JP2769176B2 - 電気光学的導波路デバイス - Google Patents
電気光学的導波路デバイスInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、光ビームの案内（optical beam steerin
g）に特に適した種類の電気光学的導波路デバイスに係
る。
g）に特に適した種類の電気光学的導波路デバイスに係
る。
電気機械的運動に基づく光ビームの案内デバイスは当
業界で公知である。代表的な装置は、電流駆動される移
動コイルに装着されたミラーを含む。電気機械的システ
ムは本来的に、約1kHzまでの低応答周波数に限定されて
いる。
業界で公知である。代表的な装置は、電流駆動される移
動コイルに装着されたミラーを含む。電気機械的システ
ムは本来的に、約1kHzまでの低応答周波数に限定されて
いる。
音響光学的な光ビームの案内デバイスも公知であり、
例えば、Suhara、Nozaki及びNishiharaがProceedings o
f the IV th European Conference on Integrated Opti
csに発表したものがある。該デバイスは、櫛形音響変換
器と光集束性回折格子結合器とを上面に備えたTiドープ
LiNbO3から成る光導波路を含む。格子結合器は凹面状で
あり、光出力を集束せしめる変動性（chirped）空間周
波数を有する。無線周波（RF）信号が変換器に与えら
れ、該変換器が導波路内で光の伝播方向に対して横方向
の表面超音波を発生させる。音波は導波路の屈折率を変
調し、光伝播と相互作用する。格子結合器の出力焦点
は、変換器に与えられたRF信号の周波数掃引によってラ
スタスキャンされるかまたはビーム案内される。偏向角
は周波数にほぼ比例する。変換器は中心周波数約50MHz
及びバンド幅330MHzを有する。このビーム案内デバイス
は光分解能が極めて高い。しかしながら、出力ビームの
最大案内速度は、変換器からでた音波の導波路内での伝
播速度に依存し、約1MHzである。更に、周波数掃引され
るRF信号源はコスト高であり、またディジタル電子回路
部品とのインターフェースをとるのが難しい。ディジタ
ル信号に応じたビームの位置決めを達成するためには、
信号を音響変換器のバンド幅内部のRF周波数に変換する
回路部品を配備することが必要であろう。
例えば、Suhara、Nozaki及びNishiharaがProceedings o
f the IV th European Conference on Integrated Opti
csに発表したものがある。該デバイスは、櫛形音響変換
器と光集束性回折格子結合器とを上面に備えたTiドープ
LiNbO3から成る光導波路を含む。格子結合器は凹面状で
あり、光出力を集束せしめる変動性（chirped）空間周
波数を有する。無線周波（RF）信号が変換器に与えら
れ、該変換器が導波路内で光の伝播方向に対して横方向
の表面超音波を発生させる。音波は導波路の屈折率を変
調し、光伝播と相互作用する。格子結合器の出力焦点
は、変換器に与えられたRF信号の周波数掃引によってラ
スタスキャンされるかまたはビーム案内される。偏向角
は周波数にほぼ比例する。変換器は中心周波数約50MHz
及びバンド幅330MHzを有する。このビーム案内デバイス
は光分解能が極めて高い。しかしながら、出力ビームの
最大案内速度は、変換器からでた音波の導波路内での伝
播速度に依存し、約1MHzである。更に、周波数掃引され
るRF信号源はコスト高であり、またディジタル電子回路
部品とのインターフェースをとるのが難しい。ディジタ
ル信号に応じたビームの位置決めを達成するためには、
信号を音響変換器のバンド幅内部のRF周波数に変換する
回路部品を配備することが必要であろう。
電気光学的ビーム案内デバイスは、R.A.Meyerによっ
てApplied Optics,Vol.11,pp613〜616,March 1972に記
載されている。該デバイスは、厚さ0.1mm、幅23mm及び
長さ15mmの矩形ブロックの形状のLiTaO3結晶から成る。
結晶の23mm×15mmの面は、各々が幅0.2mmを有し中心間
距離0.5mmの平行な46個の電極を担持している。電極の
長手方向は結晶の長手方向に平行である。平行光が23mm
×0.1mmの結晶面に入力され電極の長手方向に平行に伝
播する。結晶は電気光学的特性を有し、従ってその屈折
率は電極電圧の関数である。結晶からの光出力の光学相
も電極電圧に従って可変である。電極の中心直下の結晶
領域からの光出力は、電極電圧に依存する。電極の縁端
及び電極間領域で電界が不均一なので、結晶の対応する
部分で伝播する光は不均一に位相変調されその偏光状態
が変化する。電極下方の中央領域に光出力を限定するた
めに結晶がマスクで遮蔽されている。マスクは、100μ
ｍ平方の開孔群の直線状アレイを有する。
てApplied Optics,Vol.11,pp613〜616,March 1972に記
載されている。該デバイスは、厚さ0.1mm、幅23mm及び
長さ15mmの矩形ブロックの形状のLiTaO3結晶から成る。
結晶の23mm×15mmの面は、各々が幅0.2mmを有し中心間
距離0.5mmの平行な46個の電極を担持している。電極の
長手方向は結晶の長手方向に平行である。平行光が23mm
×0.1mmの結晶面に入力され電極の長手方向に平行に伝
播する。結晶は電気光学的特性を有し、従ってその屈折
率は電極電圧の関数である。結晶からの光出力の光学相
も電極電圧に従って可変である。電極の中心直下の結晶
領域からの光出力は、電極電圧に依存する。電極の縁端
及び電極間領域で電界が不均一なので、結晶の対応する
部分で伝播する光は不均一に位相変調されその偏光状態
が変化する。電極下方の中央領域に光出力を限定するた
めに結晶がマスクで遮蔽されている。マスクは、100μ
ｍ平方の開孔群の直線状アレイを有する。
Meyerは、彼の装置のビーム案内性能について入手し
易い情報を提供していないが、該装置は約0.2゜にわた
ってビームを案内し得ると考えられる。ビーム案内の範
囲は、格子ローブ間の間隔によって設定される。これら
の格子ローブは、１つのエレメントまたはマスクの開孔
だけから生じた回折像の主要ローブ内部の個々の回折極
大である。角度的なビーム案内範囲が小さいことが欠点
である。有効な程度のビーム位置の線形シフトを得るた
めには、受光面がデバイスからかなりの距離に配置され
る必要がある。更に、デバイスの寸法が長さ数cmに及ぶ
という欠点がある。即ち、デバイスが嵩張った光学素子
を構成する。これは、集積技術による製造、または別の
電気光学的デバイス及び集積回路を備えた単一半導体ウ
ェーハに組み込むために適当でない。
易い情報を提供していないが、該装置は約0.2゜にわた
ってビームを案内し得ると考えられる。ビーム案内の範
囲は、格子ローブ間の間隔によって設定される。これら
の格子ローブは、１つのエレメントまたはマスクの開孔
だけから生じた回折像の主要ローブ内部の個々の回折極
大である。角度的なビーム案内範囲が小さいことが欠点
である。有効な程度のビーム位置の線形シフトを得るた
めには、受光面がデバイスからかなりの距離に配置され
る必要がある。更に、デバイスの寸法が長さ数cmに及ぶ
という欠点がある。即ち、デバイスが嵩張った光学素子
を構成する。これは、集積技術による製造、または別の
電気光学的デバイス及び集積回路を備えた単一半導体ウ
ェーハに組み込むために適当でない。
ビームの案内用の電気光学的導波路デバイスは欧州特
許出願第0,130,859号（EPA 0130859）及び英国特許第1,
592,050号（GB 1592050）に記載されている。これらの
特許の各々は、電気光学的材料ブロック中での個別光電
波路のアレイの形を記載している。導波路は夫々の電極
を備える。ブロックの電気光学的特性によって、電圧変
化が導波路の屈折率の変化及び光路長の変化を生じさせ
るので、各導波路から放出される光の光学的位相は電極
電圧によって制御される。導波路の出力は、互いに調整
自在な相対位相を有するコヒーレント光の光源アレイを
構成し、一連の回折開口群として作用する。従ってこれ
らの出力は回折格子と同様の遠視野回折像を与える。像
は、個々のビームをオーバーラップさせる十分に大きい
導波路出力から十分に離間した領域に形成される。
許出願第0,130,859号（EPA 0130859）及び英国特許第1,
592,050号（GB 1592050）に記載されている。これらの
特許の各々は、電気光学的材料ブロック中での個別光電
波路のアレイの形を記載している。導波路は夫々の電極
を備える。ブロックの電気光学的特性によって、電圧変
化が導波路の屈折率の変化及び光路長の変化を生じさせ
るので、各導波路から放出される光の光学的位相は電極
電圧によって制御される。導波路の出力は、互いに調整
自在な相対位相を有するコヒーレント光の光源アレイを
構成し、一連の回折開口群として作用する。従ってこれ
らの出力は回折格子と同様の遠視野回折像を与える。像
は、個々のビームをオーバーラップさせる十分に大きい
導波路出力から十分に離間した領域に形成される。
EPA 0130859は可視領域及び近赤外領域で動作するよ
うにニオブ酸リチウムにチタンを拡散させた導波路アレ
イの形成を提案している。GaxAl1-xAsの使用にも言及し
ている。１つの共通電極を形成するブロック内に導波路
を拡散させる。各導波路は夫々に重合する夫々の第２電
極を有する。約100個（91〜101）の導波路を設け、各導
波路を対応する第２電極より長くすることが提案されて
いる。（導波路／電極）相互作用長さは40mmであり、電
極制御電圧は±50Vであろう。この文献の第１図がほぼ
案分比例で作成されていると仮定すると、長さ90mm以上
の導波路が17mm以上ずつ離間している。従って、100個
の導波路のアレイは幅1700mm以上になり、これは1mをは
るかに上回る。これらのパラメータは、引用されている
ただ１つの寸法要因である電極長さに比例する割合にに
計算されている。遠視野回折像はこの種の導波路アレイ
の幅の10倍〜100倍の範囲の最小距離に形成されると考
えてよい。この距離は個々の導波路の寸法に応じて異な
る。従って、確認できる限りでは、EPA 0130859はメー
トルのオーダの長さをもち数十メートルの遠方に遠視野
回折像を形成するGaAlAsデバイスを開示していると考え
られる。これは電気光学的集積回路の製造に使用するた
めにはあまりにも大きい。従来の反動のリソグラフィー
加工と適合できるように、電気光学的半導体デバイスは
典型的半導体ウェーハの直径である10cm以下の長さを有
していなければならない。更に、光源及びアレイ出力デ
テクタのごときその他の構成素子と共に導波路がウェー
ハに集積される必要があるときは、アレイとその遠視野
回折像との双方がウェーハの寸法以内に維持されなけれ
ばならない。EPA 0130859のデバイスは寸法があまりに
も大きいので、実用化が全く不可能であることは明らか
であろう。
うにニオブ酸リチウムにチタンを拡散させた導波路アレ
イの形成を提案している。GaxAl1-xAsの使用にも言及し
ている。１つの共通電極を形成するブロック内に導波路
を拡散させる。各導波路は夫々に重合する夫々の第２電
極を有する。約100個（91〜101）の導波路を設け、各導
波路を対応する第２電極より長くすることが提案されて
いる。（導波路／電極）相互作用長さは40mmであり、電
極制御電圧は±50Vであろう。この文献の第１図がほぼ
案分比例で作成されていると仮定すると、長さ90mm以上
の導波路が17mm以上ずつ離間している。従って、100個
の導波路のアレイは幅1700mm以上になり、これは1mをは
るかに上回る。これらのパラメータは、引用されている
ただ１つの寸法要因である電極長さに比例する割合にに
計算されている。遠視野回折像はこの種の導波路アレイ
の幅の10倍〜100倍の範囲の最小距離に形成されると考
えてよい。この距離は個々の導波路の寸法に応じて異な
る。従って、確認できる限りでは、EPA 0130859はメー
トルのオーダの長さをもち数十メートルの遠方に遠視野
回折像を形成するGaAlAsデバイスを開示していると考え
られる。これは電気光学的集積回路の製造に使用するた
めにはあまりにも大きい。従来の反動のリソグラフィー
加工と適合できるように、電気光学的半導体デバイスは
典型的半導体ウェーハの直径である10cm以下の長さを有
していなければならない。更に、光源及びアレイ出力デ
テクタのごときその他の構成素子と共に導波路がウェー
ハに集積される必要があるときは、アレイとその遠視野
回折像との双方がウェーハの寸法以内に維持されなけれ
ばならない。EPA 0130859のデバイスは寸法があまりに
も大きいので、実用化が全く不可能であることは明らか
であろう。
GB 1592050は、ニオブ酸リチウムにチタンを拡散させ
ることによって形成された電気光学的導波路アレイを開
示している。アレイは、各々が長さ18mmで幅８μｍの光
学的に不連続な12個の導波路を有し、これらの導波路が
中心間距離即ちピッチ40μｍで配置されたものである。
隣合う導波路の間、即ちアレイの平面内にバイアス電極
が配置されている。動作特性値は示されていない。しか
しながら、計算値によれば、空気中では波長1.06μｍの
遠視野回折像はデバイスの端部から10cmの距離に適切に
形成されない。この距離は屈折率はほぼ比例し、従って
屈折率ｎの材料中ではｎ倍になる。デバイスに対する光
の入出力にはプリズムが使用される。従ってデバイス
は、集積光学器械には適当でない嵩高い光学素子を組み
込んでいることになる。GB 1592050は、導波路アレイの
形成にGaAsを使用する可能性に言及している。しかしな
がら、GaAsデバイスの物理的寸法の問題には言及してい
ない。公知のごとく、ニオブ酸リチウム中の単位電界あ
たりの屈折率変化はGaAs中よりも10倍も大きい。従っ
て、同様のビーム案内特性を得るためには、GB 1592050
に従って作製されたGaAsデバイスは長さ約20cmの導波
路、即ち、従来のGaAs半導体ウェーハの２倍の寸法の導
波路を必要とするであろう。GaAs媒質中の遠視野回折像
は導波路末端から30cm以上も離間しているであろう。デ
バイスを偏向ビームデテクタのごときその他の構成素子
と集積するには直径50cm以上の半導体ウェーハが必要で
あろうが、これは従来のウェーハの５倍の直径及び25倍
の面積に対応する。
ることによって形成された電気光学的導波路アレイを開
示している。アレイは、各々が長さ18mmで幅８μｍの光
学的に不連続な12個の導波路を有し、これらの導波路が
中心間距離即ちピッチ40μｍで配置されたものである。
隣合う導波路の間、即ちアレイの平面内にバイアス電極
が配置されている。動作特性値は示されていない。しか
しながら、計算値によれば、空気中では波長1.06μｍの
遠視野回折像はデバイスの端部から10cmの距離に適切に
形成されない。この距離は屈折率はほぼ比例し、従って
屈折率ｎの材料中ではｎ倍になる。デバイスに対する光
の入出力にはプリズムが使用される。従ってデバイス
は、集積光学器械には適当でない嵩高い光学素子を組み
込んでいることになる。GB 1592050は、導波路アレイの
形成にGaAsを使用する可能性に言及している。しかしな
がら、GaAsデバイスの物理的寸法の問題には言及してい
ない。公知のごとく、ニオブ酸リチウム中の単位電界あ
たりの屈折率変化はGaAs中よりも10倍も大きい。従っ
て、同様のビーム案内特性を得るためには、GB 1592050
に従って作製されたGaAsデバイスは長さ約20cmの導波
路、即ち、従来のGaAs半導体ウェーハの２倍の寸法の導
波路を必要とするであろう。GaAs媒質中の遠視野回折像
は導波路末端から30cm以上も離間しているであろう。デ
バイスを偏向ビームデテクタのごときその他の構成素子
と集積するには直径50cm以上の半導体ウェーハが必要で
あろうが、これは従来のウェーハの５倍の直径及び25倍
の面積に対応する。
GB 1592050は動作波長を引用していないが、ニオブ酸
リチウムは可視領域及び近赤外領域に適していると考え
られる（例えばEPA 0130859参照）。これは自由空間の
最大動作波長約１μｍを意味する。従って、引用された
デバイスの寸法は、幅少なくとも８λで中心間距離少な
くとも40λ［λは自由空間動作波長］の導波路に対応す
る。可視域の中央で、これらのパラメータは夫々16λ及
び80λであろう。導波路の間隔は、隣合う導波路の間に
光の相互作用が存在しないように設計される必要がい
る。即ち導波路が光学的に不連続でなければならない。
デバイスはナノ秒のオーダのスイッチング速度を有し、
これらは動作周波数が数100MHzのオーダであることを意
味する。動作波長1.06μｍで計算するとデバイスは隣合
う回折極大間に約１゜の離間角を生じる。従って曖昧性
をなくす必要があるときはこのデバイスのビーム走査能
力は上記角度に限定される。
リチウムは可視領域及び近赤外領域に適していると考え
られる（例えばEPA 0130859参照）。これは自由空間の
最大動作波長約１μｍを意味する。従って、引用された
デバイスの寸法は、幅少なくとも８λで中心間距離少な
くとも40λ［λは自由空間動作波長］の導波路に対応す
る。可視域の中央で、これらのパラメータは夫々16λ及
び80λであろう。導波路の間隔は、隣合う導波路の間に
光の相互作用が存在しないように設計される必要がい
る。即ち導波路が光学的に不連続でなければならない。
デバイスはナノ秒のオーダのスイッチング速度を有し、
これらは動作周波数が数100MHzのオーダであることを意
味する。動作波長1.06μｍで計算するとデバイスは隣合
う回折極大間に約１゜の離間角を生じる。従って曖昧性
をなくす必要があるときはこのデバイスのビーム走査能
力は上記角度に限定される。
EPA 0130859及びGB 1592050は光伝播方向に垂直な電
界の不均一の問題を抱える。双方ともブロック内に拡散
によって形成された導波路を使用しており、前者はブロ
ックを１つの電極として使用し、重なり合う平坦金属を
他方の電極として使用している。後者は、電界が出現す
るブロック表面で各導波路の両側に設けられた電極を開
示している。従って、電界はブロック内の深さに伴って
減少する。これらの電極構造はいずれも、電気光学的に
誘導された位相変化を均一にするために必要な均一電界
を導波路内で生じさせることができないと考えられる。
界の不均一の問題を抱える。双方ともブロック内に拡散
によって形成された導波路を使用しており、前者はブロ
ックを１つの電極として使用し、重なり合う平坦金属を
他方の電極として使用している。後者は、電界が出現す
るブロック表面で各導波路の両側に設けられた電極を開
示している。従って、電界はブロック内の深さに伴って
減少する。これらの電極構造はいずれも、電気光学的に
誘導された位相変化を均一にするために必要な均一電界
を導波路内で生じさせることができないと考えられる。
本発明の目的は上記に代替できる形態の電気光学的導
波路デバイスを提供することである。
波路デバイスを提供することである。
本発明は、電気光学的材料から成る電気的にバイアス
可能な導波路アレイを含む種類の電気光学的導波路デバ
イスを提供する。本発明デバイスの特徴は、 （ａ）デバイスが半導体材料から成る多層構造であり、
コア層内で光を閉じこめるために低屈折率を有する２つ
の光閉じ込め層の間にサンドイッチされた導波路コアを
形成する層を含み、 （ｂ）導波路コア層がダイオード構造の一部であり、閉
じ込め層を介して印加された逆バイアス下に荷電キャリ
ア空乏層になり、 （ｃ）アレイの個々の導波路を形成する溝が導波路コア
層の80％以上を貫いて延びており、該溝が、導波路コア
層の屈折率を少なくとも1.5下回る屈折率を有する媒質
を収容すると共に、隣り合う導波路の間を光学的に絶縁
するように形成されており、 （ｄ）導波路が、その内部の光の伝播が実質的に単一空
間モードに制限されるように構成されている、ことであ
る。
可能な導波路アレイを含む種類の電気光学的導波路デバ
イスを提供する。本発明デバイスの特徴は、 （ａ）デバイスが半導体材料から成る多層構造であり、
コア層内で光を閉じこめるために低屈折率を有する２つ
の光閉じ込め層の間にサンドイッチされた導波路コアを
形成する層を含み、 （ｂ）導波路コア層がダイオード構造の一部であり、閉
じ込め層を介して印加された逆バイアス下に荷電キャリ
ア空乏層になり、 （ｃ）アレイの個々の導波路を形成する溝が導波路コア
層の80％以上を貫いて延びており、該溝が、導波路コア
層の屈折率を少なくとも1.5下回る屈折率を有する媒質
を収容すると共に、隣り合う導波路の間を光学的に絶縁
するように形成されており、 （ｄ）導波路が、その内部の光の伝播が実質的に単一空
間モードに制限されるように構成されている、ことであ
る。
本発明の利点は、従来技術に比較して極めて小型化さ
れていること及び性能が改良されていることである。層
状ダイオード構造を有するので、電圧降下が導波路のコ
ア層に集中する。このため、所与のバイアス電圧に対す
る各導波路内の電界効果が極度に増進される。その結果
として、所与の電圧に対してはるかに短い導波路で所与
の光移相が得られる。更に、電界効果が極めて均一であ
り導波路コア層の厚さ方向に案内される。このため、導
波路の断面における電気光学的位相変化の偏差が生じな
い。溝に収容された媒質は、各導波路の近傍でかなりの
屈折率変化を与えるので、導波路の間に広い間隙の維持
を要せずに高度な光学的分離を与える。従って、屈折率
変化が0.1未満の従来技術よりも密集して導波路を実装
し得る。従ってデバイス全体が極めて小型化される。本
発明は、幅５λで中心間距離20λ未満［但し、λは自由
空間動作波長］の導波路を組み込むことが可能である。
後述する本発明の１つの実施例は、幅１λで中心間距離
３λで長さ1.8mmの電気屈折性導波路を備えたGaAs導波
路コア層を組み込んでおり、λ＝1.06μｍで動作する。
このデバイスは空気中で0.5mm未満またはGaAs媒質中で
1.8mm未満の範囲に完全形の遠視野回折像を形成する。
この実施例及びその遠視野回折像は従来技術と違って、
従来の半導体ウェーハ上にその他の構成素子と共に容易
に集積され得る。更に、導波路電圧20Vの範囲では20゜
までにわたり曖昧性の無いビーム案内を示す。これは従
来技術に比較して１桁以上の改良に相当する。計算によ
れば、このデバイスは1GHzを十分に上回る速度のビーム
案内が可能である。
れていること及び性能が改良されていることである。層
状ダイオード構造を有するので、電圧降下が導波路のコ
ア層に集中する。このため、所与のバイアス電圧に対す
る各導波路内の電界効果が極度に増進される。その結果
として、所与の電圧に対してはるかに短い導波路で所与
の光移相が得られる。更に、電界効果が極めて均一であ
り導波路コア層の厚さ方向に案内される。このため、導
波路の断面における電気光学的位相変化の偏差が生じな
い。溝に収容された媒質は、各導波路の近傍でかなりの
屈折率変化を与えるので、導波路の間に広い間隙の維持
を要せずに高度な光学的分離を与える。従って、屈折率
変化が0.1未満の従来技術よりも密集して導波路を実装
し得る。従ってデバイス全体が極めて小型化される。本
発明は、幅５λで中心間距離20λ未満［但し、λは自由
空間動作波長］の導波路を組み込むことが可能である。
