JPH08211342A - 半導体光機能素子 - Google Patents

半導体光機能素子

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JPH08211342A
JPH08211342A JP7016642A JP1664295A JPH08211342A JP H08211342 A JPH08211342 A JP H08211342A JP 7016642 A JP7016642 A JP 7016642A JP 1664295 A JP1664295 A JP 1664295A JP H08211342 A JPH08211342 A JP H08211342A
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waveguide
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conversion region
semiconductor optical
functional device
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JP7016642A
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Hideaki Takano
秀明 鷹野
Hirohisa Sano
博久 佐野
Tatsuro Kanetake
達郎 金武
Masateru Ohira
昌輝 大平
Makoto Suzuki
鈴木　　誠
Hiroaki Inoue
宏明 井上
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 端面の反射率を低減できると共に、ファイバ
との結合損失を小さくできる半導体光機能素子を、その
製造工程を複雑化することなく得る。 【構成】 半導体基板上にバッファ層及び活性層等を積
層した基板１の光機能部２２に導波路型発光素子２と、
モード変換領域２３にビームスポット径を変化させる導
波路３を設ける。この時、導波路３は端面２１の法線方
向に対して角度θだけ斜めにして設けて、発光機能を有
する半導体光機能素子２０を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザや半導体
光増幅器、これらを集積した集積化光源や光スイッチ及
び光変調器などの半導体光機能素子に係り、特に端面反
射率を低減できると共にファイバとの結合損失を小さく
できる半導体光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の半導体光機能素子は光通信や情
報処理などに用いられるが、反射戻り光による特性の劣
化が大きな問題となるため、従来から端面反射率を低減
する構造が種々提案されてきた。その代表的な例に、窓
構造および斜め導波路構造がある。
【０００３】前者は、図１４（ａ）の概略図に示すよう
に、半導体レーザ又は半導体増幅器などの半導体光機能
素子３０の活性領域３１の端面とデバイス端面３５との
間に、活性領域よりもバンドギャップの大きい材料で形
成した窓領域と呼ばれる領域３２を設けることにより、
端面反射率を低減する構造である。活性領域３１内の導
波路３３を導波した導波光３４は、活性領域端面からレ
ーザ光として出射される。窓領域３２はレ−ザ光を吸収
しない透明領域となるため、レーザ光は導波路３３を形
成していない窓領域３２内を回折効果によりビ−ムスポ
ット径を広げながら反射面となるデバイス端面３５まで
伝播し、透過光３６として出射される成分と、反射面に
よって反射される成分すなわち反射光３７（図中、不完
全な球面波として２点鎖線で示す。）に別れる。この反
射光３７は、進行方向が反転して再び活性領域３１に向
かってビ−ムスポット径を広げながら伝播する。従っ
て、入射ビ−ムと反射ビ−ムとの重ねあわせ積分によっ
て定義される反射率は、反射ビ−ム径が拡大されている
ことにより低減される。尚、図１４（ａ）において参照
符号４０は広がって入射して来る不完全な球面波の透過
光３６を平行光に変えるレンズ、５０は入射端面が平坦
なフラットファイバ、５１はファイバのクラッド部、５
２はファイバのコア部を示し、コア部内の等間隔の実線
はコア部内を進む光の平面波を表わしたものである。
【０００４】このような窓領域を備えた半導体光機能素
子としては、例えば、エレクトロニクスレターズ、１９
８９年８月３１日、第２５巻、第１８号、第１２４１〜
１２４２頁（ELECTRONICS LETTERS 31st August 1989 V
ol.25 No.18 pp.1241-1242）に記載された半導体光増幅
器がある。この半導体光増幅器は、ＩｎＧａＡｓ活性層
の両端に各々３５μｍと５５μｍのＩｎＰ窓領域を形成
し、反射率１％程度の無反射膜と組み合わせることによ
り平均端面反射率０．０６％を達成している。すなわ
ち、無反射膜だけによる端面反射率１％の場合に比べ
て、窓構造により端面反射率を更に１桁以上低減してい
る。
【０００５】また、後者の斜め導波路構造は、図１５の
概略図に示すように、半導体レーザまたは半導体光増幅
器などの半導体光機能素子３０内の活性層を含むストラ
イプ状導波路３８を、デバイス端面３５に対して９０°
からずらして斜めに設けることにより、端面反射率を低
減する構造である。このようにすることにより、斜め導
波路３８を導波した導波光３４はデバイス端面３５から
透過光３６として出射されると共にデバイス端面３５す
なわち反射面によって反射される成分があるが、反射光
３７のほとんどが端面に垂直な法線に対して導波路と対
称な方向に生じるため反射光は伝播せず、従って入射ビ
ームと反射ビームとの重ね合わせ積分によって定義され
る反射率は低減される。
【０００６】このような斜め導波路を備えた半導体光機
能素子としては、例えば、エレクトロニクスレターズ、
