JPH02118613A - Semiconductor optical gate element - Google Patents

Semiconductor optical gate element

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JPH02118613A
JPH02118613A JP27379488A JP27379488A JPH02118613A JP H02118613 A JPH02118613 A JP H02118613A JP 27379488 A JP27379488 A JP 27379488A JP 27379488 A JP27379488 A JP 27379488A JP H02118613 A JPH02118613 A JP H02118613A
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JP
Japan
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optical
light
layer
semiconductor
optical modulator
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Application number
JP27379488A
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Japanese (ja)
Inventor
Kiyohide Wakao
若尾 清秀
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPH02118613A publication Critical patent/JPH02118613A/en
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Abstract

PURPOSE:To improve a response speed by amplifying control light with a light amplifier to utilize the induction emission of a semiconductor and, thereafter, inputting it to the field effect type light modulator. CONSTITUTION:Since the light amplifier area is biased in a positive direction, the control light is amplified by the induction emission. An amplification factor at such a time is, for example, in a ten-fold degree, the amplified control light reaches the light modulator area, it is absorbed there, and an excited current is generated. Since the light modulator area is biased in a reverse direction, the induction emission is not generated. Since a voltage drop proportional to the excited current by the control light amplified in such a way is generated to a load resistance 10, an effective reverse bias voltage to an electrode 5 is made small, and signal light can pass the light modulator. Thus, the CR time constant of the photomodulator is reduced, and the response speed is improved.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 電界吸収型の光変調器を利用した半導体光ゲート素子に
関し。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] This invention relates to a semiconductor optical gate device using an electro-absorption type optical modulator.

該光ゲート素子の動作速度を向上することを目的とし。The purpose is to improve the operating speed of the optical gate element.

入力光による半導体の誘導放出を利用する光増幅器と、
印加電圧による半導体層の光吸収係数の変化を利用する
電界吸収型の光変調器とを備え。
an optical amplifier that utilizes stimulated emission of semiconductors by input light;
Equipped with an electric field absorption type optical modulator that utilizes changes in the optical absorption coefficient of the semiconductor layer due to applied voltage.

該光変調器の半導体層に該光増幅器の出力光が入力され
るように光学的な結合が施されており、該光増幅器は入
力された制御光を増幅して該光変調器に送出し、該光変
調器は増幅された該制御光により光電流を発生し、該光
電流が該光変調器と電源との間に接続された負荷抵抗を
流れるために該光変調器に対する印加電圧が降下する結
果、該光変調器に入力された信号光が出力可能となるよ
うに構成する。
The semiconductor layer of the optical modulator is optically coupled so that the output light of the optical amplifier is input, and the optical amplifier amplifies the input control light and sends it to the optical modulator. , the optical modulator generates a photocurrent by the amplified control light, and since the photocurrent flows through a load resistor connected between the optical modulator and the power source, the voltage applied to the optical modulator increases. The configuration is such that as a result of the drop, the signal light input to the optical modulator can be output.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、光通信システムに用いられる光ゲート素子に
係り、とくに、印加電圧による半導体層の光吸収係数の
変化を利用する電界吸収型の光変調器を利用した半導体
光ゲート素子に関する。
The present invention relates to an optical gate element used in an optical communication system, and more particularly to a semiconductor optical gate element using an electroabsorption optical modulator that utilizes changes in the optical absorption coefficient of a semiconductor layer due to applied voltage.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

現在実用化されている光通信システムにおいては、増幅
、変調、交換等の光信号処理は、光信号を一旦電気信号
に変換し、これを電気的に処理したのち、再び光信号に
変換して送出する方法が採られている。しかし、この方
法では光の大容量伝送の長所を充分に利用することがで
きず、また。
In optical communication systems currently in practical use, optical signal processing such as amplification, modulation, and switching involves first converting an optical signal into an electrical signal, processing this electrically, and then converting it back into an optical signal. A method of sending is adopted. However, this method cannot fully utilize the advantages of large-capacity optical transmission.

光−電気および電気−光変換のための素子を必要とする
ために回路構成が複雑となるばかりでなく。
Not only does the circuit configuration become complicated because elements for optical-electrical and electrical-optical conversion are required.

システムを構成する各種装置の小型化ならびに信頼性の
点で限界を生じる。したがって、光信号を光のまま処理
する方法の開発が進められている。
There are limits to the miniaturization and reliability of the various devices that make up the system. Therefore, progress is being made in developing methods for processing optical signals as they are.

さらに、光通信システムの究極の態様として、光信号を
処理する制御信号も光であることが望まれ。
Furthermore, as the ultimate form of an optical communication system, it is desired that the control signals for processing optical signals also be optical.

このために、光制御信号により光信号を光のままで処理
可能な方法の開発も進められている。
For this reason, progress is being made in developing methods that allow optical signals to be processed as they are by using optical control signals.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記のような光信号を光制御信号によって変調する装置
として、第4図に示す光ゲート素子が提案されている。
An optical gate element shown in FIG. 4 has been proposed as a device for modulating the above optical signal with an optical control signal.

