JP5767864B2 - 光素子、光素子を含む変調器モジュール、光素子を含むレーザ集積変調器モジュール、及び、光素子の製造方法 - Google Patents

光素子、光素子を含む変調器モジュール、光素子を含むレーザ集積変調器モジュール、及び、光素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光素子、光素子を含む変調器モジュール、光素子を含むレーザ集積変調器モジュール、及び、光素子の製造方法に関する。
リッジ状の光導波路構造を有する光素子の種々の特性には、光導波路内への光閉じ込め係数や光導波路上の電極の寄生容量が大きく影響することが知られている。例えば、マッハツェンダー型干渉計(Mach-Zehnder Interferometer)を利用した変調器である半導体ＭＺ変調器のように電界を印加したときの屈折率変化を利用した光素子においては、光閉じ込め係数が大きいほど屈折率変化量が大きくなり、寄生容量が小さいほど帯域が大きくなることが知られている。
ここで、上記のような半導体ＭＺ変調器に含まれるリッジ状の光導波路を、当該光導波路のメサの高さの観点から分類する場合、活性層がリッジ部の下部に位置し、活性層の幅がリッジ状の光導波路の幅より十分に広いローメサ光導波路と、活性層の幅がリッジ状の光導波路の幅と同一のハイメサ光導波路の２つに大別される。
ハイメサ光導波路とローメサ光導波路を比較した場合、ハイメサ光導波路の方がローメサ光導波路よりも、光閉じ込め係数と寄生容量に関して高特性となる。具体的には、ハイメサ光導波路においては、半導体で形成された活性層の側面が空気や低誘電体などの屈折率差の大きな物質との界面を有するため、光閉じ込め係数が大きく、電界を印加したときの屈折率変化量が、ローメサ光導波路よりも大きくなる。また、ハイメサ光導波路においては、活性層幅が電極幅と等しくなり、寄生容量が小さくなることから、高速動作に有利である。特に、半導体ＭＺ変調器においては、光導波層の屈折率変化が小さく、光導波路を長く形成する必要があるため、寄生容量の影響が大きくなる。したがって、寄生容量の小さいハイメサ光導波路は、高速動作のために有用である（非特許文献１参照）。
また、一般に半導体レーザ素子は、光導波路を逆メサ方向に沿って形成する。これに対して、半導体ＭＺ変調等、電圧を印加したときの屈折率変化を利用する変調器は、順メサ方向に光導波路を形成する。これにより、優れた変調特性が期待できる。これは、順メサ方向は逆メサ方向と比べてポッケルス効果が高く、電圧印加時の屈折率変化が大きくなるからである。以上のように、順メサ方向のハイメサ光導波路はＭＺ変調器の変調特性、高速動作に有益な導波路構造である。
ここで、上記のような半導体レーザ素子として、その作成工程において、リッジ状の導波路を傷つけることを防止するため、導波路の両側に空間領域を挟んで、高さが当該導波路の高さよりも高い、土手状の半導体材料で形成されるリッジ保護層を設ける構成が知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−２９８１９０号公報
S. Akiyama, et.al. ,"40Gb/s InP-based Mach-Zehnder Modulator with a driving voltage of3Vpp" IEEE. International. Conf., kagoshima,Japan, 2004, ThA1-4
上記のようなハイメサ光導波路を有するＭＺ変調器は、メサが細長い形状を有する。具体的には、例えば、メサの幅は約１乃至２μｍ、メサの高さは約４乃至５μｍであり、メサの長さは、約１０００乃至２０００μｍである。したがって、その製造工程において、メサの機械的接触の可能性が大きくなり、メサが欠けやすいという問題がある。
当該観点から、ＭＺ変調器において、その光導波路の両側に、上記のような半導体材料で形成される土手状のリッジ保護層を設けると、その場合には、ＭＺ変調器の上部電極にワイヤーをボンディングするために必要となる電極パッドの寄生容量が増大し、高速動作に対応できない場合があるという問題が生じる。
具体的には、ＭＺ変調器においては、変調導波路部の上部電極に、ワイヤーをボンディングするため、変調導波路上部の電極から電極パッドまでの引き出し線及び電極パッドを要する。この場合、一般に、当該ワイヤボンディングのためには、１００μｍφ程度の大きさの電極パッドが必要になる。よって、例えば、このような電極パッドを、ＭＺ変調器において、上記のような土手状の半導体材料であるリッジ保護層の上に形成すると、電極パッドの寄生容量が増加し、高速動作に対応できないこととなる。
上記課題に鑑みて、本発明は、ハイメサ光導波路の製造工程における歩留まりを改善するとともに、電極パッドの寄生容量を低減することができる光素子を提供することを目的とする。
（１）本発明における光素子は、リッジ状の光導波路部と、前記光導波路部に並んで配置された、メサプロテクタ部と、前記メサプロテクタ部の上部を覆うとともに、該メサプロテクタ部の両側に配置された樹脂部と、前記光導波路部上に配置された電極と、前記メサプロテクタ部に対して、前記光導波路部と反対側に位置する樹脂部上に配置された電極パッドと、前記樹脂部上に配置されるとともに、前記電極と前記電極パッドを電気的に接続する接続部と、を有することを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の光素子において、前記メサプロテクタ部の高さは、前記光導波路部の高さより高いことを特徴とする。
