(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の異なる複数の半導体層が交互に積層された周期構造を有し、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフを制御する光スイッチにおいて、
上記複数種類の半導体層のうち小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層のバンド間遷移エネルギーを上記制御光および信号光の光子エネルギーの所定の倍数値に設定し、且つ上記複数種類の半導体層の層厚を上記制御光および信号光の波長と上記複数種類の半導体層の屈折率で決まる所定値にそれぞれ設定し、
上記屈折率の異なる複数の半導体層として二種類の半導体層を用い、上記所定の倍数値を二倍とし、上記制御光および信号光の波長と上記複数種類の半導体層の屈折率で決まる所定値をλ／４ｎｉ（ただし、λは上記制御光および信号光の波長、ｎi（ｉ＝１，２）は上記二種類の半導体層の屈折率）とした
ことを特徴とする面型光−光スイッチ。
【請求項２】
上記二種類の半導体層は、Ａｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ／ＡｌＡｓであることを特徴とする請求項１記載の面型光−光スイッチ。
【請求項３】
上記周期構造の半導体層の両面にそれぞれｎ型ドープ半導体層とｐ型ドープ半導体層を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の面型光−光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、制御光により信号光を直接制御する面型光−光スイッチに関し、特に、高速・大容量光通信システムにおいて好適な面型光−光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の面型光−光スイッチでは、制御光の光子エネルギーがバンド間遷移エネルギー（荷電バンドと伝送バンド間のギャップエネルギー）と共鳴することにより、このエネルギー付近で屈折率または吸収係数が変化することをそのスイッチング機能に利用している。このとき、屈折率または吸収係数が回復するのに要する時間は、１つの光子が吸収（一光子吸収）されて生成される電子とホールが輻射および無輻射過程で消滅する時間で決まり、数ナノ秒である。
【０００３】
また、一光子吸収の遷移エネルギーの大きな面型光−光スイッチでは、制御光の２つの光子が同時に吸収（二光子吸収）されて電子とホールが生成されるので、屈折率または吸収係数が回復するのに要する時間は数ナノ秒である。
【０００４】
一方、バンド間遷移エネルギーが光子エネルギーの二倍より大きな面型光−光スイッチでは、制御光の２つの光子を同時に吸収されることはないので、屈折率または吸収係数が回復するのに要する時間は著しく短くなる。しかし、制御光による屈折率または吸収係数の変化量が小さくなってしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制御光の光子エネルギーと共鳴するバンド間遷移エネルギーを有する半導体材料を用いた面型光−光スイッチでは、生成される電子とホールのために高速の繰り返しレートで信号処理ができないという問題点があった。
また、バンド間遷移エネルギーが光子エネルギーの二倍より大きな面型光−光スイッチでは、大きな制御光パワーが必要になるので、効率が低下してしまうという問題点があった。
【０００６】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、高速の繰り返しレートでの信号処理が可能で、しかも低い制御光パワーで動作する高速・大容量光通信が可能な面型光−光スイッチを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る面型光−光スイッチは、屈折率の異なる複数の半導体層が交互に積層された周期構造を有し、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフを制御する光スイッチにおいて、上記複数種類の半導体層のうち小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層のバンド間遷移エネルギーを上記制御光および信号光の光子エネルギーの所定の倍数値に設定し、且つ上記複数種類の半導体層の層厚を上記制御光および信号光の波長と上記複数種類の半導体層の屈折率で決まる所定値にそれぞれ設定し、上記屈折率の異なる複数の半導体層として二種類の半導体層を用い、上記所定の倍数値を二倍とし、上記制御光および信号光の波長と上記複数種類の半導体層の屈折率で決まる所定値をλ／４ｎｉ（ただし、λは上記制御光および信号光の波長、ｎi（ｉ＝１，２）は上記二種類の半導体層の屈折率）としたものである。
【０００９】
請求項２の発明に係る面型光−光スイッチは、請求項１の発明において、上記二種類の半導体層は、Ａｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ／ＡｌＡｓであるものである。
【００１０】
請求項３の発明に係る面型光−光スイッチは、請求項１または２の発明において、上記周期構造の半導体層の両面にそれぞれｎ型ドープ半導体層とｐ型ドープ半導体層を設けたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を、図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による面型光−光スイッチを示す構造断面図である。
図において、１１は半導体キャップ層、１２は半導体周期構造層、１３は半導体エッチングストッパ層１３であり、本実施の形態の面型光−光スイッチは、これらの層が積層された構造となっている。
また、本実施の形態では、半導体キャップ層１１として例えばＧａＡｓ（２０ｎｍ）、半導体エッチングストッパ層１３としてＧａＡｓ（１００ｎｍ）を用いるものとする。
【００１２】
さらに、半導体周期構造層１２として例えばＡｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ（１１０．４ｎｍ）／ＡｌＡｓ（１２８．６ｎｍ）を基本構造として４０周期繰り返したものを用いる。つまり、この二種類の半導体層であるＡｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ／ＡｌＡｓの層厚を、それぞれλ／４ｎｉとする。ここで、λは制御光、信号光の波長、ｎi、（ｉ＝１，２）は二種類の半導体層の屈折率である。
