JP2007519258A - 光装置および単一チップ上に双方向光動作用の統合されたレーザおよび検出器を製造する方法 - Google Patents

Abstract

単一のファイバへアクセスする別個の光デバイスを複数結合させる。シングルチップ（２０）の対応するエピタキシャル層に統合されるレーザ（２２）と検出器（２４）は、レーザによって光ファイバ（６０）のような単一外部デバイスへ放射される第１の波長の光を結合させ、同時に双方向光動作を提供するために、外部回路から受けた異なる波長の光を検出器へ結合するために、オンチップの、および／または、外部の光学部品（６２）と連携する。複数のレーザと検出器は、複数の双方向チャンネルを提供するためにチップ上に統合されてもよい。

Description

本出願は、２００４年１月２０日に出願された、米国特許仮出願第６０／５３７，２４８号、および２００４年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／６１８，１３４号の利益を主張する。これらの開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して、光デバイスに関し、特に改良され、一体に統合された、放射し、受け取る光装置、およびそれらを製造するための方法に関する。

例えば、パッシブ光ネットワーク（ＰＯＮ）を組み入れるもの、または利用するもののような、多くの光学系が、複数の波長で情報の送受信に単一の光ファイバが使用されることを必要とする。

これまでは、そのような性能を得るのは、単一のファイバへアクセスするような別個の光デバイスを複数結合させることが、高価すぎるそのような構成を作る製造問題を起こすため、特に費用効率の面で困難である。ネットワークを利用可能にできる、極めて望ましい広範囲の機能は、経済的に実行可能ではなかった結果として、ＰＯＮシステムのマーケットは非常に価格志向型である。同様の問題は、高解像度、別個の光デバイスでも容易に得ることのできない、機能上の高度なレベルが要求されるアプリケーションのような、ＤＶＤのような、他の光学系における複数の光デバイスの使用にも現れる。

本発明の一態様では、ソリッドステートの光送受信光デバイスは、シングルチップの表面で複数の光学機能をもたらすため、共通の基板上に一体的に統合される。
双方向光動作をもたらすためのそのようなデバイスの統合は、レーザと検出器の高効率カップリングを単一の光ファイバに与えるために、チップ上の別々のメサにレーザと検出器を製造できる多層エピキタシにも拘わらず最適化される。発明の他の態様では、複数の光放射器と複数の光検出器は、単一ファイバへの複数の放射器と複数の検出器のカップリングを可能にするため、単一のチップ上に製造される。放射器は、開示が参照によって本明細書に組み込まれる、２００４年１０月５日に出願された米国特許出願第１０／９５８，０６９号、または２００４年１０月１４日に出願された米国特許出願第１０／９６３，７３９号において説明されたような、チップ表面に製造された表面放射デバイスでもよく、または、レーザ出力が光ファイバと結合している米国特許第４，８５１，３６８号、または１９９２年５月発行のＩＥＥＥ量子エレクトロニクスジャーナル２８巻ｐ．１２２７−１２３１で説明されたような、チップ上のエッジ放射レーザでもよい。検出器もまた、同じチップ上に製造され、ファイバから光信号を受けるため、同じ光ファイバに結合される、表面またはエッジ受信デバイスであってもよい。本発明の好ましい形態では、各レーザは異なる波長の光を放射し、そして各検出器は放射された光とは別の異なる波長の光を受信する。

簡潔には、本発明は、１つ以上の半導体検出器構造が基板上の重ね合せ層にエピタキシャルに堆積され、半導体の放射器構造がトップ検出器構造にエピタキシャルに堆積される単一のチップ上に製造されたレーザ放射器および光検出器を組み込んでいる。構造は、光ファイバに直接放射光を送るため、表面もしくはエッジ放射レーザを組み込んだ、１つ以上の放射器メサを形成するため、および光ファイバからの光を受信するため表面もしくはエッジ受信検出器を組み込んだ１つ以上の検出器メサを形成するためにエッチングされる。反射器、デフレクタ、プリズム、格子、または他の回折素子、および／またはレンズは、基板上に一体的に製造されてもよく、または、必要に応じて放射光もしくは受信光を方向付けるチップのそばに配置されてもよい。

