JPH08306952A - Semiconductor optical element and semiconductor optical module - Google Patents
Semiconductor optical element and semiconductor optical moduleInfo
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- JPH08306952A JPH08306952A JP10572795A JP10572795A JPH08306952A JP H08306952 A JPH08306952 A JP H08306952A JP 10572795 A JP10572795 A JP 10572795A JP 10572795 A JP10572795 A JP 10572795A JP H08306952 A JPH08306952 A JP H08306952A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野での光加入
者系の光波長多重伝送用として、二つの異なった波長の
入力光を分離し、各々を独立に光検出できる半導体光素
子及び光モジュールに関するものである。また、波長多
重された入力光を分離検出する機能に加え、送信用の光
を光ファイバーに送り出す機能をも併せ持つ、波長多重
双方向通信用の半導体光素子及び光モジュールにも関連
したものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor optical device capable of separating input lights of two different wavelengths and independently detecting each of them for use in optical wavelength division multiplexing transmission of an optical subscriber system in the field of optical communication. And an optical module. The present invention also relates to a semiconductor optical device and an optical module for wavelength-division bidirectional communication, which has a function of sending out light for transmission to an optical fiber in addition to a function of separating and detecting the wavelength-division-multiplexed input light.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光波長多重双方向通信用の素子として
は、1.３μｍ帯、1.５５μｍ帯の二つの異なった波長の
入力光をそれぞれ独立に受信することができる素子が望
まれており、また光加入者用の素子としては、システム
の小型化、簡単化の観点からモノリシック集積化が望ま
れている。2. Description of the Related Art As an element for two-way optical wavelength division multiplexing, an element capable of independently receiving input light of two different wavelengths of 1.3 μm band and 1.55 μm band is desired. In addition, as an element for optical subscribers, monolithic integration is desired from the viewpoint of system miniaturization and simplification.
【０００３】従来、加入者系の光波長多重伝送用の光集
積回路としては、特願平３−２６１３７１号（特開平５
−７５０９３号公報参照）が提案されている。この一例
を図１１に示す。同図に示すように、同一基板（ｎ−Ｉ
ｎＰ）１０上に、1.３μｍ用の光検出器１と、1.５５μ
ｍ用の光検出器３とを連続して配置した集積回路が構成
されており、1.３μｍ帯と1.５５μｍ帯との波長の光
を、異なる領域の電極から個別に検出している（報告例
１）。Conventionally, as an optical integrated circuit for optical wavelength division multiplexing transmission of a subscriber system, Japanese Patent Application No. 3-261371 (Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei.
-75093 gazette) is proposed. An example of this is shown in FIG. As shown in the figure, the same substrate (n-I
nP) 10 and a photodetector 1 for 1.3 μm and 1.55 μ
A photodetector 3 for m is continuously arranged to form an integrated circuit, and light having wavelengths of 1.3 μm band and 1.55 μm band is individually detected from electrodes in different regions ( Report example 1).
【０００４】また、同様の目的で半導体光導波路回路を
用いた例としては、１９９２年のＩＥＥ Electronics L
etter Vol.28 No.12においてP.M.Charles 等によって報
告された波長分波用マッハツエンダー型導波路回路と半
導体レーザの集積素子がある（報告例２）。An example of using a semiconductor optical waveguide circuit for the same purpose is IEEE Electronics L of 1992.
There is a Mach-Zehnder waveguide circuit for wavelength demultiplexing and a semiconductor laser integrated device reported by PM Charles et al. in etter Vol.28 No.12 (report example 2).
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記報
告例１においては、素子前部の吸収領域で受信された1.
３μｍ帯の光が、この領域で十分に吸収しきれずに後方
吸収領域で1.５５μｍ帯の光と同時に吸収され検出され
る場合や、さらに送信用の1.３μｍ用レーザが送信時に
同様に1.５５ミクロン吸収用の光検出器に送信光の1.３
μｍの光が入ってしまう場合が発生するという虞があ
る。この結果、1.３μｍと1.５５μｍとのあいだのクロ
ストークが低減できないという問題点を持っている。However, in the above reported example 1, the signal was received in the absorption region at the front of the device.
When the light in the 3 μm band cannot be fully absorbed in this region and is absorbed and detected at the same time as the light in the 1.55 μm band in the rear absorption region, the 1.3 μm laser for transmission is also used at the time of transmission. Transmitted light to photodetector for absorption of 0.55 micron 1.3
There is a possibility that light of μm may enter. As a result, there is a problem that crosstalk between 1.3 μm and 1.55 μm cannot be reduced.
【０００６】また、集積型導波路回路（報告例２）で
は、動作温度によってその特性が変化しやすく、また使
用できる波長の帯域が狭いという欠点があるため、未だ
実用化デバイスとして実用化には至っていない。Further, the integrated waveguide circuit (report example 2) has the drawbacks that its characteristics are likely to change depending on the operating temperature and that the usable wavelength band is narrow, so that it cannot be put to practical use as a practical device. I haven't arrived.
【０００７】本発明は上記問題に鑑み、二つの異なった
波長の入力光を分離し、クロストークの発生を抑制しそ
れぞれ光検出することが可能な半導体素子及び半導体光
モジュールを提供することを目的とする。In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a semiconductor element and a semiconductor optical module which can separate input light of two different wavelengths, suppress the occurrence of crosstalk, and detect light respectively. And
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る半導体光素子の構成は、同一半導体基板上に、
少なくとも光入射導波路と該入射導波路に続く曲線導波
路と、前記曲線導波路の外周部に配置した第一の受光器
と、前記曲線導波路の延長上に配置した第二の受光器と
を具備することを特徴とする。The structure of a semiconductor optical device according to the present invention which achieves the above-mentioned object is as follows.
At least a light incident waveguide, a curved waveguide following the incident waveguide, a first light receiver arranged on an outer peripheral portion of the curved waveguide, and a second light receiver arranged on an extension of the curved waveguide. It is characterized by including.
