JP2000162457A - スポットサイズ変換装置を含む半導体光学部品 - Google Patents

スポットサイズ変換装置を含む半導体光学部品

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JP2000162457A
JP2000162457A JP11330914A JP33091499A JP2000162457A JP 2000162457 A JP2000162457 A JP 2000162457A JP 11330914 A JP11330914 A JP 11330914A JP 33091499 A JP33091499 A JP 33091499A JP 2000162457 A JP2000162457 A JP 2000162457A
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width
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アレクシス・レストラ
Veronique Colson
ベロニツク・コルゾン
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Alcatel Lucent SAS
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Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 性能特性、特にそのしきい値電流及び効率を
向上させ、単一モードの光ファイバでの光学結合損失を
低くする半導体光学部品を提供する。 【解決手段】 光学モードの制限をなくすためのスポッ
トサイズ変換装置を備え、重ね合わせられていてシース
層に埋設される能動導波路と受動導波路とを備える半導
体光学部品を提供する。該部品は、能動導波路の幅は漸
減し、受動導波路の幅は増加する減衰結合部と、幅が漸
減する受動導波路のみを含むモード拡張部とを連続して
備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光伝送あるいは光
デジタルデータの処理に用いる半導体光学部品の分野に
属する。特に、例えば、半導体レーザ、半導体増幅器ま
たは利得変調器などの部品である、シース層に埋設され
た能動及び受動導波路からなる全ての光学的部品に関す
る。
【０００２】現在では、光学モジュールの価格を最大限
に削減することが求められている。通常、価格の大部分
は、例えば、非常に異なった大きさの光学モジュールを
結合することが必要である場合のように、このような部
品を光ファイバに結合させることから発生する。従っ
て、レーザとフラットエンド単一モードの光ファイバが
結合される場合には、例えば直径が２μｍであるレーザ
の光学モードは、直径が遥かに大きい、例えば９μｍ程
度である光ファイバの光学モードと結合されなければな
らない。
【０００３】非常に異なった大きさのこれらの光学モー
ドの結合を可能にするべく、光学部品の出力部における
モードの大きさを増加させ、その輪郭を光ファイバにお
いて導かれるモードの輪郭と適合させるために、スポッ
トサイズ変換装置が作られた。しかし、このモードのマ
ッチングは、部品の性能特性を保持しながら行わなけれ
ばならない。従って、例えば半導体レーザについては、
しきい値電流及び効率の面で、その性能特性を維持する
ことが可能でなければならない。実際に、作動温度（一
般的に−４０℃〜＋８５℃の間）の範囲においては、レ
ーザ部品はできるだけ低いしきい値電流と、できるだけ
高い効率を有するべきである。このように部品の性能特
性を保持し、電流しきい値と効率パラメータを低下させ
ないためには、受動導波路における光学モードの拡張を
実行するのが好ましいと思われる。
【０００４】
【従来の技術】部品の光学モードの制限をなくすため
に、いくつかのアプローチが考えられてきた。受動導波
路と能動導波路との結合を可能にする突き合わせ結合と
呼ばれる第１の方法は、今日では非常に一般的である。
図１Ａ及び１Ｂの図面はそれぞれ、突き合わせ結合方法
によって、製造中の一体化された光学部品の平面断面図
