JPH09275240A

JPH09275240A - 導波路型光素子およびその作製方法

Info

Publication number: JPH09275240A
Application number: JP7982796A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sato; 宏佐藤; Masahiro Aoki; 雅博青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-04-02
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は半導体光素子に関わり、特に、ファ
イバと高効率光結合を容易に実現する半導体光導波素子
の構造及びその作製方法を提供することを目的とする。【解決手段】同一平面上に光軸をもつ二重導波路にお
いて、導波路のテーパ化により半導体レーザ等光導波素
子の特性を劣化させることなく、非常に容易な手法で入
／出射ビ−ムを拡大し、ファイバとの高効率結合を実現
する。二つの導波路の光軸が自己整合的に一致するた
め、極めて高い均一性で素子を作製できる。【効果】半導体レーザ等光導波素子の特性を劣化させ
ることなく、ファイバへの高効率結合、高出力時の高信
頼を非常に容易な手法で達成する。さらに、本構造の採
用で出射端面位置の活性層部の光強度を低減することに
より、動作波長が１μｍ程度以下の高出力半導体レーザ
の素子寿命を大きく改善するも可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用モジュー
ル、光通信システム、光通信ネットワークに用いる半導
体光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信用モジュールの作製において、半
導体レーザと誘電体導波路または光ファイバとの高効率
な光結合が必要不可欠である。しかしながら、従来型半
導体レーザのビーム出射角とファイバ・光導波路の受光
角には大きなミスマッチがあり、両者の直接結合では充
分な光結合効率は得られない。従来の幹線系光通信モジ
ュールでは、このミスマッチは高価な光学レンズにより
補償されている。これに対し、加入者系光通信モジュー
ルでは、低コスト化と量産化のため、レンズレス光結合
と無調整実装の実現が必須となる。

【０００３】この要請に対し、結合効率を向上し、か
つ、軸ずれトレランスを緩和するため、半導体レーザに
導波モード変換素子をモノリシック集積する試みが活発
化している。この素子では、光導波に望ましい屈折率を
持つ光導波路の膜厚または導波路幅を変調することで導
波モードを変換し、水平、垂直方向のビーム出射角が従
来型レーザに比べ１／３から１／４程度となる。コア層
厚を変調した素子の報告例には、電子情報通信学会秋季
大会ＳＣ−１-２、ＳＣ−１-３、Ｃ−２９５、１９９５
年９月等、また、コア幅を変調した例として特開平6-17
4982号公報、特開平5-243679号公報、Electronics Lett
ers vol. 30, No. 20, 1685頁、１９９４年、等が挙げ
られる。

【０００４】前者では、導波路の膜厚変調のために、新
規結晶成長技術または複雑なエッチング技術が必要であ
る。これに対し、後者は従来のレーザ作製と同様の技術
で作製可能なため、後者方式による低コスト素子実現の
期待は大きい。

【０００５】後者方式素子は、半導体基板１上部に形成
された光閉じ込めの強い第一光導波路２とその下部に設
けられ第一の導波路よりも光閉じ込めの弱い第二光導波
路３からなる。この素子では、第一光導波路幅を光の出
射方向にテーパ状に狭窄化した結果、光出射端面近傍で
第二光導波路を光が導波するようになり、スポット径が
拡大する。

【０００６】この素子の作製において重要なことは、第
一光導波路と第二光導波路の光軸を完全に一致させ、導
波する光の電磁界分布を対称にすることである。軸がず
れた場合、図１に示す如く導波光の電磁界分布５が非対
称となり、外部導波路との光結合効率が著しく低下す
る。さらに、これらスポット拡大素子には、画像認識を
用いた無調軸実装を行うための認識用マーカを素子の光
軸を中心に対称な位置に形成する必要がある。しかし
従来技術では、第一光導波路、第二光導波路、認識用マ
ーカそれぞれのパターンが別工程のホトリソグラフィで
形成されるため、両光導波路および認識用マーカの中心
軸を一致させることは非常に困難であった。この問題
に対しては、これまでのところ効果的な解決手法はな
く、第一光導波路と第二光導波路の中心軸を自己整合的
に一致させた素子およびその作製プロセスの確立が必要
とされていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、自己整合的
に第一光導波路と第二光導波路の中心軸が一致し、か
つ、光ファイバとの結合に優れる半導体レーザ等光導波
素子の構造及びその作製方法の提供を目的とする。

