JPH01116530A - 光スイッチング素子及び該素子から成る光スイッチングマトリクス - 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】 本発明は、対向壁が結合間隔と称す小距離だけ離間して
結合長と称す長さＤに亘って平行に延在する２個の光ガ
イドを具え、これら光ガイドの各々を第１の小屈折率ｎ
０を有する材料の半導体基板上に形成された第２の屈折
率ｎ、＞ｎｏを有する半導体材料の直線ストリップＧ□
及び１（ＩＩで構成し、これらガイドの寸法を各々が単
一モード波を導波するように定め、且つ一方のガイドか
ら他方のガイドへの光のスイッチング動作をこれらガイ
ドに設けられた電極システム８口及びＭに印加される電
位又は電流の作用により生じさせるようにした光スイツ
チング素子に関するものである。

本発明は更に、ｎｘｍ個のこれらスイッチング素子から
成る光スイツチングマトリクスに関するものである。

本発明は上記のスイッチング素子及びマトリクスの製造
方法にも関するものである。

本発明は、光ファイバにより伝送される光信号のスイッ
チングに使用され、例えば多数の光フアイバ間のスイッ
チングを可能にしてファイバにより伝送される光信号を
種々の加入者間の切換処理中に電気信号に変換する必要
がないようにする必要がある電気通信の分野に使用され
る。

上述した種類のスイッチングマトリクスを構成するのに
好適な光スイツチング素子はｒｓｅｃｏｎｄＥｕｒｏｐ
ｅａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａ
ｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ」（１９８３年１０月１７−１８
　日、イタリア　フロ、−レンス開催）において発表さ
れたジェイ・ブラントン。

エイ・カレンコ等の論文： ｒＤｏｕｂｌｅ　　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　
ＧａＡｓ−Ａ１．　Ｇａ＋−ｘ　ＡｓＲｉｂ　Ｗａｖｅ
　Ｇｕｉｄｅ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｕｐｌｅ
ｒ　５ｗ１ｔｃｈ　Ｊから既知である。

この論文には砒化ガリウム（ＧａＡｓ）のストリップか
ら成る２個の光ガイドで構成されたスイッチング素子が
記載されている。これらのストリップは平行であって、
砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の平坦な基板上にあって光ガ
イド内に光を閉じ込める層として作用する砒化ガリウム
アルミニウム（ＧａＡＩＡｓ）の層の表面に並べて形成
される。別の砒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡＩＡｓ
）の層により光ガイドを形成するストリップの各々を覆
う。各ストリップは出発層をエツチングして基板上に浮
彫形成される。最後にショットキ型の電極が各光ガイド
の表面に形成されると共に基板の反対側表面にオーム接
点を形成する層が設けられる。

各光ガイドは単一モード波を伝搬し、これら光ガイドの
小さい横方向離間距離のために一方又は他方の光ガイド
に与える分極によって２個の単一モードガイドの結合を
変化させて所望のスイッチングを得ることかできる。

しかし、結合長、即ち、光を一方のガイドから他方のガ
イドへ移すために必要な長さは結合間隔、即ちガイドの
横方向離間距離と、ガイドの構造とに依存する。上述の
論文から既知のガイドの構造は「外部ストリップ」タイ
プのものである。このタイプのものは２つのガイド間の
結合が小さく、従って結合長が大きくなり、代表的には
５〜８ｍｍである。

斯る距離は集積スイッチグマトリクスを形成する場合に
大きな問題となる。実際上、マドリスクはガイドの長さ
方向に縦続配置されたｎ個のこのような結合素子を具え
、集積に適さない表面積を必要とする。

他方、斯るスイッチングマトリクスを得るためには、１
つの光路を周期的に偏向させる必要がある。これはｒＪ
ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
ＪＶａｔ。

４５、　　Ｎ（１１１，１９７４年１１月、ｐｐ４９９
７−４９９９のエフ・オウラチャ及びエッチ・エッチ・
ウィッチの論文：ｒＮｅｗ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　
Ｃｏｕｐｌｅｒ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａａｔｅｄ　０ｐ
ｔｉｃｓ　Ｊに示されているように、１つのスイッチン
グ素子のガイドの１つを他のスイッチング素子のガイド
の１つに湾曲ガイド部により接合することにより得るこ
とができる。しかし、小さな損失を達成するこめにはこ
の湾曲ガイド部を大きな曲率半径（代表的には１０ミリ
メートル）　にして９０°の方向変化中に１ｄＢ以下の
損失が得られるようにする必要がある。これがためマト
リクスにより占められる面積が一層大きくなり集積に適
さなくなる。

上述の論文は斯るスイッチング素子の欠点を２個の光ガ
イドを重畳層により得ることにより解決することを提案
している。しかし、この構造は他方のガイドに対する一
方のガイドのアラインメントに必要なマスクを高精度に
形成する必要があるため製造効率が低くなりすぎて安価
な集積回路用に適さないこと明らかである。これがため
、この論文は更に、２個の光ガイドを自発結合を避ける
に十分な距離だけ離して並置すると共にこれらガイドを
別の層で被覆して両ガイドから誘電体層で分離され且つ
両ガイドをまたぐ第３の光ガイドを形成した構造を提案
している。この論文はこのようにすると結合が改善され
ることを示している。

しかし、この構造は重畳光ガイドの上述のアラインメン
トによる欠点に加えて、３個の光ガイドを必要とするた
めに一層複雑になる問題がある。また、この論文には個
別素子以外の装置については記載がなく、完全なスイッ
チングマトリクスをどのようにして得るかについては記
載されていない。

