光スイッチ
【目的】 交差部の屈折率または透過率を高速かつ低電圧で変化させることができる光スイッチを提供する。
【構成】 基板１上の複数の光導波路の交差部４０に、歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造４１を形成し、該歪量子井戸層は、格子定数が基板と等しいかわずかに大きい第一の半導体層４２と、該第一の半導体層の両面に形成され格子定数が基板より小さい第二の半導体層４３と、前記第一及び第二の半導体層により形成された積層体の両面に形成され、格子定数が基板と等しい第三の半導体層８とを備えている。
【構成】 基板１上の複数の光導波路の交差部４０に、歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造４１を形成し、該歪量子井戸層は、格子定数が基板と等しいかわずかに大きい第一の半導体層４２と、該第一の半導体層の両面に形成され格子定数が基板より小さい第二の半導体層４３と、前記第一及び第二の半導体層により形成された積層体の両面に形成され、格子定数が基板と等しい第三の半導体層８とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光通信、光情報処理分野における光信号の光スイッチに係り、特に多重歪量子井戸構造の半導体多層薄膜を用いた光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体極薄膜の両側を、エネルギーギャップの大きな別の半導体ではさんだ量子井戸構造は、通常のバルク半導体には見られない様々な新しい性質を有しており、光デバイスへの応用が期待されている。例えば、量子井戸構造に電界を印加したときに、量子閉じこめシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect 、以下ＱＣＳＥと呼ぶ）によって引き起こされる屈折率変化は通常のバルク半導体に比べてかなり大きいことが理論及び実験により示されており、この効果を利用した光スイッチは、小型かつ高速動作が期待されるため、実用化を目指した研究が活発に行なわれている。
【０００３】図６は、例えば「固体物理」２４巻 １１号（１９８９）pp１５８〜１６４に示された従来の２×２光マトリクススイッチの構成図であり、図６において、１はＩｎＰ基板、２はＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、３はＩｎＰクラッド層、４，５は電極、６，６ａおよび６ｂは光入出射口、７はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造、８は多重量子井戸構造７を構成するＩｎＰバリア層、９はＩｎＰバリア層８により上下から囲まれたＩｎＧａＡｓＰ井戸層である。図７は多重量子井戸構造７のバンドダイアグラムである。図７において、（ａ）は無電界時、（ｂ）に電界Ｅ印加時のものである。なおＩｎＧａＡｓＰ井戸層９の組成はＩｎＰバリア層８に格子整合している。
【０００４】図６における光導波路はリッジ型光導波路と呼ばれ、入射光は主として、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２の部分を進行する。同図において、２本の光導波路は適当な交差角で交差しており、交差部１０にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造７が形成されている。入射光は入射口６から上記交差部に入り、出射口６ａまたは６ｂから出射される。
【０００５】次に動作について説明する。光の伝搬行路は以下のようにして切り換えることができる。すなわち多重量子井戸構造７に部分的に適当な電圧を加えると、電圧の加わった部分は屈折率が低下するので、導波光はその界面で全反射を起こし出射口６ｂから出射される。多重量子井戸構造７に電界を印加しない時は、光の全反射条件が満たされないので入射光は出射口６ａから出射される。
【０００６】次に、印加電界の制御により多重量子井戸構造７の屈折率が変化することを説明する。無電界時には、図７（ａ）に示すように、伝導帯の電子及び価電子帯のホールの各準位に伴う波動関数は、井戸の中心に関して対称である。ここで図７（ｂ）の矢印のように、井戸層面に垂直な電界Ｅを印加すると、伝導帯の波動関数は中心より左側に、価電子帯の波動関数は中心より右側に移動する。
【０００７】波動関数が変形する結果として、準位間の光学遷移に関与する振動子強度は変化する。その変化は、（１）式に示すような行列要素Ｍijを計算することで、見積ることができる。但し、（１）式において、Ｆie（ｚ）は電子のｉ番目のサブバンドの波動関数、Ｆjh（ｚ）はホールのｊ番目のサブバンドの波動関数である。
【０００８】
【数１】
【０００９】またこの時、伝導帯の量子化準位が低下し、価電子帯の量子化準位が上昇するので、印加電界強度の増大と共に、実効エネルギーギャップは減少する。従って入射光に対する吸収係数のピーク波長は、低エネルギー側にシフトする。このような実効エネルギーギャップ及び振動子強度の変化の結果、光吸収係数の波長依存性が変化する。
【００１０】上記のような井戸面内の自由キャリアの準位間遷移の他に、励起子に関連した光学遷移をも考える必要がある。電界印加時には、図７（ｂ）のように励起子を構成している電子とホールは分極するので、両者の間に働くクーロン引力が低下する。したがって、励起子の結合エネルギーは減少し、井戸面内でのボーア半径が増大する。その結果、さきに説明した振動子強度の変化はさらに助長される。また量子井戸内では、１００ｋＶ／ｃｍ程度の強電界のもとでも、励起子は安定に存在し得る。従って、電界印加時にも、励起子の吸収スペクトル形状そのものは大きく変化せず、そのピーク波長が低エネルギー側にシフトするだけであるため、特に励起子の吸収波長付近では電界の有無により吸収係数は大きく変化する。
【００１１】一方、屈折率と吸収係数の間には、クラマース・クローニッヒの関係があるので、多重量子井戸構造７に適当な電界を印加することにより、吸収係数が変化すると、特定の波長を持つ入射光に対して屈折率を同時に変化させることができる。
【００１２】例えば、入射光の波長が１５００ｎｍ、印加電界が１００ｋＶ／ｃｍのとき、屈折率変化はおよそ１％である。このとき、２本の光導波路の交差角を３°以下になるように設計しておくと、入射口６から入射した光に対して、交差部１０において全反射条件が満たされて、入射光は出射口６ｂから出射される。このように多重量子井戸構造７の印加電界を制御することにより、入射光のスイッチングを行なうことができる。
【００１３】一方、入射光に対する光透過率を変化させて光のスイッチングを行なうｐ−ｉ−ｎダイオード構造のＳＥＥＤ型光スイッチも提案されている。
【００１４】図８は、例えば雑誌アイ・イー・イー・イー・ジャーナル オブ クオンタムエレクトロニクスの１９８９年、第２１巻、９号、ｐｐ１４６２−１４７６（IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-21, NO.9, 1989, pp1462-1476)に示された従来のＳＥＥＤ（self-electro-optic device)型光スイッチの断面側面図である。図８において、１３は定電圧電源、１４は外部抵抗、１５はｐ−ＡＩＧａＡｓ層、１６は光吸収層（ｉ層）、１７は多重量子井戸構造、１８はＡｌＧａＡｓバリア層、１９はＧａＡｓ井戸層、２０はｎ−ＡｌＧａＡｓ層、２１は入力光、２２は出力光である。
【００１５】次に動作について説明する。ＳＥＥＤ型光スイッチには様々な動作モードがあり、それぞれ応用が考えられているが、ここでは入力光強度に対する出力光の光双安定動作について説明する。量子井戸内のｎ＝１の重い正孔の励起子の吸収ピーク波長よりやや長波長側の入射光をデバイスに照射したときの光電流と逆バイアス電圧の関係について述べる。逆バイアス電圧を増大させると、量子井戸層にかかる電界が増加し、励起子吸収ピーク波長は長波長側に移動する。ｎ＝１の重い正孔の励起子の吸収ピーク波長が入力波長と一致すると、入力光２１は図８のＧａＡｓ井戸層１９で大きな吸収を受け、外部回路に大きな光電流が流れる。さらに逆バイアス電圧を増大させると、ｎ＝１の重い正孔の励起子の吸収ピーク波長が長波長側に移動し、入力光２１の吸収が減少するので光電流の吸収も減少する。続いてさらに逆バイアス電圧を増大させると、ｎ＝１の軽い正孔の励起子の吸収ピーク波長が入力波長と一致するので、入力光２１は図８のＧａＡｓ井戸層１９で大きな吸収を受け、再び外部回路に大きな光電流が流れる。以上の結果を総合すると光電流と逆バイアス電圧の関係は図９（ａ）の曲線２４で与えられる。
