JP2019008179A - 半導体光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】作製工程が簡易で、かつ高性能な電界吸収変調器集積レーザを実現する。【解決手段】基板上に形成された量子井戸層をコア層とする導波路構造に沿って形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成される半導体光素子であって、前記導波路構造は、前記量子井戸層を含んだコア層の、前記量子井戸層の積層面に平行な方向の両側にｐクラッド層とｎクラッド層を配置した導波路構造から形成され、前記変調器領域と前記レーザ領域のコア層が同一の量子井戸構造であることを特徴とする半導体光素子とした。【選択図】図５

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体光素子の構造に関する。より詳細には、半導体レーザと光変調器を集積した変調器集積光源に用いられる半導体光素子に関する。

インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が著しい。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型(Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ)半導体レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、及び波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化に大きく寄与してきた。

近年、光通信はコアネットワークやメトロネットワーク等のテレコム領域に限らず、データセンタ間、ラック間、さらにはボード間の短距離のデータ通信にも適用されている。例えば、１００ＧｂｉｔイーサネットはＷＤＭ型の多波長アレイ光源の構成を用いて標準化されており、短距離光通信の大容量化が急速に進んでいる。これらの背景に際し、光送信器の高速化かつ低消費電力化は必須であり、集積されたレーザ光源からの光を電気信号で変調して出力する高性能な変調光源として、変調器集積型半導体レーザが進展してきた。

特に単一モードＤＦＢレーザと電界吸収（ＥｌｅｃｔｒｏＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）型光変調器を同一基板上にモノリシックに集積したＥＡ−ＤＦＢレーザは、小型でかつ消費電力が低く、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速変調が可能であるため（非特許文献１）、１００ｋｍ以下の比較的短距離用の光送信器として実用化されている。２０１７年現在、４００Ｇｂｉｔイーサネットの標準化が整いつつあり、５０Ｇｂｉｔ／ｓ級のＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕａｔｉｏｎ）に対応可能なＥＡ−ＤＦＢレーザが望まれるところである。

Ｗ． Ｋｏｂａｙａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ １０−／４０−Ｇｂ／ｓ， ＵｎｃｏｏｌｅｄＥｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒ Ｗｉｔｈ Ｂｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，"ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． ２８， ｎｏ．１， ｐｐ．１６４−１７１， ２０１０ Ｓ． Ｒ． Ｊａｉｎ ｅｔ ａｌ．， "Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ，" ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． ３０， ｎｏ． ５， ｐｐ． ６７１−６７８， ２０１２． Ｕ． Ｔｒｏｐｐｅｎｚ ｅｔ ａｌ．， "１．３ μｍ Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒＰＡＭ４／ＰＡＭ８ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈａｎｎｅｌ １００ Ｇｂ／ｓ，" Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｐａｐｅｒ Ｔｈ−Ｂ２−５， Ｍｏｎｔｐｅｌｌｉｅｒ， Ｆｒａｎｃｅ， ２０１４． Ｄ． Ａ． Ｂ． Ｍｉｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．， "Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｂａｎｄ ｇａｐ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ， ｖｏｌ． Ｂ３２， ｐｐ． １０４３−１０６０， １９８５．

ＥＡ変調器は、変調される光の通過する光導波路コアとなる量子井戸活性層に、変調電気信号による電界を与えたときの光吸収係数の変化により光変調動作する。

図１（ａ）に、一般的な従来のＥＡ変調器の基板断面図を示す。図１（ａ）において、変調される光は、基板面内方向（紙面垂直方向ないし紙面内の左右方向）に量子井戸層（コア層、活性層）１を通過するものとする。

量子井戸層１は、バンドギャップの大きい材料で構成されたバリア層とバンドギャップの小さい材料で構成された井戸層を、交互に周期的に複数積層した多層構造である。この量子井戸層１（通常は非ドープの真性半導体であり、ｉ型と表現される）の上下に、ｐ型クラッド層（例えばｐ−ＩｎＰ）２、ｎ型クラッド層（例えばｎ−ＩｎＰ）３を配置した３層で、ｐｉｎ半導体構造が形成されている。半導体構造を挟んで面対向する上下の電極により、変調信号源４１からの変調電気信号とともに逆バイアスで、上下方向（量子井戸層１に垂直な方向）に電界が印加される。このようにして、量子井戸層１を通過する光に対する光吸収係数が制御され、光が変調される。

