(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、少なくとも１層の物質層からなる第１エピタキシャル層で形成され、第１光導波路を備える分離領域と、
前記第１エピタキシャル層上に形成された、少なくとも１層の物質層からなる第２エピタキシャル層で形成され、光信号を検出して変調し、第２光導波路を備える光検出変調部と、
前記第２エピタキシャル層の上部に形成された少なくとも１層の物質層からなる第３エピタキシャル層で形成され、光信号を増幅し、第２及び第３光導波路を備える光増幅部と、を備え、
前記光増幅部と光検出変調部とは、前記分離領域で電気的に分離され、前記光増幅部は、前記光検出変調部の少なくともいずれか一側に形成されたことを特徴とする光増幅デュプレクサ。
【請求項２】
前記光増幅部は、前記光検出変調部の両側にそれぞれ形成され、
光信号進行方向への光導波路の断面が全体的にＷ型の構造を持つことを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項３】
前記光導波路は、第１、第２及び第３光導波路順に光モードの有効屈折率が高くなることを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項４】
前記第２及び第３光導波路は、リッジ形態を持ち、
前記第２及び第３光導波路は、それぞれ幅が２〜３μｍであり、それぞれ総厚さが１．５〜２．５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項５】
前記第１光導波路は、幅が２〜５μｍであり、厚さが０．２〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項６】
前記第１光導波路、第２光導波路及び第３光導波路間の光モードを円滑に移動させるために、前記光導波路は、少なくとも一端部に光モード変換器が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項７】
前記第３光導波路は、前記光検出変調部側に第３光モード変換器が形成されており、
前記光増幅部の第２光導波路は、前記第１光導波路の上部に、前記光検出変調部側に第２−３光モード変換器が形成され、
前記光検出変調部の第２光導波路は、前記第１光導波路の上部に、前記光増幅部側に第２−２光モード変換器が形成されたことを特徴とする請求項６に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項８】
光増幅部は、前記第２エピタキシャル層と第３エピタキシャル層との間の第２−１エピタキシャル層で形成された第２−１光導波路をさらに備え、
前記第２−１光導波路は、前記第３光導波路よりさらに長く形成されており、前記光検出変調部側に第２−１光モード変換器が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項９】
前記第３光導波路に入射された光信号は、前記第３光モード変換器を通じて前記第２−１光導波路に光モードが移動し、
前記第２−１光導波路に移動した光モードは、前記第２−１光モード変換器を通じて前記光増幅部の第２光導波路に光モードが移動し、
前記光増幅部の第２光導波路に移動した光モードは、第２−３光モード変換器を通じて第１光導波路に光モードが移動し、
前記第３光導波路から第１光導波路まで３回にわたって光モードの移動があることを特徴とする請求項８に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１０】
前記光導波路は、リッジ形態であり、
前記光導波路の少なくとも一端に形成された光モード変換器は、くさび形になっており、
前記第３光モード変換器は、その先端部分が第３光導波路の幅と同じく、終端部分は０．７μｍ以下で先端部分より狭く、長さは２００μｍ以下であり、
前記第２−１光モード変換器は、その先端部分が第３光導波路の幅と同じか、または大きく、終端部分が１μｍ以下で先端部分より狭く、長さは１００μｍ以下であり、
前記第２−２光モード変換器及び第２−３光モード変換器は、先端部分が第２光導波路の幅と同じく、終端部分は０．７μｍ以下で先端部分より狭く、長さは２００μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１１】
前記基板は、半絶縁の燐化インジウム（ＩｎＰ）基板であり、
前記第１エピタキシャル層は、１．２４Ｑインジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１２】
前記第１エピタキシャル層は、前記光検出変調部の第２光導波路の下部でｎ−メタルコンタクト層の役割を行うことを特徴とする請求項１１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１３】
前記光検出変調部は、両終端に光モードを円滑に移動させるための第２−２光モード変換器がそれぞれ形成されており、
