JP2009522805A - 集積フォトニックデバイス用のモニタ光検出器 - Google Patents
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Abstract
単一チップの対応するエピタキシャル層の上に集積されたレーザおよび検出器が、オンチップ及び/又は外部の光学系と共に協力して、レーザによって放射された第1波長の光を、光ファイバなどの単一の外部デバイスと結合させ、同時に、外部デバイスから受けた異なる波長の光を検出器と結合させて、双方向フォトニック動作を提供する。複数のレーザおよび検出器をチップ上に集積して、多重双方向チャネルを提供することもできる。モニタ光検出器が、レーザの一端に近接して検出器エピタキシに製作される。
Description
本願は、米国の非仮(Nonprovisional)特許出願(第11/325325号、2006年1月5日、名称「Monitoring Photodetector for Integrated Photonic Devices」)の利益を主張する。
本発明は、一般にはフォトニックデバイスに関し、特に、モニタ光検出器を組み込んだモノリシック集積フォトニックデバイスおよびこれを製造する方法に関する。
多くの光学システム、例えば、パッシブ光ネットワーク(PON)を組み込んだり利用したものは、単一の光ファイバが、情報を複数の波長で送受信するために使用されることを必要とする。過去において、こうした能力を、特に費用対効果の高い方法で達成するのは困難であった。全てが単一ファイバにアクセスするような多様なディスクリートフォトニックデバイスの組合せについては、こうした配置を製作するのは極めて高価であるという製造上の問題を示していた。
PONシステムの市場は、極めて価格に敏感であり、その結果、こうしたネットワークによって利用可能になる非常に有望で広範な機能が経済的に実現できていない。高解像度DVDなどの他の光学システムにおける複数のフォトニックデバイスの使用の際、同様な困難に遭遇している。こうした応用では、ディスクリートフォトニックデバイスの使用では要求される高いレベルの機能性は容易に達成できない。
レーザなどのフォトニックデバイスは、変化する環境条件とともに特性を変化させる傾向があるため、これらの動作を監視することが望ましい。しかし、こうした監視は、ディスクリートデバイスを用いた場合、特に、デバイスが極めて小型である場合、容易には達成できない
本発明の一態様によれば、固体状態(solid state)の受光および発光フォトニックデバイスが、共通の基板上にモノリシックに集積されて、複数の光学機能を単一チップの表面に提供している。双方向フォトニック動作を提供するこうしたデバイスの集積化は、多層エピタキシによって最適化され、レーザおよび検出器は、単一チップ上の別々のメサ(mesa)の上に製作でき、単一の光ファイバに対するレーザおよび検出器の高効率結合を提供している。
本発明の他の態様によれば、複数の発光器および複数の光検出器が、単一ファイバに対する複数の発光器および複数の検出器の結合を実現するようにして、単一チップ上に製作される。発光器は、例えば、米国出願第10/958069号(2004年10月5日出願)または米国出願第10/963739号(2004年10月14日出願)に記載されたような(これらの開示内容は参照によりここに組み込まれる)、チップ表面に製作された面発光(surface-emitting)デバイスでもよく、あるいは、例えば、米国特許第4851368号や文献(IEEE Journal of Quantum Electronics, volume 28, pages 1227-1231 , May 1992)に記載されたような、チップ上に製作された端面発光(edge-emitting)レーザでもよく、レーザ出力の全てが共通の光ファイバに結合される。
検出器も同じチップ上に製作され、ファイバから光信号を受けるように同じ光ファイバに結合した表面受光(surface-receiving)デバイスまたは端面受光(edge-receiving)デバイスであってもよい。本発明の好ましい形態では、各レーザが異なる波長で光を放射し、各検出器が、放射された光とは別の異なる波長で受光する。
本発明の他の態様によれば、レーザや光検出器など、固体の発光および受光フォトニックデバイスが、上述のように、共通の基板上にモノリシックに集積され、さらに、基板上の対応する発光器からの光を受光するように位置決めされた、少なくとも1つのモニタ検出器を組み込んでいる。モニタ検出器は、基板上にモノリシックに製作してもよく、発光器と同軸で整列していてもよく、あるいは、本発明の好ましい形態では、発光器からの光を検出器へ向ける適切な偏光器を有する面受光検出器であってもよい。
要するに、好ましい形態では、本発明は、単一チップ上に製作された、レーザ発光器、光検出器、および1つ又はそれ以上の対応する半導体モニタ検出器構造を含む1つ又はそれ以上のフォトニックデバイスを組み込んでいる。フォトニックデバイスは、基板上で積み重ねた層にエピタキシャル成長した半導体構造に製作され、少なくとも1つのエピタキシャル成長した検出器構造と、上部検出器構造の上にエピタキシャル成長した発光器構造とを含む。
該構造は、エッチングされて、面発光レーザまたは端面発光レーザを組み込んだ1つ又はそれ以上の発光器メサを形成し、放射された光を光ファイバへ向け、そして、光ファイバからの光を受光するための表面受光検出器または端面受光検出器と、発光器からの光を受光するための表面受光モニタ検出器または端面受光モニタ検出器とを組み込んだ、1つ又はそれ以上の光検出器を形成する。
反射器、偏向器、プリズム、回折格子や他の回折要素、フード(hood)、及び/又はレンズもまた、必要に応じて放射光または受光光を向けるように、基板上に一体的に製作したり、またはチップに近接して配置してもよい。
