(57)【要約】【課題】  結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧で高速の面型光スイッチを提供すること。【解決手段】  半導体基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層と、該活性層の上部及び下部にもうけられた多層膜反射鏡とを有する面発光半導体レーザと、該半導体レーザから出射された光を変調するための電圧を印加する変調電極と、該電極によって形成された電界によって屈折率変化を生じる有機結晶からなる電気光学効果の媒体と、光強度変化に変換するための偏光板とを構成要素として含む面型光変調器とからなる面型光スイッチにおいて、該変調電極は同一平面上に形成され、有機結晶からなる電気光学効果の媒体はその電極間に形成されており、該変調電極と有機結晶からなる電気光学効果の媒体との間に有機樹脂または無機膜からなる下引層が形成されている。【選択図】  図１
2006003817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層と、該活性層の上部及び下部にもうけられた多層膜反射鏡とを有する面発光半導体レーザと、該半導体レーザから出射された光を変調するための電圧を印加する変調電極と、該電極によって形成された電界によって屈折率変化を生じる有機結晶からなる電気光学効果の媒体と、光強度変化に変換するための偏光板とを構成要素として含む面型光変調器とからなる面型光スイッチにおいて、該変調電極は同一平面上に形成され、有機結晶からなる電気光学効果の媒体はその電極間に形成されており、該変調電極と有機結晶からなる電気光学効果の媒体との間に有機樹脂または無機膜からなる下引層が形成されていることを特徴とする面型光スイッチ。
【請求項２】
前記有機結晶は、4-N,N-dimethylamino-4'-N-methyl-stilbazolium tosylate (DAST)であることを特徴とする請求項１に記載の面型光スイッチ。
【請求項３】
前記下引層は、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の面型光スイッチ。
【請求項４】
前記下引層は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコンオキシナイトライド膜であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の面型光スイッチ。
【請求項５】
前記面発光半導体レーザにおいて、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層は、GaInNAs系材料からなる層を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の面型光スイッチ。
【請求項６】
前記面発光半導体レーザにおいて、半導体基板がGaAsで構成されており、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡がAlGaAs系材料で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の面型光スイッチ。
【請求項７】
前記面発光半導体レーザ及び面型光変調器がアレイ状に並んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の面型光スイッチ。
【請求項８】
請求項１から７の面型光スイッチを光出力部の構成要素とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面型光スイッチ及び光変調器、さらに詳細には、電気光学効果を持つ有機媒体と面発光レーザを集積した高速の光変調が可能な面型光スイッチ、光変調器及びそれらをもちいたＬＡＮ、ネットワーク端末や電子機器間、ボード間、ＬＳＩチップ間の光通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インターネットに代表される情報化社会の急速な進展によって、より多くの情報をやり取りするために、大容量高速の光通信の要求は高まる一方である。そのため、幹線系のネットワークばかりでなく、ＬＡＮ、ネットワーク端末や電子機器間、ボード間、ＬＳＩチップ間とより近距離の伝送にも光を用いた情報伝達が提案されている。特に、機器間やボード間、ＬＳＩチップ間を結ぶ光インタコネクションにおいては、面型光スイッチがキーデバイスとなりえる可能性がある。これら、光による信号のインターコネクションを考えた場合、単なる面型の発光機能だけではなく、光強度の変調機能、スイッチング機能が重要である。
【０００３】
