JPH02188981A - 光集積装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は能動光素子と光導波路を一体化した光集積装置
及びその製造方法に関するものである。

従来の技術 近年、能動光素子と先導波路を一体化した光集積装置の
構造について、種々のものが提案されている。能動光素
子が半導体レーザである場合、半導体レーザは光の横モ
ードを単一化できる埋め込み構造であり、光導波路は導
波する光の横モードが単一となる３次元光導波路である
ことが望ましい。このような埋め込み型半導体レーザと
３次元光導波路を一体化した光集積装置としては例えば
特開昭６０−１８７０７９号公報に示されていて、原理
的に横モード単一のままレーザ出力光を導波することが
可能である。

第１０図は従来の埋め込み型半導体レーザと３次元光導
波路を一体化した光集積装置の要部断面を示す斜視図で
ある。第１０図において半導体し一ザ部１０６は、ｎ型
ＩｎＰ基板１０１上に設けられたｎ型１ｎＧａＡｓＰ光
導波ｒＮ１０２．　　ｎ型１ｎＰ分＠Ｐｆｊ　１０３＋
　ｎ型ｌ　ｎＧａＡｓＰ活性Ｆｉ１０４．ｐ型１ｎＰク
ラッド［１０５によって構成されている。また光導波路
部１０７は、半導体レーザ部１０６と共通の光導波Ｊ！
１０２の上部に半導体レーザ部１０６における分ｉ１層
１０３の一部がストライプ状に構成された装荷型光導波
路となっている。

以上のように構成された従来の光集積装置においては、
半導体レーザ部１０６から発せられた光が、光導波路部
１０７端面で反射され再び半導体レーザ部１０６へ帰還
されるものである。この光帰還によりレーザ光源として
スペクトル線幅の非常に狭いレーザ光が得られる。ここ
で理論的にはこの帰還される光量が大きい程、また光出
力が大きい程レーザの特性は改善される。この意味でこ
の光集積装置の性能を向上させるためには、次のような
点に着目して設計する必要がある。

帰還光量の観点から Ｉ：光波結合効率が高いこと ２：光導波路部における導波損失が低いこと光出力の観
点から ３：発振しきい値が低いこと さらには横モード安定性確保の観点から４二半導体レー
ザ部および光導波路部で基本モード条件を満足している
こと などが挙げられる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら前記のような構成では、以下のような課題
があった。

（１）半導体レーザ部が、半導体基板上に成長される光
導波層、分離層、活性層およびクラッド層の４層の多層
構造のため、横モードの制御を考慮した結晶成長および
埋め込み型半導体レーザのプロセスが複雑であり、非常
に歩留まりが悪い。

（２）光導波路部における導波モードの確保（カットオ
フにならないようにする）のため、分離層および光導波
層の膜厚はある程度以上の膜厚が必要となる。しかし、
このため半導体レーザ部におけるトータル膜厚が増加し
、厚み方向の横モード制御が困難になり高次モードが発
生し易くなる。

（３）半導体レーザ部と光導波路部の間における光波結
合効率が低い。

という問題点を有していた。以上の理由により光集積装
置の歩留まりは著しく低いものであった。

本発明はかかる点に鑑み、製造方法が容易であり、かつ
半導体レーザ部の厚み方向の横モード制御性が改善がで
きる光集積装置及びその製造方法を提供することを目的
とする。

課題を解決するための手段 本発明は、上述の課題を解決するため、半導体基板上に
前記半導体基板より大きい屈折率を有するリブ型光導波
路層と、前記リブ型光導波路層上面の一部に前記リブ型
光導波路層よりバンドギャップの小さい活性層を有する
能動光素子を備えた光集積装置である。

