JPH1117281A - 光集積素子及びプレーナ型光集積回路 - Google Patents
光集積素子及びプレーナ型光集積回路Info
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- JPH1117281A JPH1117281A JP16706297A JP16706297A JPH1117281A JP H1117281 A JPH1117281 A JP H1117281A JP 16706297 A JP16706297 A JP 16706297A JP 16706297 A JP16706297 A JP 16706297A JP H1117281 A JPH1117281 A JP H1117281A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 素子特性の良好な光集積素子を提供し、併せ
てアライメント回数が少なくて済むプレーナ型光集積回
路を提供する。 【解決手段】 光集積素子30は、半導体基板32上
に、半導体レーザ34、半導体レーザから放射されたレ
ーザ光をモニタする光検出器36、及び波長λのレーザ
光を受光する導波路型受光素子38が一体的に集積され
ている。相互に異なる屈折率n1 及びn2 をそれぞれ有
する2種類の誘電体からなる誘電体積層構造の反射膜
が、半導体レーザの出射側へき開端面及び受光素子の受
光側へき開端面に形成されている。反射膜は、λ/2n
1 の膜厚を有する屈折率n1 の誘電体で構成された中心
層と、その両側に対称に設けられたλ/4n2 の膜厚を
有する屈折率n2 の第1の誘電体膜と、λ/4n1 の膜
厚を有する屈折率n1 の第2の誘電体膜との対の層を有
する誘電体積層構造として構成されている。プレーナ型
光集積回路は、光集積素子をプレーナ型光波回路に実装
したものである。
てアライメント回数が少なくて済むプレーナ型光集積回
路を提供する。 【解決手段】 光集積素子30は、半導体基板32上
に、半導体レーザ34、半導体レーザから放射されたレ
ーザ光をモニタする光検出器36、及び波長λのレーザ
光を受光する導波路型受光素子38が一体的に集積され
ている。相互に異なる屈折率n1 及びn2 をそれぞれ有
する2種類の誘電体からなる誘電体積層構造の反射膜
が、半導体レーザの出射側へき開端面及び受光素子の受
光側へき開端面に形成されている。反射膜は、λ/2n
1 の膜厚を有する屈折率n1 の誘電体で構成された中心
層と、その両側に対称に設けられたλ/4n2 の膜厚を
有する屈折率n2 の第1の誘電体膜と、λ/4n1 の膜
厚を有する屈折率n1 の第2の誘電体膜との対の層を有
する誘電体積層構造として構成されている。プレーナ型
光集積回路は、光集積素子をプレーナ型光波回路に実装
したものである。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光集積素子及びプ
レーナ型光集積回路に関し、更に詳細には、半導体基板
上に、半導体レーザ、レーザ光モニタ用光検出器、及び
導波路型受光素子が一体的に集積され、各光素子の性能
が優れた光集積素子及び光結合効率の高いプレーナ型光
集積回路に関するものである。
レーナ型光集積回路に関し、更に詳細には、半導体基板
上に、半導体レーザ、レーザ光モニタ用光検出器、及び
導波路型受光素子が一体的に集積され、各光素子の性能
が優れた光集積素子及び光結合効率の高いプレーナ型光
集積回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】マルチメディア社会を実現するために、
光通信を基本にした通信ネットワークが構築されつつあ
り、端末デバイス及び端末デバイスを接続する光ファイ
バ網の両面から、通信ネットワークの大容量化、高機能
化及び低コスト化が要求されている。デバイス側からそ
の要求に応えるために、光集積回路(Photonic Integra
tedCircuit ,PIC)、及び光集積素子の開発が進ん
でいる。ここで、光集積素子とは、半導体基板上に、半
導体レーザ、光検出器、受信用受光素子を一体的に集積
してなる送受信光モジュールを言う。
光通信を基本にした通信ネットワークが構築されつつあ
り、端末デバイス及び端末デバイスを接続する光ファイ
バ網の両面から、通信ネットワークの大容量化、高機能
化及び低コスト化が要求されている。デバイス側からそ
の要求に応えるために、光集積回路(Photonic Integra
tedCircuit ,PIC)、及び光集積素子の開発が進ん
でいる。ここで、光集積素子とは、半導体基板上に、半
導体レーザ、光検出器、受信用受光素子を一体的に集積
してなる送受信光モジュールを言う。
【0003】ここで、従来の光集積回路の例として石英
系プレーナ光波回路(Planar Lightwave Circuit:PL
C)上に光素子を形成した例を挙げ、従来の光集積回路
の構成を説明する。従来の光集積回路10は、図11に
示すように、一方の端部から光を導入し、途中で二股に
別れて他端に2個の端部を有するガラス導波路14をS
i基板上に有するレーナ型光波回路12を備えている。
導波路14の他端の端部の一つには1.3μm のレーザ
光を放射する半導体レーザ16及びレーザモニタ用光検
出器18を備え、二つ目には1.55μm のレーザ光を
受光する導波路型受光素子19を備えている。光集積回
路10を製作する際には、先ず、Si基板上に所定のパ
ターンに従ってガラス導波路14を設け、次いで、反応
性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)
