JP2008010484A - 半導体光素子及び光送信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体光素子を形成する活性層の材料系を問わず、経時的に発振波長が変動しない高信頼性を有するＤＷＤＭ光伝送用レーザと、高速動作が可能な低容量な外部変調器とを両立する変調器集積レーザを高歩留・低コストで実現する。
【解決手段】レーザ部と変調器部のメサ構造を異なる構造にする。すなわち、レーザ部はメサ周囲が空気であるリッジ導波路構造、変調器部はメサ周囲を有機絶縁物で埋め込んで平坦化したリッジ導波路構造とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体光素子に関し、特に、伝送速度２．５Ｇｂｉｔ／ｓ以上で動作する、外部変調器集積レーザ、及びそれを搭載した光送信モジュールに関する。

複数波長の光信号を一つの光ファイバで伝送する波長分割多重（ＤＷＤＭ；Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光伝送においては、伝送速度２．５Ｇｂｉｔ／ｓ以上、とりわけ１０Ｇｂｉｔ／ｓで長距離伝送させる方式が現在最も多く用いられ、最近では４０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送速度に対する市場要求も徐々に増加してきている。

ＤＷＤＭ光伝送については、ＩＴＵ−Ｔ規格において長距離光伝送を実現する１．５５μｍ波長帯でグリッド波長が定義されており、その波長間隔（周波数間隔）は０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）または０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）である。したがって、このような光伝送に用いる半導体光素子は、その発振波長が経時的に変動することは致命的である。

ＤＷＤＭ光伝送に用いられる光源には、小型で低コストな電界吸収型変調器（ＥＡ；Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）集積分布帰還型（ＤＦＢ；Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザがある（以下ではＥＡ／ＤＦＢ集積レーザという）。特に、ＥＡ／ＤＦＢ集積レーザを形成する光導波路構造がメサを鉄ドープインジウム燐（Ｆｅ−ＩｎＰ）などの半絶縁性半導体で埋め込んで平坦化した埋め込みヘテロ構造（ＢＨ；Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）は、レーザ部の発振波長が非常に安定しているため、ＤＷＤＭ光伝送に一般に用いられている構造である。

以下に、図６〜７にしたがって、ｎ型ＩｎＰ基板を用いてＢＨ構造を形成するプロセスを簡単に記す。

初めに、ｎ型半導体基板１０１上にＴ−ＣＶＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による酸化膜（ＳｉＯ_２）１０２を形成し、レーザ部１０３のメサに相当する領域を挟んでＳｉＯ_２膜のパターニングを行う。このＳｉＯ_２膜をマスクとし、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）という選択成長法により、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０４、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層１０５、井戸層・障壁層がＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸１０６（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層１０７、ｐ型ＩｎＰキャップ層１０８を順に成長させる（第一多層成長：図６（Ａ））。

レーザ部１０３に、ＳｉＯ_２マスクがあるために、選択成長効果によってレーザ部１０３の膜厚がＥＡ変調器部１０９の膜厚に比べて厚くなる。また、ＳｉＯ_２マスクの間隔を変えることによって、ＥＡ／ＤＦＢ集積レーザの特性に影響を与える、レーザ部１０３とＥＡ変調器部１０９のフォトルミネッセンス波長を変えることが可能となる。

その後、ＳｉＯ_２マスク１０２を除去し、レーザ部１０３のｐ型ＩｎＰキャップ層１０８のみエッチングし、上側ガイド層１０７の一部に干渉露光法によって回折格子１１０を形成する（図６（Ｂ））。

次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１１、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰとｐ型ＩｎＧａＡｓによるコンタクト層１１２、ｐ型ＩｎＰ保護層１１３をＭＯ−ＣＶＤによって再成長する（第二多層成長：図６（Ｃ））。第一多層、第二多層ともに、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ、及びｐ型ＩｎＰのドーパントとしては亜鉛（Ｚｎ）が用いられるのが一般的である。次に、ｐ型ＩｎＰ保護層１１３を除去し、ＳｉＯ_２膜１１４をマスクとして、ドライエッチング、またはウェットエッチングによって、レーザ部１０３、ＥＡ変調器部１０９に１〜２μｍの幅で、ＭＱＷの位置よりも十分深く（例えば３μｍ程度）、メサを形成する（図６（Ｄ））。

その後、メサ以外の領域を再度Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性半導体１１５で埋め込み成長を行い、ＳｉＯ_２マスク１１４を除去し、ＢＨ構造を形成する（図７（Ｅ））。