図１（ｂ）は、電界ゼロ（実線）と電界印加（点線）の２つの場合の、上記量子井戸構造のＥＡ変調器の吸収係数（光吸収スペクトル）の変化を示す図である。量子井戸構造の光吸収スペクトルは、バンド間遷移波長に対応するバンド間吸収（図１（ｂ）の「バンド端」の左側区間）と、その長波長側にある励起子吸収ピークからなる。

電界を印加すると、量子井戸層１内のキャリアの局在により光吸収スペクトルの励起子吸収ピークが低下し、さらに実効的なバンドギャップが縮小することにより吸収スペクトルが長波長シフトする、いわゆる量子閉じ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果が生じる。レーザ発振波長における吸収係数の電界による変化で、光変調動作が達成される。

一方で、同じ量子井戸半導体構造にレーザ発振のため順バイアスを与えた際の光利得は、バンド端付近で最大になる。したがって、レーザ領域の活性層と変調器領域の活性層が同一材料の量子井戸半導体構造の場合においては、利得領域が励起子吸収領域と重なってしまう。これを避けるため、従来は変調器領域のバンドギャップ波長をレーザ領域の活性層のバンドギャップ波長よりも短波長側に設定するように、両領域を別組成で異なる量子井戸半導体構造とする必要があった。

図２に、一般的な従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの、光導波路コア層に沿った基板断面図を示す。ＥＡ−ＤＦＢレーザ素子１０は、光導波路コア層に沿って電界吸収変調器領域８とレーザ領域９により構成され、レーザ領域９で発生したレーザ光が電界吸収変調器領域８で変調されて出力光となる。

図２のＥＡ−ＤＦＢレーザ素子１０では、ｎ基板上のｎクラッド層（ｎ−ＩｎＰクラッド層／基板）３の上に変調器のコア層（量子井戸層、活性層）１とレーザコア層（量子井戸層、活性層）４が別組成で別々に形成され、光導波路で結合されている。レーザコア層４の上部には、レーザの発振波長を決める回折格子１１が形成される。両コア層の上部には、共通のｐクラッド層２と２つのｐコンタクト層７、ｐ電極６が形成されている。変調器領域８とレーザ領域９はコンタクト層７の間の領域によって電気的に分離されており、独立にバイアス駆動される。ｎ基板の下のｎ電極５は共通でよい。

このＥＡ−ＤＦＢレーザ素子１０の製造工程においては、選択成長技術等を用いて変調器領域とレーザ領域を別々に成長する必要があり、レーザ単体と比較すると素子作製の工程数が増大する。また、高速化に向けては素子容量の抑制が重要であるが、コア層に垂直方向の電界を用いた変調器では、素子上下に電極を電極面対向で配置するために容量が電極面積で制限され、電極下の浮遊容量の発生が避けられない。

素子の製造工程を簡略化するために、同一活性層を用いてレーザ領域と変調器領域の活性層を作製する手法が提案されている。例えば、量子井戸を用いて、変調器領域の量子井戸組成を無秩序化して短波長化を行う方法が報告されている（非特許文献２）。しかしこの方法では、コア層の一部に選択的な無秩序化プロセスの追加が必要となる。

また、変調器とレーザに同一活性層を用いたＥＡ−ＤＦＢレーザが報告されている（非特許文献３）。この構造は作製プロセスが容易になるが、前述のようにレーザの発振波長が励起子吸収領域と重なるため、変調器の吸収損の増大が避けられない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、作製工程が簡易で、かつ高性能な電界吸収変調器集積レーザを実現することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（発明の構成１）
基板上に形成された量子井戸層をコア層とする導波路構造に沿って形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成される半導体光素子であって、
前記導波路構造は、前記量子井戸層を含んだコア層の、前記量子井戸層の積層面に平行な方向の両側にｐクラッド層とｎクラッド層を配置した導波路構造から形成され、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域のコア層が同一の量子井戸構造である
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成２）
発明の構成１に記載の半導体光素子であって、
前記基板が、シリコン基板上にＳｉＯ₂層が形成された２層構造の基板である
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成３）
発明の構成１に記載の半導体光素子であって、
前記基板が、単層の半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板である
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成４）
発明の構成１から３のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記導波路構造に沿った前記レーザ領域の後段に、光吸収層として機能し、レーザ後段の端面反射による戻り光を抑制する後段導波路領域を更に有する
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成５）
発明の構成１から３のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記導波路構造に沿った前記レーザ領域の後段に、受光領域として動作して前記レーザ領域の後段からの光出力をモニタすることができる埋め込みｐｉｎ構造のモニタ領域を更に有する
ことを特徴とする半導体光素子。

