JP4967700B2

JP4967700B2 - 光半導体素子

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Publication number: JP4967700B2
Application number: JP2007035773A
Authority: JP
Inventors: 茂昭関口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: JP2008204970A

Description

本発明は光半導体素子に関するものであり、大容量光通信に用いる集積光半導体素子、特に、半導体レーザ等の光源素子と集積化された光強度モニタ用光検出器に光出力に対して強い相関を有するモニタ光を導くための構成に特徴のある光半導体素子に関するものである。

大容量光通信において使用される光源素子は絶えず一定の光強度で駆動する必要があるため、光強度をモニタするための光検出器を備えることが必須であるが、従来のモニタ用光検出器は、大別して分散型、ハイブリッド集積型、及び、モノリシック集積型に分類される。

分散型或いはハイブリッド集積型はレーザなどの光源とモニタ用光検出器がそれぞれ異なる個別の素子を形成し、分散型では光源の出力光の一部と光検出器を光学的に結合するようにそれぞれ配置される。

一方、ハイブリッド集積型では、個別の素子である光源と光検出器を、光源素子上に光検出器を配置するなどの方法で素子を直接接触させて光学的結合を得るようにしている（例えば、特許文献１参照）。

この様な分散型或いはハイブリッド集積型とも、個別の光検出器素子を用い、光源素子と光検出器素子のアセンブリが必要であるため、サイズ的、コスト的に大きくなるため、光検出器をモノリシック集積型とすることが望まれている。

従来の集積型モニタ用光検出器として各種の構成が提案されているが、例えば、半導体レーザの後端面側にモノリシックに設けられたモニタ用光検出器によって光出力をモニタすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

或いは、光源素子の出力側に分岐導波路からなる分波器を設け、一方を出力導波路とし、他方を光検出器に結合させることにより出力をモニタすることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

また、光源素子の主導波路に近接して平行に副導波路を設けることによって方向性結合器を形成し、副導波路に主導波路からの光を分波し、副導波路に設けられたモニタ光検出器により光出力をモニタすることも提案されている（例えば、特許文献４参照）。

また、ＬｉＮｂＯ₃等の絶縁性材料を用いた強誘電体光変調器において、出力光導波路に曲率半径が５〜３０ｍｍ程度の屈曲部を設けて光放射部を構成し、この光放射部から放出された出力光の一部をモニタすることによって、最適バイアス点を見いだしてバイアスを制御することが提案されている（例えば、特許文献５参照）。
特開２００１−３２６４１５号公報特開昭５３−０９３７８９号公報特開平１１−３３０６２４号公報特開昭６２−２７２５７８号公報特開２００５−３１６０４１号公報

しかし、上述の集積型モニタ用光検出器には、各種の問題点があり、例えば、特許文献２に代表される後端面側にモニタ用光検出器を設ける構造では、光源素子がレーザに限定されるという問題がある。
即ち、光源素子を光増幅器或いは光増幅器集積レーザとした場合には、前端面側と後端面側の光出力強度に相関がないため、この構造では光強度をモニタすることはできなくなる。

また、特許文献２に示された構造の場合には、エッチングにより素子分離を行っているので、レーザの後端面側の反射がレーザの動作に影響を与え、一方、エッチングにより分離を行わない場合には素子分離抵抗が不十分となり、リーク電流の存在によりモニタ光電流の精度が劣化するという問題がある。

また、特許文献３に代表される分波器によりモニタ光を分波する構造の場合には、出力光自身をモニタしているため、光源素子としてレーザでも光増幅器でも用いることができるが、この構造においては、分波器を用いているため、光を出力する主導波路に対する損失が大きくなり、また、主導波路とモニタ用副導波路がつながっているため、電気的にも接続しており、分離抵抗が不十分となるという問題がある。

