JPH02184825A - 光電スイッチ素子を有する集積半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 肢五分立 本発明は、少くとも１個の光電スイッチ素子を含んでな
る集積半導体装置であうで、 該光電スイッチ素子が、 所定の角度で互に交差している２個の直線単モード光ガ
イドを有し７、この光ガイドは少くとも１つの■−■材
料のヘテロ構造で構成され、かつ光閉じ込め材料の基板
Ｓと、光ガイド層ＣＧ、及びガイド　ストリップＲＢを
具えてなり、 交差角の２分割縦（長さ方向）面に対し非対称に交差領
域内に形成したｐｎ接合を有している集積半導体装置に
関するものである。

本発明は、Ｎ個の光ガイドをＮ個の光ガイドにスイッチ
するスイッチング　マトリッスの形成に用いられ、とく
に光電気通信システム用に使用される。

さらに本発明は、これらの素子によって構成されたスイ
ッチング　マトリックスに関するものであり、またかか
るマトリックスを有する半導体装置の製造方法にも関す
る。

従来伎歪 この種スイッチ素子は米国特許第４，７８４．４５１号
により既知である。この公知文献は、電荷キャリヤ注入
型の各種スイッチング素子について発表しており、電流
制限構造を設けることにより動作特性を改善している。

このようなスイッチング素子は、互に所定の角度をなす
２つの導波（ｗａｖｅ　ｇｕｉｄｅ）部分を有している
。これらの光ガイド（導波部分）は基板上に集積化して
設けられ、より大なる禁止帯幅とより低い（小さな）屈
折率を有する２つの閉じ込め層の間の光ガイド層により
形成される。

閉じ込め層の１つはガイド層とは反対の導電型とし、ガ
イド層との間にｐｎ接合を形成する。一方Ｚｎイオンを
、これら閉じ込め層のそれぞれにインプランテーション
で導入し、電流制限構造を形成する。この構造は、ガイ
ド層内の領域を限定し、この領域内では電荷キャリヤの
注入によって屈折率（インデックス）を変化させる。

公知例の１実施例では、スイッチング素子は、上側から
見たとき、Ｙ形をしている。直線状の光ガイドに沿って
ｐｎ接合が形成され、その１端に入力が形成され、受動
モードではその他端に出力が形成される。この素子が能
動モードのときは、Ｙ形の第２辺に出力が生ずる。後者
のモードの場合、ガイド層の領域内の屈折率（インデッ
クス）を変化させることによって直線ガイドの入力とさ
れる端部に入射する光は、Ｙ形の第２辺（ブランチ）に
向って反射される。

スイッチング動作を制御する電極の１つは、Ｙ形の表面
で非対称に配置されており、その１縁部は２つの出力辺
の角の２分割線と一致整合するように位置する。この電
極は、光ガイドの幅を超えては突出していない。

電流制限構造は、基板の上側部分に２つの領域をインプ
ランテーションで設け、これらは上側電極の横幅にほぼ
等しい距離だけ互に離隔させ、さらに上側電極のほぼ下
側に位置する領域の上側閉じ込め層内にインプランテー
ションで設けた層を有する。下側電極は基板の反対側表
面上に配置する。ガイド層と上側各層を含む基板表面に
メサが形成されるので光はガイドされる。

上述の米国特許の他の実施例では、スイッチング素子は
Ｘ形状を有する。上側電極は、Ｘの各辺の小交差角の２
分割線に平行に配置されている。

この場合、基板の表面には、光ガイド層の導電性と反対
の導電性を有する層を設け、この光ガイド層は、上側電
極と同じ軸に沿って配置される。すなわちＸ形辺の交差
角の２分割線に平行に配置される。この層は基板の上側
で１つのレベルを有しているので、上側電極と反対の導
電性の電極はこの層の各端部に配置される。Ｚｎイオン
の・インプランテーションによる領域を上側電極のほぼ
下側に、上側閉じ込め層内に設ける。上側電極はｐｎ接
合の対角線よりも短い長さを有する。この電極はＸ形素
子上に対称に配置され、その横方向寸法も無視できない
。この場合、電流制限構造の下側部分は、基板内へのＺ
イオンのインブラン子−シゴンによる領域を含んで居ら
ず、この基板は両端に電極を設けである第１導電性の条
片が存するので半絶縁性である。

この構造は、ｐｎ接合による電荷キャリヤの注入に基づ
く屈折率の変化領域で形成される反射面が、すべての入
射光ビームを受けて、これらを反射するように充分大き
い寸法とならないという重要な欠点を有している。この
ためスイッチ素子は、とくに能動（活性）モードにおい
て、スイッチング素子の中央領域の各端部で散乱波によ
る漏洩が生ずる。

さらに電流制限構造の各領域は、Ｚｎイオンの２レベル
のインプランテーションによって形成されるため、ごく
大ざっばにしか整合させられないという欠点がある。こ
の方法によるときは、上側レベルの第２領域の縁部を整
合、すなわち位置合せすることが極めて困難である。従
って反射構造は極く概略の位置にしか配置できない。

本発明の用途に関する既知のスイッチ素子の欠点は、こ
れらが単（モノ）モード素子でないことである。とくに
これらの素子の寸法を、入力光ガイド内で単モード伝搬
を得るように配置したとしても、Ｘ形の上側電極の配置
によって複雑なモードの励起が生ずる。実際上反射表面
は、交差角の２分割軸線と一致せず、これは、反射に対
し光学的な不利益を与える。また能動モードではこれに
よる損失も生ずる。

また−面においては、既知の装置の光ガイドは、２個の
閉じ込め層のメサ内に配置されたガイド層より構成され
る。かかる構造は壁を通ずる側方拡散による損失を生じ
、これはかなり大きな値である。

またｎ型の基板を用いると電流制限構造の製造に不利と
なるのみでなく、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ
）の如き他の能動集積素子を光電装置と同時に製造する
上で欠点となる。

従って既知の装置は、能動モードと受動モードの双方に
好都合となるようにしたものに過ぎない。

電気通信の応用分野においては、１．３μｍまたは１．
５５μｍの波長で動作し、単モード信号を伝搬し、多数
のスイッチング素子を有するスイッチング　マトリック
スを実現する必要がある。このため単一スイッチング素
子では小さいと考えられる損失も、用いる全マトリック
スに対しては重大なものとなる。

全贋ρＭＡ 本発明の目的は、通過モード、すなわち接合が受動状態
のとき、及びスイッチング　モード、すなわち接合が能
動状態で損失が減少し、このため出力パワーができるだ
け入力パワーに近くなるような特性状態の双方において
、不使用の出力路の減衰（残留パワー）では少くとも３
０　ｄＢであり、平衡出力を得ることができ、全マトリ
ックス用とて極めて重要な特性を得るようその特性を改
良したスイッチング素子を提供することにある。

このため本発明は、純粋単モード　スイッチング素子で
、電荷キャリヤの注入により得るｐｎ接合への電流密度
の印加によって、真に急峻な屈折率の減少を接合領域に
生じ、これにより極めて局部的な反射面が形成され、ｐ
ｎ接合が占める領域と対向する領域で隣接光ガイドと直
線上の光ガイド内にビームの全内部反射を生ぜしめうる
スイッチグ素子を得ることを目的とする。

本発明の他の目的は、他の集積回路素子と同時に製造で
きるスイッチグ素子を得るにあり、この素子の基板は半
絶縁性で、かつ真正に単モードであり、寸法が小さく、
従って小面積のスイッチング　マトリックスの構成が可
能であり、とくに高密度集積化が可能で、かつ簡単に製
造でき、従って安価なスイッチング素子を得ることをそ
の目的の１つとする。

上述の本発明の目的は、本明細書の初めに述べたような
スイッチング素子において、ｐｎ接合の長さ方向寸法が
交差領域の当該寸法を大幅に超過していること、 並びにｐｎ接合が、長さ方向において交差領域の両側に
対称的に交差領域より突出するように配置されているこ
との特徴によって達成される。

このような条件とすると交差領域の両端における散乱に
よる損失を回避することができる。

本発明の実施例においては、基板Ｓを半絶縁性とし、か
つｐｎ接合をそれぞれｎ型及びｐ型導電性の２つの層Ｃ
１及びＣｔで形成し、さらにこれらの層はそれぞれが交
差角２θの２分割縦面ＹＹ’に一致する縁部ＢＢ’を有
し、光ガイド層ＣＧの両側に接近して配置した構成とす
る。

これらの条件とすると、電流制限構造は上述の公知文献
記載のものよりもより高度な特性を有することとなる。

しかもこれらは交差角の対称面に厳密に一致するように
配置しであるため、単に一度の反射で内部全反射を生ず
る理想的な光学的位置に反射面が位置する。第２実施例
では、ｐｎ接合による反射面は２分割面より側方に変位
している。さらに本発明装置は、半絶縁性基板を用いる
ため、他の装置と同時に製造することができる。

