JP2009244648A - Light modulator and manufacturing method thereof, and optical integrating element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光導波路を有する光変調器、特に光伝送装置などに用いられる光変調器およびその製造方法、並びに、この光変調器と波長可変レーザを始めとする半導体レーザ、光増幅器、位相制御装置、光導波路などの順バイアスが印加される光半導体素子とを備える半導体光集積素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an optical modulator having an optical waveguide, in particular, an optical modulator used in an optical transmission device and the like, a manufacturing method thereof, a semiconductor laser including the optical modulator and a wavelength tunable laser, an optical amplifier, and phase control. The present invention relates to a semiconductor optical integrated device including an optical semiconductor device to which a forward bias is applied, such as an apparatus and an optical waveguide, and a manufacturing method thereof.
近年、光通信システムで使用される波長可変レーザには、波長可変機能だけでなく、光変調機能の集積化が求められてきている。特に、低電圧駆動下での超高速光変調特性や、多値変調等の高度変調フォーマットへの対応が重要である。更に、集積化する場合、最も素子サイズの小型化が可能なモノリシック集積が望ましい。また、モノリシック集積はアセンブリーコストを低減できるため低価格化も期待される。 In recent years, wavelength tunable lasers used in optical communication systems have been required to integrate not only wavelength tunable functions but also light modulation functions. In particular, it is important to support ultra-high speed optical modulation characteristics under low voltage driving and advanced modulation formats such as multi-level modulation. Furthermore, in the case of integration, monolithic integration capable of minimizing the element size is desirable. In addition, monolithic integration is expected to reduce the cost because the assembly cost can be reduced.
p−i−n構造とは、導波路層構造にp型クラッド層−ノンドープ(以後'i'と表示)光導波路コア層−n型バッファー層からなる構造をいうが、波長可変レーザとモノリシック集積する光変調器において、このp−i−n構造を適用すると、波長可変レーザのような順バイアス領域とp型クラッド層を共有できる。そのため、モノリシック集積化が容易になる。これは、順バイアス領域は、活性層上部がp型クラッド層、活性層下部がn型バッファー層を有する構造で形成される場合が一般的であるため、順バイアス領域と光変調器側が共にp型クラッド層を有する。この場合、順バイアス領域と光変調器等の異機能領域のモノリシック集積には、特許文献1で示すようなバットジョイント接合技術を用いることができる。
The pin structure is a structure in which a waveguide layer structure is composed of a p-type cladding layer, a non-doped (hereinafter referred to as “i”) optical waveguide core layer, and an n-type buffer layer. When this pin structure is applied to an optical modulator, a forward bias region such as a wavelength tunable laser and a p-type cladding layer can be shared. This facilitates monolithic integration. This is because the forward bias region is generally formed with a structure in which the upper part of the active layer has a p-type cladding layer and the lower part of the active layer has an n-type buffer layer, so that both the forward bias region and the optical modulator side are p. It has a mold cladding layer. In this case, a butt joint joining technique as shown in
図1にバットジョイント接合による光導波路層の接合方法を示す。この方法では、n−InP基板101上に光導波路層A102とp−InPクラッド層A103とを形成し、p−InPクラッド層A103の一部にSiO2マスク104を形成する(図1(a))。SiO2マスク104で覆われていないp−InPクラッド層A103の部分のみをエッチング液を用いてエッチングする(図1(b))。エッチングされて露出したn−InP基板101上に光導波路層B105とp−InPクラッド層B106を形成し(図1(c))し、p−InPクラッド層A103およびp−InPクラッド層B106の上にp−InPクラッド層107を形成する(図1(d))。
FIG. 1 shows a method for joining optical waveguide layers by butt joint joining. In this method, an optical waveguide layer A102 and a p-InP cladding layer A103 are formed on an n-
このバットジョイント接合技術では、第一の領域(例えば順バイアス領域)のp−InPクラッド層A103がサブマイクロメートル程度と十分薄い層厚において光導波路層A102の接合を行わなければ、第二の領域(例えば光変調器側)の光導波路層B105が接合面において第一の領域の上部クラッド層側にせり上がり、接合点での異常成長や結合損失が大きくなるという問題が発生する。そのため、特許文献1に記載の技術を用いた場合、クラッド層厚が厚い場合の接合が困難なため、光集積素子のクラッド層は共通(同一のドーピング、上記構造の場合はp型層)であれば、光導波路層A102と光導波路層B105との接合後に2領域全体に共有のクラッド層(p−InPクラッド層107)を形成することで実現できる。
In this butt joint bonding technique, if the p-InP cladding layer A103 in the first region (for example, the forward bias region) is not bonded to the optical waveguide layer A102 in a sufficiently thin layer thickness of about submicrometer, the second region The optical waveguide layer B105 (for example, on the optical modulator side) rises to the upper cladding layer side of the first region at the joining surface, and there arises a problem that abnormal growth and coupling loss at the joining point increase. Therefore, when the technique described in
図2は、光変調器の例を示す。図2(a)は、p−i−n構造光変調器の一例を示す。このp−i−n構造光変調器には、n−InP基板201上に光導波路層202とp−InPクラッド層203とが積層されたメサ構造が形成されている。p−InPクラッド層203上にはシグナル電極204が形成され、n−InP基板201の下面にはグランド電極205が形成されている。図2(a)に示すようなp−i−n構造光変調器の特長は、薄いi層である光導波路層202に印加電界が集中するため屈折率の変調効率が高く、短い導波路長で高い消光比が得られることがある。反面、短所として、この薄いi層が大きなキャパシタンスをもつため変調RF信号と光信号の位相速度整合やインピーダンス整合をとることが難しい。また、p−InPクラッド層203での光吸収損失や電気信号の吸収損が大きいことも問題となる。
FIG. 2 shows an example of an optical modulator. FIG. 2A shows an example of a pin structure optical modulator. This p-i-n structure optical modulator has a mesa structure in which an
図2(a)で示すp−i−n構造光変調器の短所を改善する構造として図2(b)に示すようなn−SI(半絶縁層)−i−n構造光変調器が提案されている(特許文献2)。このn−SI−i−n構造光変調器には、SI−InP基板206上にn−InPバッファー層207とi−光導波路層208とSI−InPクラッド層209とn−InPクラッド層210とが積層されたメサ構造が形成されている。n−InPクラッド層210上にシグナル電極211が形成され、n−InPバッファー層207上にグランド電極212が形成されている。
An n-SI (semi-insulating layer) -in structure optical modulator as shown in FIG. 2 (b) is proposed as a structure for improving the disadvantages of the pin structure optical modulator shown in FIG. 2 (a). (Patent Document 2). This n-SI-i-n structure optical modulator includes an n-
このn−SI−i−n構造によれば、p型半導体層に起因する光信号や電気信号の損失を小さくでき、位相速度整合やインピーダンス整合が容易で広帯域化に有利である。また、n−InPクラッド層210とi−光導波路層208の間にSI−InPクラッド層209を挿入することで高い耐電圧特性を確保している。印加される電界はSI−InPクラッド層209とi−光導波路層208内の限られた領域に印加されるため、電気光学効果による屈折率の変調効率を大きくとることができ、低電圧駆動、短い電極長での光変調が可能になる。しかし、n−SI−i−n構造光変調器と波長可変レーザのような順バイアス領域のクラッド層は異なるため、両者のモノリシック集積は非常に困難であるという問題があった。
ところで、n−SI−i−n構造のような光変調器において、特許文献3のように導波路側面にSI層を形成することで光導波層に効果的に電界を印加できるという効果を求めた構造もある。しかしながら、そのためには光変調器においてもハイメサ導波路形成後にSI層を形成する工程が必要となり、作製工程が増えるという課題があった。また、導波路とSI層再成長界面におけるターンオンの抑制や、SI層再成長による導波路メサ上部への段差の発生とそれに伴うその後の電極工程における電極の段切れが発生するという懸念があった。 By the way, in an optical modulator such as an n-SI-i-n structure, an effect that an electric field can be effectively applied to the optical waveguide layer by forming an SI layer on the side surface of the waveguide as in Patent Document 3 is sought. There is also a structure. However, for this purpose, the optical modulator also requires a step of forming the SI layer after the formation of the high mesa waveguide, and there is a problem that the number of manufacturing steps increases. Further, there are concerns that turn-on is suppressed at the interface between the waveguide and the SI layer regrowth, a step is formed on the top of the waveguide mesa due to SI layer regrowth, and electrode breakage occurs in the subsequent electrode process. .
これら異なるクラッド層を有する複数の領域をモノリシック集積するには次のような方法が考えられてきた。 In order to monolithically integrate a plurality of regions having different cladding layers, the following method has been considered.
(i)通常の光導波路層のみのバットジョイントではなく、光導波路層とクラッド層を含んだ形でのバットジョイントの形成(OSCAR−BJ)。(図3)
(ii)通常バットジョイント後に、一方の領域のクラッド層を全面成長にて形成。その後、もう一方の領域のクラッド層を除去し、その領域に所望のクラッド層を形成する。(図4)
(I) Formation of a butt joint including an optical waveguide layer and a cladding layer (OSCAR-BJ) instead of a normal butt joint of only an optical waveguide layer. (Figure 3)
(Ii) After the normal butt joint, a clad layer in one region is formed by overall growth. Thereafter, the cladding layer in the other region is removed, and a desired cladding layer is formed in that region. (Fig. 4)
図3は、(i)を説明する図である。この方法では、まず、InP基板301上に第一の領域の光導波路層302と第一の領域のInPクラッド層303を形成し、第一の領域のInPクラッド層303の一部にSiO2マスク304を形成する(図3(a))。SiO2マスク304で覆われていない部分のみをエッチング液を用いてエッチングする(図3(b))。エッチングされて露出したInP基板301上に第二の領域の光導波路層305と第二の領域のInPクラッド層306とを形成する(図3(c))。
FIG. 3 is a diagram for explaining (i). In this method, first, an
(i)は、上部クラッド層(InPクラッド層303、306)の層厚が1μm程度の厚い状態でも結合可能なOSCAR−BJ(One−step cladding layer butt joint)技術を用いることができる(特許文献4)。これにより、異なる光導波路層(光導波路層302,305)と異なるドーピングを有する上部クラッド層を同時に同じ接合点で集積する構造が可能となり、異なる領域の上部クラッド層を共通にしなければならないという制約は解消される。また、最後に共有クラッド層の追加成長を行う必要がなく、成長回数の削減が可能となる。
For (i), an OSCAR-BJ (One-step cladding layer butt joint) technique that can be coupled even when the upper cladding layers (
しかし、(i)を実施する上では、多くの制約や困難性がある。例えば、a)光導波路層を接合面のInPクラッド層303にせり上げないように制御するために、接合される側のInPクラッド層303の層厚を1μm程度に抑える、b)接合面角度を適切に選定する、c)光導波路層302やInPクラッド層303の形状をサイドエッチングにより制御する等の必要性があり、更にバットジョイント成長条件が制約される可能性もある。
However, there are many restrictions and difficulties in implementing (i). For example, a) The layer thickness of the
図4は、(ii)を説明する図である。この方法では、まず、InP基板401上に第一の領域の光導波路層402と第一の領域のInPクラッド層403を形成し、第一の領域のInPクラッド層403の一部にSiO2マスク404を形成する(図4(a))。SiO2マスク404で覆われていない部分のみをエッチング液を用いてエッチングする(図4(b))。エッチングされて露出したInP基板401上に第二の領域の光導波路層405と第二の領域のInPクラッド層406を形成する(図4(c))。SiO2マスク404を除去した後第一の領域のInPクラッド層407を成長して(図4(d))、続いてSiO2マスク408を形成した後エッチングを行い(図4(e))、第二の領域のInPクラッド層409を成長する(図4(f))。
FIG. 4 is a diagram for explaining (ii). In this method, first, an
一方、(ii)は、a)成長回数が増えるうえに、b)第一の領域の光導波路層402の接合面において結晶成長面での段差が生じるため、この段差付近において、その後の第二の領域の光導波路層405形成の際の露光、ドライエッチング、および光導波路層402、405の側面の埋め込み(BH)成長のスループロセスにおいて不具合が起こるという問題がある。
On the other hand, in (ii), a) the number of times of growth increases, and b) a step on the crystal growth surface occurs at the joint surface of the
また、近年、レーザ、光増幅器、位相制御装置、光変調器等を集積するなど3つ以上の異機能領域をモノリシック集積することも求められており、(i)および(ii)ともに、バットジョイント接合を繰り返し行う困難さも加味される。 In recent years, it has also been required to monolithically integrate three or more different functional areas such as a laser, an optical amplifier, a phase control device, and an optical modulator. Both (i) and (ii) The difficulty of repeatedly performing the joining is also considered.
