JPH09102651A - 導波路型半導体光素子および光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】内部損失が少なくかつ光結合特性の良好なビー
ム拡大機能集積型半導体光素子，およびこれを用いた光
モジュールを提供する。 【解決手段】ビームを拡大する際のコア幅の減少の仕方
を限定することにより，光の散逸を抑さえる。半導体光
素子本来の特性を損なわずに，ビームを拡大が可能にな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導波路型半導体光
素子および光モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，半導体光モジュールにおいて半導
体レーザと光ファイバを結合する際には，光学レンズで
半導体レーザの出射ビームを拡大する方法が用いられて
いた。これは，半導体レーザの出射ビーム径が光ファイ
バ径の数分の一程度しかないため，両者を直接結合した
場合には十分な光結合効率が得られないからである。し
かし，この方法には光学レンズと半導体レーザの位置合
わせに高い精度が必要なため，実装プロセスが複雑であ
るという問題があった。

【０００３】近年，この問題を解決するために，半導体
レーザにビーム径を拡大するための光導波路を集積した
素子の開発が盛んになっている。光ファイバとの結合に
際してこの素子を用いた場合，光学レンズが不要とな
る。このため，実装プロセスが簡素になり，実装コスト
が大幅に低減する。

【０００４】半導体レーザのビーム径を拡大するために
は，集積する光導波路のコア層の厚や幅を光軸方向に変
調すれば良い。特に，コア幅を変調した素子は，従来の
リソグラフィー技術，もしくは電子線描画技術を用いる
ことにより容易に作製が可能である。コア幅を変調した
素子の公知例としては，ELECTRONICS LETERS，Vol.３
０、８５８頁，１９９４年，およびOPTICS COMMUNICATI
ONS，Vol.１１５，４５３ー４６０頁，１９９５年，等
が，挙げられる。これらの公知例では，通常の半導体レ
ーザのコア層の下に，この第一のコア層よりも等価的な
屈折率の低い第二のコア層を設け，更に，光軸方向に第
一のコア層の幅を減少させる。この構造によれば，ビー
ムは半導体レーザ内では第一のコア層に束縛されるが，
集積した光導波路では第二のコア層に束縛されるように
なる。ここで，第二のコア層の等価的な屈折率は第一の
コア層よりも低く設定してあるので，集積した光導波路
ではビーム径が拡大する。

【０００５】上記公知例に示された型の素子では，光軸
方向の状態の変化が準静的でないと光の散逸が多くな
る。光の散逸が多いと，ファイバとの光結合特性が劣化
するばかりでなく，共振器特性が低下するためしきい値
等のレーザ特性も劣化する。このため，上記公知例では
コア幅の変調法について考慮している。

【０００６】ELECTRONICS LETERS，Vol.３０，８５７ー
８５８頁，１９９４年，に示された上記第一の公知例で
は，状態の変化を準静的にするために，第一のコアを変
換するための長さを８００μｍと，通常の半導体レーザ
の素子長の約２．５倍に長くしている。しかし，半導体
光素子では共振器の内部損失は素子長に比例するため，
本素子には内部損失が大きくなるという問題がある。

【０００７】一般に，状態変化が準静的であるためのコ
ア幅の変調条件としては，IEE Proceedings，Vol.１３
６，２２５ー２２８頁，１９８９年，等に示されている
以下の式が知られている。

