JP6435820B2 - 光半導体装置および光半導体素子の実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体装置および光半導体素子の実装方法に関する。

近年、小型化、低コスト化等を目的とし、半導体レーザ等の光半導体素子を光導波路技術により作製された光導波路基板に実装する技術が発展している。特許文献１には、そのような実装方法の一例が開示されている。

図９に特許文献１に開示された実装方法を示す。特許文献１に開示された実装方法では、光導波路２が形成された光導波路基板３に金属膜４が設けられており、裏面電極５を有する光半導体素子１を、該裏面電極５と金属膜４とが一致するように、光導波路基板３の上に載せる。光半導体素子１に十分に熱がまわると、光半導体素子１は、光導波路２の端面と光半導体素子１の発光端面が合致するように実装される。特許文献１に開示された実装技術では、はんだの表面張力によってアライメントが自動的になされるセルフアライメント技術を用いている。

また、特許文献２には、表面に光導波路が形成されたマウント基板と、マウント基板に実装され、光導波路と光学的に結合する光半導体素子を有し、この光半導体素子の裏面に設けられたチップ裏面電極とマウント基板に設けられた金属膜とを半田バンプを介して固定してなる光半導体装置において、マウント基板上の光半導体素子を固定する位置に凹溝を形成する光半導体装置が開示されている。特許文献２に開示された光半導体技術でも、はんだの表面張力によってアライメントが自動的になされるセルフアライメント技術を用いている。

特開平５−６０９５２号公報 特開平８−２０４２８８号公報

ところで、各種装置に対するさらなる小型化の要求が強まっている趨勢下、光集積回路についてもさらなる小型化、微細化を達成すべく、各種の工夫がなされてきている。たとえば、導波路の幅が１０μｍ程度である従来の石英系の導波路による光集積回路に対し、幅が０．５μｍ程度であるシリコンの導波路による光集積回路が台頭してきている。その結果、特許文献１あるいは特許文献２に開示されたような、はんだによるセルフアライメント技術では、実装が困難になりつつある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、光半導体装置および光半導体素子の実装方法において、より微細な位置合わせが可能なセルフアライメント技術を実現することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の光半導体装置は、第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれて設けられた活性領域を備え、前記第１の電極に、前記活性領域の一部に形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝を含む溝構造が形成された光半導体素子と、基板、前記基板に設けられた光を伝搬する光導波路、および前記光導波路の延伸方向に延伸させて前記基板に設けられた基板電極を含む光導波路基板と、を備え、前記第１の電極と前記基板電極とが対向するように前記光半導体素子が前記光導波路基板にロウ付け実装されており、かつ前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流で前記利得領域が前記基板電極に沿って形成されるとともに前記利得領域から出射した光が前記光導波路の一端と光結合しているものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流で入射した光を増幅する前記利得領域が前記基板電極に沿って形成されることにより半導体光増幅器として機能するものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記溝構造の前記形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝間の間隔が前記光導波路の幅未満であるものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記溝構造が格子状に形成された溝構造であるものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記基板電極の幅が前記光導波路の幅以下であるものである。

上記の目的を達成するために、請求項６に記載の光半導体装置は、第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれて設けられた活性領域を備え、前記第１の電極に、前記活性領域の一部に形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝を含む溝構造が形成された光半導体素子と、前記形成予定の利得領域の両端部に配置された反射鏡対と、基板、前記基板に設けられた光を伝搬する光導波路、前記光導波路に光結合されたリング共振器、および前記光導波路の延伸方向に延伸させて前記基板に設けられた基板電極を含む光導波路基板と、を備え、前記第１の電極と前記基板電極とが対向するように前記光半導体素子が前記光導波路基板にロウ付け実装されるとともに前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流でレーザ発振する前記利得領域が前記基板電極に沿って形成されており、かつ前記利得領域から出射した光が前記光導波路の一端に光結合されるとともに前記光導波路の他端から光が出射されることにより半導体レーザとして機能するものである。

