JPH0974250A - 半導体光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光を導波する光導波路の温度を制御することに
より光導波路の屈折率を制御する半導体光モジュール，
特に，活性層を有する半導体光素子においては活性層以
外の受動的な光導波路の部分の温度の制御を効率的に行
う半導体光モジュールに関する。 【構成】本発明の半導体光モジュールは，光導波路２と
その光導波路の少なくとも一部分を加熱する加熱手段３
とを有する半導体光素子４と，この半導体光素子を載置
し，光導波路の一部分に対しては直接接触し，光導波路
の他の部分に対しては空間部を介在させて当接されたヒ
ートシンク５とで構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，光を導波する光導波路
の温度を制御することにより光導波路の屈折率を制御す
る半導体光モジュール，特に，活性層を有する半導体光
素子においては活性層以外の受動的な光導波路の部分の
温度の制御を効率的に行う半導体光モジュールに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体は導体に比べて電気抵抗が高く，
電流を流すとジュール熱によって温度が大きく上昇す
る。そして，半導体の特性は温度によって大きく変化す
るため，一般に半導体光素子の実装では，熱伝導率が大
きく熱膨張係数が半導体のそれに近い材質からなるヒー
トシンク上に素子をはんだ付けし，熱の放出がはかられ
ている。半導体レーザや半導体光増幅器などの半導体光
素子においても，活性層の温度上昇はエネルギーギャッ
プの減少を招いて利得の変動をひき起こすほか，素子の
動作寿命を著しく低下させることから，放熱を十分に考
慮した実装技術は不可欠である。例えば，レーザ素子に
１００ｍＡの電流を流したとき１．５Ｖの電圧が生じ，
光出力が２０ｍＷとすれば１００ｍＷ以上は素子内部で
熱に変わっている。そこで，実際の構造では，ＣｕやＣ
ｕ−Ｗ化合物，ＳｉＣといった材質からなるヒートシン
ク上に半導体光素子をマウントし，さらにヒートシンク
を含めた半導体光素子の全体をペルチェ素子などのクー
ラ素子にマウントして温度制御することが多い。すなわ
ち，半導体光素子の特性を維持向上させるためには，半
導体光素子内部で発生する熱を極力外部へ放出すること
が必要である。

【０００３】一方，半導体光導波路の屈折率が温度によ
って大きく変化することを利用した半導体光素子の研究
がなされている。代表的なものとして，分布ブラッグ反
射型（Distributed Bragg Reflector ：以下ＤＢＲと省
略する）レーザの活性層以外の部分，すなわち受動的な
光導波路の部分（以下，非発光領域という。）の近傍に
光導波路を加熱するためのヒータを形成し，この光導波
路の部分の温度制御を通じてレーザの発振波長の制御を
可能としたものがある。以下，非発光領域のみを加熱す
るレーザを受動導波路加熱型ＤＢＲレーザと称し，その
概略を図８に示す。

【０００４】この受動導波路加熱型ＤＢＲレーザは３領
域構造のＤＢＲレーザを基本構造として，波長制御領域
（以下，ＤＢＲ領域Ａという。）と位相制御領域Ｂとの
光導波路の直上部にガラス等の絶縁膜７を介して薄膜Ｐ
ｔストライプヒータを形成し，この両領域の光導波路２
の屈折率を温度の関数として独立に制御できるようにし
た。この受動導波路加熱型ＤＢＲレーザは，従来の３領
域構造のＤＢＲレーザにおいて両領域の光導波路２への
電流注入によってひきおこされるプラズマ効果に基づい
て屈折率制御を行う方式に較べ，モードホッピングも含
めたものであるが，波長可変幅を約３倍（１０ｎｍ前後
→３０ｎｍ）に拡大することに成功した（特開平６−９
７６０１号公報）。

【０００５】この受動導波路加熱型レーザでは，活性領
域１を含んでいる光を発する能動的な光導波路２の部分
と，発光には寄与しない非発光領域２０とは熱的に独立
しており，活性領域１の温度を一定に保ったまま非発光
領域２０の温度を変化させることができる。特に，温度
の変化により波長を変えているので，プラズマ効果を利
用する電流注入方式とは異なり，キャリアのショットノ
イズによるスペクトル線幅の劣化や自由キャリア吸収に
よる導波路損失の増大といった問題を回避できる等の優
れた効果がある（信学技報ＯＰＥ９４−１１２）。