従って、この回路の設計者は個別素子の形成から複雑な
回路の形成へと推移させることが極めて困難であること
を認識しているものである。

最後に、欧州特許出願第２０９１９０号から、光ガイド
に鏡を設けて光ビームを偏向させることが既知である。

しかし、これに示されている構造は、２個の重畳光ガイ
ドで構成され、この構造は上述の理由から避ける必要が
あるものである。更に、上側光ガイド上に鏡をエツチン
グにより形成する際、極めて臨界的なマスク工程を用い
て下側の光ガイドのエツチングを避ける必要があるため
、この構造の形成はかなり難しいものとなる。従って、
斯る装置の製造効率はかなり低いものとなる。

今日、前述した電気通信の分野では著しく高い性能を有
し、著しく小形化され、著しく安価、即ち高い製造効率
で容易に実現し得る電気光学回路が必要とされている。

本発明の目的は上述した問題を解決することにあり、こ
の目的のために本発明は頭書に記載した種類のスイッチ
ング素子において、 主光ガイドと称す第１光ガイドＧｉｌの一端を当該光ス
イツチング素子の入力端に接続すると共に該ガイドの他
端を当該スイッチング素子の直行出力端に接続し、 副光ガイドと称す第２光ガイドＨ１１には前記電極シス
テムＢ目の区域を越えた位置に、該ガイドの光軸に対し
４５°をなす平坦側面から成る鏡Ｍｌｌを設け、 前記副光ガイドｌ（ｔ＋を、該ガイドの光軸に対し９０
°に配置され前記鏡により反射された光を受光する副光
ガイドＨ′８．と称す光ガイド部分に接続し、 前記副光ガイドＨ’　１１を、前記主光ガイドＧｉｉと
交差して前記副光ガイドＨ１ｔと平行に延在し、他端が
当該スイッチング素子の横方向出力端に接続さ−れた横
方向主光ガイドＧ’　１１に間隔ｄで結合し、 前記副光ガイドＨ’　１１及び前記横方向主光ガイドＧ
’　１１には電位又は電流の印加によりこれらのガイド
の一方から他方への光のスイッチングを生じさせる電極
システムＩｌｉ’　ｉｔを設け、前記全ての光ガイドと
基板をこれら光ガイドの屈折率より低い第３の屈折率ｎ
２を有する半導体材料のプレーナ層（２）で覆い、この
プレーナ層の平坦表面上に前記電極システム６ｉ１及び
Ｂ’　ｉｉを配置すると共にこのプレーナ層には前記鏡
Ｍｉ１の周囲の光ガイドの構造を基板まで露出させる開
口Ｑｉｉを設けたことを特徴とする。

図面につき本発明を説明する。

第１図に示すように、本発明の光スイツチング素子は小
屈折率ｎ０を有する単結晶基板１上に形成された高い屈
折率ｎ、＞ｎｏを有する２個の半導体ストリップＧ２１
　及びＨ２＋　を具える。

第１図に示すこれらのストリップは矩形断面を有してい
る。これらのストリップは直線であり、距離ｄだけ互い
に離間され、この距離ｄを結合間隔と称している。これ
らのストリップはそれらの光軸に対し距離りに亘って平
行に延在し、この距離りを結合長と称している。

これらのストリップはプレーナ構造が得られるように小
屈折率ｎ２＜ｎ、を有する層２内に埋置する。

光ガイドＧ、ｌ　は第１図に示す素子の全長に亘って延
在して光ガイドＧ２□に融合する。この光ガイドＧ２１
　は点２１において、ガイドＧｘｔ及びＨ２＋　と同一
の構造を有する光ガイドＧ′２１と直角に交差する。

これに対し、光ガイドＨ２＋　には基板１の平面に垂直
をなすと共にこの光ガイドＨ２１の光軸に対し４５°を
なす鏡面を有する鏡Ｍ２＋を設ける。この鏡はガイドＨ
２１からの波をこれと直角をなす同一の構造のガイドＨ
′２１へと反射させる。

ガイドＨ′２．及びＧ′２１は、上述した結合間隔ｄだ
けを互いに離間させると共に上述の結合長りに亘って互
いに平行に配置する。

プレーナ層２にはガイドＧ２□＋６’２１の交差区域２
１及びガイドＨ２＋　に設けた鏡Ｍ２１　の区域を露出
させる窓Ｑ２１　を設ける。

この窓９２．の寸法は結合長りより小さくするが、この
ことは本発明の構造を略図的に示し一定の倍率で示して
ない第１図からは明らかでない。

本発明のスイッチング素子は更に４個の電極から成る第
１電極システムを具え、ガイド０２１及び８２１上のこ
れら電極の位置をＥ、ｌで示しである。

この電極システムは、ガイドＧ、ｌ上にその先軸に平行
に配置され且つ短絡しないように互いに小距離だけ離間
させた２個の表面電極と、ガイドＨ２１上に配置された
２個の同一の表面電極とで構成される。これらの電極は
プレーナ層２０表面に形成され、これら電極の製造方法
については後述する。

これら電極は電位又は電流を印加することにより動作さ
せることができる。そして電気光学効果、或いは電荷の
空乏化又は電荷の注入を生ずる電界を発生させて光信号
を変調することができる。

本発明のスイッチング素子は更に、ガイドＧ′２１及び
Ｈ′２１上に第１電極システムと同一の４個の電極の第
２電極システムを具え、これら電極の位置を８　’　２
１で示しである。

