JP4934271B2 - 単一電源駆動光集積装置 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路装置に関し、特に半導体レーザ、半導体光変調器などの能動素子をモノリシック集積した装置、前記装置を用いた光送信モジュール、前記モジュールを用いた光通信システム装置に関するものである。

半導体レーザ、光変調器、光増幅器、光検出器などの光導波路デバイスは、光通信や光データストレージ、計測等に用いられるキーデバイスである。近年、光関連部品の小型化すすみ、それにともない、各単体デバイス同士のモノリシック集積化が進んでいる。例えば、光通信に用いられる、半導体レーザと光変調器のモノリシック集積がその典型的な一例である。

半導体レーザ、光増幅器等の発光、増幅光導波路デバイスは、通常、その活性領域にp型半導体とn型半導体のヘテロ接合を有し、このp-n接合にp型半導体側が高電位に、n型半導体側が低電位になるようにして、p側からn側に向かって電圧を印加する。これにより活性領域となる接合部分にキャリアが注入され、発光、増幅している。一方、半導体光変調器、光検出器などは、同様のp-nヘテロ接合を有するが、n型半導体が高電位に、p型半導体が低電位になるように、n側からp側に向かってバイアスを加えて、光を吸収することで駆動する。以下、p型半導体からn型半導体へバイアスをかける方向を正方向バイアス、n型半導体からp型半導体へバイアスをかける方向を逆方向バイアスと呼ぶことにする。

半導体光集積デバイスは前記光導波路デバイスを２つ以上集積したデバイスである。したがって、互いに逆方向のバイアスをかけることを必要とするデバイスを集積することもある。前述のような場合、通常、半導体光導波路デバイスは、半導体基板上にn型半導体とp型半導体をMBE法やMOCVD法などで結晶成長することで、p-n接合を形成する。基板の厚さはGaAsやInPでは、通常100μm以上である。これに対して、結晶成長で形成する半導体層の厚さは、厚くとも10μm程度である。従って、互いに逆方向に電圧をかけるデバイスを集積する場合でも、同一基板上に結晶成長をすることで作製する以上、基板側は共通の極性を有しており、電気的につながっているため、基板側を等電位にして使用するのが通常である。

たとえば、光ファイバ通信の光源に用いられる、正方向バイアスをかける分布帰還型レーザ(DFBレーザ、DFB:分布帰還型)と逆方向バイアスをかける電界吸収型光変調器(EA変調、EA:電界吸収型)を集積したデバイス(EA/DFB)がある。前記集積デバイスは、DFBレーザに正方向バイアスをかけることで、DFBレーザが発振し、放出した連続レーザ光をデバイスに設けられた光導波路でEA変調器に入射させる。EA変調器は半導体で出来ており、そのバンドギャップ波長は、レーザから入射される光の波長よりも短く設定されている。EA変調器のアノードとカソードに電圧を印加していない状態では、EA変調器はレーザ光に対して透明であり、変調器に入射したレーザ光は透過され、EA変調器の導波路を伝播していき、デバイスの前方から、光が出射される。EA変調器に逆方向にバイアスを印加した場合、量子閉じこめシュタルク効果でバンドギャップ波長が長波長側に移動し、入射するレーザ光に対して透明でなくなり、光を吸収する。したがって、前方から光が出射されなくなる。EA変調器は前述のように光の透過と吸収を高速に繰り返すことで、レーザ光のオンとオフを行い、変調している。

現在のEA/DFBレーザの作製方法は次に述べる通りである。通常、n型にドーピングされた半導体であるn-InP基板上に、EA変調器とDFBレーザの多層を結晶成長により形成する。EA変調器とDFBレーザの結晶は、同時に成長しても、別々に成長しても良い。結晶成長後、光導波路を形成するため、表面のp型半導体をホトリソグラフィー技術とエッチングで数μmの幅のストライプ状に加工し、光導波路を形成する。このとき、集積したDFBレーザとEA変調器が光学的に結合するように、通常同一のストライプでつながっている。また、ときには積層構造上部にあるp型半導体層のみならず、p-n接合を貫通してn型半導体まで加工することもある。また、埋め込み型のデバイスでは、エッチングして半導体を除去した部分を半絶縁性の半導体で埋め戻している。

