JPS58218188A - Optical transmitter - Google Patents
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は光学伝送装置に関し、より特別には光学周波数
領域で動作しかつ小さな半導体チップ上に製作すること
ができる装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to optical transmission devices, and more particularly to devices that operate in the optical frequency range and can be fabricated on small semiconductor chips.
大量の情報の伝送において最大可能なバンド幅を達成し
それによって最大可能な伝送速度を得るためには、可能
な限り高いキャリア周波数を用いるのが有利である。し
たがって、高速データ伝送を行なうには光学領域のキャ
リア周波数を用いるのが最もよい。光学伝送装置の重要
な応用例には、同一場所でのあるいは長い線を介しての
コンピュータとコンピュータとの接続、あるいはコンピ
ュータとそれと相互作用する表示装置端末との接続、多
重テレビジョン通信に対して充分な能力を有する相互作
用する端子間を相互接続するループ型情報リンク、同一
場所でのあるいは場所相互の実時間(リアルタイム)生
産ラインモニタリング、ビデオ会議、集積航空回路装置
や船舶通信ループの情報管理等がある。絵図形情報、た
とえば、X線およびサーミスコープ画像、実時間テレビ
ジョン等も容易に取扱うことができる。また、各家庭を
双方に接続する30もの等価なテレビジョンチャネルが
計画されるような都市計画すなわち「ニュータウン」に
付随する改良された通信技術に対する要件も単一の光学
通信リンクによって達成できる。In order to achieve the maximum possible bandwidth and thus the maximum possible transmission rate in the transmission of large amounts of information, it is advantageous to use the highest possible carrier frequency. Therefore, it is best to use carrier frequencies in the optical range for high-speed data transmission. Important applications of optical transmission devices include computer-to-computer connections, either in the same location or over long lines, or connections between computers and display terminals that interact with them, and for multiplex television communications. Loop information links interconnecting interacting terminals with sufficient capabilities, real-time production line monitoring at the same location or between locations, video conferencing, information management of integrated aeronautical circuit equipment and ship communication loops. etc. Pictorial information, such as X-ray and thermistoscope images, real-time television, etc., can also be easily handled. Also, the requirements for improved communication technology associated with urban planning or "new towns" where as many as 30 equivalent television channels are planned connecting each home to each other can also be achieved with a single optical communication link.
本発明の目的および利点としては、(1)動作上および
概念的設計・製作上の両面において簡単であること、(
2)集積電子回路に適合すること、(3)より低キャリ
ア周波数系に比較して価格の点で経済的であること、(
4)時分割多重化が容易であること、(5)周波数分割
多重化が可能であること、(6)軽量であること、(7
)制限要件の厳しくない材料だけが用いられること、(
8)rfi(ラジオ周波数混信)、クロストークおよび
接地の問題を緩和できること、(9)バンド幅が広いこ
と等があげられる。The objects and advantages of the present invention include (1) simplicity in both operational and conceptual design and fabrication;
2) be compatible with integrated electronic circuits; (3) be economical in terms of price compared to lower carrier frequency systems;
4) Easy time division multiplexing, (5) Frequency division multiplexing possible, (6) Light weight, (7
) that only materials with less restrictive requirements are used; (
8) It can alleviate RFI (radio frequency interference), crosstalk and grounding problems, and (9) It has a wide bandwidth.
光学ファイバ(オプティカルファイバ)伝送線と結合す
る微小化された光学送信器が必要であることは、今日多
くの人が理解することとなっている。最近、必要とされ
る:20dB/Kmほどの低損失の光学ファイバ伝送線
が開発された。本発明においては、ニッケル貨(5セン
ト)大の基板チップ上に製作される集積光学回路(IO
C)送信器について記述されている。必要なのは、(1
)所定の繰り返し速度を有する波長の異なる光パルスの
源、(2)光学導波管伝送路、(3)光パルス列のパル
スコード変調装置、(4)いくつかの光パルス列の単一
の光学導波管への結合方法、(5)チップ上の表面導波
管から光学ファイバ伝送線への結合技術である。これら
の各々を遂行する装置が本発明において提供されている
。Many people today recognize the need for miniaturized optical transmitters that couple with optical fiber transmission lines. Recently, optical fiber transmission lines with losses as low as the required: 20 dB/Km have been developed. In the present invention, an integrated optical circuit (IO
C) The transmitter is described. What you need is (1
) a source of light pulses of different wavelengths with a predetermined repetition rate; (2) an optical waveguide transmission line; (3) a pulse code modulator for a train of light pulses; (4) a single optical guide for several trains of light pulses. and (5) a coupling technique from the surface waveguide on the chip to the optical fiber transmission line. Apparatus for accomplishing each of these is provided in the present invention.
コヒーレントな放射源を微小化するには、出力が次に容
易に光学導波管に結合される表面レーザーを用いる必要
がある。そのような表面レーザーを用いない場合には、
エネルギ−を外部源から導波管に結合する必要がある。Miniaturizing coherent radiation sources requires the use of surface lasers whose output is then easily coupled into optical waveguides. If such a surface laser is not used,
It is necessary to couple energy into the waveguide from an external source.
