JP2664900B2 - 波長多重弁別型半導体受光素子 - Google Patents
波長多重弁別型半導体受光素子Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
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- H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
- H01L27/14645—Colour imagers
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、半導体受光素子に関し、特に波長の異なる
複数の光を１個のチップ上で弁別して受光する事が可能
な、波長多重弁別型受光素子に関するものである。 （従来の技術） 従来、光通信においては、単一光の変調による伝送方
式によっていた。ところが、より高密度及び高速度の伝
送方式として複数の波長の異なる光を用いた波長多重方
式が注目されている。この場合、発光素子（LDあるいは
LED）はもとより受光素子においても波長を弁別し各々
の信号を識別する機能が必要になってくる。 現在、よく知られている光通信用半導体受光素子とし
ては、例えばSi,Geあるいは、InP基板に格子整合したIn
0.53Ga0.47As層を光吸収層としたPIN型受光素子（例え
ばエレクトロニクス・レターズ（Electron,Lett.）198
4,20,pp653〜pp654に記載）、アバランシェ増倍型受光
素子（例えばアイイーイーイー・エレクトロン・デバイ
ス・レターズ（IEEE・Electron Device Lett.）1986,
７,pp257〜258に記載）などがある。PIN型受光素子は、
低容量及び製造の容易性から、アバランシェ増倍型受光
素子は内部利得効果及び高速応答性からそれぞれ注目さ
れている。 （発明が解決しようとする問題点） 第３図には、In0.53Ga0.47As層を光吸収層としたPIN
型受光素子の一般的な構造例を示す。アバランシェ増倍
型受光素子も構造としては、これに準ずるものである。
本図の受光素子は、ｎ型InP基板11上に、ｎ型InPバッフ
ァ層17,n型In0.53Ga0.47As光吸収層18及びｎ型InPキャ
ップ層19を順に積層した層構造から成り立っている。こ
の様な層構造に受光部であるｐ型領域20を形成し、ｎ型
およびｐ型オーミック用電極15及び16をそれぞれ設ける
事によって、PIN型受光素子の基本構造が得られる。本
図のPIN型受光素子では、光吸収層のバンドエネルギー
よりも大きなエネルギーを有する光が受光面に入射する
ことにより、In0.53Ga0.47As光吸収層18で吸収され電子
と正孔が発生し、逆電界によりキャリアが走行すること
によって、電流信号として得られる。 ところが、この様な構造において、波長の異なる光を
弁別して受光する機能を実現させる事は、１個の素子を
使う限りでは構造上困難である。何故なら発生した電流
を波長単位で識別する事がこの構造では容易ではないか
らである。 本発明の目的は、これらの問題点を解決して、複数の
異なる波長を有する光を弁別して受光する事のできる、
波長多重弁別型半導体受光素子を提供する事にある。 （問題点を解決するための手段） 本願発明の波長多重弁別型半導体受光素子は、半導体
基板上に互いに異なるバンドエネルギーを持つ光導波路
を複数有し、前記複数の光導波路は光信号の進行方向に
バンドエネルギーが順次小さくなるように配列され、前
記光導波路の一部と隣の光導波路の一部とにより方向性
結合器を形成し、前記光導波路ごとに電極が形成され、
各光導波路でバンドエネルギーより大きなエネルギーを
持つ波長を吸収し前記電極から信号を取り出し、小さな
エネルギーを持つその他の波長を導波することを特徴と
する。 （作用） 本発明は、上述の手段をとることにより、従来技術の
問題点を解決した。光導波路において光を外部にしみ出
させることなく光を導波する為には、導波層が屈折率の
より低いクラッド層により挟まれている必要がある。ま
た光導波路中で光が吸収されるか導波されるかは導波層
のバンドエネルギーによって決定される。つまりバンド
エネルギーよりも大きなエネルギーを有する光が入射し
