JPH0722603A

JPH0722603A - 光結線装置

Info

Publication number: JPH0722603A
Application number: JP5150440A
Authority: JP
Inventors: Hideto Furuyama; 英人古山; Hiroshi Hamazaki; 浩史濱崎; Mitsuhiro Kushibe; 光弘櫛部; Katsuji Uenishi; 克二上西; Tamon Kobayashi; 多聞小林; Keiji Takaoka; 圭児高岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】電気的な中継処理等による信号伝達遅延を排
除して光結線の効果を最大限に発揮させることは勿論の
こと、光学系の複雑さによる組立調整の困難さを解消す
ると共に、温度変動に対する光学系の安定化をはかり得
る光結線装置を提供することにある。【構成】実装基板間の信号結線を光で行うための光結
線装置において、ｐｎ接合からなる受光素子と同心円状
の凹凸からなるグレーティングレンズ１１が集積形成さ
れた複数の光結線素子１２０を、それぞれ等間隔となる
よう配置すると共に、光結線素子１２０に集積されたレ
ンズ１１の光学特性が光結線素子１２０の配置間隔分の
光伝搬特性を補償するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、情報処理装置等の内部
信号接続を光で行う光結線装置に係わり、特に光の接続
を空間伝搬で行う光結線装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】情報処理装置等の高速，高機能化に伴
い、装置内部の信号処理速度及び信号伝達速度が大幅に
高速化されるようになってきている。これらは、主に使
用される半導体素子の性能向上の寄与によるが、半導体
素子の集積技術やその電気実装技術の向上も同時に大き
く寄与している。半導体素子の性能向上やその集積技術
は素子の構造改良やプロセス技術の微細化により更に改
善し、高速化可能であり、今後情報処理装置等の更なる
高速化を可能にするものと予測されている。

【０００３】しかしながら、半導体素子の性能向上によ
り、それまであまり深刻とされていなかった問題が急激
に現われるようになってきた。即ち、半導体素子間を接
続する電気配線が半導体素子の動作速度や実装密度に追
従しきれない技術領域が現われてきている。

【０００４】例えば、一般に半導体素子は所定の回路構
成単位で集積化された集積回路の状態で用いられている
が、この場合、集積回路内部の電気接続と集積回路外
部、又は集積回路間の電気接続で技術的な困難さが大き
く異っており、後者において前述したような問題が顕著
になってきている。これは、主に電気結線路の寄生抵
抗，寄生容量による信号伝搬遅延や伝搬損失の周波数依
存、複数の線路間での電磁界結合によるクロストーク等
によるものであり、半導体素子の性能が外部的な要因に
よって実効的に低下させられるものである。

【０００５】前述の集積回路内部の電気接続において
は、半導体素子間の電気接続長が数十μｍ程度であり、
自由空間換算の電気接続長も実際の電気接続長の数倍程
度である。このような短い電気接続の場合、信号の波長
（例えば１ＧＨｚの信号で約３０ｃｍ）に対して電気接
続長が十分短く、波動的効果によるインピーダンス不整
合状態での信号反射は殆ど無視できる。

【０００６】また、半導体素子を集積形成する半導体基
板は比誘電率が一般に１０以上と高く、電磁界が半導体
基板側に偏って分布し易くなるため、自由空間に比して
隣接配線への電磁界結合、即ちクロストークが小さくな
り易い。このため、集積回路内部での動作速度は比較的
速くすることができるが、これが集積回路の外部では同
等の速度が得難くくなる。その主な要因は電気的接続長
の増大であり、最も電気接続長を短縮できるマルチチッ
プモジュール、即ち集積回路をチップ状態で他の集積回
路に接続して数個の集積回路をハイブリッド的に集積パ
ッケージする方法においても電気接続長が１ｃｍ程度あ
り、場合により数十ｃｍの長さにも及ぶ場合がある。こ
の場合、波動的なインピーダンス不整合が無視できなく
なり、電気結線路の特性インピーダンス確定化のため、
結線路の幅等が自由設定できなくなってくる。従って、
線路寄生容量を減らすための狭幅化が難しく、信号の伝
搬遅延も大きくなってくる。

【０００７】このような技術背景により、数百ＭＨｚ以
上のクロック周波数で動作可能な集積回路を用いた装置
でも、全体のシステム動作としては数十ＭＨｚのクロッ
ク周波数で動作する場合と同等程度の性能に低下してし
まうという問題があった。従って、現在以上の半導体素
子の性能向上が得られても、それを用いたシステム的な
装置の性能は半導体素子の性能向上に比例して向上でき
る状況ではなくなってきている。

【０００８】このような電気的な信号結線の問題を解決
するため、光による信号結線、特に半導体集積回路の外
部での信号結線を光で行う方法がいくつか提案されてい
る。光による信号結線の特徴は、信号伝達の高速性や電
磁界的な結合によるクロストークが無いこと等である
が、情報処理装置等に用いる場合、信号結線の距離が大
きい部分、例えば半導体集積回路を実装する実装基板の
間等で特に大きな効果を発揮する。これは、光結線の場
合、結線距離が数ｍに及ぶ場合でも信号帯域や伝搬損失
が１ｃｍ程度の場合とあまり遜色がなく、信号の伝搬遅
延特性も電気結線の場合に比し遥かに優れているからで
ある。

【０００９】そこで、半導体集積回路の実装を、比較的
短距離の電気結線で実装基板上で行い、結線距離の比較
的長くなる実装基板間の結線を光で行う方法が提案され
ている。以下、実装基板間を前提とした光結線装置を例
とし、従来技術の説明を行っていく。

【００１０】図２２（ａ）は、従来の光結線装置の入出
力部の概略構成をブロック図形式で示したものである。
図中、８００は受光素子、８０１は光電変換信号出力端
子、８０２は受光素子の能動受光領域であり、８１０は
発光素子、８１１は電気信号入力端子、８１２は発光素
子の活性領域、また８２０，８３０は光入出力のコリメ
ートレンズである。このような光結線装置入出力部（８
４０）を半導体集積回路の搭載された実装基板に取りつ
け、異なる実装基板間の光軸調整を行うことで光結線路
が構成される。この様子を、光結線部のみ取り出して図
２２（ｂ）に示す。図中矢印は信号の流れ方向を示して
おり、８４０ｅ以降の経路を８４０ａ以前の経路に接続
することで実装基板間で一種のループバスを形成するこ
ともできる。

【００１１】図２２に示した従来技術は最も簡単な構成
法であり、各実装基板毎に逐次信号入出力が行われるた
め、通常の電気結線による従属接続方法と同等の信号伝
送方式を用いることができる。しかも、結線路が光結線
であるため結線距離の制限が比較的少く、信号の伝送帯
域も１つの光経路で１０Ｇｂ／ｓ以上が可能である。こ
のような光結線装置を用いることによりシステム速度の
大幅な向上が可能になる。

【００１２】しかしながら、図２２で示したような光結
線装置は信号の伝送帯域は広くできるものの、信号の伝
達時間は電気結線による装置に比し極度に大きな向上は
できない。これは、各光結線装置入出力部の間での信号
伝達は高速に行われるものの、光結線装置入出力部８４
０に入った信号が電気的処理や分枝を経て次段の光結線
装置入出力部に送出されるためであり、各実装基板での
電気処理時間分だけ信号の伝達が遅くなる。この遅延時
間としては、入力信号を実装基板のデータバッファに送
ると同時にバイパス信号を送出する最も処理時間の短い
方法を用いたとしても数クロック分の時間、又はアナロ
グ処理による簡易バイパス方法としても数ｎｓの時間を
考えておく必要がある。

【００１３】このため、図２２の光結線装置では光結線
方向に信号を順次処理していく装置以外の場合に、光結
線を用いた効果が薄れる欠点があった。例えば図２２
（ｂ）の８４０ａで送出した信号を８４０ｅ、又はそれ
以降の実装基板で処理する場合や、更にその信号を送出
元に返して処理していくような装置では途中経路の中継
時間分だけ信号が遅延し、しかも送出先の実装基板が異
なれば信号遅延時間も変化するという問題があり、実装
基板間の信号伝達の一様性が得難いという欠点があっ
た。

【００１４】図２３（ａ）は、図２２で示した従来技術
の改善を図った従来技術の例である（例えば特願平３−
２９１６４６号）。この例では、図２２の従来例に比し
やや複雑な構成をとるが、図２２の従来技術の欠点を克
服することが可能になっている。図中８５０は発光素子
で例えば面発光型の半導体レーザ、８５１は信号入力端
子、８５２は半導体レーザの活性領域、８７０は半透型
の受光素子で受光部８７２での光吸収損失を補うための
光増幅機能を備えている。８７１は信号出力端子、９０
０は受光素子で光経路の終端器を兼ねて不透過型の素子
とする。９０１信号出力端子、９０２は受光領域であ
る。また、８６０，８９０はコリメートレンズ、８８０
は伝搬する光ビームのビーム補正レンズである。

【００１５】ビーム補正レンズの機能は、光ビームの回
折によるビーム拡大を補正し、各光結線入力部（８７
０）でのビーム幅を均等化するためのものである。一般
に、単一ビームのビーム幅ωは、ビームの最小幅ω₀ を
用いて次式で表わすことができる。

【００１６】 ω² ＝ω₀ ² ｛１＋（λＺ／πω₀ ² ）² ｝ … (1) ここで、λは光の波長、Ｚはビームの最小幅（ビームウ
ェスト）位置からの距離であり、ω₀ とωの関係の例を
図２３（ｂ）に示す。ここでは、波長λを１μｍとし、
距離Ｚを実装基板の一般的間隔（約２５ｍｍ）としてい
る。

【００１７】例として面型半導体レーザのビーム拡大を
考えてみる。面型半導体レーザ活性領域でのビーム幅が
４μｍとすると、２５ｍｍ伝搬後のビーム径は約２００
μｍ（図中破線）と５００倍程度に拡大してしまうこと
が判る。そこで図２３（ａ）では、面型半導体レーザの
出力光をコリメートレンズ８６０でほぼ平行なビームに
変換している。さらに、コリメートレンズ８６０以後の
ビームを例えば１００μｍとしても、２５ｍｍ伝搬後は
１２８μｍと拡大してしまう。これが１０段後（２５０
ｍｍ）では、約８００μｍにまで拡大する。従って、光
結線装置入力部（２７０）通過後に、ビームの波面を収
束方向に変換し、常に同様なビーム形状を保持する目的
でビーム補正レンズ８８０が設けられている。

