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JP7651502B2 - Optical Switch - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、光照射により電気回路を開閉制御する光スイッチに関する。 An embodiment of the present invention relates to an optical switch that controls the opening and closing of an electrical circuit by irradiating it with light.

電気回路を光照射により開閉制御する光スイッチは、高速応答、ノイズ対策、電気的アイソレーション等の観点において、電気信号による開閉制御よりも有利な点がある。このため光スイッチは、様々な用途が検討されている。なかでも、高速なパルスレーザーを使用する光スイッチは、電気信号による一般的なスイッチング素子よりも開閉制御の高速化が期待されている。 Optical switches, which open and close electrical circuits by irradiating them with light, have advantages over switching controls using electrical signals in terms of high-speed response, noise reduction, electrical isolation, etc. For this reason, various applications of optical switches are being considered. In particular, optical switches that use high-speed pulsed lasers are expected to provide faster switching control than general switching elements that use electrical signals.

このような光スイッチは、バンドギャップより高エネルギーの光が半絶縁性半導体に入射すると、光伝導効果により、価電子帯の電子が伝導帯に励起してキャリアを生成し電気抵抗が低下する原理を応用している。なお従来の光スイッチは、一光子吸収を利用するものであり、半絶縁性半導体に形成した一対の電極で挟まれる基板面の領域に、レーザー光を垂直方向から照射していた。 Such optical switches work on the principle that when light with higher energy than the band gap is incident on a semi-insulating semiconductor, the photoconductive effect excites electrons in the valence band to the conduction band, generating carriers and lowering the electrical resistance. Conventional optical switches use one-photon absorption, and irradiate a laser beam perpendicularly onto an area of the substrate surface sandwiched between a pair of electrodes formed on the semi-insulating semiconductor.

特開2003-209269号公報JP 2003-209269 A

光スイッチにおいて高電圧の耐久性を高めるには、電極間距離を広げて絶縁性を向上させる必要がある。ところで、一光子吸収を利用する光スイッチは、レーザー光が基板表面で集中的に吸収される性質を持つ。このために、パルスレーザーを基板面の垂直方向から照射する従来方式では、光スイッチに生成するキャリアは、基板の表面領域に制限されてしまう。このため、従来の光スイッチにおいて電極間距離を広げると、電気回路を閉じた際の電気抵抗を十分に下げられず、高圧の大電流を安定的に開閉制御することが困難な課題があった。 To improve the high voltage durability of optical switches, it is necessary to increase the distance between the electrodes and improve insulation. Optical switches that use single-photon absorption have the property that the laser light is absorbed in a concentrated manner on the surface of the substrate. For this reason, in the conventional method of irradiating the substrate with a pulsed laser perpendicularly, the carriers generated in the optical switch are limited to the surface area of the substrate. For this reason, when the distance between the electrodes is increased in conventional optical switches, the electrical resistance cannot be sufficiently reduced when the electrical circuit is closed, making it difficult to stably control the opening and closing of high voltage currents.

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、電極間距離を広げても、光照射すると基板の体積領域の広範にキャリアを生成し、高電圧の大電流を安定的に開閉制御する光スイッチを提供することを目的とする。 The embodiment of the present invention has been made in consideration of these circumstances, and aims to provide an optical switch that generates carriers over a wide area of the volumetric region of the substrate when irradiated with light, even when the distance between the electrodes is increased, and can stably control the opening and closing of high-voltage, large currents.

実施形態に係る光スイッチにおいて、光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、を備える。 The optical switch according to the embodiment includes a semiconductor substrate whose electrical resistance decreases when light rays are absorbed, a pair of electrodes that apply an electric field to the semiconductor substrate in a direction along the substrate surface, and a light source that irradiates the light rays to an edge of the semiconductor substrate in a direction along the substrate surface.

