JPH02299282A - Optical integrated circuit and manufacture thereof - Google Patents
Optical integrated circuit and manufacture thereofInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は双方向光通信に用いる光集積回路およびその製
作法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an optical integrated circuit used for bidirectional optical communication and a method for manufacturing the same.
（従来の技術）
双方向光通信では、１本の光ファイバで、局から加入者
へまた加入者から局への双方向に、光信号が伝送される
。この通信方式では、加入者と局に別々の波長の光を割
り当て、光信号を送信するときには、割り当てられた波
長の光を用い、逆に受信するときには、別の波長の光に
よって送られてきた信号を検出する。(Prior Art) In bidirectional optical communication, optical signals are transmitted in both directions from a station to a subscriber and from a subscriber to a station using a single optical fiber. In this communication method, light of different wavelengths is assigned to the subscriber and the station, and when transmitting an optical signal, the light of the assigned wavelength is used, and when receiving an optical signal, the light of a different wavelength is used. Detect the signal.
このような送受信を行うため、従来は個別部品である半
導体レーザと光検出器を、光合分波器に組み込んでいた
。第４図は、このようにして構成された二波長多重光送
受信モジュールの概略図である。In order to perform such transmission and reception, conventionally, separate components such as a semiconductor laser and a photodetector were incorporated into an optical multiplexer/demultiplexer. FIG. 4 is a schematic diagram of the two-wavelength multiplexing optical transceiver module constructed in this manner.
半導体レーザｌから出た光は、レンズ２を通って平行ビ
ームとなり、光合分波器３に導かれる。Light emitted from the semiconductor laser l passes through a lens 2 to become a parallel beam, and is guided to an optical multiplexer/demultiplexer 3.
光合分波器３はガラスブロック４の端面に誘電体多層膜
フィルタ５を接着したもので、入射した光ビームは、各
フィルタを透過し、レンズ２′で集光されて光ファイバ
６に結合する。一方、受信された光は、フィルタ５で反
射し、フィルタ５゛を透過し、定められた経路を通り、
フォトダイオード７に入る。The optical multiplexer/demultiplexer 3 has a dielectric multilayer filter 5 bonded to the end face of a glass block 4, and the incident light beam passes through each filter, is focused by a lens 2', and is coupled to an optical fiber 6. . On the other hand, the received light is reflected by the filter 5, transmitted through the filter 5', and passes through a predetermined path.
Enter photodiode 7.
このようなモジュールには、組立に精密な加工技術が要
求されるうえ、複数の光部品を用いるので、低価格化に
は限界がある。さらに、モジュール自体の小型化に限界
があるという欠点がある。Such a module requires precise processing technology for assembly and uses a plurality of optical components, so there is a limit to how low the price can be reduced. Furthermore, there is a drawback that there is a limit to miniaturization of the module itself.
（発明が解決しようとする課題）
以上述べてきたように、従来の波長多重モジュールでは
、装置の低価格化、小型化に限界がある。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the conventional wavelength multiplexing module, there is a limit to the reduction in cost and size of the device.
本発明は、このような欠点を解決するためになされたも
ので、モノリシックに集積された光検出器とレーザダイ
オードからなる光集積回路およびその製作法を提供する
ことにある。ただし、本発明ではレーザダイオードの発
光波長が光検出器の検出波長より長波長であるので、加
入者側または局側の一方のみに有効である。The present invention has been made to solve these drawbacks, and an object of the present invention is to provide an optical integrated circuit comprising a monolithically integrated photodetector and a laser diode, and a method for manufacturing the same. However, in the present invention, since the emission wavelength of the laser diode is longer than the detection wavelength of the photodetector, it is effective only on either the subscriber side or the central office side.