前記光検出変調部は、光信号を検出する光検出器と光信号を変調する光変調器との電気的分離のための絶縁トレンチが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１４】
前記第２−２光モード変換器と前記光検出器との間、及び前記光変調器と前記第２−２光モード変換器との間のうち、少なくとも一側に電気的分離のための絶縁トレンチが形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１５】
前記光検出器の長さは、１００μｍ以下であり、
前記光変調器の長さは、６００μｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１６】
前記光検出変調部は、第２光導波路の上部クラッド層の上部に１．３Ｑ ＩｎＧａＡｓＰのｐ型コンタクト層を備え、
前記トレンチは、前記ｐ型コンタクト層をエッチングして形成するか、前記第２エピタキシャル層をエッチングして形成することを特徴とする請求項１３に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１７】
前記光デュプレクサの総エピタキシャル層の厚さは、３〜５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１８】
前記第２エピタキシャル層は、上部部分にｐ型メタルコンタクト層を備え、
前記光増幅部の光信号を増幅する光増幅器は、前記ｐ型メタルコンタクト層の上部に形成され、
前記光検出変調部の光信号を検出して変調する光検出器及び光変調器は、前記ｐ型メタルコンタクト層の下部に形成されて、
前記光増幅器、光検出器及び光変調器は、同一エピタキシャル層から形成されるｐ型メタルコンタクト層を持つことを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項１９】
前記ｐ型メタルコンタクト層は、１．３Ｑ ＩｎＧａＡｓＰで形成され、その厚さは０．１〜０．３μｍであることを特徴とする請求項１８に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項２０】
前記第３光導波路のアクティブコアは、多重量子ウェルまたはバルクで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項２１】
前記第３光導波路のアクティブコアは、１．６Ｑ ＩｎＧａＡｓＰで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項２２】
前記第３光導波路及び第２光導波路のアクティブコアは、光信号が偏光に影響されないように、ストレインが加えられたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【請求項２３】
前記光増幅部は、前記第２エピタキシャル層と第３エピタキシャル層との間に形成された少なくとも１層の物質層からなる少なくとも１個のエピタキシャル層を利用して形成された、少なくとも１個の光導波路を備えることを特徴とする請求項１に記載の光増幅デュプレクサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲｏＦ（Ｒａｄｉｏ−ｏｖｅｒ Ｆｉｂｅｒ）システムに係り、特に、光増幅器、光検出器及び光変調器がモノリシック集積されてアナログ光通信に適した光増幅デュプレクサに関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログ光伝送では、一定周波数を持つ電気信号に合せて光度の出力を変調して、光ファイバを通じて伝送した後、光信号から電気信号を復元する。その過程で、変調された信号（ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、ＱＡＭなど）が載せられているＲＦ信号を光信号に変換して、光ファイバに伝送するＲｏＦリンク光伝送技術についての研究が最近活発になされつつある。
【０００３】
ＲｏＦリンク光伝送技術において、光変調器に入力されるＲＦ信号対比光検出器により復元されるＲＦ信号の比を、ＲＦ利得と定義するが、ＲＦ利得を大きくすることが、ＲｏＦリンク光伝送技術で非常に重要である。それにより、電気−光変換時に高性能の光変調器が、そして光−電気変換時に高性能の光検出器が要求される。
【０００４】
ＲｏＦリンク光伝送技術で、ＲＦの周波数が大きくなるほど伝送できるデータ量は増加するが、アンテナから無線端末機までの伝送距離が短縮して、多くのベースステーション（Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ：ＢＳ）が必要になる。したがって、セントラルオフィス（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｏｆｆｉｃｅ：ＣＯ）に多くの機能を集中し、かつＢＳを単純化して、ＢＳの低コスト化ができる構図が望ましい。
【０００５】
図１Ａは、ＲｏＦリンク光伝送システムのブロック図である。  
