JP4690573B2 - 面型波長選択フィルタ及びその作製方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面型波長選択フィルタ及びその作製方法に関し、更に詳細には、所望の透過波長で動作する面型波長選択フィルタ、及び透過ピーク波長を調整できるようにした、面型波長選択フィルタの作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長選別用のフィルタは、波長多重通信などで使用する重要な光学部品の一つとして盛んに研究開発されている。
波長選別用のフィルタは、回折格子を用いたＤＢＲフィルタや、アレー導波路を用いたＡＷＧフィルタ等の導波路型の波長選択フィルタと、半導体基板上に、一対の反射鏡と、一対の反射鏡の間に設けられた共振媒質とを有する共振器構造を備えた、いわゆる面型波長選択フィルタとに大別される。
ところで、導波路型フィルタには、素子長がｍｍオーダと長いという問題、及び入射光の偏波状態によって特性が変わってしまう、いわゆる偏波依存性が大きいという問題がある。
一方、面型フィルタには、素子サイズが小さく、かつ偏波依存性が小さいというメリットがある。
【０００３】
ここで、図３を参照して、波長１．５５μｍの光に対する従来の面型波長選択フィルタの一例の構成を説明する。
従来の面型波長選択フィルタ１０は、図３に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に、波長組成１．１５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層１４及びｎ型ＩｎＰバッファ層１６が積層され、そのバッファ層１６の光入射領域にのみ部分的にチューニング層１８及びｐ型ＩｎＰクラッド層２０が積層されている。
チューニング層１８の側面には、下からｐ型ＩｎＰ層２２とｎ型ＩｎＰ層２４とからなる電流ブロック構造が設けられている。
更に、ｎ型クラッド層２０及びｎ型ＩｎＰ層２４上には、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２６が積層されている。
【０００４】
ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２６上には、光入射領域を除く領域にｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層２８及び電極３０が、順次、積層されている。
ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面は、その中央領域がエッチングされ、エッチングストップ層１４を露出させる凹部が形成されている。
露出したエッチングストップ層１４上と、露出した埋め込み層２６には、反射率９５％の誘電体多層膜からなる反射鏡３２、３４が設けられている。また、ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面には、電極３６が設けられている。
チューニング層１８は、１０層の波長組成１．４５μｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層と、波長組成１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層とから構成されている。
以上の構成により、本面型波長選択フィルタ１０は、反射鏡３２、３４とチューニング層１８とによりＩｎＰ基板１２に対して垂直方向にファブリペローエタロン共振器を構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような従来の面型波長選択フィルタの構成では、面型波長選択フィルタを設計通りの透過波長で動作するように作製することが難しかった。つまり、面型波長選択フィルタの製品歩留りを高めることが難しかった。
また、共振器構造を形成した後には、透過波長を調整することは、事実上、出来なかった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、所望の透過波長で動作するような構成の面型波長選択フィルタを提供し、かつ透過波長を調整できるようにした、面型波長選択フィルタの作製方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、研究の過程で、ＧａＡｓ基板上に、一対のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多層膜反射鏡と、その間に設けられたＧａ_x Ｉｎ_1-x Ｎ_1-y-z Ａｓ_y Ｓｂ_z （０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）からなる共振媒質とを有する共振器構造を作製することにより、所望の透過波長で動作する面型波長選択フィルタを歩留り良く作製できること、更には、窒素雰囲気中で５００℃から７００℃の範囲の温度で熱処理を短時間、例えば１分間から３分間の範囲で共振器構造に施すことにより、素子作製後に透過波長を２０ｎｍ程度に渡って調整できることを見い出した。
そこで、本発明者は、更に実験を重ねて、本発明を発明するに到った。
【０００８】
