JP3660020B2

JP3660020B2 - 空間型光偏向素子

Info

Publication number: JP3660020B2
Application number: JP12691595A
Authority: JP
Inventors: 利貞関口; 慎三須崎
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1995-05-25
Filing date: 1995-05-25
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: JPH08320506A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光インターコネクションに関し、例えば光コンピュータ内のボード間、プロセッサ間の光スイッチング、並列光情報伝送システム等のキーデバイスとして好適な空間型光偏向素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報処理、通信等の分野において、例えば光コンピュータ内のボード間、プロセッサ間等の情報伝送用配線として従来一般の手段である電気的な配線を用いた場合、配線が占める空間的、時間的なロスはかなり大きなものとなってしまう。そこで、近年、この点を改善するために空間的、時間的に情報伝送量の大きい光を用いた、いわゆる光インターコネクション（光を用いた相互接続）が用いられてきている。コンピュータ内で光インターコネクションを実現する場合、光インターコネクションの持つ空間的、時間的に情報伝送量が大きいという利点を生かすためには、ボード間、プロセッサ間等で空間的に信号の切り替えを行なう光スイッチングや並列的な光情報伝送を実現することが必要であり、これら光スイッチングや並列光情報伝送に対応し得る光デバイスの提供が望まれていた。
【０００３】
そこで、本発明者らは、図５に示すような空間型光偏向素子を提案した（図５（ａ）は素子の縦方向断面図、図５（ｂ）は同、横方向断面図、なお、以下の説明では素子の光軸方向を縦方向、光軸に垂直な方向を横方向と記載する）。図５に示す空間型光偏向素子１は、ｎ−ＩｎＰ基板２上にｎ−ＩｎＰバッファ層３が形成され、その上方に、井戸層とバリア層が交互に多層積層された（図示せず）多重量子井戸（Multi Quantum Well 、以下、ＭＱＷと称する）層４と導波路層５がストライプ状に形成され、フォトリソグラフィ・エッチング技術により導波路層５上に回折格子６が形成されたものである。
【０００４】
そして、ＭＱＷ層４と導波路層５からなるストライプ７の上方にはｎ−ＩｎＰクラッド層８が形成されるとともに、ストライプ７の側方には横方向の光の閉じ込めのためにＩｎＰブロック層９が埋込成長されている。また、この積層構造の上面には窓部１２を有する上部電極層１０が形成され、下面には下部電極層１１が形成されている。
【０００５】
上記構成の空間型光偏向素子１において上部、下部電極層１０、１１間に例えば電圧印加を行なうと、電圧に見合う量だけＭＱＷ層４の屈折率が変化し、ブラッグの式に基づく入射光Ｓ₀ の回折が生じる際に屈折率変化に伴って回折角が変化する。そこで、電圧の大きさを調節することにより回折光Ｓ₁ を光軸方向に沿う鉛直面内で所望の角度だけ偏向させて（Ｓ₂ 、Ｓ₃ ）、素子の外部空間に出射させることができる。そこで、この回折光Ｓ₁ の偏向機能を利用することにより光コンピュータにおける光スイッチングシステムや並列光情報伝送システムにおける光インターコネクションに対してこの空間型光偏向素子１を適用することができるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したように、上記構成の空間型光偏向素子は回折格子による光の回折現象を利用して導波路層内を導波してきた光を上方に偏向して素子の外部に出射し得るものである。ところが、回折格子上に位置するクラッド層の上面が平坦であるため、回折光が素子の外部空間に出射された場合に光は素子の横方向に次第に拡散されることになる。そして、図７に示すように、例えば光インターコネクションとして空間型光偏向素子１の上方に配置された受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの設置位置に回折光が到達したときには細長く広がったビームとなる。