JP2634687B2 - テーパ付き半導体導波路とその形成方法 - Google Patents
テーパ付き半導体導波路とその形成方法Info
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- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
- H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体デバイス、特に光導波路構造を有す
る半導体デバイスに関する。
る半導体デバイスに関する。
（従来技術） １つの導波路から他の導波路へ光学波信号を効率良く
転送することは、光システムや回路の開発にとって重要
なことである。光学波通信システムは、光ファイバのよ
うな伝送媒体と、レーザ、カップラ、スィッチ、ディテ
クタのような導波路デバイス間の通信を最小限必要とし
ている。比較すると、伝送媒体中の光学波信号の伝搬モ
ードは導波路デバイス中より著しく大きい。例えば信号
モード光ファイバは約６−10μｍ幅の基本モードを有す
る光学波信号を伝搬するのに対し、単一周波数半導体レ
ーザのような導波路デバイスは約１μｍ以下の基本モー
ド幅を有する光学波信号しか運ばない。
転送することは、光システムや回路の開発にとって重要
なことである。光学波通信システムは、光ファイバのよ
うな伝送媒体と、レーザ、カップラ、スィッチ、ディテ
クタのような導波路デバイス間の通信を最小限必要とし
ている。比較すると、伝送媒体中の光学波信号の伝搬モ
ードは導波路デバイス中より著しく大きい。例えば信号
モード光ファイバは約６−10μｍ幅の基本モードを有す
る光学波信号を伝搬するのに対し、単一周波数半導体レ
ーザのような導波路デバイスは約１μｍ以下の基本モー
ド幅を有する光学波信号しか運ばない。
テーパは、導かれる光学波信号のモード・サイズを制
御するために開発され、それは光導波路デバイスと光フ
ァイバとの効率良い結合を可能にしている。テーパは２
つの形状で実現されており、それは、その名が示すよう
に単独の光ファイバをベースにしたファイバ・テーパ
と、単独のデバイス構造をベースにしたテーパ付き導波
路である。両形状において、テーパは光学波信号の伝搬
方向に沿って増加又は減少する。
御するために開発され、それは光導波路デバイスと光フ
ァイバとの効率良い結合を可能にしている。テーパは２
つの形状で実現されており、それは、その名が示すよう
に単独の光ファイバをベースにしたファイバ・テーパ
と、単独のデバイス構造をベースにしたテーパ付き導波
路である。両形状において、テーパは光学波信号の伝搬
方向に沿って増加又は減少する。
半導体材料又は電気光学的材料のいずれかをベースに
したテーパ付き導波路は、エピタキシャル成長、又は光
電気化学エッチングや選択的化学エッチングのような特
殊エッチング技術により形成される。更に、テーパは伝
搬方向を横断する水平又は垂直方向のいずれかに形成さ
れる。これらは例えば、Appl.Phys.Lett.,26（６）,pp.
337−40（1975）、米国特許3,993,963号、及び米国特許
3,978,426号に記載してある。テーパ付き導波路を作る
試みは個々に成功しているが、そこで用いられている技
術は１つのテーパ付き導波路と次のテーパ導波路を同一
に作るための十分な制御性に欠けている。
したテーパ付き導波路は、エピタキシャル成長、又は光
電気化学エッチングや選択的化学エッチングのような特
殊エッチング技術により形成される。更に、テーパは伝
搬方向を横断する水平又は垂直方向のいずれかに形成さ
れる。これらは例えば、Appl.Phys.Lett.,26（６）,pp.
337−40（1975）、米国特許3,993,963号、及び米国特許
3,978,426号に記載してある。テーパ付き導波路を作る
試みは個々に成功しているが、そこで用いられている技
術は１つのテーパ付き導波路と次のテーパ導波路を同一
に作るための十分な制御性に欠けている。
（発明の概要） 連続モード（光学モードが変化しない）制御と高度の
構造再現性は、本発明のテーパ付き半導体導波路構造に
よって達成される。本発明においては、個々の半導体ガ
イド層はそれに対応する個々のストップ・エッチ層を挟
み込んでおり、各ガイド層は、階段状コア即ちガイド構
造を形成するために、直接上部に隣接するガイド層より
導波路伝搬軸に沿ってより遠くに延伸している。テーパ
構造より低い屈折率を有する適切な半導体材料のクラッ
ド領域が、テーパ構造を完全に囲むために付け加えられ
る。テーパガイド構造の輪郭は、直線、放物線、指数関
数曲線などの望ましい形で実現されることが可能であ
る。
構造再現性は、本発明のテーパ付き半導体導波路構造に
よって達成される。本発明においては、個々の半導体ガ
イド層はそれに対応する個々のストップ・エッチ層を挟
み込んでおり、各ガイド層は、階段状コア即ちガイド構
造を形成するために、直接上部に隣接するガイド層より
導波路伝搬軸に沿ってより遠くに延伸している。テーパ
構造より低い屈折率を有する適切な半導体材料のクラッ
