JP3655079B2 - 光半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体素子に係わり、特に電気信号により高速変調動作が可能な光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、幹線系光通信システムの大容量化の研究開発が盛んに展開されている。また、光ファイバ増幅器の出現により伝送距離に対する光ファイバの損失制限が除去された現状においては、波長チャープの小さい外部変調方式による伝送距離の拡大も望まれている。特に、高速変調時にも波長チャープが小さく、光源となる半導体レーザとのモノリシック集積化が可能である半導体光変調器は、次世代の幹線系光通信システムを担うキーデバイスとして期待されている。
【０００３】
半導体光変調器と半導体レーザとをモノリシックに集積化した場合、変調器側端面において反射があると、レーザ領域にまで達した反射戻り光が波長チャープを誘起することになる。したがって、半導体光変調器・半導体レーザ集積化光源では、出射端面となる変調器側の端面反射率を極めて小さくする必要がある。例えば、２．５Ｇｂｐｓの速度で変調した光信号を５００ｋｍ伝送させるためには、端面反射率を０．０１％程度以下に抑える必要がある。このためには、出射端面に低反射膜をコーティングするだけでは不十分であり、窓構造の導入が必須である。
【０００４】
図１６には、従来の電界吸収型半導体光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の斜視図を示す。図中、１はｎ型ＩｎＰ基板、２は光吸収層、３はＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層、４はｐ型ＩｎＰクラッド層、５はｐ型ｌｎＧａＡｓコンタクト層、６はＡｕ／Ｚｎ／Ａｕから成るｐ型オーミック電極、７はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る配線兼ボンディングパッド、８はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから成るｎ型オーミック電極、９はＳｉＯ2 膜、１０はＳｉＮx から成る低反射コーティング膜である。端面反射率を低減するために、出射端面近傍において、光吸収層２が除去された窓領域１５が設けられている。また、高速変調動作を可能とするためには、素子寄生容量を低減する必要があり、変調器領域１６と窓領域１５には狭メサ加工が施されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような光変調器・半導体レーザ集積化光源から出力される光は、光ファイバとの結合効率を確保するために、できるだけ単峰性の強度分布を有することが望ましい。
【０００６】
図１７は、従来の光変調器・半導体レーザ集積化光源の出射端面部分において光が出射する様子を表す概略説明図である。すなわち、変調器領域１６中では、導波路の役割も兼ねている光吸収層２に沿って光が伝搬する。一方、導波構造を有していない窓領域１５中では、光は広がりながら放射され、狭メサ１４の側面で反射・散乱されている。散乱による損失のために光出力が低下すると同時に、反射光が干渉するために出射光分布が大きく乱れている。この結果、光ファイバとの結合効率は２５％程度と低く、高出力化が困難であった。
【０００７】
このように、従来の光変調器・半導体レーザ集積化光源では、狭メサ構造と窓構造を同時に設けた場合、窓領域での損失が増大すると同時に、光ファイバとの結合効率が低下するために、高出力化が困難であるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、高速変調動作が可能であると同時に、光ファイバとの高効率な結合が可能な窓構造を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、光導波層が除去された窓領域において、光分布の広がりに応じて、クラッド層の幅もしくは厚さを変化させることにより、高速変調動作と高出力動作とを同時に実現することにある。
【００１０】
即ち本発明は、ストライプ状の光導波層がクラッド層により埋め込まれており、前記クラッド層が前記光導波層を含んだ狭メサ形状を呈している光半導体素子において、出射端面近傍で前記光導波層が除去されていると同時に、前記光導波層の端部から出射端面に向かって放射される光の広がり角に応じて、出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さが変化するように形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の望ましい実施態様としては、出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さがテーパ状に変化していること、出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さが階段状に変化していることが挙げられる。さらには、この光半導体素子が、他の光半導体素子と同一半導体基板上に集積化して形成されていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、出射端面近傍の光導波層が除去された窓構造を有しており、端面反射率を低減することができる。また、窓領域を含めてクラッド層は狭メサ形状を呈しているため、寄生容量を低減することが可能であり、高速変調動作が実現できる。さらに、窓領域中では、光導波層の端部から出射端面に向かって光は広がりながら放射されるが、光分布の広がり角に応じてクラッド層の幅もしくは厚さが広がるように形成されている。したがって、クラッド層の側面で光が反射・散乱されることはないので、散乱損失による光出力の低下を招くこともなく、出射光分布が乱れることもない。この結果、光ファイバとの結合効率も高く、高出力化が可能である。
