JP3178565B2

JP3178565B2 - 半導体光デバイス

Info

Publication number: JP3178565B2
Application number: JP16298093A
Authority: JP
Inventors: 和生笠谷; 修三冨; 充永沼
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 2001-06-18
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: JPH0774396A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体光機能素子と光
ファイバを代表とする異種材料による光導波路間を低損
失で接続する光結合デバイスを集積した半導体光デバイ
スに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザダイオード（ＬＤ）と単一
モードファイバとの間を光結合させる場合、ＬＤ素子端
面とファイバを直接突合せ結合（バットジョイント）さ
せると、互いの光導波路光波スポットサイズが異なって
いるために、結合損失が生じる。通常、ＬＤの光波スポ
ットサイズ（モード半径：Ｗ）は１μｍ程度であり、フ
ァイバのスポットサイズは約５μｍであるので、この結
合損失は約１０ｄＢになる。そこで、レンズによってス
ポットサイズを変換することによって結合損失を低減化
する方法が一般にとられる。複数のレーザダイオード
（ＬＤ）を集積した半導体光機能素子をアレイファイバ
に光結合させる場合でも同様に１個のレンズで光結合さ
せる方法がとられてきた。従来の構成例を図１７に示
す。図１７において、１０１は半導体基板、１０２はＬ
Ｄの活性領域（光導波路部）、１０７はレンズ、１０８
はファイバ、１０９はファイバを一定間隔で固定するた
めのＶグルーブアレイである。このような構成において
は、ＬＤの集積規模が大きくなるに従って、レンズの収
差等の影響により結合損失が大きくなるために、１個の
半導体基板に集積できるＬＤの個数に制限があった。

【０００３】この問題点を解決するため図１８に示すよ
うな、テーパ状の光導波路により光のスポットサイズを
変換する光結合デバイスをアレイ状に集積したものを、
レンズの代わりとして用いることにより、半導体光機能
素子とアレイファイバ間の低損失に光結合させる方法が
ある。図１８（Ａ）は、従来の光結合デバイスの上面
図、（Ｂ）は断面図である。図１９は、図１８の光結合
デバイスの動作原理を説明するための線図である。図１
９には、光導波路のクラッド層２０１と導波路コア２０
２の屈折率差Δｎ〔＝（ｎ２ −ｎ１）／ｎ１、ｎ１
，ｎ２：クラッド層２０１，導波路コア層２０２の屈
折率〕を一定の大きさに固定した場合における導波光の
スポットサイズＷの変化を示している。導波路コア２０
２の厚さｔ，幅ｗを０から次第に大きくしていくと、導
波光（基本モード光）のスポットサイズＷは、無限の大
きさから次第に小さくなり、極小値をとった後、再び大
きくなる関係がある。ここで、ｔ，ｗが大きくなり過ぎ
ると多モード導波路になり、高次モード変換による損失
が大きくなるために、通常、この領域の寸法は用いられ
ない。この関係を利用して、光結合デバイスの導波路コ
ア２０２の大きさｔ，ｗの設計においては、光入射端側
（ＬＤとの結合側）では、ＬＤ光のスポットサイズ（約
１μｍ）と同程度のスポットサイズＷｉを与える寸法
ｗｉ，ｔｉ（＝数１００ｎｍ〜数μｍ）に、光出射端
側では、ファイバのスポットサイズ（約５μｍ）と同程
度の大きさＷ０を与える寸法ｔ０，ｗ０（＝数１０
〜数１００ｎｍ）に設定される（具体的設計例について
は、例えば１９９２信学秋季全大、Ｃ−２０１、１９９
２を参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１９
における導波路コア２０２の寸法、ｔ₀ ，ｗ₀ は非常に
小さく製作しなくてはならず、後に詳述するごとく製作
精度が厳しい、また、従来の結合デバイスはその導波路
構造において導波路コア上部に非常に厚いクラッド層が
必要であり、通常の半導体デバイスとモノリシック集積
する際に問題となっている。また、半導体材料では使用
する光の波長によって屈折率が変化するため、２つの波
長の光を使用する場合などには最適構造がそれぞれ異な
るなどの問題を有している。

【０００５】本発明の課題は、異なる２つの光機能素
子、特に複数のデバイスを集積化した半導体光機能素子
と光ファイバ間を低損失で光結合することができる小形
で製作が容易なテーパ導波路を提供するとともに、この
テーパ導波路と半導体光機能素子を集積した半導体光デ
バイスを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、半導体基板上に形成され、コア層の幅または厚さの
少なくとも一方を光伝搬方向に沿って徐々に変化させた
埋め込み型のテーパ導波路であって、少なくとも１層か
らなるコア層とメサ状に加工したクラッド層から構成さ
れ、前記コア層は前記クラッド層に囲まれ、前記クラッ
ド層は前記半導体基板材料に比べ高い屈折率を持ち、前
記半導体層に接していることを特徴とする。