また、特許文献４に代表される方向性結合器によりモニタ光を副導波路に結合させる構造の場合には、主導波路と副導波路は切断されているため十分な分離抵抗が得られるものの、光結合量の制御には導波路同士の間隔を２μｍ以下で高精度に制御する必要があるため、特に、光導波路メサとして３μｍ以上の高いメサを必要とする高抵抗埋め込み構造においては作製が著しく困難になるという問題がある。

また、特許文献５の場合には、絶縁性の材料を用いているため、レーザ及び光検出器を集積することができないという問題がある。
また、拡散により導波路を形成しているため、屈曲部における光の出射方向が基板側に傾いているため、水平位置に設けた副導波路で結合効率が低くなる。

また、一旦屈曲させたレーザ光を再び元の出力方向に戻すために屈曲部を２か所設けたり、或いは、半円弧状（直線光導波路との２か所の接続点を含めると実質的に３か所の屈曲点があることになる）の光導波路を設ける必要があり、いずれにしても、複数カ所の光放射部が形成されるので、この部分でモニタに使用されないレーザ光が放出されるので放出損失が大きくなるという問題がある。

さらに、この特許文献の場合には、屈曲部が約９０°或いは１８０°に屈曲しているので、広い範囲に渡って広がった方位に光が放出されるので、光導波路と同程度の幅の光検出用の副導波路では検出効率が低くなるという問題もある。

したがって、本発明は、簡潔で電気的に分離された構成で、主導波路に損失が少なく、且つ、出力光強度と強い相関を有する十分なモニタ光量を得ることを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、光半導体素子において、成長基板１上に、光源素子２と、光源素子２の出力を導波する導電性半導体層を有する主導波路３と、主導波路３に形成され一か所の屈曲部を備えた曲がり導波路であって主導波路３を導波する光の一部を放射する放射構造４と、放射構造４に近接し、放射構造４により放射された光を結合し、主導波路３とは空間的に離間する導電性半導体層を有する副導波路５と、副導波路５に導波する光と結合する光検出素子６を有し、これらの構造が、半絶縁性半導体層により埋め込まれていて、副導波路５の先端が光検出素子６に向かって末広がりのテーパ導波路構造を有することを特徴とする。

このように、主導波路３と副導波路５の結合を、主導波路３に形成され主導波路３を導波する光の一部を放射する放射構造４によって行うことによって、主導波路３に損失が少なく、且つ、出力光強度と強い相関を有するモニタ光を得ることができる。

また、主導波路３を一か所の屈曲部を伴う略直線状としているので、放射構造４からの放出光の放出角の拡がりが小さく、それによって、幅の細い副導波路５を用いても放射構造４からの放射光を効率的に取り込むことができるので、光損失が少なくなる。

さらに、主導波路３及び副導波路５は導電性半導体層を含む構成としているため、半導体レーザ、光変調器、吸収型光変調器、光検出器当の集積が容易になる。

また、上述の放射構造４は簡単なエッチング工程で形成することができ、半導体の結晶成長を用いているため、主導波路３及び副導波路５を水平位置に形成することができ、それによって、導波路断面形状がほぼ長方形の形状になるため、放射光の出射方向が水平方向であり、副導波路での結合効率が大きくなるとともに、主導波路３と副導波路５とを空間的に分離しているので、簡潔に電気的に分離された構成が作製可能となる。
なお、この場合の成長基板１としては、半導体基板が典型的なものであるが、光源素子２等を構成する半導体材料によっては、サファイア基板、ＭｇＯ基板等の絶縁基板を用いても良いものである。

この場合の放射構造４としては、一か所の屈曲部を備えた曲がり導波路としているので、主導波路３の幅等の構成を変更することなく光を取り出すことができるので、主導波路３からの光出力に影響を与えることがない。

また、副導波路５の先端を光検出素子６に向かって末広がりのテーパ導波路構造としているので、モードフィールドを広げることができるので副導波路５への光結合効率が向上する。

また、光源素子２は、分布帰還型レーザ、光増幅器、或いは、光増幅器集積レーザのいずれでも良い。
なお、この場合の光増幅器集積レーザとは、半導体レーザの光出力取り出し側に光増幅器をモノリシックに集積化したものを意味する。

