JP2014045135A - 集積型光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる横モードで光を伝搬させる構造においてコアへの戻り光の発生を抑制する集積型光半導体装置を提供する。
【解決手段】基板１１上に集積される複数の光半導体素子１〜５を有し、複数の光半導体素子１〜５のうち第１の光半導体素子４の光出射端と第２の光半導体素子４の光入射端を光学的に接続する光接続部を有し、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４において伝搬する光のモードが互いに相違し、接続部における第１の光半導体素子３の光出射端の一部には、基板１１の面に対して斜めに傾いた部分２２ｂが含まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積型光半導体装置に関し、特に、互いに光学的に接続される複数の光半導体素子を有する集積型光半導体装置に関する。

光半導体素子として、半導体レーザ、光半導体増幅装置のような能動素子や、光導波路、光合流素子のような受動素子があり、能動素子、受動素子を同じ基板上に形成して互いを光学的に接続する構造の集積型光半導体装置が使用されている。

例えば、ＤＷＤＭ通信システムの大容量化、高度化の要求に応えるために、集積型光半導体装置として、発振波長の異なる複数のＤＦＢ半導体レーザと、それらに接続される曲がり導波路と、それらの光導波路を合流する光合流器と、光半導体増幅素子とを集積した装置が使用されている。

ところで、異なる目的を有する２つの光導波路が同一基板上に互いに直列に接続される集積型光半導体装置では、２つの光導波路の接続部分の光閉じ込めモードの違いによって戻り光が発生することがある。

例えば、下記の特許文献１に記載のように、埋込光導波路からハイメサ光導波路に光を伝搬させる場合には、埋込光導波路での固有モードの界分布を有する光は、ハイメサ光導波路の固有モードの界分布を有する光よりも広がっている。このため、埋込光導波路での固有モードの光のうち、ハイメサ光導波路よりも広がった光は、接続部におけるコアの周囲の低屈折率媒質によって反射され、戻り光が生じてしまう。

そのような戻り光は、埋込光導波路から伝搬される光と干渉し合い、信号となる光にノイズを発生させ、さらに信号強度を低減するといった問題を生じさせる。そのような戻り光を抑制するために、特許文献１では、ハイメサ光導波路と埋込光導波路を接続する構造において、その接続部でのハイメサ光導波路のクラッドの横幅をテーパー状に広げる構造が開示されている。この場合のハイメサ光導波路と埋込光導波路は、１つの横モードで光を伝搬させる構造となっている。

特開２００２−３１１２６７号公報

ところで、横マルチモードで光を伝搬させる横マルチモード光合流器と、横シングルモードで光を伝搬させる横シングルモード光導波路とを光接続させる構造では、その光接続部における戻り光の発生を防止するために上記のようにクラッドの横幅をテーパー状に広げる構造を採用することはできない。これは、横マルチモード光合流器の横幅はマルチモードの数に合わせて決められるので、光接続部分の幅をテーパー状に形成すると、マルチモードからシングルモードに高い精度で変換することが難しくなるからである。しかも、横マルチモード光合流器は、横シングルモード光導波路よりも幅が広く、その側部のクラッドをテーパー状に形成しても効果は期待できない。従って、そのような横モードが異なる光を伝搬させる２つの光半導体素子の接続部分に上記の従来技術を採用して戻り光を抑制することは難しい。

また、ハイメサ光導波路と埋込光導波路を接続する構造において、ハイメサ光導波路のクラッドの横幅をテーパー状に広げると、そのテーパー面で反射した光は斜め横方向で内向きに伝搬するのでハイメサ光導波路のコアを横切ることになり、コアの端部で光干渉を生じさせてしまう。

本発明の目的は、異なる横モードで光を伝搬させる構造において、コアの接続部での光干渉を防止しつつ戻り光の発生を抑制することができる集積型光半導体装置を提供することにある。

本発明の１つの観点によれば、基板上に集積される複数の光半導体素子を有し、上記複数の光半導体素子のうち第１の光半導体素子の光出射端と第２の光半導体素子の光入射端を光学的に接続する光接続部を有する集積型半導体装置であって、上記第１の半導体素子と上記第２の半導体素子において、伝搬する光のモードが互いに相違し、上記接続部における上記第１の光半導体素子の上記光出射端の一部には、上記基板の面に対して斜めに傾いた部分が含まれる、集積型半導体装置が提供される。

本発明によれば、第１の光半導体素子において第２の光半導体素子に向けて伝搬する光は、第１の光半導体素子の光出射端のうち基板面に対して斜めに傾いた部分で反射され、基板面の斜め方向に伝搬経路を変える。これにより、第１の光半導体装置内への戻り光は抑制され、しかも、反射光のうち光半導体素子のコアを横切る成分が極めて小さくなるので、第１の半導体素子内でのノイズ発生が防止される。

