(57)【要約】【課題】発光部と受光部とを有する光送受信装置において、複雑な工程を得ることなく高効率で偏波制御可能な構造を実現する。【解決手段】基板１０に近接して発光部１２０と受光部１３０とが形成されている。発光部１２０と受光部１３０とは互いに独立して駆動可能であり、受光部１３０の上部には不純物拡散領域１３９が形成されている。受光部１３０は高効率で光を受信することができ、発光部１２０と受光部１３０の表面に偏波を制御するために必要な微小構造を形成することができ、高効率且つ偏波制御が可能な光送受信装置を得ることができる。【選択図】図１
2010016241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された少なくとも１つの発光部と、
前記半導体基板上に形成された少なくとも１つの受光部とを備え、
前記発光部と前記受光部とは、それぞれ、第１の反射鏡と、活性層と、第２の反射鏡とを有し、
前記第１の反射鏡は、前記発光部および前記受光部のそれぞれにおいて、前記基板と前記活性層との間に配置され、
前記活性層は、前記発光部および前記受光部のそれぞれにおいて、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡の間に配置され、
前記受光部の前記第２の反射鏡の一部分には、不純物が拡散された領域が設けられていることを特徴とする光送受信装置。
【請求項２】
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とは、それぞれ、半導体多層膜であることを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
【請求項３】
前記発光部の表面と前記受光部の表面との段差が、発光部が発する光の波長以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光送受信装置。
【請求項４】
前記発光部および前記受光部の少なくとも一方には、間隔が前記発光部での発光波長以下となるように形成された微小構造が形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の光送受信装置。
【請求項５】
前記微小構造は周期構造を有することを特徴とする請求項４に記載の光送受信装置。
【請求項６】
前記微小構造は金属で形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の光送受信装置。
【請求項７】
前記微小構造は、前記発光部および前記受光部の少なくとも一方の表面上に形成されていることを特徴とする請求項４から６の何れか一つに記載の光送受信装置。
【請求項８】
前記半導体多層膜はＡｌ１−ｘＧａｘＡｓにより構成され、
前記不純物はＺｎであることを特徴とする請求項１から７の何れか一つに記載の光送受信装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光送受信装置を用いて直線偏波方向が互いに異なる複数の光信号を伝送することを特徴とする光送受信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光部と受光部とが同一基板上に形成された光送受信装置および光送受信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、急速な情報化に伴い、基幹通信網におけるデータ通信量が急増するのと同時に民生機器および端末におけるデータ通信量も急増しており、通信速度の高速化および通信容量の大容量化が求められている。そのため、従来、民生機器などには、電気信号による低速な通信方式が用いられており、基幹通信網には、発光素子である半導体レーザと受光素子であるフォトダイオードなどの光信号を電気信号に変換する素子とを用いた光通信技術が用いられていた。しかし、最近、基幹通信網にのみ用いられていた光通信技術を、民生機器などの電気信号による低速な通信方式が用いられていた機器へ広く普及させる傾向にある。
【０００３】
しかしながら、民生機器などでは、基幹通信網などと比較して低コスト化への要求が強い。そのため、単一のチャネルで非常に高速な発光素子および受光素子を民生機器などに利用することは、そのような発光素子および受光素子が非常に高価であること、および、周辺システムの高度化も必要であることなどの理由から、適していない。このため、民生機器などでは、単一の素子では比較的低速であるが波長または偏波などを多重化することにより通信容量を大容量化することが検討されている。民生機器などに利用される通信は比較的近距離であり、また、民生機器などは小型である必要があるため、通信用光源として面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）を用いることが期待されている。また、信号の多重化の方法として複数の異なる波長を用いるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）などが一般的であるが、面発光レーザの構造上および製造方法上の特徴により、モノリシックな方法で複数の異なる波長を発生させることは非常に困難である。
【０００４】