（課題を解決するための手段）
本発明の光集積回路は、同一基板上に形成された光検出
器とレーザダイオードからなる半導体光集積回路におい
て、第１図に示すように、光検出器８の光検出層９とレ
ーザダイオード１０の活性層１１が結合されており、か
つ該光検出器８の光検出層９の吸収端が該レーザダイオ
ード１０の発光波長より短波長にあることを最も主要な
特徴とする。(Means for Solving the Problems) The optical integrated circuit of the present invention is a semiconductor optical integrated circuit consisting of a photodetector and a laser diode formed on the same substrate.As shown in FIG. The most important thing is that the photodetection layer 9 of the photodetector 8 and the active layer 11 of the laser diode 10 are combined, and that the absorption edge of the photodetection layer 9 of the photodetector 8 is at a wavelength shorter than the emission wavelength of the laser diode 10. The characteristics are as follows.
また、この素子の製作工程において、光検出層の吸収端
を短波長にするために、量子井戸の混晶化が利用できる
ことも、本発明の特徴である。混晶化技術を用いること
によって、再成長工程は不要になり、製作工程は大幅に
簡略化される。Another feature of the present invention is that in the manufacturing process of this device, mixing of quantum wells can be utilized in order to shorten the wavelength of the absorption edge of the photodetection layer. By using the mixed crystal technology, a regrowth process is not required and the fabrication process is greatly simplified.
本発明による双方向光通信用光集積回路は、光検出器側
の端面１２を送受信光の出力面および人力面として利用
する。この光集積回路（光ＩＣ）では、レーザダイオー
ド部分で発生した光は、光検出器内で吸収されることな
く、外部に放射される。また、このレーザ光は光検出層
では吸収されないので、当然、光検出器部分では検出さ
れない。一方、光検出層の吸収端より短波長の光が入力
されると、光検出器はこの光を検出する。また、この光
は光吸収層ですべて吸収されてしまうので、レーザ部分
に到達せず、レーザの発振状態を乱すことばない。The optical integrated circuit for bidirectional optical communication according to the present invention uses the end surface 12 on the photodetector side as an output surface for transmitted and received light and as a human power surface. In this optical integrated circuit (optical IC), light generated in the laser diode portion is emitted to the outside without being absorbed within the photodetector. Furthermore, since this laser light is not absorbed by the photodetection layer, it is naturally not detected by the photodetector portion. On the other hand, when light with a wavelength shorter than the absorption edge of the photodetection layer is input, the photodetector detects this light. Moreover, since this light is completely absorbed by the light absorption layer, it does not reach the laser part and does not disturb the oscillation state of the laser.
レーザダイオードの構造としては、端面１２および１３
によるファブリペロ−共振器を用いるもの、または分布
反射型レーザダイオードもしくは分布帰還型レーザダイ
オードのいずれをも用いることができる。The structure of the laser diode includes end faces 12 and 13.
It is possible to use either a Fabry-Perot resonator according to the invention, a distributed reflection laser diode, or a distributed feedback laser diode.
（実施例）
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail based on the drawings.
