JP3541862B2 - Optical function element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号処理システム等に用いられる光機能素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
信号の伝送速度の高速化および伝送容量増大を実現する方法として光信号を用いる光通信や光インターコネクションが注目されている。これは、光の多重性(波長や空間的多重性)や並列伝送に着目して伝送容量の飛躍的な増大及び高速化を可能にする方法である。
【0003】
波長の多重性を利用する波長多重伝送では、波長多重されて伝送される複数の信号光を波長に応じて分光して特定の信号光を受光する光機能素子が用いられる。このような光機能素子としては、例えば、誘電体多層膜や半導体多層膜を微細加工して成るバンドパスフィルターを備えたものが有り、また、このようなバンドパスフィルターを集積した発光素子として、例えば、特開平6−244502号公報に開示された面発光レーザ装置が知られている。
【0004】
バンドパスフィルターを備えた光機能素子は、例えば、図6に示すように、基板25上に受光部29,30,31、並びに発光素子32,33,34が形成されるとともに、図示しないスペーサを介して各受光部29,30,31の上方にバンドパスフィルター26,27,28を配置して成る構成を有している。かかる光機能素子は、複数の波長(例えば、λ,λ,λ)の光を多重した信号光のうち、例えば、波長λの信号光を受光素子29に、波長λの信号光を受光素子30に、波長λの信号光を受光素子31にそれぞれ与えるような態様で使用される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、設計の変更やプロセッサの処理態様の変更などによって、例えば、受光素子29に波長λの信号光を与えないようにしたいという変更が必要になる場合がある。また、前記発光素子を一つとし、これに前記三つの受光部29,30,31を接続しておき、波長λの信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様と、波長λの信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様と、波長λの信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様とを、随時任意に変更可能とするというようなことが設計の自由度を向上する上で望まれる。
【0006】
しかしながら、前述したバンドパスフィルターとして誘電体多層膜や半導体多層膜を用いた光機能素子では、その設計によって波長の選択特性が一義的に決定されるため、当該素子の作製後において上述したような光伝送経路の変更等を行うことができないという欠点がある。
【0007】
本発明は、上記の事情に鑑み、光伝送経路の変更等が容易に行える光機能素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の光機能素子は、上記の課題を解決するために、波長多重されて伝送される複数の信号光を波長に応じて分光する波長分光用光学素子と、前記分光された各信号光を受光する位置に設けられた受光素子と、前記受光素子の受光面側に形成され、電気的制御によって光透過特性を変化させる光変調素子とから成ることを特徴とする。前記の光変調素子は、電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果により光透過特性を変化させるものであってもよい。
【0009】
上記の構成によれば、複数の波長(例えば、λ,λ,λ)の光を多重した信号光を分光し、例えば、波長λの信号光を第1の受光素子に、波長λの信号光を第2の受光素子に、波長λの信号光を第3の受光素子に、それぞれ与えるような回路設計で光機能素子の作製を行った後に、上記第1の受光素子に波長λの信号光を与えないようにしたいという変更を、当該第1の受光素子の受光面側に設けられる光変調素子が光を遮蔽する特性を持つように電気的制御を行うことによって簡単に実現することができる。また、一つの発光素子に三つの受光部を接続しておき、波長λの信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様と、波長λの信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様と、波長λの信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様とを、随時任意に変更することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図1(a)は、この実施の形態の光機能素子を示した平面図であり、同図(b)は同側面図である。
【0011】