さらに本発明の実施例では、光ガイド層ＣＧの第２ヘテ
ロ構造と、光閉じ込め材料の上側層を有する。

この実施例は、ｐｎ接合が受動（パッシブ）状態の通過
モードにおけるスイッチング素子と、各スイッチング素
子を他の素子と結合して全体のマトリックスを構成する
各光ガイドの部分の両者内の損失を減少させることがで
きる。

また他の実施例では、ガイド　ストリップをヘテロ構造
の上側に立上らせるように配設する。

かく構成すると、幅が狭く、従って厳格な意味での単モ
ード光ガイドと、極めて正確に局部的に位置決めされた
反射面が得られ、さらにｐｎ接合が能動または受動状態
の場合、何れの出力光ガイドにも等価の伝送係数を得る
ことができる。

また本発明の好適実施例では、基板及び上側閉じ込め層
をＩｎＰで形成し、光ガイド層を、Ｇａｘ　Ｉ　ｎ＋−
ｘＡｓｙＰ　＋−ｙで構成し、ここで、 ｙ＝０．５ ｘ＝０．４３５ｙで、さらに ａｚ４μｒａ　　　　（ガイド層の厚さ）ｅｃ＝０．４
μｍ　（光ガイドのガイド　ストリップの横寸法） ２θ≒４＠　　　（交差角） ｅ３ｚ　Ｏ，５０，６０μｍ　　（上側閉じ込め層のス
トリップの外側の厚さ） Ｈ＝ｈ十ｅｓ　ｚｌμｍ　　（ガイド　ストリップＲＢ
近（の領域内の閉じ 込め材料の厚さ） とする。

このような条件とするとき、これらの値は、能動モード
でも受動モードでも最適値であることが判った。能動モ
ードと受動モードでの双方において、光ビームは２つの
出力ガイドに分布することをしない。従ってこのスイッ
チング素子は何れの動作モードでも真に最適値を有する
。

日の　゛　　　１のｌ！ 以下図面を参照して本発明の好適実施例を説明する。

（実施例・・・Ｉ） 第１ａ図及び第１ｂ図は本発明による光スイツチング素
子の１例を上側より見た略平面図である。

この例では、スイッチング素子はＸ形状をしている。こ
の素子は基板Ｓ上に集積されて設けられた２個の光ガイ
ドＧ、及びＧ２を有している。

これらの各光ガイドＧ、及びＧ２は横幅方向寸法主を有
しており、小さな角度２θをもって互に交差している。

ここにおいて、「小さな角度」とは、値が１０°以下の
角度を意味するものである。

この交差角２θの構成は、第１図にＹＹ’で示した軌跡
を有する２分割平面を生ずる。各光ガイドの横幅方向寸
法工は、製造方法を簡単にするため、以下の説明におい
て同一の値に選定したものとする。

本発明は、電気通信分野において、実用上の標準である
波長１．３μｉまたは１．５５μｍを存する単モード光
信号を処理することをとくにその目的とする。

第１ａ図に上から見た平面図として示しである互に交差
している２つの直線光ガイドによるＸ形状のスイッチン
グ素子は、まず第１にスイッチ動作を行わしめる手段を
有している。

このスイッチ動作を行わせる手段は、交差角２θの２分
割面ＹＹ’に正確に一致するよう配置された反射面ＢＢ
’を形成することにより構成される。

２分割面によって限定される交差領域の２つの領域の１
つに屈折率の急激な変化を与えることにより上述の反射
面ＢＢ’が構成される。より正確には、屈折率を充分に
減少させ、反対側の領域より生じ、領域間の境界面（Ｂ
Ｂ’）に到来する光ビームに対し、この屈折率の差によ
って、入射角π （−θ） のものに内部全反射を生ずるようにすることにより反射
面ＢＢ’が構成される。

この屈折率の減少は、所定の選択領域内に形成されたｐ
ｎ接合によって、該領域内に電荷キャリヤを注入するこ
とにより得られる。

ｐｎ接合１０すなわち、（Ｃｚ　／ＣＩ　）を活性化（
電圧を加えること、能動モードとも云う）すると、この
接合のある領域の反対側に位置する領域に配置された光
ガイドＧ、に入射する光信号は、記号ＢＢ’で表わされ
る反射面によって反射され、。

Ｇ１の軸に対し２θの角度だけ方向を変えて隣接の光ガ
イドＧ２の延長Ｇ２′を通って出射される。

ｐｎ接合１０が非活性状態（受動モードとも称する）で
あると、光ガイドＧ、に入射した光信号は交差領域を通
過して、光ガイドＧＩの延長Ｇｌ’を通って出てゆく。

本発明における光ガイドＧ１及びＧ２の寸法は、入力信
号が単モードであるとき、その出力信号も単モードとな
るようになっている。これは、本発明の対象とする素子
は拡幅領域を有して居らず、かかる個所での高次モード
が形成されないからである。

光ガイドＧ、を、スイッチ可能の光信号を伝送するもの
に選択した場合には、光ガイドＧ２はスイッチされない
信号のみを伝達しうる。すなわち光ガイドＧ２は、交差
領域を超えてその延長Ｇ２’へと伝達されてゆく信号の
みを伝送しうる。

以下に説明する如く、光ガイドの構造及びその構造の種
々のパラメータ（層の厚さ、光ガイドの横幅寸法、等・
・・）も本発明の目的を達成する上で極めて重要な役割
を果す。

第１ａ図の線■−■上の断面図である第２ａ図は、本発
明の目的を達成するに特に適した光ガイドの断面構造を
示すものである。本構造は閉じ込め材料の基板Ｓと、２
で示す材料の光ガイドＮＣ６を有している。基板Ｓと光
ガイド層ＣＧの材料はヘテロ構造を形成するように選択
すると有利である。さらに各光ガイドは、光ガイド層Ｃ
Ｇの材料２内に形成された、装置上の高さが工で、横幅
ａを有する矩形またはほぼ矩形の断面を有するガイド　
ストリップＲＢを有する。このガイド　ストリップの両
端縁部は互にほぼ平行であり、かつ基板に対しほぼ直角
である。基板に対する角度は製造方法によって定まる。

第１ａ図の線Ｉ−Ｔ上に切って見た第２ｂ図の断面図に
示される本発明の目的より見た光ガイド構造の好適実施
例では、閉じ込め（コンファインメント）材料の基板Ｓ
と、材料２の光ガイド層ＣＧと上側閉じ込め層３とを有
する。これらの基板Ｓと、光ガイド層ＣＧと、閉じ込め
層３の構成材料はダブル　ヘテロ構造を形成するように
選択すると好都合である。さらに第２ａ図で説明したが
、第２ｂ図の場合は、閉じ込め層３上にこれと同じ材料
で構成されるガイド　ストリップＲＢを各光ガイドに設
ける。

本発明の用途に対しては、基板には二元Ｉ［１−Ｖ材料
、例えば燐化インジウム（ＩｎＰ）を選択し、光ガイド
層には次の如き組成を有する四元■−■材料を選択する
と有利である。

Ｇａ）（Ｉ　ｎｌ−、Ａｓｙ　Ｐ　＋−ｙここにおいて
、濃度ｌと１とは、ｙの各値に対し次の関係とする。

ｘ　＝　０．４３５３’ 禁止帯エネルギーに対応する波長は、ｙ　ｚ０．５のと
き、１．２２μｍである。

第２ａ図及び第２ｂ図には、等エネルギー線をも示しで
ある。これは、ガイド　ストリップＲＢを設けであるか
かるヘテロ構造内にどのようにして光ビームが誘導され
てゆくかを理解させるためのものである。光ビームの断
面は細長い形状であり、このビームはガイド　ストリッ
プＲＢによって画成される方向に伝搬し、かつほとんど
が実質的にガイド　ストリップ（層）内に留まっている
ことが発見された。当業者によく知られているように、
この現象は、ＩｎＰ材料で基板Ｓを構成し、かつ本例の
場合のように閉じ込め層３がＧａ１ｎＡｓＰの光ガイド
層ＣＧの屈折率より小さな屈折率を有しており、またガ
イド　ストリップＲＢの両側に位置する光ガイド層ＣＧ
の領域１０１及び１０２の屈折率が、ガイド　ストリッ
プＲＢの下側の光ガイド領域とも称される領域１００の
屈折率よりも小であることによるものである。領域１０
１．１０２と光ガイド領域１００との間の屈折率の差Δ
ｎは、これらの領域の厚さによるものであり、領域１０
１及び１０２が閉じ込め材料で形成されたと同じような
特性を呈する。このためこれらの領域を側方閉じ込め領
域とも称する。

ガイド　ストリップＲＢの高さ上、その横幅工、上側閉
じ込め層（３）の厚さｅ３、光ガイド層ＣＧの厚さｅＧ
、並びにガイド層の組成を決定し、本発明装置が、その
接合が活性状態にある場合並びに非活性状態の場合の何
れにおいても最適の動作をするようにする条件に関する
法則について以下に説明する。