１９８７年９月１０日、第２３巻、第１９号、第９９０
〜９９１頁（ELECTRONICS LETTERS 10th September 198
7 Vol.23 No.19 pp.990-991）に記載されたレーザ増幅
器がある。このレーザ増幅器は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層
を含む導波路をへき開面に対して７°傾けることによっ
て、導波路と反射面との成す角度を９０°から７°ずら
し、無反射膜を用いずに平均端面反射率０．２％を達成
している。すなわち、斜め導波路構造により、無反射膜
を用いない場合の通常の端面反射率３０％程度に対し
て、端面反射率を２桁以上低減している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た導波構造を形成していない窓領域内をビームスポット
径を広げながら反射面まで伝播することを利用して反射
率を低減する窓構造を設ける場合は、図１４（ａ），
（ｂ）に示したように、球面波の透過光３６を平面波に
変換するレンズ４０を介してフラットファイバ５０に接
続するか、もしくは先球ファイバ５５を用いる必要があ
る。すなわち、ファイバとの接続にレンズ系を必要とす
るためコストが高くなる難点がある。更に、通常用いる
レンズは、完全な球面波を完全な平面波に変換するもの
であるが、導波路３３から出射する場合は点光源ではな
く面光源となるので、その分透過光３６は不完全な球面
波となり、不完全な分、シングルモードファイバとの結
合損失が生じるという問題点がある。前述した窓構造を
有する半導体光増幅器の例によれば、窓構造の導入によ
り端面反射率を１桁以上低減しているけれども、ファイ
バとの結合損失は通常の３ｄＢと比べて各端面につき５
ｄＢであり、改善されていない。また、窓構造の作製に
は埋込み成長を行い、劈開して形成する必要があるが、
この埋込み成長および劈開による窓領域の長さの制御と
いったプロセス技術はいずれも困難な部類に属するた
め、歩留まりが低下するという難点もある。
【０００８】一方、前述した後者の斜め導波路構造を設
ける場合、斜め導波路構造の反射率の低減の効果は導波
路幅のほぼ２乗に比例して大きくなるが、消費電力は導
波路幅に比例して増加する難点がある。すなわち、低消
費電力となる導波路幅は通常１μｍ程度であり、この導
波路幅では無反射化の効果は小さく、斜めにする角度を
大きくする必要がある。その場合、スネルの屈折法則に
従って、端面からの出射光の、端面法線からのずれも大
きくなり、ファイバとの結合がとりにくい上に、図１５
に示したように、この場合も窓構造の場合と同様にレン
ズ系を用いてコストが高くなり、しかも透過光３６が不
完全な球面波で、かつ、出射光強度分布も斜めに出射す
るため円形状からずれるので、その分さらに結合損失が
大きくなるという問題点がある。前述した斜め導波路構
造を有するレーザ増幅器の例によれば、斜め導波路構造
の導入により、端面反射率を２桁以上も低減できたけれ
ども、導波路幅が約５μｍとなっているため、通常の１
μｍ導波路幅に比べて約５倍の消費電力を必要としてい
るだけでなく、端面からの出射光が端面に垂直な法線に
対して２４°も傾いてしまうため、ファイバとの結合損
失は各端面につき７ｄＢと、通常の３ｄＢに比べて改善
されていない。また、斜め導波路を形成するには、ドラ
イエッチングやウエットエッチングで形成する必要があ
るが、導波路における伝播損失を低くするため異方性を
有するドライエッチングやウエットエッチングで形成す
ることが多い。このような異方性エッチング技術は面方
位の影響を受けやすく、このため、斜めにする角度が大
きくなれば、それだけ所望の構造を形成することが困難
になるという問題点もある。
【０００９】そこで、本発明の目的は、作製工程を複雑
化すること無く、端面の反射率を低減できると共にファ
イバとの結合損失を小さくできる半導体光機能素子を提
供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体光機
能素子は、上記の目的を達成するため、半導体基板上に
形成された光機能部すなわち光増幅器や半導体レーザ或
いは導波路型光スイッチなどの光機能を構成する部分の
入射端面および／または出射端面に導波光のビーム径を
変化させるモード変換領域を備えると共に、このモード
変換領域のファイバと接続される側の端面を、光の導波
方向に対して斜めに設けたことを特徴とするものであ
る。前記半導体光機能素子において、光機能部とモード
変換領域とを構成する層の一部である活性層の近傍に、
この活性層に比べてバンドギャップ波長が短いガイド層
を更に設ければ好適である。
【００１１】或いは、本発明に係る半導体光機能素子
は、半導体基板上に形成された光機能部すなわち光増幅
器や半導体レーザ或いは導波路型光スイッチなどの入射
端面および／または出射端面に曲がり導波路を介して導
波光のビーム径を変化させるモード変換領域を備えると
共に、モード変換領域のファイバと接続される側の端面
を、光の導波方向に対して斜めに設けるように構成して
もよい。この場合も、前記光機能部と曲がり導波路とモ
ード変換領域とを構成する層の一部である活性層の近傍
に、この活性層に比べてバンドギャップ波長が短いガイ
ド層を更に設けることができる。
【００１２】また、前記光機能部を複数の導波路を有す
る導波路型光スイッチとして機能するように構成すると
共に、前記モード変換領域を前記複数の導波路の各々に
設けるように構成してもよい。この場合、前記複数の導
波路の各々に設けられたモード変換領域のビーム広がり
角度が、導波路ごとに異なるように形成すれば好適であ
る。
【００１３】更に、前記モード変換領域に電流注入構造
を設けることができる。また、前記モード変換領域は、
導波路の大きさを光の伝播方向に沿って徐々に変化させ
て構成すれば好適である。前記モード変換領域が積層構
造の導波路から構成される場合、この導波路の積層面内
および／または積層方向の大きさを光の伝播方向に沿っ
