(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長を有する光を受光して電子を発生させるフォトダイオード構造と、
前記フォトダイオード構造において発生した前記電子が注入され、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する光を出力する活性層を含む半導体レーザ構造と、
を備え、
前記半導体レーザ構造は、
ｐ型半導体からなる第１のｐ層と、
ｎ型半導体からなる第１のｎ層と、
前記第１のｐ層及び前記第１のｎ層の間に配される前記活性層と、
を有し、
前記フォトダイオード構造は、
前記第１のｎ層の少なくとも一部と、
前記第１のｎ層の前記活性層側の面とは反対側の面に接して配され、ｐ型半導体からなる第２のｐ層と、
前記第２のｐ層に接して配される第２の電極と、
を有し、
前記電子は、前記フォトダイオード構造及び前記半導体レーザ構造により共有されている、前記第１のｎ層の前記少なくとも一部を介して前記活性層に注入される、
波長変換素子。
【請求項２】
第１の波長を有する光を受光して電子を発生させるフォトダイオード構造と、
前記フォトダイオード構造において発生した前記電子が注入され、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する光を出力する活性層を含む半導体レーザ構造と、
を備え、
前記半導体レーザ構造は、
ｐ型半導体からなる第１のｐ層と、
ｎ型半導体からなる第１のｎ層と、
前記第１のｐ層及び前記第１のｎ層の間に配される前記活性層と、
を有し、
前記フォトダイオード構造は、
前記第１のｎ層の少なくとも一部と、
前記第１のｎ層の前記活性層側の面とは反対側の面に接して配され、ｉ型半導体からなるｉ層と、
前記ｉ層の前記第１のｎ層側の面とは反対側の面に接して配され、ｐ型半導体からなる第２のｐ層と、
前記第２のｐ層に接して配される第２の電極と、
を有し、
前記電子は、前記フォトダイオード構造及び前記半導体レーザ構造により共有されている、前記第１のｎ層の前記少なくとも一部を介して前記活性層に注入される、
波長変換素子。
【請求項３】
第１の波長を有する光を受光して電子を発生させるフォトダイオード構造と、
前記フォトダイオード構造において発生した前記電子が注入され、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する光を出力する活性層を含む半導体レーザ構造と、
を備え、
前記半導体レーザ構造は、
ｐ型半導体からなる第１のｐ層と、
ｎ型半導体からなる第１のｎ層と、
前記第１のｐ層及び前記第１のｎ層の間に配される前記活性層と、
を有し、
前記フォトダイオード構造は、
前記第１のｎ層の少なくとも一部と、
前記第１のｎ層の前記活性層側の面とは反対側の面に接して配される金属層と、
前記金属層に接して配される第２の電極と、
を有し、
前記電子は、前記フォトダイオード構造及び前記半導体レーザ構造により共有されている、前記第１のｎ層の前記少なくとも一部を介して前記活性層に注入される、
波長変換素子。
【請求項４】
前記第１のｎ層は、前記活性層に接して配される単一の半導体層であり、
前記電子は、前記第１のｎ層を介して前記活性層に注入される、
請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記第１のｎ層は、組成の異なる複数のｎ型半導体層を有する、
請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子に電圧を印加する電源部と、
前記電源部を制御する電源制御部と、
を備え、
前記波長変換素子は、
前記半導体レーザ構造と電気的に接続される第１の電極と、
を更に有し、
前記電源部は、
前記波長変換素子の前記第１の電極及び前記第２の電極と電気的に接続され、
前記第１の電極に正電圧を印加し、
前記第２の電極に負電圧を印加する、
波長変換装置。
【請求項７】
前記電源制御部は、前記波長変換素子の前記半導体レーザ構造の電流値が第１の値及び第２の値の間になるように、前記電源部を制御し、
前記第１の値は、前記半導体レーザ構造の発振閾値電流値よりも予め定められた値だけ大きな値、又は、前記発振閾値電流値であり、
前記第２の値は、前記発振閾値電流値よりも予め定められた値だけ小さな値である、
請求項６に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記波長変換素子の温度を測定する温度測定部を更に備える、
請求項６又は請求項７に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記電源制御部は、前記温度測定部により測定された温度に基づき、前記電源部を制御する、
請求項８に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記波長変換素子の温度を調整する温度調整部と、
前記温度測定部により測定された温度に基づき、前記温度調整部を制御する温度制御部と、
をさらに備える、
請求項８又は請求項９に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記半導体レーザ構造から出力された光信号を検出して電気信号に変換する光信号検出部を更に備え、