次に、EA/DFBの駆動方法について述べる。EA/DFBの集積された２つのデバイスを独立に動作させるためには、少なくとも２つのデバイスのp側またはn側の電極のうちの一方を電気的に分離することが必要である。通常、２つのデバイスの間にはアイソレーション（分離）領域が設けられる。デバイスの上側クラッド層は数μmの幅のストライプ状に加工されるため、アイソレーション領域の長さに対してその断面積が小さく、アイソレーション領域の長さを十分にとることでデバイス間の分離抵抗を十分にとることができる。前述のEA/DFBの場合、表面にあるアノード側、つまりp側が電気的にアイソレーションされ、その分離抵抗は通常数キロオーム〜数メガオーム程度である。
アイソレーション領域の長さを十分に確保する事ができない場合、この領域に存在する電極コンタクト層などの低抵抗層をエッチングで除去する、または、この領域にイオンインプランテーションすることで、抵抗を大きくすることがなされている。

以上述べたようにEA/DFBのデバイス間のp側の電極（アノード）が相互に電気的に分離されているのに対し、n側の電極（カソード）は共通の基板に形成され、接地して共通のグランドとして使用している。つまり集積デバイス内で電気的に分離していない。
従来のEA/DFBのような構造の集積デバイスにおいて、互いに逆方向のバイアスをかけて独立にデバイスを駆動するためには、共通のグランドを有していることに起因して、集積している個々のデバイスに対して別々の駆動電源が必要になる。EA/DFBではDFBレーザは正電源、EA変調器は負電源で駆動している。

図１は従来のEA/DFBの駆動方法を簡易に示した回路図である。DFBレーザはダイオードのアノードを正の電位にし、カソードを接地して、高電位のアノードから低電位のカソードに電界をかけて活性領域にキャリアを注入することで駆動する。これに対して、電界吸収型の光変調器は、アノードを負の電位にし、DFBレーザと共通であるカソードを接地して、高電位のカソードから低電位のアノードに電界をかけることでバンドギャップを変化させ、光を吸収している。つまり、DFBレーザは正電源、EA変調器は負電源で駆動している。

図３は従来のリッジ導波路型EA/DFBの素子を示した模式図である。図４は図３の活性領域の導波路方向の断面を表す図である。図５はEA変調器部の導波路に垂直な方向の断面図である。n型半導体であるInP基板１０１上にDFBレーザとEA変調器が集積されている。DFBレーザとEA変調器はそれぞれを分離する領域にある光導波路で光学的に結合されており、前記領域は、導波路方向にその長さを十分に取る、または電極金属とのオーミックコンタクトをとるために積層された最表面の高ドーピング層をエッチングで除去する、またはイオンインプランテーション１１２を行うことで、十分なアイソレーション抵抗を有している。この抵抗により、デバイス間の電気的なクロストークを抑制し、安定した動作を得ている。また、n側の電極１１３はn型のInP基板１０１の下部に共通の電極として形成されている。このn側電極１１３は接地して用いる。

以上で述べた従来のEA/DFBの構造では、集積された各デバイスの共通のグランドを有するため、デバイス同士で互いに逆方向のバイアスをかけようとする場合、正方向バイアスをかけるデバイスではp電極１０９側を正電位に、逆方向バイアスをかけるデバイスでは、p電極１０７を負電位にする必要がある。つまりこのような集積デバイス構造では、正負の電源が少なくとも１つずつ必要である。
p型基板上の集積デバイスの場合も同様である。この場合、アノードであるp電極１１３が基板の下部に形成され、共通のグランドとして用いられる。

特開平9-51142号公報

特開2000-232252号公報

EA/DFB等の正方向にバイアスをかけるデバイスと負方向にバイアスをかけるデバイスが集積されたデバイスでは、小型化と部品数削減による装置構成の簡素化の観点から、１つの電源で駆動する方が合理的である。
１つの正電源または負電源で、正方向にバイアスをかけるデバイスと負方向にバイアスをかけるデバイスを駆動するためには、図２に示すような回路図の構成をとらなければならない。この構成において、正方向にバイアスをかけるデバイスと負方向にバイアスをかけるデバイスがモノリシックに集積されている場合、従来のようにアノードまたはカソードのどちらか一方のみ電気的に分離する構造ではなく、アノードとカソードの両方を電気的に分離しなければならない。

