(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の照射によりその光学応答特性が変化する半導体層を有するスイッチ部と、
前記スイッチ部に電圧を印加する電圧印加部とを備え、
前記スイッチ部で光を照射するスイッチング動作を所定回数行う毎に、前記電圧印加部から前記スイッチ部へ電圧印加を行う時間を設けるように動作することを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
光スイッチ部は、半導体層の一方の端部にｎ型ドーピング層、他方の端部にｐ型ドーピング層を設けたことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
半導体層としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造、またはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムにおいて、光データを高速に切り替えるための光スイッチに関するものであり、特に半導体層を有するスイッチ部の切り替えを高速に動作させることが可能な光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムの拡大に伴うデータ転送の大容量化の需要が高まり、高速に処理が可能な光スイッチが必要となっている。
光スイッチは、例えば半導体層を有するスイッチ部に光を照射することにより、生じる電子と、ホールとの対の数に応じて生じる半導体層の光学応答特性（例えば誘電率など）の変化をスイッチのＯＮ／ＯＦＦに対応付けるように構成したものである。
光スイッチは例えば、光を照射し生じる電子、ホールの対が多くなった状態をＯＮ状態、電子、ホールの数が少ない状態をＯＦＦ状態としている。
【０００３】
上述のような光スイッチは、光の強さを調節することにより、ＯＦＦ状態からＯＮ状態への変化に要する時間を短くすることは可能であるが、ＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化させるのに要する時間は半導体層を構成する物質の物理的な性質に依存する。
【０００４】
一般に光スイッチには高速性が要求されており、例えばJpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) L1098に示された従来の光スイッチでは幅の狭い量子井戸の両端を幅の広い量子井戸で挟んだ構造において、狭い量子井戸から広い量子井戸へのトンネル現象を利用してスイッチング時間の高速化を図っている。
【０００５】
また、Surface Science 267(1992) 634に示された光スイッチではAlGaAs量子井戸層のΓ点からAlAsバリア層のＸ点への電子の緩和を利用してスイッチング時間の高速化を図っている。
これは、光を照射することにより基底状態からΓ点と称するエネルギー準位に遷移した電子をこのエネルギー準位よりも低く、かつ基底状態のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であって、かつ安定または準安定なエネルギー準位であるＸ点に電子を高速に遷移させることにより、励起した電子を安定状態にすることができるため、Γ点に電子が存在することに伴う光学応答の変化を戻すことができるため、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への変化に要する時間を短縮させ、スイッチング動作の高速化が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトンネル現象やΓ点からＸ点への電子状態の移動を利用する光スイッチは、少ない回数までは光スイッチは正常に動作するが、所定の回数を超えると、電子の数が多くなり、次第に光スイッチ内部に過剰に蓄積され、光スイッチが正常に動作しなくなるという問題があった。
特に、Γ点からＸ点への電子状態の移動を利用する光スイッチにおいては、Ｘ点に遷移させることができる電子の数には限りがある。
従って短い時間間隔の間に複数回光スイッチに光を照射し、Ｘ点に遷移させることができる数よりも多くの電子が生じた場合、所定回数以降ＯＮ状態からＯＦＦ状態へ遷移しなくなり、正常なスイッチング動作が行われなくなる。つまり、短い時間間隔の間にＯＮ／ＯＦＦの動作の切り替えを所定回数以上行うとスイッチング動作が極めて悪くなるといった問題があった。
【０００７】
この発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、複数回光スイッチに光を照射することにより、所定回数以上ＯＮ／ＯＦＦ動作の切り替えを行っても動作性能が悪くならない光スイッチを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光スイッチは、光の照射によりその光学応答特性が変化する半導体層を有するスイッチ部と、前記スイッチ部に電圧を印加する電圧印加部とを備え、前記スイッチ部で光を照射するスイッチング動作を所定回数行う毎に、前記電圧印加部から前記スイッチ部へ電圧印加を行う時間を設けるように動作することを特徴とするものである。