後述する本発明の１つの実施例は、幅１λで中心間距離
３λで長さ1.8mmの電気屈折性導波路を備えたGaAs導波
路コア層を組み込んでおり、λ＝1.06μｍで動作する。
このデバイスは空気中で0.5mm未満またはGaAs媒質中で
1.8mm未満の範囲に完全形の遠視野回折像を形成する。
この実施例及びその遠視野回折像は従来技術と違って、
従来の半導体ウェーハ上にその他の構成素子と共に容易
に集積され得る。更に、導波路電圧20Vの範囲では20゜
までにわたり曖昧性の無いビーム案内を示す。これは従
来技術に比較して１桁以上の改良に相当する。計算によ
れば、このデバイスは1GHzを十分に上回る速度のビーム
案内が可能である。
好ましい実施例では、溝の媒質が空気（ｎ＝１）であ
り、本発明は少なくとも部分的に、各々がGaxAl1-xAs系
（ｎ＞３）から成り順次に堆積された半導体材料層から
構成されている。この実施例で、導波路／溝界面の屈折
率変化は２以上であり、隣合う導波路の間に許容できな
い程度の光結合を生じることなく導波路の間隔をより接
近させることが可能である。
り、本発明は少なくとも部分的に、各々がGaxAl1-xAs系
（ｎ＞３）から成り順次に堆積された半導体材料層から
構成されている。この実施例で、導波路／溝界面の屈折
率変化は２以上であり、隣合う導波路の間に許容できな
い程度の光結合を生じることなく導波路の間隔をより接
近させることが可能である。
ダイオード構造は種々の形態のショットキーバリアー
ダイオード構造でもよい。この場合、１つの光閉じ込め
層が、導波路コア層との間にショットキー接触を形成す
る金属から成ってもよい。導波路コア層はGaAsでよく、
第２の光閉じ込め層はGaxAl1-xAsでよい。個々の導波路
ショットキー接触を隔離するために溝が設けられ、各シ
ョットキー接触は夫々のバイアス手段に接続されてい
る。
ダイオード構造でもよい。この場合、１つの光閉じ込め
層が、導波路コア層との間にショットキー接触を形成す
る金属から成ってもよい。導波路コア層はGaAsでよく、
第２の光閉じ込め層はGaxAl1-xAsでよい。個々の導波路
ショットキー接触を隔離するために溝が設けられ、各シ
ョットキー接触は夫々のバイアス手段に接続されてい
る。
またはダイオード構造がPIN構造でもよい。この場
合、導波路コア層は互いに反対の導電形を有し低屈折率
を有する２つの半導体光閉じ込め層の間のＩ領域であ
る。光閉じ込め層の１つは、各導波路に共通でもよい。
この構造はGaxAl1-xAsから成る光閉じ込め層または導波
路クラッディング層の間に実質的に非ドープのGaAs導波
路コア層を含む。
合、導波路コア層は互いに反対の導電形を有し低屈折率
を有する２つの半導体光閉じ込め層の間のＩ領域であ
る。光閉じ込め層の１つは、各導波路に共通でもよい。
この構造はGaxAl1-xAsから成る光閉じ込め層または導波
路クラッディング層の間に実質的に非ドープのGaAs導波
路コア層を含む。
１つの実施例においては導波路コア層が、使用光学波
長で（電界吸収性の反対の）電界屈折性の材料から成
る。この実施例では、本発明デバイスが電気的に制御さ
れたフエーズドアレイ（phased array）として作用し、
該アレイからの出力ビームの方向は導波路アレイの電圧
変化によって案内される。
長で（電界吸収性の反対の）電界屈折性の材料から成
る。この実施例では、本発明デバイスが電気的に制御さ
れたフエーズドアレイ（phased array）として作用し、
該アレイからの出力ビームの方向は導波路アレイの電圧
変化によって案内される。
本発明は、導波路からの光を空気のごとき異なる媒質
に出力するように設計された不連続デバイスである。こ
の場合、導波路は好ましくは導波路コア層の共通劈開面
に光出力面を有する。ニオブ酸リチウムのごとき材料は
この種の劈開面を有していないので、極めて高い精度の
研削及び研摩が必要であり、劈開面よりも不完全な光学
品質の出力面しか得られない。
に出力するように設計された不連続デバイスである。こ
の場合、導波路は好ましくは導波路コア層の共通劈開面
に光出力面を有する。ニオブ酸リチウムのごとき材料は
この種の劈開面を有していないので、極めて高い精度の
研削及び研摩が必要であり、劈開面よりも不完全な光学
品質の出力面しか得られない。
導波路アレイは、半導体材料ウェーハの第１領域に形
成され得る。該ウェーハはアレイの光出力が出現する第
２領域を有する。第２領域は、夫々のビーム案内角で導
波路アレイによって生成された主要回折極大を受容する
ように配置され且つ寸法的に整合した夫々の入力を各々
が有する個々の受信導波路を組み込んでいる。
成され得る。該ウェーハはアレイの光出力が出現する第
２領域を有する。第２領域は、夫々のビーム案内角で導
波路アレイによって生成された主要回折極大を受容する
ように配置され且つ寸法的に整合した夫々の入力を各々
が有する個々の受信導波路を組み込んでいる。
２次元の光ビーム案内を行なうために本発明のデバイ
スを２つ以上組み合わせて装置を構成してもよい。本発
明の個々のデバイスは、アレイに沿って非線形変化する
導波路アレイの出力ビームに位相シフトを与えるように
配置された導波路の電圧源と結合され得る。この結果、
凹状の波面が得られる。この波面は必要に応じて１つ以
上の焦点に集束されてもよくまたは光学収差の補償に使
用されてもよい。
スを２つ以上組み合わせて装置を構成してもよい。本発
明の個々のデバイスは、アレイに沿って非線形変化する
導波路アレイの出力ビームに位相シフトを与えるように
配置された導波路の電圧源と結合され得る。この結果、
凹状の波面が得られる。この波面は必要に応じて１つ以
上の焦点に集束されてもよくまたは光学収差の補償に使
用されてもよい。
本発明は、電気光学的アナログ−ディジタルコンバー
タ（ADC）を形成するように設計され得る。この場合、
本発明は、共通入力に接続された夫々の長さnL［但し、
Ｌは最も短い電極の長さであり、ｎは１からｍである］
を有する夫々のバイアス電極を有するｍ個の導波路を組
み込んでいる。アレイの出力ビームはデテクタアレイの
いずれか１つに形成され、アレイに沿ったその偏向は共
通入力のアナログ信号の振幅（magnitude）に従う。ピ
ークの受信デテクタの位置は所要のディジタル出力に対
応する。導波路は夫々の校正電極を有し、予め配列され
たアレイの１つのデテクタで入力アナログ電圧０の出力
ビームを形成するために、校正電極に電圧が印加され
る。デテクタアレイは２次元でもよく直接ディジタル出
力を与えるように符号化されてもよい。
タ（ADC）を形成するように設計され得る。この場合、
本発明は、共通入力に接続された夫々の長さnL［但し、
Ｌは最も短い電極の長さであり、ｎは１からｍである］
を有する夫々のバイアス電極を有するｍ個の導波路を組
み込んでいる。アレイの出力ビームはデテクタアレイの
いずれか１つに形成され、アレイに沿ったその偏向は共
通入力のアナログ信号の振幅（magnitude）に従う。ピ
ークの受信デテクタの位置は所要のディジタル出力に対
応する。導波路は夫々の校正電極を有し、予め配列され
たアレイの１つのデテクタで入力アナログ電圧０の出力
ビームを形成するために、校正電極に電圧が印加され
る。デテクタアレイは２次元でもよく直接ディジタル出
力を与えるように符号化されてもよい。
導波路コア層は、光源波長で電界吸収性の材料から成
ってもよい。この場合、本発明は、ディジタル−アナロ
グコンバータ、パルスアナライザまたは時間集積相関器
を形成し得る。ディジタル−アナログコンバータは、個
々の導波路がバイナリダブリングスキーム（binary dou
bling scheme）で変化する夫々の出力光強度を与える導
波路アレイを含み得る。導波路は夫々の電極及び電極ア
ドレシング電圧を有し、電極アドレシング電圧は二進数
に対応する２つの値のいずれかであり、導波路を吸収性
または透過性にするように編成されている。導波路の出
力信号は、検出手段によって検出及び加算され、導波路
電極のディジタルアドレシング電圧に対応するアナログ
出力を与える。パルスアナライザの実施例は、導波路電
極群に接続された無線周波（RF）遅延線を与えるインダ
クタチェーンを含む。パルス化レーザからの出力は導波
路群の間で分割され、該導波路の出力が夫々のデテクタ
によって検出される。RF信号は遅延線に与えられ、その
長さにわたって分配される。個々の導波路内部のレーザ
パルス成分は、夫々のRF信号レベルに従って減衰し、従
って遅延線上のRF信号のプロフィルがデテクタアレイで
サンプリングされる。時間集積相関器は、レーザが基準
信号によって変調される実質的に連続的なデバイスを形
成していることを除いては、パルスアナライザと同様の
構造である。基準信号と遅延線信号との間の相関によっ
て、電気信号と光信号との同期が得られた導波路に結合
したデテクタにピーク信号が生じる。
ってもよい。この場合、本発明は、ディジタル−アナロ
グコンバータ、パルスアナライザまたは時間集積相関器
を形成し得る。ディジタル−アナログコンバータは、個
々の導波路がバイナリダブリングスキーム（binary dou
bling scheme）で変化する夫々の出力光強度を与える導
波路アレイを含み得る。導波路は夫々の電極及び電極ア
ドレシング電圧を有し、電極アドレシング電圧は二進数
に対応する２つの値のいずれかであり、導波路を吸収性
または透過性にするように編成されている。導波路の出
力信号は、検出手段によって検出及び加算され、導波路
電極のディジタルアドレシング電圧に対応するアナログ
出力を与える。パルスアナライザの実施例は、導波路電
極群に接続された無線周波（RF）遅延線を与えるインダ
クタチェーンを含む。パルス化レーザからの出力は導波
路群の間で分割され、該導波路の出力が夫々のデテクタ
によって検出される。RF信号は遅延線に与えられ、その
長さにわたって分配される。個々の導波路内部のレーザ
パルス成分は、夫々のRF信号レベルに従って減衰し、従
って遅延線上のRF信号のプロフィルがデテクタアレイで
サンプリングされる。時間集積相関器は、レーザが基準
信号によって変調される実質的に連続的なデバイスを形
成していることを除いては、パルスアナライザと同様の
構造である。基準信号と遅延線信号との間の相関によっ
て、電気信号と光信号との同期が得られた導波路に結合
したデテクタにピーク信号が生じる。
導波路アレイは、各導波路に接続された夫々のボンド
パッドと導線とを有するバイアス手段によってバイアス
され得る。ボンドパッドは導波路を含むデバイスの領域
の周囲に配置され、導線はデバイスの光入力領域に配線
され得る。
パッドと導線とを有するバイアス手段によってバイアス
され得る。ボンドパッドは導波路を含むデバイスの領域
の周囲に配置され、導線はデバイスの光入力領域に配線
され得る。
本発明をより十分に理解するために、本発明のいくつ
かの実施例を添付図面に基づいて非限定的に以下に説明
する。
かの実施例を添付図面に基づいて非限定的に以下に説明
する。
第１図は本発明の電気光学的導波路デバイスの概略部
分斜視図である。
分斜視図である。
第２図は第１図のデバイスの導波路材料の電気光学的
特性を示すグラフである。
特性を示すグラフである。
第３図は第１図のデバイスの評価に使用される光学系
の概略ブロック図である。
の概略ブロック図である。
第４図及び第５図は光ビームの案内を示す光強度対角
度の関係を示すグラフである。
度の関係を示すグラフである。
第６図から第９図は第１図に示すデバイスの実施例の
全体または部分を示す顕微鏡写真の複写である。
全体または部分を示す顕微鏡写真の複写である。
第10図は第１図のデバイスの端面の理想形を寸法パラ
メータと共に示す斜視図である。
メータと共に示す斜視図である。
第11図は第１図のデバイスによって生じる遠視野回折
像の複写である。
像の複写である。
第12図は二次元ビーム案内用に設計された本発明の別
の実施例の概略図である。
の実施例の概略図である。
第13図はPINダイオードアセンブリを含む本発明の変
形例の概略斜視図である。
形例の概略斜視図である。
第14図は第13図のデバイスの端面の理想形を寸法パラ
メータと共に示す斜視図である。
メータと共に示す斜視図である。
第15図は光学読取り用の本発明デバイスの使用例の説
明図である。
明図である。
第16図は単極多方向光スイッチとして設計された本発
明の実施例の概略平面図である。
明の実施例の概略平面図である。
第17図は第16図のデバイスの受光導波路構造の変形例
を示す概略平面図である。
を示す概略平面図である。
第18図から第21図は本発明のデバイスによる光波面の
制御を示す説明図である。
制御を示す説明図である。
第22図から第24図はアナログ−ディジタル変換に使用
される本発明の実施例を示す説明図である。
される本発明の実施例を示す説明図である。
第25図はディジタル−アナログコンバータに使用され
る本発明の実施例を示す説明図である。
る本発明の実施例を示す説明図である。
第26図はパルスアナライザに使用される本発明の実施
例を示す概略説明図である。
例を示す概略説明図である。
第27図は本発明のデバイスに対して光の入出力を行な
うパラボラ形導波路ホーンの説明図である。
うパラボラ形導波路ホーンの説明図である。
第１図は、本発明の電気光学的導波路デバイス10の部
分の（案分比例でない）概略斜視図である。点線12はデ
バイス10の隣接領域を示す。デバイス10はn+形（高度に
ドープされたｎ形）GaAs基板14を含み、この基板のSiド
ーパント濃度は１×1018cm-3である。n+形Ga0.9Al0.1As
から成る厚さ1.2μｍの導波路クラッディング層16が基
板14に重層して設けられている。クラッディング層は同
種及び同濃度のドーパントでドープされている。
分の（案分比例でない）概略斜視図である。点線12はデ
バイス10の隣接領域を示す。デバイス10はn+形（高度に
ドープされたｎ形）GaAs基板14を含み、この基板のSiド
ーパント濃度は１×1018cm-3である。n+形Ga0.9Al0.1As
から成る厚さ1.2μｍの導波路クラッディング層16が基
板14に重層して設けられている。クラッディング層は同
種及び同濃度のドーパントでドープされている。
同じく厚さ1.2μｍの導波路コア層18がクラッディン
グ層16に重層し設けられている。層18はn-形（非ドープ
残留ｎ−形）GaAsから成り、Siドーパント濃度は１×10
15cm-3である。層14,16,18はすべて、GaxAl1-xAs系であ
ると考えてよく、層14及び18ではｘ＝１であり、層16で
はｘ＝0.9である。長さ1.8mm、深さ１μｍ及び幅２μｍ
の溝20が層18の上面22に設けられている。溝20は、デバ
イス10の前面24から出発し水平な縁端26及び垂直な縁端
28を有する（図示しない）平行な背面近くまで伸びてい
るが背面に到達はしていない。溝20の終点は背面の縁端
26から400μｍ離間している。幅１μｍ及び長さ1.8mmの
リブ状導波路30が溝20の間に形成されている。
グ層16に重層し設けられている。層18はn-形（非ドープ
残留ｎ−形）GaAsから成り、Siドーパント濃度は１×10
15cm-3である。層14,16,18はすべて、GaxAl1-xAs系であ
ると考えてよく、層14及び18ではｘ＝１であり、層16で
はｘ＝0.9である。長さ1.8mm、深さ１μｍ及び幅２μｍ
の溝20が層18の上面22に設けられている。溝20は、デバ
イス10の前面24から出発し水平な縁端26及び垂直な縁端
28を有する（図示しない）平行な背面近くまで伸びてい
るが背面に到達はしていない。溝20の終点は背面の縁端
26から400μｍ離間している。幅１μｍ及び長さ1.8mmの
リブ状導波路30が溝20の間に形成されている。
各導波路30の上面はアルミニウム層32で被覆され、こ
の層は部分33を介して電極ボンドパッド34まで延びてい
る。層32及びパッド34を各１つずつ図示している。デバ
イス10は11個の溝20によって形成された合計10個の導波
路を有しており、第１図では２つの導波路と３つの溝を
図示している。各導波路30は夫々のアルミニウム層32と
ボンドパッド34とを有し、各ボンドパッドは、夫々のDC
バイアス電圧源に接続されている。バイアス電圧源を１
つだけ符号36で示す。基板14はアース38に接続されてい
る。
の層は部分33を介して電極ボンドパッド34まで延びてい
る。層32及びパッド34を各１つずつ図示している。デバ
イス10は11個の溝20によって形成された合計10個の導波
路を有しており、第１図では２つの導波路と３つの溝を
図示している。各導波路30は夫々のアルミニウム層32と
ボンドパッド34とを有し、各ボンドパッドは、夫々のDC
バイアス電圧源に接続されている。バイアス電圧源を１
つだけ符号36で示す。基板14はアース38に接続されてい
る。
デバイス10の前面24及び背面26/28は光学品質の表面
を与えるように慎重に劈開されている。従って、導波路
コア層18は結晶質GaAsの劈開面から成る縁端領域を前面
及び背面に有する（ニオブ酸リチウムのごとき材料では
これが不可能である）。Nd:YAGレーザ（図示せず）から
の矢印40で示される波長1.06μｍの光が背面を照明す
る。光40は背面26/28の領域の導波路層18に直径１μｍ
のスポット（図示せず）として集束される。このスポッ
トは導波路の入力端から400μｍ離間している。次に光
はスポットから導波路30まで発散する。デバイスの背面
26/28と導波路30との間の領域41で光の発散が生じる。
領域41はスラブ状導波路を形成し、導波路の共通入力手
段を構成する。導波路30から放出される光ビームは発散
矢印42で示される。ビーム42は結合しデバイス10から自
由空間内の最小距離100μｍに共通の遠視野回折像44を
形成する。像44は、中央の光強度極大46と２つの副次的
極大48,50とを有する。−20゜から＋40゜の角目盛り52
は、デバイス面24から500μｍの距離でのの極大46と50
との間の隔たりを示す。
を与えるように慎重に劈開されている。従って、導波路
コア層18は結晶質GaAsの劈開面から成る縁端領域を前面
及び背面に有する（ニオブ酸リチウムのごとき材料では
これが不可能である）。Nd:YAGレーザ（図示せず）から
の矢印40で示される波長1.06μｍの光が背面を照明す
る。光40は背面26/28の領域の導波路層18に直径１μｍ
のスポット（図示せず）として集束される。このスポッ
トは導波路の入力端から400μｍ離間している。次に光
はスポットから導波路30まで発散する。デバイスの背面
26/28と導波路30との間の領域41で光の発散が生じる。
領域41はスラブ状導波路を形成し、導波路の共通入力手
段を構成する。導波路30から放出される光ビームは発散
矢印42で示される。ビーム42は結合しデバイス10から自
由空間内の最小距離100μｍに共通の遠視野回折像44を
形成する。像44は、中央の光強度極大46と２つの副次的
極大48,50とを有する。−20゜から＋40゜の角目盛り52
は、デバイス面24から500μｍの距離でのの極大46と50
との間の隔たりを示す。
デバイス10の動作モードを以下に説明する。各導波路
30は、波長1.06μｍで屈折率ｎ＝3.46のn-形GaAsから成
る。該導波路は、両側面（溝）が空気（ｎ＝１）、第３
の面（上面）がアルミニウム（ｎ＜１）、第４の面（下
面）がn+形GaAlAsと境界を接している。従って各導波路
30は４つの面全部が低屈折率の媒質と境界を接してお
り、導波路の内部を進む光は内部全反射によって種々の
程度に閉じ込められる。本発明のいくつかの実施例にお
いては、溝20にポリマーまたは酸化物材料を充填するの
が適当である。その場合、導波路30の間の光結合を阻止
するように、溝材料は導波路コア層18の屈折率を少なく
とも1.5下回る屈折率を有していなければならない。空
気充填溝20を用いるときに導波路30の光学的分離が最大
である。
30は、波長1.06μｍで屈折率ｎ＝3.46のn-形GaAsから成
る。該導波路は、両側面（溝）が空気（ｎ＝１）、第３
の面（上面）がアルミニウム（ｎ＜１）、第４の面（下
面）がn+形GaAlAsと境界を接している。従って各導波路
30は４つの面全部が低屈折率の媒質と境界を接してお
り、導波路の内部を進む光は内部全反射によって種々の
程度に閉じ込められる。本発明のいくつかの実施例にお
いては、溝20にポリマーまたは酸化物材料を充填するの
が適当である。その場合、導波路30の間の光結合を阻止
するように、溝材料は導波路コア層18の屈折率を少なく
とも1.5下回る屈折率を有していなければならない。空
気充填溝20を用いるときに導波路30の光学的分離が最大
である。
各導波路30内の光は水平方向では溝の側面の空気によ
って閉じ込められ、垂直方向ではアルミニウム電極32及
びGaAlAs層16によって閉じ込められる。各導波路がほぼ
矩形の横断面を有するので、モード電界強度Ｅ（x,y）
は、水平成分Eh（ｘ）（ｘの単独関数）と垂直成分Ev
（ｙ）（ｙの単独関数）との積として定義される。（こ
のモードの記述を簡単にするために電界のベクトル性を
無視しＥ（x,y）、Eh（ｘ）及びEv（ｙ）をスカラー関
数と仮定する）。所与の導波路モードの水平成分Eh
（ｘ）は「水平モード」と考えてよく、垂直成分Ev
（ｙ）は対応する「垂直モード」と考えてよい。このた
め、二次元関数を２つの一次元関数の積に変換すること
によって導波路モードの記述を簡単にする。（水平また
は垂直の）かかるモードが関連導波路から遠方即ち＋ま
たは−の無限大で指数関数的に０に近付くとき、これは
閉じ込めモードと呼ばれる。関連導波路から遠方で０に
接近せず、（＋または−の無限大に向かって）正弦波と
して続くときは、モードは閉じ込めモードでない。従っ
て導波路から逸脱した伝播即ち「リーク」が生じる。
って閉じ込められ、垂直方向ではアルミニウム電極32及
びGaAlAs層16によって閉じ込められる。各導波路がほぼ
矩形の横断面を有するので、モード電界強度Ｅ（x,y）
は、水平成分Eh（ｘ）（ｘの単独関数）と垂直成分Ev
（ｙ）（ｙの単独関数）との積として定義される。（こ
のモードの記述を簡単にするために電界のベクトル性を
無視しＥ（x,y）、Eh（ｘ）及びEv（ｙ）をスカラー関
数と仮定する）。所与の導波路モードの水平成分Eh
（ｘ）は「水平モード」と考えてよく、垂直成分Ev
（ｙ）は対応する「垂直モード」と考えてよい。このた
め、二次元関数を２つの一次元関数の積に変換すること
によって導波路モードの記述を簡単にする。（水平また
は垂直の）かかるモードが関連導波路から遠方即ち＋ま
たは−の無限大で指数関数的に０に近付くとき、これは
閉じ込めモードと呼ばれる。関連導波路から遠方で０に
接近せず、（＋または−の無限大に向かって）正弦波と
して続くときは、モードは閉じ込めモードでない。従っ
て導波路から逸脱した伝播即ち「リーク」が生じる。
各導波路30は原則として、水平及び垂直の光伝播モー
ド、即ち上記に定義されたように導波路コア層18の厚み
方向に夫々垂直及び平行なモードを支える。これらのモ
ードのうち、最も低次の垂直モードがエバネッセントモ
ードである。即ち、指数関数的に減衰し、アルミニウム
層及びGaAlAs層内で０に近付き、従って導波路内部に閉
じ込められる。アルミニウム層32においてある程度減衰
が生じるが、それ以外には導波路に沿った伝播中に他か
らの影響を実質的に受けない。後述する本発明の実施例