従来のEA/DFBのように、基板裏面の電極を共通のグランドとする場合、グランド側の電気分離は構造上難しい。グランド側の電極の分離された構造を半導体光導波路集積デバイスで実現しようとした場合、構造的な工夫が必要である。
単一の電源で駆動できる集積デバイス構造の先願の例として、たとえば特許文献１、特許文献２がある。特許文献１では、結晶成長でp型半導体とn型半導体の積層の順番を逆にして、導電性基板上の集積された片方のデバイスの極性を反転させて、一つの電源でデバイスの上側から下側に向かってバイアスをかけて駆動する構造である。この構造ではp-nの接合が多くできてしまうために、デバイス特性の劣化が懸念される。また、このような構造は結晶成長上難しく、実現性に乏しい。特許文献１は基板とデバイスの活性層の間に存在する１層を酸化させることで、デバイスを基板から電気的に分離している。しかし、酸化可能なAlを含む層を用いなければならず、適用可能性が材料系に依存する。また、デバイス間が導波路により結合されていないため、デバイス間の結合効率が低下する欠点を有している。

本願では、前記特許文献１とは異なる方法で、作製方法上実現性があり、材料依存性が少なく、結合効率を下げずに、集積されたデバイスのアノードとカソード両方の電気的な分離を実現し、単一電源による駆動を実現する光集積導波路デバイスを提供する。

上記の目的は、互いに逆方向にバイアスを印加して駆動する少なくとも２つのデバイスを搭載した単一電源駆動光集積装置において、前記デバイスのそれぞれは、半絶縁性若しくは絶縁性の電気抵抗を有する基板または半絶縁性若しくは絶縁性の電気抵抗を有する第１の層と、前記基板または前記第１の層上に形成された活性層を含む第２の層と、前記第２の層上に形成され、前記デバイスのそれぞれを光学的に結合する光導波路とを有し、前記デバイスの一方がＥＡ変調器であり、他方がＤＦＢレーザであって、前記ＥＡ変調器のカソードと前記ＤＦＢレーザのアノードとが同一極性電源に接続され、前記光導波路および前記活性層を含み、少なくとも前記基板または前記第１の層に達するまでの高抵抗を有する分離領域を選択的に設けることにより、前記デバイスのそれぞれのアノードおよびカソード同士を相互に電気的に分離することにより達成することができる。

本発明により、集積された光導波路デバイスの各アノードとカソード全てが電気的に分離されている構造を実現できる。したがって、デバイス同士で共通の電位である電極を有することがなく、各デバイスで電源の接続を自由に行えるようになる。即ち、正方向バイアスと逆方向バイアスをかけることを必要とする複数のデバイスが混在する場合でも、高電位側と低電位側の電極をデバイスごとに設定できるため、正電源のみ、または負電源のみといったような駆動ができる。また、全てのデバイスにおいて駆動電圧がある値以下である場合、その中で最も大きな駆動電圧を必要とするデバイスに合わせて電源電圧を設定することにより、１つの極性の１つの電源で、モノリシック集積された全てのデバイスに電力を供給することが可能になり、駆動することができるようになる。

本発明は、集積されたデバイス間のアノード、カソード両方の電気的な分離を実現し、単一電源による駆動を実現する光集積導波路デバイスを提供するものである。１つの正または負の電源で駆動するためには、集積されるデバイスのアノードとカソードの両方を電気的に分離する必要があることは前に述べた。これを実現するためのデバイス構造を以下に述べる。
（実施の形態１）
図６は、本発明の実施形態の例であるリッジ型導波路型半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。図７は、図６の活性領域の導波路方向の断面を表す図である。図８は、EA変調器部の導波路に垂直な方向の断面図である。

まず、従来の構造で共通のグランドとして用いられていた導電性の基板を用いず、代わりに半絶縁性または絶縁性の基板を用いる。その上にn型の導電性を持つ下側コンタクト層が配置されている。この層の厚さは0.1〜10μm程度で機能する。その上に従来と同様に下側の光ガイド層、活性層、上側の光ガイド層、p型クラッド層が順に積層されている。各デバイスのアイソレーション（分離）領域には光導波路が形成され、前記アイソレーション領域の光導波路は、少なくとも活性層から基板に達するまで形成された半絶縁性、または絶縁性の材料で形成されている。

この分離領域の形成方法は、次に述べる通りである。分離領域は光導波路であるため、デバイス部と同様コア部とそれを挟む上下クラッド部から成り立っており、結晶成長の都合上、通常デバイス部と同様の半導体で形成されるのが普通である。デバイス部と同様に導電性の半導体で形成した場合、プロトンやヘリウムイオンを表面から半絶縁性基板に達するまで打ち込むことで、前記分離領域を高抵抗化する。前記形成方法により、アノード、カソードともに集積されたデバイス間で電気的なアイソレーションをとることができる。また、半絶縁性または絶縁性基板上に、半絶縁性または絶縁性の導波路を結晶成長で積層形成することで、同様の構造が得られる。
もちろん、前記の構造で、p型とn型が入れ替わった構造でもよい。