【０００８】

【数１】 Ω＝Ｗ（ｎ1 ーｎ2 ）／２λ （数１） ここで，Ｗはコア幅，ｎ1およびｎ2 はそれぞれ伝搬モ
ードおよび基板の等価的な屈折率，λは伝搬光の波長，
Ωはコア幅の減少角である。図７は，（数１）式の計算
例である。図７において，横軸は半導体レーザとビーム
拡大用光導波路との境界を原点としたビーム拡大用光導
波路内の位置，縦軸は状態の変化が準静的になるための
最低コア幅をレーザ部のコア幅で規格化した値である。
この図から，コア幅の狭い領域ではコア幅を緩やかに変
化させる必要があるが，広い領域では比較的急に変化さ
せても良いことが分かる。OPTICS COMMUNICATIONS，Vo
l.１１５，４５３ー４６０頁，１９９５年，に示された
上記第一の公知例では，コア幅を図７の様に変化させる
ことによって，ビーム拡大用光導波路の長さを約６００
μｍに短縮している。しかし，この場合でも素子は依然
として長く，内部損失の増大によるレーザ特性の劣化は
無視できない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って，本発明の目的
はビーム拡大用光導波路が短く，かつ光結合特性の良好
なビーム拡大機能集積型半導体光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】本発明では，上記のビー
ム拡大機能集積型半導体光素子において，第一のコア幅
の減少率を上記の（数１）式で規定される場合よりも急
激にすることにより素子長の短縮を図る。図８に（数
１）式で規定された場合および本発明について，ビーム
拡大用光導波路内の位置とレーザ部の値で規格化した第
一のコア層の幅の関係を示す。本発明では，第一のコア
層の幅が，ある一定値Wcとなるまでは（数１）式で規定
されるよりも急激に減少し，その後は（数１）式で規定
される場合と同様に緩やかに減少する。この場合，第一
のコア幅を急激に減少する領域を，第一のコア層の光閉
じ込め係数が０．１以上の領域に限定すれば，光結合効
率および共振器特性の劣化は無視できる。本発明によれ
ば，素子長を（数１）式で規定される場合の数分の一に
短縮することが可能である。

【００１１】また，本発明は，光軸方向の各位置で，第
一のコア層により形成される光分布のビーム径と，第二
のコア層により形成される光分布のビーム径が一致する
様にすることを第二の特徴とする。本構造に依れば，ビ
ーム径を変換する際の光の散逸を抑さえることができ
る。

【００１２】まず，本発明により素子長を短縮しても素
子特性が損なわれない理由を説明する。図９に，レーザ
部の値で規格化した，第一のコア層の幅とビーム径およ
び第一のコア層の光閉じ込め係数を示す。図９におい
て，規格化した第一のコア層の幅が０．０５以上の領
域，すなわち光閉じ込め係数が０．１以上の領域ではビ
ーム径はレーザ部よりも拡大しない。このことから，光
閉じ込め係数が０．１以上の領域では光が広がりにくい
ため，状態の変化が準静的でなくても光の散逸が生じに
くいことが分かる。このことから，光閉じ込め係数が
０．１以下の領域での状態変化を準静的に行えば，光の
散逸を抑さえ，かつ良好な光結合特性が得られることが
分かる。

【００１３】次に，本発明の第二の特徴によりビーム径
を変換する際の光の散逸を抑さえることができる理由を
説明する。まず，半導体レーザから出たビームが集積し
た光導波路内を素子端面に向かい進む時には，ビームは
第一のコアから第二のコアへ移る。また，素子端面に達
したビームが光導波路内を半導体レーザに向かい進む時
には，ビームは第二のコアから第一のコアへ移る。この
ため，いづれの場合においても第一のコア層のビーム径
と第二のコア層のビーム径が一致していれば，光の損失
は抑さえられ素子特性が向上される。リッジ型の素子の
場合は，メサ幅を変調することにより同様の効果が得ら
れる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図２に，本発明の第一の実施例と
してリッジ型素子の層構造を示す。図２(A)は第一のコ
ア層での水平断面図，図２(B)，(C)，(D)，(E)，はそれ
ぞれ図２(A)中のBーB'，CーC'，DーD'，EーE'での垂直
断面図である。本実施例は，n型InP基板１５の上に積層
した，InPよりも等価的な屈折率の高い第二のコア層１
４，InPスペーサ層１６，第二のコア層１４よりも等価
的な屈折率の高い第一のコア層１１，およびp型InPクラ
ッド層１２によるリッジ型構造を有する。また，メサ部
はp型InPクラッド層１２およびポリイミド１３で形成さ
れる。また，電極２１はn型InP基板１５およびp型InPク
ラッド層１２に接して設けられる。また，光軸方向に
は，第一のコア１１の幅が一定であるレーザ部と，第一
のコア幅が減少し，かつ，メサ幅が増大するビーム拡大
部とを有する。ここで，電流の損失を防ぐためにビーム
拡大部では，第一のコアは埋め込み層２０で埋め込まれ
る。本実施例の特徴は，モード拡大部において第一のコ
ア幅が広い領域では，コア幅が（１）式で規定されるよ
りも急激に減少する点である。この領域は図２(A)にお
いては，BーB'からCーC'までの領域である。ここで，C
ーC'におけるコア層の光閉じ込め係数は０．１以上とす
る。本構造によれば，光の損失を抑さえながら素子を短
くできるため，光結合特性およびレーザ特性ともに良好
な素子を得ることができる。CーC'におけるコア層の光
閉じ込め係数がこれより低いと光の散逸が無視できなく
なる。また，CーC'から素子先端に向けてはビーム径が
拡大しているため，コア幅が急激に減少すると光が散逸
し易い。このため，この領域では素子長の増大が問題に
ならない範囲でコア幅を緩やかに減少させる。