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる光半導体素子の導波方向に沿った断面図であり、電界吸収型半導体光変調器と分布帰還型半導体レーザをモノリシックに集積化した構造から成る。また、図１の光半導体素子の出射端面部分の斜視図を図２に示す。図中、１はｎ型ｌｎＰ基板、２は光吸収層、１２は活性層、１３は回折格子、３はＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層、４はｐ型ｌｎＰクラッド層、５はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、６はＡｕ／Ｚｎ／Ａｕから成るｐ型オーミック電極、７はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る配線兼ボンディングパッド、８はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから成るｎ型オーミック電極、９はＳｉＯ2 膜、１０はＳｉＮｘから成る低反射コーティング膜、１１はＳｉ／ＳｉＯ2 多層膜から成る高反射コーティング膜である。変調器領域１６、電極分離領域１７、および窓領域１５は、狭メサ形状にエッチング加工されており、寄生容量の低減を図っている。また、窓領域１５の長さは１５μｍであり、出射端面に向かって狭メサ１４の幅が１０μｍから２５μｍにテーパ状に広がっている。
【００１４】
図３には、出射端面部分の水平図を示す。導波構造を有していない窓領域１５中では、光は広がりながら伝搬するが、狭メサ１４の幅が出射端面に向かってテーパ状に広がっているために、狭メサ１４側面での反射や散乱はほとんど生じていない。したがって、散乱損失による光出力の低下を招くことなく、単峰性の出射光分布が得られている。この結果、光ファイバとの結合効率は５０％と高く、従来の２倍の光出力が得られた。
【００１５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図４を参照して説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の斜視図である。図４において、図２と同一の部分については、図２と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００１６】
この実施例では、変調器領域１６、電極分離領域１７、および窓領域１５において、ｐ型ＩｎＰクラッド層４（およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５）を選択成長法によりあらかじめ狭メサ形状に形成している。
【００１７】
図５は、ｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択成長する直前のウェーハ表面を表す平面図である。すなわち、光吸収層２と活性層１２とをストライプ状に加工し、その周囲を埋め込み層３により埋め込んだ後に、その表面に成長阻止マスク１９、１９を形成する。成長阻止マスク１９は、クラッド層４のエピタキシャル成長を妨げる役割を有し、その材料としては、例えばＳｉＯ２を用いることができる。マスク１９の幅は３μｍ、マスク１９、１９の間隔は１０μｍである。ただし、窓領域１５では、マスク１９、１９の間隔は、出射端面に向かって１０μｍから２５μｍにテーパ状に広げられている。このような成長阻止マスク１９、１９を形成したウェーハ上にｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択的に成長することにより、狭メサ１４を形成することができる。窓領域１５中では、狭メサ１４の幅が出射端面に向かってテーパ状に広がって形成されるために、狭メサ１４側面で反射や散乱を生じることはなく、高出力動作が得られる。
【００１８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を図６を参照して説明する。図６は、本発明の第３の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の斜視図である。図６において、図２と同一の部分については、図２と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００１９】
変調器領域１６および窓領域１５は、狭メサ形状にエッチング加工されており、寄生容量の低減を図っている。狭メサ１４の幅は、変調器領域１６中では１０μｍであり、窓領域１５中では２５μｍに形成されている。また、窓領域１５の長さは１５μｍである。
【００２０】
図７には、出射端面部分の水平図を示す。窓領域１５における狭メサ１４の幅は２５μｍと広く形成されているため、窓領域１５中を広がりながら伝搬する光は、出射端面に至るまでに、狭メサ１４の側面で反射・散乱されることはない。したがって、散乱損失による光出力の低下を招くことなく、単峰性の出射光分布が得られており、光ファイバとの結合効率も高い。
【００２１】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を図８を参照して説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の水平図である。図８において、図３と同一の部分については、図３と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００２２】
狭メサ１４の幅は、変調器領域１６中では１０μｍである。また、窓領域１５の長さは１５μｍであり、長さ５μｍごとに狭メサ１４の幅が５μｍずつ変化するように形成されている。すなわち、出射端面に向かって、狭メサ１４の幅が１０μｍから２５μｍへと段階的に広がっている。この結果、狭メサ１４側面で反射や散乱を生じることはなく、高出力動作が得られる。
【００２３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態を図９を参照して説明する。図９は、本発明の第５の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の水平図である。図９において、図３と同一の部分については、図３と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００２４】