図１は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における半導体レーザから光半導体増幅素子に至る領域を光進行方向に向かって示す断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における光合流器とその前後の溝に至る領域を光進行方向に向かって示す断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置におけるＤＦＢ半導体レーザを示す断面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における曲げ光導波路を示す断面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における光合流器を示す断面図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における光半導体増幅器を示す断面図である。 図８（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における光合流器とストライプ状光導波路の接続部分とその周辺領域を示す平面図、図８（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における光合流器とストライプ状光導波路の接続部分のクラッド層を示す断面図である。 図９は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における光合流器とストライプ状光導波路の接続部分の両側の上部に形成される傾斜端面の傾斜角度と反射率の関係を示す特性図である。 図１０（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置における光合流器とストライプ状光導波路の接続部分の両側の上部に形成される傾斜端面の他の例を示す断面図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図１３（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置の平面図、図２は、図１のＩ−Ｉ線断面図、図３は、図１のII−II線断面図、図４は、図１のIII-III線断面図、図５は、図１のIV−IV線断面図、図６，７は、図１のＶ−Ｖ、VI−VI線断面図を示している。図中同一符号は同一要素を示している。但し、図面は、発明の理解を容易にするための模式的なものであり、厚みの比率、寸法などは現実のものとは異なっている。

図１に示すｎ−ＩｎＰ基板１１においては、光伝搬（長手）方向に沿って半導体レーザ領域Ａ、第１光導波路領域Ｂ、光合流領域Ｃ、第２光導波路領域Ｄ及び光増幅領域Ｅが順に設定されている。そして、ｎ−ＩｎＰ基板１１の主面となる面方位（１００）の全面の上には、図２〜図７に示すように、バッファ層を兼ねるｎ−ＩｎＰクラッド層１２が形成されている。

半導体レーザ領域Ａには、リッジ構造の第１〜第ｎのＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎ（ｎ≧１）が幅方向（図中ｙ方向）に間隔をおいて形成され、以下のような積層構造を有している。この場合、幅方向を結晶方位の［０１１］方向とするとともに、長手（ｘ）方向を［０１１］方向に直交する方向とする。

ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎは、図１、図２、図４に示すように、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２上に順に形成される下部ＳＣＨ層１３ａ、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１４ａ、上部ＳＣＨ層１６ａを有している。また、ＭＱＷ活性層１４ａは、複数の量子井戸層１５ｑとそれらの間に形成されるバリア層１５ｂを有している。下部ＳＣＨ層１３ａ、上部ＳＣＨ層１６ａ、量子井戸層１５ｑ、バリア層１５ｂとして、例えば、ｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層が形成される。

上部ＳＣＨ層１６ａの上には、図２に示すように、光出射方向に向かって凹凸が繰り返される回折格子１８が下側スペーサー層１７ａと上側スペーサー層１７ｂに挟まれて形成されている。例えば、回折格子１８はｐ−ＧａＩｎＡｓＰから形成され、スペーサー層１７ａ、１７ｂはｐ−ＩｎＰから形成される。なお、スペーサー層１７ａ、１７ｂは後述するｐ型クラッド層２１の一部となる。回折格子１８の格子パターンの凹凸のピッチは、複数のリッジ構造ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎのそれぞれにおいて異なるように形成され、例えば、ブラッグ波長が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲で相違するように形成されている。

上側スペーサー層１７ｂの上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰのエッチングストップ層２０ａと、ｐ−ＩｎＰのｐ型クラッド層２１と、ｐ−ＧａＩｎＡｓのｐ型コンタクト層２２が順に形成されている。

複数のリッジ構造ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎのそれぞれにおいては、図４に例示するように、ｐ型コンタクト層２２及びｐ型クラッド層２１の両側に溝２３ａが形成されている。そして、溝２３ａに挟まれる領域のｐ型コンタクト層２２及びｐ型クラッド層２１はストライプメサ状に形成されている。そして、複数のメサ状のｐ型コンタクト層２
２、ｐ型クラッド層２１とその直下の領域のｎ−ＩｎＰ基板１１までの層が複数のリッジ構造のＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎの各々の半導体積層構造となる。また、下部ＳＣＨ層１３ａ、ＭＱＷ活性層１４ａ、上部ＳＣＨ層１６ａはＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎの各々のコアとなる。

