JP3264321B2

JP3264321B2 - 導波路型半導体光集積素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP3264321B2
Application number: JP765098A
Authority: JP
Inventors: 裕幸山崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-01-19
Filing date: 1998-01-19
Publication date: 2002-03-11
Anticipated expiration: 2018-01-19
Also published as: JPH11204773A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導波路型半導体
光集積素子に関し、特に光通信用光モジュールおよび光
通信システムに好適に用いられる導波路型半導体光集積
素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】アクセス系光通信システムの低価格化に
は、光モジュールの低価格化が重要である。光モジュー
ルの低価格化を図るには、従来のレンズ系を用いた光学
系ではなく、直接半導体レーザと光導波路や光ファイバ
を直接結合するのが有効である。しかしながら、従来構
造の半導体レーザの光スポットサイズ（光強度が１／ｅ
²となる直径）は約２μｍ程度であり、広く使われてい
る１．３μｍ零分散の光ファイバのそれの１０μｍと比
べると大きな違いがある。このため、両者の直接結合で
は結合損失が１０ｄＢ程度と大きく、深刻な問題となっ
ていた。また平面型光回路（ＰＬＣ：ｐｌａｎｅｒｌ
ｉｇｈｔ−ｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔ）などで通常用い
られる石英系光導波路においても光スポットサイズは８
μｍ程度大きいことから、この光スポットサイズの違い
が問題となっている。

【０００３】このような両者のモード不整合による結合
損失を低減させるには、半導体レーザの光スポットサイ
ズを拡大することが有効である。しかしながら半導体レ
ーザにおいては、光導波路の光閉じ込めが弱いほど、即
ち光スポットサイズが大きいほど発振閾値が高くなって
発光効率が低下する。レーザ発振特性を犠牲にすること
なく、光スポットサイズを拡大するには、半導体よりな
る光スポットサイズ変換用の光導波路を集積し、その厚
さや幅を光軸方向でテーパ状に変調すれば良い（以下こ
れをＳＳＣ−ＬＤと称す）。

【０００４】光導波路厚を光軸方向で変調し、光スポッ
トサイズを変換するＳＳＣ−ＬＤの製造方法が、特開平
７−２８３４９０号公報に開示されている。これの構造
図を図２に示す。ここでは選択ＭＯＶＰＥにて成長阻止
膜のパターンを変えることで、活性層１とテーパ導波路
２のコア層を一括形成している。さらに、成長阻止膜の
パターンを工夫することで、光軸方向に光導波路厚とエ
ネルギーバンドギャップを変化させ、テーパ導波路を形
成する。同構造ではフラットエンドの光ファイバとの結
合損失として４ｄＢ以下が得られている。

【０００５】選択ＭＯＶＰＥにより光軸方向に、光導波
路厚とエネルギーバンドギャップを変化させる構造は、
特開平５−２９６０２号公報に開示されている。成長阻
止膜１０の間隙幅を変えて選択ＭＯＶＰＥを行った結果
の模式図を図３に示す。

【０００６】特開平７−２８３４９０号公報および特開
平５−２９６０２号公報のどちらの公報においても、半
導体エッチングにて導波路を形成後、電流ブロック層
３、４、クラッド層５を成長して、素子を完成する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、選択ＭＯＶ
ＰＥでは成長阻止膜幅や間隙幅の一方を光軸方向に急激
に変化させても、実際の光導波路の厚さは滑らかに変化
する。同様に、活性層１とテーパ導波路２のコア層の境
界ではバンドギャップエネルギーが緩やかに変化し、こ
れによってテーパ導波路２においてバンド間遷移による
吸収損失が生じる。吸収損失の増加は閾値電流の増加、
スロープ効率の低下を生じさせるばかりか、高温動作特
性も著しく低下させる。

【０００８】この問題を解決するために、活性層１とテ
ーパ導波路２のコア層を別工程の結晶成長にて作製する
ことで、ＳＳＣ−ＬＤを実現する構造が文献ＥＬＥＣＴ
ＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳＶｏｌ．３１，Ｎ
ｏ．２１，１８３８頁に開示されている。同構造に
て形成されるテーパ導波路はレーザ発振波長に対する吸
収損失が小さいため、室温での閾値電流５．６ｍＡ、ス
ロープ効率０．４１Ｗ／Ａ、最高発振温度１３５℃と良
好な発振特性を実現している。さらにテーパ導波路集積
による光スポットサイズの拡大により、フラットエンド
光ファイバとの結合損失１．８ｄＢと良好な結合特性も
同時に実現している。

