激光诱导光布线装置.pdf

一种激光诱导光布线装置包括：衬底(11)；第一和第二光反射构件(18a、18b)，彼此分离地设置在所述衬底上；光波导(13)，设置在所述衬底(11)上，用于光耦合所述第一和第二光反射构件(18a、18b)，以形成光谐振器；第一光增益构件，设置于所述光波导(13)，并且与所述第一和第二光反射构件(18a、18b)一起形成激光振荡器；以及第二光增益构件，与所述第一光增益构件分离地设置于所述光波导(13)，并且与所述第一和第二光反射构件(18a、18b)一起形成另一激光振荡器。

1.  一种激光诱导光布线装置，其特征在于包括：
衬底；
第一光反射构件和第二光反射构件，彼此分离地设置在所述衬底上；
光波导，设置在所述衬底上，所述光波导光耦合所述第一光反射构件和所述第二光反射构件，以形成光谐振器；
光增益构件，设置于所述光波导的一部分，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成激光振荡器；以及
光开关，与所述光增益构件分离地设置于所述光波导的一部分，所述光开关进行切换操作，以根据输入信号改变在所述第一光反射构件和所述第二光反射构件之间延伸的光路的损耗，从而改变所述激光振荡器的激光振荡状态。

2.  根据权利要求1的装置，其特征在于，还包括与所述光开关分离地设置的探测器，通过探测通过所述光波导引导的光的强度变化，所述探测器探测所述激光振荡器的激光振荡状态的变化。

3.  根据权利要求1的装置，其特征在于，所述光增益构件探测所述激光振荡器的激光振荡状态的变化。

4.  根据权利要求1的装置，其特征在于，当电流流过所述光增益构件时所述光增益构件被激活，并且当在所述光增益构件处的电压或流过所述光增益构件的电流改变时，探测所述激光振荡器的激光振荡状态的变化。

5.  根据权利要求1的装置，其特征在于，所述光开关为等效于所述光增益构件的结构，并且当所述光开关的激活水平改变时所述光路的损耗改变。

6.  根据权利要求1的装置，其特征在于，在所述第一光反射构件和所述第二光反射构件之间延伸的所述光波导的至少一部分成角形。

7.  一种激光诱导光布线装置，其特征在于包括：
衬底；
第一光反射构件和第二光反射构件，彼此分离地设置在所述衬底上；
光波导，设置在所述衬底上，所述光波导光耦合所述第一光反射构件和所述第二光反射构件，以形成光谐振器；
第一光增益构件，设置于所述光波导的一部分，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成第一激光振荡器；以及
第二光增益构件，与所述第一光增益构件分离地设置于所述光波导的一部分，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成第二激光振荡器。

8.  根据权利要求7的装置，其特征在于：
当激活所述第一和第二光增益构件时，所述第一激光振荡器和所述第二激光振荡器进行激光振荡；
当通过输入信号改变所述第一光增益构件和所述第二光增益构件中的一个的增益时，在所述第一光反射构件和所述第二光反射构件之间延伸的光路的增益改变，从而改变由所述第一光增益构件和所述第二光增益构件中的另一个形成的激光振荡器的激光振荡状态；以及
通过所述第一光增益构件和所述第二光增益构件中的另一个探测所述激光振荡状态的变化。

9.  根据权利要求8的装置，其特征在于，当电流流过所述第一光增益构件和第二光增益构件时，激活所述第一光增益构件和所述第二光增益构件，并且当改变所述第一光增益构件和所述第二光增益构件中对应的一个处的电压或者流过所述第一光增益构件和所述第二光增益构件中的所述一个的电流时，探测所述第一激光振荡器和所述第二激光振荡器中的每一个的激光振荡状态的变化。

10.  根据权利要求7的装置，其特征在于，在所述第一光反射构件和所述第二光反射构件之间延伸的所述光波导的至少一部分成角形。

11.  根据权利要求7的装置，其特征在于，所述光波导是表面等离子体波导。

12.  根据权利要求7的装置，其特征在于：
在传输模式中，根据输入信号，所述第一光增益构件和所述第二光增益构件中的每一个改变其增益，以改变所述第一和第二激光振荡器中对应的一个的激光振荡状态；以及
在接收模式中，所述第一光增益构件和所述第二光增益构件的每一个都保持其激活状态恒定，以探测作为接收信号的对应于其激光振荡状态的变化的受激载流子消耗的变化，其中所述第一光增益构件和所述第二光增益构件中的所述每一个用作传输构件和接收构件，从而实现双向传输或多点传输。

