JP3660021B2 - 空間型光偏向素子 - Google Patents
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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９に示すような空間型光偏向素子を提案した（図９（ａ）は素子の縦方向断面図、図９（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９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１の外部空間に出射することができる。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、この種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。この際、出射光の強度分布は、導波路方向については導波路長とほぼ同等の長さとなりそれ程広がることはない（図９においては出射光Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 を模式的に１本の線（矢印）で示したが、実際の出射光は強度の広がりを持っている）。一方、導波路に垂直な方向については、導波路層の光の閉じ込め状態にも左右されるが、導波路方向に比べて大きく広がってしまう。すなわち、出射光のビームの断面形状は導波路に垂直な方向に長い楕円状となる。
【０００７】
そこで、マザーボードに配した空間型光偏向素子と子ボードに配した多数の受光素子との間で光インターコネクションを構成しようとする場合、空間型光偏向素子の導波路に垂直な方向については光信号の分解能が極めて悪いという欠点があった。したがって、子ボード上の多数の受光素子に光信号を送信したいという要求があっても、導波路に垂直な方向に空間型光偏向素子を接近させて配置することができず、敢えてそのように配置すると信号のクロストークという問題が生じることになる。この問題が光インターコネクションにおける集積度の向上にとって大きな障害となっていた。
【０００８】
本発明は、上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した際に集積度の向上を図る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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の空間型光偏向素子は、半導体基板上に、導波路層とクラッド層からなる複数本のストライプが前記半導体基板の幅方向に並べられて互いに平行に形成され、これらストライプには前記導波路層に入射された光を上方に回折させるための回折格子がそれぞれ形成されるとともに、これら回折格子の溝の方向と前記半導体基板の幅方向のなす角度が素子中央側の回折格子から素子周辺側の回折格子に向けて大きくなる方向に変化し、かつ、前記溝の各々の両端は、基板中央側端部が前記導波路層の入射面側、基板周辺側端部が前記導波路層の出射面側にずれて位置するものとされ、前記ストライプの上方に回折光を出射する窓部を有する上部電極層が形成され、前記半導体基板の下方に下部電極層が形成されてなる偏向素子アレイ領域を有し、前記素子中央側の回折格子から前記素子周辺側の回折格子に向けて光の導波方向と前記溝の方向とのなす角度が順次大きくなることにより、素子中央側の導波路層から素子周辺側の導波路層に向けて光の出射方向の鉛直方向からのずれが順次大きくなっていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項２に記載の空間型光偏向素子は、半導体基板上に、導波路層とクラッド層からなる複数本のストライプが前記導波路層の入射面側から出射面側に向けて放射状に形成され、これらストライプには前記導波路層に入射された光を上方に回折させるための回折格子がそれぞれ形成されるとともに、それら全ての回折格子にわたって回折格子の溝の方向が前記半導体基板の幅方向に平行なものとされ、前記ストライプの上方に回折光を出射する窓部を有する上部電極層が形成され、前記半導体基板の下方に下部電極層が形成されてなる偏向素子アレイ領域を有し、前記素子中央側の回折格子から前記素子周辺側の回折格子に向けて光の導波方向と前記溝の方向とのなす角度が順次大きくなることにより、素子中央側の導波路層から素子周辺側の導波路層に向けて光の出射方向の鉛直方向からのずれが順次大きくなっていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項３に記載の空間型光偏向素子は、前記偏向素子アレイ領域の前記導波路層の入射面側に、入射光を分岐しその分岐光を前記偏向素子アレイ領域の各導波路層に向けて導波するための導波路層を有するスイッチ領域が設けられたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項４に記載の空間型光偏向素子は、前記上部電極層の窓部を通して外部空間に露出する前記クラッド層の上面に出射光を少なくとも前記半導体基板の幅方向に集束するための光集束部が形成されたことを特徴とするものである。
【００１３】
【作用】
本発明の空間型光偏向素子によれば、各ストライプの導波路層に光を入射するとその光が回折格子の作用により上方に向けて回折され窓部から素子の外部空間に出射されるが、その際に上部、下部電極層間に電圧印加または電流注入を行なうと電圧または電流の大きさに依存して各導波路層の屈折率が変化し、それに伴って光の回折角（偏向角）がそれぞれ変化する。
【００１４】
そこで、請求項１に記載の空間型光偏向素子には、複数の導波路層が半導体基板の幅方向に並んで互いに平行に形成され、また、各回折格子の溝の方向と半導体基板の幅方向のなす角度が基板中央側の回折格子から基板周辺側の回折格子に向けて大きくなっている。すなわち、各回折格子の溝の方向が、素子中央側の回折格子では光の導波方向に対して垂直に近く、周辺側の回折格子になる程、光の導波方向に対して素子の外側に向いている。したがって、光が上方に回折される場合に、素子中央側の導波路層からは鉛直方向上方に出射されるが、周辺側の導波路層になる程、光の出射方向が鉛直方向からずれていき、導波路層の入射面側から見たときに各導波路層からの出射光は放射状になる。