実際上、装置が動作モード中において、ｐｎ接合は、完
全な反射表面を生ずるには不充分であるため、ｐｎ接合
に電流制限構造を付加する必要がある。本発明において
は、第１ａ図のＩ−Ｉ線上にとった断面図で第２ｂ図の
ダブル　ヘテロ構造に対応する第３ａ図に示す如くして
、簡単かつ効率良くこの構造を得る。このｐｎ接合は、
一方において、半絶縁性とした基板Ｓの上側部分に配置
したｎ導電型の材料１の層Ｃ３を有し、さらに他ゞ方に
おいて、光ガイド層ＣＧの上側に配置したかまたはこの
層の近くに配置した材料−２のｐ導電型の層Ｃ２を有す
る。

第１ａ図の上側から見た平面図に示すようにｐ導電型の
層Ｃ２を特徴とする特に有利であり、その横幅寸法をｄ
２とし、また長さ方向の寸法、すなわち２分割面ＹＹ’
に平行な方向の寸法をΔ′とする。

ｎ導電型Ｍ　ｃ　＋　は長さ方向寸法をほぼΔ′に等し
くし、横幅方向寸法ｄ１はｄ、　＞ｃｌ、とする。

これらの層ＣＩ及びＣ２は光ガイド層Ｃ６の互に対向す
る両側に配置し、その長軸ＢＢ’が互に一致し、かつ角
２θの２分割面ＹＹ’と一致するようにする。

かくすると、このｐｎ接合に電荷キャリヤを注入して直
流方向の電流密度の印加中に、光ガイド層Ｃ６内の層Ｃ
７と０２の間に小さい屈折率を有するプレートが得られ
、このプレートはこれらの間に配置した反射面を形成し
、かつ前記２分割面に一致する。従って本発明によると
きは極めて極限された面による内部全反射が得られる。

さらにこの反射面の位置が前記２分割面と一致すること
は光学的に極めて有利である。

反射の間に散乱波がプレートより漏洩するのを避けるた
め、ｐｎ接合の横幅寸法を制限するｐ型温電層Ｃ２の寸
法ｄ２を少くとも次の如くの値とする必要がある。

ｄ２〉３μｍ とくにこの値を次の如選択するを可とする。

ｄ２を６μｍ〜８μｍの桁とする。

以下に説明する製造方法によると、これらの層Ｃ３及び
Ｃ２を適当なイオンの局部的インプランテーションまた
は拡散により形成するのが有利である。すなわち、一方
において層ＣＩに対しては、ＩｎＰの基板表面上に、こ
れを行い、他方において層Ｃ２に対しては交差領域の表
面にこれを行う。

本発明において、第２ａ図に示す如く、光ガイドを少（
とも簡単なヘテロ構造として形成するときは、本発明装
置も同様にして製造することができる。

第１ｂ図の■−■線上断面図である第２ｃ図に示す如く
、光ガイド構造は第２ｂ図に示したと同じ材料でダブル
　ヘテロ構造として構成するのが有利であるが、この例
ではガイド　ストリップＲＢは基板Ｓに溝を形成し、こ
の溝に光ガイド層の材料２を充填することにより形成す
る。本例では装置の表面は平坦となる。既に述べた如く
、基板の上側部分内の光ガイド材料の真下にｎ型導電層
Ｃ１を形成し、またｐ型温電層Ｃ２は上側閉じ込め層３
内に形成し、かつこの層が光ガイド層２の上側表面に到
達するようにする。各構成素子の寸法は、第２ｂ図で説
明したダブル　ヘテロ構造のものと同一になしうるが、
本例では、上側閉じ込め層３の厚さを約２．５μｍとす
ると有利である。

しかし乍ら、この装置は平面状である利点を有しいるが
、いわゆる外部ストリップ型に比し、またと（に外部ス
トリップ上側閉じ込め層付型に比し、生産性あるいは不
良品率（ｙｉｅｌｄ　）の点でやや劣る。

本発明においては、ｐｎ接合の能動モード動作中、すな
わちスイッチモード動作中、従来のものでは交差領域（
第１ｂ図参照）の各端部より散乱波が生じ、これが漏洩
するのを防止するため、ｐｎ接合の長さ方向寸法Δ′を
、交差領域の対角線ＡＡ’の寸法Δに比し大きく選択す
る。さらにｐｎ接合の端部Ｂ及びＢ′は交差領域中心０
に対し長さ方向の２分割面ＹＹ’上で対称とする。

ｐｎ接合の長さ方向寸法Δ′をより大に選択するときは
、交差角２θをより小に選択する。

−船釣に交差角は次の如く選定する。

２’　＜２θ〈６° これらの条件を考え次の如く選定する。

２θ≒２″に対しΔ’　ｚ６００　μｍ２θ≒４°に対
しΔ’　；　４００μｍ２θ≒６°に対しΔ’　ｚ　３
００　ａｍ電荷キャリヤをｐｎ接合に注入することによ
って得られる最大屈折率差は、 Δｎｚ８・１０４ の桁である。この屈折率差は、入射角に対し、最小で、 π／２−θ の角を与える。従って最大でθの角を与える。この角は
可能ならば２°を超えないようにするを要する。この角
が小なる程ｐｎ接合で形成される面による反射率が大と
なる。

しかし出力光ガイドが互に次の如く小さい角度を形成す
るスイッチ素子を直接形成し、２θ≦４″　（θ≦２″
に対応） 能動モードにおける反射率を改良しようとすると困難に
遭遇する。実際上受動モードにおいて、角２θが４°よ
り小であると、入射ビームは入力光ガイドの延長上のみ
に伝搬するのでなく、２つの出力光ガイドに分散され、
かつ第２出力光ガイド内を伝搬するパワーが４０％台の
高比率に達する。

従ってモード変換により生ずる散乱（ｄｉａｐｈｏｎｙ
）による損失がかなり大となる。

また一方において、極めて小なる角２θは、その形成が
非常に困難であり、また大寸法Δ′のＰｎ接合を必要と
するという欠点があることも明らかである。

この角 ２θ≒４″′ 及び寸法 Δ’　、　４００μｍ に対しては、入力光ガイドの延長上において、スイッチ
状態で既に３０　ｄＢ以上の減衰が生じ、これは入力光
の１／１０００を超えない部分しかこの通路に伝搬しな
いことを意味する。

さらに動作中の装置の観測によると、点Ａ及びＡ′にお
ける散乱（ｅｖａｎｅｓｃｅｎ　ｔ　）による損失は完
全に回避できることが示されている。

数個のスイッチ素子によって、マトリックスを形成する
に当っては、スイッチ素子の出力が平衡（バランス）し
ていること、すなわち能動（アクティブ）モード及び受
動（パッシブ）モードそれぞれにおいて入力ビームによ
り出力通路に加えられる出力が互に相等しいことが極め
て重要である。

これは−面において、能動モード及び受動モードにおけ
る通路の損失を極めて小とすること、及び他の一面にお
いて、使用されていない通路における減衰（ｅｘｔｉｎ
ｃｔｉｏｎ　）を少くとも３０　ｄＢとすることによっ
て達成される。

受動モードにおいて、ビームの分布の不利な効果は、い
くつかのパラメータに作意を加えること、とくに光ガイ
ドの交差角２θを選択することにより最小となしうる。

従って本発明の目的の１つは、伝８（通過）モードにお
いて、入力光ガイドの延長上における伝達係数Ｔをでき
るだけ１に近くし、かつ隣接の光ガイド内への伝達係数
をできるだけＯに近づけるような光スイツチ素子を得る
ことにある。

伝搬モードにおける理想的動作条件は次の如くであると
考えられる。

Ｐ　ｒ　／　Ｐ　ＩＮ；　Ｉ Ｐ　＊　／　Ｐ　＋、４＝　０ ここにおいて、 ＰＩＮ：　　は、入力光ガイドＧｌに入射する光のパワ
ー、 ＰＴ　：　は、同じ光ガイドＧ１の交差領域を超えた延
長Ｇ、′に伝達される光のパワーＰＲ：　は、受動モー
ドで隣接光ガイドＧ２に反射される光のパワー である。

本発明装置を導いた過程の観察によると、二重ヘテロ構
造の光ガイドを利用したときの方が常にやや良い効果が
得られることが判明している。従って以下に説明する実
施例は、このような二重ヘテロ構造の種々のパラメータ
による本発明素子の特性に対する影響を示すように選択
しである。これらの各種パラメータとしては次の如きも
のがある。

