JPH0964334A - 発光素子と外部変調器の集積素子 - Google Patents

発光素子と外部変調器の集積素子

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JPH0964334A
JPH0964334A JP7219010A JP21901095A JPH0964334A JP H0964334 A JPH0964334 A JP H0964334A JP 7219010 A JP7219010 A JP 7219010A JP 21901095 A JP21901095 A JP 21901095A JP H0964334 A JPH0964334 A JP H0964334A
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light emitting
light
external modulator
modulator
emitting device
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Junichi Kinoshita
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】安定で、チャ−プの小さい変調器とレ−ザの集
積素子を提供する。 【構成】半絶縁性ＩｎＰ基板１''の第１の主面上には、
ＧＣＬ５０が形成されている。即ち、ＩｎＰ基板１''の
第１の主面上には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２、ＩｎＧａ
ＡｓＰ導波路３、２つの位相シフト部を有する２次のス
トライプ状グレ−ティング１０がそれぞれ形成されてい
る。半絶縁性ＩｎＰ基板１''の第２の主面上には、ＥＡ
変調器６０が形成されている。ＩｎＰ基板１''の第２の
主面上には、ｐ−ＩｎＰ層７、１００層のＭＱＷ構造
８、ｎ- −ＩｎＰ層９及びｎ+ −ＩｎＰ層１０がそれぞ
れ形成されている。ＩｎＰ基板１''の第１の主面と第２
の主面は、互いに数度だけ傾いている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光機能、受光機
能及び変調機能を有し、光を用いた信号伝送に用いる半
導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信の分野は、光ファイバを用いた超
高速の長距離大容量の高級テレコム・システムから、中
距離のテレコム、短距離のデータコムまで、その応用が
拡がっている。
【０００３】これらにおいては、信号伝送用の発光・受
光、および変調デバイスがキーコンポーネントである。
駆動ＩＣやアンプも必要であるが、これらは電子デバイ
スとして一般に別の技術範疇であり、光に関係するどん
なデバイスをどう製作するかがキー技術である。
【０００４】（１） これらの素子は、それぞれ個別半
導体素子として独立に製作される場合が殆どである。こ
のため、これらの素子を、光学アラインメントや電気配
線の手間をかけながら、アセンブリして一つの機能ユニ
ットに組み上げるのは、かなりのコストがかかる。
【０００５】例えば、直接変調により信号を駆動する送
信ユニットに用いる発光素子の代表に半導体レーザ（以
下、ＬＤ）がある。これを最も基本的なユニットに組む
ためには、光ファイバに対する光結合部はもちろんのこ
と、レーザ安定化のためのフィードバックに用いるモニ
タ用の受光素子であるＰＩＮフォトダイオード（以下、
ＰＤ）とそれに対する光結合器も別に必要になる。
【０００６】また、送信器とは別に、フォトダイオード
を中心に受信ユニットをつくる必要がある。このため、
送信器と受信器は、一本の光ファイバを共有できず不経
済である。
【０００７】この原因は次の様なものである。つまり、
ＰＤは、半導体基板の表面にプレーナに形成され、光信
号の入射方向は、その表面に垂直である。これに対し、
ＬＤでは、共振器を表面に対し、水平に形成し、半導体
ウェーハを劈開してできる基板表面に垂直な結晶面から
光信号を出力する。つまり、光の出射は表面に対して水
平となる。
【０００８】ＬＤの劈開による端面形成の必要性は、そ
の工程を厄介で手間のかかるものにしている原因でもあ
る。また、ＰＤは、電界動作型のデバイスであるのに対
し、ＬＤは、電流注入型デバイスであり、外部回路の構
成も共通化しにくい。
【０００９】上記理由のため、複数の機能を有する光素
子を同一基板に集積しにくい。表面発光のデバイスとし
て、基板に垂直に共振器を形成するいわゆる面発光レー
ザが考えられている。しかし、これらは実用化にいたっ
ていない。なぜなら、小さな体積の活性領域に電流を高
密度で注入するため発熱しやすく、パワーも小さいため
である。また、信頼性も確認されていない。
【００１０】（２） 高速、長距離の送信モジュールに
用いられる発光素子としてＤＦＢ（Distributed Feed b
ack ）レーザがある。ＤＦＢレーザは、多縦モード発振
するＦＰ(Fabry-Perot) レーザと異なり、単一縦モー
ド、即ち一本の発振線で発振する。
【００１１】ＤＦＢレーザには、導波路（共振器）方向
に沿って一定の周期をもつの回折格子が形成されてお
り、この周期に対応した縦モードが一本だけ選択的に発
振する。同様に、回折格子を利用した素子にＤＢＲ (Di
stributed Bragg Reflector)レーザがある。ＤＢＲレー
ザの単一縦モード選択の原理は、ＤＦＢレーザと酷似し
ている。従って、波長分散のある光ファイバを通して
も、信号波形が崩れず遠くまで伝送される。
【００１２】しかし、電流型デバイスであるＤＦＢ−Ｌ
Ｄの光出力の直接変調は、その高速動作の限界に近づい
ている。電流により発生させたキャリァと光の相互作用
により、帯域が制限されるからである。また、その複雑
な動特性とその不安定性は、せっかく一本の発振線で動
