JPH1062825A - 電気光学的導波路デバイス - Google Patents
電気光学的導波路デバイスInfo
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- JPH1062825A JPH1062825A JP9177470A JP17747097A JPH1062825A JP H1062825 A JPH1062825 A JP H1062825A JP 9177470 A JP9177470 A JP 9177470A JP 17747097 A JP17747097 A JP 17747097A JP H1062825 A JPH1062825 A JP H1062825A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来技術に比較して極めて小型化され、また
性能が改良された電気光学的導波路デバイスを提供す
る。 【解決手段】 (a)デバイス(10)が多層構造であり、低
屈折率を有する２つの光閉じ込め層(16,32)の間にサン
ドイッチされた導波路コア層(18)を含み、(b)導波路コ
ア層(18)がダイオード構造(16,18,32)の一部であり、閉
じ込め層(16,32)を介して印加された逆バイアス下に荷
電キャリア空乏層になり、(c)アレイの個々の導波路(3
0)を形成する溝(20)が導波路コア層(18)の少なくとも一
部に延びており、該溝(20)が、隣合う導波路(30)の間の
光結合を阻止するために導波路コア層(18)の屈折率を少
なくとも1.5下回る屈折率を有する媒質を収容してお
り、(d)導波路(30)が不要な空間モードの出力を阻止す
るように設計されていることを特徴とする電気光学的材
料から成る電気的にバイアス可能な導波路(30)アレイを
含む種類の電気光学的導波路デバイス。
性能が改良された電気光学的導波路デバイスを提供す
る。 【解決手段】 (a)デバイス(10)が多層構造であり、低
屈折率を有する２つの光閉じ込め層(16,32)の間にサン
ドイッチされた導波路コア層(18)を含み、(b)導波路コ
ア層(18)がダイオード構造(16,18,32)の一部であり、閉
じ込め層(16,32)を介して印加された逆バイアス下に荷
電キャリア空乏層になり、(c)アレイの個々の導波路(3
0)を形成する溝(20)が導波路コア層(18)の少なくとも一
部に延びており、該溝(20)が、隣合う導波路(30)の間の
光結合を阻止するために導波路コア層(18)の屈折率を少
なくとも1.5下回る屈折率を有する媒質を収容してお
り、(d)導波路(30)が不要な空間モードの出力を阻止す
るように設計されていることを特徴とする電気光学的材
料から成る電気的にバイアス可能な導波路(30)アレイを
含む種類の電気光学的導波路デバイス。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ビームの案内(o
ptical beam steering)に特に適した種類の電気光学的
導波路デバイスに係る。
ptical beam steering)に特に適した種類の電気光学的
導波路デバイスに係る。
【０００２】
【従来の技術】電気機械的運動に基づく光ビームの案内
デバイスは当業界で公知である。代表的な装置は、電流
駆動される移動コイルに装着されたミラーを含む。電気
機械的システムは本来的に、約1kHzまでの低応答周波数
に限定されている。
デバイスは当業界で公知である。代表的な装置は、電流
駆動される移動コイルに装着されたミラーを含む。電気
機械的システムは本来的に、約1kHzまでの低応答周波数
に限定されている。
【０００３】音響光学的な光ビームの案内デバイスも公
知であり、例えば、Suhara、Nozaki及びNishiharaがPro
ceedings of the IV th European Conference on Integ
rated Opticsに発表したものがある。該デバイスは、櫛
形音響変換器と光集束性回折格子結合器とを上面に備え
たTiドープLiNbO3から成る光導波路を含む。格子結合器
は凹面状であり、光出力を集束せしめる変動性(chirpe
d)空間周波数を有する。無線周波(RF)信号が変換器に与
えられ、該変換器が導波路内で光の伝播方向に対して横
方向の表面超音波を発生させる。音波は導波路の屈折率
を変調し、光伝播と相互作用する。格子結合器の出力焦
点は、変換器に与えられたRF信号の周波数掃引によって
ラスタスキャンされるかまたはビーム案内される。偏向
角は周波数にほぼ比例する。変換器は中心周波数約500M
Hz及びバンド幅330MHzを有する。このビーム案内デバイ
スは光分解能が極めて高い。しかしながら、出力ビーム
の最大案内速度は、変換器からでた音波の導波路内での
伝播速度に依存し、約1MHzである。更に、周波数掃引さ
れるRF信号源はコスト高であり、またディジタル電子回
路部品とのインタフェースをとるのが難しい。ディジタ
ル信号に応じたビームの位置決めを達成するためには、
信号を音響変換器のバンド幅内部のRF周波数に変換する
回路部品を配備することが必要であろう。
知であり、例えば、Suhara、Nozaki及びNishiharaがPro
ceedings of the IV th European Conference on Integ
rated Opticsに発表したものがある。該デバイスは、櫛
形音響変換器と光集束性回折格子結合器とを上面に備え
たTiドープLiNbO3から成る光導波路を含む。格子結合器
は凹面状であり、光出力を集束せしめる変動性(chirpe
d)空間周波数を有する。無線周波(RF)信号が変換器に与
えられ、該変換器が導波路内で光の伝播方向に対して横
方向の表面超音波を発生させる。音波は導波路の屈折率
を変調し、光伝播と相互作用する。格子結合器の出力焦
点は、変換器に与えられたRF信号の周波数掃引によって
ラスタスキャンされるかまたはビーム案内される。偏向
角は周波数にほぼ比例する。変換器は中心周波数約500M
Hz及びバンド幅330MHzを有する。このビーム案内デバイ
スは光分解能が極めて高い。しかしながら、出力ビーム
の最大案内速度は、変換器からでた音波の導波路内での
伝播速度に依存し、約1MHzである。更に、周波数掃引さ
れるRF信号源はコスト高であり、またディジタル電子回
路部品とのインタフェースをとるのが難しい。ディジタ
ル信号に応じたビームの位置決めを達成するためには、
信号を音響変換器のバンド幅内部のRF周波数に変換する
回路部品を配備することが必要であろう。
【０００４】電気光学的ビーム案内デバイスは、R. A.
MeyerによってApplied Optics, Vol. 11, pp613〜616,
March 1972に記載されている。該デバイスは、厚さ0.1m
m、幅23mm及び長さ15mmの矩形ブロックの形状のLiTaO3
結晶から成る。結晶の23mm×15mmの面は、各々が幅0.2m
mを有し中心間距離0.5mmの平行な46個の電極を担持して
いる。電極の長手方向は結晶の長手方向に平行である。
平行光が23mm×0.1mmの結晶面に入力され電極の長手方
向に平行に伝播する。結晶は電気光学的特性を有し、従
ってその屈折率は電極電圧の関数である。結晶からの光
出力の光学相も電極電圧に従って可変である。電極の中
心直下の結晶領域からの光出力は、電極電圧に依存す
る。電極の縁端及び電極間領域で電界が不均一なので、
結晶の対応する部分で伝播する光は不均一に位相変調さ
れその偏光状態が変化する。電極下方の中央領域に光出
力を限定するために結晶がマスクで遮蔽されている。マ
スクは、100μm平方の開孔群の直線状アレイを有する。
MeyerによってApplied Optics, Vol. 11, pp613〜616,
March 1972に記載されている。該デバイスは、厚さ0.1m
m、幅23mm及び長さ15mmの矩形ブロックの形状のLiTaO3
結晶から成る。結晶の23mm×15mmの面は、各々が幅0.2m
mを有し中心間距離0.5mmの平行な46個の電極を担持して
いる。電極の長手方向は結晶の長手方向に平行である。
平行光が23mm×0.1mmの結晶面に入力され電極の長手方
向に平行に伝播する。結晶は電気光学的特性を有し、従
ってその屈折率は電極電圧の関数である。結晶からの光
出力の光学相も電極電圧に従って可変である。電極の中
心直下の結晶領域からの光出力は、電極電圧に依存す
る。電極の縁端及び電極間領域で電界が不均一なので、
結晶の対応する部分で伝播する光は不均一に位相変調さ
れその偏光状態が変化する。電極下方の中央領域に光出
力を限定するために結晶がマスクで遮蔽されている。マ
スクは、100μm平方の開孔群の直線状アレイを有する。
【０００５】Meyerは、彼の装置のビーム案内性能につ
いて入手し易い情報を提供していないが、該装置は約0.
2゜にわたってビームを案内し得ると考えられる。ビーム
案内の範囲は、格子ローブ間の間隔によって設定され
る。これらの格子ローブは、１つのエレメントまたはマ
スクの開孔だけから生じた回折像の主要ローブ内部の個
々の回折極大である。角度的なビーム案内範囲が小さい
ことが欠点である。有効な程度のビーム位置の線形シフ
トを得るためには、受光面がデバイスからかなりの距離
に配置される必要がある。更に、デバイスの寸法が長さ
数cmに及ぶという欠点がある。即ち、デバイスが嵩張っ
た光学素子を構成する。これは、集積技術による製造、
または別の電気光学的デバイス及び集積回路を備えた単
一半導体ウェーハに組み込むために適当でない。
いて入手し易い情報を提供していないが、該装置は約0.
2゜にわたってビームを案内し得ると考えられる。ビーム
案内の範囲は、格子ローブ間の間隔によって設定され
る。これらの格子ローブは、１つのエレメントまたはマ
スクの開孔だけから生じた回折像の主要ローブ内部の個
々の回折極大である。角度的なビーム案内範囲が小さい
ことが欠点である。有効な程度のビーム位置の線形シフ
トを得るためには、受光面がデバイスからかなりの距離
に配置される必要がある。更に、デバイスの寸法が長さ
数cmに及ぶという欠点がある。即ち、デバイスが嵩張っ
た光学素子を構成する。これは、集積技術による製造、
または別の電気光学的デバイス及び集積回路を備えた単
一半導体ウェーハに組み込むために適当でない。
【０００６】ビームの案内用の電気光学的導波路デバイ
スは欧州特許出願第0,130,859号(EPA 0130859)及び英国
特許第1,592,050号(GB 1592050)に記載されている。こ
れらの特許の各々は、電気光学的材料ブロック中での個
別光導波路のアレイの形成を記載している。導波路は夫
々の電極を備える。ブロックの電気光学的特性によっ
て、電圧変化が導波路の屈折率の変化及び光路長の変化
を生じさせるので、各導波路から放出される光の光学的
位相は電極電圧によって制御される。導波路の出力は、
互いに調整自在な相対位相を有するコヒーレント光の光
源アレイを構成し、一連の回折開口群として作用する。
従ってこれらの出力は回折格子と同様の遠視野回折像を
与える。像は、個々のビームをオーバーラップさせる十
分に大きい導波路出力から十分に離間した領域に形成さ
れる。
スは欧州特許出願第0,130,859号(EPA 0130859)及び英国
特許第1,592,050号(GB 1592050)に記載されている。こ
れらの特許の各々は、電気光学的材料ブロック中での個
別光導波路のアレイの形成を記載している。導波路は夫
々の電極を備える。ブロックの電気光学的特性によっ
て、電圧変化が導波路の屈折率の変化及び光路長の変化
を生じさせるので、各導波路から放出される光の光学的
位相は電極電圧によって制御される。導波路の出力は、
互いに調整自在な相対位相を有するコヒーレント光の光
源アレイを構成し、一連の回折開口群として作用する。
従ってこれらの出力は回折格子と同様の遠視野回折像を
与える。像は、個々のビームをオーバーラップさせる十
分に大きい導波路出力から十分に離間した領域に形成さ
れる。
【０００７】EPA 0130859は可視領域及び近赤外領域で
動作するようにニオブ酸リチウムにチタンを拡散させた
導波路アレイの形成を提案している。GaxAl1-xAsの使用
にも言及している。１つの共通電極を形成するブロック
内に導波路を拡散させる。各導波路は夫々に重合する夫
々の第２電極を有する。約100個(91〜101)の導波路を設
け、各導波路を対応する第２電極より長くすることが提
案されている。(導波路/電極)相互作用長さは40mmであ
り、電極制御電圧は±50Ｖであろう。この文献の図１が
ほぼ案分比例で作成されていると仮定すると、長さ90mm
以上の導波路が17mm以上ずつ離間している。従って、10
0個の導波路のアレイは幅1700mm以上になり、これは1m
をはるかに上回る。これらのパラメータは、引用されて
いるただ１つの寸法要因である電極長さに比例する割合
にに計算されている。遠視野回折像はこの種の導波路ア
レイの幅の10倍〜100倍の範囲の最小距離に形成される
と考えてよい。この距離は個々の導波路の寸法に応じて
異なる。従って、確認できる限りでは、EPA 0130859はメ
ートルのオーダの長さをもち数十メートルの遠方に遠視
野回折像を形成するGaAlAsデバイスを開示していると考
えられる。これは電気光学的集積回路の製造に使用する
ためにはあまりにも大きい。従来の半導体のリソグラフ
ィー加工と適合できるように、電気光学的半導体デバイ
スは典型的半導体ウェーハの直径である10cm以下の長さ
を有していなければならない。更に、光源及びアレイ出
力デテクタのごときその他の構成素子と共に導波路がウ
ェーハに集積される必要があるときは、アレイとその遠
視野回折像との双方がウェーハの寸法以内に維持されな
ければならない。EPA 0130859のデバイスは寸法があま
りにも大きいので、実用化が全く不可能であることは明
らかであろう。
動作するようにニオブ酸リチウムにチタンを拡散させた
導波路アレイの形成を提案している。GaxAl1-xAsの使用
にも言及している。１つの共通電極を形成するブロック
内に導波路を拡散させる。各導波路は夫々に重合する夫
々の第２電極を有する。約100個(91〜101)の導波路を設
け、各導波路を対応する第２電極より長くすることが提
案されている。(導波路/電極)相互作用長さは40mmであ
り、電極制御電圧は±50Ｖであろう。この文献の図１が
ほぼ案分比例で作成されていると仮定すると、長さ90mm
以上の導波路が17mm以上ずつ離間している。従って、10
0個の導波路のアレイは幅1700mm以上になり、これは1m
をはるかに上回る。これらのパラメータは、引用されて
いるただ１つの寸法要因である電極長さに比例する割合
にに計算されている。遠視野回折像はこの種の導波路ア
レイの幅の10倍〜100倍の範囲の最小距離に形成される
と考えてよい。この距離は個々の導波路の寸法に応じて
異なる。従って、確認できる限りでは、EPA 0130859はメ
ートルのオーダの長さをもち数十メートルの遠方に遠視
野回折像を形成するGaAlAsデバイスを開示していると考
えられる。これは電気光学的集積回路の製造に使用する
ためにはあまりにも大きい。従来の半導体のリソグラフ
ィー加工と適合できるように、電気光学的半導体デバイ
スは典型的半導体ウェーハの直径である10cm以下の長さ
を有していなければならない。更に、光源及びアレイ出
力デテクタのごときその他の構成素子と共に導波路がウ
ェーハに集積される必要があるときは、アレイとその遠
視野回折像との双方がウェーハの寸法以内に維持されな
ければならない。EPA 0130859のデバイスは寸法があま
りにも大きいので、実用化が全く不可能であることは明
らかであろう。
【０００８】GB 1592050は、ニオブ酸リチウムにチタン
を拡散させることによって形成された電気光学的導波路
アレイを開示している。アレイは、各々が長さ18mmで幅
8μｍの光学的に不連続な１２個の導波路を有し、これ
らの導波路が中心間距離即ちピッチ40μmで配置された
ものである。隣合う導波路の間、即ちアレイの平面内に
バイアス電極が配置されている。動作特性値は示されて
いない。しかしながら、計算値によれば、空気中では波
長1.06μmの遠視野回折像はデバイスの端部から10cmの
距離に適切に形成されない。この距離は屈折率にほぼ比
例し、従って屈折率nの材料中ではn倍になる。デバイス
に対する光の入出力にはプリズムが使用される。従って
デバイスは、集積光学器械には適当でない嵩高い光学素
子を組み込んでいることになる。GB 1592050は、導波路
アレイの形成にGaAsを使用する可能性に言及している。
しかしながら、GaAsデバイスの物理的寸法の問題には言
及していない。公知のごとく、ニオブ酸リチウム中の単
位電界あたりの屈折率変化はGaAs中よりも10倍も大き
い。従って、同様のビーム案内特性を得るためには、GB
1592050に従って作製されたGaAsデバイスは長さ約20cm
の導波路、即ち、従来のGaAs半導体ウェーハの2倍の寸
法の導波路を必要とするであろう。GaAs媒質中の遠視野
回折像は導波路末端から30cm以上も離間しているであろ
う。デバイスを偏向ビームデテクタのごときその他の構
成素子と集積するには直径50cm以上の半導体ウェーハが
必要であろうが、これは従来のウェーハの5倍の直径及
び25倍の面積に対応する。
を拡散させることによって形成された電気光学的導波路
アレイを開示している。アレイは、各々が長さ18mmで幅
8μｍの光学的に不連続な１２個の導波路を有し、これ
らの導波路が中心間距離即ちピッチ40μmで配置された
ものである。隣合う導波路の間、即ちアレイの平面内に
バイアス電極が配置されている。動作特性値は示されて
いない。しかしながら、計算値によれば、空気中では波
長1.06μmの遠視野回折像はデバイスの端部から10cmの
距離に適切に形成されない。この距離は屈折率にほぼ比
例し、従って屈折率nの材料中ではn倍になる。デバイス
に対する光の入出力にはプリズムが使用される。従って
デバイスは、集積光学器械には適当でない嵩高い光学素
子を組み込んでいることになる。GB 1592050は、導波路
アレイの形成にGaAsを使用する可能性に言及している。
しかしながら、GaAsデバイスの物理的寸法の問題には言
及していない。公知のごとく、ニオブ酸リチウム中の単
位電界あたりの屈折率変化はGaAs中よりも10倍も大き
い。従って、同様のビーム案内特性を得るためには、GB
1592050に従って作製されたGaAsデバイスは長さ約20cm
の導波路、即ち、従来のGaAs半導体ウェーハの2倍の寸
法の導波路を必要とするであろう。GaAs媒質中の遠視野
回折像は導波路末端から30cm以上も離間しているであろ
う。デバイスを偏向ビームデテクタのごときその他の構
成素子と集積するには直径50cm以上の半導体ウェーハが
必要であろうが、これは従来のウェーハの5倍の直径及
び25倍の面積に対応する。
【０００９】GB 1592050は動作波長を引用していない
が、ニオブ酸リチウムは可視領域及び近赤外領域に適し
ていると考えられる(例えばEPA 0130859参照)。これは
自由空間の最大動作波長約1μmを意味する。従って、引
用されたデバイスの寸法は、幅少なくとも8λで中心間
距離少なくとも40λ[λは自由空間動作波長]の導波路に
対応する。可視域の中央で、これらのパラメータは夫々
16λ及び80λであろう。導波路の間隔は、隣合う導波路
の間に光の相互作用が存在しないように設計される必要
がいる。即ち導波路が光学的に不連続でなければならな
い。デバイスはナノ秒のオーダのスイッチング速度を有
し、これらは動作周波数が数100MHzのオーダであること
を意味する。動作波長1.06μmで計算するとデバイスは
隣合う回折極大間に約1゜の離間角を生じる。従って曖昧
性をなくす必要があるときはこのデバイスのビーム走査
能力は上記角度に限定される。
が、ニオブ酸リチウムは可視領域及び近赤外領域に適し
ていると考えられる(例えばEPA 0130859参照)。これは
自由空間の最大動作波長約1μmを意味する。従って、引
用されたデバイスの寸法は、幅少なくとも8λで中心間
距離少なくとも40λ[λは自由空間動作波長]の導波路に
対応する。可視域の中央で、これらのパラメータは夫々
16λ及び80λであろう。導波路の間隔は、隣合う導波路
の間に光の相互作用が存在しないように設計される必要
がいる。即ち導波路が光学的に不連続でなければならな
い。デバイスはナノ秒のオーダのスイッチング速度を有
し、これらは動作周波数が数100MHzのオーダであること
を意味する。動作波長1.06μmで計算するとデバイスは
隣合う回折極大間に約1゜の離間角を生じる。従って曖昧
性をなくす必要があるときはこのデバイスのビーム走査
能力は上記角度に限定される。
【００１０】EPA 0130859及びGB 1592050は光伝播方向
に垂直な電界の不均一の問題を抱える。双方ともブロッ
ク内に拡散によって形成された導波路を使用しており、
前者はブロックを１つの電極として使用し、重なり合う
平坦金属を他方の電極として使用している。後者は、電
界が出現するブロック表面で各導波路の両側に設けられ
た電極を開示している。従って、電界はブロック内の深
さに伴って減少する。これらの電極構造はいずれも、電
気光学的に誘導された位相変化を均一にするために必要
な均一電界を導波路内で生じさせることができないと考
えられる。
に垂直な電界の不均一の問題を抱える。双方ともブロッ
ク内に拡散によって形成された導波路を使用しており、
前者はブロックを１つの電極として使用し、重なり合う
平坦金属を他方の電極として使用している。後者は、電
界が出現するブロック表面で各導波路の両側に設けられ
た電極を開示している。従って、電界はブロック内の深
さに伴って減少する。これらの電極構造はいずれも、電
気光学的に誘導された位相変化を均一にするために必要
な均一電界を導波路内で生じさせることができないと考
えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は上記に
代替できる形態の電気光学的導波路デバイスを提供する
ことである。
代替できる形態の電気光学的導波路デバイスを提供する
ことである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学的材
料から成る電気的にバイアス可能な導波路アレイを含む
種類の電気光学的導波路デバイスを提供する。本発明デ
バイスの特徴は、(a)デバイスが多層構造であり、低屈
折率を有する２つの光閉じ込め層の間にサンドイッチさ
れた導波路コア層を含み、(b)導波路コア層はダイオー
ド構造の一部であり、閉じ込め層を介して印加される逆
バイアス下に荷電キャリアの空乏層を形成し、(c)アレ
イの個々の導波路を形成するために導波路のコア層の少
なくとも一部に伸びる溝が設けられており、該溝は隣合
う導波路の間の光結合を阻止するために導波路コア層の
屈折率を少なくとも1.5下回る屈折率を有する媒質を収
容しており、(d)導波路は不要な空間モードの出力を阻
止するように配列されている、ことである。
料から成る電気的にバイアス可能な導波路アレイを含む
種類の電気光学的導波路デバイスを提供する。本発明デ
バイスの特徴は、(a)デバイスが多層構造であり、低屈
折率を有する２つの光閉じ込め層の間にサンドイッチさ
れた導波路コア層を含み、(b)導波路コア層はダイオー
ド構造の一部であり、閉じ込め層を介して印加される逆
バイアス下に荷電キャリアの空乏層を形成し、(c)アレ
イの個々の導波路を形成するために導波路のコア層の少
なくとも一部に伸びる溝が設けられており、該溝は隣合
う導波路の間の光結合を阻止するために導波路コア層の