光導波路1と半導体基板2とが対向配置に設けられ、これらの間に図示しないスペーサが配されることによって両者の間に所定の間隔が確保されている。光導波路は、平板ガラス基板または半導体基板からなり、これに入射された光を基板と基板外雰囲気(例えば大気)の界面で生じる全反射や基板の上下面に形成した回折格子または反射鏡によって反射させ、それを繰り返すことによって、基板中に光を伝搬させ、所定の位置に光を出力するように構成されるものである。なお、上記半導体基板2は、例えばGaAs、Si、InP等の材料からなり、この材料は、伝搬させる光の波長によって適宜選択され、基板に受光素子を形成する場合には、伝搬される光を受光する受光素子を基板に作りつけるに適した材料が選択される。また、上記光導波路1が半導体基板からなる場合には、この基板は、例えばGaAs、Si、InP等の材料からなり、伝搬させる光の波長によって適宜選択される。
【0012】
上記光導波路1の上面側の信号光受光位置には、波長分光用光学素子3(大きさ2mm×2mm)が形成され、また、同じく上面側であって分光された各信号光の伝搬経路上には、集光用光学素子4,5,6(大きさ直径1mm〜2mm)が形成されている。
【0013】
波長分光用光学素子3は、この実施の形態では透過型の回折格子であり、複数の波長の光(例えば、λ,λ,λ)を多重して成る信号光を、波長に応じて分光して光導波路1内に導くようになっている。集光用光学素子4〜6は、この実施の形態では反射型の回折格子であり、前記分光されて光導波路1内を伝搬する信号光を集光させ且つ光導波路1から光取り出し効率をよくするように光伝搬を制御するものであり、後述の受光素子7,8,9に導くようになっている。本実施形態では、光導波路1に入射し、分光された光が光導波路1の下面で全反射するように分光用光学素子3が設計されているが下面での反射条件を全反射としない場合には、例えば光導波路1の下面に例えばAu薄膜又はAg薄膜等からなる反射鏡を被着形成するようにすればよい。また、光導波路1の光取り出し位置にコリメート機能部や光取り出し部となる回折格子等を別体で設けるようにしてもよく、又は作りつけるようにしてもよい。
【0014】
半導体基板2上には、各信号光を受光するための受光素子7,8,9および一つの発光素子10が形成されている。発光素子10は、電気配線15、16、17により前記の受光素子7,8,9に接続されており、これら受光素子のいずれかに信号光が入力されると光を出力するようになっている。なお、受光素子7は、前記の集光用光学素子4にて反射された波長λの信号光が入射される位置に形成され、受光素子8は、前記の集光用光学素子5にて反射された波長λの信号光が入射される位置に形成され、受光素子9は、前記の集光用光学素子6にて反射された波長λの信号光が入射される位置に形成されている。
【0015】
受光素子7,8,9のそれぞれの受光面上には、電気的制御によって光透過特性を変化させる光変調素子11,12,13が形成されている。この実施の形態では、各光変調素子11(12,13)として、電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)により光透過特性を変化させるものを用いている。
【0016】
図2は、電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果により光透過特性を変化させる光変調素子100の一例を示した断面図である。この光変調素子100は、n型のAlGaAs層(不純物濃度7×1017cm−3、膜厚0.8μm)101、i型のMQW(GaAs(85Å)とAl0.3 Ga0.7 As(80Å)のペアを120層形成した多重量子井戸)102、p型のAlGaAs層(不純物濃度7×1017cm−3、膜厚0.4μm)103、p型のGaAs層(不純物濃度1×1018cm−3、膜厚0.2μm)104、及びp型電極105がこの順に積層され、又前記n型のAlGaAs層101上にn型の接地電極106が形成されることにより構成されている。
【0017】
図3は上記光変調素子の波長−光吸収特性を示したグラフである。このグラフには、Vs(逆バイアス)=0、Vs=a、及びVs=bのときの各々の光吸収曲線が示されている。Vs=0のとき、吸収端は図中のTの位置となる。そして、Vsを変化させ、Vs=aとしたときの吸収端Tは前記Tよりも長波長側に移行し、Vs=bとしたときの吸収端Tは前記吸収端Tよりも更に長波長側に移行する。
【0018】
このような光変調器としては、Applied physics letters vol.l45 pp.13(1984)、Applied physics letters vol.l50 pp.1119(1984)などがある。
【0019】
ここで、T<λ<Tとすると、例えば、波長λの信号光を受光する位置に設けられている光変調素子12に与える逆バイアスをVs=aとしたときには、当該光変調素子12は波長λの信号光を透過させることになり、逆バイアスをVs=bとしたときには、当該光変調素子12は波長λの信号光を透過させないことになる。すなわち、逆バイアス電圧を調整することによって光伝送経路の変更等が行えることになる。