もう一つの発明は、半導体基板上に前記半導体基板より
大きい屈折率を有するリブ型光導波路層と、前記リブ型
光導波路層上面の一部に前記リブ型光導波路層よりバン
ドギャップの小さい活性層を有する能動光素子とを有し
、前記活性層よりバンドギャップの大きい材料が少なく
とも前記リブ型光導波路層上面に形成されていることを
特徴とする光集積装置である。

作用 本発明は、３次元光導波路と・して装荷型光導波路の代
わりにリブ型光導波路を用いることにより、活性層と光
導波路層の間に分離層を介する必要がないため、製造方
法が容易であり、かつ半導体レーザ部の厚み方向の横モ
ードの制御性が改善できる。

またカバーリング層の導入により半導体レーザ部と光導
波路部の光波結合効率を高めることができ、光帰還型半
導体レーザの特長である狭スペクトル線幅特性をより一
層改善することができる。

実施例 （実施例１） 第１図は本発明の第１の実施例における光集積装置の要
部断面を示す斜視図である。第１図は、第１０図に示し
た従来例と同様な埋め込み型半導体レーザと３次元光導
波路を一体化した光集積装置である。

第１図において、半導体レーザ部９は、ｎ型ＩｎＰ基板
（バンドギャップ波長λｇ＝０．９２μｍ）１上にｎ型
Ｉ　ｎＧａＡｓＰ　（λｇ＝１．１μｍ）で構成された
リブ型光導波路２、前記光導波路２上に部分的に形成さ
れたｎ型１ｎＧａＡｓＰ活性層３（λｇ　＝　１　、　
３　ｕ　ｒｎ　）　ｐ　ｐ型ＩｎＰクラッド層４によっ
て構成されている。また光導波路部１０は、前記半導体
レーザ部９におけるリブ型光導波路２が延長された形で
構成されている。また活性層３は第１のｐ型１ｎＰ埋め
込み層５、ｎ型１ｎＰ埋め込みＮ６、第２のｐ型ｒｎＰ
埋め込み層７およびレーザ部コンタクト層であるｐ型１
ｎＧａＡｓＰコンタクト層８よりなる埋め込み部１１に
よって埋め込まれている。

また半導体レーザ部９の端面１４および光導波路部１０
の前記レーザ部９より遠い端面１２は鏡面に形成してい
るため、レーザ部９と先導波路部１０の一体化構成の光
帰還型半導体レーザ装置となる。ここで端面１３は必ず
しも面である必要はない。

以上のλうに構成されたこの実施例の光集積装置におい
て、以下その動作を説明する。

第１図において半導体レーザ部９に電流を注入すること
により発生した光の一部はリブ型光導波路２に結合し光
導波路端面１２で反射され再び半導体レーザ部９に帰還
される。

第２図は第１０図に示す光集積装置の半導体レーザ部に
おける基本モード条件を満足する範囲を示した図であり
、横軸に光導波層膜厚、縦軸に活性層膜厚をとっている
。ここで実線が本発明のリブ型光導波路構造を用いた光
集積装置で分離層厚が零の場合のものに対応し、破線が
分離層膜厚が０．１μｍ１−点鎖線が分離層膜厚が０．
２μｍのものを示し、高次モードが発生する境界線を示
す。第２図より本発明は分離層を用いないため分離層を
用いる従来例に比べ基本モード条件を満足する範囲を広
くなることがわかる。

第３図は第１Ｏ図に示す光集積！！置の半導体レーザの
発振しきい値電流および光波結合効率の分離層膜厚依存
性を示す特性図である。ここで光波結合効率は導波光と
してＴＥモードを仮定し、またｐ−ｎ接合に対し垂直な
面における計算値であり、発振しきい値電湾は実験結果
から得られたパラメータを用いキャビティー長を２５０
μｍとして計算した。横軸に先導波路膜厚Ｔ、縦軸には
半導体レーザ部の層構成でファプリーベロレーザを構成
した場合の発振しきい値電流１ｔｈ　（左）及び半導体
レーザ部と光導波層膜厚における光波結合効率η（右）
をとっている。ここで半導体レーザ部における活性層膜
厚は０．１μｍとしている。また実線が本発明のリブ型
光導波路構造を用いた光集積装置で分離層厚が零の場合
のものに対応し、破線が分離層膜厚が０．１μｍ、−点
鎖線が分離層膜厚が０．２μｍのものを示している。

