JPH06268316A

JPH06268316A - 半導体光素子

Info

Publication number: JPH06268316A
Application number: JP5167293A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Aoki; 雅博青木; Takeshi Taniwatari; 剛谷渡; Makoto Suzuki; 鈴木　　誠
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、光分岐導波路を有する半導
体光素子の分岐部での極低光導波損失、作製誤差の少な
い安定な分岐比を極めて容易に実現する構造を提供する
ことにある。【構成】光分岐導波路（８）が形成される位置に光分
岐導波路と同じ形状の間隙が設けられたパターニング形
状を有する絶縁膜マスク（７）を施した半導体基板上
（１）に結晶成長を行い、半導体の露出した間隙部のみ
に選択的に結晶成長（選択成長）する。これにより導波
路形状を形成した分岐導波路を有する半導体光素子を得
る。【効果】光導波損失が極めて少なく且つ作製誤差の少
ない安定な分岐比を有する半導体光分岐導波路が極めて
容易に実現できる。本素子を用いれば、素子作製精度、
歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この素子を適
用した光通信システムの高速化、長距離化を容易に実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体光素子に係り、特
に光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワー
クに用いる好適な半導体光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩｎＰやＧａＡｓ等の化合物半導体を用
いた光半導体素子は超小型化、高光密度化や能動／受動
光素子集積化のウェハ一貫プロセスが可能であり将来の
光応用技術を支える要素デバイスになりつつある。これ
らの半導体光素子は光波を媒体として情報信号を伝搬す
る一種の光回路である。従って、その回路中には光信号
を分波／合波する光の分岐導波路が必須の要素となる。
具体的な応用例としては干渉型光変調器、マトリクス光
スイッチ、スターカップラー等枚挙にいとまがない。

【０００３】従来、このような光分岐導波路の作製に
は、図１Ａ、Ｂに示すように、まずコア層２、クラッド
層３を予め形成した半導体基板１上にＳｉＯ２等の材料
からなる導波路パターン４を形成し、次にこれをマスク
としてエッチングにより導波路を作製する方法が取られ
ている。

【０００４】この方法は簡易で量産性にも優れているた
め直線導波路のような単純な形状の光導波路を形成する
場合には有効であるが、形状が複雑で寸法精度が要求さ
れる光分岐導波路の作製には適さない。これは、上述の
エッチング法では原理上分岐部５のエッチングが他の箇
所に比べ進みにくいため、分岐の切れの劣化や、パター
ニング精度の大幅な劣化が生じるためである。分岐部５
の切れはパターニング時のリソグラフィーの精度及びエ
ッチング形状により決定され通常図１Ｃに模式的に示す
ように、分岐形状が鈍る。また、分岐部の周辺のエッチ
ングの深さは他の箇所に比べて浅く且つパターンの揺ら
ぎも増える。この結果、現状の光分岐導波路では分岐過
剰損失の増大や、分岐比の設計値からのずれが生じ素子
性能、作製歩留まりが大きく低下している。例えば、こ
の分波／合波導波路を１組づつ有する干渉型光変調器で
はこの分岐過剰損が４〜６ｄＢと非常に大きく問題とな
っている。更に光の分岐比が０．５からバラツクことに
より、変調時の消光比の劣化も引き起こしている。な
お、この種の半導体光素子として関連するものに、例え
ばＩＥＥＥ・ジャーナル・オブ・ライトウェーブテクノ
ロジー（Ｊ．Ｌ．Ｔ．）９２４−９３２頁１９９２年７
月が挙げられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、従
来のエッチング法により光分岐導波路を作製する際、原
理上この分岐部のエッチングが進みにくいため、分岐の
切れの劣化や、パターニング精度の大幅な劣化が生じ
る。導波路分岐部のパターニング精度は分岐損失、分岐
比などの分岐特性に大きく影響する。この結果、現状の
光分岐導波路では分岐過剰損失の増大や、分岐比の設計
値からのずれが生じ素子性能、作製歩留まりが大きく低
下する。

【０００６】本発明の目的は、半導体光素子中の光分岐
導波路の分岐部のパターニング精度および分岐特性の飛
躍的な向上を極めて容易に実現する半導体光素子を提供
することにある。

【０００７】さらに本発明の目的は、特に量子井戸構造
を光分岐導波路に適用して好適な構造及び製法を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、光分岐導波路が形成される位置に光
分岐導波路と同じ形状の間隙が設けられたパターニング
形状を有する絶縁膜マスクを施した半導体基板上に結晶
成長を行い半導体の露出した間隙部のみに選択的に結晶
成長（選択成長）することにより導波路形状を形成する
方法を考案した。