作していても、発振波長の揺らぎを促す。つまり、波長
チャープを生じる。従って、ファイバの波長分散による
信号波形の劣化が取りきれないため、より長い距離の伝
送には適さない。
【００１３】上記を解決するために、外部変調器を用い
る方式が最近注目されている。この方式では、ＬＤを変
調せずに直流（ＤＣ）動作させておき、別の変調デバイ
スで出力光を変調する。この外部変調器には、マッハツ
ェンダ(Mach-Zender) 型もあるが、近年は、集積に適し
た電界吸収型(EA 型: Electro-absorption) が主流とな
りつつある。
【００１４】（３） これまでは、従来技術の一般的背
景について述べてきた。本発明は、ＤＦＢレーザ等の発
光素子と外部変調器の集積にその主眼を置いている。こ
こから先は、具体的に文献を引用し図面を用いながら、
本発明の骨子が解かりやすいように説明を進める。
【００１５】図９は、文献１（Ｋ．Ｗａｋｉｔａ，ｅｔ
ａｌ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒ，ｖｏｌ．５，ＮＯ．８，ｐ．
８９９，１９９３）のＤＦＢレーザとＥＡ変調器のモノ
リシックな集積デバイスを示すものである。
【００１６】図１０は、文献２（Ｉ．Ｋｏｔａｋｉ，ｅ
ｔ ａｌ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒ，ｖｏｌ．５，ＮＯ．１，
ｐ．６２，１９９３）のＤＦＢレーザとＥＡ変調器のモ
ノリシックな集積デバイスを示すものである。
【００１７】図１１は、文献３（Ｍ．Ａｏｋｉ，ｅｔ
ａｌ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏ
ｌ．２７，ＮＯ．２３，ｐ．６２１，２１３８，１９９
１）のＤＦＢレーザとＥＡ変調器のモノリシックな集積
デバイスを示すものである。
【００１８】図１２は、文献４（Ｕ．Ｋｏｒｅｎ，ｅｔ
ｅｌ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏ
ｌ．２３，ＮＯ．１２，ｐ．６２１，１９８７）のＥＡ
変調器を示すものである。
【００１９】３つの文献１〜３の集積デバイスの特徴
は、導波路方向にＤＦＢレーザとＥＡ変調器を別々に集
積していることである。最新の多重量子井戸(MQW: mult
i-quantum well) 構造の活性層をもつＤＦＢレーザは、
駆動用の電極を有し、ＤＣ動作により一定の出力で発振
する。この光は、導波モード光として変調領域の導波路
に結合される。変調領域は、導波に必要な層のみで活性
領域や回折格子は除去されている。
【００２０】変調領域に逆バイアス電圧を信号として印
加すると、Stark 効果や Franz-Keldysh効果等の電界効
果により、導波路の吸収端が長波長にのびる。この吸収
により変調器出力側の光出力が大幅に減衰し、これによ
りパルス動作が可能になる。電界効果は高速なので、Ｄ
ＦＢレーザの複雑な動特性に影響されることなく、軽く
10Gbps以上の超高速動作が原理的に可能である。波長チ
ャープも殆ど存在しないはずであった。
【００２１】しかし、このような理想状態を実現するに
は克服すべき困難な技術課題が存在している。例えば、
電気的アイソレーションである。十分に両デバイスの距
離を離す必要がある。深刻な問題は、光学的アイソレー
ションである。ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザは、一般
に、残留反射による戻り光に弱く、共振器を往復する光
波の位相条件が変化する。そのため、その発振波長や出
力が揺らぎ、最悪の場合は発振が不安定になる。
【００２２】従って、ＤＦＢレーザの出力側には、アイ
ソレータをセットするなど反射には気を使う。変調器と
共通導波路としたＤＦＢレーザは、一層、残留不要反射
にセンシティブである。つまり、変調器からの動的な戻
り光は、波長チャープの原因になる。ゆえに、外部変調
器を用いる意味もなくなる。
【００２３】また、基本的には光出力は端面から取り出
すため、プレーナ技術が使いにくい製作の困難さや、フ
ォトダイオ−ドＰＤとの集積などの諸問題は相変らず解
決していない。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な、導波路型端面出力のＤＦＢレーザとＥＡ変調器の集
積素子の欠点を克服すべくなされたもので、その目的
は、表面発光型であること、劈開が不要であること、フ
ォトダイオ−ドＰＤとの共通化が可能であること、モノ
リシックな集積が容易であること、変調器からの戻り光
に強く安定動作が可能であること、及びチャープが極め
て小さいことをそれぞれ達成できるような、半導体発光
素子と外部変調器の集積素子を提供することである。
【００２５】また、本発明の目的は、上記半導体発光素
子と外部変調器の集積素子を、発光機能と受光機能の両
機能を有するデータコム用の高速アレイ素子に拡張する
ことでもある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の発光素子と外部変調器の集積素子は、半導
体基板の第１の主面上に形成され、光の放射方向が前記
半導体基板の内部方向である表面発光型の発光素子と、
前記半導体基板の第２の主面上に形成され、前記発光素
子に対向する領域に配置される１つ以上の外部変調器と
を備えている。
【００２７】本発明の発光素子と外部変調器の集積素子
は、半導体基板の第１の主面上に形成され、光の放射方
向が前記半導体基板の内部方向である表面発光型の複数
の発光素子と、前記半導体基板の第２の主面上に形成さ
れ、各々の発光素子に対向する領域に配置される複数の
外部変調器とを備えている。
【００２８】本発明の発光素子と外部変調器の集積素子
は、表面発光型の発光素子と、前記発光素子の光の放射
方向に配置される１つ以上の外部変調器と、前記発光素