【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、本発明者らは半導体基板上部に形成された第一の光
導波路層とその下に形成された第二の光導波路層をこれ
ら光導波路層よりも広バンドギャップ且つ低屈折率な材
料からなるクラッド層で挟んだ導波路型光素子を、図２
に示すように導波路幅を変調した素子のスポット拡大効
果を最大限に引き出せるように、第一光導波路７と第二
光導波路８さらにクラッド層９に設ける画像認識用マー
カ１０の中心軸が自己整合的に一致させて半導体基板６
上部に形成して作製する。この結果、導波光の電磁界分
布１１は対称になり、無調整実装による外部導波路との
光結合においても、結合効率は従来のレンズ結合と同等
となる。即ち、本発明の導波路型光素子は、二つの光導
波路層の中心軸がこれらに略垂直な同一平面上にあり、
この軸を中心とした対称位置に、凹凸または段差がある
という構成上の特徴を有する。本発明の導波路型光素子
において、第一光導波路又は第二光導波路いずれか又は
双方の幅または膜厚が光の導波方向に変調されていると
より良い光結合効果が得られる。また、リッジ導波路型
構造、即ち光導波路層の幅が電流狭窄層や光吸収層で制
限された半導体基板から見てリッジ（突起）状の導波路
を構成してもよい。このとき、リッジ型の導波路の幅が
光の導波方向に変調されるようにするとよく、その側壁
が（１１１）Ａ結晶面、または（０１−１）結晶面とな
るようにリッジを形成しても良い。さらに導波路層中の
少なくとも一部分に回折格子を形成しても良い。

【０００９】これらの特徴を有する導波路型光素子は、
半導体レーザや半導体レーザ増幅器などの半導体光装置
に応用でき、これらの基本構成に作り込むこともでき
る。

【００１０】本発明では、半導体基板上部に形成された
第一の光導波路層とその下に形成された第二の光導波路
層をこれら光導波路層よりも広バンドギャップで低屈折
率な材料からなるクラッド層で挟んだ導波路型光素子
を、二つの導波路およびこれら導波路軸から対称な位置
に凹凸または段差を形成する工程を含めて作製する。こ
の作製工程において、第一、第二光導波路および凹凸、
段差を形成するためのパターンは同一のホトリソグラフ
ィ工程によって形成してもよく、凹凸または段差を異方
性エッチングにより形成してもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図３〜
図８を用いて説明する。

【００１２】＜実施例１＞本発明を波長１.３μｍ帯の
埋込型レーザに適用した例を図３、４、５を用いて説明
する。

【００１３】ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板１１１上
にトリメチルインジウム、トリメチルガリウム、アルシ
ン、ホスフィン等のガスを用いた有機金属気相成長（MO
VPE）法によりｎ型ＩｎＰバッファ層１．０μｍ、ｎ型
ＩｎＧａＡｓＰ第二光導波路層（組成波長１．１０μ
ｍ）０．０４μｍ１１２、ｎ型ＩｎＰスペーサ層０．２
μｍ１１３、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層（組成波
長１．１０μｍ）０．０５μｍ、６．０ｎｍ厚の１．４
％圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．３μ
ｍ）を井戸層、１２ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長
１．１０μｍ）を障壁層とする５周期の多重量子井戸活
性層、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）光導波
路層０．１０μｍからなる積層体１１４、ｐ型ＩｎＰク
ラッド層３．８μｍ１１５、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層０．２μｍ１１６を順次形成する。多重量子井戸活
性層の発光波長は約１．３μｍである。尚、ＭＯＶＰＥ
に使用するガスは上記以外のものでもよい。また、本実
施例ではＭＯＣＶＤ法を用いているが、分子線エピタキ
シ（ＭＢＥ）法、液層エピタキシ（ＬＰＥ）法でも作成
可能である。

【００１４】次に熱化学気相蒸着（Ｔ−ＣＶＤ）法によ
り基板全面に厚さ０．３０μｍのシリコン酸化膜１２０
を形成した後、公知の手法を用いてシリコン酸化膜をス
トライプ構造１２１に加工する。ストライプ形成にはＨ
Ｆ系エッチング液によるウエットエッチング、フッ素系
ガスによるドライエッチングいづれを用いてもよい。こ
こでストライプ方向は［０１１］とし、横幅狭窄テーパ
部の長さ３００μｍ、レ−ザ出射端面部でストライプ幅
０．５μｍ以下、その他の領域でのストライプ幅は１．
５μｍ程度となるようにストライプを設ける。また、レ
ーザストライプの両側に幅１０μｍのストライプ１２
２、画像認識マーカ形成用の外側パターン１２３、内側
パターン１２４を同時に形成する。