【０００６】また，今日においては，活性領域１とそれ
に連続する位相制御領域ＢとＤＢＲ領域Ａを備えた半導
体レーザにおいては，単一パラメータ制御による位相連
続波長シフトを実現することも求められている。これ
は、レーザの構造を知らないシステム技術者でも手軽に
使えるＤＢＲレーザを実現するものであり，この課題を
実現するためにいくつかの新構造が相次いで提案されて
いる。例えば、ＤＢＲ領域と位相制御領域とに同じ電流
を注入しても各領域の等価屈折率が縦モードを保持する
条件を満足するように、各領域の光導波路の層厚を変化
させた，いわゆる階段型導波路構造ＤＢＲレーザ（１９
９５年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３９０）や、ＤＢ
Ｒ領域上に設けられる電極を２つに分割し、その一方の
電極を位相制御領域の電極と一体化させ，他方の電極を
ＤＢＲ領域用の電極として用い，その二つの電極がＤＢ
Ｒ領域上ではそれぞれ櫛形を成し，且つ各々の凸部と凹
部とが導波路上で互いに嵌合するように組合さっている
櫛形電極ＤＢＲレーザ（１９９５年秋季応用物理学会学
術講演会２７ｐＺＡ−１６）がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する第１の課題は以下の通りである。これを，従来の受
動導波路加熱型レーザを使用した半導体光モジュールの
例を用いて説明する。この半導体の温度変化を積極的に
利用した半導体光素子の場合，半導体光素子を全領域に
わたってヒートシンクの上に載置する等の放熱構造を採
用すると，半導体光素子の非発光領域を加熱しその光導
波路の屈折率を変化させようとした場合に，波長を変化
させるために加えられた熱のかなりの部分がヒートシン
クを経由して放出されてしまい，目的とする特性を得る
場合の熱の利用が極めて非効率になるという問題点があ
る。すなわち，非発光領域に対しては，光導波路の屈折
率を変化させるために熱を加え，その熱により十分な温
度上昇を図れることが必要であるが，活性領域１に対し
ては，十分な放熱効果が得られることが望まれている。
すなわち，本発明における第１の解決すべき課題は，非
発光領域に対しては温度制御のために熱上昇のため熱効
率を高められるようにしつつも，非発光領域以外の光導
波路部分に対しては十分な放熱効果が得られるような半
導体光モジュールを提供することである。請求項１に記
載の発明はこの第１の課題を解決するものである。

【０００８】本発明が解決しようとする第２の課題は以
下の通りである。半導体レーザでは上述のように，単一
パラメータのみを制御することによる位相連続波長シフ
トを実現することも求められている。ここで，位相連続
波長シフトとは，単一モード発振レーザが同一のモード
次数を保ちながら波長を変化させることで，言い替えれ
ばモードホッピング（mode hopping：モードホップ、モ
ードジャンプ等とも言う）を起こさない波長シフト動作
のことである。モードホッピングとは，レーザ発振して
いる縦モードが異なる次数の縦モードに移る現象をいう
が，光の波長や位相が不連続に変化してしまうため、こ
れを抑圧することはコヒーレント方式やヘテロダイン方
式の光通信，光計測技術において極めて重要である。位
相連続波長シフトを実現するために考え出された階段型
導波路構造ＤＢＲレーザは有機金属気相成長法の応用技
術である選択成長法を利用して作製されるが、この成長
方法は成長装置ごとに特性がばらついてしまう上、素子
構造の制約から活性領域長を大きくすることができず光
出力が小さいという問題がある。また，選択できる縦モ
ードも一本に限られてしまい，発振波長範囲は狭い。一
方，櫛形電極ＤＢＲレーザではＤＢＲ領域の電極を２つ
の対置した櫛形に分割するためＤＢＲ領域長を長くする
必要があって、やはり素子長の割に光出力が小さいとい
う問題と、ＤＢＲ領域の受動導波路内のキャリア分布が
二つの電極を有するために周期的になり、波長シフト量
を大きくしていくとこの周期に由来する超周期縦モード
が発生して副モード抑圧比を劣化させるという問題があ
る。また，ＤＢＲ領域のみに電流を注入する電極が支配
する導波路は，ＤＢＲ領域の一部に限られるため，やは
り縦モードの選択範囲は狭まって，発振波長範囲を狭く
している。さらに，階段型導波路構造ＤＢＲレーザも櫛
形電極ＤＢＲレーザも両者とも波長シフトのための電流
注入にともなう導波路損失の増大によって、光出力が大
きく低下することは避けられず、光出力を一定に保ちな
がら波長シフトを得るには結局，活性領域に注入する電
流も変化させる必要が生じてしまい、単一パラメータ制
御にはなり得ない。一方、受動導波路加熱型ＤＢＲレー
ザでは，光出力の変動は小さく、活性領域電流の制御の
必要はなかったが，従来のモジュール技術ではやはり位
相制御領域加熱用抵抗とＤＢＲ領域加熱用抵抗の両方の
電力を一定の比で同時に制御して変化させる必要があっ
た。従って，第２の解決すべき課題は，活性領域とそれ
に連続する位相制御領域とＤＢＲ領域とを備えた半導体
レーザにおいて，位相が連続した波長シフトを単一パラ
メータの制御のみで実現することである。請求項２に記
載の発明はこの第２の解決すべき課題に対応したもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで，本発明の第１の
請求項では，第１の解決すべき課題，すなわち，非発光
領域２０は，十分な温度上昇が図れるとともに，活性領
域１に対しては逆に十分な放熱効果が得られるという相
反する課題を解決する手段を提供すべく，以下の構成を
採用した。すなわち，光導波路２とその光導波路２の少
なくとも一部分を加熱する加熱手段３とを有する半導体
光素子４と，この半導体光素子４を載置し，光導波路２
の一部分に対しては直接接触し，光導波路２の他の部分
に対しては空間部６を介在させて当接されたヒートシン
ク５とでなる半導体光モジュールを発明した。なお，こ
こで直接接触とは，光導波路２とヒートシンク５との間
に熱の伝導経路が途切れないことを意味し，中間に基板
１０が介在してもよい。すなわち，直接接触とは，空間
部６を介在させて接触するのに対する概念である。

