(57)【要約】【課題】  高速のスイッチングを可能にし、さらに、簡単な構成で、熱応力による特性劣化のない面型光スイッチ及び光通信システムを提供する。【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設けられた半導体多層膜反射鏡とを有する面発光半導体レーザと、該面発光半導体レーザから出射される光を変調するための電圧を印加する変調電極と該変調電極によって形成された電界によって屈折率変化が生じる有機結晶からなる電気光学効果をもつ媒体と前記電気光学効果をもつ媒体の屈折率変化を光強度変化に変換するための偏光板とを有する面型光変調器とからなる面型光スイッチであって、熱応力緩和層が設けられている。【選択図】      図１
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【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設けられた半導体多層膜反射鏡とを有する面発光半導体レーザと、該面発光半導体レーザから出射される光を変調するための電圧を印加する変調電極と該変調電極によって形成された電界によって屈折率変化が生じる有機結晶からなる電気光学効果をもつ媒体と前記電気光学効果をもつ媒体の屈折率変化を光強度変化に変換するための偏光板とを有する面型光変調器とからなる面型光スイッチであって、熱応力緩和層が設けられていることを特徴とする面型光スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の面型光スイッチにおいて、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面型光スイッチ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層は、樹脂からなり、面発光半導体レーザの、面型光変調器が設けられている側とは反対の側に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４】
請求項３記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層には、導電性フィラーおよび／または半導電性フィラーが含まれていることを特徴とする面型光スイッチ。
【請求項５】
請求項１または請求項２記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層は、無機材料からなり、面型光変調器の、面発光半導体レーザが設けられている側とは反対の側に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６】
請求項５記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層は、面型光変調器の基板を兼ねていることを特徴とする面型光スイッチ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、前記面発光半導体レーザの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面型光スイッチ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、前記面発光半導体レーザは、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面型光スイッチ。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８記載のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、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面型光スイッチ。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の面型光スイッチが光出力部の構成要素として用いられることを特徴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通信システムに関する。
【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ー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１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ｍ秒、強誘電性液晶でも数μ秒と非常に遅い。一方、半導体レーザを直接駆動する方法も検討され、近年その駆動速度は改善され、向上する傾向にある。
【０００４】
しかし、このような半導体レーザの直接駆動は、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、例えば特許文献１には、半導体分布ブラッグ反射鏡（半導体ＤＢＲ）を有する共振器を２つ設け、一方の共振器を面発光レーザのものとし、他方の共振器を印加電圧によって屈折率が変化する光変調器のものとすることで、高速性を改善した光スイッチが提案されている。この特許文献１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。
【０００５】
しかし、制御電極は、屈折率変化をもたらす半導体層をはさみ平行平板型であり、また半導体層の誘電率も大きいため、容量（Ｃ）および半導体ＤＢＲの抵抗（Ｒ）による時定数（ＲＣ）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図ることも難しい。
