JPH02226232A - 方向性結合器型光スイッチ - 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、将来の光通信システムや光情報処理システム
において重要なエレメントとなる半導体光スィッチ、特
に入射光の偏光状態に依存しない方向性結合器型の光ス
ィッチに関する。

（従来の技術） 光スィッチは将来の高速光通信システム、光情報処理シ
ステムのキーエレメントの１つと考えられ、各所で研究
開発が活発化してきている。光スィッチとしては、Ｌｉ
Ｎｂ０ａ等の誘電体を用いたものと、ＧａＡｓやＩｎＰ
等の化合物半導体を用いたものとが考えられているが、
光アンプ等の他の光素子やＦＥＴ等の電子回路との集積
化が可能で、小型化、多チャンネル化も容易な半導体光
スィッチへの期待が近年高まりつつある。このような半
導体光スィッチとしては、上記適用分野から考えて、高
速動作、低消費電力動作、低電圧動作、低損失動作、高
集積の容易性等が要求される。

半導体光スィッチの方式としては、これまでに電流注入
に伴うバンドフィリング効果もしくはフリーキャリアプ
ラズマ効果により屈折率変化を用いた全反射型スイッチ
、電界印加に伴う電気光学効果による屈折率変化を利用
した方向性結合器型スイッチ、多重量子井戸に電界を印
加したとき、励起子吸収ピークの移動に伴う屈折率変化
を用いた全反射型スイッチ等が試作検討されているが、
電流注入全反射型は動作速度が遅くまた消費電力が大き
いという難点があり、また多重量子井戸構造全反射型ス
イッチは本質的に低損失化が困難であるという問題点が
ある。

これに対して電気光学効果を用いた方向性結合器型スイ
ッチは、全反射型に比べて素子長は長くなるものの、高
速、低消費電力動作が可能であり、また低損失であると
いう利点も有している。

低損失性に関しては、近年Ｅ、　Ｋａｐｏｎらによって
波長１．５２ｐｍにおいて０．１５ｄＢ／ｃｍという低
損失光導波路がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で実現できる
ことがアプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ
ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌第５０巻
第２３号（１９８７年）のＰ１６２８〜１６３０におい
て報告されている。ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのバン
ドギャップ波長は１．３ｐｍ帯および１．５ｐｍ帯に比
べて十分に短波長側にあるため、上述のような低損失光
導波路を実現することができる。しかも、電気光学効果
には波長依存性が少ないので、動作波長がバンドギャッ
プから離れていても屈折率変化はバンドギャップ近傍の
場合とそれ程変わらない。したがって、ＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ系光導波路は長波長帯方向性結合器型スイッチ
材料として非常に有望である。ところで、従来方向性結
合器型スイッチは素子長が数ｍｍと長いという問題点が
あったが、近年のＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａ
ｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）等の結晶成長技術やＲＩＢＥ（Ｒ
ｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）
等の微細加工技術の革新によりこの問題点も解決しつつ
ある。ＨｏＴａｋｅｕｃｈｉらは、第４図にその断面を
示す構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性結合器型光ス
イッチにおいて、素子長が９８０ｐｍと１ｍｍを切る素
子の実現がＭＢＥとＲＩＢＥを用いて可能であることを
エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
　Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌第２２巻第２３号（１９８６年）
のＰ１２４１〜１２４３において報告している。

（発明が解決しようとする課題） 前述のようにＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性結合器型光
スイッチは長波長帯の光スィッチとして非常に有望であ
るが、入射光の偏光状態によりスイッチング特性が変化
するという問題点を有している。これは、これまで電気
光学効果を用いた半導体方向性結合器型光スイッチとし
ては（１００）面方位基板上もしくはそれに等価な面方
位の結晶について検討がなされているが、ＧａＡｓやＩ
ｎＰの結晶構造は閃亜鉛鉱型であるので光学的に等方で
あり、（１００）面方位もしくはそれに等価な方位の結
晶を用いた場合、電気光学効果が生ずるのは印加電界の
方向に垂直な方向に電界成分を有する偏光状態の光に対
してのみであるからである。すなわち、第４図にその断
面を示す構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性結合器型
光スイッチにおいては、層に平行な方向のみに電界成分
を有する偏光状態の導波光をＴＥモード、主として層に
垂直な方向に電界成分を有する偏光状態の導波光をＴＭ
モードと定義すると、ＴＥモードに対しては電気光学効
果が生ずるが、ＴＭモードに対しては電気光学効果は全
く生じない。したがって、第４図の構造の方向性結合器
型光スイッチにおいては、ＴＥモードの入射光に対して
はスイッチングは生ずるが、ＴＭモードの入射光に対し
てはスイッチングは生じない。そればかりか、偏光状態
が時間的に変化するような入射光に対しては一定の電圧
を印加しておいても、ある一方の導波路からの出射光パ
ワーは偏光状態の変化に応じて変化してしまい、所望の
スイッチング特性が全く得られないという問題点がある
。

