JP2001174658A - 選択領域成長法を用いた2重コアスポットサイズ変換器及びその製造方法 - Google Patents

選択領域成長法を用いた2重コアスポットサイズ変換器及びその製造方法

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JP2001174658A JP2000333131A JP2000333131A JP2001174658A JP 2001174658 A JP2001174658 A JP 2001174658A JP 2000333131 A JP2000333131 A JP 2000333131A JP 2000333131 A JP2000333131 A JP 2000333131A JP 2001174658 A JP2001174658 A JP 2001174658A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光通信分野で重要部品として用いられる光送
受信素子として用いられる2重コアスポットサイズ変換
器及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 約0.3μmの厚さのスペーサを介在して
下部受動光導波路及び上部受動光導波路と能動光導波路
とより構成される2重コア構造を有するが、上部受動光
導波路をSAGパターンを用いた選択領域成長で能動光導
波路と同時に成長させることによって、能動光導波路側
から光放出面側にいくほどその厚さが薄くなる負テーパ
構造を有すると同時にその組成も少しずつ変わる構造を
有する。このような構造は、従来のエッチング法による
2重コア構造とは違って、SAGを用いた方法がはるかに
よい性能のスポットサイズ変換器を得るのに有利であ
る。SAG条件さえ確保されれば、簡単なエッチング工程
を通じてもビーム発散角が非常に小さな2重コアSSCを
非常に高い収率で具現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光通信分野で重要部
品として用いられる光送受信素子としてのスポットサイ
ズ変換器に係り、詳細には光ファイバに印加される光ビ
ームのスポットサイズ変換のための2重コアを選択領域
成長法を用いて製作する選択領域成長法を用いた2重コ
アスポットサイズ変換器及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に光通信分野でスポットサイズ変換
器は、光信号発生原因光素子と光信号伝達媒体の光ファ
イバ内で光ビームのサイズを有させるために、光素子か
ら放出される光ビームのスポットサイズを光素子内での
ビームサイズと一致するように変換して光ファイバに印
加させるのに使われる。このようなスポットサイズ変換
器は、代表的にレーザーダイオードや半導体光増幅器、
変調器、光検出器、波長変換器に主に適用されている。
【0003】光通信時代を早めるために光通信部品のコ
ストダウンが必然的に要請されており、このような要請
に応じる努力の一つとして光送受信部品の値段を下げる
ためにはレンズを使用しないパッケージ形態の光素子生
産が要求される。レンズを使用せずに良い光結合効率を
得る高性能の光部品を製作するためには、素子と光ファ
イバ内でのビームサイズが同程度であるべきだ。しかし
ビームサイズは光ファイバ内で約9μmで非常に大きい
反面に、半導体光素子内では約1μm程度で差が非常に
大きくて光結合効率がとてもよくない。これを解決する
ために素子の端部にモードサイズを拡大できるスポット
サイズ変換器(spot size converter;SSC)を結合する方
法を使用してレンズを使用しなくても良い光結合効率を
具現してこそ低廉な光部品の生産が可能である。
【0004】図1は、既存の2重コアスポットサイズ変
換器の構造を示す部分切開斜視図である。示したよう
に、活性光導波路10は水平方向や垂直方向に負テーパ
を与え、受動光導波路20は正テーパを与えることによ
って、活性光導波路10側に拘束されているモードを断
熱的に受動光導波路20に行かせて素子のビームサイズ
を受動光導波路だけで調節する方法である。
【0005】即ち、既存の方法は図1に示したように、
活性光導波路10での制限を縮めるために水平方向への
エッチングを通じて負テーパを与える方法を使用してい
る。この方法を具現するためには水平方向へのエッチン
グが必須でSSC領域では受動光導波路20だけ存在すべ
きために、正確なエッチング速度の調節が要求される。
即ち、既存のSSCを製作するためには光導波路を湿式ま
たは乾式エッチング法を使用して光拘束係数(optical
confinement factor)を小さくすることによってビーム
サイズを大きくする方法を使用している。
【0006】従来のSSC製作方法を調べれば下の表1に
記載されたように大きく4つの分類に分けられる。それ
ぞれの方法に対して長短所を表1にまとめた。表1で分
かるようにSAG法を除いては正確なエッチングにより0.