屈折率を少なくとも1.5下回る屈折率を有する媒質を収
容しており、(d)導波路は不要な空間モードの出力を阻
止するように配列されている、ことである。
【００１３】本発明の利点は、従来技術に比較して極め
て小型化されていること及び性能が改良されていること
である。層状ダイオード構造を有するので、電圧降下が
導波路のコア層に集中する。このため、所与のバイアス
電圧に対する各導波路内の電界効果が極度に増進され
る。その結果として、所与の電圧に対してはるかに短い
導波路で所与の光移相が得られる。更に、電界効果が極
めて均一であり導波路コア層の厚さ方向に案内される。
このため、導波路の断面における電気光学的位相変化の
偏差が生じない。溝に収容された媒質は、各導波路の近
傍でかなりの屈折率変化を与えるので、導波路の間に広
い間隙の維持を要せずに高度な光学的分離を与える。従
って、屈折率変化が0.1未満の従来技術よりも密集して
導波路を実装し得る。従ってデバイス全体が極めて小型
化される。本発明は、幅5λで中心間距離20λ未満[但
し、λは自由空間動作波長]の導波路を組み込むことが
可能である。後述する本発明の１つの実施の形態は、幅
1λで中心間距離3λで長さ1.8mmの電気屈折性導波路を
備えたGaAs導波路コア層を組み込んでおり、λ＝1.06μ
mで動作する。このデバイスは空気中で0.5mm未満または
GaAs媒質中で1.8mm未満の範囲に完全形の遠視野回折像
を形成する。この実施の形態及びその遠視野回折像は従
来技術と違って、従来の半導体ウェーハ上にその他の構
成素子と共に容易に集積され得る。更に、導波路電圧20
Ｖの範囲では20゜までにわたり曖昧性の無いビーム案内
を示す。これは従来技術に比較して１桁以上の改良に相
当する。計算によれば、このデバイスは1GHzを十分に上
回る速度のビーム案内が可能である。
て小型化されていること及び性能が改良されていること
である。層状ダイオード構造を有するので、電圧降下が
導波路のコア層に集中する。このため、所与のバイアス
電圧に対する各導波路内の電界効果が極度に増進され
る。その結果として、所与の電圧に対してはるかに短い
導波路で所与の光移相が得られる。更に、電界効果が極
めて均一であり導波路コア層の厚さ方向に案内される。
このため、導波路の断面における電気光学的位相変化の
偏差が生じない。溝に収容された媒質は、各導波路の近
傍でかなりの屈折率変化を与えるので、導波路の間に広
い間隙の維持を要せずに高度な光学的分離を与える。従
って、屈折率変化が0.1未満の従来技術よりも密集して
導波路を実装し得る。従ってデバイス全体が極めて小型
化される。本発明は、幅5λで中心間距離20λ未満[但
し、λは自由空間動作波長]の導波路を組み込むことが
可能である。後述する本発明の１つの実施の形態は、幅
1λで中心間距離3λで長さ1.8mmの電気屈折性導波路を
備えたGaAs導波路コア層を組み込んでおり、λ＝1.06μ
mで動作する。このデバイスは空気中で0.5mm未満または
GaAs媒質中で1.8mm未満の範囲に完全形の遠視野回折像
を形成する。この実施の形態及びその遠視野回折像は従
来技術と違って、従来の半導体ウェーハ上にその他の構
成素子と共に容易に集積され得る。更に、導波路電圧20
Ｖの範囲では20゜までにわたり曖昧性の無いビーム案内
を示す。これは従来技術に比較して１桁以上の改良に相
当する。計算によれば、このデバイスは1GHzを十分に上
回る速度のビーム案内が可能である。
【００１４】好ましい実施の形態では、溝の媒質が空気
(n＝1)であり、本発明は少なくとも部分的に、各々がGa
xAl1-xAs系(n＞3)から成り順次に堆積された半導体材料
層から構成されている。この実施の形態で、導波路/溝
界面の屈折率変化は2以上であり、隣合う導波路の間に
許容できない程度の光結合を生じることなく導波路の間
隔をより接近させることが可能である。
(n＝1)であり、本発明は少なくとも部分的に、各々がGa
xAl1-xAs系(n＞3)から成り順次に堆積された半導体材料
層から構成されている。この実施の形態で、導波路/溝
界面の屈折率変化は2以上であり、隣合う導波路の間に
許容できない程度の光結合を生じることなく導波路の間
隔をより接近させることが可能である。
【００１５】ダイオード構造は種々の形態のショットキ
ーバリアーダイオード構造でもよい。この場合、１つの
光閉じ込め層が、導波路コア層との間にショットキー接
触を形成する金属から成ってもよい。導波路コア層はGa
Asでよく、第２の光閉じ込め層はGaxAl1-xAsでよい。個
々の導波路ショットキー接触を隔離するために溝が設け
られ、各ショットキー接触は夫々のバイアス手段に接続
されている。
ーバリアーダイオード構造でもよい。この場合、１つの
光閉じ込め層が、導波路コア層との間にショットキー接
触を形成する金属から成ってもよい。導波路コア層はGa
Asでよく、第２の光閉じ込め層はGaxAl1-xAsでよい。個
々の導波路ショットキー接触を隔離するために溝が設け
られ、各ショットキー接触は夫々のバイアス手段に接続
されている。
【００１６】またはダイオード構造がPIN構造でもよ
い。この場合、導波路コア層は互いに反対の導電形を有
し低屈折率を有する２つの半導体光閉じ込め層の間のI
領域である。光閉じ込め層の１つは、各導波路に共通で
もよい。この構造はGaxAl1-xAsから成る光閉じ込め層ま
たは導波路クラッディング層の間に実質的に非ドープの
GaAs導波路コア層を含む。
い。この場合、導波路コア層は互いに反対の導電形を有
し低屈折率を有する２つの半導体光閉じ込め層の間のI
領域である。光閉じ込め層の１つは、各導波路に共通で
もよい。この構造はGaxAl1-xAsから成る光閉じ込め層ま
たは導波路クラッディング層の間に実質的に非ドープの
GaAs導波路コア層を含む。
【００１７】１つの実施の形態においては導波路コア層
が、使用光学波長で(電界吸収性の反対の)電界屈折性の
材料から成る。この実施の形態では、本発明デバイスが
電気的に制御されたフェーズドアレイ(phased array)と
して作用し、該アレイからの出力ビームの方向は導波路
アレイの電圧変化によって案内される。
が、使用光学波長で(電界吸収性の反対の)電界屈折性の
材料から成る。この実施の形態では、本発明デバイスが
電気的に制御されたフェーズドアレイ(phased array)と
して作用し、該アレイからの出力ビームの方向は導波路
アレイの電圧変化によって案内される。
【００１８】本発明は、導波路からの光を空気のごとき
異なる媒質に出力するように設計された不連続デバイス
である。この場合、導波路は好ましくは導波路コア層の
共通劈開面に光出力面を有する。ニオブ酸リチウムのご
とき材料はこの種の劈開面を有していないので、極めて
高い精度の研削及び研摩が必要であり、劈開面よりも不
完全な光学品質の出力面しか得られない。
異なる媒質に出力するように設計された不連続デバイス
である。この場合、導波路は好ましくは導波路コア層の
共通劈開面に光出力面を有する。ニオブ酸リチウムのご
とき材料はこの種の劈開面を有していないので、極めて
高い精度の研削及び研摩が必要であり、劈開面よりも不
完全な光学品質の出力面しか得られない。
【００１９】導波路アレイは、半導体材料ウェーハの第
１領域に形成され得る。該ウェーハはアレイの光出力が
出現する第２領域を有する。第２領域は、夫々のビーム
案内角で導波路アレイによって生成された主要回折極大
を受容するように配置され且つ寸法的に整合した夫々の
入力を各々が有する個々の受信導波路を組み込んでい
る。
１領域に形成され得る。該ウェーハはアレイの光出力が
出現する第２領域を有する。第２領域は、夫々のビーム
案内角で導波路アレイによって生成された主要回折極大
を受容するように配置され且つ寸法的に整合した夫々の
入力を各々が有する個々の受信導波路を組み込んでい
る。
【００２０】２次元の光ビーム案内を行なうために本発
明のデバイスを２つ以上組み合わせて装置を構成しても
よい。本発明の個々のデバイスは、アレイに沿って非線
形変化する導波路アレイの出力ビームに位相シフトを与
えるように配置された導波路の電圧源と結合され得る。
この結果、凹状の波面が得られる。この波面は必要に応
じて１つ以上の焦点に集束されてもよくまたは光学収差
の補償に使用されてもよい。
明のデバイスを２つ以上組み合わせて装置を構成しても
よい。本発明の個々のデバイスは、アレイに沿って非線
形変化する導波路アレイの出力ビームに位相シフトを与
えるように配置された導波路の電圧源と結合され得る。
この結果、凹状の波面が得られる。この波面は必要に応
じて１つ以上の焦点に集束されてもよくまたは光学収差
の補償に使用されてもよい。
【００２１】本発明は、電気光学的アナログ-ディジタ
ルコンバータ(ADC)を形成するように設計され得る。こ
の場合、本発明は、共通入力に接続され夫々の長さnL
[但し、Lは最も短い電極の長さであり、nは1からmであ
る]を有する夫々のバイアス電極を有するm個の導波路を
組み込んでいる。アレイの出力ビームはデテクタアレイ
のいずれか１つに形成され、アレイに沿ったその偏向は
共通入力のアナログ信号の振幅(magnitude)に従う。ピ
ークの受信デテクタの位置は所要のディジタル出力に対
応する。導波路は夫々の校正電極を有し、予め配列され
たアレイの１つのデテクタで入力アナログ電圧0の出力
ビームを形成するために、校正電極に電圧が印加され
る。デテクタアレイは２次元でもよく直接ディジタル出
力を与えるように符号化されてもよい。
ルコンバータ(ADC)を形成するように設計され得る。こ
の場合、本発明は、共通入力に接続され夫々の長さnL
[但し、Lは最も短い電極の長さであり、nは1からmであ
る]を有する夫々のバイアス電極を有するm個の導波路を
組み込んでいる。アレイの出力ビームはデテクタアレイ
のいずれか１つに形成され、アレイに沿ったその偏向は
共通入力のアナログ信号の振幅(magnitude)に従う。ピ
ークの受信デテクタの位置は所要のディジタル出力に対
応する。導波路は夫々の校正電極を有し、予め配列され
たアレイの１つのデテクタで入力アナログ電圧0の出力
ビームを形成するために、校正電極に電圧が印加され
る。デテクタアレイは２次元でもよく直接ディジタル出
力を与えるように符号化されてもよい。
【００２２】導波路コア層は、光源波長で電界吸収性の
材料から成ってもよい。この場合、本発明は、ディジタ
ル-アナログコンバータ、パルスアナライザまたは時間
集積相関器を形成し得る。ディジタル-アナログコンバ
ータは、個々の導波路がバイナリダブリングスキーム(b
inary doubling scheme)で変化する夫々の出力光強度を
与える導波路アレイを含み得る。導波路は夫々の電極及
び電極アドレシング電圧を有し、電極アドレシング電圧
は二進数に対応する２つの値のいずれかであり、導波路
を吸収性または透過性にするように編成されている。導
波路の出力信号は、検出手段によって検出及び加算さ
れ、導波路電極のディジタルアドレシング電圧に対応す
るアナログ出力を与える。パルスアナライザの実施の形
態は、導波路電極群に接続され無線周波(RF)遅延線を与
えるインダクタチェーンを含む。パルス化レーザからの
出力は導波路群の間で分割され、該導波路の出力が夫々
のデテクタによって検出される。RF信号は遅延線に与え
られ、その長さにわたって分配される。個々の導波路内
部のレーザパルス成分は、夫々のRF信号レベルに従って
減衰し、従って遅延線上のRF信号のプロフィルがデテク
タアレイでサンプリングされる。時間集積相関器は、レ
ーザが基準信号によって変調される実質的に連続的なデ
バイスを形成していることを除いては、パルスアナライ
ザと同様の構造である。基準信号と遅延線信号との間の
相関によって、電気信号と光信号との同期が得られた導
波路に結合したデテクタにピーク信号が生じる。
材料から成ってもよい。この場合、本発明は、ディジタ
ル-アナログコンバータ、パルスアナライザまたは時間
集積相関器を形成し得る。ディジタル-アナログコンバ
ータは、個々の導波路がバイナリダブリングスキーム(b
inary doubling scheme)で変化する夫々の出力光強度を
与える導波路アレイを含み得る。導波路は夫々の電極及
び電極アドレシング電圧を有し、電極アドレシング電圧
は二進数に対応する２つの値のいずれかであり、導波路
を吸収性または透過性にするように編成されている。導
波路の出力信号は、検出手段によって検出及び加算さ
れ、導波路電極のディジタルアドレシング電圧に対応す
るアナログ出力を与える。パルスアナライザの実施の形
態は、導波路電極群に接続され無線周波(RF)遅延線を与
えるインダクタチェーンを含む。パルス化レーザからの
出力は導波路群の間で分割され、該導波路の出力が夫々
のデテクタによって検出される。RF信号は遅延線に与え
られ、その長さにわたって分配される。個々の導波路内
部のレーザパルス成分は、夫々のRF信号レベルに従って
減衰し、従って遅延線上のRF信号のプロフィルがデテク
タアレイでサンプリングされる。時間集積相関器は、レ
ーザが基準信号によって変調される実質的に連続的なデ
バイスを形成していることを除いては、パルスアナライ
ザと同様の構造である。基準信号と遅延線信号との間の
相関によって、電気信号と光信号との同期が得られた導
波路に結合したデテクタにピーク信号が生じる。
【００２３】導波路アレイは、各導波路に接続された夫
々のボンドパッドと導線とを有するバイアス手段によっ
てバイアスされ得る。ボンドパッドは導波路を含むデバ
イスの領域の周囲に配置され、導線はデバイスの光入力
領域に配線され得る。
々のボンドパッドと導線とを有するバイアス手段によっ
てバイアスされ得る。ボンドパッドは導波路を含むデバ
イスの領域の周囲に配置され、導線はデバイスの光入力
領域に配線され得る。
【００２４】本発明をより十分に理解するために、本発
明のいくつかの実施の形態を添付図面に基づいて非限定
的に以下に説明する。
明のいくつかの実施の形態を添付図面に基づいて非限定
的に以下に説明する。
【００２５】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の電気光学的導波
路デバイス10の部分の(案分比例でない)概略斜視図であ
る。点線12はデバイス10の隣接領域を示す。デバイス10
はn+形(高度にドープされたn形)GaAs基板14を含み、こ
の基板のSiドーパント濃度は1×1018cm-3である。n+形G
a0.9Al0.1Asから成る厚さ1.2μmの導波路クラッディン
グ層16が基板14に重層して設けられている。クラッディ
ング層は同種及び同濃度のドーパントでドープされてい
る。
路デバイス10の部分の(案分比例でない)概略斜視図であ
る。点線12はデバイス10の隣接領域を示す。デバイス10
はn+形(高度にドープされたn形)GaAs基板14を含み、こ
の基板のSiドーパント濃度は1×1018cm-3である。n+形G
a0.9Al0.1Asから成る厚さ1.2μmの導波路クラッディン
グ層16が基板14に重層して設けられている。クラッディ
ング層は同種及び同濃度のドーパントでドープされてい
る。
【００２６】同じく厚さ1.2μmの導波路コア層18がクラ
ッディング層16に重層して設けられている。層18はn-形
(非ドープ残留n-形)GaAsから成り、Siドーパント濃度は
1×1015cm-3である。層14,16,18はすべて、GaxAl1-xAs
系であると考えてよく、層14及び18ではx＝1であり、層
16ではx＝0.9である。長さ1.8mm、深さ1μm及び幅2μm
の溝20が層18の上面22に設けられている。溝20は、デバ
イス10の前面24から出発し水平な縁端26及び垂直な縁端
28を有する(図示しない)平行な背面近くまで伸びている
が背面に到達はしていない。溝20の終点は背面の縁端26
から400μm離間している。幅1μm及び長さ1.8mmのリブ
状導波路30が溝20の間に形成されている。
ッディング層16に重層して設けられている。層18はn-形
(非ドープ残留n-形)GaAsから成り、Siドーパント濃度は
1×1015cm-3である。層14,16,18はすべて、GaxAl1-xAs
系であると考えてよく、層14及び18ではx＝1であり、層
16ではx＝0.9である。長さ1.8mm、深さ1μm及び幅2μm
の溝20が層18の上面22に設けられている。溝20は、デバ
イス10の前面24から出発し水平な縁端26及び垂直な縁端
28を有する(図示しない)平行な背面近くまで伸びている
が背面に到達はしていない。溝20の終点は背面の縁端26
から400μm離間している。幅1μm及び長さ1.8mmのリブ
状導波路30が溝20の間に形成されている。
【００２７】各導波路30の上面はアルミニウム層32で被
覆され、この層は部分33を介して電極ボンドパッド34ま
で延びている。層32及びパッド34を各1つずつ図示して
いる。デバイス10は11個の溝20によって形成された合計
10個の導波路を有しており、図１では２つの導波路と３
つの溝を図示している。各導波路30は夫々のアルミニウ
ム層32とボンドパッド34とを有し、各ボンドパッドは、
夫々のDCバイアス電圧源に接続されている。バイアス電
圧源を１つだけ符号36で示す。基板14はアース38に接続
されている。
覆され、この層は部分33を介して電極ボンドパッド34ま
で延びている。層32及びパッド34を各1つずつ図示して
いる。デバイス10は11個の溝20によって形成された合計
10個の導波路を有しており、図１では２つの導波路と３
つの溝を図示している。各導波路30は夫々のアルミニウ
ム層32とボンドパッド34とを有し、各ボンドパッドは、
夫々のDCバイアス電圧源に接続されている。バイアス電
圧源を１つだけ符号36で示す。基板14はアース38に接続
されている。
【００２８】デバイス10の前面24及び背面26/28は光学
品質の表面を与えるように慎重に劈開されている。従っ
て、導波路コア層18は結晶質GaAsの劈開面から成る縁端
領域を前面及び背面に有する(ニオブ酸リチウムのごと
き材料ではこれが不可能である)。Nd:YAGレーザ(図示せ
ず)からの矢印40で示される波長1.06μmの光が背面を照
明する。光40は背面26/28の領域の導波路層18に直径1μ
mのスポット(図示せず)として集束される。このスポット
は導波路の入力端から400μm離間している。次に光はス
ポットから導波路30まで発散する。デバイスの背面26/2
8と導波路30との間の領域41で光の発散が生じる。領域4
1はスラブ状導波路を形成し、導波路の共通入力手段を
構成する。導波路30から放出される光ビームは発散矢印
42で示される。ビーム42は結合しデバイス10から自由空
間内の最小距離100μmに共通の遠視野回折像44を形成す
る。像44は、中央の光強度極大46と２つの副次的極大4
8,50とを有する。−20゜から＋40゜の角目盛り52は、デバ
イス面24から500μmの距離でのの極大46と50との間の隔
たりを示す。
品質の表面を与えるように慎重に劈開されている。従っ
て、導波路コア層18は結晶質GaAsの劈開面から成る縁端
領域を前面及び背面に有する(ニオブ酸リチウムのごと
き材料ではこれが不可能である)。Nd:YAGレーザ(図示せ
ず)からの矢印40で示される波長1.06μmの光が背面を照
明する。光40は背面26/28の領域の導波路層18に直径1μ
mのスポット(図示せず)として集束される。このスポット
は導波路の入力端から400μm離間している。次に光はス
ポットから導波路30まで発散する。デバイスの背面26/2
8と導波路30との間の領域41で光の発散が生じる。領域4
1はスラブ状導波路を形成し、導波路の共通入力手段を
構成する。導波路30から放出される光ビームは発散矢印
42で示される。ビーム42は結合しデバイス10から自由空
間内の最小距離100μmに共通の遠視野回折像44を形成す
る。像44は、中央の光強度極大46と２つの副次的極大4
8,50とを有する。−20゜から＋40゜の角目盛り52は、デバ
イス面24から500μmの距離でのの極大46と50との間の隔
たりを示す。
【００２９】デバイス10の動作モードを以下に説明す
る。各導波路30は、波長1.06μmで屈折率n＝3.46のn-形
GaAsから成る。該導波路は、両側面(溝)が空気(n＝1)、
第３の面(上面)がアルミニウム(n＜1)、第４の面(下面)
がn+形GaAlAsと境界を接している。従って各導波路30は
４つの面全部が低屈折率の媒質と境界を接しており、導
波路の内部を進む光は内部全反射によって種々の程度に
閉じ込められる。本発明のいくつかの実施の形態におい
ては、溝20にポリマーまたは酸化物材料を充填するのが
適当である。その場合、導波路30の間の光結合を阻止す
るように、溝材料は導波路コア層18の屈折率を少なくと
も1.5下回る屈折率を有していなければならない。空気
充填溝20を用いるときに導波路30の光学的分離が最大で
ある。
る。各導波路30は、波長1.06μmで屈折率n＝3.46のn-形
GaAsから成る。該導波路は、両側面(溝)が空気(n＝1)、
第３の面(上面)がアルミニウム(n＜1)、第４の面(下面)
がn+形GaAlAsと境界を接している。従って各導波路30は
４つの面全部が低屈折率の媒質と境界を接しており、導
波路の内部を進む光は内部全反射によって種々の程度に
閉じ込められる。本発明のいくつかの実施の形態におい
ては、溝20にポリマーまたは酸化物材料を充填するのが
適当である。その場合、導波路30の間の光結合を阻止す
るように、溝材料は導波路コア層18の屈折率を少なくと
も1.5下回る屈折率を有していなければならない。空気
充填溝20を用いるときに導波路30の光学的分離が最大で
ある。
【００３０】各導波路30内の光は水平方向では溝の側面
の空気によって閉じ込められ、垂直方向ではアルミニウ
ム電極32及びGaAlAs層16によって閉じ込められる。各導
波路がほぼ矩形の横断面を有するので、モード電界強度
E(x,y)は、水平成分Eh(x)(xの単独関数)と垂直成分Ev
(y)(yの単独関数)との積として定義される。(このモー
ドの記述を簡単にするために電界のベクトル性を無視し
E(x,y)、Eh(x)及びEv(y)をスカラー関数と仮定する)。
所与の導波路モードの水平成分Eh(x)は「水平モード」と
考えてよく、垂直成分Ev(y)は対応する「垂直モード」と
考えてよい。このため、二次元関数を２つの一次元関数
の積に変換することによって導波路モードの記述を簡単
にする。(水平または垂直の)かかるモードが関連導波路
から遠方即ち＋または−の無限大で指数関数的に0に近
付くとき、これは閉じ込めモードと呼ばれる。関連導波
路から遠方で0に接近せず、(＋または−の無限大に向か
って)正弦波として続くときは、モードは閉じ込めモー
ドでない。従って導波路から逸脱した伝播即ち「リーク」
が生じる。
の空気によって閉じ込められ、垂直方向ではアルミニウ
ム電極32及びGaAlAs層16によって閉じ込められる。各導
波路がほぼ矩形の横断面を有するので、モード電界強度
E(x,y)は、水平成分Eh(x)(xの単独関数)と垂直成分Ev
(y)(yの単独関数)との積として定義される。(このモー
ドの記述を簡単にするために電界のベクトル性を無視し
E(x,y)、Eh(x)及びEv(y)をスカラー関数と仮定する)。
所与の導波路モードの水平成分Eh(x)は「水平モード」と
考えてよく、垂直成分Ev(y)は対応する「垂直モード」と
考えてよい。このため、二次元関数を２つの一次元関数
の積に変換することによって導波路モードの記述を簡単
にする。(水平または垂直の)かかるモードが関連導波路
から遠方即ち＋または−の無限大で指数関数的に0に近
付くとき、これは閉じ込めモードと呼ばれる。関連導波
