JP2009021454A - 半導体光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＡとゲートスイッチ等を集積し高い飽和光出力を有する光素子を簡単なプロセスで提供する。
【解決手段】半導体光増幅器（ＳＯＡ）と光導波路を集積した光素子において、前記光導波路は前記ＳＯＡ部分と同じ活性層を含んでリッジ構造により光導波させ、前記ＳＯＡ部分とは異なるリッジ幅若しくはリッジ深さとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体材料で構成された光導波光増幅器（ＳＯＡ）とリッジ型路を接続部で結合した半導体光素子に関する。

近年、光通信システムに組み込まれる光スイッチ，光偏波スプリッタ，ＷＤＭ素子，方向性結合器，光カプラ，光増幅器などの光機能素子の多くは、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系やＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系などの半導体材料を用いて製造されている。

これらの光機能素子は、半導体材料から成る基板の上に同じく半導体材料の薄膜を積層して成る層構造を形成し、その層構造の部分に所定の機能を発揮する個所とその個所に光接続された光導波路をモノリシックに形成した構成になっている。

そして、この素子の場合、入射側の光導波路を伝搬してきた所定波長の光は前記機能個所に入射したのち出射側の光導波路を伝搬していき、その過程で、当該光機能素子特有の機能を発揮する。

このような光導波光増幅器（ＳＯＡ）やリッジ型路に関する先行技術としては次のようなの文献が知られている。

特開２００１−１１１１７７号公報 特開平０９−６８６２１号公報 Electronics Letters 9th April 1992 Vol.28No.8 776〜778 Reprinted From Optical Amplifiers and Their Applications 1998 Technical Digest, 1998 Optical Society of America 142〜146頁

図５は光増幅器と導波路を基板に形成した一般的な光増幅器集積素子の平面図を示すものである。図において例えばＩｎＰ基板１上に接続部３を挟んで光増幅部（アンプ部）２と光導波路部４が形成されている。

図６（ａ，ｂ）は上記非特許文献１に記載された従来の光増幅器部の一例を示す断面図である。この例においては、活性層と光導波路層をストライプ状に切断し周囲を低屈折率の半導体からなる埋め込み層３２で埋め込んだ、埋め込み導波路構造で構成されている。曲がりや分岐を含む領域は活性層を除去し、パッシブな導波路にしている。

図７は上記非特許文献２に記載された従来の光増幅器の一例を示す断面図である。この例においては、ＳＯＡ単体としてリッジ導波路３３が用いられている。
リッジ導波路３３では側方への漏れ電流が大きいことが知られているが、この例では光閉じ込めのためのリッジ段差３４の脇にもう一つ段差３５を設けて漏れ電流の抑制を図っている。

ところで、図６に示すような構造においては、半導体層で埋め込むには化合物半導体結晶の再成長が必要で、プロセス的に難しいという問題があり、特に合分岐の部分は異常成長を起こしやすいという問題がある。

また、図７に示すリッジ導波路構造はプロセスが容易であるが、ＳＯＡで高飽和利得を狙おうとするとモード断面積を広げるためリッジ幅を広げ、かつ単一モード化のために横方向屈折率差を小さめにとることになる。一方、曲がり導波路などでは横方向屈折率差が小さいと曲がり損失が大きくなるため、大きな横方向屈折率差を必要とする。

従って、本発明はＳＯＡとゲートスイッチ等を集積し高い飽和光出力を有する機能素子を簡単なプロセスで実現することを目的としている。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１記載の半導体光素子の発明においては、半導体光増幅器（ＳＯＡ）と光導波路を集積した半導体光素子において、前記光導波路は前記ＳＯＡ部分と同じ活性層を含んだ導波路構造により光導波させ、前記ＳＯＡ部分とは異なる幅若しくは段差の導波路としたことを特徴とする。