及び縦断面図を示している。
【０００５】この方法は、最初の段階においては、例え
ば四元材料によって形成された能動導波路を構成する第
１の層５を基板１で成長させることと、例えばＩｎＰに
よって構成されたシース層６にこの層を埋設することと
からなる。これら２つの層５及び６は次に、標準的なエ
ッチング方法に従って、受動タイプの導波路の一体化の
ために確保した領域で局所的にエッチングされる。エピ
タキシャル再成長操作は、この受動導波路を作るために
遂行される。この目的のために、受動導波路として働く
ことができる四元材料の層２は、予め局所的にエッチン
グされた領域の基板１に堆積される。次に、それは例え
ばＩｎＰで作られたシース層３に埋設される。能動導波
路５の構造は、受動導波路２の構造とは異なる。２種類
の導波路の間の結合界面７は、突き合わせ接続と呼ばれ
ている。更に、光学モードの制限をなくすことを可能に
するために、受動導波路２の厚さは、受動部全体に沿っ
て均一に漸減する。
【０００６】この製造方法は、現在では完全に習得され
ている。しかし、これはエッチングとエピタキシャル再
成長の付加的な工程を必要とするので、部品の価格の上
昇を生じさせる。更に、能動導波路と受動導波路を整列
させるために、マスク合わせ余裕値は低いままである。
突き合わせ結合の技術はよく習得されているが、これは
極度に重要な工程である。この方法を実施することは比
較的複雑である。また、費用は高いままである。
【０００７】選択エピタキシャル成長法として知られる
第２の方法が検討されてきた。これは、その製造中の一
体化された光学部品の平面断面図及び縦断面図をそれぞ
れ示す図２Ａ及び図２Ｂに図解的に示した。この方法に
おいては、導波路７の組成は、連続的に変化して、能動
導波路の状態７Ａから受動導波路の状態７Ｂに次第に移
らせるように作られている。導波路７を構成する材料の
選択成長は、並行して置かれた、例えばシリカ（ＳｉＯ
２）または窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）でできた２つの
絶縁体マスクの使用によって、基板１上で達成される。
成長中である種はこれらのマスク上には堆積されず、成
長中の種の拡散現象が行われる。マスクの形状は、検討
中である導波路の領域に応じて、種の拡散現象がより大
きな程度またはより小さな程度に行われるように決定さ
れる。突き合わせ結合方法におけるのと全く同様に、受
動部７Ｂにおける導波路の厚さは、光学モードの制限を
なくすことを可能にするために漸減し、従って、その大
きさは増加している。光学導波路７Ａ、７Ｂは更にシー
ス層９に埋設されている。
【０００８】この第２の方法は、１つのエピタキシャル
工程のみからなるという利点を有している。しかし、こ
れは２つの導波路、すなわち能動導波路７Ａと受動導波
路７Ｂを個別に最適化するのには使用できない。このこ
とは、妥協が必要となることを意味する。更に、状態の
変化が徐々であるので、この方法は、２種類の導波路、
すなわち能動導波路と受動導波路の間の境界の明確な限
定を可能にしていない。部品の作動に必要な電極をどこ
に配置するべきかを知ることが困難であり、この境界を
限定できないという事実は不利益となる。この電極は実
際には、部品の効率的な作動を確実に行うために、能動
導波路の上に配置しなければならない。対照的に、電極
が受動導波路の一部を覆うならば、しきい値電流及び効
率パラメータを損ない低下させる電気的なリークを生じ
させる。
【０００９】光学部品に一体化されるスポットサイズ変
換装置を得るために考えられてきた第３のアプローチ
は、図３の平面断面図に図解的に示した。このアプロー
チにおいては、垂直減衰結合領域ＳＣを作り出すよう
に、能動導波路１５と受動導波路１２とが重ね合わされ
ている。この領域で、モードの制限をなくすために能動
導波路１５の幅は漸減し、受動導波路１５の幅は非常に
急速に増加して、次にこの部分の長さ全体に渡って一定
になる。２つの導波路、すなわち能動導波路１５と受動
導波路１２は、更にシース層１７に埋設される。この場
合に、結合部ＳＣの幅は、能動導波路全体において光学
モードの制限が完全になくなることを可能にするのに十
