JP2019191308A - 半導体光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】電界吸収型の光変調において、広い波長領域において低い電圧で十分な消光比が得られるようにする。【解決手段】多重量子井戸構造のコア部１０２の上下に、第１導電型の第１クラッド層１０１，第２導電型の第２クラッド層１０３を配置し、左右に第１導電型の第３クラッド層１０４，第２導電型の第４クラッド層１０５を配置する。第３クラッド層１０４に接続して第１電極１０６を形成する。また、第４クラッド層１０５に接続して第２電極１０７を形成する。第１クラッド層１０１，第３クラッド層１０３と、第２クラッド層１０２，第４クラッド層１０４との間には、逆方向バイアスが印加される。【選択図】 図１

Description

本発明は、多重量子井戸構造を備え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)レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、および波長分割多重（Wavelength 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、１００Ｇｂイーサネット（登録商標）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、データ通信用の大容量化は急速に進んでいる。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（Electro Absorption：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。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 Modulation）に対応可能なＥＡ−ＤＦＢレーザが望まれる。
ＥＡ変調器は、変調される光が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。ここで、一般的なＥＡ変調器の概念的な構成について、図６を用いて説明する。このＥＡ変調器は、ｎ型の化合物半導体から構成された第１クラッド層３０１と、この上に形成された多重量子井戸構造の活性領域となるコア部３０２と、この上に形成されたｐ型の化合物半導体から構成された第２クラッド層３０３とから構成されるｐｉｎ半導体構造とされている。第１クラッド層３０１には、電極３０４が形成され、第２クラッド層３０３には、電極３０５が形成されている。なお、図６は、光が導波する方向に垂直な面の断面を示している。
コア部３０２を構成する量子井戸層は、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。電極３０４，電極３０５により変調信号源からの変調電気信号とともに逆バイアスで、各層の積層方向である上下方向に電界が印加される。このようにして、コア部３０２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。
次に、上述したＥＡ変調器３００ａにＤＦＢレーザ３００ｂを組み合わせたＥＡ−ＤＦＢレーザ素子について、図７を用いて説明する。図７は、光が導波する方向に平行で、各層の積層方向に垂直な面の断面を示している。第１クラッド層３０１、第２クラッド層３０３、電極３０４は、ＥＡ変調器３００ａおよびＤＦＢレーザ３００ｂにおいて共通とされている。また、ＤＦＢレーザ３００ｂにおいては、量子井戸構造の活性部３０２ａの上に、分布ブラッグ反射構造とするための回折格子３０６が形成されている。
また、ＥＡ変調器３００ａにおいては、第２クラッド層３０３の上にｐコンタクト層３０７を介して電極３０５が形成され、ＤＦＢレーザ３００ｂにおいては、第２クラッド層３０３の上にｐコンタクト層３０７ａを介して電極３０５ａが形成されている。ＥＡ変調器３００ａおよびＤＦＢレーザ３００ｂは、電極３０５と電極３０５ａと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。
このＥＡ−ＤＦＢレーザ素子は、コア部３０２に沿って、ＥＡ変調器３００ａおよびＤＦＢレーザ３００ｂが形成され、ＤＦＢレーザ３００ｂで発生したレーザ光が、ＥＡ変調器３００ａで変調されて出力される。
上述したＥＡ−ＤＦＢレーザ素子におけるＥＡ変調器３００ａにおけるコア部３０２の吸収係数（光吸収スペクトル）の変化について図８を参照して説明する。なお、図８において、実線は、ＥＡ変調器３００ａへの電界印加がゼロの場合であり、点線は、ＥＡ変調器３００ａへ電界を印加した場合である。コア部３０２における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と、この長波長側にある励起子吸収ピークとからなる。
電界を印加すると、量子井戸層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。