このように、異なるクラッド層を有する異機能領域のバットジョイント接合は、形成条件の制約、スループロセスの不具合発生の懸念、成長等の作製工数の増加等の課題を抱えている。 As described above, butt joint bonding in different functional regions having different cladding layers has problems such as limitation of formation conditions, fear of occurrence of defects in the through process, and increase in the number of manufacturing steps such as growth.
一方、上記導波路および上部クラッド層のバットジョイント接合以外にも、波長可変レーザとモノリシック集積する光変調器を実現するために、同一素子内で全て同一の組成・構造でBH構造が構成されることがプロセス簡易化のために重要である。つまり、順バイアス領域に高電流ブロック特性のBH構造、光変調器領域に超低容量のBH構造が求められ、これらを満たす構造として高抵抗層BH構造がある。高抵抗BH構造ならば、ハイメサ導波路を形成し、高抵抗層単層を成長すればよく、2回埋め込み(ブロック成長+クラッド成長)構造やp−n−p−BH構造に比べ、作製が容易でもある。 On the other hand, in addition to the waveguide and the butt joint of the upper clad layer, in order to realize an optical modulator monolithically integrated with the wavelength tunable laser, the BH structure is configured with the same composition and structure in the same element. This is important for process simplification. That is, a BH structure having a high current block characteristic is required in the forward bias region, and an ultra-low capacitance BH structure is required in the optical modulator region, and there is a high resistance layer BH structure as a structure satisfying these. In the case of a high resistance BH structure, a high mesa waveguide may be formed and a single high resistance layer may be grown. Compared to a double buried (block growth + cladding growth) structure or a pnp-BH structure, the fabrication is possible. It is also easy.
本発明の目的は、半絶縁性クラッド層を有する光変調器において、作製工程を増やさず、光導波路と半絶縁層再成長界面におけるターンオンを抑制し、半絶縁層再成長による光導波路上部への段差の発生を抑制するとともに、それに伴うその後の電極工程における電極の段切れを発生させずに光導波路側面の半絶縁層を形成することが可能な構造を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical modulator having a semi-insulating clad layer, which does not increase the number of manufacturing steps, suppresses turn-on at the interface between the optical waveguide and the semi-insulating layer regrowth. An object of the present invention is to provide a structure capable of suppressing the generation of a step and forming the semi-insulating layer on the side surface of the optical waveguide without causing an electrode step in the subsequent electrode process.
また、本発明の別の目的は、半絶縁性クラッド層を有する光変調器とこの光変調器に接続している光半導体素子とを備える光集積素子において、工程を増やさずに、容易に作製することが可能な構造を提供することにある。 Another object of the present invention is to easily manufacture an optical integrated device including an optical modulator having a semi-insulating cladding layer and an optical semiconductor element connected to the optical modulator without increasing the number of steps. It is to provide a structure that can be done.
本発明によれば、光を入射する入射端面と、
入射された前記光を伝搬する第一光導波路層と、
前記第一光導波路層に電界を印加する一対の電極と、
印加された前記電界によって変調された前記光を出射する出射端面と、
前記第一光導波路層の下面を覆う第一導電性の下部クラッド層と、
前記第一光導波路層の上に設けられる前記第一導電性の上部クラッド層と、
を備え、
前記第一光導波路層の上面と前記第一光導波路層の側面とを覆う半絶縁性半導体層が設けられている光変調器
が提供される。
According to the present invention, an incident end face for incident light;
A first optical waveguide layer that propagates the incident light;
A pair of electrodes for applying an electric field to the first optical waveguide layer;
An emission end face for emitting the light modulated by the applied electric field;
A first conductive lower cladding layer covering the lower surface of the first optical waveguide layer;
The first conductive upper cladding layer provided on the first optical waveguide layer;
With
There is provided an optical modulator provided with a semi-insulating semiconductor layer covering an upper surface of the first optical waveguide layer and a side surface of the first optical waveguide layer.
また、本発明によれば、上記の光変調器と、
前記光変調器に接続している光半導体素子と、
を含み、
前記光半導体素子に順バイアスが印加される光集積素子
が提供される。
According to the present invention, the above-described optical modulator;
An optical semiconductor element connected to the optical modulator;
Including
An optical integrated device is provided in which a forward bias is applied to the optical semiconductor device.
また、本発明によれば、上記の光変調器に適した製造方法が提供される。すなわち、本発明によれば、半導体基板を用意する工程と、
前記半導体基板上に第一導電性のクラッド層と第一光導波路層とを順に積層して第一積層構造を形成する工程と、
前記第一積層構造をエッチングして第一メサを形成する工程と、
形成された前記第一メサの表面を半絶縁性半導体層で覆う工程と、
を含む光変調器の製造方法
が提供される。
Moreover, according to the present invention, a manufacturing method suitable for the optical modulator is provided. That is, according to the present invention, a step of preparing a semiconductor substrate;
Forming a first laminated structure by sequentially laminating a first conductive cladding layer and a first optical waveguide layer on the semiconductor substrate;
Etching the first laminated structure to form a first mesa;
Covering the surface of the formed first mesa with a semi-insulating semiconductor layer;
A method for manufacturing an optical modulator is provided.
さらに、本発明によれば、上記の光集積素子に適した製造方法が提供される。すなわち、本発明によれば、半導体基板を用意する工程と、
前記半導体基板上に第一導電性のクラッド層と第二光導波路層と第二導電性のクラッド層とを順に積層して第二積層構造を形成する工程と、
前記第一導電性のクラッド層上に第一光導波路層を積層して第一積層構造を形成する工程と、
前記第一光導波路層と前記第二光導波路層とを接続する工程と、
前記第一積層構造をエッチングして第一メサを形成するとともに、前記第二積層構造をエッチングして第二メサを形成する工程と、
前記第二メサを半絶縁性半導体層で埋め込むとともに、前記第一メサの表面を前記半絶縁性半導体層で覆う工程と、
を含む光集積素子の製造方法
が提供される。
Furthermore, according to the present invention, a manufacturing method suitable for the above-described optical integrated device is provided. That is, according to the present invention, a step of preparing a semiconductor substrate;
Forming a second laminated structure by sequentially laminating a first conductive cladding layer, a second optical waveguide layer, and a second conductive cladding layer on the semiconductor substrate;
Forming a first laminated structure by laminating a first optical waveguide layer on the first conductive cladding layer;
Connecting the first optical waveguide layer and the second optical waveguide layer;
Etching the first laminated structure to form a first mesa and etching the second laminated structure to form a second mesa;
Burying the second mesa with a semi-insulating semiconductor layer and covering the surface of the first mesa with the semi-insulating semiconductor layer;
An optical integrated device manufacturing method including the above is provided.
本発明によれば、半絶縁性クラッド層を有する光変調器において、光導波路と半絶縁層再成長界面におけるターンオンを抑制できる構造を有している。また、半絶縁層再成長による導波路メサ上部への段差の発生とそれに伴うその後の電極工程における電極の段切れを発生させずに光導波路側面の半絶縁性半導体層を形成する構造を有している。したがって、光変調器の歩留まりを向上し、高性能の光変調器を実現可能とする。 According to the present invention, an optical modulator having a semi-insulating cladding layer has a structure capable of suppressing turn-on at the interface between the optical waveguide and the semi-insulating layer regrowth. In addition, it has a structure that forms a semi-insulating semiconductor layer on the side surface of an optical waveguide without generating a step on the top of the waveguide mesa due to regrowth of the semi-insulating layer and subsequent electrode step breakage in the subsequent electrode process. ing. Therefore, the yield of the optical modulator is improved and a high-performance optical modulator can be realized.
また、本発明の第二の効果は、半絶縁性クラッド層を有する光変調器とこの光変調器に接続している光半導体素子とを、作製工程を増やさずに、容易に作製できる構造を有し、光変調器を備える光集積素子の歩留まりを向上し、高性能の光集積素子を実現可能とする。 In addition, the second effect of the present invention is a structure in which an optical modulator having a semi-insulating cladding layer and an optical semiconductor element connected to the optical modulator can be easily manufactured without increasing the manufacturing process. The yield of an optical integrated device having an optical modulator is improved, and a high-performance optical integrated device can be realized.
以下、本発明を図面を用いつつ、詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図5は、本実施形態の光変調器を示す図である。図5(a)は、本実施形態の光変調器を示す平面図である。また、図5(e)は、本実施の形態の光変調器の図5(a)のB−B'断面図である。
(First embodiment)
FIG. 5 is a diagram illustrating the optical modulator of the present embodiment. FIG. 5A is a plan view showing the optical modulator of this embodiment. FIG. 5E is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 5A of the optical modulator according to the present embodiment.
本実施形態の光変調器は、光を入射する入射端面511と、入射された光を伝搬するi−InGaAsP光導波路層503(第一光導波路層)と、i−InGaAsP光導波路層503に電界を印加する一対の電極(シグナル電極509、グランド電極510)と、印加された電界によって変調された光を出射する出射端面512と、i−InGaAsP光導波路層503の下面を覆うn−InPバッファー層502(第一導電性の下部クラッド層)と、i−InGaAsP光導波路層503上に設けられるn−InP層507(第一導電性の上部クラッド層)と、を備える。i−InGaAsP光導波路層503の上面とi−InGaAsP光導波路層503の側面とを覆うSI−InP層506(半絶縁性半導体層)が設けられている。
The optical modulator of the present embodiment includes an incident end face 511 that receives light, an i-InGaAsP optical waveguide layer 503 (first optical waveguide layer) that propagates the incident light, and an electric field applied to the i-InGaAsP
また、本実施の形態の光変調器は、Fe(鉄)ドープ高抵抗型InP基板501を備えている。n−InPバッファー層502とi−InGaAsP光導波路層503とが順に積層された積層体513がInP基板501上に設けられている。図5(e)で示すように、積層体513は、メサ状に加工されている。そして、積層体513の表面はSI−InP層506によって覆われている。なお、この光変調器は、いわゆるマッハツェンダ型光変調器である。
The optical modulator according to the present embodiment includes an Fe (iron) -doped high resistance
本実施形態において、半絶縁性半導体層とは、不純物として鉄がドーピングされた半導体層をいう。これにより、半絶縁性半導体層の内部では、ドーピングされた鉄が半導体層中で深いアクセプタとして機能し、近傍に存在する電子を捕獲してイオン化するため、自由電子が存在しない。このため、この半絶縁層中では電流が流れることが阻止され、層全体が略絶縁体として機能する。SI−InP層506はInP結晶に鉄がドーピングされるため、半絶縁性半導体層として機能することができる。鉄以外にも、Ru、Cr、Co、Ti等をドーピングしてもよい。
In this embodiment, the semi-insulating semiconductor layer refers to a semiconductor layer doped with iron as an impurity. Thereby, inside the semi-insulating semiconductor layer, the doped iron functions as a deep acceptor in the semiconductor layer and captures and ionizes the electrons existing in the vicinity, so that there are no free electrons. For this reason, the current is prevented from flowing in the semi-insulating layer, and the entire layer functions as an insulator. The SI-
つづいて本実施形態の光変調器の製造方法について説明する。図5(b)〜図5(d)は各工程における図5(a)のB−B'断面図を示す。 Next, a method for manufacturing the optical modulator of this embodiment will be described. FIGS. 5B to 5D are cross-sectional views taken along the line BB ′ of FIG. 5A in each step.
