JP2011155157A - 光半導体装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】井戸層数、変調器長を変化させないまま消光比を増大する光半導体装置を提供することにある。
【解決手段】半導体混晶からなる基板１１と、基板１１の上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性部１２と、活性部１２の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部１３，１４とからなる電界吸収型光変調器を有し、上クラッド部１３の一部をエッチングし、光波長程度の幅のリッジメサ部１５をもつ、リッジ導波路構造を作製し、リッジメサ部１５の両脇を熱伝導率の小さい有機材料で埋め込んだ埋め込み部１６を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体装置およびその制御方法に関し、より詳しくは、歪量子井戸層を有する電界吸収型光変調器およびその光変調器と半導体レーザを集積した集積光源ならびにその制御方法に関する。

現在のＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）の広がりから、加入者系での高性能な光デバイスが強く求められており、光源である半導体レーザは、１．３μｍ付近の光が得られ、厳しい温度環境下で動作し（８５℃以上）、なおかつ低消費電力であることが求められている。

これまで、低消費電力で高い効率を有し、さらに温度特性の良い光半導体装置として、歪量子井戸半導体レーザが研究開発されてきた。また、光通信の信号として用いるには、半導体レーザから出力された光を０と１の信号に変調する必要があり、その場合には、半導体レーザを駆動する電流を直接変調する直接変調型、もしくは外部変調器を用いる外部変調型の変調器が開発されてきた。

最近では、次世代ネットワークの規格として、１０Ｇｂｉｔ／ｓ、２５Ｇｂｉｔ／ｓ、４０Ｇｂｉｔ／ｓという変調速度が必要な光源が求められてきている。これらの規格では、変調速度のほかに、光出力、消光比などの細かいパラメータが規定されている。

このような半導体レーザなどの光半導体装置は、半導体混晶基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸も使用されている。歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。

このような歪量子井戸は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。また、光出力の向上のために複数の歪量子井戸を、バリア層を隔てて成長する多重量子井戸構造が多くの半導体レーザで採用されている。この多重量子井戸に電流を注入すると、伝導帯の各量子井戸には電子が、価電子帯の各量子井戸には正孔（ホール）が捕獲され、伝導帯、価電子帯間でキャリアの再結合が発生し、発光が起きる。

ＩｎＰ基板上に形成された歪量子井戸を用いることで、加入者系光通信で用いられる波長１．３μｍ付近の光を得ることができ、レーザに注入電流を変調することで伝送に用いる変調信号を得ることができる。しかし、レーザの注入電流を直接変調する場合には、電流の変化に伴う屈折率変化（チャープ）によって、高速で変調するほど、信号を伝送した場合の波形歪が大きいという問題があった。

この問題を解決するための一つの方法として外部変調器を用いる方法がある。外部変調器の一つとして最も広く用いられているものは、電界吸収型光変調器である。この変調器では、外部電圧印加により、量子閉じ込めシュタルク効果を利用して量子井戸の吸収端を長波長化し、電圧を印加しない場合は信号が出力されＯＮ、印加する場合は信号が吸収されＯＦＦというスイッチング動作をする。この電界吸収型光変調器を用いることで、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができる。

電界吸収型光変調器の性能を決める要因は幾つか存在するが、もっとも重要なものの一つに消光比がある。消光比はＯＮ状態とＯＦＦ状態の信号の強度の比であり、一般的に大きいほど良い。消費光を増大する方法はいくつかあり、一般的には多重量子井戸の井戸数を増やす、変調器の長さを長くする、という方法がとられる。

Changzheng Sun et al., "Fabrication and Packaging of 40-Gb/s AlGaInAs Multiple-Quantum-Well Electroabsorption Modulated Lasers Based on Identical Epitaxial Layer Shceme", Journal of Lightwave Technology, vol.26, no.11, pp.1464-1471, Jun 1, 2008

しかし、量子井戸の層数を増加し、変調器長を長くすると、挿入損が増加する。また、変調器の長さを長くすると、電気容量が大きくなるために、高速の電気信号を効率的に多重量子井戸部に送ることができず、最高変調速度が制限されることになる。

