JPH03192787A - 集積型光変調器 - 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） 本発明は光変調器と半導体レーザを集積化した集積型光
変調器に関する。

（従来の技術） 分布帰還型半導体レーザ等の単一軸モードレーザと電界
吸収型の半導体光変調器とを集積化した光源は、レーザ
領域と変調領域とが分離されているため、変調時の波長
変動（波長チャーピング）が従来のＤＦＢ　ＬＤを直接
変調する方式に比べ小さくなるという特徴を有している
。波長チャーピングが小さな光源を用いると、光ファイ
バの波長分散の影響を受けることのない伝送が可能にな
るため、集積化光変調器は将来の長距離・大容量光ファ
イバ伝送用の光源として期待され、研究開発も盛んに行
われている。従来の集積化光源として古津らの報告によ
るもの（１９８９年電子情報通信学会秋季全国大会講演
予稿集、Ｃ−１７９）がある。この素子では寄生容量を
低減して変調速度の高速化を図るために、レーザ領域の
活性層を含むメサストライプ及び変調領域の光吸収層を
含むメサストライプがともに側面を高抵抗半導体によっ
て埋め込まれた構造となっている。レーザ側の発振閾値
電流は２０ｍＡ、光出力は１７ｍＷであり、変調器側で
は素子容量として０．５５ｐＦ、帯域として１０ＧＨｚ
が得られている。

（発明が解決しようとする課題） 上記の素子ではｐサイドの電極はメサストライプの上に
直接形成されており、半導体と電極とのオーミックコン
タクトはメサストライプの最上層の幅（約２１１ｍ）に
限定されている。メサストライプの幅が狭いとオーミッ
ク抵抗が増加し、発熱によりレーザの出力が飽和したり
、高温動作が不安定になったりする。また、その結果長
期信頼性が維持できなくなる問題等が発生する。高出力
・高温動作及び高い信頼性を得るためには、半導体レー
ザ素子の経験からオーミックコンタクトの幅は少なくと
も７ｐｍ以上必要であることが分かっている。一方メサ
ストライプを広くすると横高次モードが発振し易くなる
ためメサ幅はは３ｐｍ以上には拡大できない。従って従
来素子のようにメサストライプの最上層に直接に電極を
形成する構造では、高い信頼性、高出力動作と基本モー
ド動作を両立させることは困難である。メサ幅を安定な
横基本モード動作が得られる２μｍ以下に設定した状態
でオーミック抵抗を小さくするためには、メサストライ
プ及び高抵抗ブロック層の上に第二導電型（ここでは半
導体基板にｎ型を用いるのでｐ型）の埋め込み層を形成
し、その上に電極を設けることでコンタクト面積を広く
することが有効である。そうしたデバイスの一例として
は佐々木らによる半導体レーザの報告（１９８９年電子
情報通信学会秋季全国大会講演予稿集、Ｃ−１７１）等
がある。但しこの構造の場合、埋め込み層内に同電位面
が拡り、高抵抗ブロック層を挾んで基板との間に比較的
大きな容量（およそ２ｐＦ程度）が発生する。従って、
高抵抗ブロック層の上全面に埋め込み層を有する同様の
構造を変調器側にも採用することは変調帯域を狭くする
ことになる。

本発明の目的は、横基本モードで動作し、高速・高出力
動作に優れ、かつ高信頼な集積型光変調器を提供するこ
・とにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の集積型光変調器は第一導電型の半導体基板の上
に形成された少なくとも活性層とその上の第二導電型の
クラッド層を含むメサストライプと、該メサストライプ
の両側面を埋める高抵抗ブロック層とを備え、該メサス
トライプは２分され、それぞれの活性層の禁制帯幅が異
なる集積型光変調器において、禁制帯幅の狭い活性層を
含む領域においては前記高抵抗ブロック層の上に第一導
電型のバッファ層と、前記メサストライプ及び前記バッ
ファ層の上に第二の導電型の埋め込み層とその上の第一
の電極とを有し、禁制帯幅の広い活性層を含む領域にお
いては少なくとも前記メサストライプの上を覆う前記第
一の電極とは電気自うに絶縁された第二の電極を有し、
前記半導体基板の下に第三の電極を有してなることを特
徴とする。

