CN111684342B - 光集成元件以及光模块 - Google Patents

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Abstract

光集成元件具备：基板；第1波导路区域，其在所述基板上依次层叠下部包覆层、与所述下部包覆层相比而折射率更高的第1芯层和与所述第1芯层相比而折射率更低的上部包覆层；和活性区域，其在所述基板上依次层叠所述下部包覆层、与所述下部包覆层相比而折射率更高的第2芯层、通过被注入电流来将光放大的量子阱层和所述上部包覆层，所述第2芯层与所述量子阱层之间在正在所述第2芯层进行波导的光的模场的范围内接近，所述第1芯层、和所述第2芯层以及所述量子阱层。

Description

光集成元件以及光模块
技术领域
本发明涉及光集成元件以及光模块。
背景技术
与近年的光通信用器件中的小型化的要求相伴，对使半导体光放大器、相位调制器等不同功能的光元件集成在同一基板上的光集成元件的要求水准也在提高(例如，参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2016-126216号公报
专利文献2：JP特开2014-35540号公报
发明内容
发明要解决的课题
但在使半导体光放大器、相位调制器等集成在同一基板上的情况下，各个波导路层的厚度优选对应于各个元件的特性而最佳化。例如关于相位调制器，为了减低电容量并使响应特性高速化，优选加厚波导路层的厚度，关于半导体光放大器，为了抑制饱和输出的降低，优选使波导路层的厚度为某种程度的厚度以下。
若如此地将集成的各元件的波导路层的厚度最佳化，就有由于最佳的波导路层的厚度的差异变大而在元件间的接合部分连接损耗增大这样的问题。图7是表示厚度不同的波导路层的连接损耗的示例的图表。如图7所示那样，连接目标与连接源的波导路层的厚度的比越远离1，连接损耗就越增大。另外，若在连接部出现折射率的不连续，就也会出现连接部处的反射，但连接部中的波导路层的厚度的比越远离1，该反射也越大，更加给光集成元件的特性带来不良影响。
进而，若将集成在光集成元件的各元件的波导路层的厚度最佳化，则关于相对于光集成元件的周边的光学元件的容许偏差也会带来影响。即，从光集成元件出射或入射的光与光纤、光源等耦合，由于集成的各元件的在波导路层中被最佳化的光斑尺寸与在光纤、光源等中最佳的光斑尺寸差异变大，因此光集成元件与周边的光学元件之间的耦合透镜的容许偏差会变得严格。
另外，作为消除这样的连接损耗的增大等问题的方法，有在厚度不同的波导路层之间设置沿着光的波导方向而波导路层的厚度发生变化的光斑尺寸变换区域，为了设置这样的光斑尺寸变换区域，一般需要困难的加工工艺。
本发明鉴于上述而提出，其目的在于，提供能抑制光斑尺寸的不匹配所引起的问题的光集成元件以及光模块。
用于解决课题的手段
为了解决上述的课题，达成目的，本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，具备：基板；第1波导路区域，其在所述基板上依次层叠下部包覆层、与所述下部包覆层相比而折射率更高的第1芯层和与所述第1芯层相比而折射率更低的上部包覆层；和活性区域，其在所述基板上依次层叠所述下部包覆层、与所述下部包覆层相比而折射率更高的第2芯层、通过被注入电流来将光放大的量子阱层和所述上部包覆层，所述第2芯层与所述量子阱层之间在正在所述第2芯层进行波导的光的模场的范围内接近，所述第1芯层、和所述第2芯层以及所述量子阱层对接接合。
本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，在所述第2芯层与所述量子阱层之间具备与所述第2芯层以及所述量子阱层不同组成的中间层。
本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，所述中间层是与所述下部包覆层或所述上部包覆层相同组成。
本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，所述下部包覆层的导电型是n型，所述上部包覆层的导电型是p型。
本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，具备：第2波导路区域，其在所述基板上依次层叠所述下部包覆层、所述第2芯层和所述上部包覆层，所述第2波导路区域与所述活性区域级联连接。
本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，所述第2波导路区域具备：第3芯层，其层叠于所述基板与所述下部包覆层之间，与所述基板以及所述下部包覆层相比而折射率更高，所述第2波导路区域的至少一部分具有所述上部包覆层台面状突出的低台面结构的第1台面区域，所述第2波导路区域包含光斑尺寸变换区域，其具有所述第2芯层、所述下部包覆层和所述第3芯层台面状突出的台面结构，所述光斑尺寸变换区域中的台面结构的台面宽度比所述第1台面区域中的低台面结构的台面宽度宽，且在具有所述台面结构的光斑尺寸变换区域中，所述第1台面区域中的低台面结构的台面宽度连续变化。
