JPH03197931A - 光増幅器一光検出器の組み合せ - 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】 発１１■１１分！− 本発明は、概して、半導体光増幅器に関し、特に、光検
出器モニター検出器を一緒に伴ったウェハ上に集積され
た光増幅器に関する。

筑夏ム實見 今日の長距離通信システムは、光学的および電気的構成
要素の混成物である。例えば、中継器は光電子で光を検
出し、その結果生じる電流を電気的に増幅し、それから
増幅された電流を、電気信号を光信号に再び変換する半
導体レーザを駆動するために使用する。光信号は、それ
から光信号から電気信号へ、そして再び光信号への変換
が再び繰り返されるシステムにおける次の中継器に、光
ファイバの中を運ばれる。

全ての光伝達システムにおいて、−度発生した光は、光
学的に伝えられ、光学的に増幅され、光検出器によって
受信されるだろう。

光の形態から電気の形態へ、そしてそれからまた光の形
態への変換で中間のものはない。

電気的な処理の除去を結果する光信号の直接的な光学的
増幅が、光通信システムがより高い帯幅を持つ中継器で
あり、物理的により小さく、デザインにおいてよりシン
プルで、操作するのにより能率的であり、かつ生産にお
いてより経済的であるものを持つことを可能とする。

光増幅器の動作は、データビット速度における変化およ
び別々の波長での追加のチャンネルの存在によっては比
較的影響を受けない。それ故、ターミナルでの装置のみ
を変更させることによって、装備されたシステムをより
高い能力へと向上させる可能性が与えられる。

現在、半導体光増幅器における調査と発展は、光通信シ
ステムに現在要求されている光から電気へおよび電気か
ら光への変換の多くを除去することに向けられる。

問題を提起し得る１つの領域は、光増幅器の出力パワー
を決定あるいは制御する分野である。これは、光増幅器
の利得が環境の影響（例えば、周囲の温度）とシステム
変数の変化（例えば、ソース波長および人出信号の極性
の変化）の両方によって影響されえるので必要である。

光通信システムの中継器の位置で光増幅器を使う時の関
連する別の領域は、光増幅器に遠隔命令信号を送ること
ができることおよび光増幅器に遠隔命令信号を検出させ
る領域である。

一般に、光増幅器のパワー出力は、発生された光パワー
の一部分を光結合器に転換することによって、および光
検出器に転換されたパワーを向けることによって決定さ
れる。この方法の特に不利な事は、光増幅器によって発
生される光パワーの一部分がモニターする過程で失われ
るということである。さらに、別々の検出器と結合器を
使うことも不利な点である。

翌１４Ｉ」４ 簡潔には、本発明では、光検出器と光増幅器は同じ半導
体チップに集積される。光増幅器と光検出器は、同じチ
ップ上に並んで配置される。光モードの端の部分で運ば
れる電磁エネルギーの一部は、光増幅器の平均出力パワ
ーをモニターするために光検出器によって検出される。

電流制限と側面屈折率誘導（ｌａｔｅｒａｌ　１ｎｄｅ
ｘ　ｇｕｉｄｉｎｇ）は、ＦｅあるいはＴｉドープの半
絶縁層によって与えられる。

この並列した装置は、光増幅器の出力パワーを落とすこ
となしに光増幅器の動作を検出器がモニターすることを
可能にする。

発明の実施例 簡潔には、半導体光増幅器は、半導体レーザの構造と類
似する構造を持ち得る。それぞれの例では、構造は半導
体ダイオードの構造であり得、動作のモードはダイオー
ドを通ってバイアス電流の値によって決定され。より詳
しくは、もしダイオードに供給される電流が比較的低い
なら、半導体ダイオードの活性領域は波長の比較的広い
ス”ベクトルにわたり同時に放射される光とともに増加
する。外部ソースからデバイスに入る光は吸収される。

このモードにおいて、半導体ダイオードは光放射ダイオ
ードとして働く。

もし、半導体ダイオードに供給される電流がゆっくりと
増加されるなら、ある値でダイオードは受信される光放
射に対して透明になるだろう、それ故、半導体ダイオー
ドの１つの端に入射する光は通過し、半導体ダイオード
の別の端から放射されるだろう。光の実質的な吸収はな
い。この電流の値は透明電流（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃ
ｙ　ｃｕｒｒｅｎｔ）と呼ばれている。透明電流より大
きい電流では、半導体ダイオードは増幅器として働く。

もし電流の値がさらに増加されるなら、半導体ダイオー
ドは実質的な利得をもち、入射光は強められ、すなわち
増幅される。電流がさらに増加すると、増幅の増加が起
こり、増幅器の光学的利得は、一般にバイアス電流の指
数関数である。半導体がこのモードにおいて動作してい
る時、それは同時にそれ自身の光を放射し、その光を増
幅する。