続いて、レーザ部１０３とＥＡ変調器部１０９の間のメサ直上のコンタクト層１１２をエッチングにより除去する。これはレーザ部１０３とＥＡ変調器部１０９とを電気的に分離するためのアイソレーション溝である。さらに、ウエハ全体をＴ−ＣＶＤによりパッシベーション膜１１６で保護する。その後、レーザ部１０３・ＥＡ変調器部１０９ともにメサ部のパッシベーション膜１１６を除去してスルーホールをあける。さらにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極１１７を蒸着し、イオンミリングによって電極パターニングを行う。その後、ウエハ厚が１００〜１５０μｍになる程度まで研磨し、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極１１８を蒸着してウエハが完成する（図７（Ｆ））。

そのウエハをバー状に劈開し、素子後方（レーザ側）劈開面を反射率９０％以上の高反射膜１１９、素子前方（ＥＡ変調器側）劈開面を反射率１％以下の非反射膜１２０でコーティングして、最後にチップ状に劈開する（図７（Ｇ））。

図７（Ｇ）に、このようにして完成したＥＡ／ＤＦＢ集積レーザのレーザ部１０３、ＥＡ変調器部１０９の断面図を示す（ｂ−ｂ’断面図、ｃ−ｃ’断面図）を示す。

以上のようにして作製したＢＨ構造のＥＡ／ＤＦＢ集積レーザの発振波長の安定性をみるために上記レーザに対して、故意に負荷を与える温度サイクル試験を行うと、以下の通りとなる。

温度サイクル試験は、ＥＡ／ＤＦＢ集積レーザを窒素雰囲気中の恒温槽に入れ素子の環境温度を約１０℃／分のレートで−４０℃から＋８５℃まで上昇させ、その後−４０℃まで冷却（または、＋８５℃から−４０℃まで冷却し、その後＋８５℃まで上昇）に変えることを１サイクルとし、これを５０サイクル以上繰り返す試験である。この試験では、８個の素子について１５０サイクル試験前後での発振波長の変化を調べた。

その結果、−９〜０ｐｍと波長変動が非常に小さく、ＢＨ構造のレーザがＤＷＤＭ 光伝送に適していることがわかった。

ところで、上述したように、最近では４０Ｇｂｉｔ／ｓのＤＷＤＭ光伝送に対する市場要求も徐々に増加してきている。高速動作を可能とするためには、ＥＡ変調器の変調帯域を十分に大きくする必要がある（例えば、４０Ｇｂｉｔ／ｓ動作の場合には変調帯域３５ＧＨｚ以上あるのが望ましい）。そのためには、ＥＡ変調器部の寄生容量を０．１〜０．２ｐＦ程度まで小さくしなければならない。

Ｆｅ−ＩｎＰによるＢＨ構造では、埋め込み成長時の６００℃前後の高温下で、ｐ型ＩｎＰクラッドのドーパントであるＺｎがＦｅと相互拡散しやすいことが知られている。そのため、メサ脇では拡散したＺｎによって、制御困難な寄生容量が発生したり、プロセス上突発的に容量が大きくなったりするという不具合が起こり、ＥＡ変調器の変調帯域に悪影響を与える。最近、「Ｒ．Ｉｇａ ｅｔ ａｌ．”Ｒｕ−ｄｏｐｅｄ Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａｓｅｒ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｕｐ ｔｏ １００℃ ｆｏｒ １０−Ｇｂｉｔ／ｓ Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ”，ＥＣＯＣ２００５，Ｔｕ４．５．２」のように、メサ脇をルテニウムドープインジウム燐（Ｒｕ−ＩｎＰ）という半絶縁性半導体で埋め込むという報告がある。ＲｕはＺｎとの相互拡散がほとんどないため、ＥＡ変調器部の容量を制御しやすいという利点があるが、材料を安定的に供給するのが難しいという課題があり、Ｒｕ−ＩｎＰ埋め込みを適用した半導体光素子を大量生産するには困難な状況である。

一方、ｎ型ＩｎＰ半導体基板を用いたリッジ導波路構造の場合、メサを形成した後、樹脂などの低誘電率（約１．５）の誘電体でメサ脇を埋め込む。この際、ＢＨ構造のように超高温に基板をさらすことがないため、容量増大を引き起こす相互拡散は起きない。したがって、容量を十分小さくでき、また容量自体の設計も行いやすい。そのため、例えば４０Ｇｂｉｔ／ｓ動作のＥＡ変調器などに樹脂埋め込みリッジ導波路構造を適用するのは非常に有効な手段である。

