JP2007134400A

JP2007134400A - レーザ誘導光配線装置

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Publication number: JP2007134400A
Application number: JP2005323666A
Authority: JP
Inventors: Hideto Furuyama; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2007-05-31
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Abstract

【課題】ＬＳＩチップ上の配線に適用することができ、構成が極めて簡潔で、伝送レベル等の特性余裕も高く、特性再現性や信頼性の向上を図る。
【解決手段】レーザ誘導光配線装置であって、基板１と、基板１上に離間して設けられた第１及び第２の光反射部８ａ，８ｂと、基板１上に設けられ、第１及び第２の光反射部８ａ，８ｂを光結合して光共振器を構成するための第１の光導波路３と、光導波路３中に設けられ、第１及び第２の光反射部８ａ，８ｂと共にレーザ発振器を構成する第１の光利得部２ａと、光導波路３中に第１の光利得部２ａとは離間して設けられ、第１及び第２の光反射部８ａ，８ｂと共にレーザ発振器を構成する第２の光利得部２ｂと、を具備した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＳＩチップ等の配線を光で行うオンチップ光配線技術に係わり、特に光配線をレーザ共振器により実現したレーザ誘導光配線装置に関する。

バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ）の飛躍的な動作速度向上が図られてきている。ところが、トランジスタの微細化による性能向上の一方で、それを接続する電気配線は微細化により配線抵抗や配線間容量の増大が深刻な問題となり、ＬＳＩ性能向上のボトルネックになりつつある。

このような電気配線の問題を鑑み、ＬＳＩ内を光で接続する光配線ＬＳＩが幾つか提案されている（例えば、特許文献１参照）。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数で損失の周波数依存性が殆ど無く、配線路の電磁障害なども無いため数１０Ｇｂｐｓ以上の配線が容易に実現できる。

しかしながら、特許文献１のような従来技術は、莫大な数の配線を必要とするＬＳＩに適用するには再現性や信頼性が桁違いに低いという問題があった。例えば、ＬＳＩ配線の最上層（グローバル配線）だけに光を適用する場合を想定しても、１つのＬＳＩチップで数１００本以上の配線を搭載することも珍しくない。これは即ち、ＬＳＩが動作するだけでも数１００本以上の光配線を１本の不良も無く動作させることが必要であり、ＬＳＩの製造歩留まりまで考えると数万本〜数十万本の光配線を製作して、配線不良を皆無にするだけの再現性と信頼性が必要ということを意味する。従って、ＬＳＩ用の光配線は個々の配線距離は短いものの再現性や信頼性が極めて高い必要があり、そのために構成が極めてシンプルであることと、高密度集積のため極限的小型化が達成可能なことが必要となる。

従来の光配線は、基本的に発光素子、光導波路、受光素子が必須の要素となっており、発光素子技術、光導波路技術、受光素子技術の他、これらを効率良く光接続する光結合技術、光伝送システム設計といった周辺技術まで含めた多岐に渡る技術を集大成していく必要があった。しかも、これらの要素は動作原理、材料、構造、加工技術などが異なり、実現のために種々の材料と加工技術を複雑に組み合わせていく必要があり、その実現が極めて難しかった。
特開平６−１３２５１６号公報

このように、従来の光配線では構成要素が複雑化しやすく、用いる材料も多岐に渡ってしまうため、特性の安定性や再現性に問題を生じ易く、また、配線の小型化が難しいなど、ＬＳＩ配線への適用に不適格な要素が非常に多いという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、ＬＳＩチップ上の配線に適用するため、構成が極めて簡潔であり、伝送レベル等の特性余裕も高く、従って特性再現性や信頼性の非常に高いオンチップのレーザ誘導光配線装置を提供することにある。

