JP2004271949A

JP2004271949A - Method for driving optical switch and driving circuit using same

Info

Publication number: JP2004271949A
Application number: JP2003063126A
Authority: JP
Inventors: Shinji Iio; 晋司飯尾; Masayuki Suehiro; 雅幸末広; Shinichi Nakajima; 眞一中島; Yoshiyuki Asano; 義之浅野; Morio Wada; 守夫和田; Akira Miura; 明三浦; Takeshi Yagihara; 剛八木原; Shinji Kobayashi; 信治小林; Sadaji Oka; 貞治岡
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-10
Also published as: JP4158098B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for driving an optical switch capable of fast driving and to provide a driving circuit using the same. <P>SOLUTION: The method for driving an optical switch is carried out by switching the transmission line of an optical signal by a change in refractive index caused by carrier injection. A driving current is applied on the optical switch to turn on the switch, and a bias current to an extent not to transit the optical switch into the on-state is applied to turn off the switch. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
本発明は、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の駆動方法に関し、特に高速駆動が可能な光スイッチの駆動及びこれを用いた駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の通信ネットワークであるＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）やＷＡＮ（ＷｉｄｅＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）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”ｐｏｉｎｔｔｏｐｏｉｎｔ”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（ＬｅａｄＬａｎｔｈａｎｕｍＺｉｒｃｏｎａｔｅＴｉｔａｎａｔｅ）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】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−１３０２３６号公報
【特許文献２】
特開平６−２８９３３９号公報
【非特許文献１】
「２ｘ２ＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅｇｕｉｄｅＳｗｉｔｃｈｗｉｔｈＢｏｗ−ＴｉｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＢａｓｅｄｏｎＣａｒｒｉｅｒ−ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＴｏｔａｌＩｎｔｅｒｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｎＳｉＧｅＡｌｌｏｙ」，ＢａｏｊｕｎＬｉａｎｄＳｏｏ−ＪｉｎＣｈｕａ，ｐ２０６−ｐ２０８，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１３，ＮＯ．３，ＭＡＲＣＨ２００１
【０００９】
図４及び図５はこのような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４において１はＧａＡｓやＩｎＰ等の半導体の基板、２は”Ｘ字状”の光導波路を有するｎ型の光導波路層、３は電子が注入されるＮ電極、４は正孔が注入されるＰ電極である。
【００１０】
図４において基板１上には”Ｘ字状”の光導波路を有する光導波路層２が形成され、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分には長方形状のＮ電極３が形成される。また、図４中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍であってＮ電極３に並行して長方形状のＰ電極４が形成される。
【００１１】
一方、図５は図４中”Ａ−Ａ’”における断面図であり、１，２，３及び４は図４と同一符号を付してあり、５はｐ型のＧａＡｓ等のコンタクト層、６はｎ型のＡｌＧａＡｓ等のクラッド層、７はｎ型のＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等のキャップ層、８はＳｉＯ_２等の絶縁膜、９ａ，９ｂ及び９ｃは絶縁層であるポリイミド層、１０ａ及び１０ｂは配線パターンである。
【００１２】
基板１上にはコンタクト層５、クラッド層６及び光導波路層２が台形状になるように順次形成され、光導波路層２上の一部にはキャップ層７が形成される。
【００１３】
基板１、コンタクト層５、クラッド層６及び光導波路層２上であってキャップ層７及びコンタクト層５の一部以外には絶縁膜８が形成される。また、キャップ層７及びコンタクト層５の一部にＮ電極３及びＰ電極４がそれぞれ形成される。
【００１４】
絶縁膜８上にはポリイミド層９ａ，９ｂ及び９ｃがそれぞれ形成され、配線パターン１０ａはポリイミド層９ａ上に形成されると共にＮ電極３に接続され、配線パターン１０ｂはポリイミド層９ｃ上に形成されると共にＰ電極４に接続される。
【００１５】
ここで、図４に示す従来例の動作を図５を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、Ｎ電極３及びＰ電極４には電流が供給されない。
【００１６】
このため、図４中”ＣＰ０１”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４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分を直進して図４中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。
【００１７】
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、Ｎ電極３から電子が注入され、Ｐ電極４からは正孔が注入され、このため、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。
【００１８】
このため、プラズマ効果によって図４中”ＣＰ０１”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４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図４中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。
【００１９】
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。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４及び図５に示す従来例では、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分へのキャリアの注入効率を高くするためコンタクト層５とクラッド層６によって形成されるＰＮ接合のダイオード構造を用いており、図示しない駆動回路から駆動電流がＮ電極３及びＰ電極４に印加されることになる。
