(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個の光入力ポートと、Ｎを２以上の整数とするＮ個の光出力ポートとを有する光スイッチにおいて、
前記光入力ポートに入力された信号光が導波する光導波路をＮ個に分岐する分岐素子と、
Ｎ個の前記光出力ポートに各々設けられ、前記信号光の通過又は遮断を行う光ゲート素子と、
第１のトランジスタを用いた第１のインバータ回路から構成され、前記光ゲート素子を各々ノーマリオフ動作させるＮ個の第１の駆動回路とを有し、
前記分岐素子、前記光ゲート素子及び前記第１の駆動回路を同一の半導体基板上に集積させると共に、
分布定数線路の終端回路からの制御信号により、前記第１の駆動回路の前記第１のトランジスタのゲートをオン又はオフ動作させる
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の光スイッチにおいて、
前記分岐素子は、１入力Ｎ出力の光カプラであり、
前記光ゲート素子は、電界印加光吸収型の光ゲート素子である
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１に記載の光スイッチにおいて、
前記分岐素子は、少なくとも１つの２入力２出力ＭＺＩ（Mach Zehnder Interferometer）からなると共に、複数の前記２入力２出力ＭＺＩからなる場合には、前段の前記２入力２出力ＭＺＩの２つの光出力ポートの各々に後段の前記２入力２出力ＭＺＩの２つの光入力ポートの一方が接続されて、複数の前記２入力２出力ＭＺＩがツリー状に多段に接続された構成であり、
前記光ゲート素子は、電界印加光吸収型の光ゲート素子である
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
請求項３に記載の光スイッチにおいて、
前記２入力２出力ＭＺＩの２つのアーム光導波路の少なくとも一方に設けた電極に対して電流又は電圧を付与する、第２のトランジスタを用いた第２の駆動回路を更に有し、
前記第２の駆動回路を更に前記半導体基板上に集積すると共に、
前記分布定数線路の前記終端回路からの前記制御信号により、前記第２の駆動回路の前記第２のトランジスタのゲートをオン又はオフ動作させる
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、
前記第１の駆動回路は、前記光ゲート素子のｎ型電極に当該第１の駆動回路からの信号を付与する回路構成である
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、
前記第１のトランジスタは、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）である
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、
前記分布定数線路は、ＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling）である
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、
前記終端回路を更に前記半導体基板上に集積した
ことを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量光通信ネットワークを支えるための重要な光部品である光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信トラフィックの急激な増大に起因して、電気ルータの膨大な電力消費量が大きな課題となっている。そこで、ルータ内において入力光（光パケット）を光のまま所望の出力ポートにパケット毎にスイッチングするＮ入力Ｎ出力（以下、Ｎ×Ｎとする）光スイッチが提案されており、これは、例えば、４０Ｇｂｉｔ／ｓや１００Ｇｂｉｔ／ｓなどの高速なビットレートの光パケット信号を光−電気変換及び電気−光変換を必要とせずにスイッチングできるため、ルータの低消費電力化や低遅延化に有効な光部品として期待されている。
【０００３】
Ｎ×Ｎ光スイッチは、例えば、図１３に示すように、Ｎ個の１×Ｎ光スイッチ１３１1〜１３１NとＮ個のＮ×１光カプラ１３２1〜１３２Nを接続することで構成できる。光入力ポートＰＩ1〜ＰＩNより入力された入力光（光パケット）は、１×Ｎ光スイッチ素子１３１1〜１３１Nにより、所望の光出力ポートＰＯ1〜ＰＯNに接続されたＮ×１光カプラ１３２1〜１３２Nに向けて出力され、所望の光出力ポートＰＯ1〜ＰＯNから出力光として出力される。
【０００４】
このようなＮ×Ｎ光スイッチを構成する光スイッチ素子の従来技術として、例えば、下記の特許文献１に示す２×２光スイッチ素子が提案されている。図１４に従来の２×２光スイッチ素子の斜視図を示す。図１４に示した従来の２×２光スイッチ素子は、方向性結合器型の光スイッチ素子であり、ｎ−ＩｎＰ基板６上に、光入力部（図中のI）、光スイッチ部（同II）、光出力部（同III）及び光吸収部（同IV）を設けた構成となっている。
【０００５】
より詳細に説明すると、従来の２×２光スイッチ素子は、ｎ−ＩｎＰ基板６上に、ｉ−ＭＱＷ層５、ｉ−ＩｎＰクラッド層４、ｐ−ＩｎＰクラッド層３が順に積層され、ｐ−ＩｎＰクラッド層３は、図１４に示すような構造で、細線状に形成されている。更に、光スイッチ部IIの一方のｐ−ＩｎＰクラッド層３上及び光吸収部IVの両方のｐ−ＩｎＰクラッド層３上には、ｐ+−ＩｎＧａＡｓキャップ層２が形成され、ｐ+−ＩｎＧａＡｓキャップ層２上に各々ｐ形電極１、１０、１１が形成されている。ｎ−ＩｎＰ基板６の裏面にはｎ型電極７が形成されている。
【０００６】
光パケットなどの入力信号光は、ｉ−ＭＱＷ層５内の、細線状に形成されたｐ−ＩｎＰクラッド層３の下部に位置する部分を導波する。以下、光入力部I、光スイッチ部II、光出力部III及び光吸収部IVに設けたｐ−ＩｎＰクラッド層３の下部に位置するｉ−ＭＱＷ層５を、それぞれ入力光導波路、光スイッチ導波路、出力光導波路及び光吸収導波路と呼ぶこととする。
【０００７】
入力信号光は、いずれか一方の入力光導波路（図中のＡ又はＢ）に入力され、光スイッチ導波路に導かれる。光スイッチ導波路では、光スイッチ部IIに設けたｐ形電極１とｎ型電極７との間に所望の電圧を印加することにより、例えば、多重量子井戸（Multiple Quantum Well: MQW）構造に起因する量子井戸閉じ込め効果（Quantum Confined Stark Effect: QCSE）により、ｐ形電極１下方の光スイッチ導波路の屈折率を変えることで、いずれか一方の光スイッチ導波路からのみ信号光を出力する。即ち、光路切り替えを行う。