本発明の一態様は、レーザ誘導光配線装置において、同一基板上に少なくとも１組の第１の光反射部と第２の光反射部を互いに離間して設け且つ前記第１の光反射部と前記第２の光反射部を光導波路により光結合して光共振器を構成し、該光共振器中に少なくとも１つの光利得部と１つの光スイッチを設け、前記光利得部を励起して前記第１の光反射部と前記光利得部と前記第２の光反射部等を有するレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記光スイッチを動作させて前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの光経路損失を切り替えて前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、該レーザ発振状態の変化を前記基板の前記光スイッチ以外の場所で検出して出力信号を得ることを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、レーザ誘導光配線装置において、基板と、前記基板上に離間して設けられた第１及び第２の光反射部と、前記基板上に設けられ、前記第１及び第２の光反射部を光結合して光共振器を構成するための光導波路と、前記光導波路中の一部に設けられ、前記第１及び第２の光反射部と共にレーザ発振器を構成する光利得部と、前記光導波路中の一部に前記光利得部とは離間して設けられ、入力信号により前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの光経路損失を切り替えて前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させる光スイッチと、を具備したことを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、レーザ誘導光配線装置において、同一基板上に少なくとも１組の第１の光反射部と第２の光反射部を互いに離間して設け且つ前記第１の光反射部と前記第２の光反射部を光導波路により光結合して光共振器を構成し、該光共振器中に少なくとも２つの光利得部を設け、前記光利得部を励起して前記第１の光反射部と前記光利得部と前記第２の光反射部からなるレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記光利得部の１つを利得変化させて前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの光経路利得を切り替え、これにより前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、該レーザ発振状態の変化を利得変化させた前記光利得部以外の光利得部で検出して出力信号を得ることを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、レーザ誘導光配線装置において、基板と、前記基板上に離間して設けられた第１及び第２の光反射部と、前記基板上に設けられ、前記第１及び第２の光反射部を光結合して光共振器を構成するための第１の光導波路と、前記光導波路中に設けられ、前記第１及び第２の光反射部と共にレーザ発振器を構成する第１の光利得部と、前記光導波路中に前記第１の光利得部とは離間して設けられ、前記第１及び第２の光反射部と共にレーザ発振器を構成する第２の光利得部と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、基板上に光導波路と光反射部、更に光利得部と光スイッチ又は複数の光利得部を設けることにより、光配線の基本要素を発光素子と光導波路にすることができる。このため、光伝送系の構成が極めて簡潔となり、伝送レベル等の特性余裕も高く、従って光配線としての特性再現性や信頼性の向上を図ることができる。

本発明の骨子は、発光素子（光送信）、光導波路（光伝送）、受光素子（光受信）というような一方通行的光伝達動作を基本にするのではなく、発光素子、光導波路、発光素子の組合せを空間的に分散配置し、これらを１つのレーザ発振器として連動させて系のレーザ動作そのものを信号として共有させるものである。即ち、空間的に離れた発光素子を１つの系として連動させ、系の応答より遅い動作であれば一部の変動が一斉に系全体に伝わることを利用し、空間的に離れた位置へ信号伝達を実現する。このとき、送信の発光素子はレーザ発振器としての系の光利得（又は損失）を制御する光スイッチとして機能させ、もう一方の発光素子は系の光量変動に応じた励起キャリアの変動等を外部伝達する受信器として機能させるものである。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。ここでは幾つかの具体的材料を示して説明を行っていくが、これはレーザ発振可能な材料であれば同様に実施可能であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、ここでは１〜２本分の光配線を抽出した形で示していくが、これは勿論、多数の光配線を集積すること、ＬＳＩチップ上に集積することを意図しており、集積する光配線数は任意である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図であり、本発明の光配線に必要な要素を抜き出した形で示してある。また、図１の中心軸上の断面構成を、図２に示す。ここでは、具体的構成材料の例としてＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いて説明していくが、これは他の材料でも構わず、例えばＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系材料や，Ｓｉ，ＳｉＧｅ／Ｓｉ等の材料を用いても構わない。

図１において、１１はｎ型ＩｎＰ基板、１２はＧａＩｎＡｓＰ活性層（レーザ媒質、例えば発光波長１．３μｍ）、１３はＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア（例えばバンドギャップ波長１．２μｍ）、１４はｐ型ＩｎＰ層、１５は半絶縁型クラッド層（例えばＦｅドープＩｎＰ）、１６はｐ側電極（例えばＡｕＺｎなど）、１７はｎ側電極（例えばＡｕＧｅなど）、１８はドライエッチングによるミラー部である。

ＩｎＰ基板１１上に、ＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア１３と半絶縁型クラッド層１５の積層構造がストライプ状に形成され、このストライプの両端がドライエッチングによりエッチングされてミラー１８（１８ａ，１８ｂ）が形成されている。光導波路コア１３の端部近傍はＧａＩｎＡｓＰ活性層１２（１２ａ，１２ｂ）となり、半絶縁型クラッド層１５（１５ａ，１５ｂ）の端部近傍はｐ型ＩｎＰ層１４（１４ａ，１４ｂ）となっている。

そして、ＩｎＰ層１４ａ，１４ｂ上にｐ側電極１６（１６ａ，１６ｂ）がそれぞれ形成され、基板１の下面にｎ側電極１７が形成されている。即ち、ミラー１８ａ，１８ｂ間を接続するように光導波路（光導波路コア１３）が形成され、ミラー１８ａ側にミラー１８ａ，１８ｂ及び光導波路コア１３と共にレーザ発振器を構成する第１の光利得部（活性層１２ａ）が形成され、ミラー１８ｂ側にミラー１８ａ，１８ｂ及び光導波路コア１３と共にレーザ発振器を構成する第２の光利得部（活性層１２ｂ）が形成されている。

ここで、活性層１２は、例えば厚さ０．１２μｍ、幅１μｍ、長さ５０μｍとし、光導波路コア１３は例えば厚さ０．１２μｍ、幅１μｍ、長さ１ｍｍとする。活性層１２及び光導波路コア１３には、量子井戸構造を用いても構わない。光導波路コア１３の長さは、レーザ発振器の最大動作周波数を決定するパラメータとなるため、ある長さ以上では光配線装置としての動作速度が制限される。これは後述する。

