JP3824683B2

JP3824683B2 - 空間型光偏向素子

Info

Publication number: JP3824683B2
Application number: JP15968995A
Authority: JP
Inventors: 利貞関口; 慎三須崎
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: JPH0915659A

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、本発明者は、図６に示すような空間型光偏向素子を提案した（図６（ａ）は素子の縦方向断面図、図６（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６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１０を有する上部電極層１１が形成され、下面には下部電極層１２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１１、１２間に例えば電圧印加を行なうと、電圧の大きさに見合う量だけＭＱＷ層４の屈折率が変化し、入射光Ｓ₀ の回折が生じる際にその屈折率変化に伴って回折角が変化する。このとき、回折角と屈折率との関係は次に示すブラッグの式で表される。すなわち、回折角をθ、導波路の等価屈折率をｎeff とすると、
ｓｉｎθ＝ｉ・｛λ₀ ／（ｎeff ・Λ）｝−１ ……（１）
ｉ：回折光の次数
λ₀：入射光の波長
Λ：回折格子の周期
となる。ここで、一般的な条件としてｉ＝２、λ₀ ＝１．３０μｍ、Λ＝４００ｎｍ、ｎeff＝３．２５を用いると、θ＝９０°となる。すなわち、光はその進行方向に対して垂直な方向、鉛直上方に回折することになる。
【０００６】
そこで、電圧の大きさを調節することにより屈折率（ｎeff ）を変化させ、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を送信側素子として適用することができるのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電圧を印加することによりＭＱＷ層の屈折率が変化するが、それと同時に吸収係数が増大する。すなわち、導波路の等価屈折率の変化はＭＱＷ層における光の吸収によって制限されることになり、この吸収を考慮すると屈折率の変化量は０．３％程度が限界となる（好ましくは０．２％程度である）。この値から（１）式を用いて計算すると出射光Ｓ₁ の偏向角（以下、回折角の変化量を偏向角と称する）は６°程度が限界となり、光をそれ以上偏向させることは実質的に不可能となる。
【０００８】
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は次のような問題が生じていた。すなわち、偏向角が６°程度と小さいことから受光素子同士の間隔を狭くするか、もしくはボード間の距離を離すかのいずれかの方法を採らなければならない。ところが、受光素子同士の間隔を狭くした場合には信号のクロストークが生じたり、ボード間の距離を離した場合には受光素子が受ける光強度が弱くなるという問題が生じていた。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、従来の素子に比べて大きい偏向角を有する空間型光偏向素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【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、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、前記導波路層への入射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回折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を有してなり、前記上部、下部電極層間に電圧印加または電流注入を行なって前記導波路層の屈折率を変化させることにより前記回折光を偏向させる空間型光偏向素子において、前記回折格子の周期を適切に設定することにより電圧を印加しない状態または電流を注入しない状態における回折光の回折角が９０°未満に調整されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、回折格子の周期を設定する具体的な一つの手段として、前記回折角をθ、前記回折光の次数をｉ、前記入射光の波長をλ₀ 、前記導波路層の等価屈折率をｎeff 、前記回折格子の周期をΛとしたとき、