て徐々に変化させてモード変換領域を構成してもよい。
【００１４】
【作用】本発明に係る半導体光機能素子によれば、光の
導波方向に対して斜めの端面を有するモード変換領域
は、平面波のまま導波光のビーム径を変化、すなわち光
機能部から接続されるファイバ方向への導波光の場合は
ビームスポット径を拡大し、或いは接続されるファイバ
から光機能部方向への導波光の場合はビームスポット径
を縮小するので、従来の斜め導波路構造による反射率低
減効果を更に大きくすることができると共に、従来例の
ように球面波を平面波に直すレンズ系が不要となる。
【００１５】また、モード変換領域を設けたことによ
り、光機能部として半導体レーザや光増幅器を構成した
場合、導波路幅を消費電力が小さくできる１μｍ程度と
したままで、デバイス端からの透過光のビーム径を、実
用的な１％以下の反射率が得られる５μｍ以上にするこ
とができる。
【００１６】さらに、活性層の近傍に設けた、この活性
層よりもバンドギャップ波長が短いガイド層は、導波光
の発散を防止して導波路方向に概略揃える働きがあるの
で、放射損失を少なくしてモード変換領域における導波
光のビーム径の変更を行うことができる。光機能部とモ
ード変換領域とを曲がり導波路を介して接続することに
より、エッチングに面方位依存性があって光機能部を斜
め導波路構造にしたくない場合でも、モード変換領域を
斜め導波路構造とすることができる。
【００１７】光機能部を複数の導波路を有する導波路型
光スイッチとして機能するように構成し、モード変換領
域を複数の導波路の各々に設けることにより、導波路型
光スイッチとファイバとの接続面における反射率が低減
すると共に、結合損失を低減することができる。この場
合、更に各モード変換領域のビーム広がり角度を導波路
ごとに異なるように形成することにより、接続されるフ
ラットファイバの端面を揃えた通常の低コストの平行フ
ァイバ束を用いることができる。
【００１８】モード変換領域に電流注入構造を設けるこ
とにより、導波光の吸収を少なくしてモード変換領域に
おける損失を補償することができる。モード変換領域に
おける導波路の大きさを光の伝播方向に沿って徐々に変
化させることにより、例えばモード変換領域が積層構造
の導波路から構成されている場合には導波路の積層面内
および／または積層方向の大きさを光の伝播方向に沿っ
て徐々に変化させることにより、平面波を維持したまま
導波光のビーム径を変えることができる。このようなモ
ード変換領域を形成するためには、周知の選択領域成長
技術、例えば有機金属気相成長（MOCVD:Metal Organic
Chemical VaporDeposition又はMOVPE:Metal Organic Va
por Phase Epitaxy）法を用いて、成長前に選択成長用
ＳｉＯ2マスクを予め形成しておくだけで良いので、作
製工程が複雑化せず、歩留まりが低下することもない。
また、斜めにする端面の角度が小さくて済むので斜め導
波路形成時のエッチング工程において面方位の影響を受
けることもなく作製プロセスが容易となる。更に、無反
射コート膜の膜厚誤差を緩く設定しても反射率を充分に
低くできるので、作製プロセスが容易となる。
【００１９】
【実施例】次に、本発明に係る半導体光機能素子の実施
例につき、添付図面を参照しながら以下詳細に説明す
る。
【００２０】＜実施例１＞図１は、本発明に係る半導体
光機能素子の一実施例を示す斜視図である。図１におい
て、参照符号１は基板を示し、この基板１は実際にはＩ
ｎＰ等の半導体基板上にＩｎＰ等のバッファ層を積層し
たものであるが、図中では省略してある。この基板１上
の光機能部２２にＩｎＧａＡｓＰ等の活性層（コア
層）、ＩｎＰ等のクラッド層およびＩｎＧａＡｓＰなど
のコンタクト層を積層した導波路型発光素子２と、モー
ド変換領域２３に平面波のままビームスポット径を変化
させるＩｎＧａＡｓＰなどのコア層およびＩｎＰなどの
クラッド層を積層した導波路３とを、基板１の端面２１
の法線方向に対して角度θだけ斜めにして設けて半導体
光機能素子２０を構成する。また、図１の構成の場合、
すなわち、コア層の側面が露出したリッジ型導波路構造
の場合、導波光は導波路３の直下の基板１の深さ方向へ
ビームスポット径を広げながら端面２１方向へ導波す
る。
【００２１】このような構成を有する本実施例の半導体
光機能素子の効果を確認するために、レーザ光を端面に
対して１°〜９°まで傾けて照射した際の実効的な端面
反射率のビームスポット径依存性を、３次元ＢＰＭ（Be
am Propagation Method）法により計算した結果を図２
に示す。計算で使用したパラメータは、通常の半導体レ
ーザ（波長λ＝１．５５μｍ）を考慮してコア層の屈折
率を３．３８、コア層の厚さを０．３μｍ、クラッド層
の屈折率を３．１７とし、コア層の幅すなわち図１にお
ける導波路幅ＷＧを０．５μｍ〜１０μｍまで変化させ
た。尚、ビームスポット径は光強度がピーク値から１／
ｅ2になる幅であるが、コア層の側面が露出する場合に
はこの幅は導波路幅ＷＧに略等しい。
【００２２】図２によれば、従来の典型的なシングルモ
ードの導波路幅ＷＧ＝１μｍ、θ＝７°の斜め導波路に
よって得られる端面反射率は、１７．６％（同図中に、
●で示す）であるが、このビームスポット径を例えば５
μｍに広げた場合、同じ端面反射率はθ＝３度以下（同
図中に、→で示す）の斜め導波路で得られ、θ＝７°の
ままであれば１％以下の端面反射率（同図中に、↓で示
す）を得られることが分かる。従って、図１の本実施例
の半導体光機能素子２０においてθ＝７°の角度に設定
しても、モード変換領域２３に設けたビームスポット径
を変化させる導波路３によって、発光素子２から出射さ
れた１μｍのビームスポット径が端面２１において５μ
ｍに広がっていれば、同じ導波路幅（＝１μｍ）でかつ
同じ角度の斜め導波路構造を有する従来の半導体光機能
素子に比べて１桁以上の反射率低減を実現することがで
きる。また、導波路３によりモード変換領域２３から