図１Ａを参照すれば、ＲｏＦリンク光伝送システムは、光源がＣＯ １０にあり、ＣＯ １０とＢＳ ３０とが光ファイバ２０で連結されており、ＢＳ ３０と無線端末機４０（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｔｅｒｍｉｎａｌ：ＷＴ）とが送受信アンテナ３６、３８、４２、４４を通じて無線信号で連結される構造を持つ。
【０００６】
図１Ｂは、図１Ａの構図でＢＳ ３０をさらに詳細に示すブロック図であり、一般的に、ＲｏＦリンクでＢＳ ３０は、送受信アンテナ３６、３８、光検出器３２及び光変調器３４が集積されたデュプレクサで構成される。
【０００７】
このような構成のＢＳ ３０を通じた伝送方式は、時分割伝送方式が望ましいが、例えば、特定時間の間にはＣＯ １０からＲＦ信号が載せられている光がＢＳ ３０に伝送され、ＢＳ ３０内の光検出器３２からＲＦ信号が復元されて無線でＷＴ ４０に伝送され、他の特定時間の間には、ＣＯ １０から供給された光がそのまま光検出器を通過した後、光変調器により変調されて再びＣＯ １０に伝送される。この時、光変調のためにＷＴ ４０から伝送された無線信号を利用する。ＲｏＦリンク光伝送技術において、ＢＳ ３０に使われる光検出器３２や光変調器３４のような核心素子は、アナログ伝送に合わせてデザインされて容易に製作されねばならない。
【０００８】
それぞれの素子について簡単に説明すれば、光変調器の観点で、ＲＦ利得は、出力光の強度及び伝達関数の勾配の自乗にそれぞれ比例する。しかし、変調器の伝達関数の勾配を大きくするほど光挿入損失が大きくなって、光変調器の出力光の強度は小さくなって、２つの条件をいずれも満足させるのが非常にむずかしい。一般的な多重量子ウェル電界吸収型（Ｅｌｅｃｔｏｒ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）光変調器の光挿入損失は、１０ｄＢ程度であるが、伝達関数の勾配を険しくするほど、挿入損失は増加する。また、１０ｄＢの挿入損失のうちほとんどは、光ファイバとの光モード不一致から発生する。このような光挿入損失を低減する方法としては、光モード変換器を光変調器に集積する方法と光増幅器を集積する方法とがある。
【０００９】
図２は、従来の光モード変換器が集積された半導体レーザーダイオードについての斜視図である。  
図２を参照すれば、光モード変換器（Ｓｐｏｔ Ｓｉｚｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＳＳＣ）がレーザーとバット結合カップリング（ｂｕｔｔ−ｊｏｉｎｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）方式で連結されている。また、光導波路の厚さがレーザー部分で一定であり、バット結合カップリング部分を過ぎつつ段々薄くなることが分かる。これは、高機能性エピタキシャル成長方式である選択的領域成長（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ａｒｅａ Ｇｒｏｗｔｈ：ＳＡＧ）方法を使用したものであり、光モード変換器の導波路の厚さが光の進行方向に沿って段々薄くなって、導波路の終端ではその厚さを０．２μｍ以内にしている。
【００１０】
さらに詳細に説明すれば、レーザー領域は、ｎ型電極層１１、ｎ型燐化インジウム（ＩｎＰ）クラッド層１２、ｎ型及びｐ型カレント遮断層１３、１４、ｐ型クラッド層１５及びｐ型電極層１６で形成されており、ＳＳＣ領域は、段々薄くなる受動光導波路１７が、レーザー領域内部のレーザーアクティブ層１９とバット結合境界１８を通じて連結されている。
【００１１】
このような形態のＳＳＣを製作するためには、ＳＡＧ方法を使用せねばならないが、この方法を使用すれば、物質の組成が変わるために、物質層内にストレスが生じて半導体結晶の品質が低下する可能性がある。半導体結晶の品質低下なしに、ＳＡＧ方法を使用してＳＳＣを製作するためには、半導体結晶成長条件が非常に厳しく維持されねばならない。しかし、このようなＳＳＣ製作方法は、その成長条件の許容誤差が非常に小さくて、高品質半導体結晶の成長において多くの難点がある。
【００１２】
図３は、従来の光モード変換器、光増幅器及び電界吸収型光変調器がモノリシック集積された構造についての斜視図である。  
図３を参照して、この構造の製作過程を簡略に説明すれば、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ＳＡＧ方法を使用してＦｅドーピングされたＩｎＰ層の電流遮断層２２、インジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）受動光導波路２３、ｎ型ＩｎＰスペーサ２４を成長させる。次いで、導波路の幅を１μｍ程度になるようにエッチングにより形成した後、ＦｅドーピングされたＩｎＰ層の電流遮断層２２を再成長させて平坦化する。次いで、光増幅器と光変調器のアクティブ層２５をＳＡＧ方法で成長させる。その後、光増幅器のアクティブ層２５を側面方向に幅が縮まるようにエッチングした後、ｐ型ＩｎＰクラッド層２６とｐ型ＩｎＰｃａｐ層、そしてＩｎＧａＡｓコンタクト層を順に成長させる。