上記の目的を達成するために、請求項７に記載の光半導体装置は、第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれて設けられた活性領域を備え、前記第１の電極に、前記活性領域の一部に形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝を含む溝構造が形成された光半導体素子と、前記形成予定の利得領域の両端部に配置された反射鏡対と、基板、複数の前記利得領域に対応させて前記基板に設けられた光を伝搬する複数の光導波路、前記複数の光導波路を伝搬する光を合波する合波器、前記合波器で合波された光を半透過するとともに前記反射鏡対の一方の反射鏡と外部共振器を構成する半透過鏡、および前記複数の利得領域に対応させかつ前記複数の光導波路の延伸方向に延伸させて前記基板に設けられた複数の基板電極を含む光導波路基板と、を備え、前記第１の電極と前記複数の基板電極とが対向するように前記光半導体素子が前記光導波路基板にロウ付け実装されるとともに前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流でレーザ発振する複数の前記利得領域が前記複数の基板電極に沿って形成されており、かつ複数の前記利得領域の各々から出射した光が前記複数の光導波路の各々の一端に光結合されるとともに前記外部共振器により同期発振した光が前記半透過鏡から出射されることにより半導体レーザアレイとして機能するものである。

一方、上記の目的を達成するために、請求項８に記載の光半導体素子の実装方法は、第１の電極と第２の電極とに挟まれて設けられた活性領域を備え、前記第１の電極に前記活性領域の一部に形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝を含む溝構造が形成された光半導体素子を、光を伝搬する光導波路、および前記光導波路の延伸方向に延伸させて設けられた基板電極を含む光導波路基板に、前記第１の電極と前記基板電極とを対向させてロウ付けすることにより前記光導波路基板に実装し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電流を流して前記基板電極に沿って前記活性領域の一部に前記利得領域を形成し、前記利得領域から出射した光を前記光導波路の一端に光結合させるものである。

本発明によれば、光半導体装置および光半導体素子の実装方法において、より微細な位置合わせが可能なセルフアライメント技術を実現することができる、という効果を奏する。

第１の実施の形態に係る半導体光増幅器の構成の一例を示す断面図および底面図である。 第１の実施の形態に係る光導波路基板の構成の一例を示す平面図および断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体光増幅器モジュールを示す斜視図および断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体光増幅器モジュールの実装状態を説明する図である。 第１の実施の形態に係る半導体光増幅器モジュールの利得領域の形成を説明する断面図である。 実施の形態に係る光半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 第２実施の形態に係る狭線幅レーザの構成の一例を示す平面図である。 第３の実施の形態に係る高出力半導体レーザの構成の一例を示す平面図である。 従来技術に係る光半導体素子の実装方法を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１ないし図６を参照して、本実施の形態に係る光半導体素子としての半導体光増幅器１００、光半導体装置としての半導体光増幅器モジュール３００について説明する。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係る半導体光増幅器１００の構成について説明する。図１（ａ）は、半導体光増幅器１００の断面図を、図１（ｂ）は、半導体光増幅器１００の底面図を各々示している。本実施の形態では、半導体光増幅器１００をＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体で形成する形態を例示して説明するが、これに限定されず、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等他の材料系で形成する形態としてもよい。

本実施の形態に係る半導体光増幅器１００は、厚さが約１００μｍのＮ型ＩｎＰ基板１０４上に形成された膜厚が約２００ｎｍのＮ型ＩｎＰバッファ層１０６、Ｎ型ＩｎＰバッファ層１０６上に形成された膜厚が約１２５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層１０８、ＩｎＧａＡｓＰ層１０８上に形成された膜厚が約５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層１１０、ＩｎＧａＡｓＰ層１１０上に形成された膜厚が約１２５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層１１２、ＩｎＧａＡｓＰ層１１２上に形成された膜厚が約８５０ｎｍのＰ型ＩｎＰ上部クラッド層１１４、およびＰ型ＩｎＰ上部クラッド層１１４上に形成された膜厚が約２００ｎｍの高濃度Ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１６を含んで構成されている。

また、高濃度Ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１６上には、高濃度Ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１６の側からＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）を積層して形成されたＰ電極１１８が設けられている。Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの膜厚は、一例として、Ｔｉが５０ｎｍ、Ｐｔが５０ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍとされている。図１（ｂ）に示すように、Ｐ電極１１８には、格子状に形成された溝である格子状溝Ｃが設けられている。格子状溝Ｃは、溝間のピッチが一例として１μｍ程度とされ、本実施の形態に係るセルフアライメントを実現する部位である。格子状溝Ｃ、およびセルフアライメントの詳細は後述する。

一方、Ｎ型ＩｎＰ基板１０４の上記半導体層が形成された側とは反対側の面には、Ｎ型ＩｎＰ基板１０４側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層して形成されたＮ電極１０２が設けられている。Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの膜厚は、一例として、Ｔｉが５０ｎｍ、Ｐｔが５０ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍとされている。