また、コア部に対し、量子井戸層の積層面に平行な方向に電界を与えても電界吸収動作を行うことができる。この横方向電界印加構造について、図９を用いて説明する。横方向電界印加構造（横方向ｐｉｎ構造）では、ｉ型の化合物半導体から構成された第１クラッド層４０１と、第１クラッド層４０１の上に形成された多重量子井戸構造の活性領域となるコア部４０２と、コア部４０２の上に形成されたｉ型の化合物半導体から構成された第２クラッド層４０３と、コア部４０２の一方の側部に形成された第１導電型の化合物半導体から構成された第３クラッド層４０４と、コア部４０２の他方の側部に形成された第２導電型の化合物半導体から構成された第４クラッド層４０５とを備える。また、第３クラッド層４０４に接続する電極４０６と、第４クラッド層４０５に接続する電極４０７とを備える。
電極４０６および電極４０７に変調信号源からの変調電気信号を与えることにより、水平方向に電界が印加される。上述した横方向電界印加構造のＥＡ変調器におけるコア部４０２の吸収係数（光吸収スペクトル）の変化について図１０を参照して説明する。なお、図１０において、実線は、ＥＡ変調器への電界印加がゼロの場合であり、点線は、ＥＡ変調器へ電界を印加した場合である。
このときのコア部４０２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２参照）。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。
次に、上述した各ＥＡ変調器の消光特性を電界方向に対して比較した結果について、図１１，図１２に示す。図１１は、量子井戸の積層方向（垂直方向）に電界を印加するＥＡ変調器の結果であり、図１２は、横方向電界印加構造のＥＡ変調器の結果である。なお、コア部４０２を構成する量子井戸構造の量子井戸は、ＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ１０ｎｍの量子井戸層を６層備え、量子井戸構造の基底準位間波長は１．４８μｍ、コア幅は０．７μｍ、変調器領域長は２００μｍ、波長は１．５５μｍとした。図１１，図１２は、変調器の消光特性を電界方向に対して比較したものである。図１１は垂直方向に電界を与えた場合であり、図１２は水平方向に電界を与えた場合を示す。
垂直方向に電界を与えた場合、実効的なバンドギャップ波長の増大により吸収スペクトルが長波長側にシフトし、高い消光比を得ることができるが、このためには、バイアス電圧値を高くする必要がある。一方、横方向電界印加構造では、励起子の急峻な遮蔽効果によって低電圧領域で高い消光比を得ることができるが、一方で、励起子が消えた後は消光比が飽和する傾向にあり、十分な消光比を得られる波長領域が限定される。
W. Kobayashi et al., "Design and Fabrication of 10-/40-Gb/s, Uncooled Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure", Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no. 1, pp. 164-171, 2010. 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. E. H. Sargent et al., "OEIC-Enabling LCI Lasers with Current Guides: Combined Theoretical-Experimental Investigation of Internal Operating Mechanisms", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 34, no. 7, pp. 1280-1287, 1998.
以上に説明したように、従来では、垂直方向に電界を印加する構成では、高い消光比を得るためには、高い電圧が必要であり、一方、横方向に電界を印加する構成では、低い電圧で高い消光比が得られるが、十分な消光比が得られる波長領域が限定されるという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電界吸収型の光変調において、広い波長領域において低い電圧で十分な消光比が得られるようにすることを目的とする。
本発明に係る半導体光素子は、第１導電型の化合物半導体から構成された第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成され、化合物半導体から構成された障壁層および化合物半導体から構成された量子井戸層から構成された多重量子井戸構造の活性領域となるコア部と、コア部の上に形成された第２導電型の化合物半導体から構成された第２クラッド層と、コア部の一方の側部に形成された第１導電型の化合物半導体から構成された第３クラッド層と、コア部の他方の側部に形成された第２導電型の化合物半導体から構成された第４クラッド層とを備え、第１クラッド層，第３クラッド層と、第２クラッド層，第４クラッド層との間には、逆方向バイアスが印加され、第１クラッド層、第２クラッド層、第３クラッド層、第４クラッド層により、コア部に電界を印加する電界印加手段が構成されている。
上記半導体光素子において、第１クラッド層とコア部との間に形成されてｉ型の化合物半導体から構成された第１光閉じ込め分離層と、コア部と第２クラッド層との間に形成されてｉ型の化合物半導体から構成された第２光閉じ込め分離層とをさらに備えるようにしてもよい。