は、平面波のままビームスポット径を拡大して出射する
ので、ファイバと接続する場合に球面波を平面波に直す
レンズ系が不要となり、フラットファイバだけで良く、
構成が簡単になる。更に、導波路型発光素子２の導波路
から面光源として出射しても、ほぼ完全な平面波となっ
てファイバに入射するので、ファイバとの結合損失が小
さい。端面２１に対して導波構造が垂直な場合（θ＝０
°）、結合損失は１ｄＢ以下にすることができるが、本
実施例の半導体光機能素子２０では反射率を低減するた
めに斜めにしているので、若干影響を受けるが、θ＝３
°程度までなら垂直な場合とほぼ同じ１ｄＢ以下にで
き、θ＝７°でも２ｄＢ程度と従来に比べて小さい。す
なわち、斜め導波路構造による反射率低減効果を著しく
増大できると共に、ファイバとの結合損失も小さくする
ことができる。また、導波路型発光素子２の導波路幅を
５μｍに広げなくとも１μｍ程度の幅で端面反射率１％
以下が得られるので、導波路幅を５μｍとした場合の消
費電力の１／５程度の低消費電力で低反射率化が図れ
る。そして、導波路の角度θを小さくできる分、斜め導
波路形成時のエッチング工程において面方位の影響を受
けにくくなるので、作製プロセスも容易である。
【００２３】図示はしないが、本実施例を従来の無反射
コ−ト膜との併用による反射率低減方法に適用すれば、
本実施例による反射率低減効果が大きいので、無反射コ
ート膜が不必要もしくは無反射コ−ト膜の屈折率、膜厚
誤差を従来よりも緩く設定することができる。したがっ
て、前者の場合は作製プロセスが１つ減り、後者の場合
は必ずしも膜厚モニタ付属の精巧な成膜装置を用いなく
ても、所望の低い反射率を得られ、作製プロセスが容易
となる。特に、反射率の低減はスポットサイズに比例し
て増大するため、導波路型発光素子２の導波路幅を１μ
ｍとしても、モ−ド変換領域によって１０μｍ程度まで
スポットサイズを広げるならば、端面反射率１％程度を
導波路の角度θが４°程度で実現でき、ファイバとの結
合損失も２ｄＢにすることも可能である。これは、フラ
ットファイバのコア径は通常１０μｍ程度であるので、
モ−ド変換領域によってスポットサイズが１０μｍにな
ればファイバのコア径と等しくなり、ファイバとの結合
損失を小さくできるからである。
【００２４】もちろん、従来の反射率低減方法と組み合
わせることにより、従来では実現できなかった低い反射
率を実現することができることは明らかである。尚、モ
−ド変換領域２３の導波路３を形成するためには、周知
の選択領域成長技術、例えば有機金属気相成長法を用い
て、成長前に選択成長用マスクをあらかじめ形成してお
くだけで良く、作製工程が複雑化せず、歩留りが低下す
ることもない。
【００２５】＜実施例２＞図３は、本発明に係る半導体
光機能素子の別の実施例を示す斜視図である。尚、図３
において、実施例１の図１で示した構成部分と同じ部分
については同一の参照符号を付して、その詳細な説明を
省略する。すなわち、本実施例の半導体光機能素子２０
は、基板１上に光機能部２２に斜め導波路型光増幅器４
を形成し、光機能部２２の両側にモード変換領域２３，
２３を設けて、それぞれのモード変換領域にビームスポ
ット径を変化させる導波路３，３を入出射端面２１，２
１に対して角度θだけ傾けて形成している点が実施例１
と相違する。
【００２６】このように構成することによっても、実施
例１で述べたのと同様の効果を得ることができる。従っ
て、斜め導波路構造による反射率低減効果の増大と、フ
ァイバとの結合損失の低減、低消費電力等を図った光増
幅器機能を有する半導体光機能素子を得ることができ
る。尚、入射端面のモード変換領域に設けた導波路３
は、入射端面に例えばファイバ（不図示）から入射され
る光のビームスポット径を縮小して光増幅器４へ導波
し、出射端面のモード変換領域に設けた導波路３は光増
幅器から出射されるビームスポット径を拡大しながら出
射端面２１へ導波する。
【００２７】また、同様の効果を得るためには、必ずし
もモード変換領域２３，２３を光機能部２２に近接して
設ける必要はなく、図４に示すように曲がり導波路５な
どで接続しても良い。この場合は、素子形成プロセスに
おいて、例えばエッチングに面方位依存性があり、光機
能部２２に形成する素子を斜め導波路構造にしたくない
場合に好適である。
【００２８】更にまた、同様の効果を得るためには、必
ずしも斜め導波路構造の劈開面である端面２１を利用す
る必要はなく、図５に示すように、通常のホトリソグラ
フィと、ドライまたはウエットエッチング工程により、
導波路方向と斜めになるように端面２１ａ，２１ａを形
成してもよい。
【００２９】＜実施例３＞図６は、本発明に係る半導体
光機能素子の更に別の実施例を示す斜視図であり、活性
層側面が露出するリッジ型導波路構造に適用した場合で
ある。図６において参照符号１０はＩｎＰ基板を示し、
このＩｎＰ基板１０上にＩｎＰバッファ層１１が設けら
れ、更にＩｎＰバッファ層１１上に、光機能部２２とこ
の部分を挟むモード変換領域２３，２３にはＩｎＧａＡ
ｓＰ活性層１２、ＩｎＰの上部クラッド層１３、ＩｎＧ
ａＡｓＰコンタクト層１４が順次積層された構造で活性
層１２の側面が露出したリッジ型の導波路構造が設けら
れている。そして、全面を覆うように絶縁膜のポリイミ
ド膜１６が設けられ、光機能部２２にはｐ電極１７が設
けられている。本実施例の場合、光機能部２２は光増幅
器として機能するように形成される。また、モード変換
領域２３，２３は、積層方向の厚さすなわち導波路幅が
光機能部２２からそれぞれの端面２１，２１に向かって
徐々に薄くなるように構成されていると共に、端面２１
に垂直な法線に対して水平方向にθの角度で斜めに設け
られている。
【００３０】以下、このように構成される本実施例の半
導体光機能素子２０の製造方法を、図７〜図１０を用い
て説明する。この製造方法は、周知の選択領域成長技術
を用いることにより、プロセスを複雑化することなく、
本実施例の半導体光機能素子を製造できる方法の一つで
