JPH04199576A - Optical wiring integrated device - Google Patents

Optical wiring integrated device

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JPH04199576A
JPH04199576A JP2325202A JP32520290A JPH04199576A JP H04199576 A JPH04199576 A JP H04199576A JP 2325202 A JP2325202 A JP 2325202A JP 32520290 A JP32520290 A JP 32520290A JP H04199576 A JPH04199576 A JP H04199576A
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JP
Japan
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optical
light
integrated device
light emitting
waveguide
Prior art date
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Pending
Application number
JP2325202A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaru Nakamura
優 中村
Toru Nishibe
徹 西部
Atsushi Kurobe
篤 黒部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2325202A priority Critical patent/JPH04199576A/en
Publication of JPH04199576A publication Critical patent/JPH04199576A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Use Of Switch Circuits For Exchanges And Methods Of Control Of Multiplex Exchanges (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable speedup of channel signals by forming the optical path between a photoemitter and a photodetector of an optical waveguide provided with concave mirrors. CONSTITUTION:An optical path is formed by concave reflectors 14 between a photoemitter 11 and a photodetector 12 via a slab type waveguide 13. Preferably at this time the optical path should be parallel or at a right angle with an emitted beam from the photoemitter or with the stripe direction of a semiconductor laser as the photoemitter 11. Hereupon, light intersection in the slab type waveguide 13 undergoes no exchange of light modes nor light scattering, shows therefore no interference, and is indifferent to signal speed and the like. This causes no trouble on signal speedup.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的、〕 (産業上の利用分野) 本発明は集積化された光配線に関し電気配線では困難な
高速で高密度な配線方式を提供する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Field of Application) The present invention relates to integrated optical wiring and provides a high-speed, high-density wiring system that is difficult to achieve with electrical wiring.

(従晶術) 高度情報化社会の進展に伴い扱う情報量は年々増大し、
それに従かい通信伝送系の速度cビットレート)も高速
化の一途をたどっている。現在公衆通信網は電話回線を
基調として網体系が構築されている中、画像情報を主メ
ディアとする広帯域のディジタル加入者網の整備が検討
されている。
(Crystal art) With the development of an advanced information society, the amount of information handled increases year by year.
Accordingly, the speed (c bit rate) of communication transmission systems is also becoming faster. While public communication networks are currently constructed based on telephone lines, the development of a broadband digital subscriber network using image information as the main medium is being considered.

中で一電子交換器は情報伝送系での中核をなす装置とし
て位置づけられ、現在の大規模集積回路技術を駆使し高
速、広帯域化につとめている。第11図はボード(11
3)上に開発検討中の64×64の電子交換スイッチの
S成概念図を示す。通過する信号速度は毎秒155Mビ
ットである。毎秒155Mビットという高速度であるた
め現在の集積化技術では発熱許容量の関係から全素子を
一つのチップに集積することは不可能であり、図に示す
が如く例えば8X8のスイッチ(112)を24個用意
しそれらを電気的に配線rill) l、て等価的に6
4X64の電子交換スイッチとする方法が考慮されてい
る。ところが低速度では簡単な電気配線も毎秒155M
ビットの高速になるとさまざまな障害がでるようになる
。第1には、配線の交差点(l14)においては電気で
あるがゆえに何等かの立体的交差を必要とする。たとえ
ば第12図に示すようなスルーホールで信号交差を行う
方式は簡易であシ広く一般的に用いられている方法では
あるが高速信号ではスルーホール領域での電磁放射が大
きくそのために相互干渉を生ずる要因となる。
Among these, the electronic exchanger is positioned as a core device in the information transmission system, and efforts are being made to make it faster and wider by making full use of current large-scale integrated circuit technology. Figure 11 shows the board (11
3) Above is a conceptual diagram of the 64x64 electronic exchange switch under development. The passing signal rate is 155 Mbits per second. Due to the high speed of 155 Mbits per second, it is impossible with current integration technology to integrate all the elements on one chip due to heat generation capacity. Prepare 24 pieces and wire them electrically (rill) l, equivalently 6
A 4×64 electronic switching switch is being considered. However, at low speeds, even simple electrical wiring runs at 155 M/s.
As bit speeds increase, various problems arise. First, since the wiring intersection (114) is electrical, some kind of three-dimensional crossing is required. For example, the method of signal crossing using through-holes as shown in Figure 12 is simple and widely used, but for high-speed signals, electromagnetic radiation is large in the through-hole area, which can cause mutual interference. It becomes a factor that occurs.