そのため、井戸数、変調器長に関して、大きな消光比を得ることと、大きな光出力、高速の変調帯域を得ることはトレードオフの関係にある。

したがって、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、井戸層数、変調器長を変化させないまま消光比を増大する光半導体装置およびその制御方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る光半導体装置は、
半導体混晶からなる基板と、前記基板の上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性部と、前記活性部の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部とからなる電界吸収型光変調器を有し、
前記上クラッド部の一部をエッチングし、光波長程度の幅のリッジメサ部をもつ、リッジ導波路構造を作製し、前記リッジメサ部の両脇を熱伝導率の小さい有機材料で埋め込んだ
ことを特徴とする。
この発明に係る光半導体装置によれば、変調器への入力光強度を変化させることで、変調器内での温度を上昇させ、消光比を増大させることができる。また、従来の半導体埋め込み型ではなく、有機材料で埋め込むリッジ型導波路構造を採用することにより、効率的な温度上昇、ならびに消光比増大を可能としている。

上述した課題を解決する第２の発明に係る光半導体装置は、
第１の発明に係る光半導体装置であって、
前記リッジメサ部の幅が０．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、前記リッジメサ部の高さが１μｍ以上３μｍ以下である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る光半導体装置は、
第１または第２の発明に係る光半導体装置であって、
前記有機材料がポリイミドまたはベンゾシクロブタンである
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第３の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶はＩｎＰであり、
前記多重量子井戸構造の活性部の井戸層、バリア層はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ、もしくはＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yであり、前記活性部の井戸数が１から２０である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第４の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記多重量子井戸構造の活性部中の量子井戸層には、フォトルミネッセンスのピーク波長が、１．２μｍ〜１．３μｍ、または１．４μｍ〜１．５５μｍとなるような波長を達成する歪、厚みを有している
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第５の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
注入電流により光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザと前記電界吸収型光変調器との間に設けられ、前記半導体レーザから出力された光が導波する光導波装置と具備する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係る光半導体装置は、
第６の発明に係る光半導体装置であって、
前記光導波装置は、半導体混晶からなる基板と、前記基板上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性部、またはバルクの混晶からなり、光が導波するパッシブ層と、前記パッシブ層の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部とを有する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第８の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
第６または第７の発明に係る光半導体装置の制御方法であって、
前記電界吸収型光変調器の消光比を、前記半導体レーザへの注入電流を変化させることにより制御する
ことを特徴とする。

本発明に係る光半導体装置によれば、井戸層数、変調器長を変えることなく、高消光比、高光出力、高変調帯域の電界吸収型光変調器を構成することが可能となる。

本発明に係る光半導体装置の制御方法によれば、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができる。

本発明に係る光半導体装置の一実施形態の層構造断面を模式的に示した図である。 光半導体装置における消光比とバイアス電圧との関係を示す図である。 光半導体装置におけるフォトカレントとバイアス電圧との関係を示す図である。 光半導体装置の内部の温度上昇とバイアス電圧との関係を示す図である。 光半導体装置の消光比変化の温度上昇依存性を示した図である。 本発明に係る光半導体装置の他の実施形態の層構造断面を模式的に示した図である。 本発明に係る光半導体装置の他の実施形態の構造を模式的に示した図である。

本発明に係る光半導体装置およびその制御方法について、各実施形態で具体的に説明する。

［第一番目の実施形態］
第一番目の実施形態に係る光半導体装置について、図１〜図５を参照して説明する。

本実施形態に係る光半導体装置は、図１に示すように、半導体混晶であるｎ型ＩｎＰからなる基板１１と、この基板１１上に設けられたｎ−ＩｎＰクラッド部１４（下クラッド部）と、ｎ−ＩｎＰクラッド部１４上に設けられた、Ｉｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓバリア、Ｉｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層１２と、活性層１２の上に設けられ、ｐ−ＩｎＰクラッド部１３（上クラッド部）を所望の幅にエッチングしリッジメサ部１５を持つリッジ導波路構造を作製し、さらにこのリッジメサ部１５の両脇を有機材料で埋め込んだ埋め込み部１６とからなるリッジ型電界吸収変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡＭ）１０を有する。前記ｘはＡｌ（アルミニウム）の指数を示し、前記ｙはＧａ（ガリウム）の指数を示す。なお、リッジメサ部１５の上部には、コンタクト層などを介して電極が設けられる。