このことは従来技術ではプリズムおよび格子型結合器を
用いて遂行された。本発明においては、これらの技術が
、YAG・Ndあるいは他のパルスレーザー放射を結合
して表面レーザーを光学的にポンピングする(光励起す
る)ために用いられる。本発明の表面レーザーは異なる
波長を有するいくつかの放射源を提供し、それによって
周波数分割多重化を可能にする。This has been accomplished in the prior art using prisms and grating couplers. In the present invention, these techniques are used to couple YAG-Nd or other pulsed laser radiation to optically pump a surface laser. The surface laser of the invention provides several radiation sources with different wavelengths, thereby allowing frequency division multiplexing.
いくつかの従来技術の表面レーザーが開発されている。Several prior art surface lasers have been developed.
たとえは、PrCl3、種々の色素レーザーがある。し
かし、それらのいずれも望ましい波長のところでの多重
周波数の発生は容易にはできていない。色素レーザーは
容易に種々の波長に同調できるが、これは望ましい波長
領域である赤外領域では動作しないし、その寿命が長く
ない。本発明の表面レーザーは光学的および(あるいは
)電気的にポンピングされる半導体レーザーであり、た
とえは、GaAs、他のIII−V族化合物および三元
混合III−V族材料系でできている。価電子帯と伝導
帯の間のバンドギャップは、0.6〜1.3μm領域の
波長領域の放射を得るために材料組成および適当なドー
ピングにより調節される。キャリアの寿命は、レーザー
がモード同期(モードロッキング)あるいは空胴ダンピ
ングされたYAG・Ndレーザーからのポンピングに応
じて最小のフィードバックで超放射状レーザー放射を生
じるように応答するのに充分短い。半導体レーデ−媒質
のエピタキシャル成長領域が選択的エピタキシャル技術
によって基板上につくられ、異なった領域は、いくつか
の異なる波長の放射を行なう各種の表面レーザーを提供
するために異なる組成およびドーピングの材料でできて
いる。Examples are PrCl3 and various dye lasers. However, none of them allows for easy generation of multiple frequencies at desired wavelengths. Although dye lasers can be easily tuned to different wavelengths, they do not operate in the infrared, the desired wavelength region, and do not have long lifetimes. The surface laser of the present invention is an optically and/or electrically pumped semiconductor laser, for example made of GaAs, other III-V compounds and ternary mixed III-V material systems. The bandgap between the valence band and the conduction band is adjusted by the material composition and appropriate doping in order to obtain radiation in the wavelength range from 0.6 to 1.3 μm. The carrier lifetime is short enough for the laser to respond to pumping from a mode-locked or cavity-damped YAG Nd laser to produce superradial laser emission with minimal feedback. Epitaxially grown regions of a semiconductor laser medium are created on a substrate by selective epitaxial techniques, different regions being made of materials of different composition and doping to provide a variety of surface lasers emitting radiation at several different wavelengths. ing.
光ビームはプラナーな(平らな)表面上に付着、成長、
あるいはインプラント(注入生成)された透明な誘電体
構造中に導びかれる。導波管領域は、ある屈折率の媒質
中に埋込まれた若干高い屈折率の材料のストリップから
成っている。光波は導波管の最低次基本モードで伝播す
るのが望ましい。The light beam attaches, grows, and
Alternatively, it can be introduced into an implanted transparent dielectric structure. The waveguide region consists of a strip of material of a slightly higher refractive index embedded in a medium of a certain refractive index. It is desirable that the light waves propagate in the lowest fundamental mode of the waveguide.
基本モード伝播のための要件、導波管の屈曲によって起
る損失すなわち放射損失とモード結合、および写真製版
技術によってニッケル貨大のチップ上に製作する可能性
を考慮すると、望ましい波長領域は0.6〜1.3μm
である。このことは、導波管の幅を〜10μm、厚さを
〜0.3μm、材料の屈折率をそれを埋込んでいる材料
の屈折率よりも〜4%大きくすることを必要とする。そ
うすると、最小許容結合半径は〜4cmとなり、端規定
度は〜0.1μmである。本発明によれは、これらの光
学導波管はカルコゲナイドガラスによって製作できる。Considering the requirements for fundamental mode propagation, the losses caused by waveguide bending or radiation losses and mode coupling, and the possibility of fabrication on nickel-sized chips by photolithography, the desired wavelength range is 0. 6-1.3μm
It is. This requires the width of the waveguide to be ~10 μm, the thickness to be ~0.3 μm, and the refractive index of the material to be ~4% greater than the refractive index of the material embedding it. Then, the minimum allowable coupling radius is ~4 cm and the edge regularity is ~0.1 μm. According to the invention, these optical waveguides can be made of chalcogenide glass.