一方、１本の光ファイバを用いて相異なる偏波状態の光信号を同時に伝送する偏波多重方式では、偏波状態の数だけチャネルを増やすことができ、また、偏波状態の数だけ通信容量を増大させることが可能となる。また、偏波多重方式は、波長が同一でも利用可能であり、面発光レーザの出力光の偏波を制御することが可能であれば安価且つ高速な多重通信手段として非常に期待できる。偏波多重光信号を発生させる手段としては、次のような例が特許文献１に記載されている。図１１（ａ）に示すように２つのレーザ装置の出力である水平偏波１００１および垂直偏波１００２と偏波保持光ファイバ１００４とをそれぞれ結合させ、２本の偏波保持光ファイバを互いに偏波が９０度異なる方向となるようにして偏波合波器１０００の入力側に接続させる。偏波合波器１０００の出力側に接続された偏波保持光ファイバ１００４から取り出された信号は、互いに偏波が９０度異なる２つの偏波状態の光信号を含む直交偏波多重光１００３となる。
【０００５】
面発光レーザを用いたモノリシックな構造で特許文献１に示されているような構成を実現するためには、発光素子と受光素子とを同一基板上に集積化させる必要がある。発光素子と受光素子とを集積化させる手段としては、次のような例が特許文献２に記載されている。図１１（ｂ）に示すように、光送受信装置１１００を構成する要素として、発光部１１０１とその下部に受光部１１０２とを積層して形成する方法が挙げられている。
【特許文献１】特開２００３−１２４９１３号公報
【特許文献２】特開平４−２０７０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら従来構造によれば、受光素子の上部に発光素子が積み重ねられて形成されているため、受光素子の大面積化に伴う低速度化という課題がある。また、このような構造では、発光素子の表面と受光素子の表面とに大きな段差が発生するため、高密度集積化を行う場合には、各々の素子の偏波を制御するために必要となる微小構造の加工が難しくなる課題がある。
【０００７】
本発明は前記従来の問題を解決し、部品点数が少なく且つ簡便な工程のみで偏波多重光信号の送信と受信とが可能な光送受信装置及び光送受信システムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、光送受信装置の発光部から送信される光の偏波方向および受光部が受信する光の偏波方向を任意に制御する構成である。
【０００９】
具体的には、本発明に係る光送受信装置は、基板上に発光部と受光部とを備え、受光部には不純物が高濃度に拡散された領域が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の光送受信装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成された少なくとも一つの発光部および受光部とを備えている。発光部と受光部とは、それぞれ、第１の反射鏡と活性層と第２の反射鏡とを有している。その第１の反射鏡はそれぞれ基板と活性層との間に配置され、その活性層はそれぞれ第１の反射鏡と第２の反射鏡の間に配置されている。そして、受光部の第２の反射鏡の一部分には、不純物が拡散された領域が設けられている。
【００１１】
このような構成とすることにより、同一基板上に、発光部と受光部とが形成される。また、高濃度の不純物拡散を利用して受光部の受光面側の反射鏡を無秩序化しているので、受光部における反射率を低減することができ、その結果、受光部は受信した光を効率よく電気信号に変換することが可能となる。
【００１２】
本発明の光送受信装置では、第１の反射鏡と第２の反射鏡とはそれぞれ半導体多層膜であることが好ましい。
【００１３】
このような構成とすることにより、発光部においては、非常に高い反射率を得ることができるので優れた特性の面発光レーザを実現することができる。また、受光部においては、不純物拡散により受光面側の反射鏡を無秩序化することにより反射率が低減され、その結果、受光効率を高めることが可能となる。
【００１４】
本発明の光送受信装置では、発光部の表面と受光部の表面との段差が、発光部が発する光の波長以下であることが好ましい。
【００１５】
このような構成とすることにより、発光面と受光面が同一の高さとなり、製造工程を簡素化することが可能となる。また、レンズなどの光学系と組み合わせる際に発光部と受光部を容易に光学系と結合させることが可能となる。
【００１６】
本発明の光送受信装置では、発光部および受光部の少なくとも一方には、間隔が発光部での発光波長以下となるように形成された微小構造が形成されていることが好ましい。
【００１７】
このような構成とすることにより、偏波多重通信または光学センサーを実現する上で必須となる、発光部の送信光および受光部の受信光のモード制御ならびに偏波制御等が可能となり、偏波制御光送受信装置（偏波が制御された光送受信装置）をモノリシックな構造で実現可能となる。
【００１８】
本発明の光送受信装置では、微小構造は周期構造を有することが好ましい。
【００１９】
このような構成とすることにより、フォトニック結晶が有するフォトニックバンドギャップ等を利用した発光部の送信光および受光部の受信光のモード制御ならびに偏波制御等が可能となり、優れた偏波制御光送受信装置を実現可能となる。
【００２０】
本発明の光送受信装置では、微小構造は金属で形成されていることが好ましい。
【００２１】
このような構成とすることにより、周期構造を有する金属膜で観測される表面プラズモン共鳴効果等を利用した発光部の送信光および受光部の受信光のモード制御ならびに偏波制御等が可能となり、優れた偏波制御光送受信装置を実現可能となる。