またスルーホール方式としないためには、例えば多層配
線を用意することも考えられるがこの例では8層の基板
を必要とし信頼性を含めて問題点が多い、を九電子スイ
ッチの機能からすると8×8スイッチ同士を結ぶ配線長
はスイッチ内のロジックの正常動作を行わせる意味から
クロックレートの10分の1以下の精度では均−長であ
ることが望ましい、この場合最奄長い配線に合わせて他
の配線を長くすればよいが、配線長を長くするとそれだ
け相互干渉が増えるという欠点を含むことになる。また
現在は毎秒155Mビットの信号速度を仮定しているが
次世代には600MビットあるいはZ4Gビットになる
ことが通信の国際標準委員会から明らかにされており、
相互干渉が信号速度に比例して増えることから今後ます
ます問題とねろう。また増大する電気配線の容量により
高速信号槽のものが伝搬しにくくなることなどの問題も
抱えている。
In addition, in order to avoid using the through-hole method, it is possible to prepare multilayer wiring, for example, but this example requires an 8-layer board and has many problems including reliability. In order to ensure normal operation of the logic inside the switches, it is desirable that the wiring lengths connecting ×8 switches be uniform in length for accuracy of less than 1/10 of the clock rate. It is possible to make the other wires longer, but this has the disadvantage that the longer the wire length, the more mutual interference will occur. Additionally, the International Communications Standards Committee has revealed that the current signal speed is assumed to be 155 Mbits per second, but the next generation will have a signal speed of 600 Mbits or Z4Gbits.
Since mutual interference increases in proportion to the signal speed, it will become an increasing problem in the future. Another problem is that the increasing capacitance of electrical wiring makes it difficult for high-speed signals to propagate.

光信号は一般的に高速でIO少相互干渉が少ないとされ
ている。本分野でも同じ発想の光配線が考えられる。第
13図は電気配線の代わfiK光では最も一般的なりッ
ジ型導波路を考えた例であり、IE13図(3)はその
交差点を示した。光は直進する性質のため信号は相互に
干渉することなく交差するようにも思えるが、導波路の
交差部では光の境界条件が変化することから第13図(
b) K示すが如く光のモードの変換を生じる。結果と
して一部が交差する導波路に漏れ込み相互干渉が生じて
しまう欠点があった。そして64X64の電子交換スイ
ッチのように多数本の光導波路が交差する構成では大き
な問題となる。
Optical signals are generally considered to have high speed, low IO, and little mutual interference. Optical wiring based on the same idea can be considered in this field as well. FIG. 13 is an example in which a ridge-type waveguide, which is the most common type for fiK light, is used instead of electrical wiring, and IE13 (3) shows the intersection. Because light has the property of traveling straight, it may seem that the signals cross without mutual interference, but the boundary conditions of the light change at the intersection of the waveguides, as shown in Figure 13 (
b) A conversion of the mode of light occurs as shown in K. As a result, there is a drawback that leakage occurs into the waveguides that partially intersect, resulting in mutual interference. This becomes a serious problem in a configuration in which a large number of optical waveguides intersect, such as in a 64×64 electronic exchange switch.

(発明が解決しようとする課題) このように従来の電気配線あるいはりッジ型光導波路に
よる光配線では相互干渉などの問題を解決し得す、今後
の高速電子交換スイッチには新たな方式による配線結合
が望まれていた。
(Problem to be solved by the invention) In this way, problems such as mutual interference can be solved with conventional electrical wiring or optical wiring using ridge-type optical waveguides, but future high-speed electronic switching switches will require a new method. Wiring connection was desired.

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

(課題を解決するための手段) 発光素子と受光素子間にスラブ型導波路を介し、少なく
とも凹面構成の反射鏡により光路を形成する。このとき
光路は発光素子からの出射ビームあるいは発光素子とし
ての半導体レーザのストライブ方向に対し平行もしくは
直角としである。全凹面鏡はその向きが9011ずつ異
なるが同一形状とし そのとき発光素子、受光素子間の
全党路長は同一になるようにする。凹面鏡はスラブ導波
路にドライエツチングなどの手法により掘り込んで形成
する。掘り込まれた部分と導波路部分との屈折率差によ
り光に対する全反射を可能とする。また必要に応じて金
属膜なども付着させる。これらの形態は発光素子、受光
素子そして光導波路をモノリシックあるいはハイブリッ
トに集積する。配線長の均一化は光導波路の物理長さを
均一にすることとあるいは半導体レーザのバイアス電流
値を調整し光出力の発光遅延時間を調整することで行う
(Means for Solving the Problems) An optical path is formed by at least a reflecting mirror having a concave surface structure via a slab waveguide between a light emitting element and a light receiving element. At this time, the optical path is parallel or perpendicular to the beam emitted from the light emitting element or the striping direction of the semiconductor laser serving as the light emitting element. The all-concave mirrors have the same shape, although their directions differ by 9011 points, and the total path length between the light-emitting element and the light-receiving element is the same. The concave mirror is formed by digging into the slab waveguide using a method such as dry etching. The difference in refractive index between the dug portion and the waveguide portion enables total reflection of light. Further, a metal film or the like is also attached if necessary. These forms integrate a light emitting element, a light receiving element, and an optical waveguide in a monolithic or hybrid manner. The wiring length is made uniform by making the physical length of the optical waveguide uniform or by adjusting the bias current value of the semiconductor laser and adjusting the light emission delay time of the optical output.

