JP2014192247A - 熱光学素子およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータにより温度変化させるヒータ領域の下部にのみ断熱層を設けた熱光学素子およびその作成方法を提供すること。
【解決手段】前後ＤＢＲ層１０４ａ、１０４ｂ、活性層１０５や位相調整層１０６などの半導体レーザの光導波路コア層より下に犠牲層１０２がある共振器において、予めヒータ領域の下部のみに犠牲層１０２を設置する構造とし、電流注入を行う活性層１０５の下部には犠牲層１０２が無い構造とする。ヒータ下部の犠牲層１０２の除去後も活性層１０５下部に熱伝導性の悪い犠牲層１０２が残ることが無いため、活性層１０５への電流注入により発熱しても、熱は基板１０１下部に伝達される。チップは熱伝導性の良いキャリア等を介してペルチェ素子やヒートシンクに搭載されるため、基板１０１下部に伝達された熱は速やかに放熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変レーザに用いる熱光学素子およびその作製方法に関する。

光ファイバ通信における波長多重通信方式では、規格で定められた間隔で異なる複数の周波数（波長）のレーザ光を一つの光ファイバで伝送する。そのための光源として、光ファイバ通信で使用されるどのチャネルでも出力可能な波長可変レーザが使用されている。また、コヒーレント通信ではレーザ光のスペクトル線幅が狭いことが必要である。従って、広帯域かつ狭線幅の波長可変レーザが望まれる。

通信用のレーザでは、単一モードレーザと呼ばれる１つの波長で発振するレーザが用いられており、単一モードを得るためには、例えば導波路に周期的に凹凸を設けた回折格子が用いられている。回折格子が形成された半導体光導波路は、回折格子周期Λと光導波路の等価屈折率ｎより決まるブラッグ波長λ_Ｂで選択的に反射する分布反射器（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）となる。λ_ＢとΛ、ｎの関係式は、
λ_Ｂ＝２ｎΛ （１）
となる。また、分布反射器に利得を持たせて作成したレーザのことを分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザと呼ぶ。

式（１）から、分布反射器の等価屈折率ｎを変化させることで、ブラッグ波長を変化させることができることがわかる。すなわち選択的に反射する波長を変化させることができ、分布反射器を用いた共振器を構成すれば、等価屈折率の変化により発振波長を変化させることのできる波長可変レーザを構成することが可能となる。

回折格子を利用した波長可変レーザとしては、均一な回折格子のＤＢＲを用いたＤＢＲレーザや、ＳＧ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）−ＤＢＲレーザ、ＳＳＧ（Ｓｕｐｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）−ＤＢＲレーザなどが知られている。ＳＳＧ−ＤＢＲレーザはＤＢＲ部が複数の反射ピークを持て、バーニア効果により広い波長可変幅が得られ、通信波長帯域をカバーすることが可能である。

半導体の等価屈折率ｎを変化させるためには、主に２つの方法が知られている（非特許文献１参照）。１つ目はキャリアによる効果（プラズマ吸収、バンドフィリングなど）を用いる方法で、分布反射器に電流を注入することにより屈折率を変化させる。キャリア効果は比較的短時間に生じるため、高速に波長を切り替える際などに用いられる。

もう１つは温度変化を用いる方法であり、ペルチェ素子により半導体レーザ素子全体の温度を制御したり、小型ヒータを集積して局所的に加熱したりすることにより屈折率を変化させる。キャリア効果に比べると温度変化は遅いという特性があるが、損失の変化が少ないことや、キャリア密度の揺らぎによる屈折率ゆらぎが無いため、スペクトル線幅が狭いレーザを得ることができるなどの利点がある。

局所的にヒータを使用する場合には、効率を高めるために加熱対象以外の領域に放熱されないように断熱溝を設けることが行われる。例えば、石英光導波路素子に対してヒータを設け、導波路横に溝を設けると共に、導波路下部のＳｉをエッチングして除去する構造とする（非特許文献２参照）。