ある。
【００３１】図７（ａ）は平面図であり、（ｂ）は同平
面図にＡ−Ａ’線で示した部分の断面図、（ｃ）はＢ−
Ｂ’線で示した部分の断面図、（ｄ）はＣ−Ｃ’線で示
した部分の断面図である。以下、各図において（ａ）〜
（ｄ）は、同様に同じ部分の平面図および断面図を示
す。先ず、各断面図（ｂ）〜（ｃ）に示すように、ＭＯ
ＣＶＤ法によりＩｎＰ基板１０上にバッファ層１１とな
るＩｎＰを成長する。
【００３２】次に、図８において、ＩｎＰバッファ層１
１上にＳｉＯ2層を堆積した後、通常のホトリソグラフ
ィ技術によりエッチング加工して選択領域成長用ＳｉＯ
2マスク１５を形成する。次いで、ＩｎＧａＡｓＰの活
性層１２、ＩｎＰの上部クラッド層１３、およびＩｎＧ
ａＡｓＰのコンタクト層１４をＭＯＣＶＤ法により順次
成長して積層構造を形成する。この時、同図（ａ）〜
（ｄ）から分かるようにＳｉＯ2マスク１５上には成長
せず、ＩｎＰバッファ層１１が露出した部分だけに選択
的に成長する。しかもＳｉＯ2マスク１５の幅の広いと
ころでは成長速度が大きく、幅の狭いところでは成長速
度が小さいという性質があるため、モード変換領域２
３，２３は導波路に沿って厚さが徐々に薄く形成され
る。このような選択領域成長技術に関しては、例えば、
青木等による信学技法ＭＷ９４−３３，ＯＰＥ９４−２
６（１９９４−０６），第６７〜７２頁の「選択ＭＯＶ
ＰＥによる基板面内膜厚制御法を用いた光変調器集積波
長多重光源」に記載された成長技術があり、これを用い
ることができる。
【００３３】次に、図９において、絶縁膜としてポリイ
ミド膜１６で表面を被覆した後、光増幅器となる光機能
部２２に、通常のホトリソグラフィ技術により窓２７を
開け、同図（ａ），（ｂ）に示すように、ＣＦ4プラズ
マエッチングによって選択的にポリイミド膜１６を除去
する。
【００３４】最後に、図１０において、例えば、Ａｕ／
Ｔｉ等の金属を真空蒸着した後、ホトリソグラフィ技術
により同図（ａ）に示すようにパターニングして、ｐ電
極１７を形成する。尚、本実施例では、説明の便宜上、
半導体光機能素子２０を最初から直方体の基板１０を用
いたような図で示したが、実際には通常の円形状のウエ
ハを用い、最後に劈開により直方体に形成することは言
うまでもない。また、図では省略したが、例えば、Ａｕ
／Ｐｔ／Ｔｉ等の金属を真空蒸着して基板１０の裏面に
ｎ電極を形成するのは勿論である。
【００３５】このように、図７〜図１０で示した製造方
法によれば、通常の半導体光増幅器構造の製造プロセス
となんら変わることなく、モ−ド変換領域２３を集積化
することができる。さらに、本実施例の光増幅器を備え
た半導体光機能素子２０は、実施例２の図３に示した半
導体光機能素子と同様に、反射率の低減およびファイバ
との結合損失の低減、低消費電力等の効果を奏する。ま
た、ｐ電極１７から注入された電流は、モード変換領域
２３，２３にも注入される構造となっているので、モー
ド変換領域における導波光の吸収を少なくして損失を補
償することができる。
【００３６】以上の説明では、モ−ド変換領域２３，２
３と光機能部２２の光増幅器とを同時に作製し、通常の
半導体光増幅器構造の成長プロセス数と同じにしたが、
モ−ド変換領域２３，２３を光機能部２２と同時に作製
せずに、別々に作りつけても良い。この場合は、光機能
部２２の光増幅器に選択的に電流が注入されるため、消
費電力を更に小さくすることができる。また、光機能部
２２に半導体光増幅器の代わりに、半導体レーザを形成
しても良いことは勿論である。
【００３７】さらに以上の説明では、モード変換領域２
３，２３のビームスポット径を変化させる導波路とし
て、導波路幅が積層方向に変わる例を示したが、図１１
（ａ）〜（ｄ）に示すように積層面内で導波路幅を変え
ることにより実現してもよい。この場合、選択領域成長
を行う必要がなく、通常のフォトリソグラフィの際に、
ホトマスク形状を修正するだけででき、プロセスの複雑
化は全くないまま、本発明の半導体光機能素子を実現す
ることができる。
【００３８】勿論、図１２（ａ）〜（ｄ）に示すよう
に、モード変換領域２３，２３の導波路幅を、積層方向
と積層面内との２つを変化させる方法を同時に行うこと
により本発明の半導体光機能素子を実現しても良い。こ
の場合、積層方向、並びに積層面内方向の両方におい
て、前述した反射率の低減およびファイバとの結合損失
の低減、低消費電力等の効果が増強される。また、これ
らの効果とともに、入出射光の形状を円形状に近く制御
することが可能なため、ファイバとの結合損失がゼロに
近づき、より理想的になる。
【００３９】更に、本実施例では、活性層１２をバッフ
ァ層１１の直上に設けているが、図１３に示すように、
活性層１２の近傍に、この活性層１２に比べてバンドギ
ャップ波長が短いいわゆる光ガイド層１８を設けること
により、光ガイド層１８は導波光の発散を防止して導波
路方向に概略揃える働きがあるので、放射損失を少なく
してモード変換領域における導波光のビーム径の変更を
より適切に行うことができる。
【００４０】また、本実施例では、リッジ型導波路構造
で、活性層（コア層）側面が露出する場合について説明
したが、図示はしないが、活性層（コア層）側面の露出
しないリッジ型導波路構造、および埋込型導波路構造で
も同様の効果が得られるのは、明らかである。
【００４１】ここで図１６を用いて、モード変換領域２
３が図１１〜図１３に示した積層面内で導波路幅が徐々
に変化している導波路構造を有する場合を例に作用・効
果について更に詳細に説明する。図１６は、半導体光機
能素子２０とこれに接続されるフラットファイバ５０と
の出射端面における光路の様子を示す概略上面図であ
る。
【００４２】図１６において、光機能部２２の光増幅器
２４およびモード変換領域２３の導波路２８は、デバイ
ス端面２１に対して斜めに形成されている。また、導波
路２８は積層面内に導波路幅が変化している。光機能部
２２からの導波光２６は、モード変換領域２３を介して
デバイス端面２１から出射され、光ファイバ５０へ入力
