JPH0239773B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光制御素子に関する。特に、可動部を
有しない光制御素子に関する。

本発明は光ビームの方向を制御する光偏向素子
として、光通信における光スイツチマトリツクス
をはじめ、レーザプリンタ、レーザデイスプレイ
などの分野で種々に利用できる。

〔従来の技術〕

従来可動部を持たない光偏光器として実用化さ
れたものはない。その理由としては、 (1) 偏向角が高々1゜程度で小さい、 (2) 構造面で実用化上の末解決点があり、例えば
超音波偏向器では、トランスデユーサの基板へ
の張り付け法などの技術が確立していない、 などをあげることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は低電圧でも大きい偏向角が得られ、か
つ構造が単純で製造上の問題を少なくすることに
より、従来の欠点を改良し、半導体レーザなどと
集積化することにより、光集積回路を実現するに
適した光制御素子を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕 以上の問題点を解決するために本発明は、 半導体層と、 この半導体層の表面に設けた細長い形状であつ
て複数本が平行に配列された電極と、 この各電極に電圧を加えることで電極に沿つて
前記半導体層内に光導波路を形成せしめ、かつ各
電極にそれぞれ加える電圧値を調整することで各
光導波路を進行するコヒーレント光の位相差を制
御する電圧印加手段と、 を備え、各光導波路から得られる光の重畳光ビー
ムを偏向せしめるようにしたものである。

〔作用〕

つぎに本発明にかかわる偏向と集光作用の原理
について述べる。第１図は原理を説明するための
図であつて、第１図Ａは半導体層内に形成された
光導波路列の断面図である。矢印はコヒーレント
光の進行方向を示す。図の黒く塗りつぶした部分
が光導波路である。第１図Ｂは光導波路を通過し
た光強度の遠視野像を示す図である。

第１図Ａに示すような光導波路列にて、電極幅
をａ、導波路間隔をｂ、アレイ全体の長さをｃと
し、各光導波路に同位相のコヒーレント光が進ん
できたとすると、その回折像は導波路による光強
度分布のフーリエ変換で与えられる。すなわち光
強度分布は(1)式で表される。

ｇ（ｘ）＝〔（ｘ／２）＊（ｘ／ｂ〕・（÷／
ｃ） …(1) ここで、（ｘ／ａ）は幅ａのパルス、（ｘ／ｂ） はδ関数を間隔ｂで並べたものを表す。また＊は
コンボリユシヨンである。(1)式は全体で幅ａのパ
ルスがピツチｂで、ｃの長さだけ並んでいること
を表している。(1)式のフーリエ変換Ｇ(f)は、 Ｇ(f)＝abc〔sinc（af）（bf）〕＊sinc（cf）
…(2) である。ただし、(2)式において、sinc（ｘ）はシ
ンク関係で sin（πx）／πx に等しい。(2)式は第１図Ｂに表すことができる。
次に、ビームを偏向させる場合を考える。(1)式で
ｇ（ｘ）の代わりに ｇ（ｘ） exp（−j2πφx） （ｊは虚数単位） を考え、フーリエ変換すると、明らかに ｇ（ｘ） exp（−j2πφx） のフーリエ変換は Ｇ（ｆ−φ） …(3) となる（ここにＧ(f)＝∫^∞ _-∞ｇ（ｘ）exp（−j2πφx
）
dxである。）つまり第１図Ｂのパターンは、ｆ方
向へφだけ平行移動する。すなわち偏向が発生す
る。

ところで、この偏向は１／ｂだけで偏向する
と、メインロープは、偏向前のサイドロープの位
置まで動く。このときは、φ＝2πに相当してい
る。したがつて偏向を考えるときは、０≦φ＜
2π、（または−π≦φ＜π）の範囲で考えるのが
実際的である。

ここで、光導波路の配列順に各導波光にΔφず
つの位相差を増加させる。このとき(3)式に従つて
Δφだけ偏向する。ところでｎ番目の導波路の位
相差が2πを越え、 （ｎ−１）Δφ＝2π＋Δφ′ と書けるものとする。ところで位相が2πを越え
るともとに戻る。つまり(3)式の代わりに ｇ（ｘ）・exp−ｊ（−2πφx＋2mπ） とおいてもこれは ｇ（ｘ）・exp（−j2πφx） に等しい。ただしｍ＝０、１…とする。したがつ
てｎ本目の導波路の位相差は、2π＋Δφ′の代わり
にΔφ′としてよいことがわかる。