また、半絶縁性、絶縁性基板の代わりに、通常の導電性の基板を用い、まずはじめに、半絶縁層または絶縁性の層を導電性基板上に形成してから前述と同様にデバイスの多層を形成しても良い。この半絶縁層または絶縁層を形成することで、基板とデバイスの電気的な接触はなくなり、半絶縁性または絶縁性の基板を用いたのと同じ効果が得られる。
なお、一般的に、金属などの導電帯の抵抗率は10^-6Ωm以下、半導体の抵抗率は10^-6〜10⁴Ωm、絶縁体の抵抗率は10⁸Ωm以上である。本願で述べた半絶縁性の基板や層は、半導体と絶縁体の間の抵抗率であり、抵抗率が10⁴〜10⁸Ωmの物質を差すものとする。

以下に前記の構造を実現する作製プロセスについて述べる。
まず、たとえばFeをドーピングしたInP基板などの半絶縁性基板の上に、まず導電性の下側コンタクト層を数μmの厚に積層し、その次に、集積する各デバイスに必要な下側光ガイド層、活性層、上側光ガイド層、クラッド層、コンタクト層などを結晶成長する。集積する各デバイスは、選択成長などを用いて同時に結晶成長で形成しても、バットジョイント成長技術を用いて別々の結晶成長で形成してもよい。コンタクト層まで結晶成長した後、エッチングにより上側のクラッド層まで、エッチングでストライプ状に加工する。次にプロトンやヘリウムイオンなどのイオンを基板に達する深さまで打ち込み、デバイス間のアイソレーション抵抗をp側、n側ともに高くする。
また、デバイスの結晶成長後に分離領域を基板に達するまでエッチングし、FeやRuをドーピングしたInPなどの半絶縁体層をバットジョイント法で形成することにより、高抵抗の分離領域を形成することで、アイソレーション領域の高抵抗化を実現することも可能である。

次に、メサから離れた領域を、下側コンタクト層が露出するまでエッチングする。SiO₂やSiN_x等のパッシベーション膜をデバイスの表面全体に形成し、電極とコンタクト層を接触させる必要のあるところに、前記パッシベーション膜に半導体コンタクト層まで接続孔をあける。最後に各デバイスごとの電極を形成する。電極は同じものを形成して、あとでパターニングしてデバイスごとの電極に分離してもよい。
上側層のアイソレーション抵抗を高くする方法は、アイソレーション領域に存在する電極コンタクト層などの低抵抗層をエッチングで除去する、アイソレーション部の長さを十分に取るなどの手法でもよい。
また、半絶縁性基板の代わりに、導電性基板を用いて、基板の上に、数μm程度の半絶縁体層を結晶成長で形成して、その上にデバイスを形成しても、同様の構造が実現できる。
他に挙げた集積デバイスの作製方法についても，前記方法から容易に推定できよう。
（実施の形態２）
図９は実施形態１に示したリッジ型導波路型の光変調器集積レーザの導波路構造を埋込ヘテロ型導波路に変えた構造を示す斜視図である。また、図１０はストライプに沿った断面を表示した図である。素子の基本的な作製手法は、埋め込みヘテロ型導波路構造の導入に伴う、メサエッチング工程とその後の埋め込み層１３１の形成以外はほぼ同じであるため詳細な説明は割愛する。
（実施の形態３）
図１１は本発明の実施の形態の例であり、小型光送信モジュールの内部に本発明の単一電源駆動に対応した光変調器集積レーザを搭載した小型光送信モジュールの模式図である。ＤＦＢレーザ２０１とEA変調器２０２がモノリシック集積された実施の形態１または２に記載の光変調器集積レーザ２０３、とを図に示すように小型光送信モジュール２１２内に実装する。EA変調器のドライバIC２０４とDFBレーザのドライバIC２１４は同一チップ内にモノリシック集積されていても良い。前述のように本モジュールは正電源２１５のみにより駆動できるため、モジュール全体の小型化・省電力化が図れる構成となっている。
（実施の形態４）
図１２は本発明の実施の形態の例であり、実施の形態３に示す小型光送信モジュール２２２と別に作製した小型光受信モジュール２２３とを搭載した小型光送受信器パッケージの模式図である。図において、２２４は光送信モジュール駆動系、２２５は光受信モジュール駆動系、２２６は小型光送受信器パッケージ、２２１は送受一対のファイバを表す。