本発明の一形態では、モノリシックに集積したフォトニックチップが、半導体検出器エピタキシャル構造を搭載した基板を含んでおり、半導体レーザ構造が、知られた成膜技術を用いて該検出器構造の上にエピタキシャル成長している。水平キャビティ面発光レーザ(HCSEL)が、エッチング等で発光器構造に製作され、例えば、検出器構造を通って基板へ達するエッチングで形成された分離溝によって包囲されている
レーザに近接した検出器構造の表面は、覆っているレーザ構造をエッチングで除去する等により露出して、レーザの発光端面を包囲し、溝によってそこから離れている検出器受光表面を形成し、レーザおよび検出器は共通の基板上に別々のメサを形成している。
レーザ表面での金属層は、既知の波長のレーザ光を発生するために、適切なバイアス電圧をレーザ構造へ印加するための電気コンタクトを提供する。面発光レーザは、光ビームを上向きにして、外部レンズを通って外部光ファイバへ向ける光源として機能する。ファイバはまた、第2波長の光をチップに向けてもよく、この受光した光はレンズを下向きに通過する。
受光した光は、レーザが放射する光とは異なる波長であるため、レンズは、受光した光をレーザへ集光しなくなるが、到来する光はレンズによってレーザ光源を囲む領域に向くようになり、検出器構造によって受光される。
本発明の他の実施形態では、モノリシックに集積したチップは、2つの重なったエピタキシャル成長した検出器構造を含み、単一の発光器層が上部検出器構造の上に積み重なっている。面発光レーザは、エッチング等により、チップ上のレーザ構造に形成されたメサ上に製作され、周囲の検出器メサから溝によって分離している。そして、レーザメサを囲む発光器層は、周囲の2構造検出器メサの表面から除去される。レーザは、上述したように、レンズを通って光ファイバに向くことがある第1波長の光を放射するように通電される。
しかしながら、本実施形態では、2つの検出器構造は、光ファイバから第2波長および第3波長の光をそれぞれ受光可能である。発光器端面の周りに面発光レーザの側面に沿って、レーザの発光器端面を実質的に囲むような検出器メサの設置は、単一の光ファイバに対するレーザおよび検出器の双方向結合を最適化する。
第1検出器は、レーザ出力に対応した光を吸収するように設計可能であり、これによりレーザと第2検出器との間の光学分離(isolation)を向上できる。
本発明の更なる他の実施形態では、フォトニックチップが、チップの一端で面発光レーザを組み込み、チップの他端で表面受光検出器を含んでいる。外部コンポーネントを使用して、このフォトニックチップがレーザからの光をファイバに結合できるようにしてもよく、同じファイバからの光が表面受光検出器または複数の表面受光検出器に向くようにしてもよい。
本発明の更なる他の実施形態では、複数の面発光レーザを、個々のメサに側面ごとに製作して、チップ上のレーザ構造アレイとしてもよく、アレイの各レーザは異なる波長の光を放射する。同様に、複数の個々の検出器を個々のメサに側面ごとに製作して、検出器構造としてもよく、各検出器は別個の波長の光を受光できる。
発光器および検出器は、任意であるが、プリズムなどの外部回折要素および、必要ならば適切なレンズを通じて単一の光ファイバと結合してもよい。
端面発光レーザおよび、表面受光検出器または端面受光検出器は、モノリシックに集積した本発明の双方向フォトニックデバイスの製作で利用してもよい。一実施形態では、端面発光レーザは、メサの上にレーザ構造に製作され、反射器が、例えば、レーザ出射面に近接してレーザ構造内に製作され、放射した第1波長の光を垂直上向きに向ける。反射器は、平坦または湾曲した反射器表面を有し、光を上向きに外部レンズを通じて光ファイバへ向ける。反射器は、レーザメサから分離したメサの上にあり、光ファイバから第2波長の光を受光する露出した表面受光検出器構造によって囲まれている。
他の実施形態では、反射器表面は、第1波長のレーザ光を反射するが、第2波長の受光光を通過させ、反射器本体を通って下地の検出器構造へ向けるダイクロイックコーティングを含む。
複数の端面発光レーザをチップ上のレーザ構造内にアレイ状に製作して、対応する波長の光を、プリズムや回折格子などの回折要素を用いて外部の光ファイバへ向けるようにしてもよい。アレイはまた、検出器構造で別個のメサ上に製作された複数の端面受光検出器を含んで、光ファイバから異なる周波数の光を受光するように配置してもよく、これにより本発明に係る、モノリシックに集積したアレイ状のレーザおよび検出器チャネルを提供できる。
前述の実施形態において、各レーザデバイスにはモニタ光検出器(MPD)を設けて、対応するレーザによって発生した光の強度を検出するようにしてもよい。MPDは、レーザの光軸と整列してレーザエピタキシャル層に製作してもよく、あるいは光検出器エピタキシャル層に表面受光検出器として製作してもよい。後者の場合、適切な光偏向器またはフードを設けて、放射したレーザ光をMPDの表面に向けるようにしてもよい。
本発明の前述し、追加の目的、特徴および利点は、添付図面とともに、下記の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかとなろう。
本発明のより詳細な説明に関して、図1には、基板16の上に、互いに積み重なった第1および第2のエピタキシャル層または構造12,14を組み込んだ2層エピタキシャルチップ10を示している。第1の構造またはフォトニック素子12は、通常の方法で基板上にエピタキシャル成長した半導体材料であり、選択した波長帯の光に感度を有する光検出器を形成している。第2の構造またはフォトニック素子14は、やはり通常の方法で第1構造12の上にエピタキシャル成長した他の半導体材料である。この第2構造は、レーザが製作可能な活性領域を組み込んでいる。
先行技術で知られているように、基板16上の構造は、例えば、適切にドープされたタイプのIII−V族化合物またはその合金(alloy)で形成してもよい。構造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法(MBE)などのエピタキシャル成長プロセスによって成膜された連続層でもよい。