前記電源制御部は、前記電気信号に基づき、前記電源部を制御する、
請求項８から請求項１０までの何れか一項に記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記電源制御部は、
前記光信号検出部から前記電気信号を受信し、
前記電気信号に基づいて、前記半導体レーザ構造から光が出力されていないことを示す状態の継続時間が予め定められた時間よりも長いと判断した場合、前記電気信号が前記半導体レーザ構造から光が出力されていることを示すようになるまで、前記波長変換素子に印加される電圧が大きくなるように前記電源部を制御し、
前記電気信号に基づいて、前記半導体レーザ構造から光が出力されていることを示す状態の継続時間が予め定められた時間よりも長いと判断した場合、前記電気信号が前記半導体レーザ構造から光が出力されていないことを示すようになるまで、前記波長変換素子に印加される電圧が小さくなるように前記電源部を制御する、
請求項１１に記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子及び波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号の波長を変換する場合において、光受信器で受信した光信号を電気信号に変換した後、当該電気信号に基づいて、受信した光信号の波長とは異なる波長を有する光信号を発生させる波長変換装置が知られている。また、半導体レーザ増幅器の相互利得変調効果を利用して、光信号を電気信号に変換することなく当該光信号の波長を変換する波長変換装置についても研究されている（非特許文献１を参照。）。
［先行技術文献］
［非特許文献］
［非特許文献１］
Ｓ．Ｊ．Ｂ．Ｙｏｏ，"Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ＷＤＭ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＪＯＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，１９９６年６月，ＶＯＬ．１４，ＮＯ．６，ｐ．９５５−９６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の波長変換装置は、装置規模が比較的大きく、装置費用も高額であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、第１の波長を有する光を受光して電子を発生させるフォトダイオード構造と、フォトダイオード構造において発生した電子が注入され、第２の波長を有する光を出力する活性層を含む半導体レーザ構造とを備え、電子は、フォトダイオード構造及び半導体レーザ構造により共有されている半導体層、又はフォトダイオード構造と半導体レーザ構造との間に配された半導体層を介して活性層に注入される、波長変換素子が提供される。
【０００５】
本発明の第２の態様においては、上記の波長変換素子と、波長変換素子に電圧を印加する電源部と、電源部を制御する電源制御部とを備え、波長変換素子は、半導体レーザ構造と電気的に接続される第１の電極と、フォトダイオード構造と電気的に接続される第２の電極とを更に有し、電源部は、波長変換素子の第１の電極及び第２の電極と電気的に接続され、第１の電極に正電圧を印加し、第２の電極に負電圧を印加する、波長変換装置が提供される。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】波長変換装置１００の一例を概略的に示す。
【図２】波長変換素子１１０の一例を概略的に示す。
【図３】波長変換素子３１０の一例を概略的に示す。
【図４】波長変換素子４１０の一例を概略的に示す。
【図５】波長変換素子４１０の一例を概略的に示す。
【図６】波長変換素子６１０の一例を概略的に示す。
【図７】波長変換素子７１０の一例を概略的に示す。
【図８】波長変換素子８１０の一例を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面の記載において、同一又は類似の部分には同一の参照番号を付して重複する説明を省く場合がある。図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、説明の都合上、図面相互間においても互いの寸法の関係又は比率が異なる部分が含まれる場合がある。特定の実施形態において説明した技術事項は、技術的に矛盾を生じない限りにおいて、他の実施形態に適用することができる。
【０００９】
図１は、波長変換装置１００の一例を概略的に示す。波長変換装置１００は、光信号の波長を変換する。波長変換装置１００は、波長変換素子１１０と、電源部１２０と、電源制御部１３０とを備える。波長変換装置１００は、光信号検出部１４２と、温度測定部１４４と、電流測定部１４６とを備えてよい。波長変換装置１００は、温度制御部１５０と、温度調整部１６０とを備えてもよい。本実施形態において、波長変換素子１１０は、受光部１１２と、レーザ発振部１１４と、電極１１６と、電極１１８とを備える。波長変換素子１１０、受光部１１２及びレーザ発振部１１４のそれぞれは、固体電子デバイスの一例であってよい。