これらの構造を製作することは現在の写真製版技術の範
囲内にある。カルコゲナイドガラスを用いることは、上
述した0.6〜1.3μmで動作する半導体表面レーザ
ーと適合している。結合器、ろ波器および他の受動的マ
イクロ波素子をつくるすべての技術について光学的類似
物が製作され得る。また、利得を有する導波管構造が以
下に記述するようにして製作され得る。適当なパンドギ
ャップを有するエピタキシャル半導体領域上の基板が光
学導波管の真下に形成される。この油性材料はそこで外
部エネルギー源によって光学的にポンピングされ、光学
導波管に隣接する材料中に分布反転が起る。光学導波管
からこの材料中にのびている徐々に消滅していく場によ
って、光学的に導びかれた波が増幅される。減衰器も同
様な技術によって製作できる。Fabricating these structures is within the scope of current photolithography technology. The use of chalcogenide glasses is compatible with semiconductor surface lasers operating at 0.6-1.3 μm as described above. Optical analogs can be fabricated for all techniques of making couplers, filters and other passive microwave devices. Additionally, waveguide structures with gain may be fabricated as described below. A substrate overlying epitaxial semiconductor region with a suitable bund gap is formed beneath the optical waveguide. The oily material is then optically pumped by an external energy source, causing a distribution inversion in the material adjacent the optical waveguide. Optically guided waves are amplified by a decaying field extending from the optical waveguide into this material. Attenuators can also be fabricated using similar techniques.
この製作技術に適合した変調装置が、音響光学効果によ
ってつくられる。光学導波管構造か埋込まれている材料
上の選択領域にZnOのような圧電材料が付着され、そ
の上に圧電材料に音波を送り出すのに適した指状の金属
化パターンが置かれる。Modulators compatible with this fabrication technique are created using acousto-optic effects. A piezoelectric material, such as ZnO, is deposited in selected areas on the material in which the optical waveguide structure is embedded, and a finger-like metallization pattern suitable for transmitting sound waves into the piezoelectric material is placed thereon.
層は音波の波長と比較されるような方法でつくられてい
るので、光波は表面音波によって回折される。この目的
のためには、光学導波管の幅は単一モード伝播のために
必要なものより数倍大きく作られ、できれは回折光波が
交差するよう適当な角度をもったいくつかの出口が設け
られる。The layers are made in such a way that they are compared to the wavelength of the sound waves, so the light waves are diffracted by the surface sound waves. For this purpose, the width of the optical waveguide is made several times larger than that required for single-mode propagation, and it is possible to have several exits at suitable angles so that the diffracted light waves intersect. is provided.
ニッケル貨大のチップ上に製作されたこれらの装置によ
って光学送信器が与えられる。These devices, fabricated on nickel-sized chips, provide optical transmitters.
本発明の上述あるいは他の目的、特徴および利点は、添
付図面と関連して例示的に記述した以下の実施例から明
らかになるであろう。The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following embodiments, which are described by way of example in conjunction with the accompanying drawings.
第1図〜第8b図には、本発明による光学伝送装置の実
施例が示されている。1 to 8b show embodiments of an optical transmission device according to the invention.
光学通信の将来性は、光学ファイバをとおして情報を伝
送する集積光学回路(IOC)による多量の情報の迅速
な処理にかかっている。これを実現するには、信頼性か
あり価格的に有効なファイバおよび集積を光学回路送信
器・受信器をつくる技術の開発が必要である。The future of optical communications depends on the rapid processing of large amounts of information by integrated optical circuits (IOCs) that transmit information through optical fibers. Achieving this requires the development of techniques to create reliable and cost effective fiber and integrated optical circuit transmitters and receivers.
最近、非常に低損失(〜2dB/km)の伝送を行なう
光学ファイバが報告されたし、ファイバと良く結合でき
る充分な光検出器が商品として入手可能である。加えて
、非コヒーレントな検出は集積光学回路に対しても充分
である。そのため、基本的な光学ファイバおよび光検出
器の技術はすでに可能である。Recently, optical fibers with very low loss (~2 dB/km) transmission have been reported, and sufficient photodetectors that couple well with the fibers are commercially available. Additionally, non-coherent detection is also sufficient for integrated optical circuits. Therefore, basic optical fiber and photodetector technology is already possible.
送信器については状況は異なっている。発光ダイオード
はファイバに工合よく結合しないし、また応答時間が長
すぎるので高速(100MHz以上)のデータ伝送は行
なえない。分離した半導体レーザーはより速く直接変調
され得るしより有効に光学ファイバに結合できるけれど
も、単一チップ設計では、必要な情報処理機能、たとえ
ば多重化、変調およびスイッチングといった機能を単一
チップ上に含めることはできない。このように、最も重
要な技術上の問題が送信器の開発という分野に存在して
いる。すべての回路機能の要件を満たす信頼性があり価
格的に有効な集積光学回路送信器を発展させるためには
モノリシック製造技術を発展させねばならない。The situation is different for transmitters. Light emitting diodes do not couple conveniently to fibers, and their response times are too long to allow high speed (>100 MHz) data transmission. Single-chip designs include the necessary information processing functions, such as multiplexing, modulation, and switching, on a single chip, although separate semiconductor lasers can be directly modulated faster and more effectively coupled into optical fibers. It is not possible. Thus, the most important technical problems exist in the field of transmitter development. Monolithic manufacturing techniques must be developed to develop reliable and cost effective integrated optical circuit transmitters that meet all circuit functionality requirements.
