JPH08320506A - 空間型光偏向素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 出射する光のビームを細く絞ることのできる
空間型光偏向素子を提供する。 【構成】 半導体基板１５、バッファ層１６、光閉込補
償層１７、ＭＱＷ層１８、導波路層１９、クラッド層２
０、回折格子２５、導電層２１、上部、下部電極層２
２、２３を有してなり、外部に出射する光を偏向する空
間型光偏向素子１４において、棒状レンズ２６が導電層
間のＶ溝２７内に配置され、棒状レンズ２６とＶ溝２７
の隙間に樹脂または誘電体からなるクラッド層２０が充
填されることにより棒状レンズ２６が固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【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５に示すような
空間型光偏向素子を提案した（図５（ａ）は素子の縦方
向断面図、図５（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５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 We
ll 、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１２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間に例えば電圧印加を行なう
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、上記構成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。とこ
ろが、回折格子上に位置するクラッド層の上面が平坦で
あるため、回折光が素子の外部空間に出射された場合に
光は素子の横方向に次第に拡散されることになる。そし
て、図７に示すように、例えば光インターコネクション
として空間型光偏向素子１の上方に配置された受光素子
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの設置位置に回折光が到達したときには
細長く広がったビームとなる。したがって、各受光素子
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが受ける光はビームの中の一部に過ぎな
くなるため、受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが受ける光の強度
が空間型光偏向素子１の出射直後の強度に比べて相対的
に弱くなってしまうという問題があった。

【０００７】本発明は、前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された際に受光
素子が受ける光の強度を高く保つ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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前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、前記導波路層に入射
された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前記光を出射する窓部
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る空間型光偏向素子にお
いて、出射光を集束するための棒状レンズが、自身の軸
線が素子の光軸方向を向くように前記クラッド層上部に
あたる出射光の光路上に設置されたことを特徴とするも
のである。また、前記導波路層をストライプ状に形成す
るとともに、該導波路層の両側方から上方に成長する導
電層により溝を形成し、その溝の内部に前記棒状レンズ
を装入、固定する構成としてもよい。

【０００９】

【作用】本発明の空間型光偏向素子において、上部、下
部電極層間に電圧印加、または電流注入を行なった場
合、印加電圧による電気光学効果または注入キャリアに
よるプラズマ効果またはバンドフィリング効果によって
電圧または電流の大きさに依存して導波路層の屈折率が
変化し、それに伴って回折格子上方への回折角が一定量
変化する。この際に、クラッド層上部にあたる出射光の
光路上に出射光を集束するための棒状レンズが固着され
たことによって、回折格子により回折された光がクラッ
ド層上部の棒状レンズを通過する際に光が集束されて素
子の外部空間に出射される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図４、
図６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１４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１５は半導体基
板、１６はバッファ層、１７は光閉込補償層、１８はＭ
ＱＷ層、１９は導波路層、２０はクラッド層、２１は導
電層、２２は上部電極層、２３は下部電極層、２４は絶
縁層、２５は回折格子、２６は棒状レンズである。

【００１１】半導体基板１５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１５上にｐ−ＩｎＰからな
るバッファ層１６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１６上面の横方向中央
部には、縦方向に延びる光閉込補償層１７、ＭＱＷ層１
８および導波路層１９が形成され、この３層によりスト
ライプ３２が構成されている。

【００１２】光閉込補償層１７はｐ−ＩｎＧａＡｓＰに
より形成されている。また、ＭＱＷ層１８はＩｎＧａＡ
ｓＰ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ＭＱ
Ｗ構造をなしている。また、導波路層１９はバルクのＩ
ｎＧａＡｓＰにより形成されている。そして、これら３
層からなるストライプ３２の延びる方向が入射光Ｓ₀ の
導波方向となっている。一方、ストライプ３２の側方下
部に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が形成
されている。

【００１３】そして、図１（ａ）に示すように、導波路
層１９の上面には、入射光Ｓ₀ の導波方向と直交する方
向に一定のピッチの溝を持つ三角波形の回折格子２５が
形成されている。この回折格子２５は導波路層１９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、図１（ｂ）に示すように、絶縁層２４の
上面にはＶ字状の溝２７を有するｎ−ＩｎＰからなる導
電層２１が積層されている。また、導電層２１の下部は
前記導波路層１９の側面と接触するようになっている。

【００１４】また、円柱状の形状をした棒状レンズ２６
が、レンズ２６の下側半分程度が導電層２１のＶ溝２７
内に位置し、上側半分程度が導電層２１の上面から上方
に突出するようにＶ溝２７の内部に配置され、棒状レン
ズ２６とＶ溝２７の隙間にポリイミド、エポキシ等の樹
脂、またはＳｉＯ₂ 等の誘電体が充填されることにより
棒状レンズ２６が素子１４に対して固定されている。こ
の棒状レンズ２６自体は、例えば石英、ＢＫ７、ＳＦ１
１、ＰＭＭＡ等の材料で形成されたものであって、素子
１４外部に出射する光を素子１４の横方向に集束するた
めのものである。そして、棒状レンズ２６とＶ溝２７の
隙間に存在する樹脂またはＳｉＯ₂ 等の誘電体の層がク
ラッド層２０を構成する。

