JP3285651B2 - 特に偏光が多様なコヒーレント通信システムのための半導体材料の量子ウェルベースの導波路型光受信器 - Google Patents

特に偏光が多様なコヒーレント通信システムのための半導体材料の量子ウェルベースの導波路型光受信器

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JP3285651B2
JP3285651B2 JP06417193A JP6417193A JP3285651B2 JP 3285651 B2 JP3285651 B2 JP 3285651B2 JP 06417193 A JP06417193 A JP 06417193A JP 6417193 A JP6417193 A JP 6417193A JP 3285651 B2 JP3285651 B2 JP 3285651B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は導波路型光受信器に関す
る。
【0002】本発明は特に、光ファイバによる電気通信
の分野、特に偏光が多様なコヒーレント通信システムに
適用される。
【0003】
【従来の技術】現在、単一モード光ファイバのコヒーレ
ント伝送システムは、遠隔リンク及び配電について高度
の開発が進められている。コヒーレントリンクでは、
(ホモダイン又はヘテロダイン)受信器が、完全に単色
のレーザである局部発振器から出る光波との混合による
入射光信号の検出を可能としている。
【0004】受信器2と、及び2つの入力及び2つの出
力を有する光結合器6とを図1に示す。一方の入力は信
号Sを、他方の入力は局部発振器4から出る光波を受信
する。局部発振器から出る光波は結合器6によって信号
Sと混合され、結合器の2つの出力は、混合によって得
られる2つの光信号を受信器に提供するために受信器2
に接続されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】コヒーレントリンクの
微妙な点のひとつは、伝送中に信号Sの偏光を制御でき
ないことである。伝送用単一モード光ファイバが動作す
る、変化し(温度、ねじれ等)、調整困難な環境条件の
ために、結合器6の入力に達する信号Sの偏光状態は、
任意に変動する。これはコヒーレント検波で振幅変動を
引き起こす。
【0006】従って、(受信器2と局部発振器4と光結
合器6とを含んでいる)受信システム内に、光結合器6
の前又は後ろに配置される偏光制御システム(図1には
図示せず)が組み込まれる。
【0007】光受信器は、それぞれがハイブリッド回路
又は集積回路で前置増幅器(preamplifica
teurs)(図示せず)を備えたホトダイオード(図
示せず)を含んでいる。平衡標準ホトダイオードの対を
含むハイブリッド回路が使用される傾向にある。
【0008】コスト及びリンク性能全般に関する問題の
ために、受信システム(結合器、偏光制御システム、ホ
トダイオード、前増幅器、更には局部発振器)の全ての
機能を同一基板上に集積化することが試みられている。
【0009】しかしながら、特に、考察する光波長用の
ホトダイオードの製造に適している材料が必ずしも前置
増幅器のようなマイクロエレクトロニクス部品に適した
材料ではないので、このような集積化は問題を引き起こ
す。
【0010】従って、受信システムを簡略化して、マイ
クロオプトエレクトロニクス部品集積化の可能性及び許
容できる性能を提供することのできる方法を見つけ出す
ことが望まれる。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、コヒーレント
通信システムで使用される偏光制御システムを簡略化す
ることのできる光受信器の構造を提供する。
【0012】第1の光検波器と第2の光検波器とからな
る対を少なくとも1つ含んでいる本発明の光受信器は、
第1の光検波器が半導体基板上に形成され且つ半導体材
料の量子マルチウェル型多層ストリップ(ruban
multicouche amultipuits q
uantiques)を含み、入射光を、屈折率の作用
によって多層面内に、またストリップの構造によって側
方に誘導するためにこの多層ストリップが備えられてお
り、第1の光検波器が光の横断方向磁気成分を吸収し
得、この光の電界が多層面に垂直な成分を有し、この光
の横断方向電気成分が第1の光検波器内にほとんど吸収
されず、前記横断方向電気成分を吸収するために第2の
光検波器が備えられていることを特徴とする。
【0013】第2の光検波器は任意の型であり得るが、
好ましくは光学部品の集積化に適した光受信器の構造を
得るために、第2の光検波器も同様に、半導体基板上に
形成された光検波器であり且つ半導体材料の量子マルチ
ウェル型多層ストリップを含んでいる。この多層ストリ
ップは、入射光を、屈折率の作用によって多層面内に、
またストリップの構造によって側方に誘導するために備