より簡単にＥＡ／ＤＦＢ集積レーザを作製するために、ＥＡ変調器部同様、レーザ部のメサ構造も樹脂で埋め込んだリッジ導波路構造とした場合について、その発振波長変動について述べる。ＥＡ変調器部・レーザ部ともに樹脂埋め込みリッジ導波路構造であるＥＡ／ＤＦＢ集積レーザ１０個について、ＢＨ構造のＥＡ／ＤＦＢ集積レーザと同様に、１５０サイクル程度の温度サイクル試験を行った結果、発振波長の変動は−２４〜＋２０ｐｍと非常に大きいことがわかった。

この波長変動量は、時分割多重（ＴＤＭ；Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光伝送に用いる半導体光素子としては問題ないが、ＤＷＤＭ光伝送に用いる半導体光素子としては信頼性上好ましくない。上記波長変動は、メサを構成している半導体とメサ脇の埋め込みに用いている樹脂の熱膨張係数の差が大きい（半導体が数ｐｐｍ／℃に対して、樹脂は約５０ｐｐｍ／℃）ため、温度変動に応じてメサ部に与える応力が非常に大きいことが原因であると考えられる。一方、ＢＨ構造の場合、メサとメサ脇が同一半導体材料であるため、メサに応力はほとんどかからず、発振波長は非常に安定している。

一方、「Ｃ．Ｒｏｌｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．，“ＩｎＧａＡｓＰ−ｂａｓｅｄ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ”，ＯＦＣ’９８ ＴｈＨ１」のように、レーザ部をＢＨ構造、変調器部をリッジ導波路構造とすることが考えられる（図８）。本文献では、変調器部のメサ脇は空気であるが、メサ幅とｐ電極の幅が同じであるため、ＰＩＮ接合容量以外に余分なメサ脇の容量がつくことはなく、低容量が実現できる。また、レーザ部は半導体で埋め込まれたＢＨ構造であるため、メサに応力がかかることなく発振波長も安定している。しかしながら、ＭＱＷの材料がＩｎＧａＡｌＡｓである場合、メサを作製した後、メサ側壁のＭＱＷが空気に触れるため、本文献のようにＰ系材料であるＩｎＧａＡｓＰに比べてＡｌ系材料であるＩｎＧａＡｌＡｓが酸化されやすい。この後、ＢＨ構造にする直前にＡｌ酸化物を除去すべく、注意深く前処理を行う必要がある。仮にメサ側壁にＡｌ酸化物などの不純物がついている状態で、レーザ部をＢＨ構造にした場合、不純物がレーザ注入電流のリークパスになるなどしてレーザの信頼性に悪影響を与える。このように、Ａｌを含む材料を用いた場合、レーザ部をＢＨ構造にすることは非常に困難であり、突発的な不良を起こす可能性があるのが現状である。

本発明において解決しようとする課題は、半導体光素子の活性層を形成する材料系を問わず、経時的に発振波長が変動しない高信頼性を有するＤＷＤＭ光伝送用レーザと、高速動作が可能な低容量変調器とを両立するＥＡ／ＤＦＢ集積レーザを高歩留・低コストで実現することである。

ＤＷＤＭ光伝送と低容量変調器を両立させるためには、レーザ部と変調器部のメサ構造を異なる構造にすることが有効である。すなわち、レーザ部はメサ周囲が空気であるリッジ導波路構造とし、変調器部はメサ周囲を有機絶縁物で埋め込んで平坦化したリッジ導波路構造とすることが有効である。

例えば、本発明の半導体光素子は、変調器と半導体レーザとが同一半導体基板上に集積された半導体光素子であって、前記外部変調器及び前記半導体レーザを形成する光導波路構造はリッジ導波路構造である。そして、前記変調器側のリッジ導波路構造の両脇が有機絶縁物で埋め込まれ、前記半導体レーザ側のリッジ導波路構造の両脇が有機絶縁物で埋め込まれていない半導体光素子である。

言い換えれば、前記変調器側では、光導波路の中心軸からみて、電極が配されている方向と垂直な方向に、有機絶縁物が配されている。一方、前記半導体レーザ側では、光導波路の中心軸からみて、電極が配されている方向と垂直な方向に、有機絶縁物が実質的に配されていない。