(作用) スラブ導波路内での光の交差は光のモード変換や散乱等
を受けないため相互干渉は何等生じない。
(Function) Crossing of light within the slab waveguide does not undergo mode conversion or scattering of light, so no mutual interference occurs.

そして信号の速度等にも無関係でおるから電気信号でそ
うであったような信号の高速化への障害も起こらない。
And since it is unrelated to the speed of the signal, there is no problem with increasing the speed of the signal, as was the case with electrical signals.

半導体レーザやPIN型の受光素子はIOGビット領域
までは比較的容易に動作が可能であることから今後の電
子交換スイッチの高速化にも十分対処でき得る。しきい
値が数mAの低しきい値の半導体レーザを使用すれば消
費電力の点でも電気配線よりも優位となシ得る。配線長
を均一化することも容易で′hb、配線を延長すること
で干渉を増強させることもない。また物理長で補正でき
ない場合や電子回路部での遅延を補正するような微調に
は半導体レーザのバイアス電流値を調整することで簡単
に行える。配線光路長を均一化することで凹面鏡の曲率
半径を同じ、即ち基本凹面鏡は全てにわたり同一形状と
することが可能となり設計、製作を大幅に簡略化するこ
とができる。また光路を半導体レーザのストライプ方向
に対し平行もしくは直角とすることで凹面鏡は90度方
向が異なっただけで配置すればよく設計、製作がより一
層簡易化される。これはドライエツチングなどで凹面鏡
を製作する場合には結晶の方位性の問題を最小限度にす
る点で特に効果の太きいものである。
Semiconductor lasers and PIN-type light receiving elements can operate relatively easily up to the IOG bit region, so they can sufficiently cope with future speed increases of electronic exchange switches. If a semiconductor laser with a low threshold value of several mA is used, it can be superior to electric wiring in terms of power consumption. It is easy to make the wiring length uniform, and extending the wiring does not increase interference. Further, fine adjustments such as cases where correction cannot be made using the physical length or correction of delays in the electronic circuit section can be easily performed by adjusting the bias current value of the semiconductor laser. By making the wiring optical path length uniform, it is possible to make the radius of curvature of the concave mirrors the same, that is, the basic concave mirrors can all have the same shape, and the design and manufacturing can be greatly simplified. Further, by making the optical path parallel or perpendicular to the stripe direction of the semiconductor laser, the concave mirrors need only be arranged in different directions by 90 degrees, thereby further simplifying the design and manufacturing. This is particularly effective in minimizing crystal orientation problems when producing a concave mirror by dry etching or the like.

(実施例) 以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。(Example) The present invention will be described in detail below using the drawings.

第1図は本発明の基本概念図を示し、2×2のスイッチ
4個の入出力を相互に結線して4×4のスイッチ構成と
した場合を示している。発光素子を◎印で示す発光素子
アレイ(11)と受光素子をO印で示す受光素子アレイ
αコとの間をスラブ導波路αJのみで直接結合した光路
(18)やあるいは凹面鏡α◆で曲折した光路αeを形
成した例である。
FIG. 1 shows a basic conceptual diagram of the present invention, showing a case where the input and outputs of four 2×2 switches are interconnected to form a 4×4 switch configuration. An optical path (18) directly coupled only with a slab waveguide αJ, or bent with a concave mirror α◆, connects the light-emitting element array (11), where the light-emitting elements are indicated by ◎ marks, and the light-receiving element array α, whose light-receiving elements are indicated by O marks. This is an example in which an optical path αe is formed.

第2図は半導体レーザ(2−a)とフォトダイオード(
2−c)、そしてスラブ導波路(2−b)の層構造を示
す。InP系の化合物半導体によるモノリシックな集積
例を示す。成長は有機金属気相成長法による3回成長を
行った。工程は以下に示す。n型InPの基板圓上に組
成の異なる3層のIn G a A I P層、即ち発
光波長換算でλq= 1.3 umノ第1のガイド層四
、λq=L55umの活性層(至)、そしてλq=L3
umの第2のガイド層−を成長する。
Figure 2 shows a semiconductor laser (2-a) and a photodiode (
2-c) and the layer structure of the slab waveguide (2-b). An example of monolithic integration using InP-based compound semiconductors is shown. Growth was performed three times by metal organic vapor phase epitaxy. The process is shown below. On an n-type InP substrate circle, there are three InGaAIP layers with different compositions, that is, a first guide layer of λq = 1.3 um in terms of emission wavelength, and an active layer of λq = L of 55 um (up to). , and λq=L3
Grow a second guide layer of um.

