JP4134016B2 - 単一集積された半導体光素子 - Google Patents

Description

本発明は、光信号を生成するための光源に関し、特に、生成された光信号の強度を検出するための光検出器を含む光源に関する。

近年、光通信及び多様なデジタルメディアの開発及び急激な普及によって、一層低価で、小型化された効率的な光源が要求されている。一般的な光源としては、半導体レーザーなどのような半導体製造技術により製造された半導体型の光源が広く使われており、上述した半導体レーザーとしては、分布帰還レーザー或いはファブリ−ペロー・レーザーなどが用いられている。

特に、半導体レーザーは、生成された光を変調させるための電界吸収変調器などを一つの基板に集積した形態として製造可能であり、これにより製品やシステムの小型化を図ることができる、という利点がある。

しかしながら、半導体レーザーは、外部温度や駆動電流の変化、及び動作時間によって、出力される光信号の強度が変化してしまう、という問題点がある。したがって、上述した形態の光源は、出力される光信号の強度を持続的にモニタリングして維持させるための手段をさらに具備する必要がある。

図１は、光源の後方に光検出器が設けられた半導体光素子の従来技術を説明する図である。

図１に示すように、従来の半導体光素子は、半導体光源１２０と、この半導体光源１２０の後方に位置した光検出器１１０と、を含む。

ここで、半導体光源１２０は、各々第１及び第２の光信号が出力できる反射型半導体光増幅器、分布帰還レーザー、或いはファブリ−ペロー・レーザーなどを、両端（both terminals）で使うことができる。すなわち、半導体光源１２０の一端には第１の光信号を出力するために無反射層が、半導体光源１２０の他端には第２の光信号を出力するために高反射層が、各々形成される。ここで、第２の光信号は、前記高反射層を透過した第１の光信号の一部である。

そして、光検出器１１０は、半導体光源１２０からの第２の光信号を検出することにより、半導体光源１２０から出力される第１の光信号の強度をモニタリングする。

図２は、従来技術によるビームスプリッターを含む半導体光素子の構成を示す。

図２に示す従来の半導体光素子は、半導体光源２１０と、光検出器２２０と、半導体光源２１０から出力される光を分割してその一部を光検出器２２０に入力させるためのビームスプリッター(Beam splitter)２３０と、を含む。

ここで、ビームスプリッター２３０は、半導体光源２１０から出力される光を分割し、その一部を光検出器２２０へ入力させる。そして、検出器２２０は、ビームスピリッター２３０から入力を受けた光の一部を検出することにより、半導体光源２１０から出力される光の強度をモニタリングする。

しかしながら、光源の後方に光検出器などを位置させた半導体光素子は、光源の後方から出力される光の強度が非線形的に変化される場合に、光源の前方から出力される光の強度の算出が不正確になってしまう問題がある。

また、図１に示すような半導体光素子は、その光源が、後方に反射ミラー又は反射層を含むファブリ−ペロー・レーザーなどであって、前方と後方の光出力の割合が一定の場合だけしか使用できず、使用上の制限を受ける、という問題がある。

さらに、図２に示した、光源の前方にビームスプリッターなどを配置することにより光源から出力された光を分割して検出する半導体光素子は、光源から出力された光を人為的に分割させることで、その構造が複雑になり、光の強度損失が増加する問題がある。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、光源から出力される光の強度損失を最小化し、光の強度を正確にモニタリングすることができる半導体光素子を提供することにある。

上述した目的を達成するための本発明による半導体形光素子は、基板と、光を生成するための第１の活性層を含み、前記基板上に形成された第１の導波路と、前記第１の導波路から出力された光を拡散させて出力するためのウィンドウ領域を有し、前記基板上に前記導波路の周囲を囲むように成長された半絶縁層と、前記ウィンドウ領域で拡散された光の一部を検出するための第２の活性層を有する２つ以上の第２の導波路と、を含む。

また、本発明による単一体に集積された半導体光素子は、基板と、光を生成するための第１の活性層を含み、前記基板上に形成された第１の導波路と、前記第１の導波路から出力された前記光を拡散させて出力するためのウィンドウ領域を有するように前記基板上に成長された半絶縁層と、前記ウィンドウ領域で拡散される光の一部を検出するための第２の活性層を有する２つ以上の第２の導波路と、を含む。

好ましくは、半絶縁層は、前記基板からの高さが前記第１及び第２の導波路の高さと略同一になるように、前記基板上に成長される。また、半絶縁層は、第１及び第２の導波路の各々を進行する光の異常反射及び回折による損失を防止するために形成される。

