JP3887738B2

JP3887738B2 - Semiconductor optical integrated circuit device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3887738B2
Application number: JP31278698A
Authority: JP
Inventors: 松田　　学
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: JP2000138362A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光集積回路装置及びその製造方法に関するものであり、特に、波長多重（ＷＤＭ）通信方式において受光装置として用いる高感度な半導体光集積回路装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信需要の飛躍的な増大に対して波長の異なる複数の信号光を多重化して一本の光ファイバで同時に伝送させる波長多重通信システムの導入が検討されており、この波長多重通信システムを含めた光伝送システムにおいては、光ファイバを伝送されてきた光信号を受光素子で受信して電気信号に変換する際に、受光感度を増加させるために、受光素子の前段に光増幅器を挿入して受信信号を増幅する方法がある。
【０００３】
この様な目的に用いる光増幅器としては、Ｅｒドープファイバを用いた光ファイバ増幅器や、半導体増幅器の使用が可能であるが、増幅に伴って生じる所望の波長近傍以外の光、即ち、ＡＳＥノイズ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎｎｏｉｓｅ）が受信感度の劣化を誘発することが問題となる。
【０００４】
したがって、この様な問題を解決するためには、波長フィルタを光増幅器と受光素子との間に挿入することにより不所望なＡＳＥノイズを遮断して受信感度の劣化を抑制すれば良いが、これらの素子によるシステムのサイズをコンパクトにするためには、これらの素子を全て半導体によってモノリシックに集積化することが不可欠となる。
【０００５】
この様に半導体でモノリシックに集積化する場合に用いる波長フィルタとしては、多層膜によるＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）型フィルタや、回折格子によるＤＢＲ型フィルタが考えられ、また、波長多重通信システムに適用するためには、波長フィルタ部は透過波長の選択、即ち、チューニングができる機構を有することが望ましい。
【０００６】
また、集積化に際しては、光増幅器及び受光素子とともに、光導波路型素子、面型素子を組み合わせてモノリシックに集積化することで、高感度な受信システムを構築することが可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光増幅器及び受光素子を光路上に一直線に配列して集積化した場合には、ＤＢＲ型フィルタからの反射光が光増幅器に帰還し、光増幅器の利得に揺らぎが生じ、それによって出力光パワーが揺らぐという問題がある。
【０００８】
また、必要な波長域を透過させるためには、ＤＢＲ型フィルタをλ／４型にしなくてはならないが、このλ／４型フィルタの場合には、光透過スペクトルにおけるストップバンドの光しか抑制できないという問題があり、また、透過帯域が狭いという問題がある。
【０００９】
また、ＤＢＲ型フィルタとして、位相シフトのないＤＢＲ型フィルタを用い、ＤＢＲ型フィルタから反射或いは回折された光が光増幅器に戻らないように、反射或いは回折する方向を傾けて受光素子に結合することも試みられているが（必要ならば、例えば、特願昭５８−１２３１５０号参照）、この場合には、回折格子の上下両側に回折が生ずるのでパワーロスが生ずるという問題があり、さらには、受光素子を同一基板上に集積化することが困難であるという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、不所望な波長のＡＳＥ光を抑制し、且つ、戻り光による光増幅器のパワー変動も抑制した高感度な光増幅器集積型受光装置を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図１は本発明の半導体光集積回路装置の光軸に沿った概略的断面図である。
図１参照
（１）本発明は、半導体光集積回路装置において、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器２、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に、前記の順で直列に配置することを特徴とする。
【００１２】
この様に、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器（ＶＣＦ：ＶｅｒｔｉｃａｌＣｏｕｐｌｅｄＦｉｌｔｅｒ）２、即ち、回折格子１２を設けて光結合特性に波長選択性を設けた方向性結合器（ＧＡＣＤ：ＧｒａｔｉｎｇＡｓｓｉｓｔｅｄＣｏｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣｏｕｐｌｅｒ）、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に直列に配置することによって、光検出器５の動作に影響を与えないように不所望なＡＳＥ光を吸収する光吸収器３を設けることができ、且つ、それによって、戻り光による光増幅器１のパワー変動を抑制することができるので、信号光を高感度に受信することができる。
【００１３】
（２）また、本発明は、上記（１）において、光増幅器１を構成する光増幅層６、光吸収器３を構成する光吸収層７、及び、光検出器５を構成する受光層８のバンドギャップが、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０のバンドギャップより小さいことを特徴とする。
【００１４】
この様なバンドギャップの関係に設定することによって、光導波路９，１０における増幅信号光の吸収損失を低減することができる。
【００１５】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０と、この光導波路９，１０とともに方向性結合器を構成する光導波路層１１との間隔が、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８と光導波路層１１との間隔より狭いことを特徴とする。
【００１６】
この様な間隔の関係に設定することによって、回折格子装荷型方向性結合器２，４以外の領域における光導波路層１１との光結合を防止することができ、光導波路層１１に不所望な光が導波することを防止したり、或いは、光導波路層１１を導波する増幅信号光の不所望な吸収を防止することができる。
【００１７】
（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、一対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の透過帯域の中心波長を互いにずらすことを特徴とする。
【００１８】
この様に、一対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の透過帯域の中心波長を互いにずらすことによって、全体の透過波長帯域を狭帯域化することができ、波長多重通信システムにおけるクロストークを防止することができる。
【００１９】
（５）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に制御電極１４，１５を設け、波長選択性を付与することを特徴とする。
【００２０】
この様に、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に制御電極１４，１５を設けることによって、全体の透過波長帯域及び中心透過波長を任意に設定することができる。
【００２１】
（６）また、本発明は、上記（５）において、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の動作を互いに非対称にすることを特徴とする。
【００２２】
この様に、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に、例えば、非対称に電流注入を行なって非対称動作させることによって、全体の透過波長帯域を狭帯域化し、且つ、中心透過波長を任意に設定することができる。
【００２３】
（７）また、本発明は、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器２、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に、前記の順で直列に配置した半導体光集積回路装置の製造方法において、光軸に沿って間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて分離クラッド層１７を成長することによって、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０と、この光導波路９，１０とともに方向性結合器を構成する光導波路層１１との間隔を、光増幅器１を構成する光増幅層６、光吸収器３を構成する光吸収層７、及び、光検出器５を構成する受光層８と光導波路層１１との間隔より狭くしたことを特徴とする。
【００２４】
この様に、間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて分離クラッド層１７を成長することによって、分離クラッド層１７の層厚を周期的に変化させることができ、それによって、上記の間隔の関係に設定することができる。
【００２５】
（８）また、本発明は、上記（７）において、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８を選択成長マスクを用いて同時に成長させることによって、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８のバンドギャップを、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０のバンドギャップより小さくしたことを特徴とする。
【００２６】
この様に、間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８を成長することによって、各層のバンドギャップを上記の関係に設定することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して本発明の第１の実施の形態の光増幅器集積型受光装置の製造工程を説明する。
なお、図４（ｆ）は、平面図であり、その他の図は、図４（ｆ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った位置における概略的断面図である。
図２（ａ）参照
まず、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、例えば、厚さが８０ｎｍで、組成波長が１．１５μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２を設ける。
【００２８】
図２（ｂ）参照
次いで、全面にフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光法等を用いて、例えば、周期Λが３８μｍで、領域長が３００μｍの回折格子パターンを有するレジストパターン２３を２か所に形成し、このレジストパターン２３をマスクとして、エタンガス或いはメタンガスを反応ガスとした反応性イオンエッチングを施すことによってｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２からなる埋込回折格子層２４，２５を形成する。