（３）上記（１）に記載の光素子において、前記メサプロテクタ部の高さは、前記光導波路部の高さと実質的に同一であることを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光素子において、前記メサプロテクタ部の幅は、前記光導波路部の高さと実質的に同一であることを特徴とする。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光素子において、前記メサプロテクタ部は、前記光導波路部の両側に配置された、一対のメサプロテクタを有することを特徴とする。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光素子において、前記光導波路部は、
入射光を導波する第１の光導波路と、前記光導波路を導波した光を分岐する第１の分岐部と、前記分岐された光を変調するとともに導波する複数の変調導波路と、前記複数の変調導波路からの光を合波する第２の分岐部と、前記第２の分岐部からの光を導波する第２の光導波路と、を有することを特徴とする。
（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光素子を含む変調器モジュールであることを特徴とする。
（８）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光素子は、更に、前記光素子に光を出力する半導体レーザを有し、前記光素子と、前記半導体レーザとを同一の基板に集積して設けたレーザ集積変調器モジュールであることを特徴とする。
（９）本発明における光素子の製造方法は、基板上に、少なくとも第１のクラッド層と、活性層と、第２のクラッド層とを積層することにより積層構造を形成し、前記積層構造をエッチングすることにより、リッジ状の光導波路部及び前記光導波路部に並んで配置されるメサプロテクタ部と、を形成し、前記エッチングされた積層構造上に、パッシベーション膜を形成するとともに、該パッシベーション膜上に樹脂部を形成し、前記光導波路部上部から、前記メサプロテクタ部に対して前記光導波路部と反対側の樹脂部上へ延伸する電極部を形成する、ことを含むことを特徴とする。
本発明の第１の実施の形態における変調器モジュールの全体構成について説明するための図である。 図１に示した半導体ＭＺ変調器の上面図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本発明の第１の実施の形態における変調器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態における変調器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態における変調器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態における変調器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態における半導体ＭＺ変調器の断面図である。 本発明の第２の実施の形態における変調器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態における変調器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第１または第２の実施形態における変調器を波長可変レーザモジュールに適用した例を示す図である。 本発明の第３の実施形態における変調器モジュールについて説明するための図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図である。 図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線における断面図である。 図１２のＸＶ−ＸＶ線における断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面については、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態における変調器モジュールの全体構成について説明するための図である。
図１に示すように、変調器モジュール１００は、パッケージ１０１内に、キャリア１０２、温度を調整するペルチェ１０３、温度を検出するサーミスタ１０４、複数の集光レンズ１０５を有する。キャリア１０２には、終端抵抗（図示なし）が付加されるとともに、半導体ＭＺ変調器１０６が搭載される。なお、パッケージ１０１は、金属素材をボックス型に加工したものであって、例えば、熱伝導率が高いＣｕＷ合金の底板、ＦｅＮｉ合金からなるフレーム、電気信号をパッケージ１０１内部に伝達するために配線パターンを形成したセラミックフィードスルー、リード端子、キャップをシーム溶接するためのシームリング、光を取り出す窓を気密封止するためのサファイヤガラス、レンズホルダや光ファイバを溶接固定するためのパイプ部材等により構成される。
サーミスタ１０４は、半導体ＭＺ変調器１０６の温度を検知し、当該検知した温度をモニタ温度信号として、制御部（図示なし）へ出力する。制御部は、当該モニタ温度信号に応じて、ペルチェ駆動電流信号をペルチェ１０３に出力する。これにより、半導体ＭＺ変調器１０６の温度を一定に保つ。
また、光ファイバ１０７を介して入力される光信号は、集光レンズ１０５を介して、半導体ＭＺ変調器１０６に入力され、当該半導体ＭＺ変調器１０６で、外部から入力される変調駆動信号に応じて、変調される。変調された光信号は、順に集光レンズ１０５、光アイソレータ１０８、集光レンズ１０５を介して、出力側の光ファイバ１０７へ出力される。なお、図１に示した変調器モジュール１００の構成は、一例であって、本実施の形態における変調器モジュール１００は、これに限定されるものではない。
