JP2781655B2 - 方向性結合器型半導体光スイッチ - Google Patents
方向性結合器型半導体光スイッチInfo
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- JP2781655B2 JP2781655B2 JP2312047A JP31204790A JP2781655B2 JP 2781655 B2 JP2781655 B2 JP 2781655B2 JP 2312047 A JP2312047 A JP 2312047A JP 31204790 A JP31204790 A JP 31204790A JP 2781655 B2 JP2781655 B2 JP 2781655B2
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- Japan
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- undoped
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- cladding layer
- optical switch
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、従来の光通信システムや光変換システム等
に於て重要なエレメントとなる半導体光スイッチ、特に
方向性結合器型半導体光スイッチに関する。
に於て重要なエレメントとなる半導体光スイッチ、特に
方向性結合器型半導体光スイッチに関する。
光スイッチは将来の高速通信システム、光交換システ
ム等のキーエレメントの一つと考えられ、各所で研究開
発が活発化してきている。光スイッチとしては、LiNbO3
の誘電体を用いたものと、GaAsやInP等の半導体を用い
たものとがあるが、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イ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イッチとしては、上記適用分
野から考えて、高速動作、低電圧動作、低消費電力、低
損失動作、高集積の容易性等が要求される。この要求を
満す半導体光スイッチに、第3図(断面図)に示すGaAs
/AlGaAs系の方向性結合型半導体光スイッチがある。
ム等のキーエレメントの一つと考えられ、各所で研究開
発が活発化してきている。光スイッチとしては、LiNbO3
の誘電体を用いたものと、GaAsやInP等の半導体を用い
たものとがあるが、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イ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イッチとしては、上記適用分
野から考えて、高速動作、低電圧動作、低消費電力、低
損失動作、高集積の容易性等が要求される。この要求を
満す半導体光スイッチに、第3図(断面図)に示すGaAs
/AlGaAs系の方向性結合型半導体光スイッチがある。
第3図の半導体光スイッチは、図に示す如く、GaAs基
板の上に、n型AlGaAs第1クラッド層2、アンドープGa
Asガイド層4、2本の互いに近接したストライプ状凸部
を有するアンドープAlGaAs第2クラッド層5、2本の互
いに近接したストライプ状のp型AlGaAs第2クラッド層
6、2本の近接したストライプ状p型GaAsキャップ層7
が積層した構造になっている。
板の上に、n型AlGaAs第1クラッド層2、アンドープGa
Asガイド層4、2本の互いに近接したストライプ状凸部
を有するアンドープAlGaAs第2クラッド層5、2本の互
いに近接したストライプ状のp型AlGaAs第2クラッド層
6、2本の近接したストライプ状p型GaAsキャップ層7
が積層した構造になっている。
GaAs/AlGaAsを材料とし、電気光学効果を利用した方
向性結合器型光スイッチは、低損失、低消費電力、高速
動作が可能、波長依存性が小さい、微細加工プロセスが
確立しており高集積化に向く等の利点を有し、光交換用
マトリクス光スイッチ等への適用が期待されている。し
かしながらこのような方向性結合器型半導体光スイッチ
は、フリーキャリア吸収等の吸収損失が生じるために、
伝搬損失が大きくなってしまうという問題点があり、高
速通信システム、光交換システム等に利用するには適さ
なかった。
向性結合器型光スイッチは、低損失、低消費電力、高速
動作が可能、波長依存性が小さい、微細加工プロセスが
確立しており高集積化に向く等の利点を有し、光交換用
マトリクス光スイッチ等への適用が期待されている。し