第３図より発振しきい値電流は光導波路膜厚及び分離層
膜厚の増加と共に増加して、分離層の存在が発振発振し
きい値をより増加させる作用があり、従来の分離層を用
いた装荷型光導波路の代わりに分離層を用いないリブ型
光導波路を用いる本発明の優位性が窺える。また光波結
合効率ηに関しては分離層膜厚が零の場合（本発明の構
成）若干小さくなるようであるが、光導波路層膜厚等を
最適化することにより、どれも５０％程度の効率が得ら
れており特に大きな特性劣化はないと考えられる。

さらに本発明によれば、第１０図に示した従来技術によ
る光帰還型半導体レーザ装置におけるｎ型ＩｎＰ分離層
１０３が不要となり、多層膜結晶成長行程における困難
度が少なくなり飛躍的に半導体レーザ素子作製歩留まり
が改善され、従来例の構造では発振歩留まりが約２０％
であったのに対し、本実施例では約８０％程度まで改善
された。

第４図は本発明の実施例１における光集積装置の製造方
法を示す工程図である。以下実施例１における光集積装
置の製造方法を説明する。

第４図（ａ）に示すように、ｎ型ｒｎＰ基板１上にｎ型
！ｎＧａＡｓＰ光導波路層２（λｇ＝１゜１　μｍ　）
、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層３（λｇ＝１．３μｍ）、
ｐ型１ｎＰクラッド層４を順次エピタキシャル成長する
。次にｐ型１ｎＰクラッド層４上に酸化シリコン等の絶
縁膜をＣＶＤ法等を用いて堆積した後、ホトリソグラフ
ィーによってパターン形成を行い第４図（ｂ）に示すよ
うなストライプ上の絶縁膜２０を形成する。この絶縁膜
２０をエツチングマスクとしてＩｎＰの選択エツチング
液例えばＨＣＩ　：ＬＰＯｎ”ｌ：２ｔａ合液でクラッ
ド層４をエツチングし更にＩｎＧａＡｓＰの選択エツチ
ング液例えば８２５０４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ”ｌ：１：
５混合液で活性層３をエツチングし、ざらに光導波Ｐ！
２の一部をエツチングすることにより第４図（Ｃ）のよ
うな形状を得る。この後絶縁１ｆ５Ｆ２０を除去したの
ち、第１のｐ型ＴｎＰ埋め込みＮ５、ｎ型１ｎＰｔｌめ
込み層６、第２のｐ型！ｎＰ埋め込み層７、およびｐ型
ｒｎＧａＡｓＰコンタクト層（λｇ＝１．１μｍ）８を
順次成長させ第４図（ｄ）の形状を得る。

次に半導体レーザ部と光導波路部を分割するため絶縁膜
２１を第４図（ｅ）のように形成後、ｐ型Ｔ　ｎＧａＡ
ｓＰコンタクト層８を選択的にエツチングし、更にＩｒ
ｘＰの選択エツチング液を用いてエツチングを行うとス
トライプ状領域上では■ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ活性層
３が、ストライプ状領域以外の部分では光導波路層２が
現れた状態でエツチングが停止する。この後例えば、ｔ
１２ｓＯａ　：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ：１＝１：５混合液で
活性Ｎ３を除去しく第４図（ｆ）参照）ここで使用した
エツチング液の光導波路層２のエツチングレートは活性
層３のエツチングレートの！／１０であるためほぼ活性
層３のみが選択的に除去可能となる。更に絶縁膜２１を
除去すれば、第１図に示した本発明の実施例１の構造が
完成する。実際に素子として動作させるためには、この
後電極蒸着等の工程が必要となるが、これらの工程は従
来の方法で容易に得られるため説明は省略する。