実施形態に係る光スイッチにおいて、光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、前記半導体基板の対向する前記縁端に配置され前記光線を相互に反射させ、前記半導体基板の内部において共振させる一対のミラーと、を備える。
また、実施形態に係る光スイッチにおいて、光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、前記半導体基板の対向する前記縁端に配置され前記光線を相互に反射させ、前記半導体基板の内部において複数回往復させる一対のミラーと、を備える。
An optical switch according to an embodiment includes a semiconductor substrate whose electrical resistance decreases when a light beam is absorbed, a pair of electrodes that apply an electric field to the semiconductor substrate in a direction along the substrate surface, a light source that irradiates the light beam onto an edge of the semiconductor substrate in a direction along the substrate surface, and a pair of mirrors that are disposed at the opposing edges of the semiconductor substrate and reflect the light beam to each other, causing it to resonate inside the semiconductor substrate .
In addition, an optical switch according to an embodiment includes a semiconductor substrate whose electrical resistance decreases when a light beam is absorbed, a pair of electrodes that apply an electric field to the semiconductor substrate in a direction along the substrate surface, a light source that irradiates an edge of the semiconductor substrate with the light beam in a direction along the substrate surface, and a pair of mirrors that are disposed at the opposing edges of the semiconductor substrate and reflect the light beam against each other, causing it to travel back and forth multiple times inside the semiconductor substrate.

(A)本発明の第1実施形態においてOFF状態を示す光スイッチの上面図、(B)同・縦断面図。1A is a top view of an optical switch in an OFF state according to a first embodiment of the present invention, and FIG. (A)第1実施形態においてON状態を示す光スイッチの上面図、(B)同・縦断面図。1A is a top view of an optical switch in an ON state according to a first embodiment, and FIG. (A)第2実施形態においてOFF状態を示す光スイッチの上面図、(B)同・縦断面図。11A is a top view of an optical switch in a second embodiment, showing an OFF state; FIG. (A)第2実施形態においてON状態を示す光スイッチの上面図、(B)同・縦断面図。13A is a top view of an optical switch in a second embodiment, showing an ON state; FIG.

(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1(A)は本発明の第1実施形態においてOFF状態を示す光スイッチ10A(10)の上面図であり、図1(B)はその縦断面図である。図2(A)は第1実施形態においてON状態を示す光スイッチ10A(10)の上面図であり、図2(B)はその縦断面図である。
First Embodiment
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Fig. 1(A) is a top view of an optical switch 10A (10) showing an OFF state in a first embodiment of the present invention, and Fig. 1(B) is a longitudinal cross-sectional view thereof. Fig. 2(A) is a top view of an optical switch 10A (10) showing an ON state in the first embodiment, and Fig. 2(B) is a longitudinal cross-sectional view thereof.

図1及び図2に示すように光スイッチ10Aは、光線17が吸収されると電気抵抗が低下して絶縁領域13(図1)が導通領域14(図2)に変化する半導体基板20と、この半導体基板20に電場を基板面21(21a,21b)に沿う方向へ印加する一対の電極16(16a,16b)と、半導体基板20の縁端22aから縁端22bに光線17を基板面21に沿う方向へ照射する光源11と、を備えている。 As shown in Figures 1 and 2, the optical switch 10A includes a semiconductor substrate 20 in which electrical resistance decreases when a light ray 17 is absorbed, changing the insulating region 13 (Figure 1) to a conductive region 14 (Figure 2), a pair of electrodes 16 (16a, 16b) that apply an electric field to the semiconductor substrate 20 in a direction along the substrate surface 21 (21a, 21b), and a light source 11 that irradiates the light ray 17 from edge 22a to edge 22b of the semiconductor substrate 20 in a direction along the substrate surface 21.

半導体基板20は、光線17を吸収すると、電子を価電子帯から伝導帯に励起し、キャリアの生成により電気抵抗が低下する。そして、光源11から入射され半導体基板20の内部を通過する光線17は、キャリアの移動経路(導通領域14)を形成する。このように形成されたキャリアの移動経路は、その界面(半導体基板20の絶縁領域13や大気との界面)において光線17が反射又は全反射するために、光線17の導波路としての役目を果たす。 When the semiconductor substrate 20 absorbs the light ray 17, it excites electrons from the valence band to the conduction band, and the electrical resistance decreases due to the generation of carriers. Then, the light ray 17 incident from the light source 11 and passing through the inside of the semiconductor substrate 20 forms a carrier movement path (conductive region 14). The carrier movement path thus formed serves as a waveguide for the light ray 17, since the light ray 17 is reflected or totally reflected at the interface (the interface with the insulating region 13 of the semiconductor substrate 20 or the atmosphere).