される。このとき導波光２６は、モード変換領域２３の
導波路２８において、平面波のままそのビームスポット
径が変わり、出射されるが、デバイス端面２１に対して
斜めに形成されると共にビーム径が広くなっているので
反射光２５は光機能部２２へ伝播せず、従来の斜め導波
路だけの場合或いは窓構造だけの場合よりも更に端面反
射率が低減する。すなわち、斜め導波路による端面反射
率低減化の増大効果がある。また、窓構造が不要である
から、埋込み成長工程を追加しなくても形成でき、歩留
まりが悪化することもない。更に、斜め導波路による端
面反射率低減の増大効果により、所望の端面反射率を得
るために必要な斜めの角度θが、半導体増幅器の導波路
幅から予測される角度よりも小さくて済むので、結晶方
位によりエッチング形状が異なる影響を、従来よりも小
さくすることができ、所望の角度のデバイス構造を形成
し易いという利点もある。
【００４３】また、一般に半導体レーザや半導体増幅器
への電流注入効率を上げて消費電力を小さくするために
は、１μｍ程度の導波路幅が良いが、１μｍの導波路幅
では、例えばθ＝７°の斜め導波路構造を用いただけで
は、図２から分かるように端面反射率は１８％程度にし
かならなず、導波路幅が５μｍ以上になってはじめて実
用的な端面反射率１％以下が得られる。しかし、半導体
レーザや半導体増幅器の導波路幅を５μｍにすると、１
μｍの場合よりも消費電力は５倍となる。これに対して
本発明の半導体光機能素子は光機能部に形成する半導体
レーザや半導体増幅器の導波路幅は、消費電力を小さく
できる１μｍ程度の幅としたままで低反射率化が図れる
ので、消費電力を低減できる。
【００４４】そして、モード変換領域２３では、導波光
２６は平面波のままそのビーム径が変わるので、図１４
及び図１５で示した従来例のように球面波を平面波に直
すレンズ系が不要となり、フラットファイバだけで良く
構成が簡単になる分コストが低減する。
【００４５】また更に、モード変換領域２３の導波路２
８では導波光２６は平面波のままそのビーム径が変わ
り、透過光２９として出射される。従って、光機能部２
２が面光源として出射されても、ほぼ完全な平面波とな
ってファイバ５０のコア部５２に入射される。導波構造
が劈開面すなわちデバイス端面２１に対して垂直な場合
には、ファイバとの結合損失を１ｄＢ以下にすることが
できるが、導波路２８が端面２１に対して斜めであるの
で、ビーム形状は斜めの効果をわずかに受けて、θ＝３
°程度までならば端面２１に対して垂直な場合とほぼ同
じ結合損失１ｄＢ以下が得られ、θ＝７°でも結合損失
２ｄＢ程度を得ることができ、ファイバとの結合損失を
従来例よりも小さくすることができる。尚、完全な平面
波として出射した場合には、ビーム形状は、斜めの影響
をまったく受けないが、実際にはわずかに不完全な平面
波であるので、斜めの影響をわずかに受けるのである。
【００４６】＜実施例４＞図１７は本発明に係る半導体
光機能素子の更に別の実施例を示す概略平面図であり、
全反射型２×２クロスバー光スイッチに適用した場合で
ある。なお、本実施例を理解し易くするために、本実施
例の説明に先立ち、先ず、図１８に従来の全反射型２×
２クロスバー光スイッチを示し、その構成及び動作につ
いて説明する。
【００４７】図１８において、参照符号６０は従来の全
反射型２×２クロスバー光スイッチを示し、この光スイ
ッチ６０は入力側の先球ファイバ６１および６２から入
射した光を、出力側の先球ファイバ６３または６４のい
ずれかに任意に光路を切り替える半導体光機能素子であ
る。例えば、入力側の先球ファイバ６１から入射した光
を出力側の先球ファイバ６３または６４のいずれかに切
り替える場合について説明する。
【００４８】入力側の先球ファイバ６１から入射した光
は、曲がり導波路６６ａを導波した後、導波路６７ａを
導波し、電流注入部６８に達する。ここで、先球ファイ
バ６３に出射させる場合には、電流注入部６８に電流を
注入して局所的に屈折率を低下させる。これにより、導
波路６７ａからの光は電流注入部６８により全反射さ
れ、導波路６９ａ及び曲がり導波路７０ａを導波して出
力側の先球ファイバ６３に出射される。また、先球ファ
イバ６４に出射させる場合には、電流注入部６８に電流
を注入しなければ良い。その場合、導波路６７ａからの
光は電流注入部６８を透過して電流注入部７１に達す
る。電流注入部７１には電流を注入して局所的に屈折率
を低下させておき、全反射させる。このようにして、先
球ファイバ６１から入射した光は出力側の先球ファイバ
６４に出射される。ここで、曲がり導波路６６ａ及び導
波路６７ａの伝播損失と、電流注入部６８，７１の反射
損失及び透過損失とを補うために、導波路中に半導体光
増幅器７２ａが設けられている。この半導体光増幅器７
２ａがレーザ発振をしないようにするためには低端面反
射率が必要であり、通常はデバイス６０の端面に無反射
膜を蒸着している。ここで他の入出力ポート６５は使用
しない。また、電流注入による局所的に屈折率を低下さ
せる場合の屈折率低下量は高々１％であることから、全
反射角を５°以上にすることができない。このため、通
常の光スイッチ交差角度φは５°であり、構造的な工夫
を行っても１０°程度が限度である。このような半導体
光増幅器が設けられた全反射型クロスバー光スイッチの
従来例としては、例えば、アイ・イー・イー・イー ホ
トニクス・テクノロジーレターズ、１９９４年２月、第
６巻、第２号、第２１８〜２２１頁（IEEE PHOTONICS T
ECHNOLOGY LETTERS, VOL.6,NO.2, FEBRUARY 1994, pp.2
18-221）に記載されたものが挙げられる。
【００４９】これに対して、図１７に示したように、全
反射型２×２クロスバー光スイッチ機能を構成した本実
施例の半導体光機能素子８０は、図１８に示した従来例
と比べて、曲がり導波路部ＲＷ１，ＲＷ２を除いている
点、及び入出射端面にビームスポット径を変化させる斜