13.  一种激光诱导光布线装置，其特征在于包括：
衬底；
第一光反射构件和第二光反射构件，彼此分离地设置在所述衬底上；
第三光反射构件和第四光反射构件，彼此分离地设置在所述衬底上；
第一光波导，设置在所述衬底上，所述第一光波导光耦合所述第一光反射构件和所述第二光反射构件，以形成第一光谐振器；
第一光增益构件，设置于所述第一光波导，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成第一激光振荡器；
第二光增益构件，与所述第一光增益构件分离地设置于所述第一光波导，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成第二激光振荡器；
第二光波导，与所述第一光波导垂直地设置在所述衬底上，所述第二光波导光耦合所述第三光反射构件和所述第四光反射构件，以形成光谐振器；
第三光增益构件，设置于所述第二光波导，并且与所述第三光反射构件和所述第四光反射构件一起形成第三激光振荡器；以及
第四光增益构件，与所述第三光增益构件分离地设置于所述第二光波导，并且与所述第三光反射构件和所述第四光反射构件一起形成第四激光振荡器。

14.  根据权利要求13的装置，其特征在于，还包括在所述第一光波导和所述第二光波导的交叉处设置的第五光增益构件，所述第五光增益构件与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成激光振荡器。

15.  根据权利要求13的装置，其特征在于，还包括在所述第一光波导和所述第二光波导的交叉处设置的第五光增益构件，所述第五光增益构件与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成激光振荡器，并与所述第三光反射构件和所述第四光反射构件一起形成激光振荡器。

16.  根据权利要求13的装置，其特征在于，在所述第一光反射构件和所述第二光反射构件之间延伸的所述第一光波导的至少一部分为角形。

17.  根据权利要求13的装置，其特征在于，所述第一光波导和所述第二光波导中的每一个都是表面等离子体波导。

18.  根据权利要求13的装置，其特征在于：
当传输信号时，根据输入信号，所述第一光增益构件到所述第四光增益构件中的每一个改变其增益，以改变所述第一到第四激光振荡器中对应的一个的激光振荡状态；以及
当接收信号时，所述第一光增益构件到所述第四光增益构件中的每一个保持其激活状态恒定，以探测作为接收信号的与由所述第一光增益构件到所述第四光增益构件中的任何其它一个形成的激光振荡器的激光振荡状态的变化相对应的受激载流子消耗的变化，其中所述第一光增益构件到所述第四光增益构件中的每一个用作传输构件和接收构件，从而实现双向传输或多点传输。

