JP5772466B2 - OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE, OPTICAL TRANSMITTER MODULE, OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM, AND OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING METHOD - Google Patents
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Description
本発明は、光半導体素子、光送信モジュール、光伝送システム及び光半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor element, an optical transmission module, an optical transmission system, and an optical semiconductor element manufacturing method.
従来、半導体レーザ等の光半導体素子が通信において用いられている。 Conventionally, an optical semiconductor element such as a semiconductor laser has been used in communication.
そして、インターネット等の普及に伴う通信量の増加に対応して、光通信又は光伝送における通信速度の高速化及び通信容量の増大が図られている。 In response to the increase in communication volume accompanying the spread of the Internet and the like, an increase in communication speed and an increase in communication capacity in optical communication or optical transmission have been attempted.
例えば、40Gb/s以上の通信速度を有する光ファイバ伝送システム、又は25ギガビットのデータをCWDMで4波束ねて100ギガビットの通信量にして送信することが求められている。 For example, it is required to transmit an optical fiber transmission system having a communication speed of 40 Gb / s or more, or 25 gigabits of data by bundling 4 waves by CWDM to a communication amount of 100 gigabits.
そして、上述した通信を行うための光信号の生成を、アンクールドで動作する半導体レーザを用いて、直接変調により行うことが期待されている。このような半導体レーザとして、分布帰還型レーザ(DFBレーザ)が挙げられる。 It is expected that the generation of the optical signal for performing the communication described above is performed by direct modulation using a semiconductor laser operating in an uncooled state. An example of such a semiconductor laser is a distributed feedback laser (DFB laser).
DFBレーザを用いて、高い周波数で直接変調を行うには、注入される電流に対する光の応答性が急激に低下する電流信号の周波数である緩和振動周波数の高いことが求められる。そして、半導体レーザの活性層の体積を小さくすることにより、緩和振動周波数を大きくすることができる。例えば、DFBレーザの共振器長を100μmと短くすることにより、室温にて40Gb/sでの変調を可能としたものもある。 In order to perform direct modulation at a high frequency using a DFB laser, it is required that the relaxation oscillation frequency is high, which is the frequency of a current signal at which the response of light to the injected current sharply decreases. The relaxation oscillation frequency can be increased by reducing the volume of the active layer of the semiconductor laser. For example, some DFB lasers can be modulated at 40 Gb / s at room temperature by shortening the resonator length to 100 μm.
また、緩和振動周波数は、DFBレーザの微分利得の平方根に比例するので、この微分利得を大きくすることによっても、緩和振動周波数を増大できる。具体的には、DFBレーザにおける活性層の最大の利得が得られる利得ピーク波長と発振波長との差である離調を、回折格子の周期を変化させることにより調整して、微分利得を大きくすることが行われている。 Further, since the relaxation oscillation frequency is proportional to the square root of the differential gain of the DFB laser, the relaxation oscillation frequency can be increased by increasing the differential gain. Specifically, the differential gain is increased by adjusting the detuning, which is the difference between the gain peak wavelength at which the maximum gain of the active layer in the DFB laser is obtained and the oscillation wavelength, by changing the period of the diffraction grating. Things have been done.
ここで、DFBレーザの動作温度が変化すると、発振波長及び利得ピーク波長も変化する。また、DFBレーザでは、発振波長の温度変化係数よりも、利得ピーク波長の温度変化係数の方が大きい。 Here, when the operating temperature of the DFB laser changes, the oscillation wavelength and the gain peak wavelength also change. In the DFB laser, the temperature change coefficient of the gain peak wavelength is larger than the temperature change coefficient of the oscillation wavelength.
従って、DFBレーザの動作温度が変化すると、上述した離調が変化するので、緩和振動周波数が温度によって変化するという問題が生じる。 Therefore, when the operating temperature of the DFB laser changes, the above-mentioned detuning changes, so that there arises a problem that the relaxation oscillation frequency changes with temperature.
本明細書では、上述した問題を解決するために、緩和振動周波数の温度による変化が小さい光半導体素子を提供することを目的とする。 In this specification, in order to solve the above-described problem, an object of the present invention is to provide an optical semiconductor element in which a change in relaxation oscillation frequency with temperature is small.
また、本明細書では、上述した問題を解決するために、緩和振動周波数の温度による変化が小さい光半導体素子を備えた光送信モジュールを提供することを目的とする。 Another object of the present specification is to provide an optical transmission module including an optical semiconductor element in which a change in relaxation oscillation frequency due to temperature is small in order to solve the above-described problem.
また、本明細書では、上述した問題を解決するために、緩和振動周波数の温度による変化が小さい光半導体素子を有する光送信モジュール備えた光伝送システムを提供することを目的とする。 Another object of the present specification is to provide an optical transmission system including an optical transmission module having an optical semiconductor element in which a change in relaxation oscillation frequency due to temperature is small in order to solve the above-described problem.
更に、本明細書では、上述した問題を解決するために、緩和振動周波数の温度による変化が小さい光半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。 Furthermore, in this specification, in order to solve the above-mentioned problem, it aims at providing the manufacturing method of the optical semiconductor element with a small change with the temperature of a relaxation oscillation frequency.
本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、活性層を有するメサ部と、上記メサ部を埋め込む埋め込み層と、を備え、上記埋め込み層は、上記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ上記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、上記屈折率調整領域は、上記埋め込み層の高さ方向において、上記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置される。 According to one mode of the optical semiconductor element disclosed in the present specification, the optical semiconductor device includes a mesa portion having an active layer and a buried layer that embeds the mesa portion, and the buried layer has a temperature change in the refractive index of the active layer. A refractive index adjustment region having a temperature change coefficient of a refractive index larger than a coefficient and a refractive index larger than the refractive index of the active layer, wherein the refractive index adjustment region is in the height direction of the buried layer In the above, the active layer is disposed at a position at least partially overlapping.
また、本明細書に開示する光送信モジュールの一形態によれば、活性層を有するメサ部と、上記メサ部を埋め込む埋め込み層と、を備え、上記埋め込み層は、上記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ上記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、上記屈折率調整領域は、上記埋め込み層の高さ方向において、上記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置される光半導体素子と、上記活性層に電流を供給する駆動部と、を備え、上記光半導体素子が、光ファイバに向けて光を送出する。 In addition, according to one mode of the optical transmission module disclosed in the present specification, the optical transmission module includes a mesa portion having an active layer and a buried layer that embeds the mesa portion, and the buried layer has a refractive index of the active layer. A refractive index adjustment region having a refractive index adjustment region having a refractive index greater than the refractive index of the active layer, and having a refractive index adjustment region greater than the refractive index of the active layer. An optical semiconductor element disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the vertical direction, and a drive unit that supplies current to the active layer, wherein the optical semiconductor element emits light toward the optical fiber. Is sent out.
また、本明細書に開示する光伝送システムの一形態によれば、活性層を有するメサ部と、上記メサ部を埋め込む埋め込み層と、を備え、上記埋め込み層は、上記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ上記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、上記屈折率調整領域は、上記埋め込み層の高さ方向において、上記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置される光半導体素子と、上記光半導体素子に電流を供給する駆動部と、を有する光送信モジュールと、上記光送信モジュールから送出された光を伝搬する光ファイバと、上記光ファイバから光を受信する光受信モジュールと、を備える。 Further, according to one mode of the optical transmission system disclosed in the present specification, the optical transmission system includes a mesa portion having an active layer and a buried layer that embeds the mesa portion, and the buried layer has a refractive index of the active layer. A refractive index adjustment region having a refractive index adjustment region having a refractive index greater than the refractive index of the active layer, and having a refractive index adjustment region greater than the refractive index of the active layer. An optical transmission module having an optical semiconductor element disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the vertical direction, and a drive unit that supplies current to the optical semiconductor element, and is transmitted from the optical transmission module And an optical receiving module for receiving light from the optical fiber.
更に、本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一形態によれば、基板上に活性層を有するメサ部を形成する工程と、上記メサ部を埋め込むように埋め込み層を形成する工程であって、上記埋め込み層は、上記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し且つ上記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、上記屈折率調整領域が上記埋め込み層の高さ方向において上記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置されるように埋め込み層を形成する工程と、を備える。 Furthermore, according to one mode of the method for manufacturing an optical semiconductor element disclosed in the present specification, a step of forming a mesa portion having an active layer on a substrate and a step of forming a buried layer so as to bury the mesa portion. The buried layer has a refractive index adjustment region having a temperature change coefficient of a refractive index larger than that of the active layer and having a refractive index larger than that of the active layer. And forming a buried layer so that the refractive index adjustment region is disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer.
