JP4146974B2

JP4146974B2 - Optical semiconductor device and optical transmission system

Info

Publication number: JP4146974B2
Application number: JP31095799A
Authority: JP
Inventors: 彰大家; 宏佐藤; 和典篠田
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2019-11-01
Also published as: JP2001135887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は光導波路層を有する光半導体装置およびその製造方法に係わるものである。更には、本願発明は、光半導体装置を用いた光伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光送信モジュール、光ファイバ、光受信モジュールなどから構成される光伝送装置は、幹線系のみならず加入者系へも導入されている。この加入者系光通信システムにおいて、光源として用いられる半導体レーザ装置から発生した光を、光学レンズを用いずに高効率に光ファイバ或いは光導波路へ結合させることは、光伝送装置の低コスト化を図るための重要な課題である。これに対する方法として、半導体レーザ装置にビームスポット変換器を集積化する方法がある。
【０００３】
このビームスポット変換器集積化の方式の例に、光導波路層の膜厚を出射端面に向かって連続的に減少させた膜厚テーパ型ビームスポット変換器を半導体レーザ装置等にバットジョイント（結合）（Ｂｕｔｔ―Ｊｏｉｎｔ）させる方式がある。尚、Ｂｕｔｔ―Ｊｏｉｎｔはバットジョイント結合と称されることもあるが、本明細書ではバットジョイントあるいは（結合）と記載する。この方式は、ビームスポット変換部での損失が小さく、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ―ＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による選択成長技術を用いることにより半導体レーザ装置等の光素子との集積化も容易であるという特徴がある。この膜厚テーパ型ビームスポット変換器においては、光導波路のコア内を伝搬してきた光がコア膜厚の減少によりコア内に閉じ込められずにコアの外部にまで広がり、出射端面においてビームスポット径が拡大される。その結果、出射端面からのレーザ光の広がり角が狭くなり、光ファイバ等との結合効率を向上させる機能を有するものである。
【０００４】
このような従来のビームスポット変換器集積素子の例としては、例えば、Ｙ．Ｉｔａｙａらの、ＩＥＥＥＪ．ＳｅｌｅｃｔｅｄＴｏｐｉｃｓｉｎＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３，ｐ．９６３，１９９７，“Ｓｐｏｔ−ＳｉｚｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＬａｓｅｒＤｉｏｄｅｓ”の報告がある。
【０００５】
この膜厚テーパ型ビームスポット変換器の半導体レーザ装置への集積方法を、図を用いて説明する。図１は、膜厚テーパ型ビームスポット変換器と半導体レーザ装置の集積化素子の構造および製造方法を説明するため、その工程順に示した導波方向に沿った断面図である。
【０００６】
まず、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、下側ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０２、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）活性層１０３、上側ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０４を順次、ＭＯＣＶＤ成長する。次に、ＳｉＮによる誘電体膜１０５を形成する（図１の（ａ））。
【０００７】
通例のフォトリソグラフとエッチング技術を用いて膜厚テーパ形成領域を開口部とする所望の形状のＳｉＮパターン１０５’を作製する。当該ＳｉＮパターン１０５’をマスクとして、マスク開口部の光導波路層（１０２〜１０４）をエッチングにより除去する（図１の（ｂ））。
【０００８】
さらに、当該ＳｉＮパターン１０５’をマスクとしてＭＯＣＶＤ法選択成長により、利得領域において発生する光よりも短いバンドギャップ波長を有するＩｎＧａＡｓＰ層を成長する。この際、レーザ利得領域とバットジョイント結合する部分でのＩｎＧａＡｓＰ層の膜厚が、光導波路層（１０２’〜１０４’）の膜厚とほぼ等しくとなるように設定する。これにより、ＳｉＮによるマスク開口部には膜厚とバンドギャップ波長が連続的に減少する膜厚テーパ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０６が形成される（図１の（ｃ））。このように形成したテーパ型ＩｎＧａＡｓＰ層（１０６）のレーザ利得領域１１０とのバットジョイント（結合）部からの距離に対する膜厚の関係を図２に示す。図２の横軸はレーザ部１１０との接合部からの距離、縦軸はビームスポット変換器部１１１のテーパ部１０６の膜厚を示す。
【０００９】
この後、ＳｉＮパターン１０５’を除去し、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０７をＭＯＣＶＤ成長する。以後は、通常の半導体レーザ装置作製と同様の工程により、電極１０８、１０９等を形成し、膜厚テーパ型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置が完成する（図１の（ｄ））。
【００１０】
このとき、レーザ利得領域１１０の光導波路層（１０２’〜１０４’）と膜厚テーパ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０６はバットジョイント（結合）されることにより、レーザ利得部１１０にて発生した光は、膜厚テーパ型ビームスポット変換器部１１１へ効率良く導波され、且つビームスポット変換器側端面から出射される光は、ビームスポット径が拡大され、光ファイバ或いは光導波路と高効率かつ簡便に結合することが可能となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供せんとするものである。更には、本願発明は、所望の寸法内で光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供せんとするものである。更には、所望の寸法内で、光出力を所望に確保しつつ、且つ光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供せんとするものである。
【００１２】
より具体的には、本願発明は、これまでの膜厚テーパ型ビームスポット変換器での限界を打ち破るものである。即ち、本願発明は、現在の光システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する光半導体装置である。本願発明は、これまでの膜厚テーパ型ビームスポット変換器において光導波路と高い結合効率を確保する為の膜厚テーパ領域の長さとすると、光出力が低下することを回避する。
【００１３】
本願発明は、更に現在の光システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する光半導体装置を有する光モジュール及び光伝送システムを提供せんとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本願発明の主な形態を列挙すると次の通りである。
【００１５】
本願発明の第１の形態は、光射出部と、前記光射出部と結晶学的に接合された第１の光導波路と、前記第１の光導波路の出射端面側に結晶学的に接合された第２の光導波路を少なくとも有し、少なくとも前記第１および第２の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少することを特徴とする光半導体装置である。
【００１６】
本願発明の第２の形態は、光射出部と、前記光射出部とバットジョイント（結合）を構成するビームスポット変換器部と有し、前記ビームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少し且つ当該ビームスポット変換器部の光導波路内部にバットジョイント（結合）を1個以上有することを特徴とする光半導体装置である。前記光導波路層領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記光導波路層領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように前記ビームスポット変換器部の光導波路が形成される。本願発明は光導波路、例えば光ファイバー等への結合効率の高い光半導体装置を提供することが出来る。
【００１７】
勿論、本願発明は、複数のテーパ型光導波路領域を有しても良い。即ち、第１のテーパ型光導波路領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記第１のテーパ型光導波路領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように第２のテーパ型光導波路領域、同様に第３のテーパ型光導波路領域等を有しても良い。
【００１８】
本願発明の別な形態は、前記光射出部が半導体発光装置部であることを特徴とする光半導体装置である。当該半導体発光装置部は通例半導体レーザ装置が用いられる。本形態は光通信システムに用いるに極めて有用である。勿論、本願発明は、前記第１および第２の形態に示した通り、その他の領域からの光が、前記光射出部を通してビームスポット変換器部伝達される形態への適用も可能である。本願発明に適用可能な光射出部を構成する具体的な例は、半導体レーザ装置、光変調器、光増幅器、光導波路、光スイッチなどの各種光素子を挙げることが出来る。又、前記光射出部として、光導波路が用いられ、この光導波路に前記半導体レーザ装置、光変調器、光増幅器、光導波路、光スイッチなどの各種光素子よりの光が導波された形態も、本願発明に用いることが出来る。
【００１９】
尚、本願発明では、レーザの共振器の形式は、ファブリ・ペロー共振器、ＤＦＢ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）、ＤＢＲ（ＤｉｆｒａｃｔｉｏｎＢｒａｇｇＲｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）等、その要請に応じて用いることが出来る。