一対の電極16(16a,16b)には、電源(図示略)と電力供給の対象物(図示略)とが直列接続されている。この電源(図示略)から電極16(16a,16b)に電力が供給されることで、半導体基板20の基板面21に沿う方向へ電場が印加される。電極16は、金やアルミニウム等の金属で形成され、また、複数の金属を積層して形成される場合もある。 A power source (not shown) and an object to which power is to be supplied (not shown) are connected in series to the pair of electrodes 16 (16a, 16b). When power is supplied from the power source (not shown) to the electrodes 16 (16a, 16b), an electric field is applied in a direction along the substrate surface 21 of the semiconductor substrate 20. The electrodes 16 are formed of a metal such as gold or aluminum, and may also be formed by stacking multiple metals.

そして、光源11から光線17が照射されると、一対の電極16(16a,16b)が互いに導通し、光スイッチ10を構成に含む電気回路が閉状態になる。そして、光源11からの光線17が停止されると、一対の電極16(16a,16b)は絶縁され、光スイッチ10を構成に含む電気回路が開状態になる。図示において一対の電極16(16a,16b)の各々は、片側の基板面21aに配置されているものが例示されているが、両側の基板面21a,21bにそれぞれ配置してもよい。 When light beam 17 is emitted from light source 11, pair of electrodes 16 (16a, 16b) become conductive with each other, and the electrical circuit including optical switch 10 becomes closed. When light beam 17 from light source 11 is stopped, pair of electrodes 16 (16a, 16b) become insulated, and the electrical circuit including optical switch 10 becomes open. In the figure, each of pair of electrodes 16 (16a, 16b) is shown as being disposed on one side of substrate surface 21a, but may be disposed on both sides of substrate surface 21a, 21b, respectively.

光源11は、複数の照射ポート12が設けられ、それぞれから複数の光線17が出力されるように構成されているが、一つの照射ポート12から一本の光線17が出力されるように構成されてもよい。光源11としては、具体的に、Nd:YAGレーザー、Yb:YAGレーザー、Ybファイバーレーザー、フラッシュランプ、半導体レーザー及び発光ダイオードが好適に採用される。 The light source 11 is configured to have multiple irradiation ports 12 from which multiple light beams 17 are output, but may also be configured to output one light beam 17 from one irradiation port 12. Specifically, Nd:YAG laser, Yb:YAG laser, Yb fiber laser, flash lamp, semiconductor laser, and light emitting diode are preferably used as the light source 11.

光源11の照射ポート12は、半導体基板20の縁端22aから縁端22bに向かって開口し、基板面21に沿う方向へ光線17を照射する。なお図示において、光線17の照射方向は、一対の電極16(16a,16b)で形成される電場方向に沿っている例を示しているが、この電場方向と交差するように設定してもよい。また、光線17の照射方向は、電場の極性方向に対して順方向及び逆方向のいずも取り得る。 The irradiation port 12 of the light source 11 opens from the edge 22a to the edge 22b of the semiconductor substrate 20, and irradiates a light beam 17 in a direction along the substrate surface 21. In the figure, the irradiation direction of the light beam 17 is shown as being along the electric field direction formed by the pair of electrodes 16 (16a, 16b), but it may be set to intersect with this electric field direction. In addition, the irradiation direction of the light beam 17 may be either forward or reverse to the polarity direction of the electric field.

半導体基板20は、Si、GaAs、SiC、GaN及びダイヤモンドが好適に採用される。ここでSi、GaAs、SiC、GaN、ダイヤモンドのバンドギャップと等価エネルギーを持つ電磁波の波長(以下、「等価波長」という)は、それぞれ1117nm、867nm、384nm、364nm、226nmである。 Semiconductor substrate 20 is preferably made of Si, GaAs, SiC, GaN, or diamond. Here, the wavelengths of electromagnetic waves having the equivalent energy to the band gaps of Si, GaAs, SiC, GaN, and diamond (hereinafter referred to as "equivalent wavelengths") are 1117 nm, 867 nm, 384 nm, 364 nm, and 226 nm, respectively.

光線17の波長が、半導体基板20のバンドギャップの等価波長より長く二倍以下となるように設定されることで、二光子吸収を実現する。ここで二光子吸収とは、光線17として二個の光子が同時に半導体基板20に吸収され、価電子帯と伝導帯のバンドギャップを超えた電子が励起することである。 Two-photon absorption is achieved by setting the wavelength of light 17 to be longer than but less than twice the equivalent wavelength of the band gap of semiconductor substrate 20. Here, two-photon absorption means that two photons of light 17 are simultaneously absorbed by semiconductor substrate 20, and electrons that exceed the band gap between the valence band and the conduction band are excited.