【００２２】
本発明の光送受信装置では、微小構造は、発光部および受光部の少なくとも一方の表面上に形成されていることが好ましい。
【００２３】
このような構成とすることにより、発光部の送信光のモード制御および受光部の受信光の受信効率の向上等が実現可能となる。
【００２４】
本発明の光送受信装置では、半導体多層膜はＡｌ１−ｘＧａｘＡｓにより構成され、不純物はＺｎであることが好ましい。
【００２５】
このような構成とすることにより、半導体多層膜がＺｎの拡散によって無秩序化されるので、第２の反射鏡は発光部の発光波長において透明な材料となり、その結果、受光部において受信効率の向上が実現可能となる。
【００２６】
本発明の光送受信システムは、上記光送受信装置を用いて直線偏波方向が互いに異なる複数の光信号を伝送する。
【００２７】
このような構成とすることにより、偏波多重光通信システムおよび対象物の偏波依存性を検出する光学センサー等が実現可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る光送受信装置によれば、部品点数が少なく、且つ簡便な調整のみで実装が容易で、さらには、信頼性の高い偏波多重光信号の送信および受信が可能な双方向光送受信システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置１０１について、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）には第１の実施の形態に係る光送受信装置１０１の断面構成を示し、光送受信装置１０１は発光部１２０が送信光１０２を送信し受光部１３０が受信光１０３を受信する構成となっている。図１（ｂ）には、第１の実施の形態に係る光送受信装置１０１における表面構成を示す。また、図２（ａ）〜（ｃ）には、本実施形態の光送受信装置１０１の製造方法の断面構成を示す。また、図３（ａ）および（ｂ）にはそれぞれ受光部１３０の上部多層膜反射鏡１３５に不純物拡散領域１３９を形成する前における屈折率および反射率を示し、図３（ｃ）および（ｄ）にはそれぞれ受光部１３０の上部多層膜反射鏡１３５に不純物拡散領域１３９を形成する後における屈折率および反射率を示す。
【００３０】
本実施形態の光送受信装置１０１は、図１（ａ）に示すように基板（半導体基板）１０上に形成された発光部１２０および受光部１３０よりなる。発光部１２０および受光部１３０は、それぞれ、独立した電極を備え、独立に駆動が可能である。
【００３１】
次に、図１、図２および図３を用いて、本実施形態の光送受信装置１０１の構造、製造方法および動作原理について詳細に説明する。第１の実施の形態に係る光送受信装置１０１は、基板１０上に発光部１２０および受光部１３０を有する。発光部１２０を構成する構造として、下地層１２１、下部多層膜反射鏡（第１反射鏡または第２反射鏡）１２２、発光層（活性層）１２３、電流狭窄層１２４、上部多層膜反射鏡（第２反射鏡または第１反射鏡）１２５、コンタクト層１２６、上部電極１２７および下部電極１２８を有し、受光部１３０を構成する構造として、下地層１３１、下部多層膜反射鏡（第１反射鏡または第２反射鏡）１３２、受光層（活性層）１３３、電流狭窄層１２４、上部多層膜反射鏡（第２反射鏡または第１反射鏡）１３５、コンタクト層１３６、上部電極１３７、下部電極１３８および不純物拡散領域１３９を有する。また、電流狭窄層１２４，１３４は、それぞれ、電流狭窄領域１２４ａ，１３４ａと酸化物高抵抗領域１２４ｂ，１３４ｂとを有する。
【００３２】
次に結晶成長により形成される構造について図２（ａ）を用いて説明する。基板１０は半絶縁性のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる。下地層２１は基板１０上にｎ型のＧａＡｓを結晶成長することにより形成されている。下部多層膜反射鏡２２は、ｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層とが交互に積層された多層膜である。なお、これらの半導体層には、ｎ型の不純物としてシリコンがドーピングされている。各半導体層の膜厚はλ／４ｎ（λは発光部１２０のレーザ発振波長であり、ｎは媒質の屈折率である）であり、３４．５周期積層されている。
【００３３】
活性層２３は、ノンドープＧａＡｓ層からなる井戸層、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ層からなる障壁層、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ層からなる下部スペーサ層および上部スペーサ層が積層された量子井戸構造であり、井戸層の数は３周期である。なお、活性層２３の膜厚はλ／ｎである。
【００３４】
電流狭窄層２４は、ｐ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層からなり、上部多層膜反射鏡２５内のｐ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層の一部を置き換えるようにして構成されている。
【００３５】
上部多層膜反射鏡２５は、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層とが交互に積層された多層膜である。各半導体層には、ｐ型の不純物としてカーボンがドーピングされている。各半導体層の膜厚はλ／４ｎであり、９．５周期積層されている。