【０００９】上記半導体素子において、前記曲線導波路
の前記第一の受光器と前記第二の受光器との間に、光合
波部と、該光合波部に続く出力光入射導波路とを形成
し、前記入射導波路を入出力導波路とすることを特徴と
する。In the above semiconductor device, an optical combining section and an output light incident waveguide following the optical combining section are formed between the first optical receiver and the second optical receiver of the curved waveguide. However, the incident waveguide is used as an input / output waveguide.
【００１０】上記構成において、前記曲線導波路のガイ
ド層及びガイド層の一部が少なくとも前記第一の受光器
まで及んでいることを特徴とする。In the above structure, the guide layer of the curved waveguide and a part of the guide layer extend to at least the first light receiver.
【００１１】上記構成の半導体光素子において、前記入
出力導波路の端面と、前記出力光入射導波路の端面とが
同一面内にあることを特徴とする。In the semiconductor optical device having the above structure, the end surface of the input / output waveguide and the end surface of the output light incident waveguide are in the same plane.
【００１２】また、一方の半導体光モジュールの構成
は、前記半導体光素子の前記入射導波路の端面ないしは
前記入出力導波路の端面に、光ファイバーを光学的に結
合したことを特徴とする。Further, the structure of one of the semiconductor optical modules is characterized in that an optical fiber is optically coupled to an end face of the incident waveguide or an end face of the input / output waveguide of the semiconductor optical device.
【００１３】上記構成において、前記出力光入射導波路
に半導体レーザを光学的に結合することを特徴とする。In the above structure, a semiconductor laser is optically coupled to the output light incident waveguide.
【００１４】以下、本発明の内容を詳細に説明する。The contents of the present invention will be described in detail below.
【００１５】本発明は、半導体材料において、使用する
光の波長と半導体材料のバンドギャップエネルギー（バ
ンドギャップ波長）とが接近している場合に、その屈折
率が使用する光の波長によって大きく変動するという半
導体材料の特性を利用し、簡単な曲がり導波路構造を用
いて1.５５ミクロン通信光の放射と、1.３ミクロンの通
信光の伝搬とを精度良く分波、受光することで、1.５５
μｍと1.３μｍとの間のクロストークを大幅に低減した
半導体光素子を提供するものである。According to the present invention, in a semiconductor material, when the wavelength of light used and the bandgap energy (bandgap wavelength) of the semiconductor material are close to each other, the refractive index thereof largely varies depending on the wavelength of light used. By utilizing the characteristics of the semiconductor material described above and accurately demultiplexing and receiving the emission of 1.55 micron communication light and the propagation of 1.3 micron communication light using a simple curved waveguide structure, 1 .55
Provided is a semiconductor optical device in which crosstalk between μm and 1.3 μm is significantly reduced.
【００１６】本発明の素子構成図を図１に示す。図１
中、符号１は半導体基板、２は信号光入出力位置、３は
曲がり光導波路、４は第二の光受光器、５は第一の光受
光器、６は光合波部、７は送信光入射位置を各々図示す
る。また、図中、符号８，９は、伝搬する光のモードサ
イズを拡大するためのテーパ導波路を各々図示し、この
導波路８，９により、本素子と光ファイバなどの他の光
素子との結合効率を高め、この結合部での放射光の発生
を抑制する効果がある。FIG. 1 is a block diagram of the element of the present invention. FIG.
In the figure, reference numeral 1 is a semiconductor substrate, 2 is a signal light input / output position, 3 is a curved optical waveguide, 4 is a second optical receiver, 5 is a first optical receiver, 6 is an optical multiplexer, and 7 is transmitted light. The incident positions are shown in the figures. Further, in the figure, reference numerals 8 and 9 respectively indicate tapered waveguides for enlarging the mode size of propagating light, and the waveguides 8 and 9 enable the present element and other optical elements such as optical fibers to be connected. Has the effect of increasing the coupling efficiency of and reducing the generation of radiated light at this coupling portion.
【００１７】次に各波長の光における本素子の波長分波
機能の作用を説明する。ここで、受信光Ｌ-1は1.３μｍ
と1.５５μｍとの光よりなっているとする。まず、1.３
ミクロン波長の受信光は、図１に示すように、信号光入
出力位置２から結合され、テーパ導波路８からある曲率
で曲げられた曲がり導波路３を経由して第二の光受光器
４に導かれる。一方、1.５５ミクロンの信号光は、同様
にして、信号光入出力位置２に結合され曲がり導波路３
に導かれるが、該曲がり光導波路３を曲がることができ
ず、放射し、第一の光受光器５によって検出される。こ
の動作原理は温度に依存され難い。尚、合波部６として
Ｙ分岐光回路を用いると、1.３μｍの受信光Ｌ-1の一部
は送信光入射位置７の方向にも導かれる。Next, the function of the wavelength demultiplexing function of the present device for light of each wavelength will be described. Here, the received light L-1 is 1.3 μm
And 1.55 μm. First, 1.3
As shown in FIG. 1, the received light of the micron wavelength is coupled from the signal light input / output position 2 and passes from the tapered waveguide 8 through the curved waveguide 3 which is bent with a certain curvature to obtain the second optical receiver 4 Be led to. On the other hand, the signal light of 1.55 micron is similarly coupled to the signal light input / output position 2 and bent waveguide 3
However, the bent optical waveguide 3 cannot be bent, emits, and is detected by the first optical receiver 5. This operating principle is unlikely to depend on temperature. When a Y-branch optical circuit is used as the multiplexing unit 6, a part of the received light L-1 of 1.3 μm is also guided to the transmission light incident position 7.
【００１８】一方、送信光入射位置７から1.３μｍの送
信光Ｌ-2を入射すると、合波部６で曲がり導波路３に合
波された後、受信光Ｌ-1とは逆の順路を通り信号光入出
力位置２から出力される。On the other hand, when the transmission light L-2 of 1.3 .mu.m is incident from the transmission light incident position 7, after it is combined in the bending waveguide 3 by the combining unit 6, it is the reverse path to the reception light L-1. And is output from the signal light input / output position 2.
