JP2010016241A - Light transmitting/receiving device and light transmission/reception system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光部と受光部とが同一基板上に形成された光送受信装置および光送受信システムに関する。 The present invention relates to an optical transmission / reception device and an optical transmission / reception system in which a light emitting unit and a light receiving unit are formed on the same substrate.
近年、急速な情報化に伴い、基幹通信網におけるデータ通信量が急増するのと同時に民生機器および端末におけるデータ通信量も急増しており、通信速度の高速化および通信容量の大容量化が求められている。そのため、従来、民生機器などには、電気信号による低速な通信方式が用いられており、基幹通信網には、発光素子である半導体レーザと受光素子であるフォトダイオードなどの光信号を電気信号に変換する素子とを用いた光通信技術が用いられていた。しかし、最近、基幹通信網にのみ用いられていた光通信技術を、民生機器などの電気信号による低速な通信方式が用いられていた機器へ広く普及させる傾向にある。 In recent years, along with rapid computerization, the data communication volume in the backbone communication network has increased rapidly, and at the same time, the data communication volume in consumer devices and terminals has also increased rapidly, and it is necessary to increase the communication speed and increase the communication capacity. It has been. For this reason, low-speed communication methods using electrical signals have been used for consumer devices, and optical signals such as semiconductor lasers that are light emitting elements and photodiodes that are light receiving elements are used as electrical signals for backbone communication networks. An optical communication technique using an element to be converted has been used. However, recently, there is a tendency to widely disseminate optical communication technology used only in the backbone communication network to devices that use a low-speed communication method using electrical signals such as consumer devices.
しかしながら、民生機器などでは、基幹通信網などと比較して低コスト化への要求が強い。そのため、単一のチャネルで非常に高速な発光素子および受光素子を民生機器などに利用することは、そのような発光素子および受光素子が非常に高価であること、および、周辺システムの高度化も必要であることなどの理由から、適していない。このため、民生機器などでは、単一の素子では比較的低速であるが波長または偏波などを多重化することにより通信容量を大容量化することが検討されている。民生機器などに利用される通信は比較的近距離であり、また、民生機器などは小型である必要があるため、通信用光源として面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を用いることが期待されている。また、信号の多重化の方法として複数の異なる波長を用いるWDM(Wavelength Division Multiplexing)などが一般的であるが、面発光レーザの構造上および製造方法上の特徴により、モノリシックな方法で複数の異なる波長を発生させることは非常に困難である。 However, consumer devices and the like have a strong demand for cost reduction compared to backbone communication networks and the like. For this reason, using light-emitting elements and light-receiving elements that are very fast with a single channel in consumer equipment and the like makes such light-emitting elements and light-receiving elements very expensive, and increases the sophistication of peripheral systems. It is not suitable because it is necessary. For this reason, it has been studied to increase the communication capacity of consumer equipment by multiplexing wavelengths or polarized waves although it is relatively slow with a single element. Since communication used for consumer devices and the like is relatively short distance, and consumer devices and the like need to be small, it is necessary to use a surface emitting laser (VCSEL) as a communication light source. Expected. In addition, WDM (Wavelength Division Multiplexing) using a plurality of different wavelengths is generally used as a signal multiplexing method. However, depending on the structure of the surface emitting laser and the characteristics of the manufacturing method, the WDM (Wavelength Division Multiplexing) is different in a monolithic manner. It is very difficult to generate a wavelength.
一方、1本の光ファイバを用いて相異なる偏波状態の光信号を同時に伝送する偏波多重方式では、偏波状態の数だけチャネルを増やすことができ、また、偏波状態の数だけ通信容量を増大させることが可能となる。また、偏波多重方式は、波長が同一でも利用可能であり、面発光レーザの出力光の偏波を制御することが可能であれば安価且つ高速な多重通信手段として非常に期待できる。偏波多重光信号を発生させる手段としては、次のような例が特許文献1に記載されている。図11(a)に示すように2つのレーザ装置の出力である水平偏波1001および垂直偏波1002と偏波保持光ファイバ1004とをそれぞれ結合させ、2本の偏波保持光ファイバを互いに偏波が90度異なる方向となるようにして偏波合波器1000の入力側に接続させる。偏波合波器1000の出力側に接続された偏波保持光ファイバ1004から取り出された信号は、互いに偏波が90度異なる2つの偏波状態の光信号を含む直交偏波多重光1003となる。
On the other hand, in the polarization multiplexing method that simultaneously transmits optical signals of different polarization states using a single optical fiber, the number of channels can be increased by the number of polarization states, and communication can be performed by the number of polarization states. The capacity can be increased. The polarization multiplexing method can be used even if the wavelength is the same, and if it can control the polarization of the output light of the surface emitting laser, it can be very expected as an inexpensive and high-speed multiplex communication means. The following example is described in
面発光レーザを用いたモノリシックな構造で特許文献1に示されているような構成を実現するためには、発光素子と受光素子とを同一基板上に集積化させる必要がある。発光素子と受光素子とを集積化させる手段としては、次のような例が特許文献2に記載されている。図11(b)に示すように、光送受信装置1100を構成する要素として、発光部1101とその下部に受光部1102とを積層して形成する方法が挙げられている。
しかしながら従来構造によれば、受光素子の上部に発光素子が積み重ねられて形成されているため、受光素子の大面積化に伴う低速度化という課題がある。また、このような構造では、発光素子の表面と受光素子の表面とに大きな段差が発生するため、高密度集積化を行う場合には、各々の素子の偏波を制御するために必要となる微小構造の加工が難しくなる課題がある。 However, according to the conventional structure, since the light emitting elements are stacked on the light receiving element, there is a problem that the speed is reduced as the area of the light receiving element is increased. Further, in such a structure, a large step is generated between the surface of the light emitting element and the surface of the light receiving element, so that it is necessary to control the polarization of each element when performing high density integration. There is a problem that it becomes difficult to process a microstructure.