では上記の減衰を阻止できる。
ド、即ち上記に定義されたように導波路コア層18の厚み
方向に夫々垂直及び平行なモードを支える。これらのモ
ードのうち、最も低次の垂直モードがエバネッセントモ
ードである。即ち、指数関数的に減衰し、アルミニウム
層及びGaAlAs層内で０に近付き、従って導波路内部に閉
じ込められる。アルミニウム層32においてある程度減衰
が生じるが、それ以外には導波路に沿った伝播中に他か
らの影響を実質的に受けない。後述する本発明の実施例
では上記の減衰を阻止できる。
各導波路30内の最も低次の垂直モードに閉じ込められ
ない光強度は、アルミニウム中ではエバネッセントであ
り、GaAlAs層16内ではエバネッセントであるかまたは伝
播する。しかしながらGaAlAs層16の厚さは、最も低次の
垂直モードに閉じ込められないモードは、この層から基
板にリークする、即ち伝播するような値である。従って
導波路は実質的に最も低次の垂直モードだけを伝送す
る。
ない光強度は、アルミニウム中ではエバネッセントであ
り、GaAlAs層16内ではエバネッセントであるかまたは伝
播する。しかしながらGaAlAs層16の厚さは、最も低次の
垂直モードに閉じ込められないモードは、この層から基
板にリークする、即ち伝播するような値である。従って
導波路は実質的に最も低次の垂直モードだけを伝送す
る。
垂直モードの様相と対照的に、導波路30は必ずしも最
も低次の水平モードに限定されない。隣接導波路相互間
の光クロストークを阻止する要件と相容れないので単一
水平モードの動作を実現することが実際には難しいから
である。しかしながら、導波路30から、水平方向の次元
及び垂直方向の次元で主として最も低次の空間モードか
ら成る単一モードに限定された出力を得ることは重要で
ある。
も低次の水平モードに限定されない。隣接導波路相互間
の光クロストークを阻止する要件と相容れないので単一
水平モードの動作を実現することが実際には難しいから
である。しかしながら、導波路30から、水平方向の次元
及び垂直方向の次元で主として最も低次の空間モードか
ら成る単一モードに限定された出力を得ることは重要で
ある。
不要な高次の水平モードで導波路30からかなりの光強
度が出力されることを防止するために、これらのモード
の入力分を無視できる程度に受容するように導波路に光
結合する。これは以下のごとくして得られる。デバイス
10の背面26/28に入射する光40は、比較的高い開口数を
有する（図示しない）顕微鏡レンズから受容される。光
40は、表面26/28上の直径１μｍの光スポットを「頂
点」とした頂半角約45゜のコーンの形状である。光は、
空気−半導体界面26/28で屈折され、共通入力領域41に
頂半角約12゜のコーンを生じる。この第２のコーンの水
平方向範囲は、入力面26/28に対して約４゜（半角２
゜）を成す導波路30の照射に必要な範囲よりも大きい。
導波路30はこの第２コーンの中央領域に配置され、該第
２コーンでは光強度がほぼ均一である。従って各導波路
30は、伝播中央軸に対して３゜未満の傾斜で入力光の強
度を受容する。
度が出力されることを防止するために、これらのモード
の入力分を無視できる程度に受容するように導波路に光
結合する。これは以下のごとくして得られる。デバイス
10の背面26/28に入射する光40は、比較的高い開口数を
有する（図示しない）顕微鏡レンズから受容される。光
40は、表面26/28上の直径１μｍの光スポットを「頂
点」とした頂半角約45゜のコーンの形状である。光は、
空気−半導体界面26/28で屈折され、共通入力領域41に
頂半角約12゜のコーンを生じる。この第２のコーンの水
平方向範囲は、入力面26/28に対して約４゜（半角２
゜）を成す導波路30の照射に必要な範囲よりも大きい。
導波路30はこの第２コーンの中央領域に配置され、該第
２コーンでは光強度がほぼ均一である。従って各導波路
30は、伝播中央軸に対して３゜未満の傾斜で入力光の強
度を受容する。
導波路30の水平モードの分析は、導波路の軸に対して
３゜未満の角度の光入力に対して二次以上の高次モード
の光強度が実質的に存在しないことを示す。従って入力
光は実質的に水平面内の最も低次の空間モードだけを励
起する。導波路30に沿ったその後の伝播中に、導波路材
料及びその境界の欠陥は少量のエネルギを二次及びより
高次の水平モードに逸脱させる。理想的な導波路ではこ
のような逸脱は生じない。
３゜未満の角度の光入力に対して二次以上の高次モード
の光強度が実質的に存在しないことを示す。従って入力
光は実質的に水平面内の最も低次の空間モードだけを励
起する。導波路30に沿ったその後の伝播中に、導波路材
料及びその境界の欠陥は少量のエネルギを二次及びより
高次の水平モードに逸脱させる。理想的な導波路ではこ
のような逸脱は生じない。
要約すると、欠陥に敏感でない導波路30は、最も低次
の水平及び垂直モードに実質的に閉じ込められた出力光
強度を生じる。より高次の垂直モードの出力は、バッフ
ァ層16の空間過作用によって阻止され、より高次の水
平モードの出力は光入力の編成によって阻止される。そ
の結果、組み合わせ導波路30は、実質的に最も低次の空
間モードから生じた遠視野回折像44を形成する。より高
次の導波路空間モードから得られる回折像は有意な強度
で出現しないので、オーバーラップによって回折像44が
ぼやけることもない。第１図のデバイスは出力光強度の
95％以上を最も低次のモードで生じさせることが判明し
た。
の水平及び垂直モードに実質的に閉じ込められた出力光
強度を生じる。より高次の垂直モードの出力は、バッフ
ァ層16の空間過作用によって阻止され、より高次の水
平モードの出力は光入力の編成によって阻止される。そ
の結果、組み合わせ導波路30は、実質的に最も低次の空
間モードから生じた遠視野回折像44を形成する。より高
次の導波路空間モードから得られる回折像は有意な強度
で出現しないので、オーバーラップによって回折像44が
ぼやけることもない。第１図のデバイスは出力光強度の
95％以上を最も低次のモードで生じさせることが判明し
た。
より詳細に後述するごとく、導波路コア層材料が電気
光学的特性（即ち電界屈折性）を有するので各導波路30
内の屈折率及び光路長は電界依存性である。従って、任
意の導波路のアルミニウム層32における電圧変化は、そ
の光出力の位相を変化させる。遠視野回折像44は、導波
路からの位相要素及び振幅要素のベクトル和であり、主
要極大46の位置は導波路電圧の変更によって可変であ
る。しかしながら、この場合、前記に説明したように、
回折像のオーバーラップを避けることが重要である。そ
の理由は、種々の導波路モード及びそれらの回折像が導
波路の電圧の変化によって異なる影響を受けるからであ
る。種々の回折次数のオーバーラップを回避できない場
合、最も低次の案内に高次の要素が混入する。
光学的特性（即ち電界屈折性）を有するので各導波路30
内の屈折率及び光路長は電界依存性である。従って、任
意の導波路のアルミニウム層32における電圧変化は、そ
の光出力の位相を変化させる。遠視野回折像44は、導波
路からの位相要素及び振幅要素のベクトル和であり、主
要極大46の位置は導波路電圧の変更によって可変であ
る。しかしながら、この場合、前記に説明したように、
回折像のオーバーラップを避けることが重要である。そ
の理由は、種々の導波路モード及びそれらの回折像が導
波路の電圧の変化によって異なる影響を受けるからであ
る。種々の回折次数のオーバーラップを回避できない場
合、最も低次の案内に高次の要素が混入する。
各導波路30において光路長Ｌは式 Ｌ＝nd （１） 〔式中、ｎは導波路層18の屈折率、ｄは導波路長〕 で示される。しかしながらｎは電界依存性で ｎ＝n0＋nE （２） 〔n0は印加電界が無いときの屈折率、nEは印加電界Ｅに
よって生じた屈折率の変化〕 で示される。より詳細に後述するごとく、nEは２つの成
分を有する。一方の成分の変化は電界の１乗に比例して
変化し（ポッケルス効果）、他方の成分は電界の２乗に
比例して変化する（カー効果）。これらの成分は同じ符
号を有してもよく異なる符号を有してもよい。この実施
例ではこれらの成分が加算成分である。これは２つの編
成の組み合わせによって得られる。まず、各導波路30の
長さに沿った光伝播方向に［01］結晶軸をもつように
導波路層18を配置する。次に、各導波路内の光を層18の
（平面に垂直な）［011］結晶軸に平行に偏光する。
よって生じた屈折率の変化〕 で示される。より詳細に後述するごとく、nEは２つの成
分を有する。一方の成分の変化は電界の１乗に比例して
変化し（ポッケルス効果）、他方の成分は電界の２乗に
比例して変化する（カー効果）。これらの成分は同じ符
号を有してもよく異なる符号を有してもよい。この実施
例ではこれらの成分が加算成分である。これは２つの編
成の組み合わせによって得られる。まず、各導波路30の
長さに沿った光伝播方向に［01］結晶軸をもつように
導波路層18を配置する。次に、各導波路内の光を層18の
（平面に垂直な）［011］結晶軸に平行に偏光する。
各導波路30の光路長は、夫々のアルミニウム層32に印
加される電圧を変化させることによって変化する。アル
ミニウム層32は導波路30に対するショットキーバリアー
接触を形成しており、金属／半導体の組み合わせ32/30
の各々がショットキーバリアーダイオードである。どの
場合にも各アルミニウム層32はどの場合にも適当な電圧
源36によってアースに対して負にバイアスされている。
これは夫々のショットキーバリアーダイオードを逆バイ
アスし、ダイオードの空乏領域を強化し、各導波路内の
電界を増加する。これが導波路の屈折率及び光路長を変
化させる。
加される電圧を変化させることによって変化する。アル
ミニウム層32は導波路30に対するショットキーバリアー
接触を形成しており、金属／半導体の組み合わせ32/30
の各々がショットキーバリアーダイオードである。どの
場合にも各アルミニウム層32はどの場合にも適当な電圧
源36によってアースに対して負にバイアスされている。
これは夫々のショットキーバリアーダイオードを逆バイ
アスし、ダイオードの空乏領域を強化し、各導波路内の
電界を増加する。これが導波路の屈折率及び光路長を変
化させる。
各導波路の出力で光学位相を完全に制御するために、
アルミニウム層32に印加される電圧に応じて出力位相を
360゜即ち２πだけ変化できる必要がある。勿論、特定
の用途に対しては本発明のフェーズドアレイを、完全以
下即ち２π未満の位相制御を行なうように設計してもよ
い。出力位相の２πの変化は、光導波路の１波長の変化
に対応する。即ち等式（１）及び（２）で定義したパラ
メータを使用し、導波路30の内部の波長の数は、屈折率
ｎがn0からn0＋nEに変化するのに応じて、（必ずしも整
数でない）ｍからｍ＋１の値にある程度変化する必要が
ある。即ち、 ｍ＝n0d/λ （３） 及び ｍ＋１＝（n0＋nE）d/λ （４） 〔式中、λは自由空間の光学波長〕。
アルミニウム層32に印加される電圧に応じて出力位相を
360゜即ち２πだけ変化できる必要がある。勿論、特定
の用途に対しては本発明のフェーズドアレイを、完全以
下即ち２π未満の位相制御を行なうように設計してもよ
い。出力位相の２πの変化は、光導波路の１波長の変化
に対応する。即ち等式（１）及び（２）で定義したパラ
メータを使用し、導波路30の内部の波長の数は、屈折率
ｎがn0からn0＋nEに変化するのに応じて、（必ずしも整
数でない）ｍからｍ＋１の値にある程度変化する必要が
ある。即ち、 ｍ＝n0d/λ （３） 及び ｍ＋１＝（n0＋nE）d/λ （４） 〔式中、λは自由空間の光学波長〕。
（４）から（３）を減算すると １＝nEd/λ 即ち である。
導波路層18に夫々［01］及び［011］の伝播方向及
び偏光方向を有するこの実施例においては、アルミニウ
ム層32に印加される電圧が0Vから21Vに変化すると、波
長1.06μｍでの屈折率の変化nEは5.9×10-4であつた。
式（５）のλ及びnEに数値を代入すると であった。
び偏光方向を有するこの実施例においては、アルミニウ
ム層32に印加される電圧が0Vから21Vに変化すると、波
長1.06μｍでの屈折率の変化nEは5.9×10-4であつた。
式（５）のλ及びnEに数値を代入すると であった。
従って、第１図の実施例では、導波路長1.8mmで0Vか
ら21Vまで（30V未満）のバイアス電圧変化に対して２π
即ち360゜の完全位相サイクルにわたる導波路出力位相
の同調が可能である。かかる同調は導波路出力位相の完
全制御を得るために必要であるが、デバイス10のある種
の用途ではかかる制御が不要である。
ら21Vまで（30V未満）のバイアス電圧変化に対して２π
即ち360゜の完全位相サイクルにわたる導波路出力位相
の同調が可能である。かかる同調は導波路出力位相の完
全制御を得るために必要であるが、デバイス10のある種
の用途ではかかる制御が不要である。
屈折率の変化nEは式 〔式中、Γは導波路層18の内部で案内される光強度の割
合を示す導波路閉じ込め係数、 Ｅは導波路内の電界、 r41は一次電気光学係数（ポッケルス効果）、 R12は二次電気光学係数〕。
合を示す導波路閉じ込め係数、 Ｅは導波路内の電界、 r41は一次電気光学係数（ポッケルス効果）、 R12は二次電気光学係数〕。
導波路層18の材料がn-形GaAsの場合、r41及びR12はい
ずれも負の値である。更に、等式（６）のr41の前の±
符号は、第１図の実施例のように［01］結晶方向の伝
播及び［011］方向に沿った偏光の場合には−符号で置
換される。この結果、等式（６）の括弧内の項が加算に
なり、nEが＋になり、nEの極大が得られる。
ずれも負の値である。更に、等式（６）のr41の前の±
符号は、第１図の実施例のように［01］結晶方向の伝
播及び［011］方向に沿った偏光の場合には−符号で置
換される。この結果、等式（６）の括弧内の項が加算に
なり、nEが＋になり、nEの極大が得られる。
比較のために本発明の第２の実施例を製造した。第１
実施例との唯一の違いは、伝播方向及び整列方向が入れ
代わるように導波路層の結晶配向（orientation）が交
換されていることである。即ち、伝播は結晶の［011］
方向に沿って生じ、偏光は［01］方向に平行に生じ
た。この場合、等式（６）の項r41に＋符号がつき、括
弧内の項は減算項になる。項r41が項R12よりも大きいの
で、結果的として、より小さい値のnEが負の値になる。
屈折率は電界の増加に伴って減少し、非零電界での大き
さは第１実施例よりも小さい。
実施例との唯一の違いは、伝播方向及び整列方向が入れ
代わるように導波路層の結晶配向（orientation）が交
換されていることである。即ち、伝播は結晶の［011］
方向に沿って生じ、偏光は［01］方向に平行に生じ
た。この場合、等式（６）の項r41に＋符号がつき、括
弧内の項は減算項になる。項r41が項R12よりも大きいの
で、結果的として、より小さい値のnEが負の値になる。
屈折率は電界の増加に伴って減少し、非零電界での大き
さは第１実施例よりも小さい。
次に第２図は本発明の前記の２つの実施例における導
波路の出力位相変化の絶対値｜Δφ｜（左縦座標軸）を
電圧（下横座標軸）の関数として示すグラフである。実
線グラフ60,62は、十字印及び角印で夫々示された実験
データに最もぴったりと一致した理論的計算値である。
点線64は式（６）の一次項r41Eのポッケルス効果を示
し、グラフ60,62の湾曲は二次項R12E2の効果を示す。
波路の出力位相変化の絶対値｜Δφ｜（左縦座標軸）を
電圧（下横座標軸）の関数として示すグラフである。実
線グラフ60,62は、十字印及び角印で夫々示された実験
データに最もぴったりと一致した理論的計算値である。
点線64は式（６）の一次項r41Eのポッケルス効果を示
し、グラフ60,62の湾曲は二次項R12E2の効果を示す。
第２図の左上半部に定義したnEの絶対値は分かり易い
ようにグラフ60〜64で示されている。厳密に言えば、グ
ラフ60及び62は夫々＋及び−の座標軸に対してプロット
されるべきである。更に、グラフ64はグラフ60または62
のいずれに比較するかに従って＋または−になる。しか
しながら、この説明で重要なのは絶対値だけである。
ようにグラフ60〜64で示されている。厳密に言えば、グ
ラフ60及び62は夫々＋及び−の座標軸に対してプロット
されるべきである。更に、グラフ64はグラフ60または62
のいずれに比較するかに従って＋または−になる。しか
しながら、この説明で重要なのは絶対値だけである。
グラフ60は前述の本発明の第１の実施例に対応する。
該実施例では各導波路30の［01］結晶方向に光が伝播
する。
該実施例では各導波路30の［01］結晶方向に光が伝播
する。
グラフ62は第２実施例の［011］方向の伝播に対応す
る。いかなる特定の導波路バイアス電圧においてもグラ
フ60の導波路出力の位相変化がグラフ62よりも大きい。
またグラフ間の差は電圧増加に伴って増加している。従
って、GaAs導波路にはグラフ60の伝播方向［01］（偏
光［011］）が好ましい。その理由は、所与の印加電圧
に対する位相変化が最大になるため、また、所与の印加
電圧で所与の位相変化を得るために必要な導波路の長さ
が最小に短縮できるからである。このためデバイス10の
製造が容易で導波路のキャパシタンスを減少する。結晶
軸に対するこれらの伝播方向及び偏光方向はまた、閃亜
鉛鉱（zinc blende）結晶構造即ち多くのII−VI族及びI
II−Ｖ族の化合物半導体にも最適である。
る。いかなる特定の導波路バイアス電圧においてもグラ
フ60の導波路出力の位相変化がグラフ62よりも大きい。
またグラフ間の差は電圧増加に伴って増加している。従
って、GaAs導波路にはグラフ60の伝播方向［01］（偏
光［011］）が好ましい。その理由は、所与の印加電圧
に対する位相変化が最大になるため、また、所与の印加
電圧で所与の位相変化を得るために必要な導波路の長さ
が最小に短縮できるからである。このためデバイス10の
製造が容易で導波路のキャパシタンスを減少する。結晶
軸に対するこれらの伝播方向及び偏光方向はまた、閃亜
鉛鉱（zinc blende）結晶構造即ち多くのII−VI族及びI
II−Ｖ族の化合物半導体にも最適である。
第２図の上部の座標軸は、導波路30の電界に関する目
盛りを示し、右側の座標軸は電圧または電界に伴う屈折
率変化nEを示す。nE＝5.9×10-4は印加バイアス電圧21V
に対応する。これは導波路長さ（1.8mm）に対する適当
な設計基準として前述した。
盛りを示し、右側の座標軸は電圧または電界に伴う屈折
率変化nEを示す。nE＝5.9×10-4は印加バイアス電圧21V
に対応する。これは導波路長さ（1.8mm）に対する適当
な設計基準として前述した。
次に第３図は、本発明のデバイス10によるビーム案内
を証明するために編成された光学系70の概略ブロック図
である。いくつかの寸法が10cmのオーダであり且つ残り
の寸法が数100μのオーダであるため、光学系70の寸法
は案分比例で図示されてはいない。図の上部に装置の寸
法を示す。既出の部分は同じ参照符号で示す。
を証明するために編成された光学系70の概略ブロック図
である。いくつかの寸法が10cmのオーダであり且つ残り
の寸法が数100μのオーダであるため、光学系70の寸法
は案分比例で図示されてはいない。図の上部に装置の寸
法を示す。既出の部分は同じ参照符号で示す。
システム70は、米国の会社CVI Inc.,によって製造さ
れたC95モデルのNd−YAGレーザ72を含む。レーザ70は、
直径2mmで波長1.06mmの0.5Wの出力ビーム74を発生す
る。ビーム74は開口数0.15及び倍率５倍の第１顕微鏡レ
ンズ（MO）76に入り、30cm離れた距離でビーム直径5mm
に拡大される（1/e2強度点間で測定）。MO76は長さ0.5c
mでレンズ72から3cm離間している。第1MO76からの光80
は、30cm離間した第2MO82に入る。第2MO82は倍率20倍で
開口数0.54でありビーム案内デバイス10から2mm離間し
ている。該レンズはレーザ光を、デバイス10の背面即ち
入力面で直径１μｍのスポット84に集束させる。86でデ
バイス10からでる光は、第2MO82に等しい光学パラメー
タを有する約0.05cm（500μｍ）離間した第３のMO88に
収集される。第3MO88はデバイス10からの光をコリメー
トし、導波路30を通らせなかった迷光を排除する。該レ
ンズは光を50cm離間した赤外カメラ90に中継する。カメ
ラは、電荷結合デバイス（CCD）アレイを組み込んでお
り、日本の会社Hamamatsu Photonics K.K.によって製造
されたものである。
れたC95モデルのNd−YAGレーザ72を含む。レーザ70は、
直径2mmで波長1.06mmの0.5Wの出力ビーム74を発生す
る。ビーム74は開口数0.15及び倍率５倍の第１顕微鏡レ
ンズ（MO）76に入り、30cm離れた距離でビーム直径5mm
に拡大される（1/e2強度点間で測定）。MO76は長さ0.5c
mでレンズ72から3cm離間している。第1MO76からの光80
は、30cm離間した第2MO82に入る。第2MO82は倍率20倍で
開口数0.54でありビーム案内デバイス10から2mm離間し
ている。該レンズはレーザ光を、デバイス10の背面即ち
入力面で直径１μｍのスポット84に集束させる。86でデ
バイス10からでる光は、第2MO82に等しい光学パラメー
タを有する約0.05cm（500μｍ）離間した第３のMO88に
収集される。第3MO88はデバイス10からの光をコリメー
トし、導波路30を通らせなかった迷光を排除する。該レ
ンズは光を50cm離間した赤外カメラ90に中継する。カメ
ラは、電荷結合デバイス（CCD）アレイを組み込んでお
り、日本の会社Hamamatsu Photonics K.K.によって製造
されたものである。
システム70の素子を軸合わせするためには従来の手順
を採用する。３つのMO76,82,88はすべてＸ方向及びＹ方
向に可動な調整自在なポートに装着されている。MO82,8
8は更に、Ｚ方向にも可動である。図に符号92で示すよ
うに、Ｘ方向は図の平面に垂直で、Ｚ方向はシステムの
光学軸即ち光ビームの方向に平行で、Ｙ方向は図の平面
内に存在する。
を採用する。３つのMO76,82,88はすべてＸ方向及びＹ方
向に可動な調整自在なポートに装着されている。MO82,8
8は更に、Ｚ方向にも可動である。図に符号92で示すよ
うに、Ｘ方向は図の平面に垂直で、Ｚ方向はシステムの
光学軸即ち光ビームの方向に平行で、Ｙ方向は図の平面
内に存在する。
第1MO76の位置は、偏向されないビームが2 1/2倍に拡
大されるように調整されている。第２のMO82は、偏向さ
れない集束スポットがデバイス10に生じるように調整さ
れている。スポットは実質的に回折制限されている。第
３のMO88は、迷光を排除し導波路30によって生成された
遠視野回折像から光を収集するように調整されている。
遠視野はデバイス10から100μｍ以上離間した距離に対
応する。MO88の光入力面とデバイス10とは互いに500μ
ｍ（0.05cm）離間しており、この距離は、迷光の排除と
導波路30によって伝送された光の収集とに適した距離で
ある。カメラ90の寸法が許せばカメラをデバイス10にも
っと接近して配置してもよく、その場合、回折像全体を
記録する第3MOが不要になるであろう。
大されるように調整されている。第２のMO82は、偏向さ