【０００７】請求項２に記載の発明は、クラッド層の一
部として不純物添加を行ったｐ型あるいはｎ型、半絶縁
型のうち少なくとも２種類の伝導型の層を組み合わせた
層を用いることを特徴とする。

【０００８】請求項３に記載の発明は、屈折率の異なる
複数の層から構成されるクラッド層を用いることを特徴
とする。

【０００９】請求項４に記載の発明は、半導体基板上に
形成され、半導体基板（４０１）（屈折率ｎ１）、該半
導体基板に接するバッファ層（４０３）（屈折率ｎ
３）、該バッファ層に接する導波路コア層を形成するガ
イド層（４０２）（屈折率ｎ２）、該バッファ層および
該ガイド層に接する第１の導電形（または半絶縁性）の
第１のクラッド層（４０４）（屈折率ｎ４）、該第１の
クラッド層に接する第２の導電形の第２のクラッド層
（４０５）（屈折率ｎ５）、および該ガイド層および該
第２のクラッド層（４０６）（屈折率ｎ６）を有し、そ
れぞれの層の屈折率がｎ１＜ｎ３≦ｎ５≦ｎ４≦ｎ６＜
ｎ２の関係となるように、不純物濃度を調整する半導体
光機能素子と、幅または厚さの少なくとも一方を光伝送
方向に沿って徐々に変化させた埋め込み型のテーパ導波
路とからなる半導体光デバイスにおいて、該テーパ導波
路は、該バッファ層に接し、該導波路コア層と同一のも
のであって少なくとも１層からなるコア層と、集積する
半導体光機能素子のクラッドと同一のものをメサ状に加
工したクラッド層とから構成されることを特徴とする。

【００１０】請求項５に記載の発明は、前記半導体光機
能素子の活性層またはその一部をテーパ導波路部のコア
層として用いることを特徴とする。

【００１１】請求項６に記載の発明は、前記テーパ導波
路部と前記半導体光機能素子との接続部において、コア
層の一部がリブ型に加工されていることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明によるテーパ導波路は、テーパ状に加工
された少なくとも１層からなるコア層とメサ状に加工さ
れ、基板材料に比べ高い屈折率を持つクラッド層によっ
て導波路構造を構成することを最も主要な特長とする。
また前記テーパ導波路と半導体光機能素子とモノリシッ
クに集積するにあたってはテーパ導波路のコア層および
クラッド層として同一基板に集積する半導体光機能素子
のコア層およびクラッド層と同一の層それぞれを用いて
いる。この構造によって小型で製作精度が緩く、１．３
μｍ，１．５５μｍ帯等の２つの波長帯において使用で
きる他の光デバイスと接続が容易な半導体光デバイスと
なる。

【００１３】従来技術では、スポットサイズをコア層の
サイズｗ，ｔのみで制御していた。そのためコア層の最
適サイズｗ_i ，ｔ_i より小さいコアサイズではスポット
サイズが広がりすぎてファイバとの結合効率が低下して
いた。それに対し本発明では、コア層のサイズに加え、
メサ状に加工したクラッドの幅Ｗと高さＨによってスポ
ットサイズを制御するところが従来と異なる。そのため
本発明を用いれば、メサ状に加工したクラッドと空気と
の屈折率差、およびクラッドと基板材料との屈折率差に
よりスポットサイズの広がりが抑制され、ファイバとの
結合効率の低下が避けられる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１５】（実施例１）図１（Ａ）は本発明による半
導体光デバイスのテーパ導波路部分の素子構造を示す斜
視図、図２（Ａ）同構造におけるファイバ側断面、およ
び図２（Ｂ）は半導体光機能素子側断面図である。図１
を用いて本発明による半導体光デバイスの構造的特徴お
よび動作原理を説明する。図１において３０１はｎ型の
半導体基板、３０２は導波路コア層、３０３はｐ型（も
しくは半絶縁型）のクラッド層、３０４，３０９はｎ型
のクラッド層、３０５はｐ型のクラッド層、３０６は入
射光、３０７は出射光である。導波路コア層３０２はテ
ーパ領域において半導体光機能素子方向からファイバ側
に向けて横幅または横幅および厚さを徐々に狭く（薄
く）したテーパ構造を持つ。また、３０３，３０４，３
０５，３０９のクラッド層は基板材料に比べ高い屈折率
を持つように不純物添加量を調整する。たとえば、不純
物添加量による屈折率の変化はプラズマ効果による影響
が最も顕著であり、ｐ形よりもｎ形の半導体で変化量が
大きい。今、ｎ型のＩｎＰ基板の不純物濃度を３×１０
¹⁸ｃｍ^-3とすると１．５５μｍ波長の光においてプラズ
マ効果により屈折率は３．１５４になる。この値は真性
のＩｎＰが３．１６６であるから０．０１２低屈折率化
したことになる。このように不純物濃度によって屈折率
を低下させることができるため、３０４，３０９のｎ形
のクラッド層には７×１０¹⁷ｃｍ^-3程度の不純物添加を
行い基板に比べて高い屈折率を持つようにすることがで
きる。また、ｐ形のクラッド層は、ｎ形に比べ屈折率変
化量が小さいため、１−２×１０¹⁸ｃｍ^-3の添加をして
も基板面よりも十分高い屈折率を持つようになる。

