JPH05218385A - 光半導体装置、その駆動方法及びそれを用いた光伝送方式 - Google Patents
光半導体装置、その駆動方法及びそれを用いた光伝送方式Info
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- JPH05218385A JPH05218385A JP4056385A JP5638592A JPH05218385A JP H05218385 A JPH05218385 A JP H05218385A JP 4056385 A JP4056385 A JP 4056385A JP 5638592 A JP5638592 A JP 5638592A JP H05218385 A JPH05218385 A JP H05218385A
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- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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- H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
- H01S5/5045—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30 the arrangement having a frequency filtering function
Abstract
(57)【要約】
【目的】コヒーレント光検波などに適した小型で高機
能、更には作製容易な集積型光検波器などの光半導体装
置、それの駆動方法およびそれを用いた光伝送方式であ
る。 【構成】伝送路からの信号光ａは、下部導波路３に入射
し、一定の距離を進行させられると上部導波路５，６に
結合する。上部導波路には、局発用のレーザ２０、及び
ｐｉｎフォトダイオード２２が集積されているので、上
部導波路と結合した光と局発光とのビート信号をｐｉｎ
フォトダイオード２２で受光し、信号を取り出せる。結
合部２１の結合長を適当に選べば、信号光ａのすべてを
取り出すことなく、一部の光は、そのまま下部導波路３
から出射される。局発用レーザ２０をそのままリピータ
用のレーザとして下部導波路３に結合させることもでき
る。結合部２１に電界をかければ、必要に応じて信号ａ
を上部に結合させたりそのまま下部を通過させたりする
こともできる。
能、更には作製容易な集積型光検波器などの光半導体装
置、それの駆動方法およびそれを用いた光伝送方式であ
る。 【構成】伝送路からの信号光ａは、下部導波路３に入射
し、一定の距離を進行させられると上部導波路５，６に
結合する。上部導波路には、局発用のレーザ２０、及び
ｐｉｎフォトダイオード２２が集積されているので、上
部導波路と結合した光と局発光とのビート信号をｐｉｎ
フォトダイオード２２で受光し、信号を取り出せる。結
合部２１の結合長を適当に選べば、信号光ａのすべてを
取り出すことなく、一部の光は、そのまま下部導波路３
から出射される。局発用レーザ２０をそのままリピータ
用のレーザとして下部導波路３に結合させることもでき
る。結合部２１に電界をかければ、必要に応じて信号ａ
を上部に結合させたりそのまま下部を通過させたりする
こともできる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光通信に
用いる集積型の光コヒーレント検波装置などの光半導体
装置、その駆動方法およびそれを用いた光伝送方式に関
する。
用いる集積型の光コヒーレント検波装置などの光半導体
装置、その駆動方法およびそれを用いた光伝送方式に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、受信感度の向上、周波数分割多重
による信号多重度の向上などの利点をもつコヒーレント
光通信の開発が盛んである。コヒーレント光通信の受信
方法のひとつに光ヘテロダイン検波方式があり、それを
図９の概念図に沿って簡単に説明する。
による信号多重度の向上などの利点をもつコヒーレント
光通信の開発が盛んである。コヒーレント光通信の受信
方法のひとつに光ヘテロダイン検波方式があり、それを
図９の概念図に沿って簡単に説明する。
【０００３】信号光と受信側の局部発信レーザからの局
部光とのビート信号を、ｐｉｎフォトダイオードなどの
受信器で受信し、増幅器、低域通過フィルタを通して復
調する。局部光の発振波長は、信号光の波長に対して、
一定のオフセットを安定的に持っている必要があり、上
記ビート信号を用いて、局部光の波長あるいは位相を、
制御回路によるレーザの注入電流制御などで安定化させ
る。これにより、信号光と局部光は一定の波長差あるい
は位相差を持って安定化する。それぞれ、ＡＦＣ（自動
周波数制御）、ＰＬＬ（位相ロックループ）と呼ぶ。
部光とのビート信号を、ｐｉｎフォトダイオードなどの
受信器で受信し、増幅器、低域通過フィルタを通して復
調する。局部光の発振波長は、信号光の波長に対して、
一定のオフセットを安定的に持っている必要があり、上
記ビート信号を用いて、局部光の波長あるいは位相を、
制御回路によるレーザの注入電流制御などで安定化させ
る。これにより、信号光と局部光は一定の波長差あるい
は位相差を持って安定化する。それぞれ、ＡＦＣ（自動
周波数制御）、ＰＬＬ（位相ロックループ）と呼ぶ。
【０００４】このような光ヘテロダイン検波を行うため
には、現状では、複雑な系を複数の光学部品を用いて組
み上げている。しかし、コヒーレント光通信技術の向上
と実用化のためには、小型で安定度と信頼性に優れ、同
一基板上に集積化されたコヒーレント受信器が重要であ
り、開発が行なわれている。
には、現状では、複雑な系を複数の光学部品を用いて組
み上げている。しかし、コヒーレント光通信技術の向上
と実用化のためには、小型で安定度と信頼性に優れ、同
一基板上に集積化されたコヒーレント受信器が重要であ
り、開発が行なわれている。
【０００５】例えば、図１０のように局部発振用レーザ