リッジ構造の各ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎの両側の溝２３ａの内面には、保護絶縁膜２４として、半導体層よりも低い屈折率の材料の膜、例えば窒化シリコン膜が形成されている。さらに、溝２３ａ内で保護絶縁膜２４により形成される凹部内には、半導体層より低い屈折率の材料からなる平坦化ポリマー２５が埋め込まれている。なお、図２、図３では、保護絶縁膜２４は省略されて描かれている。

リッジ構造の各ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎにおけるメサ状の各ｐ型コンタクト層２２の上面上には、ｐ側電極２７ａ_１〜２７ａ_ｎが形成されている。また、ｎ−ＩｎＰ基板１１の下面の全体には、ｎ型電極２８が形成されている。

ｎ−ＩｎＰ基板１１のうち第１光導波路領域Ｂには、図１に示すように、リッジ構造の曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎがｙ方向に間隔をおいて複数形成されている。それらの光入射端には、ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎの光出射端が接続されている。

曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎが形成される第１光導波路領域Ｂのｎ型クラッド層１２の上には、図２、図５に示すように、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰのコア層３１が形成されている。コア層３１は、その上面が半導体レーザ領域Ａの上部ＳＣＨ層１６ａと同じ高さになるような厚さに形成される。また、複数の曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎのそれぞれにおいては、コア層３１の上に、スペーサー層３２、エッチストップ層３３、ｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２２が順に積層されている。スペーサー層３２としてｐ−ＩｎＰ層が形成され、エッチストップ層３３としてｐ−ＧａＩｎＡｓＰ層が形成されている。

複数の曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎは、図５に示すように、メサ状のｐ型コンタクト層２２及びｐ型クラッド層２１の両側に形成される溝２３ｂによって互いに区画されている。溝２３ｂの内面とｐ型コンタクト層２２の上面には、保護絶縁膜２４が形成されている。さらに、溝２３ｂ内では平坦化ポリマー２５が埋め込まれている。

光合流領域Ｃでは、図１〜図３、図６に示すように、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎの光出射端に光学的に接続される光入射端を有する多モード干渉（ＭＭＩ）光合流器３が平面四角状に形成されている。ＭＭＩ光合流器３は、複数の曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎのいずれかから入射する光を多モードで光出射端へ伝搬し、単モードの光を光出射端の光出力ポートから次段のストライプ状光導波路４に出射するように設計されている。

ＭＭＩ光合流器３は、図６に示すように、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎと同様に、コア層３１、スペーサー層３２、エッチストップ層３３、ｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２２の半導体積層構造を有している。ＭＭＩ光合流器３の幅は、ｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２２に形成される溝２３ｃによって画定され、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎや後述する次段のストライプ状光導波路４の幅よりも広くなっている。溝２３ｃの内面とｐ型コンタクト層２２の上面には、保護絶縁膜２４が形成され、さらに、溝２３ｃ内には平坦化ポリマー２５が埋め込まれている。

ＭＭＩ光合流器３の光入射端側のｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２２のうち曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎとの光学的な接続部の一部には、図１、図３に示すように、第１の傾斜端面２２ａが形成されている。この場合の接続部の領域は、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎの光出力端側のｐ型コンタクト層２２、ｐ型クラッド層２１とその直下の層と
その周辺部を含み、さらに溝２３ｂと第１の傾斜端面２２ａを含んでいる。第１の傾斜端面２２ａは、例えば、図１に示すように曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎの両側の溝２３ｂの延長上に形成される。

ＭＭＩ光合流器３の光出射端側のｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２２のうち、次段のストライプ状光導波路４との光学的接続部の一部には図１、図３に示すような第２の傾斜端面２２ｂが形成されている。例えば、第２の傾斜端面２２ｂは、次段のストライプ状光導波路４の両側に形成される溝２３ｄの延長上に形成される。第１、第２の傾斜端面２２ａ、２２ｂは、ｎ−ＩｎＰ基板１１の面に対して斜めに傾いた部分であり、基板面に対して鉛直とならない角度であり、例えば、コンタクト層２２内側での角度は約５５°で形成される。

第２光導波路領域Ｄには、図１、図２に示すように、リッジ構造のストライプ状光導波路４が形成されている。ストライプ状光導波路４は、図２に示すように、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２の上に順に形成される下部ＳＣＨ層１３ｂ、ＭＱＷ活性層１４ｂ、上部ＳＣＨ層１５ｂ、スペーサー層１７、エッチングストップ層２０ｂ、ｐ型クラッド層２１、ｐ型コンタクト層２２を有している。また、ｐ型クラッド層２１、ｐ型コンタクト層２２の両側には図１に示すような溝２３ｄが形成されている。

