JP2001111177A - 半導体光増幅装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体光増幅装置及びその製造方法Info
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- JP2001111177A JP2001111177A JP28257199A JP28257199A JP2001111177A JP 2001111177 A JP2001111177 A JP 2001111177A JP 28257199 A JP28257199 A JP 28257199A JP 28257199 A JP28257199 A JP 28257199A JP 2001111177 A JP2001111177 A JP 2001111177A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 放射損失を低く抑えた上で、高い利得を実更
することができ、これにより高利得の半導体光増幅器を
再現性、生産性よく得ることを目的とする。 【解決手段】 活性領域１０を有する第一の光導波路を
持つ半導体光増幅装置において、前記第一の光導波路の
光導波方向は半導体基板の結晶面方位と垂直又は平行で
あり、スポットサイズ変換領域１１を有する第二の光導
波路が前記第一の光導波路に接続され、前記第二の光導
波路は、曲線導波路部１１ｂを有し、かつ、前記半導体
基板の端面と斜行することを特徴とする。
することができ、これにより高利得の半導体光増幅器を
再現性、生産性よく得ることを目的とする。 【解決手段】 活性領域１０を有する第一の光導波路を
持つ半導体光増幅装置において、前記第一の光導波路の
光導波方向は半導体基板の結晶面方位と垂直又は平行で
あり、スポットサイズ変換領域１１を有する第二の光導
波路が前記第一の光導波路に接続され、前記第二の光導
波路は、曲線導波路部１１ｂを有し、かつ、前記半導体
基板の端面と斜行することを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信に用いる半
導体光増幅装置及びその製造方法に関する。
導体光増幅装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、情報通信の発展は日覚ましく、企
業だけでなく家庭においてもインターネットに接続し
て、画像などの大容量データを送受信することが可能で
ある。このため伝送される情報量が急激に増加してお
り、これを十分に伝送・処理できる超高速、大容量の伝
送網が強く求められている。そのなかで、光による伝送
・処理を用いた光伝送網は、ＴＨｚ級の広い帯域と数十
Ｇｂｉｔ／ｓの超高速伝送能力をもつため、現在では通
信網の幹線系や海底ケーブル系などで使用されている。
業だけでなく家庭においてもインターネットに接続し
て、画像などの大容量データを送受信することが可能で
ある。このため伝送される情報量が急激に増加してお
り、これを十分に伝送・処理できる超高速、大容量の伝
送網が強く求められている。そのなかで、光による伝送
・処理を用いた光伝送網は、ＴＨｚ級の広い帯域と数十
Ｇｂｉｔ／ｓの超高速伝送能力をもつため、現在では通
信網の幹線系や海底ケーブル系などで使用されている。
【０００３】光伝送網は、主に発光器としての半導体レ
ーザや受光器としてのフォトダイオード、伝送路として
の光ファイバにより構成されている。光ファイバでの伝
送中や光路切り換えなどの処理中に光信号が受ける損失
は、信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比などを劣化させ、受信感度
などの伝送特性に大きな影響を与える。従って、光信号
を増幅することができる光増幅器は、光伝送網の構成要
素として必須であり、且つ重要である。
ーザや受光器としてのフォトダイオード、伝送路として
の光ファイバにより構成されている。光ファイバでの伝
送中や光路切り換えなどの処理中に光信号が受ける損失
は、信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比などを劣化させ、受信感度
などの伝送特性に大きな影響を与える。従って、光信号
を増幅することができる光増幅器は、光伝送網の構成要
素として必須であり、且つ重要である。
【０００４】光増幅器には、大きく分けて希土類添加光
ファイバを用いた光ファイバ増幅器と、化合物半導体で
作製される半導体光増幅器（ＳＯＡ）があるが、ＳＯＡ
は素子サイズが数ｍｍ以下と非常に小型にすることがで
き、半導体ウェハ上で多数個を一括作製できるため低廉
化やアレイ化が容易である。また、ＳＯＡの入出力光の
スポットサイズを光ファイバのそれと同等程度の３〜４
μｍまで拡大するスポットサイズ変換器をＳＯＡの両端
にモノリシック集積することによって実装トレランスを
大幅に改善させる研究開発が盛んに行われている。
ファイバを用いた光ファイバ増幅器と、化合物半導体で
作製される半導体光増幅器（ＳＯＡ）があるが、ＳＯＡ
は素子サイズが数ｍｍ以下と非常に小型にすることがで
き、半導体ウェハ上で多数個を一括作製できるため低廉
化やアレイ化が容易である。また、ＳＯＡの入出力光の
スポットサイズを光ファイバのそれと同等程度の３〜４
μｍまで拡大するスポットサイズ変換器をＳＯＡの両端
にモノリシック集積することによって実装トレランスを
大幅に改善させる研究開発が盛んに行われている。
【０００５】このスポットサイズ変換器は導波路の層厚
又は幅が徐々に小さくなる構造をもち、これにより光の
導波路への閉じ込めを弱めてスポットサイズを徐々に拡
大していくものである。スポットサイズ変換器を集積し
たＳＯＡを用いると、シリコン（Ｓi）基板上にガラス
導波路を作製した光導波回路（ＰＬＣ）、もしくは直に
Ｓi基板上に簡易に実装することが可能となり、低廉な