【特許文献１】特開平６−２１５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述したような従来の問題を解決し、高速のスイッチングを可能にし、さらに、簡単な構成で、熱応力による特性劣化のない面型光スイッチ及び光通信システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、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設けられた半導体多層膜反射鏡とを有する面発光半導体レーザと、該面発光半導体レーザから出射される光を変調するための電圧を印加する変調電極と該変調電極によって形成された電界によって屈折率変化が生じる有機結晶からなる電気光学効果をもつ媒体と前記電気光学効果をもつ媒体の屈折率変化を光強度変化に変換するための偏光板とを有する面型光変調器とからなる面型光スイッチであって、熱応力緩和層が設けられていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面型光スイッチにおいて、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している。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層は、樹脂からなり、面発光半導体レーザの、面型光変調器が設けられている側とは反対の側に形成されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層には、導電性フィラーおよび／または半導電性フィラーが含まれていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項５記載の発明は、請求項１または請求項２記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層は、無機材料からなり、面型光変調器の、面発光半導体レーザが設けられている側とは反対の側に形成されていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層は、面型光変調器の基板を兼ねていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、前記面発光半導体レーザの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している。
【００１４】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、前記面発光半導体レーザは、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している。
【００１５】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８記載のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、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している。
【００１６】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の面型光スイッチが光出力部の構成要素として用いられることを特徴とする光通信システムである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１乃至請求項９記載の発明によれば、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設けられた半導体多層膜反射鏡とを有する面発光半導体レーザと、該面発光半導体レーザから出射される光を変調するための電圧を印加する変調電極と該変調電極によって形成された電界によって屈折率変化が生じる有機結晶からなる電気光学効果をもつ媒体と前記電気光学効果をもつ媒体の屈折率変化を光強度変化に変換するための偏光板とを有する面型光変調器とからなる面型光スイッチであって、熱応力緩和層が設けられており、電気光学効果の媒体として、有機結晶が用いられることによって、電気光学定数が大きく、誘電率が小さい特徴を生かした高速のスイッチングが可能となり、また、熱応力緩和層が設けられていることによって、簡単な構成で、熱応力による特性劣化のない面型光スイッチを提供することができる。
【００１８】
特に、請求項２記載の発明では、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、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。
【００１９】
また、請求項４記載の発明では、請求項３記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層には、導電性フィラーおよび／または半導電性フィラーが含まれていることによって、簡単な構成で、熱応力による特性劣化がないことを維持しつつ、放熱性も良好で信頼性の高い面型光スイッチを提供できる。
【００２０】
また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の面型光スイッチにおいて、前記熱応力緩和層は、面型光変調器の基板を兼ねているので、熱応力による特性劣化のないことを維持しつつ、より少ない構成部材で実現でき、低コストな面型光スイッチを提供することができる。
【００２１】
また、請求項７記載の発明では、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、前記面発光半導体レーザの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ができる。
【００２２】
また、請求項８記載の発明では、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、前記面発光半導体レーザは、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。
【００２３】
また、請求項９記載の発明では、請求項１乃至請求項８記載のいずれか一項に記載の面型光スイッチにおいて、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。
【００２４】
また、請求項１０記載の発明では、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の面型光スイッチが光出力部の構成要素として用いられることによって、より高速，広帯域な光通信システムを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】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
近年、東北大学において、有機結晶である４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４’−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ  ｔｏｓｙｌａｔｅ（ＤＡＳＴ）（構造式は化１である）が開発されている。