このように導波路下部を除去するためには、組成の違いを利用して、ウエットエッチングによる選択エッチングを行う。例えばＩｎＰ基板上の半導体レーザの場合、ＩｎＰはエッチングされずにＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰのみエッチング可能な薬液を用い、ＧａＩｎＡｓ層またはＧａＩｎＡｓＰ層のみを選択的に除去することができる。

H. Ishii, F. Kano, Y. Tohmori, Y. Kondo, T. Tamamura and Y. Yoshikuni, "Narrow Spectral Linewidth Under Wavelength Tuning in Thermally Tunable Super-Structure-Grating (SSG) DBR Lasers," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electronics, vol. 1, no. 2, pp.401-407, 1995 A. Sugita, K. Jinguji, N. Takato, K. Katoh and M. Kawachi, "Bridge-Suspended Silica-Waveguide Thermo-Optic Phase Shifter and Its Application to Mach-Zehnder Type Optical Switch", The Transactions of The IEICE, vol. E, 73, no. 1, pp. 105-109, 1990

半導体レーザの場合、利得を得るための活性層と波長を選択する領域、例えばＤＢＲの組み合わせで共振器が構成されている。ヒータによる温度変化により屈折率変化を生じさせ波長を変化させる場合、ヒータ投入電力に対する屈折率変化の効率を高めるために、前述のようにコア層よりも下の下部クラッド層の途中に組成の異なる犠牲層を設け選択的に除去する。

図５に、従来の光導波路コア層より下に犠牲層があるＤＢＲレーザの共振器の断面概略図を示す。基板５０１、犠牲層５０２、下部クラッド層５０３、前後ＤＢＲ層５０４ａ、５０４ｂ、活性層５０５や位相調整層５０６などの半導体レーザの光導波路コア層、上部クラッド層５０７が順に積層されている。基板５０１、上部クラッド層５０７の表面には下部電極５０８、上部電極５０９が形成され、上部クラッド層５０７の表面には絶縁膜５１０、ヒータ５１１ａ〜５１１ｃが形成されている。このＤＢＲレーザの共振器は、前後ＤＢＲ層５０４ａ、５０４ｂ、活性層５０５や位相調整層５０６などの半導体レーザの光導波路コア層より下に犠牲層５０２がある。

しかし、半導体レーザでは、活性層５０５に電流を流すため、活性層下部の犠牲層５０２は除去できない。そこで、マスクなどを用いてヒータで加熱する波長選択領域の下部の犠牲層５０２のみ除去し、活性層５０５下部の犠牲層５０２は除去せずに残すことになる。

図６（ａ）に図５で示したＤＢＲレーザの上面図を示し、図６（ｂ）に図６（ａ）のｂ−ｂ’の箇所、図６（ｃ）にｃ−ｃ’の箇所の共振器方向に垂直な方向の断面図を示す。ここで、前後ＤＢＲ層５０４ａ、５０４ｂ、活性層５０５や位相調整層５０６を含むコア層は埋め込みヘテロ構造としている。

ところで、犠牲層５０２はクラッド層５０３、５０７とは異なる組成の層であるため、犠牲層５０２とクラッド層５０３、５０７とでは屈折率、熱伝導率などが異なる。例えば、ＩｎＰ基板５０１上の半導体レーザでは、クラッド層５０３、５０７にはＩｎＰを用い、犠牲層５０２にはＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰを用いることが考えられるが、３元組成や４元組成はＩｎＰに比べて屈折率が高く、熱伝導が悪い。

従って、図６（ｃ）に示すように活性層５０５の下部に犠牲層５０２が残っている場合には、屈折率が高いために本来のコア層に近い位置に犠牲層５０２があると犠牲層５０２に光が漏れてしまうためコア層から離す必要がある。また、熱伝導率が悪いため、活性層５０５に熱がこもりやすくなり特性劣化を招く。