また、Ａｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓの２つの光子が実質的にほぼ同時に吸収される（二光子吸収）ための波長は１５５０ｎｍである。つまり、Ａｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓのバンド間遷移ギャップのエネルギーは、１５５０ｎｍの波長のエネルギーのほぼ２倍である。ここで、制御光、信号光として用いる波長は、１５５０ｎｍとする。
【００１３】
図２は、図１のような構造をなす面型光−光スイッチの透過スペクトルを示す図である。
図において、波長１５５０ｎｍで透過率が極大になり、ほぼ０．９３の値になっていることが分かる。ここで、波長１５７０ｎｍでも透過率が極大になっているが、この部分では二光子吸収が生じるので、この二光子吸収のない低エネルギーで透過率が極大となる上述の波長１５５０ｎｍの部分の値を用いるものとする。
【００１４】
図３は、図１における半導体周期構造層１２内での波長１５５０ｎｍの入射光の電場強度分布を示す図である。
図において、縦軸は入射光の電場強度、横軸は半導体周期構造層１２の一端から他端までの相対的な位置を表している。この図３より、入射光の電場強度を１とした場合、電場強度はＡｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ層で大きくなり、最大９倍だけ増大していることが分かる。この電場強度は実質的に半導体層であるＡｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ層の屈折率に比例し、従って、電場強度が増大することでＡｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ層の制御光による屈折率も大きくなる。
【００１５】
図４は、本実施の形態における入射光の相対的な透過時間を示す図である。
波長１５５０ｎｍの入射光の伝播速度は真空に比べて１／３５まで遅くなる。つまり、制御光のオン／オフと信号光のオン／オフの相互干渉作用が多くなって実質的に非線形の特性が大きくなり、効率が上昇する。
【００１６】
このように、本実施の形態では、二種類の半導体層であるＡｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ／ＡｌＡｓのうち小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層即ちＡｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓのバンド間遷移エネルギーを制御光および信号光の光子エネルギーの二倍とし、層厚をそれぞれλ／４ｎｉとすることで、実質的に時間的な多重化が可能になり、電場強度が増大し、且つ透過時間が減少するので、高繰り返し且つ低パワーで動作することができ、高速・大容量通信が可能になる。
【００１７】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における面型光−光スイッチを示す構造断面図である。
図において、１４はｎ型ドープ半導体層、１２は図１と同様の半導体周期構造層、１５はｐ型ドープ半導体層１５であり、本実施の形態の面型光−光スイッチは、これらの層が積層された構造となっている。
また、本実施の形態では、ｎ型ドープ半導体層１４として例えば５×１０18／ｃｍ3の濃度でＳｉをドープしたＧａＡｓを用い、ｐ型ドープ半導体層１５として５×１０18／ｃｍ3の濃度でＢｅ（ベリリウム）をドープしたＧａＡｓを用いる。
【００１８】
このように、本実施の形態では、半導体周期構造層の両面にそれぞれｎ型ドープ半導体層とｐ型ドープ半導体層を設け、電場を印加してそれぞれの半導体の屈折率を変えることにより、制御光および信号光に対する光学長を変化させ、つまり、波長１５５０ｎｍをシフトして、実質的に波長の多重化が可能になり、高速・大容量通信が可能になる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、屈折率の異なる複数の半導体層が交互に積層された周期構造を有し、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフを制御する光スイッチにおいて、上記複数種類の半導体層のうち小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層のバンド間遷移エネルギーを上記制御光および信号光の光子エネルギーの所定の倍数値に設定し、且つ上記複数種類の半導体層の層厚を上記制御光および信号光の波長と上記複数種類の半導体層の屈折率で決まる所定値にそれぞれ設定したので、高繰り返し且つ低パワーで動作することができ、高速・大容量通信が可能になるという効果がある。
【００２０】
また、請求項１の発明によれば、上記屈折率の異なる複数の半導体層として二種類の半導体層を用い、上記所定の倍数値を二倍とし、上記制御光および信号光の波長と上記複数種類の半導体層の屈折率で決まる所定値をλ／４ｎｉ（ただし、λは上記制御光および信号光の波長、ｎi（ｉ＝１，２）は上記二種類の半導体層の屈折率）としたので、電場強度が増大し、且つ透過時間が減少して高繰り返し且つ低パワーで動作することができ、高速・大容量通信が可能になるという効果がある。
【００２１】
また、請求項２の発明によれば、上記二種類の半導体層は、Ａｌ0.123Ｇａ0.877Ａｓ／ＡｌＡｓであるので、高繰り返し且つ低パワーでの動作が可能で、高速・大容量通信に寄与できるという効果がある。
【００２２】
さらに、請求項３の発明によれば、上記周期構造の半導体層の両面にそれぞれｎ型ドープ半導体層とｐ型ドープ半導体層を設けたので、実質的に波長の多重化が可能になり、高速・大容量通信に寄与できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による面型光−光スイッチを示す構造断面図である。
【図２】  この発明の実施の形態１における面型光−光スイッチの透過スペクトルを示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態１における面型光−光スイッチの周期構造内における入射光の電場強度分布を示す図である。
【図４】  この発明の実施の形態１における面型光−光スイッチの相対的な透過時間を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態２による面型光−光スイッチを示す構造断面図である。
【符号の説明】
１１  半導体キャップ層、１２  半導体周期構造層、１３  半導体エッチングストッパ層、１４  ｎ型ドープ半導体層、１５  ｐ型ドープ半導体層。
【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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