上記半導体光素子において、第３クラッド層に接続する第１電極と、第４クラッド層に接続する第２電極とを備える。
上記半導体光素子において、第１クラッド層、第２クラッド層、コア部、第３クラッド層、第４クラッド層を備える光変調領域と、第１クラッド層、第２クラッド層を光変調領域と共通として多重量子井戸構造の活性部を備え、活性部の上に形成された回折格子を備えるレーザ領域とを備え、光変調領域とレーザ領域とは、互いに絶縁分離して配置され、光変調領域とレーザ領域とは、光学的に結合している構成としてもよい。
以上説明したように、本発明によれば、多重量子井戸構造のコア部の上下に、第１導電型の第１クラッド層，第２導電型の第２クラッド層を配置し、左右に第１導電型の第３クラッド層，第２導電型の第４クラッド層を配置し、逆方向バイアスが印加されるようにしたので、電界吸収型の光変調において、広い波長領域において低い電圧で十分な消光比が得られるという優れた効果が得られる。
図１は、本発明の実施の形態における半導体光素子の構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態における他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態における他の半導体光素子の構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態における半導体光素子のＥＡ変調領域における消光特性を電界方向に対して比較した結果を示す特性図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態における他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態における他の半導体光素子の構成を示す斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態における他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図６は、従来のＥＡ変調器の構成を示す断面図である。 図７は、従来のＥＡ変調器にＤＦＢレーザを組み合わせたＥＡ−ＤＦＢレーザ素子の構成を示す断面図である。 図８は、ＥＡ変調器におけるコア部の吸収係数（光吸収スペクトル）の変化を示す特性図である。 図９は、従来のＥＡ変調器の構成を示す断面図である。 図１０は、ＥＡ変調器におけるコア部の吸収係数（光吸収スペクトル）の変化を示す特性図である。 図１１は、ＥＡ変調器の消光特性を示す特性図である。 図１２は、ＥＡ変調器の消光特性を示す特性図である。
以下、本発明の実施の形態おける半導体光素子について図１を参照して説明する。この半導体光素子は、第１クラッド層１０１と、第１クラッド層１０１の上に形成されたコア部１０２と、コア部１０２の上に形成された第２クラッド層１０３とを備える。第１クラッド層１０１の上に接してコア部１０２が形成され、コア部１０２の上に接して第２クラッド層１０３が形成されている。
加えて、この半導体光素子は、コア部１０２の一方の側部に形成された第３クラッド層１０４と、コア部１０２の他方の側部に形成された第４クラッド層１０５とを備える。コア部１０２の一方の側部に接して第３クラッド層１０４が形成され、コア部１０２の他方の側部に接して第４クラッド層１０５が形成されている。
第１クラッド層１０１は、第１導電型の化合物半導体から構成され、第２クラッド層１０３は、第２導電型の化合物半導体から構成されている。また、コア部１０２は、化合物半導体から構成された障壁層および化合物半導体から構成された量子井戸層から構成された多重量子井戸構造とされ、活性領域となる。
また、第３クラッド層１０４は、第１導電型の化合物半導体から構成され、第４クラッド層１０５は、第２導電型の化合物半導体から構成されている。なお、図１は、コア部１０２による光導波路を導波する光の導波方向に垂直な断面を示している。コア部１０２は、図１の紙面の手前から奥にかけて延在している。
また、実施の形態における半導体光素子は、第３クラッド層１０４に接続する第１電極１０６と、第４クラッド層１０５に接続する第２電極１０７とを備える。第１電極１０６と第２電極１０７とを用い、第１導電型（例えばｎ型）の第１クラッド層１０１、第３クラッド層１０４と、第２導電型（例えばｐ型）の第２クラッド層１０３、第４クラッド層１０５との間に、逆方向バイアスを与えることで動作させる。実施の形態における半導体光素子は、電界吸収型光変調素子である。
実施の形態における半導体光素子において、上述したように、第１クラッド層１０１，第３クラッド層１０３と、第２クラッド層１０２，第４クラッド層１０４との間には、逆方向バイアスが印加される。第１クラッド層１０１、第２クラッド層１０２、第３クラッド層１０３、第４クラッド層１０４により、コア部１０２に電界を印加する電界印加手段が構成される。言い換えると、第１クラッド層１０１、第２クラッド層１０２、第３クラッド層１０３、第４クラッド層１０４は、コア部１０２の量子井戸層に、積層方向に対して水平および垂直の両方向に電界を印加するための電界印加層である。