【００１６】従って入力光の強度を一定とすると、外部負荷直線は直線２３で与えられるので、動作点は２５，２６，２７となる。この内で安定な動作点は２５，２７だけである。同様にして入力光２１の強度を変化させた時の動作点の位置を調べることにより、図９（ｂ）に示したような光入力に対する、光出力の光双安定動作が理解できる。このようにＳＥＥＤ型光スイッチは、負荷の電流電圧特性に対して、入力光２１の強度を変えることによってスイッチングを行うことができる。
【００１７】一方、ＳＥＥＤ型光スイッチのように、逆バイアスされた量子井戸構造を持つ素子は基本的にはキャパシタとして働く。従って充電に要する時間は入力光強度と逆比例の関係にある。しかしキャリアが量子井戸から出ていく速さは有限であるため、量子井戸内部にキャリアの蓄積が起こり、その結果、あるキャリアの蓄積レベルで励起子が飽和して吸収ピークの、励起子に起因した急峻性が損なわれる。したがって、量子井戸構造の吸収率の変化を光のスイッチングに用いる上で入力光強度に上限があった。
【００１８】上記の問題点を解決するためには、量子井戸のバリアを低くして、キャリアの脱離を促進すればよい。このような考えに基づいた試みとして、例えば１９９０年発行の雑誌アプライド・フィジックス・レターズ５７巻、２４号のｐｐ２５８２−２５８４（Applied Physics Letters, vol. 57, No.24, 1990, pp2582-2584）に示されているように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料でＡｌの組成ｘ（従ってＧａの組成ｌ−ｘ）が０．０２から０．０６のバリアの低い量子井戸を用いて、ＳＥＥＤ型光スイッチを構成した例がある。
【００１９】以下、図を用いてその構成を簡単に説明する。図１０において、２８はＧａＡｓキャップ層、２９はｎ−ＧａＡｓ基板、３０は電極、３１は５０周期の量子井戸層、３２はＡｌの組成ｘが０．０２から０．０６のＡｌＧａＡｓバリア層である。入力光２１は図１０のようにＧａＡｓキャップ層２８を通過してＡｌＧａＡｓバリア層３２とＧａＡｓ井戸層１９からなる５０周期の量子井戸層３１に入射し、素子の逆バイアス電圧の値に応じた吸収を受けた後に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２０を透過して図１０の下方に出射する。この時ｎ−ＧａＡｓ基板２９によって出力光２２が吸収されないように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２０に達するまでｎ−ＧａＡｓ基板２９をエッチングで除去する必要がある。なお簡単のため図８R>８では省略したが、実際の素子の作製プロセスにおいては、同様にＧａＡｓ基板をエッチングで除去する必要がある。
【００２０】次に動作について説明する。図１１はＡｌの組成ｘが０．０２のＡｌＧａＡｓバリア層３２を含み、従ってＧａＡｓ井戸層１９に対する全バンドオフセットが室温の熱エネルギーと同程度の、量子井戸層を有するサンプルに対する、入力光の透過率の波長依存性を表す。図１１において、３３と３４は各々、逆バイアス電圧０Ｖと−２Ｖにおける入力光の透過率の波長依存性を表す曲線である。逆バイアス電圧０Ｖにおいては、曲線３３のように強い励起子吸収が見られる。電場をかけると励起子は容易にイオン化し、吸収ピーク波長が長波長側に移動し、逆バイアス電圧−２Ｖでは励起子の吸収ピークがほとんど見られなくなる。数値例として、逆バイアス電圧を１Ｖから−３Ｖまで変化させると、透過率は２９％から４７％まで変化する。
【００２１】このように量子井戸のバリアを低くすることにより、入力光の飽和強度が大きく、小さなバイアス電圧で大きな透過率変化を得られるＳＥＥＤ型光スイッチを構成することができる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】従来の２×２光マトリクススイッチは以上のように構成されているので、大きな屈折率変化を得るためには大きな電圧を電極４，５間に印加する必要があり、消費電力が大きくなるなどの問題点があった。また、従来のＳＥＥＤ型光スイッチは以上のように構成されているので、入力光に対する大きな吸収係数の変化を得るためには電極３０，３０ａ間の印加電圧を大きくする必要があり、消費電力が大きくなるなどの問題点があった。
【００２３】この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、交差部の屈折率または透過率を高速かつ低電圧で変化させることができ、したがって、低電圧で動作させることができ、消費電力を小さくすることができる光スイッチを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る光スイッチは、基板上に形成された複数の光導波路の交差部に部分的に電界を印加することにより、該交差部の屈折率を変化させ、該交差部により入射光を全反射させて光の伝搬する行路を切り換える全反射型の光スイッチであり、前記交差部に、歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造を形成し、前記歪量子井戸層は、格子定数が前記基板の格子定数と等しいかまたはわずかに大きいとした１つ以上の第一の半導体層と、該第一の半導体層の両面に形成され、格子定数が前記基板の格子定数より小さく、かつバンドギャップが前記基板のバンドギャップより小さい第二の半導体層と、前記第一及び第二の半導体層により形成された積層体の両面に形成され、その格子定数が前記基板の格子定数と等しい第三の半導体層と、を備えたものである。
【００２５】請求項２の発明に係る光スイッチは、前記第二の半導体層の格子定数を、該第二の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位が前記第一の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位と等しいかまたは同程度のエネルギー準位となるように設定し、かつ、前記第一の半導体層と第二の半導体層のそれぞれの伝導体のバンドギャップの差を、電界印加時に電子の波動関数が前記第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さく設定したものである。
【００２６】請求項３の発明に係る光スイッチは、前記第三の半導体層の格子定数を前記第二の半導体層の格子定数より小さく、かつ、この第三の半導体層のバンドギャップを前記基板のバンドギャップより小さく設定したものである。
【００２７】請求項４の発明に係る光スイッチは、真性層に量子井戸構造を含むｐ−ｉ−ｎ構造を有し、前記量子井戸構造に電界を印加することにより該量子井戸構造の入射光に対する光透過率を変化させ光のスイッチングを行なうＳＥＥＤ型の光スイッチであり、前記量子井戸構造を請求項３記載の多重歪量子井戸構造としたものである。
【００２８】
【作用】請求項１の発明における光スイッチは、前記交差部に、第一ないし第三の半導体層により構成される多重歪量子井戸構造を形成することにより、歪量子井戸内にある電子が空間的に閉じ込められている領域より、正孔が空間的に閉じ込められている領域の方が広くなり、低い電界を印加した時にも十分な屈折率変化が生じ、低電圧での動作が可能となり、消費電力を小さくする。
【００２９】請求項２の発明における光スイッチは、伝導体のバンドギャップの差を、電界印加時に電子の波動関数が第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さく設定したことにより、電子の波動関数が歪バリア層である第二の半導体層に容易に大きくしみ出し、低い電界を印加した時にも十分な屈折率変化が生じ、より低い電圧での動作が可能となり、消費電力をさらに小さくする。
【００３０】請求項３の発明における光スイッチは、前記第三の半導体層の格子定数を第二の半導体層の格子定数より小さく、かつ、そのバンドギャップを前記基板のバンドギャップより小さく設定したことにより、屈折率変化がさらに大きくなり、より低い電圧での動作が可能となり、消費電力をさらに小さくする。
【００３１】請求項４の発明における光スイッチは、前記量子井戸構造を請求項３記載の多重歪量子井戸構造としたことにより、該多重歪量子井戸構造の透過光強度が大きく変化し、低電圧での動作が可能となり、消費電力を小さくする。
