JP2003304028A - 光変調器集積半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 端面近傍におけるレーザ光の吸収を防止し、
かつ、端面の劈開が容易な光変調器集積半導体レーザを
提供する。 【解決手段】 半導体レーザと光変調器とが集積化され
た光変調器集積半導体レーザにおいて、表面と裏面とを
有し、表面にレーザ部と変調器部とが規定された半導体
基板と、半導体基板のレーザ部に設けられた活性層と、
変調器部に設けられた吸収層とを含む光導波路層と、光
導波路層上に設けられたクラッド層と、光導波路層に形
成された光導波路に対して略垂直に配置された、変調器
部側の出射端面と、レーザ部側の反射端面とを含む。更
に、半導体基板の、レーザ部と反射端面との間に透明導
波路部が規定され、光導波路層が、透明導波路部に設け
られ活性層のバンドギャップ波長より短いバンドギャッ
プ波長を有するコア層を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システム等
に使用する、半導体レーザと光変調器とが集積化された
光変調器集積半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、全体が２００で表される、従来
のリッジ型光変調器集積半導体レーザの斜視図である。
また、図８は、図７をＢ−Ｂ方向に見た場合の断面図で
ある。リッジ型光変調器集積半導体レーザ２００は、半
導体レーザと光変調器とが、同一基板上に集積化された
構造となっている。

【０００３】リッジ型光変調器集積半導体レーザ２００
は、ｎ型のＩｎＰ基板１を含む。ＩｎＰ基板１上には、
レーザ部４０、変調器部３０が規定され、それぞれ、Ｉ
ｎＧｓＡｓＰの多重量子井戸からなる活性層２、吸収層
１２が形成されている。活性層２、吸収層１２は同一組
成のＩｎＧａＡｓＰからなるが、活性層２に含まれるウ
エル層の幅は、吸収層１２に含まれるウエル層の幅より
広くなっている。これにより、レーザ部４０で得られる
光が、変調器への印加電圧が小さな時には、変調器部３
０で吸収されない構造となっている。活性層２、吸収層
１２の上にはｐ型のＩｎＰクラッド層３が形成されてい
る。ＩｎＰクラッド層３は、リッジ型にエッチングされ
て、リッジ部２０が形成されている。ＩｎＰクラッド層
３の表面には、酸化シリコンからなる絶縁層４が設けら
れている。ＩｎＰクラッド層３のリッジ部２０の上に
は、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７を介して金か
らなるアノード電極５、１１が設けられている。一方、
ＩｎＰ基板１の裏面には、金からなるカソード電極６が
設けられている。リッジ部２０の両側に設けられた出射
端面２１、反射端面２２は、劈開面から形成される。

【０００４】リッジ型光変調器集積半導体レーザ２００
ではアノード電極５とカソード電極６との間に電流を流
すことにより、レーザ部４０で所定の発振波長のレーザ
光が得られる。レーザ光は、変調器部３０に導かれ、ア
ノード電極１１とカソード電極６との間の印加電圧を変
えることにより、出射端面２１から出射するレーザ光の
強度が変調される。

【０００５】リッジ型光変調器集積半導体レーザ２００
のレーザ部４０でレーザ発振を起こさせた場合、活性層
２内の光子密度は、反射端面２２の近傍で高くなる。こ
のため、この領域においてホールバーニングの効果が大
きくなり、活性層２の利得が低下する。この結果、反射
端面２２の近傍でレーザ光が吸収され、発光効率が低下
するという問題があった。

【０００６】これに対して、従来は、アノード電極５を
反射端面２２まで延在させるとともに、膜厚を１〜２μ
ｍ程度と厚くしてシート抵抗を下げる構造を採用してい
た。これにより、反射端面２２の近傍の活性層２にも電
流を十分に注入し、反射端面２２近傍の活性層２でホー
ルバーニングの効果が大きくなるのを防止していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アノー
ド電極５を反射端面２２まで延在させ、かつ厚みを１μ
ｍ以上と厚くした場合、製造工程において、劈開により
良好な反射端面（劈開面）２２を形成するのが困難であ
った。この結果、リッジ型光変調器集積半導体レーザ２
００の製造歩留りの低下、製造コストの上昇を招くとい
う問題があった。