【００２９】
図２（ｃ）参照
次いで、レジストマスク２３を除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、全面にｎ型ＩｎＰ層２６を成長させて表面を平坦にしたのち、例えば、厚さが２００ｎｍで、組成波長が１．５７μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７、及び、厚さが、例えば、５００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２８を順次成長させる。
この場合、ｎ型ＩｎＰ層２６とｎ型ＩｎＰ基板２１とが、ｎ側クラッド層となる。
【００３０】
図３（ｄ）参照
次いで、全面にＳｉＯ₂膜を堆積させたのちエッチングすることによって、例えば、各長さが２００μｍで、それらの間隔が６００μｍのＳｉＯ₂マスク２９を形成し、このＳｉＯ₂マスク２９をマスクとしてエッチングすることによって、露出しているｐ型ＩｎＰクラッド層２８及びｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７を選択的に除去する。
この結果、ＳｉＯ₂マスク２９の下に残存するｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７が、夫々、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの受光層３０、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの光吸収層３１、及び、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの光増幅活性層３２となる。
【００３１】
図３（ｅ）参照
次いで、ＳｉＯ₂マスク２９をそのまま選択成長マスクとして用いて、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、例えば、厚さが３００μｍで組成波長が１．３μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を成長させて領域長が６００μｍの光導波路層３３，３４を形成したのち、引き続いて、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５を成長させる。
【００３２】
図４（ｆ）及び（ｆ′）参照
次いで、ＳｉＯ₂マスク２９を除去したのち、再び、全面にＳｉＯ₂膜を堆積させ、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域における間隔が狭く、且つ、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域における間隔が広く、両者を結ぶ領域における間隔がテーパ状の開口部３８を形成してＳｉＯ₂マスク３７とする。
【００３３】
図５（ｇ）参照
次いで、ＳｉＯ₂マスク３７を選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法によって、残存するｐ型ＩｎＰクラッド層２８と選択成長させたｐ型ＩｎＰクラッド層３５とが一体化したｐ型ＩｎＰクラッド層３６上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９、ｐ型光導波路層４０となるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層、及び、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１を順次選択成長させる。
【００３４】
この場合、再成長後のｐ型ＩｎＰクラッド層３９のｐ型ＩｎＰクラッド層３６と合わせた厚さが、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で、例えば、１．５μｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、１．０μｍとなる様に、ＳｉＯ₂マスク３７の開口部３８の間隔を設定する。
【００３５】
また、ｐ型光導波路層４０としては、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、厚さが１５０ｎｍで、組成波長が１．１μｍになるように成長させると、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上での厚さはより厚く、且つ、組成波長はより長波長化する。
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で２μｍの厚さになるように成長させる。
【００３６】
その結果、埋込回折格子２４，２５の周期Λと相まって、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定される光導波路層３３，３４の伝播定数β₁と、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定されるｐ型光導波路層４０の伝播定数β₂との関係を、β₁−β₂＝２π／Λの関係に設定することができ、それによって、埋込回折格子２４，２５の周期Λにマッチングする波長の光のみを選択的に結合する１対の回折格子装荷型方向性結合器を構成することができる。
【００３７】
図５（ｈ）参照
次いで、ＳｉＯ₂マスク３７を除去したのち、新たにＳｉＯ₂膜を堆積させ、受光層３０及び光増幅活性層３２に対応する領域を露出させる様にエッチングしてＳｉＯ₂マスク（図示せず）を形成したのち、このＳｉＯ₂マスクを用いてエッチングすることによって、露出しているｐ型ＩｎＰクラッド層４１を選択的に除去する。
【００３８】
次いで、露出したｐ型光導波路層４０上にｐ側電極４２，４３を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にｐ側電極４２，４３に夫々対向するｎ側電極４４，４５を形成したのち、端面に多層誘電体膜からなる無反射膜４６，４７を形成することによって、半導体光集積回路装置の基本構成が完成する。
【００３９】
次に、同じく、図５（ｈ）を参照して半導体光集積回路装置の動作を説明すると、光増幅活性層３２側の端面から信号光を入射し、ｐ側電極４２とｎ側電極４４との間に順バイアスを印加することによって信号光を増幅する。
【００４０】
次いで、増幅された信号光は、埋込回折格子層２４を設けた回折格子装荷型方向性結合器において、埋込回折格子層２４にマッチングにする波長の光のみがｐ型光導波路層４０側に導かれ、マッチングしない波長の光、即ち、ＡＳＥ光はそのまま光導波路層３３を通過し、光吸収層３１において吸収され、除去される。
なお、光導波路層３３及びｐ型光導波路層４０のバンドギャップは、光増幅活性層３２のバンドギャップより大きいので、光導波路層３３及びｐ型光導波路層４０において信号光が吸収されることがない。
【００４１】
一方、ｐ型光導波路層４０側に導かれた信号光は、光吸収層３１の対応する領域においてはｐ型ＩｎＰクラッド層３６とｐ型ＩｎＰクラッド層３９を足した厚さが厚いので光吸収層３１において吸収されることなく、埋込回折格子層２５を設けた回折格子装荷型方向性結合器へ導かれ、埋込回折格子層２５にマッチングにする波長の光のみが光導波路層３４に戻される。
なお、この第１の実施の形態においては、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λを同じにしているので、両方の回折格子装荷型方向性結合器において選択される波長帯域は変化しない。
【００４２】
次いで、光導波路層３４に戻された信号光は、ｐ側電極４３とｎ側電極４５との間に逆バイアスが印加された受光層３０において検出されて、電気信号として取り出される。
【００４３】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、光増幅活性層３２によって構成される光増幅装置と光吸収層３１によって構成される光吸収器との間、及び、光吸収器と受光層３０によって構成される光検出器との間に、夫々、回折格子装荷型方向性結合器を設けているので、増幅した信号光を減衰させることなく、ＡＳＥ光のみを選択的に吸収除去することができ、ＡＳＥ光による受信感度の低下を防止することができる。
【００４４】
また、この光吸収層３１は、光検出器側の端面で反射した戻り光も吸収するので、戻り光による光増幅器のパワー変動を抑制することができ、増幅動作を安定化することができる。
【００４５】
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９を成長させる際に、周期的に間隔が変化する開口部３８を有するＳｉＯ₂マスク３７を用いた選択成長法を用いているので、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上の厚さを、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上の厚さよりも自動的に薄く形成することができ、それによって、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域におけるｐ型光導波路層４０との間の不所望な光結合を防止することができる。
【００４６】
なお、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λは、互いに異なるように設定しても良いものであり、それによって、波長選択性或いは波長帯域を狭くすることができ、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００４７】
次に、図６を参照して本発明の第２の実施の形態を説明するが、この第２の実施の形態は、１対の回折格子装荷型方向性結合器に制御電極４８，４９を設けた以外は、上記の第１の実施の形態と全く同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図６参照
この第２の実施の形態においては、制御電極４８，４９に順バイアスを印加し、電流注入によって回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長をチューニングにすることができ、ある程度の波長帯域において、任意の波長の信号光に対応した光増幅器集積型受光装置として動作させることができる。
【００４８】
また、制御電極４８と制御電極４９に印加する電圧を非対称にすることによって、１対の回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長を互いにずらすことができ、それによっても、透過帯域幅を可変にすることでき、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００４９】
次に、図７を参照して本発明の第３の実施の形態を説明するが、この第３の実施の形態は、上記の第１の実施の形態の半導体光集積回路装置における信号光の流れを上下逆転したものである。
図７参照
まず、上記の第１の実施の形態と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、例えば、厚さが８０ｎｍで、組成波長が１．１５μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を設けたのち、全面にフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光法等を用いて、例えば、周期Λが３８μｍで、領域長が３００μｍの回折格子パターンを有するレジストパターンを２か所に形成し、このレジストパターンをマスクとして、エタンガス或いはメタンガスを反応ガスとした反応性イオンエッチングを施すことによって埋込回折格子層２４，２５を形成する。
【００５０】