激光诱导光布线装置
技术领域
本发明涉及其中通过激光振荡器实现光布线的激光诱导光布线装置。
背景技术
通过电子器件如双极晶体管和场效应晶体管的性能的提高，实现了LSI运行速度的快速提高。然而，在通过晶体管微制造提高了电子器件性能的同时，微制造也增大了器件中的布线电阻或布线间电容。布线电阻或布线间电容的增大正成为LSI性能提高的瓶颈。
考虑到上述电布线中的这一问题，已提出了几种光布线LSI，其中在LSI中使用光连接元件(例如，参见JP-A H6-132516(KOKAI)。无论对其施加的电流是直流还是100GHz或更大的交流，光布线几乎与频率引起的损耗无关，并且也几乎没有由电磁引起的布线路径的紊乱(disorder)。
然而，如果将JP-A H6-132516(KOKAI)的这种常规技术应用于具有很大数量布线的LSI，则这种常规技术呈现显著低的可重复性和可靠性。例如，即使假定将光布线仅用于LSI布线的最上层(公用(global)层)，但一个LSI芯片也可包括几百条光布线。在这种情况下，为操作一个LSI，就必须操作几百条光布线，使所有的布线处于良好条件。根据LSI的产量，这意味着对于制造技术需要可重复性和可靠性，这使得在制得的几万至几十万的光布线中不能包含一条有缺陷的光布线。因此，用于LSI的各光布线必须具有极高的可重复性和可靠性。为此，各光布线必须具有用于高度集成的极简单的结构和极小的尺寸。
基本上，发光元件、光波导以及光接收元件都是用于常规光布线的必需元件。因此，发光元件技术、光接收元件技术以及波导技术是必需的。还必须全面调查各种技术，包括外围技术例如用于将发光元件有效地光耦合到光接收元件的光耦合技术，以及光传输系统设计技术。而且，这些基本元件在工作原理、材料、结构、加工技术方面各不相同，因此有必要精细地结合材料和加工技术以形成光布线。该方法实现起来极其困难。
如上所述，在常规光布线技术中，由于构成元件非常复杂，并且必须使用各种材料形成元件，因此在特性的稳定性或可重复性方面很容易发生问题。而且，很难减小布线的尺寸。由此，对于LSI布线来说，常规光布线技术包括大量不合适因素。
发明内容
根据本发明第一方面，提供一种激光诱导光布线装置，包括：
衬底；
第一光反射构件以及第二光反射构件，彼此分离地设置在所述衬底上；
光波导，设置在所述衬底上，所述光波导光耦合所述第一光反射构件和所述第二光反射构件，以形成光谐振器；
光增益构件，设置于所述光波导的一部分，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成激光振荡器；以及
光开关，与所述光增益构件分离地设置于所述光波导的一部分，所述光开关进行开关操作，以根据输入信号改变在所述第一光反射构件和所述第二光反射构件之间延伸的光路的损耗，从而改变所述激光振荡器的激光振荡状态。
根据本发发明的第二方面，提供一种激光诱导光布线装置，包括：
衬底；
第一光反射构件和第二光反射构件，彼此分离地设置在所述衬底上；
光波导，设置在所述衬底上，所述光波导光耦合所述第一光反射构件和所述第二光反射构件，以形成光谐振器；
第一光增益构件，设置于所述光波导的一部分，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成第一激光振荡器；以及
第二光增益构件，与所述第一光增益构件分离地设置于所述光波导的一部分，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成第二激光振荡器。
根据本发明的第三方面，提供一种激光诱导光布线装置，包括：
衬底；
第一光反射构件和第二光反射构件，彼此分离地设置在所述衬底上；
第三光反射构件和第四光反射构件，彼此分离地设置在所述衬底上；
第一光波导，设置在所述衬底上，所述第一光波导光耦合所述第一光反射构件和所述第二光反射构件，以形成第一光谐振器；
第一光增益构件，设置于所述第一光波导，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成第一激光振荡器；以及
第二光增益构件，与所述第一光增益构件分离地设置于所述第一光波导，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成第二激光振荡器；
第二光波导，与所述第一光波导垂直地设置在所述衬底上，所述第二光波导光耦合所述第三光反射构件和所述第四光反射构件，以形成光谐振器；
第三光增益构件，设置于所述第二光波导，并且与所述第三光反射构件和所述第四光反射构件一起形成激光振荡器；以及