また、上述の放射構造４を用いることによって、特許文献４に示されたような方向性結合を利用する必要はないので、副導波路５と主導波路３の最近接幅を２μｍ以上にすることが可能になり、それによって、光導波路メサとして３μｍ以上の高いメサを必要とする高抵抗埋め込み構造の採用が可能になる。

なお、この場合、副導波路５は複数本並列に形成しても良いものであり、複数本の副導波路５からのモニタ出力を一つの共通の光検出素子６で検出することによって検出効率が向上するため、放射構造４から放射される光出力を少なくして主光出力の損失を低減することができる。

また、放射構造４から離れた位置に、主導波路３と光結合する光学素子を設けても良いものである。
なお、この場合の光学素子としては光変調器が典型的なものであるが、光吸収素子或いは光増幅器等の他の光学素子を必要に応じて設けても良いものである。

本発明によれば、導電性半導体層を有する主導波路から電気的に分離された導電性半導体層を有する副導波路を利用してモニタ構造を形成する際に、放射構造を用いることによって方向性結合を用いることなく主導波路を導波する出力光の極一部のみを効率的に副導波路に導くことができ、主導波路から十分離間したモニタ用光検出器においても効率的な光の検出が可能であるため容易に半導体光集積素子を作製することができる。

本発明は、半導体基板や、サファイア基板、ＭｇＯ基板等の絶縁基板からなる成長基板上に、分布帰還型レーザ、光増幅器、或いは、光増幅器集積レーザからなる光源素子と、光源素子の出力を導波するとともに導電性半導体層を有する主導波路と、主導波路に形成され主導波路を導波する光の一部を放射する放射構造と、例えば、一か所の屈曲部を備えた曲がり導波路、直線状の主導波路に設けたテーパ導波路構造或いは回折格子構造等の放射構造と、この放射構造に近接し、放射構造により放射された光を結合する１本以上の導電性半導体層を有する副導波路と、副導波路に導波する光と結合する光検出素子からなるものであり、また、必要に応じて、放射構造から離れた位置に、主導波路と光結合する光変調器或いは光吸収素子等の光学素子を設けるとともに、各光学素子要素を半絶縁性半導体層により埋め込んで電気的に分離したものである。

ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の実施例１の光半導体素子を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施例１の光半導体素子の概念的平面図であり、まず、ｎ型ＩｎＰ基板上に、選択的に島状にコルゲーション加工することによってＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザ１１を構成するための回折格子を形成する。

次いで、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、厚さが、例えば、７０ｎｍで、ＰＬ波長組成が１．２μｍのノン・ドープＩｎＧａＡｓＰＳＣＨ（ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層、厚さが、例えば、６ｎｍのノン・ドープＩｎＧａＡｓＰウエル層及び厚さが、例えば、１５ｎｍでＰＬ波長が１．２μｍ組成のノン・ドープＩｎＧａＡｓＰバリア層をノン・ドープＩｎＧａＡｓＰウエル層が５層になるように交互に成長させることによってＭＱＷ活性層を形成する。
なお、ＩｎＧａＡｓＰウエル層のＰＬ波長組成は、例えば、１．５５μｍである。

引き続いて、厚さが、例えば、７０ｎｍのノン・ドープＩｎＧａＡｓＰＳＣＨ層、及び、厚さが、例えば、０．５μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層を順次成長させたのち、ＤＦＢレーザ形成予定領域をＳｉＯ₂マスクを用いてウェット・エッチングを施すことでＤＦＢ半導体レーザ領域を形成する。