上述した有機材料としては、ポリイミドやベンゾシクロブタン（以下、ＢＣＢと称す）など熱伝導率の小さい有機材料が挙げられる。

上述した多重量子井戸構造の活性層１２は、トータルの絶縁層の厚さが３５０ｎｍである６重多重量子井戸からなる。ここで、絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、ｐ、ｎに挟まれたノンドープ層全体である。これにより、多重量子井戸構造の活性層１２中の量子井戸は、フォトルミネッセンスのピーク波長が１．１μｍ〜１．３μｍ、または、１．４μｍ〜１．５５μｍとなるような波長を達成する歪、厚さを有することとなる。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力光波長との差(離調)が室温で５０ｎｍとなるような混晶を用いる。

ここで、上述した構成の光半導体装置の製造方法について説明する。
まず、ｎ型のＩｎＰ基板１１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド部１４（変調器下部クラッド）、Ｉｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓバリア、Ｉｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層１２、ｐ−ＩｎＰクラッド部１３（上部クラッド）を順番に成長させる。

続いて、エッチングによってｐ−ＩｎＰクラッド部１３の必要な部分以外を削り、幅、高さが２μｍのメサ形成プロセス、有機材料（ここではＢＣＢとする）による埋め込み、及び電極形成プロセス後、へき開により長さ５０μｍから３００μｍの変調器を作成して完成となる。

上述した構成の光半導体装置の消光特性について図２を参照して説明する。消光特性の評価はＥＡＭに対して、外部の半導体レーザから光を入力し、ＥＡＭへの印加電圧を変化させることによって行っている。ＥＡＭへの注入光パワーを変化させるために、レーザへの注入電流（２０ｍＡ，３０ｍＡ，４０ｍＡ，６０ｍＡ，８０ｍＡ，１００ｍＡ）をパラメータとしている。

図２に示すように、レーザへの注入電流が２０ｍＡ、３０ｍＡのときには消光特性はほとんど変化しないが、さらに大きくなると、消光比が大きくなっていくことがわかる。注入電流が１００ｍＡの場合には、２０ｍＡの場合に比べてバイアス電圧４．５Ｖで８ｄＢもの消光比増大が確認できる。

この理由は以下のように説明される。
上述した構成の光半導体装置におけるフォトカレントとバイアス電圧との関係を図３に示す。
図３に示すように、バイアス電圧が増大するとフォトカレントが大きくなり、また、注入光パワーが多い場合にもフォトカレントが増大する。ＥＡＭ内では、このフォトカレントと電圧の積で表されるパワーがジュール熱として発生するため、バイアス電圧が大きいほど、また、注入光パワーが大きいほど、ＥＡＭ内で温度が大きく上昇することになる。ＥＡＭ内での温度が上昇すると、入力光波長との離調が小さくなり、より半導体の吸収端に近くなるため消光が大きくなる。

ここで、図４に図３のデータを基に熱解析シミュレーションによって得た、ＥＡＭ内の温度上昇のバイアス電圧依存性を示す。図４に示すように、注入電流１００ｍＡ、バイアス電圧４．５Ｖでは５０℃近い温度上昇が得られているのがわかる。これはリッジメサ部１５の両脇を熱伝導率の小さな有機材料で埋め込んだ埋め込み部１６を設けているためである。

上述した構成の光半導体装置における消光比変化の温度上昇依存性について図５に示す。
図５から、５０℃上昇で１０ｄＢ程度の消光比増大が予想され、ＥＡＭの構造を変えないまま消光比の調整が可能であることがわかる。この構造を用いることにより、従来の、半導体で埋め込む構造に比べて効率的な温度上昇を可能にし、より大きな消光比を得ることができる。