【００１６】また３０３および３０４のクラッド層は、
半導体基板に比べて高い屈折率を持つ数種類の層により
構成される多層構造であってもよい。また、この３０
３，３０４，３０５，３０９のクラッド層は幅Ｗ，高さ
Ｈのメサ構造に加工する。このメサ構造の幅Ｗ，高さＨ
と導波路コア層３０２の幅ｗもしくは幅ｗおよび厚さｔ
とを、結合するシングルモードファイバとモードサイズ
が整合するように、Ｗ，Ｈ，ｗ，ｔを設定する。ただ
し、図１，図２に示す本実施例の半導体光デバイスのテ
ーパ導波路部分では入射側のコア幅ｗ_i ＝１．２μｍ、
出射側コア幅＝０．４μｍに対してコア厚は入射側，出
射側ともに等しく不変である（ｔ_i ＝ｔ₀ ）。このと
き、導波路コア層３０２の上部に形成できるクラッド層
の厚さが４−６μｍと有限であるとすれば、Ｈの値は１
０μｍ程度とすることができる。Ｈ＝１０μｍのときの
ファイバへの結合効率とメサの幅Ｗの関連を理論的に計
算すると図３のようになる。図３よりＨ＝１０μｍの条
件下でＷは、ファイバへの結合損を１ｄＢ以下に保つた
め、６μｍ以上３０μｍ以下に限定できる。また、クラ
ッド層３０５またはクラッド層３０３，３０４およびク
ラッド層３０５は形成時に選択成長法（佐々木達也他、
９２応用物理春期全大３０ａＺＢ／Ｉ）によって成長
膜厚を調整し、半導体光機能素子側からファイバ側に向
けて滑らかに膜厚を厚くする（選択成長法については後
に詳述する）。

【００１７】以下、本発明の原理および効果について説
明する。

【００１８】図４は従来構造の横断面構造，上面図（透
視図）および伝搬する光のモード形状、図５は本発明に
よる横断面構造，上面図（透視図）および伝搬する光の
モード形状である。図４，図５から本発明と従来技術の
差異が理解できる。図６，図７に本発明の効果を従来技
術の効果と比べて示す。図１８に示す従来の光結合デバ
イスにおいて、その導波路コア層２０２の厚さｔを一定
（ｔ＝０．３４ｎｍ、ただしコア屈折率は３．３０を用
い、１．５５μｍ波長の光を使用することを前提に概算
した）とし、コア幅ｗを小さくした場合、コア幅ｗとシ
ングルモードファイバへの結合損失の関係は、図６に実
線６１で示すように、導波路コア層２０２の幅ｗが小さ
くなる程低下し、最適値ｗ_i （ｗ＝０．４μｍ付近）で
最小となり再び増加する。本発明ではモードサイズをコ
アのサイズ（幅ｗ，厚みｔ）のみによって制御するので
はなく、コア３０２の形状とともに基板材料に比べ高い
屈折率を持つメサ状のクラッド層３０３，３０４，３０
５，３０９を用いることによって、基板３０１面への放
射を抑え、モードサイズを制御している。図４，図５に
コア幅ｗが最適値ｗ_i （図６では０．４μｍ付近）より
も狭い領域（ｗ＝０からｗ＝ｗ_i の領域）における導波
光のモード形状を示す。これらの図において３０１は基
板材料（屈折率ｎ₁ ）、３０２は導波路コア層（屈折率
ｎ₂ ）、３０８は基板材料と同じ屈折率を持つクラッド
層（屈折率ｎ₇ ）、３０３，３０４，３０５，３０９は
本発明によるｐ型，ｎ型のクラッド層（屈折率はそれぞ
れｎ₃，ｎ₄ ，ｎ₅ ，ｎ₆ ）であり、それらの屈折率に
はｎ₁ ＝ｎ₇ ＜ｎ₆ ≦ｎ₄ ≦ｎ₅ ≦ｎ₃ ＜ｎ₂ の関係が
ある。従来方法では、ファイバ結合部において導波路コ
ア３０２の幅を最適値より狭くするとモード形状が平面
状に広がり過ぎるのに比べ、図５に示すように本発明に
よる構造では、縦方向を基板に比べて高い屈折率を持つ
クラッド層３０３，３０４，３０５，３０９によって、
横方向を同じく層３０３，３０４，３０５，３０９をメ
サ加工することで光の広がりを抑制することができる。
図６における破線６２は本発明による効果を示すもので
あり、本発明による構造を用いることによって従来構造
における最適幅ｗ_i よりも狭い幅領域においても低損失
結合が維持できることがわかる。このため、実際の素子
製作での製作精度を緩和し、製作を容易することができ
る。また、図７に異なる２つの波長の光（例えば、１．
３μｍと１．５５μｍ）を本構造に用いた場合のシング
ルモードファイバへの結合損失を概算した結果を示す。
実線７１，７２は従来構造の場合の１．３０μｍ光、
１．５５μｍ光に対応し、破線７３，７４は本発明によ
る構造を用いた場合の１．３μｍ光、１．５５μｍ光に
対応する。導波路コアの幅を従来構造における１．３μ
ｍの光を使用した場合の最適コア幅以下に設定すること
で従来構造では難しかった波長１．３μｍ，１．５５μ
ｍの２つの波長帯において、ファイバへの低損失結合が
できる。また、他の異なる波長の光を用いる場合でも、
従来構造における短い波長の光での最適コア幅ｗ_i 以下
に設定することによって各光において低損失結合が可能
となる。