【００１３】
このような構造は、二重光導波路を持つ構造であり、下側の光導波路２３は、光ファイバとの光結合効率を高める機能を行い、上側の光導波路２５は、光増幅器から下側の光導波路２３に光モードを容易に移動させる役割を行う。さらに詳細に説明すれば、下側の光導波路２３は、ＳＡＧ方法を通じて成長されるが、その厚さが光モードの進行方向に沿って段々薄くなる。それにより、光モードが段々大きくなって光ファイバとの光結合効率を増大させる機能を行う。上側の光導波路２５もＳＡＧ方法で成長し、光モードの進行方向に沿って光進行方向に幅が縮まった下側の光導波路２３に光モードを容易に移動させる。
【００１４】
光変調器と光増幅器側では、光モードが強く拘束されていて、光変調または光増幅効率が非常に大きくなり（強く拘束された光モードと光ファイバとの光結合効率は非常に低い）、光モード変換器を経つつ光モードは弱く拘束されて、すなわち、モードが大きくなって、光ファイバとの光結合が良くなる。結局、光変調効率、光増幅効率そして光結合効率をいずれも極大化できる構造である。  
しかし、この構造もＳＡＧ方法を使用するので、製作が複雑であり、高品質の素子の製作が非常に困難である。
【００１５】
光検出器の観点で、ＲＦ利得は、出力光電流が大きいほど有利である。すなわち、光検出器の反応度が大きくて、大きい入力光を受容するほど有利である。光検出器の反応度を大きくするためには、光ファイバとの光結合時に発生する光損失を低減することが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、光ファイバとの光結合損失がなく、高い電気−光、そして光−電気変換効率を持つ、すなわち、高いＲＦ利得を得られる光増幅器、光検出器及び光変調器がモノリシック集積された光増幅デュプレクサを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、基板と、前記基板上に形成された、少なくとも１層の物質層からなる第１エピタキシャル層で形成され、第１光導波路を備える分離領域と、前記第１エピタキシャル層上に形成された、少なくとも１層の物質層からなる第２エピタキシャル層で形成され、光信号を検出して変調し、第２光導波路を備える光検出変調部と、前記第２エピタキシャル層の上部に形成された少なくとも１層の物質層からなる第３エピタキシャル層で形成され、光信号を増幅し、第２及び第３光導波路を備える光増幅部と、を備え、前記光増幅部と光検出変調部とは、前記分離領域で電気的に分離され、前記光増幅部は、前記光検出変調部の少なくともいずれか一側に形成された光増幅デュプレクサを提供する。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、前記光増幅部は、前記光検出変調部の両側にそれぞれ形成され、光信号進行方向への光導波路の断面が全体的にＷ型の構造を持つ。また、前記第１光導波路、第２光導波路及び第３光導波路間の光モードを円滑に移動させるために、前記光導波路は、少なくとも一端部に光モード変換器が形成されている。
【００１９】
一方、前記光増幅部は、前記第２エピタキシャル層と第３エピタキシャル層との間に形成された少なくとも１層の物質層からなる少なくとも１個のエピタキシャル層を利用して形成された、少なくとも１個の光導波路をさらに備える。
【００２０】
本発明による光増幅デュプレクサは、三重導波路構造に基づいて光増幅部で光増幅が起き、光検出変調部で光の検出及び変調を行う。一方、分離領域は、光増幅部と光検出変調部とを電気的に絶縁させる役割を行う。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光増幅デュプレクサは、光増幅器、光検出器及び光変調器がモノリシック集積されて、光ファイバとの光結合損失がなく、高い電気−光、そして光−電気変換効率を持つことによって、ＲｏＦリンク光伝送技術で高いＲＦ利得を得ることができる。
【００２２】
また、ＳＡＧ方法や、バット結合カップリング方法などを使用せずに、一般的なフォトリソグラフィ、ドライエッチング及び選択的ウェットエッチング工程を使用して、モノリシック集積が可能であり、低コストのＢＳ具現が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の説明で、ある構成要素が他の構成要素の上部に存在すると記述される時、これは、他の構成要素のすぐ上に存在することもあり、その間に第３の構成要素が介在されることもある。また、図面で各構成要素の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために省略されるか、または誇張され、図面上で同一符号は同じ要素を示す。一方、使われる用語は単に本発明を説明するための目的で使われたものであり、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使われたものではない。
【００２４】
本発明は、光源がＣＯにあり、ＢＳには光−電気（光変調器）、電気−光（光検出器）変換を一つの半導体チップで行いつつも、光結合損失がなくて高い変換効率を持つように、光増幅器、光検出器及び光変調器がモノリシック集積された光増幅デュプレクサ構造を提案する。
