JP2000068596A - Optical semiconductor transmitter/receiver element - Google Patents

Optical semiconductor transmitter/receiver element

Info

Publication number
JP2000068596A
JP2000068596A JP10231808A JP23180898A JP2000068596A JP 2000068596 A JP2000068596 A JP 2000068596A JP 10231808 A JP10231808 A JP 10231808A JP 23180898 A JP23180898 A JP 23180898A JP 2000068596 A JP2000068596 A JP 2000068596A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
det
light
layer
optical
receiving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10231808A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasumasa Suzaki
泰正 須崎
Masanobu Okayasu
雅信 岡安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP10231808A priority Critical patent/JP2000068596A/en
Publication of JP2000068596A publication Critical patent/JP2000068596A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide photosensitivity and threshold current equal to or better than a discrete element without depending on temperature, while the number of optical part items is decreased. SOLUTION: Related to an optical semiconductor transmitter/receiver element 100, a mesa-striped laminated part and an Fe-InP 70, formed on both sides of it, are formed on an n-InP substrate 50, and an AnZnNi electrode 31 and an AnGeNi electrode 32 are provided on the upper and lower surfaces of the element, respectively. The laminated part comprises an MQW active layer 10, an Inp etch-stop layer 40, a bulk light-receiving layer 20, and a p-Inp 60 (corresponding to a clad layer 22). For the structure, an equation λLD+0.4 (nm/ deg.C)×ΔT<=λDET<=lLD+0.6 (nm/ deg.C)×ΔT is established, where active layer band gap wavelength is λLD, light-receiving layer band gap wavelength is λDET, and the ambient temperature change width is ΔT.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信等に適用可
能で発光および受光素子として機能する光半導体送受信
素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical semiconductor transmitting / receiving element which can be applied to optical communication and functions as a light emitting and receiving element.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、マルチメディアを実現するための
大容量情報伝送への強い要求を背景として、光通信技術
は飛躍的な進歩を遂げつつあり、現在では通信網の幹線
系ではもちろんのこと、FTTH計画では通信網末端の
一般家庭にまで光ファイバによる伝送網が構築されよう
としている。
2. Description of the Related Art In recent years, with the strong demand for large-capacity information transmission for realizing multimedia, optical communication technology has been making remarkable progress. In the FTTH plan, a transmission network using an optical fiber is being constructed up to a general home at the end of the communication network.

【0003】そして、現在の光通信にあっては、発光素
子や受光素子等の光半導体素子を用いると共に、伝送媒
体としては光ファイバを広く用いており、伝送方式につ
いても様々なものが検討されていて、その一方式として
同一波長を用いて時間的に送受信動作を切り換える「T
ime Compression Multiplex
ing(TCM)伝送方式」が提案されている。
[0003] In the current optical communication, optical semiconductor elements such as light emitting elements and light receiving elements are used, and optical fibers are widely used as a transmission medium. As one of the methods, the transmission and reception operation is temporally switched using the same wavelength “T
im Compression Multiplex
ing (TCM) transmission method "has been proposed.

【0004】この伝送方式においては、発光素子と受光
素子とを個別に設けると共に、それらと光ファイバとの
間にハーフミラーや3dbカップラーのような分岐回路
を配置することで、発光素子からの光を光ファイバ端へ
導くことや光ファイバ端からの光を受光素子へ導くこと
により光双方向伝送を実現しているが、このような光双
方向伝送では分岐回路を挿入することが要求されるた
め、分岐回路の分岐損失や分岐回路自体の損失が光双方
向伝送に影響を与えてしまう。
In this transmission system, a light emitting element and a light receiving element are separately provided, and a branch circuit such as a half mirror or a 3 db coupler is arranged between the light emitting element and the optical fiber, so that light from the light emitting element can be obtained. Optical bidirectional transmission is realized by guiding the light to the end of the optical fiber and the light from the end of the optical fiber to the light receiving element. However, such bidirectional optical transmission requires insertion of a branch circuit. Therefore, the branch loss of the branch circuit and the loss of the branch circuit itself affect the optical bidirectional transmission.

【0005】このような影響を軽減するため、発光素子
と受光素子には高光出力や高受光感度といった性能が要
求されるが、このような性能を備える素子を製造する際
の歩留まりは低く、寿命低下の要因ともなると共に、発
光素子、受光素子、および分岐回路が必ず必要となるた
め、光部品点数も多く光モジュールの製造コストもコス
ト高となる。
In order to reduce such effects, the light emitting element and the light receiving element are required to have high light output and high light receiving sensitivity. However, the yield at the time of manufacturing an element having such performance is low, and the lifetime is low. In addition to a factor of reduction, a light emitting element, a light receiving element, and a branch circuit are necessarily required, so that the number of optical components is large and the manufacturing cost of the optical module is high.

【0006】そこで、分岐回路を挿入せず光部品点数を
低減しながら光双方向伝送を行うために、発光素子と受
光素子を一体化することが提案されていて、これは発光
素子として用いる半導体レーザ(以下、適宜「LD」)
の活性層がある程度の受光感度を有することによって実
現可能となるものであり、全く同一構造のLDのみを伝
送媒体の両端に対向配置することで実現することができ
る。
Therefore, in order to perform optical bidirectional transmission while reducing the number of optical components without inserting a branch circuit, it has been proposed to integrate a light emitting element and a light receiving element, which is a semiconductor used as a light emitting element. Laser (hereinafter “LD” as appropriate)
Can be realized by having a certain level of light-receiving sensitivity of the active layer, and can be realized by disposing only LDs having exactly the same structure at both ends of the transmission medium.