【００２１】
”ナノ秒”程度の速度でこのようなＰＮ接合のダイオード構造の構成を有する光スイッチを高速動作させようとした場合には、ＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差が大きく異なることに起因する駆動電流の反射により、図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分に有効にキャリアを注入できなくなり高速動作が困難であると言った問題点があった。
【００２２】
例えば、図６及び図７は光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性及び電圧−容量特性を示す特性曲線図である。図６中”ＣＨ１１”に示す特性曲線から図６中”ＳＣ１１（０ｍＡ）”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図６中”ＳＶ１１（０Ｖ）”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分にはキャリアが注入されないため光スイッチは”ＯＦＦ”状態になる。
【００２３】
一方、図６中”ＣＨ１１”に示す特性曲線から図６中”ＳＣ１２”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図６中”ＳＶ１２”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分にキャリアが注入されるため光スイッチは”ＯＮ”状態になる。
【００２４】
この時、図７中”ＣＨ２１”に示す特性曲線からＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差は図７中”ＤＣ２１”に示すようになり、この容量値差に起因する駆動電流の反射により、図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチの交差部分に有効にキャリアを注入できなくなってしまう。
従って本発明が解決しようとする課題は、高速駆動が可能な光スイッチの駆動方法及びこれを用いた駆動回路を実現することにある。
【００２５】
【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、
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の駆動方法であって、
前記光スイッチに駆動電流を印加して前記光スイッチをＯＮ状態にし、前記光スイッチに前記光スイッチがＯＮ状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加して前記光スイッチをＯＦＦ状態にすることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００２６】
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の駆動方法であって、
前記光スイッチに、
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と、前記光導波路の分岐部分に前記駆動電流を印加することによりキャリアを注入する１対の電極とが形成されていることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００２７】
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である光スイッチの駆動方法であって、
前記光スイッチに、
前記キャリアの注入効率を高くするためにＰＮ接合のダイオードが形成されていることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００２８】
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の駆動方法であって、
前記バイアス電流が
数１００μＡ〜数１０ｍＡであることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００２９】
請求項５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の駆動方法を用いた駆動回路において、
前記光スイッチに駆動電流を印加して前記光スイッチをＯＮ状態にし、前記光スイッチに前記光スイッチがＯＮ状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加して前記光スイッチをＯＦＦ状態にすることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００３０】
請求項６記載の発明は、
請求項５記載の発明である駆動回路において、
前記光スイッチに、
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と、前記光導波路の分岐部分に前記駆動電流を印加することによりキャリアを注入する１対の電極とが形成されていることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００３１】
請求項７記載の発明は、
請求項５記載の発明である駆動回路において、
前記光スイッチに、
前記キャリアの注入効率を高くするためにＰＮ接合のダイオードが形成されていることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００３２】
請求項８記載の発明は、
請求項５記載の発明である駆動回路において、
前記バイアス電流が
数１００μＡ〜数１０ｍＡであることにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００３３】
【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は光スイッチ及び本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路の一実施例を示す構成ブロック図である。但し、図１に示す光スイッチの平面図は図４に示す平面図と同じであるため説明及び記載は省略する。
【００３４】
図１において１，２，３，４，５，６，７及び８は図５と同一符号を付してあり、５０は１〜８で構成される光スイッチ、５１は本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路である。
【００３５】
駆動回路５１の入力端子には図１中”ＣＳ３１”に示すような制御信号が入力され、図１中”ＤＣ３１”及び”ＤＣ３２”に示す駆動回路５１の出力である駆動電流はＮ電極３及びＰ電極４にそれぞれ印加される。
【００３６】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２及び図３を用いて説明する。図２及び図３は光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性及び電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【００３７】
ここで、図１に示す実施例の動作を図４を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、Ｎ電極３及びＰ電極４には電流が供給されない。
【００３８】
このため、図４中”ＣＰ０１”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４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分を直進して図４中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。
【００３９】
一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、Ｎ電極３から電子が注入され、Ｐ電極４からは正孔が注入され、このため、図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。