５１、３ｄＢカプラ５２、及びｐｉｎフォトダイオード
５３をＩｎＰの同一基板５０上に集積化した素子の試作
が行なわれている（電子情報通信学会 ＩＯＥ９０−３
参照）。これは、平面導波路型であり、ａから入射した
信号光と分布帰還型レーザ５１からの光の結合を３ｄＢ
カプラ５２を介して行なわせ、その後２つに分岐された
ビート信号を２つのｐｉｎフォトダイオード５３で受信
する。この２つの信号は、同じ信号であり、１つは検波
用に、もう１つはＡＦＣあるいはＰＬＬ用に用いられ
る。
５１、３ｄＢカプラ５２、及びｐｉｎフォトダイオード
５３をＩｎＰの同一基板５０上に集積化した素子の試作
が行なわれている（電子情報通信学会 ＩＯＥ９０−３
参照）。これは、平面導波路型であり、ａから入射した
信号光と分布帰還型レーザ５１からの光の結合を３ｄＢ
カプラ５２を介して行なわせ、その後２つに分岐された
ビート信号を２つのｐｉｎフォトダイオード５３で受信
する。この２つの信号は、同じ信号であり、１つは検波
用に、もう１つはＡＦＣあるいはＰＬＬ用に用いられ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記の集積型コヒーレント検波器には次のような問題点が
ある。まず、３ｄＢカプラ５２の部分の作製精度及び導
波路の長さに関する問題である。導波路の形成は、半導
体の成長後フォトリソグラフィ及びエッチングで行なわ
れるが、その際の加工精度のばらつきにより、カプラの
結合度が不均一となり、所望の結合度が得られる歩留ま
りが悪い。また、カプラの結合長として１〜２ｍｍ必要
であるので、全体のサイズが大きくなるとともに、導波
路での光の損失が大きくなるため、導波路は透明体で形
成される必要がある。そのため、導波路部分にはレーザ
５１、フォトダイオード５３と異なる材料を用いなけれ
ばならず、作製工程が複雑になるとともに、導波路とレ
ーザ５１、フォトダイオード５３との結合損失が発生す
る。
記の集積型コヒーレント検波器には次のような問題点が
ある。まず、３ｄＢカプラ５２の部分の作製精度及び導
波路の長さに関する問題である。導波路の形成は、半導
体の成長後フォトリソグラフィ及びエッチングで行なわ
れるが、その際の加工精度のばらつきにより、カプラの
結合度が不均一となり、所望の結合度が得られる歩留ま
りが悪い。また、カプラの結合長として１〜２ｍｍ必要
であるので、全体のサイズが大きくなるとともに、導波
路での光の損失が大きくなるため、導波路は透明体で形
成される必要がある。そのため、導波路部分にはレーザ
５１、フォトダイオード５３と異なる材料を用いなけれ
ばならず、作製工程が複雑になるとともに、導波路とレ
ーザ５１、フォトダイオード５３との結合損失が発生す
る。
【０００７】また、伝送路がリング型やバス型のネット
ワークで組まれる場合、伝送路から信号光をすべて抽出
するとリピータ用の送信器が必要となり、受信部の構成
は複雑になる。上記の集積型コヒーレント検波器では、
もうひとつのカップラを設けて信号光の一部のみを検波
器に導波させるか、送信用のレーザも集積化させてカプ
ラを介して伝送路に入射させるかしなければならない。
そこで、このような機能を付加させるために、さらに多
くの素子を集積化する必要があり、作製が複雑になる。
ワークで組まれる場合、伝送路から信号光をすべて抽出
するとリピータ用の送信器が必要となり、受信部の構成
は複雑になる。上記の集積型コヒーレント検波器では、
もうひとつのカップラを設けて信号光の一部のみを検波
器に導波させるか、送信用のレーザも集積化させてカプ
ラを介して伝送路に入射させるかしなければならない。
そこで、このような機能を付加させるために、さらに多
くの素子を集積化する必要があり、作製が複雑になる。
【０００８】従って、本発明の目的は、コヒーレント光
検波などに適した小型で高機能、更には作製容易な集積
型光検波器などの光半導体装置、それの駆動方法および
それを用いた光伝送方式を提供することにある。
検波などに適した小型で高機能、更には作製容易な集積
型光検波器などの光半導体装置、それの駆動方法および
それを用いた光伝送方式を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光半導体装置では、半導体の積層方向に、所定の結
合度を持った少なくとも上下２つの光導波路を具備し、
少なくとも１つずつの半導体レーザ、受光器がいずれか
の光導波路と結合されていることを特徴とする。より具
体的には、前記光導波路のいずれかに回折格子を設け、
上下光導波路の結合に波長選択性を持たせたり、前記上
下光導波路の結合に波長選択性を持たせるとともに、そ
の選択波長が可変である結合器を具備したり、前記半導
体レーザが、分布帰還型レーザ、分布反射型レーザなど
を基本とした単一モードで波長可変であったり、前記半
導体レーザが、並列的に２つ設けられていたりする。
明の光半導体装置では、半導体の積層方向に、所定の結
合度を持った少なくとも上下２つの光導波路を具備し、
少なくとも１つずつの半導体レーザ、受光器がいずれか
の光導波路と結合されていることを特徴とする。より具
体的には、前記光導波路のいずれかに回折格子を設け、
上下光導波路の結合に波長選択性を持たせたり、前記上
下光導波路の結合に波長選択性を持たせるとともに、そ
の選択波長が可変である結合器を具備したり、前記半導
体レーザが、分布帰還型レーザ、分布反射型レーザなど
を基本とした単一モードで波長可変であったり、前記半
導体レーザが、並列的に２つ設けられていたりする。
【００１０】また、本発明の光半導体装置の駆動方法な
いしそれを用いた光伝送方式では、上記半導体レーザか
らの出射光と外部から入射した光を或る結合度で結合さ
せて上記受光器でヘテロダイン検波を行い、該外部から
の入射光が持っている情報を検出することを特徴とする
したり、上記半導体レーザからの出射光と外部から入射
した光をある結合度で結合させて上記受光器でヘテロダ
イン検波を行い、該半導体レーザの発振波長あるいは位
相を、該受光器で検波した信号で安定化しながら、該外
部からの入射光が持っている情報を検波することを特徴