【0007】ところが、上記のようにLDを対向配置さ
せて用いる構成にあっては、環境温度が変化する場合に
受光感度の劣化等の大きな問題が生じる。その理由を記
載すると以下のようになる。半導体材料は温度によりそ
のバンドギャップ波長が変化することが知られており、
レーザ発振は電流注入時に大きな利得が生じるバンドギ
ャップ波長λLD直近で生じるため、発振波長λLD(バン
ドギャップ波長直近であるため両波長を同一の表記とす
る)も図7(a)に示すように温度により変化し、この
ため受信側において、発振波長の変動範囲内で受光感度
一定であることが要求される。
However, in the configuration in which the LDs are arranged facing each other as described above, when the environmental temperature changes, a serious problem such as deterioration of light receiving sensitivity occurs. The reason is as follows. It is known that the band gap wavelength of a semiconductor material changes with temperature,
Since laser oscillation occurs near the bandgap wavelength λ LD where a large gain occurs at the time of current injection, the oscillation wavelength λ LD (both wavelengths have the same notation because they are near the bandgap wavelength) is also shown in FIG. 7A. Therefore, the receiving side is required to have a constant light receiving sensitivity within the fluctuation range of the oscillation wavelength.

【0008】一方、半導体材料はバンドギャップ波長
(λDET )より短波長側の光のみを吸収することが知ら
れており、従って、バンドギャップ波長より長波長側で
は受光することができず、温度が低下すると受光できる
波長範囲は図7(b)に示すように短波長側に移動す
る。このことは、同一のLDを対向配置した場合におい
て、図8に示すように、送信側が室温より高温、即ち、
受信側より高温になって、発振波長が長波長側に変化し
た時、受信側では受光感度が大幅に低下することを意味
し、この問題は送信側が高温になるほど、または、受信
側が低温になるほど深刻になる。
On the other hand, it is known that a semiconductor material absorbs only light on the shorter wavelength side than the band gap wavelength (λ DET ). When the value decreases, the wavelength range in which light can be received moves to the shorter wavelength side as shown in FIG. This means that, when the same LDs are arranged facing each other, as shown in FIG. 8, the transmitting side is higher than room temperature, that is,
When the temperature becomes higher than the receiving side and the oscillation wavelength changes to the longer wavelength side, it means that the light receiving sensitivity is greatly reduced on the receiving side.This problem is caused by the fact that the transmitting side becomes hotter or the receiving side becomes colder Become serious.

【0009】したがって、温度に関係なく一定の受光感
度が得られるようにするために、活性層のバンドギャッ
プ波長より長波長の組成を持った受光層を設けることが
考えられていて、これによれば上記のように活性層のバ
ンドギャップ波長の温度変化とは独立に設計された受光
層によって広い波長範囲での受光が可能となる。
Therefore, it has been considered to provide a light-receiving layer having a composition having a wavelength longer than the band gap wavelength of the active layer in order to obtain a constant light-receiving sensitivity regardless of the temperature. For example, the light-receiving layer designed independently of the temperature change of the band gap wavelength of the active layer as described above enables light reception in a wide wavelength range.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この手
法では受光特性の改善が可能であるものの、発振波長に
おいて、受光層が大きな光吸収を持つことから、光出力
動作を行わせるための閾値電流の大幅な増加や過飽和吸
収による閾値付近でのキンク(不連続な光出力特性)な
ど、送信特性に大きな劣化をもたらすことが報告されて
いる。このような報告については、例えば、「R.Ben-Mi
chael 他、IEEE Photonics Technology Letters,vol.
7,no.2,pp.1424-1426,1955.」等の文献に記載されてい
る。
However, although this method can improve the light receiving characteristics, since the light receiving layer has a large light absorption at the oscillation wavelength, the threshold current for performing the light output operation is reduced. It has been reported that transmission characteristics such as a large increase and kink (discontinuous optical output characteristics) near a threshold due to supersaturation absorption cause large deterioration in transmission characteristics. For such reports, see, for example, "R. Ben-Mi
chael et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol.
7, no. 2, pp. 1424-1426, 1955. "

【0011】したがって、上述してきた事項を踏まえ
て、とりわけ受光層は送信、受信双方の特性を満足する
ように設計することが望まれていた。本発明は、このよ
うな従来の課題を解決するためになされたもので、その
目的は、光部品点数を低減しつつ、受光感度が温度に依
存せずに受光感度や閾値電流が個別素子と比べても劣ら
ないようにした光送受信素子を実現するための手段を提
供することにある。
Therefore, in view of the above-mentioned matters, it has been desired to design the light receiving layer so as to satisfy the characteristics of both transmission and reception. The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to reduce the number of optical components and to make the light-receiving sensitivity and threshold current independent of the temperature of the individual element without depending on the temperature. It is an object of the present invention to provide a means for realizing an optical transmitting / receiving element which is not inferior to that of the optical transmitting / receiving element.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に係る発明は、光信号の送受信動作を行う
素子であって、半導体基板上に、バンドギャップ波長λ
LDを有する活性層と、バンドギャップ波長λDET を有す
る受光層と、前記活性層と前記受光層とに同時に電流を
注入可能で受光電流も取り出し可能な電極と、を備え、
周囲環境の温度変動範囲をΔTとすると、前記λLDと前
記λDET の間に、 「λLD+0.4(nm/℃)×ΔT≦λDET ≦λLD+0.6(nm/℃)×Δ T」(1) なる関係が成立するように構成されていることを特徴と
する光半導体送受信素子を提供する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an element for performing an optical signal transmitting / receiving operation, wherein a band gap wavelength λ is formed on a semiconductor substrate.
An active layer having an LD , a light receiving layer having a band gap wavelength λ DET, and an electrode capable of simultaneously injecting a current into the active layer and the light receiving layer and taking out a light receiving current,
If the temperature variation range of the surrounding environment and [Delta] T, between the lambda LD and the lambda DET, "λ LD +0.4 (nm / ℃) × ΔT ≦ λ DET ≦ λ LD +0.6 (nm / ℃) × ΔT ”(1) An optical semiconductor transmission / reception element is configured to satisfy the following relationship.