によりガラス導波路14の一部をエッチングして形成し
たSiテラス状の半導体素子搭載部を有するプレーナ型
光波回路12を作製する。次いで、ガラスの除去された
半導体素子搭載部に、各々別個に作製された半導体レー
ザ16、レーザモニタ用光検出器18及び導波路型受光
素子19を、それぞれ、アライメントにより位置決めし
て、搭載、固定して、光集積回路10を製作している。
系プレーナ光波回路(Planar Lightwave Circuit:PL
C)上に光素子を形成した例を挙げ、従来の光集積回路
の構成を説明する。従来の光集積回路10は、図11に
示すように、一方の端部から光を導入し、途中で二股に
別れて他端に2個の端部を有するガラス導波路14をS
i基板上に有するレーナ型光波回路12を備えている。
導波路14の他端の端部の一つには1.3μm のレーザ
光を放射する半導体レーザ16及びレーザモニタ用光検
出器18を備え、二つ目には1.55μm のレーザ光を
受光する導波路型受光素子19を備えている。光集積回
路10を製作する際には、先ず、Si基板上に所定のパ
ターンに従ってガラス導波路14を設け、次いで、反応
性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)
によりガラス導波路14の一部をエッチングして形成し
たSiテラス状の半導体素子搭載部を有するプレーナ型
光波回路12を作製する。次いで、ガラスの除去された
半導体素子搭載部に、各々別個に作製された半導体レー
ザ16、レーザモニタ用光検出器18及び導波路型受光
素子19を、それぞれ、アライメントにより位置決めし
て、搭載、固定して、光集積回路10を製作している。
【0004】ところで、半導体レーザ等の各光半導体素
子をPLCに実装する際に生じる光半導体素子と導波路
との位置ずれは、光半導体素子と導波路との間の光結合
損失の増大を招き、通信ネットワークの大容量化、高機
能化及び低コスト化の要求に反する。従って、各光半導
体素子をPLCに実装する際には、所定位置に正確にア
ライメントして固定することが重要である。
子をPLCに実装する際に生じる光半導体素子と導波路
との位置ずれは、光半導体素子と導波路との間の光結合
損失の増大を招き、通信ネットワークの大容量化、高機
能化及び低コスト化の要求に反する。従って、各光半導
体素子をPLCに実装する際には、所定位置に正確にア
ライメントして固定することが重要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光集積
回路には、次の問題があった。第1の問題は、各々別個
に作製した各光半導体素子をそれぞれ個別にPLC上に
実装しているために、実装する際に、各光半導体素子を
正確に所定位置にアライメントして固定するのが、技術
的にも極めて難しく、位置ずれが生じ易かったというこ
とである。第2の問題は、従来の光集積回路の作製方法
では、個々の光半導体素子を個別に位置決めし、実装し
ているので、各光半導体素子の位置決め作業には、精密
な位置決め装置に加えて多くの時間と熟練した労力を要
し、しかも位置ずれの発生頻度が高く、光集積回路の製
作工程の簡便化、低コスト化を妨げる要因となっていた
ことである。そこで、本発明の目的は、素子特性の良好
な光集積素子を提供し、併せてアライメント回数が少な
くて済むプレーナ型光集積回路を提供することである。
回路には、次の問題があった。第1の問題は、各々別個
に作製した各光半導体素子をそれぞれ個別にPLC上に
実装しているために、実装する際に、各光半導体素子を
正確に所定位置にアライメントして固定するのが、技術
的にも極めて難しく、位置ずれが生じ易かったというこ
とである。第2の問題は、従来の光集積回路の作製方法
では、個々の光半導体素子を個別に位置決めし、実装し
ているので、各光半導体素子の位置決め作業には、精密
な位置決め装置に加えて多くの時間と熟練した労力を要
し、しかも位置ずれの発生頻度が高く、光集積回路の製
作工程の簡便化、低コスト化を妨げる要因となっていた
ことである。そこで、本発明の目的は、素子特性の良好
な光集積素子を提供し、併せてアライメント回数が少な
くて済むプレーナ型光集積回路を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光集積素子は、半導体基板上に、半導
体レーザ、半導体レーザから放射されたレーザ光をモニ
タする光検出器、及び波長λのレーザ光を受光する導波
路型受光素子が一体的に集積されてなる光集積素子にお
いて、相互に異なる屈折率n1 及びn2 をそれぞれ有す
る2種類の誘電体からなる誘電体積層構造の反射膜が、
半導体レーザの出射側へき開端面及び導波路型受光素子
の受光側へき開端面に形成されており、反射膜が、λ/
2n1 の膜厚を有する屈折率n1 の誘電体で構成された
中心層と、その両側に対称に設けられたλ/4n2 の膜
厚を有する屈折率n2 の第1の誘電体膜と、λ/4n1
の膜厚を有する屈折率n1 の第2の誘電体膜との対の層
を有する誘電体積層構造として構成されていることを特
徴としている。また、好適には、半導体レーザと光検出
器の間に、半導体と低屈折率層からなる反射鏡を設け
る。誘電体には、例えば屈折率1.45のSiO2 、屈
折率1.9のSi3 N4 等を使用する。
に、本発明に係る光集積素子は、半導体基板上に、半導
体レーザ、半導体レーザから放射されたレーザ光をモニ
タする光検出器、及び波長λのレーザ光を受光する導波
路型受光素子が一体的に集積されてなる光集積素子にお
いて、相互に異なる屈折率n1 及びn2 をそれぞれ有す
る2種類の誘電体からなる誘電体積層構造の反射膜が、