【００１５】
また、請求項２に記載の空間型光偏向素子には、複数の導波路層がその入射面側から出射面側に向けて放射状に形成され、全ての回折格子にわたって回折格子の溝の方向が半導体基板の幅方向に平行となっている。すなわち、請求項１に記載の素子が複数のストライプにわたって導波路層の方向を共通に、回折格子の溝の角度を変化させたのに対して、請求項２に記載の素子は回折格子の溝の方向を共通に、導波路層の方向を変化させ全体として放射状にしたものであり、複数のストライプにわたる光の導波方向と回折格子の溝のなす角度の関係は請求項１、請求項２ともに共通である。したがって、請求項２に記載の空間型光偏向素子の場合も、光が上方に回折される場合に、素子中央側の導波路層からは鉛直方向上方に出射されるが、周辺側の導波路層になる程、光の出射方向が鉛直方向からずれていき、導波路層の入射面側から見たときに各導波路層からの出射光が放射状になる。
【００１６】
また、請求項３に記載の空間型光偏向素子においては、偏向素子アレイ領域の入射面側に設けられたスイッチ領域の導波路層に対して光を入射すると、入射光が分岐され、その分岐光が偏向素子アレイ領域の各導波路層に向けてそれぞれ導波されることによって、偏向素子アレイ領域への光の入射がなされる。
【００１７】
また、請求項４に記載の空間型光偏向素子においては、上部電極層の窓部を通して外部空間に露出するクラッド層の上面に形成された光集束部により、各導波路層からの光が放射状に出射される際に各出射光が少なくとも半導体基板の幅方向に集束される。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の第１の実施例を図１ないし図５を参照して説明する。
図１は本実施例の空間型光偏向素子１４の全体構成を示す図であって、この空間型光偏向素子１４はスイッチ領域１５と偏向素子アレイ領域１６から構成されている。また、図２は本発明の特徴点を示す偏向素子アレイ領域１６のみの構成を示す図である。図中符号１７は半導体基板、１８はバッファ層、１９はＭＱＷ層、２０は導波路層、２１はクラッド層、２２は上部電極層、２３は下部電極層、２４は絶縁層、２５ａ〜２５ｅは回折格子である。
【００１９】
図１に示すように、半導体基板１７はｎ−ＩｎＰを材料としてチップ状に形成したものであり、この半導体基板１７上にｎ−ＩｎＰバッファ層１８、ＭＱＷ層１９が順次積層されている。ＭＱＷ層１９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構造をなす層である。そして、半導体基板１７からＭＱＷ層１９までの積層構造はスイッチ領域１５と偏向素子アレイ領域１６で共通である。
【００２０】
次に、スイッチ領域１５においては、上記ＭＱＷ層１９上に１本の導波路が複数本（この場合５本）に分岐した形の導波路層２０ａが形成されている。このスイッチ領域１５の部分は光路の切り替えを行なう、いわゆる周知一般の光スイッチであって、本実施例では一例として、導波路の分岐部に設けた電極２６、２６、…により屈折率変化を生じさせて光を全反射させる型の内部全反射型光スイッチを適用している。なお、内部全反射型光スイッチに限ることなく、方向性結合器型光スイッチ等、他の型の光スイッチを適用してもよい。
【００２１】
一方、図２に示すように、偏向素子アレイ領域１６においては、ＭＱＷ層１９上面の基板１７の幅方向には、スイッチ領域１５の導波路層２０ａから連続した導波路層２０、２０、…と、その上部に形成されたクラッド層２１、２１、…からなる複数本（この場合５本）のストライプ２７、２７、…が互いに平行に形成されている。ここでは、導波路層２０はＩｎＧａＡｓＰにより形成され、クラッド層２１はｐ−ＩｎＰにより形成されている。そして、これら各ストライプ２７の延びる方向がそれぞれ入射光Ｓ0 の導波方向となっている。
【００２２】
また、各ストライプ２７における導波路層２０の上面には、一定の周期を持つ三角波形の回折格子２５ａ〜２５ｅがそれぞれ形成されている。この回折格子２５ａ〜２５ｅは導波路層内を導波する光Ｓ0 を上方に向けて回折させるためのものである。そして、この素子１４を平面視した際に、これら各回折格子２５ａ〜２５ｅの溝の方向と基板１７の幅方向のなす角度は、基板中央の回折格子２５ｃで０°（溝の方向が光Ｓ0 の導波方向に対して垂直）であるのに対して、基板最外周の回折格子２５ａ、２５ｅに向けて０°から漸次大きくなる（溝の方向が光Ｓ0 の導波方向に対して直角より小さくなる）方向に変化し、かつ、各回折格子２５ａ〜２５ｅにおける各溝の両端は、基板中央側端部が導波路層２０の入射面側（図２における手前側）、基板周辺側端部が導波路層の出射面側（図２における奥側）に位置している。
【００２３】
一方、各ストライプ２７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により埋め込まれている。なお、絶縁層２４としてはｕ−ＩｎＰを用いる代わりに、上側がｎ−ＩｎＰ、下側がｐ−ＩｎＰの積層構造を用いて基板とクラッド層がなす導電型に対して逆接合（ｐ−ｎ−ｐ−ｎ）となるような構造としたり、絶縁材料であるポリイミド等の樹脂を用いた構造としてもよい。
【００２４】
また、各ストライプ２７のクラッド層２１の上面には、上部電極層２２（図２では左端のストライプのみについて図示し、残りは省略する）がそれぞれ形成され、半導体基板１７の下面全面には下部電極層２３が形成されている。そして、各上部電極層２２には、上方に回折した光を素子外部へ出射させるための矩形の窓部２８が形成されている。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。
【００２５】
上記構成の空間型光偏向素子１４を使用する際は、スイッチ領域１５の電極２６、２６、…、および偏向素子アレイ領域１６の上部電極層２２、２２、…と下部電極層２３の間に電源を接続する。そして、スイッチ領域１５の導波路層２０ａに対して光Ｓ0 を入射するとともにスイッチ領域１５の電極２６、２６、…に電圧を印加して屈折率を変化させると、入射光が分岐して偏向素子アレイ領域１６に入射される。
【００２６】
ここで、偏向素子アレイ領域１６において光が入射された導波路層２０上の上部、下部電極層２２、２３間に電圧を適宜印加してＭＱＷ層１９の屈折率を変化させると、屈折率変化に伴って回折角が変化し、すなわち、回折光が光の導波方向に沿う面内においてその出射角度が変化し、各窓部２８から素子１４の外部にそれぞれ出射される。なお、上部、下部電極層２２、２３間に印加する電圧の極性はいずれが正または負であってもよいし、電圧印加に代えて電流を注入する方法でもＭＱＷ層１９の屈折率を変化させることが可能である。