【００１９】また、図８，図９にテーパ領域長とテーパ
領域での放射損の関係を示し、それぞれ導波路を縦方
向，横方向に見た場合の従来構造と本発明による構造と
を比較している。図８（縦方向），図９（横方向）にお
いて従来構造のクラッド層は上下左右に無限に広がる場
合を表している。本発明の構造ではテーパ状の導波路コ
ア層の周りを基板よりも屈折率の高いメサ状のクラッド
層で囲まれ、さらにその外側をクラッド層より屈折率の
低い基板と空気で囲まれている。この図８，図９におい
て、クラッドの屈折率ｎ₂ は３．１６６、導波路コアの
屈折率ｎ₁ は３．３０６であり、従来構造の規格化散乱
パワーは実線８１，９１、本発明による規格化散乱パワ
ーは２点鎖線８２，９２で示す。この時、本発明による
導波路構造の導波路コア層上部のクラッド厚ｄ_c は５μ
ｍ、メサ加工したクラッドの幅２ｄ_c は１０μｍとし
た。これらの図から、本発明による半導体基板よりも高
い屈折率をもつメサ加工されたクラッド層とテーパ導波
路との組み合わせによって、テーパ長さが短い領域でも
低散乱を維持することができ、従来構造に比べテーパ領
域の長さを短小化できることがわかる。

【００２０】（実施例２）図１０は、本発明による半導
体光デバイスの実施例を示すものであり、同一基板上に
半導体光機能素子としてＤＢＲ型レーザダイオードを集
積した半導体光デバイスである。

【００２１】図１０中、４０１はｎ形のＩｎＰ基板（屈
折率ｎ₁ ）、４０２は導波路コア層を形成するバンドギ
ャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰガイド層（屈
折率ｎ₂ ）、４０３（屈折率ｎ₃ ）はｎ形ＩｎＰバッフ
ァ層、４０４（屈折率ｎ₄ ），４０５（屈折率ｎ₅ ）は
それぞれｐ形（または半絶縁性となる不純物、例えば
鉄）とｎ形の不純物を添加したクラッド層、４０６（屈
折率ｎ₆ ）はｐ形のＩｎＰクラッド層である。それぞれ
の層の屈折率がｎ₁ ＜ｎ₃ ≦ｎ₅ ≦ｎ₄ ≦ｎ₆ ＜ｎ₂ の
関係となるように、不純物濃度を調整することにより屈
折率を調整する。４０７はＤＢＲレーザ用の電極、４０
８はＤＢＲ型レーザのブラッグミラーを構成するために
回折格子を作り付けた領域であり、導波路コア層４０２
と同一層に形成する。４０８ａは回折格子である。４０
９はＤＢＲレーザの活性層領域である。テーパ導波路領
域４１０のクラッド層４０６はこの領域のみ選択成長に
よって成長膜厚が厚くなるようにする。