上記のような本発明によれば、簡易な作製方法により、小型かつ高速なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現することが可能となる。

従来のＥＡ変調器の基板断面図（ａ）と、ＱＣＳＥ効果による光吸収スペクトルの変化を示す図（ｂ）である。 従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの光導波路コア層に沿った基板断面図である。 本発明に係る半導体光素子の、量子井戸層の積層面に平行な方向に電界を印加した場合の変調器領域の吸収スペクトルの変化（ａ）と、レーザ領域の利得スペクトル（ｂ）を表す図である。 本発明に係る半導体光素子の量子井戸層の積層面に平行な方向に６通りの電界を印加した場合の吸収スペクトルの変化（ａ）と、量子井戸層の積層面に垂直方向に６通りの電界を印加した場合の吸収スペクトルの変化（ｂ）を比較する図である。 本発明の実施例１の半導体光素子の斜視図である。 本発明の実施例１の半導体光素子の上面図である。 本発明の実施例１の半導体光素子の断面図である。 図８（ａ）は本発明の実施例１の半導体光素子の変調器の消光特性、図８（ｂ）は従来型のＱＣＳＥ型変調器の消光特性を表す図である。 本発明の実施例１の変形例の半導体光素子の変調器の消光特性を表す図である。 本発明の実施例２の半導体光素子の斜視図である。 本発明の実施例２の半導体光素子の断面図である。 本発明の実施例３の半導体光素子の斜視図である。 本発明の実施例３の半導体光素子の上面図である。 本発明の実施例４の半導体光素子の斜視図である。 本発明の実施例４の半導体光素子の上面図である。

本発明の半導体光素子は、電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成される変調器集積レーザであって、量子井戸を含んだコア層の両側にｐクラッド層とｎクラッド層を配置した導波路構造から形成され、変調器領域とレーザ領域のコア層が同一の量子井戸構造であることを特徴とする。

この構成により、変調器領域とレーザ領域のコア層を別々に形成する必要がなく、作製工程が簡易になる。また、量子井戸への横方向（量子井戸層の積層面に平行な方向）電界印加を用いることにより、変調効率が増大する。また、量子井戸層の両側にｎ層、ｐ層を設けて電圧を印加する構造であることから、変調器の上下に屈折率の低い領域を挟んだ薄膜構造を採用することが可能であり、高い光閉じ込めを実現できる。また、電気的観点からは、素子容量が電極面積の影響を受けにくく、薄膜のｐクラッド層およびｎクラッド層の厚さにより規定されるため、垂直方向電界型の変調器と比較して単位長あたりの容量を抑制できる。

以上より、高い光閉じ込めにより変調器の変調電圧振幅の低減、変調器長の短縮をもたらし、低寄生容量と短素子化により変調器の高速動作が実現される。

図３は、本発明に係る半導体光素子の、量子井戸層の積層面に平行な方向に電界を印加した場合の、変調器領域の吸収スペクトルの変化を示す図３（ａ）と、レーザ領域の利得スペクトルを示す図３（ｂ）である。

量子井戸層の積層面に平行な方向に電界を印加した場合の吸収係数変化は、主として電界による励起子吸収の遮蔽効果により生じる（非特許文献４）。図３（ａ）で示すように、電界印加により励起子吸収ピークが抑制されて吸収スペクトルが広がり、加えてバンド端吸収が２次元フランツ・ケルディッシュ効果により変化し、励起子吸収ピークに対して長波長側で吸収係数が増大する。