回折格子(ト)を第2のガイド層上に形成して後p温の
InPクラッド層を再成長させる。光導波路部はウェッ
トエツチングにより基板まで掘ったのちλQ=L3um
 の導波路層@と高抵抗のInP層(至)を更に成長さ
せる。フォトダイオード部は回折格子を形成しないだけ
で要約には半導体レーザ部と同一になる。レーザ部と光
導波路部はドライエツチングにより分離(7)したがレ
ーザへ流す電流の閉じ込め中後述する導波路へのレンズ
加工などの必要がなければとくに分離することはない。
A diffraction grating (T) is formed on the second guide layer, and then a p-temperature InP cladding layer is regrown. The optical waveguide section is etched down to the substrate by wet etching, and then λQ=L3um
Further grow a waveguide layer @ and a high resistance InP layer. The photodiode section is essentially the same as the semiconductor laser section except that it does not form a diffraction grating. The laser part and the optical waveguide part were separated by dry etching (7), but they are not separated unless it is necessary to process a lens on the waveguide, which will be described later, while confining the current flowing to the laser.

光導波路部は導波路層の屈折率がその上下のInPクラ
ッド層に比べ3−11度高いために界面で全反射を繰シ
返しながら進行するスラブ導波路を形成する。スラブ導
波路内では光が交差して奄何等影蕃を及ぼすことがない
ことは明かである。損失的には活性層からの発光波長を
11−55uとした場合αsdB/m以下の導波路を形
成できるため最大長が10傷程度の導波路とすることが
できる。また短距離の場合は光導波路層は半導体レーザ
層と同一構造としても構わない。
The optical waveguide section forms a slab waveguide that propagates while repeating total reflection at the interface because the refractive index of the waveguide layer is 3 to 11 degrees higher than that of the InP cladding layers above and below it. It is clear that light crosses within the slab waveguide and does not have any effect. In terms of loss, if the wavelength of light emitted from the active layer is 11-55u, a waveguide with a loss of less than αsdB/m can be formed, so a waveguide with a maximum length of about 10 scratches can be formed. Furthermore, in the case of a short distance, the optical waveguide layer may have the same structure as the semiconductor laser layer.

第3図はドライエツチングにより形成された凹面鏡を示
す。凹面鏡の反射面は半導体と空気の界面とした。In
P系化合物半導体の屈折を15とすると半導体層から入
射する光の全反射角は反射点での法線から測って17f
ili度となる。第1図に示すような光路に対し45度
の凹面鏡配置では全ての凹面鏡が全反射の条件を満たし
、その結果の漏洩のない良好な光路を形成できる。なお
ドライエツチングは以下のように行った。
FIG. 3 shows a concave mirror formed by dry etching. The reflecting surface of the concave mirror was the interface between the semiconductor and air. In
If the refraction of a P-based compound semiconductor is 15, the angle of total reflection of light incident from the semiconductor layer is 17f measured from the normal line at the reflection point.
It becomes ili degree. When the concave mirrors are arranged at 45 degrees to the optical path as shown in FIG. 1, all the concave mirrors satisfy the condition of total reflection, and as a result, a good optical path without leakage can be formed. Note that dry etching was performed as follows.

試料を真空チャンバに挿入し10’Torr以下に排気
シ、アルゴンガスをマイクロ波出力200Wにてイオン
化し加速電圧400■で試料に1分はど照射し、表面に
付着した20−40オングストロームの酸化膜を除去し
清浄な面を出す。しかる後に、塩素ガスとアルゴンガス
をそれぞれ20secm/分割合でプラズマ室に流し、
混合ガスをマイクロ波200W、磁場875ガウスの条
件で電子サイクロトロン共鳴を起こさせ、加速電圧40
0Vでプラズマ室からイオンをイオン電流密度、0、2
4 mA/−で引き出し試料に照射する。トータル圧力
は1.6 X 10 ”Torrである。この条件では
、エツチング速度は0.17ミクロン/分であるので、
5ミクロンの深さの凹面鏡を形成するのに30分のエツ
チングを行なった。
Insert the sample into a vacuum chamber, evacuate to below 10 Torr, ionize argon gas with a microwave output of 200 W, and irradiate the sample with an acceleration voltage of 400 μ for 1 minute to remove 20-40 angstroms of oxidation that adhered to the surface. Remove the film to expose a clean surface. After that, chlorine gas and argon gas were each flowed into the plasma chamber at a rate of 20 sec/min.
Electron cyclotron resonance is caused in the mixed gas under the conditions of microwaves of 200 W and a magnetic field of 875 Gauss, and an acceleration voltage of 40
Ion current density, 0,2
Irradiate the drawn sample at 4 mA/-. The total pressure is 1.6 x 10'' Torr. Under these conditions, the etching rate is 0.17 microns/min, so
A 30 minute etch was performed to form a 5 micron deep concave mirror.

