JP4438350B2

JP4438350B2 - 光スイッチ

Info

Publication number: JP4438350B2
Application number: JP2003297156A
Authority: JP
Inventors: 晋司飯尾; 雅幸末広; 眞一中島; 義之浅野; 千恵佐藤; 明三浦; 剛八木原; 信治小林; 貞治岡
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: JP2005070199A; US20050041903A1; US7317848B2

Description

本発明は、屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関し、特に発熱による悪影響を抑制することが可能な光スイッチに関する。

現在の通信ネットワークであるＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）等では、通常電気信号をもって情報を伝送する通信方式となっている。

光信号をもって情報を伝送する通信方法は大量のデータを伝送する基幹ネットワークやその他一部のネットワークで用いられているだけである。また、これらのネットワークは”point to point”の通信であり、”フォトニックネットワーク”と言える通信網までは発達していないのが現状である。

このような”フォトニックネットワーク”を実現するためには、電気信号の送信先を切り換えるルータやスイッチングハブ等といった装置と同様の機能を有する”光ルータ”や”光スイッチングハブ”等が必要になる。

また、このような装置では高速に伝送経路を切り換える光スイッチが必要になり、ニオブ酸リチウムやＰＬＺＴ（Lead Lanthanum Zirconate Titanate）等の強誘電体を用いたものや、半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換えるものが存在する。

さらに、最近では平面ガラス光導波路上に集積したヒーターで発熱させ、当該ヒーターが形成され部分の屈折率を変化させることにより、スイッチング動作を行わせるものもある。

そして、従来の半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０５−１６５０６７号公報特開平０６−１３０２３６号公報特開平０６−２８９３３９号公報 Baujun Li, Guozheng Li, Enke Liu, Zuimin Jiang, Chengwen Pei and Xun Wang, Appl. Phys. Lett., pp.1-3, 75(1999)

図３及び図４はこのような”非特許文献１”に記載された従来の光スイッチの一例を示す平面図及び断面図である。図３において１は基板、２は”Ｘ字状”の光導波路を有する光導波路層、３及び４はキャリアを注入するための１対の電極である。

図３において基板１上の光導波路層２には”Ｘ字状”の光導波路が形成され、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分には長方形状の電極３が形成される。また、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍であって電極３に並行して長方形状の電極４が形成される。

一方、図４は図３中”Ａ−Ａ’”における断面図であり、図４において５はｐ型のＳｉ等の基板、６はｐ型のＳｉＧｅ等の光導波路層、７及び８はコンタクト層、９及び１０は電極、１１はＳｉＯ_２等の絶縁膜である。

基板５上には光導波路層６が形成され、光導波路層６には”Ｘ字状”の光導波路が形成され、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分及び”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍にはコンタクト層７及び８が形成される。

そして、当該コンタクト層７及び８の上以外には絶縁膜１１が形成され、コンタクト層７及び８の上には電極９及び１０が形成される。

ここで、図３及び図４に示す従来例の動作を説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極３（電極９）及び電極４（電極１０）には電流が供給されない。

このため、図３に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図３中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は交差部分を直進して図３中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。

一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、電極３（電極９）から電子が注入され、電極４（電極１０）からは正孔が注入され、このため、前記交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。

このため、プラズマ効果によって図３に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図３中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図３中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。

この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路の交差部分にキャリア（電子、正孔）を注入して交差部分の屈折率を制御することにより、光信号の出射される位置を制御、言い換えれば、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。

しかし、図３及び図４に示す従来例ではプラズマ効果を利用してキャリア（電子、正孔）を注入することにより、屈折率の低くなる部分を生じさせて光信号の反射を行わせているが、キャリア（電子、正孔）を注入することにより熱が発生して、当該熱に起因して熱が発生した周囲の部分の屈折率が高くなってしまう。