【００３６】
コンタクト層２６は、ｐ型ＧａＡｓ層からなり、電極との接触抵抗を低減するためｐ型不純物であるカーボンが１×１０１９ｃｍ−３以上の高濃度でドーピングされている。
【００３７】
発光部１２０は、発光部１２０を構成しているコンタクト層１２６、上部多層膜反射鏡１２５、電流狭窄層１２４、発光層１２３、下部多層膜反射鏡１２２および下地層１２１の一部を下地層１２１の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部と、基板１０の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部によって周辺と隔てられ、直径が約２０μｍ程度の円柱状の構造を有している。コンタクト層１２６表面の一部と接触するようにして上部電極１２７が形成され、下地層１２１の露出した表面の一部と接触するようにして下部電極１２８が形成されている。
【００３８】
受光部１３０は、発光部１２０の近傍に、コンタクト層１３６、上部多層膜反射鏡１３５、電流狭窄層１３４、受光層１３３、下部多層膜反射鏡１３２および下地層１３１の一部を下地層１２１が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部と、基板１０の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部によって周辺と隔てられている。コンタクト層１３６の一部と接触するようにして上部電極１３７が形成され、下地層１３１の露出した表面の一部と接触するようにして下部電極１３８が形成されている。
【００３９】
受光部１３０では、上部多層膜反射鏡１３５はｐ型であり、受光層１３３は不純物をドーピングしないｉ型（ｉ型とはintrinsicすなわち半導体が本来持っている固有のキャリアを有することをいう）であり、下部多層膜反射鏡１３２はｎ型であるので、受光部１３０をｐｉｎフォトダイオードとして機能させることが可能である。
【００４０】
受光部１３０は、図２（ｂ）に示すように、コンタクト層１３６および上部多層膜反射鏡１３５の一部に高濃度の不純物がドーピングされた不純物拡散領域１３９を有する。上部多層膜反射鏡１３５は屈折率の異なる材料からなる多層膜構造を有しているが、この上部多層膜反射鏡１３５において亜鉛（Ｚｎ）に代表される不純物が高濃度に拡散されることにより上部多層膜反射鏡１３５の一部分が無秩序化され、ほぼ均一の組成を有する領域（不純物拡散領域１３９）が形成される。上部多層膜反射鏡１３５の一部分が無秩序化されることにより、受信光１０３の波長においてほぼ透明な材料となり、受光部１３０は受光層１３３で効率よく受信光１０３を受光することが可能となる。不純物を拡散させる方法は、熱拡散またはイオン注入などで可能である。不純物を拡散させる前には上部多層膜反射鏡１３５には高屈折率層と低屈折率層とが存在していたが（図３（ａ））、不純物の拡散によって高屈折率層と低屈折率層とが混晶化し、これらの界面が不明確になる（図３（ｃ））。そのため、上部多層膜反射鏡１３５に不純物が拡散されていない従来の形態では上部多層膜反射鏡１３５は発光部１２０の発光波長λにおいて９９％以上の反射率を有していたが（図３（ｂ））が、不純物の拡散によりその反射率が半分以下に低減されることを確認した（図３（ｄ））。
【００４１】
なお、図１（ａ）では、受光部１３０の上部多層膜反射鏡１３５の層数が発光部１２０の上部多層膜反射鏡１２５の層数と等しくなっているが、受光部１３０の上部多層膜反射鏡１３５の層数が発光部１２０の上部多層膜反射鏡１２５の層数より少なくなっていても良く、あるいは上部多層膜反射鏡１３５が無い構造としても良い。
【００４２】
また、図１では、受光部１３０を構成する各層の表面は平坦に形成されているが、受光層１３３あるいは電流狭窄層１３４あるいは上部多層膜反射鏡１３５あるいはコンタクト層１３６の表面に凹凸が形成されていても良い。
【００４３】
また、図１では、発光部１２０の上部電極１２７および下部電極１２８ならびに受光部１３０の上部電極１３７および下部電極１３８をそれぞれ独立としたが、例えば発光部１２０の下部電極１２８と受光部１３０の上部電極１３７とを共通の電位とするような構造でも良い。
【００４４】
また、図１では、基板側をｎ型とし表面側をｐ型としたが、基板側をｐ型とし表面側をｎ型としてもよい。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る光送受信装置２０１について、図面を参照しながら説明する。図４（ａ）には第２の実施の形態に係る光送受信装置２０１の断面構成を示し、発光部２２０は送信光１０２を送信し、受光部２３０は受信光１０３を受信する構成となっている。図４（ｂ）には第１の実施の形態に係る光送受信装置２０１における表面構成を示す。
【００４５】
本実施形態の光送受信装置２０１は、図４（ａ）に示すように基板１０上に形成された発光部２２０および受光部２３０よりなる。発光部２２０および受光部２３０はそれぞれに独立した電極を備え、独立に駆動が可能である。
【００４６】