また、前記一つ以上の第２の導波路は、前記ウィンドウ領域を進行する光の進行経路を中心として左右対称となるように位置される。
以上。

本発明の半導体光素子によれば、光源の前方に形成された半絶縁層のウィンドウ領域内に光検出器などを位置させて前記ウィンドウ領域で拡散されて進行する光の一部を検出することにより、半導体光素子から出力される光の強度損失を最小化させると同時に安定的に光の強度をモニタリングすることができる。

さらに、本発明による半導体光素子は、光検出器と光源を一つの基板上に単一に集積させることにより、製造が容易で、より小型化された製品の提供が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明による好ましい実施形態について詳細に説明する。本発明の説明において、関連する公知機能或いは構成についての具体的な説明が本発明の要旨の説明に不必要或いは却って要旨をぼかすと考えられる場合には、その詳細な説明を省略する。

図３は、本発明の第１の実施形態による半導体光素子を示す斜視図であり、図４は、図３に示された第１及び第２の導波路の成長過程を説明するための断面図である。

図３及び図４を参照すると、本発明の第１の実施形態による半導体光素子３００は、基板３１０と、この基板３１０上に形成された第１の導波路３２０と、この第１の導波路３２０の周囲を囲むように基板３１０上に成長された半絶縁層３４０と、第２の活性層３３１を有する少なくとも一つの第２の導波路３３０と、を含む。

この半導体光素子３００は、相異なるバンドギャップ(Band Gap)の活性層３２１，３３１を各々含むメサ(Mesa)形態の第１及び第２の導波路３２０，３３０を形成し、その後、基板３１０上に、各導波路３２０，３３０を取り囲むように半絶縁層３４０を成長させることにより、製造することができる。

第１及び第２の導波路３２０，３３０の各々は、基板３１０上に形成された下部クラッド(Clad)３１１と、この下部クラッド３１１上に形成された相異なるバンドギャップを有する複数の活性層３２１，３３１と、活性層３２１，３３１上に形成された上部クラッド３１２と、を含む。

下部クラッド３１１は、基板３１０上に形成されたバッファー層(図示せず)と、当該バッファー層上に形成されたｎ−ＩｎＰ層(図示せず)と、を含む。下部クラッド３１１上に形成された活性層３２１，３３１は、選択領域成長法或いはバットジョイント成長法（Butt joint growth method）などにより、相異なるバンドギャップを有するように成長される。

上部クラッド３１２は、活性層３２１，３３１上に形成されたｐ−ＩｎＰ層(図示せず)と、当該ｐ−ＩｎＰ層上に形成された接触層(図示せず)と、を含む。

本実施形態の半導体光素子３００は、上部クラッド３１２上に形成され、各活性層３２１，３３１を駆動させるための相互に絶縁された複数の電極手段(図示せず)と、基板３１０の下面に形成され、各活性層３２１，３３１に駆動電流を印加するための共用の（common）電極(図示せず)などを含む。

第１の導波路３２０は、光を生成するための第１の活性層３２１を含み、基板上３１０に形成される。この第１の導波路３２０は、一種の光源として、下部クラッド３１１上に格子が形成された分布帰還レーザー或いは反射型半導体光増幅器などのような半導体光源を形成することができる。

その他にも、第１の導波路３２０は、第１の活性層３２１を相異なるバンドギャップを有するように形成することにより、その一部は上述したような光源の形態とし、また他の一部は電界吸収変調器(Electro-absortive modulator)などを集積した電界吸収光変調器の形態とする半導体光素子として構成することもできる。

即ち、第１の活性層３２１は、その一部のエネルギーバンドギャップを、残余の部分のエネルギーバンドギャップよりも高い状態となるように形成することにより、バンドギャップが高い部分の第１の活性層３２１は上述の電界吸収変調器として、バンドギャップが低い部分の第１の活性層３２１は一種の光源として、すなわち一つの基板に集積された形態の半導体光素子として構成することができる。

第１の導波路３２０と第２の導波路３３０は、一緒に基板３１０上に成長させるように形成することが出来、また、成長後にメサ構造を持たせるようにするために、それぞれ、所望の位置（エリア）でエッチングされる。

半絶縁層３４０は、第１の導波路３２０から出力された光を拡散させて出力するためのウィンドウ領域３４０ａを有している。この半絶縁層３４０は、基板３１０上に、第１及び第２の導波路３２０，３３０の周囲を囲むように成長される。半絶縁層３４０は、例えばＩｎＰを用いて形成することができる。ウィンドウ領域３４０ａは、第１の導波路３２０の一端部から出力された光を拡散させることによって、第１の導波路３２０から出力された光が再び第１の導波路３２０の方向に行く（すなわち逆進行する）ことを防止する。