ド領域が、テーパ構造を完全に囲むために付け加えられ
る。テーパガイド構造の輪郭は、直線、放物線、指数関
数曲線などの望ましい形で実現されることが可能であ
る。
他の実施例においては、より高い屈折率の半導体材料
の追加の層が、テーパ付き導波路に沿って伝搬する拡張
空間モードの追加のビーム形状作りを可能にするため、
クラッド層の中に設けられる。
の追加の層が、テーパ付き導波路に沿って伝搬する拡張
空間モードの追加のビーム形状作りを可能にするため、
クラッド層の中に設けられる。
更に別の実施例においては、テーパ付き半導体導波路
は、例えば端面においてビーム拡張を作るために半導体
レーザの空洞内要素として入れられる。より大きい露出
領域を連続的に形成するホトリソグラフィック・マスク
は、導波路構造の上に配置、堆積され、各エッチング工
程の終了後に取除かれる。材料選択的エッチング技術
が、ガイド層の露出部分（マスクされていない部分）を
除去するために用いられる。続いて、ガイド層の下にあ
ったストップ・エッチ層の露出部分が材料選択的エッチ
ング技術を用いて除去される。上記プロセス・ステップ
を繰返すことによって所定のテーパ導波路が作られる。
は、例えば端面においてビーム拡張を作るために半導体
レーザの空洞内要素として入れられる。より大きい露出
領域を連続的に形成するホトリソグラフィック・マスク
は、導波路構造の上に配置、堆積され、各エッチング工
程の終了後に取除かれる。材料選択的エッチング技術
が、ガイド層の露出部分（マスクされていない部分）を
除去するために用いられる。続いて、ガイド層の下にあ
ったストップ・エッチ層の露出部分が材料選択的エッチ
ング技術を用いて除去される。上記プロセス・ステップ
を繰返すことによって所定のテーパ導波路が作られる。
（実施例の説明） 第１図に示される半導体のヘテロ構造は、分子線エピ
タキシ、蒸気相エピタキシ、金属有機化学蒸気堆積など
の標準エピタキシャル・プロセッシング技術によって製
造される。本発明の原理による第４図、第５図に示され
る典型的デバイスを実現するための半導体の層成長、不
純物ドーピング、ホトリソグラフィック、及び接触金属
化などの製造技術は、この分野の当業者に周知である。
この技術の概要説明は、AT＆Ｔ Technical Journal,V
ol.68,No.1（January/February 1989）に記されてい
る。
タキシ、蒸気相エピタキシ、金属有機化学蒸気堆積など
の標準エピタキシャル・プロセッシング技術によって製
造される。本発明の原理による第４図、第５図に示され
る典型的デバイスを実現するための半導体の層成長、不
純物ドーピング、ホトリソグラフィック、及び接触金属
化などの製造技術は、この分野の当業者に周知である。
この技術の概要説明は、AT＆Ｔ Technical Journal,V
ol.68,No.1（January/February 1989）に記されてい
る。
InGaAsP/InPの材料系で、テーパの半導体導波路デバ
イスを製造することを以下に述べるが、これ以外の材料
の組合わせ、即ち、GaAs/AlGaAs、GaAs/AlAs、InGaAs/I
nAlAs、InGaAs/InGaAlAs、GaAsSb/GaAlAsSbなどのIII−
Ｖ族半導体から選ぶこともできる。これらの半導体シス
テムにおいて、各層は適当なGaAs又はInP基板に格子整
合されている。歪を有する層が基板材料上に成長する不
整合も考えられている。結局、デバイス構造の拡張は、
II−Ｖ族化合物半導体に対しても考えられている。
イスを製造することを以下に述べるが、これ以外の材料
の組合わせ、即ち、GaAs/AlGaAs、GaAs/AlAs、InGaAs/I
nAlAs、InGaAs/InGaAlAs、GaAsSb/GaAlAsSbなどのIII−
Ｖ族半導体から選ぶこともできる。これらの半導体シス
テムにおいて、各層は適当なGaAs又はInP基板に格子整
合されている。歪を有する層が基板材料上に成長する不
整合も考えられている。結局、デバイス構造の拡張は、
II−Ｖ族化合物半導体に対しても考えられている。
本発明の実施において、連続した層に階段状の輪郭形
成を含んでいるので、必要な連続層をもつ出発材料を得
ることが必要である。望ましい必要特性を持つ典型的な
連続層は、第１図に示すように、複数のガイド層と、そ
れに挟み込まれた対応する複数のストップ・エッチ層
（エッチング阻止層）を有している。この技術分野の当
業者に良く知られた標準エピタキシャル成長技術が第１
図の半導体ヘテロ構造形成に用いられる。
成を含んでいるので、必要な連続層をもつ出発材料を得
ることが必要である。望ましい必要特性を持つ典型的な
連続層は、第１図に示すように、複数のガイド層と、そ
れに挟み込まれた対応する複数のストップ・エッチ層
（エッチング阻止層）を有している。この技術分野の当
業者に良く知られた標準エピタキシャル成長技術が第１
図の半導体ヘテロ構造形成に用いられる。
第１図に示すように、下部クラッド層10が、ガイド層
とストップ・エッチ層の介在構造を支えている。層10は