モジュールの実現が期待できる。
又は幅が徐々に小さくなる構造をもち、これにより光の
導波路への閉じ込めを弱めてスポットサイズを徐々に拡
大していくものである。スポットサイズ変換器を集積し
たＳＯＡを用いると、シリコン（Ｓi）基板上にガラス
導波路を作製した光導波回路（ＰＬＣ）、もしくは直に
Ｓi基板上に簡易に実装することが可能となり、低廉な
モジュールの実現が期待できる。
【０００６】ところで、ＳＯＡで入力光から出力光への
増幅率、即ち利得が大きければ、受信感度を向上させた
り、伝送路中の光増幅器の数が減らしたりできるため、
ＳＯＡには高利得化が求められる。高利得化のために
は、１）活性層の利得係数を大きくする、２）注入電流
を大きくする、ことなどが考えられる。しかし、従来の
ＳＯＡでは、１）のように活性層を改良して利得係数を
高め、２）のように注入電流を大きくしても以下のよう
な発振の問題が生じるため、高利得化は困難となる。
増幅率、即ち利得が大きければ、受信感度を向上させた
り、伝送路中の光増幅器の数が減らしたりできるため、
ＳＯＡには高利得化が求められる。高利得化のために
は、１）活性層の利得係数を大きくする、２）注入電流
を大きくする、ことなどが考えられる。しかし、従来の
ＳＯＡでは、１）のように活性層を改良して利得係数を
高め、２）のように注入電流を大きくしても以下のよう
な発振の問題が生じるため、高利得化は困難となる。
【０００７】ＳＯＡの原理的な構造を図６に示す。図６
（ａ）に示すように、左方から利得媒質０１に入力され
た光ａは電流注入ｂにより生じた利得により右方から増
幅光ｃとして出力させる。理想的には注入電流ｂを上げ
れば、それに見合うだけの利得の上昇が利得媒質０１か
ら得られる。しかし、実際には図６（ｂ）に示すよう
に、利得媒質０１と空気との界面の屈折率差から利得媒
質０１の両端面には、ある反射率をもった反射鏡０２
（Ｒ≠０）が形成される。
（ａ）に示すように、左方から利得媒質０１に入力され
た光ａは電流注入ｂにより生じた利得により右方から増
幅光ｃとして出力させる。理想的には注入電流ｂを上げ
れば、それに見合うだけの利得の上昇が利得媒質０１か
ら得られる。しかし、実際には図６（ｂ）に示すよう
に、利得媒質０１と空気との界面の屈折率差から利得媒
質０１の両端面には、ある反射率をもった反射鏡０２
（Ｒ≠０）が形成される。
【０００８】このため、利得媒質０１と反射鏡０２とで
共振器構造を形成し、利得が大きくなると発振現象によ
り発振光ｄが生じるため、利得の大半が発振現象で消費
されてしまい、実際には利得を大きくすることができな
い本質的な原因となる。そこで、従来のＳＯＡでは端面
での反射率を低減するため、図７（ａ）に示すように、
両端面にＳiＯ2やＴiＯ2などの誘電体多層膜で構成され
た反射防止（ＡＲ）膜０３を設けている。
共振器構造を形成し、利得が大きくなると発振現象によ
り発振光ｄが生じるため、利得の大半が発振現象で消費
されてしまい、実際には利得を大きくすることができな
い本質的な原因となる。そこで、従来のＳＯＡでは端面
での反射率を低減するため、図７（ａ）に示すように、
両端面にＳiＯ2やＴiＯ2などの誘電体多層膜で構成され
た反射防止（ＡＲ）膜０３を設けている。
【０００９】しかし、この方法だけで実用的な高利得を
得るために必要な反射率（Ｒ＜０．１％）を実現するた
めには、膜厚の作製誤差を数％以下に抑える必要があ
り、再現性や生産性に難点がある。従来のＳＯＡは図７
（ａ）のように、導波路が劈開端面に対し垂直に形成さ
れているため、反射光ｅが再度、活性層０４に結合しや
すい構造となっていた。そこで、さらに反射率を低減す
る方策として、図７（ｂ）に示すように導波路を壁開端
面に対して傾けた構造とすることにより、端面からの反
射光ｅを導波路へ結合させないようにする方法が提案さ
れている。
得るために必要な反射率（Ｒ＜０．１％）を実現するた
めには、膜厚の作製誤差を数％以下に抑える必要があ
り、再現性や生産性に難点がある。従来のＳＯＡは図７
（ａ）のように、導波路が劈開端面に対し垂直に形成さ
れているため、反射光ｅが再度、活性層０４に結合しや
すい構造となっていた。そこで、さらに反射率を低減す
る方策として、図７（ｂ）に示すように導波路を壁開端
面に対して傾けた構造とすることにより、端面からの反
射光ｅを導波路へ結合させないようにする方法が提案さ
れている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】図８（ａ）及び（ｂ）
には端面に対して斜めの導波路構造を実現した従来の構
成を示す。ここでは、スポットサイズ変換器を集積した
ＳＯＡを考え、電流注入により利得が生じる活性層０１
０のある領域を活性領域、導波光のスポットサイズを拡
大するスポットサイズ変換（ＳＳ）層０１１のある領域
をＳＳ領域と呼ぶ。図８（ａ）は、活性及びＳＳ領域が
直線で端面に対して斜めになっている構造で、活性層０
１０の全体が端面に対して斜めになっている。図８
（ｂ）は、活性層０１０が劈開面に垂直な直線導波路０
１０ａと曲率半径を持った曲線導波路０１０ｂで構成さ
れ、ＳＳ層０１１は劈開面に対して斜めの直線もしくは
曲線導波路を持った構造である。
には端面に対して斜めの導波路構造を実現した従来の構
成を示す。ここでは、スポットサイズ変換器を集積した
ＳＯＡを考え、電流注入により利得が生じる活性層０１
０のある領域を活性領域、導波光のスポットサイズを拡
大するスポットサイズ変換（ＳＳ）層０１１のある領域
をＳＳ領域と呼ぶ。図８（ａ）は、活性及びＳＳ領域が
直線で端面に対して斜めになっている構造で、活性層０
１０の全体が端面に対して斜めになっている。図８
（ｂ）は、活性層０１０が劈開面に垂直な直線導波路０
１０ａと曲率半径を持った曲線導波路０１０ｂで構成さ
れ、ＳＳ層０１１は劈開面に対して斜めの直線もしくは
曲線導波路を持った構造である。
