JP2000183443A - スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ領域と光導波路領域との接合面
で半導体層が斜めに形成され、また、半導体レーザのビ
ーム径と光導波路の固有モードのビーム径が不一致であ
るため、ロスが多い。 【解決手段】 半導体基板上に、少なくとも、端面出射
型半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集
積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置にお
いて、前記半導体レーザ領域と前記光導波路領域との接
合領域に、半導体層を埋め込んでなり、特に前記半導体
層の屈折率が層方向に連続して、又は段階的に変化する
層であることにより、上記課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバや光導
波路に高効率で光を結合することができるスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ、及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】現在、急速な発展を遂げているマルチメ
ディア技術は、近い将来、オフィスだけではなく各家庭
においても１００Ｍｂｐｓ以上という高速、大容量の光
通信を可能にすると考えられる。その中で、ファイバー
・ツー・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）技術は幹線系の光ファ
イバを各家庭まで引き込む技術として期待されている。
ところが通常の半導体レーザの出力光を光ファイバに導
入しようとすると、半導体レーザの出射光のスポットサ
イズ（〜１μｍ）とシングルモードの光ファイバのスポ
ットサイズ（〜１０μｍ）が大きく異なるため、両者を
直接接続した場合、モード不整合から大きな挿入損失が
発生する。

【０００３】また、半導体レーザのスポットサイズが小
さいため、微小な位置ずれが挿入損失の増大を引き起こ
すという問題も発生する。例えば、半導体レーザと光フ
ァイバの接合時に１μｍ程度の位置ずれが起きると場合
によっては１０ｄＢもの過剰損失が発生する。解決策と
しては、半導体レーザよりも大きなスポットサイズを有
する光導波路を、半導体レーザと同一基板上に集積化し
たスポットサイズ変換器付き半導体レーザが考えられ
る。

【０００４】それを実現する一つの方法として図７
（ａ）に示す突き合わせ接合がある。この図は理想的な
構造を図示したもので、半導体基板１００上に形成した
屈折率結合型の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレー
ザ）２００の一部を垂直にエッチング除去し、その領域
に光導波層３０１が２つの光閉じ込め層３０２、３０３
で挟まれた光導波路構造３００が形成されている。半導
体レーザ２００から出力された光は直接光導波路３００
に結合され、光導波層３０１を導波する。

【０００５】このようなスポットサイズ変換器付き半導
体レーザ装置は、出力光のスポットサイズが半導体レー
ザより大きく、光ファイバとの結合の際に、微小位置ず
れの影響が緩和されるという特長を有する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例は
下記の欠点を有している。

【０００７】（１） 垂直にエッチングされた領域に光
導波路構造を形成する際に、実際には図７（ａ）のよう
な理想的な形状は実現されず、例えば図７（ｂ）に示す
ようになる。このとき、光導波層３０１は半導体レーザ
と光導波路の結合場所の近傍で水平から傾斜して形成さ
れている。この領域では光はこの構造の屈折率分布を反
映し、光導波層に結合されない光の割合が増加し、理想
的な形状から予想される結合率より大きく低下する。

【０００８】（２） 半導体レーザ２００の垂直方向の
ビーム径と光導波路３００の垂直方向の固有モードのビ
ーム径とが一致していない場合、その違いが大きいほど
光が半導体レーザから光導波路に結合される光の割合い
は低下する。

【０００９】以下に上記（１）、（２）で挙げた問題点
を今少し具体的に説明する。

【００１０】図７（ｂ）は、具体的にはＩｎＧａＡｓＰ
系１．３μｍ帯分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザを垂
直にエッチングした後、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ
法）によってＩｎＧａＡｓＰ系の材料を成長した場合の
一例である。この成長においては成長速度の面方向依存
性が大きいため、成長速度の小さい面が露出するように
成長が進行し、同図に示すような形状の成長となってい
る。この場合、水平から傾いた方向に層構造が出現する
ため、光の一部はその形状の影響を受けて界面で反射さ
れ、或いは界面で屈折し、結果として光導波層３０１に
結合せずに導波路外へ放射される。即ち、放射損失を生
じる。本発明者等の実験結果によれば、約１ｄＢの光が
この影響で放射されることが確認された。上記とは異な
る他の条件で成長した場合、形状はさまざまに変化した
が、同図（ａ）に示したような理想的な形状を実現する
ことは不可能であり、いずれの場合も０．５ｄＢから１
ｄＢ程度の放射損失が確認された。

【００１１】また、この例では、半導体レーザ２００の
垂直方向のビーム径約１μｍに対し、光導波路３００の
光導波層３０１の層厚は約２μｍで作製した。この違い
によって、光が結合するときに大きなモード不整合が生
じ、それに起因する放射損失１．７ｄＢが確認された。
このように、両者を合計すると約２．７ｄＢの損失が生
じることになり、半導体レーザ２００には実際に必要と
される光以上に高い出力が要求され、半導体レーザ２０
０の消費電力が高くなる。加えて、その信頼性も低下す
るという大きな問題が発生する。半導体レーザと、通常
モード径が１０μｍ程度である光ファイバとの結合を考
えた時、光導波路部分の層厚はさらに厚い方が望まし
く、その場合、上記放射損失は更に大きくなる。