【０００９】

【作用】以下、光分岐導波路が形成される位置に光分岐
導波路と同じ形状の間隙が設けられたパターニング形状
を有する絶縁膜マスクを施した半導体基板上に結晶成長
を行い半導体の露出した間隙部のみに選択的に結晶成長
（選択成長）することにより導波路形状を形成する方法
及びこれにより分岐損失の低減化、分岐比の安定化など
の分岐特性を大きく向上する方法について説明する。図
２Ａに示すように、まずコア層２、及び導波光の波長よ
りも十分薄いクラッド層６を予め形成した半導体基板１
上に絶縁膜パターニングマスク７を形成する。ここで図
に示すように、マスク７のパターニング形状上は作製す
る所望の光分岐導波路と同じ形状の間隙が設けられてい
る。次に、この絶縁膜パターニングマスク７を有する半
導体基板１上に混晶半導体を例えば有機金属気相成長法
を用いて結晶成長する。この場合、絶縁膜パターニング
マスク７の上には結晶成長は起こらず、半導体が露出し
たマスクの間隙部のみに選択的に結晶が成長する（選択
成長）。このため、図２Ｂに示すようにマスク７のパタ
ーニング形状と同一のリッジ装荷型光導波路８が該結晶
成長中に自動的に形成される。この場合、分岐部に予め
形成された選択成長マスク５上には結晶成長は起こなら
いため、この分岐部５は非常に鋭く、且つ導波路はマス
ク５と同一面内迄切れ込んだ理想的な分岐形状が得られ
る。更に、リッジ形状の側壁９には成長速度が最も低い
成長律速面が自然形成されるため、原子レベルで平滑な
導波路側面が得られる。このため導波散乱損失が極めて
少ない、低損失光導波路が得られる。

【００１０】また、上記構造に量子井戸構造を導入した
場合においても上記と全く同様の効果が得られることは
言うまでもない。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図３〜図１１を用い
て説明する。

【００１２】（実施例１）図３において、（１００）ｎ
−ＩｎＰ基板１０上に２５周期のＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ
／Ｉｎ_0.51Ａｌ_0.49ＡｓまたはＩｎ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ
_0.76Ｐ_0.24／ＩｎＰからなる多重量子井戸構造１１を例
えば分子線成長（ＭＢＥ）法または有機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ）法により形成する。多重量子井戸構造１
１の発光ピーク波長は１．４５μｍである。ここで多重
量子井戸構造１１上部には０．１μｍ厚のアンドープＩ
ｎ_0.51Ａｌ_0.49ＡｓまたはＩｎＰ１２を成長してある。
次にこの基板上に図３Ａに示すようなパターニング形状
を有するＳｉＯ₂マスク１３を公知の方法により形成す
る。ＳｉＯ₂マスクには分岐導波路と同じ形状の間隙が
設けらたパターニングが転写されている。導波路幅は３
μｍ前後、分岐長は約２００μｍである。続いて、減圧
ＭＯＣＶＤ法によりｐ−ＩｎＰクラッド層１μｍ１４、
ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層０．２μｍ１５を順次成長
する。この際、結晶成長はＳｉＯ₂マスクの間隙部のみ
に選択的に起こるため、自動的にマスクパターンと同一
の導波路形状が得られる。図３Ｂは導波路の結合部（ａ
−ａ’）、分岐部（ｂ−ｂ’）の断面形状である。図示
のように導波路の側壁には（１１１）Ｂ面が自動的に形
成される為、非常に平滑な面が得られる。

【００１３】以上の様にして各半導体層を形成した後、
更に変調器電極１６、下部電極１７を通常の蒸着法等に
より設ける。更に劈開工程、端面無反射膜の形成工程を
経て、波長１．５５μｍで動作可能な干渉型光変調器を
得る。本実施例によれば分岐部の過剰損失を０．５ｄＢ
以下に低減出来るため、素子の全光挿入損失を５ｄＢま
で低減可能である。また、光の分岐比のバラツキが非常
に少ないため３０ｄＢ以上の消光比が容易に得られる。