（実施例２〉 第５図は本発明の第２の実施例における光集積装置の要
部断面を示す斜視図である。第５図に示す番号１〜１４
は第１図に示す番号１〜１４と同一であるのでここでは
説明を省略する。実施例２の構造は実施例１の構造に半
導体レーザ部コンタク）Ｎ８と光導波路層２上面全面に
わたって成長させたｐ型ＩｎＰカバーリングＮ１５（λ
ｇ＝０．９２μｍ）及びコンタクトＮ８と電極コンタク
トを形成するために設けたコンタクトホール１６を付加
した構造である。

第６図は本発明の第２の実施例における光集積装置の半
導体レーザ部９と先導波路部１０における光波結合効率
および発振しきい値電流のカバーリング層１５の膜厚依
存性を示す特性図である（第３図で示したものと同様の
手法により求めた）。

横軸に先導波路膜厚Ｔ、縦軸には半導体レーザ部の層構
成でファプリーベロレーザを構成した場合の発振しきい
値電流１ｔｈ　（右）及び半導体レーザ部と光導波路部
間における光波結合効率η（左）をとっている。ここで
半導体レーザ部９における活性層膜厚は０．１μｍとし
ている。また実線が本発明のカバーリングＪＷｉ１５を
用いた場合の光波結合効率を示しており、その際のカバ
ーリング層厚１５を０．０．１および０．４μｍと変化
させている。一方レーザ部分単独構成時（ファプリーベ
ロレーザ）における発振しきい値電流を破線で示してい
る。

第６図よりカバーリング層１５の存在により光波結合効
率は著しく増加しているのがわかる。この理由は活性層
３（λｇ＝１．３μｍ）よりもバンドギャップの大きな
ｐ型１ｎＰカバーリング層１５（λｇ＝０．９２μｍ）
を成長することにより、光導波路部１０における光のフ
ィールド分布が変化して半導体レーザ部と光導波路部に
おけるフィールド分布がよく似た形になったためであり
、光波結合効率は従来例および実施例１に比べて飛躍的
に改善される。またただ単にカバーリング層１５を従来
例に適用するζ光導波路部１０における横方向の閉じ込
め効果が無くなるため適用は不可能である。

第７図は（ａ）従来例（ｂ）実施例１および（ｃ）実施
例２の場合の光集積装置の半導体レーザ部と光導波路部
における電界強度分布を示す特性図であり、以上の理由
を裏付けるものである。以上のようにカバーリング層の
導入により半導体レーザ部と光導波路部の光波結合効率
を高めることができ、光帰還型半導体レーザの特長であ
る狭スペクトル線幅特性をより一層改善することができ
、その実用的効果は大きい。

第８図は本発明の実施例２における光集積装置の製造方
法を示す工程図である。以下実施例２における光集積装
置の製造方法を説明する。

実施例１の第４図（ｆ）までの工程が終了後、絶縁膜２
１を除去し、ＭＯＣＶＤ法等によりＩｎＰカバー−リン
グＦ’１５を成長して第８図（ａ）を得る。ＩｎＰカバ
ーリング層１５を成長後、コンタクトＮ８と電極コンタ
クトを形成するために、ＴｎＰ選択エツチングを第８図
（ｂ）のように行いコンタクトホール１６を形成する。

ここでカバーリング層１５の導電型がｐ型の場合はこの
まま電極工程に入ってよいが、ｎ型の場合はコンタクト
ホール１６の部分にｐ型拡散層を形成する必要がある。

以上のことを表にまとめると以下のようになり、表はそ
れぞれの構造における光集積装置の各種特性の比較を示
す。

なお実施例１．２では、能動光素子が半導体レーザであ
るとしたが、もちろん他の能動光素子、例えば受光素子
であっても本実施例の効果は十分にある。この場合、必
ずしも能動光素子を埋め込み構造とする必要はない。ま
たＩｎＰ系化合物半導体を用いて光集積装置を形成した
が、ＧａＡｓ系化合物半導体等を用いてもよい。更に半
導体レーザ部と光導波路部の形成においてウェットエツ
チングを用いたが、ドライエツチング等を用いてもよい
ことは言うまでもない。