本実施形態の光変調器の製造方法は、SI−InP基板501を用意する工程と、SI−InP基板501上にn−InPバッファー層502(第一導電性のクラッド層)とi−InGaAsP光導波路層503とを順に積層して積層構造(第一積層構造)を形成する工程(図5(b))と、積層構造をエッチングしてメサ構造を形成する工程(図5(c))と、形成されたメサ構造の表面をSI−InP層506で覆う工程(図5(d))と、を含む。
The optical modulator manufacturing method according to the present embodiment includes a step of preparing an SI-
具体的には、図5(b)に示すように、Fe(鉄)ドープ高抵抗型InP基板501の(100)面上に、n−InPバッファー層502(厚さ2μm、キャリア濃度1×1018cm−3)、i−InGaAsP光導波路層503であるInGaAsPの量子井戸構造を有する活性層(厚さ0.3μm、発光波長1.4μm)、SI−InPクラッド層504(厚さ20nm)をMOVPE法により順次積層する。次に、図5(a)に示すような光導波路パターンになるように、CVD法とフォトリソグラフィにより光導波路形成用SiO2マスク505を形成する(図5(c))。
Specifically, as shown in FIG. 5B, an n-InP buffer layer 502 (thickness: 2 μm, carrier concentration: 1 × 10 6) is formed on the (100) surface of the Fe (iron) -doped high
次に、図5(c)に示すように、メタン系ドライエッチングにより光導波路層を突き抜ける深さ1μmの導波路メサを形成し、SiO2マスク505を除去する。 Next, as shown in FIG. 5C, a waveguide mesa having a depth of 1 μm that penetrates the optical waveguide layer is formed by methane dry etching, and the SiO 2 mask 505 is removed.
その後、図5(d)に示すように、全体をSI−InP層506(厚さ1μm)、n−InP層507(厚さ0.5μm、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次成長する。
Thereafter, as shown in FIG. 5 (d), an SI-InP layer 506 (
この際、深く細い導波路メサ全体を埋め込む場合、メサ上部に形成される層厚は平坦部に比べ薄くなる。これはメサ上部での成長形状が三角形になり成長速度の遅い面((111)B面)が形成されやすく、成長の進行とともにこの成長速度の遅い面が崩れないとメサ上部全体に厚く成長されないためである。 At this time, when the entire deep and thin waveguide mesa is embedded, the thickness of the layer formed on the mesa is thinner than that of the flat portion. This is because the growth shape at the top of the mesa is triangular and a slow growth surface ((111) B surface) is likely to be formed. If the slow growth surface does not collapse as the growth progresses, the entire mesa top will not grow thick. Because.
しかし、光変調器単体で考えれば、i−InGaAsP光導波路層503上部のSI−InP層506が所望の層厚になるまで成長を続ければよく、i−InGaAsP光導波路層503上部の成長層厚に比べ、i−InGaAsP光導波路層503の側面の成長層厚が厚いため平坦化することが可能である。
However, considering the optical modulator alone, it is sufficient to continue the growth until the SI-
また、平坦成長の段階でSI−InP層506、n−InP層507を所望の層厚を成長し、その後、導波路メサを形成し、導波路メサ側面に再度SI−InP層506を形成しても同様の構造が実現できる。この場合、成長時間が長くなる、導波路メサ上部に段差ができ、電極の段切れの恐れがある、導波路メサの再成長界面を流れるターンオン電流発生の可能性があるといった懸念が生じるが、本構造ではそれら懸念が解消される。
Further, the SI-
その後、マッハツェンダ型光変調器の位相変調領域のみフォトレジストで覆い、それ以外の領域のn−InP層507をウェットエッチングにより除去する。これにより、マッハツェンダ型光変調器の2本の位相変調領域それぞれを電気的に分離する。n−InP層507とその下のSI−InP層506は選択的にエッチングを止められないが、マッハツェンダ型光変調器の位相調整領域以外、つまりMMI部、S字導波路部は光の導波としての役割を果たせばよいため、SI−InP層506がある程度の厚さがあればよい。
Thereafter, only the phase modulation region of the Mach-Zehnder optical modulator is covered with a photoresist, and the n-
その後、図5(e)に示すように、グランド電極510の形成領域においてn−InPバッファー層502に到達する溝を形成し、SiO2マスク508を付け、i−InGaAsP光導波路層503の上部と先程形成した溝の部分に電極コンタクト用に窓開けをする。その後、シグナル電極509を位相変調領域のi−InGaAsP光導波路層503上に、グランド電極510を先に形成した溝のn−InPバッファー層502上に形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5E, a groove reaching the n-
なお、電極構造は導波路メサの両側から一定の距離を保った位置のSI−InP層506をドライエッチングにより除去し、メサ形状を形成し、そのメサの側面まで電極を形成する遮断平行平板電極構造でも構わない。遮断平行平板電極構造にすることにより、速度整合やインピーダンス整合が容易になり広帯域特性に有利である。
The electrode structure is a cut-off parallel plate electrode in which the SI-
以上の工程により、導波路側面にSI層を有するn−SI−i−n構造光変調器においても、成長時間を短く、導波路とSI層再成長界面におけるターンオンの抑制や、SI層再成長による導波路メサ上部への段差の発生とそれに伴うその後の電極工程における電極の段切れの発生の恐れを解消する。また、メサ側面に形成したSI層により光導波層に効率よく電界を印加できるとともに横モード制御層や光導波路層の側面保護層として信頼性向上への寄与等の役割も併せて果たす効果がある。 Through the above steps, even in an n-SI-in-structure optical modulator having an SI layer on the side surface of the waveguide, the growth time is shortened, turn-on is suppressed at the waveguide and SI layer regrowth interface, and SI layer regrowth is achieved. This eliminates the possibility of the occurrence of a step in the upper portion of the waveguide mesa and the subsequent occurrence of the electrode break in the subsequent electrode process. In addition, the SI layer formed on the side surface of the mesa can efficiently apply an electric field to the optical waveguide layer, and also has an effect of contributing to improving reliability as a lateral mode control layer and a side surface protection layer of the optical waveguide layer. .
つづいて、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の光変調器は、i−InGaAsP光導波路層503の上面と側面とを同時に覆うことができるため、製造工程を増加させるという問題が生じない。また、i−InGaAsP光導波路層503の上面と側面とを界面を形成させることなく覆うため、光導波路層とSI層再成長界面におけるターンオンを抑制することができる。また、SI層再成長による導波路メサ上部への段差の発生とそれに伴うその後の電極工程における電極の段切れの発生の恐れを解消することもできる。したがって、歩留まりを向上することも可能となる。さらに、メサ側面に形成したSI層により光導波路層に効率よく電界を印加できるとともに横モード制御層や光導波路層の側面保護層として信頼性向上への寄与等の役割も併せて果たすことができる。
Next, the effect of this embodiment will be described. Since the optical modulator of this embodiment can simultaneously cover the upper surface and the side surface of the i-InGaAsP
(第2の実施形態)
図6、7は、本実施形態の光集積素子を示す図である。図6(a)は、本実施形態の光集積素子を示す平面図である。また、図6(h)、図7(i)は、本実施形態の光集積素子を示す斜視図である。
(Second Embodiment)
6 and 7 are diagrams showing the optical integrated device of this embodiment. FIG. 6A is a plan view showing the optical integrated device of this embodiment. FIG. 6H and FIG. 7I are perspective views showing the optical integrated device of this embodiment.
本実施形態は、第1の実施形態で説明したマッハツェンダ型光変調器を備える光変調器領域と、この光変調器と接続している光半導体素子を備えるDFBレーザ領域と、からなる。光半導体素子に順バイアスが印加されることにより、光半導体素子は、分布帰還型(DFB;Distributed Feedback)DFBレーザとして機能することとなる。 The present embodiment includes an optical modulator region including the Mach-Zehnder optical modulator described in the first embodiment and a DFB laser region including an optical semiconductor element connected to the optical modulator. When a forward bias is applied to the optical semiconductor element, the optical semiconductor element functions as a distributed feedback (DFB) DFB laser.
図7(j)は図6(a)のC−C'断面図である。本実施形態の光集積素子が備える光変調器の構成は第1の実施形態で説明したとおりであるが、図6(a)および図7(j)で示すように、光を入射する入射端面624と、入射された光を伝搬するi−InGaAsP光導波路層607(第一光導波路層)と、i−InGaAsP光導波路層607に電界を印加する一対の電極(シグナル電極617、グランド電極618)と、印加された電界によって変調された光を出射する出射端面625と、i−InGaAsP光導波路層607の下面を覆うn−InPバッファー層602(下部クラッド層)と、i−InGaAsP光導波路層607上に設けられるn−InP層615(第一導電性のクラッド層)と、を備える。i−InGaAsP光導波路層607の上面とi−InGaAsP光導波路層607の側面とを覆うSI−InP層614(半絶縁性半導体層)が設けられている。なお、積層体622は、積層体513に対応する。
FIG. 7J is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. The configuration of the optical modulator included in the optical integrated device of this embodiment is as described in the first embodiment. As shown in FIG. 6A and FIG. 7J, the incident end face on which light is incident. 624, an i-InGaAsP optical waveguide layer 607 (first optical waveguide layer) that propagates incident light, and a pair of electrodes that apply an electric field to the i-InGaAsP optical waveguide layer 607 (
本実施形態の光集積素子は、光変調器領域と、DFBレーザ領域と、が設けられたSI−InP基板601を備えている。図7(k)はDFBレーザ領域を示す図6(a)のB−B'断面図であるが、図7(k)で示すように、DFBレーザ領域は、SI−InP基板601上に順次積層された、n−InPバッファー層602(第一導電性の第一クラッド層)と、i−InGaAsP光導波路層604(第二光導波路)と、p−InPクラッド層609(第二導電性の第二クラッド層)と、を含む積層体621(第二積層体)を備える。さらに、この光集積素子は、積層体621を埋設しているSI−InP層614(半絶縁性半導体層)を有する。
The optical integrated device of this embodiment includes an SI-
つまり、本実施形態の光集積素子は、波長可変レーザのような順バイアス領域とモノリシック集積する光変調器において、順バイアス領域がp型クラッド構造、光変調器側がn−SI型クラッド構造を成し、且つ、順バイアス領域、光変調器共にi−InGaAsP光導波路604、607の側面がSI型電流ブロック層(SI−InP層614)からなる構造となっている。また、SI−InP層614はInP結晶に鉄がドーピングされている。これにより、SI−InP層614の内部では、ドーピングされた鉄がInP結晶中で深いアクセプタとして機能し、近傍に存在する電子を捕獲してイオン化するため、自由電子が存在しない。このため、このSI−InP層614中では電流が流れることが阻止され、層全体が略絶縁体として機能する。したがって、SI−InP層614は半絶縁型半導体層として機能することができる。
In other words, the optical integrated device of the present embodiment has an optical modulator monolithically integrated with a forward bias region such as a wavelength tunable laser, wherein the forward bias region has a p-type cladding structure and the optical modulator side has an n-SI type cladding structure. In addition, the side surfaces of the i-InGaAsP
また、本実施形態の光集積素子は、i−InGaAsP光導波路604の上面とn−InP層615の下面との間に形成されたSI−InP層614の層厚(図7(j)のA)が、積層体621を埋め込むSI−InP層614の層厚(図7(k)のB)より薄くなっている。詳細に説明すると、一体となっている順バイアス領域のSI型電流ブロック層(3μm程度)は光変調器領域のi−InGaAsP光導波路層607上のSI型クラッド層(1μm程度)および光変調器領域のi−InGaAsP光導波層607の側面側のSI型層(2μm程度)とそれぞれ層厚が異なり、「順バイアス領域の電流ブロック層厚が変調器領域のクラッド層厚より厚い」、また「順バイアス領域の電流ブロック層厚が変調器領域の光導波層側面層厚より厚い」という関係になっている。
Further, the optical integrated device of the present embodiment has a layer thickness of the SI-
このとき、光変調器のi−InGaAsP光導波路層607とDFBレーザ領域のメサは同一のSI−InP層614で覆う。したがって、成長回数を増やさず、再成長界面も存在しないことからターンオンの抑制や、再成長により発生する段差部での電極段切れが回避されるという利点がある。
At this time, the i-InGaAsP
つづいて本実施形態の光集積素子の製造方法について説明する。図6(b)〜(f)は各工程における図6(a)のA−A'断面図を示す。図6(g)、(h)は各工程における斜視図を示す。 Next, a method for manufacturing the optical integrated device of this embodiment will be described. 6B to 6F show cross-sectional views taken along line AA ′ of FIG. 6A in each step. FIGS. 6G and 6H are perspective views in each step.
