JPS63305328A - 光ゲ−トマトリクススイッチ - 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、光通信および光情報処理の分野で用いられる
光ゲートマトリクススイッチに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、光ゲートマトリクススイッチとしては、例えば特
願昭５６−１９８２７９号のもの、すなわち第６図に示
す第１の従来例の如く、光ファイバまたは光導波路によ
って構成した光分岐回路１および光合流回路２と、これ
ら光分岐回路１の出力端および光合流回路２の入力端に
結合されて光を平行ビームにするためのレンズ系３と、
これらレンズ系３の間に配置されて光信号を開閉するた
めの液晶ＴＮセルによって構成された光ゲート４とを、
それぞれ、マトリクスの形態で備えたものがある。

ここで、第６図示のゲート形マトリクススイッチの動作
について説明する。第６図に示した構成は４×４マトリ
クスの場合である０例えば入力ボート＾ｌから入射した
光は、分岐回路１で４分岐されて、光ゲート４を構成す
る光ＯＮ・ＯＦＦシャッタＧ＋　Ｉ　ｌＧ２１１Ｇ３１
１０４１に達する。ここで、シャッター６３１が開くと
、光は出カポ−）−８３に出力されることになる。同時
にシャッターＧ２＋が開くと、光は出カポ７トＢ２にも
出力することになる。このように、１：Ｎ同時多対接続
が可能であることが、かかるゲート形マトリクススイッ
チの特長である。

さて、第６図に示したような、多数枚の光分岐回路１．
光合流回路２．レンズ系３および光ゲート４から成る立
体回路構成をとる構造では、小形化に限界があること、
各構成素子間の精密位置合せが必要であること等の問題
点があった。

他方、第２の従来例として、導波形光回路を用い、小型
化をねらって平面回路化した光ゲートマトリクススイッ
チが既に提案されている（例えば、電子通信学会、昭和
６２年度総合全国大会５ｌｌ−２参照）、これは、石英
系光導波回路中に、半導体レーザによる光ゲートを装着
したバイブリッド集積形の光スィッチである。この光ス
ィッチでは、光ゲートとして半導体レーザを用いている
ため、ゲート部での利得が期待でき、従って、光回路部
で生じた導波損失を補償して、無損失光スィッチが得ら
れる可能性があることが大きな特長である。

（発明が解決しようとする問題点〕 しかし、この場合には、小形化されてはいるものの、ハ
イブリッド形であるため、第１の従来例と同様に、ゲー
ト装着時に高精度な位置合せ作業が必要であった。

総じて、従来例では、高精度位置合せの工程を要するた
め、生産性が極めて低く、高価格になるという問題点が
あった。

そこで、本発明の目的は、従来のような個別部品によっ
て構成される光スィッチや、ハイブリッド集積型光スイ
ッチに必然的に付随する高精度位置合せの工程を抜本的
に排除することのできる構成を有し、小形でかつ生産性
に優れた安価な光ゲートマトリクス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） このような目的を達成するために、本発明では、光ゲー
トマトリクススイッチの３つの構成要素である光分岐回
路、光合流回路、および半導体レーザー光ゲートが全て
半導体ヘテロ接合構造で構成し得る点に看目し、従来例
と異なり、ゲートマトリクススイッチをモノリシック一
体化構成とする。

すなわち、本発明は、半導体単結晶基板と、該単結晶基
板上に該単結晶基板より大きな屈折率でかつ小さな禁制
帯幅を有するコア部と当該単結晶板と同一の物質のクラ
ッドで成る埋め込み構造のヘテロ接合単一モード光導波
路でそれぞれ構成された光分岐回路および光合流回路と
、前記光導波路の前記コア部内に配置され、前記コア部
より大きな屈折率でかつ小さな禁制帯幅を有する活性層
および該活性層と前記コア部とにより構成したｐｎ接合
を有するペテロ接合光ゲートとを具え、前記光分岐回路
、前記光ゲートおよび前記光合流回路をこの順序に結合
したことを特徴とする。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明の一実施例として、２×２ゲートマトリ
クススイツチの斜視図を示す。ここで、半導体単結晶基
板１５上に、基板１５と同一の導電型を有し、かつ当該
基板１５より大きい屈折率を有し、かつ導波光が基板１
５に対しても透明であるように、基板１５より小さい禁
制帯幅をもつ組成のコアによる光分岐回路１１、および
光合流回路１２を配置する。これら光分岐回路１１およ
び光合流回路１２は、第１図示の直線Ｙ、で切った断面
の一部を示す第２図に示すように、基板１５と同一組成
で同一導電型のクラッドで成る埋め込み層１６内に埋め
込まれ、埋め込み構造のヘテロ接合単一モード光導波路
を構成する。かかる導波路のコア部２０の屈折率および
形状は、多方向スイッチングが可能であるように、単一
モード条件を満たすように設定されている。