【００２５】
図４Ａは、本発明の一実施形態による光増幅デュプレクサについての斜視図である。  
図４Ａを参照すれば、光増幅デュプレクサは、分離領域１００、光検出変調部２００及び光増幅部３００を備える。光増幅部３００は、光検出変調部２００の両側面に形成され、分離領域１００を通じて電気的に光検出変調部２００と分離されている。
【００２６】
光増幅部３００は、光増幅器３２０、３２０ａ、第３光モード変換器３４０、第２−１光モード変換器３６０及び第２−３光モード変換器３８０を備える。それぞれの素子は、基板１２０Ｅ上に形成された複数のエピタキシャル層を利用して形成される。一方、光増幅のための上下部電極６００、７００が形成されている。ここで、光増幅器３２０、３２０ａは、入力された光信号を増幅する役割を行い、光モード変換器３４０、３６０、３８０は、光導波路間の光モードを円滑に移動させる役割を行う。
【００２７】
光検出変調部２００は、光を検出する光検出器２２０、光を変調する光変調器２４０及び第２−２光モード変換器２６０を備える。一方、光検出器２２０と光変調器２４０との電気的分離のための絶縁トレンチ２８０ｂが形成されている。第２−２光モード変換器２６０は、第１光導波路と第２光導波路との間で、光モードを円滑に移動させる役割を行う。第２−２光モード変換器２６０と光検出器２２０との間にも、絶縁トレンチ２８０ａが形成されうる。
【００２８】
分離領域１００は、前述した通り、光検出変調部２００と光増幅部３００とを電気的に分離させる役割を行い、光信号のみ第１光導波路のコア部分１２０を通じて伝送させる。
【００２９】
以下では、基板１２０Ｅ上に形成されたエピタキシャル層の側面で説明する。
【００３０】
半絶縁（Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＩ）ＩｎＰで形成された基板１２０Ｅ、１．２４Ｑ ＩｎＧａＡｓＰで形成されたコア層１４０Ｅ、及びＩｎＰで形成された上部クラッド層１６０Ｅが、第１光導波路１００Ｗの機能を行う。ここで、Ｑは、ｑｕａｔｅｒｎａｒｙのイニシャルであって、４個の元素が含まれることを意味し、前の数字は、エネルギーバンドギャップを波長概念で表したものである。基板１２０Ｅが、第１光導波路１００Ｗの下部クラッド層の機能を行う。このような第１光導波路１００Ｗは、分離領域１００で光信号の伝送役割を担当する。
【００３１】
一方、第１光導波路１００Ｗの上部クラッド層１６０Ｅは、第２光導波路３００Ｗの下部クラッド層３２０Ｅの役割も兼ねる。下部クラッド層３２０Ｅ、下部クラッド層３２０Ｅの上部に、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰの多重量子ウェル構造のコア層３４０Ｅ、及びｐ型ＩｎＰで形成された上部クラッド層３６０Ｅが、第２光導波路３００Ｗを形成する。第２光導波路３００Ｗは、光検出変調部２００の主要光導波路の機能を行い、コア層３４０Ｅは、光検出器２２０及び光変調器２４０の吸収層の役割を行う。
【００３２】
第２光導波路３００Ｗの上部に第２−１光導波路４００Ｗが形成されるが、下部第２−１光導波路層４２０Ｅは、第２−１光導波路の下部クラッド層とコア層とが合わせられて図示された状態である。第２−１光導波路４００Ｗの上部クラッド層４４０Ｅは、１．２４Ｑ ＩｎＧａＡｓＰで形成される。下部第２−１光導波路層４２０Ｅは、第２光導波路３００Ｗの各エピタキシャル層３２０Ｅ、３４０Ｅ、３６０Ｅと共に、第２−２光モード変換器２６０及び第２−３光モード変換器３８０を構成する。一方、下部第２−１光導波路層４２０Ｅは、光検出器２２０及び光変調器２４０のｐ型メタルコンタクト層になる。第２−１光導波路４００Ｗの上部クラッド層４４０Ｅは、第２−１光モード変換器３６０を構成する。絶縁トレンチ２８０ａ、２８０ｂは、上部クラッド層４４０Ｅ及び下部第２−１光導波路層４２０Ｅをエッチングして形成する。
【００３３】
第２−１光導波路４００Ｗの上部に第３光導波路５００Ｗが形成されるが、ｐ型ＩｎＰで形成された下部クラッド層５２０Ｅ、１．６Ｑ ＩｎＧａＡｓＰで形成されたコア層５４０Ｅ、及びｎ＋型ＩｎＰで形成された上部クラッド層５６０Ｅが第３光導波路５００Ｗを形成する。このような第３光導波路５００Ｗは、光増幅器３２０、３２０ａ及び第３光モード変換器３４０を構成する。
【００３４】
各光導波路の構造及び大きさを説明すれば、光検出変調部２００及び光増幅部３００の第２光導波路は、深いリッジ形態または薄いリッジ形態を持ち、幅が１〜３μｍ程度であり、総厚さが１．５〜２．５μｍ程度である。光増幅部３００の第３光導波路も幅が１〜３μｍであり、深いリッジ形態または薄いリッジ形態を持ち、総厚さは１．５〜２．５μｍ程度である。一方、分離領域１００の第１光導波路１２０は、幅が２〜５μｍであり、厚さが０．２〜１μｍ程度である。
【００３５】