・第２ｂ図及びその説明に示されるような二重ヘテロ構
造の光ガイド構造、 ・交差角２θ、 ・上側閉じ込め層３の厚さＣ３、 ・ガイド　ストリップＲＢの横幅ａ、 ・ガイド　ストリップＲＢが層３上に堆積されている高
さ（厚み）ｈ、 ・４元層の組成、すなわち、Ａｓの濃度−ｙ−０上述し
たうちの下の４つのパラメータ、すなわちｅ　３　、　
Ｗ６　、　　ｈ　、　、Ｌニよッテ、第２ｂ図ノｅＪｆ
ｂｊｔ１０１、１０２と領域１００との間の厚さの差に
より生ずる指数（屈折率）の変化Δｎを計算することが
できる。

第４ａ図の曲線は、交差角２θ≒２°のとき、受動モー
ドにおいて、２つの出力通路における出力のパワーの入
力パワーに対する変化をΔｎの関数として示す図であ。

各曲線Ａ＋　、Ａｚ　、Ｂ＋　、Ｂｚは次の値を示す。

Ａ、：ａ＝４μｍに対するＧｌ’内のｐｔ、”ｐｔＮＡ
、：ａ＝５μｍに対するＧｌ’内のＰＴ／ＰＩＮＢ、：
ａ＝４μｍに対するＧ　ｚ　’内のｐＨ／ＰＩＮＢ、：
ａ＝５μｍに対するＧＺ’内のｐＨ／ＰＩＮ第４ｂ図の
曲線は、２θ≒４″におけるこれと対応する変化を示す
。

第４ａ図から、角度２θ≒４°に対しては、受動モード
における最適動作条件は、極めて狭い幅の領域にしか得
られず、ここでΔｎｚ２・１０−３であり、かつ寸法ａ
ｚ４μｍ　　（曲線Ａ、及びＢ、）の光ガイドに対して
はやや有利な結果、すなわち損失がやや少い（Ｐア／　
Ｐ　Ｉ　Ｎが１に近く、Ｐ、ｌ／Ｐ１□がＯに近い）こ
とを示している。

これに反し、ａ　ｚ５μｍのとき、（第４ａ図の曲線Ａ
２及びＢ、）は、Ｐ　ｔ　／　Ｐ　ＩＮ＝　１またはＰ
　Ｒ／　Ｐ　１μｍ　Ｏは決して得られないが、側方閉
じ込め（コンファインメント）はその要求の厳格さがや
や少ことが示されている。

第４ｂ図より、角度２θ≒４°となると、受動モードに
おける最適動作条件、 （Ｐ、／Ｐ＋ｓｚ１及びＰ＋＋／Ｐ＋ｎｚＯ）が、次の
値に示されるような広い領域で得られ、１０づ≦Δｎ≦
１０−２ かつ寸法ａに関する条件がさほど厳しくなくなることが
示されている。実際上２θ≒４°に対し、受動モードに
おける最適動作条件が次の範囲で得られる。

３μｍ≦ａ≦６μｍ 第４ｃ図の曲線は、領域１０１．１０２及び１ｏｏＯ間
の指標差Δｎに対し、閉じ込め層３の厚さＣ３が及ぼす
影響を、Ｈの各挿植に対して示すものである。ここで Ｈ＝　ｈ　＋　ｅ。

第４Ｃ図の曲線においては、 ｃ、：Ｈ＝０．５μｍに対応 Ｃ２：　Ｈ＝１．０　μｍに対応 Ｃ３：　Ｈ＝１．５　μｍに対応 であるが、この曲線より、最適値、 １Ｏ−３≦Δｎ≦１０−２ は、次の値でより有利に得られ、 Ｈ≒１．０μｍ及び ０、２５　ｐ　ｍ　　≦ｅ、≦　０．６５　　μｍこれ
よりガイド　ストリップＲＢの高さは、０、３５　ｐ　
ｍ≦ｈ≦０．７５　ｐ　ｍとなり、この結果は装置の他
のパラメータ、例えば４元層の砒素の濃度Ｌ、及び動作
波長λを次の値に固定したときに得られる。

ｙ々０．５ λｚ１．５５μｍ ４元層の組成をこのような濃度値とすることは、本装置
を受動モードで最適動作条件とする上でも一部の作用を
する。第４ｄ図は、寸法ｅ３に及ぼす濃度Ｌ（等高力系
（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）を得るため、ｌは、ｘ
＝０．４３５　ｙに選定する必要がある。）の影響を示
すものであり、Ｃ３は次の条件を達成するように選択す
る必要がある。

動作波長λ；　１．５５μｍにおいて、Δｎｚ２・１０
づ 同図中各曲線Ｄ３．ＤＺ、ＤＩは次の各波長に対するも
のである。

Ｄｚ　　：　Ｈ＝１．５　　ｇｍ Ｄｚ　　：　Ｈ＝１．０　　ａｍ Ｄ、　　：Ｈ＝０．５　　μＩ これらの曲線は、受動モードにおいて、可能な最良の結
果を得るために、各パラメータ！１６３１Ｈ，ｈが如何
なる影響を生ずるかを当業者に判らせるように示したも
のであり、さらに、ａ、Ｈ及びＬを得るに用いられる技
術上可能なある範囲（ｌａｔｉｔｕｄｅ）を示すもので
、従って本発明装置の利用上の許容範囲をも示すもので
ある。

従って、−船釣に云って、能動モードと受動モードの双
方に対して良好な結果が得られる角度２θ≒４°に選択
し、さらに装置の使用中における他のパラメータの偏倚
による誤差に関しである程度のマージンを残すことが重
要であることが判明した。

一方４元層内の単モード光信号の伝搬に対する計算によ
ると、この層の最適厚さｅ６は、すでに選択されている
他のパラメータを考え次の値となる。

ｅ　ｃ　　：　　０１４　ｐ　ｍ 計算によって求められた本発明装置を実験的に使用した
ところ、シュミレーシヨンによって得た結果と完全に一
致した。

本発明による装置の他の利点は、例えば電界効果トラン
ジスタ（ＦＥＴ）、ダイオード等の他の能動素子をも装
着するに適している半絶縁性基機上に形成できるという
点である。さらに基板の片面上に電気的接点を形成する
こともできる。

第１ａ図のＩ−１線上の断面図である第３ａ図に示すよ
うにスイッチ素子は、ｐ型の接点Ｅ２を有しており、こ
れによって層Ｃ２に電荷キャリヤの注入を行い、また第
５ａ図の■−■線上断面図である第３ｂ図に示す如く、
ｎ型の接点Ｅ、を有しており、これにより層ＣＩより電
荷キャリヤを抽出する。

上側より見た平面図である第５ａ図に示されているよう
に、接点Ｅ２は、交差領域の対称横軸ＺＺ′に沿って配
置されたパッドまたはラインの形状にして配置し、交差
領域のｎ導電型層Ｃ２に最大数の電荷キャリヤを注入し
うるようにするを可とする。

同じく第５ａ図に示されているように接点Ｅ。

は大きな表面積を有する２個のパッドＥｌ’及びＥ　Ｉ
″の形状として配設し、かつその１つの縁部を、例えば
り、２１０μｍの如く、できるだけＮｃ　ｚに接近させ
て配設すると好都合である。これらのパッドＥ　、　ｒ
及びＥ１″は交差領域の横軸ＺＺ′に対し対称に配置し
、電荷キャリヤの抽出をその注入に対し対称に行うよう
にするを可とする。

第３ａ図の断面図は、ｐ型の電気接点Ｅ２をＴｉＰｔＡ
ｕ合金の層５で形成し、これによって層Ｃ２に対しオー
ム接触を構成し、その上側に同じ合金の厚さの厚い層６
を配置し、これによって電気接続を行う構成を示すもの
であり、この場合厚さの厚い層６はその一部を絶縁層７
の上側に設け、ここに電流供給線を配置しうるようする
。

第３ｂ図の断面図は、ＭＣＩに対しオーム接触を形成す
るＡｕＧｅＮｉ合金の層８によって接点Ｅ　、　ｒ及び
Ｅ１″を構成する状況を示し、かつその上側にＴｉＰｔ
Ａｕ合金の肉厚層９を配置し、これらパッドをアースに
接続しうるようにした状況を示すものである。接点Ｅｌ
’及びＥｌ”を形成するこれらの層８及び９は、層ＣＩ
の上側表面を覆っている装置の上側層内の開口内に形成
することができる。これらの接点を装置の他の部分より
絶縁するための絶縁Ｍ７を設ける。

上側より見た平面図である第５ａ図は、２個の光スイツ
チ素子を形成するための各素子の相互間の配置の１例を
も示している。図示の如く、第１の２個の光ガイドは入
力ＣＧ及びＧＩ２と出力Ｇ。

及びＧ、２′を有し、これらは直線上に配置され角２θ
で互に交差している。さらに第２の２個の光ガイドは、
入力Ｇ２．及びＧ２□と出力Ｇ２１’及びＧ２□′を有
し、同様に構成される。このようにグループに分けられ
る２個の素子は、図示の例で交差角が２θ≒４°で、４
００μｍ　Ｘ４００μｍの表面積を占め、さらに電気供
給線の占有する面積を考慮に入れて考える必要がある。