【００３２】
【実施例】
実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明する。図１は２×２光マトリクススイッチの構成図である。図において、１はＩｎｐ（基板）、２はＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（光導波路）、３はＩｎＰクラッド層（光導波路）、４１はＩｎＰ基板と光ガイド層２およびクラッド層３で構成された２本の光導波路の交差部４０に形成されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構造、４２は多重歪量子井戸構造４１を構成するＩｎＧａＡｓ井戸層（第一の半導体層）、４３はＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第二の半導体層）、８はＩｎＰバリア層（第三の半導体層）、４，５は電極６，６ａおよび６ｂは光入出射口である。また、図２は多重歪量子井戸構造４１のバンドダイヤグラムであり、図２において、（ａ）は無電界時、（ｂ）は電界印加時のものである。なおＩｎＧａＡｓＰ層の組成はＩｎＰに格子整合している。
【００３３】次に動作について説明する。まずＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のＩｎの組成ｘ（したがってＧａの組成 １−ｘ）について述べる。ＩｎＰとこれに格子整合するＩｎＧａＡｓの価電子帯では、ガンマ点においてヘビーホール準位とライトホール準位が縮退している。いまこれら結晶薄膜の（００１）面内に二軸性の引っ張り応力が加わると、ガンマ点においてライトホール準位はヘビーホール準位に比べて高エネルギー側にシフトする。
【００３４】ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構造４１では、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３にのみ歪が加わるようにすることができる。これにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２の価電子帯のガンマ点におけるヘビーホール準位およびライトホール準位と、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のライトホール準位を等しくさせることができる。なおＩｎＧａＡｓ井戸層４２のヘビーホール準位とライトホール準位が量子井戸構造にも関わらず縮退するのは、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のライトホール準位がエネルギー的に近づくことにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２のホールを閉じこめるポテンシャルバリアがなくなるためである。
【００３５】このような系の候補として例えばＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のＩｎの組成ｘをＩｎＰに格子整合する値である０．５３よりも小さくするとよい。ＩｎＧａＡｓ井戸層４２のＩｎの組成ｘは０．５３に等しいか、わずかに大きくする。この場合ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３の格子定数はＩｎＧａＡｓ井戸層４２やＩｎＰバリア層８の格子定数よりも小さくなるため、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３には界面に平行方向に引っ張り応力を受ける。ＩｎＰバリア層８で挟まれたＩｎＧａＡｓ井戸層４２とＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のトータルの厚みは、界面での格子不整合によりミスフィット転位が生じる臨界膜厚よりも小さくなるように選ぶものとする。従って上で説明した状況がこの系について成立する。
【００３６】次に、多重歪量子井戸構造４１に電界を印加することにより、この部分の屈折率変化を起こさせるメカニズムについて図２に基づき説明する。図２において、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２及びＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３からなり、ＩｎＰバリア層８で挟まれている部分（以下、簡単のためにこの部分を歪多層井戸と呼ぶ）の膜厚はホールに対する量子井戸としての２次元的な閉じ込めが成立し、かつミスフィット転位が生じる臨界膜厚よりも小さくなる程度に設定されている。図２では井戸数が２の場合の具体例について示したが上記条件が満たされていれば井戸数が異なる場合においても当然成立する。図２（ａ）に示したように無電界時には電子はＩｎＧａＡｓ井戸層４２に、ホールは歪多層井戸全体に閉じこめられている。電界を印加すると、図２（ｂ）に示すように電子の波動関数は、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３へ容易に滲み出す。その結果励起子はイオン化し、無電界時と比較すると入射光に対する屈折率は大きく変化する。屈折率変化を入射光の行路切り替えに用いるのは従来例と同様であるが、以下の点で本実施例は従来例と比較して優れた特性を有する。
【００３７】式（１）からわかるように、伝導帯と価電子帯の量子化準位間の光学的遷移の振動子強度は、電子とホールの波動関数の重なり積分に比例する。電界により電子とホールは互いに逆方向に変位するので、この波動関数の重なり積分の値は、電子とホールの波動関数の変位量が大きいほど小さくなる傾向を示す。従来例における多重量子井戸構造７では、図７に示すように電界が印加されたとき、電子とホールは同じ量子井戸内で互いに逆方向に変位する。一方、本実施例における多重歪量子井戸構造４１では、図２に示すように電界が印加されたとき、電子の波動関数はＩＮＧａＡｓ井戸層４２からＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３に大きくしみだし、又ホールの波動関数は、ホールに対するポテンシャルバリアがないためにＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３まで電子とは反対方向に変位することができる。従って波動関数の重なり積分の値は、従来例と比べて、より小さな印加電界で大きく変化し、励起子もイオン化するので大きな屈折率変化が得られることになる。
【００３８】実施例２．上記実施例１では、多重歪量子井戸構造４１において、複数のＩｎＧａＡｓ井戸層４２及びＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３により構成される歪多層井戸が、ＩｎＰバリア層８で挟まれている場合について示したが、図３に示すようにＩｎＰバリア層８の代わりにＩｎ組成０．５２でＩｎＰ基板に格子整合するＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバリア層（第三の半導体層）５１で挟まれる多重歪量子井戸構造５２の場合にも同様な効果がある。この構造では、多重歪量子井戸構造５２を結晶成長させる際に、上記実施例１ではＡｓとＰの二種類の５族元素が必要となるのに対して、本実施例では一種類の５族元素Ａｓだけが必要なので、ヘテロ界面での５族元素の切り替えを行なう必要がなくなり、より容易である。
【００３９】実施例３．上記実施例２では、ＩｎＧａＡｓの歪多層井戸をＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバリア層５１で挟まれる場合について示したが、図４に示すようにＩｎＧａＡｓだけで構成される多重歪量子井戸構造６１の場合にも同様な効果がある。この構造は、上記歪多層井戸が、ＩｎＡｌＡｓバリア層５１の代わりに、Ｉｎ組成ｙ（従ってＧａ組成１−ｙ）がＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のＩｎ組成ｘよりもさらに小さい、別のＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第三の半導体層）６２によって挟まれたもので、実施例１で説明したバンドギャップに対する歪の効果を引き出すためには、歪多層井戸の膜厚を転位の発生が起こり始める臨界膜厚以下に設定すべきことはいうまでもない。この場合にも上記と同様に一種類の５族元素Ａｓだけを用いて多重歪量子井戸構造６１を結晶成長をさせることが可能なので、ヘテロ界面での５族元素の切り替えが不要な点が利点である。