【０００９】しかしながら、同構造では活性層とテーパ
導波路層を別の結晶成長により形成するため、作製プロ
セスが複雑となる。このため素子の実用化に際し十分な
再現性、特性の均一性が得られないことが懸念される。

【００１０】本発明の目的は、低閾値電流、高スロープ
効率でレーザ発振し、高温動作特性、再現性、特性の均
一性に優れ、且つ簡単なプロセスにより作製可能なＳＳ
Ｃ−ＬＤを含む導波路型半導体光集積素子を提供するこ
とにある。さらには、同素子を用いて安価な光モジュー
ル、光通信システムを実現することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明では、選択ＭＯＶ
ＰＥを用いた以下に示す解決手段により、受動導波路で
の吸収損失を低減し、光スポットサイズが拡大された良
好な発振特性を有する導波路型半導体光集積素子を実現
する。

【００１２】本発明の解決手段１では、発光部と受動光
導波路部を含む導波路型半導体光集積素子において、前
記発光部の活性層の膜厚が一定であり、この活性層幅が
５μｍ以下であり、前記受動光導波路部のコア層の膜厚
が光の伝搬する方向に沿って薄くなるようにテーパ状に
変調されており、このコア層の幅が活性層幅よりも広
く、この発光部の活性層と受動光導波路部のコア層は一
括して選択成長により形成されたものであって、その選
択成長のマスクとして用いる成長阻止膜が、一対のスト
ライプ状であって、（イ）発光部における成長阻止膜の
間隙が５μｍ以下、受動光導波路における成長阻止膜の
間隙が発光部の間隙幅より広く、（ロ）発光部における
成長阻止膜の幅に比べて、受動光導波路における成長阻
止膜の幅が狭く、かつ光の伝搬する方向に沿って狭くな
る形状であることを特徴とする導波路型半導体光集積素
子により問題を解決する。

【００１３】本発明の解決手段２では、前記受動光導波
路部のコア層の幅が、発光部の活性層と接する領域でテ
ーパ状に変化していることを特徴とする解決手段１記載
の導波路型半導体光集積素子により問題を解決する。

【００１４】本発明の解決手段３では、前記発光部の活
性層と前記受動光導波路部のコア層が量子井戸層である
ことを特徴とする解決手段１または２記載の導波路型半
導体光集積素子により問題を解決する。

【００１５】本発明の解決手段４では、前記発光部およ
び受動光導波路部が埋め込み型であることを特徴とする
解決手段１〜２のいずれかに記載の導波路型半導体光集
積素子により問題を解決する。

【００１６】本発明の解決手段５では、分布帰還型半導
体レーザ、分布反射型半導体レーザ、光変調器、光検出
器、光スイッチおよび光導波路から選ばれる少なくとも
一つをさらに含む解決手段１〜４のいずれかに記載の導
波路型半導体光集積素子により問題を解決する。

【００１７】本発明の解決手段６では、半導体基板上
に、選択成長のマスクとして用いる成長阻止膜を、一対
のストライプ状であって、（イ）発光部における成長阻
止膜の間隙が５μｍ以下、受動光導波路における成長阻
止膜の間隙が発光部の間隙幅より広く、（ロ）発光部に
おける成長阻止膜の幅に比べて、受動光導波路における
成長阻止膜の幅が狭く、かつ光の伝搬する方向に沿って
狭くなるように形成する工程と、この成長阻止膜の間隙
部分に発光部の活性層と受動導波路のコア層を一括して
選択成長によって形成する工程とを含む導波路型半導体
光集積素子の製造方法により問題を解決する。

【００１８】本発明の解決手段７では、前記選択成長を
選択ＭＯＶＰＥにより形成することを特徴とする解決手
段６記載の導波路型半導体光集積素子の製造方法により
問題を解決する。

【００１９】本発明の解決手段８では、前記発光部の活
性層と受動導波路のコア層が量子井戸構造となるように
選択成長を行う解決手段６または７記載の導波路型半導
体光集積素子の製造方法により問題を解決する。

【００２０】本発明の解決手段９では、選択成長により
形成される発光部および受動光導波路部の光導波路の側
壁が（１１１）結晶面である解決手段１〜５のいずれか
に記載の導波路型半導体光素子により問題を解決する。

【００２１】本発明の解決手段１０では、発光部および
受動光導波路部の光導波路が電流または電圧印加のため
に２つ以上の電極構造を有する解決手段１〜５のいずれ
かに記載の導波路型半導体光集積素子により問題を解決
する。