上述した本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、緩和振動周波数の温度による変化が低減される。 According to one mode of the optical semiconductor element disclosed in the present specification described above, changes in relaxation oscillation frequency due to temperature are reduced.
また、上述した本明細書に開示する光送信モジュールの一形態によれば、緩和振動周波数の温度による変化が低減される。 Moreover, according to one form of the optical transmission module disclosed in the present specification described above, changes in relaxation oscillation frequency due to temperature are reduced.
また、上述した本明細書に開示する光伝送システムの一形態によれば、緩和振動周波数の温度による変化が低減される。 Moreover, according to one form of the optical transmission system disclosed in the present specification described above, changes in relaxation oscillation frequency due to temperature are reduced.
更に、上述した本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一形態によれば、緩和振動周波数の温度による変化が小さい光半導体素子を製造できる。 Furthermore, according to one embodiment of the method for manufacturing an optical semiconductor element disclosed in the present specification, it is possible to manufacture an optical semiconductor element in which a change in relaxation oscillation frequency due to temperature is small.
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。 The objects and advantages of the invention will be realized and obtained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims.
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。 Both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention as claimed.
以下、本明細書において解決する課題について更に説明した上で、本明細書に開示する光半導体素子の形態について詳述する。 Hereinafter, after further describing the problem to be solved in the present specification, the form of the optical semiconductor element disclosed in the present specification will be described in detail.
まず、本明細書において解決する課題について、以下に説明する。 First, problems to be solved in this specification will be described below.
上述したように離調を用いてDFBレーザの緩和振動周波数を大きくする場合には、一般に、レーザの発振波長を利得ピーク波長よりも短波長側に配置して、微分利得を増大させる。例えば、発振波長は、利得ピーク波長に対して10〜20nm程度、短波長側に配置される。 As described above, when the relaxation oscillation frequency of the DFB laser is increased by using detuning, generally, the oscillation wavelength of the laser is arranged on the shorter wavelength side than the gain peak wavelength to increase the differential gain. For example, the oscillation wavelength is arranged on the short wavelength side about 10 to 20 nm with respect to the gain peak wavelength.
レーザの発振波長又は利得ピーク波長は、光路長に影響を与える材料の屈折率によって変化する。この屈折率は、材料の温度によって変化する。そのため、レーザの発振波長又は利得ピーク波長は、動作温度の変化に伴う屈折率の変化によっても変化する。例えば、InP系の化合物半導体を用いて形成されるDFBレーザの場合には、発振波長の温度変化係数は、約0.08nm/Kであり、利得ピーク波長の温度変化係数は、約0.42nm/Kである。 The oscillation wavelength or gain peak wavelength of the laser varies depending on the refractive index of the material that affects the optical path length. This refractive index varies with the temperature of the material. Therefore, the oscillation wavelength or gain peak wavelength of the laser also changes due to a change in refractive index accompanying a change in operating temperature. For example, in the case of a DFB laser formed using an InP-based compound semiconductor, the temperature change coefficient of the oscillation wavelength is about 0.08 nm / K, and the temperature change coefficient of the gain peak wavelength is about 0.42 nm. / K.
例えば、DFBレーザの動作温度範囲が25℃〜85℃であるとする。この場合、動作温度が低温側の25℃から高温側の85℃に変化した時の利得ピーク波長の温度変化量は約25.2nmであるのに対して、発振波長の温度変化量は約4.8nmとなる。 For example, it is assumed that the operating temperature range of the DFB laser is 25 ° C. to 85 ° C. In this case, when the operating temperature changes from 25 ° C. on the low temperature side to 85 ° C. on the high temperature side, the temperature change amount of the gain peak wavelength is about 25.2 nm, whereas the temperature change amount of the oscillation wavelength is about 4%. .8 nm.
上述した離調は、DFBレーザの動作温度範囲内の何れかの温度において設定される。ここで、離調が、25℃という低温側の動作温度で設定された場合には、アンクールド動作において高温になったDFBレーザでは、離調が25℃の値よりも大きくなる。その結果、微分利得の低下と共に利得の絶対値も低下して、レーザ出力の低下と共に緩和振動周波数が減少する場合がある。 The above detuning is set at any temperature within the operating temperature range of the DFB laser. Here, when the detuning is set at an operating temperature on the low temperature side of 25 ° C., the detuning is larger than the value of 25 ° C. in the DFB laser that has become high temperature in the uncooled operation. As a result, the absolute value of the gain decreases as the differential gain decreases, and the relaxation oscillation frequency may decrease as the laser output decreases.
一方、離調が、85℃という高温側の動作温度で設定された場合には、アンクールド動作において低温になったDFBレーザでは、発振波長が利得ピーク波長よりも長波長側に移動する場合がある。その結果、微分利得が低下して、緩和振動周波数が減少する。 On the other hand, when the detuning is set at an operating temperature on the high temperature side of 85 ° C., the oscillation wavelength may shift to a longer wavelength side than the gain peak wavelength in the DFB laser that has become low temperature in the uncooled operation. . As a result, the differential gain decreases and the relaxation oscillation frequency decreases.
従って、動作温度の変化による緩和振動周波数の変化を防止するには、レーザの発振波長の温度変化係数と、利得ピーク波長の温度変化係数とが近い値であることが好ましい。即ち、発振波長を決定する素子部分の屈折率の温度変化係数と、利得ピーク波長を決定する素子部分の屈折率の温度変化係数とが近い値であることが好ましい。 Therefore, in order to prevent a change in relaxation oscillation frequency due to a change in operating temperature, it is preferable that the temperature change coefficient of the laser oscillation wavelength and the temperature change coefficient of the gain peak wavelength are close to each other. That is, it is preferable that the temperature change coefficient of the refractive index of the element portion that determines the oscillation wavelength is close to the temperature change coefficient of the refractive index of the element portion that determines the gain peak wavelength.
ここで、利得ピーク波長の屈折率の温度変化係数は、主に利得が生じる活性層の形成材料によって決定されるので、屈折率の温度変化係数を変化させるには、活性層の形成材料を変更することになるため、困難な場合がある。 Here, the temperature change coefficient of the refractive index at the gain peak wavelength is mainly determined by the material for forming the active layer in which gain is generated. Therefore, to change the temperature change coefficient of the refractive index, the material for forming the active layer is changed. It may be difficult to do so.
そこで、本明細書では、発振波長の温度変化係数を、利得ピーク波長の温度変化係数に近づけることにより、緩和振動周波数の温度による変化を低減することを目的とした。 Therefore, the present specification aims to reduce the change in relaxation oscillation frequency due to temperature by bringing the temperature change coefficient of the oscillation wavelength closer to the temperature change coefficient of the gain peak wavelength.
以下、本明細書で開示する光半導体素子の好ましい第1実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。 Hereinafter, a preferred first embodiment of an optical semiconductor device disclosed in this specification will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.
図1は、本明細書に開示する光半導体素子の第1実施形態を示す図である。図2は、図1のX1−X1線断面図である。 FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an optical semiconductor device disclosed in this specification. 2 is a cross-sectional view taken along line X1-X1 of FIG.