えられている。
【0014】この場合、第2の光検波器は、第1の光検
波器の直後に配置され且つ第2の光検波器の多層ストリ
ップが第1の光検波器のストリップの延長上にあり且つ
構成する多層の各面が垂直になるように配列され得る。
これは、ハイブリッド回路である。
【0015】好ましくは、光学部品の集積化に更に適し
た光受信器の構造を得るために、第1の光検波器と第2
の光検波器とは、光導波の連続性が第1の光検波器の多
層ストリップと第2の光検波器の多層ストリップとの間
で確保され且つこれらの多層の各面が平行になるように
同一の半導体基板上に集積化される。光受信器は更に偏
光変換器を含んでいる。この変換器は、この同一の基板
上で、光導波の連続性を確保させ且つ第1の光検波器と
第2の光検波器との間に含まれるストリップ構造内に設
けられ、またこの第1の光検波器から出る光の横断方向
電気偏光を、第2の光検波器の多層の面に垂直な電界の
成分を有する横断方向磁気偏光に変換するために備えら
れている。偏光がこのように変換される光は第2の光検
波器内に注入され、そこで吸収される。
【0016】この場合、光受信器が偏光の多様なコヒー
レント通信システムで使用されるときには、この光受信
器の非平衡回路が適用され得る(光受信器はこのような
回路のために2つの同一の光検波器を含んでいる)。
【0017】従って、2つの入力と2つの出力とを備え
た光結合器が、一方の出力によって第1の光検波器に光
学的に結合されている。この結合器によって、検波が望
まれる入射光信号と局部発振器から出る光波とを混合す
ることができる。混合によって得られた信号は光検波器
に送られ、結合器の他方の出力は自由状態のままであ
る。
【0018】他の特定実施例では、平衡回路が用いられ
る。この場合、変換器及び(この回路の場合も同一の)
光検波器の対によって形成されるアセンブリと、このア
センブリと同一であり且つ同一の基板上に形成される他
のアセンブリとが使用される。結合器の他方の出力は、
この他のアセンブリの第1の光検波器に光学的に結合さ
れている。
【0019】好ましくは、各光検波器はGaAs基板上
に形成されており、そのために、GaAsに関して開発
されたマイクロエレクトロニクスの利点を利用すること
ができる。
【0020】従って、この基板上への光検波器とマイク
ロエレクトロニクス部品との集積化が極めて安価に行わ
れる。この実施例については後で説明する。
【0021】従って、前述した非平衡回路の場合、好ま
しくはGaAs基板が使用され、基板上に回路の2つの
光検波器が形成される。これは平衡回路の場合も同様で
ある。この平衡回路が含んでいる4つの同一光検波器
は、好ましくは同一のGaAs基板上に製造される。
【0022】電気制御式偏光変換器を使用する本発明の
光受信器の特定例によれば、第1の光検波器と変換器と
第2の光検波器とは、同一の半導体基板上のそれぞれ異
なる3つの領域内にエピタキシ化層から製造される。光
検波器の領域のエピタキシ化層は変換器の領域のエピタ
キシ化層とは異なっている。
【0023】変形例としては、エピタキシ化層は、3つ
の領域で同一の層であり、光検波器の領域はエピタキシ
後に適切にドーピングされ、変換器の領域はドーピング
されないままである。
【0024】受動偏光変換器を使用する本発明の光受信
器の他の特定例によれば、第1の光検波器と変換器と第
2の光検波器とは、同一の半導体基板上のそれぞれ異な
る3つの領域内に、光検波器の2つの領域では同一のエ
ピタキシ化層から、2つの光検波器の間にある変換器の
領域では蒸着誘電層から製造される。これらの層は光導
波の連続性を確実なものとする。
【0025】本発明の光受信器は、それぞれが第1の光
検波器と第2の光検波器とを備え、且つ2つの平衡経路
を有する回路内で動作するように設けられた2つの対を
含み得る。
【0026】最後に、非平衡の場合には単一入力を有す
る前置増幅器を、平衡の場合には差動前置増幅器を光検
波器と同一の基板上に集積化することができ、この前置
増幅器が光検波器の信号を処理する。
【0027】
【実施例】添付図面を参照して記載された以下の実施例
の説明から、本発明が更によく理解されよう。
【0028】本発明の光受信器内で使用可能な基本的な
導波路光検波器を図2に概略的に示した。この光検波器
10は、半導体基板12上に形成され且つ光閉じ込め層
を含む多層ストリップ13と、入射光16の誘導及びそ
の成分TMの吸収を可能とする量子マルチウェル14を
備えた活性領域とを含んでいる。
【0029】光検波器10の制御電極のひとつ18も図
2に示している。光検波器の構造ついては図6を参照し
て後で更に詳しく説明する。
【0030】この光検波器10によって供給される電気
信号の前置増幅器20も基板12上に集積化され得る。
入射光16は2つの成分を、即ちその電界が多層ストリ
ップ13の面に垂直な成分を有する横断方向磁気成分T