【０００８】そこで、本発明は、端面近傍におけるレー
ザ光の吸収を防止し、かつ、端面の劈開が容易なリッジ
型光変調器集積半導体レーザの提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体レーザ
と光変調器とが集積化された光変調器集積半導体レーザ
であって、表面と裏面とを有し、該表面にレーザ部と変
調器部とが規定された半導体基板と、該半導体基板の該
レーザ部に設けられた活性層と、該変調器部に設けられ
た吸収層とを含む光導波路層と、該光導波路層上に設け
られたクラッド層と、該レーザ部の、該クラッド層上に
設けられた第１アノード電極と、該変調器部の、該クラ
ッド層上に設けられた第２アノード電極と、該半導体基
板の裏面に設けられたカソード電極と、該光導波路層に
形成された光導波路に対して略垂直に配置された、該変
調器部側の出射端面と、該レーザ部側の反射端面とを含
み、更に、該半導体基板の、該レーザ部と該反射端面と
の間に透明導波路部が規定され、該光導波路層が、該透
明導波路部に設けられ該活性層のバンドギャップ波長よ
り短いバンドギャップ波長を有するコア層を含むことを
特徴とする光変調器集積半導体レーザである。光導波路
層が本コア層を有することにより、反射端面近傍の、光
導波路層でのレーザ光の吸収を防止できる。この結果、
発光効率の低下を防止することが可能となる。なお、こ
こでは、半導体基板が光導波路層下部のクラッド層を兼
ねているが、別途クラッド層を設けても構わない。

【００１０】好適には、上記光導波路層が量子井戸構造
からなり、上記コア層に含まれるウエル層のウエル幅
が、上記活性層に含まれるウエル層のウエル幅より狭い
ことを特徴とする光変調器集積半導体レーザである。

【００１１】上記コア層と上記吸収層とのバンドギャッ
プ波長は、略同一であっても良い。

【００１２】上記コア層の屈折率は、上記クラッド層の
屈折率より大きい。

【００１３】上記第１アノード電極は、上記反射端面か
ら所定の間隔を隔てて配置されている。かかる構造を有
することにより、製造工程において反射端面の劈開が容
易となり、製造歩留りを高くすることができる。この結
果、製造コストを下げることができる。

【００１４】上記クラッド層が、上記光導波路に沿って
延在するリッジ構造を有するものであっても良い。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、全体が１００で表され
る、本発明の実施の形態にかかるリッジ型光変調器集積
半導体レーザの斜視図である。また、図２は、図１をＡ
−Ａ方向に見た場合の断面図である。図１、２中、図
７、８と同一符号は、同一又は相当個所を示す。

【００１６】リッジ型光変調器集積半導体レーザ１００
は、ｎ型のＩｎＰ基板１を含む。ＩｎＰ基板１には、レ
ーザ部４０、変調器部３０、透明導波路部５０が規定さ
れ、それぞれ、ＩｎＧｓＡｓＰの多重量子井戸からなる
活性層２、吸収層１２、およびコア層８が形成されてい
る。活性層２、吸収層１２およびコア層８は同一組成の
ＩｎＧａＡｓＰからなるが、各層に含まれるウエル層の
幅が異なっている。即ち、それぞれのウエル層の幅は、
例えば、活性層２が１０ｎｍ、吸収層１２が８ｎｍ、コ
ア層８が５ｎｍである。これにより、吸収層１２、コア
層８において光吸収係数が略１ｃｍ^−１以下となり、レ
ーザ部４０で得られるレーザ光が、変調器部３０や透明
導波路部５０で吸収されないようになる。

【００１７】活性層２、吸収層１２、およびコア層８の
上にはｐ型のＩｎＰクラッド層３が形成されている。な
お、ここでは、ＩｎＰ基板１が、活性層２等の下方のク
ラッド層を兼ねているが、別途、クラッド層を形成して
も構わない。ＩｎＰクラッド層３は、リッジ型にエッチ
ングされて、リッジ部２０が形成されている。ＩｎＰク
ラッド層３の表面には、酸化シリコンからなる絶縁層４
が設けられている。ＩｎＰクラッド層３のリッジ部２０
の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７を介し
て金からなるアノード電極（第１アノード電極）５、ア
ノード電極（第２アノード電極）１１が設けられてい
る。アノード電極５は、レーザ部４０の上方に設けら
れ、透明光導波路５０の、反射端面２２近傍には設けら
れていない。このため、アノード電極５とカソード電極
６との間に印加された電圧は、コア層８には殆ど印加さ
れない。

【００１８】一方、ＩｎＰ基板１の裏面には、金からな
るカソード電極６が設けられている。リッジ部２０の両
側に設けられた出射端面２１、反射端面２２は、劈開面
から形成される。

