JP2006156870A - 受発光装置、光送受信モジュール、光送信モジュール、受光装置、光受信モジュールおよび光通信システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 容易に作製可能なモノリシックに集積されている受発光装置を提供する。
【解決手段】 基板上１０１に、第１の半導体多層膜反射鏡１０２、第１の共振器（１０３，１０４，１０５）、第２の半導体多層膜反射鏡１０６、第２の共振器（１０７，１０８，１０９）、第３の半導体多層膜反射鏡１１０を備え、第１の共振器には活性層１０４が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層１０８が設けられて面型受光部が形成され、前記活性層１０４及び前記光吸収層１０８に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極１１３，１１２，１１１が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有している。
【選択図】 図１
【解決手段】 基板上１０１に、第１の半導体多層膜反射鏡１０２、第１の共振器（１０３，１０４，１０５）、第２の半導体多層膜反射鏡１０６、第２の共振器（１０７，１０８，１０９）、第３の半導体多層膜反射鏡１１０を備え、第１の共振器には活性層１０４が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層１０８が設けられて面型受光部が形成され、前記活性層１０４及び前記光吸収層１０８に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極１１３，１１２，１１１が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有している。
【選択図】 図１
Description
本発明は、受発光装置、光送受信モジュール、光送信モジュール、受光装置、光受信モジュールおよび光通信システムに関する。
近年、光伝送技術は、幹線系伝送網だけでなく、ＬＡＮや光アクセス系、ホームネットワークにも展開されてきている。ＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ−Ｔｏ−Ｔｈｅ−Ｈｏｍｅ）等の光アクセス系においては、光送信部と光受信部と、ＬＤの光出力をモニターする受光素子がハイブリッドに集積された光集積送受信モジュールが開発されている。しかしながら、モジュールザイズは数ｃｍとなっており、さらなるモジュールの小型化が求められている。また、光ＬＡＮにおいては、１０Ｇｂｐｓの伝送容量が実現されているが、将来的には更なる伝送容量の増加が求められており、並列光伝送や波長分割多重光伝送等の方式も検討されている。並列光伝送及び波長分割多重光伝送においては、光源や受光素子の個数が増加するため、モジュールサイズの小型化が重大な課題となっている。モジュールサイズを小型化する方法の１つとして、光源と受光素子とをモノリシックに集積した素子が検討されている。
また、近年、ＬＡＮや光インターコネクション用の光源として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が用いられるようになってきている。ＶＣＳＥＬは、従来の端面発光型半導体レーザに比べて、低消費電力であり、また製造工程で劈開が不用であり、ウエハ状態で素子の検査が可能であるため、低コスト化に優れた特徴を有している。そのため、並列光伝送や波長分割多重光伝送のように複数の光源を用いる伝送方式にＶＣＳＥＬは適している。
例えば、特許文献１，特許文献２，特許文献３には、ＶＣＳＥＬ光源と受光素子とをモノリシックに集積したモジュールが示されている。
すなわち、特許文献１のモジュールでは、ＶＣＳＥＬ構造の発光部と、受光部とが、同一基板上に集積形成されており、発光部は単共振器構造であり、受光部は二重共振器構造であり、受光部では、同一波長で共鳴する二つの共振器が適当なバリヤを介して接続されており、吸収スペクトルが平坦に近くなるように設計されている。これにより、受光帯域を広くすることができる。
また、特許文献２のモジュールでは、高抵抗半導体基板上に、第１のＰＩＮ型フォトダイオードとＶＣＳＥＬが集積された領域と、第２のＰＩＮ型フォトダイオードが形成された領域とが、モノリシックに集積されており、第１のＰＩＮ型フォトダイオードは、ＶＣＳＥＬの出射光を検出し、第２のＰＩＮ型フォトダイオードは、前記ＶＣＳＥＬの外部反射光または他の発光素子からの光を検出するようになっており、また、第２のＰＩＮ型フォトダイオードは共振器構造を有しており、受光感度を向上させている。
また、特許文献３のモジュールでは、高抵抗半導体基板上に、フォトダイオード領域とＶＣＳＥＬ領域がモノリシックに集積されており、フォトダイオード領域は、異なるバンド幅の光吸収層を有する複数のｐｉｎ型フォトダイオードを含んでおり、異なる波長の光を個別に検出することができる。また、ＶＣＳＥＬの下部に積層されたモノリシック受光素子は、ＶＣＳＥＬの光量をモニタして、ＶＣＳＥＬのＡＰＣ（ａｕｔｏ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ）が可能となっている。
特開平５−２９９６８９号公報
特開平１０−２４２５００号公報
特開平１１−３３０５３２号公報
上述した従来技術である特許文献１，特許文献２，特許文献３においては、同一基板上に発光部であるＶＣＳＥＬと受光部がモノリシックに集積されており、小型の光送受信モジュールが構成可能となっている。しかしながら、発光部と受光部とでは積層構成が異なっている。これは、従来では、発光部であるＶＣＳＥＬに適した構成と、受光素子に適した構成とが異なるため、同一構造ではＶＣＳＥＬの特性を低下させることなく高感度の受光素子を形成することが困難であったからである。
このように、上述した従来技術では、発光部と受光部で積層構成が異なることから、積層構造の一部をエッチングして除去したり、エッチング後に再成長を行う必要があり、作製工程が複雑であった。また、ＶＣＳＥＬや共振器構造を有する受光素子は、共振波長が層厚に対して非常に敏感であり、エッチング工程で層厚を厳密に制御することは困難である。
本発明は、上記の課題を解決し、容易に作製可能なモノリシックに集積されている受発光装置，受光装置を提供することを目的としている。
また、上記受発光装置，受光装置を用いて、小型で低コストの光送受信モジュール，光送信モジュール，光受信モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられて面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有していることを特徴とする受発光装置である。
また、請求項２記載の発明は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられ、また、他方の共振器には光吸収層が設けられ、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、活性層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型発光素子と、前記基板上に、前記面型発光素子と同一の積層構造からなり、光吸収層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型受光素子とが、モノリシックに集積されていることを特徴とする受発光装置である。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の受発光装置を用いて、双方向の光送受信が可能になっていることを特徴とする光送受信モジュールである。
また、請求項４記載の発明は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられてモニタ用の面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有し、前記光吸収層は、前記活性層で発生した光を吸収する材料で構成されていることを特徴とする受発光装置である。
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の受発光装置と、該受発光装置から出力される光強度が一定となるように、前記受発光装置の光吸収層から出力された電気信号によって前記受発光装置の活性層に注入する電流を制御する電流制御手段とを有していることを特徴とする光送信モジュールである。
また、請求項６記載の発明は、請求項１または請求項２または請求項４記載の受発光装置において、活性層および／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器とにはそれぞれ光吸収層が設けられて２つの面型受光部が形成され、第１の共振器と第２の共振器とにそれぞれ設けられた光吸収層に対して独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有していることを特徴とする受光装置である。
また、請求項８記載の発明は、波長分割多重光通信用の光受信モジュールであって、該光受信モジュールには、請求項７記載の受光装置が用いられていることを特徴とする光受信モジュールである。
また、請求項９記載の発明は、請求項７記載の受光装置と、該受光装置の第１の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号と前記受光装置の第２の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号との差分を演算する差分演算手段とを有していることを特徴とする光受信モジュールである。
また、請求項１０記載の発明は、請求項７記載の受光装置において、光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴としている。
また、請求項１１記載の発明は、請求項３記載の光送受信モジュール、または、請求項５記載の光送信モジュール、または、請求項８または請求項９記載の光受信モジュールが用いられていることを特徴とする光通信システムである。
請求項１記載の発明によれば、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられて面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共振波長λ１，λ２を形成しているが、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、長波長の共振波長の光は、共振器長が長い共振器に主に閉じ込められる。また、短波長の共振波長の光は、共振器長が短い共振器に主に閉じ込められる。従って、活性層で発生した光（λ１）を一方の共振器に閉じ込めて、光閉じ込め係数を高く保つことができるため、低い閾電流で面型発光部を動作させることができる。また、外部から波長λ２の光が入射すると、波長λ２の光は他方の共振器に閉じ込められ、光吸収層で共鳴吸収されるため、高感度の面型受光部を形成できる。これにより、低閾動作する面型発光部と高感度の面型受光部とが一体化して集積された受発光装置（面型受発光集積素子）を容易に作製することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられ、また、他方の共振器には光吸収層が設けられ、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、活性層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型発光素子と、