狭メサ１４の幅は、変調器領域１６中では１０μｍである。また、窓領域１５の長さは１５μｍであり、出射端面から１０μｍまでの領域では、狭メサ１４の幅が２５μｍに形成されている。すなわち、窓領域１５のうちで、光吸収層２の端部から長さ５μｍまでの領域では、狭メサ１４の幅は変調器領域１６と同じ１０μｍのままとされている。しかしながら、光吸収層２の端部から長さ５μｍの位置では、光分布は数μｍ程度にまでしか広がらない。この結果、狭メサ１４側面での反射や散乱を生じることはなく、高出力動作が得られる。
【００２５】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態を図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の第６の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の水平図である。図１０において、図３と同一の部分については、図３と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００２６】
この実施例では、窓領域１５の長さは１５μｍであるが、狭メサ１４の幅は、出射端面から２５μｍの領域において１０μｍから２５μｍにテーパ状に変化している。すなわち、窓領域１５中のみならず、変調器領域１６の途中から、狭メサ１４の幅が変化している。狭メサ１４の幅が一定である領域と、狭メサ１４の幅が変化している領域とでは、狭メサ１４の側面の面方位が異なる。このため、狭メサ１４をエッチング加工により形成する際に、サイドエッチング量が異なり、狭メサ１４の幅を制御することが困難になることもある。このような場合に、本実施形態のように狭メサ１４の幅を緩やかに変化させるとメサの幅の制御が容易になるという利点が生ずる。
【００２７】
本実施形態では、テーパ領域の長さは２５μｍであり、窓領域１５の長さ１５μｍよりも長く形成している。この結果、窓領域１５中のみならず、変調器領域１６中にまでテーパ領域が及んでいる。しかしながら、変調器領域１６における狭メサ１４の幅の増大はわずかであり、寄生容量の増大も無視できる程度であることから、高速性を損なうことはない。
【００２８】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態を図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の第７の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の水平図である。図１１において、図３と同一の部分については、図３と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００２９】
この実施例では、窓領域１５の長さは１５μｍであり、出射端面から１５μｍの位置から５μｍの位置までの領域において、狭メサ１４の幅が１０μｍから２５μｍにテーパ状に変化している。すなわち、出射端面から５μｍまでの領域では、狭メサ１４の幅は２５μｍで一定である。
【００３０】
このような形状とすることにより、劈開工程における「位置ずれ」に対処することができるという利点が生ずる。すなわち、光半導体素子の端面は、通常、半導体基板を劈開することにより形成するが、この劈開工程において、端面の位置は数μｍ程度のずれを生ずることがある。図１２は、このような劈開工程の前における図１１の光半導体素子の出射端面部分の水平図である。劈開工程前には、２個の光半導体素子が窓領域１５で接続されている。本実施形態によれば、劈開位置２０近傍で狭メサ１４の幅を２５μｍで一定としているので、劈開位置２０が多少ずれても出射端面における狭メサ１４の幅が２５μｍよりも狭くならない。この結果として、劈開されて２個に分離されたそれぞれの光半導体素子は、出射端面から数μｍの領域において、狭メサ１４の幅が２５μｍで一定となるように形成される。すなわち、狭メサ１４の幅が出射端面において狭くなって、出射光を反射、散乱するという問題を解消することができる。
【００３１】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施形態を図１３を参照して説明する。図１３は、本発明の第８の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の導波方向に沿った断面図である。図１３において、図１と同一の部分については、図１と同一の符号を付してその説明を省略する。この実施例では、ｐ型ＩｎＰクラッド層４（およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５）を選択成長法によりあらかじめ狭メサ形状に形成している。図１４は、ｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択成長する直前のウェーハ表面を表す平面図である。すなわち、光吸収層２と活性層１２とをストライプ状に加工し、その周囲を埋め込み層３により埋め込んだ後に、その表面に成長阻止マスク１９、１９を形成する。ＳｉＯ2 から成る成長阻止マスク１９の幅は３μｍであり、マスク１９、１９の間隔は１０μｍである。ただし、窓領域１５では、出射端面に向かって成長阻止マスク１９の幅を３μｍから３０μｍにテーパ状に広げている。
【００３２】
このようなウェーハ上にｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択的に成長する場合、成長阻止マスク１９の幅が広いほど、それらのマスクに挟まれている領域のｐ型ＩｎＰクラッド層４の成長速度は大きくなる。これは、マスク１９上に供給された成長原料がマスクの上には堆積せずに、その周囲のＩｎＰ層に取り込まれるからである。したがって、窓領域１５においては、ｐ型ＩｎＰクラッド層４の厚さが出射端面に向かってテーパ状に厚くなるように形成されている。この結果、ｐ型ＩｎＰクラッド層４の上面での反射や散乱は小さく、光ファイバとの高効率な結合が得られる。