本実施形態では、離調を５０ｎｍとしたが、その原理から離調の値にかかわらず、本実施形態に係る光半導体装置で奏する効果を得ることができる。実際のＥＡＭで用いられる離調は３０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度であり、本実施形態に係るＥＡＭもそれらの値を用いることが可能である。

また、リッジメサ部１５（リッジ導波路）のメサ幅は２μｍとしたが、温度上昇という観点からはメサ幅は狭いほど良い。しかし、あまりに狭すぎると、光の導波モードが形成されなくなってしまう。逆にあまりに広いと、複数の導波モードが形成され、変調器の動作に悪影響を及ぼす。導波モード形成の観点から考えると、メサ幅の最小値、最大値はそれぞれ０．５μｍ、２．５μｍ程度であり、その間のメサ幅を用いるのが良い。リッジメサ部１５（メサ部）の高さについては、低すぎると、上部の電極まで光の電界が広がり、吸収損が大きくなり、高すぎると、デバイス作製上安定性がよくない。そのため、１μｍ〜３μｍ程度にしておくのが良い。

したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、半導体混晶からなる基板１１と、この基板１１の上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性層１２と、活性層１２の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部１３，１４とからなる電界吸収型光変調器を有し、上クラッド部１３の一部をエッチングし、光波長程度の幅のリッジメサ部１５をもつ、リッジ導波路構造を作製し、リッジメサ部１５の両脇を熱伝導率の小さい有機材料で埋め込んだ埋め込み部１６を設けたことにより、変調器への入力光強度を変化させることで、変調器内での温度を上昇させ、消光比を増大させることができる。また、従来の半導体埋め込み型ではなく、有機材料で埋め込むリッジ型導波路構造を採用することにより、効率的な温度上昇、ならびに消光比増大を可能としている。すなわち、井戸層数、変調器長を変えることなく、高消光比、高光出力、高変調帯域の電界吸収型変調器を構成することが可能となる。

［第二番目の実施形態］
第二番目の実施形態に係る光半導体装置について、図６および図７を参照して説明する。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第一番目の実施形態に係る光半導体装置と同一の構成のＥＡＭ１０を具備する装置であって、同一の装置には同一符号を付記しその説明を省略する。

本実施形態に係る光半導体装置は、図６および図７に示すように、注入電流により光を出力する半導体レーザ部（以下、ＬＤ部と称す）２０と、電界吸収型変調器部（以下、ＥＡＭ部と称す）１０と、ＬＤ部２０とＥＡＭ部１０との間に設けられた光導波装置３０とを同一半導体基板上に集積したリッジ型変調器集積光源を有する。ＬＤ部２０と光導波装置３０とＥＡＭ部１０とは光が導波するように構成されている。

ＬＤ部２０はｎ型のＩｎＰ基板２１上に設けられたｎ−ＩｎＰクラッド部２４（下クラッド部）と、ｎ−ＩｎＰクラッド部２４上に設けられた、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア、ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸からなる半導体レーザ多重量子井戸活性層２７と、半導体レーザ多重量子井戸活性層２７上に設けられ、所定の周期Λの回折格子２９と、この上に設けられたｐ−ＩｎＰクラッド部２３（上クラッド部）とを有する。ｐ−ＩｎＰクラッド部２３は、ＥＡＭ部１０と同様に、所望の幅にエッチングしたリッジメサ部２５と、リッジメサ部２５の両脇を有機材料（例えば、ポリイミドやＢＣＢなど）で埋め込んだ埋め込み部（図示せず）とからなる。なお、リッジメサ部２５の上部にはコンタクト層などを介して電極が設けられる。