従来、基板に垂直な方向の光強度を制御しようとする試みはいくつか行われている。そのひとつに、液晶セルを用いた光スイッチ素子があるが、平面ディスプレイ用として開発されており、応答速度は、ネマチック液晶で数ms、強誘電性液晶でも数μsと非常に遅い。従って、２次元光情報処理を目的とした、空間光変調器として用いられる。一方、面発光型の半導体レーザは、低コストで光通信システムを構築できる可能性があり、近年注目されている。この面発光レーザの場合、直接駆動によるレーザ発振を制御することによって、光スイッチとして機能する。近年、その駆動速度は各種の改善案が提案され、向上する傾向にある。
【０００４】
しかし、このような面発光レーザの直接駆動は、原理的にキャリアの注入を伴い、その緩和時間のために、10GHz以上の高速動作において制限がある。そのため、特許文献１においては、半導体分布ブラッグ反射鏡（半導体DBR）を有する共振器を二つ備え、一方の共振器を面発光レーザ、他方の共振器を印加電圧の屈折率変化によって屈折率が変化する光変調器とすることで、高速性を改善した光スイッチが提案されている。この従来例では、半導体レーザの直接駆動とは異なり、光変調器に電圧を印加することで、光のスイッチングを行うため、キャリアの注入を伴わず、高速動作が可能となる。しかし、制御電極は、屈折率変化をもたらす半導体層を介して対向して設けられているため、容量（C）を形成し、半導体層の誘電率が大きいため、その値は大きい。さらに半導体DBRの抵抗（R）も大きく、これらによるRC遅延により、高速動作のための上限を規定されてしまう。そのためには、半導体層の低誘電率化や半導体DBRの低抵抗化が必要となるが、光学特性との整合性もあり改善は難しい。また、半導体DBRの抵抗も高く、進行波型電極として、インピーダンスマッチングをはかることも難しい。
【０００５】
一方、有機結晶に関しては、図4に構造式を示す4-N,N-dimethylamino-4'-N-methyl-stilbazolium tosylate (DAST)が、東北大学中西研究室において開発され、極めて大きな非線形光学定数d11=1010pm/V(λ＝1.3μm)と電気光学定数r11＝53pm/V(λ=1.3μm)を有し、有機結晶特有の低い誘電率（ε1＝5.2）であるために、低電圧、高速の光変調や検波、ミリ波（または、サブミリ波）発生など関心を集めている。有機結晶であるため、有機高分子のように分極処理を必要とせず、分極緩和のような経時変化はなく安定である。実際に改良シェア法によってDAST結晶の薄膜を形成し、光変調を行った報告（M.Thakur他、Appl. Phys.Lett.,Vol.74(1999)635）やDASTの電気光学効果を用いて、その屈折率変化から信号線を伝搬する電気信号を計測する報告（特許文献２）がなされている。しかし、このような材料を半導体レーザと組み合わせて、光スイッチとして報告した例はない。
【０００６】
DASTを用いた面型光スイッチに関する発明として、公知技術によって形成されるGaAs基板を用いた面発光レーザの光出射側に、有機結晶を用いた光変調器を形成しているものがある。有機結晶を用いた光変調器は、キャリアの注入を伴わないため、先に示したような速度の規定はない。また、これまで基幹系の光変調器として用いられているLiNbO3(LN)などにくらべ、有機結晶は、電気光学定数の大きな材料であるため、低電圧駆動が実現でき、また、誘電率も約1/6と非常に小さいため、高速のスイッチングが可能となる。特に、図５に示すように、変調電極が同一平面状に形成され、電気光学効果の媒体であるDASTがその電極間に形成されている場合は、効率よく電界を印加することができるため、さらなる低電圧駆動が可能となり、さらに、電極による表面凹凸がないため、パシベーションのカバレージ不良による信頼性の低下はなくなる。
【０００７】
しかし、このような構成の光スイッチを形成する場合、DASTは水や通常の極性のある有機溶媒に可溶であるため、フォトリソグラフィーとエッチングによるパターニングは困難なため、図６のように、あらかじめ変調電極を形成した後に、DAST結晶成長を行い、その後研磨によって必要な部分のみにDASTを残す方法を提案している。しかし、この方法においては、DAST結晶成長させる表面には、変調電極である金属と、石英やSiなどの無機基板またはポリイミドなどの有機基板という異なる材質が露出しており、意図しない部分に雑晶が形成されたり、有機結晶の結晶性が下地により変化するという問題が発生することがある。また、DASTなどの有機結晶を金属上に形成した場合、密着性が悪く、研磨時に剥離することも見られた。したがって、このように材質の異なる構成部剤が露出した表面に有機結晶を形成する場合、表面の不均一性および密着性を改善する必要があるが判明した。
【特許文献１】特開平６−２１５８１号公報
【特許文献２】特開平８−２６２１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような光インターコネクションなどに用いられる面型光スイッチ、光変調器及びそれらをもちいたＬＡＮ、ネットワーク端末や電子機器間、ボード間、ＬＳＩチップ間の光通信システムに関するものであり、その目的は、結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧で高速の面型光スイッチを提供することにある。