次に、本実施形態の光送受信装置２０１の構造、製造方法および動作原理について図４および図５を用いて詳細に説明する。第２の実施の形態に係る光送受信装置２０１は、基板１０上に発光部２２０および受光部２３０を有する。発光部２２０は、を構成する構造として、下地層１２１、下部多層膜反射鏡１２２、発光層１２３、電流狭窄層１２４、上部多層膜反射鏡１１２５、コンタクト層１２６、上部電極１２７および下部電極１２８を有している。受光部２３０を構成する構造として、下地層１３１、下部多層膜反射鏡１３２、受光層１３３、電流狭窄層１３４、上部多層膜反射鏡１３５、コンタクト層１３６、上部電極１３７、下部電極１３８および不純物拡散領域１３９を有する。
【００４７】
次に結晶成長により形成される構造について図５（ａ）を用いて説明する。基板１０は、半絶縁性のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる。下地層２１は、基板１０上にｎ型のＧａＡｓを結晶成長することにより形成されている。下部多層膜反射鏡２２は、ｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層とが交互に積層された多層膜である。なお、下部多層膜反射鏡２２には、ｎ型の不純物としてシリコンがドーピングされている。各層の膜厚はλ／４ｎ（λは発光部２２０のレーザ発振波長であり、ｎは媒質の屈折率である）であり、３４．５周期積層されている。
【００４８】
活性層２３は、ノンドープＧａＡｓ層からなる井戸層、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ層からなる障壁層、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ層からなる下部スペーサ層および上部スペーサ層が積層された量子井戸構造を用いており、井戸層の数は３周期である。なお、活性層２３の膜厚はλ／ｎである。
【００４９】
電流狭窄層２４は、ｐ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層からなり、上部多層膜反射鏡２５内のｐ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層の一部を置き換えるようにして構成されている。
【００５０】
上部多層膜反射鏡２５は、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層とが交互に積層された多層膜である。上部多層膜反射鏡２５には、ｐ型の不純物としてカーボンがドーピングされている。各層の膜厚はλ／４ｎであり、９．５周期積層されている。
【００５１】
コンタクト層２６は、ｐ型ＧａＡｓ層からなる。電極との接触抵抗を低減するため、コンタクト層２６にはｐ型不純物であるカーボンが１×１０１９ｃｍ−３以上の高濃度でドーピングされている。
【００５２】
発光部２２０は、発光部２２０を構成しているコンタクト層１２６、上部多層膜反射鏡１２５、電流狭窄層１２４、発光層１２３、下部多層膜反射鏡１２２および下地層１２１の一部を下地層１２１の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部と、基板１０の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部とによって周辺と隔てられ（図５（ｄ））、直径が約２０μｍ程度の円柱状の構造を有している。コンタクト層１２６表面の一部と接触するようにして上部電極１２７が形成され、下地層１２１の露出した表面の一部と接触するようにして下部電極１２８が形成されている。コンタクト層１２６表面の中心部には図４（ａ）および図５（ｃ）に示すように第１の微小構造１４０が形成されている。第１の微小構造１４０は、中間層１４１と微小金属アレイ１４２とキャップ層１４３とを有している。本実施形態においては、微小金属アレイ１４２には開口が長方格子状に配置されており、短軸方向の格子間隔Ｐ１は３７５ｎｍ、長軸方向の格子間隔Ｐ２は５２５ｎｍとなっている。短軸方向の格子間隔Ｐ１は、式（１）に示す表面プラズモン共鳴条件を満たしている。
【００５３】
０．９×Ｐ１≦λ×（ｉ２＋ｊ２）１／２／（ε１ε２／（ε１＋ε２））１／２≦１．１×Ｐ１
・・式（１）
ここで、λはレーザ光の波長、ｉ及びｊは負でない整数（０、１、２、・・・）、ε１は微小金属アレイ１４２の誘電率、ε２は微小金属アレイ１４２の上面又は下面と接する媒質の誘電率である。
【００５４】
本実施形態においては、レーザ光の発光波長λは８５０ｎｍであり、Ａｇからなる微小金属アレイ１４２の誘電率ε１は−３２であり、微小金属アレイ１４２はキャップ層１４３のＳｉＮと接しているため周辺媒質の誘電率ε２は４である。さらに、（ｉ２＋ｊ２）＝１とすると、表面プラズモン共鳴条件を満たす開口の格子間隔Ｐの範囲は、式（１）から３５５ｎｍ〜４３５ｎｍとなる。従って、本実施形態の開口の格子間隔は、表面プラズモン共鳴条件を満たしている。我々は、微小金属アレイ１４２およびの材料であるＡｇとキャップ層１４３の材料ＳｉＮとの表面プラズモン共鳴効果がＡｇとＳｉＯ２との共鳴よりもより強いことを実験的に見出しており、短軸方向の直線偏波光がより強く微小金属アレイ１４２を透過することができる。
【００５５】
このように微小金属アレイ１４２に表面プラズモン共鳴条件を満たすように開口を配置することにより、共振器内において発振した８５０ｎｍの光が微小金属アレイ１４２の表面において表面プラズモンに効率良く変換される。また変換された表面プラズモンは微小金属アレイ１４２のキャップ層１４３側で再び光に変換され共振器外部に出射される。
【００５６】