Mと、この多層の面に平行な横断方向電気成分TEとを
有する。
【0031】光検波器10は、成分TMを優先的に吸収
する完全に二色性の導波構造(即ち、量子マルチウェル
14型多層ストリップ13であって、簡単には“量子マ
ルチウェル14型ストリップ”と呼ぶことができる)を
含んでいる。
【0032】ほとんど吸収されない成分TEは、量子マ
ルチウェル14型ストリップの出力端部で使用可能であ
る。
【0033】図2の光検波器10と、この光検波器10
と同一であり且つ多層ストリップの光結合を確実にする
ように光検波器10の直後に配置された他の光検波器2
2とを含んでいる本発明の光受信器を図3に概略的に示
した。
【0034】これら2つの光検波器10,22の回路は
ハイブリッド回路であり、この回路は更に、光検波器2
2の多層面が光検波器10の多層面に垂直なために交差
している。従って、TMに垂直であり且つ光検波器10
から出る成分TEは、光検波器22の多層面に垂直にな
り且つ光検波器22によって優先的に吸収される。
【0035】前記光受信器とは反対にモノリシックな本
発明の他の光受信器24を図4Aに概略的に示した。
【0036】この光受信器24は、2つの同一の光検波
器28,30と、偏光変換器32とを同一基板26上に
含んでいる。
【0037】光検波器28,30は図2の光検波器10
と同一である、これらの光検波器28,30と変換器3
2とは、入射光16が順次光検波器28と変換器32と
光検波器30とを貫通するように基板26上に形成され
ている。
【0038】前述したように、この光の成分TMは光検
波器28内に優先的に吸収される。成分TEはほとんど
吸収されず且つ変換器32の入力に達する。この変換器
は、TE−TM偏光変換器であり、且つ電気制御式変換
器の場合には適切な直流電圧の印加によって、受動変換
器の場合には単に伝搬中に成分TEを成分TMに変換す
る。
【0039】従って、光検波器30の入力には、この光
検波器30のために偏光TMを有する光が生じ、従っ
て、光検波器30はこの光を吸収する。
【0040】それぞれ光検波器28,30によって提供
される電気信号を増幅するための前増幅器29,31を
基板26上に任意に設置することができることも図4A
から分かる。
【0041】図4Bは、非平衡回路内での、偏光の多様
な光受信器24のコヒーレントリンク用受信器としての
使用を例示している。
【0042】一方の入力が光信号Sを受信し、他方の入
力が局部発振器4によって供給される光波を受信する光
結合器6と局部発振器4とが図示されている。
【0043】結合器6の一方の出力は自由であるが、他
方の出力は、信号Sと局部発振器4の光波との混合によ
って得られる光を光検波器28の入力に供給する。
【0044】図4Cは、前記実施例と同様に基板26上
に配置されている、既に説明した同一の光検波器28,
30及び変換器32と、基板26上に形成された他の2
つの同一の光検波器34,36及び他のTE−TM偏光
変換器38とを含んでいる偏光の多様な本発明の他の光
受信器を概略的に示している。光検波器34、変換器3
8及び光検波器36は、図4Cに示すようにそれぞれ光
検波器28、変換器32及び光検波器30と同一であり
且つ同様に配置されている。
【0045】この図4Cに示す光受信器は、コヒーレン
トリンク内の平衡回路の受信器として使用される。
【0046】この場合、光結合器6の2つの出力3dB
はそれぞれ、光検波器28,34の入力に接続されてい
る。
【0047】各入力が光検波器28,34の出力電気信
号を受信する差動増幅器40、及びその各入力が光検波
器30,36の出力電気信号を受信する他の差動増幅器
42も図4Cに示されている。
【0048】図2、図3、図4A、図4B及び図4Cの
説明に関連する光検波器及び偏光変換器は、任意の微細
エピタキシャル成長方法(例えばCBE,MBE又はM
OCVD)によって得られ得る半導体材料の量子マルチ
ウェル及び薄層内に設けられている。
【0049】オプトエレクトロニクス装置の製造のため
に半導体ベースの量子ウェル型構造の製造技術によって
提供される可能性は現在ではよく知られている。
【0050】これらの構造では、搬送波はウェル内に局
限された量子レベル内に閉じ込められる。
【0051】本発明では、量子ウェル内での電子のため
の副帯域間(inter−sous−bandes)遷
移が、非常に大きな発振能力を有し、従って高い吸収係
数に相当し、遷移エネルギは、ウェルの厚さ、ウェルの
組成若しくは遮断層の組成又はこれら3つの要素によっ
て広範な波長(20マイクロメータ〜約1マイクロメー
タ)内で調整され得るということが利用されている。
【0052】これらの副帯域間遷移が非常に偏光選択的
であり且つ層の面内に伝搬する光のために二色性吸収を
与えるということも使用されている。
【0053】電磁界の成分TMは、その電界が層に垂直
な成分を有するために強く吸収されるが、他方の成分T
Eは吸収されない。