第四光增益构件，与所述第三光增益构件分离地设置于所述第二光波导，并且与所述第一光反射构件和所述第二光反射构件一起形成激光振荡器。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的激光诱导光布线装置的结构的示意性透视图；
图2是示出第一实施例的激光诱导光布线装置的结构的示意性剖面图；
图3是用于说明第一实施例的操作的视图；
图4是用于说明第一实施例的操作的另一视图；
图5是用于说明第一实施例的操作的又一视图；
图6是示出第一实施例的激光诱导光布线装置的激光振荡特性实例的曲线图；
图7是示出根据第二实施例的激光诱导光布线装置的电路图，其包括等效于图1的装置的电路和外围电路；
图8是示出根据第三实施例的激光诱导光布线装置的结构的示意性透视图；
图9是示出第三实施例的激光诱导光布线装置的结构的另一示意性透视图；
图10是示出根据第四实施例的激光诱导光布线装置的结构的示意性透视图；
图11是示出根据第五实施例的激光诱导光布线装置的结构的示意性透视图；
图12是示出根据第五实施例的激光诱导光布线装置的结构的剖面图；
图13是示出用于第五实施例的光导部分的结构的剖面图，以及发生在该光导部分中的波导模式；
图14是示出用于第五实施例的另一光导部分的结构的剖面图，以及发生在该光导部分中的波导模式；
图15是示出本发明的修改的结构的剖面图；以及
图16是示出本发明另一修改的结构的剖面图。
具体实施方式
本发明的主旨不在于单向光传输操作，而在于发光元件、光波导以及另一发光元件是空间分布的并协同用作包括两个单激光振荡器的单系统，并且作为信号传输该系统的每个激光操作。即利用这样的事实，当存在慢于该系统的标准操作速度的操作时，该操作立即传输到整个系统，实现将信号传输到空间分离的位置。此时，使一个发光元件用作光开关，用于控制包括两个激光振荡器的该系统的光增益(或损耗)，并使另一元件用作接收器，用于将例如与整个系统的光量变化相对应的受激载流子的变化接收并传输到外面。
利用附图所示的实施例，详细描述本发明。在实施例中，采用多种特点材料。但是，本发明不限于这些材料。只要材料可进行激光振荡就可以。因此，本发明不限于下面描述的实施例。而且，在实施例中，描述一条或者两条光布线。但是，实际上，在LSI芯片上集成了大量光布线。可采用任意数量的光布线。
(第一实施例)
图1是示出根据第一实施例的激光诱导光布线装置的结构的示意性透视图。图1仅仅示出了光布线所必需的元件。而且，图2示出了沿图1的装置的轴截取的截面。尽管第一实施例采用GaInAsP/InP基材料作为装置的材料实例，但也可采用其它材料，如GaAlAs/GaAs基材料、Si和SiGe/Si。
图1和图2中，参考标号11表示n型InP衬底，参考标号12a和12b表示GaInAsP有源层(具有1.3μm的发射波长的激光介质)，参考标号13表示GaInAsP光波导芯(具有例如1.2；μm的带隙波长)，参考标号14a和14b表示p型InP层，以及参考标号15表示半绝缘覆层(clad layer)(例如，Fe掺杂的InP层)。而且，参考标号16a和16b表示p侧电极(由例如AuZn形成)，参考标号17表示n侧电极(由例如AuGe形成)，以及参考标号18a和18b表示由干法蚀刻形成的镜。
在InP衬底11上，形成条形的GaInAsP光波导芯13，并且半绝缘覆层15覆盖该条形和外周。通过干法蚀刻条形结构的相反端，形成镜18a和18b。在光波导芯13的相反端附近设置GaInAsP有源层12a和12b，并且在半绝缘覆层15的相反端附近设置p型InP层14a和14b。
分别在InP层14a和14b上设置p侧电极16a和16b，并且在衬底11的下表面上设置n侧电极17。即，形成使镜18a和18b相互连接的光波导(光波导芯13)。第一光增益部件(section)(有源层12a)和第二光增益部件(有源层12b)与镜18a和18b以及光波导芯13一起形成激光振荡器。这里假定，每个有源层12具有例如0.12μm的厚度、1μm的宽度，以及50μm的长度。而且，假定光波导芯13具有例如0.12μm的厚度、1μm的宽度，以及1mm的长度。有源层12和光波导芯13可具有量子阱结构。光波导芯13的长度用作确定激光振荡器的最大操作频率的参数，如果其长于特定值，则会限制光布线装置的操作速度。这将在后面进行解释。