【００１１】この構造では、活性層０１０とＳＳ層０１
１を接続させるために活性層０１０の一部を曲率半径Ｒ
の曲線導波路（ＢＥＮＤ−ＷＧ）０１０ｂにしている。
ここで、端面は劈開という化合物半導体特有の方法で形
成される。ＩnＰなどの化合物半導体では、その結晶構
造から特定の結晶面で結合の弱い部分が存在する。劈開
とは半導体に所定の応力を加えることで、この結合の弱
い結晶面に沿って原子層オーダーで平滑な面を得る工程
で、端面は必ず所定の結晶面方位と平行又は垂直にな
る。ところで、ＳＯＡでは電流が活性層に効率的に注入
されるよう注入電流の横方向の経路を狭窄する埋め込み
構造を広く用いている。
１を接続させるために活性層０１０の一部を曲率半径Ｒ
の曲線導波路（ＢＥＮＤ−ＷＧ）０１０ｂにしている。
ここで、端面は劈開という化合物半導体特有の方法で形
成される。ＩnＰなどの化合物半導体では、その結晶構
造から特定の結晶面で結合の弱い部分が存在する。劈開
とは半導体に所定の応力を加えることで、この結合の弱
い結晶面に沿って原子層オーダーで平滑な面を得る工程
で、端面は必ず所定の結晶面方位と平行又は垂直にな
る。ところで、ＳＯＡでは電流が活性層に効率的に注入
されるよう注入電流の横方向の経路を狭窄する埋め込み
構造を広く用いている。
【００１２】例えば、ｐｎ−ＢＨと呼ばれる埋め込み構
造では、ｎ−ＩnＰ基板を用いる場合、活性層の両脇を
結晶成長によりｐ−ＩnＰ／ｎ−ＩnＰ／ｐ−ＩnＰ層で
埋め込み、電流注入時にはｐｎ接合の逆バイアスにより
埋め込み領域には電流が供給されない。このため、活性
層にのみに電流注入されて効率が向上し、動作電流の低
減などに寄与する。
造では、ｎ−ＩnＰ基板を用いる場合、活性層の両脇を
結晶成長によりｐ−ＩnＰ／ｎ−ＩnＰ／ｐ−ＩnＰ層で
埋め込み、電流注入時にはｐｎ接合の逆バイアスにより
埋め込み領域には電流が供給されない。このため、活性
層にのみに電流注入されて効率が向上し、動作電流の低
減などに寄与する。
【００１３】作製方法は図９（ａ）のように活性層を所
定の結晶面方位（ここでは（１００）面を表面としたｎ
−ＩnＰ基板の［０１１］方向）に平行なメサストライ
プ状に加工した後、その上部の選択成長マスクを用いて
メサストライプ横にｐ−ＩnＰ，ｎ−ＩnＰ層を順次形成
する。その後、選択成長マスクを除去して全面にｐ−Ｉ
nＰ層を形成する。一方、ＧaＩnＡsＰ系の結晶成長技術
では一般的に結晶面方位により成長メカニズムが異なる
ことが広く知られている。
定の結晶面方位（ここでは（１００）面を表面としたｎ
−ＩnＰ基板の［０１１］方向）に平行なメサストライ
プ状に加工した後、その上部の選択成長マスクを用いて
メサストライプ横にｐ−ＩnＰ，ｎ−ＩnＰ層を順次形成
する。その後、選択成長マスクを除去して全面にｐ−Ｉ
nＰ層を形成する。一方、ＧaＩnＡsＰ系の結晶成長技術
では一般的に結晶面方位により成長メカニズムが異なる
ことが広く知られている。
【００１４】例えば、図９（ｂ）のように［０１−１］
方向に平行なメサストライプを形成した場合、前記の結
晶面方位に最適化した成長条件では選択性が劣るため選
択マスク上にも結晶成長されてしまい易い。このため、
埋め込み構造のように活性層の両脇だけに選択的に結晶
成長を行う場合には、結晶面方位を考慮した成長工程を
用いる必要がある。
方向に平行なメサストライプを形成した場合、前記の結
晶面方位に最適化した成長条件では選択性が劣るため選
択マスク上にも結晶成長されてしまい易い。このため、
埋め込み構造のように活性層の両脇だけに選択的に結晶
成長を行う場合には、結晶面方位を考慮した成長工程を
用いる必要がある。
【００１５】上記のように導波路が端面に対し垂直な場
合には結晶面方位を一つのみとすることができるため比
較的容易に選択成長条件を得ることができるが、図８
（ａ）及び（ｂ）に示すように活性層０１０の全体もし
くは一部が端面に対して斜めとなる場合には、メサスト
ライプにはいくつかの結晶面方位が必ず含まれてしまい
結晶成長条件が複雑になる。その結果として、例えば、
図９（ｃ）のように十分な選択成長比をとることができ
ずに選択成長マスク上にも結晶成長されてしまって活性
層への均一な電流注入が行えなくなる。従って、素子特
性の劣化や作製再現性の悪化などの問題が生じてしま
う。
合には結晶面方位を一つのみとすることができるため比
較的容易に選択成長条件を得ることができるが、図８
（ａ）及び（ｂ）に示すように活性層０１０の全体もし
くは一部が端面に対して斜めとなる場合には、メサスト
ライプにはいくつかの結晶面方位が必ず含まれてしまい
結晶成長条件が複雑になる。その結果として、例えば、
図９（ｃ）のように十分な選択成長比をとることができ
ずに選択成長マスク上にも結晶成長されてしまって活性
層への均一な電流注入が行えなくなる。従って、素子特
性の劣化や作製再現性の悪化などの問題が生じてしま
う。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成する本発
明の請求項１に係る半導体光増幅装置は、活性領域を有
する第一の光導波路を持つ半導体光増幅装置において、
前記第一の光導波路の光導波方向は半導体基板の結晶面
方位と垂直又は平行であり、スポットサイズ変換領域を
有する第二の光導波路が前記第一の光導波路に接続さ
れ、前記第二の光導波路は、曲線導波路部を有し、か
つ、前記半導体基板の端面と斜行することを特徴とす
る。上記課題を達成する本発明の請求項２に係る半導体
光増幅装置は、請求項１における前記曲線導波路部の曲
率半径は、１００〜５００μｍであることを特徴とす
る。上記課題を達成する本発明の請求項３に係る半導体
光増幅装置の製造方法は、請求項１又は２における前記
第一の光導波路を形成した後に、前記第二の光導波路を
バットジョイントさせることを特徴とする。
明の請求項１に係る半導体光増幅装置は、活性領域を有
