国大会３３−４
）。第５図はその一例である。ｎ”−ＧａΔＳ基板２１
上に分子線エピタキシャル法により　ｎ”−Ａ　Ｉ２６
．３Ｇ　ａｏ、ｔＡ　Ｓクラッド層２２を１．５　μｍ
成長させ、次にｎ−−ＧａＡｓ／ＡβＧａＡｓ多重量子
井戸ガイド２３としてＧａＡｓ量子井戸層１００人、Ａ
βｏ、ｚＧａｏ、ｅＡｓ障壁層３００人を１６周期、更
にｐ”　　Ａ　ｌｏ、３Ｇ　ａａ、７Ａ　Ｓクラッド層
２４を１．５μｍＳｐ”−Ｃ＋ａＡｓキャップ層２５を
成長させ、ｎ側、ｐ側にオーミック電極２６゜２７を取
り付はストライプ形のハイ・メサ構造の導波路を形成し
ている。この様な多重量子井戸構造の光吸収スペクトル
には状態密度の階段状の変化、鋭いエキシトンピークの
出現といった量子サイズ効果により基礎吸収端の短波長
化、及び急峻化が見られる。また、この多重量子井戸構
造に電界を印加するとエキシトンのピークの長波長側へ
の移動とともに吸収端が長波長側へ移動し裾をひくよう
になる。このことを利用して多重量子井戸構造導波路に
おいても吸収端の長波長側近傍での電界による光の吸収
の変調を行なう光ゲートスイッチが実現されている。こ
の構造においては単一層の導波路の場合に比べ吸収端が
急峻化しているために、光源の波長を吸収端に近づける
ことができ、低電圧化、高消光比化などの高性能化が期
待できる。しかしながら、この場合でもやはり次の様な
問題点があった。多重量子井戸構造のエキシトンを伴う
吸収端は単一層の場合の基礎吸収端に比べ急峻化はして
いるものの、それは理想的な状態ではない。多重量子井
戸層の界面のゆらぎ、不純物の影響などにより吸収端に
は取り除くことのできない裾びきが存在している。特に
入射光の波長が吸収端に近づくにつれその影響は大きく
なる。従って、多重量子井戸構造導波路を用いたとして
も、吸収端に入射光の波長を近づけ、低電圧化、高消光
比化を図り、更に導波損失まで下げることは非常に困難
なことである。

以上説明した様に従来の構造においては、電界印加を制
御手段とした導波型の光スィッチとして動作電圧、消光
比、損失の面で優れた性能のものは得られていなかった
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上述した様な従来の電界印加によってガ
イド層を伝搬する光の制御を行なう導波型光スイッチの
欠点を除去し、小型かつ集積化に適し、低電圧で動作し
、高消光比、低損失な導波型光スイッチを提供すること
にある。

〔発明の構成〕

本発明は、ガイド層を伝搬している導波光の制御を電界
を印加することにより行なう半導体導波型光スイッチに
おいて、前記ガイド層が、単一層と、前記単一層の上下
少なくとも一方に存在するそれぞれ５００人より薄い半
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より成る
層とから構成され、前記多層構造のヘテロ界面に垂直に
電界を印加する手段を有し、前記多層構造がもつ基底準
位のエキシトンの吸収ピーク波長が被変調光の波長に対
して短波長近傍に設定され、前記被変調光に対し前記多
層構造の平均的屈折率が前記単一層の屈折率よりもわず
かに小さい屈折率をもつことを特徴としている。

〔発明の原理〕

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。本発明の原理について第２図を用いて説明
する。前述したように多重量子井戸の吸収スペクトルに
は吸収端の近傍で鋭いエキシトンピークが見られる。ま
た、吸収と屈折率の間にはクラマース・クローニッヒの
関係があり、エキシトンのピークの存在によって屈折率
スペクトルはエキシトンピーク波長付近で大きな変化を
示す。それらの吸収スペクトルと屈折率スペクトルの様
子をそれぞれ第２図（ａ）、（ｂ）に示す。次に、多重
量子井戸に電界を印加した場合の吸収と屈折率について
述べる。多重量子井戸に電界を印加すると、エキシトン
ピークは長波長側へ移動しその半値幅は広がる。そのエ
キシトンピークの長波長側への移動に伴って、屈折率ス
ペクトルも長波長側へ移動する。その時の吸収スペクト
ルと屈折率スペクトルの様子をそれぞれ第２図（Ｃ）、
（ｄ）に示す。