としたり、上記光導波路の一部に電界を印加して屈折率
を変化させることにより、光導波路間の結合度を変化さ
せることを特徴としたり、上記選択波長が可変である結
合器の選択波長を、本装置で受信するタイミングでのみ
外部からの入射光の波長付近に合わせ、受信しない場合
には合わせないことを特徴としたり、上記半導体レーザ
を、受信しないタイミングで送信器として用いることを
特徴としたり、上記導波路の結合度を大きくし、受信器
ではヘテロダイン検波を行い、その信号をもとに上記半
導体レーザを変調し、その信号を再び外部に出射するこ
とを特徴とする。
いしそれを用いた光伝送方式では、上記半導体レーザか
らの出射光と外部から入射した光を或る結合度で結合さ
せて上記受光器でヘテロダイン検波を行い、該外部から
の入射光が持っている情報を検出することを特徴とする
したり、上記半導体レーザからの出射光と外部から入射
した光をある結合度で結合させて上記受光器でヘテロダ
イン検波を行い、該半導体レーザの発振波長あるいは位
相を、該受光器で検波した信号で安定化しながら、該外
部からの入射光が持っている情報を検波することを特徴
としたり、上記光導波路の一部に電界を印加して屈折率
を変化させることにより、光導波路間の結合度を変化さ
せることを特徴としたり、上記選択波長が可変である結
合器の選択波長を、本装置で受信するタイミングでのみ
外部からの入射光の波長付近に合わせ、受信しない場合
には合わせないことを特徴としたり、上記半導体レーザ
を、受信しないタイミングで送信器として用いることを
特徴としたり、上記導波路の結合度を大きくし、受信器
ではヘテロダイン検波を行い、その信号をもとに上記半
導体レーザを変調し、その信号を再び外部に出射するこ
とを特徴とする。
【００１１】
【実施例１】本発明による第１の実施例を、図１ないし
図２を用いて説明する。図１は斜視図、図２は断面図で
ある。
図２を用いて説明する。図１は斜視図、図２は断面図で
ある。
【００１２】本実施例の作製方法を説明する。ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板１上に、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシー）法
により、０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層（不図
示）、１．５μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
２、ｎ−ＧａＡｓ（３０Å）／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（８
０Å）９層から成るｎ−多重量子井戸（ＭＱＷ）下部導
波層３、１．０μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド
層４、ノンドープ−ＧａＡｓ（６０Å）／Ａｌ0.2Ｇａ
0.8Ａｓ（１００Å）３層から成るＭＱＷ活性層５、４
００Åのｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓキャリア閉じ込め層
（不図示）、０．２５μｍのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ光
ガイド層６の順に成長する。
Ａｓ基板１上に、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシー）法
により、０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層（不図
示）、１．５μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
２、ｎ−ＧａＡｓ（３０Å）／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（８
０Å）９層から成るｎ−多重量子井戸（ＭＱＷ）下部導
波層３、１．０μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド
層４、ノンドープ−ＧａＡｓ（６０Å）／Ａｌ0.2Ｇａ
0.8Ａｓ（１００Å）３層から成るＭＱＷ活性層５、４
００Åのｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓキャリア閉じ込め層
（不図示）、０．２５μｍのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ光
ガイド層６の順に成長する。
【００１３】次に、図２に示すＤＦＢレーザ部２０の領
域にピッチ２４４０Å深さ１０００Åのグレーティング
を、Ｈｅ−Ｃｄレーザによる２光束干渉露光及びＲＩＢ
Ｅ（反応性イオンビームエッチング）により形成する。
次に、結合領域２１にピッチ１０μｍ（凸部７μｍ、凹
部３μｍ）、深さ０．１μｍの荒いグレーティングをフ
ォトリソグラフィ及びＲＩＢＥエッチングにより形成す
る。この結合領域２１は、５００μｍの長さの場合に完
全に上の導波路に移るので、５００μｍ長にした。ま
た、分布帰還レーザ部２０の長さは、３００μｍとし
た。ｐｉｎフォトダイオード部２２は全長２００μｍと
した。そこで全素子長は、１ｍｍとなる。
域にピッチ２４４０Å深さ１０００Åのグレーティング
を、Ｈｅ−Ｃｄレーザによる２光束干渉露光及びＲＩＢ
Ｅ（反応性イオンビームエッチング）により形成する。
次に、結合領域２１にピッチ１０μｍ（凸部７μｍ、凹
部３μｍ）、深さ０．１μｍの荒いグレーティングをフ
ォトリソグラフィ及びＲＩＢＥエッチングにより形成す
る。この結合領域２１は、５００μｍの長さの場合に完
全に上の導波路に移るので、５００μｍ長にした。ま
た、分布帰還レーザ部２０の長さは、３００μｍとし
た。ｐｉｎフォトダイオード部２２は全長２００μｍと
した。そこで全素子長は、１ｍｍとなる。
【００１４】このような光ガイド層６の加工後、ＭＯＣ
ＶＤ（有機金属気相成長）法により、光ガイド層６上
に、１．５μｍのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