【００１２】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たものであり、半導体レーザと光導波路の接続部におけ
る上記光損失を最小限に抑え、低損失かつ高信頼性を有
するモード変換器付き半導体レーザ装置及びその製造方
法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明（請求項１）に
係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、半
導体基板上に、少なくとも、端面出射型半導体レーザ領
域と、光導波路領域とを、横方向に集積したスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置において、前記半導体
レーザ領域と前記光導波路領域との接合領域に、半導体
層を埋め込んでなることによって上記の目的を達成す
る。

【００１４】この半導体層は、接合領域に埋め込むこと
ができ、半導体レーザや光導波路の動作に影響を及ぼさ
ない材料であることが好ましく、特に、半導体レーザか
らの出射光に対し、できる限り透明であって、光吸収が
少ないものが、ロスが少なく、より好ましい。

【００１５】この発明（請求項２）に係るスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置は、前記半導体層が、そ
の屈折率がほぼ一定である層であることによって上記の
目的を達成する。

【００１６】このとき、前記半導体層はその横方向の長
さが２０μｍ以下であることが好ましい。

【００１７】この発明（請求項３）に係るスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置は、前記半導体層が、そ
の屈折率が層方向に連続して、又は段階的に変化する層
であることによって上記の目的を達成する。

【００１８】このとき、前記半導体層の屈折率は、層方
向の周辺部から中心部に向けて高くなる２次関数状に変
化する領域を含むことが好ましい。前記半導体層の屈折
率の変化は該半導体層の組成比を変化させることにより
形成することが好ましい。

【００１９】この発明（請求項４）に係るスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置は、前記半導体層の屈折
率の最も高い領域が、前記半導体レーザ領域からの出射
光分布の略中心部に一致させると共に、前記光導波領域
の固有モードの略中心部に一致させてなることによって
上記の目的を達成する。

【００２０】この発明（請求項５）に係るスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置は、請求項３又は４に記
載の前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界及
び／又は前記光導波路領域との境界に、屈折率がほぼ一
定である他の半導体層を形成してなることによって上記
の目的を達成する。

【００２１】この発明（請求項６）に係るスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置は、請求項３又は４に記
載の前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界及
び／又は前記光導波路領域との境界に、誘電体層を形成
してなることによって上記の目的を達成する。

【００２２】この発明（請求項７）に係るスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置は、半導体基板上に、少
なくとも、端面出射型半導体レーザ領域と、光導波路領
域とを、横方向に集積したスポットサイズ変換器付き半
導体レーザ装置において、前記半導体レーザ領域と前記
光導波路領域との接合領域に、誘電体層を埋め込んでな
ることによって上記の目的を達成する。

【００２３】この発明（請求項８）に係るスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置は、半導体基板上に、少
なくとも、端面出射型半導体レーザ領域と、半導体層と
を、横方向に積層したスポットサイズ変換器付き半導体
レーザ装置であって、前記半導体層が、その屈折率が層
方向に連続して、又は段階的に変化する層であることに
よって上記の目的を達成する。

【００２４】このとき、前記半導体層の屈折率は、層方
向の周辺部から中心部に向けて高くなる２次関数状に変
化する領域を含むことが好ましい。また、前記半導体層
の屈折率の変化は該半導体層の組成比を変化させること
により形成することが好ましい。

【００２５】この発明（請求項９）に係るスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置は、前記半導体層の屈折
率の最も高い領域は、前記半導体レーザ領域からの出射
光分布の略中心部に一致させてなることによって上記の
目的を達成する。

【００２６】この発明（請求項１０）に係るスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置は、請求項８又は９に
記載の前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界
に、屈折率がほぼ一定である他の半導体層を形成してな
ることによって上記の目的を達成する。

【００２７】この発明（請求項１１）に係るスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置は、請求項８又は９に
記載の前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界
に、誘電体層を形成してなることによって上記の目的を
達成する。

【００２８】この発明（請求項１２）に係るスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法は、半導体
基板上に、少なくとも、端面出射型の半導体レーザ領域
と、光導波路領域とを、横方向に集積した請求項１乃至
６のいずれかに記載のスポットサイズ変換器付き半導体
レーザ装置の製造方法であって、半導体基板上に半導体
レーザを構成する半導体積層構造を形成する工程と、該
半導体積層構造の一部を略垂直な断面を有するようにエ
ッチング除去する工程と、エッチング除去された領域に
光導波路を構成する半導体積層構造を形成する工程と、
該半導体レーザの光出射端面と該光導波路の光入射面と
の境界を含む領域を略垂直な断面を有するようにエッチ
ング除去する工程と、前記半導体レーザと前記光導波路
との間のエッチング除去領域に、半導体層を形成する工
程と、を有してなることによって、上記の目的を達成す
る。

【００２９】この発明（請求項１３）に係るスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法は、半導体
基板上に、少なくとも、端面出射型の半導体レーザ領域
と、半導体層とを、横方向に集積した請求項８乃至１１
のいずれかに記載のスポットサイズ変換器付き半導体レ
ーザ装置の製造方法であって、半導体基板上に半導体レ
ーザを構成する半導体積層構造を形成する工程と、該半
導体積層構造の一部を略垂直な断面を有するようにエッ
チング除去する工程と、エッチング除去された領域に、
半導体層を形成する工程と、を有してなることによって
上記の目的を達成する。

【００３０】この発明（請求項１４）に係るスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法は、請求項
１２又は１３に記載の方法において、前記エッチング除
去領域の側面にのみ誘電体層を形成した後、前記半導体
層を形成してなることによって上記の目的を達成する。