本実施形態の光集積素子の製造方法は、SI−InP基板601(半導体基板)を用意する工程と、SI−InP基板601上にn−InPバッファー層602(第一導電性のクラッド層)とi−InGaAsP光導波路層604(第二光導波路)とp−InPクラッド層609(第二導電性のクラッド層)とを順に積層してDFBレーザ領域に第二積層構造を形成する工程(図6(c)、(d))と、n−InPバッファー層602上にi−InGaAsP光導波路層607を積層して光変調器領域に第一積層構造を形成する工程(図6(d))と、i−InGaAsP光導波路層607とi−InGaAsP光導波路層604とを接続する工程(図6(d))と、第一積層構造をエッチングして光変調器領域に第一メサを形成するとともに、第二積層構造をエッチングしてDFBレーザ領域に第二メサを形成する工程(図6(g))と、第二メサをSI−InP層614(半絶縁性半導体層)で埋め込むとともに、第一メサの表面をSI−InP層614で覆う工程(図6(h))と、を含む。
The optical integrated device manufacturing method of this embodiment includes a step of preparing an SI-InP substrate 601 (semiconductor substrate), an n-InP buffer layer 602 (first conductive cladding layer) on the SI-
より具体的に説明すると、図6(d)では、順バイアス領域の活性層(i−InGaAsP光導波路層604)と光変調器のi−InGaAsP光導波路層607をバットジョイント接合後に、順バイアス領域のp−InPクラッド層609を全面成長し、光変調器領域のp−InPクラッド層609のみをウェットエッチングにより境界面が順メサ形状になるように除去する(図6(e))。i−InGaAsP光導波路層604がSI−InP基板601に対して順メサ方向に配置すれば、HCl系エッチャントを用いれば、接合方向のエッチング面は順メサ形状が得られる。その後、全領域の光導波路をドライエッチングで形成し、光変調領域のSiO2マスク613を除去し(図6(f)、(g))、SI−InP層614、n−InP層615を順次成長する(図6(h))。このとき、順バイアス領域はi−InGaAsP光導波路604側面に電流ブロック層が形成され、光変調器領域はi−InGaAsP光導波路層607全体を覆うクラッド層、且つ横モード制御層およびコア側面保護層が同時に形成されるが、埋め込む形状の違いから、順バイアス領域の電流ブロック層厚が変調器領域のクラッド層厚および光導波層側面層厚より厚く形成され、それぞれの領域で所望の層厚が得られる。
More specifically, in FIG. 6D, the forward bias region is obtained after the active layer (i-InGaAsP optical waveguide layer 604) in the forward bias region and the i-InGaAsP
さらに具体的に本実施形態の光集積素子およびその製造方法について説明する。図6(a)のA−A´で示す光導波路は曲線導波路やマルチモード干渉型導波路(MMI:Multimode Interference)構造で接続されており直線状にはなっていないが、斜め上から見た図6(g)、(h)、図7(i)では各領域の接合部を簡略化のために直線導波路で接続した形で示しており、曲線導波路や1×2マルチモード干渉型導波路(MMI:Multimode Interference)構造で接続されても素子の構成自体は変わらない。 More specifically, the optical integrated device of this embodiment and the manufacturing method thereof will be described. The optical waveguide indicated by A-A ′ in FIG. 6A is connected by a curved waveguide or a multimode interference waveguide (MMI) structure, and is not linear, but is viewed obliquely from above. 6 (g), (h), and FIG. 7 (i) show the joints of the respective regions connected by straight waveguides for the sake of simplicity, such as curved waveguides and 1 × 2 multimode interference. Even if they are connected with a type waveguide (MMI: Multimode Interference) structure, the configuration of the element itself does not change.
図6(b)に示すように、Fe(鉄)ドープ高抵抗型SI−InP基板601の(100)面上に、n−InPバッファー層602(厚さ2μm、キャリア濃度1×1018cm−3)をMOVPE法により成長し、DFBレーザ領域のn−InPバッファー層602上に電子ビーム(EB)描画法により、回折格子を形成する。
As shown in FIG. 6B, an n-InP buffer layer 602 (thickness 2 μm,
次に図6(c)に示すように、MOVPE法により、n−InGaAsPガイド層603(1.3μm組成、厚さ0.1μm、1×1018cm−3)、DFBレーザ領域のi−InGaAsP光導波路層604となるInGaAsPの量子井戸構造を有する活性層(厚さ0.3μm、発光波長1.55μm)、p−InPクラッド層605(厚さ20nm)をMOVPE法により順次積層し、SiO2マスク606をCVD法とフォトリソグラフィによりDFBレーザ領域にのみ形成する。その後、メタン系ドライエッチングによりにInGaAsP活性層(i−InGaAsP光導波路層604)の中間部程度までエッチングし、引き続き、硫酸と過酸化水素水と水の混合液のウェットエッチングにより残りのInGaAsP活性層、n−InGaAsPガイド層603を選択的に除去する。
Next, as shown in FIG. 6C, an n-InGaAsP guide layer 603 (1.3 μm composition, thickness 0.1 μm, 1 × 10 18 cm −3 ), i-InGaAsP in the DFB laser region is formed by MOVPE. An active layer (thickness 0.3 μm, emission wavelength 1.55 μm) having an InGaAsP quantum well structure to be the
次に、図6(d)に示すように、マッハツェンダ型光変調器領域のi−InGaAsP光導波路層607であるInGaAsP層(厚さ0.3μm、発光波長1.40μm)、p−InPクラッド層608(厚さ20nm)をマッハツェンダ型光変調器領域に選択的にバットジョイント接合技術を用いて形成する。先の工程でウェットエッチングにより選択的にInGaAsP活性層を選択的に除去したことにより、p−InPクラッド層605、SiO2マスク606に対してサイドエッチングが進行しており、この庇部がバットジョイントで接合するInGaAsP光導波路層607の接合面でのせり上がり成長を抑制する。また、DFBレーザ領域の活性層とマッハツェンダ型光変調器領域の光導波路層の高さが一致するため接合面での結合損失の小さいバットジョイント接合が実現できる。
Next, as shown in FIG. 6D, an InGaAsP layer (thickness: 0.3 μm, emission wavelength: 1.40 μm) which is an i-InGaAsP
その後、SiO2マスク606を除去後、全体にDFBレーザ領域の上部クラッド層であるp−InPクラッド層609(厚さ2μm、キャリア濃度1×1018cm−3)、p−InGaAsコンタクト層610(厚さ0.2μm、キャリア濃度1×1019cm−3)、p−InPキャップ層611(厚さ0.05μm、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次積層する。
Thereafter, after removing the SiO 2 mask 606, a p-InP cladding layer 609 (thickness 2 μm,
次に、図6(e)に示すように、p−InPキャップ層611を除去後、CVD法とフォトリソグラフィにより、SiO2マスク612をDFBレーザ領域にのみ形成し、ウェットエッチングによりマッハツェンダ型光変調器領域の光導波路層上のp−InGaAsコンタクト層610、p−InPクラッド層608、609を除去する。まず、硫酸と過酸化水素水と水の混合液を用いてp−InGaAsコンタクト層610をエッチングする。その後、塩酸と燐酸の混合液を用いたウェットエッチングによりi−InGaAsP光導波路層607を少しもエッチングすることなくp−InPクラッド層608、609を選択的に除去する。このとき、導波路を順メサ方向に形成することで、このエッチングにより形成されるp−InPクラッド層608、609のエッチング断面は順メサ形状が形成される。
Next, as shown in FIG. 6E, after removing the p-
その後、図6(f)に示すように、SiO2マスク612を除去後、再度、CVD法とフォトリソグラフィにより図6(a)の導波路パターンになるように全領域の光導波路形成用SiO2マスク613を形成する。この際、DFBレーザ領域とマッハツェンダ型光変調器領域の界面はp−InPクラッド層608、609を除去したことによる2μmの段差が生じているが、前述したようにこの界面は滑らかな順メサ形状であるために、従来のクラッド層を含むバットジョイント接合(前述の(ii))面での成長面の凹凸でフォトリソグラフィ時に発生するマスク形状のがたつきが起こりづらい。
Thereafter, as shown in FIG. 6 (f), after removing the SiO 2 mask 612, the entire region of the optical waveguide forming SiO 2 is formed by the CVD method and photolithography so that the waveguide pattern shown in FIG. 6 (a) is obtained. A
従来のクラッド層を含むバットジョイント接合のように、光変調器領域側の上部クラッド層を選択成長により形成した後に導波路形成を行うと、DFBレーザ領域と光変調器領域の界面において、SiO2マスク脇で成長面の凹凸が発生する。この凹凸は選択成長する上部クラッド層厚が厚いほど大きくなるため、本構造のように上部クラッドが1.5μm程度ある場合、その段差を無視できない。このような凹凸では前述したフォトリソグラフィ時に発生する不具合のみならず、SiO2マスクを用いたドライエッチングによる導波路形成においても、この凹凸面近傍では平滑な面が形成しづらいことが懸念される。 When a waveguide is formed after the upper cladding layer on the optical modulator region side is formed by selective growth like a conventional butt joint junction including a cladding layer, SiO 2 is formed at the interface between the DFB laser region and the optical modulator region. Irregularities on the growth surface occur alongside the mask. Since the unevenness increases as the thickness of the selectively grown upper clad layer increases, the step cannot be ignored when the upper clad is about 1.5 μm as in this structure. With such irregularities, there is a concern that it is difficult to form a smooth surface in the vicinity of the irregular surface not only in the above-described problems that occur during photolithography but also in the formation of a waveguide by dry etching using an SiO 2 mask.
次に、図6(g)に示すように、メタン系ドライエッチングによりi−InGaAsP光導波路層604、607を突き抜ける深さ3μmの導波路メサを集積素子全領域一括で形成する。その後、フォトリソグラフィにより光変調器領域のSiO2マスク613のみを除去する。 Next, as shown in FIG. 6G, a waveguide mesa having a depth of 3 μm that penetrates the i-InGaAsP optical waveguide layers 604 and 607 is formed in a batch for all the integrated elements by methane dry etching. Thereafter, only the SiO 2 mask 613 in the optical modulator region is removed by photolithography.
その後、図6(h)に示すように、SiO2マスク613を用いて、DFBレーザ領域においては導波路メサ側面に、マッハツェンダ型光変調器領域においては導波路メサ全体に、SI−InP層614(厚さ1μm)、n−InP層615(厚さ0.5μm、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次成長する。
Thereafter, as shown in FIG. 6 (h), using the SiO 2 mask 613, the SI-
このとき、注意すべき点は、同時成長するマッハツェンダ型光変調器領域のクラッド層とDFBレーザ領域の電流ブロック層に求められる厚さが異なることである。つまり、DFBレーザ領域のSI電流ブロック層は導波路メサ深さと同等の層厚を形成する必要があるため3μm程度の層厚が望ましい。一方で、マッハツェンダ型光変調器側のSIクラッド層は1μm程度が妥当な層厚であることから、図7(j)、(k)の各領域の断面構造から分かるようにマッハツェンダ型光変調器領域の光導波路上部のSI層厚(A)とDFBレーザ領域のSI層厚(B)とでは所望の層厚が異なる。 At this time, it should be noted that the required thicknesses of the clad layer in the Mach-Zehnder type optical modulator region and the current blocking layer in the DFB laser region which are simultaneously grown are different. That is, the SI current blocking layer in the DFB laser region needs to have a layer thickness equivalent to the waveguide mesa depth, so that a layer thickness of about 3 μm is desirable. On the other hand, the SI cladding layer on the side of the Mach-Zehnder type optical modulator has an appropriate layer thickness of about 1 μm, so that the Mach-Zehnder type optical modulator can be seen from the cross-sectional structure of each region in FIGS. The desired layer thickness differs between the SI layer thickness (A) above the optical waveguide in the region and the SI layer thickness (B) in the DFB laser region.
この要求に対しても、本実施形態で示す方法を用いれば、マッハツェンダ型光変調器領域のSIクラッド層を1μm程度の適当な厚さに保ちつつ、DFBレーザ領域のSI電流ブロック層を所望の厚さである3μm程度の厚さに設定することができる。 In response to this requirement, if the method shown in this embodiment is used, the SI clad layer in the Mach-Zehnder optical modulator region is maintained at an appropriate thickness of about 1 μm, and the SI current blocking layer in the DFB laser region is set to a desired value. The thickness can be set to about 3 μm.