４Ｘ４個のこれらのスイッチング素子で構成されたスイ
ッチングマトリクスを第２図に平面図で線図的に示す。

このマトリクスは基板１上に４×４個の第１図に示す種
類のスイッチング素子構造を縦続に配置して得られる。

このマトリクスは次のように動作する。例えば光信号φ
がマトリクスの入力端ＩＮ、においてガイドＧｌｌ　に
注入されるものとする。電極システムＬｌに印加される
適切な電位又は適切な電流の作用によって光ビームを、 ・結合間隔ｄによる自発結合によりガイド）Ｉｌｌへ移
すことなくガイドＧｌ＋内に保持することができ（第６
ａ図参照）、或いは ・ガイド）Ｉｌｌへ完全に移すことができる（第６ｂ図
参照）。

後者の場合、ビームは鏡Ｍ１１　によりガイドＨ’　１
１へ反射され、適切な電位又は盾切な電流を電極システ
ムＥ′１．に供給することによりビームをガイドＨ’　
１１からガイドＧ′１１へ移すことができる。ガイド１
Ｅｔｔ及びＧ／ｉ□を「主ガイド」と称す。主ガイドＧ
’　１１はガイドＧ’　２１．−−−　Ｇ’　４１で延
長され、光ビームを出力端゛０．で受信することができ
る（第２図）。

これに対し、ビームが主ガイドＧｌｌ内に保持されてい
る場合には、電極Ｂ１２＋−−−６１，に印加する電位
の作用によってビームを直交出力端１／１又は横方向出
力端０□、−同一〇、の１つに導くことができる。

スイッチングマトリクスは本発明のｎｘｎ個のスイッチ
ング素子により構成することができる。

この場合このマ）　ＩＪクスはｎ個の入力端ＩＮ、、−
−−ＩＮ、、　−−−ＩＮ　、を有し、これら入力端の
１つ、例えばＩＮｉに注入された光信号を横方向主ガイ
ドの出力端０．、−０．、−−−０．にスイッチするこ
とができ、また主ガイドの直交出力端１／ｉ　に直接導
くことができる。斯るマトリクスは意図する用途に応じ
て本発明のｌＸｎ個のスイッチング素子又はｎｘｍ個の
スイッチング素子を具えるものとすることもできる。

本発明のスイッチング素子の構造は特に有利な製造方法
の使用を可能にする。

本発明スイッチング素子の一例の製造方法は第３図に示
す以下の工程を具える。

（ａ）結晶面に沿い平坦表面を有する単結晶基板ｌを形
成する。この基板は装置で使用する所定の波長λに対し
低ｔ１屈折率ｎ。を有するｎ゛導電型の２光材料Ａ、Ｂ
Ｖで形成する（第３ａ図）（ｂ）　　光ガイドを構成す
るために、基板１の表面に波長λに対し屈折率ｎ、＞ｎ
ｏを有するロー導電型の材料、例えば４元材料（Ａ、Ｘ
、ＢＹ、ＹＶ）の平坦エピタキシャル層３を形成する（
第３ｂ図）。

（Ｃ）　　層３を例えば反応イオンエツチング（ＲＩＥ
）方法によりエツチングし、このエツチングを基板１が
０．５μｍを超えない深さｅ　ｔ、例えば０．１〜０．
５μｍの深さに亘ってエツチングされるまで行う（第３
Ｃ図）。このエツチングは第３ｄ図に平面図で示すマス
クＭＫ、を用いて行い、エツチング後に基板上に、 ・直交主ガイド及び横方向主ガイドＧｉｉ及びＧ’　ｉ
ｉを形成するストリップと、 ・副ガイド１ｌｔｔ及びＨ’　ｉｆと鏡Ｍｉｌを形成す
るストリップと、 を残存させる。

ＲＩＥ方法はエツチングエツジがエツチングすべき表面
に垂直に得られる利点壬有しく第３Ｃ図参照）、このこ
とは鏡Ｍｉｉの形成に重要である。

本発明の方法によれば、光ガイドと鏡が単一のマスクを
用いていわゆるセルフアラインメント技術によリー工程
で形成される。

基板１と光ガイドの相対屈折率は光がガイド内に閉じ込
められるように選択する。しかし、特に４元及び２元材
料層の組成により、光導波を得ることができる。

（６）ｎ２＜ｎ、のような低屈折率ｎ２を有するｎ−導
電型の２元材料（Ａ［Ｂｙ）の層２をエピタキシャル成
長により形成する（第３ｅ図）。

この工程はブレーナ装置を得るためのものである。従っ
て、このエピタキシャル成長は、この目的のために、ガ
イドの表面でこの層が平面となるような成長条件の下で
気相から又は液相から行う。ガイド上方のプレーナ層２
の厚さはｅ′である。

前述したように前記カレンコの論文による５部ストリッ
プ」型の既知の装置は小さな結合係数を有し、従って大
きな結合長を必要すとる。

これに対し、本発明によれば光ガイドは僅かに異なる屈
折率を有するプレーナ層２内に埋置される。この状態で
は結合係数が従来既知の装置の結合係数の約４倍になる
。これがため結合長を著しく短くすることができる。従
って本発明の装置は小形になり、その寸法が集積回路の
形成に適するものとなる。

更に、使用する材料ＡＩＩＢＶ及び使用するエピタキシ
ャル成長及び反応イオンエツチング技術は本発明の電気
光学装置に隣接する集積回路の形成と完全に共通する。

更に、プレーナ層２のエピタキシャル成長中に主ガイド
Ｇｉｌ及びＧ’　ｉｔの交差区域及び鏡Ｍｔｉの区域に
対応する略々方形の区域Ｑ（ｉをマスクＭに２によりマ
スクしてこの区域を層２の成長から保護する点に注意さ
れたい。

実際上、鏡Ｍｌｌはこれら鏡の区域にふける光ガイドの
外部媒体が空気の場合にのみ全反射にすることができ、
このことは層２の開口Ｑｉｉによって得ることができる
°（第３ｅ図にガイドを断面図で示してあり、第３ｆ図
にマスクＭＫ２を平面図で示しである）。