前記基板上に、前記面型発光素子と同一の積層構造からなり、光吸収層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型受光素子とが、
モノリシックに集積されており、請求項２の発明においても、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共振波長λ１，λ２を形成しているが、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、長波長の共振波長の光は、共振器長が長い共振器に主に閉じ込められる。また、短波長の共振波長の光は、共振器長が短い共振器に主に閉じ込められる。面型発光素子においては、活性層で発生した光（λ１）を一方の共振器に閉じ込めて、光閉じ込め係数を高く保つことができるため、低い閾電流で面型発光素子を動作させることができる。また、面型受光素子においては、外部から波長λ２の光が入射すると、波長λ２の光は他方の共振器に閉じ込められ、光吸収層で共鳴吸収されるため、高感度の面型受光素子を形成できる。従って、同一基板上にモノリシック集積された面型発光素子と面型受光素子とが、同一の積層構造で形成できるため、作製工程が容易な受発光装置を提供することができる。
前記基板上に、前記面型発光素子と同一の積層構造からなり、光吸収層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型受光素子とが、
モノリシックに集積されており、請求項２の発明においても、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共振波長λ１，λ２を形成しているが、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、長波長の共振波長の光は、共振器長が長い共振器に主に閉じ込められる。また、短波長の共振波長の光は、共振器長が短い共振器に主に閉じ込められる。面型発光素子においては、活性層で発生した光（λ１）を一方の共振器に閉じ込めて、光閉じ込め係数を高く保つことができるため、低い閾電流で面型発光素子を動作させることができる。また、面型受光素子においては、外部から波長λ２の光が入射すると、波長λ２の光は他方の共振器に閉じ込められ、光吸収層で共鳴吸収されるため、高感度の面型受光素子を形成できる。従って、同一基板上にモノリシック集積された面型発光素子と面型受光素子とが、同一の積層構造で形成できるため、作製工程が容易な受発光装置を提供することができる。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の受発光装置を用いて、双方向の光送受信が可能になっていることを特徴とする光送受信モジュールであり、請求項１または請求項２記載の受発光装置は、低閾動作する面型発光部または面型発光素子と高感度の面型受光部または面型受光素子とがモノリシック集積されており、さらに、面型発光部または面型発光素子と面型受光部または面型受光素子とが同一構造であるため、容易に製造することができる。従って、光送受信モジュールを小型化，低コスト化できる。
また、請求項４記載の発明によれば、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられてモニタ用の面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有し、前記光吸収層は、前記活性層で発生した光を吸収する材料で構成されており、光吸収層は活性層で発生した光を吸収するため、光吸収層で面型発光部のレーザ光量をモニタすることができる。このとき、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、活性層に結合する光の割合を高くし、光吸収層に結合する光の割合を低減することができ、必要な光量モニタ信号を得ながら、面型発光部の低閾電流動作を同時に満足することができる。
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の受発光装置と、該受発光装置から出力される光強度が一定となるように、前記受発光装置の光吸収層から出力された電気信号によって前記受発光装置の活性層に注入する電流を制御する電流制御手段とを有していることを特徴とする光送信モジュールであり、請求項４記載の受発光装置と、該受発光装置から出力される光強度が一定となるように、前記受発光装置の光吸収層から出力された電気信号によって前記受発光装置の活性層に注入する電流を制御する電流制御手段とを有しているので、環境温度変化や素子の経時変化が生じた場合でも、光送信モジュールから一定のレーザ光信号を出力することができる。また、面型発光部とモニタ用の面型受光部とがモノリシック集積されているので、部品点数が少なく、実装コストを低減できる。
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１または請求項２または請求項４記載の受発光装置において、活性層および／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されているので、石英光ファイバの伝送に適した長波長帯の活性層および／または光吸収層をＧａＡｓ基板上に形成できる。そのため、高反射率で熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができ、高性能の受発光装置を形成することができる。
また、本発明では異なる二つの波長の光を用いて光通信を行うが、石英光ファイバの分散がゼロである１．３１μｍ近傍を用いることができ、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。
また、請求項７記載の発明によれば、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器とにはそれぞれ光吸収層が設けられて２つの面型受光部が形成され、第１の共振器と第２の共振器とにそれぞれ設けられた光吸収層に対して独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、外部から波長λ１の光が入射すると、波長λ１の光は一方の第１の共振器と共振して閉じ込められ、第１の共振器内に設けられた光吸収層で共鳴吸収される。また、外部から波長λ２の光が入射すると、波長λ２の光は第２の共振器に閉じ込められ、第２の共振器内に設けられた光吸収層で共鳴吸収される。これにより、同一の素子で、二つの異なる波長の光を選別して、受光することができる。また、第１の共振器と第２の共振器は異なる共振器長を有するため、一方の共振器に光が閉じ込められると、他方の共振器内では光強度が１〜２桁程度低下する。従って、２波長間のクロストークを低減することができる。
また、請求項８記載の発明によれば、波長分割多重光通信用の光受信モジュールであって、該光受信モジュールには、請求項７記載の受光装置が用いられており、この場合、請求項７記載の受光装置は波長選別機能を有しているため、光分岐素子を設ける必要がなく、光受信モジュールの小型化や、コスト低減を図ることができる。
また、請求項９記載の発明によれば、請求項７記載の受光装置と、該受光装置の第１の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号と前記受光装置の第２の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号との差分を演算する差分演算手段とを有していることを特徴とする光受信モジュールであり、例えば、波長λ１に対応した光信号と波長λ２に対応した光信号が０と１が反転した状態で同時に出力されると、波長λ１とλ２の光は、請求項７記載の受光装置において、それぞれ別の光吸収層で吸収されるため、波長λ１とλ２の光信号を分離して検知することができる。この二つの信号の差分をとることにより、雑音の影響をキャンセルして、受信感度を向上させた差動伝送方式を実現することができる。
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項７記載の受光装置において、光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されているので、石英光ファイバの伝送に適した長波長帯の光吸収層をＧａＡｓ基板上に形成できる。そのため、高反射率で熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができ、高性能の受光装置を形成することができる。
また、本発明では異なる二つの波長の光を用いて光通信を行うが、石英光ファイバの分散がゼロである１．３１μｍ近傍を用いることができ、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。
また、請求項１１記載の発明は、請求項３記載の光送受信モジュール、または、請求項５記載の光送信モジュール、または、請求項８または請求項９記載の光受信モジュールが用いられていることを特徴とする光通信システムであり、請求項３記載の光送受信モジュール、または、請求項５記載の光送信モジュール、または、請求項８または請求項９記載の光受信モジュールが用いられることにより、製造工程を簡略化し、モジュールサイズの小型化，部品点数の減少を図ることができる。これにより、低コストの光通信システムを実現できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられて面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有していることを特徴とする受発光装置である。
本発明の第１の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられて面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有していることを特徴とする受発光装置である。
本発明の第１の形態では、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられて面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共振波長λ１，λ２を形成しているが、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、長波長の共振波長の光は、共振器長が長い共振器に主に閉じ込められる。また、短波長の共振波長の光は、共振器長が短い共振器に主に閉じ込められる。従って、活性層で発生した光（λ１）を一方の共振器に閉じ込めて、光閉じ込め係数を高く保つことができるため、低い閾電流で面型発光部を動作させることができる。また、外部から波長λ２の光が入射すると、波長λ２の光は他方の共振器に閉じ込められ、光吸収層で共鳴吸収されるため、高感度の面型受光部を形成できる。これにより、低閾動作する面型発光部と高感度の面型受光部とが一体化して集積された受発光装置（面型受発光集積素子）を容易に作製することができる。
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられ、また、他方の共振器には光吸収層が設けられ、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、活性層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型発光素子と、