Si、GaAsの半導体基板20で二光子吸収される光線17としては、Nd:YAGレーザー、Yb:YAGレーザー、Ybファイバーレーザーが例示される。SiC、GaNの半導体基板20で二光子吸収される光線17としては、Nd:YAGレーザー、Yb:YAGレーザー、Ybファイバーレーザーの第二高調波が例示される。ダイヤモンドの半導体基板20で二光子吸収される光線17としては、Nd:YAGレーザー、Yb:YAGレーザー、Ybファイバーレーザーの第三高調波が例示される。フラッシュランプ、半導体レーザーや発光ダイオード等の光源11からは、二光子吸収される波長をもつ光線17を任意に出力させることができる。 Examples of the light beam 17 that undergoes two-photon absorption in a semiconductor substrate 20 made of Si or GaAs include Nd:YAG laser, Yb:YAG laser, and Yb fiber laser. Examples of the light beam 17 that undergoes two-photon absorption in a semiconductor substrate 20 made of SiC or GaN include the second harmonic of a Nd:YAG laser, Yb:YAG laser, and Yb fiber laser. Examples of the light beam 17 that undergoes two-photon absorption in a semiconductor substrate 20 made of diamond include the third harmonic of a Nd:YAG laser, Yb:YAG laser, and Yb fiber laser. Light beam 17 having a wavelength that undergoes two-photon absorption can be output at will from a light source 11 such as a flash lamp, semiconductor laser, or light-emitting diode.

光線17の波長が、半導体基板20のバンドギャップの等価波長の二倍より長く三倍以下となるように設定されることで、三光子吸収を実現する。ここで三光子吸収とは、光線17として三個の光子が同時に半導体基板20に吸収され、価電子帯と伝導帯のバンドギャップを超えた電子が励起することである。 Three-photon absorption is achieved by setting the wavelength of light 17 to be longer than twice but less than three times the equivalent wavelength of the band gap of semiconductor substrate 20. Three-photon absorption means that three photons of light 17 are simultaneously absorbed by semiconductor substrate 20, exciting electrons that exceed the band gap between the valence band and the conduction band.

SiC、GaNの半導体基板20で三光子吸収される光線17としては、Nd:YAGレーザー、Yb:YAGレーザー、Ybファイバーレーザーが例示される。ダイヤモンドの半導体基板20で三光子吸収される光線17としては、Nd:YAGレーザー、Yb:YAGレーザー、Ybファイバーレーザーの第二高調波が例示される。フラッシュランプ、半導体レーザーや発光ダイオード等の光源11からは、三光子吸収される波長をもつ光線17を任意に出力させることができる。 Examples of the light beam 17 that undergoes three-photon absorption in a semiconductor substrate 20 made of SiC or GaN include a Nd:YAG laser, a Yb:YAG laser, and a Yb fiber laser. Examples of the light beam 17 that undergoes three-photon absorption in a semiconductor substrate 20 made of diamond include the second harmonic of a Nd:YAG laser, a Yb:YAG laser, and a Yb fiber laser. Light source 11 such as a flash lamp, a semiconductor laser, or a light-emitting diode can output any light beam 17 having a wavelength that undergoes three-photon absorption.

一光子吸収では吸収長が短いために図のように半導体を透過できないため正面から電極間に直接レーザーを照射するしかなく、キャリアの生成する導電領域14が面となってしまう。その一方で、二光子吸収や三光子吸収といった多光子吸収では、吸収長が長くなるため、光線17が半導体基板20の奥深くまで浸透し、キャリアが生成する導電領域14が面ではなく体積となり、光スイッチ10の電気抵抗を低下させる。 In single-photon absorption, the absorption length is short and the laser cannot penetrate the semiconductor as shown in the figure, so the only option is to irradiate the laser directly between the electrodes from the front, resulting in a conductive region 14 where carriers are generated as a surface. On the other hand, in multi-photon absorption such as two-photon absorption or three-photon absorption, the absorption length is long, so the light ray 17 penetrates deep into the semiconductor substrate 20, and the conductive region 14 where carriers are generated becomes a volume rather than a surface, lowering the electrical resistance of the optical switch 10.