【０００８】
光吸収部IVでは、信号光が入力された光吸収導波路と異なる光吸収導波路に設けたｐ形電極１０又は１１と、ｎ型電極７との間に、所望の電界が印加される。これにより、光スイッチ導波路から漏れ出たクロストーク光は光吸収導波路で吸収される一方、光スイッチ導波路から出力された信号光は出力光導波路（図中のＣ又はＤ）へ導かれる。このように、光吸収部IVを備えることにより、光スイッチ導波路からの漏れ光の影響を低減可能な光スイッチ素子を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−５９２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１４に示した従来の光スイッチ素子の構造を用いて１×Ｎ光スイッチを構成するには、図１５に示すように、２×２光スイッチ１５１1〜１５１3（図１４では光スイッチ部IIの光カプラ）をツリー状に配置し、Ｎ個の各光出力ポートＰＯ1〜ＰＯ4に電界印加光吸収ゲート１５２1〜１５２4を設ける手法が考えられる。なお、図１５ではＮ＝４の場合を図示している。光入力ポートＰＩ1から入力された入力信号光は、２×２光スイッチ１５１1〜１５１3の光路切り替えにより、所望の光出力ポートＰＯ1〜ＰＯ4の１つ（図中ではＰＯ1）に導波される。一方、それ以外の光出力ポートＰＯ1〜ＰＯ4（図中ではＰＯ2〜ＰＯ4）では、電界印加光吸収ゲート１５２1〜１５２4（図中では１５２2〜１５２4）により、２×２光スイッチ１５１2〜１５１3から漏れ出たクロストーク光を吸収し、低光クロストークを実現する。
【００１１】
その他の構成として、図１６に示すように、１×Ｎ光カプラ１６１と、Ｎ個の電界印加光吸収ゲート１６２1〜１６２4を用いた分配選択型として１×Ｎ光スイッチを構成しても良い。なお、図１６でもＮ＝４の場合を図示している。この場合、光入力ポートＰＩ1から入力された入力信号光は、１×Ｎ光カプラ１６１により各光出力ポートＰＯ1〜ＰＯ4に等しく分配される。信号光を出力する所望の光出力ポートＰＯ1〜ＰＯ4の電界印加光吸収ゲート１６２1〜１６２4（図中では１６２1）は０Ｖである一方、それ以外のＮ−１個の電界印加光吸収ゲート１６２1〜１６２4（図中では１６２2〜１６２4）は逆バイアスの電圧を印加して信号光を遮断する。
【００１２】
図１５に示したツリー型の１×Ｎ光スイッチを制御する際、光路切り替えを行う２×２光スイッチ１５１1〜１５１3及び漏れ光を消光させる電界印加光吸収ゲート１５２1〜１５２4は、逆バイアスの電圧をそれぞれ独立に制御端子に印加してスイッチング動作を行う。例えば、８×８光スイッチを図１３に示した構成で実現する場合、図１５に示したようなツリー型の１×８光スイッチの制御端子数は少なくとも１５個を必要とし、８×８光スイッチ全体で１２０個の制御端子が必要となる。１６×１６光スイッチに拡張する場合、１×１６光スイッチの制御端子数は少なくとも３１個必要とし、１６×１６光スイッチ全体で４９６個の制御端子数が必要となる。光スイッチ規模Ｎで一般化すると、１×Ｎ光スイッチの制御端子数は少なくとも２Ｎ−１個、Ｎ×Ｎ光スイッチ全体でＮ×（２Ｎ−１）個の制御端子数となる。
【００１３】
通常、ルータ等の装置内で電界印加型の光デバイスを駆動する場合、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、外部からの信号、例えば、ＴＴＬ（Transistor-Transistor Logic）などのデジタル回路からの信号をデジタル−アナログ変換する変換回路、オペアンプ等の電子回路を用いて、所望の電圧振幅を持つアナログ信号を生成する。例えば、図１７に示すように、ＦＰＧＡ１７１からの信号を、バッファ１７２1〜１７２N、ドライバ１７３1〜１７３Nを用いて、所望の電圧振幅を持つアナログ信号を生成する。
【００１４】
上述したような光スイッチ１７４（例えば、１６×１６光スイッチ）と駆動回路（例えば、ドライバ１７３1〜１７３N）とをＰＣＢ（Printed-Circuit Board）上に実装する場合、独立に電圧制御が必要な端子は上述した数となり、電子回路規模は必然的に大きくなり、光スイッチ１７４と駆動回路（例えば、ドライバ１７３1〜１７３N）との物理的な距離は少なくとも数ｃｍ〜数十ｃｍは必要となる。
【００１５】
一方、１００Ｇｂｉｔ／ｓといった高速なビットレートを有する光パケットをスイッチングするには、１ｎｓ以下の高速なオン／オフのスイッチングが求められる。即ち、１ＧＨｚ程度の帯域をもつスイッチング信号をＦＰＧＡ１７１から光スイッチ１７４まで伝送させる必要があるが、上述した数十ｃｍといった距離では、もはや集中定数回路としての扱いが困難である。そのため、光スイッチ１７４までの伝送路の特性インピーダンス（例えば、５０Ω）を光スイッチ１７４のインピーダンスと整合させた分布定数回路として実装することが考えられる。
【００１６】
しかし、上述した光スイッチは電界印加型のデバイスであり、その素子は高抵抗（〜数ＭΩ）なため、インピーダンスを整合させるには、図１８に示すように、バイアス印加端子ＴＢ1〜ＴＢNと接地端子ＴＧ1〜ＴＧNとの間の各素子（２×２光スイッチ素子ＳＷ1〜ＳＷN又は電界印加光吸収ゲートＧＡ1〜ＧＡN）と並列に、終端抵抗ＲＴ（この場合５０Ω）を配置する必要がある。
【００１７】
仮に、２×２光スイッチ素子ＳＷ1〜ＳＷNの制御端子（バイアス印加端子ＴＢ1〜ＴＢN）に−５Ｖの電圧を印加すると、５０Ωの終端抵抗ＲＴには１００ｍＡの電流が流れ、電力としては１つの制御端子あたり０．５Ｗを消費する。上述したツリー型及び分配選択型１×１６光スイッチは、光出力ポートに設けられた１６個の電界印加光吸収ゲートのうち、信号光を出力する所望の電界印加光吸収ゲートは０Ｖ、それ以外の１５個の電界印加光吸収ゲートは電圧を印加して信号光を遮断する必要がある。即ち、少なくとも１５×０．５Ｗ＝７．５Ｗの電力を常に終端抵抗ＲＴで消費してしまう。
【００１８】