本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，所述第1波导路区域具有：所述上部包覆层台面状突出的低台面结构的第2台面区域；和所述上部包覆层、所述第1芯层和所述下部包覆层的一部分台面状突出的高台面结构的第3台面区域，所述活性区域具有低台面结构，所述活性区域和所述第2台面区域以低台面结构连接，所述第2台面区域的低台面结构和所述第3台面区域的高台面结构光学地连接。
本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，所述基板上的所述第1波导路区域具有：作为调制波导的光的相位的相位调制器发挥功能的调制器区域，所述调制器区域中的所述第1芯层是对光进行波导的调制器芯层。
本发明的一个方案所涉及的光集成元件特征在于，所述相位调制器是马赫-曾德尔型的调制器。
本发明的一个方案所涉及的光模块特征在于，具备上述记载的光集成元件。
附图说明
本发明所涉及的光集成元件以及光模块起到能抑制光斑尺寸的不匹配所引起的问题的效果。
图1A是第1实施方式所涉及的光集成元件的波导路方向截面图。
图1B是第1实施方式所涉及的光集成元件的顶视图。
图1C是第1实施方式所涉及的光集成元件的截面图。
图2A是第2实施方式所涉及的光集成元件的波导路方向截面图。
图2B是第2实施方式所涉及的光集成元件的顶视图。
图2C是第2实施方式所涉及的光集成元件的截面图。
图3A是第3实施方式所涉及的光集成元件的波导路方向截面图。
图3B是第3实施方式所涉及的光集成元件的顶视图。
图3C是第3实施方式所涉及的光集成元件的截面图。
图4是第4实施方式所涉及的光集成元件的概略顶视图。
图5是表示钝化膜以及电极的形成例的截面图。
图6是第5实施方式所涉及的光模块的概略结构图。
图7是表示厚度不同的波导路层的连接损耗的示例的图表。
具体实施方式
以下参照附图来详细说明本发明的实施方式所涉及的光集成元件以及光模块。另外，并不由以下说明的实施方式限定本发明。另外，各附图中，对相同或对应的构成要素适宜标注相同符号。另外，附图是示意性的，需要留意的是，各层的厚度、厚度的比率等会与现实不同。另外，在附图相互间，有时也会包含相互的尺寸的关系、比率不同的部分。
(第1实施方式)
图1A是第1实施方式所涉及的光集成元件的波导路方向截面图，图1B是第1实施方式所涉及的光集成元件的顶视图，图1C是第1实施方式所涉及的光集成元件的截面图。另外，图1A以及图1B中记载的箭头(a)～(c)与图1C中记载的截面的部位对应。
图1A～图1C所示的光集成元件100说明为用在从相位调制器到半导体光放大器(SOA：Semiconductor Optical Amplifier)为止的连结区域中的构例。但第1实施方式所涉及的光集成元件并不限定于与相位调制器的组合。并不限于相位调制器，在与芯层厚的器件的组合中特别能得到适合的效果。在此，作为相位调制器的示例，想定马赫-曾德尔型的调制器。另外，光集成元件100还能应用在从纸面的左右任一端面入射1.55μm波长带的光的用途中。
如图1A所示那样，集成元件100具备：无源波导路区域R13，其在基板101上依次层叠下部包覆层102、波导路芯103、上部包覆层104和接触层105；和活性区域R12，其在基板101上依次层叠下部包覆层102、波导路芯103、中间层108、量子阱层107、上部包覆层104和接触层105。另外，光集成元件100具备在基板101上依次层叠下部包覆层102、调制器芯106、上部包覆层104和接触层105的调制器区域R11，作为使相位调制器集成在同一元件的结构例。调制器区域R11相当于第1波导路区域，无源波导路区域R13相当于第2波导路区域。无源波导路区域R13与活性区域R12级联连接。另外，调制器芯106相当于第1芯层，波导路芯103相当于第2芯层。
具体地，在光集成元件100中，在基板101上层叠下部包覆层102。例如基板101是InP基板，下部包覆层102是被掺杂而使得导电型成为n型的InP，层厚例如是1500nm。
另外，在光集成元件100中，在下部包覆层102上形成调制器芯106以及波导路芯103，调制器芯106和波导路芯103对接接合。例如调制器芯106由带隙波长例如1.4μm的AlGaInAs多重量子阱构成，层厚例如是500nm。另外，调制器芯106构成为与下部包覆层102以及上部包覆层104相比而折射率更高。在图中，与调制器芯106重叠示出的曲线在视觉上例示在调制器芯106中进行波导的光的模场。
调制器芯106由于带隙波长是例如1.4μm，因此几乎不吸收1.55μm的光，作为波导路的芯发挥功能。即，调制器芯106是所谓的无源波导路，调制器区域R11能说是无源波导路区域。如此地，无源波导路是还包含施加反向偏置电压来使波导的光的相位变化的波导路的概念。
波导路芯103例如由带隙波长1.3μm的GaInAsP构成，构成为与下部包覆层102以及上部包覆层104相比而折射率更高。波导路芯103的层厚例如是200nm。
