JPS62262021A - 光スイツチ - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は先導波型スイッチに係り、特に外部変調によっ
て光信号のスイッチングを行なうに好適な光スイッチに
関する。

〔従来の技術〕

従来の光スイッチは、Ｈ、Ａ　、ＥｌｉｏｎおよびＶ。

Ｎ、Ｍｏｒｏｚｏｖの著Ｊ　”０ｐｔｏｏｌａｃｔｒｏ
ｎｉｃ　Ｓｕ＋ｉｔｃｈｉｎｇＳｙｓｔｅｍｉｎ　　Ｔ
ｅｌｅｃｏｍ＋ａｕｎｉｃａｔｉｏｎ’ｓ　ａｎｄ　Ｃ
ｏｔｓｐｕｔｅｒｓ”の第１５５頁に示される図５．２
６等にみるように、平面上に作られた並行する２本光導
波路を近接させておき、それらの近接部分に２本の光導
波路をはさんで電極を設けておく。そして一方の光導波
路には常時光を連続的に流しておく、そこで、それらの
近接部分に設けた電極に電圧を印加すると、一方の光導
波路に供給されている光によって近接されている他方の
光導波路に光が透起される。

このようにして２本の光導波間の結合係数を制御するこ
とによりスイッチングする。

〔発明が解決しよう、とする問題点〕

しかしながら、この方法は、導波路内を伝播する光がク
ラッドまで浸み出して伝播するクラッド・モード伝播量
を電界によって制御するようにしたものであるため１両
導波路間の距離は相互の伝播光の電界が相互に影響を与
えうる程度に十分小さく設定する必要があり、製作上の
精度が必要であるという欠点を有している。またこの従
来の方法は本来、電気光学効果の大きい材料中に形成し
た光導波路にのみ適用可能であり、集積回路を形成する
Ｓｉ上に適用して、電子的な信号処理能力と光制御とを
一体化する用途には不向きであるといった欠点を有して
いる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、半導体集積回路に光制御性を持たせ、
光信号伝送制御等の機能を集約化するため、シリコン基
板上に形成する光導波路内の光のスイッチングを、シリ
コン基板上の電子回路によって制御することができる光
スイッチを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、シリコン基板上に設けた、クラッド層を有す
る先導波路のクラッドの一部あるいは全部を、電気光学
効果の大きな材料で形成し、シリコン基板上に形成され
た電極によってこの材料に電界を印加し、電界非印加時
には導波路より低屈折率であったクラッド部を、ｆｌｉ
界印加により高屈折率化し、その部分の導波路伝播光の
反射面を除いて、光が直進伝播することを妨げてスイッ
チングするものである。

すなわち、本発明は、光の伝播するコア部の周囲をコア
部より低屈折率のクラッド素材で囲んで構成される光導
波路を半導体基板上に形成されたものにおいて、上記半
導体基板と上記先導波路にはさまれた一部あるいは全部
を電気光学効果を有する材料で構成すると共に、該電気
光学効果材料に電圧を印加せしめる手段を半導体基板中
に形成してなることを特徴とするものである。

（実施例〕 以下、本発明の実施例について説明する。

第１図には本発明の最も原理的な実施例の全体図が示さ
れている。

図において、Ｓｉ基板１上には光導波路２が形成されて
おり、この光導波路２の両端に光ファイバ３のコア部が
接続されている。この光導波路２と光ファイバ３のコア
の中心とは共に整合するように接続されており、この整
合が充分に行われるように、光ファイバ３のクラッド層
３Ａの外周が第３図に示される如きシリコン基板１に化
学的エツチングで刻まれたＶ溝４で保持されるようにな
っている。また、電極５がこのシリコン基板１の先導波
路２に沿った断面構成が第２図に示されている０図にお
いてシリコン基板１上に形成された光導波路２を覆うク
ラッド材料６は、例えば屈折率ｎ２＝＝１．５２のガラ
スであり、粉末ガラスの溶融によりＳｉ基板１上に形成
されるか又はスパッタリング等によって形成される。ま
た、光導波路２を形成するコアは、クラッド６同様にガ
ラス体であるが、その屈折率はクラッド６とは異り。

ｎｚ＝１．６９と高い素材で構成されている。この光導
波路２の形成は、粉末ガラスの溶融によりＳｉ基板１上
−面に形成し、その後、イオン・シリング法等で導波路
２を構成する部分だけを残して他の部分を除去し、光導
波路２の周囲を前記りこのＶ型溝４には、電気光学効果
の大きい電気光学効果材料７が充填されている。この電
気光学効果材料７は、このものに電圧を加えない決悪で
は屈折率が光導波路２の屈折率より小さく、電圧を加え
ると屈折率が゛大きくなる電気光学効果材料である。