InPからなり、ある適用においては、それは、ガイド層
／ストップ・エッチ層介在構造と基板の間に置かれる。
別の応用においては、層10は導波路用基板の役目をする
こともある。
とストップ・エッチ層の介在構造を支えている。層10は
InPからなり、ある適用においては、それは、ガイド層
／ストップ・エッチ層介在構造と基板の間に置かれる。
別の応用においては、層10は導波路用基板の役目をする
こともある。
層10の上には、以下述べる層が連続成長している。ガ
イド層11、ストップ・エッチ層12、ガイド層13、ストッ
プ・エッチ層14、ガイド層15、ストップ・エッチ層16、
ガイド層17、ストップ・エッチ層18、ガイド層19、スト
ップ・エッチ層20、ガイド層21である。ガイド層は、導
波路のクラッディングを形成する半導体、空気又はその
他のいずれかの材料の屈折率より高い屈折率の半導体材
料からなっている。本発明の例では、In1-yGayAsxP1-x
からなる４元素材料がガイド層として用いられ、この合
金成分比ｘ、ｙは、ヘテロ構造のための特定の格子定数
と特定の波長、又はエネルギー・バンド・ギャップを作
るように選ばれる。xyを選ぶ技術は、J.Electron Mater
ials,Vol.3,p.635 et seq.（1974）にR.Moon他が述べて
いる。個々のガイド層の厚さは、テーパ付き導波路の形
状、及びテーパ付き導波路の各端部と長さに沿う望まし
い空間モードの制約量を決める時に考慮される。
イド層11、ストップ・エッチ層12、ガイド層13、ストッ
プ・エッチ層14、ガイド層15、ストップ・エッチ層16、
ガイド層17、ストップ・エッチ層18、ガイド層19、スト
ップ・エッチ層20、ガイド層21である。ガイド層は、導
波路のクラッディングを形成する半導体、空気又はその
他のいずれかの材料の屈折率より高い屈折率の半導体材
料からなっている。本発明の例では、In1-yGayAsxP1-x
からなる４元素材料がガイド層として用いられ、この合
金成分比ｘ、ｙは、ヘテロ構造のための特定の格子定数
と特定の波長、又はエネルギー・バンド・ギャップを作
るように選ばれる。xyを選ぶ技術は、J.Electron Mater
ials,Vol.3,p.635 et seq.（1974）にR.Moon他が述べて
いる。個々のガイド層の厚さは、テーパ付き導波路の形
状、及びテーパ付き導波路の各端部と長さに沿う望まし
い空間モードの制約量を決める時に考慮される。
ストップ・エッチ層は、ガイド層の処理に用いられる
腐食液やエッチング技術に対して、エッチング速度が実
質的に遅い半導体材料からなっている。本実施例では、
InPストップ・エッチ層は、InGaAsPガイド層の露出部分
を除去するために用いられる材料選択的腐食液に対し
て、より低いエッチング速度を有している。これらの技
術を用いることによって、ガイド層に導かれる光信号の
摂動を防ぐために、ヘテロインタフェイスからヘテロイ
ンタフェイスへ測った厚さを十分薄くし得るストップ・
エッチ層をもつテーパ付き導波路の製造が可能になる。
しかし、光信号特性を乱すストップ・エッチ層の使用
は、全体的効果としてはテーパ付き導波路の動作を大き
くは害しないよう考慮されている。
腐食液やエッチング技術に対して、エッチング速度が実
質的に遅い半導体材料からなっている。本実施例では、
InPストップ・エッチ層は、InGaAsPガイド層の露出部分
を除去するために用いられる材料選択的腐食液に対し
て、より低いエッチング速度を有している。これらの技
術を用いることによって、ガイド層に導かれる光信号の
摂動を防ぐために、ヘテロインタフェイスからヘテロイ
ンタフェイスへ測った厚さを十分薄くし得るストップ・
エッチ層をもつテーパ付き導波路の製造が可能になる。
しかし、光信号特性を乱すストップ・エッチ層の使用
は、全体的効果としてはテーパ付き導波路の動作を大き
くは害しないよう考慮されている。
テーパ形成は、第２図に示されるように、最上ガイド
層21をホトリソグラフィック・マスクで覆うことによっ
て始まり、マスク／エッチングの繰返しによって実現さ
れる。シプリ（Shipley）又はAZなどのホトレジスト・
マスクが、マスク22の使用に適している。CVDなどの堆
積技術もマスク堆積に適している。CVD技術を使う時
は、通常シリコン窒化物又はシリコン酸化物の層がマス
キング用に使われる。マスク22は層21の露出範囲を決め
る開口部を含んでいる。
層21をホトリソグラフィック・マスクで覆うことによっ
て始まり、マスク／エッチングの繰返しによって実現さ
れる。シプリ（Shipley）又はAZなどのホトレジスト・
マスクが、マスク22の使用に適している。CVDなどの堆
積技術もマスク堆積に適している。CVD技術を使う時
は、通常シリコン窒化物又はシリコン酸化物の層がマス
キング用に使われる。マスク22は層21の露出範囲を決め
る開口部を含んでいる。
マスクが設けられた後、マスクによって露出している
部分を除去するために、材料選択的腐食液がガイド層21
に接触する。数種類の湿式化学腐食液が、第２図のヘテ
