JP2017138554A - アレイ型光導波路、および半導体光集積素子 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓ字曲線部を有する埋込型の光導波路において、ラピッドイヤー状の埋込み異常成長を生じることなく、埋込み成長をおこなうことができる光導波路を提供する。【解決手段】一つの光導波路４とそれと隣り合う光導波路４の直線部８の間隔は、Ｔｗである。光導波路４が直線部８から曲線部に移る点である折れ曲がり開始点９において、曲線部は接線方向の傾きをθとして傾斜している。一つの折れ曲り開始点９は、隣接する折れ曲がり開始点９に対し、順次、直線部８の長手方向に、ずらし量Ｌの長さずらして形成され、一つの折れ曲り開始点９と隣接する曲線部との間の距離Ｔｘ＝Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθを、４μｍ以上とする。【選択図】図２

Description

この発明は、光通信分野などに用いられる半導体光集積素子に関し、特に半導体光集積素子に用いられるアレイ型光導波路に関する。

通信需要の飛躍的な増加に伴い、波長が異なる複数の信号光を多重化することによって、１本の光ファイバで大容量伝送を可能とする波長分割多重通信システム（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）が実現されている。波長分割多重通信システムにおいては、使用する全波長帯域をカバーできる波長可変光源が必要となる。そのような波長可変光源として、分布帰還形半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザと呼ぶ）をアレイ化し、アレイの選択と温度による波長チューニングとの組合せにより、広範囲の波長帯域をカバーできる波長可変レーザが知られている（アレイ型波長選択光源とも呼ばれる）。

特許文献１および２には、複数のＤＦＢレーザ、Ｓ字曲線型の光導波路、ＭＭＩ型（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ型）の光合波器、及び光増幅器がＩｎＰ基板上にモノリシック集積された波長可変レーザが開示されている。
特許文献３にはＳ字曲線型の光導波路として、リッジ型の光導波路部の両脇を半導体層で埋め込んだ埋込型の光導波路が開示されている。

特開２０１４−４１８８９号公報（要約、図１） 特開２００９−１０９７０４号公報（段落００２１、図１） 特開２００９−７１０６７号公報（要約、図１）

波長可変レーザの小型化にともない、光導波路間の間隔を狭くする必要がある。埋込型の光導波路を用いる場合、Ｓ字曲線部においてラピッドイヤー状の埋込み異常成長が発生し、Ｓ字曲線部の間隔が狭いと埋め込むことが難しいという問題があった。
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、Ｓ字曲線部を有する埋込型の光導波路において、ラピッドイヤー状の埋込み異常成長を生じることなく、埋込み成長をおこなうことができる光導波路を提供することを目的とする。

この発明のアレイ型光導波路は、（１００）面を主面とする半導体基板上に形成され、リッジ部の両脇が埋込層で埋め込まれた複数の光導波路を備え、複数の光導波路は、半導体結晶方位＜０−１１＞方向、または＜０１１＞方向のどちらか一方を長手方向とし、他の一方を短手方向とする直線部と、直線部と前記長手方向の一端で接続し、折れ曲り開始点の接線の傾きをθとして傾斜を開始する曲線部と、を有し、直線部は、隣接する直線部同士の短手方向の間隔をＴｗとし、折れ曲り開始点は、隣接する折れ曲がり開始点に対し、順次、長手方向に長さＬずらして形成され、Ｔｗとθは、それぞれ、３μｍ≦Ｔｗ≦３．５μｍ、２°≦θ ≦５°であり、折れ曲り開始点と、折れ曲り開始点に隣接する曲線部との間の短手方向の距離である（Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ）が、４μｍ≦Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ≦７．９μｍを満たすことを特徴とする。

この発明においては、折れ曲り開始点と、折れ曲り開始点に隣接する曲線部との間の距離が離れているので、 ラピッドイヤー状の埋込み異常成長を生じることなく、埋込み成長をおこなうことができる。