前記基板上に、前記面型発光素子と同一の積層構造からなり、光吸収層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型受光素子とが、
モノリシックに集積されていることを特徴とする受発光装置である。
本発明の第２の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられ、また、他方の共振器には光吸収層が設けられ、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、活性層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型発光素子と、
前記基板上に、前記面型発光素子と同一の積層構造からなり、光吸収層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型受光素子とが、
モノリシックに集積されていることを特徴とする受発光装置である。
本発明の第２の形態では、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられ、また、他方の共振器には光吸収層が設けられ、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、活性層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型発光素子と、
前記基板上に、前記面型発光素子と同一の積層構造からなり、光吸収層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型受光素子とが、
モノリシックに集積されており、第２の形態においても、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共振波長λ１，λ２を形成しているが、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、長波長の共振波長の光は、共振器長が長い共振器に主に閉じ込められる。また、短波長の共振波長の光は、共振器長が短い共振器に主に閉じ込められる。面型発光素子においては、活性層で発生した光（λ１）を一方の共振器に閉じ込めて、光閉じ込め係数を高く保つことができるため、低い閾電流で面型発光素子を動作させることができる。また、面型受光素子においては、外部から波長λ２の光が入射すると、波長λ２の光は他方の共振器に閉じ込められ、光吸収層で共鳴吸収されるため、高感度の面型受光素子を形成できる。従って、同一基板上にモノリシック集積された面型発光素子と面型受光素子とが、同一の積層構造で形成できるため、作製工程が容易な受発光装置を提供することができる。
前記基板上に、前記面型発光素子と同一の積層構造からなり、光吸収層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型受光素子とが、
モノリシックに集積されており、第２の形態においても、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共振波長λ１，λ２を形成しているが、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、長波長の共振波長の光は、共振器長が長い共振器に主に閉じ込められる。また、短波長の共振波長の光は、共振器長が短い共振器に主に閉じ込められる。面型発光素子においては、活性層で発生した光（λ１）を一方の共振器に閉じ込めて、光閉じ込め係数を高く保つことができるため、低い閾電流で面型発光素子を動作させることができる。また、面型受光素子においては、外部から波長λ２の光が入射すると、波長λ２の光は他方の共振器に閉じ込められ、光吸収層で共鳴吸収されるため、高感度の面型受光素子を形成できる。従って、同一基板上にモノリシック集積された面型発光素子と面型受光素子とが、同一の積層構造で形成できるため、作製工程が容易な受発光装置を提供することができる。
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態の受発光装置を用いて、双方向の光送受信が可能になっていることを特徴とする光送受信モジュールである。
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態の受発光装置を用いて、双方向の光送受信が可能になっていることを特徴とする光送受信モジュールである。
本発明の第３の形態では、第１または第２の形態の受発光装置を用いて、双方向の光送受信が可能になっていることを特徴とする光送受信モジュールであり、第１または第２の形態の受発光装置は、低閾動作する面型発光部または面型発光素子と高感度の面型受光部または面型受光素子とがモノリシック集積されており、さらに、面型発光部または面型発光素子と面型受光部または面型受光素子とが同一構造であるため、容易に製造することができる。従って、光送受信モジュールを小型化，低コスト化できる。
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられてモニタ用の面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有し、前記光吸収層は、前記活性層で発生した光を吸収する材料で構成されていることを特徴とする受発光装置である。
本発明の第４の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられてモニタ用の面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有し、前記光吸収層は、前記活性層で発生した光を吸収する材料で構成されていることを特徴とする受発光装置である。
本発明の第４の形態では、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられてモニタ用の面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有し、前記光吸収層は、前記活性層で発生した光を吸収する材料で構成されており、光吸収層は活性層で発生した光を吸収するため、光吸収層で面型発光部のレーザ光量をモニタすることができる。このとき、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、活性層に結合する光の割合を高くし、光吸収層に結合する光の割合を低減することができ、必要な光量モニタ信号を得ながら、面型発光部の低閾電流動作を同時に満足することができる。
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第４の形態の受発光装置と、該受発光装置から出力される光強度が一定となるように、前記受発光装置の光吸収層から出力された電気信号によって前記受発光装置の活性層に注入する電流を制御する電流制御手段とを有していることを特徴とする光送信モジュールである。
本発明の第５の形態は、第４の形態の受発光装置と、該受発光装置から出力される光強度が一定となるように、前記受発光装置の光吸収層から出力された電気信号によって前記受発光装置の活性層に注入する電流を制御する電流制御手段とを有していることを特徴とする光送信モジュールである。
本発明の第５の形態では、第４の形態の受発光装置と、該受発光装置から出力される光強度が一定となるように、前記受発光装置の光吸収層から出力された電気信号によって前記受発光装置の活性層に注入する電流を制御する電流制御手段とを有していることを特徴とする光送信モジュールであり、第４の形態の受発光装置と、該受発光装置から出力される光強度が一定となるように、前記受発光装置の光吸収層から出力された電気信号によって前記受発光装置の活性層に注入する電流を制御する電流制御手段とを有しているので、環境温度変化や素子の経時変化が生じた場合でも、光送信モジュールから一定のレーザ光信号を出力することができる。また、面型発光部とモニタ用の面型受光部とがモノリシック集積されているので、部品点数が少なく、実装コストを低減できる。
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１または第２または第４の形態の受発光装置において、活性層および／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴とする受発光装置である。
本発明の第６の形態は、第１または第２または第４の形態の受発光装置において、活性層および／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴とする受発光装置である。
本発明の第６の形態では、第１または第２または第４の形態の受発光装置において、活性層および／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されているので、石英光ファイバの伝送に適した長波長帯の活性層および／または光吸収層をＧａＡｓ基板上に形成できる。そのため、高反射率で熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができ、高性能の受発光装置を形成することができる。
また、本発明では異なる二つの波長の光を用いて光通信を行うが、石英光ファイバの分散がゼロである１．３１μｍ近傍を用いることができ、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。
（第７の形態）
本発明の第７の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器とにはそれぞれ光吸収層が設けられて２つの面型受光部が形成され、第１の共振器と第２の共振器とにそれぞれ設けられた光吸収層に対して独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有していることを特徴とする受光装置である。
本発明の第７の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器とにはそれぞれ光吸収層が設けられて２つの面型受光部が形成され、第１の共振器と第２の共振器とにそれぞれ設けられた光吸収層に対して独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有していることを特徴とする受光装置である。
本発明の第７の形態では、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器とにはそれぞれ光吸収層が設けられて２つの面型受光部が形成され、第１の共振器と第２の共振器とにそれぞれ設けられた光吸収層に対して独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、外部から波長λ１の光が入射すると、波長λ１の光は一方の第１の共振器と共振して閉じ込められ、第１の共振器内に設けられた光吸収層で共鳴吸収される。また、外部から波長λ２の光が入射すると、波長λ２の光は第２の共振器に閉じ込められ、第２の共振器内に設けられた光吸収層で共鳴吸収される。これにより、同一の素子で、二つの異なる波長の光を選別して、受光することができる。また、第１の共振器と第２の共振器は異なる共振器長を有するため、一方の共振器に光が閉じ込められると、他方の共振器内では光強度が１〜２桁程度低下する。従って、２波長間のクロストークを低減することができる。