図２は、図１に示した半導体ＭＺ変調器の上面図を示す。また、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。
図２に示すように、半導体ＭＺ変調器１０６は、その略中央を横切るように、光導波路部２０１を有する。当該光導波路部２０１は、光の入射する方向（入射方向）から順に、光導波路２０２、Ｙ分岐２０３、２の変調導波路２０４、Ｙ分岐２０３、光導波路２０２を有する。具体的には、入射方向から順に、光導波路２０２は、Ｙ分岐２０３で２の変調導波路２０４に分割され、更に、次のＹ分岐２０３で１の光導波路２０２に合成される。なお、光導波路２０２は、いわゆるハイメサ構造であり、順メサ方向である０１−１方向に形成される。また、図中、０１１方向が逆メサ方向を示し、１００方向が当該順メサ方向及び逆メサ方向に直交する方向を示す。
また、半導体ＭＺ変調器１０６は、光導波路部２０１の両側に、当該光導波路部２０１に沿って、メサプロテクタ２０５を有する。具体的には、光導波路２０２の両側に、光導波路２０２から所定の距離にメサプロテクタ２０５が配置される。つまり、メサプロテクタ２０５と光導波路２０２との間隔は、２の変調導波路２０４のうち当該メサプロテクタ２０５側の変調導波路２０４と光導波路２０２との間隔より、大きくなるように形成される。
更に、半導体ＭＺ変調器１０６は、変調導波路２０４の上部に、変調導波路２０４に沿って電極３１２を有する。また、電極３１２の各端部は、引き出し線３１３を介して、電極パッド３１４に接続される。具体的には、当該引き出し線３１３は、電極３１２からメサプロテクタ２０５の上方を通過した後、電極パッド３１４に接続される。各変調導波路に２の電極パッド３１４を通じて当該電極３１２に電圧を印加することにより、より効果的に高速動作に対応することができる。なお、図２においては、４の電極パッド３１４を配置する構成としたが、これに限られず、異なる数の電極パッド３１４としてもよいし、電極３１２の形状も異なるものであってもよい。また、電極３１２とメサプロテクタ２０５、変調導波路２０４等の位置関係については、下記に更に詳述する。
次に、図３を用いて、当該半導体ＭＺ変調器の断面構造について説明する。図３の下方から順に、ｎ側電極３０１、ｎ型ＩｎＰ基板３０２（基板）が配置される。
変調導波路２０４は、上記積層構造上に、順に、ｎ型ＩｎＰクラッド層３０４、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、量子井戸活性層３０６（活性層）、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層３０７、ｐ型ＩｎＰクラッド層３０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とから形成されるｐ型コンタクト層３０９を有する。なお、光導波路２０２も同様の断面構造を有するので説明を省略する。
メサプロテクタ２０５も同様に、上記積層構造上に、順にｎ型ＩｎＰクラッド層３０４、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、量子井戸活性層３０６、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層３０７、ｐ型ＩｎＰクラッド層３０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とから形成されるｐ型コンタクト層３０９を有する。そして、更に、ｐ型ＩｎＰキャップ層３１０を有する。
また、上記変調導波路２０４の側面、メサプロテクタ２０５の上面と側面、及び、上記変調導波路２０４やメサプロテクタ２０５を有しない部分（２の変調導波路２０４部の間、光導波路２０２とメサプロテクタ２０５の間、変調導波路２０４とメサプロテクタ２０５の間、及びメサプロテクタ２０５の外側）は、パッシベーション膜３１１で覆われる。
そして、変調導波路２０４の上部を除き、上記パッシベーション膜３１１の上部は、樹脂３２１で覆われる。つまり、上記変調導波路２０４やメサプロテクタ２０５を有しない部分（２の変調導波路２０４部の間、光導波路２０２とメサプロテクタ２０５の間、変調導波路２０４とメサプロテクタ２０５の間、及びメサプロテクタ２０５の外側）、及び、メサプロテクタ２０５の上部は、パッシベーション膜３１１を介して、樹脂３２１で覆われる。
また、変調導波路２０４の上面、つまり、変調導波路２０４のｐ型コンタクト層３０９の上面は、ｐ側電極層３２０のｐ側電極３１２で覆われる。そして、当該ｐ側電極３１２は、引き出し線３１３を介して、電極パッド３１４に接続される。ここで、当該ｐ側電極３１２、引き出し線３１３、電極パッド３１４は、ともにｐ側電極層３２０で形成される。言い換えれば、ｐ側電極層３２０は、変調導波路２０４のｐ型コンタクト層３０９の上面から、樹脂３２１上を延伸して、メサプロテクタ２０５に対して変調導波路２０４と反対側に位置する樹脂３２１にまで延伸して配置される。
ここで、メサプロテクタ２０５は、図３に示すように、その高さ及び幅の比が略同一とである。これにより、メサプロテクタ２０５の強度を、所望の強度以上とすることができる。なお、例えば、メサプロテクタ２０５の高さ及び幅は、４乃至５μｍ程度とすればよい。また、メサプロテクタ２０５の高さは、光導波路２０２の高さよりも高い。これにより、製造工程における光導波路部２０１の欠け（メサ欠け）を効果的に防止することができる。