既に述べた如く、本発明による光スイッチ素子は、Ｎ個
の光ガイドをＮ個の光ガイドにスイッチするマトリック
スを形成するためのものであり、信号を倍増させるため
のものではない。

第５ｂ図は上側よりの平面図で、本発明による光スイツ
チ素子を用い４個の光ガイドＩＩ＋’２＋１３．１４を
４個の光ガイ）’Ｏ，，Ｏ□、Ｏ，。

０４にスイッチするスイッチ　マトリックスを極めて簡
略化して示すものである。この装置は、１６個の光スイ
ツチ素子５ＷｉＪを有する。また本装置は、約３Ｘ１ｍ
ｍ２の基板上に２．８　ｍｍＸ１．８　ｍｍの表面積を
占める。

（実施例・・・■） 本実施例は、Ｙ形状の光スイツチ素子について述べるも
のであり、第１ｃ、ｌｄ、ｌｅ；２ｄ。

２ｅ；３ｂ、３ｄ；４ａ〜４ｆ図、及び場合により第５
ａ図を参照して説明する。

略平面図である第１Ｃ図に示すように、このＹ形光スイ
ッチ素子は、直線状の入力光ガイドＧ。

と、この光ガイドＧ１の直線延長上に配置されている第
１出力光ガイド０１′と、第１光ガイド（Ｇｌ　、　Ｇ
１’　）に対し、小さな角２θをなす第２出力光ガイド
０２′とを有する。

全反射モードの動作を行わせるため、角２θの値は６°
以下とする必要がある。この隣接交差角度２θに対して
、第１Ｃ図に、Ｙ−Ｙ’で示す如くの２分割面が考えら
れる。製造方法の簡略化のため、以下の説明においては
、すべての光ガイドの横方向寸法を同一のものとする。

Ｙ形光スイッチング素子の目的は、実施例■のＸ形光ス
イッチング素子と同様の機能を達成することであるが、
この場合、完全に対称な他の型のマトリックスを形成し
うるようにした特性を付与することがその主眼である。

Ｙ形の光スイツチング素子は、実施例ＩＯＸ形光スイッ
チング素子と全く同じくスイッチ動作を行わしめる手段
を有する。

これらの手段は、接合角２θの２分割面ＹＹ’に一致す
るように配置してあり、第１Ｃ図及び第１ｄ図にＢＢ’
で示す軌跡を有する反射面を形成する装置を有している
。この反射面は実施例Ｉと同じにして得られる。

ｐｎ接合１０を活性化する、すなわちこれに電圧を加え
ると、この接合と対向する側の領域に配置した光ガイド
Ｇ１に入射する光信号は、記号ＢＢ’で示した反射面に
よって反射され、光ガイドＧ。

の軸に対し角２θだけ方向が異っている光ガイドＧ２を
通って離れてゆく。

ｐｎ接合１０を活性化すると、光ガイドＧＩを通じて入
射した光は交差領域を超えて進行をつづけ、入力光ガイ
ドＧ１の延長Ｇｌ’を通じて出てゆく。

第１ｃ図の■−■線上断面図である第２ｄｌ１９に示す
ように、本発明の目的を達成するための光ガイドの構造
は、第２ａ図に示す実施例■のものと正確に同じである
。しかし本例の場合、各光ガイドは矩形の断面のガイド
　ストリップＲＢを有しており、その横幅寸法はａであ
る。従ってガイドストリップの縁部は互に平行であり、
かつ基板に対し垂直になっている。以下に説明するよう
に実施例■においては、ガイド　ストリップの断面を矩
形とするを要する。

第１Ｃ図の■−■線上断面図である第２ｅ図に示す本発
明の好適実施例においては、良好な結果を得る光ガイド
の構造は、第２ｂ図の実施例■で述べたものと同じであ
るが、この場合、ダブルヘテロ構造となっている。

本発明の用途に対しては、実施例Ｉと同じ材料を選択す
ると有利である。

既に述べた如く、ｐｎ接合のみでは能動モード動作中に
完全反射面を得るに充分ではない。従ってこのｐｎ接合
に、電流制限構造を付加する必要がある。本実施例では
、第１ｃ図の１−１線上断面図である第３ｄ図に示す如
くしてこの構造を簡単かつ有効に構成しうる。第３ｄ図
は第２ｅ図のダブル　ヘテロ構造の光ガイド構造に対応
する。

このｐｎ接合は、一方において、ｎ型導電性の材料１を
基板Ｓの上側に配置した層Ｃ１を有する。

この場合、基板Ｓは半絶縁性に選択する。さらにこのｐ
ｎ接合は、他方において、光ガイド層ＣＧの上側または
、この層に隣接して配置したｐ導電型の材料−２のｌｉ
Ｊ　Ｃｚを有する。

各層の形状及び相互配置、ｐｎ接合の動作原理、並びに
その製造方法は実施例Ｉと同じである。第２ｄ図の簡単
なヘテロ構造によってＹ形素子を造ることも同じく可能
である。

第２ｄ図及び第２ｅ図の断面図に表わしである等エネル
ギー曲線は、横方向寸法工のガイド　ストリップＲＢ内
を伝搬する波がガイド　ストリップＲＢの両側より約１
〜２μｍづつ側方に突出することを示し、かつこの波の
横寸法Ｗ、は、Ｗ、＞ａ の関係にあり、また Ｗ、−ａｚ２〜４μｍ であることを示している。第１ｄ図を見ると、本発明に
よる反射面はＢＢ’で示す座標を有し、この面は横方向
寸法Ｗ、を有する波を反射させるに絶対的に不可欠な反
射面の位置ＡＡ’の両側に充分に突出している。第１ｄ
図は、距離ＷＧだけ離れた両端部の光ビームを示してい
る。

接合角２θ≒４°の場合、第１ｄ図に示す如く、軌跡Ｂ
Ｂ’を有する反射面は、入力光ガイドＧ１の両側に寸法
ｄ６’ｚ４０〜６０μ慣を有する突出領域Ｃ’　Ｂ’及
びＣＢを設け、横方向寸法Ｗ、の空間内を誘導されてく
る各波動モードを、能動モードにおいて、光ガイドＧ２
′に確実に反射されるようにする。（ｄ０′は、突出領
域Ｃ’　Ｂ’及びＣＢの光ガイドＧ、、Ｇ、’方向で見
た寸法である。） 全内部反射を有利な条件で行わしめるためには、交差角
を実施例■と同じ基準で選定する必要があり、その理由
を第４ａ〜４ｄ図により説明する。

Ｙ形のとき、受動状態で接合辺に光ビームが伝達する特
性上、４°の値が“ヒンジ（ｈｉｎｇｅ　）　”（折れ
曲り部）となる値である。２°の台の角度では、入射ビ
ームはＹ形の２つの辺に分布し、また８６台の角度では
、入射ビームは入力光ガイドの延長上に進行を続け、実
際上隣接光ガイドが無いと同じとなる。角度が大となる
ほど隣接光ガイドの損失は小となる。例えば２個の光ガ
イドが互に８°の角度で交差しているものを使用すると
、隣接光ガイドは直線の光ガイドに比し４０　ｄＢＯ減
衰を示す。すなわち交差中に僅か１／１０，０００の光
しか失わないことを示す。

交差角を４°のような小角度に選定することは、交差領
域の横幅に一定の条件を加えることとなる。

ｐｎ接合が能動（活性化）状態のとき、入力光ガイドの
延長上の減衰をできるだけ大きくするためには、計算に
よると、入力光ガイドの光学軸に沿ったｐｎ接合の厚さ
ｄｏは少くとも４０μｍである必要がある。もしこれが
達成されないと、能動モードで形成される低屈折率のプ
レートに散乱波が伝達することとなる。

交差角２θが４°であり、すなわちθ々２°で、ｐｎ接
合の光学軸に沿う寸法ｄ０が６０μｍであるとすると、
ｐｎ接合の寸法ｄ２は、実施例Ｉの場合と同じく３〜８
μｍの桁とするを要する。

Ｙ形スイッチング素子は、通過モード、すなわちｐｎ接
合が受動状態のときの動作条件を理想的とする手段を具
えるを要する。

実施例Ｉに見られるように、次のときにこれらの条件は
理想的となる。

Ｔ＝１（Ｍ衰０ｄＢ） Ｒｈｏ　（減衰少くとも３０ｄＢ　） 実施例Ｉの場合と同様に、上述の条件を達成するために
は次の各パラメータが選択される。

・光ガイドの構造を第２ｅ図及びその説明の如くのダブ
ル　ヘテロ構造とすること。

・交差角を２θとする。

・上側閉じ込め層の厚さｅ３゜ ・ガイド　ストリップＲＢの横方向寸法ａ０・ガイド　
ストリップＲＢのＮ３上に設けられる高さ工。

・４元層の組成、すなわちＡｓの濃度Ｌ０・ｅＭ域１０
１．１０２と領域１００間の厚さの差Ｈ−ｅ３により生
ずる屈折率の変化ｎ。

しかしながら、本実施例のスイッチング素子が、２θ＝
４゜ であり、しかも、その機能は、 Ｐア／　Ｐ　＋ＮｚＩ ＰＲ／Ｐ＋Ｎｚ０（最大可能減衰で） を得るためのより最適条件を求めようとすると、受動モ
ードにおいて、交差領域内の閉じ込めの問題が生ずる。

