JPS6220372A - 光電素子およびこれを組み込んだ光電子装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は光電素子、たとえば、光通信システムにおける
光中継部を構成するモノリシックな光電素子、またはこ
のような光電素子部を有する集積化光デバイス（○ＥＩ
Ｃ素子）等を組み込んだ光電子装置に関する。

〔背景技術〕

光通信における光信号の伝送損失による減衰を補填する
ために、伝送網の随所に中＃ｌＩａ　（光中継ａ）が配
設されている。従来、この種光中継機は、たとえば、日
経マグロウヒル社発行「日経エレクＩ−ロニクスＪ　１
９８５年４月８日号、Ｐ１８５〜Ｐ２Ｏ３に記載されて
いるように、減衰した光信号を受光する受光素子および
増幅された光信号を発光する発光素子はそれぞれ個別部
品となっている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は受光素子および発光素子をモノリシック
に組め込んだ構造の光電素子を提供することにある。

本発明の他の目的は光ｊｍｍクシステムおける光信号中
継に冗長性を持たせることのできる光電素子を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は光通信システムの信頼度向上が達成
できる光電子装置を提供することにある。

本発明の他の目的は光通信システムにおいて寿命の長い
光中組機を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。

〔発明の概要〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明によれば、光通信システムにおける光
通信中継素子（光電素子）として、受光部と発光部が複
数モノリシックに設けられた光電素子が用いられている
とともに、通信回線用光ファイバに対する各受光部と発
光部との切り換えは自由に変更できるため、光中継に支
障を来たした時は、直ちに切り換えを行って他の受光部
およびまたは発光部を使用することができるため、常に
確実な光通信状他が維持でき、光通信システムの信頼度
向上が達成できる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例による光通信システムにおけ
る光中相部を示す模式図、第２図は同じく第１図のｎ−
ｎ線に沿う断面図、第３図〜第７は同じく光中継素子で
ある光電素子の製造方法を示す図であって、第３図はウ
ェハを示す断面図、第４図はウェハの一面に受光素子形
成のための拡散領域が形成された状態を示す断面図、第
５図は受光素子が形成されたウェハの拡大断面図、第６
図はウェハの他面にレーザダイオード形成のための多層
成長層および拡散層が形成された状態を示す拡大断面図
、第７図はレーザダイオードの電極およびメサエッチン
グが施されたウェハを示す拡大断面図である。

この実施例では、受光素子と発光素子がそれぞれ３個モ
ノリシックに設けられた光信号中継素子（光電素子）に
よる光中継装置（光電子装置）について説明する。光電
子装置は、第１図に示されるように、ｎ形１ｎＰからな
る基板１の両面にそれぞれ多層成長層２，３を有してい
て、−面の多層成長層２にメサエッチングによって相互
にアイソレートされた受光素子４．　５．　６が設けら
れているとともに、他面の多層成長層３にメサエッチン
グによって相互にアイソレートされたレーザダイオード
（半導体レーザ）　７．　８．　９がそれぞれ設けられ
ている。また前記受光素子４．　５．　６゜の受光面に
はそれぞれ分岐光ファイバ１０，１１゜１２の一端が臨
んでいる。これら光ファイバ１０゜１１．１２の他端は
通信回線用光ファイバ１３の端末に配設された光学的切
換ユニット１４に接続され、制御部１５による光学的切
換ユニット１４の切換えによって一本の分岐光ファイバ
は前記通信回線用光ファイバ１３と光学的に結線される
ようになっている。また前記各受光素子４．　５．　６
゜にはその表面にアノード電極１６，１７．１８が設け
られているとともに、前記基板１には共用のカソード電
極１９が配設されている。そして、前記カソード電極１
９は光学的信号を電気的信号に変換するＯ／Ｅ変換部２
０に結ばれている。また、各受光素子４．　５．　６．
の各アノード電極１６゜１７．１８は電気的切換ユニッ
ト２１に接続されている。また、この電気的切換ユニッ
ト２１は前記０／Ｅ変換部２０に接続されている。した
がって、光通信による光信号２２は前記光学的切換ユニ
ット１４および電気的切換ユニット２１による切換えに
よって、図中の実線、二点鎖線、一点鎖線で示す矢印の
ように、いずれの受光素子４，５゜６、によっても受光
できるようになっている。