【００２７】
【化１】
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この有機結晶（ＤＡＳＴ）は、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＝１３００ｎｍ）とを有し、有機結晶特有の低い誘電率（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。また、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の薄膜を形成して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（特開平８−２６２１１７）がなされている。
【００２８】
本願の発明者は、このような有機結晶材料を半導体レーザと組み合わせて、光スイッチとして構成することに着目し、本発明を完成させた。
【００２９】
図１は本発明に係る面型光スイッチの構成例を示す図である。図１の面型光スイッチは、半導体基板上に形成された、面発光半導体レーザと、電気光学効果をもつ媒体として有機結晶（例えばＤＡＳＴ）を含む光変調器とからなっている。
【００３０】
ここで、面発光半導体レーザは、半導体基板（例えばｎ−ＧａＡｓ基板）上に、下部ミラー層（下部多層膜反射鏡）としての半導体分布ブラッグ反射鏡（半導体ＤＢＲ）と、活性層としてのIII−Ｖ族混晶半導体と、上部ミラー層（上部多層膜反射鏡）としての半導体ＤＢＲとからなる共振器構造が形成されて構成されている。そして、この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、下部ミラー層の表面まで）がエッチング除去されて柱状構造の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。
【００３１】
ポリイミド保護膜は、ポリイミドワニスやポリイミド前駆体などと呼ばれる前記縮合反応の中間反応物を塗布した後、加熱硬化させて形成されるもので、非常に簡便な方法で形成することができる。また、樹脂を塗布して硬化するため、レーザ構造部などを除く凹部を埋めて素子の平坦化を行うことができ、素子の平坦化によって、レジストのパターニングが容易で、かつ、上部電極の成膜において十分なカバレージを確保でき、上部電極の形成が容易となる。
また、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。
【００３２】
そして、上記共振器構造中の活性層に近傍に電流狭窄層（例えば、ＡｌＡｓ膜の酸化による絶縁性のＡｌｘＯｙ膜）が形成され、また、上部ミラー層に接して、光取り出し窓を有する上部電極が形成され、また、半導体基板の裏面には下部電極が形成されている。
【００３３】
また、上記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いる。具体的には、活性層は、波長０．８５μｍ帯の発光を示すＡｌＧａＡｓ系材料や波長１．１μｍよりも長波長で発光する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る。また、このような材料は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓとヘテロ接合を形成したときに、伝導帯バンドの不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくとることができるので、活性層に電子を有効に閉じ込めることができる。よって、温度特性の良好なレーザを形成できる。
【００３４】
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（０≦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が得られ、半導体ＤＢＲ部の熱抵抗を低くできるので、放熱性に優れるためである。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。
一方、光変調器は、図１の構成例では、面発光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、この変調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媒体と、電気光学効果を示す媒体の屈折率変化を光強度に変換するための偏光板とからなっている。なお、図１の例では、電気光学効果を示す媒体として、有機結晶である４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４’−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ  ｔｏｓｙｌａｔｅ（ＤＡＳＴ）が用いられている。ＤＡＳＴは、リチウム・ナイオベイト（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、誘電率が５．２と小さいために、高速の光変調が可能となる。
ここで、面発光半導体レーザの偏光制御に関しては、半導体レーザの上部電極の開口部について、直交する２つの方向の長さを非対称性にし、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。さらに、消光比を上げるために、電気光学効果をもつ媒体（ＤＡＳＴ）の入射側にも偏光板を挿入し、電気光学効果をもつ媒体の出射側に設けられている偏光板と合わせて、２枚の樹脂からなる偏光板を用いている。この場合、ＤＡＳＴの最も大きな電気光学定数ｒ１１を使うため、この有機結晶のａ軸方向に電界が印加され、入射光の偏波方向は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。この例では、有機結晶のａ軸は基板に平行方向となるように、また、光の進行方向は有機結晶のｃ軸となるように配置し、電界はａ軸方向に印加されるように、図１のようなコプレーナ配置となっている。このとき、屈折率変化Δｎは、電界Ｅに対して、結晶の屈折率ｎ１，ｎ２、電気光学定数ｒ１１，ｒ２１を用いて、次式（数１）のように表わすことができる。
【００３５】
（数１）
Δｎ＝−（１／２）・（ｎ１３ｒ１１−ｎ２３ｒ２１）Ｅ