上記目的を達成するために、上記知見に基づいて、本発明に係る面型波長選択フィルタは、ＧａＡｓ基板上に、半導体多層膜からなる一対の反射鏡と該一対の反射鏡に挟まれた共振媒質とからなる共振器構造を有する面型波長選択フィルタであって、前記共振媒質を構成する少なくとも一部の化合物半導体層がＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ_{１−ｙ−ｚ}Ａｓ_ｙＳｂ_ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で形成され、前記共振器構造に、不活性ガス雰囲気で５００℃以上の温度での熱処理を施したことを特徴としている。
【０００９】
本発明では、共振媒質を構成する少なくとも一部の化合物半導体層をＧａＮＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓ層、又はＧａＩｎＮＡｓＳｂ層とすることにより、所望の動作波長、つまり所望の透過ピーク波長で動作し、しかも歩留り良く作製できる面型波長選択フィルタを実現している。
共振媒質は、活性層のみでも良く、活性層をクラッド層で挟んだ構造でも良く、一対の反射鏡と共振器構造を構成するものであれば、制約はない。
尚、共振媒質を構成する化合物半導体層としてＧａＮＡｓを使用するときには、ＧａＮＡｓが基板のＧａＡｓとの格子整合性に劣るので、薄膜のＧａＮＡｓ層と薄膜のＧａＡｓ層とを交互に積層した多層膜として形成する。
【００１０】
また、本発明に係る面型波長選択フィルタの作製方法は、ＧａＡｓ基板上に、半導体多層膜からなる一対の反射鏡と該一対の反射鏡に挟まれた共振媒質とからなる共振器構造を有する面型波長選択フィルタの作製方法であって、前記共振媒質の少なくとも一部の化合物半導体層をＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ_{１−ｙ−ｚ}Ａｓ_ｙＳｂ_ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で形成する工程と、前記共振器構造に、不活性ガス雰囲気で５００℃以上の温度での熱処理を施す工程とを有することを特徴としている。
【００１１】
本発明方法では、半導体多層膜及び共振媒質の成長方法には制約はないが、好適には分子線成長法を採用する。
不活性ガス雰囲気で共振器構造に、例えば窒素ガス雰囲気中で５００℃以上の温度の熱処理を短時間、例えば１分間から３分間施すことにより、透過ピーク波長を容易に所望の波長に調整することができる。
本発明方法は、透過ピーク波長が１．３μｍや１．５５μｍといった光通信に用いられる波長帯での面型フィルタの作製に好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
面型波長選択フィルタの実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る面型波長選択フィルタの実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の面型波長選択フィルタの層構造を示す模式図である。
本実施形態例の面型波長選択フィルタ４０は、図１に示すように、ＧａＡｓ基板４２上に、２８ペアの膜厚１３５ｎｍのＡｌＡｓ層と膜厚１１４ｎｍのＧａＡｓ層の半導体多層膜からなる下部反射鏡（ＤＢＲミラー）４４と、厚さ４５０ｎｍのＧａ_XＩｎ_1-XＮ_1-y-zＡｓ_yＳｂ_z（ｘ＝０．８７、ｙ＝０．９５、ｚ＝０．０１）からなる共振媒質４６と、２３ペアの膜厚１３５ｎｍのＡｌＡｓ層と膜厚１１４ｎｍのＧａＡｓ層の半導体多層膜からなる上部反射鏡（ＤＢＲミラー）４８とを共振器構造として備えている。
また、ＧａＡｓ基板１２の裏面には、厚さ２１０ｎｍのＳｉＮ膜５０が基板面の反射防止膜として設けられている。
以上の構成により、本面型波長選択フィルタ４０は、図１に示すように、上部ＤＢＲミラー４４に入射光が入り、ＧａＡｓ基板４２側から約１．５５μｍの透過ピーク波長を有する透過光が出る波長選択フィルタとして機能する。
【００１３】
面型波長選択フィルタの作製方法の実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る面型波長選択フィルタの作製方法を上述の面型波長選択フィルタ４０の作製に適用した実施形態の一例である。
ＧａＡｓ基板４２上に、先ず、分子線成長法により、２８ペアのＡｌＡｓ層／ＧａＡｓ層からなる下部ＤＢＲミラー４４を形成し、続いて厚さ４５０ｎｍのＧａ_0.87Ｉｎ_0.13Ｎ_0.04Ａｓ_0.95Ｓｂ_0.01からなる共振媒質４６を形成し、次いで、分子線成長法により、２３ペアのＡｌＡｓ層／ＧａＡｓ層からなる上部ＤＢＲミラー４６を形成して、積層構造を作製する。
次に、積層構造を窒素雰囲気中で所定の温度、例えば６００℃で、約３分間の熱処理を施す。
その後、ＧａＡｓ基板４２を２００μｍ程度に研磨し、基板裏面に厚さ２１０ｎｍのＳｉＮ膜を成膜して基板面での反射防止膜とする。
これにより、上述の面型波長選択フィルタ４０を作製することができる。
【００１４】
熱処理工程の熱処理温度と透過ピーク波長との関係を図２に示す。図２は、窒素雰囲気中で、熱処理時間を３分間とし、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、及び７００℃の熱処理温度で上述の共振器構造に熱処理を施した際の透過ピーク波長（μｍ）を示している。図２から、熱処理を共振器構造に施すことにより、透過ピーク波長が短波長側にシフトすることがわかる。
尚、熱処理を共振器構造に施さなかったときの透過ピーク波長は１．５５μｍであった。
【００１５】
熱処理工程では、設定温度で１分間保持するだけで、図２に示すような波長シフトが得られ、それ以上の長い時間、例えば３分間以上保持しても、波長シフトには変化しなかった。