(若尾他、特願昭63−083836.昭和63年04
月05日付) ところで、半導体に電圧を印加した場合に、これを透過
する光に対する吸収波長域が長波長側に移動する。いわ
ゆる電界吸収効果が知られている。
(Wakao et al., patent application No. 1983-083836. April 1983)
By the way, when a voltage is applied to a semiconductor, the absorption wavelength range for light that passes through it shifts to the longer wavelength side. The so-called electric field absorption effect is known.

この効果を利用すれば、電圧を印加しない場合の吸収端
よりやや長波長を有する光が半導体を通過する際に、半
導体に印加する電圧によって、この光をオン・オフする
光ゲートが得られる。第4図の素子は、外部印加電圧を
制御する代わりに、上記の光(信号光)と同時に、制御
光を入射させこの制御光の有無によって信号光をオン・
オフさせるものである。制御光としては、半導体に電圧
を印加しない場合の吸収端にほぼ等しいかこれより短い
波長を有する光を用いる。
By utilizing this effect, when light having a wavelength slightly longer than the absorption edge when no voltage is applied passes through the semiconductor, an optical gate can be obtained that turns on and off the light by applying a voltage to the semiconductor. Instead of controlling an externally applied voltage, the device shown in Figure 4 allows control light to be incident at the same time as the above light (signal light), and turns on/off the signal light depending on the presence or absence of this control light.
This is to turn it off. As the control light, light having a wavelength approximately equal to or shorter than the absorption edge when no voltage is applied to the semiconductor is used.

第4図の構造をやや詳細に説明すると1例えばn型のI
nP基板1上にノンドープのInGaAsP層2p型の
InP層3.  p”型のInGaAsP−層4が順次
積層されており、この上に上部電極5が形成されている
。一方、 InP基板1の裏面には下部電極6が形成さ
れている。InGaAs1’層2+InP層3.InG
aAsP層4はストライプ状に加工されており、これら
は、その側面に形成された。鉄(Fe)をドープした高
抵抗または半絶縁性のTnP層7により埋め込まれた構
造となっている。符号8は1例えばSiO□から成る絶
縁層である。InGaAsP層2は、その周囲をより大
きなバンドギャップ(Eg)を有するInP基板1とT
nPii3および7によって囲まれた構造となっている
ため、光はrnGaAsP層2内部に閉じ込められる。
To explain the structure of Fig. 4 in a little more detail, 1. For example, n-type I
On an nP substrate 1, a non-doped InGaAsP layer 2p-type InP layer 3. P"-type InGaAsP- layers 4 are laminated in sequence, and an upper electrode 5 is formed thereon. On the other hand, a lower electrode 6 is formed on the back surface of the InP substrate 1. InGaAs 1' layer 2 + InP layer 3.InG
The aAsP layer 4 was processed into stripes, and these were formed on its sides. It has a structure embedded with a high resistance or semi-insulating TnP layer 7 doped with iron (Fe). Reference numeral 8 denotes an insulating layer made of, for example, SiO□. The InGaAsP layer 2 is surrounded by an InP substrate 1 having a larger band gap (Eg) and T
Since it has a structure surrounded by nPii3 and 7, light is confined inside the rnGaAsP layer 2.

例えば下部電極6を接地し、一方、上部電極5には負荷
抵抗10を介して負電圧(−■)を印加しておく。すな
わち、n型InP基板1とp型InP層3の間に逆バイ
アス電圧が印加された状態となり、電界の大部分がIn
GaAsP層2に集中している。ここで1例えば光ファ
イバ11から+ InGaAsP層2に対して信号光を
入力する。上記バイアス電圧の印加により、 InGa
AsP層2の吸収端は上記信号光の波長より長波長側に
移動した状態となっている。その結果、信号光はInG
aAsP層2により吸収され出力側の光ファイバ12に
現れない。
For example, the lower electrode 6 is grounded, while a negative voltage (-■) is applied to the upper electrode 5 via the load resistor 10. That is, a reverse bias voltage is applied between the n-type InP substrate 1 and the p-type InP layer 3, and most of the electric field is applied to the InP layer 3.
It is concentrated in the GaAsP layer 2. Here, a signal light is inputted to the InGaAsP layer 2 from, for example, an optical fiber 11 . By applying the above bias voltage, InGa
The absorption edge of the AsP layer 2 is shifted to a longer wavelength side than the wavelength of the signal light. As a result, the signal light is InG
It is absorbed by the aAsP layer 2 and does not appear in the output optical fiber 12.