光導波装置３０は、ＥＡＭ部１０と同様の構成となっているが絶縁のため上部電極はない構成となっている。すなわち、光導波装置３０は、光を導波する構造であって、ｎ型のＩｎＰ基板３１上に設けられたｎ−ＩｎＰクラッド部３４（下クラッド部）と、ｎ−ＩｎＰクラッド部３４上に設けられた、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア、ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸からなるパッシブ層（多重量子井戸構造の活性層）３８と、パッシブ層３８上に設けられたｐ−ＩｎＰクラッド部３３（上クラッド部）とを有する。ｐ−ＩｎＰクラッド部３３は、ＥＡＭ部１０と同様に、所望の幅にエッチングしたリッジメサ部３５と、リッジメサ部３５の両脇を有機材料（例えば、ポリイミドやＢＣＢなど）で埋め込んだ埋め込み部（図示せず）とからなる。光導波装置３０の長さ（ＬＤ部２０とＥＡＭ部１０との間の大きさ）は、５０μｍから１００μｍとしている。これは、５０μｍより短いとＬＤ部２０とＥＡＭ部１０とを絶縁することができず、また１００μｍより長いと光の損失が大きくなるためである。

ＬＤ部２０の半導体レーザ多重量子井戸活性層２７としてバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部１０の多重量子井戸構造の活性層１２として、トータルの絶縁層の厚さが３５０ｎｍである６重多重量子井戸を用いた。絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、ｐ、ｎに挟まれたノンドープ層全体である。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力波長との離調が室温で５０ｎｍとなるような混晶を用いる。

ここで、上述した構成の光半導体装置（変調器集積光源）の製造方法について説明する。
まず、ｎ型のＩｎＰ基板１１，２１，３１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド部１４，２４，３４、半導体レーザ多重量子井戸活性層２７を成長させる。ウェットエッチングによってＬＤ部２０の必要な部分以外を削り、多重量子井戸構造の活性層１２およびパッシブ層３８を再成長させる。

続いて、ＬＤ部２０に回折格子２９を形成後、ｐ−ＩｎＰクラッド部１３，２３，３３を２μｍ成長し、さらにｐ−ＩｎＰクラッド部１３，２３上にｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層（図示せず）を成長させることで、半導体レーザ、電界吸収型変調器、および光導波装置を作りこむウェハーが完成する。

次に、完成したウェハーに幅が２μｍのメサ形成プロセス、ＢＣＢによる埋め込み、及び電極形成プロセス後、へき開により長さ４００μｍから１０００μｍの変調器集積光源を作成して完成となる。

したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、第一番目の実施形態に係る光半導体装置と同様な作用効果を奏する上に、ＬＤ部２０とＥＡＭ部１０との間に光導波装置３０を設けたリッジ型変調器集積光源を有し、ＬＤ部２０への注入電流を制御することで、ＥＡＭ部１０での消光比を制御し、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができる。

［第三番目の実施形態］
第三番目の実施形態に係る光半導体装置について、図６および図７を参照して説明する。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第二番目の実施形態に係る光半導体装置にて、光導波装置３０のパッシブ層のみを変更した装置であって、同一の装置には同一符号を付記しその説明を省略する。

本実施形態に係る光半導体装置は、第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、図６および図７に示すように、ＬＤ部２０と、ＥＡＭ部１０と、ＬＤ部２０とＥＡＭ部１０の間に設けられた光導波装置３０とからなるリッジ型変調器集積光源を有する。

光導波装置３０は、ＥＡＭ部１０の多重量子井戸構造の活性層１２と異なるパッシブ層３８を有し絶縁のため上部電極はない構成となっている。すなわち、光導波装置３０は、光を導波する構造であって、バルクのＩｎＧａＡｓＰからなるパッシブ層３８を有している。なお、パッシブ層３８の下部には、ｎ−ＩｎＰクラッド部３４（下クラッド部）を介してｎ型のＩｎＰ基板３１が設けられる。パッシブ層３８の上部には、ｐ−ＩｎＰクラッド部３３（上クラッド部）を所望の幅にエッチングしたリッジメサ部３５と、リッジメサ部３５の両脇を有機材料（例えば、ポリイミドやＢＣＢなど）で埋め込んだ埋め込み部（図示せず）とが設けられる。

