JP3037869B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層構造により光を導く
光導波路素子に関する。特に、光導波路素子の構造に関
する。本発明は、半導体レーザおよびその周辺光回路の
導波路として利用するに適する。

【０００２】

【従来の技術】光導波路素子は、従来から種々の構造が
提案され、製造されている。半導体レーザに使用される
ものとしては、リブ型光導波路素子がよく知られてい
る。

【０００３】リブ型光導波路素子は、光を伝搬する能動
光導波層（半導体レーザでは活性層）に隣接して受動光
導波層を設け、この受動光導波層の一部をエッチング
し、この厚さの差により能動光導波層を含む層構造の実
効的な屈折率に差をもたせるものである。したがって、
能動光導波層を含む層構造内の屈折率差は、受動光導波
層の厚さ、すなわちエッチング量で決定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、横モード単一
性を得るには、屈折率差Δｎを１０^-2〜１０^-3、導波路
幅Ｗを２〜４μｍとすることが一般的であり、このため
には、受動光導波層のエッチング量を２０〜３０ｎｍ程
度にしなければならない。このため、エッチング量の制
御が難しく、面内での均一性を得ることも困難であっ
た。

【０００５】本発明は、以上の課題を解決し、屈折率差
を再現性および制御性よく設定できる構造の光導波路素
子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光導波路素子
は、隣接する層と屈折率が異なりその層に沿った光導波
路構造（縦方向の光導波路構造）を実効的に設定する第
一の層と、この第一の層を含む層構造内における実効的
な屈折率の分布を設定して第一の層を含む層構造内に光
の伝搬路（横方向の光導波路構造）を定義する第二の層
とを備えた光導波路素子において、第一の層と第二の層
との間にこれらの層のいずれよりも屈折率の低い材料で
形成された第三の層を備え、第二の層は光の伝搬路に沿
って側部が第三の層に達するまで切断された形状であ
り、この第二の層が第三の層と等しい屈折率の材料によ
り埋め込まれたことを特徴とする。

【０００７】以下の説明では、第一の層を能動光導波層
または活性層（半導体レーザの場合）、第二の層を受動
光導波層またはガイド層、第三の層をブロック層とい
う。

【０００８】

【作用】能動光導波層を含む層構造内の屈折率差は受動
光導波層の厚さの差により決定されるが、受動光導波層
を導波路パターンに沿った部分だけ残した構造とする
と、受動光導波層の厚さがそのまま受動光導波層の厚さ
の差となる。

【０００９】この場合、受動光導波層を貫通するエッチ
ングを行うため、受動光導波層の下地の層もエッチング
されることになる。このため、従来のように能動光導波
層上に直接に受動光導波層を成長させてその層をエッチ
ングすると、すべてエッチングされる領域では、能動光
導波層もエッチングされてしまうことになる。この領域
は光の伝搬路に対して周縁領域ではあるが、特性劣化の
原因となる。そこで、能動光導波層と受動光導波層との
間にブロック層を設けておく。ブロック層に対するエッ
チング量はそのときの条件によって異なるが、エッチン
グ後に屈折率の等しい材料で埋め込めばその影響はな
い。したがって、エッチング条件の設定はそれほど厳密
でなくてもよい。

【００１０】このようにして、受動光導波層とブロック
層とのそれぞれの膜厚および屈折率（組成）を制御すれ
ば、能動光導波層を含む層構造内の屈折率差を再現性よ
く設定できる。

【００１１】縦方向および横方向の双方が周囲と屈折率
の異なる光ガイドを埋め込んだ構造も従来から知られて
いる。これは、上述した能動光導波層を横方向に切断し
て埋め込んだ構造に相当する。しかし、このような構造
は半導体レーザおよびその周辺光回路の導波路に適する
ものではない。本発明の光導波路素子は、実際に光が伝
搬する能動光導波層とは別に受動光導波層を設け、この
受動光導波層を埋め込んだ構造をもつ。このような構造
は、能動光導波層に対してエッチングなどの処理が行わ
れないので、半導体レーザおよびその周辺光回路の導波
路に適している。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の第一実施例を示す斜視図であ
り、一部を切り欠いて示す。

【００１３】この実施例は、本発明を半導体レーザで実
施したものであり、隣接する層と屈折率が異なりその層
に沿った光導波路構造を実効的に設定する第一の層とし
て活性層４を備え、この活性層４を含む層構造内におけ
る実効的な屈折率の分布を設定してこの層構造内に光の
伝搬路を定義する第二の層としてガイド層６を備える。
さらに詳しく説明すると、基板１上にはバッファ層２、
クラッド層３、活性層４、ブロック層５、ガイド層６、
クラッド層７、キャップ層８、ＳｉＯ₂ 絶縁層９、Ｃｒ
／Ａｕ電極１０が積層され、基板１の裏面にはＡｕＧｅ
／Ａｕ電極１１が設けられる。

【００１４】この実施例における活性層４は量子井戸構
造をもち、量子井戸層４２と、これを挟み込むＧＲＩＮ
（グレーディドインデクス）層４１、４３とを含む。

【００１５】ガイド層６は、活性層４を含む層構造内に
おける実効的な屈折率の分布を設定して光の伝搬路すな
わち光導波路部４４を定義する層であり、この光導波路
部４４に沿って切断された形状、すなわち光導波路部４
４の周辺に対応する部分が除去された形状をもつ。

【００１６】ブロック層５とクラッド層７とは屈折率の
等しい材料で形成され、この二つの層でガイド層６を埋
め込む。ブロック層５、クラッド層７の屈折率として
は、ガイド層６より屈折率の低いものを選ぶ。