分でなければならない。この長さは一般的には１５０μ
ｍよりも大きい。更に、その制限がなくなった場合に
は、光学モードは受動導波路１２を通過する。受動導波
路は、モードの制限をなくすことを可能にするために、
約４μｍの一定の幅と、約５０ｎｍという非常に薄い厚
さを有している。つまり、この受動導波路の過度の厚さ
が、能動導波路のモードの制限をなくすことを妨げる。
これは、受動導波路が一般的に１００ｎｍ未満の厚さを
有している理由である。
【００１０】このアプローチの主たる欠点は、モードの
制限をなくすことが能動導波路で全て行われるという事
実にある。これは、部品の性能特性、特にそのしきい値
電流及び効率の低下につながる。更に、単一モードの光
ファイバでの光学結合損失は依然として高く、約４．５
ｄＢである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
部品に関連した問題を解決することを可能にする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、この目的のた
めに、１つは能動導波路で１つは受動導波路である２つ
の導波路が重ね合わされており、それぞれが高品質のモ
ード適合を提供するために特別な構成を有している、一
体化されたスポットサイズ変換装置を備える光学部品を
提案する。本発明による部品における光学モードのマッ
チングは、主として受動導波路において行われる。
【００１３】本発明は、更に詳細には、重ね合わされて
シース層に埋設された能動導波路及び受動導波路を備え
た半導体光学部品に関し、該部品は、 − 能動導波路の幅が漸減し受動導波路の幅が増加する
減衰結合部と、 − 幅が漸減する受動導波路だけを含むモード拡張部と
を連続して備える。
【００１４】本発明のもう１つの特徴によれば、該部品
は更に、能動導波路の幅が０μｍに漸減する、減衰結合
部とモード拡張部との間に配置された移行部を備える。
【００１５】本発明のもう１つの特徴によれば、受動導
波路は１００〜２００ｎｍの厚さを有する。減衰結合部
の長さは、２００μｍよりも小さいかそれに等しいこと
が好ましい。移行部の長さは、０〜１００μｍの範囲に
ある。
【００１６】本発明のもう１つの特徴によれば、減衰結
合部における受動導波路の幅は、２〜３μｍの値にまで
増加する。
【００１７】本発明のもう１つの特徴によれば、移行部
における受動導波路の部の幅は変化し、不連続である。
【００１８】本発明のもう１つの特徴によれば、モード
拡張部における受動導波路の幅は、０．２〜０．９μｍ
の値に漸減する。
【００１９】本発明のもう１つの特徴によれば、減衰結
合部における能動導波路の幅は、約０．３μｍの値に漸
減する。
【００２０】本発明は、一体化されたスポットサイズ変
換装置を備え、部品の電流しきい値及び効率が影響され
ない程度に、光学モードが受動導波路において主に制限
をなくされている光学部品の製造を可能にする。受動導
波路と能動導波路は整列されていないが、整列に関連し
た問題を生じさせないようにする程度に垂直に結合され
ている。更に、能動導波路と受動導波路の２つの種類の
導波路は、個別に最適化される。
【００２１】本発明の他の独特な特徴及び利点は、添付
の図面を参照して例示的な例によって行われる以下の説
明から明らかになるであろう。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態による光
学半導体部品は、図４の平面断面図に概略的に示されて
いる。この部品は、能動導波路２４と受動導波路２２と
を有する。２つの導波路２４及び２２は、重ね合わさ
れ、更にシース層２７に埋設されている。図４でＳＣと
符号を付した垂直減衰結合部は、案内された光学モード
が、能動導波路２４から受動導波路２２に移されること
を可能にする。この部分ＳＣにおいては、受動導波路２
４の幅は漸減し、受動導波路の幅は増加する。光学モー
ドを能動導波路から受動導波路に光学損失なしに移すた
めの理想的な状態は、能動導波路が先細りになる構成、
すなわち幅が０μｍに漸減する構成で作られている場合
である。しかし、現在使用されている技術においては、
かかる先細りになる構成の製造についてまだ十分に熟達
