JP2010239051A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光半導体装置の導波路の接合面における高次モードの発生を抑制する。
【解決手段】光半導体装置１００Ａは、１．２５μｍ以上の波長を有する伝播光が導波される光半導体装置であって、ＩｎＰに格子整合し、１．５０μｍ以上の幅を有する半導体からなる埋め込み型の第１の導波路３２と、ＩｎＰに格子整合し、第１の導波路よりも狭い幅で、かつ、第１の導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する半導体からなる埋め込み型の第２の導波路３４と、第１の導波路３２から第２の導波路３４に向かって幅が狭くなる構造を有し、１．３５μｍ以下の幅の領域に第１の導波路と第２の導波路との接合面を備えた埋め込み型の中間導波部７０と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、幅の異なる２つの導波路を備えた光半導体装置に関するものである。

２つの導波路を備えた光半導体装置としては、例えば、半導体レーザと光変調器とを１つの半導体基板上に形成した、変調器一体型半導体レーザが知られている。（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３−２９８１７５号公報

本発明者は、変調器一体型半導体レーザにおいて、変調器の幅を半導体レーザの利得領域の幅よりも狭くすることを検討した。変調器の幅を狭くすることは、変調特性の向上に寄与する。しかし、半導体レーザの利得領域と変調器の光吸収領域とは異なる材料で構成されているため、これを製造するためには、半導体材料の選択除去、再成長を行なうプロセスを採用する必要がある。この際、利得領域と光吸収領域の界面を完全平面にすることは事実上不可能であり、その接合面では伝播光の散乱が生じてしまう。この散乱光は、高次の横モードを発生してしまう場合がある。高次の横モードは、主モードとは異なる焦点を結ぶので光結合が困難であり、結合ロスが大きくなってしまうという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、特性の異なる２つの導波路の接合面における高次モードの発生を抑制することのできる光半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の光半導体装置は、１．２５μｍ以上の波長を有する伝播光が導波される光半導体装置であって、ＩｎＰに格子整合し、１．５０μｍ以上の幅を有する半導体からなる埋め込み型の第１の導波路と、ＩｎＰに格子整合し、前記第１の導波路よりも狭い幅で、かつ、前記第１の導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する半導体からなる埋め込み型の第２の導波路と、記第１の導波路から前記第２の導波路に向かって幅が狭くなる構造を有し、１．３５μｍ以下の幅の領域に前記第１の導波路と前記第２の導波路との接合面を備えた埋め込み型の中間導波部とを有することを特徴とする。本構成によれば、中間導波路における接合面が高次モードの発生が許容される幅（１．３５μｍ）よりも狭い位置に設けられるため、接合面が完全平面でなくとも、高次モードの発生を抑制することができる。

また、上記構成において、前記第１の導波路を半導体レーザの活性層とし、前記第２の導波路を光変調器の光吸収層とすることができる。これにより、半導体レーザと光変調器の集積化において、その接合面における高次モードの抑制が実現できる。

また、前記第１および第２の導波路のコアは、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、或いはその多層構造を採用することができる。これら材料は、高次モードを抑制する条件を決定するために好適である。

また、前記第１および第２の導波路上にはそれぞれコンタクト層が設けられると共に、前記中間導波部上には、各コンタクト層の間の離間領域が位置するように構成することができる。これにより、コンタクト層間の分離抵抗を大きくとることができる。

また、前記コンタクト層の一部は、前記中間導波部上に位置させることができる。このことは、光半導体装置の全長を短縮できる効果を得ることができる。

本発明によれば、特性の異なる２つの導波路を備えた光半導体装置において、２つの導波路の接合面における高次モードの発生を抑制することができる。

図１（ａ）及び（ｂ）は、比較例及び実施例に係る半導体レーザの基本構成を示した図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る半導体レーザの構成を示した図である。 図３は、図２に示した光導波路の拡大図である。 図４は、近視野パターンを示す図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、図２に示した光導波路の接合面付近の拡大図である。

（基本構成）
最初に、後述する比較例及び実施例に共通する半導体レーザの基本構成について説明する。

図１（ａ）は、半導体レーザ１００の光の伝播方向に沿った断面模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面模式図である。半導体レーザ１００では、レーザ発振を行うための利得領域１０と、レーザの変調を行うための変調領域２０とが、同一の半導体基板であるインジウムリン（ＩｎＰ）基板３０の上にモノリシックに形成されている。基板３０の上には、利得領域１０の導波路である活性層３２（第１の導波路）と、変調領域２０の導波路である光吸収層３４（第２の導波路）とが形成されている。活性層３２と光吸収層３４とは、利得領域１０及び変調領域２０の境界において、互いに接合することにより接続（光結合）されている。