このため、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が高くなり、クロストーク（消光比）等の特性に影響を与えてしまうと言った問題点があった。また、この発熱による悪影響はスイッチングの頻度によって変動してしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、発熱による悪影響を抑制することが可能な光スイッチを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、
半導体基板と、この半導体基板上であって前記光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路が形成された光導波路層と、前記光導波路層上であって前記光導波路の分岐部分に形成された第１の電極と、前記光導波路層上であって前記光導波路の分岐部分の近傍であり前記第１の電極に並列に形成された第２の電極と、前記光導波路層上であって前記第２の電極を挟んで前記第１の電極に並行に形成された第３の電極とを備え、光スイッチがＯＮの場合には前記第１及び第２の電極からキャリアを注入することにより、前記入射された光信号は分岐部分に生じたキャリア注入領域で全反射し、前記分岐部分に発熱が生じ、スイッチがＯＦＦの場合には前記第２及び第３の電極からキャリアを注入しても、前記分岐部分で屈折率が低下せず、前記入射された光信号は分岐部分で全反射せず、前記第２及び第３の電極からキャリアの注入により光信号を伝送しないダミー部分に発熱が生じることにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である光スイッチにおいて、
前記光導波路の分岐部分はリッジ状構造に形成され、
前記第３の電極が、
前記光導波路層上であって前記光導波路の分岐部分と同様のリッジ状構造の上に形成されていることにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の発明である光スイッチにおいて、
前記第１、第２及び第３の電極が形成されている領域が、
ヘテロ接合を有する構造、若しくは、ダブルへテロ構造であることにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明である光スイッチにおいて、
前記第１、第２及び第３の電極が、
前記光導波路層上に形成された第１、第２及び第３のコンタクト層上に形成され、
前記第１及び第３の電極がｎ型の半導体材料、前記第２の電極がｐ型の半導体材料で形成されていることにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である光スイッチにおいて、
前記第１、第２及び第３の電極が、
前記光導波路層上に形成された第１、第２及び第３のコンタクト層上に形成され、
前記第１及び第３の電極がｐ型の半導体材料、前記第２の電極がｎ型の半導体材料で形成されていることにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明である光スイッチにおいて、
前記光導波路層が、
２本の直線の光導波路が交差した光導波路を有することにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明である光スイッチにおいて、
前記光導波路層が、
１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する光導波路を有することにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項８記載の発明は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発明である光スイッチにおいて、
前記半導体基板及び前記光導波路層が、
ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料であることにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項９記載の発明は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発明である光スイッチにおいて、
前記半導体基板及び前記光導波路層が、
ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料であることにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

請求項１０記載の発明は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発明である光スイッチにおいて、
前記半導体基板及び前記光導波路層が、
ＳｉＧｅ系の半導体材料であることにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９及び請求項１０の発明によれば、第２の電極を挟んで第１の電極に対向する側にはダミーとして光導波路の交差部分と同様のリッジ状の構造を形成し、当該リッジ部分の上に第３の電極を形成し、光スイッチが”ＯＮ”の場合には、第１及び第２の電極から、光スイッチが”ＯＦＦ”の場合には第２及び第３の電極からそれぞれキャリア（電子、正孔）を注入することにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る光スイッチの一実施例を示す平面図及び断面図である。

図１において１，２，３及び４は図３と同一符号を付してあり、１２は電極である。図１において基板１上の光導波路層２には”Ｘ字状”の光導波路が形成され、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分には長方形状の電極３が形成される。また、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍であって電極３に並行して長方形状の電極４が形成される。

さらに、当該電極４に並行すると共に電極３が形成されている側の反対側には長方形状の電極１２が形成される。

一方、図２は図１中”Ｂ−Ｂ’”における断面図であり、３，４及び１２は図１と同一符号を付してあり、図２において１３はｐ型のＳｉ等の基板、１４はｐ型のＳｉＧｅ等の光導波路層、１５，１６及び１７はコンタクト層、１８はＳｉＯ_２等の絶縁膜である。

基板１３上には光導波路層１４が形成され、光導波路層１４には”Ｘ字状”の光導波路が形成され、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分及び”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍にはコンタクト層１５及び１６が形成される。

一方、コンタクト層１６を挟んでコンタクト層１５に対向する側にはダミーとして”Ｘ字状”の光導波路の交差部分と同様のリッジ状の構造を形成し、当該リッジ部分の上にはコンタクト層１７が形成される。但し、前記ダミーのリッジ部分には光信号は伝播しない。

そして、当該コンタクト層１５，１６及び１７の上以外には絶縁膜１８が形成され、コンタクト層１５，１６及び１７の上には電極３，４及び１２が形成される。

ここで、図１及び図２に示す実施例の動作を説明する。光スイッチが”ＯＮ”の場合、従来例と同様に、電極３から電子が注入され、電極４からは正孔が注入され、このため、前記交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。

このため、プラズマ効果によって図１に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図１中”ＰＩ１１”に示す入射端から入射した光信号は交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図１中”ＰＯ１２”に示す出射端から出射される。

一方、光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極１２から電子が注入され、電極４からは正孔が注入され、このため、前記ダミーのリッジ部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。

前記ダミーのリッジ部分にはキャリア（電子、正孔）が注入されるものの、図１に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図１中”ＰＩ１１”に示す入射端から入射した光信号は交差部分を直進して図１中”ＰＯ１１”に示す出射端から出射される。

このような状態では、光スイッチが”ＯＦＦ”の場合であっても、電極４と電極１２とから前記ダミーのリッジ部分にはキャリア（電子、正孔）が注入されるため、光スイッチが”ＯＮ”の場合と同等の発熱が生じる。

このため、光スイッチの”ＯＮ／ＯＦＦ”に伴う”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の温度変動が抑制され、言い換えれば、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変動が抑制されることになる。