（第８の形態）
本発明の第８の形態は、波長分割多重光通信用の光受信モジュールであって、該光受信モジュールには、第７の形態の受光装置が用いられていることを特徴とする光受信モジュールである。
本発明の第８の形態は、波長分割多重光通信用の光受信モジュールであって、該光受信モジュールには、第７の形態の受光装置が用いられていることを特徴とする光受信モジュールである。
本発明の第８の形態では、波長分割多重光通信用の光受信モジュールであって、該光受信モジュールには、第７の形態の受光装置が用いられており、この場合、第７の形態の受光装置は波長選別機能を有しているため、光分岐素子を設ける必要がなく、光受信モジュールの小型化や、コスト低減を図ることができる。
（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第７の形態の受光装置と、該受光装置の第１の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号と前記受光装置の第２の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号との差分を演算する差分演算手段とを有していることを特徴とする光受信モジュールである。
本発明の第９の形態は、第７の形態の受光装置と、該受光装置の第１の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号と前記受光装置の第２の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号との差分を演算する差分演算手段とを有していることを特徴とする光受信モジュールである。
本発明の第９の形態では、第７の形態の受光装置と、該受光装置の第１の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号と前記受光装置の第２の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号との差分を演算する差分演算手段とを有していることを特徴とする光受信モジュールであり、例えば、波長λ１に対応した光信号と波長λ２に対応した光信号が０と１が反転した状態で同時に出力されると、波長λ１とλ２の光は、請求項７記載の受光装置において、それぞれ別の光吸収層で吸収されるため、波長λ１とλ２の光信号を分離して検知することができる。この二つの信号の差分をとることにより、雑音の影響をキャンセルして、受信感度を向上させた差動伝送方式を実現することができる。
（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第７の形態の受光装置において、光吸収層が、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴とする受光装置である。
本発明の第１０の形態は、第７の形態の受光装置において、光吸収層が、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴とする受光装置である。
本発明の第１０の形態では、第７の形態の受光装置において、光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されているので、石英光ファイバの伝送に適した長波長帯の光吸収層をＧａＡｓ基板上に形成できる。そのため、高反射率で熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができ、高性能の受光装置を形成することができる。
また、本発明では異なる二つの波長の光を用いて光通信を行うが、石英光ファイバの分散がゼロである１．３１μｍ近傍を用いることができ、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。
（第１１の形態）
本発明の第１１の形態は、第３の形態の光送受信モジュール、または、第５の形態の光送信モジュール、または、第８または第９の形態の光受信モジュールが用いられていることを特徴とする光通信システムである。
本発明の第１１の形態は、第３の形態の光送受信モジュール、または、第５の形態の光送信モジュール、または、第８または第９の形態の光受信モジュールが用いられていることを特徴とする光通信システムである。
本発明の第１１の形態では、第３の形態の光送受信モジュール、または、第５の形態の光送信モジュール、または、第８または第９の形態の光受信モジュールが用いられることにより、製造工程を簡略化し、モジュールサイズの小型化，部品点数の減少を図ることができる。これにより、低コストの光通信システムを実現できる。
上述のように、本発明の受発光装置または受光装置は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器には、活性層または光吸収層が設けられており、それぞれの共振器に設けられた活性層または光吸収層は独立に動作し、１つの積層構造で異なる機能を有することができる。
さらに、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有している。第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共振波長を形成しているが、第１の共振器の共振器長と第２の共振器の共振器長が異なっており、非対称の二重共振器構造を形成している。対称の二重共振器構造では、二つの共振波長のいずれにおいても、第１の共振器と第２の共振器にほぼ均等に光が閉じ込められるが、非対称の二重共振器構造においては、長波長側の共振波長の光は、共振器長が長い方の共振器内に強く閉じ込められ、共振器長が短い方の共振器内では光は弱くなる。また、短波長側の共振波長の光は、共振器長が短い方の共振器に強く閉じ込められ、共振器長が長い方の共振器内では光は弱くなる。本発明は、二つの結合した共振器における光閉じ込めの非対称性を用いることを特徴としている。
以下に記載する実施例１，実施例２においては、面型発光部または面型発光素子と、面型発光部または面型発光素子の発振波長と異なる波長の外部光を受光する面型受光部または面型受光素子とが集積形成されている。また、実施例４においては、面型発光部と、面型発光部の光量をモニタする面型受光部とが集積形成されている。また、実施例６においては、互いに異なる二つの波長を独立に受光できる面型受光部が集積形成されている。本発明では、二つの共振器が非対称であることから、それぞれの共振器ごとに独立に構造を最適化することが可能であり、高性能の機能領域をモノリシックに集積することができる。また、積層構造を機能領域ごとにエッチングしたり、再成長する必要がないため、製造工程が容易となる。
以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
本発明の実施例１は、第１の形態に対応している。図１は、本発明の実施例１の受発光装置（面型受発光集積素子）を示す図である。図１を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板１０１上には、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０２、第１のスペーサ層１０３、活性層１０４、第２のスペーサ層１０５、第２導電型の分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０６、第３のスペーサ層１０７、光吸収層１０８、第４のスペーサ層１０９、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１１０が順次に積層されている。
分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）は、高屈折率層と低屈折率層が、波長の４分の１の光学長で交互に積層されて形成されている。第１導電型の下部ＤＢＲ１０２と第２導電型のＤＢＲ１０６ではさまれた領域は、発振波長の１波長分の光学長になる厚さとなっており、第１の共振器を構成している。また、第２導電型のＤＢＲ１０６と第１導電型の上部ＤＢＲ１１０ではさまれた領域は、第２の共振器を構成している。第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共振波長を形成しているが、第１の共振器の共振器長と第２の共振器の共振器長は異なっており、非対称の二重共振器構造を形成している。
そして、上記積層構造の表面から第２導電型のＤＢＲ１０６の途中までエッチングされて、メサ構造が形成されており、第１導電型の上部ＤＢＲ１１０の表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。また、メサ構造の底面には、第２の電極１１２が形成されている。また、基板１０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
このような構造では、第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向電流を流すことにより、活性層１０４にキャリアが注入されて発光する。活性層１０４で発光した光は、第１の共振器で共振し、基板と垂直方向にレーザ発振する。すなわち、第１の共振器に活性層１０４が設けられて面型発光部が形成されている。
また、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に負荷抵抗を介して逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層１０８で吸収された光量に応じて負荷抵抗に電流が流れて、光量を検知することができる。すなわち、第２の共振器に光吸収層１０８が設けられて面型受光部が形成されている。
以下、本実施例１の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板１０１は、ｎ型ＧａＡｓ基板で構成されており、第１導電型の下部ＤＢＲ１０２は、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に３０．５周期積層してｎ型ＤＢＲとして形成されている。また、第１のスペーサ層１０３は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、活性層１０４は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層１０５は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ１０６は、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に１２．５周期積層してｐ型ＤＢＲとして形成されている。また、第３のスペーサ層１０７は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、光吸収層１０８は、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓで形成され、第４のスペーサ層１０９は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、第１導電型の上部ＤＢＲ１１０は、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に１０周期積層してｎ型ＤＢＲとして形成されている。