Ｎ型ＩｎＰバッファ層１０６は、Ｎ型ＩｎＰ基板１０４とＩｎＧａＡｓＰ層１０８との間の格子不整合を緩和して結晶性を良好にするために設けられる。

３層に形成されたＩｎＧａＡｓＰ層１０８、ＩｎＧａＡｓＰ層１１０、およびＩｎＧａＡｓＰ層１１２は、半導体光増幅器１００の活性領域１２０を構成している。ＩｎＧａＡｓＰ層１０８およびＩｎＧａＡｓＰ層１１２のバンドギャップは、一例として１．２５μｍとされ、ＩｎＧａＡｓＰ層１１０のバンドギャップは、一例として１．５５μｍとされており、本実施の形態では各々ノンドープとされている。

Ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１１４は、主に、キャリアおよび増幅された光を上記活性領域１２０内に閉じ込める機能を有している。

高濃度Ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１６は、高濃度にＰ型不純物が拡散されたコンタクト層であり、Ｐ電極１１８との間でオーミック性接触を形成している。

以上のように構成された半導体光増幅器１００では、Ｐ電極１１８とＮ電極１０２との間に順方向（Ｐ電極１１８を正極に、Ｎ電極１０２を負極に接続した方向）のバイアス電圧を印加して電流を注入することにより、入射した光を増幅する利得領域ＧＡ（図５参照）を活性領域１２０内に形成する。本実施の形態に係る半導体光増幅器１００の各層は、半導体光増幅器１００の端面から端面まで均一に形成されている。したがって、半導体光増幅器１００に電流を注入すると、電流経路に沿って利得領域ＧＡが形成される（図５参照）。

つぎに、図２を参照して、本実施の形態に係る光導波路基板２００について説明する。
図２（ａ）は、光導波路基板２００の平面図を、図２（ｂ）は、光導波路基板２００の断面図を各々示している。本実施の形態では、Ｓｉ（シリコン）系の材料で形成された形態の光導波路基板２００を例示して説明するが、これに限られず、他の材料で形成された形態の光導波路基板２００としてもよい。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、光導波路基板２００は、Ｓｉの基板２０２、基板電極２０４、Ｓｉの光導波路（コア）２０６、およびＳｉＯ２（二酸化珪素）のクラッド２０８を含んで構成されている。光導波路基板２００はＬ字状に形成され、図２（ｂ）に示すように、クラッド２０８が一部切削された領域が光半導体素子（半導体光増幅器１００）の搭載部Ｔとされ、搭載部Ｔに隣接する領域が光導波路２０６およびクラッド２０８を含む光導波領域とされている。そして、光半導体素子を搭載部Ｔに搭載することにより、光半導体素子の光軸と光導波路２０６の延伸方向とがセルフアライメントで位置合わせされる。

図３を参照して、本実施の形態に係る光半導体素子の実装方法について、より詳細に説明する。図３（ａ）は、半導体光増幅器モジュール３００を構成する前の、光導波路基板２００と半導体光増幅器１００の斜視図を、図３（ｂ）は、半導体光増幅器１００を光導波路基板２００に実装した後の半導体光増幅器モジュール３００の断面図を各々示している。

図３（ａ）に示すように、本実施の形態に係る半導体光増幅器モジュール３００では、半導体光増幅器１００を、Ｎ電極１０２を上に（光導波路基板２００とは反対側に）し、Ｐ電極１１８を下に（光導波路基板２００側に）して実装するいわゆるフェースダウン実装を採用している。基板電極２０４に、接続、固定用のはんだ（図示省略）を設け、加熱後、冷却することにより、図３（ｂ）に示すように、半導体光増幅器１００が、光導波路基板２００の搭載部Ｔに位置決めされ、固定される。その際、本実施の形態に係る光半導体素子の実装方法では、特に位置決めの操作をする必要はなく、セルフアライメントで自動的に位置決めされる。なお、本実施の形態ではフェースダウン実装を採用した場合の形態を例示して説明するが、これに限定されず、いわゆるフェースアップ実装を採用した形態としてもよい。

つぎに、図４を参照して、本実施の形態に係る光半導体素子の実装方法におけるセルフアライメントについて、より詳細に説明する。

図４（ａ）は、半導体光増幅器１００を搭載する前の搭載部Ｔおよび光導波路２０６の状態を、図４（ｂ）は、半導体光増幅器１００を搭載後の搭載部Ｔおよび光導波路２０６の状態を各々示す平面図である。図４（ｂ）に示されたＰ電極１１８は、Ｎ型ＩｎＰ基板１０４側から透視した図である。また、図４（ｃ）は、図４（ｂ）の白抜き矢印Ａの方向から見た、はんだ２３０による、半導体光増幅器１００と基板電極２０４との接着状態を示す図である。