一方、図３（ｂ）に示すように本発明のレーザ領域においては、電流注入に伴うバンドギャップ縮小効果により、利得スペクトルがバンド端から長波長側にシフトするため、レーザの発振波長を利得ピークに対して長波長側に設定することによって、変調器領域においても吸収係数の低い領域で動作させることができる。

図４は、変調器領域の量子井戸層を、厚さ１０ｎｍ、バンドギャップ波長１．４５μｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸構造として、６通りの電界強度で電界を印加した場合の吸収係数スペクトルの変化を、電界方向を変えて比較する図である。図４（ａ）は、本発明で量子井戸層の積層面に平行な方向に電界を印加した場合の図であり、図４（ｂ）は、従来と同様に量子井戸層の積層面に垂直な方向に電界を印加した場合の図である。電界強度の範囲は、０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍの間を２０ｋＶ／ｃｍ刻みとした。

例えば１．５μｍよりも長波長側の動作波長で見ると、図４（ａ）の平行電界の場合は０ｋＶ／ｃｍから２０ｋＶ／ｃｍの間で既に吸収係数が大きく変化している。これに対し、図４（ｂ）の垂直電界の場合は、０ｋＶ／ｃｍと２０ｋＶ／ｃｍの間では吸収係数にほとんど変化は見られず、図４（ａ）の平行電界の場合と同様な吸収係数変化を得るには少なくとも６０ｋＶ／ｃｍ以上の電界が必要である。すなわち、量子井戸層の積層面（基板面）に平行に電界を印加した方が、低電界での吸収係数の変化量が大きく、光変調器の動作に非常に有利である。

したがって、量子井戸層の積層面に平行に電界を印加すれば変調器領域の素子長の短縮が可能であり、損失の低減に加え、素子の寄生容量の抑制により変調帯域の増大の効果もある。このように、変調器とレーザ領域に同一組成の量子井戸構造を使用しても量子井戸層に平行な方向に電界を印加すれば、特性に優れたＥＡ−ＤＦＢレーザが得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施例１）
図５は、本発明の実施例１の半導体光素子の構造を示す斜視図である。図６は、本発明の実施例１の半導体光素子の半導体領域のみを示した上面図である。

また、図７は、図６の変調器領域８の断面７Ａ−Ａ‘の断面図７（ａ）、および変調器領域８とレーザ領域９の接続部１３の断面７Ｂ−Ｂ’の断面図７（ｂ）である。レーザ領域９の断面図は、表面回折格子１２を除き構造としては変調器領域８と同様であるため示していない。

図５にあるように本発明の実施例１の半導体光素子では、基板はシリコン基板２０上にＳｉＯ₂層２１が形成された２層構造であり、その上のｉ−ＩｎＰ層２２の中に電流注入構造を有する埋め込みコア層が形成されている。

ＥＡ変調器領域８のコア層２３とレーザ領域９のコア層２４は、ともに例えば６層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸から形成され、同一の量子井戸構造である。

両コア層のコア幅は、ともに０．７μｍである。コア層を含むスラブ層の厚さは３５０ｎｍである。量子井戸層の基底準位間波長は１．４８μｍ、励起子ピーク波長は１．４９μｍである。

両コア層の活性層の両側は、量子井戸層（通常は基板面に並行である）の積層面に平行な方向の電流注入のために異なるタイプのドーピングが施されたＩｎＰクラッド層２５，２６により埋め込まれている。

すなわち、図５，６，７（ａ）のコア層２３の左側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉのｎ型クラッド層２５、コア層２３の右側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎのｐ型クラッド層２６が形成されている。レーザ領域９のコア層２４も同様なクラッド層で埋め込まれた構成である。

図７（ａ）にあるように、クラッド層２５，２６の上部には、それぞれ電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層２７，２８が形成され、それぞれドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ型ドーピング、ｐ型ドーピングが施されている。さらに、コンタクト層２７，２８の領域上には電流注入用の電極２９、３０が形成され、表面にＳｉＯ₂保護膜３１が形成されている。見易さのため、図５の斜視図にはＳｉＯ₂保護膜３１は表示していない。