2μm以下への光導波路幅の調節が必須で要求される。
反面にSAG法は、より狭いビーム発散角を得るためには
活性層方向の決定性を犠牲しなければならないし、円形
ビームを得るためには正確な光導波路の設計と工程確保
が要求される。Butt-joint法では、SSC領域と活性領域
でモードが柔らかく遷移される結晶成長条件の確保が非
常に難しくて多くの研究と時間が要求される。2重コア
構造の場合、活性光導波路を水平または垂直方向に縮め
ることによってモードサイズを大きくして下方の受動光
導波路に結合してビーム発散角を調節する方法である。
活性光導波路と関係なく受動光導波路の屈折率、厚さ、
幅を調節できるのでビームサイズ調節が非常に容易であ
る。しかしこの方法を使用するためには非常に安定した
エッチング幅と深度の調節が要求されて乾式エッチング
工程の確保が必須的である。しかし乾式エッチング工程
を適用する場合にテーパされた領域で柔らかい輪郭を得
難くてこれに対する深い研究が要求されている。一方、
エッチング法を通じて光導波路幅を調節する方法を使用
してビームサイズを調節する場合には、埋立ヘテロ構造
製作のために再成長時幅が非常に狭い導波路の終端が高
温でマストランスポート(mass transport)現象により
崩れてビーム形態を歪める現象が発生する。
【表1】
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記のような
問題点を改善するために創案したものであって、光素子
から放出されるビームの非点収差を縮め遠距離発散角を
小さくて光素子と光ファイバとの光結合効率を向上させ
る2重コアスポットサイズ変換器及びその製造方法を提
供することにその目的がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記のような目的を達成
するために本発明に係る2重コアスポットサイズ変換器
は、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に所定の
幅と厚さで形成されて放出ビームのパターンを決定する
下部受動光導波路と、前記下部受動光導波路上に所定の
厚さで形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層上に所
定の厚さで形成された能動光導波路と、スポットサイズ
変換のために前記スペーサ層上に前記能動光導波路とつ
ながって負テーパ状で形成された上部受動光導波路と、
前記能動光導波路及び上部受動光導波路上に形成された
上部クラッド層とを具備したことを特徴とする。
【0009】本発明において、前記下部受動光導波路の
幅は0.3μm以上で形成され、厚さは1μm以下で形
成され、前記スペーサ層の厚さは3μm以下で形成さ
れ、前記上部受動光導波路厚さのテーパ構造は厚さの増
加が1.5倍以上であり、前記上部受動光導波路は、モ
ードが前記下部受動光導波路に遷移されるように光放出
面側に前記下部受動光導波路の終端より先に断絶される
ように形成され、前記下部クラッド層はn-InPで形成さ
れ、前記下部受動光導波路はInGaAsPで形成され、前記
スペーサ層はInPで形成され、前記能動光導波路及び上
部受動光導波路はInGaAsPで形成され、前記上部クラッ
ド層はp-InPで形成され、前記光導波路の両側面には絶
縁のためにp-InPで形成された第1電流遮断層とn-InPで
形成された第2電流遮断層がさらに備わったことが望ま
しい。
【0010】前記のような目的を達成するために本発明
に係る2重コアスポットサイズ変換器の製造方法は、
(a) 基板の役割をする下部クラッド層上に下部受動光導
波路及びスペーサ層を順次に成長させる段階と、(b) 前
記スペーサ層上に選択成長用パターンを形成した後、選
択領域成長を通じてテーパ構造のスポットサイズ変換領
域の上部受動光導波路と活性領域の能動光導波路を共に
成長させる段階と、(c)前記上部受動光導波路にエッチ
ング工程を用いて前記テーパ構造外郭の薄くなった部分
を一部除去して前記上部受動光導波路を完成する段階
と、(d) 前記上部受動光導波路及び能動光導波路を含む
光導波路の側面下のクラッド層を部分的にエッチングし
た後、その所に再成長を実施して第1及び第2電流遮断