【００２０】
本願発明の更に別な形態は、前記光導波路層のバンドギャップ波長が、前記バットジョイント（結合）部から出射端面に向かって短波長となっていることを特徴とする光半導体装置である。この短波長化は波長が連続的に変化していることが好ましい。
【００２１】
本願発明の更に別な形態は、光射出部と、前記光射出部と結晶学的に接合された光導波路を有し、前記光導波路は、第１の光導波路と、前記第１の光導波路の出射端面側に結晶学的に接合された第２の光導波路を少なくとも有し、少なくとも前記第１及び第２を有する光導波路の導波方向の長さが３００μｍ以下であり、少なくとも前記第１及び第２を有する前記光導波路の膜厚が出射端面に向かって減少し、前記光射出部と前記第１の光導波路との界面での膜厚と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が３対１以上を有することを特徴とする光半導体装置である。本願発明は、特に所望寸法内にて、光導波路を構成出来、且つ光導波路への結合効率の高い、極めて実用的な光半導体装置を提供することが出来る。
【００２２】
本願発明の更に別な形態は、光射出部と、前記光射出部とバットジョイント（結合）を構成するビームスポット変換器部と有し、前記ビームスポット変換器部の導波方向の長さが３００μｍ以下であり、前記ビームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少し、前記バットジョイント（結合）と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が３対１以上を有し、且つ当該ビームスポット変換器部の光導波路内部にバットジョイント（結合）を1個以上有することを特徴とする光半導体装置である。本願発明は光導波路への結合効率の高い、極めて実用的な光半導体装置を提供することが出来る。
【００２３】
更に、前記発明の諸形態を任意に組み合わせ用いることが出来ることは言うまでもない。
【００２４】
本願発明の更に別な形態は、光導波路と光半導体装置とを有し、前記光半導体装置が、光射出部と、前記光射出部とバットジョイント（結合）を構成するビームスポット変換器部と有し、前記ビームスポット変換器部の導波方向の長さが３００μｍ以下であり、当該光半導体装置と光導波路との光の結合効率が−３ｄＢを超えない光半導体装置であることを特徴とする光伝送システムである。
【００２５】
前記ビームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少するのが好ましい。且つ前記ビームスポット変換器部の光導波路内部にバットジョイント（結合）を1個以上有するのが実用的な形態である。前記バットジョイント（結合）と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が３対１以上を有せしめることで前記当該光半導体装置と光導波路との光の結合効率を所望に確保するに有用である。
【００２６】
又、前記光導波路層のバンドギャップ波長が、前記バットジョイント（結合）部から出射端面に向かって短波長となっていることを特徴とする光半導体装置である。この短波長化は波長が連続的に変化していることが好ましい。
【００２７】
又、前記光射出部が半導体発光装置部であることを特徴とする光半導体装置において、当該半導体発光装置部は通例半導体レーザ装置が用いられるのが好例である。本形態は光通信システムに用いるに極めて有用である。本願発明は、光半導体装置と光ファイバ或いは光導波路との結合効率を改善することが可能であり、前記光半導体装置を光伝送装置に用いることにより、光伝送装置あるいは光伝送システムの低コスト化が図れる。
【００２８】
更に、前記発明の諸形態を任意に組み合わせ用いることが出来ることは言うまでもない。
【００２９】
本願発明の製造方法に関わる形態は、半導体基板上に形成された光導波路層領域の出射端面側の一部を除去する工程、前記光導波路層の除去された領域に、前記光導波路層領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記光導波路層領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるようにテーパ型光導波路領域を結晶成長する工程を少なくとも一回有する光半導体装置の製造方法である。
【００３０】
前記光導波路層領域の出射端面と前記テーパ型光導波路領域とはいわゆるバットジョイント（結合）を形成している。
【００３１】
テーパ型光導波路領域内部にバットジョイント（結合）は複数有することは任意である。即ち、本願発明の製造方法に関わる別な形態は、半導体基板上に形成された光導波路層領域の出射端面側の一部を除去する工程、前記光導波路層の除去された領域に、前記光導波路層領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記光導波路層領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように第１のテーパ型光導波路領域を結晶成長する工程、前記第１のテーパ型光導波路領域の出射端面側の一部を除去する工程、前記第１のテーパ型光導波路領域の除去された領域に、前記第１のテーパ型光導波路領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記第１のテーパ型光導波路領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように第２のテーパ型光導波路領域を結晶成長する工程、を少なくとも有する光半導体装置の製造方法である。
【００３２】
前記各テーパ型光導波路領域の結晶成長は有機金属気相成長法選択成長が有用である。そして、化合物半導体層の結晶成長に際しては、テーパ型ビームスポット変換器の光導波路層のバンドギャップ波長が、光半導体素子とのバットジョイント（結合）部から出射端面に向かって連続的に短波長化するのが好ましい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
個別の発明の実施の諸形態を説明するに先立って、一般的な発明の実施の諸形態の具体的な詳細を説明する。
【００３４】
本願発明の一つの例は、前述したように、膜厚テーパ型ビームスポット変換器を集積する際に、ＭＯＣＶＤ法選択成長による膜厚テーパ光導波路層の形成工程を導波方向に２回以上繰り返すことによって得ることが出来る。すなわち、光半導体素子と膜厚テーパ型ビームスポット変換器のバットジョイント（結合）部の他に、膜厚テーパ型ビームスポット変換器内部にもバットジョイント（結合）部を１個以上設けることにより膜厚比を増大させることを特徴とする。
【００３５】
尚、前記の膜厚テーパ領域の光導波路は単一層で構成され、その上下の材料層がクラッド層の役割を果たす。当該膜厚テーパ領域の光導波路を複数の積層体でもって構成することも可能である。
【００３６】
先に説明したように、ＭＯＣＶＤ法選択成長により形成した膜厚テーパ領域の膜厚分布は指数関数的に減少するため、例えば、無限に離れた位置に対する膜厚比が３となるような条件で作製する場合、３００μｍの膜厚テーパ領域長さでの膜厚比は３よりも小さな値しか得られない。しかし、膜厚分布が指数関数的に減少することから、例えば１５０μｍの領域での膜厚比が２であれば、同工程を２回繰り返すことにより、３００μｍの領域での膜厚比を４とすることが可能となる。
【００３７】
一方、膜厚テーパ領域のＩｎＧａＡｓＰ結晶のバンドギャップ波長は、ＭＯＣＶＤ法選択成長の効果により、膜厚の厚い光半導体素子とのバットジョイント（結合）部よりも膜厚の薄い出射端面側で短波長化する。この短波長化は概ね、数１０ｎｍ程度である。このため、２回目以降の膜厚テーパ光導波路層の形成工程においては、そのバットジョイント（結合）部においてＩｎＧａＡｓＰ結晶のバンドギャップ波長が連続的になるように順次短波長に設定することにより、膜厚テーパ光導波路層の形成工程が２回以上に増えた場合にも光学損失の増加は無い。従って、レーザ特性を損なうことなくビームスポット径のみを増大させることが可能となる。
【００３８】
この波長の短波長化は、知られているように、ＩｎとＧａ原料のシリコン窒化膜上での拡散の比に起因する。従って、化合物半導体材料のＩｎＧａＡｓＰ結晶、ＩｎＧａＡｓ結晶、あるいはＩｎＧａＡｓＰ結晶において実現する
ビームスポット変換器部内部でのバッドジョイント（結合）の数は、ビームスポット変換器の光導波路の光の進行方向の実用上の長さからみて、１−２個が実用的である。勿論、その数はビームスポット変換器部の長さや前記バットジョイント（結合）と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比をどの程度を要請するか等によって設計される。
【００３９】
尚、ここで、ビームスポット変換器部は、通例のコア層をクラッド層で挟む光導波路を基本にし、光の進行方向に対して交差する縦方向の光導波路の厚さが、光の進行方向に添って変化する構成（いわゆるｖｅｒｔｉｃａｌｌｙｔａｐｅｒｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を用いて十分である。又、いわゆるバットジョイント（結合）は、第１の光導波路に結晶学的に接続された第２の光導波路を有する結合を指す。その具体的な例は、前記第１の光導波路としてのレーザ活性層領域に前記第２の光導波路としての光導波路の結合、前記第１の光導波路としてのレーザ活性層領域に前記第２の光導波路としてのビーム拡大器の光導波路の結合、前記第１の光導波路としての光導波路に第２の光導波路としてのビーム拡大器の光導波路の結合、あるいは前記第１の光導波路としての光導波路領域に前記第２の光導波路としての光導波路の結合、等を挙げることが出来る。通例、こうしたバットジョイント（結合）は、第１の光導波路層の一部を、例えばエッチング等で除去した後、この部分に接続する第２の光導波路層を結晶成長することによって形成される。
【００４０】
以下に、本願発明と前記した通例の半導体レーザ装置にビームスポット変換器を集積した素子とを比較検討する。このことによって、本願発明の有用なことが理解されるであろう。
【００４１】
従来構造の膜厚テーパ型ビームスポット変換器においても、バットジョイント接続部と他方の出射端面における光導波路層の膜厚比を大きくすることにより、出射端面でのビームスポット径をさらに拡大させ、光ファイバ或いは光導波路との結合効率をより高めることが可能ではある。