図４（ａ）に示すように、本実施の形態に係る基板電極２０４の位置と光導波路２０６の位置とは、光導波路基板２００の製造段階において精度よく位置合わせされている。半導体光増幅器１００を実装する際には、まず、基板電極２０４にはんだ２３０等の接着剤を設ける。はんだ２３０は、ペースト状であっても薄膜（たとえば、金薄膜）状であってもよい。本実施の形態では、各種はんだによる接着を総称して「ロウ付け」と称することとする。

つぎに、図４（ｂ）に示すように、半導体光増幅器１００を搭載部Ｔに載置する。この際、先述したように、Ｐ電極１１８が光導波路基板２００側になるように（Ｎ電極１０２が光導波路基板２００と反対側となるように）載置するが、半導体光増幅器１００の利得領域ＧＡ（つまり、光軸）と光導波路２０６との位置関係を考慮する必要はない。

図４（ｃ）に示すように、半導体光増幅器１００および光導波路基板２００を加熱すると、Ｐ電極１１８と基板電極２０４との間ではんだ２３０が溶融する。そして、先述したように、Ｐ電極１１８には、溝間のピッチが約１μｍと微細である格子状溝Ｃが形成されている。その結果、溶融したはんだ２３０は、基板電極２０４に形成された格子状溝Ｃを埋めつつ周囲に拡散するが、格子状溝Ｃを埋めるに足るだけのはんだ２３０が残されていない状態になると、はんだの拡散は停止する。はんだ２３０の拡散が停止するとそこで光導波路２０６（基板電極２０４）に対する半導体光増幅器１００の相対的な位置が定まる。

基板電極２０４に対する半導体光増幅器１００の位置が定まると、半導体光増幅器１００のＰ電極１１８とＮ電極１０２との間を流れる電流の経路が定まり、その結果半導体光増幅器１００の利得領域ＧＡ（すなわち電流注入領域）が定まる。電流の経路が基板電極２０４の位置により定まり、基板電極２０４と光導波路２０６とは予め精密に位置合わせされているから、結局、半導体光増幅器１００の利得領域ＧＡと光導波路２０６とが精密に位置合わせされることになる。つまり、換言すれば、自動的に光導波路２０６の延長線上に利得領域ＧＡが形成される。

ここで、基板電極２０４の幅は位置合わせ精度に直接影響するので、基板電極２０４は線状に形成するとともに、半導体光増幅器１００の実装に影響を与えない範囲で極力細く形成する必要がある。また、利得領域ＧＡと光導波路２０６との結合等を勘案すると、基板電極２０４の幅は少なくとも光導波路２０６の幅以下である必要がある。

以上のように、本実施の形態に係る光半導体素子の実装方法によれば、半導体光増幅器１００の利得領域ＧＡ（増幅された光が出射する領域）と、光導波路２０６とが精密にセルフアライメントされる。

つぎに、図５を参照して、半導体光増幅器１００に形成される利得領域ＧＡと、基板電極２０４との位置関係についてより詳細に説明する。図５は、半導体光増幅器１００を光導波路基板２００に実装した状態を、図４（ｂ）の白抜き矢印Ａ方向から見た図を示している。図５には、２種類の実装形態を示している。つまり、図５（ａ）〜（ｃ）は、Ｎ電極１０２をいわゆるベタ電極としての金属板１０に接続し、金属板１０を介してバイアス電源の負極に接続する形態（ベタ電極方式）を、図５（ｄ）〜（ｆ）は、ボンディングワイヤ１２を介してＮ電極１０２をバイアス電源の負極に接続する形態（ボンディングワイヤ方式）を、各々示している。また、図５（ａ）〜（ｃ）の各図は、ベタ電極方式において、半導体光増幅器１００と基板電極２０４との相対的な位置が各々異なる場合の実装状態を示しており、図５（ｄ）〜（ｆ）の各図は、ボンディングワイヤ方式において、半導体光増幅器１００と基板電極２０４との相対的な位置が各々異なる場合の実装状態を示している。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体光増幅器１００と基板電極２０４との相対的な位置関係が異なっても、基板電極２０４と利得領域ＧＡとの位置関係は常に一定である。つまり、半導体光増幅器１００と基板電極２０４との相対的な位置関係が変わっても、注入電流Ｉによって形成される利得領域ＧＡは、常に基板電極２０４の直上に位置している。図５（ｄ）〜（ｆ）に示すように、この利得領域ＧＡと基板電極２０４との位置関係は、ボンディングワイヤ方式でも同じである。

