JPS60176288A

JPS60176288A - 光集積回路

Info

Publication number: JPS60176288A
Application number: JP3218584A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Okuda; 奥田　寛; Haruji Matsuoka; 松岡　春治; Kenji Okamoto; 賢司岡本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-02-22
Filing date: 1984-02-22
Publication date: 1985-09-10

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】（７）技術分野この発明は、光通信用送信器、光情報処理促器用発光素
子などに使用できる光集積回路に関する。

（イ）従来技術とその問題点光通信システム、光情報処理システムなどに於て、半導
体レーザは、重要なキーデバイスである。

小型で、単一波長のコヒーレント光を発生させることが
でき、高効率てあシ、電流により直接発振、変調が可能
で、波長選択も容易である、という多くの利点をもって
いるからである。

しかしながら、狭い領域に高密度の電流か流わるから、
劣化しやすく、寿命が短いという欠点がある。

半導体レーザを発光源として用いるシステムは、他の構
成部品が信頼性の高いものであったとしても、半導体レ
ーザの低信頼性のため、システム全体としての（ｉ頼性
はなお低い。

本発明者は、そこで、半導体レーザを２以上予め備えて
おき、ひとつが故障すると、他のひとつを使うようにす
わば、半導体レーザの低信頼性を成る程度、克服するこ
とかできる、と考えた。つまり、予備の半導体レーザを
予め設面しておくのである。もちろんレーザの発振状態
をモニタするためのフォトダイオードも、半導体レーザ
ことに設けておき、ひとつのレーザの出力か低下した事
を知・つて、予備のレーザへ切換えるようにする。

このような２　ＪＪ、上の半導体レーザ、フォトタイオ
ードよりなる発光Δｔを従来技術の手法によって構築し
ようとすねは、第３図のようなものが考えられる。

第ル−ザダイオード３１の光はレンズ３２で絞らね、ミ
ラー３３によって反射されて光ファイバ３４のコアに入
射する。フォトダイオード３５は第ル−ザダイオード３
１の出力をモニタするもので、レンズ３２と反対側に設
けである。

駆動回路３６が、レーザタイオード３１に駆動電流を与
える。これによって変調された信号光がレーザダイオー
ド３１から発振されて、外部へ出射される。

予備レーザダイオード３７が、主レーザダイオード３１
と別に設けられる。予備レーザタイオード３７用のレン
ズ３８、フォトダイオード３９が、予備レーザダイオー
ド３７の前後に設置される。

主レーザタイオード３１が故障したり、異常に出力が低
下したりすると、駆動回路３６は、予備レーザダイオー
ド３７を駆動するように切換えら第１．る。さらにミラ
ー３３を４０の位置へ移動させる。

たとえこのようにしても、こんどは、製造コストが冒く
なる、という離点かある。

光路切換え機構やモニタ用フォトダイオード、レーザタ
イオードをディスクリートな部品によって構成するため
、製造工程が増え、高精度の微調整（光軸合わせ等）か
必要である。

変調駆動する際、必要変調パワ一対変調帯域比（Ｐ／Δ
ｆ）か大きな値となり、高速変調駆動は容易ではない。

このような構成では、変調駆動回路を外付けするため、
浮遊審理か大きくなり、変調帯域か狭くなると同時に、
変調信号パワーが有効にレーザタイオードへ挿入されな
くなるのである。

（つ）　目　的この発明は、上記欠点を克服するために、主半導体レー
ザ、予備半導体レーザ及びこ第１らの駆動用Ｆ’　Ｅ　
Ｔ、及び出力光モニタ用のフォトダイオードを一本の光
導波路状に、同一半導体基板上に化ノリシックに集積し
た光集積回路を与える事を目的とする。

（１）構　成本発明は、１枚の半導体基板の上に複数の発光素子及び
、各々の発光素子を駆動するためのＦ　ＥＴ、発光素子
からの光出力を検出する光検出器と、発光素子で生じた
光出力を外部へ導く光導波路を、モノリシックに集積し
た光集積回路に係る。

第１図は本発明の光集積回路の斜視図である。

基板の上に、複数の発光素子を１σ列に配置し、その出
力光を発光素子の端部に設けた光導波路によって外部へ
心く。発光素子の光出力を検出するだめの光検出素子が
片方の発光素子の片端の延長上に配置されている。

発光素そのうちの１個を主、他を予備として使う。主発
光素子の出力か低下したり、発振停止した場合には、こ
れを光検出素子によって検知し、予備の発光素子に切換
える。さらに発光素子を駆動するためのＦ　Ｅ　Ｔが、
各々の発光素子の上部に設けられている。

