JP3245940B2 - 半導体光集積素子 - Google Patents

半導体光集積素子

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JP3245940B2 JP8531692A JP8531692A JP3245940B2 JP 3245940 B2 JP3245940 B2 JP 3245940B2 JP 8531692 A JP8531692 A JP 8531692A JP 8531692 A JP8531692 A JP 8531692A JP 3245940 B2 JP3245940 B2 JP 3245940B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体光集積素子に係
り、特に光通信用モジュール、光通信システムに用いる
好適な半導体光集積素子に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ、光変調器、光スイッチ、
光検出器、光増幅器等の半導体光機能素子を同一半導体
基板上に集積化する方法として、図1に示すように、有
機金属気相成長による選択成長を用いて異なる井戸幅の
多重量子井戸構造1、2を一括形成することにより基板
面内でのバンドギャップエネルギ−を位置的に制御する
方法が提案されている。この集積法によれば素子結合部
3がテ−パ−状であるため光散乱が全く起こらず、集積
素子間の高い光結合効率が期待できる。しかしこの場
合、マスク形状を最適化した場合においても最終的に素
子間には成長材料の基板上拡散長(30〜50μm)程
度のバンドギャップエネルギ−の遷移領域が残留する。
遷移領域での光吸収は無視できない程大きく、このため
光集積素子の光出力低下等素子性能が大きく劣化する。
図2は1.55μm帯のMQW構造電界吸収型変調器と
DFBレ−ザの集積化光源におけるバンドギャップエネ
ルギ−遷移領域における光吸収による実効的な光結合効
率の計算結果である。図から分かるように、遷移領域長
の増大により光吸収による実効的な光結合効率が大きく
低下することが分かる。遷移領域長が40μmの場合に
は光結合効率は90%以下に低下する。なお、この種の
半導体光集積素子として関連するものに、例えば、光・
量子エレクトロニクス(OQE91−176)、199
2年2月18日が挙げられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、半
導体光集積素子内でのバンドギャップエネルギ−遷移領
域における光吸収による実効的な光結合効率の低下が大
きな問題であった。これは、光出力の低下や光吸収に伴
う光電流による高速応答性の劣化を引き起こす。また、
これは集積素子数が増えた場合特に問題となる。本発明
は、異種光素子間のバンドギャップエネルギ−遷移領域
における良好な光結合を極めて容易に実現する半導体光
集積素子を提供することを目的とする。さらに本発明
は、特に量子井戸構造を集積化した複合素子に適用して
好適な構造及び製法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、バンドギャップエネルギ−遷移領域
上部に電極を形成し、遷移領域に電流注入を行うことに
より光吸収を打ち消し導波損失を大きく低減することに
より集積素子間の実効的な光結合効率を大きく向上する
方法を考案した。
【0005】
【作用】以下、バンドギャップエネルギ−遷移領域上部
に電極を形成し、遷移領域に電流注入を行うことにより
光吸収を打ち消し導波損失を大きく低減する方法につい
て説明する。図3Aに示した半導体基板4上に絶縁膜パ
ターニングマスク5を形成する。ここで図に示すよう
に、目開き長が光軸方向で変化するように絶縁膜マスク
5をパターニングしている。このような絶縁膜パターニ
ングマスク5を有する半導体基板4上に混晶半導体を気
相成長すると、混晶半導体結晶を構成する原子の絶縁膜
パターニングマスク5上での、ガス組成や移動距離が元
素間で異なるために、パターニング幅に応じて成長層
厚、組成の異なった混晶半導体層6、7が自動的に形成
される。図で混晶半導体層6のバンドギャップエネルギ
−は混晶半導体層7よりも小さくなるように設計されて
いる。図3Bは本構造の光軸方向の断面図である。混晶
半導体層6、7は同一の結晶成長で形成されているため
2領域の結合は滑らかであり、従来の再成長集積素子に
比べ結合部での光散乱が損失が著しく低減される。しか
し、混晶半導体層6、7の間にはバンドギャップエネル
ギ−が漸次的に変化する遷移領域8が同時に形成され
る。図4Aは低バンドギャップエネルギ−である混晶半
導体層6を発光素子、高バンドギャップエネルギ−であ
る混晶半導体層7を受動素子とした場合である。前述し
たようにこの場合、遷移領域8での光吸収が大きく光出
力の低下等、素子特性が大きく劣化する。そこで、遷移
領域8の上部に電極9を新たに形成してこの部分に電流
注入することにより光利得を発生しこの光吸収を補償す
ることができる。遷移領域上の電極9は図4Bに示すよ
うに混晶半導体層6上の電極10と一体化することも可
能である。この場合、電極構造は従来の光集積素子と全
く同様であり、単に電極を遷移領域8に迫り出して形成
することにより光出力を大きく向上することができる。
また、図5A、Bに示したように、上記構造に量子井