【0020】
なお、光変調素子として、電気的制御によって光の透過と遮蔽を行う液晶素子を用いてもよいが、上述した電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果により光透過特性を変化させるものを用いる方が望ましいといえる。かかる光変調素子は、半導体膜の積層にて形成できるので、受光素子や発光素子との一体形成が可能となり、かかる光機能素子の製造プロセスの容易化が図れるからである。この一体化形成の例を以下に説明する。
【0021】
図4は、各受光素子と光変調素子と発光素子とを半導体基板上に一体形成して成る構造の一例を示した一部断面図である。この構造は反射型の構造である。半導体基板2であるn型GaAs半導体基板201の下面側にはn電極200が形成され、上面側にはn型のGaAs層(不純物濃度1×1017cm−3、膜厚3000Å)202、p型のGaAs層(不純物濃度1×1018cm−3、膜厚2500Å)203、及びn型のAl0.35Ga0.65As層(不純物濃度1×1016cm−3、膜厚5000Å)204がこの順で形成されている。
【0022】
前記n型のGaAs層202はエミッターとして機能し、p型のGaAs層203はベースとして機能し、n型のAl0.35Ga0.65As層204はコレクターとして機能するものであり、これら3つの層によって受光素子であるフォトトランジスタ151が構成される。
【0023】
そして、上記n型のAl0.35Ga0.65As層204上に、光変調素子100および発光素子10である面発光型半導体レーザ150が形成されている。光変調素子100は前記図2に示した構造を有し、高抵抗層(例えば、AlAs又はAlGaAsなど)205を介して形成されている。面発光型半導体レーザ150は、n型半導体多層膜からなるn型反射鏡206と、活性領域207と、p型半導体多層膜からなるp型反射鏡208とから構成されている。
【0024】
前記の面発光型半導体レーザ150がGaAs系の面発光型半導体レーザである場合を例に前記n型反射鏡206、活性領域207、及びp型反射鏡208について説明する。
【0025】
n型反射鏡206は、Siがドープされたそれぞれが厚さλ/4nのAl0.15Ga0.85As/AlAsのペアを25.5層形成した多層膜から成る。Al組成と厚さは発振波長λ、使用材料の屈折率nにより、λ/4nになるように設計される。使用可能な材料の範囲としては、一般に、Al0.15Ga0.85As/AlAs以外にAlGa1−x As(0≦x≦0.2)/AlGa1−y As(0.6≦y≦1)が用いられる。
【0026】
p型反射鏡208は、Beがドープされたそれぞれが厚さλ/4nのAl0.15Ga0.85As/AlAsのペアを20層形成した多層膜から成る。なお、p型反射鏡208には、その電気抵抗を低減するための中間層として多層膜の各膜間にAlGa1−z As(x≦z≦y)を形成することもある。
【0027】
活性領域207は、GaAs(100Å程度)の井戸層を4層とし、バリア層としてAl0.3 Ga0.8 Asを用いた量子井戸構造をAl0.4 Ga0.6 Asのスペーサ層で挟んで成るもの、或いは、p型及びn型のクラッド層(Al0.4 Ga0.6 As)で活性層GaAs、Al0.1Ga0.9Asを挟んで成るダブルヘテロ構造を有するもの等が用いられる。
【0028】
n型の電極としては、Au/Sn/Crの合金化膜が、p型の電極としては、Au/Crの合金化膜またはAu/Zn/Auの合金化膜が用いられる。
【0029】
なお、受光部を集積した光機能素子としては、Applied physics letters vol.58(21) pp.2342(1991)、Electronics letter vol.27,No.3,pp.216(1991)、Applied physics letters vol.60(13) pp.1541(1992)などがある。
【0030】
図5も、各受光素子と光変調素子と発光素子とを半導体基板上に一体形成して成る構造の一例を示した一部断面図である。この構造は透過型の構造である。半導体基板2であるn型GaAs半導体基板301の下面側には、n電極300が形成され、このn電極300側に光入射面が形成されている。n型GaAs半導体基板301の上面側には、n型のAl0.3 Ga0.7 As層302と、i型のMQW層303と、p型のAl0.3 Ga0.7 As層304とから成る光変調素子100が形成されている。
【0031】
そして、上記の光変調素子100上には、高抵抗層(例えば、AlAs又はAlGaAsなど)305を介して、受光素子7,8,9であるフォトトランジスタ151が形成されている。このフォトトランジスタ151は、n型のAl0.3 Ga0.7 As層(不純物濃度1×1017cm−3、膜厚5000Å:エミッターとして機能)306と、p型のGaAs層(不純物濃度1×1018cm−3、膜厚2500Å:ベースとして機能)307と、n型のGaAs層(不純物濃度1×1016cm−3、膜厚5000Å:コレクターとして機能)308とからなる。又、p型のAl0.3 Ga0.7 As層304上には光変調素子100のp型の接地電極312が形成され、n型のAl0.3 Ga0.7 As層306上にはフォトトランジスタ151のn型の接地電極313が形成されている。