【００１５】また、導電層２１の上面には上部電極層２
２、２２が形成され、半導体基板１５の下面には下部電
極層２３が形成されている。したがって、素子１４の縦
方向に延びる上部電極層２２、２２の間の棒状レンズ２
６が外部に露出する領域は、上方に回折した光Ｓ₁ を素
子１４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２２、２３は、ともにＣ
ｒ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。

【００１６】次に、上記構成の空間型光偏向素子１４の
製造方法について図２および図３を参照して説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１５上に有
機金属気相エピタキシャル装置によりバッファ層１６、
光閉込補償層１７、ＭＱＷ層１８、導波路層１９、およ
び導波路層１９を保護するためのプロテクト層２９を順
次成長させて元ウェハ３０を作製する。そして、図２
（ｂ）に示すように、元ウェハ３０に対してフォトリソ
グラフィ（干渉露光法）・エッチング技術により導波路
層１９の上面に回折格子２５を形成する。その後、図２
（ｃ）に示すように、導波路層１９（回折格子２５）上
にストライプ状にパターニングしたマスク層３１を用い
てエッチングを行ない、導波路層１９、ＭＱＷ層１８、
光閉込補償層１７の横方向中央部のみを残してストライ
プ３２を形成する。ここで、マスク層３１としてはＳｉ
Ｏ₂ またはクラッド層と同様の材料を用いる。なお、Ｉ
ｎＧａＡｓ（Ｐ）等のエッチング選択性がある材料を用
いてもよい。

【００１７】ついで、図３（ａ）に示すように、ストラ
イプ３２上面のマスク層３１を残した状態でストライプ
３２下部に選択成長により所定の厚さの絶縁層２４を積
層し、ついで、導電層２１を積層した後にフォトリソグ
ラフィおよびエッチング技術によりＶ溝２７を形成す
る。そして、図３（ｂ）に示すように、別途作製してお
いた棒状レンズ２６をＶ溝２７内に配置した後、隙間に
樹脂を充填するか、またはゾル−ゲル法を用いて形成し
たＳｉＯ₂ 等の誘電体で埋め込むかによって、棒状レン
ズ２６を基板１５に対して固定すると同時にクラッド層
２０を形成する（なお、上記で埋め込まれた層と残存し
たマスク層３１が一体となってクラッド層２０を構成す
る）。ついで、図３（ｃ）に示すように、導電層２１の
上面に上部電極層２２を選択成長させ、半導体基板１５
の下面に下部電極層２３を成長させると、本実施例の空
間型光偏向素子１４が完成する。

【００１８】上記の手順を経て製造した空間型光偏向素
子１４を使用する際は、図４に示すように、上部電極層
２２、２２と下部電極層２３の間に電源３３を接続す
る。そして、導波路層１９に対して光Ｓ₀ を入射する
と、入射した光Ｓ₀ は回折格子２５の作用により上方に
向けて回折し、上部電極層２２の窓部２８を通して素子
１４の外部に出射される。そこで、上部、下部電極層２
２、２３間に電圧印加または電流注入を行なうと、印加
電圧または注入キャリアの作用により導波路層１９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、回折した光Ｓ₁が光の導波方向に沿う鉛直面内にお
いてその出射角度が変化し（Ｓ₂ 、Ｓ₃ ）、窓部２８か
ら素子１４の外部に出射される。なお、上部、下部電極
層２２、２３間に印加する電圧、電流の極性はいずれが
正または負であっても良い。

【００１９】本実施例の空間型光偏向素子１４において
は、上部、下部電極層２２、２３間に例えば電圧印加を
行なった場合の導波路層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
すると出射光Ｓ₁ を５°程度の範囲で偏向させることが
できる。そして、素子１４の上部に棒状レンズ２６が設
けられているので、回折光Ｓ₁ を出射する際にその回折
光Ｓ₁ が素子１４の横方向において細く集束される。し
たがって、図６に示すように、例えば光インターコネク
ションとして空間型光偏向素子１４の上方に配置された
受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの位置に光が到達したときにこ
の光は細く絞られた状態となっているため、受光素子
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対して実質的に入射される出射光Ｓ₁
の割合が多くなり、図７に示す従来の空間型光偏向素子
を用いた場合のように受光素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける
光強度が相対的に低下するのを防止することができる。

