JP2004020909A

JP2004020909A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2004020909A
Application number: JP2002175533A
Authority: JP
Inventors: Shinji Iio; 飯尾　晋司; Chie Sato; 佐藤　千恵; Shinji Kobayashi; 小林　信治; Sadaji Oka; 岡　貞治; Takeshi Yagihara; 八木原　剛; Akira Miura; 三浦　明
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能な光スイッチを実現する。
【解決手段】高速で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、この半導体基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層上であって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、この光導波路層上に形成され光導波路の分岐部分の近傍であって分岐した２つの光導波路にキャリアを注入するための電極とを備え、分岐した２つの光導波路のどちらか一方にキャリアを注入して光導波路の屈折率を制御して光信号の伝播経路を切り換える。
【選択図】　　　　　　　　　　図１

Description

【０００１】
本発明は、高速で光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関し、特にスイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能な光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の通信ネットワークであるＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＷＡＮ（ＷｉｄｅＡｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒ）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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
「Ｋ．Ｉｓｈｉｄａ，　Ｈ．Ｎａｋａｍｕｒａ，　Ｈ．ｍａｔｓｕｍｕｒａ，　Ｔ．Ｋａｄｏｉ，　Ｈ．Ｉｎｏｕｅ：ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ　ｃｈａｎｇｅ：Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　５０（３），　１９　Ｊａｎｕａｒｙ　１９８７，　ｐ１４１−ｐ１４２」には、後者の光スイッチの一例が記載されている。
【０００７】
図３及び図４は上記文献に記載されている従来の光スイッチの一例を示す平面図及び断面図であり、図３において１は半導体の基板、２は”Ｘ字状”の光導波路、３は電極である。基板１上には”Ｘ字状”の光導波路２が形成され、”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分には電極３が形成される。
【０００８】
一方、図４は図３中”Ａ−Ａ’”における断面図であり、４及び１０は電極、５はＩｎＰ基板、６は光導波路層、７はクラッド層であるＩｎＰ層、８はキャップ層であるＩｎＧａＡｓＰ層、９はＳｉＯ_２　等の酸化膜である。
【０００９】
ＩｎＰ基板５上であって図４中”ＤＲ１１”及び”ＤＲ１２”に示す部分にはｐ型不純物であるＺｎが拡散され、その後、ＩｎＰ基板５上には光導波路層６，ＩｎＰ層７及びＩｎＧａＡｓＰ層８が順次形成される。
【００１０】
また、図４中”ＤＲ１３”に示す部分にはｐ型不純物であるＺｎが拡散され、図４中”ＤＲ１３”に示す拡散領域以外の部分には酸化膜９が形成され、酸化膜９及び図４中”ＤＲ１３”に示す拡散領域上には電極１０が形成され、ＩｎＰ基板５の裏面には電極４が形成される。また、図４中”ＩＲ１１”は屈折率が変化する領域である。
【００１１】
ここで、図２に示す従来例の動作を図３を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極３及び図示しない基板１裏面の電極（図４中の電極４に相当する。）には電流が供給されない。
【００１２】
このため、”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図２中”ＰＩ０１”から入射した光信号は交差部分を直進して図２中”ＰＯ０１”に示す部分から出射される。
【００１３】
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、電極３及び図示しない基板１裏面の電極（図４中の電極４に相当する。）に電流が供給され前記交差部分にキャリア（電子、正孔）が注入される。
【００１４】
このため、プラズマ効果によって”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分にある電極３直下の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図２中”ＰＩ０１”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２中”ＰＯ０２”に示す部分から出射される。
【００１５】
この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路２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。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図３及び図４に示す従来例では、光スイッチが”ＯＮ”の場合に、プラズマ効果を用いてキャリア（電子、正孔）を注入して交差部分の屈折率を制御しているが、この際、キャリア（電子、正孔）の注入に起因して発熱が生じる。
【００１７】
このため、発生した熱によって交差部分周辺の屈折率全体が高くなってしまい、クロストーク（消光比）等の光スイッチの特性に影響が出てしまうと言った問題点があった。
【００１８】
特に、光スイッチの”ＯＮ”と”ＯＦＦ”とによって熱の発生が変化するため、言い換えれば、光スイッチが”ＯＦＦ”の場合には、キャリア（電子、正孔）が注入されず発熱が生じないため、光スイッチのスイッチングの頻度によってクロストーク（消光比）等の光スイッチの特性が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、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能な光スイッチを実現することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
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、
高速で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、この半導体基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層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、この光導波路層上に形成され前記光導波路の分岐部分の近傍であって分岐した２つの光導波路にキャリアを注入するための電極とを備え、前記分岐した２つの光導波路のどちらか一方にキャリアを注入して光導波路の屈折率を制御して前記光信号の伝播経路を切り換えることにより、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能になる。
【００２０】
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、
前記電極が、
前記光導波路の分岐部分の近傍であって前記分岐した２つの光導波路に挟まれる部分に形成された共通の電極と、前記光導波路の分岐部分の近傍であって前記分岐した２つの光導波路の前記共通の電極の反対側にそれぞれ形成された第１及び第２の電極とから構成されたことにより、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能になる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明である光スイッチにおいて、
前記共通の電極、前記第１及び第２の電極と前記光導波路層の接触部分に高キャリア濃度領域を形成したことにより、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能になる。
【００２２】
請求項４記載の発明は、