【００２２】本実施例では導波路コア層の厚さは一定で
ある。

【００２３】以下、素子製作法について説明する。図１
１，図１２に製作工程を示す。

【００２４】（１）図１１（Ａ）に示すように、ＭＯＶ
ＰＥ（有機金属気相成長法）によりｎ形ＩｎＰ基板４０
１に順次ｎ形ＩｎＰバッファ層４０３、バンドギャップ
波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を０．１μｍ、バン
ドギャップ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層（また
ＭＱＷ層）を０．１μｍ、バンドギャップ波長１．３μ
ｍのＩｎＧａＡｓＰ層を０．１μｍ形成した層およびｐ
形ＩｎＰサブクラッド層４１２を成長する。バンドギャ
ップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層、バンドギャッ
プ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層（またはＭＱＷ
層）およびバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡ
ｓＰ層は活性層４１１をなす。以下成長層の形成は全て
ＭＯＶＰＥ法による。

【００２５】（２）図１１（Ｂ）に示すように、レーザ
の活性層領域となる部分に幅３０μｍ、長さ３００μｍ
のＳｉＯ₂ （二酸化硅素）膜４１３をスパッタ法とフォ
トリソグラフィ技術により形成し、この膜をマスクにウ
ェットまたはドライエッチング技術によりｎ形ＩｎＰバ
ッファ層４０３の上面まで、４１１，４１２の２層をエ
ッチングする。

【００２６】（３）図１１（Ｃ）に示すように、ＳｉＯ
₂ （二酸化硅素）膜４１３を選択成長マスクとし導波路
コア層４０２（バンドギャップ１．１５μｍのＩｎＧａ
ＡｓＰ層）と不純物添加しないＩｎＰ層４１４を選択成
長する。

【００２７】（４）図１１（Ｄ）に示すように、回折格
子を形成する領域の不純物添加しないＩｎＰ層４１４を
ウェットエッチング（塩酸，りん酸の混合液）により除
去する。

【００２８】（５）図１１（Ｅ）に示すように、干渉露
光法（古くからＤＦＢレーザなど回折格子製作に使用さ
れてきた技術）または電子ビーム露光（電子ビーム走査
装置により直接基板面に塗布したレジストを露光するこ
と）により回折格子パターンを形成し、ウェットエッチ
またはアルゴンイオンビームなどのドライエッチングに
より回折格子を形成する。

【００２９】（６）図１１（Ｆ）に示すように、ＳｉＯ
₂ 膜４１３を除去し、回折格子を保護するため試料全面
にｐ形ＩｎＰサブクラッド層４１５をＭＯＶＰＥにより
成長する。

【００３０】（７）図１２（Ａ）に示すように、全面に
再びＳｉＯ₂ （二酸化硅素）膜４１６を形成する。

【００３１】（８）図１２（Ｂ）に示すように、電子ビ
ーム露光または通常のフォトリソグラフィ技術によりＤ
ＢＲレーザ領域は幅１．２μｍに、テーパ導波路領域は
その幅を光出射方向に１．２μｍから０．５μｍ以下に
テーパ状に狭くしたＳｉＯ₂ （二酸化硅素）膜を形成す
る。

【００３２】（９）図１２（Ｃ）に示すように、ドライ
エッチング技術により基板４０１面またはバッファ層４
０３までエッチングする（図示の場合はバッファ層４０
３までエッチングしてある）。

【００３３】（１０）図１２（Ｄ）に示すように、Ｓｉ
Ｏ₂ （二酸化硅素）膜４１６を選択成長マスクとし、ｐ
形（または半絶縁形）ＩｎＰ層４０４，ｎ形のＩｎＰ４
０５を連続して成長する。

【００３４】（１１）図１２（Ｅ）に示すように、層４
１６をふっ酸により除去し、テーパ導波路領域において
導波路コア層４０２を中心にその両脇にそれぞれ５μｍ
の間隔をあけ、幅１００μｍ，長さ５００μｍの窒化シ
リコン膜４１７を形成する。この膜を選択成長マスクと
して用いると選択成長マスクで挟まれたチャネル部分の
成長速度が増加し、テーパ導波路領域のみｐ形ＩｎＰク
ラッド層４０６およびｐ形ＩｎＧａＡｓ層４０７の厚さ
が厚くなるようにできる。この結果、ＤＢＲレーザ領域
のクラッド層厚が１．５μｍ成長した場合、テーパ導波
路領域はクラッド層厚が５μｍ程度まで増加する。ま
た、この成長により、選択成長領域のみ幅１０μｍ，高
さ５μｍのメサ構造を自動的に形成できる。

【００３５】（１２）図１２（Ｆ）に示すように、テー
パ導波路領域のみ層４０７を除去し、さらに素子全体に
わたり幅１０μｍ，深さ約５μｍにメサ加工することに
よって、導波路コア層４０２を中心にその外側に幅１０
μｍ，高さ約１０μｍのメサ構造を形成する。４１８は
ＤＢＲレーザ用の金属電極である。

