JP2666844B2 - 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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- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
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- G02F1/3133—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type the optical waveguides being made of semiconducting materials
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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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、波長多重弁別型半導体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LE
D）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.）
1984,20,pp653〜pp654），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,p
p257〜258）などがある。PIN型受光素子は、低容量及び
プロセス上容易な点から、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を有する点で注目されてい
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。
ここで層構造としては、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,n型InPキャ
ップ層19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,p型オーミック用電極
15を設ける事によって、PIN型受光素子の基本構造が得
られる。基本的な原理としては、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21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事になる。 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
基板上に超格子構造を有する光導波路を複数有し、前記
各光導波路は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、前記各電極により各光導波路の超格子構造の
吸収端エネルギーが光信号の進行方向に順次小さくなる
ように電界印加し、各光導波路で吸収端エネルギーより
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が外部にしみ出す
ことなく導波する為には、導波層が屈折率のより低いク
ラッド層によりはさ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するかは導波層の吸収端エ
ネルギーによって決定される。つまり吸収端エネルギー
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
は導波していく事になる。ところで本発明においては、
光吸収層でかつ光導波層が超格子構造を有している事が
特徴となっている。 一般に超格子構造では吸収端エネルギーは通常のバル
ク材料とは異なってくる。つまり超格子構造による正孔
と電子の量子準位化によってその吸収端エネルギーは本
来のバルクの吸収端エネルギーよりも大きくなる。それ
を（１）式に示す。 ここで、ｌは超格子構造における井戸層厚、Egはバル
クとしてのバンドエネルギー、mnは電子の質量、mpは正
孔の質量を示している。更に上述した超格子構造に電界
が印加された場合を考えると、井戸層内での電子と正孔
の空間分離が生じ、無電界時での吸収端エネルギーより
も小さくなる現象がある（Stark効果）。特に吸収端エ
ネルギーの電界依存性は極めて大きく、これより吸収端
近傍での波長弁別が印加電界によって可能となってく
る。 また、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
合長と呼んでいるが、これ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構じると次の様
な作用が得られる。まず波長の異なる複数の光を第一の
導波路に入射させ印加電界で決定される吸収端エネルギ
ーよりも大きなエネルギーを有する光は吸収されるが、
他の光は導波していく。更に完全結合長を有する様な方
向性結合器をへて第二の導波層に光は移行し、かつ印加
電界によって決定される吸収端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
波していく事になる。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、導波路をＮ個（各々印加電界の設定が異な
る）、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用いて詳細に説
明する。 第１図に本発明の一実施例により形成された波長多重
弁別型半導体受光素子の平面図を示す。ここでは、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
３個の光導波路1,2,3及び２個の方向性結合器4,5が１つ
の基板９に形成されている。更に各々の導波路には電界
印加用かつ光電流検出用の電極6,7,8が形成されてい
る。 ここで、各々の導波路1,2,3の印加電界によって決定
される吸収端エネルギーをE1,E2,E3とする。さらに３波
からなる入射光10の波長をλ1,λ2,λ３、エネルギーと
してはＥλ１,Eλ２,Eλ３とする。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、作用で述べた
様に次式を満たしている必要がある。 Ｅλ１＞E1＞Ｅλ２＞E2＞Ｅλ３＞E3 ……（２） 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事
になる。 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（第
一の半導体層）12、その上に光導波層でありかつ光吸収
層である超格子構造の第二の半導体層（障壁層がInP
層、井戸層がIn0.53Ga0.47As層）13,p型InPクラッド層
（第三の半導体層）14を形成し、エッチング除去する事
により第２図の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16,15を設ける事
により、導波路に電界印加し、かつ光電流信号が取り出
せる様になっている。なお超格子構造の半導体層13の屈
折率はクラッド層のInP層よりも大きく、かつ吸収端エ
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。この様な構造に電界を印加するとスターク効果
（Stark効果）により吸収端エネルギーが電界依存性を
持ち、吸収端近傍での波長弁別が可能である。 〔発明の効果〕 以上、説明した様に、本発明により得られら波長多重
弁別型半導体受光素子は、超格子構造が電界印加によっ
て吸収端エネルギーがシフトする（Stark効果）事を利
用し、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、光電流信号とし
て取り出す事が可能になる。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。
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、波長多重弁別型半導体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LE
D）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.）
1984,20,pp653〜pp654），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,p
p257〜258）などがある。PIN型受光素子は、低容量及び
プロセス上容易な点から、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を有する点で注目されてい