７、０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層８を再成長
した。次に、ＳｉＯ2膜をマグネトロンスパッタ法によ
り成膜し、１．５μｍ幅のストライプに加工後、レジス
トをマスクとして、ＲＩＢＥによりＧａＡｓ基板１まで
メサエッチングを行なう。レジスト除去後、ＳｉＯ2を
マスクとして、再びＭＯＣＶＤ法により、高抵抗Ａｌ
0.5Ｇａ0.5Ａｓ１９を選択再成長し、メサ部を埋め込
む。
ＶＤ（有機金属気相成長）法により、光ガイド層６上
に、１．５μｍのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
７、０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層８を再成長
した。次に、ＳｉＯ2膜をマグネトロンスパッタ法によ
り成膜し、１．５μｍ幅のストライプに加工後、レジス
トをマスクとして、ＲＩＢＥによりＧａＡｓ基板１まで
メサエッチングを行なう。レジスト除去後、ＳｉＯ2を
マスクとして、再びＭＯＣＶＤ法により、高抵抗Ａｌ
0.5Ｇａ0.5Ａｓ１９を選択再成長し、メサ部を埋め込
む。
【００１５】ＳｉＯ2除去後、上部電極Ｃｒ／Ａｕを蒸
着し、図２に破線で示すような部分で電極９〜１３とコ
ンタクト層８の分離を行なう。その後、基板１を１００
μｍ厚まで研磨し、下部電極Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ３０を蒸
着し、アロイ化して完成する。
着し、図２に破線で示すような部分で電極９〜１３とコ
ンタクト層８の分離を行なう。その後、基板１を１００
μｍ厚まで研磨し、下部電極Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ３０を蒸
着し、アロイ化して完成する。
【００１６】次に、このように作製した素子の機能につ
いて説明する。本実施例は、波長８３０μｍで動作する
伝送路についてのＦＳＫ（周波数シフトキーイング）、
ＰＳＫ（位相シフトキーイング）方式における、コヒー
レント検波素子である。下部導波路３は、波長８３０μ
ｍでは透明体であり、この部分にａのように信号光を入
射させる。この信号光は、進行するうちにｃのように、
上部導波路５，６の領域２１のグレーティングの効果で
徐々に上部へ結合し、残りはそのままｂのように外部へ
出射する。領域２０の上部には局発用の分布帰還レーザ
があり、ここから出射した光の一部は、そのまま上部導
波路５，６を進行し、信号光とのビート信号がｐｉｎフ
ォトダイオード２２で検出される。また、このレーザ光
の一部は、ｄのように下部導波路３に結合し、ｂのよう
に出射される。ｐｉｎフォトダイオード部２２は電極１
２，１３が２つに分けられており、１つはレーザ２０へ
の帰還信号用、１つは検波用として使用する。
いて説明する。本実施例は、波長８３０μｍで動作する
伝送路についてのＦＳＫ（周波数シフトキーイング）、
ＰＳＫ（位相シフトキーイング）方式における、コヒー
レント検波素子である。下部導波路３は、波長８３０μ
ｍでは透明体であり、この部分にａのように信号光を入
射させる。この信号光は、進行するうちにｃのように、
上部導波路５，６の領域２１のグレーティングの効果で
徐々に上部へ結合し、残りはそのままｂのように外部へ
出射する。領域２０の上部には局発用の分布帰還レーザ
があり、ここから出射した光の一部は、そのまま上部導
波路５，６を進行し、信号光とのビート信号がｐｉｎフ
ォトダイオード２２で検出される。また、このレーザ光
の一部は、ｄのように下部導波路３に結合し、ｂのよう
に出射される。ｐｉｎフォトダイオード部２２は電極１
２，１３が２つに分けられており、１つはレーザ２０へ
の帰還信号用、１つは検波用として使用する。
【００１７】分布帰還（ＤＦＢ）レーザ２０は、８３０
ｎｍ付近で発振し、しきい値２５ｍＡ、スペクトル線幅
３ＭＨｚである。レーザ２０は電極９，１０が２つに分
けられており、ここに不均一に電流を注入することによ
り、発振波長を約１０Åの幅で連続可変とすることがで
きる。また、一方の電極９または１０を波長安定化のた
めの帰還用として使用できる。
ｎｍ付近で発振し、しきい値２５ｍＡ、スペクトル線幅
３ＭＨｚである。レーザ２０は電極９，１０が２つに分
けられており、ここに不均一に電流を注入することによ
り、発振波長を約１０Åの幅で連続可変とすることがで
きる。また、一方の電極９または１０を波長安定化のた
めの帰還用として使用できる。
【００１８】結合部２１では、上部に結合できる波長帯
をグレーティングピッチにより選べるが、本素子では図
３に示すように８３０ｎｍを中心とする半値幅２．５μ
ｍのフィルタ特性を有する。また、電極１１を通して電
界を印加することにより、連続的にフィルタ波長を５μ
ｍ程度まで短波長側にシフトすることができ、上部への
結合効率を変えることができる。
をグレーティングピッチにより選べるが、本素子では図
３に示すように８３０ｎｍを中心とする半値幅２．５μ
ｍのフィルタ特性を有する。また、電極１１を通して電
界を印加することにより、連続的にフィルタ波長を５μ
ｍ程度まで短波長側にシフトすることができ、上部への
結合効率を変えることができる。
【００１９】ｐｉｎフォトダイオード２２は、遮断周波
数が、電界ＯＶの時には２．０ＧＨｚ、逆電界５．０Ｖ
時には３．２ＧＨｚ程度となる。
数が、電界ＯＶの時には２．０ＧＨｚ、逆電界５．０Ｖ
時には３．２ＧＨｚ程度となる。
【００２０】次に、このような機能をもつ素子の駆動方
法を図１を基に説明する。１４は、２チャンネルをもつ
外部制御機能付きの定電流源で、１つのチャンネルで電
極９に一定電流を流し、もう１つのチャンネルは電極１
０に、一定電流と周波数安定化のため帰還信号を重畳し
た電流を流すようになっている。このレーザ光と信号光
のビート信号をｐｉｎフォトダイオード２２で受け、前
部電極１２で信号を取り出す。電極１２からの信号が入
力する帰還回路１５では、ビート周波数のゆらぎを電圧