図６の上面図に示すように本発明の実施例１の半導体光素子は、変調器領域８とレーザ領域９、接続導波路領域１３から構成されている。レーザ領域９の活性層長は６００μｍ、変調器領域８の活性層長は２００μｍ、接続導波路領域１３の長さは２０μｍである。

図５の斜視図に示すように、レーザ領域９のコア層２４の上部には厚さ２０ｎｍのＳｉＮ絶縁膜が形成され、ＳｉＮとＳｉＯ₂からなるブラッグ波長１．５５μｍのλ／４シフト回折格子構造が、表面回折格子１２を形成している。

また、接続導波路領域１３は、図７（ｂ）の断面図に示すように、コアの埋込み導波路により構成されている。接続導波路領域１３のコア層も変調器領域８とレーザ領域９のコア層と同一の量子井戸構造であるが、レーザ発振や光変調の機能は無い。

図６に示すように、変調器領域８とレーザ領域９は、両領域間のＩｎＰ領域をエッチングすることで分離される。また、変調器領域８およびレーザ領域９のｎ型クラッド層２５、ｐ型クラッド層２６は、それぞれの領域の必要な部分のみに形成されている。

この導波路構造を持つ素子を作製するにあたり、ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板上へＩｎＰ薄膜を形成するには、ウエハ接合等の技術を用いることができる。また、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等の結晶成長には有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いることができ、レーザ導波路構造および回折格子の作製にはウェットエッチングまたはドライエッチング等の一般的な半導体レーザの作製方法を用いることができる。

活性層（コア層）２３，２４の左右の電流注入用のクラッド層２５，２６は、ｎ型ドーピングのＩｎＰおよびｐ型ドーピングのＩｎＰを、それぞれ埋め込み再成長によって形成することができる。また、活性層の形成後に、真性ＩｎＰを埋め込み再成長し、その後にイオン注入または熱拡散等の手法で、不純物半導体を形成しても良い。また、表面回折格子１２は、レーザ表面への電子ビーム露光によるパタン形成とエッチングにより形成することができる。

（実施例１の消光特性）
図８（ａ）に、本実施例１の半導体光素子の変調器の消光特性（オフ／オン比）を示す。レーザの発振波長を１．５５μｍに設定することにより、電圧振幅０．８Ｖと、１Ｖ以下の低電圧振幅で１０ｄＢの消光特性を実現できる。量子井戸構造の基底準位間波長は１．４８μｍであり、７０ｎｍの離調幅があるが、量子井戸の発光スペクトルの波長広がりは半値幅で約６０ｍｅＶ、すなわち１２５ｎｍ程度であり、加えて電流注入に伴うバンドギャップ縮小効果および熱による長波長シフトが生じることから、同一活性層を使用してもレーザ動作可能である。すなわち、レーザの発振波長を量子井戸構造の基底準位間遷移波長に対して長波長側に設定し、離調幅をエネルギー換算で６０ｍｅＶ以下となるように設定すれば、本発明の高い効果を有する変調器集積光源が得られる。 図８（ｂ）には比較のため、従来型のＱＣＳＥを用いたＥＡ変調器の消光特性を示した。変調器長は同一の２００μｍとし、コア層厚は２００ｎｍである。この構造でも波長１．５５μｍでの消光特性が得られ、同一活性層を用いたＥＡ−ＤＦＢは構成可能であるが、１０ｄＢの消光特性を実現するには２Ｖ近い電圧振幅が必要であり、本発明における動作バイアス電圧および変調振幅電圧の有利性は明らかである。

また、伝搬損の増大を許容すれば、バンドギャップ波長を長波長化し波長を短波長化することは可能である。図９は、量子井戸構造の基底準位間波長１．４９μｍ、変調器領域長１５０μｍとした場合の、本発明の実施例１変形例の変調器の消光特性である。波長１．５５μｍの低電圧における光吸収は−４ｄＢに増加しており、光損失の増大は見られるが、１０ｄＢの消光特性を実現するための変調振幅電圧特性は図８（ａ）とほぼ同等であり、共振器長短縮の効果により高速変調動作を可能とする。