次いで、レジストマスクを除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、全面にｎ型ＩｎＰ層２６を成長させて表面を平坦にしたのち、例えば、厚さが１５０ｎｍで、組成波長が１．１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層からなるｎ型光導波路層５０、及び、厚さが、例えば、５００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層５１を順次成長させる。
【００５１】
次いで、全面にＳｉＯ₂膜を堆積させたのちエッチングすることによって、図４（ｆ）に示した開口部を有するＳｉＯ₂マスクを形成し、このＳｉＯ₂マスクを選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法によって、ｎ型ＩｎＰクラッド層５２、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１、及び、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５３を順次選択成長させる。
【００５２】
この場合、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９のｐ型ＩｎＰクラッド層３６と合わせた厚さが、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２を形成する領域上で、例えば、１．５μｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、１．０μｍとなる様に、ＳｉＯ₂マスクの開口部の間隔を設定するものであり、この開口部の間隔によって、各領域の組成波長及び膜厚を任意に制御することができる。
【００５３】
また、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２となる領域で、例えば、組成波長が１．５７μｍで厚さが３００ｎｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域において、例えば、組成波長が１．４μｍで厚さが１５０ｎｍとなる。
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で２μｍの厚さになるように成長させる。
【００５４】
その結果、埋込回折格子２４，２５の周期Λと相まって、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定される光導波路層３３，３４の伝播定数β₃と、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定されるｎ型光導波路層５０の伝播定数β₄との関係を、β₃−β₄＝２π／Λの関係に設定することができ、それによって、埋込回折格子２４，２５の周期Λにマッチングする波長の光のみを選択的に結合する一対の回折格子装荷型方向性結合器を構成することができる。
【００５５】
次いで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５３上にｐ側電極４２，４３を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にｐ側電極４２，４３に夫々対向するｎ側電極４４，４５を形成したのち、両側の端面に多層誘電体膜からなる無反射膜４６，４７を形成することによって、半導体光集積回路装置の基本構成が完成する。
【００５６】
なお、この場合も、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λは、互いに異なるように設定しても良いものであり、それによって、波長選択性或いは波長帯域を狭くすることができ、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００５７】
この本発明の第３の実施の形態の半導体光集積回路装置の動作は、上記の第１の実施の形態の半導体光集積回路装置の動作と実質的に同様であるので説明は省略する。
【００５８】
この本発明の第３の実施の形態においては、受光層３０、光吸収層３１、光増幅活性層３２、及び、光導波路層３３，３４を、一度の選択成長工程において単一のｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層から形成しているので、製造工程が簡素化され、それによって、半導体光集積回路装置の低コスト化が可能になる。
【００５９】
次に、図８を参照して本発明の第４の実施の形態を説明するが、この第４の実施の形態は、１対の回折格子装荷型方向性結合器に制御電極４８，４９を設けた以外は、上記の第３の実施の形態の半導体光集積回路装置と全く同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図８参照
この第４の実施の形態においても、制御電極４８，４９に順バイアスを印加し、電流注入によって回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長をチューニングにすることができ、ある程度の波長帯域において、任意の波長の信号光に対応した光増幅器集積型受光装置として動作させることができる。
【００６０】
また、この場合にも、制御電極４８と制御電極４９に印加する電圧を非対称にすることによって、１対の回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長を互いにずらすことができ、それによっても、透過帯域幅を可変にすることでき、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００６１】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、１対の回折格子装荷型方向性結合器を構成する回折格子を埋込回折格子層２４，２５を利用して構成しているが、この様な回折格子に限られるものではなく、光導波路層３３，３４、或いは、ｎ型光導波路層５０に直接レリーフ型として形成しても良く、設ける位置としては光導波路層３３，３４、或いは、ｎ型光導波路層５０の上下の何方側の面に設けても良いものである。
【００６２】
また、上記の各実施の形態の説明においては、信号光の導波方向に垂直な方向の断面構造を示してしないが、ストライプ状にメサエッチングしたのち、ＦｅドープＩｎＰ高抵抗層を成長させて埋込導波路構造にしても良いし、或いは、ストライプ状にメサエッチングしたのち、ポリイミド等で被覆して埋込導波路構造にしても良いし、さらには、リッジ型導波路構造にしても良く、特定のストライプ構造に限定されないものである。
【００６３】
また、上記の各実施の形態の説明においては、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２としてバルクのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いても良いものである。
【００６４】
また、上記の各実施の形態においては、光増幅器、光吸収器、及び、光検出器を構成する領域の長さを２００μｍとして、その間に設ける回折格子装荷型方向性結合器を構成する領域の長さを６００μｍとしているが、各領域の長さは適宜変更しても良いものであり、特に、回折格子装荷型方向性結合器を構成する領域の長さは方向性結合器の結合効率や吸収損失等の特性を損なわない範囲で適宜変更しても良いものである。
【００６５】
また、上記の第１及び第２の実施の形態においては、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２を組成波長が１．５７μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２から形成しているが、各層のバンドギャップを最適化するために、夫々、異なった組成のＩｎＧａＡｓＰ層から構成しても良いものである。
【００６６】
また、上記の第１及び第２の実施の形態においては、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９の厚さを周期的に変化させるために、間隔が周期的に変化する開口部３８を有するＳｉＯ₂マスク３７を用いた選択成長法によってｐ型ＩｎＰクラッド層３９を成長しているが、選択成長法に限られるものではなく、例えば、ｐ型ＩｎＰクラッド層３６を厚く成長させて、選択エッチングを用いることによってｐ型ＩｎＰクラッド層３９と同様の形状の段差を形成しても良いものである。
【００６７】
また、上記の各実施の形態の説明においては、両側の端面に無反射膜４６，４７を設けているだけであるが、さらなる反射率の低減のために、光増幅活性層３２側の端面或いは受光層３０側の端面を低屈折率の半導体層、したがって、通常はバンドギャップの大きな半導体層、例えば、上記の各実施の形態の場合にはｉ型ＩｎＰ層によって埋め込んで窓構造にしても良い。
【００６８】
また、同じく、さらなる反射率の低減のために、光増幅活性層３２側の端面或いは受光層３０側の端面を、光軸に対して傾斜させて傾斜端面構造を採用しても良いものであり、特に、端面をｎ型ＩｎＰ基板１１の主面に対して垂直性を保つ方向に傾斜させた方が、製造工程が簡単になる。
【００６９】
いずれにしても、これらの無反射膜、窓構造、或いは、傾斜端面構造を夫々単独で、或いは、２つまたは３つ組み合わせて用いることによって、端面での反射を防止することができ、それによって、戻り光による光増幅器のパワー変動を抑制することができる。
【００７０】
また、本発明は、各層の組成波長は各実施の形態に記載された数値に限られるものではなく、対象となる信号光の波長に応じて適宜変更すれば良いものであり、さらには、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系に限られるものではなく、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系等の他の化合物半導体を用いて形成しても良いものである。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、光増幅器と光吸収器との間、及び、光吸収器と光検出器との間に回折格子装荷型方向性結合器を挿入しているので、増幅した信号光を特段減衰することなく不所望なＡＳＥ光を選択的に光吸収器で吸収することができ、また、戻り光も吸収することができるので、光増幅器のパワー変動を抑制し、高感度な光増幅器集積型受光装置を構成することができ、波長多重光通信システムの実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の図３以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の図４以降の製造工程の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の説明図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態の説明図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態の説明図である。
【符号の説明】
１光増幅器
２回折格子装荷型方向性結合器
３光吸収器
４回折格子装荷型方向性結合器
５光検出器
６光増幅活性層
７光吸収層
８受光層
９光導波路
１０光導波路
１１光導波路層
１２回折格子
１３回折格子
１４制御電極
１５制御電極
１６半導体基板
１７分離クラッド層
２１ｎ型ＩｎＰ基板
２２ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２３レジストパターン
２４埋込型回折格子層
２５埋込型回折格子層
２６ｎ型ＩｎＰ層
２７ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２８ｐ型ＩｎＰクラッド層