如图2所示，有源层12a和12b直接连接到光波导芯13，并且层12a和12b彼此光耦合。随后通过晶体生长并构图，可形成有源层12a和12b以及光波导芯13。可选地，首先，可利用使用选择性生长如多量子阱结构的组分控制技术进行晶体生长，然后将所得的结构构图为层12a和12b和芯13。进一步，在有源层12a和12b的外端设置具有垂直端面的镜18a和18b，由此形成所谓的法布里-珀罗振荡器。在第一实施例中，基本上不必将光输出到装置的外面。因此，通过设置具有高反射涂层或金属涂层(未示出)的垂直端面，可增强镜面反射。
此外，代替干法蚀刻有源层12a和12b的外端，可设置具有衍射光栅的延伸(extended)光波导，以形成分布布拉格反射器(DBR)激光器结构。可选地，可在每个有源层12a、12b的上、下、左或右部的附近设置衍射光栅，以形成分布反馈(DFB)激光器结构。当采用DFB激光器结构时，原则上即使只有有源层12a和12b中的一个也可振荡。但是，为实现有源层12a和12b的协同操作，将每个有源层的振荡阈值设定为相对较高。现在描述如上构造的激光诱导光布线装置的工作原理。
图3和4是用于说明激光诱导光布线装置的操作的视图。在图3和图4的每一个中，上面的部分是示意性剖面图，主要示出了激光诱导光布线装置的有源部件，中间的部分示出了内部光强分布，以及下面的部分示出了等效电路。参考标号12a和12b表示激光有源层，参考标号13表示光波导芯，以及参考标号18a和18b表示反射镜。
如图3所示，当仅激活有源层12a时(即，电流仅流入层12a中)，如图3所示，内部光强(E)在有源层12a和光波导13之间呈现平缓的衰减分布曲线。但是，在具有与有源层12a相同带隙的有源层12b中，发生急剧的光吸收，即发生急剧的光衰减。为处于使该状态的系统进行激光振荡，必须强激活有源层12a，直到通过光激活使有源层12a透明。但是，很难执行该工序。相反地，如图4所示，当仅激活有源层12b时，获得与图3的相反的光分布。当然，也很难在该状态下进行激光振荡。
当有源层12a和12b都被激活时，如图5所示，获得基本上均匀的内部光分布，即当光构成系统的回路时获得的光增益可设定为1。也就是，激光振荡是可能的。这里假定，镜18a的反射(位于较靠近有源层12a的位置)、镜18b的反射(位于较靠近有源层12b的位置)、有源层12a的长度、有源层12b的长度、有源层12a的诱导发射增益、有源层12b的诱导发射增益、有源层12a的吸收损耗、有源层12b的吸收损耗、光波导13的长度、光波导13的吸收损耗、有源层12a和光波导13之间的耦合系数、以及有源层12b和光波导13之间的耦合系数分别用作特征参数Ra、Rb、La、Lb、ga、gb、αa、αb、Lt、αt、Ca和Cb。在这种情况下，用于整个系统的激光振荡条件是这样的条件，在该条件下即使在构成该系统的回路之后光仍可保持其初始强度。即，满足下式：
In{1/(Ra×Rb×Ca×Ca×Cb×Cb)}
＝2(ga×La+gb×Lb-αa×La-αb×Lb-αt×Lt)    …(1)
其中ga和gb是关于注入到有源层12a和12b种的载流子(电流)的函数，并且如果该结构固定，则其它的参数也固定。因此，激光振荡条件是，基于ga和gb的光增益超过该系统的光损耗。只要下面的关系成立就可以了：
ga(Ifa)La+gb(IFb)Lb
＝αa×La+αb×Lb+αt×Lt+
[In{1/(Ra×Rb×Ca×Ca×Cb×Cb)}]/2    …(2)
其中IFa和IFb分别表示用于有源层12a和12b的激活电流。
图6示出了当在图1的结构中的垂直端面镜18a和18b上涂覆SiO₂/Si多层时假定的激光振荡特性实例。在该实例中，Ra＝Rb＝80％。而且，IFa＝IFb＝IF/2，即，相同的电流流过层12a和12b。
在图6中，横坐标表示元件电压(VF)以及来自每个镜端面的光输出(Po)，而纵坐标表示流过有源层12a和12b的电流总和(IF＝IFa+IFb)。在图6中，Po的两条线表示图1的系统进行激光振荡的情况以及该系统不进行激光振荡的情况。类似地，VF的两条线也表示这两种情况。通光波导13中间的非垂直蚀刻使有源层12a和12b的光耦合中断，获得对应与无激光振荡的特性。在任何情况下，有源层12a和12b的电特性不变。
在图6中，Po急剧增大的点表示激光振荡的阈值。具体地，该阈值为电流阈值Ith，以及电压阈值Vth。图6示出了当进行IFa＝IFb的对称激活时获得的特性。如果IFa≠IFb，由于增益g(IF)的非线性特性，所得的电流和电压阈值也偏离图6中的Ith和Vth。