【００３１】この発明（請求項１５）に係るスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法は、半導体
基板上に、少なくとも、端面出射型の半導体レーザ領域
と、光導波路領域とを、横方向に集積した請求項７に記
載のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造
方法であって、半導体基板上に半導体レーザを構成する
半導体積層構造を形成する工程と、該半導体積層構造の
一部を略垂直な断面を有するようにエッチング除去する
工程と、エッチング除去された領域の側面にのみ誘電体
層を形成する工程と、エッチング除去された残りの領域
に光導波路を構成する半導体積層構造を形成する工程
と、を有してなることによって上記の目的を達成する。

【００３２】上述の誘電体層は、如何なる方法を用いて
形成しても構わないが、前記半導体基板にバイアス電圧
を印加しながらスパッタリングを行うバイアススパッタ
法で形成するのが好ましい。

【００３３】また、半導体層の屈折率を層方向に連続し
て又は段階的に変化させる際、ＭＯＣＶＤ装置のマスフ
ローコントローラの流量を制御することにより、前記半
導体層の層方向の中心位置を、半導体レーザの出射光分
布の中心に一致させることが容易となる。

【００３４】上述の半導体レーザ領域の半導体レーザ
は、端面から出射されるタイプのものであれば、いずれ
でも構わないが、分布帰還型半導体レーザを用いると、
他の半導体レーザに比べて本発明の作用効果をよりよく
得られる。

【００３５】以下に、本発明の作用について説明する。

【００３６】半導体レーザと光導波路の接合領域に、そ
の屈折率がほぼ一定である半導体層を埋め込む構成によ
れば、半導体レーザと光導波路の接合部に水平方向から
傾いた層構造が存在しないスポットサイズ変換器付き半
導体レーザ装置が実現できる。このため半導体レーザ部
と埋め込み領域との界面及び埋め込み領域と光導波路部
との界面における等価屈折率の差を小さくでき、これら
の界面で導波光はほとんど反射されず、また、屈折され
ないので、放射損失を低減できる。

【００３７】また、半導体レーザと光導波路の接合領域
に屈折率が層方向に実質的に連続して変化するか若くは
段階的に変化する半導体層を埋め込む構成によれば、こ
の半導体層のレンズ効果によって導波路中の光のモード
プロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路の固
有モードのビーム径に一致したところで光導波路に結合
されるので、モード不整合に起因する結合損失をより一
層効果的に低減できる。

【００３８】また、半導体レーザと屈折率が層方向に実
質的に連続して変化するか若くは段階的に変化する光導
波路とを半導体基板上の横方向に集積する構成によれ
ば、この半導体層のレンズ効果によって導波路中の光の
モードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波
路の固有モードのビーム径に一致したところで光導波路
に結合されるので、モード不整合に起因する結合損失を
より一層効果的に低減できる効果を少ない成長回数で得
ることができる。

【００３９】また、半導体レーザと半導体層の接合領域
に誘電体層を介在させる構成によれば、半導体レーザと
光導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在し
ないスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を実現
できるので、上記同様に結合損失を低減できる。

【００４０】また、半導体レーザと半導体層の接合領域
に誘電体層を介在させ、且つ半導体レーザと半導体層の
接合領域に屈折率が層方向に実質的に連続して変化する
か若くは段階的に変化する光導波路とを形成する構成に
よれば、水平方向から傾いた層構造が存在しないこと
と、モード不整合が無いことによる相乗効果により、結
合損失を大幅に低減できるスポットサイズ変換器付き半
導体レーザ装置を実現できる。

【００４１】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づき具体的に説明する。

【００４２】（実施形態１）図１は本発明の実施形態１
を示す。本実施形態１は量子井戸構造の半導体レーザを
備えたスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置に本
発明を適用した例を示す。以下にその構造を製造プロセ
スとともに説明する。まず、分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）装置内にＧａＡｓ基板（ウエハー）１００を導入
し、ＧａＡｓ基板１００上にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層
とＧａＡｓガイド層から構成される活性層と、ＡｌＧａ
Ａｓ系材料から構成されるクラッド層で作製した半導体
レーザ２００を構成する半導体層をＭＢＥ法で成長し
た。ここで、半導体レーザ２００の垂直方向のビーム径
は約１μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓ系混晶は、１．３
μｍの発光波長をＧａＡｓ基板上に実現できる材料であ
り、ＦＴＴＨ用光源として有望である。

【００４３】次に、上記半導体層が形成されたウエハー
をＭＢＥ装置から取り出し、塩素ガスを用いたリアクテ
ィブ・イオン・ビーム・エッチング（ＲＩＢＥ）を用い
てＧａＡｓ基板１００に到達する深さまで垂直にエッチ
ングした。その後、ＭＯＣＶＤ装置内にウエハーを導入
し、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する半導体層
３００を成長した。この半導体層は、光導波層３０１が
上下の光閉じ込め層３０３、３０２で挟まれた構成にな
っている。ここで光導波層のＡｌ混晶比は０．２、その
層厚は２μｍである。