発光素子は、レーザタイオード、光検出素子はフォトダ
イオード、ＦＥＴは接合型Ｆ　Ｅ　ｉ−とすると、モノ
リシック化が容易である。

長波長帯（波長＝０．９〜１．７ｔｔｍ　）　通信用と
しては、半導体材料としてＩｎＰを基板とするｌｎＧａ
ＡｓＰ系の４元混晶を選ぶ。

短波長帯（波長＝０．７〜０．９μｍ）通信用としては
、ＧａＡｓを基板とするＧａＡ４Ａｓ系の３元混晶を選
ぶ。

Ｓ　Ｉ　（Ｓｅｍ１　Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　：半絶縁
性）　−１ｎＰ基板１から出発する。Ｓ　Ｉ　−１ｎＰ
ウエハの上に同等の光集積回路を多数、ウェハプロセス
によって製作する。以、下、ひとつの素子単位について
説明するが、全てウェハ全体で同一操作が行われている
のである。

Ｓ　Ｉ　−１ｎＰ基板１の上の一部をエツチングによシ
、片溝加工する。この溝に、下から順に、Ｐ−１ｎＰク
ラッド層２、ｐ　−ＩｎＧａＡｓＰ導波層３、Ｐ−Ｉｎ
Ｐバッファ層４、ｎ　−ＩｎＧａＡｓＩ’活性層５、ｎ
−１ｎＰクラッド層６、ｐ　−１ｎＧａΔｓＰゲ一ト層
７の順で多層エピタキシャル成長させる。

エピタキシャル多層成長法としては液相成長法（Ｌｉｑ
ｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ　）、気相成長法
（Ｖａｐｏｕｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ　）、有
機金属気相堆積法（Ｍｅｔａｌ　−Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃ
１１ｅｍＣ１１ｅ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ　）などを用いることかできる。

ここで、レーザダイオ−１’Ｌ、］）］１，１−１２Ｏ
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ　活性層５はフォトタイオードＰＤ
の光検出層５と共通である。また、レーザダイオードＬ
ＤＩ、ＬＤ２のｎ−１ｎＰクラッド層６はジャンクショ
ンＦＥＴＩ　、ＦＥＴ２のドレイン１１，１４、ソース
１２．１５と共通である。

フォトリングラフィにより、（１）　フォトダイオードＰＤと２つのレーザダイオー
ドＬＤ’ｌ、ＬＤ２を同一直線上に、分離して形成する
。

（２）２つのＦＥＴＩ、ＦＥＴ２を分割し、レーザダイ
オードＬＤ１　、旧〕２の１１−１ｎＰ　クラッド層６
と、それぞれのドレイン１１．１４が合致するようにす
る。

（３）　さらにＦＥＴ１．ＦＥＴ７のＩ）　−ＩｎＧａ
ＡｓＰゲート層７のみが残るようにエツチングして、ゲ
ート１３．１６を形成する。

（４）電極とシ出しのため、溝の一部のｐ　−１ｎＰク
ラッド層２を露出させる。

次に、ｐ　−ＩｎＰバッファ層４の一部を、ホログラフ
ィック露光法、もしくは電子線ビーム（ＥＢ）露光法と
フォトリソグラフィによ・ってグレーティング加工し、
ブラッグ反射器を形成する。

レーザダイオードＬ−Ｄｌ、Ｌｌ）２の両側表、中間に
３つのグレーティング１７，１８．１９が形成しである
。

グレーティングの周期Ａは、活性層５中の光波が効果的
にブラッグ反則されるように、Ａ−λｇ　／　２　Ｎ　
（＞）となる様に選ぶ。ここにλｇは、活性層５のエネルギー
バンドギャップに対する波長で、Ｎは実効的屈折率（導
波路中での伝搬定数βと、真空中の伝搬定数ｋｏ　との
比：Ｎ−β／ｋｏ）　である。

このレーザダイオードＬＤ１．ＬＤ２は、直線上に並ん
でおシ、しかもフォトダイオードも直線上にあるから、
襞間面を共振器のミラーとして利用すること゛ができな
い。そこで、分布ブラッグ反則型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔ
ｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　：　Ｄ　Ｂ　
Ｒ）レーザとしている。