典型的には、これらの構造は、InP基板の上に、次の層、即ち、pドープInPバッファ層、pドープInGaAsコンタクト層、pドープInP遷移(transition)層、アンドープまたは、意図的にドープしていない、または極めて軽くドープしたInGaAs検出層、nドープInP層、nドープInGaAsn−コンタクト層、を含むものでもよい。InP基板は、Feドープしたものでもよく、これは半絶縁性(SI)であり、同じ基板上に製作した所望のデバイス間の良好な電気分離を可能にする。
第2構造14は、構造12の上面に、MOCVDまたはMBEプロセスによって成膜された連続層でもよく、活性領域を組み込んだ光学キャビティを形成する。本発明に従って、他のタイプのレーザキャビティが製作可能であるが、ここでは便宜上、本発明をリッジレーザに関して説明している。固体リッジレーザでは典型的であるように、エピタキシャル構造14は、中心の活性領域で用いられるものより低い屈折率の半導体材料で形成された上側および下側クラッド領域を含む。これらのクラッド領域は、例えば、InPで形成してもよく、一方、中心の活性領域はInAlInGaAsベースの量子井戸およびバリアを用いて形成してもよい。InGaAsPの遷移層を上部クラッド領域の上に形成して、pドープInGaAsコンタクト層を構造14の上部に形成してもよい。コンタクト層は、デバイスをバイアス源と接続するため、構造14の上に成膜した上部金属層でオーミックコンタクトを提供する。
エピタキシャル構造12,14は、幾つかの成長層を共有して、構造間の界面が両方にとって共通にしてもよい。代替として、構造12でのドーパントを反対にして、nドーパントを持つ層が、最初にSI−InP基板などの基板上に成長するようにしてもよい。説明した層は、構造12において、特定の波長範囲や波長帯で動作する、例えば、p−i−nダイオード検出器やアバランシェ光検出器などの高感度の検出器の製作、そして構造14において、選択した波長で光を放出することが可能な面発光レーザまたは端面発光レーザの製作を可能にする。
本発明の第1実施形態において、図2と図3に示すように、モノリシックフォトニックデバイスまたはチップ20は、チップ10の個々の構造12,14において別個のメサにモノリシックに製作した集積レーザ22および集積検出器24を組み込んでいる。電気的分離を強化するために、半絶縁性基板の場合、エピタキシャル層を通って基板に至るエッチングにより、メサを形成することが望ましい。
レーザ22は、通常のマスキングとエッチング技術によって構造14に形成され、例えば、上面26、メサ側壁28,30(図3参照)、第1端32および第2端34を有する細長い水平リッジ型光学キャビティを含むHCSELデバイスを製造する。角度付き内部全反射面35が第1端32に形成され、レーザ22の活性領域36内を伝搬する光をレーザ光学キャビティから上部放出面を通って上向きに直接出力する。光学キャビティの第2端34は、垂直反射面で形成され、光学キャビティでのレーザ動作を可能にする。
端32での角度付き面35は、構造14を下内側方向に、上面26に対してほぼ45度でエッチングを行うことによって製作され、光学キャビティの光軸に沿って発生した光が、面26および水平レーザでの活性材料の面36に対してほぼ垂直な方向に放射して、放射された光ビームが矢印37で示す方向に上向きに進むようになる。放射された光は、キャビティ内部の反射に起因して、ある角度で分散し、出力ビームの限界はおおよそ矢印38で示している。レーザ22および光検出器24は、後述するように、この配置では互いに電気的かつ光学的に分離している。
レーザの第2端34での端面は、レーザキャビティ22の長手方向の光軸に対して90度に形成される。レーザの第2端に近接して、モニタ光検出器(MPD)40が、通常のマスキングおよびエッチングプロセスによってレーザエピタキシャル構造に形成され、同時に、レーザ光学キャビティ22はマスクされエッチングされ、リッジ42を形成する。リッジレーザは、構造14での活性領域36の上方に端32,34の間に延びており、リッジは、レーザの発光器端部で、図3の符号44のように幅広になって、角度付き面35の上方に開放エリアを設けて、円形または楕円である放射ビーム37が歪みなしで光学キャビティを出るようになる。
リッジの上部は、金属などの導電性材料46でコートされ、適切なバイアス電圧によってレーザの通電を可能にする。この導電性あるいは金属被覆層は、典型的には、上述したように、InGaAsなどの低いバンドギャップ半導体であるレーザ構造の上部層にコートされ、金属被覆層とのオーミックコンタクトを可能にする。必要に応じて、アパーチャ48を構造14の上部層に形成して、放射光を吸収する可能性がある材料を除去してもよい。
検出器24も、レーザ22およびMPD40を形成するマスキングおよびエッチングプロセスの一部として製作する。図示したように、レーザ22の周りに光検出器エピタキシ構造12を配置する構造14の一部が除去され、構造12上面50を露出させる。そして、レーザ22に接近し包囲する領域において構造12がエッチングされ、レーザ22を光検出器構造12から分離する溝52(図3)を形成する。溝52は、好ましくは、短い距離で基板16内まで延びており、分離したレーザメサおよび検出器メサを基板上に作成する。検出器24は、図2と図3に示すように、層12の後方部分を除去することによって整形して、検出器メサを面35の上方にある放射面を包囲する領域に限定してもよい。
