JPH04207078A

JPH04207078A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH04207078A
Application number: JP33968490A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Yano; 矢野　光博
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［概要〕光半導体装置に係り、特にコヒーレント光通信に用いら
れるヘテロタイン検波方式の光検波装置に関し、局部発振部と受光部との光学的結合効率を高めると共に
、光部品の数を減少させて、高い性能と信頼性とを有す
るヘテロタイン検波方式の光半導体装置を提供すること
を目的とし、半導体基板と、前記半導体基板上にＵ字形に形成され、
両端が同一方向に向いている活性層と、前記活性層の周
囲に形成され、禁制帯幅が前記活性層の禁制帯幅より大
きい第１のクラッド層とを有するレーザ部と、前記半導
体基板上に形成され、直列に接続された第１及び第２の
フォトダイオードを有するバランス型受光部とを備え、
前記レーザ部の前記活性層の両端と前記受光部の前記第
１及び第２のフォトダイオードの光吸収層とがそれぞれ
光学的に結合されているように構成する。

［産業上の利用分野］本発明は光半導体装置に係り、特にコヒーレント光通信
に用いられるヘテロダイン検波方式の光検波装置に関す
る。

従来の光通信は、光のオン・オフ強度変調を用いたもの
であったが、最近は、コヒーレント光通信が脚光を浴び
てきている。このコヒーレント光通信は、光の電磁波と
しての性質、即ち波の振幅のみならず波の位相や周波数
を変調することにより情報を伝えようとするものである
６例えは光の波長が１．５μｍ程度の場合、その周波数は
１２０ＴＨｚにも達するため、この周波数をキャリアに
使用することができれは通信容量を著しく増大させるこ
とができる。従って、コヒーレント光通信により、伝送
できる情報は飛躍的に向上することが期待されている。

［従来の技術１従来のコヒーレント光通信におけるヘテロダイン検波方
法を、第５図を用いて説明する。

伝送されてきた光信号は７字形の先導波路８２によって
分岐され、それぞれフォトダイオード８４．８６の光吸
収層に入射される。これらのフォトダイオード８４．８
６は直列に接続され、共に逆バイアスか印加されており
、いわゆるバランス型受光器（Ｄ　Ｂ　ＯＲ：　Ｄｕａ
ｌ−Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　Ｂａ１ａｎｃｅｄ　０ｐｔｉｃ
ａｌ　Ｒｅｃｅｉｖｅｒ　）を構成している。

また局部発振器としての半導体レーザ８８からは局部発
振光としてのローカル光が出射され、ミラー９０．９２
からなる光学系を介して光信号と混合され、７字形の光
導波路８２を通ってフォトダイオード８４．８６に入射
される。

このようにしてフォトダイオード８４．８６からなるバ
ランス型受光器により、光信号とローカル光とを混合検
波するいわゆるヘテロダイン検波が行なわれ、そのビー
ト出力がフォトダイオード８４．８６の接続点から電気
信号として取り出される。このようなヘテロダイン検波
により、ショット雑音限界に近い受信感度が達成される
。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記従来のへテロダイン検波方式におい
ては、半導体レーザ８８から出射されるローカル光を光
信号と混合するためのミラー９０．９２からなる光学系
の光学的アライメントが複雑で、振動や温度等に対して
不安定であるため、経時的変化を起こし易い。

また、光信号とローカル光とを受光器のフォトダイオー
ド８４．８６に分岐して入射するために、光部品として
の７字形の光導波Ｆ！＠８２が必要とされる。

更に、この７字形の光導波路８２から出た光を有効にフ
ォトダイオード８４．８６の光吸収層に絞り込むなめに
、通常は、フォトダイオード８４．８６にレンズを付加
したり、或いはファイバの間にテーパー先球やセルフォ
ックレンズを用いて光結合したりしなければならない。

