JP6910568B1

JP6910568B1 - 半導体光集積素子

Info

Publication number: JP6910568B1
Application number: JP2020555260A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　洋介; 洋介鈴木; 浩一秋山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: CN115769133A; WO2022003937A1; US20230251417A1; JPWO2022003937A1

Abstract

本開示による半導体光集積素子は、半導体基板（１０）と、第１の端面（１０ａ）から入力される信号光を光導波路に沿って増幅する第１の光増幅器（２００）と、増幅された信号光を光導波路の方向とは異なる方向に導波する第１の受動型光導波路（２０３）と、導波される信号光を複数の信号光に分岐する光分岐器（２０４）と、第１の受動型光導波路（２０３）に接続され、異なる方向に沿って複数の信号光を位相変調する位相変調器（２０２）と、位相変調された信号光を異なる方向から光導波路の方向へと導波する第２の受動型光導波路（２０６）と、位相変調された複数の信号光を一つの信号光に合成する光合成器（２０５）と、第２の受動型光導波路（２０６）によって導波された信号光を光導波路の方向に沿って増幅する、飽和光出力が第１の光増幅器（２００）よりも小さい第２の光増幅器（２０１）と、を備える。

Description

本開示は、半導体光集積素子に関する。

スマートフォンなどの移動体通信端末の普及、クラウドを用いたデータサービスの多様化などにより、通信トラフィックは急速に増大している。これにともない、大都市間を結ぶ幹線系光通信ネットワークはもとより、都市間、データセンター間など比較的短距離の光通信ネットワークにおいても高速化、大容量化が求められている。
大容量の通信データを送信するには、多値変調が可能なコヒーレント位相変調方式の光トランシーバを用いることが有効であり、高速に光変調信号を生成できるマッハツェンダー型の位相変調素子に注目が集まっている。

また、光トランシーバでは小型化および低消費電力化も必要とされるため、ニオブ酸リチウム（ＬｉｔｈｉｕｍＮｉｏｂａｔｅ：ＬｉＮｂＯ_３）などの誘電体材料を用いた位相変調素子に代えて、半導体材料で構成した位相変調素子を用いることが有効である。さらに、レーザ素子、信号光を増幅する光増幅素子などを同一半導体基板上に集積することでさらなる小型化が実現できるため、半導体光集積素子への期待が高まっている。

特許第５４９７６７８号公報特許第５１４４３０６号公報国際公開第２０１８／１１７０７７号

Ｎ．Ｋｉｋｕｃｈｉｅｔａｌ．， "Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄＩｎＰ−ｂａｓｅｄＭａｃｈ−ＺｅｈｎｄｅｒＭｏｄｕｌａｔｏｒｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＦｏｒｍａｔｓ"，ＣｏｍｐｏｕｎｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｏｃｔ．２０１２．

小型かつ低消費電力の半導体光集積素子を得るため、ＩｎＰ（インジウムリン、ＩｎｄｉｕｍＰｈｏｓｐｈｉｄｅ）基板上に、位相変調素子と光増幅素子とを集積することが望ましい。この際、位相変調素子の光導波路を結晶面方位である［０−１１］面方向軸に沿って形成することで高い変調効率が得られるので、半導体光集積素子を小型化できる。

さらに、光入力部から光出力部へと光が伝搬する経路において、光増幅素子を位相変調素子より前段と、位相変調素子より後段にそれぞれ配置することで高い光利得が得られて光集積素子を低消費電力化できるものの、変調信号にひずみが生じて所望の光変調信号が得られないという問題があった。

本開示は上記のような問題点を解消するためになされたもので、位相変調効率が高く、かつ、ひずみの少ない変調光信号を得ることが可能な半導体光集積素子を提供することを目的とする。

この開示による半導体光集積素子は、半導体基板に入力される信号光を増幅する半導体光集積素子であって、前記半導体基板の第１の端面に接して配置してあり、前記信号光を入力する光入力部と、前記半導体基板上に設けられ、前記光入力部に接触し、接触した前記光入力部から入力された前記信号光を光導波路に沿って増幅する第１の光増幅器と、前記半導体基板上に設けられ、前記第１の光増幅器が増幅した前記信号光を前記光導波路の方向とは異なる光伝搬方向に伝搬する受動型光導波路部と、前記半導体基板上に設けられ、前記受動型光導波路部が伝搬する前記信号光に位相変調を行う位相変調器と、前記半導体基板上に設けられ、前記受動型光導波路部が前記光伝搬方向に伝搬し前記位相変調器が前記位相変調を行った前記信号光を前記光伝搬方向とは異なる前記光導波路の方向に沿って増幅する第２の光増幅器と、前記半導体基板の第１の端面に接して配置してあり、前記第２の光増幅器と接触し、接触した前記第２の光増幅器が前記光伝搬方向とは異なる前記光導波路の方向に沿って増幅した前記信号光を出力する光出力部と、を備え、前記光出力部と接触する前記第２の光増幅器の光導波路長は、前記第１の光増幅器の光導波路長よりも短い。

この開示による半導体光集積素子によれば、第１の光増幅器および第２の光増幅器の光導波路の方向を、位相変調器の光導波路の方向とは異なる方向になるように配置し、かつ、光入力側に配置された第１の光増幅器よりも光出力側に配置された第２の光増幅器の方が飽和光出力は小さくなるような構成とするため、位相変調効率が高く、かつ、ひずみの少ない変調光信号を得ることができる効果を奏する。