また、前記変調器側において、前記有機絶縁膜は、光導波路又は光導波路のパッシベーション膜に隣接して配されている。

前記有機絶縁物は、低誘電性の樹脂が好ましく、ポリイミド樹脂や、ベンゾシクロブテン樹脂などであってもよい。

前記変調器は、電界吸収型変調器、またはマッハツェンダー型変調器であってもよい。

前記半導体レーザは、分布帰還型レーザ、または分布反射型レーザであってもよい。

前記変調器、前記半導体レーザの少なくともいずれか一方は、インジウムガリウム砒素燐、または、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料とする多重量子井戸から構成されていてもよい。

本発明を用いることによって、ＤＷＤＭ光伝送用途に対応した特性の優れたレーザ部、及び、容量設計が容易で低容量の変調器部を集積した光素子を作製することができる。また、半導体光素子を形成する活性層の材料系に関係なく高歩留の素子を提供できる。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷからなる変調器集積レーザにおいても、レーザ部・変調器部ともにＢＨ構造にした場合に比べて、結晶成長の条件だしを含め成長回数が減るため、ウエハプロセスにかかる時間・費用の低減につながるし、レーザ部・変調器部ともに樹脂埋め込みリッジ導波路構造にした場合に比べて標準的なプロセスを１工程追加するだけで、特性の優れた高歩留な素子が実現可能である。

以下に本発明に関する具体的な実施例を詳細に説明する。

本発明の実施例１を説明する。まず、図１及び図２を用いて、ＥＡ変調器部３０１をポリイミド樹脂埋め込みリッジ導波路構造とし、レーザ部３０２をメサ周囲が空気であるリッジ導波路構造であるＥＡ／ＤＦＢ集積レーザの作製方法について述べる。なお、図は、平面図と断面図により表されている。

初めに、ｎ型半導体基板３０３上にＴ−ＣＶＤによるＳｉＯ_２膜３０４を形成し、レーザ部３０２のメサに相当する領域を挟んでＳｉＯ_２膜のパターニングを行う。このＳｉＯ_２膜３０４をマスクとし、ＭＯ−ＣＶＤ法による選択成長法を用いて、ｎ型ＩｎＰバッファ層３０５、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層３０６、井戸層・障壁層がＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ３０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層３０８、ｐ型ＩｎＰキャップ層３０９を形成する（第一多層成長：図１（Ａ））。

その後、ＳｉＯ_２マスク３０４を除去し、レーザ部３０２のｐ型ＩｎＰキャップ層３０９のみエッチングし、上側ガイド層３０８の一部に干渉露光法によって回折格子３１０を形成する（図１（Ｂ））。

次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層３１１、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰとｐ型ＩｎＧａＡｓによるコンタクト層３１２、ｐ型ＩｎＰ保護層３１３をＭＯ−ＣＶＤ法によって再成長する（第二多層成長：図１（Ｃ））。

第一多層、第二多層ともに、ｐ型半導体のドーパントとしてはＺｎが用いられるのが一般的である。次にｐ型ＩｎＰ保護層３１３を除去した後、ドライエッチング、またはウェットエッチングによって、ＥＡ変調器部３０１、レーザ部３０２に幅１〜２μｍのリッジ導波路構造のメサを形成する（図１（Ｄ））。

メサの深さは、通常、ｐ型ＩｎＰクラッド層３１１とＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層３０８との界面でエッチングを止めるローメサリッジ導波路構造である。これは、例えば塩酸／酢酸の混合液を用いれば、選択的に上記界面でエッチングを止めることができ、非常に簡単なプロセスで作製できるという利点がある。このとき、ＥＡ変調器部３０１を極力低容量にするために、ＥＡ変調器部に電圧を印加するためのワイヤをボンディングする電極パッド部３１４もパターニングによってメサと同じ深さだけエッチングすることが有効である。さらに、ＥＡ変調器部３０１とレーザ部３０２間のメサ直上のコンタクト層３１２をエッチングにより除去し、アイソレーション溝３１２ｇを形成する。

その後、ウエハ全体をパッシベーション膜３１５で保護する。その後、メサ脇の溝が十分に埋まる程度の厚さのポリイミド樹脂３１６をウエハ全体に塗布し（図２（Ｅ））、メサ直上のパッシベーション膜３１５が露出するまでウエハ全体のポリイミド樹脂３１６を酸素／アルゴン混合ガスによりエッチバックして平坦化する。