【0013】また、請求項2に係る発明は、請求項1に
おいて、さらに、前記受光層の厚さdDET 、長さ
DET 、前記dDET に依存する光閉じ込め係数ΓDET
前記バンドギャップ波長λDET での吸収係数αDET 、前
記活性層の長さL、および、前記活性層での利得と注入
電流との換算係数Gの間に、 「1−exp(−ΓDET ×αDET ×LDET )≧0.8」(2)、かつ、 「exp(ΓDET ×αDET ×LDET /(G×L))≦1.5」(3) なる関係が成立するように構成されていることを特徴と
する。
[0013] The invention according to claim 2, in claim 1, further, the thickness d DET of the light receiving layer, the length L DET, optical confinement coefficient gamma DET which depends on the d DET,
Absorption coefficient alpha DET in the bandgap wavelength lambda DET, the length L of the active layer, and, during the conversion factor G of the gain and the injection current in the active layer, "1-exp (-Γ DET × α DET × L DET) ≧ 0.8 "(2), and," as exp (Γ DET × α DET × L DET /(G×L))≦1.5'(3) the relationship is established It is characterized by comprising.

【0014】これらの発明が上記目的を達成するための
原理について説明する。図2は、光半導体送受信素子の
長手方向の断面を模式的に示したもので、この光半導体
送受信素子は、レーザ発振により送信光を発生させる活
性層10と、この上に設けられて受信した光信号を光電
変換する受光層20と、これらの上下側に設けられた上
側クラッド層22、下側クラッド層24と、これらの外
表面に設けられ電流注入および電流検出を行うための電
極31、32とを有している。
The principle for achieving the above objects of the present invention will be described. FIG. 2 schematically shows a cross section in the longitudinal direction of the optical semiconductor transmission / reception element. The optical semiconductor transmission / reception element is provided with an active layer 10 for generating transmission light by laser oscillation, and receiving light provided on the active layer 10. A light-receiving layer 20 for photoelectrically converting an optical signal, an upper cladding layer 22 and a lower cladding layer 24 provided on the upper and lower sides thereof, and an electrode 31 provided on the outer surface thereof for performing current injection and current detection; 32.

【0015】まず、受光に必要な波長の条件について解
析する。上述したように環境温度が変化すると半導体材
料のバンドギャップ波長が変化し、この変動は約0.5
(nm/℃)であることが知られている。
First, the condition of the wavelength required for light reception will be analyzed. As described above, when the environmental temperature changes, the band gap wavelength of the semiconductor material changes, and this change is about 0.5%.
(Nm / ° C.).

【0016】ファブリ・ペロー型LDの発振波長や受光
層で光吸収可能な最長波長、いゆるる吸収端波長の温度
による変動はバンドギャップ波長の変化に依存し、それ
ぞれ約0.5(nm/℃)の温度依存性を有する。
The fluctuation of the oscillation wavelength of the Fabry-Perot LD, the longest wavelength that can be absorbed by the light-receiving layer, and the so-called absorption edge wavelength with temperature depend on the change of the bandgap wavelength, and each is about 0.5 (nm / nm). ° C).

【0017】このため温度変動をΔTとすると、発振波
長は以下の(4)式で示す変動幅Δλを有し、受信側で
は、この変動範囲の光を全て受光できるようにする必要
がある。
For this reason, if the temperature fluctuation is ΔT, the oscillation wavelength has a fluctuation width Δλ represented by the following equation (4), and it is necessary that the receiving side can receive all the light in this fluctuation range.

【0018】Δλ≒0.5(nm/℃)×ΔT (4) そして、即ち送信側が高温になると共に受信側が低温に
なるといった最悪条件を考慮して、受光層がどのように
設計されるべきかを図3を参照して詳述する。
Δλ ≒ 0.5 (nm / ° C.) × ΔT (4) That is, how the light-receiving layer should be designed in consideration of the worst condition that the transmission side becomes high temperature and the reception side becomes low temperature. This will be described in detail with reference to FIG.

【0019】ここで、上述したようにバンドギャップ波
長は温度によって変化するが、通常、バンドギャップ波
長は、室温でのフォトルミネッセンス等で測定されるた
め、以下、単にバンドギャップ波長と記す場合には室温
における値として説明する。
Here, as described above, the bandgap wavelength changes depending on the temperature. However, the bandgap wavelength is usually measured by photoluminescence at room temperature. Description will be given as a value at room temperature.

【0020】送信側が最高値Tmaxとなった場合にお
ける、活性層のバンドギャップ波長λLDからの変動をΔ
λ+ 、受信側が最低温Tminとなった場合における、
受光層のバンドギャップ波長λDET からの変動をΔλ-
とする。
When the transmission side has the maximum value Tmax, the variation from the band gap wavelength λ LD of the active layer is represented by Δ
λ + , when the receiving side has reached the minimum temperature Tmin,
The change from the band gap wavelength λ DET of the light-receiving layer Δλ -
And

【0021】このとき送信側の発振波長λ1 は、次式
(5)のようになる。 λ1 =λLD+Δλ+ (5) 一方、受信側の吸収端波長λ2 は、次式(6)のように
なる。
At this time, the oscillation wavelength λ 1 on the transmission side is expressed by the following equation (5). λ 1 = λ LD + Δλ + (5) On the other hand, the absorption edge wavelength λ 2 on the receiving side is as shown in the following equation (6).

【0022】λ2 =λDET −Δλ- (6) ここで、光ファイバを通って伝搬されてきた送信光を受
信側で十分に受光するためには、次式(7)の条件を満
足させる必要がある。
The λ 2 = λ DET -Δλ - ( 6) where, in order to sufficiently received by the receiving side the transmitted light that has been propagated through the optical fiber, to satisfy the condition of the following formula (7) There is a need.