め導波路７３ａ，７３ｂからなるモード変換領域２３，
２３を設けている点が相違する。このモード変換領域２
３により、実施例１〜３で述べたのと同様の低端面反射
率、低結合損失、等の効果が得られる。従って、入出射
側に接続されるファイバは、廉価なフラットファイバ８
１〜８４を使用することができる。更に、光スイッチの
小型化が図れるという利点もある。従来、曲がり導波路
６６ａ，６６ｂは、導波光の曲がり損失を少なくするた
めに、なるべく大きな半径で曲げていた。例えば、図１
８に示した全反射型クロスバー光スイッチ６０の従来例
では全長Ｌが１２ｍｍに対して、曲がり導波路部ＲＷ
１，ＲＷ２の占める部分は約４ｍｍである。これに対し
て本実施例では、曲がり導波路を使用せずに済むので、
その分だけ小型化することができる。
【００５０】図１９及び図２０は、図１７に示した出射
端面付近を拡大した図である。図１９では、モード変換
領域２３の導波路７３ａ，７３ｂから出射した２つの光
は、わずかながらビーム径が拡がりながらそれぞれフラ
ットファイバ８３，８４へ入射する。この際、２つの導
波路７３ａ，７３ｂが全く同じ構造である図１９のよう
な場合には、導波路７３ａ，７３ｂの各端面とそれぞれ
に対向するフラットファイバ８３，８４との距離は、そ
れぞれ最も低い結合損失が得られるように同じ距離にお
かれる。
【００５１】図２０は、フラットファイバ８３に入射す
るモード変換領域２３の導波路７３ａと、フラットファ
イバ８４に入射するモード変換領域２３の導波路７３ｂ
との構造を変えた場合を示している。すなわち、モード
変換領域２３の導波路７３ａのビーム広がり角よりも、
モード変換領域２３の導波路７３ｂのビーム広がり角が
小さくなるように、すなわちモード変換領域の導波路ご
とに異なるビーム広がり角になるようにすれば、フラッ
トファイバ８３，８４の端面を図２０に示すように揃え
ても均一な結合効率を得ることができる。これにより、
図１９の場合のようなファイバ８３，８４の端面が少し
ずつずれた特殊なフラットファイバ束を用いることな
く、通常の安価なフラットファイバ束をそのままの形で
利用することによって、フラットファイバ８３，８４へ
の均一な結合が可能となる効果がある。
【００５２】以上、本発明の好適な実施例について説明
したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本
発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変
更、例えば、材料系はＩｎＧａＡｓＰ系に限ることな
く、ＧａＡｓなどの他の半導体材料系であっても、或い
は活性層に多重量子井戸を採用してもよく、また、光機
能部としては、半導体レ−ザや半導体光増幅器単体だけ
でなく、これらを集積した集積化光源や、光スイッチ、
変調器、などであっても、同様になし得ることは勿論で
ある。
【００５３】
【発明の効果】前述した実施例から明らかなように、本
発明によれば、光機能部の入射端面及び／または出射端
面に導波光のビーム径を変化させるモード変換領域とし
ての導波路構造をファイバと接続される側の端面に対し
て斜めに設けることにより、従来の斜め導波路の端面反
射率低減効果を更に大幅に向上することができる。ま
た、反射率低減に必要な端面の角度が小さくて済む上
に、モード変換領域によるビームスポット径の拡大によ
り、ファイバとの結合損失をも同時に低減することがで
きる。更に、端面の角度の小さい斜め導波路構造、モ−
ド変換領域の集積化工程は、何ら複雑な工程を追加する
必要がなく容易であり、良好な歩留が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体光機能素子の一実施例を示
す斜視図である。
【図２】本発明に係る半導体光機能素子の効果を確認す
るために、斜め導波路の角度をパラメータに反射率のビ
ームスポット径依存性を示す特性線図である。
【図３】本発明に係る半導体光機能素子の別の実施例を
示す斜視図である。
【図４】本発明に係る半導体光機能素子のまた別の実施
例を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る半導体光機能素子の更に別の実施
例を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る半導体光機能素子のまた更に別の
実施例を示す斜視図である。
【図７】図６に示した半導体光機能素子を実現する一製
造方法を示す途中工程の図であって、（ａ）は平面図、
（ｂ）は同平面図にＡ−Ａ’線で示した部分の断面図、
（ｃ）は同じくＢ−Ｂ’線で示した部分の断面図、
（ｄ）は同じくＣ−Ｃ’線で示した部分の断面図であ
る。
【図８】図７（ａ）〜（ｄ）に示した各部分の次の途中
工程における平面図及び断面図である。
【図９】図８（ａ）〜（ｄ）に示した各部分の次の途中
工程における平面図及び断面図である。
【図１０】図９（ａ）〜（ｄ）に示した各部分の次の途
中工程における平面図及び断面図である。
【図１１】本発明に係る半導体光機能素子のまた別の実
施例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は同平
面図にＡ−Ａ’線で示した部分の断面図、（ｃ）は同じ
くＢ−Ｂ’線で示した部分の断面図、（ｄ）は同じくＣ
−Ｃ’線で示した部分の断面図である。
【図１２】本発明に係る半導体光機能素子の更に別の実
施例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は同平
面図にＡ−Ａ’線で示した部分の断面図、（ｃ）は同じ
くＢ−Ｂ’線で示した部分の断面図、（ｄ）は同じくＣ
−Ｃ’線で示した部分の断面図である。
【図１３】本発明に係る半導体光機能素子のまた更に別
の実施例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は
同平面図にＡ−Ａ’線で示した部分の断面図、（ｃ）は