本実施形態の光半導体素子10は、分布帰還型の半導体レーザである。光半導体素子10は、基板11上に形成されたメサ部20と、メサ部20の両側を埋め込む埋め込み層30とを有する。メサ部20は縦長であり、メサ部20の長手方向に沿って、埋め込み層30がメサ部20の側面を覆うように配置される。また、光半導体素子10の長手方向の両面に無反射層を配置しても良い。ここで、光半導体素子10の長手方向は、メサ部20の長手方向と一致する。
The
まず、メサ部20について、以下に説明する。
First, the
メサ部20は、基板11に形成された回折格子層21と、回折格子層21上に配置されたガイド層22と、ガイド層21上に配置されたエッチングストッパ層23と、エッチングストッパ層23上に配置された活性層24とを有する。
The
活性層25は、電流が注入されてレーザ発振する。回折格子層21の回折格子の周期は、発振波長を決定する。回折格子層21の長手方向の中央には、位相シフト21aが配置される。ガイド層22は、その屈折率が活性層25よりも低い。
The
また、メサ部20は、活性層24上に配置された第1クラッド層25と、第1クラッド層25上に配置された第2クラッド層26と、第2クラッド層26上に配置されたコンタクト層27とを有する。コンタクト層27上には第1電極13が配置され、基板11の下には第2電極14が配置される。
The
第2クラッド層26の抵抗率は第1クラッド層25よりも低く、第1電極13からの電流が第1クラッド層25を介して、活性層24に注入されるようになっている。
The resistivity of the
活性層25としては、量子井戸構造又はバルク構造を用いることができる。活性層25の形成材料としては、化合物半導体等を用いることができる。
As the
次に、埋め込み層30について、以下に説明する。
Next, the buried
埋め込み層30は、好ましくは電気的に半絶縁性又は絶縁性を有し、電流が活性層24に注入されるように働く。
The buried
埋め込み層30は、メサ部20の側面及び基板11の上を覆う電流ブロック層31を有する。電流ブロック層31は、電気的に半絶縁体又は絶縁体であることが好ましい。電流ブロック層31の抵抗率としては、例えば、半絶縁体の場合には1×106〜1×108Ωcmの範囲にあり、電気絶縁体の場合には、1×108Ωcmよりも、特に1×1010Ωcmよりも大きいことが、メサ部20から埋め込み層30への電流の流れを防止する上で好ましい。
The buried
また、埋め込み層30は、層状の下側埋め込み領域32及び屈折率調整領域33及び上側埋め込み領域34を有する。それぞれの領域は、電流ブロック層31を介して基板11上に、順番に積層される。
The buried
上側埋め込み領域34の上には、メサ部20の上まで跨るようにパッシベーション層12が配置される。
The
屈折率調整領域33は、活性層24の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ活性層24の屈折率よりも大きい屈折率を有する。また、屈折率調整領域33の少なくとも一部分は、埋め込み層30の高さ方向において、活性層24と重なる位置に配置される。ここで、埋め込み層30の高さ方向は、層状の下側埋め込み領域32及び屈折率調整領域33及び上側埋め込み領域34が積層される方向と一致する。
The refractive
下側埋め込み領域32及び上側埋め込み領域34は、電気的に半絶縁性又は絶縁性を有することが好ましい。また、下側埋め込み領域32及び上側埋め込み領域34の屈折率は、活性層24の屈折率よりも小さいことが、光半導体素子10を伝搬する導波モードの電界が埋め込み層30側へ拡がることを防止する上で好ましい。
The lower buried
屈折率調整領域33は、光半導体素子10において、発振波長を決定する活性層24を含む素子部分の一部であり、発振波長を決定する素子部分の屈折率の温度変化係数を増大する。発振波長を決定する素子部分は、光半導体素子10を伝搬する導波モードの電界が分布する領域であり、この領域には、メサ部20の回折格子層21から第2クラッド層26の部分と共に、埋め込み層30の部分が含まれる。各層の屈折率は同一とは限らないので、発振波長を決定する素子部分の屈折率は、導波モードの電界が分布する領域の等価屈折率を意味する。従って、発振波長を決定する素子部分の屈折率の温度変化係数は、導波モードの電界が分布する領域の等価屈折率の温度変化係数を意味する。なお、活性層24が量子井戸構造を有する場合には、活性層24の屈折率は、井戸層及びバリア層からなる領域の等価屈折率となる。
The refractive
図3(A)は、図1の光半導体素子を伝搬する導波モードの電界分布を示す図である。図3(A)は、電界強度Eの光半導体素子10の幅方向における分布を示している。ここで、光半導体素子10の幅方向は、メサ部20の幅方向と一致しており、メサ部20の幅方向は、メサ部20の長手方向と直交する方向である。また、図3(A)のメサ部20では、活性層24以外の構成要素は示していない。
FIG. 3A is a diagram showing an electric field distribution of a waveguide mode propagating through the optical semiconductor element of FIG. FIG. 3A shows the distribution of the electric field strength E in the width direction of the
導波モードの電界は、メサ部20の特に活性層24の部分に多く分布しているが、一部分は、メサ部20両側の埋め込み層30の部分にも分布している。
The electric field in the waveguide mode is distributed more in the
埋め込み層30に配置された屈折率調整領域33は、活性層24の屈折率よりも大きい屈折率を有するので、導波モードの電界が埋め込み層30側に拡がることを誘導して、電界が屈折率調整領域33内に多く分布するようになっている。
Since the refractive
また、光半導体素子10では、屈折率調整領域33が、埋め込み層30の高さ方向において、活性層24と一致する位置に配置されており、活性層24側から屈折率調整領域33側に電界が拡がり易くなっている。
Further, in the
そして、屈折率調整領域33は、活性層24の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有するので、導波モードの電界が分布する領域の等価屈折率の温度変化係数を増大する。
The refractive
このようにして、光半導体素子10は、屈折率調整領域33内への光の拡がりを誘導して、導波モードの電界が分布する領域の等価屈折率の温度変化係数を効果的に増大する。
In this way, the
図3(B)は、屈折率調整領域を有さない光半導体素子を伝搬する導波モードの電界分布を示す図である。図3(B)に示す光半導体素子では、埋め込み層には屈折率調整領域が配置されておらず、活性層よりも屈折率が小さい埋め込み層300を有する。
FIG. 3B is a diagram illustrating an electric field distribution of a waveguide mode that propagates through an optical semiconductor element that does not have a refractive index adjustment region. In the optical semiconductor element shown in FIG. 3B, the buried layer has no buried refractive index adjustment region, and has a buried
図3(A)に示すように、光半導体素子10は、屈折率の大きい屈折率調整領域33の存在によって、メサ部20から埋め込み層側への電界の拡がる量が、図3(B)の場合よりも大きくなっている。
As shown in FIG. 3A, the
光半導体素子10の発振波長λは、λ=2×neq×Λで表される。ここで、neqは、導波モードの電界が分布する領域の等価屈折率であり、Λは、回折格子層21の回折格子の周期である。光半導体素子10では、等価屈折率neqの温度変化係数が大きいので、発振波長の温度変化係数も大きくなる。その結果、発振波長の温度変化係数が、利得ピーク波長の温度変化係数に近づく。
The oscillation wavelength λ of the
上述したように、光半導体素子10では、電界の分布を拡げるために、屈折率調整領域33の屈折率を、活性層24の屈折率よりも大きくしている。そのため、屈折率調整領域33の抵抗率は、活性層24よりも低くなる場合がある。そこで、光半導体素子10では、上述した電流ブロック層31を、屈折率調整領域33とメサ部20との間に配置し、屈折率調整領域33とメサ部20とが接しないようにして、電流がメサ部20から屈折率調整領域33へ流れることを防止する。
As described above, in the
このように、電流がメサ部20から屈折率調整領域33へ流れることを防止する観点から、電流ブロック層31の厚さは、500nm以上であることが好ましい。
Thus, from the viewpoint of preventing current from flowing from the
一方、メサ部20から屈折率調整領域33側への光の拡がりを誘導するには、屈折率調整領域33とメサ部20との間の距離は短いことが好ましい。この観点から、電流ブロック層31の厚さは、0.2μm以下であることが好ましい。
On the other hand, the distance between the refractive
次に、活性層24及び屈折率調整領域33を形成する材料の具体例を以下に説明する。
Next, specific examples of materials for forming the
活性層24がIII−V族化合物によって形成される場合には、屈折率調整領域33がインジウム・アンチモン(InSb)又はガリウム・アンチモン(GaSb)又はアルミニウム・アンチモン(AlSb)又はこれらの混晶を用いて形成されることが好ましい。
When the
活性層24は、III−V族化合物であるInP、InAs又はGaAsを用いて形成されても良い。InPの屈折率は、3.2@1310nm、3.17@1550nmである。また、InPの屈折率の温度変化係数は、8.64×10-5/K@1310nm、8.56×10-5/K@1550nmである。InAsの屈折率は、4.19@1310nm、3.98@1550nmである。また、InAsの屈折率の温度変化係数は、37.74×10-5/K@1310nm、35.80×10-5/K@1550nmである。GaAsの屈折率は、3.41@1310nm、3.38@1550nmである。また、GaAsの屈折率の温度変化係数は、15.34×10-5/K@1310nm、15.20×10-5/K@1550nmである。
The
インジウム・アンチモンの屈折率は、4.13@1310nm、4.08@1550nmである。また、インジウム・アンチモンの屈折率の温度変化係数は、66.08×10-5/K@1310nm、65.28×10-5/K@1550nmである。ガリウム・アンチモンの屈折率は、3.88@1310nm、3.86@1550nmである。また、ガリウム・アンチモンの屈折率の温度変化係数は、37.64×10-5/K@1310nm、37.44×10-5/K@1550nmである。 The refractive index of indium antimony is 4.13@1310 nm, 4.08@1550 nm. Further, the temperature change coefficient of the refractive index of the indium antimonide is 66.08 × 10 -5 /K@1310nm,65.28×10 -5 / K @ 1550nm. The refractive index of gallium antimony is 3.88@1310 nm and 3.86@1550 nm. Further, the temperature change coefficient of the refractive index of gallium antimonide is 37.64 × 10 -5 /K@1310nm,37.44×10 -5 / K @ 1550nm.