【００１７】クラッド層７およびキャップ層８には、ガ
イド層６が除去された部分に対応して溝が設けられる。
この溝とキャップ層８とは、導波路パターンに対応する
部分を除いて、ＳｉＯ₂ 絶縁層９により覆われる。した
がって、電極１０から供給された電流は、導波路パター
ンを定義しているガイド層６を通過して活性層４に注入
される。

【００１８】ブロック層５、ガイド層６およびクラッド
層７の組成および膜厚として、例えば、 ブロック層５：Ａｌ_0.6 Ｇａ_0.4 Ａｓ、１００ｎｍ ガイド層６ ：Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ、５０ｎｍ クラッド層７：Ａｌ_0.6 Ｇａ_0.4 Ａｓ、− とすれば、活性層４を含む層構造内に、屈折率差Δｎ＝
０．００５の光導波路部４４が得られる。

【００１９】図２はこの素子の製造方法を示し、（ａ）
は１回目成長工程、（ｂ）はパターン形成工程、（ｃ）
はエッチングおよびレジスト除去工程、（ｄ）は２回目
成長工程、（ｅ）は電極形成工程をそれぞれ示す。

【００２０】まず、１回目成長工程により、基板１上に
バッファ層２、クラッド層３、活性層４、ブロック層５
およびガイド層６を結晶成長させる。ブロック層５とガ
イド層６とについては、膜厚を特に正確に制御してお
く。

【００２１】続いて、パターン形成工程を実行する。こ
の工程では、ガイド層６の表面にレジストを塗布し、活
性層４を含む層構造内に形成しようとする導波路パター
ンにしたがって、パターン露光および現像を行う。これ
により、レジストマスク１２が形成される。

【００２２】エッチングおよびレジスト除去工程では、
レジストマスク１２を用いて、ブロック層５に達するま
でガイド層６をエッチングする。これにより、ガイド層
６が光導波路部４４に沿って切断された形状となる。

【００２３】２回目成長工程では、エッチングされたガ
イド層６上に、クラッド層７およびキャップ層８を再成
長させる。クラッド層７としては、ブロック層５と同じ
屈折率（組成）のものを用いる。これによりガイド層６
が埋め込まれ、このガイド層６の有無により活性層４に
実効的な屈折率差が生じる。この屈折率差により、活性
層４を含む層構造内に光導波路部４４が定義される。

【００２４】この後に、電極形成工程として、キャップ
層８およびクラッド層７のエッチング、ＳｉＯ絶縁層９
の形成およびエッチング、および電極１０の形成を行
い、基板１の裏面には電極１１を設ける。

【００２５】図３は本発明第二実施例を示す斜視図であ
り、図１と同様に一部を切り欠いて示す。この実施例も
また本発明を半導体レーザで実施したものであり、ガイ
ド層６に回折格子６１を設けたことが第一実施例と異な
る。

【００２６】図４は第二実施例の構造にしたがって試作
した素子の発振特性を示す。

【００２７】この素子におけるブロック層５、ガイド層
６、クラッド層７の組成および膜厚は、第一実施例の説
明で例示した値を用いた。共振器長は３５０μｍであ
る。また、ガイド層６（膜厚５０ｎｍ）のエッチング条
件は、 エッチャント：硫酸過水系 ４：Ｈ₂ ＳＯ₄ ＋１：Ｈ₂
Ｏ₂ ＋９０：Ｈ₂ Ｏ 温度 ： ５℃ エッチング速度：３０ｎｍ／ｍｉｎ エッチング時間：２分 とした。

【００２８】試作した素子のしきい値電流の分布は表１
のとおりであった。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波路
素子は、結晶成長時における受動光導波層およびブロッ
ク層の膜厚制御により屈折率を制御できるので、均一な
屈折率差をもった光導波路構造を再現性よく製造できる
効果がある。

【００３１】また、受動光導波層の厚さをエッチングに
より設定する必要がなく、エッチングで受動光導波層を
完全に除去すればよいので、エッチングの許容誤差が大
きく製造工程が簡単になる効果がある。

【００３２】さらに、本発明の構造を半導体レーザに利
用する場合には、活性層と再成長界面とが離れているの
で、素子特性を改善できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す斜視図であり、その
一部を切り欠いて示す図。

【図２】製造方法を示す図。

【図３】本発明の第二実施例を示す斜視図であり、その
一部を切り欠いて示す図。

【図４】第二実施例の構造にしたがって試作した素子の
発振特性を示す図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ バッファ層 ３ クラッド層 ４ 活性層 ５ ブロック層 ６ ガイド層 ７ クラッド層 ８ キャップ層 ９ ＳｉＯ₂ 絶縁層 １０、１１ 電極 １２ レジストマスク ４１、４３ ＧＲＩＮ層 ４２ 量子井戸層 ４４ 光導波路部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細松 春夫 東京都武蔵野市中町二丁目11番13号 光 計測技術開発株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−60404（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−36046（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 H01S 5/343

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 隣接する層と屈折率が異なりその層に沿
   った光導波路構造を実効的に設定する第一の層と、 この第一の層を含む層構造内における実効的な屈折率の
   分布を設定して前記第一の層を含む層構造内に光の伝搬
   路を定義する第二の層とを備えた光導波路素子におい
   て、前記第一の層と前記第二の層との間にこれらの層のいず
   れよりも屈折率の低い材料で形成された第三の層を備
   え、 前記第二の層は前記光の伝搬路に沿って側部が前記第三
   の層に達するまで切断された形状であり、 この第二の層が前記第三の層と等しい屈折率の材料によ
   り埋め込まれたことを特徴とする光導波路素子。
2. 【請求項２】 前記第一の層はレーザ発振のための活性
   層である請求項１記載の光導波路素子。