パッシブ層３８のバンドギャップ波長を１．２μｍとしている。パッシブ層３８のバンドギャップ波長は、レーザの発振波長に近すぎると吸収による損失が大きくなるため、それよりも十分短波長である必要があり、発振波長よりも１００ｎｍ程度短波であればこの吸収損失は問題にならない。本実施形態では、発振波長が１．３μｍであるため、パッシブ層３８のバンドギャップ波長は１．２μｍ程度より短波長である必要がある。しかし、あまりに波長が短いと、基板との屈折率差がとれなくなり、小さな光導波路構造を作りにくくなる。ＩｎＰ基板に対して、通常と同じ大きさの光導波路を作成することのできるパッシブ層３８のバンドギャップ波長は通常１．１μｍ以上であり、本実施形態における発振波長１．３μｍのレーザに対しては、パッシブ層３８のバンドギャップ波長は１．１μｍ〜１．２μｍ程度が最適となる。本実施形態では、パッシブ層３８のバンドギャップ波長を１．２μｍとしているが、１．１μｍ以上であれば同様の効果を得ることができる。

本実施形態では、第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、ＬＤ部２０の活性層２７としてバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部１０の活性層１２としてトータルの絶縁層の厚さが３５０ｎｍである６重多重量子井戸を用いた。絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、ｐ、ｎに挟まれたノンドープ層全体である。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力波長との離調が室温で５０ｎｍとなるような混晶を用いる。

ここで、上述した構成の光半導体装置（変調器集積光源）の製造方法について説明する。
本実施形態に係る光半導体装置の製造方法では、ＥＡＭ部１０の多量子井戸構造の活性層１２を再成長した後、もう一度ウェットエッチングにより不必要な部分を削り、その後ＩｎＧａＡｓＰバルク（パッシブ層３８）を再成長する工程が行われる。その他の工程は第二番目の実施形態と同じである。

したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、第一番目および第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様の作用効果を得ることができるほか、ＬＤ部２０の活性層２７とＥＡＭ部１０の活性層１２とのジョイント面を削りパッシブ層３８を新たに再成長するため、ジョイント端面の形状を綺麗にすることができる。ジョイント端面の形状はＬＤ部２０からＥＡＭ部１０への光の透過率に大きな影響を及ぼすため、綺麗なほど良く、光の透過率の低下を抑制できる。

また、第二番目の実施形態の場合と異なり、パッシブ層３８のバンドギャップエネルギーをＥＡＭ部１０の量子井戸層よりも大きくしたことにより、ＥＡＭ部１０で光を吸収することにより生成されたキャリアがパッシブ層３８に進入してこないため、高速変調に有利である。

［第四番目の実施形態］
第四番目の実施形態に係る光半導体装置について、図１を参照して説明する。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第一番目の実施形態に係る光半導体装置にて、多重量子井戸構造の組成のみを変更した装置であって、同一の装置には同一符号を付記する。

本実施形態に係る光半導体装置は、リッジ型電界吸収変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡＭ）を有する装置であって、図１に示すように、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yバリア、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層１２を有している。前記ｘはＧａ（ガリウム）の指数を示し、前記ｙはＡｓ（ヒ素）の指数を示す。なお、多重量子井戸構造の活性層１２の下部には、ｎ−ＩｎＰクラッド部１４（下クラッド部）を介してｎ型ＩｎＰからなる基板１１が設けられる。多重量子井戸構造の活性層１２の上部には、ｐ−ＩｎＰクラッド部１３（上クラッド部）を所望の幅にエッチングしリッジメサ部１５をもつリッジ導波路構造を作製し、さらにこのリッジメサ部１５の両脇を有機材料（例えば、ポリイミドやＢＣＢなど）で埋め込んだ埋め込み部１６が設けられる。リッジメサ部１５の上部には、コンタクト層などを介して電極が設けられる。

