JP2637213B2 - 非線形のたとえば双安定光素子を有するスイッチマトリックスおよびその製法 - Google Patents

非線形のたとえば双安定光素子を有するスイッチマトリックスおよびその製法

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    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00Optical logic elements; Optical bistable devices
    • G02F3/02Optical bistable devices

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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は請求項1の上位概念によるスイツチマトリツ
クスおよびそれを製造する2つの方法に関する。
光学的に非線形のたとえば双安定素子は光スイツチと
して動作することができる。この過程は簡単に次のよう
に説明することができる: このような素子を照射するレーザ光線の出力が一定の
しきい値を超えて上昇すると、透過光線の急激な上昇お
よび反射光線の急激な減少が生ずる。この効果によりこ
のような非線形光素子を光学的デイジタルデータ処理に
使用することができる。この使用には個々のスイツチン
グ素子が10μm×10μmの程度の横方向寸法を有し、か
つできるだけ密に隣接しているスイツチの2次元的配置
がとくに有利である。
このようなスイツチマトリツクスは“Optical Bistab
ility III"Springer−Verlag ISBN 3−540−16512−
6、39〜41ページから公知である。スイツチング素子の
この2次元的配置はMBE(molecular beam epitaxy)に
より実現された。厚さ0.2μmの板状のAl0・4Ga
0・6As基板に厚さ1.5μmの9×9μm2のGaAs光学活
性層を相互距離20μmで被覆した。素子間の距離は相互
作用のためこれ以上縮小することができない。さらに製
造過程が複雑高価である。
しかし基板上のエピタキシアル成長を必要とせずに基
板上の薄層析出によつて製造しうる非線形光スイツチン
グ素子も公知である。代表的例はガラスまたはサフアイ
ヤ基板に析出させる材料ZnSeである。これまでこのよう
な材料の個々のスポツトを基板上で空間的に互いに分離
しようとはせず、同じ層内の種々のスポツトに空間的に
制限したレージ光束を互いに平行に作用させた。この方
法によれば個々のスイツチング素子はレーザ光線の空間
的拡がりによつて決定された。荷電キヤリヤの熱的接触
および拡散によつてスイツチング素子として動作する照
明スポツトの距離を所望されるμmの程度の代りにmmの
程度に維持して過応答を許容値へ制限することを余儀な
くされた。この手段は個個のスイツチング素子が比較的
大きい距離を必要とするため、このようなスイツチマト
リツクスが所望よりも少数のスイツチング素子しか備え
ることができないので不満足である。
本発明の目的は相互作用(過応答)が小さく、スイツ
チング素子の充てん密度が非常に高い光スイツチマトリ
ツクスおよびその製法を得ることである。
この目的は本発明により請求項1の特徴部に記載の特
徴ならびに請求項4および5の特徴部に記載の方法によ
り解決される。
他の請求項は本発明の有利な再形成および実施態様を
示す。
高い縦横比を有する基板の本発明による柱状構造によ
り個々のスイツチング素子は比較的密に隣接することが
できる。それによつて多数の高充てん密度の個個の素子
が非常に良好な相互の減結合のもとに得られる。所望の
非常に高い縦横比を有するパターンはリトグラフイー、
ガルバニツクおよびフオーミング技術による製造工程を
含むLIGA法によつて可能になる。
このような基板を製造するもつとも簡単な可能性はX
線デイープリトグラフイーによつてブラシ状に形成され
る板状X線レジストたとえばPMMA(プレクシグラス)の
使用からなる。LIGA法による微細構造体の製造はとくに
Kernforschungszentrum Karlsruhe(1985年11月)のKfK
−Bericht 3995に記載および開示される。これによれば
たとえば感X線ポジレジストを金属基板に被覆し、部分
的にマスクを介してX線を板状微細構造体のネガ型が発
生するように照射して現像する。ネガ型の高さはレジス
トの層厚に相当する。この高さはX線の浸透深さに応じ
て2mmまででありうる。次にネガ型を、基板を電極とし
て使用して、電気メツキにより金属で充てんし、次に残
りのレジスト材料を溶剤で除去する。フオーミング法の
場合、X線デイープリトグラフイーおよびマイクロガル
バノフオーミングによつて製造した金属構造はプラツチ
ツク型の製造に繰返し使用され、この型は再びたとえば
金属の電気メツキによつて充てんし、次に再びプラスチ
ツクを除去することができる。
この方法により極めて正確で微細な構造を約2mmまで
の自由に選択しうる高さでμm範囲の横方向寸法をもつ
て製造することができる。少し小さい高さの場合、サブ
μm範囲の最小横方向寸法を実現することもできる。
この方法はとくに光学活性層のエピタキシーを必要と
しない析出のためのパターン化した基板を製造するため
に適する。
エピタキシアル成長によつて製造しなければならない
光学活性層に対しては異方性腐食によつて柱状構造を得
る結晶たとえばSiの使用が提案される。
次に本発明を第1〜6図による実施例により説明す
る。ここに 第1図は低い透過率を有するスイツチング状態におけ
る非線形光スイツチング素子の機能原理、 第2図は高い透過率を有するスイツチング状態におけ
る非線形光スイツチング素子の機能原理、 第3図は2つの隣接する光スイツチング素子の相互影
響、 第4図は光学活性層のパターン化によつて考えられる
改善、 第5図は低い縦横比を有する柱状部を形成するための
基板のパターン化、 第6図は高い縦横比を有する柱状部を形成するための
基板のパターン化 を示す。
第1図は小さい吸収損失は無視して透明基板上の非線
形光スイツチング素子の機能を簡単に示す。図示の矢の
長さは光線の強さを表わす。スイツチング素子3はこの
場合表面1に光学活性層4を被覆した透明基板7からな
る。保持光線8の強さは低い透過率のスイツチング状態
から高い透過率のスイツチング状態への突然の移行が行
われる一定しきい値より下にある。これは保持光線8
の、透過光線10として基板7を去る損失分だけ低下した
強さの反射光線9を生ずる。
第2図によれば信号光線11の比較的小さい強さによつ
てしきい値を超え、高い透過率のスイツチング状態への
移行が行われる。反射光線9は無意味な残留値まで消滅
し、保持光線8および信号光線11の強さは透過光線10の
強さを生ずる。
第3図にはスイツチマトリツクスの2つのスイツチン
グ素子3の断面が示され、この素子は第1光束12との第
1相互作用ゾーン14および第2光束13との第2相互作用
ゾーン15の空間的拡がりによつて仕切られる。2つのス
イツチング素子3の間の最小可能距離は光学活性層4お
よび基板7を通る荷電キヤリヤの熱的接触および拡散に
よる妨害的相互作用16によつて制限される。それゆえさ
らに横方向距離が比較的小さい場合、個々のスイツチン
グ素子をその間に溝を設けることによつていかに空間的
に分離しうるか考慮される。このような溝はこの使用目
的のためには現在まで設けられなかつた。加工工具とし
てダイヤモンドのこまたはレーザ光線の使用が考えられ
る。現在までこのような溝が実現されるとしても、この
溝はいずれにせよ約5より小さい縦横比を有し、すなわ
ち溝の深さはその幅より最高でも5倍の大きさである。
有効な減結合のためには著しく大きい縦横比を有する深
い溝を設けるようにしなければならない。同じ理由から
マイクロ電子スイツチング回路の製造で公知の乾式エツ
チング法はここに存在する材料および基材がこれを一般
的に可能とする場合もこのような構造には適当でない。
第4図は少なくとも光学活性層4を通る有害な相互作
用16が避けられる光学活性層4のパターン化によつて考
えられる改善を示す。
第5図は基板7を介する有害な相互作用16を柱状部2
によつて低下する基板表面1の本発明によるパターン化
を示す。
2つのスイツチング素子3の十分な減結合は第6図に
よる大きい縦横比を有する基板表面1のパターン化によ
つて達成される、LIGA法によれば縦横比100の透明およ
び不透明基板を十分な安定性をもつて製造することがで
きる。代表的寸法はa=5μm、b=500μm、c=10
〜30μmである。このような基板を製造するもつとも簡
単な方法はX線デイープリトグラフイーによる基板材料
としてX線レジストたとえばPMMA(プレクシグラス)を
使用することからなる。柱状部2の端面5の光学活性層
4の分離によつてここに互いに別個に並列に光線に対応
しうる個々のスイツチング素子3がつくられる。柱状部
の側面および柱状部間の底面の部分的蒸着はこの素子の
機能を妨害しない。所要の場合カラム間の被覆を抑制す
る種々の可能性がある。
このような基板の安価な量産のためLIGA法はプラスチ
ツクによるフオーミングを可能にする。それによつて他
の透明基板材料も使用することができる。LIGA−構造の
範囲内で焼結過程を実施したい場合ガラスおよびセラミ
ツクも考えられる。
光スイツチング素子のため透明基板を使用することは
透過光線を情報キヤリヤとして使用する場合のみ必要で
ある。多数の前記用途には反射光を情報キヤリヤとして
十分である。この場合基板は不透明でよく、基板の全背
面を恒温保持のために使用することができる。LIGA法で
製造したブラシ状の金属たとえばNiまたはCuからなる金
属構造は非常に好適であり、所要の場合この上に光スイ
ツチング素子の電気的絶縁層およびスイツチング素子を
透過した光線の吸収層を設けることができる。
参照記号表: 1……基板表面、2……柱状部、3……スイツチング
素子、4……光学活性層、5……柱状部端面、6……基
盤の柱状部と反対側の面、7……基板、8……保持光
線、9……反射光線、10……透過光線、11……信号光
線、12……第1光束、13……第2光束、14……第1相互
作用ゾーン、15……第2相互作用ゾーン、16……妨害相
互作用