実施の形態１による半導体光集積素子を示す上面図である。実施の形態１による半導体光集積素子の変形例を示す上面図である。実施の形態１による半導体光集積素子における光増幅器を示す断面図である。実施の形態１による半導体光集積素子における位相変調器を示す断面図である。実施の形態１による半導体光集積素子における位相変調器を示す断面図である。実施の形態１による半導体光集積素子における受動型光導波路を示す断面図である。実施の形態２による半導体光集積素子を示す上面図である。実施の形態２による半導体光集積素子の変形例を示す上面図である。実施の形態２による半導体光集積素子における光増幅器を示す断面図である。実施の形態２による半導体光集積素子における光増幅器を示す断面図である。実施の形態２による半導体光集積素子における光増幅器の多重量子井戸構造のバンドダイアグラムを示す図である。実施の形態２による半導体光集積素子における光増幅器の多重量子井戸構造のバンドダイアグラムを示す図である。

実施の形態１．
図１に、実施の形態１による半導体光集積素子１００の上面図を示す。
実施の形態１による半導体光集積素子１００は、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、あるいはこれらの混晶からなる半導体で形成された半導体基板１０の表面上に、光の強度を増幅する機能を有する第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１と、光の位相を変化させる機能を有する位相変調器２０２と、第１の光増幅器２００と位相変調器２０２とを接続し、光を伝搬する機能を有する第１の受動型光導波路２０３と、位相変調器２０２と第２の光増幅器２０１とを接続し、光を伝搬する機能を有する第２の受動型光導波路２０６とが集積して形成される。

半導体光集積素子１００の光入力部４０は、へき開あるいはエッチングなどの方法により平坦な面が形成された第１の端面１０ａに配置され、この光入力部４０に一端を接するように第１の光増幅器２００が配置される。言い換えれば、第１の端面１０ａに面する第１の光増幅器２００の一端が光入力部４０として機能する。なお、上述の第１の端面１０ａとは、半導体光集積素子１００の側面部を指す。

第１の光増幅器２００の一端が第１の端面１０ａに接しているため、第１の端面１０ａから第１の光増幅器２００へと信号光を導波する受動型光導波路を設ける必要が無くなるので、低消費電力でも増幅された信号光の高出力化が図れるという効果を奏する。

同様に、第１の端面１０ａに配置された光出力部４１に接するように第２の光増幅器２０１が配置される。言い換えれば、第２の光増幅器２０１の第１の端面１０ａに面する一端が光出力部４１として機能する。

第２の光増幅器２０１における光増幅領域の長さ、つまり、第２の光増幅器２０１の光導波路長Ｌ２は、第１の光増幅器２００における光増幅領域の長さ、つまり、第１の光増幅器２００の光導波路長Ｌ１よりも短い。すなわち、Ｌ１＞Ｌ２の関係が成立する。
第２の光増幅器２０１の光導波路長Ｌ２を第１の光増幅器２００の光導波路長Ｌ１より短くする技術的意義については後述する。

第１の光増幅器２００の配置と同様に、第２の光増幅器２０１の一端が第１の端面１０ａに接しているため、第２の光増幅器２０１から第１の端面１０ａへと信号光を導波する受動型光導波路を設ける必要が無くなるので、低消費電力でも増幅された信号光の高出力化が図れるという効果を奏する。

第１の光増幅器２００の光の伝搬方向および第２の光増幅器２０１の光の伝搬方向は、半導体の結晶面方位である［０１１］面方向軸に沿った方向である。一方、位相変調器２０２の光の伝搬方向は半導体の結晶面方位である［０−１１］面方向軸に沿った方向である。
すなわち、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の光の伝搬方向と、位相変調器２０２の光の伝搬方向とは、互いに９０°異なる方向となる関係にある。

光入力部４０および光出力部４１が設けられている第１の端面１０ａには、光入力部４０および光出力部４１を覆うように、無反射コーティング膜５０が形成されている。この無反射コーティング膜５０により、第１の光増幅器２００あるいは第２の光増幅器２０１内で増幅された反射光が信号光と干渉することを防止できるので、光変調信号のひずみを抑制することができる。

まず、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の構造について、光の伝搬方向に直交する面での断面図を示す図３を用いて説明する。
利得コア層１２は、電流を注入することで入力された光を増幅する機能を有する半導体層である。半導体基板１０に対して、利得コア層１２の上下にそれぞれ設けられた下部クラッド層１１および上部クラッド層１３は、利得コア層１２に光を閉じ込めるため、利得コア層１２より低い屈折率の半導体層で構成される。

コンタクト層１４は、光増幅器用電極１６から下部の各半導体層へ電流を注入する際の電気抵抗を小さくするため、上部クラッド層１３よりも低抵抗な半導体層で構成される。

電流ブロック層１５は、電流を流さない構造あるいは材料で構成され、利得コア層１２に電流を集中させるための半導体層である。なお、図３では、電流ブロック層１５の一例として、第１の電流ブロック層１５ａ、第２の電流ブロック層１５ｂおよび第３の電流ブロック層１５ｃの三層構造を例示しているが、電流ブロック層１５の構造はこの三層構造に限定されるわけではなく、電流を阻止する機能を有する半導体層であれば良い。

保護絶縁膜１７は、酸化膜、窒化膜などの無機絶縁膜、あるいは、ベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）を一例とする有機絶縁膜などの絶縁性材料で構成され、雰囲気中の酸素、水に起因して各半導体層が酸化あるいは変質することを防止するための絶縁膜である。