尖胤桝よ
第２図（ａ）〜（ｄ）は、ファブリペロ−共振器を用い
た双方向光通信用光ＩＣの製作手順を示したものである
。まず第２図（ａ）に示したように、分子線エピタキシ
ャル法によってｎ”−ＧａＡｓ基板１４の上に、ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層１５、ｎ−＾ｒ６． ｚｓＧａｏ、
６ＳＡＳクラッド層１６、アンドープＡｌｏ、 ３Ｇａ
ｏ、 Ｊｓ光導波層１７、アンドープＧａＡｓ／＾Ｉｏ
、 ｔｓＧａｏ、ｓＡｓ量子井戸１８、Ｐ −ＡＩＧ、
３Ｓｃａ（１，６５＾Ｓクラッド層１９、ｐ”−Ｇａ
Ａｓキャンプ層２０、ｐ゛−＾１ｏ、 Ｊａｇ、 、Ａ
ｓ熱処理保１１ｉ３０を成長する。Ｐクラッド層および
ｎクラッド層の厚さは１μｅｇ 、ＧａＡｓキャップ層
およびＡｌＧａＡｓ熱処理保護層の厚さは０．２μ−で
ある。アンドープＧａＡｓ／Ａｌｅ、ｚＳＧａｏ、 ｙ
ｓＡｓ量子井戸の各層の厚さは８ｎＩＩであり、層数は
ＧａＡｓが４層、Ａｌｏ、 ｚｓＧａｏ、 ｔｓＡｓ層
が５層である。Figures 2(a) to 2(d) show the steps for manufacturing an optical IC for bidirectional optical communication using a Fabry-Perot resonator. First, as shown in FIG. 2(a), an n-G
aAs buffer layer 15, n-^r6. zsGao,
6SAS cladding layer 16, undoped Alo, 3Ga
o, Js optical waveguide layer 17, undoped GaAs/^Io
, tsGao, sAs quantum well 18, P-AIG,
3Sca (1,65^S cladding layer 19, p”-Ga
As camp layer 20, p゛-^1o, Jag, ,A
Grow the heat-treated substrate 11i30. The thickness of the P cladding layer and the n cladding layer is 1 .mu.eg, and the thickness of the GaAs cap layer and the AlGaAs heat-treated protection layer is 0.2 .mu.m. Undoped GaAs/Ale, zSGao, y
The thickness of each layer of the sAs quantum well is 8nII, and the number of layers is 4 GaAs layers and 5 Alo, zsGao, and tsAs layers.
次に、第２図（ｂ）に示したように、プラズマＣＶＤ法
を用いて、窒化珪素膜３１を成長表面に堆積した後、フ
ォトリソグラフィー技術と、反応性イオンエツチングを
用いて、レーザダイオードとする部分の窒化珪素膜を除
去する。Next, as shown in FIG. 2(b), a silicon nitride film 31 is deposited on the growth surface using plasma CVD, and then a laser diode is formed using photolithography and reactive ion etching. Remove the silicon nitride film in the area where it will be removed.
次に、第２図（Ｃ）に示したように、成長層側が接する
ように、この試料を別のＧａＡｓウェハに重ねて、急加
熱処理を繰り返す、この熱処理によって、窒化珪素膜で
覆われた領域にある活性層２２は、混晶化され、吸収端
が短波長側に移動する。Next, as shown in Figure 2 (C), this sample was stacked on another GaAs wafer so that the growth layer sides were in contact with each other, and the rapid heating treatment was repeated. The active layer 22 in this region is mixed crystal, and its absorption edge shifts to the shorter wavelength side.
次に、反応性イオンエツチング法を用いて、窒化珪素膜
とｐ”−ＡｌＧａＡｓ熱処理保護層を除去する。Next, the silicon nitride film and the p''-AlGaAs heat-treated protective layer are removed using a reactive ion etching method.
この後、第２図（ｄ）に示したように、ＧａＡｓ基板に
ＡｕＧｅＮｉ ｎコンタクト２３を、成長層側の表面に
、ＡｕＺｎ ｐコンタクト２４をとる。ｐコンタクトは
、すフトオフ技術に依ってり、Ｇ、Ｌの三つに分割する
。ＤとＧは混晶化領域に設け、Ｌは非混晶化領域に設け
る。さらに、この電極上に金めっき２５を行い、これを
マスクとして１１゛を注入しく２６が１（゛注入領域で
ある）、各電極間を絶縁する。最後に、この試料をへき
関し、ファブリプロー共振器を形成する。Thereafter, as shown in FIG. 2(d), an AuGeNin contact 23 is formed on the GaAs substrate, and an AuZn p contact 24 is formed on the surface on the growth layer side. The p-contact is divided into three parts, G and L, using a quick-off technique. D and G are provided in the mixed crystal region, and L is provided in the non-mixed crystal region. Furthermore, gold plating 25 is applied on this electrode, and using this as a mask, 11' is implanted. 26 is 1 ('implanted region)' to insulate each electrode. Finally, this sample is separated to form a Fabry-Prow resonator.
