(57)【要約】【課題】消光比を従来よりも向上させることができる半導体光スイッチを提供する。【解決手段】光導波路の分岐部位に設けられた電極から当該分岐部位にキャリアを注入することにより光導波路の入射経路に入射した光信号を光導波路の反射経路に反射する一方、キャリア注入を停止することにより光信号を光導波路の透過経路に透過させる半導体光スイッチにおいて、透過経路には、分岐部位にキャリアを注入した際の漏洩光を反射する第１の反射手段が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路の分岐部位に設けられた電極から当該分岐部位にキャリアを注入することにより前記光導波路の入射経路に入射した光信号を前記光導波路の反射経路に反射する一方、前記キャリア注入を停止することにより前記光信号を前記光導波路の透過経路に透過させる半導体光スイッチにおいて、
前記透過経路には、前記分岐部位にキャリアを注入した際の漏洩光を反射する第１の反射手段が設けられることを特徴とする半導体光スイッチ。
【請求項２】
前記反射経路には、前記分岐部位へのキャリア注入を停止した際のクロストーク光を反射する第２の反射手段が設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体光スイッチ。
【請求項３】
前記第１、第２の反射手段は、透過波長を漏洩光あるいはクロストーク光の波長から変位させることにより漏洩光あるいはクロストーク光を反射することを特徴とする請求項１または２記載の半導体光スイッチ。
【請求項４】
前記第１、第２の反射手段は、
前記透過経路あるいは前記反射経路に屈折率が互いに異なる光透過材料を一定間隔で交互に配置して形成された回折格子と、
該回折格子にキャリアを注入することにより実効的な格子間隔を制御する電極とからなることを特徴とする請求項３記載の半導体光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える半導体光スイッチに関に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように光スイッチには種々の方式のものがあるが、光スイッチの１つとして、半導体で形成され、光導波路の分岐部位に設けられた電極から当該分岐部位にキャリア（電子及び正孔）を注入することにより屈折率を変化（低下）させて光導波路の入射経路に入射した光信号を反射経路に反射し、一方、キャリア注入を停止して屈折率を通常値に復帰させることにより光信号を透過経路に透過させる半導体光スイッチがある。このような屈折率を制御するタイプの半導体光スイッチについては、例えば以下の先行技術文献に詳細が開示されている。
【特許文献１】特開平０５−１６５０６７号公報
【特許文献２】特開平０５−０７０１９９号公報
【特許文献３】特開平０６−１３０２３６号公報
【特許文献４】特開平０６−２８９３３９号公報
【非特許文献１】Baujun Li, Guozheng Li, Enke Liu, Zuimin Jiang, Chengwen Pei and Xun Wang, Appl. Phys. Lett., pp.1-3, 75(1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の半導体光スイッチは、原理的には光スイッチとして機能するものの消光比（ＯＮ状態／ＯＦＦ状態における出射光の光パワー比）が不十分なため、応用分野が限定されたりする等、実用上の問題があった。一般に、実用的な光スイッチとしては、２０〜３０ｄＢ程度の消光比が必要であるが、上記屈折率を制御するタイプの半導体光スイッチは、現状では１０ｄＢ程度の消光比し得られていないのが実情である。したがって、上記屈折率を制御するタイプの半導体光スイッチを実用に供するためには、消光比のさらなる向上がきわめて重要な技術課題となっている。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、消光比を従来よりも向上させることができる半導体光スイッチの提供を目的とするものである。