つまり、本実施形態の光集積素子のように、マッハツェンダ型光変調器領域のような深く細い導波路メサ全体を埋め込む場合、メサ上部に形成される層厚は平坦部に比べ薄くなる。これはメサ上部での成長形状が三角形になり成長速度の遅い面((111)B面)が形成されやすく、成長の進行とともにこの成長速度の遅い面が崩れないとメサ上部全体に厚く成長されない。 That is, when the entire deep and thin waveguide mesa such as the Mach-Zehnder optical modulator region is embedded as in the optical integrated device of the present embodiment, the layer thickness formed on the mesa is thinner than the flat portion. This is because the growth shape at the top of the mesa is triangular and a slow growth surface ((111) B surface) is likely to be formed. If the slow growth surface does not collapse as the growth progresses, the entire mesa top will not grow thick. .
よって、マッハツェンダ型光変調器領域の光導波路層上SIクラッド層を目標の1μm程成長しようとすると、必然的に、平坦領域において2μm以上の成長層厚が必要となる。この平坦領域で2μm以上という成長層厚は、DFBレーザ領域の導波路側面の電流ブロック層厚に換算すると3μm程度に相当するのである。これは、導波路側面への成長では、平坦部よりも厚さが増大するメカニズムが存在するからであり、それは上部にSiO2マスクを設けたメサ側面の寄与による。 Therefore, if the target SI cladding layer on the optical waveguide layer in the Mach-Zehnder type optical modulator region is to be grown by about 1 μm, a growth layer thickness of 2 μm or more is necessarily required in the flat region. The growth layer thickness of 2 μm or more in this flat region corresponds to about 3 μm when converted to the current blocking layer thickness on the side surface of the waveguide in the DFB laser region. This is because the growth to the side surface of the waveguide has a mechanism in which the thickness is increased as compared with the flat portion, and this is due to the contribution of the mesa side surface having the SiO 2 mask provided thereon.
なお、このときの注意点として、成長条件によっては、メサ側面の成長層厚が2.5μm〜4μm程度までぶれることが考えられ、メサ側面よりも厚くなることで導波路脇では電流ブロック層が導波路よりせり上がった形状になるが、このせり上がりの増減によるレーザ特性への影響は小さい。 Note that, depending on the growth conditions, the thickness of the growth layer on the mesa side surface may be up to about 2.5 μm to 4 μm depending on the growth conditions. Although the shape rises from the waveguide, the influence on the laser characteristics due to the increase or decrease of the rise is small.
このように、レーザ側の電流ブロック層厚の自由度は大きいためSI層の調整はマッハツェンダ型光変調器側で行えばよく、DFBレーザ領域とマッハツェンダ型光変調器領域で所望の層厚が異なっても同時形成が可能となるのである。 Thus, since the degree of freedom of the current block layer thickness on the laser side is large, the SI layer may be adjusted on the Mach-Zehnder optical modulator side, and the desired layer thickness differs between the DFB laser region and the Mach-Zehnder optical modulator region. However, simultaneous formation is possible.
また、マッハツェンダ型光変調器領域において導波路メサ全体を埋め込むように成長することによる利点は、第1の実施形態で述べた通りである。 The advantages of growing the entire waveguide mesa in the Mach-Zehnder type optical modulator region are as described in the first embodiment.
その後、図7(i)に示すように、マッハツェンダ型光変調器の位相変調領域のみフォトレジストで覆い、それ以外の領域のn−InP層615をウェットエッチングにより除去する。これにより、DFBレーザ領域とマッハツェンダ型光変調器、また、マッハツェンダ型光変調器の2本の位相変調領域はそれぞれ電気的に分離される。n−InP層615とその下のSI−InP層614は選択的にエッチングを止められないが、前述の通りDFBレーザ領域のSI−InP層614は所望の層厚より厚めに形成されるので僅かにSI−InP層614がエッチングされてもレーザ特性に影響を与えない。同様にマッハツェンダ型光変調器の位相調整領域以外、つまりMMI部、S字導波路部は光の導波としての役割を果たせばよいため、SI−InP層614がある程度の厚さがあればよい。また、DFBレーザ領域の光導波路604の上部はBH成長に用いたSiO2マスク613が保護しているのでエッチングによる影響を受けない。
Thereafter, as shown in FIG. 7I, only the phase modulation region of the Mach-Zehnder optical modulator is covered with a photoresist, and the n-
その後、SiO2マスク613を除去後、図7(j)に示すように、各電極形成領域においてn−InPバッファー層602に到達する溝を形成し、SiO2マスク616を付け、i−InGaAsP光導波路層607の上部と先程形成した溝の部分に電極コンタクト用に窓開けをする。その後、マッハツェンダ型光変調器のシグナル電極617、DFBレーザ領域のp側電極619を各導波路上に、マッハツェンダ型光変調器領域のグランド電極618、DFBレーザ領域のn側電極620を溝のn−InPバッファー層602上に形成する。
Thereafter, after removing the SiO 2 mask 613, as shown in FIG. 7 (j), a groove reaching the n-
以上の工程により、導波路側面に高抵抗ブロック層を形成したp−i−n構造のDFBレーザとn−SI−i−n構造マッハツェンダ型光変調器のように異なる上部クラッド層を有する領域をモノリシック集積する素子を、成長回数を増やさず、異領域の接合面で起こるプロセス不具合を抑制して実現することができる。 Through the above-described steps, regions having different upper cladding layers, such as a pin structure DFB laser having a high resistance block layer formed on the side surface of the waveguide and an n-SI-in structure Mach-Zehnder optical modulator, are formed. A monolithically integrated device can be realized without increasing the number of times of growth and suppressing a process failure occurring at a joint surface in a different region.
つづいて、本実施の形態の効果について説明する。本実施形態の光集積素子によれば、光変調器のi−InGaAsP光導波路層607の上面とi−InGaAsP光導波路層607の側面とを覆うSI−InP層614が設けられている。また、SI−InP層614によりDFBレーザの光導波路を埋め込むことも可能となる。したがって、成長回数を少なくすることができ、工程数の少ない容易な製造が実現可能となる。また、全領域の導波路を形成後にBH成長することから接合面での段差において生じるプロセス不具合を解消することもできる。さらに、光変調器においては、光導波路層の周囲を連続界面をもつ(再成長界面をもたない)SI層で覆うため、再成長界面を流れるターンオン電流の発生を抑制することが可能となる。したがって、歩留まりを向上し、高性能の光集積素子を実現可能とする。
Next, the effect of this embodiment will be described. According to the optical integrated device of this embodiment, the SI-
また、本実施形態の光集積素子の製造方法によれば、SI−InP層614により共通層である順バイアス領域高抵抗電流ブロック層と光変調器領域半絶縁性クラッド層および光導波路側面層を同時に成長する。この手法により図3および図4で示すクラッド層接合手法に対して次のような利点が得られる。前述の(i)(図3)のように接合される側のクラッド層厚や成長条件に特別な制約がない。前述の(ii)(図4)に比べ、成長回数が少なく、全領域の導波路を形成後にBH成長することから接合面での段差において生じるプロセス不具合を解消できる。また、光変調器においても光導波層の周囲に連続界面をもつ(再成長界面をもたない)SI層で覆われるために、再成長界面を流れるターンオン電流の発生を抑制が期待できる。
Further, according to the method of manufacturing an optical integrated device of this embodiment, the forward bias region high resistance current blocking layer, the optical modulator region semi-insulating cladding layer, and the optical waveguide side layer, which are common layers, are formed by the SI-
このように、本実施形態の光集積素子の構造および製造方法により、光導波路側面がSI―InP層614で形成されるp−InP−クラッド層を有する順バイアス領域とn−SI−i−n構造のようなSIクラッド層を有する光変調器のような異なるクラッド層を有する領域のモリシック集積素子を、プロセス工数を増やさず、導波路形成時のクラッド層接合面での不具合を解消しつつ作製できる。
As described above, according to the structure and the manufacturing method of the optical integrated device of the present embodiment, the forward bias region having the p-InP-cladding layer formed on the side surface of the optical waveguide with the SI-
また、本実施形態によれば、異機能領域において異なる光導波路層上部クラッド層を有する光変調器と波長可変レーザ等の順バイアス領域とのモノリシック半導体光集積素子において、成長回数の増加やプロセス不具合を解消しつつ高性能な光集積素子ができる素子構造およびその製造方法を提供することができる。 Further, according to the present embodiment, in a monolithic semiconductor optical integrated device having an optical modulator having different optical waveguide layer upper cladding layers in different functional regions and a forward bias region such as a wavelength tunable laser, an increase in the number of growths and a process failure It is possible to provide an element structure capable of producing a high-performance optical integrated element while eliminating the above, and a manufacturing method thereof.
本実施形態の光集積素子は、順バイアス領域がp型クラッド構造、光変調器領域がn−SI型クラッド構造を成し、且つ、順バイアス領域、光変調器領域共に導波路側面がSI電流ブロック層からなる構造を有している。したがって、所望層厚が異なる順バイアス領域のSI電流ブロック層と光変調器領域のSIクラッド層を同時形成しつつ、それぞれ順バイアス領域の電流ブロック層厚と変調器領域のクラッド層の所望層厚を実現することができる。よって、高い電流ブロック特性を有するp−i−n構造順バイアス領域と、光信号や電気信号の損失を小さくでき、位相速度整合やインピーダンス整合が容易で広帯域化に有利であるn−SI−i−n構造光変調器のような上部クラッド層が異なる領域のモノリシック集積素子を、プロセス工数を減らし、導波路形成時のクラッド層接合面での不具合を解消しつつ容易に実現することが可能となる。 In the optical integrated device of this embodiment, the forward bias region has a p-type cladding structure, the optical modulator region has an n-SI type cladding structure, and both the forward bias region and the optical modulator region have an SI current on the waveguide side surface. It has a structure consisting of block layers. Therefore, while simultaneously forming the SI current blocking layer in the forward bias region and the SI cladding layer in the optical modulator region with different desired layer thicknesses, the current blocking layer thickness in the forward bias region and the desired layer thickness in the cladding region in the modulator region, respectively. Can be realized. Therefore, the p-i-n structure forward bias region having high current blocking characteristics, the loss of optical signals and electrical signals can be reduced, phase speed matching and impedance matching are easy, and n-SI-i is advantageous for widening the bandwidth. A monolithic integrated device with a different upper cladding layer, such as an n-structure optical modulator, can be easily realized while reducing the number of process steps and eliminating defects at the clad layer interface during waveguide formation. Become.
(第3の実施形態)
次に図8、9を用いて、第3の実施形態である位相調整領域を集積した光増幅器と、マッハツェンダ型光変調器を集積した光集積素子の素子構造およびその製造方法について説明する。図8(a)は本実施形態の光集積素子を説明する平面図である。また、図8(b)〜(f)は本実施形態の光集積素子を説明する図8(a)のA−A'断面図である。また、図8(g)、(h)、図9(i)は本実施形態の光集積素子を説明する斜視図である。また、図9(j)は、本実施形態の光集積素子の光変調器領域を説明する図8(a)のC−C'断面図である。また、図9(k)は、本実施形態の光集積素子の光増幅器領域を説明する図8(a)のB−B'断面図である。
(Third embodiment)
Next, with reference to FIGS. 8 and 9, an element structure of an optical amplifier integrated with a phase adjustment region according to a third embodiment and an optical integrated element integrated with a Mach-Zehnder optical modulator and a manufacturing method thereof will be described. FIG. 8A is a plan view for explaining the optical integrated device of this embodiment. FIGS. 8B to 8F are cross-sectional views taken along the line AA ′ of FIG. 8A for explaining the optical integrated device of this embodiment. FIGS. 8G, 8H, and 9I are perspective views for explaining the optical integrated device of this embodiment. FIG. 9J is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 8A for explaining the optical modulator region of the optical integrated device of this embodiment. FIG. 9K is a sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 8A for explaining the optical amplifier region of the optical integrated device of this embodiment.