一方、光ファイバ11から、 InCaAsP層2のバ
ンドギャップ(Eg)に対応する波長より短波長を有す
る制御光を、前記信号光と共にInGaAsP層2に対
して入力させると、この制御光による励起が行われ、負
荷抵抗10に励起電流が流れるため電圧降下が生じる。
On the other hand, when control light having a wavelength shorter than the wavelength corresponding to the band gap (Eg) of the InCaAsP layer 2 is input from the optical fiber 11 to the InGaAsP layer 2 along with the signal light, excitation by this control light is performed. Then, an excitation current flows through the load resistor 10, resulting in a voltage drop.

その結果、 InCaAsP ’Wt 2に印加されて
いるバイアス電圧が緩和され、信号光はInGaAsP
層2による吸収を受けず、光フアイバ12側に現れる。
As a result, the bias voltage applied to InCaAsP'Wt2 is relaxed, and the signal light is transferred to InGaAsP'Wt2.
It is not absorbed by layer 2 and appears on the optical fiber 12 side.

上記のように、信号光は、制御光が入力された場合には
出力側に透過し、制御光が入力されない場合には透過し
ないというゲート動作が行われる。
As described above, a gate operation is performed in which the signal light is transmitted to the output side when the control light is input, and is not transmitted when the control light is not input.

ところが、第4図に示す光ゲート素子の応答速度は、前
記負荷抵抗10の値(R)と、光ゲート素子の寄生容量
(C)、とくに+ InGaAsP層2とInP層3間
の接合容量とで決まるCR時定数によって制限される。
However, the response speed of the optical gate element shown in FIG. is limited by the CR time constant determined by .

寄生容量(C)は、素子の構造設計上可能な限り小さく
されている。一方、負荷抵抗10の値を小さくすると、
同一強度の制御光により充分大きな電圧降下を得ること
ができず、光ゲート素子のオン・オフ比特性を損なう結
果となる。ちなみに上記従来の光ゲート素子における寄
生容量は3pFであり、負荷抵抗としては5にΩ程度を
用いた場合における応答速度の上限値f。は10MHz
程度であった。
The parasitic capacitance (C) is made as small as possible based on the structural design of the element. On the other hand, if the value of the load resistance 10 is decreased,
A sufficiently large voltage drop cannot be obtained with control light of the same intensity, resulting in a loss of the on/off ratio characteristics of the optical gate element. Incidentally, the parasitic capacitance in the conventional optical gate element described above is 3 pF, and the upper limit value f of the response speed when approximately 5Ω is used as the load resistance. is 10MHz
It was about.

本発明は、上記のような光によって制御可能な光ゲート
素子の応答速度を向上することを目的とする。
An object of the present invention is to improve the response speed of a light gate element that can be controlled by light as described above.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的は、入力光による半導体の誘導放出を利用する
光増幅器と、印加電圧による半導体層の光吸収係数の変
化を利用する電界吸収型の光変調器とを備え、該光変調
器の半導体層に該光増幅器の出力光が入力されるように
光学的な結合が施されており、該光増幅器は入力された
制御光を増幅して該光変調器に送出し、該光変調器は増
幅された該制御光により光電流を発生し、該光電流が該
光変調器と電源との間に接続された負荷抵抗を流れるた
めに該光変調器に対する印加電圧が降下する結果、該光
変調器に入力された信号光が出力可能となることを特徴
とする本発明に係る半導体光ゲート素子によって達成さ
れる。
The above object includes an optical amplifier that utilizes stimulated emission of a semiconductor due to input light, and an electro-absorption optical modulator that utilizes changes in the optical absorption coefficient of the semiconductor layer due to applied voltage. is optically coupled so that the output light of the optical amplifier is input to the optical amplifier, and the optical amplifier amplifies the input control light and sends it to the optical modulator. A photocurrent is generated by the control light, and since the photocurrent flows through a load resistor connected between the optical modulator and the power source, the voltage applied to the optical modulator drops, resulting in the optical modulation. This is achieved by the semiconductor optical gate device according to the present invention, which is characterized in that the signal light input to the device can be outputted.

〔作 用〕[For production]

光によって制御される光デー1−素子において。 In an optical device controlled by light.

制御光を、あらかじめ半導体の誘導放出を利用する光増
幅器によって増幅したのち、電界効果型の光変調器に入
力することにより、大きな励起電流が得られ、光変調器
に接続された負荷抵抗の値を小さくしても、光ゲート素
子のオン・オフ動作を維持するに必要な大きさの電圧降
下を発生させることができ、一方、負荷抵抗(R)のg
減による応答速度の向上を実現できる。
By amplifying the control light in advance using an optical amplifier that utilizes the stimulated emission of semiconductors, and then inputting it to a field-effect optical modulator, a large excitation current can be obtained and the value of the load resistance connected to the optical modulator can be obtained. Even if g of the load resistance (R) is small, it is possible to generate a voltage drop of the size necessary to maintain the on/off operation of the optical gate element.
It is possible to improve the response speed by reducing the

〔実施例〕〔Example〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

以下の図面において、既掲の図面におけるのと同じ部分
には同一符号を付しである。
In the following drawings, the same parts as in the previously shown drawings are designated by the same reference numerals.