この光ＩＣは第２図（ｄ）に示したように、混晶化領域
２７は光検出器として、非混晶化領域２８はレーザとし
て機能する。光検出層はレーザ光に対して透明なので、
へき開によって形成されたファブリベロー共振器を用い
て、レーザ発振が可能である。In this optical IC, as shown in FIG. 2(d), the mixed crystal region 27 functions as a photodetector, and the non-mixed crystal region 28 functions as a laser. Since the photodetection layer is transparent to laser light,
Laser oscillation is possible using a Fabry-Bello resonator formed by cleavage.
電極Ｇは、光検出器にレーザの変調信号が誘導されない
ように、接地する。Electrode G is grounded so that no laser modulation signal is induced in the photodetector.
また、変調周波数が高い場合には、放射された電波が光
検出器に入射しないように、必要に応じてレーザ部と光
検出部の間に遮蔽板を入れてもよい。Further, when the modulation frequency is high, a shielding plate may be inserted between the laser section and the photodetector section as necessary so that the emitted radio waves do not enter the photodetector.
実画ｌ引斐
次に、レーザ部を分布反射型レーザとした場合の実施例
を示す。基本的構造と製作手順は実施例１と同じである
が、第３図に示したように、混晶化領域の一部にグレー
ティング２９を設ける。Actual Pictures Next, an example will be shown in which the laser section is a distributed reflection type laser. The basic structure and manufacturing procedure are the same as in Example 1, but as shown in FIG. 3, a grating 29 is provided in a part of the mixed crystal region.
この構造を製作するには、まず混晶化後、窒化珪素膜と
ＡｌＧａＡｓ熱処理保護層を除去する。次に、分布反射
器とする領域のｐ−クラッド１９を０．３ μｍだけ残
してエツチングする。その後、この薄（シたクラッドに
干渉露光法によってグレーティングを形成する。グレー
ティング形成後、実施例１と同じ手順に従って、電ｉＧ
、 Ｌ、 Ｄおよびｎコンタクトを形成し、最後にへき
開を行う。To manufacture this structure, first, after forming a mixed crystal, the silicon nitride film and the AlGaAs heat treatment protective layer are removed. Next, the p-cladding 19 in the area to be used as a distributed reflector is etched, leaving only 0.3 .mu.m. Thereafter, a grating is formed on this thin cladding by interference exposure method. After the grating is formed, an electric iG
, L, D and n contacts are formed, and finally cleavage is performed.
なお、第３図に示した例では、Ｈ゛イオン注入行わず、
その代わりにり、 ０間のｐクラ・ンドを薄くエツチン
グして、高抵抗化した。また、Ｇ、 Ｌ間は、グレー
ティングを形成したときに薄クシたｐクラッドを、その
まま高抵抗化に利用した。Note that in the example shown in FIG. 3, H ion implantation is not performed;
Instead, the p-clamp conductor between 0 and 0 was thinly etched to increase the resistance. Furthermore, between G and L, the thin p-cladding that was formed when the grating was formed was used as it is to increase the resistance.
叉皇貫主
次に、レーザ部を分布帰還型レーザとした場合の実施例
について説明する。Next, an embodiment in which the laser section is a distributed feedback laser will be described.
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、実施例■
で示した構造を活性層まで成長し、その上にｐ−Ａｌｏ
、 ｏ７Ｇａｏ、 ｑｓ＾５ａｐ−八ｌｏ、 ４ｆｆｃ
ａ０．０３ＡＳを成長スル。コノ成長の後、Ｐ Ａｌ
ｏ、＊ｑＧａｏ、。３ＡＳに干渉露光法によってグレー
ティングを形成する。光検出器とする領域のグレーティ
ングを除去後、再びＭＯＣＶＤ法によって、ｐ Ａｌ
ｏ、５ｓＧａｏ、＊ｓＡＳ＋ ｐ＋ ＧａＡｓ＋ｐ”
Ａｌｏ、 ７Ｇａｏ、 ３Ａｓを成長する。Example ■ By metal organic chemical vapor deposition (MOCVD)
The structure shown in is grown up to the active layer, and p-Alo is grown on top of it.