【００４２】
しかし、従来の膜厚テーパ型ビームスポット変換器と半導体レーザ装置の集積化素子においては、その製造段階において、両者をバットジョイント（結合）させるためにＭＯＣＶＤ法選択成長を1回だけ用いている。ＭＯＣＶＤ法選択成長による膜厚テーパ形成の原理は、誘電体マスク近傍において成長に用いる有機金属原料がマスク上を横方向に拡散し、マスク開口領域の成長速度が増大することを利用している。この為、選択成長による誘電体マスク周辺の膜厚分布は図２に示したような指数関数的な分布形状となる。従って、通常のＭＯＣＶＤ成長条件において得られる膜厚は誘電体マスク近傍を１とした場合、誘電体マスクから無限に離れた位置において１／３程度である。
【００４３】
この結果、例えば実際の膜厚テーパ型ビームスポット変換器と半導体レーザ装置の集積化素子に用いられるような３００μｍ以下の膜厚テーパ型ビームスポット変換器で得られる膜厚テーパ領域の膜厚比は、最大でも２．５程度が限界である。このため、例えば半導体レーザ装置にビームスポット変換器を集積した素子においては、シングルモードファイバとの結合効率は最大−３ｄＢ程度が限界である。
【００４４】
一方、図２から明らかなように、膜厚テーパ領域の長さを例えば１ｍｍと十分に長くすることにより膜厚テーパ領域の膜厚比を３程度まで増大させることは可能である。しかし、この場合には、利得を持たない膜厚テーパ領域が増加することにより光学的損失が増加しレーザ光の出力が低下する。更に、集積化素子の寸法が大幅に増加するため、同一面積ウエハからの素子の取得数が減少して低コスト化に難点を有する。
【００４５】
本願諸発明は、これらの従来技術の有する諸難点を回避するものであることが十分理解されるであろう。
【００４６】
発明の実施の形態１
ｎ型ＩｎＰ基板上に膜厚テーパ型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置を作製した。図３は本実施の形態を示す斜視図である。又、図４は、その素子構造および製造方法を説明するための導波方向に沿った断面図である。
【００４７】
尚、本例では、発光部を半導体材料で埋め込んだ、いわゆる埋め込み型（ＢＨ型：ＢｕｒｉｅｄＨｅｔｅｒｏ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｙｐｅ）の半導体レーザ装置の例を示している。この横モモード制御の点は、本願の発明に直接的な関係なない。
【００４８】
まず、通例のＭＯＣＶＤ法により、ｎ型（１００）ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側の光ガイド層（バンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ０．１μｍ）２、歪ＭＱＷ活性層（発振波長１．３μｍ）３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側の光ガイド層（バンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ０．１μｍ）４を順次形成する。当該歪ＭＱＷ活性層の例は、ＩｎＧａＡｓＰ（６ｎｍ厚）を井戸層としＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．１０μｍ、１０ｎｍ厚）を障壁層とする歪ＭＱＷ活性層で、その周期は７周期である。
【００４９】
本願発明において、実用的には半導体レーザ装置は量子井戸構造を有する活性層領域、多重量子井戸構造の活性層領域、あるいは歪多重量子井戸構造の活性層領域などが用いられる。これらの構造は通例のものを用いて十分である。その他の実施の形態においても同様である。
【００５０】
次に、第１回目のＳｉＮによる誘電体膜を形成し、周知のフォトリソグラフとエッチングの方法を用いて、膜厚テーパ形成領域を開口部とする所望の形状のＳｉＮパターン５を作製する。こうして、このＳｉＮパターン５の領域をマスクされる領域として、マスク開口部の光導波路層（２〜４）をエッチングにより除去する（図４の（ａ））。
【００５１】
さらに、前記ＳｉＮパターン５の領域をマスクされる領域として、周知のＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（バットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ３００ｎｍ）６を成長する（図４の（ｂ））。このときＳｉＮマスク開口部には膜厚が連続的に減少するＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層６が形成される。この膜厚テーパ光導波路層の第１のバットジョイント部から１５０μｍの位置での膜厚は約１５０ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０７μｍである。尚、本例の前記ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層６はその上下のｎ型ＩｎＰ基板１及びｐ−ＩｎＰクラッド層９が、いわゆるクラッド層の役割を果たして、光を導波する。
【００５２】
前記ＳｉＮによる誘電体膜５を除去した後、当該半導体積層体の上部に、第２回目のＳｉＮによる誘電体膜を形成する。そして、周知のフォトリソグラフとエッチングにより第１回目バットジョイント（結合）部から１５０μｍの位置を開口部先端とするＳｉＮパターン７を作製する（図４の（ｃ））。
【００５３】
次に、該ＳｉＮパターン７の領域をマスクされる領域としてを、マスク開口部のＩｎＧａＡｓＰ層６をエッチングにより除去する。このとき、開口部でのＩｎＧａＡｓＰ層６’の厚さは約１５０ｎｍである。さらに、前記ＳｉＮパターン７の領域をマスクされる領域としてＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（バットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長１．０７μｍ、厚さ１５０ｎｍ）を成長する（図４の（ｄ））。このときＳｉＮマスク開口部には膜厚が連続的に減少するＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層８が形成される。この膜厚テーパ光導波路層の第２のバットジョイント部から１５０μｍの位置での膜厚は約７５ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０４μｍである。この後、ＳｉＮパターン７を除去し、ｐ−ＩｎＰクラッド層９をＭＯＣＶＤ成長する（図４の（ｄ））。
【００５４】
その後、ウエハを大気中に取り出し、ストライプ状の酸化シリコン(ＳｉＯ₂)マスク(幅約２μｍ )によりメサエッチングを行い、リッジ型の構造を形成する。この後、再度ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、化合物半導体材料ＩｎＰによってｐ型埋め込み層１４およびｎ型ブロック層１５、ｐ型クラッド層１６を形成する。こうして、いわゆるＢＨ型の光閉じ込め領域が形成される。
【００５５】
その後、ＳｉＯ₂マスクを除去して、ＬＤ部直上部にｐ型電極１１を形成した。さらに、基板裏面にｎ型電極１０を形成した後、両端面の劈開工程を経て、膜厚テーパ型ビームスポット変換器が集積化された光半導体レーザ装置が完成する（図４の（ｅ））。本例のレーザ利得部１２の長さは３００μｍ、ビームスポット変換部１３の長さは３００μｍである。
【００５６】
上記のようにＭＯＣＶＤ法選択成長による膜厚テーパ光導波路層の形成工程を導波方向に２回繰り返すことにより得られた膜厚テーパ型ビームスポット変換領域１３の膜厚比は、図５に示すように、３００ｎｍ／７５ｎｍ＝４となる。この値は、従来の形成工程を１回のみ行った場合（３００ｎｍ／１２０ｎｍ＝２．５）に比べ増大している。尚、図５の横軸はレーザ部１２との接合部からの距離、縦軸はビームスポット変換器部１３のテーパ部６’および８の膜厚を示す。
【００５７】
また、膜厚テーパ領域１３のＩｎＧａＡｓＰ結晶のバンドギャップ波長は、図６に示すように、第１のバットジョイント部の１．１０μｍから出射端面の１．０４μｍまで、連続的に短波長化している。図６の横軸はレーザ部１２との接合部からの距離、縦軸はＩｎＧａＡｓＰ結晶のバンドギャップに対応する波長を示している。
【００５８】
この結果、膜厚テーパ型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置の特性は、ビームスポット変換器を集積しない場合と遜色なく、しかもシングルモードファイバとの結合効率は−２ｄＢとなった。この結果は、従来の形成工程が１回のみで、ビームスポット変換器の光導波路がその内部にバットジョイントを有せず、単一の光導波路で構成されている場合の、シングルモードファイバとの結合効率−３ｄＢよりも改善された。
【００５９】
発明の実施の形態２
本例はビームスポット変換器の導波路内部に２個のバットジョイント（結合）を有する例である。
【００６０】
ｎ型ＩｎＰ基板上に膜厚テーパ型ビームスポット変換器が集積化された光半導体レーザ装置を作製した。図７は、その光半導体レーザ装置の導波方向に沿った断面図である。
【００６１】
まず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型（１００）ＩｎＰ基板２１上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層（バンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ０．１μｍ）２２、歪ＭＱＷ活性層領域（発振波長１．３μｍ）２３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層（バンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ０．１μｍ）２４を順次形成する。この歪ＭＱＷ活性層領域２３はＩｎＧａＡｓＰ（６ｎｍ厚）を井戸層としＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．１０μｍ、１０ｎｍ厚）を障壁層とする歪ＭＱＷ活性層で、その周期は７周期である。
【００６２】