【００１０】また，本発明の第２の請求項では，第２の
解決すべき課題，すなわち，位相が連続した波長シフト
を簡易にしかも効率よく実現するために以下の手段を採
用した。すなわち，非発光領域２０の少なくとも一部を
加熱することによって与えられた熱が，非発光領域２０
中の第１の受動領域Ｂと第２の受動領域Ａとへ所定の割
合で伝わるようにすれば，位相が連続した波長シフトを
実現できる。このため，以下の構成を採用した。活性領
域１と，それに連続する第１の受動領域Ｂと第２の受動
領域Ａとからなる非発光領域２０とを備えて成る光導波
路２とこの非発光領域２０の少なくとも一部を加熱する
加熱手段３とを有する半導体光素子４と，この半導体光
素子４を載置し，活性領域１と非発光領域２０の一部と
に対しては直接接触し，非発光領域２０の残部に対して
は空間部６を介在させて当接されたヒートシンク５とで
なり，加熱手段３からの熱は，第１の受動領域Ｂと第２
の受動領域Ａとへ所定の割合で伝わるように半導体光素
子４，ヒートシンク５及び空間部６が構成されている半
導体光モジュールを発明した。

【００１１】

【作用】以下，本発明の具体的な作用，特に空間部６の
機能，作成方法について述べる。半導体光素子４におい
て発生した熱は，空中へ放出されるわずかな量を除けば
そのほとんどが半導体光素子４から，接合面を経由して
ヒートシンク５へ伝導される。ここで，半導体光素子４
はヒートシンク５の上にはんだ材によって載置される
が，半導体光素子４とヒートシンク５との接合面が平坦
な場合，はんだを高熱で溶かした時に表面張力によって
接合面の隅々まで行きわたり，この接合面上ではんだ材
による接合面積を正確に制御することは困難である。

【００１２】ヒートシンク５の表面のめっき面積を制限
することでもある程度のはんだ拡散の抑制は期待できる
が，全面にめっき付けされた半導体光素子４の底面をつ
たって拡散が生じるので制御は難しい。半導体光素子４
の底面のめっき面積を制限することは半導体光素子４の
製造工程の複雑化とフォトレジスト等の使用による有機
物汚染の確率を高め，好ましくない。

【００１３】ヒートシンク５上に溝を形成すれば，ヒー
トシンク５上のはんだ材の流れ出しが抑えられ，はんだ
付けがされる部分とはんだ付けがされない部分とが生
じ，接合面の一部に空間部６が生じる。その結果，接合
面内の熱伝導率に分布が生じる。半導体光素子４の内部
では，はんだ付けされた部分の直上部では熱抵抗が小さ
いために温度変化は抑えられるが，はんだ付けされない
部分の直上部では熱抵抗が大きいために熱伝導が悪くな
り，熱が蓄積される。さらに，ヒートシンク５の上の溝
の幅を広くして熱抵抗を大きくしたい面積全体にわたる
ようにすれば半導体光素子４とヒートシンク５との間に
空間が生じ，熱抵抗が著しく増大する。