第4図は光路長を均一とした場合の実施例を示す。光路
長を均一にすることは本来後段の2×2の電子スイッチ
内のロジックの動作を正常にするために必要であること
は先に記した。その他導波路の損失が有限である場合受
光パワーを一定とできフォトダイオード以下の利得調整
あるいは半導体レーザの出力調整が不要という点の効果
も大きい、また素子の製作上においてもメリットは大き
い。即ち、図に示すが如く光路を均一にし、光路は凹面
鏡で直角のみに曲げられるようにすると凹面鏡の方向は
互いに90度向きを変えるもののその形状は同一で形成
すれば良いことになる。これは凹面鏡を含めた素子の設
計と製作を簡易化させることKなる。とくにドライエツ
チングで凹面鏡を形成しようとする場合、結晶の方位に
無関係に垂直面を出し、かつ散乱を少なくするために鏡
面状態を得ることは非常に困難である。凹面鏡の焦点距
離は光路長を計算し発光素子からの出射ビームが受光素
子面で集束させるようにすれば良いことは明かである。
FIG. 4 shows an embodiment in which the optical path length is made uniform. As mentioned above, it is necessary to make the optical path length uniform in order to normalize the operation of the logic in the 2×2 electronic switch at the subsequent stage. In addition, if the loss of the waveguide is finite, the received light power can be kept constant, and there is no need to adjust the gain below that of the photodiode or the output of the semiconductor laser. This is also a great advantage in terms of manufacturing the device. That is, as shown in the figure, if the optical path is made uniform and the optical path is bent only at right angles by concave mirrors, the concave mirrors can be formed in the same shape even though their directions are changed by 90 degrees. This simplifies the design and manufacture of elements including concave mirrors. Particularly when attempting to form a concave mirror by dry etching, it is extremely difficult to obtain a mirror surface in order to produce a vertical surface regardless of the orientation of the crystal and to reduce scattering. It is clear that the focal length of the concave mirror can be determined by calculating the optical path length so that the beam emitted from the light emitting element is focused on the surface of the light receiving element.

以上のことを考慮し見取り層的に4×4の電子交換スイ
ッチ用光配線を示したのが第5図である。
Taking the above into consideration, FIG. 5 shows a 4×4 optical wiring for an electronic exchange switch in terms of layers.

図は発光素子、受光素子そして光導波路をモノリシック
に化合物半導体で製作した例であるが発光素子、受光素
子は化合物半導体、光導波路はシリコンに形成しそれら
をハイブリット的に集積しても良いこと吃明かである。
The figure shows an example in which the light-emitting element, light-receiving element, and optical waveguide are fabricated monolithically using a compound semiconductor, but it is also possible to form the light-emitting element, light-receiving element using a compound semiconductor, and the optical waveguide using silicon, and to integrate them in a hybrid manner. It's obvious.

発光波長1um以下とすれば受光素子もシリコンで形成
できる。
If the emission wavelength is set to 1 um or less, the light receiving element can also be formed of silicon.

半導体レーザからの出射ビームは通常上下、左右に数1
0度広がって放射される。スラブ導波路は上下の広がり
には抑制作用を持つが左右のひろがりには抑制する機S
t−持たない。発光素子から第1番目の凹面鏡までの距
離が長い場合には相互干渉の原因となるために何等かの
抑制手段を要する。第6図は光導波路の光入射口にレン
ズ加工(61)を施した実施例を示す。レンズはドライ
エツチングで加工した。この工程は凹面鏡を形成すると
きに同時に行わせることができ工程的に増えるものでは
ない、半導体レーザにもレンズ加工を施し同様な効果を
呈することが可能ではある。しかしながら加工面はレー
ザの共振器面でもあシレーザとしての共振条件を変える
ことにもなるのであま夛好ましくはない。
The beam emitted from the semiconductor laser is usually several 1 in the vertical and horizontal directions.
It is radiated with a 0 degree spread. The slab waveguide has a suppressing effect on vertical expansion, but it also suppresses horizontal expansion.
t-don't have it. If the distance from the light emitting element to the first concave mirror is long, it may cause mutual interference, so some kind of suppressing means is required. FIG. 6 shows an embodiment in which a lens processing (61) is applied to the light entrance of the optical waveguide. The lens was processed by dry etching. This step can be performed simultaneously when forming the concave mirror, and does not add to the number of steps. It is also possible to perform lens processing on a semiconductor laser to achieve the same effect. However, the processed surface is not very desirable because it also changes the resonance conditions of the laser as it is the resonator surface of the laser.