以上のことは各導波路の位相差をその印加電圧
によつて制御する場合に有効である。つまり2π
の位相差を与える電圧をV₂〓とすれば、すべての
電極への印加電圧をV₂〓以下にすることができ
る。この関係を第２図に示す。なお、第２図にて
折れ線２１は位相差Δφの小さい場合を、折れ線
２２はΔφの大きい場合を示す。

ところで、各導波路は等間隔で配置されていな
くてもよい。第１図では、等間隔に配置したが、
等間隔でない場合でも(1)式、(2)式の形が多少異な
るが(3)式に従つて位相変化を与えれば、偏向する
ことは明らかである。また、導波路の数をＮ本と
すると、メインロープの高さはN²に比例し、幅
は１／Ｎに比例することがわかる。

次にビームの分解能について考える。メインロ
ープの偏向は、偏向前のサイドロープの位置まで
の範囲とすると、分解能を上げるには、メインロ
ープの幅（１／ｃ）を隣のサイドロープまでの距
離（１／ｂ）に対して小さくとればよい。そのた
めにはｂ／ｃ、つまり光導波路の数を多くすれば
よい。

〔実施例〕

まず第一の発明の実施例素子について説明す
る。第一の発明では、半導体層上の光導波路は下
記の原理に基づき電極を半導体層表面に設けるこ
とにより形成される。すなわちキヤリア濃度差
ΔNによる屈折率変化は、一般に次式で与えられ
る。

Δn＝−e²ΔN／2ε₀nmω² ここで、ｅはキヤリアの電荷、ｍはキヤリアの
有効質量、ωは光の角周波数、ε₀はキヤリア濃度
０での誘電率である。GaAsではΔN＝５×
10¹⁸atoms／cm³に対し、λ＝1μmとするとΔn＝
0.01となり、十分な光導波路を形成させることが
できる。

この方法によれば、電極と導波路の位置合わせ
が不要である。すなわち本発明はフリーキヤリア
の濃度差による屈折率変化を用いるもので、pn
接合の空乏層の利用およびシヨツトキー接合下の
空乏層の利用によるものと二種類がある。

第３図および第４図は第一の発明の実施例素子
の基本となる素子の構成を示す図である。図に示
すように、本実施例素子は化合物半導体基板４１
上に形成された光導波路４２と複数本の電極４３
とで構成されている。

次に第５図、第６図、第７図、第８図および第
９図はオーミツク電極とpn接合上の空乏層を光
導波路としたので、本発明の実施例素子を示す。
第５図はｎ−GaAs基板５１を用いた実施例素
子光導波路の形成例で、ｎ−GaAs基板５１上
に、例えばGeをドープしたｐ−GaAs層５２をエ
ピタキシアル成長させ、基板の上下面に、例えば
Auのオーミツク電極５３、５４を形成したもの
である。基板上下面の電極５３、５４間に逆バイ
アス電圧を印加すると、pn接合上の空乏層５５
が広がる。同時に空乏層５５の部分では、キヤリ
ア濃度の低下により屈折率が上昇するため、印加
電圧によつて選択的に光導波路がｐ−GaAs層５
２の電極下に形成される。空乏層５５はｎ−
GaAs層５１側に広くｐ−GaAs層５２側に狭い。
これは正孔の拡散長は1μm程度であるが電子の拡
散長は数μmと長いためである。このときに、
GaAsの電気光学効果によつて導波光は、印加電
圧に応じた位相変化を受ける。

第６図に示す実施例素子は第５図の素子の変形
である。２本の光導波路を近接させて配置する
と、導波路間で光の結合が生じ、光パワーのやり
とりが行われることはよく知られている。これを
さけ、各光導波路間の分離を良好にするためもり
上げ形の光導波路を形成する。これによつて導波
路間隔を短くできるため素子の小型化が可能とな
る。作成法としては、n⁺−GaAs基板６１上にｎ
−GaAs層６２をエピタキシアル成長させた後
に、Zn拡散などによつて表面をｐ−GaAs層６３
とし、後に表面をエツチングなどして凹凸を作
る。もり上げ部は数μm程度の高さである。光導
波路としての動作原理は、第５図の素子と同様で
pn接合での空乏層６４を用いる。