れない集束スポットがデバイス10に生じるように調整さ
れている。スポットは実質的に回折制限されている。第
３のMO88は、迷光を排除し導波路30によって生成された
遠視野回折像から光を収集するように調整されている。
遠視野はデバイス10から100μｍ以上離間した距離に対
応する。MO88の光入力面とデバイス10とは互いに500μ
ｍ（0.05cm）離間しており、この距離は、迷光の排除と
導波路30によって伝送された光の収集とに適した距離で
ある。カメラ90の寸法が許せばカメラをデバイス10にも
っと接近して配置してもよく、その場合、回折像全体を
記録する第3MOが不要になるであろう。
第３図ではデバイス10の複数の導波路が共通光源70に
よって照明される。これが典型的な設計である。変形と
しては、レーザがデバイス10と同じ半導体ウェーハに集
積されてもよい。この場合、光は多岐マニホルド導波路
構造によって個々の導波路に分配され得る。しかしなが
ら、複数の光源が互いに位相コヒーレントであるなら
ば、複数の導波路が別々の光源によって照明されてもよ
い。
よって照明される。これが典型的な設計である。変形と
しては、レーザがデバイス10と同じ半導体ウェーハに集
積されてもよい。この場合、光は多岐マニホルド導波路
構造によって個々の導波路に分配され得る。しかしなが
ら、複数の光源が互いに位相コヒーレントであるなら
ば、複数の導波路が別々の光源によって照明されてもよ
い。
次に第４図及び第５図は、光強度（任意の単位）対回
折角度（゜）の関係を示すグラフである。夫々の図にお
いて、上方の図面は第３図のシステム70を用いた実験に
よって得られた値を示し、下部の図面は理論的に計算さ
れた値を示す。
折角度（゜）の関係を示すグラフである。夫々の図にお
いて、上方の図面は第３図のシステム70を用いた実験に
よって得られた値を示し、下部の図面は理論的に計算さ
れた値を示す。
第４図において、上部のグラフ100は、全部が実質的
に互いに位相合わせされた導波路の光出力を発生する導
波路30に電圧が作用したときのデバイス10からの出力光
強度の角度依存性を示す。このグラフは０゜に極大、即
ち導波路の長手方向に平行またはデバイス10の出力前面
24に垂直に極大102を生じる。この場合、導波路30は定
格的にはすべて同じ長さを有する。導波路30からの出力
は、全部の電極ボンドパッド34に等しい電圧を印加した
ときに互いに同位相になることが要求されるが、波長の
数分の１の単位まで正確に等しい長さの導波路を製造す
ることは不可能である。従って実際には、０゜に極大10
2を生じるようにパッド34の電圧を相対的に調整した。
に互いに位相合わせされた導波路の光出力を発生する導
波路30に電圧が作用したときのデバイス10からの出力光
強度の角度依存性を示す。このグラフは０゜に極大、即
ち導波路の長手方向に平行またはデバイス10の出力前面
24に垂直に極大102を生じる。この場合、導波路30は定
格的にはすべて同じ長さを有する。導波路30からの出力
は、全部の電極ボンドパッド34に等しい電圧を印加した
ときに互いに同位相になることが要求されるが、波長の
数分の１の単位まで正確に等しい長さの導波路を製造す
ることは不可能である。従って実際には、０゜に極大10
2を生じるようにパッド34の電圧を相対的に調整した。
主要極大102はバンド幅（半値の全幅）1.5゜を有す
る。この極大102と同時に夫々約＋20゜及び−20゜の角
距離即ち回折角により高次の回折極大104,106が存在す
る。
る。この極大102と同時に夫々約＋20゜及び−20゜の角
距離即ち回折角により高次の回折極大104,106が存在す
る。
下部のグラフ100′において上部グラフ100に対応する
数値はプライム記号（′）を付けて示す。極大102,106
と極大102′,106′との位置が十分に一致することが理
解されよう。
数値はプライム記号（′）を付けて示す。極大102,106
と極大102′,106′との位置が十分に一致することが理
解されよう。
次に第５図も実験的及び理論的なグラフ110,110′を
示し、第４図と同様にグラフ110′においてグラフ110に
対応する数値はプライム記号（′）を付けて示す。グラ
フ110には２つの主要な極大112及び114が出現し、これ
らは夫々回折角約−10゜及び＋10゜に存在する。２つの
高次回折極大116,118は解像直後に（just resolved）約
−30゜及び＋30℃に出現する。グラフ110は、各導波路
の光出力と隣接導波路の光出力とが反位相になるような
導波路電圧を使用して得られた。即ち、ｎ番目の導波路
の光出力は位相（ｎ−１）π＋ψ〔但し、ψは定数〕を
有していた。
示し、第４図と同様にグラフ110′においてグラフ110に
対応する数値はプライム記号（′）を付けて示す。グラ
フ110には２つの主要な極大112及び114が出現し、これ
らは夫々回折角約−10゜及び＋10゜に存在する。２つの
高次回折極大116,118は解像直後に（just resolved）約
−30゜及び＋30℃に出現する。グラフ110は、各導波路
の光出力と隣接導波路の光出力とが反位相になるような
導波路電圧を使用して得られた。即ち、ｎ番目の導波路
の光出力は位相（ｎ−１）π＋ψ〔但し、ψは定数〕を
有していた。
グラフ110,110を作成するためにデバイス10の特定実
施例に使用された導波路電圧を表１に示す。これらの電
圧は本発明の別のデバイス一般には適当でないかもしれ
ないことを指摘しておく。その理由は、製造公差によっ
て導波路の長さにばらつきがでるからである。
施例に使用された導波路電圧を表１に示す。これらの電
圧は本発明の別のデバイス一般には適当でないかもしれ
ないことを指摘しておく。その理由は、製造公差によっ
て導波路の長さにばらつきがでるからである。
第４図及び第５図は、導波路30に印加する電圧を変化
させることによってデバイス10が０゜から±10゜まで案
内可能な出力ビームを発生し得ることを照明する。これ
は１つのビームを２つに分割するためまたは１つのビー
ムを角度10゜だけ案内するために使用され得る。従って
デバイス10は、電子制御された１方向もしくは２方向の
スイッチと考えることもでき、またはビーム偏向デバイ
スと考えることもできる。更に、これらの応用は、２つ
の電圧を組み合わせて導波路30に印加するだけで得られ
る。その他の電圧の組み合わせによってその他の多くの
応用、例えば１つの角度範囲にわたる漸進的案内が可能
である。第４図及び第５図の実験と理論との一致からも
明らかなようにデバイス10は工学的設計のために予め計
算された通りの性能を発揮できる。
させることによってデバイス10が０゜から±10゜まで案
内可能な出力ビームを発生し得ることを照明する。これ
は１つのビームを２つに分割するためまたは１つのビー
ムを角度10゜だけ案内するために使用され得る。従って
デバイス10は、電子制御された１方向もしくは２方向の
スイッチと考えることもでき、またはビーム偏向デバイ
スと考えることもできる。更に、これらの応用は、２つ
の電圧を組み合わせて導波路30に印加するだけで得られ
る。その他の電圧の組み合わせによってその他の多くの
応用、例えば１つの角度範囲にわたる漸進的案内が可能
である。第４図及び第５図の実験と理論との一致からも
明らかなようにデバイス10は工学的設計のために予め計
算された通りの性能を発揮できる。
デバイス10の導波路アレイは極めて高速で動作し得
る。電極／導波路キャパシタンスの計算は1GHz以上及び
約10GHzのスイッチング速度を示す。これは当業界の既
存の高速ディジタル電気回路よりも１桁速い速度であ
る。従って、本発明の使用は、デバイス本来の特性によ
って制約を受けることはないが、従来の電子素子の欠点
に起因する制約を受けると考えられる。デバイス10の全
体速度は、ボンドパッド及びリード33/34によって低下
する。しかしながら、公知の絶縁技術によって、導波路
アレイの動作速度に近い動作速度を得るように改良する
ことが可能であろう。
る。電極／導波路キャパシタンスの計算は1GHz以上及び
約10GHzのスイッチング速度を示す。これは当業界の既
存の高速ディジタル電気回路よりも１桁速い速度であ
る。従って、本発明の使用は、デバイス本来の特性によ
って制約を受けることはないが、従来の電子素子の欠点
に起因する制約を受けると考えられる。デバイス10の全
体速度は、ボンドパッド及びリード33/34によって低下
する。しかしながら、公知の絶縁技術によって、導波路
アレイの動作速度に近い動作速度を得るように改良する
ことが可能であろう。
第４図及び第５図は、デバイス10が幅1.5゜の光ビー
ムを20゜案内し得ることを示す。より狭くより接近した
導波路をより多数組み込んだ同様のデバイスは幅0.1゜
未満のビームを80゜以上にわたって案内し得るであろ
う。
ムを20゜案内し得ることを示す。より狭くより接近した
導波路をより多数組み込んだ同様のデバイスは幅0.1゜
未満のビームを80゜以上にわたって案内し得るであろ
う。
デバイス10を以下のごとく作製した。基板14は市販の
GaAs単結晶材料から成る。金属有機物化学蒸着（MOCV
D）によってクラッディング層16及び導波路層18を基板
に順次成長させた。この技術は半導体材料の業界で当業
者に公知の完成した半導体成長技術であるからここでは
詳細に説明しない。導波路層18を電子ビーム（e-）レジ
ストで被覆し、電子ビームリソグラフィー（EBL）装置
でレジストを照射して10個のボンドパッド34の領域を形
成した。次に照射済みのレジストを除去してTi/Pd/Au合
金で被覆するためにパターン化レジスト層を形成した。
被覆したレジストをアセトンに溶解し、導波路層18にデ
ポジットされたボンドパッド34を残した。これは「リフ
トオフ（lift−off）」法と呼ばれる。次いで、導波路
層18に第２のe-レジスト層をデポジットし、レジストに
EBLを照射して導波路電極領域と導波路／ボンドパッド
接続領域とを形成した。照射積みのレジストを除去して
導波路層18のレジスト非含有領域を形成した。パターン
化レジストの表面を蒸着アルミニウムで被覆し、非照射
レジスト及びその不要なアルミニウムをアセトンに浸漬
して除去した。この処理で、導波路電極32及びボンドパ
ッド34への結線33が形成された。次いで導波路層をレジ
ストで再度被覆し、溝20の形成が必要な領域からレジス
トを除去した。次いで基板14を反応性イオンエッチング
装置に入れ、CCl2F2エッチャントを用いて溝20を形成し
た。アルミニウム電極32は導波路30にイオン遮蔽を与
え、レジストはボンドパッド34及び結線33にイオン遮蔽
を与えた。反応性イオンエッチングは完成した技術であ
るからここでは詳細に説明しない。次いで、デバイス10
にダイヤモンド針で筋を引き、支持縁に沿って切断して
導波路の出力面24及びデバイスの背面26/28を形成し
た。導波路を損傷しないように導波路自体には筋を入れ
なかった。
GaAs単結晶材料から成る。金属有機物化学蒸着（MOCV
D）によってクラッディング層16及び導波路層18を基板
に順次成長させた。この技術は半導体材料の業界で当業
者に公知の完成した半導体成長技術であるからここでは
詳細に説明しない。導波路層18を電子ビーム（e-）レジ
ストで被覆し、電子ビームリソグラフィー（EBL）装置
でレジストを照射して10個のボンドパッド34の領域を形
成した。次に照射済みのレジストを除去してTi/Pd/Au合
金で被覆するためにパターン化レジスト層を形成した。
被覆したレジストをアセトンに溶解し、導波路層18にデ
ポジットされたボンドパッド34を残した。これは「リフ
トオフ（lift−off）」法と呼ばれる。次いで、導波路
層18に第２のe-レジスト層をデポジットし、レジストに
EBLを照射して導波路電極領域と導波路／ボンドパッド
接続領域とを形成した。照射積みのレジストを除去して
導波路層18のレジスト非含有領域を形成した。パターン
化レジストの表面を蒸着アルミニウムで被覆し、非照射
レジスト及びその不要なアルミニウムをアセトンに浸漬
して除去した。この処理で、導波路電極32及びボンドパ
ッド34への結線33が形成された。次いで導波路層をレジ
ストで再度被覆し、溝20の形成が必要な領域からレジス
トを除去した。次いで基板14を反応性イオンエッチング
装置に入れ、CCl2F2エッチャントを用いて溝20を形成し
た。アルミニウム電極32は導波路30にイオン遮蔽を与
え、レジストはボンドパッド34及び結線33にイオン遮蔽
を与えた。反応性イオンエッチングは完成した技術であ
るからここでは詳細に説明しない。次いで、デバイス10
にダイヤモンド針で筋を引き、支持縁に沿って切断して
導波路の出力面24及びデバイスの背面26/28を形成し
た。導波路を損傷しないように導波路自体には筋を入れ
なかった。
次に第６図から第９図は、第４図及び第５図に示す結
果を得るために使用されたデバイス10の顕微鏡写真のコ
ピーを示す。説明済みの部分は同じ参照符号で示す。第
６図は倍率101倍のデバイス10の平面図である。ボンド
バッド34及びそれらの結線33が視認できるが溝20及び導
波路30は視認できない。第７図はアルミニウム導波路電
極32とボンドパット34（図示せず）への結線33との間の
相互接続領域を示す。第８図は第７図には存在しない導
波路電極の部分を示す。第７図及び第８図は倍率1015倍
である。
果を得るために使用されたデバイス10の顕微鏡写真のコ
ピーを示す。説明済みの部分は同じ参照符号で示す。第
６図は倍率101倍のデバイス10の平面図である。ボンド
バッド34及びそれらの結線33が視認できるが溝20及び導
波路30は視認できない。第７図はアルミニウム導波路電
極32とボンドパット34（図示せず）への結線33との間の
相互接続領域を示す。第８図は第７図には存在しない導
波路電極の部分を示す。第７図及び第８図は倍率1015倍
である。
第９図はデバイス10の部分の斜視図を示す倍率約4000
倍の走査型電子顕微鏡写真である。劈開された導波路出
力面24、導波路30、溝20及びアルミニウム導波路電極32
がはっきりと視認できる。
倍の走査型電子顕微鏡写真である。劈開された導波路出
力面24、導波路30、溝20及びアルミニウム導波路電極32
がはっきりと視認できる。
自由空間中で波長1.06μｍの光でデバイス10を使用し
た場合を説明した。クラッディング層16はGa1-xAlxAs
〔ｘ＝１（屈折率ｎ＝3.40）〕であり、導波路層18は非
ドープGaAs（ｎ＝3.46）である。またはクラッディング
層が別のGaAlAs系の三元化合物、例えばｘ＝0.3（ｎ＝
3.28）の化合物から成ってもよい。
た場合を説明した。クラッディング層16はGa1-xAlxAs
〔ｘ＝１（屈折率ｎ＝3.40）〕であり、導波路層18は非
ドープGaAs（ｎ＝3.46）である。またはクラッディング
層が別のGaAlAs系の三元化合物、例えばｘ＝0.3（ｎ＝
3.28）の化合物から成ってもよい。
次に第10図は、デバイス10の端面24の部分の斜視図を
示す。説明済みの部分は同じ参照符号で示す。この図に
示されたデバイスの寸法h1〜h3及びw1〜w3は以下を意味
する。
示す。説明済みの部分は同じ参照符号で示す。この図に
示されたデバイスの寸法h1〜h3及びw1〜w3は以下を意味
する。
h1＝導波路コア層18の厚さ、 h2＝クラッディング層16の厚さ、 h3＝（アルミニウム32の厚さを無視した）層18の溝20の
深さ w1＝導波路30の幅、 w2＝溝20の幅、 L ＝導波路の長さ、 D ＝デバイス入力面26/28から導波路30までの距離、 P ＝デバイス10から空気中で遠視野回折像が形成される
までの最小距離（焦点合わせ不在）。
深さ w1＝導波路30の幅、 w2＝溝20の幅、 L ＝導波路の長さ、 D ＝デバイス入力面26/28から導波路30までの距離、 P ＝デバイス10から空気中で遠視野回折像が形成される
までの最小距離（焦点合わせ不在）。
表２は使用光の自由空間波長λに関する値h1〜Ｐの設
計データを示す。但しλは１〜10μｍである。導波路コ
ア層18はGaAsである。
計データを示す。但しλは１〜10μｍである。導波路コ
ア層18はGaAsである。
表２の設計パラメータは臨界的なものでなく指標的な
ものである。設計に関するより一般的な条件に関しては
後述する。デバイス10の背面26/28に入力焦点の線を形
成するために円柱レンズを使用する場合には、Ｄの値を
小さくし得る。h1〜h3はバッファ層の組成に依存する
が、w1〜Ｐは少なくとも最初の近似式または依存しない
ことに注目されたい。
ものである。設計に関するより一般的な条件に関しては
後述する。デバイス10の背面26/28に入力焦点の線を形
成するために円柱レンズを使用する場合には、Ｄの値を
小さくし得る。h1〜h3はバッファ層の組成に依存する
が、w1〜Ｐは少なくとも最初の近似式または依存しない
ことに注目されたい。
溝20は導波路コア層18の5/6の範囲まで延びている。
これは特定の導波路ピッチと動作波長とを調整した値で
ある。即ち、相反する２つの要件を以下のように折り合
わせる必要がある。導波路コア層18のエッチング深度が
増加すると光分離（optical isolation）が強化され、
隣合う導波路の間のクロストーク即ち光結合が減少す
る。エッチング深度の増加は逆に、各導波路間の化学腐
食表面の面積を増加させ、かかる表面での光散乱を増加
させ、その結果として、不要な光学モードを励起し、光
損失を増加させる。従って、適当な光分離を達成するた
めに必要な最小限のエッチング深度を選択する必要があ
る。導波路間の離間（w2）が大きいほど所要エッチング
深度が減少し、また光分離も改良される。特定の設計に
関する出力回折像を観察することによって空間モードの
分量（content）を試験し得る。更に、スラブ状入力導
波路41を除去するために導波路入力でデバイス10を劈開
することによって１つの導波路の入力に光を集束させ、
光結合を測定するために全部の導波路の出力をモニタし
得る。２つ以上の導波路からの有意な出力が存在する
と、溝の深度及び／または導波路間の間隔を増加させる
必要がある。
これは特定の導波路ピッチと動作波長とを調整した値で
ある。即ち、相反する２つの要件を以下のように折り合
わせる必要がある。導波路コア層18のエッチング深度が
増加すると光分離（optical isolation）が強化され、
隣合う導波路の間のクロストーク即ち光結合が減少す
る。エッチング深度の増加は逆に、各導波路間の化学腐
食表面の面積を増加させ、かかる表面での光散乱を増加
させ、その結果として、不要な光学モードを励起し、光
損失を増加させる。従って、適当な光分離を達成するた
めに必要な最小限のエッチング深度を選択する必要があ
る。導波路間の離間（w2）が大きいほど所要エッチング
深度が減少し、また光分離も改良される。特定の設計に
関する出力回折像を観察することによって空間モードの
分量（content）を試験し得る。更に、スラブ状入力導
波路41を除去するために導波路入力でデバイス10を劈開
することによって１つの導波路の入力に光を集束させ、
光結合を測定するために全部の導波路の出力をモニタし
得る。２つ以上の導波路からの有意な出力が存在する
と、溝の深度及び／または導波路間の間隔を増加させる
必要がある。
表２の値はGaAlAs上のGaAs導波路に関して得られた値
である。別の導波路材料を使用する場合、設計パラメー
タは屈折率及び／または電気光学係数に合わせて適当に
調整される。このような条件は電気光学の業界でよく知
られているのでここでは詳細に説明しない。
である。別の導波路材料を使用する場合、設計パラメー
タは屈折率及び／または電気光学係数に合わせて適当に
調整される。このような条件は電気光学の業界でよく知
られているのでここでは詳細に説明しない。
より一般的に、本発明で考慮すべき設計条件を以下に
説明する。適当な性能を維持しながら寸法をできるだけ
小さくするのが望ましい。導波路の中心間距離（アレイ
ピッチw1＋w2）の減少に伴って不要なサイドローブ（よ
り高次の回折）の回折角が増加する。メインローブが０
゜（照準線）に存在するとき、１つの光学波長のアレイ
ピッチは±90゜にサイドローブを生成する。該当する光
学波長は、アレイの光出力を受容する媒質（例えば空
気）中の波長である。主ビーム即ちメインローブの案内
の結果、導波路内部での内部全反射によって１つのサイ
ドローブが消滅する。0.5波長アレイピッチは主ビーム
の全案内角度に対して不要なサイドローブ全部の内部全
反射を生じさせる。0.5波長を下回るようなアレイピッ
チの減少は、アレイの回折特性を改良せず製造を難しく
するだけである。アレイピッチが一定である必要はな
い。アレイの回折特性は、デバイス10の出力端面24のア
レイピッチによって制御される。従ってデバイスは、出
力端面でピッチが減少した導波路アレイを組み込んでも
よい。この場合、光結合を減少させるように端面から遠
くなるに伴って導波路間の間隔を拡大してもよい。
説明する。適当な性能を維持しながら寸法をできるだけ
小さくするのが望ましい。導波路の中心間距離（アレイ
ピッチw1＋w2）の減少に伴って不要なサイドローブ（よ
り高次の回折）の回折角が増加する。メインローブが０
゜（照準線）に存在するとき、１つの光学波長のアレイ
ピッチは±90゜にサイドローブを生成する。該当する光
学波長は、アレイの光出力を受容する媒質（例えば空
気）中の波長である。主ビーム即ちメインローブの案内
の結果、導波路内部での内部全反射によって１つのサイ
ドローブが消滅する。0.5波長アレイピッチは主ビーム
の全案内角度に対して不要なサイドローブ全部の内部全
反射を生じさせる。0.5波長を下回るようなアレイピッ
チの減少は、アレイの回折特性を改良せず製造を難しく
するだけである。アレイピッチが一定である必要はな
い。アレイの回折特性は、デバイス10の出力端面24のア
レイピッチによって制御される。従ってデバイスは、出
力端面でピッチが減少した導波路アレイを組み込んでも
よい。この場合、光結合を減少させるように端面から遠
くなるに伴って導波路間の間隔を拡大してもよい。
アレイピッチ（w1＋w2）の極大値は、ビーム走査角度
の最小許容範囲によって規定される。その理由は、この
範囲がピッチの増加に伴って減少するからである。20波
長のアレイピッチはデバイスに３゜の範囲の走査角を与
える。10波長以下のアレイピッチの場合には、隣合う導
波路群の光分離に必要な急激な屈折率変化を与えるため
に、導波路の内部溝20に空気が充填されるのが望まし
い。製造の観点からは溝20をSiO2またはその他の絶縁材
のごとき材料で充填するのが好都合である。その場合、
充填材ができるだけ低い屈折率を有する必要があり、い
かなる場合にも導波路コア層18の屈折率を少なくとも1.
5下回る値でなければならない。
の最小許容範囲によって規定される。その理由は、この
範囲がピッチの増加に伴って減少するからである。20波
長のアレイピッチはデバイスに３゜の範囲の走査角を与
える。10波長以下のアレイピッチの場合には、隣合う導
波路群の光分離に必要な急激な屈折率変化を与えるため
に、導波路の内部溝20に空気が充填されるのが望まし
い。製造の観点からは溝20をSiO2またはその他の絶縁材
のごとき材料で充填するのが好都合である。その場合、
充填材ができるだけ低い屈折率を有する必要があり、い
かなる場合にも導波路コア層18の屈折率を少なくとも1.