上述したように、実施の形態によれば、多重量子井戸構造のコア部１０２に対し、垂直方向および横方向に電界が印加される。このように電界が印加されることで、印加する電界が小さい状態では、横方向の電界により励起子吸収が遮蔽され、急峻な光吸収変化が生じる。また、印加する電界が大きい状態では、垂直方向電界によるバンド端の長波長シフトにより光吸収領域が長波長側にシフトし、バンド端吸収による高い吸収変化を保つことができる。加えて、実施の形態によれば、キャリアが水平方向（横方向）に高速に掃引されるため、高速な変調動作を実現することができる。
なお、第３クラッド層１０４を第２導電型とし、第４クラッド層１０５を第１導電型としてもよい。前述では、第１クラッド層１０１，第３クラッド層１０４がｎ型、第２クラッド層１０３、第４クラッド層１０５がｐ型の場合、第１クラッド層１０１，第３クラッド層１０４がｐ型、第２クラッド層１０３、第４クラッド層１０５がｎ型の場合を示した。これに限るものはなく、第１クラッド層１０１，第４クラッド層１０５をｎ型とし、第３クラッド層１０４，第２クラッド層１０３をｐ型としてもよい。また、第１クラッド層１０１，第４クラッド層１０５をｐ型とし、第３クラッド層１０４，第２クラッド層１０３をｎ型としてもよい。
次に、実施の形態における半導体光素子において、光変調領域２００ａとレーザ領域２００ｂとを集積した場合について、図２Ａ，図２Ｂを参照して説明する。光変調領域２００ａは、図２Ｂに示すように、多重量子井戸構造のコア部２０４を備える。また、レーザ領域２００ｂは、図２Ａの（ａ）に示すように、多重量子井戸構造の活性部２０４ａを備える。この半導体光素子は、多重量子井戸構造のコア部２０４と多重量子井戸構造の活性部２０４ａとにより、光変調領域２００ａとレーザ領域２００ｂとが、光学的に接続（結合）している。
この集積構造は、まず、シリコンからなる基板２０１の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる絶縁層２０２を介し、まず、Ｓｉをドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3でドーピングしたｎ型（第１導電型）のＩｎＰから構成された第１クラッド層２０３が形成されている。
また、第１クラッド層２０３の上に、多重量子井戸構造のコア部２０４が形成されている。コア部２０４は、例えばＩｎＧａＡｓＰからなる６層の量子井戸層から構成されている。コア部２０４のコア幅は、０．８μｍ程度である。
また、コア部２０４の上には、Ｚｎをドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3でドーピングしたｐ型（第２導電型）のＩｎＰから構成された第２クラッド層２０５が形成されている。なお、第１クラッド層２０３、コア部２０４、第２クラッド層２０５の合計の厚さは、３５０ｎｍ程度である。
また、絶縁層２０２の上において、コア部２０４の一方の側部には、Ｓｉをドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3でドーピングしたｎ型（第１導電型）のＩｎＰから構成された第３クラッド層２０６が形成されている。また、コア部２０４の他方の側部には、Ｚｎをドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3でドーピングしたｐ型（第２導電型）のＩｎＰから構成された第４クラッド層２０７が形成されている。第３クラッド層２０６、第４クラッド層２０７は、厚さ３５０ｎｍ程度とされている。例えば、第３クラッド層２０６の上面、第２クラッド層２０５の上面、および第４クラッド層２０７の上面は、同一の平面を構成して平坦化されている。
また、光変調領域２００ａにおいて、第３クラッド層２０６の上には、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２０８を介してｎ電極（第１電極）２０９が形成されている。また、第４クラッド層２０７の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２１０を介してｐ電極（第２電極）２１１が形成されている。
また、レーザ領域２００ｂにおいて、第３クラッド層２０６の上には、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２０８ａを介してｎ電極２０９ａが形成されている。また、第４クラッド層２０７の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２１０ａを介してｐ電極２１１ａが形成されている。また、レーザ領域２００ｂにおいては、多重量子井戸構造の活性部２０４ａの上に、例えば窒化シリコンからなる厚さ２０ｎｍ絶縁保護層２１２が形成されている。また、レーザ領域２００ｂの活性部２０４ａの上には、絶縁保護層２１２を一部加工することで、窒化シリコンと酸化シリコンとからなるブラッグ波長１．５５μｍのλ／４シフトの回折格子構造２１５が形成されている。
また、光変調領域２００ａとレーザ領域２００ｂとの間の接続領域２００ｃでは、コア部２０４の両方の側部に、ノンドープとされたｉ型のＩｎＰからなる半導体層２１３，半導体層２１４が形成されている。