フォトニックデバイス20からの光出力37は、レンズ62を用いて光ファイバ60などの外部の受光器/光源と結合してもよい。色収差のため、こうしたレンズは特定波長の光を集光するが、異なる波長の光を集光しない。本発明ではこの能力を使用して、レーザ22によって発生した出射光37(例えば、1310nmの波長を有するビーム)を、矢印38,64で示すように、ファイバ60の端面に集光させている。出射光とは異なる波長の入射光66(例えば、1490nm)は、ファイバ60から受光され、矢印64で示すように、レンズ62に向くようになる。その波長のため、この受光した光は、ビーム限界矢印70で示すように、レンズ62できちんと集光されない。その結果、入射する光は、レーザ22の発光器端部に集光されずに拡がっており、図3の破線で示す領域72において検出器50の上面に入射する。レーザメサおよび検出器メサの好ましい設計は、レーザの発光器領域を検出器50の中心に位置決めし、溝52によって分離されるように機能する。
入射光66が出射光37とほぼ同じ波長である場合(例えば、両方とも約1310nm、)、レーザとレンズを通してファイバとの間の結合での不整合が、検出器50での光検出を可能にする。
本発明の第2実施形態は、図4に示しており、チップ78は、3つのエピタキシャル層または構造、即ち、基板86の上に製作された検出器80,82およびレーザ84を含む。層84は、図2について上述したように、基板の上面と平行な面内に活性領域を組み込むように製作され、一方、層80,82は、異なるバンドギャップで製作され、選択した波長の光に応答する光検出器を形成する。こ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コモン層を共有してもよい。例えば、高ドープ半導体層を検出器層80,82の間に導入してグランドプレーンを提供し、電気分離および高速性能を改善できる。
図5に示すようなモノリシックに集積されたフォトニックデバイス90は、図2と図3のデバイスについて上述した方法で、チップ78から製造してもよい。この場合、HCSELレーザ導波路またはキャビティ92は、マスキングおよびエッチングにより、レーザ構造84内に製作され、エッチングは、図3の溝52などのように、両方の検出器構造80,82を通って基板86の上部まで下向きに延びる溝を形成し、レーザ92および周囲の検出器は別個のメサの上に配置される。
レーザ92の発光器端面は、エッチングされて、レーザ内を伝搬する光を上向きに反射させて、レーザ上面から出射するようにした角度付き面94を形成する。放射した光ビーム96は、限界矢印98で示すように発散することがあり、矢印104で示すように、光ファイバなどの入出力デバイス102に光を集光するレンズ100へ上向きに向く。
レーザ92の形成の際、レーザ構造またはレーザ84は、検出器構造82の上面110から除去され、レーザの発光器端面を包囲する領域において表面受光検出器層80,82の上面を整形し、露出させる。ファイバ102からフォトニックデバイス90で受光された入力光ビーム114は、放射ビーム96と異なる波長であり、従って、レンズ100によって面94には集光されず、図2と図3のデバイスについて説明したように、矢印114で示すように、レンズによって検出器構造82の表面110に向かうようになる。
検出器構造82は、この受光ビームの波長に応答し、検出器82に接続された電極(不図示)によって適切な出力を生成する。さらに、フォトニックデバイス90は、ファイバ102で維持されるさらに他の波長の第2の入力ビーム116に応答できる。この第2の入力ビームも、矢印116で示すように、レンズ100によって検出器構造82の表面110に向かうようになるが、この検出器構造82はそれには応答しない。代わりに、第2ビームの光が、矢印116で示すように、構造82を通過し、下にある検出器構造80に到達してビームを受けて、これに応答し、対応する出力を適切な電極(不図示)に生成する。
フォトニックデバイス90は、トリプレクサ(triplexer)とも称され、例えば、1310nm±40nmの範囲の波長を有する光を放射し、一方、検出器80が1550nm±10nmの範囲の波長を有する光に応答し、検出器82が1490nm±10nmの範囲の光を受けるように、検出器層80,82のバンドギャップを選択できる。こうして検出器82のバンドギャップは、1520nm未満の光を検出し、より長い波長を有する光が通過して、下にある検出器構造80に到達するように選択できる。
検出器構造80は、ブロードバンドの検出器でもよく、あるいは、1580nm未満の波長を有する光を受けるように最適化したバンドギャップを有する検出器でもよい。この検出器構造は、検出器82を用いることにより、レーザ92と検出器80との間の光学的分離の改善を提供し、レーザ92からの不要光を阻止するためにも用いられ、こうした光が検出器80に到達するのを防止している。例えば、レーザが光を1310nm±40nmの波長で放射している場合、検出器82において、アンドープまたは、意図的にドープしていない、または極めて軽くドープした検出層が、デバイス90の動作温度範囲について1350nmより短い波長の光を取り込むように設計されたバンドギャップを有するものであり(InGaAsPで形成)、このことはレーザ出力が検出器80に到達するのを防止するであろう。
しかしながら、この例では、入射する光116の波長が約1490nm±10nmである場合、検出器82を検出されずに通過し、検出器80に到達して検出されるであろう。アンドープまたは、意図的にドープしていない、または極めて軽くドープした、検出器80の検出層のバンドギャップは、このシナリオについてはInGaAsで形成できるであろう。
上述の実施形態は、単一のレーザ発光器配置および、レーザ発光器を包囲する単一の検出器配置を示したが、本発明の集積化フォトニックデバイスは、例えば、図6の平面図で示すように、単一のチップ上に、複数のレーザ配置および複数の検出器配置を組み込んでもよいことは明らかであろう。