【００４４】また、上下の光閉じ込め層３０３、３０２
のＡｌ混晶比及び層厚は同一の値であり、Ａｌ混晶比は
０．２２、層厚は１μｍとした。このときの断面形状は
従来例と同様に水平方向から傾斜した構造になってい
る。ただし、半導体レーザ２００と光導波路３００の接
合部近傍から遠ざかるに従ってその傾斜の影響は小さく
なり、３μｍ以上離れるとほぼ水平となった。ここで光
導波路部３００は半導体レーザの出力光（１．３μｍ）
に対して透明であり、低損失な導波路として機能する。
また、エッチングの深さ制御性は２％程度が得られてお
り、その後のＭＯＣＶＤ成長の成長層厚の制御性１％と
合わせても、半導体レーザの出力光分布の中心と水平に
なったあとの光導波路の固有モードの中心の高さは０．
１μｍの精度で合わせることができた。

【００４５】次に、半導体レーザ２００と光導波路３０
０の接合領域を幅２μｍにわたって垂直にエッチングし
た。このときのエッチング深さは光導波路部３００を突
き抜けていればよく、精密な制御は必要としない。ここ
でのエッチングも、先と同じＲＩＢＥを適用した。

【００４６】続いて、エッチングした領域に、再びＭＯ
ＣＶＤ法によってＡｌ混晶比０．２のＡｌＧａＡｓ層４
００を埋め込み成長した。最後に、半導体レーザ部に成
長した光導波路層を形成する半導体層（太線部より上、
図１では除去する前の状態も合わせて図示している。）
を除去した後、リッジ形状に加工して、横方向の光閉じ
込めを行い、レーザ部２００への電極付け、へき開等の
プロセスを施し、これにより実施形態１のスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置を得た。

【００４７】本実施形態１のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ素子装置においては、半導体レーザ部２０
０で発生したレーザ光は、ＡｌＧａＡｓ層４００を突き
抜け、光導波路部３００に到達し、光導波路部３００を
伝搬したのち、端面部より出射光３０４が出射される。
本実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ
装置は水平方向から傾斜した層構造をほとんどもたず、
従来例にみられた放射損失に起因する大きな損失は確認
されなかった。

【００４８】本素子の場合、半導体レーザ部２００で発
生した光は半導体レーザ部２００と埋め込み領域４００
との界面、及び埋め込み領域４００と光導波路部３００
との界面でほとんど反射されない。このことは、これら
の界面において等価屈折率の差が小さいことに起因して
いる。従って、このレーザは半導体レーザ部２００と埋
め込み領域４００、及び光導波路部３００全体を共振器
とした外部共振器モードで良好に動作した。

【００４９】また、本実施形態１のスポットサイズ変換
器付き半導体レーザ装置においては、最後に埋め込んだ
領域は縦方向に光の閉じ込め構造を有しないが、その長
さが今回の素子のように２μｍ程度と短い場合、放射さ
れる光の量は無視できる程度である。このため、本実施
形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置に
ついて、実際に光学特性を評価したところ、結合損失は
モード不整合に起因する１．７ｄＢのみであり、上記従
来例に比べて結合損失を大幅に低減することが確認され
た。

【００５０】更に埋め込み領域の長さを変化させて放射
損失を調べてみたところ、１５μｍ程度までは顕著な損
失は測定されず、それ以上で少しずつ損失が確認され
た。そして、埋め込み領域の長さを２０μｍとしたとき
には約１ｄＢの結合損失となった。要求される損失量に
よってこの長さの許容範囲は変わるが、２０μｍ以下に
設定すると１ｄＢ以下の損失に抑えられ、望ましい特性
が得られることが確認された。

【００５１】（実施形態２）図２（ａ）、（ｂ）は本発
明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形
態２を示す。本実施形態２は吸収性回折格子を有する利
得結合分布帰還型半導体レーザを備えた集積型半導体レ
ーザ装置に本発明を適用した例を示す。以下にその構造
を製造工程と共に説明する。

【００５２】まず、ＧａＡｓ基板１００上にＧａＩｎＮ
Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層からなる活性層を有
し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系
材料で形成したＤＦＢレーザ２０１を構成する半導体層
を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で成長した。

【００５３】ここで、このレーザに関しては例えばＹ．
Ｎａｋａｎｏ、他ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３２巻２号８２
５〜８２９頁（１９９３）に詳細に記述されている。垂
直方向のビーム径はこの場合も約１μｍであった。活性
層には３層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．３μ
ｍに設定した。

【００５４】次に、塩素ガスを基板に直接照射するとと
もに塩素イオン、もしくはアルゴンイオンを同時照射す
るケミカリー・アシスティッド・イオン・ビーム・エッ
チング（ＣＡＩＢＥ）を用いて基板に到達する深さまで
垂直にエッチングした。このエッチングに関してはＨ．
Ｋａｗａｎｉｓｈｉ、他Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎ
ａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３５巻
７Ｂ号８８０〜８８２頁（１９９６）に詳細な記述があ
る。

【００５５】その後、再びＭＯＣＶＤ法を用いて光導波
路を構成する複数の半導体層３００を成長した。この半
導体層に関しては、実施形態１と同じであるが、今回は
酸化珪素膜をマスクとした選択成長を行うことにより、
半導体レーザ部２０１には成長が起らない条件で成長し
た。

【００５６】なお、図中の符号３０３、３０２は上記実
施形態１同様に上下の光閉じ込め層を示している。

【００５７】このとき、成長後の基板表面は平坦に埋め
込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾
いた層構造が従来と同様に確認された。光導波層３０１
の層厚は２μｍとした。本実施形態２においても、実施
形態１同様に、半導体レーザ２０１の出力光分布の中心
と水平になったあとの光導波路３００の固有モードの中
心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。
次に、半導体レーザ２０１と光導波路の接合領域を含む
形で幅７．８μｍにわたって垂直にエッチングした。こ
のエッチング深さは光導波路部を突き抜け、７．０μｍ
に制御した。