シリコン基板１にＶ型溝４を形成するには、一般にシリ
コン結晶面は（１００）が用いられ、化学的エツチング
方法としてアルカリエツチング法が用いられる。このと
き、エツチングによって表われる結晶面ａは（１１１）
面となり、シリコン表面（１００）とのなす角αは５４
．７度となる。

従って、先導波路２と光ファイバ３とを効率よく結合す
るには、光ファイバ３の端面をその角度で研磨すること
が適切である。特に偏波面保存ファイバでは、ファイバ
内の光の伝播特性が軸対称になっていないため、角度α
は偏波面を保存する結合には有効である。

また、光導波路２に直角な方向に幻灯したものが第３図
に示されている。図において、シリコンのＶ型溝４を含
めてＳｉの表面は二酸化シリコン、あるいは窒化シリコ
ンで形成される絶縁層８で覆われている。このシリコン
基板１はｎ型で、他の回路やデバイスと絶縁するための
ＰＭのウェル９を形成した後、ｎ中層１０をＰ−ｖａｌ
ｌ中に形成し。

そしてｎ中層１０の中心部分からＶ型溝４を例えば水酸
化カリウムによるエツチングによって形成して、最後に
前記酸化膜の絶縁層８赤参爵がケミカル蒸着法などによ
り構築される。このようにＶ溝４の両側に別れて形成さ
れたｎ中層には、酸化膜絶縁層８を貫通して電極５がと
り出され１両ｎ十層間に電圧Ｖｃｃが加えられる。この
ためＶ型溝・４中に満たされた電気光学効果を有する材
料７は、電極５によって横方向電界が形成され屈折率変
調がなされる。

この結果光の伝播は第４１ｉｉｉｌ、第５図に示すよう
に、電気を印加することによってスイッチングされる。

即ち、電圧を印加しない状態では、第４図に示すように
常に光導波路２を形成するコア部がコア部を被覆するク
ラッド層に比して最も高い屈折率を示すから、光は直進
伝播する。これに対し電圧を電気光学効果材７に印加し
たときは電気光学効果材７の屈折率が光導波路２のコア
部の屈折率より大きくなるため、光ファイバ３を伝播さ
れてきた　　　　　　　　−光の伝播はこの部分で断た
れる０以上本実施例によればシリコン基板１上で光導波
路２中の光をスイッチングすることができ、外部から光
源を連続的に供給するだけで、集積化された電子回路で
光パルスの発生を自由に制御できる効果がある。

第６図には前記第１図図示光スイッチと受光素子を組み
合せた実施例が示されている１図において、電気光学効
果材層７に電場を加えるためにシリコン基板１の表面内
に電極が設けられており、この電極を２つに分離し１０
ａ及び１０ｂとしである。また、シリコン基板１にはＶ
型溝４が形成されており、このＶ型溝４に沿ってｎ◆十
層２が形成されており、このｎ中層１２とＰ−ｗａｌ１
層９の電極１３との間に電界を加え奉養る構造となって
いる。また、光導波路２中を光が伝播しているとき電極
１０ａと電極１０ｂとの間に電圧Ｖｃｃが加えられると
電気光学効果材層７に電界が加わり、この電気光学効果
材７の屈折率は光導波路２のそれより大きくなる。そこ
で光は光導波路２から電気光学効果、１ｉ９７に伝播し
、ｐｎ接合の逆バイアスで生じた空乏層１４に到達し、
Ｉ！極１３とｎ中層１４間に電流が流れる。このように
光スイッチと受光デバイスの集積デバイスとして動作す
る。第４図、第５図に於て、入射角がきわめて小さい場
合には、電気光学効果材７のクラッド屈折率変化領域で
一度もクラッド部に当たることなく直進してしまう場合
が生じる。これを防ぐためには工夫されたのが第７図で
ある。すなわち、入射角、あるいは反射角を限定するベ
ンド部３０及び３１をスイッチ部１１の前後の光導波路
２に設けた。ベンドは第７図に示すように先導波路２の
上下方向の段差で作る方法以外に平面上で作ることもも
ちろん可能である。

この構造とするこ℃で、光導波路２を進んだ光は、クラ
ッドモードコントロール層７の屈折率を電気的に制御す
ることによって容易にスイッチングされる。

シリコン基板１上で集積回路と光回路き結合するための
もう一つの重要な要素は光検出器である。

第８図に、上述の光導波路と結合性の良いＰＡＮ型光検
出器の構造を示したａ　Ｐ−ｗｅｌｌＱ中に形成したイ
ントリンシック（り１層１６と、さらにその上からｎ◆
不純物をドープし、丁度光導波路の直下では表面近傍で
ｎ＋　−ｉ接合４０ができるようにした。光導波路２の
直下でｎ◆−ｉ接合層４０には光導波路２の屈折率より
大きい屈折率をか形成される。すなわち、ソース２１．
ドレイン２２、ゲート１９．チャネル２３からなる。ソ
ーに示した。

