JP4100792B2 - スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバや光導波路に高効率で光を結合することができるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ、及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、急速な発展を遂げているマルチメディア技術は、近い将来、オフィスだけではなく各家庭においても１００Ｍｂｐｓ以上という高速、大容量の光通信を可能にすると考えられる。その中で、ファイバー・ツー・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）技術は幹線系の光ファイバを各家庭まで引き込む技術として期待されている。ところが通常の半導体レーザの出力光を光ファイバに導入しようとすると、半導体レーザの出射光のスポットサイズ（〜１μｍ）とシングルモードの光ファイバのスポットサイズ（〜１０μｍ）が大きく異なるため、両者を直接接続した場合、モード不整合から大きな挿入損失が発生する。
【０００３】
また、半導体レーザのスポットサイズが小さいため、微小な位置ずれが挿入損失の増大を引き起こすという問題も発生する。例えば、半導体レーザと光ファイバの接合時に１μｍ程度の位置ずれが起きると場合によっては１０ｄＢもの過剰損失が発生する。解決策としては、半導体レーザよりも大きなスポットサイズを有する光導波路を、半導体レーザと同一基板上に集積化したスポットサイズ変換器付き半導体レーザが考えられる。
【０００４】
それを実現する一つの方法として図７（ａ）に示す突き合わせ接合がある。この図は理想的な構造を図示したもので、半導体基板１００上に形成した屈折率結合型の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）２００の一部を垂直にエッチング除去し、その領域に光導波層３０１が２つの光閉じ込め層３０２、３０３で挟まれた光導波路構造３００が形成されている。半導体レーザ２００から出力された光は直接光導波路３００に結合され、光導波層３０１を導波する。
【０００５】
このようなスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、出力光のスポットサイズが半導体レーザより大きく、光ファイバとの結合の際に、微小位置ずれの影響が緩和されるという特長を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例は下記の欠点を有している。
【０００７】
（１）垂直にエッチングされた領域に光導波路構造を形成する際に、実際には図７（ａ）のような理想的な形状は実現されず、例えば図７（ｂ）に示すようになる。このとき、光導波層３０１は半導体レーザと光導波路の結合場所の近傍で水平から傾斜して形成されている。この領域では光はこの構造の屈折率分布を反映し、光導波層に結合されない光の割合が増加し、理想的な形状から予想される結合率より大きく低下する。
【０００８】
（２）半導体レーザ２００の垂直方向のビーム径と光導波路３００の垂直方向の固有モードのビーム径とが一致していない場合、その違いが大きいほど光が半導体レーザから光導波路に結合される光の割合いは低下する。
【０００９】
以下に上記（１）、（２）で挙げた問題点を今少し具体的に説明する。
図７（ｂ）は、具体的にはＩｎＧａＡｓＰ系１．３μｍ帯分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザを垂直にエッチングした後、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）によってＩｎＧａＡｓＰ系の材料を成長した場合の一例である。この成長においては成長速度の面方向依存性が大きいため、成長速度の小さい面が露出するように成長が進行し、同図に示すような形状の成長となっている。この場合、水平から傾いた方向に層構造が出現するため、光の一部はその形状の影響を受けて界面で反射され、或いは界面で屈折し、結果として光導波層３０１に結合せずに導波路外へ放射される。即ち、放射損失を生じる。本発明者等の実験結果によれば、約１ｄＢの光がこの影響で放射されることが確認された。上記とは異なる他の条件で成長した場合、形状はさまざまに変化したが、同図（ａ）に示したような理想的な形状を実現することは不可能であり、いずれの場合も０．５ｄＢから１ｄＢ程度の放射損失が確認された。
【００１０】
また、この例では、半導体レーザ２００の垂直方向のビーム径約１μｍに対し、光導波路３００の光導波層３０１の層厚は約２μｍで作製した。この違いによって、光が結合するときに大きなモード不整合が生じ、それに起因する放射損失１．７ｄＢが確認された。このように、両者を合計すると約２．７ｄＢの損失が生じることになり、半導体レーザ２００には実際に必要とされる光以上に高い出力が要求され、半導体レーザ２００の消費電力が高くなる。加えて、その信頼性も低下するという大きな問題が発生する。半導体レーザと、通常モード径が１０μｍ程度である光ファイバとの結合を考えた時、光導波路部分の層厚はさらに厚い方が望ましく、その場合、上記放射損失は更に大きくなる。
【００１１】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、半導体レーザと光導波路の接続部における上記光損失を最小限に抑え、低損失かつ高信頼性を有するモード変換器付き半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、半導体基板上に、少なくとも、端面出射型半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ領域と前記光導波路領域との接合領域に、半導体層が埋め込まれている。
【００１３】
この半導体層は、接合領域に埋め込むことができ、半導体レーザや光導波路の動作に影響を及ぼさない材料であることが好ましく、特に、半導体レーザからの出射光に対し、できる限り透明であって、光吸収が少ないものが、ロスが少なく、より好ましい。
【００１４】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、前記半導体層が、その屈折率が層方向に連続して変化する層である。
【００１５】
このとき、前記半導体層の屈折率は、層方向の周辺部から中心部に向けて高くなる２次関数状に変化する領域を含むことが好ましい。前記半導体層の屈折率の変化は該半導体層の組成比を変化させることにより形成することが好ましい。
【００１６】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、前記半導体層の屈折率の最も高い領域が、前記半導体レーザ領域からの出射光分布の略中心部に一致させられると共に、前記光導波領域の固有モードの略中心部に一致させられる。
【００１７】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界及び／又は前記光導波路領域との境界に、屈折率がほぼ一定である他の半導体層が形成されていることが好ましい。
【００１８】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界及び／又は前記光導波路領域との境界に、誘電体層が形成されていることも好ましい。
【００１９】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板上に、少なくとも、端面出射型の半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法であって、半導体基板上に半導体レーザを構成する半導体積層構造を形成する工程と、該半導体積層構造の一部を略垂直な断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチング除去された領域に光導波路を構成する半導体積層構造を形成する工程と、該半導体レーザの光出射端面と該光導波路の光入射面との境界を含む領域を略垂直な断面を有するようにエッチング除去する工程と、前記半導体レーザと前記光導波路との間のエッチング除去領域に、半導体層を形成する工程と、を有してなる。
【００２０】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法では、前記エッチング除去領域の側面にのみ誘電体層を形成した後、前記半導体層を形成してもよい。
【００２１】
上述の誘電体層は、如何なる方法を用いて形成しても構わないが、前記半導体基板にバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行うバイアススパッタ法で形成するのが好ましい。
【００２２】
また、半導体層の屈折率を層方向に連続して変化させる際、ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量を制御することにより、前記半導体層の層方向の中心位置を、半導体レーザの出射光分布の中心に一致させることが容易となる。
【００２３】
上述の半導体レーザ領域の半導体レーザは、端面から出射されるタイプのものであれば、いずれでも構わないが、分布帰還型半導体レーザを用いると、他の半導体レーザに比べて本発明の作用効果をよりよく得られる。
【００２４】
以下に、本発明の作用について説明する。
半導体レーザと光導波路の接合領域に屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半導体層を埋め込む構成によれば、この半導体層のレンズ効果によって導波路中の光のモードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム径に一致したところで光導波路に結合されるので、モード不整合に起因する結合損失を効果的に低減できる。
【００２５】
また、半導体レーザと屈折率が層方向に実質的に連続して変化する光導波路とを半導体基板上の横方向に集積する構成によれば、この半導体層のレンズ効果によって導波路中の光のモードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム径に一致したところで光導波路に結合されるので、モード不整合に起因する結合損失をより一層効果的に低減できる効果を少ない成長回数で得ることができる。
【００２６】