【００１９】リッジ型光変調器集積半導体レーザ１００
では、アノード電極５とカソード電極６との間に電圧を
印加することにより、レーザ部４０で所定の発振波長の
レーザ光が得られる。レーザ光は、変調器部３０の吸収
層１２に導かれる。変調器部３０では、アノード電極１
１とカソード電極６との間に逆バイアスが印加される。
逆バイアスの値を変えると、量子閉じ込めシュタルク効
果またはフランツケルディッシュ効果により、吸収層１
２の光吸収係数が変化し、変調器部３０の出射端面２１
から出射される光の強度が変調される。

【００２０】特に、本実施の形態にかかるリッジ型光変
調器集積半導体レーザ１００では、活性層２と反射端面
２２との間にコア層８が設けられれている。かかるコア
層８は、電流が注入されない場合には、レーザ部４０で
得られたレーザ光を吸収しない材料、構造からなる。上
述のように、レーザ部４０に所定の電圧を印加し、レー
ザ発振をさせた状態では、コア層８には殆ど電圧が印加
されないため、コア層８ではレーザ光は吸収されない。
従って、従来構造で問題となっていた、反射端面２２近
傍の活性層２におけるレーザ光の吸収に起因する、発光
効率の低下や素子温度の上昇を防止することができる。

【００２１】なお、コア層８は、基板１、クラッド層３
より屈折率の大きな材料であれば、単一量子井戸構造や
バルク構造としても構わない。また、活性層２、吸収層
１２、およびコア層８は、組成の異なる半導体から形成
しても構わない。

【００２２】次に、本実施の形態にかかるリッジ型光変
調器集積半導体レーザ１００の製造方法について、図３
を参照しながら説明する。かかる製造方法はバットジョ
イント法を用いる方法であり、以下の工程１〜７を含
む。

【００２３】工程１：図３（ａ）に示すように、ｎ型の
ＩｎＰ基板１を準備し、その上に、ＩｎＧａＡｓＰの多
重量子井戸を含む活性層２を成長させる。成長には、例
えば有機金属気相成長法を用いる。多重量子井戸に含ま
れるウエル層の幅（膜厚）は１０ｎｍとする。続いて、
活性層２の上に、酸化シリコンからなるマスク９を形成
し、マスク９を用いて、変調器部３０の活性層２をドラ
イエッチングで除去する。ドライエッチングには、メタ
ン、水素、および酸素の混合ガスを用いる。

【００２４】工程２：図３（ｂ）に示すように、同じマ
スク９を用いて、変調器部３０のＩｎＰ基板１の上に、
ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸を含む吸収層１２を成長
させる。成長には、例えば有機金属気相成長法を用い
る。多重量子井戸に含まれるウエル層の幅（膜厚）は８
ｎｍとする。

【００２５】工程３：図３（ｃ）に示すように、マスク
９を除去した後に、再度、酸化シリコンからなるマスク
１３を形成し、マスク１３を用いて、透明導波路部５０
の活性層２を、ドライエッチングで除去する。ドライエ
ッチングには、同じく、メタン、水素、および酸素の混
合ガスを用いる。

【００２６】工程４：図３（ｄ）に示すように、更にマ
スク１３を用いて、透明導波路部５０のＩｎＰ基板１の
上に、ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸を含むコア層８を
成長させる。成長には、例えば有機金属気相成長法を用
いる。多重量子井戸に含まれるウエル層の幅（膜厚）は
５ｎｍとする。

【００２７】工程５：図３（ｅ）に示すように、マスク
１３を除去した後、全面に、ｐ型のＩｎＰクラッド層
３、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７を成長させ
る。成長には、例えば有機金属気相成長法を用いる。図
３（ｅ）に示すように、吸収層１２を形成した領域が変
調器部３０、コア層８を形成した領域が透明導波路部５
０となる。残る領域には活性層２が形成されており、か
かる領域がレーザ部４０となる。

【００２８】工程６：通常のリッジ型光変調器集積半導
体レーザと同様に、クラッド層３、コンタクト層７をエ
ッチングしてリッジ部２０を形成する。続いて、コンタ
クト層７の上に酸化シリコンからなる絶縁層４が形成さ
れる。レーザ部４０、変調器部３０において、リッジ部
上の絶縁層４を部分的に除去し、金からなるアノード電
極１１、５を形成する。この場合、透明導波路部５０の
反射端面２２近傍にはアノード電極は形成されない。更
に、ＩｎＰ基板１の裏面に金からなるカソード電極６を
形成する。