本発明は前記従来の問題を解決し、部品点数が少なく且つ簡便な工程のみで偏波多重光信号の送信と受信とが可能な光送受信装置及び光送受信システムを実現することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to realize an optical transmission / reception apparatus and an optical transmission / reception system capable of transmitting and receiving a polarization multiplexed optical signal with only a simple process with a small number of components.
上記課題を解決するため、本発明は、光送受信装置の発光部から送信される光の偏波方向および受光部が受信する光の偏波方向を任意に制御する構成である。 In order to solve the above problems, the present invention is configured to arbitrarily control the polarization direction of light transmitted from the light emitting unit of the optical transceiver and the polarization direction of light received by the light receiving unit.
具体的には、本発明に係る光送受信装置は、基板上に発光部と受光部とを備え、受光部には不純物が高濃度に拡散された領域が設けられていることを特徴とする。 Specifically, the optical transmission / reception apparatus according to the present invention includes a light emitting unit and a light receiving unit on a substrate, and the light receiving unit is provided with a region where impurities are diffused at a high concentration.
本発明の光送受信装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成された少なくとも一つの発光部および受光部とを備えている。発光部と受光部とは、それぞれ、第1の反射鏡と活性層と第2の反射鏡とを有している。その第1の反射鏡はそれぞれ基板と活性層との間に配置され、その活性層はそれぞれ第1の反射鏡と第2の反射鏡の間に配置されている。そして、受光部の第2の反射鏡の一部分には、不純物が拡散された領域が設けられている。 The optical transceiver of the present invention includes a semiconductor substrate, and at least one light emitting unit and light receiving unit formed on the semiconductor substrate. The light emitting unit and the light receiving unit each include a first reflecting mirror, an active layer, and a second reflecting mirror. The first reflecting mirrors are respectively disposed between the substrate and the active layer, and the active layers are respectively disposed between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror. A region where impurities are diffused is provided in a part of the second reflecting mirror of the light receiving unit.
このような構成とすることにより、同一基板上に、発光部と受光部とが形成される。また、高濃度の不純物拡散を利用して受光部の受光面側の反射鏡を無秩序化しているので、受光部における反射率を低減することができ、その結果、受光部は受信した光を効率よく電気信号に変換することが可能となる。 With such a configuration, the light emitting unit and the light receiving unit are formed on the same substrate. In addition, since the reflecting mirror on the light receiving surface side of the light receiving unit is disordered by utilizing high-concentration impurity diffusion, the reflectance at the light receiving unit can be reduced, and as a result, the light receiving unit efficiently receives the received light. It can be often converted into an electrical signal.
本発明の光送受信装置では、第1の反射鏡と第2の反射鏡とはそれぞれ半導体多層膜であることが好ましい。 In the optical transceiver of the present invention, it is preferable that each of the first reflecting mirror and the second reflecting mirror is a semiconductor multilayer film.
このような構成とすることにより、発光部においては、非常に高い反射率を得ることができるので優れた特性の面発光レーザを実現することができる。また、受光部においては、不純物拡散により受光面側の反射鏡を無秩序化することにより反射率が低減され、その結果、受光効率を高めることが可能となる。 By adopting such a configuration, a very high reflectance can be obtained in the light emitting portion, so that a surface emitting laser having excellent characteristics can be realized. Further, in the light receiving portion, the reflectance is reduced by disordering the reflecting mirror on the light receiving surface side by impurity diffusion, and as a result, the light receiving efficiency can be increased.
本発明の光送受信装置では、発光部の表面と受光部の表面との段差が、発光部が発する光の波長以下であることが好ましい。 In the optical transceiver according to the present invention, it is preferable that the step between the surface of the light emitting unit and the surface of the light receiving unit is equal to or less than the wavelength of light emitted from the light emitting unit.
このような構成とすることにより、発光面と受光面が同一の高さとなり、製造工程を簡素化することが可能となる。また、レンズなどの光学系と組み合わせる際に発光部と受光部を容易に光学系と結合させることが可能となる。 By adopting such a configuration, the light emitting surface and the light receiving surface have the same height, and the manufacturing process can be simplified. Further, when combined with an optical system such as a lens, the light emitting unit and the light receiving unit can be easily combined with the optical system.
本発明の光送受信装置では、発光部および受光部の少なくとも一方には、間隔が発光部での発光波長以下となるように形成された微小構造が形成されていることが好ましい。 In the optical transmission / reception apparatus of the present invention, it is preferable that at least one of the light emitting unit and the light receiving unit has a micro structure formed so that the interval is equal to or less than the emission wavelength of the light emitting unit.
このような構成とすることにより、偏波多重通信または光学センサーを実現する上で必須となる、発光部の送信光および受光部の受信光のモード制御ならびに偏波制御等が可能となり、偏波制御光送受信装置(偏波が制御された光送受信装置)をモノリシックな構造で実現可能となる。 With such a configuration, it becomes possible to perform mode control and polarization control of the transmission light of the light emitting unit and the reception light of the light receiving unit, which is essential for realizing polarization multiplexing communication or an optical sensor. A control light transmission / reception device (an optical transmission / reception device whose polarization is controlled) can be realized with a monolithic structure.
本発明の光送受信装置では、微小構造は周期構造を有することが好ましい。 In the optical transceiver according to the present invention, it is preferable that the microstructure has a periodic structure.