波長シフトは、図２に示すように、熱処理の温度が高いほど大きく、７００℃の熱処理で約２０ｎｍの波長シフトが実現できた。図２から判るように、熱処理の温度が５００℃以下では波長シフトはほとんど観測されず、５００℃以上の処理温度が必要であることがわかる。
【００１６】
本実施形態例では、共振媒質がＧａＩｎＮＡｓＳｂであるが、ＧａＮＡｓ、又はＧａＩｎＮＡｓであっても、ＧａＩｎＮＡｓＳｂと同様の波長シフトを確認することができた。
ＧａＮＡｓ層で共振媒質を製作する場合は、ＧａＡｓ基板との格子整合性が悪いので、ＧａＮＡｓ層を共振媒質全体に用いるのではなく、厚さ１０ｎｍ程度の薄膜のＧａＮＡｓと１００ｎｍ程度のＧａＡｓ層とを交互に積層した多層膜構造にすることが好ましい。
【００１７】
本発明によれば、共振媒質を構成する少なくとも一部の化合物半導体層をＧａ_x Ｉｎ_1-x Ｎ_1-y-z Ａｓ_y Ｓｂ_z （０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で形成することにより、所望の動作波長、つまり所望の透過ピーク波長で動作し、しかも歩留り良く作製できる面型波長選択フィルタを実現できるとともに、共振媒質と該媒質を挟み込む一対の反射鏡とからなる共振器構造に不活性ガス雰囲気で５００℃以上の温度での熱処理を施すことにより、透過ピーク波長を調整できる。これは、本発明方法でも同様であり、不活性ガス雰囲気で共振器構造に５００℃以上の温度の熱処理を施す工程により、透過ピーク波長を調整することができる。よって、一枚のウェハから異なる透過ピーク波長の面型波長選択フィルタを製作できるなどのコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の面型波長選択フィルタの層構造を示す模式図である。
【図２】本発明の波長選択フィルタの、フィルタ波長と熱処理温度の関係を示す図である。
【図３】従来の面型波長選択フィルタの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 従来の面型波長選択フィルタ
１２ ｎ型ＩｎＰ基板
１４ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層
１６ ｎ型ＩｎＰバッファ層
１８ チューニング層
２０ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２２ ｐ型ＩｎＰ層
２４ ｎ型ＩｎＰ層
２６ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
２８ ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層
３０、３６ 電極
３２、３４ 反射鏡
４０ 実施形態例の面型波長選択フィルタ
４２ ＧａＡｓ基板
４４ 下部ＤＢＲミラー
４６ Ｇａ_0.87Ｉｎ_0.13Ｎ_0.04Ａｓ_0.95Ｓｂ_0.01共振器
４８ 上部ＤＢＲミラー
５０ ＳｉＮ膜

Claims (8)

1. ＧａＡｓ基板上に、半導体多層膜からなる一対の反射鏡と該一対の反射鏡に挟まれた共振媒質とからなる共振器構造を有する面型波長選択フィルタであって、
   前記共振媒質を構成する少なくとも一部の化合物半導体層がＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ_{１−ｙ−ｚ}Ａｓ_ｙＳｂ_ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で形成され、
   前記共振器構造に、不活性ガス雰囲気で５００℃以上の温度での熱処理を施したことを特徴とする面型波長選択フィルタ。
2. 前記共振器構造に前記熱処理を施す時間は３分以内であることを特徴とする請求項１に記載の面型波長選択フィルタ。
3. 前記共振媒質を構成する少なくとも一部の化合物半導体層が、薄膜のＧａＮＡｓ層と薄膜のＧａＡｓ層とが交互に積層された多層膜で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の面型波長選択フィルタ。
4. 前記共振媒質は活性層のみで構成されてい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面型波長選択フィルタ。
5. 前記共振媒質は活性層と該活性層を挟む一体のクラッド層で構成されてい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面型波長選択フィルタ。
6. 前記ＧａＡｓ基板の裏面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の面型波長選択フィルタ。
7. ＧａＡｓ基板上に、半導体多層膜からなる一対の反射鏡と該一対の反射鏡に挟まれた共振媒質とからなる共振器構造を有する面型波長選択フィルタの作製方法であって、
   前記共振媒質の少なくとも一部の化合物半導体層をＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ_{１−ｙ−ｚ}Ａｓ_ｙＳｂ_ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で形成する工程と、
   前記共振器構造に、不活性ガス雰囲気で５００℃以上の温度での熱処理を施す工程と、
   を有することを特徴とする面型波長選択フィルタの作製方法。
8. 前記共振器構造に前記熱処理を施す時間は３分以内であることを特徴とする請求項７に記載の面型波長選択フィルタの作製方法。

Images