【0032】
受光素子7,8,9であるフォトトランジスタ151上には、発光素子10である面発光型半導体レーザー150が形成されている。この面発光型半導体レーザー150は、n型半導体多層膜からなるn型反射鏡309と、活性領域310と、p型半導体多層膜からなるp型反射鏡311とから構成されている。
【0033】
以上説明したように、光変調素子に印加する電気信号を制御することによって受光素子が受光する光波長を任意に且つ随時変更することができ、希望する波長の光で発光素子を駆動させることができる。即ち、波長分光用光学素子と、電気的な方法で波長を選択できる光変調素子とを備えることで、受信光の波長が変更可能な光機能素子を実現でき、信号伝達経路の再構成(接続の変更)が容易に行え、システムの設計の自由度が格段に向上することになる。
【0034】
なお、以上の例では受光素子としてフォトトランジスタを示したが、これに限らずフォトダイオードを用いてもよい。また、集光用光学素子を透過型とし、光導波路1の下面側に形成するようにしてもよいものである。
【0035】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、信号伝達経路の再構成(接続の変更)が容易に行え、システムの設計の自由度が格段に向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】同図(a)は本発明の光機能素子の平面図であり、同図(b)は同側面図である。
【図2】本発明の光変調素子を示す断面図である。
【図3】本発明の光変調素子の特性を示すグラフである。
【図4】本発明の光変調素子と受光素子と発光素子とを一体形成した例を示す断面図である。
【図5】本発明の光変調素子と受光素子と発光素子とを一体形成した例を示す断面図である。
【図6】同図(a)は従来の光機能素子の平面図であり、同図(b)は同側面図である。
【符号の説明】
1 光導波路
2 半導体基板
3 波長分光用光学素子
4,5,6 集光用光学素子
7,8,9 受光素子
10 発光素子
11,12,13 光変調素子
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical functional device used for an optical signal processing system or the like.
[0002]
[Prior art]
Optical communication and optical interconnection using optical signals have attracted attention as a method of realizing a higher signal transmission speed and an increase in transmission capacity. This is a method that enables a dramatic increase in transmission capacity and an increase in speed by focusing on optical multiplexing (wavelength and spatial multiplexing) and parallel transmission.
[0003]
In wavelength division multiplexing transmission utilizing wavelength multiplicity, an optical functional element is used that splits a plurality of wavelength-multiplexed and transmitted signal lights according to the wavelength and receives a specific signal light. As such an optical functional device, for example, there is a device provided with a band-pass filter formed by finely processing a dielectric multilayer film or a semiconductor multilayer film, and as a light-emitting device integrated with such a band-pass filter, For example, a surface emitting laser device disclosed in JP-A-6-244502 is known.