半導体レーザの出射側へき開端面及び導波路型受光素子
の受光側へき開端面に形成されており、反射膜が、λ/
2n1 の膜厚を有する屈折率n1 の誘電体で構成された
中心層と、その両側に対称に設けられたλ/4n2 の膜
厚を有する屈折率n2 の第1の誘電体膜と、λ/4n1
の膜厚を有する屈折率n1 の第2の誘電体膜との対の層
を有する誘電体積層構造として構成されていることを特
徴としている。また、好適には、半導体レーザと光検出
器の間に、半導体と低屈折率層からなる反射鏡を設け
る。誘電体には、例えば屈折率1.45のSiO2 、屈
折率1.9のSi3 N4 等を使用する。
【0007】また、本発明に係るプレーナ型光集積回路
は、少なくとも2本の導波路を有するプレーナ型光波回
路と、請求項1に記載の光集積素子とを備え、光集積素
子の半導体レーザの出射側へき開端面及び導波路型受光
素子の受光側へき開端面をそれぞれプレーナ型光波回路
の2本の導波路の端面に接続するように位置決めして、
プレーナ型光波回路に光集積素子を実装してなることを
特徴としている。光集積素子をプレーナ型光波回路に位
置決めし、実装することにより、素子を実装する回数を
大幅に減少させ、光結合損失を減少させることができ
る。
は、少なくとも2本の導波路を有するプレーナ型光波回
路と、請求項1に記載の光集積素子とを備え、光集積素
子の半導体レーザの出射側へき開端面及び導波路型受光
素子の受光側へき開端面をそれぞれプレーナ型光波回路
の2本の導波路の端面に接続するように位置決めして、
プレーナ型光波回路に光集積素子を実装してなることを
特徴としている。光集積素子をプレーナ型光波回路に位
置決めし、実装することにより、素子を実装する回数を
大幅に減少させ、光結合損失を減少させることができ
る。
【0008】
【発明の実施の形態】以下に、実施例を挙げ、添付図面
を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説
明する。まず、図1を参照しつつ、本発明の光集積素子
の入射レーザ光の波長λをλ=1.55μmとし、反射
膜をSiO2 とSi3 N4 の2種類の誘電体を使用する
場合を例にして、本発明の実施の形態を説明する。Si
O2 の屈折率n1 はn1=1.45、Si3 N4 の屈折
率n2 はn2 =1.9である。反射膜20は、図1に示
すように、半導体側から膜厚λ/4n1 のSiO2 膜2
2と膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜24からなるN個の
対を積層した層25と、膜厚λ/2n1 のSiO2 膜2
6と、膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜24と膜厚λ/4
n1 のSiO2 膜22からなるN個の対を積層した層2
7と、膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜28の積層構造と
して構成されている。図2に反射率のペア数依存性を示
す。図2によれば、N=1とすれば、上に述べた反射膜
20は、波長1.55μmの光に対してはほぼ無反射膜
となり、波長1.3μmの光に対しては約70%の反射
率を有する膜となる。更に、好適には、半導体レーザの
特性を向上させるため、半導体レーザのモニタ用光検出
器側へき開端面とモニタ用光検出器の間に、半導体と低
屈折率層、例えば半導体と空気とから成る反射鏡を設け
る。
を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説
明する。まず、図1を参照しつつ、本発明の光集積素子
の入射レーザ光の波長λをλ=1.55μmとし、反射
膜をSiO2 とSi3 N4 の2種類の誘電体を使用する
場合を例にして、本発明の実施の形態を説明する。Si
O2 の屈折率n1 はn1=1.45、Si3 N4 の屈折
率n2 はn2 =1.9である。反射膜20は、図1に示
すように、半導体側から膜厚λ/4n1 のSiO2 膜2
2と膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜24からなるN個の
対を積層した層25と、膜厚λ/2n1 のSiO2 膜2
6と、膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜24と膜厚λ/4
n1 のSiO2 膜22からなるN個の対を積層した層2
7と、膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜28の積層構造と
して構成されている。図2に反射率のペア数依存性を示
す。図2によれば、N=1とすれば、上に述べた反射膜
20は、波長1.55μmの光に対してはほぼ無反射膜
となり、波長1.3μmの光に対しては約70%の反射
率を有する膜となる。更に、好適には、半導体レーザの
特性を向上させるため、半導体レーザのモニタ用光検出
器側へき開端面とモニタ用光検出器の間に、半導体と低
屈折率層、例えば半導体と空気とから成る反射鏡を設け
る。
【0009】本発明に係る光集積素子によれば、半導体
レーザの出射側へき開端面及び導波路型受光素子の受光
側へき開端面に形成された誘電体反射膜は、波長1.5
5μmの光に対しては無反射膜となり、導波路型受光素
子への信号光の結合効率を大きくする。また波長1.3
μmの光に対しては70%の反射率を有することから、
送信用半導体レーザに対して高反射膜となり、レーザの
しきい値特性が向上する。本発明に係る光集積回路によ
れば、半導体基板上に各光半導体素子を集積してなる光