【００１４】また，ヒートシンク５の上に溝を設けなく
ても，ヒートシンク５上にメッキを施した部分とそうで
ない部分とを設けることにより，所望の位置にのみはん
だ付けを行うこともできる。その結果，はんだが施され
た部分と施されない部分とが生じ，はんだが施されない
部分の半導体光素子４とヒートシンク５との接合面に空
間部６が生じる。なお，ここで，使用している空間部と
いう概念は，半導体光素子４とヒートシンク５との間で
全く接触がない形状である必要は必ずしもない。例え
ば，厳密な直方体の空間を意味するものではない。従っ
て，例えば，溝を形成したヒートシンク５と半導体光素
子４とが空間部６において，全く非接触でなく，何点か
で接触していているものも含む。このような空間部６で
あっても，熱の伝導を妨げるので，熱抵抗は増大し，上
に述べたものと同様の効果が得られる。

【００１５】次に，請求項２に記載の発明の作用につい
て述べる。以下，位相が連続した波長シフトの原理，す
なわち，モードホッピングを起こすことなく波長をシフ
トさせるための原理を説明する。活性領域１と第１の受
動領域Ｂである位相制御領域Ｂの領域長さをそれぞれＬ
A ，ＬP とし加熱手段３によって熱が加えられたときの
位相制御領域Ｂ，第２の受動領域ＡであるＤＢＲ領域Ａ
の等価屈折率の変化分をそれぞれΔｎP ，ΔｎD として
ΔｎD ＝ ＬP ／（ＬA ＋ＬP ）×ΔｎPで表される条
件を満足させればよい。ただし, 加熱手段３が発熱して
いないときの各領域の等価屈折率はお互いに等しいと仮
定した。等価屈折率の熱に対する変化は図２からも明ら
かなように十分な線形性を有しているので，加熱手段３
が発する熱量Ｗが位相制御領域ＢにＷP，ＤＢＲ領域Ａ
にＷD と分配される（ＷP ＋ＷD ＝Ｗ）とするとΔｎD
／ΔｎP ＝ＷD ／ＷP ＝ＬP ／（ＬA ＋ＬP ）を満たせ
ばよいわけである。このＷD ／Ｗ，ＷP ／Ｗは空間部６
の大きさを適当に設定してやることで制御される。

【００１６】

【実施例】半導体光素子４として，受動導波路加熱型Ｄ
ＢＲレーザを用いた例にとって，本発明の基本的な実施
例を説明する。図１は，半導体光素子４である受動導波
路加熱型ＤＢＲレーザをヒートシンク５に実装した場合
の半導体光モジュールの上面図およびＸ−Ｙによる断面
図である。ヒートシンク５の大きさは長さ１．６ｍｍ，
幅１．０ｍｍ，厚さ０．２ｍｍである。また，はんだは
図示されていないが幅０．４ｍｍとする。

【００１７】以下，本発明の半導体光素子の作製方法に
ついて述べる。ｐ型ＩｎＰの基板１０上にエネルギーギ
ャップ１．５５μｍの組成のＩｎＧａＡｓＰ層を厚さ１
５０ｎｍで成長した後，光導波路２となる部分にＳｉＯ
2を堆積し，活性領域１となる以外の部分のＩｎＧａＡ
ｓＰ層はこのＳｉＯ2をエッチングマスクとしたエッチ
ングにより除去する。除去した部分の一部にＩｎＰ層を
ピッチ２４０ｎｍで周期的にエッチングしてコラゲーシ
ョン状の回折格子９を形成する。活性領域１以外の部分
であって，回折格子９を形成した部分がＤＢＲ領域Ａに
なり，残りの部分が位相制御領域Ｂとなる。その後，活
性領域１の周辺部に、波長１．５５μｍの光に対しては
受動的になるエネルギーギャップ１．３μｍ組成のＩｎ
ＧａＡｓＰガイド層（このガイド層部分が非発光領域２
０となる。）を厚さ２５０ｎｍ成長してからＳｉＯ2を
除去し，全面にＩｎＰクラッド層１１を１．５μｍ成長
する。続いてＳｉＯ2を幅１．５μｍのストライプ状に
形成してこれをエッチングマスクとし，クラッド層１
１，活性領域１及び非発光領域２０であるガイド層をス
トライプメサ状にエッチングする。この後，このストラ
イプメサを埋め込むｎ型ＩｎＰとｐ型ＩｎＰとからなる
埋め込み層を成長して電流経路を狭窄化し，光導波路２
の横方向の閉じ込める構造を形成する。なお，ここで述
べている光導波路２とは，１．５５μｍ組成の活性領域
１と１．３３μｍ組成のガイド層からなる非発光領域２
０とを合わせたものである。