た場合（波長としては短波長側）には吸収され、小さな
エネルギーを有する光が入射した場合（波長としては長
波長側）には導波される事になる。更に、上記光導波路
２個を〜数μｍ程度に近接させる事によってカップリン
グにより隣りの導波路に光が移行する事が知られている
（方向性結合器）。この場合、100％のカップリングが
得られる方向性結合器の長さを完全結合長と呼んでい
る。その完全結合長は、光導波路幅及び導波路間距離に
よって決定される。一般に短い完全結合長を必要とする
場合には、導波路間距離を狭くする必要がある。 この様な原理を背景として上記手段を講じると次の様
な作用が得られる。まず波長の異なる複数の光を第一の
導波路に入射させ第一の導波層のバンドエネルギーより
も大きなエネルギーを有する光は吸収されるが、他の光
は導波される。更に完全結合長を有する様な方向性結合
器をへて第一の導波層よりも小さなバンドエネルギーを
有する導波層に光は移行し、かつそのバンドエネルギー
よりも大きなエネルギーを有する光のみが吸収され、他
の光は更に導波していくことになる。以下同様にして、
光を弁別する事が可能であるが例えばＮ波の光を弁別し
て受光しようとすれば、バンドエネルギーの違う導波層
を有する導波路をＮ個、完全結合長を有する方向性結合
器は（Ｎ−１）個必要となる。 （実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に
説明する。第１図に本発明の一実施例である波長多重弁
別型半導体受光素子の平面図を示す。この実施例は、３
波の異なる波長を弁別する事を目的としており、その為
にバンドエネルギーの違う導波層を有する３個の光導波
路1,2,3及び完全結合長を有する２個の方向性結合器4,5
から成り立っている。 ここで光導波路1,2,3の光導波層（光吸収層）のバン
ドエネルギーをそれぞれEg1,Eg2,Eg3とする。いま、３
波の異なる波長を有した光10が入射してきたとする。こ
の場合、３波の波長をλ1,λ2,λ３とすると、それぞれ
の波長の光のエネルギーは２π／λ1,2π／λ2,2π／λ
３と示される。ここで３個の電極6,7,8から３波を弁別
して信号を得るには、作用の欄で説明した様に次式を満
たしている必要がある。 これにより、光導波路１では波長λ１の光が、光導波
路２では波長λ２の光が、光導波路３では波長λ３の光
が吸収され、各々、電極6,7,8から電流信号として得ら
れる。 第２図には具体例としてInxGa1-xAsyP1-y系の導波路
構造を示す。ｎ型InP基板11上にｎ型InPクラッド層12,n
型InxGa1-xAsyP1-y光導波層（光吸収層）13,p型InPクラ
ッド層14を形成し、エッチング除去する事により断面図
に示す様な導波路を形成している。さらにｎ型,p型オー
ミック用電極を設ける事により吸収した光を電流信号と
して取り出せる様になっている。ここでInxGa1-xAsyP
1-y層の屈折率はInPクラッド層の屈折率よりも大きく、
かつバンドエネルギーは小さいので光導波路としての条
件は満たしている。また光導波層（光吸収層）であるIn
xGa1-xAsyP1-y層は、ｘとｙをある特定の関係で変える
事により、InPに格子整合をとりながらバンドエネルギ
ーを1.35eVから0.73eVまで変える事ができる。これは波
長にして0.9μｍから1.7μｍに対応している。この様な
材料系を用いて第１図に示す様に、光導波層（光吸収
層）InxGa1-xAsyP1-y層の組成を変える事により吸収波
長の違う光導波路が得られる。 （発明の効果） 以上、説明した様に、本発明により得られた波長多重
弁別型半導体受光素子は、バンドエネルギーの異なる光
導波層によって光導波路を形成し、更に方向性結合器を
併せる事によって各々の光導波路中で異なった波長の光
を吸収し、電流信号として取り出す異が可能になる。こ
れにより、波長多重光通信において、容易に１チップ上
で波長を弁別して受光する事が可能になる。
複数の光を１個のチップ上で弁別して受光する事が可能
な、波長多重弁別型受光素子に関するものである。 （従来の技術） 従来、光通信においては、単一光の変調による伝送方
式によっていた。ところが、より高密度及び高速度の伝
送方式として複数の波長の異なる光を用いた波長多重方
式が注目されている。この場合、発光素子（LDあるいは