このように本発明の構成によれば、変調器領域とレーザ領域に同一コア層を用いた簡易な作製工程で、高速変調可能なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現できる。特に、本構造は屈折率の低いＳｉＯ₂上に３５０ｎｍと薄いＩｎＰスラブ領域を構成しているために、コア層の光閉じ込めが向上し、変調器領域の短縮が可能である。加えて変調器領域とレーザ領域はエッチングにより完全に分離され、必要な領域のみに不純物を構成することができる。このことで良好な電気的な分離が確保される。また、素子容量はスラブ厚を断面とした構成となり、単位長あたりの素子容量が抑制されるために５０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速応答を実現できる。

（実施例２）
図１０は、本発明の実施例２の半導体光素子の構造を示す斜視図である。図１１は、実施例１の図７と同様に、本発明の実施例２の変調器領域８の断面図１１（ａ）、および変調器領域８とレーザ領域９を接続する接続導波路領域１３の断面図１１（ｂ）である。

図１０の本発明の実施例２では、図５の実施例１と同じ部分は同じ符号で示すが、実施例１と異なり、基板は単層の半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板４０であり、その上に電流注入構造を有する埋め込みコア層が形成されている。

ＥＡ変調器領域８のコア層２３とレーザ領域９のコア層２４は、ともに例えば２０層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸から形成され、コア幅は０．８μｍである。埋め込み層の厚さは４００ｎｍである。量子井戸層の基底準位間波長は１．４８μｍ、励起子ピーク波長は１．４９μｍである。活性層（コア層）２３，２４の両側は、量子井戸層の積層面に平行な方向（基板面に水平方向）の電流注入のために、異なるタイプのドーピングが施されたＩｎＰクラッド層２５，２６により埋め込まれている。

すなわち、図１１（ａ）のコア層２３の左側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉのｎ型クラッド層２５、コア層２３の右側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎのｐ型クラッド層２６が形成されている。

図１１（ａ）にあるように、クラッド層２５，２６の上部には、それぞれ電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層２７，２８が形成され、それぞれドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ型ドーピング、ｐ型ドーピングが施されている。さらに、コンタクト層２７，２８の領域上には電流注入用の電極２９、３０が形成され、表面にＳｉＯ₂保護膜３１が形成されている。見易さのため、図１０の斜視図にはＳｉＯ₂保護膜３１は表示していない。

図１０に示すように実施例２の半導体光素子は、変調器領域８とレーザ領域９、接続導波路領域１３から構成されている。レーザ領域９の活性層長は６００μｍ、変調器領域８の活性層長は１５０μｍ、接続導波路領域１３の長さは２０μｍである。

図１０の斜視図に示すように、レーザ領域９のコア層２４上部には厚さ２０ｎｍのＳｉＮ絶縁膜が形成され、ＳｉＮとＳｉＯ₂からなるブラッグ波長１．５５μｍのλ／４シフト回折格子構造が、表面回折格子１２を形成している。

また、接続導波路領域１３は、図１１（ｂ）の断面図に示すように、変調器領域８から続くコアの埋込み導波路により構成されている。

図１０に示すように、変調器領域８とレーザ領域９は、両領域間のＩｎＰ領域をエッチングすることで分離される。また、変調器領域８およびレーザ領域９のｎ型クラッド層２５、ｐ型クラッド層２６はそれぞれの領域の必要な部分のみに形成されている。この構成も実施例１と同様に一般的な半導体素子の作製方法により作製できる。

本実施例２の構造は、ＩｎＰ基板４０上にレーザを構成しているために放熱の効果が高い。また、光のモードが低損失な半絶縁性ＩｎＰ領域に広がっているために損失が低く、レーザの光出力の増大に有利である。

（実施例３）
図１２は、本発明の実施例３の半導体光素子の斜視図である。また、図１３は、実施例３の上面図である。いずれの図においても、図５の実施例１と同じ部分は同じ符号で示す。

本実施例３は、実施例１の構造の後段に接続導波路１３と同様の埋め込み導波路を用いた後段導波路領域５０を形成したものである。この後段導波路領域５０が光吸収層として機能し、レーザ領域後段の端面反射による戻り光を抑制できるため、レーザの発振動作を安定させることができる。

図１３の上面図に示されるように、変調器領域８、接続導波路１３、レーザ領域９および後段導波路領域５０の光導波路のコア層はすべて同一の量子井戸構造で形成されている。実施例２の構造の後段にも、同様の後段導波路領域を形成することも可能であるのは明らかである。