実施の形態１における波長可変レーザの構造を模式的に表す図である。 実施の形態１の光導波路領域３と光合波器５の接続領域７を示す図である。 比較例における光導波路領域３と光合波器５の接続領域７を示す図である。 実施の形態１の光導波路４の製造方法を示す図である。 この発明において、式（５）を満たすＬの範囲を示す図である。 この発明において、式（１）＝５μｍを満たすＬの範囲を示す図である。 この発明において、式（１）＝８μｍを満たすＬの範囲を示す図である。

本発明の実施の形態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における波長可変レーザを模式的に表す図であり、１は複数のＤＦＢレーザ２からなるレーザ領域、３は複数のＳ字曲線型の光導波路４からなる光導波路領域、５は複数のレーザ光を合波するＭＭＩ型（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ型）の光合波器、６はレーザ光を増幅する光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。
この波長可変レーザでは、レーザ領域１の中から必要な発振波長を有する一つのＤＦＢレーザ２が選択・駆動され、その出力光がＤＦＢレーザ２に接続された光導波路４と光合波器５を導波して光増幅器６に入り、増幅されて出射される。

図２（ａ）は、図１における光導波路領域３と光合波器５の接続領域７を拡大した上面図であり、接続領域７の下側半分を図示したもの、図２（ｂ）はＡ−Ａ’部の断面図である。１２は光導波路４となるリッジ部、１３はリッジ部の両脇を埋め込む埋込部であり、リッジ部１２はｎ−ＩｎＰ基板１４の上に順に積層された、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５、光導波路層１６、第１のｐ−ＩｎＰクラッド層１７、第２のｐ−ＩｎＰクラッド層１８からなる。また、埋込部１３はｐ−ＩｎＰ埋込層１９とｎ−ＩｎＰ埋込層２０、ｐ−ＩｎＰ埋込層２１からなる。

ｎ−ＩｎＰ基板１４は（１００）面を主面とする。光導波路４は、図２（ａ）に示すように、光合波器５との接続領域７に直線部８を有す。光導波路４の直線部８の長手方向は、ＤＦＢレーザ２の共振器方向、および光合波器５における光の進行方向と平行であり、リッジ部１２を順メサとする場合は半導体結晶方位の＜０−１１＞方向に形成され、リッジ部４を逆メサとする場合は半導体結晶方位の＜０１１＞方向に形成される。
なお、上記の結晶方位は代表的な方位を表し、等価な方位を含むものとする。

光合波器５側から光導波路領域３側を見ると、接続領域７は、アレイ型の光導波路４が、互いの間隔が狭い直線部８から互いの間隔が広い曲線部に移る領域ということができる。このような領域における光導波路４の形状について説明する。
図２（ａ）に示すように、一つの光導波路４とそれと隣り合う光導波路４の直線部８の間隔は、Ｔｗである。光導波路４が直線部８から曲線部に移る点を折れ曲がり開始点９と呼ぶことにすると、曲線部は折れ曲り開始点９において接線方向の傾きをθとして傾斜している。
一つの折れ曲り開始点９は、隣接する折れ曲がり開始点９に対し、順次、直線部８の長手方向に、ずらし量Ｌの長さずらして形成される。
一つの折れ曲り開始点９と、隣接する曲線部との間の距離：Ｔｘ（直線部の短手方向）は、
Ｔｘ ＝ Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ （１）
であり、実施の形態１では、光導波路同士が狭い間隔で隣接しないように、
４μｍ≦ Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ （２）
とする。

接続領域７から離れた領域での光導波路４の曲線部は、折れ曲がり開始点９における接線をそのまま延長する直線としてもよく、好ましくは図１のように、ある曲率半径を有し、隣り合う導波路との距離が広がっていっても良い。
曲線部での光の損失を抑えるため、その曲率半径を１００μｍ以上とする必要がある。そのため、折れ曲がり開始点９の傾きθは、
θ≦５°
とする必要がある。
また、折れ曲がり開始点９の傾きθが小さくなると、光導波路領域３の長さが長くなるため、折れ曲がり開始点９の傾きθの下限は２°程度とする必要があり、本実施の形態では、
２°≦θ≦５° （３）
である。