次に、当該半導体ＭＺ変調器１０６の動作の概要について説明する。光導波路２０２に入射した入射光２０６は、Ｙ分岐２０３で２の変調導波路２０４に、略１対１の割合で分岐し導波する。２の変調導波路２０４を導波する光は、Ｙ分岐２０３で合波され導波する。このとき、変調導波路２０４上に形成されたｐ側電極３１２と基板３０２側に形成されたｎ側電極３０１の間に電圧を印加することによって、変調導波路２０４の活性層３０６の屈折率や吸収率が変化し、入射光２０６が変調される。これにより、２本の変調導波路２０４を導波するそれぞれの光の位相や強度によって、Ｙ分岐２０３で合波され導波される光の量が変化する。上記のように、ｐ側電極３１２とｎ側電極３０１間に電圧を印加することで、出射光２０７の光強度を変化させることができる。
なお、上記半導体ＭＺ変調器の構成及び動作は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、上記においては、２の変調導波路２０４を有する構成及び動作について説明したが、その他の数であってもよい。なお、その場合、Ｙ分岐２０３に代えて光導波路２０２を複数に分岐する分岐部が用いられることはいうまでもない。
次に、本実施の形態における半導体ＭＺ変調器１０６の製造方法について説明する。
まず、変調導波路２０４の結晶成長として、有機金属気相法を用いた公知の結晶成長法により、ｎ型ＩｎＰ基板３０２上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層３０４、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と障壁層からなるアンドープ歪多重量子井戸層から形成される活性層３０６、ＩｎＰキャップ層を成長する。そして、プラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜を形成したのち、変調導波路２０４となる領域にＳｉＮ膜のパターニングを施し、このＳｉＮ膜をマスクとして、ドライエッチング、及びウェットエッチングにて、変調導波路２０４となる領域以外の変調導波路２０４に相当する多層構造を除去する。
次に、第二回目の結晶成長として、変調導波路２０４を形成する領域以外に、有機金属気相法を用いて、パッシブ光導波路２０２（光導波路）、Ｙ分岐２０３の多層成長である、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と障壁層からなる量子井戸活性層３０６、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層３０７、ＩｎＰキャップ層を順次形成する。このとき、Ｙ分岐２０３と変調導波路２０４は、光学的に接続されている。
次に、図４に示すように、第三回目の結晶成長として、変調導波路２０４、Ｙ分岐２０３、パッシブ光導波路２０２上に、上側クラッド層となるｐ型ＩｎＰクラッド層３０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓ層から形成されるｐ型コンタクト層３０９、及び、ｐ型ＩｎＰキャップ層４０１を形成する。なお、上記ｐ型ＩｎＰキャップ層は途中工程で除去されるものであり、最終構造には残らない。また、ここで、ｐ型のドーパントには、例えば、Ｚｎを用いる。
次に、図５に示すように、公知の選択成長法により、後の工程でメサプロテクタ２０５を形成する部分にＩｎＰ層４０２を再成長させる。なお、当該ＩｎＰ層４０２に基づいて、メサプロテクタ２０５のｐ型ＩｎＰキャップ層３１０が形成される。
その後、図６に示すように、変調導波路２０４からパッシブ光導波路２０２に渡る、例えば、約４μｍの高さのハイメサ光導波路を、ドライエッチングとウェットエッチングによって形成する。また、このときメサプロテクタ２０５も同時に形成する。なお、メサプロテクタ２０５の幅は、電極パッド３１４の下にメサプロテクタ２０５が配置されないように、大きすぎず、かつ、その機械強度が保たれるように、メサ高さ程度、例えば、５μｍ程度とするのが望ましい。
次に、図７に示すように、図６に示した積層構造上に、公知のプラズマＣＶＤによってパッシベーション膜３１１を形成し、当該パッシベーション膜３１１上に樹脂３２１を塗布する。そして、エッチバック、スルーホール工程により、変調導波路２０４部に電極穴を開ける。次に、ｐ側電極３１２、引き出し線３１３、電極パッド３１４をＥＢ（Electron Beam）蒸着法、及び、フォトリソグラフィー技術により形成する。なお、樹脂３２１は、例えば、ポリイミド、テトラエトキシシラン、または、ベンゾシクロブテンを用いればよい。
次に、裏面研磨工程にて、基板３０２を、例えば、約１５０μｍまで研磨し、ｎ側電極３０１を形成した後、電極アロイ処理を施して、ウェハ工程が完了する。最後に、ウェハから半導体ＭＺ変調器ごとにチップ化し、端面コーティングすることにより、上記図３に示した半導体ＭＺ変調器１０６を取得する。
本実施の形態によれば、ハイメサ光導波路（光導波路部２０１）の上面はメサプロテクタ２０５の上面よりも高さが低くなる。よって、製造工程において、ハイメサ光導波路が機械的接触から保護され、メサ欠けが減少し、半導体ＭＺ変調器１０６、当該半導体ＭＺ変調器１０６を備えた変調器モジュール１００等を、高歩留りで安定的に生産できる。また、電極パッド３１４下を半導体ではなく、低誘電率の樹脂３２１で形成することにより、低容量化が可能となり、例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速動作が可能となる。