次いで、ＳｉＯ₂マスクをそのまま選択成長マスクとして用いて、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、厚さが、例えば、５０ｎｍで、ＰＬ波長組成が１．２μｍのノン・ドープＩｎＧａＡｓＰＳＣＨ層、厚さが、例えば、６ｎｍのノン・ドープＩｎＧａＡｓＰウエル層及び厚さが、例えば、１０ｎｍでＰＬ波長が１．２μｍ組成のノン・ドープＩｎＧａＡｓＰバリア層をノン・ドープＩｎＧａＡｓＰウエル層が６層になるように交互に成長させることによってＭＱＷ光吸収層を形成する。
なお、ＩｎＧａＡｓＰウエル層のＰＬ波長組成は、１．４５〜１．５μｍとなる。

引き続いて、厚さが、例えば、５０ｎｍのノン・ドープＩｎＧａＡｓＰＳＣＨ層、及び、ｐ型ＩｎＰクラッド層を周囲が平坦になるように順次成長させたのち、ＳｉＯ₂マスクを除去し、次いで、厚さが、例えば、２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を順次成長させる。

次いで、主導波路及び副導波路形成予定領域に新たなＳｉＯ₂マスクを設け、このＳｉＯ₂マスクを用いてドライ・エッチングを施すことによって、例えば、高さが、３．０μｍで、幅が１．２μｍのメサ上のＤＦＢ半導体レーザ１１、主導波路１４、電界吸収型光変調器１２、副導波路１７、及び、光検出素子１３を同時に一括形成する。

なお、この場合の光検出素子１３は電界吸収型光変調器１２と同じ構造になるが、ＤＦＢ半導体レーザ１１の光軸方向に形成され、一方、電界吸収型光変調器１２はＤＦＢ半導体レーザ１１の光軸方向から予め定めた距離だけ離れた位置に形成する。
また、全ての導波路は水平位置に形成され、導波路断面は略長方形型となる。

この場合のＤＦＢ半導体レーザ１１の長さは、例えば、３００μｍであり、主導波路１４は、長さが、例えば、５０μｍの直線部１５と、直線部１５の端部から曲率半径が１００〜５００μｍ、例えば、３００μｍで、中心角が５°〜２０°、例えば、１０°の曲がり導波路１６から構成され、電界吸収型光変調器１２は、長さが、例えば、２５０μｍである。

また、副導波路１７は、先端部の幅が例えば、０．５μｍで、５０μｍの位置で幅１．２μｍになるテーパ部１８と幅が１．２μｍの直線部１９とにより構成される。
また、この場合のオフセット量は、例えば、Δｙ＝０，Δｘ＝４０μｍとすると、主導波路１４と副導波路１７の最近接距離は約２μｍになる。
また、光検出素子１３の長さは、例えば、２００μｍである。

次いで、ＳｉＯ₂マスクをそのまま選択成長マスクとして用いて、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、ＦｅドープＩｎＰ埋込層２０を周囲が平坦になるように埋め込むことによって、本発明の実施例１の光半導体素子の基本構成が完成する。

この本発明の実施例１の光半導体素子においては、主導波路１４の屈曲部が光放射構造２１を構成し、この光放射構造２１から漏れ出したレーザ光が副導波路１７に結合して、光検出素子１３で検出されることになる。

この場合のモニタ出力は、主導波路１４を伝播するレーザ出力を正確に反映した値になるので、精度の高いモニタが可能になる。
なお、この場合の光放射構造２１から漏れ出すレーザ光の割合は、曲がり導波路１６の曲率に依存するが、５％以下、例えば、３．０％とする。

図３参照
図３は、光結合効率のオフセット量Δｘ依存性の説明図であり、ここでは、Δｙ＝０μｍの場合とΔｙ＝４μｍの場合を示している。
図から明らかなように、本発明の実施例１のようにΔｙ＝０μｍの場合、光結合効率はΔｘの増加とともに減少し、一方、Δｙ＝４μｍの場合には、Δｘ＝６５μｍ近傍でピークとなったのちにΔｘの増加とともに減少する。

本発明の実施例１においては、上述のように製造工程上の制約からΔｘ＝４０μｍにしているが、曲率半径に依存するものの、Δｘがより近い方が望ましいことが分かる。
なお、図３においては、図４に示す幅示すような幅広光検出器を用いた場合の光結合効率も合わせて示しているが、Δｘ＝４０μｍで、この幅広光検出よりも０．６ｄＢ程度の光結合率の改善が得られる。