另外，如图1A所示那样，在活性区域R12中的波导路芯103的近旁设置量子阱层107。在此，所谓波导路芯103的近旁，是指正在波导路芯103进行波导的光的模场的范围内，例如是指模场的峰值强度的1/e2半宽的范围内。在量子阱层107的一部分位于波导路芯103的近旁时，波导路芯103与量子阱层107之间在正在波导路芯103进行波导的光的模场的范围内接近。中间层108介于波导路芯103与量子阱层107之间而存在，该中间层108是与波导路芯103以及量子阱层107不同的组成，在本实施方式中是与上部包覆层104相同组成。另外，中间层108也可以是与下部包覆层102相同组成的材料。中间层108的层厚例如是10nm。
另外，在图中，与波导路芯103以及量子阱层107重叠示出的曲线在视觉上例示正在波导路芯103进行波导的光的模场。另外，调制器芯106、和量子阱层107以及中间层108对接接合。
量子阱层107例如由GaInAsP多重量子阱构成，层厚例如是100nm。量子阱层107构成为与下部包覆层102以及上部包覆层104相比而折射率更高，通过注入电流来将输入的光放大。在此，GaInAsP多重量子阱例如调整组成，使得能将1.55μm波长带的光放大。
在调制器芯106、波导路芯103以及量子阱层107上层叠上部包覆层104。上部包覆层104例如是被掺杂而使得导电型成为p型的InP，层厚例如是2μm。进一步在上部包覆层104上层叠接触层105。例如接触层105是被掺杂成P型的InGaAs，层厚例如是500nm。
量子阱层107作为SOA的活性层发挥功能。即，由于正在波导路芯103进行波导的光的模场扩展至量子阱层107，因此在量子阱层107，若从不图示的电极(图5中例示)注入电流，其放大效果(例如10dB左右的增益)也会波及到正在波导路芯103中进行波导的光的光强度。这样的相对于波导路芯103空开间隔来设置量子阱层107也称作偏置量子阱，在波导路芯103上近旁层叠量子阱层的材料，在无源波导路区域R13中，由于仅将量子阱层107蚀刻除去就能制作无源波导路的芯层(波导路芯103)，因此有不需要进行追加的结晶生长以及蚀刻的优点。
光集成元件100是所谓的台面结构的波导路，具体是低台面结构的波导路。如图1B以及图1C所示那样，光集成元件100中的低台面结构的台面宽度是固定的，例如是2.0μm。另外，在本例的光集成元件100中，低台面结构的台面宽度是固定，但也可以根据需要在各区域中的低台面结构的台面宽度上设置差异。
如图1C的(a)所示那样，在光集成元件100中的调制器区域R11(第1波导路区域)中，形成接触层105和上部包覆层104台面状突出的低台面结构。因此，如图1B所示那样，在从上方来看光集成元件100中的调制器区域R11的图中，在低台面结构的最上层即接触层105的两侧示出调制器芯106。
如图1C的(b)所示那样，在光集成元件100中的活性区域R12中，形成接触层105和上部包覆层104台面状突出的低台面结构。因此，如图1B所示那样，在从上方来看光集成元件100中的活性区域R12的图中，在低台面结构的最上层即接触层105的两侧示出量子阱层107。
如图1C的(c)所示那样，在光集成元件100中的无源波导路区域R13(第2波导路区域)中，形成接触层105和上部包覆层104台面状突出的低台面结构。因此，如图1B所示那样，在从上方来看光集成元件100中的无源波导路区域R13的图中，在低台面结构的最上层的接触层105的两侧示出波导路芯103。
在此，参照图1A～1C，并以制造方法的观点说明光集成元件100的结构。
在光集成元件100的制造方法中，首先在作为基板101的InP基板上使用有机金属气相生长(MOCVD)法来依次形成作为下部包覆层102的n-InP、作为调制器芯106的AlGaInAs多重量子阱层、和作为上部包覆层104的一部分的p-InP。
接下来，在作为上部包覆层104的一部分的p-InP的层的整面沉积SiNx膜，之后实施图案形成，使其成为比相位调制器稍宽的图案，将该SiNx膜作为掩模，蚀刻至成为调制器区域R11的区域以外的AlGaInAs多重量子阱层，将作为下部包覆层102的n-InP的层露出。
接下来，将上述SiNx膜原样不变地用作生长掩模，通过MOCVD法，在成为活性区域R12的区域以及成为无源波导路区域R13的区域依次层叠作为波导路芯103的GaInAsP、作为中间层108的p-InP、作为量子阱层107的GaInAsP多重量子阱、和作为上部包覆层104的一部分的p-InP。由此形成调制器芯106与波导路芯103、中间层108以及量子阱层107的对接接合结构。
接下来，将上述SiNx膜一度除去，将新的SiNx膜形成在整面，进行图案形成，使得将成为无源波导路区域R13的区域开口。然后，将该SiNx膜作为掩模，来蚀刻p-InP的层和GaInAsP多重量子阱的层。之后，在将SiNx膜除去后，通过MOCVD法来层叠作为上部包覆层104的一部分的p-InP以及作为接触层105的p-InGaAs。
接下来，再度将SiNx膜形成在整面，进行低台面结构的图案形成以及蚀刻。
之后，通过公知的方法在各部分形成钝化膜、树脂层、其开口部、用于电流注入、电压施加的电极等。在表面的加工结束后，对基板进行研磨而使其成为所期望的厚度，若有需要，就在背面形成电极。进而，通过基板切割来进行端面形成，进行端面涂层、元件分离来完成光集成元件100。