図２に示すように、活性層１２は光導波路コア１３に直接接続されており、活性層１２ａ，１２ｂは光学的に結合されている。活性層１２と光導波路コア１３は、順番に結晶成長とパターンニングを行って形成しても、多重量子井戸構造等の選択成長による組成制御技術を用いて一括結晶成長を行ってパターンニングする方法で形成しても良い。また、活性層１２ａ，１２ｂの外側端はドライエッチングによる垂直端面ミラー１８が形成されており、所謂ファブリペロー型共振器を形成しているが、基本的に光を外部出力する必要が無いため垂直端面に高反射コートや金属コート（図示せず）を施してミラー反射率を高めても構わない。

また、活性層１２ａ，１２ｂの外側端をドライエッチングするのではなく、回折格子付きの延長光導波路を設けてＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ構造としても構わない。さらに、活性層１２ａ，１２ｂの上下左右のいずれか近傍に回折格子を形成し、ＤＦＢ（Distributed Feed Back）レーザ構造としても構わない。ＤＦＢレーザ構造とする場合、原理的に活性層１２ａ又は１２ｂ単独でも発振可能となるが、１２ａ，１２ｂの連携動作を行うため、単独の発振しきい値はやや高めに設定しておく。このような構成としたレーザ誘導光配線装置の動作原理を以下に示す。

図３は、図１に示したレーザ誘導光配線装置の能動部を抜き出した模式構成断面図と、内部光強度分布、及び等価回路である。１２ａ，１２ｂはレーザ活性層、１３は光導波路コア、１８ａ，１８ｂは反射ミラーである。

まず、図３（ａ）に示すように活性層１２ａのみ励起（電流注入）した場合、内部光強度（Ｅ）は活性層１２ａから光導波路１３の間で緩やかな減衰分布を持つ。しかし、活性層１２ａとバンドギャップの同じ活性層１２ｂに入ると、急激に光吸収されて減衰してしまう。この状態で系をレーザ発振させるには、活性層１２ｂが光励起によって透明化するまで活性層１２ａを強く励起すれば良いが、一般には相当な困難を伴う。逆に、図３（ｂ）に示すように活性層１２ｂのみ励起すると図３（ａ）と逆の光分布となるが、当然ながら、この状態でのレーザ発振も難しい。

次に、図４に示すように活性層１２ａ，１２ｂを両方励起すると、内部の光強度分布はほぼ一様となり、光の周回利得を１、即ちレーザ発振させることが可能になる。それぞれの要素の特性パラメータとして、ミラー１８の反射率をＲａ（１２ａ側），Ｒｂ（１２ｂ側）、活性層１２の長さをＬａ（１２ａ側），Ｌｂ（１２ｂ側）、活性層１２の誘導放出利得（光利得）をｇａ（１２ａ側），ｇｂ（１２ｂ側）、活性層１２の吸収損失をαａ（１２ａ側），αｂ（１２ｂ側）、光導波路１３の長さをＬｔ、光導波路１３の吸収損失をαｔ、活性層と光導波路の結合係数をＣａ（１２ａと１３の間）、Ｃｂ（１２ｂと１３の間）とすると、全体のレーザ発振条件は系を一周した光が元の光強度を維持できる条件から、
ｌｎ｛１／(ＲaＲbＣaＣb）｝
＝２(ｇaＬa＋ｇbＬb−αaＬa−αbＬb−αtＬt) …（１）
となる。

ここで、ｇａ，ｇｂは活性層１２ａ，１２ｂに注入するキャリア（電流）の関数であり、それ以外のパラメータは構造が決まれば確定する固定パラメータである。従って、レーザ発振条件はｇａ，ｇｂによる光学利得が系の光損失を超えることであり、次の関係が成り立てば良い。即ち、
ｇa（ＩＦa）Ｌa＋ｇb（ＩＦb）Ｌb
＝αaＬa＋αbＬb＋αtＬt＋[ｌｎ｛１／(ＲaＲbＣaＣb）｝］／２ …（２）
が成立すればよい。ここで、ＩＦａ，ＩＦｂは、それぞれ活性層１２ａ，１２ｂの励起電流を表している。

図５に、前述した図１の構成でドライエッチングによる垂直端面ミラー１８にＳｉＯ₂／Ｓｉ多層膜コートを行ってＲａ＝Ｒｂ＝８０％とし、ＩＦａ＝ＩＦｂ＝ＩＦ／２、即ち１２ａ，１２ｂとも同じ電流とした場合のレーザ発振特性の例を示す。