【００１８】ＳｉＯ2を除去した後，活性領域１の上面
にはクラッド層１１を介してＡｕ，Ｇｅ等の蒸着により
ｎ型電極８を，基板１０の底面にはＡｕ，Ｚｎ等の蒸着
によりｐ型電極（図示せず。）を形成して電流注入が可
能な構造とする。

【００１９】一方，ＤＢＲ領域Ａおよび位相制御領域Ｂ
の上面には厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2を堆積して絶縁膜
７とし，さらに光導波路２の真上にあたる位置に幅１５
μｍ，厚さ１２０ｎｍのＰｔストライプを形成して加熱
手段３とする。Ｐｔストライプにはワイヤをボンディン
グするためのパッドを両端と，ＤＢＲ領域Ａと位相制御
領域Ｂとの境界部の合計３箇所にＡｕ蒸着などの方法で
形成し，ＤＢＲ領域Ａと位相制御領域Ｂとを独立に加熱
できるようにする。ここで，加熱手段３は，ＤＢＲ領域
Ａのみを加熱するものであっても，空間部６との相互作
用により効率的な波長シフトを行うことができる（図１
参照）。

【００２０】次に，このように作製された半導体光素子
４をヒートシンク５に載置する手順についてのべる。ヒ
ートシンク５は材料をシリコンカーバイド（ＳｉＣ）と
して説明する。ＳｉＣは熱膨張係数がＩｎＰに近く，熱
伝導率が大きい（２．７Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇ）ため，よく
用いられる材料である。

【００２１】ＳｉＣは厚さ２００μｍの板状のものとし
て上面と底面に厚さ１μｍ程度のＡｕ合金のメタライズ
を行ったあと，半導体光素子４との接合部となる部分に
ＡｕＳｎはんだを付着させる。この時，はんだは半導体
光素子４の寸法にあわせた面積に付着させるようにす
る。これは，半導体光素子４をはんだ付けする際の位置
合わせを容易にすると共に，ヒートシンク５にワイヤボ
ンディンクする時に余計なはんだが付着していることに
よって作業が難しくなることを避けるためである。

【００２２】次に，空間部６を形成したい部分に溝をダ
イサー等の切削装置によって形成する。本実施例では空
間部６をＤＢＲ領域Ａの直下にのみ設けた（図１参
照）。ＳｉＣがバー状に一体化している状態であれば，
一度の切削で大量の加工が可能な上，メタライズやはん
だを完全に除去できるので，最も簡便な手法にして最大
の効果を得ることが可能である。この作業の後で１個ず
つ切り離しをすればよい。もちろん最初から適当な位置
に適当な大きさで穴状に切削を行ってもよいことは言う
までもない。このように加工成型したヒートシンク５に
半導体光素子４をマウントして熱をかけてはんだ付け
し，これをペルチェ素子等のクーラ素子やサーミスタ素
子（図示せず。）とともにモジュールパッケージ内に配
置し，固定する。用途によっては光アイソレータやレン
ズを内蔵させてファイバアウト出力を図る。

【００２３】次に，本発明の動作について説明する。本
発明の半導体光素子４である受動導波路加熱型ＤＢＲレ
ーザは，通常のＤＢＲレーザの非発光領域２０の直上に
ＳｉＯ2 絶縁膜７を介して加熱手段３として薄膜Ｐｔス
トライプヒータを形成したものである。電極８の直下に
は活性領域１があり，電極８とヒートシンク５との間に
電流を流すと活性領域１から光が放出され，光導波路２
内で共振してレーザ発振を起こす。薄膜Ｐｔストライプ
ヒータの直下の非発光領域２０には波長を単一にするた
めの回折格子９が形成されており，この回折格子９のピ
ッチと光導波路２の等価屈折率とによって発振波長が決
定される。この時，薄膜Ｐｔストライプヒータの両端に
付属したパッドにワイヤをボンディングし電流を流して
薄膜Ｐｔストライプヒータを発熱させると，直下の非発
光領域２０の屈折率が非発光領域２０の温度の上昇にと
もなって増大し，半導体光素子４の発振波長は長波長側
へシフトする。