また、非特許文献２で示されるように、ヒータ部の下部を全部除去した場合と一部残した場合とでは応答に差があり、ヒータ効率も上げたいが応答もそれなりな速さを保ちたい場合には一部を残す必要がある。

しかしながら、選択ウエットエッチングにより下部を除去する方法の場合、一部残す領域を精度よく再現するのが困難である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ヒータにより温度変化させるヒータ領域の下部にのみ断熱層を設けた熱光学素子およびその作成方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に光導波路が形成された熱光学素子であって、前記光導波路上に設けられ、前記光導波路の一部領域であるヒータ領域の温度を変化させるヒータと、前記光導波路のコアを挟んで前記ヒータと対向する前記光導波路のクラッド内の位置に設けられ、前記光導波路の長手方向の長さが前記ヒータ領域に含まれる前記光導波路のコアの前記長手方向の長さ以下である、前記光導波路のクラッドよりも熱伝導率が低い断熱層と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱光学素子において、前記断熱層の前記光導波路の長手方向の長さが、前記ヒータ領域長よりも短いことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱光学素子において、前記断熱層が、前記光導波路の長手方向に沿って２以上に分割されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱光学素子において、前記断熱層は、空気層であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、熱光学素子の作製方法であって、半導体基板上に第１のクラッド層を成長する工程と、前記第１のクラッド層上に犠牲層を成長し、所定の領域に犠牲層が残るようにエッチングする、または、前記第１のクラッド層上に選択成長により所定の領域にのみ犠牲層を成長する工程と、前記第１のクラッド層上および前記犠牲層上に第２のクラッド層を成長する工程と、前記第２のクラッド層上にコア層を成長する工程と、
前記コア層上に第３のクラッド層を成長する工程と、前記犠牲層のみを選択的に除去して断熱層を形成する工程と、前記コア層を挟んで前記断熱層と対向する前記第３のクラッド層上の位置にヒータを設ける工程と、を備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の熱光学素子の作製方法において、前記犠牲層を成長する工程は、前記犠牲層を２以上に分割するようパターニングする工程を含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、熱光学素子の作製方法であって、半導体基板上に断熱層を成長し、所定の領域に断熱層が残るようにエッチングする、または、前記半導体基板上に選択成長により所定の領域にのみ断熱層を成長する工程と、前記半導体基板上および前記断熱層上に前記断熱層よりも熱伝導率が高い第１のクラッド層を成長する工程と、前記第１のクラッド層上にコア層を成長する工程と、前記コア層上に第２のクラッド層を成長する工程と、前記コア層を挟んで前記断熱層と対向する前記第２のクラッド層上の位置にヒータを設ける工程と、を備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の熱光学素子の作製方法において、前記断熱層を成長する工程は、前記断熱層を２以上に分割するようパターニングする工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ヒータによる屈折率変化効率を高めつつ応答速度を考慮に入れた素子設計ができ、活性層の発光特性を劣化させることなく、特性の優れた半導体光素子を作製することができる。

本本発明の実施形態１に係る波長可変レーザに用いる共振器の断面概略図を示す図である。 （１）〜（５）は、本発明の実施形態１に係る波長可変レーザで用いる共振器の作製工程を示す図である。 本本発明の実施形態２に係る波長可変レーザに用いる共振器の断面概略図を示す図である。 本本発明の実施形態３に係る波長可変レーザに用いる共振器の断面概略図を示す図である。 従来の光導波路コア層より下に犠牲層があるＤＢＲレーザの共振器の断面概略図を示す図である。 （ａ）は図５で示したＤＢＲレーザの上面図を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ’の箇所の共振器方向に垂直な方向の断面図を示す図であり、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ’の箇所の共振器方向に垂直な方向の断面図を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る波長可変レーザに用いる共振器の断面概略図を示す。基板１０１、犠牲層１０２、下部クラッド層１０３、前後ＤＢＲ層１０４ａ、１０４ｂ、活性層１０５や位相調整層１０６などの半導体レーザの光導波路コア層、上部クラッド層１０７が順に積層されている。基板１０１、上部クラッド層１０７の表面には下部電極１０８、上部電極１０９が形成され、上部クラッド層１０７の表面には絶縁膜１１０、ヒータ１１１ａ〜１１１ｃが形成されている。このＤＢＲレーザの共振器は、前後ＤＢＲ層１０４ａ、１０４ｂ、活性層１０５や位相調整層１０６などの半導体レーザの光導波路コア層より下に犠牲層１０２がある。