本発明の一形態では、一体的に統合された光チップは、既知の堆積技術により、検出器構造にエピタキシャルに堆積された半導体レーザ構造とともに、半導体検出器のエピタキシャル構造を担持する基板を含む。表面放射レーザは、放射器構造にエッチングによって製造され、検出器構造を通して基板までエッチングすることにより形成されるトレンチで囲まれる。レーザに隣接した検出器構造の表面は、実際に、もしくは実質的にレーザを囲み、およびレーザと検出器が共通の基板上に別々のメサを形成するためにトレンチによって間隔をあけられ、検出器受信機の表面を形成するために、カバリングレーザ構造をエッチングすることによって露出される。レーザ表面の金属層は、レーザ構造が、既知の波長のレーザ光を生成するために、適切なバイアス電圧の印加のための電気的接触をもたらす。表面放射レーザは光源として作用し、外部レンズを通して上向きに単一の光ファイバのような外部光学装置に光線を向ける。ファイバも、受光した光をこのレンズを通して、チップに第２の波長の光を向ける。受光された光がレーザから放射された光と異なる波長なので、受光された光はレーザに戻って集中されないが、レンズによって、検出器構造によって受け取られるレーザソースを囲む領域に向けられる。

本発明の他の実施例では、一体的に統合されたチップは、単一の放射器層がトップ検出器構造の上に重ねられる、２つの多層のエピタキシャル堆積検出器構造を含んでいる。表面放射レーザは、エッチングにより、チップ上のレーザ構造内のメサに製造され、トレンチによって周囲の検出器メサから分離される。その後、レーザ構造は周囲の２構造の検出器メサの表面から除去される。レーザは、さきに議論したように、レンズを通して光ファイバに向けられる第１の波長の光を放射するため活性化される。しかしながら、この実施例では、２つの検出器構造は、それぞれ第２と第３の波長の光を受光することができる。レーザの放射器端部を実質的に囲む表面放射レーザの末端、および側部の周りの検出器メサの提供は、レーザおよび検出器から光ファイバのような単一の入力／出力デバイスへの双方向性統合を最適化する。

本発明のさらに他の実施例では、多様な表面放射レーザは、チップのレーザ構造の個々のメサと並列に製造され、アレイにおける各レーザは、異なる波長の光を放射する。同様に、多様な個々の検出器は、検出器構造における個々のメサと並列に製造され、各検出器は特異な波長の光を受光できる。放射器と検出器は、プリズムなどの外部回折要素、および必要に応じる適切なレンズを通して単一の光ファイバと光学的に結合される。

エッジ放射レーザ、および表面受信もしくはエッジ受信検出器が、一体的に統合された、本発明の双方向光デバイスの製造にも利用される。そのような一実施例では、エッジ放射レーザはレーザ構造のメサに製造され、反射器は、垂直上向きに第１の波長の放射光を向けるため、レーザ出口面に隣接したレーザ構造において、チップ上に製造される。反射器は、例えば、光ファイバのような入力／出力デバイスへ、外部レンズを通して上方へ光を向けるため、平面、または曲面の反射器を組み込んでもよい。反射器は、レーザメサから隔離されたメサにあって、光ファイバからの第２の波長の光を受光する露出された表面受光検出器構造によって囲まれる。他の実施例では、反射器の表面は、第１の波長のレーザ光を反射するが、反射器本体を通して下にある検出器構造体へ第２の波長の受光した光を通すダイクロイックコーティングを含んでいる。

多様なエッジ放射レーザは、プリズムや格子のような回折要素によって対応する波長の光を外部光ファイバへ方向付けるためにチップ上のレーザ構造におけるアレイに製造される。アレイは、検出器構造の別々のメサに製造され、光ファイバからの異なる周波数の光を受光するために配列された多様なエッジ受光検出器を含み、このようにして、本発明の、一体的に統合されたレーザのアレイ、および検出器チャンネルを提供する。

本発明の前述、および追加の目的、特徴および利点は、添付図面で取られた、以下の好ましい実施例の詳述によって明白になる。

発明のより詳細な説明に移ると、互いに、かつ基板１６に重ねられた第１、および第２のエピタキシャル構造１２、１４を組み込んだ２層エピタキシャルチップ１０が図１に示されている。第１の構造１２は、選択された波長域の光に敏感な光検出器を形成するために従来の方法で基板上にエピタキシャルに堆積された半導体材料である。第２の構造１４は、また従来の方法で、レーザが製造できる第１の構造１２上にエピタキシャルに堆積された他の半導体材料である。