【００１４】（実施例２）図４において、（１００）ｎ
−ＩｎＰ基板１０上に図４Ａに示すようなパターニング
形状を有するＳｉＯ₂マスク２０を公知の方法により形
成する。ＳｉＯ₂マスクには分岐導波路と同じ形状の間
隙が設けらたパターニングが転写されている。導波路幅
は３μｍ前後、分岐長は約２００μｍである。この際、
図４Ｂに示すように、選択成長マスクの幅は導波路の結
合部（ａ−ａ’）の方が分岐部（ｂ−ｂ’）よりも狭く
なるように設計されている。次にこのパターニング基板
上に２０周期のＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ／Ｉｎ_0.51Ａｌ
_0.49ＡｓまたはＩｎ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ_0.76Ｐ_0.24／Ｉｎ
Ｐからなる多重量子井戸構造１１を例えば分子線成長
（ＭＢＥ）法または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法
により形成する。多重量子井戸構造１１のバンドギャッ
プ波長はマスク幅の狭いの無い導波路の結合部（ａ−
ａ’）で１．３５μｍ、分岐部（ｂ−ｂ’）で１．４５
μｍとなるようにマスク幅を調整してある。更に、多重
量子井戸構造１１上部には１．０μｍ厚のｐ−ＩｎＰク
ラッド層１μｍ１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層０．
２μｍ１５を減圧ＭＯＣＶＤ法により，順次成長する。
この際、結晶成長はＳｉＯ₂マスクの間隙部のみに選択
的に起こるため、自動的にマスクパターンと同一の導波
路形状が得られる。図４Ｂは導波路の結合部（ａ−
ａ’）、分岐部（ｂ−ｂ’）の断面形状である。図示の
ように導波路の側壁には（１１１）Ｂ面が自動的に形成
される為、非常に平滑な面が得られる。また、上述のａ
−ａ’、ｂ−ｂ’間ではマスク幅の差異により成長速度
が異なる。この結果、ａ−ａ’間の多重量子井戸構造１
１のバンドギャップ波長はｂ−ｂ’間のそれより短く設
定出来る。このため分岐導波路以外の導波路層の導波損
失を更に低減可能である。

【００１５】以上の様にして各半導体層を形成した後、
更に変調器電極１６、下部電極１７を通常の蒸着法等に
より設ける。更に劈開工程、端面無反射膜の形成工程を
経て、波長１．５５μｍで動作可能な干渉型光変調器を
得る。本実施例によれば分岐部の過剰損失を０．５ｄＢ
以下に低減出来るため、素子の全光挿入損失を３ｄＢま
で低減可能である。また、光の分岐比のバラツキが非常
に少ないため３０ｄＢ以上の消光比が容易に得られる。

【００１６】（実施例３）図５において、（１００）ｎ
−ＩｎＰ基板１０上に図５Ａに示すように１％の圧縮歪
を有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構
造（バンドギャップ波長１．５４μｍ）２１、１％の引
張歪を有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井
戸構造（バンドギャップ波長１．５４μｍ）２２、及び
ＩｎＧａＡｓＰ層（組成波長１．１５μｍ）２３からな
る結合導波路構造を公知の方法により形成する。続いて
図５Ｂに示すようなパターニング形状を有するＳｉＯ₂
マスク２４を公知の方法により形成する。ＳｉＯ₂マス
クには分岐導波路と同じ形状の間隙が設けらたパターニ
ングが転写されている。導波路幅は３μｍ前後、分岐長
は約２００μｍである。続いて、減圧ＭＯＣＶＤ法によ
りｐ−ＩｎＰクラッド層１μｍ１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓ
キャップ層０．２μｍ１５を順次成長する。この際、結
晶成長はＳｉＯ₂マスクの間隙部のみに選択的に起こる
ため、図５Ｃに示すように自動的にマスクパターンと同
一の導波路形状が得られる。

【００１７】以上の様にして各半導体層を形成した後、
更に平坦化層２５、電極１６、下部電極１７を通常の蒸
着法等により設ける。更に劈開工程、端面無反射膜の形
成工程を経て、波長１．５５μｍで動作可能なコヒーレ
ント光通信用偏波無依存受信器を得る。本実施例によれ
ば、１％の圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ多重量子井戸構造２１におけるＴＥ偏波光に対する受
信信号と、１％の引張歪を有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓＰ多重量子井戸構造２２におけるＴＭ偏波光に対
する受信信号分岐部の和が常に検出されるため信号伝達
光の偏波方向に因らない受信機が作成出来る。また、電
極を分割することにより偏波ダイバーシティー用の受光
素子にも適用可能である。更、分岐部の過剰損失を０．
５ｄＢ以下に低減出来るため、素子の受信感度も２〜３
ｄＢ程度改善可能である。