層を成長させて絶縁構造を形成する段階と、(e) 前記上
部受動光導波路、能動光導波路、第1電流遮断層及び第
2電流遮断層の露出部上に上部クラッド層を成長させる
段階とを含むことを特徴とする。
【0011】本発明において、前記(a)段階で前記下部
受動光導波路は1μm以下の厚さで成長させ、前記スペ
ーサ層は3μm以下の厚さで成長させ、前記(b)段階で
前記上部受動光導波路は、選択領域成長法で厚さの増加
が1.5倍以上になるように成長させ、前記(c)段階で
前記上部受動光導波路は、モードが前記下部受動光導波
路に遷移されるように光放出面側に前記下部受動光導波
路の終端より先に断絶されるようにエッチングし、前記
(d)段階で下部受動光導波路の幅は0.3μm以上で形成
し、前記下部クラッド層はn-InPで形成し、前記下部受
動光導波路はInGaAsPで形成し、前記スペーサ層はInPで
形成し、前記能動光導波路及び上部受動光導波路はInGa
AsPで形成し、前記上部クラッド層はp-InPで形成し、前
記第1電流遮断層はp-InPで形成し、前記第2電流遮断
層はn-InPで形成することが望ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る2重コアスポットサイズ変換器及びその製造方法を詳
細に説明する。
【0013】本発明はエッチングング法の代わりに選択
領域成長(selective area growth;SAG)法を使用して活
性素子内のモードサイズ調節を通じてモードを受動導波
路に移すことによって、ビーム発散角を調節する方法を
使用する。即ち、本発明ではSAG法を使用して活性光導
波路でのモードの拘束を減らすSSC領域を作って下方の
受動光導波路にモードを転換させる方法を使用すること
によって、ややこしいエッチング工程を導入しなくても
良質の2重コアスポットサイズ変換器を得られる。
【0014】このように、SAG法を用いたSSCの具現は、
光部品生産時工程を単純化して製品の値段を低められる
ので現在推進中の光通信体系の構築に非常に有益である
と判断される。
【0015】図2A及び図2Bは、各々本発明に係る2
重コアスポットサイズ変換器の概略的な構造を示す光導
波路方向に切開された垂直断面図及び部分切開斜視図で
ある。示したように、本発明に係る2重コアスポットサ
イズ変換器は、下部受動光導波路2及び上部受動光導波
路3と活性光導波路4の2重コアがスペーサ8を介在し
て形成されてスポットサイズを変換する。上部受動光導
波路3は光が放出されるファセット方向にいくほど厚さ
が薄くなる構造を有し、その組成も厚さによって少しず
つ違う。また、受動導波路3で光放出ファセット方向の
幅は、能動光導波路4の幅と同一とか広く構成される。
下部受動光導波路2は1μm以下の厚さと0.3μm以
上の幅を有するように形成される。そしてスペーサ8は
3μm以下の厚さで形成される。
【0016】このような構造で能動光導波路4領域に存
するモードを受動光導波路2に遷移する過程で、余分の
エッチング工程なくSAGを通じて厚さが段々薄くなり屈
折率が減少して能動光導波路4と同じ光導波路幅でもモ
ードサイズが大きくなる。これを用いれば断熱的に能動
光導波路4でSAGにより形成された上部受動光導波路(SS
C)3へのモードを遷移できる。前記のSSCの役割をする
上部受動光導波路3により大きくなったモードの下層
に、さらに他の受動光導波路2をSAG前に成長させて下
部受動光導波路2に遷移がなされる。この時SSC領域3
でモードを十分に下方の受動光導波路2領域に遷移して
領域から除去すればモード全体が下方の受動光導波路2
に拘束される。下方の受動光導波路2の幅と厚さ及び屈
折率を調節することによってビーム形態を希望の通りに
調節できる。
【0017】ここで、部材番号1、3、5、6及び7は
各々下部クラッド層、上部受動光導波路(スポットサイ
ズ変換領域)、第1電流遮断層、第2電流遮断層及び電
極を示す。ここで、第1電流遮断層5及び第2電流遮断
層6は互いに反対極性の物質でドーピングされて電気的
絶縁層を構成する。
【0018】図3A乃至図3Dは、本発明に係る2重コ
アスポットサイズ変換器を製造する方法を工程段階別に
示す図面であって、図3A乃至図3Cは各工程段階を示