する第一の光導波路を持つ半導体光増幅装置において、
前記第一の光導波路の光導波方向は半導体基板の結晶面
方位と垂直又は平行であり、スポットサイズ変換領域を
有する第二の光導波路が前記第一の光導波路に接続さ
れ、前記第二の光導波路は、曲線導波路部を有し、か
つ、前記半導体基板の端面と斜行することを特徴とす
る。上記課題を達成する本発明の請求項２に係る半導体
光増幅装置は、請求項１における前記曲線導波路部の曲
率半径は、１００〜５００μｍであることを特徴とす
る。上記課題を達成する本発明の請求項３に係る半導体
光増幅装置の製造方法は、請求項１又は２における前記
第一の光導波路を形成した後に、前記第二の光導波路を
バットジョイントさせることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明におけるＳＯＡの概念図を
図１に示す。ＳＯＡは主に活性層１０とＳＳ層１１から
成り、活性層１０に電流注入することで利得を生じさ
せ、ＳＳ層１１によりスポットサイズの拡大を行って光
ファイバと結合させる。図中、３はＡＲ層である。活性
層１０は、所定の結晶面方位に対し平行になるように形
成される。ここで重要なのは、活性層１０が結晶面方位
に対し平行な直線導波路のみで構成されることである。
図１に示す。ＳＯＡは主に活性層１０とＳＳ層１１から
成り、活性層１０に電流注入することで利得を生じさ
せ、ＳＳ層１１によりスポットサイズの拡大を行って光
ファイバと結合させる。図中、３はＡＲ層である。活性
層１０は、所定の結晶面方位に対し平行になるように形
成される。ここで重要なのは、活性層１０が結晶面方位
に対し平行な直線導波路のみで構成されることである。
【００１８】このため上述の結晶成長における問題点は
全くない。また、ＳＳ層１１は、結晶方位に対してθだ
け傾いた直線導波路１１ａと、活性層１０とそれとを滑
らかに接続させる曲率半径Ｒの曲線導波路１１ｂとから
なる。ここで、曲線導波路１１ｂの長さは曲率半径Ｒと
傾きθによって一意に決定される。さらにＳＳ層１１は
スポットサイズ拡大のために層厚方向又は幅方向にテー
パ形状となっている。テーパ形状は形成方法により決ま
り、放射損失を小さくするために放物線状、あるいは指
数関数状が多くの場合に選ばれる。
全くない。また、ＳＳ層１１は、結晶方位に対してθだ
け傾いた直線導波路１１ａと、活性層１０とそれとを滑
らかに接続させる曲率半径Ｒの曲線導波路１１ｂとから
なる。ここで、曲線導波路１１ｂの長さは曲率半径Ｒと
傾きθによって一意に決定される。さらにＳＳ層１１は
スポットサイズ拡大のために層厚方向又は幅方向にテー
パ形状となっている。テーパ形状は形成方法により決ま
り、放射損失を小さくするために放物線状、あるいは指
数関数状が多くの場合に選ばれる。
【００１９】層厚及び幅が一定である直線導波路では問
題にはならないが、曲線導波路１１ｂでは曲げによる放
射損失が生じることが知られている。これは直線導波路
１１ａの伝搬モードが全領域で同一なのに対し、曲線導
波路１１ｂでは曲線部での伝搬モードが少しずつ異なる
ために損失を受けるためである。この放射損失は層厚が
一定の場合には、曲率半径を小さくして急激に導波路を
曲げると増大することが知られている。また導波路厚が
薄くなると導波路への光の閉じ込めが弱くなり、同じ曲
率半径でも放射損失が大きくなる傾向がある。
題にはならないが、曲線導波路１１ｂでは曲げによる放
射損失が生じることが知られている。これは直線導波路
１１ａの伝搬モードが全領域で同一なのに対し、曲線導
波路１１ｂでは曲線部での伝搬モードが少しずつ異なる
ために損失を受けるためである。この放射損失は層厚が
一定の場合には、曲率半径を小さくして急激に導波路を
曲げると増大することが知られている。また導波路厚が
薄くなると導波路への光の閉じ込めが弱くなり、同じ曲
率半径でも放射損失が大きくなる傾向がある。
【００２０】本発明のＳＯＡで用いているＳＳ層１１の
ようにテーパ形状をもつ導波路で曲げによる放射損失を
低減するために曲率半径を大きくしようとすると、それ
に伴って曲線導波路１１ｂの長さが増大する。すると層
厚の薄い部分も曲線導波路１１ｂ領域に含まれてしまう
ため導波路の薄膜化による放射損失の方が増大してしま
う。従って、曲率半径を大きくしても放射損失は必ずし
も減少しなくなり、反対に増大する場合もある。
ようにテーパ形状をもつ導波路で曲げによる放射損失を
低減するために曲率半径を大きくしようとすると、それ
に伴って曲線導波路１１ｂの長さが増大する。すると層
厚の薄い部分も曲線導波路１１ｂ領域に含まれてしまう
ため導波路の薄膜化による放射損失の方が増大してしま
う。従って、曲率半径を大きくしても放射損失は必ずし
も減少しなくなり、反対に増大する場合もある。
【００２１】ＳＳ層１１の端面との傾き角度θにおける
曲率半径に対する放射損失の計算値を図２に示す。ここ
では一例としてＳＳ領域の全長が２００μｍ及び３００
μｍの場合を示す。図２中の挿入図に示す傾き角度θの
値が小さく、導波路が直線に近い場合には、曲率半径Ｒ
を大きくすることで放射損失が低減できるが、傾き角度
θを大きくすると、曲率半径Ｒが２００μｍ近辺までは
放射損失が低減できるが、それ以上では逆に増加する傾
向を示している。
曲率半径に対する放射損失の計算値を図２に示す。ここ
では一例としてＳＳ領域の全長が２００μｍ及び３００
μｍの場合を示す。図２中の挿入図に示す傾き角度θの
値が小さく、導波路が直線に近い場合には、曲率半径Ｒ
を大きくすることで放射損失が低減できるが、傾き角度
θを大きくすると、曲率半径Ｒが２００μｍ近辺までは
放射損失が低減できるが、それ以上では逆に増加する傾
向を示している。
【００２２】これは従来の構成では議論されていなかっ
た重要な問題で、放射損失を低減するためには、各傾き
角θに対して最適な曲率半径Ｒがあることを示してお
り、構成を決定する上で必須の条件である。従って、端