あるいは上記集積型光変調器の高抵抗ブロック層及びメ
サストライプの上の高抵抗ブロック層及びメサストライ
プの上の構造に代えて、高抵抗ブロック層の上に前記メ
サストライプの近傍に限定して第−導電型のバッファ層
を有し、このバッファ層と前記メサストライプの上に第
二導電型の埋め込み層を有し、少なくとも前記埋め込み
層の上には前記禁制帯幅が狭い活性層を含む領域に対応
して第一の電極を、また禁制帯幅の広い活性層を含む領
域に対応して前記第一の電極とは電気的に絶縁された第
二の電極を有し、前記半導体基板の下第三の電極を有し
てなることを特徴とする。

あるいは上記集積型光変調器の高抵抗ブロック層及びメ
サストライプの上の高抵抗ブロック層及びメサストライ
プの上の構造に代えて、高抵抗ブロック層の上に第一導
電型のバッファ層を有し、このバッファ層と前記メサス
トライプの上に第二導電型の埋め込み層を有し、前記バ
ッファ層及び埋め込み層には前記メサストライプを挾む
ように前記高抵抗ブロック層にまで達する深さの二本の
溝を備え、少なくとも前記二本の溝で挟まれた埋め込み
層の上には前記禁制帯幅が狭い活性層を含む領域に対応
して第一の電極を、また禁制帯幅の広い活性層を含む領
域に対応して前記第一の電極とは電気的に絶縁された第
二の電極を有し、前記半導体基板の下に第三の電極を有
してなることを特徴とする。これらの構造を用いること
により前述の課題を解決するものである。

（作用） 高出力特性及び信頼性に優れるレーザと高速性に優れる
変調器を得るためには、レーザ領域は第二導電型の埋め
込み層を有する高抵抗埋め込み構造とし、変調領域は高
抵抗ブロック層のみの埋め込み構造とすることが一つの
解決策といえる。本発明では変調領域には第二導電型の
埋め込み層を設けない構造により、高速性の劣化を防ぐ
ことができる。あるいは埋め込み層を有する高抵抗埋め
込み構造においても、工夫により素子容量を大幅に低減
することができる。例えば高抵抗ブロック層の上の埋め
込み層をメサストライプの近傍にのみ形成した構造や、
メサストライプ近傍の埋め込み層に高抵抗ブロック層に
まで達する溝を形成することにより、埋め込み層におけ
る同電位面の拡りを防ぎ、容量低減を実現できる。これ
らの構造を用いれば、レーザ領域及び変調領域ともに同
様の埋め込み構造で活性領域では基本横モードで高出力
高信頼、変調領域では高帯域という、高性能な集積デバ
イスが得られ素子製作も容易で歩留りが向上する。

（実施例１） 以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図（ａ）は本発明の第一の実施例である集積型光変
調器の構造図、第１図（ｂ）は光の進行方向に沿った断
面図である。変調領域はｎ　−ＩｎＰ基板１の上に波長
組成１．４０ｐｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ吸収層５
（厚さ０．３μｍ）とその上のｐ−ＩｎＰクラッド層６
（厚さ１．５ｐｍ）、ｐ　”　−ＩｎＧａＡｓＰ第一の
キャップ層７（厚さ０．３ｐｍ）を含むメサストライプ
１２（幅２ｐｍ）を有し、その側面をＦｅドープＩｎＰ
高抵抗ブロック層１１（厚さ３μｍ）で埋めこんだ多層
構造となっている。高抵抗ブロック層１１の上にはメサ
ストライプ１２の上を除いて５ｉ０２膜１３が、更にメ
サストライプ１２及び５ｉ０２膜１３の上に電極１４が
形成されている。電極１４は変調器の高速化を図るため
に、半導体とのコンタクト部及びポンディングパッド部
を除いて除去し、最小限の面積に限定して容量を低減し
ている。