この結果、電極４を挟んで電極３に対向する側にはダミーとして”Ｘ字状”の光導波路の交差部分と同様のリッジ状の構造を形成し、当該リッジ部分の上に電極１２を形成し、光スイッチが”ＯＮ”の場合には、電極３及び電極４から、光スイッチが”ＯＦＦ”の場合には電極４及び電極１２からそれぞれキャリア（電子、正孔）を注入することにより、発熱による悪影響を抑制することが可能になる。

なお、図１及び図２に示す実施例では、半導体材料としてはＳｉＧｅ系の半導体材料を例示しているが、勿論、ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料、若しくは、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料の何れの半導体材料であっても構わない。

また、図１及び図２に示す実施例では、電極３、電極４及び電極１２が形成されているキャリア注入領域における半導体材料の構造に関して何ら言及していないが、コンタクト層１５及び１７をｎ型とし、コンタクト層１６をｐ型としてダイオード構造等を実現しても構わない。逆に、コンタクト層１５及び１７をｐ型とし、コンタクト層１６をｎ型としてダイオード構造等を実現しても構わない。

また、図１及び図２に示す実施例では、電極４に関しては、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍であって電極３に並行して長方形状の電極４が形成される旨記載しているが、半導体基板１３の裏面全体に電極４に相当する電極を形成しても構わない。

また、図１及び図２に示す実施例では、電極３、電極４及び電極１２が形成されているキャリア注入領域における半導体材料の構造に関して何ら言及していないが、ヘテロ接合を有する構造、若しくは、ダブルへテロ構造であることにより、有効にキャリアを蓄積しやすくなる。

また、コンタクト層１５〜１７は電極と光導波路層との間の抵抗を低減するためのものであって、光スイッチの動作に関しては本質的な構成要素ではない。また、絶縁膜に関しても本質的な構成要素ではない。

また、図１及び図２に示す実施例では基板１上に形成された”Ｘ字状”の光導波路を有する光導波路層２を例示しているが、勿論、出射用の光導波路を２つ有する光導波路でれば”ｙ字状”であっても、その他の形状であっても構わない。

ここで、”ｙ字状”の光導波路とは、１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する形状である。

本発明に係る光スイッチの一実施例を示す平面図である。本発明に係る光スイッチの一実施例を示す断面図である。従来の光スイッチの一例を示す平面図である。従来の光スイッチの一例を示す断面図である。

符号の説明

１，５，１３基板
２，６，１４光導波路層
３，４，９，１０，１２電極
７，８，１５，１６，１７コンタクト層
１１，１８絶縁膜

Claims

キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、
半導体基板と、
この半導体基板上であって前記光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路が形成された光導波路層と、
前記光導波路層上であって前記光導波路の分岐部分に形成された第１の電極と、
前記光導波路層上であって前記光導波路の分岐部分の近傍であり前記第１の電極に並列に形成された第２の電極と、
前記光導波路層上であって前記第２の電極を挟んで前記第１の電極に並行に形成された第３の電極とを備え、
光スイッチがＯＮの場合には前記第１及び第２の電極からキャリアを注入することにより、前記入射された光信号は分岐部分に生じたキャリア注入領域で全反射し、前記分岐部分に発熱が生じ、
スイッチがＯＦＦの場合には前記第２及び第３の電極からキャリアを注入しても、前記分岐部分で屈折率が低下せず、前記入射された光信号は分岐部分で全反射せず、前記第２及び第３の電極からキャリアの注入により光信号を伝送しないダミー部分に発熱が生じることを特徴とする光スイッチ。
前記光導波路の分岐部分はリッジ状構造に形成され、
前記第３の電極が、
前記光導波路層上であって前記光導波路の分岐部分と同様のリッジ状構造の上に形成されていることを特徴とする
請求項１記載の光スイッチ。
前記第１、第２及び第３の電極が形成されている領域が、
ヘテロ接合を有する構造、若しくは、ダブルへテロ構造であることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の光スイッチ。
前記第１、第２及び第３の電極が、
前記光導波路層上に形成された第１、第２及び第３のコンタクト層上に形成され、
前記第１及び第３の電極がｎ型の半導体材料、前記第２の電極がｐ型の半導体材料で形成されていることを特徴とする
請求項１記載の光スイッチ。
前記第１、第２及び第３の電極が、
前記光導波路層上に形成された第１、第２及び第３のコンタクト層上に形成され、
前記第１及び第３の電極がｐ型の半導体材料、前記第２の電極がｎ型の半導体材料で形成されていることを特徴とする
請求項１記載の光スイッチ。
前記光導波路層が、
２本の直線の光導波路が交差した光導波路を有することを特徴とする
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光スイッチ。
前記光導波路層が、
１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する光導波路を有することを特徴とする
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光スイッチ。
前記半導体基板及び前記光導波路層が、
ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料であることを特徴とする
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光スイッチ。
前記半導体基板及び前記光導波路層が、
ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料であることを特徴とする
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光スイッチ。
前記半導体基板及び前記光導波路層が、
ＳｉＧｅ系の半導体材料であることを特徴とする
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光スイッチ。