かしながらこのような方向性結合器型半導体光スイッチ
は、フリーキャリア吸収等の吸収損失が生じるために、
伝搬損失が大きくなってしまうという問題点があり、高
速通信システム、光交換システム等に利用するには適さ
なかった。
上述の問題点を解決するために、本発明による方向性
結合器型半導体光スイッチは、導電型半導体基板上に、
第1導電型第1クラッド層が積層され、前記第1導電型
第1クラッド層上にアンドープ第1クラッド層が積層さ
れ、前記アンドープ第1クラッド層上にアンドープガイ
ド層が積層され、前記アンドープガイド層上にアンドー
プ第2クラッド層が積層され、前記アンドープ第2クラ
ッド層上に第2導電型第2クラッド層が形成され、前記
第2導電型第2クラッド層上に第2導電型キャップ層が
積層され、前記第2導電型キャップ層、第2導電型第2
クラッド層、及びアンドープ第2クラッド層の一部がエ
ッチングにより除去されて形成された2本の近接したリ
ブ型光導波路から構成されていることを特徴とする。
結合器型半導体光スイッチは、導電型半導体基板上に、
第1導電型第1クラッド層が積層され、前記第1導電型
第1クラッド層上にアンドープ第1クラッド層が積層さ
れ、前記アンドープ第1クラッド層上にアンドープガイ
ド層が積層され、前記アンドープガイド層上にアンドー
プ第2クラッド層が積層され、前記アンドープ第2クラ
ッド層上に第2導電型第2クラッド層が形成され、前記
第2導電型第2クラッド層上に第2導電型キャップ層が
積層され、前記第2導電型キャップ層、第2導電型第2
クラッド層、及びアンドープ第2クラッド層の一部がエ
ッチングにより除去されて形成された2本の近接したリ
ブ型光導波路から構成されていることを特徴とする。
電気光学効果を利用した方向性結合器型半導体光スイ
ッチの場合、アンドープ光ガイド層中に電界を印加する
ことによる屈折率変化を利用してスイッチング動作させ
るので、クラッド層は通常p型半導体およびn型半導体
としてpin構造としている。この場合、不純物を混合し
てクラッド層をp型あるいはn型化するので、導波光の
一部がp型若しくはn型半導体層中にしみ出している場
合、フリーキャリア吸収等の吸収損失が生じてしまう。
第3図に示すような従来の構造では、フリーキャリア吸
収等の吸収損失が大きく生じてしまい、方向性結合器型
半導体光スイッチの伝搬損失が大きくなってしまう。
ッチの場合、アンドープ光ガイド層中に電界を印加する
ことによる屈折率変化を利用してスイッチング動作させ
るので、クラッド層は通常p型半導体およびn型半導体
としてpin構造としている。この場合、不純物を混合し
てクラッド層をp型あるいはn型化するので、導波光の
一部がp型若しくはn型半導体層中にしみ出している場
合、フリーキャリア吸収等の吸収損失が生じてしまう。
第3図に示すような従来の構造では、フリーキャリア吸
収等の吸収損失が大きく生じてしまい、方向性結合器型
半導体光スイッチの伝搬損失が大きくなってしまう。
これに対して、第2図に示すように、本発明による半
導体光スイッチは、アンドープガイド層4や素子の電気
的分離用途で挿入されるアンドープ第2クラッド層5の
みならず、n型第1クラッド層2とアンドープガイド層
4の間にも第2図の斜線部で示すアンドープ第1クラッ
ド層3を挿入しているので、導波光のフリーキャリア吸
収等による吸収損失は殆ど生じない。また、アンドープ
層へ光が殆ど閉じ込められるので、アンドープ第1クラ
ッド層3を挿入してもスイッチング電圧が大きくなって
しまうことはない。
導体光スイッチは、アンドープガイド層4や素子の電気
的分離用途で挿入されるアンドープ第2クラッド層5の
みならず、n型第1クラッド層2とアンドープガイド層
4の間にも第2図の斜線部で示すアンドープ第1クラッ
ド層3を挿入しているので、導波光のフリーキャリア吸
収等による吸収損失は殆ど生じない。また、アンドープ
層へ光が殆ど閉じ込められるので、アンドープ第1クラ
ッド層3を挿入してもスイッチング電圧が大きくなって
しまうことはない。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第1図及び第2図は、本発明による半導体スイッチの
一実施例を示す斜視部及び断面図である。
一実施例を示す斜視部及び断面図である。
n型GaAs基板上1に、n型Al0.38Ga0.62As第1クラッ
ド層2が積層され、前記n型Al0.38Ga0.62As第1クラッ
ド層2上にアンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッド層3
が積層され、前記アンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッ
ド層3上にアンドープGaAsガイド層4が積層され、前記
アンドープGaAsガイド層4上にアンドープAl0.38Ga0.62
As第2クラッド層5が積層され、前記アンドープAl0.38
Ga0.62As第2クラッド層5上にp型Al0.38Ga0.62As第2
クラッド層6が形成され、前記p型Al0.38Ga0.62As第2
クラッド層6上にp型GaAsキャップ層7が積層され、前
記p型GaAsキャップ層7、p型Al0.38Ga0.62第2クラッ
ド層6、及びアンドープAl0.38Ga0.62第2クラッド層5
の一部がエッチングにより除去されて形成された2本の
近接したリブ型光導波路により方向性結合器型光スイッ
チが構成されている。
ド層2が積層され、前記n型Al0.38Ga0.62As第1クラッ
ド層2上にアンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッド層3
が積層され、前記アンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッ
ド層3上にアンドープGaAsガイド層4が積層され、前記
アンドープGaAsガイド層4上にアンドープAl0.38Ga0.62
As第2クラッド層5が積層され、前記アンドープAl0.38
Ga0.62As第2クラッド層5上にp型Al0.38Ga0.62As第2
クラッド層6が形成され、前記p型Al0.38Ga0.62As第2
クラッド層6上にp型GaAsキャップ層7が積層され、前
記p型GaAsキャップ層7、p型Al0.38Ga0.62第2クラッ
ド層6、及びアンドープAl0.38Ga0.62第2クラッド層5
の一部がエッチングにより除去されて形成された2本の
近接したリブ型光導波路により方向性結合器型光スイッ
チが構成されている。
まず第1図に示した半導体光スイッチの製造方法につ
いて簡単に述べる。上記のn型Al0.38Ga0.62As第1クラ
ッド層2、アンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッド層
3、アンドープGaAsガイド層4、アンドープAl0.38Ga
0.62As第2クラッド層5、p型Al0.38Ga0.62As第2クラ
ッド層6、p型GaAsキャップ層7ともすべて、分子線エ
ピタキシャル成長法(MBE法)を用いて順次積層する。
各層の厚さは、n型Al0.38Ga0.62As第1クラッド層2が
1〜2μm程度、アンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッ
ド層3が0.2μm程度、アンドープGaAsガイド層4が0.3
μm程度、アンドープAl0.38Ga0.62As第2クラッド層5
が0.3μm程度、p型Al0.38Ga0.62As第2クラッド層6
が0.5μm程度、p型GaAsキャップ層7が0.2μm程度で
ある。以上のように結晶成長を行なった後、通常のフォ
トリソグラフィ法を用いて近接した2本の導波路形状に
マスクし、反応性イオンビームエッチング法(RIBE法)
を用いて、p型GaAsキャップ層7、p型Al0.38Ga0.62第
2クラッド層6、及びアンドープAl0.38Ga0.62第2クラ
ッド層5の一部を除去し、リブ形状に加工する。導波路
幅2μm程度、導波路間隔は2μm程度である。
いて簡単に述べる。上記のn型Al0.38Ga0.62As第1クラ
ッド層2、アンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッド層
3、アンドープGaAsガイド層4、アンドープAl0.38Ga
0.62As第2クラッド層5、p型Al0.38Ga0.62As第2クラ
ッド層6、p型GaAsキャップ層7ともすべて、分子線エ
ピタキシャル成長法(MBE法)を用いて順次積層する。
各層の厚さは、n型Al0.38Ga0.62As第1クラッド層2が
1〜2μm程度、アンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッ
ド層3が0.2μm程度、アンドープGaAsガイド層4が0.3
μm程度、アンドープAl0.38Ga0.62As第2クラッド層5
が0.3μm程度、p型Al0.38Ga0.62As第2クラッド層6
が0.5μm程度、p型GaAsキャップ層7が0.2μm程度で
ある。以上のように結晶成長を行なった後、通常のフォ
トリソグラフィ法を用いて近接した2本の導波路形状に
マスクし、反応性イオンビームエッチング法(RIBE法)
を用いて、p型GaAsキャップ層7、p型Al0.38Ga0.62第
2クラッド層6、及びアンドープAl0.38Ga0.62第2クラ