図４参照
図４は、幅広光検出器を用いた比較例の概念的構成図であり、ここでは、幅が約９μｍの幅広光検出器２２を、Δｙ＝１．２５、Δｘ＝８０μｍのオフセット位置に設けた場合を示している。

このように、本発明の実施例１においては、曲がり導波路を利用した光放射構造を利用して光出力強度をモニタしているので、光出力強度を反映したモニタが可能になるとともに、漏れ出し量が少ないので、光損失を少なくすることができる。

また、このときの主導波路と副導波路とはＦｅドープＩｎＰ埋込層２０によって分離されているので電気的分離が確実となり、また、その場合の最近接距離は約２μｍであるので、ＦｅドープＩｎＰ埋込層２０によるストライプ状メサの埋込が容易になり、方向性結合器と比較して作製が容易になる。

次に、図５及び図６を参照して、本発明の実施例２の光半導体素子を説明する。
図５参照
図５は、本発明の実施例２の光半導体素子の概念的平面図であり、この実施例２においては、副導波路を２本設けたものであり、それにともなって光検出素子３１の電極幅を２本の光検出器全体を覆うようにした以外は、上記の実施例１の光半導体素子と全く同様である。

この場合の副導波路は、例えば、Δｙ＝０μｍ，Δｘ＝４５μｍのオフセット位置に設けた第１副導波路３２と、例えばΔｙ＝４μｍ，Δｘ＝７７μｍのオフセット位置に設けた第２副導波路３５から構成される。

また、第１副導波路３２は、先端部の幅が０．５μｍで、５０μｍの位置で幅１．２μｍになるテーパ部３３と幅が１．２μｍの直線部３４とにより構成され、また、第２副導波路３５も、先端部の幅が０．５μｍで、５０μｍの位置で幅１．２μｍになるテーパ部３６と幅が１．２μｍの直線部３７とにより構成される。

図６参照
図６は、本発明の実施例２における効果の説明図であり、図４に示した幅広光検出器による検出効率に比較して約２倍の検出効率が得られることが分かる。
これは、副導波路の本数を２本とすることによって、第１の副導波路３２で捉えられなかった漏れ出し光を第２の副導波路で検出することができたためである。

このように、本発明の実施例２においては、モニタ光を導く副導波路を２本にしているので、光結合効率が大幅に改善され、したがって、主導波路を構成する曲がり導波路の曲率半径をより大きくして漏れ出し損失を少なくしても、精度の高いモニタが可能になる。

以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は各実施例に示した構成、条件、数値に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例においては光源をＤＦＢ半導体レーザで構成しているが、ＤＦＢ半導体レーザに限られるものではなく、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）半導体レーザや、その他の半導体レーザで構成しても良いものである。

また、光源は半導体レーザに限られるものではなく、半導体光増幅器を用いても良いし、さらには、光増幅器集積レーザを用いても良いものである。
なお、光増幅器集積レーザは、半導体レーザの出力取り出し側に半導体光増幅器を集積化したものであり、半導体レーザの出力取り出し側に放出されるレーザ光のみを増幅するので効率が高まる。

また、上記の各実施例においては、主導波路と結合する光学素子として電界吸収型変調器を設けているが、電界吸収型変調器に限られるものではなく、ＭＱＷ構造を伴わない通常の変調器を用いても良いものであり、さらには、光学素子を省略して光出力をそのまま外部に取り出すようにしても良いものである。

上記の各実施例においては、光検出素子の構造を電界吸収型光変調器と全く同じ構成としているが、異なった構成としても良いものであり、例えば、光源となるＤＦＢ半導体レーザと同じ層構造であっても良いものであり、特に、光学素子を設けない場合には、製造工程を簡素化するために、光源と同じ層構造を採用することが望ましい。