方、レーザ領域は半導体基板１の上に周期２４００人の
回折格子２とその上の波長組成１．３μｍのｎ　−Ｉｎ
ＧａＡｓＰガイド層３（厚さ０．１ｐｍ）、波長組成１
．５５ｐｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ発光層４（厚さ
０．１ｐｍ）、ｐ　−ＩｎＰクラッド層６（厚さ１．５
μｍ）を含むメサストライプ１２を有し、その両側面を
ＦｅドープＩｎＰ高抵抗ブロック層１１とその上のｐ　
−ＩｎＰバッファ層８（厚さＩｐｍ）で埋め込み、更に
その上及びメサストライプ１２の上にｐ　−ＩｎＰ埋め
込み層９（平坦部の厚さ０．５ｐｍ）、ｐ　−ＩｎＧａ
ＡｓＰ第二のキャップ層１０（厚さ０．５μｍ）を形成
した多層構造をなしている。尚、レーザ領域においては
、高抵抗ブロック層１１と埋め込み層９との間にｎ型の
バッファ層８を設けているが、ｐ型の埋め込み層９がら
ＦｅドープＩｎＰ高抵抗ブロック層１１へのホールの注
入による光出力の飽和を防止するためである。電極１５
は第二のキャップ層１０の上に形成されている。またグ
ランド電極１６は基板１の下に形成されている。

変調領域とレーザ領域とは、変調領域の吸収層５とレー
ザ領域の発光層４及びガイド層３とが直接結合すること
で光学的に結合している。また変調領域の活性層即ち吸
収層５の禁制帯幅はレーザ領域の活性層即ち発光層４の
禁制帯幅より大きくしている。

これはフランツケルデイシュ効果を用いて変調するため
である。二つの領域の間隔は３０ｐｍであり、その間の
キャップ層７は除去されているため、電気的にはクラッ
ド層６を介してのみ導通している。ただし、二つの領域
間のクラッド層６の抵抗は約３００にΩあるため、実質
的には電気的に分離されていると見なせる。レーザ領域
及び変調領域の長さは共に３００ｐｍである。また変調
領域の端面には無反射コーテイング膜１７が形成されて
いる。

本素子のレーザ領域に電流注入したところ閾値電流１５
ｍＡで発振した。発振波長は１．５５ｐｍである。

またレーザ側の素子抵抗が６Ωと低いため、変調器側か
ら３０ｍＷの高出力動作を得た。最高発振温度は１００
°Ｃであった。変調器側を逆バイアス電圧により変調し
たところ、３Ｖｐ、の変調電圧に対して、１５ｄＢの消
光比を得た。変調器の素子容量は０．３ｐＦであり、変
調帯域として１３ＧＨｚを得ることができた。

本素子の製作方法について述べる。ｎ−ＩｎＰ基板１の
レーザ領域に相当する部分に回折格子２を干渉露光法に
より形成した後に、レーザ領域にガイド層３、発光層４
、また変調領域に吸収層５を選択成長により形成し、さ
らにその上にクラッド層６、キャップ層７を成長する。

ここまでの結晶成長法は液相成長（ＬＰＥ）法である。

その後メサストライプ１２を形成し、その側面に選択的
に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によりＦｅドープ
高抵抗層１１、ｎ−ＩｎＰバッファ層８を成長する。更
にレーザ領域においてはキャップ層７を除去した後に全
面に埋め込み層９、第二のキャップ層１０をＬＰＥ法に
より形成する。一方、変調領域のバッファ層８はエツチ
ング除去する。こうして得られた多層構造半導体ウエノ
１に５ｉ０２膜１３、電極１４．１５．１６を形成した
後に、各素子に分離し、変調器端面にＳｉＮからなる無
反射コーテイング膜１７をスパッタ法により形成するこ
とにより、所望の集積型光変調器が得られる。