ｓｉｎθ＝ｉ・｛λ₀ ／（ｎeff ・Λ）｝−１ ……（１）
で表される（１）式において、θ＝９０°、ｉ＝２、λ₀ およびｎeff に前記空間型光偏向素子で使用される値をそれぞれ代入したときに計算されるΛの値に対して、０．１５％大きくした値を前記回折格子の周期として設定すればよい。
【００１２】
【作用】
上述したように、屈折率と回折角の関係は前記のブラッグの式（（１）式）に従うが、この関係を図に表すと図３のようになる。
この図に示すように、屈折率変化量に対する偏向角θの変化率（図３における曲線Ｙの勾配）は、屈折率変化量Δｎが０の点で最大となっている。
また、図４は電圧印加時の屈折率変化量の波長依存性を示す図、図５は電圧印加時の吸収係数の波長依存性を示す図である。
【００１３】
図４に示すように、負電圧（Ｖ＜０）を印加したときに入射光の波長λinput 以下の波長領域で屈折率変化量Δｎが負となる領域Ａが存在するが、この波長領域では、図５に示すように、吸収係数αが大きく、吸収損失が大き過ぎて所定の光出力が得られないため、実質的に使用できない。したがって、空間型光偏向素子では、実際のところ入射光の波長λinput 以上の波長領域で屈折率変化量Δｎが正となる波長領域Ｂを用いることになる、言い換えれば、常に屈折率を増大する方向に変化させることになる。
【００１４】
そこで、入射光の波長および導波路の等価屈折率を一定の値としたとき、従来の素子においては、図３に示すように、電圧を印加しない初期状態、すなわち屈折率変化量Δｎ＝０の点における回折角が９０°（図３中の偏向角が０°の点）となるように（１）式中の回折格子の周期を設定しており、この初期状態から屈折率が０．３％増大する範囲までが屈折率変化領域（図３中破線矢印Ｃで示す）となっていた。したがって、この領域では図３における曲線Ｙの勾配が次第に緩やかになるため、偏向角変化量は６．２８°となっていた。
【００１５】
これに対して、本発明の素子では、回折格子の周期を適切に設定することにより電圧を印加しない初期状態における回折角を９０°未満（偏向角を負）とするため、図３における曲線の勾配が最も大きい領域を使うことになり、従来の素子に比べて偏向角の変化量が大きくなる。具体的には屈折率変化領域の幅０．３％を従来の素子における０％→０．３％から−０．１５％→０．１５％の範囲（図３中実線矢印Ｄで示す）に代え、屈折率が初期状態から０．１５％増大したときに回折角が９０°（偏向角が０°）となるようにすればよい。そのためには、（１）式中の回折格子の周期を０．１５％大きくしておけばよく、そうすることによって偏向角は４．４４°×２＝８．８８°となる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１および図２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１５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１６は半導体基板、１７はバッファ層、１８は光閉込補償層、１９はＭＱＷ層、２０は導波路層、２１はクラッド層、２２は導電層、２３は上部電極層、２４は下部電極層、２５はブロック層、２６は回折格子である。
【００１７】
半導体基板１６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１６上にｐ−ＩｎＰからなるバッファ層１７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１７上面の横方向中央部には、縦方向に延びるストライプ状の光閉込補償層１８、ＭＱＷ層１９および導波路層２０が形成されている。
【００１８】
光閉込補償層１８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰにより形成されたものである。また、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）されたものであり、いわゆるＭＱＷ構造をなしている。また、導波路層２０はバルクのＩｎＧａＡｓＰにより形成されている。なお、本実施例の場合、ＭＱＷ層１９と導波路層２０で構成される導波路の等価屈折率は３．２５となっている。そして、これら光閉込補償層１８、ＭＱＷ層１９および導波路層２０からなるストライプ２７の延びる方向が入射光Ｓ₀ の導波方向となっている。
【００１９】
一方、図１（ｂ）に示すように、ストライプ２７の側方下部には後述する上部電極層２３と下部電極層２４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）からなるブロック層２５が形成されている。また、ブロック層２５の上面にはＶ字状の溝を有するｎ−ＩｎＰからなる導電層２２が積層されている。