さらに、ＥＡ変調器部３０１をレジスト３１７で覆い、レーザ部３０２のメサ脇のポリイミド樹脂をさらにエッチバックしてパッシベーション膜３１５を完全に露出させる（図２（Ｆ））。

この際、レジスト３１７やパッシベーション膜３１５は、酸素／アルゴン混合ガスによるエッチバックで同時にエッチングされてしまう。このため、レーザ部３０２のメサ脇、特にメサネック部のポリイミド樹脂３１６を完全に除去できるまで十分長くエッチバックを行い、かつ、ＥＡ変調器部３０１を覆っているレジスト３１７、レーザ部３０２のメサ脇のパッシベーション膜３１５はそれら自身がエッチバックの間になくならない程度に厚くしておく必要がある。特に、ポリイミド樹脂３１６とレジスト３１７の酸素／アルゴン混合ガスによるエッチバックに対する選択比はほぼ１：１であるため、レジスト３１７の厚さはポリイミド樹脂３１６の残厚（すなわち、メサ高さにほぼ匹敵）の１．５〜２倍の厚さにする必要がある。

その後、レジスト３１７を除去し、ＥＡ変調器部３０１・レーザ部３０２ともにメサ部のパッシベーション膜３１５を除去してスルーホールをあける。さらにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極３１８を蒸着し、イオンミリングによって電極パターニングを行う。その後、ウエハ厚が１００〜１５０μｍになる程度まで研磨し、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極３１９を蒸着してウエハが完成する。そのウエハをバー状に劈開し、素子後方（レーザ側）劈開面を反射率９０％以上の高反射膜３２０、素子前方（ＥＡ変調器側）劈開面を反射率１％以下の非反射膜３２１をコーティングして、最後にチップ状に劈開する（図２（Ｇ））。

このようにして完成したＥＡ／ＤＦＢ集積レーザのレーザ部３０２、ＥＡ変調器部３０１の断面図を図２（Ｇ）に示す（ｂ−ｂ’断面、ｃ−ｃ’断面）。

なお、上記の実施例では、第一多層成長の際、ＳｉＯ_２マスクによる選択成長法を用いたが、レーザ部・ＥＡ変調器部とをそれぞれ別々に結晶成長し、お互いを光学的に接続させるバットジョイント法を用いてもよい。

発振波長の安定性をみるために本実施例の構造のＥＡ／ＤＦＢ集積レーザ１４個に対して、温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験は、ＥＡ／ＤＦＢ集積レーザを窒素雰囲気中の恒温槽に入れ素子の環境温度を約１０℃／分のレートで−４０℃から＋８５℃まで上昇させ、その後−４０℃まで冷却（または、＋８５℃から−４０℃まで冷却し、その後＋８５℃まで上昇）に変えることを１サイクルとし、これを１５０サイクル以上繰り返す試験である。この試験の結果、−１０〜１ｐｍとＢＨ構造と同程度に波長変動が非常に小さく、安定していることがわかった。また、ＥＡ変調器部の変調帯域は３５ＧＨｚ以上の大きな帯域を得ることができた。

本実施例の構造によれば、４０Ｇｂｉｔ／ｓ動作のＤＷＤＭ光伝送用ＥＡ／ＤＦＢ集積レーザを実現できた。

なお、以上の説明では、ＥＡ変調器部のメサがポリイミド樹脂で埋め込まれたリッジ導波路構造で、かつ、レーザ部のメサ脇が空気であるリッジ導波路構造について述べたが、ＥＡ変調器部のメサがベンゾシクロブテン樹脂で埋め込まれたリッジ導波路構造で、かつ、レーザ部のメサ脇が空気であるリッジ導波路構造についても、同じ効果を得ることができる。

本構造の素子は、第一多層、回折格子形成、第二多層、メサ形成、パッシベーション膜形成後にベンゾシクロブテン樹脂を塗布し、フォト工程とエッチバック工程によって、ＥＡ変調器部のメサはベンゾシクロブテン樹脂で平坦化して、レーザ部のメサ脇はベンゾシクロブテン樹脂を完全に除去するという方法で実現可能である。本構造のＥＡ／ＤＦＢ集積レーザについても、温度サイクル試験において波長変動が小さく、かつ、変調帯域の大きなＤＷＤＭ光伝送用半導体光素子を実現できる。

また、活性層（MQW）の位置よりも十分深くエッチングしたハイメサリッジ構造の変調器集積レーザ素子において、変調器部のリッジ両脇が樹脂で埋め込まれ、レーザ部のリッジ両脇が樹脂で埋め込まれていなし（すなわち、空気である）素子でも、同様の効果がある。