【００２４】本発明の半導体光モジュールと，従来のも
のである，半導体光素子４が空間部６のない平坦なヒー
トシンク５に接合されているものとの特性の比較を以下
に示す。加熱手段３である薄膜Ｐｔストライプヒータの
発熱量と波長シフト量との関係を図２に示す。縦軸は波
長シフト量（単位ｎｍ）を，横軸は薄膜Ｐｔストライプ
ヒータの消費電力（単位Ｗ）を示す。白丸は従来のも
の，黒丸は本発明の半導体光モジュールである。図２か
ら発光効率が２倍以上，改善されたことがわかる。した
がって，少ない消費電力で大きな波長シフトを得るとい
う効果があり，ひいてはクーラ素子の負担を軽減してモ
ジュール全体として消費電力も少なくて済む。これは電
源と一体化した光源装置とする場合にも重要な利点であ
る。

【００２５】次に，図３を用いて，有限要素法シミュレ
ーションによるＤＢＲ領域の中央部の最高到達温度をの
べる。縦軸は，温度（単位℃），横軸は，パワー（単位
Ｗ）を示す。図３中，白丸は従来の形状，すなわち，半
導体光素子４とヒートシンク５との間に空間部６を有し
ないものである。図３中，菱形は空間部６をＤＢＲ領域
Ａと位相制御領域Ｂとの双方に連続して境界なく空間部
６を設けた構造である（以下，タイプ１という。）。本
実施例では，非発光領域２０のなかのＤＢＲ領域Ａと位
相制御領域Ｂのそれぞれの領域の下方に別個に空間部６
を設けた例（以下，タイプ２という。）でもシミュレー
ションを行ってみた。図３中，三角形は，空間部６をＤ
ＢＲ領域Ａと位相制御領域Ｂとのそれぞれに分けて複数
設けた構造である（タイプ２という。）。なお，すべて
の例とも，クラッド層１１の厚さは２μｍ，絶縁膜７の
厚さは３００ｎｍである。

【００２６】境界条件は，ＳｉＣヒートシンクの底面温
度が常に２５℃一定であるとし，空中への熱の放出は無
視した。シミュレーションの結果，非発光領域２０の下
方に空間部６を一つ設けたものが温度対パワーの効率が
優れていた。これは，最も溝の面積を大きく取ったもの
であり，ヒータで生じた熱がヒートシンク底面から放出
されるのに通過する経路が最も長く，また途中の熱の経
路の断面積も小さく熱抵抗が高いために非発光領域２０
の温度も高温になったものである。次に，パワーの効率
が優れているのは，空間部６をＤＢＲ領域Ａと位相制御
領域Ｂとに分けて設けたタイプ２のものであった。

【００２７】次に，図４を用いて，本発明の半導体光モ
ジュールの光導波路２内部の温度分布を説明する。図４
（ａ）は従来型の半導体光モジュール，図４（ｂ）は上
述のタイプ１のもの、図４（ｃ）は同じくタイプ２のも
のである。なお，すべての例とも，クラッド層１１の厚
さは２μｍ，絶縁膜７の厚さは３００ｎｍである。ま
た，各図に共通して，縦軸は光導波路２の内部の温度
（単位℃）を示し，横軸は左から活性領域１，非発光領
域２０を示す。横軸の０の点は活性領域１の出射端面で
あり，光導波路２の内からこの端面へ向かう向きを前
方，ＤＢＲ領域Ａ側の端面に向かう向きを後方と呼ぶこ
とにする。ここでは，ＤＢＲ領域Ａ（１０００μｍから
１５００μｍ）についてのみ加熱を行った。

【００２８】図４（ａ）からわかるように，従来形状の
空間部を有しないヒートシンクを使用して動作させた受
動導波路加熱型ＤＢＲレーザでは，１００℃以上の温度
上昇を得るには２〜３Ｗ程度のヒータパワーを必要とし
ていた。これに対して，図４（ｂ）からわかるように，
本発明のタイプ１の形状を有するヒートシンクを使用す
れば１Ｗ程度のヒータパワーで同等な温度上昇が得られ
る。さらに，図４（ｃ）からわかるように，タイプ２の
形状を有するヒートシンクを使用すればＤＢＲ領域Ａの
温度上昇は従来型とタイプ１の中間程度の効果である
が，５００μｍから１０００μｍの温度上昇がタイプ１
の場合よりも抑えられ，位相制御領域Ｂへの熱の流入が
タイプ１よりも少なく両者の熱的なアイソレーションに
優れていることがわかる。このことは，発振波長を精細
に制御する場合には重要な効果である。タイプ１もタイ
プ２も，温度の上昇が起こっているのは，５００μｍよ
り後方の位置からであり，活性領域１に対する影響はな
い。