直線部８の間隔Ｔｗは、光合波器５と接続する場合、光合波器５の機能を達成するため
３μｍ≦Ｔｗ≦３．５μｍ （４）
とする必要がある。

図５は、式（２）の左辺の下限、すなわち、
Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ＝４μｍ （５）
を満たすＬの範囲を示す図である。
Ｌ＝（４−Ｔｗ）／ｔａｎθ
であるので、直線部の間隔Ｔｗが最も狭い３μｍで、かつ、折れ曲がり開始点の傾きθが最も小さい２°の場合、Ｌを最も長くする必要があり、その場合の値が２８．６μｍであることが分かる。 また、Ｔｗが広く傾きθが大きい（θ＝５°、Ｔｗ＝３．５μｍ）と、Ｌは最も短く、その場合の値が５．７μｍである。
式（５）に、式（３）と式（４）の上限と下限の値を当てはめると、
θ＝５°、Ｔｗ＝３．５μｍのとき、Ｌ＝ ５．７μｍ
θ＝２°、Ｔｗ＝３．５μｍのとき、Ｌ＝１４．３μｍ
θ＝５°、Ｔｗ＝３．０μｍのとき、Ｌ＝１１．４μｍ
θ＝２°、Ｔｗ＝３．０μｍのとき、Ｌ＝２８．６μｍ
となる。

式（５）の右辺、すなわち、一つの折れ曲り開始点９と、隣接する曲線部との間の距離Ｔｘを、下限の４μｍからを長くしていくと、Ｌは増加する。図６は、
Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ＝５μｍ
を満たすＬの範囲を示す図である。
式に、式（３）と式（４）の上限と下限の値を当てはめると、
θ＝５°、Ｔｗ＝３．５μｍのとき、Ｌ＝１７．２μｍ
θ＝２°、Ｔｗ＝３．５μｍのとき、Ｌ＝４３．０μｍ
θ＝５°、Ｔｗ＝３．０μｍのとき、Ｌ＝２２．９μｍ
θ＝２°、Ｔｗ＝３．０μｍのとき、Ｌ＝５７．３μｍ
となる。
なお、式（３）と式（４）を満たす範囲で、Ｌの下限は、Ｔｘ＝４μｍにおけるθ＝５°、かつＴｗ＝３．５μｍとしたときの値の５．７であるので、式（２）の条件の下で、
Ｌ≧５．７μｍ （６）
が成り立つ。

以上のように、実施の形態１のアレイ型の光導波路４は、隣接する折れ曲り開始点９が、直線部８の長手方向に、順に長さＬずらして形成され、式（１）で示される一つの折れ曲り開始点９と隣接する曲線部との間の距離Ｔｘが、４μｍ以上であることを特徴とする。

ここで、図４を用いて、本実施の形態の光導波路４の製造方法を説明する。
まず、図４（ａ）のようにｎ−ＩｎＰ基板１４の上の全面に、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５、光導波路層１６、第１のｐ−ＩｎＰクラッド層１７となる層を順に成長したウエハを準備する。次に、図４（ｂ）のように絶縁膜２２を形成し、絶縁膜２２をマスクとしてエッチングすることにより、リッジ部１２を形成する。続いて、図４（ｃ）にようにリッジ部１２の両脇に、順にｐ−ＩｎＰ埋込層１９、ｎ−ＩｎＰ埋込層２０、ｐ−ＩｎＰ埋込層２１を成長し、埋込部１３を形成する。続いて、絶縁膜２２を除去し、全面に第２のｐ−ＩｎＰクラッド層１８を成長して、光導波路４を完成する。

次に、本実施の形態の特徴の一つである、直線部を長手方向にずらす理由について説明する。
図３（ａ）は、比較例における光導波路４の接続領域７の上面図であり、図３（ｂ）はＢ−Ｂ’部の断面図である。図２（ａ）と図３（ａ）を比較すると分かるように、比較例においては、直線部の長手方向の長さが全て同一、つまり、ずらし量Ｌが０であり、直線部８の間隔Ｔｗ、曲線部の傾きθは、実施の形態１と同一である。その結果、一つの折れ曲り開始点９と隣接する曲線部との間の距離（直線部の短手方向）は、
Ｔｗ
となる。