【００１８】この装置の特徴は、信号入力端子８５１に
入力された信号が電気処理等による過剰遅延を受けるこ
となくほぼ同時に各実装基板に伝達されることであり、
遅延時間が最小になることと、同時に全基板に信号を送
出する所謂同報機能を有することである。この例では、
信号の送り戻しは別の光経路を用いて行うが、勿論その
場合も同様な利点を有している。信号の送り戻しは図２
３（ａ）の構成の光結線路を実装基板の数だけ並列に設
け、送信部（８５０）の位置を１段ずつずらして配置す
る。また、光経路は円筒状配置又は反射鏡を用いた折り
返しによりループ化する。即ち、１つの実装基板には全
実装基板数より１少い数の受光素子と１つの送信素子を
有することになる。このような構成により、任意の実装
基板間で実装基板の遠近に殆ど依存せずに高速な信号授
受が可能になる。

【００１９】しかしながら、図２３（ａ）の従来技術で
は光学系の複雑さにより、その組立調整，温度安定性に
問題があった。まず、光学的にレンズ８６０，８８０，
８９０が正確に調整されることが必要であり、その上で
光ビームのウェスト領域に受光素子が配置されることが
必要である。このとき、レンズ群単独の光軸は比較的容
易に調整できるが、受光素子群も含めた状態での調整で
はビーム焦点位置の検出と受光素子の位置調整、更に受
光素子の平行度の調整が必要であり、本来ビーム伝搬の
ための光学系にとっては不要な光軸変動要因が含まれて
くる。しかも、ビームの伝搬距離が一般に長くなるため
光軸の僅かな変動が後段の光学系には大きな影響が現わ
れてくる。また、レンズ群と受光素子群は一般に材質が
異なるため温度変動に対する機械的な光軸変動が起こり
易い。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の光
結線装置では電気的な中継処理による信号伝達の遅延や
複雑な光学系による組立調整の困難さや温度変動に対す
る安定性等の問題があった。

【００２１】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、電気的な中継処理等に
よる信号伝達遅延を排除して光結線の効果を最大限に発
揮させることは勿論のこと、光学系の複雑さによる組立
調整の困難さを解消すると共に、温度変動に対する光学
系の安定化をはかり得る光結線装置を提供することにあ
る。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、情報処理装置
等の内部で実装基板間等の信号結線を光で行うための装
置であり、特に光伝搬特性を均等化するための光学系を
光の端局部分と一体化することにより、光軸調整を容易
にすると共に温度変動等に対する動作安定化をはかった
光結線装置である。

【００２３】即ち本発明は、実装基板間の信号結線を光
で行うための光結線装置において、発光又は受光に供さ
れる光半導体素子と表面に凹凸を有する平板レンズが集
積形成された複数の光結線素子を実質的に等間隔となる
よう配置すると共に、光結線素子に集積された平板レン
ズの光学特性が光結線素子の配置間隔分の光伝搬特性を
補償するように構成されてなることを特徴としている。

【００２４】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものが上げられる。 (1) 平板レンズは、同心円状に凹凸を設けたグレーティ
ングレンズ又はフレネルレンズからなる波面変換素子で
あること。 (2) 光半導体素子の裏面電極が特定の回折効果を有する
パターンに形成され、この電極パターンから平板レンズ
が構成されること。 (3) 光半導体素子は、光入射面から入射した光を波長選
択及び増幅して低反射率光出力面から出射するものであ
り、光入射面と光出射面との間に、光学的な厚みが選択
すべき波長の半波長の整数倍の光共振器を有すること。 (4) 光半導体素子は、光入射面から入射した光を増幅し
て光出射面から出射するものであり、光入射面と光出射
面との間に、実効的な共振器長が面内で連続的に変化す
る光共振器を有すること。 (5) 光半導体素子は、活性層に対して平行な面から光を
入射する面入力型半導体レーザ増幅器であり、入力光が
異なる経路で複数回にわたり活性層を通過するものであ
ること。 (6) 光半導体素子に形成する光学膜は多層膜であり、必
要とする反射率の領域毎に多層膜の層数を異ならせたこ
と。

【００２５】

【作用】本発明によれば、光半導体素子と平板レンズを
集積して光結線素子を構成することにより、組立調整が
容易で温度変動等に対する安定性の高い光結線装置が得
られ、光結線装置の低価格化と装置信頼性向上により一
般情報処理装置への導入もはかれ、汎用情報処理装置等
の大幅な性能向上が可能になる。

【００２６】また、裏面電極のパターンで平板レンズを
構成することにより、工程が簡単で放熱性に優れた光結
線素子が実現可能となる。また、光入射面と光出射面と
の間に設ける光共振器の共振器長を、光学的な厚みが選
択すべき波長の半波長の整数倍に設定することにより、
戻り光を防止し、高効率，低消費電力の光結線素子を実
現することが可能となる。また、光入射面と光出射面と
の間に設ける光共振器の実効的な共振器長が面内で連続
的に変化するように構成することにより、連続の共振波
長を持つ光結線素子を実現することが可能となる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例を参照し
て説明する。（実施例１）図１（ａ）は本発明の第１の実施例に係わ
る光結線装置を示す概略構成図、図１（ｂ）は同装置に
使用した光結線素子の構成断面図である。

【００２８】図１（ｂ）では、ＩｎＰを基板とするＧａ
ＩｎＡｓＰ系素子を例にとって説明していく。図中１は
ｎ型ＩｎＰ基板、２はＧａＩｎＡｓ光増幅層、３はｐ型
ＩｎＰ層、４，５は各々ｐ側，ｎ側電極であり、例えば
ｐ側電極４にＡｕＺｎ、ｎ側電極５にＡｕＧｅ等の金属
を用いる。７はＧａＩｎＡｓ受光層、８はｐ型ＩｎＰ
層、９は電極でＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ等の金属を用いる。
６，１０は反射防止のための低反射コートであり、４分
の１波長のＳｉ₃ Ｎ₄ 等を用いる。また、１１はｐ型Ｉ
ｎＰ層３に同軸状のエッチングを施して形成したグレー
ティングレンズ（平板レンズ）である。グレーティング
レンズ１１は、実装基板間隔の半分の距離を焦点とする
ように設定しておく。

【００２９】ここで、ＧａＩｎＡｓ受光層７の領域を含
む部分はＧａＩｎＡｓ光増幅層２の領域と同時に結晶成
長し、ｎ−ＩｎＰ基板１に達する分離溝で領域分割して
形成できる。このとき、受光領域の大きさが極度に大き
いとグレーティングレンズ１１が効果的にレンズ作用し
なくなるため、その大きさを適度に設定する必要があ
る。例えば、グレーティングレンズ１１の大きさを３０
０μｍとし、使用する光ビームの径もレンズの部分で３
００μｍ程度になるよう設定する。この場合、受光領域
の大きさを２０μｍ径程度にすれば、およそグレーティ
ングレンズのレンズ作用を阻害しない、又は光増幅層２
の光増幅作用により実質的な光強度損失を補うことが可
能になる。

【００３０】図１（ａ）において、１００は面型半導体
レーザで１０１は信号入力端子、１０２がレーザ活性領
域、１１０は従来技術の項で説明したレーザビームの拡
大レンズ、１２０は図１（ｂ）に示した受光型の光結線
素子（受信光結線素子）で、１２１は信号出力端子、１
３０は集光レンズ、１４０は光経路の終端素子を兼ねた
受光素子で１４１は信号出力端子、１４２は受光領域で
ある。

【００３１】この実施例の特徴とする点は、光結線装置
としての機能，性能が従来技術（図２３（ａ））と同等
であり、その上で光結線素子１２０の光接続経路に外部
の光学系要素を含まないため、光軸調整が容易で温度変
動等に対する安定性が高いことである。即ち、組立て時
の光軸調整はレンズ間の光軸調整のみとなり、従来技術
のレンズ群のみの調整と同等になる。このとき、光結線
素子１２０を構成する受光素子はレンズと一体集積され
ているため焦点及び光軸の調整が不要になる。また、レ
ンズと受光素子は同一材料で構成されるため温度変動に
よる光軸変動は同様に起こり、受光素子位置とレンズ群
の光軸がずれ難くなる。従って、動作安定性を高めるこ
とが可能になる。なお、これらの特徴を更に効果的にす
るため、半導体レーザ１００や受光素子１４０にも同様
な集積化光学系を持たせてもかまわないことは自明なこ
とである。

【００３２】ここで、図１（ｂ）の受信光結線素子の光
増幅機構の例を図２に示す。図２は図１（ｂ）のグレー
ティングレンズ部分を拡大した図であり、光増幅層２の
機能を効果的に高める工夫を加えた例である。図１
（ｂ）の例ではグレーティングレンズは単なる凹凸パタ
ーンであるが、ここではグレーティングレンズの凸部分
に、更に２次のブレーズドグレーティング１２を設けて
いる。

【００３３】一般に、レンズ作用を持たせる場合のグレ
ーティングレンズは所謂ゾーンプレートのパターンであ
り、１２の２次グレーティングより大きな同期構造とな
る。これは、特に焦点距離の長い場合ほど周期が大きく
なる。１２の２次グレーティングの機能は、入射光の直
交変換であり、入射光軸に直交する方向に光を回折させ
る作用を持つ。特にここでは、２次グレーティングに単
純な凹凸ではなく断面の非対称なブレーズド型を用いて
いる。これは、２次グレーティングの直交回折方向を一
方向化させるためのものであり、図２の場合入射光１３
は左方向に直交回折される。そして、回折された光１４
は光増幅層２を導波して左側に進行し、同時に、光の増
幅作用が加えられて光強度が増す。光増幅された光１５
は更に進行して隣接するグレーティングレンズパターン
に重畳して形成された２次グレーティングにより下方向
に回折出力される。