次に、第１回目のＳｉＮによる誘電体パターンを形成し、エッチングにより膜厚テーパ光導波路層の一部を除去した後、ＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層２５を成長する。このとき膜厚テーパ光導波路層の第１のバットジョイント部から１００μｍの位置での膜厚は約１８０ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０８μｍである。尚、前記ＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層２５が有するバットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長は１．１０μｍ、厚さ３００ｎｍである。
【００６３】
次に、ＳｉＮによる誘電体膜を除去した後、第２回目のＳｉＮによる誘電体パターンを形成し、エッチングにより膜厚テーパ光導波路層の一部を除去した後、ＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層（バットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長１．０８μｍ、厚さ１８０ｎｍ）２６を成長する。このとき膜厚テーパ光導波路層の第２のバットジョイント部から１００μｍの位置での膜厚は約１００ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０６μｍである。
【００６４】
次に、ＳｉＮ誘電体膜を除去した後、第３回目のＳｉＮ誘電体パターンを形成し、エッチングにより膜厚テーパ光導波路層の一部を除去した後、ＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層（バットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長１．０６μｍ、厚さ１００ｎｍ）２７を成長する。この際、誘電体パターンの開口部横方向間隔を第１回目、第２回目の誘電体パターンよりも広くすることにより、選択成長による膜厚変化が小さくなるように設定した。これは、出射端面近傍での光導波路の膜厚変化を低減することにより、光導波路内での光のモード安定化を図るためである。このとき膜厚テーパ光導波路層の第３のバットジョイント部から１００μｍの位置での膜厚は約９０ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０５μｍである。尚、本例の前記ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（２５、２６、２７）はその上下のｎ型ＩｎＰ基板２１及びｐ−ＩｎＰクラッド層２８が、いわゆるクラッド層の役割を果たして、光を導波する。
【００６５】
この後、ＳｉＮパターンを除去し、ｐ−ＩｎＰクラッド層２８をＭＯＣＶＤ成長する。その後、ウエハを大気中に取り出し、ストライプ状の酸化シリコン(ＳｉＯ₂)マスク(幅約５μｍ )によりメサエッチングを行い、リッジ型の構造を形成する。この後、再度ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、化合物半導体材料ＩｎＰによってｐ型埋め込み層１４およびｎ型ブロック層１５、ｐ型クラッド層１６を形成する。こうして、いわゆるＢＨ型の光閉じ込め領域が形成される。
【００６６】
その後、ＳｉＯ₂マスクを除去して、ＬＤ部直上部にｐ型電極３０を形成した。さらに、基板裏面にｎ型電極２９を形成した後、両端面の劈開工程を経て、膜厚テーパ型ビームスポット変換器の集積化された半導体レーザ装置が完成する。レーザ利得部３１の長さは３００μｍ、ビームスポット変換部３２の長さは３００μｍである。
【００６７】
本手法により、ＭＯＣＶＤ法選択成長による膜厚テーパ光導波路層の形成工程を導波方向に３回繰り返すことにより得られた膜厚テーパ型ビームスポット変換領域３２の膜厚比は、図８に示すように、３００ｎｍ／９０ｎｍ＝３．３となった。この結果、膜厚テーパ型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置のシングルモードファイバとの結合効率は−２．５ｄＢとなった。尚、図８の横軸はレーザ部３１との接合部からの距離、縦軸はビームスポット変換器部３２のテーパ部２５−２７の膜厚を示す。
【００６８】
以上の各実施の形態においては、半導体レーザ装置とビームスポット変換器の集積化の場合について説明したが、光変調器、光増幅器、光導波路、光スイッチなどの各種光素子とビームスポット変換器を集積する場合についても本願発明は同様に有効である。
【００６９】
また、本発明はビームスポット変換器内部にバットジョイント（結合）部を１個以上有するため、第２の実施形態の工程３に示したように、選択成長に用いる誘電体マスクパターンの形状を変化させることにより、任意の膜厚テーパ形状を設計、作製することが可能であるという特徴も有する。
【００７０】
尚、本願発明における実施の形態１から実施の形態２に例示した光半導体装置を光源として送信システム装置系に搭載し、光通信システムを構成することが出来る。わけても、本願の光半導体装置は加入者系の光システムの用いて有用である。光モジュールの本願の光半導体装置を用いることによって、これまで半導体レーザ装置と光導波路との間に必要であった光学レンズが不要となる。本願発明はあ、低コストの要求に有利である。
【００７１】
本願発明を用いることによって、現在の光システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する光半導体装置を有する光モジュール及び光伝送システムを提供することが出来る。
【００７２】
【発明の効果】
本願発明は、光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供することが出来る。更には、本願発明は、所望の寸法内で光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供することが出来る。
【００７３】
本願発明は、膜厚テーパ型ビームスポット変換器において光導波路と高い結合効率を確保し且つ光出力が低下することを回避する。
【００７４】
本願発明は、更に現在の光システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する光半導体装置を有する光モジュール及び光伝送システムを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のビームスポット変換器が集積化された半導体レーザ装置を製造する工程順に示した装置の導波方向に平行な面での断面図である。
【図２】図２は従来の膜厚テーパ型ビームスポット変換器の膜厚分布を説明するための図である。
【図３】図３は本願発明の第１の実施形態におけるビームスポット変換器が集積化された半導体レーザ装置の斜視図である。
【図４】図４は本願発明の第１の実施形態におけるビームスポット変換器集積半導体レーザ装置を製造する工程順に示した装置の導波方向に平行な面での断面図である。
【図５】図５は本発明の第１の実施形態における膜厚テーパ型ビームスポット変換器の光導波路の膜厚分布を説明するための図である。
【図６】図６は本発明の第１の実施形態における膜厚テーパ型ビームスポット変換器の光導波路の結晶バンドギャップ波長分布を説明するための図である。
【図７】図７は本願発明の第２の実施形態におけるビームスポット変換器集積半導体レーザ装置の導波方向に平行な面での断面図である。
【図８】図８は本発明の第２の実施形態における膜厚テーパ型ビームスポット変換器の膜厚分布を説明するための図である。
【符号の説明】
１…化合物半導体基板、２…下側光ガイド層、３…ＭＱＷ活性層領域、４…上側光ガイド層、５…誘電体膜、６、６’…第１の膜厚テーパ光導波路層、７…誘電体膜、８…第２の膜厚テーパ光導波路層、９…クラッド層、１０…ｎ電極、１１…ｐ電極、１２…レーザ利得部、１３…ビームスポット変換部、１４…埋込層、１５…ブロック層、１６…クラッド層、２１…化合物半導体基板、２２…下側光ガイド層、２３…ＭＱＷ活性層領域、２４…上側光ガイド層、２５…第１の膜厚テーパ光導波路層、２６…第２の膜厚テーパ光導波路層、２７…第３の膜厚テーパ光導波路層、２８…クラッド層、２９…ｎ電極、３０…ｐ電極、３１…レーザ利得部、３２…ビームスポット変換部、１０１…化合物半導体基板、１０２、１０２’…下側光ガイド層、１０３、１０３’…ＭＱＷ活性層領域、１０４、１０４’…上側光ガイド層、１０５、１０５’…誘電体膜、１０６…膜厚テーパ光導波路層、１０７…クラッド層、１０８…ｎ電極、１０９…ｐ電極、１１０…レーザ利得部、１１１…ビームスポット変換部である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical semiconductor device having an optical waveguide layer and a manufacturing method thereof. Furthermore, the present invention relates to an optical transmission system using an optical semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
An optical transmission device including an optical transmission module, an optical fiber, an optical reception module, and the like has been introduced not only into a trunk line system but also into a subscriber system. In this subscriber optical communication system, light generated from a semiconductor laser device used as a light source is coupled to an optical fiber or an optical waveguide with high efficiency without using an optical lens, thereby reducing the cost of the optical transmission device. This is an important issue for planning. As a method for this, there is a method of integrating a beam spot converter in a semiconductor laser device.