図５の横軸は素子電圧（ＶＦ）及びミラー端面からの光出力（Ｐｏ）、縦軸は１２ａ，１２ｂへの注入電流の合計値（ＩＦ＝ＩＦａ＋ＩＦｂ）である。ＰｏとＶＦのグラフがそれぞれ２つあるのは、図１の系がレーザ発振した場合とレーザ発振しない場合のものである。レーザ発振しない場合の特性は、光導波路１３の途中を非垂直エッチングして活性層１２ａと１２ｂの光学的結合を分断した場合のものであり、活性層１２ａ，１２ｂの電気的な特性は変わっていない。

図５中で、Ｐｏが急激に増加するポイントがレーザ発振しきい値であり、その電流をＩｔｈ、電圧をＶｔｈで記述する。図５は、ＩＦａ＝ＩＦｂの対称励起した場合の特性であり、ＩＦａ≠ＩＦｂとした場合には利得ｇ（ＩＦ）の非線形性により、しきい電流値及びしきい電圧値が図５のＩｔｈ，Ｖｔｈからずれる場合が多い。

ここで、活性層１２ａ，１２ｂは、それぞれｐ型クラッド層１４ａ，１４ｂとｎ型クラッド層（基板）１１に挟まれたダイオードとなっており、その電流電圧特性は、
Ｉ＝Ｉ０［ｅｘｐ｛（Ｖ−ＩＲｓ）ｅ／ｎｋＴ｝ …（３）
と表せる。ここで、Ｒｓは１６，１４，１２，１１，１７からなるｐｎ接合ダイオードの内部抵抗、Ｉ０は飽和電流、ｎはダイオード定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。これを電圧について逆算すると以下の（４）式のようになる。

Ｖ１＝｛ｌｎ（Ｉ１／Ｉ０）｝ｎｋＴ／ｅ＋Ｉ１Ｒｓ（Ｉ１＜Ｉｔｈ）…（４）
半導体レーザは、レーザ発振すると活性層電圧（接合電位）がしきい電圧で固定されるため、しきい値以上の電圧は以下の（５）式のようになる。

Ｖ２＝｛ｌｎ（Ｉｔｈ／Ｉ０）｝ｎｋＴ／ｅ＋Ｉ２Ｒｓ（Ｉ２＞Ｉｔｈ）…（５）
この場合、第１項は電流に対して定数となる。図５に示したように、同じ素子で光結合を制御し、レーザ発振状態と非発振状態を切り替えるとすると、上述したＶ１，Ｖ２でＩ１＝Ｉ２＝Ｉｂと置き換え、Ｖ２とＶ１の差分をΔＶとして以下の（６）式が得られる。

ΔＶ＝｛ｌｎ（Ｉｂ／Ｉｔｈ）｝ｎｋＴ／ｅ …（６）
このΔＶは、図５のＶｏｆｆとＶｏｎの差（Ｖｏｆｆ−Ｖｏｎ）に等しく、半導体レーザ素子で電流注入を一定にしてレーザ発振と非発振を切替えることができたとすると、その素子電圧が変化するということを意味している。また、逆に、素子バイアス電圧を一定に保つと、素子に流れる電流値が変化するということにもなる。

本実施形態のレーザ誘導光配線装置の原理はここにあり、片側反射ミラーを持たせた２つの活性層を光結合してレーザ発振器を構成し、一方の活性層に加えた変動で全体のレーザ発振状態を変動させ、その結果、もう一方の活性層に何らかの形で変動が現れるという性質を利用する。即ち、上記２つの活性層を隔離して配置すれば、一方の活性層に加えた変動が隔離した位置のもう一方の活性層に伝わり、何らかの変動として取り出せることになり、結果として信号を伝達する機能を持つことになる。

図１の実施形態の動作方法の例を示す。まず、電極１６ａ，１６ｂにバイアス電流としてそれぞれＩｂ／２を加えておき、系をレーザ発振状態（図５レーザ発振）としておく。次に、電極１６ａ又は１６ｂの何れかに信号印加するが、例えば信号として−Ｉｂ／２を電極１６ａに印加、即ち信号に合わせて電極１６ａのバイアス電流をオフにするようにする。すると、信号入力時に系のレーザ発振が停止し、相手方の電極１６ｂは素子電圧がＶｏｎからＶｏｆｆに上昇する。ここで、Ｉｔｈ＝１０ｍＡ，Ｉｂ＝３０ｍＡとすると、活性層１２ａ，１２ｂはそれぞれしきい電流が５ｍＡでバイアス電流が１５ｍＡの状態に相当し、ダイオード定数（ｎ）が２とすると、Ｖｏｆｆ−Ｖｏｎ（＝ΔＶ）は約５７ｍＶとなる。

上記信号印加は電極１６ｂに対して行うこともでき、その場合、逆に電極１６ａに信号電圧が発生する。即ち、上記バイアス及び信号印加では、信号を印加した電極と反対の電極に約５０ｍＶの信号電圧を発生可能になる。この場合、信号印加した電極側の活性層が、利得オンの状態から利得オフの状態に切り替って光スイッチとして機能している。従って、図１の実施形態では一方が光スイッチ、一方が光利得部及び信号受信部として機能しており、しかもそれが受動的に交換可能、即ち双方向伝送可能という特徴を持っている。