なお、活性層１０４及び光吸収層１０８は、光の定在波分布の腹に位置するように構成されている。
本実施例１では、下部ＤＢＲ１０２、ｐ型ＤＢＲ１０６、上部ＤＢＲ１１０、及び第１の共振器は波長８５０ｎｍに位相整合するように各層厚を形成した。また、第２の共振器長は、波長８００ｎｍに位相整合する層厚とした。これにより、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、８５１ｎｍと８３５ｎｍとなっている。
このように、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なっていることにより、長波長側の波長８５１ｎｍの光は、共振器長が相対的に長い第１の共振器に主に閉じ込められる（図１０（ａ）参照）。活性層１０４の利得ピーク波長は８５０ｎｍ近傍となっており、第２の電極１１２と第３の電極１１３間に順方向電流を流すことにより活性層１０４で発生した光は、第１の共振器で共振し、基板１０１と垂直方向にレーザ発振する。このとき、第２の共振器内の光強度は小さく、活性層１０４の光閉じ込め係数を高く保つことができる。従って、低い閾電流で面型発光部を動作させることができる。
一方、外部から波長８３５ｎｍの光が入射すると、波長８３５ｎｍの光は共振器長が相対的に短い第２の共振器に主に閉じ込められる（図１０（ｂ）参照）。すなわち、第２の共振器に設けられたＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ光吸収層１０８のバンドギャップ波長は約８３５ｎｍとなっており、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ光吸収層１０８は波長８３５ｎｍの光を吸収する。従って、第２の共振器内に設けられた光吸収層１０８において、外部から入射された波長８３５ｎｍの光は共鳴吸収される。これにより、高感度の受光素子を形成することができる。
なお、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ光吸収層１０８は、面型発光部の発振波長８５１ｎｍよりもバンドギャップ波長が短くなっているため、波長８５１ｎｍの光に対しては吸収係数が小さくなっている。従って、活性層１０４で発生した８５１ｎｍの光が、第２の共振器にわずかにあっても、内部吸収損失を増大させない。従って、閾電流増加やスロープ効率低下を抑制することができる。
以上のように、図１の装置（素子）は、波長８５１ｎｍの光を出射する面型発光部と波長８３５ｎｍの光を受光する面型受光部とが一体化して集積された受発光装置（面型受発光集積素子）となっている。本構造では、発光部と受光部を異なる積層構造で形成する必要がなく、作製工程が容易となっている。また、低閾動作する面型発光部と高感度の面型受光部とを同時に形成することができ、どちらかの性能を低下させることもない。
なお、ＤＢＲの設計波長と面型発光部の発振波長とは、できるだけ一致させることが望ましい。これにより、面型発光部の発振波長に対して高反射率の反射鏡を形成できるため、面型発光部の閾電流を低減できる。
なお、図１の実施例においては、活性層を第１の共振器（基板側）内に設け、光吸収層を第２の共振器内に設けているが、活性層を第２の共振器内に設け、光吸収層を第１の共振器内に設けることも可能である。
また、図１においては、活性層１０４に対する電流（または光）狭窄構造については示されていないが、図１の受発光装置（面型受発光集積素子）に、従来の面型発光部（ＶＣＳＥＬ）に用いられているような狭窄構造（例えば、イオン注入高抵抗構造、サイドエッチング狭窄構造、Ａｌ酸化狭窄構造、埋め込み構造等）を用いることも可能である。
本発明の実施例２は、第２の形態に対応している。図２は、本発明の実施例２の受発光装置（面型受発光集積素子）を示す図である。図２を参照すると、実施例２では、実施例１とは異なり、第１導電型の半導体単結晶基板２０１上に、発光領域２Ａと受光領域２Ｂとが空間的に分離されてモノリシックに集積形成されている。発光領域２Ａにおいて、第１導電型の半導体単結晶基板２０１上には、第１導電型の下部ＤＢＲ２０２、第１のスペーサ層２０３、活性層２０４、第２のスペーサ層２０５、第２導電型のＤＢＲ２０６、第３のスペーサ層２０７、光吸収層２０８、第４のスペーサ層２０９、第１導電型の上部ＤＢＲ２１０が順次に積層されている。また、受光領域２Ｂの積層構成は、発光領域２Ａの積層構成と同一となっている。
そして、上記積層構造の表面から第２導電型のＤＢＲ２０６の途中までエッチングされて、発光領域２Ａ，受光領域２Ｂのそれぞれにメサ構造が形成されている。さらに、発光領域２Ａと受光領域２Ｂとの間には、下部ＤＢＲ２０２に達するまでエッチングされて分離溝２１１が形成されている。受光領域Ｂにおいて、第１導電型の上部ＤＢＲ１１０の表面には、光入射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。そして、発光領域２Ａ，受光領域２Ｂのメサ構造の底面には、第２の電極２１２，２１３がそれぞれ形成されている。また、基板２０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
このような構造では、第２の電極２１２と第３の電極１１３との間に順方向電流を流すことにより、活性層２０４にキャリアが注入されて発光する。活性層２０４で発光した光は、第１の共振器で共振し、基板と垂直方向にレーザ発振する。
また、第１の電極１１１と第２の電極２１３との間に負荷抵抗を介して逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層２０８で吸収された光量に応じて負荷抵抗に電流が流れて、光量を検知することができる。
以下、本実施例２の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板２０１は、ｎ型ＧａＡｓ基板で構成されており、第１導電型の下部ＤＢＲ２０２は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓを交互に３０．５周期積層してｎ型ＤＢＲとして形成されている。また、第１のスペーサ層２０３は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、活性層２０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層２０５はＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ２０６は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に１２．５周期積層してｐ型ＤＢＲとして形成されている。また、第３のスペーサ層２０７は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、光吸収層２０８は、ＧａＩｎＡｓで形成され、第４のスペーサ層２０９は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、第１導電型の上部ＤＢＲ２１０は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に１０周期積層してｎ型ＤＢＲとして形成されている。
なお、活性層２０４及び光吸収層２０８は、光の定在波分布の腹に位置するように構成されている。
下部ＤＢＲ２０２とｐ型ＤＢＲ２０６ではさまれた領域は、第１の共振器を構成している。また、ｐ型ＤＢＲ２０６と上部ＤＢＲ２１０ではさまれた領域は、第２の共振器を構成している。実施例２では、下部ＤＢＲ２０２、ｐ型ＤＢＲ２０６、上部ＤＢＲ２１０、及び第１の共振器は波長９５０ｎｍに位相整合するように各層厚を形成した。また、第２の共振器長は、波長８９０ｎｍに位相整合する層厚とした。これにより、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、９５１ｎｍと９３３ｎｍとなっている。
発光領域２Ａにおいては、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、長波長側の波長９５１ｎｍの光は、共振器長が長い第１の共振器に主に閉じ込められる。活性層２０４は第１の共振器内に設けられており、活性層２０４の利得ピーク波長は９５０ｎｍ近傍となっているため、第２の電極１１２と第３の電極１１３間に順方向電流を流すことにより活性層２０４で発生した光は、第１の共振器で共振し、基板２０１と垂直上方向にレーザ発振する。このとき、第２の共振器内の光強度は小さく、活性層２０４の光閉じ込め係数を高く保つことができる。また、ＤＢＲの設計波長を面型発光素子（発光領域２Ａ）の発振波長にほぼ一致させることで、高反射率の反射鏡を形成している。これにより、発光領域２Ａの閾電流増加を抑制することができる。
一方、受光領域２Ｂにおいては、外部から波長９３３ｎｍの光が入射すると、波長９３３ｎｍの光は主に第２の共振器に閉じ込められる。第２の共振器に設けられた光吸収層２０８は、波長９３３ｎｍの光を吸収する。従って、外部から入射された波長９３３ｎｍの光は光吸収層２０８で共鳴吸収される。これにより、高感度の面型受光素子を形成することができる。
また、外部から受光する光の波長に対しては、ＤＢＲの設計波長がずれている。さらに、光吸収層２０８は入射窓部に近い第２の共振器内に設けられており、共振器よりも上側のＤＢＲ積層数が少なくなっている。そのため、共振器のＱ値が小さくなり、共鳴吸収帯域を広くすることができる。
以上の動作より、図２の装置（素子）は、波長９５１ｎｍの光を出射する面型発光部２Ａと、波長９３３ｎｍの光を受光する面型受光部２Ｂとが、同一基板上にモノリシックに集積された受発光装置（面型受発光集積素子）となっている。本構造では、面型発光部２Ａと面型受光部２Ｂとが同一の積層構造で形成されており、作製工程が容易となっている。また、同一の積層構造でありながら、非対称の二重共振器構造を用いることで、面型発光部の低閾動作と面型受光素子の高感度化とを同時に実現することができる。
実施例１においては一つの素子で発光部と受光部を兼用していたが、この実施例２では発光部２Ａと受光部２Ｂとを空間的に分離している。そのため、活性層の光が受光層で吸収されて発生する雑音電流や、外部入射光が活性層に入力することで出力光強度が変動する影響等を抑制することができる。
本発明の実施例３は、第３，第１１の形態に対応している。図３は、本発明の実施例３の光送受信モジュール（さらには、光通信システム）を示す図である。すなわち、図３は、実施例２の面型受発光集積素子を用いた光送受信モジュール、さらには、この光送受信モジュールを用いた光通信システムを示す図であり、図３において、二つの光送受信モジュール３０１，３０２が単芯の光ファイバ３０３で接続されており、双方向に光通信が可能となっている。
光送受信モジュール３０１においては、実施例２の面型受発光集積素子３０４ａを用いている。外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ駆動回路３０５は面型受発光集積素子３０４の活性層に注入する電流を変調して、出力されるレーザ光強度を変調する。このとき、出力されるレーザ光の波長はλ１（例えば９５１ｎｍ）となっている。面型受発光集積素子３０４ａから出力された波長λ１の光信号は、光結合／分岐素子３０７を通って光ファイバ３０３に結合し、光ファイバ３０３を導波して反対側の光送受信モジュール３０２に入力される。