有源层12a和12b分别用作在p型覆层14a和14b与n型覆层(衬底)11之间夹持的二极管，并且它们的电流/电压特性由下式给出：
I＝I0[exp{(V-I×Rs)e/n×k×T}    …(3)
其中Rs是由元件16a(或16b)、14a(或14b)、12a(或12b)、11和17形成的pn结二极管的内电阻，I0是饱和电流，n是用于二极管的常数，k是玻尔兹曼常数，以及T是绝对温度。从式(3)可得到下式：
V1＝{In(I1/I0)}n×k×T/e+I1×Rs  (I1＜Ith)    …(4)
一般地，当半导体层进行激光振荡时，有源层电压(结电势)固定在阈值电压，因此通过元件电压由下式给出：
V2＝{In(Ith/I0)}n×k×T/e+I2×Rs  (I2＞Ith)    …(5)
在这种情况下，对于电流而言，第一项(term)用作常数。这里假定，通过相同元件控制光耦合，并且在激光振荡状态和非振荡状态之间切换状态，如图6所示。而且，用上述V1和V2代替I1＝I2＝Ib，并且将V1和V2之间的差设为ΔV，由此获得下式：
ΔV＝{In(Ib/Ith)}n×k×T/e    …(6)
ΔV等于Voff和Von之间的差(Voff-Von)。在半导体激光元件中，如果可在激光振荡状态和非振荡状态之间切换状态，而流过其中的电流保持恒定，则这意味着元件电压变化。相反，如果元件偏置电压保持恒定，则流过元件的电流变化。
该现象用作本实施例的激光诱导光布线装置的原理。即，均将一侧用作反射镜的两个有源层被光耦合到激光振荡器中，由此通过在一个有源层中引起的变化来使整个系统的激光振荡状态改变，这导致另一有源层中的变化。换句话说，当分离地设置两个有源层时，在一个有源层中引起的变化传输到另一有源层，结果可由另一有源层得到某种变化。从而，激光振荡器可具有信号传输功能。
将对用于图1的实施例中的操作方法实例进行描述。首先，将Ib/2作为偏置电流施加到电极16a和16b，以由此将系统设为激光振荡状态(如图6的激光振荡线所示)。随后，将信号施加到电极16a和16b中的一个。例如，将-Ib/2作为信号施加到电极16a，由此补偿施加到电极16a的偏置电流。这时，该系统的激光振荡停止，并且在电极16b处的电压从Von增大到Voff。假定Ith＝10mA并且Ib＝30mA，则有源层12a和12b的阈值电流和偏置电流分别是5mA和15mA。而且，假定二极管常数(n)为2，则ΔV(Voff-Von)约为57mV。
也可对电极16b施加上述信号。在这种情况下，在电极16a处发生信号电压。即，在上面的偏置和信号施加过程中，在与对其施加信号的电极不同的电极处发生约50mV的信号电压。对其施加信号的电极的有源层从增益开状态切换到增益关状态并用作光开关。因此，在图1的实施例中，一个电极用作光开关，而另一个电极用作光增益/信号接收部件。这些功能可彼此切换，即，可实现双向传输。
将描述对一个有源层中的变化随着另一有源层中的变化而出现的现象的限定。激光利用受激发射现象，并且将光施加到激活的激光介质是基本要求。因此，如第一实施例中当分离地设置两个有源层并在它们之间形成激光振荡器时，受激发射发生，在有源层之间(或镜之间)延迟对应于光传输时间的时间。这意味着为启动激光振荡操作，需要对应于该延迟时间的时间。因此，在该实施例的激光诱导光布线装置中，激光振荡器很难在短于光来回激光腔所需的时间的时间内操作。
但是，在图1的示例中，假定有源层和光波导的有效反射率是3.5，并且激光振荡器的长度是约1mm，光形成系统回路所需的时间是约23ps，并且最大响应速度是约40GHz。即，可充分处理约十到几GHz的信号。在用于一般逻辑数据的不归零(non-return-to-zero)(NRZ)信号的情况下，可处理约20Gbps的信号。
如上所述，在第一实施例中，在衬底11上设置使第一和第二镜18a和18b光耦合的光波导13，并且分别在镜18a和18b的附近设置协同形成激光振荡器的第一和第二有源层12a和12b，由此发射元件和光波导用作光布线的基本元件。由于不需要专用的光接收元件，因此该系统仅设计为用于激光操作。不需要用于光传输的严格设计，如基于最小接收灵敏度或光耦合效率设定光传输/接收水平。
即使数据是数字数据，光传输实质上是波形的传输。从而，其被视为模拟数据传输。因此，应精巧地设计以防止噪声混合到数据中。光布线用于该实施例中，信号代表在系统中激光是否发光。因此，传输实质上是数字数据传输。由此可大大减少在信号中的任何误差。