受光部２３０は、発光部２２０の近傍に、コンタクト層１３６、上部多層膜反射鏡１３５、電流狭窄層１３４、受光層１３３、下部多層膜反射鏡１３２および下地層１３１の一部を下地層１３１が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部と、基板１０の一部が露出する状態まで選択的に除去することで形成される凹部とによって、周辺と隔てられている（図５（ｄ））。コンタクト層１３６の一部と接触するようにして上部電極１３７が形成され、下地層１３１の露出した表面の一部と接触するようにして下部電極１３８が形成されている。コンタクト層１３６の表面の中心部には、図４（ａ）および図５（ｃ）に示すように、第２の微小構造１５０が形成されている。本実施形態においては、微小金属アレイ１５２は長方格子状の開口が設けられており、短軸方向の格子間隔Ｐ１は３７５ｎｍ、長軸方向の格子間隔Ｐ２は５２５ｎｍとなっている。短軸方向の格子間隔Ｐ１は式（１）に示す表面プラズモン共鳴条件を満たしている。
【００５７】
０．９×Ｐ１≦λ×（ｉ２＋ｊ２）１／２／（ε１ε２／（ε１＋ε２））１／２≦１．１×Ｐ１
・・式（１）
ここで、λはレーザ光の波長、ｉ及びｊは負でない整数（０、１、２、・・・）、ε１は微小金属アレイ１５２の誘電率、ε２は微小金属アレイ１５２の上面又は下面と接する媒質の誘電率である。
【００５８】
本実施形態においては、レーザ光の発光波長λは８５０ｎｍであり、Ａｇからなる微小金属アレイ１５２の誘電率ε１は−３２であり、微小金属アレイ１５２はキャップ層１４３のＳｉＮと接しているため周辺媒質の誘電率ε２は４である。さらに、（ｉ２＋ｊ２）＝１とすると、表面プラズモン共鳴条件を満たす開口の格子間隔Ｐの範囲は、式（１）から３５５ｎｍ〜４３５ｎｍとなる。従って、本実施形態の開口の格子間隔は、表面プラズモン共鳴条件を満たしている。我々は、微小金属アレイ１４２の材料であるＡｇとキャップ層１４３の材料ＳｉＮとの表面プラズモン共鳴効果がＡｇとＳｉＯ２との共鳴よりもより強いことを実験的に見出しており、短軸方向の直線偏波光がより強く微小金属アレイ１５２を透過することができる。
【００５９】
このように微小金属アレイ１５２に表面プラズモン共鳴条件を満たすように開口を配置することにより、共振器内において発振した８５０ｎｍの光が微小金属アレイ１５２の表面において表面プラズモンに効率良く変換される。また変換された表面プラズモンは微小金属アレイ１５２のキャップ層１４３側で再び光に変換され共振器外部に出射される。
【００６０】
発光部２２０では、上部多層膜反射鏡１３５はｐ型であり、受光層１３３は不純物をドーピングしないｉ型であり、下部多層膜反射鏡１３２はｎ型であるので、受光部２３０をｐｉｎフォトダイオードとして機能させることが可能である。
【００６１】
なお、図５（ａ）では、受光部２３０の上部多層膜反射鏡１３５の層数が発光部２２０の上部多層膜反射鏡１２５の層数と等しくなっているが、受光部２３０の上部多層膜反射鏡１３５の層数が発光部２２０の上部多層膜反射鏡１２５の層数より少なくなっていても良く、あるいは上部多層膜反射鏡１３５が無い構造としても良い。
【００６２】
また、図５では、受光部２３０を構成する各層の表面は平坦に形成されているが、受光層１３３あるいは電流狭窄層１３４あるいは上部多層膜反射鏡１３５あるいはコンタクト層１３６の表面に凹凸が形成されていても良い。
【００６３】
また、図５では、発光部２２０の上部電極１２７および下部電極１２８ならびに受光部２３０の上部電極１３７および下部電極１３８をそれぞれ独立としたが、例えば発光部２２０の下部電極１２８と受光部２３０の上部電極１３７とを共通の電位とするような構造でも良い。
【００６４】
また、図５では、基板側をｎ型とし表面側をｐ型としたが、基板側をｐ型とし表面側をｎ型としてもよい。
【００６５】
第１の微小構造１４０は円形状の開口が格子状に形成されているとしたが、開口に限らず凹凸でも良く、凹凸の形状は、出射光の波長よりも短い寸法であればどのような形でもよい。例えば、楕円形状、長方形状、正方形状、菱形状などであってもよい。また、ストライプ状の１次元周期構造であっても良い。
【００６６】
第２の微小構造１５０は円形状の開口が格子状に形成されているとしたが、開口に限らず凹凸でも良く、凹凸の形状は、出射光の波長よりも短い寸法であればどのような形でもよい。例えば、楕円形状、長方形状、正方形状、菱形状などであってもよい。また、ストライプ状の１次元周期構造であっても良い。また第１の微小構造１４０に形成されている凹凸と直交する形で周期構造を形成することにより、発光部２２０の送信光１０２と受光部２３０の受信光１０３の偏波成分を直交させることが可能となる。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る光送受信装置３０１について、図面を参照しながら説明する。
【００６７】
図６は第３の実施の形態に係る光送受信装置３０１の上面図を示す。本実施形態は、第２の実施の形態と構成がほぼ同じであり、異なる点は第１の微小構造３４０と第２の微小構造３５０との構成であり、他はほぼ同じであるため、異なる点についてのみ説明する。      
【００６８】
第１の微小構造３４０は、例えばアルミニウムなどの金属の細線が図面に対して縦方向に等間隔で並んでいるワイヤーグリッドであり、第２の微小構造３５０は、金属の細線が図面に対して横方向に等間隔で並んでいるワイヤーグリッドである。
【００６９】