図１の構成例の面型光スイッチでは、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、更に外部から印加された変調電圧に従って、数１のように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。このとき、変調による光強度変化が大きくなるように、光強度の最大強度と最小強度の中間となるように直流電圧（光学バイアスに相当）を印加し、これに変調信号である交流電圧（変調電圧）を重畳することで、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。
【００３６】
このようにして形成された面型光スイッチは、面発光半導体レーザのポリイミド、電気光学効果をもつ媒体である有機結晶（ＤＡＳＴ）をはじめとして、上層部に有機材料が集中しており、半導体レーザの基板側に用いているＧａＡｓ基板との熱膨張係数が異なっている。従って、面発光半導体レーザと光変調器を組み合わせた面型光スイッチを、実装基板上にはんだ等で実装してしまうと、著しい材料構成の偏りから、プロセス中の熱履歴や駆動中の温度変化によって、熱応力が発生してしまい、面発光半導体レーザの特性に影響を与えてしまう。
【００３７】
そこで、本発明では、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設けられた半導体多層膜反射鏡とを有する面発光半導体レーザと、該面発光半導体レーザから出射される光を変調するための電圧を印加する変調電極と該変調電極によって形成された電界によって屈折率変化が生じる有機結晶からなる電気光学効果をもつ媒体と前記電気光学効果をもつ媒体の屈折率変化を光強度変化に変換するための偏光板とを有する面型光変調器とからなる面型光スイッチに、熱応力緩和層を設けている。
【００３８】
具体的に、図１の例では、実装基板側に、接続電極と、はんだバンプである電極接着層とを形成し、その上に、面型光スイッチを実装し、しかる後、実装基板と面発光スイッチとの間に（面発光半導体レーザの面型光変調器が設けられている側とは反対の側に）、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂からなるポッティング材（アンダーフィル材）によって、熱応力緩和層を設けている。このような構成では、無機材料からなる半導体レーザ部の基板及び活性層に対して、対称に有機材料が配置され、対称に有機材料が配置されることによって、素子全体としての応力発生を抑制でき、半導体レーザ部の特性劣化を防止できる。
【００３９】
なお、このようなアンダーフィル材は、半導体チップの実装において、耐湿性や絶縁性などの信頼性を維持するために用いられてはいるが、本発明のような応力緩和層としては、これまで用いられていなかった。
【００４０】
図１の構成例の面型光スイッチは、次のように作製することができる。すなわち、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（下部ミラー層）、３層のＧａＩｎＮＡｓと２層のＧａＡｓと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（上部ミラー層）、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（下部ミラー層，上部ミラー層）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されている。
【００４１】
次に、このレーザ構造積層膜の３０μｍ×３０μｍの領域の柱状形状（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Ｃｌ２ガスでＥＣＲエッチングする。
【００４２】
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、約２５μｍ２の断面の電流経路を残して、絶縁性のＡｌｘＯｙ電流狭窄層に変化させる。次に、非感光性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。
【００４３】
次いで、レジストを塗布し、リソグラフィー、Ｏ２ガスを用いたＲＩＥ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。
【００４４】
このリフトオフと蒸着で上部電極に開口部を形成する。この際に、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。
【００４５】
また、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。
【００４６】
一方、ポリイミド基板上に厚さ２０μｍのＤＡＳＴ結晶を作製する。すなわち、公知技術によりＤＡＳＴメタノール飽和溶液を用いた徐冷法により作製したＤＡＳＴ結晶をポリイミド基板上に固定し、研磨を行い、厚さ２０μｍに薄層化した。
【００４７】
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や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。
【００４８】
また、上記例では、種結晶を用いた徐冷法でＤＡＳＴ層を形成したが、文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７４（１９９９）６３５」に記載されているような改良シェア法によってＤＡＳＴ薄膜を形成したり、ＯＶＰＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって薄膜を形成してもよい。
【００４９】
次に、このＤＡＳＴの上層にＡｕの変調電極を形成する。ここで、変調電極間の距離は１２μｍであり、面発光半導体レーザの開口（大きさは１０μｍ×１０μｍ）に対して、アライメントマージンをもつ電極間距離とする。次いで、この上層に、ＤＡＳＴを水分から隔離する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貼り合わせる。ここで、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する。
【００５０】
次いで、石英ガラス基板を０．１ｍｍまで研磨によって薄層化し、入射側の偏光板を貼り合わせる。すなわち、入射側の偏光板をその偏光方向が出射側の偏光板と直交するように貼り合わせる。
【００５１】
このようにして、電気光学効果をもつ媒体としてＤＡＳＴを含む光変調器を、半導体レーザの偏光方向と光変調器の入射側偏光板の偏光方向とが一致するように、面発光半導体レーザに貼り合わせ、面型光スイッチを形成することができる。
【００５２】