【0054】層に垂直に印加される静電圧によって、こ
れらの構造内で吸収波長を細かく調整することも可能で
ある。
【0055】これから、波長が1.55マイクロメータ
に相当し、且つ単一モード光ファイバ型リンクに使用可
能な放射線の受信用光受信器を考察して前記実施例を説
明する。この光受信器はGaAs基板上に製造され、各
量子マルチウェル型多層はGaAs/AlAs型であ
り、且つ1から4への副帯域間遷移によって1.55マ
イクロメータに等しい波長の放射線を吸収するために設
けられている。
【0056】同一材料又は半導体材料の他の任意の組み
合わせによって、本発明の範囲を逸脱することなく、他
の範囲の波長の受信が考えられる。
【0057】1.55マイクロメータ用の公知の光ファ
イバ通信網では、光受信器は、ハイブリッド回路で前置
増幅器(MESFET又はTEGFET GaAs)に
光検波器(GaInAs/InPなだれ型(avala
nche)ホトダイオード又はGAInAs型p−i−
nホトダイオード)を結合している。何故ならば、互い
に独立に最適化された部品を組み立てることができ、各
部品は機能的に最も良好な性能を有するからである。
【0058】しかしながら、光検波器と前置増幅器との
集積化はコスト的には望ましいが、あまり良い結果は得
られない。何故ならば、1.55マイクロメータ用光検
波器はInP基板上にGAInAsで製造されねばなら
ないからである。これらの材料では優れた集積化前置増
幅器の実現は不可能である。
【0059】更には、InP材料上でのマイクロエレク
トロニクス部品の製造は大きな可能性を秘めているが、
GAAs部品上でのマイクロエレクトロニクス部品の製
造は非常に申し分のない利点(大きな禁止帯、良好な機
械的耐久性、低い蒸気圧等)を示し、それらの利点によ
って部品の信頼性は高まり、コストも下がる。
【0060】本発明では、GaAs基板上に1.55マ
イクロメータ用光検波器が製造され、それによってこの
ようなGaAs基板上に形成されたマイクロエレクトロ
ニクス部品の全ての利点を増幅のために使用する集積化
光検波器が実現される。
【0061】前述したハイブリッド回路による方法と同
様の性能を有するが、より安価な方法がある。
【0062】室温でのGaAs禁止帯(0.87マイク
ロメータ)では、1.55マイクロメータの帯域遷移
(transitions bande a band
e)を使用することはできない。本発明では、GaAs
/AlAs量子マルチウェル型構造で副帯域間遷移を使
用する。
【0063】放射線は電子を誘導し、電子はドーピング
によって、GaAsウェル内に、AlAs遮断層上方の
状態“連続体”に近い高エネルギレベルで存在する(図
5B参照)。これらの電子は、(電界下で三角形状を有
する)遮断層を通じてのトンネル効果によって連続体内
を通過する。
【0064】連続体内での電子の平均速度Vmが暗電流
の電子速度vよりも明らかに大きければ、電子は光電流
を生じる(図5A)。最小γ(図5Aでは慣用的なギリ
シャ文字で示す)付近でのGaAsとAlAsとの間の
伝導帯偏倚は約1eVである。
【0065】GaAs/AlAs量子マルチウェル型構
造では、レベル1とレベル2とを離すエネルギはウェル
(GaAs)の幅と共に、0(この幅が無限大に向かう
とき)と、0.665eV(この幅が2nmに等しい
とき)との間で変動する。
【0066】これは、1.55マイクロメータ(0.8
eV)に達するには不十分であり、レベル1と2以上の
レベルとの間の遷移によってのみ可能である。
【0067】離れた量子ウェル内のゼロ界(champ
nul)では禁止されているレベル1からレベル3へ
の遷移は排除される。
【0068】厚さが約6.7nmのウェルの場合、レベ
ル1とレベル4との分離は適切な値に達する(図5Bで
は、E1,E4はそれぞれこれらのレベル1,4のエネ
ルギを示している)。
【0069】更には、レベル4は、AlAs遮断層の上
方に位置する状態の連続体に近く、これはこれらの状態
への通過に好ましい。
【0070】1から4への遷移に相当する吸収係数が1
から2への遷移に相当する吸収係数に比べて小さいこと
を補正するために、導波伝搬が使用され、厚さの大きい
材料がこのようにして貫通される。
【0071】本発明で使用可能な光検波器の構造を図6
に概略的に示す。例示の、非制限的な光導波路(この構
造が有する量子マルチウェル型多層ストリップ)は、約
200マイクロメータの長さを有し、それによって入射
光の吸収が良くなる。
【0072】図6の実施例では、本発明で使用可能な光
検波器は、ドーピングされたGaAsn+接触層46を
半絶縁GaAs基板44上に含んでおり、接触層上には
ドーピングされた2つのAlAsn+閉じ込め層があ
り、これらの層の間には、ドーピングされたGaAsn
層とドーピングされたGa1-xAlxAs(例えばAlA
s)n層とが交互になった量子マルチウェル型層52が
ある。