また、半絶縁層３４０は、基板３１０からの高さが、第１及び第２の導波路３２０，３３０の各々の基板３１０からの高さと同一となるように、基板３１０上に成長される。このような構成とすることで、各導波路３２０，３３０を進行する光の異常反射及び回折による損失が縮小され或いは防止される。

第２の導波路３３０は、ウィンドウ領域３４０ａで拡散される光の一部を検出するためにウィンドウ領域３４０ａ内で、上述の第１の導波路３２０と近接するように形成（成長）され、第２の活性層３３１を含む。すなわち、第２の導波路３３０は、導波路形態のフォトダイオードであり、第１の導波路３２０から出力される光の強度をモニタリングする。

図５は、図３に示した半導体光素子の平面図である。

図５を参照すると、第２の導波路３３０は、ウィンドウ領域３４０ａを進行する光の進行経路を中心として左右対称となるように、光の遠視野像(Far-Field)に対称的に位置させることにより、光の結合効率を向上させる。

図６は、半導体光素子における図５のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。

図６を参照すると、ウィンドウ領域３４０ａは、第１の導波路３２０の一端に接するように基板３１０上に形成されることにより、第１の導波路３２０から出力される光を半導体光素子３００の外部へ出力させる。

第２の導波路３３０は、予め設定された距離Ｄ１で第１の導波路３２０から離隔され、予め設定された距離Ｄ２でウィンドウ領域３４０ａを進行する各々の光から離隔されることにより、ウィンドウ領域３４０ａに拡散された光の強度をモニタリングする。

図７は、半導体光素子における図５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。

図７を参照すると、第２の導波路３３０は、ウィンドウ領域３４０ａ内に位置しており、ウィンドウ領域３４０ａに拡散される光の一部を吸収することにより、第１の導波路３２０から出力された光を最小限の損失で検出するようになる。

図８は、図３に示す第２の導波路によって吸収された光電流と、該導波路で吸収されずにウィンドウ領域から放出された出力光との関係を示すグラフである。

図８から分かるように、検出された光電流は、出力光に対して微量であり、実際の出力に大きな影響を及ばない。前記光検出器の結合効率は５％以下であるので、入力光の９５％以上が出力される。また、この結合効率は、第２の導波路の位置の調節によって調節することができ、これにより、出力される光の損失を最小限に抑えることができる。

光源の後方に位置した光検出器を含む従来の半導体光素子を示す図である。 従来のビームスプリッターを含む半導体光素子を示す図である。 本発明の第１の実施形態による単一集積された半導体光素子を示す斜視図である。 図３に示す第１及び第２の導波路の成長過程を説明するための断面図である。 図３に示す半導体光素子の平面図である。 図５のＡ−Ａ’線に沿って得られた半導体光素子の断面図である。 図５のＢ−Ｂ’線に沿って得られた半導体光素子の断面図である。 図３に示す第２の導波路によって吸収された光と、該導波路で吸収されずにウィンドウ領域から放出された出力光との関係を示すグラフである。

符号の説明

３００ 半導体光素子
３１０ 基板
３１１ 下部クラッド
３１２ 上部クラッド
３２０ 第１の導波路
３２１ 第１の活性層
３３０ 第２の導波路
３３１ 第２の活性層
３４０ 半絶縁層
３４０ａ ウィンドウ領域

Claims (3)

1. 基板と、
   光を生成するための第１の活性層を含み、前記基板上に形成された第１の導波路と、
   前記第１の導波路から出力された光を拡散させて出力するためのウィンドウ領域を有し、前記基板上に前記第１の導波路の周囲を囲むように成長された半絶縁層と、
   前記ウィンドウ領域で拡散された光の一部を検出するための第２の活性層を有する２つ以上の第２の導波路とを含み、
   前記２つ以上の第２の導波路は、前記ウィンドウ領域内に形成され、
   前記各々の第１及び第２の導波路は、前記基板と前記第１及び第２の活性層との間に形成された下部クラッドと、前記第１及び第２の活性層上に形成された上部クラッドとをさらに含み、
   前記２つ以上の第２の導波路は、前記ウィンドウ領域を進行する光の進行経路を中心として左右対称となるように位置されること
   を特徴とする半導体光素子。
2. 前記半導体光素子は、単一体に集積されることを特徴とする請求項１記載の半導体光素子。
3. 前記半絶縁層は、前記基板からの高さが前記第１及び第２の導波路の高さと略同一になるように、前記基板上に形成され、
   前記第１及び第２の導波路の各々を進行する光の異常反射及び回折による損失を防止するために形成されること
   を特徴とする請求項１記載の半導体光素子。

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