そして、先述したように基板電極２０４と光導波路２０６とは精密に位置合わせされているので、利得領域ＧＡと光導波路２０６とが高精度に位置合せされる。したがって、本実施の形態に係る光半導体素子の実装方法によれば、より微細な位置合わせが可能なセルフアライメント技術を実現することが可能となる。

つぎに、本実施の形態に係る半導体光増幅器１００と光導波路基板２００の製造方法について説明する。

半導体光増幅器１００の製造方法は以下のとおりである。
まず、Ｎ型のＩｎＰ基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＰＶＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により、図１に示すＩｎＧａＡｓＰ系の半導体光増幅器１００の格子状溝Ｃを形成するＰ電極１１８（あるいは格子状溝Ｃを形成するＮ電極１０２）を除いた半導体層を形成する。

つぎに、Ｐ電極（あるいはＮ電極）を形成する領域に、フォトリソグラフィーにより格子状のレジストを作成する。
つぎに、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、リフトオフによって格子状溝Ｃを有するＰ電極（あるいはＮ電極）を形成する。

つぎに、研磨によってＩｎＰ基板を１００μｍ程度に研磨する。
つぎに、スクライブ線に沿った劈開により半導体光増幅器１００のチップに個片化する。
以上の工程により、半導体光増幅器１００が製造される。

つぎに、図６を参照して、本実施の形態に係る光導波路基板２００の製造方法について説明する。以下では、光導波路基板２００の製造方法について、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて製造する方法を例示して説明するが、本発明はこれに限定されず、他の公知のＳｉ半導体プロセスを用いて製造してもよい。

まずＳｉの基板２５０上にＳｉＯ２層２５２とＳｉ層２５４を積層させてウエハ状のＳＯＩ基板を作成する。精密な加工を可能とするために、Ｓｉ層２５４は、一例として、約０．２μｍとする。（図６（ａ））

つぎに、Ｓｉ層２５４を光導波路２０６の形状にエッチングすべく、マスクを用いてドライエッチングを行う。ドライエッチングは、一例として、ＳＦ６（六フッ化硫黄）とＯ２（酸素）の混合ガスによる反応性イオンエッチングを用いることができるが、これに限られず他のドライエッチング方法を用いてもよい。エッチング後、不要なマスクは、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により剥離する。（図６（ｂ））

つぎに、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ化学気相成長）などによりＳｉＯ２膜を堆積させ、ＳｉＯ２膜２５６を形成する。本工程以降のフォトリソグラフィーを正確に行うために、ＢやＰ（リン）等を該ＳｉＯ２膜に添加して軟化加熱する方法、あるいは、化学研磨による方法によって該ＳｉＯ２膜を平坦化しておくことが望ましい。（図６（ｃ））

つぎに、エッチングによりＳｉＯ２膜２５６およびＳｉ層２５４の一部を除去して搭載部Ｔを形成する。（図６（ｄ））

つぎに、マスクを用いて、基板電極を形成する金属、たとえばＡｌ（アルミニウム）をスパッタリングすることによって、ＳｉＯ２層２５２上にＡｌ薄膜を形成する。その後、基板電極として残したい部分をマスクで覆い、フォトリソグラフィーなどによってパターニングし、Ｃｌ（塩素）プラズマを用いたドライエッチングなどによりＡｌ薄膜をエッチングして、基板電極２５８を形成する。Ａｌ薄膜の不純物残渣はＡｌドライエッチング残渣除去液などによって除去しておくことが好ましい。（図６（ｅ））
なお、基板電極を形成する金属はＡｌに限られずＡｕ等を用いてもよい。
以上の工程により、光導波路基板２００が製造される。

［第２の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係る狭線幅レーザ４００について説明する。本実施の形態は、本発明に係る光半導体素子としての半導体レーザ１００ａを、本発明に係る実装方法によって光導波路基板２００ａに実装し、光半導体装置としての狭線幅レーザ４００を構成した形態である。図７（ａ）は、半導体レーザ１００ａを光導波路基板２００ａに実装する前の平面図を、図７（ｂ）は、半導体レーザ１００ａを光導波路基板２００ａに実装した後の平面図を、各々示している。図７（ａ）、（ｂ）においては、格子状溝Ｃを有するＰ電極を基板側から透視して示している。