【００２９】次に，請求項２に記載の発明の実施例を図
５を用いて説明する。この半導体光モジュールにおいて
も，半導体光素子４の作製方法は前述の方法と同様であ
る。すなわち，基板１０上に光導波路２を有し，その光
導波路２を加熱する加熱手段３がクラッド層１１および
絶縁膜７を介して設けられている。加熱手段３は位相制
御領域加熱用抵抗３１とＤＢＲ領域加熱用抵抗３２とか
らなる。また，本実施例では，請求項２において第１の
受動領域Ｂとされていたのは，位相制御領域Ｂであり，
第２の受動領域ＡとされているのはＤＢＲ領域Ａを意味
する。加熱手段３は，非発光領域２０の少なくとも一部
を加熱するものであればよく，本実施例では，位相制御
領域ＢとＤＢＲ領域Ａとの双方を別々に加熱するもので
あるが，位相制御領域Ｂのみを加熱するものであっても
よい。すなわち，位相制御領域ＢとＤＢＲ領域Ａとに一
定の割合で熱が加えられればよい。そして，本実施例で
は，光導波路２の一部である活性領域１から出射された
光（図中矢印で示す。）を測定する測定手段３３と，そ
の測定手段３３で測定された光の特性に応じて，位相制
御領域Ｂに対する加熱を制御する制御手段３４とを備え
ている。本実施例では位相制御領域加熱用抵抗３１に対
する制御のみを行い，ＤＢＲ領域加熱用抵抗３２に対し
ては，制御することなく，一定の電力を注入しておく。

【００３０】以下，具体的な数値をもって半導体光モジ
ュールを説明する。基板１０の厚さを１００μｍとし，
光導波路２を厚さ０．２μｍ，クラッド層厚を２μｍと
した。光導波路の長さは全体で１５００μｍであり，活
性領域１の長さは５００μｍ，位相制御領域Ｂ及び長さ
はＤＢＲ領域Ａの長さも各５００μｍとした。請求項２
記載の発明で特徴的な点は，作用で述べたようにヒート
シンク５に形成された空間部６の位置と大きさである。
厚さ２００μｍのヒートシンク５上に設けられた空間部
６は，非発光領域２０の直下の一部にあればよいが，本
実施例では，位相制御領域Ｂの一部とＤＢＲ領域Ａのほ
ぼ全体の直下に設けることにした。具体的には，空間部
６は，光の出射端面から８５０μｍの位置から設けら
れ，長さは５００μｍで，光の出射端面の反対側の端面
から１５０μｍの位置まで設けられた。また，空間部６
の深さは５０μｍとした。

【００３１】次に，本実施例の動作を図６を用いて説明
する。図６は，ヒートシンク５の上に空間部６が前述の
位置に設けられた半導体光モジュールと，従来技術で作
製したレーザモジュールの同特性の比較である。図６の
横軸は受動導波路加熱型ＤＢＲレーザの位相制御領域加
熱用抵抗３１（以下，ＨPCと呼ぶ。）の消費電力を示
し，左側の縦軸はその時の位相連続の波長シフト量を，
右側の縦軸はモードを一定に保つために調整したＤＢＲ
領域加熱用抵抗３２（以下，ＨDBRと呼ぶ。）の消費電
力を示している。波長シフト量は白抜きシンボルで，Ｈ
DBRの消費電力は黒塗りシンボルで示し，丸が本発明の
半導体光モジュールで測定した値を，三角形が従来技術
の構造のモジュールにより得られた値を示している。

【００３２】図６から明らかなように，白丸と白三角と
を比較すれば波長シフト量は同等の特性であるが，黒丸
と黒三角の比較を見れば，ＨDBRの消費電力の変化が大
きく異なっているのがわかる。すなわち，従来技術では
モードホップを避けるためにＨDBRの消費電力を常に調
整する必要があったが，これに対し本発明の半導体光モ
ジュールでは，ＨPCの発する熱がＤＢＲ領域Ａにも蓄え
られ，ＨPCの消費電力の制御のみでＤＢＲ領域Ａと位相
制御領域Ｂとからなる非発光領域２０の温度を制御で
き，位相連続波長シフトを非常に容易に可能にしてい
る。

