JPH04240809A - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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JPH04240809A
JPH04240809A JP769091A JP769091A JPH04240809A JP H04240809 A JPH04240809 A JP H04240809A JP 769091 A JP769091 A JP 769091A JP 769091 A JP769091 A JP 769091A JP H04240809 A JPH04240809 A JP H04240809A
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JP
Japan
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refractive index
optical waveguide
optical
layer
diluted
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Withdrawn
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JP769091A
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Inventor
Nami Yasuoka
奈美 安岡
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置に関し、
特に光ファイバと結合するのに適した光半導体装置に関
する。
【0002】光通信および光情報処理においては、光信
号の発生、処理、検出の多くは半導体装置において行な
われ、光信号の伝播の多くは光ファイバを用いて行われ
る。近年、光通信および光情報処理の高度化に伴い、半
導体光導波路を用いた光集積回路の開発が活発に行われ
ている。光集積回路が複雑になるにつれ、結合部分、光
路方向変換部分への損失を小さくすること等の高性能化
が要求されている。
【0003】
【従来の技術】図6に従来の技術の例を示す。図6(A
)は、コヒーレント光通信に用いるバランス型受光素子
の例を示す。半導体基板51の上に、2つのS字型導波
路52、53がほぼ鏡面対称に配置され、その近接した
部分55が3dB方向性結合器を形成している。これら
の導波路52、53は、それぞれpinホトダイオード
57、58に終端している。このような構成で、モノリ
シックに集積化された半導体バランス型受光素子50が
構成される。
【0004】たとえば、一方の導波路52にはローカル
発振器からの参照信号が伝播され、他方の導波路53に
は光信号が伝播される。これらの信号は、結合器55の
部分で相互に結合され、変調された信号がpinホトダ
イオード57、58に入力する。
【0005】図6(B)は、光ファイバと半導体光導波
路の結合を概略的に示す。光ファイバ60はガラス等の
透明材料で形成され、その中心部に配置されたコア61
の屈折率は周辺のクラッドの屈折率よりも高く設定され
ている。光ファイバ60内を進むたとえば、波長1.5
5μmの光は、曲線の分布で示すように、コアから外側
にまで広がっている。通常の材料を用いたガラス製光フ
ァイバの場合、単一モードでのモードサイズはほぼ8〜
16μmである。
【0006】半導体光導波路は、たとえばInP等の半
導体基板64の上に、InGaAsP等のより高い屈折
率を有する導波路層65が配置され、その上を必要に応
じてさらに屈折率の低いInP等で覆った構造を有する
。光導波路65を構成するInGaAsPのギャップ波
長は、たとえば約1.3μm程度に選択される。このよ
うな構成において、半導体光導波路内の光のモードサイ
ズは、約1μm程度となる。
【0007】このような組み合わせによって、たとえば
1.55μm帯の光通信、光情報処理が行われる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】図6(B)に示すよう
に、光ファイバと半導体光導波路とを結合しようとする