【０００９】
また、結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧で高速のスイッチングを維持しつつ、光ファイバーとの整合性のよい1.1μmよりも長波長帯の波長を持ち、温度に対するレーザ特性が安定した信頼性の高い面型光スイッチを提供することにある。
【００１０】
また、結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧で高速のスイッチングを維持しつつ、放熱性に優れ、温度に対するレーザ特性が安定した信頼性の高い面型光スイッチを提供することにある。
【００１１】
また、結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧のスイッチングを維持しつつ、より広帯域な伝送が可能な面型光スイッチを提供することにある。
【００１２】
また、低電圧で、高速、広帯域な光通信システムを低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成する本発明の態様は、半導体基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層と、該活性層の上部及び下部にもうけられた多層膜反射鏡とを有する面発光半導体レーザと、該半導体レーザから出射された光を変調するための電圧を印加する変調電極と、該電極によって形成された電界によって屈折率変化を生じる有機結晶からなる電気光学効果の媒体と、光強度変化に変換するための偏光板とを構成要素として含む面型光変調器とからなる面型光スイッチにおいて、該変調電極は同一平面上に形成され、有機結晶からなる電気光学効果の媒体はその電極間に形成されており、該変調電極と有機結晶からなる電気光学効果の媒体との間に有機樹脂または無機膜からなる下引層が形成されていることを特徴とする。すると、異なる表面の影響を除くことができるため、有機結晶の結晶品質を均一化でき、また、膜剥離による信頼性の劣化のない低電圧で高速の面型光スイッチを低コストで提供することができる。
【００１４】
電気光学媒体である有機結晶として、4-N,N-dimethylamino-4'-N-methyl-stilbazolium tosylate (DAST)を用いることによって、電気光学定数が大きく、誘電率が小さいために、より低電圧で高速のスイッチングを可能とする面型光スイッチを提供することができる。
【００１５】
ここでポリイミド樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂のいずれかよりなる下引層を形成することによって、異なる表面の影響を除くことができ、有機結晶の結晶品質を均一化でき、また、膜剥離による信頼性の劣化のない低電圧で高速の面型光スイッチを低コストで提供することができる。
【００１６】
またシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコンオキシナイトライド膜のいずれかよりなる下引層を形成することによって、異なる表面の影響を除くことができ、有機結晶の結晶品質を均一化でき、また、膜剥離による信頼性の劣化のない低電圧で高速の面型光スイッチを低コストで提供することができる。
【００１７】
上記面発光半導体レーザにおいて、下引層を形成することで、結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧で高速のスイッチングを維持しつつ、ＩＩＩ−Ｖ 族混晶半導体からなる活性層に、GaInNAs系材料を含むことによって、光ファイバーとの整合性のよい、1.1μmよりも長波長帯の波長を発振することができ、かつ温度に対するレーザ特性が安定した信頼性の高い面型光スイッチを提供することができる。
【００１８】
上記面発光半導体レーザにおいて、下引層を形成することで、結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧で高速のスイッチングを維持しつつ、半導体基板がGaAsで構成されており、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡がAlGaAs系材料で構成されていることによって、放熱性に優れ、温度に対するレーザ特性が安定した信頼性の高い面型光スイッチを提供することができる。
【００１９】
そして下引層を形成することで、結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧のスイッチングを維持しつつ、面発光半導体レーザ及び面型光変調器がアレイ状に並んでいることによって、より広帯域な面型光スイッチを提供することができる。