しておらず、一般的に、導波路の幅は、０．３μｍの値
までは非常によく制御されている。従って、第１の実施
形態においては、能動導波路２４の幅は結合部ＳＣにお
いて、約０．３μｍの値Ｗ４まで漸減する。この０．３
μｍの値Ｗ４は、２つの導波路、すなわち能動導波路２
４及び受動導波路２２の間に不連続性を作り出す。
【００２３】光学モードを、過度な光学損失なしに受動
導波路２２内に移すために、すなわち、１つの導波路か
ら他の導波路への光学モードの転移が、このように作り
出された不連続性からできるだけ少ない妨害を受けるだ
けで済むように、受動導波路２２は、能動導波路２４が
光学的案内に影響を与えることを防止するような構成を
有していなければならない。この目的のために、受動導
波路２２は比較的厚くなっている。この厚さは、１００
〜２００ｎｍの範囲にあることが好ましい。例えば、１
５０ｎｍである。能動導波路は、その部分に関する限り
約３００ｎｍの厚さを有している。更に、この部分ＳＣ
においては、受動導波路２２の幅は、結合部の品質を改
善するために増加する。
【００２４】光学部品は更に、図４でＳＥと符号を付さ
れたモード拡張部と呼ばれる第２の部分からなる。この
部分は、モードの制限をなくすことを可能にする。これ
は、光学モードの大きさの拡大（すなわち制限をなくす
こと）を可能にするために、幅が漸減する受動導波路２
２のみからなる。この導波路の幅は、０．２〜０．９μ
ｍの範囲にある値Ｗ３にまで漸減することが好ましい。
【００２５】このモード拡張部ＳＥの長さは、光学モー
ドの制限をなくすことが主にこの受動部で行われるの
で、非常に重要である。従って、光学モードの制限を十
分になくすことを可能にするのに十分でなければならな
い。通常、この値は１００〜５００μｍの範囲にある。
減衰結合部ＳＣの長さはその部分に関する限り、２００
μｍよりも短いことが好ましい。すなわち、より長い長
さでは２種類の導波路の間の結合は、何も改善されな
い。
【００２６】図５Ａから図５Ｆは、この部品を製造する
ための方法の別個の工程を図示している。通常、以下で
説明する方法は例示的なものであるにすぎず、本発明は
この特定の方法に限定される訳ではない。これは、この
種の部品の製造を可能にする全ての製造方法に拡張され
る。
【００２７】図５Ａの断面図に図示された方法の第１の
工程は、部品の垂直構造を定めることである。この垂直
構造は、例えばリン化インジウムＩｎＰなどのＩＩＩ−
Ｖ材料で作られた基板２１上に作られる。層の積み重ね
は、例えば分子線エピタキシー（「ＭＢＥ」）方法など
の標準的なエピタキシー方法によって行われる。この積
み重ねは、上から下へと、例えばＩｎＧａＡｓＰなどの
四元材料で作られ、受動導波路を形成するように構成さ
れた第１の層２２と、例えばＩｎＰで作られたバッファ
層２３と、例えば多量子井戸構造を備えた四元材料で作
られ、能動導波路を形成するように構成されたもう１つ
の層２４と、最後に、例えばＩｎＰで作られた上部バッ
ファ層２５からなる。
【００２８】この垂直構造が作られた後に、２つの導波
路２２及び２４の構成を定める必要がある。この目的の
ために、リソグラフィの最初の操作が行われる。リソグ
ラフィの操作は、例えばシリカで作られたマスク３０
（図５Ｂ）を使用することにより、能動導波路２４を限
定するように構成されている。次の工程は、受動導波路
２２を限定することである。この目的のために、例えば
樹脂で作られたもう１つのマスク３１を使用することに
より、リソグラフィの第２の操作が行われる。図５Ｃか
ら５Ｅは、このリソグラフィの第２の操作を示してい
る。図５Ｃは、この第２のリソグラフィの間における図
４のＡ−Ａに沿った断面図を更に特定的に示している。
図５Ｄは、この第２のリソグラフィの間における図４の
Ｂ−Ｂに沿った断面図を表し、図５Ｅは図４のＣ−Ｃに
沿った断面図を示している。
【００２９】図５Ｆに示したこの方法の最後の工程は、
当業者に知られた方法に従ってマスク３０及び３１を除
き、次に、このように構成された導波路２２及び２４
を、例えばＩｎＰで作られたシース層２７に埋設するた
めに、エピタキシャル再成長を実行することである。図
５Ｆは、作られた導波路ストライプが埋設されたリッジ
ストライプである状態を更に詳細に示している。この状