このような構成とすることにより、フォトニック結晶が有するフォトニックバンドギャップ等を利用した発光部の送信光および受光部の受信光のモード制御ならびに偏波制御等が可能となり、優れた偏波制御光送受信装置を実現可能となる。 With such a configuration, it is possible to perform mode control and polarization control of the transmitted light of the light emitting unit and the received light of the light receiving unit using the photonic band gap etc. of the photonic crystal, and excellent polarization control An optical transceiver can be realized.
本発明の光送受信装置では、微小構造は金属で形成されていることが好ましい。 In the optical transceiver according to the present invention, the microstructure is preferably formed of metal.
このような構成とすることにより、周期構造を有する金属膜で観測される表面プラズモン共鳴効果等を利用した発光部の送信光および受光部の受信光のモード制御ならびに偏波制御等が可能となり、優れた偏波制御光送受信装置を実現可能となる。 By adopting such a configuration, it becomes possible to perform mode control and polarization control of the transmitted light of the light emitting unit and the received light of the light receiving unit utilizing the surface plasmon resonance effect observed in the metal film having a periodic structure, An excellent polarization control light transmitting / receiving apparatus can be realized.
本発明の光送受信装置では、微小構造は、発光部および受光部の少なくとも一方の表面上に形成されていることが好ましい。 In the optical transceiver of the present invention, it is preferable that the microstructure is formed on at least one surface of the light emitting unit and the light receiving unit.
このような構成とすることにより、発光部の送信光のモード制御および受光部の受信光の受信効率の向上等が実現可能となる。 With such a configuration, it is possible to realize mode control of transmission light of the light emitting unit, improvement in reception efficiency of reception light of the light receiving unit, and the like.
本発明の光送受信装置では、半導体多層膜はAl1−xGaxAsにより構成され、不純物はZnであることが好ましい。 In the optical transceiver of the present invention, the semiconductor multilayer film is preferably made of Al 1-x Ga x As, and the impurity is preferably Zn.
このような構成とすることにより、半導体多層膜がZnの拡散によって無秩序化されるので、第2の反射鏡は発光部の発光波長において透明な材料となり、その結果、受光部において受信効率の向上が実現可能となる。 By adopting such a configuration, the semiconductor multilayer film is disordered by the diffusion of Zn, so that the second reflecting mirror becomes a transparent material at the emission wavelength of the light emitting part, and as a result, the reception efficiency is improved at the light receiving part. Is feasible.
本発明の光送受信システムは、上記光送受信装置を用いて直線偏波方向が互いに異なる複数の光信号を伝送する。 The optical transmission / reception system of the present invention transmits a plurality of optical signals having different linear polarization directions using the optical transmission / reception apparatus.
このような構成とすることにより、偏波多重光通信システムおよび対象物の偏波依存性を検出する光学センサー等が実現可能となる。 With this configuration, it is possible to realize a polarization multiplexed optical communication system, an optical sensor that detects the polarization dependence of an object, and the like.
本発明に係る光送受信装置によれば、部品点数が少なく、且つ簡便な調整のみで実装が容易で、さらには、信頼性の高い偏波多重光信号の送信および受信が可能な双方向光送受信システムを実現することができる。 According to the optical transmission / reception apparatus according to the present invention, the bidirectional optical transmission / reception has a small number of components, can be easily implemented only by simple adjustment, and can transmit and receive a polarization multiplexed optical signal with high reliability. A system can be realized.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る光送受信装置101について、図面を参照しながら説明する。図1(a)には第1の実施の形態に係る光送受信装置101の断面構成を示し、光送受信装置101は発光部120が送信光102を送信し受光部130が受信光103を受信する構成となっている。図1(b)には、第1の実施の形態に係る光送受信装置101における表面構成を示す。また、図2(a)〜(c)には、本実施形態の光送受信装置101の製造方法の断面構成を示す。また、図3(a)および(b)にはそれぞれ受光部130の上部多層膜反射鏡135に不純物拡散領域139を形成する前における屈折率および反射率を示し、図3(c)および(d)にはそれぞれ受光部130の上部多層膜反射鏡135に不純物拡散領域139を形成する後における屈折率および反射率を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
An