【００２０】
本発明の他の態様として、上記の面型光スイッチを光出力部の構成要素とすることによって、より低電圧で、高速、広帯域な光通信システムを低コストで提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
有機結晶の結晶品質を均一化でき、また、膜剥離による信頼性の劣化のない低電圧で高速の面型光スイッチを低コストで提供することができる。さらにそのような面型光スイッチを光出力部の構成要素とすることによって、より低電圧で、高速、広帯域な光通信システムを低コストで提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
＜実施の形態１＞
図１は本発明に係る面型光スイッチの基本的な構成例を示す断面図である。この面型光スイッチは、大きく半導体基板上に形成された面発光半導体レーザと有機結晶DASTを含む光変調器からなっている。
【００２４】
面発光半導体レーザは、半導体基板上に、下部ミラー層として半導体分布ブラッグ反射鏡（半導体DBR）と、活性層として、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体、上部ミラー層として、半
導体DBRからなる共振構造を形成している。該半導体積層構造の表面から少なくとも活性層の下端まで（図１の例では、下部半導体DBRの表面まで）がエッチング除去され柱状構造をなし、レーザ構造部が形成されており、このレーザ構造部の表面にポリイミド保護膜が設けられている。このポリイミド保護膜は、素子の平坦化を行うことができ、レジストのパターニングが容易となり、また、上部電極の成膜において十分なカバレージを確保でき、上部電極成性も容易となる。さらに、ポリイミド膜は、PMMAなどと比べて水分透過性が低く、レーザ素子部、特に活性層などへの水分の侵入を防ぐことによって阻止の劣化を防ぎ、高信頼の素子を提供できる。前記共振器構造中の活性層に近傍に電流狭窄層が形成され、上部半導体DBRに接して、光取り出し窓を有する上部電極が形成されていて、半導体基板の裏面には下部電極が形成されている。
【００２５】
面発光半導体レーザにおいて、活性層はＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成されており、波長0.85μm帯の発光を示すAlGaAs系材料や波長1.1μmより長波長で発光するGaInNAs系材料で構成されている。特にGaInNAs系材料、具体的には、GaAsN,GaInNAs,GaAsNSb,GaInNAsSbは、GaAs基板上に、光ファイバーの損失が少ない、波長1.1μmよりも長波長で発光する活性層を形成でき、温度特性の良好なレーザを形成できる。
【００２６】
半導体基板として、GaAs単結晶基板を用いた場合、上部多層膜反射鏡および下部多層膜反射鏡をGaAs基板と格子整合し屈折率差を大きくとれるAlxGa(1-x)As/ AlyGa(1-y)As(≦y＜x≦1)の半導体DBRで構成するのが好適である。これは、少ない層数で高い反射率の半導体DBRがえられ、半導体DBR部の熱抵抗を低くでき、放熱性に優れる。従って、1.1μmよりも長波長帯において、より温度特性の良好な面発光半導体レーザを提供できる。
【００２７】
一方、光変調器については、半導体レーザから出射された光を変調する為の電圧を印加する変調電極と、この電極によって形成される電界により屈折率変化を生じる電気光学効果を示す有機媒体と、屈折率変化を光強度変化に変換するための偏光板とからなる。電気光学効果を示す媒体としては、DASTを用いている。DASTは、LiNbO3（LN）に比べて大きな電気光学定数を持つため、低電圧で変調効率の高い変調を行うことができ、また、誘電率ε1＝5.2とLNの誘電率28に比べて、約1/6と小さいために、高速の光変調が可能となる。
【００２８】
ここで、面発光半導体レーザの偏光制御に関しては、半導体レーザにおいて、上部電極の開口部を直交する２つの方向の長さを非対称性にすることによって、寸法の大きな方向に偏光が規定されることを用いて、偏光方向の制御を行っている。DASTのもっとも大きな電気光学定数r11を使うため、結晶のa軸方向に電界が印加され、DASTに入射する光の偏波方向は、a軸に対して45°、出射側の偏光板は、入射側の偏光方向つまり半導体レーザの偏光方向に対して90°となるように偏光板の偏光方向を規定している。結晶のa軸は基板に平行方向となるように、また、光の進行方向は結晶のc軸となるように配置し、DASTは図１に示すように変調電極間に形成され、電界はa軸方向に印加されるように、結晶軸を規定している。このとき、電界Eに対して、屈折率変化Δnは、結晶の屈折率n1,n2、電気光学定数r11,r21を用いて、
Δn=-(n13r11−n23r21)E/2……式（１）