有利な例では、光ガイドを厚さ６＞ｌ　μＩ及び巾Ｗシ
２μｍ　（第３ｅ図参照）の寸法に形成すると共に間隔
ｄ−ｋ１．５μｌで互いに離間させ、プレーナ層２をガ
イドより上の厚さｅ′が約１μｍとなるように形成、す
る。

プレーナ層２はガイド内の光損失を低減する他の利点も
もたらす。実際上、ガイドの長手側壁及び土壁はエツチ
ングにより得られるため、これらの壁は粗面になり、そ
の外部媒体が空気の場合には散乱により大きな損失をも
たらす。

ガイドはガイドの屈折率（ｎ、）にかなり近い屈折率ｎ
２を有する媒体内に埋置されるため、これらの損失は屈
折率の差ｎ、−ｎ２を小さくするほど小さくなる。この
効果は屈折率ｎ１を有する媒体内の先導波を発生する光
閉じ込め効果とは異なるものであるが、この先導波のた
めには小さな屈折率の差ｎ、−ｎ、で十分であり、また
単一モード動作のためにも小さな屈折率の差が必要とさ
れる。

しかし、層２内の開口Ｑｉｔにおいてガイド内にある程
度の損失が生ずる。しかし、これらの開口を小寸法、好
ましくは最大で口′Ｘ口′さ１０μｍ×１０μｍにして
これらの損失を制限することができる。他方、損失を制
限するために、開口Ｑｉｌの区域内のガイドＨｔｔ及び
Ｈ’　ｉｆの幅Ｗを第４ｆ図に示すように突部１４及び
１５によって増大させることができる。実際上、埋込み
ガイド内を伝搬する波Ａは第３Ｊ図に示す波形を有する
が、空気で囲まれたガイド内を伝搬する波Ａは第３に図
に示す波形を有する。これがため、突部１４及び１５で
拡大されたガイド部分は第３１図に断面図で示すように
損失を低減することができる。

最後に、プレーナ層２はガイド上の電極の形成に特に好
適な上側表面を提供する利点をもたらす。

（ｅ）　　電極システムＥ目及びＥ’　１１を構成する
ために、プレーナ層２のガイドの上方位置に、例えばイ
オン注入によりｐ゛゛電型の領域４を形成する（第３ｈ
図）。こうしてガイドＧｉｉの上方に２個の領域Ｆ１及
びＦ２を形成すると共にガイドＧ’　ｉｆの上方に２個
の領域Ｆ３及びＦ４を形成する。

イオン注入は第３ｇ図に示すＭＫ、の開口を経て一工程
で行うことができる。これらのｐ゛型領領域イオンの拡
散により形成することもできる。

結合長りはｌ　ｍｍより僅かに短い長さであるが、開口
０１１の寸法Ｄ′は上述したように１０μｍ程度である
。

（ｆ）　　電極システムＢａｔ及びε　ｉｆの形成のた
めに、ｐ゛゛電型の領域４の表面に従来既知の任意の方
法により金属層５、例えばチタン−プラチナ−金（Ｔｉ
−Ｐｔ−Ａｕ）の多重層を形成する（第３１図）。

マスクＭＫ３の位置決めは２つの理由から問題を生じな
い。第１の理由は構造がプレーナ構造であるからである
。これがため、フォトリトグラフ方法を容易に行うこと
ができる。第２の理由は、マスクＭＫ、の配置によって
ガイドが見えなくなるが、開口の位置を基準として用い
てマスクＭに、をセンタリングすると共に開口を整列さ
せることができるからである。このことは本発明装置の
構造の追加の利点をもたらす。

更に、工程（Ｃ）において基板内までエツチングして基
板を深さｅ′に亘って僅かに掘り下げる反応イオンエツ
チングは本発明装置に利点をもたらす点に注意されたい
。第１に、エツチング処理を基板の上側表面のレベルで
正確に停止させるよりも基板を僅かにエツチングするま
で続ける方が容易である。これがため、この手段は技術
的な容易さをもたらす。更に、この基板の僅かな掘り下
げは電界と光学的な場との相互作用を増大させて本発明
装置の電気光学効果を最大にすることを可とする。これ
がため、光ガイドを第３１図に示すように一層満足に分
離する（第３１図には電気力線Ｈを示しである）。

本発明の装置の変形例においては、基板をｎ゛゛電型に
しない。これを半絶縁性にする。この変更はダイオード
や電界効果トランジスタを含む検出器や増幅器等のよう
な電子集積回路をスイッチングマトリクスと関連させて
同一の基板上に形成する必要がある場合に有利である。

この場合には、上述の製造方法の工程（ａ）、　（ｂ）
。

（Ｃ）を第４図に示す順次の工程と置換する。

（ａ）′結晶面に沿う平坦表面を有する単結晶基板ｌＯ
を形成する。この基板は波長λに対し小さな屈折率ｎ１
０を有する半絶縁性の２光材料ＡｆｆＩＢｖで造る（第
４ａ図）。

（ｂ’υ基板１０の表面にｎ＋導電型の２光材料Ａｒｆ
ｉＢＶの平坦エピタキシャル層１′を形成する。この層
の厚さは０．５μｍとするのが好ましい。この層の屈折
率は波長λに対し小さい値ｎ　１０−００に選択する（
第４ｂ図）。

（ｂ’　２）　　層１′の表面に、波長λに対し屈折率
ｎ、＞　ｎｏ、　ｎ’。を有するｎ−導電型の材料、例
えば４元材料（ＡＩＸＩＩＩＢｖＹＶ）の約０．５〜１
μｍの厚さの平坦エピタキシャル層３を形成する（第４
Ｃ図）。