すなわち、本実施形態の光集積素子は、第2の実施形態のDFBレーザが波長可変レーザとして機能するものである。本実施形態において、光増幅器領域は、レーザ光を増幅する。また、位相調整領域は、入力電気信号に応じてレーザ光の位相を調整する。位相調整領域は、波長可変フィルタを含んでいる。 That is, in the optical integrated device of this embodiment, the DFB laser of the second embodiment functions as a wavelength tunable laser. In the present embodiment, the optical amplifier region amplifies laser light. The phase adjustment region adjusts the phase of the laser beam according to the input electric signal. The phase adjustment region includes a wavelength tunable filter.
なお、図8(a)のA−A´で示す光導波路は曲線導波路やマルチモード干渉型導波路(MMI:Multimode Interference)構造で接続されており直線状にはなっていないが、斜め上から見た図8(g)、(h)、図9(i)では各領域の接合部を簡略化のために直線導波路で接続した形で示しているが、曲線導波路や1×2マルチモード干渉型導波路(MMI:Multimode Interference)構造で接続されても素子の構成は変わらない。 Note that the optical waveguide indicated by AA ′ in FIG. 8A is connected by a curved waveguide or a multimode interference waveguide (MMI) structure and is not linear, but obliquely upward. 8 (g), (h), and FIG. 9 (i) viewed from FIG. 9 are shown in a form in which the junctions of the respective regions are connected by straight waveguides for simplification, but are not shown by curved waveguides or 1 × 2 Even if they are connected with a multimode interference waveguide (MMI) structure, the configuration of the elements does not change.
図8(b)に示すように、Fe(鉄)ドープ高抵抗型SI−InP基板701の(100)面上に、n−InPバッファー層702(厚さ2μm、キャリア濃度1×1018cm−3)、光増幅器領域光導波路層であるInGaAsPの量子井戸構造を有する活性層(i−InGaAsP導波路層703、厚さ0.3μm、発光波長1.55μm)、p−InPクラッド層704(厚さ20nm)をMOVPE法により順次積層し、SiO2マスク705をCVD法とフォトリソグラフィにより光増幅器領域にのみ形成する。その後、メタン系ドライエッチングによりにInGaAsP活性層の中間部程度までエッチングし、引き続き、硫酸と過酸化水素水と水の混合液のウェットエッチングにより残りのInGaAsP活性層を選択的に除去する。
As shown in FIG. 8B, an n-InP buffer layer 702 (thickness 2 μm,
次に、図8(c)に示すように、位相調整領域とマッハツェンダ型光変調器領域の共有光導波路であるInGaAsP光導波路層706(厚さ0.3μm、発光波長1.40μm)、p−InPクラッド層707(厚さ20nm)を位相変調領域およびマッハツェンダ型光変調領域に選択的にバットジョイント接合技術を用いて形成する。その後、SiO2マスク705を除去後、全体に光増幅器領域および位相調整領域の上部クラッド層であるp−InPクラッド層708(厚さ2μm、キャリア濃度1×1018cm−3)、p−InGaAsコンタクト層709(厚さ0.2μm、キャリア濃度1×1019cm−3)、p−InPキャップ層710(厚さ0.05μm、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次積層する。
Next, as shown in FIG. 8C, an InGaAsP optical waveguide layer 706 (thickness 0.3 μm, emission wavelength 1.40 μm) which is a shared optical waveguide of the phase adjustment region and the Mach-Zehnder type optical modulator region, p − An InP cladding layer 707 (thickness 20 nm) is selectively formed in the phase modulation region and the Mach-Zehnder light modulation region by using a butt joint bonding technique. Thereafter, after removing the SiO 2 mask 705, the p-InP clad layer 708 (thickness 2 μm,
次に、図8(d)に示すように、p−InPキャップ層710を除去後、CVD法とフォトリソグラフィにより、SiO2マスク711を光増幅器領域および位相調整領域にのみ形成し、ウェットエッチングによりマッハツェンダ型光変調器領域の光導波路層上のp−InPクラッド層708、p−InGaAsコンタクト層709を除去する。このエッチングは第2の実施形態に示した通りである。
Next, as shown in FIG. 8D, after the p-
次に、図8(e)に示すように、SiO2マスク711を除去後、再度、CVD法とフォトリソグラフィにより図7(a)の導波路パターンになるように全領域の光導波路形成用SiO2マスク712を形成する。
Next, as shown in FIG. 8E, after the SiO 2 mask 711 is removed, the optical waveguide forming SiO in the entire region is formed again by the CVD method and photolithography so that the waveguide pattern of FIG. 7A is obtained. Two
次に、図8(f)に示すように、メタン系ドライエッチングによりi−InGaAsP光導波路層(703、706)を突き抜ける深さ3μmの導波路メサを集積素子全領域一括で形成する。その後、フォトリソグラフィにより光変調器領域のSiO2マスク712のみを除去する。 Next, as shown in FIG. 8F, a waveguide mesa having a depth of 3 μm that penetrates the i-InGaAsP optical waveguide layers (703, 706) is formed in a batch of all the integrated elements by methane dry etching. Thereafter, only the SiO 2 mask 712 in the optical modulator region is removed by photolithography.
その後、図8(h)に示すように、SiO2マスク712を用いて、光増幅器領域および位相調整領域においては導波路メサ側面に、マッハツェンダ型光変調器領域においては導波路メサ全体を、SI−InP層713(厚さ1μm)、n−InP層714(厚さ0.5μm、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次成長する。
Thereafter, as shown in FIG. 8 (h), using the SiO 2 mask 712, the entire waveguide mesa in the Mach-Zehnder optical modulator region is formed on the side surface of the waveguide mesa in the optical amplifier region and the phase adjustment region. An InP layer 713 (
このとき、第二の実施形態でも述べたように、同時成長するマッハツェンダ型光変調器領域のSI−クラッド層と光増幅器領域および位相調整領域の電流ブロック層に求められる厚さが異なるが、光増幅器領域および位相調整領域の電流ブロック層厚の自由度は大きいためSI層の調整はマッハツェンダ型光変調器側で行えばよく、光増幅器領域および位相調整領域とマッハツェンダ型光変調器領域で所望の層厚が異なっても同時形成が可能となる。 At this time, as described in the second embodiment, the thickness required for the SI-cladding layer in the Mach-Zehnder type optical modulator region and the current blocking layer in the optical amplifier region and the phase adjustment region which are simultaneously grown are different. Since the degree of freedom of the current block layer thickness in the amplifier region and the phase adjustment region is large, the SI layer may be adjusted on the Mach-Zehnder type optical modulator side, and desired in the optical amplifier region, the phase adjustment region, and the Mach-Zehnder type optical modulator region. Simultaneous formation is possible even if the layer thicknesses are different.
その後、図9(i)に示すように、マッハツェンダ型光変調器の位相変調領域のみフォトレジストで覆い、それ以外の領域のn−InP層714をウェットエッチングにより除去する。これにより、光増幅器領域および位相調整領域とマッハツェンダ型光変調器、また、マッハツェンダ型光変調器の2本の位相変調領域はそれぞれを電気的に分離される。
Thereafter, as shown in FIG. 9I, only the phase modulation region of the Mach-Zehnder type optical modulator is covered with a photoresist, and the n-
その後、ギャップ反射鏡として溝をドライエッチングで形成する。深さは約8μm、ギャップ反射鏡の溝間隔は約0.8μmである。ギャップ反射鏡は波長可変レーザの反射端面との役割をはたしつつ、異機能領域との集積を可能にする。 Thereafter, a groove is formed by dry etching as a gap reflector. The depth is about 8 μm, and the gap spacing of the gap reflector is about 0.8 μm. The gap reflecting mirror plays a role of a reflection end face of the wavelength tunable laser and enables integration with different functional areas.
最後に、図9(j)に示すように、SiO2マスク715を除去後、各電極形成領域においてn−InPバッファー層702に到達する溝を形成し、SiO2マスク715を付け、i−InGaAsP光導波路層706の上部と先程形成した溝の部分に電極コンタクト用に窓開けをする。その後、マッハツェンダ型光変調器のシグナル電極717、光増幅領域のp側電極718を各導波路上に、マッハツェンダ型光変調器領域のグランド電極717、光増幅領域のn側電極719を溝のn−InPバッファー層702上に形成する。
Finally, as shown in FIG. 9 (j), after removing the SiO 2 mask 715, a groove reaching the n-
以上の工程により、i−InGaAsP光導波路層703の側面に高抵抗ブロック層を形成したp−i−n構造の位相調整領域を集積した光増幅器とn−SI−i−n構造マッハツェンダ型光変調器のように異なる上部クラッド層を有する領域をモノリシック集積する素子を、成長回数を増やさず、異領域の接合面で起こるプロセス不具合を抑制して実現することができる。
Through the above steps, the optical amplifier in which the phase adjustment region of the pin structure in which the high resistance block layer is formed on the side surface of the i-InGaAsP
なお、半導体素子の外側に、レーザの外部共振器としてコリメート用レンズ、フリースペクトラルレンジ50GHzのエタロン、そして液晶から構成される波長可変フィルタを用いることで外部共振器型波長可変レーザが形成され、フィルタに印加する電圧を変えることでチューニングでき1.53μm〜1.57μmまで波長可変が可能である。 An external resonator type wavelength tunable laser is formed on the outside of the semiconductor element by using a wavelength tunable filter composed of a collimating lens, a free spectral range 50 GHz etalon, and a liquid crystal as an external resonator of the laser. Tuning can be performed by changing the voltage applied to the wavelength of 1.53 μm to 1.57 μm.
(第4の実施形態)
次に図10、11を用いて、本発明の第4の実施形態である位相調整領域を集積した光増幅器と、マッハツェンダ型光変調器を集積した素子の素子構造とその製造方法について説明する。第4の実施形態は第3の実施形態の光集積素子の製造工程において、光変調器領域のp型クラッド層のエッチングを、光導波路形成後に行うものである。本実施形態の光集積素子の平面図は、図8(a)と同様であり、図10(a)(b)は図8(a)のA−A'断面図である。また、図10(c)(d)は本実施形態の光集積素子の工程を説明する斜視図である。また、図11(e)は本実施形態の光集積素子の斜視図である。また、図11(f)は、本実施形態の光集積素子の光変調器領域を説明する図8(a)のC−C'断面図である。また、図11(g)は、本実施形態の光集積素子の光増幅領域を説明する図8(a)のB−B'断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, with reference to FIGS. 10 and 11, an element structure of an optical amplifier integrated with a phase adjustment region and an element integrated with a Mach-Zehnder optical modulator according to a fourth embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described. In the fourth embodiment, in the optical integrated device manufacturing process of the third embodiment, the p-type cladding layer in the optical modulator region is etched after the optical waveguide is formed. The plan view of the optical integrated device of this embodiment is the same as FIG. 8A, and FIGS. 10A and 10B are AA ′ cross-sectional views of FIG. FIGS. 10C and 10D are perspective views for explaining the process of the optical integrated device of this embodiment. FIG. 11E is a perspective view of the optical integrated device of this embodiment. FIG. 11F is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 8A for explaining the optical modulator region of the optical integrated device of this embodiment. FIG. 11G is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 8A for explaining the optical amplification region of the optical integrated device of this embodiment.
