JP5888883B2 - スポットサイズ変換器、半導体光素子、及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施形態に係るスポットサイズ変換器1の構造を示す模式図である。当該実施形態に係るスポットサイズ変換器1は、図1に示す通り、デュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器であり、スポットサイズ変換器1は、上部コア層12と下部コア層13を含む複数層が積層される多層構造を有している。詳細については後述する通り、2層のコア層の周縁がクラッド層11に囲われている。また、スポットサイズ変換器1において、図の背面側よりレーザ光が上部コア層12に入射し、上部コア層12を伝搬する光が下部コア層13に遷移し、スポットサイズ変換器1は、図の前面側より、スポットサイズが変換されたレーザ光を出射する。すなわち、図1に示す背面が入射端面51であり、前面が出射端面52である。光遷移領域において、多層構造は、上部メサストライプ構造と下部メサストライプ構造からなるデュアルメサ構造となっており、上部コア層12を含む上部メサストライプ構造のメサ幅は、レーザ光の出射方向に沿って小さくなっている。これに対して、下部コア層13を含む下部メサストライプ構造のメサ幅は、レーザ光の出射方向に沿って大きくなっている。上部コア層12の屈折率は、下部コア層13の屈折率より大きい。
本発明の第2の実施形態に係る半導体光素子は、スポットサイズ変換器部3と半導体レーザの利得部4とが同一の半導体基板上に集積された集積半導体レーザ素子2である。ここでは、半導体レーザは1.55μm帯のファブリペロー型レーザであり、多重量子井戸層32にはInGaAsP系材料を用いている。
本発明の第3の実施形態に係る半導体光素子は、スポットサイズ変換器部3と波長可変レーザ部6とが同一の半導体基板上に集積された集積半導体レーザ素子5である。波長可変レーザ部6は、LGLC(Lateral Grating assisted Co-directional Coupler)型の波長可変レーザであり、当該波長可変レーザの構造については、非特許文献3に記載されている。
活性層をそれぞれ結晶成長させる必要があり、また、モジュールも該レーザの波長に対応してそれぞれ製造する必要があった。製造コストが高くなること、モジュールの在庫管理が煩雑であることから、通信キャリアや装置ベンダーにとってはコストのかかるモジュールであった。そこで、1種類のモジュールで波長を自由に変えられる波長可変レーザモジュールがあれば、必要なレーザは1種類若しくは少ない種類で足りるので、製造コストの低減及び在庫管理の煩雑さも解消できる。このレーザモジュールの実現には、所望の波長範囲(たとえば、中長距離通信の一般的な波長帯であるC−bandやL−band)で発振波長が可変である波長可変レーザが必要である。仮にC−bandの波長帯域を40nm、波長間隔0.4nmとした場合、100種類の異なる波長を1種類のレーザから切り換え発振させる必要があり、波長可変レーザには、広波長帯域に亘って安定した波長制御性が求められている。さらに、波長可変レーザは固定波長レーザの代替であるため、固定波長レーザと同程度のコストが望ましく、更に、レーザモジュールの小型・低消費電力化が望ましい。
本発明の第4の実施形態に係る半導体光素子は、第3の実施形態に係る半導体光素子と基本的な構造は同じであり、スポットサイズ変換器部3と波長可変レーザ部6とが同一の半導体基板上に集積された集積半導体レーザ素子5である。当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子5は、その製造方法が第3の実施形態と異なっている。
Claims (17)
- 下部コア層と、前記下部コア層より屈折率が大きい上部コア層と、を含む複数層が積層される多層構造が、n型半導体基板上に形成され、
前記多層構造は、光遷移領域において、光の出射方向に沿って前記上部コア層の幅が徐々に小さくなり、前記下部コア層の幅が徐々に大きくなっており、
一方の端面より入射される光が、前記上部コア層を伝搬し、前記光遷移領域において光が前記上部コア層から前記下部コア層へ遷移し、さらに、前記下部コア層を伝搬して、他方の端面より出射する、スポットサイズ変換器であって、
前記光遷移領域において、前記多層構造の両側と上側が、半絶縁性半導体層によって埋め込まれている、
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。 - 前記複数層は、前記上部コア層の上側にp型の第1の半導体クラッド層を含み、
さらに、前記光遷移領域において前記半絶縁性半導体層の上側にp型の第2の半導体クラッド層が形成される、
ことを特徴とする、請求項1に記載のスポットサイズ変換器。 - 請求項2に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第1のメサストライプ構造と該第1のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第2のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、
同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子であって、
前記第1のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第1のコア層を含み、
前記第2のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第2のコア層を含み、
前記第2のメサストライプ構造の上面は前記第1のコア層の下面より低い、
ことを特徴とする、半導体光素子。 - 前記スポットサイズ変換器の前記光遷移領域における前記多層構造の両側に配置される前記半絶縁性半導体層の下面と、
前記波長選択フィルタの前記第1のメサストライプ構造の両側に配置される前記半絶縁性半導体層の下面とは、等しい高さとなっている、
ことを特徴とする、請求項3に記載の半導体光素子。 - 請求項2に記載のスポットサイズ変換器と、前記上部コア層に接する活性層を含むメサストライプ構造を有する半導体レーザ素子とが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子であって、
前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層の上側に積層される半導体層の層厚が、前記半導体レーザ素子の前記活性層の上側に積層される半導体層の層厚より大きい、
ことを特徴とする、半導体光素子。 - 請求項2に記載のスポットサイズ変換器と、電流によって光導波路の屈折率を変化させて選択する波長が制御される波長選択フィルタとが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子。
- 前記波長選択フィルタは、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第1のコア層と、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第2のコア層との間に生じる光の遷移により、光の波長を選択する、
ことを特徴とする、請求項6に記載の半導体光素子。 - 前記波長選択フィルタの選択波長帯域より狭い選択波長帯域を有する第2の波長選択フィルタと、
光を発光する利得部と、
光の位相を調整する位相調整部とが、
前記半導体基板上にモノリシックにさらに集積される請求項7に記載の半導体光素子。 - 前記n型半導体基板、前記半絶縁性半導体層、前記第1の半導体クラッド層、及び前記第2の半導体クラッド層は、InP系材料によって形成される、