（ｅ′）層３及び１′を例えば反応イオンエツチング（
ＲＩＥ）方法により、下側の基板１０が０゜５μｍを超
えない深さｅ′に亘ってエツチングされるまでエツチン
グする（第４ｄ図）。このエツチング工程はマスクＭＫ
’　、を用いて行う。マスクＭＫ’は第４ｆ図に示すよ
うに光ガイドを限界すると共に層１′及び３の一部分を
残存させて「ブリッジ」、即ち全てのガイドを電気的に
相互接続するｎ°導電型の層１′の相互接続部を形成す
ることができる。実際上、マス接点Ｍはｎ゛層上形成さ
れ、形成すべきマス接点が多くなりすぎないようにする
必要がある場合にはガイド下部のｎ゛層部分を第４ｅ図
に示すように簡単に相互接続するのが有利である（第４
ｅ図は装置の平面図を示す第４ｆ図のＩ−Ｉ線上の断面
図である）。

一方のガイドと他方のガイドを電気的に接続するブリッ
ジの形成は臨界的でなく、これらのブリッジではどのガ
イドまたはガイド部分も絶縁分離しない場合には装置内
の任意の位置に位置させることができる。他方、これら
のブリッジの存在はこれらのブリッジが例えばガイドの
幅Ｗに等しい小さな横方向寸法であればガイド内の波の
伝搬を妨げないことが知られている。本発明装置の一例
又は変形例の製造方法は次の工程で続けられる。

（（至）　ｎ゛導電型の層１又は１′の表面にマス接点
Ｍの電極６を形成する（第３１図）。この目的のために
、装置が存在しない区域において上側層を層１，１′の
一部分が露出するまでエツチングし、オーム接点型の金
属層、例えば金−ゲルマニウム−ニッケル（Ａｕ−Ｇｅ
−Ｎｉ）’の多重層を堆積する。用途に応じて、これら
のマス接点電極は装置の一方の表面又は他方の表面に形
成することができる。実際上、基板がｎ゛型の場合には
マス接点は装置の背面上又は上側層をエツチング除去し
た前面上のどちらにも形成することができる。基板が半
絶縁性の場合にはマス接点は層２及び３をエツチング除
去して前面に形成する。

本発明装置の用途は特に電気通信の分野にある。

この目的のために、ガイドで伝送される光信号の波長は λ。＝１．３μｍ ２１１１．５５μｍ とすることができる。

これらの条件では、基板を構成する２元化合物Ａｌ１１
ＢｖはＡｌｌ１をインジウム（Ｉｎ）とし、ＢＶを燐（
Ｐ）として燐化インジウム（ＩｎＰ）　　とするのが有
利である。

この基板は鉄（Ｆｅ）を１０１８　ａｍ　３の濃度でド
ーピングすることにより半絶縁性にすることができる。

化合物ＩｎＰはＳ原子を２・１０”ｃｍ□３程度の濃度
でドーピングすることによりｎ＋導電型にすることもで
きる。

この場合屈折率は、 ｎｏ　′：＝ｔ３．１９９４　（λさ１．３２μｍにお
いて）になる。

ガイドを構成するのに好適な層３を形成する４元化合物
は化学式Ａｌｘ１ＩＩＢｖＹＶを有し、ここにＡはイン
ジウム（Ｉ　ｎ）、Ｘはガリウム（Ｇａ）、Ｂは燐（Ｐ
）及びＹは砒素（Ａｓ）である。この場合、その組成は
＜Ｇａｘ　Ｉｎ、−ｘ　ＡｓｙＰ＋−ｙ）で表わされ、
ここで、ｙユ０．１及びＸさ０．４６ｙシ０．０４６で
ある。

この化合物はλ＝１．３２　μｍにおいて屈折率ｎ。

＝　３．２０４９　＞　ｎｏを有する。ＧａＩｎＡｓＰ
のギャップ波長は０．９７　μｍである。

この４元化合物（ＧａｌｎＡｓＰ）　は故意のドーピン
グをしなければｎ−導電型を有することもできる。

ブレーナ層２は上述したようにｎ−導電型の２元化合物
ＡよりＶ、即ち例えば故意にドーピングされてなく且つ
ｎ２ユ３．２０４９　（λさ１．３２において）の屈折
率を有する燐化インジウム（ＩｎＰ）で形成することが
できる。

本発明の変形例では、ブレーナ層２はｎ−導電型、即ち
故意にドーピングされてなく、且つ（Ｇａ、　Ｉｎ＋−
ｘ　ＡｓｙＰ＋−ｙ）で表わされ、Ｘ　＝　０．４６ｙ
でｙ＝０．０３〜０．０５であるような４元化合物（Ａ
ＭＸＩＩＢｖＹ、、）で形成することもできる。

ｐ゛導電型の領域は公知の技術により例えばＺｎ又は８
ｅ又はＣｄのイオンを１０′８〜１０Ｉ１０ｌ９ａの濃
度で注入又は拡散することにより得ることができる。

このようにして実現すると、４Ｘ４スイツチング素子の
マトリクスの寸法は４Ｘ４ｍｍ２程度になり、１つのス
イッチング素子の寸法は主として結合長りにより決まる
ｌＸ１ｍｍ２程度になる。

上述したように、本発明のマトリクスを形成する技術は
検出器りのような集積回路の形成と共通する。

これら検出器は主出力ガイドＩ’　ｔｉ又は０目の表面
に形成した例えばダイオード［ｌｔｔとすることができ
る（斯る装置の平面図を示す第５ａ図及びその■−■線
上の断面図を示す第５ａ図参照）。検出器Ｄｉ１の領域
に右いて、ガイドＧ’　ｉｔの幅Ｗを増大させる点に注
意されたい。