請求項２においては請求項１に記載の半導体光素子において、
前記ＳＯＡ部分はリッジ導波路構造とし、このリッジ構造により光を導波することを特徴とする。

請求項３においては請求項１または２に記載の半導体光素子において、
光導波路部分はＳＯＡ部分に比べ強い横方向光閉じ込め構造としたことを特徴とする。

請求項４においては請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体光素子において、
ＳＯＡ部分は光モード断面積を大きくしたことを特徴とする。

請求項５においては請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光素子において、
光導波路部分は曲がり、合波、分波、交差のいずれかを含むことを特徴とする。

請求項６においては請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光素子において、
導波路部分はＳＯＡ部分とは分離された電極を含むことを特徴とする。

請求項７においては請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体光素子において、
ＳＯＡ部分は光閉じ込めのためのリッジ段差の他に、電流閉じ込めのための段差を有することを特徴とする。

請求項８においては請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子において、
光導波路部分とＳＯＡ部分の間にリッジ幅を徐々に変化させた接続部を設けたことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
光導波路はＳＯＡ部分と同じ活性層を含んだ導波路構造により光導波させ、ＳＯＡ部分とは異なる幅若しくは段差の導波路としたので、一般的なリッジ導波路あるいはメサ導波路構造と同様、断面構造は選択エッチングを繰り返すことで形成することができ、かつ各領域の光モード設計を最適にすることができる。

請求項２によれば、ＳＯＡ部分はリッジ導波路構造とし、このリッジ構造により光を導波するので、製作が容易である。

請求項３によれば、光導波路部分はＳＯＡ部分に比べ強い横方向光閉じ込め構造としたので、少ない損失で光を導波させることができる。

請求項４によれば、ＳＯＡ部分は光モード断面積を大きくしたので、飽和光出力を大きくすることができる。

請求項５によれば、光導波路部分は曲がり、合波、分波、交差のいずれかを含むので、これらを組み合わせた機能素子ができ、かつ損失を抑えられるため入出力間での利得を大きく（あるいは同一利得であればアンプに必要な注入電流を少なく）でき、飽和光出力も大きくできる。

請求項６によれば、導波路部分はＳＯＡ部分とは分離された電極を含んでいるので、アンプ部分とは注入電流（あるいは印加電圧）を変えることができ、利得（あるいは吸収）を制御可能となる。

請求項７によれば、
ＳＯＡ部分は光閉じ込めのためのリッジ段差の他に、電流閉じ込めのための段差を有するので、電流の注入効率を上げることができる。

請求項８によれば、
光導波路部分とＳＯＡ部分の間にリッジ幅を徐々に変化させた接続部を設けたので、不要な光反射を回避することができる。

図１（ａ，ｂ，ｃ）は本発明の実施形態の一例を示すもので、図５の点線で囲った部分を示す拡大図であり、図１（ａ）はＳＯＡ部分、図１（ｂ）は集積導波路部、図１（ｃ）はこれらの間を接続する遷移領域での断面構造図を示すものである。なお、これらの図においては、要部のみを簡単に示すため下部電極や上部絶縁物による平坦化構造・引き出し電極は省略している。

本実施例においてはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰの材料系を用いた場合について説明する。
図１（ａ,ｂ,ｃ）は、ＩｎＰ基板１上にエピタキシャル成長されたＩｎＰ下クラッド層５、ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層６で挟まれたＩｎＧａＡｓＰ活性層（多重量子井戸も可、偏波依存解消のために歪を入れてもよい）７、ＩｎＰ層８、第１ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層９、ＩｎＰ層１０、第２ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層１１、ＩｎＰ上クラッド層１２、コンタクト層１３、上部電極１４で構成されている。

なお、活性層７から下はｎ形、上はｐ形にドーピングされている。ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層９，１１は光強度分布に影響を与えない程度（例えば数十ナノメートル）に薄いことが望ましい。

図１（ａ）のアンプ部分は第１エッチストップ層９があることを除けば一般的なリッジ導波路構造であり、図１（ｂ）の導波路部分も第２エッチストップ層１１があることを除けば一般的なリッジ導波路構造である。
図１のような断面構造は選択エッチング（ドライエッチングを併用してもよい）を繰り返すことで容易に形成することができる。