各光導波路は、少なくとも一端に形成されたくさび形の光モード変換器を持つが、第３光モード変換器３４０は、先端部分が第３光導波路の幅と同じく、終端部分は０．７μｍ以下で先端部分より狭く、長さは２００μｍ以下である。第２−１光モード変換器３６０は、先端部分が第３光導波路の幅と同一またはさらに大きく、終端部分が１μｍ以下で先端部分より狭く、長さは１００μｍ以下である。第２−２光モード変換器２６０及び第２−３光モード変換器３８０は、先端部分が第２光導波路の幅と同じく、終端部分は０．７μｍ以下で先端部分より狭く、長さは２００μｍ以下である。
【００３６】
光を検出する光検出器２００の長さは１００μｍ以下であり、光を変調する光変調器の長さは、６００μｍ以下に形成される。基板１２０Ｅの上部の総エピタキシャル層の厚さは、約３〜５μｍ程度である。
【００３７】
本実施形態では、第２−１光導波路部分が第２光導波路と第３光導波路との間に形成されているが、省略可能であり、時によっては、少なくとも１層の物質層からなる２層以上のエピタキシャル層を利用して、２つ以上の光導波路をさらに形成することもできる。
【００３８】
図４Ｂは、図４Ａの光増幅デュプレクサに集積された素子の連結状態を示すブロック図である。  
図４Ｂを参照すれば、光増幅デュプレクサは、光の進行方向に沿って、第１光増幅器３２０、光検出器２２０、光変調器２４０及び第２光増幅器３２０ａの順に集積される。また、第１光増幅器３２０と光検出器２２０との間に、第３光モード変換器３４０、第２−１光モード変換器３６０、第２−３光モード変換器３８０及び第２−２光モード変換器２６０が順に形成されており、光変調器２４０と第２光増幅器３２０ａとの間に逆順に再び光モード変換器が形成されている。一方、第２−２光モード変換器２６０と第２−３光モード変換器３８０との間に、第１光導波路１２０が、光増幅部３００と光検出変調部２００とを電気的に分離しつつ形成されている。
【００３９】
第１光増幅器３２０は、光ファイバとの光結合損失を補償しつつ、光検出器に入力される光度を増大させて、光検出器２２０の反応度を増加させる。ＲＦ利得を高めるために、光変調器２４０の伝達関数が急勾配に設計されたならば、光変調器２４０を通過した光は、その強度が非常に弱くなる。しかし、最後に第２光増幅器３２０ａを経つつ弱くなった光は、再び増幅されて十分のＲＦ利得を得ることができる。
【００４０】
さらに詳細に説明すれば、本発明の素子構成は、時分割伝送方式に適したものであり、例えば、一定時間の間にＣＯから光ファイバを通じて伝送されたＲＦ変調された光信号は、第１光増幅器３２０で光結合されて増幅された後、光検出器２２０により光−電気変換が起きる。この時、光検出器２２０には、メタル電極６００、７００を通じてバイアス電圧が加えられる。また、他の時間の間には、ＣＯで変調されていない光がＢＳに送られ、光検出器２２０にバイアス電圧が加えられていない状態で、そのまま光検出器２２０を通過した後、光変調器２４０に入射する。ＷＴ ４０から送信されたＲＦ信号は、ＢＳのアンテナを通じて光変調器２４０を変調させるようになってＲＦ変調された光信号は、第２光増幅器３２０ａを通過しつつ増幅されて、光ファイバと光結合された後、ＣＯに伝送される。この時、光変調器２４０にはバイアス電圧が加えられる。光検出器２２０と光変調器２４０とは、第２光導波路のアクティブコア３４０Ｅを共有する。アクティブコア３４０Ｅは、多重量子ウェルで構成されており、電圧がない時には吸収が起きないが、電圧を加えた時に吸収エッジが１５５０nmに移動しつつ、吸収が起きるように設計されている。この時、ＣＯから供給される光の波長は、１５５０nmと仮定する。
【００４１】
図４Ｃは、図４Ａの各素子に利用される光導波路の位置関係を示す概念図であり、光増幅デュプレクサを光信号の進行方向に垂直に切断した場合の光導波路の位置関係を示す。
【００４２】
図４Ｃを参照すれば、光増幅部３００の第３光導波路に該当する部分（１）が最も上層に形成され、その次の第２−１光導波路に該当する部分（２）、第２光導波路に該当する部分（３）及び第１光導波路に該当する部分（４）の順に順次に低くなる構造で形成される。
【００４３】
図５は、本発明による光増幅デュプレクサに利用されるエピタキシャル層の断面を示す断面図であり、あらゆるエピタキシャル層が存在する部分を切断した断面図である。
【００４４】
図５を参照すれば、ＳＩ ＩｎＰの基板１２０Ｅ、１．２４Ｑ ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰのコア層１４０Ｅ及び固有（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）ＩｎＰの上部クラッド層１６０Ｅが第１光導波路１００Ｗを形成する。固有ＩｎＰの下部クラッド層３２０Ｅ、多重量子ウェルから形成された光検出器と、光変調器のアクティブコア層３４０Ｅ及びｐ型ＩｎＰの上部クラッド層３６０Ｅが第２光導波路３００Ｗを形成する。下部第２−１光導波路層４２０Ｅは、ｐ型１．２４Ｑ ＩｎＧａＡｓＰの下部クラッド層４２２Ｅ、及びコア層をなす１．３Ｑ ＩｎＧａＡｓＰのｐ型コンタクト層４２４Ｅから形成され、１．２４Ｑ ＩｎＧａＡｓＰの上部クラッド層４４０Ｅと共に第２−１光導波路４００Ｗを形成する。一方、１．３Ｑ ＩｎＧａＡｓＰのｐ型コンタクト層４２４Ｅは、光検出器２２０と光変調器２４０との共有ｐ型メタルコンタクト層を形成し、約０．１〜０．３μｍ程度の厚さを持つ。ｐ型ＩｎＰの下部クラッド層５２０Ｅ、１．６Ｑ ＩｎＧａＡｓＰのコア層５４０Ｅ、及びｎ＋型ＩｎＰの上部クラッド層５６０Ｅが第３光導波路５００Ｗを形成する。