ッド層5の一部を除去し、リブ形状に加工する。導波路
幅2μm程度、導波路間隔は2μm程度である。
以上が本発明による半導体光スイッチの製造方法の一
例であり、上述の半導体光スイッチの構造において、フ
リーキャリア吸収等の吸収損失を抑制できる原理を以下
に説明する。
例であり、上述の半導体光スイッチの構造において、フ
リーキャリア吸収等の吸収損失を抑制できる原理を以下
に説明する。
一般に、p型及びn型半導体による吸収損失αは以下
に示す式で表される。
に示す式で表される。
α=An・Γn・Nn+Ap・Γp・Np ここで、 Γn……n型半導体中への光の閉じ込め係数 Γp……p型半導体中への光の閉じ込め係数 Nn……n型半導体のキャリア濃度 Np……p型半導体のキャリア濃度 An、Ap……材料系で決まる係数 従って、ΓnもしくはΓpを低減することができれ
ば、αを低減することができる。本実施例においてはn
型Al0.38Ga0.62As第1クラッド層2とアンドープGaAsガ
イド層4の間にアンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッド
層3を挿入した構造であるので、Γnを大幅に低減する
ことができる。また、アンドープGaAsガイド層4の上に
はアンドープAl0.38Ga0.62As第2クラッド層5が積層さ
れているので、Γpは元々小さい。従って、第3図に示
した従来構造の場合には吸収損失は2.3dB/cm生じていた
が、本実施例における半導体光スイッチの構造による
と、0.7dB/cm程度に吸収損失を抑える事ができる。しか
も屈折率変化の生じるアンドープ半導体層における光の
閉じ込め係数が、従来の0.8程度から本発明においては
0.95程度と大きくなるので、アンドープAl0.38Ga0.62As
第1クラッド層3を挿入してもスイッチング電圧は大き
くなることは殆どなく、第1図に示した断面構造で方向
性結合器長が3mmの時、波長1.3μmに対して、光がバー
状態で出力されるスイッチング電圧は従来の同程度のV
=22Vとなる。
ば、αを低減することができる。本実施例においてはn
型Al0.38Ga0.62As第1クラッド層2とアンドープGaAsガ
イド層4の間にアンドープAl0.38Ga0.62As第1クラッド
層3を挿入した構造であるので、Γnを大幅に低減する
ことができる。また、アンドープGaAsガイド層4の上に
はアンドープAl0.38Ga0.62As第2クラッド層5が積層さ
れているので、Γpは元々小さい。従って、第3図に示
した従来構造の場合には吸収損失は2.3dB/cm生じていた
が、本実施例における半導体光スイッチの構造による
と、0.7dB/cm程度に吸収損失を抑える事ができる。しか
も屈折率変化の生じるアンドープ半導体層における光の
閉じ込め係数が、従来の0.8程度から本発明においては
0.95程度と大きくなるので、アンドープAl0.38Ga0.62As
第1クラッド層3を挿入してもスイッチング電圧は大き
くなることは殆どなく、第1図に示した断面構造で方向
性結合器長が3mmの時、波長1.3μmに対して、光がバー
状態で出力されるスイッチング電圧は従来の同程度のV
=22Vとなる。
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系の材料を用いたが、これに
限るものではなく、InP等の他の材料でも、光を閉じ込
められる材料系であれば本発明は適用可能である。ま
た、結晶成長法としてMBE法を用いたが、これに限るも
のではなく、例えば有機金属気相成長法(MOCVD法)で
あってもよい。また、エッチングをRIBE法によるドライ
エッチングで行っているが、リブ部が形成されるエッチ
ング方法であれば他の方法でもよく、例えば反応性イオ
ンエッチング法(RIE法)であってもよいし、ウエット
エッチングでもよい。
い。実施例としては、GaAs系の材料を用いたが、これに
限るものではなく、InP等の他の材料でも、光を閉じ込
められる材料系であれば本発明は適用可能である。ま
た、結晶成長法としてMBE法を用いたが、これに限るも
のではなく、例えば有機金属気相成長法(MOCVD法)で
あってもよい。また、エッチングをRIBE法によるドライ
エッチングで行っているが、リブ部が形成されるエッチ
ング方法であれば他の方法でもよく、例えば反応性イオ
ンエッチング法(RIE法)であってもよいし、ウエット
エッチングでもよい。
以上述べたように、本発明では、ガイド層の下にアン
ドープ第1クラッド層を挿入した構造であるので、吸収
損失による伝搬損失を避けることができる。
ドープ第1クラッド層を挿入した構造であるので、吸収
損失による伝搬損失を避けることができる。
第1図は本発明の例であるGaAs/AlGaAs半導体光スイッ