基板１６上の構造は、例えば、適切にドープされたタイプｌｌｌ−Ｖ化合物、またはそれの合金から形成されてもよい。層１２は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、または分子線エピタキシ（ＭＢＥ）などのエピタキシャル堆積プロセスによって堆積された一連の層であってもよい。通常、これらの層はＩｎＰ基板上の以下の層であってもよい。
ｐ−ドープのＩｎＰバッファ、ｐ−ドープのＩｎＧａＡｓ ｐ−接触層、ｐ−ドープのＩｎＰ転位層、非ドープのＩｎＧａＡｓ検出層、ｎ−ドープのＩｎＰ層、およびｎ−ドープのＩｎＧａＡｓ ｎ−接触層。

第２の構造１４も、活性領域を組み込んだ光キャビティを形成するため、構造１２の頂面上にＭＯＣＶＤまたはＭＢＥプロセスによって堆積された一連の層であってもよい。本発明に従って、他のタイプのレーザキャビティを製造できるが、便宜上、本発明はリッジレーザに関して説明される。固体状態のリッジレーザに典型的であるように、構造１４は、ＩｎＰのようにＡｌIｎＧａＡｓベースの量子井戸およびバリア内に形成される中央活性領域で用いられているものよりも低い屈折率の半導体材料により形成された上方、および下方の被覆領域を含む。ＩｎＧａＡｓＰの転位層は、デバイスをバイアス源に接続するために、構造１４上に堆積された上部金属層とオーム接点を提供するため、構造１４の頂部のｐ−ドープのＩｎＧａＡｓ接触層に追加的に形成されてもよい。

構造１２、１４は、構造間のインターフェースが両者に共有するように、いくつかの堆積された層を共有してもよい。説明された層は、ｐ−ｉ−ｎ検出器や、特定の波長領域、もしくは波長帯で動作するアバランシェ光検出器、および選択された波長の光を放射できる構造１４における表面放射レーザ、もしくは末端発信レーザなどのような高感度検出器の構造１２での製造を許容する。

本発明の第１の実施例では、図２および図３に示されているモノリシック構造の光デバイス、もしくはチップ２０は、チップ１０のそれぞれの構造１２、１４で別個のメサに製造された一体型レーザ２２、および一体型検出器２４を組み込んでいる。レーザ２２は、例えば上面２６、メサ側壁２８、３０、および第１、第２の端部３２、３４を有する、細長く水平なリッジタイプの光キャビティを製造するために、従来のマスキングおよびエッチング技術により構造１４に形成される。傾斜した、内部全反射面３５は、レーザ内を伝播した出力光を、上部放射面を通してキャビティの外部上方に向けるため、第１の端部３２に形成され、同時にキャビティの第２の端部３４は、光キャビティでのレージングを可能にするため、垂直な内部全反射面によって形成される。端部３２での傾斜した面３５は、上面２６に対してほぼ４５°で下向きかつ内向きに構造１４をエッチングすることによって製造され、光キャビティで生成された光を表面２６、水平レーザでの活性材料の平面３６と本質的に垂直な方向に放射させる。放射された光ビームは、矢印３７で示された方向に、上向きに進む。出力ビームの限界は、概して、矢印３８によって示される。レーザ２２および光検出器２４は、この配置において互いに電気的および光学的に隔離される。光学的隔離は、レーザまたは検出器に吸収層もしくは障壁を組み込むことによって改善される。特有のバンドギャップの半導体が、付加として、また他の波長の光が通過している間にある波長を良く吸収するために、検出器エピタキシの最上層として組み込まれてもよい。下に誘電体層がある金属層が、ある配置のレーザからの迷放射、もしくは不要放射を妨げるのに使用されてもよい。

レーザの第２の端部３４で、端面は、レーザキャビティの縦軸と９０°の角度で形成される。レーザの隣接したこの端部は、マスキング、およびエッチングによってレーザエピタキシャル構造１４に形成されたモニタリング光検出器（ＭＰＤ）４０である。レーザ光キャビティ２２は、構造１４の活性領域３６上方の端部３２、３４の間に延びるリッジ４２を形成するため、マスクされ、エッチングされ、歪曲せず光キャビティから出るよう円形、もしくは楕円形の放射ビーム３７を許容するための傾斜面３５上方にオープンエリアをもたらすため、リッジは、レーザの放射器端で、図３の４４でのように、広げられている。リッジの頂部は、適切なバイアス電圧でレーザを通電させるため、電気的金属化物質４６でコーティングされる。この金属化は、通常、金属化層とオーム接触できる、ＩｎＧａＡｓなどの低バンドギャップの半導体であるレーザ構造の最上層にコーティングされる。開口４８は、放射された光を吸収する材料を除去するため、必要に応じて構造１４の最上層、もしくは複数の層に形成される。