路から遠方で0に接近せず、(＋または−の無限大に向か
って)正弦波として続くときは、モードは閉じ込めモー
ドでない。従って導波路から逸脱した伝播即ち「リーク」
が生じる。
【００３１】各導波路30は原則として、水平及び垂直の
光伝播モード、即ち上記に定義されたように導波路コア
層18の厚み方向に夫々垂直及び平行なモードを支える。
これらのモードのうち、最も低次の垂直モードガエバネ
ッセントモードである。即ち、指数関数的に減衰し、ア
ルミニウム層及びGaAlAs層内で0に近付き、従って導波
路内部に閉じ込められる。アルミニウム層32においてあ
る程度減衰が生じるが、それ以外には導波路に沿った伝
播中に他からの影響を実質的に受けない。後述する本発
明の実施の形態では上記のの減衰を阻止できる。
光伝播モード、即ち上記に定義されたように導波路コア
層18の厚み方向に夫々垂直及び平行なモードを支える。
これらのモードのうち、最も低次の垂直モードガエバネ
ッセントモードである。即ち、指数関数的に減衰し、ア
ルミニウム層及びGaAlAs層内で0に近付き、従って導波
路内部に閉じ込められる。アルミニウム層32においてあ
る程度減衰が生じるが、それ以外には導波路に沿った伝
播中に他からの影響を実質的に受けない。後述する本発
明の実施の形態では上記のの減衰を阻止できる。
【００３２】各導波路30内の最も低次の垂直モードに閉
じ込められない光強度は、アルミニウム中ではエバネッ
セントであり、GaAlAs層16内ではエバネッセントである
かまたは伝播する。しかしながらGaAlAs層16の厚さは、
最も低次の垂直モードに閉じ込められないモードは、こ
の層から基板にリークする、即ち伝播するような値であ
る。従って導波路は実質的に最も低次の垂直モードだけ
を伝送する。
じ込められない光強度は、アルミニウム中ではエバネッ
セントであり、GaAlAs層16内ではエバネッセントである
かまたは伝播する。しかしながらGaAlAs層16の厚さは、
最も低次の垂直モードに閉じ込められないモードは、こ
の層から基板にリークする、即ち伝播するような値であ
る。従って導波路は実質的に最も低次の垂直モードだけ
を伝送する。
【００３３】垂直モードの様相と対照的に、導波路30は
必ずしも最も低次の水平モードに限定されない。隣接導
波路相互間の光クロストークを阻止する要件と相容れな
いので単一水平モードの動作を実現することが実際には
難しいからである。しかしながら、導波路30から、水平
方向の次元及び垂直方向の次元で主として最も低次の空
間モードから成る単一モードに限定された出力を得るこ
とは重要である。
必ずしも最も低次の水平モードに限定されない。隣接導
波路相互間の光クロストークを阻止する要件と相容れな
いので単一水平モードの動作を実現することが実際には
難しいからである。しかしながら、導波路30から、水平
方向の次元及び垂直方向の次元で主として最も低次の空
間モードから成る単一モードに限定された出力を得るこ
とは重要である。
【００３４】不要な高次の水平モードで導波路30からか
なりの光強度が出力されることを防止するために、これ
らのモードの入力分を無視できる程度に受容するように
導波路に光結合する。これは以下のごとくして得られ
る。デバイス10の背面26/28に入射する光40は、比較的
高い開口数を有する(図示しない)顕微鏡レンズから受容
される。光40は、表面26/28上の直径1μmの光スポット
を「頂点」とした頂半角約45゜のコーンの形状である。光
は、空気-半導体界面26/28で屈折され、共通入力領域41
に頂半角約12゜のコーンを生じる。この第２のコーンの
水平方向範囲は、入力面26/28に対して約4゜(半角2゜)を
成す導波路30の照射に必要な範囲よりも大きい。導波路
30はこの第２コーンの中央領域に配置され、該第２コー
ンでは光強度がほぼ均一である。従って各導波路30は、
伝播中央軸に対して3゜未満の傾角で入力光の強度を受容
する。
なりの光強度が出力されることを防止するために、これ
らのモードの入力分を無視できる程度に受容するように
導波路に光結合する。これは以下のごとくして得られ
る。デバイス10の背面26/28に入射する光40は、比較的
高い開口数を有する(図示しない)顕微鏡レンズから受容
される。光40は、表面26/28上の直径1μmの光スポット
を「頂点」とした頂半角約45゜のコーンの形状である。光
は、空気-半導体界面26/28で屈折され、共通入力領域41
に頂半角約12゜のコーンを生じる。この第２のコーンの
水平方向範囲は、入力面26/28に対して約4゜(半角2゜)を
成す導波路30の照射に必要な範囲よりも大きい。導波路
30はこの第２コーンの中央領域に配置され、該第２コー
ンでは光強度がほぼ均一である。従って各導波路30は、
伝播中央軸に対して3゜未満の傾角で入力光の強度を受容
する。
【００３５】導波路30の水平モードの分析は、導波路の
軸に対して3゜未満の角度の光入力に対して二次以上の高
次モードの光強度が実質的に存在しないことを示す。従
って入力光は実質的に水平面内の最も低次の空間モード
だけを励起する。導波路30に沿ったその後の伝播中に、
導波路材料及びその境界の欠陥は少量のエネルギを二次
及びより高次の水平モードに逸脱させる。理想的な導波
路ではこのような逸脱は生じない。
軸に対して3゜未満の角度の光入力に対して二次以上の高
次モードの光強度が実質的に存在しないことを示す。従
って入力光は実質的に水平面内の最も低次の空間モード
だけを励起する。導波路30に沿ったその後の伝播中に、
導波路材料及びその境界の欠陥は少量のエネルギを二次
及びより高次の水平モードに逸脱させる。理想的な導波
路ではこのような逸脱は生じない。
【００３６】要約すると、欠陥に敏感でない導波路30
は、最も低次の水平及び垂直モードに実質的に閉じ込め
られた出力光強度を生じる。より高次の垂直モードの出
力は、バッファ層16の空間濾過作用によって阻止され、
より高次の水平モードの出力は光入力の編成によって阻
止される。その結果、組み合わせ導波路30は、実質的に
最も低次の空間モードから生じた遠視野回折像44を形成
する。より高次の導波路空間モードから得られる回折像
は有意な強度で出現しないので、オーバーラップによっ
て回折像44がぼやけることもない。図１のデバイスは出
力光強度の95％以上を最も低次のモードで生じさせるこ
とが判明した。
は、最も低次の水平及び垂直モードに実質的に閉じ込め
られた出力光強度を生じる。より高次の垂直モードの出
力は、バッファ層16の空間濾過作用によって阻止され、
より高次の水平モードの出力は光入力の編成によって阻
止される。その結果、組み合わせ導波路30は、実質的に
最も低次の空間モードから生じた遠視野回折像44を形成
する。より高次の導波路空間モードから得られる回折像
は有意な強度で出現しないので、オーバーラップによっ
て回折像44がぼやけることもない。図１のデバイスは出
力光強度の95％以上を最も低次のモードで生じさせるこ
とが判明した。
【００３７】より詳細に後述するごとく、導波路コア層
材料が電気光学的特性(即ち電界屈折性)を有するので各
導波路30内の屈折率及び光路長は電界依存性である。従
って、任意の導波路のアルミニウム層32における電圧変
化は、その光出力の位相を変化させる。遠視野回折像44
は、導波路からの位相要素及び振幅要素のベクトル和で
あり、主要極大46の位置は導波路電圧の変更によって可
変である。しかしながら、この場合、前記に説明したよ
うに、回折像のオーバーラップを避けることが重要であ
る。その理由は、種々の導波路モード及びそれらの回折
像が導波路の電圧の変化によって異なる影響を受けるか
らである。種々の回折次数のオーバーラップを回避でき
ない場合、最も低次の案内に高次の要素が混入する。
材料が電気光学的特性(即ち電界屈折性)を有するので各
導波路30内の屈折率及び光路長は電界依存性である。従
って、任意の導波路のアルミニウム層32における電圧変
化は、その光出力の位相を変化させる。遠視野回折像44
は、導波路からの位相要素及び振幅要素のベクトル和で
あり、主要極大46の位置は導波路電圧の変更によって可
変である。しかしながら、この場合、前記に説明したよ
うに、回折像のオーバーラップを避けることが重要であ
る。その理由は、種々の導波路モード及びそれらの回折
像が導波路の電圧の変化によって異なる影響を受けるか
らである。種々の回折次数のオーバーラップを回避でき
ない場合、最も低次の案内に高次の要素が混入する。
【００３８】各導波路30において光路長Ｌは式 Ｌ＝nd (1) [式中、nは導波路層18の屈折率、dは導波路長]で示され
る。しかしながらnは電界依存性で n＝n0＋nE (2) [n0は印加電界が無いときの屈折率、nEは印加電界Eによ
って生じた屈折率の変化]で示される。より詳細に後述
するごとく、nEは2つの成分を有する。一方の成分の変
化は電界の１乗に比例して変化し(ポッケルス効果)、他
方の成分は電界の２乗に比例して変化する(カー効果)。
これらの成分は同じ符号を有してもよく異なる符号を有
してもよい。この実施の形態ではこれらの成分が加算成
分である。これは２つの編成の組み合わせによって得ら
れる。まず、各導波路30の長さに沿った光伝播方向に
る。しかしながらnは電界依存性で n＝n0＋nE (2) [n0は印加電界が無いときの屈折率、nEは印加電界Eによ
って生じた屈折率の変化]で示される。より詳細に後述
するごとく、nEは2つの成分を有する。一方の成分の変
化は電界の１乗に比例して変化し(ポッケルス効果)、他
方の成分は電界の２乗に比例して変化する(カー効果)。
これらの成分は同じ符号を有してもよく異なる符号を有
してもよい。この実施の形態ではこれらの成分が加算成
分である。これは２つの編成の組み合わせによって得ら
れる。まず、各導波路30の長さに沿った光伝播方向に
【００３９】
【数１】
【００４０】（以下、［011-］と記載する。）結晶軸を
もつように導波路層18を配置する。次に、各導波路内の
光を層18の(平面に垂直な)[011]結晶軸に平行に偏光す
る。
もつように導波路層18を配置する。次に、各導波路内の
光を層18の(平面に垂直な)[011]結晶軸に平行に偏光す
る。
【００４１】各導波路30の光路長は、夫々のアルミニウ
ム層32に印加される電圧を変化させることによって変化
する。アルミニウム層32は導波路30に対するショットキ
ーバリアー接触を形成しており、金属/半導体の組み合
わせ32/30の各々がショットキーバリアーダイオードで
ある。どの場合にも各アルミニウム層32はどの場合にも
適当な電圧源36によってアースに対して負にバイアスさ
れている。これは夫々のショットキーバリアーダイオー
ドを逆バイアスし、ダイオードの空乏領域を強化し、各
導波路内の電界を増加する。これが導波路の屈折率及び
光路長を変化させる。
ム層32に印加される電圧を変化させることによって変化
する。アルミニウム層32は導波路30に対するショットキ
ーバリアー接触を形成しており、金属/半導体の組み合
わせ32/30の各々がショットキーバリアーダイオードで
ある。どの場合にも各アルミニウム層32はどの場合にも
適当な電圧源36によってアースに対して負にバイアスさ
れている。これは夫々のショットキーバリアーダイオー
ドを逆バイアスし、ダイオードの空乏領域を強化し、各
導波路内の電界を増加する。これが導波路の屈折率及び
光路長を変化させる。
【００４２】各導波路の出力で光学位相を完全に制御す
るために、アルミニウム層32に印加される電圧に応じて
出力位相を360゜即ち2πだけ変化できる必要がある。勿
論、特定の用途に対しては本発明のフェーズドアレイ
を、完全以下即ち2π未満の位相制御を行なうように設
計してもよい。出力位相の2πの変化は、光導波路の１
波長の変化に対応する。即ち等式(1)及び(2)で定義した
パラメータを使用し、導波路30の内部の波長の数は、屈
折率nがn0からn0＋nEに変化するのに応じて、(必ずしも
整数でない)mからm＋1の値にある程度変化する必要があ
る。即ち、 m＝n0d/λ (3) 及び m＋1＝(n0＋nE)d/λ (4) [式中、λは自由空間の光学波長]。
るために、アルミニウム層32に印加される電圧に応じて
出力位相を360゜即ち2πだけ変化できる必要がある。勿
論、特定の用途に対しては本発明のフェーズドアレイ
を、完全以下即ち2π未満の位相制御を行なうように設
計してもよい。出力位相の2πの変化は、光導波路の１
波長の変化に対応する。即ち等式(1)及び(2)で定義した
パラメータを使用し、導波路30の内部の波長の数は、屈
折率nがn0からn0＋nEに変化するのに応じて、(必ずしも
整数でない)mからm＋1の値にある程度変化する必要があ
る。即ち、 m＝n0d/λ (3) 及び m＋1＝(n0＋nE)d/λ (4) [式中、λは自由空間の光学波長]。
【００４３】(4)から(3)を減算すると 1＝nEd/λ 即ち d＝λ／nE (5) である。
【００４４】導波路層18に夫々[011]及び[011-]の伝播
方向及び偏光方向を有するこの実施の形態においては、
アルミニウム層32に印加される電圧が0Ｖから21Ｖに変
化すると、波長1.06μmでの屈折率の変化nEは5.9×10-4
であつた。式(5)のλ及びnEに数値を代入すると d＝1.06×10-4／5.9×10-4＝1.8mm であった。
方向及び偏光方向を有するこの実施の形態においては、
アルミニウム層32に印加される電圧が0Ｖから21Ｖに変
化すると、波長1.06μmでの屈折率の変化nEは5.9×10-4
であつた。式(5)のλ及びnEに数値を代入すると d＝1.06×10-4／5.9×10-4＝1.8mm であった。
【００４５】従って、図１の実施の形態では、導波路長
1.8mmで0Ｖから21Ｖまで(30Ｖ未満)のバイアス電圧変化
に対して2π即ち360゜の完全位相サイクルにわたる導波
路出力位相の同調が可能である。かかる同調は導波路出
力位相の完全制御を得るために必要であるが、デバイス
10のある種の用途ではかかる制御が不要である。屈折率
の変化nEは式 nE＝1/2Γn0 3[±r41E−R12E2] (6) [式中、Γは導波路層18の内部で案内される光強度の割
合を示す導波路閉じ込め係数、Eは導波路内の電界、r41
は一次電気光学係数(ポッケルス効果)、R12は二次電気
光学係数]。
1.8mmで0Ｖから21Ｖまで(30Ｖ未満)のバイアス電圧変化
に対して2π即ち360゜の完全位相サイクルにわたる導波
路出力位相の同調が可能である。かかる同調は導波路出
力位相の完全制御を得るために必要であるが、デバイス
10のある種の用途ではかかる制御が不要である。屈折率
の変化nEは式 nE＝1/2Γn0 3[±r41E−R12E2] (6) [式中、Γは導波路層18の内部で案内される光強度の割
合を示す導波路閉じ込め係数、Eは導波路内の電界、r41
は一次電気光学係数(ポッケルス効果)、R12は二次電気
光学係数]。
【００４６】導波路層18の材料がn-形GaAsの場合、r41
及びR12はいずれも負の値である。更に、等式(6)のr41
の前の±符号は、図１の実施の形態のように[011-]結晶
方向の伝播及び[011]方向に沿った偏光の場合には−符
号で置換される。この結果、等式(6)の括弧内の項が加
算になり、nEが＋になり、nEの極大が得られる。
及びR12はいずれも負の値である。更に、等式(6)のr41
の前の±符号は、図１の実施の形態のように[011-]結晶
方向の伝播及び[011]方向に沿った偏光の場合には−符
号で置換される。この結果、等式(6)の括弧内の項が加
算になり、nEが＋になり、nEの極大が得られる。
【００４７】比較のために本発明の第２の実施の形態を
製造した。第１の実施の形態との唯一の違いは、伝播方
向及び整列方向が入れ代わるように導波路層の結晶配向
(orientation)が交換されていることである。即ち、伝
播は結晶の[011]方向に沿って生じ、偏光は[011-]方向
に平行に生じた。この場合、等式(6)の項r41に＋符号が
つき、括弧内の項は減算項になる。項r41が項R12よりも
大きいので、結果的として、より小さい値のnEが負の値
になる。屈折率は電界の増加に伴って減少し、非零電界
での大きさは第１の実施の形態よりも小さい。
製造した。第１の実施の形態との唯一の違いは、伝播方
向及び整列方向が入れ代わるように導波路層の結晶配向
(orientation)が交換されていることである。即ち、伝
播は結晶の[011]方向に沿って生じ、偏光は[011-]方向
に平行に生じた。この場合、等式(6)の項r41に＋符号が
つき、括弧内の項は減算項になる。項r41が項R12よりも
大きいので、結果的として、より小さい値のnEが負の値
になる。屈折率は電界の増加に伴って減少し、非零電界
での大きさは第１の実施の形態よりも小さい。
【００４８】次に図２は本発明の前記の２つの実施の形
態における導波路の出力位相変化の絶対値｜Δφ｜(左
縦座標軸)を電圧(下横座標軸)の関数として示すグラフ
である。実線グラフ60,62は、十字印及び角印で夫々示
された実験データに最もぴったりと一致した理論的計算
値である。点線64は式(6)の一次項r41Eのポッケルス効
果を示し、グラフ60,62の湾曲は二次項R12E2の効果を示
す。
態における導波路の出力位相変化の絶対値｜Δφ｜(左
縦座標軸)を電圧(下横座標軸)の関数として示すグラフ
である。実線グラフ60,62は、十字印及び角印で夫々示
された実験データに最もぴったりと一致した理論的計算
値である。点線64は式(6)の一次項r41Eのポッケルス効
果を示し、グラフ60,62の湾曲は二次項R12E2の効果を示
す。
【００４９】図２の左上半部に定義したnEの絶対値は分
かり易いようにグラフ60〜64で示されている。厳密に言
えば、グラフ60及び62は夫々＋及び−の座標軸に対して
プロットされるべきである。更に、グラフ64はグラフ60
または62のいずれに比較するかに従って＋または−にな
る。しかしながら、この説明で重要なのは絶対値だけで
ある。
かり易いようにグラフ60〜64で示されている。厳密に言
えば、グラフ60及び62は夫々＋及び−の座標軸に対して
プロットされるべきである。更に、グラフ64はグラフ60
または62のいずれに比較するかに従って＋または−にな
る。しかしながら、この説明で重要なのは絶対値だけで
ある。
【００５０】グラフ60は前述の本発明の第１の実施の形
態に対応する。該実施の形態では各導波路30の[011-]結
晶方向に光が伝播する。
態に対応する。該実施の形態では各導波路30の[011-]結
晶方向に光が伝播する。
【００５１】グラフ62は第２実施の形態の[011]方向の
伝播に対応する。いかなる特定の導波路バイアス電圧に
おいてもグラフ60の導波路出力の位相変化がグラフ62よ
りも大きい。またグラフ間の差は電圧増加に伴って増加
している。従って、GaAs導波路にはグラフ60の伝播方向
[011-](偏光[011])が好ましい。その理由は、所与の印
加電圧に対する位相変化が最大になるため、また、所与
の印加電圧で所与の位相変化を得るために必要な導波路
の長さが最小に短縮できるからである。このためデバイ
ス10の製造が容易で導波路のキャパシタンスも減少す
る。結晶軸に対するこれらの伝播方向及び偏光方向はま
た、閃亜鉛鉱(zinc blende)結晶構造即ち多くのII-VI族
及びIII-Ｖ族の化合物半導体にも最適である。
伝播に対応する。いかなる特定の導波路バイアス電圧に
おいてもグラフ60の導波路出力の位相変化がグラフ62よ
りも大きい。またグラフ間の差は電圧増加に伴って増加
している。従って、GaAs導波路にはグラフ60の伝播方向
[011-](偏光[011])が好ましい。その理由は、所与の印
加電圧に対する位相変化が最大になるため、また、所与
の印加電圧で所与の位相変化を得るために必要な導波路
の長さが最小に短縮できるからである。このためデバイ
ス10の製造が容易で導波路のキャパシタンスも減少す
る。結晶軸に対するこれらの伝播方向及び偏光方向はま
た、閃亜鉛鉱(zinc blende)結晶構造即ち多くのII-VI族
及びIII-Ｖ族の化合物半導体にも最適である。
【００５２】図２の上部の座標軸は、導波路30の電界に
関する目盛りを示し、右側の座標軸は電圧または電界に
伴う屈折率変化nEを示す。nE＝5.9×10-4は印加バイア
ス電圧21Ｖに対応する。これは導波路長さ(1.8mm)に対
する適当な設計基準として前述した。
関する目盛りを示し、右側の座標軸は電圧または電界に
伴う屈折率変化nEを示す。nE＝5.9×10-4は印加バイア
ス電圧21Ｖに対応する。これは導波路長さ(1.8mm)に対
する適当な設計基準として前述した。
【００５３】次に図３は、本発明のデバイス10によるビ
ーム案内を証明するために編成された光学系70の概略ブ
ロック図である。いくつかの寸法が10cmのオーダであり
且つ残りの寸法が数100μのオーダであるため、光学系7
0の寸法は案分比例で図示されてはいない。図の上部に
装置の寸法を示す。既出の部分は同じ参照符号で示す。
ーム案内を証明するために編成された光学系70の概略ブ
ロック図である。いくつかの寸法が10cmのオーダであり
且つ残りの寸法が数100μのオーダであるため、光学系7
0の寸法は案分比例で図示されてはいない。図の上部に
装置の寸法を示す。既出の部分は同じ参照符号で示す。
【００５４】システム70は、米国の会社CVI Inc.,によ
って製造されたC95モデルのNd-YAGレーザ72を含む。レ
ーザ70は、直径2mmで波長1.06mmの0.5Ｗの出力ビーム74
を発生する。ビーム74は開口数0.15及び倍率5倍の第１
顕微鏡レンズ(ＭＯ)76に入り、30cm離れた距離でビーム
直径5mmに拡大される（1/ｅ2強度点間で測定)。ＭＯ76
は長さ0.5cmでレンズ72から3cm離間している。第１ＭＯ
76からの光80は、30cm離間した第２ＭＯ82に入る。第２
ＭＯ82は倍率20倍で開口数0.54でありビーム案内デバイ
ス10から2mm離間している。該レンズはレーザ光を、デ
バイス10の背面即ち入力面で直径1μmのスポット84に集
束させる。86でデバイス10からでる光は、第２ＭＯ82に
等しい光学パラメータを有する約0.05cm(500μm)離間し
た第３のＭＯ88に収集される。第３ＭＯ88はデバイス10
からの光をコリメートし、導波路30を通らなかった迷光
を排除する。該レンズは光を50cm離間した赤外カメラ90
に中継する。カメラは、電荷結合デバイス(CCD)アレイ
を組み込んでおり、日本の会社Hamamatsu Photonics K.
K.によって製造されたものである。
って製造されたC95モデルのNd-YAGレーザ72を含む。レ
ーザ70は、直径2mmで波長1.06mmの0.5Ｗの出力ビーム74
を発生する。ビーム74は開口数0.15及び倍率5倍の第１
顕微鏡レンズ(ＭＯ)76に入り、30cm離れた距離でビーム
直径5mmに拡大される（1/ｅ2強度点間で測定)。ＭＯ76
は長さ0.5cmでレンズ72から3cm離間している。第１ＭＯ
76からの光80は、30cm離間した第２ＭＯ82に入る。第２
ＭＯ82は倍率20倍で開口数0.54でありビーム案内デバイ
ス10から2mm離間している。該レンズはレーザ光を、デ
バイス10の背面即ち入力面で直径1μmのスポット84に集
束させる。86でデバイス10からでる光は、第２ＭＯ82に
等しい光学パラメータを有する約0.05cm(500μm)離間し
た第３のＭＯ88に収集される。第３ＭＯ88はデバイス10
からの光をコリメートし、導波路30を通らなかった迷光
を排除する。該レンズは光を50cm離間した赤外カメラ90
に中継する。カメラは、電荷結合デバイス(CCD)アレイ
を組み込んでおり、日本の会社Hamamatsu Photonics K.