また、上記の実施例１及び実施例２においては、曲率半径が３００μｍの曲がり導波路を設けているが、３００μｍは単なる一例であり、必要とする結合効率・損失などにより適宜設計変更されるものである。

また、上記の実施例２においては、副導波路を２本にしているが、３本以上設けても良いものであり、それによって、さらに大きな結合効率が得られ、さらには、図４に示した幅広光検出器を光検出素子として用いても良いものである。

また、上記の各実施例においては、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系として説明しているが、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で構成しても良いものであり、さらには、ＧａＮ系で構成しても良いものであり、特に、ＧａＮ系で構成する場合には、基板は半導体基板に限られるものではなく、サファイア基板、ＭｇＯ基板等の絶縁基板を用いても良いものである。

ここで、再び図１を参照して、改めて、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照
（付記１）成長基板１上に、光源素子２と、前記光源素子２の出力を導波する導電性半導体層を有する主導波路３と、前記主導波路３に形成され一か所の屈曲部を備えた曲がり導波路であって前記主導波路３を導波する光の一部を放射する放射構造４と、前記放射構造４に近接し、前記放射構造４により放射された光を結合、前記主導波路３とは空間的に離間する導電性半導体層を有する副導波路５と、前記副導波路５に導波する光と結合する光検出素子６を有するとともに、上記構造が半絶縁性半導体層により埋め込まれていて、前記副導波路５の先端が光検出素子６に向かって末広がりのテーパ導波路構造を有することを特徴とする光半導体素子。
（付記２）前記光源素子２が、分布帰還型レーザ、光増幅器、或いは、光増幅器集積レーザのいずれかであることを特徴とする付記１に記載の光半導体素子。
（付記３）前記副導波路５と前記主導波路３の最近接幅が、２μｍ以上であることを特徴とする付記１または付記２に記載の光半導体素子。
（付記４）前記副導波路５が、複数本並列に形成されることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の光半導体素子。
（付記５）前記放射構造４から離れた位置に、前記主導波路３と光結合する光学素子を有することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の光半導体素子。
（付記６）前記光学素子が、光変調器であることを特徴とする付記５に記載の光半導体素子。

本発明の活用例としては、大容量光通信用に用いる光半導体素子が典型的なものであるが、大容量光通信用に限られるものではなく、各種の光情報処理用や近距離光通信用にも適用されるものである。

本発明の原理的構成の説明図である。本発明の実施例１の光半導体素子の概念的平面図である。光結合効率のオフセット量Δｘ依存性の説明図である。幅広光検出器を用いた比較例の概念的構成図である。本発明の実施例２の光半導体素子の概念的平面図である。本発明の実施例２における効果の説明図である。

符号の説明

１成長基板
２光源素子
３主導波路
４放射構造
５副導波路
６光検出素子
１１ＤＦＢ半導体レーザ
１２電界吸収型光変調器
１３光検出素子
１４主導波路
１５直線部
１６曲がり導波路
１７副導波路
１８テーパ部
１９直線部
２０ＦｅドープＩｎＰ埋込層
２１光放射構造
２２幅広光検出器
３１光検出素子
３２第１副導波路
３３テーパ部
３４直線部
３５第２副導波路
３６テーパ部
３７直線部

Claims

成長基板上に、光源素子と、前記光源素子の出力を導波する導電性半導体層を有する主導波路と、前記主導波路に形成され一か所の屈曲部を備えた曲がり導波路であって前記主導波路を導波する光の一部を放射する放射構造と、前記放射構造に近接し、前記放射構造により放射された光を結合し、前記主導波路と空間的に離間する導電性半導体層を有する副導波路と、前記副導波路に導波する光と結合する光検出素子を有し、上記構造が、半絶縁性半導体層により埋め込まれていて、前記副導波路の先端が前記光検出素子に向かって末広がりのテーパ導波路構造を有することを特徴とする光半導体素子。
前記副導波路が、複数本並列に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
前記放射構造から離れた位置に、前記主導波路と光結合する光学素子を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体素子。