また、第５図に示す素子と同様な構造をInPで
構成することもできる。作成法としては、n⁺−
InP基板上に、ｐ−InP層をエピタキシアル成長
させ、基板の上面には例えばAuなどの電極を、
下面には例えばInAgSnなどの電極を形成したも
のである。

また第６図に示す素子と同様な構造をInPで構
成することもできる。作成法としては、n⁺−InP
基板にｎ−InP層をエピタシアル成長させた後
に、イオン拡散などによつて表面をp⁺−InP層と
し、後に表面エツチングして凹凸を作る。電極
は、エツチング前またはエツチング後に形成でき
る。

また、上記の各種のpn接合上の空乏層を光導
波路に利用した光偏向素子をGaAs系にはGaAs
の、またInP系ではInPの半絶縁性基板７１，８
１上に形成することも可能である。この構造を第
７図、第８図に示す。GaAs系で構成した場合は
基板７１，８１は半絶縁性GaAs層であり、その
上の層８２はn⁺−GaAs層であり、さらに上の層
７３，８３はｎ−GaAs層である。さらにその上
の層７４，８４はｐ−GaAs層である。またInP
系で構成した場合は基板７１，８１は半絶縁性
InP層であり、第８図においてその上の層８２は
n⁺−InP層であり、その上の層７３，８３はｎ−
InP層であり、さらに上の層７４，８４はｐ−
InP層である。

第９図に示す素子は、ダブルヘテロ接合によつ
て、光の閉じ込めを良好にした場合の本発明実施
例素子である。n⁺−GaAlAs基板９１上に、ｎ−
GaAs層９２をまずエピタキシアル成長させ、さ
らにｐ−GaAlAa層９３をエピタキシアル成長さ
せて、基板の上下面に、例えばAuのオーミツク
電極９４，９５を形成したものである。このダブ
ルヘテロ接合によつて光の閉じ込めは良好にな
る。

また第９図に示す素子と同様な構造InPで構成
することもできる。すなわち基板はｎ−InPを、
はじめのエピタキシアル層はｎ−InGaAsPを、
次のエピタキシアル層はｐ−InPをもつて構成す
る。

第１０図および第１１図の素子は、シヨツトキ
ー接合下に形成される空乏層に囲まれた部分を光
導波路としたものである。

第１０図に示す素子は金属−半導体のシヨツト
キー接合下に形成される空乏層では屈折率が減少
するため、その間隙が等価的に高屈折率となり、
光導波路が形成できることを利用するものであ
る。

n^-−GaAsエピタキシアル層１０２上に形成さ
れた例えばPtなどのシヨツトキー電極１０３と
基板下部の例えばAuなどのオーミツク電極１０
４間に逆バイアス電圧を印加すると、印加電圧に
比例してシヨツトキー接合下に形成される空乏層
１０５は増大し、n⁺−GaAs基板１０１まで達す
る。そのためシヨツトキー電極１０３の間源が選
択的な光導波路１０６となる。また導波光は
GaAsの電気光学効果によつて印加電圧に応じた
位相変化を受ける。

第１１図に示す素子はCrなどがドープされた
半絶縁性GaAs基板を用いた実施例である。光導
波路の形成方法は第１０図に示した素子と同様で
ある。半絶縁性GaAs基板１１１上にｎ−GaAs
層１１２をエピタキシアル成長させ、基板の上面
にPtなどによるシヨツトキー電極１１３および
Auなどによるオーミツク電極１１４を図示した
配列順で配置する。シヨツトキー接合部分に逆バ
イアス電圧を印加するとシヨツトキー接合下の空
乏層１１５は印加電圧に比例して増大し、適当な
印加電圧では空乏層１０５が基板１１１に達し、
光導波路１１６が空乏層１１５に囲まれた形で形
成される。

第２４図は第二の発明の具体的な実施例構成図
である。複数の電極４３に対して、配列順に単調
増大（または減少）する電圧を、直流電源Ｐおよ
びこの出力に接続された抵抗R₁〜R₅による抵抗
分割回路により供給する。