子と前記外部変調器の間に配置され、前記発光素子と前
記外部変調器を電気的に分離すると共に前記発光素子の
光の波長に対して透明な層とを備えている。
【００２９】本発明の発光素子と外部変調器の集積素子
は、表面発光型の複数の発光素子と、各々の発光素子の
光の放射方向に配置される複数の外部変調器と、前記複
数の発光素子と前記複数の外部変調器の間に配置され、
前記複数の発光素子と前記複数の外部変調器を電気的に
分離すると共に前記複数の発光素子の光の波長に対して
透明な層とを備えている。
【００３０】前記発光素子は、導波路の表面側に沿って
２次の回折格子を有するグレ−ティング結合型表面発光
ＤＦＢレ−ザ、ＤＢＲレ−ザ及び斜め反射鏡利用型表面
発光レ−ザのうちのいずれか１つであることを特徴とす
る請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光素子と外
部変調器の集積素子。
【００３１】前記外部変調器は、電界によって吸収特性
の変化する半導体層の性質を利用した素子である。前記
複数の発光素子は、各々異なる単一縦モード波長で発振
するように設計されている。
【００３２】前記外部変調器は、前記発光素子の光に対
して変調器として機能していないときに受光素子として
機能している。前記複数の外部変調器の一部を、前記発
光素子の光に対するモニタ用の受光素子として機能させ
る。
【００３３】前記半導体基板の第２の主面上において、
前記外部変調器が配置される領域以外の領域を覆い、前
記発光素子の光を遮蔽する機能を有する。前記発光素子
の導波路の両端面付近の光強度は、前記外部変調器が配
置される領域の直下の領域の光強度よりも小さく調整さ
れている。
【００３４】前記発光素子の導波路の光強度分布は、前
記外部変調器が配置される領域の直下の領域で最大であ
る。前記外部変調器が配置される領域の直下の領域の光
強度は、放射モード光同士の強め合う干渉により最大に
設定する。
【００３５】前記外部変調器に多くの光を当てるために
前記発光素子の光の拡がり角を狭くする収束機構を備え
る。前記半導体基板の第２の主面は、前記半導体基板の
第１の主面に対して所定の角度だけ傾いている。
【００３６】本発明の発光素子と外部変調器の集積素子
は、半導体基板の第１の主面上に形成され、放射モ−ド
の光の干渉により面発光の光強度が増した出力光を取り
出すことが可能なようにグレ−ティングの位相のシフト
量を持たせたグレ−ティング結合型表面発光ＤＦＢレ−
ザと、前記第１の主面とは数度の角度をなす前記半導体
基板の第２の主面上に形成され、前記グレ−ティング結
合型表面発光ＤＦＢレ−ザの強めあう干渉による出力光
に対応する部分にＭＱＷ層を有する変調器とを備えてい
る。
【００３７】前記シフト量は、導波波長の３／８であ
り、前記数度の角度は、３度である。前記グレ−ティン
グ結合型表面発光ＤＦＢレ−ザは、リッジ型導波路構造
を有し、その両端には、無反射コ−トが施されている。
【００３８】前記グレ−ティング結合型表面発光ＤＦＢ
レ−ザの両端面付近の光強度が弱くなるように構成され
ている。前記半導体基板の第２の主面側には、前記グレ
−ティング結合型表面発光ＤＦＢレ−ザの出力光を吸収
する吸収層が設けられ、かつ、前記吸収層には、前記グ
レ−ティング結合型表面発光ＤＦＢレ−ザの強めあう干
渉による出力光に対応する部分に開口が設けられてい
る。
【００３９】前記変調器は、円筒形のメサ型を有してい
る。前記グレ−ティング結合型表面発光ＤＦＢレ−ザ
は、リッジ型導波路構造を有し、前記変調器は、前記グ
レ−ティング結合型表面発光ＤＦＢレ−ザに沿って複数
個配置されている。
【００４０】前記グレ−ティング結合型表面発光ＤＦＢ
レ−ザと前記変調器の間には、前記前記グレ−ティング
結合型表面発光ＤＦＢレ−ザの出力光を前記変調器に収
束するレンズが設けられている。
【００４１】前記グレ−ティング結合型表面発光ＤＦＢ
レ−ザ上の一部には、反射鏡が設けられ、前記半導体基
板の内部方向に直接放射される出力光と前記反射鏡によ
り反射して前記半導体基板の内部方向に放射される出力
光が干渉により光強度を強め合うように構成されてい
る。
【００４２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明では、基本的に、発光素子そのもの
は動的な特性を必要としない面発光素子を用いる。つま
り、ＴＦＴ−ＬＣＤ (Thin film transistor-Liquid cr
ystal display)のように、高速の変調、受光の機能を有
する素子の集積化面に対して、発光素子が共通のバック
ライトであるというコンセプトを重視する。
【００４３】そのため、グレーティング（回折格子）結
合型のＤＦＢレーザもしくはＤＦＢレーザをバックライ
トとして用いる。グレーティング結合型素子(GCL: grat
ing-coupled laser)の光出力は、導波路モードではなく
放射モードなので、そのビーム拡がり角は、回折格子方
向では、数度と極めて狭い。従って、僅かに反射戻り光
の角度をずらすだけで、ＧＣＬの共振器には戻りにく
い。
【００４４】また、４５度に傾いた反射鏡をＤＦＢレー
ザの導波路光出力側に設けることによっても、高出力の
疑似面発光レーザを実現できる。面発光ＬＥＤをバック
ライトとして用いることも短距離通信では可能である
が、スペクトル幅が広いので、変調器の波長のダイナミ
ックレンジは大きくなければいけない。長波長側もしく
は短波長側の波長成分をカットするフィルタを間に挿入
する手もある。
【００４５】外部変調器も、導波路型ではなく面型を用
いるＥＡ変調器は、逆バイアスで動作させる電界型デバ
イスである。受光素子であるＰＩＮフォトダイオードＰ
Ｄも同じである。原理的に面型のＥＡ変調器は、ＰＩＮ
−ＰＤとしても動作できる。従って、出力と入力を共通
のデバイスで実現できることになる。この結果、一本の
ファイバで簡単に双方向通信が可能となる。入出力信号