【００１０】
波長変換素子１１０は、光信号１２を受信して、光信号１４を出力する。光信号１４を構成する光の波長（光信号１４の波長と称する場合がある。）は、光信号１２を構成する光の波長（光信号１２の波長と称する場合がある。）とは異なる。光信号１２は、第１の波長を有する光の一例であってよい。光信号１４は、第２の波長を有する光の一例であってよい。本実施形態において、波長変換素子１１０は、単一の素子により、光信号を電気信号に変換することなく当該光信号の波長を変換する。
【００１１】
なお、光信号１２が波長の異なる複数の光信号を含む場合には、波長変換素子１１０に光信号１２を入力する前に、光信号１２を波長ごとに分波しておくことが好ましい。波長ごとに分波された光信号のそれぞれが、複数の波長変換素子１１０に入力されてもよい。波長ごとに分波された光信号のうち波長変換処理の対象となる光信号が、１以上の波長変換素子１１０に入力されてもよい。
【００１２】
受光部１１２は、光信号１２を構成する光を吸収し、電子を発生させる。受光部１１２は、半導体材料を含んでよい。当該半導体材料のバンドギャップエネルギは、光信号１２を構成する光のフォトンのエネルギ以下である。これにより、受光部１１２は、光信号１２を構成する光を吸収して電子を発生させることができる。
【００１３】
受光部１１２は、フォトダイオード構造を有する。受光部１１２は、フォトダイオード構造の一例であってもよい。フォトダイオード構造は、特に限定されるものではないが、ＰＮフォトダイオード構造、ＰＩＮフォトダイオード構造、ショットキーフォトダイオード構造などを例示することができる。
【００１４】
受光部１１２を構成する材料は、特に限定されるものではないが、Ｓｉ、Ｇｅ、硫化鉛、化合物半導体などを例示することができる。化合物半導体としては、３−５族化合物半導体、２−６族化合物半導体、多元系化合物半導体などを例示することができる。なお、フォトダイオード構造を構成する材料として、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体を用いることで、受光部１１２及びレーザ発振部１１４を結晶成長により積層させることが比較的容易になる。
【００１５】
レーザ発振部１１４は、レーザ光を出力する活性層を備える。活性層は、受光部１１２において発生した電子が注入され、光信号１４を構成する光を出力する。受光部１１２において発生した電子は、受光部１１２及びレーザ発振部１１４により共有されている半導体層を介して活性層に注入されてもよく、受光部１１２及びレーザ発振部１１４の間に配された半導体層を介して活性層に注入されてもよい。
【００１６】
レーザ発振部１１４は、波長可変レーザであってもよい。波長可変レーザの種類は特に限定されるものではないが、レーザ発振部１１４は、各種のＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザ、各種のＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザ又は各種のＴＴＦ（Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｔｗｉｎ  Ｇｕｉｄｅ）レーザであってよい。レーザ発振部１１４の動作は、電源制御部１３０によって制御されてよい。
【００１７】
レーザ発振部１１４は、半導体レーザ構造を有する。レーザ発振部１１４は、半導体レーザ構造の一例であってもよい。半導体レーザ構造は、特に限定されるものではないが、ダブルへテロ構造、量子井戸構造、多量子井戸構造、量子ドット構造などを例示することができる。レーザ発振部１１４を構成する材料は、特に限定されるものではないが、３−５族化合物半導体、２−６族化合物半導体、多元系化合物半導体などの化合物半導体を例示することができる。
【００１８】
電極１１８は、レーザ発振部１１４と電気的に接続される。電極１１８は、レーザ発振部１１４と電源部１２０との間に配される。なお、電極１１８は、レーザ発振部１１４に接して配されてもよく、１以上の半導体層又は金属層を介してレーザ発振部１１４と電気的に接続されてもよい。
【００１９】
電極１１６は、受光部１１２と電気的に接続される。電極１１６は、受光部１１２と電源部１２０との間に配される。なお、電極１１６は、受光部１１２に接して配されてもよく、１以上の半導体層又は金属層を介して受光部１１２と電気的に接続されてもよい。
【００２０】
電源部１２０は、波長変換素子１１０に電圧を印加する。電源部１２０は、電源制御部１３０の指示に従って、波長変換素子１１０に印加する電圧を調整する。本実施形態において、電源部１２０は、電極１１６及び電極１１８と電気的に接続される。電源部１２０は、電極１１８に正電圧を印加し、電極１１６に負電圧を印加する。これにより、受光部１１２で発生した電子をレーザ発振部１１４に注入することができる。
【００２１】
電源制御部１３０は、電源部１２０を制御する。電源制御部１３０は、電流測定部１４６から、レーザ発振部１１４の電流値に関する情報を取得してよい。電源制御部１３０は、レーザ発振部１１４の電流値に基づき、電源部１２０を制御してよい。