図10(a)、(b)で示す光増幅器領域および位相調整領域のp−InPクラッド層808を形成する工程までは第3の実施形態で説明した方法と同様である。すなわち、Fe(鉄)ドープ高抵抗型SI−InP基板801の(100)面上に、n−InPバッファー層802(厚さ2μm、キャリア濃度1×1018cm−3)、光増幅器領域光導波路層であるInGaAsPの量子井戸構造を有する活性層(i−InGaAsP導波路層803、厚さ0.3μm、発光波長1.55μm)、p−InPクラッド層804(厚さ20nm)をMOVPE法により順次積層し、SiO2マスク805をCVD法とフォトリソグラフィにより光増幅器領域にのみ形成する。その後、メタン系ドライエッチングによりにInGaAsP活性層の中間部程度までエッチングし、引き続き、硫酸と過酸化水素水と水の混合液のウェットエッチングにより残りのInGaAsP活性層を選択的に除去する。次に、位相調整領域とマッハツェンダ型光変調器領域の共有光導波路であるi−InGaAsP光導波路層806(厚さ0.3μm、発光波長1.40μm)、p−InPクラッド層807(厚さ20nm)を位相調整領域およびマッハツェンダ型光変調領域に選択的にバットジョイント接合技術を用いて形成する。その後、全体に光増幅器領域および位相調整領域の上部クラッド層であるp−InPクラッド層808(厚さ2μm、キャリア濃度1×1018cm−3)、p−InGaAsコンタクト層809(厚さ0.2μm、キャリア濃度1×1019cm−3)、p−InPキャップ層810(厚さ0.05μm、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次積層する。
The process up to the step of forming the p-InP cladding layer 808 in the optical amplifier region and the phase adjustment region shown in FIGS. 10A and 10B is the same as the method described in the third embodiment. That is, an n-InP buffer layer 802 (thickness 2 μm,
次に図10(c)に示すように、導波路形成用のSiO2マスク811を形成し、メタン系ドライエッチングにより光導波路層を突き抜ける深さ3μmの導波路メサを集積素子全領域一括で形成する。第3の実施形態で説明した方法と異なり、マッハツェンダ型光変調器領域のクラッド層をエッチングする前に導波路メサ形成を実施するため、メサ形成後の底面が揃っておりBH成長後に生じる領域境界での段差が小さくなり、その後の図11(f)に示す電極工程でのプロセス不具合が更に生じづらい。また、導波路メサの底面がi−InGaAsP光導波路層803、806より深く、且つn−InPバッファー層802内に位置するようにエッチングを制御する必要があるが、第3の実施形態で説明した方法に比べ、エッチング制御の許容範囲が広がるという利点もある。
Next, as shown in FIG. 10C, a SiO 2 mask 811 for forming a waveguide is formed, and a waveguide mesa having a depth of 3 μm that penetrates the optical waveguide layer by methane-based dry etching is formed all over the integrated element. To do. Unlike the method described in the third embodiment, since the waveguide mesa is formed before etching the cladding layer in the Mach-Zehnder optical modulator region, the bottom surface after the mesa formation is aligned and the region boundary generated after the BH growth The level difference at the point becomes smaller, and the subsequent process failure in the electrode process shown in FIG. Further, the etching needs to be controlled so that the bottom surface of the waveguide mesa is located deeper than the i-InGaAsP optical waveguide layers 803 and 806 and in the n-
その後、図10(d)に示すように、マッハツェンダ型光変調器領域のSiO2マスク811のみを除去する。その後、マッハツェンダ型光変調器領域の導波路メサ上部のp−InPクラッド層808、p−InGaAsコンタクト層809のみを除去する。ここで、図示はしないが、メサ上部のp−InPクラッド層808のみを除去するため次のような工程を実施する。メサ形成後にレジストを塗布し、光増幅器領域および位相調整領域全体を覆うマスクを用いて露光を行うが、この際、露光量を調整し露光用マスクで覆われていないマッハツェンダ型光変調領域の導波路メサ上部のみが露出するように、レジストの後退を調整する。この時、レジストが光導波路層の高さまで後退しないように調整する。
Thereafter, as shown in FIG. 10D, only the SiO 2 mask 811 in the Mach-Zehnder optical modulator region is removed. Thereafter, only the p-InP cladding layer 808 and the p-
以上の工程により、マッハツェンダ型光変調器領域の導波路メサ上部のみがレジストに覆われていない状態になる。その後、硫酸と過酸化水素水と水の混合液を用いてp−InGaAsコンタクト層809をエッチングし、続いて塩酸と燐酸の混合液を用いたウェットエッチングによりi−InGaAsP光導波路層806を少しもエッチングすることなくp−InPクラッド層808を選択的に除去する。このとき、導波路を順メサ方向に形成することで、第3の実施例同様に、エッチングにより形成されるp−InPクラッド層のエッチング断面は順メサ形状が形成される。その後、レジストを除去すれば、光増幅器領域および位相調整領域の導波路メサ上部にのみSiO2マスク811が形成された状態になる。
By the above process, only the upper part of the waveguide mesa in the Mach-Zehnder type optical modulator region is not covered with the resist. Thereafter, the p-
その後の工程は第3の実施形態と同様に、SiO2マスク811を用いて、図11(e)に示すように、光増幅器領域および位相調整領域においては導波路メサ側面に、マッハツェンダ型光変調器領域においては導波路メサ全体を、SI−InP層812(厚さ1μm)、n−InP層813(厚さ0.5μm、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次成長する。これ以降の電極形成工程も、第3の実施例と同様に行うことで素子が完成する。すなわち、図11(e)に示すように、SiO2マスク811を除去後、各電極形成領域においてn−InPバッファー層802に到達する溝を形成し、SiO2マスク814を付け、i−InGaAsP光導波路806の上部と先程形成した溝の部分に電極コンタクト用に窓開けをする。その後、マッハツェンダ型光変調器のシグナル電極815、光増幅器領域のp側電極817を各導波路上に、マッハツェンダ型光変調器領域のグランド電極816、光増幅器領域のn側電極818を溝のn−InPバッファー層802上に形成する。
As in the third embodiment, the subsequent processes are performed using a SiO 2 mask 811 and, as shown in FIG. 11E, on the side of the waveguide mesa in the optical amplifier region and the phase adjustment region, Mach-Zehnder type optical modulation. In the vessel region, an SI-InP layer 812 (
以上の工程により、導波路側面に高抵抗ブロック層を形成したp−i−n構造の位相調整領域を集積した光増幅器とn−SI−i−n構造マッハツェンダ型光変調器のような異なる上部クラッド層を有する領域をモノリシック集積する素子を、第3の実施形態に比べ、プロセスの制御性を向上させて作製することができる。なお、第4の実施形態は、第2の実施形態においても同様の作製工程を通すことで実現できる。 Through the above-described steps, different upper portions such as an optical amplifier in which a phase adjustment region of a pin structure in which a high resistance block layer is formed on a waveguide side surface and an n-SI-in structure Mach-Zehnder type optical modulator are integrated. An element that monolithically integrates a region having a cladding layer can be manufactured with improved process controllability compared to the third embodiment. In addition, 4th Embodiment is realizable by passing through the same manufacturing process also in 2nd Embodiment.
(第5の実施形態)
第5の実施形態は、図示はしないが第1の実施形態に記載の光変調器において、光変調器のn−SI−i−n構造をn−SI−p−i−n構造に置き換えた構造である。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, although not shown, in the optical modulator described in the first embodiment, the n-SI-i-n structure of the optical modulator is replaced with an n-SI-p-i-n structure. Structure.
本実施形態は、第1の実施形態において、図5(b)のSI−InP層504をp−InP層に置き換えることで、同様の製造方法で実現できる。本実施形態の構造にすることで、第1の実施形態の利点以外に、以下の効果が期待できる。
This embodiment can be realized by a similar manufacturing method by replacing the SI-
SI層とi層の間に薄いp型層を挿入することにより、n−SI−i−n構造の利点である損失の低減や光信号ならびに変調RF信号の位相速度整合およびインピーダンス整合がとることが容易であるとともにn−SI−i−n構造より強い電場を光導波層に印加でき、マッハツェンダ型光変調器の低電圧駆動が期待できる。 By inserting a thin p-type layer between the SI layer and the i layer, loss reduction, which is an advantage of the n-SI-i-n structure, and phase velocity matching and impedance matching of the optical signal and the modulated RF signal can be achieved. Thus, an electric field stronger than the n-SI-in structure can be applied to the optical waveguide layer, and low voltage driving of the Mach-Zehnder optical modulator can be expected.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、本発明は以下の態様を採用することも可能である。
(1)半絶縁型半導体層を光導波層の上部クラッド層に含む光変調器において、光導波層の側面に半絶縁型半導体層を有し、該光導波路層側面の半絶縁型半導体層と該半絶縁型上部クラッド半導体層が連続界面を有することを特徴とする光変調器。
(2)(1)に記載の光変調器と半絶縁型電流狭窄半導体層を有する順バイアス領域を集積する素子において、光変調器の該半絶縁型上部クラッド半導体層と順バイアス領域の該半絶縁型電流狭窄半導体層が一体であり、且つ、該半絶縁型上部クラッド半導体層厚が該半絶縁型電流狭窄半導体層厚より薄いことを特徴とする光集積素子。
(3)光変調器の光導波層側面の該半絶縁型半導体層厚が、順バイアス領域の該半絶縁型電流狭窄半導体層厚より薄いことを特徴とする(2)に記載の光集積素子。
(4)順バイアス領域がレーザ光を増幅する光増幅器であることを特徴とする(2)〜(3)に記載の光集積素子。
(5)順バイアス領域が入力電気信号に応じてレーザ光の位相を調製する位相調整領域と前記光増幅器からなる(2)〜(3)に記載の光集積素子。
(6)順バイアス領域が波長可変フィルタを含む前記位相調整領域および前記光増幅器からなり、順バイアス領域が波長可変レーザであることを特徴とする(2)〜(3)に記載の光集積素子。
(7)(1)に記載の光変調器において、該導波路側面の半絶縁型半導体層と該半絶縁型上部クラッド半導体層を同時形成することを特徴とする光変調器の製造方法。
(8)(2)〜(3)に記載の光集積素子において、光変調器の半絶縁型半導体層と順バイアス領域の半絶縁型半導体層を同時に形成することを特徴とする光集積素子の製造方法。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
For example, the present invention can adopt the following modes.
(1) In an optical modulator including a semi-insulating semiconductor layer in an upper clad layer of an optical waveguide layer, the optical modulator has a semi-insulating semiconductor layer on a side surface of the optical waveguide layer, An optical modulator characterized in that the semi-insulating upper clad semiconductor layer has a continuous interface.
(2) In the element that integrates the optical modulator according to (1) and the forward bias region having the semi-insulating current confining semiconductor layer, the semi-insulating upper clad semiconductor layer of the optical modulator and the half of the forward bias region are integrated. An integrated optical device, wherein an insulating current confining semiconductor layer is integrated, and the thickness of the semi-insulating upper clad semiconductor layer is thinner than the thickness of the semi-insulating current confining semiconductor layer.
(3) The optical integrated device according to (2), wherein the thickness of the semi-insulating semiconductor layer on the side surface of the optical waveguide layer of the optical modulator is smaller than the thickness of the semi-insulating current confining semiconductor layer in the forward bias region. .
(4) The optical integrated device according to any one of (2) to (3), wherein the forward bias region is an optical amplifier that amplifies laser light.
(5) The optical integrated device according to any one of (2) to (3), wherein the forward bias region includes a phase adjustment region for adjusting a phase of laser light in accordance with an input electric signal and the optical amplifier.
(6) The optical integrated device according to any one of (2) to (3), wherein a forward bias region includes the phase adjustment region including a wavelength tunable filter and the optical amplifier, and the forward bias region is a wavelength tunable laser. .
(7) The method of manufacturing an optical modulator according to (1), wherein the semi-insulating semiconductor layer on the side surface of the waveguide and the semi-insulating upper clad semiconductor layer are formed simultaneously.
(8) In the optical integrated device according to any one of (2) to (3), the semi-insulating semiconductor layer of the optical modulator and the semi-insulating semiconductor layer in the forward bias region are formed simultaneously. Production method.
また、上記の実施形態において寸法例、濃度例も示したが、結晶成長条件、レーザ構造などで大幅に変化するので、それと共に適切な寸法、濃度を採用すべきことは言うまでもない。誘電体膜、絶縁体膜の種類に関して制限はない。基板は高抵抗基板に制限されるものではなくn型導電性基板でも構わない。活性層に関しては、InGaAsP、InGaAs、AlGaInAs等が挙げられるが適用可能な活性層であれば制限はなく、バルク構造でも量子井戸構造でも良い。高抵抗層のドーパントとしてFeを挙げたが、Ru(ルテニウム)、Cr、Co、Tiのように高抵抗層ドーパントとして機能するならば制限はない。また、光変調器領域のn−InP上部クラッド層は、SI層と共に形成せずに、成長回数は増えるが、最後に変調器の導波路上部にのみ選択的に形成しても構わない。こうすると、1回成長が増えるので工数は増えるが、その分、半導体素子部のエッチング工程が減らすことができる。 Also, in the above embodiment, the example of the size and the example of the concentration have been shown. However, since it varies greatly depending on the crystal growth condition, the laser structure, etc., it is needless to say that an appropriate size and concentration should be adopted. There are no restrictions on the types of dielectric film and insulator film. The substrate is not limited to a high resistance substrate and may be an n-type conductive substrate. Examples of the active layer include InGaAsP, InGaAs, AlGaInAs, and the like, but are not limited as long as the active layer is applicable, and may be a bulk structure or a quantum well structure. Fe is cited as a dopant for the high resistance layer, but there is no limitation as long as it functions as a high resistance layer dopant such as Ru (ruthenium), Cr, Co, and Ti. In addition, the n-InP upper cladding layer in the optical modulator region is not formed together with the SI layer, and the number of times of growth is increased. However, the n-InP upper cladding layer may be selectively formed only on the upper waveguide of the modulator. This increases the number of steps because the growth is increased once, but the etching process of the semiconductor element portion can be reduced accordingly.