また、本発明は、上記消光比の向上に加え、半導体光スイッチをＯＮ状態としたときのクロストーク光を従来よりも低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、光導波路の分岐部位に設けられた電極から当該分岐部位にキャリアを注入することにより光導波路の入射経路に入射した光信号を光導波路の反射経路に反射する一方、キャリア注入を停止することにより光信号を光導波路の透過経路に透過させる半導体光スイッチにおいて、透過経路には、分岐部位にキャリアを注入した際の漏洩光を反射する第１の反射手段が設けられる、という手段を採用する。
第２の解決手段として、上記第１の手段において、反射経路には、分岐部位へのキャリア注入を停止した際のクロストーク光を反射する第２の反射手段が設けられる、という手段を採用する。
第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、第１、第２の反射手段は、透過波長を漏洩光あるいはクロストーク光の波長から変位させることにより漏洩光あるいはクロストーク光を反射する、という手段を採用する。
第４の解決手段として、上記第３の手段において、第１、第２の反射手段は、透過経路あるいは反射経路に屈折率が互いに異なる光透過材料を一定間隔で交互に配置して形成された回折格子と、該回折格子にキャリアを注入することにより実効的な格子間隔を制御する格子制御電極とからなる、という手段を採用する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、分岐部位にキャリアを注入した際、つまりＯＦＦ状態のときに透過経路に漏れてくる漏洩光を第１の反射手段が反射するので、消光比（ＯＮ状態／ＯＦＦ状態における出射光の光パワー比）を従来よりも向上させることができる。
また、分岐部位へのキャリア注入を停止した際、ＯＮ状態のときに反射経路に伝搬するクロストーク光を第２の反射手段が反射するので、クロストーク光を従来よりも低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体光スイッチＡの構成を示す正面図（ａ）及び当該正面図（ａ）におけるｂ−ｂ線断面図である。断面図に示すように、本半導体光スイッチＡは、電極層ａが下面に設けられた基板ｂ上にクラッド層ｃ、ガイド層ｄ及び導波路層ｅを順次積層し、さらに導波路層ｅ上に制御電極１Ａ，１Ｂ，１Ｃを設けた構造を有している。
【０００８】
電極層ａは金あるいは金合金等の金属材料から形成されて、また基板ｂは例えばガリウムヒ素（GaAs）やインジウムリン（InP）から形成されている。クラッド層ｃ、ガイド層ｄ及び導波路層ｅは、光透過性を有すると共に各々に異なる屈折率ｎ1，ｎ2，ｎ3を有する半導体材料で形成されており、クラッド層ｃの屈折率ｎ1とガイド層ｄの屈折率ｎ2と導波路層ｅの屈折率ｎ3との間には、ｎ1＜ｎ2＜ｎ3の関係が成立している。このような条件を満足する材料として、クラッド層ｃは例えばインジウムリン（InP）、ガイド層ｄは例えばインジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）、導波路層ｅは例えば上記クラッド層ｃとは組成が異なるインジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）である。
【０００９】
上記ガイド層ｄ及び導波路層ｅは、平板な基板ｂ上に同じく平板状に積層されたクラッド層ｃの一部を「X字」状にエッチングすることによりX字状の凸部を形成したものであり、正面図に示すようにX字状光導波路２を形成している。このX字状光導波路２は、２本の直線状光導波路２ａ、２ｂが途中部位２ｃで交差する形状を有している。上記直線状光導波路２ａ、２ｂの入力端（左側の２端）のいずれかから入射した光信号側の視点で上記X字状光導波路２の形状を見ると、X字状光導波路２は、入射経路（入力端から分岐部位２ｃまでの経路）が途中部位２ｃ（分岐部位）で２つの出射経路、つまり分岐部位２ｃをそのまま透過して伝播する透過経路と分岐部位２ｃで反射した場合に伝搬する反射経路とに分岐した形状に形成されている。
【００１０】