如以上那样，在光集成元件100的结构中，能以3次结晶生长以及1次台面结构形成来将相位调制器和SOA基础在一个元件。
以上说明的第1实施方式所涉及的光集成元件100由于调制器芯106和波导路芯103以及量子阱层107对接接合，因此能使层厚厚的调制器芯106、与合计的层厚厚的波导路芯103以及量子阱层107之间的光斑尺寸或模场匹配。其结果，即使将相位调制器那样波导路层厚的元件和SOA那样波导路层薄的元件集成在一个元件，也能在相位调制器以及SOA两方采用最佳的结构，并能使光斑尺寸或模场匹配。
另外，在活性区域R12中，由于波导路芯103的影响而光的场靠近下部包覆层102侧。其结果，由于能抑制p-InP的上部包覆层104中的价电子带内吸收(p型包覆层所进行的光吸收)所引起的光损耗，因此能减低波导路损耗。
另外，在形成无源波导路区域R13时，由于在形成无源波导路区域R13的区域将作为量子阱层107的GaInAsP多重量子阱蚀刻除去，在其上层叠作为上部包覆层104的一部分的p-InP以及作为接触层105的p-InGaAs即可，因此能容易地在SOA的后级集成无源元件。
另外，在无源波导路区域R13中，由于不存在量子阱层107，仅在波导路芯103对光进行波导，因此光的限制变弱，模场扩大。由此，光纤等向光集成元件100的无源波导路区域R13侧的连接变得容易。例如，若用成为峰值的1/e2倍的强度的位置的全宽来定义光的光斑尺寸，无源波导路区域R13能使光的光斑尺寸从不足1μm弱向1μm多(例如0.7μm到1.3μm)左右扩展。
另外，在上述实施方式中，在低台面结构的两侧面，调制器芯106、波导路芯103、量子阱层107露出到表面，但也可以蚀刻成在它们之上稍微留下些上部包覆层104。
(第2实施方式)
图2A是第2实施方式所涉及的光集成元件的波导路方向截面图，图2B是第2实施方式所涉及的光集成元件的顶视图，图2C是第2实施方式所涉及的光集成元件的截面图。另外，图2A以及图2B中记载的箭头(a)～(c)与图2C中记载的截面的部位对应。
图2A～图2C所示的光集成元件200说明为用在从相位调制器到SOA为止的连结区域中的结构例。但第2实施方式所涉及的光集成元件并不限定于与相位调制器的组合。并不限于相位调制器，在与芯层厚的器件的组合中特别能得到适合的效果。在此，作为相位调制器的示例，想定马赫-曾德尔型的调制器。另外，光集成元件200还能应用在从纸面的左右的任一端面入射1.55μm波长带的光的用途中。
如图2A所示那样，光集成元件200具备：活性区域R22，其在基板201上依次层叠下部包覆层202、波导路芯203、中间层208、量子阱层207、上部包覆层204和接触层205。另外，光集成元件200具备在基板201上依次层叠下部包覆层202、调制器芯206、上部包覆层204和接触层205的调制器区域R21，作为将相位调制器集成在同一元件的结构例。调制器区域R21相当于第1波导路区域。另外，调制器芯206相当于第1芯层，波导路芯203相当于第2芯层。
基板201、下部包覆层202、波导路芯203、中间层208、量子阱层207、上部包覆层204、接触层205、调制器芯206由于分别具有与光集成元件100中的对应的要素即基板101、下部包覆层102、波导路芯103、中间层108、量子阱层107、上部包覆层104、接触层105、调制器芯106相同的构成材料以及层厚，因此省略说明。
在图中，与调制器芯206重叠示出的曲线在视觉上例示正在调制器芯206进行波导的光的模场。与波导路芯203以及量子阱层207重叠示出的曲线在视觉上例示正在波导路芯203进行波导的光的模场。
光集成元件200是台面结构的波导路。如图2B以及图2C所示那样，光集成元件200中的台面结构的台面宽度是固定的，例如是2.0μm。另外，在本例的光集成元件200中，台面结构的台面宽度是固定，但也可以根据需要在各区域中的低台面结构的台面宽度设置差异。
在此，如图2C的(a)所示那样，在光集成元件200中，与光集成元件100不同，在调制器区域R21(第1波导路区域)的一部分(图面左侧的(a)的区域)，形成接触层205、上部包覆层204、调制器芯206、下部包覆层202的一部分台面状突出的高台面结构。通过在调制器区域R21的一部分采用高台面结构，调制器区域R21的电容量变小，因此能进行更高速的调制。因此，如图2B所示那样，在从上方来看光集成元件200中的调制器区域R21的第2台面区域的图中，在高台面结构的最上层即接触层205的两侧示出下部包覆层202。另一方面，在调制器区域R21的其他部分(图面右侧的(b)的区域)，形成接触层205和上部包覆层204台面状突出的低台面结构。因此，如图2B所示那样，在从上方来看光集成元件200中的调制器区域R21的(b)的区域的图中，在低台面结构的最上层即接触层205的两侧示出调制器芯206。在调制器区域R21中，(b)的区域(第2台面区域)和(a)的区域(第3台面区域)光学地连接。在此，在调制器芯206中，高台面结构的波导路和低台面结构的波导路在中途变换。一般，在高台面结构和低台面结构中，由于与光的限制相关的特性不同，因此若将高台面结构的波导路和低台面结构的波导路连接，就会产生损耗。为此，例如也可以如专利文献2记载的那样，在高台面结构的波导路与低台面结构的波导路之间设置中间区域，通过在该中间区域实现与高台面结构以及低台面结构不同的光的限制，来使高台面结构的波导路与低台面结构的波导路之间的光学连接中的损耗减低。