集積素子をプレーナ光波回路に実装することにより、従
来の方法に比べて高精度のアライメントを行う回数が著
しく少なくなり、製作工程の簡便化、低コスト化が実現
される。以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、
本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、
実施例に挙げた半導体層の種類、膜厚等は本発明を説明
するための例示であって、これに限定されるものではな
い。
レーザの出射側へき開端面及び導波路型受光素子の受光
側へき開端面に形成された誘電体反射膜は、波長1.5
5μmの光に対しては無反射膜となり、導波路型受光素
子への信号光の結合効率を大きくする。また波長1.3
μmの光に対しては70%の反射率を有することから、
送信用半導体レーザに対して高反射膜となり、レーザの
しきい値特性が向上する。本発明に係る光集積回路によ
れば、半導体基板上に各光半導体素子を集積してなる光
集積素子をプレーナ光波回路に実装することにより、従
来の方法に比べて高精度のアライメントを行う回数が著
しく少なくなり、製作工程の簡便化、低コスト化が実現
される。以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、
本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、
実施例に挙げた半導体層の種類、膜厚等は本発明を説明
するための例示であって、これに限定されるものではな
い。
【0010】
【実施例】光集積素子の実施例 本実施例は、本発明に係る光集積素子の一つの例であっ
て、図3は本実施例の光集積素子の外観を示す斜視図で
ある。本実施例の光集積素子30は、InP基板32上
に集積してそれぞれ形成された、半導体レーザ34と、
導波路層を介して半導体レーザ34に接続されたモニタ
用光検出器36及び受信用導波路型受光素子38を備
え、半導体レーザ34の出射側へき開端面及び受光素子
38の受光側へき開端面には反射膜52を有する。ま
た、光集積素子30は、InP基板32上全面に各光素
子の一つの半導体層を構成するn−InPクラッド層3
3を延在させている。
て、図3は本実施例の光集積素子の外観を示す斜視図で
ある。本実施例の光集積素子30は、InP基板32上
に集積してそれぞれ形成された、半導体レーザ34と、
導波路層を介して半導体レーザ34に接続されたモニタ
用光検出器36及び受信用導波路型受光素子38を備
え、半導体レーザ34の出射側へき開端面及び受光素子
38の受光側へき開端面には反射膜52を有する。ま
た、光集積素子30は、InP基板32上全面に各光素
子の一つの半導体層を構成するn−InPクラッド層3
3を延在させている。
【0011】次に、光集積素子30の製作方法を説明す
る。光集積素子30の製作では、先ず、図4に示すよう
に、MOCVD法によりInP基板32上に受信用受光
素子38の各半導体層を成長させる。即ち、MOCVD
法によりInP基板32上全面に、順次、膜厚2.0μ
mのn−InPクラッド層33、膜厚3μmのInGa
As光吸収層38a、膜厚2μmのp−InPクラッド
層38b、及び膜厚0.3μmのp−GaInAsキャ
ップ層38cを成長させる。次いで、受光素子38の静
電容量を低減するために、n−InPクラッド層33上
の受光素子部分をメサ構造を形成する。メサ構造の形成
では、図4に示すように、メサ構造を形成する所定領域
以外の領域のp−GaInAsキャップ層38c、p−
InPクラッド層38b及びInGaAs吸収層38a
をn−InPクラッド層33までエッチングして除去す
る。
る。光集積素子30の製作では、先ず、図4に示すよう
に、MOCVD法によりInP基板32上に受信用受光
素子38の各半導体層を成長させる。即ち、MOCVD
法によりInP基板32上全面に、順次、膜厚2.0μ
mのn−InPクラッド層33、膜厚3μmのInGa
As光吸収層38a、膜厚2μmのp−InPクラッド
層38b、及び膜厚0.3μmのp−GaInAsキャ
ップ層38cを成長させる。次いで、受光素子38の静
電容量を低減するために、n−InPクラッド層33上
の受光素子部分をメサ構造を形成する。メサ構造の形成
では、図4に示すように、メサ構造を形成する所定領域
以外の領域のp−GaInAsキャップ層38c、p−
InPクラッド層38b及びInGaAs吸収層38a
をn−InPクラッド層33までエッチングして除去す
る。
【0012】次に、基板全面にSi3 N4 層を成膜し、
受光素子38のメサ構造部を覆うようにパターニングし
てSi3 N4 マスク40を形成する。マスク40のパタ
ーンは、図5に示すように、2個のパターン42及び4
4とから構成されている。一方のパターン42(図5で
は下部)は、同じ寸法の2個の長方形42a、42bの
対からなり、長方形パターン42aと42bの間の領域
42cに半導体レーザ34を形成する。領域42cの間
隔D1 は15μm、長方形パターン42a、42bのマ
スク幅W1 は30μmである。他方のパターン44(図
4では上部)は、同じ寸法の2個の長方形44a、44
bの対からなり、長方形パターン44aと44bの間の
領域44cに光検出器36を形成する。領域44cの間
隔D2 は15μm、長方形パターン44a、44bのマ
スク幅W 2 は50μmである。
受光素子38のメサ構造部を覆うようにパターニングし
てSi3 N4 マスク40を形成する。マスク40のパタ
ーンは、図5に示すように、2個のパターン42及び4
4とから構成されている。一方のパターン42(図5で