光スイッチ10において、高電圧の電流を開閉制御する場合、絶縁耐圧を考慮して電極間距離を離す必要がある。このように吸収長が長い多光子吸収を利用することで、縁端22から基板面21に沿う方向へ光線17を照射して、半導体基板20の体積領域の広範にキャリアを生成させることができる。これにより、光スイッチ10における電極16(16a,16b)の間隔を広げても、高電圧の大電流を安定的に開閉制御できる。 When controlling the opening and closing of a high-voltage current in the optical switch 10, the distance between the electrodes must be increased in consideration of the dielectric strength. By utilizing multiphoton absorption, which has a long absorption length, it is possible to generate carriers over a wide area of the volumetric region of the semiconductor substrate 20 by irradiating light 17 from the edge 22 in a direction along the substrate surface 21. This allows stable opening and closing of a large high-voltage current even if the distance between the electrodes 16 (16a, 16b) in the optical switch 10 is increased.

図1に示すように光源11が未照射状態では、半導体基板20には絶縁領域13が形成されているため光スイッチ10は開状態である。そして図2に示すように、電源(図示略)から一対の電極16(16a,16b)に電圧を印加する。光源11から光線17が、縁端22から半導体基板20の基板面21に沿う方向に照射されると、光線17の波長がバンドギャップの等価波長より長い場合は、光線17は一光子吸収されず、半導体基板20を浸透していく。そして半導体基板20において多光子吸収が発生すると、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、キャリアが生成し導電領域14が形成される。 As shown in FIG. 1, when the light source 11 is not irradiated, an insulating region 13 is formed in the semiconductor substrate 20, and therefore the optical switch 10 is in an open state. Then, as shown in FIG. 2, a voltage is applied from a power source (not shown) to a pair of electrodes 16 (16a, 16b). When a light ray 17 is irradiated from the light source 11 in a direction along the substrate surface 21 of the semiconductor substrate 20 from the edge 22, if the wavelength of the light ray 17 is longer than the equivalent wavelength of the band gap, the light ray 17 is not absorbed by one photon and penetrates the semiconductor substrate 20. Then, when multiphoton absorption occurs in the semiconductor substrate 20, electrons in the valence band are excited to the conduction band, carriers are generated, and a conductive region 14 is formed.

光線17が連続光であると、その照射期間中は導電領域14が維持され光スイッチ10は電気回路を閉状態にし、照射停止すると絶縁領域13が維持され光スイッチ10は電気回路を開状態にする。他方において光線17がパルス光であると、その照射期間中は、パルス光の立ち上がりの応答周波数で、光スイッチ10は電気回路を開閉制御する。光スイッチ10は、電極16(16a,16b)の間隔を広げることができるため高電圧で高電流を流すことができ、高速応答性が優れるため電気回路を立ち上がりの応答周波数で開閉しても制御が安定している。 When the light beam 17 is continuous light, the conductive region 14 is maintained during the irradiation period and the optical switch 10 closes the electrical circuit, and when the irradiation is stopped, the insulating region 13 is maintained and the optical switch 10 opens the electrical circuit. On the other hand, when the light beam 17 is pulsed light, the optical switch 10 controls the opening and closing of the electrical circuit at the response frequency of the rising edge of the pulsed light during the irradiation period. The optical switch 10 can widen the gap between the electrodes 16 (16a, 16b) and therefore can pass a high current at a high voltage, and its excellent high-speed response allows stable control even when the electrical circuit is opened and closed at the response frequency of the rising edge.

(第2実施形態)
次に図3及び図4を参照して本発明における第2実施形態について説明する。図3(A)は第2実施形態においてOFF状態を示す光スイッチ10B(10)の上面図であり、図3(B)はその縦断面図である。図4(A)は第2実施形態においてON状態を示す光スイッチ10B(10)の上面図であり、図4(B)はその縦断面図である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 3 and Fig. 4. Fig. 3(A) is a top view of an optical switch 10B (10) showing an OFF state in the second embodiment, and Fig. 3(B) is a vertical cross-sectional view thereof. Fig. 4(A) is a top view of an optical switch 10B (10) showing an ON state in the second embodiment, and Fig. 4(B) is a vertical cross-sectional view thereof.