LED）はもとより受光素子においても波長を弁別し各々
の信号を識別する機能が必要になってくる。 現在、よく知られている光通信用半導体受光素子とし
ては、例えばSi,Geあるいは、InP基板に格子整合したIn
0.53Ga0.47As層を光吸収層としたPIN型受光素子（例え
ばエレクトロニクス・レターズ（Electron,Lett.）198
4,20,pp653〜pp654に記載）、アバランシェ増倍型受光
素子（例えばアイイーイーイー・エレクトロン・デバイ
ス・レターズ（IEEE・Electron Device Lett.）1986,
７,pp257〜258に記載）などがある。PIN型受光素子は、
低容量及び製造の容易性から、アバランシェ増倍型受光
素子は内部利得効果及び高速応答性からそれぞれ注目さ
れている。 （発明が解決しようとする問題点） 第３図には、In0.53Ga0.47As層を光吸収層としたPIN
型受光素子の一般的な構造例を示す。アバランシェ増倍
型受光素子も構造としては、これに準ずるものである。
本図の受光素子は、ｎ型InP基板11上に、ｎ型InPバッフ
ァ層17,n型In0.53Ga0.47As光吸収層18及びｎ型InPキャ
ップ層19を順に積層した層構造から成り立っている。こ
の様な層構造に受光部であるｐ型領域20を形成し、ｎ型
およびｐ型オーミック用電極15及び16をそれぞれ設ける
事によって、PIN型受光素子の基本構造が得られる。本
図のPIN型受光素子では、光吸収層のバンドエネルギー
よりも大きなエネルギーを有する光が受光面に入射する
ことにより、In0.53Ga0.47As光吸収層18で吸収され電子
と正孔が発生し、逆電界によりキャリアが走行すること
によって、電流信号として得られる。 ところが、この様な構造において、波長の異なる光を
弁別して受光する機能を実現させる事は、１個の素子を
使う限りでは構造上困難である。何故なら発生した電流
を波長単位で識別する事がこの構造では容易ではないか
らである。 本発明の目的は、これらの問題点を解決して、複数の
異なる波長を有する光を弁別して受光する事のできる、
波長多重弁別型半導体受光素子を提供する事にある。 （問題点を解決するための手段） 本願発明の波長多重弁別型半導体受光素子は、半導体
基板上に互いに異なるバンドエネルギーを持つ光導波路
を複数有し、前記複数の光導波路は光信号の進行方向に
バンドエネルギーが順次小さくなるように配列され、前
記光導波路の一部と隣の光導波路の一部とにより方向性
結合器を形成し、前記光導波路ごとに電極が形成され、
各光導波路でバンドエネルギーより大きなエネルギーを
持つ波長を吸収し前記電極から信号を取り出し、小さな
エネルギーを持つその他の波長を導波することを特徴と
する。 （作用） 本発明は、上述の手段をとることにより、従来技術の
問題点を解決した。光導波路において光を外部にしみ出
させることなく光を導波する為には、導波層が屈折率の
より低いクラッド層により挟まれている必要がある。ま
た光導波路中で光が吸収されるか導波されるかは導波層
のバンドエネルギーによって決定される。つまりバンド
エネルギーよりも大きなエネルギーを有する光が入射し
た場合（波長としては短波長側）には吸収され、小さな
エネルギーを有する光が入射した場合（波長としては長
波長側）には導波される事になる。更に、上記光導波路
２個を〜数μｍ程度に近接させる事によってカップリン
グにより隣りの導波路に光が移行する事が知られている
（方向性結合器）。この場合、100％のカップリングが
得られる方向性結合器の長さを完全結合長と呼んでい
る。その完全結合長は、光導波路幅及び導波路間距離に
よって決定される。一般に短い完全結合長を必要とする
場合には、導波路間距離を狭くする必要がある。 この様な原理を背景として上記手段を講じると次の様
な作用が得られる。まず波長の異なる複数の光を第一の
導波路に入射させ第一の導波層のバンドエネルギーより
も大きなエネルギーを有する光は吸収されるが、他の光
は導波される。更に完全結合長を有する様な方向性結合
器をへて第一の導波層よりも小さなバンドエネルギーを
有する導波層に光は移行し、かつそのバンドエネルギー
よりも大きなエネルギーを有する光のみが吸収され、他
の光は更に導波していくことになる。以下同様にして、