は下部)は、同じ寸法の2個の長方形42a、42bの
対からなり、長方形パターン42aと42bの間の領域
42cに半導体レーザ34を形成する。領域42cの間
隔D1 は15μm、長方形パターン42a、42bのマ
スク幅W1 は30μmである。他方のパターン44(図
4では上部)は、同じ寸法の2個の長方形44a、44
bの対からなり、長方形パターン44aと44bの間の
領域44cに光検出器36を形成する。領域44cの間
隔D2 は15μm、長方形パターン44a、44bのマ
スク幅W 2 は50μmである。
【0013】マスク40を使って、MOCVD法によ
り、レーザ形成領域42c及び光検出器形成領域44c
には、膜厚0.3μmのInGaAsP層34a、36
a、次いで膜厚2μmのp−InPクラッド層34b、
36bを成長する。図6に示すように、InGaAsP
層は、レーザ形成領域42cでは(歪)量子井戸、光閉
じ込め層を含むレーザ活性層34aとして機能し、光検
出器形成領域44cでは光吸収層36aとして機能す
る。半導体レーザ34のレーザ活性層34a及び光検出
器36の光吸収層36aを同時に成膜することにより、
レーザ活性層34aと吸収層36aの高さを自動的に所
定高さに合わせることができる。半導体レーザ34側は
1μmの活性層幅で、光検出器36側は10μmの吸収
層幅で、通常の方法で、p−InP、n−InP、p−
InP及びP−GaInAs(キャップ層)により活性
層及び吸収層を埋め込む。半導体レーザ34と光検出器
36との間の領域46(図3参照)は、バンドギャップ
がレーザ活性層34aより大きく、光を吸収しない半導
体導波路層として機能する領域である。
り、レーザ形成領域42c及び光検出器形成領域44c
には、膜厚0.3μmのInGaAsP層34a、36
a、次いで膜厚2μmのp−InPクラッド層34b、
36bを成長する。図6に示すように、InGaAsP
層は、レーザ形成領域42cでは(歪)量子井戸、光閉
じ込め層を含むレーザ活性層34aとして機能し、光検
出器形成領域44cでは光吸収層36aとして機能す
る。半導体レーザ34のレーザ活性層34a及び光検出
器36の光吸収層36aを同時に成膜することにより、
レーザ活性層34aと吸収層36aの高さを自動的に所
定高さに合わせることができる。半導体レーザ34側は
1μmの活性層幅で、光検出器36側は10μmの吸収
層幅で、通常の方法で、p−InP、n−InP、p−
InP及びP−GaInAs(キャップ層)により活性
層及び吸収層を埋め込む。半導体レーザ34と光検出器
36との間の領域46(図3参照)は、バンドギャップ
がレーザ活性層34aより大きく、光を吸収しない半導
体導波路層として機能する領域である。
【0014】次いで、塩素による反応性イオンビームエ
ッチングにより、図6に示すように、半導体レーザ34
の接合面に垂直な溝48を半導体レーザ34と光検出器
36の間の半導体導波路層46に形成し、半導体と空気
の屈折率の差を利用してレーザ共振器を形成する。
ッチングにより、図6に示すように、半導体レーザ34
の接合面に垂直な溝48を半導体レーザ34と光検出器
36の間の半導体導波路層46に形成し、半導体と空気
の屈折率の差を利用してレーザ共振器を形成する。
【0015】本実施例では、パターン40のマスク幅W
1 とW2 の相違に依存した半導体層の成長レートの違い
から、半導体レーザ34の活性層34aのバンドギャッ
プエネルギーが、光検出器36の吸収層36aのバンド
ギャップエネルギーより大きくなるので、活性層から出
射されたレーザ光のエネルギーは、光検出器36のバン
ドギャップエネルギーより大きく、従って光検出器36
により十分に吸収される。一方、半導体レーザ34と光
検出器36の間の領域に形成された半導体導波路層4
6、半導体レーザ34のレーザ活性層及び光検出器36
の吸収層の各バンドギャップエネルギーは、この順序に
従って小さくなるので、光検出器36側のレーザ出射光
のエネルギーは、半導体導波路層46のバンドギャップ
エネルギーより小さく、よって半導体導波路層46で吸
収されることがない。また、半導体導波路層46の膜厚
は0.1μm、半導体レーザ34のレーザ活性層の膜厚
が0.3μm、光検出器34の吸収層の膜厚が0.5μ
mであって、この順序で厚くなっているので、導波路領
域でレーザ光のスポットサイズがレーザ光の進行方向に
沿って広がり、遠視野像を小さくでき、高効率で光検出
器34に結合され、十分な光電流が得られる。
1 とW2 の相違に依存した半導体層の成長レートの違い
から、半導体レーザ34の活性層34aのバンドギャッ
プエネルギーが、光検出器36の吸収層36aのバンド
ギャップエネルギーより大きくなるので、活性層から出
射されたレーザ光のエネルギーは、光検出器36のバン
ドギャップエネルギーより大きく、従って光検出器36
により十分に吸収される。一方、半導体レーザ34と光
検出器36の間の領域に形成された半導体導波路層4
6、半導体レーザ34のレーザ活性層及び光検出器36
の吸収層の各バンドギャップエネルギーは、この順序に
従って小さくなるので、光検出器36側のレーザ出射光
のエネルギーは、半導体導波路層46のバンドギャップ
エネルギーより小さく、よって半導体導波路層46で吸
収されることがない。また、半導体導波路層46の膜厚
は0.1μm、半導体レーザ34のレーザ活性層の膜厚
が0.3μm、光検出器34の吸収層の膜厚が0.5μ
mであって、この順序で厚くなっているので、導波路領
域でレーザ光のスポットサイズがレーザ光の進行方向に
沿って広がり、遠視野像を小さくでき、高効率で光検出
器34に結合され、十分な光電流が得られる。