従って、半導体レーザ８８、ミラー９０．９２からなる
光学系、７字形の光導波路８２及びフォトダイオード８
４．８６の間における光学的アライメントの組立や調整
等が複雑になり、かつ光伝送損失も大きくなると共に、
光検波装置としての性能や信頼性も劣化するという問題
があった。

そこで本発明は、局部発振部と受光部との光学的結合効
率を高めると共に、光部品の数を減少させて、高い性能
と信頼性とを有するヘテロダイン検波方式の光半導体装
置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記課題は、半導体基板と、前記半導体基板上にＵ字形
に形成され、両端が同一方向に向いている活性層と、前
記活性層の周囲に形成され、禁制帯幅が前記活性層の禁
制帯幅より大きい第１のクラッド層とを有するレーザ部
と、前記半導体基板上に形成され、直列に接続された第
１及び第２のフォトダイオードを有するバランス型受光
部とを備え、前記レーザ部の前記活性層の両端と前記受
光部の前記第１及び第２のフォトダイオードの光吸収層
とがそれぞれ光学的に結合されていることを特徴とする
光半導体装置によって達成される。

また、上記の装置において、前記レーザ部の前記活性層
の両端部にそれぞれブラッグ導波路が設けられ、前記ブ
ラッグ導波路と前記受光部の前記第１及び第２のフォト
ダイオードの光吸収層とがそれぞれ光学的に結合されて
いることを特徴とする光半導体装置によって達成される
。

また、上記の装置において、前記レーザ部の前記活性層
のＵ字形の内側に隣接する前記第１のクラッド層に第１
導電型領域が設けられ、前記活性層のＵ字形の外側に隣
接する前記第１のクラッド層に第２導電型領域が設けら
れ、前記第１導電型領域及び前記第２導電型領域上に、
それぞれ電流注入用電極が設けられていることを特徴と
する光半導体装置によって達成される。

また、上記の装置において、前記受光部の前記第１及び
第２のフォトダイオードの光吸収層がそれぞれ第１導電
型領域及び第２導電型領域によって横方向に挟まれて横
方向ｐｉｎ接合を形成し、前記第１及び第２のフォトダ
イオードの光吸収層の間に設けられた前記第１のフォト
ダイオードの前記第１導電型領域及び前記第２のフォト
ダイオードの前記第２の導電型領域上に出力用電極が設
けられ、前記第１のフォトダイオードの前記第２の導電
型領域上と前記第２のフォトダイオードの前記第１導電
型領域上とにそれぞれバイアス用電極が設けられている
ことを特徴とする光半導体装置によって達成される。

また、上記の装置において、前記半導体基板上に７字形
に形成され、１つの入力端と２つの出力端とを有する光
入力部を備え、前記光入力部の前記入万端から入力され
た光信号が、前記出力端から前記受光部の前記第１及び
第２のフォトダイオードの光吸収層にそれぞれ端入射さ
れることを特徴とする光半導体装置によって達成される
。

また、上記の装置において、前記受光部上方に光入力部
を備え、前記光入力部に入力された光信号が、前記受光
部の第１及び第２のフォトダイオードの光吸収層にそれ
ぞれ上方から面入射されることを特徴とする光半導体装
置によって達成される。

［作用］即ち本発明は、ローカル光を出射するレーザ部と受光部
とを同一半導体基板上に設け、レーザ部の活性層の両端
と受光部の２つのフォトダイオードの吸収層とを直接に
光結合することにより、光部品を間に挿入して光学的ア
ライメントを行なうことなく、ローカル光のフォトダイ
オードへの入射効率を極めて高くすることができる。

また、レーザ部の活性層の両端部にブラッグ導波路を設
けることにより、周波数選択性のある共振器構造とする
ことができ、ローカル光を所定の周波数で単一モード動
作させることができる。

更に、同一半導体基板上に光信号の光入力部を設け、光
入力部の７字形光導波路の２つの出力端を受光部の２つ
のフォトダイオードの吸収層と直接に光結合し、光信号
を直接に吸収層に端入射することにより、光信号の入射
効率を極めて高いものにすることができる。