チの構造を示す斜視図である。第2図は本発明による光
スイッチの断面図であり、第3図は従来の構造の断面図
である。 図において、 1……n型GaAs基板上、2……n型Al0.38Ga0.62As第1
クラッド層、3……アンドープAl0.38Ga0.62As第1クラ
ッド層、4……アンドープGaAsガイド層、5……アンド
ープAl0.38Ga0.62As第2クラッド層、6……p型Al0.38
Ga0.62As第2クラッド層、7……p型GaAsキャップ層。
チの構造を示す斜視図である。第2図は本発明による光
スイッチの断面図であり、第3図は従来の構造の断面図
である。 図において、 1……n型GaAs基板上、2……n型Al0.38Ga0.62As第1
クラッド層、3……アンドープAl0.38Ga0.62As第1クラ
ッド層、4……アンドープGaAsガイド層、5……アンド
ープAl0.38Ga0.62As第2クラッド層、6……p型Al0.38
Ga0.62As第2クラッド層、7……p型GaAsキャップ層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−226232(JP,A) 1989年電子情報通信学会秋季全国大会 第4分冊 P.4−200笠谷和生、竹 内博昭、尾江邦重”C−260 InP系 微細導液路における位相変調特性と伝搬 損失の関係"
Claims (1)
- 【請求項1】第1導電型半導体基板上に、第1導電型第
1クラッド層が積層され、前記第1導電型第1クラッド
層上にアンドープ第1クラッド層が積層され、前記アン
ドープ第1クラッド層上にアンドープガイド層が積層さ
れ、前記アンドープガイド層上にアンドープ第2クラッ
ド層が積層され、前記アンドープ第2クラッド層上に第
2導電型第2クラッド層が形成され、前記第2導電型第
2クラッド層上に第2導電型キャップ層が積層され、前
記第2導電型キャップ層、第2導電型第2クラッド層、
及びアンドープ第2クラッド層の一部がエッチングによ
り除去されて形成された2本の近接したリブ型光導波路
から構成されていることを特徴とする方向性結合器型半
導体光スイッチ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2312047A JP2781655B2 (ja) | 1990-11-16 | 1990-11-16 | 方向性結合器型半導体光スイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2312047A JP2781655B2 (ja) | 1990-11-16 | 1990-11-16 | 方向性結合器型半導体光スイッチ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04181916A JPH04181916A (ja) | 1992-06-29 |
JP2781655B2 true JP2781655B2 (ja) | 1998-07-30 |
Family
ID=18024582
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2312047A Expired - Lifetime JP2781655B2 (ja) | 1990-11-16 | 1990-11-16 | 方向性結合器型半導体光スイッチ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2781655B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0786624B2 (ja) * | 1989-02-28 | 1995-09-20 | 日本電気株式会社 | 方向性結合器型光スイッチ |
-
1990
- 1990-11-16 JP JP2312047A patent/JP2781655B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1989年電子情報通信学会秋季全国大会 第4分冊 P.4−200笠谷和生、竹内博昭、尾江邦重"C−260 InP系微細導液路における位相変調特性と伝搬損失の関係" |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04181916A (ja) | 1992-06-29 |
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Legal Events
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