本実施形態の光送受信装置101は、図1(a)に示すように基板(半導体基板)10上に形成された発光部120および受光部130よりなる。発光部120および受光部130は、それぞれ、独立した電極を備え、独立に駆動が可能である。
The optical transmission /
次に、図1、図2および図3を用いて、本実施形態の光送受信装置101の構造、製造方法および動作原理について詳細に説明する。第1の実施の形態に係る光送受信装置101は、基板10上に発光部120および受光部130を有する。発光部120を構成する構造として、下地層121、下部多層膜反射鏡(第1反射鏡または第2反射鏡)122、発光層(活性層)123、電流狭窄層124、上部多層膜反射鏡(第2反射鏡または第1反射鏡)125、コンタクト層126、上部電極127および下部電極128を有し、受光部130を構成する構造として、下地層131、下部多層膜反射鏡(第1反射鏡または第2反射鏡)132、受光層(活性層)133、電流狭窄層124、上部多層膜反射鏡(第2反射鏡または第1反射鏡)135、コンタクト層136、上部電極137、下部電極138および不純物拡散領域139を有する。また、電流狭窄層124,134は、それぞれ、電流狭窄領域124a,134aと酸化物高抵抗領域124b,134bとを有する。
Next, the structure, manufacturing method, and operating principle of the
次に結晶成長により形成される構造について図2(a)を用いて説明する。基板10は半絶縁性のガリウムヒ素(GaAs)からなる。下地層21は基板10上にn型のGaAsを結晶成長することにより形成されている。下部多層膜反射鏡22は、n型のAl0.12Ga0.88As層とn型Al0.90Ga0.10As層とが交互に積層された多層膜である。なお、これらの半導体層には、n型の不純物としてシリコンがドーピングされている。各半導体層の膜厚はλ/4n(λは発光部120のレーザ発振波長であり、nは媒質の屈折率である)であり、34.5周期積層されている。
Next, a structure formed by crystal growth will be described with reference to FIG. The
活性層23は、ノンドープGaAs層からなる井戸層、Al0.30Ga0.70As層からなる障壁層、Al0.30Ga0.70As層からなる下部スペーサ層および上部スペーサ層が積層された量子井戸構造であり、井戸層の数は3周期である。なお、活性層23の膜厚はλ/nである。
電流狭窄層24は、p型Al0.98Ga0.02As層からなり、上部多層膜反射鏡25内のp型Al0.90Ga0.10As層の一部を置き換えるようにして構成されている。
The
上部多層膜反射鏡25は、p型Al0.12Ga0.88As層とp型Al0.90Ga0.10As層とが交互に積層された多層膜である。各半導体層には、p型の不純物としてカーボンがドーピングされている。各半導体層の膜厚はλ/4nであり、9.5周期積層されている。
The upper
コンタクト層26は、p型GaAs層からなり、電極との接触抵抗を低減するためp型不純物であるカーボンが1×1019cm−3以上の高濃度でドーピングされている。
The
発光部120は、発光部120を構成しているコンタクト層126、上部多層膜反射鏡125、電流狭窄層124、発光層123、下部多層膜反射鏡122および下地層121の一部を下地層121の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部と、基板10の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部によって周辺と隔てられ、直径が約20μm程度の円柱状の構造を有している。コンタクト層126表面の一部と接触するようにして上部電極127が形成され、下地層121の露出した表面の一部と接触するようにして下部電極128が形成されている。
The
受光部130は、発光部120の近傍に、コンタクト層136、上部多層膜反射鏡135、電流狭窄層134、受光層133、下部多層膜反射鏡132および下地層131の一部を下地層121が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部と、基板10の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部によって周辺と隔てられている。コンタクト層136の一部と接触するようにして上部電極137が形成され、下地層131の露出した表面の一部と接触するようにして下部電極138が形成されている。
In the
受光部130では、上部多層膜反射鏡135はp型であり、受光層133は不純物をドーピングしないi型(i型とはintrinsicすなわち半導体が本来持っている固有のキャリアを有することをいう)であり、下部多層膜反射鏡132はn型であるので、受光部130をpinフォトダイオードとして機能させることが可能である。
In the
受光部130は、図2(b)に示すように、コンタクト層136および上部多層膜反射鏡135の一部に高濃度の不純物がドーピングされた不純物拡散領域139を有する。上部多層膜反射鏡135は屈折率の異なる材料からなる多層膜構造を有しているが、この上部多層膜反射鏡135において亜鉛(Zn)に代表される不純物が高濃度に拡散されることにより上部多層膜反射鏡135の一部分が無秩序化され、ほぼ均一の組成を有する領域(不純物拡散領域139)が形成される。上部多層膜反射鏡135の一部分が無秩序化されることにより、受信光103の波長においてほぼ透明な材料となり、受光部130は受光層133で効率よく受信光103を受光することが可能となる。不純物を拡散させる方法は、熱拡散またはイオン注入などで可能である。不純物を拡散させる前には上部多層膜反射鏡135には高屈折率層と低屈折率層とが存在していたが(図3(a))、不純物の拡散によって高屈折率層と低屈折率層とが混晶化し、これらの界面が不明確になる(図3(c))。そのため、上部多層膜反射鏡135に不純物が拡散されていない従来の形態では上部多層膜反射鏡135は発光部120の発光波長λにおいて99%以上の反射率を有していたが(図3(b))が、不純物の拡散によりその反射率が半分以下に低減されることを確認した(図3(d))。
As illustrated in FIG. 2B, the
なお、図1(a)では、受光部130の上部多層膜反射鏡135の層数が発光部120の上部多層膜反射鏡125の層数と等しくなっているが、受光部130の上部多層膜反射鏡135の層数が発光部120の上部多層膜反射鏡125の層数より少なくなっていても良く、あるいは上部多層膜反射鏡135が無い構造としても良い。
In FIG. 1A, the number of layers of the
また、図1では、受光部130を構成する各層の表面は平坦に形成されているが、受光層133あるいは電流狭窄層134あるいは上部多層膜反射鏡135あるいはコンタクト層136の表面に凹凸が形成されていても良い。
In FIG. 1, the surface of each layer constituting the
また、図1では、発光部120の上部電極127および下部電極128ならびに受光部130の上部電極137および下部電極138をそれぞれ独立としたが、例えば発光部120の下部電極128と受光部130の上部電極137とを共通の電位とするような構造でも良い。
In FIG. 1, the
また、図1では、基板側をn型とし表面側をp型としたが、基板側をp型とし表面側をn型としてもよい。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る光送受信装置201について、図面を参照しながら説明する。図4(a)には第2の実施の形態に係る光送受信装置201の断面構成を示し、発光部220は送信光102を送信し、受光部230は受信光103を受信する構成となっている。図4(b)には第1の実施の形態に係る光送受信装置201における表面構成を示す。
In FIG. 1, the substrate side is n-type and the surface side is p-type, but the substrate side may be p-type and the surface side may be n-type.