另外，如图2C的(c)所示那样，在光集成元件200中的活性区域R22中，形成接触层205和上部包覆层204台面状突出的低台面结构。因此，如图2B所示那样，在从上方来看光集成元件200中的活性区域R22的图中，在低台面结构的最上层即接触层205的两侧示出量子阱层207。并且活性区域R22和第2台面区域以低台面结构连接。
光集成元件200能通过与光集成元件100相同工序制造。其中，不进行作为量子阱层207的GaInAsP多重量子阱的蚀刻除去。另外，在进行低台面结构的图案形成以及蚀刻后，一度除去SiNx膜，再度在整面沉积SiNx膜，之后进行调制器区域R21中的高台面结构的图案形成。然后，将SiNx膜作为掩模，通过干式蚀刻形成高台面结构。之后，通过公知的方法在各部分形成钝化膜、树脂层、其开口部、用于电流注入、电压施加的电极等。在表面的加工结束后，将基板研磨来使其成为所期望的厚度，若有需要，就在背面形成电极。进而，通过基板切割进行端面形成，进行端面涂层、元件分离来完成光集成元件200。
如以上那样，在光集成元件200的结构中，能以3次结晶生长以及2次台面结构形成来将相位调制器和SOA集成在一个元件。
以上说明的第2实施方式所涉及的光集成元件200由于调制器芯206和波导路芯203以及量子阱层207对接接合，因此能使层厚厚的调制器芯206、与合计的层厚厚的波导路芯203以及量子阱层207之间的模场匹配。其结果，即使将相位调制器那样波导路层厚的元件和SOA那样波导路层薄的元件集成在一个元件，也能在相位调制器以及SOA两方采用最佳的结构，并使模场匹配。
另外，在活性区域R22中，由于通过波导路芯203的影响而光的场靠近下部包覆层202侧，因此能抑制p-InP的上部包覆层204中的价电子带内吸收所引起的光损耗，因而能减低波导路损耗。
另外，通过使调制器区域R21的一部分的区域为高台面结构，能减低该区域的寄生电容，适合更高速的调制。
另外，在上述实施方式中，在低台面结构的两侧面，调制器芯206、波导路芯203、量子阱层207在表面露出，但也可以蚀刻成在它们之上稍微留下些上部包覆层204。
(第3实施方式)
图3A是第3实施方式所涉及的光集成元件的波导路方向截面图，图3B是第3实施方式所涉及的光集成元件的顶视图，图3C是第3实施方式所涉及的光集成元件的截面图。另外，图3A以及图3B中记载的箭头(a)～(e)与图3C中记载的截面的部位对应。
图3A～图3C所示的光集成元件300说明为用在从相位调制器到SOA为止的连结区域中的结构例。但第3实施方式所涉及的光集成元件并不限定于与相位调制器的组合。并不限于相位调制器，在与芯层厚的器件中特别能得到适合的效果。在此，作为相位调制器的示例，想定马赫-曾德尔型的调制器。另外，光集成元件300还能应用在从纸面的左右的任一端面入射1.55μm波长带的光的用途中。
如图3A所示那样，光集成元件300具备无源波导路区域R33，其在基板301上依次层叠光斑尺寸转换器(SSC)芯309、下部包覆层302、波导路芯303、上部包覆层304和接触层305。另外，光集成元件300具备活性区域R32，其在基板301上依次层叠SSC芯309、下部包覆层302、波导路芯303、中间层308、量子阱层307、上部包覆层304和接触层305。另外，光集成元件300具备在基板301上依次层叠SSC芯309、下部包覆层302、调制器芯306、上部包覆层304和接触层305的调制器区域R31，作为将相位调制器集成在同一元件的结构例。另外，无源波导路区域R33如后述的图3B以及图3C所示那样，包含具有2阶段的台面结构的光斑尺寸变换区域R34。调制器区域R31相当于第1波导路区域。无源波导路区域R33相当于第2波导路区域。无源波导路区域R31与活性区域R32级联连接。另外，调制器芯306相当于第1芯层，波导路芯303相当于第2芯层。另外，SSC芯309相当于第3芯层。
基板301、下部包覆层302、波导路芯303、中间层308、量子阱层307、上部包覆层304、接触层305、调制器芯306由于分别具有与光集成元件100中的对应的要素即基板101、下部包覆层102、波导路芯103、中间层108、量子阱层107、上部包覆层104、接触层105、调制器芯106相同的构成材料以及层厚，因此省略说明。
SSC芯309是层叠于基板301与下部包覆层302之间的光斑尺寸变换用的芯。SSC芯309构成为与基板301以及下部包覆层302相比而折射率更高，例如由折射率3.34的GaInAsP构成，层厚例如是100nm。另外，也可以不在基板301上直接层叠SSC芯309，而是将其他InP层层叠于基板301上，在其上层叠SSC芯309。
光集成元件300是台面结构的波导路，但在光集成元件300的各区域中，在该台面结构上有差异。为此，通过将图3A～图3C并排进行参照，来说明光集成元件300的各区域中的台面结构。
