JP2014007295A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体レーザ部の発振光の横モードを安定化し、かつ周波数特性の劣化を防ぐことができる光半導体装置及びその製造方法を得る。
【解決手段】ｎ−ＩｎＰ基板１上に半導体レーザ部２と光変調器部３が集積されている。光変調器部３は半導体レーザ部２から出射された光を変調する。半導体レーザ部２は垂直リッジ４を有し、光変調器部３は逆メサリッジ５を有する。このように光変調器部３と半導体レーザ部２とでリッジ型構造を変えることにより、半導体レーザ部２の発振光の横モードを安定化し、かつ周波数特性の劣化を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信用送信器などで使用する光半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体基板上に半導体レーザ部と光変調器部が集積された光変調器集積半導体レーザが用いられている（例えば、特許文献１参照）。一般的に光変調器部と半導体レーザ部は垂直リッジ型である（例えば、特許文献２参照）。しかし、垂直リッジ型の光変調器部は、素子抵抗がリッジ上部の面積に比例して大きくなり周波数特性が劣化するため、例えば２５ＧＨｚ以上の高速変調には不向きである。そこで、光変調器部の素子抵抗を低減するために、光変調器部と半導体レーザ部の両方を逆メサリッジ型としたものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００９−２９５８７９号公報 特開２００２−１３１７１３号公報 特開２００２−２０４０３０号公報
逆メサリッジ型の半導体レーザ部の場合、発振波長１．３μｍのレーザ光の横モードを基本モードのみとするにはリッジボトム幅を１．４μｍ以下にする必要がある。これは垂直リッジ型の場合と比較して約０．２μｍ狭い。この横モードを基本モードのみとした半導体レーザ部と同一の構造を光変調器部に適用すると、光変調器部のリッジ幅も狭くする必要がある。このため、リッジ幅に反比例して光変調器部の素子抵抗が上昇し、周波数特性が劣化する。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は半導体レーザ部の発振光の横モードを安定化し、かつ周波数特性の劣化を防ぐことができる光半導体装置及びその製造方法を得るものである。
本発明に係る光半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、垂直リッジを有する半導体レーザ部と、前記半導体基板上に設けられ、逆メサリッジを有し、前記半導体レーザ部から出射された光を変調する光変調器部とを備えることを特徴とする。
本発明により、半導体レーザ部の発振光の横モードを安定化し、かつ周波数特性の劣化を防ぐことができる。
本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ部を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光変調器部を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す平面図である。
本発明の実施の形態に係る光半導体装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す斜視図である。この光半導体装置は、ｎ−ＩｎＰ基板１上に分布帰還（Distributed Feed Back）型の半導体レーザ部２と電界吸収（Electro Absorption）型の光変調器部３が集積された光変調器集積半導体レーザ（Electro absorption Modulated Laser）である。半導体レーザ部２側の端面にはＨＲ（High-Reflection）コーティングが施され、光変調器部３側の端面にはＡＲ（Anti-Reflection）コーティングが施されている。
半導体レーザ部２は所定波長の光を出射し、光変調器部３は半導体レーザ部２から出射された光を変調する。半導体レーザ部２は垂直リッジ４を有し、光変調器部３は逆メサリッジ５を有する。
半導体レーザ部２の垂直リッジ４は、例えばＣＨ４とＨ２，Ｏ２を用いたドライエッチングにより形成することができる。光変調器部３の逆メサリッジ５は、例えばＨＣｌとＨ２Ｏを用いたウェットエッチングにより形成することができる。
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ部を示す断面図である。ｎ−ＩｎＰ基板１上に、活性層６、ｐ−ＩｎＰクラッド層７、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層８、ｐ−ＩｎＰクラッド層９、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ−ＢＤＲ(Band Discontinuity reduction)層１０、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１が順に積層されている。活性層６は、例えば、圧縮歪みＩｎＧａＡｓＰ井戸層と、引張歪みＩｎＧａＡｓＰバリア層とが交互に複数存在するＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ（Multiple Quantum Well）である。
ｐ−ＩｎＰクラッド層７、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層８、ｐ−ＩｎＰクラッド層９、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ−ＢＤＲ層１０、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１に垂直リッジ４が設けられている。垂直リッジ４の側面はｎ−ＩｎＰ基板１の主面に対してほぼ垂直になっている。
ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１上にアノード電極１２が設けられ、垂直リッジ４の側面及びその両側がＳｉＯ２絶縁膜１３で覆われ、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面にカソード電極１４が設けられている。
アノード電極１２とカソード電極１４との間に所定の電流が注入されることにより、活性層６内でレーザの発振が生じ、所定の単一波長の光が照射される。この際に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層８の格子間隔により定まる特定の波長のみ共振するため、半導体レーザ部２は安定した単一波長発振を行うことができる。
図３は、本発明の実施の形態１に係る光変調器部を示す断面図である。ｎ−ＩｎＰ基板１上に、光吸収層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ−ＢＤＲ層１０、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１が順に積層されている。活性層６は、例えば、圧縮歪みＩｎＧａＡｓＰ井戸層と、引張歪みＩｎＧａＡｓＰバリア層とが交互に複数存在するＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷである。ただし、これに限らずＡｌＧａＩｎＡｓ−ＭＱＷでもよい。