次いで、パターニングされたＴｉとＣｕの積層からなる接続電極に、ＡｇとＳｎからなる電極接着層をはんだバンプとして形成して、面型光スイッチを実装基板上に実装する。次いで、絶縁性のエポキシ樹脂アンダーフィル材を塗布し、８０℃、３０分の熱硬化させ、熱応力緩和層を形成する。このとき、はんだバンプ層の高さを調整して、熱応力緩和層の厚みを制御し、面発光半導体レーザの基板及び活性層と反対側に形成されている有機材料との間に発生する力と同程度の大きさの応力を発生させ、熱応力を打ち消しあうような膜厚とする。ここでは、熱応力緩和層の厚みを８μｍとした。
【００５３】
このようにして形成した図１の面型光スイッチは、樹脂よりなる熱応力緩和層を、面発光半導体レーザの面型光変調器が設けられる側とは反対の側に設けることによって、簡単な構成で、熱応力による特性劣化のない面型光スイッチを提供できる。また、電気光学効果をもつ媒体として有機結晶（ＤＡＳＴ）を用いることによって、電気光学定数が大きく、誘電率が小さい特徴を生かした高速のスイッチングが可能となる。また、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がＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる層を含むことによって、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する。さらに、半導体基板がＧａＡｓで構成され、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形成できる。
【００５４】
図２は図１の面型光スイッチの変形例を示す図である。
【００５５】
図２の面型光スイッチは、熱応力緩和層に導電性フィラーおよび／または半導電性フィラーを用いている点と、入射側の偏光板を省略している点と、変調電極において終端抵抗を付与している点とが、図１の面型光スイッチと異なっている。
【００５６】
図２の面型光スイッチも、図１の面型光スイッチと同様に、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）を含む光変調器とからなっている。
【００５７】
ここで、面発光半導体レーザは、半導体基板（例えばｎ−ＧａＡｓ基板）上に、下部ミラー層（下部多層膜反射鏡）としての半導体分布ブラッグ反射鏡（半導体ＤＢＲ）と、活性層としてのIII−Ｖ族混晶半導体と、上部ミラー層（上部多層膜反射鏡）としての半導体ＤＢＲとからなる共振器構造が形成されて構成されており、さらに、平坦化のためのポリイミド保護膜、上部電極及び下部電極が設けられている。
【００５８】
一方、光変調器については、面発光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、この変調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媒体（ＤＡＳＴ）と、電気光学効果を示す媒体の屈折率変化を光強度に変換するための偏光板とからなっている。
【００５９】
図２の例では、ＤＡＳＴに入射する偏光方向は面発光半導体レーザの偏光方向で規定されており、入射光の偏波面はａ軸に対して４５°入射となるようにしている。また、出射側の偏光板の偏光方向は、面発光半導体レーザの偏光方向と直交するように配置されている。また、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。
【００６０】
そして、図２の例では、実装基板側に、接続電極と、はんだバンプである電極接着層とを形成し、その上に、面型光スイッチを実装し、しかる後に、導電性フィラーおよび／または半導電性フィラーを含むエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂からなるポッティング材によって、熱応力緩和層を形成している。このように熱応力緩和層を形成することによって、無機材料からなる面発光半導体レーザの基板及び活性層に対して、対称に有機材料を配置することができ、素子全体としての応力発生を抑制でき、面発光半導体レーザの特性劣化を防止できる。また、熱応力緩和層に導電性フィラーおよび／または半導電性フィラーを含ませることで、半導体レーザの発熱を効率よく実装基板側へ排熱できる。
【００６１】
図２の構成例の面型光スイッチは、次のように作製することができる。すなわち、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（下部ミラー層）、３層のＧａＩｎＮＡｓと２層のＧａＡｓと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（上部ミラー層）、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（下部ミラー層，上部ミラー層）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されている。
【００６２】
次に、このレーザ構造積層膜の３０μｍ×３０μｍの領域の柱状形状（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Ｃｌ２ガスでＥＣＲエッチングする。
【００６３】
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、約２５μｍ２の断面の電流経路を残して、絶縁性のＡｌｘＯｙ電流狭窄層に変化させる。次に、非感光性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。
【００６４】
次いで、レジストを塗布し、リソグラフィー、Ｏ２ガスを用いたＲＩＥ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。
【００６５】
このリフトオフと蒸着で上部電極に開口部を形成する。この際に、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。
【００６６】
また、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。
【００６７】
一方、ポリイミド基板上に厚さ２０μｍのＤＡＳＴ結晶を作製する。すなわち、公知技術によりＤＡＳＴメタノール飽和溶液を用いた徐冷法により作製したＤＡＳＴ結晶をポリイミド基板上に固定し、研磨を行い、厚さ２０μｍに薄層化した。
【００６８】