ここで、一方の活性層の変動がもう一方の活性層の変動として現れる限界を説明する。レーザは光の誘導放出現象を利用しており、励起されたレーザ媒質に光注入されることが基本的な要件の一つになる。このため、本実施形態のように２つの活性層を隔離配置し、その間でレーザ共振器を構成する場合、活性層間（又はミラー間）の光伝達時間だけ遅れて誘導放出が起こることになり、その遅れ時間分だけレーザ発振動作の立ち上がりに時間を要することになる。従って、本実施形態のレーザ誘導光配線装置は、レーザ発振器を光が一周する時間より速い動作は難しい。

しかしながら、図１の例で見ると、活性層及び光導波路の実効屈折率を３．５とし、レーザ発振器長を約１ｍｍとすると光の周回時間は約２３ｐｓとなり、最大応答速度は４０ＧＨｚ程度となる。即ち、１０数ＧＨｚ程度の速度であれば十分応答可能であり、一般的論理データのＮＲＺ（Non Return to Zero）信号であれば２０Ｇｂｐｓ程度の信号が扱えることになり、それほど致命的なものではないことが分かる。

このように本実施形態によれば、基板１１上に第１のミラー１８ａと第２のミラー１８ｂとの間を光学的に接続する光導波路１３、ミラー１８ａ側にレーザ発振器を構成するための第１の活性層１２ａ、ミラー１８ｂ側にレーザ発振器を構成するための第２の活性層１２ｂを設けることにより、光配線の基本要素が発光素子と光導波路になる。そして、受光専用素子が必須要素でなくなるほか、系の設計がレーザ動作考慮だけで良いため、最小受信感度や光結合効率などを考慮した光送受信レベル設定などの緻密な光伝送設計が不要になる。

従って、光配線構成要素が根本的に簡潔化されてばらつき要因や故障要因などが減少し、更に系の動作余裕が大幅に向上することで特性不良の出現頻度が大幅に減少する。即ち、光配線の特性再現性や信頼性などを劇的に向上し、ＬＳＩオンチップ光配線の実用性を大幅に高めることで、情報通信機器などの高度化に大きく貢献することができる。

また本実施形態では、ミラー１８ａ，１８ｂの両方に活性層１２ａ，１２ｂを設け、各々の活性層１２ａ，１２ｂに、レーザ発振器を構成するための光利得部及び発信状態を検出するための信号受信部としての機能を持たせているので、双方向の信号伝達が可能となる。

（第２の実施形態）
図６に、図１で示したレーザ誘導光配線装置の周辺回路の例を示す。但し、前述した動作例のように、レーザ誘導光配線装置の動作方法は、下記実施形態に限定されるものではなく、本実施形態はあくまで一例である。

図６において、破線で囲われた１２ａ，１３，１２ｂが図１の実施形態の等価回路に相当し、バイアス抵抗Ｒｄは、図１の実施形態の基板上に集積しても、外部に設けても構わない。ここで、活性層１２ａ（１４ａ，１１と合わせｐｎ接合ダイオード）と直列接続したバイアス抵抗Ｒｄに印加するバイアス電圧をＶｄ、それぞれのバイアス電流をＩｄとし、バイアス抵抗Ｒｄと活性層１２の接続端子の電圧をＶｓ、Ｖｓから流入する電流をＩｓとする。１２ａ，１２ｂ間のレーザ発振特性として、１２ａ，１２ｂに同じ電流を流したときの発振しきい値をＩｔｈ，Ｖｔｈとする。即ち、発振しきい値における電流は、１２ａ，１２ｂともそれぞれＩｔｈ／２であるとする。

この回路の動作例として、Ｉｄをしきい電流値より僅かに下、例えば０．９５Ｉｔｈの半分とする（Ｉｄ＝０．４７５Ｉｔｈ）。そして、信号送信側はＩｓとしてＩｔｈよりも十分大きな電流を流入するものとする。こうすると、Ｉｓ＝０（Ｉｓａ＝Ｉｓｂ＝０）のとき、Ｖｓａ，ＶｓｂはいずれもほぼＶｔｈに近い値となっている。この状態で、次に例えば１２ａ側に信号としてＩｓａ＝２Ｉｔｈを注入する。そうすると、１２ｂ側がしきい値より低めにバイアスされているものの、１２ａ側からの光注入により全体としてレーザ発振可能な状態になる。

レーザ発振が起こると、１２ｂ側の実効しきい値（発振しきい値光量に達する電流値）が低下し、実質的にしきい値以上にバイアス電流を与えられた状態となり、素子電圧が図５で説明した原理で低下する。即ち、Ｉｓａの注入によりＶｓｂが低下し、Ｖｓｂの変動を取り出すことで１２ａ側から１２ｂ側への信号伝達が実現する。勿論、Ｉｓｂの注入でＶｓａを低下させることも可能であり、逆方向への信号伝達も可能である。