す垂直断面図で、図3Dは部分切開斜視図である。これ
を参照して製造方法を工程段階別に説明すれば次の通り
である。
【0019】先ず、図3Aに示したように、基板の役割
をする下部クラッド層1上に受動光導波路2とInPスペ
ーサ層8とを成長させる。
【0020】次に、スペーサ層8上に誘電体マスクを形
成して選択成長用パターンを形成した後、選択領域成長
(SAG)を通して図3Bに示したようにスポットサイズ変
換領域、即ち、受動光導波路3'と活性領域4とより構
成された上部光導波路3'、4を成長させる。図3Bに
示したように、上部受動光導波路3'は選択領域成長(SA
G)を実施した結果、垂直方向には負テーパが存在するよ
うに形成されるが、能動光導波路4は変動のない構造を
製作できる。
【0021】次に、図3Cに示したように、上部受動光
導波路3'に対する簡単なエッチング工程を通じてSAG成
長法で形成された外郭の薄くなった部分を一部除去して
上部受動光導波路(SSCの役割をする)3を形成する。
【0022】次に、図3Dに示したように、上部受動光
導波路3及び能動光導波路4を含む光導波路の側面クラ
ッド層をエッチングした後その所に再成長を通じて逆転
層5、6を成長させて絶縁構造を形成し、その上に上部
クラッド層9を成長させて埋立ヘテロ構造を製作する。
【0023】以上のような方法で製作された2重コアス
ポットサイズ変換器は次のように動作する。
【0024】図2A及び図2Bに示したような構造の能
動光導波路4から受動光導波路2にモードが進行する時
モードの分布変化を図4に示した。図2AのA領域では
モードの95%以上が能動光導波路4に拘束されている
ことが分かり、能動光導波路4での希望の素子の作動
(増幅、変調、吸収))は受動光導波路2、3の影響を
受けないことが分かる。また、B領域では順次に能動光
導波路4領域が終わりSAGにより形成された受動光導波
路3領域が始まって、能動光導波路4から上部受動光導
波路3にモードの遷移がなされている。C領域では上方
の受動光導波路3領域から下方の受動光導波路2への遷
移がなされており、上方の受動光導波路3が消える前に
50%以上のモードの遷移が起こる。このようなモード
遷移は、上方の受動光導波路3から下方の受動光導波路
2への断熱的な遷移を可能にする。図2AのD領域で
は、下方の受動光導波路2にだけ拘束されているモード
を得られる。前記のモード遷移はBPM方法を通じて遷移
領域B、Cで断熱的モード遷移がなされることが確認され
た。またシミュレーションを通してスペーサの厚さと屈
折率に対する最適の条件を確保した。
【0025】<実施例>実施例は、図5に示したよう
に、基板の役割をするn-InP下部クラッド層1上にInGaA
sP下部受動光導波路2、InGaAsPスペーサ8が順次に積
層され、InGaAsPスペーサ8上にInGaAsP上部受動光導波
路3とInGaAsP能動光導波路4が共同方向に連続して形
成され、その上にp-InP上部クラッド層9及び電極7が
形成される。そしてスペーサ8を含んで上下部光導波路
2、3、4の両側面はエッチングされて、p-InP第1電
流遮断層5及びn-InP第2電流遮断層6が形成されて中
央の光導波路構造を埋立てる。図5の能動光導波路4か
ら0.3μm厚さのInPスペーサ層8を介在して1.1μ
mの波長を有するInGaAsPで形成された下部受動光導波
路2が0.15μmの厚さで形成された構造で得たビー
ムの遠距離パターンが図6A乃至図6D及び図7に示さ
れている。図6A乃至図6Dは、上部受動光導波路3の
光放出面側の幅に従う放出ビームの水平方向の遠距離パ
ターン(far-fieldpattern;FFP)を各々示し、図7は垂直
方向のFFPを示す。即ち、図6Aは、上部受動光導波路
3の光放出面側の幅が能動光導波路4の幅と同じ1μm
で形成した場合のFFPであり、図6Bは、上部受動光導
波路3の光放出面方向の幅を2μmで形成した場合のFF
Pであり、図6C及び図6Dは、各々上部受動光導波路
3の光放出面方向の幅を各々3μm及び4μmで形成し
た場合のFFPである。そして図7に示した垂直方向のFFP
は、受動光導波路3の厚さと屈折率により調節されるの
で光放出面側の幅とは関係なく一つで示される。これら
図面のFFPグラフからその半値幅(Full Width Half Maxi