２９ＳｉＯ₂マスク
３０受光層
３１光吸収層
３２光増幅活性層
３３光導波路層
３４光導波路層
３５ｐ型ＩｎＰクラッド層
３６ｐ型ＩｎＰクラッド層
３７ＳｉＯ₂マスク
３８開口部
３９ｐ型ＩｎＰクラッド層
４０ｐ型光導波路層
４１ｐ型ＩｎＰクラッド層
４２ｐ側電極
４３ｐ側電極
４４ｎ側電極
４５ｎ側電極
４６無反射膜
４７無反射膜
４８制御電極
４９制御電極
５０ｎ型光導波路層
５１ｎ型ＩｎＰクラッド層
５２ｎ型ＩｎＰクラッド層
５３ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical integrated circuit device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a highly sensitive semiconductor optical integrated circuit device used as a light receiving device in a wavelength division multiplexing (WDM) communication system and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in response to a dramatic increase in communication demand, introduction of a wavelength division multiplexing communication system in which a plurality of signal lights having different wavelengths are multiplexed and simultaneously transmitted through a single optical fiber has been studied. In the included optical transmission system, when an optical signal transmitted through an optical fiber is received by the light receiving element and converted into an electrical signal, an optical amplifier is inserted in front of the light receiving element in order to increase the light receiving sensitivity. There is a method of amplifying the received signal.
[0003]
As an optical amplifier used for such a purpose, an optical fiber amplifier using an Er-doped fiber or a semiconductor amplifier can be used. However, light other than the vicinity of a desired wavelength caused by amplification, that is, ASE noise ( Amplified Spontaneous Emission Noise) causes a deterioration of reception sensitivity.
[0004]
Therefore, in order to solve such a problem, a wavelength filter may be inserted between the optical amplifier and the light receiving element to block undesired ASE noise and suppress deterioration of reception sensitivity. In order to reduce the size of the system using these elements, it is indispensable to integrate all of these elements monolithically with a semiconductor.
[0005]
As a wavelength filter used for monolithic integration with semiconductors in this way, a DBR (distributed Bragg reflector) type filter using a multilayer film and a DBR type filter using a diffraction grating are conceivable. For this purpose, it is desirable that the wavelength filter unit has a mechanism capable of selecting a transmission wavelength, that is, tuning.
[0006]
In integration, a high-sensitivity receiving system can be constructed by monolithically integrating optical waveguide elements and planar elements together with optical amplifiers and light receiving elements.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the optical amplifier and the light receiving element are integrated in a straight line on the optical path, the reflected light from the DBR filter returns to the optical amplifier, and the gain of the optical amplifier fluctuates, thereby causing the output light There is a problem that the power fluctuates.
[0008]
In order to transmit the necessary wavelength range, the DBR type filter must be a λ / 4 type. In the case of this λ / 4 type filter, only the light in the stop band in the light transmission spectrum can be suppressed. In addition, there is a problem that the transmission band is narrow.
[0009]
In addition, a DBR filter having no phase shift is used as the DBR filter, and the light reflected or diffracted from the DBR filter is tilted in the direction of reflection or diffraction so as to be coupled to the light receiving element so as not to return to the optical amplifier. (For example, see Japanese Patent Application No. 58-123150). However, in this case, there is a problem in that power loss occurs because diffraction occurs on the upper and lower sides of the diffraction grating. There is a problem that it is difficult to integrate elements on the same substrate.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to realize a highly sensitive optical amplifier integrated light-receiving device that suppresses ASE light having an undesired wavelength and suppresses power fluctuation of the optical amplifier due to return light.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view along the optical axis of the semiconductor optical integrated circuit device of the present invention.
See Figure 1
(1) The present invention provides an optical amplifier 1, a diffraction grating loaded directional coupler 2, an optical absorber 3, and a diffraction grating loaded directional coupler 4 in a semiconductor optical integrated circuit device. Are arranged in series in the order described above.
[0012]
In this way, the optical amplifier 1, the diffraction grating loaded directional coupler (VCF) 2, that is, the directional coupler (GACD) in which the diffraction grating 12 is provided to provide wavelength selectivity to the optical coupling characteristics. The operation of the photodetector 5 is not affected by arranging the Grading Assisted Directional Coupler), the optical absorber 3, and the diffraction grating loaded directional coupler 4 in series in front of the photodetector 5. It is possible to provide an optical absorber 3 that absorbs undesired ASE light and to thereby suppress power fluctuations of the optical amplifier 1 due to return light, so that signal light can be received with high sensitivity. Can do.