電流注入によシ、活性層５には光波が発生する。

これは、屈折率の高いｐ　−ＩｎＧａＡｓＰ導波路３を
伝わ′つて、両側へ進行してゆく。伝搬光の波長の半分
かグレーティング１７．１８．１９の周期であるから、
この光はクレーティングの中で反射される。両側のクレ
ーティング間で反射されるから、誘導放出が起こシ、レ
ーザ発振する。

レーザ光は、ｐ　−ＩｎＧａＡｓＰ導波路３を通じて長
手方向に伝搬する。一部は素子の前端面２２がら外部へ
出力先止して出てゆく。一部は、後端面のフォトダイオ
ードＰＤに入射する。

この図では電極を図示していないが、電極について説明
する。

オーミック電極を、フォトダイオードＰＤのカソード部
２３　（ｎ　−ＩｎＧａＡｓＰ層５）、ＦＥ、Ｔ１゜Ｆ
　Ｅ　Ｔ２のゲート１３．１６、及びソース１２゜１５
と、レーザダイオードｒ−Ｄ１．ｔ、ｎ２の１）側コン
タクト面２４１こ形成しなければならない。

フォトダイオードｌ）　Ｄのカソード２３と、ＦＩＬ■
のソース１２．１５はｎ型半導体である。ＦＥＴのゲー
ト１３．１６とレーザダイオードＬＤ１゜ＬＤ２のＰコ
ンタクト２４はＰ型半導体である。

Ｐ型オーミック電極としてはＡｕ　−Ｚｎなどが、ｎ型
オーミック電極としては、Ａｕ　−Ｇｅ　−Ｎｉ　など
か考えられる。

レーザダイオードＬＤＩ、ＬＤ２のｎ側の電極は不要で
ある。これを駆動すべきＦＥＴＩ、ＦＥ１゛２のドレイ
ンと共通になっているからである。

ゲート１３．１６に変調駆動信号を与える。

フォトダイオードＰＤとレーザダイオードＬＤ１、ｒ−
Ｄ２のＰ側電極も共通になっており、１）コンタクト２
４からとり出す。

さらにフォトダイオードＰ　Ｄの光検出層５と、レーザ
ダイオードＬＤＩ　、ＬＤ２の活性層５とは同一である
。

このように共通の層部分が多いので、エピタキシャル成
長プロセスが簡略化される。

オ）等節回路第２図に本発明の集積回路の等節回路及び周辺回路を示
す。第１図の構成要素が、対応する線に番号を付するこ
とによ・つて示さ才する。

この光集積回路は、２個のレーザタイオードとＦＥＴを
含むか同一であるから、一方だけについて示す。

レーザダイオードＬＤとホトダイオードＩ）　Ｄのアノ
ード側はｐ　−１ｎＰクラッド層２によって共通になっ
ており、Ｐコンタクト２４により、適当な直流電源又は
アースに接続される。

ＦＥＴのソース１２．１５は直流電源２５の負極に接続
しである。ＦＥＴのゲート１３．１６は、抵抗２７、直
流電源２６により負電圧にゲートバイアスされている。

一方、コンデンサ２８を介して、変調入力信号がゲート
１３．１６に入力される。

フォトダイオードＩ’Ｄのカソード２３は、検出側の端
子となり、適当な増幅回路に接続さノする。

ゲートに与えられる入力信号に応じてレーザダイオード
ＬＤが発光し、これをＰＤが検出できるようになってい
る。

カ）作　用光通信用機器、光情報処理用機器の発光素子として利用
される。レーザダイオードが直線上に複数個形成されて
いる。いずれを駆Ｈｒｉノしても、同一の光導波路から
、同一強度の光か出るように１ｊつでいる。

レーザダイオードは複数個あるか、いずれかひと・つだ
けを使用する。このダイオードＬ　Ｄが故障した場合、
光導波路の一端にあるフォトダイオードＩ）　Ｄかこれ
を検出する。この時、他のレーザダイオードに変調駆動
の対象を切換える。

（キｌ　’Ｇａ／ＪＡｓ系の光集積回路本発明は、Ｉｎ
Ｐ系の他に、ＧａＡｓ系の材料にも適用する事ができる
。

Ｓ　Ｉ　−ＧａＡｓ基板を使う。たたし、ＧａＡｓ０方
かＧａＡｓ０方　ｓよシ屈折率か大きいので、ＧａＡｓ
か活性層になり、Ｇａ　ｈ９Ａ　ｓかクラッド層になる
、という違いはある。エビクキシャル多層成長法を用い
る点は同じである。

（グ効　果本発明の光集積回路は、光通信用送信器、光情報処理用
発光素子などとして、システムの中へ組み込まれる。こ
の光集積回路は、次のような優れた効果をもたらすこと
かできる。