【００３６】以上約１２の製作工程によって本発明によ
る半導体光デバイスは製作できる。

【００３７】これらの製作工程において、（１０）の工
程４０４，４０５の２層をｐ形，ｎ形のＩｎＰ層によっ
て形成したが、このとき、他の半導体基板４０１に比べ
高い屈折率を持つ層（たとえばＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａ
ＡｓＰ層等、またはこれらの層とＩｎＰ層の多層構造）
により層４０４，４０５を構成しても同様の効果が得ら
れる。また、工程（１１）において選択成長マスクの間
隔、および面積を調整することによりクラッド層４０
６，４０７のメサ幅、および高さを調整することができ
る。

【００３８】（実施例３）図１３に本発明により作製し
たレーザアレイファイバモジュール実施例を示す。図１
３（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。図１３にお
いて５０２はｎ形のＩｎＰ基板、５０４は導波路コア層
を形成するバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａ
ＡｓＰガイド層、５０５はｐ形のＩｎＰクラッド層、５
０６はＤＢＲレーザの活性層領域であり、実施例２で説
明した半導体光デバイスをアレイ状に製作したものであ
り、シリコン基板５０１上にＩｎＳｎハンダ等で接着す
る。５０８はＳｉＯ₂ −ＴｉＯ₂ 反射防止層である。５
０９は光ファイバ、５１０はＶグルーブアレイであり、
簡単な調芯を行い紫外線硬化型接着材によりシリコン基
板５０１に接着しレーザアレイファイバモジュールを製
作する。本発明による半導体光デバイスから出射する光
はそのモードサイズおよびモード形状を光ファイバ５０
９のそれと整合するよう設計しているため、高効率の光
結合が得られファイバ結合において、位置ずれ，軸ずれ
に対する許容度に優れているため、通常のレンズファイ
バまたはレンズを使う接続法に比べ、容易にモジュール
製作ができる。また、現在の設計値でも可能ではある
が、上記製作工程において、メサ加工する幅，高さを調
整し、接続するファイバに比べ、大きいモードサイズを
持つようにすれば、さらに、位置ずれ，軸ずれの許容度
は増すため、アレイ状半導体光デバイスと光ファイバと
の間に薄膜アイソレータ，薄膜検光子等を挿入すること
が可能である。また、本発明はファブリ・ペロー形のレ
ーザダイオード，スーパールミッセントダイオード，半
導体アンプおよび導波型光検出器にも適用できる。

【００３９】（実施例４）図１４に一実施例として、本
発明による集積型テーパ導波路と半導体光導波路回路か
らなる半導体光デバイスの構造を示し、図１５にその製
作工程および同工程中のデバイスの構成を示す。図１４
（Ａ）は半導体光デバイスの断面斜視図、（Ｂ）はファ
イバ結合端断面、（Ｃ）は光導波路回路側断面図であ
る。図１５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は製作工程
を示す。

【００４０】（１）図１５（Ａ）において、７０１はｎ
形ＩｎＰ基板（屈折率ｎ₁ ）、７０２は基板よりも不純
物濃度の低いｎ形ＩｎＰバッファ層（屈折率ｎ₂ ）、７
０３はＩｎＰ（またはＩｎＡｌＡｓ）とＩｎＧａＡｓ
（あるいはＩｎＧａＡｓＰ）からなる量子井戸構造（Ｍ
ＱＷ構造）の導波路コア層であり、バンドギャップ波長
は１．３５μｍになるようＩｎＧａＡｓ層（あるいはＩ
ｎＧａＡｓＰ層）の厚さを調整した。このＭＱＷコア層
の層厚は０．４μｍである（屈折率ｎ₃ ）。７０４は不
純物を添加しないＩｎＰ層であり、その層厚は０．３μ
ｍとした。これらの層は全てＭＯＶＰＥ法により成長し
た。

【００４１】（２）図１５（Ｂ）に示すように、（１）
で製作した各層のうち層７０４のみをテーパ導波路領域
において選択的にエッチングし、（塩酸／りん酸の混合
液で簡単にエッチングできる。）ＳｉＯ₂ （二酸化硅素
膜）７０５をスパッタ装置により試料表面に形成し、テ
ーパ導波路を含む導波路パターンを実施例２で説明した
電子ビーム露光を用いて形成する。

【００４２】（３）図１５（Ｃ）に示すように、ＳｉＯ
₂ （二酸化硅素膜）７０５をエッチングマスクに試料全
面をドライエッチング（ほう素ガスを用いた。）により
エッチングする。このとき、エッチングする深さは上記
説明の層７０３，７０４の厚さの関係より、約０．４２
μｍとする。この深さをエッチングすることにより、テ
ーパ導波路領域ではマスクで覆われない部分の導波路コ
ア層７０３はその厚さのすべてが消失するため層７０３
が矩形に加工され、光導波路回路領域では導波路コア層
７０３はその厚さ方向に一部が残るようにエッチングさ
れるためマスクに覆われた部分はリブ状に加工される。