【００４０】
このため、プラズマ効果によって図４中”ＣＰ０１”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４中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図４中”ＣＰ０１”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図４中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。
【００４１】
この時、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態における注入キャリアは”１０^１７〜１０^１９ｃｍ^−３”程度と非常に大きい。このため、光スイッチ５０の構造に依存するものの、例えば、光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向電流値は”数１０ｍＡ〜数１００ｍＡ”程度になる。
【００４２】
そして、図２中”ＣＨ４１”に示す曲線特性のように順方向電流は順方向の電圧に対して指数関数的に増加し、図３中”ＣＨ５１”に示す特性曲線のように容量は順方向の電圧の平方根に比例する。
【００４３】
従って、光スイッチ５０のＰＮ接合のダイオードの順方向電流に対する容量変化は、順方向電流値が小さい領域では変化が大きく、順方向電流が大きい領域では変化が小さくなる。
【００４４】
このため、光スイッチ５０の”ＯＦＦ”状態において印加する順方向電流を前述のように”０ｍＡ”にするのではなく、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態に遷移しない程度（”数１００μＡ〜数１０ｍＡ”程度）のバイアス電流を印加することにより、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態と、”ＯＦＦ”状態との容量値差を小さくする。
【００４５】
例えば、図２中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から、”数１００μＡ〜数１０ｍＡ”程度のバイアス電流として図２中”ＳＣ４１”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図２中”ＳＶ４１”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分には十分なキャリアが注入されないため光スイッチは”ＯＦＦ”状態になる。
【００４６】
一方、図２中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から図２中”ＳＣ４２”に示す順方向電流をＰＮ接合のダイオードに印加すれば、ＰＮ接合のダイオードの順方向電圧は図２中”ＳＶ４２”に示す値となると共に図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分に十分なキャリアが注入されるため光スイッチは”ＯＮ”状態になる。
【００４７】
この時、図３中”ＣＨ５１”に示す特性曲線からＰＮ接合のダイオード構造の”ＯＮ”時の容量値と、”ＯＦＦ”時の容量値との容量値の差は図３中”ＤＣ５１”に示すようになり、図７中”ＤＣ２１”に示す容量値差と比較して”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化を小さくすることができる。
【００４８】
このため、この容量値差に起因する駆動電流の反射も小さくなり、従来例と比較して図４中”ＣＰ０１”に示す光スイッチ５０の交差部分に有効にキャリアを注入することが可能になる。言い換えれば、従来例と比較して光スイッチの高速駆動が可能になる。
【００４９】
この結果、光スイッチ５０が”ＯＦＦ”状態の場合に、光スイッチ５０が”ＯＮ”状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加することにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【００５０】
なお、図１に示す光スイッチの断面構造（図５に示す従来例と同様）では絶縁膜８の上にポリイミド層９ａ，９ｂ及び９ｃを形成し、その上に配線パターン１０ａ及び１０ｂを形成している構造を例示しているが、ポリイミド層及び配線パターンに関しては必須の構成要素ではない。
【００５１】
また、図１に示す光スイッチの断面構造（図５に示す従来例と同様）では、伝播する光信号を閉じ込めるためコンタクト層５、クラッド層６や光導波路層２を台形状に形成しているが、必須の構成ではない。
【００５２】
また、図１（図５）の説明に際してはキャップ層上にＮ電極１１等を、コンタクト層上にＰ電極１２等を形成する構成となっているが、Ｎ電極とＰ電極の形成位置を入れ替えても勿論構わない。
【００５３】
本願の光スイッチに関しては、光の伝播する光導波路内にキャリアを導入して、その部分での屈折率を低下させることにより光を全反射させてスイッチングを実現している。そして、当該キャリアを効果的に蓄積させるためにＰＮ接合を形成しているので、ＰＮ接合の極性を逆にしても原理的に動作は可能である。
【００５４】
具体的には、実施例の断面図に相当する図５におけるｎ型のキャップ層７、ｎ型の光導波路層２、ｎ型のクラッド層６及びｐ型のコンタクト層５をそれぞれ、ｐ型のキャップ層、ｐ型の光導波路層、ｐ型のクラッド層６及びｎ型のコンタクト層として形成すれば良い。
【００５５】
また、キャップ層７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。
【００５６】
また、図１（図５）ではＰＮ接合の位置をクラッド層とコンタクト層との間に形成しているが、勿論、これに限定される訳ではなく、光導波路層とクラッド層との間にＰＮ接合を形成しても構わない。
【００５７】
また、図１（図５）ではキャップ層７及びコンタクト層５を形成しているが、キャップ層７或いはコンタクト層５の機能を代替する領域を光導波路層２或いはクラッド層６等に設けることにより、当該キャップ層７及びコンタクト層５を省略しても構わない。
【００５８】
具体的には、イオン注入によってキャップ層７或いはコンタクト層５の機能を代替する領域を光導波路層２或いはクラッド層６や半導体基板１等に形成するにより、当該キャップ層７及びコンタクト層５を省略することが可能になる。
【００５９】
また、図１（図４）では光導波路層に”Ｘ字状”、言い換えれば、２本の直線の光導波路が交差した形状の光導波路を形成する構成となっているが、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を形成する構成であれば構わない。
【００６０】
また、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。さらに、、”Ｘ字状”と”ｙ字状”とを組み合わせた形状の光導波路であっても構わない。
【００６１】
【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１，２，３，４，５，６，７及び請求項８の発明によれば、光スイッチが”ＯＦＦ”状態の場合に、光スイッチが”ＯＮ”状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加することにより、”ＯＮ／ＯＦＦ”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光スイッチ及び本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性を示す特性曲線図である。
【図３】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【図４】このような従来の光スイッチの一例を示す平面図である。
【図５】このような従来の光スイッチの一例を示す断面図である。
【図６】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性を示す特性曲線図である。
【図７】光スイッチのＰＮ接合のダイオードの順方向の電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１基板