と、通常モードサイズが大きく異なるため、光結合効率
が低い。このため、結合部における光損失が大きくなっ
てしまう。
【0009】本出願人のグループは、先に結合効率を低
減することのできる光導波路構造として、図7に示すよ
うな半導体光導波路を提案した。図7(A)に示すよう
に、InP等の低屈折率の基板70の上に、僅かに屈折
率が高くなる希釈超格子構造71を形成し、その上に基
板70と同一材料の低屈折率半導体で形成されたクラッ
ド層73を積層する。
【0010】希釈超格子構造71は、この光導波路にお
いてコア層を構成している。図7(B)は、コア層を構
成する希釈超格子構造をより詳細に示す。クラッド層と
同一材料の厚い低屈折率層75と、クラッド層よりも高
い屈折率を有する高屈折率層76とが積層され、超格子
を構成している。超格子71全体としては、構成材料の
平均的な性質を示す。低屈折率層の厚さを高屈折率層の
厚さと比較して十分大きくすることにより、超格子構造
71全体の実効屈折率を低屈折率層75の屈折率よりも
僅かに高い値に設定することが容易に行える。低屈折率
層75をInPで形成し、高屈折率層76をInGaA
sPで構成することにより、1.3μm帯、1.55μ
m帯の光通信に適した希釈超格子コア層が形成される。
【0011】図7(A)の構成において、希釈超格子コ
ア71と、上クラッド層73の幅を光ファイバにおける
単一モード光のモードサイズとほぼ等しい8〜16μm
のモードサイズとすることにより、光ファイバを伝播す
る光と半導体光導波路を伝播する光を高い結合効率で結
合することができる。
【0012】なお、基板70として低屈折率透明材料を
用いた時は、特に下クラッド層を形成する必要はないが
、基板70がこの条件に適さない時は、基板70上に下
クラッド層72を上クラッド層73と同様な材料によっ
て形成すればよい。
【0013】図7に示すような、希釈超格子を用いた光
導波路構造により、光ファイバと半導体光導波路とを高
い結合効率で結合することが可能となった。しかしなが
ら、図7の構成においては、光導波路の寸法(幅、高さ
等)が大きくなる。このため、種々の機能を半導体基板
上に集積化しようとした時、光集積回路装置全体の寸法
が大きくなってしまう。
【0014】たとえば、図6(A)に示すバランス型受
光素子構造を形成する場合、S字型光導波路52、53
を低損失で形成しようとすると、その寸法が大きくなり
、曲率半径を小さく設計すると、屈曲部分での光の損失
が大きくなってしまう。
【0015】本発明の目的は、光ファイバと結合するの
に適し、かつ伝播する光を強く閉じ込めることのできる
光導波路を有する光半導体装置を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明による光半導体装
置は、光ファイバと結合するのに適した光導波路を有す
る光半導体装置であって、低屈折率透明材料で形成され
た下クラッド領域と、下クラッド領域上に形成され、下
クラッド領域の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する低屈
折率透明材料からなる第1の厚さの低屈折率層と下クラ
ッド領域の屈折率より高い屈折率を有する高屈折率透明
材料からなる第1の厚さより薄い第2の厚さの高屈折率
層とを交互に積層した希釈超格子コア層と、希釈超格子
コア層上に形成され、低屈折率透明材料で形成された上
クラッド層と、上クラッド層上に形成され、希釈超格子
コア層の実効屈折率より高い屈折率を有する材料で形成
された光導波路とを含む。
【0017】
【作用】下クラッド領域上に希釈超格子コア層と上クラ
ッド層とを配置することにより、光ファイバのモードサ
イズに近いモードサイズを有する光導波路が形成できる
。このため、光ファイバと高い結合効率で半導体光導波
路を結合することができる。
【0018】さらに、上クラッド層上に希釈超格子コア
層よりも高い屈折率を有する材料で光導波路が形成され
ているため、希釈超格子コア層の光を光導波路に高い結
合効率で輸送することができる。光導波路は、伝播する
光に対して強い閉じ込め効果を有するため、光集積回路
を構成する際、その全体の寸法を小さくすることができ
る。
【0019】