光導波路の曲線部においては、結晶の面方位の影響を受けて、埋込部１３の埋込成長の際に、ラピッドイヤー状の異常成長が発生する。特に、比較例のように曲線部の導波路の間隔が４μｍより狭い場合、図３（ｂ）に示すように異常成長の影響が大きく、リッジ１２の間を平坦に埋め込むことができない。その結果、ラピッドイヤー状の凹凸が第２のｐ−ＩｎＰクラッド層１８の上面まで引継がれ、リッジ部１２の上部付近に凹凸部ができる。その影響で、光導波路４を伝搬する光が散乱され、光の損失が発生する。
一方、本実施の形態では曲線部における導波路の間隔が広いため場合、図４（ｃ）および図２（ｂ）に示すように、埋込部１３の埋込成長の際に、ラピッドイヤー状の異常成長が発生することなく、リッジ１２の間を平坦に埋め込むことができる。その結果、光の伝搬損失の少ない光導波路を得ることができる。

実施の形態２
実施の形態１では、光導波路４の直線部８を長手方向に長さＬずらして、式（１）で示される距離Ｔｘを４μｍ以上とすることにより、埋込成長の際の異常成長を改善した。Ｔｘの下限は４μｍであり、異常成長の改善という意味では、Ｔｘは大きいほど良く、上限は特にない。
しかし、直線部８を長手方向にずらすため、導波路領域３を長くする必要がある。アレイ型の光導波路の本数は、たとえば２０本であり、図１のように左右対処に配置するため、一本の導波路のずらし量Ｌの値を３０μｍとすると、全体（片側１０本）では、
３０μｍ ｘ ２０本／２ ＝ ３００μｍ
となり、Ｌ＝０の比較例にくらべ、導波路領域を３００μｍ長くする必要がある。
実施の形態２では、光導波路の小型化の観点から、導波路領域の長さの増加量の許容値を５００μｍまで、かつ、光導波路の本数が最大２０本（片側１０本）とし、一つの導波路のずらし量Ｌの許容値の上限を５０μｍ以内とする。つまり、
Ｌ ≦５０μｍ
であり、式（６）と合わせて、
５．７μｍ ≦Ｌ ≦５０μｍ （７）
である。
式（３）、式（４）、および式（７）を満たすため、Ｔｘの上限は以下のように制限される。

条件１として、式（３）と式（４）の範囲の全てのＴｗとθに対して、Ｌ≦５０μｍを満たすＴｘを求める。 （Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ）は、直線部の間隔Ｔｗが最も狭い３μｍで、かつ、折れ曲がり開始点の傾きθが最も小さい２°の場合、Ｌを最も長くする必要がある。Ｌ＝５０μｍとすると、
Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ＝３+５０・ｔａｎ２°＝４．７４
となる。
したがって、式（３）と式（４）の範囲の全てのＴｗとθに対して、
４μｍ≦Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ≦４．７μｍ、かつＬ ≦５０μｍ
を満たすＬが存在する。
たとえば、図６はＴｘ＝５μｍの例で、ほぼ全てのＴｗとθに対して、Ｌ≦５０μｍであることが分かる。

条件２として、式（３）と式（４）の範囲の一部のＴｗとθに対して、Ｌ≦５０μｍを満たすＴｘを求める。（Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ）は、直線部の間隔Ｔｗが最も広い３．５μｍで、かつ、折れ曲がり開始点の傾きθが最も大きい５°の場合、Ｌが最も短くてよいので、Ｌの値が上限の５０μｍとなるのは、
Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ＝３．５+５０・ｔａｎ５°＝７．９
の場合である。
Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ＝７．９μｍ、かつＬ ≦５０μｍ
となるのは、式（３）と式（４）の範囲の内、
Ｔｗ＝３．５μｍ、かつθ＝５°
の場合のみで、これ以外のＴｗとθに対しては、５０μｍ＜Ｌ となる。
たとえば、図７はＴｘ＝８μｍの例で、全てのＴｗとθに対して、５０μｍ＜Ｌであることが分かる。
したがって、式（３）と式（４）の範囲の一部のＴｗとθに対して、
４．７４μｍ＜Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ≦７．９μｍ、
かつ Ｌ ≦５０μｍ
を満たすＬが存在する。
また、式（３）と式（４）の範囲のＴｗとθに対しては、
７．９μｍ＜Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ、かつＬ ≦５０μｍ
を満たすＬは存在しない。