また、半導体レーザと半導体層の接合領域に誘電体層を介在させる構成によれば、半導体レーザと光導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在しないスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を実現できるので、上記同様に結合損失を低減できる。
【００２７】
また、半導体レーザと半導体層の接合領域に誘電体層を介在させ、且つ半導体レーザと半導体層の接合領域に屈折率が層方向に実質的に連続して変化する光導波路とを形成する構成によれば、水平方向から傾いた層構造が存在しないことと、モード不整合が無いことによる相乗効果により、結合損失を大幅に低減できるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を実現できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に本発明に密接に関連する参考実施形態とともに本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００２９】
（参考実施形態１）
図１は本発明に密接に関連する参考実施形態１を示す。参考実施形態１は量子井戸構造の半導体レーザを備えたスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の一例を示す。以下にその構造を製造プロセスとともに説明する。まず、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置内にＧａＡｓ基板（ウエハー）１００を導入し、ＧａＡｓ基板１００上にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層から構成される活性層と、ＡｌＧａＡｓ系材料から構成されるクラッド層で作製した半導体レーザ２００を構成する半導体層をＭＢＥ法で成長した。ここで、半導体レーザ２００の垂直方向のビーム径は約１μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓ系混晶は、１．３μｍの発光波長をＧａＡｓ基板上に実現できる材料であり、ＦＴＴＨ用光源として有望である。
【００３０】
次に、上記半導体層が形成されたウエハーをＭＢＥ装置から取り出し、塩素ガスを用いたリアクティブ・イオン・ビーム・エッチング（ＲＩＢＥ）を用いてＧａＡｓ基板１００に到達する深さまで垂直にエッチングした。その後、ＭＯＣＶＤ装置内にウエハーを導入し、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する半導体層３００を成長した。この半導体層は、光導波層３０１が上下の光閉じ込め層３０３、３０２で挟まれた構成になっている。ここで光導波層のＡｌ混晶比は０．２、その層厚は２μｍである。
【００３１】
また、上下の光閉じ込め層３０３、３０２のＡｌ混晶比及び層厚は同一の値であり、Ａｌ混晶比は０．２２、層厚は１μｍとした。このときの断面形状は従来例と同様に水平方向から傾斜した構造になっている。ただし、半導体レーザ２００と光導波路３００の接合部近傍から遠ざかるに従ってその傾斜の影響は小さくなり、３μｍ以上離れるとほぼ水平となった。ここで光導波路部３００は半導体レーザの出力光（１．３μｍ）に対して透明であり、低損失な導波路として機能する。また、エッチングの深さ制御性は２％程度が得られており、その後のＭＯＣＶＤ成長の成長層厚の制御性１％と合わせても、半導体レーザの出力光分布の中心と水平になったあとの光導波路の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。
【００３２】
次に、半導体レーザ２００と光導波路３００の接合領域を幅２μｍにわたって垂直にエッチングした。このときのエッチング深さは光導波路部３００を突き抜けていればよく、精密な制御は必要としない。ここでのエッチングも、先と同じＲＩＢＥを適用した。
【００３３】
続いて、エッチングした領域に、再びＭＯＣＶＤ法によってＡｌ混晶比０．２のＡｌＧａＡｓ層４００を埋め込み成長した。最後に、半導体レーザ部に成長した光導波路層を形成する半導体層（太線部より上、図１では除去する前の状態も合わせて図示している。）を除去した後、リッジ形状に加工して、横方向の光閉じ込めを行い、レーザ部２００への電極付け、へき開等のプロセスを施し、これにより参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を得た。
【００３４】
参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ素子装置においては、半導体レーザ部２００で発生したレーザ光は、ＡｌＧａＡｓ層４００を突き抜け、光導波路部３００に到達し、光導波路部３００を伝搬したのち、端面部より出射光３０４が出射される。参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は水平方向から傾斜した層構造をほとんどもたず、従来例にみられた放射損失に起因する大きな損失は確認されなかった。
【００３５】
本素子の場合、半導体レーザ部２００で発生した光は半導体レーザ部２００と埋め込み領域４００との界面、及び埋め込み領域４００と光導波路部３００との界面でほとんど反射されない。このことは、これらの界面において等価屈折率の差が小さいことに起因している。従って、このレーザは半導体レーザ部２００と埋め込み領域４００、及び光導波路部３００全体を共振器とした外部共振器モードで良好に動作した。
【００３６】
また、参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置においては、最後に埋め込んだ領域は縦方向に光の閉じ込め構造を有しないが、その長さが今回の素子のように２μｍ程度と短い場合、放射される光の量は無視できる程度である。このため、参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、実際に光学特性を評価したところ、結合損失はモード不整合に起因する１．７ｄＢのみであり、上記従来例に比べて結合損失を大幅に低減することが確認された。
【００３７】
更に埋め込み領域の長さを変化させて放射損失を調べてみたところ、１５μｍ程度までは顕著な損失は測定されず、それ以上で少しずつ損失が確認された。そして、埋め込み領域の長さを２０μｍとしたときには約１ｄＢの結合損失となった。要求される損失量によってこの長さの許容範囲は変わるが、２０μｍ以下に設定すると１ｄＢ以下の損失に抑えられ、望ましい特性が得られることが確認された。
【００３８】
（実施形態１）
図２（ａ）、（ｂ）は本発明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形態１を示す。本実施形態１は吸収性回折格子を有する利得結合分布帰還型半導体レーザを備えた集積型半導体レーザ装置に本発明を適用した例を示す。以下にその構造を製造工程と共に説明する。
【００３９】
まず、ＧａＡｓ基板１００上にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層からなる活性層を有し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系材料で形成したＤＦＢレーザ２０１を構成する半導体層を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で成長した。
【００４０】
ここで、このレーザに関しては例えばＹ．Ｎａｋａｎｏ、他ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３２巻２号８２５〜８２９頁（１９９３）に詳細に記述されている。垂直方向のビーム径はこの場合も約１μｍであった。活性層には３層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．３μｍに設定した。
【００４１】
次に、塩素ガスを基板に直接照射するとともに塩素イオン、もしくはアルゴンイオンを同時照射するケミカリー・アシスティッド・イオン・ビーム・エッチング（ＣＡＩＢＥ）を用いて基板に到達する深さまで垂直にエッチングした。このエッチングに関してはＨ．Ｋａｗａｎｉｓｈｉ、他Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３５巻７Ｂ号８８０〜８８２頁（１９９６）に詳細な記述がある。
【００４２】
その後、再びＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する複数の半導体層３００を成長した。この半導体層に関しては、参考実施形態１と同じであるが、今回は酸化珪素膜をマスクとした選択成長を行うことにより、半導体レーザ部２０１には成長が起らない条件で成長した。
【００４３】
なお、図中の符号３０３、３０２は参考実施形態１と同様に上下の光閉じ込め層を示している。
【００４４】
このとき、成長後の基板表面は平坦に埋め込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾いた層構造が従来と同様に確認された。光導波層３０１の層厚は２μｍとした。本実施形態１においても、参考実施形態１と同様に、半導体レーザ２０１の出力光分布の中心と水平になったあとの光導波路３００の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。次に、半導体レーザ２０１と光導波路の接合領域を含む形で幅７．８μｍにわたって垂直にエッチングした。このエッチング深さは光導波路部を突き抜け、７．０μｍに制御した。
【００４５】
続いて、エッチングされた領域に連続的に屈折率ｎが変化する構造を含む半導体層５００を成長した。図２（ｂ）は半導体層５００の層方向（層厚方向）における屈折率分布を示す。同図（ｂ）に示すように、屈折率の分布は層方向の周辺部から中心部に向かって屈折率が大きくなる２次関数的に変化しており、この屈折率分布はＡｌの混晶比の変化を用いて形成した。
【００４６】
ここで、半導体層５００（以後 ＧＲａｄｅｄ ＩＮｄｅｘ（ＧＲＩＮ）領域と記述する）の厚さは片側（中心部から周辺部）２．８９４μｍ、中心部の屈折率３．４（屈折率の最大値）、周辺部の屈折率３．２（屈折率の最小値）、中心置は半導体レーザ２０１の出力光分布の中心及び光導波路３００の固有モードの中心の高さに一致させた。この位置合わせ制御はＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコンピュータ制御することにより容易に実現できた。