この電力は、１６×１６光スイッチを構成すると２４０Ｗとなり、終端抵抗ＲＴで生じる電力は、スイッチ規模Ｎの拡大、即ち、制御端子数の増加とともに増大する。スイッチ規模の拡大に伴う消費電力の増加は、ルータの電力消費量、更には、ネットワーク全体における電力消費量の増大を引き起こし、大きな問題であり、駆動回路を含めた光スイッチの省電力化は不可欠である。このように、高速性、消費電力の観点から、多電極の光スイッチを如何に高速・低電力に制御するかが重要な課題である。
【００１９】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、高速なスイッチングを可能とすると共に、駆動回路を含めた消費電力が極めて低い光スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決する第１の発明に係る光スイッチは、
１個の光入力ポートと、Ｎを２以上の整数とするＮ個の光出力ポートとを有する光スイッチにおいて、
前記光入力ポートに入力された信号光が導波する光導波路をＮ個に分岐する分岐素子と、
Ｎ個の前記光出力ポートに各々設けられ、前記信号光の通過又は遮断を行う光ゲート素子と、
第１のトランジスタを用いた第１のインバータ回路から構成され、前記光ゲート素子を各々ノーマリオフ動作させるＮ個の第１の駆動回路とを有し、
前記分岐素子、前記光ゲート素子及び前記第１の駆動回路を同一の半導体基板上に集積させると共に、
分布定数線路の終端回路からの制御信号により、前記第１の駆動回路の前記第１のトランジスタのゲートをオン又はオフ動作させる
ことを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する第２の発明に係る光スイッチは、
上記第１の発明に記載の光スイッチにおいて、
前記分岐素子は、１入力Ｎ出力の光カプラであり、
前記光ゲート素子は、電界印加光吸収型の光ゲート素子である
ことを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決する第３の発明に係る光スイッチは、
上記第１の発明に記載の光スイッチにおいて、
前記分岐素子は、少なくとも１つの２入力２出力ＭＺＩ（Mach Zehnder Interferometer）からなると共に、複数の前記２入力２出力ＭＺＩからなる場合には、前段の前記２入力２出力ＭＺＩの２つの光出力ポートの各々に後段の前記２入力２出力ＭＺＩの２つの光入力ポートの一方が接続されて、複数の前記２入力２出力ＭＺＩがツリー状に多段に接続された構成であり、
前記光ゲート素子は、電界印加光吸収型の光ゲート素子である
ことを特徴とする。
【００２３】
上記課題を解決する第４の発明に係る光スイッチは、
上記第３の発明に記載の光スイッチにおいて、
前記２入力２出力ＭＺＩの２つのアーム光導波路の少なくとも一方に設けた電極に対して電流又は電圧を付与する、第２のトランジスタを用いた第２の駆動回路を更に有し、
前記第２の駆動回路を更に前記半導体基板上に集積すると共に、
前記分布定数線路の前記終端回路からの前記制御信号により、前記第２の駆動回路の前記第２のトランジスタのゲートをオン又はオフ動作させる
ことを特徴とする。
【００２４】
上記課題を解決する第５の発明に係る光スイッチは、
上記第１〜第４のいずれか１つの発明に記載の光スイッチにおいて、
前記第１の駆動回路は、前記光ゲート素子のｎ型電極に当該第１の駆動回路からの信号を付与する回路構成である
ことを特徴とする。
【００２５】
上記課題を解決する第６の発明に係る光スイッチは、
上記第１〜第５のいずれか１つの発明に記載の光スイッチにおいて、
前記第１のトランジスタは、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）である
ことを特徴とする。
【００２６】
上記課題を解決する第７の発明に係る光スイッチは、
上記第１〜第６のいずれか１つの発明に記載の光スイッチにおいて、
前記分布定数線路は、ＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling）である
ことを特徴とする。
【００２７】
上記課題を解決する第８の発明に係る光スイッチは、
上記第１〜第７のいずれか１つの発明に記載の光スイッチにおいて、
前記終端回路を更に前記半導体基板上に集積した
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、光ゲート素子を駆動する第１の駆動回路を、第１のトランジスタを用いた第１のインバータ回路から構成し、光ゲート素子をノーマリオフ動作させるので、駆動回路を含めた消費電力が極めて低い光スイッチを実現することができる。
【００２９】
又、本発明によれば、分布定数線路の終端回路からの制御信号により、第１の駆動回路の第１のトランジスタのゲートをオン又はオフ動作させると共に、少なくとも、分岐素子、光ゲート素子及び第１の駆動回路を同一の半導体基板上に集積（１チップ集積）させて、光ゲート素子と第１の駆動回路との間の距離を縮小したので、高速なスイッチングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態の一例（実施例１）として、光スイッチ及びその周辺回路の構成を示す構成図である。
【図２】実施例１で用いるＨＥＭＴの層構造を示す断面図である。
【図３】実施例１で用いるＨＥＭＴ集積型光スイッチ素子の層構造を示す断面図である。
【図４】実施例１で用いる光スイッチ層の層構造を説明する図である。
【図５】実施例１で用いる光スイッチ素子を構成する光導波路を示す断面図である。
【図６】実施例１で用いる光吸収ゲートの印加電圧に対する透過率を示すグラフである。
【図７】実施例１で用いる駆動回路の動作を説明する図であり、（ａ）は信号光遮断時、（ｂ）は信号光通過時である。
【図８】実施例１で用いる、ＬＶＤＳ終端回路を含めた光吸収ゲート用駆動回路の一例を示す回路図である。
【図９】本発明の実施形態の他の一例（実施例２）として、２×２ＭＺＩを用いた光スイッチの構成を示す構成図である。
【図１０】実施例２で用いる２×２ＭＺＩの注入電流に対する透過率を示すグラフである。
【図１１】実施例２で用いる駆動回路の動作を説明する図であり、（ａ）は屈折率変化が無い時、（ｂ）は屈折率変化が有る時である。
【図１２】実施例２で用いる、ＬＶＤＳ終端回路を含めた２×２ＭＺＩ用駆動回路の一例を示す回路図である。
【図１３】Ｎ×Ｎ光スイッチの構成を示す構成図である。
【図１４】従来の２×２光スイッチ素子を示す斜視図である。
【図１５】Ｎ＝４の場合のツリー型の１×Ｎ光スイッチの構成を示す構成図である。
【図１６】Ｎ＝４の場合の分配選択型の１×Ｎ光スイッチの構成を示す構成図である。