【0023】λ2 ≧λ1 (7) したがって、この式(7)は次式(8)のようになる。 λDET ≧λLD+Δλ+ +Δλ- (8) (8)式の右辺第二項および第三項の和はΔλそのもの
に他ならなく、また、受光層の送信特性への影響を最小
限に抑えるためには受光層の組成は可能な限り吸収の少
ない短波長側に設定すること、即ち、次式(9)のよう
にすることが望ましい。
Λ 2 ≧ λ 1 (7) Therefore, this equation (7) becomes the following equation (8). λ DET ≧ λ LD + Δλ + + Δλ (8) The sum of the second and third terms on the right side of equation (8) is nothing less than Δλ itself, and minimizes the effect on the transmission characteristics of the light receiving layer. For this purpose, it is desirable to set the composition of the light receiving layer on the short wavelength side where absorption is as small as possible, that is, as in the following equation (9).

【0024】 λDET ≒λLD+0.5(nm/℃)×ΔT (9) 一方、製造バラツキ等によって、±0.1(nm/℃)
程度の波長バラツキがあり、よって受光層のバンドギャ
ップ波長が、上述した(1)式のような条件を満足する
ように設計する必要がある。
Λ DET ≒ λ LD +0.5 (nm / ° C.) × ΔT (9) On the other hand, ± 0.1 (nm / ° C.) due to manufacturing variations and the like.
Therefore, it is necessary to design such that the band gap wavelength of the light receiving layer satisfies the condition of the above-described equation (1).

【0025】即ち、「λLD+0.4(nm/℃)×ΔT
≦λDET ≦λLD+0.6(nm/℃)×ΔT」なる条件
を満たす様に設計すれば、受光感度が温度に依存しなく
なる。
That is, “λ LD +0.4 (nm / ° C.) × ΔT
≦ λ DET ≦ λ LD +0.6 (nm / ° C.) × ΔT ”, the light receiving sensitivity does not depend on the temperature.

【0026】次に、受光層や活性層(レーザ特性および
受光特性)については以下で述べるような事項を考慮し
た設計が必要となる。まず受光特性について解析する
と、受光層での光吸収Aは、光分布が受光層に占める割
合を表す光閉じ込め係数ΓDET とその長さLDET および
吸収係数αDETによって次式(10)のように表され
る。
Next, the light receiving layer and the active layer (laser characteristics and light receiving characteristics) need to be designed in consideration of the following matters. First, when the light receiving characteristics are analyzed, the light absorption A in the light receiving layer is represented by the following equation (10) by the light confinement coefficient Γ DET indicating the ratio of the light distribution in the light receiving layer, its length L DET, and the absorption coefficient α DET . Is represented by

【0027】 A=1−exp(−ΓDET ×αDET ×LDET ) (10) ここで、ΓDET は受光層の厚さに依存するが、ΓDET
0.3、αDET =5000(cm-1)とすると、光吸収
は受光層の長さに対して指数関数的に増大して、80%
程度まで吸収すると長さを変化させてもほぼ一定になり
飽和するので、上述した(2)式、即ち、「1−exp
(−ΓDET ×αDET ×LDET )≧0.8(2)」なる条
件を満たせばよい。受光層長を長くしすぎると送信特性
が悪化することが懸念されるので光吸収の飽和が起こる
近辺の値を選ぶことが望ましい。
[0027] A = 1-exp (-Γ DET × α DET × L DET) (10) where, gamma DET is dependent on the thickness of the light absorbing layer, gamma DET =
0.3, α DET = 5000 (cm −1 ), the light absorption increases exponentially with respect to the length of the light receiving layer, and becomes 80%
If the length is absorbed, it becomes substantially constant even when the length is changed, and saturates. Therefore, the above-mentioned equation (2), ie, “1-exp
It should satisfy (-Γ DET × α DET × L DET) ≧ 0.8 (2) "following condition. If the length of the light-receiving layer is too long, there is a concern that the transmission characteristics will deteriorate. Therefore, it is desirable to select a value near the saturation of light absorption.

【0028】次に発振特性について解析すると、LD発
振は電流により生じる閾値利得gthが共振器内の吸収と
の間で以下の式(11)が成立するときに生じる。 R×exp{Γact (gth−αi )L−ΓDET αDET DET }=1 (11) ここで、Rは両端面での反射率、Γact は活性層の光閉
じ込め係数、αi は活性層の吸収係数、Lは活性層の長
さである。
Next, when the oscillation characteristics are analyzed, LD oscillation occurs when the following formula (11) is satisfied between the threshold gain g th generated by the current and the absorption in the resonator. R × exp { act (g th −α i ) L− { DET α DET L DET } = 1 (11) where R is the reflectance at both end faces, Γ act is the light confinement coefficient of the active layer, α i is the absorption coefficient of the active layer, and L is the length of the active layer.

【0029】一方、利得gと電流Iとの関係は非線形で
あるため解析的に求めるのは難しいが、以下の(12)
式のように表すと実験結果とよく一致することが、例え
ば「東他、半導体レーザにおける利得の温度依存性の評
価、’96秋季応用物理学会講演会、8p−KH−2」
等の文献に記載されている。
On the other hand, since the relationship between the gain g and the current I is nonlinear, it is difficult to obtain it analytically, but the following (12)
For example, "East et al., Evaluation of temperature dependence of gain in a semiconductor laser, '96 Autumn meeting of the Japan Society of Applied Physics, 8p-KH-2"
And the like.

【0030】 g=G×lnA(I/I0 )+B (12) ここで、G、A、I0 、Bは定数である。さて、上式で
DET =0時の閾値利得をgth0 、閾値電流をIth0
すると、閾値電流Ithにおける閾値利得gthは次式(1
3)のようになる。
G = G × lnA (I / I 0 ) + B (12) Here, G, A, I 0 and B are constants. Now, the threshold gain o'clock L DET = 0 in the above equation g th0, when the threshold current and I th0, threshold gain at the threshold current I th g th is expressed by the following equation (1
It looks like 3).

【0031】 gth=G×ln(Ith/Ith0 )+gth0 (13) ここでGは換算値であり個々の素子に対して実験的に求
められる値である。したがって、閾値電流は、式(1
1)、式(13)より次式(14)のようになる。
G th = G × ln (I th / I th0 ) + g th0 (13) Here, G is a converted value and a value experimentally obtained for each element. Therefore, the threshold current is given by the equation (1)
1) From the equation (13), the following equation (14) is obtained.