【００２０】
そして、図１（ａ）に示すように、導波路層２０の上面には、入射光Ｓ₀ の導波方向と直交する方向に延びる多数の溝を有し、それらの溝が一定の周期を持つ三角波形の回折格子２６が形成されている。この回折格子２６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。ここで、回折格子の周期を設定する際には、本実施例の空間型光偏向素子の場合、波長１．３μｍの入射光を対象とし、導波路の等価屈折率が３．２５であるから、（１）式においてまずλ₀ ＝１．３、ｎeff ＝３．２５、θ＝９０°、ｉ＝２を代入すると、Λ＝４００ｎｍという値が得られる。そこで、本実施例の素子においてはこの値を０．１５％大きくした４００．６ｎｍを回折格子の周期とする。
【００２１】
また、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、クラッド層２１が前記導電層２２のＶ字状の溝を埋めるように形成されており、クラッド層２１と導波路層２０とで回折格子２６が構成されている。このクラッド層２１は、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃Ｎ₄ 、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＭｇＦ₂ 、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 等の誘電体、Ｇｅ等の半導体、またはポリイミド、エポキシ、さらにはケイ素化合物［ＲｎＳｉ（ＯＨ）_4-n ］等の有機系化合物のうちのいずれかを材料とするものである。なお、これらの材料は光の波長に対して透明なものである。
【００２２】
また、図１（ｂ）に示すように、導電層２２の上面には上部電極層２３、２３が形成され、半導体基板１６の下面には下部電極層２４が形成されている。したがって、素子１５の縦方向に延びる上部電極層２３、２３の間の領域は回折格子２６により上方に回折された光Ｓ₁ を素子１５の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２３、２４は、ともにＣｒとＡｕとの積層、またはｎ側（導電層２２側）はＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金とＡｕとの積層、ｐ側（半導体基板１６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。
【００２３】
上記構成の空間型光偏向素子１５を使用するに際しては、図２に示すように、上部電極層２３、２３と下部電極層２４の間に電源３３を接続する。そして、導波路層２０に対して光Ｓ０を入射すると、入射した光Ｓ₀ は回折格子２６の作用により上方に向けて回折し、上部電極層２３の窓部２８を通して素子１５の外部に出射される。そこで、上部、下部電極層２３、２４間に電圧印加を行なうと、導波路層２０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、回折光Ｓ₁ が光の導波方向に沿う面内において偏向し（Ｓ₂ 、Ｓ₃ ）、窓部２８から素子１５の外部に出射される。
【００２４】
本実施例の空間型光偏向素子１５において電圧印加と偏向角の関係は次のようになる。すなわち、上部、下部電極層２３、２４間に電圧を印加しない状態では屈折率変化が０であるから、（１）式においてλ₀ ＝１．３、ｎeff ＝３．２５、Λ＝４００．６ｎｍ、ｉ＝２を代入すると、回折角θは８５．５６°（偏向角が−４．４４°）となる。そして、電圧を印加して屈折率が０．１５％増大した（ｎeff' ＝３．２５×１．００１５）ときに初めて（１）式より回折角が９０°（偏向角が０°）となる。さらに、屈折率が０．１５％増大する（ｎeff" ＝３．２５×１．００３）と（１）式より回折角は９４．４４°（偏向角が４．４４°）となる。このように、本実施例の空間型光偏向素子１５における最大の偏向角は４．４４°×２＝８．８８°となる。したがって、電圧を印加しない状態での回折角を９０°としていた従来の素子における偏向角６．２８°に対して偏向角を２．６°程度大きくすることができる。
【００２５】
そこで、光インターコネクションにおいて空間型光偏向素子から多数の受光素子に光信号を送信したい場合、従来の空間型光偏向素子では偏向角が小さいことに起因して光信号のクロストーク、または受光素子における光強度の低下という問題が生じていた。ところが、本実施例の空間型光偏向素子１５によれば、従来の素子に比べて偏向角を２．６°程度、割合にして４割程度大きくすることができるため、偏向角が小さいことに起因する上記の問題点を解決することができる。したがって、この空間型光偏向素子１５の適用により集積度の高い光スイッチングシステム、並列光情報伝送システム等のシステムを実現することができる。