8×8の電子交換スイッチ構成を考えるとき、現状の集
積回路規模から光配線領域の大きさは1(15)1程度
になる場合もある。このとき現在の化合物半導体の基板
サイズは高々3インチ程度である。このとき現在の化合
物半導体の基板サイズは高々3インチ程度であることを
考慮すると同一基板とすることは必ずしも得策ではない
。分割基板を使用することが考えられる。第7図は分割
基板での構成例を記したものである。基板を分割した際
、導波路の結合においてまず第1にはそのまま直接結合
させる方法が考えられる。しかしながらサブミクロン程
度の高精度なアラインメント技術を要する。第7図の方
法は結合点に光から電気、また電気から光への変換素子
(71,72)を配しその間を電気的に結合した例であ
る。このときには高精度なアラインメントを必要とせず
ハイブリットな集積に適しているといえよう。必要な半
導体レーザやフォトダイオードは同様な構造で良い。た
だ半導体レーザには後ろ向きに放射されるビームが近接
するフォトダイオードに結合しないように例えば後端蘭
に高反射sIを形成するなどの手段をとる。このとき受
光素子の電気的出力が小さい場合には第8図に示すよう
に発光素子、受光素子間に増幅器(81)を挿入した告
も考えられる。
When considering an 8×8 electronic exchange switch configuration, the size of the optical wiring area may be about 1 (15) 1 based on the current integrated circuit scale. At this time, the current substrate size of compound semiconductors is about 3 inches at most. At this time, considering that the current substrate size of compound semiconductors is about 3 inches at most, it is not necessarily a good idea to use the same substrate. It is conceivable to use a split board. FIG. 7 shows an example of a configuration using a divided board. When the substrate is divided, the first possible method for coupling the waveguides is to directly couple them as they are. However, highly accurate alignment technology on the order of submicrons is required. The method shown in FIG. 7 is an example in which light-to-electricity or electricity-to-light conversion elements (71, 72) are arranged at the coupling point and electrically coupled therebetween. In this case, high precision alignment is not required and it can be said to be suitable for hybrid integration. The necessary semiconductor lasers and photodiodes may have similar structures. However, for the semiconductor laser, measures such as forming a highly reflective sI at the rear end are taken to prevent the beam emitted backward from being coupled to an adjacent photodiode. If the electrical output of the light-receiving element is small at this time, it may be possible to insert an amplifier (81) between the light-emitting element and the light-receiving element as shown in FIG.

第9図には光路上に導波路型光増幅器(91)を挿入し
た例を示す。光増幅器はレーザ増幅器で構成できるがエ
ルビウムを添加した導波路型増幅器でもよい。勿論、そ
の場合には励起用の半導体レーザを別に必要とする。光
増幅器は光路のどこに入れても構わないがレーザ増幅器
の飽和特性を考慮してなるべく後方に配置したほうが雑
音特性は良くなる。
FIG. 9 shows an example in which a waveguide type optical amplifier (91) is inserted on the optical path. The optical amplifier can be composed of a laser amplifier, but may also be an erbium-doped waveguide amplifier. Of course, in that case, a separate semiconductor laser for excitation is required. The optical amplifier may be placed anywhere in the optical path, but the noise characteristics will be better if it is placed as far back as possible in consideration of the saturation characteristics of the laser amplifier.

先に光路長を均一化する手段、効果について述べた。物
理長を均一化することはメリットは太きいが、逆に電子
回路からの要請で伝搬遅延時間の微調を必要とすること
41ある。その場合には半導体レーザのバイアス電流値
を調整し対処することができる。第10図はしきい値が
4mAの半導体レーザについてパルスピーク電流値をI
2mAとしたときのバイアス電流を変数としたパルス応
答遅延時間の測定結果を示す。バイアスの調整により5
00ps程度は調整できることになる。これは屈折率&
5のInP系化合物半導体中での光速を考慮して約4e
x*の物理長に相当することKなる。
The means and effects of making the optical path length uniform were described above. Making the physical length uniform has great merits, but conversely it requires fine adjustment of the propagation delay time due to demands from electronic circuits41. In that case, it is possible to deal with this by adjusting the bias current value of the semiconductor laser. Figure 10 shows the pulse peak current value I for a semiconductor laser with a threshold of 4 mA.
The measurement results of the pulse response delay time with the bias current as a variable when the bias current is set to 2 mA are shown. 5 by adjusting the bias
This means that about 00 ps can be adjusted. This is the refractive index &
Considering the speed of light in the InP-based compound semiconductor of 5, it is approximately 4e.
K corresponds to the physical length of x*.