実施形態１では、予めヒータ領域の下部のみに犠牲層１０２を設置する構造とし、電流注入を行う活性層１０５の下部には犠牲層１０２が無い構造とする。最終的には犠牲層１０２は選択エッチングされるが、ここでは説明のために犠牲層１０２を除去する前の構造を記載している。これにより、ヒータ下部の犠牲層１０２の除去後も活性層１０５下部に熱伝導性の悪い犠牲層１０２が残ることが無いため、活性層１０５への電流注入により発熱しても、熱は基板１０１下部に伝達される。チップは熱伝導性の良いキャリア等を介してペルチェ素子やヒートシンクに搭載されるため、基板１０１下部に伝達された熱は速やかに放熱される。

実施形態１では、基板１０１としてＩｎＰを用い、犠牲層１０２は０．３μｍ厚のＧａＩｎＡｓ層、下部および上部クラッド層１０３、１０７はＩｎＰ、前後ＤＢＲ層１０４ａ、１０４ｂ、位相調整層１０６は０．３μｍ厚のＧａＩｎＡｓＰバルク層、活性層１０５は１．５５μｍ帯で発光するＧａＩｎＡｓＰの多層量子井戸構造とした。前ＤＢＲ層１０４ａの長さは３００μｍ、活性層１０５は４００μｍ、位相調整層１０６は１５０μｍ、後ＤＢＲ層１０４ｂの長さは６００μｍである。

本発明の重要な点は、ヒータにより温度変化させるヒータ領域の下部の犠牲層のみを除去することにより、ヒータ領域を熱的に独立した領域としてヒータの効率を高めつつ、ヒータ領域以外の電流を注入する領域の下部には本来必要のない犠牲層が残らないようにし、特性の劣化を防ぐことである。

従って、本発明は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定することなく適用可能である。また、バルク層や多層量子井戸層など、層構造も同様に適用可能であり、活性層１０５として量子ドットなどを用いていても良い。ただし、犠牲層１０２のみをウエットエッチングにて除去することが必要であるため、犠牲層１０２の上下の層のエッチングレートよりも犠牲層１０２のエッチングレートが１０倍程度異なる組成とウエットエッチングの組み合わせがなければならない。上述したＩｎＰとＧａＩｎＡｓの組み合わせの場合、硫酸と過酸化水素の混合溶液によりＧａＩｎＡｓの選択エッチングが実現できることが知られている。

また、本実施形態の共振器は、前後ＤＢＲ１０４ａ、１０４ｂ、活性層１０５、位相調整１０６よりなるＤＢＲレーザ構造とした。ＤＢＲ部は前述のようにＳＳＧ−ＤＢＲなどとすることにより、バーニア効果を用いて波長可変幅を広くすることが可能である。また、その他の構成であっても良い。例えば、ＤＢＲでは無くリング共振器などを用いて波長選択を行うリングレーザなど、屈折率変化により波長選択性を変化させられるフィルタまたは反射器と活性層で共振器を構成してもよい。また、波長可変レーザだけでなく、その他の光スイッチやカプラなど、ヒータによる半導体熱光学素子であれば本発明を適用でき、ヒータ駆動部の下部のみに犠牲層が存在する構造とすればよい。