態においては、基体２１は第１の型のキャリア（例えば
ｎ型キャリア）でドープされ、一方、シース層２７は第
２の型のキャリア（例えばｐ型キャリア）でドープされ
ている。この状態は一例に過ぎず、もちろん本発明はこ
の種の構造に限定されるものではない。従って、他の実
施形態においては、それぞれブロッキング横方向層また
は半絶縁性横方向層からなる、当業者にはよく知られた
ｐｎＢＨまたはＳＩＢＨとして知られる構造のエピタキ
シーの再開始を実行することも可能である。
【００３０】図６Ａ及び６Ｂはそれぞれ、本発明の第２
の実施形態による光学部品の平面断面図と縦断面図を示
している。この実施形態においては、部品は減衰結合部
ＳＣとモード拡張部ＳＥとの間に配置された、移行部Ｓ
Ｔと呼ばれる第３の部分からなる。この移行部ＳＴにお
いては、能動導波路２４の幅は、０μｍ（理想的な値）
まであるいは、例えば０．１μｍなどの０μｍに非常に
近い値まで非常に急激に減少する。
【００３１】この部分ＳＴは、部品の作用にとってまた
光学モードのスポットサイズの変換またはマッチングに
とって必須ではないが、２種類の導波路、すなわち能動
導波路２４及び受動導波路２２の間の結合における改良
を提供する。これは、この場合には、能動導波路２２と
受動導波路２４との間の不連続性が、大幅に削減される
か、導波路の幅が０μｍに漸減する理想的な状態におい
ては除かれさえされるからである。この部分ＳＴの長さ
は、０〜１０μｍの範囲にあることが好ましい。
【００３２】更に、この移行部ＳＴにおいては、受動導
波路２２の幅は不連続性を有していてもよい。実際に、
能動導波路の構造に応じて、増加の方向または減少の方
向において、この部分ＳＴの全長に渡って受動導波路の
幅が変化することがある。
【００３３】図６Ａの例においては、受動導波路２２の
幅は、この部分ＳＴにおいて減少している。移行部ＳＴ
における受動導波路の幅のこのような変化は、２種類の
導波路の間の光学結合における改良を可能にする。従っ
て、受動導波路２２の幅は、値Ｗ１から値Ｗ２に変化す
る。これら２つの値は同じ規模であり、２μｍから３μ
ｍの範囲にある。何れの場合にも、受動導波路２２の幅
は３μｍよりも小さいことが好ましい。何故ならば、こ
の値を超えると、部品の案内構造は２モードの構造にな
り、もはや単一モードの構造ではなくなるからである。
通常、この限定は、例えばレーザなどの光学部品と単一
モードの光ファイバとの間の結合の例に関連する。受動
導波路２２は、モード拡張部ＳＥ全体に沿って、０．２
〜０．９μｍの範囲にある値Ｗ３まで漸減する。受動導
波路２２の幅のこのような漸減は、光学モードの制限を
なくすことを可能にする。
【００３４】図６Ｂの縦断面図は、能動導波路２４と受
動導波路２２をそれらの厚さ方向に沿って示している。
受動導波路２２は、１００〜２００ｎｍの厚さを有して
おり、能動導波路２４は約３００ｎｍの厚さを有してい
る。これらの厚さは部品全体を通して一定している。
【００３５】本発明によって、２つの導波路、すなわち
能動導波路及び受動導波路は、単一のエピタキシー工程
において堆積され、閉じ込め層（またはシース層２７）
は次に、導波路が構成された後に、第２のエピタキシー
工程において堆積される。部品の出力部における光学モ
ードの大きさは、受動導波路、特にこの導波路の末端の
構成によって完全に決定されるので、従って、このアプ
ローチは如何なる能動導波路の構造にも適している。エ
ネルギーは、能動導波路から小さいモードサイズの厚い
受動導波路に移され、光学モードは、主に受動導波路に
おいて制限をなくされるので、従って、結合部は比較的
短く、すなわち２００μｍよりも短くすることができ
る。モード拡張部のみが、モードの制限を効率的になく
すことを可能にするに十分な長さを有していなければな
らない。更に、受動導波路２２と能動導波路２４は十分
に分離されているので、これらは独立して最適化するこ
とができ、妥協は何ら必要としない。最後に、２つの導
波路が重ね合わされていて、突き合わせ結合はされてい
ないとすると、整列や調節の問題はない。
【００３６】本発明によって得られる結果を説明する
と、１．３μｍの波長で放射され、上記の方法で構成さ