ストライプ状光導波路４の光入射端は、ＭＭＩ光合流器３の光出射端の一部の光出力ポートに光学的に接続され、その光出射端は、後述するリッジ構造の半導体光増幅器（ＳＯＡ(Semiconductor Optical Amplifier)）５の光入射端に接続されている。

ストライプ状導波路４とＭＭＩ光合流器３の互いの接続部は、ストライプ状導波路４の光入射端におけるメサ状のｐ型コンタクト層２２及びｐ型クラッド層２１とその直下の層とその周辺部を含み、さらに溝２３ｄと第２の傾斜端面２２ｂを含む。

光増幅領域Ｅには、ストライプ状光導波路４の光出射端に接続される光入射端を有するストライプ状のリッジ構造のＳＯＡ５が形成されている。リッジ構造のＳＯＡ５は、図１、図２、図７に示すように、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２上に順に形成された下部ＳＣＨ層１３ｂ、ＭＱＷ活性層１４ｂ、上部ＳＣＨ層１５ｂ、スペーサー層１７、エッチングストップ層２０ｂ、ｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２２を有している。ｐ型クラッド層２１、ｐ型コンタクト層２２は溝２３ｄに挟まれてストライプメサ状に形成され、ｐ型コンタクト層２２の上には、ｐ側電極２７ｂが形成されている。その両側の溝２３ｄの内面には保護絶縁膜２４が形成され、溝２３ｄ内には平坦化ポリマー２５が埋め込まれている。

従って、ストライプ状光導波路４は、ｐ側電極が存在しないことを除いてリッジ構造のＳＯＡ５と同じ積層構造を有している。なお、ストライプ状光導波路４は、リッジ構造ＳＯＡ５の一部であってもよく、リッジ構造ＳＯＡ５とＭＭＩ光合流器３との光学的な接続部となる。

第２光導波路領域Ｄ及び光増幅領域Ｅでは、図１に示すように、ストライプ状光導波路４とリッジ構造ＳＯＡ５の両側方に溝２３ｄを介してサポートメサ部６が形成されている。サポートメサ部６は、溝２３ｄを形成するためのエッチングの際に、ストライプ状光導波路４とＳＯＡ５への過剰なエッチャント供給を防止するために形成される。サポートメサ部６は、ストライプ状光導波路４と同じ積層構造を有し、その上には保護絶縁膜２４が形成されている。

上記の下部ＳＣＨ層１３ａ、１３ｂ、ＭＱＷ層１４ａ、１４ｂ及び上部ＳＣＨ層１６ａ
、１６ｂは、ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎ及びストライプ状光導波路４及びＳＯＡ５のコア層となり、そのコア層の実効的な屈折率は、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎ及びＭＭＩ光合流器３のコア層３１の実効的な屈折率と等しくなるように設定される。

上記のように、複数のＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎの各半導体層の一部は横方向に連続しているが、メサ状のｐ型クラッド層２１、ｐ型コンタクト層２２によって光導波路が画定されている。同様に、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎとＭＭＩ光合流器３の各半導体層の一部も横に連続しているが、メサ状のｐ型クラッド層２１、ｐ型コンタクト層２２によって光導波路が画定される。また、ストライプ状光導波路４、ＳＯＡ５及びサポートメサ部６の各半導体層の一部も横に連続しているが、ストライプ状光導波路４、ＳＯＡ５の光導波路はメサ状のｐ型クラッド層２１、ｐ型コンタクト層２２によって画定される。

なお、半導体光増幅器５において光入射端から光出射端までを伝搬する光は単モードであり、ＭＭＩ光合流器３において光入射端から光出射端までを伝搬する光はマルチモードであり、それらのモードは互いに異なる。

次に、上記の光半導体装置の動作について説明する。

まず、複数のＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎの中から１つを選択する。そして、その上部のｐ側電極２７からｎ−ＩｎＰ基板１１下面のｎ側電極２８に向けて閾値以上の電流を注入して１つのＤＦＢ半導体レーザ１ａ_ｎを駆動させる。

駆動されたＤＦＢ半導体レーザ１ａ_ｎに光学的に接続している曲げ光導波路２ａ_ｎは、ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_ｎの出射光をＭＭＩ合流器３に向けて導波する。さらに、ＭＭＩ合流器３では、曲げ光導波路２ａ_ｎ内を導波した光をマルチモードに変換し、単モードの光を光出射ポートからストライプ状光導波路４に向けて出射する。

この場合、ＭＭＩ合流器３内においては、コア層３１内を光がマルチモードで伝搬し、ストライプ状導波路４との接続部で光強度が高くなっている。また、コア層３１の上と下に形成される屈折率の低いクラッド層１２、２１は光をコア層３１に閉じ込めるが、その光閉じ込めは完全ではなく、光がコア層３１からクラッド層１２、２１に漏れ出して広がる。