【００３４】また、最内周の光は受光領域７に増幅され
て入力するため、受光素子の感度向上にも寄与するよう
になる。この結果、グレーティングレンズ１１′として
は入力側と出力側が１ピッチ分シフトする形となり、光
の位相がずれて焦点距離のずれが生じるようになる。従
ってこの例では、光のシフトによる位相を補正するよう
にグレーティングレンズの設定を予め調整しておく。図
２の例では、光がグレーティングレンズのパターンを１
ピッチシフトする分だけ光増幅層２を通過する距離が長
くなり、単純に上下方向に光を通過させる場合より光増
幅量が大きくとれる特徴がある。

【００３５】ここまでは、送信側が１つで受信側が複数
の例について示してきたが、これとは逆に、受信側が１
つで送信側が複数の場合でも図２３（ａ）の従来技術及
び図１（ａ）の実施例と同様な機能を持たせることがで
きる。以下にその実施例を示す。

【００３６】図３（ａ）は送信側を複数にする場合の光
結線素子（送信光結線素子）の概略構成であり、図１
（ｂ）と同一の機能の部分は同一の番号を付して示して
ある。この素子の特徴は、受光素子に代わり面型の半導
体レーザ１６を集積していることであるが、後述する光
学系に合わせて円柱型ではなく円筒型の面型半導体レー
ザとしている。１７はｐ側電極でＡｕＺｎ等を用いる。
ここで示した円筒形の面型半導体レーザの詳細を図３
（ｂ）に示す。

【００３７】図３（ｂ）において１８はｎ型分布反射
鏡、１９は半導体レーザ活性層、２０はｐ型分布反射
鏡、２１はｐ型コンタクト層であり、所謂ＤＢＲ（Dist
ributedBragg Reflector ）レーザの構成をとってい
る。但し、ここでは分布反射鏡の周期を１次（１／２波
長）ではなく２次（１波長）に設定する。これは、円筒
形の上下方向にはＤＢＲレーザ、円周方向には所謂リン
グレーザを形成し、図２で説明した２次グレーティング
の直交回折性を利用してＤＢＲレーザの光学モードとリ
ングレーザの光学モードを結合させるためである。即ち
この例の半導体レーザは、円筒形の円周方向の共振モー
ドと上下方向の分布反射器の共振モードの２つのモード
で発振可能であり、２次回折効果を利用して上記２つの
モードを１つにする作用を持っている。

【００３８】通常リングレーザは右回り、左回りの２つ
のモードを持ち独立であるが、ここでは２次グレーティ
ングによるＤＢＲモードを介して１つのモードにするこ
とができる。即ち、ＤＢＲモード、リングレーサ右回
り、左回りの３つの基本モードを１つに結合できるた
め、通常のＤＢＲレーザやリングレーザに比し大幅な効
率向上、ひいては低しきい値，高効率なレーザ素子とす
ることが可能である。なお、光の出力はＤＢＲモードを
介して下方向に出射される。

【００３９】図４（ａ）は図３（ａ）で示した送信光結
線素子を用いた光結線装置の例を示すの概略構成図であ
る。図中１５０は図３（ｂ）の円筒型レーザを有する面
型半導体レーザ、１６０は図３（ａ）で示した送信光結
線素子、１７０は受光素子であり受光素子は後述する。
１５１，１６１は信号入力端子である。図１（ｂ）の実
施例においては光ビームが常に同じ形状で伝えられてい
るが、ここでは１段目の光ビーム１８０が２段目でレン
ズ作用を受け、３段目は単に通過し、そのとき図３
（ａ）で示した半導体レーザの円筒形の内部を通過す
る。また、２段目の発する光ビーム１９０は３段目でレ
ンズ作用を受けるが４段目ではレンズ作用を受ない。即
ちこの例では、１段飛びにレンズ作用を受けさせるよう
にしており、これは狭い領域から発する光ビームを常に
同様な形式で重畳させていくためのものである。

【００４０】つまり、図１（ａ）の受信光結線素子と同
様に常に次段の素子にレンズ作用をもたせるようにする
と前段の素子の光ビームには有効にレンズ作用できるが
前々段のビームは等価なレンズ作用が難しくなってく
る。また、前段の光ビームにレンズ作用を加える時、同
時に自分の発する光ビームを等価に重畳させることは同
軸状に配置する限り困難である。これに対し本実施例で
は、前段の光ビームはレンズ作用させるが、前々段の光
ビームにはレンズ作用を特に加えていない。むしろ、前
段の素子により絞り込まれた前々段のビームが円筒型半
導体レーザと同等なビーム径であるため、レーザビーム
の重畳が容易である。

【００４１】図４（ｂ）は前述した図４（ａ）の１７０
に示した受光素子の構成であり、図１（ｂ）の場合と同
様に光終端素子も兼ねた素子である。構成は図３（ａ）
の円筒型半導体レーザを円柱型受光素子（７′，８′，
９，１０）に置き換えており、前段の光ビームを円柱形
の上面から、前々段の光ビームを１１のグレーティング
レンズで集光し、裏面の反射鏡兼電極５′に反射させて
円柱形の下方から受光する。この素子により図４（ａ）
に示すように２系統の光経路の光を両方受光することが
可能になる。

【００４２】このように本実施例によれば、電気による
信号結線を大幅に上回る高速かつ大容量の光結線装置が
安価に製造でき、情報処理装置等への導入が行い易く、
従って情報処理装置等の高速化，高性能化が可能とな
る。（実施例２）本実施例は、光結線装置に用いる面型光半
導体素子（光結線素子）に係わり、基板裏面に型成され
た裏面電極が特定の回折効果を有する形状である光透過
面型光半導体素子に関する。

【００４３】入射光に対して、増幅，偏向，分岐，スイ
ッチング等を行う光機能素子を集積化するためには、一
括形成できることや種々の機能を同様のプロセスにより
構成可能である半導体素子を用いることが有効であり、
さらに素子の分離が不要であることや素子の寸法が小さ
いこと等から、集積化するためには面型素子が適してい
る。くわえて、光機能素子を多段に接続することにより
大規模な光システムを構成するためには、機能素子の形
成された基板の表面から裏面に透過する透過型の光素子
が有効である。

【００４４】従来より多くの面型光機能素子が開発され
ているが通常、面型の素子の場合、活性層での相互作用
長が長くとれないため活性層の上下にミラーを設けて共
振器構造とし実効的な相互作用長を長く取っている。こ
の方法では、光と相互作用する電流キャリヤの密度を十
分高くすることにより光を増幅するため、活性層の面積
が１０μｍ程度となり、入射光を十分増幅するためには
入射光のビームを同等の面積にまで絞る必要がある。そ
のため、透過した光は回折によりビーム径が大きくなり
散逸してしまうという問題がある。

【００４５】そこで、光を集光するために基板表面にレ
ジストなどを積層してレンズを形成するか、或いは別の
基板にイオン拡散などにより形成した平坦微小レンズを
ハイブリッドに搭載する必要がある。ハイブリッドに別
基板に形成したレンズを搭載する場合には光機能素子と
光軸を調整する必要があるため、工程が複雑化してコス
トが上昇するという問題がある。また、半導体素子は熱
変動に対して特性が敏感であり通常高温側では特性が劣
化する傾向があるため素子の放熱が重要であるが、レジ
ストなどを積層してレンズを形成する場合、表面に形成
した電極を埋め込む状態で積層することになり、電極の
露出部が縮小される方向にあり放熱を疎外しやすくなる
という問題があった。

【００４６】第１の実施例で用いた素子のように、表面
電極又は裏面電極の開口部にエッチングによりグレーテ
ィングレンズを形成することが考えられる。この方法に
よれば、グレーティングによりエッチングされた部分と
されていない部分の光路差により位相差が生じ透過光が
集光される。しかし、基板裏面にエッチングを施した上
でさらに裏面電極を形成することは、工程が複雑になる
という問題が残る。本実施例は、このような問題をも解
決し、簡単な構成で、放熱を疎外しない高集積化が可能
であるという特徴を持つ光透過型面型光半導体素子を実
現するものである。

【００４７】図５（ａ）は本発明の第２の実施例に係わ
る光透過型面型光半導体素子の概略構成図であり、本実
施例においては面型の光増幅器を構成している。図中２
０１は半導体基板、２０２は活性層、２０３，２０４は
クラッド層、２０５，２０６はＤＢＲミラー、２０７は
キャップ層、２０８は半導体基板表面に形成された表面
電極、２０９は裏面電極、２１０は半導体基板２０１の
表面に積層されたレンズ状構造体であり、例えばレジス
トなどによりモノリシックに形成される。

【００４８】レンズ状構造体２１０への入射光２１１
は、レンズ状構造体２１０により集光されキャップ層２
０７を透過して、ＤＢＲミラー２０３及び２０５からな
る共振器に入射して、多重反射される間に活性層２０２
で電流キャリアと相互作用し、増幅され半導体基板２０
１に入射・透過する。この時光のビームは回折によりθ
＝λ／πｎω₀ … (2)の角度を持って広がる。
ここで、ｎは半導体基板２０１の屈折率、ω₀ はＤＢＲ
ミラー２０５と半導体基板２０１の境界面での光ビーム
径で、ほぼ活性層２０２と同程度の径である。さらに、
半導体基板２０１裏面上の裏面電極２０９で回折され
る。

【００４９】ここで裏面電極２０９は、半導体基板２０
１の面方向に少くとも活性層２０２で利得を持つ波長の
光が透過できる開口部を持ち、開口部での電極は、複数
の同心円環部とそれらを接続するブリッジ部からなる。
電極円環部の内径及び外径はそれぞれ内径：Ｒｍ＝ｍλｆ（ｍ＝１，３，５，７…） … (3) 外径：Ｒｍ＝ｍλｆ（ｍ＝２，４，６，８…） … (4) である。但し、λは入射光の波長、ｆは出射光の焦点距
離である。

【００５０】この円環部の電極形状はゾーンプレートを
構成し、上記焦点ｆを持つレンズとして機能する。ブリ
ッジ部が付加されたことによる光の乱れの影響は、ブリ
ッジ部の寸法を数μｍ程度にまで小さくしておけば実用
上問題にならない。