[0003]
An example of this beam spot converter integration method is a butt joint (coupled) to a semiconductor laser device or the like with a film thickness tapered beam spot converter in which the film thickness of the optical waveguide layer is continuously reduced toward the exit end face. There is a method of (Butt-Joint). Note that Butt-Joint is sometimes referred to as a butt joint connection, but is referred to as a butt joint or (connection) in this specification. This method has a small loss at the beam spot conversion unit, and can be integrated with an optical element such as a semiconductor laser device by using a selective growth technique by a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. It is easy to use. In this film thickness taper type beam spot converter, the light propagating in the core of the optical waveguide spreads to the outside of the core without being confined in the core due to the decrease in the core film thickness, and the beam spot diameter is reduced at the exit end face. Enlarged. As a result, the spread angle of the laser light from the emission end face is narrowed, and the function of improving the coupling efficiency with an optical fiber or the like is provided.
[0004]
Examples of such conventional beam spot converter integrated elements include, for example, Y.M. Itaya et al., IEEE J. et al. Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 3, p. 963, 1997, “Spot-Size Converter Integrated Laser Diodes”.
[0005]
A method of integrating the taper-type beam spot converter into the semiconductor laser device will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view along the waveguide direction shown in the order of steps for explaining the structure and manufacturing method of an integrated element of a film thickness tapered beam spot converter and semiconductor laser device.
[0006]
First, on the n-InP substrate 101, a lower InGaAsP light guide layer 102, a multi-quantum well (MQW) active layer 103, and an upper InGaAsP light guide layer 104 are sequentially grown by MOCVD. Next, a dielectric film 105 made of SiN is formed (FIG. 1A).
[0007]
A SiN pattern 105 ′ having a desired shape having a film thickness taper forming region as an opening is formed by using a typical photolithography and etching technique. Using the SiN pattern 105 ′ as a mask, the optical waveguide layers (102 to 104) in the mask opening are removed by etching (FIG. 1B).
[0008]
Further, an InGaAsP layer having a shorter band gap wavelength than the light generated in the gain region is grown by MOCVD method selective growth using the SiN pattern 105 ′ as a mask. At this time, the thickness of the InGaAsP layer at the portion where the butt joint is coupled to the laser gain region is set to be substantially equal to the thickness of the optical waveguide layers (102 ′ to 104 ′). As a result, a film thickness tapered InGaAsP layer 106 in which the film thickness and the band gap wavelength continuously decrease is formed in the SiN mask opening (FIG. 1C). FIG. 2 shows the relationship of the film thickness with respect to the distance from the butt joint (coupled) portion of the tapered InGaAsP layer (106) thus formed to the laser gain region 110. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the distance from the junction with the laser unit 110, and the vertical axis indicates the film thickness of the tapered portion 106 of the beam spot converter unit 111.
[0009]
Thereafter, the SiN pattern 105 ′ is removed, and the p-InP cladding layer 107 is grown by MOCVD. Thereafter, the electrodes 108, 109, etc. are formed by the same process as the fabrication of the normal semiconductor laser device, and the film thickness tapered beam spot converter integrated semiconductor laser device is completed (FIG. 1D).
[0010]
At this time, the optical waveguide layer (102 ′ to 104 ′) in the laser gain region 110 and the film thickness tapered InGaAsP layer 106 are butt-joined (coupled), so that the light generated in the laser gain section 110 has a film thickness. The light that is efficiently guided to the tapered beam spot converter section 111 and emitted from the end surface on the side of the beam spot converter has an enlarged beam spot diameter, and can be easily and efficiently coupled to an optical fiber or an optical waveguide. Is possible.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is intended to provide an optical semiconductor device with high coupling efficiency to an optical waveguide. Furthermore, the present invention is intended to provide an optical semiconductor device having a high coupling efficiency to an optical waveguide within a desired dimension. Furthermore, it is an object of the present invention to provide an optical semiconductor device having a high coupling efficiency to an optical waveguide while ensuring a desired optical output within a desired dimension.
[0012]
More specifically, the present invention overcomes the limitations of conventional film thickness tapered beam spot converters. That is, the present invention is an optical semiconductor device having a high coupling efficiency with an optical waveguide within a desired dimension required in the current optical system. The present invention avoids a decrease in optical output when the length of the film thickness taper region for ensuring high coupling efficiency with the optical waveguide in the conventional film thickness taper type beam spot converter is used.
[0013]
The present invention further provides an optical module and an optical transmission system having an optical semiconductor device having a high coupling efficiency with an optical waveguide within a desired dimension required by the present optical system.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The main forms of the present invention are listed as follows.
[0015]
According to a first aspect of the present invention, a light emitting portion, a first optical waveguide crystallographically bonded to the light emitting portion, and a crystallographically bonded to the emission end face side of the first optical waveguide. An optical semiconductor device comprising at least a second optical waveguide, wherein the film thickness of at least the first and second optical waveguides continuously decreases toward the exit end face.
[0016]
The second aspect of the present invention has a light emitting part, and a beam spot converter part that constitutes a butt joint (coupling) with the light emitting part, and the film thickness of the optical waveguide of the beam spot converter part is emitted. The optical semiconductor device is characterized in that it continuously decreases toward the end face and has one or more butt joints (couples) inside the optical waveguide of the beam spot converter section. The beam spot conversion so that the thickness of the optical waveguide layer region is in contact with the end surface of the optical waveguide layer region on the emission end surface side and gradually decreases in the waveguide direction from the thickness of the optical waveguide layer region in the direction intersecting the light guiding direction. An optical waveguide of the vessel portion is formed. The present invention can provide an optical semiconductor device having high coupling efficiency to an optical waveguide such as an optical fiber.
[0017]
Of course, the present invention may have a plurality of tapered optical waveguide regions. That is, the thickness of the first tapered optical waveguide region is gradually in the waveguide direction from the thickness of the first tapered optical waveguide region at least in the direction intersecting the light guiding direction of the light, in contact with the end surface on the emission end surface side. In order to reduce the thickness, a second tapered optical waveguide region, a third tapered optical waveguide region, and the like may be provided.
[0018]
Another aspect of the present invention is an optical semiconductor device characterized in that the light emitting portion is a semiconductor light emitting device portion. As the semiconductor light emitting device section, a semiconductor laser device is usually used. This embodiment is extremely useful for use in an optical communication system. Of course, as shown in the first and second embodiments, the present invention can be applied to a configuration in which light from other regions is transmitted through the light emitting unit through the beam spot converter unit. Specific examples of the light emitting portion applicable to the present invention include various optical elements such as a semiconductor laser device, an optical modulator, an optical amplifier, an optical waveguide, and an optical switch. Also, an optical waveguide is used as the light emitting section, and light from various optical elements such as the semiconductor laser device, optical modulator, optical amplifier, optical waveguide, and optical switch is guided to the optical waveguide. Can be used in the present invention.
[0019]
In the present invention, the type of the laser resonator can be used according to the request, such as a Fabry-Perot resonator, a DFB (Distributed Feedback), a DBR (Difraction Bragg Reflection), or the like.
[0020]
Still another embodiment of the present invention is an optical semiconductor device characterized in that a band gap wavelength of the optical waveguide layer is a short wavelength from the butt joint (coupling) portion toward an emission end face. In the shortening of the wavelength, it is preferable that the wavelength is continuously changed.
[0021]
Still another embodiment of the present invention has a light emitting portion and an optical waveguide crystallographically joined to the light emitting portion, and the optical waveguide includes a first optical waveguide and the first optical waveguide. At least a second optical waveguide crystallographically bonded to the emission end face side, and at least the first and second optical waveguides have a waveguide direction length of 300 μm or less, and at least the first optical waveguide. And the thickness of the optical waveguide having the second decreases toward the exit end face, the thickness at the interface between the light exit portion and the first optical waveguide and the thickness of the optical waveguide at the exit end face. An optical semiconductor device having a ratio of 3 to 1 or more. The present invention can provide an extremely practical optical semiconductor device that can form an optical waveguide within a desired dimension and that has high coupling efficiency to the optical waveguide.
[0022]
Still another embodiment of the present invention has a light emitting part, and a beam spot converter part constituting a butt joint (coupling) with the light emitting part, and the length of the beam spot converter part in the waveguide direction is 300 μm or less, the film thickness of the optical waveguide of the beam spot converter portion continuously decreases toward the exit end face, and the thickness ratio of the optical waveguide at the butt joint (coupling) and the exit end face is 3 An optical semiconductor device having at least one pair and having at least one butt joint (coupling) inside the optical waveguide of the beam spot converter. The present invention can provide an extremely practical optical semiconductor device with high coupling efficiency to an optical waveguide.