面での反射減衰量として実用上必要な３０ｄＢ以上を得
るための傾きθ＞５°においては曲率半径Ｒを１００〜
５００μｍにすれば低損失な特性が得られる。更に、言
えば、１２５〜３００μｍが好ましく、１５０〜２００
μｍが最も好ましい。
た重要な問題で、放射損失を低減するためには、各傾き
角θに対して最適な曲率半径Ｒがあることを示してお
り、構成を決定する上で必須の条件である。従って、端
面での反射減衰量として実用上必要な３０ｄＢ以上を得
るための傾きθ＞５°においては曲率半径Ｒを１００〜
５００μｍにすれば低損失な特性が得られる。更に、言
えば、１２５〜３００μｍが好ましく、１５０〜２００
μｍが最も好ましい。
【００２３】〔実施例〕以下、本発明の半導体光増幅装
置について、実施例を参照して説明する。本発明の一実
施例に係る半導体光増幅装置の作製手順を図３及び図４
に示す。先ず、図３（ａ）に示すように、ｎ型−ＩnＰ
基板２１上にＭＯＶＰＥ法によりＧaＩnＡsＰ活性層２
２とＩnＰ薄クラッド層２３を形成する。
置について、実施例を参照して説明する。本発明の一実
施例に係る半導体光増幅装置の作製手順を図３及び図４
に示す。先ず、図３（ａ）に示すように、ｎ型−ＩnＰ
基板２１上にＭＯＶＰＥ法によりＧaＩnＡsＰ活性層２
２とＩnＰ薄クラッド層２３を形成する。
【００２４】その上に熱ＣＶＤ法を用いてＳiＯ2膜２４
を形成し、フォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥ、
ウェットエッチングによりスポットサイズ変換層を形成
する部分のＳiＯ2膜２４、薄クラッド層２３及び活性層
２２を除去する。次いで、図３（ｂ）に示すように、こ
のＳiＯ2膜２４をマスクとして選択ＭＯＶＰＥ法によ
り、ＧaＩnＡsＰスポットサイズ変換層２５を形成す
る。この際、マスクを所定の形状とすることで活性層２
２との境界で最も厚く、そこから遠ざかるに従って膜厚
が薄くなる層厚テーパ形状を実現している。
を形成し、フォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥ、
ウェットエッチングによりスポットサイズ変換層を形成
する部分のＳiＯ2膜２４、薄クラッド層２３及び活性層
２２を除去する。次いで、図３（ｂ）に示すように、こ
のＳiＯ2膜２４をマスクとして選択ＭＯＶＰＥ法によ
り、ＧaＩnＡsＰスポットサイズ変換層２５を形成す
る。この際、マスクを所定の形状とすることで活性層２
２との境界で最も厚く、そこから遠ざかるに従って膜厚
が薄くなる層厚テーパ形状を実現している。
【００２５】このように、活性領域を有する第一の光導
波路を形成した後に、ＳＳ領域を有する第二の光導波路
をバットジョイントさせて作製方法を用いると、活性層
とスポットサイズ変換層とを別々に形成することができ
るので、活性層は光増幅特性のみに最適化した設計が可
能となる。一方、スポットサイズ変換層は活性層の設計
に全く影響されることなく、低伝搬損失、光ファイバと
の高効率結合などスポットサイズ変換のみを考慮した設
計が可能となる。
波路を形成した後に、ＳＳ領域を有する第二の光導波路
をバットジョイントさせて作製方法を用いると、活性層
とスポットサイズ変換層とを別々に形成することができ
るので、活性層は光増幅特性のみに最適化した設計が可
能となる。一方、スポットサイズ変換層は活性層の設計
に全く影響されることなく、低伝搬損失、光ファイバと
の高効率結合などスポットサイズ変換のみを考慮した設
計が可能となる。
【００２６】従って、活性層及びＳＳ層に対する設計自
由度が非常に大きくとれ、高い光増幅特性と低伝搬損
失、高結合効率を両立させることが容易になる。引き続
き、ＳiＯ2膜２４をＨＦにより除去し、図３（ｃ）に示
すように、ＭＯＶＰＥ法により、全面にＩnＰクラッド
層２６を形成する。その後、ＳiＯ2膜２７を形成し、フ
ォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥにより導波路を
形成する部分の上部以外のＳiＯ2膜２７を除去する。
由度が非常に大きくとれ、高い光増幅特性と低伝搬損
失、高結合効率を両立させることが容易になる。引き続
き、ＳiＯ2膜２４をＨＦにより除去し、図３（ｃ）に示
すように、ＭＯＶＰＥ法により、全面にＩnＰクラッド
層２６を形成する。その後、ＳiＯ2膜２７を形成し、フ
ォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥにより導波路を
形成する部分の上部以外のＳiＯ2膜２７を除去する。
【００２７】そして、図３（ｄ）に示すように、このＳ
iＯ2膜２７をマスクとしてＣＨ4／Ｈ2−ＲＩＥにより、
ＩnＰクラッド層２６、ＩnＰ薄クラッド層２３、ＧaＩn
ＡsＰ活性層２２、ＧaＩnＡsＰスポットサイズ変換層２
５及びｎ−ＩnＰ基板２１の一部を除去する。更に、図
３（ｅ）に示すように、上記ＳiＯ2膜２７を再度、マス
クとして選択ＭＯＶＰＥ法により、導波路部分の両脇に
ｐ−ＩnＰ層２８、ｎ−ＩnＰ層２９を形成する。
iＯ2膜２７をマスクとしてＣＨ4／Ｈ2−ＲＩＥにより、
ＩnＰクラッド層２６、ＩnＰ薄クラッド層２３、ＧaＩn
ＡsＰ活性層２２、ＧaＩnＡsＰスポットサイズ変換層２
５及びｎ−ＩnＰ基板２１の一部を除去する。更に、図
３（ｅ）に示すように、上記ＳiＯ2膜２７を再度、マス
クとして選択ＭＯＶＰＥ法により、導波路部分の両脇に
ｐ−ＩnＰ層２８、ｎ−ＩnＰ層２９を形成する。
【００２８】その後、ＳiＯ2膜２７をＨＦにより除去
し、ＭＯＶＰＥ法により全面にＩnＰオーバークラッド
層３０、ＧaＩnＡsＰキャップ層３１を形成する。そし
て、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィとウ
ェットエッチングにより活性領域以外のキャップ層３１