光分岐回路１１の各２つの出力端と光合流回路１２の各
２つの入力端の合計４つの接続部には４個の半導体レー
ザー光ゲート１４が設置されている。この光ゲート１４
をｙ軸に沿ったＹ２線で切った断面を第３図（ａ）　　
に、ｚ　４ｉｔｈに沿った２１線で切った断面を第３図
（ｂ）　に示す。光ゲート１４は、キャップ層１８と、
その直下に配置され、活性層２１が介挿された光導波路
コア部２０とを有する。すなわち、光導波路のコア部２
０より大きい屈折率と小さい禁制帯幅をもった活性層２
１がコア部２０にはさまれて配設されている。２２は光
ゲート１４を励起するため、すなわち活性層２１に電流
を注入するための電源、２３は電源２２のオン、オフを
行うためのスイッチである。

ここで、活性層２１のＸ軸方向の位置は、第３図（ｂ）
に示すように、導波路中に導波光電界分布中心と活性層
２１のある光ゲート１４の導波光電界分布中心とが一致
して、両導波路間の結合効率が最大になるように、光導
波路のコア部２０の中心に位置するように設定されてい
る。

活性層２１の上部、すなわち第３図（ａ）および（ｂ）
中に点線で囲まれた領域は、活性層２１に電流を注入す
るため、第２の導電型となっており、この領域の下部、
すなわち上部光導波路コア部２０と活性層２１の上面と
によって、ｐｎ接合が形成されており、活性層２１とこ
のｐｎ接合とに上りヘテロ接合光ＯＮ・ＯＦＦゲートを
構成する。

活性層２１の上方には、低抵抗オーミックコンタクトを
得るためのキャップ層１８が配設されている。さらに、
かかる光スィッチの上部のキャップ層１８を除く部位に
は、表面安定化と、給電用配線を容易にするための絶縁
１］ｉ１７が配設されている。

光スィッチの入出射端部には、光ゲート１４への電流注
入時の発振を抑止するために、第１図に示すように、反
射防止膜１９が設けられている。

このような構成において、活性層２１の禁制帯幅に合致
する波長の光が光ゲート１４に入射した場合を考える。

スイッチ２３が開放されており、活性層２１に電源１２
から電流が注入されず、光ゲート４がＯＦＦ状態の場合
、入射光は、活性層２１に吸収されて、この光ゲート１
４を通過しない、一方、スイッチ２３が閉成されており
、電源２２から活性層２１に電流が注入され、活性層２
１中が反転分布状態となフてＯＮになると、入射光は、
第３図（ｂ）　に示すように、その注入電流量に応じた
利得を得て光ゲート１４を通過する。

上記構成は、半導体ヘテロ接合を形成し得、かつ屈折率
と禁制帯幅との間に、禁制帯幅が小さい程屈折率が大き
くなる関係があれば実現し得る。

これに該当する材料としては、以下に述べるＩｎＰ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系、およびＧａＡｓ−ＧａＡｌＡｓ系があ
る。ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰ系では、基板１５および埋
め込み層１６としてＩｎＰを、光導波路コア２０および
活性層２１としてＩｎＧａＡｓＰを用いればよい、また
、ＧａＡｓ−ＧａＡｌＡｓ系では、基板１５としてＧａ
ＡｌＡｓを付着せしめたＧａＡｓ基板を、埋め込み層１
６および光導波路コア２０としてＧａＡｌＡｓを、活性
層２１としてＧａＡｓを用いればよい。