【００１９】図２は、ガイド層が少なくとも図１で示す
第一の受光器５まで及んでいる導波路構造の一例である
埋め込みリブ型半導体光導波路構造の断面構造を示す。
この図２において符号１０はＩｎＰ基板、１１はバンド
ギャップ波長1.１ミクロンのＩｎＧａＡｓＰガイド層で
あり、１２は上部ＩｎＰクラッド層を各々図示する。FIG. 2 shows a cross-sectional structure of a buried rib type semiconductor optical waveguide structure which is an example of a waveguide structure in which the guide layer extends to at least the first photodetector 5 shown in FIG.
In FIG. 2, reference numeral 10 is an InP substrate, 11 is an InGaAsP guide layer having a bandgap wavelength of 1.1 μm, and 12 is an upper InP cladding layer.
【００２０】混晶半導体材料では、ガイド層１１のよう
に、しばしば材料組成をバンドギャップ波長で表す。こ
の様な光導波路の構成材料に使用した場合、1.３μｍ及
び1.５５μｍの信号光が感じる屈折率の差は小さくな
い。光信号波長が1.３ミクロンの場合は、ＩｎＰ材料の
屈折率が約3.２１、バンドギャップ波長1.１ミクロンの
ＩｎＧａＡｓＰ材料が約3.３４となるが、一方の1.５５
ミクロン波長の信号光では、それぞれ約3.１７と3.２８
となる。このため、同一の導波路構造に、それぞれ違っ
た波長の光信号が入射した場合、その導波特性に大きな
差を生じる。In the mixed crystal semiconductor material, like the guide layer 11, the material composition is often expressed by the band gap wavelength. When used as a constituent material of such an optical waveguide, the difference in refractive index felt by signal lights of 1.3 μm and 1.55 μm is not small. When the optical signal wavelength is 1.3 μm, the refractive index of the InP material is about 3.21, and the InGaAsP material with a bandgap wavelength of 1.1 μm is about 3.34.
For signal light of micron wavelength, about 3.17 and 3.28, respectively.
Becomes Therefore, when optical signals of different wavelengths are incident on the same waveguide structure, a large difference occurs in the waveguide characteristics.
【００２１】図２に示す埋め込みリブ型の導波構造で
は、導波路の等価屈折率と横方向（ｙ方向）の比屈折率
差が、比較的大きな差を示す。このうち、等価屈折率
（または、実効屈折率）は、外気温度などの変化によっ
て材料屈折率が変化するにつれて変化するが、横方向の
比屈折率は、各屈折率が相対的に変化するため、外気温
度などに影響され難い。In the buried rib type waveguide structure shown in FIG. 2, the difference between the equivalent refractive index of the waveguide and the relative refractive index in the lateral direction (y direction) shows a relatively large difference. Of these, the equivalent refractive index (or effective refractive index) changes as the material refractive index changes due to changes in the outside temperature, but the lateral relative refractive index changes because each refractive index changes relatively. It is not easily affected by outside temperature.
【００２２】横方向の比屈折率差は、図２に示すよう
な、埋め込みリブ型の導波路構造において、リブ構造の
加工深さｔによって決まる。The lateral relative refractive index difference is determined by the processing depth t of the rib structure in the buried rib type waveguide structure as shown in FIG.
【００２３】その一例として、波長1.３ミクロンと1.５
５ミクロンにおけるこの導波路構造の横方向比屈折率差
を計算した例を図３に示す。As an example, wavelengths of 1.3 microns and 1.5
An example of calculating the lateral relative refractive index difference of this waveguide structure at 5 microns is shown in FIG.
【００２４】ここで、図３の説明に先立って、「等価屈
折率」及び「横方向比屈折率差」の定義について、図９
を参照して説明する。Prior to the explanation of FIG. 3, the definitions of the “equivalent refractive index” and the “lateral relative refractive index difference” will be described with reference to FIG.
Will be described with reference to.
【００２５】＜等価屈折率Ｎepと横方向の比屈折率差の
説明と定義＞ （１）等価屈折率法によるストリップ装荷型導波路構造
の解析 導波路構造の一般的な解析手法に等価屈折率法（参考文
献１：応用物理学会日本光学会編：“微小光学の物理的
基礎”朝倉書店1991、３０−３９ページ参照）がある。
この等価屈折率法では、まず、三次元光導波路構造（本
発明で限定する埋め込みリブ型導波路構造：図９
（ａ））を、その構造の違いにより、幾つかの領域に分
け、それぞれの領域を、図９（ｂ）に示すような、ｙ方
向に連続して続く屈折率の層がｘ方向に数種類接続され
ている構造（スラブ導波路構造）として、近似する。こ
の構造は、ｙ方向が各屈折率層として連続であるため、
ｘ方向に関する一次元の固有値問題として取り扱うこと
ができる。このため、上記参考文献30−32ページに記載
されるマトリックス法を用いることにより、各領域のス
ラブ導波路構造における等価屈折率を求めることができ
る。この屈折率は、各構造において光が感じる実効的な
屈折率である。次いで、各領域の等価屈折率を使って、
今度は導波路構造をｘ方向に連続なスラブ導波路構造と
見なし（図９（ｃ））、再びマトリックス法によって固
有値を求め、その固有値を三次元導波路構造の全体の等
価屈折率とする。<Description and Definition of Equivalent Refractive Index Nep and Lateral Specific Refractive Index Difference> (1) Analysis of Strip-Loaded Waveguide Structure by Equivalent Refractive Index Method Equivalent refractive index is used as a general method for analyzing a waveguide structure. Law (Reference 1: Japan Society of Applied Physics, Japan Optical Society: “Physical Basics of Micro Optics”, Asakura Shoten, 1991, pp. 30-39).