第2実施形態の光スイッチ10Bは、第1実施形態の光スイッチ10Aと構成が共通する半導体基板20、一対の電極16(16a,16b)及び光源11に加えて、さらに一対のミラー19(19a,19b)を備えている。図3及び図4において図1と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。 The optical switch 10B of the second embodiment has a semiconductor substrate 20, a pair of electrodes 16 (16a, 16b), and a light source 11 that are common to the optical switch 10A of the first embodiment, and further has a pair of mirrors 19 (19a, 19b). In Figures 3 and 4, parts that have the same configuration or function as Figure 1 are indicated by the same reference numerals, and duplicated explanations will be omitted.

一対のミラー19(19a,19b)は、半導体基板20の対向する縁端22(22a,22b)に配置されている。そして一対のミラー19(19a,19b)は、光線17を相互に反射させ半導体基板20の内部において何度もミラー19(19a,19b)間を往復させ、または共振させる。そして、何度もミラー19(19a,19b)間を往復させる場合は100%反射ミラーを使用し、光線17をビーム直径だけずらすように反射ミラー19を設置する。また、共振させる場合には部分反射(90~99%)ミラー19を平行に光を垂直に反射させるように設置する。 The pair of mirrors 19 (19a, 19b) are disposed on the opposing edges 22 (22a, 22b) of the semiconductor substrate 20. The pair of mirrors 19 (19a, 19b) reflect the light beam 17 to each other, causing it to go back and forth between the mirrors 19 (19a, 19b) multiple times inside the semiconductor substrate 20, or to resonate. When the light beam 17 goes back and forth between the mirrors 19 (19a, 19b) multiple times, a 100% reflecting mirror is used, and the reflecting mirror 19 is installed so that the light beam 17 is shifted by the beam diameter. When resonating, a partially reflecting (90-99%) mirror 19 is installed so that it reflects the light vertically in parallel.

一対のミラー19(19a,19b)は、複数回の往復または共振状態が維持されるように、その間隔が光線17の波長の整数倍となるように設定されている。この一対のミラー19(19a,19b)は、半導体基板20の対向する縁端の各々にコーティングして形成することができる。この場合、間隔の調整器(図示略)は、半導体基板20の温度を変更する温調機構であったり、その長さを加圧により変更する加圧機構であったりする。 The pair of mirrors 19 (19a, 19b) are set so that the distance between them is an integer multiple of the wavelength of the light beam 17 so that multiple round trips or a resonant state is maintained. The pair of mirrors 19 (19a, 19b) can be formed by coating each of the opposing edges of the semiconductor substrate 20. In this case, the distance adjuster (not shown) can be a temperature control mechanism that changes the temperature of the semiconductor substrate 20, or a pressure mechanism that changes its length by applying pressure.

また、この一対のミラー19(19a,19b)は、半導体基板20の縁端から物理的に離して配置することもできる。この場合、間隔の調整器(図示略)は、一対のミラー19(19a,19b)を微小距離で高精度に移動させるステージ機構であったりする。 The pair of mirrors 19 (19a, 19b) can also be positioned physically away from the edge of the semiconductor substrate 20. In this case, the spacing adjuster (not shown) can be a stage mechanism that moves the pair of mirrors 19 (19a, 19b) over a small distance with high precision.

図3に示すように光源11が未照射状態では、半導体基板20には絶縁領域13が形成されているため光スイッチ10は開状態である。そして図4に示すように、電源(図示略)から一対の電極16(16a,16b)に電圧を印加すると、光源11から光線17が、一方のミラー19aから基板面21に沿う方向に照射される。 As shown in FIG. 3, when the light source 11 is not irradiated, the optical switch 10 is in an open state because an insulating region 13 is formed on the semiconductor substrate 20. Then, as shown in FIG. 4, when a voltage is applied from a power source (not shown) to a pair of electrodes 16 (16a, 16b), a light beam 17 is emitted from the light source 11 in a direction along the substrate surface 21 from one mirror 19a.