れた受動導波路におけるスポットサイズ変換装置を含む
Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔタイプの光学部品が製造され
た。減衰結合部ＳＣは７０μｍの長さで作られ、モード
拡張部ＳＥは１２０μｍの長さで作られ、移行部ＳＴは
１０μｍの長さで作られた。この部品で得られた結果は
満足できるものである。特に、光学結合損失は３．２ｄ
Ｂ程度であり、初期の直径は２μｍである光学モードの
大きさは、約９μｍの直径に拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】一体化されたスポットサイズ変換装置を備え
る光学部品の第１の知られた実施形態の平面断面図であ
る。
【図１Ｂ】一体化されたスポットサイズ変換装置を備え
る光学部品の第１の知られた実施形態の縦断面図であ
る。
【図２Ａ】一体化されたスポットサイズ変換装置を備え
る光学部品の第２の知られた実施形態の平面断面図であ
る。
【図２Ｂ】一体化されたスポットサイズ変換装置を備え
る光学部品の第２の知られた実施形態の縦断面図であ
る。
【図３】一体化されたスポットサイズ変換装置を備える
もう１つの従来技術の平面断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による部品の平面断面
図である。
【図５Ａ】製造の別個の工程中の、図４の部品の断面図
である。
【図５Ｂ】製造の別個の工程中の、図４の部品の断面図
である。
【図５Ｃ】製造の別個の工程中の、図４の部品の断面図
である。
【図５Ｄ】製造の別個の工程中の、図４の部品の断面図
である。
【図５Ｅ】製造の別個の工程中の、図４の部品の断面図
である。
【図５Ｆ】製造の別個の工程中の、図４の部品の断面図
である。
【図６Ａ】本発明の第２の実施形態による部品の平面断
面図である。
【図６Ｂ】本発明の第２の実施形態による部品の縦断面
図である。
【符号の説明】
１、２１ 基板 ３、６、９、１７、２６ シース層 ７ 結合界面 ７Ａ 能動導波路状態 ７Ｂ 受動導波路状態 １２、２２ 受動導波路 １５、２４ 能動導波路 ２３ バッファ層 ２５ 上部バッファ層 ３０、３１ マスク

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 重ね合わされてシース層に埋設された能
    動導波路と受動導波路とを備える半導体光学部品であっ
    て、 能動導波路の幅は漸減し受動導波路の幅は増加する減衰
    結合部と、 幅が漸減する受動導波路のみを含むモード拡張部とを連
    続して備える半導体光学部品。
  2. 【請求項２】 更に、減衰結合部とモード拡張部との間
    に配置され、能動導波路の幅が０μｍに漸減する移行部
    を備える、請求項１に記載の部品。
  3. 【請求項３】 受動導波路が１００〜２００ｎｍの厚さ
    を有する、請求項１または請求項２に記載の部品。
  4. 【請求項４】 減衰結合部の長さが２００μｍよりも小
    さいかそれに等しい、請求項１から３のいずれか一項に
    記載の部品。
  5. 【請求項５】 モード拡張部の長さが１００〜５００μ
    ｍの範囲にある、請求項１から４のいずれか一項に記載
    の部品。
  6. 【請求項６】 移行部の長さが０〜１０μｍの範囲にあ
    る、請求項１から５のいずれか一項に記載の部品。
  7. 【請求項７】 減衰結合部における受動導波路の幅が２
    〜３μｍの値まで増加する、請求項１から６のいずれか
    一項に記載の部品。
  8. 【請求項８】 移行部における受動導波路の幅が変化し
    不連続性を有することがある、請求項１から７のいずれ
    か一項に記載の部品。
  9. 【請求項９】 モード拡張部における受動導波路の幅が
    ０．２〜０．９μｍの値まで漸減する、請求項１から８
    のいずれか一項に記載の部品。
  10. 【請求項１０】 減衰結合部の能動導波路の幅が約０．
    ３μｍの値まで漸減する、請求項１から９のいずれか一
    項に記載の部品。
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