の増幅ともに共通のファイバ・アンプを用いることもで
きる。
【００４６】面型デバイスは、一般に集積化が容易であ
る。プレーナ技術が適用できるからである。ＥＡ変調器
兼ＰＤの集積群とＧＣＬ等の発光素子群を、電気的にア
イソレートし、かつ、光学的には透過性のある面領域で
隔てると、それぞれのデバイス群の製作工程が纏まりや
すく、製造しやすくなる。特に、この隔てるべき隔壁層
を、半絶縁性基板そのものとすると、製作はさらに容易
となる。
【００４７】ＤＣ動作で良い電流型の発光素子を基板の
片側に集積し、高速性能を要求される電界型素子をもう
一方の側に集積すると、それぞれの面でプレーナ技術を
適用しやすく、製作上は極めて都合が良い。
【００４８】入出力面をレンズ状に加工する等の高性能
化が容易に実現できることも、プレーナ技術適用可能な
面型集積方式ならではアドバンテージである。このよう
に、本発明は、単に従来技術の組み合わせにとどまら
ず、革命的な効果を産みだすことができる。また、本発
明では、外部変調器もＥＡ変調器に限ることなく新たな
原理に基づくデバイスも提案している。つまり、ＧＣＬ
から上下に発せられる放射モード光の干渉を利用したも
のである。
【００４９】また、基本的な要件として、面型集積デバ
イスにこだわらず、単に光源として導波路の側面に回折
格子のあるＧＣＬや４５度反射鏡を出力側に有し、基板
(substrate) 面に平行な出力を用いる発光素子を使用す
ることも本発明は含んでいる。新規性があり、集積の際
に高密度化しやすいというアドバンテージがあるからで
ある。
【００５０】本発明は、これらのことを幅広く網羅した
基本構成を示している。例えば、発光素子群と変調器群
は、モノリシックに集積することはもちろん含んでいる
が、二つの群が別々の基板に集積化され、雰囲気層を介
して適切に位置合わせされているというような構成をも
含まれることを妨げない。
【００５１】ＧＣＬの動作を説明する。ＧＣＬ、すなわ
ち、２次以上の回折格子を用いたグレーティング結合型
表面発光ＤＦＢレーザは、通常のＤＦＢレーザと同様
に、表面に平行な方向の共振器で発振する。ただ、異な
るのは、その光出力が端面方向から出てくる導波路モー
ド光の他に、グレーティング（回折格子）全体から出る
放射モード光も使用できる点である。
【００５２】グレーティングがちょうど２次の場合は、
共振器方向に垂直に放射されるので、面発光出力とな
る。放射モードのビームは、グレーティングに対して垂
直に上下二方向に出射される。そのうちの一方を面発光
出力として使用できる。他方は吸収させて利用しない
か、あるいは、反射させて、出力ビームと強め合う干渉
をさせて利用できる。調整が不適当だと弱め合う干渉と
なり、都合が悪い。導波路モードの端面出力も不要なの
で弱めておくほうが良い。
【００５３】また、放射モード光は、導波路を往復する
二つの方向の導波路光からそれぞれ放射される。従っ
て、放射モード光は、この二つの方向から得られた二つ
の成分に分けられる。従って、この二つの成分が、強め
合う干渉をするか、弱め合う干渉をするかで出力を制御
できる。
【００５４】これができれば、共振器方向で分布を持た
せることができる。つまり、外部変調器に結合させる部
分の出力を選択的に大きくすることもできる。これを実
現するひとつの手段は次の様なものである。ＧＣＬの中
央付近の２箇所に導波波長の３／８分だけ位相をシフト
する機構(3λ/8位相シフト) を設置する。そうすると、
それらの間の放射モードが強めあう干渉によってパワー
が強くなる。
【００５５】この構造は、単素子として発明者がすでに
出願している。( 特願昭63-317818、United State Pate
nt 4,958,357 [5], European Patent Application No.
88312036.2, 大韓民国特許第058391号、論文として
は、J. Kinoshita, p.407, IEEE Journal of Quantum E
lectronics, vol.QE-26, NO.3, 1990 [6] 。) この機構を図１３を用いて簡単に説明する。
【００５６】この図は、２つの３λ／８位相シフトをも
つInGaAsP/InP 系グレーティング結合型表面発光DFB レ
ーザの共振器方向の縦横断面図(a) と共振器方向の導波
光と放射モード光の光強度分布プロファイル(b) であ
る。
【００５７】n 型InP1の上にInGaAsP 活性層２、それよ
りバンドギャップの大きいInGaAsP導波路層３を積層
し、その上に２次のグレーティング１５を形成する。こ
のグレーティング１５には、共振器中央を挟んで２つの
３λ／８位相シフト１６、１６´が形成されている。
【００５８】この上に、p-InP 層４およびp-InGaAsP オ
ーミック・コンタクト層５を積み重ねる。この後、スト
ライプ状にコンタクト層５、p-InP 層４をメサエッチン
グし、リッジ型導波路構造とした。さらに上下両面に電
極２０、２１を形成する。２つの３λ／８位相シフト１
６，１６´の間に対応するp 電極２０の部分には出力用
の窓３０を設けてある。
【００５９】導波路を往復する２つの進行波ＲとＳの一
部は、２次のグレーティング１０により放射モード特有
の鋭いビーム１００として、基板に垂直に上下方向に放
射される。
【００６０】下に放射された成分は、簡単のため、基板
底面で散乱されるとして考えないことにする。このとき
Ｒ波とＳ波から回折された２つの放射モードは３λ／８
位相シフト間では位相変化により強め合う干渉を起こ
し、強度が増す（図１３（ｂ）のグラフの実線) 。
【００６１】これを出力として取り出す。以上が原理で
ある。λ/8位相シフトを用いると、弱め合う干渉で出力
は極めて小さくなる。なお、横断面方向の放射モードビ
ーム１１０の放射角は、共振器方向ほど狭くなく３０°
程度の半値全角(FWHM: fullwidth at half maximum)を
もつ。