第1図に、高速データ送信器に必要な基本的機能を有す
る集積光学回路30を示した。注入形表面レーザー32
、34は三次元的導波管33、35、36、37、40
にレーザー放射を送り出す。放射の変調とスイッチング
は導波管構造の中で起り、別個に制御される。全送信器
は単一チップの機能ブロック31となっていて、その中
に低価格集積回路製造に適合した装置構成要素が含まれ
ている。FIG. 1 shows an integrated optical circuit 30 having the basic functionality required for a high speed data transmitter. injection type surface laser 32
, 34 are three-dimensional waveguides 33, 35, 36, 37, 40
sends out laser radiation. Radiation modulation and switching occur within the waveguide structure and are controlled separately. The entire transmitter is a single chip functional block 31 containing device components compatible with low cost integrated circuit manufacturing.
そのような送信器の開発のために選ばれた材料系はII
I−V族半導体合金(Ga、In)Asおよび(Ga、
Al)Asである。これらの半導体は、第1図の装置に
含まれる基本的機能、すなわち、コヒーレントな光放出
、受動的光学結合、光学的導波、電気光学変調および音
響光学変調を遂行する性質を有している。表面レーザー
の放出波長は、合金組成を変えることによってファイバ
の光損失が低い領域に合うようにすることができる。The material system chosen for the development of such a transmitter is II
IV group semiconductor alloys (Ga, In)As and (Ga,
Al)As. These semiconductors have the properties to perform the basic functions involved in the device of FIG. 1, namely, coherent light emission, passive optical coupling, optical waveguiding, electro-optic modulation, and acousto-optic modulation. . The emission wavelength of the surface laser can be tailored to the low optical loss region of the fiber by changing the alloy composition.
本発明の特別の目的は、チップの表面上に局在する電気
的注入形半導体レーザーを開発することである。このレ
ーザーは、酸化物マスクをとおしてエピタキシャルな基
板上に気相成長したメサの結晶の面出しによる「鏡面」
反射を行なうpn接合装置でよい。A particular object of the invention is to develop an electrically injected semiconductor laser localized on the surface of the chip. This laser generates a "mirror surface" by plane-facing a mesa crystal grown in vapor phase on an epitaxial substrate through an oxide mask.
A pn junction device that performs reflection may be used.
集積光学送信器は三つの主構成要素、すなわち、(1)
注入形レーザー源、(2)三次元的導波管、(3)変調
器/スイッチを有する。表面レーザー源は、三つの構成
要素のうちで最も重要なものである。適当な三次元的導
波管は、レーザーの出力が結合されるようなものである
。表面注入レーザーは直接に変調され得るので、導波管
変調器の開発はそれほど重要なものではない。An integrated optical transmitter has three main components: (1)
It has an injection laser source, (2) a three-dimensional waveguide, and (3) a modulator/switch. The surface laser source is the most important of the three components. A suitable three-dimensional waveguide is one to which the output of the laser is coupled. Since surface-injected lasers can be directly modulated, the development of waveguide modulators is less important.
光学的にポンプされる(Ga、In)As−GaAs表
面レーザーは気相成長メサ構造であって、これは導波複
合層とレーザー出力を別個の基板上に付着されたカルコ
ゲケイドガラス導波管に結合する位相格子とt有してい
る。半導体メサレーザー構造の基本的概念は、外部レー
サーポンプを必要とする光学的にポンピングされる装置
から自分自身の内部注入電流によって動作する電気的に
ポンピングされるpn接合装置へと拡張される。この注
入形レーザーは、その出力が同一基板上のエピタキシャ
ルな導波管に結合するように設計される。The optically pumped (Ga,In)As-GaAs surface laser is a vapor-grown mesa structure that combines a waveguiding composite layer and a chalcogenide glass waveguide deposited on a separate substrate for the laser output. It has a phase grating coupled to the tube. The basic concept of semiconductor mesa laser structures is extended from optically pumped devices that require an external laser pump to electrically pumped p-n junction devices that operate with their own internal injection current. This injection laser is designed such that its output is coupled into an epitaxial waveguide on the same substrate.
このようにして、基板を占めている集積化された三次元
的導波管に結合される真に集積化された単一のコヒーレ
ントな光源が得られる。In this way, a truly integrated single coherent light source is obtained which is coupled to an integrated three-dimensional waveguide occupying the substrate.
集積化された光源
ここで、注入形半導体レーザーの集積化の新しい構造に
ついて詳細に記述する。装置構造が第2図に概略的に示
されており、以下のように動作する。成長した(GaI
n)As合金メサ52中に形成したpn接合は、接合を
とおして小数キャリア(電子)を注入することによりレ
ーザー発振される。光学的フィードバックは、メサの面
出しされた平行な対向面によって行なわれる。レーザー
出力は、徐々に消滅していく場による結合によってGa
As導波管に結合される。GaAsは(Ga、In)A
sメサよりもエネルギーのバンドギャップが大きいので
、導波管はメサレーザーの放出に対してほぼ透明である
といえる(損失は〜1dB/cm)。導波管中の放射を
三次元的に閉込めるのは、以下記述する上に横たわる構
造をとおして達成される。INTEGRATED LIGHT SOURCE We now describe in detail a new architecture for the integration of injection semiconductor lasers. The device structure is shown schematically in FIG. 2 and operates as follows. Grown (GaI
n) The pn junction formed in the As alloy mesa 52 is lased by injecting minority carriers (electrons) through the junction. Optical feedback is provided by parallel facing faces of the mesa. The laser output is generated by coupling with a gradually disappearing field.
coupled to an As waveguide. GaAs is (Ga, In)A
Since the energy bandgap is larger than that of the s-mesa, the waveguide can be said to be nearly transparent to mesa laser emission (loss is ~1 dB/cm). Three-dimensional confinement of the radiation in the waveguide is achieved through the overlying structure described below.
