JP3797735B2 - 光集積回路およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変調機集積半導体レーザに関し、特に、幹線系光通信網に使用される変調器集積半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
幹線系光通信網において、２．５ギガビット／秒以上の広帯域デジタル伝送用光源として、光吸収型変調器（以下「ＥＡＭ」という）と半導体レーザ（以下「ＬＤ」という）を１チップに集積した変調器集積半導体レーザ（以下「ＥＡＭ−ＬＤ」という）が用いられている。
図１２は、従来構造にかかるＥＡＭ−ＬＤを光導波路に沿った対称面で縦方向に切った場合の断面斜視図であり、図中、１はｎ−ＩｎＰ基板、２はｎ−ＩｎＰクラッド層、３ａはＩｎＧａＡｓＰ活性層、３ｂ、３ｃはＩｎＧａＡｓＰ光閉込層、４はＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、５はｐ−ＩｎＰクラッド層、６はｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、７はＥＡＭアノード電極、８はＬＤアノード電極、９はｎ−ＩｎＰ埋込層、１０はＦｅ−ＩｎＰ埋込層を示す。ＥＡＭアノード電極７とＬＤアノード電極８は、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６およびｐ−ＩｎＰクラッド層５を部分的にエッチング除去したアイソレーションメサ１２により電気的に分離されている。
また、図１３（ａ）は、従来構造のＥＡＭ−ＬＤの垂直断面図、（ｂ）は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３部分における水平断面図であり、１１はＳｉＯ２絶縁膜、３ａはＩｎＧａＡｓＰ活性層、３ｂおよび３ｃはＩｎＧａＡｓＰ光閉込層である。
図１３（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよびＩｎＧａＡｓＰ光閉込層３ｂ、３ｃは、Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層１０に挟まれ、ＬＤ部（図１３（ａ）（ｂ）の右部分）とＥＡＭ部（図１３（ａ）（ｂ）の左部分）を結ぶ光導波路を形成する。
図１２、１３においては、ＥＡＭのＰＮ接合への印加電圧がＯＶのときは、ＬＤからの光がＥＡＭで吸収されず透過し、ＥＡＭのＰＮ接合に１〜３Ｖの逆バイアス電圧を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果またはフランツ・ケルディシュ効果によりＬＤからの光はＥＡＭで吸収される。このようにして、ＥＡＭへの印加電圧の大小によりＬＤの光を強度変調することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＥＡＭ−ＬＤでは、ｐ−ＩｎＰクラッド層５をエッチングしてアイソレーションメサ１２を形成しているが、アイソレーションメサ１２底部にｐ−ＩｎＰクラッド層５が残されているため、ＥＡＭ部とＬＤ部のアノード電極の分離抵抗は２ＫΩ程度となっている。
分離抵抗が２ＫΩの場合、ＥＡＭへの変調電圧を０〜２Ｖと仮定すると、変調電圧の変化（２Ｖ）が分離抵抗２ＫΩのアイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＰクラッド層を通って、ＬＤの電流を１ｍＡ程度変動させることとなる。かかる電流変化により、ＬＤの発振波長は約０．１Å変動することとなり、伝送速度が２．５ギガビット／秒以上の高速長距離光通信において、光波形のなまりなどの伝送品質の劣化となる。
従って、かかる伝送品質の劣化を防止するためには、アイソレーションメサ部１２の分離抵抗を十分高くすることが必要であり、ｐ−ＩｎＰクラッド層５のエッチング量を多くし、残し膜厚を薄くすることが必要となる。
【０００４】
しかし、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３を伝搬する光の一部は、ｐ−ＩｎＰクラッド層５にしみ出して伝搬するため、その部分がエッチングにより除去されてしまうと伝搬損失および光の反射・散乱を生じ、これが伝送特性およびＬＤの発振動作の安定性にとって障害となる。
図１４は、従来のアイソレーションメサ部１２の構成において、ｐ−ＩｎＰクラッド層５への光のしみ出しを計算した例であり、ＩｎＧａＡｓＰ活性層をウェル層膜厚９．８ｎｍ、バリア層膜厚７．０ｎｍの８層多重量子囲戸（ＭＱＷ）構造として計算したものである。
図１４より、光の伝搬を妨げないｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚は最小１．２μｍで、これ以上ｐ−ＩｎＰクラッド層５をエッチングできないため、光の伝搬特性に影響を与えずにアイソレーションメサ部１２の分離抵抗をさらに高くすることは困難であった。
そこで、本発明は、ＬＤ−ＥＡＭ間の光伝搬特性に影響を与えることなく、ＬＤ−ＥＡＭ間のアイソレーションメサ部の分離抵抗を高くした変調器集積半導体レーザ（ＥＡＭ−ＬＤ）を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、発明者らは鋭意研究の結果、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率を高くすることにより、ＬＤ−ＥＡＭ間の光伝搬特性に影響を与えることなく、アイソレーションメサを深く形成し、分離抵抗を高くできることを見出し、本発明を完成した。
【０００６】
即ち、本発明は、半導体基板上に形成された第１クラッド層と、上記第１のクラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路上に形成された導電性の第２クラッド層と、上記第２クラッド層中の上記光導波路からの光のしみ出し領域に達しないように、上記光導波路上の上記第２クラッド層をエッチングして設けたアイソレーションメサ部とを少なくとも備えた光集積回路において、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率が、アイソレーションメサ部下部以外の光導波路の実効屈折率より大きくなるように形成されることを特徴とする光集積回路である。
このように、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率が、アイソレーションメサ部下部以外の光導波路の実効屈折率より大きくなるように形成することにより、アイソレーションメサ部下部の光導波路の閉じ込め効率を向上させ、光導波路上に形成される第２クラッド層への光のしみ出しを減少させることができる。
従って、かかる第２クラッド層にしみ出した光に影響を与えることなく導電性の上記第２クラッド層を従来より深くエッチングしてアイソレーションメサを形成することが可能となり、光導波路の光伝搬特性に影響を与えることなく分離抵抗を高くすることが可能となる。
【０００７】
ここで、光導波路とは、第１光閉込層、活性層、第２光閉込層を線状にエッチングして形成した導波路をいう。
【０００８】
更に、本発明は、上記光導波路にレーザ光を供給する半導体レーザ部を備えた上記光集積回路において、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の層厚が、上記半導体レーザ部の光導波路の層厚より厚く形成されることを特徴とする光集積回路である。
このように、所定の位置の光導波路の層厚を厚くすることにより、かかる部分での光導波路の実効屈折率を向上させることが可能となる。
【０００９】
更に、本発明は、上記光導波路にレーザ光を供給する半導体レーザ部を備えた上記光集積回路において、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の幅が、上記半導体レーザ部の光導波路の幅より広く形成されることを特徴とする光集積回路でもある。
このように、所定の位置の光導波路の幅を広く形成することにより、かかる部分での光導波路の実効屈折率を向上させることが可能となる。