【００６２】発明者の先願では、この位相シフト量を変
化させることで、出力を変調することを提案した。しか
し、この場合は、シフト量の変化で波長も変化するの
で、チャープを小さくしたい場合は敵さない。また、電
流による変調を実施例としてあり、完全に変調と発光の
分離がなされていない。従って、お互いの相互作用やク
ロストークの心配がある。
【００６３】本発明は、先願をベースにおいているがか
なり考えを進めたものである。つまり、位相シフト量を
変調するのではなく、外部変調器を用いることが、大い
なる飛躍であり、かつユニークなポイントであると位置
づけることができる。
【００６４】図１は、本発明の第１の実施の形態に関わ
る半導体発光素子と外部変調器の集積素子を示してい
る。半絶縁性InP 基板(semi-insulating InP substrat
e) １''の一方の主面上には、n-InP 層１、InGaAsP 活
性層２、及びInGaAsP 導波路層３が積層されている。In
GaAsP 導波路層３は、InGaAsP 活性層２よりもバンドギ
ャップが大きくなるように設定されている。
【００６５】InGaAsP 導波路層３上には、２次のストラ
イプ状のグレーティング１０が形成されている。グレー
ティング１０は、電子ビ−ムでフォトレジストを描画露
光した後、エッチングで溝を刻むことにより形成でき
る。グレ−ティング１０には、共振器の中央部を挟むよ
うに配置される２つの（３λ／８）位相シフト部１６，
１６´が設けられている。
【００６６】なお、上述のように、光強度は、この位相
シフト部１６，１６´の間において強くなる。活性層２
は、量子効果により高性能化できるＭＱＷ (Multi-quan
tum well) 層構造、歪みＭＱＷ層構造で置き換え可能で
ある。ここでは、簡単のため、単に活性層という言葉で
総称している。
【００６７】グレ−ティング１０上には、p-InP 層４及
びストライプ状のp-InGaAsP オーミック・コンタクト層
５が形成されている。オ−ミック・コンタクト層５及び
p-InP 層４は、メサエッチングされ、リッジ型導波路構
造のＧＣＬ５０を構成している。
【００６８】なお、上下２方向に放出される放射モード
・ビームのうち、リッジ３１側に放射された成分は、オ
ーミック層５に吸収されたり、リッジ構造で散乱される
ので考慮しない。
【００６９】ＧＣＬの共振器両端には、無反射(AR: ant
i-reflection) コートが施されている。導波路モードの
端面反射を抑さえないと、縦モードがシングルになりに
くかったり、位相シフト１６，１６´の効果が現われな
いからである。
【００７０】また、ＧＣＬの共振器の両端面からの放射
は、不要であるとともに有害である。これら両端面から
の放射を避けるためには、両端面での光強度を弱くする
のが有効である。
【００７１】例えば、両端面付近に回折格子をつくらな
かったり、又は、両端面付近を非励起領域として導波路
損を大きくしたり、又は、活性層をなくしてInP 層１２
のみとするいわゆる窓構造にしたりすることにより、両
端面での光強度を弱くすることができる。
【００７２】次に、電極について説明する。ｎ側電極２
１は、n-InP 層１上に形成されている。ｎ側電極２１
は、ｐ側電極２０と電気的にアイソレートされている。
但し、これら電極は、次に述べる基板１''の他方の主面
に形成される変調器兼PDデバイスの電極とほぼ同時に形
成される。リッジ・ストライプも、基板１''の他方の主
面における結晶成長の後に形成してもよい。
【００７３】半絶縁性基板１''の他方の主面は、ＧＣＬ
５０の共振器方向に数度（例えば３度）だけ傾けて研磨
してある。半絶縁性基板１''の他方の主面上には、InGa
As吸収層６が形成されている。この吸収層６には、ＧＣ
Ｌ５０からの放射モード光が強め合う干渉により、最も
強くなる２つの（３λ／８）位相シフト１６，１６´の
間からのビーム１００が放射される領域に対応して開口
（窓）が設けられている。この開口は、余分な放射モー
ド光が変調器以外の部分から外に漏れるのを防ぐための
に形成したものである。
【００７４】開口部の半絶縁性基板１''上には、p-InP
層７、１００層のＭＱＷ構造８、 n- -InP層９、 n+ -I
nP層１０が形成されている。これらの層７〜１０は、円
筒形のメサ型を有している。これらの層７〜１０の周囲
には、SI( 半絶縁性)-InP 層１１が形成されている。
【００７５】n+ -InP層１０に接するようにリング状の
ｎ電極２１´が形成されている。ｐ電極２０´は、p-In
P 層７上に形成されている。即ち、半絶縁性基板１''上
の他方の主面上には、第１２図（文献４）に示されてい
る表面型ＥＡ変調器と同様の構成の変調器６０が形成さ
れている。この変調器は、基板側からの光をオン・オフ
して出力するものである。光の出力面は、ウェーハ表面
なので、プレーナ技術を用いて簡単にレンズ形成ができ
る。これにより、本発明の集積素子とファイバとの結合
が容易になる。
【００７６】ボンディングワイヤ３２は、電極２１´，
２５に設けられたボンディング用パッドに接続されてい
る。上述のような集積素子は、電流によって発熱するレ
ーザ(GCL) 側を下にフリップチップ実装される。
【００７７】上述の集積素子において、ＧＣＬ５０がＤ
Ｃ動作して、ＥＡ変調器６０に逆バイアス電圧信号が印
加されると、放射モード・ビーム１００がＭＱＷ層構造
８に吸収されて出力がオフとなる。これが送信モードで
ある。
【００７８】このとき、ＧＣＬ５０の位相シフト部１
６，１６´の外側からの放射モード光１０１の一部は、
ＰＤ６１で吸収されモニタされる。ＰＤ６１は、ＥＡ変
調器６０と全く構造が一緒であるが、一定の逆バイアス
をかけて、ＰＤとして動作させる。この外部回路に流れ
るフォトカレントをモニタして、ＧＣＬの出力が安定す
るように制御する。
【００７９】同様に、送信モードでないときはＧＣＬ５