電界がない場合のエキシトンのピーク波長を被変調光の
波長の短波長近傍に設定すると、電界印加により吸収係
数は１０３〜１０’ｃｍ＝、屈折率は１０−２程度の増
加が得られる。従って電界によるこの大きな吸収係数変
化と屈折率変化の両方を導波型光スイッチに適用するこ
とにより、導波損失、動作電圧、消光比などの面で従来
にない高性能な導波型光スイッチが得られる。

〔実施例〕

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る
。尚、本実施例ではＧａＡｓ／ＡｆＧａＡｓ系の半導体
材料を用いたものにつき説明し、第１図には本発明のガ
イド層が単一層とそれに隣接する多重量子井戸層より成
り、導波光を電界により制御する導波型光スイッチの斜
視図が示されている。

この導波型光スイッチの構造を、その製造方法とともに
説明する。ｎ”−ＧａＡｓ基板１の上に分子線エピタキ
シー法により　ｎ＋−ＡβＧａＡｓクラッド層２．ｎ−
−ＡβＧａＡｓ単一層３．ｎ−−ＧａＡｓ／Ａｊ７Ｇａ
Ａｓ多重量子井戸層４．　ｐ”−ＡβＣｙａＡｓクラッ
ド層５を成長させる。次に３次元ガイドを形成するため
に、導波路となる部分の両側をエツチングによりｎ＝−
ＡβＱａＡｓクラッド層２に達するまで落とし、導波路
の両側を液相成長法により導波路より屈折率の低いｎ−
−−Ａｊ！ＧａＡｓ埋込み層６で埋込み、最後にｐ側に
ストライプ電極７及びｎ側に電極８を取りつける。

ここで多重童子井戸層４の井戸層及び障壁層の各層厚及
び組成を（ＧａＡｓ、Ａβｏ、５Ｇａｏ、５Ａｓ）＝（
８５人、９５人）としそれを１２周期、単一層３の組成
をＡβｏ、＋ｓＧ　ａｏ、ａ５Ａ　Ｓとじ層厚を０．２
μｍ、ｎ’及びｐ゛クラツド層２５、埋込み層６の組成
をＡβｏ、＊Ｇａ（１，７Ａｓとしそれぞれのクラッド
層の層厚を１〜２μｍ程度にしておく。この様にして単
一層３と多重量子井戸層４より成る３次元導波路を形成
する。また、ｐ側電極７には金・亜鉛、ｎ側電極８には
金・ゲルマニウムを用いオーミック接触を形成する。ｐ
側電極及びｎ　１．１１１電極８は、多重量子井戸層４
のヘテロ界面に垂直に電界を印加する手段を構成する。

以上述べた製作プロセスはあくまでも一例であってこの
プロセスに限定されない。多重量子井戸層は、気相成長
法や金属有機物法などを用いて成長してもよく、埋込み
層は気相成長法を用いてもよい。また、３次元導波路の
形状はリブ型あるいは溝を掘った形状にしてもよい。更
には、多重量子井戸層は単一層の下に形成してもよく、
また単一層の上下に多重量子井戸層を形成してもよい。

次に、本実施例の導波型光スイッチの動作について簡単
に述べる。ｎ−−ＡｆＧａＡｓ単一層ガイド３への入射
光９は、電極７と電極８の間に逆バイアス電圧を加えな
い時、即ちｒｒ−ＣｒａＡｓ／ＡβＧａＡｓ多重量子井
戸ガイド４に電界が印加されていない場合、屈折率の一
番高いｎ−−ＡβＧａＡｓ単一層ガイド３を導波する。

この層は入射光に対して非常に低損失であるので光はそ
のまま伝１般し出射光１０として取り出せる。ｎ−−Ｇ
ａＡｓ／Ａｊ７ＧａΔＳ多重量子井戸ガイド４に電界が
印加された場合は、多重量子井戸４のエキシトンピーク
の移動に伴って平均的な屈折率が大きくなり単一層ガイ
ド３の屈折率以上になる。

すると、入射光９は主に多重量子井戸ガイド４を伝搬す
る様になる。多重量子井戸４の屈折率の増加とともに吸
収係数も大きくなる。従って、入射光９は多重量子井戸
ガイド４を伝搬しながら大きな吸収を受ける。よって、
出射光１０は消光され取り出せない。この様にして電界
による屈折率と吸収係数変化を利用した導波型の光スィ
ッチが可能となる。