とあらわすことができ、DASTに入射した直線偏光は、複屈折により楕円偏光となるが、式（１）にあらわされているように、外部から印加された変調電圧に従って、屈折率に変化が生じるため、出射側の偏光板によって偏光成分を取り出すと光強度の変調として現れる。この複屈折による光変調は、図３に示すように、最大強度Imaxや最小強度Imin近傍では、被変調光の強度変化は小さくなってしまうため、ImaxとIminの中心を動作点とすることが望ましく、これはDAST膜厚などに依存する。そこで、動作点（ImaxとIminの中心）で変調動作を行うように、光学バイアスに相当する直流電圧を変調信号である交流に重畳することによって、変調深さの深い（変調効率のよい）変調を実現することができる。変調電極については、抵抗を付与し、50Ωのインピーダンスマッチングの取れた進行波型電極とすることで、容量の影響をなくし、非常に高速な光変調に対応できる電極構造としている。
【００２９】
このように変調電極間に有機結晶DASTを形成した場合、DAST上にコプレーナ型の変調電極を形成する場合に比べて、効率よく電界を印加することができ、より低電圧駆動の光スイッチを提供できる。また、電極による表面凹凸がないため、パシベーションのカバレージ不良による信頼性の低下もない。更に、本形態によれば、変調電極間と有機結晶DASTの間に、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂の有機樹脂膜を下引層として形成することによって、結晶成長時に露出している表面が均一材質となり、結晶性が下地によらず均一なものが形成される。さらに、有機結晶は金属上に形成した場合に比べ、下引層との密着性が向上し、剥離による歩留まりの低下も見られない。
【００３０】
この下引層の効果について、図２に示す光変調器部分の作製プロセスに基づいて説明する。
【００３１】
まず、レーザ発振する光に対して透明な基板上に、メッキやスパッタリング、真空蒸着などの成膜技術や、リソグラフィーとエッチングを用いたパターン形成技術などによる公知技術によって、変調電極を形成する（図２（ａ））。
【００３２】
ついで、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂の有機樹脂膜を下引層として、スピンコート法やスプレー塗布、インクジェット印刷法などにより成膜する（図２(ｂ)）。これらの樹脂は、光導波路の材料として用いられており、レーザ発振波長に対して、透明であり、光ロスが少ない。さらに、面発光半導体レーザから出射された光が通化する変調電極間の溝を埋める形で、DAST結晶を成長させる（図２(ｃ)）。結晶成長方法としては、DASTにおいては、種結晶を用い、電極方向がa軸となるように配置して、DASTのメタノール溶液に浸漬し、溶液温度を徐々に降下させて結晶成長させる徐冷法を用いて、溝に有機結晶DASTを埋めることができる。また、同様にDASTのメタノール溶液をこの変調電極を形成した基板と対向した石英基板間に挟み、荷重をかけて一方向にずらし、温度制御しながら結晶成長させる改良シェア法も用いることができる。このように、有機結晶DASTの結晶成長を行う場合、下引層を形性することで、均一な表面のみが露出することによって、結晶の均一性を高めることができ、かつ金属上に形成する場合に比べて密着性を向上できる。従来例、図６（ｂ）のように、金属電極と基板という異なる表面が露出する場合は、雑晶が形成されたり、結晶性が均質ではなかったり、また、変調電極上に形成される有機結晶と金属の密着性が悪く、次のDAST除去工程で剥離が生じてしまう場合もある。
【００３３】
次に、変調電極上の不要なDASTを除去するために研磨を行う。DASTの場合、水に溶ける性質があり、また、吸湿すると非線形性が消失するため、シリカやアルミナを研磨剤として含む、通常の水を分散媒として用いたスラリーを用いることはできない。そこで、DASTが不溶な溶媒、例えばヘキサンにシリカやアルミナなどの研磨剤を分散させたスラリーを作製し、パッドとして、発泡ウレタンパッドをもちいて化学的機械研磨を行ったところ、DASTの劣化を生じることなく研磨が可能で、溝部分にのみDASTを残すことができる（図２（ｄ））。
【００３４】
最後に、この上層にパシベーション膜を成膜し、偏光板を張り合わせ、変調電極を開口する（図２（ｅ））。
【００３５】
実施の形態１のより具体的な説明をしておく。先ず、MOCVD法により、n-GaAs(100)基板上に、n-AlGaAs/n-GaAsの２８ペアからなる下部多層膜反射鏡、３層のGaInNAsと２層のGaAsからなる多重量子井戸活性層、AlAs選択酸化層、p-AlGaAs/p-GaAsの２０ペアからなる上部多層膜反射鏡 、p-GaAsコンタクト層を、レーザ構造積層膜として形成する。ここでは、波長1.3μmのレーザ発振を想定しているため、半導体DBRのAlGaAs層、GaAs層の厚さは、材料の屈折率を考慮して、1/4波長の厚さになっている。また、半導体DBRにはさまれた光共振器の厚さは、１波長に相当するものに設定している。