【0073】ドーピングされたGaAsn+接触層54
が層50上にあり、層54上にはAuGeNi層56に
よって形成された電極がある。
【0074】図6に示すように、積層された層48〜5
6は接触層46上にメサを形成し、このメサの隣りに
は、他のAuGeNi電極58が接触層46上に形成さ
れている。電極56,58は接触プラグを形成してい
る。
【0075】一例では、nは約1018cm-3であり、n
+は約2x1018cm-3であり、層50の底辺の幅l1
は2マイクロメータに等しく、層48の底辺の幅l2は
5マイクロメータに等しく、層48,52,50の各高
さe1,e2,e3はそれぞれ、2マイクロメータ、
0.8マイクロメータ及び1マイクロメータに等しい。
【0076】入射光は、この入射光の成分TMを吸収す
る層52によって誘導される。
【0077】直接の異種接合を避けるために、遷移層5
9を接触層46と閉じ込め層48との間に設け、他の遷
移層60が閉じ込め層50と接触層54との間に設けて
も良い。
【0078】これらの遷移層の各々はGa1-xAlxAs
層であり得る。そのアルミニウム含量xはGaAs側の
0からAlAs側の1まで漸進的に変動する。
【0079】変形例としては、各遷移層は、GaAs層
とAlAs層とが交互になっており、これらのGaAs
層の厚さは対応する閉じ込め層から対応する接触層に向
かって増していくが、AlAs層の厚さは閉じ込め層か
ら接触層に向かって減少していく。
【0080】量子マルチウェル型層52と閉じ込め層と
の光学指数の差(約0.2の差)は、光学モードと吸収
領域とがうまく重なり合う(recouvremen
t)のに十分である。
【0081】側方閉じ込めは、メサ技術で製造されるス
トリップ構造によって実施されるが、例えばエピタキシ
反復(reprise d’epitaxie)、誘発
される合金無秩序(desordre d’allia
ge induit)又は注入(implantati
on)のような他の方法をこのために使用することがで
きる。これらの方法は単に例示的且つ非制限的である。
【0082】量子マルチウェル型層の良好なエピタキシ
と閉じ込め層の効果的なドーピングを実現するには、そ
の光学指数がより大きい基板の導波層を十分に離すため
に下方閉じ込め層が厚くなければならないだけに一層、
GaAs“ウェル”(例えば厚さ5nm、全体で50n
mのGaAs層)を周期的に挿入してAlAs閉じ込め
層の品質を改善することが有利であり得る。
【0083】光検波器の導波路の構造は、一般に異なる
装置に割り当てられている2つの機能、即ち光学的相互
接続機能と検波機能とを統合するという利点を有する。
このことは平衡光受信器の場合で図示している(図4
C)。本発明の場合、2つの入力ゲートしか必要ない
が、従来型では4つの入力ゲートが必要である。
【0084】暗電流は、γ状態とX状態との間の連続的
転送によって印加された電界下のウェルに位置する電子
の偏移によって生じる。
【0085】十分に大きい遮断層(b>10nm)で
は、逐次トンネル効果及びホッピングによる伝導電流の
寄与は大幅に減少し得る。
【0086】室温及び低圧力では、熱イオン放出電流
(courant d’emission therm
o−ionique)が重要である。
【0087】図7は、得られた電流−電圧特性(電圧効
果DV(mV)に対するLnI(Iは電流強度(A/c
2)である)を示している。電流は単に熱イオン源で
あると想定される。
【0088】1周期当たり40mVの偏光電圧(1マイ
クロメータ当たり約2V)及び10-5cm2の表面積で
は、100マイクロアンペアの暗電流が得られる。
【0089】γ−X結合が生じる界面数を増やして、例
えばAlAs遮断層内に薄いGaAsウェルを挿入して
この暗電流を減少させることが考えられる。
【0090】図8は、電界効果前置増幅器トランジスタ
64に結合された図6の光検波器(図8では62)の電
気回路図を示している。
【0091】トランジスタ64のゲートの偏光抵抗でも
ある光検波器の電荷抵抗R及び共通のドレイン回路のト
ランジスタの電荷抵抗RLをこの回路図に示す。Iph
は光電流を表す。
【0092】ゲート電圧及びドレインーソース電圧を決
定するように、RL値を光検波器及びトランジスタの特
性に応じて調整する必要がある。
【0093】100マイクロアンペアの暗電流は、R値
を数十キロオームに制限する。
【0094】この光検波器62で検出可能な最小電力
は、暗電流の小さい従来の検出器よりも遥かに大きい。
これはコヒーレント検波ではそれほど厄介ではない。何
故ならば、局部発振器が大きな光学電力を発生するから
である。
【0095】これから、TMモード光検波器と、電気制
御式TE−TM偏光変換器と、第2のTMモード光検波
器とを含んでいる本発明の光受信器の特定例を説明す
る。
【0096】信号の偏光は任意であり得るので、このよ