この図では、フォトニックチップ130が、上述のように、エピタキシャルレーザ構造内に製作した、HCSELなどの水平キャビティ面発光レーザ134,136,138,140のアレイ132を組み込んでいる。該レーザは、ほぼ平行な光放射チャネルを形成するように図示しているが、他のチップ構造設計も使用できる。好ましくは、HCSELレーザの発光器表面142,144,146,148はそれぞれ、これらの出力ビームを上向きにして、図7に示すように、プリズム152、レンズ154,155などの適切な外部光学系を用いて、共通の入出力ファイバ150へ向けるのが便利なように一緒にグループ化されている。
チップ130は、図1〜図5について上述した方法で、ファイバ150からの光を受光するように、各レーザの発光器端面の周りに製作された表面受光検出器を含んでもよい。代替として、図6に示すように、表面受光検出器162,164,166,168のアレイ160は、発光器に近接した場所に設けて、入出力ファイバ150からの入力光を受けるのが便利なようにグループ化してもよい。ここでもチップの表面構造は、図面に示したものから変化させてもよい。
図示したように、MPDデバイスは、符号172,174,176,178で示すように、チップ130上の各レーザを監視するために設けてもよく、必要に応じて、知られた方法で、適切なボンディングパッド180およびグランドライン182を設けてもよい。本発明の先の実施形態のように、レーザ132は、第1エピタキシ構造内にモノリシックで製作し、一方、検出器は、共通基板上に第2エピタキシ構造内に製作される。アレイ132での各レーザは、光を異なる波長帯で放射するように製作してもよく、例えば、面発光レーザ134,136,138,140は、1470nm,1490nm,1510nm,1530nmの光をそれぞれ放射してもよい。同様に、検出器162,164,166,168は、例えば、1550nm,1570nm,1590nm,1610nmの各波長帯の光を検出してもよい。
隣接したCWDMチャネル間のチャネル間隔が約20nmである低密度波長多重(CWDM:Coarse Wavelength Division Multiplex)などの応用での使用では、アレイ132でのレーザ間で大きな波長変化を有するために、上述したように、第1または上部のエピタキシ構造であるレーザ構造の活性領域は、適切な波長を持つレーザがレーザアレイ用に製作可能なように、変更したバンドギャップを有する必要がある。これは、第1エピタキシャル構造を形成するための多くの知られたプロセスのうちの1つ、例えば、不純物フリーの空格子(vacancy)拡散または多重エピタキシャル成長によって実施される。
本発明のモノリシックに集積した発光器および検出器はまた、これから参照する図8〜図15に示したように、表面受光検出器を伴う端面発光レーザ(EEL)として製作してもよい。図8の側面図に示すように、こうしたレーザ/検出器チップ200は、好ましくは、例えば、エピタキシャルレーザ層204に製作したファブリ−ペロ(FP)レーザなどの端面発光レーザ202と、エピタキシャル検出器層208に製作した表面受光検出器206とを含み、両方とも基板210の上に形成される。
レーザおよび検出器は、好ましくは、上述したようなマスキングおよびエッチング技術によって形成され、この構成では、反射ベース要素212がレーザに近接して設けられ、光軸と整列し、レーザ202の一端での発光器面214から間隔をあけている点で相違している。これは端面発光レーザであるため、面214は、基板210の表面に対して垂直である。
ベース要素212は、図8に示すように、レーザ202のその活性領域での光軸218と整列した第1反射面216を含んでもよく、あるいは、図9に示すように、光軸218と整列した湾曲した反射面220を含んでもよい。レーザ202の面214から放射された光ビーム230は、表面216または表面220によって偏向され、レンズ232などの適切な外部光学系を通じて光ファイバ234に到達する。
ベース要素212および表面216,220は、半導体レーザ層および光検出器層のリソグラフィおよびエッチングによって製作してもよい。図10に示すように、図1〜図5について上述した方法で、検出器層206は、エッチング等によってベース要素212を包囲するように整形され、光ファイバ234から受光される光244は、レンズ232によって検出器の表面上に点線246で示す領域(図10)に向くようになる。
代替として、ベース要素212は、例えば、シリコンの電子ビーム成長により、リフトオフプロセスを介して製作してもよく、検出器層206の上部に、EEL202の出力をチップ表面に対して垂直な方向に反射するのに好都合な構造を設けてもよい。
他の代替物は、図11のフォトニックデバイス248に図示しており、端面発光レーザ250が、基板254の上に表面受光検出器252と共に集積され、反射ベース要素256が検出器の表面上に搭載され、あるいは表面上方に位置決めされる。ベース要素256は、平坦または湾曲した表面260と、表面260上にあるダイクロイックフィルタ262とを含む。フィルタは、一方の波長帯を反射し、他方の波長帯を通過させるように設計された、表面260上の多層コーティングでもよい。
例えば、レーザ250の面266から放射されたビーム264は、1310nm±40nmの波長帯を有し、本質的にs偏光したものでもよい。ビーム264は、レーザの光軸に対して45度の角度であるフィルタ262表面に向けられ、ほぼ全てが上向きに反射して、レンズなどの外部光学系266を通って光ファイバ268に向かうようになる。
光ファイバからフォトニックデバイス248に向けて入射する光270は、例えば、1490nm±10nmの波長帯を有してもよい。この光もまたフィルタ262に対して45度の角度で向かうが、この波長の光はほぼ全てがフィルタを透過してベース256を通過して検出器252に到達する。図12の平面図に示すように、受光した光270は、点線272の内側であるフォトニック検出器252の一部に向かう。これは、ベース要素256の下方にある領域を含み、より大きな検出エリアを提供し、受光した光に対してより大きな感度を提供する。