【００４７】
その後、半導体レーザ２０１、ＧＲＩＮ領域５００、光導波路領域３００にわたり、幅２μｍの横幅で導波路領域を規定する溝をエッチングした。この溝は、全ての層を貫するように深い溝とした。最後にエッチングした領域に半導体層（図示せず）を埋め込むことにより埋め込み導波路構造を形成し、横モード閉じ込め構造として本実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が完成した。
【００４８】
本実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、半導体レーザ部２０１はＤＦＢレーザであり、半導体レーザ２０１とＧＲＩＮ領域５００の界面で反射がなくてもレーザ発振するため、半導体レーザ部２０１で独立して良好に発振した。出力光はＧＲＩＮ層５００と光導波路部３００を通過し端面から出射光３０４として出射された。
【００４９】
本実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から光導波路３００への結合損失を評価したところ、約０．４ｄＢであった。このうち、ＧＲＩＮ層成長時の水平からずれた成長に起因する損失が０．２ｄＢと見積もられ、モード不整合に起因する損失はＧＲＩＮ層の採用により大幅に低減できたことが確認された。その理由は、ＧＲＩＮ領域５００のレンズ効果によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路３００の固有モードのビーム径に一致したととろで光導波路３００に結合されているためである。実際、ＧＲＩＮ領域５００の長さを変化させて結合損失を測定してみたところ、周期的に変化することが確認されている。
【００５０】
従って、ＧＲＩＮ領域５００の長さは、上記のとおり光導波路の固有モードのビーム径に合わせて最適化することが望ましい。また、本実施形態１ではＧＲＩＮ領域５００の屈折率変化として２次関数を用いたが、実質的に同様のレンズ効果を有すればこれに限らず、他の屈折率分布を用いることも可能である。
【００５１】
（実施形態２）
図３は本発明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形態２を示す。本実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、実施形態１の手法と参考実施形態１の手法とを組み合わせて作製したものである。
【００５２】
即ち、ＧＲＩＮ層５００成長時の水平からずれた成長に起因する結合損失を低減させるために、半導体レーザ２０１とＧＲＩＮ領域５００の接合領域を含む領域、或いはＧＲＩＮ領域５００と光導波路層３００の接合領域を含む領域、もしくはその両方の領域をエッチングし、その屈折率がほぼ一定である層４００を成長させることで実施形態１の効果に参考実施形態１の効果を付加したものである。
【００５３】
ここで、上記の説明におけるエッチングとしては、ほぼ垂直にエッチングができさえすればよく、一般的なエッチング方法を用いることができる。例えばリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）等を用いても良いし、ウエットエッチングを用いることも可能である。
【００５４】
また、結晶成長についても上記に述べたＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法に限らず、場合によっては液相成長、クロライドＶＰＥ法等を用いることも可能である。なお、参考実施形態１及び実施形態１と対応する部分には同一の符号を付してある。
【００５５】
（参考実施形態２）
図４（ａ）、（ｂ）は本発明に密接に関連するスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の参考実施形態２を示す。参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、その製造プロセスに特徴を有するものである。以下にその構造を製造工程と共に説明する。参考実施形態２では、吸収性回折格子を有する利得結合分布帰還型半導体レーザを備えたスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が作製された。
【００５６】
まず、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層からなる活性層を有し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系材料で形成したＤＦＢレーザ２０１を構成する半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長した。垂直方向のビーム径はこの場合も約１μｍであった。活性層には２層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．３μｍに設定した。
【００５７】
次に、ＲＩＢＥ法を用いて基板に到達する深さまで垂直にエッチングした。ここでエッチングマスクとしては酸化珪素膜を用いた。続いて、エッチングされた領域の側面に酸化珪素膜６０００を形成した。
【００５８】
この形成には、ＧａＡｓ基板１００にバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行うバイアススパッタ法を用いて行った。そうしたところ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面のみに酸化珪素膜６０００を形成することができた。
【００５９】
ここで、酸化珪素膜６０００の膜厚は２０ｎｍとした。このように膜厚を薄くすると、酸化珪素膜６０００による光の反射は生じなかった。この時点で、酸化珪素膜６０００はエッチングされていない領域とエッチングされた領域の側面に形成され、エッチング底には形成されていない。
【００６０】
引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する半導体層３００を成長した。この半導体層３００に関しては酸化珪素膜６０００をマスクとした選択成長を行うことにより、半導体レーザ部２０１には成長が起らない条件で成長した。参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、エッチング側面に酸化珪素膜６０００からなる誘電体層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向の成長も抑制され、それによって半導体層の成長時、水平から傾射した成長は見られず、すべて基板に平行に成長は進行した。
【００６１】
なお、光導波層３０１の膜厚は２μｍとした。参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザにおいても、半導体レーザ２０１の出力光分布の中心と水平に形成された光導波路３００の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。
【００６２】
参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から光導波路３００への光の結合損失を評価したところ、約１．８ｄＢであり、モードの不整合に起因する損失のみであることが確認された。なお、図４は作製途中段階の図を示しており、実際の光出力端面は図示されていない。
【００６３】
（実施形態３）
図５は本発明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形態３を示す。本実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、実施形態１の手法と、参考実施形態２の手法を組み合わせて作製したものである。以下にその構造を製造工程と共に説明する。
【００６４】
まず、ＩｎＰ基板１０００上にＩｎＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザ２００１を構成する半導体層をＭＢＥ法で成長した。本実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、半導体レーザ２００１として吸収性回折格子を有する利得結合型半導体レーザを用いている。この半導体レーザ２００１の垂直方向のビーム径は約１μｍであり、活性層には５層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．５５μｍに設定した。
【００６５】
次に、ＲＩＢＥ法を用いてＩｎＰ基板１０００に到達する深さまで垂直にエッチングした。その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する半導体層３０００を成長した。この半導体層３０００に関しては酸化珪素膜をマスクとした選択成長を行うことにより、半導体レーザ部２００１には成長が起らない条件で成長した。
【００６６】
このとき、成長後の基板表面は平坦に埋め込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾いた層構造が従来と同様に確認された。光導波層３００１の層厚は１．５μｍとした。
【００６７】
本実施形態３のスポットサイズ変換器付き型半導体レーザ装置も、半導体レーザ２００１の出力光分布の中心と水平になったあとの光導波路の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。次に、酸化珪素マスクを用いて、半導体レーザ２００１と光導波路３０００の接合領域を含む形で幅４．１７μｍにわたって垂直にエッチングした。このエッチング深さは光導波路部を突き抜け、６．０μｍに制御した。
【００６８】
続いて、エッチングされた領域の側に酸化珪素膜６０００を形成した。この形成には参考実施形態２と同様にバイアススパッタ法を用いて行った。そうしたところ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面のみに酸化珪素６０００を形成することができた。酸化珪素６０００の膜厚は２０ｎｍとした。引き続き、エッチングされた領域に連続的に屈折率が変化する構造（ＧＲＩＮ層）５０００を含む半導体層を成長した。屈折率はＩｎ、Ａｓ組成の変化を用いて変化させた。