【0016】これは、半導体レーザ34の前端面から出
る出射光についても同様であり、いわゆるモードフィー
ルド変換機能を有するレーザ構造となるので、半導体レ
ーザ34の出射光は、レンズを設けることなく高結合効
率でPLC導波路に出射される。
る出射光についても同様であり、いわゆるモードフィー
ルド変換機能を有するレーザ構造となるので、半導体レ
ーザ34の出射光は、レンズを設けることなく高結合効
率でPLC導波路に出射される。
【0017】また、図7に示すように、半導体レーザ3
4と光検出器36の間の半導体導波路層部分46に空気
と半導体から成る高反射率反射鏡50を導入して共振器
長さを短くし、半導体レーザ34のしきい値電流を低減
しても良い。光検出器36側の反射鏡は、光電流を十分
に取るために、適度の反射率が望ましい場合もあり、そ
の場合、反射鏡のペア数で調整する。例えば空気/半導
体1対、各々の厚さが3λ/4nである反射鏡を用いる
と89%の反射率を実現する。
4と光検出器36の間の半導体導波路層部分46に空気
と半導体から成る高反射率反射鏡50を導入して共振器
長さを短くし、半導体レーザ34のしきい値電流を低減
しても良い。光検出器36側の反射鏡は、光電流を十分
に取るために、適度の反射率が望ましい場合もあり、そ
の場合、反射鏡のペア数で調整する。例えば空気/半導
体1対、各々の厚さが3λ/4nである反射鏡を用いる
と89%の反射率を実現する。
【0018】更に、半導体レーザ34と受信用受光素子
38のそれぞれの前へき開端面には、誘電体膜の積層構
造からなる反射膜52をコーティングする。誘電体膜の
積層構造の例を図8に示す。本実施例では、光集積素子
30の入射レーザ光の波長λをλ=1.55μmとし、
反射膜にはSiO2 とSi3 N4 の2種類の誘電体を使
用する。SiO2 の屈折率n1 はn1 =1.45、Si
3 N 4 の屈折率n2 はn2 =1.9である。反射膜52
は、図8に示すように、半導体側から膜厚λ/4n1 の
SiO2 膜Aと膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜Bからな
る1対を積層した層52aと、膜厚λ/2n1 のSiO
2 膜Cと、膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜Bと膜厚λ/
4n 1 のSiO2 膜Aからなる1対を積層した層52b
と、膜厚λ/4n2 のSi3N4 膜Bの積層構造を形成
するように成膜されている。図2に示す反射率のペア数
依存性によれば、対数NがN=1のとき、波長1.55
μmの信号光に対して無反射膜(R=0.024%、
R:反射率)となり、受信用受光素子38への入射効率
が向上する。一方、波長1.3μmの光に対しては71
%の高反射膜を有するので、しきい値電流が低下する、
即ち半導体レーザのしきい値特性が向上する。
38のそれぞれの前へき開端面には、誘電体膜の積層構
造からなる反射膜52をコーティングする。誘電体膜の
積層構造の例を図8に示す。本実施例では、光集積素子
30の入射レーザ光の波長λをλ=1.55μmとし、
反射膜にはSiO2 とSi3 N4 の2種類の誘電体を使
用する。SiO2 の屈折率n1 はn1 =1.45、Si
3 N 4 の屈折率n2 はn2 =1.9である。反射膜52
は、図8に示すように、半導体側から膜厚λ/4n1 の
SiO2 膜Aと膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜Bからな
る1対を積層した層52aと、膜厚λ/2n1 のSiO
2 膜Cと、膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜Bと膜厚λ/
4n 1 のSiO2 膜Aからなる1対を積層した層52b
と、膜厚λ/4n2 のSi3N4 膜Bの積層構造を形成
するように成膜されている。図2に示す反射率のペア数
依存性によれば、対数NがN=1のとき、波長1.55
μmの信号光に対して無反射膜(R=0.024%、
R:反射率)となり、受信用受光素子38への入射効率
が向上する。一方、波長1.3μmの光に対しては71
%の高反射膜を有するので、しきい値電流が低下する、
即ち半導体レーザのしきい値特性が向上する。
【0019】プレーナ型光集積回路の実施例 本実施例は、本発明に係るプレーナ型光集積回路の実施
例であって、図9は本実施例のプレーナ型光集積回路の
作製を説明する模式図である。本実施例のプレーナ型光
集積回路54は、図10に示すように、SiO2 層中に
GeO2 を添加した2本の導波路56A、Bを有するプ
レーナ型光波回路58と、上述した光集積素子30とか
ら構成されている。プレーナ型光集積回路54を製作す
るには、本実施例の光集積素子30の半導体レーザ34
の出射側へき開端面及び導波路型受光素子38の受光側
へき開端面をそれぞれプレーナ型光波回路58の2本の
導波路56A、Bの端面に接続するように位置決めし、
プレーナ型光波回路54に光集積素子30を実装する。
本実施例のプレーナ型光集積回路54では、プレーナ型
光波回路58に位置決めし、実装する回数が従来のもの
に比べて少ないので、各光半導体素子の位置ずれの発生
頻度が少なくなり、光結合損失の小さいプレーナ型光集
積回路を実現している。
例であって、図9は本実施例のプレーナ型光集積回路の
作製を説明する模式図である。本実施例のプレーナ型光
集積回路54は、図10に示すように、SiO2 層中に
GeO2 を添加した2本の導波路56A、Bを有するプ
レーナ型光波回路58と、上述した光集積素子30とか
ら構成されている。プレーナ型光集積回路54を製作す