例えば、矢印で示すように直線状光導波路２ａの入力端に入射した光信号は、当該直線状光導波路２ａの入射経路（一端から分岐部位２ｃまでの経路）を伝搬し、分岐部位２ｃを透過した場合は、入射経路と同一の直線状光導波路２ａの透過経路（分岐部位２ｃから直線状光導波路２ａの他端までの経路）を伝搬して直線状光導波路２ａの出力端から外部に出射するが、分岐部位２ｃで反射した場合には、入射経路とは異なる直線状光導波路２ｂの反射経路（分岐部位２ｃから直線状光導波路２ｂの他端までの経路）を伝搬して当該直線状光導波路２ｂの出力端から外部に出射する。
【００１１】
上記分岐部位２ｃには当該分岐部位２ｃにおける光信号の透過／反射を制御する制御電極１Ａが設けられている。この制御電極１Ａは、例えば金あるいは金合金電極であり、対をなす電極層ａとの協働によって分岐部位２ｃへのキャリア注入（電子及び正孔の注入）をＯＮ／ＯＦＦすることにより、分岐部位２ｃにおける導波路層ｅ及びガイド層ｄの反射率を制御する。すなわち、制御電極１Ａは、分岐部位２ｃへキャリアを注入して分岐部位２ｃの反射率を低下させることにより分岐部位２ｃに入射した光信号を反射させる一方、キャリア注入を停止して分岐部位２ｃの反射率を通常状態に復帰させることにより分岐部位２ｃに入射した光信号を透過させる。
【００１２】
また、上記２つの出射経路の途中部位には、各々に制御電極１Ｂ、１Ｃが設けられている。この制御電極１Ｂ，１Ｃは、例えば金あるいは金合金電極である。このような制御電極１Ｂ、１Ｃの直下には、図示するように回折格子３Ｂ，３Ｃが形成されている。この回折格子３Ｂ，３Ｃは、断面図に示すようにクラッド層ｃの材料（屈折率ｎ1）とガイド層ｄの材料（屈折率ｎ2）とを光信号の伝搬方向に対して直行する方向に一定間隔で交互に配置して形成されたものであり、制御電極１Ｂ、１Ｃと電極層ａとによるキャリア注入によって実効的な格子間隔が可変設定されるものである。
【００１３】
制御電極１Ｂ，１Ｃは、対をなす電極層ａとの協働によって、上記回折格子３Ｂ，３Ｃへのキャリア注入をＯＮ／ＯＦＦすることにより実効的な格子間隔を制御するものである。すなわち、回折格子３Ｂ，３Ｃ近傍における導波路層ｅは、図２に示すように、キャリア注入のＯＦＦ状態（キャリアを注入しない状態）では使用波長における反射率が極めて低く、一方、キャリア注入のＯＮ状態（キャリアを注入した状態）では使用波長における反射率が極めて高い値となる。したがって、制御電極１Ｂ，１Ｃに所定の直流電圧を印加して回折格子３Ｂ，３Ｃにキャリアを注入することにより、回折格子３Ｂ，３Ｃの透過波長を光信号の波長（使用波長）に一致あるいは不一致させることができる。
【００１４】
このような制御電極１Ｂ、１Ｃ、回折格子３Ｂ，３Ｃ及び電極層ａは、詳細な動作については後述するが、分岐部位２ｃにキャリアを注入した際の透過経路への漏洩光を反射する第１の反射手段、また分岐部位２ｃへのキャリア注入を停止した際の反射経路へのクロストーク光を反射する第２の反射手段を構成しており、これら第１、第２の反射手段は本半導体光スイッチＡの特徴的構成要件である。
【００１５】
次に、このように構成された本半導体光スイッチＡの動作について、図３をも参照して詳しく説明する。
【００１６】
図３は、直線状光導波路２ａの入力端に光信号を入力した場合における本半導体光スイッチＡの動作状態を示す模式図であり、（ａ）は本半導体光スイッチＡのＯＮ状態を、また（ｂ）はＯＦＦ状態を示している。なお、この図３では、各制御電極１Ａ，１Ｂ、１Ｃについて、所定電圧が印加されることにより導波路層ｅにキャリア注入を行っている状態を「ON」と表し、一方、キャリア注入を中断した状態を「ＯＦＦ」と表している。
【００１７】
最初に、図３（ａ）に示すように、２つの制御電極１Ａ，１Ｂを「ＯＦＦ」、かつ、制御電極１Ｃを「ＯＮ」とすることにより、本半導体光スイッチＡはＯＮ状態に設定される。この場合、制御電極１Ａが「ＯＦＦ」なので、直線状光導波路２ａの入力端に入射した光信号は、分岐部位２ｃで殆ど反射されることなく透過し、また制御電極１Ｂも「ＯＦＦ」なので、同じく反射されることなく透過する。したがって、光信号は、極めて低い伝送ロスで直線状光導波路２ａの入射経路及び透過経路を伝搬して出射端に出射される。