また、Ｉｄを予めＩｔｈ／２より大きい値、例えばＩｔｈ（全体の電流は２Ｉｔｈ）として系を初めからレーザ発振させておき、Ｉｓａ，Ｉｓｂをレーザ発振停止させるに足りる負電流（例えば−Ｉｔｈ）とすることでも動作可能である。この場合、信号出力位相が上記しきい値以下のバイアスの場合と反対になる。

（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、光導波路が直線的な場合を示してきたが、これは図７に示すように曲がった光導波路であっても構わない。この場合、光導波路１３の損失に吸収損失αｔＬｔ以外に曲がり損失が付加されるが、その影響はレーザ発振しきい値が曲がり損失分だけ上昇することとなって現れる。

また、図８に示すように光導波路が直交配置されたものであっても良い。図８では、前記図１に示す光導波路１３を第１の光導波路１３ａとし、これと直交するように第２の光導波路１３ｂが形成され、第２の光導波路１３ｂの両端に第３及び第４のミラー１８ｃ，１８ｄがそれぞれ設けられ、ミラー１８ｃ，１８ｄの近傍に第３及び第４の活性層１２ｃ，１２ｄ、電極１６ｃ，１６ｄが設けられている。

このように、２組（１８ａ−１８ｂ間及び１８ｃ−１８ｄ間）のレーザ誘導光配線装置の光導波路１３（１３ａ，１３ｂ）が直交交差しているものでも全く同様な信号伝達が可能である。これは、直交する光が干渉しない性質を用いたもので、実体として光導波路１３が交差していても、光配線路としては２つの独立な配線として機能するものである。図８の光導波路１３は、交差部分が直角に交わるように配置する必要がある。

このように、本発明のレーザ誘導光配線装置は、光導波路１３の形状や配線パターン、直交交差等によりその本質的機能が変化するものではない。

（第４の実施形態）
図９は、図８の直交交差配線の交差部に活性層を設け、単純直交交差配線にない機能を付加した実施形態である。電極１６ｅ下部には、他の活性層１２ａ〜１２ｄと同様に活性層が設けられ（図示せず）、形状的には１２ａと１２ｃの中心を合わせて重ねた形状となっている。また、１６ａ，１６ｅ，１６ｂの３電極部の組合せによるレーザ共振器と、１６ｃ，１６ｅ，１６ｄの３電極部の組合せによるレーザ共振器の２つのレーザ誘導光配線装置が、中央の活性層（１６ｅの下部）を共有する形で合成されている。

まず、３電極部の組合せによるレーザ共振器（例えば１６ａ，１６ｅ，１６ｂ）の動作であるが、これら３つの電極は、前述してきた２電極型のレーザ誘導光配線装置と同様、３つの電極からそれぞれ信号発信ができる。さらに、１つの電極に入力した信号は、他の２つの電極でそれぞれ受信することができる。動作方法としては、例えば前述の図６の実施形態の動作回路を３つの活性層に拡張し、図６と同様に動作させればよい。

次に、１６ａ，１６ｅ，１６ｂの３電極部の組合せによるレーザ共振器と、１６ｃ，１６ｅ，１６ｄの３電極部の組合せによるレーザ共振器の２つのレーザ誘導光配線装置間の動作であるが、１６ｅ部分の活性層を介して両者の結合動作が可能である。例えば、１６ｅを発信電極とした場合、その情報は残りの４電極全てに伝達することが可能になる。また、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄで発信した信号は、全て１６ｅに集約可能である。さらに、２つのレーザ誘導光配線装置間で信号授受することも可能である。

このように、図９のような配線間の共有活性層を設けることで、配線間伝送や多点間の光配線が可能になる。

（第５の実施形態）
図１０は、光導波路として表面プラズモン導波路を用いた実施形態であり、ここではレーザ活性層はＳｉ基板の一部、光導波路としては金属薄膜を用いている。図１０において、２１はＳｉ基板、２２はＳｉＯ₂カバー、２３（２３ａ，２３ｂ）はｐウェル、２４（２４ａ，２４ｂ）はｎウェル、２５（２５ａ，２５ｂ）はｎ電極、２６（２６ａ，２６ｂ）はｐ電極、２７は表面プラズモンガイド（金属薄膜）、２８は反射ミラーである。

電極２５，２６は例えばＡｌとし、表面プラズモンガイド２７は、例えばＡｕを厚さ４０ｎｍ、幅２μｍ、長さ１００μｍ形成する。このとき、Ａｕ薄膜下には絶縁膜としてＳｉＯ₂を例えば２０ｎｍ設けておく。Ｓｉ発光部（レーザ能動部）は、ｐウェル２３とｎウェル２４の間の部分であり、両ウェル２３，２４からキャリア注入することで発光再結合を行わせる。