【００３６】
次に、このレーザ構造積層膜の30μm×30μmの領域の、ポスト形状のレーザ発振部の半導体柱が残るように、AlAs選択酸化層 に達する深さ以上までエッチングする。
【００３７】
次に、半導体柱のAlAs選択酸化層の端面から水蒸気を導入し、一部を絶縁性のAlxOy電流狭窄層に変化させる。
【００３８】
次に、ポリイミドワニスをスピンコートにより塗布し、硬化させる。レジストを塗布し、リソグラフィー、エッチングにより、半導体柱の上面の25μm×25μmの領域のポリイミドを除去する。次に、このポリイミドを除去した半導体柱の上面の光出射部を除いた領域とポリイミド表面にAu/Au-Zn/Crの上部電極及び配線部及びボンディングパッドを蒸着とリフトオフ法で形成する。
【００３９】
このリフトオフと蒸着で開口部を形成する際に、レジスト形状を制御して、開口部が長軸10μm、短軸7μmの楕円となるように形成しする。このとき、半導体レーザの偏光方向は、この楕円の長軸方向に一致している。n-GaAs基板 の裏面にAu/Ni/Au-Ge下部電極を蒸着する。このようにして、1.3μm帯面発光半導体レーザを作製することができる。
【００４０】
一方、1.3μmの波長に対して透明なポリイミド基板上に、メッキ法により厚さ6μmのAuからなる変調電極を50Ωのインピーダンスマッチングの取れた進行波型電極として形成した。電極間距離は、12μmで、面発光半導体レーザの開口に対して、アライメントマージンをもつ電極間距離とした。
【００４１】
ついで、スピンコート法により、膜厚500nmのポリイミド膜、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂を下引層として、それぞれ形成した。
【００４２】
ついで、信学技報EMD2001-44(2001)65にある公知技術によって、DAST結晶を電極間に成長させる。電極方向が結晶のa軸となり、かつ結晶成長方向の大きな[001]方向を電極が形成された基板側になるようにDAST種結晶を固定し、これをDASTメタノール溶液に浸漬させて、徐冷法を行い、電極間にDASTを埋め込んだ。
【００４３】
ここでは、ポリイミド基板を用いたが、使用する波長に対して透明であれば、Si,Gaなどの半導体基板や、石英基板、PMMA、エポキシ樹脂などの有機物からなる基板を用いてもよい。また、種結晶を用いた徐冷法でDAST層を形成したが、Appl.Phys.Lett.,Vol.74(1999)635にあるような改良シェア法によってDAST薄膜を形成してもよい。
【００４４】
次に、粒径0.3μmのアルミナ研磨剤をDASTが不溶なヘキサン中に分散させ、2wt%濃度のスラリーを作製した。このスラリーを発泡ポリウレタンパッドIC-1000/SUBAＩＶ（ロ
デール製）上に滴下しながら、DAST結晶を研磨し、Au電極が露出した時点で研磨をとめ、変調電極間にDASTを形成する。
【００４５】
ついで、この上層に、パッシベーション膜として、SiON膜を形成し、更にその上層に偏光板を張り合わせる。偏光板の偏光方向は、DAST結晶のa軸方向と45°の角度をなすようにアライメントした。
【００４６】
ついで、ポリイミド基板を0.1mmまで研磨によって薄層化し、先に形成した面発光半導体レーザに張り合わせ、面型光スイッチを形成した。このとき、DAST結晶のa軸が、半導体レーザの偏光方向に対して45°の角度を持ち、かつ出射側の偏光板の偏光方向と直行するように張り合わせている。
【００４７】
ポリイミド膜、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂を下引層として形成した光スイッチは、有機結晶の結晶品質を均一化でき、また、膜剥離による信頼性の劣化がなく、また、雑晶発生を抑制できるため歩留まり低下を抑制でき、低コストで光スイッチを提供することができる。また、電気光学効果の媒体として、有機結晶DASTを用いているため、低電圧で高速の光スイッチを提供できる。
【００４８】
＜実施の形態２＞
実施の形態２においては、下引層をシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコンオキシナイトライド膜の無機膜で形成している点が実施の形態１と異なっている。このような無機膜は、各種CVD法やスパッタ法、またシリコン酸化膜はSOG(Spin on Glass)と呼ばれるスピンコート法などで形成することができる。
【００４９】