実施の形態１による半導体光集積素子１００の一部を構成する第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１は、利得コア層１２の側壁に電流ブロック層１５を形成した埋め込み型構造６０で構成される。この埋め込み型構造６０が光導波路として機能する。
埋め込み型構造６０では、利得コア層１２における発熱が電流ブロック層１５を介して拡散され、利得コア層１２の温度上昇による利得減少を抑制できるため、半導体光集積素子１００を高出力化できるという効果を奏する。

続いて、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の製造方法の詳細について述べる。
例えば、半導体結晶面方位の（１００）面を基板面とするＩｎＰ基板からなる半導体基板１０の上に、有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）を用いて、下部クラッド層１１となる層厚２０００ｎｍのｎ型ＩｎＰ層と、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の利得コア層１２として機能する、合計層厚が１００ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓからなる多重量子井戸構造４００と、上部クラッド層１３の一部となる層厚５００ｎｍのｐ型ＩｎＰ層とをエピタキシャル成長する。

ここで多重量子井戸構造４００は、光の増幅に寄与する井戸層４２１と、井戸層４２１よりバンドギャップが大きい障壁層４２２とのペアの繰り返しで構成される。第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１では、多重量子井戸構造４００の井戸層４２１と障壁層４２２のペアを例えば８ペアとする。多重量子井戸構造４００については、後で詳しく説明する。

なお、この工程でエピタキシャル成長した下部クラッド層１１は、後述の位相変調器２０２、第１の受動型光導波路２０３および第２の受動型光導波路２０６の下部クラッド層１１も兼ねることができる。

次に、フォトリソグラフィ技術とＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法などのエッチング技術を用いて、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１を形成する領域を残すように、上部クラッド層１３の一部であるｐ型ＩｎＰ層と、利得コア層１２と、下部クラッド層１１であるｎ型ＩｎＰ層の一部をエッチングして、リッジ型構造を形成する。

このリッジ型構造は、光が伝搬する方向が半導体の結晶面方位である［０１１］面方向軸に沿うように形成する。また、第１の光増幅器２００のリッジ型構造における、例えば［０１１］方向軸に沿う光導波路長Ｌ１を５００μｍ、光導波路幅を２μｍとし、第２の光増幅器２０１のリッジ型構造における、例えば、半導体の結晶面方位である［０１１］面方向軸に沿う光導波路長Ｌ２を３００μｍ、光導波路幅を２μｍとすることで、第２の光増幅器２０１の光導波路長Ｌ２を、第１の光増幅器２００の光導波路長Ｌ１より短くすることができる。

第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１における飽和光出力は入力した電力に比例するため、上述のように、第２の光増幅器２０１の光導波路長Ｌ２を第１の光増幅器２００の光導波路長Ｌ１より短く設定することで、第１の光増幅器２００と比べて第２の光増幅器３０１の方が飽和光出力は小さくなる構成を実現できる。

したがって、大きな飽和光出力の下で光増幅動作をしている光増幅器で利得を受けた信号光は位相にひずみが生じるものの、上述の第２の光増幅器２０１の光導波路長Ｌ２を第１の光増幅器２００の光導波路長Ｌ１より短くする構成の適用により、実施の形態１による半導体光集積素子１００では、ひずみの少ない変調光信号を光出力部４１から得ることができる。

続いて、利得コア層１２の側壁に電流ブロック層１５を形成した埋め込み型構造６０とするため、リッジ型構造の高さに合わせた層厚の電流ブロック層１５をエピタキシャル成長により形成する。

ここで、リッジ型構造が半導体の結晶面方位である［０−１１］面方向軸に沿っている状態で電流ブロック層１５を形成した場合、リッジ部に露出している（１１１）面へのエピタキシャル成長時の結晶成長速度が速いため、リッジ部の側壁へ平坦な電流ブロック層１５を形成することが難しい。その結果、利得コア層１２に十分に電流を集中させられず、所望の光出力を得られない不具合が生じうる。

一方、本開示による半導体光集積素子１００では、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１のリッジ型構造、ひいては埋め込み型構造６０がなす光導波路を半導体の結晶面方位である［０１１］面方向軸に沿うように形成したことで、リッジ部に（１１１）面が露出していないため、電流集中効果の高い平坦な電流ブロック層１５を形成できる結果、低消費電力で高い光出力が得られる。

電流ブロック層１５には、ｐ型半導体層−ｎ型半導体層−ｐ型半導体層を繰り返し積層した積層構造、あるいは、ＦｅをドーピングしたＩｎＰ層などの半絶縁性半導体を用いることができる。

例えば、リッジ部の高さが７００ｎｍの場合には、半導体基板１０の側から、層厚１００ｎｍのｐ型ＩｎＰ層からなる第１の電流ブロック層１５ａと、層厚５００ｎｍのｎ型ＩｎＰ層からなる第２の電流ブロック層１５ｂと、層厚５００ｎｍのｐ型ＩｎＰ層からなる第３の電流ブロック層１５ｃとの三層構造をエピタキシャル成長することで、電流ブロック層１５を形成できる。

続いて、上部クラッド層１３となる層厚１５００ｎｍのｐ型ＩｎＰ層と、コンタクト層１４となる層厚３００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長により形成する。
さらに、コンタクト層１４上にはＴｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｎｉなどの金属で構成される光増幅器用電極１６を形成する。

また、半導体層の酸化などによる変質を防ぐため、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて膜厚３００ｎｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる保護絶縁膜１７を成膜することにより、図３に示す、利得コア層１２の両方の側壁に電流ブロック層１５が形成された埋め込み型構造６０を有する第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１が完成する。