リッジ導波路の横方向屈折率差は活性層７からエッチング底面まで（アンプ部分では第２エッチングストップ層１１まで、導波路部分では第１エッチストップ層９まで）の距離で決まり、この距離を適切に設計して作製することにより図１（ａ）のアンプ部分では小さな屈折率差、導波路部分では大きな屈折率差にすることができる。

屈折率差が小さい場合にはリッジ幅ｗ１を大きくとることができ、導波路中の光分布の大きさを表すモード断面積は概ねｗ１に比例し大きくすることができるので、アンプとして飽和光出力を大きくするのに有利になる。一方、導波路部分では大きな屈折率差が得られるので、曲げや合分岐での損失を低減できるが、リッジ幅ｗ２は狭くできるので横モードが不安定化しない。

図１（ａ）のアンプ部分と図１（ｂ）の導波路部分を接続する部分（図５の接続部）、には図１（ｃ）のようなリッジ幅を徐々に変化させ遷移領域とした接続部を設けることで、アンプ部分の光分布から導波路部分の光分布へ徐々に移行させることができ、不要な光反射を回避することができる。
接続部の一部あるいは全部のコンタクト層１３と上部電極１４を除去した場合には、導波路部分の注入電流あるいは印加電圧をアンプ部分と違え、利得（あるいは吸収）を制御することも可能となる。導波路部分で光をＯＮ／ＯＦＦするゲートスイッチ、あるいは光変調器として機能させることもできる。
リッジ導波路構造は化合物半導体結晶の再成長を行う必要がなく、パッシブ―アクティブの導波路間の接合の問題も無い。

図１（ａ,ｂ,ｃ）に示す３つの領域はフォトリソのマスクパターンの差だけであり、露光・エッチング等の工程で全く同時に形成できるのでプロセスとしては容易である。
上述の構成を用い、各部の前記屈折率差と前記リッジ幅を最適に設計すれば、横モードの安定性を確保しつつ、曲げ等による損失を抑えられるため入出力間での利得を大きく（あるいは同一利得であればアンプに必要な注入電流を少なく）でき、かつアンプ部分はモード断面積が大きいので、これに比例する飽和光出力も大きくできる。

図２は他の実施例を示すもので、この例においては、アンプ部分に電流閉じ込めのための段差（矢印Ａ）を設けたものである。このような構成によれば電流の注入効率を上げることができる。なお、図１、図２に示す第１エッチングストップ層９は活性層７上に設けたＳＣＨ層６で代用することもできる。

図３は他の実施例を示すもので、図３（ａ）は図５に示すＳＯＡ部分、図３（ｂ）は同じく図５に示す集積導波路、図３（ｃ）はこれらの間を接続する接続部（遷移領域）での断面構造図である。なお、これらの図においても、要部のみを簡単に示すため下部電極や上部絶縁物による平坦化構造・引き出し電極は省略している。
本実施例においてもＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰの材料系を用いた場合について説明する。 図３（ａ,ｂ,ｃ）は、ＩｎＰ基板１上にエピタキシャル成長されたＩｎＰ下クラッド層１５、第１ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層１６、ＩｎＰ層１７、ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１８で挟まれたＩｎＧａＡｓＰ活性層（多重量子井戸も可、偏波依存解消のために歪を入れてもよい）１９、ＩｎＰ層２０、第２ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２１、ＩｎＰ上クラッド層２２、コンタクト層２３、上部電極２４で構成されている。

そして、図１の場合と同様、活性層１９から下はｎ形、上はｐ形にドーピングされている。第１ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層１６，第２ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２１は光強度分布に影響を与えない程度（例えば数十ナノメートル）に薄いことが望ましい。

図３（ａ）のアンプ部分は第１エッチストップ層１６があることを除けば一般的なリッジ導波路構造であり、図３（ｂ）の導波路部分は第２エッチストップ層２１があることを除けば一般的なメサ導波路構造である。
図３のような断面構造は選択エッチング（ドライエッチングを併用してもよい）を繰り返すことで容易に形成することができる。