【図１７】従来の光スイッチ及びその周辺回路の構成を示す構成図である。
【図１８】従来の光スイッチで用いる制御端子の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係る光スイッチの実施形態について、図面を参照して説明を行う。
【００３２】
［実施例１］
本実施例の光スイッチは、トランジスタを用いたインバータ回路をモノリシック集積した駆動回路集積光スイッチである。このような駆動回路集積光スイッチとその周辺回路の構成を図１に示す。図１に示すように、周辺回路となるＦＰＧＡ１０１と駆動回路集積光スイッチ１０２とを有し、ＦＰＧＡ１０１と駆動回路集積光スイッチ１０２との間は、分布定数線路を用いて接続している。なお、ＦＰＧＡ１０１に代えてＡＳＩＣを用いても良い。
【００３３】
そして、駆動回路集積光スイッチ１０２は、図１６に示した分配選択型の１×Ｎ光スイッチの構成となっている。即ち、１個の光入力ポートと、Ｎを２以上の整数とするＮ個の光出力ポートとを有する１×Ｎ光スイッチであって、後述するように、光入力ポートに入力された信号光が導波する光導波路をＮ個に分岐する１×Ｎカプラ（分岐素子）と、Ｎ個の光出力ポートに各々設けられ、信号光の通過又は遮断を行う光吸収ゲート（光ゲート素子）と、光吸収ゲートを駆動するＮ個のインバータ回路（第１のインバータ回路、第１の駆動回路）とを有する構成である。光吸収ゲートとしては、例えば、電界印加光吸収型の光ゲート素子を用いる。
【００３４】
本実施例では、光スイッチ素子として電圧駆動を想定し、その駆動回路として、例えば、高速な電圧増幅回路を実現可能な高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor: HEMT）を用いたインバータ回路を構成する。
【００３５】
図１７に示した従来の光スイッチ及びその周辺回路では、図１８に示したように、光スイッチ素子である２×２光スイッチ素子ＳＷ1〜ＳＷN（又は、電界印加光吸収ゲートＧＡ1〜ＧＡN）と並列に終端抵抗ＲＴを配置し、駆動回路（例えば、ドライバ１７３1〜１７３N）から光スイッチ１７４までをインピーダンスが整合した伝送路を用いていた。
【００３６】
一方、本実施例では、制御回路として機能するＦＰＧＡ１０１から発生させる制御信号を伝搬させる線路として、分布定数線路を用いる。ここでは、分布定数線路の一例として、２本の伝送路を使用した差動信号方式であるＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling）を用いて、駆動回路一体型である駆動回路集積光スイッチ１０２を動作させる。これにより、数ＧＨｚまでの高速信号伝送、低消費電力（３．５ｍＡ駆動、信号振幅３５０ｍＶ）、高ノイズ耐性（差動信号により同相ノイズをキャンセル）を可能としている。
【００３７】
本実施例で用いるＨＥＭＴの層構造を図２に示す。半絶縁性（Semi Insulator: SI）−ＩｎＰ基板２１上にバッファ層２２としてｉ−ＩｎＡｌＡｓ、ｉ−ＩｎＧａＡｓを形成し、チャネル層２３としてｉ−ＩｎＡｌＡｓ、Ｓｉ  δドーピング層、ｉ−ＩｎＡｌＡｓ、ｉ−ＩｎＰ層を形成する。その上にゲート電極２５ｇとｎ−ＩｎＡｌＡｓ、ｎ−ＩｎＧａＡｓ（キャップ層２４）を介したソース電極２５ｓ、ドレイン電極２５ｄを形成した構造を作製する。
【００３８】
本実施例のＨＥＭＴにおいては、ゲート長０．１μｍ、ゲート幅２５μｍとする。これらの設計値は、ＨＥＭＴの特性を決める重要なパラメータとなる。ゲート長によってＨＥＭＴの応答速度が決まるが、本実施例のゲート長０．１μｍでは、ＧＨｚまでの高速信号に対応した動作を実現することがわかっている。又、ゲート幅の大小によってソース、ドレイン間に流れる電流値を決定できる。
【００３９】
本実施例の駆動回路集積光スイッチ１０２を構成するＨＥＭＴ集積型光スイッチ素子の層構造を図３に示す。従来の光スイッチ素子は、特許文献１で示されているように、通常、ｎ基板上で作製されるが、本実施例では、ＳＩ−ＩｎＰ基板２１上にＨＥＭＴ層２０を作製し、更に、その上に光スイッチ層３０を作製している。
【００４０】
ｎ基板上の光スイッチ素子は、例えば、図１４に示したように、基板裏面にグランド電極（ｎ型電極７）を形成することができる。しかしながら、本実施例では、ＳＩ（半絶縁性）基板上での光スイッチ素子となるため、図３、図４に示すように、ＨＥＭＴ層２０と光スイッチ層３０との境界に光スイッチ素子用のコンタクト層３１を設けることでグランド電極３６ｇを形成することができる。
【００４１】
本実施例では、光スイッチ層３０の層構造を、図４に示すように、基板表面側からｐ−ｉ−ｎの順から、基板表面側からｎ−ｉ−ｐの順に反転させている。即ち、ＳＩ−ＩｎＰ基板２１及びＨＥＭＴ層２０上に、ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３１、ｐ層となるｐ−ＩｎＰ下部クラッド層３２、ｉ層となるバルク１．４Ｑ組成のＩｎＧａＡｓＰコア層３３（フォトルミネッセンスピーク波長１．４μｍ、厚さ０．３μｍ）、ｎ層となるｎ−ＩｎＰ上部クラッド層３４、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３５の順に形成された積層構造を作製する。そして、後述する光吸収ゲートを制御するための信号電極３６ｓは、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３５上に形成され、ｎ型電極となっている。
【００４２】
光スイッチ素子を構成する光導波路は、光スイッチ層３０と同じ層構造をＩｎＧａＡｓＰコア層３３の下部までエッチングすることで作製し、ｐｉｎダブルヘテロ接合構造を有するハイメサ導波路とした。図５に光導波路の断面構造を示す。入力光導波路、１×４光カプラ、光吸収ゲート及び出力光導波路の光導波路高さは、４μｍとした。入力光導波路、光吸収ゲート及び出力光導波路の光導波路幅は１．４μｍとした。光吸収ゲートの導波方向の長さ（即ち、光吸収ゲートに設けたｎ型電極の長さ）は１０００μｍとした。１×４光カプラは、マルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラとし、そのサイズは３１×７．６μｍとした（導波方向の長さが３１μｍ）。又、グランド電極３６ｇは、図４に示すように、光吸収ゲートとなる光導波路の近傍に深さ５μｍの溝を形成することで作製する。