２光導波路層
３Ｎ電極
４Ｐ電極
５コンタクト層
６クラッド層
７キャップ層
８絶縁膜
９ａ，９ｂ，９ｃポリイミド層
１０ａ，１０ｂ配線パターン
５０光スイッチ
５１駆動回路[0001]
The present invention relates to a method for driving an optical switch that switches a transmission path of an optical signal by a change in a refractive index due to carrier injection, and more particularly to driving an optical switch capable of high-speed driving and a driving circuit using the same.
[0002]
[Prior art]
Current communication networks such as a LAN (Local Area Network) and a WAN (Wide Area Network) generally use a communication method of transmitting information using electric signals.
[0003]
Communication methods for transmitting information using optical signals are only used in backbone networks for transmitting large amounts of data and some other networks. In addition, these networks are “point to point” communications, and at present the communication networks that can be called “photonic networks” have not been developed.
[0004]
In order to realize such a “photonic network”, an “optical router” or “optical switching hub” having the same function as a device such as a router or a switching hub for switching a transmission destination of an electric signal is required. .
[0005]
Further, such a device requires an optical switch for switching a transmission path at high speed, and a device using a ferroelectric material such as lithium niobate or PLZT (Lead Lanthanum Zirconate Titanate) or a semiconductor using an optical path waveguide is formed. There is a type in which a carrier is injected into a semiconductor to change a refractive index to switch a transmission path of an optical signal.
[0006]
Further, recently, there is a type in which a switching operation is performed by generating heat with a heater integrated on a flat glass optical waveguide and changing a refractive index of a portion where the heater is formed.
[0007]
There are the following prior art documents relating to an optical switch in which an optical path waveguide is formed in a conventional semiconductor and a carrier is injected into the semiconductor to change a refractive index to switch a transmission path of an optical signal.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-6-130236 [Patent Document 2]
JP-A-6-289339 [Non-Patent Document 1]
"2x2 Optical Waveguide Switch with Bow-Tie Electrode Based on Carrier-Injection Total Internal Reflection in SiGe Alloy", Baojun Li and Soo-Jin Chua, p206-p208, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 13, NO. 3, MARCH 2001
[0009]
FIG. 4 and FIG. 5 are a plan view and a sectional view showing an example of such a conventional optical switch. In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate such as GaAs or InP, 2 denotes an n-type optical waveguide layer having an "X-shaped" optical waveguide, 3 denotes an N electrode into which electrons are injected, and 4 denotes a hole by holes. P electrode.
[0010]
In FIG. 4, an optical waveguide layer 2 having an "X-shaped" optical waveguide is formed on a substrate 1, and a rectangular cross-section of the "X-shaped" optical waveguide indicated by "CP01" in FIG. An N electrode 3 is formed. Further, a rectangular P electrode 4 is formed near the intersection of the “X-shaped” optical waveguides indicated by “CP01” in FIG.
[0011]
On the other hand, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line "AA" in FIG. 4, and 1, 2, 3, and 4 are denoted by the same reference numerals as in FIG. 6 is a clad layer of n-type AlGaAs or the like, 7 is a cap layer of n-type GaAs or InGaAs, 8 is an insulating film of SiO ₂ or the like, 9a, 9b and 9c are polyimide layers which are insulating layers, 10a and 10b are This is a wiring pattern.