るには、本実施例の光集積素子30の半導体レーザ34
の出射側へき開端面及び導波路型受光素子38の受光側
へき開端面をそれぞれプレーナ型光波回路58の2本の
導波路56A、Bの端面に接続するように位置決めし、
プレーナ型光波回路54に光集積素子30を実装する。
本実施例のプレーナ型光集積回路54では、プレーナ型
光波回路58に位置決めし、実装する回数が従来のもの
に比べて少ないので、各光半導体素子の位置ずれの発生
頻度が少なくなり、光結合損失の小さいプレーナ型光集
積回路を実現している。
【0020】本実施例のプレーナ型光集積回路54は、
レーザ出射側は高反射膜、及び光検出器側は空気/半導
体反射鏡をそれぞれ有し、共振器長200μmの半導体
レーザ34として構成されているので、しきい値電流は
1.5mAであった。また、光検出器36での感度は
0.8A/Wが実現され、半導体レーザ34の出射側出
力が5mWの時、モニタ電流0.38mAを得た。受信
用受光素子38の感度は0.9A/W、暗電流は100
pA、容量は1pFであり、高周波特性は、2GHzま
で良好に動作した。
レーザ出射側は高反射膜、及び光検出器側は空気/半導
体反射鏡をそれぞれ有し、共振器長200μmの半導体
レーザ34として構成されているので、しきい値電流は
1.5mAであった。また、光検出器36での感度は
0.8A/Wが実現され、半導体レーザ34の出射側出
力が5mWの時、モニタ電流0.38mAを得た。受信
用受光素子38の感度は0.9A/W、暗電流は100
pA、容量は1pFであり、高周波特性は、2GHzま
で良好に動作した。
【0021】光集積素子の実施例の改変例 前述した光集積素子の実施例では、n−InP基板32
を基板とし、またn−InPクラッド層33を各素子共
通のクラッド層とし、共通のn側電極(図示せず)を基
板の裏側に備えているが、改変例として、図10に示す
ように、基板をi−InP基板62とし、それぞれ独立
に半導体レーザ64、光検出器66及び受信用受光素子
68を設け、かつ各素子のキャップ層上にそれぞれのp
側電極を、各素子のn−InPクラッド層にそれぞれの
n側電極を設けた構造の光集積素子60でも良い。
を基板とし、またn−InPクラッド層33を各素子共
通のクラッド層とし、共通のn側電極(図示せず)を基
板の裏側に備えているが、改変例として、図10に示す
ように、基板をi−InP基板62とし、それぞれ独立
に半導体レーザ64、光検出器66及び受信用受光素子
68を設け、かつ各素子のキャップ層上にそれぞれのp
側電極を、各素子のn−InPクラッド層にそれぞれの
n側電極を設けた構造の光集積素子60でも良い。
【0022】また、レーザは埋め込み型を例にして本発
明を説明しているが、これに限らず、リッジ導波路型レ
ーザであってもよい。また、本発明においてはn型基板
を用いたが、レーザと受光素子の電極分離が十分でない
場合、半絶縁性基板を用い、図10に示すように、各素
子のnクラッドから電極を引き出すのも良い。
明を説明しているが、これに限らず、リッジ導波路型レ
ーザであってもよい。また、本発明においてはn型基板
を用いたが、レーザと受光素子の電極分離が十分でない
場合、半絶縁性基板を用い、図10に示すように、各素
子のnクラッドから電極を引き出すのも良い。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、積層誘電体膜からなる
特定の反射膜を半導体レーザの出射側へき開端面及び受
光素子の受光側へき開端面に設けることにより、半導体
レーザのしきい値電流の値を低下させ、受光素子の受光
効率を向上させている。また、本発明によれば、製作し
た光集積素子をプレーナ光波回路に実装することによ
り、アライメント回数を減らして位置ずれの発生頻度を
減少させると共にコストの削減の可能なプレーナ型光集
積回路を実現している。
特定の反射膜を半導体レーザの出射側へき開端面及び受
光素子の受光側へき開端面に設けることにより、半導体
レーザのしきい値電流の値を低下させ、受光素子の受光
効率を向上させている。また、本発明によれば、製作し
た光集積素子をプレーナ光波回路に実装することによ
り、アライメント回数を減らして位置ずれの発生頻度を
減少させると共にコストの削減の可能なプレーナ型光集
積回路を実現している。
【図1】本発明に係る光集積素子に設けられる反射膜の
誘電体積層構造を示す模式断面図である。
誘電体積層構造を示す模式断面図である。
【図2】反射膜の誘電体積層構造をパラメータにして、
レーザ光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
レーザ光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【図3】本実施例の光集積素子の外観を示す模式的斜視
図である。
図である。
【図4】受光素子の層構造を示す模式的断面図である。
【図5】マスクのパターンを示す模式的平面図である。
【図6】半導体レーザ及び光検出器の層構造を示す模式
的断面図である。
的断面図である。
【図7】反射鏡の層構造を示す模式的断面図である。
【図8】光集積素子の実施例に設けた反射膜のの誘電体
積層構造を示す模式断面図である。
積層構造を示す模式断面図である。
【図9】プレーナ型光集積回路の作製を説明する模式図
である。
である。
【図10】光集積素子の改変例の構成を示す模式的斜視
図である。
図である。
【図11】従来の光集積回路の構成を示す模式図であ
る。
る。