【００４３】
ここで、本実施例の光吸収ゲートの動作について説明する。グランド電極３６ｇは接地し（電位＝０Ｖ）、光吸収ゲートに設けたｎ型電極である信号電極３６ｓにプラス電圧を印加すると、ＦＫ（Franz-Keldysh）効果により、ＩｎＧａＡｓＰコア層３３における吸収端がシフトし、光吸収ゲートを伝搬する信号光波長での吸収係数が増加する。
【００４４】
本実施例では、例えば、光吸収ゲートの１つのｎ型電極（信号電極３６ｓ）に０Ｖを印加し、残りの光吸収ゲートのｎ型電極（信号電極３６ｓ）に信号光波長で所望の吸収率（減衰）が得られるプラス電圧を印加することで、光入力ポートに入力された入力信号光は、０Ｖ印加の光吸収ゲートと接続する光出力ポートからのみ出力されるようになる。つまり、出力させたい光出力ポートと接続する光吸収ゲートのｎ型電極（信号電極３６ｓ）に電圧０Ｖを印加し、その他の光吸収ゲートのｎ型電極（信号電極３６ｓ）にプラス電圧を印加することで、出力させる光出力ポートを選択できるため、光吸収ゲートへの印加電圧の制御により、光スイッチング動作させることができる。
【００４５】
なお、光吸収ゲートへの印加電圧が０Ｖである場合、信号光波長を１．５５μｍとすると、光吸収ゲートの吸収端は信号光波長よりも１００ｎｍ以上離れており、光吸収ゲートにおける伝搬損失は０．５ｄＢ／ｍｍと十分に小さい。
【００４６】
本実施例の光吸収ゲートでは、図６に示すように、印加電圧３Ｖで消光比２０ｄＢを得ることができる。入力側の１×Ｎ光スイッチと出力側のＮ×１光スイッチとを併せて、Ｎ×Ｎ光スイッチ全体で消光比４０ｄＢ以上を得ることができる。
【００４７】
なお、光吸収ゲートとして、半導体光増幅器を用いて同様の機能を実現することも可能であるが、電界印加型の光吸収ゲートを用いると、パタン効果や非線形光学効果による入力信号の劣化を避けることが可能である。
【００４８】
本実施例では、ｎ層側を信号電極３６ｓとすることにより、電界印加型の光吸収ゲートを駆動する際には、信号光の遮断時（光吸収時）においてのみインバータ回路に流れる電流は０になり、信号光の通過時にのみインバータ回路に電流が流れるようになる。例えば、４個の光吸収ゲートがある場合には、４個の光吸収ゲートのうち、信号光を出力する１つの光吸収ゲートに接続されるインバータ回路にだけ電力消費が発生し、その他の３つの光吸収ゲートに接続されるインバータ回路には電力消費が発生しないことになり、大幅な電力削減が可能になる。
【００４９】
図７（ａ）、（ｂ）に、光吸収ゲートを駆動する駆動回路となるインバータ回路を含む回路構成を示す。図７（ａ）、（ｂ）の回路構成において、分布定数線路（ここでは、ＬＶＤＳ）の終端には、ＬＶＤＳ終端回路７１が設けられ、このＬＶＤＳ終端回路７１からインバータ回路７２（第１のインバータ回路、第１の駆動回路）へ信号が出力される。インバータ回路７２は、トランジスタＴ11（第１のトランジスタ）と、トランジスタＴ11のドレインに一端が接続された抵抗Ｒ11とを有している。
【００５０】
インバータ回路７２において、ＬＶＤＳ終端回路７１からの出力は、トランジスタＴ11のゲートに入力されており、トランジスタＴ11のソースには電圧ＶS1が印加され、トランジスタＴ11のドレインには、抵抗Ｒ11を介して、電圧ＶD1が印加されている。そして、ダイオードである光吸収ゲートＤ11のカソードは、トランジスタＴ11のドレインと抵抗Ｒ11とを接続する接続線の点Ａ１に接続され、光吸収ゲートＤ11のアノードは接地されている。ここで、図３を参照すると、光吸収ゲートＤ11のカソードがｎ型電極の信号電極３６ｓとなり、アノードがグランド電極３６ｇとなる。
【００５１】
図７（ａ）、（ｂ）に示した回路構成について、その動作をより詳細に説明する。図７（ａ）、（ｂ）に示した回路構成では、電圧ＶD1として３Ｖ、電圧ＶS1として０Ｖの電位を与え、ＬＶＤＳ終端回路７１からの信号を用いて、トランジスタＴ11のゲートの開閉を行うことで、光吸収ゲートＤ11に印加する電圧を切り替える（スイッチング動作）。
【００５２】
例えば、図７（ａ）は、トランジスタＴ11のゲートが閉じた状態を示す。インバータ回路７２には電流が流れないため、点Ａ１における電位はＶA1＝ＶD1となり、光吸収ゲートＤ11に対して逆バイアスの電圧を印加できる。これにより、ＦＫ効果による光吸収が発生し、信号光を遮断する。それに対し、図７（ｂ）は、トランジスタＴ11のゲートが開いた状態を示す。ＶD1からＶS1に向かって電流が流れるため、点Ａ１における電位はＶA1＝ＶS1−ＶD1＋ｉＲ11≒０Ｖとなり、光吸収ゲートＤ11へ電圧は印加されない。この場合、ＦＫ効果による光吸収は発生しないため、信号光は通過する。
【００５３】
図８に、ＬＶＤＳ終端回路を含めた光吸収ゲート用駆動回路の回路構成の一例を示す。なお、図８においては、トランジスタＴ11及び抵抗Ｒ11が上述したインバータ回路７２を構成しており、トランジスタＴ21、トランジスタＴ22、抵抗Ｒ21、抵抗Ｒ22及び終端抵抗ＲＴが上述したＬＶＤＳ終端回路７１を構成しており、光吸収ゲートＤ11のカソードは、トランジスタＴ11のドレインと抵抗Ｒ11とを接続する接続線に接続されている。
【００５４】
図８に示すＬＶＤＳ終端回路では、分布定数線路（ＬＶＤＳ）に終端抵抗ＲＴが並列に接続され、分布定数線路の一方にトランジスタＴ21のゲートが接続され、分布定数線路の他方にトランジスタＴ22のゲートが接続され、トランジスタＴ21のソースがトランジスタＴ22のソースと接続され、トランジスタＴ21のドレインがトランジスタＴ11のソース及び抵抗Ｒ21の一端と接続され、トランジスタＴ22のドレインがトランジスタＴ11のゲート及び抵抗Ｒ22の一端と接続され、抵抗Ｒ21の他端が抵抗Ｒ22の他端と接続されている。
【００５５】
図８に示す回路構成において、ＬＶＤＳ差動信号は１．２Ｖを中心とした３５０ｍＶ振幅の差動信号であり、トランジスタＴ21のゲートに１．３７５Ｖ印加されるとき、トランジスタＴ22のゲートには１．０２５Ｖが印加される。このとき、トランジスタＴ22のゲートは閉じており、トランジスタＴ22のソース、ドレイン間に電流は流れないため、トランジスタＴ11のゲートに電圧は発生せず、図７（ａ）に示したトランジスタＴ11のゲートが閉じた状態にできる。一方、トランジスタＴ21のゲートに１．０２５Ｖ印加されるとき、トランジスタＴ22のゲートに１．３７５Ｖ印加され、トランジスタＴ22のソース、ドレイン間に電流が流れるため、トランジスタＴ11のゲートに電圧が印加され、図７（ｂ）に示したトランジスタＴ11のゲートを開いた状態にできる。