検出器２４は、レーザ２２を形成するためのマスキング、およびエッチングプロセスの一部として製造される。図示のように、レーザの周りの検出器構造１２の上の構造１４の一部が、検出器構造の頂面５０を露出するために除去される。構造１２はさらに、検出器からレーザを隔離するトレンチ５２を形成するため、レーザ２２にすぐ接して囲む領域でエッチングされる。別個のレーザメサと検出器メサを生産するため、トレンチは，好ましくは短距離で、基板１２まで下がるよう延びる。
検出器は、さらに、図２、および図３に示されるように、トレンチ５２で規定される検出器メサを形成するために、層１２の一部を除去して形成される。

光デバイス２０からの光出力は、レンズ６２により、光ファイバ６０のような外部入力／出力デバイスと結合される。色収差のために、そのようなレンズは、特定の波長の光の焦点を合わせるが、異なる波長の光の焦点は合わせない。この機能は、本発明で用いられ、矢印６４で示すように、ファイバ６０の端部にフォーカスされ、例えば、１３１０ｎｍの波長のビームなどである、レーザ２２により生成される送出光３７を生じさせる。ファイバ６０から受ける、例えば１４９０ｎｍの送出光とは異なる波長の入来光は、矢印６４で示すようにレンズ６２に向けられる。その波長のために、この受光は、ビームリミット矢印７０で示されるように、レンズ６２によってしっかりとはフォーカスされない。その結果、入来光は、レーザ２２の放射器端にフォーカスされないが、代わりに散開され、図３に破線で示された領域７２の検出器５０に影響を与える。レーザと検出器メサの好ましい設計は、本質的に検出器５０の中央に、レーザの放射器領域を位置決めする。入来光６６が、送出光３７と実質的に同波長（例えば、共に１３１０ｎｍ）なら、レーザとレンズを通したファイバの結合のミスマッチがあっても、検出器５０において光検出は可能である。レーザと検出器の間の光学的隔離は、１３１０ｎｍ以上であるが、検出器構造の頂部では１４９０ｎｍ未満の波長に対応するバンドギャップの吸収半導体層を組み込むことにより改善される。この吸収層は、１４４０ｎｍに対応するバンドギャップのＩｎＧａＡｓＰであるよう選択される。この吸収層は、検出のため、検出器に１４９０ｎｍの光を通す一方、余分な１３１０ｎｍの光を吸収する。

本発明の第２の実施例は、図４に示され、３つのエピタキシャル構造、検出器８０、８２、およびレーザ８４を含む、チップ７８が基板８６上に製造されている。
それらの半導体構造は、デバイスの製造を容易にするために共通層を共有してもよい。例えば、電気的隔離および高速性能を改良するためのグラウンド平面を提供するため、検出器層８０、８２の間に高ドープされた半導体層が導入可能である。

図５に示された、一体的に統合された光デバイス９０は、図２、図３のデバイスに関して前述した方法で、チップ７８から製造される。この場合、レーザおよびその周りの検出器が別個のメサに配置されるように、検出器構造８０、８２の両方を通って基板８６の頂部へ下向きに延びる図３のトレンチ５２と同様に、エッチングでトレンチを形成しながら、マスキング、およびエッチングによってレーザ構造８４においてレーザ９２が製造される。レーザは、レーザ内を上向きに伝播し、レーザから来る光を反射する傾斜面９４を形成するためにエッチングされる。放射光ビーム９６（矢印９８によって限界が規定されている）は、矢印１０４で示されたように、光ファイバのような入力／出力デバイス１０２上に光をフォーカスするレンズ１００に上向きに向けられる。

レーザ構造８４は、表面受光検出器層８０、８２を光ファイバ１０２から光デバイス９０によって受光される光ビーム１１４にさらすため、検出器構造８２の頂部表面１１０からエッチングすることによって除去される。この受光は、放射ビーム９６と異なる波長であり、従って、矢印１１４で示され、また図２、図３に関して説明されたように、レンズ１００によって検出器表面１１０に方向付けられる。
検出器構造８２は、検出器８２に接続された電極を通して適当な出力を生成するこのビームの波長に応答する。さらに、光デバイス９０は、矢印１１６で示すように検出器構造８２の頂部表面１１０に、レンズ１００によって方向付けられる、さらに他の波長の第２の入力ビーム１１６に応答可能である。検出器構造８２は、このビームに応答しないが、光はそれを通り抜ける。下にある検出器構造８０は、矢印１１６で示すようにビームを受光し、それに応答して、対応する出力を適切な電極（図示せず）に生成する。