従来のEA/DFBの駆動方法を示す簡易的な回路図。 本発明で目的とする、単一の電源で駆動できるEA/DFBの駆動方法を示す簡易的な回路図。 従来の実施形態の例であるリッジ導波路型EA/DFB素子の構造を示す斜視図。 従来の実施形態の例であるリッジ導波路型EA/DFB素子の導波路方向の断面構造を示した図。 従来の実施形態の例であるリッジ導波路型EA/DFB素子のEA変調器部の導波路に垂直な方向の断面図。 本発明の実施の形態の例である半絶縁性の基板を用いたリッジ導波路型EA/DFB素子の構造を示す斜視図。 本発明の実施の形態の例である半絶縁性の基板を用いたリッジ導波路型EA/DFB素子の導波路方向の断面構造を示した図。 本発明の実施の形態の例である半絶縁性の基板を用いたリッジ導波路型EA/DFB素子のEA変調器部の導波路に垂直な方向の断面図。 本発明の実施の形態の例である半絶縁性の基板を用いた埋込導波路型EA/DFB素子の構造を示す斜視図。 本発明の実施の形態の例である半絶縁性の基板を用いた埋込導波路型EA/DFB素子の導波路方向の断面構造を示した図。 本発明の単一電源駆動に対応した光変調器集積レーザを搭載した小型光送信モジュールの模式図。 実施の形態３に示す小型光送信モジュールと別に作製した小型光受信モジュールとを搭載した小型光送受信器パッケージの模式図。

符号の説明

１００…半絶縁体基板、
１０１…導電性半導体基板、
１０２…活性層、
１０３…メサ状導波路、
１０４…上側光ガイド層、
１０５…下側光ガイド層、
１０６…上側クラッド層、
１０７…EA変調器上側電極、
１０８…EA変調器上側電極コンタクト部、
１０９…DFBレーザ上側電極、
１１０…DFBレーザ上側電極コンタクト部、
１１１…低誘電体樹脂、
１１２…イオンインプランテーション領域、
１１３…レーザ、変調器共通下側電極、
１２０…下側コンタクト層、
１２１…EA変調器下側電極、
１２２…EA変調器下側電極コンタクト部、
１２３…DFBレーザ下側電極、
１２４…DFBレーザ下側電極コンタクト部、
１３０…回折格子、
１３１…埋め込み層、
１４０…裏面金属、
１５０…パッシベーション膜、
２０１…ＤＦＢレーザ、
２０２…EA変調器、
２０３…EA/DFB、
２０４…EA変調器のドライバIC、
２０５…直流正電源、
２０６…直流負電源、
２１１…リード、
２１２…小型光送信モジュール、
２１４…DFBレーザのドライバIC、
２１５…正電源、
２２１…光ファイバ、
２２２…光送信モジュール、
２２３…光受信モジュール、
２２４…光送信モジュール駆動系、
２２５…光受信モジュール駆動系、
２２６…小型光送受信器パッケージ。

Claims (3)

1. 互いに逆方向にバイアスを印加して駆動する少なくとも２つのデバイスを搭載した単一電源駆動光集積装置において、
   前記デバイスのそれぞれは、半絶縁性若しくは絶縁性の電気抵抗を有する基板と、
   前記基板上に形成された活性層を含む半導体層と、
   前記半導体層上に形成されたメサ状導波路とを有し、
   前記デバイスの一方がＥＡ変調器であり、他方がＤＦＢレーザであって、
   前記ＥＡ変調器のカソードと前記ＤＦＢレーザのアノードとが同一極性電源に接続され、
   前記メサ状導波路および前記活性層を超え、前記基板に達するまでの高抵抗を有する分離領域を、半絶縁性半導体材料を結晶成長することで選択的に設けることにより、前記デバイスのそれぞれのアノード同士およびカソード同士を相互に電気的に分離し、
   前記同一極性電源が正電源であって、
   前記ＥＡ変調器および前記ＤＦＢレーザのいずれもが、前記基板上にｎ型半導体層／活性層／ｐ型半導体層の順に積層された積層体で構成されていることを特徴とする単一電源駆動光集積装置。
2. 請求項１に記載の単一電源駆動光集積装置を用いた光送信モジュール。
3. 請求項２に記載の光送信モジュールを用いた光通信システム装置。

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