或いはまた、光入力部を受光部上方に設け、光信号を受
光部の横方向ｐｉｎ接合構造のフォトダイオードの吸収
層に面入射することによっても、受光面積が大きくなる
ため、光信号の入射効率を極めて高いものにすることが
できる。

［実施例コ以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。

第１図は本発明の一実施例による光検波装置を示す斜視
図、第２図はその受光部の断面を示す断面斜視図、第３
図（ａ）、（ｂ）はそれぞれレーザ部のＤ　Ｂ　Ｒ（Ｄ
ｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏ
ｒ　）領域の断面を示す断面斜視図及び断面図、第４図
はレーザ部の活性領域の断面を示す断面斜視図である。

光検波装置は、半絶縁性ＩｎＰ基板２上に集積化されて
いる光入力部４、受光部６及びレーザ部８から構成され
ている。そしてレーザ部８は活性領域１０とＤＢＲ領域
１２とを有している。

まず、光入力部４について説明する。

半絶縁性ＩｎＰ基板２上に、Ｉ　ｎＧａＡｓＰ光導波路
層１４が形成され、その周囲をＩｎＰクラッド層１６に
より覆われてダブルへテロ接合を形成している。そして
このＩ　ｎＧａＡｓＰ光導波路層１４は７字形をなし、
一方に１つの入力端を、他方に２つの出力端を有してい
る。

次に、第２図を用いて、受光部６について説明する。

第２図は受光部６に入射される光の進行方向に垂直な断
面を示す。

同一の半絶縁性１ｎＰ基板２上に、ｉ型ＩｎＧａ　Ａ　
ｓ吸収層１８．２０が並行に形成され、その周囲をＩｎ
Ｐクラッド層１６により覆われてダブルへテロ接合を形
成している。そしてＩ　ｎＧａＡｓ吸収層１８を左右に
挟むＩｎＰクラッド層１６には、それぞれｐ型及びｎ型
の不純物が拡散されてＰ型不純物領域２４及びｎ型不純
物領域２６が形成されている。同様にして、Ｉ　ｎＧａ
Ａｓ吸収層２０を左右に挟むＩｎＰクラッド層１６にも
、Ｐ型不純物領域２８及びｎ型不純物領域３０が形成さ
れている。

また、並行に形成されたｉ型Ｉ　ｎＧａＡｓ吸収層１８
．２０の間に位置するＰ型不純物領域２４及びｎ型不純
物領域３０上に、出力用の電極３２が形成されている。

更に、ｉ型１ｎＧａＡｓ吸収層１８．２０の外側に位置
するｎ型不純物領域２６上及びｐ型不純物領域２８上に
、それぞれバイアス用の電極３４．３６が形成されてい
る。

このようにして、Ｐ型不純物領域２４、ｉ型ＩｎＧａＡ
ｓ吸収層１８及びｎ型不純物領域２６からなる横接合形
のｐｉｎ型フォトダイオード３８並びにｐ型不純物領域
２８、ｉ型１　ｎＧａＡｓ吸収層２０及びｎ型不純物領
域３０からなる横接合形のｐｉｎ型フォトダイオード４
０がそれぞれ形成されている。そしてこれらのｐｉｎ型
フォトダイオード３８．４０は電極３２を介して直列に
接続され、バランス型受光器を構成している。

なお、これらのｐｉｎ型フォトダイオード３８．４０の
ｉ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１８．２０は、それぞれ光入力
部４のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１４の２つの出力端に
直接結合されている。

次に、第３図を用いて、レーザ部８のＤＢＲ領域１２を
説明する。

第３図（ａ）はレーザ光の進行方向に垂直な断面を示し
、第３図（ｂ）はレーザ光の進行方向に沿ったブラッグ
導波路層の断面を示す。

同一の半絶縁性ＩｎＰ基板２上に、２つの並行なＩｎＧ
ａＡｓＰブラッグ導波路層４２．４４か、埋め込み型へ
テロ構造によって形成され、その周囲をＩｎＰクラッド
層１６によって覆われている。