典型的なダイクロイックフィルタの反射−波長の挙動を図13にカーブ280,282で示している。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つの層を使用して、通常の設計技術を用いてフィルタを製作した。
図14と図15は、レンズやプリズムなどのオンチップ光学要素とともに、チップ上に集積された端面発光レーザのアレイおよび端面受光検出器のアレイを示す。図14では、端面発光レーザのアレイ290および端面受光検出器のアレイ292が、共通の基板上に個々のエピタキシャルレーザ構造およびエピタキシャル検出器構造内に製作されている。オンチップのレンズ294,296およびプリズム298が、米国特許第6653244号に記載されたプロセスを用いて、アレイ290,292でのレーザおよび検出器の光軸と整列するように製作され、レーザから放射された光300を光ファイバ302へ向けている。同様に、光学要素は、光ファイバ302からの受光光304を検出器のアレイ292に向けている。
代替として、図15に示すように、オンチッププリズム298はオンチップ回折格子306と置換して、間隔が接近した波長についてより大きな分散を可能にしている。異なる光波長について間隔が接近したレーザチャネルの他のアレイは、チップの構造を変更することよって、同一の第1エピタキシャル構造の上に形成してもよい。
図16は、上述したフォトニックデバイスの変形した形態を示す。上述のデバイスの各々では、モニタ光検出器(MPD)をレーザの光軸と整列するようにレーザキャビティの一端に図示して、レーザと同じ材料でモノリシックに製作している。例えば、図8のデバイスでは、MPD310がレーザエピタキシャル層204内に製作されている。図示したように、モニタ光検出器は、レーザの活性領域と整列した活性領域312を光軸218に組み込み、そして、レーザ202を製作するのに用いたリソグラフィおよびエッチングプロセスによって、層204内に製作される。
従って、MPDは、レーザの後側エッチング面316から離れて、これとほぼ平行なエッチング面314を組み込んでいる。後側面316は、通常、高い反射性で、レーザキャビティ202でのレーザ動作を得るようにしており、光の一部は放射され、面314に当たる。こうした光は、MPDデバイス310によって検出され、対応する出力をコンタクト層318,320に接続された適切な電極(不図示)上に発生する。
図示したように、MPDデバイスは、図10の平面図に示したように、レーザエピタキシャル層204および検出器エピタキシャル層208の両方を垂直にエッチングすることによって製作され、MPDをレーザから分離している。図8に示したように、ファイバ224から入射する光のコンタクト層320での吸収を防止するために、この層はベース要素212の下方から除去されている。
図16の実施形態では、フォトニックデバイス330は、上述したリソグラフィおよびエッチングプロセスによって、図1に示したチップ構造10の層14などのレーザエピタキシャル層内に製作されたレーザ332を組み込んでいる。このレーザは、図2、図3、図5、図6に示したような面発光レーザでもよく、あるいは、図8〜図12、図14、図15に示したような端面発光レーザでもよく、そして、面38からなどレーザから放射された光を、光ファイバ340などの外部光学系に伝送するために、例えば、偏向器334、レンズ336などの何れか所望の光学系を組み込んでもよい。フォトニックデバイスは、共通基板344上のモノリシックのレーザ−検出器フォトニックデバイスで利用する場合、上述したように、レーザの発光器端においてモノリシック検出器、例えば、検出器342などを組み込んでもよい。
図16の実施形態によれば、前の実施形態で示したMPDは、レーザ332の動作を監視するために、レーザエピタキシャル層14を用いる代わりに、検出器エピタキシャル層12(図1)を利用するように変更している。図示したように、フォトニックデバイス330は、レーザエピタキシャル層14をエッチング除去し、層12の上面352を露出することによって、検出器エピタキシャル層12にメサとして製作されたMPD350を組み込んでいる。
この上面は、層12のp−i−n活性領域354にあり、これは入射する光に感度を有し、MPD350に接続された適切な電極(不図示)上に電気出力信号を発生する。この構成は、矢印356で示すように、レーザの後側面358から放射される少量の光を検出することが可能である。図示したように、この光は広がるが、充分な光がMPD350の上面352に当たって、レーザ332によって発生する光の強度の効率的な監視を可能にする。
MPDを製作する場合、図17に示すように、エッチングを用いてレーザ層14を上面エリア352に渡って除去し、レーザから分離するように、MPD周辺にある検出器エピタキシャル層12を除去する。好ましくは、このエッチング工程は、レーザ332、偏向器334および検出器342のエッチングと同時に行い、その結果、フォトニックデバイスが基板上にモノリシックに製作される。検出器342およびMPD350は、両方とも層12内に製作され、好ましくは同時に製作され、フォトニックデバイス330のための2つの感光性の表面検出器を提供する。
図16は、図8で使用したものの代替の技術を示し、p−i−n領域354のコンタクト層が偏向器334の下方や発光器端から除去されておらず、本実施形態では、薄く保って、ファイバ340からの入射光の顕著な吸収を防止している。
図16のフォトニックデバイス330のためのより高感度のMPDを、図18の符号360で示しており、同様な要素は同様な符号である。この変形例では、MPD350のためにフード(hood)362を設けて、p−i−n活性領域354を保護し、面358から放射されたより多くの光を表面352へ向けている。フードは、湾曲して、レーザ構造332の上面364付近からMPD350の最も遠いエッジ366付近まで延びており、その曲率は、MPD表面に対して凹状であり、放射光を点線矢印368で示すように向けている。