【００２２】
一実施形態において、電源制御部１３０は、受光部１１２が光信号１２を受信していない状態において、レーザ発振部１１４の電流値が発振閾値電流値よりも小さくなるように、電源部１２０を制御する。他の実施形態において、電源制御部１３０は、レーザ発振部１１４の電流値が第１の値及び第２の値の間になるように、電源部１２０を制御する。例えば、第１の値は、レーザ発振部１１４の発振閾値電流値よりも予め定められた値だけ大きな値又は発振閾値電流値であり、第２の値は、発振閾値電流値よりも予め定められた値だけ小さな値である。
【００２３】
これらの制御により、レーザ発振部１１４の自励発振を抑制することができる。その結果、受光部１１２に光信号１２の光パルスが入力されたことに応じて、レーザ発振部１１４から光信号１４の光パルスが出力される。
【００２４】
電源制御部１３０は、温度測定部１４４から、波長変換素子１１０又はレーザ発振部１１４の温度に関する情報を取得してよい。電源制御部１３０は、温度測定部１４４により測定された温度に基づき、電源部１２０を制御してよい。レーザ発振部１１４の発振閾値電流値は、レーザ発振部１１４の温度によって変動する。しかし、電源制御部１３０が、温度測定部１４４により測定された温度に基づき、電源部１２０を制御することで、レーザ発振部１１４の温度変動による光信号１４への影響を抑制することができる。
【００２５】
例えば、電源制御部１３０は、次の手順により電源部１２０を制御する。まず、波長変換素子１１０又はレーザ発振部１１４の温度と、レーザ発振部１１４の発振閾値電流値との関係を示す情報を取得する。上記の情報は、波長変換装置１００又は電源制御部１３０に予め格納されていてよい。次に、電源制御部１３０は、取得した上記情報と、温度測定部１４４により測定された温度とに基づいて、温度測定部１４４により測定された温度における発振閾値電流値を取得する。電源制御部１３０は、温度測定部１４４により測定された温度における発振閾値電流値を用いて、上述のとおり電源部１２０を制御する。
【００２６】
電源制御部１３０は、光信号検出部１４２から、レーザ発振部１１４から光が出力されているか否かを示す電気信号を受信する。電源制御部１３０は、光信号検出部１４２から受信した電気信号に基づき、電源部１２０を制御してよい。
【００２７】
一実施形態において、電源制御部１３０は、光信号１２が受光部１１２に入力されている状態において、光信号検出部１４２から受信した電気信号に基づいて、レーザ発振部１１４から光が出力されていないことを示す状態の継続時間が予め定められた時間よりも長いと判断した場合、当該電気信号がレーザ発振部１１４から光が出力されていることを示すようになるまで、波長変換素子１１０に印加される電圧が大きくなるように電源部１２０を制御する。光信号１２はキャリブレーション用の光信号であってもよい。
【００２８】
他の実施形態において、電源制御部１３０は、光信号１２が受光部１１２に入力されている状態において、光信号検出部１４２から受信した電気信号に基づいて、レーザ発振部１１４から光が出力されていることを示す状態の継続時間が予め定められた時間よりも長いと判断した場合、当該電気信号がレーザ発振部１１４から光が出力されていないことを示すようになるまで、波長変換素子１１０に印加される電圧が小さくなるように電源部１２０を制御する。光信号１２はキャリブレーション用の光信号であってもよい。
【００２９】
光信号検出部１４２は、レーザ発振部１１４から出力された光信号を検出して電気信号に変換する。光信号検出部１４２は、上記の電気信号を電源制御部１３０に送信する。なお、光信号検出部１４２には、レーザ発振部１１４から出力された光信号１４の一部が入力される。温度測定部１４４は、波長変換素子１１０又はレーザ発振部１１４の温度を測定する。温度測定部１４４は、波長変換素子１１０又はレーザ発振部１１４の温度に関する情報を電源制御部１３０及び温度制御部１５０の少なくとも一方に送信する。電流測定部１４６は、レーザ発振部１１４の電流値を測定する。電流測定部１４６は、レーザ発振部１１４の電流値に関する情報を電源制御部１３０に送信する。
【００３０】
温度制御部１５０は、温度調整部１６０を制御する。温度制御部１５０は、温度測定部１４４から、波長変換素子１１０又はレーザ発振部１１４の温度に関する情報を取得してよい。電源制御部１３０は、温度測定部１４４により測定された温度に基づき、温度調整部１６０を制御してよい。レーザ発振部１１４の発振閾値電流値は、レーザ発振部１１４の温度によって変動する。しかし、温度制御部１５０が、温度測定部１４４により測定された温度に基づき、温度調整部１６０を制御することで、レーザ発振部１１４の温度変動による光信号１４への影響を抑制することができる。
【００３１】
温度調整部１６０は、波長変換素子１１０又はレーザ発振部１１４の温度を調整する。温度調整部１６０は、温度制御部１５０の指示に従って、波長変換素子１１０又はレーザ発振部１１４の温度を調整してよい。温度調整部１６０は、ペルチェ素子であってよい。
【００３２】