また、これらＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐブラック導波
路層４２．４４底面には、それぞれピッチΔ−２４０ｎ
ｍの回折格子４８が形成されている。そしてＩｎＧａＡ
ｓＰブラッグ導波路層４２．４４のもつ有効屈折率ｎ　
ｅｆｆは３．２０程度である。

また、ＩｎＧａＡｓＰブラック導波路層４２を左右に挟
むＩｎＰクラッド層１６には、それぞれＰ型及びｎ型の
不純物が拡散されてＰ型不純物領域５２及びｎ型不純物
領域５４か形成されている。

同様にして、ＩｎＧａＡｓＰブラッグ導波路層４４を左
右に挟むＩｎＰクラッド層１６にも、Ｐ型不純物領域５
６及びｎ型不純物領域５８か形成されている。

また、２つの並行なＩｎＧａＡｓＰブラッグ導波路層４
２．４４の外側に位置するＰ型不純物領域５２．５６上
には、それぞれ制御用のＰ側電極６０．６２が形成され
ている。更に、Ｉ　ｎＧａＡｓＰブラッグ導波路層４２
．４４の間に位置するｎ型不純物領域５４．５８上には
、ｎ側電極６４が形成されている。

なお、ＤＢＲ領域１２のＩｎＧａＡｓＰブラッグ導波路
層４２．４４は、それぞれｐｉｎ型フォトダイオード３
８．４ｏのＩ　ｎＧａＡｓ吸収層吸収層１８．２０に直
接結合されている。

次に、第４図を用いて、レーザ部８の活性領域１０を説
明する。

第４図はレーザ光の進行方向に対して垂直に切った活性
層の端部近傍の断面を示す。

同一の半絶縁性１ｎＰ基板２上に、Ｉ　ｎＧａＡｓＰ活
性層６６がＵ字形に形成され、その両端が同一方向に平
行に向いている。そしてこのＩｎＧａＡｓＰ活性層６６
は埋め込みへテロ接合構造に形成され、その周囲をＩｎ
Ｐクラッド層１６によって覆われている。

また、Ｉ　ｎＧａＡｓＰ活性層６６を左右に挟むＩｎＰ
クラッド層１６には、それぞれＰ型不純物及びｎ型不純
物が拡散されてｐ型不純物領域７゜及びｎ型不純物領域
７２が形成されている。

また、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ活性層６６のＵ字形
の外側に位置するＰ型不純物領域７ｏ上には、電流注入
用のｐｌＦＩ電極７４が形成されている。更に、■ｎ　
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ活性層６６のＵ字形の内側に位置す
るｎ型不純物領域７２上には、ｎ１１！ｌ電極６４が形
成されている。即ち、このｎｐｌ電ＩＦ！６４は、ＤＢ
Ｒ領域１２に設けられたｎＱＩＪ電極６４と共通になっ
ている。

このようにして、Ｕ字形のＩｎＧａＡｓＰ活性層６６は
、回折格子を設けていない通常のファプリーベロー（Ｆ
ａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ　）共振器と同様の形を形成し、
ｐｎ接合の横方向注入を利用したＵ字形のレーザ部８の
活性領域１０を構成している。

なお、活性領域１０のＩｎＧａＡｓＰ活性層６６のＵ字
形の両端は、それぞれＤＢＲ領域１２の２つのＩｎＧａ
ＡｓＰブラッグ導波路５４．５６に直接結合されている
。

次に、動作を説明する。

伝送されてきた光信号を、光入力部４のＩｎＧａＡｓＰ
光導波路層１４の入力端に入力する。そしてこの光信号
を７字形のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１４によって分岐
し、２つの出力端に直接結合する受光部６の２つのｐｉ
ｎ型フォトダイオード３８．４０のｉ型ＩｎＧａＡｓ吸
収層１８．２０に直接に入射する。