本発明の目的はＴＥ、　ＴＭの両モードに刻して電気光
学効果が生じる方向性結合器型光スイッチを提供するこ
とにある。

（課題を解決するための手段） 上述のような問題点を解決するために、本発明において
は、（１１１）面方位の半導体基板上に第１の半導体ク
ラッド層、半導体導波層、第２の半導体クラッド層が少
なくとも積層されており、２本の近接した３次元光導波
路を形成する手段と、前記２本の３次元半導体導波路の
各々へ電界を独立に印加する手段とを具備していること
を特徴とする方向性結合器型光スイッチであり、前記２
本の近接した３次元光導波路において、１本の光導波路
から他方の光導波路へと導波光パワーが移行するのに必
要な長さをＴＥモード、ＴＭモードに対して各々”ＴＥ
Ｉ　”ＴＭとするとき、方向性結合器の素子長りが、”
が、ＬＴＥ≦Ｌ≦ＬＴＭであることを特徴とする方向性
結合器型光スイッチの構造を採用した。

（作用） 本発明においては、（１１１）面方位の結晶を基板に用
いるので、電気光学効果の大きさがＴＥモードとＴＭモ
ードとでは異なるものの、両モードに対して電気光学効
果が存在し、どのような偏光状態の入射光に対してもス
イッチングを生じさせることがテキる。また、ＴＥモー
ドとＴＭモードとで方向性結合器の完全結合長（一方の
光導波路から他方の先導波路へと完全に導波光パワーが
移行する長さ）が異なるが、その差がわずかであること
に着目し、２つのモードで完全結合長が多少異なっても
クロストークを小さくできるように、本発明においては
方向性結合器の素子長をＬＴｏ≦Ｌ≦ＬＴＭとしている
。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明によるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性結
合器型光スイッチの実施例を示す斜視図である。′図に
おいては、（１１１）面ｎ　−ＧａＡｓ基板１０１上に
形成されたリブ型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性結合
器型光スイッチが示されている。

まず、第１図に示したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性結
合器型光スイッチの製造方法について簡単に説明する。

（１１１）面方位のｎ　−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ　
−ＡｌＧａＡｓ　（ＡＩの組成比ｘ　＝　０．５）クラ
ッド層１０２を１．５ｐｍ程度、ｉ　−ＧａＡｓ導波層
１０３を０．２ｐｍ、　１−ＡＩＧａＡｓ（Ａｌの組成
比ｘ＝０．５）クラッド層１０４を０．４ｐｍ、ｐ−Ａ
ＩＧａＡｓ（Ａｌの組成比ｘ＝０．５）クラッド層１０
８を０．６ｐｍ、　ｐ　−ＧａＡｓキャップ層１０５を
０．２ｐｍ、　ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ
　Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて順次積層する。その後、
ｐ側電極材料であるＴｉ／Ａｕ膜を基板全面に蒸着し、
通常のフォトリソグラフィ法によりこのＴｉ／Ａｕ膜を
２本のストライプ形状に加工する。

さらにこのストライプ形状に加工されたＴｉ／Ａｕ膜お
よびＴｉ／Ａｕ膜上に残されたフォトレジストをマスク
としてＲＩＢＥ　（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｂｅａ
ｍ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法によりストライプ部以外の部分
をｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１０８とｉ　−ＡｌＧａ
Ａｓクラッド層１０４の界面に達するまでエツチングに
より除去し、第１図に示すような２本の近接したリブ光
導波路を形成するみその後（１１１）面ｎ−ＧａＡｓ基
板１０１の研磨、ｎ側電極材料であるＡｕＧｅＮｉ／Ａ
ｕＮｉの蒸着、および電極アロイを行った後、素子を２
ｍｍの長さにへき開して素子製作を終了する。ここで、
リブ光導波路の幅は各々２．５１１ｍ、導波路間隔は２
．８５ｐｍである。