〔実施例１〕 本発明の構造をＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰ系に適用した２
×２ゲートマトリクス光スイツチの例について述べる。

まず、スズ（Ｓｎ）ドープｎ型で２ｘｌＯ”／ｃｃのキ
ャリヤ濃度の（１００）　ＩｎＰ基板を単結晶板１５と
なし、この基板１５上に、ＬＰＥ法でＳｎドープｎ型で
２×１０”／ｃｃのキャリヤ濃度で膜厚０．７μｍのＩ
ｎｏ、　９７Ｇａｏ、　０３＾ｓｏ、　ｏａＦ’ｏ、　
９４膜・ノンドープで膜厚０・２μｍのＩｎｏ、　ｔ＋
Ｇａｏ、　２９ＡＳ０．８６Ｐ０．３４　ｍ、およびＺ
ｎドープｐ型で２Ｘ１０１７／ｃｃのキャリヤ濃度で膜
厚０．５μｍのＩｎｏ、　９７ＧａＯ，ａ３＾ｓｏ、　
ｏａｐｏ、　９４　膜を第４図（ａ）に示すように、そ
れぞれ先導波回路コア部２０、活性層２１および上部光
導波路コア部２０として、順次格子整合するように積層
成長させた。

次に、ホトレジストをマスクとして、光ゲートを配設し
ようとする所以外の上部光導波路コア部２０および活性
層２１を選択エツチング液、Ｈ（ｆＬ＋ＨｓＰＯ４液、
　３ＨＮＯｓ＋　ＨＦ＋　２Ｈ２０液に順次浸漬せしめ
て取り除いた（第４図（ｂ））。

次に、ホトレジストを除去した後、光導波路コア部２０
として、ノンドープのＩｎｏ、　９７（ｉａｏ、　０３
ＡＳＯ，。１ｌｐｏ、　９４膜を０．９μｍの厚みにＬ
ＰＥ法で全面に成長させた（第４図（Ｃ））。

次に、幅４μｍのホトレジスト導波回路パターンをマス
クとして、に２Ｃｒ２０７＋　）ＩＢｒ　＋　ＣＨ３Ｃ
Ｏ０Ｈ液に浸漬せしめて基板１５に達するまでエツチン
グして導波回路を形成した後、ＬＰＥ法によりノンドー
プＩｎＰ　、ノンドープＩｎｏ、　７６［ｉａｏ、　２
４八ｓｏ、　５ｓｐｏ、　４ｍキャップ層１８を順次に
成長させて回路を埋め込んだ（第４図（ｄ））。

次に、ホトレジストをマスクとして、　３）ＩＮＯ３＋
ＨＦ＋２）１２０液に浸漬せしめてゲート部以外のキャ
ップ層１８を除去した後、キャップ層１８以外の部位に
プラズマＣｖＤ法により絶縁膜１７として、厚さ４００
０人の５ｉ３８４膜を付着させた（第４図（ｅ））。

最後に、絶縁膜１７をマスクとして、１回目のＬＰε成
長で付着させたＰ形のＩｎｏ、　９７（ｉａｏ、　０３
／１ｓＯ，０６ｐｏ、　９４層２０に達するまでＺｎを
拡散させた後、基板１５の裏面を研磨し、ｐ側に＾ｕ＋
Ｚｎ電極、およびｎ側にＡｕ＋　Ｓｎ電極を形成して端
部へき開し、そのへき開面にＳｉＯ膜を１８００人の厚
みに付着させて反射防止１ｉｉ１９とした。

上記工程により、導波路幅２μｍ、導波路厚み！、６μ
ｍ１比屈折率差０．６％の単一モード光分岐回路１１と
光合流回路１２、および活性層２１の厚みが０．２μｍ
、活性層２１の幅が２μｍ、ゲート長３００μｍ１勅作
波長１．３４μｍの光ゲート１４をＩｎＰ基板１５上に
モノリシックに形成した。全スイッチ長は、３ｄＢ以下
の分岐、合流過剰損失に押えるために、３ｍｍとした。