【００４０】実施例４．上記実施例３で説明したＩｎＧａＡｓだけで多重歪量子井戸構造６１を構成した場合には、実施例１で説明した全反射型スイッチだけでなく、透過型の光スイッチを構成することが可能となる。以下、本実施例を図にしたがって簡単に説明する。図５において、７１はｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、７２はｐ−ＩｎＰ層、７３はｎ−ＩｎＰ層、７４はｎ−ＩｎＰ基板である。この実施例では実施例３で説明したＩｎＧａＡｓ多重歪量子井戸構造６１が光吸収層として素子中に図５のように作り込まれている。
【００４１】次に動作について説明する。図４において、（ａ）は無電界時のバンドダイアグラムである。電界を印加すると、（ｂ）に示すようにＩｎＧａＡｓ井戸層４２に閉じこめられた電子の波動関数はＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３に大きくしみだし、一方ホールの波動関数は電子と反対方向にＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３まで大きくしみだして、励起子はイオン化する。従って、実施例１で説明したように無電界時と有電界時では、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３，６２からなる多重歪量子井戸部分の、入力光に対する大きな吸収係数の変化が起こり、透過光強度が大きく変化するので入力光２１のスイッチングが可能となる。
【００４２】このように本実施例では、ＩｎＰ系材料で、ＩｎＧａＡｓ多重歪量子井戸構造６１を用いて透過型の光スイッチを構成したので、低電圧で動作が可能であり、かつＩｎＰ基板は入力光に対して透明であるために、ＧａＡｓ系材料による従来例と比較すると基板をエッチングする必要がなく、素子作製プロセスが簡単になるという効果がある。
【００４３】
【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれば、前記交差部に歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造を形成するように構成したので、低い電界を印加した場合においても十分な屈折率変化を生じさせることができ、したがって、低電圧で動作させることができ、消費電力を小さくする効果がある。
【００４４】また、請求項２の発明によれば、伝導体のバンドギャップの差を、電界印加時に電子の波動関数が第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さく設定するように構成したので、該波動関数を第二の半導体層に容易に大きくしみ出させることができ、したがって、より低電圧で動作させることができ、消費電力をさらに小さくする効果がある。
【００４５】また、請求項３の発明によれば、前記第三の半導体層の格子定数を第二の半導体層の格子定数より小さく、かつ、そのバンドギャップを前記基板のバンドギャップより小さく設定するように構成したので、交差部の屈折率変化をさらに大きくすることができ、したがって、より低電圧で動作させることができ、消費電力をさらに小さくする効果がある。
【００４６】また、請求項４の発明によれば、前記量子井戸構造を請求項３記載の多重歪量子井戸構造とするように構成したので、素子の透過光強度を大きく変化させることができ、したがって、低電圧で動作させることができ、消費電力をさらに小さくする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による全反射型光スイッチを示す斜視図である。
【図２】この発明の一実施例による光スイッチの動作原理を説明するための歪量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図３】この発明の他の実施例における歪量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図４】この発明の他の実施例における歪量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図５】この発明の一実施例による透過型光スイッチの構成を示す断面側面図である。
【図６】従来の全反射型光スイッチを示す斜視図である。
【図７】従来の光スイッチの動作原理を説明するための量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図８】従来のＳＥＥＤの構成を示す断面側面図である。
【図９】従来のＳＥＥＤの動作原理および特性を示す説明図である。
【図１０】従来の（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系での）改良型ＳＥＥＤの構成を示す断面側面図である。
【図１１】従来の改良型ＳＥＥＤの透過率の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
１ ＩｎＰ基板（基板）
２ ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（光導波路）
３ ＩｎＰクラッド層（光導波路）
８ ＩｎＰバリア層（第三の半導体層）
４０ 交差部
４１ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構造（多重歪量子井戸構造）
４２ ＩｎＧａＡｓ井戸層（第一の半導体層）
４３ ＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第二の半導体層）
５１ Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバリア層（第三の半導体層）
５２ 多重歪量子井戸構造
６１ 多重歪量子井戸構造
６２ ＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第三の半導体層）
７１ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
７２ ｐ−ＩｎＰ層
７３ ｎ−ＩｎＰ層
７４ ｎ−ＩｎＰ基板
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光通信、光情報処理分野における光信号の光スイッチに係り、特に多重歪量子井戸構造の半導体多層薄膜を用いた光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体極薄膜の両側を、エネルギーギャップの大きな別の半導体ではさんだ量子井戸構造は、通常のバルク半導体には見られない様々な新しい性質を有しており、光デバイスへの応用が期待されている。例えば、量子井戸構造に電界を印加したときに、量子閉じこめシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect 、以下ＱＣＳＥと呼ぶ）によって引き起こされる屈折率変化は通常のバルク半導体に比べてかなり大きいことが理論及び実験により示されており、この効果を利用した光スイッチは、小型かつ高速動作が期待されるため、実用化を目指した研究が活発に行なわれている。
【０００３】図６は、例えば「固体物理」２４巻 １１号（１９８９）pp１５８〜１６４に示された従来の２×２光マトリクススイッチの構成図であり、図６において、１はＩｎＰ基板、２はＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、３はＩｎＰクラッド層、４，５は電極、６，６ａおよび６ｂは光入出射口、７はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造、８は多重量子井戸構造７を構成するＩｎＰバリア層、９はＩｎＰバリア層８により上下から囲まれたＩｎＧａＡｓＰ井戸層である。図７は多重量子井戸構造７のバンドダイアグラムである。図７において、（ａ）は無電界時、（ｂ）に電界Ｅ印加時のものである。なおＩｎＧａＡｓＰ井戸層９の組成はＩｎＰバリア層８に格子整合している。