次に、位相変調器２０２について、光の伝搬方向に直交する面での断面図を示す図４および図５を用いて説明する。

位相変調器２０２は、第１の光増幅器２００によって増幅され、第１の受動型光導波路２０３によって、位相変調器２０２の光導波路の方向とは異なる方向に導波された信号光に対して、変調コア層２０に電圧を印加して屈折率を変えることによって位相を変化させることにより位相変調を行っている。

変調コア層２０は、電圧が印加されると屈折率が変わることで伝搬する光の位相を変化させる機能を有する半導体層で、上述した下部クラッド層１１上に形成される。上部クラッド層２１は、変調コア層２０に光を閉じ込めるため、変調コア層２０より低い屈折率の半導体層で構成される。

コンタクト層２２は、位相変調器用電極２３から各半導体層に電圧を印加する際の電気抵抗を小さくするため、上部クラッド層２１より低抵抗な半導体層で構成される。

保護絶縁膜２４は、酸化膜、窒化膜などの無機絶縁膜、あるいは、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を一例とする有機絶縁膜などの絶縁性材料で構成され、雰囲気中の酸素、水に起因して各半導体層が酸化あるいは変質することを防止するための絶縁膜である。

実施の形態１による半導体光集積素子１００の一部をなす位相変調器２０２は、図４に示すような光の伝搬領域以外はコンタクト層２２から下部クラッド層１１の一部までをＲＩＥ法などでエッチングしたハイメサ型構造７０、あるいは、図５に示すようなコンタクト層２２から上部クラッド層２１の一部までをエッチングしたリッジ型構造８０のいずれかを適用するのが好適である。

図４に示すハイメサ型構造７０では、変調コア層２０とエッチングされた領域との屈折率差が大きいため、変調コア層２０に強く光を閉じ込めることができる。これによって、変調コア層２０の屈折率が変化した際、光の位相変化量が大きくなり、高い位相変調効率が得られる。

一方、図５に示すリッジ型構造８０では、変調コア層２０の側壁などが露出されないため、エッチングによる結晶表面のダメージあるいは酸化による変質を抑制できるので、位相変調器２０２の特性ばらつきの低減および長期信頼性の改善に効果を奏する。

以下に、位相変調器２０２の製造方法の詳細について述べる。
第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の形成時にエピタキシャル成長した下部クラッド層１１の上に、変調コア層２０となる合計層厚が３００ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ（アルミニウムガリウムインジウムヒ素、ＡｌｕｍｉｎｉｕｍＧａｌｌｉｕｍＩｎｄｉｕｍＡｒｓｅｎｉｄｅ）からなる多重量子井戸構造４００と、上部クラッド層２１となる層厚１８００ｎｍのｐ型ＩｎＰ層と、コンタクト層２２となる層厚３００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素、ＩｎｄｉｕｍＧａｌｌｉｕｍＡｒｓｅｎｉｄｅ）層をエピタキシャル成長する。

続いて、図４のハイメサ型構造７０、あるいは、図５のリッジ型構造８０に形成すべく各半導体層をＲＩＥ法などのエッチング方法で選択的にエッチングし、コンタクト層２２上にＴｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｎｉなどの金属で構成された位相変調器用電極２３と、半導体層の表面を保護するための保護絶縁膜２４となる膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２膜をＣＶＤ法などで形成する。

上記製造工程において、ハイメサ型構造７０あるいはリッジ型構造８０からなる光導波路を有する位相変調器２０２について、光が伝搬する方向が半導体の結晶面方位である［０−１１］面方向軸へ沿うように光導波路を形成する。位相変調器２０２の変調コア層２０に電圧を印加した際、ポッケルス効果、カー効果、量子閉じ込めシュタルク効果などの電気光学効果により変調コア層２０の屈折率が変化する。位相変調器２０２の光伝搬方向、つまり光導波路の方向を半導体の結晶面方位である［０−１１］面方向軸に沿って形成する場合は、ポッケルス効果と量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化の方向が同一となって重なり合うため、高い位相変調効率を得ることができる。

次に、第１の受動型光導波路２０３について、光の伝搬方向に直交する面での断面図を示す図６を用いて説明する。光導波路コア層３０は、光を損失なく伝搬させるため、バンドギャップエネルギーが信号光の光子エネルギーｈνより大きな半導体層で構成され、上述の下部クラッド層１１上に形成される。

上部クラッド層３１は、光導波路コア層３０に光を閉じ込める機能を果たすため、光導波路コア層３０より低い屈折率の半導体層で構成される。保護絶縁膜３２は、酸化膜あるいは窒化膜に例示される無機絶縁膜、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を一例とする有機絶縁膜、などの絶縁性材料で構成され、雰囲気中の酸素、水の影響で各半導体層が酸化あるいは変質したりすることを防止するための絶縁膜である。

第１の受動型光導波路２０３は、光の強度および位相を変化させる機能を有しないため、電極、コンタクト層などの電流あるいは電圧を印加するための構造はなくてもよい。

実施の形態１による半導体光集積素子１００の一部をなす第１の受動型光導波路２０３は、上部クラッド層３１から下部クラッド層１１の一部までをＲＩＥ法などでエッチングした受動型光導波路用ハイメサ型構造９０とする。