【００４５】
一方、光増幅器３２０、３２０ａと光検出変調部２２０とのアクティブコア５４０Ｅ、３４０Ｅは、多重量子ウェルであってもよく、バルクであってもよく、光信号が偏光に影響されないように、ストレインが加えられて形成されてもよい。また、各光導波路の光モードの有効屈折率は、第３光導波路が最も高く、次いで、第２−１光導波路、第２光導波路及び第１光導波路の順に低くなる。したがって、あらゆる光導波路がある場合、第３光導波路を通じて光信号が移動していて、上層の光導波路が除去されれば、自然にその下部光導波路に光信号が移動し、上部に光導波路がある場合に、再び上部光導波路に移動する方式で光信号が伝送される。それにより、本実施形態ではＷ型に光信号が移動することが分かる。
【００４６】
光増幅デュプレクサの製作方法を簡単に説明すれば、次の通りである。  
基板１２０Ｅ上に順次にａｓ−ｇｒｏｗｎエピタキシャル層を形成し、各素子の上下左右位置関係を考慮して、フォトリソグラフィ、ドライエッチング及び選択的ウェットエッチングを通じて各素子を形成する。この時、同一導波路上の光モード変換器は共に形成し、最終的に上下部メタル電極６００、７００を形成して、光増幅器３２０、３２０ａ、光検出器２２０及び光変調器２４０を形成することによって、光増幅器３２０、３２０ａ、光検出器２２０及び光変調器２４０がモノリシック集積された光増幅デュプレクサを製造できる。したがって、従来のバット結合カップリングやＳＡＧ方法を利用する必要がないので、製造過程が容易であり、低コストで光増幅デュプレクサを製造できる。
【００４７】
基板１２０Ｅから第２−１光導波路のコア層をなす１．３Ｑ ＩｎＧａＡｓＰのｐ型コンタクト層４２４Ｅまでが、光検出器２２０と光変調器２４０とのエピタキシャル層であり、ｐ型コンタクト層４２４Ｅから第３光導波路のｎ＋型ＩｎＰの上部クラッド層５６０Ｅまでが、光増幅器３２０、３２０ａのエピタキシャル層である。光検出変調部２００と光増幅部３００とは、同一エピタキシャル層、すなわち、ｐ型コンタクト層４２４Ｅを共有しつつ上部及び下部に形成される。光増幅は上部エピタキシャル層で起き、光検出及び光変調は下部エピタキシャル層で起きる。したがって、入力された光は、上から下に、そして上に進行するが、上下の光進行を円滑にするために光モード変換器が必要であり、光モード変換器がくさび形になっていることは、前述した通りである。
【００４８】
本実施形態では、第３光導波路に２個の第３光モード変換器３６０と、第２−１光導波路に２個の第２−１光モード変換器３６０とがあり、第２光導波路にそれぞれ二つの第２−２光モード変換器２６０及び第２−３光モード変換器３８０が形成される。したがって、総８個の光モード変換器が光増幅デュプレクサに形成されている。しかし、第２光導波路と第３光導波路との間に、少なくとも一つ以上の光導波路が形成されうるために、光モード変換器は、それ以上またはそれ以下に形成されうるということは言うまでもない。
【００４９】
図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の第２及び第３実施形態による光増幅デュプレクサについての斜視図である。図４Ａと比較してほとんどが類似しているが、光検出器２２０と光変調器２４０との間の絶縁トレンチの形状及び数が異なる。
【００５０】
図６Ａを参照すれば、第２実施形態は、光検出器２２０及び光変調器２４０の両終端に個々の光モード変換器が形成されており、第１光導波路２３０により電気的に分離される構造で形成される。一方、光検出器２２０は、絶縁トレンチ２８０ａにより光モード変換器から分離され、光変調器２４０は、絶縁トレンチ２８０ｃにより光モード変換器から分離される。したがって、光検出器２２０及び光変調器２４０は、さらにはっきりと周辺素子に影響されずに動作して、その性能を向上させることができる。
【００５１】
図６Ｂを参照すれば、光変調器２４０と光モード変換器２６０との間に絶縁トレンチ２８０ｃが形成されており、光変調器２４０と光モード変換器２６０との間の電磁気的な影響を排除する。
【００５２】
図７は、本発明の光増幅デュプレクサ構造で光の進行方向に沿って、各光導波路での光パワーと全体光損失をＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）シミュレーションを通じて示すグラフである。この時、光増幅器や光検出器、そして光変調器は、単純な受動光導波路と仮定し、各導波路間の光結合損失のみを考慮した。
【００５３】