【００５６】
このように、ＬＶＤＳ差動信号を切り替えることで、トランジスタＴ11のゲートの開閉を行い、光吸収ゲートＤ11のスイッチング動作を実現する。上述したように、光スイッチ素子に対してＨＥＭＴを用いた駆動回路（第１の駆動回路）を同一基板にモノリシック集積することで、更には、ＬＶＤＳ終端回路も含めて、同一基板にモノリシック集積することで、光スイッチ素子と駆動回路との距離は数ミリメートルオーダに縮小することができ（図１参照）、数ＧＨｚまでの高速信号で制御することが可能となる。
【００５７】
図１６に示した分配選択型の１×Ｎ光スイッチにおいて、例えば、１×１６光スイッチの場合を考えてみると、１６個の光吸収ゲートＤ11のうち１５個の光吸収ゲートＤ11の駆動回路を図７（ａ）の状態とし、１個の光吸収ゲートＤ11の駆動回路を図７（ｂ）の状態とする必要がある。光スイッチ素子にかかる消費電力は、図７（ｂ）の状態のように電流が流れる際に発生するため、例えば、ＶD1＝３Ｖ、Ｒ11＝１ｋΩのときには、１×１６光スイッチの消費電力を９ｍＷに抑えることができる。
【００５８】
このようなノーマリオフ動作を実現した場合、光スイッチ全体の合計の消費電力は、１６×１６光スイッチであっても２８８ｍＷとなり、前述した従来の消費電力（例えば、２４０Ｗ）に比べ、消費電力の大きな低減が見込め、消費電力が極めて低い光スイッチを実現することができる。
【００５９】
なお、光吸収ゲートＤ11に印加する電圧ＶD1の値は図６に示した特性から、消光効果が得られる範囲として０〜７Ｖが好ましい。又、本実施例では光吸収ゲートＤ11の静電容量Ｃとして１ｐＦ程度を想定し、動作速度の制限となるＣＲ時定数を１ｎｓとするため、Ｒ11を１ｋΩとした。抵抗Ｒ11の値を小さくするほどＣＲ時定数を小さくできるが、大きな電流が流れると消費電力が増大する。
【００６０】
又、本実施例では、ＨＥＭＴを用いたユニポーラ型トランジスタを用いて説明してきたが、ＨＢＴ（Hetero-junction Bipolar Transistor）などの他のバイポーラ型トランジスタを用いても良い。
【００６１】
次に、本実施例の光スイッチ素子の作製方法について、図２〜図５を参照して説明する。
【００６２】
まず、ＳＩ−ＩｎＰ基板２１及びＨＥＭＴ層２０上に、ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３１、ｐ−ＩｎＰ下部クラッド層３２、１．４Ｑ組成０．３μｍ膜厚のバルクｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層３３、ｎ−ＩｎＰ上部クラッド層３４、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３５を、有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE）により成長させる。次いで、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、ハイメサ導波路構造を一括形成する。このように、光スイッチ素子を作製するためのＭＯＶＰＥ成長、光導波路構造の形成を一括で行えるようになる。
【００６３】
その後、局所領域への埋め込みが可能で平坦化に優れた有機材料であるベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene: BCB）をスピンコートにより塗布し、Ｏ2／Ｃ2Ｆ6混合ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、埋込前の基板表面が露出するまでエッチバックし、基板表面を平坦化する。そして、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、グランド電極３６ｇ形成のための溝を形成し、グランド電極３６ｇとなるｐ型電極を形成する。最後に、光吸収ゲートＤ11となる部分のｎ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３５上に信号電極３６ｓとなるｎ型電極を形成する。
【００６４】
本実施例では、膜厚０．３μｍ、幅１．４μｍの１．４Ｑ組成のＩｎＧａＡｓＰコア層３３を用いている。これらの設計値は、光スイッチ素子の光学的特性を決める重要なパラメータとなる。入力信号光波長が、例えば、１．５３μｍから１．５７μｍで動作し、低損失、高速、かつ低消費電力な動作を実現するためには、下記の条件（１）〜（３）が満たされることが好ましい。
【００６５】
（１）ＩｎＧａＡｓＰコア層３３の厚さは、入力信号光に対してシングルモード導波条件で、かつ、ＩｎＧａＡｓＰコア層３３への十分な光閉じ込めを有する条件であり、０．１μｍ〜０．４μｍの範囲が望ましい。
（２）ＩｎＧａＡｓＰコア層３３の幅は、入力信号光に対してシングルモード導波条件であり、０．８μｍ〜３μｍの範囲が望ましい。
（３）駆動回路の消費電力を低減する観点から、光吸収ゲートＤ11への印加電圧が７Ｖ以下となる条件であり、ＩｎＧａＡｓＰコア層３３の組成は１．３Ｑ〜１．５Ｑで、各電極長は１００μｍ〜２０００μｍの範囲が望ましい。
【００６６】
なお、本実施例の光スイッチ素子では、光吸収ゲートＤ11のＩｎＧａＡｓＰコア層３３としてバルク層を用いるように説明してきたが、多重量子井戸構造としても良い。その場合は、量子閉じ込めシュタルク効果により、光吸収ゲートＤ11において高効率に消光できるようになる。又、光導波路構造をハイメサ型光導波路構造としているが、それ以外の構造、例えば、リッジ導波路構造として作製しても良い。あるいは、ＩｎＧａＡｓＰコア層３３の両横が半導体で埋め込まれた埋め込み型光導波路構造やリブ型光導波路構造などであっても良い。
【００６７】
又、本実施例では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いて説明してきたが、ＧａＡｓ系の化合物半導体を用いても良い。又、シリコン細線導波路などのナノ秒オーダの屈折率及び吸収係数の変化が可能な材料系を用いても、同様な光スイッチ素子を実現できる。この場合、駆動回路を構成するトランジスタとしてＭＯＳＦＥＴなどが挙げられる。
【００６８】
［実施例２］
本実施例の光スイッチも、実施例１と同じように、ＨＥＭＴを用いたインバータ回路をモノリシック集積したものである。以下、図面を参照して、その構成及び動作について詳細に説明する。