【００２２】本発明の解決手段１１では、動作波長が
０．３〜１．７μｍである解決手段１〜５のいずれかに
記載の導波路型半導体光集積素子により問題を解決す
る。

【００２３】本発明の解決手段１２では、解決手段１〜
５のいずれかに記載の導波路型半導体光集積素子を少な
くとも一個用いて形成することを特徴とする光モジュー
ルにより問題を解決する。

【００２４】本発明の解決手段１３では、解決手段１〜
５のいずれかに記載の導波路型半導体光集積素子を少な
くとも一個用いることを特徴とする光通信システムによ
り問題を解決する。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の導波路型半導体光集積素
子は、発光部の活性層の膜厚が一定で、受動光導波路部
のコア層の膜厚が光の伝搬する方向に沿ってテーパ状に
薄くなるように変調されているので、発光部からの光の
スポットサイズが受動光導波路部で拡大される。ここで
テーパ状に薄くなるとは、直線的に薄くなることばかり
ではなく、不連続に変化することなく滑らかに薄くなっ
ていることをいう。このように、コア層がテーパ状に薄
くなっている受動光導波路部を、以下テーパ導波路とも
いう。

【００２６】この発光部の活性層とテーパ導波路のコア
層は、選択成長、特に好ましくはＭＯＶＰＥによる選択
成長により形成される。選択成長の際に用いるマスクで
ある成長阻止膜のパターンを、活性層を形成する部分
で、間隙幅５μｍ以下とし、テーパ導波路のコア層を形
成する領域で、間隙幅を活性層を形成する領域より広く
し、発光部における成長阻止膜の幅に比べて、受動光導
波路における成長阻止膜の幅が狭く、かつ光の伝搬する
方向に沿って狭くなるように形成する。このようにする
ことにより、活性層幅が５μｍ以下となり、コア層の幅
が活性層幅より広く形成される。

【００２７】従来例で示した間隙幅を変化させる方式で
は、選択ＭＯＶＰＥを行った後、半導体をエッチングす
ることにより導波路を形成する。しかしながら、成長阻
止膜上を移動してくる原料種のマイグレーションによ
り、図４に示すように、選択成長層のメサ端近傍が幅１
〜２μｍにわたり盛り上がってしまい、この部分での光
学特性等が劣化する。従ってこの製造方法では、この盛
り上がった領域を避け、比較的幅の広い空隙部を設けて
その中央に活性層１やテーパ導波路２等を形成する必要
がある。このため、先に示した特開平７−２８３４９０
号公報と特開平５−２９６０２号公報のように、半導体
をエッチングすることにより導波路を形成する製造方法
では１０μｍ程度以上の間隙幅が必要となる。しかし、
間隙幅が広くなると、膜厚変化はマイグレーションの効
果でなく気相拡散の効果によって生じるため、急峻なバ
ンドギャップエネルギーシフトが実現できず、ＳＳＣ−
ＬＤで要求される低損失なテーパ導波路が実現できな
い。

【００２８】これに対して本発明においては、成長阻止
膜の間隙幅が５μｍ以下と狭くするので、間隙部に直接
形成される形状は、図４に示した側面付近の突起が接合
された状態となる。側面の突起は主としてマイグレーシ
ョンによるものであり、これが支配的となって導波路が
形成される。

【００２９】間隙部へ供給される原料の供給量は一定で
あることを考慮すると、この部分に形成される導波路の
断面積は一定となる。例えば間隙部を１．５μｍから３
μｍに広げた場合は、図５に示すように、選択成長され
る厚さが０．３μｍから約０．１５μｍへと変化する。
この場合の選択ＭＯＶＰＥ成長では、気相拡散による濃
度勾配の影響を受けにくいため、間隙幅を変えることに
よる急峻な導波路厚の変化が可能となる。

【００３０】さらに導波路に量子井戸構造を採用すれ
ば、導波路厚が薄くなるに伴いバンドギャップエネルギ
ーが高エネルギー側に変化していくため、光導波路層厚
と同時にバンドギャップ波長を急峻に短波長化でき、テ
ーパ導波路２における吸収損失も小さくすることができ
る。この吸収損失の低下はＳＳＣ−ＬＤでの特性改善に
大きく寄与し、良好な発振特性、高温動作特性を実現す
ることができる。さらに、間隙幅を広げたことによる活
性層１への影響は極めて小さく、良好な光学利得特性も
同時に実現することができる。このため、テーパ導波路
２を集積しても、半導体レーザ単体と比較しても遜色無
い良好な特性を有するＳＳＣ−ＬＤが本発明により得ら
れる。