[0023]
Furthermore, it goes without saying that various forms of the invention can be used in any combination.
[0024]
Still another embodiment of the present invention includes an optical waveguide and an optical semiconductor device, and the optical semiconductor device includes a light emitting portion, and a beam spot converter portion constituting the light emitting portion and a butt joint (coupling). And an optical semiconductor device in which the length of the beam spot converter section in the waveguide direction is 300 μm or less, and the light coupling efficiency between the optical semiconductor device and the optical waveguide does not exceed −3 dB. This is an optical transmission system.
[0025]
It is preferable that the film thickness of the optical waveguide of the beam spot converter portion decreases continuously toward the emission end face. In addition, it is a practical form to have at least one butt joint (coupled) inside the optical waveguide of the beam spot converter. Useful for ensuring desired coupling efficiency of light between the optical semiconductor device and the optical waveguide by providing a film thickness ratio of the optical waveguide at the butt joint (coupling) and the output end face of 3 to 1 or more. It is.
[0026]
In the optical semiconductor device, the band gap wavelength of the optical waveguide layer is shorter from the butt joint (coupling) portion toward the emission end face. In the shortening of the wavelength, it is preferable that the wavelength is continuously changed.
[0027]
In the optical semiconductor device characterized in that the light emitting portion is a semiconductor light emitting device portion, a semiconductor laser device is typically used as the semiconductor light emitting device portion. This embodiment is extremely useful for use in an optical communication system. The present invention can improve the coupling efficiency between an optical semiconductor device and an optical fiber or an optical waveguide. By using the optical semiconductor device in an optical transmission device, the cost of the optical transmission device or optical transmission system can be reduced. Can be planned.
[0028]
Furthermore, it goes without saying that various forms of the invention can be used in any combination.
[0029]
The form related to the manufacturing method of the present invention includes a step of removing a part of the output end face side of the optical waveguide layer region formed on the semiconductor substrate, the region of the optical waveguide layer in which the optical waveguide layer is removed, Crystal growth of the tapered optical waveguide region in contact with the end surface on the emission end surface side so that the thickness of the optical waveguide layer region is gradually reduced in the waveguide direction more than the thickness of the optical waveguide layer region intersecting the light guiding direction. Is a method of manufacturing an optical semiconductor device having at least once.
[0030]
The exit end face of the optical waveguide layer region and the tapered optical waveguide region form a so-called butt joint (coupling).
[0031]
It is optional to have a plurality of butt joints (couples) inside the tapered optical waveguide region. That is, another embodiment relating to the manufacturing method of the present invention includes a step of removing a part of the optical waveguide layer region formed on the semiconductor substrate on the emission end face side, and the optical waveguide layer is removed in the region where the optical waveguide layer is removed. The first tapered optical waveguide is in contact with the end face of the waveguide layer region on the output end surface side so that the thickness is gradually reduced in the waveguide direction from at least the thickness of the optical waveguide layer region in the direction intersecting the light guide direction. A step of crystal-growing the waveguide region, a step of removing a part of the first tapered optical waveguide region on the output end face side, and the removal of the first tapered optical waveguide region into the removed region of the first tapered optical waveguide region. The first optical waveguide region is in contact with the end surface on the output end surface side so that the thickness of the first tapered optical waveguide region is gradually reduced in the waveguide direction from the thickness of the first tapered optical waveguide region in the direction intersecting the light guiding direction. Crystal growth of 2 tapered optical waveguide regions That process, a method for producing at least having an optical semiconductor device.
[0032]
For the crystal growth of each tapered optical waveguide region, metal organic vapor phase selective growth is useful. During crystal growth of the compound semiconductor layer, the band gap wavelength of the optical waveguide layer of the tapered beam spot converter is continuously shortened from the butt joint (coupled portion) to the optical semiconductor element toward the emission end face. It is preferable to do this.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Before describing individual inventive embodiments, specific details of the general inventive embodiments are described.
[0034]
In one example of the present invention, as described above, when the film thickness tapered beam spot converter is integrated, the process of forming the film thickness tapered optical waveguide layer by MOCVD method selective growth is repeated twice or more in the waveguide direction. Can be obtained. That is, in addition to the optical semiconductor element and the butt joint (coupled portion) of the film thickness tapered beam spot converter, one or more butt joint (coupled) portions are also provided inside the film thickness tapered beam spot transducer. It is characterized by increasing the thickness ratio.
[0035]
The optical waveguide in the thickness taper region is composed of a single layer, and the material layers above and below serve as a cladding layer. It is also possible to configure the optical waveguide in the film thickness taper region with a plurality of laminated bodies.
[0036]
As described above, the film thickness distribution of the film thickness taper region formed by the MOCVD method selective growth decreases exponentially. For example, under the condition that the film thickness ratio to the infinitely distant position is 3. In the case of manufacturing, the film thickness ratio at the film thickness taper region length of 300 μm can only be a value smaller than 3. However, since the film thickness distribution decreases exponentially, for example, if the film thickness ratio in the region of 150 μm is 2, the film thickness ratio in the region of 300 μm is set to 4 by repeating the same process twice. It becomes possible to do.
[0037]
On the other hand, the band gap wavelength of the InGaAsP crystal in the taper region is shorter on the emission end face side where the film thickness is thinner than the butt joint (bonding) part with the thick optical semiconductor element due to the effect of MOCVD selective growth. Turn into. The shortening of the wavelength is about several tens of nm. For this reason, in the second and subsequent steps of forming the tapered optical waveguide layer, by sequentially setting the short wavelength so that the band gap wavelength of the InGaAsP crystal becomes continuous at the butt joint (coupled portion), the film There is no increase in optical loss even when the step of forming the thick taper optical waveguide layer is increased twice or more. Accordingly, it is possible to increase only the beam spot diameter without impairing the laser characteristics.
[0038]
As is known, this shortening of the wavelength is caused by the ratio of diffusion of In and Ga raw materials on the silicon nitride film. Therefore, it is realized in an InGaAsP crystal, InGaAs crystal, or InGaAsP crystal of a compound semiconductor material.
The number of bad joints (coupling) within the beam spot converter section is practically 1-2 in view of the practical length of the light traveling direction of the optical waveguide of the beam spot converter. Of course, the number is designed depending on the length of the beam spot converter section, the degree of the thickness ratio of the optical waveguide at the butt joint (coupling) and the exit end face, and the like.
[0039]
Here, the beam spot converter unit is based on an optical waveguide in which a usual core layer is sandwiched between cladding layers, and the thickness of the longitudinal optical waveguide intersecting the light traveling direction is the light traveling direction. It is sufficient to use a configuration (so-called vertically tapered waveguide) that changes according to the above. A so-called butt joint (coupling) refers to a coupling having a second optical waveguide crystallographically connected to the first optical waveguide. Specific examples thereof include coupling of the optical waveguide as the second optical waveguide to the laser active layer region as the first optical waveguide, and the second active layer into the laser active layer region as the first optical waveguide. Coupling of an optical waveguide of a beam expander as an optical waveguide, coupling of an optical waveguide of a beam expander as a second optical waveguide to the optical waveguide as the first optical waveguide, or light as the first optical waveguide An optical waveguide as the second optical waveguide can be coupled to the waveguide region. Typically, such a butt joint (bonding) is formed by removing a part of the first optical waveguide layer by, for example, etching, and then crystal-growing the second optical waveguide layer connected to this part.
[0040]
In the following, the present invention is compared with an element in which a beam spot converter is integrated in the conventional semiconductor laser device described above. From this, it will be understood that the present invention is useful.
[0041]
Also in the conventional structure taper type beam spot converter, by increasing the film thickness ratio of the optical waveguide layer between the butt joint connection part and the other exit end face, the beam spot diameter at the exit end face is further expanded, It is possible to further increase the coupling efficiency with the fiber or the optical waveguide.
[0042]
However, in the integrated element of the conventional film thickness taper type beam spot converter and the semiconductor laser device, the MOCVD method selective growth is used only once in order to butt joint (bond) them in the manufacturing stage. The principle of film thickness taper formation by MOCVD selective growth utilizes the fact that the organic metal material used for growth in the vicinity of the dielectric mask diffuses laterally on the mask and the growth rate of the mask opening region increases. For this reason, the film thickness distribution around the dielectric mask by selective growth has an exponential distribution shape as shown in FIG. Therefore, when the vicinity of the dielectric mask is 1, the film thickness obtained under normal MOCVD growth conditions is about 1/3 at a position infinitely away from the dielectric mask.