第１の光増幅器２００と位相変調器２０２とは光を伝搬する方向軸が直交しているため、これらを接続する第１の受動型光導波路２０３はカーブした領域が必要となる。光導波路がカーブした領域での光学的損失を抑制するため、第１の受動型光導波路２０３は光を強く閉じ込められる受動型光導波路用ハイメサ型構造９０が好ましい。

また、図１に示すように、第１の受動型光導波路２０３の一部には、多モード干渉導波路（Ｍｕｌｔｉ−ＭｏｄｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）あるいは方向性結合器などにより構成された光分岐器２０４を含んでもよい。
この場合、半導体光集積素子１００の内部に、位相変調器２０２としてマッハツェンダー型変調器を適用することが可能となるため、光トランシーバの小型化に貢献できる。

続いて、第１の受動型光導波路２０３の製造方法の詳細について述べる。なお、後述する第２の受動型光導波路２０６の製造方法も同一である。
第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の形成時にエピタキシャル成長した下部クラッド層１１の上に、光導波路コア層３０となる層厚１００ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウムヒ素リン、ＩｎｄｉｕｍＧａｌｌｉｕｍＡｒｓｅｎｉｄｅＰｈｏｓｐｈｉｄｅ）層と、上部クラッド層３１となる層厚２０００ｎｍのｉ型ＩｎＰ層をエピタキシャル成長する。

続いて、図６に示すように、ＲＩＥ法などで半導体層をエッチングして受動型光導波路用ハイメサ型構造９０を形成し、エッチングにより露出した各半導体層の表面を保護するための保護絶縁膜３２となる層厚３００ｎｍのＳｉＯ_２膜をＣＶＤ法などで形成する。

また、図１に示すように、第１の受動型光導波路２０３の一部には、多モード干渉導波路（Ｍｕｌｔｉ−ＭｏｄｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）あるいは方向性結合器などによる光分岐器２０４と光合波器２０５を含んでもよい。この場合、半導体光集積素子１００の内部に容易にマッハツェンダー型変調器を構成できるため、光トランシーバの小型化に貢献できる。

実施の形態１による半導体光集積素子１００の一部をなす第２の受動型光導波路２０６は、第１の受動型光導波路２０３と同じく、上部クラッド層３１から下部クラッド層１１の一部までをＲＩＥ法などでエッチングした受動型光導波路用ハイメサ型構造９０とする。

位相変調器２０２と第２の光増幅器２０１とは光を伝搬する方向軸が直交しているため、これらを接続する第２の受動型光導波路２０６はカーブした領域が必要となる。光導波路がカーブした領域での光学的損失を抑制するため、第２の受動型光導波路２０６は、第１の受動型光導波路２０３と同じく、光を強く閉じ込められる受動型光導波路用ハイメサ型構造９０が好ましい。

また、図１に示すように、第１の受動型光導波路２０３の一部に光分岐器２０４が設けられた場合は、分岐された複数の信号光を一つの信号光に合成するために、第２の受動型光導波路２０６の一部に、多モード干渉導波路あるいは方向性結合器などによる光合波器２０５を設ける。

次に、半導体光集積素子１００が複数個形成された半導体ウェハから、へき開あるいはエッチングなどのチップ分離方法により、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の一端がそれぞれ第１の端面１０ａに露出する、つまり、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の一端が第１の端面１０ａにともに接するように、半導体光集積素子１００を切り出して、個々のチップに分離する。

このチップ分離工程で、第１の光増幅器２００の第１の端面１０ａに露出した部位が光入力部４０となり、第２の光増幅器２０１の第１の端面１０ａに露出した部位が光出力部４１となる。なお、光入力部４０は第１の光増幅器２００の一端の部位であり、光出力部４１は第２の光増幅器２０１の一端の部位である。

蒸着法あるいはスパッタ法を用いて、光入力部４０および光出力部４１を覆うように、第１の端面１０ａに無反射コーティング膜５０を成膜する。無反射コーティング膜５０は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｂなどの酸化膜あるいは窒化膜からなる絶縁膜の積層構造により、第１の端面１０ａにおける光の反射率がゼロとなるような層構成とする。

例えば、特許文献３に記載されているように、光増幅素子が端面に接するのではなくチップ内部に構成される場合は、光増幅素子と光入力部および光増幅素子と光出力部の間には新たな光導波路が必要となる。かかる光導波路では、光増幅素子と光導波路の各コア層は異なる屈折率あるいは膜厚で構成されるため、両者の接続界面では光学的に不連続となる結果、両者の接続界面で信号光の一部が反射し、逆方向に伝搬する反射光が生じる。反射光は再び光増幅素子に入って増幅され、信号光と干渉するため、光変調信号にひずみが生じてしまうという不具合が発生する。

一方、本開示による半導体光集積素子１００によれば、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の一部で第１の端面１０ａに接する部位では、無反射コーティング膜５０により反射率をゼロとする構成が可能であるため、増幅された反射光が信号光と干渉することがなくなる結果、光変調信号のひずみを抑制することができる。

以上、図１に示す半導体光集積素子１００について説明した。図２は、図１の半導体光集積素子１００の変形例である半導体光集積素子１１０を示す上面図である。
半導体光集積素子１００との相違点は、半導体光集積素子１００では、光入力部４０と光出力部４１は、半導体光集積素子１００の同一の側面部、すなわち、第１の端面１０ａの側に設けられているが、変形例である半導体光集積素子１１０では、光出力部４１は、光入力部４０が設けられる第１の端面１０ａに対向する第２の端面１０ｂの側に設けられる。対向する第２の端面１０ｂには、無反射コーティング膜５１が形成されている。無反射コーティング膜５１の構成は、上述した無反射コーティング膜５０と同一である。その他の構成は半導体光集積素子１００と同一である。