【００３１】実際に光軸方向に間隙幅を変化させて選択
ＭＯＶＰＥを行った場合のフォトルミネッセンス波長
（以下、ＰＬ波長という）変化の測定結果を図６に示
す。尚、ＰＬ波長はバンドギャップに対応する。ここ
で、成長阻止膜の幅は発光部にて５０μｍ、また受動光
導波路部では幅を５０μｍから４μｍにテーパ状に変化
させた。急峻なＰＬ波長変化を実現するため、間隙幅は
１．５μｍから３μｍに広げる構成とした。また、比較
のため成長阻止膜幅は同じパターンとし、間隙幅を一定
とした場合のＰＬ波長変化も併せて示す。間隙幅を広げ
た本発明による成長阻止膜パターンでは従来の間隙幅一
定のパターンと比べて活性層近傍のテーパ導波路領域に
おいて急峻なＰＬ波長変化が得られるのが判る。

【００３２】ＰＬ波長の両者の差をプロットした結果を
図７に示す。発光部近傍のテーパ導波路領域において、
間隙幅を広げることで４５ｎｍのＰＬ波長の短波長化が
得られていること、間隙幅変化によるＰＬ波長変化は発
光部とテーパ導波路部の境界から数μｍの範囲で急峻に
生じていることが判る。ここで示したように、間隙幅を
広げることで気相拡散の影響を受けることなく、急激な
バンドギャップエネルギーシフトが得られることは、本
発明者が初めて見出した現象である。

【００３３】このように、本発明の導波路型半導体光集
積素子では、発光部の活性層とテーパ導波路部のコア層
の膜厚を急峻に変化しており、また急激なバンドギャッ
プエネルギーシフトが生じているので、バンド間遷移に
起因する吸収損失がなく良好な発振特性を有するＳＳＣ
−ＬＤ部を有する導波路型半導体光集積素子が得られ
る。

【００３４】同時に、本発明の製造方法によれば、従来
行われていた半導体層等のエッチングによる導波路形成
が必要なく、均一性、再現性に優れる導波路が形成でき
る。

【００３５】次に、本発明の製造方法において選択成長
の際に用いられる成長阻止膜のパターンを説明しなが
ら、本発明の導波路型半導体光集積素子における発光部
の活性層およびテーパ導波路のコア層の形状についてさ
らに説明する。

【００３６】図１４に、本発明において選択成長の際に
用いられる成長阻止膜のパターンの１例を示す。図中、
Ｌａは発光部長、Ｌｔはテーパ導波路長である。尚、成
長阻止膜は、この図のように発光部およびテーパ導波路
を形成する部分において、一対のストライプ状をなして
おり、発光部端とテーパ導波路端で劈開等により切り出
される場合は、発光部およびテーパ導波路を形成する外
側、即ち、切り出されて不要となる部分ではストライプ
状である必要は必ずしもなく、本発明はそのような形態
をも含む。

【００３７】対になる成長阻止膜の発光部における間隙
Ｇｐ−ａは、５μｍ以下に設定する。間隙Ｇｐ−ａによ
り、発光部の活性層の幅が決定される。間隙Ｇｐ−ａの
下限としては、活性層での発光が起こる程度以上の幅に
設定すればよいが、通常は０．１μｍ以上である。

【００３８】対になる成長阻止膜のテーパ導波路部分の
間隙Ｇｐ−ｔは、間隙Ｇｐ−ａより広く設定する。間隙
Ｇｐ−ｔは、５μｍより広くてもよい。ここで、発光部
の活性層と接する領域（活性層からの距離が０〜Ｌ１の
範囲）では、間隙Ｇｐ−ｔが急激にテーパ状に広がって
いる。Ｌ１の長さとしては、あまり長すぎると急激な膜
厚の変化が得られない場合があるので、例えば１００μ
ｍ程度以下、好ましくは５０μｍ以下である。この場
合、「テーパ状」とは、滑らかに広がっていることを意
味し、直線状にのみ広がることを意味するものではな
い。

【００３９】また、図１５にように、Ｌ１を０としても
よい。Ｌ１を０としても、選択成長によって、活性層と
コア層の幅が不連続となるほど急峻に変化するように形
成されるものではないが、モード不整合による散乱損失
を防ぐためには、Ｌ１を５μｍ以上、好ましくは１０μ
ｍ以上とする。