（１）　主レーザダイオードが故障することにょシ、シ
ステムかダウンしても、極めて短い時間に、回復させる
ことができる。

電気的操作によシ、主レーザダイオードがら、予備レー
ザダイオードに切換えることができ、またモノリシック
集積された直線状の光導波路を？！ｊｊ＋えているがら
、光軸調整を要しない。

（２）光源切換え用の光コンポーネントが不要である。

モノリシック光導波路を有し、レーザダイオードが直列
に集積化されているがらである。

（３）　製造プロセスが簡単である。

レーザダイオードの活性層とフォトダイオードの光検出
層の組成が同一てあシ、レーザダイオードのクラッド層
とＦＥＴのドレインが共通であるからである。

（４）主レーザダイオードか故障し、予備レーザダイオ
ードに切換えても、発光特性には変化が１λい。

主レーザ、予備レーザダイオードの活性層は共通てあシ
、またＤＢＲ（分布ブラ・ンク゛反射型）構造を採用す
るので、２つのレーザダイオードの発振波長、モードな
どが同一である。

（５）小型、軽量、高信頼性で、低コスト叱方Ｓ図ねる
。

レーザダイオード、駆動用ＦＥＴ、モニタ用フォトダイ
オード、および光導波路を同一基板上に、モノリシック
集積したため、光軸無調整である。在来の半導体デノく
イスプロセスによ・つて量産化できる。

（６）所要変調信号パワ一対変調帯域比Ｐ／Δ「が小さ
くなり、高速変調駆動が容易となる。

半導体レーザと、これを駆動するためのＦＥ　Ｔをモノ
リシック集積しているため、浮遊容量が小さくなる。こ
のため、変調帯域か広くとれ変調信号パワーの挿入が容
易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光集積回路の斜視図。第２図はこの光集積回路の１／２の部分の等価回路と周
辺回路図。第３図は従来例のディスクＩＩ　−トな光学系により、
主、予備発光素子の系を構成した略図。ｌ　・・・Ｓ　Ｉ　−ＩｎＰ基板２・・ｐ　−１ｎＰクラッド層３　・−・・ｐ　−１ｎＧａＡｓＰ導波層４・・　ｐ　
−１ｎＰバッファ層５　、、、、、、ｎ　１ｎＧａＡｓＰ活性層６・・・・
・・ｎ　−１ｎＰクラッド層７　、、、、、、　ｐ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰゲート層１１・・・・・・ドレイン１２・・・・・・ソ　−　ス１３・・・・・・ゲ　−　ト１４　・・　・　ド　し　イ　ン１５・・・・・・ソ　−　ス１６・・・・・ゲ　−　ト１７．１８．１９・・・・・り゛レーテインク゛２２・
・・・前　端　面２４・・・・・ｌ）コンタクトＦＥＴ・・・・・・電界効果トランジスタＬＤ・・・・
・・レーザダイオードＰＤ・・・・・・フォトダイオード発　明　者　奥　１）　寛松　岡　春　冶岡　本　賢　司特許出願人　住友電気工業株式会社第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）１枚の半導体単結晶基板の上に、複数の直線上に
設けられる発光素子と、各々の発光素子からの光出力を
導く重線状の光導波路と、光導波路上に設けられ発光素
子の出力光を検出するための光検出素子と、各発光素子
を駆動するためのＦＥＴとが、多層エピタキシャル１１
４造でモノリシックに集積されている事を特徴とする光
集積回路。
（２）　発光素子は分布ブラッグ反射型レーザである特
許請求の範囲第（１）項記載の光集積回路。
（３）光検出素子はレーザダイオード部と部分的に共通
な断面構造を有するフォトダイオードである特許請求の
範囲第（１）項記載の光集積回路。
（４）　ＦＥ−ｒは、そのドレイン部かレーザダイオー
ドのクラッド層と共通になるような接合型ＦＥＴである
特許請求の範囲＠（１）項記載の光集積回路。
（５）材料として、半絶縁性１ｎＰを基板とするＩ　ｎ
ＧａＡ　ｓ　Ｐ系混晶を用いた特許請求の範囲第（１）
項〜第（４）項のいずれかに記載の光集積回路。
（６）材料として、半絶縁性ＧａＡｓを基板とする　。Ｇａ／％−ｅＡｓ系混晶を用いた特許請求の範囲第（１
）項〜第（４）項のいずれかに記載の光集積回路。