【００６９】
ここで、ＧＲＩＮ領域５０００の中心位置は半導体レーザ２００１の出力光分布の中心、及び光導波路３０００の固有モードの中心の高さに一致させた。この位置合わせ制御は、実施形態１と同様にＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコンピュータ制御することにより容易に実現できた。
【００７０】
本実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置においても、エッチング側面に誘電体層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向の成長は抑制され、それによってＧＲＩＮ層５０００の成長時、水平から傾射した成長は見られず、すべてＩｎＰ基板１０００に平行に成長は進行した。
【００７１】
本実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、半導体レーザ２００１から光導波路３０００への結合損失を評価したところ、約０．２ｄＢであり、水平から傾射して成長する半導体層がないことと、モード不整合が無いことにより、大幅な損失の低減が確認された。本実施形態においては、半導体レーザの側面及び光導波路側面の両方に誘電体膜を形成したが、これは必ずしも両側に形成する必要はなく、片側でも相応の効果を有する。ただし、両側に形成することにより、その効果は倍増することになる。
【００７２】
（参考実施形態３）
図６（ａ）、（ｂ）は本発明に密接に関連するスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の参考実施形態３を示す。参考実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、その製造プロセスと構造に特徴を有するものである。以下にその構造を製造工程と共に説明する。参考実施形態３では、吸収性回折格子を有する利得結合分布帰還型半導体レーザを備えたスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が作製された。
【００７３】
まず、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層からなる活性層を有し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系材料で形成したＤＦＢレーザ２０１を構成する半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長した。垂直方向のビーム径は約１μｍであった。活性層には２層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．３μｍに設定した。
【００７４】
次に、ＲＩＢＥ法を用いて基板に到達する深さまで垂直にエッチングした。ここでエッチングマスクとしては酸化珪素膜を用いた。続いて、エッチングされた領域の側面に酸化珪素膜６０００を形成した。この形成には、ＧａＡｓ基板１００にバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行うバイアススパッタ法を用いて行った。
【００７５】
そうしたところ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面のみに酸化珪素膜６０００を形成することができた。ここで、酸化珪素膜６０００の膜厚は２０ｎｍとした。このように膜厚を薄くすると、酸化珪素膜６０００による光の反射は生じなかった。この時点で、酸化珪素膜６０００はエッチングされていない領域とエッチングされた領域の側面に形成され、エッチング底面には形成されていない。
【００７６】
引き続き、エッチングされた領域に連続的に屈折率が変化する構造（ＧＲＩＮ層）５０００を含む半導体層３００を成長した。屈折率はＩｎ、Ａｓ組成の変化を用いて変化させた。ここで、ＧＲＩＮ領域５０００の中心位置は半導体レーザ２０１の出力光分布の中心、及び光導波路３０００の固有モードの中心の高さに一致させた。この位置合わせ制御は、実施形態１と同様にＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコンピュータ制御することにより容易に実現できた。
【００７７】
参考実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置においても、エッチング側面に誘電体層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向の成長は抑制され、それによってＧＲＩＮ層５０００の成長時、水平から傾射した成長は見られず、すべてＩｎＰ基板１０００に平行に成長は進行した。
【００７８】
参考実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から半導体層５０００への結合損失を評価したところ、約０．２ｄＢであり、水平から傾射して成長する半導体層がないことと、モード不整合が無いことにより、大幅な損失の低減が確認された。
【００７９】
さらに、参考実施形態３においては実施形態３と比較して結晶成長工程を１回少なくすることが可能であり、低価格化が可能である。ただし、参考実施形態３の場合は、最後に素子をへき開する場所によって出射される光のビーム径が変化するため、へき開には注意が必要である。
【００８０】
【発明の効果】
以上の本発明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置によれば、半導体レーザと光導波路の接合領域に、半導体層を埋め込む構成をとるので、半導体レーザと光導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在しないスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が実現でき、これらの界面で導波光はほとんど反射されず、また屈折されないので、放射損失を低減できる。
【００８１】
この結果、本発明によれば、結合損失を低減したスポットサイズ変換器付き半導体レーザが実現でき、消費電力が低減され、かつ信頼性の高いスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が実現できる。
【００８２】
また、特に、半導体レーザと光導波路の接合領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半導体層を埋め込む構成をとることにより、この半導体層のレンズ効果によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム系に一致したところで光導波路に結合されるので、モード不整合に起因する結合損失をより一層効果的に低減できる。
【００８３】
また、特に誘電体層を介在させることにより、上述の効果を相乗的に発揮でき、放射損失を一層効率良く低減できるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に密接に関連する参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図であり、（ａ）は同断面図、（ｂ）はＧＲＩＮ層の屈折率分布を示す概念図である。
【図３】本発明の実施形態２の変形例のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図４】本発明に密接に関連する参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図５】本発明の実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図６】本発明に密接に関連する参考実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図７】従来例の光集積回路装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１００：ＧａＡｓ基板、
２００：ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ、
３００：光導波路を構成する半導体層、
３０１：光導波層、
３０２：下側の光閉じ込め層、
３０３：上側の光閉じ込め層、
３０４：スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置半導体レーザの出力光、
４００：ＡｌＧａＡｓ埋め込み層、
２０１：ＡｌＧａＡｓ系ＤＦＢレーザ、
５００：ＧＲＩＮ領域、
１０００：ＩｎＰ基板、
２００１：ＩｎＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザ、
３０００：光導波路を構成する半導体層、
５０００：ＧＲＩＮ領域、
６０００：酸化珪素膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバや光導波路に高効率で光を結合することができるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ、及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、急速な発展を遂げているマルチメディア技術は、近い将来、オフィスだけではなく各家庭においても１００Ｍｂｐｓ以上という高速、大容量の光通信を可能にすると考えられる。その中で、ファイバー・ツー・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）技術は幹線系の光ファイバを各家庭まで引き込む技術として期待されている。ところが通常の半導体レーザの出力光を光ファイバに導入しようとすると、半導体レーザの出射光のスポットサイズ（〜１μｍ）とシングルモードの光ファイバのスポットサイズ（〜１０μｍ）が大きく異なるため、両者を直接接続した場合、モード不整合から大きな挿入損失が発生する。
【０００３】
また、半導体レーザのスポットサイズが小さいため、微小な位置ずれが挿入損失の増大を引き起こすという問題も発生する。例えば、半導体レーザと光ファイバの接合時に１μｍ程度の位置ずれが起きると場合によっては１０ｄＢもの過剰損失が発生する。解決策としては、半導体レーザよりも大きなスポットサイズを有する光導波路を、半導体レーザと同一基板上に集積化したスポットサイズ変換器付き半導体レーザが考えられる。