〔発明の効果〕 本発明によるスラブ導波路を用いた光配線では光信号の
交差を相互干渉なしに行うことができるため通話路信号
として毎秒155Mビット以上の高速信号を扱い、かつ
64X64程度の大規模集積電子交換スイッチ回路をも
形成することができる。その構成は半導体レーザと受光
素子、そしてスラブ導波路と導波路に形成された凹面鏡
とでなりシンプルである。半導体レーザなどの特性から
して本発明は毎秒Gビットをこえる速度にも十分動作し
、その構成素子や配置などを速度にあわせとくに変更す
る必要はない。消費電力もしきい値が数mAの半導体レ
ーザなどを使えば電気的配線に比べ十分低消費電力特性
となる。また光路や凹面鏡の製作はドライエツチングで
同時に行え量産向きといえる。以上のことを考慮すると
本発明は今後の高速大規模電子交換器の基本素子となシ
得る。
[Effects of the Invention] In the optical wiring using the slab waveguide according to the present invention, it is possible to cross optical signals without mutual interference, so it is possible to handle high-speed signals of 155 Mbits per second or more as communication channel signals, and to handle large signals of about 64 x 64. Scale integrated electronic switching switch circuits can also be formed. Its structure is simple, consisting of a semiconductor laser, a light receiving element, a slab waveguide, and a concave mirror formed in the waveguide. Due to the characteristics of semiconductor lasers, the present invention can operate satisfactorily even at speeds exceeding G bits per second, and there is no need to particularly change its constituent elements or arrangement to suit the speed. If a semiconductor laser or the like with a threshold value of several mA is used, the power consumption will be sufficiently lower than that of electrical wiring. Additionally, the optical path and concave mirror can be fabricated simultaneously using dry etching, making it suitable for mass production. Considering the above, the present invention can serve as a basic element for future high-speed large-scale electronic exchanges.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は基本概念図、第2図は構成要素である半導体レ
ーザとフォトダイオードそしてスラブ導波路の層構造、
第3図はスラブ導波路にドライエツチングで形成した凹
面鏡を示す図、第4図は光路を均一とした概念図、第5
図は本発明の主要部を示す見取シ図、第6図は導波路に
レンズ加工を施こした図、第7図及び第8図は基板を分
割したときの概念図、第9図は光路での光損失を補うた
めの光増幅器を入れた図、第10図は半導体レーザのパ
ルス応答での遅延時間のバイアス依存性を示す図、第1
1図、第12図及び第13図は従来例とその問題点を示
す図である。 11・−発光素子アレイ、12・・・受光素子アレイ、
13・・・スラブ導波路、14・・・凹面鏡、15・・
・直線導波路、16・・・直角導波路、61・・・導波
路に加工されたレンズ、71・・・光から電気への変換
素子、72・・・電気から光への変換素子、81・・・
電気増幅器、91・・・光増幅器。 代理人 弁理士  則 近 憲 佑 /4 第1図 第4図 2−ユ         2−b         2
−C第2図 第3図 第5図 第6図 第7図 第8図 第9図 f23  4  s /Vイーrz/Tl1n<mA> 第10図 第11図 第12図
Figure 1 is a basic conceptual diagram, Figure 2 is the layered structure of the component semiconductor laser, photodiode, and slab waveguide.
Figure 3 is a diagram showing a concave mirror formed in a slab waveguide by dry etching, Figure 4 is a conceptual diagram with a uniform optical path, and Figure 5 is a diagram showing a concave mirror formed by dry etching in a slab waveguide.
The figure is a sketch showing the main parts of the present invention, Figure 6 is a diagram of the waveguide with lens processing, Figures 7 and 8 are conceptual diagrams of the substrate divided into parts, and Figure 9 is Figure 10 shows the bias dependence of the delay time in the pulse response of a semiconductor laser.
1, 12, and 13 are diagrams showing conventional examples and their problems. 11.--light emitting element array, 12... light receiving element array,
13... Slab waveguide, 14... Concave mirror, 15...
- Straight waveguide, 16... Right angle waveguide, 61... Lens processed into a waveguide, 71... Light to electricity conversion element, 72... Electricity to light conversion element, 81 ...
Electrical amplifier, 91... Optical amplifier. Agent Patent Attorney Noriyuki Chika / 4 Figure 1 Figure 4 2-Yu 2-b 2
-CFigure 2Figure 3Figure 5Figure 6Figure 7Figure 8Figure 9Figure f23 4 s /Verz/Tl1n<mA>Figure 10Figure 11Figure 12