【００５１】一般に、透過型の面型光素子においては、
基板の両面にレンズ状構造体を形成する必要がある。本
実施例によれば、モノリシックに両面にレンズを形成す
ることが可能である。即ち、表面側は前述の通り、レジ
スト等を塗布し、適当な熱処理を加えることで表面張力
によりレンズ状にもり上がることを利用する方法があ
る。また、裏面側は、表面に素子及びレンズ等を形成す
る以前に裏面に金属を蒸着してパターニングすることに
よってグレーティング等を形成する必要もなく容易に形
成でき、この方法では、表面に素子を形成する際に裏面
の平坦性が保たれ表面素子の形成が容易になる。また、
本実施例によれば、裏面に大きい面積の電極を形成する
ことができ、本素子を別のヒートシンクにより熱抵抗の
低い状態でマウントすることが可能であるため、光半導
体素子の特性の劣化を防ぐことができる。

【００５２】なお、裏面電極の形状は、ゾーンプレート
とブリッジの組み合わせ以外にも波長程度のピッチを持
つ格子状の形状をとることもできる。この場合、回折格
子として機能し、透過光の一部を偏向させることがで
き、光機能素子を多段接続した場合に光路を曲げること
になり、設計の自由度が上がる。さらに、格子のピッチ
を波長程度以下の格子とすることにより、光の偏光子と
して機能させることも可能である。

【００５３】加えて、能動素子部分は、光増幅素子に限
定されず、例えば光透過型の光変調器等であってもよ
い。光変調器は、電極により注入される電流キャリアを
オンオフすることにより光増幅素子と光吸収素子とを切
り換え光をオンオフするが、この場合も簡易な工程で両
面にレンズ等が形成でき、かつ放熱性に優れた素子が実
現可能である。なお、光結線素子として用いるために発
光素子又は受光素子を形成する必要があるが、これは能
動素子部分又は別の領域に形成すればよい。

【００５４】このように本実施例によれば、工程が簡単
で放熱性に優れた面型光半導体素子が実現可能であるた
め、コストが低く高密度実装が可能で多段接続に適した
光透過型面型光半導体素子を実現できるという効果を持
つ。さらに、多段接続することにより、大規模な光機能
システムが高密度に構成できるという効果を持つ。つま
り、特定の回折効果を簡易な構成により実現し、かつ放
熱性に優れた光透過面型光半導体素子を実現可能で高集
積化された大規模な光機能システムを構成する際に適し
ているという特徴を有し、高集積回路や光送受信回路な
どの回路部品として有効である。（実施例３）本実施例は、光結線装置に用いる面型半導
体光増幅素子（光結線素子）に係わり、特に反射戻り光
の抑圧をはかったものである。

【００５５】光ファイバ通信や光コンピューティング技
術の発達に伴い、光デバイスの高効率化，低消費電力化
が求められるようになっている。また、光コンピューテ
ィングにおいては情報処理の並列性，多次元性の点で面
型光デバイスが重要であり、波長選択フィルタに関して
も、単に波長選択機能ばかりでなく増幅やスイッチ機能
などを併せ持ち、かつ集積性の面でも高効率な面型素子
の開発が求められている。

【００５６】図６（ａ）は従来技術による波長選択フィ
ルタの構成断面図である。半導体基板３７０の上に、中
央にλ／４シフト部３７４を有する回折格子３７３、光
導波路３７７、活性層３７５が作成され、電極３７１を
接地し、他方の電極３７６から電流Ｉが注入される構成
となっている。波長多重された入力光信号３８１が端面
３７２から入力され、レーザダイオードの発振しきい値
電流以下の値に電流Ｉを設定すると、光導波路３７７を
伝搬する多重光信号の中から回折格子の格子間隔と屈折
率とで決定されるブラグ波長と一致した波長の光信号の
みが選択され、もう一方の端面３７８から出力光信号３
８２として出力される。

【００５７】上記波長選択フィルタには、従来、大きく
分けて図６（ｂ）に示すように光の増幅を１回しか行わ
ない進行波型フィルタと、図６（ｃ）のように共振器端
面で多重反射させて多重増幅を行う多重反射型フィルタ
があった。いずれの場合も、入射側と出射側の両端面に
反射防止膜、又は反射増加膜のコーティングを設けてい
る。実際に波長選択フィルタに光を入力する場合、これ
ら反射膜による戻り光は入力光の損失につながるばかり
でなく、前段の光素子にとっても雑音等の深刻な問題と
なる。

【００５８】進行波型波長フィルタでは利得媒質中を光
が１往復しか通らないため、光路長が長くとれずに利得
が小さい。また、大きな利得を得るためにレーザ発振し
ない範囲で高密度のキャリア注入を行う必要があり、多
重反射型波長選択フィルタよりも電力効率の面で劣る。
さらに、戻り光を抑制するために、反射率が零になるよ
うな複雑な反射防止膜をコーティングする技術的な困難
が伴っていた。

【００５９】多重反射型波長選択フィルタでは、共振波
長の光は多重反射により光路長を長くとれるため、利得
媒質が薄くても大きな増幅率が得られる。このため、装
置の小型化，高効率化に優れているが、光入力面の反射
率が比較的高いため戻り光が大きく実用に供することは
できなかった。

【００６０】本実施例は、このような従来技術の問題点
の限界を打破し、光増幅作用を持つ多重反射型波におい
ても戻り光を防止し、高効率，低消費電力な面型波長フ
ィルタを実現している。具体的には、入射面が高反射
率、出射面が低反射率で、光学的な厚みが入力光波長の
半波長の整数倍の共振器長を持たせ、戻り光の抑制機構
を持たせている。

【００６１】図７（ａ）に示すように、波長λ、強度が
Ｉ₀ の入射光が、共振器長ｌ、平均的な屈折率ｎで、か
つ入・出射面の反射率がＲ１，Ｒ２である（Ｒ１＞Ｒ
２）共振器に入射角θで入射した場合、透過光の強度Ｉ
_T は

【００６２】

【数１】のように表される。ここでφ＝（２ｌｎ／λｃｏｓθ）
・２πであり、ｇは図７（ｂ）のように、１往路のみ光
が通過した場合の利得である。共振器の光学的厚みｌｎ
がλ／２の整数倍である時には常にｃｏｓφ＝１である
から、透過光強度Ｉ_T は最大となる。その時の反射光強
度Ｉ_R は

【００６３】

【数２】となる。即ち、光入力面に光反射コーティングが施され
ているにも拘らずキャリア注入等によりｇを変化させ、
ｇ² ＝（Ｒ₁ ／Ｒ₂ ）^1/2 の条件を満たすことにより、
透過光強度を最大としたまま、戻り光を０にすることが
可能となる。また、戻り光が０になった場合、図７
（ｃ）に示すような共振器の多重反射の利得Ｇは

【００６４】

【数３】となって、Ｒ₁ ＞Ｒ₂ の条件の下では常にＧ＞１、即ち
増幅作用を持つこととなる。

【００６５】図８（ａ）は第３の実施例に係わる面型半
導体光増幅素子の構成を示す側断面図である。図中３０
１はｎ−ＩｎＰ基板であり、この基板３０１上にはｎ型
のＩｎＰバッファ層３０２、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰエッ
チングストップ層３０３、ｎ型のＩｎＰクラッド層３０
４、ＩｎＧａＡｓ活性層３０５及びｐ−ＩｎＰクラッド
層３０６が積層堆積されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層
３０６の上部にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３０
７が形成されており、ｐ，ｎそれぞれの電極として３０
８，３０９が設けられている。また、基板３０１には光
の導入又は光出力のための窓３１２が設けられており、
光の導入、出力部には半透型の反射膜コーティング３１
０，３１１（反射率Ｒ₁ ＞Ｒ₂ ）がなされている。

【００６６】図８（ｂ）は図８（ａ）の波長可変フィル
タの透過特性を示す。本実施例の面型半導体光増幅素子
は、多重反射を利用しているため、鋭敏な波長選択特性
を持つ。また、面型であるため、共振器長を数μｍ程度
にすることも可能で、その場合共振波長同士の間隔が長
くとれるため、単一波長選択性も良好である。さらに前
述したように、電極３０８，３０９からキャリアを活性
層に注入し、１往路の利得ｇをｇ＝（Ｒ₁ ／Ｒ₂ ）^1/2
を満たすように変化すれば、波長選択された光に対する
戻り光は０になる。

【００６７】このような実施例でＲ₁ ＝０．９，Ｒ₂ ＝
０．３とした場合、共振波長ではｇ＝（Ｒ₁ ／Ｒ₂ ）
^1/2 ＝１．３１とすることにより、フィルタの利得Ｇは
１２と高い値を得ることが可能である。

【００６８】図９（ａ）は第３の実施例の別の例であ
り、共振器長の調整機構を有するものである。図中３２
１は半絶縁基板であり、この基板３２１上にｎ−ＩｎＰ
クラッド層３２２、１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓ活性
層３２３、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２４が積層堆積され
ている。ｐ−ＩｎＰクラッド層３２４の上部にはｐ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰコンタクト層３２５が形成されており、ｐ
側電極として３２６が設けられている。また、ｎ−Ｉｎ
Ｐクラッド層３２２の上にはｎ側電極として３２７が設
けられている。

【００６９】基板３２１の下側にも同様に、ｎ−ＩｎＰ
クラッド層３２８、１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓ活性
層３２９、ｐ−ＩｎＰクラッド層３３０が積層堆積され
ている。ｐ−ＩｎＰクラッド層３２４の下部にはｐ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰコンタクト層３３１が形成されており、ｐ
側電極として３３２が設けられている。また、ｎ−Ｉｎ
Ｐクラッド層３２８の下にはｎ側電極として３３３が設
けられている。また、光の導入、出力部には半透型の反
射膜コーティング３３４，３３５（反射率Ｒ₁＞Ｒ₂ ）
がなされている。