[0013]
(2) Further, according to the present invention, in the above (1), the light amplification layer 6 constituting the optical amplifier 1, the light absorption layer 7 constituting the light absorber 3, and the light receiving layer 8 constituting the photodetector 5. The band gap is smaller than that of the optical waveguides 9 and 10 constituting the diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4.
[0014]
By setting such a band gap relationship, the absorption loss of the amplified signal light in the optical waveguides 9 and 10 can be reduced.
[0015]
(3) Further, according to the present invention, in the above (1) or (2), the optical waveguides 9 and 10 constituting the diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4 and the directional coupling with the optical waveguides 9 and 10 are provided. The distance between the optical waveguide layer 11 and the optical waveguide layer 11 is smaller than the distance between the optical amplification layer 6, the light absorption layer 7, and the light receiving layer 8 and the optical waveguide layer 11.
[0016]
By setting the relationship of such an interval, optical coupling with the optical waveguide layer 11 in a region other than the diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4 can be prevented, which is undesirable for the optical waveguide layer 11. It is possible to prevent light from being guided, or to prevent undesired absorption of amplified signal light guided through the optical waveguide layer 11.
[0017]
(4) Further, the present invention is characterized in that, in any one of the above (1) to (3), the center wavelengths of the transmission bands of the pair of diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4 are shifted from each other.
[0018]
In this way, by shifting the center wavelengths of the transmission bands of the pair of diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4 from each other, the entire transmission wavelength band can be narrowed, and crosstalk in a wavelength division multiplexing communication system can be achieved. Can be prevented.
[0019]
(5) Further, in the present invention, in any one of the above (1) to (3), the control electrodes 14 and 15 are provided on the pair of diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4 to provide wavelength selectivity. It is characterized by doing.
[0020]
Thus, by providing the control electrodes 14 and 15 in the pair of diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4, the entire transmission wavelength band and the center transmission wavelength can be arbitrarily set.
[0021]
(6) Further, the present invention is characterized in that, in the above (5), the operations of the pair of diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4 are asymmetric with respect to each other.
[0022]
In this way, the pair of diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4 are asymmetrically operated by, for example, asymmetric current injection, thereby narrowing the entire transmission wavelength band and the center transmission wavelength. Can be set arbitrarily.
[0023]
(7) In the present invention, the optical amplifier 1, the diffraction grating loaded directional coupler 2, the light absorber 3, and the diffraction grating loaded directional coupler 4 are arranged in front of the photodetector 5. In the method for manufacturing a semiconductor optical integrated circuit device arranged in series in this order, the isolation cladding layer 17 is grown by using a selective growth mask having openings having periodically different intervals along the optical axis. The distance between the optical waveguides 9 and 10 constituting the loaded directional couplers 2 and 4 and the optical waveguide layer 11 constituting the directional coupler together with the optical waveguides 9 and 10 is an optical amplification constituting the optical amplifier 1. It is characterized in that it is narrower than the distance between the layer 6, the light absorbing layer 7 constituting the light absorber 3, and the light receiving layer 8 constituting the light detector 5 and the optical waveguide layer 11.
[0024]
In this way, by growing the separation cladding layer 17 using the selective growth mask having openings having periodically different intervals, the layer thickness of the separation cladding layer 17 can be periodically changed, thereby It can set to the relationship of said space | interval.
[0025]
(8) Further, in the above (7), the present invention provides the optical waveguides 9 and 10, the light amplification layer 6, the light absorption layer 7, and the light reception layer 8 that constitute the diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4. Are simultaneously grown using a selective growth mask to change the band gaps of the optical amplifying layer 6, the light absorbing layer 7 and the light receiving layer 8 into the optical waveguides 9 constituting the diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4. , 10 smaller than the band gap.
[0026]
As described above, the optical waveguides 9 and 10, the light amplification layer 6, the light absorption layer 7, and the like that constitute the diffraction grating loaded directional couplers 2 and 4 using the selective growth mask having openings with periodically different intervals, And by growing the light-receiving layer 8, the band gap of each layer can be set to the above relationship.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, with reference to FIG. 2 to FIG. 5, the manufacturing process of the optical amplifier integrated light-receiving device according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 (f) is a plan view, and the other figures are schematic cross-sectional views at positions along an alternate long and short dash line connecting AA 'in FIG. 4 (f).
See Fig. 2 (a)
First, an i-type InGaAsP layer 22 having a thickness of, for example, 80 nm and a composition wavelength of 1.15 μm is provided on the n-type InP substrate 21 by MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy).
[0028]
Refer to FIG.
Next, a photoresist is applied to the entire surface, and a resist pattern 23 having a diffraction grating pattern with a period Λ of 38 μm and a region length of 300 μm is formed in two places using a two-beam interference exposure method or the like. By using the resist pattern 23 as a mask and performing reactive ion etching using ethane gas or methane gas as a reactive gas, buried diffraction grating layers 24 and 25 made of the i-type InGaAsP layer 22 are formed.
[0029]
Refer to FIG.
Next, after removing the resist mask 23, the n-type InP layer 26 is grown on the entire surface again by the MOVPE method to flatten the surface. For example, an i having a thickness of 200 nm and a composition wavelength of 1.57 μm is obtained. A type InGaAsP layer 27 and a p-type InP cladding layer 28 having a thickness of, for example, 500 nm are sequentially grown.
In this case, the n-type InP layer 26 and the n-type InP substrate 21 are n-side cladding layers.
[0030]
Refer to FIG.
Next, SiO ₂ By depositing a film and then etching it, for example, SiO.sub.2 each having a length of 200 .mu.m and an interval of 600 .mu.m. ₂ A mask 29 is formed and this SiO 2 ₂ The exposed p-type InP cladding layer 28 and i-type InGaAsP layer 27 are selectively removed by etching using the mask 29 as a mask.
As a result, SiO ₂ The i-type InGaAsP layer 27 remaining under the mask 29 includes a light receiving layer 30 having a region length of 200 μm and a composition wavelength of 1.57 μm, a light absorption layer 31 having a region length of 200 μm and a composition wavelength of 1.57 μm, and The optical amplification active layer 32 has a region length of 200 μm and a composition wavelength of 1.57 μm.
[0031]
Refer to FIG.
Next, SiO ₂ Using the mask 29 as a selective growth mask as it is, the optical waveguide layers 33 and 34 having a region length of 600 μm are grown again by MOVPE, for example, by growing an i-type InGaAsP layer having a thickness of 300 μm and a composition wavelength of 1.3 μm. Then, the p-type InP clad layer 35 is grown.
[0032]
See FIG. 4 (f) and (f ′).