【0032】 Ith=Ith0 ×exp(ΓDET ×αDET ×LDET /(G×L)) (14) この式(14)によれば、LDET が大きくなるとIth
指数関数的に増大するため、受光層長を受光に必要な最
小限にとどめることで送受信特性を両立することが必要
であり、閾値電流の増加は1.5倍以下に抑えることが
できれば実用上問題とならないため、上述した「「ex
p(ΓDET ×αDET ×LDET /(G×L))≦1.5
(3)」なる条件を満足すれば良い。よって、式(1)
に加えて、式(2)、(3)の条件を考慮すれば、受光
感度が温度に依存しなくなると共に、受光感度、閾値電
流が個別素子と比べて遜色の無い光半導体送受信素子を
実現できる。
I th = I th0 × exp ( ΓDET × α DET × L DET / (G × L)) (14) According to the equation (14), when L DET increases, I th becomes exponential. Therefore, it is necessary to achieve both transmission and reception characteristics by keeping the light-receiving layer length to a minimum necessary for light reception. If the increase in threshold current can be suppressed to 1.5 times or less, there is no practical problem. "Ex
p (Γ DET × α DET × L DET /(G×L))≦1.5
(3) "should be satisfied. Therefore, equation (1)
In addition, if the conditions of the equations (2) and (3) are taken into consideration, the light receiving sensitivity does not depend on the temperature, and the optical semiconductor transmitting / receiving element whose light receiving sensitivity and threshold current are comparable to those of the individual elements can be realized. .

【0033】そして、実際に製造する素子において、上
記式(1)および式(2)、式(3)の条件を両立させ
ることは可能である。活性層上に受光層を積層した構造
となっている光半導体送受光素子を製造することを想定
し、活性層のバンドギャップ波長λLDを1.30(μ
m)とした。受光層のバンドギャップ波長λDET は、
(1)式で「λDET =λLD+0.5(nm/℃)×Δ
T、ΔT=100(℃)」とすることにより1.35
(μm)とした。このときの受光層の吸収係数αDET
5000cm-1、受光層の厚さおよび幅はそれぞれ0.
15(μm)、1.5(μm)とし、その結果、受光層
の光閉じ込め係数ΓDET は0.3となり、さらに、活性
層の長さを300μmとした。
In a device to be actually manufactured, it is possible to satisfy the conditions of the above expressions (1), (2) and (3). Assuming that an optical semiconductor transmitting / receiving element having a structure in which a light receiving layer is laminated on an active layer is manufactured, the band gap wavelength λ LD of the active layer is set to 1.30 (μ).
m). The bandgap wavelength λ DET of the light receiving layer is
In the equation (1), “λ DET = λ LD +0.5 (nm / ° C.) × Δ
T, ΔT = 100 (° C.) ”to obtain 1.35.
(Μm). At this time, the absorption coefficient α DET of the light-receiving layer is 5000 cm −1 , and the thickness and width of the light-receiving layer are each 0.1 mm.
15 (μm) and 1.5 (μm). As a result, the light confinement coefficient Γ DET of the light-receiving layer was 0.3, and the length of the active layer was 300 μm.

【0034】図4は、閾値電流(右側縦軸、単位任意
(arbitrary .unit))と受光感度(左側縦軸、単位任
意(a .u ))の受光層長依存性を示したもので、閾値
電流(白丸)は受光層長を長くしていくと指数関数的に
上昇し上記近似式(点線)とも良く一致しており、この
ときの換算値Gは200(cm-1)となった。図5にお
いて、受光においては光吸収がほぼ飽和するところ、ま
た、発光に関しては閾値電流が急増する手前となるよう
な上記式(2)、式(3)の条件が成り立つ領域は、受
光層長LDET が15μm近辺に存在する。
FIG. 4 shows the dependence of the threshold current (right vertical axis, arbitrary unit (arbitrary.unit)) and light receiving sensitivity (left vertical axis, arbitrary unit (au)) on the light receiving layer length. The threshold current (open circle) increases exponentially as the length of the light-receiving layer is increased, and agrees well with the above approximate expression (dotted line). At this time, the converted value G is 200 (cm -1 ). . In FIG. 5, the region where the conditions of the above equations (2) and (3) are satisfied where the light absorption is substantially saturated in the light reception and the threshold current is about to increase rapidly in the light emission is the light receiving layer length. L DET is around 15 μm.

【0035】したがって、式(1)および式(2)、式
(3)の条件を両立させて光半導体送受信素子を設計す
ることが可能である。
Therefore, it is possible to design the optical semiconductor transmitting / receiving element while satisfying the conditions of the equations (1), (2) and (3).

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。まず、図5、図6を参照して本
発明の実施の形態である光半導体送受信素子の製造方法
について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a method for manufacturing an optical semiconductor transmitting / receiving element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0037】まず、図5(a)に示す様に、長さ300
(μm)のn−InP基板50(下側クラッド層22に
対応)上に、バンドギャップ波長が1.3(μm)のG
aInAsP−MQW活性層10、n−InPエッチス
トップ層40、バンドギャップ波長が1.35(μm)
で光閉じ込め係数が0.3となるように設計した層厚
0.15(μm)のGaInAsPバルク受光層20を
順次、この順に有機金属気相エピタキシャル成長(MO
VPE)法により積層する。
First, as shown in FIG.
On a (μm) n-InP substrate 50 (corresponding to the lower cladding layer 22), a G (band gap wavelength) of 1.3 (μm)
aInAsP-MQW active layer 10, n-InP etch stop layer 40, band gap wavelength 1.35 (μm)
The GaInAsP bulk light-receiving layer 20 having a layer thickness of 0.15 (μm) designed to have a light confinement coefficient of 0.3 in this order is sequentially formed in this order by metalorganic vapor phase epitaxial growth (MO).
(VPE) method.