【００７０】本実施例の面型半導体光増幅素子は上記の
ように２つの活性層３２３，３２９を有し、かつそれぞ
れへのキャリア注入を独立に制御できる特徴を有する。
また、入射波長を１．３μｍ近傍とすると活性層３２３
は増幅作用を持つが、活性層３２９は増幅作用は持たな
い。このため、その注入比及び注入量を変化させると、
プラズマ効果によってフィルタの利得は活性層３２３に
よって、光路長は３２３，３２９両方の活性層によって
同時に制御できることとなる。

【００７１】即ち、入力光の波長に変動があった場合な
どでも２つの活性層へのキャリア注入状態を変化させれ
ば、戻り光の抑制効果及び高い共振器利得を持続させる
ことが可能になる。以上では光増幅率Ｇが最大となる場
合について論じてきたが、注入電流を変えて光学厚みｌ
・ｎがλ／２の半整数になる場合には、(3) 式から

【００７２】

【数４】が得られることから、スイッチ機能を持つフィルタとし
ても使用可能である。

【００７３】図９（ｂ）は、第３の実施例のさらに別の
例であり、共振器長の調整機構を有するものである。電
気光学効果を有する基板３５０上に活性層３５３が形成
されており、その厚さは入力光３５４の半波長の整数倍
となっている。３５３上表面は電極３５１，３５２が形
成され、片方は接地され、もう片方は電圧Ｖがかけられ
ている。また、基板３５０の底面には出力光３５５用の
窓がエッチング等で活性層に達するまであけられてい
る。また、活性層は励起光３５６により励起状態となっ
ている。

【００７４】この実施例において、入力波長に変動が生
じた場合、印加電圧Ｖをかえることにより電気光学効果
により、活性層の屈折率が変わるため、共振器長を変化
させることができる。この結果、波長変動後も、戻り光
の抑制効果及び高い共振器利得は持続する。なお、本実
施例素子を光結線素子として利用するには、上記した構
造に加え、基板上の一部の領域に発光素子又は受光素子
を一体に集積化すればよい。

【００７５】このように本実施例によれば、多重反射を
利用して、波長選択と光増幅作用を併せ持ち、かつ戻り
光の発生しない光学素子が実現できる。（実施例４）本実施例は、光結線装置に用いられる面型
半導体光増幅素子（光結線素子）に係わり、特に入力光
の波長変動に対する光増幅率の変動を抑圧するための機
構を備えたものである。

【００７６】光増幅素子における誘導増幅方法には、従
来、大きく分けて前記図６（ｂ）に示すように光の増幅
を１回しか行わない進行波増幅型と、図６（ｃ）のよう
に共振器端面で多重反射させて多重増幅を行う多重反射
増幅型があった。

【００７７】共振器長が一定の場合、多重干渉で振幅が
最大となる条件は、多重反射前後の光の位相差が０又は
波長の整数倍であることである。即ち、入射波長をλ、
媒質の平均屈折率をｎ_eff 、ｉを整数として、次のよう
に表せる。

【００７８】２Ｌ・ｎ_eff ＝ｉ・λi … (7) この時、共振波長λm は、図６（ｅ）のように飛び飛び
の値をとる。また、共振波長の増幅率Ａ₁ とその近傍の
共振波長でない波長の増幅率Ａ₀ との比は端面反射率を
Ｒ₁ ，Ｒ₂ とし媒質の正味の利得をｇ、活性層の厚さを
Ｌ′とすると、Ａ₁ ／Ａ₀ ＝１／｛１− exp（２L ′・ｇ）・Ｒ₁ Ｒ₂ ｝… (8) 倍となり、Ａ₀ ＜Ａ₁ である。

【００７９】進行波型光増幅素子では利得媒質中に光を
１往路しか通さないため、光路長が長くとれずに利得が
小さい。また、通常利得媒質となる半導体材料は高い屈
折率を有しているため入射面及び出射面反射率の反射率
が高く、共振波長とそれ以外の波長での利得差が大きく
なり易いため入力波長の変動に対して増幅率変動が大き
い。このため反射率を下げて、上記Ａ₁ ／Ａ₀ をｌに近
づけて使用しており、また、大きな利得を得るためレー
ザ発振しない範囲で高密度のキャリア注入を行うため多
重反射型光増幅素子よりも電力効率の面で劣る。

【００８０】多重反射型光増幅素子では、共振波長の光
は多重反射により光路長を長くとれるため、利得媒質が
薄くても大きな増幅率が得られる。このため、装置の小
型化，高効率化に優れているが、図６（ｆ）のように共
振波長以外での利得は急激に低下するために入力波長の
共振波長からの微少な変動に対しても増幅光出力は大き
く変動し、入力波長を厳しく制御する必要があった。こ
れらの理由により、従来の半導体光増幅素子はほとんど
のものが進行波増幅型素子であった。

【００８１】本実施例は、このような問題点を解決し、
多重反射型光増幅素子においても波長制御の厳しさの難
点を取り除き、高効率，低消費電力な面型半導体光増幅
素子を実現している。具体的には、実効的な共振器長を
面内で空間的に連続させた構造を光増幅層に持たせ、連
続な共振波長を有する光増幅素子としている。

【００８２】図１０は第４の実施例に係わる面型光増幅
素子の構成を示す側断面図である。図中４０１はｎ−Ｉ
ｎＰ基板であり、この基板４０１上にはｎ型のＩｎＰバ
ッファ層４０２、ｎ型のＩｎ−ＧａＡｓＰエッチングス
トップ層４０３、ｎ型のＩｎＰクラッド層４０４、上側
を斜めに加工したＩｎＧａＡｓ活性層４０５（活性層厚
１．３〜１．３５μｍ）、及びｐ−ＩｎＰクラッド層４
０６が積層堆積されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層４０
６の上部にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４０７が
形成されており、ｐ，ｎそれぞれの電極として４０８，
４０９が設けられている。また、基板１には光の導入又
は光出力のための窓４１２が設けられており、光の導
入、出力部には半透型の反射膜コーティング４１０，４
１１がなされている。

【００８３】この活性層に波長λの光が垂直に入射した
とする。共振器長が一定ならばその共振波長では無限回
の反射を起こす。面型でない増幅器の場合、共振器長Ｌ
に対して横幅Ｗが数μｍと小さいためＷの範囲で隣接共
振波長が空間的に混在し得る反射鏡の傾き角（反射角）
θは数ラディアンとなり、この場合放出角が大きく、多
重反射した後の光路差も大きくなるため、多重反射でき
なくなる。従って、実質的に共振波長以外での多重反射
は不可能である。

【００８４】しかしながら、本実施例のように面型光増
幅素子の場合、面内での共振器長の変化を０．２μｍ程
度にしても、共振器内部での反射角θは横幅Ｗが数百μ
ｍ以上と大きいために１０^-3ラディアン程度となり、共
振器長より短い波長の光ならば、ほぼ無限回の多重反射
が可能となる。即ち、共振モード間隔相当の共振器長変
化をΔＬとしたとき、共振器長がＬ〜Ｌ＋ΔＬの範囲で
変わるように設定することでこの範囲の波長の光は非共
振利得Ａ₀ でなく、共振利得Ａ₁ の利得を受けることに
なる。

【００８５】いま、Ｌ＝１．３０μｍ、ΔＬ＝０．２μ
ｍ、受光面の横幅Ｗ＝２００ｍｍとすると、図１１
（ａ）の反射角θは１０^-3ラディアンとなる。ｎ回多重
反射した後の光ｎとその位置に直接入射してくる光ｎと
の光路差はｎ² θ² ｎ_eff Ｌ以下であり、これはｎ＝１
００としても１０^-1波長程度のずれに留まる。また、多
重反射後の位置のずれΔｘ_n も殆ど０であるため、十分
に多重反射が可能といえる。このような機構により、Ｌ
＜λ＜Ｌ＋ΔＬなる波長入力があったとき、面内の何れ
か１つの場所で共振波長となりその場所では多重反射の
増幅率Ａ₁ を受け、その他の場所では１往路の利得Ａ₀
を受ける。このとき、光の波長λがλ′の様に変動して
も、Ｌ＜λ′＜Ｌ＋ΔＬであれば、やはり面内の何れか
１つの場所で共振波長となり、その場所では多重反射の
増幅率Ａ₁ を受け、その他の場所では、１往路の増幅率
Ａ₀ を受けることとなる。

【００８６】即ち、図１２（ａ）に示すように波長変動
前後で単に強い増幅率を受ける場所ｘが微小に変化する
だけであり、共振器長一定の構造に比べ、面全体として
の光出力の変動は殆ど無くなる。また、面全体で単なる
１往路のみの増幅Ａ₀ を行う光増幅素子に比べて、面内
の１点ではＡ₁ の増幅を持つため、その全体として見た
光出力は大きくなる。

【００８７】なお、Ｌ，ΔＬ及びＷを変えて設計するこ
とで、反射角θが変化し、θを１ラディアン程度にした
ときには、干渉可能な多重反射回数ｎが減り、多重反射
後の位置のずれΔｘ_n も大きくなる。その結果、図１２
（ｂ）に示すように共振器のＱ値（Ａ₁ ／Ａ₀ ）が下が
るため共振しない場所での増幅率が上がり、共振する発
光スポットが広がるので、面全体としての増幅率は大き
くなるように最適化することも可能である。また、共振
器長Ｌの共振器の共振波長をλm （ｍは整数）とし、共
振器長Ｌ＋ΔＬの共振器の共振波長をλM'（Ｍは整数）
とすると、これらの共振器ではλm ，λM'（ｍ，Ｍ＝
０，１，２，３）と等しい入力波長の時、大きな増幅を
受ける。さらに、あるｍ0 ，Ｍ0 に対してＬ＝λm0，Ｌ
＋ΔＬ＝λM0、が成り立っているが、ΔＬはＬに対して
小さい時はｍ0 ＝Ｍ0 である。ここで、図１２（ｃ）に
示すようにΔＬを０から大きくしていくとＬ＋ΔＬ＝λ
M0＝λm0+1となる。即ち共振波長は、ΔＬ＝０の状態に
戻ったこととなる。このように、共振波長λm0+1とλm0
との差｜λm0+1−λm0｜よりもΔＬを大きく設計すれ
ば、図１２（ｃ）のようにＬ〜Ｌ＋ΔＬ以外の広い範囲
の波長入力に対しても面全体としてなだらかな増幅率を
持たせることが可能である。