このとき、ｐウェル２３又はｎウェル２４を形成する際、粒径１０ｎｍ前後のＳｉＯ₂粉末を混入したドーパントペーストをスピンコートして熱拡散することで、拡散フロントに数ｎｍ〜数１０ｎｍの拡散フロント凹凸を形成し、そのナノサイズ凹凸によるキャリア閉じ込め効果を利用して発光再結合を促進する。また、Ｓｉ発光部に、希土類ドーパントを注入して希土類発光を行わせたり、数ｎｍのＳｉＯ₂で覆われたナノサイズＳｉ球を配置して微小球Ｓｉ発光を利用しても構わない。

表面プラズモンは、光と各種分極波が結合したポラリトンの一種であり、金属の自由電子偏移分極と結合した金属表面を伝わる光伝播モードで、一般には表面プラズモンポラリトン（Surface Plasmon Polariton、以下、ＳＰＰと記す）と呼ばれる。図１１に示すように、ＳＰＰの光は金属界面を中心に閉じ込められており、その光電界分布の範囲にＳｉ発光部が位置すれば誘導放出動作が可能になる。

図１０の実施形態は、電極２５，２６間がダイオードとなっており、この間に順方向電流を通電することで発光する。また２５ａ，２６ａ間と、２５ｂ，２６ｂ間にそれぞれ通電することで両端活性層が発光し、ミラー２８を共振器とするレーザ発振が可能になる。この信号伝達は前述した実施形態群と同様に行えばよい。

光導波路となるＳＰＰガイドは、金属と誘電体の界面に導波モードが存在するが、金属薄膜では図１２に示すように、金属の表側と裏側のＳＰＰが結合するモードが存在する。図１２の曲線は、ＳＰＰ導波モードの波面を表しており、表側ＳＰＰと裏側ＳＰＰが同位相の場合と逆位相の場合がある。また、図１３に示すように、微小金属ギャップでも同様に２つのＳＰＰが結合するモードがあり、これらの導波構造は、適用する場所や周辺条件などに応じて使い分ければよい。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は幾つかの具体例を示しているが、これはあくまで構成例であり、本発明の主旨に従い個々の要素に他の手段（材料、寸法など）を用いても構わないものである。また、実施形態に示された材料、形状、配置などはあくまで一例であり、さらに各実施形態を組み合わせて実施することも可能である。

実施形態では、光導波路の両側にそれぞれ光利得部を設けたが、図１４に示すように、一方を単なる光スイッチ３１としても良い。この場合も、光スイッチ３１により光導波路１３中の光経路損失を切り替えることにより、レーザ発振状態を変化させることができ、先の実施形態と同様の効果が得られる。但し、信号電圧方向は双方向ではなく、光スイッチ３１側から光利得部１２ａ側への一方向のみとなる。

また、実施形態では、レーザ発振状態の変化を光利得部で検出したが、これとは別に光検出器を設けて光導波路中を導波する光を検出することにより、レーザ発振状態の変化を検出することも可能である。例えば図１５に示すように、一方のミラー１８ａの外側に光検出器３２設け、ミラー１８ａを透過した光を検出するようにしても良い。光検出器３２の設置位置としては、図１５に限らず、光導波路中を導波する光を検出できる位置であれば良い。

その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができるものである。

第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す断面図。第１の実施形態における動作を説明するための機能ブロック図及び等価回路図。第１の実施形態における動作を説明するための機能ブロック図及び等価回路図。第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置のレーザ発振特性の例を示す図。第２の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の周辺回路例を示す等価回路図。第３の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第３の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第４の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第５の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第５の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す断面図。第５の実施形態における光ガイドの構成及び導波モードを示す断面図。第５の実施形態における光ガイドの構成及び導波モードを示す断面図。本発明の変形例の概略構成を示す断面図。本発明の変形例の概略構成を示す断面図。

符号の説明

１１…ｎ型ＩｎＰ基板
１２…ＧａＩｎＡｓＰ活性層
１３…ＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア
１４…Ｐ型ＩｎＰ層
１５…半絶縁ＩｎＰクラッド層
１６，２６…ｐ側電極
１７，２５…ｎ側電極
１８，２８…反射ミラー
２１…Ｓｉ基板
２２…ＳｉＯ₂カバー
２３…ｐウェル
２４…ｎウェル
２７…表面プラズモンガイド