In this equivalent refractive index method, first, a three-dimensional optical waveguide structure (embedded rib type waveguide structure defined in the present invention: FIG.
(A)) is divided into several regions according to the difference in the structure, and each region has several layers in the x direction, each layer having a continuous refractive index in the y direction, as shown in FIG. 9 (b). It is approximated as a connected structure (slab waveguide structure). Since this structure is continuous in the y direction as each refractive index layer,
It can be treated as a one-dimensional eigenvalue problem in the x direction. Therefore, the equivalent refractive index in the slab waveguide structure in each region can be obtained by using the matrix method described on pages 30 to 32 of the reference document. This refractive index is an effective refractive index that light senses in each structure. Then, using the equivalent refractive index of each region,
This time, the waveguide structure is regarded as a slab waveguide structure continuous in the x direction (FIG. 9C), the eigenvalue is obtained again by the matrix method, and the eigenvalue is set as the equivalent refractive index of the entire three-dimensional waveguide structure.
【００２６】＜横方向の比屈折率差＞上記導波路解析手
段において、三次元導波路構造のｙ方向横方向の光閉じ
込め状態は、領域１の等価屈折率Ｎeq１と領域２の等価
屈折率Ｎeq２の差によって決定される。<Difference in Specific Refractive Index in Lateral Direction> In the above waveguide analysis means, the optical confinement state in the lateral direction in the y direction of the three-dimensional waveguide structure is equivalent to the refractive index Neq1 in the region 1 and the equivalent refractive index Neq2 in the region 2. Is determined by the difference between.
【００２７】この等価屈折率の差を比屈折率差Δと表現
すれば、図９の導波路構造における比屈折率差は、等価
屈折率法の近似によって最終的には、三層スラブ構造に
置き換えられているので、その時の等価屈折率Ｎeq１と
Ｎeq２を用いて、If the difference in the equivalent refractive index is expressed as a relative refractive index difference Δ, the relative refractive index difference in the waveguide structure of FIG. 9 is finally converted into a three-layer slab structure by approximation of the equivalent refractive index method. Since they have been replaced, using the equivalent refractive indices Neq1 and Neq2 at that time,
【数１】 で与えられる。この値がＹＺ平面（図９中、ｙ方向とｚ
方向）面内で、導波する光に対して曲がり導波路構造を
形成した場合、その曲がり導波路構造における放射損失
や臨界曲げ半径（放射損失なしに曲げられる最小半径）
を決める要素となる。通常比屈折率差が大きいほど、臨
界曲げ半径は小さくすることができる。[Equation 1] Given in. This value is the YZ plane (in FIG. 9, y direction and z
(Direction) In the plane, when a curved waveguide structure is formed for guided light, the radiation loss and the critical bending radius in the curved waveguide structure (the minimum radius that can be bent without radiation loss)
Will be the deciding factor. Generally, the larger the relative refractive index difference, the smaller the critical bending radius can be made.
【００２８】次に、「リブ構造の堀込み深さ（ｔ）と、
横方向の比屈折率差との関係」を示す図３では、厚さ0.
３ミクロンのガイド層１１を、加工深さｔで加工した場
合の横方向（図２中、ｙ方向）の比屈折率差を示してい
る。太い実線（ＴＭ1.３）と太い波線（ＴＭ1.３）と
は、それぞれ1.３ミクロン波長でのＴＥ偏波状態および
ＴＭ偏波状態の比屈折率差を示す。また、細い実線（Ｔ
Ｅ1.５５）と細い波線（ＴＭ1.５５）とは、1.５５ミク
ロン波長でのＴＥ偏波状態及びＴＭ偏波状態の比屈折率
差を示す。光の偏波状態で分類したのは、半導体光導波
路構造では、各波長の光において、導波路に入射する際
の偏波状態によっても導波路構造の屈折率が変化するた
めである。Next, "Drilling depth (t) of the rib structure and
In Fig. 3 showing "the relationship with the relative refractive index difference in the lateral direction", the thickness is 0.
The relative refractive index difference in the lateral direction (the y direction in FIG. 2) when the 3-micron guide layer 11 is processed at the processing depth t is shown. The thick solid line (TM1.3) and the thick wavy line (TM1.3) indicate the relative refractive index difference between the TE polarization state and the TM polarization state at 1.3 micron wavelength, respectively. Also, a thin solid line (T
E1.55) and the thin wavy line (TM1.55) indicate the relative refractive index difference between the TE polarization state and the TM polarization state at a wavelength of 1.55 microns. The reason why the light is polarized according to the polarization state is that, in the semiconductor optical waveguide structure, the refractive index of the waveguide structure changes depending on the polarization state of the light of each wavelength when entering the waveguide.
【００２９】この図３から、加工深さｔを増加させるに
つれて、各波長での比屈折率差の差が増大することがわ
かる。It can be seen from FIG. 3 that the difference in relative refractive index difference at each wavelength increases as the processing depth t increases.
【００３０】また、各偏波状態においても、1.３ミクロ
ン波長の光と1.５５ミクロン波長の光とでは、明確な差
がでることがわかる。It is also understood that, in each polarization state, there is a clear difference between the light of 1.3 μm wavelength and the light of 1.55 μm wavelength.
【００３１】この計算値を用い曲がり導波路構造での放
射損失を計算した例を図４に示す。この図４は、横軸が
曲がり導波路構造の曲率半径（mm）を、縦軸はその曲率
半径で９０度導波方向を変えた場合の放射損失（dB）を
示す。An example of calculating the radiation loss in the curved waveguide structure using these calculated values is shown in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents the radius of curvature (mm) of the curved waveguide structure, and the vertical axis represents the radiation loss (dB) when the waveguide direction is changed by 90 degrees with the radius of curvature.