如图3B以及图3C所示那样，光集成元件300中的台面结构存在3阶段。即，光集成元件300在调制器区域R31的一部分((a)的区域)具有：接触层305、上部包覆层304、调制器芯306和下部包覆层302的一部分台面状突出高台面结构的第1台面结构M1。另外，在调制器区域R31的其他部分((b)的区域)以及活性区域R32((c)的区域)以及无源波导路区域R33中的光斑尺寸变换区域R34以外的区域((d)的区域)具有：接触层305以及上部包覆层304台面状突出的低台面结构的第2台面结构M2。在光斑尺寸变换区域R34的一部分，除了具有第2台面结构M2以外，还具有：波导路芯303、下部包覆层302、SSC芯309和基板301的一部分台面状突出的高台面结构的第3台面结构M3。该具有第2台面结构M2和第3台面结构M3的无源波导路区域R33的区域如后述那样作为光斑尺寸变换器发挥功能。具有第2台面结构M2的区域相当于第1台面区域。
如图3C的(a)～(d)所示那样，在未形成第3台面结构M3的区域，第1台面结构M1以及第2台面结构M2的宽度是固定的，例如是2.0μm。另一方面，如图3C的(e)所示那样，在形成第3台面结构M3的区域，第2台面结构M2的宽度随着接近端面而宽度连续减少。即，光斑尺寸变换区域R34中的第3台面结构M3的台面宽度比第1台面区域中的低台面结构(第2台面结构M2)的台面宽度宽，且在具有第2台面结构M2的光斑尺寸变换区域R34，第2台面结构M2的台面宽度连续地变化。另外，如图3B所示那样，第2台面结构M2的宽度优选在末端部设为固定的宽度(例如0.5μm)，优选不是延设至光集成元件300的端面而是在中途中断的(宽度成为零)结构。这是为了得到减低光斑尺寸变换的偏差的效果。
上述结构减低光斑尺寸变换的偏差的理由如以下那样。在上述结构的光集成元件300中，如图3A所示那样，随着第2台面结构M2的宽度变窄，正在波导路芯303中进行波导的光的模场向SSC芯309隔热地不断转移。另外，图中所示的曲线在视觉上例示从波导路芯303向SSC芯309不断转移的光的模场。
这时，从波导路芯303向SSC芯309不断转移的光的模场虽然由于第2台面结构M2而受到向上侧移位的作用，但使该光的模场向上侧的作用的大小由第2台面结构M2的宽度决定。即，纵向的光的模场的大小对第2台面结构M2的宽度的精度变得灵敏。为此，若使第2台面结构M2为不是延设到光集成元件300的端面而是在中途中断的结构，由于不制作更易受到宽度方向的精度的影响的细的台面结构，因此得到间的光斑尺寸变换的偏差的效果。
在此，以制造方法的观点对光集成元件300的结构进行说明。
在光集成元件300的制造方法中，首先在作为基板301的InP基板上使用MOCVD法来依次形成作为SSC芯309的GaInAsP、作为下部包覆层302的n-InP、作为波导路芯303的GaInAsP、作为中间层308的p-InP、作为量子阱层307的GaInAsP多重量子阱和作为上部包覆层304的一部分的p-InP。
接下来，在作为上部包覆层304的一部分的p-InP的层的整面沉积SiNx膜，之后，进行图案形成，使得将不是SOA的无源波导路区域R33开口。然后将该SiNx膜作为掩模来蚀刻p-InP的层和A1GaInAs多重量子阱的层。之后，在除去SiNx膜后，通过MOCVD法来层叠作为上部包覆层304的一部分的p-InP以及作为接触层305的p-InGaAs。
接下来，再度将SiNx膜形成在整面，进行第2台面结构M2的图案形成以及蚀刻，在将SiNx膜一度除去后将SiNx膜形成在整面，进行第1台面结构M1以及第3台面结构M3的图案形成以及蚀刻。
之后，通过公知的方法在各部分形成钝化膜、树脂层、其开口部、用于电流注入、电压施加的电极等。在表面的加工结束后，将基板研磨来使其成为所期望的厚度，若有需要，就在背面形成电极。进而，通过基板切割进行端面形成，进行端面涂层、元件分离来完成光集成元件300。
通过以上的结构，光集成元件300能将SOA和光斑尺寸变换器集成在一个元件，该光斑尺寸变换器能将光斑尺寸从不足1μm扩展到3μm左右。
另外，如上述说明的那样，光集成元件300由于能通过3次结晶生长和2次台面结构的形成来将SOA和光斑尺寸变换器集成在一个元件，因此制造容易。另外，上述光集成元件300是3阶段的台面结构，但将该台面结构更加多级化也没有脱离本发明的主旨。
以上说明的第3实施方式所涉及的光集成元件300由于调制器芯306、和波导路芯303以及量子阱层307对接接合，因此能使层厚厚的调制器芯306、与合计的层厚厚的波导路芯303以及量子阱层307之间的模场匹配。其结果，即使将相位调制器那样波导路层厚的元件和SOA那样波导路层薄的元件集成在一个元件，也能在相位调制器以及SOA两方采用最佳的结构，并使模场匹配。
另外，在活性区域R32中，由于波导路芯303的影响而光的场靠近下部包覆层302侧。其结果，由于能抑制p-InP的上部包覆层304中的价电子带内吸收所引起的光损耗，因此能减低波导路损耗。
另外，通过将调制器区域R31的一部分的区域设为高台面结构，能减低该区域的寄生电容，适合更高速的调制。