【０００４】
それを実現する一つの方法として図７（ａ）に示す突き合わせ接合がある。この図は理想的な構造を図示したもので、半導体基板１００上に形成した屈折率結合型の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）２００の一部を垂直にエッチング除去し、その領域に光導波層３０１が２つの光閉じ込め層３０２、３０３で挟まれた光導波路構造３００が形成されている。半導体レーザ２００から出力された光は直接光導波路３００に結合され、光導波層３０１を導波する。
【０００５】
このようなスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、出力光のスポットサイズが半導体レーザより大きく、光ファイバとの結合の際に、微小位置ずれの影響が緩和されるという特長を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例は下記の欠点を有している。
【０００７】
（１）垂直にエッチングされた領域に光導波路構造を形成する際に、実際には図７（ａ）のような理想的な形状は実現されず、例えば図７（ｂ）に示すようになる。このとき、光導波層３０１は半導体レーザと光導波路の結合場所の近傍で水平から傾斜して形成されている。この領域では光はこの構造の屈折率分布を反映し、光導波層に結合されない光の割合が増加し、理想的な形状から予想される結合率より大きく低下する。
【０００８】
（２）半導体レーザ２００の垂直方向のビーム径と光導波路３００の垂直方向の固有モードのビーム径とが一致していない場合、その違いが大きいほど光が半導体レーザから光導波路に結合される光の割合いは低下する。
【０００９】
以下に上記（１）、（２）で挙げた問題点を今少し具体的に説明する。
図７（ｂ）は、具体的にはＩｎＧａＡｓＰ系１．３μｍ帯分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザを垂直にエッチングした後、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）によってＩｎＧａＡｓＰ系の材料を成長した場合の一例である。この成長においては成長速度の面方向依存性が大きいため、成長速度の小さい面が露出するように成長が進行し、同図に示すような形状の成長となっている。この場合、水平から傾いた方向に層構造が出現するため、光の一部はその形状の影響を受けて界面で反射され、或いは界面で屈折し、結果として光導波層３０１に結合せずに導波路外へ放射される。即ち、放射損失を生じる。本発明者等の実験結果によれば、約１ｄＢの光がこの影響で放射されることが確認された。上記とは異なる他の条件で成長した場合、形状はさまざまに変化したが、同図（ａ）に示したような理想的な形状を実現することは不可能であり、いずれの場合も０．５ｄＢから１ｄＢ程度の放射損失が確認された。
【００１０】
また、この例では、半導体レーザ２００の垂直方向のビーム径約１μｍに対し、光導波路３００の光導波層３０１の層厚は約２μｍで作製した。この違いによって、光が結合するときに大きなモード不整合が生じ、それに起因する放射損失１．７ｄＢが確認された。このように、両者を合計すると約２．７ｄＢの損失が生じることになり、半導体レーザ２００には実際に必要とされる光以上に高い出力が要求され、半導体レーザ２００の消費電力が高くなる。加えて、その信頼性も低下するという大きな問題が発生する。半導体レーザと、通常モード径が１０μｍ程度である光ファイバとの結合を考えた時、光導波路部分の層厚はさらに厚い方が望ましく、その場合、上記放射損失は更に大きくなる。
【００１１】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、半導体レーザと光導波路の接続部における上記光損失を最小限に抑え、低損失かつ高信頼性を有するモード変換器付き半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、半導体基板上に、少なくとも、端面出射型半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ領域と前記光導波路領域との接合領域に、半導体層が埋め込まれている。
【００１３】
この半導体層は、接合領域に埋め込むことができ、半導体レーザや光導波路の動作に影響を及ぼさない材料であることが好ましく、特に、半導体レーザからの出射光に対し、できる限り透明であって、光吸収が少ないものが、ロスが少なく、より好ましい。
【００１４】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、前記半導体層が、その屈折率が層方向に連続して変化する層である。
【００１５】
このとき、前記半導体層の屈折率は、層方向の周辺部から中心部に向けて高くなる２次関数状に変化する領域を含むことが好ましい。前記半導体層の屈折率の変化は該半導体層の組成比を変化させることにより形成することが好ましい。
【００１６】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、前記半導体層の屈折率の最も高い領域が、前記半導体レーザ領域からの出射光分布の略中心部に一致させられると共に、前記光導波領域の固有モードの略中心部に一致させられる。
【００１７】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界及び／又は前記光導波路領域との境界に、屈折率がほぼ一定である他の半導体層が形成されていることが好ましい。
【００１８】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界及び／又は前記光導波路領域との境界に、誘電体層が形成されていることも好ましい。
【００１９】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板上に、少なくとも、端面出射型の半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法であって、半導体基板上に半導体レーザを構成する半導体積層構造を形成する工程と、該半導体積層構造の一部を略垂直な断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチング除去された領域に光導波路を構成する半導体積層構造を形成する工程と、該半導体レーザの光出射端面と該光導波路の光入射面との境界を含む領域を略垂直な断面を有するようにエッチング除去する工程と、前記半導体レーザと前記光導波路との間のエッチング除去領域に、半導体層を形成する工程と、を有してなる。
【００２０】
この発明に係るスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法では、前記エッチング除去領域の側面にのみ誘電体層を形成した後、前記半導体層を形成してもよい。
【００２１】
上述の誘電体層は、如何なる方法を用いて形成しても構わないが、前記半導体基板にバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行うバイアススパッタ法で形成するのが好ましい。
【００２２】
また、半導体層の屈折率を層方向に連続して変化させる際、ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量を制御することにより、前記半導体層の層方向の中心位置を、半導体レーザの出射光分布の中心に一致させることが容易となる。
【００２３】
上述の半導体レーザ領域の半導体レーザは、端面から出射されるタイプのものであれば、いずれでも構わないが、分布帰還型半導体レーザを用いると、他の半導体レーザに比べて本発明の作用効果をよりよく得られる。
【００２４】
以下に、本発明の作用について説明する。
半導体レーザと光導波路の接合領域に屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半導体層を埋め込む構成によれば、この半導体層のレンズ効果によって導波路中の光のモードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム径に一致したところで光導波路に結合されるので、モード不整合に起因する結合損失を効果的に低減できる。
【００２５】
また、半導体レーザと屈折率が層方向に実質的に連続して変化する光導波路とを半導体基板上の横方向に集積する構成によれば、この半導体層のレンズ効果によって導波路中の光のモードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム径に一致したところで光導波路に結合されるので、モード不整合に起因する結合損失をより一層効果的に低減できる効果を少ない成長回数で得ることができる。
【００２６】
また、半導体レーザと半導体層の接合領域に誘電体層を介在させる構成によれば、半導体レーザと光導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在しないスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を実現できるので、上記同様に結合損失を低減できる。
【００２７】
また、半導体レーザと半導体層の接合領域に誘電体層を介在させ、且つ半導体レーザと半導体層の接合領域に屈折率が層方向に実質的に連続して変化する光導波路とを形成する構成によれば、水平方向から傾いた層構造が存在しないことと、モード不整合が無いことによる相乗効果により、結合損失を大幅に低減できるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を実現できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に本発明に密接に関連する参考実施形態とともに本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００２９】
（参考実施形態１）