多重量子井戸構造の活性層１２は、トータルの絶縁層の厚さが３５０ｎｍである６重多重量子井戸からなる。ここで、絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、ｐ、ｎに挟まれたノンドープ層全体である。これにより、多重量子井戸構造の活性層１２中の量子井戸は、フォトルミネッセンスのピーク波長が１．１μｍ〜１．３μｍ、または、１．４μｍ〜１．５５μｍとなるような波長を達成する歪、厚さを有することとなる。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力光波長との差(離調)が室温で５０ｎｍとなるような混晶を用いる。

したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、多重量子井戸構造の活性層１２の井戸層およびバリア層をＩｎＧａＡｓＰとしても、上述した第一番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、変調器への入力光強度を変化させることで、変調器内での温度を上昇させ、消光比を増大させることができる。また、従来の半導体埋め込み型ではなく、有機材料で埋め込むリッジ型導波路構造を採用することにより、効率的な温度上昇、ならびに消光比増大を可能としている。すなわち、井戸層数、変調器長を変えることなく、高消光比、高光出力、高変調帯域の電界吸収型変調器を構成することが可能となる。

［第五番目の実施形態］
第五番目の実施形態に係る光半導体装置について、図６および図７を参照して説明する。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第二番目の実施形態に係る光半導体装置にて、ＬＤ部の半導体レーザ多重量子井戸活性層のバリア層および量子井戸層、ＥＡＭ部の活性層のバリア層および量子井戸層をＩｎＧａＡｓＰに変更し、光導波装置のパッシブ層をＥＡＭ部の活性層と同じ組成に変更した装置であって、同一の装置には同一の符号を付記しその説明を省略する。

本実施形態に係る光半導体装置は、第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、図６および図７に示すように、注入電流により光を出力するＬＤ部２０と、ＥＡＭ部１０と、ＬＤ部２０とＥＡＭ部１０の間に設けられた光導波装置３０とを同一半導体基板上に集積したリッジ型変調器集積光源を有する。ＬＤ部２０と光導波装置３０とＥＡＭ部１０とは光が導波するように構成されている。

ＥＡＭ部１０はＩｎＧａＡｓＰバリア、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層１２を有している。なお、多重量子井戸構造の活性層１２の下部には、ｎ−ＩｎＰクラッド部１４（下クラッド部）を介してｎ型のＩｎＰ基板１１が設けられる。多重量子井戸構造の活性層１２の上部には、ｐ−ＩｎＰクラッド部１３を所望の幅にエッチングしたリッジメサ部１５と、このリッジメサ部１５の両脇を有機材料（例えば、ポリイミドやＢＣＢなど）で埋め込んだ埋め込み部（図示せず）とが設けられる。なお、リッジメサ部１５の上部にはコンタクト層などを介して電極が設けられる。

ＬＤ部２０は、ＩｎＧａＡｓＰバリア、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸からなる半導体レーザ多重量子井戸活性層２７を有している。なお、半導体レーザ多重量子井戸活性層２７の下部には、ｎ−ＩｎＰクラッド部２４（下クラッド部）を介してｎ型のＩｎＰ基板２１上に設けられる。半導体レーザ多重量子井戸活性層２７上には所定の周期Λの回折格子２９が設けられ、この上にｐ−ＩｎＰクラッド部２３（上クラッド部）が設けられる。ｐ−ＩｎＰクラッド部２３は、ＥＡＭ部１０と同様に、所望の幅にエッチングしたリッジメサ部２５と、リッジメサ部２５の両脇を有機材料（例えば、ポリイミドやＢＣＢなど）で埋め込んだ埋め込み部（図示せず）とからなる。なお、リッジメサ部２５の上部にはコンタクト層などを介して電極が設けられる。