本実施の形態に係る半導体レーザ１００ａは、図１に示す半導体光増幅器１００と同様の構成を有する端面発光型の半導体レーザであり、半導体層の上面に格子状溝Ｃが形成されたＰ電極、基板の下面にＮ電極を有する。Ｐ電極とＮ電極との間に順方向のバイアス電圧を印加して電流を注入することにより、レーザ発振が励起される利得領域が活性領域内に形成される。つまり、半導体レーザ１００ａは利得導波型半導体レーザとして動作する。本実施の形態に係る半導体レーザ１００ａの各層は、半導体レーザ１００ａの端面から端面まで均一に形成されている。したがって、半導体レーザ１００ａに電流を注入すると、電流経路に沿って利得領域が形成される。

図７（ａ）に示すように、本実施の形態に係る光導波路基板２００ａは、基板電極４０２、複数（本実施の形態では６個）のスポットサイズ変換器４０６（４０６ａ〜４０６ｆ）、および複数（本実施の形態では２個）のリング共振器４０８（４０８ａ、４０８ｂ）を備えている。そして、スポットサイズ変換器４０６、およびリング共振器４０８の各々は、光導波路４０４によって接続されている。

本実施の形態に係る狭線幅レーザ４００も、半導体光増幅器１００と同様に、図４に示す方法によって半導体レーザ１００ａが光導波路基板２００ａにフェースダウンで載置され、固定される。半導体レーザ１００ａが光導波路基板２００ａに実装されると同時に、半導体レーザ１００ａの出射光ＰｏＬの方向と光導波路４０４の延伸方向とが位置合わせされる。

図７（ｂ）に示すように、狭線幅レーザ４００では、半導体レーザ１００ａの出射光ＰｏＬはスポットサイズ変換器４０６ａを介して光導波路４０４に入射される。本実施の形態において、リング共振器４０８は、光が周回することにより波長が選択される光フィルタとして機能する。また、スポットサイズ変換器４０６は、出射光ＰｏＬが出射される部位におけるスポットサイズの変換とともに、入射した光を折り返す反射部として機能する。したがって、光導波路４０４に結合された半導体レーザ１００ａの出射光ＰｏＬは、図７（ｂ）に示す矢印の方向に伝搬されつつ、光導波路基板２００ａで設計されている透過波長にフィルタリングされ、狭線幅の光スペクトルを有する出射光ＰｏＭとして出射される。

［第３の実施の形態］
図８を参照して、本実施の形態に係る高出力半導体レーザ５００について説明する。本実施の形態は、本発明に係る光半導体素子としての半導体レーザアレイ１００ｂを、本発明に係る実装方法によって光導波路基板２００ｂに実装し、光半導体装置としての高出力半導体レーザ５００を構成した形態である。図８（ａ）は、半導体レーザアレイ１００ｂを光導波路基板２００ｂに実装する前の平面図を、図８（ｂ）は、半導体レーザアレイ１００ｂを光導波路基板２００ｂに実装した後の平面図を、各々示している。

本実施の形態に係る半導体レーザアレイ１００ｂは、図７に示す半導体レーザ１００ａと同様の半導体層が、端面間で均一に積層されており、複数の基板電極（本実施の形態では、８個）に実装することにより、複数本（本実施の形態では、８本）の出射光を出射する。つまり、半導体レーザアレイ１００ｂは、半導体レーザ１００ａを、複数（本実施の形態では８個）モノリシックに集積化した端面発光型の半導体レーザアレイと等価である。

また、半導体レーザアレイ１００ｂは、半導体層の上面に格子状溝Ｃを有するＰ電極、基板の下面にＮ電極を有し、Ｐ電極は半導体レーザアレイの表面全面に形成されている。
また、半導体レーザアレイ１００ｂの光出射面とは反対側の面には、全反射ミラーＲＭが設けられている。むろん、半導体レーザアレイ１００ｂの光出射面とは反対側の面のミラーは全反射に限られるものではなく、部分反射であってもよい。

先述したように、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ１００ｂの各層は、半導体レーザアレイ１００ｂの端面から端面まで均一に形成されている。したがって、Ｐ電極とＮ電極との間に順方向のバイアス電圧を印加して電流を注入することにより、電流経路に沿って、レーザ発振が励起される利得領域が半導体レーザアレイ１００ｂの活性領域内に８個形成される。その結果、半導体レーザアレイ１００ｂからは、８つの出射光ＰｏＬが出射される。