半導体ダイオードへの電流の値がさらに増加すると、増
加はある点で飽和を起こすだろう、飽和は、前に達成さ
れた指数関数関係からの利得電流関係の偏差である。飽
和は、ダイオード利得の熱的に誘起された減少、ダイオ
ードの増加、自由キャリア吸収またはオーガー（Ａｕｇ
ａｒ）の再結合を含む多くの効果によって起こされ得る
。しかしながら、適当に設計されたダイオードにおいて
、飽和は、最初、同時に放射された光によって誘起され
た誘導放射からキャリアの損失によって起こされる増幅
器の利得の減少として現われる。もし、しかしながら、
半導体ダイオードが、部分反射エンドミラーを有するな
ら、利得はミラーのない場合の飽和電流より少ない電流
で飽和するだろう。この電流、すなわち、レージング（
ｌａｓｉｎｇ）動作に対するしきい値電流において、２
つの部分反射エンドミラーの間で前後に共振し、各経路
でさらに放射を誘導する。そして、この過程の間、光パ
ワーのいくらかは、レーザー光としてミラーを通過する
。

それ故、供給される電流の値およびエンドミラーすなわ
ち切子面の反射に依存して、半導体ダイオードは、光放
射ダイオード、光増幅器またはレーザーとして動作する
。

半導体光増幅器は、しばしば、２つのクラス、すなわち
ファプリーベロー光増幅器とトラベリングウェーブ（ｔ
ｒａｖｅｌｉｎｇ−ｗａｖｅ）光増幅器とに分類される
。この区別は、部分反射鏡を持つ増幅器に向けられてい
る表現パフアプリ−ペロー”に係わる便宜上のものであ
る。″トラベリングウェーブ″という表現は、レージン
グしきい値電流よりはるか小さい電流で動作する増幅器
を指すものである。はとんどの実用的な光増幅器は、こ
れら２つの両端の間の領域の中で動作し、以後、゛光増
幅器″という表現は２つのタイプを指すものとする。

半導体光増幅器において、利得（入力パワーによって割
算された出力パワーの比）は、注入電流の値、ミラーの
反射性、ミラーとそれと同様の物の間の距離に関係して
いる。利得はまた、デバイスの長さにも依存しており、
注入電流の大きさの増加とともに大きくなる。単一の経
路に対して飽和されていない光増幅器の利得は、デバイ
スの長さが増加するにつれて、あるいは注入電流が増加
するにつれて指数的に増える。

さまざまな条件が、半導体光増幅器の利得に影響を与え
る。１つの条件が利得飽和として知られている。半導体
光増幅器の利得が飽和される時、出力信号のさらなる増
加は、出力信号の比例した増加をもたらさない。

半導体光増幅器は、伝送されている情報がグラスファイ
バーを通して伝わる符号化された光ビームによって表わ
される長距離光フアイバー伝送システムで使用され得る
。エラーのない伝送のためには、伝送される光ビームの
強さが、ある許しうる範囲内に維持されることが肝要な
ことである。これは、別個のモニター光検出器を使って
、光増幅器のパワー出力を測定することによって成し遂
げられる。モニター光検出器は、光増幅器の平均パワー
出力を測定する。光検出器によって発生された信号は、
光増幅器の平均パワー出力を許される範囲内に保つため
に光増幅器に接続されて注入電流を調整するフィードバ
ック回路を制御するのに使われる。光増幅器の出力パワ
ーのこの制御は必要なものである。というのは、出力パ
ワーは時の経過または周囲温度のゆっくりとした減少ま
たは変化の結果として時間のある周期にわたってゆっく
りと変化するからである。

別個のモニター光検出器は、はとんどの応用に対し適切
であるけれども、同じ半導体チップにおいて光増幅器と
ともに集積された光検出器を持つことが望ましい。集積
された光増幅器−光検出器はよりコンパクトなパッケー
ジであり、波長多重化伝送機に対して必要とされる改良
された集積化多重素子光増幅器アレイであることを特徴
とする。本件発明において、新しい光増幅器−光検出器
の構造は、光増幅器と光検出器が並んで配列されるもの
として開示されている。

図を参照すると、本発明の原理に従った構造の側面図が
示されている。この構造は成長技術、例えば、ウェハを
形成するｎ−ＩｎＰ基板ｌＯへの液相エピタキシーによ
って４つの層を被着することによって形成される。４つ
の層は、例えば、それぞれｎ−ＩｎＰバッファ層１２、
ドープされないＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ活性層１４、ｐ　−
Ｉ　ｎ　Ｐクラツディング層１６、およびｐ−ＩｎＧａ
ＡｓＰ接続層とすることができる。次いで２つのチャン
ネルが、ウェットあるいはドライ化学的エッチャント（
ｅｔｃｈａｎｔ）および誘電体マスク、例えば光リソグ
ラフイツク技術を使って被着されたＳｉｏ、マスクを使
うことによって１１０方向に対し実質的に平行な方向に
ウェハ上でエツチングされる。次いでＦｅドープ半絶縁
性ＩｎＰ層２０あるいは、Ｔｉドープの半絶縁性ＩｎＰ
層２０が有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）技術によ
って、２つのチャンネル内にのみ選択的に成長される。