光を弁別する事が可能であるが例えばＮ波の光を弁別し
て受光しようとすれば、バンドエネルギーの違う導波層
を有する導波路をＮ個、完全結合長を有する方向性結合
器は（Ｎ−１）個必要となる。 （実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に
説明する。第１図に本発明の一実施例である波長多重弁
別型半導体受光素子の平面図を示す。この実施例は、３
波の異なる波長を弁別する事を目的としており、その為
にバンドエネルギーの違う導波層を有する３個の光導波
路1,2,3及び完全結合長を有する２個の方向性結合器4,5
から成り立っている。 ここで光導波路1,2,3の光導波層（光吸収層）のバン
ドエネルギーをそれぞれEg1,Eg2,Eg3とする。いま、３
波の異なる波長を有した光10が入射してきたとする。こ
の場合、３波の波長をλ1,λ2,λ３とすると、それぞれ
の波長の光のエネルギーは２π／λ1,2π／λ2,2π／λ
３と示される。ここで３個の電極6,7,8から３波を弁別
して信号を得るには、作用の欄で説明した様に次式を満
たしている必要がある。 これにより、光導波路１では波長λ１の光が、光導波
路２では波長λ２の光が、光導波路３では波長λ３の光
が吸収され、各々、電極6,7,8から電流信号として得ら
れる。 第２図には具体例としてInxGa1-xAsyP1-y系の導波路
構造を示す。ｎ型InP基板11上にｎ型InPクラッド層12,n
型InxGa1-xAsyP1-y光導波層（光吸収層）13,p型InPクラ
ッド層14を形成し、エッチング除去する事により断面図
に示す様な導波路を形成している。さらにｎ型,p型オー
ミック用電極を設ける事により吸収した光を電流信号と
して取り出せる様になっている。ここでInxGa1-xAsyP
1-y層の屈折率はInPクラッド層の屈折率よりも大きく、
かつバンドエネルギーは小さいので光導波路としての条
件は満たしている。また光導波層（光吸収層）であるIn
xGa1-xAsyP1-y層は、ｘとｙをある特定の関係で変える
事により、InPに格子整合をとりながらバンドエネルギ
ーを1.35eVから0.73eVまで変える事ができる。これは波
長にして0.9μｍから1.7μｍに対応している。この様な
材料系を用いて第１図に示す様に、光導波層（光吸収
層）InxGa1-xAsyP1-y層の組成を変える事により吸収波
長の違う光導波路が得られる。 （発明の効果） 以上、説明した様に、本発明により得られた波長多重
弁別型半導体受光素子は、バンドエネルギーの異なる光
導波層によって光導波路を形成し、更に方向性結合器を
併せる事によって各々の光導波路中で異なった波長の光
を吸収し、電流信号として取り出す異が可能になる。こ
れにより、波長多重光通信において、容易に１チップ上
で波長を弁別して受光する事が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例である３波長の光を弁別す
ることのできる波長多重弁別型半導体受光素子を示す平
面図である。第２図はInxGa1-xAsyP1-y系を用いた光導
波路構造の具体例を示す側面図である。第３図はIn0.53
Ga0.47As層を光吸収層とした従来のPIN型受光素子を示
す断面図である。 １……光導波路、２……光導波路、３……光導波路、４
……方向性結合器、５……方向性結合器、６……電極、
７……電極、８……電極、９……基板、10……３波長
（λ1,λ2,λ３）を含んだ入射光、11……ｎ型InP基
板、12……ｎ型InPクラッド層、13……ｎ型InxGa1-xAsy
P1-y光導波層（光吸収層）、14……ｐ型InPクラッド
層、15……ｐ型オーミック用電極、16……ｎ型オーミッ
ク用電極、17……ｎ型InPバッファ層、18……ｎ型In
0.53Ga0.47As光吸収層、19……ｎ型InPキャップ層、20
……ｐ型領域、21……入射光。
ることのできる波長多重弁別型半導体受光素子を示す平
面図である。第２図はInxGa1-xAsyP1-y系を用いた光導
波路構造の具体例を示す側面図である。第３図はIn0.53
Ga0.47As層を光吸収層とした従来のPIN型受光素子を示
す断面図である。 １……光導波路、２……光導波路、３……光導波路、４
……方向性結合器、５……方向性結合器、６……電極、