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や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。
【００６９】
また、上記例では、種結晶を用いた徐冷法でＤＡＳＴ層を形成したが、文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７４（１９９９）６３５」に記載されているような改良シェア法によってＤＡＳＴ薄膜を形成したり、ＯＶＰＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって薄膜を形成してもよい。
【００７０】
次に、このＤＡＳＴの上層にＡｕの変調電極を形成する。ここで、変調電極間の距離は１２μｍであり、面発光半導体レーザの開口（大きさは１０μｍ×１０μｍ）に対して、アライメントマージンをもつ電極間距離とする。この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を形成した。次いで、この上層に、ＤＡＳＴを水分から隔離するパッシベーション膜として、ポリイミド樹脂を塗布し、硬化させ、更にその上層に偏光板を貼り合わせた。ここで、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する。
【００７１】
この光変調器を前述のように形成した面発光半導体レーザに貼り合わせ、面型光スイッチを形成することができる。このとき、ＤＡＳＴ結晶のａ軸が、面発光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交するように貼り合わせる。
【００７２】
次いで、パターニングされたＴｉとＣｕの積層からなる接続電極に、ＡｇとＳｎからなる電極接着層をはんだバンプとして形成して、面型光スイッチを実装基板上に実装する。次いで、導電性フィラーとしてＡｇを含むエポキシ樹脂アンダーフィル材を塗布し、１００℃、３０分の熱硬化させ、熱応力緩和層を形成する。このとき、はんだバンプ層の高さは１０μｍとした。
【００７３】
ここでは、フィラーとして、Ａｇを用いているが、Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｐｔなど金属ナノ粒子や、カーボンやカーボンナノチューブ、カーボンナノロッドなどのカーボン材料、ＳｉやＧａＡｓ等の半導体微結晶など、樹脂に分散させることによって熱伝導率を向上できるものであれば、フィラーとして用いることができる。
【００７４】
このようにして形成した図２の面型光スイッチは、樹脂よりなる熱応力緩和層を、面発光半導体レーザの面型光変調器が設けられる側とは反対の側に設けることによって、簡単な構成で、熱応力による特性劣化のない面型光スイッチを提供でき、また、熱応力緩和層が熱伝導性を持つので、面発光半導体レーザの発熱を効率よく実装基板側へ放熱できて、信頼性の高い面型光スイッチを提供できる。
【００７５】
また、電気光学効果をもつ媒体として、有機結晶（ＤＡＳＴ）を用いることによって、電気光学定数が大きく、誘電率が小さい特徴を生かした高速のスイッチングが可能となり、変調電極に終端抵抗を付与して進行波型電極とすることで、より高速の変調が可能となる。また、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がＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる層を含むことによって、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する。さらに、半導体基板がＧａＡｓで構成され、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形成できる。
【００７６】
また、図３は本発明に係る面型光スイッチの他の構成例を示す図である。
【００７７】
図３の面型光スイッチは、光変調器の基板を熱応力緩和層と兼ねたものにしている。すなわち、図３の面型光スイッチでは、熱応力緩和層に無機材料であるＧａＡｓを用いたものとなっている。
【００７８】
図３の面型光スイッチは、図２の面型光スイッチと同様、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）を含む光変調器とからなっている。
【００７９】
ここで、面発光半導体レーザは、図２と同様に、半導体基板上に、下部ミラー層、活性層、上部ミラー層、ポリイミド保護膜、上部電極及び下部電極が形成されて構成されている。
【００８０】
一方、光変調器については、面発光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、この変調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媒体（ＤＡＳＴ）と、電気光学効果を示す媒体の屈折率変化を光強度に変換するための偏光板とからなっている。
【００８１】
この図３の面型光スイッチでは、特に、熱応力緩和層として機能するように、無機材料であるＧａＡｓ基板を光出射側になるように貼り合わせしている。このような構成では、ＤＡＳＴやポリイミド，接着層などの有機材料に対して、対称に無機材料が配置されることによって、熱膨張係数の違いによって発生する熱応力を打ち消すことができる。このとき、熱膨張係数の違いによって発生する熱応力が打ち消されるように、熱応力緩和層の厚み（この場合は、光変調器の基板厚み）を設計する。また、熱応力緩和層が光変調器の基板を兼ねることで、構成部材を減らすことができ、また、面発光半導体レーザと実装基板との間には樹脂がないため、より放熱特性に優れる。
【００８２】
図３の構成例の面型光スイッチも、図１，図２の面型光スイッチと同様に、先ずＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板上に、１．３μｍ帯面発光半導体レーザを作製する。
【００８３】
一方、ＧａＡｓ基板上に、ＤＡＳＴ結晶を作製する。すなわち、公知技術によりＤＡＳＴメタノール飽和溶液を用いた徐冷法により作製したＤＡＳＴ結晶をＧａＡｓ基板上に固定し、研磨を行い薄層化する。
【００８４】