【００６９】
本実施例の光スイッチは、図１５に示した構成とする。詳細は後述するが、１個の光入力ポートと、Ｎを２以上の整数とするＮ個の光出力ポートとを有する１×Ｎ光スイッチであって、光入力ポートに入力された信号光が導波する光導波路をＮ個に分岐するように接続した少なくとも１つの２×２光スイッチ素子（分岐素子）と、Ｎ個の光出力ポートに各々設けられ、信号光の通過又は遮断を行う光吸収ゲート（光ゲート素子）と、光吸収ゲートを駆動するＮ個のインバータ回路（第１のインバータ回路、第１の駆動回路）とを有する構成である。ここでの光吸収ゲートは、電界印加光吸収型の光ゲート素子である。又、本実施例のインバータ回路は実施例１で説明したインバータ回路と同等のもので良い。
【００７０】
なお、２×２光スイッチ素子を複数用いる場合には、前段の２×２光スイッチ素子の２つの光出力ポートの各々に後段の２×２光スイッチ素子の２つの光入力ポートの一方を接続して、２×２光スイッチ素子をツリー状に多段接続した構成として、１×Ｎ分岐素子とする。
【００７１】
そして、１×Ｎ光スイッチに入力された入力信号光は、２×２光スイッチ素子の光路切り替えにより所望の光出力ポートに導波される一方、それ以外の光出力ポートでは、電界印加光吸収ゲートにより２×２光スイッチ素子から漏れ出たクロストーク光を吸収し、低光クロストークを実現している。
【００７２】
ここで、本実施例の光スイッチの最小限の構成となる１×２光スイッチを図９に例示する。本実施例の光スイッチは、図９を参照すると、少なくとも、２×２ＭＺＩ９１（分岐素子）、電界印加光吸収ゲート９６1、９６2及び出力光導波路９８から構成され、これらは、同一のＳＩ−ＩｎＰ基板及びＨＥＭＴ層上に形成される。
【００７３】
２×２ＭＺＩ９１の構成の詳細は後述するが、２つの光入力ポートＰＩ1、ＰＩ2を有し、光入力ポートＰＩ1、ＰＩ2の一方に入力信号光が入力される。電界印加光吸収ゲート９６1、９６2は、実施例１で述べた光吸収ゲートの動作と同じ動作をする。即ち、プラス電圧の印加に従い、入力された光を透過ないし減衰する。電界印加光吸収ゲート９６1、９６2から出力される信号光は出力光導波路９８へ導かれ、その端面から出力される（光出力ポートＰＯ1、ＰＯ2）。２×２ＭＺＩ９１、電界印加光吸収ゲート９６1、９６2及び出力光導波路９８は全て図５に示すものと同じ断面構造を有する。なお、ＭＺＩ（Mach Zehnder Interferometer）は、マッハツェンダ干渉計のことである。
【００７４】
そして、２×２ＭＺＩ９１は、入力された信号を２分岐する２×２光カプラ９２及び２×２光カプラ９３と、２×２光カプラ９２の２つの出力光導波路と２×２光カプラ９３の２つの入力光導波路をそれぞれ接続する、長さの等しい２つのアーム光導波路９４とで構成される。２つのアーム光導波路９４上のｎ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３５上にはそれぞれ電流注入用電極９５となるｎ型電極が形成され、マイナス電圧を印加することで、ＩｎＧａＡｓＰコア層３３に電流を注入できるようになっている（図５参照）。電流注入用電極９５が形成されたアーム光導波路９４の長さはそれぞれ２００μｍである。なお、電流注入用電極９５において、電流に代えて、電圧を印加する構成としても良い。
【００７５】
ｎ型電極（電流注入用電極９５）を介して電流が注入されると、注入電流はＩｎＧａＡｓＰコア層３３に効率的に閉じ込められ、プラズマ効果により屈折率が変化し、２つのアーム光導波路９４間に位相差が与えられる。
【００７６】
図１０に２×２ＭＺＩ９１の透過特性を示す。２つのアーム光導波路９４への注入電流が０ｍＡの場合、２×２ＭＺＩ９１に入力された入力信号光は、図９における光出力ポートＰＯ1側に出力される。どちらか一方のｎ型電極（電流注入用電極９５）に電流を注入すると、注入した方のアーム光導波路９４の屈折率が変化し、このアーム光導波路９４を伝搬する光の位相が変化する。アーム光導波路９４への注入電流が５ｍＡとなったとき、光出力ポートＰＯ1からの出力は最小となり、光出力ポートＰＯ2への光出力が最大となる。このとき、光出力ポートＰＯ1への光出力と光出力ポートＰＯ2への光出力との比は２０ｄＢ以上が得られた。
【００７７】
このように、本実施例の２×２ＭＺＩ９１において、注入電流を０ｍＡと５ｍＡの二つの状態、即ち、２値をデジタル的に切り替えることで、光出力ポートＰＯ1か光出力ポートＰＯ2の所望のポートに信号光を出力することができる。
【００７８】
なお、前述のとおり、２×２ＭＺＩ９１を動作させるためには、２つのアーム光導波路９４の一方のみに電流を注入すれば良いため、ｎ型電極（電流注入用電極９５）は一方のアーム光導波路９４にのみ設けるようにしても良い。
【００７９】
本実施例の光スイッチは、２×２ＭＺＩ９１の２つの光出力ポートのそれぞれに、２×２ＭＺＩ９１と同じ構造、同一組成を光導波層とする電界印加光吸収ゲート９６1、９６2を接続するようにしている。電界印加光吸収ゲート９６1及び電界印加光吸収ゲート９６2とも、その導波方向の長さは１０００μｍであり、実施例１と同様に、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３５上には、それぞれ電界印加用電極９７となるｎ型電極が設けられている（図３参照）。
【００８０】
実施例１と同様に、電界印加光吸収ゲート９６1、９６2の電界印加用電極９７にプラス電圧を印加すると、ＦＫ効果によりＩｎＧａＡｓＰコア層３３における吸収端がシフトし、電界印加光吸収ゲート９６1、９６2を伝搬する信号光波長での吸収係数が増加する。本実施例の電界印加光吸収ゲート９６1、９６2では、図６に示したように、印加電圧３Ｖで消光比２０ｄＢを得ることができる。２×２ＭＺＩ９１の消光比２０ｄＢと併せて、光スイッチ全体で消光比４０ｄＢ以上を得ることができる。
【００８１】
なお、電界印加光吸収ゲート９６1、９６2として、半導体光増幅器を用いて同様の機能を実現することも可能であるが、電界印加型の光吸収ゲートを用いると、パタン効果や非線形光学効果による入力信号の劣化を避けることが可能である。
【００８２】
電界印加光吸収ゲート９６1、９６2は実施例１で述べた回路により（図７（ａ）、（ｂ）、図８参照）、高速動作を可能とし、又、ｎ側を信号電極としたノーマリオフ動作によって省電力化を実現する。
【００８３】