第１２図は本発明の別の実施例素子の基本構成
を示す図である。図に示すように、本素子はシン
グルモードの光導波路１２１と、各導波路に一対
ずつ設けられた電極１２２、１２３とにより構成
される。

第１５図はこの実施例素子光導波路の成形方法
を示す図である。まず第１５図にLiNbO₃にTiを
熱拡散法にて光導波路を形成する工程を示す。

まず第１５図Ａは光学照射が完了し固化したレ
ジスト１５１によるパターンがLiNbO₃基板１５
０上に形成された状態を示す。同図Ｂはこのレジ
ストパターン上にTi層１５２を蒸着し終えた状
態を示す。同図Ｃはさらにレジストパターンの
Tiをリフトオフし終えてTi層１５３のみが残存
した状態を示す。同図Ｄはこれを熱拡散法による
導波路１５４の形成が完了した状態を示す。この
ようにして形成された光導波路の屈折率は拡散が
行われる前に比べ10^-4〜10^-3程度上昇している。

次にLiNbO₃結晶方向によつて電気光学効果が
異なるため、Ｚカツトの場合は第１５図Ｅに示す
ように、電極１５５での導波光の吸収を防ぐた
め、SiO₂・Al₂O₃などのバツフア層１５０を基板
４０との間に設ける。またＹカツトの場合は第１
５図Ｆに示すように電極４５を直接に基板１５０
上に接合させる。

次に第１６図はGaAs化合物半導体にプロトン
照射して光導波路を形成する工程を示す。まず第
１６図Ａは基板１６０上にAuの薄膜１６１が形
成されていて、その上にレジスト材１６２による
パターンを形成し終えた状態を示す。同図Ｂはエ
ツチングによつてレジスト材１６２およびAu薄
膜１６１の一部を除去し終えた状態を示す。同図
ＣはAu薄膜１６１の除去部にプロトンを照射し
て光導波路１６３を形成し終えた状態を示す。

次に光の入射の方法について説明する。

第３図および第４図にて、または第１２図にお
いて、図の左側からコヒーレント光が入射され
る。入射の方法として、 (1) プリズム結合、 (2) グレイテイング結合、 (3) セルフオツク・レンズなどを用いたレンズ結
合、 (4) 直接結合 などがある。

また、第一の発明の実施例素子は同一基板上に
集積した半導体レーザ光源から直接入射させても
よい。

また、第１３図または第１４図に示すようにレ
ーザ光を入射および出射させてもよい。

すなわち第１３図は導波路構造を有しない光制
御素子を示す斜視図であつて、矢印はコヒーレン
ト光の進行方向を示す。LiNbO₃，PLZTなどの
電気光学材料１３１上に平行電極１３２を設け、
各電極１３２間を通過するコヒーレント光の位相
差を電極１３２間に印加する電圧によつて制御す
るものである。

また、第１４図は光導波路として、シングルモ
ード光フアイバを用いる例であつて、図にて矢印
は光ビームの進行方向を示す。光ビームは光フア
イバ１４１に入射され光制御素子１４２にて変調
を受ける。変調を受けた光ビームは固定台１４３
に固定された光フアイバを経て出射されるもので
ある。

第１７図および第１８図は、第３図、第４図お
よび第１２図に示す基本構成素子の光入射方法を
変形した例である。一般に薄膜導波路への光の導
入方法は、一般に細かい調整を要する場合が多
く、特に複数の場合、均一に入射させるための調
整は複雑である。その入射部分を１本の光導波路
として、各導波路に１回で複数本に分割した例を
第１７図に示す。第１７図にて矢印は光ビームの
進行方向を示す。光導波路１７１はａ部にて１本
から複数本に分岐されている。

第１８図に示す光導波路１８１は、１本の光導
波路を何回かの二等分分岐によつて各導波路へ均
等に分配する例である。なお矢印は光ビームの進
行方向を示す。第１９図は分岐部分ａの拡大図で
ある。図においてＡはＹ字形分岐を示し、Ｂは方
向性結合した分岐をを示す。Ｙ字形分岐では、正
確な二等分分岐を実現することが困難である。方
向性結合分岐の場合には電極１９１により分岐比
を微調整して、正確に二等分分岐することができ
る。