[0012]
A contact layer 5, a cladding layer 6, and an optical waveguide layer 2 are sequentially formed on the substrate 1 so as to have a trapezoidal shape, and a cap layer 7 is formed on a part of the optical waveguide layer 2.
[0013]
An insulating film 8 is formed on the substrate 1, the contact layer 5, the clad layer 6, and the optical waveguide layer 2 except for a part of the cap layer 7 and the contact layer 5. Further, an N electrode 3 and a P electrode 4 are formed on part of the cap layer 7 and the contact layer 5, respectively.
[0014]
Polyimide layers 9a, 9b and 9c are respectively formed on the insulating film 8, a wiring pattern 10a is formed on the polyimide layer 9a and connected to the N electrode 3, and a wiring pattern 10b is formed on the polyimide layer 9c. Is connected to the P electrode 4.
[0015]
Here, the operation of the conventional example shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG. When the optical switch is “OFF”, no current is supplied to the N electrode 3 and the P electrode 4.
[0016]
For this reason, since the refractive index does not change at the intersection of the “X-shaped” optical waveguides indicated by “CP01” in FIG. 4, for example, the optical signal incident from the incident end indicated by “PI01” in FIG. The light goes straight through the intersection indicated by “CP01” in FIG. 4 and is emitted from the emission end indicated by “PO01” in FIG.
[0017]
On the other hand, when the optical switch is “ON”, electrons are injected from the N electrode 3 and holes are injected from the P electrode 4. Therefore, carriers (electrons, electrons, Holes) are injected.
[0018]
For this reason, the refractive index at the intersection of the “X-shaped” optical waveguides indicated by “CP01” in FIG. 4 changes so as to become lower due to the plasma effect. For example, from the incident end indicated by “PI01” in FIG. The incident optical signal is totally reflected by the low refractive index portion generated at the intersection indicated by “CP01” in FIG. 4 and is emitted from the emission end indicated by “PO02” in FIG.
[0019]
As a result, a current is supplied to the electrode to inject carriers (electrons and holes) into the intersection of the "X-shaped" optical waveguides to control the refractive index of the intersection, thereby emitting an optical signal. It is possible to control the position, in other words, switch the propagation path of the optical signal.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional example shown in FIGS. 4 and 5, the diode structure of the PN junction formed by the contact layer 5 and the cladding layer 6 in order to increase the injection efficiency of the carrier into the intersection indicated by "CP01" in FIG. A driving current is applied to the N electrode 3 and the P electrode 4 from a driving circuit (not shown).
[0021]
When an optical switch having such a PN junction diode structure is operated at a high speed of about "nanosecond", the capacitance value of the PN junction diode structure when "ON" and "OFF" Due to the reflection of the driving current caused by a large difference between the capacitance value and the capacitance value at the time, carriers cannot be effectively injected into the intersection of the optical switches indicated by “CP01” in FIG. There was a problem that there was.
[0022]
For example, FIGS. 6 and 7 are characteristic curves showing forward voltage-current characteristics and voltage-capacity characteristics of a PN junction diode of an optical switch. If a forward current indicated by “SC11 (0 mA)” in FIG. 6 is applied to the PN junction diode from the characteristic curve indicated by “CH11” in FIG. 6, the forward voltage of the PN junction diode becomes “SV11 ( 0V), and the carriers are not injected into the intersections of the optical switches indicated by "CP01" in FIG. 4, so that the optical switches are in the "OFF" state.
[0023]
On the other hand, if the forward current shown by “SC12” in FIG. 6 is applied to the PN junction diode from the characteristic curve shown by “CH11” in FIG. 6, the forward voltage of the PN junction diode becomes “SV12” in FIG. The value becomes as shown and carriers are injected into the intersections of the optical switches indicated by “CP01” in FIG. 4, so that the optical switches are turned “ON”.
[0024]
At this time, the difference between the capacitance value at the time of “ON” and the capacitance value at the time of “OFF” of the diode structure of the PN junction is indicated by “DC21” in FIG. 7 from the characteristic curve indicated by “CH21” in FIG. As shown in FIG. 4, due to the reflection of the drive current caused by the capacitance value difference, it becomes impossible to effectively inject carriers into the intersection of the optical switches indicated by “CP01” in FIG.