この構成により第１の微小構造３４０から出射される光は図中縦方向の偏光方向を有する光となる。一方、第２の微小構造３５０で受光可能な光は横方向の偏光方向を有する光となる。これにより第１の微小構造３４０から出射された光が所定の光学部品以外で反射されて第２の微小構造３５０に到達した場合、その光が第２の微小構造３５０を透過して受光部３３０で受光されないため、送受信信号の低ノイズ化を実現することができる。
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る光送受信装置４０１について、図面を参照しながら説明する。
【００７０】
図７は第４の実施の形態に係る光送受信装置４０１の上面図を示す。本実施は、実施例２とほぼ構成が同じであり、異なる点は第１の微小構造４４０と第２の微小構造４５０の構成であり、他はほぼ同じであるため、異なる点についてのみ説明する。
【００７１】
第１の微小構造４４０は、図面に対して縦方向に例えばＡｇなどの金属膜に所定の間隔で微小開口穴が並んでいるホールアレイであり、第２の微小構造４５０も同様に例えばＡｇなどの金属膜に所定の間隔で微小開口穴が並んでいるホールアレイである。
【００７２】
この構成により第１の微小構造４４０から出射される光は図中縦方向の偏光方向を有する光となる。一方、第２の微小構造４５０で受光可能な光は横方向の偏光方向を有する光となる。これにより、第１の微小構造４４０から出射された光が所定の光学部品以外で反射されて第２の微小構造４５０に到達した場合、その光が第２の微小構造４５０を透過して受光部４３０で受光されないため、送受信信号の低ノイズ化を実現することができる。
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る光送受信システム５００について、図面を参照しながら説明する。
【００７３】
図８は第５の実施の形態に係る光送受信システム５００の概略的な斜視図を示す。本実施の形態は、上記第３の実施の形態の光送受信装置を２つ用いた光送受信システムである。光送受信システム５００は、対面する位置に配置されている２つの光送受信装置５０１，光送受信装置５５１と２つのコリメートレンズ５９０，５９１とで構成される。光送受信装置５０１とコリメートレンズ５９０とは互いに所定の距離離れた位置に固定されており、コリメートレンズ５９０は光送受信装置５０１の送信部５１０から出射された光５２０を平行光に変換する。また、光送受信装置５５１とコリメートレンズ５９１とに関しても同様であり、コリメートレンズ５９１は送信部５６０から出射された光５７０を平行光に変換する。このとき、光送受信装置５０１の送信部５１０から出射される光は水平方向の偏光となっており、受信部５１１は垂直方向の偏光光のみ受信する。一方、光送受信装置５５１の送信部５６０から出射される光は垂直方向の偏光光であり、受信部５６１は水平方向の偏光光のみ受信する。コリメートレンズ５９０、５９１の間の距離は、任意の距離が可能である。
【００７４】
光送受信装置５０１の送信部５１０から出射された水平方向の偏光光５２０ａはコリメートレンズ５９０で平行光５２０ｂとなり空間中を伝搬する。コリメートレンズ５９１で受信された平行光５２０ｂは集光光５２０ｃとなり光送受信装置５５１の受信部５６１で受信される。一方、光送受信装置５５１の送信部５６０から出射された垂直方向の偏光光５７０ａはコリメートレンズ５９１で平行光５７０ｂとなり空間中を伝搬する。コリメートレンズ５９０で受信された平行光５７０ｂは集光光５７０ｃとなり光送受信装置５０１の受信部５１１で受信される。このとき、例えば、送信部５６０から出射した偏光光５７０ａの一部がコリメートレンズ５９１の表面で反射して受信部５６１に入射しても（図８に示す光５８５）、受信部５６１は水平方向の偏光光しか受信できないため、ノイズとなることはない。
【００７５】
上記の構成により、光送受信装置を用いた光送受信システムにおいて低ノイズ化が実現できることがわかる。
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態に係る光送受信システム６００について、図面を参照しながら説明する。
【００７６】
図９は第６の実施の形態に係る光送受信システムの光送受信装置付近の斜視図である。本実施形態は、上記第５の実施の形態の光送受信システム５００とは光送受信装置の構成が異なるだけであるため、その部分についてのみ説明する。
【００７７】
図９（ａ）は、光送受信装置６５１と偏光回折格子素子６９５とを組み合わせたものであり、図８に示す上記第５の実施の形態の光送受信装置５５１と置き換え可能である。また、図９（ｂ）は、光送受信装置６０１と偏光回折格子素子６９６とを組み合わせたものであり、図８に示す上記第５の実施の形態の光送受信装置５０１と置き換え可能である。偏光回折格子素子６９５，６９６は、それぞれ、偏光回折格子が表面に形成された光学素子であり、特定の方向の偏光光には回折格子として機能するが、その偏光光と垂直な方向の偏光光には回折格子として機能しないという特徴を持つ。
【００７８】
具体的に、図９（ａ）では、光送受信装置６５１の送信部６６０から出射された垂直方向の偏光６７１を有する出射光６７０は偏光回折格子素子６９５を通過して、図示しないコリメートレンズに向かうが、このとき出射光６７０は偏光回折格子素子６９５で回折されない。一方、図示しないコリメートレンズから偏光回折格子素子６９５に入射してくる入射光６２０は、偏光回折格子素子６９５で回折されて、受信部６６１に入射される。