ロ構造内に存在する４元素半導体材料を選択的に除去す
るのに適している。数種類の選択的腐触液の例として
は、割合が3:1:1及び10:1:1のH2SO4:H2O2:H2Oの溶液、
又はＡ溶液が約40ml,H2O＋0.3g.AgNO3＋40ml.HF、Ｂ溶
液が約40g.CrO3＋40ml.H2OのAB腐触液、又はKOH:K3Fe
（CN）6:H2Oなどがある。エッチング時間は個々の４元
素層の厚さ、温度、及び層の合金成分比によって変わ
る。エッチングは、通常腐触液を例えば脱イオン化水で
洗い流すことによって終了する。マスク22は、この時
点、又はストップ・エッチ層20の露出部分の除去後に取
り除かれる。
部分を除去するために、材料選択的腐食液がガイド層21
に接触する。数種類の湿式化学腐食液が、第２図のヘテ
ロ構造内に存在する４元素半導体材料を選択的に除去す
るのに適している。数種類の選択的腐触液の例として
は、割合が3:1:1及び10:1:1のH2SO4:H2O2:H2Oの溶液、
又はＡ溶液が約40ml,H2O＋0.3g.AgNO3＋40ml.HF、Ｂ溶
液が約40g.CrO3＋40ml.H2OのAB腐触液、又はKOH:K3Fe
（CN）6:H2Oなどがある。エッチング時間は個々の４元
素層の厚さ、温度、及び層の合金成分比によって変わ
る。エッチングは、通常腐触液を例えば脱イオン化水で
洗い流すことによって終了する。マスク22は、この時
点、又はストップ・エッチ層20の露出部分の除去後に取
り除かれる。
層21の露出部分が除去された後、層21の垂直端部は、
ストップ・エッチ層20の露出部分をマスキングするのに
適している。HCl又はHCl:H3PO4（例えば2:1）などの腐
触液は、InPストップ・エッチ層のエッチングに有用で
ある。一般に、HClのような腐触液は特定の結晶グラフ
ィック面が露出するまでInPに反応し続ける。そのよう
に、層20のエッチングを止めるために、洗い流しが必要
な場合と、必要でない場合がある。
ストップ・エッチ層20の露出部分をマスキングするのに
適している。HCl又はHCl:H3PO4（例えば2:1）などの腐
触液は、InPストップ・エッチ層のエッチングに有用で
ある。一般に、HClのような腐触液は特定の結晶グラフ
ィック面が露出するまでInPに反応し続ける。そのよう
に、層20のエッチングを止めるために、洗い流しが必要
な場合と、必要でない場合がある。
テーパ形成プロセスを続けるために、第３図に示され
るように層21の上にホトリソグラフィック・マスク30を
形成することが必要である。マスク30は、現在は取除か
れているマスク22の以前の開口部端部と、一方の側がほ
ぼ同位置におかれる。マスク30の開口部は、層21のより
大きい部分を露出させる（除去された部分の左に延伸す
る）。その結果、両ガイド層21、19の部分が次のエッチ
ングのために露出する。上述したプロセスは、テーパ付
きリング・プロセスの概念的理解を得るために有用であ
る。実際のウェーハ製造においては、チップは、１つの
チップからの下降テーパが他のチップの上昇テーパにな
るようにフリップ・フロップされる。その時には、下降
テーパ、上昇テーパ間に割れ目が作られる。又、テーパ
形成プロセスは、導波路の垂直側面などを決めるための
横方向のプロセスが始まる前に行われる。
るように層21の上にホトリソグラフィック・マスク30を
形成することが必要である。マスク30は、現在は取除か
れているマスク22の以前の開口部端部と、一方の側がほ
ぼ同位置におかれる。マスク30の開口部は、層21のより
大きい部分を露出させる（除去された部分の左に延伸す
る）。その結果、両ガイド層21、19の部分が次のエッチ
ングのために露出する。上述したプロセスは、テーパ付
きリング・プロセスの概念的理解を得るために有用であ
る。実際のウェーハ製造においては、チップは、１つの
チップからの下降テーパが他のチップの上昇テーパにな
るようにフリップ・フロップされる。その時には、下降
テーパ、上昇テーパ間に割れ目が作られる。又、テーパ
形成プロセスは、導波路の垂直側面などを決めるための
横方向のプロセスが始まる前に行われる。
材料選択的腐触液は、下のストップ・エッチ層20、18
を露出させるためにガイド層の露出部に与えられる。こ
のエッチングのステップは、ストップ・エッチ層によっ
て実質的に終了する。もし必要があれば、腐触液を洗い
流すことによって、このエッチング工程は完全に終了す
る。他の材料選択的腐触液が次ぎに、ストップ・エッチ
層20、18の部分を除去するために、現在露出している部
分に与えられる。連続的マスク／エッチの工程で出来た
典型的構造は第３図に示される。
を露出させるためにガイド層の露出部に与えられる。こ
のエッチングのステップは、ストップ・エッチ層によっ
て実質的に終了する。もし必要があれば、腐触液を洗い
流すことによって、このエッチング工程は完全に終了す
る。他の材料選択的腐触液が次ぎに、ストップ・エッチ
層20、18の部分を除去するために、現在露出している部
分に与えられる。連続的マスク／エッチの工程で出来た
典型的構造は第３図に示される。