屈折率調整領域33は、結晶構造を有していても良いが、多結晶又は非晶質構造であっても良い。例えば、屈折率調整領域33は、非晶質の誘電体によって形成されていても良い。結晶構造の屈折率調整領域33は、有機金属気相成長法(MOVPE法)を用いて形成され得る。また、多結晶又は非晶質構造の屈折率調整領域33は、CVD又はPVD法を用いて形成され得る。
The refractive
同様に、電流ブロック層31又は下側埋め込み領域32又は上側埋め込み領域34は、結晶構造を有していても良いが、多結晶又は非晶質構造であっても良い。
Similarly, the
上述したように、埋め込み層30に屈折率調整領域33を配置することにより、発振波長を決定する素子部分の等価屈折率が大きくなると、利得ピーク波長を決定する素子部分の等価屈折率も影響を受けて大きくなる。しかし、利得ピーク波長は、発振波長と同じだけ波長がシフトするので、屈折率調整領域33は、利得ピーク波長と発振波長との間の相対的な波長の関係に変化を生じさせない。
As described above, when the refractive
図4は、光半導体素子のニアフィールド及びファーフィールドにおける光の電界分布を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing the electric field distribution of light in the near field and the far field of the optical semiconductor element.
図4には、光半導体素子10におけるニアフィールドの電界分布P1と、光が自由空間に送出されたファーフィールドの電界分布Q1とが実線で示されている。また、図4には、図3(B)に示す光半導体素子におけるニアフィールドの電界分布P2と、ファーフィールドの電界分布Q2とが鎖線で示されている。
In FIG. 4, the near-field electric field distribution P <b> 1 in the
図3を参照して説明したように、光半導体素子10は、ニアフィールドを伝搬する導波モードの電界分布の拡がりが大きくなるので、光半導体素子10から自由空間に送出されたファーフィールドにおける光の電界強度の拡がりは逆に小さくなる。
As described with reference to FIG. 3, the
図4に示すように、光半導体素子10は、屈折率の大きい屈折率調整領域33の存在によって、ファーフィールドにおける光の電界分布の拡がりが、図3(B)の場合よりも狭くなる。従って、光半導体素子10から送出される光を光ファイバで伝送する場合には、ファーフィールドにおける光の電界分布の拡がりが狭いので、光半導体素子10から送出される光は、光ファイバとの結合が向上する。
As shown in FIG. 4, in the
上述した本実施形態の光半導体素子によれば、発振波長の温度変化係数が、利得ピーク波長の温度変化係数に近づくので、緩和振動周波数の温度による変化を低減することができる。 According to the above-described optical semiconductor device of the present embodiment, the temperature change coefficient of the oscillation wavelength approaches the temperature change coefficient of the gain peak wavelength, so that changes due to the temperature of the relaxation oscillation frequency can be reduced.
また、緩和振動周波数の温度による変化が小さいので、温度変化に伴う発振波長及び利得ピーク波長の変化を考慮した離調の設定が容易になる。 In addition, since the change in relaxation oscillation frequency due to temperature is small, detuning can be easily set in consideration of changes in oscillation wavelength and gain peak wavelength accompanying temperature change.
次に、上述した第1実施形態の光半導体素子の変型例を、図を参照して、以下に説明する。 Next, a modified example of the above-described optical semiconductor device of the first embodiment will be described below with reference to the drawings.
図5は、第1実施形態の光半導体素子の変型例を示す図である。 FIG. 5 is a view showing a modified example of the optical semiconductor element of the first embodiment.
本変型例の光半導体素子10では、埋め込み層30が電流ブロック層を有しておらず、電流ブロック層と下側埋め込み領域と上側埋め込み領域とが一体となった埋め込み領域35を有している点が、上述した第1実施形態とは異なっている。
In the
埋め込み領域35は、屈折率調整領域33を挟み込むと共に、基板11上からメサ部20の側面を覆うように配置されている。
The embedded region 35 is disposed so as to sandwich the refractive
屈折率調整領域33とメサ部20との間には、埋め込み領域35の一部分が配置されており、屈折率調整領域33とメサ部20とが接することが防止される。
A part of the buried region 35 is disposed between the refractive
本変型例の光半導体素子10は、例えば、第1実施形態において、電流ブロック層と下側埋め込み領域と上側埋め込み領域を、同じ材料を用いて形成することにより得られる。
The
次に、上述した光半導体素子の第2実施形態を、図6及び図7を参照しながら以下に説明する。第2実施形態について特に説明しない点については、上述の第1実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。 Next, a second embodiment of the above-described optical semiconductor element will be described below with reference to FIGS. For points that are not particularly described in the second embodiment, the description in detail regarding the first embodiment is applied as appropriate. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same component.
図6は、本明細書に開示する光半導体素子の第2実施形態を示す図である。図7は、図6のX2−X2線断面図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating a second embodiment of the optical semiconductor element disclosed in this specification. 7 is a cross-sectional view taken along line X2-X2 of FIG.
本実施形態の光半導体素子10は、分布反射型の半導体レーザである。本実施形態の光半導体素子10では、活性層24の体積を第1実施形態よりも小さくすることにより微分利得を増加させて、緩和振動周波数を増大している。具体的には、メサ部20の長手方向の寸法を、第1実施形態よりも短くしている。
The
ただし、活性層24の長手方向の寸法を短くすると、レーザ発振の電流の閾値が高くなるか、又は発振が不安定になる場合がある。そこで、本実施形態では、メサ部20の長手方向の両側に分布反射領域を配置して、活性層24の長手方向の寸法を短くすることにより不具合が生じることを防止している。
However, if the length of the
図7に示すように、光半導体素子10は、前方分布反射領域10aと、活性層24が配置される活性領域10bと、後方分布反射領域10cとを有する。
As shown in FIG. 7, the
活性領域10bは、メサ部20の部分及び埋め込み層30の部分を有しており、上述した第1実施形態の光半導体素子と同様の構造を有する。ただし、活性領域10bの回折格子層21は、位相シフトを有していない。
The
前方分布反射領域10aは、メサ部20の部分の構造が、活性領域10bとは異なっており、活性層の代わりに、利得を生じないコア層28を有する。コア層28は、活性層24で生じた光を伝搬する。また、コア層28の上には、第3クラッド層29が配置される。基板11及び回折格子層21及びガイド層22及びエッチングストッパ層23及び第2クラッド層26及びコンタクト層27は、活性領域10bと一体に形成される。
The forward distributed
一方、前方分布反射領域10aにおける埋め込み層30の部分の構造は、活性領域10bと同じであり、活性領域10bと一体に形成される。埋め込み層30では、その高さ方向において、活性層24又はコア層28と一致する位置に屈折率調整領域33が配置される。
On the other hand, the structure of the portion of the buried
後方分布反射領域10cは、前方分布反射領域10aと同様の構造を有する。後方分布反射領域10cの寸法は、前方分布反射領域10aよりも長い。
The rear
光半導体素子10では、電流が活性領域10bに注入されるように、第1電極13及び第2電極14が、長手方向において活性領域10bの位置に配置されている。活性領域10bで発振した光は、前方分布反射領域10a又は後方分布反射領域10cで反射されて活性領域10bに戻される。
In the
上述した本実施形態の光半導体素子10によれば、緩和振動周波数の温度による変化を低減すると共に、緩和振動周波数が増大する。
According to the above-described
次に、上述した本明細書に開示する光半導体素子を有する光送信モジュール、及び、このような光送信モジュールを備えた光伝送システムを、図面を参照して、以下に説明する。 Next, an optical transmission module having the optical semiconductor element disclosed in this specification and an optical transmission system including such an optical transmission module will be described below with reference to the drawings.