【００７９】
一方、図９（ｂ）では、光送受信装置６０１も同様に送信部６１０から出射された垂直方向の偏光６３１を有する出射光６３０は偏光回折格子素子６９６を通過して、図示しないコリメートレンズに向かうが、このとき出射光６３０は偏光回折格子素子６９６で回折されない。一方、図示しないコリメートレンズから偏光回折格子素子６９６に入射してくる入射光６８０は、偏光回折格子素子６９６で回折され、受信部６１１に入射される。
【００８０】
上記のような構成において、光送受信システムの偏光回折格子からの出射光と入射光の光軸を同一にすることが可能になるため、より簡単に光送受信システムを構築することが可能となる。
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態に係る光ピックアップシステム７００について、図面を参照しながら説明する。
【００８１】
図１０は第７の実施の形態に係る光ピックアップシステムの概略的な構成図を示す。本実施の形態は、上記第３の実施の形態の光送受信装置を用いた光ピックアップシステムである。光ピックアップシステム７００は、光送受信装置７０１に形成された発光部２２０から出力される送信光１０２を対物レンズ７０３と回折格子７０４とを介して光ディスク７０２に照射し、反射してきた受信光１０３を受光部２３０によって読み取る構成となっている。
【００８２】
上記の構成により、光送受信装置を用いた光ピックアップシステムにおいて低ノイズ化およびシステムの小型化が実現できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係る光送受信装置および光送受信システムは、低コスト且つ信頼性の高い動作が必要となる光通信用送受信装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光送受信装置の製造方法を示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係る光送受信装置において、受光部の上部多層膜反射鏡に不純物拡散領域を形成する前後における屈折率および反射率の変化を示す。
【図４】第２の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る光送受信装置の製造方法を示す図である。
【図６】第３の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す図である。
【図７】第４の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す図である。
【図８】第５の実施の形態に係る光送受信システムの構成を示す図である。
【図９】第６の実施の形態に係る光送受信システムの構成を示す図である。
【図１０】第７の実施の形態に係る光ピックアップシステムの構成を示す図である。
【図１１】従来例における光送受信装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０      基板（半導体基板） 
１０１，２０１，３０１，４０１      光送受信装置 
１２０，２２０      発光部 
２１，１２１，１３１      下地層 
２２，１２２，１３２      下部多層膜反射鏡（第１の反射鏡または第２の反射鏡）  
２３，１２３              発光層（活性層） 
２４，１２４，１３４      電流狭窄層 
１２４ａ，１３４ａ      電流狭窄領域 
１２４ｂ，１３４ｂ      酸化物高抵抗領域 
２５，１２５，１３５      上部多層膜反射鏡（第２の反射鏡または第１の反射鏡） 
２６，１２６，１３６      コンタクト層 
１２７，１３７      上部電極 
１２８，１３８      下部電極 
１３０，２３０，３３０，４３０      受光部 
１３３      受光層 
１３９      不純物拡散領域 
１４０，３４０，４４０      第１の微小構造 
１５０，３５０，４５０      第２の微小構造 
１４１，１５１      中間層 
１４２，１５２      微小金属アレイ 
１４３，１５３      キャップ層 
５００，６００      光送受信システム 
５０１，５５１，６０１，６５１      光送受信装置 
５１０，５６０，６１０，６６０      送信部 
５１１，５６１，６１１，６６１      受信部 
５９０，５９１    コリメートレンズ 
６９５，６９６    偏光回折格子素子 
７００      光ピックアップシステム 
７０１      光送受信装置 
７０２      光ディスク 
７０３      対物レンズ 
７０４      回折格子 
【図１】
2010016241.tif 000003
【図２】
2010016241.tif 000004
【図３】
2010016241.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010016241.tif 000009
【図８】
2010016241.tif 000010
【図９】
2010016241.tif 000011
【図１０】
2010016241.tif 000012
【図１１】
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