【実施例】図1を参照して本発明の基本実施例を説明す
る。図1(A)は、本発明の実施例によるモード結合型
光半導体装置を示す。InP等の低屈折率透明材料で形
成された基板10の表面部分に実効屈折率が僅かに高い
希釈超格子コア層1が配置され、その上を基板10と同
等の低屈折率を有する上クラッド層3が覆っている。こ
の上クラッド層3の上に、希釈超格子コア層1の実効屈
折率よりも高い実効屈折率を有する光導波路5が形成さ
れている。
【0020】希釈超格子コア層1に接する基板10の部
分2は、下クラッド層2として機能する。基板10とし
て他の材料を用い、上クラッド層3と同等の材料で下ク
ラッド層2を形成してもよい。
【0021】希釈超格子コア層1は、上クラッド層3、
下クラッド層2に比較して僅かに高い屈折率を有するた
め、モードサイズの大きな光導波路構造を形成すること
ができる。光ファイバを伝播する光のモードサイズとほ
ぼ同等のモードサイズとすることにより、光ファイバと
高い結合効率で結合することができる。
【0022】たとえば、1.55μm帯の光通信用とし
ては、下クラッド層2、上クラッド層3をInPで形成
し、希釈超格子コア層1を相対的に厚いInP低屈折率
層と、相対的に極めて薄いInGaAsP層との交互積
層で形成し、光導波路5をInGaAsPで形成するこ
とができる。
【0023】なお、光導波路5の上に、さらに低屈折率
材料のクラッド層を積層することもできる。以後、希釈
超格子コア層1を含む光導波路を下側光導波路、光導波
路5を含む導波路を上側光導波路と呼ぶ。
【0024】下側光導波路と上側光導波路は、その伝播
定数が等しくなるように構成材料、厚さ等を選ぶ。上側
光導波路の端は、下側光導波路の端から所定距離d1離
し、光ファイバと結合する際、光ファイバが下側光導波
路に選択的に結合するようにすることが好ましい。また
、下側光導波路と上側光導波路の重なり合う結合部分の
長さfは、進行する光が一方の光導波路から他方の光導
波路に完全に移ることのできる結合長にほぼ等しく選ぶ
。距離d1としては、たとえば約500μm、下側光導
波路と上側光導波路が重なり合う結合部分の長さfとし
ては、約2mm以下を選択する。
【0025】以上のように設計することにより、光ファ
イバと図1(A)に示す光半導体装置とを結合した際、
光ファイバから発する光は高結合効率で下側光導波路に
結合され、下側光導波路を進行する光は、矢印で示すよ
うに、徐々に上側光導波路に移行され、結合部分の長さ
fを経た時に完全に移行する。
【0026】図1(B)は、本発明の他の基本実施例に
よるバット結合型光半導体装置を示す。本実施例におい
ては、基板10表面が斜めに整形され、その表面上に希
釈超格子コア層1および上クラッド層3が形成されてい
る。これらの表面は、基板10の表面と共通の面を構成
するように平坦に整形されている。希釈超格子コア層1
が表面に露出する位置に重ねて光導波路5が形成されて
いる。なお、構成各部分の材料は、図1(A)と同様の
ものを用いることができる。
【0027】本実施例においては、光ファイバから輸送
された光は希釈超格子コア層1を中心として、図中右側
に進行し、希釈超格子コア層1と光導波路5とが接触す
る位置で光導波路5に完全に移行する。希釈超格子コア
層1の端と、光導波路5の端とは、図1(A)の場合の
距離d1よりも大きな距離d2離すことが好ましい。
【0028】なお、希釈超格子コア層1が斜めに傾いた
平坦な表面上に形成する場合を図示したが、光導波路5
と斜めにゆるやかに結合する構造であれば、他の形態で
あってもよい。
【0029】図1(C)は、図1(A)、(B)におい
て用いる希釈超格子コア層の構造をより詳細に示す。希
釈超格子コア層1は、厚い低屈折率層7と薄い高屈折率
層8とを積層した超格子構造からなる。高屈折率層8の
厚さを、低屈折率層7の厚さと比較して極く薄く選択す
ることにより、実効的な組成従って実効的な屈折率を低
屈折率層7の材料の屈折率よりも僅かに高い値に高精度
に設定することができる。
【0030】たとえば、低屈折率層7を厚さ約140n
mのInP層で形成し、高屈折率層8を厚さ約4nmの
InGaAsP層で形成し、この組み合わせを15対積
層する。このような構成によって、厚さ約2μmの希釈
超格子コア層を形成する。また、上側クラッド層として
