(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長多重されて伝送される複数の信号光を波長に応じて分光する波長分光用光学素子と、前記分光された各信号光を受光する位置に設けられた受光素子と、前記受光素子の受光面側に形成され、電気的制御によって光透過特性を変化させる光変調素子とから成ることを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
前記の光変調素子は、電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果により光透過特性を変化させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号処理システム等に用いられる光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
信号の伝送速度の高速化および伝送容量増大を実現する方法として光信号を用いる光通信や光インターコネクションが注目されている。これは、光の多重性（波長や空間的多重性）や並列伝送に着目して伝送容量の飛躍的な増大及び高速化を可能にする方法である。
【０００３】
波長の多重性を利用する波長多重伝送では、波長多重されて伝送される複数の信号光を波長に応じて分光して特定の信号光を受光する光機能素子が用いられる。このような光機能素子としては、例えば、誘電体多層膜や半導体多層膜を微細加工して成るバンドパスフィルターを備えたものが有り、また、このようなバンドパスフィルターを集積した発光素子として、例えば、特開平６−２４４５０２号公報に開示された面発光レーザ装置が知られている。
【０００４】
バンドパスフィルターを備えた光機能素子は、例えば、図６に示すように、基板２５上に受光部２９，３０，３１、並びに発光素子３２，３３，３４が形成されるとともに、図示しないスペーサを介して各受光部２９，３０，３１の上方にバンドパスフィルター２６，２７，２８を配置して成る構成を有している。かかる光機能素子は、複数の波長（例えば、λ１  ，λ２  ，λ３  ）の光を多重した信号光のうち、例えば、波長λ１  の信号光を受光素子２９に、波長λ２  の信号光を受光素子３０に、波長λ３  の信号光を受光素子３１にそれぞれ与えるような態様で使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、設計の変更やプロセッサの処理態様の変更などによって、例えば、受光素子２９に波長λ１  の信号光を与えないようにしたいという変更が必要になる場合がある。また、前記発光素子を一つとし、これに前記三つの受光部２９，３０，３１を接続しておき、波長λ１  の信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様と、波長λ２  の信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様と、波長λ３  の信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様とを、随時任意に変更可能とするというようなことが設計の自由度を向上する上で望まれる。
【０００６】
しかしながら、前述したバンドパスフィルターとして誘電体多層膜や半導体多層膜を用いた光機能素子では、その設計によって波長の選択特性が一義的に決定されるため、当該素子の作製後において上述したような光伝送経路の変更等を行うことができないという欠点がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑み、光伝送経路の変更等が容易に行える光機能素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光機能素子は、上記の課題を解決するために、波長多重されて伝送される複数の信号光を波長に応じて分光する波長分光用光学素子と、前記分光された各信号光を受光する位置に設けられた受光素子と、前記受光素子の受光面側に形成され、電気的制御によって光透過特性を変化させる光変調素子とから成ることを特徴とする。前記の光変調素子は、電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果により光透過特性を変化させるものであってもよい。
【０００９】
上記の構成によれば、複数の波長（例えば、λ１  ，λ２  ，λ３  ）の光を多重した信号光を分光し、例えば、波長λ１  の信号光を第１の受光素子に、波長λ２  の信号光を第２の受光素子に、波長λ３  の信号光を第３の受光素子に、それぞれ与えるような回路設計で光機能素子の作製を行った後に、上記第１の受光素子に波長λ１  の信号光を与えないようにしたいという変更を、当該第１の受光素子の受光面側に設けられる光変調素子が光を遮蔽する特性を持つように電気的制御を行うことによって簡単に実現することができる。また、一つの発光素子に三つの受光部を接続しておき、波長λ１  の信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様と、波長λ２  の信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様と、波長λ３  の信号光が入射されたときに前記一つの発光素子が発光するとした態様とを、随時任意に変更することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１（ａ）は、この実施の形態の光機能素子を示した平面図であり、同図（ｂ）は同側面図である。