光線17は、一方のミラー19aを通過して半導体基板20の縁端22aに入射すると、対向する他方のミラー19bで反射され、この反射波はさらに一方のミラー19aで反射され、このような反射が繰返される。一対のミラー19(19a,19b)の間隔は、光線17の波長の整数倍に設定されているため、繰り返される反射波は、半導体基板20の内部で何度もミラー19(19a,19b)間を往復または共振し強度を増幅していく。 When the light ray 17 passes through one mirror 19a and strikes the edge 22a of the semiconductor substrate 20, it is reflected by the opposing mirror 19b, and this reflected wave is then reflected by the mirror 19a again, and this reflection is repeated. Because the distance between the pair of mirrors 19 (19a, 19b) is set to an integer multiple of the wavelength of the light ray 17, the repeated reflected wave travels back and forth between the mirrors 19 (19a, 19b) or resonates many times inside the semiconductor substrate 20, amplifying its intensity.

これにより、半導体基板20の内部全体に亘って多光子吸収の発生頻度が高まり、キャリアが生成する導電領域14の体積も増え、光スイッチ10の電気抵抗を大幅に低下させる。ここで、半透過のミラー19(19a,19b)の反射率が99%であれば、半導体基板20に吸収されないと仮定して、何度もミラー19(19a,19b)間を往復または共振による光線17の強度は入射前の100倍となる。 This increases the frequency of multiphoton absorption throughout the entire interior of the semiconductor substrate 20, and also increases the volume of the conductive region 14 where carriers are generated, significantly lowering the electrical resistance of the optical switch 10. If the reflectivity of the semi-transparent mirror 19 (19a, 19b) is 99%, assuming that the light is not absorbed by the semiconductor substrate 20, the intensity of the light ray 17, which travels back and forth between the mirrors 19 (19a, 19b) multiple times or resonates, becomes 100 times that of before it is incident.

なお一対のミラー19(19a,19b)のうち光源11の反対側に位置するミラー19bを全反射ミラーにすることで、さらに、何度もミラー19(19a,19b)間を往復または共振による光線17の強度を増幅させることができる。これにより、第2実施形態では、第1実施形態と対比して、光線17の照射強度を小さくしても、半導体基板20の体積領域の広範にキャリアを十分に生成させることができる。これにより、光スイッチ10における電極16(16a,16b)の間隔を広げても、高電圧の大電流を安定的に開閉制御できる。 In addition, by making the mirror 19b, which is located on the opposite side of the light source 11 out of the pair of mirrors 19 (19a, 19b), a total reflection mirror, the intensity of the light beam 17 can be further amplified by traveling back and forth between the mirrors 19 (19a, 19b) multiple times or by resonance. As a result, in the second embodiment, even if the irradiation intensity of the light beam 17 is reduced compared to the first embodiment, carriers can be sufficiently generated over a wide area of the volume region of the semiconductor substrate 20. As a result, even if the distance between the electrodes 16 (16a, 16b) in the optical switch 10 is widened, a high voltage and large current can be stably opened and closed.

以上述べた少なくともひとつの実施形態の光スイッチによれば、半導体基板の縁端に光線を基板面に沿う方向へ照射することにより、電極間距離を広げても、光照射すると基板の体積領域の広範にキャリアが生成され、高圧の大電流を安定的に開閉制御することが可能となる。 According to at least one of the optical switch embodiments described above, by irradiating the edge of the semiconductor substrate with a light beam in a direction along the substrate surface, carriers are generated over a wide area of the volumetric region of the substrate when light is irradiated, making it possible to stably control the opening and closing of a high-voltage current, even if the distance between the electrodes is increased.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, modifications, and combinations can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are within the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims, as well as the scope and spirit of the invention.

10(10A,10B)…光スイッチ、11…光源、12…照射ポート、13…絶縁領域、14…導通領域、16(16a,16b)…電極、17…光線、19(19a,19b)…ミラー、20…半導体基板、21(21a,21b)…基板面、22(22a,22b)…縁端。 10 (10A, 10B)...optical switch, 11...light source, 12...illumination port, 13...insulating region, 14...conductive region, 16 (16a, 16b)...electrode, 17...light beam, 19 (19a, 19b)...mirror, 20...semiconductor substrate, 21 (21a, 21b)...substrate surface, 22 (22a, 22b)...edge.