【００５８】続いて、エッチングされた領域に連続的に
屈折率ｎが変化する構造を含む半導体層５００を成長し
た。図２（ｂ）は半導体層５００の層方向（層厚方向）
における屈折率分布を示す。同図（ｂ）に示すように、
屈折率の分布は層方向の周辺部から中心部に向かって屈
折率が大きくなる２次関数的に変化しており、この屈折
率分布はＡｌの混晶比の変化を用いて形成した。

【００５９】ここで、半導体層５００（以後 ＧＲａｄ
ｅｄ ＩＮｄｅｘ（ＧＲＩＮ）領域と記述する）の厚さ
は片側（中心部から周辺部）２．８９４μｍ、中心部の
屈折率３．４（屈折率の最大値）、周辺部の屈折率３．
２（屈折率の最小値）、中心置は半導体レーザ２０１の
出力光分布の中心及び光導波路３００の固有モードの中
心の高さに一致させた。この位置合わせ制御はＭＯＣＶ
Ｄ装置のマスフローコントローラの流量をコンピュータ
制御することにより容易に実現できた。

【００６０】その後、半導体レーザ２０１、ＧＲＩＮ領
域５００、光導波路領域３００にわたり、幅２μｍの横
幅で導波路領域を規定する溝をエッチングした。この溝
は、全ての層を貫するように深い溝とした。最後にエッ
チングした領域に半導体層（図示せず）を埋め込むこと
により埋め込み導波路構造を形成し、横モード閉じ込め
構造として本実施形態２のスポットサイズ変換器付き半
導体レーザ装置が完成した。

【００６１】本実施形態２のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置は、半導体レーザ部２０１はＤＦＢレ
ーザであり、半導体レーザ２０１とＧＲＩＮ領域５００
の界面で反射がなくてもレーザ発振するため、半導体レ
ーザ部２０１で独立して良好に発振した。出力光はＧＲ
ＩＮ層５００と光導波路部３００を通過し端面から出射
光３０４として出射された。

【００６２】本実施形態２のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から光
導波路３００への結合損失を評価したところ、約０．４
ｄＢであった。このうち、ＧＲＩＮ層成長時の水平から
ずれた成長に起因する損失が０．２ｄＢと見積もられ、
モード不整合に起因する損失はＧＲＩＮ層の採用により
大幅に低減できたことが確認された。その理由は、ＧＲ
ＩＮ領域５００のレンズ効果によって導波中の光のモー
ドプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路３
００の固有モードのビーム径に一致したととろで光導波
路３００に結合されているためである。実際、ＧＲＩＮ
領域５００の長さを変化させて結合損失を測定してみた
ところ、周期的に変化することが確認されている。

【００６３】従って、ＧＲＩＮ領域５００の長さは、上
記のとおり光導波路の固有モードのビーム径に合わせて
最適化することが望ましい。また、本実施形態２ではＧ
ＲＩＮ領域５００の屈折率変化として２次関数を用いた
が、実質的に同様のレンズ効果を有すればこれに限ら
ず、他の屈折率分布を用いることも可能である。また、
ここでは屈折率が２次関数状に連続して変化する構造と
したが、これを線分で近似したりして段階的に変化させ
ても同様の特性が得られることは明らかである。

【００６４】（実施形態３）図３は本発明スポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形態３を示す。本
実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装
置は、実施形態２の手法と実施形態１の手法とを組み合
わせて作製したものである。

【００６５】即ち、ＧＲＩＮ層５００成長時の水平から
ずれた成長に起因する結合損失を低減させるために、半
導体レーザ２０１とＧＲＩＮ領域５００の接合領域を含
む領域、或いはＧＲＩＮ領域５００と光導波路層３００
の接合領域を含む領域、もしくはその両方の領域をエッ
チングし、その屈折率がほぼ一定である層４００を成長
させることで実施形態２の効果に実施形態１の効果を付
加したものである。

【００６６】ここで、上記の説明におけるエッチングと
しては、ほぼ垂直にエッチングができさえすればよく、
一般的なエッチング方法を用いることができる。例えば
リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）等を用い
ても良いし、ウエットエッチングを用いることも可能で
ある。

【００６７】また、結晶成長についても上記に述べたＭ
ＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法に限らず、場合によっては液相成
長、クロライドＶＰＥ法等を用いることも可能である。
なお、実施形態１及び実施形態２と対応する部分には同
一の符号を付してある。

【００６８】（実施形態４）図４（ａ）、（ｂ）は本発
明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形
態４を示す。本実施形態４のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置は、その製造プロセスに特徴を有する
ものである。以下にその構造を製造工程と共に説明す
る。本実施形態４では、吸収性回折格子を有する利得結
合分布帰還型半導体レーザを備えたスポットサイズ変換
器付き半導体レーザ装置に本発明を適用している。

【００６９】まず、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡ
ｓガイド層からなる活性層を有し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸
収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系材料で形成したＤＦＢレ
ーザ２０１を構成する半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長し
た。垂直方向のビーム径はこの場合も約１μｍであっ
た。活性層には２層の量子井戸構造を採用し、発振波長
１．３μｍに設定した。