（実施例２） 第２図（ａＸｂ）はそれぞれ本発明の第二の実施例であ
る集積型光変調器の構造図及び光の進行方向に沿った断
面図である。変調領域はｎ　−ＩｎＰ基板１の上に波長
組成１．４０μｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ吸収層５
（厚さ０．３ｐｍ）とその上のｐ　−ＩｎＰクラッド層
６（厚さ０．３μｍ）を含むメサストライプ１２（輻２
ｐｍ）を有し、レーザ領域は半導体基板１の上に周期２
４００人の回折格子２とその上の波長組成１．３ｐｍの
ｎ　−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３（厚さ０．１ｐｍ）、
波長組成１．５５１１ｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ発
光層４（厚さ０．１ｐｍ）、ｐ　−ＩｎＰクラッド層６
（厚さ０．３１１ｍ）を含む変調領域から連続したメサ
ストライプ１２を有している。このメサストライプ１２
の両側面はＦｅドープＩｎＰ高抵抗ブロック層１１（厚
さ３ｐｍ）とその上のｎ−ＩｎＰバッファ層８（厚さｌ
ｐｍ）で埋め込まれ、バッファ層８及びメサストライプ
１２の上にｐ　−ＩｎＰ埋め込み層９（平坦部の厚さ０
．５ｐｍ）、ｐ＋ＩｎＧａＡｓＰ第二のキャップ層１０
（厚さは０．５１１ｍ）が形成された多層構造をなして
いる。但しキャップ層１０、埋め込み層９、バッファ層
８はメサストライプ１２の近傍の幅１５ｐｍの領域を除
いて除去されている。そしてウェハ表面にはキャップ層
１ｏの上の幅１０μｍのオーミックコンタクト部を除い
て５ｉ０２膜１３が形成されており、更に変調領域には
電極１４がレーザ領域には電極１５が形成されている。

また基板１の下には電極１６が形成されている。変調器
の電極１４は高速化を図るために実施例１と同様に極力
面積を狭くしたパッド電極型としている。また変調器の
端面には無反射コーテイング膜１７が形成されている。

二つの領域ともに長さは３００ｐｍであり、電極間の間
隔は５０μｍでその間のキャップ層１ｏはエツチング除
去されている。素子間の分離抵抗は１００にΩ程度と集
積素子として十分な値を示した。

本素子のレーザ領域に電流注入したところ閾値電極１３
ｍＡで、波長１．５５ｐｍで単一モードで発振した。ま
た本素子はクラッド層６の厚さが実施例１の素子の比べ
薄いため、素子抵抗が実施例１よりも一層低く４Ωであ
った。従って高出力動作に優れ変調器側から最高３７ｍ
Ｗの高出力動作を得た。最高発振温度は１１０°Ｃであ
った。変調器側を逆バイアス電圧により変調したところ
、３Ｖ、−ｐの変調電圧に対して１５ｄＢの消光比を得
た。変調器の素子容量は０．４５ｐＦであり、変調帯域
として１１ＧＨｚを得ることができた。

本素子の製作方法について簡単に述べる。ｎ　−ＩｎＰ
基板１のレーザ領域に相当する部分に回折格子２を干渉
露光法により形成した後に、レーザ領域にガイド層３、
発光層４を、また変調領域に吸収層５を選択成長により
形成し、さらにその上にクラッド層６を成長する。、こ
こまでの結晶成長法はＬＰＥ法である。その後メサスト
ライプ１２を形成し、その側面に選択的にＭＯＶＰＥ法
によりＦｅドープ高抵抗層１１、ｎ　−ＩｎＰバッファ
層８を成長する。更に全面に埋め込み層９、キャップ層
１ｏをＬＰＥ法により形成する。その後メサストライプ
１２の近傍の幅１５ｐｍ程度の領域を除きキャップ層１
ｏ、埋め込み層９、バッファ層８を選択的にエツチング
除去する。そしてウェハ表面に５ｉ０２膜１３をＣＶＤ
法により形成した後、キャップ層１０の上の５ｉ０２膜
１３に幅約１０ｐｍの窓を開け、更にその上に変調領域
には電極１４を、またレーザ領域には電極１５を形成す
る。また半導体基板１の下にはグランド電極１６を形成
する各素子に電離し、変調器端面にＳｉＮからなる無反
射コーテイング膜１７をスパッタ法により形成すること
により、集積型光変調器が得られる。