戸構造11を導入した場合においても上記と全く同様の
効果が得られることは言うまでもない。
【0006】
【実施例】以下、本発明の実施例を図6〜図10を用い
て説明する。
【0007】実施例1 図6において、n−InP基板12上に半導体基板が露
出した領域(目開き領域)が光導波路方向に、回折格子
13が形成されている領域と形成されていない領域とで
異なっているようなSiO2、SiNX等の絶縁物からな
るパターニングマスク14を形成する。次に、このパタ
ーニング基板上にIn0.85Ga0.15As0.40.6四元導
波路層15、In0.65Ga0.35As0.760.24四元活性
層16、およびp−InPクラッド層17を順次、有機
金属気相成長法で結晶成長する。この際、目開き領域に
成長される四元結晶の組成はパターニングマスクの目開
き領域長によって変化する。図4から2領域の目開き長
を制御する公知の方法から利得ピーク波長をそれぞれ
1.55μm、1.42μmに設定する。本構造を、そ
れぞれ分布帰還型レーザ、光変調器として用いる。この
ようにして各半導体層を形成した後、更に埋込構造、電
流狭窄構造を公知の方法により形成し、さらにレ−ザ電
極18、変調器電極19、下部電極20を通常の蒸着法
等により設ける。この際、レ−ザ電極18はレ−ザ、変
調器間の遷移領域21にまで延長して形成することによ
りレ−ザ駆動時に遷移領域にも電流を注入し光学利得を
発生することにより光吸収を補償することが出来る。こ
れにより極めて容易に高出力化が図れるだけでなく、発
振モ−ドの安定化や光電流発生による高速応答特性の劣
化を低減することが出来る。
【0008】実施例2 図7は実施例1のInGaAsP層活性層16をInG
aAs、InGaAsPからなる量子井戸構造22で置
き換えた構造である。この場合も、同様に分布帰還型レ
ーザ、光変調器領域の利得ピーク波長をそれぞれ1.5
5μm、1.48μmに設定することができる。この場
合も、レ−ザ電極18はレ−ザ、変調器間の遷移領域2
3にまで延長して形成することによりレ−ザ駆動時に遷
移領域にも電流を注入し光学利得を発生することにより
光吸収を補償することが出来る。これにより極めて容易
に高出力化が図れるだけでなく、発振モ−ドの安定化や
光電流発生による高速応答特性の劣化を低減することが
出来る。
【0009】実施例3 図8において、基板の一部分に回折格子13を有し、パ
ターニングマスクが形成されたn−InP基板12上
に、InGaAsP導波路層15、In0.53Ga0.47
s、In0.85Ga0.15As0.40.6からなる量子井戸構
造24およびp−InPクラッド層17を順次、有機金
属気相成長法で結晶成長する。同様に公知の方法により
利得ピーク波長をそれぞれ1.55μm、1.25μm
に設定することができる。本構造を、それぞれ活性領
域、位相調整領域、受動分布反射領域として用いること
により、極めて容易に狭線幅、広波長掃引、高信頼の波
長可変分布反射型レーザを実現することができる。この
場合も、レ−ザ電極18遷移領域にまで延長して形成す
ることによりレ−ザ駆動時に遷移領域25にも電流を注
入し光学利得を発生することにより光吸収を補償するこ
とが出来る。これにより極めて容易に高出力化が図れる
だけでなく、発振モ−ドの安定化やスペクトル線幅の低
減を図ることが出来る。
【0010】以上実施例1、2、3により遷移領域への
電流注入による光損失の補償効果を変調器/DFBレ−
ザ集積化光源、分布反射型レーザについて示したが、こ
れは光スイッチ、光増幅器、光フィルタ等バンドギャッ
プエネルギ−の異なる結晶層を含み且つ素子間にバンド
ギャップエネルギ−の遷移領域を持つ全ての光集積素子
に適用可能であることは言うまでもない。
【0011】実施例4 図9は、サブマウント26上に実施例1または実施例2
の分布帰還型レーザ及び光変調器集積光源27とその光
軸上に球レンズ28を介し先球ファイバ29を固定し、
さらに変調駆動回路30を内蔵した光通信用送信モジュ
ール31である。本モジュールを用いれば高ファイバ光
出力、低チャーピングの高速送信光信号を容易に作り出
せる。
【0012】実施例5 図10は、実施例4の送信モジュール31を用いた幹線
系光通信システムである。送信装置32は送信モジュー
ル31とこのモジュール31を駆動するための駆動系3
3とを有する。モジュール31からの光信号がファイバ
34を通って受信装置35内の受光部36で検出され
る。本実施例に係る光通信システムによれば100km
以上の無中継光伝送が容易に実現できる。これはチャー
ピングが著しく低減される結果、ファイバ34の分散に
よる信号劣化がやはり著しく低減されることに基づく。
【0013】
【発明の効果】本発明に係る半導体光集積素子よれば、
集積化した光素子間の実効的な光結合効率を100%に
限り無く近づけることが可能となる。これにより極めて
容易に光集積素子の高出力化、引いては低消費電力化が
図れるだけでなく、動作光のスペクトルの安定化や高速
性の向上を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術を説明するための図である。
【図2】本発明の作用を説明するための図である。
【図3】本発明の実施例を説明するための図である。
【図4】本発明の実施例を説明するための図である。
【図5】本発明の実施例を説明するための図である。
【図6】本発明の実施例を説明するための図である。