図３は、実施例２を説明する図である。図３（１）は平面図、（２）は、ａ−ａ’断面図、（３）は、ｂ−ｂ’断面図である。

本実施例では、外部変調器がマッハツェンダー型変調器である場合について述べる。すなわち、ポリイミド樹脂で埋め込まれたリッジ導波路構造であるマッハツェンダー型変調器部４０１と、メサ周囲が空気であるリッジ導波路構造であるレーザ部４０２とを集積した半導体光素子である。

本素子は、実施例１で述べたのとほぼ同じ工程で作製できる。まず、ｎ型ＩｎＰ基板４０３上にｎ型ＩｎＰバッファ層４０４、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層４０５、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ４０６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層４０７、ｐ型ＩｎＰキャップ層４０８を第一多層成長工程で成長する。なお、第一多層成長では選択成長法でもバットジョイント法でもいずれ方法を用いてもよい。さらに、レーザ部４０２に回折格子を形成した後、ｐ型ＩｎＰクラッド層４０９、コンタクト層４１０、ｐ型ＩｎＰ保護層を第二多層成長工程で成長する。その後、メサ形成工程、レーザ部とマッハツェンダー変調器部との間のアイソレーション溝形成工程、パッシベーション膜４１１形成工程を経る。さらに、ウエハ全面にポリイミド樹脂４１２を塗布し、実施例１と述べた方法と同様にマッハツェンダー変調器部４０１のメサ脇のみポリイミド樹脂４１２で平坦化し、レーザ部４０２のメサ脇は完全にポリイミド樹脂を除去するエッチバックを行う。

その後、スルーホール形成工程、ｐ電極４１３形成工程、研磨工程、ｎ電極４１４形成工程を経て、ウエハが完成する。そして、そのウエハをバー状に劈開し、素子後方（レーザ側）劈開面に高反射膜４１５、素子前方（マッハツェンダー変調器側）劈開面に非反射膜４１６をコーティングして、最後にチップ状に劈開して、マッハツェンダー変調器集積レーザ素子が完成する。

本素子についても、発振波長変動が小さく、変調帯域の大きなＤＷＤＭ光伝送用半導体光素子を実現できるのは明らかである。また、本素子についてもマッハツェンダー変調器部４０１のメサ脇をベンゾシクロブテン樹脂で平坦化して、レーザ部のメサ脇はベンゾシクロブテン樹脂を完全に除去したマッハツェンダー変調器集積レーザ素子についても、同じ効果が得られるのは言うまでもない。

図４は、実施例３を説明する図である。図４（１）は平面図、（２）は、ａ−ａ’断面図、（３）は、ｂ−ｂ’断面図である。

本実施例では、ＭＱＷの材料にＩｎＧａＡｌＡｓを用いた、リッジ導波路構造型のＥＡ／ＤＦＢ集積レーザについて述べる。

ＩｎＧａＡｌＡｓはＩｎＧａＡｓＰに比べて、荷電子帯のバンドオフセットΔＥｖが小さく、伝導体のバンドオフセットΔＥｃが大きいという特徴がある。つまり、レーザ部にＩｎＧａＡｌＡｓを用いると、電子の閉じ込めが十分強く、かつ、正孔が均一に注入されるため、高温においてもＭＱＷから電子がもれにくく、広い温度にわたって安定した動作が可能である。

また、ＥＡ変調器部にＩｎＧａＡｌＡｓを用いると、正孔の閉じ込めを弱くしてチャーピング特性を向上させてもなお、十分に電子を閉じ込めることができ、大きな消光比を得ることが可能である。さらに、ＩｎＧａＡｓＰでは低温において大きな消光比を得ることが困難であったが、ＩｎＧａＡｌＡｓでは上記バンド構造の特徴によって、広い温度で安定した動作が可能となる。

したがって、レーザ部・ＥＡ変調器部ともにＩｎＧａＡｌＡｓをＭＱＷの材料に用いることによって、ＥＡ／ＤＦＢ集積レーザを一定温度に保つ必要のないアンクールドタイプの素子を容易に提供することができる。