【００１０】
上記アイソレーションメサ部下部の光導波路のバンドギャップエネルギは、上記レーザ部の光導波路のバンドギャップエネルギと同等もしくはより大きいことが好ましい。
このように、アイソレーションメサ部下部の光導波路バンドギャップエネルギを、上記レーザ部の光導波路のバンドギャップエネルギと同等もしくはより大きく形成することにより、アイソレーションメサ部下部の光導波路での光の吸収を減少させ、かかる部分における伝送損失を低減することが可能となる。
【００１１】
上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の両側の各光導波路は、それぞれ等しい層厚および等しい幅を有することが好ましい。
かかる構造にすることにより、光導波路中を単一モードで光を伝搬させることが可能となるからである。
【００１２】
また、本発明は、半導体基板上に第１クラッド層を形成する工程と、上記第１クラッド層上に、所定の部分を挟む部分のマスク幅がそれぞれ広くなった選択成長用マスクを形成する工程と、上記選択成長マスクに挟まれた領域に、上記所定の部分の各層厚が厚くなるように第１光閉込層、活性層、第２光閉込層を順次選択成長法により積層形成する工程と、上記第２の光閉込層上に第２クラッド層を形成する工程と、上記第１光閉込層、上記活性層、上記第２光閉込層および上記第２クラッド層をエッチングして上記選択成長用マスクに沿った方向に光導波路を形成する工程と、上記光導波路および上記第２クラッド層を挟むように埋込層をそれぞれ形成する工程と、上記第２クラッド層中の上記光導波路からの光のしみ出し領域に達しないように、上記光導波路の上記所定の部分上の上記第２クラッド層をエッチングしてアイソレーションメサ部を形成する工程とを少なくとも含む光集積回路の製造方法でもある。
【００１３】
更に、本発明は、上記第２光閉込層と上記第２クラッド層の間の所定の領域に回折格子層を形成する工程と、上記第２クラッド層および上記埋込層上の所定の領域にアノード電極を、上記半導体基板の裏面にカソード電極をそれぞれ形成する工程とを少なくとも含む半導体レーザの製造工程を備えることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤの断面図を示す。図中、図１２、１３と同一符号は同一または相当箇所を示す。本実施の形態では、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ、３ｃの層厚が、ＬＤ部の上記各層の層厚よりも厚くなるように構成されている。
図２は、上記アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ、３ｃの層厚それぞれ従来構造の３倍（ＩｎＧａＡｓＰ活性層：２１．０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層：２９．４ｎｍ）に設計した場合の光のｐ−ＩｎＰクラッド層５へのしみ出し量を計算した例である。
図２から明らかなように、ｐ−ＩｎＰクラッド層への光のしみ出しは０．８μｍとなり、従来構造におけるしみ出し距離１．２μｍより小さくなっていることがわかる。
【００１５】
これは、光導波路の光閉込め効果は、光導波路の実効屈折率が高いほど大きくなるが、本実施の形態のように、アイソレーションメサ１２部の光導波路の層厚を他の部分より厚くすることにより、かかる部分での実効屈折率が大きくなるためである。
尚、本実施の形態では、図３に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａをバルク活性層を用いて形成した構造について説明したが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａは、図４に示すように、ｉ−ＩｎＧａＡｓウエル層／ｉ−ＩｎＧａＡｓＰバリア層からなる多重量子井戸から形成される構造であっても構わない。
【００１６】
従って、本実施の形態では、アイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚を、従来構造の１．２μｍから０．８μｍまで薄くすることが可能となる。即ち、ｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚を従来構造の６７％に薄くできることが可能となり、アイソレーションメサ部１２の分離抵抗はｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚に反比例して増大するため、分離抵抗を１．５倍に高くすることが可能となる。
尚、図１に示すように、ＬＤ部でのＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ、３ｃの層厚がアイソレーションメサ部１２に近づくにつれて徐々に厚くなるテーパ状の領域を設けて各層厚を厚くするのが、伝搬光のモード変換損失を低減できる点で好ましい。
【００１７】
次に、図５、６に、本実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤの製造工程図を示す。まず、図５（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃ、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４を順次ＭＯＣＶＤ法などを用いて積層形成する。
かかる工程では、図５（ａ）右図に上面図を示すようなアイソレーションメサ部の幅が他の部分の幅より広くなった選択成長マスク１８（例えばＳｉＯ2マスク）を用いたＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃの結晶成長を行うことにより、幅の広いマスクで挟まれたアイソレーション部での層厚をＬＤ部の層厚より厚くなるように成長することが可能であり、最大でＬＤ部の層厚の約３倍にすることができる（図５中では、上記層厚の厚くなった部分は示していないが、例えば図１の断面図に示すように、アイソレーションメサ部下部のみ層厚が厚くなった構造となる。）
続いて、図５（ｂ）に示すように、干渉露光法およびエッチングにより回折格子を形成した後、図５（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などによりｐ−ＩｎＰクラッド層５を形成する。
次に、図５（ｄ）に示すように、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃ、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４、ｐ−ＩｎＰクラッド層５をエッチングすることにより、リッジ導波路を形成する。図５（ｄ）右図は、左図のＸ−Ｘ’における断面図である（以下（ｅ）（ｆ）において同じ）。
次に、図５（ｅ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などにより、Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層１０、ｎ−ＩｎＰ埋込層９を順次選択形成した後、図５（ｆ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などによりｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を形成する。
次に、図６（ｇ）に示すように、アイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を除去した後、図６（ｈ）に示すように、アイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＰクラッド層５の一部をエッチングにより除去し、ＬＤ部とＥＡＭ部を電気的に分離する。この場合、本実施の形態では、リッジ導波路の光閉込効果が高いため、ｐ−ＩｎＰクラッド層５のエッチング残し層厚を薄くでき、ＬＤ−ＥＡＭ間を高抵抗に分離することが可能となる。