【００４０】また、形成されるテーパ導波路の厚さが光
の伝搬する方向に沿って薄くなるように、テーパ導波路
部分の成長阻止膜の幅は、光の伝搬する方向に沿って狭
くなるように設定する。図１４に示したように、活性層
から距離Ｌ２だけ離れたところで、幅の減少が緩やかに
なるようにしても、図１６のように、成長阻止膜の外側
が、直線的に変化するように設定してもよく、また図１
７のように、テーパ導波路部分の間隙が光の伝搬方向に
向かって徐々に広がるようにしてもよい。また間隙また
は成長阻止膜幅が、このように直線的または折れ線的に
変化するばかりでなく、曲線状に緩やかに変化するよう
にしてもよい。どのような場合であっても、成長したコ
ア層の膜厚が光の伝搬する方向に沿って薄くなるように
テーパ状に変調されればよい。

【００４１】また、図１４における成長阻止膜の発光部
の活性層部分の幅Ｗａは、活性層を形成する領域におい
て一定の幅であり、必要とされる活性層の膜厚に合わせ
て適宜変更する。

【００４２】また、テーパ導波路の出力端側の成長阻止
膜幅Ｗｔも、出力端側で必要とされる膜厚に応じて適宜
調整する。

【００４３】本発明の導波路型半導体光集積素子は、上
記のようにＳＳＣ−ＬＤ部分が最も特徴的な部分である
が、ＳＳＣ−ＬＤに加えて、分布帰還型半導体レーザ、
分布反射型半導体レーザ、光変調器、光検出器、光スイ
ッチおよび光導波路等のその他の光機能素子を同一基板
上に集積し、さらに高機能化、高集積化を図ったもので
あってもよい。

【００４４】

【実施例】以下に実施例を示して本発明をさらに詳細に
説明する。

【００４５】（第１の実施例）図１に、本発明の導波路
型半導体光集積素子の一形態であるＳＳＣ−ＬＤを示
す。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰＭＱＷ構造から
なる活性層１は間隙幅が１．５μｍの部分に、また同時
に形成されるテーパ導波路２のコア層は間隙幅が３μｍ
に広げられた部分に直接形成される。導波路幅は活性層
１とテーパ導波路２のコア層の境界付近で３０μｍの長
さにわたり幅１．５μｍから３μｍに拡大し、ここでの
モード不整合による散乱損失（モード変換損失）を抑制
する構造を採用している。出射端の導波路厚は活性層１
の部分と比べて１／６に減少しており、ここでの光スポ
ットサイズが拡大されるとともにアスペクト比が改善さ
れ、良好な光ファイバとの結合特性を実現することがで
きる。この半導体レーザは発振波長が１．３μｍになる
構造を採用している。

【００４６】図１および図８を用いて製造工程を説明す
る。図８（ａ）に示すように、まずｎ−ＩｎＰ基板の
（００１）面上に熱ＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍのＳ
ｉＯ₂膜からなる成長阻止膜１０を堆積する。続いてフ
ォトリソグラフィ工程により、選択ＭＯＶＰＥに用いる
レジストパターンを形成する。希釈した弗酸により成長
阻止膜１０をエッチングし、成長に用いる基板が完成す
る。成長阻止膜１０のパターンは、図１４に示した形状
と同一であり、発光部での成長阻止膜幅は５０μｍ（＝
Ｗａ）で一定、受動光導波路部では５０μｍから４μｍ
（＝Ｗｔ）にテーパ状に変化させる。さらに成長阻止膜
１０の間隙部１１の幅は、発光部分で１．５μｍ（＝Ｇ
ｐ−ａ）一定、受動光導波路部と発光部の境界では長さ
３０μｍ（＝Ｌ１）に渡り間隙部１１の幅を１．５μｍ
から３μｍ（＝Ｇｐ−ｔ）に広げる構造とした。