[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、下記において第１の実施形態と同様である点については説明を省略する。
図８は、本実施の形態における変調器モジュールを説明するための図である。具体的には、本実施の形態における半導体ＭＺ変調器５０１の図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。図８に示すように、本実施の形態においては、主に、メサプロテクタ２０５の高さを光導波路２０２の高さと略同一とする点が、上記第１の実施形態と異なる。具体的には、本実施の形態においては、ｐ型コンタクト層３０９上に、ｐ型ＩｎＰキャップ層３１０を配置しないので、メサプロテクタ２０５の高さを光導波路２０２の高さと略同一となる。その他の構成については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
次に、本実施の形態における半導体ＭＺ変調器５０１の製造方法について説明する。本実施の形態においては、主に、上記第１の実施形態における第３回目の結晶成長を行った後に、ｐ型ＩｎＰキャップ層４０１を成長させてＩｎＰ層４０２を再成長させない点が、上記第１の実施形態と異なる。以下、具体的に説明する。
第３回目の結晶成長までは、上記第１の実施形態と同様の製造工程を行う。その後、図９に示すように、ｐ型ＩｎＰキャップ層４０１を再成長することなく、上記第１の実施形態と同様に、変調導波路２０４とメサプロテクタ２０５をドライエッチングとウェットエッチングの２段階のエッチングによって形成する。
その後、上記第１の実施形態と同様に、図１０に示すように、プラズマＣＶＤによってパッシベーション膜３１１を形成し、樹脂３２１を塗布する。そして、エッチバック、スルーホール工程にて、変調導波路２０４部に電極穴を開ける。次に、ｐ側電極３１２、引き出し線３１３、電極パッド３１４をＥＢ（Electron Beam）蒸着法、及び、フォトリソグラフィー技術により形成する。
そして、裏面研磨工程にて、ｎ型ＩｎＰ基板３０２を約１５０μｍ程度まで研磨し、ｎ側電極３０１を形成する。そして、電極アロイ処理を施し、ウェハ工程が完了する。最後に、ウェハから半導体ＭＺ変調器５０１ごとにチップ化し、端面コーティングすることにより、図８に示した半導体ＭＺ変調器５０１を取得する。
上記実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と比較して、図５に示したようなＩｎＰ層４０２を別途再成長することなく、メサプロテクタ２０５と光導波路部２０１を同時に形成することができるため、製造工程数が増加することなく、半導体ＭＺ変調器５０１を取得することができる。そして、ハイメサ光導波路（光導波路部２０１）と同じ高さのメサプロテクタ２０５によって、ハイメサ光導波路が機械的接触から保護される。よって、ハイメサ光導波路が機械的接触から保護され、メサ欠けが減少し、半導体ＭＺ変調器１０６、当該半導体ＭＺ変調器５０１を備えた変調器モジュール等を、高歩留りで安定的に生産できる。また、電極パッド３１４下を半導体ではなく、低誘電率の樹脂３２１で形成することにより、低容量化が可能となり、１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速動作が可能となる。
なお、本発明は、上記第１及び第２の実施の形態に限定されるものではなく、上記実施の形態で示した構成と実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えてもよい。
例えば、上記第１または第２の実施の形態における半導体ＭＺ変調器１０６、５０１は、入力波長を調整可能なレーザモジュール（波長可変レーザモジュール）に適用してもよい。半導体ＭＺ変調器１０６、５０１は、電界半導体電界吸収型(Electro-Absorption)変調器に比べ波長依存性の小さな変調器であることから、波長可変レーザモジュールに用いることができる。
この場合の一例を図１１に示す。図１１に示すように、波長可変レーザモジュール６００は、半導体ＭＺ変調器１０６、５０１の入力側に、波長可変レーザ６０１、ハーフミラー６０２、及び、波長ロッカー６０３を有する。波長可変レーザ６０１は、レーザ駆動信号に応じた波長の光を出射し、当該出射光は、ハーフミラー６０２を介して、波長ロッカー６０３及び半導体ＭＺ変調器１０６、５０１に入射する。波長ロッカー６０３は、波長可変レーザ６０１から出力された光を測定し、当該測定された光の波長に応じて、波長可変レーザ６０１の波長を調整する。この場合、波長依存性の小さい半導体ＭＺ変調器１０６、５０１を用いれば、Ｃバンドである１５２８乃至１５６８ｎｍの波長領域で、例えば、１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速動作が可能となる。なお、その他の点については、図１で示した変調器モジュール１００の構成と同様であるので説明を省略する。
[第３の実施形態]
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、下記において上記第１または第２の実施形態と同様である点については説明を省略する。
図１２は、本実施の形態におけるＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器の構成を説明する上面図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図である。図１４は、図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線における断面図である。図１５は、図１２のＸＶ−ＸＶ線における断面図である。