トリプレクサと呼ばれる光デバイス９０は、１３１０ｎｍ±４０ｎｍの波長範囲の光を放射し、一方、検出器層のバンドギャップは、検出器８０が１５５０ｎｍ±１０ｎｍの範囲の光を受光でき、および検出器８２が１４９０ｎｍ±１０ｎｍの範囲の光を受光できるように選択される。このため、より長い波長の光が、検出器８２を通過して下にある検出器構造８０へ達するように、検出器８２のバンドギャップは１５２０ｎｍ未満の光を検出するように選択される。検出器構造８０は、広帯域の検出器、もしくは１５８０ｎｍ未満の波長の光を受光するために最適化されたバンドギャップを持つ検出器のどちらかであってもよい。

上述の実施例は、単一のレーザ放射器の位置およびレーザ放射器の周りの単一の検出器の位置を示すが、本発明の不可欠な光装置が、図６の平面図に示されるように、単一のチップ上に複数のレーザの位置と複数の検出器の位置を組み込んでもよいことは明白である。この図で、光チップ１３０は、前述したように、エピタキシャルレーザ構造に製造された、レーザ１３４、１３６、１３８、１４０のような表面放射レーザのアレイ１３２を組み込んでいる。レーザは、他のチップアーキテクチャデザインを使用することができるが、概して平行光を放射するチャンネルを形成するよう示されている。好ましくは、レーザのそれぞれの放射器表面１４２、１４４、１４６、１４８は、プリズム１５２およびレンズ１５４、１５５のような適切な外部光学素子によって、図７に示される共通の入力／出力光ファイバ１５０に上向きにそれらの出力ビームを向けるのに役立つように、便宜上、一緒にグループ化される。

チップ１３０は、図１から図５に関して前述した方法で、ファイバ１５０から受光するために、各レーザの放射端の周りに製造される表面受光検出器を含んでもよい。代替的に、および図６に示されるように、表面受光検出器１６２、１６４、１６６、１６８のアレイ１６０は、入力／出力ファイバ１５０からの入力光を受光する際に便利なよう、放射器に隣接し、かつグループ化された位置に提供される。ここで再び、チップの表面アーキテクチャは、図に示されるものから変更されてもよい。

図示のように、ＭＰＤデバイスは、１７２、１７４、１７６、１７８で示されるように、各レーザをモニターするために提供され、適切なボンディングパッド１８０および接地線１８２は、必要に応じて、既知の方法で、チップ１３０の表面に用いられる。本発明の先の実施例のように、レーザ１３２は第１のエピタキシ構造に製造され、検出器は基板上の第２のエピタキシ構造に製造される。アレイ１３２の各レーザは、異なる波長域の光を放射してもよい。例えば、表面放射レーザ１３４、１３６、１４０は、それぞれ１４７０ｎｍ、１４９０ｎｍ、１５１０ｎｍ、１５３０ｎｍの波長の光を放射する。同様に、検出器１６２、１６４、１６６、１６８は、例えば、それぞれ１５５０ｎｍ、１５７０ｎｍ、１５９０ｎｍ、１６１０ｎｍの波長域の光を検出する。

数個のレーザ間に大きな波長変化をもたらすため、例えば、チャンネルスペースがおよそ２０ｎｍの粗い波長分割多重方式（ＣＷＤＭ）などのアプリケーションにおける使用のために、上述したように、第１の、すなわち頂部のエピタキシ構造のレーザ構造の活性領域は、レーザアレイのための適切な波長を製造されるレーザに許容するように、そのバンドギャップを変更させる必要がある。これが、第１のエピタキシャル構造の形成のために、多くの既知のプロセスのうちの１つによってなされる。例えば、無不純物の空孔拡散、または、複数のエピタキシャル堆積。