【００３２】図４中、計算例として、リブ構造の加工深
さｔを0.１ミクロンと0.２ミクロンの場合をそれぞれ細
い実線および波線、太い実線、波線で示す。この実線と
波線は、図３の比屈折率差の計算例において、その特性
が接近していた、1.３ミクロン波長ＴＭ偏波状態と1.５
５ミクロン波長ＴＥ偏波状態を比較している。In FIG. 4, thin solid lines, wavy lines, thick solid lines, and wavy lines are shown as examples of calculation when the processing depth t of the rib structure is 0.1 micron and 0.2 micron, respectively. The solid line and the wavy line have the characteristics close to each other in the calculation example of the relative refractive index difference in FIG.
The 5 micron wavelength TE polarization states are compared.
【００３３】この図４から、各加工深さｔの状態におい
て、最適な曲率半径を選択すれば、1.３ミクロン波長の
光信号は過剰損失なしに導波路伝搬するが、1.５５ミク
ロン波長の光は全て放射してしまう状態を作りだせるこ
とがわかる。この例で言えば、ｔ＝0.２ミクロンの場合
は、曲率半径は約0.７５mm程度でｔ＝0.１ミクロンの場
合は約２mm程度で、それぞれ２０dB以上の波長選択を行
うことが可能である。From FIG. 4, if the optimum radius of curvature is selected at each processing depth t, an optical signal of 1.3 μm wavelength propagates in the waveguide without excessive loss, but 1.5 μm wavelength. It can be seen that all of the light in the can produce a state in which it emits light. In this example, when t = 0.2 micron, the radius of curvature is about 0.75 mm, and when t = 0.1 micron, it is about 2 mm, and wavelengths of 20 dB or more can be selected. Is.
【００３４】この構造で分波された、各波長での光信号
は、それぞれ、曲がり導波路の延長線上の配置した受光
器と曲がり導波路の外周部に配置した受光器によって受
信される。この時、導波路を伝搬する1.３ミクロンの光
信号は、直接、吸収層に導かれる受光は容易であるが、
放射光となった1.５５ミクロンの光信号の多くが、図１
で示すＩｎＰ基板１０に放射されるため、第一の受光器
５で受光することは困難である。The optical signals at the respective wavelengths demultiplexed by this structure are respectively received by the light receiver arranged on the extension line of the curved waveguide and the light receiver arranged on the outer peripheral portion of the curved waveguide. At this time, although the 1.3-micron optical signal propagating in the waveguide is directly guided to the absorption layer, it is easy to receive light.
Many of the 1.55 micron optical signals that became synchrotron radiation are
It is difficult for the first light receiver 5 to receive the light because the light is emitted to the InP substrate 10 shown by.
【００３５】このため、本発明では、導波路構造に、図
２に示す埋め込みリブ型か、または図１０に示すよう
な、リブ型、ストリップ装荷型など、平面に連続するガ
イド層を有する導波路構造を用いるようにしている。For this reason, in the present invention, the waveguide structure has a guide layer having a continuous planar surface, such as a buried rib type shown in FIG. 2 or a rib type or strip loading type as shown in FIG. I use the structure.
【００３６】このことによって、この半導体光素子は、
縦方向（ｘ方向、基板面に対して垂直方向）の光の閉じ
込めを光素子全面にわたり確保している。この効果によ
って、曲がり部でｙ方向に放射した1.５５ミクロンの信
号光は、縦方向の光閉じ込めをもったまま、放射するの
で、ＹＺ平面内（図２，図９に記載する方向および面）
にのみ放射性の広がりをもった導波光として曲がり導波
路部の外周部を光伝搬することになる。このため、図１
に示すように、曲がり導波路３の外周の比較的近接した
位置に配置した第一の光受信器５によって効率よく受信
することができる。As a result, this semiconductor optical device
Light confinement in the vertical direction (x direction, vertical to the substrate surface) is secured over the entire surface of the optical element. Due to this effect, the signal light of 1.55 μm emitted in the y direction at the curved portion is emitted with the optical confinement in the vertical direction, so that the signal light in the YZ plane (directions and planes shown in FIGS. )
Only, the curved light propagates along the outer peripheral portion of the bent waveguide portion as the guided light having a radiative spread. For this reason,
As shown in, the first optical receiver 5 arranged at a relatively close position on the outer circumference of the curved waveguide 3 can efficiently receive the light.
【００３７】また、これらの光受信器（受光器）の周波
数応答速度は、その受信器の平面的な面積を依存してい
る。このため、高速の光信号を受信するためには、非常
に小さな、光受光部を使用しなくてはならない。The frequency response speed of these optical receivers (light receivers) depends on the planar area of the receiver. Therefore, in order to receive a high-speed optical signal, it is necessary to use a very small light receiving portion.
【００３８】この場合、放射光受信用の光受光器５は、
横方向に広がった光を受信することになるため、大きな
受信面積を必要と考えられるが、放射光の大半が曲がり
導波路構造への入射部で発生するため、比較的小さな光
受信器を使用しても十分な光受信感度を維持することが
できる。In this case, the optical receiver 5 for receiving the emitted light is
It is considered that a large reception area is required because it receives light that is spread in the lateral direction, but since most of the emitted light is generated at the entrance to the bent waveguide structure, a relatively small optical receiver is used. Even then, sufficient light receiving sensitivity can be maintained.
【００３９】[0039]
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を説明するが、
本発明はこれに限定されるものではない。The preferred embodiments of the present invention will be described below.
The present invention is not limited to this.
【００４０】＜実施例１＞図５に本発明の第１の実施例
を示す。図５（Ａ）は本発明により製作した半導体光素
子の斜視図、（Ｂ）はその断面構造図を示す。図５中、
符号１１１はＩｎＰ基板、１１２はバンドギャップ波長
1.１μｍ組成の光ガイド層、１１３はｎ形のＩｎＰクラ
ッド層、１１４はＩｎＧａＡｓの吸収層、１１５はｐ形
のＩｎＧａＡｓ層、１１６はｐ形のＩｎＰ層、１１７は
ｐ形のＧａＩｎＡｓＰキャップ層、１１８は半絶縁性の
ＩｎＰクラッド層、１１９はｐ型のＡｕＺｎＮｉ電極、
１２０はｎ形のＡｕＧｅＮｉ電極を各々図示する。この
図において、１２１は光信号光の入射位置、１２２は埋
め込まれた光導波路の位置を図示する。<Embodiment 1> FIG. 5 shows a first embodiment of the present invention. FIG. 5A is a perspective view of a semiconductor optical device manufactured according to the present invention, and FIG. 5B is a sectional structural view thereof. In FIG.