以上から、実施の形態２では、Ｔｘの上限を設定し、
４μｍ≦Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ≦７．９μｍ、
かつ、 ３μｍ≦Ｔｗ≦３．５μｍ、
かつ、 ２°≦θ ≦５°
とし、このとき、
５．７μｍ≦Ｌ ≦５０μｍ
が成り立つ。
この条件により、光導波路領域の長さの増加量を、許容値の５００μｍ以内に抑えることができ、小型の光素子を得ることができる。

実施の形態３
上記の実施の形態では、半導体レーザ、アレイ型光導波路、光合波器、及び光増幅器を備えた波長可変レーザの例を示したが、本願の発明は、図２（ａ）に示される光導波路領域３単独の構成があれば効果を奏し、その前後に接続する個々の光素子には依存しない。
たとえば、図１の構成に光変調器を加えた光集積素子としても良く、図１の光増幅器の代わりに光変調器を用いた光集積素子や、光増幅器を省いた光集積素子とすることもできる。
また、図２（ａ）では、全てのθとＬが同一の例を示したが、一つの折れ曲り開始点と、隣接する曲線部との間の距離の内、最小のものが式（２）を満たすものでも良い。他の折れ曲がり開始点において距離Ｔｘが４μｍ以上となり、異常成長は発生しない。

１ レーザ領域
２ ＤＦＢレーザ
３ 光導波路領域
４ 光導波路
５ 光合波器
６ 光増幅器
７ 接続領域
８ 直線部
９ 折れ曲がり開始点
１２ リッジ部
１３ 埋込部

Claims (5)

1. （１００）面を主面とする半導体基板上に形成され、
   リッジ部の両脇が埋込層で埋め込まれた複数の光導波路を備え、
   前記複数の光導波路は、半導体結晶方位＜０−１１＞方向、または＜０１１＞方向のどちらか一方を長手方向とし、他の一方を短手方向とする直線部と、
   前記直線部と前記長手方向の一端で接続し、折れ曲り開始点の接線の傾きをθとして傾斜を開始する曲線部と、を有し、
   前記直線部は、隣接する直線部同士の前記短手方向の間隔をＴｗとし、
   前記折れ曲り開始点は、隣接する折れ曲がり開始点に対し、順次、前記長手方向に長さＬずらして形成され、
   前記Ｔｗと前記θは、それぞれ、
   ３μｍ≦Ｔｗ≦３．５μｍ、
   ２°≦θ ≦５°、
   であり、
   前記折れ曲り開始点と、前記折れ曲り開始点に隣接する前記曲線部との間の前記短手方向の距離である（Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ）が、
   ４μｍ≦Ｔｗ＋Ｌ・ｔａｎθ≦７．９μｍ、
   を満たすことを特徴とするアレイ型光導波路。
2. 前記Ｌが、５．７μｍ≦Ｌ ≦５０μｍ であることを特徴とするアレイ型光導波路。
3. 前記半導体基板上が、ＩｎＰであることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型光導波路。
4. 前記埋込層がＩｎＰであることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型光導波路。
5. アレイ型に配置された複数の半導体レーザと、
   前記複数の半導体レーザと接続する請求項１に記載のアレイ型光導波路と、
   前記アレイ型光導波路の前記直線部が接続された光合波器と、
   を備え、
   前記半導体レーザ、前記アレイ型光導波路、および前記光合波器が
   前記半導体基板上に形成されたことを特徴とする半導体光集積素子。

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