最後に、図６（ｉ）に示すように、アイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＰクラッド層５の一部をエッチングにより除去してＳｉＯ２絶縁膜１１を形成した後、ＥＡＭアノード電極７およびＬＤアノード電極８を形成し、更に、図６（ｊ）に示すように、カソード電極（ＥＡＭとＬＤとで共通）１３を形成してＥＡＭ−ＬＤが完成する。
【００１８】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかるＥＡＭ−ＬＤのＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａにおける水平断面図であり、図７の左側がＥＡＭ部、右側がＬＤ部となっている。本実施の形態では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよびＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、３ｃは、アイソレーション部１２の幅Ｗ１がＬＤ部、ＥＡＭ部の幅Ｗ２より広くなるリッジ型導波路となっており、他の部分は従来構造（図１３）と同じである。
かかる構造では、光導波路３の実効屈折率が、光導波路３の幅が広くなったアイソレーションメサ部で、ＬＤ部、ＥＡＭ部に比べて高くなるため、光導波路３を伝搬する光は、ＬＤ部、ＥＡＭ部よりアイソレーションメサ部１２において層厚方向においても閉じ込めが強くなる。
従って、ｐ−ＩｎＰクラッド層への光のしみ出し量はアイソレーションメサ部において小さくなり、ｐ−ＩｎＰクラッド層５の層厚を薄くしてアイソレーションメサ部１２での分離抵抗を高くすることが可能となる。
【００１９】
本実施の形態にかかる構造は、図５（ａ）において、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃを均一な層厚に積層形成した後、図５（ｄ）において、アイソレーション部１２の幅Ｗ１がＬＤ部、ＥＡＭ部の幅Ｗ２より広くなったマスクを用いてＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃをエッチングし、光導波路を形成する以外は、上記実施の形態１と同様の製造工程を用いることが可能である。
【００２０】
実施の形態３．
実施の形態１では、アイソレーションメサ部でのＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよび光閉込層３ｂ、３ｃの層厚を厚くし、実施の形態２では、それらの幅を広くしたが、本実施の形態３は、層厚を厚くするとともに幅も広くするものである。これにより、実施の形態１または２よりも更に光導波路３の実効屈折率が高くなり、光の閉込め効果が高くなり、光のしみ出し量を低減することが可能となる。
従って、本実施の形態では、ｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚をさらに薄くすることができ、より高い分離抵抗を得ることが可能となる。
【００２１】
本実施の形態にかかる構造は、図５（ｄ）において、アイソレーション部１２の幅Ｗ１がＬＤ部、ＥＡＭ部の幅Ｗ２より広くなったマスクを用いてＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃをエッチングし、光導波路を形成する以外は、上記実施の形態１と同様の製造工程を用いることが可能である。
【００２２】
実施の形態４．
本実施の形態４は、実施の形態１に関し、アイソレーションメサ部１２におけるＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａの光吸収を小さくすることを可能とするものである。
即ち、実施の形態１で述べたように、アイソレーションメサ部１２のマスク幅が広くなったＳｉＯ2マスク１８を用いてＩｎＧａＡｓＰをＭＯＣＶＤ法で成長した場合、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層の層厚が厚くなる一方、Ｉｎの原料ガスであるトリメチルインジウム等の気相中での拡散係数が、Ｇａの原料ガスであるトリメチルガリウム等の気相中での拡散係数に比較して大きいため、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層中ではＩｎが多く結晶中に取り込まれ、結晶中のＩｎ組成が大きくなる。
この結果、ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップエネルギＥｇは大きくなる。
【００２３】
従って、本実施の形態では、アイソレーションメサ部の光導波路３、即ちＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよび光閉込層３ｂ、３ｃ各層のバンドギャップＥｇが、ＬＤの発振波長をλとした時に、
【数１】
Ｅｇ＞ｈｃ／λ
但し、ｈ：プランク定数
ｃ：真空中の光速 （式１）
を満たすような組成となる。従って、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層の光吸収を防止し、伝送損失を低減することが可能となる。
【００２４】
図８は本実施の形態にかかるＥＡＭ−ＬＤの製造工程図である。
まず、図８（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などを用いて、ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよび光閉込層３ｂ、３ｃを形成する。
次に、図８（ｂ）に示すように、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ，３ｃを選択的にエッチング除去する。
次に、図８（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、実施の形態１と同様にアイソレーションメサ部中央でマスク幅が広くなるような選択成長マスクを用いて、アイソレーションメサ部のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ、３ｃの形成を行う。
このとき、アイソレーションメサ部のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよび光閉込層３ｂ、３ｃのバンドギャップＥｇは、ＬＤの発振波形をλとした時に、上記式１を満たすようなＩｎＧａＡｓＰ組成となるように結晶成長条件が制御される。続いて、図５（ｂ）以下に示す工程と同様の製造工程により本実施の形態にかかるＥＡＭ−ＬＤが完成する。
【００２５】
実施の形態５．
実施の形態１〜４では、本発明にかかるアイソレーションメサ部の構造をＥＡＭ−ＬＤのアイソレーションに適用したが、本発明は、例えば、フォトディテクタとＬＤとを集積したモノリシック素子など、高い分離抵抗の必要な他の光導波路デバイス全般に適用することも可能である。
【００２６】
図９は、半導体レーザ（ＬＤ）と半導体レーザ増幅器（ＳＯＡ）を本発明にかかるアイソレーションメサ分１２を用いて分離した構造の斜視図であり、図中、図１２と同一符号は、同一または相当部分を示し、また１３は半導体レーザ増幅器のアノード電極を示す。ＳＯＡは、ＬＤと同じ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路３を有し、ＳＯＡからの光の出射面にはアルミナ等の低反射膜が形成される。
ＳＯＡに電流を流さない場合、ＬＤからアイソレーション部をへて、ＳＯＡに入射される光は、ＳＯＡの活性層内で吸収される（オフ状態）。
一方、ＳＯＡにｐｎ接合に順電流となるような電流を注入した場合、ＬＤからの光はＳＯＡ内で増幅され、大きな出力光をＳＯＡの出射面から取り出すことが可能となる（オン状態）。
このように、ＳＯＡに流す電流を変えることでディジタル変調光を発生させることが可能となる。
【００２７】
図１０は、２つのＳＯＡを本発明にかかるアイソレーションメサ部で分離した構造の斜視図であり、図中、図１２と同一符号は、同一または相当部分を示し、また１４はデータ信号生成用ＳＯＡアノード電極、１５はクロック生成用ＳＯＡアノード電極である。２つのＳＯＡの端面にはいずれもアルミナ等の低反射膜が形成されている。