うな配置はコヒーレント検波式光受信器の設計を簡略化
するという利点を有する。
【0097】局部発振器の偏光を45°に固定して、第
1の光検波器内で成分TMを測定する。信号及び局部発
振器の成分TEは偏光変換器に伝送され、その検波は第
2の光検波器内においてTMモードで行われる(図4B
参照)。TE−TM変換器については詳しく説明しな
い。
【0098】電気制御式変換器は、面内の導波を行う閉
じ込め層と、側方導波を行うストリップ形状とを含む
(GaAs又は他の材料の)導波構造である。この構造
は、軸<110>軸に従って(半絶縁GaAs<001
>基板上に)配列されている。
【0099】この(<110>による)構造の面内の電
界は、電子光学効果によって複屈折を引き起こす。モー
ド複屈折は、交互に方向が変わり、正確な周期性を有す
る電界形状(δ−β交互変換器)によって補正されねば
ならない。この電界は、導波路の周りに(拡散又は導入
された)交互の接点p,nによって得られ且つこのよう
に形成されたp−i−n平坦構造のi領域内に配分され
る。<110>で配向された基板上に偏光変換器を製造
することも可能である。
【0100】量子マルチウェル型光検波器の製造は基板
の配向とは関係ないので、エピタキシャル成長が選択さ
れた配向に応じて制御されるならば、変換器と光検波器
とのアセンブリを配向とは関係なく同一の基板上に製造
することができる。
【0101】ドーピングされねばならない光検波器の層
と、損失を避けるために自由搬送波密度が無視できるほ
どでなければならない偏光変換器の層との種類が異なる
ために問題が生じる。この問題を解決するために、異な
る2つの方法を実施することができる。
【0102】第1の方法は、一方では光検波部分のため
に、他方ではTE−TM変換部分のために、異なる2つ
の層アセンブリをエピタキシによって製造することであ
る(図9A及び図9B)。第2の方法は、3つの部分で
ドーピングされていない同一層を使用し、その後光検波
部分のドーピングを変更することである(図10A及び
図10B)。
【0103】第2の方法は素子間の光結合を簡略化する
という利点を有する。
【0104】これから第1の方法(独立的な光検波器と
変換器との集積化)について更に詳しく説明する。ここ
では、種々の部品間で適用される光結合の種類に応じ
て、複数の配置が可能である。
【0105】図6に示す型の光検波器の場合、GaAl
As閉じ込め層又はGaAs/AlAs量子マルチウェ
ルから製造した閉じ込め層を含むGaAs変換器を使用
する。 第1の配置はエピタキシ反復を使用している。
まず層、例えば光検波器の層の第1のアセンブリをエピ
タキシャル成長させる。
【0106】次に、変換器が挿入されねばならない場所
で任意の食刻方法によって層を除去する。次に、この変
換器の層をエピタキシャル成長させる。
【0107】接点の製造を可能とするために光検波器と
重なり合う層を除去し、またストリップを製造するため
にその後の技術段階が規定されている。
【0108】第2の配置は末端結合(couplage
en bout)を使用している。 この第2の配置
は、図9A(3つの部分を含む光受信器の縦断面図)及
び図9B(この光受信器の平面図)に示すものである。
【0109】この末端結合方法は、前述したエピタキシ
反復方法に類似しているが、光検波器と変換器とのレベ
ル差を補正し且つエピタキシャル反復を避けるように既
に食刻された基板から出発している。従って、結晶品質
をより良く保持している変換器の層から始めて、全ての
層を一度にエピタキシャル成長させる。
【0110】種々の部分の導波層は、図9A及び図9B
に示すように対面している(“端部結合(butt c
oupling)”)。
【0111】次に、変換器の接点を設けることができる
ように変換器と重なり合う層を除去する。
【0112】図9A及び図9Bに立ち戻って説明する。
変換器68のレベルに突出部を有するように予め製造さ
れた半絶縁GaAs基板66を図9Aに示す。この基板
上には、GaAs/AlAs量子マルチウェル型閉じ込
め層70と、GaAs導波層72と、GaAs/AlA
s量子マルチウェル型閉じ込め層74とが順次積み重ね
られている。
【0113】変換器の両側に位置する各光検波器76,
78は、閉じ込め層74上に2つのドーピングされたA
lAsn+閉じ込め層80,82を、これらの層の間に
は(図6の層52と同様の)量子マルチウェル型層84
を含んでいる。AlAs上でのオーム接触を容易にする
ためのドーピングされたGaAs接触層は図示していな
い。
【0114】各光検波器の電極86,88並びに変換器
の90で示す接点n及び92で示す接点pを図9Bに示
す。第3の配置は相互接続を使用している。ここでも全
ての層を一度にエピタキシャル成長させる。次に、変換
器と重なり合う層を除去して、各部品の場所を限定す
る。
【0115】次の段階では、指数の低い材料(例えばシ
リカ)を蒸着させる。次に変換器と光検波器との光学相