【００２９】工程７：ＩｎＰのウエハ上に形成された複
数の素子を光導波路方向（図３の横方向）に延びたバー
状に切り出した後、劈開により、出射端面２１、反射端
面２２を形成する。以上の工程で、図１、２に示すリッ
ジ型光変調器集積半導体レーザ１００が完成する。

【００３０】図２に示すように、本実施の形態にかかる
リッジ型光変調器集積半導体レーザ１００では、出射端
面２１、反射端面２２の近傍のアノード電極５、１１を
厚く形成することを要しない。このため、劈開により、
容易に出射端面２１、反射端面２２を形成することがで
きる。この結果、劈開による端面形成工程における歩留
りの低下、それに伴う製造コストの上昇を防止できる。

【００３１】次に、図４、５を参照しながら、本実施の
形態にかかるリッジ型光変調器集積半導体レーザ１００
の他の製造方法について説明する。かかる製造方法で
は、選択成長法が用いられる。まず、図４に示すよう
に、ＩｎＰ基板１上に、酸化シリコンからなる選択成長
マスク１５を形成する。選択成長マスク１５は、対向配
置された１組のマスクからなる。変調器部３０、レーザ
部４０、透明導波路部５０の、選択成長マスク１５の幅
を、それぞれＷ_１、Ｗ_２、Ｗ_３とすると、Ｗ_３＜Ｗ_１＜
Ｗ_２となる。

【００３２】かかる選択成長マスク１５を用いて、１組
の選択成長マスク１５に挟まれた領域に、ＩｎＧａＡｓ
Ｐの多重量子井戸層の成長を行う。成長には、有機金属
気相成長法を用いる。反応ガスの拡散により、選択成長
マスク１５の幅の広い領域（レーザ部４０）では多重量
子井戸層の膜厚が厚くなり、一方、選択成長マスク１５
の幅の狭い領域（透明導波路部５０）では多重量子井戸
層の膜厚が薄くなる。即ち、レーザ部４０（活性層２）
では、多重量子井戸に含まれるウエル層の幅（膜厚）が
最も大きくなり、変調器部３０（吸収層１２）、透明導
波路部５０（コア層８）の順にウエル層の幅が小さくな
る。

【００３３】例えば、Ｗ_１を２０μｍ、Ｗ_２を６０μ
ｍ、Ｗ_３を１０μｍとすると、吸収層１２のバンドギャ
ップ波長が、活性層２のバンドギャップ波長より略６０
ｎｍ短くなり、コア層８のバンドギャップ波長が、活性
層２のバンドギャップ波長より略７０ｎｍ短くなる。こ
の結果、電圧が印加されない状態における、コア層８の
光吸収係数は、吸収層１２の光吸収係数より小さくな
る。

【００３４】続いて、選択成長マスク１５を除去した後
に、上述の工程５〜７を行う。これにより、リッジ型光
変調器集積半導体レーザ１００が完成する。

【００３５】なお、図５に示すように、変調器部３０、
レーザ部４０、透明導波路部５０の、選択成長マスクの
幅が、それぞれＷ_１、Ｗ_２、Ｗ_１（但し、Ｗ_１＜Ｗ_２）
となる選択成長マスク１６を用いても構わない。かかる
選択成長マスク１６を用いた場合、吸収層１２と透明導
波路層８とのバンドギャップ波長が、同じとなる。

【００３６】例えば、Ｗ_１を２０μｍ、Ｗ_２を６０μｍ
とすると、吸収層１２のバンドギャップ波長とコア層８
のバンドギャップ波長が、ともに、活性層２のバンドギ
ャップ波長より略６０ｎｍ短くなる。

【００３７】このように、選択成長法を用いた製造方法
では、レーザ部４０の活性層２と、レーザ光を吸収しな
い吸収層１２およびコア層８を、１回の成長工程で作製
することができる。このため、製造工程の簡略化が可能
となる。

【００３８】更に、図６を参照しながら、本実施の形態
にかかるリッジ型光変調器集積半導体レーザ１００の他
の製造方法について説明する。かかる製造方法では、多
重量子井戸の無秩序化が用いられる。かかる製造方法で
は、まず、図６（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１の上
に、ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸からなる活性層２
を、有機金属気相成長法で形成する。

【００３９】次に、図６（ｂ）に示すように、変調器部
３０、透明導波路部５０の活性層２上に、ＺｎＯ_２膜１
４を形成する。その後、略６００℃で略３０分間保持し
て、アニールを行う。この結果、ＺｎＯ_２膜１４の下方
の活性層２で、多重量子井戸のウエル層とバリア層とが
一部で混晶化する。混晶化した活性層２が、吸収層１
２、コア層８となる。混晶化した活性層２、即ち、吸収
層１２、コア層８では、バンドギャップ波長が、活性層
２より短波長側にシフトする。このため、吸収層１２、
コア層８の光吸収係数は、活性層２より小さくなる。