クロック生成用ＳＯＡに、例えば６２２ＭＨｚのクロック信号を入力し、クロック生成用ＳＯＡの端面よりＣＷレーザ光を入力する。これにより、６２２ＭＨｚの光クロックパルスが発生し、アイソレーションメサ分をへてデータ信号生成用ＳＯＡに入力される。データ信号生成用ＳＯＡにディジタル符号で変調された電流を加えることで光クロック信号が変調されて符号化された変調光が出射される。
【００２８】
図１１は、２つのＥＡＭを本発明にかかるアイソレーションメサ部で分離した構造の斜視図であり、図中、図１２と同一符号は、同一または相当部分を示し、また１６はデータ信号生成用ＥＡＭアノード電極、１７はクロック生成用ＥＡＭアノード電極である。２つのＥＡＭの端面にはいずれもアルミナ等の低反射膜が形成されている。
クロック生成用ＥＡＭに、例えば２０ＧＨｚのクロック信号電圧をｐｎ接合に対して逆バイアスになるように印加し、端面よりＣＷレーザ光を入射する。これにより２０ＧＨｚの光クロック信号が得られ、アイソレーションメサ部を経て、データ信号生成用ＥＡＭに入力される。次に、データ信号生成用ＥＡＭにディジタル変調された電圧をｐｎ接合に逆バイアスとなるように印加すると、クロック光が変調されて２０ギガビット／秒の変調光信号が出射面から得られる。
尚、端面に形成されるアルミナ等の低反射膜は、アルミナの膜厚を、レーザ光の波長をλ、アルミナの屈折率をｎとした場合、ｄ＝λ／４ｎとなるように構成することが好ましい。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率が、アイソレーションメサ部下部以外の光導波路の実効屈折率より大きくなるように形成することにより、アイソレーションメサ部下部の光導波路の閉じ込め効率を向上させ、光導波路上に形成される第２クラッド層への光のしみ出しを減少させることができる。
従って、かかる第２クラッド層にしみ出した光に影響を与えることなく導電性の上記第２クラッド層を従来より深くエッチングしてアイソレーションメサを形成することが可能となり、光導波路の光伝搬特性に影響を与えることなく分離抵抗を高くすることが可能となる。
【００３０】
かかる手段として、所定の位置の光導波路の層厚を厚くすることにより、かかる部分での光導波路の実効屈折率を向上させることが可能となり、光導波路の光伝搬特性に影響を与えることなく分離抵抗を高くすることが可能となる。
【００３１】
また、所定の位置の光導波路の幅を広く形成することにより、かかる部分での光導波路の実効屈折率を向上させることが可能となり、光導波路の光伝搬特性に影響を与えることなく分離抵抗を高くすることが可能となる。
【００３２】
また、アイソレーションメサ部下部の光導波路バンドギャップエネルギを、上記レーザ部の光導波路のバンドギャップエネルギと同等もしくはより大きく形成することにより、アイソレーションメサ部下部の光導波路での光の吸収を減少させ、かかる部分における伝送損失を低減することが可能となる。
【００３３】
また、アイソレーションメサ部下部の光導波路の両側の各光導波路が、それぞれ等しい層厚および等しい幅を有することにより、光導波路中を単一モードで光を伝搬させることが可能となる。
【００３４】
また、本発明にかかる選択成長法を利用した光集積回路の製造方法を用いることにより、容易にアイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率を、他の光導波路部分より高くした光集積回路を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の垂直断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置のアイソレーションメサ部のｐ−ＩｎＰクラッド層への光のしみ出し量のシミュレーション結果である。
【図３】 本発明の実施の形態１にかかるバルク活性層を用いて形成したＥＡＭ−ＬＤ装置のｐ−ＩｎＧａＡｓ活性層である。
【図４】 本発明の実施の形態１にかかるｉ−ＩｎＧａＡｓウエル層／ｉ−ＩｎＧａＡｓＰバリア層からなる多重量子井戸を用いて形成したＥＡＭ−ＬＤ装置の活性層である。
【図５】 本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の製造工程図である。
【図６】 本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の製造工程図である。
【図７】 本発明の実施の形態２にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の水平断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態４にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の製造工程図である。
【図９】 本発明の実施の形態５にかかるアイソレーションメサで分離された半導体レーザと半導体レーザ増幅器の断面斜視図である。
【図１０】 本発明の実施の形態５にかかるアイソレーションメサで分離された半導体レーザ増幅器と半導体レーザ増幅器の断面斜視図である。
【図１１】 本発明の実施の形態５にかかるアイソレーションメサで分離されたＥＡＭとＥＡＭの断面斜視図である。
【図１２】 従来構造のＥＡＭ−ＬＤ装置の断面斜視図である。
【図１３】 （ａ） 従来構造のＥＡＭ−ＬＤ装置の垂直断面図である。
（ｂ） 従来構造のＥＡＭ−ＬＤ装置の水平断面図である。
【図１４】 従来構造のＥＡＭ−ＬＤ装置のアイソレーションメサ部のｐ−ＩｎＰクラッド層への光のしみ出し量のシミュレーション結果である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板、２ ｎ−ＩｎＰクラッド層、３ａ ＩｎＧａＡｓＰ活性層、３ｂ、３ｃ ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層、４ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、５ｐ−ＩｎＰクラッド層、６ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、７ ＥＡＭアノード電極、８ ＬＤアノード電極、９ ｎ−ＩｎＰ埋込層、１０ Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層、１１ ＳｉＯ2絶縁膜、１２ アイソレーションメサ部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、変調機集積半導体レーザに関し、特に、幹線系光通信網に使用される変調器集積半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
幹線系光通信網において、２．５ギガビット／秒以上の広帯域デジタル伝送用光源として、光吸収型変調器（以下「ＥＡＭ」という）と半導体レーザ（以下「ＬＤ」という）を１チップに集積した変調器集積半導体レーザ（以下「ＥＡＭ−ＬＤ」という）が用いられている。
図１２は、従来構造にかかるＥＡＭ−ＬＤを光導波路に沿った対称面で縦方向に切った場合の断面斜視図であり、図中、１はｎ−ＩｎＰ基板、２はｎ−ＩｎＰクラッド層、３ａはＩｎＧａＡｓＰ活性層、３ｂ、３ｃはＩｎＧａＡｓＰ光閉込層、４はＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、５はｐ−ＩｎＰクラッド層、６はｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、７はＥＡＭアノード電極、８はＬＤアノード電極、９はｎ−ＩｎＰ埋込層、１０はＦｅ−ＩｎＰ埋込層を示す。ＥＡＭアノード電極７とＬＤアノード電極８は、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６およびｐ−ＩｎＰクラッド層５を部分的にエッチング除去したアイソレーションメサ１２により電気的に分離されている。