フードは、例えば、Photoneece(登録商標)PWDC−1000 感光性ポリイミドなどのポリイミド370で製作され、これはレーザ332の発光波長でほぼ透明であり、堆積しパターン加工し硬化させる。ポリイミドの硬化の際、図示したように、丸くなって連続的な湾曲面を作成する。
そして、フードの表面は金属層372でコートされて、面358から放射された光をMPD350に向けるための反射性凹面を設ける。こうしてフードは、放射光をMPD350による検出のための表面352に向けて、レーザ332で発生した光の強度についての敏感なモニタを提供する。
さらに、金属被覆面の点で、フードは、後側面から放射された光をほぼ包含して、デバイス30内外で何れか不要な領域に到達するのを防止している。良好な電気分離を維持するために、金属層372はレーザ332と接触していない。
図18のフードの変形した形態は、図19に示しており、基板378の上にあるレーザ376を示している。図18のモニタ検出器360のための湾曲したフードは、角度付き面382を有するモニタ光検出器380のための偏向器で置換される。本実施形態において、レーザ376は、上述したように、端面発光レーザまたは面発光レーザでもよい。偏向器380は、角度付き面382によりレーザエピタキシャル構造内に製作される。モニタ光検出器388は、例えば、図2、図5、図8、図11について上述したように、メサとしてエッチングされ、検出器の上部は、好ましくは、基板378の表面に対して45度でエッチングされる。
角度付き面は、レーザの後側面384から放射された光を下向きに偏向して、検出用に検出器エピタキシ内に形成されたp−i−n光検出器388に当てる。コンタクト層386は、適切なドーピングのInGaAsで形成してもよく、充分な光がp−i−n光検出器388のi−領域に到達できるように薄くする必要がある。
図20は、本発明の他の実施形態390を、チップの一端398に面発光レーザ396を有し、チップの他端402に表面受光検出器400を有する半絶縁性基板394を含む、分岐したチップ392の形態で示す。モニタ光検出器404は、基板394の上に形成され、レーザの後側面を監視する。
図20は、レーザ396の発光器端面410の上方に離れた単一モード光ファイバ408などの単一ファイバとの光送受が可能なように、分岐したチップ392とともに使用できる外部コンポーネントの例も示している。出射面410の上方および検出器400の上方にそれぞれ離れたレンズ412,414が、レンズとファイバ408との間に配置されたダイクロイックプリズム416と共に用いられ、ファイバ408からの光が表面受光検出器400に向かうとともに、レーザ光420が出射面410からファイバ408に向かうようにしている。
シリコンをベースとしたレンズを図20に示しているが、他のタイプのレンズも使用できることは理解されよう。他のタイプの外部コンポーネントが分岐チップとともに使用可能であり、面発光HCSELレーザ396は、適切な反射器を有する端面発光レーザと置換してもよく、及び/又は、表面受光検出器400は、適切な反射器を備えた端面受光検出器と置換してもよいことも理解されよう。MPD検出器400は、表面受光検出器として示しているが、端面受光検出器を使用してもよいことは理解されよう。さらに、図18に示したようなフードを使用してもよい。
図21は、第3の表面受光検出器および図20と同様な外部コンポーネントを含むフォトニックデバイス390の変形バージョンを符号430で示しており、トリプレクサ(triplexer)の機能性を提供している。図示したように、本実施形態は、半絶縁性基板434の上に端面発光レーザ432を組み込んであり、ダイクロイックフィルタ438を有する反射器436が、図11の実施形態について上述した方法で、発光器端面440に近接し、検出器442の上方に位置決めされている。
MPD444は、レーザ432の後側面446に近接して配置され、遠方の検出器448が、基板434の上に、レーザ発光器が配置された端部から遠くにある基板端部に搭載されている。第1波長の光450がレーザから出て、レンズ454およびプリズム456の一端を通ってファイバ452と結合し、一方、第2波長および第3波長の光458,460がファイバからデバイス430に向かう。検出器444は、MPDであり、レーザの後側面446から放射された第1波長の光を検出する。ダイクロイックコート付き偏向器436の下方にある第2検出器442は、第2波長の光458を受光する。外部コンポーネントのダイクロイックプリズム456は、第3波長460を第3の表面受光検出器448に向ける。図21の外部コンポーネントおよびフォトニックデバイスにより実行される機能は、トリプレクサのものである。
本発明は、好ましい実施形態の観点で説明したが、下記請求項で記述されたような真の精神および範囲から逸脱することなく、変化および変更が可能であることは理解されよう。
Claims (30)
- 基板と、
前記基板上にある第1エピタキシャル構造と、
前記第1エピタキシャル構造の上に積み重なった第2エピタキシャル構造と、
前記第1エピタキシャル構造内に製作され、発光器端面と反射端面との間に延びる光軸を有する第1のエッチング面フォトニック要素と、
前記第2エピタキシャル構造内に製作され、前記エッチング面フォトニック要素の前記反射端面に近接した第2の表面受光フォトニック要素とを備えるフォトニックデバイス。 - 前記第2光検出器エピタキシャル構造内に製作された第3のフォトニック要素をさらに備える請求項1記載のデバイス。
- 第3のフォトニック要素は、前記エッチング面フォトニック要素の前記発光器端面に近接した光検出器である請求項2記載のデバイス。
- 前記第3のフォトニック要素は、前記光軸に整列し、前記第2のフォトニック要素から離れている表面受光検出器である請求項2記載のデバイス。