5下回る値でなければならない。
直径10cmの領域の単一半導体ウェーハ上にその他の構
成素子と共に集積できる十分に小さいビーム案内デバイ
スを製造することが強く要望されている。案内されたビ
ームをウェーハから送受信する２つの動作が必要な場合
には、デバイス及びその遠視野回折像の両方がウェーハ
より小さくなければならない。w1＝0.3μｍ及び（w1＋w
2）＝0.6μｍで波長1.06μｍで動作する20個の導波管を
備えた本発明のデバイスは、出力面24から空気中で100
μｍの距離にほぼ完全形の遠視野回折像を形成する。ｗ
＝３μｍ及びw2＝10μｍの同様のデバイスでは前記距離
6mmである。GaAs媒質中に出力される場合には、これら
の距離は約3.6倍になる。これに比較して、英国特許第
1,592,050号の従来技術のデバイスは幅８μｍでピッチ4
0μｍの導波路を使用している。かかる導波路20個を使
用した場合、動作波長1.06μｍで遠視野回折像は空気中
で10cm以上遠方に生じる。
成素子と共に集積できる十分に小さいビーム案内デバイ
スを製造することが強く要望されている。案内されたビ
ームをウェーハから送受信する２つの動作が必要な場合
には、デバイス及びその遠視野回折像の両方がウェーハ
より小さくなければならない。w1＝0.3μｍ及び（w1＋w
2）＝0.6μｍで波長1.06μｍで動作する20個の導波管を
備えた本発明のデバイスは、出力面24から空気中で100
μｍの距離にほぼ完全形の遠視野回折像を形成する。ｗ
＝３μｍ及びw2＝10μｍの同様のデバイスでは前記距離
6mmである。GaAs媒質中に出力される場合には、これら
の距離は約3.6倍になる。これに比較して、英国特許第
1,592,050号の従来技術のデバイスは幅８μｍでピッチ4
0μｍの導波路を使用している。かかる導波路20個を使
用した場合、動作波長1.06μｍで遠視野回折像は空気中
で10cm以上遠方に生じる。
個々の導波路の幅w1を縮小すると、より広いより均一
な回折像エンベロープが生じ、案内角に伴う主ビーム強
度の変化が小さくなる。w1の最適値は導波路出力を受信
する媒質中で0.5波長であるが、導波路内部の内部反射
損の増加を代償としてw1の値を更に縮小することも可能
である。導波路の妥当な最小幅は0.3波長である。
な回折像エンベロープが生じ、案内角に伴う主ビーム強
度の変化が小さくなる。w1の最適値は導波路出力を受信
する媒質中で0.5波長であるが、導波路内部の内部反射
損の増加を代償としてw1の値を更に縮小することも可能
である。導波路の妥当な最小幅は0.3波長である。
所与の任意のアレイピッチにおける個々の導波路の最
大幅w1は、隣合う導波路の間に有意な光結合またはクロ
ストークを生じることなく少なくともほぼ（90％以上）
単一モードの出力を得るための条件によって規定され
る。導波路の幅は好ましくは、アレイピッチの1/2以下
である。即ちw1≦1/2（w1＋w2）またはw1≦w2である。1
0波長のピッチアレイに対するw1の妥当な最大値は３波
長である。回折エンベロープは狭くなり、主ビーム強度
は出力面の導波路幅を増加させるためにビーム角度に伴
ってより大きく変化する。
大幅w1は、隣合う導波路の間に有意な光結合またはクロ
ストークを生じることなく少なくともほぼ（90％以上）
単一モードの出力を得るための条件によって規定され
る。導波路の幅は好ましくは、アレイピッチの1/2以下
である。即ちw1≦1/2（w1＋w2）またはw1≦w2である。1
0波長のピッチアレイに対するw1の妥当な最大値は３波
長である。回折エンベロープは狭くなり、主ビーム強度
は出力面の導波路幅を増加させるためにビーム角度に伴
ってより大きく変化する。
ボンドパッド34が絶縁されておりキャパシタンスに寄
与しないと仮定すると、デバイス10は導波路の長さ1mm
あたり0.1PFのキャパシタンスを有する。50ohmの抵抗を
伴う長さ2mmの導波路は、周波数100GHzに制限される。
しかしながら、GaAs中の50GHzの信号の波長は約2mmであ
り、信号の正及び負の半サイクルは互いの効果を相殺し
得る。この結果、3dBの遮断周波数が約25GHzに低下し得
る。これに比較して、英国特許第1,592,050号のデバイ
スの計算遮断周波数は約2.2GHz以下である。従って本発
明は、動作周波数を少なくとも１桁改良し得る。
与しないと仮定すると、デバイス10は導波路の長さ1mm
あたり0.1PFのキャパシタンスを有する。50ohmの抵抗を
伴う長さ2mmの導波路は、周波数100GHzに制限される。
しかしながら、GaAs中の50GHzの信号の波長は約2mmであ
り、信号の正及び負の半サイクルは互いの効果を相殺し
得る。この結果、3dBの遮断周波数が約25GHzに低下し得
る。これに比較して、英国特許第1,592,050号のデバイ
スの計算遮断周波数は約2.2GHz以下である。従って本発
明は、動作周波数を少なくとも１桁改良し得る。
次に、第11図は、第４図及び第５図の強度／角度のグ
ラフ100及び110の基になる遠視野回折像の２つの写真の
コピーである。前記の特性値（features）を同じ参照符
号で示す。上方の写真140では０゜に極大102が存在し±
20゜の角度を隔てて副次的極大104,106が存在する。下
部の写真142では±10゜に極大112,114が存在する。第４
図及び第５図のより微弱な特性値は検出されない。第11
図は、デバイス10が水平面、即ち導波路30の軸を含む平
面内に極大の精細度及び分解能を生じることを示す。し
かしながらデバイス10は、直交方向の強度の範囲を顕著
に確定してはいない。これは、極大102、等が第11図の
垂直方向にに拡大していることから明らかである。かか
る拡大を抑制するために、アレイ出力をコリメートまた
は収束させる円柱レンズを使用してもよい。レンズの円
柱軸は導波路の平面内に存在し導波路の長さ方向に垂直
であろう。
ラフ100及び110の基になる遠視野回折像の２つの写真の
コピーである。前記の特性値（features）を同じ参照符
号で示す。上方の写真140では０゜に極大102が存在し±
20゜の角度を隔てて副次的極大104,106が存在する。下
部の写真142では±10゜に極大112,114が存在する。第４
図及び第５図のより微弱な特性値は検出されない。第11
図は、デバイス10が水平面、即ち導波路30の軸を含む平
面内に極大の精細度及び分解能を生じることを示す。し
かしながらデバイス10は、直交方向の強度の範囲を顕著
に確定してはいない。これは、極大102、等が第11図の
垂直方向にに拡大していることから明らかである。かか
る拡大を抑制するために、アレイ出力をコリメートまた
は収束させる円柱レンズを使用してもよい。レンズの円
柱軸は導波路の平面内に存在し導波路の長さ方向に垂直
であろう。
デバイス10の光出力処理能力を波長1.06μｍで試験し
た。各導波路30は少なくとも20mWを許容し、デバイス10
の10個の導波路は合計で200mMを与える。デバイス10と
同様であるがより長い波長用に設計された本発明の実施
例は、波長に比例して設定された線形寸法を有するであ
ろう。波長10.6μｍのCO2レーザー光線の場合、導波路
の断面積は100倍も大きくなり、原則として導波路あた
り少なくとも2Wの出力処理能力を与える。従って、多数
の導波路を備えた実施例は、高出力レーザーを案内する
ために必要な大きい出力容量を有するであろう。デバイ
ス10及び同様の実施例の制約はアルミニウム層32の加熱
によって規定される。アルミニウム層は導波路30の内部
から放射線を吸収し、約10dBの損失を与える。第13図に
基づいて後述する本発明のPINダイオードの実施例では
この制約を解消できる。デバイス10と後述するデバイス
の両方の利点は、所与のビーム案内性能に必要な電力が
極めて少なく、従来技術のデバイスよりもはるかに少な
いことである。
た。各導波路30は少なくとも20mWを許容し、デバイス10
の10個の導波路は合計で200mMを与える。デバイス10と
同様であるがより長い波長用に設計された本発明の実施
例は、波長に比例して設定された線形寸法を有するであ
ろう。波長10.6μｍのCO2レーザー光線の場合、導波路
の断面積は100倍も大きくなり、原則として導波路あた
り少なくとも2Wの出力処理能力を与える。従って、多数
の導波路を備えた実施例は、高出力レーザーを案内する
ために必要な大きい出力容量を有するであろう。デバイ
ス10及び同様の実施例の制約はアルミニウム層32の加熱
によって規定される。アルミニウム層は導波路30の内部
から放射線を吸収し、約10dBの損失を与える。第13図に
基づいて後述する本発明のPINダイオードの実施例では
この制約を解消できる。デバイス10と後述するデバイス
の両方の利点は、所与のビーム案内性能に必要な電力が
極めて少なく、従来技術のデバイスよりもはるかに少な
いことである。
次に、記載済みの部分を同じ参照符号で示す第12図
は、本発明の２つのデバイス10a,10bの部分概略図であ
る。デバイス10a及び10bは、同一平面内に端面即ち導波
路出力面24a,24bを有するように編成されている。しか
しながら、導波路アレイは互いに直角に配置されてＴ形
構造を形成している。即ち導波路30bは、導波路30aを含
む水平面の中央の上方に垂直に順次配列されている。こ
の設計では、適当な導波路バイアス電圧で２つの方向で
案内可能なほぼ円形の主要回折極大が生じる。
は、本発明の２つのデバイス10a,10bの部分概略図であ
る。デバイス10a及び10bは、同一平面内に端面即ち導波
路出力面24a,24bを有するように編成されている。しか
しながら、導波路アレイは互いに直角に配置されてＴ形
構造を形成している。即ち導波路30bは、導波路30aを含
む水平面の中央の上方に垂直に順次配列されている。こ
の設計では、適当な導波路バイアス電圧で２つの方向で
案内可能なほぼ円形の主要回折極大が生じる。
第12図と同様のその他の設計も可能である。１つの可
能性はＬ形構造である。即ち、前記同様に２つのデバイ
ス10が、同一平面上に端面24を有し導波路が互いに垂直
になるように配置されるが、導波路が端端接続されてい
る。または、中空の方形を有するように４つのデバイス
を編成してもよい。または、４つのデバイス10を、２つ
のＬ形配置の頂点を互いに接続した構造と等価のＸ構造
に編成してもよい。いずれの場合にも４つのデバイス10
は中央支柱に集成される。導波路のバイアス電圧を調整
することによって対称性からの逸脱をある程度調整でき
る。実際、設計の幾何学的な逸脱が単なるバイアス電圧
の調整によって改善できることは本発明の重要な利点で
ある。導波路のバイアス電圧を変化させることによっ
て、デバイスの理想形からの幾何学的な逸脱によって生
じた導波路の出力位相のずれを補正し得る。
能性はＬ形構造である。即ち、前記同様に２つのデバイ
ス10が、同一平面上に端面24を有し導波路が互いに垂直
になるように配置されるが、導波路が端端接続されてい
る。または、中空の方形を有するように４つのデバイス
を編成してもよい。または、４つのデバイス10を、２つ
のＬ形配置の頂点を互いに接続した構造と等価のＸ構造
に編成してもよい。いずれの場合にも４つのデバイス10
は中央支柱に集成される。導波路のバイアス電圧を調整
することによって対称性からの逸脱をある程度調整でき
る。実際、設計の幾何学的な逸脱が単なるバイアス電圧
の調整によって改善できることは本発明の重要な利点で
ある。導波路のバイアス電圧を変化させることによっ
て、デバイスの理想形からの幾何学的な逸脱によって生
じた導波路の出力位相のずれを補正し得る。
第12図の構造、及び同様のＬ形、中空方形及びＸ形構
造は、前記のごとく構成された個々のデバイス10のアセ
ンブリから製造され得る。デバイス10を１つまたは複数
の別のデバイスに対して相対的に調整するために公知の
マイクロ操作装置を用いる。調整後、デバイスアセンブ
リを樹脂に封入し得る。かかるアセンブリの個々のデバ
イスは、組み合わせ光出力を観察することによって相対
的に位置決めされ得る。各デバイスは、導波路電圧調整
によって所与の回折像を生じるように編成され得る。
造は、前記のごとく構成された個々のデバイス10のアセ
ンブリから製造され得る。デバイス10を１つまたは複数
の別のデバイスに対して相対的に調整するために公知の
マイクロ操作装置を用いる。調整後、デバイスアセンブ
リを樹脂に封入し得る。かかるアセンブリの個々のデバ
イスは、組み合わせ光出力を観察することによって相対
的に位置決めされ得る。各デバイスは、導波路電圧調整
によって所与の回折像を生じるように編成され得る。
正確に相対位置決めされたデバイスから得られる２つ
の組み合わせ像は、予め設定可能な組み合わせ像を生じ
るであろう。従って、所望の組み合わせ像が得られるま
で一方のデバイスを他方のデバイスに対して相対移動さ
せるだけでよい。勿論、各デバイスの各導波路への光入
力がデバイスの作動中に変化しないことが重要である。
の組み合わせ像は、予め設定可能な組み合わせ像を生じ
るであろう。従って、所望の組み合わせ像が得られるま
で一方のデバイスを他方のデバイスに対して相対移動さ
せるだけでよい。勿論、各デバイスの各導波路への光入
力がデバイスの作動中に変化しないことが重要である。
アセンブリ中の個々のデバイス10は分岐ファイバ光結
合器を介して単一光源から入力光を受容し得る。
合器を介して単一光源から入力光を受容し得る。
次に第13図は、本発明の変形例150の一部を（案分比
例でない）部分斜視図で示す。デバイス150は、両側に
隣接溝154を備えた中央導波路152を有する。図を分かり
易くするために導波路を１つだけ図示したが、実際には
デバイス10に関して前述したように多数の導波路／溝構
造が使用される。
例でない）部分斜視図で示す。デバイス150は、両側に
隣接溝154を備えた中央導波路152を有する。図を分かり
易くするために導波路を１つだけ図示したが、実際には
デバイス10に関して前述したように多数の導波路／溝構
造が使用される。
デバイス150は、厚さ１μｍのｐ形GaAsバッファ層158
を担持するｐ形GaAs基板156を有する。層158は任意であ
り削除してもよい。この組み合わせに、Znドーパント濃
度５×1017cm-3を有するｐ形Ga0.9Al0.1Asから成る厚さ
１μｍの下部クラッディング層160が積層されている。
層160はドーパント濃度1015cm-3を有するπ形（非ドー
プだが残留ｐ形）GaAsの導波路162を担持している。層1
62は導波路152のコア層を形成しこの領域で厚さ１μｍ
である。また、溝154の底面を形成しこの領域では厚さ
0.2μｍである。Siドーパント濃度1017cm-3を有するｎ
形Ga0.9Al0.1Asから成る厚さ１μｍの上部クラッディン
グ層164が層162の導波路領域に積層されている。この層
はSiドーパント濃度３×1018cm-3を有する厚さ0.3μｍ
のn+GaAs層166を担持している。Au/Ge合金のオーミック
接触層168がn+層166を被覆している。
を担持するｐ形GaAs基板156を有する。層158は任意であ
り削除してもよい。この組み合わせに、Znドーパント濃
度５×1017cm-3を有するｐ形Ga0.9Al0.1Asから成る厚さ
１μｍの下部クラッディング層160が積層されている。
層160はドーパント濃度1015cm-3を有するπ形（非ドー
プだが残留ｐ形）GaAsの導波路162を担持している。層1
62は導波路152のコア層を形成しこの領域で厚さ１μｍ
である。また、溝154の底面を形成しこの領域では厚さ
0.2μｍである。Siドーパント濃度1017cm-3を有するｎ
形Ga0.9Al0.1Asから成る厚さ１μｍの上部クラッディン
グ層164が層162の導波路領域に積層されている。この層
はSiドーパント濃度３×1018cm-3を有する厚さ0.3μｍ
のn+GaAs層166を担持している。Au/Ge合金のオーミック
接触層168がn+層166を被覆している。
導波路152はPINダイオード構造を構成しており、層16
0、162及び164は夫々Ｐ、Ｉ及びＮ領域を構成してい
る。光はダイオードのＩ領域即ち層162に案内される。
動作中にダイオードは逆バイアスされ、層162のＩ領域
に高電界が生じる。多数の溝／導波路構造に拡張された
デバイス150の動作は、デバイス10に関して前述した動
作と同様である。デバイス150の利点は、デバイス10と
違って、透過された光強度の減衰を生じさせる導波路層
162と接触した金属層が存在しないことである。勿論、
吸収を阻止するために導波路コア層18とアルミニウム層
32との間に層164と等価の非ドープ上部クラッディング
層を導入することも可能である。
0、162及び164は夫々Ｐ、Ｉ及びＮ領域を構成してい
る。光はダイオードのＩ領域即ち層162に案内される。
動作中にダイオードは逆バイアスされ、層162のＩ領域
に高電界が生じる。多数の溝／導波路構造に拡張された
デバイス150の動作は、デバイス10に関して前述した動
作と同様である。デバイス150の利点は、デバイス10と
違って、透過された光強度の減衰を生じさせる導波路層
162と接触した金属層が存在しないことである。勿論、
吸収を阻止するために導波路コア層18とアルミニウム層
32との間に層164と等価の非ドープ上部クラッディング
層を導入することも可能である。
実用的なデバイス150の実施例では、多数の導波路152
と、背面26/28と導波路入力との間でデバイス10の背面
領域41と等価の入力領域に光結合された溝154とが組み
込まれるであろう。n+層166の存在によってデバイス150
の背面領域は、電極33とボンドパッド34との間の等価の
結線33を一緒に短絡させるであろうが、この解決は容易
である。各導波路152の光入力端で層166にノッチを設
け、このノッチを層164の途中まで到達させる。次にn+
層166の背面領域（導波路152でない処）をポリイミドの
ごとき誘電体で被覆し、ノッチにも該誘電体を充填す
る。前述のエレメント33/34と等価の金属化ボンドパッ
ド及びその結線を背面領域の誘電性被膜の上に形成し、
個々の導波路とのオーミック接触168との接続を維持し
て互いに絶縁させる。
と、背面26/28と導波路入力との間でデバイス10の背面
領域41と等価の入力領域に光結合された溝154とが組み
込まれるであろう。n+層166の存在によってデバイス150
の背面領域は、電極33とボンドパッド34との間の等価の
結線33を一緒に短絡させるであろうが、この解決は容易
である。各導波路152の光入力端で層166にノッチを設
け、このノッチを層164の途中まで到達させる。次にn+
層166の背面領域（導波路152でない処）をポリイミドの
ごとき誘電体で被覆し、ノッチにも該誘電体を充填す
る。前述のエレメント33/34と等価の金属化ボンドパッ
ド及びその結線を背面領域の誘電性被膜の上に形成し、
個々の導波路とのオーミック接触168との接続を維持し
て互いに絶縁させる。
第14図はデバイス150の好ましい設計パラメータを示
す。前記に記載の部分は同じ参照符号で示す。この図
は、デバイス150の端面170の斜視図であり、パラメータ
h1〜h4、w1及びw2を示す。デバイスは更に、図示しない
パラメータＬ、Ｄ及びＰを有する。h4以外のパラメータ
に関してはデバイス10において説明した。パラメータh
2、h3、w1、w2、Ｌ、Ｄ及びＰは表２に示した値であ
る。デバイス150のパラメータh1は、デバイス10のh1と
は異なる値であり、0.5λ〜1.0λの範囲である。パラメ
ータh4はn+層166の厚さであり、0.5λ以上でなければな
らない。
す。前記に記載の部分は同じ参照符号で示す。この図
は、デバイス150の端面170の斜視図であり、パラメータ
h1〜h4、w1及びw2を示す。デバイスは更に、図示しない
パラメータＬ、Ｄ及びＰを有する。h4以外のパラメータ
に関してはデバイス10において説明した。パラメータh
2、h3、w1、w2、Ｌ、Ｄ及びＰは表２に示した値であ
る。デバイス150のパラメータh1は、デバイス10のh1と
は異なる値であり、0.5λ〜1.0λの範囲である。パラメ
ータh4はn+層166の厚さであり、0.5λ以上でなければな
らない。
本発明の光ビーム案内装置は、光学的読取り及び書込
み用に使用され得る。書込みの際には、回折ビームを受
容する光感受性表面を有する前記の実施例のいずれかを
使用するだけでよい。不要な回折次数は導波路出力のコ
リメーションによって除去され得る。または、より密集
して実装されたより多数の導波路をデバイスに組み込ん
でもよい。この結果、より幅の狭い主要極大を得ること
ができ、副次的極大はより大きい回折角でシフトする。
み用に使用され得る。書込みの際には、回折ビームを受
容する光感受性表面を有する前記の実施例のいずれかを
使用するだけでよい。不要な回折次数は導波路出力のコ
リメーションによって除去され得る。または、より密集
して実装されたより多数の導波路をデバイスに組み込ん
でもよい。この結果、より幅の狭い主要極大を得ること
ができ、副次的極大はより大きい回折角でシフトする。
第15図は、本発明のデバイス10を組み込んだ光読取装
置の概略平面図を示す。光読取装置全体が符号180で示
される。読取装置180は、デバイス10から焦点距離f1だ
け離間した第１の球面レンズ182を有する。デバイス10
からでた光はレンズ182を介して傾斜45゜のビームスプ
リッタ184に入り、そこから焦点距離f1の円柱レンズに
入る。レンズ186の湾曲軸は図の平面内に存在し、レン
ズの中心とデバイス10とを結ぶ線に垂直である。光はレ
ンズ186を経由し、読取るべきデータを記憶した光ディ
スク188に入る。レンズ186/ディスク188の離間距離はf1
に等しい。ディスク188から反射された光はレンズ186を
通って戻り、ビームスプリッタ184で反射される。焦点
距離f2の第３のレンズ190が、ビームスプリッタ184から
の光をGaInAs光ダイオードデテクタ192の40μｍ×10μ
ｍの大きさの光感受性領域（図示せず）に集束する（f1
＝f2の場合）。レンズ190/光ダイオード間はf2に等し
い。
置の概略平面図を示す。光読取装置全体が符号180で示
される。読取装置180は、デバイス10から焦点距離f1だ
け離間した第１の球面レンズ182を有する。デバイス10
からでた光はレンズ182を介して傾斜45゜のビームスプ
リッタ184に入り、そこから焦点距離f1の円柱レンズに
入る。レンズ186の湾曲軸は図の平面内に存在し、レン
ズの中心とデバイス10とを結ぶ線に垂直である。光はレ
ンズ186を経由し、読取るべきデータを記憶した光ディ
スク188に入る。レンズ186/ディスク188の離間距離はf1
に等しい。ディスク188から反射された光はレンズ186を
通って戻り、ビームスプリッタ184で反射される。焦点
距離f2の第３のレンズ190が、ビームスプリッタ184から
の光をGaInAs光ダイオードデテクタ192の40μｍ×10μ
ｍの大きさの光感受性領域（図示せず）に集束する（f1
＝f2の場合）。レンズ190/光ダイオード間はf2に等し
い。
光読取装置180は以下のごとく動作する。第１レンズ1
82によってデバイス10からの光を平行にしコリメートし
て不要な副次的極大を除去する。円柱レンズ186はディ
スク188の表面の小スポットに光を集束する。即ちレン
ズ186は、第11図のごとく発生する筈のデバイス10の平
面に垂直な方向のビームの発散を消去させる。デバイス
10の導波路出力の実像が第３レンズ190によってデテク
タ192の表面に形成される。像の大きさはデバイス10の
光出力領域の大きさのf2/f1倍である。入射光が集束さ
れる場所で光ディスクが反射性であるか否かに従って、
像の強度に高低が生じる。従ってデテクタ192は、ディ
スク188の当該場所の符号化ビット値に対応して高い値
または低い値になるディジタル電圧出力を与える。デバ
イス10に印加される導波路電圧を変化させることによっ
て光焦点が１方向に（図の平面内で）走査される。この
結果、ディスク188の隣接する符号化ビットが順次読取
られ、デテクタ192から出力される。別の情報を読取る
ために引き続いてディスク188を回転させる。第12図の
装置を使用すると２次元の電気光学的読取りが可能なの
でディスク188を回転させる必要がない。
82によってデバイス10からの光を平行にしコリメートし
て不要な副次的極大を除去する。円柱レンズ186はディ
スク188の表面の小スポットに光を集束する。即ちレン