このような優れた材料を用いて、ＤＷＤＭ光伝送・高速動作に適したＥＡ／ＤＦＢ集積レーザを作製する方法について以下に記す。

まず、第一多層成長において、ｎ型ＩｎＰ基板５０１上にｎ型ＩｎＰバッファ層５０２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層５０３、井戸層・障壁層がＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ５０４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層５０５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層５０６、ｐ型ＩｎＰキャップ層５０７を形成する。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層５０６は、リッジ導波路構造型のメサを形成する際にＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの選択比を利用したウェットエッチングを行うために入れる。また、メサを形成した後もＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層５０５が空気に触れることがないため、非常に有効な層である。

第一多層では、選択成長法を用いてレーザ部５０８とＥＡ変調器部５０９を同時に成長する方法でも、別々に成長して光学的に接続するバットジョイント法でも構わない。ただし、ＭＱＷの材料にＡｌ系を用いているため、バットジョイント法の場合には、Ａｌの酸化物除去プロセスに注意を払う必要がある。

第一多層成長後、レーザ部５０８のｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層５０５に回折格子を形成し、第二多層成長工程でｐ型ＩｎＰクラッド層５１０、コンタクト層５１１、ｐ型ＩｎＰ保護層を成長する。その後、例えば塩酸／酢酸の混合液を用いて、ローメサリッジ導波路構造（すなわち、メサの深さは、ｐ型ＩｎＰクラッド層５１０とｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層５０６との界面でエッチングを止める構造）を形成し、アイソレーション溝の形成、パッシベーション膜５１２の形成、スルーホールの形成、ポリイミド樹脂５１３塗布工程、ポリイミド樹脂５１３のエッチバック工程、ｐ電極５１４の形成、研磨工程、ｎ電極５１５の形成というプロセス経てウエハを作製する。

最後にバー劈開、高反射膜５１６と非反射膜５１７のコーティング、チップ劈開工程を経て、Ａｌ系のリッジ導波路構造型ＥＡ／ＤＦＢ集積レーザが完成する。

本実施例のＥＡ／ＤＦＢ集積レーザについても、実施例１と同様に温度サイクル試験を行ったところ、−９〜２ｐｍと波長変動が小さく、かつ、変調帯域の大きな素子を実現できた。

本構造ではＭＱＷの材料がＡｌ系であるが、半導体で埋め込んだＢＨ構造のように突発的な不良を引き起こす要因もないため、高歩留で安定的に素子を作製することが可能である。

また、本素子についても、ＥＡ変調器部５０９のメサがベンゾシクロブテン樹脂で平坦化されたリッジ導波路構造で、レーザ部のメサ脇が空気であるリッジ導波路構造であるＥＡ／ＤＦＢ集積レーザについても同じ効果が得られるのは明らかである。

さらに、Ａｌ系材料を用いたマッハツェンダー変調器集積レーザ素子について、マッハツェンダー型変調器のメサをベンゾシクロブテン樹脂で平坦化したリッジ導波路構造で、レーザ部のメサ脇が空気であるリッジ導波路構造にすることによって、波長変動が小さく、かつ、変調帯域の大きなＤＷＤＭ光伝送用半導体光素子が実現可能である。

図５は、実施例１〜３で述べた、樹脂埋め込みリッジ導波路構造である変調器とメサ周囲が空気であるリッジ導波路構造のＤＦＢレーザを集積した半導体光素子を搭載した光送信モジュールを説明する図である。

ここで、光送信モジュールは、半導体光素子６０１、半導体光素子６０１を搭載するチップキャリア６０２、ペルチエ基板６０３、サーミスタ６０４、後方光出力６０６を受光するためのモニタフォトダイオード６０７、前方出力光６０５を光ファイバ６０９に結合させるための集光用レンズ６０８、これらを収納するパッケージ６１０からなる。

この光送信モジュールでは、モニタフォトダイオード６０７で受光した後方出力光６０６のパワー変動をレーザ駆動電流源６１１へ帰還して前方出力光パワーを常に一定に保つＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御を行っている。また、サーミスタ６０４で半導体光素子６０１の温度を検知してその温度変動をペルチエ駆動電流源６１２に帰還して、常に半導体光素子６０１の温度を一定に保つＡＴＣ（Ａｕｔｏ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御を行っている。

本実施例の光送信モジュール６１０において、１５０サイクル温度サイクル試験を実施した結果、発振波長の変動が小さく、変調帯域の大きな光送信モジュールを実現できた。

また、実施例３で説明したアンクールドタイプの半導体光素子を搭載した光送信モジュールにおいても、ＤＷＤＭ光伝送に適した、高速動作が可能な光送信モジュールを実現できるのは言うまでもない。