【００１５】図１０に本実施例の，遠視野像の測定例を
示す。半値全幅が水平垂直とも約３０度のレーザに本実
施例のビーム拡大器を集積することにより，水平方向の
遠視野像３３の半値全幅を約８度，垂直方向の遠視野像
３４の半値全幅を約１２度に低減できた。また，図１１
に本実施例の，電流ー光出力特性の測定例を示す。しき
い値および効率は室温でそれぞれ，３０(mA)および０．
４(W/A)と，通常のレーザと同等の良好な特性が得られ
た。

【００１６】図３に，本発明の第二の実施例として埋め
込み型素子の層構造を示す。図３(A)は第一のコア層で
の水平断面図，図３(B)，(C)，(D)，(E)，はそれぞれ図
３(A)中のBーB'，CーC'，DーD'，EーE'での垂直断面図
である。本実施例は，n型InP基板１５上に積層した，In
Pよりも等価的な屈折率の高い第二のコア層１４，InPス
ペーサ層１６，第二のコア層１４よりも等価的な屈折率
の高い第一のコア層１１，およびp型InPクラッド層１２
により形成された埋め込み型構造を有する。また，スト
ライプはInP埋め込み層２０により第一のコア層１１お
よび第二のコア層１４を埋め込むことにより形成され
る。また，電極２１はn型InP基板１５およびp型InPクラ
ッド層１２に接して設けられる。この時，電極２１とp
型InPクラッド層１２との接する幅をストライプ幅程度
に制限するために，酸化シリコン２２の膜が用いられ
る。また，光軸方向には，第一のコア１１の幅が一定で
あるレーザ部と，第一のコア幅１７が減少し，かつ，第
二のコア１４の埋め込み幅が増大するビーム拡大部とを
有する。ビーム拡大部における第一のコア幅の減少法
は，第一の実施例と同様である。作製した素子の特性を
測定した結果，遠視野像の半値全幅は水平垂直とも約１
０度，室温でのしきい値は約１０(mA)と，良好な特性が
得られた。

【００１７】図１に，本発明の第三の実施例の層構造を
示す。本実施例では，第一の実施例のビーム拡大部にお
けるメサ形状に変更を加える。本実施例は，ビーム拡大
部の光軸に沿った各位置で，ビームが第一のコアに束縛
された場合と第二のコアに束縛された場合とで，ビーム
径が等しくなる様なメサ形状を有することを特徴とす
る。本構造は，光の散逸をより抑さえることができるた
め，作製した素子のレーザ特性は第一の実施例に比べ向
上した。

【００１８】図４に，本発明の第四の実施例の層構造を
示す。本実施例では，第二の実施例における第二のコア
層の形状に変更を加える。本実施例は，ビーム拡大部の
光軸に沿った各位置で，ビームが第一のコアに束縛され
た場合と第二のコアに束縛された場合とで，ビーム径が
等しくなる様に第二のコア層の埋め込み幅を調節するこ
とを特徴とする。本構造による効果は，第三の実施例と
同様である。