基板がＩｎＰのような２元半導体材料Ａ　ｍ　Ｂ　ｖか
ら成る上述の実施例にふいてはこれらのダイオードはガ
イドの層３の表面に形成された吸収層３０を具えるもの
とすることができる。この吸収層は約１μｍの厚さを有
するｎ−導電型のＧａ１ｎＡｓのような３元材料の層と
するのが好ましい。この吸収層３０は装置の主直行ガイ
ド及び主横方向ガイドの出力端部を除いた部分を覆うマ
スクＭＫＳの開口内に形成する。この層は例えば気相又
は液層エピタキシャル成長により得られる。次に、この
マスクＭＫ、を除去して工程（Ｃ）を実行し得るように
する。

堆積層、本例では３０．３及び１′をエツチングする工
程（Ｃ）を前述した方法で行う。次いで、工程（Ｃ）と
工程（６）との間に、誘電体保護層を検出領域上に堆積
する工程を介挿して検出領域をプレーナ層２の堆積から
保護する。この保護層は保護マスクＭＫ２と同一の層で
形成することができ、この保護層ＭＫ２をブレーナ工程
（イ）の終了後に除去する。次いでｐ゛イオン注入領域
４を限界するマスクＭに３に検出領域に対応する開口を
設け、工程（ｅ）及び（ｆ）を上述の方法で続ける。こ
うするとｐ″″導電型の領域４０が各検出領域内に形成
され、その上に電気接点５０が形成される（第５ａ図）
。

本発明の実施に当っては他の材料を用いることもでき、
また他の寸法を用いることもできる。これらの条件に応
じて伝送される波は異なる波長になり、電気通信以外の
用途にも使用することができる。