Next, SiO ₂ After removing the mask 29, the entire surface is again SiO. ₂ A film is deposited, and the interval in the region corresponding to the light receiving layer 30, the light absorption layer 31, and the light amplification active layer 32 is narrow, and the interval in the region corresponding to the embedded diffraction grating layers 24 and 25 is wide. An opening 38 having a taper-like interval is formed in the region connecting the two to form SiO 2 ₂ The mask 37 is used.
[0033]
Refer to FIG.
Next, SiO ₂ A p-type InP cladding layer is formed on the p-type InP cladding layer 36 in which the remaining p-type InP cladding layer 28 and the selectively grown p-type InP cladding layer 35 are integrated by MOVPE using the mask 37 as a selective growth mask. 39. A p-type InGaAsP layer to be the p-type optical waveguide layer 40 and a p-type InP cladding layer 41 are selectively grown sequentially.
[0034]
In this case, the thickness of the regrowth p-type InP cladding layer 39 combined with the p-type InP cladding layer 36 is on the region corresponding to the light receiving layer 30, the light absorption layer 31, and the light amplification active layer 32. For example, on the region corresponding to the buried diffraction grating layers 24 and 25, for example, 1.0 μm on the region corresponding to the embedded diffraction grating layers 24 and 25, SiO 2 ₂ The interval between the openings 38 of the mask 37 is set.
[0035]
Further, as the p-type optical waveguide layer 40, when grown on the region corresponding to the buried diffraction grating layers 24 and 25, for example, to have a thickness of 150 nm and a composition wavelength of 1.1 μm, a light receiving layer 30, the thickness on the region corresponding to the light absorption layer 31 and the light amplification active layer 32 is thicker, and the composition wavelength is longer.
The p-type InP cladding layer 41 is grown to a thickness of 2 μm on the region corresponding to the light receiving layer 30, the light absorbing layer 31, and the light amplification active layer 32.
[0036]
As a result, the propagation constant β of the optical waveguide layers 33 and 34 defined by the layer thickness on the embedded diffraction gratings 24 and 25 together with the period Λ of the embedded diffraction gratings 24 and 25. ₁ And the propagation constant β of the p-type optical waveguide layer 40 defined by the layer thickness on the embedded diffraction gratings 24 and 25. ₂ , Β ₁ -Β ₂ = 2π / Λ, whereby a pair of diffraction grating loaded directional couplers that selectively couple only light having a wavelength matching the period Λ of the buried gratings 24 and 25 Can be configured.
[0037]
Refer to FIG.
Next, SiO ₂ After removing the mask 37, a new SiO ₂ A film is deposited and etched so as to expose regions corresponding to the light receiving layer 30 and the light amplification active layer 32. ₂ After forming a mask (not shown), this SiO ₂ The exposed p-type InP cladding layer 41 is selectively removed by etching using a mask.
[0038]
Next, the p-side electrodes 42 and 43 were formed on the exposed p-type optical waveguide layer 40, and the n-side electrodes 44 and 45 opposed to the p-side electrodes 42 and 43 were formed on the back surface of the n-type InP substrate 21, respectively. Thereafter, non-reflective films 46 and 47 made of multilayer dielectric films are formed on the end face, thereby completing the basic configuration of the semiconductor optical integrated circuit device.
[0039]
Next, similarly, the operation of the semiconductor optical integrated circuit device will be described with reference to FIG. 5H. Signal light is incident from the end face on the optical amplification active layer 32 side, and the p-side electrode 42, the n-side electrode 44, The signal light is amplified by applying a forward bias between.
[0040]
Next, the amplified signal light is transmitted only to the p-type optical waveguide layer 40 side of the light having a wavelength matching the buried diffraction grating layer 24 in the diffraction grating loaded directional coupler provided with the buried diffraction grating layer 24. The light having a wavelength that does not match, that is, the ASE light passes through the optical waveguide layer 33 as it is, and is absorbed and removed by the light absorption layer 31.
Since the band gap of the optical waveguide layer 33 and the p-type optical waveguide layer 40 is larger than the band gap of the optical amplification active layer 32, signal light may be absorbed in the optical waveguide layer 33 and the p-type optical waveguide layer 40. Absent.
[0041]
On the other hand, the signal light guided to the p-type optical waveguide layer 40 side absorbs light in the corresponding region of the light absorption layer 31 because the sum of the p-type InP clad layer 36 and the p-type InP clad layer 39 is thick. Without being absorbed in the layer 31, only light having a wavelength that is guided to the diffraction grating loaded directional coupler provided with the embedded diffraction grating layer 25 and matches the embedded diffraction grating layer 25 is transmitted to the optical waveguide layer 34. Returned.
In the first embodiment, since the period Λ of the buried diffraction grating layer 24 and the buried diffraction grating layer 25 are the same, the wavelength selected in both diffraction grating loaded directional couplers. The bandwidth does not change.
[0042]
Next, the signal light returned to the optical waveguide layer 34 is detected in the light receiving layer 30 in which a reverse bias is applied between the p-side electrode 43 and the n-side electrode 45 and is taken out as an electric signal.
[0043]
As described above, in the first embodiment of the present invention, between the optical amplifying device configured by the optical amplification active layer 32 and the optical absorber configured by the optical absorption layer 31, and the optical absorber. A diffraction grating loaded directional coupler is provided between each of the photodetectors constituted by the light receiving layer 30, so that only the ASE light is selectively absorbed and removed without attenuating the amplified signal light. It is possible to prevent a decrease in reception sensitivity due to ASE light.
[0044]
Further, since the light absorption layer 31 also absorbs the return light reflected by the end face on the photodetector side, the power fluctuation of the optical amplifier due to the return light can be suppressed, and the amplification operation can be stabilized.
[0045]
Further, when the p-type InP cladding layer 39 is grown, SiO having an opening 38 whose interval periodically changes. ₂ Since the selective growth method using the mask 37 is used, the thickness on the region corresponding to the buried diffraction grating layers 24 and 25 corresponds to the light receiving layer 30, the light absorbing layer 31, and the light amplification active layer 32. Can be automatically formed thinner than the thickness on the region to be formed, and thereby, between the light receiving layer 30, the light absorbing layer 31, and the p-type optical waveguide layer 40 in the region corresponding to the light amplification active layer 32. Undesirable optical coupling can be prevented.
[0046]
Note that the periods Λ of the embedded diffraction grating layer 24 and the embedded diffraction grating layer 25 may be set to be different from each other, whereby the wavelength selectivity or the wavelength band can be narrowed. Crosstalk in the multiplex communication system can be prevented.
[0047]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6. In the second embodiment, control electrodes 48 and 49 are provided on a pair of diffraction grating loaded directional couplers. Since it is exactly the same as the first embodiment except that it is provided, description of the manufacturing process is omitted.
See FIG.
In the second embodiment, a forward bias is applied to the control electrodes 48 and 49, and the center wavelength selected in the diffraction grating loaded directional coupler can be tuned by current injection, and a certain amount of wavelength can be tuned. In the band, it can be operated as an optical amplifier integrated light receiving device corresponding to signal light of an arbitrary wavelength.