のゆらぎに変換して、定電流源１４に帰還を施して局発
レーザ２０の波長を安定化し、ＡＦＣをかける。あるい
は、図８のブロック図のように、ビート信号をプリスケ
ーラで分周して、シンセサイザとの位相差を位相比較器
で出力し、ＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｐｌｕ
ｓ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐｌｕｓｄｅｒｉｖａｔｉｖ
ｅ）コントローラを通して帰還し、位相を安定化させて
ＰＬＬをかけてもよい。
法を図１を基に説明する。１４は、２チャンネルをもつ
外部制御機能付きの定電流源で、１つのチャンネルで電
極９に一定電流を流し、もう１つのチャンネルは電極１
０に、一定電流と周波数安定化のため帰還信号を重畳し
た電流を流すようになっている。このレーザ光と信号光
のビート信号をｐｉｎフォトダイオード２２で受け、前
部電極１２で信号を取り出す。電極１２からの信号が入
力する帰還回路１５では、ビート周波数のゆらぎを電圧
のゆらぎに変換して、定電流源１４に帰還を施して局発
レーザ２０の波長を安定化し、ＡＦＣをかける。あるい
は、図８のブロック図のように、ビート信号をプリスケ
ーラで分周して、シンセサイザとの位相差を位相比較器
で出力し、ＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｐｌｕ
ｓ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐｌｕｓｄｅｒｉｖａｔｉｖ
ｅ）コントローラを通して帰還し、位相を安定化させて
ＰＬＬをかけてもよい。
【００２１】結合部１１での結合効率は、電極１１を介
して電圧源１７による電界で調整する。結合効率があま
り高いと、局発光が下部導波路３に結合して、ビート信
号が小さくなってしまうので、図４に示すように７０％
程度に調整した。ｐｉｎフォトダイオード２２の後部電
極１３からのもう１つの出力は、復調回路１６で増幅
器、低域通過フィルタを通して信号光の検波に用いる。
して電圧源１７による電界で調整する。結合効率があま
り高いと、局発光が下部導波路３に結合して、ビート信
号が小さくなってしまうので、図４に示すように７０％
程度に調整した。ｐｉｎフォトダイオード２２の後部電
極１３からのもう１つの出力は、復調回路１６で増幅
器、低域通過フィルタを通して信号光の検波に用いる。
【００２２】ＤＦＢレーザ部２０からの局発光は結合部
２１を介して下部導波路３と結合し、そのままの状態で
は、下部導波路３からの出力ｂはやはりビート信号にな
っている。そこで、電圧源１７を通して、結合部１１の
電極１１に逆電圧を印加すると図３のようにフィルタ波
長が変化する特性（破線で示す）を利用する。つまり、
この素子で、受信しなくてよいタイミングでは、逆電界
をかけて、８３０μｍでは図３の破線の曲線に示すよう
に上下導波路の結合をしないようにして、信号光をその
まま下部導波路３を通過させるだけにする。すると、局
発光も上部のみを伝搬しこの素子が伝送路中にあって
も、何ら影響を与えない。そこで、時分割制御して伝送
すれば、この素子だけで、バス型あるいはリング型の伝
送路を組めることになる。
２１を介して下部導波路３と結合し、そのままの状態で
は、下部導波路３からの出力ｂはやはりビート信号にな
っている。そこで、電圧源１７を通して、結合部１１の
電極１１に逆電圧を印加すると図３のようにフィルタ波
長が変化する特性（破線で示す）を利用する。つまり、
この素子で、受信しなくてよいタイミングでは、逆電界
をかけて、８３０μｍでは図３の破線の曲線に示すよう
に上下導波路の結合をしないようにして、信号光をその
まま下部導波路３を通過させるだけにする。すると、局
発光も上部のみを伝搬しこの素子が伝送路中にあって
も、何ら影響を与えない。そこで、時分割制御して伝送
すれば、この素子だけで、バス型あるいはリング型の伝
送路を組めることになる。
【００２３】局発用のレーザ２０を送信器として使うこ
ともできる。結合部２１の電界を調整し、受信しなくて
よいタイミングにおいて、結合効率を１００％に近い状
態にする。この時、ａから入射した光は、すべて受信器
２２に到達し、一方、レーザ２０の光はすべて下部導波
路３に結合して、外部に出射できる。
ともできる。結合部２１の電界を調整し、受信しなくて
よいタイミングにおいて、結合効率を１００％に近い状
態にする。この時、ａから入射した光は、すべて受信器
２２に到達し、一方、レーザ２０の光はすべて下部導波
路３に結合して、外部に出射できる。
【００２４】また、局発用のレーザ２０をリピータとし
て使用することも出来る。入射光端面から入射された信
号光ａのほぼ全部が上部導波路５，６に結合するように
しておく。復調回路１６で検波した信号を、電流源１に
帰還し、その信号でレーザ２０を変調することでリピー
タとして機能する。この変調された局発光を、結合部２
１を介して、結合効率９０％以上になるように電界を調
整して下部導波路３に結合させ伝送路に送り出すことが
できる。
て使用することも出来る。入射光端面から入射された信
号光ａのほぼ全部が上部導波路５，６に結合するように
しておく。復調回路１６で検波した信号を、電流源１に
帰還し、その信号でレーザ２０を変調することでリピー
タとして機能する。この変調された局発光を、結合部２
１を介して、結合効率９０％以上になるように電界を調
整して下部導波路３に結合させ伝送路に送り出すことが
できる。
【００２５】伝送方式として、次のような場合にも対応
できる。或る波長帯で伝送速度の速い信号による光周波
数多重を行ない、その波長から数ｎｍ離れた波長で伝送
速度の遅い制御信号を１波長で送る場合である。伝送速
度の速い信号は、光周波数多重するため、局発光を用い
てコヒーレント検波を行なう。一方、伝送速度の遅い信
号は１波長のため、コヒーレント検波の必要性がない。
２つの波長帯の選択は、結合部２１に印加する電界によ
り、上記に述べたようにフィルタ波長を変えることで行
なえる。局発光は伝送速度の遅い光の波長に合わせる必
要はなく、波長可変幅は数ｎｍは要らないことになる。