【００７０】次に、ＲＩＢＥ法を用いて基板に到達する
深さまで垂直にエッチングした。ここでエッチングマス
クとしては酸化珪素膜を用いた。続いて、エッチングさ
れた領域の側面に酸化珪素膜６０００を形成した。

【００７１】この形成には、ＧａＡｓ基板１００にバイ
アス電圧を印加しながらスパッタリングを行うバイアス
スパッタ法を用いて行った。そうしたところ、エッチン
グ底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面
のみに酸化珪素膜６０００を形成することができた。

【００７２】ここで、酸化珪素膜６０００の膜厚は２０
ｎｍとした。このように膜厚を薄くすると、酸化珪素膜
６０００による光の反射は生じなかった。この時点で、
酸化珪素膜６０００はエッチングされていない領域とエ
ッチングされた領域の側面に形成され、エッチング底に
は形成されていない。

【００７３】引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路
を構成する半導体層３００を成長した。この半導体層３
００に関しては酸化珪素膜６０００をマスクとした選択
成長を行うことにより、半導体レーザ部２０１には成長
が起らない条件で成長した。本実施形態４のスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置では、エッチング側面
に酸化珪素膜６０００からなる誘電体層が形成されてい
るので、エッチング側面に垂直な方向の成長も抑制さ
れ、それによって半導体層の成長時、水平から傾射した
成長は見られず、すべて基板に平行に成長は進行した。

【００７４】なお、光導波層３０１の膜厚は２μｍとし
た。本実施形態４のスポットサイズ変換器付き半導体レ
ーザにおいても、半導体レーザ２０１の出力光分布の中
心と水平に形成された光導波路３００の固有モードの中
心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。

【００７５】本実施形態４のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から光
導波路３００への光の結合損失を評価したところ、約
１．８ｄＢであり、モードの不整合に起因する損失のみ
であることが確認された。なお、図４は作製途中段階の
図を示しており、実際の光出力端面は図示されていな
い。

【００７６】（実施形態５）図５は本発明スポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形態５を示す。本
実施形態５のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装
置は、実施形態２の手法と、実施形態４の手法を組み合
わせて作製したものである。以下にその構造を製造工程
と共に説明する。

【００７７】まず、ＩｎＰ基板１０００上にＩｎＧａＡ
ｓＰ系ＤＦＢレーザ２００１を構成する半導体層をＭＢ
Ｅ法で成長した。本実施形態５のスポットサイズ変換器
付き半導体レーザ装置は、半導体レーザ２００１として
吸収性回折格子を有する利得結合型半導体レーザを用い
ている。この半導体レーザ２００１の垂直方向のビーム
径は約１μｍであり、活性層には５層の量子井戸構造を
採用し、発振波長１．５５μｍに設定した。

【００７８】次に、ＲＩＢＥ法を用いてＩｎＰ基板１０
００に到達する深さまで垂直にエッチングした。その
後、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する半導体層
３０００を成長した。この半導体層３０００に関しては
酸化珪素膜をマスクとした選択成長を行うことにより、
半導体レーザ部２００１には成長が起らない条件で成長
した。

【００７９】このとき、成長後の基板表面は平坦に埋め
込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾
いた層構造が従来と同様に確認された。光導波層３００
１の層厚は１．５μｍとした。

【００８０】本実施形態５のスポットサイズ変換器付き
型半導体レーザ装置も、半導体レーザ２００１の出力光
分布の中心と水平になったあとの光導波路の固有モード
の中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができ
た。次に、酸化珪素マスクを用いて、半導体レーザ２０
０１と光導波路３０００の接合領域を含む形で幅４．１
７μｍにわたって垂直にエッチングした。このエッチン
グ深さは光導波路部を突き抜け、６．０μｍに制御し
た。

【００８１】続いて、エッチングされた領域の側に酸化
珪素膜６０００を形成した。この形成には実施形態４同
様にバイアススパッタ法を用いて行った。そうしたとこ
ろ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エ
ッチング側面のみに酸化珪素６０００を形成することが
できた。酸化珪素６０００の膜厚は２０ｎｍとした。引
き続き、エッチングされた領域に連続的に屈折率が変化
する構造（ＧＲＩＮ層）５０００を含む半導体層を成長
した。屈折率はＩｎ、Ａｓ組成の変化を用いて変化させ
た。

【００８２】ここで、ＧＲＩＮ領域５０００の中心位置
は半導体レーザ２００１の出力光分布の中心、及び光導
波路３０００の固有モードの中心の高さに一致させた。
この位置合わせ制御は、実施形態４同様にＭＯＣＶＤ装
置のマスフローコントローラの流量をコンピュータ制御
することにより容易に実現できた。

【００８３】本実施形態５のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置においても、エッチング側面に誘電体
層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向
の成長は抑制され、それによってＧＲＩＮ層５０００の
成長時、水平から傾射した成長は見られず、すべてＩｎ
Ｐ基板１０００に平行に成長は進行した。

【００８４】本実施形態５のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置について、半導体レーザ２００１から
光導波路３０００への結合損失を評価したところ、約
０．２ｄＢであり、水平から傾射して成長する半導体層
がないことと、モード不整合が無いことにより、大幅な
損失の低減が確認された。本実施形態においては、半導
体レーザの側面及び光導波路側面の両方に誘電体膜を形
成したが、これは必ずしも両側に形成する必要はなく、
片側でも相応の効果を有する。ただし、両側に形成する
ことにより、その効果は倍増することになる。