第1図は本発明の原理説明図であって、第4図を用いて
説明したのと同じ電界効果型の光変調器の前段に、半導
体の誘導放出を利用する光増幅器が設けられている。す
なわち1例えばn型のInP基板1の上に格子整合する
ようにしてノンドープの(nGaAsP層2とp型のT
nP層3が積層され、光増幅器を構成する領域および光
変調器を構成する領域に、それぞれ、上部電極14およ
び5が形成されている。上部電極14および5は互いに
電気的に分離されている。InP基板1の下面には下部
電極6が形成されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention, in which an optical amplifier that utilizes stimulated emission of a semiconductor is provided upstream of the same field-effect optical modulator as explained using FIG. 4. . That is, for example, a non-doped (nGaAsP layer 2 and a p-type T
The nP layer 3 is laminated, and upper electrodes 14 and 5 are formed in a region constituting an optical amplifier and a region constituting an optical modulator, respectively. Upper electrodes 14 and 5 are electrically isolated from each other. A lower electrode 6 is formed on the lower surface of the InP substrate 1 .

例えば下部電極6を接地し、上部電極14には正電圧(
+V+)を、一方、上部電極5には負荷抵抗10を介し
して負電圧(−VZ)を印加する。これにより。
For example, the lower electrode 6 is grounded, and the upper electrode 14 is connected to a positive voltage (
+V+), while a negative voltage (-VZ) is applied to the upper electrode 5 via the load resistor 10. Due to this.

光増幅器領域は順方向にバイアスされ、光変調器領域は
逆方向にバイアスされる。この状態でInGaAsP層
2に、信号光と制御光が入力されると、信号光は光増幅
器領域を通過して光変調器領域に達するが、光変調器領
域は逆バイアスされているため、ここで吸収されてしま
う。
The optical amplifier region is forward biased and the optical modulator region is reverse biased. When signal light and control light are input to the InGaAsP layer 2 in this state, the signal light passes through the optical amplifier region and reaches the optical modulator region, but since the optical modulator region is reverse biased, It gets absorbed.

一方、制御光は、光増幅器領域が順方向にバイアスされ
ているため、誘導放出により増幅される。
On the other hand, the control light is amplified by stimulated emission because the optical amplifier region is biased in the forward direction.

このときの増幅率は5例えば10倍程度である。増幅さ
れた制御光は光変調器領域に到達し1 ここで吸収され
、励起電流を生じる。光変調器領域は逆方向にバイアス
されているので、誘導放出は生じない。このようにして
、増幅された制御光による励起電流に比例した電圧降下
が負荷抵抗10に発生ずる。その結果、上部電極5に対
する実効逆バイアス電圧が小さくなり、信号光は光変調
器を通過可能となる。
The amplification factor at this time is 5, for example, about 10 times. The amplified control light reaches the optical modulator region 1 where it is absorbed and generates an excitation current. Since the light modulator region is biased in the opposite direction, no stimulated emission occurs. In this way, a voltage drop proportional to the excitation current due to the amplified control light is generated across the load resistor 10. As a result, the effective reverse bias voltage applied to the upper electrode 5 becomes smaller, allowing the signal light to pass through the optical modulator.

上記のように、光増幅器領域において制御光が増幅され
るため1負荷抵抗10の値(R)を1/10にしても、
制御光が増幅されない場合と等しい電圧降下を生じ、ゲ
ート動作を維持可能である。一方負荷抵抗10の値(R
)が1/10に減少したことにより第1図の構造の光変
調器のC17時定数は1/10程度に低減され、応答速
度が100MHz程度に向上する。
As mentioned above, since the control light is amplified in the optical amplifier region, even if the value (R) of one load resistor 10 is reduced to 1/10,
A voltage drop equal to that in the case where the control light is not amplified is generated, and gate operation can be maintained. On the other hand, the value of load resistance 10 (R
) is reduced to 1/10, the C17 time constant of the optical modulator having the structure shown in FIG. 1 is reduced to about 1/10, and the response speed is improved to about 100 MHz.

第2図は本発明の一実施例の構造を示す要部断面図であ
って、(a)は側断面図、(b)は(alを信号光の入
力方向から見た側面図であり、既掲の図面におけるのと
同じ部分には同一符号を付しである。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part showing the structure of an embodiment of the present invention, in which (a) is a side cross-sectional view, and (b) is a side view of (al viewed from the input direction of signal light; The same parts as in the previously published drawings are designated by the same reference numerals.