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光学活性層として共通の基板表面上にある
    非線形光素子を有するスイツチマトリツクスにおいて、
    基板表面(1)が柱状部(2)からなる微細構造体とし
    て形成され、光学活性層(4)が柱状部(2)の自由端
    部の端面(5)の横断面範囲内および/または基板
    (7)の柱状部(2)と反対側の面(6)に施されてお
    り、該柱状部(2)は横方向間隔がミクロン範囲内にあ
    りかつ高さが2mm以下であることを特徴とする非線形光
    スイツチマトリツクス。
  2. 【請求項2】基板(7)が透明に形成されている、請求
    項1記載のスイツチマトリツクス。
  3. 【請求項3】基板(7)が不透明に形成されている、請
    求項1記載のスイツチマトリツクス。
  4. 【請求項4】請求項1から3までのいずれか1項記載の
    スイツチマトリツクスを製造する方法において、基板
    (7)の柱状微細構造をX線リトグラフイーおよびマイ
    クロガルバノフオーミングおよびプラスチック−マイク
    ロフオーミング技術よりなる方法(LIGA法)により製造
    することを特徴とする、スイツチマトリツクスの製造方
    法。
  5. 【請求項5】請求項1から3までのいずれか1項記載の
    スイツチマトリツクスを製造する方法において、基板
    (7)の柱状微細構造を結晶の異方性腐食によつて製造
    することを特徴とする、スイツチマトリツクスの製造方
    法。
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