したがって、各受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが受ける光はビームの中の一部に過ぎなくなるため、受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが受ける光の強度が空間型光偏向素子１の出射直後の強度に比べて相対的に弱くなってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであって、光スイッチングや並列光情報伝送システムにおける光インターコネクションに適用された際に受光素子が受ける光の強度を高く保つことができる空間型光偏向素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明の空間型光偏向素子は、半導体基板と、該半導体基板の上方に形成された導波路層と、該導波路層の上方に形成されたクラッド層と、前記導波路層に入射された光を上方に向けて回折させるための回折格子と、前記クラッド層の上方に形成され前記光を出射する窓部が設けられた上部電極層と、前記半導体基板の下方に形成された下部電極層とを有してなり、前記回折格子により回折した光の出射角度が光の導波方向に沿う鉛直面内において変化する空間型光偏向素子において、光軸に垂直な方向に出射光を集束するための円柱状の棒状レンズが、自身の軸線が素子の光軸方向を向くように前記クラッド層上部にあたる出射光の光路上に設置され、前記導波路層がストライプ状に形成されるとともに、該導波路層の両側方から上方に成長する導電層により溝が形成され、その溝の内部に前記棒状レンズが装入、固定されたことを特徴とするものである。また、前記棒状レンズと前記溝との隙間に樹脂または誘電体が充填されたことで前記棒状レンズが固定されるとともに、前記棒状レンズと前記溝との隙間に存在する樹脂または誘電体がクラッド層を構成するようにしてもよい。さらに、前記導波路層の上面にマスク層が設けられ、前記棒状レンズと前記溝との隙間に存在する樹脂または誘電体と前記マスク層とが一体となってクラッド層を構成するようにしてもよい。
【０００９】
【作用】
本発明の空間型光偏向素子において、上部、下部電極層間に電圧印加、または電流注入を行なった場合、印加電圧による電気光学効果または注入キャリアによるプラズマ効果またはバンドフィリング効果によって電圧または電流の大きさに依存して導波路層の屈折率が変化し、それに伴って回折格子上方への回折角が一定量変化する。この際に、クラッド層上部にあたる出射光の光路上に出射光を集束するための棒状レンズが固着されたことによって、回折格子により回折された光がクラッド層上部の棒状レンズを通過する際に光が集束されて素子の外部空間に出射される。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図４、図６を参照して説明する。
図１（ａ）は本実施例の空間型光偏向素子１４を示す縦方向断面図、図１（ｂ）は同、横方向断面図であって、図中符号１５は半導体基板、１６はバッファ層、１７は光閉込補償層、１８はＭＱＷ層、１９は導波路層、２０はクラッド層、２１は導電層、２２は上部電極層、２３は下部電極層、２４は絶縁層、２５は回折格子、２６は棒状レンズである。
【００１１】
半導体基板１５はｐ−ＩｎＰを材料としてチップ状に形成したものであり、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、この半導体基板１５上にｐ−ＩｎＰからなるバッファ層１６が積層されている。そして、図１（ｂ）に示すように、バッファ層１６上面の横方向中央部には、縦方向に延びる光閉込補償層１７、ＭＱＷ層１８および導波路層１９が形成され、この３層によりストライプ３２が構成されている。
【００１２】
光閉込補償層１７はｐ−ＩｎＧａＡｓＰにより形成されている。また、ＭＱＷ層１８はＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とＩｎＰからなるバリア層が交互に多層積層（図示は省略する）されており、いわゆるＭＱＷ構造をなしている。また、導波路層１９はバルクのＩｎＧａＡｓＰにより形成されている。そして、これら３層からなるストライプ３２の延びる方向が入射光Ｓ₀ の導波方向となっている。一方、ストライプ３２の側方下部には後述する上部電極層２２と下部電極層２３との間で注入電流を遮断するための、アンドープのＩｎＰ（以下、ｕ−ＩｎＰと記載する）からなる絶縁層２４が形成されている。