【００１９】次に，リッジ型素子である第一の実施例お
よびの第三の実施例の作製法を図５を用いて説明する。
まず，図５(A)に示す様に，n型InP基板１５上に第二の
コア層１４，InPスペーサ層１６，第一のコア層１１，
およびInP保護層１８を公知の結晶成長法により積層す
る。次に，図５(B)に示す様に，酸化Si膜１９を施し公
知のエッチング法により第一のコア層１１を加工する。
次に，図５(C)に示す様に，p型InPクラッド層１２を形
成する。更に，図５(D)に示す様に，酸化Si膜１９を施
し公知のエッチング法および結晶成長法によりp型InPク
ラッド層１２および埋め込み層２０によるメサを形成す
る。その後，公知の方法により電極形成およびポリイミ
ド積層等を行い素子を完成する。

【００２０】次に，埋め込み型素子である第二の実施例
およびの第四の実施例の作製法を図６を用いて説明す
る。まず，図６(A)に示す様に，n型InP基板１５上に第
二のコア層１４，InPスペーサ層１６，第一のコア層１
１，およびInP保護層１８を公知の結晶成長法により積
層する。次に，図６(B)に示す様に，酸化Si膜１９を施
し公知のエッチング法により第一のコア層１１および第
二のコア層１４を加工する。次に，図６(C)に示す様
に，酸化Si膜１９を施し公知のエッチング法により第一
のコア層１１を加工する。その後，公知の方法により埋
め込み層２０および電極形成等を行い素子を完成する。

【００２１】以上の実施例においては，第一のコア層の
形状は直線を用いて説明したが，請求項で規定する範囲
の任意の曲線を用いることができる。

【００２２】図１２に，本発明の第五の実施例として，
本発明の提供するビーム拡大機能集積化半導体レーザを
用いて光モジュールを形成した場合を示す。図１２(A)
に上面図を，図１２(B )にA-A'での断面図を示す。図
は，石英ガラス系の光導波路８０１を上面に形成したシ
リコン基板８１０上に本発明による半導体レーザ８０２
および導波路型受講素子８０３を搭載した例である。光
導波路８０１はシリコン基板８１０上に形成された，石
英ガラスよりなる下部クラッド８１２，調整用クラッド
８１３，石英ガラスコア８１４，および上部クラッド８
１５からなる。ここで，素子搭載部８０５は電極７２
０，７２１，７２２，７３０，７３１，７３２を有する
導波路基板８００上にあり，素子と電極はワイヤ８０９
で接続されている。また，光導波路８０１は光ファイバ
９０２と結合されている。また，モジュールはパッケー
ジ９０１で封止され外部に電極９００が出されている。
半導体レーザはシリコン基板８１０に形成されたシリコ
ン酸化膜８１６上にソルダ８８２を介して，コア層８２
１が下に，基板８２０が上になる様に設置される。この
際，ビームが十分に拡大しているため，光学レンズを使
用せずに，２．５(dB)から３．０(dB)の光結合特性が得
られた。以上の実施例は，ビーム拡大器を集積する素子
として半導体レーザを例に取って説明したが，本発明は
光増幅器，光変調器，光スイッチ，光検出器等の導波路
型光素子についても同様の効果を得ることができる。ま
た，本発明は，半導体の導電型および材料系に依らず有
効であり，上記実施例で説明した場合に制限されない。

【００２３】

【発明の効果】本発明によればビーム拡大部を短くして
も光の散逸を抑さえかつ，ビームを十分に拡大できる。
このため，半導体光素子本来の特性を損ねることなく光
結合特性を向上することができる。