【００３３】
上述した例では、ｐ型ＩｎＰクラッド層４の厚さのみをテーパ状に広げた構造としたが、例えば、図１５に示すような形状の成長阻止マスク１９、１９を用いてｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択成長すれば、窓領域１５中でｐ型ＩｎＰクラッド層４の幅と厚さとを同時にテーパ状に広げることができる。その結果として、幅方向においても層厚方向においても、出射光が反射、散乱させることが解消され、光ファイバとの結合効率を向上させ、高い光出力を得ることができるようになる。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。実施例では、狭メサの幅もしくは厚さをテーパ状、階段状、矩形状などに変化させた構造について説明したが、これらの他にも、例えば、曲線状に変化させた構造や、これらの形状を組み合わせた構造を用いても良い。また、実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ系の光半導体素子について説明したが、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａｌｎＰ系など、様々な材料系について本発明を適用することができる。さらに、実施例では、光変調器と半導体レーザとをモノリシックに集積化した構造について説明したが、他に単体の半導体レーザ、光変調器、光増幅器、光スイッチ、光カプラ、光導波路や、これらを集積化した素子構造においても、本発明は同様に適用して同様の種々の効果を得ることができる。
【００３５】
また、光吸収層や活性層にはバルク材料を用いても多重量子井戸構造を用いてもよい。さらに、半導体埋め込み層はＩｎＰ層に限るものではなく、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ層や、ＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓＰ層を積層した半導体層を用いてもよい。
【００３６】
また、半導体基板や半導体埋め込み層の導電型についても、様々な半導体層を用いることができる。その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、寄生容量を低減するために狭メサ構造を設けると同時に、端面反射率を低減するために窓構造を設けた場合にも、散乱損失がなく、光ファイバとの結合に適した出射光分布を得ることが可能である。したがって、高速変調動作と高出力動作が得られ拡かつ波長チャープの小さい光源を提供することが可能であり、幹線系光通信システムの大容量化・長距離化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる光半導体素子の導波方向に沿った断面図。
【図２】第１の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の斜視図。
【図３】第１の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図４】第２の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の斜視図。
【図５】第２の実施形態に係わる光半導体素子のクラッド層の成長前のウェーハ表面を表す水平図。
【図６】第３の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の斜視図。
【図７】第３の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図８】第４の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図９】第５の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図１０】第６の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図１１】第７の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図１２】第７の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の劈開工程前の水平図。
【図１３】第８の実施形態に係わる光半導体素子の導波方向に沿った断面図。
【図１４】第８の実施形態に係わる光半導体素子のクラッド層成長前のウェーハ表面を表す水平図。
【図１５】他の実施例に係わる光半導体素子の成長阻止マスクを例示する水平図。
【図１６】従来の光半導体素子の出射端面部分の斜視図。
【図１７】従来の光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【符号の説明】
１ ｎ型ＩｎＰ基板
２ 光吸収層
３ Ｆｅドープ半絶縁性ｌｎＰ埋め込み層
４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
５ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
６ ｐ型オーミック電極
７ 配線兼ボンディングパッド
８ ｎ型オーミック電極
９ ＳｉＯ2 膜
１０ 低反射コーティング膜
１１ 高反射コーティング膜
１２ 活性層
１３ 回折格子
１４ 狭メサ
１５ 窓領域
１６ 変調器領域
１７ 電極分離領域
１８ レーザ領域
１９ 成長阻止マスク
２０ 劈開位置
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体素子に係わり、特に電気信号により高速変調動作が可能な光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、幹線系光通信システムの大容量化の研究開発が盛んに展開されている。また、光ファイバ増幅器の出現により伝送距離に対する光ファイバの損失制限が除去された現状においては、波長チャープの小さい外部変調方式による伝送距離の拡大も望まれている。特に、高速変調時にも波長チャープが小さく、光源となる半導体レーザとのモノリシック集積化が可能である半導体光変調器は、次世代の幹線系光通信システムを担うキーデバイスとして期待されている。