光周波数多重するときの多重度は、ＤＦＢレーザ２０の
波長可変幅で決まってくる。もし、周波数間隔を１０Ｇ
Ｈｚとすれば、多重度は、中心波長を１０Å（〜３００
ＧＨｚ）変化できるので、約３０ということになる。こ
の多重度は、信号光の波長安定度、局発光の波長安定度
でも決まってくるが、多重度があまり要らない場合は、
局発光の安定度の制限は緩いものとなり、先に述べたＡ
ＦＣ、ＰＬＬなどの技術の不要となる場合もある。ま
た、温度を変えることで波長を大きく変化させれば多重
度は更に大きくでくる。
できる。或る波長帯で伝送速度の速い信号による光周波
数多重を行ない、その波長から数ｎｍ離れた波長で伝送
速度の遅い制御信号を１波長で送る場合である。伝送速
度の速い信号は、光周波数多重するため、局発光を用い
てコヒーレント検波を行なう。一方、伝送速度の遅い信
号は１波長のため、コヒーレント検波の必要性がない。
２つの波長帯の選択は、結合部２１に印加する電界によ
り、上記に述べたようにフィルタ波長を変えることで行
なえる。局発光は伝送速度の遅い光の波長に合わせる必
要はなく、波長可変幅は数ｎｍは要らないことになる。
光周波数多重するときの多重度は、ＤＦＢレーザ２０の
波長可変幅で決まってくる。もし、周波数間隔を１０Ｇ
Ｈｚとすれば、多重度は、中心波長を１０Å（〜３００
ＧＨｚ）変化できるので、約３０ということになる。こ
の多重度は、信号光の波長安定度、局発光の波長安定度
でも決まってくるが、多重度があまり要らない場合は、
局発光の安定度の制限は緩いものとなり、先に述べたＡ
ＦＣ、ＰＬＬなどの技術の不要となる場合もある。ま
た、温度を変えることで波長を大きく変化させれば多重
度は更に大きくでくる。
【００２６】
【実施例２】図５は、本発明による第２の実施例を説明
する断面図である。図５において、結合部３６は実施例
１の結合部２１と同様である。局発部３５を、波長可変
範囲で広げることを目的として、３電極の分布反射（Ｄ
ＢＲ）レーザとしたものである。電極３２に一定電流を
流して発振させ、その両側の電極３１，３３には、安定
化のための帰還信号、あるいは変調信号を重畳した電流
を流す。
する断面図である。図５において、結合部３６は実施例
１の結合部２１と同様である。局発部３５を、波長可変
範囲で広げることを目的として、３電極の分布反射（Ｄ
ＢＲ）レーザとしたものである。電極３２に一定電流を
流して発振させ、その両側の電極３１，３３には、安定
化のための帰還信号、あるいは変調信号を重畳した電流
を流す。
【００２７】この方式により波長可変範囲は、約２０Å
に広がる。また、波長可変範囲が広がることで、多重度
は増加するが、もし多重度を増加させる必要がなけれ
ば、実施例１で述べたように、ＡＦＣあるいはＰＬＬを
省略することもできる。この場合を考えて、本実施例で
はｐｉｎフォトダイオード部３７では電極３４を１つと
し、検波のみを行なうようにした。もちろん、実施例１
の図１あるいは図２とのレーザ及びｐｉｎフォトダイオ
ードとの相互組み合わせをしてもよい。図１および図２
と同じ符号で示すものは同一機能部を示す。
に広がる。また、波長可変範囲が広がることで、多重度
は増加するが、もし多重度を増加させる必要がなけれ
ば、実施例１で述べたように、ＡＦＣあるいはＰＬＬを
省略することもできる。この場合を考えて、本実施例で
はｐｉｎフォトダイオード部３７では電極３４を１つと
し、検波のみを行なうようにした。もちろん、実施例１
の図１あるいは図２とのレーザ及びｐｉｎフォトダイオ
ードとの相互組み合わせをしてもよい。図１および図２
と同じ符号で示すものは同一機能部を示す。
【００２８】
【実施例３】図６は、第３の実施例による本素子の上部
からみた概略図を示すものである。局発用のレーザ４
０，４２を発振波長のわずかに異なる２つ集積したもの
である。一方のレーザ４０では８２６〜８２８ｎｍ、他
方のレーザ４２では８２８〜８３０μｍで波長可変とな
っている。レーザ４２から出射された光は、４５°ミラ
ー４３、４５°ハーフミラー４４を通して結合部４５に
入射される。これにより、４ｎｍの幅にわたって波長多
重が可能となる。これにより、多重度は大幅に増加する
ことができる。各波長における、下部、上部の結合効率
は、結合部４５の電極を介して結合部に印加する電圧に
より最適に調整できる。
からみた概略図を示すものである。局発用のレーザ４
０，４２を発振波長のわずかに異なる２つ集積したもの
である。一方のレーザ４０では８２６〜８２８ｎｍ、他
方のレーザ４２では８２８〜８３０μｍで波長可変とな
っている。レーザ４２から出射された光は、４５°ミラ
ー４３、４５°ハーフミラー４４を通して結合部４５に
入射される。これにより、４ｎｍの幅にわたって波長多
重が可能となる。これにより、多重度は大幅に増加する
ことができる。各波長における、下部、上部の結合効率
は、結合部４５の電極を介して結合部に印加する電圧に
より最適に調整できる。
【００２９】なお、本素子では信号の伝送光の波長変換
の機能をもつ。例えば、レーザ４２の波長帯の信号をｐ
ｉｎフォトダイオード４６で受信し、それによってレー
ザ４０を変調すればよい。
の機能をもつ。例えば、レーザ４２の波長帯の信号をｐ
ｉｎフォトダイオード４６で受信し、それによってレー
ザ４０を変調すればよい。
【００３０】
【実施例４】図７は、第４の実施例による本素子の入射
面から見た断面図である。実施例１では、基板１までメ
サエッチングをして両側を選択成長したが、このメサエ
ッチングを下部導波路３の上０．１〜０．３μｍの高さ
で止めて、選択成長してもよい。この場合の方が、ＲＩ
ＢＥでエッチングする深さが、１．８〜２．０μｍ浅く
なるので、エッチング時間の短縮が図れるとともに、マ
スクとするレジストに要求される耐性が緩和される。
面から見た断面図である。実施例１では、基板１までメ
サエッチングをして両側を選択成長したが、このメサエ
ッチングを下部導波路３の上０．１〜０．３μｍの高さ
で止めて、選択成長してもよい。この場合の方が、ＲＩ
ＢＥでエッチングする深さが、１．８〜２．０μｍ浅く
なるので、エッチング時間の短縮が図れるとともに、マ