[0043]
As a result, for example, the film thickness ratio of the film thickness taper region obtained by an actual film thickness taper type beam spot converter and a film thickness taper type beam spot converter of 300 μm or less as used in an integrated element of a semiconductor laser device is The maximum is about 2.5. For this reason, for example, in an element in which a beam spot converter is integrated in a semiconductor laser device, the maximum coupling efficiency with a single mode fiber is about −3 dB.
[0044]
On the other hand, as is apparent from FIG. 2, the film thickness ratio of the film thickness taper region can be increased to about 3 by making the length of the film thickness taper region sufficiently long, for example, 1 mm. However, in this case, an increase in the thickness taper region having no gain causes an increase in optical loss and a decrease in laser light output. Furthermore, since the dimensions of the integrated elements are significantly increased, the number of elements obtained from the same area wafer is reduced, and there is a difficulty in cost reduction.
[0045]
It will be appreciated that the present invention avoids the various disadvantages of these prior arts.
[0046]
Embodiment 1 of the Invention
A film thickness tapered beam spot converter integrated semiconductor laser device was fabricated on an n-type InP substrate. FIG. 3 is a perspective view showing the present embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view along the waveguide direction for explaining the element structure and the manufacturing method.
[0047]
In the present example, an example of a so-called embedded type (BH type: Burried Hetero-structure type) semiconductor laser device in which the light emitting portion is embedded with a semiconductor material is shown. This aspect of horizontal mode control is not directly related to the present invention.
[0048]
First, an optical guide layer (band gap wavelength: 1.10 μm, thickness: 0.1 μm) 2 on the n-type (100) InP substrate 1 and a strained MQW active layer (oscillation wavelength) are formed on an n-type (100) InP substrate 1 by a conventional MOCVD method. 1.3 μm) 3 and a light guide layer (band gap wavelength 1.10 μm, thickness 0.1 μm) 4 on the upper side of the p-type InGaAsP 4 are sequentially formed. An example of the strained MQW active layer is a strained MQW active layer in which InGaAsP (6 nm thickness) is a well layer and InGaAsP (band gap wavelength 1.10 μm, 10 nm thickness) is a barrier layer, and its period is seven periods.
[0049]
In the present invention, practically, an active layer region having a quantum well structure, an active layer region having a multiple quantum well structure, an active layer region having a strained multiple quantum well structure, or the like is used for a semiconductor laser device. These structures are sufficient using conventional ones. The same applies to other embodiments.
[0050]
Next, a first dielectric film made of SiN is formed, and a SiN pattern 5 having a desired shape having a film thickness taper forming region as an opening is formed using a well-known photolithography and etching method. Thus, the optical waveguide layer (2-4) in the mask opening is removed by etching using the region of the SiN pattern 5 as a masked region (FIG. 4 (A)).
[0051]
Further, using the SiN pattern 5 as a masked region, an InGaAsP optical waveguide layer (a band gap wavelength of 1.10 μm and a thickness of 300 nm of the butt joint (coupling) portion) 6 is grown by well-known MOCVD method selective growth. (Figure 4 (B)). At this time, an InGaAsP film thickness tapered optical waveguide layer 6 whose film thickness continuously decreases is formed in the SiN mask opening. The film thickness taper optical waveguide layer has a film thickness of about 150 nm and a band gap wavelength of about 1.07 μm at a position 150 μm from the first butt joint portion. In the InGaAsP optical waveguide layer 6 of this example, the upper and lower n-type InP substrates 1 and the p-InP clad layer 9 serve as a so-called clad layer to guide light.
[0052]
After the dielectric film 5 made of SiN is removed, a second dielectric film made of SiN is formed on the semiconductor stack. Then, a SiN pattern 7 having an opening tip at a position of 150 μm from the first butt joint (bonding) portion is manufactured by a well-known photolithography and etching (FIG. 4 (C)).
[0053]
Next, the InGaAsP layer 6 in the mask opening is removed by etching using the SiN pattern 7 as a masked region. At this time, the thickness of the InGaAsP layer 6 ′ at the opening is about 150 nm. Furthermore, an InGaAsP optical waveguide layer (a band gap wavelength of 1.07 μm and a thickness of 150 nm of the butt joint (coupled portion)) is grown by MOCVD selective growth using the region of the SiN pattern 7 as a masked region (FIG. 5). 4 (D)). At this time, an InGaAsP film thickness tapered optical waveguide layer 8 whose film thickness continuously decreases is formed in the SiN mask opening. The film thickness of the taper optical waveguide layer at the position 150 μm from the second butt joint is about 75 nm, and the band gap wavelength is about 1.04 μm. Thereafter, the SiN pattern 7 is removed, and the p-InP clad layer 9 is grown by MOCVD (FIG. 4 of( d )).
[0054]
Thereafter, the wafer is taken out into the atmosphere and striped silicon oxide (SiO ₂ ) Mesa etching is performed with a mask (width of about 2 μm) to form a ridge type structure. Thereafter, it is again introduced into the MOCVD apparatus, and the p-type buried layer 14, the n-type block layer 15, and the p-type cladding layer 16 are formed from the compound semiconductor material InP. Thus, a so-called BH type optical confinement region is formed.
[0055]
Then SiO ₂ The mask was removed, and a p-type electrode 11 was formed immediately above the LD portion. Further, after the n-type electrode 10 is formed on the back surface of the substrate, an optical semiconductor laser device in which a tapered film-type beam spot converter is integrated is completed through a cleavage process on both end faces (see FIG. 4 of( e )). In this example, the laser gain section 12 has a length of 300 μm, and the beam spot conversion section 13 has a length of 300 μm.
[0056]
The film thickness ratio of the film thickness tapered beam spot conversion region 13 obtained by repeating the process of forming the film thickness tapered optical waveguide layer by MOCVD selective growth as described above twice in the waveguide direction is shown in FIG. Thus, 300 nm / 75 nm = 4. This value is increased compared to the case where the conventional forming process is performed only once (300 nm / 120 nm = 2.5). In FIG. 5, the horizontal axis indicates the distance from the joint with the laser unit 12, and the vertical axis indicates the film thickness of the tapered portions 6 ′ and 8 of the beam spot converter unit 13.
[0057]
Further, as shown in FIG. 6, the band gap wavelength of the InGaAsP crystal in the film thickness tapered region 13 is continuously shortened from 1.10 μm of the first butt joint portion to 1.04 μm of the emission end face. . The horizontal axis in FIG. 6 indicates the distance from the junction with the laser unit 12, and the vertical axis indicates the wavelength corresponding to the band gap of the InGaAsP crystal.
[0058]
As a result, the characteristics of the taper type beam spot converter integrated semiconductor laser device are comparable to those in the case where the beam spot converter is not integrated, and the coupling efficiency with the single mode fiber is -2 dB. As a result, the conventional formation process is performed only once, and the optical waveguide of the beam spot converter does not have a butt joint in its interior, and is configured with a single optical waveguide. The coupling efficiency was improved over -3 dB.
[0059]
Embodiment 2 of the Invention
This example is an example having two butt joints (coupling) inside the waveguide of the beam spot converter.
[0060]
An optical semiconductor laser device in which a film thickness tapered beam spot converter was integrated on an n-type InP substrate was fabricated. FIG. 7 is a sectional view taken along the waveguide direction of the optical semiconductor laser device.
[0061]
First, an n-type InGaAsP lower light guide layer (bandgap wavelength 1.10 μm, thickness 0.1 μm) 22 and a strained MQW active layer region (oscillation wavelength 1. 3 μm) 23 and a p-type InGaAsP upper light guide layer (bandgap wavelength 1.10 μm, thickness 0.1 μm) 24 are sequentially formed. The strained MQW active layer region 23 is a strained MQW active layer having InGaAsP (6 nm thickness) as a well layer and InGaAsP (band gap wavelength 1.10 μm, 10 nm thickness) as a barrier layer, and its period is seven periods.
[0062]
Next, a first dielectric pattern is formed by SiN, and after removing a part of the film thickness taper optical waveguide layer by etching, an InGaAsP film thickness taper optical waveguide layer 25 is grown by MOCVD selective growth. At this time, the film thickness at a position of 100 μm from the first butt joint portion of the film thickness tapered optical waveguide layer is about 180 nm, and the band gap wavelength is about 1.08 μm. The band gap wavelength of the butt joint (coupling) part of the InGaAsP film thickness tapered optical waveguide layer 25 is 1.10 μm and the thickness is 300 nm.