【図7】本発明の実施例を説明するための図である。
【図8】本発明の実施例を説明するための図である。
【図9】本発明の実施例を説明するための図である。
【図10】本発明の実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
1…多重量子井戸構造、2…多重量子井戸構造、3…素
子結合部再成長導波路層、4…半導体基板、5…絶縁物
パターニングマスク、6…混晶半導体層、7…混晶半導
体層、8…バンドギャップエネルギ−遷移領域、9…上
部電極、10…上部電極、11…量子井戸構造、12…
n−InP基板、13…回折格子、14…パタ−ニング
マスク、15…InGaAsP導波路層、16…InG
aAsP活性層、17…p−InPクラッド層、18レ
−ザ電極、19…変調器電極、20…下部電極、21…
レ−ザ、変調器間遷移領域、22…InGaAsP系量
子井戸構造、23…レ−ザ、変調器間量子井戸構造遷移
領域、24…InGaAsP系量子井戸構造、25…活
性層、受動分布反射器間量子井戸構造遷移領域、26…
サブマウント、27…光変調器集積光源、28…球レン
ズ、29…先球ファイバ、30…変調駆動回路、31…
光通信用送信モジュール、32…送信装置、33…モジ
ュール駆動系、34…光ファイバ、35…受信装置、3
6…受光部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷渡 剛 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平4−100291(JP,A) 特開 平1−319986(JP,A) 特開 平1−199483(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/12 G02F 1/025

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化合物半導体からなる第1の光導波層を有
    する第1の光機能部と、化合物半導体からなる第2の光
    導波層を有する第2の光機能部と、これらの光導波層を
    光学的に結合するための結合光導波路3とを有し、この
    結合光導波路3の層厚若しくは元素組成が単調に変化し
    て上記第1及び第2の光導波層にそれぞれ接続する半導
    体光集積素子において、結合光導波路3に電流注入を行
    うための電極を有する半導体光集積素子。
  2. 【請求項2】化合物半導体からなる第1の光導波層を有
    する第1の光機能部と、化合物半導体からなる第2の光
    導波層を有する第2の光機能部と、これらの光導波層を
    光学的に結合するための結合光導波路3とを有し、この
    結合光導波路3の層厚若しくは元素組成が単調に変化し
    て上記第1及び第2の光導波層にそれぞれ接続する半導
    体光集積素子において、結合光導波路3が光学利得を有
    する半導体光集積素子。
  3. 【請求項3】請求項1〜2に記載のいずれかの半導体光
    集積素子において、前記第1、第2及び第3の光導波層
    は多重量子井戸構造により構成されている半導体光集積
    素子。
  4. 【請求項4】請求項1〜3に記載のいずれかの半導体光
    集積素子において、前記第1及び第2の光機能部はそれ
    ぞれ半導体レーザ及び光変調器である半導体光集積素
    子。
  5. 【請求項5】光を放出するための化合物半導体からなる
    第1の光導波層を有する第1の光機能部と放出された光
    を変調するための化合物半導体からなる第2の光導波層
    を有する第2の光機能部とこれらの光導波層を光学的に
    結合するための結合光導波路3と該結合光導波路3に電
    流注入を行うための電極とを有し、この結合光導波路の
    層厚若しくは元素組成が単調に変化して上記第1及び第
    2の光導波層にそれぞれ接続する半導体光集積素子と、
    この半導体光集積素子からの出力光を外部に導波するた
    めの導波手段と、この導波手段に上記半導体光集積素子
    からの出力光を集光するための集光手段と、上記半導体
    光集積素子を駆動するための駆動手段とを有する光通信
    用モジュール。
  6. 【請求項6】光を放出するための化合物半導体からなる
    第1の光導波層を有する第1の光機能部と放出された光
    を変調するための化合物半導体からなる第2の光導波層
    を有する第2の光機能部とこれらの光導波層を光学的に
    結合するための結合光導波路3と該結合光導波路3に電
    流注入を行うための電極とを有し、この結合光導波路の
    層厚若しくは元素組成が単調に変化して上記第1及び第
    2の光導波層にそれぞれ接続する半導体光集積素子を有
    する送信手段と、この送信手段からの出力光を外部に導
    波するための導波手段と、この導波手段からの出力光を
    受信するための受信手段とを有する光通信システム。
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JPH11307862A (ja) 1998-04-21 1999-11-05 Nec Corp 半導体レーザ
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