【００２４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第三の実施例を示す図。

【図２】本発明による第一の実施例を示す図。

【図３】本発明による第二の実施例を示す図。

【図４】本発明による第四の実施例を示す図。

【図５】第一および第三の実施例の製造方法を説明する
ための図。

【図６】第二および第四の実施例の製造方法を説明する
ための図。

【図７】公知例を説明するための図。

【図８】本発明の手段を説明する図。

【図９】本発明の作用を説明する図。

【図１０】本発明による第一の実施例の素子特性を示す
図。

【図１１】本発明による第一の実施例の素子特性を示す
図。

【図１２】本発明による第五の実施例を示す図。

【符号の説明】

１１…第一のコア層，１２…p型InPクラッド層，１３…
ポリイミド，１４…第ニのコア層，１５…n型InP基板，
１６…InPスペーサ層，１７…第二のコア層の幅を示す
境界線，１８…InP保護層，１９…酸化Si膜，２０…InP
埋め込み層，２１…電極，２２…シリコン酸化膜，３１
…公知例の第一のコア層の幅を示す曲線，３２…本発明
の第一のコア層の幅を示す曲線，３３…水平方向の遠視
野像，３４…垂直方向の遠視野像，８００…導波路基
板，８０１…石英ガラス系の光導波路，８１０…シリコ
ン基板，８０２…本発明による半導体レーザ，８０３…
導波路型受光素子，８１２…下部クラッド，８１３…調
整用クラッド，８１４…石英ガラスコア，８１５…上部
クラッド，８０５…素子搭載部，７２０，７２１，７２
２，７３０，７３１，７３２…電極，８０９…ワイヤ，
９０２…光ファイバ，９０１…パッケージ，９００…外
部電極，８１６…シリコン酸化膜，８８２…ソルダ，８
２１…半導体レーザのコア層，８２０…半導体レーザの
基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大歳 創 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 辻 伸二 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 (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一の半導体結晶層と基板結晶との間に第
   一の半導体結晶層よりも等価的な屈折率が低い第二の半
   導体結晶層を有し，かつ第一の層の幅，第二の層の幅，
   および光導波路幅が一定である第一の領域と，光軸方向
   に第一の半導体結晶層の幅が減少しかつ光導波路幅が広
   がる第二の領域が集積した導波路型半導体光素子におい
   て，第二の領域における第一の半導体結晶層への光閉じ
   込め係数が０．１以上の任意の領域において，第一の半
   導体結晶層の幅が，光軸方向の単位長さ当り，各位置で
   の導波モードの等価屈折率と基板の屈折率との差と各位
   置での第一の半導体結晶層の幅との積を伝搬光の波長の
   ２倍で除した値よりも大きく減少することを特徴とする
   導波路型半導体光素子。
2. 【請求項２】上記第二の領域における第一の半導体結晶
   層への光閉じ込め係数が０．１未満の領域では，上記第
   二の領域における第一の半導体結晶層への光閉じ込め係
   数が０．１以上の領域よりも，第一の半導体結晶層の幅
   が緩やかに減少することを特徴とする特許請求の範囲の
   請求項１記載の導波路型半導体光素子。
3. 【請求項３】光導波路がリッジ型であることを特徴とす
   る特許請求の範囲の請求項１，および請求項２記載の導
   波路型半導体光素子。
4. 【請求項４】光導波路が埋め込み型であることを特徴と
   する特許請求の範囲の請求項１，および請求項２記載の
   導波路型半導体光素子。
5. 【請求項５】第一の半導体結晶層に束縛された導波モー
   ドのビーム径と第二の半導体結晶層に束縛された導波モ
   ードのビーム径が等しくなる様なリッジ形状を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲の請求項１，請求項２，
   および請求項３記載の導波路型半導体光素子。
6. 【請求項６】第一の半導体結晶層に束縛された導波モー
   ドのビーム径と第二の半導体結晶層に束縛された導波モ
   ードのビーム径が等しくなる様に第二の半導体結晶層の
   埋め込み幅を変調することを特徴とする特許請求の範囲
   の請求項１，請求項２，および請求項４記載の導波路型
   半導体光素子。
7. 【請求項７】第二の領域において少なくとも第一の半導
   体結晶層への光閉じ込め係数が０．６以上の領域では，
   第一の半導体結晶層の幅が，光軸方向の単位長さ当り，
   各位置での導波モードの等価屈折率と基板の屈折率との
   差と各位置での第一の半導体結晶層の幅との積を伝搬光
   の波長の２倍で除した値よりも大きく減少することを特
   徴とする特許請求の範囲の請求項１，請求項２，請求項
   ３，請求項４，請求項５，および請求項６記載の導波路
   型半導体光素子。
8. 【請求項８】特許請求の範囲の請求項１もしくは，請求
   項２もしくは，請求項３もしくは，請求項４もしくは，
   請求項５もしくは，請求項６もしくは，請求項７に記載
   された導波路型半導体光素子を少なくとも一個用いて形
   成することを特徴とする半導体光モジュール。