図１は本発明に密接に関連する参考実施形態１を示す。参考実施形態１は量子井戸構造の半導体レーザを備えたスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の一例を示す。以下にその構造を製造プロセスとともに説明する。まず、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置内にＧａＡｓ基板（ウエハー）１００を導入し、ＧａＡｓ基板１００上にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層から構成される活性層と、ＡｌＧａＡｓ系材料から構成されるクラッド層で作製した半導体レーザ２００を構成する半導体層をＭＢＥ法で成長した。ここで、半導体レーザ２００の垂直方向のビーム径は約１μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓ系混晶は、１．３μｍの発光波長をＧａＡｓ基板上に実現できる材料であり、ＦＴＴＨ用光源として有望である。
【００３０】
次に、上記半導体層が形成されたウエハーをＭＢＥ装置から取り出し、塩素ガスを用いたリアクティブ・イオン・ビーム・エッチング（ＲＩＢＥ）を用いてＧａＡｓ基板１００に到達する深さまで垂直にエッチングした。その後、ＭＯＣＶＤ装置内にウエハーを導入し、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する半導体層３００を成長した。この半導体層は、光導波層３０１が上下の光閉じ込め層３０３、３０２で挟まれた構成になっている。ここで光導波層のＡｌ混晶比は０．２、その層厚は２μｍである。
【００３１】
また、上下の光閉じ込め層３０３、３０２のＡｌ混晶比及び層厚は同一の値であり、Ａｌ混晶比は０．２２、層厚は１μｍとした。このときの断面形状は従来例と同様に水平方向から傾斜した構造になっている。ただし、半導体レーザ２００と光導波路３００の接合部近傍から遠ざかるに従ってその傾斜の影響は小さくなり、３μｍ以上離れるとほぼ水平となった。ここで光導波路部３００は半導体レーザの出力光（１．３μｍ）に対して透明であり、低損失な導波路として機能する。また、エッチングの深さ制御性は２％程度が得られており、その後のＭＯＣＶＤ成長の成長層厚の制御性１％と合わせても、半導体レーザの出力光分布の中心と水平になったあとの光導波路の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。
【００３２】
次に、半導体レーザ２００と光導波路３００の接合領域を幅２μｍにわたって垂直にエッチングした。このときのエッチング深さは光導波路部３００を突き抜けていればよく、精密な制御は必要としない。ここでのエッチングも、先と同じＲＩＢＥを適用した。
【００３３】
続いて、エッチングした領域に、再びＭＯＣＶＤ法によってＡｌ混晶比０．２のＡｌＧａＡｓ層４００を埋め込み成長した。最後に、半導体レーザ部に成長した光導波路層を形成する半導体層（太線部より上、図１では除去する前の状態も合わせて図示している。）を除去した後、リッジ形状に加工して、横方向の光閉じ込めを行い、レーザ部２００への電極付け、へき開等のプロセスを施し、これにより参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を得た。
【００３４】
参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ素子装置においては、半導体レーザ部２００で発生したレーザ光は、ＡｌＧａＡｓ層４００を突き抜け、光導波路部３００に到達し、光導波路部３００を伝搬したのち、端面部より出射光３０４が出射される。参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は水平方向から傾斜した層構造をほとんどもたず、従来例にみられた放射損失に起因する大きな損失は確認されなかった。
【００３５】
本素子の場合、半導体レーザ部２００で発生した光は半導体レーザ部２００と埋め込み領域４００との界面、及び埋め込み領域４００と光導波路部３００との界面でほとんど反射されない。このことは、これらの界面において等価屈折率の差が小さいことに起因している。従って、このレーザは半導体レーザ部２００と埋め込み領域４００、及び光導波路部３００全体を共振器とした外部共振器モードで良好に動作した。
【００３６】
また、参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置においては、最後に埋め込んだ領域は縦方向に光の閉じ込め構造を有しないが、その長さが今回の素子のように２μｍ程度と短い場合、放射される光の量は無視できる程度である。このため、参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、実際に光学特性を評価したところ、結合損失はモード不整合に起因する１．７ｄＢのみであり、上記従来例に比べて結合損失を大幅に低減することが確認された。
【００３７】
更に埋め込み領域の長さを変化させて放射損失を調べてみたところ、１５μｍ程度までは顕著な損失は測定されず、それ以上で少しずつ損失が確認された。そして、埋め込み領域の長さを２０μｍとしたときには約１ｄＢの結合損失となった。要求される損失量によってこの長さの許容範囲は変わるが、２０μｍ以下に設定すると１ｄＢ以下の損失に抑えられ、望ましい特性が得られることが確認された。
【００３８】
（実施形態１）
図２（ａ）、（ｂ）は本発明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形態１を示す。本実施形態１は吸収性回折格子を有する利得結合分布帰還型半導体レーザを備えた集積型半導体レーザ装置に本発明を適用した例を示す。以下にその構造を製造工程と共に説明する。
【００３９】
まず、ＧａＡｓ基板１００上にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層からなる活性層を有し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系材料で形成したＤＦＢレーザ２０１を構成する半導体層を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で成長した。
【００４０】
ここで、このレーザに関しては例えばＹ．Ｎａｋａｎｏ、他ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３２巻２号８２５〜８２９頁（１９９３）に詳細に記述されている。垂直方向のビーム径はこの場合も約１μｍであった。活性層には３層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．３μｍに設定した。
【００４１】
次に、塩素ガスを基板に直接照射するとともに塩素イオン、もしくはアルゴンイオンを同時照射するケミカリー・アシスティッド・イオン・ビーム・エッチング（ＣＡＩＢＥ）を用いて基板に到達する深さまで垂直にエッチングした。このエッチングに関してはＨ．Ｋａｗａｎｉｓｈｉ、他Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３５巻７Ｂ号８８０〜８８２頁（１９９６）に詳細な記述がある。
【００４２】
その後、再びＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する複数の半導体層３００を成長した。この半導体層に関しては、参考実施形態１と同じであるが、今回は酸化珪素膜をマスクとした選択成長を行うことにより、半導体レーザ部２０１には成長が起らない条件で成長した。
【００４３】
なお、図中の符号３０３、３０２は参考実施形態１と同様に上下の光閉じ込め層を示している。
【００４４】
このとき、成長後の基板表面は平坦に埋め込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾いた層構造が従来と同様に確認された。光導波層３０１の層厚は２μｍとした。本実施形態１においても、参考実施形態１と同様に、半導体レーザ２０１の出力光分布の中心と水平になったあとの光導波路３００の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。次に、半導体レーザ２０１と光導波路の接合領域を含む形で幅７．８μｍにわたって垂直にエッチングした。このエッチング深さは光導波路部を突き抜け、７．０μｍに制御した。
【００４５】
続いて、エッチングされた領域に連続的に屈折率ｎが変化する構造を含む半導体層５００を成長した。図２（ｂ）は半導体層５００の層方向（層厚方向）における屈折率分布を示す。同図（ｂ）に示すように、屈折率の分布は層方向の周辺部から中心部に向かって屈折率が大きくなる２次関数的に変化しており、この屈折率分布はＡｌの混晶比の変化を用いて形成した。
【００４６】
ここで、半導体層５００（以後 ＧＲａｄｅｄ ＩＮｄｅｘ（ＧＲＩＮ）領域と記述する）の厚さは片側（中心部から周辺部）２．８９４μｍ、中心部の屈折率３．４（屈折率の最大値）、周辺部の屈折率３．２（屈折率の最小値）、中心置は半導体レーザ２０１の出力光分布の中心及び光導波路３００の固有モードの中心の高さに一致させた。この位置合わせ制御はＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコンピュータ制御することにより容易に実現できた。
【００４７】
その後、半導体レーザ２０１、ＧＲＩＮ領域５００、光導波路領域３００にわたり、幅２μｍの横幅で導波路領域を規定する溝をエッチングした。この溝は、全ての層を貫するように深い溝とした。最後にエッチングした領域に半導体層（図示せず）を埋め込むことにより埋め込み導波路構造を形成し、横モード閉じ込め構造として本実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が完成した。
【００４８】
本実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、半導体レーザ部２０１はＤＦＢレーザであり、半導体レーザ２０１とＧＲＩＮ領域５００の界面で反射がなくてもレーザ発振するため、半導体レーザ部２０１で独立して良好に発振した。出力光はＧＲＩＮ層５００と光導波路部３００を通過し端面から出射光３０４として出射された。
【００４９】