活性層３２及び光吸収層３４の上には、共通の上部クラッド層３６が形成されている。また、前述の基板３０は下部クラッド層として機能する。これにより、活性層３２及び光吸収層３４をコアとする、コア・クラッド構造が形成されている。活性層３２の下における基板３０の内部には、周期的な凹凸構造であるコルゲーション３８が形成されている。コルゲーション３８は、特定の波長を活性層３２に分布的にフィードバックすることにより、安定した単一モード発振を実現する。これにより、利得領域１０は分布帰還型（DFB: Distributed FeedBack）の半導体レーザとして機能する。

基板３０、活性層３２、光吸収層３４、及び上部クラッド層３６は、複数の元素を含む化合物半導体を材料として形成される。材料としては例えば、インジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）、アルミニウムインジウムガリウムヒ素（ＡｌＩｎＧａＡｓ）、及びこれらの多層構造を用いることができる。これらの化合物半導体は、コア側（活性層３２、光吸収層３４）の屈折率がクラッド側（基板３０、上部クラッド層３６）の屈折率よりも大きくなるように、各元素の組成比が調節される。また、半導体レーザ１００の導波路である活性層３２及び光吸収層３４は、利得領域１０及び変調領域２０におけるそれぞれの機能に応じた特性（屈折率、寸法等）をもつように形成される。

利得領域１０において、上部クラッド層３６の上にはコンタクト層４０（第１のコンタクト層）が形成され、コンタクト層４０の上にはＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feedback Laser Diode）電極４２（第１の電極）が形成されている。ＤＦＢ−ＬＤ電極４２には、半導体レーザ１００を発振させるための直流信号が供給される。また、変調領域２０において、上部クラッド層３６の上にはコンタクト層４４（第２のコンタクト層）が形成され、コンタクト層４４の上には電界吸収型（EA: Electro Absorption）変調器電極４６（第２の電極）が形成されている。ＥＡ変調器電極４６には、レーザの変調を行うための交流信号が供給される。コンタクト層４０及び４４は互いに離間して形成され、両者の間には絶縁層４８が形成されている。これにより、ＤＦＢ−ＬＤ電極４２とＥＡ変調器電極４６とは、互いに電気的に絶縁されている。

半導体レーザ１００の両側面には、端面膜５０及び５２が形成されている。また、ＤＦＢ−ＬＤ電極４２の端面膜５０側には絶縁層５４が、ＥＡ変調電極４６の端面膜５２側には絶縁層５６がそれぞれ形成されている。また、図１（ｂ）に示すように、光吸収層３４の幅方向（積層方向及び光の伝搬方向に対し垂直な方向）には、光吸収層３４を挟み、コンタクト層４４の上面と同じ位置まで露出する絶縁層５８及び６０が形成されている。絶縁層５８及び６０、並びにコンタクト層４４の上面において、コンタクト層４４及び電極４６が接する領域以外には、絶縁層６２及び６４が形成されている。

ＤＦＢ−ＬＤ電極４２に直流信号が供給されると、利得領域１０の活性層３２でレーザ発振が生ずる。活性層３２において発振・増幅されたレーザ光は、変調領域２０の光吸収層３４へと伝搬し、ＥＡ変調器電極４６に供給される交流信号に基づいて変調される。変調されたレーザ光は、変調領域２０側の端面膜５２を介して外部へと出力される。
（比較例）

図２（ａ）は、比較例に係る半導体レーザ１００Ａにおける、利得領域１０と変調領域２０との境界付近の断面模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’線に沿って導波路（活性層３２及び光吸収層３４）を上側（電極側）から見た図である。図２（ｂ）中にコンタクト層４０及び４４を点線で示す。

上述したように、活性層３２及び光吸収層３４は、利得領域１０及び変調領域２０のそれぞれの機能に適した特性をもつように形成される。その結果、活性層３２と光吸収層３４とでは屈折率が異なり、導波路の幅も図２（ｂ）に示すように異なるものとなる。例えば、利得領域１０においては、導波路の幅が狭くなると電流密度の上昇により温度が上昇し、レーザの信頼性が低下する。このため、導波路である活性層３２の幅Ｗ１は、単一モードを維持することが可能になるまで広くすることが好ましい。

これに対し、変調領域２０においては、変調速度を上げるために静電容量を下げることが好ましく、導波路である光吸収層３４の幅Ｗ２を小さくすることが好ましい。本比較例では、活性層３２の幅Ｗ１＝１．９０μｍ、光吸収層の幅Ｗ２＝１．２０μｍとする。