【0038】次に、バルク受光層20上の全面にSiO
2 膜62をプラズマCVD法により形成し、フォトリソ
グラフィとRIE法を用いて受光層20となる領域長
(受光層長さ)15(μm)の上部以外のSiO2膜を
除去する(図5(b))。
Next, the entire surface of the bulk light receiving layer 20 is made of SiO.
The second film 62 is formed by the plasma CVD method, and the SiO2 film other than the upper part of the region length (light receiving layer length) 15 (μm) to be the light receiving layer 20 is removed by photolithography and RIE (FIG. 5B )).

【0039】次に、このSiO2 膜62をマスクとし
て、n−InPエッチストップ層40とバルク受光層2
0とに選択性のあるウェットエッチングによりバルク受
光層20をn−InPエッチストップ層40の真上まで
除去し(図5(c))、SiO 2 膜62を除去すると共
に全面にp−InPクラッド層22をMOVPE法によ
り形成する(図5(d))。
Next, this SiOTwoUsing the film 62 as a mask
The n-InP etch stop layer 40 and the bulk light receiving layer 2
Bulk receiving by wet etching selective to 0
The optical layer 20 is directly above the n-InP etch stop layer 40
Removed (FIG. 5 (c)) and the SiO TwoWhen the film 62 is removed,
A p-InP cladding layer 22 is formed on the entire surface by MOVPE.
(FIG. 5D).

【0040】次に、全面にSiO2 膜64をプラズマC
VD法により形成し、フォトリソグラフィとRIE法を
用いて幅1.5(μm)、長さ300(μm)のメサス
トライプとなる領域の上部以外のSiO2 膜64を除去
する(図5(e))。
Next, an SiO 2 film 64 is formed on the entire surface by plasma C.
The SiO 2 film 64 is formed by a VD method, and the SiO 2 film 64 other than the upper part of the region to be a mesa stripe having a width of 1.5 (μm) and a length of 300 (μm) is removed by photolithography and RIE (FIG. 5E). )).

【0041】次に、このSiO2 膜64をマスクとし
て、RIE法によりクラッド層22、バルク受光層2
0、MQW活性層10、n−InP基板50の一部を除
去する(図5(f))。
Next, using the SiO 2 film 64 as a mask, the cladding layer 22 and the bulk light receiving layer 2 are formed by RIE.
The MQW active layer 10 and a part of the n-InP substrate 50 are removed (FIG. 5F).

【0042】そして、図6(a)に示す様に、SiO2
膜64を選択成長マスクとして、メサストライプ以外に
FeドープしたInPであるFe−InP70をMOV
PE法により形成し、SiO2 膜64を除去しn−In
P基板50の下面にAuGeNi電極32を抵抗加熱蒸
着法により形成すると共に、クラッド層22の上面にA
uZnNi電極31を抵抗加熱蒸着法により形成して
(図6(b))、長さ300(μm)の光半導体送受信
素子が製造できる。
[0042] Then, as shown in FIG. 6 (a), SiO 2
Using the film 64 as a selective growth mask, Fe-InP 70 which is Fe-doped InP other than the mesa stripe is MOV
Formed by the PE method, the SiO 2 film 64 is removed, and n-In
An AuGeNi electrode 32 is formed on the lower surface of the P substrate 50 by a resistance heating evaporation method, and an Au
By forming the uZnNi electrode 31 by the resistance heating evaporation method (FIG. 6B), an optical semiconductor transmitting / receiving element having a length of 300 (μm) can be manufactured.

【0043】図1はこのようにして製造された光半導体
送受信素子100の一部を切り欠いた外観図を模式的に
示している。この光半導体送受信素子100は、n−I
nP基板50上に、メサストライプ状の積層部とその両
側に形成されたFe−InP70が形成されて、さら
に、素子上面および下面には夫々AuZnNi電極3
1、AuGeNi電極32が設けられている。
FIG. 1 schematically shows an external view in which a part of the optical semiconductor transmitting / receiving element 100 manufactured in this way is cut away. This optical semiconductor transmitting / receiving element 100 has n-I
On a nP substrate 50, a mesa-stripe laminated portion and Fe-InP 70 formed on both sides thereof are formed, and further, AuZnNi electrodes 3 are formed on the upper and lower surfaces of the element, respectively.
1. An AuGeNi electrode 32 is provided.

【0044】また、前記積層部は、MQW活性層10、
InPエッチストップ層40、バルク受光層20および
p−InP60(クラッド層22に対応)でなってい
る。そして、AuZnNi電極31、AuGeNi電極
32から注入された電流によってMQW活性層10から
光が発振されると共に、バルク受光層20で受光した光
は光電変換されてAuZnNi電極31、AuGeNi
電極32から電気信号として取り出される。
Further, the laminated portion includes the MQW active layer 10,
It comprises an InP etch stop layer 40, a bulk light receiving layer 20, and a p-InP 60 (corresponding to the cladding layer 22). Then, light is oscillated from the MQW active layer 10 by the current injected from the AuZnNi electrode 31 and the AuGeNi electrode 32, and the light received by the bulk light receiving layer 20 is photoelectrically converted to the AuZnNi electrode 31, the AuGeNi.
It is extracted as an electric signal from the electrode 32.

【0045】この構造においては、λDET は1.35
(μm)、λLDは1.3(μm)となり、ΔTは100
(℃)を想定しているので、前述した(1)式を満足す
る。さらに、光閉じ込め係数ΓDET は0.3、LDET
15(μm)、測定の結果、吸収係数αDET は5000
(cm-1)となったため、「1−exp(−ΓDET×α
DET ×LDET )=1−exp(−0.3×5000(c
-1)×15(μm))=0.895」となり、前述し
た式(2)の条件を満足した。
In this structure, λ DET is 1.35
(Μm), λ LD is 1.3 (μm), and ΔT is 100
(° C.), so that the above-described expression (1) is satisfied. Further, the light confinement coefficient Γ DET is 0.3, the L DET is 15 (μm), and the measurement results show that the absorption coefficient α DET is 5000
Because became (cm -1), "1-exp (-Γ DET × α
DET × L DET ) = 1−exp (−0.3 × 5000 (c
m- 1 ) .times.15 (.mu.m)) = 0.895 ", thereby satisfying the condition of the above expression (2).