【００２７】
本実施例の空間型光偏向素子１４においては、偏向素子アレイ領域１６に電圧印加を行なった場合のＭＱＷ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各ストライプ２７からの出射光Ｓ1を光の導波方向に沿う面内で５°程度の範囲において偏向させることができる。この際、図３に示すように、複数のストライプ２７、２７、…（なお、図３では図示の都合上、ストライプの本数を４本とする）からそれぞれ光Ｓ1 〜Ｓ4 が出射されるが、各回折格子の溝の方向が、基板中央の回折格子から周辺の回折格子になる程、光の導波方向に対して外側に向いている。したがって、図４に示すように、光が上方に回折されたときに、出射光は基板中央側のストライプ２７からは鉛直に近い方向（Ｓ2 、Ｓ3 ）に出射されるが、周辺側のストライプ２７になる程、光の出射方向が鉛直方向からずれ（Ｓ1 、Ｓ4 ）、入射面側から見たときに各ストライプ２７からの光が放射状に出射されることになる。
【００２８】
そこで、マザーボードに配置した空間型光偏向素子と子ボードに配置した複数の受光素子との間で光インターコネクションを構成する場合に、導波路に垂直な方向に関する光信号の分解能が従来の素子を用いた場合に比べて向上する。従来は、導波路に垂直な方向に空間型光偏向素子を接近配置して多数の受光素子に対して光信号を送信することができなかったが、図５に示すように、本実施例の空間型光偏向素子１４によれば、この素子１つで導波路に垂直な方向に並ぶ子ボード２９上の多数の受光素子群３０ａ〜３０ｄに対してクロストークを生じることなく光信号を送ることが可能となる。したがって、この空間型光偏向素子１４の適用により光インターコネクションにおける集積度の向上を図ることができる。
【００２９】
また、本実施例の空間型光偏向素子１４はスイッチ領域１５を有しているので、スイッチ領域１５の１本の導波路層２０ａに光ファイバ等を介して信号源を接続し、後はスイッチを機能させるだけで偏向素子アレイ領域１６から出射光が得られるため、別体の光スイッチや複数の入射用光ファイバを要することがなく、光ファイバ接続等を含むシステム組立作業の簡単化、部品点数の低減を図ることができる。
【００３０】
さらに、本実施例では、各ストライプ２７毎に上部電極層２２を設け、各導波路層２０下のＭＱＷ層１９に対して個別に電圧印加を行なう構成としたため、各出射光毎に偏向角の制御、すなわち光スイッチングを独立して行なうことができる。
【００３１】
以下、本発明の第２の実施例を図６ないし図８を参照して説明する。
図６は本実施例の空間型光偏向素子３１の全体構成を示す図であって、この空間型光偏向素子３１も第１実施例と同様、スイッチ領域３２と偏向素子アレイ領域３３から構成されている。また、図７は偏向素子アレイ領域３３のみの構成を示す図である。
【００３２】
第２実施例の空間型光偏向素子３１が第１実施例の素子１４と異なる点は、複数のストライプ相互の位置関係、および回折格子の溝の方向の２点のみであり、素子の全体構成、および積層構造は第１実施例と全く同様である。したがって、以下では上記異なる点のみ説明し、共通点については図面に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図７は偏向素子アレイ領域３３の構成を示す図である。ＭＱＷ層２９上面の基板１７の幅方向には、スイッチ領域３２の導波路層２０ａと連続する導波路層３４ａ〜３４ｅとその上部に積層されたクラッド層３５からなる複数本（この場合５本）のストライプ３６ａ〜３６ｅが、導波路層３４の入射面側から出射面側（図７における手前側から奥側）に向けて放射状に形成されている。また、各ストライプ３６における導波路層３４の上面には、一定の周期を持つ三角波形の回折格子３７、３７、…がそれぞれ形成されており、この素子３１を平面視した際にこれら全ての回折格子３７の溝の方向が半導体基板１７の幅方向に平行となっている。
【００３４】
すなわち、第１実施例の空間型光偏向素子１４が複数のストライプ２７、２７、…において導波路層２０の方向を共通に、回折格子２５ａ〜２５ｅの溝の角度を漸次変化させたのに対して、第２実施例の空間型光偏向素子３１は回折格子３７の溝の方向を共通に、導波路層３４ａ〜３４ｅの方向を漸次変化させて放射状にしたものである。したがって、複数のストライプにわたる光の導波方向と回折格子の溝のなす角度の関係は第１、第２実施例ともに共通である。そこで、第１実施例の場合と同様、図８に示すように、光が上方に回折される際に導波路層３４ａ〜３４ｅの入射面側から見たときに各導波路層３４ａ〜３４ｅからの光が放射状に出射される。
【００３５】
したがって、本実施例の空間型光偏向素子３１においても、導波路に垂直な方向に並ぶ複数の受光素子に対する光信号の分解能が上がることから光インターコネクションにおける集積度の向上が図れる、スイッチ領域３２を有することから光ファイバ接続等を含むシステム組立作業の簡易化、部品点数の低減が図れる等、第１実施例と同様の効果を奏することができる。
【００３６】
ところで、空間型光偏向素子の製造方法について考慮すると、回折格子の溝の形成は極めて微細な加工技術を要するため、通常、電子ビーム露光法または干渉露光法が用いられる。そこで、第１実施例の空間型光偏向素子１４の場合、各回折格子２５ａ〜２５ｅでそれぞれ角度が異なるため、電子ビーム露光法、干渉露光法のいずれを用いるにしても処理を数回に分けて行なわなければならず、製造工程が複雑となり、処理時間が長くなるという欠点を有していた。それに対して、第２実施例の空間型光偏向素子３１の場合、全ての回折格子３７、３７、…にわたって溝の方向が一定なため、電子ビーム露光法または干渉露光法の処理が１回で済み、かつ、複数のストライプ３６ａ〜３６ｅを放射状に形成することについてはパターニングだけの問題のため、工程を複雑にするものではない。したがって、第２実施例の空間型光偏向素子３１の構造によれば、第１実施例の場合に比べて製造工程が減り、処理時間を短縮することができる。
【００３７】