mum; FWHM)及びビームの発散角が分かる。
【0026】即ち、図6A及び図7を参照する時、上部
受動光導波路3の光放出面側の幅を能動光導波路4の幅
と同じ1μmで形成した場合に、水平方向と垂直方向に
対して11゜×12゜のFFPのFWHMを得られることが分
かる。一般にSAG法だけを使用した時、8゜×15゜の
非常に非対称のFFPを得ることに対して、本発明の方法
を使用した時ほとんど円形光のFFPを得ることができ
た。即ち、非点収差がほとんどない出力ビームを得られ
る。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る2重
コアを有するスポットサイズ変換器は、約0.3μmの
厚さのスペーサを介在して下部受動光導波路及び上部受
動光導波路と能動光導波路とより構成される2重コア構
造を有するが、上部受動光導波路をSAGパターンを用い
た選択領域成長で能動光導波路と同時に成長させること
によって、能動光導波路側から光放出面側にいくほどそ
の厚さが薄くなる負テーパ構造を有すると同時にその組
成も少しずつ変わる構造を有する。このような構造は、
従来のエッチング法による2重コア構造とは違って、SA
Gを用いた方法がはるかによい性能のスポットサイズ変
換器を得るのに有利である。SAG条件さえ確保されれ
ば、簡単なエッチング工程を通じてもビーム発散角が非
常に小さな2重コアSSCを非常に高い収率で具現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 既存の2重コアスポットサイズ変換器の構造
を示す部分切開斜視図である。
【図2】 図2は、各々本発明に係る2重コアスポット
サイズ変換器の構造を示す図面であって、 (A)は、
スポットサイズ変換器を長さ方向に切開した断面を示す
垂直断面図で、 (B)は、スポットサイズ変換器の部
分切開斜視図である。
【図3】 各々図2A及び図2Bの2重コアスポットサ
イズ変換器の製造方法を工程段階別に示す図であって、
それぞれ、(A)第1の工程を示す垂直断面図、(B)
第2の工程を示す垂直断面図、(C)第3の段階を示す
垂直断面図、及び(D)第4の段階を示す部分切開斜視
図である。
【図4】 図2A及び図2Bの2重コアスポットサイズ
変換器のモード遷移を模式的に示すグラフである。
【図5】 本発明の実施形態の部分切開斜視図である。
【図6】 図5の実施例で受動光導波路の水平方向のF
FPを示すグラフであって、ファセットでの幅を各々
(A)1μm、(B)2μm、(C)3μm及び(D)
4μmで形成した場合である。
【図7】 図5の実施例での垂直方向のFFPを示すグラ
フである。
【符号の説明】
1 下部クラッド層 2 下部受動光導波路 3 上部受動光導波路 4 活性光導波路 5 第1電流遮断層 6 第2電流遮断層 7 電極 8 スペーサ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下部クラッド層と、 前記下部クラッド層上に所定の幅と厚さで形成されて放
    出ビームのパターンを決定する下部受動光導波路と、 前記下部受動光導波路上に所定の厚さで形成されたスペ
    ーサ層と、 前記スペーサ層上に所定の厚さで形成された能動光導波
    路と、 スポットサイズ変換のために前記スペーサ層上に前記能
    動光導波路とつながって負テーパ状で形成された上部受
    動光導波路と、 前記能動光導波路及び上部受動光導波路上に形成された
    上部クラッド層とを具備したことを特徴とする2重コア
    スポットサイズ変換器。
  2. 【請求項2】 前記下部受動光導波路の幅は0.3μm以
    上で形成されたことを特徴とする請求項1に記載の2重
    コアスポットサイズ変換器。
  3. 【請求項3】 前記下部受動光導波路の厚さは1μm以
    下で形成されたことを特徴とする請求項1に記載の2重
    コアスポットサイズ変換器。
  4. 【請求項4】 前記スペーサ層の厚さは3μm以下で形
    成されたことを特徴とする請求項1に記載の2重コアス
    ポットサイズ変換器。
  5. 【請求項5】 前記上部受動光導波路厚さのテーパ構造