スクとするレジストに要求される耐性が緩和される。
【００３１】また、実施例１と比べると下部導波路３の
ＮＡ（開口角）が大きくなるため、入射光との結合が容
易になる。図１および図２と同じ符号で示すものは同一
機能部を示す。
ＮＡ（開口角）が大きくなるため、入射光との結合が容
易になる。図１および図２と同じ符号で示すものは同一
機能部を示す。
【００３２】以上の実施例では、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ系の８３０μｍ帯の場合で説明してきたが、もちろん
他の波長、材料でも可能である。特に、コヒーレント光
通信として主流である１．５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰ系でも全く同様のことが適用できる。また、上部
の導波路にグレーティングを形成してレーザ、フォトダ
イオードなどを集積化したが、下部導波路にグレーティ
ングを設けて、上、下の関係を逆転させても実現可能で
ある。さらに、結合器としてはグレーティングのない構
成も可能である。この場合、結合長が長く、素子全体が
長くなるが、グレーティングを形成する工程がなくな
り、素子作製が容易になる。
ｓ系の８３０μｍ帯の場合で説明してきたが、もちろん
他の波長、材料でも可能である。特に、コヒーレント光
通信として主流である１．５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰ系でも全く同様のことが適用できる。また、上部
の導波路にグレーティングを形成してレーザ、フォトダ
イオードなどを集積化したが、下部導波路にグレーティ
ングを設けて、上、下の関係を逆転させても実現可能で
ある。さらに、結合器としてはグレーティングのない構
成も可能である。この場合、結合長が長く、素子全体が
長くなるが、グレーティングを形成する工程がなくな
り、素子作製が容易になる。
【００３３】
【発明の効果】本発明により、コヒーレント光通信にお
けるコヒーレント光検波などに必要十分な小型で高機能
である集積型光検波器等の光半導体装置を歩留まりよく
作製できる。
けるコヒーレント光検波などに必要十分な小型で高機能
である集積型光検波器等の光半導体装置を歩留まりよく
作製できる。
【００３４】また、本素子により、スター型はもちろん
バス型やリング型などの通信ネットワークを組むことが
でき、特有の伝送方式を実施することができる。その伝
送方式とは、波長多重、光周波数多重通信や、リピータ
機能、光を損失せずに透過する機能を使った方式であ
る。
バス型やリング型などの通信ネットワークを組むことが
でき、特有の伝送方式を実施することができる。その伝
送方式とは、波長多重、光周波数多重通信や、リピータ
機能、光を損失せずに透過する機能を使った方式であ
る。
【００３５】より具体的には、本発明では、２つの導波
路を半導体の積層方向に集積させることにより、平面型
の３ｄＢカプラを不要としたものである。伝送路からの
信号光は、下部導波路に入射し、一定の距離を進行させ
ると上部導波路に結合し、上部導波路には、局発用のレ
ーザ、及びｐｉｎフォトダイオードが集積されているの
で、上部導波路と結合した光と局発光とのビート信号を
ｐｉｎフォトダイオードで受光し、信号を取り出せる。
路を半導体の積層方向に集積させることにより、平面型
の３ｄＢカプラを不要としたものである。伝送路からの
信号光は、下部導波路に入射し、一定の距離を進行させ
ると上部導波路に結合し、上部導波路には、局発用のレ
ーザ、及びｐｉｎフォトダイオードが集積されているの
で、上部導波路と結合した光と局発光とのビート信号を
ｐｉｎフォトダイオードで受光し、信号を取り出せる。
【００３６】また、層方向で結合の条件が制御される縦
型カプラを用いることにより、複雑な加工を必要とせ
ず、歩留まり良くカプラ機能を持たせることができる。
上部導波路に荒いグレーティングを設けることにより、
結合長も５００μｍ程度で充分なので、素子の小型化が
可能となり、さらに、短いため損失が少なく、導波路部
分を、レーザかｐｉｎフォトダイオードと同じ材料で構
成することも可能で工程が簡略化される。また、結合長
を適当に選べば、信号光のすべてを取り出すことなく、
一部の光は、そのまま下部導波路から出射される。さら
に、局発用レーザをそのままリピータ用のレーザとして
下部導波路に結合させることもできる。カプラ部分に電
界をかければ、必要に応じて信号を上部に結合させたり
そのまま下部を通過させたりすることもできる。
型カプラを用いることにより、複雑な加工を必要とせ
ず、歩留まり良くカプラ機能を持たせることができる。
上部導波路に荒いグレーティングを設けることにより、
結合長も５００μｍ程度で充分なので、素子の小型化が
可能となり、さらに、短いため損失が少なく、導波路部
分を、レーザかｐｉｎフォトダイオードと同じ材料で構
成することも可能で工程が簡略化される。また、結合長
を適当に選べば、信号光のすべてを取り出すことなく、
一部の光は、そのまま下部導波路から出射される。さら
に、局発用レーザをそのままリピータ用のレーザとして
下部導波路に結合させることもできる。カプラ部分に電
界をかければ、必要に応じて信号を上部に結合させたり
そのまま下部を通過させたりすることもできる。
【００３７】このように、本発明による構造を用いれ
ば、簡単な構造、工程でコヒーレント光検波などに適用
し得る高機能な受信器等の光半導体装置を提供できる。
ば、簡単な構造、工程でコヒーレント光検波などに適用
し得る高機能な受信器等の光半導体装置を提供できる。
【図１】本発明による第１の実施例の素子の斜視図。
【図２】第１の実施例の素子の断面図。
【図３】結合部における結合効率の波長依存性のグラ
フ。
フ。
【図４】（ａ）は結合効率の波長依存性のグラフ、
（ｂ）は透過率の波長依存性のグラフ。
（ｂ）は透過率の波長依存性のグラフ。
【図５】本発明による第２の実施例を表す断面図。
【図６】本発明による第３の実施例を表す上からの概略
図。
図。
【図７】本発明による第４の実施例を表す入射面からの
断面図。
断面図。
【図８】ＰＬＬの帰還回路のブロック図。