このようにして作製した光スィッチは、ゲート電流８０
ｍＡで、光ゲート１４において十分な利得が得られ、分
岐、合流損失を補償して、損失ＯｄＢが得られた。

（実施例２） 実施例１では、２Ｘ２のゲートマトリクス光スィッチの
場合について述べたが、次のようにすれば規模が拡大で
きる。例えば、４×４スイツチを得るには、第５図のよ
うに構成すればよい。すなわち、実施例１に示した２×
２スイツチを４個並列に配置し、それら２×２スイツチ
と、２分岐の分岐および合流導波路とを交差させて配置
する。

規模が大きくなることによって、原理的に分岐および合
流損失が増加し、しかもまた、導波路が長くなることに
よる伝搬損も増加し、光ゲート単体の利得でこれらを補
償することは困難になってくる。その場合には、第５図
の右側に示すように、挿入損補償用にさらに光ゲート２
４を追加し、光合流回路１２からの出力をこれら光ゲー
ト２４に結合すればよい。本例においては、単にパター
ン化の際のマスクを４Ｘ４用に設計すればよく、実施例
１に示した２×２スイツチの作製工程数、ｎ８度を何ら
増加させることなく、容易に実現し得るものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、光ゲートマトリクスス
イッチの３要素である光分岐回路、光合流回路、および
半導体レーザー光ゲートを共通の半導体基板上に、ヘテ
ロ接合構造によりモノリシックに構成するので、従来例
における光回路と光ゲート部との高精度位置合せの問題
が抜本的に解決されるため、光ゲートマトリクススイッ
チの作製が容易で量産性が極めて高い利点がある。

その上、本発明の光スィッチは、性能も優れている。す
なわち、高い利得が得られる半導体レーザー光ゲートを
用いているため、分岐および合流損、および伝搬損を補
償して、無損失光スィッチを実現することができる。さ
らにまた、本発明によればマトリクス゛の規模を拡大す
るにあたっても、随所に損失補償用ゲートを挿入すれば
容易に拡大化を達成できる。

本発明の光スィッチは、上記利点の他に、１：Ｎ同時多
対接続、ｎｓｉ位の高速スイッチング等の利点をも具え
ており、画像情報等の広帯域信号についての、安価で大
規模な光交換システムの構築には、必要不可欠のもので
ある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明光ゲートマトリクススイッチの一実施例
を示す斜視図、 第２図は第１図示の光スィッチにおける先導波回路部の
Ｙ、線断面図、 第３図（ａ）および（ｂ）は第１図示の光スイッチにお
ける光ゲート部の、それぞれ、Ｙ２線およびＺｌ線断面
図、 第４図（ａ）〜（ｅ）は本発明光スィッチの作製工程の
一例を示す図、 第５図は本発明光スィッチによって４Ｘ４マトリクスを
構成する実施例の説明図、 第６図は従来の光ゲートマトリクススイッチの説明図で
ある。 １．１１・・・光分岐回路、 ２．１２・・・光合流回路、 ３・・・レンズ系、 ４．１４．２４・・・光ゲート、 １５・・・半導体単結晶基板、 １６・・・埋め込みクラッド層、 １７・・・絶縁膜、 １８・・・キャップ層、 １９・・・反射防止膜、 ２０・・・光導波路コア部、 ２１・・・活性層。 ２０コア壺下 化１１疫腎のＹ１錦１咋′ｔＪ凹 第２図 （Ｇ） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体単結晶基板と、 該半導体単結晶基板上に、該単結晶基板より大きな屈折
   率でかつ小さな禁制帯幅を有するコア部と当該単結晶板
   と同一の物質のクラッドで成る埋め込み構造のヘテロ接
   合単一モード光導波路でそれぞれ構成された光分岐回路
   および光合流回路と、 前記光導波路の前記コア部内に配置され、前記コア部よ
   り大きな屈折率でかつ小さな禁制帯幅を有する活性層お
   よび該活性層と前記コア部とにより構成したｐｎ接合を
   有するヘテロ接合光ゲートと を具え、前記光分岐回路、前記光ゲートおよび前記光合
   流回路をこの順序に結合したことを特徴とする光ゲート
   マトリクススイッチ。