次に第１図に示したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性し結
合器の動作原理について説明する。第１図に示した構造
の方向性結合器型光スイッチにおいては、リブ直下のｉ
　−ＧａＡｓ導波層１０３へ光は３次元的に閉じ込めら
れ、ストライプ状のリブ部に沿って光は伝搬するが、２
本の光導波路の間隔が小さいため、２本の導波路間に結
合が生じる。したがって一方の光導波路へ入射された光
はある一定の長さ伝搬したところで他方の光導波路へと
完全に結合する。この長さは通常完全結合長と呼ばれる
。完全結合長は導液層厚、組成、導波路幅、導波路間隔
などの導波路パラメータに依存するとともに入射光の偏
光状態にも依存する。これは導波路の形状が層に水平な
方向と層に垂直な方向とで異なっているためである。こ
の形状効果は（１１１）基板を用いる場合のみならず、
（１００）基板を用いても当然生じてくる。第１図に示
した方向性結合器型光スイッチの完全結合長の導波路間
隔依存性を第２図に示す。ＴＭモードの完全結合長の方
がＴＥモードの完全結合長より長く、導波路間隔か広が
るにつれて両者の差は大きくなる傾向にある。しかしな
がら導波路間隔を２．８５ｐｍとすると、ＴＥモードに
対する完全結合長ＬＴＥは１．７２ｍｍ、　ＴＭモード
に対する完全結合長”ＴＭは２．４６ｍｍであり、両者
とも素子長２ｍｍに近い値とすることができる。したが
って電極間に電圧を印加しないときは、両方のモードの
入射光とも素子出射の際には他方の光導波路へほぼ完全
に結合しており、いわゆる■（クロス）状態が実現され
る。

その際のクロストークＣＴは次式により計算され、ＣＴ
＝１０Ｘ１ｏｇ（Ｐ１／（Ｐ、＋Ｐ２））ここで、 Ｐ、＝ｃｏｓ　（ｎＬ／２Ｌｏ） Ｐ２＝ｓｉｎ　（ｎＬ／２Ｌｏ） ただし、 である。

本実施例においては、素子長りをＬＴ８≦Ｌ≦ＬＴ註し
ているので、ＴＥ、ＴＭいずれの場合においてもクロス
ト〜りを一１０ｄＢ以下とすることができる。以上は電
極間に電圧を印加しない場合であるが、２本のｐ側電極
のうちの一方とｎ側電極１０７間に逆バイアス電圧を印
加すると電気光学効果によす１−ＧａＡｓ導波層１０３
とｉ　−ＡｌＧａＡｓクラッド層１０４の屈折率が変化
する。ＧａＡｓは閃亜鉛鉱型結晶であるため（１００）
結晶方位を用いるとＴＥモードに対しては電気光学効果
が生ずるのに対して、ＴＭモードに対しては全く電気光
学効果が生じない。したがって（１００）結晶方位を用
いた場合においては、ＴＥモードにおいてはある適当な
逆バイアス電圧印加により２本の光導波路間の透過光波
の位相差がψ和となり、一方の導波路から入射された光
が他方の導波路へは結合しないいわゆる（）バー月犬態
が実現されるのに対して、ＴＭモードにおいてはいくら
電圧を印加しても２本の光導波路間の位相差は生じず■
状態のままで■状態は実現できない。したがって（１０
０）結晶方位を用いるとスイッチングに偏光依存性が生
じる。

これに対して本発明において用いている（１１１）結晶
方位においてはＴＥ、　ＴＭ両モードに対して電気光学
効果が生ずる。ただし屈折率変化Δｎの太きさはＴＭモ
ードに対してはΔｒＬｒＭ＝（１／’Ｉ？ｊ）ｎ８ｒｒ
　ｒ、ａｘＥ、とＴＭモードに対する屈折率変化の方が
ＴＥモードに対する屈折率変化よりも２倍太きい。ここ
で”ｅｆｆは導波路の実効屈折率、ｒ４□はＧａＡｓの
電気光学定数でｒ４、＝１．５ＸＩＯｍＡ７程度、Ｅは
電界強度である。このように（１１１）結晶方位におい
てはモード間で電気光学効果の大きさが異なるが、屈折
率変化の小さい方のＴＥモードにおいてＯ状態を実現す
るための逆バイアス電圧で素子を駆動すればＴＭモード
に対してもＯ状態が実現できることを以下に示す。第３
図は第１図に示した方向性結合器型光スイッチにおいて
ｐ側電極１０６ｂ側の先導波路から入射光１２０を入力
したときのスイッチング特性を示す図である。