なお、第１、第２実施例の空間型光偏向素子１４、３１の構成に加えて、クラッド層２１、３５の上面に出射光を少なくとも基板１７の幅方向に集束するための光集束部を設けてもよい。この光集束部は、具体的にはクラッド層の上面自体を凸レンズ状に加工する、クラッド層の上面に例えばポリイミド等の材料で別途作製した凸レンズを固着する、等の種々の手段を用いることができる。そして、この種の光集束部を設けることにより出射光の各々が基板の幅方向に集束されるため、本発明の効果に加えて導波路に垂直な方向の光信号の分解能をさらに向上させることができる。
【００３８】
また、両実施例における偏向素子アレイ領域１６、３３の上部電極層２２の構成については、各ストライプ２７、３６ａ〜３６ｅ毎に上部電極層２２を設け、各ストライプ２７、３６ａ〜３６ｅ毎に個別に電圧印加を行なう構成としたが、素子１４、３１の上面を全面的に覆うとともに各ストライプ２７、３６ａ〜３６ｅ上に窓部を設けた上部電極層を形成し、全てのストライプ２７、３６ａ〜３６ｅに対して同時に電圧印加を行なう構成としてもよい。
【００３９】
そして、半導体基板１７の材料としてｎ−ＩｎＰを、クラッド層２１、３５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１９の材料としても実施例の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、光閉込補償層、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。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１に記載の空間型光偏向素子によれば、複数の導波路層が互いに平行に形成され、また、各回折格子の溝の方向と半導体基板の幅方向のなす角度が基板中央側の回折格子から基板周辺側の回折格子に向けて大きくなっている。すなわち、各回折格子の溝の方向が、素子中央側の回折格子では光の導波方向に対して垂直に近く、周辺側の回折格子になる程、光の導波方向に対して外側に向いている。したがって、光が上方に回折される際に導波路層の入射面側から見たときに各導波路層からの光が放射状に出射されることになる。
【００４１】
そこで、この空間型光偏向素子を用いた光インターコネクションを実現する場合に、導波路に垂直な方向に関する光信号の分解能が従来の空間型光偏向素子を用いた場合に比べて向上する。したがって、この空間型光偏向素子によれば、導波路に垂直な方向に並ぶ複数の受光素子に対してクロストークを生じることなく光信号を送ることが可能となる。したがって、この空間型光偏向素子の適用により光インターコネクションにおける集積度の向上を図ることができる。
【００４２】
また、請求項１に記載の空間型光偏向素子が複数のストライプにおいて導波路層の方向を共通に、回折格子の溝の角度を変化させたのに対して、請求項２に記載の空間型光偏向素子は回折格子の溝の方向を共通に、導波路層の方向を変化させ全体として放射状にしたものであり、複数のストライプにわたる光の導波方向と回折格子の溝のなす角度の関係は請求項１、請求項２ともに共通である。したがって、この場合も各導波路層からの出射光が放射状となるため、請求項１と同様の効果を奏することができる。さらに、請求項２に記載の空間型光偏向素子によれば、全ての回折格子にわたって溝の方向が一定なため、溝の形成に係わる電子ビーム露光法または干渉露光法を含む製造工程が簡単になり、処理時間を短縮することができる。
【００４３】
また、請求項３に記載の空間型光偏向素子はスイッチ領域を有しているので、別体の光スイッチや複数本の入射用光ファイバを要することがなく、光ファイバ接続等を含むシステム組立作業の簡易化、部品点数の低減を図ることができる。
【００４４】
また、請求項４に記載の空間型光偏向素子によれば、光集束部により放射状に出射される出射光の各々が半導体基板の幅方向に集束されるため、導波路に垂直な方向の光信号の分解能をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例である空間型光偏向素子の全体構成を示す斜視図である。
【図２】 同、空間型光偏向素子の偏向素子アレイ領域のみの構成を示す斜視図である。
【図３】 同、空間型光偏向素子から光が出射する状態を示す平面図である。
【図４】 同、正面図である。
【図５】 同、空間型光偏向素子を用いた光インターコネクションの構成の一例を示す図である。
【図６】 本発明の第２実施例である空間型光偏向素子の全体構成を示す斜視図である。
【図７】 同、空間型光偏向素子の偏向素子アレイ領域のみの構成を示す斜視図である。
【図８】 同、空間型光偏向素子から光が出射する状態を示す平面図である。
【図９】 従来の空間型光偏向素子の一例を示す（ａ）側断面図、（ｂ）正断面図である。
【符号の説明】
１４，３１…空間型光偏向素子、１５，３２…スイッチ領域、１６，３３…偏向素子アレイ領域、１７…半導体基板、１９…ＭＱＷ層、２０，３４ａ〜３４ｅ…導波路層、２０ａ…（スイッチ領域の）導波路層、２１，３５…クラッド層、２２…上部電極層、２３…下部電極層、２５ａ〜２５ｅ，３７…回折格子、２７，３６，３６ａ〜３６ｅ…ストライプ、２８…窓部、Ｓ0 …入射光、Ｓ1 〜Ｓ4 …出射光
【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９に示すような空間型光偏向素子を提案した（図９（ａ）は素子の縦方向断面図、図９（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９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１の外部空間に出射することができる。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、この種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。この際、出射光の強度分布は、導波路方向については導波路長とほぼ同等の長さとなりそれ程広がることはない（図９においては出射光Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 を模式的に１本の線（矢印）で示したが、実際の出射光は強度の広がりを持っている）。一方、導波路に垂直な方向については、導波路層の光の閉じ込め状態にも左右されるが、導波路方向に比べて大きく広がってしまう。すなわち、出射光のビームの断面形状は導波路に垂直な方向に長い楕円状となる。