マスクの存在は、核の形成、よってチャンネルの領域外
でのＩｎＰの成長を妨げる。次いでウェハは、通常の金
属化および光リソグラフイツク技術を使って１つのチャ
ンネルの中に光増幅器をまた他のチャンネルの中に光検
出器を与えるために処理される。最終的なデバイスは集
積化された光増幅器−光検出器チップである。

図に示されている構造での光増幅器と光検出器は′並ん
で”いる。光増幅器部の中の活性領域への電流の制限は
、接続層１８に被着された誘電体２２によって、および
チャンネルの中に配置された半絶縁層２０によって与え
られる。Ｐ形およびｎ形ＩｎＰクラツディング層１６．
１２に接するドープされていないＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ　Ｐ層１４は、光増幅器に関する光放射領域（活性領
域）として、および光検出器に対する吸収領域として働
く。Ｐ側での光増幅器の接続２４と光検出器の接続２６
は、ＳｉＯ□層２８層上８て分離されている。

新しく集積された並んだ光増幅器−光検出器は、光増幅
器と光検出器部が、ＩｎＰのＦｅあるいはＴｉドープ半
導体層によって互いに分離されるものとして開示されて
いる。光検出器の実用は、光検出器を持たない強く屈折
率誘導された光増幅器の他のタイプに匹敵する。そして
、光検出器の電流は、光増幅器の出力パワーの跡をたど
る動作において、光増幅器の光学モードの端の部分によ
って運ばれる電磁エネルギーの一部が光検出器によって
検出される。光増幅器−光検出器の並んだ関係は、光増
幅器の実用の低下あるいは、光検出器の動作の縮小とい
う結果３をもたらすものではない、光検出器からの電流
は、光増幅器の安定あるいは制御をフィードバック回路
で与えるために光増幅器の出力をモニターするのに使わ
れ得る。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の原理に従って集積された光増幅器と光検
出器の構造の断面を示す図である。 ［主要部分の符号の説明］ １０　　・・・　・　・　　　　・ｎ−ＩｎＰ基板１２
　　・　　　　　　　・　ｎ−ＩｎＰバッハ層１４・・
・・・　ドープされないＩｎＧａＡｓＰ活性層１６・・
・・・・・・・・　ｐ−ＩｎＰクラツディング層１８・
・・・・・・・・・・・・・・　ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ接
続層２０・・・・・・・・・・・・・Ｆｅドープ半導体
ＩｎＰ層、Ｔｉドープ半導体ＩｎＰ層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光検出器および光増幅器を含み、該 光検出器は前記光増幅器に対して光学モードの端の部分
   で運ばれる電磁気のエネルギーの一部分を光増幅器から
   検出するように配置されていることを特徴とするデバイ
   ス。 ２、前記光検出器と前記光増幅器が並ん だ位置に置かれていることを特徴とする請求項１記載の
   デバイス。 ３、前記光検出器と光増幅器が基板、バ ッファ層、活性層、クラッディング層および接続層を含
   むウェハ上にあり、前記ウェハ中の第１および第２のチ
   ャンネル内にはＦｅあるいはＴｉドープの半絶縁物質が
   配置され、前記増幅器は該ウェハ上の第１のチャンネル
   に金属化および光リソグラフィー技術によって形成され
   、かつ前記光検出器は該ウェハ上の第２のチャンネルに
   金属化および光リソグラフィー技術によって形成される
   ことを特徴とする請求項２記載のデバイス。 ４、前記ＦｅあるいはＴｉドープの半絶 縁性物質がＩｎＰから成ることを特徴とする請求項３記
   載のデバイス。 ５、前記バッファ層、活性層、クラッデ ィング層および接続層のそれぞれがエピタキシャル成長
   技術によって成長されることを特徴とする請求項４記載
   のデバイス。 ６、前記バッファ層がｎ−ＩｎＰから成 るとを特徴とする請求項５記載のデバイス。 ７、前記活性層がドープされてない ＩｎＧａＡｓＰから成ることを特徴とする請求項５記載
   のデバイス。 ８、前記クラッディング層が、ｐ−ＩｎＰ から成ることを特徴とする請求項５記載のデバイス。 ９、前記接続層がｐ−ＩｎＧａＡｓＰか ら成ることを特徴とする請求項５記載のデバイス。 １０、前記第１および第２のチャンネルが ウェットあるいはドライ化学エッチャントおよびフォト
   リソグラフイック技術を用いて被着された誘電体マスク
   を用いて（１１０）方向に実質平行にウェハをエッチン
   クグすることによつて形成されることを特徴とする請求
   項３記載のデバイス。 １１、前記第１および第２のチャンネルに おけるＦｅあるいはＴｉドープの半絶縁性 ＩｎＰ物質はＭＯＣＶＤ成長技術によってチャンネルの
   中のみに成長されることを特徴とする請求項１０記載の
   デバイス。 １２、前記光増幅器の光出力パワーを制御 するために前記光検出器および前記光増幅器に接続され
   たフィードバック手段を含むことを特徴とする請求項１
   記載のデバイス。