図２に、本発明の実施形態１に係る波長可変レーザで用いる共振器の作製工程を示す。まず基板１０１上に犠牲層１０２を成長する（図２（１））。次に犠牲層１０２を所望の箇所のみ残して除去する（図２（２））。この工程にはフォトリソなどによるパターンニングとドライエッチングまたはウエットエッチングを用いることができる。次にクラッド層１０３および活性層１０５を成長する（図２（３））。その後、活性層１０５を一部エッチングし前後ＤＢＲ層１０４ａ、１０４ｂおよび位相調整層１０６となるコア層をバットジョイント成長する。前後ＤＢＲ層１０４ａ、１０４ｂに回折格子を形成して上部クラッド１０７を成長し、その後下部電極１０８、上部電極１０９の電極形成、絶縁膜１１０、ヒータ１１１形成の工程を経て図１の構造を作製できる。

本実施形態はＤＢＲ構造であるため、これを元に作製工程を説明している。ＤＢＲでは無くリング共振器を用いる場合などは、回折格子を作りこむ必要が無いため、図２（３）の工程で活性層１０５上のクラッドを成長し、ヒータ領域のコア層のバットジョイントをクラッドを含めて行うなどしても良い。

ここで、本実施形態では結晶成長のために有機金属気層成長法を用いたが、分子ビーム成長法や、その他の成長法を用いても良い。犠牲層１０２は基板１０１上全面に成長した後にパターニングする方法を説明したが、基板１０１上にＳｉＯ_２マスクなどを形成して選択成長を行う方法により所望の場所のみに犠牲層１０２を形成する方法を用いることも可能である。

また、犠牲層除去後は空気層となるが、ＢＣＢやポリイミド、その他の有機材料などを注入し硬化させることにより強度を保つ構造としても良い。ただし、断熱層の目的を得るためには、空気層に注入する材料は、半導体よりも熱伝導率の悪い材料を用いなければならない。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る波長可変レーザに用いる共振器の断面概略図を示す。実施形態２は、犠牲層３０２以外の構成は実施形態１と同じである。第１の実施形態では、電流注入を行う領域と行わない領域とに分け、電流注入する領域の犠牲層１０２を除去していたが、実施形態２では、更に細かく領域毎に犠牲層３０２の有無を設定する。図３に示した実施形態２では、後ＤＢＲ３０４ｂ下部と位相調整層３０６下部とで犠牲層３０２を分離するようにパターンニングしている。

電流注入もヒータ駆動もしない領域としては、領域の境界部分も存在する。そのような箇所には犠牲層３０２がある必要が無く、逆に犠牲層３０２があることによって、犠牲層３０２をウエットエッチングする際に不必要な場所まで除去してしまうこともありうる。犠牲層３０２を除去した後は空間になるが、空間が広すぎると空間がつぶれ、犠牲層３０２の上部層と下部層とが接触してしまうことなども考えられる。

一方で、ヒータ領域の犠牲層３０２は残ることの無いように除去することが望ましい。そのため、本実施形態のように、細かく領域毎に犠牲層３０２の有無を設定することによって、除去箇所は過剰なウエットエッチングにより完全に犠牲層３０２を除去したとしても、不必要な箇所までエッチングされることが減り、プロセスが失敗する可能性を低減できる。

（実施形態３）
図４に、本発明の実施形態３に係る波長可変レーザに用いる共振器の断面概略図を示す。実施形態３は、犠牲層４０２以外の構成は実施形態１、２と同じであるが、図４のように、実施形態２よりも更に犠牲層４０２を残す領域を細かく分ける。通常、ＤＢＲ部は数１００μｍとされているが、その下部に同じ長さの犠牲層４０２を形成すると、前述のように広すぎる領域はつぶれる危険性がある。そのため、犠牲層４０２を所定の間隔毎に一定の間隔を置いて区切ることで、いわば柱を残すことにより強度を維持する。