【０００７】
そこで、マザーボードに配した空間型光偏向素子と子ボードに配した多数の受光素子との間で光インターコネクションを構成しようとする場合、空間型光偏向素子の導波路に垂直な方向については光信号の分解能が極めて悪いという欠点があった。したがって、子ボード上の多数の受光素子に光信号を送信したいという要求があっても、導波路に垂直な方向に空間型光偏向素子を接近させて配置することができず、敢えてそのように配置すると信号のクロストークという問題が生じることになる。この問題が光インターコネクションにおける集積度の向上にとって大きな障害となっていた。
【０００８】
本発明は、上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した際に集積度の向上を図る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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の空間型光偏向素子は、半導体基板上に、導波路層とクラッド層からなる複数本のストライプが前記半導体基板の幅方向に並べられて互いに平行に形成され、これらストライプには前記導波路層に入射された光を上方に回折させるための回折格子がそれぞれ形成されるとともに、これら回折格子の溝の方向と前記半導体基板の幅方向のなす角度が素子中央側の回折格子から素子周辺側の回折格子に向けて大きくなる方向に変化し、かつ、前記溝の各々の両端は、基板中央側端部が前記導波路層の入射面側、基板周辺側端部が前記導波路層の出射面側にずれて位置するものとされ、前記ストライプの上方に回折光を出射する窓部を有する上部電極層が形成され、前記半導体基板の下方に下部電極層が形成されてなる偏向素子アレイ領域を有し、前記素子中央側の回折格子から前記素子周辺側の回折格子に向けて光の導波方向と前記溝の方向とのなす角度が順次大きくなることにより、素子中央側の導波路層から素子周辺側の導波路層に向けて光の出射方向の鉛直方向からのずれが順次大きくなっていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項２に記載の空間型光偏向素子は、半導体基板上に、導波路層とクラッド層からなる複数本のストライプが前記導波路層の入射面側から出射面側に向けて放射状に形成され、これらストライプには前記導波路層に入射された光を上方に回折させるための回折格子がそれぞれ形成されるとともに、それら全ての回折格子にわたって回折格子の溝の方向が前記半導体基板の幅方向に平行なものとされ、前記ストライプの上方に回折光を出射する窓部を有する上部電極層が形成され、前記半導体基板の下方に下部電極層が形成されてなる偏向素子アレイ領域を有し、前記素子中央側の回折格子から前記素子周辺側の回折格子に向けて光の導波方向と前記溝の方向とのなす角度が順次大きくなることにより、素子中央側の導波路層から素子周辺側の導波路層に向けて光の出射方向の鉛直方向からのずれが順次大きくなっていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項３に記載の空間型光偏向素子は、前記偏向素子アレイ領域の前記導波路層の入射面側に、入射光を分岐しその分岐光を前記偏向素子アレイ領域の各導波路層に向けて導波するための導波路層を有するスイッチ領域が設けられたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項４に記載の空間型光偏向素子は、前記上部電極層の窓部を通して外部空間に露出する前記クラッド層の上面に出射光を少なくとも前記半導体基板の幅方向に集束するための光集束部が形成されたことを特徴とするものである。
【００１３】
【作用】
本発明の空間型光偏向素子によれば、各ストライプの導波路層に光を入射するとその光が回折格子の作用により上方に向けて回折され窓部から素子の外部空間に出射されるが、その際に上部、下部電極層間に電圧印加または電流注入を行なうと電圧または電流の大きさに依存して各導波路層の屈折率が変化し、それに伴って光の回折角（偏向角）がそれぞれ変化する。
【００１４】
そこで、請求項１に記載の空間型光偏向素子には、複数の導波路層が半導体基板の幅方向に並んで互いに平行に形成され、また、各回折格子の溝の方向と半導体基板の幅方向のなす角度が基板中央側の回折格子から基板周辺側の回折格子に向けて大きくなっている。すなわち、各回折格子の溝の方向が、素子中央側の回折格子では光の導波方向に対して垂直に近く、周辺側の回折格子になる程、光の導波方向に対して素子の外側に向いている。したがって、光が上方に回折される場合に、素子中央側の導波路層からは鉛直方向上方に出射されるが、周辺側の導波路層になる程、光の出射方向が鉛直方向からずれていき、導波路層の入射面側から見たときに各導波路層からの出射光は放射状になる。
【００１５】
また、請求項２に記載の空間型光偏向素子には、複数の導波路層がその入射面側から出射面側に向けて放射状に形成され、全ての回折格子にわたって回折格子の溝の方向が半導体基板の幅方向に平行となっている。すなわち、請求項１に記載の素子が複数のストライプにわたって導波路層の方向を共通に、回折格子の溝の角度を変化させたのに対して、請求項２に記載の素子は回折格子の溝の方向を共通に、導波路層の方向を変化させ全体として放射状にしたものであり、複数のストライプにわたる光の導波方向と回折格子の溝のなす角度の関係は請求項１、請求項２ともに共通である。したがって、請求項２に記載の空間型光偏向素子の場合も、光が上方に回折される場合に、素子中央側の導波路層からは鉛直方向上方に出射されるが、周辺側の導波路層になる程、光の出射方向が鉛直方向からずれていき、導波路層の入射面側から見たときに各導波路層からの出射光が放射状になる。
【００１６】
また、請求項３に記載の空間型光偏向素子においては、偏向素子アレイ領域の入射面側に設けられたスイッチ領域の導波路層に対して光を入射すると、入射光が分岐され、その分岐光が偏向素子アレイ領域の各導波路層に向けてそれぞれ導波されることによって、偏向素子アレイ領域への光の入射がなされる。
【００１７】