【０００４】図６における光導波路はリッジ型光導波路と呼ばれ、入射光は主として、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２の部分を進行する。同図において、２本の光導波路は適当な交差角で交差しており、交差部１０にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造７が形成されている。入射光は入射口６から上記交差部に入り、出射口６ａまたは６ｂから出射される。
【０００５】次に動作について説明する。光の伝搬行路は以下のようにして切り換えることができる。すなわち多重量子井戸構造７に部分的に適当な電圧を加えると、電圧の加わった部分は屈折率が低下するので、導波光はその界面で全反射を起こし出射口６ｂから出射される。多重量子井戸構造７に電界を印加しない時は、光の全反射条件が満たされないので入射光は出射口６ａから出射される。
【０００６】次に、印加電界の制御により多重量子井戸構造７の屈折率が変化することを説明する。無電界時には、図７（ａ）に示すように、伝導帯の電子及び価電子帯のホールの各準位に伴う波動関数は、井戸の中心に関して対称である。ここで図７（ｂ）の矢印のように、井戸層面に垂直な電界Ｅを印加すると、伝導帯の波動関数は中心より左側に、価電子帯の波動関数は中心より右側に移動する。
【０００７】波動関数が変形する結果として、準位間の光学遷移に関与する振動子強度は変化する。その変化は、（１）式に示すような行列要素Ｍijを計算することで、見積ることができる。但し、（１）式において、Ｆie（ｚ）は電子のｉ番目のサブバンドの波動関数、Ｆjh（ｚ）はホールのｊ番目のサブバンドの波動関数である。
【０００８】
【数１】
【０００９】またこの時、伝導帯の量子化準位が低下し、価電子帯の量子化準位が上昇するので、印加電界強度の増大と共に、実効エネルギーギャップは減少する。従って入射光に対する吸収係数のピーク波長は、低エネルギー側にシフトする。このような実効エネルギーギャップ及び振動子強度の変化の結果、光吸収係数の波長依存性が変化する。
【００１０】上記のような井戸面内の自由キャリアの準位間遷移の他に、励起子に関連した光学遷移をも考える必要がある。電界印加時には、図７（ｂ）のように励起子を構成している電子とホールは分極するので、両者の間に働くクーロン引力が低下する。したがって、励起子の結合エネルギーは減少し、井戸面内でのボーア半径が増大する。その結果、さきに説明した振動子強度の変化はさらに助長される。また量子井戸内では、１００ｋＶ／ｃｍ程度の強電界のもとでも、励起子は安定に存在し得る。従って、電界印加時にも、励起子の吸収スペクトル形状そのものは大きく変化せず、そのピーク波長が低エネルギー側にシフトするだけであるため、特に励起子の吸収波長付近では電界の有無により吸収係数は大きく変化する。
【００１１】一方、屈折率と吸収係数の間には、クラマース・クローニッヒの関係があるので、多重量子井戸構造７に適当な電界を印加することにより、吸収係数が変化すると、特定の波長を持つ入射光に対して屈折率を同時に変化させることができる。
【００１２】例えば、入射光の波長が１５００ｎｍ、印加電界が１００ｋＶ／ｃｍのとき、屈折率変化はおよそ１％である。このとき、２本の光導波路の交差角を３°以下になるように設計しておくと、入射口６から入射した光に対して、交差部１０において全反射条件が満たされて、入射光は出射口６ｂから出射される。このように多重量子井戸構造７の印加電界を制御することにより、入射光のスイッチングを行なうことができる。
【００１３】一方、入射光に対する光透過率を変化させて光のスイッチングを行なうｐ−ｉ−ｎダイオード構造のＳＥＥＤ型光スイッチも提案されている。
【００１４】図８は、例えば雑誌アイ・イー・イー・イー・ジャーナル オブ クオンタムエレクトロニクスの１９８９年、第２１巻、９号、ｐｐ１４６２−１４７６（IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-21, NO.9, 1989, pp1462-1476)に示された従来のＳＥＥＤ（self-electro-optic device)型光スイッチの断面側面図である。図８において、１３は定電圧電源、１４は外部抵抗、１５はｐ−ＡＩＧａＡｓ層、１６は光吸収層（ｉ層）、１７は多重量子井戸構造、１８はＡｌＧａＡｓバリア層、１９はＧａＡｓ井戸層、２０はｎ−ＡｌＧａＡｓ層、２１は入力光、２２は出力光である。
【００１５】次に動作について説明する。ＳＥＥＤ型光スイッチには様々な動作モードがあり、それぞれ応用が考えられているが、ここでは入力光強度に対する出力光の光双安定動作について説明する。量子井戸内のｎ＝１の重い正孔の励起子の吸収ピーク波長よりやや長波長側の入射光をデバイスに照射したときの光電流と逆バイアス電圧の関係について述べる。逆バイアス電圧を増大させると、量子井戸層にかかる電界が増加し、励起子吸収ピーク波長は長波長側に移動する。ｎ＝１の重い正孔の励起子の吸収ピーク波長が入力波長と一致すると、入力光２１は図８のＧａＡｓ井戸層１９で大きな吸収を受け、外部回路に大きな光電流が流れる。さらに逆バイアス電圧を増大させると、ｎ＝１の重い正孔の励起子の吸収ピーク波長が長波長側に移動し、入力光２１の吸収が減少するので光電流の吸収も減少する。続いてさらに逆バイアス電圧を増大させると、ｎ＝１の軽い正孔の励起子の吸収ピーク波長が入力波長と一致するので、入力光２１は図８のＧａＡｓ井戸層１９で大きな吸収を受け、再び外部回路に大きな光電流が流れる。以上の結果を総合すると光電流と逆バイアス電圧の関係は図９（ａ）の曲線２４で与えられる。
【００１６】従って入力光の強度を一定とすると、外部負荷直線は直線２３で与えられるので、動作点は２５，２６，２７となる。この内で安定な動作点は２５，２７だけである。同様にして入力光２１の強度を変化させた時の動作点の位置を調べることにより、図９（ｂ）に示したような光入力に対する、光出力の光双安定動作が理解できる。このようにＳＥＥＤ型光スイッチは、負荷の電流電圧特性に対して、入力光２１の強度を変えることによってスイッチングを行うことができる。
【００１７】一方、ＳＥＥＤ型光スイッチのように、逆バイアスされた量子井戸構造を持つ素子は基本的にはキャパシタとして働く。従って充電に要する時間は入力光強度と逆比例の関係にある。しかしキャリアが量子井戸から出ていく速さは有限であるため、量子井戸内部にキャリアの蓄積が起こり、その結果、あるキャリアの蓄積レベルで励起子が飽和して吸収ピークの、励起子に起因した急峻性が損なわれる。したがって、量子井戸構造の吸収率の変化を光のスイッチングに用いる上で入力光強度に上限があった。
【００１８】上記の問題点を解決するためには、量子井戸のバリアを低くして、キャリアの脱離を促進すればよい。このような考えに基づいた試みとして、例えば１９９０年発行の雑誌アプライド・フィジックス・レターズ５７巻、２４号のｐｐ２５８２−２５８４（Applied Physics Letters, vol. 57, No.24, 1990, pp2582-2584）に示されているように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料でＡｌの組成ｘ（従ってＧａの組成ｌ−ｘ）が０．０２から０．０６のバリアの低い量子井戸を用いて、ＳＥＥＤ型光スイッチを構成した例がある。
【００１９】以下、図を用いてその構成を簡単に説明する。図１０において、２８はＧａＡｓキャップ層、２９はｎ−ＧａＡｓ基板、３０は電極、３１は５０周期の量子井戸層、３２はＡｌの組成ｘが０．０２から０．０６のＡｌＧａＡｓバリア層である。入力光２１は図１０のようにＧａＡｓキャップ層２８を通過してＡｌＧａＡｓバリア層３２とＧａＡｓ井戸層１９からなる５０周期の量子井戸層３１に入射し、素子の逆バイアス電圧の値に応じた吸収を受けた後に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２０を透過して図１０の下方に出射する。この時ｎ−ＧａＡｓ基板２９によって出力光２２が吸収されないように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２０に達するまでｎ−ＧａＡｓ基板２９をエッチングで除去する必要がある。なお簡単のため図８R>８では省略したが、実際の素子の作製プロセスにおいては、同様にＧａＡｓ基板をエッチングで除去する必要がある。