【０００９】
この発明に係る光スイッチは、スイッチ部は、半導体層の一方の端部にｎ型ドーピング層、他方の端部にｐ型ドーピング層を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明に係る光スイッチは、半導体層としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造、またはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１の光スイッチを説明するための図である。
図において、１０はスイッチ部であり、スイッチ部１０は半導体層を有する。
スイッチ部１０の半導体層は例えば、光を照射することにより、生じる自由電子と、ホールとの対の数に応じて生じる光学応答特性（例えば誘電率、屈折率など）の変化をスイッチのＯＮ／ＯＦＦに対応付けるように構成したものである。
スイッチ部１０には制御光１３、信号光１４が照射される。制御光１３はスイッチ部１０の光により光学応答特性が変化する半導体層で透過または反射する光の割合を制御するものである。
スイッチ部１０は、照射する制御光１３の強さに応じて、半導体層内部でΓ点に遷移した自由電子、ホールの対が生じる。
２０はスイッチ部に電圧を印加する電圧印加部である。電圧印加部２０は例えば直流電源などを有する。
【００１２】
図２は実施の形態１の光スイッチを説明するための図であり、具体的には実施の形態１のスイッチ部１０の具体的な一例を説明するための図である。
スイッチ部１０の半導体層は例えば、光により誘電率が変化する半導体層１０１、ｎ型ドーピング層電極１０２、ｐ型ドーピング層１０３を有するものである。
【００１３】
電圧印加部２０はスイッチング部１０のｎ型ドーピング層１０２へ電子、ｐ型ドーピング層１０３側へホールが注入されやすくなる方向（ここでは、ｎ型ドーピング層１０２からｐ型ドーピング層１０３へ向かう方向）に電圧を印加するものである。
図３は実施の形態１の光スイッチを説明するための図であり、具体的には光スイッチの動作の一例を説明するための図である。図において、横軸は時間である。
図において、ｔ1はスイッチング動作を複数回行うのに要する時間、ｔ2は電圧印加部２０が動作する時間である。
電圧印加部２０は例えば、スイッチング部１０でスイッチング動作（つまり光の照射）を複数回行う毎にスイッチング部１０に電圧を印加するような構成にしている。
【００１４】
実施の形態１の光スイッチは上述のような構成を有しているので、スイッチ部１０に光を照射させることによりスイッチ部１０（特に半導体層１０１）の内部で励起した電子（特にエネルギー準位がΓ点、Ｘ点にある電子）を半導体層１０１からｎ型ドーピング層１０２へ、ホールを半導体層１０１からｐ型ドーピング層１０３へ移動させることができるため、半導体層１０１内部の過剰な電子、ホールの数を効率良く減少させることができる。
従って、所定回数を超える光の照射（つまりスイッチング動作）を行った後に、電圧印加部２０を動作させるようにすれば光スイッチを効率良く動作させることができる。
【００１５】
また、実験などにより半導体層を有するスイッチ部１０がどのくらいの時間間隔で何回光を照射すれば（ＯＮ/ＯＦＦ動作をすれば）そのスイッチング性能が悪化するかを予め調べておくとともに、その回数毎に電圧印加部２０を動作させるように構成すれば、安定かつ、最も効率良く光スイッチを動作させることが可能となる。
【００１６】
実施の形態２．
実施の形態２の光スイッチにおいて、半導体層１０1は例えばＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層を有するＴｙｐｅIIのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有するものを用いたことを特徴とする。
ＴｙｐｅIIのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有するものでは、電子が高速でＧａＡｓ層のΓ点からＡｌＧａＡｓ層のＸ点にピコ秒程度で緩和する。
【００１７】
この緩和過程を用いてピコ秒のスイッチ演算が可能となるが、電子、ホールキャリアの再結合発光寿命はμ秒オーダーなのでピコ秒の間隔でスイッチ演算を進めていくと次第にキャリアが蓄積され、スイッチング動作が低下してしまう。
実施の形態１の光スイッチは、ｎ型ドーピング層１０２を半導体層１０１に接合するとともに、ｐ型のドーピング層１０３を半導体層１０１に接合することにより、半導体層１０１の内部に過剰に発生した電子、ホールをｎ型ドーピング層１０２、ｐ型ドーピング層１０３へ注入させるように構成したものである。
【００１８】
図４は、実施の形態１の光スイッチを説明するための図であり、具体的には電圧印加部により電圧が印加されたときの光スイッチのエネルギー準位を説明するための図である。