【図９】コヒーレント光検波の概念図。
【図１０】集積型コヒーレント検波素子の従来例を表す
図。
図。
１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２ ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層 ３ ｎ−ＭＱＷ下部導波層 ４ ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層 ５ ＭＱＷ活性層 ６ ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ光ガイド層 ７ ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層 ８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層 ９ ＤＦＢレーザの前部電極 １０ ＤＦＢレーザの後部電極 １１ 結合部の電極 １２ ｐｉｎフォトダイオードの前部電極 １３ ｐｉｎフォトダイオードの後部電極 １４ 電流源 １５ 帰還回路 １６ 復調回路 １７ 結合部駆動用電源 １９ 高抵抗Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋め込み層 ２０ ＤＦＢレーザ部 ２１ 結合部 ２２ ｐｉｎフォトダイオード部 ３０ 下部電極 ３１ ＤＢＲレーザの前部電極 ３２ ＤＢＲレーザの中部電極 ３３ ＤＢＲレーザの後部電極 ３４ ｐｉｎフォトダイオードの電極 ３５ ＤＢＲレーザ部 ３６ 結合部 ３７ ｐｉｎフォトダイオード部 ４０ ８２６〜８２８μｍで発振するＤＢＲレーザ ４２ ８２８〜８３０μｍで発振するＤＢＲレーザ ４３ ４５°ミラー ４４ ４５°ハーフミラー ４５ 結合部 ４６ ｐｉｎフォトダイオード ５０ ＩｎＰ基板 ５１ ＤＦＢレーザ ５２ ３ｄＢカプラ ５３ ｐｉｎフォトダイオード ａ 入射光 ｂ 出射光 ｃ 下部導波路から上部導波路に結合する光 ｄ 上部導波路から下部導波路に結合する光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｂ 10/06
Claims (16)
- 【請求項１】 半導体の積層方向に、所定の結合度を持
った少なくとも上下２つの光導波路を具備し、少なくと
も１つずつの半導体レーザ、受光器がいずれかの光導波
路と結合されていることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項２】 前記光導波路のいずれかに回折格子を設
け、上下光導波路の結合に波長選択性を持たせているこ
とを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。 - 【請求項３】 前記上下光導波路の結合に波長選択性を
持たせるとともに、その選択波長が可変である結合器を
具備することを特徴とする請求項２記載の光半導体装
置。 - 【請求項４】 前記半導体レーザが、単一モードで波長
可変であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装
置。 - 【請求項５】 前記半導体レーザが、分布帰還型レーザ
であることを特徴とする請求項４記載の光半導体装置。 - 【請求項６】 前記半導体レーザが、分布反射型レーザ
であることを特徴とする請求項４記載の光半導体装置。 - 【請求項７】 前記半導体レーザが、並列的に２つ設け
られていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装
置。 - 【請求項８】 上記半導体レーザからの出射光と外部か
ら入射した光を或る結合度で結合させて上記受光器でヘ
テロダイン検波を行い、該外部からの入射光が持ってい
る情報を検出することを特徴とする請求項１記載の光半
導体装置の駆動方法。 - 【請求項９】 上記半導体レーザからの出射光と外部か
ら入射した光をある結合度で結合させて上記受光器でヘ
テロダイン検波を行い、該半導体レーザの発振波長ある
いは位相を、該受光器で検波した信号で安定化しなが
ら、該外部からの入射光が持っている情報を検波するこ
とを特徴とする請求項１記載の光半導体装置の駆動方
法。 - 【請求項１０】 上記光導波路の一部に電界を印加して
屈折率を変化させることにより、光導波路間の結合度を
変化させることを特徴とする請求項１記載の光半導体装
置の駆動方法。 - 【請求項１１】 上記選択波長が可変である結合器の選
択波長を、本装置で受信するタイミングでのみ外部から
の入射光の波長付近に合わせ、受信しない場合には合わ
せないことを特徴とする請求項３記載の光半導体装置の
駆動方法。 - 【請求項１２】 上記選択波長が可変である結合器の選
択波長を、本装置で受信するタイミングでのみ外部から
の入射光の波長付近に合わせ、受信しない場合には合わ
せないことを特徴とする請求項３記載の光半導体装置を
用いた光伝送方式。 - 【請求項１３】 上記半導体レーザを、受信しないタイ
ミングで送信器として用いることを特徴とする請求項１
記載の光半導体装置の駆動方法。 - 【請求項１４】 上記半導体レーザを、受信しないタイ
ミングで送信器として用いることを特徴とする請求項１
記載の光半導体装置を用いた光伝送方式。 - 【請求項１５】 上記導波路の結合度を大きくし、受信
器ではヘテロダイン検波を行い、その信号をもとに上記
半導体レーザを変調し、その信号を再び外部に出射する
ことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置の駆動方
法。 - 【請求項１６】 上記導波路の結合度を大きくし、受信
器ではヘテロダイン検波を行い、その信号をもとに上記
半導体レーザを変調し、その信号を再び外部に出射する
ことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置を用いた
光伝送方式。
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