ズ186は、第11図のごとく発生する筈のデバイス10の平
面に垂直な方向のビームの発散を消去させる。デバイス
10の導波路出力の実像が第３レンズ190によってデテク
タ192の表面に形成される。像の大きさはデバイス10の
光出力領域の大きさのf2/f1倍である。入射光が集束さ
れる場所で光ディスクが反射性であるか否かに従って、
像の強度に高低が生じる。従ってデテクタ192は、ディ
スク188の当該場所の符号化ビット値に対応して高い値
または低い値になるディジタル電圧出力を与える。デバ
イス10に印加される導波路電圧を変化させることによっ
て光焦点が１方向に（図の平面内で）走査される。この
結果、ディスク188の隣接する符号化ビットが順次読取
られ、デテクタ192から出力される。別の情報を読取る
ために引き続いてディスク188を回転させる。第12図の
装置を使用すると２次元の電気光学的読取りが可能なの
でディスク188を回転させる必要がない。
光読取装置180またはその他の用途でビームの案内ま
たは走査を行なうために、デバイス10の各導波路30の出
力位相をディジタル電子制御してもよい。逐次走査を反
復する場合、各導波路は夫々のメモリからディジタル導
波路電圧を受信する夫々のディジタル／アナログコンバ
ータ（D/A）から一連のバイアス電圧を受容する。これ
に応じて、メモリに与えられるクロック信号は導波路出
力ビームの位相値を順次生成する。従って、全部のメモ
リが同期的にクロックされると、第４図及び第５図に関
して前記に説明したようにデバイス10の遠視野回折像に
主極大位置が順次出現する。
たは走査を行なうために、デバイス10の各導波路30の出
力位相をディジタル電子制御してもよい。逐次走査を反
復する場合、各導波路は夫々のメモリからディジタル導
波路電圧を受信する夫々のディジタル／アナログコンバ
ータ（D/A）から一連のバイアス電圧を受容する。これ
に応じて、メモリに与えられるクロック信号は導波路出
力ビームの位相値を順次生成する。従って、全部のメモ
リが同期的にクロックされると、第４図及び第５図に関
して前記に説明したようにデバイス10の遠視野回折像に
主極大位置が順次出現する。
第15図のデバイス180のデテクタ192は少なくとも5GHz
の動作速度が可能な公知のデテクタである。キャパシタ
ンス条件から考慮すると、デバイス10は1GHz以上の速度
で印加導波路電圧に応答し得る。導波路電圧を与えるた
めにメモリ及びD/Aコンバータを使用すると、公知のデ
ィジタル電子素子で0.3GHzまでのメモリクロック速度を
出現し得る。光ビーム案内速度の限定要因は従来の電子
素子にあり、本発明には起因しない。
の動作速度が可能な公知のデテクタである。キャパシタ
ンス条件から考慮すると、デバイス10は1GHz以上の速度
で印加導波路電圧に応答し得る。導波路電圧を与えるた
めにメモリ及びD/Aコンバータを使用すると、公知のデ
ィジタル電子素子で0.3GHzまでのメモリクロック速度を
出現し得る。光ビーム案内速度の限定要因は従来の電子
素子にあり、本発明には起因しない。
次に案分比例でない第16図は、１〜Ｎ方向スイッチと
考えてもよい本発明の別のデバイス200の概略図であ
る。デバイス200は平面図で示されており、第１図の順
次積層（図示せず）を有する半導体多層構造である。
考えてもよい本発明の別のデバイス200の概略図であ
る。デバイス200は平面図で示されており、第１図の順
次積層（図示せず）を有する半導体多層構造である。
デバイス200は、光入力縁202と両端が閉鎖された第１
組の溝204（斜線領域）とを有する。溝間領域にビーム
案内導波路206が形成され、前述のごとく（図示しな
い）埋設された導波路下部クラッディング層までエッチ
ングされている。分かり易いように、５つの溝204と４
つの導波路206とだけを図示するが、デバイス200は、第
１図及び第６図から第９図に関して説明したデバイス10
と同様に10個の導波路を有する。溝204は入力縁202から
0.3mm離間し、両者間に光拡大領域208が存在する。入力
光が溝204にバイパスされないように、（図示しない）
開口停止手段を設けてもよい。溝及び導波路の寸法は表
２に示した値である。導波路206は、ボンドパッド212に
接続された電極210を有し、電極及びボンドパッドは各
２つずつ図示されている。エレメント202〜212はデバイ
ス10と等価のビーム案内デバイス214を形成する。
組の溝204（斜線領域）とを有する。溝間領域にビーム
案内導波路206が形成され、前述のごとく（図示しな
い）埋設された導波路下部クラッディング層までエッチ
ングされている。分かり易いように、５つの溝204と４
つの導波路206とだけを図示するが、デバイス200は、第
１図及び第６図から第９図に関して説明したデバイス10
と同様に10個の導波路を有する。溝204は入力縁202から
0.3mm離間し、両者間に光拡大領域208が存在する。入力
光が溝204にバイパスされないように、（図示しない）
開口停止手段を設けてもよい。溝及び導波路の寸法は表
２に示した値である。導波路206は、ボンドパッド212に
接続された電極210を有し、電極及びボンドパッドは各
２つずつ図示されている。エレメント202〜212はデバイ
ス10と等価のビーム案内デバイス214を形成する。
第２組の８つの溝220は、埋設クラッディング層まで
エッチングされた７つの受容導波路222を形成してい
る。受容導波路222はビーム案内導波路206から光を受容
するように設計され、長さ1.8mmの溝のない中央領域224
によって導波路206から隔てられている。溝220及び導波
路222は長さ3mmで幅10μｍであり、深さ方向の寸法に関
しては溝204及び導波路206と同様である。受容導波路22
2は縁226を有するデバイス200の端面で終了し、ここか
ら光出力が得られる。点線228で示すように、デバイス2
14の中央は中央の受容導波路2220に軸合わせされてい
る。線228は非偏向出力ビームの方向に対応する。
エッチングされた７つの受容導波路222を形成してい
る。受容導波路222はビーム案内導波路206から光を受容
するように設計され、長さ1.8mmの溝のない中央領域224
によって導波路206から隔てられている。溝220及び導波
路222は長さ3mmで幅10μｍであり、深さ方向の寸法に関
しては溝204及び導波路206と同様である。受容導波路22
2は縁226を有するデバイス200の端面で終了し、ここか
ら光出力が得られる。点線228で示すように、デバイス2
14の中央は中央の受容導波路2220に軸合わせされてい
る。線228は非偏向出力ビームの方向に対応する。
デバイス200は、以下のごとく動作する。矢印230で示
される光は縁202を有する端面に集束される。光は、拡
大領域208で発散し、ビーム案内用導波路206に到達す
る。中央領域224に導波路206から出力されるビームは、
電極210に印加される電圧によって方向制御される。第
４図及び第５図に関して前述したように、デバイス214
からでた中央回折極大は＋10゜〜−10゜までの20゜の範
囲にわたって案内可能である。非偏向出力方向228に対
する10゜の角度は、受容導波路222で80μｍ以上の偏向
に対応する。しかしながら、中央受容導波路2200から最
も外側の導波路までの偏向は60μｍの偏向しか要しな
い。更に、デバイス214はバンド幅1.5゜を有し、この幅
は受容導波路222の各々がビーム案内導波路206に対して
形成する角度にほぼ等しい。従って、デバイス214から
の出力ビームは一度に１つだけの受容導波路222によっ
て受容され、ビームはボンドパッド21に適当な電圧を印
加することによって受容導波路のいずれか１つにスイッ
チングされ得る。従ってデバイスは、電子的に作動する
１〜７方向光学スイッチとして機能する。
される光は縁202を有する端面に集束される。光は、拡
大領域208で発散し、ビーム案内用導波路206に到達す
る。中央領域224に導波路206から出力されるビームは、
電極210に印加される電圧によって方向制御される。第
４図及び第５図に関して前述したように、デバイス214
からでた中央回折極大は＋10゜〜−10゜までの20゜の範
囲にわたって案内可能である。非偏向出力方向228に対
する10゜の角度は、受容導波路222で80μｍ以上の偏向
に対応する。しかしながら、中央受容導波路2200から最
も外側の導波路までの偏向は60μｍの偏向しか要しな
い。更に、デバイス214はバンド幅1.5゜を有し、この幅
は受容導波路222の各々がビーム案内導波路206に対して
形成する角度にほぼ等しい。従って、デバイス214から
の出力ビームは一度に１つだけの受容導波路222によっ
て受容され、ビームはボンドパッド21に適当な電圧を印
加することによって受容導波路のいずれか１つにスイッ
チングされ得る。従ってデバイスは、電子的に作動する
１〜７方向光学スイッチとして機能する。
光は、受容導波路222の終点となる端面26でデバイス2
00から放出される。光は、ボンドパッド電圧に従って選
択された導波路222の１つに閉じ込められる。デバイス2
00は、付加的な光学処理または電気光学的処理を組み込
んだより大きい（図示しない）半導体チップまたはウェ
ーハの一部でもよい。特に、受容導波管222の終点が、
以後の処理用電気信号を与える夫々のデテクタであって
もよい。
00から放出される。光は、ボンドパッド電圧に従って選
択された導波路222の１つに閉じ込められる。デバイス2
00は、付加的な光学処理または電気光学的処理を組み込
んだより大きい（図示しない）半導体チップまたはウェ
ーハの一部でもよい。特に、受容導波管222の終点が、
以後の処理用電気信号を与える夫々のデテクタであって
もよい。
次に、第17図は、デバイス200の受容導波路構造の変
形例230を示す。構造230は、個別導波路232を有する。
中央導波路2320は真っ直ぐであるが、その他の導波路23
4は湾曲した入力領域と真っ直ぐな領域とを有し、入力
領域の湾曲の効果は、以後の光学的及び／または電気光
学的処理に適するように隣接導波管出力238の間の分離
を強化することである。これはまた、特に広い偏向角の
受容導波路による高い光収集効率を確保する。
形例230を示す。構造230は、個別導波路232を有する。
中央導波路2320は真っ直ぐであるが、その他の導波路23
4は湾曲した入力領域と真っ直ぐな領域とを有し、入力
領域の湾曲の効果は、以後の光学的及び／または電気光
学的処理に適するように隣接導波管出力238の間の分離
を強化することである。これはまた、特に広い偏向角の
受容導波路による高い光収集効率を確保する。
本発明の実施例であるデバイス10及び150は、２種以
上の半導体材料を含むヘテロ構造であり、夫々非ドープ
の導波路30及び152を有する。しかしながら本発明の実
施例が、電気光学適特性を強化し且つより短い導波路を
使用できるドープ導波路を組み込むように設計されても
よい。GaAs導波路にはSiを濃度1017cm-3でドープし得
る。または各導波路が、多重量子井戸構造でもよく、こ
れも電気光学的特性を改良し得る。
上の半導体材料を含むヘテロ構造であり、夫々非ドープ
の導波路30及び152を有する。しかしながら本発明の実
施例が、電気光学適特性を強化し且つより短い導波路を
使用できるドープ導波路を組み込むように設計されても
よい。GaAs導波路にはSiを濃度1017cm-3でドープし得
る。または各導波路が、多重量子井戸構造でもよく、こ
れも電気光学的特性を改良し得る。
本発明はまた、例えばシリコンに半導体ヘテロ構造と
して形成されてもよい。シリコンは一次電気光学効果を
有していないが、二次効果及びドーピング効果を使用し
得る。低屈折率の媒質と境界を接したコアを有する導波
路を形成する必要があり、ドーピングの増加によって屈
折率を低下させ得る。可能なシリコン構造の１つはp+−
n-−n+構造であり、軽度にドープされた中央導波路領域
が、縮退的に（〜1018cm-3に）ドープされた互いに反対
の導電形を有する層の間にサンドイッチされている。水
平面内で導波路は前述の実施例と同様の中間溝によって
分離されている。または、分離領域自体が屈折率を低下
するようにドープされてもよい。しかしながら、この場
合には、導波路電極が短絡しないように、導波路電極を
分離用領域から絶縁する必要がある。ドーピングレベル
の変化及び／または絶縁はプロトン絶縁法（proton iso
lation technique）によって得られる。
して形成されてもよい。シリコンは一次電気光学効果を
有していないが、二次効果及びドーピング効果を使用し
得る。低屈折率の媒質と境界を接したコアを有する導波
路を形成する必要があり、ドーピングの増加によって屈
折率を低下させ得る。可能なシリコン構造の１つはp+−
n-−n+構造であり、軽度にドープされた中央導波路領域
が、縮退的に（〜1018cm-3に）ドープされた互いに反対
の導電形を有する層の間にサンドイッチされている。水
平面内で導波路は前述の実施例と同様の中間溝によって
分離されている。または、分離領域自体が屈折率を低下
するようにドープされてもよい。しかしながら、この場
合には、導波路電極が短絡しないように、導波路電極を
分離用領域から絶縁する必要がある。ドーピングレベル
の変化及び／または絶縁はプロトン絶縁法（proton iso
lation technique）によって得られる。
本発明は、GaAlAs以外のIII−Ｖ族材料系、例えばGaI
nAsPによって製造され得る。また、CdTe及びCdHgTeのご
ときII−VI族半導体材料によって製造され得る。CdTeは
GaAsの約４倍のかなり強力な電気光学効果を与え、CdHg
Te材料系はより長い波長の赤外領域に適している。ZnSe
導波路は約500nmの可視波長の青−緑領域に使用され得
る。
nAsPによって製造され得る。また、CdTe及びCdHgTeのご
ときII−VI族半導体材料によって製造され得る。CdTeは
GaAsの約４倍のかなり強力な電気光学効果を与え、CdHg
Te材料系はより長い波長の赤外領域に適している。ZnSe
導波路は約500nmの可視波長の青−緑領域に使用され得
る。
前記に説明した本発明のデバイス10は波長1.06μｍで
動作する。より一般的には、同様の方法で同じ材料から
製造され異なる幾何学形の導波路を有するデバイスは、
12μｍまでの波長に使用するように構成され得る。この
ためにはより長い導波路が必要であろうが、これは、従
来のリソグラフィー技術の範囲で処理できる。この種の
デバイスは、３〜５μｍ及び８〜11μｍの領域で動作す
る赤外線システムでも使用可能であろう。
動作する。より一般的には、同様の方法で同じ材料から
製造され異なる幾何学形の導波路を有するデバイスは、
12μｍまでの波長に使用するように構成され得る。この
ためにはより長い導波路が必要であろうが、これは、従
来のリソグラフィー技術の範囲で処理できる。この種の
デバイスは、３〜５μｍ及び８〜11μｍの領域で動作す
る赤外線システムでも使用可能であろう。
前記では本発明の用途がビーム案内に限定されてい
る。更に、デバイスの導波路を進行する光に強度変調を
与え回折から生じるフーリエ変換特性を利用することに
よってデバイスを光信号処理にも使用できる。デバイス
10はまた、GaAsが電界吸収性を示す波長、即ち波長１μ
ｍで動作するときは吸収変調器を構成し得る。この場合
デバイスは、振幅または位相を制御する空間光変調器と
して機能する。本発明はまた、超小型光学分光計を構成
し得る。デバイス10を例えば単一受容導波路で使用して
もよく、回折像のビーム案内は受容導波路の入力光の波
長走査を生じるであろう。または、単一波長で動作する
装置は、ビーム偏向または幅制御を使用して受容導波路
で光強度の変調を生じるプログラム可能な光学波形発生
器を構成することも可能であろう。
る。更に、デバイスの導波路を進行する光に強度変調を
与え回折から生じるフーリエ変換特性を利用することに
よってデバイスを光信号処理にも使用できる。デバイス
10はまた、GaAsが電界吸収性を示す波長、即ち波長１μ
ｍで動作するときは吸収変調器を構成し得る。この場合
デバイスは、振幅または位相を制御する空間光変調器と
して機能する。本発明はまた、超小型光学分光計を構成
し得る。デバイス10を例えば単一受容導波路で使用して
もよく、回折像のビーム案内は受容導波路の入力光の波
長走査を生じるであろう。または、単一波長で動作する
装置は、ビーム偏向または幅制御を使用して受容導波路
で光強度の変調を生じるプログラム可能な光学波形発生
器を構成することも可能であろう。
本発明はまた、第16図のデバイス200と同様の波長多
重化分離デバイス（wavelength demultiplexing devic
e）を提供し得る。個々の波長の混合から成る光ビーム
が導波路206を通過する。このとき、各受容導波路222が
夫々の単一波長を受容するように導波路電圧を調整す
る。これにより出発多重波長ビームは、単一波長を各々
が有する個別ビームに分割され、その結果として多重化
分離が得られる。
重化分離デバイス（wavelength demultiplexing devic
e）を提供し得る。個々の波長の混合から成る光ビーム
が導波路206を通過する。このとき、各受容導波路222が
夫々の単一波長を受容するように導波路電圧を調整す
る。これにより出発多重波長ビームは、単一波長を各々
が有する個別ビームに分割され、その結果として多重化
分離が得られる。
前述の本発明の実施例において、デバイス10の導波路
30からの光出力は平面波の形状であり、この波形は、導
波路バイアス電圧の調整によって得られたものである。
光学素子または器具における収差を補正するために１つ
以上の光焦点を生成させるのが必要な場合には、バイア
ス電圧制御によって平面でない波面を発生させることも
可能である。波面の形状に関する制御は、アレイ中の導
波路の数を増加させ、これら導波路の幅及び間隔を小さ
くすることによって強化される。波長1.06μｍで使用す
るための波面制御アレイは、各々が幅１μｍ未満の数10
0個の導波路を隣合う導波路間の中心間距離２μｍ未満
で組み込むように構成され得る。このような基準を用い
ると、高次の回折がアレイの照準線（非偏向）方向に対
して広い角度を成すことが確保される。従って、高次の
回折が主要な光ビームと干渉しない。各導波路の不連続
性は問題にならない。これらの条件下にアレイは、電子
的に制御される光波面発生器として作用するようにバイ
アスされ得る。隣合う導波路間のピッチ即ち中心間距離
が自由空間光学波長の1/2以下に等しいとき、アレイ中
の導波路の不連続性は完全に無視してよく、より高次の
回折は存在しなくなる。
30からの光出力は平面波の形状であり、この波形は、導
波路バイアス電圧の調整によって得られたものである。
光学素子または器具における収差を補正するために１つ
以上の光焦点を生成させるのが必要な場合には、バイア
ス電圧制御によって平面でない波面を発生させることも
可能である。波面の形状に関する制御は、アレイ中の導
波路の数を増加させ、これら導波路の幅及び間隔を小さ
くすることによって強化される。波長1.06μｍで使用す
るための波面制御アレイは、各々が幅１μｍ未満の数10
0個の導波路を隣合う導波路間の中心間距離２μｍ未満
で組み込むように構成され得る。このような基準を用い
ると、高次の回折がアレイの照準線（非偏向）方向に対
して広い角度を成すことが確保される。従って、高次の
回折が主要な光ビームと干渉しない。各導波路の不連続
性は問題にならない。これらの条件下にアレイは、電子
的に制御される光波面発生器として作用するようにバイ
アスされ得る。隣合う導波路間のピッチ即ち中心間距離
が自由空間光学波長の1/2以下に等しいとき、アレイ中
の導波路の不連続性は完全に無視してよく、より高次の
回折は存在しなくなる。
第18図から第21図は、それぞれの光学波面を生成する
種々の導波路バイアス条件下の導波路アレイ300の概略
図である。これらの図中、同じ素子は同じ参照符号で示
される。波長1.06μｍの光を使用する緊密に接近した
（＞２μｍ）幅の狭い（＜１μｍ）数100個の導波路を
含むアレイによる波面制御が示される。第18図におい
て、（詳細には図示しない）アレイ導波路に沿って進行
する光301は、符号302で示すような平面波状の光出力波
面を生成する。これらは矢印304で示すように、アレイ
照準線方向即ち非偏向方向に対して傾斜した方向に進行
する。非偏向方向306に対して傾斜した平面波302は、導
波路出力の位相がアレイ300の横断方向の距離の一次関
数として変化するときに得られる。
種々の導波路バイアス条件下の導波路アレイ300の概略
図である。これらの図中、同じ素子は同じ参照符号で示
される。波長1.06μｍの光を使用する緊密に接近した
（＞２μｍ）幅の狭い（＜１μｍ）数100個の導波路を
含むアレイによる波面制御が示される。第18図におい
て、（詳細には図示しない）アレイ導波路に沿って進行
する光301は、符号302で示すような平面波状の光出力波
面を生成する。これらは矢印304で示すように、アレイ
照準線方向即ち非偏向方向に対して傾斜した方向に進行
する。非偏向方向306に対して傾斜した平面波302は、導
波路出力の位相がアレイ300の横断方向の距離の一次関
数として変化するときに得られる。
第19図は、非偏向方向306から偏移した焦点312に集束
する湾曲波面310を発生させるアレイ300を示す。波面31
0は、導波路の出力位相がアレイ300にわたって非線形の
単調変化を示すように導波路をバイアスさせることによ
って発生する。このような集束は、アレイ300と回折像
のメインローブ形成との間の距離を短縮するために使用
される。また、サイドローブはある程度抑制される。第
20図は、同様の状態を示すが、ここではアレイ300が、
夫々の焦点324及び326に集束する独立した２組の湾曲波
面320及び322を形成する。この場合、アレイ300は２つ
の部分で有効である。各部分で導波路の出力位相は非線
形の単調変化を生じる。
する湾曲波面310を発生させるアレイ300を示す。波面31
0は、導波路の出力位相がアレイ300にわたって非線形の
単調変化を示すように導波路をバイアスさせることによ
って発生する。このような集束は、アレイ300と回折像
のメインローブ形成との間の距離を短縮するために使用
される。また、サイドローブはある程度抑制される。第
20図は、同様の状態を示すが、ここではアレイ300が、
夫々の焦点324及び326に集束する独立した２組の湾曲波
面320及び322を形成する。この場合、アレイ300は２つ
の部分で有効である。各部分で導波路の出力位相は非線
形の単調変化を生じる。
第21図は、光学素子330の収差を補償するように編成
されたアレイ300を示す。素子330は、平坦面332と一部
凸状及び一部凹状の第２面334とを有する。このため、
素子を通過する（図示しない）平面波に波面の歪みが必
然的に生じる。個々の導波路のアレイ出力位相は、アレ
イ300が、平面波でない出力波面336を与えるように制御
される。波面336は、素子330によって平面波に与えられ
る位相変化に共役の位相変化を有するように構成されて
いる。波面336が素子330を通過すると、その位相変化が
相殺され平面波338が生じる。または、アレイ300が素子
330によって与えられる位相歪みに共役の位相歪みが重
畳された収束波に対応する波面を生成するように構成さ
れてもよい。この場合、素子330から放出される波面は
収束性である。
されたアレイ300を示す。素子330は、平坦面332と一部
凸状及び一部凹状の第２面334とを有する。このため、
素子を通過する（図示しない）平面波に波面の歪みが必
然的に生じる。個々の導波路のアレイ出力位相は、アレ
イ300が、平面波でない出力波面336を与えるように制御
される。波面336は、素子330によって平面波に与えられ
る位相変化に共役の位相変化を有するように構成されて
いる。波面336が素子330を通過すると、その位相変化が
相殺され平面波338が生じる。または、アレイ300が素子
330によって与えられる位相歪みに共役の位相歪みが重
畳された収束波に対応する波面を生成するように構成さ
れてもよい。この場合、素子330から放出される波面は
収束性である。
第18図に示す平面波を中央方向306の両側に偏向角20
゜以下で発生させるためには、アレイから距離ｓの有効
バンド幅ｂの近似値は、式 〔式中、ｄはアレイの幅（導波路の中心間距離の和）、