本発明の一体的に統合された放射器、および検出器は、ここで参照され、図８から図１５に示された方法で表面受光検出器を伴う末端発信レーザ（ＥＥＬ）として製造される。図８の側面立面図に示されるように、レーザ／検出器チップ２００は、例えばエピタキシャルレーザ構造２０４に製造されるファブリーペロー（ＦＰ）レーザであってもよいエッジ放射レーザ２０２、および基板２１０上にエピタキシャル検出器構造に製造される表面受光検出器２０６を含んでいる。これらの構造は、上述したように、マスキングおよびエッチング技術によって形成され、反射ベース要素２１２が隣接して提供され、またレーザ２０２の放射器面２１４と整列されるが間隔をあけられていることが異なる。

要素２１２は、図８に示されるように、レーザ２０２の活性領域でレーザ２０２の光軸２１８と整列された平坦な反射面２１６を含んでいるか、図９に示された曲面２２０を含んでいる。レーザ２０２より放射された光ビーム２３０は、表面２１６または表面２２０によって、レンズ２３２のような適切な外部光学部品を通して、光ファイバ２３４のような入力／出力デバイスへ偏向される。ベース要素２１２および表面２１６、２２０は、半導体レーザおよび検出器構造のリソグラフィおよびエッチングによって製造される。図１０に示されるように、光ファイバ２３４からの受光２４４が、レンズ２３２によって、図１から図５に関して上述された方法で点線２４６で示された領域の検出器の表面に向けられるように、検出器構造はベース要素２１２を囲むためのエッチングによって形成される。

代替的に、ベース要素２１２が、チップ表面に垂直方向にＥＥＬ２０２の出力を反射するために、リフトオフプロセスを通して検出器２０６の頂部に便利な構造を提供する、例えば、シリコンなどの電子ビーム堆積によって製造されてもよい。

基板２５４上で末端発信レーザ２５０が表面受光検出器２５２と統合され、反射ベース要素２５６が検出器の表面上に取り付けられ、または上方に位置決めされる他の代替手段は図１１、図１２に示されている。ベース要素２５６は、平面または曲面の表面２６０、および表面２６０上のダイクロイックフィルタ２６２を含んでいる。フィルタは、ある波長域を反射し、他の波長域を通過させるよう設計された表面２６０上の多層コーティングである。例えば、１３１０ｎｍ±４０ｎｍの波長域を持ち（実質的にｓ−偏光）、４５°でフィルタ２６２に向けられ、レーザ２５０の面２６６から放射されるビーム２６４は、外部光学部品２６６を通して、光ファイバ２６８のような入力／出力デバイスに向けてほぼ完全に上方に反射される。
１４９０ｎｍ±１０ｎｍの波長域の入射光２７０もまた、４５°の角度でフィルタ２６２に向けられるが、この波長はフィルタを通して下にある検出器２５２にほぼ完全に伝達される。図１２の平面図に示されるように、受光２７０は、より大きな検出領域、およびそれによってより大きい受光感度を提供するため、ベース要素２５６の下の領域を含む、破線２７２の中の検出器に向けられている。

典型的なダイクロイックフィルタの波長に対する反射のふるまいは、曲線２８０、２８２によって図１３に示されている。この場合、ベース要素はＩｎＰであり、外部媒体は空気であり、９つの層は、従来の設計技術を用いたフィルタの製造に使用された。

図１４、図１５は、レンズやプリズムのようなオンチップの光学要素と共にチップ上に統合された、エッジ放射レーザ、およびエッジ受光検出器のアレイを示している。図１４では、エッジ放射レーザのアレイ２９０、およびエッジ受光検出器のアレイ２９２は、共通基板上のそれぞれのエピタキシャルレーザおよび検出器構造に製造される。アレイ２９０、２９２におけるレーザと検出器の光軸と整列させて、オンチップレンズ２９４、２９６、およびプリズム２９８は、米国特許第６，６５３，２４４号に記載されている、レーザから光ファイバ３０２に向けて放射される光３００を向けるプロセスを使用して製造される。光学要素は、同様に、ファイバ３０２から検出器のアレイ２９２に受光３０４を向ける。代替的に、オンチッププリズム２９８は、図１５に示されるように、密集した波長に対して、より大きい程度の分散を許容するために、オンチップグレーティング３０６に取り替えられる。
異なる光の波長のために密集したレーザチャンネルの他のアレイは、チップのアーキテクチャを変更することによって、同じ第１のエピタキシャル構造に形成される。

本発明は、好ましい実施例に関して示されてきたが、請求項で説明されるように、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、変更と修正をなし得ることが理解される。