同じくＢ−Ｂ’線で示した部分の断面図、（ｄ）は同じ
くＣ−Ｃ’線で示した部分の断面図である。
【図１４】窓構造を有する半導体光機能素子の従来例を
示す図であって、（ａ）はフラットファイバと接続する
場合の概略構成図、（ｂ）は先球ファイバと接続する場
合の概略構成図である。
【図１５】斜め導波路構造を有する半導体光機能素子の
従来例とそれに接続されるファイバを示す概略構成図で
ある。
【図１６】本発明に係る半導体光機能素子とそれに接続
されるファイバを示す概略構成図である。
【図１７】本発明に係る半導体光機能素子のまた別の実
施例を示す平面図であって、全反射型２×２クロスバー
光スイッチに適用した場合の概略構成図である。
【図１８】従来の全反射型２×２クロスバー光スイッチ
の概略構成を示す平面図である。
【図１９】図１７に示した半導体光機能素子の出射端面
の一例を示す拡大図である。
【図２０】図１７に示した半導体光機能素子の出射端面
の別の例を示す拡大図である。
【符号の説明】
１…基板、 ２…導波路型発光素子、 ３…導波路、 ４…導波路型光増幅器、 ５…曲がり導波路、 １０…ＩｎＰ基板、 １１…ＩｎＰバッファ層、 １２…ＩｎＧａＡｓＰ活性層、 １３…ＩｎＰ上部クラッド層、 １４…ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、 １５…選択領域成長用ＳｉＯ2マスク、 １６…ポリイミド絶縁膜、 １７…ｐ電極、 １８…ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、 ２０，８０…半導体光機能素子、 ２１…デバイス端面、 ２１ａ…端面、 ２２…光機能部、 ２３…モード変換領域、 ２４…光増幅器、 ２５…反射光、 ２６…導波光、 ２７…窓、 ２８…導波路、 ２９…透過光、 ７２ａ，７２ｂ…半導体光増幅器、 ７３ａ，７３ｂ…斜め導波路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大平 昌輝 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 鈴木 誠 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 井上 宏明 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基板上に形成された光機能部の入射
    端面および／または出射端面に導波光のビーム径を変化
    させるモード変換領域を備えると共に、モード変換領域
    のファイバと接続される側の端面を、光の導波方向に対
    して斜めに設けたことを特徴とする半導体光機能素子。
  2. 【請求項２】前記光機能部とモード変換領域とを構成す
    る層の一部である活性層の近傍に、該活性層に比べてバ
    ンドギャップ波長が短いガイド層を更に設けて成る請求
    項１記載の半導体光機能素子。
  3. 【請求項３】半導体基板上に形成された光機能部の入射
    端面および／または出射端面に曲がり導波路を介して導
    波光のビーム径を変化させるモード変換領域を備えると
    共に、モード変換領域のファイバと接続される側の端面
    を、光の導波方向に対して斜めに設けたことを特徴とす
    る半導体光機能素子。
  4. 【請求項４】前記光機能部と曲がり導波路とモード変換
    領域とを構成する層の一部である活性層の近傍に、該活
    性層に比べてバンドギャップ波長が短いガイド層を更に
    設けて成る請求項３記載の半導体光機能素子。
  5. 【請求項５】前記光機能部が光増幅器として機能するよ
    うに構成される請求項１〜４のいずれか１項に記載の半
    導体光機能素子。
  6. 【請求項６】前記光機能部が半導体レーザとして機能す
    るように構成される請求項１〜４のいずれか１項に記載
    の半導体光機能素子。
  7. 【請求項７】前記光機能部が複数の導波路を有する導波
    路型光スイッチとして機能するように構成されると共
    に、前記モード変換領域が前記複数の導波路の各々に設
    けられて成る請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導
    体光機能素子。
  8. 【請求項８】前記複数の導波路の各々に設けられたモー
    ド変換領域のビーム広がり角度が、導波路ごとに異なる
    ように形成されて成る請求項７記載の半導体光機能素
    子。
  9. 【請求項９】前記モード変換領域に電流注入構造を更に
    設けて成る請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体
    光機能素子。
  10. 【請求項１０】前記モード変換領域は、導波路の大きさ
    を光の伝播方向に沿って徐々に変化させて成る請求項１
    〜８のいずれか１項に記載の半導体光機能素子。
  11. 【請求項１１】前記モード変換領域は積層構造の導波路
    から構成され、該導波路の積層面内の大きさを光の伝播
    方向に沿って徐々に変化させて成る請求項１〜８のいず
    れか１項に記載の半導体光機能素子。
  12. 【請求項１２】前記モード変換領域は積層構造の導波路
    から構成され、該導波路の積層方向の大きさを光の伝播
    方向に沿って徐々に変化させて成る請求項１〜８のいず
    れか１項に記載の半導体光機能素子。
  13. 【請求項１３】前記モード変換領域は積層構造の導波路
    から構成され、該導波路の積層面内および積層方向の大
    きさを共に光の伝播方向に沿って徐々に変化させて成る
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体光機能素
    子。
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