活性層３２及び光吸収層３４の幅が異なるため、両者を接続する部分の導波路の形状は、利得領域１０側から変調領域２０側に向かって幅が狭くなるテーパ状となっている。以下の説明では、このテーパ状の領域を中間導波部７０と称する。中間導波部７０では、壁面の傾斜が所定の割合以下に抑えられており、導波路の幅が急激に変化することによる伝搬光の反射及び散乱が抑制されている。従って、中間導波部７０の壁部は、利得領域１０側から変調領域２０側に向かって幅が狭くなるように形成されていればよく、直線形状である必要はない（伝搬光の反射及び散乱を十分に抑制することが可能であれば、例えば階段状であってもよい）。

また、活性層３２及び光吸収層３４は、接合面８０において接合されている。図示するように、本比較例では、接合面８０が中間導波部７０に位置する。換言すれば、中間導波部７０は、活性層３２及び光吸収層３４の双方により構成されている。より詳細には、活性層３２の中間導波部７０側の端は、利得領域１０側から変調領域２０側に向かって幅が狭くなるように形成され、光吸収層３４の中間導波路７０側の端は、変調領域２０側から利得領域１０側に向かって幅が広くなるように形成され、それぞれの導波路の幅が等しくなる位置で接合面８０が形成されている。本比較例では、接合面８０の幅は１．８０μｍとする。

ここで、製造工程において接合面８０を完全平面として形成することは難しく、接合面８０において伝搬光の反射及び散乱が生じる場合がある。その結果、伝搬光に高次の横モードが発生し、レーザ出力のロスが生じてしまうという課題があった。以下の実施例で説明する半導体レーザは、このような課題を解決することを目的とする。

なお、図２（ａ）における電極４２及び４６の間の距離Ｌ１、コンタクト層４０及び４４の間の距離Ｌ２、中間導波部７０の軸方向の長さＬ３は、機器の仕様等に応じて適宜定めることができる。本比較例では、Ｌ１＝１００μｍ、Ｌ２＝７０μｍ、Ｌ３＝６０μｍとする。また、半導体レーザ１００Ａの全長を１０００μｍとする。

実施例１に係る半導体レーザの構成は、図２（ｂ）のＷ１、Ｗ２の幅及び接合面８０の位置を除き、比較例として示した図２と同じである。

図３（ａ）及び（ｂ）は、導波路部分の構成を示した拡大図である。図３（ａ）が比較例に、図３（ｂ）が本実施例にそれぞれ対応する。伝搬光の高次モードが発生するか否かは、伝搬光の波長、導波路の屈折率、及び導波路の幅などにより決定される。導波路の幅については、幅が大きいほど高次モードが発生しやすく、所定値以下の導波路幅においては高次モードが許容されない。以下の説明では、このような所定の導波路幅（高次モードを許容しない導波路幅のうち最大のもの）を、限界幅と称する。

図中において、限界幅をＷｃで示す。図３（ａ）の比較例では、活性層３２の導波路と光吸収層３４の導波路との接合面８０の幅が限界幅Ｗｃより大きくなる位置に、接合面８０が形成されている。このため、接合面８０では高次モードが許容され、高次モードが発生してしまう。

これに対し、図３（ｂ）の実施例１では、導波路の幅が限界幅Ｗｃの位置に、接合面８０が形成されている。このため、接合面８０では高次モードが許容されず、高次モードは発生しない。すなわち、中間導波部７０において導波路の幅が限界幅Ｗｃ以下となる位置に、活性層３２と光吸収層３４との接合面８０を形成することで、接合面８０における高次モードの発生を抑制することができる。その結果、光出力のロスを低減することができる。

図３（ａ）及び（ｂ）をもとに、実施例１にかかる接合面の幅Ｗ３の位置について検討する。図３（ａ）に示すように、限界幅Ｗｃよりも幅の大きな領域にＷ３を設けると、前記したように高次モードが発生してしまう。このため、実施例１では図３（ｂ）に示すように、接合面の幅Ｗ３を限界幅Ｗ３と同じかそれ以下の領域に位置させる必要がある。

ここで、限界幅Ｗｃは、実験により以下の条件が特定できる。

図４（ａ）及び（ｂ）は、導波路の幅に対する近視野パターンの状態を説明するための図である。ここで、接合面の幅を１．５０μｍとした場合は、図４（ａ）に示すように、高次モードの発生にともない、近視野のピークが複数発生している。つまり、接合面の幅Ｗ３が１．５０μｍでは、限界幅Ｗｃを超えていることが理解できる。この状態では、高次モードの発生により、光結合の困難な出力光が生じ、結合ロスが大きい。また、接合面の幅を１．５０μｍよりも大きくした場合は、これ以上に高次モードが発生しやすくなり、結合ロスもさらに増大する。