請求項３記載の発明である光スイッチにおいて、
前記高キャリア濃度領域を、
イオン注入により形成したことにより、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能になる。
【００２３】
請求項５記載の発明は、
請求項３記載の発明である光スイッチにおいて、
前記高キャリア濃度領域を、
不純物拡散により形成したことにより、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能になる。
【００２４】
請求項６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、
前記半導体基板が、
ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、若しくは、ＳｉＧｅ系の半導体基板であることにより、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能になる。
【００２５】
請求項７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、
前記クラッド層及び前記光導波路層が、
低キャリア濃度であることにより、光導波路での屈折率変化を効率的に行わせることが可能になる。
【００２６】
請求項８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、
前記共通の電極をコモンと接続して差動増幅回路の２つの差動出力を前記第１及び第２の電極にそれぞれ供給してスイッチング制御をすることにより、光スイッチのスイッチング制御を高速に行うことが可能になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
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。
【００２８】
図１において１１は半導体の基板、１２は”Ｙ字状”、言い換えれば、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、１３，１４及び１５は電極である。
【００２９】
基板１１上には”Ｙ字状”の光導波路１２が形成され、”Ｙ字状”の光導波路１２の分岐部分の近傍であって分岐した２つの光導波路に挟まれる部分には共通のｐ型の電極１３が形成され、光導波路１２の分岐部分の近傍であって分岐した２つの光導波路の電極１３の反対側には伝送経路選択用のｎ型の電極１４及び電極１５が形成される。
【００３０】
一方、図２は図１中”Ｂ−Ｂ’”における断面図であり、１３，１４及び１５は図１と同一符号を付してあり、１６はＧａＡｓやＩｎＰ等の半導体の基板、１７はＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰ等で形成されたクラッド層、１８は光導波路層、１９はＳｉＯ_２　等の酸化膜である。
【００３１】
基板１６上にはクラッド層１７及び光導波路層１８が順次形成され、図２中”ＩＪ３１”及び”ＩＪ３２”に示す部分にはＳｉイオンが注入され、図２中”ＩＪ３３”に示す部分にはＺｎイオンやＭｇイオンが注入される。
【００３２】
図２中”ＩＪ３１”、”ＩＪ３２”及び”ＩＪ３３”に示す部分以外の光導波路層１８の上には絶縁層１９が形成され、絶縁層１９が形成されなかった部分には、言い換えれば、図２中”ＩＪ３１”、”ＩＪ３２”及び”ＩＪ３３”に示す部分の上には電極１４、電極１５及び電極１３がそれぞれ形成される。
【００３３】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２を参照しながら説明する。光スイッチが図１中”ＰＩ２１”に示す部分から入射した光信号を図１中”ＰＯ２１”に示す部分から出射させる場合、電極１３及び電極１５の間に電流が供給される。
【００３４】
このため、光導波路１２の分岐部分であって分岐した２つの光導波路の一方である、図１中”ＩＲ２１”に示す部分にはキャリア（電子、正孔）が注入され、プラズマ効果によって、図１中”ＩＲ２１”に示す部分の屈折率が低くなるように変化する。
【００３５】
例えば、図１中”ＰＩ２１”から入射した光信号は図１中”ＩＲ２１”に示す部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図１中”ＰＯ２１”に示す部分から出射される。すなわち、光信号は図２中”ＰＴ３１”に示す分岐した光導波路に伝播することになる。
【００３６】
一方、光スイッチが図１中”ＰＩ２１”に示す部分から入射した光信号を図１中”ＰＯ２２”に示す部分から出射させる場合、電極１３及び電極１４の間に電流が供給される。
【００３７】
このため、光導波路１２の分岐部分であって分岐した２つの光導波路の一方である、図１中”ＩＲ２２”に示す部分にはキャリア（電子、正孔）が注入され、プラズマ効果によって、図１中”ＩＲ２２”に示す部分の屈折率が低くなるように変化する。
【００３８】
例えば、図１中”ＰＩ２１”から入射した光信号は図１中”ＩＲ２２”に示す部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図１中”ＰＯ２２”に示す部分から出射される。すなわち、光信号は図２中”ＰＴ３２”に示す分岐した光導波路に伝播することになる。
【００３９】
この結果、電極に電流を供給して光導波路１２の分岐部分の近傍であって分岐した２つの光導波路の一方にキャリア（電子、正孔）を注入して分岐した２つの光導波路のどちらか一方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。
【００４０】
また、光信号のスイッチングに際しては常時どちらか一方の分岐した光導波路にキャリア（電子、正孔）を注入するので、スイッチングの頻度によっても発生する熱の変動は微小になり、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能になる。
【００４１】
なお、図１等に示す実施例では、ｐ型の電極１３を共通の電極として、伝送経路選択用のｎ型の電極１４及び電極１５のどちらか一方に電流を供給しているが、勿論、電極１３をｎ型とし、電極１４及び電極１５をｐ型としても構わない。
【００４２】
また、図１等に示す実施例では、電極１４，１５及び１３と接触する高キャリア濃度領域である、図２中”ＩＪ３１”、”ＩＪ３２”及び”ＩＪ３３”に示す部分はイオン注入によって形成されている旨記載されているが、不純物拡散で形成しても構わない。
【００４３】
また、図１等に示す実施例では、半導体基板としてＧａＡｓ系やＩｎＰ系を例示しているが、ＳｉＧｅ系の半導体基板であっても構わない。
【００４４】
また、クラッド層１７及び光導波路層１８を低キャリア濃度にすることにより、図１中”ＩＲ２１”及び”ＩＲ２２”に示す部分の光導波路での屈折率変化を効率的に行わせることが可能になる。また、クラッド層１７及び光導波路層１８はｎ型、若しくは、ｐ型のどちらであっても構わない。
【００４５】
また、共通の電極１３をコモンと接続して差動増幅回路の２つの差動出力を伝送経路選択用の電極１４及び電極１５に供給することにより、光スイッチのスイッチングを制御しても構わない。この場合には、光スイッチのスイッチング制御を高速に行うことが可能になる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、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及び請求項６の発明によれば、電極に電流を供給して光導波路の分岐部分の近傍であって分岐した２つの光導波路の一方にキャリアを注入して屈折率を制御することにより、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。また、光信号のスイッチングに際しては常時どちらか一方の分岐した光導波路にキャリアを注入するので、スイッチングの頻度によっても発生する熱の変動は微小になり、スイッチングの頻度による特性への影響を低減することが可能になる。
【００４７】
また、請求項７の発明によれば、クラッド層及び光導波路層を低キャリア濃度にすることにより、光導波路での屈折率変化を効率的に行わせることが可能になる。
【００４８】
また、請求項８の発明によれば、共通の電極をコモンと接続して差動増幅回路の２つの差動出力を伝送経路選択用の２つの電極にそれぞれ供給することにより、光スイッチのスイッチング制御を高速に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】従来の光スイッチの一例を示す平面図である。
【図４】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】
１，１１，１６　基板
２，１２　光導波路
３，４，１０，１３，１４，１５　電極
５　ＩｎＰ基板
６，１８　光導波路層
７　ＩｎＰ層
８　ＩｎＧａＡｓＰ層
９，１９　酸化膜
１７　クラッド層