更にマスク／エッチ工程が続けられ、各ホトリソグラ
フィック・マスクは、その前のマスクの開口部より所定
量だけ大きい開口部を有する。この連続的マスク／エッ
チ工程を５回繰返すことによって、第１図の初期形状は
第４図のような階段状テーパ輪郭になる。
フィック・マスクは、その前のマスクの開口部より所定
量だけ大きい開口部を有する。この連続的マスク／エッ
チ工程を５回繰返すことによって、第１図の初期形状は
第４図のような階段状テーパ輪郭になる。
第４図に示されるように、追加クラッド層40が、露出
したテーパ付き導波路の上にエピタキシャル成長する。
層40はテーパ構造のそれよりも、低い屈折率を持つ材料
から選択される。断面図はヘテロ構造の上と下からのガ
イド層に対するクラッドを示しているが、横方向又は横
断方向のクラッド領域がヘテロ構造の周囲に形成される
ことも考慮されている。
したテーパ付き導波路の上にエピタキシャル成長する。
層40はテーパ構造のそれよりも、低い屈折率を持つ材料
から選択される。断面図はヘテロ構造の上と下からのガ
イド層に対するクラッドを示しているが、横方向又は横
断方向のクラッド領域がヘテロ構造の周囲に形成される
ことも考慮されている。
境界ｘ−ｘ′とｙ−ｙ′は、テーパの各端における最
外部のガイド層の基準点を示している。対応する基準点
は、光信号が伝搬する伝搬軸と直角方向に示されてい
る。
外部のガイド層の基準点を示している。対応する基準点
は、光信号が伝搬する伝搬軸と直角方向に示されてい
る。
これらの基準点は、テーパに沿った各点における空間
モードを比較するために有用である。第６図に示すよう
に、空間モード60を持つ光信号は、テーパ付き導波路の
入力であり、ガイド層11から21の基準点ｘ−ｘ′の間に
ほぼ閉じ込められている。信号の中心モードはテーパ動
作が良い効果を現すためにシフトされている。信号は実
尺どうりには描かれていないことに注意されたい。光信
号がテーパ付き導波路を横断する時、光信号はテーパの
周囲のクラッド領域中へ結合する増加した光パワーをも
った断熱的ビーム拡張を受ける。テーパ出力に達する
と、光信号は空間モード61に示されるようなモードを持
ち、それはテーパ入力ビームより著しく大きく、基準点
がｙ−ｙ′であるガイド層（例えば層11）によってなお
ガイドされている。従って、テーパを横断する光信号の
空間モードは、レーザ出力のような厳しく制御されたモ
ードから、例えばファイバ結合のために優れた非常に大
きなモードへ、連続的に転移することを強いられる。
モードを比較するために有用である。第６図に示すよう
に、空間モード60を持つ光信号は、テーパ付き導波路の
入力であり、ガイド層11から21の基準点ｘ−ｘ′の間に
ほぼ閉じ込められている。信号の中心モードはテーパ動
作が良い効果を現すためにシフトされている。信号は実
尺どうりには描かれていないことに注意されたい。光信
号がテーパ付き導波路を横断する時、光信号はテーパの
周囲のクラッド領域中へ結合する増加した光パワーをも
った断熱的ビーム拡張を受ける。テーパ出力に達する
と、光信号は空間モード61に示されるようなモードを持
ち、それはテーパ入力ビームより著しく大きく、基準点
がｙ−ｙ′であるガイド層（例えば層11）によってなお
ガイドされている。従って、テーパを横断する光信号の
空間モードは、レーザ出力のような厳しく制御されたモ
ードから、例えばファイバ結合のために優れた非常に大
きなモードへ、連続的に転移することを強いられる。
モード・サイズの拡張により、テーパ付き導波路によ
る光信号出力のビーム発散を制御し抑制することが可能
になる。これはテーパ付き導波路からの大きな基本的空
間モード出力が、ほぼ平らな同位相波面をしめすことが
可能になる。ビーム発散制御は、テーパ付き導波路が、
伝搬軸に沿って測った長さ100μｍ以上に亘って約3000
オングストローム（ｘ−ｘ′）から約500オングストロ
ーム（ｙ−ｙ′）に減少するような上記導波路と同様な
導波路デバイスでの遠距離フィールドでの測定から観察
される。遠距離フィードフルの放射パターンのための半
パワー角は、垂直、水平両横断軸に対して10゜と12゜の
間に観測される。
る光信号出力のビーム発散を制御し抑制することが可能
になる。これはテーパ付き導波路からの大きな基本的空
間モード出力が、ほぼ平らな同位相波面をしめすことが
可能になる。ビーム発散制御は、テーパ付き導波路が、
伝搬軸に沿って測った長さ100μｍ以上に亘って約3000
オングストローム（ｘ−ｘ′）から約500オングストロ
ーム（ｙ−ｙ′）に減少するような上記導波路と同様な
導波路デバイスでの遠距離フィールドでの測定から観察
される。遠距離フィードフルの放射パターンのための半
パワー角は、垂直、水平両横断軸に対して10゜と12゜の
間に観測される。
典型的な実施例と適用において、テーパ付き導波路
は、テーパ付き導波路の前の共振子空洞の長さ部分に沿
った多重量子井戸の能動層構造を持つレーザ空洞内で使
われる。多重量子井戸の層構造は、ホトルミネッセンス
波長λが約1.5μｍに等しい値を持つ井戸の能動スタッ
クを含んでいる。多重量子井戸の能動スタックは、井戸