図２は、波長変換素子１１０の一例を概略的に示す。本実施形態において、波長変換素子１１０は、電極１１６と、ｐ型半導体層２１２と、ｎ型半導体層２２２と、活性層２２４と、ｐ型半導体層２２６と、電極１１８とがこの順に積層されてなる。ｐ型半導体層２１２は、ｐ型半導体からなる第１のｐ層の一例であってよい。ｎ型半導体層２２２は、ｎ型半導体からなる第１のｎ層の一例であってよい。ｐ型半導体層２２６は、ｐ型半導体からなる第２のｐ層の一例であってよい。なお、図２は、波長変換素子１１０を製造する場合における積層方向を限定するものではない。波長変換素子１１０を製造する場合における積層方向は、図中、下から上に向かう方向であってもよく、上から下に向かう方向であってもよい。
【００３３】
本実施形態において、受光部１１２は、ｐ型半導体層２１２と、ｎ型半導体層２２２とを含む。ｐ型半導体層２１２は、ｎ型半導体層２２２の活性層２２４とは反対側の面に接して配される。これにより、ｐ型半導体層２１２及びｎ型半導体層２２２の界面にＰＮ接合が形成される。光信号１２は、少なくともＰＮ接合の近傍に形成された空乏層に照射される。なお、光信号１２は、空乏層だけでなく、ｐ型半導体層２１２の空乏層が形成されていない領域にも照射されてよい。
【００３４】
ｐ型半導体層２１２を構成する材料は、ｐ型半導体層２１２のバンドギャップエネルギＥ１が式（１）の条件を満たすように選択される。
Ｅ１≦ｈｃ／λｍａｘ      …（１）
式（１）において、ｈ、ｃ及びλｍａｘは、それぞれ、プランク定数（６．６２６×１０−３４Ｊ・ｓ）、真空中における光速（２．９９８×１０８ｍ／ｓ）及び光信号１２を構成する光の波長［ｍ］の最大値を表す。これにより、ｐ型半導体層２１２は、光信号１２を構成する光を吸収して、電子を生成することができる。
【００３５】
ｎ型半導体層２２２は、ｐ型半導体層２１２上にｎ型半導体をエピタキシャル成長させることで形成されてもよく、ｐ型半導体層２１２の一部に形成されたｎ型半導体領域であってもよい。同様に、ｐ型半導体層２１２は、ｎ型半導体層２２２上にｐ型半導体をエピタキシャル成長させることで形成されてもよく、ｎ型半導体層２２２の一部に形成されたｐ型半導体領域であってもよい。
【００３６】
本実施形態において、レーザ発振部１１４は、ｎ型半導体層２２２と、活性層２２４と、ｐ型半導体層２２６とを含む。活性層２２４は、ｎ型半導体層２２２及びｐ型半導体層２２６の間に配される。ｎ型半導体層２２２及び活性層２２４が接して配されてもよく、活性層２２４及びｐ型半導体層２２６が接して配されてもよい。
【００３７】
ｎ型半導体層２２２、活性層２２４及びｐ型半導体層２２６を構成する材料は、レーザ光を発振することができる材料であれば、特に限定されない。活性層２２４を構成する材料のバンドギャップエネルギは、ｎ型半導体層２２２を構成する材料のバンドギャップエネルギ及びｐ型半導体層２２６を構成する材料のバンドギャップエネルギよりも小さいことが好ましい。活性層２２４を構成する材料の屈折率は、ｎ型半導体層２２２を構成する材料の屈折率及びｐ型半導体層２２６を構成する材料の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００３８】
活性層２２４は、単一の半導体層であってもよく、複数の半導体層により形成されてもよい。活性層２２４は、量子井戸構造、多量子井戸構造又は量子ドット構造を有してもよい。一実施形態において、活性層２２４は、量子井戸層よりもバンドギャップエネルギが大きくｎ型半導体層２２２及びｐ型半導体層２２６よりも屈折率の大きな一対の光ガイド層と、一対の光ガイド層の間に挟まれる量子井戸層とを有してよい。
【００３９】
レーザ発振部１１４は、電流狭窄層又はＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層を有してよい。一実施形態において、レーザ発振部１１４は、絶縁性材料からなり、ｎ型半導体層２２２及びｐ型半導体層２２６の間に配され、ｎ型半導体層２２２及びｐ型半導体層２２６の間において電流の流れる位置を制限する電流狭窄層を有してよい。他の実施形態において、レーザ発振部１１４は、ｎ型半導体層２２２及びｐ型半導体層２２６の間に配され、活性層２２４に隣接するＤＢＲ層を有してよい。
【００４０】
本実施形態において、受光部１１２及びレーザ発振部１１４はｎ型半導体層２２２を共有する。これにより、受光部１１２において発生した電子は、ｎ型半導体層２２２を介して活性層２２４に注入される。
【００４１】
本実施形態において、ｎ型半導体層２２２が単一の半導体層である場合について説明した。しかし、ｎ型半導体層２２２は本実施形態に限定されない。ｎ型半導体層２２２は、複数のｎ型半導体層を有してよい。例えば、ｎ型半導体層２２２は、分布反射型多層膜ミラーを含む。ｎ型半導体層２２２は、ｐ型半導体層２１２と活性層２２４との間の格子定数の差を緩衝するバッファ層を含んでもよい。また、ｎ型半導体層２２２は、組成の異なる複数のｎ型半導体層を有してもよい。ｎ型半導体層２２２は、不純物濃度が異なる複数の領域又は複数の半導体層を含んでもよい。また、ｎ型半導体層２２２は、ｎ型半導体層、ｎ−型半導体層及びｎ＋型半導体層の少なくとも１つを含んでもよい。ｎ型半導体層２２２は、組成が連続的に変化するグレーティッド層を含んでもよい。
【００４２】