基板上にレーザ構造と検出器構造を含む２層エピタキシャルチップ構造を示す図である。 本発明の第１の実施例の、レーザ構造に製造された表面放射レーザ、および図１のチップの検出器構造に製造された表面受光検出器を含む、一体的に統合された光デバイスの立面図である。 図２のデバイスの平面図である。 基板上にレーザ構造および２つの検出器構造を含む３層エピタキシャルチップ構造を示す図である。 本発明の他の実施例の、レーザ構造に製造された表面放射レーザ、および図４のチップの検出器構造に製造された２つの表面受光検出器を含み、一体的に統合された光デバイスの立面図である。 発明の他の実施例の、共通のチップ上のレーザ構造および検出器構造に対応する表面放射レーザのアレイ、および表面受光検出器のアレイを組み込み、一体的に統合された光デバイスの平面図である。 チップ上のレーザおよび検出器を光ファイバへ光学的に結合させるため、外部プリズムおよびレンズに結合された図６のデバイスの側面立面図である。 レーザ構造に製造された末端発信レーザ、および図１のチップの検出器構造に製造された表面受光検出器を組み込み、本発明の他の実施例の、光放射用デフレクタを組み込み、一体的に統合された光デバイスの側面立面図である。 曲表面のデフレクタを組み込んだ、図８のデバイスの変形態様の側面立面図である。 図９のデバイスの平面図である。 デフレクタが、レーザにより放射された光を反射し、デフレクタの本体を通して下にある検出器構造へ受光した光を通すダイクロイックコーティングを含んでいる図８の光デバイスの変形態様の側面立面図である。 図１１のデバイスの平面図である。 図１１のデバイスのためのダイクロイックフィルタの一例の反射特性のグラフである。 末端発信レーザのアレイ、およびプリズムを通して外部光ファイバと結合したエッジ受光検出器を組み込み、一体的に統合された光デバイスの平面図である。 末端発信レーザのアレイ、および格子により外部光ファイバと結合されたエッジ受光検出器を組み込み、一体的に統合された光デバイスの平面図である。

符号の説明

１２ 第１エピタキシャル構造、１４ 第２エピタキシャル構造、１６ 基板、２０ チップ、２２ レーザ、２６ 上面、２８ メサ側壁、３０ メサ側壁、３２ 端部、３４ 端部。

Claims (41)

