JP2005062495A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 電流狭窄構造を有する光導波路型の光スイッチにおいて光導波路の伝搬損失を少なくした光スイッチを実現する。
【解決手段】 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、半導体基板上に形成された第１クラッド層と、この第１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た第２クラッド層と、この第２クラッド層上に形成されたコンタクト層と、前記第１クラッド層及び前記コンタクト層上の一部を除いて形成された酸化膜と、前記コンタクト層上の前記酸化膜が除かれた部分に形成された第１電極と、前記基板の裏面に形成された第２電極と、前記第１電極の直下の第２クラッド層と前記第１電極の直下を除く第１クラッド層に電流狭窄のための不純物拡散領域を備え、
前記第１クラッド層上に第３クラッド層を形成した。

【選択図】 図１

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、特に屈折率が変化する電流注入領域を狭窄して効率を改善した構造が容易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た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て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０５−２４９５０８号公報 特開平０６−０５９２９４号公報 特開平０６−０６２４５０号公報 特開平０６−１３０２３６号公報 特開平０６−２８９３３９号公報 特開平０８−０８２８１０号公報 Baujun Li, Guozheng Li, Enke Liu, Zuimin Jiang, Chengwen Pei and Xun Wang, Appl. Phys. Lett., pp.1-3, 75(1999) K. Ishida, H. Nakamura, H. Matsumura, T. Kadi, and H. Inoue, Appl. Phys. Lett., pp.141-142, 19(1987)

図５及び図６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。これらの図において、１はｐ型のＳｉ等の基板、２ａはｐ型のＳｉＧｅ等の光導波路層、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。

光導波路層２ａ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。

図６は図のＡ−Ａ断面図であり、図６において７及び８はコンタクト層、１１はＳＩＯ_２等の絶縁膜である。

ここで、図５及び図６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及び電極４には電流が供給されない。

その結果、図５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５中“Ｐｉ“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“Ｐ１“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。

その結果、プラズマ効果によって図５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５中“Ｐｉ“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“Ｐ２“に示す出射端から出射される。

従って、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、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。

また、図７及び図８は上述の“非特許文献２“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。

これらの図において１ａはＩｎＰからなる半導体基板、２０はｎ−ＩｎＰ層からなる第１クラッド層、２１はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層からなる“Ｘ字状“の光導波路、２２はｎ−ＩｎＰ層からなる第２クラッド層である。

２３はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層からなるコンタクト層であり、これらの層は順次形成される。２４はＳｉＯ_２等からなる絶縁層で“Ｘ字状“の光導波路２ｂ（図７参照）の交差部分を除いて形成されており、その交差部分には第１電極２５が形成される。

そと前記電流狭窄のための不純物拡散領域を備え
また、図８中第１電極の直下の第２クラッド層“Ａ“で示す部分と第１電極の直下を除く第１クラッド層の“Ｂ，Ｃ“で示す部分にはＰ型不純物であるＺｎが拡散され電流狭窄構造が形成されている。

即ち、この例ではスイッチ部の光導波路内にＰ領域を設けて電流狭窄を行い、高いキャリア濃度の領域を制限して屈折率変化領域を限定する構造となっている。なお、ＩｎＰ基板１ａの裏面には第２電極２６が形成されている。

ここで、図７及び図８に示す従来例の動作を説明する。光スイッチが“ＯＦＦ“の場合、第１電極２５及び基板１ａ裏面の電極には電流が供給されない。

このため、“Ｘ字状“の光導波路２ｂの交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図７中“Ｐｉ“から入射した光信号は交差部分を直進して“Ｐ１“に示す部分から出射される。

一方、光スイッチが“ＯＮ“の場合、第１電極２５から基板１ａ裏面の電極２６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。

その結果、プラズマ効果によって“Ｘ字状“の光導波路２ｂの交差部分の電極２５直下の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、“Ｐｉ“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“Ｐ２”に示す部分から出射される。

この結果、電極に電流を供給して“Ｘ字状“の光導波路２ｂ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、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。

しかし、図７、図８に示す従来例では、電流狭窄のためのＰ形領域を光導波路部の光閉じ込め層となるInGaAsP層直下に設けるため、光導波路を伝搬する光がキャリア濃度の高いＰ形領域まで拡がり自由キャリア吸収が生じる。これにより、光導波路の伝搬損失が増大するという問題があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、電流狭窄構造を有する光導波路型の光スイッチにおいて光導波路の伝搬損失を少なくした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、
半導体基板上に形成された第１クラッド層と、
この第１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た第２クラッド層と、
この第２クラッド層上に形成されたコンタクト層と、
前記第１クラッド層及び前記コンタクト層上の一部を除いて形成された酸化膜と、
前記コンタクト層上の前記酸化膜が除かれた部分に形成された第１電極と、
前記基板の裏面に形成された第２電極と、
前記第１電極の直下の第２クラッド層と前記第１電極の直下を除く第１クラッド層に電流狭窄のための不純物拡散領域を備え、前記第１クラッド層上に第３クラッド層を形成した。その結果、光導波路の伝搬損失を少なくした光スイッチを実現することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記光導波路をスラブ型としたことにより、構造が簡単で製作が容易な電流狭窄構造とすることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光スイッチにおいて、
前記第３クラッド層は自由キャリアの吸収がなくなる程度にキャリア濃度を低く形成したことにより、光導波路の伝播損失を少なくすることができる。