その製造方法も他のエツチング技術や堆積技術を用いる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光スイツチング素子を線図的に示す斜
視図、 第２図は本発明の４×４個の光スイツチング素子から成
る光スイッチングマトリククスを線図的に示す平面図、 第３ａ〜３Ｉ１図は本発明の光スイツチング素子の一例
の製造方法を示す図、 第４ａ〜４ｆ図は本発明の光スイッチング素子め変形例
の製造方法を示す図、 第５ａ及び５ｂ図は本発明の光スイツチングマドグリス
の光ガイドの出力端の光検出器の製造方法を示す図、 第６ａ及び６ｂ図は本発明の光スイツチング素子内の光
ビームの進路を示す図である。 １・・・基板　　　　　　　２・・・プレーナ層３・・
・光ガイドストリップ Ｇｉｔ（Ｇ□１．６２２）・・・主直行光ガイドＧ’　
Ｉｆ（Ｇ’　■＋　６’　２１）・・・主構方向光ガイ
ドＨ目、”　ｔｔ（Ｈａｔ、　Ｈ’　２１）・・・副光
ガイドＢｉｔ＋　Ｂ’　ｔｔ（Ｅ２＋、　Ｂ’　２１）
・・・電極システムＬｔ（Ｌ＋）・・・鏡　　　　Ｑｉ
ｉ（Ｑ２１）・・・開口ＩＮ＋−−−ＩＮ４・・・入力
端 １／　ｌ−＋−１／、・・・直行出力端０＋−−−０４
・・・横方向出力端 Ｄｉｉ・・・検出器　　　　　Ｍ・・・マス電極４・・
・ｐ゛型接点領域　　５，６・・・金属層ｌＯ・・・半
絶縁性基板 １′・・・ｎ＋導電型エピタキシャル層３０・・・吸収
層　　　　　　４０・・・ｐ＋型接点領域５０・・・金
属層 ＭＫ、、　Ｍに′５１Ｍに＊、　ＭＫｓ、　ＭＫｓ・・
・マスク特許出願人　　エヌ・ベー・フィリップス・フ
ルーイランペンファブリケン ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３　ｔ η　　　　　　　ず１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対向壁が結合間隔と称す小距離だけ離間して結合長
   と称す長さＤに亘って平行に延在する２個の光ガイドを
   具え、これら光ガイドの各々を第１の小屈折率ｎ＿０を
   有する材料の半導体基板上に形成された第２の屈折率ｎ
   ＿１＞ｎ＿０を有する半導体材料の直線ストリップＧ＿
   ｉ＿ｉ及びＨ＿ｉ＿ｉで構成し、これらガイドの寸法を
   各々が単一モード波を導波するように定め、且つ一方の
   ガイドから他方のガイドへの光のスイッチング動作をこ
   れらガイドに設けられた電極システムＥ＿ｉ＿ｉ及びＭ
   に印加される電位又は電流の作用により生じさせるよう
   にした光スイッチング素子において、 主光ガイドと称す第１光ガイドＧ＿ｉ＿ｉの一端を当該
   光スイッチング素子の入力端に接続すると共に該ガイド
   の他端を当該スイッチング素子の直行出力端に接続し、 副光ガイドと称す第２光ガイドＨ＿ｉ＿ｉには前記電極
   システムＥ＿ｉ＿ｉの区域を越えた位置に、該ガイドの
   光軸に対し４５゜をなす平坦側面から成る鏡Ｍ＿ｉ＿ｉ
   を設け、 前記副光ガイドＨ＿ｉ＿ｉを、該ガイドの光軸に対し９
   ０°に配置され前記鏡により反射された光を受光する副
   光ガイドＨ′＿ｉ＿ｉと称す光ガイド部分に接続し、 前記副光ガイドＨ′＿ｉ＿ｉを、前記主光ガイドＧ＿ｉ
   ＿ｉと交差して前記副光ガイドＨ＿ｉ＿ｉと平行に延在
   し、他端が当該スイッチング素子の横方向出力端に接続
   された横方向主光ガイドＧ′＿ｉ＿ｉに間隔ｄで結合し
   、 前記副光ガイドＨ′＿ｉ＿ｉ及び前記横方向主光ガイド
   Ｇ′＿ｉ＿ｉには電位又は電流の印加によりこれらのガ
   イドの一方から他方への光のスイッチングを生じさせる
   電極システムＥ′＿ｉ＿ｉを設け、 前記全ての光ガイドと基板をこれら光ガイ ドの屈折率より低い第３の屈折率ｎ＿２を有する半導体
   材料のプレーナ層（２）で覆い、このプレーナ層の平坦
   表面上に前記電極システム Ｅ＿ｉ＿ｉ及びＥ′＿ｉ＿ｉを配置すると共にこのプレ
   ーナ層には前記鏡Ｍ＿ｉ＿ｉの周囲の光ガイドの構造を
   基板まで露出させる開口Ｑ＿ｉ＿ｉを設けたことを特徴
   とする光スイッチング素子。 ２、前記光ガイドの断面は矩形であることを特徴とする
   請求項１記載の光スイッチング素子。 ３、前記基板（１）はｎ＾＋導電型の２元材料Ａ＿III
   Ｂ＿Ｖで構成し、前記光ガイドを形成するストリップ（
   ３）はｎ＾−導電型の４元材料（Ａ＿IIIＸ＿IIIＢ＿Ｖ
   Ｙ＿Ｖ）で構成し、前記プレーナ層（２）はｎ＾−導電
   型の２元材料（Ａ＿IIIＢ＿Ｖ）及び４元材料（Ａ＿II
   IＸ＿IIIＢ＿ＶＹ＿Ｖ）の中から選んだ材料で構成した
   ことを特徴とする請求項２記載の光スイッチング素子。 ４、前記基板（１０）は半絶縁性の２元材料（Ａ＿III
   Ｂ＿Ｖ）で構成し、前記光ガイドを形成するストリップ
   はｎ＾＋導電型の２元材料 （Ａ＿IIIＢ＿Ｖ）の層（１′）とｎ＾−導電型の４元
   材料（Ａ＿IIIＸ＿IIIＢ＿ＶＹ＿Ｖ）の層（３）の多重
   層で構成し、前記プレーナ層（２）はｎ＾−導電型の２
   元材料（Ａ＿IIIＢ＿Ｖ）及び４元材料 （Ａ＿IIIＸ＿IIIＢ＿ＶＹ＿Ｖ）の中から選んだ材料で
   構成し、且つ前記光ガイドの下側層を形成するｎ＾＋導
   電型の層（１′）は部分的に電気的に相互接続してある
   ことを特徴とする請求項２記載の光スイッチング素子。 ５、前記電極システムは前記ｎ＾＋導電型の材料の層（
   １又は１′）とオーム接点を形成する金属層から成るマ
   ス電極Ｍ（６）と、主光ガイド及び副光ガイド上にそれ
   ぞれ２個づつ互いに整列させて対称に配置されたそれぞ
   れ４個の電極Ｆ＿１、Ｆ＿２、Ｆ＿３及びＦ′＿１、Ｆ
   ′＿２、Ｆ′＿３、−Ｆ′＿４の電極群Ｅ＿ｉ＿ｉ及び
   Ｅ′＿ｉ＿ｉとで構成し、これら電極の各々は光ガイド
   の上方のプレーナ層（２）内に形成したｐ＾＋導電型の
   領域（４）とこの領域とオーム接点を形成する金属層（
   ５）とで形成したことを特徴とする請求項３又は４記載