第2図の装置は光学的に以下のように特徴づけられる。The device of FIG. 2 is optically characterized as follows.
メサから離れたところでGaAsエピタキシャル膜57
(n〜1016cm−3)は重くトープされた(n〜1
018cm−3)基板56の頂部に導波管層を形成する
。光学的な閉込めはエピタキシャルな層57の屈折率が
基板56の屈折率よりも〜10−3だけ大きいために起
る。第3図のTEモード分散曲線に示したように、閉込
めは導波管の厚さdがd■1.6λのときに起る。λ〜
1μmなので、単一のTE0モード伝播は1.6μm■
d■にみえるようにより低い屈折率の緩衝層によって結
合された二つの光学導波管(一方はメサの光学的活性接
合領域)がある。これらの二つの導波管(高屈折率領域
)間の徐々に消滅していく場による結合はメサの底部の
緩衝層(n〜1017cm−3)をとおしての場の漏れ
によって起る。屈折率で〜10−2の階段状不連続性を
有する集積光学回路注入形レーザーを含む同様な構造に
対する結合度を計算した結果、厚さ〜1μmの緩衝層に
対してかなり有効な結合が起ることが判った。第2図の
簡単なpn接合形レーザーに対しては、接合の近くでの
屈折率のプロフィルは理想的階段状関数ではなく、光放
射はそれほど良く閉込められていない。より効果的な結
合は実際にはより厚い(数μm)緩衝層で得られた。GaAs epitaxial film 57 away from the mesa
(n~1016 cm-3) was heavily toped (n~1
018cm-3) Form a waveguide layer on top of the substrate 56. Optical confinement occurs because the refractive index of epitaxial layer 57 is ˜10 −3 greater than the refractive index of substrate 56 . As shown in the TE mode dispersion curve of FIG. 3, confinement occurs when the waveguide thickness d is 1.6λ. λ~
1μm, so single TE0 mode propagation is 1.6μm ■
There are two optical waveguides (one optically active junction region of the mesa) coupled by a lower index buffer layer as seen in d■. The decaying field coupling between these two waveguides (high index regions) is caused by field leakage through the buffer layer (n~1017 cm-3) at the bottom of the mesa. Calculations of the degree of coupling for a similar structure containing an integrated optical circuit injection laser with a step discontinuity in refractive index of ~10-2 indicate that fairly effective coupling occurs for a buffer layer of ~1 μm thickness. It turns out that For the simple pn junction laser of FIG. 2, the refractive index profile near the junction is not an ideal step function and the optical radiation is not very well confined. More effective bonding was actually obtained with thicker (several μm) buffer layers.
第2図や装置は、気相エピタキシャル成長、拡散および
(あるいは)イオンインプランテーションによる導電型
の反転、および写真製版マスキング技術を用いて製作で
きる。まず、一様なGaAsのエピタキシャル膜57(
導波管)が重くドープされたGaAs基板56上に成長
される。次に、この半導体薄片51はSiO2膜53で
被覆される。Figure 2 and the device can be fabricated using vapor phase epitaxial growth, conductivity type reversal by diffusion and/or ion implantation, and photolithographic masking techniques. First, a uniform GaAs epitaxial film 57 (
A waveguide (waveguide) is grown on a heavily doped GaAs substrate 56. Next, this semiconductor thin piece 51 is coated with a SiO2 film 53.
このSiO2膜53にメサの成長のための開口がエッチ
ングにより設けられる。n型メサ52をマスク53の開
口をとおして成長させる。次に、SixNyの拡散マス
ク60を、成長させたメサをおおって付着させる。メサ
の頂上のエッチングした開口をとおしてZnの拡散また
はインプランテーションを行なって頂部層55をp型に
変換してpn接合を形成する。pn接合の形成に続いて
、金属コンタクト61、62をメサ52の頂部と基板5
6上に合金にしてつける。装置ヘッダーの半田付けとリ
ード線のボンディングにより装置が完成される。An opening for mesa growth is provided in this SiO2 film 53 by etching. An n-type mesa 52 is grown through the opening in the mask 53. A SixNy diffusion mask 60 is then deposited over the grown mesa. Zn is diffused or implanted through the etched opening at the top of the mesa to convert top layer 55 to p-type and form a p-n junction. Following formation of the pn junction, metal contacts 61, 62 are connected to the top of mesa 52 and substrate 5.