第３図又は第６図で示された光スイツチデバイスによっ
て、スイッチされた光は光導波路２を伝播する。光が第
８図（ａ）で示された光電波路２中、屈折率の高いＭ２
Ｓ上に達すると、光はその層へ伝播する。その層１５に
入った光はｎ十−接合部４０に達し、端子４１とｎ中層
端子１９Ａ間の逆バイアスで生じた空乏層内で、＃１子
・正孔対を発生させ、光の強さに比例した電流が発生す
る。

この電流は抵抗１８を通って流れ端子１９Ａの電位が変
化する。この電位変化はＭＯＳ）−ランジスタのゲート
電位の変化となり、ドレイン電流が大きく変化する。こ
のようにして光スイツチデバイスを通った光が、シリコ
ンチップ面で、必要なところで検出される。

以上の光コンポーネントをＳｉ基板上に形成した結果、
次の応用回路が光集積回路として実現が可能となる。

第９図には本発明による光導禎回路を１線式双方向光伝
送システムの送受信モジュールに適用した実施例が示さ
れている。送受信モジュールは同一構成であるため、片
方のみ説明する。Ｓｉ基板上に図に示すＹ型の光分岐２
４を含む光導波路２５を設け、その−分岐には光検出器
２７を、他の分岐には光スイッチ２８を接続する。光パ
ルス５１の送信は、Ｓｉ上に集積された光伝送制御回路
２８で制御された光スイッチ２６が、ＬＥＤ２９で連続
発生した光をレンズ５０で集光し、Ｓｉ基板上の導波路
に導入された連続光をスイッチングすることで行なわれ
る。一方、受信は検出器２７に光パルスが入射すること
により完了する。ここで示した非対称Ｙ型分岐は自らの
モジュールの発生光を光検出器に入射しないように働く
、この実施例では、光伝送モジュールが完全に１つの集
積回路として提供される。

第１０図は、本発明によるシリコン光集積回路をリング
型の光ネツトワーク用送受信モジュールに適用した実施
例である。光信号パルスがＣＣＷ方向のときで本実施例
の動作説明をする６ＬＥＤ２９　（あるいはレーザダイ
オード（Ｌ　Ｄ）等）から発せられた連続光は同−Ｓｉ
基板上に形成された光伝送制御回路２８によって制御さ
れる光スイッチ２６ｂを通って光信号パルスとなって、
他の光送受信モジュールに送信される。一方、他の光送
受信モジュールから送信された光信号パルスの一部は分
岐２４を通って光検出器２７ａに入り受信される。他の
信号パルスは通過導波路６０を通って他の光送受信モジ
ュールに伝播される。

本実施例の効果は、（１）特定のモジュールに故障があ
ってもシステム全体の影響が及ばない、（２）ＬＥＤ　
（ＬＤ）光源は左右両方向パルスの共通光源であり、そ
れぞれの方向の発信光が光導波路により独立にできる、
ことである、この場合もまた光伝送モジュールの完全な
集約化が達成される。

第１１図には他の実施例が示されている。これは本発明
の光集積回路をシリコンチップ内のクロック信号分配に
使った例である。ＬＥＤあるいはレーザダイオード２９
の光は導波路２５に導入される。クロック発生回路７０
によって制御される光スイッチ２６ａ、ｂを光が通過し
スイッチングされる。クロックに同期した光信号は導波
路を通り、必要な箇所に設けられた光検出器２７ａ〜ｄ
で検出される。ＬＳＩでは配線長が増すと、配線一基板
間の浮遊容量と配線抵抗の積で電気信号の伝播遅延時間
が増大し、処理速度が速くならないという問題があった
１本実施例のようにクロック配線を光導戒路化すること
で、浮遊容量の問題はまったくなくなり、高速化が可能
になる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、光回路。

電子回路をシリコン基板上に集積化できるため。

光−電気インタフェイスの簡略化、高速伝送の達成が可
能どシる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の第一実施例の説明図、を示す
説明図である。 １・・・Ｓｉ基板、２・・・光導波路、３・・・光ファ
イバ。 ４・・・Ｖ型溝、５・・・電極、６・・・クラッド、７
・・・電気光学効果材料、８・・・絶縁層、９・・・ｐ
−ウェル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光の伝播するコア部の周囲をコア部より低屈折率の
   クラッド素材で囲んで構成される光導波路を半導体基板
   上に形成されたものにおいて、上記光導体基板と上記光
   導波路にはさまれた一部あるいは全部を電気光学効果を
   有する材料で構成すると共に、該電気光学効果材料に電
   圧を印加せしめる手段を半導体基板中に形成してなるこ
   とを特徴とする光スイッチ。