【００４７】この基板を用いて選択ＭＯＶＰＥにより、
ｎ−ＩｎＰクラッド層を１００ｎｍ、１．１３μｍ波長
組成のＩｎＧａＡｓＰよりなる第一のＳＣＨ層を６０ｎ
ｍ、ＭＱＷ層、１．１３μｍ波長組成ＩｎＧａＡｓＰよ
りなる第二のＳＣＨ層を６０ｎｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド
層を１００ｎｍを順次エピタキシャル成長する。それら
の層の結晶は、成長阻止膜１０上には成長せず、これの
間隙部分のｎ−ＩｎＰ基板の上に選択的に成長する。し
かもそれらの層は、成長阻止膜１０の幅の広い部分の発
光部では最も膜厚が厚く、成長阻止膜の幅が狭くなって
いく領域ではレーザ活性層１から離れるにつれて膜厚が
薄くなる。ＭＱＷ層は７つの１．４μｍ波長組成ＩｎＧ
ａＡｓＰよりなる井戸層とその間に挟まれる１．１３μ
ｍ波長組成ＩｎＧａＡｓＰよりなる障壁層から構成され
たもので、活性層１での井戸層の厚さは７ｎｍ、障壁層
の厚さは１５ｎｍとした。

【００４８】このように活性層１とテーパ導波路２を一
括形成した後、弗酸にてＳｉＯ₂膜からなる成長阻止膜
１０を除去し、図８（ｂ）までの工程を終了する。

【００４９】その後再び全面にＳｉＯ₂膜を堆積させ、
次いでセルフアラインプロセスにより、直接形成した導
波路の頂上にのみＳｉＯ₂膜を残し、その他の部分のＳ
ｉＯ₂膜を弗酸により除去することで、図８（ｃ）に示
すように、埋め込み成長のための成長阻止膜１０ｂを形
成する。その後の工程は、図１を参照して説明する。

【００５０】次に、この成長阻止膜１０ｂをマスクにし
て再びＭＯＶＰＥ成長を行い、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック
層３を０．７μｍとｎ−ＩｎＰ電流ブロック層４を０．
７μｍ順次形成する。

【００５１】次に成長阻止膜１０ｂを除去してから、全
面にｐ−ＩｎＰクラッド層５を形成する。ｐ−ＩｎＰク
ラッド層５はスポットサイズ拡大により光フィールドの
一部が電極に到達しない様、５μｍと通常のＬＤ構造よ
りも厚くする。またｐ−ＩｎＰクラッド層５成長後は、
ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６を成長し電極とのオー
ミックコンタクトが取り易い構造とする。

【００５２】続いて全面にＳｉＯ₂膜を形成し、これを
フォトリソグラフィ工程によりパターニングして活性層
１にのみ電流が流れるように開口部を形成する。両面に
ＴｉＡｕからなるｐ電極７とｎ電極９を形成後、４３０
℃での電極アロイ化を行い図１に示す素子が完成する。

【００５３】ウエハからＬＤ部の長さ３００μｍ、テー
パ導波路２の長さ２００μｍとして素子を切り出し、特
性の評価を行った。ＬＤ部の端面に９５％の高反射コー
ティングを施した場合のＩ−Ｌ特性を図９に示す。室温
でのしきい値電流は８ｍＡと低く、また８５℃の場合に
おいても２４．５ｍＡと良好な発振特性を実現した。外
部微分量子効率は２５℃、８５℃の場合に対してそれぞ
れ、０．４６Ｗ／Ａ、０．３６Ｗ／Ａと良好であった。
加入者系に使われるＬＤの特性として重要な高温動作時
の駆動電流は、たとえば８５℃での１１ｍＷを例に取る
と、５６ｍＡと低い値を実現した。

【００５４】このような良好な発振特性が得られたの
は、導波路幅を拡大することで急峻なＰＬ波長変化が得
られ、これによりテーパ導波路２での吸収損失が大きく
低減できたこと、さらに選択ＭＯＶＰＥによりモード変
換損失や導波路側壁の荒れによる散乱損失が生じなかっ
たことが挙げられる。

【００５５】同素子の遠方放射パターンを図１０に示
す。水平放射角、垂直放射角として１０．８°、１３．
５°と狭い値を実現した。これは通常のＬＤで得られて
いる放射角の３５°と比べると約１／３の値である。

【００５６】図１１はスポットサイズ１０μｍのノーマ
ルシングルモードファイバと結合実験を行った結果であ
る。最小結合損失として、２．７ｄＢが得られた。ま
た、結合損失が１ｄＢ上昇する位置トレランスは１．８
μｍと安価な実装方式であるパッシブアライメントにも
十分適応できる良好な結合特性を同時に実現した。光フ
ァイバとのモード不整合の大きな通常構造の半導体レー
ザにて得られる結合損失が１０ｄＢであることを考慮す
ると、実に７ｄＢ以上の結合特性の改善をテーパ導波路
２の集積により実現することができた。