第２の光増幅器２０１の一端が第２の端面１０ｂに接しているため、第２の光増幅器２０１から第１の端面１０ａへと信号光を導波する受動型光導波路を設ける必要が無くなるので、低消費電力でも増幅された信号光の高出力化が図れるという効果を奏する。

変形例である半導体光集積素子１１０の構成によると、光入力部４０が設けられる側面部と対向する第２の端面１０ｂの側に光出力部４１が設けられているため、対向する第２の端面１０ｂの側から光出力を取り出せるので、半導体光集積素子１００と同様の効果を奏する上に、半導体光集積素子の配置のフレキシビリティが高まるという効果を奏する。

なお、上述の説明では第１の光増幅器２００、第２の光増幅器２０１および位相変調器２０２として動作する必要最小限の要素を記載したが、最終的には配線電極、ワイヤボンディング用電極パッド、電極保護膜等も必要に応じて形成される。

また、各構造の製造工程の順序は入れ替えてもよく、各半導体層、絶縁膜、電極などは上述した材料に限らず、本開示の半導体光集積素子１００、１１０の構成を実現できるものであれば他の材料でも良い。

以上、実施の形態１による半導体光集積素子によれば、第１の光増幅器２００および第２の光増幅器２０１の光導波路の方向を、位相変調器２０２の光導波路の方向とは異なる方向になるように配置し、かつ、第２の光増幅器２０１の光導波路長Ｌ２を第１の光増幅器２００の光導波路長Ｌ１より短く設定することにより、第１の光増幅器２００よりも第２の光増幅器２０１の方が飽和光出力は小さくなるため、位相変調効率が高く、かつ、ひずみの少ない変調光信号を得ることができるという効果を奏する。

また、実施の形態１による半導体光集積素子によれば、第１の光増幅器２００を第１の端面１０ａに接するように設け、第２の光増幅器２０１を第１の端面１０ａあるいは第２の端面１０ｂのいずれかに接するように設けたので、低消費電力でも増幅された信号光の高出力化が図れるという効果も併せて奏する。

実施の形態２．
実施の形態２による半導体光集積素子１５０の上面図を図７に、半導体光集積素子１５０の変形例である半導体光集積素子１６０の上面図を図８にそれぞれ示す。

図７に示す半導体光集積素子１５０と図８に示す半導体光集積素子１６０との構造上の相違点は、半導体光集積素子１５０では、実施の形態１による半導体光集積素子１００と同じく、第２の光増幅器３０１の光導波路長Ｌ２が第１の光増幅器３００の光導波路長Ｌ１より短くなる構成であるのに対して、変形例である半導体光集積素子１６０では、第２の光増幅器３０１の光導波路長は第１の光増幅器３００の光導波路長Ｌ１と同じ長さ、つまり、両者の光導波路長はともにＬ１となる構成である点である。

実施の形態２による半導体光集積素子１５０では、第１の光増幅器３００の第１の利得コア層５５を構成する多重量子井戸構造４００および第２の光増幅器３０１の第２の利得コア層５６を構成する多重量子井戸構造４１０における井戸層４２１の総数について、光入力部４０の第１の端面１０ａに接して形成される第１の光増幅器３００の第１の利得コア層５５を構成する多重量子井戸構造４００の井戸層４２１の総数よりも、光出力部４１の第１の端面１０ａに接して形成される第２の光増幅器３０１の第２の利得コア層５６を構成する多重量子井戸構造４１０の井戸層４２１の総数の方が多い点が実施の形態１による半導体光集積素子１００との相違点である。

実施の形態１による半導体光集積素子１００と同じく、第１の光増幅器３００および第２の光増幅器３０１の光の伝搬方向は半導体の結晶面方位である［０１１］面方向軸に沿った方向であり、位相変調器２０２の光の伝搬方向は半導体の結晶面方位である［０−１１］面方向軸に沿った方向である。

第１の光増幅器３００および第２の光増幅器３０１以外の構成については、実施の形態１で示した素子構造と同様であるため、以下の説明では省略する。

実施の形態２による半導体光集積素子１５０の構成の一部をなす第１の光増幅器３００における光の伝搬方向に直交する面での断面図を図９に、第２の光増幅器３０１における光の伝搬方向に直交する面での断面図を図１０にそれぞれ示す。

第１の光増幅器３００の第１の利得コア層５５を構成する多重量子井戸構造４００の井戸層４２１の総数は、第２の光増幅器３０１の第２の利得コア層５６を構成する多重量子井戸構造４１０の井戸層４２１の総数より少なくなるように設定する。

第１の光増幅器３００の第１の利得コア層５５を構成する、井戸層４２１の総数が６層である多重量子井戸構造４００における近接する領域を含むバンドダイアグラムを図１１に、第２の光増幅器３０１の第２の利得コア層５６を構成する、井戸層４２１の総数が８層である多重量子井戸構造４１０における近接する領域を含むバンドダイアグラムを図１２にそれぞれ示す。

図１１および図１２のバンドダイアグラムの中で、上側の線は各半導体層の伝導帯４１１を、下側の線は各半導体層の価電子帯４１２をそれぞれ表す。図１１のバンドダイアグラムに示す第１の利得コア層５５を構成する多重量子井戸構造４００は、交互に形成された６層の井戸層４２１および７層の障壁層４２２からなる。多重量子井戸構造４００は下部クラッド層１１および上部クラッド層１３に接している。