例えばn型のInP基板1上に格子整合するようにして
、n型のInPハ、、ファ層21.n型のInGaAs
P光ガイド層22.ノンドープのInGaAsP動作層
2p型のInPnチク5フ3.および、p1型のInG
a^sPキャップ層4が形成されている。InGaAs
P動作層2およびInGaAsP光ガイド層22の組成
は、それぞれの吸収端波長が1.3μmおよび1.2μ
mとなるように選ばれている。
For example, n-type InP layers 21 . n-type InGaAs
P light guide layer 22. Non-doped InGaAsP active layer 2p type InPn chip 5 3. and p1 type InG
An a^sP cap layer 4 is formed. InGaAs
The compositions of the P operating layer 2 and the InGaAsP optical guide layer 22 have absorption edge wavelengths of 1.3 μm and 1.2 μm, respectively.
m.

本実施例においては、 InGaAsP動作層2は、光
増幅器と光変調器とで分離された構造とされている。ま
た、 InGaAsPキャンプ層4からInGaAsP
光ガイド層22までは、第2図(blに示すようにスト
ライブ状のメザを形成するよ・うに加工されておりこれ
らは、その側面に形成された高抵抗のrnP層7により
埋め込まれた構造となっている。そしてTnGaAsP
キャップ層4上には、光増幅器領域および光変調器領域
に対応する分離した上部電極14および上部電極5が、
一方、 InP基板1の裏面には下部電極6が設けられ
ており5上部電極14および5に、それぞれ、+1v〜
+2vおよび一3v〜−4v程度のバイアス電圧が印加
される。
In this embodiment, the InGaAsP active layer 2 has a structure in which an optical amplifier and an optical modulator are separated. In addition, from the InGaAsP camp layer 4 to the InGaAsP
The layers up to the optical guide layer 22 are processed to form a stripe-like meza as shown in FIG. structure.And TnGaAsP
Separate upper electrodes 14 and 5 corresponding to the optical amplifier region and the optical modulator region are disposed on the cap layer 4.
On the other hand, a lower electrode 6 is provided on the back surface of the InP substrate 1, and a voltage of +1V to 5 is applied to the upper electrode 14 and 5, respectively.
Bias voltages of about +2v and -3v to -4v are applied.

光増幅器領域のInGaAsP層2および22に対し。For InGaAsP layers 2 and 22 in the optical amplifier region.

波長1.4μmの信号光と波長1.3μmの制御光を入
力する。信号光はInGaAsP層2および22内部を
通って光変調器領域に到達し、ここで吸収される。
Signal light with a wavelength of 1.4 μm and control light with a wavelength of 1.3 μm are input. The signal light passes through the InGaAsP layers 2 and 22 and reaches the optical modulator region, where it is absorbed.

制御光は光増幅器領域で約10倍に増幅されたのち。After the control light is amplified approximately 10 times in the optical amplifier region.

光変調器領域に達する。InGaAsP光ガイド層22
の吸収端波長は1.2μmであるため、増幅された制御
光は効率よく光変調器領域に伝播する。その結果、負荷
抵抗10に電圧降下が生じ、光変調器領域から信号光が
出力される。なお、 InGaAsP動作層2を、光増
幅器領域と光変調器領域とで分離させた構造としたのは
、上部電極14および5を互いに電気的に分離させるた
めである。
reaching the light modulator area. InGaAsP light guide layer 22
Since the absorption edge wavelength of is 1.2 μm, the amplified control light efficiently propagates to the optical modulator region. As a result, a voltage drop occurs across the load resistor 10, and signal light is output from the optical modulator region. Note that the reason why the InGaAsP active layer 2 has a structure in which the optical amplifier region and the optical modulator region are separated is to electrically isolate the upper electrodes 14 and 5 from each other.

負荷抵抗10の値を500Ωとし、光ゲート素子の寄生
容量を3pFとすると1応答速度は約100MHzとな
る。したがって、第4図に示した従来の光ゲート素子よ
りも、約1桁高い高速動作が可能となる。
When the value of the load resistor 10 is 500Ω and the parasitic capacitance of the optical gate element is 3 pF, one response speed is about 100 MHz. Therefore, high-speed operation approximately one order of magnitude higher than that of the conventional optical gate element shown in FIG. 4 is possible.

第3図は、第2図に示す本発明の構造の光ゲート素子の
製造工程を説明するための要部断面図である。
FIG. 3 is a sectional view of a main part for explaining the manufacturing process of the optical gate element having the structure of the present invention shown in FIG.

第3図(alを参照して、n型の(100) InP基
板1(n・2 X 10 ’ ”cm−”)上に格子整
合するようにして。
Referring to FIG. 3 (al), lattice matching was performed on an n-type (100) InP substrate 1 (n.2 x 10'"cm-").

n型のInPバッファ層21(n=2X10Il1cm
−’、厚さ2μm)+n型のInGaAs1’光ガイド
層22(吸収端波長λ−1,2pm、厚さ0.2 μm
)、ノンドープ1rlGaAsP動作層2(吸収端波長
λ−1.3μm、厚さ0.2pmLp型のrnP層23
 (pm5 X 10 ” cm−,厚さ0.5 μm
)を。
N-type InP buffer layer 21 (n=2×10Il1cm
-', thickness 2 μm) + n-type InGaAs1' optical guide layer 22 (absorption edge wavelength λ-1,2 pm, thickness 0.2 μm)
), non-doped 1rlGaAsP operating layer 2 (absorption edge wavelength λ-1.3 μm, thickness 0.2 pm Lp type rnP layer 23
(pm5 x 10” cm-, thickness 0.5 μm
)of.