他方、レーザ部８の活性領域１０のＰ側電極７４とｎ側
電極６４との間に所定の電圧を印加し、ｐ型不純物領域
７０及びｎ型不純物領域７２を介して横方向からＩ　ｎ
ＧａＡｓ　Ｐ活性層６６に電流注入を行ない、レーザ発
振に必要な利得を作り出す。

同時に、レーザ部８のＤＢＲ領域１２のＰ側電極６０．
６２とｎ側電極６４との間に所定の電圧を印加し、ブラ
ック反射条件を制御することにより、レーザ発振光の単
一波長化と波長可変のための制御を行ない、回折格子４
８とＩｎＧａＡｓＰブラッグ導波路層４２．４４の屈折
率によって決まる単一発振モードを得る。

この所定の波長において単一モード発振するレーザ光を
ローカル光として用い、Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐブラッグ導
波路層４２．４４に直接結合する受光部６のｐｉｎ型フ
ォトダイオード３８．４０のＩｎＧａＡｓ吸収層吸収層
１８．２０にそれぞれ入射する。

受光部６の＠極３４．３６に逆バイアスを印加しておく
ことにより、バランス型受光器を構成しているｐｉｎ型
フォトダイオード３８．４０のＩｎ、　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
吸収層吸収層１８．２０において光電変換が行なわれ、
光信号とローカル光とを混合検波する。そしてそのビー
ト出力を電極３２から出力する。こうしてヘテロダイン
検波方式による光信号の検波を行なう。

このように本実施例によれば、同一の半絶縁性ＩｎＰ基
板２上に、光入力部４、受光部６及びレーザ部８が集積
化されており、光入力部４のＩｎＧ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ光
導波路層１４の２つの出力端か受光部６のバランス型受
光器を構成するｐｉｎ型フォトダイオード３８．４０の
１ｎＧａＡｓ吸収層吸収層１８．２０に直接結合され、
またレーザ部８の活性領域１０におけるＵ字形のＩ　ｎ
ＧａＡｓＰ活性層６６の両端が、ＤＢＲ領域１２のＩ　
ｎ　Ｇ　ａＡ　ｓ　Ｐブラッグ導波路層４２．４４を介
して同様にＩ　ｎＧａＡｓ吸収層吸収層１８．２０に直
接結合されていることにより、光信号及びローカル光と
してのレーザ光の有効な利用が可能となる。従って、光
検波装置としての性能の向上を実現することができる。

また、独立した光部品を組立る必要がなく、各光部品間
の光学的アライメントを調整する必要がないため、光検
波装置としての信頼性を向上させることができる。

なお、上記実施例においては、光入力部４を半絶縁性Ｉ
ｎＰ基板２上に集積した場合について述べたが、光入力
部を受光部６の上方に設け、２つに分岐した光信号をバ
ランス型受光器を構成するｐｉｎ型フォトダイオード３
８．４０のＩ　ｎＧａＡｓ吸収層吸収層１８．２０に上
方から面入射してもよい。

このとき、ｐｉｎ型フォトダイオード３８．４０は横方
向ｐｉｎ接合構造となっているため、ＩｎＧａＡｓ吸収
層吸収層１８．２０の上方からの面入射に適しており、
このような光信号の上方からの面入射によっても光信号
の有効利用を図ることができる。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、両端が同一方向に向いて
いるＵ字形の活性層を有するレーザ部と、直列に接続さ
れた第１及び第２のフォトダイオードを有するバランス
型受光部とが同一半導体基板上に形成され、レーザ部の
活性層の両端と受光部の第１及び第２のフォトダイオー
ドの２つの光吸収層とがそれぞれ光学的に結合されてい
るため、レーザ発振されたローカル光を有効に活用する
ことができる。