【００８５】（実施形態６）図６（ａ）、（ｂ）は本発
明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形
態６を示す。本実施形態６のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置は、その製造プロセスと構造に特徴を
有するものである。以下にその構造を製造工程と共に説
明する。本実施形態６では、吸収性回折格子を有する利
得結合分布帰還型半導体レーザを備えたスポットサイズ
変換器付き半導体レーザ装置に本発明を適用している。

【００８６】まず、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡ
ｓガイド層からなる活性層を有し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸
収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系材料で形成したＤＦＢレ
ーザ２０１を構成する半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長し
た。垂直方向のビーム径は約１μｍであった。活性層に
は２層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．３μｍに
設定した。

【００８７】次に、ＲＩＢＥ法を用いて基板に到達する
深さまで垂直にエッチングした。ここでエッチングマス
クとしては酸化珪素膜を用いた。続いて、エッチングさ
れた領域の側面に酸化珪素膜６０００を形成した。この
形成には、ＧａＡｓ基板１００にバイアス電圧を印加し
ながらスパッタリングを行うバイアススパッタ法を用い
て行った。

【００８８】そうしたところ、エッチング底面には酸化
珪素の形成は見られず、エッチング側面のみに酸化珪素
膜６０００を形成することができた。ここで、酸化珪素
膜６０００の膜厚は２０ｎｍとした。このように膜厚を
薄くすると、酸化珪素膜６０００による光の反射は生じ
なかった。この時点で、酸化珪素膜６０００はエッチン
グされていない領域とエッチングされた領域の側面に形
成され、エッチング底面には形成されていない。

【００８９】引き続き、エッチングされた領域に連続的
に屈折率が変化する構造（ＧＲＩＮ層）５０００を含む
半導体層３００を成長した。屈折率はＩｎ、Ａｓ組成の
変化を用いて変化させた。ここで、ＧＲＩＮ領域５００
０の中心位置は半導体レーザ２０１の出力光分布の中
心、及び光導波路３０００の固有モードの中心の高さに
一致させた。この位置合わせ制御は、実施形態４同様に
ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコン
ピュータ制御することにより容易に実現できた。

【００９０】本実施形態６のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置においても、エッチング側面に誘電体
層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向
の成長は抑制され、それによってＧＲＩＮ層５０００の
成長時、水平から傾射した成長は見られず、すべてＩｎ
Ｐ基板１０００に平行に成長は進行した。

【００９１】本実施形態６のスポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から半
導体層５０００への結合損失を評価したところ、約０．
２ｄＢであり、水平から傾射して成長する半導体層がな
いことと、モード不整合が無いことにより、大幅な損失
の低減が確認された。

【００９２】さらに、本実施形態６においては実施形態
５と比較して結晶成長工程を１回少なくすることが可能
であり、低価格化が可能である。ただし、本実施形態６
の場合は、最後に素子をへき開する場所によって出射さ
れる光のビーム径が変化するため、へき開には注意が必
要である。

【００９３】

【発明の効果】以上の本発明スポットサイズ変換器付き
半導体レーザ装置によれば、半導体レーザと光導波路の
接合領域に、その屈折率がほぼ一定である半導体層を埋
め込む構成をとるので、半導体レーザと光導波路の接合
部に水平方向から傾いた層構造が存在しないスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置が実現でき、これらの
界面で導波光はほとんど反射されず、また屈折されない
ので、放射損失を低減できる。

【００９４】この結果、本発明によれば、結合損失を低
減したスポットサイズ変換器付き半導体レーザが実現で
き、消費電力が低減され、かつ信頼性の高いスポットサ
イズ変換器付き半導体レーザ装置が実現できる。

【００９５】また、特に、半導体レーザと光導波路の接
合領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する
半導体層を埋め込む構成をとることにより、この半導体
層のレンズ効果によって導波中の光のモードプロファイ
ルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路の固有モードの
ビーム系に一致したところで光導波路に結合されるの
で、モード不整合に起因する結合損失をより一層効果的
に低減できる。

【００９６】また、上記２つの構成を組み合わせる構成
によれば、両者の効果を相乗的に発揮でき、放射損失を
一層効率良く低減できるスポットサイズ変換器付き半導
体レーザ装置を実現できる。

【００９７】また、特に光導波路領域を形成しない場合
には、少ない成長回数で、上記効果が得られるため、低
価格でスポットサイズ変換器付き半導体レーザが実現で
きる。

【００９８】また、特に誘電体層を介在させることによ
り、上述の効果を相乗的に発揮でき、放射損失を一層効
率良く低減できるスポットサイズ変換器付き半導体レー
ザ装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のスポットサイズ変換器
付き半導体レーザ装置を示す構成図である。

【図２】本発明の第２の実施例のスポットサイズ変換器
付き半導体レーザ装置を示す構成図であり、（ａ）は同
断面図、（ｂ）はＧＲＩＮ層の屈折率分布を示す概念図
である。

【図３】本発明の第３の実施例の変形例のスポットサイ
ズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。