本実施例では、第２出力光ガイドに平行の縁部を有する
溝１２を設けて、その一方の縁部を入力光ガイドＧ１の
ガイド　ストリップＲＢＯ縁部と一致させ、かつこの溝
１２の深さ工は、装置上に設けられたこのガイド　スト
リップＲＢの高さに等しくし、さらにその横方向寸法ｄ
３は、受動モードにおける閉じ込めに充分であるが、能
動モードにおいて反射された光ビームの伝搬を阻害する
程大きくはしないようにして上述の問題を解決すること
う可とする。この横幅寸法ｄ、は、２μｍないし５μｍ
程度の大きさであり、とくに４μｍとするを可とする。

従ってこの溝１２は、その断面を矩形とし、かつこれに
付随するガイド　ストリップも当然矩形形状とする必要
がある。この溝を、その位置並びに横幅寸法上極めて高
精度で設け、かつとくに垂直縁部を絶対的に精密に設け
ることについては、１９８８年６月２４日出願のフラン
ス国登録特許番号８８０８．５０４号に発表されていて
既知である。

上述の特許に開示されている製造方法により得られる小
横幅寸法は、本発明の目的達成のためとくに適しており
、これによるときは能動モードにおいて伝搬する光ビー
ムに妨害を及ぼさない。

すなわち、このように溝１２を設けである実施例■のス
イッチング素子は、内部全反射を得るに有利な小角度θ
を得るための小交差角実現にとくに有利である。

第４ｅ図は、第１光出力路内の伝達係数Ｔと、第２光出
力路内の反射係数Ｒの関係Ｔ／Ｒ（ｄＢ）をｐｎ接合に
注入される電流密度り、の関数として、示す図表である
。本実施例のスイッチング素子においては、次の条件、 ａｚ５μｍ ｄ、ｚ４μｍ ２θ≒４″ において、 Ｄ、＝Ｏの受動モードで、 比Ｔ／Ｒ＝＋３５　ｄＢ が得られ、 Ｄ＋−７，５ｋＡ／ｃｍ２の能動モードで、比Ｔ／Ｒ＝
−３５ｄＢ が得られた。

実際上本実施例の装置は、受動モードで極めて満足であ
り、またＤｌが７　ｋＡ／ｃｍ２に達すると、能動モー
ドでも極めて満足に動作する。

第４ｆ図の曲線は、能動モードにおいて、ｐｎ接合によ
り形成される反射面を通過するときの屈折率の差ｎをｐ
ｎ接合に加えられる電流密度の関数として示すものであ
る。

Ｄ　Ｉ　ｚ　７　　ｋＡ／ｃｍ” に対し、生ずる屈折率の差は、 Δｎ；１．４・１０−２である。

しかし乍ら、１つの素子を他の素子に結合するガイド部
分に損失があるとすると、これらの損失は互に加算され
、１つのマトリックスは極めて多数の素子を有している
ため大幅に増加するので、全体のマトリックスが構成で
きなくなるため、光の閉じ込めはスイッチング領域の外
側でも設立しなくなる。

従ってガイド構造は、実施例■と同様に、第４ａ、４ｂ
、４ｃ、４ｄ、４ｅに示された曲線に考慮を払いながら
選択し、かかるガイド部分の損失を小さく抑える必要が
ある。

従って本発明によると、結合交差角を４°台とすること
による問題は、ｐｎ接合に印加する電流密度を最適値に
選択することと共に溝１２を形成し、第４ｅ図及び第４
ｂ図の曲線を考慮に入れ、他のパラメータは実施例■の
ものと同じ（することにより、能動モード及び受動モー
ドの双方において解決できる。

本実施例は実施例■と同じく、半絶縁性基板上に各素子
を形成できる。さらに電気点接点は、第５ａ図の■−■
線上断面図である第３ｂ図に示す如く、かつ実施例Ｉで
述べた如（、ブランチＧＩ２及びＧ２Ｚを除いた他は第
５ａ図の平面図に見られるように基板の片面に形成され
る。

Ｙ形素子の各領域を形成する化合物及び材料も、実施例
■の素子ｌで述べたものと同じで良い。

二の実施例■のＹ形スイッチング素子は、ＣＬ（第１ｅ
図）で示される単位スイッチングセルと同種類同構造の
他の３つの素子をグループ化することが主な目的である
。

かかる単位セルは略平面図で第１ｅ図に示しである。

この単位セルＣＬは２個の直線状平行ガイドを有してお
り、その第１のものは、互に直線上に配列された部分ｃ
、、、Ｇｌ、’　、Ｇ、、’で構成され、第２のものは
同じ（互に直線上に配列された部分Ｇ２．、Ｇｚ、’　
、Ｇ、、’で構成される。この単位セルＣＬはさらに２
個のガイド部Ｇ、２’　、Ｇ、□′とを有しており、こ
られは互に４θの角度で交差し、かつ前記の２個の平行
ガイド２θの角度で接合する。最後にこのセルは４個の
ｐｎ接合１０ａ、１０ｂ。

１０ｃ、１０ｄを有しており、これらのｐｎ接合のおの
おのは、直線ガイドと角度θをなす全体で４個の交差領
域を形成する。既に述べた溝１２に対応する溝１２ａ、
１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを単一セルを構成する４個のス
イッチング素子の交差領域に設け、本発明の目的を達成
する。

信号Ｐ１□がガイドＧ１１に注入された場合、ｐｎ接合
１０ａが活性化されているか否かに応じて光ビームは、
ガイドＧ１□′に反射されるか、または同じ進路を進行
してゆきガイド０１１′及びＧｌｌに至るかの何れかと
なる。ｐｎ接合１０ａが活性されている場合、これと同
時に接合１０ｃも活性化し、光ガイド０１□′を進行し
てゆくビームがｐｎ接合１０ｃにより形成される反射面
で反射されて光ガイドＧ２１′に伝搬するようにする。

従ってこの場合、ｃ、、、ｃ、、’　、ｃ、、”で形成
される第１直線光ガイドが、Ｇ２１＋　ＧＺ＋’　、　
Ｇｌｌ”で形成される第２光ガイドにスイッチされたこ
ととなる。

一方において、光ガイドＧ２１に入射する信号ＰＩＮ□
は、接合１０ｄ及び１０ｂが活性化されているか否かに
よって、Ｇ２□′へ出てゆくか、またはＧ２Ｉの延長Ｇ
ｅｌ’へ進行してゆく。

かかる形態の単位スイッチングセルＣＬは一方において
信号の多重化を許容し、また他方においては完全に対称
である。これは電気通信のある応用分野においてとくに
重要である。

第１ｅ図に示す如くの単位セルＣＬは、Ｎ個の光ガイド
に対するＮ個の光ガイドへのスイッチマトリックスにグ
ループ化しうる。

Ｎ個の光ガイドのＮ個の光ガイドへのスイッチを行うた
めには、Ｎ（Ｎ−１）／２個の単位セルＣＬを第５ｃ図
に示すように、平行な直線光ガイドの間に位置をずらし
て（スタガード）配置する必要がある。

（製造方法・・・Ｉ） 本製造方法は第３ａ、３ｂ、３ｄ及び５ｅ図に示されて
いる。以下の実施例では、本発明によるスイッチング素
子が、第２ｂ図または第２ｅ図の何れかに示されている
ダブル　ヘテロ構造を用いる技術によって製造されるも
のを示す。この製造方法は、次の如くの連続工程ａ）〜
ｉ）を具える。

ａ）　燐化インジウムＩｎＰの基板Ｓの形成工程。

この基板は半絶縁性とし、液状エンカブシュレーション
により、ショコラルスキイ　（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ
　）法によって引抜によって作ったＩｎＰのソリッドブ
ロックを切断してウェハ状とする。（第３ａまたは３ａ
図） ｂ）　第３図及び第５ａ図にＸＢで示されるマスクを形
成する工程。このマスクは、後に形成される層ＣＩの表
面を限定し、とくにその縁部ＢＢ’は、後に形成される
交差領域の対称面ＹＹ’に正確に一致するものとし、次
でこのマスクの開口内に、例えばＳｉ　イオンの如きイ
オンのインプランテーションを行い、基板の上側部分内
にｎ型の層Ｃ１を形成する。この層Ｃ８が厚さ約１μｍ
で全体が均一にインプランテーションされるようにする
ため、異なるエネルギーで２つの連続インプランテーシ
ョンを行い、次で焼鈍（アンニーリング）工程を行う。