【００１８】（実施例４）図６は図５と同様な手法で作
製した１．５５μｍＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重
量子井戸構造分布帰還型レーザ２６、ＩｎＧａＡｓ導波
路型ＰＩＮ光検出器２７、ＩｎＧａＡｓＰ入射／出射導
波路２８をモノリシック集積した送信／受信素子の一例
である。

【００１９】（実施例５）図７は図５と同様な手法で作
製した交差型光スイッチ３０と進行波型光増幅器３１の
モノリシック集積素子の一例である。

【００２０】以上実施例１〜４により選択成長を用いて
分岐導波路を作製することによる素子の挿入損失の低減
効果、分岐比の安定化を干渉型光変調器、光検出器、光
送信／受信素子、光スイッチについてしめしたが、同様
の効果は光分岐導波路を有する全ての半導体光素子に適
用可能であることは言うまでもない。

【００２１】（実施例６）図８は、サブマウント３２上
に実施例１または実施例２の干渉型光変調器３３と光源
となる分布帰還型レーザ３４とこれら間の光軸上に球レ
ンズ３５を介し先球ファイバ３６を固定し、さらに変調
駆動回路３７を内蔵した光通信用送信モジュール３８で
ある。本モジュールを用いれば高ファイバ光出力、低チ
ャーピングの高速送信光信号を容易に作り出せる。

【００２２】（実施例７）図９は、実施例６の送信モジ
ュール３８を用いた幹線系光通信システムである。送信
装置３９は送信モジュール３８とこのモジュール３８を
駆動するための駆動系４０とを有する。モジュール３８
からの光信号がファイバ４１を通って受信装置４２内の
受光部４３で検出される。本実施例に係る光通信システ
ムによれば１００ｋｍ以上の無中継光伝送が容易に実現
できる。これはチャーピングが著しく低減される結果、
ファイバ４１の分散による信号劣化がやはり著しく低減
されることに基づく。

【００２３】（実施例８）図１０は、サブマウント４４
上に実施例４の送信／受信素子４５の入力／出力導波路
の光軸上に球レンズ３５を介し先球ファイバ３６を固定
し、さらに変調駆動回路３７、復調回路４６を内蔵した
光通信用送信／受信モジュール４７である。本モジュー
ルを用いれば一素子内で送信／受信動作が可能であるた
め光通信システムが大きく簡素化出来る。これにより高
速送信光信号、偏波無依存の高速受信信号を非常に容易
に且つ廉価で作り出すことが可能となる。。

【００２４】（実施例９）図１１は、実施例８の送信／
受信素子送信モジュール４７を用いた幹線系双方向光通
信システムである。送信／受信装置４８は送信／受信モ
ジュール４７とこのモジュール４７を駆動するための送
信部駆動系４９及び受信部駆動系５０とを有する。モジ
ュール４７の送信部から出射された光信号が光ファイバ
４１を通ってもう一方の送信／受信装置４８内の受信部
駆動系５０で検出される。また、これと全く逆の信号伝
送も同一システムで行うことが出来る。本実施例に係る
光通信システムによれば単一のファイバ単一の光素子を
用いて双方向無中継光伝送が容易に実現できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係る半導体光素子よれば、光素
子内部の光分岐導波路における過剰損失の大幅な低減、
光分岐比の安定化が同時に実現可能となる。これにより
極めて容易に光素子の高出力化、引いては低消費電力化
が図れるだけでなく、動作光のスペクトルの安定化や高
速性の向上を図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術を説明するための図である。