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)発光素子と受光素子との間の光路を、凹面鏡を設
けた光導波路で形成したことを特徴とする光配線集積化
素子。 (2)前記光路は前記発光素子からの光出射方向若しく
は前記発光素子としての半導体レーザのストライプ方向
に対して平行若しくは垂直であることを特徴とする請求
項1記載の光配線集積化素子。(3)対応する前記発光
素子と前記受光素子の間を各結合する複数の光路長は同
一であることを特徴とする請求項1記載の光配線集積化
素子。 (4)前記凹面鏡はその焦点距離が前記発光素子と受光
素子の間での最大光路長よりも短いことを特徴とする請
求項1記載の光配線集積化素子。(5)前記凹面鏡の曲
率半径は、前記発光素子からの出射光が前記受光素子の
受光領域に焦点を結ぶように設計されていることを特徴
とする請求項1記載の光配線集積化素子。 (6)前記凹面鏡は前記光導波路に掘り込み形成され、
光導波路部と掘り込んだ部分との屈折率の違いにより光
を反射させることを特徴とする請求項1記載の光配線集
化素子。 (7)前記光導波路に掘り込んだ部分に金属膜や誘電体
層を付着させ凹面鏡の反射率を高めることを特徴とする
請求項6記載の光配線集積化素子。(8)前記光導波路
はスラブ導波路であることを特徴とする請求項1記載の
光配線集積化素子。(9)前記スラブ導波路の層構造は
前記発光素子の基本層構造と同一であることを特徴とす
る請求項8記載の光配線集積化素子。 (10)前記発光素子、前記受光素子及び前記導波路は
集積されていることを特徴とする請求1記載の光配線集
積化素子。 (11)前記発光素子、前記受光素子及び前記光導波路
はモノリシックに集積されていることを特徴とする請求
項10記載の光配線集積化素子。 (12)前記発光素子、前記受光素子のみが化合物半導
体からなる特徴とする請求項10記載の光配線集積化素
子。 (13)別々の基板上に形成された前記発光素子、前記
受光素子及び前記導波路が同一基板上にハイブリット的
に集積されたことを特徴とする請求項10記載の光配線
集積化素子。 (14)前記発光素子の光出射部若しくは光導波路の光
入射部には光を集束させるレンズ加工が施されているこ
とを特徴とする請求項1記載の光配線集積化素子。 (15)前記発光素子、前記受光素子及び前記光導波路
を集積した基板が複数個に分割されていることを特徴と
する請求項1記載の光配線集積化素子。(16)分割し
た基板間で前記光路が結合するときそのつなぎ目におい
て光から電気への変換素子と電気から光への変換素子と
を配して電気的に接続することを特徴とする請求項15
記載の光配線集積化素子。 (17)前記発光素子としての半導体レーザのバイアス
電流値を調整し前記半導体レーザから前記光導波路、及
び前記受光素子までの光路での信号の伝搬遅延時間を調
整することを特徴とする請求項1記載の光配線集積化素
子。 (18)前記光路上には光増幅素子が形成されているこ
とを特徴とする請求項1記載の光配線集積化素子。
[Scope of Claims] (1) An optical wiring integrated device characterized in that an optical path between a light emitting element and a light receiving element is formed by an optical waveguide provided with a concave mirror. (2) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein the optical path is parallel or perpendicular to the direction of light emission from the light emitting element or the stripe direction of the semiconductor laser as the light emitting element. (3) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein the lengths of the plurality of optical paths coupling between the corresponding light emitting element and the light receiving element are the same. (4) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein the concave mirror has a focal length shorter than a maximum optical path length between the light emitting element and the light receiving element. (5) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein the radius of curvature of the concave mirror is designed so that the light emitted from the light emitting element is focused on a light receiving area of the light receiving element. (6) the concave mirror is formed by digging into the optical waveguide;
2. The optical wiring concentrating device according to claim 1, wherein light is reflected due to a difference in refractive index between the optical waveguide portion and the dug portion. (7) The optical wiring integrated device according to claim 6, characterized in that a metal film or a dielectric layer is attached to the portion dug into the optical waveguide to increase the reflectance of the concave mirror. (8) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein the optical waveguide is a slab waveguide. (9) The optical wiring integrated device according to claim 8, wherein the layer structure of the slab waveguide is the same as the basic layer structure of the light emitting device. (10) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein the light emitting device, the light receiving device, and the waveguide are integrated. (11) The optical wiring integrated device according to claim 10, wherein the light emitting device, the light receiving device, and the optical waveguide are monolithically integrated. (12) The optical wiring integrated device according to claim 10, wherein only the light emitting element and the light receiving element are made of a compound semiconductor. (13) The optical wiring integrated device according to claim 10, wherein the light emitting element, the light receiving element, and the waveguide, which are formed on separate substrates, are hybridly integrated on the same substrate. (14) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein the light emitting part of the light emitting element or the light entering part of the optical waveguide is processed with a lens for converging light. (15) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein the substrate on which the light emitting device, the light receiving device, and the optical waveguide are integrated is divided into a plurality of pieces. (16) When the optical path is coupled between the divided substrates, a light-to-electricity conversion element and an electricity-to-light conversion element are arranged and electrically connected at the joint.
The optical wiring integrated device described above. (17) Claim 1 characterized in that the bias current value of the semiconductor laser as the light emitting element is adjusted to adjust the propagation delay time of a signal on the optical path from the semiconductor laser to the optical waveguide and the light receiving element. The optical wiring integrated device described above. (18) The optical wiring integrated device according to claim 1, wherein an optical amplification element is formed on the optical path.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016162798A (en) * 2015-02-27 2016-09-05 三菱電機株式会社 Semiconductor laser

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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