K.によって製造されたものである。
【００５５】システム70の素子を軸合わせするためには
従来の手順を採用する。３つのＭＯ76,82,88はすべてＸ
方向及びＹ方向に可動な調整自在なサポートに装着され
ている。ＭＯ82,88は更に、Ｚ方向にも可動である。図
に符号92で示すように、Ｘ方向は図の平面に垂直で、Ｚ
方向はシステムの光学軸即ち光ビームの方向に平行で、
Ｙ方向は図の平面内に存在する。
従来の手順を採用する。３つのＭＯ76,82,88はすべてＸ
方向及びＹ方向に可動な調整自在なサポートに装着され
ている。ＭＯ82,88は更に、Ｚ方向にも可動である。図
に符号92で示すように、Ｘ方向は図の平面に垂直で、Ｚ
方向はシステムの光学軸即ち光ビームの方向に平行で、
Ｙ方向は図の平面内に存在する。
【００５６】第１ＭＯ76の位置は、偏向されないビーム
が2.5倍に拡大されるように調整されている。第２のＭ
Ｏ82は、偏向されない集束スポットがデバイス10に生じ
るように調整されている。スポットは実質的に回折制限
されている。第３のＭＯ88は、迷光を排除し導波路30に
よって生成された遠視野回折像から光を収集するように
調整されている。遠視野はデバイス10から100μm以上離
間した距離に対応する。
が2.5倍に拡大されるように調整されている。第２のＭ
Ｏ82は、偏向されない集束スポットがデバイス10に生じ
るように調整されている。スポットは実質的に回折制限
されている。第３のＭＯ88は、迷光を排除し導波路30に
よって生成された遠視野回折像から光を収集するように
調整されている。遠視野はデバイス10から100μm以上離
間した距離に対応する。
【００５７】ＭＯ88の光入力面とデバイス10とは互いに
500μm(0.05cm)離間しており、この距離は、迷光の排除
と導波路30によって伝送された光の収集とに適した距離
である。カメラ90の寸法が許せばカメラをデバイス10に
もっと接近して配置してもよく、その場合、回折像全体
を記録する第３ＭＯが不要になるであろう。
500μm(0.05cm)離間しており、この距離は、迷光の排除
と導波路30によって伝送された光の収集とに適した距離
である。カメラ90の寸法が許せばカメラをデバイス10に
もっと接近して配置してもよく、その場合、回折像全体
を記録する第３ＭＯが不要になるであろう。
【００５８】図３ではデバイス10の複数の導波路が共通
光源70によって照明される。これが典型的な設計であ
る。変形としては、レーザがデバイス10と同じ半導体ウ
ェーハに集積されてもよい。この場合、光は多岐マニホ
ルド導波路構造によって個々の導波路に分配され得る。
しかしながら、複数の光源が互いに位相コヒーレントで
あるならば、複数の導波路が別々の光源によって照明さ
れてもよい。
光源70によって照明される。これが典型的な設計であ
る。変形としては、レーザがデバイス10と同じ半導体ウ
ェーハに集積されてもよい。この場合、光は多岐マニホ
ルド導波路構造によって個々の導波路に分配され得る。
しかしながら、複数の光源が互いに位相コヒーレントで
あるならば、複数の導波路が別々の光源によって照明さ
れてもよい。
【００５９】次に図４及び図５は、光強度(任意の単位)
対回折角度(゜)の関係を示すグラフである。夫々の図に
おいて、上方の図面は図３のシステム70を用いた実験に
よって得られた値を示し、下部の図面は理論的に計算さ
れた値を示す。
対回折角度(゜)の関係を示すグラフである。夫々の図に
おいて、上方の図面は図３のシステム70を用いた実験に
よって得られた値を示し、下部の図面は理論的に計算さ
れた値を示す。
【００６０】図４において、上部のグラフ100は、全部
が実質的に互いに位相合わせされた導波路の光出力を発
生する導波路30に電圧が作用したときのデバイス10から
の出力光強度の角度依存性を示す。このグラフは0゜に極
大、即ち導波路の長手方向に平行またはデバイス10の出
力前面24に垂直に極大102を生じる。この場合、導波路3
0は定格的にはすべて同じ長さを有する。導波路30から
の出力は、全部の電極ボンドパッド34に等しい電圧を印
加したときに互いに同位相になることが要求されるが、
波長の数分の1の単位まで正確に等しい長さの導波路を
製造することは不可能である。従って実際には、0゜に極
大102を生じるようにパッド34の電圧を相対的に調整し
た。
が実質的に互いに位相合わせされた導波路の光出力を発
生する導波路30に電圧が作用したときのデバイス10から
の出力光強度の角度依存性を示す。このグラフは0゜に極
大、即ち導波路の長手方向に平行またはデバイス10の出
力前面24に垂直に極大102を生じる。この場合、導波路3
0は定格的にはすべて同じ長さを有する。導波路30から
の出力は、全部の電極ボンドパッド34に等しい電圧を印
加したときに互いに同位相になることが要求されるが、
波長の数分の1の単位まで正確に等しい長さの導波路を
製造することは不可能である。従って実際には、0゜に極
大102を生じるようにパッド34の電圧を相対的に調整し
た。
【００６１】主要極大102はバンド幅(半値の全幅)1.5゜
を有する。この極大102と同時に夫々約＋20゜及び−20゜
の角距離即ち回折角により高次の回折極大104,106が存
在する。
を有する。この極大102と同時に夫々約＋20゜及び−20゜
の角距離即ち回折角により高次の回折極大104,106が存
在する。
【００６２】下部のグラフ100'において上部グラフ100
に対応する数値はプライム記号(')を付けて示す。極大1
02,106と極大102',106'との位置が十分に一致すること
が理解されよう。
に対応する数値はプライム記号(')を付けて示す。極大1
02,106と極大102',106'との位置が十分に一致すること
が理解されよう。
【００６３】次に図５も実験的及び理論的なグラフ110,
110'を示し、図４と同様にグラフ110'においてグラフ11
0に対応する数値はプライム記号(')を付けて示す。グラ
フ110には２つの主要な極大112及び114が出現し、これ
らは夫々回折角約−10゜及び＋10゜に存在する。２つの高
次回折極大116,118は解像直後に(just resolved)約−30
゜及び＋30℃に出現する。グラフ110は、各導波路の光出
力と隣接導波路の光出力とが反位相になるような導波路
電圧を使用して得られた。即ち、n番目の導波路の光出
力は位相(n−1)π＋ψ[但し、ψは定数]を有していた。
110'を示し、図４と同様にグラフ110'においてグラフ11
0に対応する数値はプライム記号(')を付けて示す。グラ
フ110には２つの主要な極大112及び114が出現し、これ
らは夫々回折角約−10゜及び＋10゜に存在する。２つの高
次回折極大116,118は解像直後に(just resolved)約−30
゜及び＋30℃に出現する。グラフ110は、各導波路の光出
力と隣接導波路の光出力とが反位相になるような導波路
電圧を使用して得られた。即ち、n番目の導波路の光出
力は位相(n−1)π＋ψ[但し、ψは定数]を有していた。
【００６４】グラフ100,110を作成するためにデバイス1
0の特定実施の形態に使用された導波路電圧を表１に示
す。これらの電圧は本発明の別のデバイス一般には適当
でないかもしれないことを指摘しておく。その理由は、
製造公差によって導波路の長さにばらつきがでるからで
ある。
0の特定実施の形態に使用された導波路電圧を表１に示
す。これらの電圧は本発明の別のデバイス一般には適当
でないかもしれないことを指摘しておく。その理由は、
製造公差によって導波路の長さにばらつきがでるからで
ある。
【００６５】
【表１】
【００６６】図４及び図５は、導波路30に印加する電圧
を変化させることによってデバイス10が0゜から±10゜ま
で案内可能な出力ビームを発生し得ることを証明する。
これは１つのビームを２つに分割するためまたは１つの
ビームを角度10゜だけ案内するために使用され得る。従
ってデバイス10は、電子制御された１方向もしくは２方
向のスイッチと考えることもでき、またはビーム偏向デ
バイスと考えることもできる。更に、これらの応用は、
２つの電圧を組み合わせて導波路30に印加するだけで得
られる。その他の電圧の組み合わせによってその他の多
くの応用、例えば１つの角度範囲にわたる漸進的案内が
可能である。図４及び図５の実験と理論との一致からも
明らかなようにデバイス10は工学的設計のために予め計
算された通りの性能を発揮できる。
を変化させることによってデバイス10が0゜から±10゜ま
で案内可能な出力ビームを発生し得ることを証明する。
これは１つのビームを２つに分割するためまたは１つの
ビームを角度10゜だけ案内するために使用され得る。従
ってデバイス10は、電子制御された１方向もしくは２方
向のスイッチと考えることもでき、またはビーム偏向デ
バイスと考えることもできる。更に、これらの応用は、
２つの電圧を組み合わせて導波路30に印加するだけで得
られる。その他の電圧の組み合わせによってその他の多
くの応用、例えば１つの角度範囲にわたる漸進的案内が
可能である。図４及び図５の実験と理論との一致からも
明らかなようにデバイス10は工学的設計のために予め計
算された通りの性能を発揮できる。
【００６７】デバイス10の導波路アレイは極めて高速で
動作し得る。電極/導波路キャパシタンスの計算は1GHz
以上及び約10GHzのスイッチング速度を示す。これは当
業界の既存の高速ディジタル電気回路よりも１桁速い速
度である。従って、本発明の使用は、デバイス本来の特
性によって制約を受けることはないが、従来の電子素子
の欠点に起因する制約を受けると考えられる。デバイス
10の全体速度は、ボンドパッド及びリード33/34によっ
て低下する。しかしながら、公知の絶縁技術によって、
導波路アレイの動作速度に近い動作速度を得るように改
良することが可能であろう。
動作し得る。電極/導波路キャパシタンスの計算は1GHz
以上及び約10GHzのスイッチング速度を示す。これは当
業界の既存の高速ディジタル電気回路よりも１桁速い速
度である。従って、本発明の使用は、デバイス本来の特
性によって制約を受けることはないが、従来の電子素子
の欠点に起因する制約を受けると考えられる。デバイス
10の全体速度は、ボンドパッド及びリード33/34によっ
て低下する。しかしながら、公知の絶縁技術によって、
導波路アレイの動作速度に近い動作速度を得るように改
良することが可能であろう。
【００６８】図４及び図５は、デバイス10が幅1.5゜の光
ビームを20゜案内し得ることを示す。より狭くより接近
した導波路をより多数組み込んだ同様のデバイスは幅0.
1゜未満のビームを80゜以上にわたって案内し得るであろ
う。
ビームを20゜案内し得ることを示す。より狭くより接近
した導波路をより多数組み込んだ同様のデバイスは幅0.
1゜未満のビームを80゜以上にわたって案内し得るであろ
う。
【００６９】デバイス10を以下のごとく作製した。基板
14は市販のGaAs単結晶材料から成る。金属有機物化学蒸
着(MOCVD)によってクラッディング層16及び導波路層18
を基板に順次成長させた。この技術は半導体材料の業界
で当業者に公知の完成した半導体成長技術であるからこ
こでは詳細に説明しない。導波路層18を電子ビーム(e-)
レジストで被覆し、電子ビームリソグラフィー(EBL)装
置でレジストを照射して10個のボンドパッド34の領域を
形成した。次に照射済みのレジストを除去してTi/Pd/Au
合金で被覆するためにパターン化レジスト層を形成し
た。被覆したレジストをアセトンに溶解し、導波路層18
にデポジットされたボンドパッド34を残した。これは
「リフトオフ(lift-off)」法と呼ばれる。次いで、導波路
層18に第２のe-レジスト層をデポジットし、レジストに
EBLを照射して導波路電極領域と導波路/ボンドパッド接
続領域とを形成した。照射済みのレジストを除去して導
波路層18のレジスト非含有領域を形成した。パターン化
レジストの表面を蒸着アルミニウムで被覆し、非照射レ
ジスト及びその不要なアルミニウムをアセトンに浸漬し
て除去した。この処理で、導波路電極32及びボンドパッ
ド34への結線33が形成された。次いで導波路層をレジス
トで再度被覆し、溝20の形成が必要な領域からレジスト
を除去した。次いで基板14を反応性イオンエッチング装
置に入れ、CCl2F2エッチャントを用いて溝20を形成し
た。アルミニウム電極32は導波路30にイオン遮蔽を与
え、レジストはボンドパッド34及び結線33にイオン遮蔽
を与えた。反応性イオンエッチングは完成した技術であ
るからここでは詳細に説明しない。次いで、デバイス10
にダイヤモンド針で筋を引き、支持縁に沿って切断して
導波路の出力面24及びデバイスの背面26/28を形成し
た。導波路を損傷しないように導波路自体には筋を入れ
なかった。
14は市販のGaAs単結晶材料から成る。金属有機物化学蒸
着(MOCVD)によってクラッディング層16及び導波路層18
を基板に順次成長させた。この技術は半導体材料の業界
で当業者に公知の完成した半導体成長技術であるからこ
こでは詳細に説明しない。導波路層18を電子ビーム(e-)
レジストで被覆し、電子ビームリソグラフィー(EBL)装
置でレジストを照射して10個のボンドパッド34の領域を
形成した。次に照射済みのレジストを除去してTi/Pd/Au
合金で被覆するためにパターン化レジスト層を形成し
た。被覆したレジストをアセトンに溶解し、導波路層18
にデポジットされたボンドパッド34を残した。これは
「リフトオフ(lift-off)」法と呼ばれる。次いで、導波路
層18に第２のe-レジスト層をデポジットし、レジストに
EBLを照射して導波路電極領域と導波路/ボンドパッド接
続領域とを形成した。照射済みのレジストを除去して導
波路層18のレジスト非含有領域を形成した。パターン化
レジストの表面を蒸着アルミニウムで被覆し、非照射レ
ジスト及びその不要なアルミニウムをアセトンに浸漬し
て除去した。この処理で、導波路電極32及びボンドパッ
ド34への結線33が形成された。次いで導波路層をレジス
トで再度被覆し、溝20の形成が必要な領域からレジスト
を除去した。次いで基板14を反応性イオンエッチング装
置に入れ、CCl2F2エッチャントを用いて溝20を形成し
た。アルミニウム電極32は導波路30にイオン遮蔽を与
え、レジストはボンドパッド34及び結線33にイオン遮蔽
を与えた。反応性イオンエッチングは完成した技術であ
るからここでは詳細に説明しない。次いで、デバイス10
にダイヤモンド針で筋を引き、支持縁に沿って切断して
導波路の出力面24及びデバイスの背面26/28を形成し
た。導波路を損傷しないように導波路自体には筋を入れ
なかった。
【００７０】次に図６から図９は、図４及び図５に示す
結果を得るために使用されたデバイス10の顕微鏡写真の
コピーを示す。説明済みの部分は同じ参照符号で示す。
図６は倍率101倍のデバイス10の平面図である。ボンド
パッド34及びそれらの結線33が視認できるが溝20及び導
波路30は視認できない。図７はアルミニウム導波路電極
32とボンドパッド34(図示せず)への結線33との間の相互
接続領域を示す。図８は図７には存在しない導波路電極
の部分を示す。図７及び図８は倍率1015倍である。
結果を得るために使用されたデバイス10の顕微鏡写真の
コピーを示す。説明済みの部分は同じ参照符号で示す。
図６は倍率101倍のデバイス10の平面図である。ボンド
パッド34及びそれらの結線33が視認できるが溝20及び導
波路30は視認できない。図７はアルミニウム導波路電極
32とボンドパッド34(図示せず)への結線33との間の相互
接続領域を示す。図８は図７には存在しない導波路電極
の部分を示す。図７及び図８は倍率1015倍である。
【００７１】図９はデバイス10の部分の斜視図を示す倍
率約4000倍の走査型電子顕微鏡写真である。劈開された
導波路出力面24、導波路30、溝20及びアルミニウム導波
路電極32がはっきりと視認できる。
率約4000倍の走査型電子顕微鏡写真である。劈開された
導波路出力面24、導波路30、溝20及びアルミニウム導波
路電極32がはっきりと視認できる。
【００７２】自由空間中で波長1.06μmの光でデバイス1
0を使用した場合を説明した。クラッディング層16はGa
1-xAlxAs[x＝1(屈折率n＝3.40)]であり、導波路層18は非
ドープGaAs(n＝3.46)である。またはクラッディング層
が別のGaAlAs系の三元化合物、例えばx＝0.3(n＝3.28)
の化合物から成ってもよい。
0を使用した場合を説明した。クラッディング層16はGa
1-xAlxAs[x＝1(屈折率n＝3.40)]であり、導波路層18は非
ドープGaAs(n＝3.46)である。またはクラッディング層
が別のGaAlAs系の三元化合物、例えばx＝0.3(n＝3.28)
の化合物から成ってもよい。
【００７３】次に図１０は、デバイス10の端面24の部分
の斜視図を示す。説明済みの部分は同じ参照符号で示
す。この図に示されたデバイスの寸法h1〜h3及びw1〜w3
は以下を意味する。
の斜視図を示す。説明済みの部分は同じ参照符号で示
す。この図に示されたデバイスの寸法h1〜h3及びw1〜w3
は以下を意味する。
【００７４】h1＝導波路コア層18の厚さ、 h2＝クラッディング層16の厚さ、 h3＝(アルミニウム32の厚さを無視した)層18の溝20の深
さw1＝導波路30の幅、 w2＝溝20の幅、 Ｌ＝導波路の長さ、 Ｄ＝デバイス入力面26/28から導波路30までの距離、 Ｐ＝デバイス10から空気中で遠視野回折像が形成される
までの最小距離(焦点合わせ不在)。
さw1＝導波路30の幅、 w2＝溝20の幅、 Ｌ＝導波路の長さ、 Ｄ＝デバイス入力面26/28から導波路30までの距離、 Ｐ＝デバイス10から空気中で遠視野回折像が形成される
までの最小距離(焦点合わせ不在)。
【００７５】表２は使用光の自由空間波長λに関する値
h1〜Ｐの設計データを示す。但しλは1〜10μmである。
導波路コア層18はGaAsである。
h1〜Ｐの設計データを示す。但しλは1〜10μmである。
導波路コア層18はGaAsである。
【００７６】表２の設計パラメータは臨界的なものでな
く指標的なものである。設計に関するより一般的な条件
に関しては後述する。デバイス10の背面26/28に入力焦
点の線を形成するために円柱レンズを使用する場合に
は、Ｄの値を小さくし得る。h1〜h3はバッファ層の組成
に依存するが、w1〜Ｐは少なくとも最初の近似式までは
依存しないことに注目されたい。
く指標的なものである。設計に関するより一般的な条件
に関しては後述する。デバイス10の背面26/28に入力焦
点の線を形成するために円柱レンズを使用する場合に
は、Ｄの値を小さくし得る。h1〜h3はバッファ層の組成
に依存するが、w1〜Ｐは少なくとも最初の近似式までは
依存しないことに注目されたい。
【００７７】
【表２】
【００７８】溝20は導波路コア層18の5/6の範囲まで延
びている。これは特定の導波路ピッチと動作波長とを調
整した値である。即ち、相反する２つの要件を以下のよ
うに折り合わせる必要がある。導波路コア層18のエッチ
ング深度が増加すると光分離(optical isolation)が強
化され、隣合う導波路の間のクロストーク即ち光結合が
減少する。エッチング深度の増加は逆に、各導波路間の
化学腐食表面の面積を増加させ、かかる表面での光散乱
を増加させ、その結果として、不要な光学モードを励起
し、光損失を増加させる。従って、適当な光分離を達成
するために必要な最小限のエッチング深度を選択する必
要がある。導波路間の離間(w2)が大きいほど所要エッチ
ング深度が減少し、また光分離も改良される。特定の設
計に関する出力回折像を観察することによって空間モー
ドの分量(content)を試験し得る。更に、スラブ状入力
導波路41を除去するために導波路入力でデバイス10を劈
開することによって１つの導波路の入力に光を集束さ
せ、光結合を測定するために全部の導波路の出力をモニ
タし得る。２つ以上の導波路からの有意な出力が存在す
ると、溝の深度及び/または導波路間の間隔を増加させ
る必要がある。
びている。これは特定の導波路ピッチと動作波長とを調
整した値である。即ち、相反する２つの要件を以下のよ
うに折り合わせる必要がある。導波路コア層18のエッチ
ング深度が増加すると光分離(optical isolation)が強
化され、隣合う導波路の間のクロストーク即ち光結合が
減少する。エッチング深度の増加は逆に、各導波路間の
化学腐食表面の面積を増加させ、かかる表面での光散乱
を増加させ、その結果として、不要な光学モードを励起
し、光損失を増加させる。従って、適当な光分離を達成
するために必要な最小限のエッチング深度を選択する必
要がある。導波路間の離間(w2)が大きいほど所要エッチ
ング深度が減少し、また光分離も改良される。特定の設
計に関する出力回折像を観察することによって空間モー
ドの分量(content)を試験し得る。更に、スラブ状入力
導波路41を除去するために導波路入力でデバイス10を劈
開することによって１つの導波路の入力に光を集束さ
せ、光結合を測定するために全部の導波路の出力をモニ
タし得る。２つ以上の導波路からの有意な出力が存在す
ると、溝の深度及び/または導波路間の間隔を増加させ
る必要がある。
【００７９】表２の値はGaAlAs上のGaAs導波路に関して
得られた値である。別の導波路材料を使用する場合、設
計パラメータは屈折率及び/または電気光学係数に合わ
せて適当に調整される。このような条件は電気光学の業
界でよく知られているのでここでは詳細に説明しない。
得られた値である。別の導波路材料を使用する場合、設
計パラメータは屈折率及び/または電気光学係数に合わ
せて適当に調整される。このような条件は電気光学の業
界でよく知られているのでここでは詳細に説明しない。
【００８０】より一般的に、本発明で考慮すべき設計条
件を以下に説明する。適当な性能を維持しながら寸法を
できるだけ小さくするのが望ましい。導波路の中心間距
離(アレイピッチw1＋w2)の減少に伴って不要なサイドロ
ーブ(より高次の回折)の回折角が増加する。メインロー
ブが0゜(照準線)に存在するとき、１つの光学波長のアレ
イピッチは±90゜にサイドローブを生成する。該当する
光学波長は、アレイの光出力を受容する媒質(例えば空
気)中の波長である。主ビーム即ちメインローブの案内
の結果、導波路内部での内部全反射によって１つのサイ
ドローブが消滅する。0.5波長のアレイピッチは主ビー
ムの全案内角度に対して不要なサイドローブ全部の内部
全反射を生じさせる。0.5波長を下回るようなアレイピ
ッチの減少は、アレイの回折特性を改良せず製造を難し
くするだけである。アレイピッチが一定である必要はな
い。アレイの回折特性は、デバイス10の出力端面24のア
レイピッチによって制御される。従ってデバイスは、出
力端面でピッチが減少した導波路アレイを組み込んでも
よい。この場合、光結合を減少させるように端面から遠
くなるに伴って導波路間の間隔を拡大してもよい。
件を以下に説明する。適当な性能を維持しながら寸法を
できるだけ小さくするのが望ましい。導波路の中心間距
離(アレイピッチw1＋w2)の減少に伴って不要なサイドロ
ーブ(より高次の回折)の回折角が増加する。メインロー
ブが0゜(照準線)に存在するとき、１つの光学波長のアレ
イピッチは±90゜にサイドローブを生成する。該当する
光学波長は、アレイの光出力を受容する媒質(例えば空
気)中の波長である。主ビーム即ちメインローブの案内
の結果、導波路内部での内部全反射によって１つのサイ
ドローブが消滅する。0.5波長のアレイピッチは主ビー
ムの全案内角度に対して不要なサイドローブ全部の内部
全反射を生じさせる。0.5波長を下回るようなアレイピ
ッチの減少は、アレイの回折特性を改良せず製造を難し
くするだけである。アレイピッチが一定である必要はな
い。アレイの回折特性は、デバイス10の出力端面24のア
レイピッチによって制御される。従ってデバイスは、出
力端面でピッチが減少した導波路アレイを組み込んでも
よい。この場合、光結合を減少させるように端面から遠
くなるに伴って導波路間の間隔を拡大してもよい。
【００８１】アレイピッチ(w1＋w2)の極大値は、ビーム
走査角度の最小許容範囲によって規定される。その理由
は、この範囲がピッチの増加に伴って減少するからであ
る。20波長のアレイピッチはデバイスに3゜の範囲の走査
角を与える。10波長以下のアレイピッチの場合には、隣
合う導波路群の光分離に必要な急激な屈折率変化を与え
るために、導波路の内部溝20に空気が充填されるのが望
ましい。製造の観点からは溝20をSiO2またはその他の絶
縁材のごとき材料で充填するのが好都合である。その場
合、充填材ができるだけ低い屈折率を有する必要があ
り、いかなる場合にも導波路コア層18の屈折率を少なく
とも1.5下回る値でなければならない。
走査角度の最小許容範囲によって規定される。その理由
は、この範囲がピッチの増加に伴って減少するからであ
る。20波長のアレイピッチはデバイスに3゜の範囲の走査
角を与える。10波長以下のアレイピッチの場合には、隣
合う導波路群の光分離に必要な急激な屈折率変化を与え
るために、導波路の内部溝20に空気が充填されるのが望
ましい。製造の観点からは溝20をSiO2またはその他の絶
縁材のごとき材料で充填するのが好都合である。その場
合、充填材ができるだけ低い屈折率を有する必要があ
り、いかなる場合にも導波路コア層18の屈折率を少なく