6. Attach the alloy to the top. The device is completed by soldering the device header and bonding the lead wires.
新しい二重材料源反応装置が製作された。そのような装
置を第4図に示した。この装置では、別個のガリウムと
インジウム金属源72と73が導管74および75から
のHCl/H2混合気体中に露される。InおよびGa
とHClの反応で形成される揮発性の塩化物は別個の入
力気体である導管78からのAsH3の分解で生じたA
s蒸気と混合される。次に、揮発性塩化物とAs蒸気は
GaAs基板76上を通過する。流れの条件および温度
は、GaAs基板上にエピタキシャルな膜が付着するよ
う調節される。このような開管装置がInAsの量が約
20%の急激な異種エピタキシャルな(Ga、In)A
s合金を成長させるのに用いられた合金層はキャリア濃
度が約1Q16cm−3のn型のものである。参照番号
70は加熱炉であり、部分70a、70b、70cはガ
リウム源72、インジウム源73、GaAs基板76の
温度が適当な値(たとえば、それぞれ750℃、850
℃、750℃)になるよう調節される。80は反応管7
1の気体排出口である。A new dual source reactor was constructed. Such a device is shown in FIG. In this apparatus, separate gallium and indium metal sources 72 and 73 are exposed to a HCl/H2 gas mixture from conduits 74 and 75. In and Ga
The volatile chloride formed in the reaction between HCl and HCl is a separate input gas, A resulting from the decomposition of AsH3 from conduit 78.
s mixed with steam. The volatile chloride and As vapor then pass over the GaAs substrate 76. Flow conditions and temperature are adjusted to deposit an epitaxial film on the GaAs substrate. Such an open-tube device produces a sudden change in heterogeneous epitaxial (Ga, In)A with an InAs content of about 20%.
The alloy layer used to grow the s-alloy is of n-type with a carrier concentration of about 1Q16 cm-3. Reference numeral 70 is a heating furnace, and portions 70a, 70b, and 70c are heated so that the temperatures of the gallium source 72, indium source 73, and GaAs substrate 76 are set to appropriate values (for example, 750° C. and 850° C., respectively).
℃, 750℃). 80 is reaction tube 7
1 gas outlet.
この反応炉に二つの付加的な特徴を加えることができる
。第一に、導管77をとおして余分のHCl/H2を供
給することにより基板の温度以上の温度で付着が起るの
を妨げることができる。この特徴によって付着の間に成
分の制御を最良にできる。第二に、気相中のIn/Ga
比を独立に制御することが可能である。これによって、
GaAs基板と(Ga、In)As合金の間の格子不整
合効果を最小にするために膜の組成をだんだん変えるこ
とが可能になる。加えて、別個のIII族材料源を用い
ることが異種エピタキシャルな成長の組成の変化を簡単
にする。Two additional features can be added to this reactor. First, supplying excess HCl/H2 through conduit 77 can prevent deposition from occurring at temperatures above the substrate temperature. This feature allows for best control of the components during deposition. Second, In/Ga in the gas phase
It is possible to control the ratio independently. by this,
It becomes possible to gradually change the composition of the film to minimize lattice mismatch effects between the GaAs substrate and the (Ga,In)As alloy. Additionally, using a separate Group III material source simplifies compositional variations in heterogeneous epitaxial growth.
しかしながら、上述の特徴よりももっと重要なことは、
GaAsおよび(Ga、In)Asの面出しされたメサ
の成長を制御するための気相組成の制御が容易であるこ
とであろう。気相中のIII族材料/V族材料比の制御
により、反対の極性の(111)面の成長速度を等しく
できる。この効果がGaAsのエピタキシャル成長に対
して第5図に示されている。この効果を適当な基板配向
と組合せることにより、メサの面出しされた平行な面が
成長することになる。(110)基板上の(111)面
の正確な関係が第6図の平面投影図に示されている。However, even more important than the above features are the
It would be easy to control the gas phase composition to control the growth of faceted mesas of GaAs and (Ga,In)As. By controlling the Group III material/Group V material ratio in the gas phase, the growth rates of the (111) planes of opposite polarity can be made equal. This effect is illustrated in FIG. 5 for epitaxial growth of GaAs. This effect, combined with proper substrate orientation, results in the growth of embossed parallel sides of the mesa. The exact relationship of the (111) planes on the (110) substrate is shown in the plan projection view of FIG.
この投影図は、辺が(111)面であるダイアモンド形
によって囲まれている。このダイヤモンド構造あるいは
その変形物は、GaAs(110)基板上のSiO2へ
のエッチングの後、GaAsおよび(Ga、In)As
のメサ成長の基礎となる。組成中の二つの因子のうち一
つを変化させると成長したメサの二回回転軸がくずれる
。この効果はまた(Ga、In)As合金中にもみられ
るが、GaAsメサの成長の場合ほど急激ではない。This projection is surrounded by a diamond shape whose sides are (111) planes. This diamond structure, or a variant thereof, is produced in GaAs and (Ga,In)As after etching into SiO2 on a GaAs (110) substrate.
provides the basis for mesa growth. Changing one of the two factors in the composition disrupts the two-fold axis of rotation of the grown mesa. This effect is also seen in (Ga,In)As alloys, although it is not as drastic as in the case of GaAs mesa growth.
本発明の主な特徴は、注入形半導体メサレーザーの開発
である。そのため、Znの拡散および(あるいは)イン
プランテーションがGaAsメサに対して行なわれる。The main feature of the invention is the development of an injection type semiconductor mesa laser. Therefore, Zn diffusion and/or implantation is performed on the GaAs mesa.
これはメサの頂上の拡散領域を定めるためのマスキング
と写真製版技術を含んでいる。窒化シリコン(rfプラ
ズマで付着される)は良いマスクであり、閉じられたア
ンプルを用いた拡散において亜鉛を透さないマスクであ
る。This includes masking and photolithographic techniques to define the diffusion area at the top of the mesa. Silicon nitride (deposited with RF plasma) is a good mask and is impermeable to zinc in diffusion using a closed ampoule.