更にこの導波型光スイッチについて第２図、第３図を用
いて詳しく説明する。第２図において（ａ）とら）はそ
れぞれ多重量子井戸層に電界が印加されてない場合の吸
収スペクトルと屈折率スペクトルであり、（Ｃ）と（ｄ
）はそれぞれ多重量子井戸層に電界が印加された場合の
吸収スペクトルと屈折率スペクトルである。第３図にお
いて（ａ）、ら）はそれぞれ電界が印加されてない場合
の導波層の屈折率分布と導波光の界分布であり、（Ｃ）
、（ｄ）はそれぞれ電界が印加された場合の導波層の屈
折率分布と導波光の界分布である。

第２図（ａ）の吸収スペクトルにおいて入射光の波長を
λ３＝０．８４μｍ（ｈ　ω−１，４７ｅ　ｖ）とする
。前述したＧａＡｓ／ＡｆＧａＡｓ多重量子井戸構造で
はｎ＝１のエレクトロンとヘビーホール間の遷移波長を
λ１、エキシトンのピーク波長を２２とすると、それら
は入射光の波長λ３の短波長近傍にあり、λ１は〜０．
８２μｍ、λ２は〜０．８３μｍとなる。

波長λ３においてはこの多重量子井戸層はα１なる吸収
を受けるが、α１の吸収はエキシトンピークによる吸収
に比べれば十分に小さい。また、この組成においては波
長λ３に対して多重量子井戸層の平均的な屈折率はｎ＋
＝３．４８、単一層ガイドの屈折率はｎ３＝３．５１、
クラッド層の屈折率はｎ、＝３．４である。その時の屈
折率分布が第３図（ａ）である。また、その時の導波光
の界分布は第３図ら）に示され、１１は多重量子井戸層
の領域でα１なる吸収を受ける部分、１２は単一層ガイ
ドの領域でほとんどの吸収を受けない部分である。入射
光は屈折率の一番高いｎ２＝３．５１の単一層ガイドの
部分を主に導波し、多重量子井戸層へのしみ出しはわず
かである。

しかも、しみ出し部における吸収係数α１は比較的小さ
いため、全体としての導波損失は従来の導波層が全て多
重量子井戸層で構成されているものに比べ十分に小さい
ものとなる。

次に、多重量子井戸層に電界が印加された場合について
述べる。その時の吸収スペクトルを第２図（Ｃ）に示す
。この場合、逆バイアス電圧として４■程度印加した時
、電界強度としては５Ｘ１０’〜１０５Ｖ　／　ｃｍと
なり、その時、エキシトンのピークはλ２＝０．８３μ
ｍからλ４＝０．８５μｍへ約２０ｎｍ、エネルギーに
換算して３０〜４ＱｍｅＶ低エネルギー側へ移動する。

従って、入射光の波長λ３＝０．８４μｍに対する吸収
係数α２はα、に比べて非常に太き（なり、〜１０’ｃ
ｍ−’程度となる。電界印加によってエキシトンのピー
クを含めた吸収スペクトル全体が長波長側へ移動するの
に伴って、第２図（ｄ）に示した様に屈折率スペクトル
も長波長側へ移動する。従って、波長λ３＝０．８４μ
ｍでの多重量子井戸層の平均的な屈折率は、電界が印加
されていない場合はｎ　、　＝３．４８であったのに対
し、電界が印加された場合はｎ２＝３．５５と大きくな
り、単一層ガイドの屈折率ｎ３＝３．５１以上となる。

その屈折率分布を第３図（Ｃ）に示す。また、第３図（
ｄ）にその時の光の界分布が示され、１３は多重量子井
戸層の領域でα２が〜ｌ　Ｑ　４　ｃｍ−１なる非常に
大きな吸収を受ける部分であり、１４は単一層ガイドの
領域でほとんど吸収を受けない部分である。入射光は屈
折率の一番高いｎ２＝３．５５の多重量子井戸層の部分
を主に導波する。従って、導波光のほとんどが多重量子
井戸層で吸収されてしまい結果的に大きな消光比が得ら
れる。