【００１５】シリコン酸化膜のパターンを形成後、スト
ライプ１２１、マーカ形成用パターン１２４をレジスト
膜１２５で覆う。シリコン酸化膜ストライプ１２２、マ
ーカ形成用パターン１２３をＨＦ系エッチング液により
除去した後、Ｂｒ₂系用液を用いウエハ表面を深さ０．
３から０．５μｍ程度エッチングする。この結果、図４
（Ａ）に示す段差が形成される。

【００１６】この状態から、塩素系またはメタン系ガス
を用いた公知のドライエッチングをウエハ施すことで、
メサストライプ１２６を形成する。メサ形成後も段差が
残るため、図４（Ｂ）に示すように、メサストライプ１
２６と光軸が完全に一致した下側ガイドストライプ１２
７が形成される。尚、このストライプはＢｒ系ガス等を
用いたドライエッチングおよびＨＢｒ、ＨＣｌ等による
ウエットエッチングを用いても作製することができる。

【００１７】次に、公知の手法により電流ブロック層１
２８およびｐ型ＩｎＰクラッド層３．０μｍ１２９、Ｉ
ｎＧａＡｓＰキャップ層０．４μｍ１３０を順次形成す
る。この後、マーカ形成用パターン１２４を除去し、画
像認識用パターンとなる溝１３１をＨＢｒ系溶液による
異方性エッチングにより形成した。認識用パターン形成
にはＨＣｌ等を用いてもよい。これらのプロセスを完了
した後、公知の手法により基板全面に厚さ０．５０μｍ
のシリコン酸化膜１３２を形成し、最後にｐ側、ｎ側そ
れぞれに電極１３３、１３４を形成する（図５）。

【００１８】３００μｍのテーパ部と３００μｍの直線
ストライプからなる素子を切り出し、後端面に反射率９
５％の反射膜をコートした結果、以下の特性を得た。室
温、連続発振条件においてしきい値５〜８ｍＡ、発振効
率０．４５〜０．５０Ｗ／Ａと良好な発振特性を示し
た。また、動作温度８５℃において閾値約４０ｍＡ、最
高出力２０ｍＷを得た。動作出力１０ｍＷでのビーム広
がり角度は水平、垂直方向とも約８度となり、フラット
端面ファイバへの平均結合損失は２ｄＢ以下となった。
この結果、５ｍＷ以上の最高モジュール出力を達成し
た。また、素子の長期信頼性を８５℃、１０ｍＷの条件
下で評価したところ１０万時間以上の推定寿命を確認し
た。

【００１９】＜実施例２＞本発明を波長１.３μｍ帯の
リッジ導波型レーザに適用した第二の実施形態を図６、
７を用いて説明する。

【００２０】実施例１と同様の手法により、ｎ型（１０
０）ＩｎＰ半導体基板３１上部にｎ型ＩｎＰバッファ層
１．０μｍ、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ第二光導波路層（組成
波長１．１０μｍ）０．０４μｍ３２、ｎ型ＩｎＰスペ
ーサ層０．２μｍ３３、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド
層（組成波長１．１０μｍ）０．０５μｍ、６．０ｎｍ
厚の１．４％圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＰ（組成波長
１．３μｍ）を井戸層、１２ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ
（組成波長１．１０μｍ）を障壁層とする５周期の多重
量子井戸活性層、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μ
ｍ）光導波路層０．１０μｍからなる積層体３４、ｐ型
ＩｎＰクラッド層３．８μｍ３５、を含む多層基板を形
成する。

【００２１】この多層基板上部に実施例１と同様の手法
によりシリコン酸化膜で活性層形成用ストライプ４０、
補助ガイド層幅を規定するストライプ４１を形成し、こ
れらの両脇に幅３０μｍのシリコン酸化膜ストライプ４
２を形成する。

【００２２】図３と同様の手法により活性層ストライプ
を形成した後、シリコン酸化膜ストライプ４０および４
２をレジスト膜４３で保護する（図６（ｃ））。この状
態からＢｒ₂系エッチング溶液を用いた公知のエッチン
グ技術を用いて図７（ａ）に示すテーパ状ストライプ構
造を形成する。これに引き続き、電流ブロック層４４、
ｐ−ＩｎＰクラッド層４５、ｐ−ＩｎＧａＡｓ層４６を
公知の手法で順次形成し、リッジ導波路構造（図７
（ｂ））を作製する。