三次元的導波管
集積光学回路は、変調、スイッチングおよび多重化のた
めに三次元的パターンで配置できる三次元的光学導波管
を組込んだものでなけれはならない。しかしながら、光
学導波管の多くの過去の研究は二次元薄膜導波管を取扱
ってきた。二次元導波管では種々の回路機能に要求され
る放射のチャンネリングが行えない。半導体エピタキシ
ャル層中の回路構成として第7a図〜第7c図に示した
ような三つの型の三次元的導波管がある。第7a図はプ
ロトン衝撃、イオンインプランテーションあるいは拡散
によって形成された埋込み型チャネル、第7b図は化学
的エッチングあるいはイオンミルによって形成された隆
起または盛上り型チャネルの導波管、第7c図は誘電体
を上に有する導波管である。Three-dimensional waveguide integrated optical circuits must incorporate three-dimensional optical waveguides that can be arranged in three-dimensional patterns for modulation, switching, and multiplexing. However, many past studies of optical waveguides have dealt with two-dimensional thin film waveguides. Two-dimensional waveguides do not provide the radiation channeling required for various circuit functions. There are three types of three-dimensional waveguides as circuit configurations in semiconductor epitaxial layers, as shown in FIGS. 7a-7c. Figure 7a shows a buried channel formed by proton bombardment, ion implantation or diffusion; Figure 7b shows a raised or raised channel waveguide formed by chemical etching or ion milling; Figure 7c shows a dielectric. It is a waveguide with a
III−V族エピタキシャル層中の埋込み型および盛上
り型チャネル導波管においては、低損失伝播のためには
、滑らかな良く規定された端を必要とする。誘電体を上
に有する導波管に対しては、伝播と閉込めは二次元膜中
で起り、端規定度に関する要求は緩和されている。その
上、誘電体の光学的性質に対する要求は厳しくない。Buried and raised channel waveguides in III-V epitaxial layers require smooth, well-defined edges for low loss propagation. For waveguides with a dielectric on top, propagation and confinement occur in a two-dimensional membrane, and the requirements on edge regularity are relaxed. Moreover, the demands on the optical properties of the dielectric are not stringent.
本発明者の検討の結果次のことが確立された。As a result of the inventor's studies, the following was established.
(1)高品質の単一および複合エピタキシャルGaAs
および(Ga、In)As層中に低損失(〜1dB/c
m)の導波が起る。(2)フォトレジストパターンの上
層を有する光学的品質のTI−1173ガラス(テキサ
ス・インストルメンツ・インコーポレーテッドによって
製造・販売)のスパッタリングによる膜中に低損失(■
2dB/cm)の三次元的導波が起る。GaAs基板上
の厚さ7μmの気相成長(Ga、In)Asエピタキシ
ャル層中を1.15μmで光学的閉込めが起る証拠が第
8a図に示されている。(1) High quality single and composite epitaxial GaAs
and (Ga,In)As layer with low loss (~1dB/c
m) waveguiding occurs. (2) Low loss (■
2 dB/cm) three-dimensional waveguiding occurs. Evidence of optical confinement occurring at 1.15 μm in a 7 μm thick vapor grown (Ga,In)As epitaxial layer on a GaAs substrate is shown in Figure 8a.
伝送される強度プロフィルが急激に鋭くなることが、入
射レーザービーム92をGaAS基板90上のエピタキ
シャル層91上に集束させるとき(第8a図参照)観察
される。これらの測定に用いる導波管走査装置が第8b
図に示されている。An abrupt sharpening of the transmitted intensity profile is observed when focusing the incident laser beam 92 onto the epitaxial layer 91 on the GaAS substrate 90 (see FIG. 8a). The waveguide scanning device used for these measurements is No. 8b.
As shown in the figure.
振動するミラー99が導波管出力のレンズ系93により
拡大された僕を狭いスリット94を横切って繰返し掃引
し、光電管96をとおしてオツシロスコープスクリーン
95上に強度プロフィル表示を発生する。導波管出力は
またハーフミラー100によって反射され、赤外線ビジ
コン97をとおし℃テレビジョンモニタ98によりモニ
タされる。A vibrating mirror 99 repeatedly sweeps the beam magnified by a waveguide output lens system 93 across a narrow slit 94 to produce an intensity profile display on an oscilloscope screen 95 through a phototube 96. The waveguide output is also reflected by the half mirror 100 and is monitored by the °C television monitor 98 through the infrared vidicon 97.
強度測定によると、三次元的導波管の減衰は二次元膜の
減衰よりもそれほど大きくはないことが判った。Intensity measurements show that the attenuation of the three-dimensional waveguide is not significantly greater than that of the two-dimensional membrane.
変調器
以上集積光学回路送信器の二つの基本的構成要素、すな
わち、注入形レーザー源および三次元的光学導波管につ
いて議論した。送信器に必要な第三の構成要素は変調器
である。レーザー源は注入電流を変化させて直接変調で
きるけれども、最大のバンド幅と多用性を得るには、装
置は別の変調能力(たとえば多重化)を必要とするだろ
う。Two basic components of integrated optical circuit transmitters over modulators are discussed: injection laser sources and three-dimensional optical waveguides. The third component needed in the transmitter is a modulator. Although the laser source can be directly modulated by varying the injection current, the device will require additional modulation capabilities (eg, multiplexing) for maximum bandwidth and versatility.