Reference numeral 111 is an InP substrate, 112 is a bandgap wavelength
An optical guide layer having a composition of 1.1 μm, 113 is an n-type InP clad layer, 114 is an InGaAs absorption layer, 115 is a p-type InGaAs layer, 116 is a p-type InP layer, 117 is a p-type GaInAsP cap layer, 118 is a semi-insulating InP clad layer, 119 is a p-type AuZnNi electrode,
Reference numerals 120 denote n-type AuGeNi electrodes, respectively. In this figure, 121 indicates the incident position of the optical signal light, and 122 indicates the position of the embedded optical waveguide.
【００４１】次に、図６に上記素子の試作工程の概略を
示す。 （１） 半絶縁性のＩｎＰ（１００）基板１１１上に
は、バンドギャップ波長1.１μｍ組成の光ガイド層１１
２、ｎ形のＩｎＰクラッド層１１３、ＩｎＧａＡｓの吸
収層１１４、ｐ形のＩｎＧａＡｓ層１１５、ｐ形のＩｎ
Ｐ層１１６、ｐ形のＩｎＧａＡｓキャップ層１１７を順
に結晶成長する（図６Ａ参照）。 （２） 続いて、光受信器となる部分の上部表面に、Ｓ
ｉＯ2 マスク１３０をフォトリソ工程により形成し、こ
の領域を硫酸：過酸化水素：水＝３：１：１水溶液（２
０度）によりｐ形のＧａＩｎＡｓキャップ層１１７を除
去し、続いて、塩酸：燐酸水溶液でｐ形のＩｎＰ層１１
６を除去し、再び硫酸：過酸化水素：水＝３：１：１水
溶液（２０度）によりｐ形ＩｎＧａＡｓ層１１５、Ｉｎ
ＧａＡｓ層１１４を除去する（図６Ｂ参照）。 （３） 再びフォトリソ工程によりレジストマスクをテ
ーパ導波路領域以外の部分に形成し、塩酸：燐酸水溶液
でｎ形のＩｎＰ層１１３を除去する（図６Ｃ参照）。 （４） 今度は光導波路のパターンをフォトリソ工程に
より形成し（図６Ｄ参照）、ドライエッチング技術をも
って、適当な深さにエッチングする。（実際の試作で
は、ｎ形のＩｎＰクラッド層１１３の厚さを0.１ミクロ
ン、バンドギャップ波長1.１μｍ組成の光ガイド層１１
２の厚さを0.３ミクロンとして、約0.４ミクロン深さで
エッチングした）（図６Ｅ参照）。 （５） その後、半絶縁性のＩｎＰクラッド層１１８を
再成長する（図６Ｆ参照）。この工程により、テーパ導
波路部は埋め込み構造、それ以外の部分はリブ構造の光
導波路構造を形成する。 （６） 最後に光受信器の側部をｎ形のＩｎＰクラッド
層１１３の上部まで再び部分的にエッチングし、ｎ形の
ＡｕＧｅＮｉ電極１２０を形成、続いてｐ形のＧａＩｎ
Ａｓキャップ層１１７の上部に残したＳｉＯ2 マスク１
３０をフッ酸で除去し、ｐ型のＡｕＺｎＮｉ電極１１９
を形成し素子を完成する（図６Ｇ参照）。Next, FIG. 6 shows an outline of a trial production process of the above device. (1) On the semi-insulating InP (100) substrate 111, an optical guide layer 11 having a bandgap wavelength of 1.1 μm is formed.
2, n-type InP clad layer 113, InGaAs absorption layer 114, p-type InGaAs layer 115, p-type In
The P layer 116 and the p-type InGaAs cap layer 117 are sequentially crystal-grown (see FIG. 6A). (2) Then, on the upper surface of the portion that will be the optical receiver, S
An io 2 mask 130 is formed by a photolithography process, and this region is treated with a sulfuric acid: hydrogen peroxide: water = 3: 1: 1 aqueous solution (2
The p-type GaInAs cap layer 117 is removed at 0 ° C., and then the p-type InP layer 11 is formed with a hydrochloric acid: phosphoric acid aqueous solution.
6 was removed, and the p-type InGaAs layer 115, In was again treated with an aqueous solution of sulfuric acid: hydrogen peroxide: water = 3: 1: 1 (20 degrees).
The GaAs layer 114 is removed (see FIG. 6B). (3) A resist mask is formed again in a portion other than the tapered waveguide region by a photolithography process, and the n-type InP layer 113 is removed with hydrochloric acid: phosphoric acid aqueous solution (see FIG. 6C). (4) This time, the pattern of the optical waveguide is formed by the photolithography process (see FIG. 6D), and is etched to an appropriate depth by the dry etching technique. (In the actual trial manufacture, the thickness of the n-type InP clad layer 113 is 0.1 μm, and the optical guide layer 11 has a bandgap wavelength of 1.1 μm.
2 with a thickness of 0.3 microns and was etched to a depth of about 0.4 microns) (see Figure 6E). (5) After that, the semi-insulating InP clad layer 118 is regrown (see FIG. 6F). By this step, the tapered waveguide portion has a buried structure and the other portions have a rib structure. (6) Finally, the side part of the optical receiver is partially etched again to the upper part of the n-type InP cladding layer 113 to form the n-type AuGeNi electrode 120, and then the p-type GaIn
SiO 2 mask 1 left above the As cap layer 117
30 is removed with hydrofluoric acid to form a p-type AuZnNi electrode 119.