本実施形態において、ｐ型半導体層２２６が単一の半導体層である場合について説明した。しかし、ｐ型半導体層２２６は本実施形態に限定されない。ｐ型半導体層２２６は、複数のｐ型半導体層を有してよい。例えば、ｐ型半導体層２２６は、分布反射型多層膜ミラーを含む。また、ｐ型半導体層２２６は、組成の異なる複数のｎ型半導体層を有してもよい。ｐ型半導体層２２６は、不純物濃度が異なる複数の領域又は複数の半導体層を含んでもよい。また、ｐ型半導体層２２６は、ｐ型半導体層、ｐ−型半導体層及びｐ＋型半導体層の少なくとも１つを含んでもよい。ｐ型半導体層２２６は、組成が連続的に変化するグレーティッド層を含んでもよい。
【００４３】
本実施形態において、ｐ型半導体層２１２が、ｎ型半導体層２２２の活性層２２４側の面とは反対側の面に形成される場合について説明した。しかし、波長変換素子１１０は本実施形態に限定されない。ｐ型半導体層２１２は、ｎ型半導体層２２２の活性層２２４側の面のｎ型半導体層２２２が形成されていない領域に形成されてもよい。
【００４４】
電極１１６は、ｐ型半導体層２１２に接して配されてもよく、電極１１６及びｐ型半導体層２１２の間に１以上の半導体層が配されてもよい。例えば、一実施形態において、電極１１６とｐ型半導体層２１２との間に、ｐ型半導体層２１２よりも不純物濃度の大きなコンタクト層が配される。他の実施形態において、電極１１６とｐ型半導体層２１２との間に、波長変換素子１１０の製造に用いられた基板が配される。上記の基板としては、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板などを例示することができる。
【００４５】
電極１１８は、ｐ型半導体層２２６に接して配されてもよく、電極１１８及びｐ型半導体層２２６の間に１以上の半導体層が配されてもよい。例えば、一実施形態において、電極１１８とｐ型半導体層２２６との間に、ｐ型半導体層２２６よりも不純物濃度の大きなコンタクト層が配される。他の実施形態において、電極１１８とｐ型半導体層２２６との間に、波長変換素子１１０の製造に用いられた基板が配される。上記の基板としては、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板などを例示することができる。
【００４６】
波長変換素子１１０は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、エッチング、リソグラフィなどの半導体製造プロセスを利用して、例えば、以下の手順で形成することができる。まず、ＧａＡｓ基板上に、ｐ型半導体層２２６としてｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。次に、ｐ型半導体層２２６の上に、活性層２２４として不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層を形成する。活性層２２４の上に、ｎ型半導体層２２２としてｎ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。ｎ型半導体層２２２の上に、ｐ型半導体層２１２としてｐ型ＧａＡｓ層を形成する。その後、電極１１６及び電極１１８を形成することで、波長変換素子１１０を製造することができる。
【００４７】
ＡｌＧａＡｓ層の組成比は、隣接する層の上にＡｌＧａＡｓ層がエピタキシャル成長することができる程度に、ＡｌＧａＡｓ層と隣接する層との格子定数の差が小さくなるように選択される。ＡｌＧａＡｓ層は、Ｃ、Ｚｎ、Ｍｇなどがドーピングされることによりｐ型に形成される。ＡｌＧａＡｓ層は、Ｓｉ、Ｓｅなどがドーピングされることによりｎ型に形成される。
【００４８】
図３は、波長変換素子３１０の一例を概略的に示す。波長変換素子３１０は、ｎ型半導体層２２２が複数のｎ型半導体層を有する点と、受光部１１２がｎ型半導体層２２２の少なくとも一部とｐ型半導体層２１２とを有する点とにおいて、波長変換素子１１０と相違する。波長変換素子３１０は、上記相違点以外の構成については、波長変換素子１１０と同様の構成を有してよい。図３の説明においては、主に上記相違点について説明し、波長変換素子１１０と同様の構成については説明を省略する。
【００４９】
本実施形態において、ｎ型半導体層２２２は、ｎ型半導体層３２２と、バッファ層３２４と、ｎ型半導体層３２６とを有する。また、受光部１１２は、ｎ型半導体層２２２の一部を構成するｎ型半導体層３２２と、ｐ型半導体層２１２とを有する。
【００５０】
本実施形態において、ｎ型半導体層３２２は、バッファ層３２４層のｎ型半導体層３２６側の面とは反対側の面に接して配される。バッファ層３２４は、ｎ型半導体層３２６の活性層２２４側の面とは反対側の面に接して配される。バッファ層３２４は、ｎ型半導体層３２２とｎ型半導体層３２６との間の格子定数の差を緩衝する。ｎ型半導体層３２６は、活性層２２４のｐ型半導体層２２６側の面とは反対側の面に接して配される。ｎ型半導体層２２２がバッファ層３２４を有することにより、ｎ型半導体層２２２は、ｐ型半導体層２１２と活性層２２４との間の格子定数の差を緩衝することができる。
【００５１】