図8は、本明細書に開示する光伝送システムの一実施形態を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating an embodiment of an optical transmission system disclosed in this specification.
本実施形態の光伝送システム40は、光送信モジュール50と、光送信モジュール50から送出された光を伝搬する光ファイバ41と、光ファイバ41から光を受信する光受信モジュール60とを有する。
The
光送信モジュール50は、上述した第1実施形態又は第2実施形態の光半導体素子である半導体レーザ51と、光半導体素子51の活性層に電流を供給する駆動部52と、半導体レーザ51から送出されるレーザ光を光ファイバ41に結合するレンズ53と、を有する。
The
また、光送信モジュール50は、光ファイバ41からの反射光が半導体レーザ51に侵入することを防止するアイソレータ54と、半導体レーザ51のレーザ発振をモニタするモニタ部55とを有する。
The
光送信モジュール50は、半導体レーザ51のアンクールド動作で直接変調されて生成された光信号を光ファイバ41に送出する。
The
光受信モジュール60は、光受信部61と、光ファイバ41から送出されるレーザ光を光受信部61に結合するレンズ63と、光受信部61を駆動する駆動部62とを有する。
The
図8に示す例では、一対の光送信モジュール50及び光受信モジュール60が記載されているが、光伝送システム40は、複数の対の光送信モジュール50及び光受信モジュール60を備えていても良い。
In the example shown in FIG. 8, a pair of
上述した本実施形態の光伝送システム40によれば、光送信モジュール50が緩和振動周波数の温度による変化が小さい半導体レーザ51を有しているので、アンクールド動作において、高い周波数範囲まで直接変調による安定した光の送信が可能である。
According to the
次に、上述した光半導体素子の好ましい製造方法の第1実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。この実施形態は、図1及び図2に示す光半導体素子の製造方法の一例である。 Next, a preferred embodiment of the above-described method for manufacturing an optical semiconductor device will be described below with reference to the drawings. This embodiment is an example of a method for manufacturing the optical semiconductor element shown in FIGS.
まず、図9に示すように、基板11上に回折格子層を形成するためのマスク70が形成される。本実施形態では、基板11として、n型ドープInP基板を用いた。マスク70の形成には、電子ビーム露光法を用いた。マスク70の長さを150μmとして、長手方向の中央には、πラジアン(λ/4シフトに相当)の位相シフトを形成するためのマスクの部分70aが設けられている。また、回折格子の周期は199.505nmとした。
First, as shown in FIG. 9, a
次に、図10に示すように、マスク70を用いて、基板11を途中までエッチングして、回折格子層21が形成される。回折格子層21の長手方向の中央には、位相シフト21aが形成される。本実施形態では、エタン/水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング(Reactive Ion Etching:RIE)を用いた。また、回折格子の深さは、100nmとした。そして、マスク70が除去される。
Next, as shown in FIG. 10, the
次に、図11に示すように、ガイド層22と、エッチングストッパ層23と、活性層24と、第1クラッド層25と、第2クラッド層26と、コンタクト層27とが、回折格子層21上に順番に形成される。本実施形態では、MOVPE法を用いて、各層の形成を行った。ガイド層22は、n型ドープGaInAsPを用いて形成され、組成波長1.20μm、厚さ120nmであった。エッチングストッパ層23は、n型ドープInPを用いて形成され、厚さ20nmであった。なお、エッチングストッパ層23は、形成されなくても良い。
Next, as shown in FIG. 11, the
活性層25としては、量子井戸構造を用いた。量子井戸構造は、アンドープAlGaInAs井戸層、及び、アンドープAlGaInAsバリア層を用いて形成された。ここで、アンドープAlGaInAs井戸層は、厚さ6nm、圧縮歪量1.2%とした。また、アンドープAlGaInAsバリア層は、組成波長1.05μm、厚さ10nmとした。量子井戸構造の積層数は15層として、その発光波長(発振波長)は1310nmであった。
As the
また、量子井戸構造の上下に、量子井戸構造を挟み込むように、アンドープAlGaInAs−SCH(Separate Confinement Heterostructure)層を設けた。ここで、アンドープAlGaInAs−SCH層は、組成波長1.05μm、厚さ20nmであった。 In addition, an undoped AlGaInAs-SCH (Separate Composition Heterostructure) layer was provided above and below the quantum well structure so as to sandwich the quantum well structure. Here, the undoped AlGaInAs-SCH layer had a composition wavelength of 1.05 μm and a thickness of 20 nm.
活性層24上の第1クラッド層25は、p型ドープInPを用いて形成され、厚さ250nmであった。第2クラッド層26は、Znをドープしたp型InPを用いて形成され、厚さ2.5μmであった。コンタクト層27は、Znをドープしたp型GaInAsを用いて形成され、厚さ300nmであった。
The
次に、図12に示すように、メサ部を形成するためのストライプ状のマスク71が、コンタクト層27上に、素子の長手方向の全体に亘って形成される。本実施形態では、化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法及びフォトリソグラフィ技術を用いて、マスク71を形成した。また、マスク71は、SiO2を用いて形成され、幅1.3μm、厚さ400nmであった。
Next, as shown in FIG. 12, a
次に、図13に示すように、マスク71を用いて、マスクが形成されていない部分のコンタクト層27から基板11の途中までをエッチングにより除去して、メサ部20が形成される。本実施形態では、基板11を表面から0.7μmの深さまで除去した。
Next, as shown in FIG. 13, using the
次に、図14に示すように、メサ部20の側面上及び基板11上に、電流ブロック層31が形成される。本実施形態では、MOVPE法を用いて、電流ブロック層31の形成を行った。電流ブロック層31は、半絶縁性を有するアンドープAlInAsを用いて形成され、厚さは0.2μmであった。
Next, as shown in FIG. 14, the
次に、図15に示すように、下側埋め込み領域32と屈折率調整領域33と上側埋め込み領域34とを、電流ブロック層31を介して基板11上に順番に積層して、埋め込み層30が形成される。屈折率調整領域33は、埋め込み層30の高さ方向において活性層24と重なる位置に、具体的には活性層24と一致する位置に、配置されるように形成される。本実施形態では、MOVPE法を用いて、各層の形成を行った。下側埋め込み領域32は、アンドープInPを用いて形成され、厚さ0.5μmであった。屈折率調整領域33は、アンドープInSbを用いて形成され、厚さ0.25μmであった。上側埋め込み領域34は、アンドープInPを用いて形成され、厚さ3.0μmであった。そして、マスク71が除去される。
Next, as shown in FIG. 15, the lower buried
次に、図16に示すように、パッシベーション層12が、メサ部20及び埋め込み層30上に形成される。本実施形態では、パッシベーション層12は、SiO2を用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 16, the
そして、通常のリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、パッシベーション層12の第1電極が形成される部分を除去した後、第1電極13が形成される。また、基板11の下に第2電極14が形成される。
Then, the
そして、素子の長手方向の両面上に、無反射層15a、15bが形成されて、光半導体素子10の製造が完成する。
Then,
上述したように形成された光半導体素子10では、活性層24の屈折率は3.49であり、屈折率の温度変化係数は32×10-5 K-1であった。活性層24及びエッチングストッパ層23及び第1クラッド層25の部分の等価屈折率は3.32であり、屈折率の温度変化係数は21.6×10-5 K-1であった。屈折率調整領域33の屈折率は4.13であり、屈折率の温度変化係数は66.1×10-5 K-1であった。屈折率調整領域33及び下側埋め込み領域32及び上側埋め込み領域34の部分の等価屈折率は3.29であり、屈折率の温度変化係数は60.8×10-5 K-1であった。
In the
また、光半導体素子10は、発振波長の温度変化係数が、埋め込み層に屈折率調整領域が配置されない場合と比べて、2.25倍に増大した。
Further, in the
次に、上述した光半導体素子の好ましい製造方法の第2実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。この実施形態は、図6及び図7に示す光半導体素子を製造方法の一例である。 Next, a second embodiment of a preferable method for manufacturing the above-described optical semiconductor element will be described below with reference to the drawings. This embodiment is an example of a method for manufacturing the optical semiconductor element shown in FIGS.