- 前記第2光検出器エピタキシャル構造内に製作され、前記エッチング面フォトニックデバイスの前記発光器端面に近接した第4のフォトニック要素をさらに備える請求項4記載のデバイス。
- 前記第1のエッチング面フォトニック要素は、レーザであり、前記第2の表面受光フォトニック要素は、レーザの動作を監視するように前記レーザの光軸と整列した光検出器であり、前記第3のフォトニック要素は、前記発光器端面において前記レーザ光軸と整列した光検出器である請求項2記載のデバイス。
- 前記レーザおよび前記光検出器は、前記基板上の別個のメサの上にある請求項6記載のデバイス。
- 前記第1のフォトニック要素の前記反射端面から放射された光を、前記第2のフォトニック要素と結合させるための光学要素をさらに備える請求項1記載のデバイス。
- 前記光学結合要素は、反射器を含む請求項8記載のデバイス。
- 前記反射器は、前記レーザと前記モニタ光検出器との間にある光学的に透明な充填材と、前記充填材の上にある反射コーティングとを備えたフードである請求項9記載のデバイス。
- 単一チップ上にモノリシックフォトニックデバイスを製作する方法であって、
基板の上に積み重なった第1および第2エピタキシャル構造を用意すること、
第1および第2エッチング面を有し、第1波長の光を放射する、少なくとも1つのレーザキャビティを前記第1構造内に製作すること、
前記第2エッチング面の反射率を変更して、高いレベルの光学反射率を設けること、
前記反射面によって放射された前記第1波長のレーザ光を検出するために、第1表面受光検出器を、前記第2エッチング面に近接して前記第2構造内に製作することを含む方法。 - 第2波長の光を受光し検出するために、第2検出器を前記第2構造内に製作すること、
前記第1波長の前記放射された光を、外部光学デバイスと結合させること、
前記外部光学デバイスからの前記第2波長の光を、前記第2検出器と結合させることをさらに含む請求項11記載の方法。 - 放射された光を前記第1検出器に向けるために、反射要素を前記第2エッチング面に近接して位置決めすることをさらに含む請求項11記載の方法。
- 反射要素を位置決めすることは、前記レーザから前記第1検出器まで延びるフードを製作することを含む請求項13記載の方法。
- 反射要素を位置決めすることは、
前記レーザの前記反射面と前記第1光検出器との間に光学的に透明な充填材を堆積すること、
前記充填材の上に反射層を堆積して、前記レーザから前記第1検出器まで延びるフードを形成することを含む請求項13記載の方法。 - 基板と、
前記基板上にある第1光検出器エピタキシャル構造と、
前記第1構造の上にある第2レーザエピタキシャル構造と、
前記第2構造内に製作され、第1波長の光を発生するためのレーザであって、前記第1波長の前記光を放射するための発光器端面を有し、反射端面を有するレーザと、
第2波長の光を検出するために、前記発光器端面に近接して前記第1エピタキシャル構造内に製作された第1光検出器と、
前記第1波長の光を検出して前記レーザの動作を監視するために、前記第1エピタキシャル構造内に製作された第2光検出器とを備えるフォトニックデバイス。 - 前記レーザからの光を前記第2光検出器へ向けるための反射器をさらに含む請求項16記載のフォトニックデバイス。
- 前記レーザによって放射された前記第1波長の光を受光するため、および前記第2波長の光を前記フォトニックデバイスに向けるための光ファイバと、
前記第2波長の前記光を前記第1光検出器に向けるための第1光学系とをさらに含む請求項17記載のフォトニックデバイス。 - 前記レーザから離れて前記第1構造内に製作され、第3波長の光を検出する第3光検出器をさらに含む請求項18記載のフォトニックデバイス。
- 前記光ファイバは、前記第3波長の光を前記フォトニックデバイスに向けており、
前記第3波長の前記光を前記第3光検出器に向ける第2光学系をさらに含む請求項19記載のフォトニックデバイス。 - 前記第1、第2および第3光検出器は、表面受光検出器である請求項20記載のフォトニックデバイス。
- 前記第1および第2光学系は、光を、前記光ファイバと前記第1および第3光検出器との間に向けるためのレンズを含む請求項21記載のフォトニックデバイス。
- 前記第2光検出器は、前記レーザの前記反射端面に近接して、前記第1波長の光を受光するための表面受光検出器である請求項18記載のフォトニックデバイス。
- 前記反射器は、前記レーザによってその反射端面で放射された光を前記第2光検出器に向けるための、湾曲した反射表面を有するフードである請求項23記載のフォトニックデバイス。
- 前記反射器は、前記レーザによってその反射端面で放射された光を前記第2光検出器に向けるための、前記第2構造に製作された45度ミラーである請求項23記載のフォトニックデバイス。
- 基板と、
前記基板上にある第1光検出器エピタキシャル構造と、
前記第1光検出器エピタキシャル構造の上にある第2光検出器エピタキシャル構造と、
前記第2光検出器エピタキシャル構造の上にあるレーザエピタキシャル構造と、
前記レーザエピタキシャル構造内に製作されたエッチング面レーザと、
前記第1光検出器エピタキシャル構造内に製作された第1受光検出器と、
前記第2光検出器エピタキシャル構造内に製作された第2受光検出器とを備えるフォトニックデバイス。 - 第1波長のレーザ光を放射する前記レーザと、
第2波長の光を検出する前記第1受光検出器とをさらに含む請求項26記載のフォトニックデバイス。 - 前記第2受光検出器は、前記第1受光検出器の上部に製作されている請求項27記載のフォトニックデバイス。
- 第3波長の光を検出する前記第2受光検出器をさらに含む請求項28記載のフォトニックデバイス。
- 前記第2受光検出器は、前記第1波長の光を実質的に吸収し、前記第2波長に対して実質的に透明である請求項28記載のフォトニックデバイス。
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