【０００３】
半導体光変調器と半導体レーザとをモノリシックに集積化した場合、変調器側端面において反射があると、レーザ領域にまで達した反射戻り光が波長チャープを誘起することになる。したがって、半導体光変調器・半導体レーザ集積化光源では、出射端面となる変調器側の端面反射率を極めて小さくする必要がある。例えば、２．５Ｇｂｐｓの速度で変調した光信号を５００ｋｍ伝送させるためには、端面反射率を０．０１％程度以下に抑える必要がある。このためには、出射端面に低反射膜をコーティングするだけでは不十分であり、窓構造の導入が必須である。
【０００４】
図１６には、従来の電界吸収型半導体光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の斜視図を示す。図中、１はｎ型ＩｎＰ基板、２は光吸収層、３はＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層、４はｐ型ＩｎＰクラッド層、５はｐ型ｌｎＧａＡｓコンタクト層、６はＡｕ／Ｚｎ／Ａｕから成るｐ型オーミック電極、７はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る配線兼ボンディングパッド、８はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから成るｎ型オーミック電極、９はＳｉＯ2 膜、１０はＳｉＮx から成る低反射コーティング膜である。端面反射率を低減するために、出射端面近傍において、光吸収層２が除去された窓領域１５が設けられている。また、高速変調動作を可能とするためには、素子寄生容量を低減する必要があり、変調器領域１６と窓領域１５には狭メサ加工が施されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような光変調器・半導体レーザ集積化光源から出力される光は、光ファイバとの結合効率を確保するために、できるだけ単峰性の強度分布を有することが望ましい。
【０００６】
図１７は、従来の光変調器・半導体レーザ集積化光源の出射端面部分において光が出射する様子を表す概略説明図である。すなわち、変調器領域１６中では、導波路の役割も兼ねている光吸収層２に沿って光が伝搬する。一方、導波構造を有していない窓領域１５中では、光は広がりながら放射され、狭メサ１４の側面で反射・散乱されている。散乱による損失のために光出力が低下すると同時に、反射光が干渉するために出射光分布が大きく乱れている。この結果、光ファイバとの結合効率は２５％程度と低く、高出力化が困難であった。
【０００７】
このように、従来の光変調器・半導体レーザ集積化光源では、狭メサ構造と窓構造を同時に設けた場合、窓領域での損失が増大すると同時に、光ファイバとの結合効率が低下するために、高出力化が困難であるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、高速変調動作が可能であると同時に、光ファイバとの高効率な結合が可能な窓構造を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、光導波層が除去された窓領域において、光分布の広がりに応じて、クラッド層の幅もしくは厚さを変化させることにより、高速変調動作と高出力動作とを同時に実現することにある。
【００１０】
即ち本発明は、ストライプ状の光導波層がクラッド層により埋め込まれており、前記クラッド層が前記光導波層を含んだ狭メサ形状を呈している光半導体素子において、出射端面近傍で前記光導波層が除去されていると同時に、前記光導波層の端部から出射端面に向かって放射される光の広がり角に応じて、出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さが変化するように形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の望ましい実施態様としては、出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さがテーパ状に変化していること、出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さが階段状に変化していることが挙げられる。さらには、この光半導体素子が、他の光半導体素子と同一半導体基板上に集積化して形成されていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、出射端面近傍の光導波層が除去された窓構造を有しており、端面反射率を低減することができる。また、窓領域を含めてクラッド層は狭メサ形状を呈しているため、寄生容量を低減することが可能であり、高速変調動作が実現できる。さらに、窓領域中では、光導波層の端部から出射端面に向かって光は広がりながら放射されるが、光分布の広がり角に応じてクラッド層の幅もしくは厚さが広がるように形成されている。したがって、クラッド層の側面で光が反射・散乱されることはないので、散乱損失による光出力の低下を招くこともなく、出射光分布が乱れることもない。この結果、光ファイバとの結合効率も高く、高出力化が可能である。
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる光半導体素子の導波方向に沿った断面図であり、電界吸収型半導体光変調器と分布帰還型半導体レーザをモノリシックに集積化した構造から成る。また、図１の光半導体素子の出射端面部分の斜視図を図２に示す。図中、１はｎ型ｌｎＰ基板、２は光吸収層、１２は活性層、１３は回折格子、３はＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層、４はｐ型ｌｎＰクラッド層、５はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、６はＡｕ／Ｚｎ／Ａｕから成るｐ型オーミック電極、７はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る配線兼ボンディングパッド、８はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから成るｎ型オーミック電極、９はＳｉＯ2 膜、１０はＳｉＮｘから成る低反射コーティング膜、１１はＳｉ／ＳｉＯ2 多層膜から成る高反射コーティング膜である。変調器領域１６、電極分離領域１７、および窓領域１５は、狭メサ形状にエッチング加工されており、寄生容量の低減を図っている。また、窓領域１５の長さは１５μｍであり、出射端面に向かって狭メサ１４の幅が１０μｍから２５μｍにテーパ状に広がっている。