另外，在形成无源波导路区域R33时，在形成无源波导路区域R33的区域将作为量子阱层307的GaInAsP多重量子阱蚀刻除去，在其上层叠作为上部包覆层304的一部分的p-InP以及作为接触层105的p-InGaAs即可，因此能容易地在SOA的后级集成无源元件。
另外，在上述实施方式中，在低台面结构的两侧面，调制器芯306、波导路芯303、量子阱层307在表面露出，但也可以蚀刻成在其上稍微留下些上部包覆层304。
另外，例如也可以如专利文献2记载的那样，在高台面结构的波导路与低台面结构的波导路之间设置中间区域，在该中间区域实现与高台面结构以及低台面结构不同的光的限制，由此来使高台面结构的波导路与低台面结构的波导路之间的光学连接中的损耗减低。
(第4实施方式)
第4实施方式所涉及的光集成元件400是运用第3实施方式的特征的光集成元件。图4是第4实施方式所涉及的光集成元件400的概略顶视图。
如图4所示那样，第4实施方式所涉及的光集成元件400是将马赫-曾德尔型的IQ调制器420、SOA430和SSC440集成在一个元件的光集成元件。例如光集成元件400作为对从端部T1入射的光进行调制并从端部T2出射的调制器来利用。另外，所谓IQ调制器，是对光的振幅以及相位两方进行调制的调制器。
如图4所示那样，光集成元件400成为IQ调制器420与SOA430以及SSC440的配置正交的所谓U字型的结构，能减小光集成元件400的安装面积。
并且，U字型的结构的光集成元件400根据基板的面方位的关系而制作IQ调制器420、SOA430以及SSC440的台面结构时的湿式蚀刻变得容易。具体地，SOA430以及SSC440优选在与基板的[011]方向平行的方向上制作台面结构，IQ调制器420优选在与基板的[01-1]方向平行的方向上制作台面结构。另外，IQ调制器420使用量子限制斯塔克效应来使相位变化产生，在[01-1]方向，普克尔效应以与斯塔克效应相同正负号发挥作用，在[011]方向，普克尔效应以与斯塔克效应相反正负号发挥作用。因而，若在[01-1]方向制作台面结构，IQ调制器420上的相位变化的效率变得良好。即，在将纸面上下方向设为基板的[011]方向、将纸面左右方向设为基板的[01-1]方向的情况下，若使IQ调制器420和SOA430以及SSC440的配置正交，则分别相对于基板的面方位成为合适的配置。
另外，在光集成元件400中，仅在比IQ调制器420更前级插入SOA430以及SSC440，但可以在后级也插入。另外，还能仅在后级插入。
图5表示钝化膜以及电极的形成例的截面图。图5的(a)与IQ调制器420的与波导路的延伸方向垂直的截面对应，图5的(b)与SOA430的与波导路的延伸方向垂直的截面对应。如图5的(a)所示那样，在IQ调制器420中，在基板401上依次层叠SSC芯409、下部包覆层402、调制器芯406、上部包覆层404和接触层405。并且，在IQ调制器420的台面结构中，接触层405、上部包覆层404、调制器芯406和下部包覆层402的一部分台面状突出高台面结构例如被以SiO2、SiNx为材料的钝化膜411覆膜。进而，在钝化膜411的外侧形成例如以BCB、聚酰亚胺等树脂为材料的树脂层412。并且，是电流从形成于接触层405上的电极410a流到形成于下部包覆层402上的接地电极GND的结构。另一方面，如图5的(b)所示那样，在SOA430中，在基板401上依次层叠SSC芯409、下部包覆层402、波导路芯403、中间层408、量子阱层407、上部包覆层404和接触层405。并且在SOA430的台面结构中，接触层405和上部包覆层404台面状突出的低台面结构、以及量子阱层407、中间层408和波导路芯台面状突出的高台面结构被例如以SiO2、SiNx为材料的钝化膜411覆膜。并且，是电流从形成于接触层405上的电极410b流到形成于下部包覆层402上的接地电极GND的结构。
根据以上的结构，光集成元件400能将IQ调制器420那样波导路层厚的器件、SOA430和2阶段的SSC440集成在一个元件，其光斑尺寸变换器能将以1/e2的全宽定义的光斑尺寸从不足1μm扩展到3μm左右。
另外，如上述说明的那样，光集成元件400能将IQ调制器420那样波导路层厚的器件、SOA430和2阶段的SSC440集成在一个元件。另外，上述光集成元件400是2阶段的台面结构，但即使将该台面结构更加多级化，也每脱离本发明的主旨。
以上说明的第4实施方式所涉及的光集成元件400虽然能享受第1实施方式到第3实施方式所涉及的光集成元件中的全部优点，但在制造时，有结晶生长次数以及台面结构的形成次数不会增加的优点。
(第5实施方式)
图6是第5实施方式所涉及的光模块即发送机模块的概略结构图。第5实施方式所涉及的光发送机模块500是使用上述第1实施方式到第4实施方式所涉及的光集成元件当中任意一者的光发送机模块，在此例示使用第4实施方式所涉及的光集成元件400的光发送机模块。
如图6所示那样，光发送机模块500具备波长可变半导体激光器501、第1透镜502a、502b、光集成元件400、第2透镜503a、503b和光纤504。
波长可变半导体激光器501是输出成为载波的激光的光源。从波长可变半导体激光器501出射的激光在通过第1透镜502a被准直后，通过第1透镜502b而入射到光集成元件400的入射端面。