Are formed to complete the device (see FIG. 6G).
【００４２】＜実施例２＞次に、本発明の第２の実施例
を示す。図５に示した素子を用い、図１に示した様に、
合波部６及びそれに続く導波路とテーパ導波路９を付加
することによって、波長多重双方向通信用光素子が形成
できる。尚、製作工程は基本的には実施例１と同じであ
るので、その説明は省略する。<Second Embodiment> Next, a second embodiment of the present invention will be described. Using the element shown in FIG. 5, as shown in FIG.
An optical element for wavelength-division bidirectional communication can be formed by adding the multiplexing section 6 and the waveguide and the tapered waveguide 9 following it. Since the manufacturing process is basically the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
【００４３】＜実施例３＞次に、本発明の第３の実施例
を図７を参照して説明する。なお、符号１は半導体基
板、２は信号光入出力位置、３は曲がり光導波路、４は
第二の光受光器、５は第一の光受光器、６は光合波部、
７は送信光入射位置、符号８，９は、伝搬する光のモー
ドサイズを拡大するためのテーパ導波路を各々図示す
る。上述した実施例１と同様な製作工程で上記素子を製
作したのち、光の入出力領域の両側に光結合時に生じる
放射光を除去する目的で、２０ミクロンの深さで、三角
形の溝２１を導波路８の各々の信号光入出力位置２及
び、導波路９の各々の送信光入射位置７において、相対
向して設けている。このような三角形の溝２１を設けた
効果により、1.５５ミクロン用の第一の光受光器５で検
出する1.３ミクロン波長の信号強度比、またはクロスト
ークを約５dB改善する。<Third Embodiment> Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Reference numeral 1 is a semiconductor substrate, 2 is a signal light input / output position, 3 is a curved optical waveguide, 4 is a second optical receiver, 5 is a first optical receiver, 6 is an optical multiplexer,
Reference numeral 7 is a transmission light incident position, and reference numerals 8 and 9 are taper waveguides for enlarging the mode size of propagating light. After manufacturing the above-mentioned device by the same manufacturing process as in the above-described first embodiment, a triangular groove 21 is formed at a depth of 20 μm on both sides of the light input / output region in order to remove radiated light generated at the time of optical coupling. The signal light input / output position 2 of the waveguide 8 and the transmission light incident position 7 of the waveguide 9 are provided so as to face each other. Due to the effect of providing such a triangular groove 21, the signal intensity ratio of 1.3 μm wavelength detected by the first optical receiver 5 for 1.55 μm or the crosstalk is improved by about 5 dB.
【００４４】尚、実施例１から３では、図１０（Ｂ）に
示すような埋め込みリブ型導波路を用いているが、図１
０（Ａ），（Ｃ）及び（Ｄ）に示すような他の導波路構
造を用いた場合でも、同様の効果が得られる。尚、図１
０中符号２００は基板、２０１は導波路ガイド層、２０
２は上部クラッド層、２０５は上部導波路ガイド層、２
０６は下部導波路ガイド層、２０７は埋め込みクラッド
層を各々図示する。また、製作工程も実施例１の工程に
若干の変更を加えることによって良いことは明らかであ
る。In Examples 1 to 3, the buried rib type waveguide as shown in FIG. 10B is used.
Similar effects can be obtained even when other waveguide structures as shown in 0 (A), (C) and (D) are used. FIG.
Reference numeral 200 denotes a substrate, 201 denotes a waveguide guide layer, 20
2 is an upper clad layer, 205 is an upper waveguide guide layer, 2
Reference numeral 06 is a lower waveguide guide layer, and reference numeral 207 is a buried cladding layer. It is also clear that the manufacturing process may be modified by slightly modifying the process of the first embodiment.
【００４５】＜実施例４＞次に、本発明の第４の実施例
を示す。図８に実施例４を示す。本実施例は、実施例
１，２の製作工程を使用し、素子製作を行った半導体光
素子１３１に光ファイバ１３２と半導体レーザ１３３を
接続し、半導体光モジュール１３４を製作した例を示
す。この半導体光モジュール１３４で用いる素子１３１
では、実施例１，２での９０度曲げ光導波路パターンを
改良し、１８０度曲げ導波路パターン１３５とすること
で、光ファイバ１３２と半導体レーザ１３３の光素子ア
ッセンブリを同一方向から行えるようにした。<Fourth Embodiment> Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. Example 4 is shown in FIG. This embodiment shows an example in which the semiconductor optical module 134 is manufactured by connecting the optical fiber 132 and the semiconductor laser 133 to the semiconductor optical element 131, which has been manufactured by using the manufacturing process of the first and second embodiments. Element 131 used in this semiconductor optical module 134
Then, by improving the 90-degree bending optical waveguide pattern in the first and second embodiments to form the 180-degree bending waveguide pattern 135, the optical element assembly of the optical fiber 132 and the semiconductor laser 133 can be performed from the same direction. .
【００４６】この効果により、半導体素子端面に施すＡ
Ｒコート（反射防止膜）１３６の形成が一回の工程でで
きるようになり、この工業的メリットは大きい。Due to this effect, A applied to the end face of the semiconductor element
The R coat (antireflection film) 136 can be formed in one step, which is a great industrial advantage.
【００４７】また、テーパ導波路構造を用いた効果によ
り、約＋／−２ミクロン程度の位置決めトレランスが確
保できるため、比較的容易に光モジュールを製作するこ
とができる。Further, due to the effect of using the tapered waveguide structure, a positioning tolerance of about +/− 2 μm can be secured, so that the optical module can be manufactured relatively easily.