(Second Embodiment)
An
本実施形態の光送受信装置201は、図4(a)に示すように基板10上に形成された発光部220および受光部230よりなる。発光部220および受光部230はそれぞれに独立した電極を備え、独立に駆動が可能である。
The
次に、本実施形態の光送受信装置201の構造、製造方法および動作原理について図4および図5を用いて詳細に説明する。第2の実施の形態に係る光送受信装置201は、基板10上に発光部220および受光部230を有する。発光部220は、を構成する構造として、下地層121、下部多層膜反射鏡122、発光層123、電流狭窄層124、上部多層膜反射鏡1125、コンタクト層126、上部電極127および下部電極128を有している。受光部230を構成する構造として、下地層131、下部多層膜反射鏡132、受光層133、電流狭窄層134、上部多層膜反射鏡135、コンタクト層136、上部電極137、下部電極138および不純物拡散領域139を有する。
Next, the structure, manufacturing method, and operation principle of the
次に結晶成長により形成される構造について図5(a)を用いて説明する。基板10は、半絶縁性のガリウムヒ素(GaAs)からなる。下地層21は、基板10上にn型のGaAsを結晶成長することにより形成されている。下部多層膜反射鏡22は、n型のAl0.12Ga0.88As層とn型Al0.90Ga0.10As層とが交互に積層された多層膜である。なお、下部多層膜反射鏡22には、n型の不純物としてシリコンがドーピングされている。各層の膜厚はλ/4n(λは発光部220のレーザ発振波長であり、nは媒質の屈折率である)であり、34.5周期積層されている。
Next, a structure formed by crystal growth will be described with reference to FIG. The
活性層23は、ノンドープGaAs層からなる井戸層、Al0.30Ga0.70As層からなる障壁層、Al0.30Ga0.70As層からなる下部スペーサ層および上部スペーサ層が積層された量子井戸構造を用いており、井戸層の数は3周期である。なお、活性層23の膜厚はλ/nである。
電流狭窄層24は、p型Al0.98Ga0.02As層からなり、上部多層膜反射鏡25内のp型Al0.90Ga0.10As層の一部を置き換えるようにして構成されている。
The
上部多層膜反射鏡25は、p型Al0.12Ga0.88As層とp型Al0.90Ga0.10As層とが交互に積層された多層膜である。上部多層膜反射鏡25には、p型の不純物としてカーボンがドーピングされている。各層の膜厚はλ/4nであり、9.5周期積層されている。
The upper
コンタクト層26は、p型GaAs層からなる。電極との接触抵抗を低減するため、コンタクト層26にはp型不純物であるカーボンが1×1019cm−3以上の高濃度でドーピングされている。
The
発光部220は、発光部220を構成しているコンタクト層126、上部多層膜反射鏡125、電流狭窄層124、発光層123、下部多層膜反射鏡122および下地層121の一部を下地層121の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部と、基板10の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部とによって周辺と隔てられ(図5(d))、直径が約20μm程度の円柱状の構造を有している。コンタクト層126表面の一部と接触するようにして上部電極127が形成され、下地層121の露出した表面の一部と接触するようにして下部電極128が形成されている。コンタクト層126表面の中心部には図4(a)および図5(c)に示すように第1の微小構造140が形成されている。第1の微小構造140は、中間層141と微小金属アレイ142とキャップ層143とを有している。本実施形態においては、微小金属アレイ142には開口が長方格子状に配置されており、短軸方向の格子間隔P1は375nm、長軸方向の格子間隔P2は525nmとなっている。短軸方向の格子間隔P1は、式(1)に示す表面プラズモン共鳴条件を満たしている。
The
0.9×P1≦λ×(i2+j2)1/2/(ε1ε2/(ε1+ε2))1/2≦1.1×P1
・・式(1)
ここで、λはレーザ光の波長、i及びjは負でない整数(0、1、2、・・・)、ε1は微小金属アレイ142の誘電率、ε2は微小金属アレイ142の上面又は下面と接する媒質の誘電率である。
0.9 × P 1 ≦ λ × (i 2 + j 2 ) 1/2 / (ε 1 ε 2 / (ε 1 + ε 2 )) 1/2 ≦ 1.1 × P 1
..Formula (1)
Where λ is the wavelength of the laser light, i and j are non-negative integers (0, 1, 2,...), Ε 1 is the dielectric constant of the
本実施形態においては、レーザ光の発光波長λは850nmであり、Agからなる微小金属アレイ142の誘電率ε1は−32であり、微小金属アレイ142はキャップ層143のSiNと接しているため周辺媒質の誘電率ε2は4である。さらに、(i2+j2)=1とすると、表面プラズモン共鳴条件を満たす開口の格子間隔Pの範囲は、式(1)から355nm〜435nmとなる。従って、本実施形態の開口の格子間隔は、表面プラズモン共鳴条件を満たしている。我々は、微小金属アレイ142およびの材料であるAgとキャップ層143の材料SiNとの表面プラズモン共鳴効果がAgとSiO2との共鳴よりもより強いことを実験的に見出しており、短軸方向の直線偏波光がより強く微小金属アレイ142を透過することができる。