Claims

同一基板上に少なくとも１組の第１の光反射部と第２の光反射部を互いに離間して設け且つ前記第１の光反射部と前記第２の光反射部を光導波路により光結合して光共振器を構成し、該光共振器中に少なくとも１つの光利得部と１つの光スイッチを設け、前記光利得部を励起して前記第１の光反射部と前記光利得部と前記第２の光反射部等を有するレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記光スイッチを動作させて前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの光経路損失を切り替えて前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、該レーザ発振状態の変化を前記基板の前記光スイッチ以外の場所で検出して出力信号を得ることを特徴とするレーザ誘導光配線装置。
基板と、
前記基板上に離間して設けられた第１及び第２の光反射部と、
前記基板上に設けられ、前記第１及び第２の光反射部を光結合して光共振器を構成するための光導波路と、
前記光導波路中の一部に設けられ、前記第１及び第２の光反射部と共にレーザ発振器を構成する光利得部と、
前記光導波路中の一部に前記光利得部とは離間して設けられ、入力信号により前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの光経路損失を切り替えて前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させる光スイッチと、
を具備したことを特徴とするレーザ誘導光配線装置。
前記光スイッチとは離間した位置に、前記光導波路中を導波する光の強度変化を検出することにより前記レーザ発振器のレーザ発振状態の変化を検出する検出部を設けたことを特徴とする請求項２記載のレーザ誘導光配線装置。
前記レーザ発振器のレーザ発振状態の変化を、前記光利得部で検出することを特徴とする請求項２記載のレーザ誘導光配線装置。
前記光利得部は電流注入によって励起されるものであり、前記レーザ発振器のレーザ発振状態変化を前記光利得部の電圧又は電流の変化で検出することを特徴とする請求項１又は４記載のレーザ誘導光配線装置。
前記光スイッチは前記光利得部と同等の構造体からなり、該光スイッチの励起レベルを変化させることにより前記光経路損失を切り替えるものであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のレーザ誘導光配線装置。
前記光導波路は、前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの少なくとも一部が湾曲されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のレーザ誘導光配線装置。
同一基板上に少なくとも１組の第１の光反射部と第２の光反射部を互いに離間して設け且つ前記第１の光反射部と前記第２の光反射部を光導波路により光結合して光共振器を構成し、該光共振器中に少なくとも２つの光利得部を設け、前記光利得部を励起して前記第１の光反射部と前記光利得部と前記第２の光反射部等を有するレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記光利得部の１つを利得変化させて前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの光経路利得を切り替え、これにより前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、該レーザ発振状態の変化を利得変化させた前記光利得部以外の光利得部で検出して出力信号を得ることを特徴とするレーザ誘導光配線装置。
基板と、
前記基板上に離間して設けられた第１及び第２の光反射部と、
前記基板上に設けられ、前記第１及び第２の光反射部を光結合して光共振器を構成するための第１の光導波路と、
前記光導波路中に設けられ、前記第１及び第２の光反射部と共にレーザ発振器を構成する第１の光利得部と、
前記光導波路中に前記第１の光利得部とは離間して設けられ、前記第１及び第２の光反射部と共にレーザ発振器を構成する第２の光利得部と、
を具備したことを特徴とするレーザ誘導光配線装置。
前記第１及び第２の光利得部をそれぞれ励起して各々のレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記第１及び第２の光利得部の一方を利得変化させて前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの光経路利得を切り替え、これにより前記第１及び第２の光利得部の他方によるレーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、該レーザ発振状態の変化を前記第１及び第２の光利得部の他方で検出することを特徴とする請求項９記載のレーザ誘導光配線装置。
前記光利得部は電流注入によって励起されるものであり、前記レーザ発振器のレーザ発振状態の変化を前記光利得部の電圧又は電流の変化で検出することを特徴とする請求項８又は１０記載のレーザ誘導光配線装置。
前記基板上に離間して設けられた第３及び第４の光反射部と、
前記基板上に前記第１の光導波路と直交するように設けられ、前記第３及び第４の光反射部を光結合して光共振器を構成するための第２の光導波路と、
前記第２の光導波路中に設けられ、前記第３及び第４の光反射部と共にレーザ発振器を構成する第３の光利得部と、
前記光導波路中に前記第３の光利得部とは離間して設けられ、前記第３及び第４の光反射部と共にレーザ発振器を構成する第４の光利得部と、
を更に具備したことを特徴とする請求項９記載のレーザ誘導光配線装置。
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との交差部に、前記第１及び第２の光反射部と共にレーザ発振器を構成、及び／又は前記第３及び第４の光反射部と共にレーザ発振器を構成する第５の光利得部を設けたことを特徴とする請求項１２記載のレーザ誘導光配線装置。
前記第１の光導波路は、前記第１の光反射部から前記第２の光反射部までの少なくとも一部が湾曲されていることを特徴とする請求項８〜１３の何れかに記載のレーザ誘導光配線装置。
前記第１の光導波路は、表面プラズモン導波路であることを特徴とする請求項８〜１４の何れかに記載のレーザ誘導光配線装置。
前記光利得部は、それぞれ信号送信時は自らの利得を入力信号に応じて変化させて前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、信号受信時は自らの励起を一定化してレーザ発振状態の変化に応じた励起キャリア消費の変化を出力信号として検出するものであり、各光利得部が送信部と受信部を兼ねて双方向伝送又は多点信号伝送を可能にすることを特徴とする請求項８〜１５の何れかに記載のレーザ誘導光配線装置。