なお、第１クラッド層２０３、第２クラッド層２０５は、光変調領域２００ａ、レーザ領域２００ｂ、および接続領域２００ｃに共通とされている。また、光変調領域２００ａの第３クラッド層２０６，第４クラッド層２０７と、レーザ領域２００ｂの第３クラッド層２０６，第４クラッド層２０７とは同様の構成である。
例えば、光変調領域２００ａにおけるコア部２０４の活性層長は２００μｍであり、レーザ領域２００ｂにおける活性部２０４ａの活性層長は６００μｍである。また、接続領域２００ｃの導波方向長さは、２０μｍである。また、光変調領域２００ａにおけるコア部２０４の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。また、レーザ領域２００ｂにおける活性部２０４ａの量子井戸層の発光波長は、１．５５μｍである。
光変調領域２００ａとレーザ領域２００ｂは、これらの領域間の接続領域２００ｃにおける第３クラッド層２０６，第４クラッド層２０７をエッチング除去することで分離することができる。光変調領域２００ａおよびレーザ領域２００ｂの第３クラッド層２０６，第４クラッド層２０７は、各々の領域の必要な部分のみに形成されている。
この導波路構造による半導体光素子を作製するにあたり、絶縁層２０２の上にＩｎＰなどの化合物半導体の層を形成するには、よく知られたウエハ接合などの技術を用いることができる。また、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどの結晶成長には、公知の有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）などの一般的な結晶成長方法を用いることができる。また、レーザ導波路構造および回折格子の作製は、公知のリソグラフィー技術およびウェットエッチングまたはドライエッチングなどの、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。
コア部２０４（活性部２０４ａ）の左右の第３クラッド層２０６，第４クラッド層２０７は、絶縁層２０２の上部に薄いＩｎＰの層（不図示）を形成しておき、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ればよい。また、コア部２０４（活性部２０４ａ）を形成した後で、ノンドープの状態でＩｎＰを埋め込み再成長し、この後で、イオン注入または熱拡散などの技術により、各々の不純物が導入された状態としてもよい。また、回折格子２１５は、電子ビーム露光によるパタン形成とエッチングなどにより形成することができる。
光変調領域２００ａにおいては、ｎ電極２０９，ｐ電極２１１により、第３クラッド層２０６，第１クラッド層２０３と、第４クラッド層２０７，第２クラッド層２０５との間に逆方向バイアスを印加する。これにより、光変調領域２００ａのコア部２０４には、電界が印加され、変調動作が得られる。一方、レーザ領域２００ｂにおいては、ｎ電極２０９ａ，ｐ電極２１１ａにより、第３クラッド層２０６，第１クラッド層２０３と、第４クラッド層２０７，第２クラッド層２０５との間に順バイアスを印加する。これにより、レーザ領域２００ｂの活性部２０４ａには、電流が流れるようになり、レーザ発振動作が得られる。
次に、上述した光変調領域２００ａにおける消光特性について、図３を参照して説明する。図３に示すように、広い電圧領域と波長領域にわたり消光特性が得られている。このように本発明によれば、低電圧駆動かつ広波長帯域にわたる消光特性を得られる電界吸収変調器を実現し、加えてＤＦＢレーザとの容易な集積を実現できる。特に、上述した実施の形態によれば、屈折率の低いＳｉＯ2からなる絶縁層２０２の上に、合計の厚さを３５０ｎｍとして第１クラッド層２０３、コア部２０４、第２クラッド層２０５を形成しているので、コア部２０４への光閉じ込めが向上し、光変調領域２００ａの短縮が可能である。
また、上述した実施の形態では、レーザ領域２００ｂの活性部２０４ａには、この横方向に配置される第３クラッド層２０６、第４クラッド層２０７に加え、上下を挟むように、第１クラッド層２０３、第２クラッド層２０５が配置されているので、横方向に加え、垂直方向にも電流が注入されるようになる（非特許文献３参照）この結果、実施の形態における半導体光素子のレーザ領域２００ｂは、横方向電流注入構造の課題である電流注入効率が改善し、レーザの出力増大にも寄与する。
また、エッチングなどにより加工することで形成した接続領域２００ｃにより、光変調領域２００ａとレーザ領域２００ｂは完全に分離される。前述のようにイオン注入または熱拡散などの技術を用いれば、必要な領域のみに不純物の層を配置することができる。これにより、良好な電気的な分離が確保される。また、素子容量は主として第１クラッド層２０３、コア部２０４、第２クラッド層２０５の部分を断面とした部分で決定されるものとなり、単位長あたりの素子容量が抑制されるため、５０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速な応答を実現できる。