10 従来の光集積回路 12 Si基板 14 導波路 16 半導体レーザ 18 光検出器 19 受信用受光素子 20 反射膜 22 膜厚λ/4n1 のSiO2 膜 24 膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜 25 N個の対を積層した層 26 膜厚λ/2n1 のSiO2 膜 27 N個の対を積層した別の層 28 膜厚λ/4n2 のSi3 N4 膜 30 本発明に係る光集積素子の実施例 32 InP基板 33 n−InPクラッド層 34 半導体レーザ 36 モニタ用光検出器 38 受信用導波路型受光素子 40 Si3 N4 マスク 42、44 パターン 46 半導体レーザと光検出器との間の領域、半導体導
波路 48 溝 50 高反射率反射鏡 52 反射膜 54 プレーナ型光集積回路の実施例 56A、B 導波路 58 プレーナ型光波回路 60 光集積素子の改変例 62 i−InP基板 64 半導体レーザ 66 光検出器 68 受信用受光素子
波路 48 溝 50 高反射率反射鏡 52 反射膜 54 プレーナ型光集積回路の実施例 56A、B 導波路 58 プレーナ型光波回路 60 光集積素子の改変例 62 i−InP基板 64 半導体レーザ 66 光検出器 68 受信用受光素子
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体基板上に、半導体レーザ、半導体
レーザから放射されたレーザ光をモニタする光検出器、
及び波長λのレーザ光を受光する導波路型受光素子が一
体的に集積されてなる光集積素子において、 相互に異なる屈折率n1 及びn2 をそれぞれ有する2種
類の誘電体からなる誘電体積層構造の反射膜が、半導体
レーザの出射側へき開端面及び導波路型受光素子の受光
側へき開端面に形成されており、 反射膜が、λ/2n1 の膜厚を有する屈折率n1 の誘電
体で構成された中心層と、その両側に対称に設けられた
λ/4n2 の膜厚を有する屈折率n2 の第1の誘電体膜
と、λ/4n1 の膜厚を有する屈折率n1 の第2の誘電
体膜との対の層を有する誘電体積層構造として構成され
ていることを特徴とする光集積素子。 - 【請求項2】 請求項1に記載の光集積素子と、少なく
とも2本の導波路を有するプレーナ型光波回路とを備
え、 光集積素子の半導体レーザの出射側へき開端面及び導波
路型受光素子の受光側へき開端面をそれぞれプレーナ型
光波回路の2本の導波路の端面に接続するように位置決
めして、プレーナ型光波回路に光集積素子を実装してな
ることを特徴とするプレーナ型光集積回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16706297A JPH1117281A (ja) | 1997-06-24 | 1997-06-24 | 光集積素子及びプレーナ型光集積回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16706297A JPH1117281A (ja) | 1997-06-24 | 1997-06-24 | 光集積素子及びプレーナ型光集積回路 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1117281A true JPH1117281A (ja) | 1999-01-22 |
Family
ID=15842701
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP16706297A Pending JPH1117281A (ja) | 1997-06-24 | 1997-06-24 | 光集積素子及びプレーナ型光集積回路 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1117281A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010219568A (ja) * | 2002-09-05 | 2010-09-30 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体光素子装置 |
JP2011176380A (ja) * | 2002-03-08 | 2011-09-08 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体素子のコーティング膜の設計方法 |
JP2022516453A (ja) * | 2018-12-28 | 2022-02-28 | 南京郵電大学 | ホモ集積の赤外線フォトニックチップ及びその製造方法 |
-
1997
- 1997-06-24 JP JP16706297A patent/JPH1117281A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011176380A (ja) * | 2002-03-08 | 2011-09-08 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体素子のコーティング膜の設計方法 |
JP2010219568A (ja) * | 2002-09-05 | 2010-09-30 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体光素子装置 |
JP2022516453A (ja) * | 2018-12-28 | 2022-02-28 | 南京郵電大学 | ホモ集積の赤外線フォトニックチップ及びその製造方法 |
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