In the present embodiment, the emission wavelength λ of the laser light is 850 nm, the dielectric constant ε 1 of the
このように微小金属アレイ142に表面プラズモン共鳴条件を満たすように開口を配置することにより、共振器内において発振した850nmの光が微小金属アレイ142の表面において表面プラズモンに効率良く変換される。また変換された表面プラズモンは微小金属アレイ142のキャップ層143側で再び光に変換され共振器外部に出射される。
Thus, by arranging the openings in the
受光部230は、発光部220の近傍に、コンタクト層136、上部多層膜反射鏡135、電流狭窄層134、受光層133、下部多層膜反射鏡132および下地層131の一部を下地層131が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部と、基板10の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部とによって、周辺と隔てられている(図5(d))。コンタクト層136の一部と接触するようにして上部電極137が形成され、下地層131の露出した表面の一部と接触するようにして下部電極138が形成されている。コンタクト層136の表面の中心部には、図4(a)および図5(c)に示すように、第2の微小構造150が形成されている。本実施形態においては、微小金属アレイ152は長方格子状の開口が設けられており、短軸方向の格子間隔P1は375nm、長軸方向の格子間隔P2は525nmとなっている。短軸方向の格子間隔P1は式(1)に示す表面プラズモン共鳴条件を満たしている。
In the
0.9×P1≦λ×(i2+j2)1/2/(ε1ε2/(ε1+ε2))1/2≦1.1×P1
・・式(1)
ここで、λはレーザ光の波長、i及びjは負でない整数(0、1、2、・・・)、ε1は微小金属アレイ152の誘電率、ε2は微小金属アレイ152の上面又は下面と接する媒質の誘電率である。
0.9 × P 1 ≦ λ × (i 2 + j 2 ) 1/2 / (ε 1 ε 2 / (ε 1 + ε 2 )) 1/2 ≦ 1.1 × P 1
..Formula (1)
Here, λ is the wavelength of the laser beam, i and j are non-negative integers (0, 1, 2,...), Ε 1 is the dielectric constant of the
本実施形態においては、レーザ光の発光波長λは850nmであり、Agからなる微小金属アレイ152の誘電率ε1は−32であり、微小金属アレイ152はキャップ層143のSiNと接しているため周辺媒質の誘電率ε2は4である。さらに、(i2+j2)=1とすると、表面プラズモン共鳴条件を満たす開口の格子間隔Pの範囲は、式(1)から355nm〜435nmとなる。従って、本実施形態の開口の格子間隔は、表面プラズモン共鳴条件を満たしている。我々は、微小金属アレイ142の材料であるAgとキャップ層143の材料SiNとの表面プラズモン共鳴効果がAgとSiO2との共鳴よりもより強いことを実験的に見出しており、短軸方向の直線偏波光がより強く微小金属アレイ152を透過することができる。
In the present embodiment, the emission wavelength λ of the laser beam is 850 nm, the dielectric constant ε 1 of the
このように微小金属アレイ152に表面プラズモン共鳴条件を満たすように開口を配置することにより、共振器内において発振した850nmの光が微小金属アレイ152の表面において表面プラズモンに効率良く変換される。また変換された表面プラズモンは微小金属アレイ152のキャップ層143側で再び光に変換され共振器外部に出射される。
Thus, by arranging the openings in the
発光部220では、上部多層膜反射鏡135はp型であり、受光層133は不純物をドーピングしないi型であり、下部多層膜反射鏡132はn型であるので、受光部230をpinフォトダイオードとして機能させることが可能である。
In the
なお、図5(a)では、受光部230の上部多層膜反射鏡135の層数が発光部220の上部多層膜反射鏡125の層数と等しくなっているが、受光部230の上部多層膜反射鏡135の層数が発光部220の上部多層膜反射鏡125の層数より少なくなっていても良く、あるいは上部多層膜反射鏡135が無い構造としても良い。
In FIG. 5A, the number of layers of the
また、図5では、受光部230を構成する各層の表面は平坦に形成されているが、受光層133あるいは電流狭窄層134あるいは上部多層膜反射鏡135あるいはコンタクト層136の表面に凹凸が形成されていても良い。
In FIG. 5, the surface of each layer constituting the
また、図5では、発光部220の上部電極127および下部電極128ならびに受光部230の上部電極137および下部電極138をそれぞれ独立としたが、例えば発光部220の下部電極128と受光部230の上部電極137とを共通の電位とするような構造でも良い。
In FIG. 5, the
また、図5では、基板側をn型とし表面側をp型としたが、基板側をp型とし表面側をn型としてもよい。 In FIG. 5, the substrate side is n-type and the surface side is p-type, but the substrate side may be p-type and the surface side may be n-type.