ＭＭＩ合流器３においてクラッド層１２、２１に漏れ出した光は、光伝搬方向に連続しているストライプ状導波路４、ＳＯＡ５及びサポートメサ部６のクラッド層１２、２１を伝搬する。しかし、ストライプ状導波路４の両側には溝２３ｄが形成され、溝２３ｄの内面にはｐ型クラッド層２１よりも低い屈折率の保護絶縁膜２４が形成されている。このため、ＭＭＩ合流器３においてコア層３１からｐ型クラッド層２１に広がった光は、その光出射端から溝２３ｄに繋がる部分ではクラッド層２１の端面で反射して戻ることになり、戻り光ノイズの発生の原因となる。

この対策として、上記のＭＭＩ光合流器３では、ｐ型クラッド層２１のうちストライプ状光導波路４両側の溝２３ｄの延長上に第２の傾斜端面２２ｂを形成している。これにより、図８（ａ）の平面図と図８（ｂ）の断面図に示すように、ｐ型クラッド層２１の第２の傾斜端面２２ｂで反射した光は、ストライプ状光導波路４からＭＭＩ光合流器３への伝搬方向、即ち基板面と平行な方向に対して斜め下方向に伝搬路が変更される。この結果、第２の傾斜端面２２ｂでの反射光は、第２の傾斜端面２２ｂに当たる光に対して位相差のズレにより打ち消し合いが生じる。また、第２の傾斜端面２２ｂで反射される光は、基板面に対して鉛直成分を持つため、メサ状のｐ型クラッド層２１の直下のコア層３１に向けて殆ど伝搬しない。

ここで、ＭＭＩ光合流器３とストライプ状導波路４の光接続部において、傾斜端面２２ｂの傾斜の角度をθとする。この場合の角度θは、図２のような状態では、ｐ型コンタクト層２１内側での角度である。そして、傾斜端面２２ｂで反射される光のうち基板面と平行となる成分の戻り光の量は、図９に示すように、角度θによって異なる。なお、図９の縦軸は、傾斜端面２２ｂの角度θを９０°に設定した場合の水平方向の戻り光の量を１００として示している。

図９によれば、傾斜端面２２ｂの角度θを８０°に設定すると、９０°の状態に比べて戻り光を４割以上抑制することができる。従来の構造では、角度θは約９０°となっているので、その端面で反射した光は、基板面に平行な戻り成分が多くなり、光ノイズの発生原因となる。従って、図９によれば、傾斜端面２２ｂの傾斜を従来の鉛直方向から基板面側に少し戻しただけで光ノイズ抑制効果が大きいことがわかる。

以上のようなノイズの少ない光がストライプ状光導波路４を介して入射するＳＯＡ５では、ｐ側電極２７ｂからｎ側電極２９に向けて電流を注入することにより、ＭＭＩ合流器３から入射した光を増幅して出射端から出力する。なお、ＭＭＩ光合流器３とストライプ状導波路４において互いに接続される光導波路は、傾斜端面２２ｂの横の斜め方向に隣接する。

ところで、図３では、ＭＭＩ光合流器３の傾斜端面２２ａ、２２ｂは平坦になっているが、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、内側又は外側に湾曲した面であってもよい。それらのような湾曲した面は、クラッド層２１をエッチングして傾斜端面２２ａ、２２ｂを形成する際に、ドライエッチングではなく、異方性のあるウエットエッチングを適用することによって生じ得る。さらに、それらのような湾曲した面は、エッチング液の種類、エッチング時間を適宜変更することにより実現することができる。

また、傾斜端面２２ａ、２２ｂは、図１０（ｃ）に示すような段を有する形状にしてもよい。そのような段は、例えば、傾斜端面２２ａ、２２ｂを構成するクラッド層２１が複数の半導体層からなり、これらの層がエッチングレートの異なる材料から形成される場合に形成できる。即ち、複数の異なる材料の半導体層からなるクラッド層の一部をエッチングして傾斜端面２２ａ、２２ｂを形成する際に、同じエッチャントに対してエッチングレートの遅い半導体層と速い半導体層を積層することにより段を生じさせることができる。