また、図１３（ａ）は、従来構造のＥＡＭ−ＬＤの垂直断面図、（ｂ）は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３部分における水平断面図であり、１１はＳｉＯ２絶縁膜、３ａはＩｎＧａＡｓＰ活性層、３ｂおよび３ｃはＩｎＧａＡｓＰ光閉込層である。
図１３（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよびＩｎＧａＡｓＰ光閉込層３ｂ、３ｃは、Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層１０に挟まれ、ＬＤ部（図１３（ａ）（ｂ）の右部分）とＥＡＭ部（図１３（ａ）（ｂ）の左部分）を結ぶ光導波路を形成する。
図１２、１３においては、ＥＡＭのＰＮ接合への印加電圧がＯＶのときは、ＬＤからの光がＥＡＭで吸収されず透過し、ＥＡＭのＰＮ接合に１〜３Ｖの逆バイアス電圧を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果またはフランツ・ケルディシュ効果によりＬＤからの光はＥＡＭで吸収される。このようにして、ＥＡＭへの印加電圧の大小によりＬＤの光を強度変調することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＥＡＭ−ＬＤでは、ｐ−ＩｎＰクラッド層５をエッチングしてアイソレーションメサ１２を形成しているが、アイソレーションメサ１２底部にｐ−ＩｎＰクラッド層５が残されているため、ＥＡＭ部とＬＤ部のアノード電極の分離抵抗は２ＫΩ程度となっている。
分離抵抗が２ＫΩの場合、ＥＡＭへの変調電圧を０〜２Ｖと仮定すると、変調電圧の変化（２Ｖ）が分離抵抗２ＫΩのアイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＰクラッド層を通って、ＬＤの電流を１ｍＡ程度変動させることとなる。かかる電流変化により、ＬＤの発振波長は約０．１Å変動することとなり、伝送速度が２．５ギガビット／秒以上の高速長距離光通信において、光波形のなまりなどの伝送品質の劣化となる。
従って、かかる伝送品質の劣化を防止するためには、アイソレーションメサ部１２の分離抵抗を十分高くすることが必要であり、ｐ−ＩｎＰクラッド層５のエッチング量を多くし、残し膜厚を薄くすることが必要となる。
【０００４】
しかし、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３を伝搬する光の一部は、ｐ−ＩｎＰクラッド層５にしみ出して伝搬するため、その部分がエッチングにより除去されてしまうと伝搬損失および光の反射・散乱を生じ、これが伝送特性およびＬＤの発振動作の安定性にとって障害となる。
図１４は、従来のアイソレーションメサ部１２の構成において、ｐ−ＩｎＰクラッド層５への光のしみ出しを計算した例であり、ＩｎＧａＡｓＰ活性層をウェル層膜厚９．８ｎｍ、バリア層膜厚７．０ｎｍの８層多重量子囲戸（ＭＱＷ）構造として計算したものである。
図１４より、光の伝搬を妨げないｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚は最小１．２μｍで、これ以上ｐ−ＩｎＰクラッド層５をエッチングできないため、光の伝搬特性に影響を与えずにアイソレーションメサ部１２の分離抵抗をさらに高くすることは困難であった。
そこで、本発明は、ＬＤ−ＥＡＭ間の光伝搬特性に影響を与えることなく、ＬＤ−ＥＡＭ間のアイソレーションメサ部の分離抵抗を高くした変調器集積半導体レーザ（ＥＡＭ−ＬＤ）を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、発明者らは鋭意研究の結果、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率を高くすることにより、ＬＤ−ＥＡＭ間の光伝搬特性に影響を与えることなく、アイソレーションメサを深く形成し、分離抵抗を高くできることを見出し、本発明を完成した。
【０００６】
即ち、本発明は、半導体基板上に形成された第１クラッド層と、上記第１のクラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路上に形成された導電性の第２クラッド層と、上記第２クラッド層中の上記光導波路からの光のしみ出し領域に達しないように、上記光導波路上の上記第２クラッド層をエッチングして設けたアイソレーションメサ部とを少なくとも備えた光集積回路において、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率が、アイソレーションメサ部下部以外の光導波路の実効屈折率より大きくなるように形成されることを特徴とする光集積回路である。
このように、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率が、アイソレーションメサ部下部以外の光導波路の実効屈折率より大きくなるように形成することにより、アイソレーションメサ部下部の光導波路の閉じ込め効率を向上させ、光導波路上に形成される第２クラッド層への光のしみ出しを減少させることができる。
従って、かかる第２クラッド層にしみ出した光に影響を与えることなく導電性の上記第２クラッド層を従来より深くエッチングしてアイソレーションメサを形成することが可能となり、光導波路の光伝搬特性に影響を与えることなく分離抵抗を高くすることが可能となる。
【０００７】
ここで、光導波路とは、第１光閉込層、活性層、第２光閉込層を線状にエッチングして形成した導波路をいう。
【０００８】
更に、本発明は、上記光導波路にレーザ光を供給する半導体レーザ部を備えた上記光集積回路において、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の層厚が、上記半導体レーザ部の光導波路の層厚より厚く形成されることを特徴とする光集積回路である。
このように、所定の位置の光導波路の層厚を厚くすることにより、かかる部分での光導波路の実効屈折率を向上させることが可能となる。
【０００９】
更に、本発明は、上記光導波路にレーザ光を供給する半導体レーザ部を備えた上記光集積回路において、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の幅が、上記半導体レーザ部の光導波路の幅より広く形成されることを特徴とする光集積回路でもある。
このように、所定の位置の光導波路の幅を広く形成することにより、かかる部分での光導波路の実効屈折率を向上させることが可能となる。
【００１０】
上記アイソレーションメサ部下部の光導波路のバンドギャップエネルギは、上記レーザ部の光導波路のバンドギャップエネルギと同等もしくはより大きいことが好ましい。
このように、アイソレーションメサ部下部の光導波路バンドギャップエネルギを、上記レーザ部の光導波路のバンドギャップエネルギと同等もしくはより大きく形成することにより、アイソレーションメサ部下部の光導波路での光の吸収を減少させ、かかる部分における伝送損失を低減することが可能となる。
【００１１】
上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の両側の各光導波路は、それぞれ等しい層厚および等しい幅を有することが好ましい。
かかる構造にすることにより、光導波路中を単一モードで光を伝搬させることが可能となるからである。
【００１２】
また、本発明は、半導体基板上に第１クラッド層を形成する工程と、上記第１クラッド層上に、所定の部分を挟む部分のマスク幅がそれぞれ広くなった選択成長用マスクを形成する工程と、上記選択成長マスクに挟まれた領域に、上記所定の部分の各層厚が厚くなるように第１光閉込層、活性層、第２光閉込層を順次選択成長法により積層形成する工程と、上記第２の光閉込層上に第２クラッド層を形成する工程と、上記第１光閉込層、上記活性層、上記第２光閉込層および上記第２クラッド層をエッチングして上記選択成長用マスクに沿った方向に光導波路を形成する工程と、上記光導波路および上記第２クラッド層を挟むように埋込層をそれぞれ形成する工程と、上記第２クラッド層中の上記光導波路からの光のしみ出し領域に達しないように、上記光導波路の上記所定の部分上の上記第２クラッド層をエッチングしてアイソレーションメサ部を形成する工程とを少なくとも含む光集積回路の製造方法でもある。