【００２３】３００μｍのテーパ部と３００μｍの直線
ストライプからなる素子の後端面に反射率９５％の反射
膜をコートした結果、室温、連続発振条件でのしきい
値、発振効率はそれぞれ１０〜１５ｍＡ、０．４０〜
０．４５Ｗ／Ａとなった。また、動作温度８５℃におい
て閾値約４０ｍＡ、最高出力４０ｍＷを得た。動作出力
１０ｍＷでのビーム広がり角度は水平、垂直方向とも約
１０度となり、フラット端面ファイバへの平均結合損失
は２ｄＢとなった。この結果、５ｍＷ以上の最高モジュ
ール出力を達成した。また、素子の長期信頼性を８５
℃、１０ｍＷの条件下で評価したところ１０万時間以上
の推定寿命を確認した。

【００２４】＜実施例３＞図８は実施例１とほぼ同様の
手法で波長１．４８μｍ帯で発振する高出力エルビウム
添加ファイバ増幅器用励起光源を作製した一例である。
ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板６１上に実施例１と同
様の手法によりｎ型ＩｎＰバッファ層１．０μｍ、ｎ型
ＩｎＧａＡｓＰ第二光導波路層（組成波長１．１０μ
ｍ）０．０４μｍ６２、ｎ型ＩｎＰスペーサ層０．２μ
ｍ６３、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層（組成波長
１．１０μｍ）０．０５μｍ、６．０ｎｍ厚の１．０％
圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．４５μ
ｍ）を井戸層、１２ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長
１．２０μｍ）を障壁層とする５周期の多重量子井戸活
性層、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）光導波
路層０．１０μｍからなる積層体６４、ｐ型ＩｎＰクラ
ッド層３．８μｍ６５、を含む多層基板を形成する。

【００２５】次に実施例１と同じ手法によりテ−パ状メ
サストライプ、補助ガイドストライプを形成する。横幅
狭窄テーパ部の長さは２５０μｍ、直線部の活性層幅
１．５μｍ、テ−パ−部先端での活性層幅は０．１μｍ
以下に設定する。続いて、実施例１と同じ手法で埋め込
み型レーザ構造に加工する。劈開工程によりテ−パ部２
５０μｍを含む共振器長１２００μｍの素子に切り出し
た後、前端面に反射率１％の低反射膜、後端面に反射率
９５％の高反射率膜を公知の手法により形成した。

【００２６】作製した素子は室温、連続条件においてし
きい値２５〜３０ｍＡ、発振効率０．４５〜０．５０Ｗ
／Ａと良好な発振特性を示した。また、動作電流１．２
Ａにおいて最高出力４００ｍＷを得た。動作出力４００
ｍＷでのビーム広がり角度は水平、垂直方向とも約１０
度であった。この結果ファイバへの結合損失は、平均で
１ｄＢとなり、最高モジュール出力は３２０ｍＷとなっ
た。また、素子の長期信頼性を７０℃、２００ｍＷの条
件下で評価したところ２０万時間以上の推定寿命を確認
した。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係る半導体発光素子よれば、光
ファイバとの光結合が容易で且つ動作電流、動作電圧の
低く、高速特性の優れた半導体レーザ、光増幅器等の光
導波素子を極めて容易な手法で実現できる。本発明を用
いれば、素子性能、歩留まり、作製効率が飛躍的に向上
するだけでなく、本素子を適用した光通信システムの低
価格化を容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の技術を説明するための図に係わり、(a)
は全体の鳥瞰図、(b)は(a)のＡ矢視図である。

【図２】本発明の作用を説明するための図に係わり、
(a)は全体の鳥瞰図、(b)は(a)のＡ矢視図である。

【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に係わり、
(a)は全体の鳥瞰図、(b)は(a)のＡ矢視図である。