[0063]
Next, after removing the dielectric film made of SiN, a second dielectric pattern made of SiN is formed, and after removing a part of the tapered optical waveguide layer by etching, the InGaAsP film is selectively grown by MOCVD. A thick taper optical waveguide layer (a band gap wavelength of 1.08 μm and a thickness of 180 nm of the butt joint (coupling) portion) 26 is grown. At this time, the film thickness at a position of 100 μm from the second butt joint portion of the film thickness tapered optical waveguide layer is about 100 nm, and the band gap wavelength is about 1.06 μm.
[0064]
Next, after removing the SiN dielectric film, a third SiN dielectric pattern is formed, and after removing a part of the taper optical waveguide layer by etching, the InGaAsP film thickness taper is formed by MOCVD method selective growth. An optical waveguide layer (a butt joint (coupling) portion with a band gap wavelength of 1.06 μm and a thickness of 100 nm) 27 is grown. At this time, the change in the film thickness due to the selective growth was set to be small by widening the horizontal interval between the openings of the dielectric pattern in comparison with the first and second dielectric patterns. This is for the purpose of stabilizing the mode of light in the optical waveguide by reducing the change in the thickness of the optical waveguide in the vicinity of the emission end face. At this time, the film thickness at a position of 100 μm from the third butt joint portion of the film thickness tapered optical waveguide layer is about 90 nm, and the band gap wavelength is about 1.05 μm. In the InGaAsP optical waveguide layer (25, 26, 27) of this example, the n-type InP substrate 21 and the p-InP clad layer 28 above and below serve as a so-called clad layer to guide light.
[0065]
Thereafter, the SiN pattern is removed, and the p-InP cladding layer 28 is grown by MOCVD. Thereafter, the wafer is taken out into the atmosphere and striped silicon oxide (SiO ₂ ) Mesa etching is performed with a mask (width of about 5 μm) to form a ridge type structure. Thereafter, it is again introduced into the MOCVD apparatus, and the p-type buried layer 14, the n-type block layer 15, and the p-type cladding layer 16 are formed from the compound semiconductor material InP. Thus, a so-called BH type optical confinement region is formed.
[0066]
Then SiO ₂ The mask was removed, and a p-type electrode 30 was formed immediately above the LD portion. Further, after forming the n-type electrode 29 on the back surface of the substrate, a semiconductor laser device in which the film thickness tapered beam spot converter is integrated is completed through a cleaving process on both end faces. The laser gain unit 31 has a length of 300 μm, and the beam spot conversion unit 32 has a length of 300 μm.
[0067]
The film thickness ratio of the film thickness tapered beam spot conversion region 32 obtained by repeating the formation process of the film thickness tapered optical waveguide layer by MOCVD method selective growth three times in the waveguide direction is shown in FIG. Thus, 300 nm / 90 nm = 3.3. As a result, the coupling efficiency with the single mode fiber of the film thickness tapered beam spot converter integrated semiconductor laser device was −2.5 dB. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the distance from the junction with the laser part 31, and the vertical axis indicates the film thickness of the tapered part 25-27 of the beam spot converter part 32.
[0068]
In each of the above embodiments, the case of integration of a semiconductor laser device and a beam spot converter has been described. However, various optical elements such as an optical modulator, an optical amplifier, an optical waveguide, and an optical switch, and a beam spot converter are provided. The present invention is also effective in the case of accumulation.
[0069]
In addition, since the present invention has one or more butt joints (coupled portions) inside the beam spot converter, the shape of the dielectric mask pattern used for selective growth is changed as shown in step 3 of the second embodiment. Therefore, it is also possible to design and manufacture an arbitrary film thickness taper shape.
[0070]
It is to be noted that an optical communication system can be configured by mounting the optical semiconductor device exemplified in the first to second embodiments of the present invention as a light source in the transmission system apparatus system. In particular, the optical semiconductor device of the present application is useful for use in a subscriber optical system. By using the optical semiconductor device of the present application of the optical module, the optical lens that has been necessary between the semiconductor laser device and the optical waveguide until now becomes unnecessary. The present invention is advantageous for low cost requirements.
[0071]
By using the present invention, it is possible to provide an optical module and an optical transmission system having an optical semiconductor device having a high coupling efficiency with an optical waveguide within a desired dimension required in the present optical system.
[0072]
【The invention's effect】
The present invention can provide an optical semiconductor device with high coupling efficiency to an optical waveguide. Furthermore, the present invention can provide an optical semiconductor device with high coupling efficiency to an optical waveguide within a desired dimension.
[0073]
The present invention secures high coupling efficiency with an optical waveguide in a film thickness tapered beam spot converter and avoids a decrease in optical output.
[0074]
The present invention can further provide an optical module and an optical transmission system having an optical semiconductor device having a high coupling efficiency with an optical waveguide within a desired dimension required by the present optical system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to a waveguide direction of an apparatus shown in the order of steps for manufacturing a semiconductor laser device in which a conventional beam spot converter is integrated.
FIG. 2 is a diagram for explaining a film thickness distribution of a conventional film thickness tapered beam spot converter.
FIG. 3 is a perspective view of a semiconductor laser device in which a beam spot converter is integrated in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the waveguide direction of the device shown in the order of steps for manufacturing the beam spot converter integrated semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining the film thickness distribution of the optical waveguide of the film thickness tapered beam spot converter according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining the crystal band gap wavelength distribution of the optical waveguide of the film thickness tapered beam spot converter according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the waveguide direction of a beam spot converter integrated semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining a film thickness distribution of a film thickness tapered beam spot converter according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Compound semiconductor substrate, 2 ... Lower side light guide layer, 3 ... MQW active layer area | region, 4 ... Upper side light guide layer, 5 ... Dielectric film, 6, 6 '... 1st film thickness taper optical waveguide layer, 7 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Dielectric film, 8 ... 2nd film thickness taper optical waveguide layer, 9 ... Cladding layer, 10 ... N electrode, 11 ... P electrode, 12 ... Laser gain part, 13 ... Beam spot conversion part, 14 ... Embedded layer , 15 ... block layer, 16 ... cladding layer, 21 ... compound semiconductor substrate, 22 ... lower light guide layer, 23 ... MQW active layer region, 24 ... upper light guide layer, 25 ... first film thickness taper optical waveguide layer , 26 ... second film thickness taper optical waveguide layer, 27 ... third film thickness taper optical waveguide layer, 28 ... cladding layer, 29 ... n electrode, 30 ... p electrode, 31 ... laser gain section, 32 ... beam spot Conversion unit, 101 ... compound semiconductor substrate, 102, 102 '... lower light guide 103, 103 '... MQW active layer region, 104, 104' ... upper light guide layer, 105, 105 '... dielectric film, 106 ... film thickness taper optical waveguide layer, 107 ... clad layer, 108 ... n electrode, 109 ... P electrode, 110... Laser gain section, 111.

Claims

A light emitting portion; a first optical waveguide formed by first selective growth and crystallographically coupled to the light emitting portion; and an emission end face side of the first optical waveguide formed by second selective growth. At least a second optical waveguide coupled crystallographically, and at least the film thicknesses of the first and second optical waveguides continuously decrease toward the exit end face, and the first optical waveguide And in the vicinity of the coupling portion of the second optical waveguide ,
Than the rate of decrease in film thickness on the first optical waveguide side ,
An optical semiconductor device characterized in that the rate of decrease in film thickness on the second optical waveguide side is large.

A light spot, and a beam spot converter formed by a plurality of selective growths that constitutes a butt joint with the light exit, and the film thickness of the optical waveguide of the beam spot converter is on the exit end face headed possess continuously decreases and the butt joint 1 or more inside the optical waveguide of the beam spot converter unit,
In the vicinity of the joint portion of the butt joint, the rate of decrease in film thickness that continuously decreases on the exit end face side of the optical waveguide of the beam spot converter portion is:
An optical semiconductor characterized in that it is larger than the rate of decrease in film thickness that continuously decreases on the opposite side of the output end face of the optical waveguide of the beam spot converter portion in the vicinity of the coupling portion of the butt joint apparatus.

The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the light emitting portion is a semiconductor light emitting device portion.

3. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the light emitting unit is at least one selected from the group of an optical modulator, an optical amplifier, an optical waveguide, and an optical switch.

The band gap wavelength of the optical waveguide layer of the beam spot converter section is shorter from the interface with the light emitting section of the optical waveguide layer toward the exit end face. The optical semiconductor device according to any one of the items.