例えば液相成長法を用いて順次エピタキシャル成長させ
たのち1通常のフォトリソグラフ技術とエツチング技術
を用いて、 InP層23とInGaAsP動作層2を
選択的に除去し、第3図(blに示すように。
For example, after epitaxial growth is performed sequentially using a liquid phase growth method, the InP layer 23 and the InGaAsP active layer 2 are selectively removed using ordinary photolithography and etching techniques, as shown in FIG. 3 (bl). .

幅約20μmの溝24を形成する。これにより、第2図
を参照して説明したように、 )nにaAsP動作層2
が光増幅器領域と光変調器領域とで分離された構造とな
る。なお、 TnP層23は、溝24を形成するための
エツチングにおいてInGaAsP層2をイ呆護する目
的で設けられたものである。
A groove 24 having a width of about 20 μm is formed. As a result, as explained with reference to FIG. 2, the aAsP active layer 2
has a structure in which the optical amplifier region and the optical modulator region are separated. Note that the TnP layer 23 is provided for the purpose of protecting the InGaAsP layer 2 during etching for forming the groove 24.

次いで1例えば再び液相成長法を用いて、第3図(C1
に示すように、溝24内に表出するInGaAsP光ガ
イド層22上およびInP層2層上3上p型のrnPク
ラッド層3(p・5X10”cm−3,厚さ1μm)お
よびp型のInGaAsPキャップ層4(吸収端波長λ
−1,37’m+ p= I XIO”cm−3,厚さ
0.3 μm)を順次エピタキシャル成長させる。さら
に、 1IGaAsPキャップ層4上に1図示しない5
例えば5iO7膜を形成しこの5i02を選択エツチン
グして、前記溝24と直交する幅約3pmのストライプ
状の5i02マスクを形成する。そして、ごのSiO□
マスクを用いて1表出する領域のInGaAsPキャッ
プ層4.rnPクラッド層3 、 TnGaAsP動作
層2 、 InGaAsP光ガイド層22を選択的にエ
ツチング除去し、第3図(dlに示す構造を得る。同図
は、第3図[C1における矢印Aの方向から見た上記エ
ツチング後の形状であって、符号25は上記5iOzマ
スクである。
Then, for example, using the liquid phase growth method again,
As shown in FIG. 2, a p-type rnP cladding layer 3 (p.5 x 10" cm-3, thickness 1 μm) is formed on the InGaAsP optical guide layer 22 exposed in the groove 24 and on the InP layer 2 layer 3. InGaAsP cap layer 4 (absorption edge wavelength λ
-1,37'm+p=I
For example, a 5iO7 film is formed and this 5i02 is selectively etched to form a striped 5i02 mask with a width of about 3 pm orthogonal to the groove 24. And the SiO□
4. InGaAsP cap layer in one exposed area using a mask. The rnP cladding layer 3, the TnGaAsP active layer 2, and the InGaAsP optical guide layer 22 are selectively etched away to obtain the structure shown in FIG. In the shape after the etching, reference numeral 25 is the 5iOz mask.

上記ののち8例えばMOCVD (有機金属化学気相成
長法)を用いて、第3図(e)に示すように5例えば鉄
(Fe)をドープされた高抵抗のInP層7を形成する
。InP層7はSiO□マスク25上には成長せず1表
出しているInPバッファ層2層上1上びストライプ状
のメサに加工されたInGaAsPキャップ層4からI
nGaAsP光ガイド層22にわたる各層の側面にのみ
成長する。したがって、 TnGaAsP層2および2
2は光の入出力端面となる部分を除き、InP層中に埋
め込まれた構造となる。
After the above process, a high-resistance InP layer 7 doped with, for example, iron (Fe) is formed using, for example, MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition), as shown in FIG. 3(e). The InP layer 7 is not grown on the SiO□ mask 25, but is formed on the exposed InP buffer layer 2 and from the InGaAsP cap layer 4 processed into a striped mesa.
It grows only on the sides of each layer across the nGaAsP light guide layer 22. Therefore, TnGaAsP layers 2 and 2
2 has a structure embedded in the InP layer except for the portion that becomes the light input/output end face.

以後、 5i02マスク25を除去し、第2図に示すよ
うな上部電極14および5と、下部電極6を形成して第
2図に示した本発明の光ゲート素子が完成される。
Thereafter, the 5i02 mask 25 is removed, and upper electrodes 14 and 5 and lower electrode 6 as shown in FIG. 2 are formed to complete the optical gate device of the present invention shown in FIG.