, o7Gao, qs^5ap-8lo, 4ffc
Grow a0.03AS. After cono growth, P Al
o, *qGao,. A grating is formed on 3AS by interference exposure method. After removing the grating in the region to be used as a photodetector, pAl
o, 5sGao, *sAS+ p+ GaAs+p”
Grow Alo, 7Gao, and 3As.
以後は実施例１と同じ手順に従って製作を進める。Thereafter, the manufacturing will proceed according to the same procedure as in Example 1.
以上の実施例では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系を基
に説明したが、ＩｎＧａＡｓ／ ＩｎＰ材料系等、他の
材料系でも実施可能である。Although the above embodiments have been explained based on the GaAs/AlGaAs material system, other material systems such as the InGaAs/InP material system can also be used.
量子井戸を混晶化するために、前述の実施例では、窒化
珪素膜を用いているが、この膜以外にも、素子製作のた
めにエピタキシャル成長した結晶と異なる物質、または
このエピタキシャル層を形成する材料のアモルファスで
あってもよい。In order to make the quantum well a mixed crystal, a silicon nitride film is used in the above embodiment, but in addition to this film, a material different from the epitaxially grown crystal for device fabrication, or a material used to form this epitaxial layer. The material may be amorphous.
（発明の効果）
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、動作波
長の異なる受光素子とレーザをモノリンシフに集積化す
ることが可能であり、かつその製作工程が簡単である。(Effects of the Invention) As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to integrate a light receiving element and a laser having different operating wavelengths into a monolithic structure, and the manufacturing process thereof is simple.
従って、双方向光通信で用いられる多重光送受信モジュ
ールを、小型で低下価格な光ＩＣに置き換えることがで
きる。Therefore, the multiplex optical transceiver module used in bidirectional optical communication can be replaced with a small and inexpensive optical IC.
第１図は本発明の双方向光通信用光ＩＣの概念図、第２
図（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例のファブリベロー
共振器を用いた双方向光通信用光ＩＣの製作手順を示す
図、
第３図は本発明の他の実施例の分布反射型双方向光通信
用光ＩＣの概略図、
第４図は従来の三波長多重光送受信モジュールの概略図
である。
１・・・半導体レーザ ２，２′・・・レンズ３・
・・光合分波器 ４・・・ガラスブロック５．５
′・・・誘電体多層膜
６・・・光ファイバ ７・・・フォトダイオード
８・・・光検出器 ９・・・光検出層１０・・
・レーザダイオード １１・・・活性層１２・・・光検
出器側の端面 １３・・・レーザ側の端面１４−ｎ”
−ＧａＡｓ基板
１５・ｎ−ＧａＡｓバ・ンファ層
１６−ｎ−八ｌｏ、 ｘｓＧａｏ、 ｂｓＡｓクラ・ン
ド層１７・・・アンドープ八ｌｏ、 ：１ｃａＯ，Ｊｓ
光導波層１Ｂ−・−アンドープＧａＡｓ／Ａｌｏ、 ｚ
ｓＧａｏ、 ？ＳＡＳ量子井戸Ｌ９’・’Ｐ Ａｌｏ
、：＋５Ｇａｏ、ｂｓＡＳクラッド層２０”・ｐ”
ＧａＡｓキャップ層
２２・・・窒化珪素膜で覆われた領域にある活性層２３
・＝ＡｕＧｅＮｉ ｎコンタクト
２４・・・ＡｕＺｎ ｐコンタクト ２５・・・金めつ
き２６・・・Ｈ゛注入領域 ２７・・・混晶化領
域２８・・・非混晶化領域 ２９・・・グレーティ
ング３０ ＝・ｐ ”−八ｌｏ、 ７Ｇａｏ、 、、Ａ
ｓ熱処理保護層３１・・・窒化珪素膜 ３２・・
・ＧａＡｓ基板Ｂ−、を験ボ器
ｑ −−−−＋、横七層
ｌｏ−−−レーデダイオード
ｆｆ−一一一治／陸層
ｆ２−−−一光Ａ−−ミＢズＳイ貫・Ｉｄ）ｊ才号面ｆ
３−−一−レーザ４１ｔ’） ｆ）ｄ ｉ句第２図
ｆａ）
３０−− Ｐ’”ａｑ Ｇａｌ１ｌＡｓ ＄ｅ理（！ｉ
ｆｆ″、）
第２図
ＩＣ・
（、ａ’Fig. 1 is a conceptual diagram of the optical IC for bidirectional optical communication of the present invention;