図４は、波長変換素子４１０の一例を概略的に示す。図５は、波長変換素子４１０の一例を概略的に示す。図５は、波長変換素子４１０をｐ型半導体層２１２の側から見た平面図を示す。波長変換素子４１０は、ｐ型半導体層２１２が電極１１６に囲まれた受光領域を有する点と、光信号１２が、ｐ型半導体層２１２のｎ型半導体層２２２と接している面とは反対側の面から照射される点とにおいて、波長変換素子１１０又は他の実施形態と相違する。波長変換素子４１０は、上記相違点以外の構成については、波長変換素子１１０又は他の実施形態と同様の構成を有してよい。図４及び図５の説明においては、主に上記相違点について説明し、波長変換素子１１０又は他の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００５２】
本実施形態において、電極１１６は、リング状の形状を有する。これにより、ｐ型半導体層２１２上に、電極１１６に囲まれ、電極１１６が形成されていない受光領域４０６が形成される。なお、電極１１６の形状は、リング状に限定されない。ｐ型半導体層２１２の受光領域４０６には電極１１６が形成されていないので、ｐ型半導体層２１２に対して、電極１１６が配された側から光信号１２を照射した場合であっても、受光部１１２が光信号１２を吸収して電子を発生させることができる。電極１１８は、電極１１６と同一の平面形状を有してもよく、電極１１６とは異なる平面形状を有してもよい。
【００５３】
図６は、波長変換素子６１０の一例を概略的に示す。波長変換素子６１０は、ｎ型半導体層２２２、活性層２２４及びｐ型半導体層２２６が、ｐ型半導体層２１２の内部に形成される点と、電極１１６が、ｐ型半導体層２１２のｎ型半導体層２２２側の面に配される点とにおいて、波長変換素子１１０又は他の実施形態と相違する。波長変換素子６１０は、上記相違点以外の構成については、波長変換素子１１０又は他の実施形態と同様の構成を有してよい。ｎ型半導体層２２２、活性層２２４及びｐ型半導体層２２６は、例えば、ｐ型半導体層２１２に形成された凹部の内部に形成されてよい。また、電極１１６及び電極１１８は、同一の工程により形成されてもよい。
【００５４】
図７は、波長変換素子７１０の一例を概略的に示す。波長変換素子７１０は、受光部１１２がＰＩＮフォトダイオード構造を有する点において、波長変換素子１１０又は他の実施形態と相違する。波長変換素子７１０は、上記相違点以外の構成については、波長変換素子１１０又は他の実施形態と同様の構成を有してよい。図７の説明においては、主に上記相違点について説明し、波長変換素子１１０又は他の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００５５】
本実施形態において、受光部１１２は、ｐ型半導体層２１２と、ｉ型半導体層７１２と、ｎ型半導体層２２２とを備える。ｉ型半導体層７１２は、ｐ型半導体層２１２及びｎ型半導体層２２２の間に配される。ｉ型半導体層７１２は、ｎ型半導体層２２２の活性層２２４側の面とは反対側の面に接して配される。ｉ型半導体層７１２は、ｉ型半導体からなるｉ層の一例であってよい。ｐ型半導体層２１２は、ｉ型半導体層７１２のｎ型半導体層２２２側の面とは反対側の面に接して配される。受光部１１２がＰＩＮフォトダイオード構造を有することにより、波長変換素子１１０と比較して応答速度が向上する。
【００５６】
図８は、波長変換素子８１０の一例を概略的に示す。波長変換素子８１０は、受光部１１２がショットキーフォトダイオード構造を有する点において、波長変換素子１１０又は他の実施形態と相違する。波長変換素子８１０は、上記相違点以外の構成については、波長変換素子１１０又は他の実施形態と同様の構成を有してよい。図８の説明においては、主に上記相違点について説明し、波長変換素子１１０又は他の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００５７】
本実施形態において、受光部１１２は、ｎ型半導体層２２２と、金属層８１２とを備える。金属層８１２は、ｎ型半導体層２２２の活性層２２４側の面とは反対側の面に接して配される。受光部１１２がショットキーフォトダイオード構造を有することにより、波長変換素子１１０と比較して短波長側での感度が向上する。
【００５８】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００５９】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
［請求項１］
第１の波長を有する光を受光して電子を発生させるフォトダイオード構造と、
前記フォトダイオード構造において発生した前記電子が注入され、第２の波長を有する光を出力する活性層を含む半導体レーザ構造と、
を備え、
前記電子は、前記フォトダイオード構造及び前記半導体レーザ構造により共有されている半導体層、又は前記フォトダイオード構造と前記半導体レーザ構造との間に配された半導体層を介して前記活性層に注入される、
波長変換素子。
［請求項２］
前記半導体レーザ構造は、
ｐ型半導体からなる第１のｐ層と、
ｎ型半導体からなる第１のｎ層と、
前記第１のｐ層及び前記第１のｎ層の間に配される前記活性層と、
を備え、
前記フォトダイオード構造は、
前記第１のｎ層の少なくとも一部と、
前記第１のｎ層の前記活性層側の面とは反対側の面に接して配され、ｐ型半導体からなる第２のｐ層と、