上記実施例においては、制御光とともに信号光が同一方
向から光増幅器領域に入力する構造を示したが、光増幅
器領域に対する制御光と光変調器領域に対する信号光と
を異なった方向から入射させる構造とすることも可能で
ある。第5図はこのような本発明の別の実施例の構造を
示す斜視図および上面図である。
In the above embodiment, a structure is shown in which the signal light and the control light enter the optical amplifier region from the same direction, but a structure is shown in which the control light enters the optical amplifier region and the signal light enters the optical modulator region from different directions. It is also possible to do this. FIG. 5 is a perspective view and a top view showing the structure of another embodiment of the present invention.

前記実施例と同様にしてInPバッファ層2層上1上成
されたInGaAsP光ガイド層22+ InGaAs
P動作層2.InPクラッド層3およびInGaAsP
キャンプ層4は、第5図(blに示すように、光増幅器
領域と光変調器領域のそれぞれごとに独立のストライプ
状のメサをなすように加工されたのち、高抵抗InP層
7に埋め込まれ、そして、それぞれのストライプに属す
るInGaAsPキャップ層4上に上部電極14および
5が形成されている構造である。前記実施例と同様に、
上部電極14に正電圧(+V+)を、また。
An InGaAsP optical guide layer 22+ InGaAs was formed on two InP buffer layers and one layer in the same manner as in the above embodiment.
P operation layer 2. InP cladding layer 3 and InGaAsP
As shown in FIG. 5 (bl), the camp layer 4 is processed to form independent striped mesas for each of the optical amplifier region and the optical modulator region, and then embedded in the high-resistance InP layer 7. , and upper electrodes 14 and 5 are formed on the InGaAsP cap layer 4 belonging to each stripe.Similar to the previous embodiment,
Also apply a positive voltage (+V+) to the upper electrode 14.

負荷抵抗10を介して上部電極5に負電圧(−VZ)を
それぞれ印加し、下部電極6を1例えば接地する。
A negative voltage (-VZ) is applied to the upper electrode 5 via the load resistor 10, and the lower electrode 6 is grounded, for example.

この状態で1制御光および信号光を、互いにほぼ直交す
る方向から、それぞれ、光増幅器領域および光変調器領
域に対して入射させる。光増幅器領域および光変調器領
域における以後の動作は前記実施例と同様である。本実
施例は、制御光の進行方向に直交する信号光の光路を光
変調器領域に付加した構造であって、信号光を直接に光
変調器に入力させることができ、光ゲート素子における
信号光の損失低減可能とするとともに、光ゲート素子お
よび該素子を使用する装置の設計の自由度を増大可能と
する利点がある。なお、第5図に示す実施例において、
光増幅器領域および光変調器領域のそれぞれにおけるI
nGaAsP光ガイド層22を。
In this state, one control light and one signal light are made to enter the optical amplifier region and the optical modulator region, respectively, from directions substantially orthogonal to each other. The subsequent operations in the optical amplifier region and optical modulator region are similar to those in the previous embodiment. This embodiment has a structure in which an optical path for the signal light orthogonal to the traveling direction of the control light is added to the optical modulator region, so that the signal light can be input directly to the optical modulator, and the signal light in the optical gate element can be directly input to the optical modulator. This has the advantage of reducing optical loss and increasing the degree of freedom in designing the optical gate element and the device using the element. In addition, in the example shown in FIG.
I in each of the optical amplifier region and optical modulator region
nGaAsP light guide layer 22.