以上、本発明のいくつかの実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で様々な変形が可能である。

本発明によって、半導体光素子を形成する活性層の材料系を問わず、経時的に発振波長が変動しない高信頼性を有するＤＷＤＭ光伝送用レーザと、高速動作が可能な低容量な外部変調器とを両立する変調器集積レーザを高歩留・低コストで実現することができる。

本発明の実施例１の素子を作製する手順を説明する図、及び素子の断面構造を示す図。 本発明の実施例２を説明する図。 本発明の実施例３を説明する図。 本発明の実施例４を説明する図。 従来例の素子を作製する手順を説明する図、及び素子の断面構造を示す図。 従来例を説明する図。 従来例を説明する図。 従来例を説明する図。

符号の説明

１０１、３０３、４０３、５０１・・・ｎ型半導体基板、１０２、１１４、３０４・・・ＳｉＯ_２膜、１０３、３０２、４０２、５０８・・・レーザ部、１０４、３０５、４０４、５０２・・・ｎ型ＩｎＰバッファ層、１０５、３０６、４０５・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、１０６、３０７、４０６・・・ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ、１０７、３０８、４０７・・・ｐ型ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、１０８、３０９、４０８、５０７・・・ｐ型ＩｎＰキャップ層、１０９、３０１、５０９・・・ＥＡ変調器部、１１０、３１０・・・回折格子、１１１、３１１、４０９、５１０・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層、１１２、３１２、４１０、５１１・・・コンタクト層、１１３、３１３・・・ｐ型ＩｎＰ保護層、１１５・・・Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性半導体、１１６、３１５、４１１、５１２・・・パッシベーション膜、１１７、３１８、４１３、５１４・・・ｐ電極、１１８、３１９、４１４、５１５・・・ｎ電極、１１９、３２０、４１５、５１６・・・高反射膜、１２０、３２１、４１６、５１７・・・非反射膜、３１４・・・ＥＡ変調器の電極パッド部、３１６、４１２、５１３・・・ポリイミド樹脂、３１７・・・レジスト、４０１・・・マッハツェンダー変調器部、５０３・・・ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層、５０４・・・ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ、５０５・・・ｐ型ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層、５０６・・・ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層、６０１・・・半導体光素子、６０２・・・チップキャリア、６０３・・・ペルチエ基板、６０４・・・サーミスタ、６０５・・・前方光出力、６０６・・・後方光出力、６０７・・・モニタフォトダイオード、６０８・・・集光用レンズ、６０９・・・光ファイバ、６１０・・・パッケージ、６１１・・・レーザ駆動電流源、６１２・・・高周波信号源、６１３・・・ペルチエ駆動電流源

Claims (10)

1. 変調器と半導体レーザとが同一半導体基板上に集積された半導体光素子であって、
   前記変調器及び前記半導体レーザを形成する光導波路構造はリッジ導波路構造であり、
   前記変調器側のリッジ導波路構造の両脇が有機絶縁物で埋め込まれ、
   前記半導体レーザ側のリッジ導波路構造の両脇が有機絶縁物で埋め込まれていない半導体光素子。
2. 変調器と半導体レーザとが同一半導体基板上に集積された半導体光素子であって、
   前記変調器及び前記半導体レーザを形成する光導波路構造はリッジ導波路構造であり、
   前記変調器側において、
   光導波路の中心軸からみて、電極が配されている方向と垂直な方向に、有機絶縁物が配されており、
   前記半導体レーザ側において、
   光導波路の中心軸からみて、電極が配されている方向と垂直な方向に、有機絶縁物が配されていない、
   ことを特徴とする半導体光素子。
3. 前記変調器側において、
   前記有機絶縁膜は、光導波路又は光導波路のパッシベーション膜に隣接して配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光素子。
4. 前記有機絶縁物は、ポリイミド樹脂である、請求項１又は２に記載の半導体光素子。
5. 前記有機絶縁物は、ベンゾシクロブテン樹脂である、請求項１又は２に記載の半導体光素子。
6. 前記変調器は、電界吸収型変調器、またはマッハツェンダー型変調器であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
7. 前記半導体レーザは、分布帰還型レーザ、または分布反射型レーザであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
8. 前記変調器、前記半導体レーザの少なくともいずれか一方は、インジウムガリウム砒素燐、または、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料とする多重量子井戸から構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体光素子。
9. 前記変調器は、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度において動作可能であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体光素子。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体光素子を搭載することを特徴とする光送信モジュール。

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