Claims (12)

光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、
前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、
前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、
前記半導体基板の対向する前記縁端に配置され前記光線を相互に反射させ、前記半導体基板の内部において共振させる一対のミラーと、を備える光スイッチ。
a semiconductor substrate whose electrical resistance decreases when light is absorbed;
A pair of electrodes for applying an electric field to the semiconductor substrate in a direction along a substrate surface;
a light source that irradiates the light beam onto an edge of the semiconductor substrate in a direction along a surface of the substrate;
a pair of mirrors disposed on opposite edges of the semiconductor substrate for reflecting the light beam to each other and causing resonance within the semiconductor substrate .
光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、
前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、
前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、
前記半導体基板の対向する前記縁端に配置され前記光線を相互に反射させ、前記半導体基板の内部において複数回往復させる一対のミラーと、を備える光スイッチ。
a semiconductor substrate whose electrical resistance decreases when light is absorbed;
A pair of electrodes for applying an electric field to the semiconductor substrate in a direction along a substrate surface;
a light source that irradiates the light beam onto an edge of the semiconductor substrate in a direction along a surface of the substrate;
a pair of mirrors disposed on opposite edges of the semiconductor substrate for reflecting the light beam to each other and for making a plurality of round trips within the semiconductor substrate .
請求項1又は2に記載の光スイッチにおいて、
前記半導体基板のバンドギャップと等価エネルギーを持つ電磁波の波長より長く二倍以下となるように、前記光線の波長が設定される光スイッチ。
3. The optical switch according to claim 1 ,
An optical switch in which the wavelength of the light is set to be longer than or equal to twice the wavelength of an electromagnetic wave having an energy equivalent to the band gap of the semiconductor substrate.
請求項1又は2に記載の光スイッチにおいて、
前記半導体基板のバンドギャップと等価エネルギーを持つ電磁波の波長の二倍より長く三倍以下となるように、前記光線の波長が設定される光スイッチ。
3. The optical switch according to claim 1 ,
An optical switch in which the wavelength of the light is set to be longer than twice the wavelength of an electromagnetic wave having energy equivalent to the band gap of the semiconductor substrate, but not longer than three times the wavelength.
請求項1から請求項のいずれか1項に記載の光スイッチにおいて、
前記光線は、連続光又はパルス光である光スイッチ
5. The optical switch according to claim 1 ,
An optical switch, wherein the light beam is a continuous light or a pulsed light .
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光スイッチにおいて、
前記一対のミラーのうち前記光源の反対側に位置するミラーは全反射ミラーである光スイッチ。
6. The optical switch according to claim 1 ,
The optical switch has a pair of mirrors, the mirror located opposite to the light source being a total reflection mirror.
請求項から請求項のいずれか1項に記載の光スイッチにおいて、
前記一対のミラーには間隔を調整する調整器が設けられている光スイッチ。
7. The optical switch according to claim 1 ,
An optical switch in which an adjuster for adjusting the distance between the pair of mirrors is provided.
請求項から請求項のいずれか1項に記載の光スイッチにおいて、
前記一対のミラーは前記半導体基板の対向する前記縁端の各々にコーティングされている光スイッチ。
7. The optical switch according to claim 1 ,
An optical switch in which the pair of mirrors are coated on each of the opposing edges of the semiconductor substrate.
請求項1から請求項のいずれか1項に記載の光スイッチにおいて、
前記電場の印加方向と前記光線の照射方向とは、相互に、順方向、逆方向、及び交差方向のいずれかをとる光スイッチ。
9. The optical switch according to claim 1,
An optical switch in which the direction of application of the electric field and the direction of irradiation of the light beam are either a forward direction, a reverse direction, or a cross direction with respect to each other.
請求項1から請求項のいずれか1項に記載の光スイッチにおいて、
前記一対の電極の各々は、片側の前記基板面又は両側の前記基板面にそれぞれ設けられている光スイッチ。
10. The optical switch according to claim 1 ,
An optical switch in which each of the pair of electrodes is provided on one or both of the substrate surfaces.
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の光スイッチにおいて、
前記半導体基板は、Si、GaAs、SiC、GaN及びダイヤモンドの中から選択される光スイッチ。
11. The optical switch according to claim 1 ,
The semiconductor substrate is selected from the group consisting of Si, GaAs, SiC, GaN and diamond.
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の光スイッチにおいて、
前記光源は、Nd:YAGレーザー、Yb:YAGレーザー、Ybファイバーレーザー、フラッシュランプ、半導体レーザー及び発光ダイオードの中から選択される光スイッチ。
12. The optical switch according to claim 1 ,
The light source is selected from the group consisting of a Nd:YAG laser, a Yb:YAG laser, a Yb fiber laser, a flash lamp, a semiconductor laser, and a light emitting diode.
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