[0004]
For example, as shown in FIG. 6, an optical functional device having a band-pass filter has light receiving portions 29, 30, 31 and light emitting devices 32, 33, 34 formed on a substrate 25 and a spacer (not shown). Bandpass filters 26, 27, 28 are arranged above the respective light receiving sections 29, 30, 31 via the light receiving sections 29, 30, 31. The optical functional element, a plurality of wavelengths (e.g., λ 1, λ 2, λ 3) of the multiplexed signal light to light, for example, a signal light of the wavelength lambda 1 to the light receiving element 29, the wavelength lambda 2 of the signal It is used in such a manner that light is given to the light receiving element 30 and signal light of the wavelength λ 3 is given to the light receiving element 31.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, such as by changing the processing mode changes and processor design, for example, may need to change that want to the light receiving element 29 does not give a signal light having a wavelength of lambda 1. Further, the light emitting element as one, to which should be tied to the three light receiving portions 29, 30, 31, and with the one light emitting element emits light when the wavelength lambda 1 of the signal light is incident manner And a mode in which the one light emitting element emits light when the signal light of wavelength λ 2 is incident, and a mode in which the one light emitting element emits light when the signal light of wavelength λ 3 is incident It is desired to be able to arbitrarily change it at any time in order to improve design flexibility.
[0006]
However, in an optical functional device using a dielectric multilayer film or a semiconductor multilayer film as the above-described bandpass filter, the wavelength selection characteristics are uniquely determined by the design thereof. There is a disadvantage that the optical transmission path cannot be changed.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical functional device that can easily change an optical transmission path and the like.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the optical functional element of the present invention includes a wavelength-splitting optical element that splits a plurality of signal lights that are wavelength-multiplexed and transmitted according to wavelengths, and a light-emitting element that splits each of the split signal lights. It is characterized by comprising a light receiving element provided at a position for receiving light, and a light modulation element formed on the light receiving surface side of the light receiving element and changing light transmission characteristics by electrical control. The light modulation element may change light transmission characteristics by a quantum confined Stark effect generated by application of an electric field.
[0009]
According to the above configuration, the signal light obtained by multiplexing the light beams of a plurality of wavelengths (for example, λ 1 , λ 2 , λ 3 ) is separated, and for example, the signal light of the wavelength λ 1 is transmitted to the first light receiving element. After producing an optical functional element by a circuit design that gives the signal light of λ 2 to the second light receiving element and the signal light of the wavelength λ 3 to the third light receiving element, the first light receiving element Is changed so as not to give the signal light of the wavelength λ 1 to the first light receiving element by performing electrical control so that the light modulating element provided on the light receiving surface side of the first light receiving element has a characteristic of blocking light. It can be easily realized. Further, three light receiving sections are connected to one light emitting element, and the one light emitting element emits light when the signal light of wavelength λ 1 is incident, and the signal light of wavelength λ 2 is incident on the light emitting element. a mode in which the one light emitting element is to emit light when the, and embodiments wherein one of the light emitting element is to emit light when the signal light of the wavelength lambda 3 is incident, may be arbitrarily changed at any time.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view showing an optical functional device according to this embodiment, and FIG. 1B is a side view thereof.
[0011]
The optical waveguide 1 and the semiconductor substrate 2 are provided in opposition to each other, and a spacer (not shown) is provided between them so that a predetermined interval is secured between them. The optical waveguide is made of a flat glass substrate or a semiconductor substrate, and the light incident thereon is totally reflected at an interface between the substrate and an atmosphere outside the substrate (for example, the atmosphere) or reflected by a diffraction grating or a reflecting mirror formed on the upper and lower surfaces of the substrate. By repeating this, light is propagated through the substrate and light is output to a predetermined position. The semiconductor substrate 2 is made of, for example, a material such as GaAs, Si, or InP. The material is appropriately selected depending on the wavelength of the light to be propagated. A material suitable for forming a light receiving element for receiving light on a substrate is selected. When the optical waveguide 1 is made of a semiconductor substrate, the substrate is made of a material such as GaAs, Si, InP or the like, and is appropriately selected according to the wavelength of light to be propagated.
[0012]
At the signal light receiving position on the upper surface side of the optical waveguide 1, a wavelength separating optical element 3 (size 2 mm × 2 mm) is formed, and also on the upper surface side, on the propagation path of each of the separated signal light. Are formed with condensing optical elements 4, 5, and 6 (having a diameter of 1 mm to 2 mm).