一方、前記レーザダイオード７、　８．　９の発光面に
は、第２図にも示されるようにそれぞれ分岐光ファイバ
２３，２４．２５の一端が臨んでいる。

これら分岐光ファイバ２３，２４．２５の他端は通信回
線用光ファイバ２６の端末に配設された光学的切換ユニ
ット２７に接続され、制御部１５による光学的切換ユニ
ット２７の切換えによって一本の分岐光ファイバは前記
通信回線用光ファイバ２６と光学的に結線されるように
なっている。また前記各レーザダイオード７、　８．　
９にはその表面にアノード電極２８，２９．３０が設け
られている。また、カソード電極１９は前記基板１の表
面に設ｊ１ノられノこカソード電極１９がそのまま使用
される。また、［）；■記カッーＦ’Ｗｌ’７ｉｉ　１
９　ｉ：Ｊ電気的信号を光学的信−号仁１変模するＥ１
０変換部３１に結ばれている。また、各！／−ザダイオ
ード７，８゜９の各アノ−１電極２８．２９，３０１．
Ｊ電気的り１換ユニノＩ−３２！：接続さねている。ま
た１、この電気的切換ユニット３２は前記ト：１０変Ｉ
Ｑ部３Ｈこ接続されている。また、前記制御部１５にε
３１増幅回路が設置Ｊられでいて、８１１１記受光素−
子４．　５．　　Ｅｉ。

によって受光した光信号を増幅しｉＪ、　ｌノー刀夕・
イｘｉ−Ｆ’７．　８．　９から発光さ・１！ろよ）に
なっている。したがって、＋ｉｉｔ記光学的切換二員−
ノＩ□　２７および電気的りＪ換ユニノ１〜３２によろ
切１９えによ、。

て、光信号２２は図中の実線、］−４点鎮綿、　・点′
Ｊｉ”（綿で示す矢印のように１、いずれのし・−リ゛
ダイオード７．１４．９力仔ンも発光できるようになっ
ている。

なお、同図中で示す３３は配線である。

つぎに、・二のよつな光電素イ（千・ノブ）３４の製造
１゜９二゛ついて、第３図〜第７図を用いて説明する。

最初に第３図り二示されるような両面（、乙多ＪｊＴｊ
成−１辷層２．３を有するウコーハ３５　（化合物半導
体板）が用５？課される。ご、のウェハ３５の一面の多
層成Ｊ（層２には受光素子が形成され、他面の多層成長
層３ｃ口２よ受光素子としてのし・−チダイオードが形
成される。また１、二のウェハ３５は千ツブ化された時
点て各チップ因に受光素子およびレーザダイオードをそ
れぞれ３個有するようになる。

最初に受光素子の製造につい゛（説明する。前記ウェハ
３５の一面の多層成長層２はｒｌ形のＩ　ｎ、　Ｐの基
板１上に１１形１ｎＰのバッファ層３６（２，＋１ｍ厚
さ）、ｎ形Ｔ　ｎ、　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　ｉ）の光吸収層
３７　（１、−４，５ｐｍ厚さ）、ｎ形Ｉ　ｎ　Ｐの窓
層３８　（ｉ−１，５〆ｒｍ厚さ）、■〕形１ｎＧａＡ
ｓＰのキャップ層３９　　（０，２ｐｍ厚さ）からなり
、たとえば、エビタギシャル成長処理乙こよって積層形
成さ才り、た構造となっている。、−のよ・うな多層成
長層２において、受光素子ばこのウェハ３５に３個１に
、■−Ｃ！Ｉ’ｈＹ横（オと列状態に形成されろ。ずな
わぢ、このつ：Ｉ−ハ３５のキャップ層１．Ｊ、第４図
に示されるように、絶縁膜４０をマスクとして常用のボ
Ｉ・工・２８ｆ−ソゲ技術によって、たとえば、８０＝
１００１！ｍ巾の大きさにイれイ゛れ３個開目られＺ）
。・そし５て１、二の孔部分１ｃ　！；ｌ“孔形成時の
エノ＋ングマスクをマスクとして、Ｚｎ（亜鉛）が拡１
１にされ７ｐ形拡１１シ層４１が形成される。なお、第
３図および第４図（、：ｌｌｌラフ分の断面が示され°
ζいる。

つぎに、前記（色縁膜４０は除去された後、ん菖、１膜
４２が形成されろ。また、前記絶縁膜４２４；Ｊｉｉ記
ｐ形拡１１（層４１に対面する部分にＪノンククＩ・孔
が設けられるとともに、このコンク〃１孔および所望部
分の絶縁体化３．（膜、！２＋、？ｉ″′亘−１，で、
たとえば、Ａ　ｕ　Ｇ　ｃ　／　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕか
らなろアノ−１電極１．６．　１７．　１．８　　（同
図で乙：Ｉ″アノ１゛電極１６のみが示されている。）
が設し」られる。なお、第５図乃第７図ば単一・の受光
素子部分および受光素子部分のみを示す拡大断面図であ
る。