【００１３】
そして、図１（ａ）に示すように、導波路層１９の上面には、入射光Ｓ₀ の導波方向と直交する方向に一定のピッチの溝を持つ三角波形の回折格子２５が形成されている。この回折格子２５は導波路層１９内を導波する光Ｓ₀ を上方に向けて回折させるためのものである。そして、図１（ｂ）に示すように、絶縁層２４の上面にはＶ字状の溝２７を有するｎ−ＩｎＰからなる導電層２１が積層されている。また、導電層２１の下部は前記導波路層１９の側面と接触するようになっている。
【００１４】
また、円柱状の形状をした棒状レンズ２６が、レンズ２６の下側半分程度が導電層２１のＶ溝２７内に位置し、上側半分程度が導電層２１の上面から上方に突出するようにＶ溝２７の内部に配置され、棒状レンズ２６とＶ溝２７の隙間にポリイミド、エポキシ等の樹脂、またはＳｉＯ₂ 等の誘電体が充填されることにより棒状レンズ２６が素子１４に対して固定されている。この棒状レンズ２６自体は、例えば石英、ＢＫ７、ＳＦ１１、ＰＭＭＡ等の材料で形成されたものであって、素子１４外部に出射する光を素子１４の横方向に集束するためのものである。そして、棒状レンズ２６とＶ溝２７の隙間に存在する樹脂またはＳｉＯ₂ 等の誘電体の層がクラッド層２０を構成する。
【００１５】
また、導電層２１の上面には上部電極層２２、２２が形成され、半導体基板１５の下面には下部電極層２３が形成されている。したがって、素子１４の縦方向に延びる上部電極層２２、２２の間の棒状レンズ２６が外部に露出する領域は、上方に回折した光Ｓ₁ を素子１４外部へ出射させるための矩形の窓部２８となっている。これら上部、下部電極層２２、２３は、ともにＣｒとＡｕとの積層、またはｎ側はＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金とＡｕとの積層、ｐ側はＡｕ−Ｚｎ合金とＡｕとの積層、さらにはこれらの上にＣｒとＡｕを積層した構造となっている。
【００１６】
次に、上記構成の空間型光偏向素子１４の製造方法について図２および図３を参照して説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１５上に有機金属気相エピタキシャル装置によりバッファ層１６、光閉込補償層１７、ＭＱＷ層１８、導波路層１９、および導波路層１９を保護するためのプロテクト層２９を順次成長させて元ウェハ３０を作製する。そして、図２（ｂ）に示すように、元ウェハ３０に対してフォトリソグラフィ（干渉露光法）・エッチング技術により導波路層１９の上面に回折格子２５を形成する。その後、図２（ｃ）に示すように、導波路層１９（回折格子２５）上にストライプ状にパターニングしたマスク層３１を用いてエッチングを行ない、導波路層１９、ＭＱＷ層１８、光閉込補償層１７の横方向中央部のみを残してストライプ３２を形成する。ここで、マスク層３１としてはＳｉＯ₂ またはクラッド層と同様の材料を用いる。なお、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）等のエッチング選択性がある材料を用いてもよい。
【００１７】
ついで、図３（ａ）に示すように、ストライプ３２上面のマスク層３１を残した状態でストライプ３２下部に選択成長により所定の厚さの絶縁層２４を積層し、ついで、導電層２１を積層した後にフォトリソグラフィおよびエッチング技術によりＶ溝２７を形成する。そして、図３（ｂ）に示すように、別途作製しておいた棒状レンズ２６をＶ溝２７内に配置した後、隙間に樹脂を充填するか、またはゾル−ゲル法を用いて形成したＳｉＯ₂ 等の誘電体で埋め込むかによって、棒状レンズ２６を基板１５に対して固定すると同時にクラッド層２０を形成する（なお、上記で埋め込まれた層と残存したマスク層３１が一体となってクラッド層２０を構成する）。ついで、図３（ｃ）に示すように、導電層２１の上面に上部電極層２２を選択成長させ、半導体基板１５の下面に下部電極層２３を成長させると、本実施例の空間型光偏向素子１４が完成する。
【００１８】