[0013]
In this embodiment, the wavelength-splitting optical element 3 is a transmission-type diffraction grating, and converts a signal light obtained by multiplexing a plurality of wavelengths of light (for example, λ 1 , λ 2 , λ 3 ) according to the wavelength. The light is split and guided into the optical waveguide 1. The condensing optical elements 4 to 6 are reflection-type diffraction gratings in this embodiment, and condense the signal light that is dispersed and propagated in the optical waveguide 1 and improve the light extraction efficiency from the optical waveguide 1. The light is controlled so as to be guided to light receiving elements 7, 8, and 9 described later. In the present embodiment, the spectroscopic optical element 3 is designed so that the light that has entered the optical waveguide 1 and has been spectrally reflected is totally reflected on the lower surface of the optical waveguide 1, but the reflection condition on the lower surface is not defined as total reflection. For example, a reflecting mirror made of, for example, an Au thin film or an Ag thin film may be formed on the lower surface of the optical waveguide 1. Further, a collimating function portion, a diffraction grating serving as a light extraction portion, or the like may be provided separately at a light extraction position of the optical waveguide 1, or may be provided.
[0014]
On the semiconductor substrate 2, light receiving elements 7, 8, 9 for receiving each signal light and one light emitting element 10 are formed. The light-emitting element 10 is connected to the light-receiving elements 7, 8, and 9 by electric wirings 15, 16, and 17, and outputs light when signal light is input to any of these light-receiving elements. I have. The light receiving element 7 is formed at a position where the signal light of the wavelength λ 1 reflected by the condensing optical element 4 is incident, and the light receiving element 8 is formed by the condensing optical element 5. The light receiving element 9 is formed at the position where the reflected signal light of the wavelength λ 2 is incident, and the light receiving element 9 is formed at the position where the signal light of the wavelength λ 3 reflected by the condensing optical element 6 is incident. ing.
[0015]
On each of the light receiving surfaces of the light receiving elements 7, 8, and 9, light modulation elements 11, 12, and 13 that change light transmission characteristics by electrical control are formed. In this embodiment, each of the light modulating elements 11 (12, 13) has a light transmission characteristic that is changed by a quantum confined Stark effect (QCSE) generated by application of an electric field.
[0016]
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of the light modulation element 100 that changes light transmission characteristics by a quantum confined Stark effect generated by application of an electric field. The light modulation device 100 includes an n-type AlGaAs layer (impurity concentration 7 × 10 17 cm −3 , a film thickness of 0.8 μm) 101, an i-type MQW (GaAs (85 °) and Al 0.3 Ga 0.7 As) (A multiple quantum well in which 120 pairs of (80 °) are formed) 102, a p-type AlGaAs layer (impurity concentration 7 × 10 17 cm −3 , film thickness 0.4 μm) 103, a p-type GaAs layer (impurity concentration 1 × 10 18 cm −3 , a film thickness of 0.2 μm) 104 and a p-type electrode 105 are laminated in this order, and an n-type ground electrode 106 is formed on the n-type AlGaAs layer 101. I have.
[0017]
FIG. 3 is a graph showing wavelength-light absorption characteristics of the light modulation element. This graph shows respective light absorption curves when Vs (reverse bias) = 0, Vs = a, and Vs = b. When Vs = 0, the absorption edge is the position of the T 0 in FIG. Then, by changing the Vs, Vs = absorption edge T 1 of the when the a is shifted to the longer wavelength side than the T 0, the absorption edge T 2 of the when the Vs = b rather than the absorption edge T 1 The wavelength shifts to the longer wavelength side.
[0018]
Such an optical modulator is disclosed in Applied physics letters vol. 145 pp. 13 (1984), Applied physics letters vol. 150 pp. 1119 (1984).
[0019]
Here, assuming that T 12 <T 2 , for example, when the reverse bias applied to the optical modulation element 12 provided at the position for receiving the signal light of the wavelength λ 2 is Vs = a, the optical modulation element 12 becomes possible to transmit the signal light of the wavelength lambda 2, when a reverse bias was Vs = b is the optical modulation element 12 will be impermeable to the signal light of the wavelength lambda 2. That is, by adjusting the reverse bias voltage, the optical transmission path can be changed.