λは自由空間波長〕で計算できる。
゜以下で発生させるためには、アレイから距離ｓの有効
バンド幅ｂの近似値は、式 〔式中、ｄはアレイの幅（導波路の中心間距離の和）、
λは自由空間波長〕で計算できる。
第19図のごとき集束のためには、回折限定バンド幅
ｂ′の近似値は、式 で計算できる。
ｂ′の近似値は、式 で計算できる。
式（７）及び（８）は、アレイ幅ｄに比較して回折限
定バンド幅ｂ′が小さい距離ｓでビーム集束が生じるの
が有利であることを示す。例えば、ｄ＝1cmでλ＝10-4c
m（１μｍ）の場合、ｓ＝300cmならば、ｂ＝1.0cm及び
ｂ′＝0.035cmであるが、ｓ＝104cmではｂ＝2.2cm及び
ｂ′＝1.2cmである。
定バンド幅ｂ′が小さい距離ｓでビーム集束が生じるの
が有利であることを示す。例えば、ｄ＝1cmでλ＝10-4c
m（１μｍ）の場合、ｓ＝300cmならば、ｂ＝1.0cm及び
ｂ′＝0.035cmであるが、ｓ＝104cmではｂ＝2.2cm及び
ｂ′＝1.2cmである。
本発明のデバイスによる位相制御集束の利点は、照明
強度を増加し且つアレイから遠い走査視野でより微細な
細部をアドレスするのが可能なことである。これは、撮
像（imaging）及び光学的記憶装置において重要な利点
である。更に、焦点の位置は、照準線方向からの偏向及
びアレイからの距離（ズーミング）の双方に関して変更
し得る。ズーミング即ち焦点距離の変更によって、物体
から反射された光強度の変化率の測定値から遠視野の物
体の範囲を確認し得る。または、パルス−エコー法を使
用してもよい。この方法では、光パルスの発信と着信と
の間の時間遅延を測定する。
強度を増加し且つアレイから遠い走査視野でより微細な
細部をアドレスするのが可能なことである。これは、撮
像（imaging）及び光学的記憶装置において重要な利点
である。更に、焦点の位置は、照準線方向からの偏向及
びアレイからの距離（ズーミング）の双方に関して変更
し得る。ズーミング即ち焦点距離の変更によって、物体
から反射された光強度の変化率の測定値から遠視野の物
体の範囲を確認し得る。または、パルス−エコー法を使
用してもよい。この方法では、光パルスの発信と着信と
の間の時間遅延を測定する。
第19図に示すアレイ300の集束作用によれば、より狭
い受容波長を使用できるので、１〜Ｎ方向スイッチ（第
16図参照）の場合にも有利であろう。
い受容波長を使用できるので、１〜Ｎ方向スイッチ（第
16図参照）の場合にも有利であろう。
次に第22図は、全体を符号400で示すアナログ−ディ
ジタルコンバータ（ADC）の形態の本発明の別の実施例
の概略説明図である。ADC400は第１図と同様の光ビーム
案内デバイス402を組み込んでいるが、デバイスの長さ
が延長されまた異なる電極構造を有している。デバイス
402は７つの電気光学的導波路を有しており、各導波路
の内側領域が点線W1〜W7で示されている。導波路Wn（ｎ
＝１〜７）の各々に夫々の位相校正電極CNと位相変更電
極Vnとが装着され、各電極対Cn−Vnはどの場合にも、各
導波路の長手方向の互いに対向する両端に配置されてい
る。校正電極C1〜C7は等しい長さを有しているが位相変
更電極V1〜V7は導波路番号ｎに比例する長さを有してい
る。即ち、電極Vnの長さはｎに比例している。位相変更
電極は、（図示しない）導波路間の溝にまたがって配置
されたＢのごときブリッジリンクによって一緒に接続さ
れ、共通ボンドパッドＰに接続されている。電圧入力IP
はボンドパッドＰに接続されている。校正電極C1〜C7
は、第１図に符号33−34で示すような（図示しない）夫
々のボンドパッドへの個別の結線を有する。
ジタルコンバータ（ADC）の形態の本発明の別の実施例
の概略説明図である。ADC400は第１図と同様の光ビーム
案内デバイス402を組み込んでいるが、デバイスの長さ
が延長されまた異なる電極構造を有している。デバイス
402は７つの電気光学的導波路を有しており、各導波路
の内側領域が点線W1〜W7で示されている。導波路Wn（ｎ
＝１〜７）の各々に夫々の位相校正電極CNと位相変更電
極Vnとが装着され、各電極対Cn−Vnはどの場合にも、各
導波路の長手方向の互いに対向する両端に配置されてい
る。校正電極C1〜C7は等しい長さを有しているが位相変
更電極V1〜V7は導波路番号ｎに比例する長さを有してい
る。即ち、電極Vnの長さはｎに比例している。位相変更
電極は、（図示しない）導波路間の溝にまたがって配置
されたＢのごときブリッジリンクによって一緒に接続さ
れ、共通ボンドパッドＰに接続されている。電圧入力IP
はボンドパッドＰに接続されている。校正電極C1〜C7
は、第１図に符号33−34で示すような（図示しない）夫
々のボンドパッドへの個別の結線を有する。
パルス化レーザ404は、ビームスプリッタ408を介して
デバイス402に入る光ビーム406を発生する。レーザ強度
の一部はビームスプリッタ408によって偏向されて基準
ビーム410を形成する。デバイス402に入射する光は、鎖
線412で示すように導波路W1〜W7の（図示しない）入力
端に発散する。導波路からの光出力は例えば線414によ
って示されており、レンズ416によってデテクタの垂直
平面状アレイ418に集束される。デテクタの１つの水平
線だけが図示されている。個々のデテクタは符号Ｄに添
え字１〜７を付けて示す。デテクタアレイ418からの出
力信号はディジタル電子プロセッサ420に入る。基準ビ
ーム410はミラー422及び424によって基準デテクタの
（図示しない）アレイに反射される。各基準デテクタ
は、夫々のデテクタD1〜D7と対を成す。図は、デテクタ
D7に対応する基準デテクタDRを示しているが、図を複雑
にしないためにその他の基準デテクタは省略されてい
る。D7/DRのごときデテクタ対の各々は、プロセッサ420
に組み込まれた夫々の比較器に接続されている。このよ
うな比較器の１つを符号426で示す。各比較器は高速デ
バイスである。
デバイス402に入る光ビーム406を発生する。レーザ強度
の一部はビームスプリッタ408によって偏向されて基準
ビーム410を形成する。デバイス402に入射する光は、鎖
線412で示すように導波路W1〜W7の（図示しない）入力
端に発散する。導波路からの光出力は例えば線414によ
って示されており、レンズ416によってデテクタの垂直
平面状アレイ418に集束される。デテクタの１つの水平
線だけが図示されている。個々のデテクタは符号Ｄに添
え字１〜７を付けて示す。デテクタアレイ418からの出
力信号はディジタル電子プロセッサ420に入る。基準ビ
ーム410はミラー422及び424によって基準デテクタの
（図示しない）アレイに反射される。各基準デテクタ
は、夫々のデテクタD1〜D7と対を成す。図は、デテクタ
D7に対応する基準デテクタDRを示しているが、図を複雑
にしないためにその他の基準デテクタは省略されてい
る。D7/DRのごときデテクタ対の各々は、プロセッサ420
に組み込まれた夫々の比較器に接続されている。このよ
うな比較器の１つを符号426で示す。各比較器は高速デ
バイスである。
ADC400は以下のごとく動作する。入力IPはアース電位
に接続され、校正電極C1〜C7は夫々のバイアス電位に接
続され、出力光414をレンズ416によってデテクタD0に集
束させる。これは校正手順であり、以後、校正電極のバ
イアス電位は固定値に維持される。次に、アナログ電圧
VAを位相変更電極V1〜V7の入力IPに印加する。電極V1〜
V7の全部がブリッジリンクＢを介して前記電圧を受容す
る。ｎ番目の電極Vn（ｎ＝１〜７）の長さは導波路の番
号ｎに比例する。従って、電界が作用している（従って
電気光学的に屈折率変化が誘発される）ｎ番目の導波路
のWnの長さはｎに比例する。これらの条件下にレンズ41
6によってデテクタアレイ418に生成されたビーム形状は
実質的に維持されるが、出力光ビーム414は図示のごと
く角θだけ方向調整して案内される。更に、θは入力電
圧VAに正比例する。これは、近似値ではθ＝sinθを意
味し、一般に光学器械に適している。デテクタアレイ41
8では、ビーム焦点がVAに比例する距離だけデテクタD0
から逸脱する。即ちｍがVAに比例するとき、焦点はデテ
クタDmに到達する（ｍ＝０〜７）。従って、デテクタD0
〜D7のいずれが照明されたかを同定することによってVA
の測定値が得られる。前述のごとく、各デテクタは例え
ばD7/DRのごとく基準デテクタと対を成し、レーザ404か
らの入力光はパルス化されている。各レーザパルスはビ
ームスプリッタ408によって２部に分割される。レーザ
パルスが存在しないときは、デテクタ対D7/DRは同様の
信号を比較器426に出力し、比較器426は出力零を発生す
る。レーザパルスがDRのごとき基準デテクタに到達する
と、該デテクタの出力は零でない。この出力信号は、入
力の（図示しない）電位除算器で除算されて比較器426
に与えられ、中間的な値の比較器出力電圧レベルを与え
る。光ビーム414がD7のごときデテクタに集束されると
高い比較器出力電圧レベルが生じる。その結果、比較器
はレーザパルスの有無を識別し、デテクタD0〜D7のいず
れが照明されたかを示す。ｍ番目のデテクタDmの照明
は、ｍに比例する入力電圧VAに対応し、入力アナログ電
圧に対応する２進ワードを発生するために使用される。
これはADC400がアナログ−ディジタル変換を行なうこと
を示す。
に接続され、校正電極C1〜C7は夫々のバイアス電位に接
続され、出力光414をレンズ416によってデテクタD0に集
束させる。これは校正手順であり、以後、校正電極のバ
イアス電位は固定値に維持される。次に、アナログ電圧
VAを位相変更電極V1〜V7の入力IPに印加する。電極V1〜
V7の全部がブリッジリンクＢを介して前記電圧を受容す
る。ｎ番目の電極Vn（ｎ＝１〜７）の長さは導波路の番
号ｎに比例する。従って、電界が作用している（従って
電気光学的に屈折率変化が誘発される）ｎ番目の導波路
のWnの長さはｎに比例する。これらの条件下にレンズ41
6によってデテクタアレイ418に生成されたビーム形状は
実質的に維持されるが、出力光ビーム414は図示のごと
く角θだけ方向調整して案内される。更に、θは入力電
圧VAに正比例する。これは、近似値ではθ＝sinθを意
味し、一般に光学器械に適している。デテクタアレイ41
8では、ビーム焦点がVAに比例する距離だけデテクタD0
から逸脱する。即ちｍがVAに比例するとき、焦点はデテ
クタDmに到達する（ｍ＝０〜７）。従って、デテクタD0
〜D7のいずれが照明されたかを同定することによってVA
の測定値が得られる。前述のごとく、各デテクタは例え
ばD7/DRのごとく基準デテクタと対を成し、レーザ404か
らの入力光はパルス化されている。各レーザパルスはビ
ームスプリッタ408によって２部に分割される。レーザ
パルスが存在しないときは、デテクタ対D7/DRは同様の
信号を比較器426に出力し、比較器426は出力零を発生す
る。レーザパルスがDRのごとき基準デテクタに到達する
と、該デテクタの出力は零でない。この出力信号は、入
力の（図示しない）電位除算器で除算されて比較器426
に与えられ、中間的な値の比較器出力電圧レベルを与え
る。光ビーム414がD7のごときデテクタに集束されると
高い比較器出力電圧レベルが生じる。その結果、比較器
はレーザパルスの有無を識別し、デテクタD0〜D7のいず
れが照明されたかを示す。ｍ番目のデテクタDmの照明
は、ｍに比例する入力電圧VAに対応し、入力アナログ電
圧に対応する２進ワードを発生するために使用される。
これはADC400がアナログ−ディジタル変換を行なうこと
を示す。
次に第23図を参照すると、ADC400と組み合わせて使用
するのに適した形態の２次元符号化デテクタアレイ構造
430が概略的に図示されている。。符号化アレイ430は、
入力アナログ電圧VAの２進数表現を与えるように編成さ
れている。アレイ430は陰影を付けた方形部分432及び陰
影を付けない方形部分434で示されており４列16行に編
成されたデテクタ位置を有する。陰影部分432はデテク
タに使用された位置に対応し、非陰影部分434は非使用
位置に対応する。列の出力端子はドット4360〜4363によ
ってシミュレートされており、比較器426によって処理
されるデテクタ出力は図示されていない。符号化アレイ
430は第22図の実施例即ちADC400に対して、レンズ416に
よって発生した一条の光が一度に１行のデテクタ位置に
集中するように編成されている。デテクタ位置432/434
の数字１または０で示すように、使用デテクタ位置の照
明は２進数１の出力を生じ、非使用位置の照明は２進数
０の出力を生じる。従って、入力電圧VAによる一条の光
の偏向は、列出力4360（最下位ビット即ちLSB）から436
3（最上位ビット即ちMSB）でビットパラレル的に０〜15
の範囲の値に比例する。これは、アナログ電圧VAからデ
ィジタル出力への直接変換を示す。
するのに適した形態の２次元符号化デテクタアレイ構造
430が概略的に図示されている。。符号化アレイ430は、
入力アナログ電圧VAの２進数表現を与えるように編成さ
れている。アレイ430は陰影を付けた方形部分432及び陰
影を付けない方形部分434で示されており４列16行に編
成されたデテクタ位置を有する。陰影部分432はデテク
タに使用された位置に対応し、非陰影部分434は非使用
位置に対応する。列の出力端子はドット4360〜4363によ
ってシミュレートされており、比較器426によって処理
されるデテクタ出力は図示されていない。符号化アレイ
430は第22図の実施例即ちADC400に対して、レンズ416に
よって発生した一条の光が一度に１行のデテクタ位置に
集中するように編成されている。デテクタ位置432/434
の数字１または０で示すように、使用デテクタ位置の照
明は２進数１の出力を生じ、非使用位置の照明は２進数
０の出力を生じる。従って、入力電圧VAによる一条の光
の偏向は、列出力4360（最下位ビット即ちLSB）から436
3（最上位ビット即ちMSB）でビットパラレル的に０〜15
の範囲の値に比例する。これは、アナログ電圧VAからデ
ィジタル出力への直接変換を示す。
符号化アレイ430は、光の一部が１つのデテクタには
いり一部が同じ隣接列の対応デテクタにはいるため確実
さに欠けるという欠点がある。第23図の７と８との間の
臨界入力電圧VAでは、４つの数字全部の間で０から１ま
たは１から０への変化が生じる。その他の電圧では、同
時に２つ以上の数字の変化が生じる。２つ以上の数字の
変化に伴って生じる確実さの欠如を防ぐために、第24図
のグレイコードアレイフォーマット（Gray Code array
format）を使用してもよい。第24図は、隣合う行間の一
条の光の運動が２つ以上の数字の変化を決して生じさせ
ないように編成された変形アレイ440を示す。これはデ
テクタ位置の使用状態（occupancy）以外は第23図と等
価であるから、詳細には説明しない。グレイコード出力
は従来の２進フォーマットに容易に変換できる。
いり一部が同じ隣接列の対応デテクタにはいるため確実
さに欠けるという欠点がある。第23図の７と８との間の
臨界入力電圧VAでは、４つの数字全部の間で０から１ま
たは１から０への変化が生じる。その他の電圧では、同
時に２つ以上の数字の変化が生じる。２つ以上の数字の
変化に伴って生じる確実さの欠如を防ぐために、第24図
のグレイコードアレイフォーマット（Gray Code array
format）を使用してもよい。第24図は、隣合う行間の一
条の光の運動が２つ以上の数字の変化を決して生じさせ
ないように編成された変形アレイ440を示す。これはデ
テクタ位置の使用状態（occupancy）以外は第23図と等
価であるから、詳細には説明しない。グレイコード出力
は従来の２進フォーマットに容易に変換できる。
ADCの実施例400は、種々の長さの導波路W1〜W7に一定
の電界を生じさせるために種々の長さの位相変更電極V1
〜V7を使用している。一定長さの電極を使用し夫々に異
なる電圧を印加することによって同じ効果を得ることも
可能である。この場合、第１の位相変更電極には入力ア
ナログ電圧が全部印加され、以後の電極に対しては電極
の順次除算段階によって入力アナログ電圧を漸減する。
これは、長さが直線状に減少するADC400の一連の電極に
定電界を印加するのと対照的に、一定長さの電極群に直
線状に減少する電界を生じさせる効果がある。これらの
２つの方法は等価であり、位相シフトが電圧に線形比例
する限り、双方が、入力電圧VAに比例するビーム案内を
行なう。
の電界を生じさせるために種々の長さの位相変更電極V1
〜V7を使用している。一定長さの電極を使用し夫々に異
なる電圧を印加することによって同じ効果を得ることも
可能である。この場合、第１の位相変更電極には入力ア
ナログ電圧が全部印加され、以後の電極に対しては電極
の順次除算段階によって入力アナログ電圧を漸減する。
これは、長さが直線状に減少するADC400の一連の電極に
定電界を印加するのと対照的に、一定長さの電極群に直
線状に減少する電界を生じさせる効果がある。これらの
２つの方法は等価であり、位相シフトが電圧に線形比例
する限り、双方が、入力電圧VAに比例するビーム案内を
行なう。
第２図に示すように、屈折率の電気光学的変化Δｎは
電界に対して非線形でもよい。この場合、第24図のデテ
クタD0〜D7の位置、または第23図及び第24図のデテクタ
の位置は補償可能に調整され得る。即ち、非線形電気光
学効果を補償するために隣合うデテクタの中心間距離を
非線形に変化させるとよい。
電界に対して非線形でもよい。この場合、第24図のデテ
クタD0〜D7の位置、または第23図及び第24図のデテクタ
の位置は補償可能に調整され得る。即ち、非線形電気光
学効果を補償するために隣合うデテクタの中心間距離を
非線形に変化させるとよい。
ADC400はミラー422及び424を介した基準光ビーム通路
を組み込んでいる。この通路は、デバイス402が形成さ
れた半導体ウェーハ内に導波路として集積されてもよ
い。同様に、レンズ416、デテクタアレイ418及びプロセ
ッサ420もかかるウェーハに集積され得る。または、導
波路W1〜W7に付加的位相変化を導入することによって第
20図に示すようなレンズ機能を獲得させてもよい。
を組み込んでいる。この通路は、デバイス402が形成さ
れた半導体ウェーハ内に導波路として集積されてもよ
い。同様に、レンズ416、デテクタアレイ418及びプロセ
ッサ420もかかるウェーハに集積され得る。または、導
波路W1〜W7に付加的位相変化を導入することによって第
20図に示すようなレンズ機能を獲得させてもよい。
次に第25図は、ディジタル−アナログコンバータ（D/
A）として編成された本発明の別の実施例450を示す。D/
Aコンバータ450は、夫々の電極が線m1〜m4で示された４
つのアレイ452を含む。導波路電極は夫々の電圧V1〜V4
に接続され、各電圧はディジタル１または０に対応す
る。導波路m1〜m4は、より詳細に後述する振幅調整器45
6を介してレーザーダイオード454から光を受容する。レ
ーザ出力はレンズ460を介して補助デテクタ458によって
モニタされ、デテクタ出力はレーザ出力源462を制御し
レーザの振幅安定性を与えるために使用される。光は導
波路アレイ452から平面波として出力され、係数2n-1で
減衰する中性濃度フィルタアレイ464を介してｎ番目の
導波路（ｎ＝１〜４）に移行する。即ち、第１導波路の
出力は減衰されないが、以後の導波路の出力は先行導波
路の1/2になる。個々のフィルタを垂直線で示してお
り、各フィルタは50％減衰を与える。フィルタアレイか
らの光は、レンズ466によって入射光強度に対応するよ
うに構成されたダイオードデテクタ468に集束される。
A）として編成された本発明の別の実施例450を示す。D/
Aコンバータ450は、夫々の電極が線m1〜m4で示された４
つのアレイ452を含む。導波路電極は夫々の電圧V1〜V4
に接続され、各電圧はディジタル１または０に対応す
る。導波路m1〜m4は、より詳細に後述する振幅調整器45
6を介してレーザーダイオード454から光を受容する。レ
ーザ出力はレンズ460を介して補助デテクタ458によって
モニタされ、デテクタ出力はレーザ出力源462を制御し
レーザの振幅安定性を与えるために使用される。光は導
波路アレイ452から平面波として出力され、係数2n-1で
減衰する中性濃度フィルタアレイ464を介してｎ番目の
導波路（ｎ＝１〜４）に移行する。即ち、第１導波路の
出力は減衰されないが、以後の導波路の出力は先行導波
路の1/2になる。個々のフィルタを垂直線で示してお
り、各フィルタは50％減衰を与える。フィルタアレイか
らの光は、レンズ466によって入射光強度に対応するよ
うに構成されたダイオードデテクタ468に集束される。
振幅調整器456は、導波路m1〜m4の各々に対して（図
示しない）夫々のMach Zehnder干渉構造を含む。かかる
構造の各々は、後で２つのアームに分割される入力導波
路領域を含む。アームは後で再結合し、導波路m1〜m4の
各１つに接続された単一の出力導波路アームを形成す
る。各アームは夫々のバイアス手段を有し、一方のアー
ムにおける光の位相が電気光学的に進んでおり、他方の
アームが遅れている。その結果、分割された２つのアー
ムからでた波の間の干渉がそれらの相対位相シフトに伴
って変化するので、出力導波路アームと夫々の導波路mn
における平均位相は一定であるが振幅が可変である。従
って、振幅調整器は導波路m1〜m4に対する光入力間の振
幅を等化する手段を与える。ニオブ酸リチウムに集積さ
れた光学素子のMach Zehnder干渉計構造は、公知である
からこれ以上説明しない。
示しない）夫々のMach Zehnder干渉構造を含む。かかる
構造の各々は、後で２つのアームに分割される入力導波
路領域を含む。アームは後で再結合し、導波路m1〜m4の
各１つに接続された単一の出力導波路アームを形成す
る。各アームは夫々のバイアス手段を有し、一方のアー
ムにおける光の位相が電気光学的に進んでおり、他方の
アームが遅れている。その結果、分割された２つのアー
ムからでた波の間の干渉がそれらの相対位相シフトに伴
って変化するので、出力導波路アームと夫々の導波路mn
における平均位相は一定であるが振幅が可変である。従
って、振幅調整器は導波路m1〜m4に対する光入力間の振
幅を等化する手段を与える。ニオブ酸リチウムに集積さ
れた光学素子のMach Zehnder干渉計構造は、公知である
からこれ以上説明しない。
レーザ454からの出力波長は、電界吸収を与えるよう
に導波路m1〜m4の材料中の半導体のバンド縁の近傍に存
在するように構成されている。電界吸収は、前述の実施
例で使用した電界屈折に間接的に関係する電気光学効果
である。この作用は、電界に応じて半導体のバンド縁を
移動させ、その結果としてレーザ波長の吸収を変化させ
る。
に導波路m1〜m4の材料中の半導体のバンド縁の近傍に存
在するように構成されている。電界吸収は、前述の実施
例で使用した電界屈折に間接的に関係する電気光学効果
である。この作用は、電界に応じて半導体のバンド縁を
移動させ、その結果としてレーザ波長の吸収を変化させ
る。
従って、各導波路は、該導波路に印加電圧が存在する
か否かに応じて内部の光を透過または吸収する。導波路
によって出力される強度が等しいとき、デテクタ468に
よって受容される強度の和Ｓは、式、 〔式中、Ａは定数、V1〜V4の各々はディジタルビット値
０または１〕で与えられる。その結果として、デテクタ
468は２進ワードのディジタル入力V1V2V3V4に比例した
アナログ出力を与える。従ってデバイス450は４ビットD
/A変換を行なう。より多数のビットを収容するために付
加的な導波路を配備してもよい。
か否かに応じて内部の光を透過または吸収する。導波路
によって出力される強度が等しいとき、デテクタ468に
よって受容される強度の和Ｓは、式、 〔式中、Ａは定数、V1〜V4の各々はディジタルビット値
０または１〕で与えられる。その結果として、デテクタ
468は２進ワードのディジタル入力V1V2V3V4に比例した
アナログ出力を与える。従ってデバイス450は４ビットD
/A変換を行なう。より多数のビットを収容するために付
加的な導波路を配備してもよい。
振幅調整器456が、導波路アレイ452まで順次段階で振
幅（magnitude）が倍増するように重み付けされた導波
路入力強度を与えるように構成されているとき、デバイ