（実施例３） 第３図（ａＸｂ）はそれぞれ本発明の第三の実施例であ
る集積型光変調器の構造図及び光の進行方向に沿った断
面図である。変調領域はｎ　−ＩｎＰ基板１の上に波長
組成１．４０μｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ吸収層５
（厚さ０．３μｍ）とその上のｐ　−ＩｎＰクラッド層
６（厚さ０．３ｐｍ）を含むメサストライプ１２（幅２
ｐｍ）を有し、レーザ領域は半導体基板１の上に周期２
４００人の回折格子２とその上の波長組成１．３１１ｍ
のｎ　−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３（厚さ０．１ｐｍ）
、波長組成１．５５１１ｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ
発光層４（厚さ０．１ｐｍ）、ｐ　−ＩｎＰクラッド層
６（厚さ０．３ｐｍ）を含む変調領域から連続したメサ
ストライプ１２を有している。このメサストライプ１２
の両側面はＦｅドープＩｎＰ高抵抗ブロック層１１（厚
さ３μｍ）とその上のｎ−ＩｎＰバッファ層８（厚さ１
ｐｍ）で埋め込まれ、バッファ層８及びメサストライプ
１２の上にｐ−ＩｎＰ埋め込み層９（平坦部の厚さ０．
５１１ｍ）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０（厚さ
は０．５μｍ）が形成された多層構造をなしている。但
しメサストライプ１２の近傍にはメサストライプ１２を
挾むように高抵抗ブロック層１１にまで達する溝３１が
形成されている。

二つの溝３１の間隔は１５１１ｍである。そしてウェハ
表面にはメサストライプ１２の上部の幅１０ｐｍのオー
ミックコンタクト部を除いて５ｉ０２膜１３が形成され
ており、更にその上に変調領域には電極１４がレーザ領
域には電極１５が形成されている。また基板１４は高速
化を図るために実施例１と同様に極力面積を狭くしたパ
ッド電極型としている。また変調器の端面には無反射コ
ーディング膜１７が形成されている。二つの領域ともに
長さは３００μｍであり、電極間の間隔は５０μｍでそ
の間のキャップ層１ｏはエツチング除去されている。素
子間の分離抵抗は１００にΩ程度と集積素子として十分
な値を示した。

本素子のレーザ領域に電流注入したところ閾値電流１４
ｍＡで、波長１．５５μｍで単一モードで発振した。ま
たクラッド層６の厚さが実施例２の素子と同様に薄いた
め、素子抵抗が４Ωと低く高出力動作に優れていた。変
調器側からの最高光出力として３５ｍＷが得られた。最
高発振温度は１００°Ｃであった。変調器側を逆バイア
ス電圧により変調したところ、３Ｖｐ、の変調電圧に対
して１５ｄＢの消光比を得た。変調器の素子容量は０．
４ｐＦであり、変調帯域として１２ＧＨｚを得ることが
できた。

本素子の製作方法は実施例２とほぼ同じである。

特に結晶成長に関しては全く同じであるのでここでは省
略する。

尚、本発明の実施例ではバッファ層８の組成をＩｎＰと
したが、組成をＩｎＧａＡｓＰとすると、実施例１にお
いて変調器側のバッファ層８を除去する際に、また実施
例２及び３においてはキャップ層１０、埋め込み層９、
バッファ層８を部分的に除去する際に、選択エツチング
法を用いて高抵抗ブロック層１１の上面でエツチングを
止めることができる等の利点がある。また本実施例では
発光層４に波長組成１．５５ｐｍのＩｎＧａＡｓＰを用
いたが、発光層４は他の波長組成からなっていてもよく
、さらに ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造やＩｎ
ＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造であって
もよい。同様に吸収層５も多重量子井戸構造であっても
本発明は有効である。