と障壁夫々の材料としてInGaAsとInGaAsP（1.3μｍ）を
用いた約800オンストロームの全体厚を持つ４つの量子
井戸からなる。能動層構造（図示せず）は、第１図のテ
ーパヘテロ構造の最上部に位置し、約200オングストロ
ームの厚さを持つInPストップ・エッチ層（同じく図示
せず）によって層21から隔離されている。能動層構造と
そのすぐ下のストップ・エッチ層は、レーザ空洞の所定
の部分に沿った受動透明導波路のヘテロ構造を残すため
に除去され、それは上記原理に従ったテーパ付き導波路
の中に変成される。ストップ・エッチ層と残存ストップ
・エッチ層は、約200オングストロームの厚さである。
ガイド層21から11は、InGaAsP（1.3μｍ）からなる。約
1025オングストロームの厚さを有するガイド層21は、能
動層スタックとその下のエッチング層（図示せず）のエ
ッチング層の端部を越えて約20μｍ伸びている。約700
オングストロームの厚さを有するガイド層19は、層21と
20のエッチング端を越えて約20μｍ伸びている。約425
オングストロームの厚さを有するガイド層17は、層19と
18のエッチング端を越えて約25μｍ伸びている。約300
オングストロームの厚さを有するガイド層15は、層17と
16のエッチング端を越えて約30μｍ伸びている。約200
オングストロームの厚さを有するガイド層13は、層15と
14のエッチング端を越えて約40μｍ伸びている。約500
オングストロームの厚さを有するガイド層11は、層13と
12のエッチング端を越えて、テーパ付き導波路デバイス
の出力ガイド層として伸びている。上記のテーパ付き導
波路は、多少非直線のテーパ輪郭を持っているが、直
線、２次曲線、対数曲線、指数関数曲線、その他望まし
い輪郭が考えられ、それはテーパ構造に含まれる各種ガ
イド層の長さ、又は厚さ、又は長さと厚さの双方を変え
ることによって達成可能である。１つのガイド層の前の
層のエッチング端からの延長は、導波路モード輪郭の正
しい連続変化を確保するため、数個の光波長より長くな
るように選ばれ、このことは当業者には明らかなことで
ある。これらの延長は、通常、数ミクロンのオーダーで
ある。
は、テーパ付き導波路の前の共振子空洞の長さ部分に沿
った多重量子井戸の能動層構造を持つレーザ空洞内で使
われる。多重量子井戸の層構造は、ホトルミネッセンス
波長λが約1.5μｍに等しい値を持つ井戸の能動スタッ
クを含んでいる。多重量子井戸の能動スタックは、井戸
と障壁夫々の材料としてInGaAsとInGaAsP（1.3μｍ）を
用いた約800オンストロームの全体厚を持つ４つの量子
井戸からなる。能動層構造（図示せず）は、第１図のテ
ーパヘテロ構造の最上部に位置し、約200オングストロ
ームの厚さを持つInPストップ・エッチ層（同じく図示
せず）によって層21から隔離されている。能動層構造と
そのすぐ下のストップ・エッチ層は、レーザ空洞の所定
の部分に沿った受動透明導波路のヘテロ構造を残すため
に除去され、それは上記原理に従ったテーパ付き導波路
の中に変成される。ストップ・エッチ層と残存ストップ
・エッチ層は、約200オングストロームの厚さである。
ガイド層21から11は、InGaAsP（1.3μｍ）からなる。約
1025オングストロームの厚さを有するガイド層21は、能
動層スタックとその下のエッチング層（図示せず）のエ
ッチング層の端部を越えて約20μｍ伸びている。約700
オングストロームの厚さを有するガイド層19は、層21と
20のエッチング端を越えて約20μｍ伸びている。約425
オングストロームの厚さを有するガイド層17は、層19と
18のエッチング端を越えて約25μｍ伸びている。約300
オングストロームの厚さを有するガイド層15は、層17と
16のエッチング端を越えて約30μｍ伸びている。約200
オングストロームの厚さを有するガイド層13は、層15と
14のエッチング端を越えて約40μｍ伸びている。約500
オングストロームの厚さを有するガイド層11は、層13と
12のエッチング端を越えて、テーパ付き導波路デバイス
の出力ガイド層として伸びている。上記のテーパ付き導
波路は、多少非直線のテーパ輪郭を持っているが、直
線、２次曲線、対数曲線、指数関数曲線、その他望まし
い輪郭が考えられ、それはテーパ構造に含まれる各種ガ
イド層の長さ、又は厚さ、又は長さと厚さの双方を変え
ることによって達成可能である。１つのガイド層の前の
層のエッチング端からの延長は、導波路モード輪郭の正
しい連続変化を確保するため、数個の光波長より長くな
るように選ばれ、このことは当業者には明らかなことで
ある。これらの延長は、通常、数ミクロンのオーダーで
ある。
追加のビーム制御又はビーム形状作りは、テーパ構造
の周囲のクラッド領域に、１つ又はそれ以上のガイド層
を有することによって達成される。そのような追加ガイ
ド層は、テーパ構造の近傍へ光パワーを入れる結果とな
り、より望ましいビーム輪郭を作ることができる。追加
ガイド層の非対称的及び対称的変位が、ビーム制御と形
状作りのために考えられる。