    は厚さの増加が1.5倍以上であることを特徴とする請
    求項1に記載の2重コアスポットサイズ変換器。
  6. 【請求項6】 前記上部受動光導波路は、モードが前記
    下部受動光導波路に遷移されるように光放出面側に前記
    下部受動光導波路の終端より先に断絶されるように形成
    されたことを特徴とする請求項1に記載の2重コアスポ
    ットサイズ変換器。
  7. 【請求項7】 前記下部クラッド層はn-InPで形成され、
    前記下部受動光導波路はInGaAsPで形成され、前記スペ
    ーサ層はInPで形成され、前記能動光導波路及び上部受
    動光導波路はInGaAsPで形成され、前記上部クラッド層
    はp-InPで形成され、前記光導波路の両側面には絶縁の
    ためにp-InPで形成された第1電流遮断層とn-InPで形成
    された第2電流遮断層がさらに備わったことを特徴とす
    る請求項1に記載の2重コアスポットサイズ変換器。
  8. 【請求項8】 (a) 基板の役割をする下部クラッド層上
    に下部受動光導波路及びスペーサ層を順次に成長させる
    段階と、 (b) 前記スペーサ層上に選択成長用パターンを形成した
    後、選択領域成長を通じてテーパ構造のスポットサイズ
    変換領域の上部受動光導波路と活性領域の能動光導波路
    を共に成長させる段階と、 (c) 前記上部受動光導波路にエッチング工程を用いて前
    記テーパ構造外郭の薄くなった部分を一部除去して前記
    上部受動光導波路を完成する段階と、 (d) 前記上部受動光導波路及び能動光導波路を含む光導
    波路の側面下のクラッド層を部分的にエッチングした
    後、その所に再成長を実施して第1及び第2電流遮断層
    を成長させて絶縁構造を形成する段階と、 (e) 前記上部受動光導波路、能動光導波路、第1電流遮
    断層及び第2電流遮断層の露出部上に上部クラッド層を
    成長させる段階とを含むことを特徴とする2重コアスポ
    ットサイズ変換器の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記(a)段階で前記下部受動光導波路は1
    μm以下の厚さで成長させることを特徴とする請求項8
    に記載の2重コアスポットサイズ変換器の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記(a)段階で前記スペーサ層は3μm
    以下の厚さで成長させることを特徴とする請求項8に記
    載の2重コアスポットサイズ変換器の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記(b)段階で前記上部受動光導波路
    は、選択領域成長法で厚さの増加が1.5倍以上になる
    ように成長させることを特徴とする請求項8に記載の2
    重コアスポットサイズ変換器の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記(c)段階で前記上部受動光導波路
    は、モードが前記下部受動光導波路に遷移されるように
    光放出面側に前記下部受動光導波路の終端より先に断絶
    されるようにエッチングすることを特徴とする請求項8
    に記載の2重コアスポットサイズ変換器の製造方法。
  13. 【請求項13】 前記(d)段階で下部受動光導波路の幅は
    0.3μm以上で形成することを特徴とする請求項8に
    記載の2重コアスポットサイズ変換器の製造方法。
  14. 【請求項14】 前記下部クラッド層はn-InPで形成し、
    前記下部受動光導波路はInGaAsPで形成し、前記スペー
    サ層はInPで形成し、前記能動光導波路及び上部受動光
    導波路はInGaAsPで形成し、前記上部クラッド層はp-InP
    で形成し、前記第1電流遮断層はp-InPで形成し、前記
    第2電流遮断層はn-InPで形成することを特徴とする請
    求項8に記載の2重コアスポットサイズ変換器の製造方
    法。
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