本実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から光導波路３００への結合損失を評価したところ、約０．４ｄＢであった。このうち、ＧＲＩＮ層成長時の水平からずれた成長に起因する損失が０．２ｄＢと見積もられ、モード不整合に起因する損失はＧＲＩＮ層の採用により大幅に低減できたことが確認された。その理由は、ＧＲＩＮ領域５００のレンズ効果によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路３００の固有モードのビーム径に一致したととろで光導波路３００に結合されているためである。実際、ＧＲＩＮ領域５００の長さを変化させて結合損失を測定してみたところ、周期的に変化することが確認されている。
【００５０】
従って、ＧＲＩＮ領域５００の長さは、上記のとおり光導波路の固有モードのビーム径に合わせて最適化することが望ましい。また、本実施形態１ではＧＲＩＮ領域５００の屈折率変化として２次関数を用いたが、実質的に同様のレンズ効果を有すればこれに限らず、他の屈折率分布を用いることも可能である。
【００５１】
（実施形態２）
図３は本発明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形態２を示す。本実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、実施形態１の手法と参考実施形態１の手法とを組み合わせて作製したものである。
【００５２】
即ち、ＧＲＩＮ層５００成長時の水平からずれた成長に起因する結合損失を低減させるために、半導体レーザ２０１とＧＲＩＮ領域５００の接合領域を含む領域、或いはＧＲＩＮ領域５００と光導波路層３００の接合領域を含む領域、もしくはその両方の領域をエッチングし、その屈折率がほぼ一定である層４００を成長させることで実施形態１の効果に参考実施形態１の効果を付加したものである。
【００５３】
ここで、上記の説明におけるエッチングとしては、ほぼ垂直にエッチングができさえすればよく、一般的なエッチング方法を用いることができる。例えばリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）等を用いても良いし、ウエットエッチングを用いることも可能である。
【００５４】
また、結晶成長についても上記に述べたＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法に限らず、場合によっては液相成長、クロライドＶＰＥ法等を用いることも可能である。なお、参考実施形態１及び実施形態１と対応する部分には同一の符号を付してある。
【００５５】
（参考実施形態２）
図４（ａ）、（ｂ）は本発明に密接に関連するスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の参考実施形態２を示す。参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、その製造プロセスに特徴を有するものである。以下にその構造を製造工程と共に説明する。参考実施形態２では、吸収性回折格子を有する利得結合分布帰還型半導体レーザを備えたスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が作製された。
【００５６】
まず、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層からなる活性層を有し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系材料で形成したＤＦＢレーザ２０１を構成する半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長した。垂直方向のビーム径はこの場合も約１μｍであった。活性層には２層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．３μｍに設定した。
【００５７】
次に、ＲＩＢＥ法を用いて基板に到達する深さまで垂直にエッチングした。ここでエッチングマスクとしては酸化珪素膜を用いた。続いて、エッチングされた領域の側面に酸化珪素膜６０００を形成した。
【００５８】
この形成には、ＧａＡｓ基板１００にバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行うバイアススパッタ法を用いて行った。そうしたところ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面のみに酸化珪素膜６０００を形成することができた。
【００５９】
ここで、酸化珪素膜６０００の膜厚は２０ｎｍとした。このように膜厚を薄くすると、酸化珪素膜６０００による光の反射は生じなかった。この時点で、酸化珪素膜６０００はエッチングされていない領域とエッチングされた領域の側面に形成され、エッチング底には形成されていない。
【００６０】
引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する半導体層３００を成長した。この半導体層３００に関しては酸化珪素膜６０００をマスクとした選択成長を行うことにより、半導体レーザ部２０１には成長が起らない条件で成長した。参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置では、エッチング側面に酸化珪素膜６０００からなる誘電体層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向の成長も抑制され、それによって半導体層の成長時、水平から傾射した成長は見られず、すべて基板に平行に成長は進行した。
【００６１】
なお、光導波層３０１の膜厚は２μｍとした。参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザにおいても、半導体レーザ２０１の出力光分布の中心と水平に形成された光導波路３００の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。
【００６２】
参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から光導波路３００への光の結合損失を評価したところ、約１．８ｄＢであり、モードの不整合に起因する損失のみであることが確認された。なお、図４は作製途中段階の図を示しており、実際の光出力端面は図示されていない。
【００６３】
（実施形態３）
図５は本発明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の実施形態３を示す。本実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、実施形態１の手法と、参考実施形態２の手法を組み合わせて作製したものである。以下にその構造を製造工程と共に説明する。
【００６４】
まず、ＩｎＰ基板１０００上にＩｎＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザ２００１を構成する半導体層をＭＢＥ法で成長した。本実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、半導体レーザ２００１として吸収性回折格子を有する利得結合型半導体レーザを用いている。この半導体レーザ２００１の垂直方向のビーム径は約１μｍであり、活性層には５層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．５５μｍに設定した。
【００６５】
次に、ＲＩＢＥ法を用いてＩｎＰ基板１０００に到達する深さまで垂直にエッチングした。その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する半導体層３０００を成長した。この半導体層３０００に関しては酸化珪素膜をマスクとした選択成長を行うことにより、半導体レーザ部２００１には成長が起らない条件で成長した。
【００６６】
このとき、成長後の基板表面は平坦に埋め込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾いた層構造が従来と同様に確認された。光導波層３００１の層厚は１．５μｍとした。
【００６７】
本実施形態３のスポットサイズ変換器付き型半導体レーザ装置も、半導体レーザ２００１の出力光分布の中心と水平になったあとの光導波路の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。次に、酸化珪素マスクを用いて、半導体レーザ２００１と光導波路３０００の接合領域を含む形で幅４．１７μｍにわたって垂直にエッチングした。このエッチング深さは光導波路部を突き抜け、６．０μｍに制御した。
【００６８】
続いて、エッチングされた領域の側に酸化珪素膜６０００を形成した。この形成には参考実施形態２と同様にバイアススパッタ法を用いて行った。そうしたところ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面のみに酸化珪素６０００を形成することができた。酸化珪素６０００の膜厚は２０ｎｍとした。引き続き、エッチングされた領域に連続的に屈折率が変化する構造（ＧＲＩＮ層）５０００を含む半導体層を成長した。屈折率はＩｎ、Ａｓ組成の変化を用いて変化させた。
【００６９】
ここで、ＧＲＩＮ領域５０００の中心位置は半導体レーザ２００１の出力光分布の中心、及び光導波路３０００の固有モードの中心の高さに一致させた。この位置合わせ制御は、実施形態１と同様にＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコンピュータ制御することにより容易に実現できた。
【００７０】
本実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置においても、エッチング側面に誘電体層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向の成長は抑制され、それによってＧＲＩＮ層５０００の成長時、水平から傾射した成長は見られず、すべてＩｎＰ基板１０００に平行に成長は進行した。
【００７１】
本実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、半導体レーザ２００１から光導波路３０００への結合損失を評価したところ、約０．２ｄＢであり、水平から傾射して成長する半導体層がないことと、モード不整合が無いことにより、大幅な損失の低減が確認された。本実施形態においては、半導体レーザの側面及び光導波路側面の両方に誘電体膜を形成したが、これは必ずしも両側に形成する必要はなく、片側でも相応の効果を有する。ただし、両側に形成することにより、その効果は倍増することになる。