また、光送受信モジュール３０２の面型受発光集積素子３０４ｂは、波長λ２（例えば９３３ｎｍ）のレーザ光を出力し、光ファイバ３０３を導波して光送受信モジュール３０１に達した波長λ２の光信号は、光結合／分岐素子３０７を通って面型受発光集積素子３０４ａの受光部に入力される。光送受信モジュール３０１に設けられた面型受発光集積素子３０４ａの受光部では、波長λ２の光を共鳴吸収して、光信号を電気信号に変換する。面型受発光集積素子３０４ａの受光部から出力された電気信号は、受信回路３０６において、信号増幅，波形整形等がなされて、光送受信モジュール３０１から外部に出力される。
一方、光送受信モジュール３０２に設けられている面型受発光集積素子３０４ｂは、波長λ２のレーザ光を出力し、波長λ１の光を共鳴吸収するように構成されている。
光結合／分岐素子３０７としては、導波路構造や、ホログラム素子、回折格子、干渉計等を用いることが可能である。
本実施例３の光送受信モジュール３０１，３０２では、面型発光素子（発光領域）と面型受光素子（受光領域）とがモノリシック集積された面型受発光集積素子３０４を備えているため、モジュールのサイズを小型化することができる。また、本実施例３に用いた面型受発光集積素子３０４は、実施例２で述べたように、低閾動作する面型発光素子と高感度の面型受光素子とを同一構造で作製することができ、製造が容易となっている。従って、光送受信モジュールの性能を損なくことなく、低コスト化が図れる。
なお、本実施例３においては、面型受発光集積素子３０４として、実施例２の素子を用いているが、実施例１の素子を用いることもできる。
また、図３の光通信システムは、単チャンネルの双方向通信の構成例を示しているが、面型受発光集積素子３０４をアレイ化することで、並列伝送方式で双方向通信を行うことも可能である。これにより、大容量の光通信システムを小型，低コストで構成することができる。
本発明の実施例４は、第４の形態に対応している。図４は、本発明の実施例４の光受発光装置（面型受発光集積素子）を示す図である。図４においては、面型受光部は、面型発光部の光量をモニタする受光素子として機能させることができる。図４を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板４０１上に、第１導電型の下部ＤＢＲ４０２、第１のスペーサ層４０３、光吸収層４０４、第２のスペーサ層４０５、第２導電型のＤＢＲ４０６、第３のスペーサ層４０７、活性層４０８、第４のスペーサ層４０９、第１導電型の上部ＤＢＲ４１０が順次に積層されている。
以下、本実施例４の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板４０１は、ｎ型ＧａＡｓ基板で構成されており、第１導電型の下部ＤＢＲ４０２は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に３０．５周期積層してｎ型ＤＢＲとして形成されている。また、第１のスペーサ層４０３は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、光吸収層４０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層４０５は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ４０６は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に１０．５周期積層してｐ型ＤＢＲとして形成されている。また、第３のスペーサ層４０７は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、活性層４０８は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層４０９は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、第１導電型の上部ＤＢＲ４１０は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に２２周期積層してｎ型ＤＢＲとして形成されている。
下部ＤＢＲ４０２とｐ型ＤＢＲ４０６ではさまれた領域は第１の共振器を構成している。また、ｐ型ＤＢＲ４０６と上部ＤＢＲ４１０ではさまれた領域は、第２の共振器を構成している。下部ＤＢＲ４０２、ｐ型ＤＢＲ４０６、上部ＤＢＲ４１０、及び第２の共振器は波長９５０ｎｍに位相整合するように各層厚を形成した。また、第１の共振器長は、波長８９０ｎｍに位相整合する層厚とした。これにより、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、９５２ｎｍと９３３ｎｍとなっている。
なお、この実施例４では、第２の共振器に活性層４０８が設けられて面型発光部が形成され、第１の共振器に光吸収層４０４が設けられて面型受光部が形成されている。
本実施例４では、光吸収層４０４は、活性層４０８とバンドギャップが同じか、または小さくなっており、活性層４０８で発生した光を吸収するようになっている。
図４の実施例においては、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、長波長側の波長９５２ｎｍの光は、共振器長が長い第２の共振器に主に閉じ込められる。活性層４０８は第２の共振器内に設けられているため、活性層４０８と光の結合効率が高くなっている。
また、第１の共振器内に設けられた光吸収層４０４では、波長９５２ｎｍの光を吸収することができる。従って、光吸収層４０４において光吸収により発生した電流を検出することにより、面型発光部のレーザ光量をモニタすることが可能となっている。すなわち、図４においては、面型受光部は、面型発光部の光量をモニタする受光素子として機能させることができる。
より詳細に、図４において、積層構造の表面から第２導電型のＤＢＲ４０６の途中までエッチングされて、メサ構造が形成されており、第１導電型の上部ＤＢＲ４１０の表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。また、メサ構造の底面には、第２の電極１１２が形成されている。また、基板４０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
このような構造では、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に順方向電流を流すことにより、活性層４０８にキャリアが注入されて発光する。活性層４０８で発光した光は、第２の共振器で共振し、基板と垂直方向にレーザ発振する。すなわち、第２の共振器に活性層４０８が設けられて面型発光部が形成されている。
また、第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に負荷抵抗を介して逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層４０４で吸収された光量に応じて負荷抵抗に電流が流れて、光量を検知することができる。すなわち、第１の共振器に光吸収層４０４が設けられて面型受光部が形成されている。
実施例４では、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なるため、第１の共振器においては、波長９５２ｎｍの光は閉じ込めが弱くなっている。従って、活性層４０８で発生した光を過剰に吸収することがなく、面型発光部の閾電流増加が抑制される。即ち、第１の共振器と第２の共振器の共振器長のずれ量、及び第１の共振器と第２の共振器の間に設けられたＤＢＲ４０６の積層周期数を制御することにより、活性層４０８に結合する光の割合と光吸収層４０４に結合する光の割合を容易に調整することができる。これにより、必要十分な光量モニタ信号を得ることと、面型発光部の低閾電流動作とを同時に満足することができる。
なお、光吸収層４０４は第１の共振器内において、必ずしも光定在波分布の腹の位置に設ける必要はない。腹の位置からずらすことによっても、光吸収層４０４の光吸収量を低減することができる。
本発明の実施例５は、第５の形態に対応している。図５は、実施例５の光送信モジュールを示す図である。図５において、光送信モジュール５０１は、光源として、実施例４の面型受発光集積素子５０２を用いている。
実施例５の光送信モジュールでは、駆動回路５０３は、外部から入力された電気信号に応じて、面型受発光集積素子５０２の活性層４０８に注入する電流を変調して、出力されるレーザ光強度を変調する。また、面型受発光集積素子５０２に集積された光吸収層４０４から、レーザ光量に対応したモニタ電流が受信回路５０４に出力される。受信回路５０４では、モニタ電流の電流−電圧変換，信号増幅が行われ、モニタ信号がＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路５０５に出力される。ＡＰＣ回路５０５では、モニタ信号がある一定値となるように駆動回路５０３から出力される電流値をフィードバック制御する。これにより、環境温度変化や素子の経時変化が生じた場合でも、光送信モジュール５０１から一定のレーザ光信号を出力させることができる。
本実施例５の光送信モジュール５０１では、面型発光部とモニタ用受光部とがモノリシック集積された面型受発光集積素子５０２を備えているため、部品点数が少なく、実装コストを低減できる。
また、面型発光部（面型発光素子）をアレイ化して並列光伝送を行う場合でも、各面型発光素子にモニタ用受光素子が内蔵されているため、面型発光素子間のクロストークの影響がなく、個別に光出力の制御を容易に行うことができる。
また、実施例４の素子に隣接して、実施例２と同様に、同一基板上に外部からの光信号を受光する面型受光部を同一構造でモノリシックに集積することも可能である。これにより、ＡＰＣ制御された面型発光部と面型受光部を備えた光送受信モジュールを構成することができる。
本発明の実施例６は、第７の形態に対応している。図６は、本発明の実施例６の受光装置（面型受光素子）を示す図である。図６を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板６０１上に、第１導電型の下部ＤＢＲ６０２、第１のスペーサ層６０３、第１の光吸収層６０４、第２のスペーサ層６０５、第２導電型のＤＢＲ６０６、第３のスペーサ層６０７、第２の光吸収層６０８、第４のスペーサ層６０９、第１導電型の上部ＤＢＲ６１０が順次に積層されている。
そして、上記積層構造表面から第２導電型のＤＢＲ６０６の途中までエッチングされて、メサ構造が形成されており、第１導電型の上部ＤＢＲ６１０の表面には、光入射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。また、メサ構造の底面には、第２の電極１１２が形成されている。また、基板６０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