Therefore, an object of the present invention is to realize a driving method of an optical switch capable of high-speed driving and a driving circuit using the same.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the invention according to claim 1 of the present invention is:
A driving method of an optical switch for switching a transmission path of an optical signal by a change in refractive index due to carrier injection,
By applying a drive current to the optical switch to turn on the optical switch, applying a bias current to the optical switch such that the optical switch does not transition to the ON state, and turning the optical switch OFF, The change in capacitance at the time of "ON / OFF" transition is small, and high-speed driving is possible.
[0026]
The invention according to claim 2 is
A method for driving an optical switch according to claim 1, wherein:
In the optical switch,
An optical waveguide is formed in which the optical signal is incident from one side and is branched into two in the middle and emitted, and a pair of electrodes for injecting carriers by applying the driving current to a branched portion of the optical waveguide are formed. Accordingly, a change in capacitance at the time of “ON / OFF” transition is reduced, and high-speed driving is enabled.
[0027]
The invention according to claim 3 is
A method for driving an optical switch according to claim 1, wherein:
In the optical switch,
Since a PN junction diode is formed to increase the carrier injection efficiency, a change in capacitance at the time of "ON / OFF" transition is reduced, and high-speed driving is enabled.
[0028]
The invention according to claim 4 is
A method for driving an optical switch according to claim 1, wherein:
When the bias current is several hundred μA to several tens mA, the change in capacitance at the time of “ON / OFF” transition is small, and high-speed driving is possible.
[0029]
The invention according to claim 5 is
In a driving circuit using a driving method of an optical switch that switches a transmission path of an optical signal by a refractive index change due to carrier injection,
By applying a drive current to the optical switch to turn on the optical switch, applying a bias current to the optical switch such that the optical switch does not transition to the ON state, and turning the optical switch OFF, The change in capacitance at the time of "ON / OFF" transition is small, and high-speed driving is possible.
[0030]
The invention according to claim 6 is
The driving circuit according to claim 5,
In the optical switch,
An optical waveguide is formed in which the optical signal is incident from one side and is branched and emitted in the middle of the optical signal, and a pair of electrodes for injecting carriers by applying the driving current to a branched portion of the optical waveguide. Accordingly, a change in capacitance at the time of “ON / OFF” transition is reduced, and high-speed driving is enabled.
[0031]
The invention according to claim 7 is
The driving circuit according to claim 5,
In the optical switch,
Since a PN junction diode is formed to increase the carrier injection efficiency, a change in capacitance at the time of "ON / OFF" transition is reduced, and high-speed driving is enabled.
[0032]
The invention according to claim 8 is
The driving circuit according to claim 5,
When the bias current is several hundred μA to several tens mA, the change in capacitance at the time of “ON / OFF” transition is small, and high-speed driving is possible.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration block diagram showing one embodiment of an optical switch and a driving circuit using the optical switch driving method according to the present invention. However, the plan view of the optical switch shown in FIG. 1 is the same as the plan view shown in FIG.
[0034]
In FIG. 1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8 have the same reference numerals as in FIG. 5, 50 is an optical switch composed of 1 to 8, and 51 is an optical switch according to the present invention. Is a driving circuit using the driving method of (1).
[0035]
A control signal such as “CS31” in FIG. 1 is input to the input terminal of the drive circuit 51, and the drive current, which is the output of the drive circuit 51 shown in “DC31” and “DC32” in FIG. It is applied to each of the P electrodes 4.
[0036]
Here, the operation of the embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 3 are characteristic curves showing forward voltage-current characteristics and voltage-capacitance characteristics of the PN junction diode of the optical switch 50. FIG.
[0037]
Here, the operation of the embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. When the optical switch is “OFF”, no current is supplied to the N electrode 3 and the P electrode 4.
[0038]
For this reason, since the refractive index does not change at the intersection of the “X-shaped” optical waveguides indicated by “CP01” in FIG. 4, for example, the optical signal incident from the incident end indicated by “PI01” in FIG. The light goes straight through the intersection indicated by “CP01” in FIG. 4 and is emitted from the emission end indicated by “PO01” in FIG.
[0039]
On the other hand, when the optical switch is “ON”, electrons are injected from the N electrode 3 and holes are injected from the P electrode 4. Therefore, carriers (electrons, electrons, Holes) are injected.
[0040]
For this reason, the refractive index at the intersection of the “X-shaped” optical waveguides indicated by “CP01” in FIG. 4 changes so as to become lower due to the plasma effect. For example, from the incident end indicated by “PI01” in FIG. The incident optical signal is totally reflected by the low refractive index portion generated at the intersection indicated by “CP01” in FIG. 4 and is emitted from the emission end indicated by “PO02” in FIG.