図８（ａ）に示すように、本実施の形態に係る光導波路基板２００ｂは、複数（本実施の形態では８個）の基板電極５０２、複数（本実施の形態では７個）の光カプラ５０４（５０４ａ〜５０４ｇ）、および出射光ＰｏＭが出射される側の光導波路５０６を含んで形成されたハーフミラーＨＭを備えている。そして、光カプラ５０４の各々は光導波路５０６によって接続されている。

本実施の形態に係る高出力半導体レーザ５００も、半導体光増幅器１００と同様に、図４に示す方法によって半導体レーザアレイ１００ｂが光導波路基板２００ｂにフェースダウンで載置され、固定される。半導体レーザアレイ１００ｂが光導波路基板２００ｂに実装されると同時に、半導体レーザアレイ１００ｂの８本の出射光ＰｏＬの方向と８本の光導波路５０６の延伸方向とが位置合わせされる。

図８（ｂ）に示すように、高出力半導体レーザ５００では、半導体レーザアレイ１００ｂから８本の出射光ＰｏＬ（ＰｏＬ１〜ＰｏＬ８）が８本の光導波路５０６に入射されると、光カプラ５０４で合波されていく。すなわち、出射光ＰｏＬ１と出射光ＰｏＬ２とが光カプラ５０４ａで合波される。同様に、出射光ＰｏＬ３と出射光ＰｏＬ４とが光カプラ５０４ｂで合波され、出射光ＰｏＬ５と出射光ＰｏＬ６とが光カプラ５０４ｃで合波され、出射光ＰｏＬ７と出射光ＰｏＬ８とが光カプラ５０４ｄで合波される。また、光カプラ５０４ａにおける合波光と光カプラ５０４ｂにおける合波光とが光カプラ５０４ｅで合波され、光カプラ５０４ｃにおける合波光と光カプラ５０４ｄにおける合波光とが光カプラ５０４ｆで合波される。最終的に、光カプラ５０４ｇにおいて、出射光ＰｏＬ１〜ＰｏＬ８が合波される。

高出力半導体レーザ５００は、さらに、全反射ミラーＲＭとハーフミラーＨＭとによって外部共振器ＣＡが構成されており、半導体レーザアレイ１００ｂからの各出射光は、位相同期される構成となっている。したがって、本実施の形態に係る高出力半導体レーザ５００は、半導体レーザアレイ１００ｂからの複数の出射光が位相同期され、出射光ＰｏＭとして出射されるので、非常に高い光出力パワーを有するレーザとなっている。

本実施の形態では、半導体レーザを個々に区画する構成を有さず均一に半導体層が積層された半導体レーザアレイ１００ｂを用い、電流経路の形成によって利得領域を形成し、該利得領域と光導波路５０６との位置合わせを行うので、アレイにおける個々の半導体レーザの出射光ＰｏＬの位置合わせを一括して行うことができる。しかも、利得領域と光導波路５０６との相対的な位置が自動的に定まるので、精度が非常に高い位置合わせを実現することができる。

なお、上記各実施の形態では、本発明の実装方法の実現手段として、電極に格子状の溝を設ける形態を例示して説明したが、これに限られない。たとえば、格子状の溝の代わりに様々な形態の網目状の溝、あるいは光導波路基板の光導波路の延伸方向に沿う線状の溝を設けた形態としてもよいし、また、溝に限られず微細な間隔で形成された孔を設けた形態としてもよい。

また、上記各実施の形態では、格子状の溝を電極（Ｐ電極あるいはＮ電極）の全面に形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、光半導体素子の利得領域と光導波路基板の光導波路との位置合せの範囲等を考慮して、電極の一部に形成する形態としてもよい。