とも1.5下回る値でなければならない。
【００８２】直径10cmの領域の単一半導体ウェーハ上に
その他の構成素子と共に集積できる十分に小さいビーム
案内デバイスを製造することが強く要望されている。案
内されたビームをウェーハから送受信する２つの動作が
必要な場合には、デバイス及びその遠視野回折像の両方
がウェーハより小さくなければならない。w1＝0.3μm及
び(w1＋w2)＝0.6μmで波長1.06μmで動作する20個の導
波管を備えた本発明のデバイスは、出力面24から空気中
で100μmの距離にほぼ完全形の遠視野回折像を形成す
る。w＝3μm及びw2＝10μmの同様のデバイスでは前記距
離6mmである。GaAs媒質中に出力される場合には、これ
らの距離は約3.6倍になる。これに比較して、英国特許
第1,592,050号の従来技術のデバイスは幅8μmでピッチ4
0μmの導波路を使用している。かかる導波路20個を使用
した場合、動作波長1.06μmで遠視野回折像は空気中で1
0cm以上遠方に生じる。
その他の構成素子と共に集積できる十分に小さいビーム
案内デバイスを製造することが強く要望されている。案
内されたビームをウェーハから送受信する２つの動作が
必要な場合には、デバイス及びその遠視野回折像の両方
がウェーハより小さくなければならない。w1＝0.3μm及
び(w1＋w2)＝0.6μmで波長1.06μmで動作する20個の導
波管を備えた本発明のデバイスは、出力面24から空気中
で100μmの距離にほぼ完全形の遠視野回折像を形成す
る。w＝3μm及びw2＝10μmの同様のデバイスでは前記距
離6mmである。GaAs媒質中に出力される場合には、これ
らの距離は約3.6倍になる。これに比較して、英国特許
第1,592,050号の従来技術のデバイスは幅8μmでピッチ4
0μmの導波路を使用している。かかる導波路20個を使用
した場合、動作波長1.06μmで遠視野回折像は空気中で1
0cm以上遠方に生じる。
【００８３】個々の導波路の幅w1を縮小すると、より広
いより均一な回折像エンベロープが生じ、案内角に伴う
主ビーム強度の変化が小さくなる。w1の最適値は導波路
出力を受信する媒質中で0.5波長であるが、導波路内部
の内部反射損の増加を代償としてw1の値を更に縮小する
ことも可能である。導波路の妥当な最小幅は0.3波長で
ある。 所与の任意のアレイピッチにおける個々の導波路の最大
幅w1は、隣合う導波路の間に有意な光結合またはクロス
トークを生じることなく少なくともほぼ(90％以上)単一
モードの出力を得るための条件によって規定される。導
波路の幅は好ましくは、アレイピッチの1/2以下であ
る。即ちw1≦1/2(w1＋w2)またはw1≦w2である。10波長
のピッチアレイに対するw1の妥当な最大値は3波長であ
る。回折エンベロープは狭くなり、主ビーム強度は出力
面の導波路幅を増加させるためにビーム角度に伴ってよ
り大きく変化する。
いより均一な回折像エンベロープが生じ、案内角に伴う
主ビーム強度の変化が小さくなる。w1の最適値は導波路
出力を受信する媒質中で0.5波長であるが、導波路内部
の内部反射損の増加を代償としてw1の値を更に縮小する
ことも可能である。導波路の妥当な最小幅は0.3波長で
ある。 所与の任意のアレイピッチにおける個々の導波路の最大
幅w1は、隣合う導波路の間に有意な光結合またはクロス
トークを生じることなく少なくともほぼ(90％以上)単一
モードの出力を得るための条件によって規定される。導
波路の幅は好ましくは、アレイピッチの1/2以下であ
る。即ちw1≦1/2(w1＋w2)またはw1≦w2である。10波長
のピッチアレイに対するw1の妥当な最大値は3波長であ
る。回折エンベロープは狭くなり、主ビーム強度は出力
面の導波路幅を増加させるためにビーム角度に伴ってよ
り大きく変化する。
【００８４】ボンドパッド34が絶縁されておりキャパシ
タンスに寄与しないと仮定すると、デバイス10は導波路
の長さ1mmあたり0.1PFのキャパシタンスを有する。50oh
mの抵抗を伴う長さ2mmの導波路は、周波数100GHzに制限
される。しかしながら、GaAs中の50GHzの信号の波長は
約2mmであり、信号の正及び負の半サイクルは互いの効
果を相殺し得る。この結果、3dBの遮断周波数が約25GHz
に低下し得る。これに比較して、英国特許第1,592,050
号のデバイスの計算遮断周波数は約2.2GHz以下である。
従って本発明は、動作周波数を少なくとも１桁改良し得
る。
タンスに寄与しないと仮定すると、デバイス10は導波路
の長さ1mmあたり0.1PFのキャパシタンスを有する。50oh
mの抵抗を伴う長さ2mmの導波路は、周波数100GHzに制限
される。しかしながら、GaAs中の50GHzの信号の波長は
約2mmであり、信号の正及び負の半サイクルは互いの効
果を相殺し得る。この結果、3dBの遮断周波数が約25GHz
に低下し得る。これに比較して、英国特許第1,592,050
号のデバイスの計算遮断周波数は約2.2GHz以下である。
従って本発明は、動作周波数を少なくとも１桁改良し得
る。
【００８５】次に、図11は、図４及び図５の強度/角度
のグラフ100及び110の基になる遠視野回折像の２つの写
真のコピーである。前記の特性値(features)を同じ参照
符号で示す。上方の写真140では0゜に極大102が存在し±
20゜の角度を隔てて副次的極大104,106が存在する。下部
の写真42では±10゜に極大112,114が存在する。図４及び
図５のより微弱な特性値は検出されない。図11は、デバ
イス10が水平面、即ち導波路30の軸を含む平面内に極大
の精細度及び分解能を生じることを示す。しかしながら
デバイス10は、直交方向の強度の範囲を顕著に確定して
はいない。これは、極大102、等が図11の垂直方向にに
拡大していることから明らかである。かかる拡大を抑制
するために、アレイ出力をコリメートまたは収束させる
円柱レンズを使用してもよい。レンズの円柱軸は導波路
の平面内に存在し導波路の長さ方向に垂直であろう。
のグラフ100及び110の基になる遠視野回折像の２つの写
真のコピーである。前記の特性値(features)を同じ参照
符号で示す。上方の写真140では0゜に極大102が存在し±
20゜の角度を隔てて副次的極大104,106が存在する。下部
の写真42では±10゜に極大112,114が存在する。図４及び
図５のより微弱な特性値は検出されない。図11は、デバ
イス10が水平面、即ち導波路30の軸を含む平面内に極大
の精細度及び分解能を生じることを示す。しかしながら
デバイス10は、直交方向の強度の範囲を顕著に確定して
はいない。これは、極大102、等が図11の垂直方向にに
拡大していることから明らかである。かかる拡大を抑制
するために、アレイ出力をコリメートまたは収束させる
円柱レンズを使用してもよい。レンズの円柱軸は導波路
の平面内に存在し導波路の長さ方向に垂直であろう。
【００８６】デバイス10の光出力処理能力を波長1.06μ
mで試験した。各導波路30は少なくとも20mWを許容し、
デバイス10の10個の導波路は合計で200mWを与える。デ
バイス10と同様であるがより長い波長用に設計された本
発明の実施の形態は、波長に比例して設定された線形寸
法を有するであろう。波長10.6μmのCO2レーザー光線の
場合、導波路の断面積は100倍も大きくなり、原則とし
て導波路あたり少なくとも2Wの出力処理能力を与える。
従って、多数の導波路を備えた実施の形態は、高出力レ
ーザーを案内するために必要な大きい出力容量を有する
であろう。デバイス10及び同様の実施の形態の制約はア
ルミニウム層32の加熱によって規定される。アルミニウ
ム層は導波路30の内部から放射線を吸収し、約10dBの損
失を与える。図13に基づいて後述する本発明のPINダイ
オードの実施の形態ではこの制約を解消できる。デバイ
ス10と後述するデバイスの両方の利点は、所与のビーム
案内性能に必要な電力が極めて少なく、従来技術のデバ
イスよりもはるかに少ないことである。
mで試験した。各導波路30は少なくとも20mWを許容し、
デバイス10の10個の導波路は合計で200mWを与える。デ
バイス10と同様であるがより長い波長用に設計された本
発明の実施の形態は、波長に比例して設定された線形寸
法を有するであろう。波長10.6μmのCO2レーザー光線の
場合、導波路の断面積は100倍も大きくなり、原則とし
て導波路あたり少なくとも2Wの出力処理能力を与える。
従って、多数の導波路を備えた実施の形態は、高出力レ
ーザーを案内するために必要な大きい出力容量を有する
であろう。デバイス10及び同様の実施の形態の制約はア
ルミニウム層32の加熱によって規定される。アルミニウ
ム層は導波路30の内部から放射線を吸収し、約10dBの損
失を与える。図13に基づいて後述する本発明のPINダイ
オードの実施の形態ではこの制約を解消できる。デバイ
ス10と後述するデバイスの両方の利点は、所与のビーム
案内性能に必要な電力が極めて少なく、従来技術のデバ
イスよりもはるかに少ないことである。
【００８７】次に、記載済みの部分を同じ参照符号で示
す図12は、本発明の2つのデバイス10a,10bの部分概略図
である。デバイス10a及び10bは、同一平面内に端面即ち
導波路出力面24a,24bを有するように編成されている。
しかしながら、導波路アレイは互いに直角に配置されて
Ｔ形構造を形成している。即ち導波路30bは、導波路30a
を含む水平面の中央の上方に垂直に順次配列されてい
る。この設計では、適当な導波路バイアス電圧で２つの
方向で案内可能なほぼ円形の主要回折極大が生じる。
す図12は、本発明の2つのデバイス10a,10bの部分概略図
である。デバイス10a及び10bは、同一平面内に端面即ち
導波路出力面24a,24bを有するように編成されている。
しかしながら、導波路アレイは互いに直角に配置されて
Ｔ形構造を形成している。即ち導波路30bは、導波路30a
を含む水平面の中央の上方に垂直に順次配列されてい
る。この設計では、適当な導波路バイアス電圧で２つの
方向で案内可能なほぼ円形の主要回折極大が生じる。
【００８８】図12と同様のその他の設計も可能である。
１つの可能性はＬ形構造である。即ち、前記同様に２つ
のデバイス10が、同一平面上に端面24を有し導波路が互
いに垂直になるように配置されるが、導波路が端端接続
されている。または、中空の方形を有するように４つの
デバイスを編成してもよい。または、４つのデバイス10
を、２つのＬ形配置の頂点を互いに接続した構造と等価
のＸ構造に編成してもよい。いずれの場合にも４つのデ
バイス10は中央支柱に集成される。導波路のバイアス電
圧を調整することによって対称性からの逸脱をある程度
調整できる。実際、設計の幾何学的な逸脱が単なるバイ
アス電圧の調整によって改善できることは本発明の重要
な利点である。導波路のバイアス電圧を変化させること
によって、デバイスの理想形からの幾何学的な逸脱によ
って生じた導波路の出力位相のずれを補正し得る。
１つの可能性はＬ形構造である。即ち、前記同様に２つ
のデバイス10が、同一平面上に端面24を有し導波路が互
いに垂直になるように配置されるが、導波路が端端接続
されている。または、中空の方形を有するように４つの
デバイスを編成してもよい。または、４つのデバイス10
を、２つのＬ形配置の頂点を互いに接続した構造と等価
のＸ構造に編成してもよい。いずれの場合にも４つのデ
バイス10は中央支柱に集成される。導波路のバイアス電
圧を調整することによって対称性からの逸脱をある程度
調整できる。実際、設計の幾何学的な逸脱が単なるバイ
アス電圧の調整によって改善できることは本発明の重要
な利点である。導波路のバイアス電圧を変化させること
によって、デバイスの理想形からの幾何学的な逸脱によ
って生じた導波路の出力位相のずれを補正し得る。
【００８９】図12の構造、及び同様のＬ形、中空方形及
びＸ形構造は、前記のごとく構成された個々のデバイス
10のアセンブリから製造され得る。デバイス10を１つま
たは複数の別のデバイスに対して相対的に調整するため
に公知のマイクロ操作装置を用いる。調整後、デバイス
アセンブリを樹脂に封入し得る。かかるアセンブリの個
々のデバイスは、組み合わせ光出力を観察することによ
って相対的に位置決めされ得る。各デバイスは、導波路
電圧調整によって所与の回折像を生じるように編成され
得る。
びＸ形構造は、前記のごとく構成された個々のデバイス
10のアセンブリから製造され得る。デバイス10を１つま
たは複数の別のデバイスに対して相対的に調整するため
に公知のマイクロ操作装置を用いる。調整後、デバイス
アセンブリを樹脂に封入し得る。かかるアセンブリの個
々のデバイスは、組み合わせ光出力を観察することによ
って相対的に位置決めされ得る。各デバイスは、導波路
電圧調整によって所与の回折像を生じるように編成され
得る。
【００９０】正確に相対位置決めされたデバイスから得
られる２つの組み合わせ像は、予め設定可能な組み合わ
せ像を生じるであろう。従って、所望の組み合わせ像が
得られるまで一方のデバイスを他方のデバイスに対して
相対移動させるだけでよい。勿論、各デバイスの各導波
路への光入力がデバイスの作動中に変化しないことが重
要である。
られる２つの組み合わせ像は、予め設定可能な組み合わ
せ像を生じるであろう。従って、所望の組み合わせ像が
得られるまで一方のデバイスを他方のデバイスに対して
相対移動させるだけでよい。勿論、各デバイスの各導波
路への光入力がデバイスの作動中に変化しないことが重
要である。
【００９１】アセンブリ中の個々のデバイス10は分岐フ
ァイバ光結合器を介して単一光源から入力光を受容し得
る。
ァイバ光結合器を介して単一光源から入力光を受容し得
る。
【００９２】次に図13は、本発明の変形例150の一部を
(案分比例でない)部分斜視図で示す。デバイス150は、
両側に隣接溝154を備えた中央導波路152を有する。図を
分かり易くするために導波路を１つだけ図示したが、実
際にはデバイス10に関して前述したように多数の導波路
/溝構造が使用される。
(案分比例でない)部分斜視図で示す。デバイス150は、
両側に隣接溝154を備えた中央導波路152を有する。図を
分かり易くするために導波路を１つだけ図示したが、実
際にはデバイス10に関して前述したように多数の導波路
/溝構造が使用される。
【００９３】デバイス150は、厚さ1μmのp形GaAsバッフ
ァ層158を担持するp形GaAs基板156を有する。層158は任
意であり削除してもよい。この組み合わせに、Znドーパ
ント濃度5×1017cm-3を有するp形Ga0.9Al0.1Asから成る
厚さ1μmの下部クラッディング層160が積層されてい
る。層160はドーパント濃度1015cm-3を有するπ形(非ド
ープだが残留p形)GaAsの導波路層162を担持している。
層162は導波路152のコア層を形成しこの領域で厚さ1μm
である。また、溝154の底面を形成しこの領域では厚さ
0.2μmである。Siドーパント濃度1017cm-3を有するn形G
a0.9Al0.1Asから成る厚さ1μmの上部クラッディング層1
64が層162の導波路領域に積層されている。この層はSi
ドーパント濃度3×1018cm-3を有する厚さ0.3μmのn+ Ga
As層166を担持している。Au/Ge合金のオーミック接触層
168がn+層166を被覆している。
ァ層158を担持するp形GaAs基板156を有する。層158は任
意であり削除してもよい。この組み合わせに、Znドーパ
ント濃度5×1017cm-3を有するp形Ga0.9Al0.1Asから成る
厚さ1μmの下部クラッディング層160が積層されてい
る。層160はドーパント濃度1015cm-3を有するπ形(非ド
ープだが残留p形)GaAsの導波路層162を担持している。
層162は導波路152のコア層を形成しこの領域で厚さ1μm
である。また、溝154の底面を形成しこの領域では厚さ
0.2μmである。Siドーパント濃度1017cm-3を有するn形G
a0.9Al0.1Asから成る厚さ1μmの上部クラッディング層1
64が層162の導波路領域に積層されている。この層はSi
ドーパント濃度3×1018cm-3を有する厚さ0.3μmのn+ Ga
As層166を担持している。Au/Ge合金のオーミック接触層
168がn+層166を被覆している。
【００９４】導波路152はPINダイオード構造を構成して
おり、層160、162及び164は夫々Ｐ、Ｉ及びＮ領域を構
成している。光はダイオードのI領域即ち層162に案内さ
れる。動作中にダイオードは逆バイアスされ、層162のI
領域に高電界が生じる。多数の溝/導波路構造に拡張さ
れたデバイス150の動作は、デバイス10に関して前述し
た動作と同様である。デバイス150の利点は、デバイス1
0と違って、透過された光強度の減衰を生じさせる導波
路層162と接触した金属層が存在しないことである。勿
論、吸収を阻止するために導波路コア層18とアルミニウ
ム層32との間に層164と等価の非ドープ上部クラッディ
ング層を導入することも可能である。
おり、層160、162及び164は夫々Ｐ、Ｉ及びＮ領域を構
成している。光はダイオードのI領域即ち層162に案内さ
れる。動作中にダイオードは逆バイアスされ、層162のI
領域に高電界が生じる。多数の溝/導波路構造に拡張さ
れたデバイス150の動作は、デバイス10に関して前述し
た動作と同様である。デバイス150の利点は、デバイス1
0と違って、透過された光強度の減衰を生じさせる導波
路層162と接触した金属層が存在しないことである。勿
論、吸収を阻止するために導波路コア層18とアルミニウ
ム層32との間に層164と等価の非ドープ上部クラッディ
ング層を導入することも可能である。
【００９５】実用的なデバイス150の実施の形態では、
多数の導波路152と、背面26/28と導波路入力との間でデ
バイス10の背面領域41と等価の入力領域に光結合された
溝154とが組み込まれるであろう。n+層166の存在によっ
てデバイス150の背面領域は、電極33とボンドパッド34
との間の等価の結線33を一緒に短絡させるであろうが、
この解決は容易である。各導波路152の光入力端で層166
にノッチを設け、このノッチを層164の途中まで到達さ
せる。次にn+層166の背面領域(導波路152でない処)をポ
リイミドのごとき誘電体で被覆し、ノッチにも該誘電体
を充填する。前述のエレメント33/34と等価の金属化ボ
ンドパッド及びその結線を背面領域の誘電性被膜の上に
形成し、個々の導波路とのオーミック接触168との接続
を維持して互いに絶縁させる。
多数の導波路152と、背面26/28と導波路入力との間でデ
バイス10の背面領域41と等価の入力領域に光結合された
溝154とが組み込まれるであろう。n+層166の存在によっ
てデバイス150の背面領域は、電極33とボンドパッド34
との間の等価の結線33を一緒に短絡させるであろうが、
この解決は容易である。各導波路152の光入力端で層166
にノッチを設け、このノッチを層164の途中まで到達さ
せる。次にn+層166の背面領域(導波路152でない処)をポ
リイミドのごとき誘電体で被覆し、ノッチにも該誘電体
を充填する。前述のエレメント33/34と等価の金属化ボ
ンドパッド及びその結線を背面領域の誘電性被膜の上に
形成し、個々の導波路とのオーミック接触168との接続
を維持して互いに絶縁させる。
【００９６】図14はデバイス150の好ましい設計パラメ
ータを示す。前記に記載の部分は同じ参照符号で示す。
この図は、デバイス150の端面170の斜視図であり、パラ
メータh1〜h4、w1及びw2を示す。デバイスは更に、図示
しないパラメータＬ、Ｄ及びＰを有する。h4以外のパラ
メータに関してはデバイス10において説明した。パラメ
ータh2、h3、w1、w2、Ｌ、Ｄ及びＰは表２に示した値で
ある。デバイス150のパラメータh1は、デバイス10のh1
とは異なる値であり、0.5λ〜1.0λの範囲である。パラ
メータh4はn+層166の厚さであり、0.5λ以上でなければ
ならない。
ータを示す。前記に記載の部分は同じ参照符号で示す。
この図は、デバイス150の端面170の斜視図であり、パラ
メータh1〜h4、w1及びw2を示す。デバイスは更に、図示
しないパラメータＬ、Ｄ及びＰを有する。h4以外のパラ
メータに関してはデバイス10において説明した。パラメ
ータh2、h3、w1、w2、Ｌ、Ｄ及びＰは表２に示した値で
ある。デバイス150のパラメータh1は、デバイス10のh1
とは異なる値であり、0.5λ〜1.0λの範囲である。パラ
メータh4はn+層166の厚さであり、0.5λ以上でなければ
ならない。
【００９７】本発明の光ビーム案内装置は、光学的読取
り及び書込み用に使用され得る。書込みの際には、回折
ビームを受容す光感受性表面を有する前記の実施の形態
のいずれかを使用するだけでよい。不要な回折次数は導
波路出力のコリメーションによって除去され得る。また
は、より密集して実装されたより多数の導波路をデバイ
スに組み込んでもよい。この結果、より幅の狭い主要極
大を得ることができ、副次的極大はより大きい回折角で
シフトする。
り及び書込み用に使用され得る。書込みの際には、回折
ビームを受容す光感受性表面を有する前記の実施の形態
のいずれかを使用するだけでよい。不要な回折次数は導
波路出力のコリメーションによって除去され得る。また
は、より密集して実装されたより多数の導波路をデバイ
スに組み込んでもよい。この結果、より幅の狭い主要極
大を得ることができ、副次的極大はより大きい回折角で
シフトする。
【００９８】図15は、本発明のデバイス10を組み込んだ
光読取装置の概略平面図を示す。光読取装置全体が符号
180で示される。読取装置180は、デバイス10から焦点距
離f1だけ離間した第１の球面レンズ182を有する。デバ
イス10からでた光はレンズ182を介して傾斜45゜のビーム
スプリッタ184に入り、そこから焦点距離f1の円柱レンズ
に入る。レンズ186の湾曲軸は図の平面内に存在し、レ
ンズの中心とデバイス10とを結ぶ線に垂直である。光は
レンズ186を経由し、読取るべきデータを記憶した光デ
ィスク188に入る。レンズ186/ディスク188の離間距離は
f1に等しい。ディスク188から反射された光はレンズ186
を通って戻り、ビームスプリッタ184で反射される。焦
点距離f2の第３のレンズ190が、ビームスプリッタ184か
らの光をGaInAs光ダイオードデテクタ192の40μm×10μ
mの大きさの光感受性領域(図示せず)に集束する(f1＝f2
の場合)。レンズ190／光ダイオード間はf2に等しい。
光読取装置の概略平面図を示す。光読取装置全体が符号
180で示される。読取装置180は、デバイス10から焦点距
離f1だけ離間した第１の球面レンズ182を有する。デバ
イス10からでた光はレンズ182を介して傾斜45゜のビーム
スプリッタ184に入り、そこから焦点距離f1の円柱レンズ
に入る。レンズ186の湾曲軸は図の平面内に存在し、レ
ンズの中心とデバイス10とを結ぶ線に垂直である。光は
レンズ186を経由し、読取るべきデータを記憶した光デ
ィスク188に入る。レンズ186/ディスク188の離間距離は
f1に等しい。ディスク188から反射された光はレンズ186
を通って戻り、ビームスプリッタ184で反射される。焦
点距離f2の第３のレンズ190が、ビームスプリッタ184か
らの光をGaInAs光ダイオードデテクタ192の40μm×10μ
mの大きさの光感受性領域(図示せず)に集束する(f1＝f2
の場合)。レンズ190／光ダイオード間はf2に等しい。
【００９９】光読取装置180は以下のごとく動作する。
第１レンズ182によってデバイス10からの光を平行にし
コリメートして不要な副次的極大を除去する。円柱レン
ズ186はディスク188の表面の小スポットに光を集束す
る。即ちレンズ186は、図11のごとく発生する筈のデバ
イス10の平面に垂直な方向のビームの発散を消去させ
る。デバイス10の導波路出力の実像が第３レンズ190に
よってデテクタ192の表面に形成される。像の大きさは
デバイス10の光出力領域の大きさのf2/f1倍である。入
射光が集束される場所で光ディスクが反射性であるか否
かに従って、像の強度に高低が生じる。従ってデテクタ
192は、ディスク188の当該場所の符号化ビット値に対応
して高い値または低い値になるディジタル電圧出力を与
える。デバイス10に印加される導波路電圧を変化させる
ことによって光焦点が１方向に(図の平面内で)走査され
る。この結果、ディスク188の隣接する符号化ビットが
順次読取られ、デテクタ192から出力される。別の情報
を読取るために引き続いてディスク188を回転させる。図
12の装置を使用すると２次元の電気光学的読取りが可能
なのでディスク188を回転させる必要がない。
第１レンズ182によってデバイス10からの光を平行にし
コリメートして不要な副次的極大を除去する。円柱レン
ズ186はディスク188の表面の小スポットに光を集束す
る。即ちレンズ186は、図11のごとく発生する筈のデバ
イス10の平面に垂直な方向のビームの発散を消去させ
る。デバイス10の導波路出力の実像が第３レンズ190に
よってデテクタ192の表面に形成される。像の大きさは
デバイス10の光出力領域の大きさのf2/f1倍である。入
射光が集束される場所で光ディスクが反射性であるか否
かに従って、像の強度に高低が生じる。従ってデテクタ
192は、ディスク188の当該場所の符号化ビット値に対応
して高い値または低い値になるディジタル電圧出力を与