互いに交差するストライプ形に加工しても差支えなく、
これにより制御光の伝播効率を高めることができる。
There is no problem even if it is processed into a stripe shape that intersects with each other.
This makes it possible to increase the propagation efficiency of the control light.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、半導体の誘導放出を利用した光増幅器
と電界吸収効果型の光変調器を組合せることにより該光
変調器の応答速度を従来より1桁以上向上可能とする効
果を奏し、該組合せから成る本発明の半導体光ゲート素
子の提供は、光を用いて信号光を制御する光通信システ
ムの実用化促進に対して寄与するところ大である。
According to the present invention, by combining an optical amplifier using stimulated emission of a semiconductor and an optical modulator of the electro-absorption effect type, it is possible to improve the response speed of the optical modulator by one order of magnitude or more compared to the conventional one, The provision of the semiconductor optical gate device of the present invention comprising the above combination greatly contributes to the promotion of practical use of optical communication systems that control signal light using light.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の原理説明図。 第2図は本発明の一実施例の構造を示す要部断面図。 第3図は第2図に示す本発明の光ゲート素子の製造工程
の一例を説明するための要部断面図。 第4図は制御光によって信号光を変調する従来の光ゲー
ト素子を示す斜視図。 第5図は本、発明の別の実施例の構造を示す斜視図およ
び上面図 である。 図において。 1はrnP基板。 2はInGaAsP動作層。 3はInPクラッド層 4はInGaAsPキャップ層。 5と14は上部電極。 6は下部電極 7は高抵抗InP層。 8は絶縁層。 10は負荷抵抗。 11と12は光ファイバ。 21はInPバッファ層。 22はrnGaAsP光ガイド層。 23はInP層。 24は溝。 25はSiO□マスク である。 不発88の兜ヴート免各の県道工程の−4り1]第3図 缶“1′4但ν″ItJt二よヮ74ち号乃邑E東す同
1ろ従来、め尤り゛−ト票子第4図
FIG. 1 is a diagram explaining the principle of the present invention. FIG. 2 is a sectional view of a main part showing the structure of an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a sectional view of a main part for explaining an example of the manufacturing process of the optical gate element of the present invention shown in FIG. 2. FIG. 4 is a perspective view showing a conventional optical gate element that modulates signal light with control light. FIG. 5 is a perspective view and a top view showing the structure of another embodiment of the present invention. In fig. 1 is the rnP substrate. 2 is an InGaAsP active layer. 3 is an InP cladding layer 4 is an InGaAsP cap layer. 5 and 14 are upper electrodes. 6, the lower electrode 7 is a high resistance InP layer. 8 is an insulating layer. 10 is load resistance. 11 and 12 are optical fibers. 21 is an InP buffer layer. 22 is an rnGaAsP light guide layer. 23 is an InP layer. 24 is a groove. 25 is a SiO□ mask. Unexploded 88 Helmet Vouten Prefectural road schedule -4 ri 1] Figure 3 can "1'4 but ν" Diagram 4

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)入力光による半導体の誘導放出を利用する光増幅
器と、 印加電圧による半導体層の光吸収係数の変化を利用する
電界吸収型の光変調器 とを備え、該光変調器の半導体層に該光増幅器の出力光
が入力されるように光学的な結合が施されており、該光
増幅器は入力された制御光を増幅して該光変調器に送出
し、該光変調器は増幅された該制御光により光電流を発
生し、該光電流が該光変調器と電源との間に接続された
負荷抵抗を流れるために該光変調器に対する印加電圧が
降下する結果、該光変調器に入力された信号光が出力可
能となることを特徴とする半導体光ゲート素子。
(1) Equipped with an optical amplifier that utilizes stimulated emission of a semiconductor by input light and an electro-absorption optical modulator that utilizes changes in the optical absorption coefficient of the semiconductor layer due to applied voltage, the semiconductor layer of the optical modulator is Optical coupling is performed so that the output light of the optical amplifier is input, and the optical amplifier amplifies the input control light and sends it to the optical modulator. A photocurrent is generated by the control light, and the photocurrent flows through a load resistor connected between the optical modulator and a power source, so that the voltage applied to the optical modulator drops, and as a result, the optical modulator 1. A semiconductor optical gate device that is capable of outputting signal light input to the device.
(2)一導電型の半導体基板(バンドギャップE_g_
0)該半導体基板上に格子整合するように堆積され且つ
それぞれ光入力端および光出力端となる対向する二側面
を有する第1の半導体層(バンドギャップE_g_1;
E_g_1<E_g_0)と、該基板と格子整合するよ
うに該第1の半導体層上に形成された逆導電型の第2の
半導体層(バンドギャップE_g_2;E_g_2>E
_g_1)と、該二側面近傍の該第2の半導体層表面に
それぞれ画定された光増幅器領域および光変調器領域に
各々一つずつ形成された二つの上部電極と、該上部電極
と対向するようにして該半導体基板の裏面に形成された
下部電極 とを備えたことを特徴とする半導体光ゲート素子。
(2) Semiconductor substrate of one conductivity type (band gap E_g_
0) A first semiconductor layer (band gap E_g_1;
E_g_1<E_g_0), and a second semiconductor layer of an opposite conductivity type formed on the first semiconductor layer so as to lattice match with the substrate (band gap E_g_2; E_g_2>E
_g_1), two upper electrodes formed one each in an optical amplifier region and an optical modulator region respectively defined on the surface of the second semiconductor layer near the two side surfaces, and two upper electrodes facing the upper electrodes. and a lower electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate.
(3)該半導体基板と該第1の半導体層との間に該半導
体基板と格子整合するように形成された第3の半導体層
(バンドギャップE_g_3;E_g_0>E_g_3
>E_g_1)が介在していることを特徴とする請求項
2の半導体光ゲート素子。
(3) A third semiconductor layer (band gap E_g_3; E_g_0>E_g_3) formed between the semiconductor substrate and the first semiconductor layer so as to be lattice matched with the semiconductor substrate.
3. The semiconductor optical gate device according to claim 2, characterized in that the semiconductor optical gate device has an intervening layer (>E_g_1).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015060044A (en) * 2013-09-18 2015-03-30 日本電信電話株式会社 Optical switch element

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