また、実施形態３の構造は以下に述べる効果もある。課題で述べたように、ヒータ部の下部を完全に除去してしまうと、ヒータの効率は向上するが、逆に放熱が悪くなるため応答速度が遅くなるというトレードオフがある。しかしながら、図４の構造のように予め犠牲層４０２をパターニングしておくことにより、設計した量の基板４０１への熱伝達路を設けることができる。

上記の目的であれば、ヒータ領域下部を細かく分割する方法の他に、ヒータ領域の一部のみに犠牲層４０２を残す方法とすることも可能である。ただし、細かく分割する方法の方が熱伝達路を分布させることが可能のため、ヒータ領域の熱均一性を向上させることが可能である。

また、犠牲層４０２の除去のために過剰にウエットエッチングを行っても良いため、細かく分割したとしても精度よく所望の構造を作製することができる。これにより、従来は困難であった熱応答と熱効率の両者を設計に取り込むことができ、目的の応用例などによって適切な構造を設計し、作製することができる。

１０１、３０１、４０１、５０１ 基板
１０２、３０２、４０２、５０２ 犠牲層
１０３、３０３、４０３、５０３ 下部クラッド層
１０４、３０４、４０４、５０４ ＤＢＲ層
１０５、３０５、４０５、５０５ 活性層
１０６、３０６、４０６、５０６ 位相調整層
１０７、３０７、４０７、５０７ 上部クラッド層
１０８、３０８、４０８、５０８ 下部電極
１０９、３０９、４０９、５０９ 上部電極
１１０、３１０、４１０、５１０ 絶縁膜
１１１、３１１、４１１、５１１ ヒータ

Claims (8)

1. 半導体基板上に光導波路が形成された熱光学素子であって、
   前記光導波路上に設けられ、前記光導波路の一部領域であるヒータ領域の温度を変化させるヒータと、
   前記光導波路のコアを挟んで前記ヒータと対向する前記光導波路のクラッド内の位置に設けられ、前記光導波路の長手方向の長さが前記ヒータ領域に含まれる前記光導波路のコアの前記長手方向の長さ以下である、前記光導波路のクラッドよりも熱伝導率が低い断熱層と、
   を備えたことを特徴とする熱光学素子。
2. 前記断熱層の前記光導波路の長手方向の長さが、前記ヒータ領域長よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の熱光学素子。
3. 前記断熱層が、前記光導波路の長手方向に沿って２以上に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の熱光学素子。
4. 前記断熱層は、空気層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱光学素子。
5. 半導体基板上に犠牲層を成長し、所定の領域に犠牲層が残るようにエッチングする、または、前記半導体基板上に選択成長により所定の領域にのみ犠牲層を成長する工程と、
   前記半導体基板上および前記犠牲層上に第１のクラッド層を成長する工程と、
   前記第１のクラッド層上にコア層を成長する工程と、
   前記コア層上に第２のクラッド層を成長する工程と、
   前記犠牲層のみを選択的に除去して断熱層を形成する工程と、
   前記コア層を挟んで前記断熱層と対向する前記第２のクラッド層上の位置にヒータを設ける工程と、
   を備えたことを特徴とする熱光学素子の作製方法。
6. 前記犠牲層を成長する工程は、前記犠牲層を２以上に分割するようパターニングする工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の熱光学素子の作製方法。
7. 半導体基板上に断熱層を成長し、所定の領域に断熱層が残るようにエッチングする、または、前記半導体基板上に選択成長により所定の領域にのみ断熱層を成長する工程と、
   前記半導体基板上および前記断熱層上に前記断熱層よりも熱伝導率が高い第１のクラッド層を成長する工程と、
   前記第１のクラッド層上にコア層を成長する工程と、
   前記コア層上に第２のクラッド層を成長する工程と、
   前記コア層を挟んで前記断熱層と対向する前記第２のクラッド層上の位置にヒータを設ける工程と、
   を備えたことを特徴とする熱光学素子の作製方法。
8. 前記断熱層を成長する工程は、前記断熱層を２以上に分割するようパターニングする工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の熱光学素子の作製方法。

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