【００５７】（実施例２）図１２は本発明によるＳＳＣ
−ＬＤ１２をＰＬＣ（平面型光回路）基板１５上にパッ
シブアライメント実装したものである。パッシブアライ
メント実装は、素子に付けられた電極パターンとＰＬＣ
基板のパターンとを画像認識により一致させることで素
子をＰＬＣ基板１５上に配置する技術で、従来行われて
いた光軸調整をすることなく、素子と導波路とを結合す
る方法であり、実装コストを大きく低減させるものとし
て注目を集めている。

【００５８】ＰＬＣ基板１５にはＹ分岐１４が形成され
ており、これの一方にはＳＳＣ−ＬＤ１２が、もう一方
には受光素子１６が実装される構成になっている。ＰＬ
Ｃ基板１５の導波路１３とＳＳＣ−ＬＤ１２との結合損
失は４ｄＢであり、パッシブアライメント実装による過
剰損失は僅か１．３ｄＢに抑えることができた。本発明
による半導体レーザはテーパ導波路２での吸収損失低減
により高温動作特性に優れていることから、従来半導体
レーザで行われていた温度制御が不要となっている。こ
のため、光モジュール１７を非常に安価に構成すること
が可能となった。

【００５９】（実施例３）図１３は実施例２にて示した
本発明の素子を実装した光モジュール１７を光通信シス
テムに採用した構成を示すものである。本局と加入者と
は８〜３２分岐の光カップラ１８を通して１本の光ファ
イバ１９で接続されている。本発明により安価な光モジ
ュール１７を実現することが可能となるため、光通信シ
ステムトータルのコストを低く抑えることができる。

【００６０】以上説明した実施例において、レーザ構造
をファブリペロー構造としたが、発光部であるＬＤ部と
テーパ導波路２の間に受動導波路を設け、ここに回折格
子を形成するＤＢＲレーザ構造としても良い。また、Ｌ
Ｄ部に回折格子を形成するＤＦＢレーザ構造としてもよ
い。同一基板上にＤＦＢレーザと変調器を形成し、変調
器部分の間隙幅を広くして、ここでの吸収損失を低減す
る変調器集積化光源としても良い。

【００６１】さらに、上記した実施例では、ＭＱＷをＩ
ｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料によって構成しているが、
ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ／Ｇａ
ＩｎＰ系材料、ＺｎＳｅ系、ＧａＮ系その他の化合物半
導体材料を使用したものであってもよい。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、発光部の活性層と受動
光導波路部のコア層の膜厚およびバンドギャップが急峻
に変化しているので、受動光導波路部の発光領域に近い
部分でバンド間遷移に起因する吸収損失を大きく低減す
ることができ、低閾値電流、高スロープ効率でレーザ発
振し、高温動作特性、再現性、特性の均一性に優れ、且
つ簡単なプロセスにより作製可能で、光スポットサイズ
の拡大により良好なシングルモードファイバとの結合損
失を実現できるＳＳＣ−ＬＤを含む導波路型半導体光集
積素子を提供することができる。

【００６３】また、本発明によれば導波路形状のエッチ
ングが不要で、簡単なプロセスによって、低閾値電流、
高スロープ効率でレーザ発振し、高温動作特性、再現
性、特性の均一性に優れ、光スポットサイズの拡大によ
り良好なシングルモードファイバとの結合損失を実現で
きるＳＳＣ−ＬＤを含む導波路型半導体光集積素子の製
造方法を提供することができる。

【００６４】さらに、本発明によれば、他の光機能素子
との組合せにより、より高機能化、高集積化された導波
路型半導体光集積素子が可能になる。

【００６５】さらに、本発明によれば、光モジュールお
よび加入者系光通信システムの低価格化を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態であるＳＳＣ−ＬＤの構造
図である。