[0048]
Further, by making the voltages applied to the control electrode 48 and the control electrode 49 asymmetrical, the center wavelengths selected in the pair of diffraction grating loaded directional couplers can be shifted from each other, and thereby the transmission band The width can be made variable, and crosstalk in the wavelength division multiplexing communication system can be prevented.
[0049]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. This third embodiment is for signal light in the semiconductor optical integrated circuit device of the first embodiment. The flow is upside down.
See FIG.
First, in the same manner as in the first embodiment, on the n-type InP substrate 21, for example, an i having a thickness of 80 nm and a composition wavelength of 1.15 μm is formed by MOVPE (metal organic chemical vapor deposition). After providing a type InGaAsP layer, a photoresist is applied on the entire surface, and two resist patterns having a diffraction grating pattern with a period Λ of 38 μm and a region length of 300 μm are applied by using a two-beam interference exposure method or the like. The buried diffraction grating layers 24 and 25 are formed by performing reactive ion etching using ethane gas or methane gas as a reaction gas using the resist pattern as a mask.
[0050]
Next, after removing the resist mask, the n-type InP layer 26 is grown again on the entire surface by MOVPE to flatten the surface. For example, the n-type having a thickness of 150 nm and a composition wavelength of 1.1 μm An n-type optical waveguide layer 50 made of an InGaAsP layer and an n-type InP cladding layer 51 having a thickness of, for example, 500 nm are sequentially grown.
[0051]
Next, SiO ₂ By depositing the film and then etching, the SiO having the opening shown in FIG. ₂ A mask is formed and this SiO ₂ The n-type InP clad layer 52, i-type InGaAsP layer, p-type InP clad layer 41, and p-type InGaAsP contact layer 53 are sequentially selectively grown by the MOVPE method using the mask as a selective growth mask.
[0052]
In this case, the thickness of the p-type InP cladding layer 39 combined with the p-type InP cladding layer 36 is, for example, 1. on the region where the light receiving layer 30, the light absorbing layer 31, and the light amplification active layer 32 are formed. On the region corresponding to the buried diffraction grating layers 24 and 25, for example, 1.0 μm, the thickness is 5 μm. ₂ The interval between the openings of the mask is set, and the composition wavelength and the film thickness of each region can be arbitrarily controlled by the interval between the openings.
[0053]
The i-type InGaAsP layer is a region that becomes the light receiving layer 30, the light absorbing layer 31, and the light amplification active layer 32. For example, the i-type InGaAsP layer has a composition wavelength of 1.57 μm and a thickness of 300 nm. , 25, for example, the composition wavelength is 1.4 μm and the thickness is 150 nm.
The p-type InP cladding layer 41 is grown to a thickness of 2 μm on the region corresponding to the light receiving layer 30, the light absorbing layer 31, and the light amplification active layer 32.
[0054]
As a result, the propagation constant β of the optical waveguide layers 33 and 34 defined by the layer thickness on the embedded diffraction gratings 24 and 25 together with the period Λ of the embedded diffraction gratings 24 and 25. _Three And the propagation constant β of the n-type optical waveguide layer 50 defined by the layer thickness on the embedded diffraction gratings 24 and 25. _Four , Β _Three -Β _Four = 2π / Λ, whereby a pair of diffraction grating-loaded directional couplers that selectively couple only light having a wavelength matching the period Λ of the embedded diffraction gratings 24 and 25 are provided. Can be configured.
[0055]
Next, the p-side electrodes 42 and 43 are formed on the p-type InGaAsP contact layer 53, and the n-side electrodes 44 and 45 facing the p-side electrodes 42 and 43 are formed on the back surface of the n-type InP substrate 21, respectively. By forming non-reflective films 46 and 47 made of multilayer dielectric films on both end faces, the basic configuration of the semiconductor optical integrated circuit device is completed.
[0056]
In this case as well, the period Λ of the embedded diffraction grating layer 24 and the embedded diffraction grating layer 25 may be set to be different from each other, thereby narrowing the wavelength selectivity or wavelength band. And crosstalk in the wavelength division multiplexing communication system can be prevented.
[0057]
Since the operation of the semiconductor optical integrated circuit device according to the third embodiment of the present invention is substantially the same as the operation of the semiconductor optical integrated circuit device according to the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0058]
In the third embodiment of the present invention, the light receiving layer 30, the light absorbing layer 31, the light amplification active layer 32, and the optical waveguide layers 33 and 34 are formed into a single i-type InGaAsP in a single selective growth process. Since the layers are formed from layers, the manufacturing process is simplified, and thereby the cost of the semiconductor optical integrated circuit device can be reduced.
[0059]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8. In the fourth embodiment, control electrodes 48 and 49 are provided on a pair of diffraction grating loaded directional couplers. Except for the provision, the semiconductor optical integrated circuit device according to the third embodiment is exactly the same, and the description of the manufacturing process is omitted.
See FIG.
Also in the fourth embodiment, a forward bias is applied to the control electrodes 48 and 49, and the center wavelength selected in the diffraction grating loaded directional coupler can be tuned by current injection, and a certain amount of wavelength can be tuned. In the band, it can be operated as an optical amplifier integrated light receiving device corresponding to signal light of an arbitrary wavelength.
[0060]
Also in this case, the center wavelengths selected in the pair of diffraction grating loaded directional couplers can be shifted from each other by making the voltages applied to the control electrode 48 and the control electrode 49 asymmetric. Therefore, the transmission bandwidth can be made variable, and crosstalk in the wavelength division multiplexing communication system can be prevented.
[0061]
As mentioned above, although each embodiment of the present invention has been described, the present invention is not limited to the configuration described in each embodiment, and various modifications can be made.
For example, in each of the above-described embodiments, the diffraction grating constituting the pair of diffraction grating loaded directional couplers is configured using the embedded diffraction grating layers 24 and 25. The optical waveguide layers 33 and 34 or the n-type optical waveguide layer 50 may be directly formed as a relief type, and the position to be provided is the optical waveguide layers 33 and 34 or the n-type optical waveguide. It may be provided on the upper or lower surface of the waveguide layer 50.
[0062]
In the description of each of the above embodiments, the cross-sectional structure perpendicular to the signal light guiding direction is not shown. However, after mesa etching is performed in a stripe shape, an Fe-doped InP high resistance layer is grown. A buried waveguide structure may be used, or after mesa etching in a stripe shape, it may be covered with polyimide or the like to form a buried waveguide structure, or a ridge-type waveguide structure may be used. It is not limited to a specific stripe structure.
[0063]
In the description of each of the above embodiments, a bulk i-type InGaAsP layer is used as the light receiving layer 30, the light absorbing layer 31, and the light amplification active layer 32. However, a multiple quantum well (MQW) structure is used. It may be used.