を備える、
請求項１に記載の波長変換素子。
［請求項３］
前記半導体レーザ構造は、
ｐ型半導体からなる第１のｐ層と、
ｎ型半導体からなる第１のｎ層と、
前記第１のｐ層及び前記第１のｎ層の間に配される前記活性層と、
を備え、
前記フォトダイオード構造は、
前記第１のｎ層の少なくとも一部と、
前記第１のｎ層の前記活性層側の面とは反対側の面に接して配され、ｉ型半導体からなるｉ層と、
前記ｉ層の前記第１のｎ層側の面とは反対側の面に接して配され、ｐ型半導体からなる第２のｐ層と、
を備える、
請求項１に記載の波長変換素子。
［請求項４］
前記半導体レーザ構造は、
ｐ型半導体からなる第１のｐ層と、
ｎ型半導体からなる第１のｎ層と、
前記第１のｐ層及び前記第１のｎ層の間に配される前記活性層と、
を備え、
前記フォトダイオード構造は、
前記第１のｎ層の少なくとも一部と、
前記第１のｎ層の前記活性層側の面とは反対側の面に接して配される金属層と、
を備える、
請求項１に記載の波長変換素子。
［請求項５］
前記第１のｎ層は、組成の異なる複数のｎ型半導体層を有する、
請求項２から請求項４までの何れか一項に記載の波長変換素子。
［請求項６］
請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子に電圧を印加する電源部と、
前記電源部を制御する電源制御部と、
を備え、
前記波長変換素子は、
前記半導体レーザ構造と電気的に接続される第１の電極と、
前記フォトダイオード構造と電気的に接続される第２の電極と、
を更に有し、
前記電源部は、
前記波長変換素子の前記第１の電極及び前記第２の電極と電気的に接続され、
前記第１の電極に正電圧を印加し、
前記第２の電極に負電圧を印加する、
波長変換装置。
［請求項７］
前記電源制御部は、前記波長変換素子の前記半導体レーザ構造の電流値が第１の値及び第２の値の間になるように、前記電源部を制御し、
前記第１の値は、前記半導体レーザ構造の発振閾値電流値よりも予め定められた値だけ大きな値、又は、前記発振閾値電流値であり、
前記第２の値は、前記発振閾値電流値よりも予め定められた値だけ小さな値である、
請求項６に記載の波長変換装置。
［請求項８］
前記波長変換素子の温度を測定する温度測定部を更に備える、
請求項６又は請求項７に記載の波長変換装置。
［請求項９］
前記電源制御部は、前記温度測定部により測定された温度に基づき、前記電源部を制御する、
請求項８に記載の波長変換装置。
［請求項１０］
前記波長変換素子の温度を調整する温度調整部と、
前記温度測定部により測定された温度に基づき、前記温度調整部を制御する温度制御部と、
をさらに備える、
請求項８又は請求項９に記載の波長変換装置。
［請求項１１］
前記半導体レーザ構造から出力された光信号を検出して電気信号に変換する光信号検出部を更に備え、
前記電源制御部は、前記電気信号に基づき、前記電源部を制御する、
請求項８から請求項１０までの何れか一項に記載の波長変換装置。
［請求項１２］
前記電源制御部は、
前記光信号検出部から前記電気信号を受信し、
前記電気信号に基づいて、前記半導体レーザ構造から光が出力されていないことを示す状態の継続時間が予め定められた時間よりも長いと判断した場合、前記電気信号が前記半導体レーザ構造から光が出力されていることを示すようになるまで、前記波長変換素子に印加される電圧が大きくなるように前記電源部を制御し、
前記電気信号に基づいて、前記半導体レーザ構造から光が出力されていることを示す状態の継続時間が予め定められた時間よりも長いと判断した場合、前記電気信号が前記半導体レーザ構造から光が出力されていないことを示すようになるまで、前記波長変換素子に印加される電圧が小さくなるように前記電源部を制御する、
請求項１１に記載の波長変換装置。
【符号の説明】
【００６０】
１２  光信号、  １４  光信号、  １００  波長変換装置、  １１０  波長変換素子、  １１２  受光部、  １１４  レーザ発振部、  １１６  電極、  １１８  電極、  １２０  電源部、  １３０  電源制御部、  １４２  光信号検出部、  １４４  温度測定部、  １４６  電流測定部、  １５０  温度制御部、  １６０  温度調整部、  ２１２  ｐ型半導体層、  ２２２  ｎ型半導体層、  ２２４  活性層、  ２２６  ｐ型半導体層、  ３１０  波長変換素子、  ３２２  ｎ型半導体層、  ３２４  バッファ層、  ３２６  ｎ型半導体層、  ４０６  受光領域、  ４１０  波長変換素子、  ６１０  波長変換素子、  ７１０  波長変換素子、  ７１２  ｉ型半導体層、  ８１０  波長変換素子、  ８１２  金属層
【図１】
0005839611.tif 000002
【図２】
0005839611.tif 000003
【図３】
0005839611.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005839611.tif 000006
【図６】
0005839611.tif 000007
【図７】
0005839611.tif 000008
【図８】
0005839611.tif 000009