光導波装置３０は、ＥＡＭ部１０と同様の構成となっているが絶縁のため上部電極はない構成となっている。すなわち、光導波装置３０は、光を導波する構造であって、ＩｎＧａＡｓＰバリア、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸からなるパッシブ層（多重量子井戸活性層）３８を有している。パッシブ層３８の下部には、ｎ−ＩｎＰクラッド部３４（下クラッド部）を介してｎ型のＩｎＰ基板３１が設けられる。パッシブ層３８の上部には、ｐ−ＩｎＰクラッド部３３（上クラッド部）を所望の幅にエッチングしたリッジメサ部３５と、リッジメサ部３５の両脇を有機材料（例えば、ポリイミドやＢＣＢなど）で埋め込んだ埋め込み部（図示せず）が設けられる。

ＬＤ部２０の半導体レーザ多重量子井戸活性層２７としてバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部１０の多重量子井戸構造の活性層１２としてトータルの絶縁層の厚さが３５０ｎｍである６重多重量子井戸を用いた。絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、ｐ、ｎに挟まれたノンドープ層全体である。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力波長との離調が室温で５０ｎｍとなるような混晶を用いる。

したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、ＬＤ部２０の半導体レーザ多重量子井戸層のバリア、量子井戸、ＥＡＭ部１０の多重量子井戸構造の活性層１２のバリア、量子井戸、光導波装置３０のパッシブ層３８である多重量子井戸構造の活性層のバリア、量子井戸をそれぞれＩｎＧａＡｓＰとしても、上述した第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、ＬＤ部２０とＥＡＭ部１０との間に光導波装置３０を設けたリッジ型変調器集積光源を有し、ＬＤ部２０への注入電流を制御することで、ＥＡＭ部１０での消光比を制御し、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができる。

［他の実施形態］
上記では、活性層の井戸数が６つである光半導体装置を用いて説明したが、活性層の井戸数は６つに限定されず、１から２０である光半導体装置とすることも可能である。このような光半導体装置であっても、上述した光半導体装置と同様な作用効果を奏する。

上記では、回折格子が均一な周期構造を具備する光半導体装置を用いて説明したが、回折格子に位相シフト領域が含まれる構造の光半導体装置とすることも可能である。

本発明によれば、井戸層数、変調器長を変えることなく、高消光比、高光出力、高変調帯域の光半導体装置を得ることができるため、通信産業などで有益に利用することができる。

１０ 光半導体装置
１１ 基板
１２ 多重量子井戸構造の活性部
１３ 上クラッド部
１４ 下クラッド部
１５ リッジメサ部
１６ 埋め込み部
２０ 半導体レーザ部
２７ 半導体レーザ量子井戸活性層
３０ 光導波装置
３８ パッシブ層

Claims (8)

1. 半導体混晶からなる基板と、前記基板の上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性部と、前記活性部の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部とからなる電界吸収型光変調器を有し、
   前記上クラッド部の一部をエッチングし、光波長程度の幅のリッジメサ部をもつ、リッジ導波路構造を作製し、前記リッジメサ部の両脇を熱伝導率の小さい有機材料で埋め込んだ
   ことを特徴とする光半導体装置。
2. 前記リッジメサ部の幅が０．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、前記リッジメサ部の高さが１μｍ以上３μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記有機材料がポリイミドまたはベンゾシクロブタンである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
4. 前記基板の半導体混晶はＩｎＰであり、
   前記多重量子井戸構造の活性部の井戸層、バリア層はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ、もしくはＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yであり、前記活性部の井戸数が１から２０である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光半導体装置。
5. 前記多重量子井戸構造の活性部中の量子井戸層には、フォトルミネッセンスのピーク波長が、１．２μｍ〜１．３μｍ、または１．４μｍ〜１．５５μｍとなるような波長を達成する歪、厚みを有している
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光半導体装置。
6. 注入電流により光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザと前記電界吸収型光変調器との間に設けられ、前記半導体レーザから出力された光が導波する光導波装置とを具備する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の光半導体装置。
7. 前記光導波装置は、半導体混晶からなる基板と、前記基板上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性部、またはバルクの混晶からなり、光が導波するパッシブ層と、前記パッシブ層の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部とを有する
   ことを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置。
8. 前記電界吸収型光変調器の消光比を、前記半導体レーザへの注入電流を変化させることにより制御する
   ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の光半導体装置の制御方法。

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