[0041]
At this time, the injected carriers when the optical switch 50 is in the “ON” state are as large as about “10 ¹⁷ to 10 ¹⁹ cm ⁻³ ”. For this reason, although depending on the structure of the optical switch 50, for example, the forward current value of the PN junction diode of the optical switch 50 is about "several tens mA to several hundred mA".
[0042]
Then, the forward current increases exponentially with respect to the forward voltage, as indicated by the curve characteristic indicated by "CH41" in FIG. 2, and the capacitance changes in the forward direction as indicated by the characteristic curve indicated by "CH51" in FIG. Is proportional to the square root of the voltage.
[0043]
Therefore, the change in capacitance of the PN junction diode of the optical switch 50 with respect to the forward current is large in a region where the forward current value is small, and small in a region where the forward current is large.
[0044]
For this reason, the forward current applied in the “OFF” state of the optical switch 50 is not set to “0 mA” as described above, but to the extent that the optical switch 50 does not transition to the “ON” state (“several hundred μA to several tens mA”). By applying a bias current of “approximately”, the capacitance difference between the “ON” state and the “OFF” state of the optical switch 50 is reduced.
[0045]
For example, from the characteristic curve indicated by “CH41” in FIG. 2, if a forward current indicated by “SC41” in FIG. 2 is applied to the PN junction diode as a bias current of “several hundred μA to several tens mA”, The forward voltage of the diode becomes a value indicated by "SV41" in FIG. 2 and sufficient carriers are not injected into the intersection of the optical switch 50 indicated by "CP01" in FIG. 4 so that the optical switch is turned "OFF". .
[0046]
On the other hand, if the forward current shown by "SC42" in FIG. 2 is applied to the PN junction diode from the characteristic curve shown by "CH41" in FIG. 2, the forward voltage of the PN junction diode becomes "SV42" in FIG. 4 and the sufficient carrier is injected into the intersection of the optical switches 50 indicated by “CP01” in FIG. 4 so that the optical switches are turned “ON”.
[0047]
At this time, from the characteristic curve shown by "CH51" in FIG. 3, the difference between the capacitance value at the time of "ON" and the capacitance value at the time of "OFF" of the diode structure of the PN junction is "DC51" in FIG. As shown in FIG. 7, the change in capacitance at the time of "ON / OFF" transition can be reduced as compared with the capacitance value difference indicated by "DC21" in FIG.
[0048]
For this reason, the reflection of the driving current due to the capacitance value difference is reduced, and carriers can be effectively injected into the intersection of the optical switch 50 shown by “CP01” in FIG. 4 as compared with the conventional example. . In other words, the optical switch can be driven at a higher speed than in the conventional example.
[0049]
As a result, when the optical switch 50 is in the “OFF” state, by applying a bias current that does not cause the optical switch 50 to transition to the “ON” state, the change in capacitance at the time of the “ON / OFF” transition is reduced. , High-speed driving becomes possible.
[0050]
In the cross-sectional structure of the optical switch shown in FIG. 1 (similar to the conventional example shown in FIG. 5), polyimide layers 9a, 9b and 9c are formed on an insulating film 8, and wiring patterns 10a and 10b are formed thereon. However, the polyimide layer and the wiring pattern are not essential components.
[0051]
In the cross-sectional structure of the optical switch shown in FIG. 1 (similar to the conventional example shown in FIG. 5), the contact layer 5, the cladding layer 6, and the optical waveguide layer 2 are formed in a trapezoidal shape in order to confine a propagating optical signal. However, it is not a required configuration.
[0052]
In the description of FIG. 1 (FIG. 5), the configuration is such that the N electrode 11 and the like are formed on the cap layer and the P electrode 12 and the like are formed on the contact layer. Of course, it doesn't matter.
[0053]
As for the optical switch of the present invention, switching is realized by totally reflecting light by introducing a carrier into an optical waveguide through which light propagates and lowering the refractive index at that portion. Since a PN junction is formed to effectively accumulate the carriers, operation is possible in principle even if the polarity of the PN junction is reversed.
[0054]
Specifically, the n-type cap layer 7, the n-type optical waveguide layer 2, the n-type cladding layer 6, and the p-type contact layer 5 in FIG. It may be formed as a cap layer, a p-type optical waveguide layer, a p-type cladding layer 6, and an n-type contact layer.