【００８８】上記実施例では活性層４０５、及びｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層４０６の両方の厚さを変化させて共振器
長の連続化を達成しているが、これはどちらか一方の層
のみ厚さを変化させてもよいことは述べるまでもない。
また、共振器長の面内分布の分布形状は上記実施例に限
定されるものではなく、例えば中心から同心円上に変化
させて収束又は発散型のレンズの効果を同時に持たせる
ものであっても構わない。

【００８９】次にキャリア注入などによって実効的な共
振器長を面内で変化させた場合の実施例を示す。図１３
（ａ）は第４の実施例の他の例を示す断面構造であり、
図中４５１はｎ−ＩｎＰ基板、この基板４５１上にはｎ
型のＩｎＰバッファ層４５２、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰエ
ッチングストップ層４５３、ｎ型のＩｎＰクラッド層４
５４、ＩｎＧａＡｓ活性層４５５、ｐ−ＩｎＰ層４６
３、ｎ−ＩｎＰ層４６４の電流ブロック層が堆積され、
エッチングによって４６４層の中央部をｐ−ＩｎＰ層４
６３に達するまで削除された後、ｐ−ＩｎＰクラッド層
４５６が積層堆積されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層４
５６の上部にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４５７
が形成されており、ｐ，ｎそれぞれの電極として４５
８，４５９が設けられている。また、基板４５１には光
の導入又は光出力のための窓４６２が設けられており、
光の導入、出力部には半透型の反射膜コーティング４６
０，４６１がなされている。

【００９０】本実施例の面型光増幅素子は電極からのキ
ャリアの注入によって、図１３（ｂ）に示すように活性
層に中央部分が山となる分布を持つ連続なキャリア密度
分布を持つこととなる。このとき、プラズマ効果によ
り、図１３（ｃ）のように面中央部での屈折率は周辺部
よりも連続的に大きくなり、実効的な共振器長もそれに
伴い大きくなる。

【００９１】即ち、共振波長の連続的な面内分布が発生
することとなり、入力波長が変動しても上記問題解決の
手段で詳説したように多重反射が可能となり、増幅率の
変化は小さい。また、図１３（ｄ）のように活性層４５
５にキャリア注入を行うことにより、中央部分が谷とな
るキャリア密度分布を持たせたとしても、同様の効果を
持つことは述べるまでもない。

【００９２】このように本実施例によれば、ある範囲の
全ての波長の入力光に対して、多重反射可能な共振器を
持つため、光増幅が高効率であり、波長変動に対しても
良好な特性を持つ。

【００９３】ある波長入力に対し面内の何れか１つの場
所で共振波長となりその場所では多重反射の増幅率Ａ₁
を受け、その他の場所では１往路の利得Ａ₀ を受ける。
そして、光の波長が変動しても変動後の波長もやはり面
内の何れか１つの場所で共振波長となり、その場所では
多重反射の増幅率Ａ₁ を受け、その他の場所では、１往
路の増幅率Ａ₀ を受けることとなる。即ち、本実施例の
半導体光増幅素子では波長変動前後の光の受ける増幅率
は共にＡ₁ となり、共振器長一定の構造に比べ面全体と
しての光出力の変動は殆ど無くなる特徴を有する。この
ため、本実施例の半導体光増幅素子は多重反射型の半導
体増幅素子であっても、入力波長の変動に対する光増幅
率の変動が小さく、高効率、集積性に優れた特性とな
る。（実施例５）本実施例は、光結線装置に用いる半導体レ
ーザ増幅器（光結線素子）に関するものである。

【００９４】半導体レーザ増幅器の研究開発は、端面発
光型の半導体レーザに基づいたファブリー・ペロー共振
器構造で始められた。次いで、共振器端面に無反射コー
ティングを施した進行波型半導体レーザ増幅器におい
て、信号利得，利得帯域幅，利得飽和，雑音などの諸特
性が改善されてきた。しかしながら、現在のところ実用
化されているのは、素子の長さが数１００μｍ程度の端
面発光型の半導体レーザ増幅器であり、基板に対して垂
直方向から光を入射する面型半導体レーザ増幅器は実現
されていない。これは、面型半導体レーザ増幅器の場
合、活性領域の長さが短く十分な利得が得られないこと
が最も大きな原因である。面型半導体レーザ増幅器にお
いて、進行波型モードで動作させるためには、数１０μ
ｍ以上の厚さの活性層を積層することが必要となるが、
これはエピタキシャル成長技術的に見ても難しく、さら
に光導波構造を作製することも難しいのが現状である。

【００９５】本実施例は、面入力型の半導体光増幅器に
おいて、活性層の厚さが薄くても十分な利得が得られ、
進行波モードで動作可能なものを実現している。本実施
例の特徴は、例えば光を基板に対して斜め方向から入射
し、反射鏡により複数回にわたり活性層を通過させて、
十分な利得を得ることにある。

【００９６】図１４（ａ）及び（ｂ）にその原理図を示
す。（ａ）の場合には、光は活性層を挟んで構成される
ハーフミラーで複数回にわたり反射を繰り返しながら増
幅を受けて基板の広い領域から出力される。また（ｂ）
の場合には、光が入射する領域と出射する領域に低反射
領域を形成することにより、光は特定の領域からのみ出
射されることになる。勿論（ａ）と（ｂ）を適当に組み
合わせた構成も可能である。

【００９７】このような構成により、単一通過利得の小
さい面入力型の半導体レーザ増幅器の場合においても、
光は複数回にわたり活性領域を通過するため、進行波モ
ードでの動作が可能になる。

【００９８】図１５は、本発明の第５の実施例に係わる
面入力型半導体レーザ増幅器の概略構成を示す断面図で
ある。なお、ここではＩｎＰを基板材料としたＩｎＧａ
ＡｓＰ系の半導体レーザ増幅器を例に取って説明する
が、他の材料系でも同様に実施可能なものである。

【００９９】図中５０１は半絶縁性ＩｎＰ基板であり、
この基板５０１の上には、発光波長が１．３μｍのノン
ドープＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２、ノンドープＩｎＰ
ウインドウ層５０３、ｐ型ＩｎＰ層５０４、ｎ型ＩｎＰ
層５０５が積層形成されている。また、電流注入のため
のｐ電極５０６及びｎ電極５０７が、それぞれｐ型Ｉｎ
Ｐ層５０４及びｎ型ＩｎＰ層５０５の上に形成されてい
る。また、基板の表側には、光を反射して外に光を漏ら
さないための高反射膜としてＳｉＯ₂ ／Ｓｉの多層膜５
０８が設けてある。さらに、基板のこの多層膜の一部に
は、第１層目のＳｉＯ₂ 膜のみを残して、低反射領域５
０９が形成されている。

【０１００】次に、上記構成の半導体レーザ増幅器の製
造工程を、図１６を参照して説明する。まず、図１６
（ａ）に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板５０１の上
に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で、発光波長
が１．３μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２
（厚さ５μｍ）、ノンドープＩｎＰウインドウ層５０３
（厚さ０．１μｍ）を結晶成長する。次いで、図１６
（ｂ）に示すように、＜０１１＞方向に深さ４μｍのメ
サを形成する。このとき、ＳｉＯ₂ 膜５１０を選択エッ
チングマスクとして用いた。

【０１０１】次いで、図１６（ｃ）に示すように、有機
金属気相成長法で、ｎ型ＩｎＰ層５０５（ｎ＝５×１０
¹⁷ｃｍ^-3、厚さ４μｍ）を形成し、さらに、亜鉛の選択
拡散を行いｐ型ＩｎＰ層５０４（ｐ＝１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、厚さ４μｍ）を形成する。次いで、図１６（ｄ）
に示すように、基板の表側にＳｉＯ₂ ／Ｓｉ高反射多層
膜５０８を形成する。

【０１０２】次いで、図１６（ｅ）に示すように、Ｓｉ
Ｏ₂ ／Ｓｉ高反射多層膜５０８の一部に穴を開け、電流
注入のためのｐ電極５０６及びｎ電極５０７をリフトオ
フプロセスで形成する。次いで、図１６（ｆ）に示すよ
うに、光入射部のみＳｉＯ₂／Ｓｉ高反射多層膜のう
ち、第１層目のＳｉＯ₂ 膜のみを残してその他の層を除
去する。次いで、図１６（ｇ）に示すように、基板の裏
側の光出射部に、エッチングで穴を開けることにより、
図１５に示すような構造が得られる。ここでは、ＳｉＯ
₂ ／Ｓｉ高反射多層膜で説明したが、他の材料系を用い
てもよいのは言うまでもない。

【０１０３】このようにして作成した半導体レーザ増幅
器では、低反射領域５０９に斜め入射された光は、活性
層の上下で繰り返し反射を受けながら、基板の裏側から
出射する。したがって、実効的な光路長が長くなり大き
な利得を得ることができ、進行波型モードでの動作が可
能になる。

【０１０４】次に、基板に垂直な光ビームに適用できる
実施例を図１７を参照しながら説明する。図１７（ａ）
は、活性層を含む半導体レーザ増幅器を構成する半導体
基板の上下にシリコン基板を直接接着技術を用いて張り
付け、そのシリコン基板に異方性エッチングでＶ字のプ
リズムを形成した構造になっている。このとき、シリコ
ンの屈折率は２より大きいので、頂角は必ずしも９０°
でなくてもよいが、Ｖ字が基板となす角は左右対称とな
るように選ぶ必要がある。また、上下のプリズムの位置
を２分の１周期だけずらしているが、この上下のプリズ
ムの位置関係はリソグラフィ技術により精度良く決める
ことができる。

【０１０５】このような構造の半導体レーザ増幅器で
は、基板に対して垂直に入射した光は複数回にわたって
活性層を通過するため、十分な利得が得られ、進行波型
モードでの動作が可能になる。このような構成の半導体
レーザ増幅器は、一次元の垂直に伝搬するビームアレイ
を増幅する場合に有効である。