ことを特徴とする、請求項2に記載のスポットサイズ変換器。 - 前記第1の半導体クラッド層には、亜鉛がドーパントとして添加され、前記半絶縁性半導体層には、ルテニウムがドーパントとして添加される、
ことを特徴とする、請求項9に記載のスポットサイズ変換器。 - 下部コア層と、前記下部コア層より屈折率が大きい上部コア層と、を含む複数層が積層される多層構造が、n型半導体基板上に形成され、
前記多層構造は、光遷移領域において、光の出射方向に沿って前記上部コア層の幅が徐々に小さくなり、前記下部コア層の幅が徐々に大きくなっており、
一方の端面より入射される光が、前記上部コア層を伝搬し、前記光遷移領域において光が前記上部コア層から前記下部コア層へ遷移し、さらに、前記下部コア層を伝搬して、他方の端面より出射する、スポットサイズ変換器の製造方法であって、
前記上部コア層の形状に対応する上部メサマスクを前記下部コア層と前記上部コア層を含む多層の上面に形成する上部メサマスク形成工程を含むとともに、前記上部コア層及び前記下部コア層を所定の形状に形成するデュアルメサ形成工程と、
前記上部メサマスクの、少なくとも前記光遷移領域に対応する部分を除去する、上部メサマスク除去工程と、
前記多層を半絶縁性半導体層で埋め込み、前記光遷移領域において、前記多層の両側に加えて上側に前記半絶縁性半導体層が形成される、埋め込み工程と、
を含むことを特徴とする、スポットサイズ変換器の製造方法。 - 前記複数層は、前記上部コア層の上側にp型の第1の半導体クラッド層を含むとともに、
前記埋め込み工程の後に、p型の第2の半導体クラッド層を積層する、クラッド層形成工程を、さらに含む、
ことを特徴とする、請求項11に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。 - 前記デュアルメサ形成工程は、
前記上部マスクと異なる材料からなる下部メサマスクを前記上部メサマスクの上側に前記下部コア層の形状に対応して形成する下部メサマスク形成工程と、
前記下部メサマスクをマスクとして、前記下部メサマスクの周縁を所定の深さまでエッチングにより除去する、第1エッチング工程と、
前記下部メサマスクを除去する、下部メサマスク除去工程と、
前記上部メサマスクをマスクとして前記上部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記上部コア層と前記下部コア層との間までエッチングにより除去するとともに、前記第1エッチング工程で前記所定の深さまでエッチングを行った領域をさらに前記下部コア層より低い深さまでエッチングにより除去する、第2エッチング工程と、
をさらに含む、
ことを特徴とする、請求項11に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。 - 前記デュアルメサ形成工程は、
下部メサマスクを前記多層の上面に前記下部コア層の形状に対応して形成する下部メサマスク形成工程と、
前記下部メサマスクをマスクとして、前記下部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記下部コア層より低い深さまでエッチングにより除去する、第1エッチング工程と、
前記上部メサマスクをマスクとして、前記上部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記上部コア層と前記下部コア層との間までエッチングにより除去する、第2エッチング工程と、
をさらに含み、
前記上部メサマスク形成工程において、前記下部メサマスクの一部を除去することにより、前記上部メサマスクにする、
ことを特徴とする、請求項11に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。 - 請求項12に記載のスポットサイズ変換器と、メサストライプ構造を有する半導体レーザ素子とが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、
前記埋め込み工程において、前記スポットサイズ変換器の前記多層とともに、前記半導体レーザ素子の前記メサストライプ構造を半絶縁性半導体層で埋め込み、前記メサストライプ構造の両側に前記半絶縁性半導体層が形成され、
前記クラッド層形成工程において、前記スポットサイズ変換器の前記多層とともに、前記半導体レーザ素子の前記メサストライプ構造の上側に前記p型の第2の半導体クラッド層を積層する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。 - 請求項13に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第1のメサストライプ構造と該第1のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第2のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、
同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、
前記第1のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第1のコア層を含み、
前記第2のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第2のコア層を含み、
前記第2のメサストライプ構造の上面は前記第1のコア層より低く、
前記波長選択フィルタの前記第1のメサストライプ構造及び前記第2のメサストライプ構造にそれぞれ対応して形成される第1のメサマスク及び第2のメサマスクの周縁を前記第2のコア層より低い深さまでエッチングにより除去する工程を、前記第1エッチング工程及び前記第2エッチング工程におけるエッチングで行う、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。 - 請求項14に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第1のメサストライプ構造と該第1のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第2のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、
同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、
前記第1のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第1のコア層を含み、
前記第2のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第2のコア層を含み、
前記第2のメサストライプ構造の上面は前記第1のコア層の下面より低く、
前記波長選択フィルタの前記第1のメサストライプ構造及び前記第2のメサストライプ構造にそれぞれ対応して形成される第1のメサマスク及び第2のメサマスクの周縁を前記第2のコア層より低い深さまでエッチングにより除去する工程を、前記第1エッチング工程におけるエッチングで行い、
前記第2のメサストライプ構造の上側に配置される部分を前記第2のメサストライプ構造の上面まで除去する工程を、前記第2エッチング工程におけるエッチングで行う、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
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