図において実線はＴＭモードに対するスイッチング特性
を、破線はＴＥモードに対するスイッチング特性を示し
ている。第３図より逆バイアス電圧がＯｖのときには、
前述のように導波光は入射側の光導波路から他方の光導
波路へほぼ完全に移行し■状態が実現されていることが
判る。逆バイアス電圧を増加して行くと、ＴＭモードに
対する電気光学効果の方がＴＥモードに対する電気光学
効果よりも太きいため、ＴＭモードの方がＴＥモードよ
りも低電圧で○状態に達する。しかしながら、さらに電
圧を増加してもＴＭモードは○状態にほぼとどまってい
るので、ＴＥモードが■状態に達する電圧においても、
ＴＭモードはやはりほぼ○状態である。したがって、■
状態を実現する逆バイアス電圧を１５Ｖから２４Ｖの間
のある特定の電圧、例えば２１Ｖと規定しておけば、Ｔ
Ｅ、　ＴＭ両モードに対してクロストーク−１０ｄＢ以
下の○状態を実現できる。よって本実施例においては（
１１１）方位の結晶を用いることにより入射光の偏光状
態に依存ぜずＯｖで■状態、１５から２４Ｖの間のある
電圧、たとえば２１Ｖで■状態の方向性結合器型光スイ
ッチを実現できる。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば、入射光の偏光状態
に依存しない半導体方向性結合器型光スイッチを実現す
ることができ、単一モードファイバ伝搬光のように偏光
状態が時々刻々変化するような入射光に対しても所望の
スイッチング特性を得ることができるので光通信、光情
報処理の分野において寄与するところ大である。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではない
。実施例としては、ＧａＡｓ系方向性結合器型光スイッ
チを取り上げたが、これに限るものではなく、ＩｎＰ系
などの他の半導体材料を用いた方向性結合器型光スイッ
チに対しても本発明は同様に適用可能である。また、方
向性結合器を実現するための導波路構造として実施例に
おいてはリブ型光導波路を例にあげたが、これに限るも
のではなく、埋め込み型等でもよい。また本発明が実施
例で示した素子形状、すなわち各層の厚さや各層の組成
及び導波路寸法等、に限定されるものではないことは言
うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ方向性結合器型光スイッチの構造を示す斜視図、第２
図は一実施例であるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性結合
器型光スイッチの完全結合長の導波路間隔依存性および
その偏光依存性を示す図、第３図は一実施例であるＧａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ方向性結合器型光スイッチのスイッ
チング特性を示す図、第４図は従来例を示す図である。 図において、 １０１・（１１１）面ｎ−ＧａＡｓ基板、１０２−ｎ−
ＡＩＧａＡｓクラッド層、１０３・・・ｉ　−ＧａＡｓ
導波層、ｌ−０４−ｉ−ＡＩＧａＡｓクラッド層、１０
５・ｐ−ＧａＡｓキャップ層、１０６ａ。 １０６ｂ−ｐ側電極、１０７・ｎ側電極、１０８−ｐ−
ＡＩＧａＡｓクラッド層、１２０・・・入射光、１２１
ａ、　１２１ｂ・・・出射光、３０１・（１００）面ｎ
　−ＧａＡｓ基板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（１１１）面化合物半導体基板上に第１の半導体
   クラッド層、半導体導波層、第２の半導体クラッド層が
   少なくとも積層されており、該半導体基板上に２本の近
   接した３次元光導波路を形成する手段と、前記２本の３
   次元半導体導波路の各々へ電界を独立に印加する手段と
   を具備していることを特徴とする方向性結合器型光スイ
   ッチ。
2. （２）２本の近接した３次元導波路において、１本の光
   導波路から他方の光導波路へと導波光パワーが完全に移
   行するのに必要な長さをＴＥモード、ＴＭモードに対し
   て各々Ｌ＿Ｔ＿Ｅ、Ｌ＿Ｔ＿Ｍとするとき、方向性結合
   器の素子長Ｌが、Ｌ＿Ｔ＿Ｅ≦Ｌ≦Ｌ＿Ｔ＿Ｍである請
   求項１記載の方向性結合器型光スイッチ。