また、請求項４に記載の空間型光偏向素子においては、上部電極層の窓部を通して外部空間に露出するクラッド層の上面に形成された光集束部により、各導波路層からの光が放射状に出射される際に各出射光が少なくとも半導体基板の幅方向に集束される。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の第１の実施例を図１ないし図５を参照して説明する。
図１は本実施例の空間型光偏向素子１４の全体構成を示す図であって、この空間型光偏向素子１４はスイッチ領域１５と偏向素子アレイ領域１６から構成されている。また、図２は本発明の特徴点を示す偏向素子アレイ領域１６のみの構成を示す図である。図中符号１７は半導体基板、１８はバッファ層、１９はＭＱＷ層、２０は導波路層、２１はクラッド層、２２は上部電極層、２３は下部電極層、２４は絶縁層、２５ａ〜２５ｅは回折格子である。
【００１９】
図１に示すように、半導体基板１７はｎ−ＩｎＰを材料としてチップ状に形成したものであり、この半導体基板１７上にｎ−ＩｎＰバッファ層１８、ＭＱＷ層１９が順次積層されている。ＭＱＷ層１９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構造をなす層である。そして、半導体基板１７からＭＱＷ層１９までの積層構造はスイッチ領域１５と偏向素子アレイ領域１６で共通である。
【００２０】
次に、スイッチ領域１５においては、上記ＭＱＷ層１９上に１本の導波路が複数本（この場合５本）に分岐した形の導波路層２０ａが形成されている。このスイッチ領域１５の部分は光路の切り替えを行なう、いわゆる周知一般の光スイッチであって、本実施例では一例として、導波路の分岐部に設けた電極２６、２６、…により屈折率変化を生じさせて光を全反射させる型の内部全反射型光スイッチを適用している。なお、内部全反射型光スイッチに限ることなく、方向性結合器型光スイッチ等、他の型の光スイッチを適用してもよい。
【００２１】
一方、図２に示すように、偏向素子アレイ領域１６においては、ＭＱＷ層１９上面の基板１７の幅方向には、スイッチ領域１５の導波路層２０ａから連続した導波路層２０、２０、…と、その上部に形成されたクラッド層２１、２１、…からなる複数本（この場合５本）のストライプ２７、２７、…が互いに平行に形成されている。ここでは、導波路層２０はＩｎＧａＡｓＰにより形成され、クラッド層２１はｐ−ＩｎＰにより形成されている。そして、これら各ストライプ２７の延びる方向がそれぞれ入射光Ｓ0 の導波方向となっている。
【００２２】
また、各ストライプ２７における導波路層２０の上面には、一定の周期を持つ三角波形の回折格子２５ａ〜２５ｅがそれぞれ形成されている。この回折格子２５ａ〜２５ｅは導波路層内を導波する光Ｓ0 を上方に向けて回折させるためのものである。そして、この素子１４を平面視した際に、これら各回折格子２５ａ〜２５ｅの溝の方向と基板１７の幅方向のなす角度は、基板中央の回折格子２５ｃで０°（溝の方向が光Ｓ0 の導波方向に対して垂直）であるのに対して、基板最外周の回折格子２５ａ、２５ｅに向けて０°から漸次大きくなる（溝の方向が光Ｓ0 の導波方向に対して直角より小さくなる）方向に変化し、かつ、各回折格子２５ａ〜２５ｅにおける各溝の両端は、基板中央側端部が導波路層２０の入射面側（図２における手前側）、基板周辺側端部が導波路層の出射面側（図２における奥側）に位置している。
【００２３】
一方、各ストライプ２７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により埋め込まれている。なお、絶縁層２４としてはｕ−ＩｎＰを用いる代わりに、上側がｎ−ＩｎＰ、下側がｐ−ＩｎＰの積層構造を用いて基板とクラッド層がなす導電型に対して逆接合（ｐ−ｎ−ｐ−ｎ）となるような構造としたり、絶縁材料であるポリイミド等の樹脂を用いた構造としてもよい。
【００２４】
また、各ストライプ２７のクラッド層２１の上面には、上部電極層２２（図２では左端のストライプのみについて図示し、残りは省略する）がそれぞれ形成され、半導体基板１７の下面全面には下部電極層２３が形成されている。そして、各上部電極層２２には、上方に回折した光を素子外部へ出射させるための矩形の窓部２８が形成されている。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。
【００２５】
上記構成の空間型光偏向素子１４を使用する際は、スイッチ領域１５の電極２６、２６、…、および偏向素子アレイ領域１６の上部電極層２２、２２、…と下部電極層２３の間に電源を接続する。そして、スイッチ領域１５の導波路層２０ａに対して光Ｓ0 を入射するとともにスイッチ領域１５の電極２６、２６、…に電圧を印加して屈折率を変化させると、入射光が分岐して偏向素子アレイ領域１６に入射される。
【００２６】
ここで、偏向素子アレイ領域１６において光が入射された導波路層２０上の上部、下部電極層２２、２３間に電圧を適宜印加してＭＱＷ層１９の屈折率を変化させると、屈折率変化に伴って回折角が変化し、すなわち、回折光が光の導波方向に沿う面内においてその出射角度が変化し、各窓部２８から素子１４の外部にそれぞれ出射される。なお、上部、下部電極層２２、２３間に印加する電圧の極性はいずれが正または負であってもよいし、電圧印加に代えて電流を注入する方法でもＭＱＷ層１９の屈折率を変化させることが可能である。
【００２７】
本実施例の空間型光偏向素子１４においては、偏向素子アレイ領域１６に電圧印加を行なった場合のＭＱＷ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各ストライプ２７からの出射光Ｓ1を光の導波方向に沿う面内で５°程度の範囲において偏向させることができる。この際、図３に示すように、複数のストライプ２７、２７、…（なお、図３では図示の都合上、ストライプの本数を４本とする）からそれぞれ光Ｓ1 〜Ｓ4 が出射されるが、各回折格子の溝の方向が、基板中央の回折格子から周辺の回折格子になる程、光の導波方向に対して外側に向いている。したがって、図４に示すように、光が上方に回折されたときに、出射光は基板中央側のストライプ２７からは鉛直に近い方向（Ｓ2 、Ｓ3 ）に出射されるが、周辺側のストライプ２７になる程、光の出射方向が鉛直方向からずれ（Ｓ1 、Ｓ4 ）、入射面側から見たときに各ストライプ２７からの光が放射状に出射されることになる。
【００２８】