リッジ導波路の横方向屈折率差は活性層１９からエッチング底面まで（アンプ部分で第２エッチングストップ層２１まで）の距離で決まり、この距離を適切に設計して作製することにより小さな屈折率差にすることができる。
屈折率差が小さい場合にはリッジ幅ｗ１を大きくとることができ、導波路中の光分布の大きさを表すモード断面積は概ねｗ１に比例し大きくすることができるので、アンプとして飽和光出力を大きくするのに有利になる。一方、導波路部分では大きな屈折率差が得られるので、曲げや合分岐での損失を低減できるが、メサ幅ｗ２は狭くできるので横モードが不安定性化しない。

ａ）のアンプ部分とｂ）の導波路部分にはｃ）のような幅を徐々に変化させ遷移領域とした接続部を設けることで不要な光反射を回避することができる。
リッジ導波路あるいはメサ導波路構造は化合物半導体結晶の再成長を行う必要がなく、パッシブ―アクティブの導波路間の接合の問題も無い。ａ）ｂ）ｃ）の３領域はフォトリソのマスクパターンの差だけであり、露光・エッチング等の工程で全く同時に形成できるのでプロセスとしては容易である。
また、曲げ等による損失を抑えられるため入出力間での利得を大きく（あるいは同一利得であればアンプに必要な注入電流を少なく）でき、飽和光出力も大きくできる。

図４は更に他の実施例を示すもので、図３とはアンプ部分に電流閉じ込めのための段差（矢印Ｂ）を設けた点が異なっている。このような構成によれば電流の注入効率を上げることができる。
なお、図３，図４に示す第１エッチングストップ層１６は面内分布のよいエッチング方法であれば特に設けなくてもよい。また、活性層１９の側面が露出する部分は、活性層のサイドエッチとマストランスポート法により埋め込んでもよい。

以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の半導体光素子の実施形態の一例を示す要部構成図である。 図１の他の実施例を示す要部構成図である。 本発明の半導体光光素子の他の実施形態の一例を示す要部構成図である。 図３の他の実施例を示す要部構成図である。 本発明に適用する光素子の一例を示す要部平面図である。 従来の光素子の一例を示す断面図である。 従来の光素子の他の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ ＩｎＰ基板
２ 光増幅器（アンプ部）
３ 接続部
４ 光導波路部
５、１５ ＩｎＰ下クラッド層
６、１８ ＳＣＨ層
７、１９、３０ ＩｎＧａＡｓＰ活性層
８、１７ ＩｎＰ層
９、１６ 第１エッチストップ層
１０、２０ ＩｎＰ層
１１、２１ 第２エッチストップ層
１２、２２ 上クラッド層
１３、２３ コンタクト層
１４、２４ 上部電極
３１ 光導波路層
３２ 埋め込み層
３３ リッジ導波路
３４ 光閉じ込め段差
３５ もれ電流抑制段差

Claims (8)

1. 半導体光増幅器（ＳＯＡ）と光導波路を集積した半導体光素子において、前記光導波路は前記ＳＯＡ部分と同じ活性層を含んだ導波路により光導波させ、前記ＳＯＡ部分とは異なる幅若しくは段差の導波路としたことを特徴とする半導体光素子。
2. 前記ＳＯＡ部分はリッジ導波路構造とし、このリッジ構造により光を導波することを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
3. 光導波路部分はＳＯＡ部分に比べ強い横方向光閉じ込め構造としたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光素子。
4. ＳＯＡ部分は光モード断面積を大きくしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体光素子。
5. 光導波路部分は曲がり、合波、分波、交差のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光素子。
6. 導波路部分は光のオンオフのために分離された電極を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光素子。
7. ＳＯＡ部分は光閉じ込めのためのリッジ段差の他に、電流閉じ込めのための段差を有す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半導体光素子。
8. 光導波路部分とＳＯＡ部分の間にリッジ幅を徐々に変化させた接続部を設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子。

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