つぎに、前記ウェハ３５の他面の多層成長層３に設けら
れるレーザダイオード７、ｉＬ　　９の製造乙こついて
説明する。前記１″ノエハ３５の他面の多層成に層３は
、第３図に示されるように、液４・１ＬＬビター）−シ
ャル法あるいはＭ　Ｏ−ＣＶ　Ｉ）法によって積層形成
された多層であって、前記２ｔｌ板１０表面６．−直接
形成された厚ざ０．３μｍ稈度のｎ形１　ｎ　Ｐからな
るクラッド層４３と、このクラン１゛層４３上に形成さ
れた欅さ０．０６μＩ’ｎ程度のｉ　ｎ　Ｇ　ａＡｓＰ
からなる活性層４４と、この活性層４４上に形成された
厚さ０．２１１ｍ程度のｐ形１ｎＰからなるクラッド層
４５と１．二のクラッド層４５　Ｌに形成された厚さ０
．１７ｆｍ程度のｎ形１　ｎ　Ｇ　ａＡ　ｓ　Ｐからな
るキャンプ層４Ｇからなっている。

上人−１．前記多層成長層３の下の基板１表面に！ｆ６
μｍ幅程度の溝（チャネル）４７が設けられている。

つぎに、第６図に示されろように、前記チャネル４７に
対面する多層成長層３の表面領域を除くウェハ３５の全
域に絶縁膜４８が設ｂｔられるとともに、この絶縁膜４
８をマスクとしてＺｎが拡１１々され、前記クラッド層
４５の途中深さに迄達するｐ膨拡散層４９が形成される
。その後、前記絶縁膜４Ｂは除去される。次いで、第７
図ｔこ示されるように、前記多層成長層３−ヒにはたと
え１４、△ＵＧ　ｅ　／　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕからなる
アノード電極２８，２９．３０（同図ではアノード電極
２８のみが示されている。）が形成された後、ウェハ３
５の表裏面ばメサエッチングが施され、各受光素子間お
よびレーザダイオード間はアイツレ−１−される。

つぎに、前記クラッド層４５は、第１図に示されるよう
に、受光素子およびレーザダイオードをそれぞれ３個ず
つ有するように分断されるとともに、基板１の一端には
、たとえば、ＣｒＡｕからなるカソード電極１９が形成
され、光電素子（チップ）３４が製造される。

このようなチップ３４は、第１図に示されるように、光
中継機に組み込まれて使用される。すなわち、たとえば
、光学的切換ユニット１４および電気的切換ユニット２
１の切り換えによって、光信号２２は受光素子４で受光
される。この電気的切換ユニット２１は○／Ｅ変換部２
０によって電気信号に変換された後増幅され、再びＥ１
０変換部３１によって光信号に変換され、光学的切換ユ
ニット２７および電気的切換ユニソＩ・３２の切換操作
によって、レーザダイオード７からｊｍｍ四回線用光フ
ァイバ２６送り出される。また、使用に供されている受
光素子４またはおよびレーザダイオード７が故障した場
合は、その故障を検出し自動的に電気的切換ユニソ１−
２１．３２およびＯ／Ｅ変換部２０．Ｅ１０変換部３１
が動作して、他の受光素子５，６あるいはレーザダイオ
ード８゜９が光通信動作に関与するようになっているこ
とから、光中継機として、信頼度が向上するとともに、
寿命も長くなる。

〔効果〕

（１）本発明の光中継機によれば、受光素子および発光
素子が複数設けられているとともに、これら各素子と通
信回線用光ファイバとの光の授受の切り換えは自由に行
なえることから、使用中の素子に支障を来した際切り換
えによって、瞬時に新たな素子と通信回線用光ファイバ
との間で光信号の授受が可能となるため、光信号中左陸
に冗長性が生じるという効果が得られる。

（２１Ｊ：：記（１）から、本発明の光中継機は、光通
信の信頼度が高くなるという効果が得られる。

（３）上記（１）から、本発明の光中継機は、受光部。

発光部が複数存在し、かつ使用に際して、順次新たな受
光部１発光部を使用していけることから、寿命が長くな
るという効果が得られる。

（４）本発明の光中に「機に３、■み込まれている光電
素子は、複数の受光素子および発光素子をモノリシック
に組み込んだ構造となっているため、複数の受光素子お
よび発光素子を組み込む必要がある場合において、一つ
の光電素子チップでその用が足りるため、光中継機の小
型化が達成できるという効果が得られる。

（５）上記（４）から、本発明の光中ｍ機は単一チップ
の組み立てにより、光中継機の部品数低減および製造工
数低減から、製造コストの軽減が達成できるという効果
が得られる。