を除去する。引き続き、ＳiＯ2膜３２を全面に形成し、
フォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥにより活性領
域上部のＳiＯ2膜３２を除去する。
し、ＭＯＶＰＥ法により全面にＩnＰオーバークラッド
層３０、ＧaＩnＡsＰキャップ層３１を形成する。そし
て、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィとウ
ェットエッチングにより活性領域以外のキャップ層３１
を除去する。引き続き、ＳiＯ2膜３２を全面に形成し、
フォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥにより活性領
域上部のＳiＯ2膜３２を除去する。
【００２９】その後、活性領域上部にＡuＺnＮi／Ａu電
極３３、ｎ−ＩnＰ基板にＡuＧeＮi／Ａu電極３４をそ
れぞれＥＢ蒸着により形成する。最後に素子端面を劈開
により形成し、図４（ｃ）に示すように、両端面にＴi
Ｏ2／ＳiＯ2反射防止膜３５をＥＢスパッタにより形成
する。素子の寸法は、活性層の長さ６００μｍ、活性層
の厚さ０．４μｍ、スポットサイズ変換層の長さ３００
μｍ，スポットサイズ変換層の厚さ０．４μｍ（活性層
との接続部）〜０．２μｍ（素子端面）となるようにし
た。
極３３、ｎ−ＩnＰ基板にＡuＧeＮi／Ａu電極３４をそ
れぞれＥＢ蒸着により形成する。最後に素子端面を劈開
により形成し、図４（ｃ）に示すように、両端面にＴi
Ｏ2／ＳiＯ2反射防止膜３５をＥＢスパッタにより形成
する。素子の寸法は、活性層の長さ６００μｍ、活性層
の厚さ０．４μｍ、スポットサイズ変換層の長さ３００
μｍ，スポットサイズ変換層の厚さ０．４μｍ（活性層
との接続部）〜０．２μｍ（素子端面）となるようにし
た。
【００３０】また、スポットサイズ変換層の曲線導波路
部分の曲率半径Ｒは２００μｍとし、それ以外の部分は
結晶面方位に対し傾きθ＝７°の直線導波路とした。こ
のような工程で作製したＳＯＡにおいて、従来の端面に
垂直な導波路のみで構成されたＳＯＡの注入電流２００
ｍＡでのチップ利得２５ｄＢよりも大きい３０ｄＢのチ
ップ利得を得た。また、放射損失については０．５ｄＢ
以下と良好な値を得た。ここでは、両端のＳＳ層が平行
となっているＳ字型の構成について示したが、図５に示
すように片端のＳＳ層１１が活性層１０を通る直線を中
心として折り返したようなコの字型の構成でももちろん
良い。
部分の曲率半径Ｒは２００μｍとし、それ以外の部分は
結晶面方位に対し傾きθ＝７°の直線導波路とした。こ
のような工程で作製したＳＯＡにおいて、従来の端面に
垂直な導波路のみで構成されたＳＯＡの注入電流２００
ｍＡでのチップ利得２５ｄＢよりも大きい３０ｄＢのチ
ップ利得を得た。また、放射損失については０．５ｄＢ
以下と良好な値を得た。ここでは、両端のＳＳ層が平行
となっているＳ字型の構成について示したが、図５に示
すように片端のＳＳ層１１が活性層１０を通る直線を中
心として折り返したようなコの字型の構成でももちろん
良い。
【００３１】また、本実施例では、活性層とＳＳ層を異
なった材料で形成しているが、異なる領域で材料の組成
波長を変化させることができる選択マスクを用いた選択
結晶成長などにより活性層とＳＳ層を一括して形成して
ももちろん良い。また、活性層及びＳＳ層はそれぞれ単
一層としているが、活性領域とＳＳ領域に共通の光導波
層とその上部に活性層及びＳＳ層を形成したような装荷
構造としてももちろん良い。また、ＳＳ層のテーパ形状
を層厚方向に形成しているが、フォトリソグラフィとエ
ッチング技術を用いて幅方向のテーパ形状としてももち
ろん良い。
なった材料で形成しているが、異なる領域で材料の組成
波長を変化させることができる選択マスクを用いた選択
結晶成長などにより活性層とＳＳ層を一括して形成して
ももちろん良い。また、活性層及びＳＳ層はそれぞれ単
一層としているが、活性領域とＳＳ領域に共通の光導波
層とその上部に活性層及びＳＳ層を形成したような装荷
構造としてももちろん良い。また、ＳＳ層のテーパ形状
を層厚方向に形成しているが、フォトリソグラフィとエ
ッチング技術を用いて幅方向のテーパ形状としてももち
ろん良い。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
放射損失を低く抑えた上で、高い利得を実更することが
でき、これにより高利得の半導体光増幅器を再現性、生
産性よく得られるという効果が得られる。
放射損失を低く抑えた上で、高い利得を実更することが
でき、これにより高利得の半導体光増幅器を再現性、生
産性よく得られるという効果が得られる。
【図１】本発明におけるＳＯＡの概念図である。
【図２】ＳＳ層の端面との傾き角度における曲率半径に
対する放射損失の計算値をに示すグラフである。
対する放射損失の計算値をに示すグラフである。
【図３】本発明の一実施例に係る半導体光増幅装置の作
製手順を示す工程図である。
製手順を示す工程図である。
【図４】本発明の一実施例に係る半導体光増幅装置の作
製手順を示す工程図である。
製手順を示す工程図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る半導体光増幅装置の
斜視図である。
斜視図である。
【図６】ＳＯＡの原理的な構造を示す説明図である。
【図７】反射防止膜を設けたＳＯＡの構造を示す説明図
である。
である。
【図８】端面に対して斜めの導波路構造を実現した従来
のＳＯＡの構造を示す説明図である。
のＳＯＡの構造を示す説明図である。
【図９】従来のＳＯＡの作製方法を示す工程図である。