これにより、光信号のヘテロタイン検波の性能及び信頼
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による光検波装置を示す斜視
図、第２図は第１図の光検波装置の受光部の断面を示す図、第３図は第１図の光検波装置のレーザ部のＢＢＲ領域の
断面を示す図、第４図は第１図の光検波装置のレーザ部の活性領域の断
面を示す図、第５図は従来のヘテロダイン検波の方法を説明するため
の概略図である。図において、２・・・・・・半絶縁性１ｎＰ基板、４・・・・・・光入力部、６・・・・・・受光部、８・・・・・・レーザ部、１０・・・・・・活性領域、１２・・・・・・ＤＢＲ領域、１４・・・・・・ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層、１６・・
・・・・ＩｎＰクラッド層、１８．２０−−−−　ｉ型ＩｎＧａＡｓ吸収層、２４．
２８．５２．５６．７０・・・・・・Ｐ型不純物領域、２６．３０．５４．５８．７２・・・・・・ｎ型不純物
領域、３２．３４．３６・・・・・・電極、３８．４０・・・・・・ｐｉｎ型フォトダイオード、４
２．４４・・・・・・ＩｎＧａＡｓＰブラッグ導波路層
、４８・・・・・・回折格子、６０．６２．７４・・・・・・ｐｌ）ＩＩ電極、６４・
・・・・・ｎｕｌｌ電極、６ローーー・−Ｉ　ｎＧａＡｓＰ活性層、８２・・・・
・・光導波路、８４．８６・・・・・・フォトダイオード、８８・・・
・・・半導体レーザ、９０．９２・・・・・・ミラー。

Claims

【特許請求の範囲】１、半導体基板と、前記半導体基板上にＵ字形に形成され、両端が同一方向
に向いている活性層と、前記活性層の周囲に形成され、
禁制帯幅が前記活性層の禁制帯幅より大きい第１のクラ
ッド層とを有するレーザ部と、前記半導体基板上に形成され、直列に接続された第１及
び第２のフォトダイオードを有するバランス型受光部と
を備え、前記レーザ部の前記活性層の両端と前記受光部の前記第
１及び第２のフォトダイオードの光吸収層とがそれぞれ
光学的に結合されていることを特徴とする光半導体装置。２、請求項１記載の装置において、前記レーザ部の前記活性層の両端部にそれぞれブラッグ
導波路が設けられ、前記ブラッグ導波路と前記受光部の前記第１及び第２の
フォトダイオードの光吸収層とがそれぞれ光学的に結合
されていることを特徴とする光半導体装置。３、請求項１又は２記載の装置において、前記レーザ部の前記活性層のＵ字形の内側に隣接する前
記第１のクラッド層に第１導電型領域が設けられ、前記活性層のＵ字形の外側に隣接する前記第１のクラッ
ド層に第２導電型領域が設けられ、前記第１導電型領域
及び前記第２導電型領域上に、それぞれ電流注入用電極
が設けられていることを特徴とする光半導体装置。４、請求項１乃至３のいずれかに記載された装置におい
て、前記受光部の前記第１及び第２のフォトダイオードの光
吸収層がそれぞれ第１導電型領域及び第２導電型領域に
よって横方向に挟まれて横方向ｐｉｎ接合を形成し、前記第１及び第２のフォトダイオードの光吸収層の間に
設けられた前記第１のフォトダイオードの前記第１導電
型領域及び前記第２のフォトダイオードの前記第２の導
電型領域上に出力用電極が設けられ、前記第１のフォトダイオードの前記第２の導電型領域上
と前記第２のフォトダイオードの前記第１導電型領域上
とにそれぞれバイアス用電極が設けられていることを特徴とする光半導体装置。５、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置において、前記半導体基板上にＹ字形に形成され、１つの入力端と
２つの出力端とを有する光入力部を備え、前記光入力部
の前記入力端から入力された光信号が、前記出力端から
前記受光部の前記第１及び第２のフォトダイオードの光
吸収層にそれぞれ端入射されることを特徴とする光半導体装置。６、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置において、前記受光部上方に光入力部を備え、前記光入力部に入力された光信号が、前記受光部の第１
及び第２のフォトダイオードの光吸収層にそれぞれ上方
から面入射されることを特徴とする光半導体装置。