の周囲のクラッド領域に、１つ又はそれ以上のガイド層
を有することによって達成される。そのような追加ガイ
ド層は、テーパ構造の近傍へ光パワーを入れる結果とな
り、より望ましいビーム輪郭を作ることができる。追加
ガイド層の非対称的及び対称的変位が、ビーム制御と形
状作りのために考えられる。
テーパ付き導波路と合成されたビーム制御と形状作り
のエレメントの一実施例が、第５図に示される。挟み込
まれたガイド層とストップ・エッチ層を含むテーパ付き
導波路構造は、クラッド層51、53、54及び56を含むより
低い屈折率のクラッド領域に囲まれている。クラッド層
の中に、より高い屈折率のガイド層52と55が、テーパ導
波路からの光信号出力に対する空間モードの形を制御す
るために設けられている。
のエレメントの一実施例が、第５図に示される。挟み込
まれたガイド層とストップ・エッチ層を含むテーパ付き
導波路構造は、クラッド層51、53、54及び56を含むより
低い屈折率のクラッド領域に囲まれている。クラッド層
の中に、より高い屈折率のガイド層52と55が、テーパ導
波路からの光信号出力に対する空間モードの形を制御す
るために設けられている。
第７図は、第５図の構造に従ったビーム制御と形状作
りの効果を示している。信号の中心モードはテーパ動作
が良い効果を現すようにシフトされている。信号は実尺
どうりに描かれていないが、この分析のためには十分で
ある。この例では、追加された光信号パワーは、クラッ
ド領域内のガイド層52と55を介したビーム形状形成によ
りテーパ出力へ導かれる。テーパ出力61と比較して、テ
ーパ出力71は基準点ｚ−ｚ′間のより多くの出力パワー
を含み、図示のごとくｚ′（位置73）とｚ（位置72）に
置けるモードに或種の追加的形状を有している。
りの効果を示している。信号の中心モードはテーパ動作
が良い効果を現すようにシフトされている。信号は実尺
どうりに描かれていないが、この分析のためには十分で
ある。この例では、追加された光信号パワーは、クラッ
ド領域内のガイド層52と55を介したビーム形状形成によ
りテーパ出力へ導かれる。テーパ出力61と比較して、テ
ーパ出力71は基準点ｚ−ｚ′間のより多くの出力パワー
を含み、図示のごとくｚ′（位置73）とｚ（位置72）に
置けるモードに或種の追加的形状を有している。
上述のテーパ付き導波路構造を用いることにより多く
の効果が得られる。製法は標準的で安定したものであ
る。さらにそれは、III−Ｖ族レーザや光集積回路の製
造に用いられている現在の技術と両立し得るものであ
る。結果的に、本導波路は光デバイスと集積可能であ
り、大量生産に適している。大きなテーパ光出力によっ
て、きわどい配列工程が減少し、それによってテーパ付
き導波路デバイスは大きな収容裕度が可能となる。テー
パの設計は、通常、ガイド層から隣接のガイド層へイン
タフェイスする各ステップの損失が等しくなるように行
われる。
の効果が得られる。製法は標準的で安定したものであ
る。さらにそれは、III−Ｖ族レーザや光集積回路の製
造に用いられている現在の技術と両立し得るものであ
る。結果的に、本導波路は光デバイスと集積可能であ
り、大量生産に適している。大きなテーパ光出力によっ
て、きわどい配列工程が減少し、それによってテーパ付
き導波路デバイスは大きな収容裕度が可能となる。テー
パの設計は、通常、ガイド層から隣接のガイド層へイン
タフェイスする各ステップの損失が等しくなるように行
われる。
第１図乃至第４図は、本発明によるテーパ付き半導体導
波路の各製造ステップを示す断面図、 第５図は、ビーム形状作りの要素を含む本発明の典型的
なテーパ付き半導体導波路の断面図、 第６図と第７図は、第４図と第５図に示された、テーパ
付き半導体導波路からの典型的な光学波信号の入力と出
力を示す図である。
波路の各製造ステップを示す断面図、 第５図は、ビーム形状作りの要素を含む本発明の典型的
なテーパ付き半導体導波路の断面図、 第６図と第７図は、第４図と第５図に示された、テーパ
付き半導体導波路からの典型的な光学波信号の入力と出
力を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユジール コーレン アメリカ合衆国，07704 ニュージャー ジィ フエア ヘブン，フォレスト ア ベニュー 26 (56)参考文献 特開 昭60−6906（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−189654（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−121006（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−7667（ＪＰ，Ａ)
Claims (9)
- 【請求項１】ガイド層とストップ・エッチ層を交互に積
み重ねてなる多層半導体へテロ構造体に、エッチングに
より光信号の伝搬軸を有するテーパ付き半導体導波路を
形成する方法において、 第１の材料選択的化学腐食液を、所定の露出されたガイ
ド層部分の表面に、対応する所定のストップ・エッチ層