７……電極、８……電極、９……基板、10……３波長
（λ1,λ2,λ３）を含んだ入射光、11……ｎ型InP基
板、12……ｎ型InPクラッド層、13……ｎ型InxGa1-xAsy
P1-y光導波層（光吸収層）、14……ｐ型InPクラッド
層、15……ｐ型オーミック用電極、16……ｎ型オーミッ
ク用電極、17……ｎ型InPバッファ層、18……ｎ型In
0.53Ga0.47As光吸収層、19……ｎ型InPキャップ層、20
……ｐ型領域、21……入射光。
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所
Ｈ０４Ｂ 10/28 Ｈ０４Ｂ 9/00 Ｗ
Ｈ０４Ｊ 14/00
14/02
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．半導体基板上に互いに異なるバンドエネルギーを持
つ光導波路を複数有し、前記複数の光導波路は光信号の
進行方向にバンドエネルギーが順次小さくなるように配
列され、前記光導波路の一部と隣の光導波路の一部とに
より方向性結合器を形成し、前記光導波路ごとに電極が
形成され、各光導波路でバンドエネルギーより大きなエ
ネルギーを持つ波長を吸収し前記電極から信号を取り出
し、小さなエネルギーを持つその他の波長を導波するこ
とを特徴とする波長多重弁別型半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62105330A JP2664900B2 (ja) | 1987-04-27 | 1987-04-27 | 波長多重弁別型半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62105330A JP2664900B2 (ja) | 1987-04-27 | 1987-04-27 | 波長多重弁別型半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63269572A JPS63269572A (ja) | 1988-11-07 |
| JP2664900B2 true JP2664900B2 (ja) | 1997-10-22 |
Family
ID=14404713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62105330A Expired - Fee Related JP2664900B2 (ja) | 1987-04-27 | 1987-04-27 | 波長多重弁別型半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2664900B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113933932A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-14 | 中航光电科技股份有限公司 | 一种基于定向耦合的多层波导路由交换设计方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5762573A (en) * | 1980-10-03 | 1982-04-15 | Fujitsu Ltd | Multiple wavelength photoelectric converter |
| JPS5961822A (ja) * | 1982-09-30 | 1984-04-09 | Fujitsu Ltd | ホモダイン検波型光受光装置 |
| JPS6068676A (ja) * | 1983-09-26 | 1985-04-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 波長選択形受光器 |
-
1987
- 1987-04-27 JP JP62105330A patent/JP2664900B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63269572A (ja) | 1988-11-07 |
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