は、厚さ約6μm、幅約12μmのInP層を形成する
【0031】このように希釈超格子コア層の実効屈折率
をクラッド2、3の屈折率よりも僅かに高い値に設定す
ることにより、モードサイズの大きな光導波路を任意に
形成することができる。
【0032】単一モード光ファイバと結合する場合、単
一モード光ファイバ内のモードサイズは、通常8〜16
μmである。従って、希釈超格子コア層1を含む光導波
路のモードサイズを、たとえばその中間値12μmとな
るように選択する。
【0033】図1(D)は、下側光導波路と上側光導波
路の平面配置の例を示す。下側光導波路を構成する希釈
超格子コア層1の幅w1は、上側光導波路を構成する光
導波路5の幅w2よりも大きく選ぶ。すなわち、下側光
導波路の幅w1は、光ファイバとの結合に適した幅に選
択し、上側光導波路5の幅w2は、光半導体装置内で光
を伝播するのに適した幅に選ぶ。
【0034】図2は、図1に示した基本実施例における
光の伝播動作を説明するための該略図である。図2(A
)は、図1(A)に示すモード結合型光半導体装置の場
合を示す。
【0035】光ファイバ20のコアを光半導体装置内の
希釈超格子コア層1と整列させて配置する。光ファイバ
20内の光は、曲線P0で示すように、広く広がってい
る。このモードサイズは、たとえば8〜16μmである
。光半導体装置内の希釈超格子コア層1および下側クラ
ッド層2、上側クラッド層3を光ファイバ20内のモー
ドサイズと適合するように設計することにより、光ファ
イバ20内の光は高い結合効率で下側導波路に結合する
。この結合直後の光の分布をP10で示す。下側光導波
路を光が進行すると、上側光導波路と隣接するようにな
る。下側光導波路と上側光導波路が平行に配置され、結
合されている部分では、下側光導波路から上側光導波路
に光が徐々に移行する。この様子を曲線P11、P12
、P13で示す。
【0036】下側導波路と上側光導波路の結合部分の長
さを結合長にほほ等しく選択することにより、下側光導
波路の終端部分では、光はほぼ完全に上側光導波路に移
行する。上側光導波路においては、光導波路5の屈折率
が周囲の屈折率よりも十分高いため、内部を進行する光
は強く閉じ込められる。
【0037】図2(B)は、図1(B)に示すバット結
合型光半導体装置の場合を示す。光ファイバ20内を伝
播する光P0が光半導体装置内の下側光導波路と結合す
る部分は、図2(A)と同様である。この状態をP20
で示す。本実施例においては下側光導波路が基板10表
面に対し傾斜して配置されているため、下側光導波路を
伝播する光は、次第に表面に近付く。下側光導波路は表
面に近付く時、表面上には上側光導波路が形成されてい
るため、光は上側光導波路と結合する。さらに進行する
と、下側光導波路は上側光導波路とバット結合して終端
する。この時点で下側導波路を進行してきた光は完全に
上側光導波路に移行する。この動作を曲線P21、P2
2、P23で示す。
【0038】図3は、図1(A)に示す構造を製造する
製造プロセスの例を説明するための図である。図3(A
)に示すように、InP基板10の上にホトレジスト1
4を形成し、所望の開口を形成する。開口部におけるホ
トレジスト層14の端部は、所望の傾斜で徐々に厚さが
減少することが好ましい。
【0039】図3(B)に示すように、ホトレジスト層
14をマスクとしてイオンビーム異方性エッチング等に
より、InP基板10をエッチングし、所定深さ掘り下
げる。この際、ホトレジスト層14の開口端部において
は、ホトレジスト層14の厚さが徐々に変化しているた
め、エッチング中ホトレジスト層が消費されて端部に深
さが徐々に変化する部分が形成される。すなわち、中央
部で所定の深さ、端部において緩やかに深さが変化する
凹部が形成される。
【0040】所望の凹部を形成した後、ホトレジスト層
14は除去する。図3(C)に示すように、この表面上
に希釈超格子コア層11および上側クラッド層13を形
成する。希釈超格子コア層11としては、たとえば厚さ
140nmのInP層と、厚さ約4nmのInGaAs
P層とを15対積層する。上側クラッド層13としては
、たとえば厚さ6μmのInP層を形成する。この状態
においては、希釈超格子コア層11および上側クラッド