上記の手順を経て製造した空間型光偏向素子１４を使用する際は、図４に示すように、上部電極層２２、２２と下部電極層２３の間に電源３３を接続する。そして、導波路層１９に対して光Ｓ₀ を入射すると、入射した光Ｓ₀ は回折格子２５の作用により上方に向けて回折し、上部電極層２２の窓部２８を通して素子１４の外部に出射される。そこで、上部、下部電極層２２、２３間に電圧印加または電流注入を行なうと、印加電圧または注入キャリアの作用により導波路層１９の屈折率が変化することに伴って回折角が変化する。すなわち、回折した光Ｓ₁が光の導波方向に沿う鉛直面内においてその出射角度が変化し（Ｓ₂ 、Ｓ₃ ）、窓部２８から素子１４の外部に出射される。なお、上部、下部電極層２２、２３間に印加する電圧、電流の極性はいずれが正または負であっても良い。
【００１９】
本実施例の空間型光偏向素子１４においては、上部、下部電極層２２、２３間に例えば電圧印加を行なった場合の導波路層１９の最大屈折率変化量は０．２％程度であり、この値からブラッグの式を用いて計算すると出射光Ｓ₁ を５°程度の範囲で偏向させることができる。そして、素子１４の上部に棒状レンズ２６が設けられているので、回折光Ｓ₁ を出射する際にその回折光Ｓ₁ が素子１４の横方向において細く集束される。したがって、図６に示すように、例えば光インターコネクションとして空間型光偏向素子１４の上方に配置された受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの位置に光が到達したときにこの光は細く絞られた状態となっているため、受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対して実質的に入射される出射光Ｓ₁ の割合が多くなり、図７に示す従来の空間型光偏向素子を用いた場合のように受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける光強度が相対的に低下するのを防止することができる。
【００２０】
ここで、素子の上部に集光用レンズを設ける手段として仮にＶ溝全体を埋めるクラッド層の上面をレンズ状に成形する手段を採るとすると、例えば、導電層上にレジストパターンを形成し、レジストの側面にはクラッド層が成長しないような表面処理を行なったうえでクラッド層を成長させることによって、中央部が盛り上がったレンズ状のクラッド層を形成するという方法が考えられる。ところが、この方法では、レンズの上面を一定の曲率を持つ滑らかな曲面とするための形状の制御が極めて困難でありかつ再現性も良くない、また、レンズ形成に係わる工程が複雑であるといった問題が生じてしまう。
【００２１】
これに対して、本実施例では、別途作製した棒状レンズ２６を素子に固着する方法を採っており、棒状レンズ２６は例えば光ファイバと同様の製造技術を用いて作製することができるので、棒状レンズ２６自体を良好な形状とすることができ、また、そのような集光性の高いレンズを有する空間型光偏向素子を再現性良く製造することが可能となる。さらに、棒状レンズ２６の製造に際して従来一般の光ファイバ製造技術を用いることができ、棒状レンズ２６自体を容易に製造することができるので、前述したクラッド層の上面をレンズ状に成形する場合に比べて素子全体の製造工程を簡易化することができる。
【００２２】
そして、この空間型光偏向素子１４をマザーボードから子ボード上の複数の受光素子へ光信号を伝送する光スイッチングシステムや、２枚のボード間の並列光情報伝送システムに組み込むことにより、光インターコネクションを用いたコンパクトなシステム構成で高速の光スイッチングや並列光情報伝送を行なうことが可能となる。そして、このシステムの構築にあたり本実施例の空間型光偏向素子１４を用いると、従来の空間型光偏向素子を用いた場合に比べて受光素子における光の強度が増大するのみならず、レンズ形状の再現性が良好なために集光された光の強度分布も再現性が良いものとなる。したがって、Ｓ／Ｎ比が大きく、信頼性の高いシステムを構築することができる。
【００２３】