【図４】本発明の第４の実施例のスポットサイズ変換器
付き半導体レーザ装置を示す構成図である。

【図５】本発明の第５の実施例のスポットサイズ変換器
付き半導体レーザ装置を示す構成図である。

【図６】本発明の第６の実施例のスポットサイズ変換器
付き半導体レーザ装置を示す構成図である。

【図７】従来例の光集積回路装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１００：ＧａＡｓ基板、 ２００：ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レー
ザ、 ３００：光導波路を構成する半導体層、 ３０１：光導波層、 ３０２：下側の光閉じ込め層、 ３０３：上側の光閉じ込め層、 ３０４：スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置半
導体レーザの出力光、 ４００：ＡｌＧａＡｓ埋め込み層、 ２０１：ＡｌＧａＡｓ系ＤＦＢレーザ、 ５００：ＧＲＩＮ領域、 １０００：ＩｎＰ基板、 ２００１：ＩｎＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザ、 ３０００：光導波路を構成する半導体層、 ５０００：ＧＲＩＮ領域、 ６０００：酸化珪素膜、

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に、少なくとも、端面出射
   型半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集
   積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置にお
   いて、 前記半導体レーザ領域と前記光導波路領域との接合領域
   に、半導体層を埋め込んでなることを特徴とするスポッ
   トサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記半導体層は、その屈折率がほぼ一定
   である層であることを特徴とする請求項１に記載のスポ
   ットサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記半導体層は、その屈折率が層方向に
   連続して、又は段階的に変化する層であることを特徴と
   する請求項１に記載のスポットサイズ変換器付き半導体
   レーザ装置。
4. 【請求項４】 前記半導体層の屈折率の最も高い領域
   は、前記半導体レーザ領域からの出射光分布の略中心部
   に一致させると共に、前記光導波領域の固有モードの略
   中心部に一致させてなることを特徴とする請求項３に記
   載のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
5. 【請求項５】 請求項３又は４に記載の前記半導体層
   と、前記半導体レーザ領域との境界及び／又は前記光導
   波路領域との境界に、屈折率がほぼ一定である他の半導
   体層を形成してなることを特徴とするスポットサイズ変
   換器付き半導体レーザ装置。
6. 【請求項６】 請求項３又は４に記載の前記半導体層
   と、前記半導体レーザ領域との境界及び／又は前記光導
   波路領域との境界に、誘電体層を形成してなることを特
   徴とするスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
7. 【請求項７】 半導体基板上に、少なくとも、端面出射
   型半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集
   積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置にお
   いて、 前記半導体レーザ領域と前記光導波路領域との接合領域
   に、誘電体層を埋め込んでなることを特徴とするスポッ
   トサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
8. 【請求項８】 半導体基板上に、少なくとも、端面出射
   型半導体レーザ領域と、半導体層とを、横方向に積層し
   たスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置であっ
   て、 前記半導体層は、その屈折率が層方向に連続して、又は
   段階的に変化する層であることを特徴とするスポットサ
   イズ変換器付き半導体レーザ装置。
9. 【請求項９】 前記半導体層の屈折率の最も高い領域
   は、前記半導体レーザ領域からの出射光分布の略中心部
   に一致させてなることを特徴とする請求項８に記載のス
   ポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
10. 【請求項１０】 請求項８又は９に記載の前記半導体層
    と、前記半導体レーザ領域との境界に、屈折率がほぼ一
    定である他の半導体層を形成してなることを特徴とする
    スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
11. 【請求項１１】 請求項８又は９に記載の前記半導体層
    と、前記半導体レーザ領域との境界に、誘電体層を形成
    してなることを特徴とするスポットサイズ変換器付き半
    導体レーザ装置。
12. 【請求項１２】 半導体基板上に、少なくとも、端面出
    射型の半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向
    に集積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置
    の製造方法であって、 半導体基板上に半導体レーザを構成する半導体積層構造
    を形成する工程と、 該半導体積層構造の一部を略垂直な断面を有するように
    エッチング除去する工程と、 エッチング除去された領域に光導波路を構成する半導体
    積層構造を形成する工程と、 該半導体レーザの光出射端面と該光導波路の光入射面と
    の境界を含む領域を略垂直な断面を有するようにエッチ
    ング除去する工程と、 前記半導体レーザと前記光導波路との間のエッチング除
    去領域に、半導体層を形成する工程と、を有してなるこ
    とを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスポ
    ットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法。
13. 【請求項１３】 半導体基板上に、少なくとも、端面出
    射型の半導体レーザ領域と、半導体層とを、横方向に集
    積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製
    造方法であって、 半導体基板上に半導体レーザを構成する半導体積層構造
    を形成する工程と、 該半導体積層構造の一部を略垂直な断面を有するように
    エッチング除去する工程と、 エッチング除去された領域に、半導体層を形成する工程
    と、を有してなることを特徴とする請求項８乃至１１の
    いずれかに記載のスポットサイズ変換器付き半導体レー
    ザ装置の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記エッチング除去領域の側面にのみ
    誘電体層を形成した後、前記半導体層を形成してなるこ
    とを特徴とする請求項１２又は１３に記載のスポットサ
    イズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法。
15. 【請求項１５】 半導体基板上に、少なくとも、端面出
    射型の半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向
    に集積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置
    の製造方法であって、 半導体基板上に半導体レーザを構成する半導体積層構造
    を形成する工程と、 該半導体積層構造の一部を略垂直な断面を有するように
    エッチング除去する工程と、 エッチング除去された領域の側面にのみ誘電体層を形成
    する工程と、 エッチング除去された残りの領域に光導波路を構成する
    半導体積層構造を形成する工程と、を有してなることを
    特徴とする請求項７に記載のスポットサイズ変換器付き
    半導体レーザ装置の製造方法。