０をオフにして、ＥＡ変調器６０に所定の逆バイアスを
加えて、ＰＤとして動作させ、受信モードとすることが
できる。これにより、送受信ユニットを一体化しやすく
なる。
【００８０】図２は、本発明の第２の実施の形態に関わ
る半導体発光素子と外部変調器の集積素子を示してい
る。この実施例では、ＧＣＬが長い共振器にわたって放
射モードを出力できることを利用して、1 個のＧＣＬ５
０に対して複数のＥＡ変調器６０，…を共振器に沿って
複数個集積している。
【００８１】それぞれの変調器は、例えば、半絶縁層で
埋め込まない円筒形メサ構造を有している。なお、本実
施例では、ＧＣＬの放射モード光が均一であると仮定し
ているが、各変調器に対応する所に適当な位相シフトを
形成することにより共振器軸方向の出力分布を調整する
ことも可能である。
【００８２】図３は、本発明の第３の実施の形態に関わ
る半導体発光素子と外部変調器の集積素子を示してい
る。この実施例では、複数のＧＣＬ５０，…を有し、各
々のＧＣＬ５０に対して複数のＥＡ変調器６０，…を共
振器に沿って複数個集積している。
【００８３】それぞれの変調器６０，…は、例えば、半
絶縁層で埋め込まない円筒形メサ構造を有している。な
お、各々のＧＣＬ５０，…の回折格子の周期を少しずつ
変化させると、発振波長がその変化に応じて変化するた
め、波長多重通信用光源として利用することができる。
【００８４】ＧＣＬでは、出力が放射モードで、そのビ
ーム拡がり角は、回折格子方向では、数度と極めて狭
い。従って、僅かに反射戻り光の角度をずらすだけで、
ＧＣＬの共振器には光が戻りに難くなる。
【００８５】図１の実施例において、基板の反対側の変
調器集積面を、ＧＣＬの共振器方向に数度（例えば３
度）だけ傾けているのはこのためである。従って、変調
器の出力面やファイバからの遠・近端反射光は、実際、
ほとんどＧＣＬに戻らず、ＧＣＬは、極めて安定に動作
し、チャープも小さくなる。
【００８６】図４は、本発明の第４の実施の形態に関わ
る半導体発光素子と外部変調器の集積素子を示してい
る。ＧＣＬの放射モード出力は、共振器方向では、ビー
ム拡がりが数度と狭いことを前述した。しかし、共振器
を横切る方向では、普通の端面放射ＬＤと同様、放射モ
ードビーム１１０も、３０度程度の放射角をもつ。
【００８７】これを効率良く変調器６０に集光させる必
要がある。このため、ＧＣＬの基板側には予め緩やかな
カーブを持つ溝を形成しておき、InP より屈折率の大き
い透明な組成のInGaAsP を、その溝の上に成長したかま
ぼこ状のレンズ５５を形成している。
【００８８】図５は、本発明の第５の実施の形態に関わ
る半導体発光素子と外部変調器の集積素子を示してい
る。本実施例では、上述の第１実施例における位相シフ
トによる強め合う干渉を考慮していない。その代わり
に、基板に垂直な上下方向に別れた放射モード成分を考
慮する。
【００８９】リッジ側(p側) に進んだ成分は、散乱、吸
収により出力に寄与していなかった。そこで、リッジ側
(p側) に高反射多層膜又は反射鏡５６を設ける。する
と、リッジ側、つまり下方に向かった成分１０３は、反
射して上方の変調器６０側に向きを変えるため、もとも
と上方に向かった成分１０２と干渉を起こす。
【００９０】このとき、反射成分の位相を強め合う干渉
を起こすように、グレ−ティング（回折格子）１５と反
射膜５６の距離を設定しておく。この結果、変調器６０
に大きなインプット１００が与えられ、出力も増大す
る。
【００９１】なお、上述の実施例では、基板の両側にデ
バイスを形成したが、半絶縁性基板の代わりに半絶縁性
成長層を挟んで基板の片側に形成することもできる。但
し、この場合は、電極パッドの形成などが煩雑になる。
【００９２】図６は、本発明の第６の実施の形態に関わ
る半導体発光素子と外部変調器の集積素子を示してい
る。本実施例は、斜め反射鏡型ＤＦＢレーザ５１を用い
ている。回折格子１５´の次数は１次である。従って、
放射モードは発生しない。このＤＦＢレーザの出力を斜
め反射鏡５７で変調器６０側に方向転換させれば、面型
集積素子が得られる。この場合は、ＧＣＬより大きな出
力が得られやすい。反射鏡５７を凹面鏡として形成する
と、一層のパワーを変調器６０に結合できる。
【００９３】図７は、本発明の第７の実施の形態に関わ
る半導体発光素子と外部変調器の集積素子を示してい
る。この実施例では、ＥＡ変調器とは別の方式の変調器
を用いている。上述の第５実施例のように、ＧＣＬから
上下に放射される放射モードの干渉を利用する。ＧＣＬ
の方をヒートシンクに対して上にマウントする。
【００９４】下方に放射された放射モード光を反射鏡５
６によって上方へ向け、最初から上に向かった成分と干
渉させる。このとき、反射鏡側５６に積層したＭＱＷ層
８´の屈折率を変調して、干渉の程度を変調できた。そ
の結果、強め合う干渉で出力を大きく、弱め合う干渉で
出力を小さくできた。
【００９５】図８は、本発明の第８の実施の形態に関わ
る半導体発光素子と外部変調器の集積素子を示してい
る。この実施例では、面型集積素子ではなく、単に発光
素子を側面から放射モード光を放出するＧＣＬを用いて
いる。また、埋込型の導波路側面に２次の回折格子１
５''をもつＤＦＢレーザ５０が配置されている。この方
式のアドバンテージは、レーザ１つに対して多くの導波
路型ＥＡ変調器６２，…を高密度に集積できることであ
る。また、放射モード光が反射に強いのは、上述の通り
である。
【００９６】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の半導体
発光素子と外部変調器の集積素子によれば、次のような
効果を奏する。プレーナ技術により、劈開が不要で、製
作の容易な高密度面型集積素子が提供できる。集積した
素子は、レーザと変調器、そしてＰＤ( フォトダイオー
ド) である。ＧＣＬの放射モード光を利用するので戻り
光反射に強い。変調器による10Gbps以上の高速動作の容