以下、本実施例６の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板６０１は、ｎ型ＧａＡｓ基板で構成されており、下部ＤＢＲ６０２は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓとを交互に３０．５周期積層してｎ型ＤＢＲとして形成されている。また、第１のスペーサ層６０３は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、第１の光吸収層６０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層６０５は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ６０６は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓとを交互に１５．５周期積層してｐ型ＤＢＲとして形成されている。また、第３のスペーサ層６０７は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、第２の光吸収層６０８は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層６０９は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、上部ＤＢＲ６１０は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓとを交互に１０周期積層してｎ型ＤＢＲとして形成されている。
下部ＤＢＲ６０２とｐ型ＤＢＲ６０６ではさまれた領域は第１の共振器を構成している。また、ｐ型ＤＢＲ６０６と上部ＤＢＲ６１０ではさまれた領域は、第２の共振器を構成している。下部ＤＢＲ６０２、ｐ型ＤＢＲ６０６、上部ＤＢＲ６１０は波長９５０ｎｍに位相整合するように層厚を形成した。また、第１の共振器長は波長９００ｎｍに位相整合する層厚とし、第２の共振器長は波長１０００ｎｍに位相整合する層厚とした。これにより、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、９６３ｎｍと９３７ｎｍとなっている。
なお、実施例６では、異なる二つの波長をそれぞれ独立に受光できる二つの面型受光部が集積形成されている。すなわち、第１の共振器に第１の光吸収層６０４が設けられ、第２の共振器に第２の光吸収層６０８が設けられて、二つの面型受光部が形成されている。
そして、第１の光吸収層６０４，第２の光吸収層６０８は、それぞれ光定在波分布の腹に位置するように設けられている。第１の光吸収層６０４は、短波長側の共振波長９３７ｎｍの光を吸収する材料で構成されており、第２の光吸収層６０８は長波長側の共振波長９６３ｎｍの光を吸収する材料で構成されている。
このような構成では、外部から波長９３７ｎｍの光が入射すると、波長９３７ｎｍの光は共振器長が短い第１の共振器と共振して閉じ込められ、第２の共振器内では光強度が低下する。従って、波長９３７ｎｍの光は第１の共振器内に設けられた第１の光吸収層４０４で共鳴吸収される。一方、外部から９６３ｎｍの光が入射すると、波長９６３ｎｍの光は共振器長が短い第２の共振器に閉じ込められる。従って、波長９６３ｎｍの光は第２の共振器内に設けられた第２の光吸収層４０８で共鳴吸収される。これにより、同一の素子で、二つの異なる波長の光を選別して受光することができる。
なお、波長９３７ｎｍの光が入射した場合、第２の共振器に設けられた第２の光吸収層４０４でも光が吸収されてしまう。しかしながら、波長９３７ｎｍの光は第２の共振器内では第１の共振器内に比べて光強度が１〜２桁程度低下するため、クロストークの影響を小さくすることができる。
従来技術である特開平１１−３３０５３２号においては、複数の波長の光を受光するために、異なるバンドギャップの光吸収層を、光入射側からバンドギャップの大きい順番に積層して形成し、これにより、波長の短い順番に上から光を吸収して個別に検出している。一方、本発明では、第１の光吸収層６０４と第２の光吸収層６０８のバンドギャップを同じにした場合でも動作させることができる。即ち、非対称の二重共振器構造により、二つの波長を別々の共振器内に閉じ込めることで、各共振器に設けられた光吸収層６０４，６０８で個別に検出することができる。
また、同一基板上に本実施例６の受光装置（面型受光素子）を集積したアレイ構造を形成することも可能である。また、本実施例６の受光装置（面型受光素子）と、面型発光素子、あるいは、実施例４の面型受発光集積素子（モニタ受光素子を集積した面型受発光集積素子）とを、同一基板上に集積して形成することもできる。本発明によれば、同一基板上の異なる機能部を同一積層構造で形成することができるため、製造工程が容易となる。
本発明の実施例７は、第８，第１１の形態に対応している。図７は、実施例７の光通信システムを示す図である。図７の光通信システムは、光送信モジュール７０１と光受信モジュール７０２とが単芯の光ファイバ７０３で接続されて構成されている。
ここで、光送信モジュール７０１においては、二つの面型発光素子（ＶＣＳＥＬ）がモノリシック集積された面型発光素子アレイ７０４を光源として用いている。二つのＶＣＳＥＬは発振波長が異なっており、λ１とλ２の波長でそれぞれ発振する。２波長ＶＣＳＥＬアレイとしては、２重共振器構造を有するＶＣＳＥＬを用いることが可能である。各ＶＣＳＥＬは、外部から入力された電気信号に応じて、駆動回路７０５によって駆動され、レーザ光強度が変調される。各ＶＣＳＥＬから出力された光信号は、光結合器７０６で集約されて１本の光ファイバに結合される。波長λ１とλ２の光信号は、それぞれ光ファイバ７０３を導波して光受信モジュール７０２に入力される。
光受信モジュール７０２においては、受光素子として、本発明の実施例６に記載した面型受光素子７０７を用いている。面型受光素子７０７においては、波長λ１とλ２の光がそれぞれ別の光吸収層で吸収されるため、波長λ１とλ２の光信号を分離して検知することができる。面型受光素子７０７から、波長λ１とλ２の光信号に対応した電気信号が受信回路７０８に出力され、受信回路７０８で信号増幅，波形整形等がなされて、光受信モジュール７０２から外部に出力される。本実施例７の光通信システムは、異なる二つの波長を１本の光ファイバで伝送する波長分割多重伝送方式となっている。
本実施例７の光受信モジュール７０２においては、波長分離機能を有する面型受光素子７０７を備えているため、光分岐素子を設ける必要がない。従って、光受信モジュール７０２の小型化やコスト低減を図ることができる。
本発明の実施例８は、第９，第１１の形態に対応している。図８は、実施例８の光通信システムを示す図である。図８の光通信システムは、光送信モジュール８０１と光受信モジュール８０２とが単芯の光ファイバ８０３で接続されて構成されている。
ここで、光送信モジュール８０１においては、光源として出力レーザ光の波長を変調する面型発光素子（ＶＣＳＥＬ）８０４を用いている。
波長変調動作するＶＣＳＥＬ８０４は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、活性層及び光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加できる電極が備えられている。上記ＶＣＳＥＬは波長が異なる二つの共振モードを有しており、活性層は長波長側の共振モードに対応する波長よりも短波長側の共振モードに対応する波長の方が高い利得を有しており、光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共振モードに対応する波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共振モードに対応する波長よりも短波長側の共振モードに対応する波長の方が、吸収係数が大きくなっている。
上記ＶＣＳＥＬ８０４では、活性層の利得は、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が高くなっているため、光吸収層に電界を加えない場合、ＶＣＳＥＬ８０４は短波長側の共鳴波長でレーザ発振する。光吸収層に逆バイアスを印加すると、短波長側の共鳴波長に対して吸収係数が大きくなるため、ＶＣＳＥＬ８０４の発振波長は長波長側の共鳴波長にシフトする。従って、光吸収層に加えるバイアスを変調することにより、ＶＣＳＥＬ８０４のレーザ光を波長変調することが可能となる。
光吸収層に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は、半導体レーザの緩和振動周波数よりも高くできる。また、波長変調では常にレーザ発振状態が維持されており、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができる。そのため、活性層にキャリアを蓄積する時間が不要であり、一層高速に変調することができる。これにより、チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える（例えば４０Ｇｂｐｓの）大容量伝送光源を、外部変調器を用いない簡易な構成で実現することができる。
直流電源８０５は、ＶＣＳＥＬ８０４の活性層に一定電流を注入し、レーザ発振させる。また、外部から入力された電気信号に応じて、変調バイアス電源８０６は、ＶＣＳＥＬ８０４の光吸収層に加える逆バイアスを変調させる。これにより、本実施例８では、単チャンネル当たり４０Ｇｂｐｓの伝送容量でＶＣＳＥＬの発振波長をλ１とλ２の間で変調している。
また、光受信モジュール８０２では、光ファイバケーブル８０３を導波した光信号が面型受光素子８０７に入力される。面型受光素子８０７としては、本発明の実施例６に記載した面型受光素子を用いている。面型受光素子８０７においては、波長λ１とλ２の光がそれぞれ別の光吸収層で吸収されるため、波長λ１とλ２の光信号を分離して検知することができる。面型受光素子８０７から、波長λ１とλ２の光信号に対応した電気信号が受信回路８０８にそれぞれ出力され、受信回路８０８で電流電圧変換，信号増幅が行われる。受信回路８０８から出力された信号は、差分演算回路８０９に入力される。差分演算回路８０９では、波長λ１に対応した信号と波長λ２に対応した信号との差分を求める。
光送信モジュール８０１のＶＣＳＥＬ８０４は波長λ１とλ２のどちらかの波長で出力されるため、波長λ１の光信号が受光されたときは波長λ２の光信号は受光されなくなる。そのため、面型受光素子８０７から出力される波長λ１に対応した信号と波長λ２に対応した光信号は、０と１が反転した状態で同時に出力される。この二つの信号の差分をとることにより、雑音の影響がキャンセルされ、受信感度を向上させることができる。即ち、光伝送において差動伝送を実現することができる。これにより、４０Ｇｂｐｓの高速伝送においても、符号誤り率が低い高性能の通信が可能となる。
本発明の実施例９は、第１０の形態に対応している。図９は、本発明の実施例９の受発光装置（面型受発光集積素子）を示す図である。本実施例９の特徴は、活性層９０４及び光吸収層９０８の材料として、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体を用いている点であり、この点を除いて、基本的に構成，動作は実施例１と同様である。
図９を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板９０１上に、第１導電型の下部ＤＢＲ９０２、第１のスペーサ層９０３、活性層９０４、第２のスペーサ層９０５、ＡｌＡｓ層９１１、第２導電型のＤＢＲ９０６、第３のスペーサ層９０７、光吸収層９０８、第４のスペーサ層９０９、第１導電型の上部ＤＢＲ９１０が順次に積層されている。
第１導電型の下部ＤＢＲ ９０２と第２導電型のＤＢＲ ９０６ではさまれた領域は、第１の共振器を構成している。また、第２導電型のＤＢＲ ９０６と第１導電型の上部ＤＢＲ ９１０ではさまれた領域は、第２の共振器を構成している。