実施の形態２のより具体的な説明をしておく。まず、面発光半導体レーザ部は、実施の形態１と同様に形成した。MOCVD法により、n-GaAs(100)基板上に、n-AlGaAs/n-GaAsの２８ペアからなる下部多層膜反射鏡、３層のGaInNAsと２層のGaAsからなる多重量子井戸活性層、AlAs選択酸化層、p-AlGaAs/p-GaAsの２０ペアからなる上部多層膜反射鏡、p-GaAsコンタクト層を形成する。レーザ発振波長は、1.3μmを想定して、半導体DBRのAlGaAs層、GaAs層の厚さを設計している。次に、このレーザ構造積層膜の30μm×30μmの領域の、ポスト形状のレーザ発振部の半導体柱が残るように、AlAs選択酸化層 に達する深さ以上までエッチングする。次に、半導体柱のAlAs選択酸化層の端面から水蒸気を導入し、一部を絶縁性のAlxOy電流狭窄層に変化させる。
【００５０】
次に、ポリイミドワニスをスピンコートにより塗布し、硬化させる。レジストを塗布し、リソグラフィー、エッチングにより、半導体柱の上面の25μm×25μmの領域のポリイミドを除去する。
【００５１】
次に、このポリイミドを除去した半導体柱の上面の光出射部を除いた領域とポリイミド表面にAu/Au-Zn/Crの上部電極及び配線部及びボンディングパッドを蒸着とリフトオフ法で形成する。
【００５２】
このリフトオフと蒸着で開口部を形成する際に、レジスト形状を制御して、開口部が長軸10μm、短軸7μmの楕円となるように形成する。このとき、半導体レーザの偏光方向は、この楕円の長軸方向に一致している。n-GaAs基板の裏面にAu/Ni/Au-Ge下部電極を蒸着する。このようにして、1.3μm帯面発光半導体レーザを作製することができる。
【００５３】
一方、1.3μmの波長に対して透明なSi基板上に、メッキ法により厚さ6μmのAuからなる変調電極を形成した。電極間距離は、12μmで、面発光半導体レーザの開口に対して、アライメントマージンをもつ電極間距離とした。
【００５４】
ついで、プラズマCVD法により、膜厚100nmのシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコンオキシナイトライド膜を下引層として、それぞれ形成した。シリコン酸化膜は、テトラエトキシシラン（TEOS）を原料に、シリコン窒化膜およびシリコンオキシナイトライド膜は、シラン(SiH4)を原料にしたプラズマCVDで形成した。ここでは、プラズマCVDを用いたが、常圧CVDやcatalytic CVDなどの各種CVD法やスパッタ法、シリコン酸化膜は、SOG(Spin on Glass)と呼ばれるスピンコート法などで形成してもよい。このような無機膜の場合は、薄層でも、緻密な膜を形成できる。
【００５５】
ついでこの上層に、実施の形態１同様、DAST薄膜結晶は、信学技報EMD2001-44(2001)65にある公知技術によって形成した。電極方向が結晶のa軸となり、かつ結晶成長方向の大きな[001]方向を電極が形成された基板側になるようにDAST種結晶を固定し、これをDASTメタノール溶液に浸漬させて、徐冷法を行い、電極間にDASTを埋め込んだ。
【００５６】
ここでは、Si基板を用いたが、使用する波長に対して透明であれば、Gaなどの半導体基板や、石英基板、ポリイミド、PMMA、エポキシ樹脂などの有機物からなる基板を用いてもよい。また、種結晶を用いた徐冷法でDAST層を形成したが、Appl.Phys.Lett.,Vol.74(1999)635にあるような改良シェア法によってDAST薄膜を形成してもよい。
【００５７】
次に、実施の形態１同様、粒径0.3μmのアルミナ研磨剤をDASTが不溶なヘキサン中に分散させ、2wt%濃度のスラリーを作製した。このスラリーを発泡ポリウレタンパッドIC-1000/SUBAＩＶ（ロデール製）上に滴下しながら、DAST結晶を研磨し、各種下引層が露出した時点で研磨をとめ、変調電極間にDASTを形成する。下引層を無機材料とすることで、有機結晶との研磨の選択比が大きく取れ、研磨の終点を容易に検出しやすい。
【００５８】
ついで、この上層に、パッシベーション膜として、SiON膜を形成し、更にその上層に偏光板を張り合わせる。偏光板の偏光方向は、DAST結晶のa軸方向と45°の角度をなすようにアライメントした。
【００５９】
ついで、Si基板を0.1mmまで研磨によって薄層化し、先に形成した面発光半導体レーザに張り合わせ、面型光スイッチを形成した。このとき、DAST結晶のa軸が、半導体レーザの偏光方向に対して45°の角度を持ち、かつ出射側の偏光板の偏光方向と直行するように張り合わせている。
【００６０】
シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコンオキシナイトライド膜を下引層として形成した光スイッチは、有機結晶の結晶品質を均一化でき、また、膜剥離による信頼性の劣化がなく、また、雑晶発生を抑制できるため歩留まり低下を抑制でき、低コストで光スイッチを提供することができる。また、電気光学効果の媒体として、有機結晶DASTを用いているため、低電圧で高速の光スイッチを提供できる。
【００６１】
＜実施の形態３＞
ここでは、面型光スイッチが4個アレイ状に並んだものを形成する。また、下引層としては、実施の形態２と同じ、シリコン酸化膜を用いている。
【００６２】