【００１３】
更に、本発明は、上記第２光閉込層と上記第２クラッド層の間の所定の領域に回折格子層を形成する工程と、上記第２クラッド層および上記埋込層上の所定の領域にアノード電極を、上記半導体基板の裏面にカソード電極をそれぞれ形成する工程とを少なくとも含む半導体レーザの製造工程を備えることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤの断面図を示す。図中、図１２、１３と同一符号は同一または相当箇所を示す。本実施の形態では、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ、３ｃの層厚が、ＬＤ部の上記各層の層厚よりも厚くなるように構成されている。
図２は、上記アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ、３ｃの層厚それぞれ従来構造の３倍（ＩｎＧａＡｓＰ活性層：２１．０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層：２９．４ｎｍ）に設計した場合の光のｐ−ＩｎＰクラッド層５へのしみ出し量を計算した例である。
図２から明らかなように、ｐ−ＩｎＰクラッド層への光のしみ出しは０．８μｍとなり、従来構造におけるしみ出し距離１．２μｍより小さくなっていることがわかる。
【００１５】
これは、光導波路の光閉込め効果は、光導波路の実効屈折率が高いほど大きくなるが、本実施の形態のように、アイソレーションメサ１２部の光導波路の層厚を他の部分より厚くすることにより、かかる部分での実効屈折率が大きくなるためである。
尚、本実施の形態では、図３に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａをバルク活性層を用いて形成した構造について説明したが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａは、図４に示すように、ｉ−ＩｎＧａＡｓウエル層／ｉ−ＩｎＧａＡｓＰバリア層からなる多重量子井戸から形成される構造であっても構わない。
【００１６】
従って、本実施の形態では、アイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚を、従来構造の１．２μｍから０．８μｍまで薄くすることが可能となる。即ち、ｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚を従来構造の６７％に薄くできることが可能となり、アイソレーションメサ部１２の分離抵抗はｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚に反比例して増大するため、分離抵抗を１．５倍に高くすることが可能となる。
尚、図１に示すように、ＬＤ部でのＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ、３ｃの層厚がアイソレーションメサ部１２に近づくにつれて徐々に厚くなるテーパ状の領域を設けて各層厚を厚くするのが、伝搬光のモード変換損失を低減できる点で好ましい。
【００１７】
次に、図５、６に、本実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤの製造工程図を示す。まず、図５（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃ、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４を順次ＭＯＣＶＤ法などを用いて積層形成する。
かかる工程では、図５（ａ）右図に上面図を示すようなアイソレーションメサ部の幅が他の部分の幅より広くなった選択成長マスク１８（例えばＳｉＯ2マスク）を用いたＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃの結晶成長を行うことにより、幅の広いマスクで挟まれたアイソレーション部での層厚をＬＤ部の層厚より厚くなるように成長することが可能であり、最大でＬＤ部の層厚の約３倍にすることができる（図５中では、上記層厚の厚くなった部分は示していないが、例えば図１の断面図に示すように、アイソレーションメサ部下部のみ層厚が厚くなった構造となる。）
続いて、図５（ｂ）に示すように、干渉露光法およびエッチングにより回折格子を形成した後、図５（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などによりｐ−ＩｎＰクラッド層５を形成する。
次に、図５（ｄ）に示すように、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃ、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４、ｐ−ＩｎＰクラッド層５をエッチングすることにより、リッジ導波路を形成する。図５（ｄ）右図は、左図のＸ−Ｘ’における断面図である（以下（ｅ）（ｆ）において同じ）。
次に、図５（ｅ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などにより、Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層１０、ｎ−ＩｎＰ埋込層９を順次選択形成した後、図５（ｆ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などによりｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を形成する。
次に、図６（ｇ）に示すように、アイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を除去した後、図６（ｈ）に示すように、アイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＰクラッド層５の一部をエッチングにより除去し、ＬＤ部とＥＡＭ部を電気的に分離する。この場合、本実施の形態では、リッジ導波路の光閉込効果が高いため、ｐ−ＩｎＰクラッド層５のエッチング残し層厚を薄くでき、ＬＤ−ＥＡＭ間を高抵抗に分離することが可能となる。
最後に、図６（ｉ）に示すように、アイソレーションメサ部１２のｐ−ＩｎＰクラッド層５の一部をエッチングにより除去してＳｉＯ２絶縁膜１１を形成した後、ＥＡＭアノード電極７およびＬＤアノード電極８を形成し、更に、図６（ｊ）に示すように、カソード電極（ＥＡＭとＬＤとで共通）１３を形成してＥＡＭ−ＬＤが完成する。
【００１８】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかるＥＡＭ−ＬＤのＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａにおける水平断面図であり、図７の左側がＥＡＭ部、右側がＬＤ部となっている。本実施の形態では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよびＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、３ｃは、アイソレーション部１２の幅Ｗ１がＬＤ部、ＥＡＭ部の幅Ｗ２より広くなるリッジ型導波路となっており、他の部分は従来構造（図１３）と同じである。
かかる構造では、光導波路３の実効屈折率が、光導波路３の幅が広くなったアイソレーションメサ部で、ＬＤ部、ＥＡＭ部に比べて高くなるため、光導波路３を伝搬する光は、ＬＤ部、ＥＡＭ部よりアイソレーションメサ部１２において層厚方向においても閉じ込めが強くなる。
従って、ｐ−ＩｎＰクラッド層への光のしみ出し量はアイソレーションメサ部において小さくなり、ｐ−ＩｎＰクラッド層５の層厚を薄くしてアイソレーションメサ部１２での分離抵抗を高くすることが可能となる。
【００１９】