【００４３】（４）図１５（Ｄ）に示すように、ＳｉＯ
₂ （二酸化硅素膜）７０５のエッチングマスクを除去
し、実施例２に用いた窒化硅素（窒化シリコン）膜７０
６をテーパ導波路領域において、テーパ導波路コアとな
る層７０３の両脇に約５μｍの幅をおいて形成する。

【００４４】（５）ついで、試料全面に半絶縁形ＩｎＰ
（鉄イオンが添加されている）層７０７を成長して図１
４（Ａ）の構造とする。

【００４５】これらの工程により本発明によるテーパ導
波路と光導波路回路からなる半導体光デバイスの製作が
できる。図１４（Ｂ）に示すように、ファイバ結合端で
は矩形導波路構造、図１４（Ｃ）に示すようにテーパ導
波路と光導波路回路の接合端ではリブ形導波路構造に層
７０３を加工することができる。

【００４６】図１６は図１５で説明した製作工程により
製作した図１４に示す半導体光デバイスの素子構成を説
明する図であり、図１６（Ａ）は本発明によるテーパ導
波路構造をファイバ結合端に集積したマッハツェンダ型
強度変調器である。（Ｂ）はテーパ導波路構造をファイ
バ結合端に集積した方向性結合器であり、これらの図に
おいて、７０１はｎ形ＩｎＰ基板、７０２は基板よりも
不純物添加量の少ないｎ形ＩｎＰ層、７０３はＭＱＷ層
であり、これらのデバイスの駆動部分（斜線領域）には
Ｂｅ（ベリリウム）イオンを注入してある。この注入と
７５０℃１５分の成長炉中アニール（ＭＯＶＰＥ装置の
中で原料ガスの一つであるフォスフィンＰＨ₃ を供給し
ながら基板温度を上げアニールすること）により、注入
された領域はｐ形になるため（Ｃ）に示すように半絶縁
ＩｎＰクラッド層７０７中にある層７０４の上面にｐｎ
接合面７０９を形成する。表面に電極７０８を形成すれ
ば、ポッケルス効果等の電気光学効果により駆動するこ
とができる。本実施例としては、２つのタイプの光導波
路デバイスを示したが、図１５，図１６で説明した製作
法により光分波器，導波器をはじめ、他の光導波路回路
デバイスも製作できる。

【００４７】以上説明した実施例において、導波路コア
層の屈折率ｎ₂ の大きさは半導体材料を選ぶことにより
任意に設定できる。例えば、波長λ＝１．５５μｍ帯の
光に対してＩｎＧａＡｓＰ屈折率は、その組成によっ
て、約３．２から３．５程度まで任意の大きさに設定で
きる。また、導波路コア層として多重量子井戸層を用
い、井戸層，障壁層の材質・厚さを選択することにより
任意に屈折率を設定できる。また、例えば選択成長マス
クやエピタキシャル選択成長技術、あるいはフォトリソ
グラフィ技術等を用いることにより、導波路の屈折率ｎ
₂ や寸法ｗ，ｔの大きさをテーパ状に設定・製作するこ
とができる。

【００４８】従来技術ではスポットサイズを導波路コア
層の幅ｗと厚さｔを調節して制御していたが、本発明で
は上述したメサ状構造を採用しているので、導波路コア
層の厚さを一定とし、幅のみを減らすことによって充分
スポットサイズを制御することができる。

【００４９】以上では、ＩｎＰ基板上にテーパ導波路お
よび半導体光機能素子をモノリシック集積する場合につ
いて説明したが、他の半導体材料、例えばＧａＡｓ系に
対しても同様の効果を得ることができる。また、テーパ
形状として、直線状だけでなく、指数関数あるいは放物
線等の曲線形状にしても本発明の効果を得ることができ
る。また、この他に、他の半導体光導波路部品、あるい
はガラス導波路部品などあらゆる光導波路部品との接続
部に対しても、それら導波路の光強度分布に合わせるよ
うに本発明による光結合デバイス導波路の寸法，屈折率
の大きさを設定すれば、低結合損失の特性を実現できる
ことは自明である。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるテー
パ導波路は、テーパ状に加工されたコア層とメサ状に加
工されかつ基板材料に比べ高い屈折率をもつクラッド層
により構成されることにより、製作精度が緩くなり、歩
留りが上がるという効果がある。また同様の理由によ
り、使用する波長帯の最も短波側に対して構造を最適化
しておけば、各波長の光に対して低損失結合が可能であ
るという効果がある。さらに、従来技術に比べ、テーパ
部の長さを短くできるため小型化できる効果もある。