[0020]
Note that a liquid crystal element that transmits and blocks light by electrical control may be used as the light modulation element, but a liquid crystal element that changes light transmission characteristics by the quantum confined Stark effect generated by application of an electric field described above is used. Is desirable. This is because such a light modulation element can be formed by stacking semiconductor films, so that it can be integrally formed with a light receiving element and a light emitting element, thereby facilitating the manufacturing process of such an optical function element. An example of this integrated formation will be described below.
[0021]
FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing an example of a structure in which each light receiving element, light modulation element, and light emitting element are integrally formed on a semiconductor substrate. This structure is a reflection type structure. An n-electrode 200 is formed on the lower surface side of an n-type GaAs semiconductor substrate 201 which is the semiconductor substrate 2, and an n-type GaAs layer (impurity concentration 1 × 10 17 cm −3 , film thickness of 3000 °) 202, p is formed on the upper surface side Type GaAs layer (impurity concentration 1 × 10 18 cm −3 , thickness 2500 °) 203 and n-type Al 0.35 Ga 0.65 As layer (impurity concentration 1 × 10 16 cm −3 , thickness 5000 °) 204 are formed in this order.
[0022]
The n-type GaAs layer 202 functions as an emitter, the p-type GaAs layer 203 functions as a base, and the n-type Al 0.35 Ga 0.65 As layer 204 functions as a collector. A phototransistor 151 as a light receiving element is formed by the two layers.
[0023]
Then, on the n-type Al 0.35 Ga 0.65 As layer 204, a light emitting device 100 and a surface emitting semiconductor laser 150 as the light emitting device 10 are formed. The light modulation element 100 has the structure shown in FIG. 2 and is formed via a high-resistance layer (for example, AlAs or AlGaAs) 205. The surface-emitting type semiconductor laser 150 includes an n-type reflecting mirror 206 made of an n-type semiconductor multilayer film, an active region 207, and a p-type reflecting mirror 208 made of a p-type semiconductor multilayer film.
[0024]
The n-type reflecting mirror 206, the active region 207, and the p-type reflecting mirror 208 will be described by taking as an example the case where the surface emitting semiconductor laser 150 is a GaAs surface emitting semiconductor laser.
[0025]
The n-type reflecting mirror 206 is formed of a multilayer film in which 25.5 layers of Al 0.15 Ga 0.85 As / AlAs each having a thickness of λ / 4n and doped with Si are formed. The Al composition and thickness are designed to be λ / 4n depending on the oscillation wavelength λ and the refractive index n of the material used. The range of available materials, generally, Al 0.15 Ga 0.85 As / besides AlAs Al X Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.2) / Al y Ga 1-y As (0 .6 ≦ y ≦ 1) is used.
[0026]
The p-type reflecting mirror 208 is composed of a Be-doped multilayer film in which 20 pairs of Al 0.15 Ga 0.85 As / AlAs each having a thickness of λ / 4n are formed. Note that the p-type reflector 208, and in some cases forming Al z Ga 1-z As ( x ≦ z ≦ y) between the films of the multilayer film as an intermediate layer for reducing electric resistance.
[0027]
The active region 207 has a quantum well structure in which four well layers of GaAs (about 100 °) are used, and a barrier layer of Al 0.3 Ga 0.8 As is a spacer layer of Al 0.4 Ga 0.6 As. One having a double hetero structure including an active layer GaAs and Al 0.1 Ga 0.9 As sandwiched between p-type and n-type cladding layers (Al 0.4 Ga 0.6 As). Are used.
[0028]
An Au / Sn / Cr alloy film is used as the n-type electrode, and an Au / Cr alloy film or Au / Zn / Au alloy film is used as the p-type electrode.
[0029]
In addition, as an optical functional element in which a light receiving unit is integrated, Applied physics letters vol. 58 (21) pp. 2342 (1991), Electronics letters vol. 27, no. 3, pp. 216 (1991), Applied physics letters vol. 60 (13) pp. 1541 (1992).