さらに、図１０（ｄ）に示すように、傾斜端面２２ａ、２２ｂをオーバーハング形状としてもよい。オーバーハング形状を形成する方法として、例えば、ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎ、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎ、ＭＭＩ光合流器３、ストライプ状光導波路４及びＳＯＡ５の光伝搬方向を［０１１］方向となるようにそれらの素子を形成する。そして、エッチレートの結晶方位の依存性により、ＭＭＩ光合流器３のクラッド層２１の傾斜端面２２ａ、２２ｂを逆メサ状にすることができ、傾斜端面２２ａ、２２ｂはオーバーハング形状となる。このような形状では、傾斜端面２２ｂで反射した光は、上斜め方向に進行する。これにより、ＭＭＩ合流器３内部への戻り光は大幅に低減される。なお、逆メサ状の傾斜端面２２ａ、２２ｂは平坦であってもよいし、内側又は外側に湾曲してもよいし、段を有しても良い。

ところで、上記の実施形態では、マルチモードとシングルモードの複数の光半導体素子を互いに光学的に接続する構造を説明したが、互いに異なるシングルモードを伝搬させる２つの半導体素子を光学的に接続する部分においても上記の傾斜端面を採用できる。例えば、埋込光導波路の光出射端とハイメサ光導波路の光入射端を光学的に接続する構造において、埋込光導波路の光出射端側のコアの両側方のクラッド層の端面に、基板の面に対し
て斜めに傾いた部分を含める構造を形成してもよい。

ハイメサ光導波路は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸層から形成されるコアを有し、さらに、コアの上下に形成される上側、下側クラッドとしてＩｎＰ層を有し、上側、下側クラッド及びコアの左右に形成される横クラッドとしてＩｎＰよりも低い屈折率の層を有する構造がある。また、埋込光導波路は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰから形成されるコアを有し、その上下左右に形成されるクラッドとしてＩｎＰ層を有している。

このような構造の埋込導波路においてハイメサ光導波路との光接続部では、コアの両側のクラッド層の上部に上記のような傾斜端面を形成すると、埋込導波路のコアからクラッド層に広がる光の一部を下斜め又は上斜め方向に反射させ、基板面と平行な戻り光を低減することができる。その戻り光は、コアを実質的に横切らない。

次に、図１のII−II線に沿った断面構造を参照し、光半導体装置の製造工程を説明する。まず、図１１（ａ）に示す断面構造を形成するまでの工程について説明する。

まず、ｎ型ＩｎＰ基板１１の（００１）面の上に、ｎ型ＩｎＰのｎ型クラッド層１２、ＡｌＧａＩｎＡｓの下部ＳＣＨ層１３、ＭＱＷ活性層１４、ＡｌＧａＩｎＡｓの上部ＳＣＨ層１６、ｐ−ＩｎＰの下側スペーサー層１７ａを順にエピタキシャル成長する。

続いて、下側スペーサー層１７ａ上にｐ−ＧａＩｎＡｓＰグレーティング層を形成した後に、グレーティング層をフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いてパターニングすることにより回折格子１８を複数のＤＦＢ半導体レーザ形成領域のそれぞれに形成する。なお、グレーティング層は、エッチングにより、第１光導波路領域Ｂ、光合流領域Ｃ、第２光導波路領域Ｄ及び光増幅領域Ｅから除去される。

続いて、回折格子１８及び下側スペーサー層１７ａの上に、ｐ−ＩｎＰの上側スペーサー層１７ｂ、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰのエッチングストップ層２０、ｐ−ＩｎＰ層２１ａをエピタキシャル成長する。さらに、ｐ−ＩｎＰ層２１ａの上に窒化シリコン膜４１を形成した後に、窒化シリコン膜４１をパターニングすることにより、半導体レーザ領域Ａと光増幅領域Ｅに窒化シリコン膜４１を残すとともに、第１光導波路領域Ｂ、光合流領域Ｃから窒化シリコン膜４１を除去する。

続いて、図１１（ｂ）に示すように、窒化シリコン膜４１に覆われない光導波路領域Ｂ、光合流領域Ｃにおけるｎ−ＩｎＰ層２１ａから下部ＳＣＨ層１３までの層をドライエッチングして凹部４２を形成する。

続いて、図１２（ａ）に示すように、窒化シリコン膜４１のパターンを選択成長マスクとして使用し、凹部４２内にｉ−ＧａＩｎＡｓＰのコア層３１、ｐ−ＩｎＰのスペーサー層３２、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰのエッチストップ層３３を順にバッドジョイント成長させ、続いてその上にｐ−ＩｎＰ層２１ｂを形成する。その後に、窒化シリコン膜４１を除去する。

続いて、図１２（ｂ）に示すように、ｐ−ＩｎＰ層２１ａ、２１ｂの上に、ｐ−ＩｎＰのｐ型クラッド層２１とｐ−ＧａＩｎＡｓのｐ型コンタクト層２２を例えばＭＯＣＶＤ法により順に結晶成長する。この場合、ｐ−ＩｎＰ層２１ａ、２１ｂはｐ型クラッド層２１の下層部となる。