図１２乃至図１５に示すように、本実施の形態におけるＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００は、主に、上記第１または第２の実施形態における半導体ＭＺ変調器１０６、５０１にＤＦＢレーザ７０３を集積する点で、上記第１または第２の実施形態における半導体ＭＺ変調器５０１と異なる。なお、下記においては、一例として第２の実施形態における半導体ＭＺ変調器５０１にＤＦＢレーザ７０３を集積した場合を例として説明する。
図１２に示すように、ＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００は、ＤＦＢレーザ部７０１、光導波路２０２、Ｙ分岐２０３、２の変調導波路２０４、Ｙ分岐２０３、光導波路２０２を有する。第１の実施形態と同様に、当該光導波路部２０１は、光の入射する方向（入射方向）から順に、光導波路２０２、Ｙ分岐２０３、２の変調導波路２０４、Ｙ分岐２０３、光導波路２０２を有する。なお、ＤＦＢレーザ部７０１の光導波路７０２は、ローメサであり、ＤＦＢレーザ部７０１以外の光導波路２０２はハイメサである。また、上記のように、本実施の形態においては、ＤＦＢレーザ部７０１として、従来からの信頼性の高いローメサリッジＤＦＢレーザ７０３を用いる例について説明したが、ＤＦＢレーザ部７０１はハイメサのＤＦＢレーザを用いてもよい。
また、上記第２の実施形態と同様に、ＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００は、光導波路２０２、Ｙ分岐２０３、２の変調導波路２０４で構成される光導波路部２０１に沿って、メサプロテクタ２０５を有する。具体的には、光導波路部２０１の両側に並んで２のメサプロテクタ２０５が配置される。なお、図１２においては、メサプロテクタ２０５が光導波路部２０１の両側のみに配置される場合について説明したが、メサプロテクタ２０５は、光導波路７０２の両側についても延伸していてもよい。
次に、ＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器の断面構造について説明する。なお、下記においては、図１３に示すように、ＤＦＢレーザ部７０１以外の部分についての断面構成については、第２の実施の形態と同様であることから、説明を省略する。
図１４に示すように、図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線における断面からみると、図１４の下方から順に、ｎ側電極３０１、ｎ型ＩｎＰ基板３０２（基板）、が配置される。
また、ＤＦＢレーザ部７０１の光導波路７０２が形成される領域については、上記積層構造上に、順に、ｎ型ＩｎＰクラッド層３０４、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、量子井戸活性層３０６（活性層）、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層３０７、ｐ型ＩｎＰクラッド層３０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とから形成されるｐ型コンタクト層３０９、ＤＦＢレーザ部７０１のｐ型電極８０１となるｐ側電極層３２０が配置される。
また、上記ＤＦＢレーザ部７０１の光導波路７０２が形成される領域の側面や上記領域以外の部分は、パッシベーション膜３１１で覆われる。そして、上記ＤＦＢレーザ部７０１の光導波路７０２が形成される領域の上部を除き、上記パッシベーション膜３１１の上部は、樹脂３２１で覆われ、当該樹脂３２１上には、更に、ｐ側電極層３２０が配置される。
また、図１５に示すように、図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線における断面からみると、図１５の下方から順に、ｎ側電極３０１、ｎ型ＩｎＰ基板３０２（基板）、が配置される。更に、順に、ｎ型ＩｎＰクラッド層３０４、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、量子井戸活性層３０６（活性層）、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層３０７、ｐ型ＩｎＰクラッド層３０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とから形成されるｐ型コンタクト層３０９、レーザ部７０１のｐ型電極８０１となるｐ側電極層３２０が配置される。なお、ここで、ｐ型ＩｎＰクラッド層３０８には、後述する回折格子層８０２が形成される。
次に、当該ＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００の動作の概要について説明する。ＤＦＢレーザ部７０１の上部に形成されたｐ型電極８０１と、基板３０２側に形成されたｎ側電極３０１の間に電流を注入することによって、当該ＤＦＢレーザ部７０１からレーザ光が単一縦モードで発振する。そして、上記第１または第２の実施形態と同様に、当該レーザ光（入射光）は、光導波路２０２に入射し、Ｙ分岐２０３で２の変調導波路２０４に1対1の割合で分岐し導波する。２の変調導波路２０４を導波する光は、Ｙ分岐２０３で合波され導波する。このとき、変調導波路２０４上に形成されたｐ側電極３１２と基板３０２側に形成されたｎ型電極３０１の間に電圧を印加することによって、変調導波路２０４の活性層３０６の屈折率や吸収率が変化し、入射光が変調される。