互接続を実現する導波路を得るために、統合光学で開発
された技術(例えば“テーパ結合(tapered c
oupling)”)に従ってこの材料を腐食させる。
【0116】次に第2の方法(光検波器と偏光変換器と
の完全な集積化)を説明する。光検波器の構造に相当す
るがドーピングされていない層の積み重ねから出発し
て、その活性層が量子マルチウェル型層であるTE−T
M変換器を製造することができる。光ビームは断続する
ことなく、部品の3つの部分内をこのように伝搬し得る
(図10A及び図10B)。問題はエピタキシ後に光検
波部分をドーピングすることである。より良い方法は、
TMモードが伝搬される領域内にイオン注入によってド
ーパント(Si)を注入することである。
【0117】ドーピングの量を約1018cm-3以下にす
るように注意せねばならない。何故ならば、注入量が多
すぎると、量子マルチウェル型層内でガリウム及びアル
ミニウムの内部拡散が促進されて、この層が合金状態に
なるからである(更には、導波路の側方閉じ込めを実現
するためにメサによる導波の代わりにこの特性を任意に
利用することができる。但し屈折率の差を明らかにより
小さくする。利点は完全に導入されたプレーナ技術に到
達することである)。
【0118】AlAsを通じて量子マルチウェル型層の
均一なドーピングを行うために、上方閉じ込め層の厚さ
を小さくすることが好ましい。
【0119】(例えば約200マイクロメータの)光検
波器の短い長さ及び上方接点の金属付着層の閉じ込め効
果を考慮してこの欠点を容認できねばならない。他方で
は、下方接点を設けることができるように、十分に大き
い表面上で十二分に導入作業を実施せねばならない。
【0120】図10A及び図10Bに立ち戻る。半絶縁
GaAs基板94を図10Aに示す。この基板上にはA
lAs閉じ込め層96,98があり、これらの層の間に
はGaAs/AlAs量子マルチウェル型層100があ
る。接触層はここでも図示していない。
【0121】層96,98,100は、偏光変換器68
のレベルではドーピングされていないが、光検波器7
6,78のレベルではケイ素の注入によってドーピング
されている。注入によってドーピングされた領域を、図
10Aでは破線及び参照番号102,104で示してい
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】コヒーレントリンク用の公知の受信システムの
概略図である。
【図2】本発明の光受信器に属し、且つ光検波器と同一
の基板上に集積化されている前増幅器に任意に結合され
ている導波路光検波器の概略図である。
【図3】図2に示す型の2つの光検波器の交差型回路を
構成する本発明の光受信器の概略図である。
【図4A】3つの部分を有し、偏光の多様な本発明のモ
ノリシック光受信器の概略図である。
【図4B】図4Aの光受信器の非平衡回路の概略図であ
る。
【図4C】4つの光検波器を使用する平衡回路の概略図
である。
【図5A】GaAs/AlAs量子マルチウェル型構造
内の暗電流を概略的に示す図である。
【図5B】図5Aのような構造内の光電流を概略的に示
す図である。
【図6】本発明で使用可能な基本的な光検波器の構造の
概略図である。
【図7】単に熱イオン源の電流を想定しての、図6の光
検波器の電流−電圧特性を示す図である。
【図8】この光検波器と前増幅器との電気回路図であ
る。
【図9A】2つの光検波器と、これら2つの光検波器の
間にある電気制御式偏光変換器とを同一の基板上に含ん
でいる本発明の光受信器の概略図である。
【図9B】2つの光検波器と、これら2つの光検波器の
間にある電気制御式偏光変換器とを同一の基板上に含ん
でいる本発明の光受信器の概略図である。
【図10A】2つの光検波器と、これら2つの光検波器
の間にある電気制御式偏光変換器とを同一の基板上に含
んでいる本発明の光受信器の概略図である。
【図10B】2つの光検波器と、これら2つの光検波器
の間にある電気制御式偏光変換器とを同一の基板上に含
んでいる本発明の光受信器の概略図である。
【符号の説明】
6 光結合器 10,22,28,30,34,36,76,78 光
検波器 12,26,44,66,94 基板 16 入射光 20,29,31,40,42 前置増幅器 32,38,68,90 偏光変換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−267709(JP,A) 特開 平4−72314(JP,A) 特表 平6−505363(JP,A) 特表 平6−507273(JP,A) C.E.Zah et al.,1. 5 μm Compressive−S trained Multiquant um−Well Waveguide Detectors,Electron ics Letters,1991年 5月 9日,vol.27,no.10,838− 839 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/10 - 31/119