次に、図１３（ａ）に示す構造を形成するまでの工程を説明する。

まず、ｐ型コンタクト層２２の上に窒化シリコン膜を形成した後に、フォトリソグラフィーとエッチングにより窒化シリコン膜をパターニングしてマスク４３を形成する。マスク４３は、図１に示すＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎ、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎ、ＭＭＩ光合流器３、ストライプ状光導波路４及びＳＯＡ５の平面形状の周囲に開口部を設けた形状を有している。なお、図１３（ａ）に示すマスク４３は、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎ、ストライプ状光導波路４及びＳＯＡ５の側部に開口部４３ａ、４３ｂを形成した状態を示している。

次に、図１３（ｂ）に示すように、マスク４３の開口部４３ａ、４３ｂを通して、ｐ型コンタクト層２２、ｐ型クラッド層２１をエッチングすると、それらの層２２、２１には図１、図４〜図７に示すような溝２３ａ〜２３ｄが形成される。これにより、リッジ構造のＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎ、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎ、ＭＭＩ光合流器３、ストライプ状光導波路４及びＳＯＡ５の半導体積層構造が形成される。この場合、ｐ型エッチングストップ層２０、３３でエッチングが停止するエッチャントを使用することにより、スペーサー層１７ｂ、１７、３２のエッチングを防止する。

エッチャントとして例えば塩酸のような塩素系溶液を使用するウエットエッチングを用いると、マスク４３の開口部４３ａ、４３ｂの側面のうち［０１１］方向に伸びる部分の下では、（１１１）面が優先的に現れるようにエッチングが行われる。この結果、ｐ型コンタクト層２２、ｐ型クラッド層２１のうち曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎを挟む溝２３ｂの延長上のＭＭＩ光合流器３の光入射端側には図１に示すような傾斜端面２２ａが形成される。さらに、ｐ型コンタクト層２２、ｐ型クラッド層２１のうちストライプ状導波路４及びＳＯＡ５の両側に形成される溝２３ｄの延長上のＭＭＩ光合流器３の光出射端側には図１に示すような傾斜端面２２ｂが形成される。それらの傾斜端面２２ａ、２２ｂは、基板面に対して例えば角度θが約５５°となる。その後にマスク４３を除去する。

次に、溝２３ａ〜２３ｄ内面とｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２２の上面に窒化シリコン膜２４を形成し、その後に、図４〜図７に示したように、溝２３ａ〜２３ｄの中の窒化シリコン膜２４上に平坦化ポリマーを埋め込む。さらに、ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎとＳＯＡ５となるメサ積層構造の頂面上の窒化シリコン膜２４を除去した後に、これにより露出したコンタクト層２２の上にそれぞれｐ側電極２７ａ_１〜２７ａ_ｎ、２７ｂを形成する。

続いて、ｎ−ＩｎＰ基板１１が所望の厚さとなるようにその下面を研磨した後に、下側電極２８を形成する。その後に、劈開端面に対して垂直方向に並んだ複数の集積型光半導体装置を互いに分離することにより、図１〜図７に示す集積型光半導体装置を完成させる。従って、ＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎ、ＳＯＡ５のそれぞれのうち露出する端面は劈開面になるので、その端面側のコンタクト層２１には傾斜端面は形成されない。

ところで、上記のＤＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎ、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎ、ＭＭＩ光合流器３、ストライプ状光導波路４及びＳＯＡ５については、リッジ構造以外の構造、例えばメサストライプ構造を採用してもよい。

メサストライプ構造では、図１に示すＦＢ半導体レーザ１ａ_１〜１ａ_ｎ、曲げ光導波路２ａ_１〜２ａ_ｎ、ＭＭＩ光合流器３、ストライプ状光導波路４及びＳＯＡ５の周囲に形成される溝２３ａ〜２３ｄがｎ型クラッド層１２の表層に達する深さになっている。また、それらの溝２３ａ〜２３ｄの内面には上記と同様に保護絶縁膜２４が形成される構造を有している。それらの溝２３ａ〜２３ｄの中には、図３に示すスペーサー層１７ｂ、１７と同じ高さになる程度の厚さを有する半導体層が埋め込まれている。その他の構造は、上記と同様になっている。

なお、上記の実施形態では、互いに光学的に接続される２つの光半導体素子の一方のクラッド層にのみ傾斜端面を形成したが、互いの接続部の双方のクラッド層に傾斜端面を形成してもよい。また、複数の光半導体素子を光学的に接続する場合には、少なくとも一方がリッジ構造であってもよい。例えば、リッジ構造光半導体素子とメサストライプ構造光半導体素子を同一基板上で光結合する場合にも、上記のような傾斜端面を形成してよい。