このように、ＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００は、上記第１の実施形態または第２の実施形態における半導体ＭＺ変調器１０６、５０１を用いる場合と比較した場合、ＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００に外部からの光（例えば、入射光２０６）を入力することなく、変調特性が得られるため、光通信用光源として容易に使用できる。なお、本実施の形態においては、半導体ＭＺ変調器５０１にＤＦＢレーザ部７０１を集積する構成について説明したが、波長可変光源や、半導体増幅器、または、その他の光機能素子を集積してもよい。
次に、本実施の形態におけるＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００の製造方法について説明する。
第１の実施形態と同様に、変調導波路２０４の結晶成長として、有機金属気相法を用いた公知の結晶成長法により、ｎ型ＩｎＰ基板３０２上にｎ型ＩｎＰクラッド層３０４、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と障壁層からなるアンドープ歪多重量子井戸層から形成される活性層３０６、ＩｎＰキャップ層を成長する。次に、変調導波路２０４となる領域にＳｉＮ膜マスクを形成し、ドライエッチング、及びウェットエッチングにて、変調導波路２０４となる領域以外の変調導波路２０４に相当する多層構造を除去する。
次に、第二回目の結晶成長として、変調導波路２０４領域以外に、有機金属気相法を用いて、パッシブ光導波路２０２（光導波路）、Ｙ分岐２０３の多層成長である、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と障壁層からなる量子井戸活性層３０６、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層３０７、ＩｎＰスペーサ層、及び、回折格子層８０２を順次形成する。次に、パッシブ光導波路２０２、Ｙ分岐２０３を多層成長するために、ＤＦＢレーザ部７０１、変調導波路２０４部に、ＳｉＮマスクを形成し、ドライエッチング、及びウェットエッチングにて、パッシブ光導波路２０２、及びＹ分岐２０３にあるＤＦＢレーザ多層構造を除去する。
次に、第三回目の結晶成長として、有機金属気相法を用いて、パッシブ光導波路２０２、Ｙ分岐２０３導波路部の多層成長であるＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層３０５、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と障壁層からなる量子井戸活性層３０６、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層３０７、ＩｎＰキャップ層を順次形成する。このとき、ＤＦＢレーザ部７０１、及び変調導波路２０４は、パッシブ光導波路２０２、Ｙ分岐２０３と光学的にも接続されている。
次に、ＤＦＢレーザ部７０１となる領域の回折格子層８０２に、フォトリソグラフを用いた干渉露光法により、回折格子層８０２に回折格子を形成した後、ウェハ全域に渡ってｐ型ＩｎＰクラッド層３０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓ層から形成されるｐ型コンタクト層３０９、及び、ｐ型ＩｎＰキャップ層を結晶成長する。なお、上記ｐ型ＩｎＰキャップ層は途中工程で除去されるものであり、最終構造には残らない。また、ここで、ｐ型のドーパントには、例えば、Ｚｎを用いる。
その後、ＤＦＢレーザ部７０１は、例えば、約２μｍの高さのローメサ、また、光導波路部２０１においては、例えば、約４μｍの高さのハイメサ光導波路を２段階のドライエッチングとウェットエッチングによって形成する。また、このとき、メサプロテクタ２０５を同時に形成する。
次に、プラズマＣＶＤによってパッシベーション膜３１１を形成し、パッシベーション膜３１１上に樹脂３２１を塗布する。そして、エッチバック、スルーホール工程にて、変調導波路２０４部に電極穴を開ける。次に、ｐ側電極３１２、引き出し線３１３、電極パッド３１４、ｐ型電極８０１を、ＥＢ蒸着法、及び、フォトリソグラフィー技術により形成する。そして、裏面研磨工程にて、ｎ型ＩｎＰ基板３０２を約１５０μｍ程度まで研磨し、ｎ側電極３０１を形成し、電極アロイ処理を施し、ウェハ工程が完了する。最後に、ウェハからＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００ごとにチップ化し、端面コーティングすることにより、ＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器７００を取得する。
本実施の形態によれば、メサプロテクタ２０５によって、ハイメサ光導波路（光導波路部２０１）が機械的接触から保護される。よって、光導波路部２０１のメサ欠けが減少し、半導体ＭＺ変調器１０６、当該半導体ＭＺ変調器５０１を備えた変調器モジュール等を、高歩留りで安定的に生産できる。また、電極パッド３１４下を半導体ではなく、低誘電率の樹脂３２１で形成することにより、低容量化が可能となり、１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速動作が可能となる。