【００１４】
図３には、出射端面部分の水平図を示す。導波構造を有していない窓領域１５中では、光は広がりながら伝搬するが、狭メサ１４の幅が出射端面に向かってテーパ状に広がっているために、狭メサ１４側面での反射や散乱はほとんど生じていない。したがって、散乱損失による光出力の低下を招くことなく、単峰性の出射光分布が得られている。この結果、光ファイバとの結合効率は５０％と高く、従来の２倍の光出力が得られた。
【００１５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図４を参照して説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の斜視図である。図４において、図２と同一の部分については、図２と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００１６】
この実施例では、変調器領域１６、電極分離領域１７、および窓領域１５において、ｐ型ＩｎＰクラッド層４（およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５）を選択成長法によりあらかじめ狭メサ形状に形成している。
【００１７】
図５は、ｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択成長する直前のウェーハ表面を表す平面図である。すなわち、光吸収層２と活性層１２とをストライプ状に加工し、その周囲を埋め込み層３により埋め込んだ後に、その表面に成長阻止マスク１９、１９を形成する。成長阻止マスク１９は、クラッド層４のエピタキシャル成長を妨げる役割を有し、その材料としては、例えばＳｉＯ２を用いることができる。マスク１９の幅は３μｍ、マスク１９、１９の間隔は１０μｍである。ただし、窓領域１５では、マスク１９、１９の間隔は、出射端面に向かって１０μｍから２５μｍにテーパ状に広げられている。このような成長阻止マスク１９、１９を形成したウェーハ上にｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択的に成長することにより、狭メサ１４を形成することができる。窓領域１５中では、狭メサ１４の幅が出射端面に向かってテーパ状に広がって形成されるために、狭メサ１４側面で反射や散乱を生じることはなく、高出力動作が得られる。
【００１８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を図６を参照して説明する。図６は、本発明の第３の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の斜視図である。図６において、図２と同一の部分については、図２と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００１９】
変調器領域１６および窓領域１５は、狭メサ形状にエッチング加工されており、寄生容量の低減を図っている。狭メサ１４の幅は、変調器領域１６中では１０μｍであり、窓領域１５中では２５μｍに形成されている。また、窓領域１５の長さは１５μｍである。
【００２０】
図７には、出射端面部分の水平図を示す。窓領域１５における狭メサ１４の幅は２５μｍと広く形成されているため、窓領域１５中を広がりながら伝搬する光は、出射端面に至るまでに、狭メサ１４の側面で反射・散乱されることはない。したがって、散乱損失による光出力の低下を招くことなく、単峰性の出射光分布が得られており、光ファイバとの結合効率も高い。
【００２１】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を図８を参照して説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の水平図である。図８において、図３と同一の部分については、図３と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００２２】
狭メサ１４の幅は、変調器領域１６中では１０μｍである。また、窓領域１５の長さは１５μｍであり、長さ５μｍごとに狭メサ１４の幅が５μｍずつ変化するように形成されている。すなわち、出射端面に向かって、狭メサ１４の幅が１０μｍから２５μｍへと段階的に広がっている。この結果、狭メサ１４側面で反射や散乱を生じることはなく、高出力動作が得られる。
【００２３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態を図９を参照して説明する。図９は、本発明の第５の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の水平図である。図９において、図３と同一の部分については、図３と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００２４】
狭メサ１４の幅は、変調器領域１６中では１０μｍである。また、窓領域１５の長さは１５μｍであり、出射端面から１０μｍまでの領域では、狭メサ１４の幅が２５μｍに形成されている。すなわち、窓領域１５のうちで、光吸収層２の端部から長さ５μｍまでの領域では、狭メサ１４の幅は変調器領域１６と同じ１０μｍのままとされている。しかしながら、光吸収層２の端部から長さ５μｍの位置では、光分布は数μｍ程度にまでしか広がらない。この結果、狭メサ１４側面での反射や散乱を生じることはなく、高出力動作が得られる。