える。デバイス10に印加される導波路電圧を変化させる
ことによって光焦点が１方向に(図の平面内で)走査され
る。この結果、ディスク188の隣接する符号化ビットが
順次読取られ、デテクタ192から出力される。別の情報
を読取るために引き続いてディスク188を回転させる。図
12の装置を使用すると２次元の電気光学的読取りが可能
なのでディスク188を回転させる必要がない。
【０１００】光読取装置180またはその他の用途でビー
ムの案内または走査を行なうために、デバイス10の各導
波路30の出力位相をディジタル電子制御してもよい。逐
次走査を反復する場合、各導波路は夫々のメモリからデ
ィジタル導波路電圧情報を受信する夫々のディジタル/
アナログコンバータ(D/A)から一連のバイアス電圧を受
容する。これに応じて、メモリに与えられるクロック信
号は導波路出力ビームの位相値を順次生成する。従っ
て、全部のメモリが同期的にクロックされると、図４及
び図５に関して前記に説明したようにデバイス10の遠視
野回折像に主極大位置が順次出現する。
ムの案内または走査を行なうために、デバイス10の各導
波路30の出力位相をディジタル電子制御してもよい。逐
次走査を反復する場合、各導波路は夫々のメモリからデ
ィジタル導波路電圧情報を受信する夫々のディジタル/
アナログコンバータ(D/A)から一連のバイアス電圧を受
容する。これに応じて、メモリに与えられるクロック信
号は導波路出力ビームの位相値を順次生成する。従っ
て、全部のメモリが同期的にクロックされると、図４及
び図５に関して前記に説明したようにデバイス10の遠視
野回折像に主極大位置が順次出現する。
【０１０１】図15のデバイス180のデテクタ192は少なく
とも5GHzの動作速度が可能な公知のデテクタである。キ
ャパシタンス条件から考慮すると、デバイス10は1GHz以
上の速度で印加導波路電圧に応答し得る。導波路電圧を
与えるためにメモリ及びD/Aコンバータを使用すると、
公知のディジタル電子素子で0.3GHzまでのメモリクロッ
ク速度を実現し得る。光ビーム案内速度の限定要因は従
来の電子素子にあり、本発明には起因しない。
とも5GHzの動作速度が可能な公知のデテクタである。キ
ャパシタンス条件から考慮すると、デバイス10は1GHz以
上の速度で印加導波路電圧に応答し得る。導波路電圧を
与えるためにメモリ及びD/Aコンバータを使用すると、
公知のディジタル電子素子で0.3GHzまでのメモリクロッ
ク速度を実現し得る。光ビーム案内速度の限定要因は従
来の電子素子にあり、本発明には起因しない。
【０１０２】次に案分比例でない図16は、１〜Ｎ方向ス
イッチと考えてもよい本発明の別のデバイス200の概略
図である。デバイス200は平面図で示されており、図１
の順次積層(図示せず)を有する半導体多層構造である。
イッチと考えてもよい本発明の別のデバイス200の概略
図である。デバイス200は平面図で示されており、図１
の順次積層(図示せず)を有する半導体多層構造である。
【０１０３】デバイス200は、光入力縁202と両端が閉鎖
された第１組の溝204(斜線領域)とを有する。溝間領域
にビーム案内導波路206が形成され、前述のごとく(図示
しない)埋設された導波路下部クラッディング層までエ
ッチングされている。分かり易いように、５つの溝204
と４つの導波路206とだけを図示するが、デバイス200
は、図１及び図６から図９に関して説明したデバイス10
と同様に10個の導波路を有する。溝204は入力縁202から
0.3mm離間し、両者間に光拡大領域208が存在する。入力
光が溝204にバイパスされないように、(図示しない)開
口停止手段を設けてもよい。溝及び導波路の寸法は表２
に示した値である。導波路206は、ボンドパッド212に接
続された電極210を有し、電極及びボンドパッドは各２
つずつ図示されている。エレメント202〜212はデバイス
10と等価のビーム案内デバイス214を形成する。
された第１組の溝204(斜線領域)とを有する。溝間領域
にビーム案内導波路206が形成され、前述のごとく(図示
しない)埋設された導波路下部クラッディング層までエ
ッチングされている。分かり易いように、５つの溝204
と４つの導波路206とだけを図示するが、デバイス200
は、図１及び図６から図９に関して説明したデバイス10
と同様に10個の導波路を有する。溝204は入力縁202から
0.3mm離間し、両者間に光拡大領域208が存在する。入力
光が溝204にバイパスされないように、(図示しない)開
口停止手段を設けてもよい。溝及び導波路の寸法は表２
に示した値である。導波路206は、ボンドパッド212に接
続された電極210を有し、電極及びボンドパッドは各２
つずつ図示されている。エレメント202〜212はデバイス
10と等価のビーム案内デバイス214を形成する。
【０１０４】第２組の８つの溝220は、埋設クラッディ
ング層までエッチングされ７つの受容導波路222を形成
している。受容導波路222はビーム案内導波路206から光
を受容するように設計され、長さ1.8mmの溝のない中央
領域224によって導波路206から隔てられている。溝220
及び導波路222は長さ3mmで幅10μmであり、深さ方向の
寸法に関しては溝204及び導波路206と同様である。受容
導波路222は縁226を有するデバイス200の端面で終了
し、ここから光出力が得られる。点線228で示すよう
に、デバイス214の中央は中央の受容導波路2220に軸合
わせされている。線228は非偏向出力ビームの方向に対
応する。
ング層までエッチングされ７つの受容導波路222を形成
している。受容導波路222はビーム案内導波路206から光
を受容するように設計され、長さ1.8mmの溝のない中央
領域224によって導波路206から隔てられている。溝220
及び導波路222は長さ3mmで幅10μmであり、深さ方向の
寸法に関しては溝204及び導波路206と同様である。受容
導波路222は縁226を有するデバイス200の端面で終了
し、ここから光出力が得られる。点線228で示すよう
に、デバイス214の中央は中央の受容導波路2220に軸合
わせされている。線228は非偏向出力ビームの方向に対
応する。
【０１０５】デバイス200は、以下のごとく動作する。
矢印230で示される光は縁202を有する端面に集束され
る。光は、拡大領域208で発散し、ビーム案内用導波路2
06に到達する。中央領域224に導波路206から出力される
ビームは、電極210に印加される電圧によって方向制御
される。図４及び図５に関して前述したように、デバイ
ス214からでた中央回折極大は＋10゜〜−10゜までの20゜の
範囲にわたって案内可能である。非偏向出力方向228に
対する10゜の角度は、受容導波路222で80μm以上の偏向
に対応する。しかしながら、中央受容導波路2200から最
も外側の導波路までの偏向は60μmの偏向しか要しな
い。更に、デバイス214はバンド幅1.5゜を有し、この幅は
受容導波路222の各々がビーム案内導波路206に対して形
成する角度にほぼ等しい。従って、デバイス214からの
出力ビームは一度に１つだけの受容導波路222によって
受容され、ビームはボンドパッド21に適当な電圧を印加
することによって受容導波路のいずれか１つにスイッチ
ングされ得る。従ってデバイスは、電子的に作動する１
〜７方向光学スイッチとして機能する。
矢印230で示される光は縁202を有する端面に集束され
る。光は、拡大領域208で発散し、ビーム案内用導波路2
06に到達する。中央領域224に導波路206から出力される
ビームは、電極210に印加される電圧によって方向制御
される。図４及び図５に関して前述したように、デバイ
ス214からでた中央回折極大は＋10゜〜−10゜までの20゜の
範囲にわたって案内可能である。非偏向出力方向228に
対する10゜の角度は、受容導波路222で80μm以上の偏向
に対応する。しかしながら、中央受容導波路2200から最
も外側の導波路までの偏向は60μmの偏向しか要しな
い。更に、デバイス214はバンド幅1.5゜を有し、この幅は
受容導波路222の各々がビーム案内導波路206に対して形
成する角度にほぼ等しい。従って、デバイス214からの
出力ビームは一度に１つだけの受容導波路222によって
受容され、ビームはボンドパッド21に適当な電圧を印加
することによって受容導波路のいずれか１つにスイッチ
ングされ得る。従ってデバイスは、電子的に作動する１
〜７方向光学スイッチとして機能する。
【０１０６】光は、受容導波路222の終点となる端面26
でデバイス200から放出される。光は、ボンドパッド電
圧に従って選択された導波路222の１つに閉じ込められ
る。デバイス200は、付加的な光学処理または電気光学
的処理を組み込んだより大きい(図示しない)半導体チッ
プまたはウェーハの一部でもよい。特に、受容導波管22
2の終点が、以後の処理用電気信号を与える夫々のデテ
クタであってもよい。
でデバイス200から放出される。光は、ボンドパッド電
圧に従って選択された導波路222の１つに閉じ込められ
る。デバイス200は、付加的な光学処理または電気光学
的処理を組み込んだより大きい(図示しない)半導体チッ
プまたはウェーハの一部でもよい。特に、受容導波管22
2の終点が、以後の処理用電気信号を与える夫々のデテ
クタであってもよい。
【０１０７】次に、図17は、デバイス200の受容導波路
構造の変形例230を示す。構造230は、個別導波路232を
有する。中央導波路2320は真っ直ぐであるが、その他の
導波路234は湾曲した入力領域と真っ直ぐな領域とを有
し、入力領域の湾曲の効果は、以後の光学的及び/また
は電気光学的処理に適するように隣接導波管出力238の
間の分離を強化することである。これはまた、特に広い
偏向角の受容導波路による高い光収集効率を確保する。
構造の変形例230を示す。構造230は、個別導波路232を
有する。中央導波路2320は真っ直ぐであるが、その他の
導波路234は湾曲した入力領域と真っ直ぐな領域とを有
し、入力領域の湾曲の効果は、以後の光学的及び/また
は電気光学的処理に適するように隣接導波管出力238の
間の分離を強化することである。これはまた、特に広い
偏向角の受容導波路による高い光収集効率を確保する。
【０１０８】本発明の実施の形態であるデバイス10及び
150は、２種以上の半導体材料を含むヘテロ構造であ
り、夫々非ドープの導波路30及び152を有する。しかし
ながら本発明の実施の形態が、電気光学的特性を強化し
且つより短い導波路を使用できるドープ導波路を組み込
むように設計されてもよい。GaAs導波路にはSiを濃度10
17cm-3でドープし得る。または各導波路が、多重量子井
戸構造でもよく、これも電気光学的特性を改良し得る。
150は、２種以上の半導体材料を含むヘテロ構造であ
り、夫々非ドープの導波路30及び152を有する。しかし
ながら本発明の実施の形態が、電気光学的特性を強化し
且つより短い導波路を使用できるドープ導波路を組み込
むように設計されてもよい。GaAs導波路にはSiを濃度10
17cm-3でドープし得る。または各導波路が、多重量子井
戸構造でもよく、これも電気光学的特性を改良し得る。
【０１０９】本発明はまた、例えばシリコンに半導体ヘ
テロ構造として形成されてもよい。シリコンは一次電気
光学効果を有していないが、二次効果及びドーピング効
果を使用し得る。低屈折率の媒質と境界を接したコアを
有する導波路を形成する必要があり、ドーピングの増加
によって屈折率を低下させ得る。可能なシリコン構造の
１つはp+−n-−n+構造であり、軽度にドープされた中央
導波路領域が、縮退的に(〜1018cm-3に)ドープされた互
いに反対の導電形を有する層の間にサンドイッチされて
いる。水平面内で導波路は前述の実施の形態と同様の中
間溝によって分離されている。または、分離領域自体が
屈折率を低下するようにドープされてもよい。しかしな
がら、この場合には、導波路電極が短絡しないように、
導波路電極を分離用領域から絶縁する必要がある。ドー
ピングレベルの変化及び/または絶縁はプロトン絶縁法
(proton isolation technique)によって得られる。
テロ構造として形成されてもよい。シリコンは一次電気
光学効果を有していないが、二次効果及びドーピング効
果を使用し得る。低屈折率の媒質と境界を接したコアを
有する導波路を形成する必要があり、ドーピングの増加
によって屈折率を低下させ得る。可能なシリコン構造の
１つはp+−n-−n+構造であり、軽度にドープされた中央
導波路領域が、縮退的に(〜1018cm-3に)ドープされた互
いに反対の導電形を有する層の間にサンドイッチされて
いる。水平面内で導波路は前述の実施の形態と同様の中
間溝によって分離されている。または、分離領域自体が
屈折率を低下するようにドープされてもよい。しかしな
がら、この場合には、導波路電極が短絡しないように、
導波路電極を分離用領域から絶縁する必要がある。ドー
ピングレベルの変化及び/または絶縁はプロトン絶縁法
(proton isolation technique)によって得られる。
【０１１０】本発明は、GaAlAs以外のIII-Ｖ族材料系、
例えばGaInAsPによって製造され得る。また、CdTe及びC
dHgTeのごときII-VI族半導体材料によって製造され得
る。CdTeはGaAsの約4倍のかなり強力な電気光学効果を
与え、CdHgTe材料系はより長い波長の赤外領域に適して
いる。ZnSe導波路は約500nmの可視波長の青-緑領域に使
用され得る。
例えばGaInAsPによって製造され得る。また、CdTe及びC
dHgTeのごときII-VI族半導体材料によって製造され得
る。CdTeはGaAsの約4倍のかなり強力な電気光学効果を
与え、CdHgTe材料系はより長い波長の赤外領域に適して
いる。ZnSe導波路は約500nmの可視波長の青-緑領域に使
用され得る。
【０１１１】前記に説明した本発明のデバイス10は波長
1.06μmで動作する。より一般的には、同様の方法で同
じ材料から製造され異なる幾何学形の導波路を有するデ
バイスは、12μmまでの波長に使用するように構成され
得る。このためにはより長い導波路が必要であろうが、
これは、従来のリソグラフィー技術の範囲で処理でき
る。この種のデバイスは、3〜5μm及び8〜11μmの領域
で動作する赤外線システムでも使用可能であろう。
1.06μmで動作する。より一般的には、同様の方法で同
じ材料から製造され異なる幾何学形の導波路を有するデ
バイスは、12μmまでの波長に使用するように構成され
得る。このためにはより長い導波路が必要であろうが、
これは、従来のリソグラフィー技術の範囲で処理でき
る。この種のデバイスは、3〜5μm及び8〜11μmの領域
で動作する赤外線システムでも使用可能であろう。
【０１１２】前記では本発明の用途がビーム案内に限定
されている。更に、デバイスの導波路を進行する光に強
度変調を与え回折から生じるフーリエ変換特性を利用す
ることによってデバイスを光信号処理にも使用できる。
デバイス10はまた、GaAsが電界吸収性を示す波長、即ち
波長1μmで動作するときは吸収変調器を構成し得る。こ
の場合デバイスは、振幅または位相を制御する空間光変
調器として機能する。本発明はまた、超小型光学分光計
を構成し得る。デバイス10を例えば単一受容導波路で使
用してもよく、回折像のビーム案内は受容導波路の入力
光の波長走査を生じるであろう。または、単一波長で動
作する装置は、ビーム偏向または幅制御を使用して受容
導波路で光強度の変調を生じるプログラム可能な光学波
形発生器を構成することも可能であろう。
されている。更に、デバイスの導波路を進行する光に強
度変調を与え回折から生じるフーリエ変換特性を利用す
ることによってデバイスを光信号処理にも使用できる。
デバイス10はまた、GaAsが電界吸収性を示す波長、即ち
波長1μmで動作するときは吸収変調器を構成し得る。こ
の場合デバイスは、振幅または位相を制御する空間光変
調器として機能する。本発明はまた、超小型光学分光計
を構成し得る。デバイス10を例えば単一受容導波路で使
用してもよく、回折像のビーム案内は受容導波路の入力
光の波長走査を生じるであろう。または、単一波長で動
作する装置は、ビーム偏向または幅制御を使用して受容
導波路で光強度の変調を生じるプログラム可能な光学波
形発生器を構成することも可能であろう。
【０１１３】本発明はまた、図16のデバイス200と同様
の波長多重化分離デバイス(wavelength demultiplexing
device)を提供し得る。個々の波長の混合から成る光ビ
ームが導波路206を通過する。このとき、各受容導波路2
22が夫々の単一波長を受容するように導波路電圧を調整
する。これにより出発多重波長ビームは、単一波長を各
々が有する個別ビームに分割され、その結果として多重
化分離が得られる。
の波長多重化分離デバイス(wavelength demultiplexing
device)を提供し得る。個々の波長の混合から成る光ビ
ームが導波路206を通過する。このとき、各受容導波路2
22が夫々の単一波長を受容するように導波路電圧を調整
する。これにより出発多重波長ビームは、単一波長を各
々が有する個別ビームに分割され、その結果として多重
化分離が得られる。
【０１１４】前述の本発明の実施の形態において、デバ
イス10の導波路30からの光出力は平面波の形状であり、
この波形は、導波路バイアス電圧の調整によって得られ
たものである。光学素子または器具における収差を補正
するために１つ以上の光焦点を生成させるのが必要な場
合には、バイアス電圧制御によって平面でない波面を発
生させることも可能である。波面の形状に関する制御
は、アレイ中の導波路の数を増加させ、これら導波路の
幅及び間隔を小さくすることによって強化される。波長
1.06μmで使用するための波面制御アレイは、各々が幅1
μm未満の数100個の導波路を隣合う導波路間の中心間距
離2μm未満で組み込むように構成され得る。このような
基準を用いると、高次の回折がアレイの照準線(非偏向)
方向に対して広い角度を成すことが確保される。従っ
て、高次の回折が主要な光ビームと干渉しない。各導波
路の不連続性は問題にならない。これらの条件下にアレ
イは、電子的に制御される光波面発生器として作用する
ようにバイアスされ得る。隣合う導波路間のピッチ即ち
中心間距離が自由空間光学波長の1/2以下に等しいと
き、アレイ中の導波路の不連続性は完全に無視してよ
く、より高次の回折は存在しなくなる。
イス10の導波路30からの光出力は平面波の形状であり、
この波形は、導波路バイアス電圧の調整によって得られ
たものである。光学素子または器具における収差を補正
するために１つ以上の光焦点を生成させるのが必要な場
合には、バイアス電圧制御によって平面でない波面を発
生させることも可能である。波面の形状に関する制御
は、アレイ中の導波路の数を増加させ、これら導波路の
幅及び間隔を小さくすることによって強化される。波長
1.06μmで使用するための波面制御アレイは、各々が幅1
μm未満の数100個の導波路を隣合う導波路間の中心間距
離2μm未満で組み込むように構成され得る。このような
基準を用いると、高次の回折がアレイの照準線(非偏向)
方向に対して広い角度を成すことが確保される。従っ
て、高次の回折が主要な光ビームと干渉しない。各導波
路の不連続性は問題にならない。これらの条件下にアレ
イは、電子的に制御される光波面発生器として作用する
ようにバイアスされ得る。隣合う導波路間のピッチ即ち
中心間距離が自由空間光学波長の1/2以下に等しいと
き、アレイ中の導波路の不連続性は完全に無視してよ
く、より高次の回折は存在しなくなる。
【０１１５】図18から図21は、それぞれの光学波面を生
成する種々の導波路バイアス条件下の導波路アレイ300
の概略図である。これらの図中、同じ素子は同じ参照符
号で示される。波長1.06μmの光を使用する緊密に接近
した(＜2μm)幅の狭い(＜1μm)数100個の導波路を含む
アレイによる波面制御が示される。図18において、(詳
細には図示しない)アレイ導波路に沿って進行する光301
は、符号302で示すような平面波状の光出力波面を生成
する。これらは矢印304で示すように、アレイ照準線方
向即ち非偏向方向に対して傾斜した方向に進行する。非
偏向方向306に対して傾斜した平面波302は、導波路出力
の位相がアレイ300の横断方向の距離の一次関数として
変化するときに得られる。
成する種々の導波路バイアス条件下の導波路アレイ300
の概略図である。これらの図中、同じ素子は同じ参照符
号で示される。波長1.06μmの光を使用する緊密に接近
した(＜2μm)幅の狭い(＜1μm)数100個の導波路を含む
アレイによる波面制御が示される。図18において、(詳
細には図示しない)アレイ導波路に沿って進行する光301
は、符号302で示すような平面波状の光出力波面を生成
する。これらは矢印304で示すように、アレイ照準線方
向即ち非偏向方向に対して傾斜した方向に進行する。非
偏向方向306に対して傾斜した平面波302は、導波路出力
の位相がアレイ300の横断方向の距離の一次関数として
変化するときに得られる。
【０１１６】図19は、非偏向方向306から偏移した焦点3
12に集束する湾曲波面310を発生させるアレイ300を示
す。波面310は、導波路の出力位相がアレイ300にわたっ
て非線形の単調変化を示すように導波路をバイアスさせ
ることによって発生する。このような集束は、アレイ30
0と回折像のメインローブ形成との間の距離を短縮する
ために使用される。また、サイドローブはある程度抑制
される。図20は、同様の状態を示すが、ここではアレイ
300が、夫々の焦点324及び326に集束する独立した２組の
湾曲波面320及び322を形成する。この場合、アレイ300
は２つの部分で有効である。各部分で導波路の出力位相
は非線形の単調変化を生じる。
12に集束する湾曲波面310を発生させるアレイ300を示
す。波面310は、導波路の出力位相がアレイ300にわたっ
て非線形の単調変化を示すように導波路をバイアスさせ
ることによって発生する。このような集束は、アレイ30
0と回折像のメインローブ形成との間の距離を短縮する
ために使用される。また、サイドローブはある程度抑制
される。図20は、同様の状態を示すが、ここではアレイ
300が、夫々の焦点324及び326に集束する独立した２組の
湾曲波面320及び322を形成する。この場合、アレイ300
は２つの部分で有効である。各部分で導波路の出力位相
は非線形の単調変化を生じる。
【０１１７】図21は、光学素子330の収差を補償するよ
うに編成されたアレイ300を示す。素子330は、平坦面33
2と一部凸状及び一部凹状の第２面334とを有する。この
ため、素子を通過する(図示しない)平面波に波面の歪み
が必然的に生じる。個々の導波路のアレイ出力位相は、
アレイ300が、平面波でない出力波面336を与えるように
制御される。波面336は、素子330によって平面波に与え
られる位相変化に共役の位相変化を有するように構成さ
れている。波面336が素子330を通過すると、その位相変
化が相殺され平面波338が生じる。または、アレイ300が
素子330によって与えられる位相歪みに共役の位相歪み
が重畳された収束波に対応する波面を生成するように構
成されてもよい。この場合、素子330から放出される波
面は収束性である。
うに編成されたアレイ300を示す。素子330は、平坦面33
2と一部凸状及び一部凹状の第２面334とを有する。この
ため、素子を通過する(図示しない)平面波に波面の歪み
が必然的に生じる。個々の導波路のアレイ出力位相は、
アレイ300が、平面波でない出力波面336を与えるように
制御される。波面336は、素子330によって平面波に与え
られる位相変化に共役の位相変化を有するように構成さ
れている。波面336が素子330を通過すると、その位相変
化が相殺され平面波338が生じる。または、アレイ300が
素子330によって与えられる位相歪みに共役の位相歪み
が重畳された収束波に対応する波面を生成するように構
成されてもよい。この場合、素子330から放出される波
面は収束性である。
【０１１８】図18に示す平面波を中央方向306の両側に
偏向角20゜以下で発生させるためには、アレイから距離s
の有効バンド幅bの近似値は、式 b＝d＋1.2λs／d (7) [式中、dはアレイの幅(導波路の中心間距離の和)、λは
自由空間波長]で計算できる。
偏向角20゜以下で発生させるためには、アレイから距離s
の有効バンド幅bの近似値は、式 b＝d＋1.2λs／d (7) [式中、dはアレイの幅(導波路の中心間距離の和)、λは
自由空間波長]で計算できる。
【０１１９】図19のごとき集束のためには、回折限定バ
ンド幅b'の近似値は、式 b’＝1.2λs／d (8) で計算できる。
ンド幅b'の近似値は、式 b’＝1.2λs／d (8) で計算できる。
【０１２０】式(7)及び(8)は、アレイ幅dに比較して回
折限定バンド幅b'が小さい距離sでビーム集束が生じる
のが有利であることを示す。例えば、d＝1cmでλ＝10-4
cm(1μm)の場合、s＝300cmならば、b＝1.0cm及びb'＝0.
035cmであるが、s＝104cmではb＝2.2cm及びb'＝1.2cmで
ある。
折限定バンド幅b'が小さい距離sでビーム集束が生じる
のが有利であることを示す。例えば、d＝1cmでλ＝10-4
cm(1μm)の場合、s＝300cmならば、b＝1.0cm及びb'＝0.