グラフで、光の進行方向に沿って第１光増幅器（ＳＯＡ１）３２０、光検出器（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＤ）２２０、光変調器（ＥｌｅｃｔｒｏＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡＭ）２４０及び第２光増幅器３２０ａ、ＳＯＡ２の順に形成されている。また、第１光増幅器３２０と光検出器２２０との間に、第３光モード変換器（Ｓｐｏｔ Ｓｉｚｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ１：ＳＳＣ１）３４０、第２−１光モード変換器（ＳＳＣ３）３６０、第２−３光モード変換器（ＳＳＣ２）３８０及び第２−２光モード変換器（ＳＳＣ２）２６０が順に形成されており、光変調器２４０と第２光増幅器３２０ａとの間に逆順に再び光モード変換器が形成されている。一方、第２−２光モード変換器（ＳＳＣ２）２６０と第２−３光モード変換器（ＳＳＣ２）３８０との間に、第１光導波路（Ｂａｓｅ Ｇｕｉｄｅ：ＢＧ）１２０が位置する。
【００５４】
グラフを参照すれば、全体光パワーが２．１ｄＢ程度低下して、比較的良い光損失特性を持つことが分かる。したがって、本発明による光増幅デュプレクサが、光ファイバとの光結合損失がなく、高い電気−光、そして光−電気変換効率を持つということが確認できる。
【００５５】
以上、本発明を図面に図示された実施形態を参考として説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の光増幅デュプレクサは、光ファイバとの光結合損失がなく、高い電気−光、そして光−電気変換効率を持つ、すなわち、高いＲＦ利得を得られる光増幅器、光検出器及び光変調器がモノリシック集積される。したがって、本発明の光増幅デュプレクサは、ＲｏＦリンク光伝送技術において、ＢＳに有効に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１Ａ】従来のＲｏＦリンク光伝送システムのブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ａの構図で、ＢＳをさらに詳細に示すブロック図である。
【図２】従来の光モード変換器が集積された半導体レーザーダイオードについての斜視図である。
【図３】従来の光モード変換器、光増幅器及び電界吸収型光変調器がモノリシック集積された構造についての斜視図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による光増幅デュプレクサについての斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａの光増幅デュプレクサに集積された素子の連結状態を示すブロック図である。
【図４Ｃ】図４Ａの各素子に利用される光導波路の位置関係を示す概念図である。
【図５】本発明による光増幅デュプレクサに利用されるエピタキシャル層の断面を示す断面図である。
【図６Ａ】本発明の他の実施形態による光増幅デュプレクサについての斜視図である。
【図６Ｂ】本発明のさらに他の実施形態による光増幅デュプレクサについての斜視図である。
【図７】本発明の光増幅デュプレクサ構造で、光の進行方向に沿って各光導波路での光パワーと全体光損失とを、ＢＰＭシミュレーションを通じて示すグラフである。
【符号の説明】
【００５８】
１００  分離領域
１００Ｗ  第１光導波路
１２０  第１光導波路
１２０Ｅ  基板または第１光導波路の下部クラッド
１４０Ｅ  第１光導波路コア
１６０Ｅ  第１光導波路の上部クラッド
２００  光検出変調部
２２０  光検出器
２３０  第１光導波路
２４０  光変調器
２６０  第２−２光モード変換器
２８０ａ、２８０ｂ、２８０ｃ  絶縁トレンチ
３００  光増幅部
３００Ｗ  第２光導波路
３２０、３２０ａ  光増幅器
３２０Ｅ  第２光導波路の下部クラッド
３４０  第３光モード変換器
３６０  第２−１光モード変換器
３８０  第２−３光モード変換器
３４０Ｅ  第２光導波路コア
３６０Ｅ  第２光導波路の上部クラッド
４００Ｗ  第２−１光導波路
４２０Ｅ  下部第２−１光導波路層
４２２Ｅ  第２−１光導波路の下部クラッド
４２４Ｅ  第２−１光導波路コアまたはｐ型コンタクト層
４４０Ｅ  第２−１光導波路の上部クラッド
５００Ｗ  第３光導波路
５２０Ｅ  第３光導波路の下部クラッド
５４０Ｅ  第３光導波路コア
５６０Ｅ  第３光導波路の上部クラッド
６００  上部メタル電極
７００  下部メタル電極
【図１Ａ】
0004504968.tif 000002
【図１Ｂ】
0004504968.tif 000003
【図２】
0004504968.tif 000004
【図３】
0004504968.tif 000005
【図４Ａ】
0004504968.tif 000006
【図４Ｂ】
0004504968.tif 000007
【図４Ｃ】
0004504968.tif 000008
【図５】
0004504968.tif 000009
【図６Ａ】
0004504968.tif 000010
【図６Ｂ】
0004504968.tif 000011
【図７】
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