【００２０】ここで、素子の上部に集光用レンズを設け
る手段として仮にＶ溝全体を埋めるクラッド層の上面を
レンズ状に成形する手段を採るとすると、例えば、導電
層上にレジストパターンを形成し、レジストの側面には
クラッド層が成長しないような表面処理を行なったうえ
でクラッド層を成長させることによって、中央部が盛り
上がったレンズ状のクラッド層を形成するという方法が
考えられる。ところが、この方法では、レンズの上面を
一定の曲率を持つ滑らかな曲面とするための形状の制御
が極めて困難でありかつ再現性も良くない、また、レン
ズ形成に係わる工程が複雑であるといった問題が生じて
しまう。

【００２１】これに対して、本実施例では、別途作製し
た棒状レンズ２６を素子に固着する方法を採っており、
棒状レンズ２６は例えば光ファイバと同様の製造技術を
用いて作製することができるので、棒状レンズ２６自体
を良好な形状とすることができ、また、そのような集光
性の高いレンズを有する空間型光偏向素子を再現性良く
製造することが可能となる。さらに、棒状レンズ２６の
製造に際して従来一般の光ファイバ製造技術を用いるこ
とができ、棒状レンズ２６自体を容易に製造することが
できるので、前述したクラッド層の上面をレンズ状に成
形する場合に比べて素子全体の製造工程を簡易化するこ
とができる。

【００２２】そして、この空間型光偏向素子１４をマザ
ーボードから子ボード上の複数の受光素子へ光信号を伝
送する光スイッチングシステムや、２枚のボード間の並
列光情報伝送システムに組み込むことにより、光インタ
ーコネクションを用いたコンパクトなシステム構成で高
速の光スイッチングや並列光情報伝送を行なうことが可
能となる。そして、このシステムの構築にあたり本実施
例の空間型光偏向素子１４を用いると、従来の空間型光
偏向素子を用いた場合に比べて受光素子における光の強
度が増大するのみならず、レンズ形状の再現性が良好な
ために集光された光の強度分布も再現性が良いものとな
る。したがって、Ｓ／Ｎ比が大きく、信頼性の高いシス
テムを構築することができる。

【００２３】また、本実施例の空間型光偏向素子１４に
おいては、半導体基板１５の材料としてｎ−ＩｎＰを、
クラッド層２０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１８の材料としても本実施
例のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰの他、ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓＰ等のＩｎＰ系材料、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ等のＧａＡｓ系材料を用いても良い。また、本実施例
では、導波路構造としてＭＱＷ層１８とバルクの導波路
層１９の積層構造からなる空間型光偏向素子に対して本
発明を適用した例を説明したが、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、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。

【００２４】

【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、棒状レンズがクラッド層
の上部に設置されたことにより出射光が集束されるた
め、平坦なクラッド層を有する従来の空間型光偏向素子
に比べて出射光のビームを細く集光することができる。
また、棒状レンズは従来一般の光ファイバ製造技術を用
いて別途作製することができるので、棒状レンズを良好
な形状とでき、そのような集光性の高いレンズを有する
素子を再現性良く製造することが可能となる。さらに、
棒状レンズ自体を容易に製造できることから素子全体の
製造工程を簡単化することもできる。そして、この空間
型光偏向素子を組み込んだ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いては、従来の空間型光偏向
素子を用いた場合に比べて受光素子における光の強度が
増大するのみならず、レンズ形状の再現性が良好なため
に集光された光の強度分布も再現性が良いものとなる。
よって、Ｓ／Ｎ比が大きく、信頼性の高いシステムを構
築することができる。

【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、空間型光偏向素子の製造工程を順を追っ
て示す図の前半部分である。

【図３】 同、後半部分である。

【図４】 同、空間型光偏向素子を使用する状態を示す
図である。

【図５】 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。

【図６】 本発明の空間型光偏向素子を光インターコネ
クションに適用したときの効果を示す図である。

【図７】 従来の空間型光偏向素子を光インターコネク
ションに適用したときの問題点を示す図である。

【符号の説明】

１４…空間型光偏向素子、１５…半導体基板、１８…Ｍ
ＱＷ層、１９…導波路層、２０…クラッド層、２２…上
部電極層、２３…下部電極層、２５…回折格子、２６…
棒状レンズ、２７…溝、２８…窓部、Ｓ₀ …入射光、Ｓ
₁ 、Ｓ₂ 、Ｓ₃…出射光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、前記導波路層に入射された光を上方に向け
   て回折させるための回折格子と、前記クラッド層の上方
   に形成され前記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
   有してなる空間型光偏向素子において、 出射光を集束するための棒状レンズが、自身の軸線が素
   子の光軸方向を向くように前記クラッド層上部にあたる
   出射光の光路上に設置されたことを特徴とする空間型光
   偏向素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の空間型光偏向素子にお
   いて、 前記導波路層がストライプ状に形成されるとともに、該
   導波路層の両側方から上方に成長する導電層により溝が
   形成され、 その溝の内部に前記棒状レンズが装入、固定されたこと
   を特徴とする空間型光偏向素子。