【００２５】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態を図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の第６の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の水平図である。図１０において、図３と同一の部分については、図３と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００２６】
この実施例では、窓領域１５の長さは１５μｍであるが、狭メサ１４の幅は、出射端面から２５μｍの領域において１０μｍから２５μｍにテーパ状に変化している。すなわち、窓領域１５中のみならず、変調器領域１６の途中から、狭メサ１４の幅が変化している。狭メサ１４の幅が一定である領域と、狭メサ１４の幅が変化している領域とでは、狭メサ１４の側面の面方位が異なる。このため、狭メサ１４をエッチング加工により形成する際に、サイドエッチング量が異なり、狭メサ１４の幅を制御することが困難になることもある。このような場合に、本実施形態のように狭メサ１４の幅を緩やかに変化させるとメサの幅の制御が容易になるという利点が生ずる。
【００２７】
本実施形態では、テーパ領域の長さは２５μｍであり、窓領域１５の長さ１５μｍよりも長く形成している。この結果、窓領域１５中のみならず、変調器領域１６中にまでテーパ領域が及んでいる。しかしながら、変調器領域１６における狭メサ１４の幅の増大はわずかであり、寄生容量の増大も無視できる程度であることから、高速性を損なうことはない。
【００２８】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態を図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の第７の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の出射端面部分の水平図である。図１１において、図３と同一の部分については、図３と同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の光半導体素子の導波路に沿った断面構造は、図１に示したものと概略同一とすることができるので、ここでは省略する。
【００２９】
この実施例では、窓領域１５の長さは１５μｍであり、出射端面から１５μｍの位置から５μｍの位置までの領域において、狭メサ１４の幅が１０μｍから２５μｍにテーパ状に変化している。すなわち、出射端面から５μｍまでの領域では、狭メサ１４の幅は２５μｍで一定である。
【００３０】
このような形状とすることにより、劈開工程における「位置ずれ」に対処することができるという利点が生ずる。すなわち、光半導体素子の端面は、通常、半導体基板を劈開することにより形成するが、この劈開工程において、端面の位置は数μｍ程度のずれを生ずることがある。図１２は、このような劈開工程の前における図１１の光半導体素子の出射端面部分の水平図である。劈開工程前には、２個の光半導体素子が窓領域１５で接続されている。本実施形態によれば、劈開位置２０近傍で狭メサ１４の幅を２５μｍで一定としているので、劈開位置２０が多少ずれても出射端面における狭メサ１４の幅が２５μｍよりも狭くならない。この結果として、劈開されて２個に分離されたそれぞれの光半導体素子は、出射端面から数μｍの領域において、狭メサ１４の幅が２５μｍで一定となるように形成される。すなわち、狭メサ１４の幅が出射端面において狭くなって、出射光を反射、散乱するという問題を解消することができる。
【００３１】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施形態を図１３を参照して説明する。図１３は、本発明の第８の実施形態に係わる電界吸収型光変調器・分布帰還型半導体レーザ集積化光源の導波方向に沿った断面図である。図１３において、図１と同一の部分については、図１と同一の符号を付してその説明を省略する。この実施例では、ｐ型ＩｎＰクラッド層４（およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５）を選択成長法によりあらかじめ狭メサ形状に形成している。図１４は、ｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択成長する直前のウェーハ表面を表す平面図である。すなわち、光吸収層２と活性層１２とをストライプ状に加工し、その周囲を埋め込み層３により埋め込んだ後に、その表面に成長阻止マスク１９、１９を形成する。ＳｉＯ2 から成る成長阻止マスク１９の幅は３μｍであり、マスク１９、１９の間隔は１０μｍである。ただし、窓領域１５では、出射端面に向かって成長阻止マスク１９の幅を３μｍから３０μｍにテーパ状に広げている。
【００３２】
このようなウェーハ上にｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択的に成長する場合、成長阻止マスク１９の幅が広いほど、それらのマスクに挟まれている領域のｐ型ＩｎＰクラッド層４の成長速度は大きくなる。これは、マスク１９上に供給された成長原料がマスクの上には堆積せずに、その周囲のＩｎＰ層に取り込まれるからである。したがって、窓領域１５においては、ｐ型ＩｎＰクラッド層４の厚さが出射端面に向かってテーパ状に厚くなるように形成されている。この結果、ｐ型ＩｎＰクラッド層４の上面での反射や散乱は小さく、光ファイバとの高効率な結合が得られる。
【００３３】