ス450のフィルタアレイ464を省略してもよい。レーザ45
4は連続動作してもよくまたはディジタルデータ入力と
同期的にパルス化されてもよい。更に、レーザ454は、
デテクタ468における干渉作用を防止するために「フェ
ーズジッタ（phase jitterd）」されていてもよい。
幅（magnitude）が倍増するように重み付けされた導波
路入力強度を与えるように構成されているとき、デバイ
ス450のフィルタアレイ464を省略してもよい。レーザ45
4は連続動作してもよくまたはディジタルデータ入力と
同期的にパルス化されてもよい。更に、レーザ454は、
デテクタ468における干渉作用を防止するために「フェ
ーズジッタ（phase jitterd）」されていてもよい。
次に第26図は、電気パルスアナライザの形態の本発明
の別の実施例500の概略図である。パルスアナライザ500
は、平行電極線5021〜5025で示す導波路アレイ502を組
み込んでいる。アレイ502は、（図示しない）振幅調整
器を介してパルス化レーザからパルス光504を受容す
る。第25図に関して前述のごとく、導波路アレイ502
は、個々の導波路内で光を電界吸収するように構成さ
れ、レーザの波長は導波路材料のバンド縁の近傍に存在
する。光は導波路アレイ502の出力（結晶劈開）面506か
ら出力され、レンズ508によって線形デテクタダイオー
ドアレイ510に結像される。レンズ508は出力面506及び
デテクタアレイ510の双方から焦点距離の２倍だけ離間
している。その結果として、平面506の導波路出力の実
像はアレイ510中の夫々のデテクタダイオードに形成さ
れる。
の別の実施例500の概略図である。パルスアナライザ500
は、平行電極線5021〜5025で示す導波路アレイ502を組
み込んでいる。アレイ502は、（図示しない）振幅調整
器を介してパルス化レーザからパルス光504を受容す
る。第25図に関して前述のごとく、導波路アレイ502
は、個々の導波路内で光を電界吸収するように構成さ
れ、レーザの波長は導波路材料のバンド縁の近傍に存在
する。光は導波路アレイ502の出力（結晶劈開）面506か
ら出力され、レンズ508によって線形デテクタダイオー
ドアレイ510に結像される。レンズ508は出力面506及び
デテクタアレイ510の双方から焦点距離の２倍だけ離間
している。その結果として、平面506の導波路出力の実
像はアレイ510中の夫々のデテクタダイオードに形成さ
れる。
チェーン512の無線周波（RF）インダクタ5121〜5124
は、隣合う電極対502nと502n+1（ｎ＝１〜４）とを接続
する。最も上部のRFインダクタ5121はRF信号入力514に
接続されている。
は、隣合う電極対502nと502n+1（ｎ＝１〜４）とを接続
する。最も上部のRFインダクタ5121はRF信号入力514に
接続されている。
パルスアナライザ500は以下のごとく動作する。入力5
14に印加されたRF信号は式、 〔Ｌ及びＣは夫々、単位長さあたりのチェーンのインダ
クタンス及びキャパシタンスであり、Ｖの単位は毎秒あ
たりのＬ及びＣの測定に用いられる長さである〕の速度
でインダクタチェーン512に沿って伝播する。Ｃの値は
チェーン512が接続された導波路5021等のキャパシタン
スに支配される。Ｌの値は、個々のインダクタ5121等の
長さを変更するか及び／または巻回することによって調
整され得る。これらのＬ及びＣ成分によって形成された
人工的遅延線は実質的に非分散性であることが必要であ
る。即ちＶが該当バンド内のRF信号周波数から独立して
いなければならない。
14に印加されたRF信号は式、 〔Ｌ及びＣは夫々、単位長さあたりのチェーンのインダ
クタンス及びキャパシタンスであり、Ｖの単位は毎秒あ
たりのＬ及びＣの測定に用いられる長さである〕の速度
でインダクタチェーン512に沿って伝播する。Ｃの値は
チェーン512が接続された導波路5021等のキャパシタン
スに支配される。Ｌの値は、個々のインダクタ5121等の
長さを変更するか及び／または巻回することによって調
整され得る。これらのＬ及びＣ成分によって形成された
人工的遅延線は実質的に非分散性であることが必要であ
る。即ちＶが該当バンド内のRF信号周波数から独立して
いなければならない。
514のRF信号入力はインダクタチェーン512に沿って伝
播するために有限の時間を要するので、任意の瞬間に信
号波形のサンプルセクションがチェーン長さにわたって
分布して出現する。レーザ504からのパルスは振幅調整
器505によって導波路502の間に均等に分割される。各レ
ーザパルスの分割部分は、夫々の導波路内部で電界吸収
によって、該導波路でのRF信号レベルに依存してある程
度まで減衰される。その結果として、平面506の導波路
出力は瞬時的RF波形に従って減衰される。アレイ510の
デテクタは夫々の導波路出力を受容し、従って、RF波形
に従って減衰された出力信号を発生する。従って、レー
ザパルスの長さが、個々の導波路で明らかな信号レベル
変化が生じる時間よりもはるかに短いならば、デテクタ
アレイ出力はRF波形のサンプルである。１ピコ秒のレー
ザパルスは1GHzを十分に上回るRF周波数成分をサンプリ
ングし得るであろう。その結果としてパルスアナライザ
500は、VHF波形をサンプリングする手段を提供する。更
に、アナライザ500は、従来の全電子装置で生じたよう
なサンプリング信号の劣化を誘因する電子的過渡現象を
生じない。
播するために有限の時間を要するので、任意の瞬間に信
号波形のサンプルセクションがチェーン長さにわたって
分布して出現する。レーザ504からのパルスは振幅調整
器505によって導波路502の間に均等に分割される。各レ
ーザパルスの分割部分は、夫々の導波路内部で電界吸収
によって、該導波路でのRF信号レベルに依存してある程
度まで減衰される。その結果として、平面506の導波路
出力は瞬時的RF波形に従って減衰される。アレイ510の
デテクタは夫々の導波路出力を受容し、従って、RF波形
に従って減衰された出力信号を発生する。従って、レー
ザパルスの長さが、個々の導波路で明らかな信号レベル
変化が生じる時間よりもはるかに短いならば、デテクタ
アレイ出力はRF波形のサンプルである。１ピコ秒のレー
ザパルスは1GHzを十分に上回るRF周波数成分をサンプリ
ングし得るであろう。その結果としてパルスアナライザ
500は、VHF波形をサンプリングする手段を提供する。更
に、アナライザ500は、従来の全電子装置で生じたよう
なサンプリング信号の劣化を誘因する電子的過渡現象を
生じない。
アナライザ500においては、波形の繰返しと同期的に
パルス化されたレーザ504によって反復性RF波形がサン
プリングされる。このようにして得られた多数のサンプ
ルを電子的に集合させて信号対雑音比を改良し得る。
パルス化されたレーザ504によって反復性RF波形がサン
プリングされる。このようにして得られた多数のサンプ
ルを電子的に集合させて信号対雑音比を改良し得る。
前述のごとく、パルスアナライザ500はデテクタアレ
イ510に光を結像させるレンズ508を組み込んでいる。光
学的倍率を与えるためにレンズは導波路出力から焦点距
離の２倍以内の処に配置され得る。または、結像用光学
素子を省略できるように、個々のデテクタを夫々の導波
路出力に直接配置してもよい。
イ510に光を結像させるレンズ508を組み込んでいる。光
学的倍率を与えるためにレンズは導波路出力から焦点距
離の２倍以内の処に配置され得る。または、結像用光学
素子を省略できるように、個々のデテクタを夫々の導波
路出力に直接配置してもよい。
本発明はまた、時間集積相関器を提供する。この時間
集積相関器は、装置としての概念はパルスアナライザ50
0と同様であるが、その用途に適応するように以下のご
とく修正されている。レーザ504は、はるかに長いパル
スを有しているか、または前記のごとく連続でもよい。
レーザは、その強度出力範囲の中点の周囲でバイアスさ
れ、入力基準信号によって該中点の周囲で強度変調され
る。アレイ502の最も外側の導波路はインダクタチェー
ン512に接続されず、アレイ502の全部の導波路が夫々の
動作の中点（50％減衰）にバイアスされる。アレイのデ
テクタの各々は夫々の導波路から光を受容する。インダ
クタチェーンに非接続の導波路に対応するデテクタは基
準信号を与え、その他の全部のデテクタの出力信号が
（図示しない）比較器アレイによって基準信号に比較さ
れる。
集積相関器は、装置としての概念はパルスアナライザ50
0と同様であるが、その用途に適応するように以下のご
とく修正されている。レーザ504は、はるかに長いパル
スを有しているか、または前記のごとく連続でもよい。
レーザは、その強度出力範囲の中点の周囲でバイアスさ
れ、入力基準信号によって該中点の周囲で強度変調され
る。アレイ502の最も外側の導波路はインダクタチェー
ン512に接続されず、アレイ502の全部の導波路が夫々の
動作の中点（50％減衰）にバイアスされる。アレイのデ
テクタの各々は夫々の導波路から光を受容する。インダ
クタチェーンに非接続の導波路に対応するデテクタは基
準信号を与え、その他の全部のデテクタの出力信号が
（図示しない）比較器アレイによって基準信号に比較さ
れる。
波形は、前記と同様にしてインダクタチェーン512に
入力され、波形は雑音及び干渉によって劣化する。レー
ザ変調がインダクタチェーンに接続されたいずれか１つ
の導波路の信号に同期すると、該導波路に対応するデテ
クタにピーク信号が出現し、入力波形中にレーザ変調信
号波形が存在することを検証する。導波路変調器のピー
ク伝送は常に、レーザ強度の極大と一致し、伝送最小値
はレーザ強度の極小と一致する。デテクタは、ナノ秒か
ら秒の範囲の適当な任意の期間に受容した夫々の光出力
を集積し得る。集積はレーザパルスの長さまたはデテク
タ出力の電子的集積によって支配され得る。雑音及び非
相関干渉は十分に長い集積期間にわたって零に平均され
る。
入力され、波形は雑音及び干渉によって劣化する。レー
ザ変調がインダクタチェーンに接続されたいずれか１つ
の導波路の信号に同期すると、該導波路に対応するデテ
クタにピーク信号が出現し、入力波形中にレーザ変調信
号波形が存在することを検証する。導波路変調器のピー
ク伝送は常に、レーザ強度の極大と一致し、伝送最小値
はレーザ強度の極小と一致する。デテクタは、ナノ秒か
ら秒の範囲の適当な任意の期間に受容した夫々の光出力
を集積し得る。集積はレーザパルスの長さまたはデテク
タ出力の電子的集積によって支配され得る。雑音及び非
相関干渉は十分に長い集積期間にわたって零に平均され
る。
次に第27図は、本発明の前記の実施例での使用に適し
た導波路アレイ構造560の概略図である。分かり易いよ
うに、構造560は、奥行きを極度に縮小し案分比例でな
い状態で示される。該構造は、３つの導波路562を組み
込んでおり、各導波路はパラボラ形の拡大された入力及
び出力領域即ちホーン564及び566を有する。入力ホーン
564は矢印の付いた波面568によって示されるレーザ光ビ
ームを共通に受容する。出力ホーン566は平面光波572を
発生する。
た導波路アレイ構造560の概略図である。分かり易いよ
うに、構造560は、奥行きを極度に縮小し案分比例でな
い状態で示される。該構造は、３つの導波路562を組み
込んでおり、各導波路はパラボラ形の拡大された入力及
び出力領域即ちホーン564及び566を有する。入力ホーン
564は矢印の付いた波面568によって示されるレーザ光ビ
ームを共通に受容する。出力ホーン566は平面光波572を
発生する。
パラボラ形入力及び出力導波路ホーン564及び566の使
用によって多数の利点が得られる。テーパ状導波路ホー
ンは公知であるが、パラボラ形ホーンはより効率がよく
導波路の所要長さも短い。出力ホーン566は出力ビーム5
72を拡大し、不要な高次のモードを喪失して光エネルギ
を低次の空間モードに集中させる。更に、導波路562か
ら出力ホーン566への遷移が極めて短い物理的長さで生
じ、モード変換の可能性が小さい。導波路ホーン564及
び566の主な利点は、小さいキャパシタンスで回折効果
を伴うことなく連続的光学構造の効果がシミュレートで
きることである。
用によって多数の利点が得られる。テーパ状導波路ホー
ンは公知であるが、パラボラ形ホーンはより効率がよく
導波路の所要長さも短い。出力ホーン566は出力ビーム5
72を拡大し、不要な高次のモードを喪失して光エネルギ
を低次の空間モードに集中させる。更に、導波路562か
ら出力ホーン566への遷移が極めて短い物理的長さで生
じ、モード変換の可能性が小さい。導波路ホーン564及
び566の主な利点は、小さいキャパシタンスで回折効果
を伴うことなく連続的光学構造の効果がシミュレートで
きることである。
フロントページの続き (72)発明者 ウエイト，デビツト・ロバート イギリス国、ウスターシヤー、マルバー ン・ウエルズ、ウツドフアーム・ロー ド、グレンフイールド （番地なし) (72)発明者 ルイス，メイリオン・フランシス イギリス国、ウスターシヤー・ダブリ ユ・アール・14・３・ジエイ・エツク ス、マルバーン、チヤーチダウン・ロー ド・５ (72)発明者 ウエスト，クリストフアー・ローレンス イギリス国、ウスターシヤー・ダブリ ユ・アール・14・４・ジエイ・エツク ス、マルバーン・ウエルズ、アツパー・ ウエルランド、チエス・ロード・18 (56)参考文献 特開 昭60−51822（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−52004（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−176026（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−44130（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−122558（ＪＰ，Ｕ)
Claims (24)
- 【請求項１】電気光学的材料から成る電気的にバイアス
可能な導波路（30）アレイを含む種類の電気光学的導波
路デバイスにおいて、 （ａ）デバイス（10）が半導体材料から成る多層構造で
あり、コア層（18）内で光を閉じこめるために低屈折率
を有する２つの光閉じ込め層（16,32）の間にサンドイ
ッチされた導波路コアを形成する層（18）を含み、 （ｂ）導波路コア層（18）がダイオード構造（16,18,3
2）の一部であり、閉じ込め層（16,32）を介して印加さ
れた逆バイアス下に荷電キャリア空乏層になり、 （ｃ）アレイの個々の導波路（30）を形成する溝（20）
が導波路コア層（18）の80％以上を貫いて延びており、
該溝（20）が、導波路コア層（18）の屈折率を少なくと
も1.5下回る屈折率を有する媒質を収容すると共に、隣
り合う導波路（30）の間を光学的に絶縁するように形成
されており、 （ｄ）導波路（30）が、その内部の光の伝播が実質的に
単一空間モードに制限されるように構成されていること
を特徴とする、電気光学的導波路デバイス。 - 【請求項２】（ａ）導波路（30）が幅５λ未満を有し、 （ｂ）隣合う導波路の中心が13/1.06λ未満離間してお
り、 （ｃ）導波路（30）と該導波路へ入力される放射（40）
とが、導波路（30）内を伝搬する光が実質的に単一空間
モードに限定されるように構成されており、 λがデバイス（10）の導波路の自由空間動作波長である
ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項３】溝の媒質が空気であることを特徴とする請
求項１または２に記載のデバイス。 - 【請求項４】デバイス（10,150）の少なくとも一部が、
順次に積層されたGaxAl1-xAs系の半導体材料層（16,18,
158〜166）から構成されていることを特徴とする請求項
１から３のいずれか一項に記載のデバイス。 - 【請求項５】光閉じ込め層（32）の１つが、導波路コア
層（18）に対するショットキー接触であることを特徴と
する請求項４に記載のデバイス。 - 【請求項６】導波路コア層（162）が実質的に非ドープ
のGaAsから成り、光閉じ込め層（160,164）がGaAlAsか
ら成り且つ互いに反対の導電形を有することを特徴とす
る請求項４に記載のデバイス。 - 【請求項７】光閉じ込め層（16,160）の１つが、導波路
（30,152）の各々に共通であることを特徴とする請求項
５または６に記載のデバイス。 - 【請求項８】導波路（30）が、導波路コア層材料の共通
結晶劈開面（24）内に夫々の光出力表面領域を有するこ
とを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載の
デバイス。 - 【請求項９】導波路（30）が、夫々のボンドパッド（3
4）及び該ボンドパットに接続された導線（33）を介し
てバイアス可能であり、ボンドパッド（34）はデバイス
（10）の導波路（30）収容領域の周面に配置され、導線
（33）はデバイス（10）の光入力領域（41）にわたって
延びていることを特徴とする請求項１から８のいずれか
一項に記載のデバイス。 - 【請求項１０】受容導波路（222）アレイの入力領域に
遠視野回折像を形成するように設計され、像が、受容導
波路（222）のいずれか１つによって受容可能で且つ受
容導波路アレイで案内可能なメイン回折ローブ（46）を
有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項
に記載のデバイス。 - 【請求項１１】電気光学的受容導波路（206,222）が半
導体多層構造（200）として形成されていることを特徴
とする請求項10に記載のデバイス。 - 【請求項１２】受容導波路（232）が入力領域に最小相
対間隔を有することを特徴とする請求項11に記載のデバ
イス。 - 【請求項１３】長さnL［ｎは１〜ｍでｎ番目の導波路ま
たは電極を示し、Ｌは第１電極（V1）の長さを示す］を
有する夫々のバイアス電極（V1〜V7）を越えたｍ個の導
波路（W1〜W7）を組み込んでおり、電極群（V1〜V7）が
共通のアナログ電圧入力（IP）に接続され、電圧入力の
変化に応じて導波路出力群が、導波路出力焦点の通路に
沿って配置されたデテクタ群（D1〜D7）を含むデテクタ
アレイ（418）に一緒に集束され、デテクタアレイ（41
8）が、アナログ入力電圧に対応するディジタル出力を
与えるように設計された信号処理手段（420）に接続さ
れていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項１４】信号処理手段（420）が、各デテクタ出
力信号を基準信号レベルに比較する比較手段（426）を
含むことを特徴とする請求項13に記載のデバイス。 - 【請求項１５】導波路（W1〜W7）が夫々の第２バイアス
電極（C1〜C7）を含み、該第２バイアス電極は、アナロ
グ入力電圧０のとき共通の導波路出力焦点を生じさせる
ことを特徴とする請求項13または14に記載のデバイス。 - 【請求項１６】デテクタアレイ（430,440）が２次元で
あり、出力２進語を与えるように符号化されることを特
徴とする請求項13から15のいずれか一項に記載のデバイ
ス。 - 【請求項１７】デテクタアレイ（400）がグレイコード
フォーマットであることを特徴とする請求項16に記載の
デバイス。 - 【請求項１８】導波路コア層が光源波長で電界吸収性の
材料から成り、導波路が、各導波路の夫々の２進数に対
応するバイアスを与えるように設計された電気バイアス
手段（m1〜m4、V1〜V4）に結合しており、導波路の出力
強度が、導波路アレイ（452）のバイナリダブリングプ
ログレッションを形成するように重み付けされ、各導波
路は、夫々のバイアス電圧（V1〜V4）が２進数に対応す
る２つの値の一方または他方のいずれの値であるかに従
って不透過性または透過性になるように編成され、導波
路の出力強度は、電極電圧（V1〜V4）に対応する２進数
に従ってアナログ出力信号を与えるように設計された検
出手段（466,468）によって検出及び加算されることを
特徴とする請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項１９】電気パルス解析を行うように構成されて
いるデバイスであって、 導波路が、夫々の電極群（5021〜5025）を有し、隣合う
電極対は、RF入力（514）を有するチェーン（512）を形
成する夫々の無線周波（RF）インダクタ（5121〜5124）
を介して互いに接続され、 導波路は、夫々のデテクタ（510）に結像された夫々の
出力を有し、 パルス化レーザは、デテクタ（510）によって受信され
た信号に関するRF信号をインダクタチェーン（512）で
サンプリングするために、導波路材料が電界吸収性にな
る波長を有する光（504）で導波路を照射するように設
計されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイ
ス。 - 【請求項２０】アレイ（560）の各導波路（562）がパラ
ボラ形の入出力領域（564,566）を有することを特徴と
する請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項２１】共通入力源（404）から光を受光し共通
回折像を形成するように設計された電気光学的材料から
成る電気的にバイアス可能な導波路（W1〜W7）アレイを
含む種類の電気光学的導波路バイアス（400）におい
て、 （ａ）長さnL［ｎは１〜ｍでアレイ中の導波路番号を示
し、Ｌは第１電極（V1）の長さを示す］の導波路バイア
ス電極（V1〜V7）を含み、 （ｂ）各電極群（V1〜V7）が夫々の導波路（W1〜W7）に
結合され、 （ｃ）電極群（V1〜V7）が共通のアナログ電圧入力（I
P）に接続されると共に入力電圧を供給して各導波路に
沿った光の伝播に相変化を引き起こすように構成されて
おり、相変化の大きさは結合された電極の長さに比例
し、 （ｄ）入力アナログ電圧の変化に応じて導波路出力ビー
ムが進行する通路に沿ってデテクタアレイ（D0〜D7）が
配置され、 （ｅ）デテクタアレイ出力が電極アナログ入力電圧（V
A）に対応するディジタル信号を与えるように設計され
ていることを特徴とする、電気光学的導波路デバイス。 - 【請求項２２】（ａ）デテクタ出力と光源（404）から
誘導されバイアス動作状態を示す基準信号とを比較する
比較手段（426）と、 （ｂ）アナログ入力電圧（VA）が０のときに１つのデテ
クタ（D0）に導波路出力群（414）を結合すべく個別に
バイアス可能な各導波路（W1〜W7）毎の第２バイアス電
極（C1〜C7）とを含み、 （ｃ）デテクタアレイ（430,440）が２次元で、出力デ
ィジタル信号を与えるように符号化されることを特徴と
する請求項21に記載のデバイス。 - 【請求項２３】共通源（458）から光を受容するように
構成された電気的にバイアス可能な導波路（452）アレ
イを含む種類の電気光学的導波路デバイス（450）にお
いて、導波路が電界吸収性で、電圧バイアス手段（V1〜
V4）に接続された夫々のバイアス電極（m1〜m4）に結合
しており、前記バイアス手段（V1〜V4）が２進数に対応
する電圧を与えるように構成され、個々の導波路は、対
応する２進数が０であるか１であるかに従って不透過性
または透過性であり、透過性のときはバイナリダブリン
グスキームに重み付けされた夫々の出力強度を与え、導
波路の出力が、バイアス手段（V1〜V4）へのディジタル
入力に対応するアナログ出力を与える共通検出手段（46
8）によって検出及び加算されることを特徴とする、電
気光学的導波路デバイス。 - 【請求項２４】共通源から光（504）を受容するように
構成された電気的にバイアス可能な導波路アレイを含む
種類の電気パルス解析を行う電気光学的導波路デバイス
（500）において、導波路が電界吸収性で、夫々のバイ
アス電極（5021〜5025）に結合しており、前記バイアス
電極（5021〜5025）が、信号入力（514）に接続された
チェーン（512）を形成する夫々のインダクタ（5121〜5
124）によって接続され、共通光源がパルス化レーザで
あり、導波路出力が、チェーン（512）に分布した信号
のサンプリングを行なうために夫々のデテクタによって
検出されることを特徴とする、電気光学的導波路デバイ
ス（500）。
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