そこで、マザーボードに配置した空間型光偏向素子と子ボードに配置した複数の受光素子との間で光インターコネクションを構成する場合に、導波路に垂直な方向に関する光信号の分解能が従来の素子を用いた場合に比べて向上する。従来は、導波路に垂直な方向に空間型光偏向素子を接近配置して多数の受光素子に対して光信号を送信することができなかったが、図５に示すように、本実施例の空間型光偏向素子１４によれば、この素子１つで導波路に垂直な方向に並ぶ子ボード２９上の多数の受光素子群３０ａ〜３０ｄに対してクロストークを生じることなく光信号を送ることが可能となる。したがって、この空間型光偏向素子１４の適用により光インターコネクションにおける集積度の向上を図ることができる。
【００２９】
また、本実施例の空間型光偏向素子１４はスイッチ領域１５を有しているので、スイッチ領域１５の１本の導波路層２０ａに光ファイバ等を介して信号源を接続し、後はスイッチを機能させるだけで偏向素子アレイ領域１６から出射光が得られるため、別体の光スイッチや複数の入射用光ファイバを要することがなく、光ファイバ接続等を含むシステム組立作業の簡単化、部品点数の低減を図ることができる。
【００３０】
さらに、本実施例では、各ストライプ２７毎に上部電極層２２を設け、各導波路層２０下のＭＱＷ層１９に対して個別に電圧印加を行なう構成としたため、各出射光毎に偏向角の制御、すなわち光スイッチングを独立して行なうことができる。
【００３１】
以下、本発明の第２の実施例を図６ないし図８を参照して説明する。
図６は本実施例の空間型光偏向素子３１の全体構成を示す図であって、この空間型光偏向素子３１も第１実施例と同様、スイッチ領域３２と偏向素子アレイ領域３３から構成されている。また、図７は偏向素子アレイ領域３３のみの構成を示す図である。
【００３２】
第２実施例の空間型光偏向素子３１が第１実施例の素子１４と異なる点は、複数のストライプ相互の位置関係、および回折格子の溝の方向の２点のみであり、素子の全体構成、および積層構造は第１実施例と全く同様である。したがって、以下では上記異なる点のみ説明し、共通点については図面に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図７は偏向素子アレイ領域３３の構成を示す図である。ＭＱＷ層２９上面の基板１７の幅方向には、スイッチ領域３２の導波路層２０ａと連続する導波路層３４ａ〜３４ｅとその上部に積層されたクラッド層３５からなる複数本（この場合５本）のストライプ３６ａ〜３６ｅが、導波路層３４の入射面側から出射面側（図７における手前側から奥側）に向けて放射状に形成されている。また、各ストライプ３６における導波路層３４の上面には、一定の周期を持つ三角波形の回折格子３７、３７、…がそれぞれ形成されており、この素子３１を平面視した際にこれら全ての回折格子３７の溝の方向が半導体基板１７の幅方向に平行となっている。
【００３４】
すなわち、第１実施例の空間型光偏向素子１４が複数のストライプ２７、２７、…において導波路層２０の方向を共通に、回折格子２５ａ〜２５ｅの溝の角度を漸次変化させたのに対して、第２実施例の空間型光偏向素子３１は回折格子３７の溝の方向を共通に、導波路層３４ａ〜３４ｅの方向を漸次変化させて放射状にしたものである。したがって、複数のストライプにわたる光の導波方向と回折格子の溝のなす角度の関係は第１、第２実施例ともに共通である。そこで、第１実施例の場合と同様、図８に示すように、光が上方に回折される際に導波路層３４ａ〜３４ｅの入射面側から見たときに各導波路層３４ａ〜３４ｅからの光が放射状に出射される。
【００３５】
したがって、本実施例の空間型光偏向素子３１においても、導波路に垂直な方向に並ぶ複数の受光素子に対する光信号の分解能が上がることから光インターコネクションにおける集積度の向上が図れる、スイッチ領域３２を有することから光ファイバ接続等を含むシステム組立作業の簡易化、部品点数の低減が図れる等、第１実施例と同様の効果を奏することができる。
【００３６】
ところで、空間型光偏向素子の製造方法について考慮すると、回折格子の溝の形成は極めて微細な加工技術を要するため、通常、電子ビーム露光法または干渉露光法が用いられる。そこで、第１実施例の空間型光偏向素子１４の場合、各回折格子２５ａ〜２５ｅでそれぞれ角度が異なるため、電子ビーム露光法、干渉露光法のいずれを用いるにしても処理を数回に分けて行なわなければならず、製造工程が複雑となり、処理時間が長くなるという欠点を有していた。それに対して、第２実施例の空間型光偏向素子３１の場合、全ての回折格子３７、３７、…にわたって溝の方向が一定なため、電子ビーム露光法または干渉露光法の処理が１回で済み、かつ、複数のストライプ３６ａ〜３６ｅを放射状に形成することについてはパターニングだけの問題のため、工程を複雑にするものではない。したがって、第２実施例の空間型光偏向素子３１の構造によれば、第１実施例の場合に比べて製造工程が減り、処理時間を短縮することができる。
【００３７】
なお、第１、第２実施例の空間型光偏向素子１４、３１の構成に加えて、クラッド層２１、３５の上面に出射光を少なくとも基板１７の幅方向に集束するための光集束部を設けてもよい。この光集束部は、具体的にはクラッド層の上面自体を凸レンズ状に加工する、クラッド層の上面に例えばポリイミド等の材料で別途作製した凸レンズを固着する、等の種々の手段を用いることができる。そして、この種の光集束部を設けることにより出射光の各々が基板の幅方向に集束されるため、本発明の効果に加えて導波路に垂直な方向の光信号の分解能をさらに向上させることができる。
【００３８】
また、両実施例における偏向素子アレイ領域１６、３３の上部電極層２２の構成については、各ストライプ２７、３６ａ〜３６ｅ毎に上部電極層２２を設け、各ストライプ２７、３６ａ〜３６ｅ毎に個別に電圧印加を行なう構成としたが、素子１４、３１の上面を全面的に覆うとともに各ストライプ２７、３６ａ〜３６ｅ上に窓部を設けた上部電極層を形成し、全てのストライプ２７、３６ａ〜３６ｅに対して同時に電圧印加を行なう構成としてもよい。
【００３９】