本実施の形態にかかる構造は、図５（ａ）において、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃを均一な層厚に積層形成した後、図５（ｄ）において、アイソレーション部１２の幅Ｗ１がＬＤ部、ＥＡＭ部の幅Ｗ２より広くなったマスクを用いてＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃをエッチングし、光導波路を形成する以外は、上記実施の形態１と同様の製造工程を用いることが可能である。
【００２０】
実施の形態３．
実施の形態１では、アイソレーションメサ部でのＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよび光閉込層３ｂ、３ｃの層厚を厚くし、実施の形態２では、それらの幅を広くしたが、本実施の形態３は、層厚を厚くするとともに幅も広くするものである。これにより、実施の形態１または２よりも更に光導波路３の実効屈折率が高くなり、光の閉込め効果が高くなり、光のしみ出し量を低減することが可能となる。
従って、本実施の形態では、ｐ−ＩｎＰクラッド層５の残し膜厚をさらに薄くすることができ、より高い分離抵抗を得ることが可能となる。
【００２１】
本実施の形態にかかる構造は、図５（ｄ）において、アイソレーション部１２の幅Ｗ１がＬＤ部、ＥＡＭ部の幅Ｗ２より広くなったマスクを用いてＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ閉込層３ｃをエッチングし、光導波路を形成する以外は、上記実施の形態１と同様の製造工程を用いることが可能である。
【００２２】
実施の形態４．
本実施の形態４は、実施の形態１に関し、アイソレーションメサ部１２におけるＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａの光吸収を小さくすることを可能とするものである。
即ち、実施の形態１で述べたように、アイソレーションメサ部１２のマスク幅が広くなったＳｉＯ2マスク１８を用いてＩｎＧａＡｓＰをＭＯＣＶＤ法で成長した場合、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層の層厚が厚くなる一方、Ｉｎの原料ガスであるトリメチルインジウム等の気相中での拡散係数が、Ｇａの原料ガスであるトリメチルガリウム等の気相中での拡散係数に比較して大きいため、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層中ではＩｎが多く結晶中に取り込まれ、結晶中のＩｎ組成が大きくなる。
この結果、ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップエネルギＥｇは大きくなる。
【００２３】
従って、本実施の形態では、アイソレーションメサ部の光導波路３、即ちＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよび光閉込層３ｂ、３ｃ各層のバンドギャップＥｇが、ＬＤの発振波長をλとした時に、
【数１】
Ｅｇ＞ｈｃ／λ
但し、ｈ：プランク定数
ｃ：真空中の光速 （式１）
を満たすような組成となる。従って、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層の光吸収を防止し、伝送損失を低減することが可能となる。
【００２４】
図８は本実施の形態にかかるＥＡＭ−ＬＤの製造工程図である。
まず、図８（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などを用いて、ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよび光閉込層３ｂ、３ｃを形成する。
次に、図８（ｂ）に示すように、アイソレーションメサ部１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ，３ｃを選択的にエッチング除去する。
次に、図８（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、実施の形態１と同様にアイソレーションメサ部中央でマスク幅が広くなるような選択成長マスクを用いて、アイソレーションメサ部のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、光閉込層３ｂ、３ｃの形成を行う。
このとき、アイソレーションメサ部のＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよび光閉込層３ｂ、３ｃのバンドギャップＥｇは、ＬＤの発振波形をλとした時に、上記式１を満たすようなＩｎＧａＡｓＰ組成となるように結晶成長条件が制御される。続いて、図５（ｂ）以下に示す工程と同様の製造工程により本実施の形態にかかるＥＡＭ−ＬＤが完成する。
【００２５】
実施の形態５．
実施の形態１〜４では、本発明にかかるアイソレーションメサ部の構造をＥＡＭ−ＬＤのアイソレーションに適用したが、本発明は、例えば、フォトディテクタとＬＤとを集積したモノリシック素子など、高い分離抵抗の必要な他の光導波路デバイス全般に適用することも可能である。
【００２６】
図９は、半導体レーザ（ＬＤ）と半導体レーザ増幅器（ＳＯＡ）を本発明にかかるアイソレーションメサ分１２を用いて分離した構造の斜視図であり、図中、図１２と同一符号は、同一または相当部分を示し、また１３は半導体レーザ増幅器のアノード電極を示す。ＳＯＡは、ＬＤと同じ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路３を有し、ＳＯＡからの光の出射面にはアルミナ等の低反射膜が形成される。
ＳＯＡに電流を流さない場合、ＬＤからアイソレーション部をへて、ＳＯＡに入射される光は、ＳＯＡの活性層内で吸収される（オフ状態）。
一方、ＳＯＡにｐｎ接合に順電流となるような電流を注入した場合、ＬＤからの光はＳＯＡ内で増幅され、大きな出力光をＳＯＡの出射面から取り出すことが可能となる（オン状態）。
このように、ＳＯＡに流す電流を変えることでディジタル変調光を発生させることが可能となる。
【００２７】
図１０は、２つのＳＯＡを本発明にかかるアイソレーションメサ部で分離した構造の斜視図であり、図中、図１２と同一符号は、同一または相当部分を示し、また１４はデータ信号生成用ＳＯＡアノード電極、１５はクロック生成用ＳＯＡアノード電極である。２つのＳＯＡの端面にはいずれもアルミナ等の低反射膜が形成されている。
クロック生成用ＳＯＡに、例えば６２２ＭＨｚのクロック信号を入力し、クロック生成用ＳＯＡの端面よりＣＷレーザ光を入力する。これにより、６２２ＭＨｚの光クロックパルスが発生し、アイソレーションメサ分をへてデータ信号生成用ＳＯＡに入力される。データ信号生成用ＳＯＡにディジタル符号で変調された電流を加えることで光クロック信号が変調されて符号化された変調光が出射される。
【００２８】
図１１は、２つのＥＡＭを本発明にかかるアイソレーションメサ部で分離した構造の斜視図であり、図中、図１２と同一符号は、同一または相当部分を示し、また１６はデータ信号生成用ＥＡＭアノード電極、１７はクロック生成用ＥＡＭアノード電極である。２つのＥＡＭの端面にはいずれもアルミナ等の低反射膜が形成されている。
クロック生成用ＥＡＭに、例えば２０ＧＨｚのクロック信号電圧をｐｎ接合に対して逆バイアスになるように印加し、端面よりＣＷレーザ光を入射する。これにより２０ＧＨｚの光クロック信号が得られ、アイソレーションメサ部を経て、データ信号生成用ＥＡＭに入力される。次に、データ信号生成用ＥＡＭにディジタル変調された電圧をｐｎ接合に逆バイアスとなるように印加すると、クロック光が変調されて２０ギガビット／秒の変調光信号が出射面から得られる。
尚、端面に形成されるアルミナ等の低反射膜は、アルミナの膜厚を、レーザ光の波長をλ、アルミナの屈折率をｎとした場合、ｄ＝λ／４ｎとなるように構成することが好ましい。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率が、アイソレーションメサ部下部以外の光導波路の実効屈折率より大きくなるように形成することにより、アイソレーションメサ部下部の光導波路の閉じ込め効率を向上させ、光導波路上に形成される第２クラッド層への光のしみ出しを減少させることができる。