１０ 金属板
１２ ボンディングワイヤ
１００ 半導体光増幅器
１００ａ 半導体レーザ
１００ｂ 半導体レーザアレイ
１０２ Ｎ電極
１０４ Ｎ型ＩｎＰ基板
１０６ Ｎ型ＩｎＰバッファ層
１０８ ＩｎＧａＡｓＰ層
１１０ ＩｎＧａＡｓＰ層
１１２ ＩｎＧａＡｓＰ層
１１４ Ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
１１６ 高濃度Ｐ型ＩｎＧａＡｓ層
１１８ Ｐ電極
１２０ 活性領域
２００、２００ａ、２００ｂ 光導波路基板
２０２ 基板
２０４ 基板電極
２０６ 光導波路
２０８ クラッド
２３０ はんだ
２５０ 基板
２５２ ＳｉＯ２層
２５４ Ｓｉ層
２５６ ＳｉＯ２膜
２５８ 基板電極
３００ 半導体光増幅器モジュール
４００ 狭線幅レーザ
４０２ 基板電極
４０４ 光導波路
４０６ スポットサイズ変換器
４０８ リング共振器
５００ 高出力半導体レーザ
５０２ 基板電極
５０４ 光カプラ
５０６ 光導波路
Ｃ 格子状溝
ＣＡ 外部共振器
ＧＡ 利得領域
ＨＭ ハーフミラー
ＰｏＬ 出射光
ＲＭ 全反射ミラー
Ｔ 搭載部

Claims (8)

1. 第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれて設けられた活性領域を備え、前記第１の電極に、前記活性領域の一部に形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝を含む溝構造が形成された光半導体素子と、
   基板、前記基板に設けられた光を伝搬する光導波路、および前記光導波路の延伸方向に延伸させて前記基板に設けられた基板電極を含む光導波路基板と、を備え、
   前記第１の電極と前記基板電極とが対向するように前記光半導体素子が前記光導波路基板にロウ付け実装されており、かつ前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流で前記利得領域が前記基板電極に沿って形成されるとともに前記利得領域から出射した光が前記光導波路の一端と光結合している
   光半導体装置。
2. 前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流で入射した光を増幅する前記利得領域が前記基板電極に沿って形成されることにより半導体光増幅器として機能する
   請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記溝構造の前記形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝間の間隔が前記光導波路の幅未満である
   請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
4. 前記溝構造が格子状に形成された溝構造である
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
5. 前記基板電極の幅が前記光導波路の幅以下である
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
6. 第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれて設けられた活性領域を備え、前記第１の電極に、前記活性領域の一部に形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝を含む溝構造が形成された光半導体素子と、
   前記形成予定の利得領域の両端部に配置された反射鏡対と、
   基板、前記基板に設けられた光を伝搬する光導波路、前記光導波路に光結合されたリング共振器、および前記光導波路の延伸方向に延伸させて前記基板に設けられた基板電極を含む光導波路基板と、を備え、
   前記第１の電極と前記基板電極とが対向するように前記光半導体素子が前記光導波路基板にロウ付け実装されるとともに前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流でレーザ発振する前記利得領域が前記基板電極に沿って形成されており、かつ前記利得領域から出射した光が前記光導波路の一端に光結合されるとともに前記光導波路の他端から光が出射されることにより半導体レーザとして機能する
   光半導体装置。
7. 第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれて設けられた活性領域を備え、前記第１の電極に、前記活性領域の一部に形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝を含む溝構造が形成された光半導体素子と、
   前記形成予定の利得領域の両端部に配置された反射鏡対と、
   基板、複数の前記利得領域に対応させて前記基板に設けられた光を伝搬する複数の光導波路、前記複数の光導波路を伝搬する光を合波する合波器、前記合波器で合波された光を半透過するとともに前記反射鏡対の一方の反射鏡と外部共振器を構成する半透過鏡、および前記複数の利得領域に対応させかつ前記複数の光導波路の延伸方向に延伸させて前記基板に設けられた複数の基板電極を含む光導波路基板と、を備え、
   前記第１の電極と前記複数の基板電極とが対向するように前記光半導体素子が前記光導波路基板にロウ付け実装されるとともに前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流でレーザ発振する複数の前記利得領域が前記複数の基板電極に沿って形成されており、かつ複数の前記利得領域の各々から出射した光が前記複数の光導波路の各々の一端に光結合されるとともに前記外部共振器により同期発振した光が前記半透過鏡から出射されることにより半導体レーザアレイとして機能する
   光半導体装置。
8. 第１の電極と第２の電極とに挟まれて設けられた活性領域を備え、前記第１の電極に前記活性領域の一部に形成予定の利得領域に沿う方向に延伸する溝を含む溝構造が形成された光半導体素子を、光を伝搬する光導波路、および前記光導波路の延伸方向に延伸させて設けられた基板電極を含む光導波路基板に、前記第１の電極と前記基板電極とを対向させてロウ付けすることにより前記光導波路基板に実装し、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に電流を流して前記基板電極に沿って前記活性領域の一部に前記利得領域を形成し、
   前記利得領域から出射した光を前記光導波路の一端に光結合させる
   光半導体素子の実装方法。