なお、本発明は、上記第１乃至第３の実施の形態に限定されるものではなく、上記実施の形態で示した構成と実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えてもよい。例えば、上記においては、第２の実施形態における半導体ＭＺ変調器５０１をＤＦＢレーザ部７０１と集積する場合について説明したが、第１の実施形態における半導体ＭＺ変調器１０６をＤＦＢレーザ部７０１と集積してもよい。また、上記においては、半導体ＭＺ変調器やＤＦＢレーザを用いる場合を例として説明したが、上記実施の形態で示した構成と実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる限り、異なる形式の変調器やレーザを用いてもよい。また、上記に示した各層の材料は、一例であって、これに限定されない。例えば、基板３０２は、ＩｎＰの他、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ等他の材料を用いてもよい。また、上記においては、光導波路部２０１は、光を発して光を導波するアクティブ光導波路部であってもよい。
１００ 変調器モジュール、１０１ パッケージ、１０２ キャリア、１０３ ペルチェ、１０４ サーミスタ、１０５ 集光レンズ、１０６、５０１ 半導体ＭＺ変調器、１０７ 光ファイバ、２０１ 光導波路部、２０２、７０２ 光導波路、２０３ Ｙ分岐、２０４ ２の変調導波路、２０５ メサプロテクタ、３０１ ｎ側電極、３０２ 基板、、３０４ ｎ型ＩｎＰクラッド層、３０５ ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層、３０６ 活性層、３０７ ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層、３０８ ｐ型ＩｎＰクラッド層、３０９ ｐ型コンタクト層、３１１ パッシベーション膜、３１２ ｐ側電極、３１３ 引き出し線、３１４ 電極パッド、３２１ 樹脂、４０２ ＩｎＰ層、６００ 波長可変レーザモジュール、６０１ 波長可変レーザ、６０２ ハーフミラー、６０３ 波長ロッカー、７００ ＤＦＢレーザ集積半導体ＭＺ変調器、７０１ ＤＦＢレーザ部、ｐ型電極 ８０１、回折格子層 ８０２。

Claims (9)

  1. リッジ状の半導体で形成された光導波路部と、
    前記光導波路部に並んで配置された、メサプロテクタ部と、
    前記メサプロテクタ部の上部を覆うとともに、該メサプロテクタ部の両側に配置された樹脂部と、
    前記光導波路部上に配置された電極と、
    前記メサプロテクタ部に対して、前記光導波路部と反対側に位置する樹脂部上に配置された電極パッドと、
    前記樹脂部上に配置されるとともに、前記電極と前記電極パッドを電気的に接続する接続部と、
    を有し、
    前記電極パッドは、前記メサプロテクタ部上には形成されていない、
    ことを特徴とする光素子。
  2. 前記メサプロテクタ部の高さは、前記光導波路部の高さより高いことを特徴とする請求項１記載の光素子。
  3. 前記メサプロテクタ部の高さは、前記光導波路部の高さと実質的に同一であることを特徴とする請求項１記載の光素子。
  4. 前記メサプロテクタ部の幅は、前記光導波路部の高さと実質的に同一であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光素子。
  5. 前記メサプロテクタ部は、前記光導波路部の両側に配置された、一対のメサプロテクタを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光素子。
  6. 前記光導波路部は、
    入射光を導波する第１の光導波路と、
    前記光導波路を導波した光を分岐する第１の分岐部と、
    前記分岐された光を変調するとともに導波する複数の変調導波路と、
    前記複数の変調導波路からの光を合波する第２の分岐部と、
    前記第２の分岐部からの光を導波する第２の光導波路と、
    を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光素子。
  7. 前記１乃至６のいずれかに記載の光素子を含む変調器モジュール。
  8. 前記１乃至６のいずれかに記載の光素子は、更に、前記光素子に光を出力する半導体レーザを有し、
    前記光素子と、前記半導体レーザとを同一基板上に集積して設けたことを特徴とするレーザ集積変調器モジュール。
  9. 基板上に、少なくとも半導体である第１のクラッド層と、半導体である活性層と、半導体である第２のクラッド層とを積層することにより積層構造を形成し、
    前記積層構造をエッチングすることにより、リッジ状の光導波路部及び前記光導波路部に並んで配置されるメサプロテクタ部と、を形成し、
    前記エッチングされた積層構造上に、パッシベーション膜を形成するとともに、該パッシベーション膜上に樹脂部を形成し、
    前記光導波路部上部から、前記メサプロテクタ部に対して前記光導波路部と反対側の樹脂部上へ延伸する電極部を形成する、
    ことを含むことを特徴とする光素子の製造方法であって、
    前記電極部は、電極パッド部と、該電極パッド部と前記光導波路部上に位置する電極と、前記電極パッド部と前記電極との間を電気的に接続する接続部と、を有し、前記電極パッド部は、前記メサプロテクタ部上には形成されていない、
    ことを特徴とする光素子の製造方法。
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