部分を露出させるのに十分な時間、接触させる第１接触
ステップと、 第２の材料選択的化学腐食液を、所定の露出されたスト
ップ・エッチ層部分の表面に、その下側にある対応する
所定のガイド層部分を露出させるのに十分な時間、接触
させる第２接触ステップと を有し、 前記第１接触ステップと第２接触ステップを１組の繰返
しステップとして複数回繰返し、 前記複数回の繰返しステップを、所定の繰返しステップ
による露出部分が、その前の繰返しステップによる露出
部分より長く、かつ少なくとも前記その前の繰返しステ
ップによる露出部分を含むようにして行い、階段状のテ
ーパ付き半導体導波路を形成する、 ことを特徴とするテーパ付き半導体導波路を形成する方
法。 - 【請求項２】各ガイド層を、前記多層半導体へテロ構造
体の所定の軸に沿って、その上部に隣接する複数のガイ
ド層より十分遠くに伸ばし、直線、放物線、及び指数関
数曲線の輪郭のグループの中から選ばれた階段状輪郭を
形成することを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】光信号の伝搬軸を有するテーパ付き半導体
導波路において、 第１半導体材料を含む複数のガイド層と、第２半導体材
料を含む複数のストップ・エッチ層とを有し、 前記ストップ・エッチ層は、前記ガイド層と交互に積み
重ねられて多層半導体へテロ構造体を構成し、 各ガイド層の前記伝搬軸方向の長さは、多層半導体へテ
ロ構造体の積層方向に階段状に長くなる ことを特徴とするテーパ付き半導体導波路。 - 【請求項４】前記複数のガイド層とストップ・エッチ層
の外表面をほぼ囲むクラッド領域を有し、前記クラッド
領域は第３半導体材料からなり、前記第１半導体材料は
第３半導体材料より大きい屈折率を有することを特徴と
する請求項３記載の導波路。 - 【請求項５】前記複数の各ガイド層は、伝搬軸に沿っ
て、その上部に隣接する複数のガイド層より十分遠くに
伸ばされ、直線、放物線、及び指数関数曲線の輪郭のグ
ループ中から選ばれた階段状輪郭を示していることを特
徴とする請求項４記載の導波路。 - 【請求項６】光信号の伝搬軸を有するテーパ付き半導体
導波路において、 第１半導体材料を含む複数のガイド層と、第２半導体材
料を含む複数ストップ・エッチ層と、前記複数のガイド
層およびストップ・エッチ層の外表面を囲むクラッド領
域とを有し、 前記ストップ・エッチ層は、前記ガイド層と交互に積み
重ねられて多層半導体へテロ構造体を構成し、 各ガイド層の前記伝搬軸方向の長さは、多層半導体へテ
ロ構造体の積層方向に階段状に長くなり、 前記クラッド領域は、第３半導体材料からなり、 前記第１半導体材料は、前記第３半導体材料の屈折率よ
りも大きい屈折率を有し、 前記クラッド領域は更に、前記テーパ付き半導体導波路
に沿って伝搬する光学波信号の所定の特性を制御する手
段を有する ことを特徴とするテーパ付き半導体導波路。 - 【請求項７】前記制御手段は、前記第３半導体材料の前
記屈折率よりも大きい屈折率を有する第４半導体材料を
含む第１ビーム制御層を少なくとも有し、前記第１ビー
ム制御層は前記複数のガイド層と平行に配置されている
ことを特徴とする請求項６記載の導波路。 - 【請求項８】前記制御手段は、前記第３半導体材料の前
記屈折率よりも大きい屈折率を有する第５半導体材料を
含む第２ビーム制御層を有し、 この第２ビーム制御層は、前記複数のガイド層と平行に
配置され、かつ前記第１ビーム制御層に対し前記複数の
ガイド層の反対側に配置されることを特徴とする請求項
６記載の導波路。 - 【請求項９】前記複数の各ガイド層は、伝搬軸に沿っ
て、その上部に隣接する複数のガイド層より十分遠くに
伸ばされ、直線、放物線、及び指数関数曲線の輪郭のグ
ループ中から選ばれた階段状輪郭を示していることを特
徴とする請求項６記載の導波路。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US389074 | 1989-08-03 | ||
| US07/389,074 US4944838A (en) | 1989-08-03 | 1989-08-03 | Method of making tapered semiconductor waveguides |
| US389087 | 1989-08-03 | ||
| US07/389,087 US4932032A (en) | 1989-08-03 | 1989-08-03 | Tapered semiconductor waveguides |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0369904A JPH0369904A (ja) | 1991-03-26 |
| JP2634687B2 true JP2634687B2 (ja) | 1997-07-30 |
Family
ID=27012543
Family Applications (1)
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