第1の微小構造140は円形状の開口が格子状に形成されているとしたが、開口に限らず凹凸でも良く、凹凸の形状は、出射光の波長よりも短い寸法であればどのような形でもよい。例えば、楕円形状、長方形状、正方形状、菱形状などであってもよい。また、ストライプ状の1次元周期構造であっても良い。
In the
第2の微小構造150は円形状の開口が格子状に形成されているとしたが、開口に限らず凹凸でも良く、凹凸の形状は、出射光の波長よりも短い寸法であればどのような形でもよい。例えば、楕円形状、長方形状、正方形状、菱形状などであってもよい。また、ストライプ状の1次元周期構造であっても良い。また第1の微小構造140に形成されている凹凸と直交する形で周期構造を形成することにより、発光部220の送信光102と受光部230の受信光103の偏波成分を直交させることが可能となる。
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る光送受信装置301について、図面を参照しながら説明する。
In the
(Third embodiment)
An
図6は第3の実施の形態に係る光送受信装置301の上面図を示す。本実施形態は、第2の実施の形態と構成がほぼ同じであり、異なる点は第1の微小構造340と第2の微小構造350との構成であり、他はほぼ同じであるため、異なる点についてのみ説明する。
FIG. 6 shows a top view of an
第1の微小構造340は、例えばアルミニウムなどの金属の細線が図面に対して縦方向に等間隔で並んでいるワイヤーグリッドであり、第2の微小構造350は、金属の細線が図面に対して横方向に等間隔で並んでいるワイヤーグリッドである。
The
この構成により第1の微小構造340から出射される光は図中縦方向の偏光方向を有する光となる。一方、第2の微小構造350で受光可能な光は横方向の偏光方向を有する光となる。これにより第1の微小構造340から出射された光が所定の光学部品以外で反射されて第2の微小構造350に到達した場合、その光が第2の微小構造350を透過して受光部330で受光されないため、送受信信号の低ノイズ化を実現することができる。
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態に係る光送受信装置401について、図面を参照しながら説明する。
With this configuration, light emitted from the
(Fourth embodiment)
An
図7は第4の実施の形態に係る光送受信装置401の上面図を示す。本実施は、実施例2とほぼ構成が同じであり、異なる点は第1の微小構造440と第2の微小構造450の構成であり、他はほぼ同じであるため、異なる点についてのみ説明する。
FIG. 7 shows a top view of an
第1の微小構造440は、図面に対して縦方向に例えばAgなどの金属膜に所定の間隔で微小開口穴が並んでいるホールアレイであり、第2の微小構造450も同様に例えばAgなどの金属膜に所定の間隔で微小開口穴が並んでいるホールアレイである。
The
この構成により第1の微小構造440から出射される光は図中縦方向の偏光方向を有する光となる。一方、第2の微小構造450で受光可能な光は横方向の偏光方向を有する光となる。これにより、第1の微小構造440から出射された光が所定の光学部品以外で反射されて第2の微小構造450に到達した場合、その光が第2の微小構造450を透過して受光部430で受光されないため、送受信信号の低ノイズ化を実現することができる。
(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態に係る光送受信システム500について、図面を参照しながら説明する。
With this configuration, light emitted from the
(Fifth embodiment)
An optical transmission /
図8は第5の実施の形態に係る光送受信システム500の概略的な斜視図を示す。本実施の形態は、上記第3の実施の形態の光送受信装置を2つ用いた光送受信システムである。光送受信システム500は、対面する位置に配置されている2つの光送受信装置501,光送受信装置551と2つのコリメートレンズ590,591とで構成される。光送受信装置501とコリメートレンズ590とは互いに所定の距離離れた位置に固定されており、コリメートレンズ590は光送受信装置501の送信部510から出射された光520を平行光に変換する。また、光送受信装置551とコリメートレンズ591とに関しても同様であり、コリメートレンズ591は送信部560から出射された光570を平行光に変換する。このとき、光送受信装置501の送信部510から出射される光は水平方向の偏光となっており、受信部511は垂直方向の偏光光のみ受信する。一方、光送受信装置551の送信部560から出射される光は垂直方向の偏光光であり、受信部561は水平方向の偏光光のみ受信する。コリメートレンズ590、591の間の距離は、任意の距離が可能である。
FIG. 8 is a schematic perspective view of an optical transmission /
光送受信装置501の送信部510から出射された水平方向の偏光光520aはコリメートレンズ590で平行光520bとなり空間中を伝搬する。コリメートレンズ591で受信された平行光520bは集光光520cとなり光送受信装置551の受信部561で受信される。一方、光送受信装置551の送信部560から出射された垂直方向の偏光光570aはコリメートレンズ591で平行光570bとなり空間中を伝搬する。コリメートレンズ590で受信された平行光570bは集光光570cとなり光送受信装置501の受信部511で受信される。このとき、例えば、送信部560から出射した偏光光570aの一部がコリメートレンズ591の表面で反射して受信部561に入射しても(図8に示す光585)、受信部561は水平方向の偏光光しか受信できないため、ノイズとなることはない。
The horizontally polarized light 520a emitted from the
上記の構成により、光送受信装置を用いた光送受信システムにおいて低ノイズ化が実現できることがわかる。
(第6の実施の形態)
本発明の第6の実施の形態に係る光送受信システム600について、図面を参照しながら説明する。
With the above configuration, it can be seen that low noise can be realized in an optical transmission / reception system using an optical transmission / reception apparatus.
(Sixth embodiment)
An optical transmission / reception system 600 according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図9は第6の実施の形態に係る光送受信システムの光送受信装置付近の斜視図である。本実施形態は、上記第5の実施の形態の光送受信システム500とは光送受信装置の構成が異なるだけであるため、その部分についてのみ説明する。
FIG. 9 is a perspective view of the vicinity of the optical transmission / reception apparatus of the optical transmission / reception system according to the sixth embodiment. This embodiment is different from the optical transmission /
図9(a)は、光送受信装置651と偏光回折格子素子695とを組み合わせたものであり、図8に示す上記第5の実施の形態の光送受信装置551と置き換え可能である。また、図9(b)は、光送受信装置601と偏光回折格子素子696とを組み合わせたものであり、図8に示す上記第5の実施の形態の光送受信装置501と置き換え可能である。偏光回折格子素子695,696は、それぞれ、偏光回折格子が表面に形成された光学素子であり、特定の方向の偏光光には回折格子として機能するが、その偏光光と垂直な方向の偏光光には回折格子として機能しないという特徴を持つ。
FIG. 9A shows a combination of the
具体的に、図9(a)では、光送受信装置651の送信部660から出射された垂直方向の偏光671を有する出射光670は偏光回折格子素子695を通過して、図示しないコリメートレンズに向かうが、このとき出射光670は偏光回折格子素子695で回折されない。一方、図示しないコリメートレンズから偏光回折格子素子695に入射してくる入射光620は、偏光回折格子素子695で回折されて、受信部661に入射される。
Specifically, in FIG. 9A, the
一方、図9(b)では、光送受信装置601も同様に送信部610から出射された垂直方向の偏光631を有する出射光630は偏光回折格子素子696を通過して、図示しないコリメートレンズに向かうが、このとき出射光630は偏光回折格子素子696で回折されない。一方、図示しないコリメートレンズから偏光回折格子素子696に入射してくる入射光680は、偏光回折格子素子696で回折され、受信部611に入射される。
On the other hand, in FIG. 9B, in the optical transmission /
上記のような構成において、光送受信システムの偏光回折格子からの出射光と入射光の光軸を同一にすることが可能になるため、より簡単に光送受信システムを構築することが可能となる。
(第7の実施の形態)
本発明の第7の実施の形態に係る光ピックアップシステム700について、図面を参照しながら説明する。
With the configuration as described above, it is possible to make the optical axes of the outgoing light and the incident light from the polarization diffraction grating of the optical transmission / reception system the same, so it is possible to construct the optical transmission / reception system more easily.