【００５１】テーパ導波路のコア層およびクラッド層
は、それぞれ同時に集積する半導体光機能素子のコア層
とクラッド層と同一の層を用いることを特徴としている
ため、集積が容易であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明による半導体光デバイスの一構
成例を示す斜視図、（Ｂ）はその光導波路コアの斜視図
である。

【図２】（Ａ）は図１の半導体光デバイスのファイバ側
断面図、（Ｂ）は半導体光機能素子側断面図である。

【図３】結合効率とメサ幅との関係を示す線図である。

【図４】（Ａ）は従来構造の横断面図、（Ｂ）は上面図
である。

【図５】（Ａ）は本発明の半導体光デバイスの横断面
図、（Ｂ）は上面図である。

【図６】結合損失を示す線図である。

【図７】結合損失を示す線図である。

【図８】規格散乱パワーを示す線図である。

【図９】規格散乱パワーを示す線図である

【図１０】（Ａ）は本発明の実施例２に従う半導体光デ
バイスの斜視図、（Ｂ）はその導波路コアの斜視図であ
る。

【図１１】（Ａ）〜（Ｆ）は図１０の半導体光デバイス
の製作工程を示す断面図である。

【図１２】（Ａ）〜（Ｆ）は図１０の半導体光デバイス
の製作工程を示す断面図である。

【図１３】本発明の実施例３に従うレーザアレイファイ
バモジュールを示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側断面
図である。

【図１４】本発明の実施例４に従う半導体光デバイスを
示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はファイバ側断面図、
（Ｃ）は光導波路側断面図である。

【図１５】（Ａ）〜（Ｄ）は図１４の半導体光デバイス
の製作工程を示す断面図である。

【図１６】図１４の半導体光デバイスの素子構成を示
し、（Ａ）はマッハツェンダ形光強度変調器の上面図、
（Ｂ）は方向性結合デバイスの上面図、（Ｃ）は断面図
である。

【図１７】レンズを用いた従来の光結合方器を示す模式
的上面図である。

【図１８】従来の光結合デバイスの構造を示し、（Ａ）
は上面図、（Ｂ）は断面図である。

【図１９】従来の光結合デバイスの動作原理を示す線図
である。

【符号の説明】

３０１半導体基板３０２導波路コア層３０２３０３，３０４，３０５，３０９クラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−228380（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−89990（ＪＰ，Ａ) 特開平４−360105（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 27/15 G02B 6/12 - 6/122 G02B 6/42 - 6/43

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成され、コア層の幅ま
たは厚さの少なくとも一方を光伝搬方向に沿って徐々に
変化させた埋め込み型のテーパ導波路であって、少なく
とも１層からなるコア層とメサ状に加工したクラッド層
から構成され、前記コア層は前記クラッド層に囲まれ、
前記クラッド層は前記半導体基板材料に比べ高い屈折率
を持ち、前記半導体層に接していることを特徴とする半
導体光デバイス。
【請求項２】クラッド層の一部として不純物添加を行
ったｐ型あるいはｎ型、半絶縁型のうち少なくとも２種
類の伝導型の層を組み合わせた層を用いることを特徴と
する請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項３】屈折率の異なる複数の層から構成される
クラッド層を用いることを特徴とする請求項１または２
に記載の半導体光デバイス。
【請求項４】半導体基板上に形成され、半導体基板
（４０１）（屈折率ｎ１）、該半導体基板に接するバッ
ファ層（４０３）（屈折率ｎ３）、該バッファ層に接す
る導波路コア層を形成するガイド層（４０２）（屈折率
ｎ２）、該バッファ層および該ガイド層に接する第１の
導電形（または半絶縁性）の第１のクラッド層（４０
４）（屈折率ｎ４）、該第１のクラッド層に接する第２
の導電形の第２のクラッド層（４０５）（屈折率ｎ
５）、および該ガイド層および該第２のクラッド層（４
０６）（屈折率ｎ６）を有し、それぞれの層の屈折率が
ｎ１＜ｎ３≦ｎ５≦ｎ４≦ｎ６＜ｎ２の関係となるよう
に、不純物濃度を調整する半導体光機能素子と、幅また
は厚さの少なくとも一方を光伝送方向に沿って徐々に変
化させた埋め込み型のテーパ導波路とからなる半導体光
デバイスにおいて、該テーパ導波路は、該バッファ層に
接し、該導波路コア層と同一のものであって少なくとも
１層からなるコア層と、集積する半導体光機能素子のク
ラッドと同一のものをメサ状に加工したクラッド層とか
ら構成されることを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項５】前記半導体光機能素子の活性層またはそ
の一部をテーパ導波路部のコア層として用いることを特
徴とする請求項４に記載の半導体光デバイス。
【請求項６】前記テーパ導波路部と前記半導体光機能
素子との接続部において、コア層の一部がリブ型に加工
されていることを特徴とする請求項４または５に記載の
半導体光デバイス。