以上より、この構造の導波型光スイッチは導波損失が非
常に少なく、更に低電圧（５Ｖ以下）で動作し大きな消
光比が得られ、電界を制御手段としているため数０８２
以上の高速変調も可能であり、特に触れなかったが、素
子長も１　ｍｍ以下で十分製作可能である。

また、ここで用いた入射光の波長、ＡβＧａＡｓの各層
の組成１層厚、あるいはＧａＡｓ／ＡＡ’ＧａＡｓ多重
量子井戸の各層厚等に関しては、あくまで一つの例であ
って、電界による吸収係数変化、屈折率変化などで実施
例と同等の効果が得られれば、特に実施例に限定するも
のではない。

更に、半導体材料に関してもＧａＡｓ／ＡβＧａＡｓ系
の材料のみならず、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＣ，
ａＡｓ／ＩｎＡｊ！Ａｓなどの材料を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、従来の多重
量子井戸層を導波路としていた導波型光スイッチに比べ
、導波損失を非常に下げることができ、動作電圧、消光
比、導波損失の面でともに高性能な導波型光スイッチが
可能となり、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による導波型光スイッチの実施例を説明
するための図、 第２図は本発明の導波型光スイッチの動作原理を説明す
るための図であり、第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ電
界が印加されていない場合の多重量子井戸層の吸収スペ
クトルと屈折率スペクトルを示す図、第２図（Ｃ）、（
ｄ）はそれぞれ電界が印加された場合の多重量子井戸層
の吸収スペクトルと屈折率スペクトルを示す図、 第３図は本発明による導波型光スイッチの実施例を説明
するための図であり、第３図（ａ）　、　（ｂ）　ハソ
れぞれ電界が印加されていない場合の導波路の屈折率分
布と導波光の界分布を示す図、第３図（Ｃ）。 （ｄ）は電界が印加された場合の導波路の屈折率分布と
導波光の界分布を示す図、 第４図は単層構造におけるフランツ・ケルディツシュ効
果を説明するための図、 第５図は従来の多重量子井戸層のみをガイド層とした導
波型光スイッチを説明するための図である。 １．２１　　・・・・・・・・・　ｎ”−ＧａＡｓ基板
２．２２　　・・・・・・・・・　ｎ”−ＡβＧａＡｓ
クラッド層３　　・・・・・・・・・　ｒｒ−ＡＩＧａ
Ａｓ単一層ガイド４．２３　　・−＝−・−ｎ−−Ｇａ
Ａｓ／ＡＡＧａＡｓ多重量子井戸ガイド ５．２４　　・・・・川・・　ｐ”−ＡβＧａＡｓクラ
ッド層６　　・・・・・・・・・　ＡβＧａＡｓ埋込み
層？、　８．２６．２７・・・　電極 ９　　　・・・・・・　入射光 １０　　　　・・・・・・　出射光 １１、１３　　・・川　導波光の界分布で多重量子井戸
層を導波する部分 １２．１４　　・川・・　導波光の界分布で単一層を導
波する部分 ２５　　　　・・・・・・　ｐ”−ＧａＡｓキャップ層
代理人　弁理士　　岩　佐　義　幸 λ、入、入、Ｘ◆　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　λ糎　χｚ　Ｘｓχ今ミ皮　長　　λ　　　　
　　　　　　　　５皮　蚤　　Ｘ（ａ）　　　　　　　
　（ｂ） ｊ皮　蚤　　λ　　　　　　　　　　　　　　９１１　
　農　　入（Ｃ）　　　　　　　　（ｄ） （ａ）（ｂ） （Ｃ）　　　　　　　（ｄ） 第３図 第４図 第５図 手続補正書く自発） 昭和６１年　７月２６日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガイド層を伝搬している導波光の制御を電界を印
   加することにより行なう半導体導波型光スイッチにおい
   て、前記ガイド層が、単一層と、前記単一層の上下少な
   くとも一方に存在するそれぞれ５００Åより薄い半導体
   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より成る層と
   から構成され、前記多層構造のヘテロ界面に垂直に電界
   を印加する手段を有し、前記多層構造がもつ基底準位の
   エキシトンの吸収ピーク波長が被変調光の波長に対して
   短波長近傍に設定され、前記被変調光に対し前記多層構
   造の平均的屈折率が前記単一層の屈折率よりもわずかに
   小さい屈折率をもつことを特徴とする導波型光スイッチ
   。