電気光学的効果および音響光学的効果か三次元的光学I
II−V族導波管中で光ビームを変調するのに有用であ
る。Electro-optic and acousto-optic effects or three-dimensional optics I
Useful for modulating optical beams in II-V waveguides.
本発明は、特定の好適実施例に関して記述されてきたけ
れども、多くの変化や変形が技術に長じた人には明らか
であろう。そのため、特許請求の範囲はそのような変化
や変形のすべてを含むものであることが理解されるべき
である。Although the invention has been described with respect to specific preferred embodiments, many changes and modifications will become apparent to those skilled in the art. It is, therefore, to be understood that the claims are intended to include all such changes and modifications.
第1図はモノリシックな集積光学回路送信器の概略図、
第2図は本発明の実施例による注入形メサレーザー・導
波管構造、第3図は第2図のn−n導波管のTEモード
に対する分散曲線、第3a図は第2図の注入形メサレー
ザー・導波管構造の屈折率のプロフィル、第4図は(G
a、In)Asエピタキシャル合金を成長させるための
気相反応装置、第5図はAおよびB{111}GaAs
面の相対的成長速度に対する組成の効果、第6図はダイ
ヤモンド形メサの幾何学的図形の{110}平射投影、
第7a図から第7c図は三次元的光学導波管の可能な幾
何学的配置であって、第7a図は埋込み型チャンネル、
第7b図は盛上り型チャンネル、第7c図は誘電体を上
に有する導波管、第8a図はGaAs基板上の厚さ7μ
mの(Ga、In)Asエピタキシャル層中の1.15
μmでの光学的導波を示す近視野走査、第8b図はその
ような走査グラフを得るのに用いる装置を示す。
代理人 浅 村 皓Figure 1 is a schematic diagram of a monolithic integrated optical circuit transmitter;
FIG. 2 is an injection mesa laser/waveguide structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a dispersion curve for the TE mode of the nn waveguide in FIG. 2, and FIG. 3a is an injection mesa laser/waveguide structure in FIG. 2. The refractive index profile of the mesa laser/waveguide structure, Figure 4 is (G
a, In) Gas phase reactor for growing As epitaxial alloys, Figure 5 shows A and B {111}GaAs
Effect of composition on the relative growth rate of the surface, Figure 6 is a {110} stereographic projection of the diamond mesa geometry;
Figures 7a to 7c are possible geometries of three-dimensional optical waveguides, with Figure 7a being a buried channel;
Figure 7b shows a raised channel, Figure 7c shows a waveguide with a dielectric on top, and Figure 8a shows a 7μ thick layer on a GaAs substrate.
1.15 m in (Ga,In)As epitaxial layer
Near field scanning showing optical waveguiding in μm, Figure 8b shows the apparatus used to obtain such a scanning graph. Agent Akira Asamura
Claims (1)
半導体組成物から成る一群の材料より選ばれた半導体材
料の基板、該基板上に設けられた第1導電型の半導体材
料のエピタキシャル導波管層、および、該エピタキシャ
ル導波管層上に設けられたIII−V族半導体化合物お
よび三元混合III−V族半導体組成物から成る一群の
材料より選ばれた半導体材料のメサにして前記エピタキ
シャル導波管層と接触している前記第1導電型の半導体
材料の第1領域と該第1領域上に設けられた第2導電型
の半導体材料の第2領域とを有していて両領域間にpn
接合が定められておりかつ両領域が光学的フィードバッ
クを与えるよう面出しされた平行な対向面を有している
メサを有するレーザーと、前記メサの前記第2領域の頂
部および前記基板の前記エピタキシャル導波管側とは反
対の表面にそれぞれ設けられた電気的コンタクトと、前
記メサの前記第2領域頂部の前記電気的コンタクトを電
源に接続しこれにより該電源の動作による前記pn接合
を横切る少数キャリアの注入により前記エピタキシャル
導波管層に結合すべきレーザー放射出力を生じさせるよ
うになす手段とを含む光学伝送装置。A substrate of a semiconductor material selected from a group of materials consisting of III-V semiconductor compounds and ternary mixed III-V semiconductor compositions; an epitaxial waveguide of a semiconductor material of a first conductivity type provided on the substrate; and a mesa of a semiconductor material selected from the group of materials consisting of III-V semiconductor compounds and ternary mixed III-V semiconductor compositions disposed on the epitaxial waveguide layer. a first region of semiconductor material of the first conductivity type in contact with the wave tube layer; and a second region of semiconductor material of the second conductivity type disposed on the first region; ni pn
a laser having a mesa with parallel opposed surfaces defining a junction and both regions being planarized to provide optical feedback; a top of the second region of the mesa and the epitaxial surface of the substrate; electrical contacts each provided on a surface opposite the waveguide side, and connecting said electrical contacts on top of said second region of said mesa to a power source, thereby causing a small number of crosses across said p-n junction by operation of said power source. means for causing laser radiation power to be coupled to the epitaxial waveguide layer by injection of carriers.
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