【００２０】次に動作について説明する。図１１はＡｌの組成ｘが０．０２のＡｌＧａＡｓバリア層３２を含み、従ってＧａＡｓ井戸層１９に対する全バンドオフセットが室温の熱エネルギーと同程度の、量子井戸層を有するサンプルに対する、入力光の透過率の波長依存性を表す。図１１において、３３と３４は各々、逆バイアス電圧０Ｖと−２Ｖにおける入力光の透過率の波長依存性を表す曲線である。逆バイアス電圧０Ｖにおいては、曲線３３のように強い励起子吸収が見られる。電場をかけると励起子は容易にイオン化し、吸収ピーク波長が長波長側に移動し、逆バイアス電圧−２Ｖでは励起子の吸収ピークがほとんど見られなくなる。数値例として、逆バイアス電圧を１Ｖから−３Ｖまで変化させると、透過率は２９％から４７％まで変化する。
【００２１】このように量子井戸のバリアを低くすることにより、入力光の飽和強度が大きく、小さなバイアス電圧で大きな透過率変化を得られるＳＥＥＤ型光スイッチを構成することができる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】従来の２×２光マトリクススイッチは以上のように構成されているので、大きな屈折率変化を得るためには大きな電圧を電極４，５間に印加する必要があり、消費電力が大きくなるなどの問題点があった。また、従来のＳＥＥＤ型光スイッチは以上のように構成されているので、入力光に対する大きな吸収係数の変化を得るためには電極３０，３０ａ間の印加電圧を大きくする必要があり、消費電力が大きくなるなどの問題点があった。
【００２３】この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、交差部の屈折率または透過率を高速かつ低電圧で変化させることができ、したがって、低電圧で動作させることができ、消費電力を小さくすることができる光スイッチを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る光スイッチは、基板上に形成された複数の光導波路の交差部に部分的に電界を印加することにより、該交差部の屈折率を変化させ、該交差部により入射光を全反射させて光の伝搬する行路を切り換える全反射型の光スイッチであり、前記交差部に、歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造を形成し、前記歪量子井戸層は、格子定数が前記基板の格子定数と等しいかまたはわずかに大きいとした１つ以上の第一の半導体層と、該第一の半導体層の両面に形成され、格子定数が前記基板の格子定数より小さく、かつバンドギャップが前記基板のバンドギャップより小さい第二の半導体層と、前記第一及び第二の半導体層により形成された積層体の両面に形成され、その格子定数が前記基板の格子定数と等しい第三の半導体層と、を備えたものである。
【００２５】請求項２の発明に係る光スイッチは、前記第二の半導体層の格子定数を、該第二の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位が前記第一の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位と等しいかまたは同程度のエネルギー準位となるように設定し、かつ、前記第一の半導体層と第二の半導体層のそれぞれの伝導体のバンドギャップの差を、電界印加時に電子の波動関数が前記第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さく設定したものである。
【００２６】請求項３の発明に係る光スイッチは、前記第三の半導体層の格子定数を前記第二の半導体層の格子定数より小さく、かつ、この第三の半導体層のバンドギャップを前記基板のバンドギャップより小さく設定したものである。
【００２７】請求項４の発明に係る光スイッチは、真性層に量子井戸構造を含むｐ−ｉ−ｎ構造を有し、前記量子井戸構造に電界を印加することにより該量子井戸構造の入射光に対する光透過率を変化させ光のスイッチングを行なうＳＥＥＤ型の光スイッチであり、前記量子井戸構造を請求項３記載の多重歪量子井戸構造としたものである。
【００２８】
【作用】請求項１の発明における光スイッチは、前記交差部に、第一ないし第三の半導体層により構成される多重歪量子井戸構造を形成することにより、歪量子井戸内にある電子が空間的に閉じ込められている領域より、正孔が空間的に閉じ込められている領域の方が広くなり、低い電界を印加した時にも十分な屈折率変化が生じ、低電圧での動作が可能となり、消費電力を小さくする。
【００２９】請求項２の発明における光スイッチは、伝導体のバンドギャップの差を、電界印加時に電子の波動関数が第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さく設定したことにより、電子の波動関数が歪バリア層である第二の半導体層に容易に大きくしみ出し、低い電界を印加した時にも十分な屈折率変化が生じ、より低い電圧での動作が可能となり、消費電力をさらに小さくする。
【００３０】請求項３の発明における光スイッチは、前記第三の半導体層の格子定数を第二の半導体層の格子定数より小さく、かつ、そのバンドギャップを前記基板のバンドギャップより小さく設定したことにより、屈折率変化がさらに大きくなり、より低い電圧での動作が可能となり、消費電力をさらに小さくする。
【００３１】請求項４の発明における光スイッチは、前記量子井戸構造を請求項３記載の多重歪量子井戸構造としたことにより、該多重歪量子井戸構造の透過光強度が大きく変化し、低電圧での動作が可能となり、消費電力を小さくする。
【００３２】
【実施例】
実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明する。図１は２×２光マトリクススイッチの構成図である。図において、１はＩｎｐ（基板）、２はＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（光導波路）、３はＩｎＰクラッド層（光導波路）、４１はＩｎＰ基板と光ガイド層２およびクラッド層３で構成された２本の光導波路の交差部４０に形成されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構造、４２は多重歪量子井戸構造４１を構成するＩｎＧａＡｓ井戸層（第一の半導体層）、４３はＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第二の半導体層）、８はＩｎＰバリア層（第三の半導体層）、４，５は電極６，６ａおよび６ｂは光入出射口である。また、図２は多重歪量子井戸構造４１のバンドダイヤグラムであり、図２において、（ａ）は無電界時、（ｂ）は電界印加時のものである。なおＩｎＧａＡｓＰ層の組成はＩｎＰに格子整合している。
【００３３】次に動作について説明する。まずＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のＩｎの組成ｘ（したがってＧａの組成 １−ｘ）について述べる。ＩｎＰとこれに格子整合するＩｎＧａＡｓの価電子帯では、ガンマ点においてヘビーホール準位とライトホール準位が縮退している。いまこれら結晶薄膜の（００１）面内に二軸性の引っ張り応力が加わると、ガンマ点においてライトホール準位はヘビーホール準位に比べて高エネルギー側にシフトする。
【００３４】ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構造４１では、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３にのみ歪が加わるようにすることができる。これにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２の価電子帯のガンマ点におけるヘビーホール準位およびライトホール準位と、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のライトホール準位を等しくさせることができる。なおＩｎＧａＡｓ井戸層４２のヘビーホール準位とライトホール準位が量子井戸構造にも関わらず縮退するのは、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のライトホール準位がエネルギー的に近づくことにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２のホールを閉じこめるポテンシャルバリアがなくなるためである。