また、本実施形態では2〜3領域の集積素子の例を挙げて説明したが、3領域以上の集積素子においても本発明は適用可能であり、領域数に制限はないことは言うまでもない。 In the present embodiment, an example of an integrated device having two to three regions has been described. Needless to say, the present invention can be applied to an integrated device having three or more regions, and the number of regions is not limited.
101 n−InP基板
102 光導波路層A
103 p−InPクラッド層A
104 SiO2マスク
105 光導波路層B
106 p−InPクラッド層B
107 p−InPクラッド層
201 n−InP基板
202 光導波路層
203 p−InPクラッド層
204 シグナル電極
205 グランド電極
206 SI−InP基板
207 n−InPバッファー層
208 i−光導波路層
209 SI−InPクラッド層
210 n−InPクラッド層
211 シグナル電極
212 グランド電極
301 InP基板
302 第一の領域の光導波路層
303 第一の領域のInPクラッド層
304 SiO2マスク
305 第二の領域の光導波路層
306 第二の領域のInPクラッド層
401 InP基板
402 第一の領域の光導波路層
403 第一の領域のInPクラッド層
404 SiO2マスク
405 第二の領域の光導波路層
406 第二の領域のInPクラッド層
407 第一の領域のInPクラッド層
408 SiO2マスク
409 第二の領域のInPクラッド層
501 SI−InP基板
502 n−InPバッファー層
503 i−InGaAsP光導波路層
504 SI−InPクラッド層
505 SiO2マスク
506 SI−InP層
507 n−InP層
508 SiO2マスク
509 シグナル電極
510 グランド電極
511 入射端面
512 出射端面
513 積層体
601 SI−InP基板
602 n−InPバッファー層
603 n−InGaAsPガイド層
604 i−InGaAsP光導波路層
605 p−InPクラッド層
606 SiO2マスク
607 i−InGaAsP光導波路層
608 p−InPクラッド層
609 p−InPクラッド層
610 p−InGaAsコンタクト層
611 p−InPキャップ層
612 SiO2マスク
613 SiO2マスク
614 SI−InP層
615 n−InP層
616 SiO2マスク
617 シグナル電極
618 グランド電極
619 p側電極
620 n側電極
621 積層体
622 積層体
624 入射端面
625 出射端面
701 SI−InP基板
702 n−InPバッファー層
703 i−InGaAsP光導波路層
704 p−InPクラッド層
705 SiO2マスク
706 i−InGaAsP光導波路層
707 p−InPクラッド層
708 p−InPクラッド層
709 p−InGaAsコンタクト層
710 p−InPキャップ層
711 SiO2マスク
712 SiO2マスク
713 SI−InP層
714 n−InP層
715 SiO2マスク
716 シグナル電極
717 グランド電極
718 p側電極
719 n側電極
801 SI−InP基板
802 n−InPバッファー層
803 i−InGaAsP光導波路層
804 p−InPクラッド層
805 SiO2マスク
806 i−InGaAsP光導波路層
807 p−InPクラッド層
808 p−InPクラッド層
809 p−InGaAsコンタクト層
810 p−InPキャップ層
811 SiO2マスク
812 SI−InP層
813 n−InP層
814 SiO2マスク
815 シグナル電極
816 グランド電極
817 p側電極
818 n側電極
101 n-
103 p-InP cladding layer A
104 SiO 2 mask 105 Optical waveguide layer B
106 p-InP cladding layer B
107 p-InP cladding layer 201 n-InP substrate 202 optical waveguide layer 203 p-InP cladding layer 204 signal electrode 205 ground electrode 206 SI-InP substrate 207 n-InP buffer layer 208 i-optical waveguide layer 209 SI-InP cladding layer 210 n-InP cladding layer 211 signal electrode 212 ground electrode 301 InP substrate 302 first region optical waveguide layer 303 first region InP cladding layer 304 SiO 2 mask 305 second region optical waveguide layer 306 second InP cladding layer 401 in the region InP substrate 402 Optical waveguide layer 403 in the first region InP cladding layer 404 in the first region SiO 2 mask 405 Optical waveguide layer 406 in the second region InP cladding layer 407 in the second region InP cladding layer 408 S in one region O 2 mask 409 second InP cladding layer 501 SI-InP substrate 502 n-InP buffer layer 503 i-InGaAsP optical waveguide layer 504 SI-InP cladding layer 505 SiO 2 mask 506 SI-InP layer 507 n-InP layer in the region of the 508 SiO 2 mask 509 Signal electrode 510 Ground electrode 511 Entrance end face 512 Exit end face 513 Stack 601 SI-InP substrate 602 n-InP buffer layer 603 n-InGaAsP guide layer 604 i-InGaAsP optical waveguide layer 605 p-InP cladding layer 606 SiO 2 mask 607 i-InGaAsP optical waveguide layer 608 p-InP cladding layer 609 p-InP cladding layer 610 p-InGaAs contact layer 611 p-InP cap layer 612 SiO 2 mask 613 iO 2 mask 614 SI-InP layer 615 n-InP layer 616 SiO 2 mask 617 signal electrode 618 ground electrode 619 p-side electrode 620 n-side electrode 621 laminate 622 laminate 624 incident end face 625 emitting end face 701 SI-InP substrate 702 n -InP buffer layer 703 i-InGaAsP optical waveguide layer 704 p-InP cladding layer 705 SiO 2 mask 706 i-InGaAsP optical waveguide layer 707 p-InP cladding layer 708 p-InP cladding layer 709 p-InGaAs contact layer 710 p-InP cap layer 711 SiO 2 mask 712 SiO 2 mask 713 SI-InP layer 714 n-InP layer 715 SiO 2 mask 716 signal electrode 717 ground electrode 718 p-side electrode 719 n-side electrode 801 SI-an In Substrate 802 n-InP buffer layer 803 i-InGaAsP optical waveguide layer 804 p-InP cladding layer 805 SiO 2 mask 806 i-InGaAsP optical waveguide layer 807 p-InP cladding layer 808 p-InP cladding layer 809 p-InGaAs contact layer 810 p-InP cap layer 811 SiO 2 mask 812 SI-InP layer 813 n-InP layer 814 SiO 2 mask 815 signal electrode 816 ground electrode 817 p-side electrode 818 n-side electrode
Claims (11)
入射された前記光を伝搬する第一光導波路層と、
前記第一光導波路層に電界を印加する一対の電極と、
印加された前記電界によって変調された前記光を出射する出射端面と、
前記第一光導波路層の下面を覆う第一導電性の下部クラッド層と、
前記第一光導波路層の上に設けられる前記第一導電性の上部クラッド層と、
を備え、
前記第一光導波路層の上面と前記第一光導波路層の側面とを覆う半絶縁性半導体層が設けられている光変調器。 An incident end face to which light is incident;
A first optical waveguide layer that propagates the incident light;
A pair of electrodes for applying an electric field to the first optical waveguide layer;
An emission end face for emitting the light modulated by the applied electric field;
A first conductive lower cladding layer covering the lower surface of the first optical waveguide layer;
The first conductive upper cladding layer provided on the first optical waveguide layer;
With
An optical modulator provided with a semi-insulating semiconductor layer that covers an upper surface of the first optical waveguide layer and a side surface of the first optical waveguide layer.
前記下部クラッド層と前記第一光導波路層とが順に積層された第一積層体が前記半導体基板上に設けられており、
前記第一積層体が、メサ状に加工されている請求項1に記載の光変調器。 A semiconductor substrate;
A first laminate in which the lower cladding layer and the first optical waveguide layer are sequentially laminated is provided on the semiconductor substrate;
The optical modulator according to claim 1, wherein the first laminated body is processed into a mesa shape.
前記下部クラッド層と前記第一光導波路層とが順に積層された第一積層体が前記半導体基板上に設けられており、
前記第一積層体の表面が前記半絶縁性半導体層によって覆われている請求項1または2に記載の光変調器。 A semiconductor substrate;
A first laminate in which the lower cladding layer and the first optical waveguide layer are sequentially laminated is provided on the semiconductor substrate;
The optical modulator according to claim 1, wherein a surface of the first stacked body is covered with the semi-insulating semiconductor layer.
前記光変調器に接続している光半導体素子と、
を含み、
前記光半導体素子に順バイアスが印加される光集積素子。 An optical modulator according to any one of claims 1 to 3,
An optical semiconductor element connected to the optical modulator;
Including
An optical integrated device in which a forward bias is applied to the optical semiconductor device.
前記光半導体素子は、
前記半導体基板上に順次積層された、第一導電性の第一クラッド層と、第二光導波路層と、第二導電性の第二クラッド層と、を含む第二積層体を備え、
前記光変調器に設けられた前記半絶縁性半導体層が前記第二積層体を埋設している請求項4に記載の光集積素子。 A semiconductor substrate provided with the optical modulator and the optical semiconductor element connected to the optical modulator;
The optical semiconductor element is:
A second laminate including a first conductive first cladding layer, a second optical waveguide layer, and a second conductive second cladding layer, which are sequentially laminated on the semiconductor substrate;
The optical integrated device according to claim 4, wherein the semi-insulating semiconductor layer provided in the optical modulator embeds the second stacked body.
前記位相調整領域は、波長可変フィルタを含む請求項4乃至8いずれかに記載の光集積素子。 The optical semiconductor element is a wavelength tunable laser, and includes a phase adjustment region that adjusts a phase of laser light according to an input electric signal, and an optical amplification region that amplifies the laser light,
The optical integrated device according to claim 4, wherein the phase adjustment region includes a wavelength tunable filter.
前記半導体基板上に第一導電性のクラッド層と第一光導波路層とを順に積層して第一積層構造を形成する工程と、
前記第一積層構造をエッチングして第一メサを形成する工程と、
形成された前記第一メサの表面を半絶縁性半導体層で覆う工程と、
を含む光変調器の製造方法。 Preparing a semiconductor substrate; and
Forming a first laminated structure by sequentially laminating a first conductive cladding layer and a first optical waveguide layer on the semiconductor substrate;
Etching the first laminated structure to form a first mesa;
Covering the surface of the formed first mesa with a semi-insulating semiconductor layer;
A method of manufacturing an optical modulator comprising:
前記半導体基板上に第一導電性のクラッド層と第二光導波路層と第二導電性のクラッド層とを順に積層して第二積層構造を形成する工程と、
前記第一導電性のクラッド層上に第一光導波路層を積層して第一積層構造を形成する工程と、
前記第一光導波路層と前記第二光導波路層とを接続する工程と、
前記第一積層構造をエッチングして第一メサを形成するとともに、前記第二積層構造をエッチングして第二メサを形成する工程と、
前記第二メサを半絶縁性半導体層で埋め込むとともに、前記第一メサの表面を前記半絶縁型半導体層で覆う工程と、
を含む光集積素子の製造方法。 Preparing a semiconductor substrate; and
Forming a second laminated structure by sequentially laminating a first conductive cladding layer, a second optical waveguide layer, and a second conductive cladding layer on the semiconductor substrate;
Forming a first laminated structure by laminating a first optical waveguide layer on the first conductive cladding layer;
Connecting the first optical waveguide layer and the second optical waveguide layer;
Etching the first laminated structure to form a first mesa and etching the second laminated structure to form a second mesa;
Burying the second mesa with a semi-insulating semiconductor layer and covering the surface of the first mesa with the semi-insulating semiconductor layer;
An optical integrated device manufacturing method including:
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- 2008-03-31 JP JP2008091924A patent/JP2009244648A/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A521 | Written amendment |
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