これにより約１０１８イオン／　ｃｍ　’にドープされ
、かつ少くとも一方の縁部ＢＢ’が正確にＹＹ’面と一
致するようにした垂直縁部を有する均一層ＣＩが形成さ
れる。ＹＹ’面に平行な方向のこの層Ｃ１の寸法は、 Δ’　＝　４００μｍ とするを可とし、垂直方向（第３ａ、３ａ図）では、 Ｌ　：　１００μｍ とするを可とする。

Ｃ）　なる可く液相エピタキシィ法によって、Ｇａｘ　
（ｎｔ−ｘＡｓｙＰ　ｌ−７の層２を形成する。

ここで、 ）ｌｚＯ，５ Ｘ２０．４３５ｙ この工程において、気相エピタキシィ（ＶＰＥ）を行う
ときは、後に接点パッドＥｌ’及びＥ１″を形成するた
めの開口を設けておく必要がある。この目的のために、
例えばシリカの如き誘電性保護層をマスクＸＨ（第５ａ
図）の開口内にデポジットさせる。ＶＰＥ法においては
、４元（ｑｕａ　ｔｅｒｎａｒｙ）材料は誘電性材料上
には生長しないので、将来用いる開口表面はそのまま維
持される。層２の厚さは、 ｅｏ　ｚ０．４μＩ１１　　（第３ａ、３ａ図）とする
を可とする。

ｄ）　層２の表面上に気相エピタキシィ（ＶＰＥ）によ
って形成するを可とするＩｎＰの層３を形成する。この
層は厚さＨを、 Ｈ≒１．０μｍ とするを可とする。

ｅ）　この層３より、マスクの開口内に光ガイドストリ
ップＲＢを次の深さでエツチングを行い、０．３５μｍ
≦ｈ≦０．７５　ｇ　ｍ 幅ａｚ４μｍのガイドを残す。

ｆ）　　ｐ型温電性の層Ｃ２を形成するため、Ｚｎの如
き材料を、マスクＸＦの開口内に局部拡散させる。この
マスクＸＦは、その１縁部が、ｐｎ接合方向に位置する
ガイドの縁部より距離工だけオフセットされている。こ
の場合、この距離丈は、局部拡散後に得られる層Ｃ２の
絶縁部が軸（面）ＹＹ’に完全に−敗し、かつ層ＣＩの
縁部ＢＢ’にも完全に一致するように１μｍに選択する
。当業者によく知られているように、拡散を行うと、形
を制限しているマスクの下側に僅か拡がるが、その程度
は実験によって確かめられ、再現可能に制御できる。こ
の場合拡散層は、次の如く選定される。

Ｈ＝ｅ、＋ｈ この拡散層Ｃ２は軸ＹＹ’に平行な方向の寸法Δ′を、 Δ’　＝　４００μｍ とし、この軸ＹＹ’に直角な方向の寸法ｄ２を、ｄｚ　
＝８　ｕｍ　〜１０μｍ　　（第３ａ、３ａ図）とする
を可とする。

ｇ）　電極の位置の絶縁層を除去した後、第３ｂ図のマ
スクＸＩの開口内にＡｕＧｅＮ５合金の層８を形成し、
ｎ型オーム接点のパッドＥｌ’　、　Ｅｌ’を形成する
。

ｈ）　第３ｂ図にＸＫで示す自由開口を残し、例えばＳ
　ｉ　Ｏｚの絶縁層７を設けて装置表面を保護する。

ｉ）　マスクＸＧ（第３ａ図）の開口内に最初にＴｉＰ
ｔＡｕ合金の第１層５を蒸着し、ｐ型オーミック接点Ｅ
２を形成し、次でマスクＸＬの開口内にこの合金の第２
層を蒸着して誘電絶縁層７の表面に電気的接続線を形成
する。

全製造工程中において、マクスＸＢとＸＦを除く各マス
クの少くとも１つの縁部を光ガイドの１つの軸と平行に
配置する。マスクＸＢ（！：ＸＦとは交差角の対称軸Ｙ
Ｙ’と平行な縁部を有する必要がある。（第３ａ図参照
） 又一方において、エピタキシアル層の形成にＶＰＥ生長
を利用するときは、単に誘導性透明層で保護されている
のみの基板上にテスト　パターン及びアラインメント（
整合）パターンを設ける必要がある。誘電体上にはＶＰ
Ｅ生長が生じないので、これらのパターンは全形成工程
生保存されかつその形を維持する。この整合方法は、と
くにｐｎ接合の縁部ＢＢ’を軸ＹＹ’に整合させる点で
極めて重要である。

（製造方法・・・■） 第３ｃ図に示すようなプレーナ構造を有するスイッチン
グ素子を製造することを望む場合の１例として次の製造
方法（ＩＩ）を説明する。この製造方法は、実施例ＩＯ
Ｘ形素子か、実施例■のＹ形素子でも溝１２を設けない
場合にのみその製造に使用できる。

まず工程ａ）、ｂ）は製造方法■と同じである。

工程ｂ）とＣ）との間に、工程ｂ’）を設け、この工程
で、光ガイドの所望の位置に、深さ工、幅ａの溝を形成
する。ｐ型層Ｃ８を形成する層１の厚さは、ｈより大に
選定する。

次の工程、Ｃ）とｄ）とは方法Ｉと同一にして行うが、
ｅ）の盛上り（ニレクチラド）ストリップを形成する工
程は除外する。これは、方法■では、ガイドの構造が反
転形となっており、ガイド層は完全に埋没しているから
である。