【００１１】
光導波路１と半導体基板２とが対向配置に設けられ、これらの間に図示しないスペーサが配されることによって両者の間に所定の間隔が確保されている。光導波路は、平板ガラス基板または半導体基板からなり、これに入射された光を基板と基板外雰囲気（例えば大気）の界面で生じる全反射や基板の上下面に形成した回折格子または反射鏡によって反射させ、それを繰り返すことによって、基板中に光を伝搬させ、所定の位置に光を出力するように構成されるものである。なお、上記半導体基板２は、例えばＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ等の材料からなり、この材料は、伝搬させる光の波長によって適宜選択され、基板に受光素子を形成する場合には、伝搬される光を受光する受光素子を基板に作りつけるに適した材料が選択される。また、上記光導波路１が半導体基板からなる場合には、この基板は、例えばＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ等の材料からなり、伝搬させる光の波長によって適宜選択される。
【００１２】
上記光導波路１の上面側の信号光受光位置には、波長分光用光学素子３（大きさ２ｍｍ×２ｍｍ）が形成され、また、同じく上面側であって分光された各信号光の伝搬経路上には、集光用光学素子４，５，６（大きさ直径１ｍｍ〜２ｍｍ）が形成されている。
【００１３】
波長分光用光学素子３は、この実施の形態では透過型の回折格子であり、複数の波長の光（例えば、λ１  ，λ２  ，λ３  ）を多重して成る信号光を、波長に応じて分光して光導波路１内に導くようになっている。集光用光学素子４〜６は、この実施の形態では反射型の回折格子であり、前記分光されて光導波路１内を伝搬する信号光を集光させ且つ光導波路１から光取り出し効率をよくするように光伝搬を制御するものであり、後述の受光素子７，８，９に導くようになっている。本実施形態では、光導波路１に入射し、分光された光が光導波路１の下面で全反射するように分光用光学素子３が設計されているが下面での反射条件を全反射としない場合には、例えば光導波路１の下面に例えばＡｕ薄膜又はＡｇ薄膜等からなる反射鏡を被着形成するようにすればよい。また、光導波路１の光取り出し位置にコリメート機能部や光取り出し部となる回折格子等を別体で設けるようにしてもよく、又は作りつけるようにしてもよい。
【００１４】
半導体基板２上には、各信号光を受光するための受光素子７，８，９および一つの発光素子１０が形成されている。発光素子１０は、電気配線１５、１６、１７により前記の受光素子７，８，９に接続されており、これら受光素子のいずれかに信号光が入力されると光を出力するようになっている。なお、受光素子７は、前記の集光用光学素子４にて反射された波長λ１  の信号光が入射される位置に形成され、受光素子８は、前記の集光用光学素子５にて反射された波長λ２  の信号光が入射される位置に形成され、受光素子９は、前記の集光用光学素子６にて反射された波長λ３  の信号光が入射される位置に形成されている。
【００１５】
受光素子７，８，９のそれぞれの受光面上には、電気的制御によって光透過特性を変化させる光変調素子１１，１２，１３が形成されている。この実施の形態では、各光変調素子１１（１２，１３）として、電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）により光透過特性を変化させるものを用いている。
【００１６】
図２は、電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果により光透過特性を変化させる光変調素子１００の一例を示した断面図である。この光変調素子１００は、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層（不純物濃度７×１０１７ｃｍ−３、膜厚０．８μｍ）１０１、ｉ型のＭＱＷ（ＧａＡｓ（８５Å）とＡｌ０．３  Ｇａ０．７  Ａｓ（８０Å）のペアを１２０層形成した多重量子井戸）１０２、ｐ型のＡｌＧａＡｓ層（不純物濃度７×１０１７ｃｍ−３、膜厚０．４μｍ）１０３、ｐ型のＧａＡｓ層（不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、膜厚０．２μｍ）１０４、及びｐ型電極１０５がこの順に積層され、又前記ｎ型のＡｌＧａＡｓ層１０１上にｎ型の接地電極１０６が形成されることにより構成されている。
【００１７】