まず、図17に示すように、基板11上に回折格子層を形成するためのマスク72が形成される。本実施形態では、基板11として、n型ドープInP基板を用いた。マスク72の形成には、二光束干渉露光法を用いた。将来、前方分布反射領域となる基板11の部分11aの長さを25μmとして、活性領域となる基板11の部分11bの長さを100μmとし、後方分布反射領域となる基板11の部分11cの長さを75μmとした。回折格子の周期は、部分11a、11b、11cにおいて同じであり、236.055nmとした。
First, as shown in FIG. 17, a
次に、図18に示すように、マスク72を用いて、基板11を途中までエッチングして、回折格子層21が形成される。本実施形態では、エタン/水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング(Reactive Ion Etching:RIE)を用いた。また、回折格子の深さは、100nmとした。そして、マスク72が除去される。
Next, as shown in FIG. 18, the
次に、図19に示すように、ガイド層22と、エッチングストッパ層23と、活性層24と、第1クラッド層25とが、回折格子層21上に順番に形成される。本実施形態では、MOVPE法を用いて、各層の形成を行った。ガイド層22は、n型ドープGaInAsPを用いて形成され、組成波長1.20μm、厚さ120nmであった。エッチングストッパ層23は、n型ドープInPを用いて形成され、厚さ20nmであった。
Next, as shown in FIG. 19, a
活性層25としては、量子井戸構造を用いた。量子井戸構造は、アンドープGaInAsP井戸層、及び、アンドープGaInAsPバリア層を用いて形成された。ここで、アンドープGaInAsP井戸層は、厚さ5.1nm、圧縮歪量1.2%とした。また、アンドープGaInAsPバリア層は、組成波長1.20μm、厚さ10nmとした。量子井戸構造の積層数は15層として、その発光波長(発振波長)は1550nmであった。
As the
また、量子井戸構造の上下に、量子井戸構造を挟み込むように、アンドープGaInAsP−SCH(Separate Confinement Heterostructure)層を設けた。ここで、アンドープGaInAsP−SCH層は、組成波長1.15μm、厚さ20nmであった。活性層24上の第1クラッド層25は、p型ドープInPを用いて形成され、厚さ250nmであった。
In addition, an undoped GaInAsP-SCH (Separate Composition Heterostructure) layer was provided above and below the quantum well structure so as to sandwich the quantum well structure. Here, the undoped GaInAsP-SCH layer had a composition wavelength of 1.15 μm and a thickness of 20 nm. The
次に、図20に示すように、将来、活性領域となる基板11の部分11bの第1クラッド層25上に、マスク73が形成される。本実施形態では、化学気相堆積(CVD;Chemical Vapor Deposition)法及びフォトリソグラフィ技術を用いて、マスク73を形成した。また、マスク71は、SiO2を用いて形成され、幅400nmであった。将来、前方分布反射領域及び後方分布反射領域となる基板11の部分11a、11bの第1クラッド層25の領域には、マスクは形成されない。
Next, as shown in FIG. 20, a
次に、図21に示すように、マスク73を用いて、マスクが形成されていない部分の第1クラッド層25及び活性層24がエッチングにより除去されて、エッチングストッパ層23が露出する。
Next, as shown in FIG. 21, using the
次に、図22に示すように、コア層28及び第3クラッド層29が、露出したエッチングストッパ層23上に順番に形成される。コア層28は、活性層24とバッティング接合される。同様に、第3クラッド層29は、第1クラッド層25とバッティング接合される。本実施形態では、MOVPE法を用いて、各層の形成を行った。コア層28は、アンドープGaInAsPを用いて形成され、組成波長1.25μm、厚さ230nmであった。第3クラッド層29は、アンドープInPを用いて形成され、厚さ250nmであった。コア層28及び第3クラッド層29は、選択成長によってSiO2であるマスク層73上には成長せず、露出しているn型ドープInPであるエッチングストッパ層23上のみに成長する。そして、マスク層73が除去される。
Next, as shown in FIG. 22, the
次に、図23に示すように、第2クラッド層26及びコンタクト層27が、第1クラッド層25及び第3クラッド層29上に、順番に形成される。本実施形態では、MOVPE法を用いて、各層の形成を行った。第2クラッド層26は、Znをドープしたp型InPを用いて形成され、厚さ2.5μmであった。コンタクト層27は、Znをドープしたp型GaInAsを用いて形成され、厚さ300nmであった。
Next, as shown in FIG. 23, the
次に、図24に示すように、メサ部を形成するためのストライプ状のマスク74が、コンタクト層27上に、素子の長手方向の全体に亘って形成される。本実施形態では、CVD法及びフォトリソグラフィ技術を用いて、マスク74を形成した。また、マスク74は、SiO2を用いて形成され、幅1.5μm、厚さ400nmであった。
Next, as shown in FIG. 24, a
次に、図25に示すように、マスク74を用いて、マスクが形成されていない部分のコンタクト層27から基板11の途中までをエッチングにより除去して、メサ部20が形成される。本実施形態では、基板11を表面から0.7μmの深さまで除去した。
Next, as shown in FIG. 25, the
次に、図26に示すように、メサ部20の側面上及び基板11上に、電流ブロック層31が形成される。本実施形態では、MOVPE法を用いて、電流ブロック層31の形成を行った。電流ブロック層31は、半絶縁性を有するFeドープ型InPを用いて形成され、厚さは0.2μmであった。
Next, as illustrated in FIG. 26, the
次に、図27に示すように、下側埋め込み領域32と屈折率調整領域33と上側埋め込み領域34とを、電流ブロック層31を介して基板11上に順番に積層して、埋め込み層30が形成される。屈折率調整領域33は、埋め込み層30の高さ方向において活性層24と重なる位置に、具体的には活性層24と一致する位置に、配置されるように形成される。本実施形態では、MOVPE法を用いて、各層の形成を行った。下側埋め込み領域32は、アンドープInPを用いて形成され、厚さ0.5μmであった。屈折率調整領域33は、アンドープGaInS(登録商標)bを用いて形成され、厚さ0.25μmであった。上側埋め込み領域34は、アンドープInPを用いて形成され、厚さ3.0μmであった。そして、マスク74が除去される。
Next, as shown in FIG. 27, the lower buried
次に、図28に示すように、パッシベーション層12が、メサ部20及び埋め込み層30上に形成される。本実施形態では、パッシベーション層12は、SiO2を用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 28, the
そして、通常のリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、パッシベーション層12の第1電極が形成される部分を除去した後、第1電極13が形成される。また、基板11の下に第2電極14が形成される。
Then, the
そして、素子の長手方向の両面上に、無反射層15a、15bが形成されて、光半導体素子10の製造が完成する。
Then,
上述したように形成された光半導体素子10では、活性層24の屈折率は3.44であり、屈折率の温度変化係数は30×10-5 K-1であった。活性層24及びエッチングストッパ層23及び第1クラッド層25の部分の等価屈折率は3.25であり、屈折率の温度変化係数は23.7×10-5 K-1であった。屈折率調整領域33の屈折率は4.08であり、屈折率の温度変化係数は65.3×10-5 K-1であった。屈折率調整領域33及び下側埋め込み領域32及び上側埋め込み領域34の部分の等価屈折率は3.24であり、屈折率の温度変化係数は61.32×10-5 K-1であった。
In the
また、光半導体素子10は、発振波長の温度変化係数が、埋め込み層に屈折率調整領域が配置されない場合と比べて、2倍に増大した。
Moreover, in the
本発明では、上述した実施形態の光半導体素子、光送信モジュール、光伝送システム及び光半導体素子の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。 In the present invention, the optical semiconductor element, the optical transmission module, the optical transmission system, and the manufacturing method of the optical semiconductor element of the above-described embodiments can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. In addition, the configuration requirements of one embodiment can be applied to other embodiments as appropriate.
例えば、上述した製造方法の第1実施形態では、活性層がAlGaInAs系化合物半導体を用いて形成され、第2実施形態では、活性層がGaInAsP系化合物半導体を用いて形成されていた。しかし、第1実施形態の活性層がGaInAsP系化合物半導体を用いて形成され、第2実施形態の活性層がAlGaInAs系化合物半導体を用いて形成されても良い。 For example, in the first embodiment of the manufacturing method described above, the active layer is formed using an AlGaInAs compound semiconductor, and in the second embodiment, the active layer is formed using a GaInAsP compound semiconductor. However, the active layer of the first embodiment may be formed using a GaInAsP-based compound semiconductor, and the active layer of the second embodiment may be formed using an AlGaInAs-based compound semiconductor.