３ ＡＲ層 １０ 活性層 １１ ＳＳ層 １１ａ 直線導波路 １１ｂ 曲線導波路 ２１ ｎ型−ＩnＰ基板 ２２ ＧaＩnＡsＰ活性層 ２３ ＩnＰ薄クラッド層 ２４ ＳiＯ2膜 ２５ ＧaＩnＡsＰスポットサイズ変換層 ２６ ＩnＰクラッド層 ２７ ＳiＯ2膜 ２８ ｐ−ＩnＰ層 ２９ ｎ−ＩnＰ層 ３０ ＩnＰオーバークラッド層 ３１ ＧaＩnＡsＰキャップ層 ３２ ＳiＯ2膜 ３３ ＡuＺnＮi／Ａu電極 ３４ ＡuＧeＮi／Ａu電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 曲 克明 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 近藤 康洋 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 川口 悦弘 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 門田 好晃 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AB12 BA01 CA12 CB02 DA05 DA22 DA25 EA23 EA28
Claims (3)
- 【請求項１】 活性領域を有する第一の光導波路を持つ
半導体光増幅装置において、前記第一の光導波路の光導
波方向は半導体基板の結晶面方位と垂直又は平行であ
り、スポットサイズ変換領域を有する第二の光導波路が
前記第一の光導波路に接続され、前記第二の光導波路
は、曲線導波路部を有し、かつ、前記半導体基板の端面
と斜行することを特徴とする半導体光増幅装置。 - 【請求項２】 前記曲線導波路部の曲率半径は、１００
〜５００μｍであることを特徴とする請求項１記載の半
導体光増幅装置。 - 【請求項３】 前記第一の光導波路を形成した後に、前
記第二の光導波路をバットジョイントさせることを特徴
とする請求項１又は２記載の半導体光増幅装置の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28257199A JP3666729B2 (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 半導体光増幅装置及びその製造方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28257199A JP3666729B2 (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 半導体光増幅装置及びその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001111177A true JP2001111177A (ja) | 2001-04-20 |
| JP3666729B2 JP3666729B2 (ja) | 2005-06-29 |
Family
ID=17654227
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28257199A Expired - Fee Related JP3666729B2 (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 半導体光増幅装置及びその製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003142777A (ja) * | 2001-11-02 | 2003-05-16 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体素子 |
| JP2004072069A (ja) * | 2002-07-04 | 2004-03-04 | Arima Optoelectronics Corp | 可変多波長半導体レーザーの共振空洞システム |
| US6785457B2 (en) * | 2001-08-01 | 2004-08-31 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical waveguide device and coherent light source and optical apparatus using the same |
| US7046435B2 (en) * | 2004-02-19 | 2006-05-16 | Samsung Electronics Co Ltd | Reflective semiconductor optical amplifier |
| JP2006286810A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Fujitsu Ltd | 半導体デバイス |
| JP2010192603A (ja) * | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Seiko Epson Corp | 発光装置 |
| US8106405B2 (en) | 2008-12-19 | 2012-01-31 | Seiko Epson Corporation | Light-emitting device having a gain region and a reflector |
| JP2012048036A (ja) * | 2010-08-27 | 2012-03-08 | Fujikura Ltd | 光導波路素子 |
| US8188457B2 (en) | 2009-01-06 | 2012-05-29 | Seiko Epson Corporation | Light emitting device and layered light emitting device |