因此，显著简化了光布线所需的结构构件，由此减少了变化或失效的因素。而且，大幅提高了系统的操作余量，由此大幅降低了特征缺陷的发生频率。即，显著提高了光布线的特性可重复性或可靠性，并极大提高了LSI芯片上光布线的实用性，这明显有利于例如信息通信器件的高度集成。
而且，在第一实施例中，分别在镜18a和18b附近设置有源层12a和12b，并且有源层12a和12b的每一个用作用于提供激光振荡器的光增益单元，并也用作用于探测发射状态的信号接收单元。结果，双向信号传输成为可能。
(第二实施例)
图7示出了根据第二实施例的激光诱导光布线装置。第二实施例包括等效于图1的激光诱导光布线装置的电路，以及外围电路。但是，应注意，与上述操作方法类似地，用于操作该装置的方法不限于下面的描述。
在图7中，包括元件12a、13和12b并被虚线包围的电路等效于第一实施例。可将偏置电阻器Rd设置在图1的装置的衬底上或外侧。在第二实施例中，假定对串联到有源层12a(元件12a、14a以及11构成pn结二极管)的偏置电阻器Rd施加的偏置电压是Vd，流过偏置电阻器Rd的偏置电流是Id，在偏置电阻器Rd和有源层12a之间的连接接线端施加的电压是Vsa，并且从接线端Vsa流出的电流是Isa。将当相同的电流流过有源层12a和12b时获得的振荡阈值设定为用作激光振荡特性的Ith和Vth。也就是，对于每个有源层12a、12b，假定对应于振荡阈值的电流是Ith/2。
作为电路的操作实例，假定将Id设定为略低于阈值电流值，例如，0.95×Ith/2(＝0.475Ith)的值，并且信号传输侧流过的电流Is充分大于Ith。在这种状态下，当Is＝0(Isa＝Isb＝0)时，Vsa和Vsb基本上等于Vth。此时，作为信号的电流Isa＝2Ith施加到例如有源层12a，由此尽管施加到有源层12b的电流低于阈值，但是作为来自有源层12a的光施加的结果，整个系统呈现能够激光振荡的状态。
一旦发生激光振荡，有源层12b的有效阈值(达到对应于振荡阈值的光量的电流值)减小。该状态等效于将高于阈值的偏置电流施加到有源层12b的情况。因此，由于参考图6的前述原理，元件电压降低。也就是，作为施加Isa的结果，Vsb降低，并且导出Vsb的变化，以实现信号从有源层12a到有源层12b的传输。相反，作为施加Isb的结果，Vsa降低，由此实现信号沿相反方向的传输。
而且，Id可预设为高于Ith/2的值，例如，使系统从一开始就进行激光振荡的Ith(整个电流为2Ith)，以及可将Isa和Isb设定为可使激光振荡停止的负电流水平(例如，-Ith)。在这种情况，信号输出的相位与施加不高于阈值的偏置时获得的信号输出的相位相反。
(第三实施例)
尽管第一和第二实施例采用线性光波导，但是如图8所示，光波导也可以是有角度的。在这种情况下，光波导13的光损耗为吸收损耗αt和Lt以及由角状部分引起的损耗之和，并且随着由角状部分引起的激光振荡阈值的增大，光损耗的影响显现。
可选地，光波导可包括如图9所示的两个垂直交叉的波导元件。具体地，在图9中，设置与光波导13相似的第一光波导13a，以及垂直于其的第二光波导13b。在第二光波导13b的相反端设置第三和第四镜18c和18d，并且分别在镜18c和18d附近设置第三和第四有源层12c和12d以及电极16c和16d。
即使两个光波导13a和13b(在镜18a和18b之间以及镜18c和18d之间延伸)彼此垂直交叉，也可实现与以上相同的信号传输。这是应用垂直交叉光束不会互相干涉的事实。当两个波导13a和13b彼此垂直交叉时，它们可用作独立的光布线构件。注意必须使波导垂直交叉。
如上所述，在本实施例的激光诱导光布线装置中，光波导13的基本功能不会由于结构、布线图形、垂直交叉状态等而变化。
(第四实施例)
图10示出了本发明的第四实施例，如所示，第四实施例与图9所示的第三实施例的不同之处在于，前者采用位于垂直交叉布线构件的交叉处并具有其它功能的有源层。具体地，在交叉处设置电极16e，并且在电极16e的下方设置与有源层12a到12d类似的有源层(未示出)。而且，使用中央有源层(位于电极16e下方)合成利用由三个电极16a、16e和16b形成的激光振荡器以及由三个电极16c、16e和16d形成的激光振荡器的双激光诱导光布线装置。
将描述由三个电极(例如，16a、16e和16b)形成的激光振荡器的操作。与前述的双电极激光诱导光布线装置类似地，该激光振荡器可从三个电极发射信号。而且，通过另外的两个电极接收输入到一个电极的信号。如此操作该激光振荡器，以便将图7所示的操作电路应用于三个有源层，以与图7中相同的方式使其工作。