従って、かかる第２クラッド層にしみ出した光に影響を与えることなく導電性の上記第２クラッド層を従来より深くエッチングしてアイソレーションメサを形成することが可能となり、光導波路の光伝搬特性に影響を与えることなく分離抵抗を高くすることが可能となる。
【００３０】
かかる手段として、所定の位置の光導波路の層厚を厚くすることにより、かかる部分での光導波路の実効屈折率を向上させることが可能となり、光導波路の光伝搬特性に影響を与えることなく分離抵抗を高くすることが可能となる。
【００３１】
また、所定の位置の光導波路の幅を広く形成することにより、かかる部分での光導波路の実効屈折率を向上させることが可能となり、光導波路の光伝搬特性に影響を与えることなく分離抵抗を高くすることが可能となる。
【００３２】
また、アイソレーションメサ部下部の光導波路バンドギャップエネルギを、上記レーザ部の光導波路のバンドギャップエネルギと同等もしくはより大きく形成することにより、アイソレーションメサ部下部の光導波路での光の吸収を減少させ、かかる部分における伝送損失を低減することが可能となる。
【００３３】
また、アイソレーションメサ部下部の光導波路の両側の各光導波路が、それぞれ等しい層厚および等しい幅を有することにより、光導波路中を単一モードで光を伝搬させることが可能となる。
【００３４】
また、本発明にかかる選択成長法を利用した光集積回路の製造方法を用いることにより、容易にアイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率を、他の光導波路部分より高くした光集積回路を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の垂直断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置のアイソレーションメサ部のｐ−ＩｎＰクラッド層への光のしみ出し量のシミュレーション結果である。
【図３】 本発明の実施の形態１にかかるバルク活性層を用いて形成したＥＡＭ−ＬＤ装置のｐ−ＩｎＧａＡｓ活性層である。
【図４】 本発明の実施の形態１にかかるｉ−ＩｎＧａＡｓウエル層／ｉ−ＩｎＧａＡｓＰバリア層からなる多重量子井戸を用いて形成したＥＡＭ−ＬＤ装置の活性層である。
【図５】 本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の製造工程図である。
【図６】 本発明の実施の形態１にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の製造工程図である。
【図７】 本発明の実施の形態２にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の水平断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態４にかかるＥＡＭ−ＬＤ装置の製造工程図である。
【図９】 本発明の実施の形態５にかかるアイソレーションメサで分離された半導体レーザと半導体レーザ増幅器の断面斜視図である。
【図１０】 本発明の実施の形態５にかかるアイソレーションメサで分離された半導体レーザ増幅器と半導体レーザ増幅器の断面斜視図である。
【図１１】 本発明の実施の形態５にかかるアイソレーションメサで分離されたＥＡＭとＥＡＭの断面斜視図である。
【図１２】 従来構造のＥＡＭ−ＬＤ装置の断面斜視図である。
【図１３】 （ａ） 従来構造のＥＡＭ−ＬＤ装置の垂直断面図である。
（ｂ） 従来構造のＥＡＭ−ＬＤ装置の水平断面図である。
【図１４】 従来構造のＥＡＭ−ＬＤ装置のアイソレーションメサ部のｐ−ＩｎＰクラッド層への光のしみ出し量のシミュレーション結果である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板、２ ｎ−ＩｎＰクラッド層、３ａ ＩｎＧａＡｓＰ活性層、３ｂ、３ｃ ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層、４ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、５ｐ−ＩｎＰクラッド層、６ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、７ ＥＡＭアノード電極、８ ＬＤアノード電極、９ ｎ−ＩｎＰ埋込層、１０ Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層、１１ ＳｉＯ2絶縁膜、１２ アイソレーションメサ部。
Claims (7)
- 半導体基板上に形成された第１クラッド層と、
上記第１のクラッド層上に形成された光導波路と、
上記光導波路上に形成された導電性の第２クラッド層と、
上記第２クラッド層中の上記光導波路からの光のしみ出し領域に達しないように、上記光導波路上の上記第２クラッド層をエッチングして設けたアイソレーションメサ部とを少なくとも備えた光集積回路において、
上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の実効屈折率が、アイソレーションメサ部下部以外の光導波路の実効屈折率より大きくなるように形成されることを特徴とする光集積回路。 - 更に、上記光導波路にレーザ光を供給する半導体レーザ部を備えた上記光集積回路において、
上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の層厚が、上記半導体レーザ部の光導波路の層厚より厚く形成されることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。 - 更に、上記光導波路にレーザ光を供給する半導体レーザ部を備えた上記光集積回路において、
上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の幅が、上記半導体レーザ部の光導波路の幅より広く形成されることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。 - 上記アイソレーションメサ部下部の光導波路のバンドギャップエネルギが、上記レーザ部の光導波路のバンドギャップエネルギと同等もしくはより大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の光集積回路。
- 上記アイソレーションメサ部下部の光導波路の両側の各光導波路が、それぞれ等しい層厚および等しい幅を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光集積回路。
- 半導体基板上に第１クラッド層を形成する工程と、
上記第１クラッド層上に、所定の部分を挟む部分のマスク幅がそれぞれ広くなった選択成長用マスクを形成する工程と、
上記選択成長マスクに挟まれた領域に、上記所定の部分の各層厚が厚くなるように第１光閉込層、活性層、第２光閉込層を順次選択成長法により積層形成する工程と、
上記第２の光閉込層上に第２クラッド層を形成する工程と、
上記第１光閉込層、上記活性層、上記第２光閉込層および上記第２クラッド層をエッチングして上記選択成長用マスクに沿った方向に光導波路を形成する工程と、
上記光導波路および上記第２クラッド層を挟むように埋込層をそれぞれ形成する工程と、
上記第２クラッド層中の上記光導波路からの光のしみ出し領域に達しないように、上記光導波路の上記所定の部分上の上記第２クラッド層をエッチングしてアイソレーションメサ部を形成する工程とを少なくとも含む光集積回路の製造方法。 - 更に、上記第２光閉込層と上記第２クラッド層の間の所定の領域に回折格子層を形成する工程と、
上記第２クラッド層および上記埋込層上の所定の領域にアノード電極を、上記半導体基板の裏面にカソード電極をそれぞれ形成する工程とを少なくとも含むことを特徴とする請求項６に記載の光集積回路の製造方法。
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