Claims

高速で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、
この半導体基板上に形成されたクラッド層と、
このクラッド層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、
この光導波路層上に形成され前記光導波路の分岐部分の近傍であって分岐した２つの光導波路にキャリアを注入するための電極とを備え、
前記分岐した２つの光導波路のどちらか一方にキャリアを注入して光導波路の屈折率を制御して前記光信号の伝播経路を切り換えることを特徴とする光スイッチ。
前記電極が、
前記光導波路の分岐部分の近傍であって前記分岐した２つの光導波路に挟まれる部分に形成された共通の電極と、
前記光導波路の分岐部分の近傍であって前記分岐した２つの光導波路の前記共通の電極の反対側にそれぞれ形成された第１及び第２の電極とから構成されたことを特徴とする
請求項１記載の光スイッチ。
前記共通の電極、前記第１及び第２の電極と前記光導波路層の接触部分に高キャリア濃度領域を形成したことを特徴とする
請求項２記載の光スイッチ。
前記高キャリア濃度領域を、
イオン注入により形成したことを特徴とする
請求項３記載の光スイッチ。
前記高キャリア濃度領域を、不純物拡散により形成したことを特徴とする
請求項３記載の光スイッチ。
前記半導体基板が、
ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、若しくは、ＳｉＧｅ系の半導体基板であることを特徴とする
請求項１記載の光スイッチ。
前記クラッド層及び前記光導波路層が、
低キャリア濃度であることを特徴とする
請求項１記載の光スイッチ。
前記共通の電極をコモンと接続して差動増幅回路の２つの差動出力を前記第１及び第２の電極にそれぞれ供給してスイッチング制御をすることを特徴とする
請求項１記載の光スイッチ。