[0055]
Further, the cap layer 7 is for reducing the resistance between the electrode and the optical waveguide layer, and is not an essential component for the operation of the optical switch.
[0056]
Further, in FIG. 1 (FIG. 5), the position of the PN junction is formed between the cladding layer and the contact layer. However, the position is not limited to this. Of course, the PN junction is formed between the optical waveguide layer and the cladding layer. A PN junction may be formed.
[0057]
In FIG. 1 (FIG. 5), the cap layer 7 and the contact layer 5 are formed. However, by providing a region for replacing the function of the cap layer 7 or the contact layer 5 in the optical waveguide layer 2 or the clad layer 6 or the like. Alternatively, the cap layer 7 and the contact layer 5 may be omitted.
[0058]
Specifically, a region that substitutes the function of the cap layer 7 or the contact layer 5 by ion implantation is formed in the optical waveguide layer 2, the clad layer 6, the semiconductor substrate 1, or the like, so that the cap layer 7 and the contact layer 5 are omitted. It becomes possible to do.
[0059]
Also, in FIG. 1 (FIG. 4), the optical waveguide layer has an "X-shape", in other words, a configuration in which two straight optical waveguides intersect with each other. Any structure may be used as long as it forms an optical waveguide that is made incident on the optical waveguide and split into two in the middle.
[0060]
The optical waveguide having two outgoing optical waveguides may be “y-shaped” or may have another shape. Here, the “y-shaped” optical waveguide has a shape that branches at a different angle from the middle of one straight optical waveguide. Furthermore, an optical waveguide having a shape combining "X-shape" and "y-shape" may be used.
[0061]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention has the following effects.
According to the first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh aspects of the present invention, when the optical switch is in the "OFF" state, the bias current is such that the optical switch does not transition to the "ON" state. Is applied, the change in capacitance at the time of "ON / OFF" transition is reduced, and high-speed driving becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration block diagram showing an embodiment of an optical switch and a driving circuit using the optical switch driving method according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic curve diagram showing forward voltage-current characteristics of a PN junction diode of an optical switch.
FIG. 3 is a characteristic curve diagram showing forward voltage-capacity characteristics of a PN junction diode of an optical switch.
FIG. 4 is a plan view showing an example of such a conventional optical switch.
FIG. 5 is a sectional view showing an example of such a conventional optical switch.
FIG. 6 is a characteristic curve diagram showing forward voltage-current characteristics of a PN junction diode of an optical switch.
FIG. 7 is a characteristic curve diagram showing forward voltage-capacitance characteristics of a PN junction diode of an optical switch.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Optical waveguide layer 3 N electrode 4 P electrode 5 Contact layer 6 Cladding layer 7 Cap layer 8 Insulating films 9a, 9b, 9c Polyimide layers 10a, 10b Wiring pattern 50 Optical switch 51 Drive circuit

Claims

A driving method of an optical switch for switching a transmission path of an optical signal by a change in refractive index due to carrier injection,
Applying a drive current to the optical switch to turn on the optical switch,
A method for driving an optical switch, comprising applying a bias current to the optical switch to such an extent that the optical switch does not transition to the ON state, thereby turning the optical switch OFF.

In the optical switch,
An optical waveguide is formed in which the optical signal is incident from one side and is branched into two in the middle and emitted, and a pair of electrodes for injecting carriers by applying the driving current to a branched portion of the optical waveguide are formed. 2. The method for driving an optical switch according to claim 1, wherein:

In the optical switch,
2. The method according to claim 1, wherein a PN junction diode is formed to increase the carrier injection efficiency.

2. The method according to claim 1, wherein the bias current ranges from several hundreds [mu] A to several tens mA.

In a driving circuit using a driving method of an optical switch that switches a transmission path of an optical signal by a refractive index change due to carrier injection,
Applying a drive current to the optical switch to turn on the optical switch,
A drive circuit for applying a bias current to the optical switch to such an extent that the optical switch does not transition to the ON state, thereby turning the optical switch OFF.

In the optical switch,
An optical waveguide is formed in which the optical signal is incident from one side and is branched and emitted in the middle of the optical signal, and a pair of electrodes for injecting carriers by applying the driving current to a branched portion of the optical waveguide. The driving circuit according to claim 5, wherein

In the optical switch,
6. The driving circuit according to claim 5, wherein a PN junction diode is formed to increase the carrier injection efficiency.

6. The driving circuit according to claim 5, wherein the bias current is several hundreds μA to several tens mA.