ｐ−ＩｎＰクラッド層１６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ−ＢＤＲ層１０、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１に逆メサリッジ５が設けられている。逆メサリッジ５の側面は（１１１）Ａ面からなる逆メサ形状になっており、光の進行方向から見た逆メサリッジ５の断面は逆三角形状の台形になっている。
ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１上にアノード電極１７が設けられ、逆メサリッジ５の側面及びその両側がＳｉＯ２絶縁膜１３で覆われ、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面にカソード電極１４が設けられている。半導体レーザ部２のアノード電極１２と光変調器部３のアノード電極１７は分離されている。
続いて、本実施の形態の効果を説明する。垂直リッジ４の半導体レーザ部２において発振波長１．３μｍのレーザ光の横モードを基本モードのみとするにはリッジボトム幅を約１．６μｍ以下にする必要がある。リッジボトム幅の上限が逆メサリッジ型の場合と比較して約０．２μｍ広い。これにより、半導体レーザ部２の発振光の横モードを安定化する際の製造マージンを拡大することができる。
また、光変調器部３を逆メサリッジ型としたため、光変調器部３の素子抵抗を低減することができ、周波数特性の劣化を防ぐことができる。よって、本実施の形態のように光変調器部３と半導体レーザ部２とでリッジ型構造を変えることにより、半導体レーザ部２の発振光の横モードを安定化し、かつ周波数特性の劣化を防ぐことができる。
また、光変調器部３の逆メサリッジ５のボトムの幅をｄ１、半導体レーザ部２の垂直リッジ４のボトムの幅をｄ２としたとき、ｄ１＋０．２μｍ＞ｄ２を満たすことが好ましい。この条件を満たすように製造することで、光変調器部３の素子抵抗を低減できるため、周波数特性の良好な光半導体装置を実現できる。なお、ｄ１を大きくできる理由は、光変調器部３では、光導波路のコア層となる光吸収層１５の屈折率が半導体レーザ部２の活性層６よりも相対的に小さいためである。
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す平面図である。本実施の形態では光変調器部３がマッハツェンダ型である。光変調器部３は、分波器１８と、２つの光変調器１９，２０と、光合波器２１とを有する。各構成がｎ−ＩｎＰ基板１上に設けられたパッシブ導波路部２２により接続されている。半導体レーザ部２とパッシブ導波路部２２とはバットジョイント構造となっており、パッシブ導波路部２２は半導体レーザ部２から出射された光を光変調器部３に導く。
半導体レーザ部２とパッシブ導波路部２２は垂直リッジ４を有し、光変調器部３は逆メサリッジ５を有する。これにより、実施の形態１と同様に半導体レーザ部２の発振光の横モードを安定化し、かつ周波数特性の劣化を防ぐことができる。
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す平面図である。ｎ−ＩｎＰ基板１上に半導体レーザ部２と半導体光増幅器部２３(Semiconductor Optical Amplifier)が集積されている。半導体光増幅器部２３は半導体レーザ部２から出射された光を増幅する。半導体レーザ部２は、ｎ−ＩｎＰ基板１上に集積された複数の分布帰還型のレーザ２４を有するレーザアレイである。光合波器２１は、複数のレーザ２４から出射された光を合波して半導体光増幅器部２３に入力させる。それらの間をパッシブ導波路部２２が接続している。
半導体レーザ部２とパッシブ導波路部２２は垂直リッジ４を有し、半導体光増幅器部２３は逆メサリッジ５を有する。これにより、実施の形態１と同様に半導体レーザ部２の発振光の横モードを安定化し、かつ半導体光増幅器部２３の素子抵抗を低減して消費電力を低減することができる。
なお、半導体レーザ部２の垂直リッジ４はドライエッチングにより形成することができ、半導体光増幅器部２３の逆メサリッジ５はウェットエッチングにより形成することができる。
１ ｎ−ＩｎＰ基板（半導体基板）
２ 半導体レーザ部
３ 光変調器部
４ 垂直リッジ
５ 逆メサリッジ
２１ 光合波器
２２ パッシブ導波路部
２３ 半導体光増幅器部
２４ 複数のレーザ

Claims (8)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、垂直リッジを有する半導体レーザ部と、
    前記半導体基板上に設けられ、逆メサリッジを有し、前記半導体レーザ部から出射された光を変調する光変調器部とを備えることを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記光変調器部の前記逆メサリッジのボトムの幅をｄ１、前記半導体レーザ部の前記垂直リッジのボトムの幅をｄ２としたとき、ｄ１＋０．２μｍ＞ｄ２を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
  3. 前記半導体基板上に設けられ、垂直リッジを有し、前記半導体レーザ部から出射された光を前記光変調器部に導くパッシブ導波路部を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
  4. 前記光変調器部はマッハツェンダ型であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光半導体装置。
  5. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、垂直リッジを有する半導体レーザ部と、
    前記半導体基板上に設けられ、逆メサリッジを有し、前記半導体レーザ部から出射された光を増幅する半導体光増幅器部とを備えることを特徴とする光半導体装置。
  6. 前記半導体レーザ部は前記半導体基板上に集積された複数のレーザを有し、
    前記複数のレーザから出射された光を合波して前記半導体光増幅器部に入力させる光合波器を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。
  7. 請求項１〜４の何れか１項に記載の光半導体装置を製造する方法であって、
    前記半導体レーザ部の前記垂直リッジをドライエッチングにより形成する工程と、
    前記光変調器部の前記逆メサリッジをウェットエッチングにより形成する工程とを備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
  8. 請求項５又は６に記載の光半導体装置を製造する方法であって、
    前記半導体レーザ部の前記垂直リッジをドライエッチングにより形成する工程と、
    前記半導体光増幅器部の前記逆メサリッジをウェットエッチングにより形成する工程とを備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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