次に、電界印加光吸収ゲート９６1、９６2と同一基板上に集積する２×２ＭＺＩ９１の駆動回路の回路構成に関して、図１１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１１（ａ）、（ｂ）の回路構成において、分布定数線路（ここでは、ＬＶＤＳ）の終端には、ＬＶＤＳ終端回路１１１が設けられ、このＬＶＤＳ終端回路１１１から、トランジスタＴ31（第２のトランジスタ）を有する駆動回路１１２（第２の駆動回路）へ信号が出力される。
【００８４】
駆動回路１１２において、ＬＶＤＳ終端回路１１１からの出力は、トランジスタＴ31のゲートに入力されており、トランジスタＴ31のソースには電圧ＶS2が印加され、トランジスタＴ31のドレインにダイオードであるアーム光導波路Ｄ31のカソードが接続されて、アーム光導波路Ｄ31のアノードに電圧ＶD2が印加されている。なお、このアーム光導波路Ｄ31は、図９中では、アーム光導波路９４に該当する。
【００８５】
図１１（ａ）、（ｂ）に示した回路構成について、その動作をより詳細に説明する。図１１（ａ）、（ｂ）に示した回路構成では、電圧ＶD2には２Ｖ、電圧ＶS2には０Ｖの電位を与え、ＬＶＤＳ終端回路１１１からの信号を用いて、トランジスタＴ31のゲートの開閉を行うことで、アーム光導波路Ｄ31に注入する電流を切り替える（スイッチング動作）。
【００８６】
例えば、図１１（ａ）は、トランジスタＴ31のゲートが閉じた状態を示す。駆動回路１１２には電流が流れないため、アーム光導波路Ｄ31には電流が注入されず、光は光出力ポートＰＯ1へと出力される。それに対し、図１１（ｂ）は、トランジスタＴ31のゲートが開いた状態を示す。駆動回路１１２では、電圧ＶD2から電圧ＶS2に向かって電流が流れるため、アーム光導波路Ｄ31に電流が注入され、プラズマ効果によって屈折率が変化する。このとき、２つのアーム光導波路９４間に位相差が与えられるため、光は光出力ポートＰＯ2へと出力される。
【００８７】
図１２に、ＬＶＤＳ終端回路を含めた２×２ＭＺＩ用駆動回路の回路構成の一例を示す。なお、図１２においては、トランジスタＴ31が上述した駆動回路１１２を構成しており、トランジスタＴ41、トランジスタＴ42、抵抗Ｒ41、抵抗Ｒ42及び終端抵抗ＲＴが上述したＬＶＤＳ終端回路１１１を構成している。
【００８８】
図１２に示すＬＶＤＳ終端回路では、分布定数線路（ＬＶＤＳ）に終端抵抗ＲＴが並列に接続され、分布定数線路の一方にトランジスタＴ41のゲートが接続され、分布定数線路の他方にトランジスタＴ42のゲートが接続され、トランジスタＴ41のソースがトランジスタＴ42のソースと接続され、トランジスタＴ41のドレインがトランジスタＴ31のソース及び抵抗Ｒ41の一端と接続され、トランジスタＴ42のドレインがトランジスタＴ31のゲート及び抵抗Ｒ42の一端と接続され、抵抗Ｒ41の他端が抵抗Ｒ42の他端と接続されている。つまり、図１２に示すＬＶＤＳ終端回路は、図８に示したＬＶＤＳ終端回路と同等の構成である。
【００８９】
従って、図１２に示すＬＶＤＳ終端回路は、図８に示したＬＶＤＳ終端回路と同様に動作することになる。即ち、ＬＶＤＳ差動信号の切替により、トランジスタＴ41及びＴ42のゲートを開閉させ、トランジスタＴ42のゲートが閉じ、トランジスタＴ42のソース、ドレイン間に電流が流れないときには、図１１（ａ）に示したトランジスタＴ31のゲートを閉じた状態とすることができ、一方、トランジスタＴ42のゲートが開き、トランジスタＴ42のソース、ドレイン間に電流が流れるときには、図１１（ｂ）に示したトランジスタＴ31のゲートが開いた状態とすることができる。
【００９０】
このように、ＬＶＤＳ差動信号を切り替えることで、トランジスタＴ31のゲートの開閉を行い、光出力ポートの切り替え動作を実現する。上述したように、光スイッチ素子に対してＨＥＭＴを用いた駆動回路（第１及び第２の駆動回路）をモノリシック集積することで、更には、ＬＶＤＳ終端回路も含めて、同一基板にモノリシック集積することで、光スイッチ素子と駆動回路との距離は数ミリメートルオーダに縮小することができ（図１参照）、数ＧＨｚまでの高速信号で制御することが可能となる。又、本実施例においても、電界印加光吸収ゲートの動作に関して、実施例１と同様に、ノーマリオフ動作を実現する構成とすることで、電力消費量を低減することができる。
【００９１】
なお、本実施例では、光スイッチ素子として２×２ＭＺＩを１つ用いた１×２光スイッチについて説明してきたが、図１５に示したように、複数の２×２ＭＺＩをツリー状に多段接続した構成とし、最終段の光出力ポートにＮ個の電界印加光吸収ゲートを備えた、１×Ｎ光スイッチとしても良い。又、各種の応用的構成については、実施例１と同様に取り扱って良い。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、光スイッチに好適なものである。
【符号の説明】
【００９３】
２０  ＨＥＭＴ層
３０  光スイッチ層
７１、１１１  ＬＶＤＳ終端回路
７２  インバータ回路
９１  ２×２ＭＺＩ
９６1、９６2  電界印加光吸収ゲート
１０２  駆動回路集積光スイッチ
１１２  駆動回路
【要約】
【課題】高速なスイッチングを可能とすると共に、駆動回路を含めた消費電力が極めて低い光スイッチを提供する。
【解決手段】１個の光入力ポートと、２以上の整数であるＮ個の光出力ポートとを有する光スイッチにおいて、光入力ポートに入力された信号光が導波する光導波路をＮ個に分岐する分岐素子と、Ｎ個の光出力ポートに各々設けられ、信号光の通過又は遮断を行う光吸収ゲートＤ11と、トランジスタＴ11を用いたインバータ回路７２から構成され、吸収ゲートＤ11を各々ノーマリオフ動作させるＮ個の駆動回路とを有し、分岐素子、吸収ゲートＤ11及び駆動回路とを同一の半導体基板上に集積させると共に、分布定数線路のＬＶＤＳ終端回路７１からの制御信号により、駆動回路のトランジスタＴ11のゲートをオン又はオフ動作させる。
【選択図】図７【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図９】
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【図１５】
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【図１６】
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