図３は上記光変調素子の波長−光吸収特性を示したグラフである。このグラフには、Ｖｓ（逆バイアス）＝０、Ｖｓ＝ａ、及びＶｓ＝ｂのときの各々の光吸収曲線が示されている。Ｖｓ＝０のとき、吸収端は図中のＴ０  の位置となる。そして、Ｖｓを変化させ、Ｖｓ＝ａとしたときの吸収端Ｔ１  は前記Ｔ０  よりも長波長側に移行し、Ｖｓ＝ｂとしたときの吸収端Ｔ２  は前記吸収端Ｔ１  よりも更に長波長側に移行する。
【００１８】
このような光変調器としては、Ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．ｌ４５  ｐｐ．１３（１９８４）、Ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．ｌ５０  ｐｐ．１１１９（１９８４）などがある。
【００１９】
ここで、Ｔ１  ＜λ２  ＜Ｔ２  とすると、例えば、波長λ２  の信号光を受光する位置に設けられている光変調素子１２に与える逆バイアスをＶｓ＝ａとしたときには、当該光変調素子１２は波長λ２  の信号光を透過させることになり、逆バイアスをＶｓ＝ｂとしたときには、当該光変調素子１２は波長λ２  の信号光を透過させないことになる。すなわち、逆バイアス電圧を調整することによって光伝送経路の変更等が行えることになる。
【００２０】
なお、光変調素子として、電気的制御によって光の透過と遮蔽を行う液晶素子を用いてもよいが、上述した電界の印加によって発生する量子閉じ込めシュタルク効果により光透過特性を変化させるものを用いる方が望ましいといえる。かかる光変調素子は、半導体膜の積層にて形成できるので、受光素子や発光素子との一体形成が可能となり、かかる光機能素子の製造プロセスの容易化が図れるからである。この一体化形成の例を以下に説明する。
【００２１】
図４は、各受光素子と光変調素子と発光素子とを半導体基板上に一体形成して成る構造の一例を示した一部断面図である。この構造は反射型の構造である。半導体基板２であるｎ型ＧａＡｓ半導体基板２０１の下面側にはｎ電極２００が形成され、上面側にはｎ型のＧａＡｓ層（不純物濃度１×１０１７ｃｍ−３、膜厚３０００Å）２０２、ｐ型のＧａＡｓ層（不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、膜厚２５００Å）２０３、及びｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層（不純物濃度１×１０１６ｃｍ−３、膜厚５０００Å）２０４がこの順で形成されている。
【００２２】
前記ｎ型のＧａＡｓ層２０２はエミッターとして機能し、ｐ型のＧａＡｓ層２０３はベースとして機能し、ｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層２０４はコレクターとして機能するものであり、これら３つの層によって受光素子であるフォトトランジスタ１５１が構成される。
【００２３】
そして、上記ｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層２０４上に、光変調素子１００および発光素子１０である面発光型半導体レーザ１５０が形成されている。光変調素子１００は前記図２に示した構造を有し、高抵抗層（例えば、ＡｌＡｓ又はＡｌＧａＡｓなど）２０５を介して形成されている。面発光型半導体レーザ１５０は、ｎ型半導体多層膜からなるｎ型反射鏡２０６と、活性領域２０７と、ｐ型半導体多層膜からなるｐ型反射鏡２０８とから構成されている。
【００２４】
前記の面発光型半導体レーザ１５０がＧａＡｓ系の面発光型半導体レーザである場合を例に前記ｎ型反射鏡２０６、活性領域２０７、及びｐ型反射鏡２０８について説明する。
【００２５】
ｎ型反射鏡２０６は、Ｓｉがドープされたそれぞれが厚さλ／４ｎのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ／ＡｌＡｓのペアを２５．５層形成した多層膜から成る。Ａｌ組成と厚さは発振波長λ、使用材料の屈折率ｎにより、λ／４ｎになるように設計される。使用可能な材料の範囲としては、一般に、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ／ＡｌＡｓ以外にＡｌＸ  Ｇａ１−ｘ  Ａｓ（０≦ｘ≦０．２）／Ａｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ａｓ（０．６≦ｙ≦１）が用いられる。
【００２６】
ｐ型反射鏡２０８は、Ｂｅがドープされたそれぞれが厚さλ／４ｎのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ／ＡｌＡｓのペアを２０層形成した多層膜から成る。なお、ｐ型反射鏡２０８には、その電気抵抗を低減するための中間層として多層膜の各膜間にＡｌｚ  Ｇａ１−ｚ  Ａｓ（ｘ≦ｚ≦ｙ）を形成することもある。
【００２７】
活性領域２０７は、ＧａＡｓ（１００Å程度）の井戸層を４層とし、バリア層としてＡｌ０．３  Ｇａ０．８  Ａｓを用いた量子井戸構造をＡｌ０．４  Ｇａ０．６  Ａｓのスペーサ層で挟んで成るもの、或いは、ｐ型及びｎ型のクラッド層（Ａｌ０．４  Ｇａ０．６  Ａｓ）で活性層ＧａＡｓ、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓを挟んで成るダブルヘテロ構造を有するもの等が用いられる。