【０１０６】なおここでは、直接接着したシリコン基板
にエッチングでプリズムを形成する場合を例にとって説
明したが、化合物半導体基板を用いても同様の構成が可
能である。また、石英などでできた通常のプリズムを張
り付けることによっても実現可能である。また、図１７
（ｂ）は、図１７（ａ）の場合より大きなプリズムを基
板の上下に一組配置した構造になっている。上下のプリ
ズムの位置をずらしておくことにより、図のように基板
に対して垂直に入射した光は上下のプリズムの間を繰り
返し往復することになり、図１７（ａ）の場合と同様に
大きな利得を得ることができる。

【０１０７】このように本実施例によれば、増幅器内に
入射した光が、異なる経路を通って複数回活性層を通過
することにより、十分な利得が得られ、進行波型モード
で動作可能な面入力型の半導体レーザ増幅器を実現する
ことができる。（実施例６）本実施例は、高反射率ないし低反射率に反
射率を制御した光学膜に係わり、特に高反射率の膜と低
反射率の膜を同時に必要とする光学素子、例えば光結線
素子に用いる光学膜に係わる。

【０１０８】レーザ等の光学機器においては反射率の制
御を行うために各種の光学膜が用いられている。反射率
の高い光学膜と低い光学膜両者を利用する機器において
２種類の光学膜は別個に形成されるのが一般的であっ
た。この場合、それぞれ別個のプロセスで形成するので
プロセスが複雑になるという問題があった。また、表面
光出射型の半導体素子のように異なる反射率の領域の位
置を正確に決定したい場合には、位置合わせが難しく正
確に形成できないという問題や膜形成プロセスが複数回
に渡るという問題があった。

【０１０９】本実施例は、場所毎に反射率の異なる光学
膜について反射率の分布の位置合わせが正確にでき、し
かも簡単なプロセスでそれ故膜の反射率の設定が正確に
行えるような光学膜を実現することにある。

【０１１０】本実施例の光学膜は、(1) 多層膜の層数が
部分的に他の部分と異なっている、(2) 膜の厚さ或いは
材質が部分的に他の部分と異なっている、のいずれかの
状態となっている。(1) の膜を形成するためには、光学
膜全体に多層膜を形成した後に膜の一部分を選択的除去
するか、又は膜を全体に均一に形成した後に一部分を選
択的に追加形成して層数を増やせばよい。

【０１１１】(2) の膜を形成するためには、膜を形成す
る面に凸凹を形成することにより膜の原料の飛来方向と
の傾斜角が場所によって異なるようにしたり、原料の成
膜反応速度の異なる面を局所的に露出させたりすればよ
い。このことによって、凸凹部分で膜の形成速度や膜の
材質が凸凹のない場合とは異なるようになる。また、凸
凹の周辺においても凸凹部分での成膜速度や材質変化の
影響を受けて、成膜速度や材質が凸凹部分から遠く離れ
た場所とは異なるようになる。(2) の膜を形成するため
には、成膜する下地部分の一部に他の部分と表面での成
膜速度が異なる材質の部分を設けてもよい。このように
すると、この部分での成膜が選択的に阻害されたりこの
部分で膜質が異なるようになったりする。またこの影響
を受けて、異質な下地材料の周辺においても成膜速度や
膜の材質が遠くはなれた場所とは異なるようになる。

【０１１２】本実施例によれば、光学膜の反射率の異な
る領域の位置関係が一度の位置合わせで決定できる。こ
のため、位置関係の精度を高めることができる。また、
プロセスが簡単になり正確に形成できるようになる。特
に、(1) の光学膜においては成膜は全て平坦面上に行う
ことになるので、膜の制御性が上がり反射率の設定精度
を上げることができる。(1) の光学膜においては特定の
波長λの光に対して略（屈折率）×（膜厚）＝λ／４の
関係を満たすように屈折率の異なる２種類の膜を積層し
ていけば、多層に積層した領域においては層数に応じた
高い反射率を得ることができる。

【０１１３】また、低反射率の領域に対しては、基板材
料と光入力（又は光出力）媒質の屈折率の関を平方した
値に近い屈折率の単層膜をほぼ（屈折率）×（膜厚）＝
λ／４の関係を満たすような厚さで設ければ、反射率を
下げることができる。

【０１１４】このとき、光学膜の第１層を低反射条件の
膜とし、第２層以降を屈折率の異なるλ／４膜の多層膜
として全体を高反射膜として、その後低反射領域のみ第
２層以降の多層膜を除去すれば部分的に低反射領域が形
成できる。この方法は、低反射領域と高反射領域の位置
合わせが確実に行え、しかも膜形成プロセスを１度で行
うことができるという特徴を持っている。もちろん、低
反射条件の膜も高反射多層膜の一方の屈折率を持つ膜と
して用いることができ、第１層の低反射膜と高反射多層
膜の一方の膜も同じ材料としてもよいことは述べるまで
もないことである。

【０１１５】(2) の光学膜については局所的に膜厚や屈
折率が異なるのでその部分での反射率を他の部分と変え
ることができる。また、２種類以上の材質の層からなる
多層膜を形成する場合に、その内の１種類の材質の層だ
けが、凸凹上，異質材質上或いはそれらの周辺で膜形成
速度が大きく異なるとすれば、例えば膜形成速度が遅い
場合には、凸凹上，異質材質上或いはそれらの周辺で反
射率の点ではその材質の層が無いのと同じ効果を持つよ
うになり、遠くの平坦部で反射率が上がるような条件で
光学膜を形成すれば、凸凹上，異質材質上或いはそれら
の周辺は低反射率領域とすることができる。また、凸凹
上，異質材質上或いはそれらの周辺で１種類の材質の層
だけが膜形成速度が速ければ、凸凹上，異質材質上或い
はそれらの周辺で反射率が上がるような条件でその層の
形成を行えばその領域が遠くの平坦部に対して高反射率
領域とすることができる。

【０１１６】図１８（ａ）（ｂ）は、第６の実施例に係
わる面型半導体レーザ素子及びその光学膜を示す図であ
る。図中６０１はｐ側の高光反射層、６０２は光反射領
域、６０３は低反射領域、６０４はｐ型クラッド兼電流
注入層６０４、６０５は反射率の高いｎ型クラッド層６
０６は活性層である。

【０１１７】ｐ側の高光反射層６０１は、図１８（ｂ）
に示すように、ＳｉＯ₂ とＳｉの層を発振波長の１．５
５μｍに対して各層の屈折率と厚さの積が発振波長の１
／４に相当するように積層した。低反射領域６０３にお
いてはＳｉＯ₂ とＳｉの層が３．５組積層されており、
この領域での反射率は約９８％であった。直径２μｍの
高反射領域６０２についてはＳｉＯ₂ とＳｉの層が６組
積層されており、この部分での反射率は９９％以上とな
った。レーザ発振はほぼこの領域のみで発生した。高光
反射層６０１を形成する際には、一旦全面にした蒸着に
よりＳｉＯ₂ とＳｉの層を６組積層し、高反射領域６０
２上に円形にレジストのパターニングを行い低反射領域
６０３のＳｉＯ₂ とＳｉの層を２．５組エッチングによ
り除去した。

【０１１８】本実施例の光学膜においては、低反射領域
６０３を形成する際には平坦面上での１度のパターニン
グを行うだけでよいので、通常の反射率の異なる領域毎
に膜を形成する場合に比べて、極めて正確に位置大きさ
を決定することができる。このため、高反射領域６０２
から出射されるレーザビームの位置大きさも正確に決定
することができた。高反射領域の形状を楕円形にしたと
ころ出射されるレーザビームの形状も所望の楕円形とす
ることができ、この場合も平坦面でのパターニングの正
確さのおかげで、正確にレーザビーム形状を決めること
ができた。

【０１１９】図１９は、第６の実施例の別の例で、係わ
る発光ダイオードと光学膜の概略説明図である。本実施
例の発光ダイオードと光学膜においては、ＧａＡｓ発光
層６１１、ＡｌＧａＡｓクラッド層６１６、厚さ０．０
３μｍのコンタクトＧａＡｓ層６１５が形成され、Ｇａ
Ａｓ層６１５上に光出射面被膜６１２が形成されてい
る。光出射面被膜６１２上には高反射領域６１３と低反
射率光出射口６１４が形成されている。光出射面被膜６
１２の高反射領域６１３は７層のＳｉＯ₂ 層と６層のＳ
ｉより形成されている。ＧａＡｓ層６１５側の６組のＳ
ｉＯ₂ 層、Ｓｉ層は屈折率と膜厚の積が発光波長８４０
ｎｍの１／４をほぼ満たすようにした。また、ＧａＡｓ
層６１５と反対側のＳｉＯ₂ 層は厚さ１０ｎｍ程度とし
た。この結果、高反射領域での反射率は９９％以上あ
り、しかも表面に薄いＳｉＯ₂ 層が形成されているの
で、Ｓｉ層の酸化による光学的特性の変化も起きず安定
な光学特性が得られた。

【０１２０】低反射率光出射口６１４は、光出射面被膜
６１２全体に７層のＳｉＯ₂ 層と６層のＳｉ層を形成し
た後、一辺５０μｍの正方形の領域について、ＧａＡｓ
層６１５上に形成されたＳｉＯ₂ 層を一層だけ残し、後
の層を除去することによって形成した。この場合、Ｓｉ
Ｏ₂ の屈折率がＡｌＧａＡｓクラッド層６１６や厚さ
０．０３μｍのコンタクトＧａＡｓ層６１５よりも小さ
いのでこの領域での率は小さくなり、数％以下まで下げ
ることができた。

【０１２１】本実施例の光学膜においては光出射面被膜
６１２が平坦面上に形成されているので、膜の厚さを正
確に制御でき高反射領域６１３、低反射領域６１４共に
反射率が正確に制御できた。また、膜作製のプロセスも
容易であった。このようにプロセスが容易にかつ正確に
行えるために高反射領域６１３での９９％以上という高
い反射率も低反射率光出射口６１４での数％以下という
低い反射率も容易に得ることができ、従来の反射率の異
なる光学膜を独立に形成する場合と比べ、低反射率光出
射口６１４と高反射領域６１３とが近接しているにも係
わらず、反射率差を大きくすることができた。このた
め、殆ど光が漏れること無く正確に低反射率光出射口６
１４からのみ光を取り出すことができた。