また、本実施例の空間型光偏向素子１４においては、半導体基板１５の材料としてｎ−ＩｎＰを、クラッド層２０の材料としてｐ−ＩｎＰを用いたが、これらの導電型は逆であっても良いし、ＩｎＰ系に限らず、ＧａＡｓ系等、他の化合物半導体材料を用いることもできる。さらに、ＭＱＷ層１８の材料としても本実施例のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰの他、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ等のＩｎＰ系材料、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のＧａＡｓ系材料を用いても良い。また、本実施例では、導波路構造としてＭＱＷ層１８とバルクの導波路層１９の積層構造からなる空間型光偏向素子に対して本発明を適用した例を説明したが、本発明を適用し得る光偏向素子の基本構造はこれら実施例に限るものではない。例えばＭＱＷ構造またはバルクの単層構造の導波路層を有するもの、裏面反射膜のような他の層を有するもの、回折格子の形成位置が異なるもの等、種々の構造を持つ空間型光偏向素子に対して本発明を適用することが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の空間型光偏向素子においては、棒状レンズがクラッド層の上部に設置されたことにより出射光が集束されるため、平坦なクラッド層を有する従来の空間型光偏向素子に比べて出射光のビームを細く集光することができる。また、棒状レンズは従来一般の光ファイバ製造技術を用いて別途作製することができるので、棒状レンズを良好な形状とでき、そのような集光性の高いレンズを有する素子を再現性良く製造することが可能となる。さらに、棒状レンズ自体を容易に製造できることから素子全体の製造工程を簡単化することもできる。そして、この空間型光偏向素子を組み込んだ光スイッチングシステムや並列光情報伝送システムにおいては、従来の空間型光偏向素子を用いた場合に比べて受光素子における光の強度が増大するのみならず、レンズ形状の再現性が良好なために集光された光の強度分布も再現性が良いものとなる。よって、Ｓ／Ｎ比が大きく、信頼性の高いシステムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である空間型光偏向素子を示す（ａ）縦方向断面図、（ｂ）横方向断面図である。
【図２】同、空間型光偏向素子の製造工程を順を追って示す図の前半部分である。
【図３】同、後半部分である。
【図４】同、空間型光偏向素子を使用する状態を示す図である。
【図５】従来の空間型光偏向素子の一例を示す（ａ）縦方向断面図、（ｂ）横方向断面図である。
【図６】本発明の空間型光偏向素子を光インターコネクションに適用したときの効果を示す図である。
【図７】従来の空間型光偏向素子を光インターコネクションに適用したときの問題点を示す図である。
【符号の説明】
１４…空間型光偏向素子、１５…半導体基板、１８…ＭＱＷ層、１９…導波路層、２０…クラッド層、２２…上部電極層、２３…下部電極層、２５…回折格子、２６…棒状レンズ、２７…溝、２８…窓部、Ｓ₀ …入射光、Ｓ₁ 、Ｓ₂ 、Ｓ₃ …出射光

Claims

半導体基板と、該半導体基板の上方に形成された導波路層と、該導波路層の上方に形成されたクラッド層と、前記導波路層に入射された光を上方に向けて回折させるための回折格子と、前記クラッド層の上方に形成され前記光を出射する窓部が設けられた上部電極層と、前記半導体基板の下方に形成された下部電極層とを有してなり、前記回折格子により回折した光の出射角度が光の導波方向に沿う鉛直面内において変化する空間型光偏向素子において、
光軸に垂直な方向に出射光を集束するための円柱状の棒状レンズが、自身の軸線が素子の光軸方向を向くように前記クラッド層上部にあたる出射光の光路上に設置され、
前記導波路層がストライプ状に形成されるとともに、該導波路層の両側方から上方に成長する導電層により溝が形成され、その溝の内部に前記棒状レンズが装入、固定されたことを特徴とする空間型光偏向素子。
請求項１に記載の空間型光偏向素子において、
前記棒状レンズと前記溝との隙間に樹脂または誘電体が充填されたことで前記棒状レンズが固定されるとともに、前記棒状レンズと前記溝との隙間に存在する樹脂または誘電体がクラッド層を構成することを特徴とする空間型光偏向素子。
請求項２に記載の空間型光偏向素子において、
前記導波路層の上面にマスク層が設けられ、前記棒状レンズと前記溝との隙間に存在する樹脂または誘電体と前記マスク層とが一体となってクラッド層を構成することを特徴とする空間型光偏向素子。