図において１０１１ａ、１０１１ｂはＧａＡｓ層のエネルギー準位図、１０１２ａ、１０１２ｂはＡｌＧａＡｓ層のエネルギー準位図である。
１１はＧａＡｓ層のΓ点、１１ａ、１１ｂはＧａＡｓ層内のサブバンド準位である。
１２はＡｌＧａＡｓ層のＸ点、１２ａはＡｌＧａＡｓ層内のサブバンド準位である。
図に示すように多重量子井戸層の一方にｎ型ドーピング層１０２、他方にｐ型ドーピング層１０３を接合しており、電圧印加部２０が動作している間はｎ型ドーピング層１０２からｐ型ドーピング層１０３方向へ電圧が印加される。
【００１９】
電子はｎ型ドーピング層１０２に、ホールはｐ型ドーピング層１０３に注入され多重量子井戸層中の電子、ホールを消滅させることができる。
また、隣り合う量子井戸層に与えられるエネルギーｅｖ１（ｅ：電子の電荷量、ｖ１：隣り合う量子井戸間に与えられる電圧）、量子井戸内のサブバンド準位１１ａ、１１ｂ、１２ａを一致するように電圧印加部２０により印加される印加電圧ｖ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有するＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸層の量子井戸間距離を調節すれば、トンネル効果によりＸ点にある電子の一部がサブバンド準位１１ａ、１１ｂへ、ホールの一部がサブバンド準位１２ａへ遷移しながらが移動するため、より高速に電子をｎ型ドーピング層１０２へ、ホールをｐ型ドーピング層１０３側へ移動させることが可能となるので、より高速に電子、ホールを消滅させることができるようになり、スイッチングの動作がより高速になる。
また、照射する光の波長を７００（ｎｍ）〜８００（ｎｍ）とすれば効率良くスイッチング動作を行わせることが可能となった。
【００２０】
実施の形態２の光スイッチは上述のような構成を有しているので、スイッチ部１０に光を照射させることにより半導体層の内部で発生した電子、ホールをｎ型ドーピング層１０２、ｐ型ドーピング層１０３に移動させることができるため、Ｘ点に遷移した電子の数を減少させることができるので、所定回数を超えるスイッチング動作を行っても動作が悪くなることはなくなる。
【００２１】
ここでは、半導体層１０1としてＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層を有するＴｙｐｅIIのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有するものを用いたものを例に説明したが、これに限定されるわけではなく、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有するものを用いたものでも上述と同様の効果を奏する。
このとき、照射する光の波長を１３００（ｎｍ）〜１６００（ｎｍ）としたとき効率良くスイッチングの動作をさせることが可能となった。
【００２２】
【発明の効果】
この発明に係る光スイッチによれば、スイッチング動作を悪化させることなく動作させることができる。
【００２３】
この発明に係る光スイッチによれば、スイッチ部は、半導体層の一方の端部にｎ型ドーピング層、他方の端部にｐ型ドーピング層を設けたので、半導体層の内部で発生した電子をｎ型ドーピング層へ、半導体内部で発生したホールをｐ型ドーピング層へそれぞれ注入させ再結合により消滅するため、半導体層の内部に過剰に発生した電子、ホールを効率良く少なくすることができ、スイッチング動作を悪化させることなく動作させることができる。
【００２４】
この発明に係る光スイッチによれば、半導体層としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造、またはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有するので、半導体層の内部で発生した電子をｎ型ドーピング層へ、半導体内部で発生したホールをｐ型ドーピング層へそれぞれ注入させ再結合により消滅するため、半導体層の内部に過剰に発生した電子、ホールを効率良く少なくすることができ、スイッチング動作を悪化させることなく動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１の光スイッチを説明するため図である。
【図２】  実施の形態１の光スイッチを説明するため図である。
【図３】  実施の形態１の光スイッチを説明するため図である。
【図４】  実施の形態２光スイッチを説明するため図である。
【符号の説明】
１０  スイッチ部          ２０  電圧印加部
１３  制御光              １４  信号光
１０１  半導体層
１０２  ｎ型ドーピング層  １０３  ｐ型ドーピング層
１０１１ａ、１０１１ｂ  ＧａＡｓ層のエネルギー準位
１０１２ａ、１０１２ｂ  ＡｌＧａＡｓ層のエネルギー準位
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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