【００２８】
ｎ型の電極としては、Ａｕ／Ｓｎ／Ｃｒの合金化膜が、ｐ型の電極としては、Ａｕ／Ｃｒの合金化膜またはＡｕ／Ｚｎ／Ａｕの合金化膜が用いられる。
【００２９】
なお、受光部を集積した光機能素子としては、Ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．５８（２１）  ｐｐ．２３４２（１９９１）、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒ  ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．３，ｐｐ．２１６（１９９１）、Ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．６０（１３）  ｐｐ．１５４１（１９９２）などがある。
【００３０】
図５も、各受光素子と光変調素子と発光素子とを半導体基板上に一体形成して成る構造の一例を示した一部断面図である。この構造は透過型の構造である。半導体基板２であるｎ型ＧａＡｓ半導体基板３０１の下面側には、ｎ電極３００が形成され、このｎ電極３００側に光入射面が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ半導体基板３０１の上面側には、ｎ型のＡｌ０．３  Ｇａ０．７  Ａｓ層３０２と、ｉ型のＭＱＷ層３０３と、ｐ型のＡｌ０．３  Ｇａ０．７  Ａｓ層３０４とから成る光変調素子１００が形成されている。
【００３１】
そして、上記の光変調素子１００上には、高抵抗層（例えば、ＡｌＡｓ又はＡｌＧａＡｓなど）３０５を介して、受光素子７，８，９であるフォトトランジスタ１５１が形成されている。このフォトトランジスタ１５１は、ｎ型のＡｌ０．３  Ｇａ０．７  Ａｓ層（不純物濃度１×１０１７ｃｍ−３、膜厚５０００Å：エミッターとして機能）３０６と、ｐ型のＧａＡｓ層（不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、膜厚２５００Å：ベースとして機能）３０７と、ｎ型のＧａＡｓ層（不純物濃度１×１０１６ｃｍ−３、膜厚５０００Å：コレクターとして機能）３０８とからなる。又、ｐ型のＡｌ０．３  Ｇａ０．７  Ａｓ層３０４上には光変調素子１００のｐ型の接地電極３１２が形成され、ｎ型のＡｌ０．３  Ｇａ０．７  Ａｓ層３０６上にはフォトトランジスタ１５１のｎ型の接地電極３１３が形成されている。
【００３２】
受光素子７，８，９であるフォトトランジスタ１５１上には、発光素子１０である面発光型半導体レーザー１５０が形成されている。この面発光型半導体レーザー１５０は、ｎ型半導体多層膜からなるｎ型反射鏡３０９と、活性領域３１０と、ｐ型半導体多層膜からなるｐ型反射鏡３１１とから構成されている。
【００３３】
以上説明したように、光変調素子に印加する電気信号を制御することによって受光素子が受光する光波長を任意に且つ随時変更することができ、希望する波長の光で発光素子を駆動させることができる。即ち、波長分光用光学素子と、電気的な方法で波長を選択できる光変調素子とを備えることで、受信光の波長が変更可能な光機能素子を実現でき、信号伝達経路の再構成（接続の変更）が容易に行え、システムの設計の自由度が格段に向上することになる。
【００３４】
なお、以上の例では受光素子としてフォトトランジスタを示したが、これに限らずフォトダイオードを用いてもよい。また、集光用光学素子を透過型とし、光導波路１の下面側に形成するようにしてもよいものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、信号伝達経路の再構成（接続の変更）が容易に行え、システムの設計の自由度が格段に向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】同図（ａ）は本発明の光機能素子の平面図であり、同図（ｂ）は同側面図である。
【図２】本発明の光変調素子を示す断面図である。
【図３】本発明の光変調素子の特性を示すグラフである。
【図４】本発明の光変調素子と受光素子と発光素子とを一体形成した例を示す断面図である。
【図５】本発明の光変調素子と受光素子と発光素子とを一体形成した例を示す断面図である。
【図６】同図（ａ）は従来の光機能素子の平面図であり、同図（ｂ）は同側面図である。
【符号の説明】
１    光導波路
２    半導体基板
３    波長分光用光学素子
４，５，６    集光用光学素子
７，８，９    受光素子
１０  発光素子
１１，１２，１３    光変調素子
【図１】
0003541862.tif 000002
【図２】
0003541862.tif 000003
【図３】
0003541862.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003541862.tif 000006
【図６】
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