【００１８】
また、分岐部位２ｃでは若干の反射が発生するので、光信号の一部がクロストーク光として上記直線状光導波路２ａと分岐部位２ｃで交差（分岐）する直線状光導波路２ｂの反射経路に入射されるが、このクロストーク光の殆どは、制御電極１Ｃが「ＯＮ」なので、回折格子３Ｃの作用によって反射し、よって直線状光導波路２ｂの出射端に出射されない。
したがって、本半導体光スイッチＡによれば、ＯＮ状態に設定された場合におけるクロストーク光が従来よりも大幅に低減する。
【００１９】
最初に、図３（ｂ）に示すように、２つの制御電極１Ａ，１Ｂを「ＯＮ」、かつ、制御電極１Ｃを「ＯＦＦ」とすることにより、本半導体光スイッチＡはＯＦＦ状態に設定される。この場合、制御電極１Ａが「ＯＮ」なので、直線状光導波路２ａの入力端に入射した光信号は、分岐部位２ｃで殆ど反射されて直線状光導波路２ｂの反射経路に入射される。そして、この反射光は、制御電極１Ｃが「ＯＦＦ」なので、回折格子３Ｃによって反射されることなく直線状光導波路２ｂの出射端に出射される。
【００２０】
また、分岐部位２ｃでは若干の漏洩光が発生して直線状光導波路２ａの透過経路に入射するが、この漏洩光の殆どは、制御電極１Ｂが「ＯＮ」なので、回折格子３Ｂの作用によって反射し、よって直線状光導波路２ａの出射端に出射されない。
したがって、本半導体光スイッチＡによれば、ＯＮ状態に設定された場合における消光比（ＯＮ状態／ＯＦＦ状態における出射光の光パワー比）が従来よりも大幅に低減する。
さらに、本実施形態によれば、制御電極１Ａ，１Ｂ，１Ｃによるキャリア注入によって反射率（透過率）を制御するので、極めて高速な光スイッチを提供することができる。
【００２１】
ここで、図３は直線状光導波路２ａの入力端に光信号を入力した場合を示しているが、直線状光導波路２ａに代えて直線状光導波路２ｂの入力端に光信号を入力した場合、本半導体光スイッチＡをＯＮ状態に設定するためには、２つの制御電極１Ａ，１Ｃが「ＯＦＦ」、かつ、制御電極１Ｂが「ＯＮ」とされ、一方、本半導体光スイッチＡをＯＦＦ状態に設定するためには、２つの制御電極１Ａ，１Ｃが「ＯＮ」、かつ、制御電極１Ｂが「ＯＦＦ」とされる。
【００２２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、第１、第２の反射手段の構成方法として回折格子３Ｂ，３Ｃを用いる構成を採用したが、第１、第２の反射手段の構成方法はこれに限定されない。動的に反射率を切り替えることが可能なものであれば、他の構成方法でも良い。
【００２３】
（２）上記実施形態では、各直線状光導波路２ａ、２ｂについて１個の第１、第２の反射手段を設けたが、第１、第２の反射手段の個数は２個以上であっても良い。原理的には第１、第２の反射手段の個数が増える程消光比やクロストークが改善される。
（３）さらに、本半導体光スイッチＡは、１入力、２出力の光スイッチであるが、本発明は、さらに多入力、多出力の光スイッチにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係わる半導体光スイッチの構成を示す正面図（ａ）及び当該正面図（ａ）におけるｂ−ｂ線断面図である
【図２】本発明の一実施形態における特性改善用反射部の作用を示す特性図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わる半導体光スイッチの動作を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
Ａ…半導体光スイッチ、ａ…電極層、ｂ…基板、ｃ…クラッド層、ｄ…ガイド層、ｅ…導波路層、１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…制御電極、２…X字状光導波路、２ａ、２ｂ…直線状光導波路、２ｃ…途中部位（分岐部位）、３Ｂ，３Ｃ…回折格子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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