そして、半導体基板１７の材料としてｎ−ＩｎＰを、クラッド層２１、３５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１９の材料としても実施例の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、光閉込補償層、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。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１に記載の空間型光偏向素子によれば、複数の導波路層が互いに平行に形成され、また、各回折格子の溝の方向と半導体基板の幅方向のなす角度が基板中央側の回折格子から基板周辺側の回折格子に向けて大きくなっている。すなわち、各回折格子の溝の方向が、素子中央側の回折格子では光の導波方向に対して垂直に近く、周辺側の回折格子になる程、光の導波方向に対して外側に向いている。したがって、光が上方に回折される際に導波路層の入射面側から見たときに各導波路層からの光が放射状に出射されることになる。
【００４１】
そこで、この空間型光偏向素子を用いた光インターコネクションを実現する場合に、導波路に垂直な方向に関する光信号の分解能が従来の空間型光偏向素子を用いた場合に比べて向上する。したがって、この空間型光偏向素子によれば、導波路に垂直な方向に並ぶ複数の受光素子に対してクロストークを生じることなく光信号を送ることが可能となる。したがって、この空間型光偏向素子の適用により光インターコネクションにおける集積度の向上を図ることができる。
【００４２】
また、請求項１に記載の空間型光偏向素子が複数のストライプにおいて導波路層の方向を共通に、回折格子の溝の角度を変化させたのに対して、請求項２に記載の空間型光偏向素子は回折格子の溝の方向を共通に、導波路層の方向を変化させ全体として放射状にしたものであり、複数のストライプにわたる光の導波方向と回折格子の溝のなす角度の関係は請求項１、請求項２ともに共通である。したがって、この場合も各導波路層からの出射光が放射状となるため、請求項１と同様の効果を奏することができる。さらに、請求項２に記載の空間型光偏向素子によれば、全ての回折格子にわたって溝の方向が一定なため、溝の形成に係わる電子ビーム露光法または干渉露光法を含む製造工程が簡単になり、処理時間を短縮することができる。
【００４３】
また、請求項３に記載の空間型光偏向素子はスイッチ領域を有しているので、別体の光スイッチや複数本の入射用光ファイバを要することがなく、光ファイバ接続等を含むシステム組立作業の簡易化、部品点数の低減を図ることができる。
【００４４】
また、請求項４に記載の空間型光偏向素子によれば、光集束部により放射状に出射される出射光の各々が半導体基板の幅方向に集束されるため、導波路に垂直な方向の光信号の分解能をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例である空間型光偏向素子の全体構成を示す斜視図である。
【図２】 同、空間型光偏向素子の偏向素子アレイ領域のみの構成を示す斜視図である。
【図３】 同、空間型光偏向素子から光が出射する状態を示す平面図である。
【図４】 同、正面図である。
【図５】 同、空間型光偏向素子を用いた光インターコネクションの構成の一例を示す図である。
【図６】 本発明の第２実施例である空間型光偏向素子の全体構成を示す斜視図である。
【図７】 同、空間型光偏向素子の偏向素子アレイ領域のみの構成を示す斜視図である。
【図８】 同、空間型光偏向素子から光が出射する状態を示す平面図である。
【図９】 従来の空間型光偏向素子の一例を示す（ａ）側断面図、（ｂ）正断面図である。
【符号の説明】
１４，３１…空間型光偏向素子、１５，３２…スイッチ領域、１６，３３…偏向素子アレイ領域、１７…半導体基板、１９…ＭＱＷ層、２０，３４ａ〜３４ｅ…導波路層、２０ａ…（スイッチ領域の）導波路層、２１，３５…クラッド層、２２…上部電極層、２３…下部電極層、２５ａ〜２５ｅ，３７…回折格子、２７，３６，３６ａ〜３６ｅ…ストライプ、２８…窓部、Ｓ0 …入射光、Ｓ1 〜Ｓ4 …出射光
Claims (4)
- 半導体基板上に、導波路層とクラッド層からなる複数本のストライプが前記半導体基板の幅方向に並べられて互いに平行に形成され、
これらストライプには前記導波路層に入射された光を上方に回折させるための回折格子がそれぞれ形成されるとともに、これら回折格子の溝の方向と前記半導体基板の幅方向のなす角度が素子中央側の回折格子から素子周辺側の回折格子に向けて大きくなる方向に変化し、かつ、前記溝の各々の両端は、基板中央側端部が前記導波路層の入射面側、基板周辺側端部が前記導波路層の出射面側にずれて位置するものとされ、
前記ストライプの上方に回折光を出射する窓部を有する上部電極層が形成され、前記半導体基板の下方に下部電極層が形成されてなる偏向素子アレイ領域を有し、
前記素子中央側の回折格子から前記素子周辺側の回折格子に向けて光の導波方向と前記溝の方向とのなす角度が順次大きくなることにより、素子中央側の導波路層から素子周辺側の導波路層に向けて光の出射方向の鉛直方向からのずれが順次大きくなっていることを特徴とする空間型光偏向素子。 - 半導体基板上に、導波路層とクラッド層からなる複数本のストライプが前記導波路層の入射面側から出射面側に向けて放射状に形成され、
これらストライプには前記導波路層に入射された光を上方に回折させるための回折格子がそれぞれ形成されるとともに、それら全ての回折格子にわたって回折格子の溝の方向が前記半導体基板の幅方向に平行なものとされ、
前記ストライプの上方に回折光を出射する窓部を有する上部電極層が形成され、前記半導体基板の下方に下部電極層が形成されてなる偏向素子アレイ領域を有し、
前記素子中央側の回折格子から前記素子周辺側の回折格子に向けて光の導波方向と前記溝の方向とのなす角度が順次大きくなることにより、素子中央側の導波路層から素子周辺側の導波路層に向けて光の出射方向の鉛直方向からのずれが順次大きくなっていることを特徴とする空間型光偏向素子。 - 請求項１または２に記載の空間型光偏向素子において、
前記偏向素子アレイ領域の前記導波路層の入射面側に、入射光を分岐しその分岐光を前記偏向素子アレイ領域の各導波路層に向けて導波するための導波路層を有するスイッチ領域が設けられたことを特徴とする空間型光偏向素子。 - 請求項１ないし３のいずれか一項記載の空間型光偏向素子において、
前記上部電極層の窓部を通して外部空間に露出する前記クラッド層の上面に、出射光を少なくとも前記半導体基板の幅方向に集束するための光集束部が形成されたことを特徴とする空間型光偏向素子。
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