【図２】本発明の作用を説明するための図である。

【図３】本発明の実施例を説明するための図である。

【図４】本発明の実施例を説明するための図である。

【図５】本発明の実施例を説明するための図である。

【図６】本発明の実施例を説明するための図である。

【図７】本発明の実施例を説明するための図である。

【図８】本発明の実施例を説明するための図である。

【図９】本発明の実施例を説明するための図である。

【図１０】本発明の実施例を説明するための図である。

【図１１】本発明の実施例を説明するための図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…コア層、３…クラッド層、４…導
波路パターニングマスク、５…分岐部、６…薄いクラッ
ド層、７…絶縁体パターニングマスク、８…リッジ装荷
型光導波路、９…リッジ側壁、１０…（１００）ｎ−Ｉ
ｎＰ基板、１１…多重量子井戸構造、１２…薄いクラッ
ド層、１３…ＳｉＯ₂マスク、１４…ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層、１５…ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層、１６…電
極、１７…下部電極、２０…ＳｉＯ₂マスク、２１…圧
縮歪多重量子井戸構造、２２…引張圧縮歪多重量子井戸
構造、２３…ＩｎＧａＡｓＰ結合導波路、２４…ＳｉＯ
₂マスク、２５…平坦化層、２６…多重量子井戸構造分
布帰還型レーザ、２７…導波路型ＰＩＮ光検出器、２８
…入射／出射導波路、２９…回折格子、３０…交差型光
スイッチ、３１…進行波型光増幅器、３２…サブマウン
ト、３３…干渉型光変調器、３４…分布帰還型レーザ、
３５…球レンズ、３６…先球ファイバ、３７…変調駆動
回路、３８…光通信用送信モジュール、３９…送信装
置、４０…駆動系、４１…光ファイバ、４２…受信装
置、４３…受光部、４４…サブマウント、４５…送信／
受信素子、４６…復調回路、４７…光通信用送信／受信
モジュール、４８…送信／受信装置、４９…送信部駆動
系、５０…受信部駆動系。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化合物半導体からなる第１の光導波路と、
化合物半導体からなる第２の光導波路と、これらの光導
波路から伝搬する導波光を合波するための光合波導波路
３またはこれらの光導波路に導波光を分波するための光
分波導波路４もしくはその両者を全て同一基板平面内に
有する半導体光素子において光導波路が形成される位置
に光導波路と同じ形状の間隙が設けられたパターニング
形状を有する絶縁膜マスクを施した半導体基板上への結
晶成長を用いて作製することを特徴とする半導体光素
子。
【請求項２】化合物半導体からなる第１の光導波路と、
化合物半導体からなる第２の光導波路と、これらの光導
波路から伝搬する導波光を合波するための光合波導波路
３またはこれらの光導波路に導波光を分波するための光
分波導波路４もしくはその両者を全て同一基板平面内に
有する半導体光素子において、前記第１、第２、第３及
び第４の光導波路の作製工程に半導体層のエッチング工
程を含まないことを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】請求項１又は２に記載の半導体光素子にお
いて、前記第１、第２、第３及び第４の光導波路の作製
工程に選択結晶成長を用いることを特徴とする半導体光
素子。
【請求項４】有機金属気相成長法により結晶成長を行う
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半
導体光素子。
【請求項５】多重量子井戸構造を該結晶成長において形
成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記
載の半導体光素子。
【請求項６】請求項５記載の半導体光素子において、光
接続導波路のバンドギャップエネルギーが動作領域のそ
れよりも大きいことを特徴とする半導体光素子。
【請求項７】（１００）面方位またはこれから１０度以
下の角度傾斜した面方位を基板面に持つ半導体基板上に
形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに
記載の半導体光素子。
【請求項８】（１１０）面方位またはこれから１０度以
下の角度傾斜した面方位を基板面に持つ半導体基板上に
形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに
記載の半導体光素子。
【請求項９】（１１１）面方位またはこれから１０度以
下の角度傾斜した面方位を基板面に持つ半導体基板上に
形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに
記載の半導体光素子。
【請求項１０】請求項１乃至９のいずれかに記載の半導
体光素子の構造を干渉型光変調器として用いることを特
徴とする半導体光素子。
【請求項１１】請求項１乃至９のいずれかに記載の半導
体光素子の構造を交差型マトリクス光スイッチとして用
いることを特徴とする半導体光素子。
【請求項１２】請求項１乃至９のいずれかに記載の半導
体光素子の構造をゲートスイッチとして用いることを特
徴とする半導体光素子。
【請求項１３】請求項１乃至９のいずれかに記載の半導
体光素子の構造を光分波／合波器として用いることを特
徴とする半導体光素子。
【請求項１４】光を放出するための化合物半導体からな
る第１の半導体光素子と放出された光を変調するための
化合物半導体からなる第２の半導体光素子とこれらの光
導波素子を光学的に結合するための光結合手段３と、半
導体光素子２からの出力光を外部に導波するための導波
手段と、この導波手段に上記半導体光集積素子からの出
力光を集光するための集光手段と、上記半導体光集積素
子を駆動するための駆動手段とを有する光通信用モジュ
ール。
【請求項１５】光を放出するための化合物半導体からな
る第１の半導体光素子と放出された光を変調するための
化合物半導体からなる第２の半導体光素子とこれらの光
導波素子を光学的に結合するための光結合手段３と、半
導体光素子２からの出力光を外部に導波するための導波
手段と、この導波手段に上記半導体光集積素子からの出
力光を集光するための集光手段と、上記半導体光集積素
子を駆動するための駆動手段とを有する送信手段と、こ
の送信手段からの出力光を外部に導波するための導波手
段と、この導波手段からの出力光を受信するための受信
手段とを有する光通信システム。