【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に係わり、
(a)は全体の鳥瞰図、(b)は(a)のＡ矢視図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…第一光導波路、３…第二光導波
路、４…クラッド層、５…電磁界分布、６…半導体基
板、７…第一光導波路、８…第二光導波路、９…クラッ
ド層、１０…画像認識マーカ、１１…電磁界分布、３１
…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、３２…ｎ型ＩｎＧ
ａＡｓＰ第二光導波路層、３３…ｎ型ＩｎＰスペーサ
層、３４…積層体、３５…ｐ型ＩｎＰクラッド層、４０
…活性層形成ストライプ、４１…補助ガイド用ストライ
プ、４２…ストライプ構造、４３…レジスト膜、４４…
電流ブロック層、４５…ｐ型ＩｎＰクラッド層、４６…
ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、６１…ｎ型（１００）Ｉｎ
Ｐ半導体基板、６２…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ第二光導波路
層、６３…ｎ型ＩｎＰスペーサ層、６４…積層体、６５
…ｐ型ＩｎＰクラッド層、６６…ｐ型ＩｎＧａＡｓキャ
ップ層、６７…電流ブロック層、６８…ｐ型ＩｎＰクラ
ッド層、６９…ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、７０…画像
認識マーカ、７１…シリコン酸化膜、７２…ｐ電極、７
３…ｎ電極、１１１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基
板、１１２…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ第二光導波路層、１１
３…ｎ型ＩｎＰスペーサ層、１１４…積層体、１１５…
ｐ型ＩｎＰクラッド層、１１６…ｐ型ＩｎＧａＡｓキャ
ップ層、１２０…シリコン酸化膜、１２１…レーザスト
ライプ、１２２…ストライプ、１２３…画像認識マーカ
形成用パターン、１２４…画像認識マーカ形成用パター
ン、１２５…レジスト膜、１２６…メサストライプ、１
２７…補助ガイド層ストライプ、１２８…電流ブロック
層、１２９…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１３０…ＩｎＧａ
ＡｓＰキャップ層、１３１…画像認識マーカ、１３２…
シリコン酸化膜、１３３…ｐ電極、１３４…ｎ電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上部に形成された第一の光導波
路層とその下に形成された第二の光導波路層をこれら光
導波路層よりも広バンドギャップ且つ低屈折率な材料か
らなるクラッド層で挟んだ導波路型光素子において、上
記二つの光導波路層の中心軸が該光導波路層に略垂直な
同一平面上にあり、この軸を中心とした対称位置に、凹
凸または段差があることを特徴とする導波路型光素子。
【請求項２】半導体基板上部に形成された第一の光導波
路層とその下に形成された第二の光導波路層をこれら光
導波路層よりも広バンドギャップで低屈折率な材料から
なるクラッド層で挟んだ導波路型光素子において、二つ
の導波路およびこれら導波路軸から対称な位置に凹凸ま
たは段差を形成する工程を含むことを特徴とする導波路
型光素子の作製方法。
【請求項３】請求項２記載の導波路型光素子の作製方法
において、上記第一、第二光導波路および凹凸、段差を
形成するためのパターンを同一のホトリソグラフィ工程
によって形成することを特徴とする導波路型光素子の作
製方法。
【請求項４】請求項２記載の導波路型光素子の作製方法
において、上記凹凸または段差を異方性エッチングによ
り形成することを特徴とする導波路型光素子の作製方
法。
【請求項５】請求項２乃至４項に記載の導波路型光素子
の作製方法において、上記凹凸又は上記段差として形成
される溝の断面形状は逆メサ構造であることを特徴とす
る素子。
【請求項６】請求項１に記載の導波路型光素子におい
て、上記第一光導波路の幅または膜厚が光の導波方向に
変調されたことを特徴とする導波路型光素子。
【請求項７】請求項１又は６項に記載の導波路型光素子
において、第二光導波路の幅または膜厚が光の導波方向
に向かって変調されたことを特徴とする導波路型光素
子。
【請求項８】請求項１、６又は７の導波路型光素子は、
リッジ導波路型構造であることを特徴とする導波路型光
素子。
【請求項９】請求項８の導波路型光素子において、上記
リッジ導波路の光軸が第一光導波路、第二光導波路の中
心軸と同一平面上にあることを特徴とする導波路型光素
子。
【請求項１０】請求項８又は９の導波路型光素子におい
てリッジ導波路の幅が光の導波方向に変調されたことを
特徴とする導波路型光素子。
【請求項１１】請求項８乃至１０に記載の素子におい
て、上記クラッド層は選択成長により形成されているこ
とを特徴とする導波路型光素子。
【請求項１２】上記リッジの側壁が（１１１）Ａ結晶
面、または（０１−１）結晶面であることを特徴とする
請求項９乃至１１のいずれかに記載の導波路型光素子。
【請求項１３】請求項１乃至１２のいずれかに記載の導
波路型光素子を基本構造とした半導体レーザ。
【請求項１４】回折格子が少なくとも上記導波路中の一
部分に形成されていることを特徴とする請求項１３記載
の半導体レーザ。
【請求項１５】請求項１乃至１４のいずれかに記載の導
波路型光素子において、クラッド層の厚さが３μｍ以上
あることを特徴とする導波路型光素子。