上述した例では、ｐ型ＩｎＰクラッド層４の厚さのみをテーパ状に広げた構造としたが、例えば、図１５に示すような形状の成長阻止マスク１９、１９を用いてｐ型ＩｎＰクラッド層４を選択成長すれば、窓領域１５中でｐ型ＩｎＰクラッド層４の幅と厚さとを同時にテーパ状に広げることができる。その結果として、幅方向においても層厚方向においても、出射光が反射、散乱させることが解消され、光ファイバとの結合効率を向上させ、高い光出力を得ることができるようになる。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。実施例では、狭メサの幅もしくは厚さをテーパ状、階段状、矩形状などに変化させた構造について説明したが、これらの他にも、例えば、曲線状に変化させた構造や、これらの形状を組み合わせた構造を用いても良い。また、実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ系の光半導体素子について説明したが、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａｌｎＰ系など、様々な材料系について本発明を適用することができる。さらに、実施例では、光変調器と半導体レーザとをモノリシックに集積化した構造について説明したが、他に単体の半導体レーザ、光変調器、光増幅器、光スイッチ、光カプラ、光導波路や、これらを集積化した素子構造においても、本発明は同様に適用して同様の種々の効果を得ることができる。
【００３５】
また、光吸収層や活性層にはバルク材料を用いても多重量子井戸構造を用いてもよい。さらに、半導体埋め込み層はＩｎＰ層に限るものではなく、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ層や、ＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓＰ層を積層した半導体層を用いてもよい。
【００３６】
また、半導体基板や半導体埋め込み層の導電型についても、様々な半導体層を用いることができる。その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、寄生容量を低減するために狭メサ構造を設けると同時に、端面反射率を低減するために窓構造を設けた場合にも、散乱損失がなく、光ファイバとの結合に適した出射光分布を得ることが可能である。したがって、高速変調動作と高出力動作が得られ拡かつ波長チャープの小さい光源を提供することが可能であり、幹線系光通信システムの大容量化・長距離化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる光半導体素子の導波方向に沿った断面図。
【図２】第１の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の斜視図。
【図３】第１の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図４】第２の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の斜視図。
【図５】第２の実施形態に係わる光半導体素子のクラッド層の成長前のウェーハ表面を表す水平図。
【図６】第３の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の斜視図。
【図７】第３の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図８】第４の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図９】第５の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図１０】第６の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図１１】第７の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【図１２】第７の実施形態に係わる光半導体素子の出射端面部分の劈開工程前の水平図。
【図１３】第８の実施形態に係わる光半導体素子の導波方向に沿った断面図。
【図１４】第８の実施形態に係わる光半導体素子のクラッド層成長前のウェーハ表面を表す水平図。
【図１５】他の実施例に係わる光半導体素子の成長阻止マスクを例示する水平図。
【図１６】従来の光半導体素子の出射端面部分の斜視図。
【図１７】従来の光半導体素子の出射端面部分の水平図。
【符号の説明】
１ ｎ型ＩｎＰ基板
２ 光吸収層
３ Ｆｅドープ半絶縁性ｌｎＰ埋め込み層
４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
５ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
６ ｐ型オーミック電極
７ 配線兼ボンディングパッド
８ ｎ型オーミック電極
９ ＳｉＯ2 膜
１０ 低反射コーティング膜
１１ 高反射コーティング膜
１２ 活性層
１３ 回折格子
１４ 狭メサ
１５ 窓領域
１６ 変調器領域
１７ 電極分離領域
１８ レーザ領域
１９ 成長阻止マスク
２０ 劈開位置
Claims (4)
- ストライプ状の光導波層がクラッド層により埋め込まれており、前記クラッド層が前記光導波層を含んだ狭メサ形状を呈している光半導体素子において、出射端面近傍で前記光導波層が除去されていると同時に、前記光導波層の端部から出射端面に向かって放射される光の広がり角に応じて、出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さが変化するように形成されていることを特徴とする光半導体素子。
- 出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さがテーパ状に変化していることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
- 出射端面近傍において前記クラッド層の幅もしくは厚さが階段状に変化していることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
- 請求項１記載の光半導体素子が、他の光半導体素子と同一半導体基板上に集積化して形成されていることを特徴とする光半導体素子。
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