次で方法■のｆ）、ｇ）、ｈ）、ｉ）と同じ工程を行う
。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図及び第１ｂ図は、実施例■のＸ形スイッチング
素子の平面図、 第１ｃ図は、実施例■のＹ形スイッチング素子の平面図
、 第１ｄ図は、第１ｃ図のＹ形素子内のビームの通路を示
す説明図、 第１ｅ図は、実施例■のＹ形スイッチング素子を形成す
るため、２つのガイドに設けた４個の単位スイッチセル
ＣＬを示す平面図、 第２ａ図、第２ｂ図及び第２ｃ図は、実施例Ｉの光閉じ
込め構造を示すもので、それぞれ第１ａ図及び第１ｂ図
の■−■線上断面図、 第２ｄ図及び第２ｅ図は、実施例■のもので、第１ｃ図
の■−■線上断面図、 第３ａ図は、実施例Ｉのもので、第１ａ図のＩ−Ｉ線上
断面図、 第３ｂ図は、実施例１．ＩＩに関し、第５ａ図の■−■
線上断面図、 第３Ｃ図は、実施例Ｉのもので、第１ａ図の■＝■線上
断面図、 第３ｄ図は、実施例■のもので、第１ｃ図の１−■線上
断面図、 第４ａ図は、実施例■及び■の各素子の特性を示す曲線
図、（Ａは入力光ガイド、Ｂは出力光ガイドで、２θ＝
２°のもの） 第４ｂ図は、２θ＝４°のときの第４ａ図と同じ曲線図
、 第４ｃ図は、各側Ｉ、　　ＩＩのガイド領域上の全閉じ
込め材料の厚さＨをパラメータとして、率の差Δｎを上
側閉じ込め層の厚さＣ３の関数として示す曲線図、 第４ｄ図は、２元閉じ込め層ｅ３の厚さと４元ガイド層
の濃度りの関係を示す曲線図、第４ｅ図は、接合に加え
る電流密度Ｄ１と比Ｔ／Ｒの関係曲線図、（実施例■） 第４ｆ図は、実施例Ｈにおいて、素子の電流密度Ｄ１と
接合における率の差Δｎの関係を示す曲線図、 第５ａ図は実施例■の２個の素子群を示す平面図、 第５ｂ図は実施例Ｉの第１ａ図で述べた素子によるＮ個
のガイド対Ｎ個のガイドのスイッチングマトリックスを
示す平面図、 第５ｃ図は、実施例■の第１ｅ図で述べたセルによるＮ
個のガイド対Ｎ個のガイドのスイッチング　マトリック
スの平面図である。 Ｇ、、Ｇ２・・・光ガイド ＢＢ’・・・反射面 Ｓ・・・基板 Ｃ６・・・光ガイド層 ＲＢ・・・ガイド　ストリップ Ｃ＋　・・・ｐ導電型層 Ｃ２・・・ｎ導電型層 ＣＬ・・・単一スイッチセル ３・・・閉じ込め層 ５・・・オーム接点 ７・・・誘電絶縁層 １０・・・ｐｎ接合 １２・・・溝 ＦＩＧ、　２（Ｌ Ｆ旧、２〔 ＦＩＧ、　２ｅ ＦＩＧ、４ｂ ｔ、、＋２１ Ｌ）３１ 悶 手続補正書 平成 ２年 １月１０日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少くとも１個の光電スイッチ素子を含んでなる集積
   半導体装置であって、 該光電スイッチ素子が、 所定の角度で互に交差している２個の直線 単モード光ガイドを有し、この光ガイドは少くとも１つ
   のIII−Ｖ材料のヘテロ構造で構成され、かつ光閉じ込
   め材料の基板Ｓと、光ガイド層Ｃ＿Ｇ及びガイドストリ
   ップＲＢを具えてなり、 交差角の２分割縦面に対し非対称に交差領 域内に形成したｐｎ接合を有している集積半導体装置に
   おいて、 前記ｐｎ接合の長さ方向寸法が交差領域の 当該寸法を大幅に超過していること、 並びにｐｎ接合が、長さ方向において交差 領域の両側に対称的に交差領域より突出するように配置
   されていることを特徴とする光電スイッチ素子を有する
   集積半導体装置。 ２、基板Ｓを半絶縁性とし、かつｐｎ接合をそれぞれｎ
   型及びｐ型導電性の２つの層Ｃ＿１及びＣ＿２で形成し
   、さらにこれらの層はそれぞれが交差角２θの２分割縦
   面ＹＹ′に一致する縁部ＢＢ′を有し、光ガイド層Ｃ＿
   Ｇの両側に接近して配置されている請求項１記載の半導
   体装置。 ３、光ガイド層Ｃ＿Ｇの第２ヘテロ構造と、光閉じ込め
   材料の上側層を有する請求項２記載の半導体装置。 ４、ガイドストリップをヘテロ構造の上側に立上るよう
   に設けてなる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の
   半導体装置。 ５、ガイドストリップは、基板に溝を形成し、その内に
   ガイド層材料を充填して構成し、その上側表面を平坦に
   してなる請求項３記載の半導体装置。 ６、光ガイドの横方向寸法￥ａ￥を単モード波の伝搬を
   許すように選定し、交差角２θは、光ガイド層Ｃ＿Ｇの
   厚さｅ＿Ｇの関数として、上側閉じ込め層があるときは
   その厚さＨの関数として、またガイドストリップＲＢの
   高さ￥ｈ￥の関数として、さらにヘテロ構造を構成する
   材料の組成の関数として選定し、ガイド層内の有効イン
   デックスと近接領域内の有効屈折率（インデックス）と
   の屈折率の差Δｎが１０＾−＾２と１０＾−＾３の間に
   ある如くする請求項４または５記載の半導体装置。 ７、ヘテロ構造は、III−Ｖ化合物の４元層を有してい
   て、ガイド層Ｃ＿Ｇを形成し、またIII−Ｖ化合物の２
   元層を有していて基板Ｓを形成し、また場合により上側
   閉じ込め層を有する請求項６記載の半導体装置。 ８、２元化合物が、ＩｎＰであり、４元化合物が、 Ｇａ＿ｘＩｎ＿１＿−＿ｘＡｓ＿ｙＰ＿１＿−＿ｙであ
   り、ｘ及びｙは、 ｘ＝０．４３５ｙ の相互関係を有する濃度である請求項７記載の半導体装
   置。 ９、濃度ｙが、 ｙ≒０．１〜０．５ ガイドストリップＲＢの幅ａが、 ａ≒３〜５μｍ ガイド層の厚さｅ＿Ｇが、 ｅ＿Ｇ≒０．４μｍ 交差角２θが、 ２θ≒２〜６° である請求項８記載の半導体装置。 １０、ｙ≒０．５ ａ≒４μｍ ２θ≒４° である請求項９記載の半導体装置。 １１、ガイド領域上の層の全体の高さＨが、Ｈ＝ｈ＋ｅ
   ＿３≒１．０μｍ であり、ここに、 ｈは：ガイドストリップＲＢが設けられ ている高さであり、 また、ガイドストリップＲＢの両側の閉じ 込め層の厚さｅ＿３は、 ｅ＿３≒０．２５及び０．６０μｍ の間である請求項９または１０記載の半導体装置。 １２、ｐｎ接合の上側層の横方向寸法ｄ＿２は、ｄ＿２
   ＜ｄ＿１ すなわち、ｄ＿２はｐｎ接合の下側層の寸法ｄ＿１より
   小であり、かつ ３μｍ＜ｄ＿２＜８μｍ であり、さらに層Ｃ＿１の厚さは１μｍの桁である請求
   項１１記載の半導体装置。 １３、ｎ型導電性及びｐ型導電性の各層の表面にそれぞ
   れオーム接点層を設け、これらは、上側層内の開口を通
   じて設け、ｐ型層の中心に電荷キャリヤを注入するに適
   したパッドの形状並びにこの注入に対しｎ型層より電荷
   キャリヤを対等に搬出するに適したパッドの形状を得る
   如くした請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の半
   導体装置。 １４、２つの入力ブランチと、２つの出力ブランチを有
   するＸ形とし、これら両ブランチは互に２θの角をなす
   如くした請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の半
   導体装置。 １５、２個の直線ガイドの第１ブランチで形成される入
   力と、入力ガイドの直線延長上に形成される第１出力と
   、第１出力に対し２θの角をなす部分的直線ガイドで形
   成される第２出力とを有するＹ形形状を有し、直線上の
   第１入力ブランチと第１出力ブランチの上に通過する表
   面を有する非対称ｐｎ接合を設けてなる請求項１ないし
   １３のいずれか１つに記載の半導体装置。 １６、ガイドストリップは一方において、矩形断面を有
   し、他方において、入力ガイドに沿って矩形の断面の溝
   を設け、後者のガイド ストリップと共通な縁部を有し、かつ第２出力ガイドを
   通ずる縁部を有する請求項１５記載の半導体装置。 １７、溝が光ガイドのガイドストリップの高さと同じ深
   さを有する如くした請求項１６記載の半導体装置。 １８、前記溝の横幅ｄ＿３は交差角２θの値と協動する
   如くし、請求項６ないし１２に規定するパラメータを有
   し、受動モードにおいて不使用通路に少くとも３０ｄＢ
   の減衰を与える如くした請求項１６記載の半導体装置。 １９、ｐｎ接合の電流密度は、能動モードにおいて、不
   使用通路内に少くとも３０ｄＢの減衰を生ずる如くし、
   これはｐｎ接合により生ずるインデックス差１．４・１
   ０＾−＾２の大きさに対応する請求項１８記載の半導体
   装置。 ２０、Ｎ個のガイドよりＮ個のガイドへの光スイッチマ
   トリックスを有し、このマトリック スを形成するため請求項１４記載のスイッチ素子Ｎ個を
   交互スタガ配置として設け、各素子は他の素子に対しス
   イッチされない信号を通過させる通路が互に直線となる
   如くし、またスイッチされる信号を伝達する通路が互に
   直線上となるようにし、かつ反射もこれと同じ方向とす
   る集積半導体装置。 ２１、２個のガイドと２個のガイド間の単位スイッチン
   グセルを有する集積半導体装置であ って、 請求項１５ないし１９のいずれかに記載のスイッチ素子
   ４個により単位スイッチセルを構 成し、これらの各スイッチ素子は、第３及び第４素子の
   前側が、第１及び第２素子の後側に接合されるようにそ
   れぞれ配置してあり、従ってかく接続された各対の前記
   第１出力ガイドは互に直線上となり直線状ガイドを形成
   するように配置され、２つの隣接対の直線状ガイドは互
   に平行に配置されており、前記４個の素子の第２出力ガ
   イドは互に接続されていて互に４θの角度でＸにおいて
   交差する２個の直線状ガイドを形成し、さらに一方にお
   いては前記第１及び第４素子のｐｎ接合を、また他方に
   おいて前記第２及び第３素子の ｐｎ接合を、電気的接続部を通じて互に接続してなる集
   積半導体装置。 ２２、Ｎガイド対Ｎガイドのスイッチングマトリックス
   を含んでなる集積半導体装置において、 Ｎ・（Ｎ−１）／２ 個の、請求項２１記載の単位セルでこのマトリックスを
   構成し、これら単位セルは交叉（スタガード）配置とし
   、Ｘ形状の直線状ガイド部分を通じてこれら単位セルを
   接続してＮ個の直線状ガイドを構成する集積半導体装置
   。 ２３、ｎ型導電性層及びｐ型導電性層を画成するマスク
   の整合を確保するため、回路の不使用部分内に整合パタ
   ーンを形成し、かつこれら各パターンを誘電性絶縁層で
   被覆し、層の生長方法には気相エピタキシィ（ＶＰＥ）
   生長法を用い、等晶軸（エピタキシィ）ＶＰＥ生長法の
   全工程中に亘りこれら各パターンを堅固に維持し、かつ
   その機能を発揮せしめることを特徴とする請求項１ない
   し２２記載の半導体装置の製造方法。