[0064]
In each of the above embodiments, the length of the region constituting the optical amplifier, the light absorber, and the photodetector is set to 200 μm, and the region constituting the diffraction grating loaded directional coupler provided therebetween is set. Although the length is 600 μm, the length of each region may be changed as appropriate, and in particular, the length of the region constituting the diffraction grating loaded directional coupler is the coupling efficiency of the directional coupler. It may be changed as appropriate as long as the characteristics such as absorption loss are not impaired.
[0065]
In the first and second embodiments, the light receiving layer 30, the light absorption layer 31, and the light amplification active layer 32 are formed from the i-type InGaAsP layer 22 having a composition wavelength of 1.57 μm. However, in order to optimize the band gap of each layer, each layer may be composed of InGaAsP layers having different compositions.
[0066]
In the first and second embodiments described above, in order to periodically change the thickness of the p-type InP cladding layer 39, the SiO having the openings 38 whose intervals change periodically. ₂ Although the p-type InP clad layer 39 is grown by the selective growth method using the mask 37, the present invention is not limited to the selective growth method. For example, the p-type InP clad layer 36 is grown thick and selective etching is used. Accordingly, a step having the same shape as that of the p-type InP clad layer 39 may be formed.
[0067]
In the description of each of the above embodiments, the antireflection films 46 and 47 are only provided on the end faces on both sides. However, in order to further reduce the reflectance, the end face on the optical amplification active layer 32 side or The end surface on the side of the light receiving layer 30 may be a low refractive index semiconductor layer, and therefore usually a semiconductor layer with a large band gap, for example, an i-type InP layer in the case of each of the above embodiments, so as to have a window structure. .
[0068]
Similarly, in order to further reduce the reflectance, the end surface on the optical amplification active layer 32 side or the end surface on the light receiving layer 30 side may be inclined with respect to the optical axis to adopt an inclined end surface structure. In particular, the manufacturing process becomes simpler when the end surface is inclined in a direction that maintains the perpendicularity to the main surface of the n-type InP substrate 11.
[0069]
In any case, the reflection at the end face can be prevented by using these non-reflective film, window structure, or inclined end face structure individually or in combination of two or three. The power fluctuation of the optical amplifier due to the return light can be suppressed.
[0070]
In the present invention, the composition wavelength of each layer is not limited to the numerical values described in each embodiment, and may be appropriately changed according to the wavelength of the target signal light. It is not limited to the / InP system, but may be formed using other compound semiconductors such as a GaAs / AlGaAs system.
[0071]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the diffraction grating loaded directional coupler is inserted between the optical amplifier and the optical absorber and between the optical absorber and the photodetector, Undesirable ASE light can be selectively absorbed by an optical absorber without being attenuated, and return light can also be absorbed, so that power fluctuations of the optical amplifier are suppressed, and a highly sensitive optical amplifier is integrated. A type light receiving device can be constructed, and it greatly contributes to the practical application of a wavelength division multiplexing optical communication system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the manufacturing process up to the middle of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the manufacturing process up to the middle of FIG. 2 and subsequent steps of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the manufacturing process up to the middle of FIG. 3 and subsequent drawings of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of the manufacturing process after FIG. 4 according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Optical amplifier
2 Diffraction grating loaded directional coupler
3 Light absorber
4 Diffraction grating loaded directional coupler
5 photodetectors
6 Light amplification active layer
7 Light absorption layer
8 Light receiving layer
9 Optical waveguide
10 Optical waveguide
11 Optical waveguide layer
12 Diffraction grating
13 Diffraction grating
14 Control electrode
15 Control electrode
16 Semiconductor substrate
17 Separation cladding layer
21 n-type InP substrate
22 i-type InGaAsP layer
23 resist pattern
24 Embedded diffraction grating layer
25 Embedded diffraction grating layer
26 n-type InP layer
27 i-type InGaAsP layer
28 p-type InP cladding layer
29 SiO ₂ mask
30 Light receiving layer
31 Light absorption layer
32 Light amplification active layer
33 Optical waveguide layer
34 Optical waveguide layer
35 p-type InP cladding layer
36 p-type InP cladding layer
37 SiO ₂ mask
38 opening
39 p-type InP cladding layer
40 p-type optical waveguide layer
41 p-type InP cladding layer
42 p-side electrode
43 p-side electrode
44 n-side electrode
45 n-side electrode
46 Non-reflective film
47 Antireflective film
48 Control electrode
49 Control electrode
50 n-type optical waveguide layer
51 n-type InP cladding layer
52 n-type InP cladding layer
53 p-type InGaAsP contact layer

Claims

An optical amplifier, a diffraction grating loaded directional coupler, an optical absorber, and a diffraction grating loaded directional coupler are arranged in series in the above order in front of a photodetector. Integrated circuit device.

The optical amplification layer that constitutes the optical amplifier, the light absorption layer that constitutes the optical absorber, and the band gap of the light receiving layer that constitutes the photodetector are optical components that constitute the diffraction grating loaded directional coupler. 2. The semiconductor optical integrated circuit device according to claim 1, wherein the semiconductor optical integrated circuit device is smaller than a band gap of the waveguide.

The distance between the optical waveguide constituting the diffraction grating loaded directional coupler and the optical waveguide layer constituting the directional coupler together with the optical waveguide is such that the light amplification layer, the light absorption layer, and the light receiving layer 3. The semiconductor optical integrated circuit device according to claim 1, wherein the semiconductor optical integrated circuit device is narrower than an interval with the optical waveguide layer.

4. The semiconductor optical integrated circuit device according to claim 1, wherein center wavelengths of transmission bands of the pair of diffraction grating loaded directional couplers are shifted from each other.

4. The semiconductor optical integrated circuit device according to claim 1, wherein a control electrode is provided in the pair of diffraction grating loaded directional couplers to impart wavelength selectivity.

6. The semiconductor optical integrated circuit device according to claim 5, wherein the operations of the pair of diffraction grating loaded directional couplers are asymmetric with respect to each other.

Manufacture of a semiconductor optical integrated circuit device in which an optical amplifier, a diffraction grating loaded directional coupler, an optical absorber, and a diffraction grating loaded directional coupler are arranged in series in the above order in front of the photodetector. In the method, an optical waveguide constituting the diffraction grating loaded directional coupler by growing a separation cladding layer using a selective growth mask having openings having periodically different intervals along an optical axis; and An optical amplifying layer that constitutes the optical amplifier, a light absorbing layer that constitutes the optical absorber, and a light receiving layer that constitutes the photodetector are spaced apart from the optical waveguide layer constituting the directional coupler together with the optical waveguide. And a method of manufacturing a semiconductor optical integrated circuit device, wherein the distance between the optical waveguide layer and the optical waveguide layer is narrower.

By simultaneously growing an optical waveguide, an optical amplification layer, an optical absorption layer, and a light receiving layer constituting the diffraction grating loaded directional coupler using the selective growth mask, the optical amplification layer, the optical absorption layer 8. The method of manufacturing a semiconductor optical integrated circuit device according to claim 7, wherein a band gap of the light receiving layer is made smaller than a band gap of an optical waveguide constituting the diffraction grating loaded directional coupler.