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。
ここで層構造としては、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,n型InPキャ
ップ層19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,p型オーミック用電極
15を設ける事によって、PIN型受光素子の基本構造が得
られる。基本的な原理としては、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21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事になる。 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
基板上に超格子構造を有する光導波路を複数有し、前記
各光導波路は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、前記各電極により各光導波路の超格子構造の
吸収端エネルギーが光信号の進行方向に順次小さくなる
ように電界印加し、各光導波路で吸収端エネルギーより
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が外部にしみ出す
ことなく導波する為には、導波層が屈折率のより低いク
ラッド層によりはさ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するかは導波層の吸収端エ
ネルギーによって決定される。つまり吸収端エネルギー
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
は導波していく事になる。ところで本発明においては、
光吸収層でかつ光導波層が超格子構造を有している事が
特徴となっている。 一般に超格子構造では吸収端エネルギーは通常のバル
ク材料とは異なってくる。つまり超格子構造による正孔
と電子の量子準位化によってその吸収端エネルギーは本
来のバルクの吸収端エネルギーよりも大きくなる。それ
を（１）式に示す。 ここで、ｌは超格子構造における井戸層厚、Egはバル
クとしてのバンドエネルギー、mnは電子の質量、mpは正
孔の質量を示している。更に上述した超格子構造に電界
が印加された場合を考えると、井戸層内での電子と正孔
の空間分離が生じ、無電界時での吸収端エネルギーより
も小さくなる現象がある（Stark効果）。特に吸収端エ
ネルギーの電界依存性は極めて大きく、これより吸収端
近傍での波長弁別が印加電界によって可能となってく
る。 また、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
合長と呼んでいるが、これ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構じると次の様
な作用が得られる。まず波長の異なる複数の光を第一の
導波路に入射させ印加電界で決定される吸収端エネルギ
ーよりも大きなエネルギーを有する光は吸収されるが、
他の光は導波していく。更に完全結合長を有する様な方
向性結合器をへて第二の導波層に光は移行し、かつ印加
電界によって決定される吸収端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
波していく事になる。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、導波路をＮ個（各々印加電界の設定が異な
る）、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用いて詳細に説
明する。 第１図に本発明の一実施例により形成された波長多重
弁別型半導体受光素子の平面図を示す。ここでは、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
３個の光導波路1,2,3及び２個の方向性結合器4,5が１つ
の基板９に形成されている。更に各々の導波路には電界
印加用かつ光電流検出用の電極6,7,8が形成されてい
る。 ここで、各々の導波路1,2,3の印加電界によって決定
される吸収端エネルギーをE1,E2,E3とする。さらに３波
からなる入射光10の波長をλ1,λ2,λ３、エネルギーと
してはＥλ１,Eλ２,Eλ３とする。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、作用で述べた
様に次式を満たしている必要がある。 Ｅλ１＞E1＞Ｅλ２＞E2＞Ｅλ３＞E3 ……（２） 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事
になる。 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（第
一の半導体層）12、その上に光導波層でありかつ光吸収
層である超格子構造の第二の半導体層（障壁層がInP
層、井戸層がIn0.53Ga0.47As層）13,p型InPクラッド層
（第三の半導体層）14を形成し、エッチング除去する事
により第２図の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16,15を設ける事
により、導波路に電界印加し、かつ光電流信号が取り出
せる様になっている。なお超格子構造の半導体層13の屈
折率はクラッド層のInP層よりも大きく、かつ吸収端エ
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。この様な構造に電界を印加するとスターク効果
（Stark効果）により吸収端エネルギーが電界依存性を
持ち、吸収端近傍での波長弁別が可能である。 〔発明の効果〕 以上、説明した様に、本発明により得られら波長多重
弁別型半導体受光素子は、超格子構造が電界印加によっ
て吸収端エネルギーがシフトする（Stark効果）事を利
用し、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、光電流信号とし
て取り出す事が可能になる。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の平面図
を示している。第２図はInP/In0.53Ga0.47As超格子構造
からなる光導波路構造の具体例を示す。第３図は従来技
術によるIn0.53Ga0.47As層を光吸収層としたPIN型受光
素子を示している。 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InP/n型In
0.53Ga0.47As超格子構造（吸収及び導波層）、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、1
8……ｎ型In0.53Ga0.47As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の平面図
を示している。第２図はInP/In0.53Ga0.47As超格子構造
からなる光導波路構造の具体例を示す。第３図は従来技
術によるIn0.53Ga0.47As層を光吸収層としたPIN型受光
素子を示している。 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InP/n型In
0.53Ga0.47As超格子構造（吸収及び導波層）、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、1
8……ｎ型In0.53Ga0.47As光吸収層、19……ｎ型InPキャ
ップ層、20……ｐ型領域、21……入射光。
─────────────────────────────────────────────────────
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
Ｈ０４Ｊ 14/02
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．半導体基板上に超格子構造を有する光導波路を複数
有し、前記各光導波路は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、前記各電極により各光導波路の超
格子構造の吸収端エネルギーが光信号の進行方向に順次
小さくなるように電界印加し、各光導波路で吸収端エネ
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 (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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