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および３に記載の発明によれば、第１クラッド層上に第３クラッド層を形成し、第３クラッド層のキャリア濃度を自由キャリアの吸収がなくなる程度に低く形成した。その結果、光導波路の伝搬損失を少なくした光スイッチを実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、
光導波路をスラブ型とすることにより構造が簡単で製作が容易な光スイッチを実現することができる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は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。なお、平面図は図７に示す従来例と同様なので省略する。

図１において、１ａはＩｎＰからなる半導体基板、２０はｎ−ＩｎＰ層からなる第１クラッド層、２１はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層からなる“Ｘ字状“の光導波路、２２はｎ−ＩｎＰ層からなる第２クラッド層である。

２３はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層からなるコンタクト層であり、これらの層は順次形成される。２４はＳｉＯ_２等からなる絶縁層で“Ｘ字状“の光導波路２ｂ（図７参照）の交差部分を除いて形成されており、その交差部分には第１電極２５が形成される。

また、図１中第１電極の直下の第２クラッド層“Ａ“で示す部分と第１電極の直下を除く第１クラッド層の“Ｂ，Ｃ“で示す部分にはＰ形不純物であるＺｎが拡散され電流狭窄構造が形成されており、このＰ形不純物“Ｂ，Ｃ“領域を含む第１クラッド層の上には第３クラッド層３０が形成されている。第３クラッド層３０の厚さは０．５〜１μｍ程度で、自由キャリア吸収が少なくなるようにキャリア濃度は低く、例えば１０^１６ｃｍ^−３程度のオ−ダ−とされている。このようなキャリア濃度とすることにより、光導波路の伝搬損失を少なくすることができる。

即ち、この例ではスイッチ部の光導波路内にＰ領域を設けて電流狭窄を行い、高いキャリア濃度の領域を制限して屈折率変化領域を限定する構造となっている。
なお、この実施例では第1クラッド層を凹形状に加工して光導波路としている。また、ＩｎＰ基板１ａの裏面には第２電極２６が形成されている。

ここで、図１に示す本発明の光スイッチの動作を説明する。
光スイッチが“ＯＦＦ“の場合、第１電極２５及び基板１ａ裏面の電極には電流が供給されない。

このため、“Ｘ字状“の光導波路２ｂ（図７参照）の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図７中“Ｐｉ”から入射した光信号は交差部分を直進して“Ｐ１“に示す部分から出射される。

一方、光スイッチが“ＯＮ“の場合、第１電極２５から基板１ａ裏面の電極２６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。

その結果、プラズマ効果によって“Ｘ字状“の光導波路２ｂ（図７参照）の交差部分の電極２５直下の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、“Ｐｉ“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“Ｐ２“に示す部分から出射される。

この結果、電極に電流を供給して“Ｘ字状“の光導波路２ｂ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、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。

従って、図７に示す従来例と同様“Ｐｉ“から入射した光信号は“Ｘ字状“の光導波路２ｂの交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図７中“Ｐ２“に示す部分から出射される。

図２は他の実施例を示すもので、この実施例では上部クラッド層の途中までエッチング加工を行ってスラブ型光導波路を構成したものである。この実施例では第1クラッド層は凹形状に加工しておらず、第２クラッド層２２の途中までエッチング加工を行ってスラブ型光導波路が構成されている。このような構成によれば、構造が簡単で製作が容易な光スイッチを実現することができる。なお、その他の構成は図１に示すものと同様なのでここでの説明は省略する。

図３及び図４は、本発明の図２に示す実施例のスラブ型光導波路（屈折率分布：相対値）構造の伝搬モ−ドの光強度分布計算結果である。これらの図に示す光強度分布から伝播モードは、単一（０次）モ−ドであり、第３クラッド層を設けることにより、電流狭窄構造（Ｐ形領域）をもつ第１クラッド層内での光強度は極めて小さくなっている。従って、電流狭窄構造（Ｐ形領域）を設けることによる自由キャリア吸収の影響を低減できることがわかる。

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。 本発明に係る光スイッチの他の実施例を示す断面図である。 屈折率部分のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。 光強度分布のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。 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。 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

１，１ａ 基板
２ 光導波路
２ａ 光導波路層
２３ コンタクト層
１１，２４ 絶縁層
２０ 第１クラッド層（ｎ−ＩｎＰ層）
２１ コア層（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層）
２２ 第２クラッド層（ｎ−ＩｎＰ層）
２５ 第１電極
２６ 第２電極
３０ 第３クラッツド層（ｎ−ＩｎＰ層）

Claims (3)

1. 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、
   半導体基板上に形成された第１クラッド層と、
   この第１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た第２クラッド層と、
   この第２クラッド層上に形成されたコンタクト層と、
   前記第１クラッド層及び前記コンタクト層上の一部を除いて形成された酸化膜と、
   前記コンタクト層上の前記酸化膜が除かれた部分に形成された第１電極と、
   前記基板の裏面に形成された第２電極と、
   前記第１電極の直下の第２クラッド層と前記第１電極の直下を除く第１クラッド層に電流狭窄のための不純物拡散領域を備え、
   前記第１クラッド層上に第３クラッド層を形成したことを特徴とする光スイッチ。
2. 前記光導波路をスラブ型としたことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ
3. 前記第３クラッド層は自由キャリアの吸収がなくなる程度にキャリア濃度を低く形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。