【０１２２】図２０（ａ）は第６の実施例のさらに別の
例で、光アンプと光学膜の概略説明図である。反射率の
低い入射光導入面６２５、光増倍領域６２４、出射光導
波部６２１が図のように形成されている。

【０１２３】図２０（ｂ）は出射光導波部６２１の拡大
説明図である。下地のＩｎＰに凸部６２０を形成し、頂
部に平坦部６２０ａを形成し、側面は垂線に対して約６
０度の角度で斜面６２０ｂを形成した。この上に、ＭＯ
ＣＶＤ法によりＩｎＰ層６２２とＧａＩｎＡｓＰ層６２
３を交互に積層した。ここで、頂部６２０ａにおいて斜
面６２０ｂ上よりも成膜速度が数倍速かった。斜面６２
０ｂ上に各層での屈折率と厚さの積が１．５μｍ帯の入
射光の波長の１／４を満たすように、ＩｎＰ層６２２と
ＧａＩｎＡｓ６２３を３５層積層した。このため、側面
６２０ｄにおいては約０．９５という大きな反射率が得
られた。このとき頂部６２０ａにおいては各層での屈折
率と厚さの積が１．５μｍ帯の入射光の波長の１／４の
奇数倍を満していないので反射率は約０．６と余り大き
な値は得られなかった。

【０１２４】このように出射光導波部６２１の先端部６
２０ｃと側面６２０ｄにおいて反射率が大きく異なった
ので、光増倍領域６２４に於いて増倍された光は先端部
６２０ｃのみから取り出された。しかも、全体が突起状
の形状をしているので集光効果があり、平面に穴をあけ
た場合よりも強い光を取り出すことができた。

【０１２５】本実施例の光学膜は、反射率の異なる膜を
一度のプロセスで形成可能であるので、膜の反射率分布
や形状が複雑であるにも係わらず、膜を容易にかつ再現
性良く形成することができた。

【０１２６】図２１は本発明の第６の実施例のさらに別
の例で、発光ダイオードレーザの概略説明図である。Ｓ
ｉＯ₂ の選択マスク６３１を円筒状に形成した後、Ａｌ
ＧａＡｓ層６３２とＧａＡｓ層６３３よりなる多層膜６
３５を形成した。ＧａＡｓは選択マスク６３１上に析出
しないために、選択マスク６３１の内側では外側に比べ
ＧａＡｓの成膜速度が速くなる。一方、ＡｌＧａＡｓは
選択マスク６３１上に析出し奪われるために、選択マス
ク６３１の内側では外側に比べ成膜速度が遅くなる。し
かも、ＡｌＡｓの成分は殆ど選択マスク６３１上で析出
物６３６となってしまい、ＧａＡｓの成分は選択マスク
６３１上から選択マスク内側５０１に移動して成膜され
るので、選択マスク６３１の内側には殆どＧａＡｓだけ
の膜６３４が成膜できた。

【０１２７】選択マスク６３１の外側でＧａＡｓ層６３
３，ＡｌＧａＡｓ層６３２の厚さと屈折率の積が波長の
１／４に等しくなるように成膜したところ、選択マスク
６３１の内側では殆どＧａＡｓの性質を示す厚い膜６３
４が成膜できた。このため、マスクの外側では反射率の
高い多層膜６３５が成膜でき、マスクの内側ではＧａＡ
ｓの単層に近い反射率を示した。

【０１２８】ＧａＡｓ層６３３及びＡｌＧａＡｓ層６３
２を成膜した後、装置内で空気に触れさせることなく薄
いＡｕ電極６３７を表面に蒸着した。選択マスク６３１
の外径を３μｍとし内径を１μｍとしたところ選択マス
ク６３１の外側での反射率は約０．９となり、選択マス
ク６３１の内側での反射率は約０．３となった。このた
め、活性層６３８から発光された光は他に漏れることな
く選択マスク６３１の内側の所定の位置のみから取り出
すことができた。

【０１２９】本実施例の光学膜は、選択成長で反射率に
分布を持たせ膜形成と同時に被覆を行ったので、通常の
エッチングを行う方法と異なり膜が酸化することがなく
性質がきわめて安定であった。

【０１３０】なお、実施例では、膜の材質がＳｉＯ₂ と
Ｓｉの組み合わせＧａＩｎＡｓＰとＩｎＰの組み合わせ
ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの組み合わせ等であるが、膜の
材料としてはＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａ
Ｐ等の化合物半導体、Ａｌ₂Ｏ₃ ，酸化ハフニウム，酸
化チタン，ＢａＦ₂ ，ＢａＳｅ等の絶縁体、本発明の趣
旨を逸脱しない範囲でどのような材料を用いてもよい。
また、本実施例の光学膜は上記半導体ダイオード，レー
ザ，増幅器に限られるものではなく、一般的な光学膜と
して、光透過率，反射率等の光学常数を制御するための
任意の光学膜に用いることができる。

【０１３１】このように本実施例によれば、部分的に反
射率等の光学常数の異なる光学膜を容易かつ正確に形成
することができる。さらに、酸化等の経時変化に対して
も安定であり、長期的に信頼性の高い光学膜を提供する
ことができる。また、微細な光学常数の変化に容易に対
応可能であるので、半導体光集積化デバイス等に必要な
微細な光学常数の制御が可能であり、これらのデバイス
の高性能化を実現することも可能となる。

【０１３２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、光
半導体素子と平板レンズを集積して光結線素子を構成
し、その複数個を等間隔に配置することにより、電気に
よる信号結線を大幅に上回る高速且つ大容量の光結線装
置が安価に製造でき、情報処理装置等への導入が行い易
く、従って情報処理装置等の高速及び高性能化が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる光結線装置及び同装置に
使用した光結線素子の構成を示す図。

【図２】図１のグレーティングレンズ部分を拡大して示
す図。

【図３】送信側を複数にする場合の光結線素子と同素子
に用いた円筒形の面型半導体レーザの構成を示す図。

【図４】送信光結線素子を用いた光結線装置及び同装置
に用いた受光素子の構成を示す図。

【図５】第２の実施例に係わる光結線素子の構成及びそ
の電極パターンを示す図。

【図６】従来の波長選択フィルタの構成及びその問題点
を説明するための図。

【図７】第３の実施例の原理を説明するための図。

【図８】第３の実施例に係わる光結線素子の構成及びフ
ィルタ透過特性を示す図。

【図９】第３の実施例の別の例で、共振器長の調整機構
を有するものを示す図。

【図１０】第４の実施例に係わる光結線素子の構成を示
す図。

【図１１】第４の実施例の原理を説明するための図。

【図１２】第４の実施例の原理を説明するための図。

【図１３】第４の実施例の他の例を示す断面構造であり

【図１４】第５の実施例の原理を示す図。

【図１５】第５の実施例に係わる面入力型半導体レーザ
増幅器の概略構成を示す図。

【図１６】第５の実施例素子の製造工程を示す断面図。

【図１７】第５の実施例の変形例を示す図。

【図１８】第６の実施例に係わる面型半導体レーザ素子
及びその光学膜を示す図。

【図１９】第６の実施例に係わる発光ダイオードと光学
膜の概略説明図。

【図２０】第６の実施例に係わる光アンプと光学膜の概
略説明図。

【図２１】第６の実施例に係わる発光ダイオードレーザ
の概略説明図。

【図２２】従来の光結線素子及びこれを用いた光結線装
置の概略構成を示す図。

【図２３】従来の光結線装置の構成と単一ビームのビー
ム幅の変化特性を示す図。

【符号の説明】

１…ｎ型ＩｎＰ基板２…ＧａＩｎＡｓ光
増幅層３…ｐ型ＩｎＰ層４…ｐ側電極（Ａｕ
Ｚｎ）５…ｎ側電極（ＡｕＧｅ）６，１０…低反射コ
ート（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）７…ＧａＩｎＡｓ受光層８…ｐ型ＩｎＰ層９…Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ電極１１…グレーティングレンズ（平板レンズ）１２…２次グレーティング１３…入射光１４…回折光１５…増幅光１６…半導体レーザ１７…ｐ側電極（Ａ
ｕＺｎ）１８…ｎ型分布反射鏡１９…半導体レーザ
活性層２０…ｐ型分布反射鏡２１…ｐ型コンタク
ト層１００…面型半導体レーザ１０１，１５１，１
６１…信号入力端子１０２…レーザ活性領域１１０…拡大レンズ１２０…受光型の光結線素子１２１…信号出力端
子１３０…集光レンズ１４０，１７０…受
光素子１４１…信号出力端子１４２…受光領域１５０…面型半導体レーザ１６０…送信光結線
素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 31/10 (72)発明者上西克二神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者小林多聞神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者高岡圭児神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光又は受光に供される光半導体素子と表
面に凹凸を有する平板レンズが集積形成された複数の光
結線素子を実質的に等間隔となるよう配置すると共に、
前記光結線素子に集積された平板レンズの光学特性が前
記光結線素子の配置間隔分の光伝搬特性を補償するよう
に構成されてなることを特徴とする光結線装置。
【請求項２】前記光半導体素子は裏面電極が特定の回折
効果を有するパターンに形成され、この電極パターンか
ら前記平板レンズを構成してなることを特徴とする請求
項１記載の光結線装置。
【請求項３】前記光半導体素子は、光入射面から入射し
た光を波長選択及び増幅して低反射率光出力面から出射
するものであり、光入射面と光出射面との間に、光学的
な厚みが選択すべき波長の半波長の整数倍の光共振器を
有することを特徴とする請求項１記載の光結線装置。
【請求項４】前記光半導体素子は、光入射面から入射し
た光を増幅して光出射面から出射するものであり、光入
射面と光出射面との間に、実効的な共振器長が面内で連
続的に変化する光共振器を有することを特徴とする請求
項１記載の光結線装置。
【請求項５】前記光半導体素子は、活性層に対して平行
な面から光を入射する面入力型半導体レーザ増幅器であ
り、入力光が異なる経路で複数回にわたり活性層を通過
するものであることを特徴とする請求項１記載の光結線
装置。