【0046】さらにまた、測定によりGは200(cm
-1)、Lは300(μm)より、「exp(ΓDET ×α
DET ×LDET /(G×L))=exp(0.3×500
0(cm-1)×15(μm)/(200(cm-1)×3
00(μm)))=1.45」となり、前述した式
(3)の条件も満足した。
Further, G was determined to be 200 (cm)
-1 ) and L is 300 (μm), and is expressed as “exp ( ΓDET × α)
DET × L DET /(G×L))=exp(0.3×500
0 (cm −1 ) × 15 (μm) / (200 (cm −1 ) × 3
00 (μm)) = 1.45 ”, which also satisfies the condition of the above expression (3).

【0047】したがって、式(1)に加えて、式
(2)、(3)の条件を満足するので、この光半導体送
受信素子100は、受光感度が温度に依存しなくなると
共に、受光感度、閾値電流が個別素子と比べて遜色の無
いものとなる。
Therefore, since the conditions of the expressions (2) and (3) are satisfied in addition to the expression (1), the optical semiconductor transmission / reception element 100 does not depend on the temperature but has the light reception sensitivity and the threshold. The current is comparable to that of the individual elements.

【0048】また、上述した光半導体送受信素子100
の特性として、室温での閾値電流が12(mA)、受光
感度0.35(A/W)となる良好な送受光特性が得ら
れることを確認した。
The above-mentioned optical semiconductor transmitting / receiving element 100
It was confirmed that excellent characteristics of light transmission / reception with a threshold current at room temperature of 12 (mA) and a light receiving sensitivity of 0.35 (A / W) were obtained.

【0049】さらに、送信変調時にはパルセーションは
観測されず良好なアイパターンが得られ、受信時には1
56(Mbps)時の符号誤り率(BER)測定におい
てフロアは観測されず、最小受信感度Pmin=−2
9.8(dBm)(BER=10-10 の時)を得ること
ができることを確認した。
Further, no pulsation is observed during transmission modulation, and a good eye pattern is obtained.
No floor was observed in the bit error rate (BER) measurement at 56 (Mbps), and the minimum reception sensitivity Pmin = -2
It was confirmed that 9.8 (dBm) (when BER = 10 −10 ) could be obtained.

【0050】さらに、送信側の温度変動に対応するよう
に、送信光の波長をMQW活性層10のバンドギャップ
波長より40(nm)長波長とした場合(これは80
(℃)の温度変動に対応する)であっても、BERのパ
ワーペナルティはわずか0.55(dB)となり、実用
上問題のない範囲までパワーペナルティを小さくするこ
とができることも確認した。
Further, when the wavelength of the transmission light is set to be 40 (nm) longer than the band gap wavelength of the MQW active layer 10 so as to correspond to the temperature fluctuation on the transmission side (this is 80%).
(Corresponding to a temperature fluctuation of (° C.)), the power penalty of the BER was only 0.55 (dB), and it was also confirmed that the power penalty could be reduced to a practically acceptable range.

【0051】以上説明してきた本発明の実施の形態によ
れば、GaInAsP系を用いた1.3(μm)帯用の
光半導体送受信素子について説明してきたが、もちろ
ん、1.5(μm)帯の光半導体送受信素子としても同
様な効果が得られ、さらにAlGaAsP系やGaIn
As系の半導体素子としても同様な効果が得られること
は言うまでもない。また、この光半導体送受信素子の前
端部にスポットサイズ変換を行うための光機能素子を設
けて、光ファイバとの結合効率を改善するようにしても
良い。
According to the embodiment of the present invention described above, the 1.3 (μm) band optical semiconductor transmitting / receiving element using the GaInAsP system has been described. The same effect can be obtained as an optical semiconductor transmitting / receiving element of AlGaAsP type and GaIn.
It goes without saying that a similar effect can be obtained even with an As-based semiconductor element. Further, an optical functional element for performing spot size conversion may be provided at the front end of the optical semiconductor transmitting / receiving element to improve the coupling efficiency with the optical fiber.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受光感度が温度に依存せずに受光感度や閾値電流が個別
素子と比べても劣らないようにした光送受信素子を実現
することができ、これにより光双方向伝送を構成する光
部品点数を低減することも可能になるという効果が得ら
れる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to realize an optical transmitter / receiver whose light receiving sensitivity does not depend on temperature and whose light receiving sensitivity and threshold current are not inferior to those of individual elements, thereby reducing the number of optical components constituting optical bidirectional transmission. The effect that it becomes possible also to obtain is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態である光半導体送受信素子
の外観図である。
FIG. 1 is an external view of an optical semiconductor transmitting / receiving element according to an embodiment of the present invention.

【図2】光半導体送受信素子の長手方向の断面の模式的
説明図である。
FIG. 2 is a schematic explanatory view of a cross section in a longitudinal direction of an optical semiconductor transmitting / receiving element.

【図3】最悪条件を考慮した受光層の設計手法を説明す
る説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a method of designing a light-receiving layer in consideration of a worst condition.

【図4】閾値電流と受光感度の受光層長依存性を示す説
明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a dependency of a threshold current and a light receiving sensitivity on a light receiving layer length.

【図5】本発明の実施の形態である光半導体送受信素子
の製造方法の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a method for manufacturing an optical semiconductor transmitting / receiving element according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施の形態である光半導体送受信素子
の製造方法の説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for manufacturing an optical semiconductor transmitting / receiving element according to an embodiment of the present invention.

【図7】従来技術の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of a conventional technique.