次に、このＤＡＳＴの上層にＡｕの変調電極を形成する。ここで、変調電極間の距離は、１２μｍであり、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する。次いで、この上層に、ＤＡＳＴを水分から隔離するパッシベーション膜として、ポリイミド樹脂を塗布し、硬化させた（図示しない）。次いで、面発光半導体レーザ側の基板によって発生する応力を打ち消すように、研磨により、ＧａＡｓ基板を厚さ０．１μｍまで薄層化し、図２とは逆に、ＧａＡｓ基板が光の出射側になるように接着層にて貼り合わせる。このとき、面発光半導体レーザの偏光方向とＤＡＳＴ結晶のａ軸方向とが４５°の角度をなすように、面発光半導体レーザとＤＡＳＴ結晶とをアライメントしている。さらに基板の出射側に偏光板を貼り合わせる。ここで、偏光板の偏光方向がＤＡＳＴ結晶のａ軸方向と４５°の角度をなし、かつ、面発光半導体レーザの偏光方向と９０°をなすように、偏光板とＤＡＳＴ結晶とをアライメントしている。
【００８５】
上記の例では、光変調器側の基板として、ＧａＡｓ基板を用いたが、使用する波長に対して透明であれば、ＳｉやＧａなどの半導体基板や、石英基板でも構わない。
【００８６】
このようにして形成した面型光スイッチは、無機材料よりなる熱応力緩和層を、面型光変調器の面発光半導体レーザが設けられる側とは反対の側に設けることによって、簡単な構成で、熱応力による特性劣化のない面型光スイッチを提供できる。また、熱応力緩和層が熱伝導性を持つため、半導体レーザの発熱を効率よく実装基板側へ放熱でき、信頼性の高い面型光スイッチを提供できる。特に、熱応力緩和層を光変調器の基板と兼ねることで、より少ない構成部材で、低コストで、熱応力による不具合を抑制できる。
【００８７】
また、図３の面型光スイッチも、電気光学効果をもつ媒体として、有機結晶（ＤＡＳＴ）を用いることによって、電気光学定数が大きく、誘電率が小さい特長を生かした高速のスイッチングを可能となる。
【００８８】
また、上述した各面型光スイッチにおいて、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だ構成（面型光スイッチアレイ）にすることができる。
【００８９】
具体例として、図２と同じ構成の面型光スイッチが４個アレイ状に並んだものを形成することができる。この場合も、図２の場合と同様、先ず、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。次いで、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する。その他、ＡｌＡｓ選択酸化やポリイミドの形成、光出射部の開口や電極の形成は、図２の場合と同じようにして、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。
【００９０】
一方、光変調器側も図２の場合と同様に、１．３μｍの波長に対して透明なポリイミド基板上に、厚さ２０μｍのＤＡＳＴ結晶を作製する。次いで、このＤＡＳＴ上にＡｕの変調電極を形成する際に、形状は図２と同様であるが、４個の面発光半導体レーザのピッチに合わせて、１２５μｍピッチでコプレーナ型の変調電極を形成する。その他、パシベーションや偏光板は、図２の場合と同様に形成し、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、図２の場合と同様になるように貼り合わせを行ない、４個の面型光スイッチアレイを形成することができる。
【００９１】
次いで、パターニングされたＴｉとＣｕの積層からなる接続電極に、ＡｇとＳｎからなる電極接着層をはんだバンプとして形成し、上述の面型光スイッチ（アレイ）を実装基板上に実装する。次いで、導電性フィラーとしてＡｇを含むエポキシ樹脂アンダーフィル材を塗布し、１００℃、３０分の熱硬化させ、熱応力緩和層を形成する。このとき、はんだバンプ層の高さは１０μｍとした。
【００９２】
このように、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構成では、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。
【００９３】
また、図４は面型光スイッチを用いた光通信システムの一例を示す図である。
【００９４】
図４の例は、ガラスもしくはセラミックもしくは樹脂フィルム等でできたプリント基板上に配置された複数のＩＣ間の光配線を実現したものである。光配線は速い信号線に用いており、遅い信号線は図示していないが電気配線を用いている。
【００９５】
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と、その光信号を伝送するための光伝送路と、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とからなる。また、光出力部は、前述の４個の面型光スイッチをアレイ化したデバイスと、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。
【００９６】
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とからなっている。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を用いている。その他、用途に応じて、マルチモードの光ファイバや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用いることができる。
【００９７】
なお、図４の例は、入出力装置が光出力、光入力の２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ものではなく、ＤＡＳＴを用いた面型の光スイッチを含む光出力部をもつ構成があれば、光入力部が同一基板上になくてもかまわないし、逆にその他の光学構成要素があっても何ら問題はない。
【００９８】
本発明では、光出力部にＤＡＳＴを含む面型光スイッチを構成要素とすることによって、より高速，広帯域な光通信システムを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、光インターコネクションなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明に係る面型光スイッチの構成例を示す図である。
【図２】図２は図１の面型光スイッチの変形例を示す図である。
【図３】本発明に係る面型光スイッチの他の構成例を示す図である。
【図４】面型光スイッチを用いた光通信システムの一例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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