一方、図４（ｂ）は、接合面の幅を１．３５μｍとした場合を示している。図から明らかなように、単一の近視野ピークであることが分かる。すなわち接合面の幅Ｗ３が１．３５μｍあるいはそれ以下の状態は、限界幅Ｗｃと同じかそれ以下であるので、高次モードの発生が抑制されるのである。

すなわち、半導体レーザの利得領域（第１の導波路）の幅が１．５０μｍ以上である場合には、半導体レーザの利得領域（第１の導波路）と光変調器の光吸収領域（第２の導波路）の接合面が位置する中間導波部に高次モードが生じる可能性がある。そこで実施例１では、中間導波部における接合面を１．３５μｍ以下の幅とすることで、高次モードを抑制するものである。

なお、この条件は、半導体レーザの利得領域（第１の導波路）と光変調器の光吸収領域（第２の導波路）が、共にＩｎＰに格子整合した半導体材料で構成された、埋め込み型の導波路であり、かつ、これを伝播する伝播光の波長が１．２５μｍ以上である場合には、共通に適用することができる。典型的な例では、第１の導波路、第２の導波路とも、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、或いはその多層構造からなる材料で構成することができる。

以上の考察に従い、実施例１では、Ｗ１の幅を１．５０μｍ、Ｗ３の幅を１．３５μｍとしている。また、光変調器の光吸収領域の幅Ｗ２については、これを１．１０μｍとしている。その他の条件は、比較例と同様である。

図５（ａ）及び（ｂ）は、図２（ｂ）における接合面８０付近の拡大図である。接合面８０は、光の伝搬方向に対して垂直ではなく、実際にはやや傾斜して形成される。この場合は、接合面８０のうち最も利得領域１０（活性層３２）寄りの接合位置（図にて矢印で示す部分）において、導波路の幅が限界幅Ｗｃと同じかそれ以下となるようにすればよい。

なお、図２（ａ）及び（ｂ）の実施例１に係る半導体レーザ１００Ａでは、中間導波部７０の拡幅側の端が、利得領域１０側のコンタクト層４０が形成された領域内に位置するように（すなわち、コンタクト層の一部が、中間導波部上に位置するように）形成することができる。このように、中間導波部を利得領域側のコンタクト層にかかるように形成することで、コンタクト層４０及び４４間の離間領域の長さＬ２を小さくし、半導体レーザ１００Ａを小型化することができる。

上記の実施例１では、活性層３２の幅Ｗ１＝１．５０μｍ、光吸収層３４の幅Ｗ２＝１．１０μｍとして説明したが、これらの値はあくまでも一例であり、機器の仕様等に応じて変更することが可能である。例えば、活性層３２の幅Ｗ１は少なくとも１．５０μｍ以上であればよいが、１．５０μｍ〜２．００μｍであることがさらに好ましい。また、光吸収層３４の幅Ｗ２は、少なくとも接合面８０の幅Ｗ３（すなわち、１．３５μｍ）より小さい必要があるが、変調特性を考えると、１．００μｍ〜１．３０μｍであることがさらに好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 利得領域
２０ 変調領域
３０ 基板
３２ 活性層
３４ 光吸収層
３６ 上部クラッド層
４０、４４ コンタクト層
４２、４６ 電極
７０ 中間導波部
８０ 接合面
１００ 半導体レーザ

Claims (5)

1. １．２５μｍ以上の波長を有する伝播光が導波される光半導体装置であって、
   ＩｎＰに格子整合し、１．５０μｍ以上の幅を有する半導体からなる埋め込み型の第１の導波路と、
   ＩｎＰに格子整合し、前記第１の導波路よりも狭い幅で、かつ、前記第１の導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する半導体からなる埋め込み型の第２の導波路と、
   前記第１の導波路から前記第２の導波路に向かって幅が狭くなる構造を有し、１．３５μｍ以下の幅の領域に前記第１の導波路と前記第２の導波路との接合面を備えた埋め込み型の中間導波部と、
   を有することを特徴とする光半導体装置。
2. 前記第１の導波路は半導体レーザの活性層であり、前記第２の導波路は光変調器の光吸収層であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記第１および第２の導波路のコアは、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、或いはその多層構造からなることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
4. 前記第１および第２の導波路上にはそれぞれコンタクト層が設けられると共に、前記中間導波部上には、各コンタクト層の間の離間領域が位置することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
5. 前記コンタクト層の一部は、前記中間導波部上に位置することを特徴とする請求項４記載の光半導体装置。
   
   

Images