【００７２】
（参考実施形態３）
図６（ａ）、（ｂ）は本発明に密接に関連するスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の参考実施形態３を示す。参考実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置は、その製造プロセスと構造に特徴を有するものである。以下にその構造を製造工程と共に説明する。参考実施形態３では、吸収性回折格子を有する利得結合分布帰還型半導体レーザを備えたスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が作製された。
【００７３】
まず、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓガイド層からなる活性層を有し、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層以外の層をＡｌＧａＡｓ系材料で形成したＤＦＢレーザ２０１を構成する半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長した。垂直方向のビーム径は約１μｍであった。活性層には２層の量子井戸構造を採用し、発振波長１．３μｍに設定した。
【００７４】
次に、ＲＩＢＥ法を用いて基板に到達する深さまで垂直にエッチングした。ここでエッチングマスクとしては酸化珪素膜を用いた。続いて、エッチングされた領域の側面に酸化珪素膜６０００を形成した。この形成には、ＧａＡｓ基板１００にバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行うバイアススパッタ法を用いて行った。
【００７５】
そうしたところ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面のみに酸化珪素膜６０００を形成することができた。ここで、酸化珪素膜６０００の膜厚は２０ｎｍとした。このように膜厚を薄くすると、酸化珪素膜６０００による光の反射は生じなかった。この時点で、酸化珪素膜６０００はエッチングされていない領域とエッチングされた領域の側面に形成され、エッチング底面には形成されていない。
【００７６】
引き続き、エッチングされた領域に連続的に屈折率が変化する構造（ＧＲＩＮ層）５０００を含む半導体層３００を成長した。屈折率はＩｎ、Ａｓ組成の変化を用いて変化させた。ここで、ＧＲＩＮ領域５０００の中心位置は半導体レーザ２０１の出力光分布の中心、及び光導波路３０００の固有モードの中心の高さに一致させた。この位置合わせ制御は、実施形態１と同様にＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコンピュータ制御することにより容易に実現できた。
【００７７】
参考実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置においても、エッチング側面に誘電体層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向の成長は抑制され、それによってＧＲＩＮ層５０００の成長時、水平から傾射した成長は見られず、すべてＩｎＰ基板１０００に平行に成長は進行した。
【００７８】
参考実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置について、半導体レーザ２０１から半導体層５０００への結合損失を評価したところ、約０．２ｄＢであり、水平から傾射して成長する半導体層がないことと、モード不整合が無いことにより、大幅な損失の低減が確認された。
【００７９】
さらに、参考実施形態３においては実施形態３と比較して結晶成長工程を１回少なくすることが可能であり、低価格化が可能である。ただし、参考実施形態３の場合は、最後に素子をへき開する場所によって出射される光のビーム径が変化するため、へき開には注意が必要である。
【００８０】
【発明の効果】
以上の本発明スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置によれば、半導体レーザと光導波路の接合領域に、半導体層を埋め込む構成をとるので、半導体レーザと光導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在しないスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が実現でき、これらの界面で導波光はほとんど反射されず、また屈折されないので、放射損失を低減できる。
【００８１】
この結果、本発明によれば、結合損失を低減したスポットサイズ変換器付き半導体レーザが実現でき、消費電力が低減され、かつ信頼性の高いスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置が実現できる。
【００８２】
また、特に、半導体レーザと光導波路の接合領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半導体層を埋め込む構成をとることにより、この半導体層のレンズ効果によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬中に連続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム系に一致したところで光導波路に結合されるので、モード不整合に起因する結合損失をより一層効果的に低減できる。
【００８３】
また、特に誘電体層を介在させることにより、上述の効果を相乗的に発揮でき、放射損失を一層効率良く低減できるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に密接に関連する参考実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図であり、（ａ）は同断面図、（ｂ）はＧＲＩＮ層の屈折率分布を示す概念図である。
【図３】本発明の実施形態２の変形例のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図４】本発明に密接に関連する参考実施形態２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図５】本発明の実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図６】本発明に密接に関連する参考実施形態３のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を示す構成図である。
【図７】従来例の光集積回路装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１００：ＧａＡｓ基板、
２００：ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ、
３００：光導波路を構成する半導体層、
３０１：光導波層、
３０２：下側の光閉じ込め層、
３０３：上側の光閉じ込め層、
３０４：スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置半導体レーザの出力光、
４００：ＡｌＧａＡｓ埋め込み層、
２０１：ＡｌＧａＡｓ系ＤＦＢレーザ、
５００：ＧＲＩＮ領域、
１０００：ＩｎＰ基板、
２００１：ＩｎＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザ、
３０００：光導波路を構成する半導体層、
５０００：ＧＲＩＮ領域、
６０００：酸化珪素膜。
Claims (5)
- 半導体基板上に、少なくとも、端面出射型半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ領域と前記光導波路領域との接合領域に、半導体層を埋め込んでなり、前記半導体層は、その屈折率が層方向に連続して変化する層であり、前記半導体層の屈折率の最も高い領域は、前記半導体レーザ領域からの出射光分布の略中心部に一致させると共に、前記光導波領域の固有モードの略中心部に一致させてなることを特徴とするスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
- 請求項１に記載の前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界及び／又は前記光導波路領域との境界に、屈折率がほぼ一定である他の半導体層を形成してなることを特徴とするスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
- 請求項１に記載の前記半導体層と、前記半導体レーザ領域との境界及び／又は前記光導波路領域との境界に、誘電体層を形成してなることを特徴とするスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置。
- 半導体基板上に、少なくとも、端面出射型の半導体レーザ領域と、光導波路領域とを、横方向に集積したスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法であって、半導体基板上に半導体レーザを構成する半導体積層構造を形成する工程と、該半導体積層構造の一部を略垂直な断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチング除去された領域に光導波路を構成する半導体積層構造を形成する工程と、該半導体レーザの光出射端面と該光導波路の光入射面との境界を含む領域を略垂直な断面を有するようにエッチング除去する工程と、前記半導体レーザと前記光導波路との間のエッチング除去領域に、半導体層を形成する工程と、を有してなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記エッチング除去領域の側面にのみ誘電体層を形成した後、前記半導体層を形成してなることを特徴とする請求項４に記載のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の製造方法。
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