1. 基板と、
   互いに重ねられ、かつ前記基板上に重ねられた、少なくとも第１および第２のエピタキシャル構造と、
   前記第１のエピタキシャル構造に設けられた、少なくとも第１のエッチングされた面の光要素と、
   前記第２のエピタキシャル構造に設けられた少なくとも第２の光要素とを含んでいる光デバイス。
2. 前記第１のエッチングされた面の光要素が、放射器端を持つ少なくとも１つのレーザである、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記エッチングされた面が、およそ４５°の角度で前記レーザの前記放射器端に存在し、表面放射レーザを生成するようになっている、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記第２の光要素が、少なくとも１つの光学検出器である、請求項１に記載のデバイス。
5. 第１の光要素が、放射端を持つ少なくとも１つのレーザである、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記検出器が、前記レーザの放射器端を実質的に囲んでいる、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記検出器がｐ−ｉ−ｎダイオードである、請求項４に記載のデバイス。
8. 前記検出器がアバランシェ光検出器である、請求項４に記載のデバイス。
9. 前記レーザが、第１の波長の光を放射するように形成され、前記検出器が第２の波長の光を検出するように形成されている、請求項５に記載のデバイス。
10. 前記レーザが表面放射レーザである、請求項９に記載のデバイス。
11. 前記レーザおよび前記検出器が、前記基板上の別々のメサに存在する、請求項９に記載のデバイス。
12. 前記レーザから放射された光を光ファイバと結合するための外部光学要素をさらに含む、請求項３に記載のデバイス。
13. 前記外部光学要素が、前記レーザから放射された光を前記ファイバへ向けるためのレンズを含む、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記第１の波長の光を外部光学デバイスに焦点を合わせるように最適化された外部レンズをさらに含み、前記レンズが、前記外部光学デバイスから受光した第２の波長の前記光を前記検出器と結合させている、請求項１０に記載のデバイス。
15. 前記レーザが、第１の波長での光を放射するために製造されたエッジ放射レーザであり、前記第２の光要素が、第２の波長での光を検出するために製造された検出器であり、前記レーザおよび前記検出器が、前記基板上の別々のメサに配置されている、請求項２に記載のデバイス。
16. さらに、前記レーザから放射される光を外部光学デバイスと結合させるための、前記レーザと整列された前記基板上に光学要素をさらに含んでいる、請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記光学要素がレンズである、請求項１６に記載のデバイス。
18. 前記光学要素が回折要素である、請求項１６に記載のデバイス。
19. 前記光学要素が反射器である、請求項１６に記載のデバイス。
20. 前記外部光学デバイスが、光ファイバに放射光を向けるためのレンズを含んでいる、請求項１６に記載のデバイス。
21. 前記レンズが、前記放射光を前記ファイバと結合するために最適化され、前記レンズが、前記ファイバから受光した第２の波長の光を前記検出器と結合させている、請求項２０に記載のデバイス。
22. 前記光学要素が、前記レーザによって前記レンズへ放射される光を偏向させるための前記基板上の反射器であり、前記反射器が、前記レンズを通して前記ファイバから受光する前記第２の波長の光が検出されることを許容するために前記検出器上に位置決めされている、請求項２１に記載のデバイス。
23. 前記光学要素が、前記レーザによって放射された光を前記レンズに偏向させ、また前記ファイバから受信された前記第２の波長の光を、前記レンズを通して送信するためのダイクロイックフィルタである、請求項２１に記載のデバイス。
24. 前記基板に少なくとも第３のエピタキシャル構造を含み、前記エピタキシャル構造が、前記基板上の層に重ねられ、第３の光要素が前記第３の構造に形成されている、請求項１に記載のデバイス。
25. 前記第１の光要素が、第１の波長の光を放射するために設けられたレーザであり、前記第２の光要素が、第２の波長の光を検出するために設けられた検出器であり、前記第３の要素が、第３の波長の光を検出するために設けられた検出器である、請求項２４に記載のデバイス。
26. 前記第１の光要素が前記基板の第１のメサに配置され、前記第２、および第３の光要素が前記基板の第２のメサに配置されている、請求項２４に記載のデバイス。
27. 前記レーザが表面放射レーザである、請求項２６に記載のデバイス。
28. 前記レーザがエッジ放射レーザである、請求項２６に記載のデバイス。
29. 前記第１の光要素がレーザアレイを含んでいる、請求項１に記載のデバイス。
30. 前記第２の光要素が検出器アレイを含み、各レーザが異なる波長域の光を放射し、各検出器が前記の放射光と異なる波長域の受光を検出するようになっている、請求項２９に記載のデバイス。
31. 放射光を外部光ファイバと結合し、前記ファイバから受光した光を前記検出器と結合するために、前記基板上に光学要素をさらに含んでいる、請求項３０に記載のデバイス。
32. 前記第１および第２の光要素が光学的に隔離されている、請求項１に記載のデバイス。
33. 前記第１および第２の光要素が電気的に隔離されている、請求項１に記載のデバイス。
34. 前記第１および第２の要素が前記基板上の別個のメサ上に存在する、請求項１に記載のデバイス。
35. 双方向光動作のために第１のチップ上に統合されたレーザおよび検出器デバイスを製造する方法であって、
    基板上に重ねられる第１および第２のエピタキシャル構造を設けることと、
    第１の波長の光を放射するための前記第１の構造に、少なくとも１つのレーザを設けることと、
    前記第２の構造に、第２の波長の光を受信し、検出するための、少なくとも１つの検出器を設けることと、
    前記放射光を外部光学デバイスと結合することと、
    前記外部光学デバイスからの受光を前記検出器と結合することとを含む方法。
36. 前記少なくとも１つのレーザを設けることが、レーザアレイを設けることを含み、各々が異なる波長の光を放射し、および前記少なくとも１つの検出器を設けることが、前記放射波長と異なる波長の光を受光するための検出器アレイを設けることを含む、請求項３５に記載の方法。
37. さらに前記第２の光要素上にベースをさらに含んでいる、請求項１に記載のデバイス。
38. 前記ベースがシリコンから形成されている、請求項３７に記載のデバイス。
39. 前記ベースが前記第１のエピタキシャル構造から形成されている、請求項３７に記載のデバイス。
40. 前記ベースに形成された光学コーティングをさらに含んでいる、請求項３７に記載のデバイス。
41. 前記コーティングがダイクロイックフィルタを形成している、請求項４０に記載のデバイス。

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