（実施例３） 第９図は本発明の実施例３における光集積装置の上面図
である。第９図において光集積装置は、半導体レーザ部
２１１及び光制御部２１２より構成される。ここで２０
１は半導体基板上に成長した光導波層、２０３は半導体
レーザ部２１１内に形成されたレーザ活性部２０２で発
光したレーザ光を光制御部２１２に導波するためのリブ
型光導波路、２０４及び２０５はリブ型光導波路２０３
を導波する光の一部を取り出すためのリブ型光導波路で
ある。２０６及び２０７はレーザ光出射端に設けられた
レーザ光を反射するための反射膜、２０８はレーザ光出
射端に設けられた反射防止膜である。２０９はレーザ部
２１１中に設けられたレーザ活性部２０２と同一の構造
をもつ受光素子である。以下上記装置の動作を説明する
。

レーザ活性部２０２で発した光は、リブ型光導波路２０
３を通じて導波し光制御部２１２に導かれる。ここで一
部の光はリブ型光導波路２０４．２０５に結合するが、
残りの光は反射膜２０？で反射され再びレーザ部に帰還
される。この帰還効果により本装置はスペクトル純度の
優れた特性を有する発振特性が得られる。リブ型光導波
路２゜４に結合した光は、反射防止膜２０８を経て外部
に出力光として出射される。一方、リブ型光導波路２０
５に結合した光は、レーザ活性部２０２と同一構成を持
つ受光部２０９に入射して光起電力を発生する。この光
起電力を外部回路により検出することにより、レーザの
出力パワーをモニターすることが可能となる。