（発明の効果） 本発明による集積型光変調器は、レーザ側の素子抵抗が
低いため高出力、高温動作に優れ、また変調器側におい
ては１０ＧＨｚを越える超高速変調が可能である。レー
ザ側において高出力、高温動作に優れることから、本素
子は長期信頼性の面においても優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は本発明の第一、第二、第三の
実施例である集積型光変調器の構造を説明する図であり
、各図において（ａ）は斜視図、（ｂ）はメサストライ
プ部での断面図である。図において１はｎ　−ＩｎＰ基
板、２は回折格子、３はｎ　−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
、４はアンドープｎ−ＩｎＧａＡｓＰ発光層、５はアン
ドープＩｎＧａＡｓＰ吸収層、６はｐ　−ＩｎＰクラッ
ド層、７及び１０はｐ　＋−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
、８はｎ　−ＩｎＰバッファ層、９はｐ　−ＩｎＰ埋め
込み層、１１はＦｅドープＩｎＰ高抵抗層、１２はメサ
ストライプ、１３は５ｉ０２膜、１４゜１５、１６は電
極、１７は無反射コーテイング膜、３１は溝である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第一導電型の半導体基板の上に形成された少なく
   とも活性層とその上の第二導電型のクラッド層を含むメ
   サストライプと、該メサストライプの両側面を埋める高
   抵抗ブロック層とを備え、該メサストライプは２分され
   、それぞれの活性層の禁制帯幅が異なる集積型光変調器
   において、禁制帯幅の狭い活性層を含む領域においては
   前記高抵抗ブロック層の上に第一導電型のバッファ層と
   、前記メサストライプ及び前記バッファ層の上に第二の
   導電型の埋め込み層とその上の第一の電極とを有し、禁
   制帯幅の広い活性層を含む領域においては少なくとも前
   記メサストライプの上を覆う前記第一の電極とは電気的
   に絶縁された第二の電極を有し、前記半導体基板の下に
   第三の電極を有してなることを特徴とする集積型光変調
   器。
2. （２）第一導電型半導体基板の上に形成された少なくと
   も活性層とその上の第二導電型のクラッド層を含むメサ
   ストライプと、このメサストライプの両側面を埋める高
   抵抗ブロック層とを備え、該メサストライプは２分され
   、それぞれの活性層の禁制帯幅が異なる集積型光変調器
   において、前記高抵抗ブロック層の上に前記メサストラ
   イプの近傍に限定して第一導電型のバッファ層を有し、
   このバッファ層と前記メサストライプの上に第二導電型
   の埋め込み層を有し、少なくとも前記埋め込み層の上に
   は前記禁制帯幅が狭い活性層を含む領域に対応して第一
   の電極を、また禁制帯幅の広い活性層を含む領域に対応
   して前記第一の電極とは電気的に絶縁された第二の電極
   を有し、前記半導体基板の下に第三の電極を有してなる
   ことを特徴とする集積型光変調器。
3. （３）第一導電型半導体基板の上に形成された少なくと
   も活性層とその上の第二導電型のクラッド層を含むメサ
   ストライプと、このメサストライプの両側面を埋める高
   抵抗ブロック層とを備え、該メサストライプは２分され
   、それぞれの活性層の禁制帯幅が異なる集積型光変調器
   において、前記高抵抗ブロック層の上に第一導電型のバ
   ッファ層を有し、このバッファ層と前記メサストライプ
   の上に第二導電型の埋め込み層を有し、前記バッファ層
   及び埋め込み層には前記メサストライプを挟むように前
   記高抵抗ブロック層にまで達する深さの二本の溝を備え
   、少なくとも前記二本の溝で挟まれた埋め込み層の上に
   は前記禁制帯幅が狭い活性層を含む領域に対応して第一
   の電極を、また禁制帯幅の広い活性層を含む領域に対応
   して前記第一の電極とは電気的に絶縁された第二の電極
   を有し、前記半導体基板の下に第三の電極を有してなる
   ことを特徴とする集積型光変調器。