第２０図に示す素子は第１２図に示す実施例素
子の変形例である。光導波路２０１の数を多くす
る際に、素子全体の大きさを増大させないため
に、導波路間隔をつめると、導波路間で位相結合
が生じ光パワーのやりとりが行われてしまうこと
になる。これを防止するために溝２０２を設け
る。溝２０２の形状を第２１図に示す。この溝は
ケミカルエツチング、イオンビームエツチングな
どの方法で形成することができる。

第２２図に示す素子は第１２図に示す実施例素
子の光導波路の変形例である。このもり上げ形状
の光導波路２２２も導波路間の位相結合防ぐ効果
がある。この光導波路２２２は、例えばサフアイ
アなどの単結晶基板２２１にLiNbO₃，PLZTな
どの電気光学薄膜８２をエピタキシアル成長させ
た後に、イオンビーム・エツチング法などを用い
て形成することができる。

第２３図は第２２図の一部分の斜視図である。

〔発明の効果〕

本発明は次に列挙する(1)〜(5)の効果がある。

(1) 低電圧で導波路数に比例した大きなビームの
分解能が得られる。

(2) 集積化される。

(3) 構造が単純で、製造面、信頼性の面で困難が
少ない。

(4) 他の発光素子、受光素子などとの集積化が容
易である。

(5) 集光作用を併せて持つている。

本発明においては、印加電圧によりその光導波
路を通過した光の位相を簡単に制御できる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は偏向の原理を示す説明図。第２図は偏
向角と位相差との関係を示すグラフ。第３図は本
発明の実施例素子の基本構成を示す平面図。第４
図は第３図の断面図。第５図はpn接合形素子の
断面図。第６図は光導波路をもり上げた形状の
pn接合形素子の断面図。第７図は半絶縁性基板
上に形成したpn接合形素子の断面図。第８図は
光導波路をもり上げた形状でかつ半絶縁性基板上
に形成したpn接合形素子の断面図。第９図はダ
ブルヘテロ接合したpn接合形素子の断面図。第
１０図はシヨツトキー接合形素子の断面図。第１
１図は半絶縁性基板上に形成したシヨツトキー接
合素子の断面図。第１２図は本発明の実施例素子
の構成図。第１３図は導波路構造を有しない光制
御素子の斜視図。第１４図は光導波路に光フアイ
バを使用した場合の図。第１５図は熱拡散法によ
る光導波路の形成工程を示す図。第１６図はプロ
ント照射法による光導波路の形成工程を示す図。
第１７図、第１８図は光導波路を分岐する方法を
示す図。第１９図は第１８図のａ部の拡大図。第
２０図、第２１図は光導波路の位相結合を防止す
る溝を示す平面図および拡大した斜視図。第２２
図、第２３図は光導波路間の位相結合を防止する
もり上げ構造を示す側面図および斜視図。第２４
図は本発明の別の発明の実施例構成図。 ４１，５１，６１，７１，８１，９１，１０
１，１１１……半導体基板、４２，５２，６２，
７３，８２，９２，１０２，１１２……第一層エ
ピタキシアル層、７４，８３，９３……第二層エ
ピタキシアル層、６３，８４……拡散表面層、４
３，４４，５３，５４，６５，６６，７５，７
６，８５，８６，９４，９５，１０３，１０４，
１１３，１１４，１２２，１２３，１３２，１５
５，１６１……電極、１２１，１５４，１６３，
１７１，１８１，２０１……光導波路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体層と、 この半導体層の表面に設けた細長い形状であつ
   て複数本が平行に配列された電極と、 この各電極に電圧を加えることで電極に沿つて
   前記半導体層内に光導波路を形成せしめ、かつ各
   電極にそれぞれ加える電圧値を調整することで各
   光導波路を進行するコヒーレント光の位相差を制
   御する電圧印加手段と、 を備え、各光導波路から得られる光の重畳光ビー
   ムを偏向せしめるようにした光制御素子。 ２ 半導体層と電極との接合はオーミツク接合で
   あり、 この半導体層にpn接合部分が形成され、 この複数の電極下のpn接合部分に形成される
   空乏層を光導波路とする 特許請求の範囲第１項記載の光制御素子。 ３ 半導体層と電極との接合はシヨツトキー接合
   であり、 このシヨツトキー接合により形成される空乏層
   に囲まれた部分を光導波路とする 特許請求の範囲第１項記載の光制御素子。