【００４８】また、上記半導体レーザ１３３および光フ
ァイバ１３２は、あらかじめ、光ファイバ位置を決定す
ることができるようにファイバ用の溝が掘ってあるヒー
トシンク材１３７の上に、上記半導体光素子１３１とと
もにマウントされている。The semiconductor laser 133 and the optical fiber 132 are mounted together with the semiconductor optical element 131 on a heat sink material 137 in which a fiber groove is previously formed so that the optical fiber position can be determined. Has been done.
【００４９】以上、説明した実施例による実施は、本発
明の実施態様の一例であり、上記の実施例以外にも種々
の実施態様があることは明らかである。The implementation according to the embodiments described above is one example of the embodiments of the present invention, and it is obvious that there are various embodiments other than the above embodiments.
【００５０】[0050]
【発明の効果】以上説明したように、本発明により、二
つの異なった波長の入力光を分離し、クロストークの発
生を抑制しそれぞれ光検出することが可能な半導体光素
子および光モジュールを提供することができる。また、
波長多重された入力信号を分離検出すると同時に、入力
信号が伝送されてきた光ファイバに容易に、送信光を送
り出すことのできる半導体光素子および光モジュールを
提供することができる。As described above, according to the present invention, a semiconductor optical device and an optical module capable of separating two input lights having different wavelengths, suppressing the occurrence of crosstalk, and detecting the respective lights are provided. can do. Also,
It is possible to provide a semiconductor optical element and an optical module that can separate and detect wavelength-multiplexed input signals, and at the same time, can easily send out transmission light to the optical fiber through which the input signals have been transmitted.
【図１】本発明の半導体光素子の概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of a semiconductor optical device of the present invention.
【図２】本発明の素子の導波路部分の断面構造図であ
る。FIG. 2 is a sectional structural view of a waveguide portion of the device of the present invention.
【図３】本発明の原理説明のための埋め込みリブ型の導
波路構造における、構造と横方向比屈折率差の関係図で
ある。FIG. 3 is a relationship diagram of a structure and a lateral relative refractive index difference in a buried rib type waveguide structure for explaining the principle of the present invention.
【図４】図３の結果から計算できる各光の波長におけ
る、曲がり導波路の放射損失を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the radiation loss of the bent waveguide at each wavelength of light that can be calculated from the results of FIG.
【図５】（ａ）は実施例１の素子斜視図、（ｂ）はその
断面構造図である。5A is a perspective view of an element of Example 1, and FIG. 5B is a sectional structure view thereof.
【図６】実施例として素子製作工程を説明する図であ
る。FIG. 6 is a diagram illustrating an element manufacturing process as an example.
【図７】実施例３の概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of Example 3.
【図８】実施例４の概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram of Example 4.
【図９】等価屈折率法および横方向比屈折率差の説明図
である。FIG. 9 is an explanatory diagram of an equivalent refractive index method and a lateral relative refractive index difference.
【図１０】導波路構造の分類の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of classification of waveguide structures.
【図１１】従来の光集積回路の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of a conventional optical integrated circuit.
１ 基板 ２ 信号光入出力位置 ３ 曲がり導波路 ４ 第二の受光器 ５ 第一の受光器 ６ 光合波部 ７ 送信光入射位置 ８，９ テーパ導波路 Ｌ−１ 受信光 Ｌ−２ 送信光 1 substrate 2 signal light input / output position 3 curved waveguide 4 second light receiver 5 first light receiver 6 optical multiplexer 7 transmission light incident position 8, 9 taper waveguide L-1 received light L-2 transmitted light
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０４Ｂ 10/28 Ｈ０４Ｂ 9/00 Ｗ 10/02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI technical display location H04B 10/28 H04B 9/00 W 10/02
Claims (6)
導波路と該入射導波路に続く曲線導波路と、前記曲線導
波路の外周部に配置した第一の受光器と、前記曲線導波
路の延長上に配置した第二の受光器とを具備することを
特徴とする半導体光素子。1. On the same semiconductor substrate, at least a light incident waveguide, a curved waveguide continuing from the incident waveguide, a first photodetector arranged on an outer peripheral portion of the curved waveguide, and the curved waveguide. A semiconductor optical device comprising: a second light receiver arranged on the extension.
との間に、光合波部と、該光合波部に続く出力光入射導
波路とを形成し、前記入射導波路を入出力導波路とする
ことを特徴とする半導体光素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an optical multiplexing section is provided between the first optical receiver and the second optical receiver in the curved waveguide, and output light is incident on the optical multiplexing section. And a waveguide, and the incident waveguide serves as an input / output waveguide.
とも前記第一の受光器まで及んでいることを特徴とする
半導体光素子。3. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the guide layer of the curved waveguide and a part of the guide layer extend to at least the first photodetector.
て、 前記入出力導波路の端面と、前記出力光入射導波路の端
面とが同一面内にあることを特徴とする半導体光素子。4. The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the end face of the input / output waveguide and the end face of the output light incident waveguide are in the same plane.
導波路の端面ないしは前記入出力導波路の端面に、光フ
ァイバーを光学的に結合したことを特徴とする半導体光
モジュール。5. A semiconductor optical module, wherein an optical fiber is optically coupled to an end face of the incident waveguide or an end face of the input / output waveguide of the semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 4.
て、前記出力光入射導波路に半導体レーザを光学的に結
合することを特徴とする半導体光モジュール。6. The semiconductor optical module according to claim 5, wherein a semiconductor laser is optically coupled to the output light incident waveguide.
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|---|---|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008204970A (en) * | 2007-02-16 | 2008-09-04 | Fujitsu Ltd | Optical semiconductor element |
| JP2011165712A (en) * | 2010-02-04 | 2011-08-25 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Semiconductor optical amplifier module |
| JP2014002384A (en) * | 2012-06-18 | 2014-01-09 | Gwangju Inst Of Science & Technology | Optical element |
| JP2019057542A (en) * | 2017-09-19 | 2019-04-11 | 日本電信電話株式会社 | Semiconductor optical integrated element |
-
1995
- 1995-04-28 JP JP10572795A patent/JP3404985B2/en not_active Expired - Fee Related
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