上記積層構造の表面から第２導電型のＤＢＲ９０６の途中までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで下部ＤＢＲ９０２に達するまでエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。第２のメサ構造の側面からＡｌＡｓ層９１１が選択的に酸化されてＡｌ酸化領域９１２が形成されている。Ａｌ酸化領域９１２は絶縁層となっており、活性層９０４に注入する電流をメサ構造中央部に狭窄する働きをする。また、第１導電型の上部ＤＢＲ９１０の表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。そして、第１のメサ構造の底面には、第２の電極１１２が形成されている。また、基板９０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
窒素と他のＶ族元素との混晶半導体としては、例えばＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＰＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等がある。上記混晶半導体は、ＧａＡｓ基板上に結晶成長可能な長波長帯材料系であることを特徴としている。
以下、本実施例９の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板９０１は、ｎ型ＧａＡｓ基板で構成されており、第１導電型の下部ＤＢＲ９０２は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓとを交互に３５．５周期積層して形成されている。また、第１のスペーサ層９０３はＧａＡｓで形成され、活性層９０４は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層９０５は、ＧａＡｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ９０６は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓとを交互に１２．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層９０７は、ＧａＡｓで形成され、光吸収層９０８は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層９０９は、ＧａＡｓで形成され、第１導電型の上部ＤＢＲ９１０は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓとを交互に１０周期積層して形成されている。
本実施例９では、下部ＤＢＲ９０２、ｐ型ＤＢＲ９０６、上部ＤＢＲ９１０、及び第１の共振器は波長１３０９ｎｍに位相整合するように各層厚を形成した。また、第２の共振器長は、波長１２４０ｎｍに位相整合する層厚とした。これにより、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、１３１０ｎｍと１２９１ｎｍとなっている。従って、本実施例９では、波長１３１０ｎｍのレーザ光を出力し、波長１２９１ｎｍの光を受光することができる。
窒素と他のＶ族元素との混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ等の障壁層との伝導帯電子の閉じ込め障壁高さを３００ｍｅＶ以上と高くすることができるため、井戸層からの電子オーバーフローが抑制され、良好な温度特性を有している。また、ＧａＡｓとＡｌＡｓ、またはＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを積層した、高反射率，高熱伝導性のＤＢＲ上にエピタキシャル成長することができ、長波長帯で良好な性能のＶＣＳＥＬを形成可能である。
また、ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素と他のＶ族元素との混晶半導体を活性領域に用いることで、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍ近傍でＶＣＳＥＬを動作させることができる。本発明では、異なる二つの波長の光を用いて光通信を行うが、波長分散が小さい１．３μｍ帯を用いることで、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。
本実施例９では、実施例１の面型受発光集積素子において、活性層及び光吸収層に、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体を用いた例で説明したが、実施例２，実施例４記載の面型受発光集積素子や、実施例６記載の面型受光素子においても、活性層及び光吸収層に、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体を用いることができる。
１０１，２０１，４０１，６０１，９０１ 基板
１０２，２０２，４０２，６０２，９０２ 下部ＤＢＲ
１０３，２０３，４０３，６０３，９０３ 第１のスペーサ層
１０４，２０４，４０８，９０４ 活性層
１０５，２０５，４０５，６０５，９０５ 第２のスペーサ層
１０６，２０６，４０６，６０６，９０６ ＤＢＲ
１０７，２０７，４０７，６０７，９０７ 第３のスペーサ層
１０８，２０８，４０４，９０８ 光吸収層
１０９，２０９，４０９，６０９，９０９ 第４のスペーサ層
１１０，２１０，４１０，６１０，９１０ 上部ＤＢＲ
１１１ 第１の電極
１１２，２１２，２１３ 第２の電極
１１３ 第３の電極
２Ａ 発光領域
２Ｂ 受光領域
２１１ 分離溝
３０１ 第１の光送受信モジュール
３０２ 第２の光送受信モジュール
３０３ 光ファイバ
３０４ａ，３０４ｂ 面型受発光集積素子
３０５ ＶＣＳＥＬ駆動回路
３０６ 受信回路
３０７ 光結合／分岐素子
５０１ 光送信モジュール
５０２ 面型受発光集積素子
５０３ 駆動回路
５０４ 受信回路
５０５ ＡＰＣ回路
６０４ 第１の光吸収層
６０８ 第２の光吸収層
７０１ 光送信モジュール
７０２ 光受信モジュール
７０３ 光ファイバ
７０４ ＶＣＳＥＬアレイ
７０５ 駆動回路
７０６ 光結合器
７０７ 面型受光素子
７０８ 受信回路
８０１ 光送信モジュール
８０２ 光受信モジュール
８０３ 光ファイバ
８０４ ＶＣＳＥＬ
８０５ 直流電源
８０６ 変調バイアス電源
８０７ 面型受光素子
８０８ 受信回路
８０９ 差分演算回路
９１１ ＡｌＡｓ層
９１２ Ａｌ酸化領域
１０２，２０２，４０２，６０２，９０２ 下部ＤＢＲ
１０３，２０３，４０３，６０３，９０３ 第１のスペーサ層
１０４，２０４，４０８，９０４ 活性層
１０５，２０５，４０５，６０５，９０５ 第２のスペーサ層
１０６，２０６，４０６，６０６，９０６ ＤＢＲ
１０７，２０７，４０７，６０７，９０７ 第３のスペーサ層
１０８，２０８，４０４，９０８ 光吸収層
１０９，２０９，４０９，６０９，９０９ 第４のスペーサ層
１１０，２１０，４１０，６１０，９１０ 上部ＤＢＲ
１１１ 第１の電極
１１２，２１２，２１３ 第２の電極
１１３ 第３の電極
２Ａ 発光領域
２Ｂ 受光領域
２１１ 分離溝
３０１ 第１の光送受信モジュール
３０２ 第２の光送受信モジュール
３０３ 光ファイバ
３０４ａ，３０４ｂ 面型受発光集積素子
３０５ ＶＣＳＥＬ駆動回路
３０６ 受信回路
３０７ 光結合／分岐素子
５０１ 光送信モジュール
５０２ 面型受発光集積素子
５０３ 駆動回路
５０４ 受信回路
５０５ ＡＰＣ回路
６０４ 第１の光吸収層
６０８ 第２の光吸収層
７０１ 光送信モジュール
７０２ 光受信モジュール
７０３ 光ファイバ
７０４ ＶＣＳＥＬアレイ
７０５ 駆動回路
７０６ 光結合器
７０７ 面型受光素子
７０８ 受信回路
８０１ 光送信モジュール
８０２ 光受信モジュール
８０３ 光ファイバ
８０４ ＶＣＳＥＬ
８０５ 直流電源
８０６ 変調バイアス電源
８０７ 面型受光素子
８０８ 受信回路
８０９ 差分演算回路
９１１ ＡｌＡｓ層
９１２ Ａｌ酸化領域
Claims (11)
- 基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられて面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有していることを特徴とする受発光装置。
- 基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられ、また、他方の共振器には光吸収層が設けられ、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有しており、活性層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型発光素子と、
前記基板上に、前記面型発光素子と同一の積層構造からなり、光吸収層に対して電圧を印加可能な電極が設けられた面型受光素子とが、
モノリシックに集積されていることを特徴とする受発光装置。 - 請求項１または請求項２記載の受発光装置を用いて、双方向の光送受信が可能になっていることを特徴とする光送受信モジュール。
- 基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方の共振器には活性層が設けられて面型発光部が形成され、また、他方の共振器には光吸収層が設けられてモニタ用の面型受光部が形成され、前記活性層及び前記光吸収層に対してそれぞれ独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有し、前記光吸収層は、前記活性層で発生した光を吸収する材料で構成されていることを特徴とする受発光装置。
- 請求項４記載の受発光装置と、該受発光装置から出力される光強度が一定となるように、前記受発光装置の光吸収層から出力された電気信号によって前記受発光装置の活性層に注入する電流を制御する電流制御手段とを有していることを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項１または請求項２または請求項４記載の受発光装置において、活性層および／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴とする受発光装置。
- 基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器とにはそれぞれ光吸収層が設けられて２つの面型受光部が形成され、第１の共振器と第２の共振器とにそれぞれ設けられた光吸収層に対して独立に電圧を印加可能な電極が設けられており、第１の共振器と第２の共振器とは異なる共振器長を有していることを特徴とする受光装置。
- 波長分割多重光通信用の光受信モジュールであって、該光受信モジュールには、請求項７記載の受光装置が用いられていることを特徴とする光受信モジュール。
- 請求項７記載の受光装置と、該受光装置の第１の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号と前記受光装置の第２の共振器に設けられている光吸収層から出力される電気信号との差分を演算する差分演算手段とを有していることを特徴とする光受信モジュール。
- 請求項７記載の受光装置において、光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴とする受光装置。
- 請求項３記載の光送受信モジュール、または、請求項５記載の光送信モジュール、または、請求項８または請求項９記載の光受信モジュールが用いられていることを特徴とする光通信システム。
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