層13は、基板表面全面上に形成されている。
【0041】図3(D)に示すように、基板10の凹部
と対応する部分にホトレジスト層15を形成する。この
ホトレジスト15の端部は、基板10における凹部の形
状と適合した厚さの変化する部分を有することが好まし
い。
【0042】このホトレジスト層15をマスクとして、
上側クラッド層13および希釈超格子コア層11をイオ
ンビーム異方性エッチング等によりエッチングする。エ
ッチング中、ホトレジスト層15は徐々に消費され、そ
の厚さの薄い部分は徐々に後退する。このようにして、
凹部以外の表面上に形成された上側クラッド層13およ
び希釈超格子コア層11をエッチング除去すると共に、
その表面をほぼ平坦に調整する。
【0043】エッチング後ホトレジスト層15を除去す
ると、図3(E)に示すような構造が得られる。すなわ
ち、基板10表面部に希釈超格子コア層11aおよび上
側クラッド層13aを埋め込んだ構成が得られる。
【0044】図3(F)に示すように、この表面上に上
側光導波路を構成する光導波路層15を形成する。たと
えば、ギャップ波長約1.3μmのInGaAsPで形
成された厚さ約0.3μmの光導波路層15を形成する
【0045】図3(G)に示すように、光導波路層15
上にホトレジスト層を形成し、ドライエッチングするこ
とによって、所望の形状に光導波路層を整形し、光導波
路15aを得る。また、必要に応じて、光路側部をエッ
チングで掘り下げる。上クラッド層13aはドライエッ
チング等により、希釈超格子コア層11aはウェットエ
ッチングにより選択除去できる。続いて、基板10を所
望位置でへき開することにより、希釈超格子コア層11
bを基板側面に露出する。
【0046】図3(H)に示すように、露出した基板表
面に反射防止膜16を形成する。たとえば、SiN膜を
所定厚さCVD等によって堆積する。このようにして、
図1(A)に示す光半導体装置構造を形成することがで
きる。
【0047】なお、図3(A)、(B)に示す基板エッ
チングの段階において、形成する凹部の形状を調整する
ことにより、図1(B)に示すようなバット結合構成を
形成することもできる。
【0048】図4は、本発明の他の実施例による光半導
体装置を示す。InP基板10の表面部分に希釈超格子
コア層21aおよび上側クラッド層23aが埋め込まれ
たように形成され、その表面は基板10表面と共通の表
面を形成している。これら光導波路部分の両側は凹部2
7、28を形成するように除去されている。その外側に
は希釈超格子コア層21aおよびその上の上クラッド層
23aと同等の構成の希釈超格子層21b、21cおよ
び低屈折率層23b、23cが配置されている。希釈超
格子層21a、21b、21cは、厚さ2μm、その上
の低屈折率層23a、23b、23cは、厚さ約6μm
に形成される。中央部の光導波路を形成する部分21a
、23aの幅は約12μmに形成される。その上に、上
側光導波路を構成する光導波路層25が厚さ約0.3μ
m、幅約4μmに形成される。
【0049】このような構成とすることにより、下側光
導波路を形成する際の寸法制御が積層構造形成後のエッ
チング工程のみによって制御できる。なお、各構成部分
は、前述の実施例同様のものとすることができる。
【0050】図5は本発明の他の実施例による光半導体
装置を示す。本実施例においては、図4に示す実施例の
中央部に形成された光導波路構造21a、23aを、基
板10端面よりも後退させた構造となっている。このた
め、基板10端面に幅の広い凹部29が形成されている
。この凹部に光ファイバの端部を挿入し、接着剤等によ
って固定することにより、光ファイバと光半導体装置の
結合が形成できる。
【0051】その他の点に関しては、図4の実施例と同
様である。以上、1.55μm帯の光通信、光情報処理
に用いる場合のInP/InGaAsPを材料とする場
合について主に説明したが、他の波長用にGaAs/A
lGaAs等の他の材料の組み合わせを用いることもで
きる。なお、GaAs基板を用いる場合には、下側クラ
ッド層として一旦AlGaAs層を形成した後、希釈超
格子コア層、上側クラッド層を形成する。その他、材料
の組み合わせは、目的とする光信号の波長等によって選
択すればよい。
【0052】なお、光半導体装置には、他の半導体装置