（実施例４）
図１４は本発明の実施例４の半導体光素子の斜視図である。また、図１５は実施例４の上面図である。いずれの図においても、図５の実施例１と同じ部分は同じ符号で示す。

本実施例４は、実施例１の構造の後段に変調器領域８およびレーザ領域９と同様の埋め込みｐｉｎ構造領域をモニタ領域６０として形成したものである。このモニタ領域６０のｐｎ電極（モニタ電極６１，６２）間に逆バイアスを印加して受光領域として動作させ、レーザ領域後段からのレーザ光出力をモニタすることができる。製造工程としては追加プロセスなしで、モニタ機能を形成することができる。

図１５の上面図に示されるように、変調器領域８、接続導波路１３、レーザ領域９およびモニタ領域６０の光導波路のコア層はすべて同一の量子井戸構造で形成されている。実施例２の構造の後段にも、同様のモニタ領域を形成することも可能であるのは明らかである。

以上説明したように、本発明によって、簡易な作製方法により、小型かつ高速なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現することができる。なお、本発明に係る半導体光素子の構造は各実施例の形態に留まらない。動作波長は１．５５μｍとしたが、１．３μｍ帯等、その他の波長に対しても設計変更の範囲で実現できる。例えば、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系レーザの構成であれば、動作波長１μｍから２μｍの範囲で実現できる。

また、レーザのコア層はＩｎＧａＡｓＰ系としたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系など、他の化合物半導体材料も適用することができる。また、回折格子はＳｉＮとＳｉＯ₂により構成したが、ＳｉＯＮやＳｉＯｘ等、その他の絶縁膜で構成しても構わないし、ＩｎＰの表面をエッチングすることで形成しても構わない。また、レーザのコア層の上下に回折格子を形成することもできる。

以上のように本発明によれば、簡易な作製方法により、小型かつ高速なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現することが可能となり、光通信システム用の光送信器に広範に利用することができる。

１ 量子井戸層（コア層、活性層）
２ ｐ型クラッド層（ｐ−ＩｎＰ）
３ ｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）／基板
４１ 変調信号源
４ レーザコア層（量子井戸層、活性層）
５ ｎ電極
６ ｐ電極
７ ｐコンタクト層
８ 電界吸収変調領域
９ レーザ領域
１０ ＥＡ−ＤＦＢレーザ素子
１１ 回折格子
１２ 表面回折格子
１３ 接続導波路領域
２０ シリコン基板
２１ ＳｉＯ₂層
２２ ｉ−ＩｎＰ層
２３、２４ コア層（量子井戸層、活性層）
２５ ｎ型クラッド層
２６ ｐ型クラッド層
２７，２８ コンタクト層
２９、３０ 電極
３１ ＳｉＯ₂保護膜
４０ ＩｎＰ基板
５０ 後段導波路領域
６０ モニタ領域
６１、６２ モニタ電極

Claims (5)

1. 基板上に形成された量子井戸層をコア層とする導波路構造に沿って形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成される半導体光素子であって、
   前記導波路構造は、前記量子井戸層を含んだコア層の、前記量子井戸層の積層面に平行な方向の両側にｐクラッド層とｎクラッド層を配置した導波路構造から形成され、
   前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域のコア層が同一の量子井戸構造である
   ことを特徴とする半導体光素子。
2. 請求項１に記載の半導体光素子であって、
   前記基板が、シリコン基板上にＳｉＯ₂層が形成された２層構造の基板である
   ことを特徴とする半導体光素子。
3. 請求項１に記載の半導体光素子であって、
   前記基板が、単層の半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板である
   ことを特徴とする半導体光素子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
   前記導波路構造に沿った前記レーザ領域の後段に、光吸収層として機能し、レーザ後段の端面反射による戻り光を抑制する後段導波路領域を更に有する
   ことを特徴とする半導体光素子。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
   前記導波路構造に沿った前記レーザ領域の後段に、受光領域として動作して前記レーザ領域の後段からの光出力をモニタすることができる埋め込みｐｉｎ構造のモニタ領域を更に有する
   ことを特徴とする半導体光素子。

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