035cmであるが、s＝104cmではb＝2.2cm及びb'＝1.2cmで
ある。
【０１２１】本発明のデバイスによる位相制御集束の利
点は、照明強度を増加し且つアレイから遠い走査視野で
より微細な細部をアドレスするのが可能なことである。
これは、撮像(imaging)及び光学的記憶装置において重
要な利点である。更に、焦点の位置は、照準線方向から
の偏向及びアレイからの距離(ズーミング)の双方に関し
て変更し得る。ズーミング即ち焦点距離の変更によっ
て、物体から反射された光強度の変化率の測定値から遠
視野の物体の範囲を確認し得る。または、パルス-エコ
ー法を使用してもよい。この方法では、光パルスの発信
と着信との間の時間遅延を測定する。
点は、照明強度を増加し且つアレイから遠い走査視野で
より微細な細部をアドレスするのが可能なことである。
これは、撮像(imaging)及び光学的記憶装置において重
要な利点である。更に、焦点の位置は、照準線方向から
の偏向及びアレイからの距離(ズーミング)の双方に関し
て変更し得る。ズーミング即ち焦点距離の変更によっ
て、物体から反射された光強度の変化率の測定値から遠
視野の物体の範囲を確認し得る。または、パルス-エコ
ー法を使用してもよい。この方法では、光パルスの発信
と着信との間の時間遅延を測定する。
【０１２２】図19に示すアレイ300の集束作用によれ
ば、より狭い受容波長を使用できるので、１〜N方向ス
イッチ(図16参照)の場合にも有利であろう。
ば、より狭い受容波長を使用できるので、１〜N方向ス
イッチ(図16参照)の場合にも有利であろう。
【０１２３】次に図22は、全体を符号400で示すアナロ
グ-ディジタルコンバータ(ADC)の形態の本発明の別の実
施の形態の概略説明図である。ADC400は図１と同様の光
ビーム案内デバイス402を組み込んでいるが、デバイス
の長さが延長されまた異なる電極構造を有している。デ
バイス402は７つの電気光学的導波路を有しており、各
導波路の内側領域が点線W1〜W7で示されている。導波路
Wn(n＝1〜7)の各々に夫々の位相校正電極CNと位相変更
電極Vnとが装着され、各電極対Cn-Vnはどの場合にも、
各導波路の長手方向の互いに対向する両端に配置されて
いる。校正電極C1〜C7は等しい長さを有しているが位相
変更電極V1〜V7は導波路番号nに比例する長さを有して
いる。即ち、電極Vnの長さはnに比例している。位相変
更電極は、(図示しない)導波路間の溝にまたがって配置
されたＢのごときブリッジリンクによって一緒に接続さ
れ、共通ボンドパッドＰに接続されている。電圧入力IP
はボンドパッドＰに接続されている。校正電極C1〜C7
は、図１に符号33-34で示すような(図示しない)夫々の
ボンドパッドへの個別の結線を有する。
グ-ディジタルコンバータ(ADC)の形態の本発明の別の実
施の形態の概略説明図である。ADC400は図１と同様の光
ビーム案内デバイス402を組み込んでいるが、デバイス
の長さが延長されまた異なる電極構造を有している。デ
バイス402は７つの電気光学的導波路を有しており、各
導波路の内側領域が点線W1〜W7で示されている。導波路
Wn(n＝1〜7)の各々に夫々の位相校正電極CNと位相変更
電極Vnとが装着され、各電極対Cn-Vnはどの場合にも、
各導波路の長手方向の互いに対向する両端に配置されて
いる。校正電極C1〜C7は等しい長さを有しているが位相
変更電極V1〜V7は導波路番号nに比例する長さを有して
いる。即ち、電極Vnの長さはnに比例している。位相変
更電極は、(図示しない)導波路間の溝にまたがって配置
されたＢのごときブリッジリンクによって一緒に接続さ
れ、共通ボンドパッドＰに接続されている。電圧入力IP
はボンドパッドＰに接続されている。校正電極C1〜C7
は、図１に符号33-34で示すような(図示しない)夫々の
ボンドパッドへの個別の結線を有する。
【０１２４】パルス化レーザ404は、ビームスプリッタ4
08を介してデバイス402に入る光ビーム406を発生する。
レーザ強度の一部はビームスプリッタ408によって偏向
されて基準ビーム410を形成する。デバイス402に入射す
る光は、鎖線412で示すように導波路W1〜W7の(図示しな
い)入力端に発散する。導波路からの光出力は例えば線4
14によって示されており、レンズ416によってデテクタ
の垂直平面状アレイ418に集束される。デテクタの１つ
の水平線だけが図示されている。個々のデテクタは符号
Dに添え字1〜7を付けて示す。デテクタアレイ418からの
出力信号はディジタル電子プロセッサ420に入る。基準
ビーム410はミラー422及び424によって基準デテクタの
(図示しない)アレイに反射される。各基準デテクタは、
夫々のデテクタD1〜D7と対を成す。図は、デテクタD7に
対応する基準デテクタDRを示しているが、図を複雑にし
ないためにその他の基準デテクタは省略されている。D7
/DRのごときデテクタ対の各々は、プロセッサ420に組み
込まれた夫々の比較器に接続されている。このような比
較器の１つを符号426で示す。各比較器は高速デバイス
である。
08を介してデバイス402に入る光ビーム406を発生する。
レーザ強度の一部はビームスプリッタ408によって偏向
されて基準ビーム410を形成する。デバイス402に入射す
る光は、鎖線412で示すように導波路W1〜W7の(図示しな
い)入力端に発散する。導波路からの光出力は例えば線4
14によって示されており、レンズ416によってデテクタ
の垂直平面状アレイ418に集束される。デテクタの１つ
の水平線だけが図示されている。個々のデテクタは符号
Dに添え字1〜7を付けて示す。デテクタアレイ418からの
出力信号はディジタル電子プロセッサ420に入る。基準
ビーム410はミラー422及び424によって基準デテクタの
(図示しない)アレイに反射される。各基準デテクタは、
夫々のデテクタD1〜D7と対を成す。図は、デテクタD7に
対応する基準デテクタDRを示しているが、図を複雑にし
ないためにその他の基準デテクタは省略されている。D7
/DRのごときデテクタ対の各々は、プロセッサ420に組み
込まれた夫々の比較器に接続されている。このような比
較器の１つを符号426で示す。各比較器は高速デバイス
である。
【０１２５】ADC400は以下のごとく動作する。入力IPは
アース電位に接続され、校正電極C1〜C7は夫々のバイア
ス電位に接続され、出力光414をレンズ416によってデテ
クタD0に集束させる。これは校正手順であり、以後、校
正電極のバイアス電位は固定値に維持される。次に、ア
ナログ電圧VAを位相変更電極V1〜V7の入力IPに印加す
る。電極V1〜V7の全部がブリッジリンクＢを介して前記
電圧を受容する。n番目の電極Vn(n＝1〜7)の長さは導波
路の番号nに比例する。従って、電界が作用している(従
って電気光学的に屈折率変化が誘発される)n番目の導波
路のWnの長さはnに比例する。これらの条件下にレンズ4
16によってデテクタアレイ418に生成されたビーム形状
は実質的に維持されるが、出力光ビーム414は図示のご
とく角θだけ方向調整して案内される。更に、θは入力
電圧VAに正比例する。これは、近似値ではθ＝sinθを
意味し、一般に光学器械に適している。デテクタアレイ
418では、ビーム焦点がVAに比例する距離だけデテクタD
0から逸脱する。即ちmがVAに比例するとき、焦点はデテ
クタDmに到達する(m＝0〜7)。従って、デテクタD0〜D7
のいずれが照明されたかを同定することによってVAの測
定値が得られる。前述のごとく、各デテクタは例えばD7
/DRのごとく基準デテクタと対を成し、レーザ404からの
入力光はパルス化されている。各レーザパルスはビーム
スプリッタ408によって２部に分割される。レーザパル
スが存在しないときは、デテクタ対D7/DRは同様の信号
を比較器426に出力し、比較器426は出力零を発生する。
レーザパルスがDRのごとき基準デテクタに到達すると、
該デテクタの出力は零でない。この出力信号は、入力の
(図示しない)電位除算器で除算されて比較器426に与え
られ、中間的な値の比較器出力電圧レベルを与える。光
ビーム414がD7のごときデテクタに集束されると高い比
較器出力電圧レベルが生じる。その結果、比較器はレー
ザパルスの有無を識別し、デテクタD0〜D7のいずれが照
明されたかを示す。m番目のデテクタDmの照明は、mに比
例する入力電圧VAに対応し、入力アナログ電圧に対応す
る２進ワードを発生するために使用される。これはADC4
00がアナログ-ディジタル変換を行なうことを示す。
アース電位に接続され、校正電極C1〜C7は夫々のバイア
ス電位に接続され、出力光414をレンズ416によってデテ
クタD0に集束させる。これは校正手順であり、以後、校
正電極のバイアス電位は固定値に維持される。次に、ア
ナログ電圧VAを位相変更電極V1〜V7の入力IPに印加す
る。電極V1〜V7の全部がブリッジリンクＢを介して前記
電圧を受容する。n番目の電極Vn(n＝1〜7)の長さは導波
路の番号nに比例する。従って、電界が作用している(従
って電気光学的に屈折率変化が誘発される)n番目の導波
路のWnの長さはnに比例する。これらの条件下にレンズ4
16によってデテクタアレイ418に生成されたビーム形状
は実質的に維持されるが、出力光ビーム414は図示のご
とく角θだけ方向調整して案内される。更に、θは入力
電圧VAに正比例する。これは、近似値ではθ＝sinθを
意味し、一般に光学器械に適している。デテクタアレイ
418では、ビーム焦点がVAに比例する距離だけデテクタD
0から逸脱する。即ちmがVAに比例するとき、焦点はデテ
クタDmに到達する(m＝0〜7)。従って、デテクタD0〜D7
のいずれが照明されたかを同定することによってVAの測
定値が得られる。前述のごとく、各デテクタは例えばD7
/DRのごとく基準デテクタと対を成し、レーザ404からの
入力光はパルス化されている。各レーザパルスはビーム
スプリッタ408によって２部に分割される。レーザパル
スが存在しないときは、デテクタ対D7/DRは同様の信号
を比較器426に出力し、比較器426は出力零を発生する。
レーザパルスがDRのごとき基準デテクタに到達すると、
該デテクタの出力は零でない。この出力信号は、入力の
(図示しない)電位除算器で除算されて比較器426に与え
られ、中間的な値の比較器出力電圧レベルを与える。光
ビーム414がD7のごときデテクタに集束されると高い比
較器出力電圧レベルが生じる。その結果、比較器はレー
ザパルスの有無を識別し、デテクタD0〜D7のいずれが照
明されたかを示す。m番目のデテクタDmの照明は、mに比
例する入力電圧VAに対応し、入力アナログ電圧に対応す
る２進ワードを発生するために使用される。これはADC4
00がアナログ-ディジタル変換を行なうことを示す。
【０１２６】次に図23を参照すると、ADC400と組み合わ
せて使用するのに適した形態の２次元符号化デテクタア
レイ構造430が概略的に図示されている。符号化アレイ4
30は、入力アナログ電圧VAの２進数表現を与えるように
編成されている。アレイ430は陰影を付けた方形部分432
及び陰影を付けない方形部分434で示されており4列16行
に編成されたデテクタ位置を有する。陰影部分432はデ
テクタに使用された位置に対応し、非陰影部分434は非
使用位置に対応する。列の出力端子はドット4360〜4363
によってシミュレートされており、比較器426によって
処理されるデテクタ出力は図示されていない。符号化ア
レイ430は図22の実施の形態即ちADC400に対して、レン
ズ416によって発生した一条の光が一度に１行のデテク
タ位置に集中するように編成されている。デテクタ位置
432/434の数字1または0で示すように、使用デテクタ位
置の照明は２進数1の出力を生じ、非使用位置の照明は
２進数0の出力を生じる。従って、入力電圧VAによる一
条の光の偏向は、列出力4360(最下位ビット即ちLSB)か
ら4363(最上位ビット即ちMSB)でビットパラレル的に0〜
15の範囲の値に比例する。これは、アナログ電圧VAから
ディジタル出力への直接変換を示す。
せて使用するのに適した形態の２次元符号化デテクタア
レイ構造430が概略的に図示されている。符号化アレイ4
30は、入力アナログ電圧VAの２進数表現を与えるように
編成されている。アレイ430は陰影を付けた方形部分432
及び陰影を付けない方形部分434で示されており4列16行
に編成されたデテクタ位置を有する。陰影部分432はデ
テクタに使用された位置に対応し、非陰影部分434は非
使用位置に対応する。列の出力端子はドット4360〜4363
によってシミュレートされており、比較器426によって
処理されるデテクタ出力は図示されていない。符号化ア
レイ430は図22の実施の形態即ちADC400に対して、レン
ズ416によって発生した一条の光が一度に１行のデテク
タ位置に集中するように編成されている。デテクタ位置
432/434の数字1または0で示すように、使用デテクタ位
置の照明は２進数1の出力を生じ、非使用位置の照明は
２進数0の出力を生じる。従って、入力電圧VAによる一
条の光の偏向は、列出力4360(最下位ビット即ちLSB)か
ら4363(最上位ビット即ちMSB)でビットパラレル的に0〜
15の範囲の値に比例する。これは、アナログ電圧VAから
ディジタル出力への直接変換を示す。
【０１２７】符号化アレイ430は、光の一部が１つのデ
テクタにはいり一部が同じ隣接列の対応デテクタにはい
るため確実さに欠けるという欠点がある。図23の7と8と
の間の臨界入力電圧VAでは、４つの数字全部の間で0か
ら1または1から0への変化が生じる。その他の電圧で
は、同時に２つ以上の数字の変化が生じる。２つ以上の
数字の変化に伴って生じる確実さの欠如を防ぐために、
図24のグレイコードアレイフォーマット(Gray Code arr
ay format)を使用してもよい。図24は、隣合う行間の一
条の光の運動が２つ以上の数字の変化を決して生じさせ
ないように編成された変形アレイ440を示す。これはデ
テクタ位置の使用状態(occupancy)以外は図23と等価で
あるから、詳細には説明しない。グレイコード出力は従
来の２進フォーマットに容易に変換できる。
テクタにはいり一部が同じ隣接列の対応デテクタにはい
るため確実さに欠けるという欠点がある。図23の7と8と
の間の臨界入力電圧VAでは、４つの数字全部の間で0か
ら1または1から0への変化が生じる。その他の電圧で
は、同時に２つ以上の数字の変化が生じる。２つ以上の
数字の変化に伴って生じる確実さの欠如を防ぐために、
図24のグレイコードアレイフォーマット(Gray Code arr
ay format)を使用してもよい。図24は、隣合う行間の一
条の光の運動が２つ以上の数字の変化を決して生じさせ
ないように編成された変形アレイ440を示す。これはデ
テクタ位置の使用状態(occupancy)以外は図23と等価で
あるから、詳細には説明しない。グレイコード出力は従
来の２進フォーマットに容易に変換できる。
【０１２８】ADCの実施の形態400は、種々の長さの導波
路W1〜W7に一定の電界を生じさせるために種々の長さの
位相変更電極V1〜V7を使用している。一定長さの電極を
使用し夫々に異なる電圧を印加することによって同じ効
果を得ることも可能である。この場合、第１の位相変更
電極には入力アナログ電圧が全部印加され、以後の電極
に対しては電極の順次除算段階によって入力アナログ電
圧を漸減する。これは、長さが直線状に減少するADC400
の一連の電極に定電界を印加するのと対照的に、一定長
さの電極群に直線状に減少する電界を生じさせる効果が
ある。これらの２つの方法は等価であり、位相シフトが
電圧に線形比例する限り、双方が、入力電圧VAに比例す
るビーム案内を行なう。
路W1〜W7に一定の電界を生じさせるために種々の長さの
位相変更電極V1〜V7を使用している。一定長さの電極を
使用し夫々に異なる電圧を印加することによって同じ効
果を得ることも可能である。この場合、第１の位相変更
電極には入力アナログ電圧が全部印加され、以後の電極
に対しては電極の順次除算段階によって入力アナログ電
圧を漸減する。これは、長さが直線状に減少するADC400
の一連の電極に定電界を印加するのと対照的に、一定長
さの電極群に直線状に減少する電界を生じさせる効果が
ある。これらの２つの方法は等価であり、位相シフトが
電圧に線形比例する限り、双方が、入力電圧VAに比例す
るビーム案内を行なう。
【０１２９】図２に示すように、屈折率の電気光学的変
化Δは電界に対して非線形でもよい。この場合、図24の
デテクタD0〜D7の位置、または図23及び図24のデテクタ
の位置は補償可能に調整され得る。即ち、非線形電気光
学効果を補償するために隣合うデテクタの中心間距離を
非線形に変化させるとよい。
化Δは電界に対して非線形でもよい。この場合、図24の
デテクタD0〜D7の位置、または図23及び図24のデテクタ
の位置は補償可能に調整され得る。即ち、非線形電気光
学効果を補償するために隣合うデテクタの中心間距離を
非線形に変化させるとよい。
【０１３０】ADC400はミラー422及び424を介した基準光
ビーム通路を組み込んでいる。この通路は、デバイス40
2が形成された半導体ウェーハ内に導波路として集積さ
れてもよい。同様に、レンズ416、デテクタアレイ418及
びプロセッサ420もかかるウェーハに集積され得る。ま
たは、導波路W1〜W7に付加的位相変化を導入することに
よって図20に示すようなレンズ機能を獲得させてもよ
い。
ビーム通路を組み込んでいる。この通路は、デバイス40
2が形成された半導体ウェーハ内に導波路として集積さ
れてもよい。同様に、レンズ416、デテクタアレイ418及
びプロセッサ420もかかるウェーハに集積され得る。ま
たは、導波路W1〜W7に付加的位相変化を導入することに
よって図20に示すようなレンズ機能を獲得させてもよ
い。
【０１３１】次に図25は、ディジタル-アナログコンバ
ータ(D/A)として編成された本発明の別の実施の形態450
を示す。D/Aコンバータ450は、夫々の電極が線m1〜m4で
示された４つのアレイ452を含む。導波路電極は夫々の
電圧V1〜V4に接続され、各電圧はディジタル1または0に
対応する。導波路m1〜m4は、より詳細に後述する振幅調
整器456を介してレーザーダイオード454から光を受容す
る。レーザ出力はレンズ460を介して補助デテクタ458に
よってモニタされ、デテクタ出力はレーザ出力源462を
制御しレーザの振幅安定性を与えるために使用される。
光は導波路アレイ452から平面波として出力され、係数2
n-1で減衰する中性濃度フィルタアレイ464を介してn番
目の導波路(n＝1〜4)に移行する。即ち、第１導波路の
出力は減衰されないが、以後の導波路の出力は先行導波
路の1/2になる。個々のフィルタを垂直線で示してお
り、各フィルタは50％減衰を与える。フィルタアレイか
らの光は、レンズ466によって入射光強度に対応するよ
うに構成されたダイオードデテクタ468に集束される。
ータ(D/A)として編成された本発明の別の実施の形態450
を示す。D/Aコンバータ450は、夫々の電極が線m1〜m4で
示された４つのアレイ452を含む。導波路電極は夫々の
電圧V1〜V4に接続され、各電圧はディジタル1または0に
対応する。導波路m1〜m4は、より詳細に後述する振幅調
整器456を介してレーザーダイオード454から光を受容す
る。レーザ出力はレンズ460を介して補助デテクタ458に
よってモニタされ、デテクタ出力はレーザ出力源462を
制御しレーザの振幅安定性を与えるために使用される。
光は導波路アレイ452から平面波として出力され、係数2
n-1で減衰する中性濃度フィルタアレイ464を介してn番
目の導波路(n＝1〜4)に移行する。即ち、第１導波路の
出力は減衰されないが、以後の導波路の出力は先行導波
路の1/2になる。個々のフィルタを垂直線で示してお
り、各フィルタは50％減衰を与える。フィルタアレイか
らの光は、レンズ466によって入射光強度に対応するよ
うに構成されたダイオードデテクタ468に集束される。
【０１３２】振幅調整器456は、導波路m1〜m4の各々に
対して(図示しない)夫々のMach Zehnder干渉構造を含
む。かかる構造の各々は、後で２つのアームに分割され
る入力導波路領域を含む。アームは後で再結合し、導波
路m1〜m4の各１つに接続された単一の出力導波路アーム
を形成する。各アームは夫々のバイアス手段を有し、一
方のアームにおける光の位相が電気光学的に進んでお
り、他方のアームが遅れている。その結果、分割された
２つのアームからでた波の間の干渉がそれらの相対位相
シフトに伴って変化するので、出力導波路アームと夫々
の導波路mnにおける平均位相は一定であるが振幅は可変
である。従って、振幅調整器は導波路m1〜m4に対する光
入力間の振幅を等化する手段を与える。ニオブ酸リチウ
ムに集積された光学素子のMach Zehnder干渉計構造は、
公知であるからこれ以上説明しない。
対して(図示しない)夫々のMach Zehnder干渉構造を含
む。かかる構造の各々は、後で２つのアームに分割され
る入力導波路領域を含む。アームは後で再結合し、導波
路m1〜m4の各１つに接続された単一の出力導波路アーム
を形成する。各アームは夫々のバイアス手段を有し、一
方のアームにおける光の位相が電気光学的に進んでお
り、他方のアームが遅れている。その結果、分割された
２つのアームからでた波の間の干渉がそれらの相対位相
シフトに伴って変化するので、出力導波路アームと夫々
の導波路mnにおける平均位相は一定であるが振幅は可変
である。従って、振幅調整器は導波路m1〜m4に対する光
入力間の振幅を等化する手段を与える。ニオブ酸リチウ
ムに集積された光学素子のMach Zehnder干渉計構造は、
公知であるからこれ以上説明しない。
【０１３３】レーザ454からの出力波長は、電界吸収を
与えるように導波路m1〜m4の材料中の半導体のバンド縁
の近傍に存在するように構成されている。電界吸収は、
前述の実施の形態で使用した電界屈折に間接的に関係す
る電気光学効果である。この作用は、電界に応じて半導
体のバンド縁を移動させ、その結果としてレーザ波長の
吸収を変化させる。
与えるように導波路m1〜m4の材料中の半導体のバンド縁
の近傍に存在するように構成されている。電界吸収は、
前述の実施の形態で使用した電界屈折に間接的に関係す
る電気光学効果である。この作用は、電界に応じて半導
体のバンド縁を移動させ、その結果としてレーザ波長の
吸収を変化させる。
【０１３４】従って、各導波路は、該導波路に印加電圧
が存在するか否かに応じて内部の光を透過または吸収す
る。導波路によって出力される強度が等しいとき、デテ
クタ468によって受容される強度の和Ｓは、式、 S＝A(8V1＋4V2＋2V3＋V4)／8 [式中、Ａは定数、V1〜V4の各々はディジタルビット値0
または1]で与えられる。その結果として、デテクタ468
は２進ワードのディジタル入力V1V2V3V4に比例したアナ
ログ出力を与える。従ってデバイス450は4ビットD/A変
換を行なう。より多数のビットを収容するために付加的
な導波路を配備してもよい。
が存在するか否かに応じて内部の光を透過または吸収す
る。導波路によって出力される強度が等しいとき、デテ
クタ468によって受容される強度の和Ｓは、式、 S＝A(8V1＋4V2＋2V3＋V4)／8 [式中、Ａは定数、V1〜V4の各々はディジタルビット値0
または1]で与えられる。その結果として、デテクタ468
は２進ワードのディジタル入力V1V2V3V4に比例したアナ
ログ出力を与える。従ってデバイス450は4ビットD/A変
換を行なう。より多数のビットを収容するために付加的
な導波路を配備してもよい。
【０１３５】振幅調整器456が、導波路アレイ452まで順
次段階で振幅(magnitude)が倍増するように重み付けさ
れた導波路入力強度を与えるように構成されていると
き、デバイス450のフィルタアレイ464を省略してもよ
い。レーザ454は連続動作してもよくまたはディジタル
データ入力と同期的にパルス化されてもよい。更に、レ
ーザ454は、デテクタ468における干渉作用を防止するた
めに「フェーズジッタ(phase jitterd)」されていてもよ
い。
次段階で振幅(magnitude)が倍増するように重み付けさ
れた導波路入力強度を与えるように構成されていると
き、デバイス450のフィルタアレイ464を省略してもよ
い。レーザ454は連続動作してもよくまたはディジタル
データ入力と同期的にパルス化されてもよい。更に、レ
ーザ454は、デテクタ468における干渉作用を防止するた
めに「フェーズジッタ(phase jitterd)」されていてもよ
い。
【０１３６】次に図26は、電気パルスアナライザの形態
の本発明の別の実施の形態500の概略図である。パルス
アナライザ500は、平行電極線5021〜5025で示す導波路
アレイ502を組み込んでいる。アレイ502は、(図示しな
い)振幅調整器を介してパルス化レーザからパルス光504
を受容する。図25に関して前述のごとく、導波路アレイ
502は、個々の導波路内で光を電界吸収するように構成
され、レーザの波長は導波路材料のバンド縁の近傍に存
在する。光は導波路アレイ502の出力(結晶劈開)面506か
ら出力され、レンズ508によって線形デテクタダイオー
ドアレイ510に結像される。レンズ508は出力面506及び
デテクタアレイ510の双方から焦点距離の2倍だけ離間し
ている。その結果として、平面506の導波路出力の実像は
アレイ510中の夫々のデテクタダイオードに形成され
る。
の本発明の別の実施の形態500の概略図である。パルス
アナライザ500は、平行電極線5021〜5025で示す導波路
アレイ502を組み込んでいる。アレイ502は、(図示しな
い)振幅調整器を介してパルス化レーザからパルス光504
を受容する。図25に関して前述のごとく、導波路アレイ
502は、個々の導波路内で光を電界吸収するように構成
され、レーザの波長は導波路材料のバンド縁の近傍に存
在する。光は導波路アレイ502の出力(結晶劈開)面506か
ら出力され、レンズ508によって線形デテクタダイオー
ドアレイ510に結像される。レンズ508は出力面506及び
デテクタアレイ510の双方から焦点距離の2倍だけ離間し
ている。その結果として、平面506の導波路出力の実像は
アレイ510中の夫々のデテクタダイオードに形成され
る。
【０１３７】チェーン512の無線周波(RF)インダクタ512
1〜5124は、隣合う電極対502nと502n+1(n＝1〜4)とを接
続する。最も上部のRFインダクタ5121はRF信号入力514
に接続されている。
1〜5124は、隣合う電極対502nと502n+1(n＝1〜4)とを接