【００４０】続いて、図６（ｃ）に示すように、ＩｎＰ
クラッド層３、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７を、有機
金属気相成長法で形成する。続いて、上述の工程６、７
を行うことにより、図１、２に示すリッジ型光変調器集
積半導体レーザ１００が完成する。

【００４１】このように、多重量子井戸の無秩序化を用
いた製造方法では、製造工程の簡略化が可能となる。

【００４２】なお、本実施の形態では、ＩｎＰ基板１、
ＩｎＧａＡｓＰ活性層２等を用いた場合について説明し
たが、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等の、半導体光素子に使
用される他の材料を用いても構わない。

【００４３】また、本実施の形態では、リッジ構造の光
変調器集積半導体レーザについて説明したが、埋め込み
ヘテロ構造の光変調器集積半導体レーザに対しても適用
することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる光変調器集積半導体レーザでは、高効率の発
光、光変調が可能となる。

【００４５】また、製造工程において端面の劈開が容易
であり、製造歩留りを高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態にかかるリッジ型光変調
器集積半導体レーザの斜視図である。

【図２】 本発明の実施の形態にかかるリッジ型光変調
器集積半導体レーザの断面図である。

【図３】 本発明の実施の形態にかかるリッジ型光変調
器集積半導体レーザの第１の製造工程の断面図である。

【図４】 本発明の実施の形態にかかるリッジ型光変調
器集積半導体レーザの第２の製造工程の上面図である。

【図５】 本発明の実施の形態にかかるリッジ型光変調
器集積半導体レーザの第２の製造工程の上面図である。

【図６】 本発明の実施の形態にかかるリッジ型光変調
器集積半導体レーザの第３の製造工程の断面図である。

【図７】 従来のリッジ型光変調器集積半導体レーザの
斜視図である。

【図８】 従来のリッジ型光変調器集積半導体レーザの
断面図である。

【符号の説明】

１ 基板、２ 活性層、３ クラッド層、４ 絶縁層、
５、１１ アノード電極、６ カソード電極、７ コン
タクト層、８ コア層、１２ 吸収層、２０リッジ部、
２１ 出射端面、２２ 反射端面、３０ 変調器部、４
０ レーザ部、５０ 透明導波路部、１００ リッジ型
光変調器集積半導体レーザ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザと光変調器とが集積化され
   た光変調器集積半導体レーザであって、 表面と裏面とを有し、該表面にレーザ部と変調器部とが
   規定された半導体基板と、 該半導体基板の該レーザ部に設けられた活性層と、該変
   調器部に設けられた吸収層とを含む光導波路層と、 該光導波路層上に設けられたクラッド層と、 該レーザ部の、該クラッド層上に設けられた第１アノー
   ド電極と、 該変調器部の、該クラッド層上に設けられた第２アノー
   ド電極と、 該半導体基板の裏面に設けられたカソード電極と、 該光導波路層に形成された光導波路に対して略垂直に配
   置された、該変調器部側の出射端面と、該レーザ部側の
   反射端面とを含み、 更に、該半導体基板の、該レーザ部と該反射端面との間
   に透明導波路部が規定され、該光導波路層が、該透明導
   波路部に設けられ該活性層のバンドギャップ波長より短
   いバンドギャップ波長を有するコア層を含むことを特徴
   とする光変調器集積半導体レーザ。
2. 【請求項２】 上記光導波路層が量子井戸構造からな
   り、上記コア層に含まれるウエル層のウエル幅が、上記
   活性層に含まれるウエル層のウエル幅より狭いことを特
   徴とする請求項１に記載の光変調器集積半導体レーザ。
3. 【請求項３】 上記コア層と上記吸収層とのバンドギャ
   ップ波長が、略同一であることを特徴とする請求項１に
   記載の光変調器集積半導体レーザ。
4. 【請求項４】 上記コア層の屈折率が、上記クラッド層
   の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の
   光変調器集積半導体レーザ。
5. 【請求項５】 上記第１アノード電極が、上記反射端面
   から所定の間隔を隔てて配置されたことを特徴とする請
   求項１に記載の光変調器集積半導体レーザ。
6. 【請求項６】 上記クラッド層が、上記光導波路に沿っ
   て延在するリッジ構造を有することを特徴とする請求項
   １に記載の光変調器集積半導体レーザ。