を集積することもできる。たとえば、基板上に希釈超格
子コア層、上側クラッド層を形成した後、半導体レーザ
構造を形成し、半導体レーザ構造の光導波路層と光結合
部の上部光導波路とを結合することにより、半導体レー
ザから発する光を高い結合効率で光ファイバに供給する
こと等ができる。
【0053】以上、実施例に沿って本発明を説明したが
、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば
、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業
者に自明であろう。
【0054】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光ファイバとの結合効率が高く、かつ強い光閉じ込め効
果を有する光導波路に光を移行することのできる光半導
体装置が提供される。
【0055】光ファイバとの結合における光損失が低減
され、かつ光集積回路に微細な構造を形成することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本実施例を説明するための図である
。図1(A)、(B)は、2つの基本的形態を示す断面
図、図1(C)は、図1(A)、(B)の両形態に用い
る希釈超格子コア層の構成を示す断面図、図1(D)は
、結合部分の平面形態の例を示す平面図である。
【図2】図1に示す基本実施例の動作を説明するための
概念図である。図2(A)は、図1(A)の動作を説明
する概念図、図2(B)は、図1(B)の構成の動作を
説明する概念図である。
【図3】図1に示す基本実施例の構成を形成するための
製造プロセスの例を説明するための図である。図3(A
)〜(H)は、各工程における半導体基板を示す断面図
である。
【図4】本発明の他の実施例による光半導体装置を示す
斜視図である。
【図5】本発明の他の実施例による光半導体装置を示す
斜視図である。
【図6】従来技術を示す図である。図6(A)は、バラ
ンス型受光素子を示す斜視図、図6(B)は、光ファイ
バと半導体光導波路の結合を示す概略断面図である。
【図7】本出願人のグループによる先の提案を示す図で
ある。図7(A)は、構成を示す斜視図、図7(B)は
そのコア層の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1  希釈超格子コア層 2、3  クラッド層 5  光導波路 7  低屈折率層 8  高屈折率層 10  基板 20  光ファイバ d、f  距離(長さ) w  幅 P  光の分布

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  光ファイバと結合するのに適した光導
    波路を有する光半導体装置であって、低屈折率透明材料
    で形成された下クラッド領域(2)と、前記下クラッド
    領域(2)上に形成され、下クラッド領域の屈折率とほ
    ぼ等しい屈折率を有する低屈折率透明材料からなる第1
    の厚さの低屈折率層(7)と下クラッド領域の屈折率よ
    り高い屈折率を有する高屈折率透明材料からなる第1の
    厚さより薄い第2の厚さの高屈折率層(8)とを交互に
    積層した希釈超格子コア層(1)と、前記希釈超格子コ
    ア層(1)上に形成され、前記低屈折率透明材料で形成
    された上クラッド層(3)と、前記上クラッド層(3)
    上に形成され、前記希釈超格子コア層(1)の実効屈折
    率より高い屈折率を有する材料で形成された光導波路(
    5)とを含む光半導体装置。
  2. 【請求項2】  前記希釈超格子コア層(1)と前記光
    導波路(5)とがほぼ平行に配置され、ほぼ等しい伝播
    定数を有し、重ね合って配置された部分の長さ(f)が
    ほぼ結合長に等しい請求項1記載の光半導体装置。
  3. 【請求項3】  前記希釈超格子コア層(1)が前記上
    クラッド層(3)表面に次第に近付き、表面に達した位
    置で前記光導波路(5)と接触する請求項1記載の光半
    導体装置。
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