図１２のバンドダイアグラムに示す第２の利得コア層５６を構成する多重量子井戸構造４１０は、交互に形成された８層の井戸層４２１および９層の障壁層４２２からなる。多重量子井戸構造４１０は下部クラッド層１１および上部クラッド層１３に接している。

一般に、光増幅器における利得は、利得コア層への光閉じ込め係数を高くすることで増加するが、一方で、飽和光出力は光増幅器へ入力した電力に比例するため、利得コア層への光閉じ込め係数が低い方が飽和光出力は高くなる。また、多重量子井戸構造における井戸層の総数が多いほど、利得コア層への光閉じ込め係数は比例的に高くなるので、結果的に、飽和光出力は小さくなる。

したがって、第２の光増幅器３０１の第２の利得コア層５６を構成する多重量子井戸構造４１０の井戸層４２１の総数を、第１の光増幅器３００の第１の利得コア層５５を構成する多重量子井戸構造４００の井戸層４２１の総数より多くすることで、第２の光増幅器３０１の方が飽和光出力は小さい構成を実現できる結果、ひずみの少ない変調光信号を得ることができる。

図８に示す半導体光集積素子１５０の変形例である半導体光集積素子１６０では、上述したように、第２の光増幅器３０１の光導波路長は第１の光増幅器３００の光導波路長Ｌ１と同じ長さである。

半導体光集積素子１６０においても、第２の光増幅器３０１の飽和光出力が第１の光増幅器３００の飽和光出力より小さくなる構成とすればよいため、上述した第１の利得コア層５５および第２の利得コア層５６の多重量子井戸構造４００、４１０の設計、すなわち、第２の光増幅器３０１の第２の利得コア層５６を構成する多重量子井戸構造４１０の井戸層４２１の総数を、第１の光増幅器３００の第１の利得コア層５５を構成する多重量子井戸構造４００の井戸層４２１の総数より多くするような設計を適用することで、例え、第１の光増幅器３００の光導波路長と第２の光増幅器３０１の光導波路長が同じ長さであったとしても、第２の光増幅器３０１の方が飽和光出力が小さくなる構成を実現できる。

半導体光集積素子１６０の一例として、例えば、第１の光増幅器３００の第１の利得コア層５５を構成する多重量子井戸構造４００の井戸層４２１の総数を図１１に示されるバンドダイアグラムのように６層に設定する一方、第２の光増幅器３０１の第２の利得コア層５６を構成する多重量子井戸構造４１０の井戸層４２１の総数を図１２に示されるバンドダイアグラムのように８層に設定すれば、第１の光増幅器３００に比べて井戸層４２１の総数が多い第２の光増幅器３０１の方が、飽和光出力が小さい構成を実現できる結果、ひずみの少ない変調光信号を得ることができる。

半導体光集積素子１６０では、半導体光集積素子１５０と同様な効果を奏する上に、第１の光増幅器３００と第２の光増幅器３０１の光導波路長の長さを同一とすることにより、半導体光集積素子の設計がより容易になるという効果をさらに奏する。

以上、実施の形態２による半導体光集積素子１５０および半導体光集積素子１６０によれば、第１の光増幅器３００および第２の光増幅器３０１の光導波路の方向を、位相変調器２０２の光導波路の方向とは異なる方向になるように配置し、かつ、第２の光増幅器３０１の第２の利得コア層５６を構成する多重量子井戸構造４１０の井戸層４２１の総数を、第１の光増幅器３００の第１の利得コア層５５を構成する多重量子井戸構造４００の井戸層４２１の総数より多くなるように設定するので、第１の光増幅器３００よりも第２の光増幅器３０１の方の飽和光出力を容易に小さくできるため、位相変調効率が高く、かつ、一層ひずみの少ない変調光信号を得ることができるという効果を奏する。

本開示は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。

従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０半導体基板、１０ａ第１の端面、１０ｂ第２の端面、１１下部クラッド層、１２利得コア層、１３、２１、３１上部クラッド層、１４、２２コンタクト層、１５電流ブロック層、１６光増幅器用電極、１７、２４、３２保護絶縁膜、２０変調コア層、２３位相変調器用電極、３０光導波路コア層、４０光入力部、４１光出力部、５０、５１無反射コーティング膜、５５第１の利得コア層、５６第２の利得コア層、６０埋め込み型構造、７０ハイメサ型構造、８０リッジ型構造、９０受動型光導波路用ハイメサ型構造、１００、１１０、１５０、１６０半導体光集積素子、２００、３００第１の光増幅器、２０１、３０１第２の光増幅器、２０２位相変調器、２０３第１の受動型光導波路、２０４光分岐器、２０５光合波器、２０６第２の受動型光導波路、４００、４１０多重量子井戸構造、４１１伝導帯、４１２価電子帯、４２１井戸層、４２２障壁層