続する。最も上部のRFインダクタ5121はRF信号入力514
に接続されている。
【０１３８】パルスアナライザ500は以下のごとく動作
する。入力514に印加されたRF信号は式、 Ｖ＝(LC)-1/2 [Ｌ及びＣは夫々、単位長さあたりのチェーンのインダ
クタンス及びキャパシタンスであり、Ｖの単位は毎秒あ
たりのＬ及びＣの測定に用いられる長さである]の速度
でインダクタチェーン512に沿って伝播する。Ｃの値は
チェーン512が接続された導波路5021等のキャパシタン
スに支配される。Ｌの値は、個々のインダクタ5121等の
長さを変更するか及び/または巻回することによって調
整され得る。これらのＬ及びＣ成分によって形成された
人工的遅延線は実質的に非分散性であることが必要であ
る。即ちＶが該当バンド内のRF信号周波数から独立して
いなければならない。
する。入力514に印加されたRF信号は式、 Ｖ＝(LC)-1/2 [Ｌ及びＣは夫々、単位長さあたりのチェーンのインダ
クタンス及びキャパシタンスであり、Ｖの単位は毎秒あ
たりのＬ及びＣの測定に用いられる長さである]の速度
でインダクタチェーン512に沿って伝播する。Ｃの値は
チェーン512が接続された導波路5021等のキャパシタン
スに支配される。Ｌの値は、個々のインダクタ5121等の
長さを変更するか及び/または巻回することによって調
整され得る。これらのＬ及びＣ成分によって形成された
人工的遅延線は実質的に非分散性であることが必要であ
る。即ちＶが該当バンド内のRF信号周波数から独立して
いなければならない。
【０１３９】514のRF信号入力はインダクタチェーン512
に沿って伝播するために有限の時間を要するので、任意
の瞬間に信号波形のサンプルセクションがチェーン長さ
にわたって分布して出現する。レーザ504からのパルス
は振幅調整器505によって導波路502の間に均等に分割さ
れる。各レーザパルスの分割部分は、夫々の導波路内部
で電界吸収によって、該導波路でのRF信号レベルに依存
してある程度まで減衰される。その結果として、平面50
6の導波路出力は瞬時的RF波形に従って減衰される。ア
レイ510のデテクタは夫々の導波路出力を受容し、従っ
て、RF波形に従って減衰された出力信号を発生する。従
って、レーザパルスの長さが、個々の導波路で明らかな
信号レベル変化が生じる時間よりもはるかに短いなら
ば、デテクタアレイ出力はRF波形のサンプルである。1
ピコ秒のレーザパルスは1GHzを十分に上回るRF周波数成
分をサンプリングし得るであろう。その結果としてパル
スアナライザ500は、VHF波形をサンプリングする手段を
提供する。更に、アナライザ500は、従来の全電子装置
で生じたようなサンプリング信号の劣化を誘因する電子
的過渡現象を生じない。
に沿って伝播するために有限の時間を要するので、任意
の瞬間に信号波形のサンプルセクションがチェーン長さ
にわたって分布して出現する。レーザ504からのパルス
は振幅調整器505によって導波路502の間に均等に分割さ
れる。各レーザパルスの分割部分は、夫々の導波路内部
で電界吸収によって、該導波路でのRF信号レベルに依存
してある程度まで減衰される。その結果として、平面50
6の導波路出力は瞬時的RF波形に従って減衰される。ア
レイ510のデテクタは夫々の導波路出力を受容し、従っ
て、RF波形に従って減衰された出力信号を発生する。従
って、レーザパルスの長さが、個々の導波路で明らかな
信号レベル変化が生じる時間よりもはるかに短いなら
ば、デテクタアレイ出力はRF波形のサンプルである。1
ピコ秒のレーザパルスは1GHzを十分に上回るRF周波数成
分をサンプリングし得るであろう。その結果としてパル
スアナライザ500は、VHF波形をサンプリングする手段を
提供する。更に、アナライザ500は、従来の全電子装置
で生じたようなサンプリング信号の劣化を誘因する電子
的過渡現象を生じない。
【０１４０】アナライザ500においては、波形の繰返し
と同期的にパルス化されたレーザ504によって反復性RF
波形がサンプリングされる。このようにして得られた多
数のサンプルを電子的に集合させて信号対雑音比を改良
し得る。
と同期的にパルス化されたレーザ504によって反復性RF
波形がサンプリングされる。このようにして得られた多
数のサンプルを電子的に集合させて信号対雑音比を改良
し得る。
【０１４１】前述のごとく、パルスアナライザ500はデ
テクタアレイ510に光を結像させるレンズ508を組み込ん
でいる。光学的倍率を与えるためにレンズは導波路出力
から焦点距離の2倍以内の処に配置され得る。または、
結像用光学素子を省略できるように、個々のデテクタを
夫々の導波路出力に直接配置してもよい。
テクタアレイ510に光を結像させるレンズ508を組み込ん
でいる。光学的倍率を与えるためにレンズは導波路出力
から焦点距離の2倍以内の処に配置され得る。または、
結像用光学素子を省略できるように、個々のデテクタを
夫々の導波路出力に直接配置してもよい。
【０１４２】本発明はまた、時間集積相関器を提供す
る。この時間集積相関器は、装置としての概念はパルス
アナライザ500と同様であるが、その用途に適応するよ
うに以下のごとく修正されている。レーザ504は、はる
かに長いパルスを有しているか、または前記のごとく連
続でもよい。レーザは、その強度出力範囲の中点の周囲
でバイアスされ、入力基準信号によって該中点の周囲で
強度変調される。アレイ502の最も外側の導波路はイン
ダクタチェーン512に接続されず、アレイ502の全部の導
波路が夫々の動作の中点(50％減衰)にバイアスされる。
アレイのデテクタの各々は夫々の導波路から光を受容す
る。インダクタチェーンに非接続の導波路に対応するデ
テクタは基準信号を与え、その他の全部のデテクタの出
力信号が（図示しない）比較器アレイによって基準信号
に比較される。
る。この時間集積相関器は、装置としての概念はパルス
アナライザ500と同様であるが、その用途に適応するよ
うに以下のごとく修正されている。レーザ504は、はる
かに長いパルスを有しているか、または前記のごとく連
続でもよい。レーザは、その強度出力範囲の中点の周囲
でバイアスされ、入力基準信号によって該中点の周囲で
強度変調される。アレイ502の最も外側の導波路はイン
ダクタチェーン512に接続されず、アレイ502の全部の導
波路が夫々の動作の中点(50％減衰)にバイアスされる。
アレイのデテクタの各々は夫々の導波路から光を受容す
る。インダクタチェーンに非接続の導波路に対応するデ
テクタは基準信号を与え、その他の全部のデテクタの出
力信号が（図示しない）比較器アレイによって基準信号
に比較される。
【０１４３】波形は、前記と同様にしてインダクタチェ
ーン512に入力され、波形は雑音及び干渉によって劣化
する。レーザ変調がインダクタチェーンに接続されたい
ずれか１つの導波路の信号に同期すると、該導波路に対
応するデテクタにピーク信号が出現し、入力波形中にレ
ーザ変調信号波形が存在することを検証する。導波路変
調器のピーク伝送は常に、レーザ強度の極大と一致し、
伝送最小値はレーザ強度の極小と一致する。デテクタ
は、ナノ秒から秒の範囲の適当な任意の期間に受容した
夫々の光出力を集積し得る。集積はレーザパルスの長さ
またはデテクタ出力の電子的集積によって支配され得
る。雑音及び非相関干渉は十分に長い集積期間にわたっ
て零に平均される。
ーン512に入力され、波形は雑音及び干渉によって劣化
する。レーザ変調がインダクタチェーンに接続されたい
ずれか１つの導波路の信号に同期すると、該導波路に対
応するデテクタにピーク信号が出現し、入力波形中にレ
ーザ変調信号波形が存在することを検証する。導波路変
調器のピーク伝送は常に、レーザ強度の極大と一致し、
伝送最小値はレーザ強度の極小と一致する。デテクタ
は、ナノ秒から秒の範囲の適当な任意の期間に受容した
夫々の光出力を集積し得る。集積はレーザパルスの長さ
またはデテクタ出力の電子的集積によって支配され得
る。雑音及び非相関干渉は十分に長い集積期間にわたっ
て零に平均される。
【０１４４】次に図27は、本発明の前記の実施の形態で
の使用に適した導波路アレイ構造560の概略図である。
分かり易いように、構造560は、奥行きを極度に縮小し
案分比例でない状態で示される。該構造は、３つの導波
路562を組み込んでおり、各導波路はパラボラ形の拡大
された入力及び出力領域即ちホーン564及び566を有す
る。入力ホーン564は矢印の付いた波面568によって示さ
れるレーザ光ビームを共通に受容する。出力ホーン566
は平面光波572を発生する。
の使用に適した導波路アレイ構造560の概略図である。
分かり易いように、構造560は、奥行きを極度に縮小し
案分比例でない状態で示される。該構造は、３つの導波
路562を組み込んでおり、各導波路はパラボラ形の拡大
された入力及び出力領域即ちホーン564及び566を有す
る。入力ホーン564は矢印の付いた波面568によって示さ
れるレーザ光ビームを共通に受容する。出力ホーン566
は平面光波572を発生する。
【０１４５】パラボラ形入力及び出力導波路ホーン564
及び566の使用によって多数の利点が得られる。テーパ
状導波路ホーンは公知であるが、パラボラ形ホーンはよ
り効率がよく導波路の所要長さも短い。出力ホーン566
は出力ビーム572を拡大し、不要な高次のモードを喪失
して光エネルギを低次の空間モードに集中させる。更
に、導波路562から出力ホーン566への遷移が極めて短い
物理的長さで生じ、モード変換の可能性が小さい。導波
路ホーン564及び566の主な利点は、小さいキャパシタン
スで回折効果を伴うことなく連続的光学構造の効果がシ
ミュレートできることである。
及び566の使用によって多数の利点が得られる。テーパ
状導波路ホーンは公知であるが、パラボラ形ホーンはよ
り効率がよく導波路の所要長さも短い。出力ホーン566
は出力ビーム572を拡大し、不要な高次のモードを喪失
して光エネルギを低次の空間モードに集中させる。更
に、導波路562から出力ホーン566への遷移が極めて短い
物理的長さで生じ、モード変換の可能性が小さい。導波
路ホーン564及び566の主な利点は、小さいキャパシタン
スで回折効果を伴うことなく連続的光学構造の効果がシ
ミュレートできることである。
【図１】本発明の電気光学的導波路デバイスの概略部分
斜視図である。
斜視図である。
【図２】図１のデバイスの導波路材料の電気光学的特性
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図３】図１のデバイスの評価に使用される光学系の概
略ブロック図である。
略ブロック図である。
【図４】光ビームの案内を示す光強度対角度の関係を示
すグラフである。
すグラフである。
【図５】光ビームの案内を示す光強度対角度の関係を示
すグラフである。
すグラフである。
【図６】図１に示すデバイスの実施の形態の全体または
部分を示す顕微鏡写真の複写である。
部分を示す顕微鏡写真の複写である。
【図７】図１に示すデバイスの実施の形態の全体または
部分を示す顕微鏡写真の複写である。
部分を示す顕微鏡写真の複写である。
【図８】図１に示すデバイスの実施の形態の全体または
部分を示す顕微鏡写真の複写である。
部分を示す顕微鏡写真の複写である。
【図９】図１に示すデバイスの実施の形態の全体または
部分を示す顕微鏡写真の複写である。
部分を示す顕微鏡写真の複写である。
【図１０】図１のデバイスの端面の理想形を寸法パラメ
ータと共に示す斜視図である。
ータと共に示す斜視図である。
【図１１】図１のデバイスによって生じる遠視野回折像
の複写である。
の複写である。
【図１２】二次元ビーム案内用に設計された本発明の別
の実施の形態の概略図である。
の実施の形態の概略図である。
【図１３】PINダイオードアセンブリを含む本発明の変
形例の概略斜視図である。
形例の概略斜視図である。
【図１４】図１３のデバイスの端面の理想形を寸法パラ
メータと共に示す斜視図である。
メータと共に示す斜視図である。
【図１５】光学読取り用の本発明デバイスの使用例の説
明図である。
明図である。
【図１６】単極多方向光スイッチとして設計された本発
明の実施の形態の概略平面図である。
明の実施の形態の概略平面図である。
【図１７】図１６のデバイスの受光導波路構造の変形例
を示す概略平面図である。
を示す概略平面図である。
【図１８】本発明のデバイスによる光波面の制御を示す
説明図である。
説明図である。
【図１９】本発明のデバイスによる光波面の制御を示す
説明図である。
説明図である。
【図２０】本発明のデバイスによる光波面の制御を示す
説明図である。
説明図である。
【図２１】本発明のデバイスによる光波面の制御を示す
説明図である。
説明図である。
【図２２】アナログ-ディジタル変換に使用される本発
明の実施の形態を示す説明図である。
明の実施の形態を示す説明図である。
【図２３】アナログ-ディジタル変換に使用される本発
明の実施の形態を示す説明図である。
明の実施の形態を示す説明図である。
【図２４】アナログ-ディジタル変換に使用される本発
明の実施の形態を示す説明図である。
明の実施の形態を示す説明図である。
【図２５】ディジタル-アナログコンバータに使用され
る本発明の実施の形態を示す説明図である。
る本発明の実施の形態を示す説明図である。
【図２６】パルスアナライザに使用される本発明の実施
の形態を示す概略説明図である。
の形態を示す概略説明図である。
【図２７】本発明のデバイスに対して光の入出力を行な
うパラボラ形導波路ホーンの説明図である。
うパラボラ形導波路ホーンの説明図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年８月１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
フロントページの続き (72)発明者 メイリオン・フランシス・ルイス イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・３・ジエイ・エツクス、マル バーン、チヤーチダウン・ロード・５ (72)発明者 クリストフアー・ローレンス・ウエスト イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・４・ジエイ・エツクス、マル バーン・ウエルズ、アツパー・ウエルラン ド、チエス・ロード・18
Claims (25)
- 【請求項１】 (a)デバイス(10)が多層構造であり、低
屈折率を有する２つの光閉じ込め層(16,32)の間にサン
ドイッチされた導波路コア層(18)を含み、(b)導波路コ
ア層(18)がダイオード構造(16,18,32)の一部であり、閉
じ込め層(16,32)を介して印加された逆バイアス下に荷
電キャリア空乏層になり、(c)アレイの個々の導波路(3
0)を形成する溝(20)が導波路コア層(18)の少なくとも一
部に延びており、該溝(20)が、隣合う導波路(30)の間の
光結合を阻止するために導波路コア層(18)の屈折率を少
なくとも1.5下回る屈折率を有する媒質を収容してお
り、(d)導波路(30)が不要な空間モードの出力を阻止す
るように設計されていることを特徴とする電気光学的材
料から成る電気的にバイアス可能な導波路(30)アレイを
含む種類の電気光学的導波路デバイス。 - 【請求項２】 導波路(30)が幅5λ未満を有し、隣合う
導波路の中心が20λ未満離間しており、λがデバイス(1
0)の導波路の自由空間動作波長であることを特徴とする
請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項３】 溝の媒質が空気であることを特徴とする
請求項１または２に記載のデバイス。 - 【請求項４】 デバイス(10,150)の少なくとも一部が、
順次に積層されたGaxAl1-xAs系の半導体材料層(16,18,1
58〜166)から構成されていることを特徴とする請求項１
から３のいずれか一項に記載のデバイス。 - 【請求項５】 光閉じ込め層(32)の１つが、導波路コア
層(18)に対するショットキー接触であることを特徴とす
る請求項４に記載のデバイス。 - 【請求項６】 導波路コア層(162)が実質的に非ドープ
のGaAsから成り、光閉じ込め層(160,164)がGaAlAsから
成り且つ互いに反対の導電形を有することを特徴とする
請求項４に記載のデバイス。 - 【請求項７】 光閉じ込め層(16,160)の１つが、導波路
(30,152)の各々に共通であることを特徴とする請求項５
または６に記載のデバイス。 - 【請求項８】 導波路(30)が、導波路コア層材料の共通
結晶劈開面(24)内に夫々の光出力表面領域を有すること
を特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載のデ
バイス。 - 【請求項９】導波路(30)が、夫々のボンドパッド(34)及
び該ボンドパッドに接続された導線(33)を介してバイア
ス可能であり、ボンドパッド(34)はデバイス(10)の導波
路(30)収容領域の周囲に配置され、導線(33)はデバイス
(10)の光入力領域(41)にわたって延びていることを特徴
とする請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイ
ス。 - 【請求項１０】受容導波路(222)アレイの入力領域に遠
視野回折像を形成するように設計され、像が、受容導波
路(222)のいずれか１つによって受容可能で且つ受容導
波路アレイで案内可能なメイン回折ローブ(46)を有する
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載
のデバイス。 - 【請求項１１】電気光学的受容導波路(206,222)が半導
体多層構造(200)として形成されていることを特徴とす
る請求項10に記載のデバイス。 - 【請求項１２】 受容導波路(232)が入力領域に最小相
対間隔を有することを特徴とする請求項11に記載のデバ
イス。 - 【請求項１３】 長さnL[nは1〜mでn番目の導波路また
は電極を示し、Ｌは第１電極(V1)の長さを示す]を有す
る夫々のバイアス電極(V1〜V7)を備えたm個の導波路(W1
〜W7)を組み込んでおり、電極群(V1〜V7)が共通のアナ
ログ電圧入力(IP)に接続され、電圧入力の変化に応じて
導波路出力群が、導波路出力焦点の通路に沿って配置さ
れたデテクタ群(D1〜D7)を含むデテクタアレイ(418)に
一緒に集束され、デテクタアレイ(418)が、アナログ入
力電圧に対応するディジタル出力を与えるように設計さ
れた信号処理手段(420)に接続されていることを特徴と
する請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項１４】 信号処理手段(420)が、各デテクタ出
力信号を基準信号レベルに比較する比較手段(426)を含
むことを特徴とする請求項13に記載のデバイス。 - 【請求項１５】 導波路(W1〜W7)が夫々の第２バイアス
電極(C1〜C7)を含み、該第２バイアス電極は、アナログ
入力電圧0のとき共通の導波路出力焦点を生じさせるこ
とを特徴とする請求項13または14に記載のデバイス。 - 【請求項１６】 デテクタアレイ(430,440)が２次元で
あり、出力２進語を与えるように符号化されることを特
徴とする請求項13から15のいずれか一項に記載のデバイ
ス。 - 【請求項１７】 デテクタアレイ(400)がグレイコード
フォーマットであることを特徴とする請求項16に記載の
デバイス。 - 【請求項１８】 導波路コア層が光源波長で電界吸収性
の材料から成り、導波路が、各導波路の夫々の２進数に
対応するバイアスを与えるように設計された電気バイア
ス手段(m1〜m4、V1〜V4)に結合しており、導波路の出力
強度が、導波路アレイ(452)のバイナリダブリングプロ
グレッションを形成するように重み付けされ、各導波路
は、夫々のバイアス電圧(V1〜V4)が２進数に対応する２
つの値の一方または他方のいずれの値であるかに従って
不透過性または透過性になるように編成され、導波路の
出力強度は、電極電圧(V1〜V4)に対応する２進数に従っ
てアナログ出力信号を与えるように設計された検出手段
(466,468)によって検出及び加算されることを特徴とす
る請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項１９】 導波路が.、夫々の電極群(5021〜5025)
を有し、隣合う電極対は、RF入力(514)を有するチェー
ン(512)を形成する夫々の無線周波(RF)インダクタ(5121
〜5124)を介して互いに接続され、導波路は、夫々のデ
テクタ(510)に結像された夫々の出力を有し、パルス化
レーザは、デテクタ(510)によって受信された信号に関
するRF信号をインダクタチェーン(512)でサンプリング
するために、導波路材料が電界吸収性になる波長を有す
る光(504)で導波路を照射するように設計されているこ
とを特徴とする請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項２０】 アレイ(560)の各導波路(562)がパラボ
ラ形の入出力領域(564,566)を有することを特徴とする
請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項２１】 共通源(404)から光を受容し共通回折
像を形成するように設計された電気光学的材料から成る
電気的にバイアス可能な導波路(W1〜W7)アレイを含み、
(a)長さnL[nは1〜mでアレイ中の導波路番号を示し、Ｌ
は第１電極(V1)の長さを示す]の導波路バイアス電極(V1
〜V7)を含み、(b)電極群(V1〜V7)が共通のアナログ電圧
入力(IP)に接続され、(c)入力アナログ電圧の変化に応
じて導波路出力ビームが進行する通路に沿ってデテクタ
アレイ(D0〜D7)が配置され、(d)デテクタアレイ出力が
電極アナログ入力電圧(VA)に対応するディジタル信号を
与えるように設計されていることを特徴とする電気光学
的導波路デバイス(400)。 - 【請求項２２】 (a)デテクタ出力と光源(404)から誘導
されデバイス動作状態を示す基準信号とを比較する比較
手段(426)と、(b)アナログ入力電圧(VA)が0のときに１
つのデテクタ(D0)に導波路出力群(414)を結合すべく個
別にバイアス可能な各導波路(W1〜W2)毎の第２バイアス
電極(C1〜C7)とを含み、(c)デテクタアレイ(430,440)が
２次元で、出力ディジタル信号を与えるように符号化さ
れることを特徴とする請求項21に記載のデバイス。 - 【請求項２３】 共通源(458)から光を受容するように
設計された電気的にバイアス可能な導波路(452)アレイ
を含み、導波路が電界吸収性で、個々の導波路出力強度
を変化させるように設計された電圧バイアス手段(V1〜V
4)に接続された夫々のバイアス電極(m1〜m4)に結合して
いることを特徴とする電気光学的導波路デバイス(45
0)。 - 【請求項２４】 バイアス手段(V1〜V4)が２進数に対応
する電圧を与えるように設計され、個々の導波路は、対
応する２進数が0であるか1であるかに従って不透過性ま
たは透過性であり、透過性のときはバイナリダブリング
スキームに重み付けされた夫々の出力強度を与え、導波
路の出力が、バイアス手段(V1〜V4)へのディジタル入力
に対応するアナログ出力を与える共通検出手段(468)に
よって検出及び加算されることを特徴とする請求項23に
記載のデバイス(450)。 - 【請求項２５】 隣合うバイアス電極(5021〜5025)が、
信号入力(514)に接続されたチェーン(512)を形成する夫
々のインダクタ(5121〜5124)によって接続され、共通光
源がパルス化レーザであり、導波路出力が、チェーン(5
12)に分布した信号のサンプリングを行なうために夫々
のデテクタによって検出されることを特徴とする請求項
23に記載のデバイス(500)。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB8727212 | 1987-11-20 | ||
| GB878727212A GB8727212D0 (en) | 1987-11-20 | 1987-11-20 | Optical beam steering device |
Related Parent Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP63509075A Division JP2769176B2 (ja) | 1987-11-20 | 1988-10-31 | 電気光学的導波路デバイス |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1062825A true JPH1062825A (ja) | 1998-03-06 |
| JP2840593B2 JP2840593B2 (ja) | 1998-12-24 |
Family
ID=10627286
Family Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP63509075A Expired - Lifetime JP2769176B2 (ja) | 1987-11-20 | 1988-10-31 | 電気光学的導波路デバイス |
| JP9177470A Expired - Fee Related JP2840593B2 (ja) | 1987-11-20 | 1997-07-02 | 電気光学的導波路デバイス |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63509075A Expired - Lifetime JP2769176B2 (ja) | 1987-11-20 | 1988-10-31 | 電気光学的導波路デバイス |
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|---|---|
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| EP (1) | EP0390805B1 (ja) |
| JP (2) | JP2769176B2 (ja) |
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| CA (1) | CA1309765C (ja) |
| DE (1) | DE3882715T2 (ja) |
| GB (2) | GB8727212D0 (ja) |
| WO (1) | WO1989004988A1 (ja) |
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