以上のように実施例１．２で示した光集積装置を用いる
ことにより優れたスペクトル特性並びに多機能半導体レ
ーザ装置への応用が可能となる。

なお本実施例では光制御部２１２として方向性結合器と
受光素子との組合せを示したが、これに限定するもので
はなく他に光スィッチや干渉系等の組合せも可能である
ことは言うまでもない。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、３次元光導波路と
して装荷型光導波路の代わりにリブ型光導波路を用いる
ことにより、半導体レーザ層と光導波路層の間に分離層
を介する必要がないため、結晶成長層数がＩＮ減少した
。このため製造方法が容易となり、飛躍的な発振歩留ま
りの向上と半導体レーザ部の厚み方向の横モードの制御
性が改善できる。またカバーリング層の導入により半導
体レーザ部と光導波路部の光波結合効率を高めることが
でき、光帰還型半導体レーザの特長である狭スペクトル
線幅特性をより一層改善することができ、その実用的効
果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における光集積装置の要
部断面を示す斜視図、第２図は第１０図に示す光集積装
置の半導体レーザ部における横モードが単一となる範囲
を示した図、第３図は第１０図に示す光集積装置の半導
体レーザの発振しきい値電流および光波結合効率の分１
ａｔ７ｉ！膜厚依存性を示す特性図、第４図は本発明の
第１の実施例における光集積装置の製造方法を示す工程
図、第５図は本発明の第２の実施例における光集積装置
の要部断面を示す斜視図、第６図は本発明の第２の実施
例における光集積装置の光波結合効率および発振しきい
値電流のカバーリング層膜厚依存性を示す特性図、第７
図は従来例２本発明の第１の実施例および第２の実施例
における導波光のフィールド分布を示す図、第８図は本
発明の実施例２における光集積装置の製造方法を示す工
程図、第９図は本発明の第３の実施例における光集積装
置の上面図、第１０図は従来の光集積装置の要部断面を
示す斜視図である。 １−−−ｎ型１ｎＰ基板、２−・ｎ型１ｎＧａＡｓＰ光
導波層、３・−ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層、４・・・ｐ
型ＩｎＰクラッド層、８・・・ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコン
タクト層、９，２１１・・・半導体レーザ部、１０−・
・光導波路部、１１・・・埋め込み部、１５・・・ｐ型
ＩｎＰカバーリング層、２０２・・・レーザ活性部、２
０３，２０４，２０５・・・リブ型光導波路 ／　・−ｎ　”ＥＬ　Ｌ　ｆＬＰ基板 ３　・−ｎ９Ｌ１ｘＧａ−ＡｓＰｉｔｓ＆層４−ＰＭ！
、Ｌ弧Ｐクラッド眉 ５−　第ｊＱＦ翌ＬＡＰ運込み層 １−−−　ｎ犯Ｉ外Ｐ理込み層 ７　・−第２　ノＰ　ｗｌｘ　ＰｋｌｉＺｂＪｈ３Ｂ−
Ｆ見Ｌ１σＩＬハＳゴングク）／１９−　半導体レーザ
部 ｔｏ・−光導波路部 １１・−理込みきｐ 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第 図 θ ０１ｚ ６．４ θ、６ σＢ １・Ｏ 光埠皮”Ｓ＃、、ＩＦ厚 Ｃ矛帆） 第 図 第 図 り・１ ４２　　　　σ、３　　　σ、４　　　１１．５光４４
液路層膜５Ｔｔ−ノ 落 図 ４Ｐ型Ｉ叶クラツト眉 第 図 ａｔ　　　　ｔｙ、ｔ　　　　σ３　　　θ、４　　　
θ５光導波訃眉厚Ｔ（、ｔｔｓす σ６ 第 図 （幻 ｉｌｌ＠粥 ｌｌｌＩＪｗＦ類側 城 第 図 第 図 ｆθ６争導４ドレープ１や

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）能動光素子と光導波路を一体化した光集積装置に
   おいて、半導体基板上に前記半導体基板より大きい屈折
   率を有するリブ型光導波路層と、前記リブ型光導波路層
   上面の一部に前記リブ型光導波路層よりバンドギャップ
   の小さい活性層を有する能動光素子からなることを特徴
   とする光集積装置。
2. （２）能動光素子と光導波路を一体化した光集積装置に
   おいて、半導体基板上に前記半導体基板より大きい屈折
   率を有するリブ型光導波路層と、前記リブ型光導波路層
   上面の一部に前記リブ型光導波路層よりバンドギャップ
   の小さい活性層を有する能動光素子とを有し、前記活性
   層よりバンドギャップの大きい材料が少なくとも前記リ
   ブ型光導波路層上面に形成されていることを特徴とする
   光集積装置。
3. （３）活性層が埋め込み層によって埋め込まれているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の光集積装置。
4. （４）半導体基板上に少なくとも光導波路層、活性層お
   よびクラッド層の３層を含む多層構造を順次形成する工
   程と、前記多層構造をストライプ上の領域を残して前記
   光導波路層の一部までエッチングした後、埋め込み層に
   より前記ストライプ領域を埋め込む工程と、前記ストラ
   イプ状の領域の一部を残して、前記埋め込み層および前
   記クラッド層を選択的にエッチングすることにより、前
   記ストライプ状の領域においては前記活性層表面を露出
   させ、また前記ストライプ状の領域以外の領域において
   は前記光導波層表面を露出させる工程と、露出した前記
   活性層を除去する工程からなる光集積装置の製造方法。
5. （５）露出した前記活性層を除去する工程の後、前記埋
   め込み層および前記光導波路層表面に少なくとも活性層
   よりバンドギャップの大きい半導体層を形成する工程か
   らなる特許請求の範囲第４項記載の光集積装置の製造方
   法。