実施の形態２同様、MOCVD法により、n-GaAs(100)基板上に、レーザ構造積層膜を形成する。ついで、ポスト形状をもつレーザ発振部の半導体柱をパターニングする際に、光ファイバーのピッチに合わせて、125μmピッチで４つの半導体柱を形成した。その他、AlAs選択酸化やポリイミド形成、光出射部の開口や電極形成は実施の形態１と同じようにして、開口部が125μmピッチで４個アレイ化した、1.3μm帯面発光半導体レーザを作製することができる。
【００６３】
一方、光変調器側も実施の形態２同様に、1.3μmの波長に対して透明なSi基板上に、メッキ法により厚さ6μmのAuからなる変調電極を４対形成した。電極間距離は、12μmで、面発光半導体レーザの開口に対して、アライメントマージンをもつ電極間距離とし、４個の面発光半導体レーザのピッチに合わせて、４対の変調電極のピッチは125μmとしている。この基板上に、TEOSを用いたプラズマCVD法（PECVD）により、膜厚100nmのシリコン酸化膜を下引層として形成した。ついで、実施の形態１同様、電極方向が結晶のa軸となるように、４つの種結晶をそれぞれDASTを埋め込む変調電極近傍に配置し、DASTメタノール溶液に浸漬させて、徐冷法を行った。引き続いて、実施の形態１同様研磨で不要なDASTを除去し、パシベーションや偏光板を形成した。DAST結晶のa軸と偏光板の偏光方向、面発光半導体レーザの偏光方向も実施の形態２と同様になるようにはり合わせを行った。以上のようにして、４個の面型光スイッチアレイを形成した。
【００６４】
このように下引層を形成することで、結晶品質が均一で、膜剥離による信頼性の劣化がない、低コスト、低電圧のスイッチングを維持しつつ、面発光半導体レーザ及び面型光変調器がアレイ状に並んでいることによって、伝送速度の大きな、より広帯域な面型光スイッチを形成できる。
【００６５】
＜実施の形態４＞
図７に面型光スイッチを用いた光通信システムの一例を示す。この例は、ガラスエポキシでできたプリント基板上に、複数のIC間の光インターコネクションを実現したものである。光インターコネクションは、高速の信号線に用いており、低速の信号線は図示していないが従来通り電気配線を用いている。光通信システムは、ICからの電気信号を光信号に変換して出力するための光出力部、その光信号を伝送するための光伝送路及び伝送された光信号を電気信号に変換するための光入力部からなる。ここで、光出力部は、実施の形態３の４個の面型光スイッチをアレイ化した面型光スイッチアレイをプリント基板上に実装している。その他光出力部は、ICからの電気信号を処理する電気回路及び面型光スイッチアレイを駆動するためのドライバからなる電気信号処理部からなっている。一方、光入力部は、伝送された信号を受光するための受光素子アレイと、必要に応じて受光素子からの信号を増幅するためのアンプ、及び４つの受光素子で並列に受けた信号を再度もとのビットに変換するための電気回路からなる電気信号処理部からなっている。また、光伝送路として、ここでは面型光スイッチ及び受光素子アレイのピッチ125μmに対応して、シングルモードの光ファイバーを用いた。
【００６６】
ここでは、光伝送路として、シングルモードの石英光ファイバーを用いたが、比較的低速での短距離の伝送など、用途に応じて、マルチモードの光ファイバーやPOF、また、ボード内光通信においては、石英や樹脂からなる光導波路を適宜用いることができる。
【００６７】
なお本形態では、入出力装置が光出力、光入力の二つを備えて、双方向の光伝送を可能にし、好ましい例ではあるが、本発明はこのような構成に限定される物ではない。有機結晶DASTを用いた面型の光スイッチを含む光出力部をもてばよく、光入力部が同一基板上にないような一方向の伝送でもかまわないし、逆に同一基板上にその他の光学構成要素があることを排除するものではない。
【００６８】
光出力部に、有機結晶ＤＡＳＴを光変調部にもちかつ変調電極と有機結晶からなる電気光学効果の媒体との間に下引層を形成した面型光スイッチをもちいることで、より低電圧で、高速、広帯域な光通信システムを低コストで提供することができる。
【００６９】
なお、上記形態は本発明を実施するための最良のものであってこれに限定する主旨ではない。従って、本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】面型光スイッチの断面図である。
【図２】光変調部分の作成プロセスを説明する模式図である。
【図３】光変調を説明する模式図である。
【図４】ＤＡＳＴの構造式である。
【図５】従来の面型光スイッチの断面図である。
【図６】従来の光変調部分の作成プロセスを説明する模式図である。
【図７】光通信システムを説明する模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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