现在给出对双激光诱导光布线装置的操作的描述，双激光诱导光布线装置中的一个装置使用由三个电极16a、16e和16b形成的激光振荡器，而另一个装置使用由三个电极16c、16e和16d形成的激光振荡器。通过设置在电极16e下方的有源层，可实现双激光诱导光布线装置的耦合操作。例如，当电极16e用作传输电极时，来自电极16e的信息可传输到所有其余的四个电极。而且，通过电极16e，可接收从电极16a、16b、16c和/或16d传输的信息(信号)。另外，也可在双激光诱导光布线装置之间进行信号传输。
因此，在图10所示的光波导之间设置的共用有源层可实现在它们之间的传输或在大量点之间的光布线。
(第五实施例)
图11示出了其中将表面等离子体波导用作光波导的本发明的第五实施例。在该实施例中，激光有源层由Si衬底的一部分形成，并且光波导由金属薄膜形成。具体地，在图11中，参考标号21表示Si衬底，参考标号22表示SiO₂盖(cover)，参考标号23a和23b表示p阱，参考标号24a和24b表示n阱，参考标号25a和25b表示n电极，参考标号26a和26b表示p电极，参考标号27表示表面等离子体波导(金属薄膜)，以及参考标号28a和28b表示反射镜。
这里假定电极25a、25b、26a和26b由Al形成，表面等离子体波导27由Au形成并具有40nm的厚度、2μm的宽度和100μm的长度。在作为等离子体波导27的Au薄膜下方，设置由SiO₂形成并具有20nm厚度的绝缘膜。Si发射部件(激光有源部件)由位于p阱23a和n阱24a之间以及p阱23b和n阱24b之间的衬底21的一部分形成，并且当从n和p阱都注入载流子时进行光的再耦合(re-coupling)。
当形成p阱或n阱时，通过旋涂和热扩散，涂敷混合有颗粒直径约为10nm的SiO₂颗粒的掺杂剂糊。结果，形成几nm到几十nm的不均匀的扩散阵面(front)，由此，利用由纳米尺寸的不均匀度引起的载流子限制效应来加速光的再耦合。而且，可将稀土掺杂剂注入到Si发射部件中，以使其进行稀土发射，或者可设置涂敷有几nm的SiO₂膜的纳米尺寸的Si颗粒，以进行精细颗粒Si发射。
表面等离子体是通过将光耦合到各种类型的极化波获得的一种极化声子。即，它是在金属表面上的光传播方式，其中光被耦合至自由电子偏移(shift)极化。一般地，这称为表面等离子体极化声子(SSP)。如图12所示，将SSP光限制在将金属边界作为其中心的区域中，并且如果Si反射部件位于SSP的光电场分布的范围内，则其可进行受激发射。
在图11的实施例中，在电极25a和26a之间以及在电极25b和26b之间形成各自的二极管，并且当正向电流流过二极管时，二极管发光。而且，当电流在电极25a和26a之间以及在电极25b和26b之间流动时，相反的有源层发光，并且进行利用镜28a和28b的激光振荡。在该状态下，以与上述实施例相同的方式进行信号传输。
一般地，波导模式存在于金属和电介质的边界处。而且，在金属薄膜的情况下，存在这样的波导模式，其中在金属的正面和反面的SPP被耦合，如图13所示。图13中的曲线表示SPP波导模式的波面。存在正面SPP和反面SPP具有相同相位的情况，以及它们具有不同相位的情况。而且，如图14所示，甚至在薄金属层之间的细间隙中也存在其中两个SPP被耦合的波导模式。可根据位置、外围条件等采用这些波导结构。
(修改例)
本发明不限于上述实施例，尽管在实施例中采用了各种结构的元件，但是它们仅仅是实例，并且只要不脱离本发明范围，可使用其它方式(材料、尺寸等)代替各元件。而且，材料、结构、排列等仅仅是实例。也可适当结合一些实施例。
具体地，尽管在以上实施例中，在光波导的相反端设置光增益部件，但可用图15所示的光开关31代替它们中的一个。并且在这种情况下，通过使用光开关31改变光波导13的光损耗，可改变激光振荡状态，由此提供与上述实施例相同的优点。但是，在这种情况下，仅在一个方向(即，从光开关31到光增益部件21)上施加信号电压，这不同于其中可在相反方向施加电压的上述实施例。
另外，尽管在上述实施例中，光增益部件探测激光振荡状态的改变，但可设置光电探测器来探测通过光波导导向的光，由此探测激光振荡状态的改变。例如，如图16所示，可在镜18a的外侧设置光电探测器32，以探测从其中通过的光。光电探测器32的位置不限于此。只要光电探测器可探测通过光波导导向的光则足够。
本领域技术人员很容易想到其它优点和修改。因此，本发明在其更宽的方面不限于在此示出和描述的特定细节和示例性实施例。因此，只要不脱离所述权利要求及其等同物所限定的总发明构思的精神或范围，可进行各种修改。