【００３５】このような系の候補として例えばＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のＩｎの組成ｘをＩｎＰに格子整合する値である０．５３よりも小さくするとよい。ＩｎＧａＡｓ井戸層４２のＩｎの組成ｘは０．５３に等しいか、わずかに大きくする。この場合ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３の格子定数はＩｎＧａＡｓ井戸層４２やＩｎＰバリア層８の格子定数よりも小さくなるため、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３には界面に平行方向に引っ張り応力を受ける。ＩｎＰバリア層８で挟まれたＩｎＧａＡｓ井戸層４２とＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のトータルの厚みは、界面での格子不整合によりミスフィット転位が生じる臨界膜厚よりも小さくなるように選ぶものとする。従って上で説明した状況がこの系について成立する。
【００３６】次に、多重歪量子井戸構造４１に電界を印加することにより、この部分の屈折率変化を起こさせるメカニズムについて図２に基づき説明する。図２において、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２及びＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３からなり、ＩｎＰバリア層８で挟まれている部分（以下、簡単のためにこの部分を歪多層井戸と呼ぶ）の膜厚はホールに対する量子井戸としての２次元的な閉じ込めが成立し、かつミスフィット転位が生じる臨界膜厚よりも小さくなる程度に設定されている。図２では井戸数が２の場合の具体例について示したが上記条件が満たされていれば井戸数が異なる場合においても当然成立する。図２（ａ）に示したように無電界時には電子はＩｎＧａＡｓ井戸層４２に、ホールは歪多層井戸全体に閉じこめられている。電界を印加すると、図２（ｂ）に示すように電子の波動関数は、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３へ容易に滲み出す。その結果励起子はイオン化し、無電界時と比較すると入射光に対する屈折率は大きく変化する。屈折率変化を入射光の行路切り替えに用いるのは従来例と同様であるが、以下の点で本実施例は従来例と比較して優れた特性を有する。
【００３７】式（１）からわかるように、伝導帯と価電子帯の量子化準位間の光学的遷移の振動子強度は、電子とホールの波動関数の重なり積分に比例する。電界により電子とホールは互いに逆方向に変位するので、この波動関数の重なり積分の値は、電子とホールの波動関数の変位量が大きいほど小さくなる傾向を示す。従来例における多重量子井戸構造７では、図７に示すように電界が印加されたとき、電子とホールは同じ量子井戸内で互いに逆方向に変位する。一方、本実施例における多重歪量子井戸構造４１では、図２に示すように電界が印加されたとき、電子の波動関数はＩＮＧａＡｓ井戸層４２からＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３に大きくしみだし、又ホールの波動関数は、ホールに対するポテンシャルバリアがないためにＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３まで電子とは反対方向に変位することができる。従って波動関数の重なり積分の値は、従来例と比べて、より小さな印加電界で大きく変化し、励起子もイオン化するので大きな屈折率変化が得られることになる。
【００３８】実施例２．上記実施例１では、多重歪量子井戸構造４１において、複数のＩｎＧａＡｓ井戸層４２及びＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３により構成される歪多層井戸が、ＩｎＰバリア層８で挟まれている場合について示したが、図３に示すようにＩｎＰバリア層８の代わりにＩｎ組成０．５２でＩｎＰ基板に格子整合するＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバリア層（第三の半導体層）５１で挟まれる多重歪量子井戸構造５２の場合にも同様な効果がある。この構造では、多重歪量子井戸構造５２を結晶成長させる際に、上記実施例１ではＡｓとＰの二種類の５族元素が必要となるのに対して、本実施例では一種類の５族元素Ａｓだけが必要なので、ヘテロ界面での５族元素の切り替えを行なう必要がなくなり、より容易である。
【００３９】実施例３．上記実施例２では、ＩｎＧａＡｓの歪多層井戸をＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバリア層５１で挟まれる場合について示したが、図４に示すようにＩｎＧａＡｓだけで構成される多重歪量子井戸構造６１の場合にも同様な効果がある。この構造は、上記歪多層井戸が、ＩｎＡｌＡｓバリア層５１の代わりに、Ｉｎ組成ｙ（従ってＧａ組成１−ｙ）がＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３のＩｎ組成ｘよりもさらに小さい、別のＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第三の半導体層）６２によって挟まれたもので、実施例１で説明したバンドギャップに対する歪の効果を引き出すためには、歪多層井戸の膜厚を転位の発生が起こり始める臨界膜厚以下に設定すべきことはいうまでもない。この場合にも上記と同様に一種類の５族元素Ａｓだけを用いて多重歪量子井戸構造６１を結晶成長をさせることが可能なので、ヘテロ界面での５族元素の切り替えが不要な点が利点である。
【００４０】実施例４．上記実施例３で説明したＩｎＧａＡｓだけで多重歪量子井戸構造６１を構成した場合には、実施例１で説明した全反射型スイッチだけでなく、透過型の光スイッチを構成することが可能となる。以下、本実施例を図にしたがって簡単に説明する。図５において、７１はｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、７２はｐ−ＩｎＰ層、７３はｎ−ＩｎＰ層、７４はｎ−ＩｎＰ基板である。この実施例では実施例３で説明したＩｎＧａＡｓ多重歪量子井戸構造６１が光吸収層として素子中に図５のように作り込まれている。
【００４１】次に動作について説明する。図４において、（ａ）は無電界時のバンドダイアグラムである。電界を印加すると、（ｂ）に示すようにＩｎＧａＡｓ井戸層４２に閉じこめられた電子の波動関数はＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３に大きくしみだし、一方ホールの波動関数は電子と反対方向にＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３まで大きくしみだして、励起子はイオン化する。従って、実施例１で説明したように無電界時と有電界時では、ＩｎＧａＡｓ井戸層４２、ＩｎＧａＡｓ歪バリア層４３，６２からなる多重歪量子井戸部分の、入力光に対する大きな吸収係数の変化が起こり、透過光強度が大きく変化するので入力光２１のスイッチングが可能となる。
【００４２】このように本実施例では、ＩｎＰ系材料で、ＩｎＧａＡｓ多重歪量子井戸構造６１を用いて透過型の光スイッチを構成したので、低電圧で動作が可能であり、かつＩｎＰ基板は入力光に対して透明であるために、ＧａＡｓ系材料による従来例と比較すると基板をエッチングする必要がなく、素子作製プロセスが簡単になるという効果がある。
【００４３】
【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれば、前記交差部に歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造を形成するように構成したので、低い電界を印加した場合においても十分な屈折率変化を生じさせることができ、したがって、低電圧で動作させることができ、消費電力を小さくする効果がある。
【００４４】また、請求項２の発明によれば、伝導体のバンドギャップの差を、電界印加時に電子の波動関数が第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さく設定するように構成したので、該波動関数を第二の半導体層に容易に大きくしみ出させることができ、したがって、より低電圧で動作させることができ、消費電力をさらに小さくする効果がある。