易さも長所の一つである。また、出力部にある面型変調
器はＰＤも兼ねることができるので、モニタ、受信機能
も持たせることができる。このことは、簡易な双方向送
受信ユニットの構成に非常に有効である。また、それぼ
ど大きな出力パワーを必要としないデータコムの端末用
としては、簡単な構成で高性能および高機能な送受信器
が低コストで実現できる。これにより、光通信方式の家
庭への普及に弾みがつくものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に関わる集積素子を
示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に関わる集積素子を
示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に関わる集積素子を
示す図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に関わる集積素子を
示す図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に関わる集積素子を
示す図。
【図６】本発明の第６の実施の形態に関わる集積素子を
示す図。
【図７】本発明の第７の実施の形態に関わる集積素子を
示す図。
【図８】本発明の第８の実施の形態に関わる集積素子を
示す図。
【図９】従来の集積素子を示す図。
【図１０】従来の集積素子を示す図。
【図１１】従来の集積素子を示す図。
【図１２】従来のＥＡ変調器を示す図。
【図１３】従来のInGaAsP/InP 系ＧＣＬ及び共振器方向
の導波光と放射モード光の光強度分布プロファイルを示
す図。
【符号の説明】
１ … n-InP層、 １´ … n-InP基板、 １'' …半絶縁性InP 基板、 ２ …アンド−プInGaAsP 活性層、 ３ …アンド−プInGaAsP 導波路層、 ４ … p-InP層、 ５ … p-InGaAsPオーミック・コンタクト
層、 ６ … InGaAs 吸収層、 ７ … p-InP層、 ８，８´ …ＭＱＷ層構造、 ９ … n- -InP層、 １０ … n+ -InGaAsP層、 １１ …半絶縁性(SI)-InP埋込み層、 １２ … InP窓構造埋込み層、 １５ …２次のグレーティング、 １５´ …１次のグレーティング、 １５'' …２次の側面グレーティング、 １６，１６´ …３λ／８位相シフト部、 ２０ …ｐ電極、 ２１ …ｎ電極、 ２２ … SiO2 膜、 ２５ …ボンディング用パッド、 ３０ …光取り出し窓、 ５０ …ＧＣＬ(grating-coupled DFB las
er) 、 ５０´ …側面型ＧＣＬ、 ５１ …ＤＦＢレーザ、 ５５ …かまぼこ状レンズ、 ５６ …高反射多層膜（反射鏡）、 ５７ …斜め( 凹面) 鏡、 ６０ …面型ＥＡ変調器、 ６１ …モニタ用PIN-PD、 ６２ …導波路型ＥＡ変調器、 １００ …強め合った放射モード光ビー
ム、 １０１ …通常の放射モード光ビーム、 １０２ …そのまま進んだ放射モード光ビ
ーム、 １０３ …反射して反転した放射モード光
ビーム。

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板の第１の主面上に形成され、
    光の放射方向が前記半導体基板の内部方向である表面発
    光型の発光素子と、前記半導体基板の第２の主面上に形
    成され、前記発光素子に対向する領域に配置される１つ
    以上の外部変調器とを具備することを特徴とする発光素
    子と外部変調器の集積素子。
  2. 【請求項２】 半導体基板の第１の主面上に形成され、
    光の放射方向が前記半導体基板の内部方向である表面発
    光型の複数の発光素子と、前記半導体基板の第２の主面
    上に形成され、各々の発光素子に対向する領域に配置さ
    れる複数の外部変調器とを具備することを特徴とする発
    光素子と外部変調器の集積素子。
  3. 【請求項３】 表面発光型の発光素子と、前記発光素子
    の光の放射方向に配置される１つ以上の外部変調器と、
    前記発光素子と前記外部変調器の間に配置され、前記発
    光素子と前記外部変調器を電気的に分離すると共に前記
    発光素子の光の波長に対して透明な層とを具備すること
    を特徴とする発光素子と外部変調器の集積素子。
  4. 【請求項４】 表面発光型の複数の発光素子と、各々の
    発光素子の光の放射方向に配置される複数の外部変調器
    と、前記複数の発光素子と前記複数の外部変調器の間に
    配置され、前記複数の発光素子と前記複数の外部変調器
    を電気的に分離すると共に前記複数の発光素子の光の波
    長に対して透明な層とを具備することを特徴とする発光
    素子と外部変調器の集積素子。
  5. 【請求項５】 前記発光素子は、導波路の表面側に沿っ
    て２次の回折格子を有するグレ−ティング結合型表面発
    光ＤＦＢレ−ザ、ＤＢＲレ−ザ及び斜め反射鏡利用型表
    面発光レ−ザのうちのいずれか１つであることを特徴と
    する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光素子と
    外部変調器の集積素子。
  6. 【請求項６】 前記外部変調器は、電界によって吸収特
    性の変化する半導体層の性質を利用した素子であること
    を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発
    光素子と外部変調器の集積素子。
  7. 【請求項７】 前記複数の発光素子は、各々異なる単一
    縦モード波長で発振するように設計されていることを特
    徴とする請求項２又は４に記載の発光素子と外部変調器
    の集積素子。
  8. 【請求項８】 前記外部変調器は、前記発光素子の光に