(Seventh embodiment)
An
図10は第7の実施の形態に係る光ピックアップシステムの概略的な構成図を示す。本実施の形態は、上記第3の実施の形態の光送受信装置を用いた光ピックアップシステムである。光ピックアップシステム700は、光送受信装置701に形成された発光部220から出力される送信光102を対物レンズ703と回折格子704とを介して光ディスク702に照射し、反射してきた受信光103を受光部230によって読み取る構成となっている。
FIG. 10 shows a schematic configuration diagram of an optical pickup system according to the seventh embodiment. The present embodiment is an optical pickup system using the optical transceiver of the third embodiment. The
上記の構成により、光送受信装置を用いた光ピックアップシステムにおいて低ノイズ化およびシステムの小型化が実現できることがわかる。 With the above configuration, it can be seen that low noise and small size of the system can be realized in the optical pickup system using the optical transceiver.
本発明に係る光送受信装置および光送受信システムは、低コスト且つ信頼性の高い動作が必要となる光通信用送受信装置として有用である。 The optical transmission / reception apparatus and optical transmission / reception system according to the present invention are useful as an optical communication transmission / reception apparatus that requires low-cost and highly reliable operation.
10 基板(半導体基板)
101,201,301,401 光送受信装置
120,220 発光部
21,121,131 下地層
22,122,132 下部多層膜反射鏡(第1の反射鏡または第2の反射鏡)
23,123 発光層(活性層)
24,124,134 電流狭窄層
124a,134a 電流狭窄領域
124b,134b 酸化物高抵抗領域
25,125,135 上部多層膜反射鏡(第2の反射鏡または第1の反射鏡)
26,126,136 コンタクト層
127,137 上部電極
128,138 下部電極
130,230,330,430 受光部
133 受光層
139 不純物拡散領域
140,340,440 第1の微小構造
150,350,450 第2の微小構造
141,151 中間層
142,152 微小金属アレイ
143,153 キャップ層
500,600 光送受信システム
501,551,601,651 光送受信装置
510,560,610,660 送信部
511,561,611,661 受信部
590,591 コリメートレンズ
695,696 偏光回折格子素子
700 光ピックアップシステム
701 光送受信装置
702 光ディスク
703 対物レンズ
704 回折格子
10 Substrate (semiconductor substrate)
101, 201, 301, 401 Optical transceiver
120,220 Light emitting part
21, 121, 131 Underlayer
22, 122, 132 Lower multilayer reflector (first reflector or second reflector)
23,123 Light emitting layer (active layer)
24, 124, 134 Current confinement layer
124a, 134a Current confinement region
124b, 134b oxide high resistance region
25, 125, 135 Upper multilayer reflector (second reflector or first reflector)
26, 126, 136 Contact layer
127,137 Upper electrode
128,138 Lower electrode
130, 230, 330, 430
133 Light-receiving layer
139 Impurity diffusion region
140, 340, 440 First microstructure
150, 350, 450 Second microstructure
141,151 intermediate layer
142,152 Micro metal array
143,153 Cap layer
500,600 Optical transmission / reception system
501, 551, 601, 651 Optical transceiver
510, 560, 610, 660 transmitter
511, 561, 611, 661 receiver
590,591 Collimating lens
695,696 Polarization diffraction grating element
700 Optical pickup system
701 Optical transceiver
702 Optical disc
703 Objective lens
704 diffraction grating
Claims (9)
前記半導体基板上に形成された少なくとも1つの発光部と、
前記半導体基板上に形成された少なくとも1つの受光部とを備え、
前記発光部と前記受光部とは、それぞれ、第1の反射鏡と、活性層と、第2の反射鏡とを有し、
前記第1の反射鏡は、前記発光部および前記受光部のそれぞれにおいて、前記基板と前記活性層との間に配置され、
前記活性層は、前記発光部および前記受光部のそれぞれにおいて、前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡の間に配置され、
前記受光部の前記第2の反射鏡の一部分には、不純物が拡散された領域が設けられていることを特徴とする光送受信装置。 A semiconductor substrate;
At least one light emitting part formed on the semiconductor substrate;
And at least one light receiving portion formed on the semiconductor substrate,
Each of the light emitting unit and the light receiving unit includes a first reflecting mirror, an active layer, and a second reflecting mirror,
The first reflecting mirror is disposed between the substrate and the active layer in each of the light emitting unit and the light receiving unit,
The active layer is disposed between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror in each of the light emitting unit and the light receiving unit,
An optical transmission / reception apparatus, wherein a part of the second reflecting mirror of the light receiving unit is provided with a region where impurities are diffused.
前記不純物はZnであることを特徴とする請求項1から7の何れか一つに記載の光送受信装置。 The semiconductor multilayer film is made of Al 1-x Ga x As,
The optical transmission / reception apparatus according to claim 1, wherein the impurity is Zn.
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JP2014216533A (en) * | 2013-04-26 | 2014-11-17 | 京セラ株式会社 | Light receiving/emitting element and sensor device using the same |
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