   の光スイッチング素子。 ６、前記材料の元素Ａはインジウム（Ｉｎ）、元素Ｂは
   燐（Ｐ）、元素Ｘはガリウム（Ｇａ）及び元素Ｙは砒素
   （Ａｓ）であることを特徴とする請求項３〜５の何れか
   に記載の光スイッチング素子。 ７、前記ｎ＾＋型の層（１、１′）上のオーム接点はＡ
   ｕ−Ｇｅ−Ｎｉの多重層で構成し、前記ｐ＾＋型領域（
   ４）上のオーム接点はＴｉ−Ｐｔ−Ａｕの多重層で構成
   したことを特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の光
   スイッチング素子。 ８、ｎ個の入力端子ＩＮ＿１、ＩＮ＿２‐‐‐ＩＮ＿ｎ
   と、ｎ個の直行出力端子Ｉ′＿１、Ｉ′＿２‐‐‐Ｉ′
   ＿ｎとｍ個の横方向出力端子Ｏ＿１、Ｏ＿２、‐‐‐Ｏ
   ＿ｍとを具え、これら入出力端子間でスイッチング動作
   を行う光スイッチングマトリクスにおいて、当該マトリ
   クスは請求項１〜７の何れかに記載のｎ×ｍ個の光スイ
   ッチング素子を各素子の主光ガイドと副光ガイドがそれ
   ぞれ互いの延長部となるように２方向に並べて構成した
   ことを特徴とする光スイッチングマトリクス。 ９、各主直行出力ガイド又は横方向出力ガイドにはその
   上面に光信号の検出器Ｄを直接設け、この検出器は光ガ
   イドの屈折率より大きい屈折率ｎ＿３を有する波長λの
   吸収層（３０）で構成し、この吸収層内にｐ＾＋型領域
   （４０）を形成し、その表面にオーム接点（５０）を形
   成したことを特徴とする請求項８記載の光スイッチング
   マトリクス。 １０、前記吸収層（３０）は３元材料（Ａ＿IIIＸ＿II
   IＢ＿Ｖ）で構成したことを特徴とする請求項９記載の
   光スイッチングマトリクス。 １１、前記検出器のオーム接点（５０）はＴｉ−Ｐｔ−
   Ａｕの多重層で構成したことを特徴とする請求項９記載
   の光スイッチングマトリクス。 １２、請求項１記載の光スイッチング素子を製造するに
   当り、少なくとも （ａ）装置の動作波長に対し小さい屈折率ｎ＿０を有す
   るｎ＾＋導電型の２元材料Ａ＿IIIＢ＿Ｖから成る、結
   晶面に沿う平坦表面を有する単結晶基板（１）を形成す
   る工程と、 （ｂ）前記基板の表面に、波長λに対し屈折率ｎ＿１＞
   ｎ＿０を有するｎ＾−導電型の４元材料Ａ＿IIIＸ＿II
   IＢ＿ＶＹ＿Ｖの平坦エピタキシャル層（３）を形成す
   る工程と、 （ｃ）前記４元材料層（３）を反応イオンエッチング（
   ＲＩＥ）方法により基板（１）が小さな深さに亘ってエ
   ッチングされるまで行い、このエッチングはマスク（Ｍ
   Ｋ＿１）を用いて行い、このエッチング工程後に、 ・直行及び横方向主光ガイドＧ＿ｉ＿ｉ及びＧ′＿ｉ＿
   ｉを形成するストリップと、 ・副光ガイドＨ＿ｉ＿ｉ及びＨ′＿ｉ＿ｉとこれらガイ
   ドの光軸に対し４５゜をなす基板の表面に垂直な鏡Ｍ＿
   ｉ＿ｉとを形成するストリップを基板上に残存させる工
   程と、 を具えることを特徴とする光スイッチング素子の製造方
   法。 １３、請求項第１、第２又は第４項に記載の光スイッチ
   ング素子を製造するに当り、 （ａ′）長λに対し小さな屈折率ｎ′＿０を有する２元
   材料Ａ＿IIIＢ＿Ｖからなる、結晶面に沿う平坦表面を
   有する半絶縁性の単結晶基板（１０）を形成する工程と
   、 （ｂ′＿１）前記基板の表面に、波長λに対し小さな屈
   折率ｎ＿０≒ｎ′＿０を有するｎ＾＋導電型の２元材料
   Ａ＿IIIＢ＿Ｖの平坦エピタキシャル層（１′）を形成
   する工程と、 （ｂ′＿２）前記ｎ＾＋層（１′）の表面に、波長λに
   対し屈折率ｎ＿１＞ｎ＿０、ｎ′＿０を有するｎ＾−導
   電型の平坦エピタキシャル層（３）を形成する工程と、 （Ｃ′）前記層（３）及び（１′）を例えば反応イオン
   エッチング（ＲＩＥ）方法により、下側の基板（１０）
   が小さな深さに亘ってエッチングされるまでエッチング
   し、このエッチングは、光ガイドと、光ガイドの光軸に
   対し４５゜をなす基板に垂直な鏡Ｍ＿ｉ＿ｉとを限界す
   ると共に前記ｎ＾＋層（１′）内に光ガイドの種々の部
   分間を相互接続する部分を残存させるマスク（ＭＫ′＿
   １）を用いて行う工程とを具えることを特徴とする光ス
   イッチング素子の製造方法。 １４、工程（ｂ′＿２）及び（Ｃ′）間に、（Ｃ＿０）
   光ガイドＧ＿ｉ＿ｉ及び／又はＧ′＿ｉ＿ｉの出力端部
   を除いた全面を覆うマスク（ＭＫ＿５）を形成し、これ
   ら光ガイドの端部の表面に動作波長の吸収層（３０）を
   形成し、次いでこのマスク（ＭＫ＿５）を除去する工程
   を介挿することを特徴とする請求項１３記載の方法。 １５、（ｄ）ｎ＿２＜ｎ＿１のような小さな屈折率ｎ＿
   ２を有するｎ＾−導電型の２元材料Ａ＿IIIＢ＿Ｖのプ
   レーナ層（２）をエピタキシャル成長し、このエピタキ
   シャル成長中マスク（ＭＫ＿２）によって鏡Ｍ＿ｉ＿ｉ
   の区域と、もしあれば吸収領域（３０）とをマスクする
   工程と、 （ｅ）マスク（ＭＫ＿３）の開口を介してイオン注入又
   は拡散により、もしあれば吸収領域（３０）の表面ｐ＾
   ＋導電型の領域（４０）を形成すると共に、光ガイドの
   上方のプレーナ層部分の表面にｐ＾＋導電型の領域（４
   ）を形成して光ガイドＧ＿ｉ＿ｉ及びＦ＿ｉ＿ｉの上方
   にそれぞれ２個の接点領域（Ｆ＿１、Ｆ＿２及びＦ＿３
   、Ｆ＿４）を形成すると共に光ガイドＧ′＿ｉ＿ｉ及び
   Ｆ′＿ｉ＿ｉの上方にそれぞれ２個の接点領域（Ｆ′＿
   １、Ｆ′＿２及びＦ′＿３、Ｆ′＿４）を形成する工程
   と、 （ｆ）これらｐ＾＋導電型の領域（４及び４０）の表面
   に金属接点（５及び５０）を形成してオーム接点を形成
   する工程と、 （ｇ）ｎ＾＋導電型の層（１）又は（１′）の表面に金
   属層（６）を形成してマス接点（Ｍ）を形成する工程と
   を更に具えることを特徴とする請求項１２、１３又は１
   ４記載の方法。