上記実施形態では下側にｎ型半導体層、上側にｐ型半導体層を形成したが、逆であってもよい。また、上記のＤＦＢ半導体レーザ、半導体光増幅器は能動光半導体素子として形成されたが、能動光半導体素子としてその他の素子、例えば光変調器を受動半導体素子と同一基板上に形成してもよい。さらに、上記の光導波路、光合流器は受動光半導体素子として形成されたが、受動光半導体素子としてその他の素子、例えば光分岐導波路を能動半導体素子と同一基板に形成してもよい。なお、上記マスクは、窒化シリコンに限られるものではなく、酸化シリコン等の誘電体材料から形成してもよい。さらに、傾斜端面２２ａ、２２ｂを形成する方法として、上記とは異なる別の方法、例えばｐ型コンタクト層、ｐ型クラッド層に対して斜め方向からイオンミリングを行って形成してもよい。

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解することを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。

１ａ_１〜１ａ_ｎ ＤＦＢ半導体レーザ
２ａ_１〜２ａ_ｎ 光導波路
３ 光合流器
４ 半導体光増幅器
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ ｎ型クラッド層
１３、１３ａ、１３ｂ 下部ＳＣＨ層
１４，１４ａ、１４ｂ 多重量子井戸活性層
１６、１６ａ、１６ｂ 上部ＳＣＨ層
１７、１７ａ、１７ｂ スペーサー層
１８ 回折格子
２０ エッチングストップ層
２１ ｐ型クラッド層
２２ ｐ型コンタクト層
２２ａ、２２ｂ 傾斜端面
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 溝
２４ 保護絶縁膜
２５ 平坦化ポリマー
２７ａ_１〜２７ａ_ｎ、２７ｂ ｐ側電極
２８ ｎ側電極
３１ コア層
３２ スペーサー層
３３ エッチングストップ層
４１ 窒化シリコン膜
４２ 凹部
４３ マスク

Claims (9)

1. 基板上に集積される複数の光半導体素子を有し、上記複数の光半導体素子のうち第１の光半導体素子の光出射端と第２の光半導体素子の光入射端を光学的に接続する光接続部を有する集積型半導体装置であって、
   上記第１の半導体素子と上記第２の半導体素子において、伝搬する光のモードが互いに相違し、
   上記接続部における上記第１の光半導体素子の上記光出射端の一部には、上記基板の面に対して斜めに傾いた部分が含まれる、
   集積型半導体装置。
2. 上記斜めに傾いた部分は、上記接続部における側部に形成される、
   請求項１に記載の集積型光半導体装置。
3. 上記第１の光半導体素子において上記接続部に向けて上記基板の面と平行に伝搬する光は、上記斜めに傾いた部分において、上記基板の上記面とは非平行で、上記第２の光半導体素子側から上記第１の光半導体素子側への方向に反射される構造を有する、
   請求項１又は請求項２に記載の集積型光半導体装置。
4. 上記第１の光半導体素子及び上記第２の光半導体素子は、上記接続部で互いに接続する導波路を有する、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の集積型光半導体装置。
5. 上記第１の光半導体素子の上記光導波路のコアの実効的な屈折率と上記第２の光半導体素子の上記光導波路のコアの実効的な屈折率とが互いに等しく設定されている、
   請求項５に記載の集積型光半導体装置。
6. 上記第１の光半導体素子の上記光導波路の幅は、上記第２の光半導体素子の上記光導波路の幅よりも広い、
   請求項４または請求項５に記載の集積型光半導体装置。
7. 上記第１の光半導体素子と上記第２の光半導体素子の上記接続部において、上記第１の光半導体素子の上記コアと上記第２の光半導体素子の上記コアとが互いに光学的に接続される部分以外では、上記第２の光半導体素子の上記光入射端の屈折率は、上記第１の光半導体素子の上記光出射端の屈折率よりも低い部分を有する、
   請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の集積型光半導体装置。
8. 上記第１の光半導体素子と上記第２の光半導体素子のうち少なくとも一方がリッジ構造である、
   請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の集積型光半導体装置。
9. 上記第１の光半導体素子は、上記基板に集積された複数の半導体レーザからの出力光を合流させることができる光合流器であり、
   上記第２の光半導体素子は、上記接続部において上記光合流器の光出力ポートに光学的に接続され、上記光出力ポートから出射される出力光を増幅する半導体光増幅器である、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の集積型光半導体装置。

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