（６）上記（１）〜（５）により、本発明によれば、光
通信システムの信頼度が高くかつ長寿命の光中Ｉ［を安
価に提供することができるという相乗効果が得られる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない、たとえば、第８図は受光
素子と発光素子がそれぞれ一つモノリシックに組み込ま
れた光信号中継素子（光電素子）であるが、このような
素子構造にすれば、単一チップで光中継が行なえるとい
う効果が得られる。また、前記実施例では、カソード電
極１９はチップ３４の端面に設けたが、チップ３４の表
裏のいずれの平坦面側に設けても前記実施例同様な効果
が得られる。

また、前記実施例では、受光素子間と発光素子間のアイ
ソレーションは同一工程で行なったが、それぞれ独立し
た工程で行なっても前記実施例同様な効果が得られる。

また、通信回線用光ファイバ１３に対する各受光素子お
よび発光素子の光信号の切り換えは、ｉｆＱ　（菖凹仙
（用光ファイバ１３に対し７て千ノブ３（４を相対的に
移Φ）１さ−ＵろようＱこ１−７で１■な−６７も前記
実ｈｊｉｉ例同様な功ＴがｒｉらＪ′１．る。

〔利用分野］ 以−Ｉの説明でに１−トとし７てオ発明−Ｉイによ１、
−Ｃなさ相ノ、−発明をその背景、となった利用分野て
あイ）・受を素子とレーザダイオードとによる光通ｆ、
）１々？４’■（１１ｉ内用し７だ場合につい−ｃ　１
ｉ３）、明＋−，たか、それに限定されＺ、ものではな
く、受光素子と発光タ゛イオード乙こよイ）光ｊｍｍク
システ、技１・１・１などに適用−ｒき／：、）。

本発明は少なくとも光ｊｍ信技術！５二は適用−できる
。

図面のｎ’ｓ　ｒｉ舅（説明 第１図シ１１本発明の−・実施例による光ｉｍｍヤシス
ケ、におＬＪる光中８Ｆ＋部を示す模式図、第２Ｙメ１
は同じく第１し１（７）　ＩＩ−■線に沿う断面図、第
３図し：１同しく光中紺素子の製造ブｊ法においＩ’Ｚ
）・：ノエハを示ず断面Ｉ４、 第４図は同ｊシ＜・″ノエハの一面（１，ｒ受光素子形
成のための拡散領域が形成され）、二状態を示す断面図
、第５図し１１同じく受光素子が形成されたウェハの拡
大断面図、 第６図は同（つ＜ウェハの他面にレーリ゛タ゛イオード
形成のための多層成長層および拡ｊ１（層が形成された
状態を示す拡大断面図、 第７図１．Ｊ同しくレーザダイオードの電極およびメ４
Ｊ工・７チングが施されたう」−ハ峻示ず拡大ＩＩｌ’
ｉ面し１、 第８図は本発明の他の実施例による光信υ−中継を行な
）光電子装置の概要を示ず拡大断面図である。

１・・・基板、２，３・・・多層成長層、４゜５．６・
・・受光素子、７．　８．　９・・・レーザダイオード
（半導体レーザ）、１０．　１１．　１２・・・分岐光
ファイバ、１３・・・通信回線用光ファイバ、１４・・
・光学的切換ユニット、１５・・・制御部、１（ｉ、１
７．１８・・・アノード電極、１９・・・カソード電極
、２０・・・０／Ｅ変換部、２１・・・電気的切換ユニ
ソ１−１２２・・・光信号、２３，２４．２５・・・分
岐光ファイバ、２６・・・通信回線用光ファイバ、２７
・・・光学的切換ユニット、２８．２９．３０・・・ア
ノ−Ｉ−電極、３１・・・ＩＥ　／　Ｏ変換部、３２・
・・電気的切換ユニット、３３・・・配線、３４・・・
光電素子（チップ）、３５・・・ウェハ（化合物゛１１
導体板）、３Ｇ・・・ハソファ層、３７・・・光吸収層
、３８・・・窓層、３９・・・キャップ層、４０・・・
絶縁膜、４１・・・ｐ膨拡！１（層、４２・・・絶縁膜
、４３・・・クラッド層、４４・・・活性層、４５・・
・クラット層、４６・・・キャンプ層、４７・・・溝（
チャネル５つ トマ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１つの基板に受光部と発光部が少なくとも１個設け
   られていることを特徴とする光電素子。 ２、前記受光部と発光部とはそれぞれ一対で光中継部を
   構成していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の光電素子。 ３、受光部と発光部がそれぞれ複数モノリシックに設け
   られた光電素子と、この光電素子との間で光の授受を行
   う光ファイバと、前記光ファイバと受光部および発光部
   との間の光の授受の切り換えを行う切換ユニットとを有
   することを特徴とする光電子装置。