光集成元件400如先述那样是将IQ调制器、SOA和SSC集成在1个元件的光集成元件，入射到光集成元件400的入射端面的激光通过SSC被变换光斑尺寸，且通过SOA将光强度放大，通过IQ调制器被进行调制。
从光集成元件400出射的激光在通过第2透镜503a而被准直后，通过第2透镜503b入射到光纤504的端面，通过光纤504被导出到光发送机模块500的外部。
上述结构的光发送机模块500通过光集成元件400所具备的SSC的作用而缓和了从波长可变半导体激光器501向光集成元件400入射时的耦合的容许偏差。另外，还通过光集成元件400所具备的SSC的作用，缓和了从光集成元件400向光纤504入射时的耦合的容许偏差。
以上基于实施方式说明了本发明，但并不由上述实施方式限定本发明。将上述的各构成要素适宜组合而构成的方案也含在本发明中。另外，进一步的效果、变形例能有本领域技术人员容易地导出。例如上述实施方式的说明中所用的光集成元件的层结构只要顺序是说明的方案即可，即使其间插入其他半导体层，也含在本发明中。因而，本发明的更广泛方案并不限定于上述的实施方式，能进行种种变更。
产业上的可利用性
如以上那样，本发明所涉及的光集成元件以及光模块适合运用在光通信中。
符号说明
100、200、300、400 光集成元件
101、201、301、401 基板
102、202、302、402 下部包覆层
103、203、303、403 波导路芯
104、204、304、404 上部包覆层
105、205、305、405 接触层
106、206、306、406 调制器芯
107、207、307、407 量子阱层
108、208、308、408 中间层
309、409 SSC芯
410a、410b 电极
411 钝化膜
412 树脂层
420 IQ调制器
430 SOA
440 SSC
500 光发送机模块
501 波长可变半导体激光器
502a、502b 第1透镜
503a、503b 第2透镜
504 光纤。

Claims (8)

1.一种光集成元件，其特征在于，具备：
基板；
第1波导路区域，其在所述基板上依次层叠下部包覆层、与所述下部包覆层相比而折射率更高的第1芯层和与所述第1芯层相比而折射率更低的上部包覆层；和
活性区域，其在所述基板上依次层叠所述下部包覆层、与所述下部包覆层相比而折射率更高的第2芯层、通过被注入电流来将光放大的量子阱层和所述上部包覆层，
所述第2芯层与所述量子阱层之间接近，且接近的程度是在正在所述第2芯层进行波导的光的模场的范围内，
所述第1芯层、和所述第2芯层以及所述量子阱层对接接合，
所述光集成元件具备：第2波导路区域，其在所述基板上依次层叠所述下部包覆层、所述第2芯层和所述上部包覆层，
所述第2波导路区域与所述活性区域级联连接，
所述第2波导路区域具备：第3芯层，其层叠于所述基板与所述下部包覆层之间，与所述基板以及所述下部包覆层相比而折射率更高，
所述第2波导路区域的至少一部分具有所述上部包覆层台面状突出的低台面结构的第1台面区域，
所述第2波导路区域包含光斑尺寸变换区域，其具有所述第2芯层、所述下部包覆层和所述第3芯层台面状突出的台面结构，
所述光斑尺寸变换区域中的台面结构的台面宽度比所述第1台面区域中的低台面结构的台面宽度宽，且在具有所述台面结构的光斑尺寸变换区域中，所述第1台面区域中的低台面结构的台面宽度连续变窄。
2.根据权利要求1所述的光集成元件，其特征在于，
在所述第2芯层与所述量子阱层之间具备与所述第2芯层以及所述量子阱层不同组成的中间层。
3.根据权利要求2所述的光集成元件，其特征在于，
所述中间层是与所述下部包覆层或所述上部包覆层相同的组成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光集成元件，其特征在于，
所述下部包覆层的导电型是n型，所述上部包覆层的导电型是p型。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的光集成元件，其中，
所述第1波导路区域具有：所述上部包覆层台面状突出的低台面结构的第2台面区域；和所述上部包覆层、所述第1芯层和所述下部包覆层的一部分台面状突出的高台面结构的第3台面区域，
所述活性区域具有低台面结构，
所述活性区域和所述第2台面区域以低台面结构连接，
所述第2台面区域的低台面结构和所述第3台面区域的高台面结构光学地连接。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的光集成元件，其中，
所述基板上的所述第1波导路区域具有：作为调制进行波导的光的相位的相位调制器发挥功能的调制器区域，
所述调制器区域中的所述第1芯层是对光进行波导的调制器芯层。
7.根据权利要求6所述的光集成元件，其特征在于，
所述相位调制器是马赫-曾德尔型的调制器。
8.一种光模块，其特征在于，
具备权利要求1～7中任一项所述的光集成元件。
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