また、上述した製造方法の第1実施形態では、電流ブロック層がAlInAs系化合物半導体を用いて形成され、第2実施形態では、電流ブロック層がInP系化合物半導体を用いて形成されていた。しかし、第1実施形態の電流ブロック層がInP系化合物半導体を用いて形成され、第2実施形態の電流ブロック層がAlInAs系化合物半導体を用いて形成されても良い。また、電流ブロック層は、誘電体を用いて形成されても良い。 In the first embodiment of the manufacturing method described above, the current blocking layer is formed using an AlInAs compound semiconductor, and in the second embodiment, the current blocking layer is formed using an InP compound semiconductor. However, the current blocking layer of the first embodiment may be formed using an InP-based compound semiconductor, and the current blocking layer of the second embodiment may be formed using an AlInAs-based compound semiconductor. The current blocking layer may be formed using a dielectric.
また、上述した製造方法の各実施形態では、基板又は活性層がInPを含む化合物半導体を用いて形成されていたが、基板又は活性層は、GaAs/AlGaAs/GaInP等の他の化合物半導体を用いて形成されても良い。 In each embodiment of the manufacturing method described above, the substrate or the active layer is formed using a compound semiconductor containing InP, but the substrate or the active layer uses another compound semiconductor such as GaAs / AlGaAs / GaInP. May be formed.
また、上述した製造方法の各実施形態では、n型の導電性を有する基板を用いていたが、p型の導電性を有する基板を用いて、その上に各実施形態とは逆の導電性を有する素子構造を形成しても良い。 Moreover, in each embodiment of the manufacturing method described above, a substrate having n-type conductivity is used, but a substrate having p-type conductivity is used, and a conductivity opposite to that of each embodiment is provided thereon. You may form the element structure which has.
また、上述した製造方法の各実施形態では、n型ドープInP基板を用いていたが、半絶縁性の基板を用いても良い。また、光半導体素子をシリコン基板の上に貼り合わせる方法を用いて形成しても良い。 In each embodiment of the manufacturing method described above, the n-type doped InP substrate is used, but a semi-insulating substrate may be used. Alternatively, the optical semiconductor element may be formed using a method of bonding onto a silicon substrate.
また、上述した各実施形態では、回折格子が基板の表面に形成される表面回折格子構造を有していたが、埋め込み型の回折格子構造を有していても良い。 In each of the above-described embodiments, the diffraction grating has a surface diffraction grating structure formed on the surface of the substrate, but may have a buried diffraction grating structure.
また、上述した各実施形態では、回折格子層は、活性層に対して基板側に配置されていたが、回折格子層は、活性層に対して、基板とは反対側に配置されていても良い。 In each of the embodiments described above, the diffraction grating layer is disposed on the substrate side with respect to the active layer. However, the diffraction grating layer may be disposed on the side opposite to the substrate with respect to the active layer. good.
また、上述した第1実施形態では、位相シフトは、回折格子層の長手方向の中央に配置されていたが、位相シフトは、回折格子層内であれば中央以外の位置に配置されても良い。また、位相シフトの値は、πラジアンに限られるものではなく、設計の範囲内で任意の値にすることも可能である。 In the first embodiment described above, the phase shift is disposed at the center in the longitudinal direction of the diffraction grating layer. However, the phase shift may be disposed at a position other than the center as long as it is within the diffraction grating layer. . Further, the value of the phase shift is not limited to π radians, and may be an arbitrary value within the design range.
また、上述した第2実施形態では、活性領域と前方分布反射領域及び後方分布反射領域とは、回折格子の深さが同じであり、伝搬する光と回折格子との間の結合係数が同じであった。しかし、素子設計によっては、活性領域と前方分布反射領域及び後方分布反射領域とは、伝搬する光と回折格子との間の結合係数が異なっていても良い。 In the second embodiment described above, the active region, the front distributed reflection region, and the rear distributed reflection region have the same diffraction grating depth, and the coupling coefficient between the propagating light and the diffraction grating is the same. there were. However, depending on the element design, the active region, the front distributed reflection region, and the rear distributed reflection region may have different coupling coefficients between the propagating light and the diffraction grating.
また、上述した第2実施形態では、前方分布反射領域を有していたが、素子設計によっては、前方分布反射領域を有していなくても良い。 In the second embodiment described above, the front distributed reflection area is provided. However, depending on the element design, the front distributed reflection area may not be provided.
また、上述した各実施形態では、回折格子の山谷比が50%であったが、素子設計によっては、山谷比は他の値であっても良い。 In each of the embodiments described above, the peak-to-valley ratio of the diffraction grating is 50%, but the peak-to-valley ratio may be other values depending on the element design.
更に、上述した各実施形態の光半導体素子は、回折格子層を有する半導体レーザであったが、本明細書に開示する光半導体素子は、回折格子を有さないファブリ・ペロー型半導体レーザであっても良い。このようなファブリ・ペロー型半導体レーザは、ファーフィールドにおける光の電界分布の拡がりが狭いので、レーザから送出される光は、光ファイバとの結合が向上する。同様の観点から、本明細書に開示する光半導体素子は、半導体光アンプであっても良い。 Furthermore, although the optical semiconductor element of each of the embodiments described above is a semiconductor laser having a diffraction grating layer, the optical semiconductor element disclosed in this specification is a Fabry-Perot semiconductor laser having no diffraction grating. May be. Since such a Fabry-Perot type semiconductor laser has a narrow spread of the electric field distribution of light in the far field, the coupling between the light transmitted from the laser and the optical fiber is improved. From the same viewpoint, the optical semiconductor element disclosed in this specification may be a semiconductor optical amplifier.
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。 All examples and conditional words mentioned herein are intended for educational purposes to help the reader deepen and understand the inventions and concepts contributed by the inventor. All examples and conditional words mentioned herein are to be construed without limitation to such specifically stated examples and conditions. Also, such exemplary mechanisms in the specification are not related to showing the superiority and inferiority of the present invention. While embodiments of the present invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions or modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。 Regarding the above-described embodiments, the following additional notes are disclosed.
(付記1)
活性層を有するメサ部と、
前記メサ部を埋め込む埋め込み層と、
を備え、
前記埋め込み層は、前記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ前記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、
前記屈折率調整領域は、前記埋め込み層の高さ方向において、前記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置される光半導体素子。
(Appendix 1)
A mesa portion having an active layer;
An embedded layer for embedding the mesa portion;
With
The buried layer has a refractive index adjustment region having a refractive index temperature change coefficient larger than the refractive index temperature change coefficient of the active layer and having a refractive index larger than the refractive index of the active layer;
The refractive index adjustment region is an optical semiconductor element disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer.
(付記2)
前記屈折率調整領域は、前記メサ部とは接していない付記1に記載の光半導体素子。
(Appendix 2)
The optical semiconductor element according to
(付記3)
前記屈折率調整領域と前記メサ部との間に半絶縁体層が配置される付記2に記載の光半導体素子。
(Appendix 3)
The optical semiconductor element according to appendix 2, wherein a semi-insulator layer is disposed between the refractive index adjustment region and the mesa portion.
(付記4)
前記屈折率調整領域と前記メサ部との間に電気絶縁体層が配置される付記2に記載の光半導体素子。
(Appendix 4)
The optical semiconductor element according to appendix 2, wherein an electrical insulator layer is disposed between the refractive index adjustment region and the mesa portion.