ところで、図４Ａ、図４Ｂに示すように、上述同様の素子構造を、例えば、Ｆｅをドープすることで半絶縁性としたＩｎＰからなる基板３０１の上に形成してもよい。図２Ａ、図２Ｂを用いて説明した半導体光素子の基板２０１，絶縁層２０２の代わりに、半絶縁性としたＩｎＰからなる基板３０１を用いる。他の構成は、前述同様である。この場合、化合物半導体からなる各層の形成を、ウエハ接合ではなく、基板３０１の上にエピタキシャル成長することで形成できる。この場合、光変調領域２００ａ，接続領域２００ｃにおけるコア部２０４，レーザ領域２００ｂにおける活性部２０４ａは、ともに、例えばＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸層を２０層備え、合計の厚さが４００ｎｍとされていればよい。
このように、ＩｎＰからなる基板３０１を用いることで、高い放熱効果が得られるようになる。また、光のモードが、低損失な半絶縁性ＩｎＰの領域に広がることになるため、損失が低く、レーザの光出力の増大に有利である。
また、図５に示すように、第１クラッド層１０１とコア部１０２との間に、第１光閉じ込め分離層１０８を設け、コア部１０２と第２クラッド層１０３との間に第２光閉じ込め分離層１０９を設けてもよい。第１光閉じ込め分離層１０８、第２光閉じ込め分離層１０９は、ｉ型の化合物半導体から構成すればよい。このように、コア部１０２を、ｐ型の不純物が導入される層より離して配置することで、伝搬損失を抑制できる効果がある。
以上に説明したように、本発明によれば、多重量子井戸構造のコア部の上下に、第１導電型の第１クラッド層，第２導電型の第２クラッド層を配置し、左右に第１導電型の第３クラッド層，第２導電型の第４クラッド層を配置し、逆方向バイアスが印加されるようにしたので、電界吸収型の光変調において、広い波長領域において低い電圧で十分な消光比が得られるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
例えば、上述では、動作波長を１．５５μｍとして説明したが、これに限らず、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、コア部は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などの他の絶縁材料で構成してもよい。また、回折格子は、第２クラッド層の表面をエッチング加工することで形成してもよい。また、コア部の下側に回折格子を配置してもよく、コア部の上部および下部の両方に回折格子を配置してもよい。また、上述では、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型として説明したが、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としてもよいことは、言うまでも無い。
１０１…第１クラッド層、１０２…コア部、１０３…第２クラッド層、１０４…第３クラッド層、１０５…第４クラッド層、１０６…第１電極、１０７…第２電極。

Claims (4)

  1. 第１導電型の化合物半導体から構成された第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の上に形成され、化合物半導体から構成された障壁層および化合物半導体から構成された量子井戸層から構成された多重量子井戸構造の活性領域となるコア部と、
    前記コア部の上に形成された第２導電型の化合物半導体から構成された第２クラッド層と、
    前記コア部の一方の側部に形成された第１導電型の化合物半導体から構成された第３クラッド層と、
    前記コア部の他方の側部に形成された第２導電型の化合物半導体から構成された第４クラッド層と
    を備え、
    前記第１クラッド層，前記第３クラッド層と、前記第２クラッド層，前記第４クラッド層との間には、逆方向バイアスが印加され、
    前記第１クラッド層、前記第２クラッド層、前記第３クラッド層、前記第４クラッド層により、前記コア部に電界を印加する電界印加手段が構成されていることを特徴とする半導体光素子。
  2. 請求項１記載の半導体光素子において、
    前記第１クラッド層と前記コア部との間に形成されてｉ型の化合物半導体から構成された第１光閉じ込め分離層と、
    前記コア部と前記第２クラッド層との間に形成されてｉ型の化合物半導体から構成された第２光閉じ込め分離層と
    をさらに備えることを特徴とする半導体光素子。
  3. 請求項１または２記載の半導体光素子において、
    前記第３クラッド層に接続する第１電極と、
    前記第４クラッド層に接続する第２電極と
    を備えることを特徴とする半導体光素子。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    前記第１クラッド層、前記第２クラッド層、前記コア部、前記第３クラッド層、前記第４クラッド層を備える光変調領域と、
    前記第１クラッド層、前記第２クラッド層を前記光変調領域と共通として多重量子井戸構造の活性部を備え、前記活性部の上に形成された回折格子を備えるレーザ領域と
    を備え、
    前記光変調領域と前記レーザ領域とは、互いに絶縁分離して配置され、
    前記光変調領域と前記レーザ領域とは、光学的に結合していることを特徴とする半導体光素子。
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