Figures (a) to (d) are diagrams showing the manufacturing procedure of an optical IC for bidirectional optical communication using a Fabry-Bello resonator according to an embodiment of the present invention, and Figure 3 is a distribution diagram of another embodiment of the present invention. Schematic diagram of an optical IC for reflective bidirectional optical communication. FIG. 4 is a schematic diagram of a conventional three-wavelength multiplexing optical transceiver module. 1... Semiconductor laser 2, 2'... Lens 3.
...Optical multiplexer/demultiplexer 4...Glass block 5.5
'...Dielectric multilayer film 6...Optical fiber 7...Photodiode 8...Photodetector 9...Photodetection layer 10...
・Laser diode 11... Active layer 12... End face on the photodetector side 13... End face on the laser side 14-n''
-GaAs substrate 15, n-GaAs buffer layer 16-n-8lo, xsGao, bsAs clamp layer 17...undoped 8lo, :1caO, Js
Optical waveguide layer 1B--Undoped GaAs/Alo, z
sGao, ? SAS quantum well L9'・'P Alo
, :+5Gao, bsAS cladding layer 20"・p"
GaAs cap layer 22...active layer 23 in a region covered with a silicon nitride film
・=AuGeNi n contact 24...AuZn p contact 25...Gold plating 26...H' injection region 27...Mixed crystal region 28...Non-mixed crystal region 29...Grating 30 =・p”-8lo, 7Gao, ,,A
s Heat treatment protective layer 31... silicon nitride film 32...
・GaAs substrate B-, test device q --- +, horizontal seven layer lo --- radar diode ff-11 Ichiji / land layer f2 --- Ikko A -- Mi B's S i Kan・Id)j Saigomenf
3--1-Laser 41t') f) d i Clause 2nd figure fa) 30-- P'”aq Gal1lAs $e logic(!i
ff'',) Figure 2 IC・(,a'
Claims (1)
ドからなる半導体光集積回路において、光検出器の光検
出層とレーザダイオードの活性層が結合されており、か
つ該光検出器の光検出層の吸収端が該レーザダイオード
の発光波長より短波長にあることを特徴とする光集積回
路。 ２、請求項１記載の光集積回路の製作法として、量子井
戸を活性層とする半導体ダブルヘテロ接合を成長し、該
量子井戸の一部を選択的に混晶化し、その領域を光検出
器とすることを特徴とする光集積回路の製作法。[Claims] 1. In a semiconductor optical integrated circuit consisting of a photodetector and a laser diode formed on the same substrate, the photodetection layer of the photodetector and the active layer of the laser diode are combined, and An optical integrated circuit characterized in that an absorption edge of a photodetection layer of a photodetector is at a wavelength shorter than the emission wavelength of the laser diode. 2. As a method for manufacturing an optical integrated circuit according to claim 1, a semiconductor double heterojunction having a quantum well as an active layer is grown, a part of the quantum well is selectively mixed crystal, and the region is used as a photodetector. A method for manufacturing an optical integrated circuit, characterized by:
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