(付記5)
前記屈折率調整領域は、前記埋め込み層の高さ方向において、前記活性層と一致する位置に配置される付記1〜4の何れか一項に記載の光半導体素子。
(Appendix 5)
5. The optical semiconductor device according to
(付記6)
前記活性層がIII−V族化合物を有し、
前記屈折率調整領域が、インジウム・アンチモン又はガリウム・アンチモン又はアルミニウム・アンチモン又はこれらの混晶を有する付記1〜5の何れか一項に記載の光半導体素子。
(Appendix 6)
The active layer comprises a III-V group compound;
The optical semiconductor element according to any one of
(付記7)
前記メサ部が、回折格子層を有する付記1〜6の何れか一項に記載の光半導体素子。
(Appendix 7)
The optical semiconductor element according to any one of
(付記8)
活性層を有するメサ部と、
前記メサ部を埋め込む埋め込み層と、
を備え、
前記埋め込み層は、前記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ前記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域有し、
前記屈折率調整領域は、前記埋め込み層の高さ方向において、前記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置される光半導体素子と、
前記活性層に電流を供給する駆動部と、
を備え、
前記光半導体素子が、光ファイバに向けて光を送出する光送信モジュール。
(Appendix 8)
A mesa portion having an active layer;
An embedded layer for embedding the mesa portion;
With
The buried layer has a refractive index adjustment region having a refractive index temperature change coefficient larger than the refractive index temperature change coefficient of the active layer and having a refractive index larger than the refractive index of the active layer;
The refractive index adjustment region is an optical semiconductor element disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer;
A driver for supplying current to the active layer;
With
An optical transmission module in which the optical semiconductor element transmits light toward an optical fiber.
(付記9)
活性層を有するメサ部と、
前記メサ部を埋め込む埋め込み層と、
を備え、
前記埋め込み層は、前記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ前記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、
前記屈折率調整領域は、前記埋め込み層の高さ方向において、前記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置される光半導体素子と、
前記光半導体素子に電流を供給する駆動部と、
を有する光送信モジュールと、
前記光送信モジュールから送出された光を伝搬する光ファイバと、
前記光ファイバから光を受信する光受信モジュールと、
を備えた光伝送システム。
(Appendix 9)
A mesa portion having an active layer;
An embedded layer for embedding the mesa portion;
With
The buried layer has a refractive index adjustment region having a refractive index temperature change coefficient larger than the refractive index temperature change coefficient of the active layer and having a refractive index larger than the refractive index of the active layer;
The refractive index adjustment region is an optical semiconductor element disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer;
A drive unit for supplying current to the optical semiconductor element;
An optical transmission module having
An optical fiber for propagating light transmitted from the optical transmission module;
An optical receiver module for receiving light from the optical fiber;
Optical transmission system equipped with.
(付記10)
基板上に活性層を有するメサ部を形成する工程と、
前記メサ部を埋め込むように埋め込み層を形成する工程であって、前記埋め込み層は、前記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し且つ前記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、前記屈折率調整領域が前記埋め込み層の高さ方向において前記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置されるように埋め込み層を形成する工程と、
を備えた光半導体素子の製造方法。
(Appendix 10)
Forming a mesa portion having an active layer on a substrate;
Forming a buried layer so as to embed the mesa portion, wherein the buried layer has a temperature change coefficient of a refractive index larger than a temperature change coefficient of a refractive index of the active layer and is refracted by the active layer; And forming a buried layer so that the refractive index adjustment region is disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer. And a process of
A method for manufacturing an optical semiconductor device comprising:
10 光半導体素子
10a 前方分布反射領域
10b 活性領域
10c 後方分布反射領域
11 基板
12 パッシベーション層
13 第1電極
14 第2電極
15a、15b 無反射層
20 メサ部
21 回折格子層
21a 位相シフト
22 ガイド層
23 エッチングストッパ層
24 活性層
25 第1クラッド層
26 第2クラッド層
27 コンタクト層
28 コア層
29 第3クラッド層
30 埋め込み層
31 電流ブロック層
32 下側埋め込み領域
33 屈折率調整領域
34 上側埋め込み領域
35 埋め込み領域
40 光伝送システム
41 光ファイバ
50 光送信モジュール
51 半導体レーザ
52 駆動部
53 レンズ
54 アイソレータ
55 モニタ部
60 光受信モジュール
61 光受信部
62 駆動部
63 レンズ
70 マスク
71 マスク
72 マスク
73 マスク
74 マスク
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記メサ部を埋め込む埋め込み層と、
を備え、
前記埋め込み層は、前記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ前記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、
前記屈折率調整領域は、前記埋め込み層の高さ方向において、前記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置され、発振波長の温度変化係数が、利得ピーク波長の温度変化係数よりも小さい光半導体素子。 A mesa portion having an active layer;
An embedded layer for embedding the mesa portion;
With
The buried layer has a refractive index adjustment region having a refractive index temperature change coefficient larger than the refractive index temperature change coefficient of the active layer and having a refractive index larger than the refractive index of the active layer;
The refractive index adjustment region is disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer, and has a temperature change coefficient of the oscillation wavelength smaller than the temperature change coefficient of the gain peak wavelength. Semiconductor element.
前記屈折率調整領域が、インジウム・アンチモン又はガリウム・アンチモン又はアルミニウム・アンチモン又はこれらの混晶を有する請求項1〜3の何れか一項に記載の光半導体素子。 The active layer comprises a III-V group compound;
The optical semiconductor element according to any one of claims 1 to 3, wherein the refractive index adjustment region has indium antimony, gallium antimony, aluminum antimony, or a mixed crystal thereof.
前記メサ部を埋め込む埋め込み層と、
を備え、
前記埋め込み層は、前記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ前記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、
前記屈折率調整領域は、前記埋め込み層の高さ方向において、前記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置され、発振波長の温度変化係数が、利得ピーク波長の温度変化係数よりも小さい光半導体素子と、
前記活性層に電流を供給する駆動部と、
を備え、
前記光半導体素子が、光ファイバに向けて光を送出する光送信モジュール。 A mesa portion having an active layer;
An embedded layer for embedding the mesa portion;
With
The buried layer has a refractive index adjustment region having a refractive index temperature change coefficient larger than the refractive index temperature change coefficient of the active layer and having a refractive index larger than the refractive index of the active layer;
The refractive index adjustment region is disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer, and has a temperature change coefficient of the oscillation wavelength smaller than the temperature change coefficient of the gain peak wavelength. A semiconductor element;
A driver for supplying current to the active layer;
With
An optical transmission module in which the optical semiconductor element transmits light toward an optical fiber.
前記メサ部を埋め込む埋め込み層と、
を備え、
前記埋め込み層は、前記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し、且つ前記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、
前記屈折率調整領域は、前記埋め込み層の高さ方向において、前記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置され、発振波長の温度変化係数が、利得ピーク波長の温度変化係数よりも小さい光半導体素子と、
前記光半導体素子に電流を供給する駆動部と、
を有する光送信モジュールと、
前記光送信モジュールから送出された光を伝搬する光ファイバと、
前記光ファイバから光を受信する光受信モジュールと、
を備えた光伝送システム。 A mesa portion having an active layer;
An embedded layer for embedding the mesa portion;
With
The buried layer has a refractive index adjustment region having a refractive index temperature change coefficient larger than the refractive index temperature change coefficient of the active layer and having a refractive index larger than the refractive index of the active layer;
The refractive index adjustment region is disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer, and has a temperature change coefficient of the oscillation wavelength smaller than the temperature change coefficient of the gain peak wavelength. A semiconductor element;
A drive unit for supplying current to the optical semiconductor element;
An optical transmission module having
An optical fiber for propagating light transmitted from the optical transmission module;
An optical receiver module for receiving light from the optical fiber;
Optical transmission system equipped with.
基板上に活性層を有するメサ部を形成する工程と、
前記メサ部を埋め込むように埋め込み層を形成する工程であって、前記埋め込み層は、前記活性層の屈折率の温度変化係数よりも大きい屈折率の温度変化係数を有し且つ前記活性層の屈折率よりも大きい屈折率を有する屈折率調整領域を有し、前記屈折率調整領域が前記埋め込み層の高さ方向において前記活性層と少なくとも一部が重なる位置に配置されるように埋め込み層を形成する工程と、
を備えた光半導体素子の製造方法。 A method for manufacturing an optical semiconductor element, wherein the temperature change coefficient of the oscillation wavelength is smaller than the temperature change coefficient of the gain peak wavelength,
Forming a mesa portion having an active layer on a substrate;
Forming a buried layer so as to embed the mesa portion, wherein the buried layer has a temperature change coefficient of a refractive index larger than a temperature change coefficient of a refractive index of the active layer and is refracted by the active layer; And forming a buried layer so that the refractive index adjustment region is disposed at a position at least partially overlapping the active layer in the height direction of the buried layer. And a process of
A method for manufacturing an optical semiconductor device comprising:
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