    対して変調器として機能していないときに受光素子とし
    て機能していることを特徴とする請求項１乃至４のいず
    れか１項に記載の発光素子と外部変調器の集積素子。
  9. 【請求項９】 前記複数の外部変調器の一部を、前記発
    光素子の光に対するモニタ用の受光素子として機能させ
    ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記
    載の発光素子と外部変調器の集積素子。
  10. 【請求項１０】 前記半導体基板の第２の主面上におい
    て、前記外部変調器が配置される領域以外の領域を覆
    い、前記発光素子の光を遮蔽する機能を有する材料を具
    備することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素
    子と外部変調器の集積素子。
  11. 【請求項１１】 前記発光素子の導波路の両端面付近の
    光強度は、前記外部変調器が配置される領域の直下の領
    域の光強度よりも小さく調整されていることを特徴とす
    る請求項５に記載の発光素子と外部変調器の集積素子。
  12. 【請求項１２】 前記発光素子の導波路の光強度分布
    は、前記外部変調器が配置される領域の直下の領域で最
    大であることを特徴とする請求項５に記載の発光素子と
    外部変調器の集積素子。
  13. 【請求項１３】 前記外部変調器が配置される領域の直
    下の領域の光強度は、放射モード光同士の強め合う干渉
    により最大に設定することを特徴とする請求項１２に記
    載の発光素子と外部変調器の集積素子。
  14. 【請求項１４】 前記外部変調器に多くの光を当てるた
    めに前記発光素子の光の拡がり角を狭くする収束機構を
    具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１
    項に記載の発光素子と外部変調器の集積素子。
  15. 【請求項１５】 前記半導体基板の第２の主面は、前記
    半導体基板の第１の主面に対して所定の角度だけ傾いて
    いることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子
    と外部変調器の集積素子。
  16. 【請求項１６】 半導体基板の第１の主面上に形成さ
    れ、放射モ−ドの光の干渉により面発光の光強度が増し
    た出力光を取り出すことが可能なようにグレ−ティング
    の位相のシフト量を持たせたグレ−ティング結合型表面
    発光ＤＦＢレ−ザと、 前記第１の主面とは数度の角度をなす前記半導体基板の
    第２の主面上に形成され、前記グレ−ティング結合型表
    面発光ＤＦＢレ−ザの強めあう干渉による出力光に対応
    する部分にＭＱＷ層を有する変調器とを具備することを
    特徴とする発光素子と外部変調器の集積素子。
  17. 【請求項１７】 前記シフト量は、導波波長の３／８で
    あることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子と外
    部変調器の集積素子。
  18. 【請求項１８】 前記数度の角度は、３度であることを
    特徴とする請求項１６に記載の発光素子と外部変調器の
    集積素子。
  19. 【請求項１９】 前記グレ−ティング結合型表面発光Ｄ
    ＦＢレ−ザは、リッジ型導波路構造を有し、その両端に
    は、無反射コ−トが施されていることを特徴とする請求
    項１６に記載の発光素子と外部変調器の集積素子。
  20. 【請求項２０】 前記グレ−ティング結合型表面発光Ｄ
    ＦＢレ−ザの両端面付近の光強度が弱くなるように構成
    されていることを特徴とする請求項１６に記載の発光素
    子と外部変調器の集積素子。
  21. 【請求項２１】 前記半導体基板の第２の主面側には、
    前記グレ−ティング結合型表面発光ＤＦＢレ−ザの出力
    光を吸収する吸収層が設けられ、かつ、前記吸収層に
    は、前記グレ−ティング結合型表面発光ＤＦＢレ−ザの
    強めあう干渉による出力光に対応する部分に開口が設け
    られていることを特徴とする請求項１６に記載の発光素
    子と外部変調器の集積素子。
  22. 【請求項２２】 前記変調器は、円筒形のメサ型を有し
    ていることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子と
    外部変調器の集積素子。
  23. 【請求項２３】 前記グレ−ティング結合型表面発光Ｄ
    ＦＢレ−ザは、リッジ型導波路構造を有し、前記変調器
    は、前記グレ−ティング結合型表面発光ＤＦＢレ−ザに
    沿って複数個配置されていることを特徴とする請求項１
    ６に記載の発光素子と外部変調器の集積素子。
  24. 【請求項２４】 前記グレ−ティング結合型表面発光Ｄ
    ＦＢレ−ザと前記変調器の間には、前記前記グレ−ティ
    ング結合型表面発光ＤＦＢレ−ザの出力光を前記変調器
    に収束するレンズが設けられていることを特徴とする請
    求項１６に記載の発光素子と外部変調器の集積素子。
  25. 【請求項２５】 前記グレ−ティング結合型表面発光Ｄ
    ＦＢレ−ザ上の一部には、反射鏡が設けられ、前記半導
    体基板の内部方向に直接放射される出力光と前記反射鏡
    により反射して前記半導体基板の内部方向に放射される
    出力光が干渉により光強度を強め合うように構成されて
    いることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子と外
    部変調器の集積素子。
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