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の光検波器と第2の光検波器とから
    なる対を少なくとも1つ含んでいる光受信器であって、
    第1の光検波器が半導体基板上に形成され且つ半導体材
    料の量子マルチウェル型多層ストリップを含み、該多層
    ストリップが入射光を誘導するために備えられており、
    第1の光検波器が光の横断方向磁気成分を吸収し得、該
    光の電界が多層面に垂直な成分を有し、該光の横断方向
    電気成分が第1の光検波器内にほとんど吸収されず、前記第2の光検波器が半導体材料の量子マルチウェル型
    多層ストリップを含み、該多層ストリップは、前記入射
    光の電界を前記第2の検波器の多層面に垂直とした状態
    で、前記入射光の前記横断方向電気成分を誘導するよう
    構成されている ことを特徴とする光受信器。
  2. 【請求項2】 第2の光検波器が、第1の光検波器の直
    後に配置され且つ第2の光検波器の多層ストリップが第
    1の光検波器のストリップの延長上にあり且つ構成する
    多層の各面が垂直になるように配列されていることを特
    徴とする請求項に記載の光受信器。
  3. 【請求項3】 第1の光検波器と第2の光検波器とが、
    光導波の連続性が第1の光検波器の多層ストリップと第
    2の光検波器の多層ストリップとの間で確保され且つこ
    れらの多層の各面が平行になるように同一の半導体基板
    上に集積化され、光受信器が更に偏光変換器を含み、該
    変換器が、この同一の基板上で、光導波の連続性を確保
    させ且つ第1の光検波器と第2の光検波器との間に含ま
    れるストリップ構造内に設けられ、またこの第1の光検
    波器から出る光の横断方向電気偏光を、第2の光検波器
    の多層の面に垂直な電界の成分を有する横断方向磁気偏
    光に変換するために備えられており、偏光がこのように
    変換される光が第2の光検波器内に注入され、そこで吸
    収されることを特徴とする請求項に記載の光受信器。
  4. 【請求項4】 各光検波器がGaAs基板上に形成され
    ていることを特徴とする請求項1に記載の光受信器。
  5. 【請求項5】 各量子マルチウェル型多層がGaAs/
    AlAs型であり、且つ1から4への副帯域間遷移によ
    って1.55マイクロメータに等しい波長の放射線を吸
    収するために備えられていることを特徴とする請求項
    に記載の光受信器。
  6. 【請求項6】 変換器が電気制御式であり、第1の光検
    波器と変換器と第2の光検波器とが基板上のそれぞれ異
    なる3つの領域内にエピタキシャル層から製造され、光
    検波器の領域のエピタキシ化層が変換器の領域の層とは
    異なっていることを特徴とする請求項に記載の光受信
    器。
  7. 【請求項7】 変換器が受動型であり、第1の光検波器
    と変換器と第2の光検波器とが、基板上のそれぞれ3つ
    の異なる領域内に、光検波器の領域では同一のエピタキ
    シ化層から、変換器の領域では蒸着誘電層から製造され
    ることを特徴とする請求項に記載の光受信器。
  8. 【請求項8】 変換器が電気制御式であり、第1の光検
    波器と変換器と第2の光検波器とが、基板上のそれぞれ
    3つの異なる領域内に、3つの領域で同一のエピタキシ
    化層から製造され、光検波器の領域が適切にドーピング
    され、一方、変換器の領域がドーピングされないことを
    特徴とする請求項に記載の光受信器。
  9. 【請求項9】 基板上に集積化される各光検波器が、該
    光検波器によって提供される信号を処理し且つ該光検波
    器と同一の基板上に集積化される前置増幅器に結合され
    ていることを特徴とする請求項1に記載の光受信器。
  10. 【請求項10】 それぞれが第1の光検波器と第2の光
    検波器とを備え、且つ2つの平衡経路を有する回路内で
    動作するように設けられた2つの対を含んでいることを
    特徴とする請求項1に記載の光受信器。
  11. 【請求項11】 光検波器が同一の基板上に集積化さ
    れ、第1の光検波器が、該第1の光検波器によって提供
    される信号を処理する差動入力型前増幅器に結合され、
    第2の光検波器が、該第2の光検波器によって提供され
    る信号を処理する差動入力型前増幅器に結合され、前増
    幅器が光検波器と同一の基板上に集積化されていること
    を特徴とする請求項10に記載の光受信器。
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