| US9088132B2 (en) | 2012-01-30 | 2015-07-21 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor optical element, integrated semiconductor optical element, and semiconductor optical element module |
| WO2017138649A1 (ja) * | 2016-02-12 | 2017-08-17 | 古河電気工業株式会社 | レーザモジュール |
| WO2018037450A1 (ja) * | 2016-08-22 | 2018-03-01 | 富士通株式会社 | 光デバイス及び光デバイスの製造方法 |
| JP2018107310A (ja) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | 古河電気工業株式会社 | 半導体レーザモジュール |
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|---|---|---|---|---|
| JP7379962B2 (ja) | 2019-09-04 | 2023-11-15 | 株式会社デンソー | 光導波路終端素子およびそれを用いた光フィルタ |
-
1999
- 1999-10-04 JP JP28257199A patent/JP3666729B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| US6785457B2 (en) * | 2001-08-01 | 2004-08-31 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical waveguide device and coherent light source and optical apparatus using the same |
| JP2003142777A (ja) * | 2001-11-02 | 2003-05-16 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体素子 |
| JP2004072069A (ja) * | 2002-07-04 | 2004-03-04 | Arima Optoelectronics Corp | 可変多波長半導体レーザーの共振空洞システム |
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| JP2006286810A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Fujitsu Ltd | 半導体デバイス |
| US7808698B2 (en) | 2005-03-31 | 2010-10-05 | Fujitsu Limited | Semiconductor device |
| JP4632841B2 (ja) * | 2005-03-31 | 2011-02-16 | 富士通株式会社 | 半導体デバイス |
| US8106405B2 (en) | 2008-12-19 | 2012-01-31 | Seiko Epson Corporation | Light-emitting device having a gain region and a reflector |
| US8368086B2 (en) | 2008-12-19 | 2013-02-05 | Seiko Epson Corporation | Light-emitting device having a gain region and a reflector |
| US8188457B2 (en) | 2009-01-06 | 2012-05-29 | Seiko Epson Corporation | Light emitting device and layered light emitting device |
| JP2010192603A (ja) * | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Seiko Epson Corp | 発光装置 |
| JP2012048036A (ja) * | 2010-08-27 | 2012-03-08 | Fujikura Ltd | 光導波路素子 |
| US9088132B2 (en) | 2012-01-30 | 2015-07-21 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor optical element, integrated semiconductor optical element, and semiconductor optical element module |
| WO2017138649A1 (ja) * | 2016-02-12 | 2017-08-17 | 古河電気工業株式会社 | レーザモジュール |
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| JPWO2017138649A1 (ja) * | 2016-02-12 | 2018-12-13 | 古河電気工業株式会社 | レーザモジュール |
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| WO2018037450A1 (ja) * | 2016-08-22 | 2018-03-01 | 富士通株式会社 | 光デバイス及び光デバイスの製造方法 |
| JPWO2018037450A1 (ja) * | 2016-08-22 | 2019-04-18 | 富士通株式会社 | 光デバイス及び光デバイスの製造方法 |
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