【図8】従来技術の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 MQW活性層(活性層) 20 バルク受光層(受光層) 22 クラッド層(上側クラッド層) 24 下側クラッド層 31 AuZnNi電極(電極) 32 AuGeNi電極(電極) 40 n−InPエッチストップ層 50 n−InP基板 62 SiO2 膜 64 SiO2 膜 70 Fe−InP 100 光半導体送受信素子Reference Signs List 10 MQW active layer (active layer) 20 bulk light receiving layer (light receiving layer) 22 clad layer (upper clad layer) 24 lower clad layer 31 AuZnNi electrode (electrode) 32 AuGeNi electrode (electrode) 40 n-InP etch stop layer 50 n -InP substrate 62 SiO 2 film 64 SiO 2 film 70 Fe-InP 100 Optical semiconductor transmitting / receiving element

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光信号の送受信動作を行う素子であっ
て、 半導体基板上に、 バンドギャップ波長λLDを有する活性層と、 バンドギャップ波長λDET を有する受光層と、 前記活性層と前記受光層とに同時に電流を注入可能で受
光電流も取り出し可能な電極と、を備え、 周囲環境の温度変動範囲をΔTとすると、 前記λLDと前記λDET の間に、 「λLD+0.4(nm/℃)×ΔT≦λDET ≦λLD
0.6(nm/℃)×ΔT」なる関係が成立するように
構成されていることを特徴とする光半導体送受信素子。
1. An element for transmitting and receiving an optical signal, comprising: an active layer having a band gap wavelength λ LD on a semiconductor substrate; a light receiving layer having a band gap wavelength λ DET ; provided and the possible simultaneously injecting a current into the light-receiving current possible extraction electrode layers, and the temperature variation range of the surrounding environment and [Delta] T, between the lambda DET and the lambda LD, "lambda LD +0.4 ( nm / ° C) × ΔT ≦ λ DET ≦ λ LD +
0.6 (nm / ° C.) × ΔT ”.
【請求項2】 請求項1において、さらに、 前記受光層の厚さdDET 、長さLDET 、前記dDET に依
存する光閉じ込め係数ΓDET 、前記バンドギャップ波長
λDET での吸収係数αDET 、前記活性層の長さL、およ
び、前記活性層での利得と注入電流との換算係数Gの間
に、 「1−exp(−ΓDET ×αDET ×LDET )≧0.8」
かつ「exp(ΓDET ×αDET ×LDET /(G×L))
≦1.5」なる関係が成立するように構成されているこ
とを特徴とする光半導体送受信素子。
2. The method of claim 1, further, the thickness d DET of the light receiving layer, the length L DET, optical confinement coefficient gamma DET which depends on the d DET, the absorption coefficient alpha DET in the bandgap wavelength lambda DET , the length L of the active layer, and, during the conversion factor G of the gain and the injection current in the active layer, "1-exp (-Γ DET × α DET × L DET) ≧ 0.8 "
And “exp (Γ DET × α DET × L DET / (G × L))
An optical semiconductor transmitting / receiving element configured to satisfy a relation of ≦ 1.5 ”.
JP10231808A 1998-08-18 1998-08-18 Optical semiconductor transmitter/receiver element Pending JP2000068596A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10231808A JP2000068596A (en) 1998-08-18 1998-08-18 Optical semiconductor transmitter/receiver element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10231808A JP2000068596A (en) 1998-08-18 1998-08-18 Optical semiconductor transmitter/receiver element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2000068596A true JP2000068596A (en) 2000-03-03

Family

ID=16929351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP10231808A Pending JP2000068596A (en) 1998-08-18 1998-08-18 Optical semiconductor transmitter/receiver element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2000068596A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100457028B1 (en) * 2000-12-14 2004-11-16 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 Semiconductor laser device and method for fabricating the same
JP2014225578A (en) * 2013-05-16 2014-12-04 住友電気工業株式会社 Epitaxial wafer and manufacturing method of the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100457028B1 (en) * 2000-12-14 2004-11-16 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 Semiconductor laser device and method for fabricating the same
JP2014225578A (en) * 2013-05-16 2014-12-04 住友電気工業株式会社 Epitaxial wafer and manufacturing method of the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4934344B2 (en) Semiconductor optical integrated device and semiconductor optical integrated device
US7463663B2 (en) Semiconductor laser diode and integrated semiconductor optical waveguide device
JP2004281656A (en) Gain-clamped semiconductor light amplifier
US6678479B1 (en) Semiconductor electro-absorption optical modulator integrated light emission element light emission element module and optical transmission system
JPH11243256A (en) Distributed feedback type semiconductor laser and driving thereof
JPH1168241A (en) Semiconductor laser
JPH1168242A (en) Semiconductor laser
JP3895342B2 (en) Semiconductor optical amplifier provided with photodetector and method for manufacturing the same
US5793789A (en) Detector for photonic integrated transceivers
US5666455A (en) Waveguide device
JPH08111559A (en) Semiconductor light emitting/receiving element and device
EP1130708B1 (en) Semiconductor electro-absorption optical modulator integrated light emitting element and module, and optical transmission system
JP3854615B2 (en) Gain-clamped semiconductor optical amplifier having horizontal lasing structure and manufacturing method thereof
JP2000068596A (en) Optical semiconductor transmitter/receiver element
JP2019004093A (en) Semiconductor optical integrated device
JP2006203100A (en) Semiconductor laser and light transmitter module
JP2986604B2 (en) Semiconductor optical filter, method for controlling selected wavelength thereof, and optical communication system using the same
WO2004008595A1 (en) Distribution bragg reflection semiconductor laser, integrated semiconductor laser, semiconductor laser module, optical network system
JP5163355B2 (en) Semiconductor laser device
WO2005060058A1 (en) Semiconductor laser and its manufacturing method
JP4653940B2 (en) Light controller for communication
JP2002033551A (en) Device and system for optical transmission
JP2010141232A (en) Semiconductor laser element
JP2002064241A (en) Optical transmitter and optical transmission system
JP2001290114A (en) Optical transmitting module