Claims

半導体基板に入力される信号光を増幅する半導体光集積素子であって、
前記半導体基板の第１の端面に接して配置してあり、前記信号光を入力する光入力部と、
前記半導体基板上に設けられ、前記光入力部に接触し、接触した前記光入力部から入力された前記信号光を光導波路に沿って増幅する第１の光増幅器と、
前記半導体基板上に設けられ、前記第１の光増幅器が増幅した前記信号光を前記光導波路の方向とは異なる光伝搬方向に伝搬する受動型光導波路部と、
前記半導体基板上に設けられ、前記受動型光導波路部が伝搬する前記信号光に位相変調を行う位相変調器と、
前記半導体基板上に設けられ、前記受動型光導波路部が前記光伝搬方向に伝搬し前記位相変調器が前記位相変調を行った前記信号光を前記光伝搬方向とは異なる前記光導波路の方向に沿って増幅する第２の光増幅器と、
前記半導体基板の第１の端面に接して配置してあり、前記第２の光増幅器と接触し、接触した前記第２の光増幅器が前記光伝搬方向とは異なる前記光導波路の方向に沿って増幅した前記信号光を出力する光出力部と、を備え、
前記光出力部と接触する前記第２の光増幅器の光導波路長は、前記第１の光増幅器の光導波路長よりも短いことを特徴とする半導体光集積素子。
前記第２の光増幅器の光閉じ込め係数は前記第１の光増幅器の光閉じ込め係数よりも大きく、
前記第１の光増幅器の第１の利得コア層および前記第２の光増幅器の第２の利得コア層はそれぞれ多重量子井戸構造で構成され、かつ、前記第２の利得コア層を構成する多重量子井戸構造の井戸層の総数が前記第１の利得コア層を構成する多重量子井戸構造の井戸層の総数よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
前記第１の光増幅器の光導波路の方向は、結晶面方位である［０１１］面方向軸であり、前記異なる光伝搬方向は、結晶面方位である［０−１１］面方向軸であることを特徴とする請求項１または２項に記載の半導体光集積素子。
前記第１の光増幅器の光導波路および前記第２の光増幅器の光導波路は、それぞれ、利得コア層の側壁に電流ブロック層が形成される埋め込み型構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子。
前記第１の端面には、無反射コーティング膜が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体光集積素子。
第１の端面と前記第１の端面と対向する第２の端面とを有する半導体光集積素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、一端が前記第１の端面に接し、前記第１の端面から入力される信号光を光導波路に沿って増幅する第１の光増幅器と、
前記半導体基板上に設けられ、前記第１の光増幅器の他端と接続され、増幅された前記信号光を前記光導波路の方向とは異なる方向に導波する第１の受動型光導波路と、
前記第１の受動型光導波路に設けられ、導波される前記信号光を複数の信号光に分岐する光分岐器と、
前記半導体基板上に設けられ、複数に分岐された前記第１の受動型光導波路とそれぞれ接続され、前記異なる方向に沿って複数の前記信号光を位相変調する位相変調器と、
前記半導体基板上に設けられ、一端が前記位相変調器に接続され、位相変調された前記信号光を前記異なる方向から前記光導波路の方向へと導波する第２の受動型光導波路と、
前記第２の受動型光導波路に設けられ、位相変調された複数の前記信号光を一つの信号光に合成する光合波器と、
前記半導体基板上で、一端が前記第２の受動型光導波路の他端と接続し、他端が前記第１の端面あるいは前記第２の端面のいずれかに接するように設けられ、前記第２の受動型光導波路によって導波された前記信号光を前記光導波路の方向に沿って増幅し、増幅された前記信号光を外部に出力する、光閉じ込め係数が前記第１の光増幅器よりも大きい第２の光増幅器と、を備え、
前記第１の光増幅器の光導波路長と前記第２の光増幅器の光導波路長が同じ長さであり、前記第１の光増幅器の第１の利得コア層および前記第２の光増幅器の第２の利得コア層はそれぞれ多重量子井戸構造で構成され、かつ、前記第２の利得コア層を構成する多重量子井戸構造の井戸層の総数が前記第１の利得コア層を構成する多重量子井戸構造の井戸層の総数よりも多いことを特徴とする半導体光集積素子。
第１の端面と前記第１の端面と対向する第２の端面とを有する半導体光集積素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、一端が前記第１の端面に接し、前記第１の端面から入力される信号光を光導波路に沿って増幅する第１の光増幅器と、
前記半導体基板上に設けられ、前記第１の光増幅器の他端と接続され、増幅された前記信号光を前記光導波路の方向とは異なる方向に導波する第１の受動型光導波路と、
前記第１の受動型光導波路に設けられ、導波される前記信号光を複数の信号光に分岐する光分岐器と、
前記半導体基板上に設けられ、複数に分岐された前記第１の受動型光導波路とそれぞれ接続され、前記異なる方向に沿って複数の前記信号光を位相変調する位相変調器と、
前記半導体基板上に設けられ、一端が前記位相変調器に接続され、位相変調された前記信号光を前記異なる方向から前記光導波路の方向へと導波する第２の受動型光導波路と、
前記第２の受動型光導波路に設けられ、位相変調された複数の前記信号光を一つの信号光に合成する光合波器と、
前記半導体基板上で、一端が前記第２の受動型光導波路の他端と接続し、他端が前記第１の端面あるいは前記第２の端面のいずれかに接するように設けられ、前記第２の受動型光導波路によって導波された前記信号光を前記光導波路の方向に沿って増幅し、増幅された前記信号光を外部に出力する、光閉じ込め係数が前記第１の光増幅器よりも大きい第２の光増幅器と、を備え、
前記第１の光増幅器の光導波路長に対して前記第２の光増幅器の光導波路長の方が短く、前記第１の光増幅器の第１の利得コア層および前記第２の光増幅器の第２の利得コア層はそれぞれ多重量子井戸構造で構成され、かつ、前記第２の利得コア層を構成する多重量子井戸構造の井戸層の総数が前記第１の利得コア層を構成する多重量子井戸構造の井戸層の総数よりも多いことを特徴とする半導体光集積素子。