【００４５】また、請求項３の発明によれば、前記第三の半導体層の格子定数を第二の半導体層の格子定数より小さく、かつ、そのバンドギャップを前記基板のバンドギャップより小さく設定するように構成したので、交差部の屈折率変化をさらに大きくすることができ、したがって、より低電圧で動作させることができ、消費電力をさらに小さくする効果がある。
【００４６】また、請求項４の発明によれば、前記量子井戸構造を請求項３記載の多重歪量子井戸構造とするように構成したので、素子の透過光強度を大きく変化させることができ、したがって、低電圧で動作させることができ、消費電力をさらに小さくする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による全反射型光スイッチを示す斜視図である。
【図２】この発明の一実施例による光スイッチの動作原理を説明するための歪量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図３】この発明の他の実施例における歪量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図４】この発明の他の実施例における歪量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図５】この発明の一実施例による透過型光スイッチの構成を示す断面側面図である。
【図６】従来の全反射型光スイッチを示す斜視図である。
【図７】従来の光スイッチの動作原理を説明するための量子井戸層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図８】従来のＳＥＥＤの構成を示す断面側面図である。
【図９】従来のＳＥＥＤの動作原理および特性を示す説明図である。
【図１０】従来の（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系での）改良型ＳＥＥＤの構成を示す断面側面図である。
【図１１】従来の改良型ＳＥＥＤの透過率の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
１ ＩｎＰ基板（基板）
２ ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（光導波路）
３ ＩｎＰクラッド層（光導波路）
８ ＩｎＰバリア層（第三の半導体層）
４０ 交差部
４１ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重歪量子井戸構造（多重歪量子井戸構造）
４２ ＩｎＧａＡｓ井戸層（第一の半導体層）
４３ ＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第二の半導体層）
５１ Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバリア層（第三の半導体層）
５２ 多重歪量子井戸構造
６１ 多重歪量子井戸構造
６２ ＩｎＧａＡｓ歪バリア層（第三の半導体層）
７１ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
７２ ｐ−ＩｎＰ層
７３ ｎ−ＩｎＰ層
７４ ｎ−ＩｎＰ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】 基板上に形成された複数の光導波路の交差部に電界を印加することにより、該交差部の屈折率を変化させ入射光を全反射させて光の伝搬する行路を切り換える全反射型の光スイッチにおいて、前記交差部に、歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造を形成し、前記歪量子井戸層は、格子定数が前記基板の格子定数と等しいかまたはわずかに大きい１つ以上の第一の半導体層と、該第一の半導体層の両面に形成され、格子定数が前記基板の格子定数より小さく、かつバンドギャップが前記基板のバンドギャップより小さい第二の半導体層と、前記第一及び第二の半導体層により形成された積層体の両面に形成され、格子定数が前記基板の格子定数を等しい第三の半導体層とを備えたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】 前記第二の半導体層の格子定数を、該第二の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位が前記第一の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位と等しいかまたは同程度となるように設定し、かつ前記第一の半導体層と第二の半導体層の伝導体のバンドギャップの差を、電界印加時に電子の波動関数が前記第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さく設定し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】 前記第三の半導体層は、その格子定数を前記第二の半導体層の格子定数より小さく、かつ、そのバンドギャップを前記基板のバンドギャップより小さく設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】 真性層に量子井戸構造を含むｐ−ｉ−ｎ構造を有し、前記量子井戸構造に電界を印加することにより該量子井戸構造の入射光に対する光透過率を変化させ光のスイッチングを行うＳＥＥＤ型の光スイッチにおいて、前記量子井戸構造を、請求項３記載の多重歪量子井戸構造としたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項１】 基板上に形成された複数の光導波路の交差部に電界を印加することにより、該交差部の屈折率を変化させ入射光を全反射させて光の伝搬する行路を切り換える全反射型の光スイッチにおいて、前記交差部に、歪量子井戸層を複数層積層した多重歪量子井戸構造を形成し、前記歪量子井戸層は、格子定数が前記基板の格子定数と等しいかまたはわずかに大きい１つ以上の第一の半導体層と、該第一の半導体層の両面に形成され、格子定数が前記基板の格子定数より小さく、かつバンドギャップが前記基板のバンドギャップより小さい第二の半導体層と、前記第一及び第二の半導体層により形成された積層体の両面に形成され、格子定数が前記基板の格子定数を等しい第三の半導体層とを備えたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】 前記第二の半導体層の格子定数を、該第二の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位が前記第一の半導体層の価電子帯頂上のエネルギー準位と等しいかまたは同程度となるように設定し、かつ前記第一の半導体層と第二の半導体層の伝導体のバンドギャップの差を、電界印加時に電子の波動関数が前記第二の半導体層にしみ出すことが可能な程度に十分小さく設定し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】 前記第三の半導体層は、その格子定数を前記第二の半導体層の格子定数より小さく、かつ、そのバンドギャップを前記基板のバンドギャップより小さく設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】 真性層に量子井戸構造を含むｐ−ｉ−ｎ構造を有し、前記量子井戸構造に電界を印加することにより該量子井戸構造の入射光に対する光透過率を変化させ光のスイッチングを行うＳＥＥＤ型の光スイッチにおいて、前記量子井戸構造を、請求項３記載の多重歪量子井戸構造としたことを特徴とする光スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開平６−２８９３３９
【公開日】平成６年（１９９４）１０月１８日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−９５０７８
【出願日】平成５年（１９９３）３月３１日
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成６年（１９９４）１０月１８日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）３月３１日
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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