【図２】従来技術のＳＳＣ−ＬＤの構造図である。

【図３】従来技術を説明するための選択成長層の構造図
である。

【図４】従来技術を説明するための選択成長層の断面図
である。

【図５】本発明の効果を説明するための選択成長層の断
面図である。

【図６】本発明の効果を説明するためのＰＬ波長プロフ
ァイル図である。

【図７】本発明の効果を説明するためのＰＬ波長プロフ
ァイル図である。

【図８】本発明によるＳＳＣ−ＬＤの製造工程を説明す
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。

【図１１】本発明の実施例を説明するための図である。

【図１２】本発明の実施例を説明するための光モジュー
ルの構成ｗｐ示す図である。

【図１３】本発明の実施例を説明するための光通信シス
テムの構成を示す図である。

【図１４】本発明に用いる成長阻止膜のパターンの１例
である。

【図１５】本発明に用いる成長阻止膜のパターンの１例
である。

【図１６】本発明に用いる成長阻止膜のパターンの１例
である。

【図１７】本発明に用いる成長阻止膜のパターンの１例
である。

【符号の説明】

１活性層２テーパ導波路３ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５ｐ−ＩｎＰクラッド層６ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７ｐ電極８ｎ−ＩｎＰ基板９ｎ電極１０成長阻止膜１１間隙部１２ＳＳＣ−ＬＣ１３導波路１４Ｙ分岐１５ＰＬＣ基板１６受光素子１７光モジュール１８光カップラ１９光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０２Ｂ 6/12 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/15 H01S 5/00 - 5/347 G02B 6/12 - 6/122

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発光部と受動光導波路部を含む導波路型
半導体光集積素子において、前記発光部の活性層の膜厚が一定であり、この活性層幅
が５μｍ以下であり、前記受動光導波路部のコア層の膜厚が光の伝搬する方向
に沿って薄くなるようにテーパ状に変調されており、こ
のコア層の幅が活性層幅よりも広く、この発光部の活性層と受動光導波路部のコア層は一括し
て選択成長により形成されたものであって、その選択成
長のマスクとして用いる成長阻止膜が、一対のストライ
プ状であって、（イ）発光部における成長阻止膜の間隙
が５μｍ以下、受動光導波路における成長阻止膜の間隙
が発光部の間隙幅より広く、（ロ）発光部における成長
阻止膜の幅に比べて、受動光導波路における成長阻止膜
の幅が狭く、かつ光の伝搬する方向に沿って狭くなる形
状であることを特徴とする導波路型半導体光集積素子。
【請求項２】前記受動光導波路部のコア層の幅が、発
光部の活性層と接する領域でテーパ状に変化しているこ
とを特徴とする請求項１記載の導波路型半導体光集積素
子。
【請求項３】前記発光部の活性層と前記受動光導波路
部のコア層が量子井戸層であることを特徴とする請求項
１または２記載の導波路型半導体光集積素子。
【請求項４】前記発光部および受動光導波路部が埋め
込み型であることを特徴とする請求項１〜２のいずれか
に記載の導波路型半導体光集積素子。
【請求項５】分布帰還型半導体レーザ、分布反射型半
導体レーザ、光変調器、光検出器、光スイッチおよび光
導波路から選ばれる少なくとも一つをさらに含む請求項
１〜４のいずれかに記載の導波路型半導体光集積素子。
【請求項６】半導体基板上に、選択成長のマスクとし
て用いる成長阻止膜を、一対のストライプ状であって、
（イ）発光部における成長阻止膜の間隙が５μｍ以下、
受動光導波路における成長阻止膜の間隙が発光部の間隙
幅より広く、（ロ）発光部における成長阻止膜の幅に比
べて、受動光導波路における成長阻止膜の幅が狭く、か
つ光の伝搬する方向に沿って狭くなるように形成する工
程と、この成長阻止膜の間隙部分に発光部の活性層と受動導波
路のコア層を一括して選択成長によって形成する工程と
を含む導波路型半導体光集積素子の製造方法。
【請求項７】前記選択成長を選択ＭＯＶＰＥにより形
成することを特徴とする請求項６記載の導波路型半導体
光集積素子の製造方法。
【請求項８】前記発光部の活性層と受動導波路のコア
層が量子井戸構造となるように選択成長を行う請求項６
または７記載の導波路型半導体光集積素子の製造方法。
【請求項９】選択成長により形成される発光部および
受動光導波路部の光導波路の側壁が（１１１）結晶面で
ある請求項１〜５のいずれかに記載の導波路型半導体光
素子。
【請求項１０】発光部および受動光導波路部の光導波
路が電流または電圧印加のために２つ以上の電極構造を
有する請求項１〜５のいずれかに記載の導波路型半導体
光集積素子。
【請求項１１】動作波長が０．３〜１．７μｍである
請求項１〜５のいずれかに記載の導波路型半導体光集積
素子。
【請求項１２】請求項１〜５のいずれかに記載の導波
路型半導体光集積素子を少なくとも一個用いて形成する
ことを特徴とする光モジュール。
【請求項１３】請求項１〜５のいずれかに記載の導波
路型半導体光集積素子を少なくとも一個用いることを特
徴とする光通信システム。