【００２６】
なお、本実施例においては、前提条件として入射光の波長を１．３μｍ、導波路の等価屈折率を３．２５としたが、これらの数値は一例に過ぎず、適宜設定することができ、その設定値に合わせて（１）式から回折格子の周期を計算すればよい。また、本実施例では、回折格子の周期を計算値より０．１５％大きく設定したが、光の吸収をさらに考慮するならば０．１％大きくする程度に留めておくことが好ましい。
【００２７】
また、半導体基板１６およびバッファ層１７の材料としてｐ−ＩｎＰを、導電層２２の材料としてｎ−ＩｎＰを用いたが、これらの導電型は逆であってもよいし、また、ブロック層２５として用いたｕ−ＩｎＰの代わりに、ｎ−ＩｎＰの導電層２２に接する上側にｐ−ＩｎＰ、ｐ−ＩｎＰのバッファ層１７に接する下側にｎ−ＩｎＰを適用した２層構造のブロック層を用いることもできる。そして、材料もＩｎＰ系に限らず例えばＧａＡｓ系材料を用いてもよい。さらに、クラッド層の材料としてｎ−ＩｎＰを用いてもよい。
【００２８】
また、本発明を適用し得る空間型光偏向素子の基本構造は本実施例に限るものではない。例えば、（１）導波路の構造として本実施例のＩｎＧａＡｓＰ導波路層２０とＭＱＷ層１９の積層構造に代えて、ＭＱＷ構造の導波路層、またはバルクの導波路層の単層構造、（２）回折格子の形成位置が異なるもの、（３）裏面反射膜、集光用レンズ等、他の構成要素を有するもの、等の種々の構造の素子に本発明を適用することができる。そして、空間型光偏向素子の使用に際しては、上部、下部電極層間に電圧を印加することに代えて、電流を注入する方法を採ってもよい。
【００２９】
【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、回折格子の周期を適切に設定することにより電圧を印加しない状態または電流を注入しない状態における回折角を９０°未満とするため、屈折率変化に対する偏向角の変化率が最も大きい領域を使うことになり、従来の素子の場合に比べて偏向角が大きくなる。そこで、本発明の空間型光偏向素子によれば、偏向角が小さいことに起因する信号のクロストーク、受光素子における光強度の低下といった従来の素子における問題点を解決することができる。したがって、この空間型光偏向素子の適用により集積度の高い光スイッチングシステム、並列光情報伝送システム等を実現することができる。
【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、空間型光偏向素子を使用する状態を示す図である。
【図３】屈折率変化と偏向角の関係を示す図である。
【図４】電圧印加時の屈折率変化量の波長依存性を示す図である。
【図５】電圧印加時の吸収係数の波長依存性を示す図である。
【図６】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。
【符号の説明】
１５…空間型光偏向素子、１６…半導体基板、１９…ＭＱＷ層、２０…導波路層、２１…クラッド層、２２…導電層、２３…上部電極層、２４…下部電極層、２６…回折格子、２８…窓部、Ｓ₀ …入射光、Ｓ₁ …回折光

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、前記導波路層への入射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回折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を有してなり、前記上部、下部電極層間に電圧印加または電流注入を行なって前記導波路層の屈折率を変化させることにより前記回折光を偏向させる空間型光偏向素子において、
前記回折格子の周期を所定の値に設定することにより電圧を印加しない状態または電流を注入しない状態における回折光の回折角が９０°未満に調整されており、
前記回折角をθ、前記回折光の次数をｉ、前記入射光の波長をλ _０、前記導波路層の等価屈折率をｎ eff 、前記回折格子の周期をΛとしたとき、
sin θ＝ｉ・｛λ _０／（ｎ eff ・Λ）｝−１ ……（１）
で表される（１）式において、θ＝９０°、ｉ＝２、λ _０およびｎ eff に前記空間型光偏向素子で使用される値をそれぞれ代入したときに計算されるΛの値に対して、０．１５％大きくした値を前記回折格子の周期として設定したことを特徴とする空間型光偏向素子。