[0030]
FIG. 5 is also a partial cross-sectional view showing an example of a structure in which each light receiving element, light modulation element, and light emitting element are integrally formed on a semiconductor substrate. This structure is a transmission type structure. An n-electrode 300 is formed on the lower surface side of an n-type GaAs semiconductor substrate 301 which is the semiconductor substrate 2, and a light incident surface is formed on the n-electrode 300 side. On the upper surface side of the n-type GaAs semiconductor substrate 301, an n-type Al 0.3 Ga 0.7 As layer 302, an i-type MQW layer 303, p-type Al 0.3 Ga 0.7 As layer 304 Are formed.
[0031]
The phototransistors 151 serving as the light receiving elements 7, 8, and 9 are formed on the light modulation element 100 via a high-resistance layer (for example, AlAs or AlGaAs) 305. The phototransistor 151 includes an n-type Al 0.3 Ga 0.7 As layer (impurity concentration 1 × 10 17 cm −3 , a film thickness of 5000 °: functioning as an emitter) 306 and a p-type GaAs layer (impurity concentration 1 × 10 18 cm −3 , thickness 2500 °: function as base) 307, and n-type GaAs layer (impurity concentration 1 × 10 16 cm −3 , thickness 5000 °: function as collector) 308. A p-type ground electrode 312 of the light modulation element 100 is formed on the p-type Al 0.3 Ga 0.7 As layer 304, and is formed on the n-type Al 0.3 Ga 0.7 As layer 306. Is formed with an n-type ground electrode 313 of the phototransistor 151.
[0032]
On the phototransistor 151 serving as the light receiving elements 7, 8, and 9, a surface emitting semiconductor laser 150 serving as the light emitting element 10 is formed. The surface emitting semiconductor laser 150 includes an n-type reflecting mirror 309 made of an n-type semiconductor multilayer film, an active region 310, and a p-type reflecting mirror 311 made of a p-type semiconductor multilayer film.
[0033]
As described above, the wavelength of the light received by the light receiving element can be changed arbitrarily and at any time by controlling the electric signal applied to the light modulation element, and the light emitting element can be driven by the light of the desired wavelength. it can. That is, by providing an optical element for wavelength spectroscopy and an optical modulation element capable of selecting a wavelength by an electrical method, an optical function element capable of changing the wavelength of received light can be realized, and a signal transmission path can be reconfigured (connected). Can be easily performed, and the degree of freedom in system design can be greatly improved.
[0034]
In the above example, a phototransistor is shown as a light receiving element. However, the present invention is not limited to this, and a photodiode may be used. Alternatively, the condensing optical element may be of a transmission type, and may be formed on the lower surface side of the optical waveguide 1.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to easily reconfigure the signal transmission path (change the connection), and it is possible to significantly improve the degree of freedom in system design.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a plan view of an optical functional device of the present invention, and FIG. 1B is a side view thereof.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a light modulation device of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing characteristics of the light modulation device of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example in which a light modulation element, a light receiving element, and a light emitting element of the present invention are integrally formed.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example in which a light modulation element, a light receiving element, and a light emitting element of the present invention are integrally formed.
FIG. 6A is a plan view of a conventional optical functional device, and FIG. 6B is a side view thereof.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical waveguide 2 Semiconductor substrate 3 Wavelength spectroscopic optical elements 4, 5, 6 Condensing optical elements 7, 8, 9 Light receiving element 10 Light emitting elements 11, 12, 13 Light modulation element

Claims (2)

波長多重されて伝送される複数の信号光を波長に応じて分光する波長分光用光学素子と、前記分光された各信号光を受光する位置に設けられた受光素子と、前記受光素子の受光面側に形成され、電気的制御によって光透過特性を変化させる光変調素子とから成ることを特徴とする光機能素子。A wavelength splitting optical element for splitting a plurality of wavelength-multiplexed and transmitted signal lights according to wavelength, a light receiving element provided at a position for receiving the split signal light, and a light receiving surface of the light receiving element A light modulation element formed on the side and changing light transmission characteristics by electrical control. 前記の光変調素子は、電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果により光透過特性を変化させるようになっていることを特徴とする請求項1に記載の光機能素子。The optical function device according to claim 1, wherein the light modulation device changes light transmission characteristics by a quantum confined Stark effect generated by application of an electric field.
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