【００３３】以上，すべて，非発光領域２０を加熱する
受動導波路加熱型ＤＢＲレーザを例で説明したが，その
他，半導体の温度特性を素子内部で部分的に活用する素
子であれば，本発明の適用が可能である。例えば，活性
領域１を有しない光フィルタ等に応用ができる。光フィ
ルタでは，例えば，図７に斜視図を示すように，複数の
光導波路２部分を相互に平行に有するものがある。この
光フィルタは，それぞれの光導波路２の屈折率を加熱手
段３により温度の関数として制御するようにしている。
かかる場合，温度の制御効率を高めるため，光フィルタ
である半導体光素子４とその半導体光素子４が載置され
たヒートシンク５との接合面であって，加熱手段３の下
方の位置に空間部６を設けておけばよい。この空間部６
は，加熱手段３に対応させて複数個有してもよいし，所
望の加熱手段３の下にのみ有する構造であってもよい。
図７には３本の光導波路２と２個の空間部６とを備えた
例を示した。このようにした光フィルタは，反射面を平
行に対向させてファブリペローエタロン構造としたり，
光導波路２にコラゲーション構造を形成してブラッグ反
射器として動作させたりすることができる。どちらの場
合も反射（あるいは透過）波長が温度によって制御さ
れ，光導波路２と加熱手段３との距離がμｍオーダーで
あればミリ秒程度の反応速度を得ることが可能である。
一般に，数ｍないし数十ｍ規模の光インタコネクション
では数チャンネルのレーザアレーとファイバアレーとが
使用され、パラレルな光のやりとりが行われるが、図７
に示すようなフィルタアレーは光スイッチ等として、フ
ァイバで結合した場合でも半導体レーザと同一基板上の
集積した集積化素子とした場合でも利用可能であり応用
範囲が広い。

【００３４】

【発明の効果】請求項１に記載の本発明の半導体光モジ
ュールでは，光導波路２の少なくとも一部を加熱する加
熱手段３を有する半導体光素子において，ヒートシンク
５と半導体光素子４との接合面の一部であって，加熱手
段３の下方の位置に空間部６を有している。したがっ
て，以下の効果が導き出される。すなわち，発振波長を
温度で制御する半導体光素子４の場合，加熱手段３であ
るヒータのヒータ発熱量対波長シフト量の効率を従来の
ものに比較して２倍以上に改善することができた。特
に，受動導波路加熱型ＤＢＲレーザにおいては，キャリ
アのショットノイズによるスペクトル線幅の劣化や自由
キャリア吸収による導波路損失の増大といった欠点を有
しない本レーザの特徴を効率よく引き出すことが可能と
なった。

【００３５】請求項２に記載の本発明の半導体光モジュ
ールでは，第１の受動領域Ｂと第２の受動領域Ａとへ所
定の割合で伝わる構成を採用しているので，位相が連続
した波長シフト動作を単一パラメータを制御することで
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示す図である。

【図２】薄膜ヒータの発熱量と波長シフト量との関係を
示す図である。

【図３】有限要素法を用いたシミュレーションによる最
高到達温度を示す図である。

【図４】半導体光モジュールの光導波路２内部の温度分
布を説明した図である。

【図５】本発明の他の実施例の構成を示す図である。

【図６】位相制御領域に加える電流をのみを制御して，
位相連続波長シフトを実現した例を説明した図である。

【図７】本発明の他の実施例の構成を示す図である。

【図８】従来の受動導波路加熱型半導体レーザの構成を
示す図である。

【符号の説明】

１ 活性領域。 ２ 光導波路。 ３ 加熱手段。 ４ 半導体光素子。 ５ ヒートシンク。 ６ 空間部。 ７ 絶縁膜。 ８ 電極。 ９ 回折格子。 １０ 基板。 １１ クラッド層。 ２０ 非発光領域。 ３１ 位相制御領域加熱用抵抗。 ３２ ＤＢＲ領域加熱用抵抗。 ３３ 測定手段。 ３４ 制御手段。 Ａ ＤＢＲ領域。 Ｂ 位相制御領域。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光導波路（２）と該光導波路の少なくとも
   一部分を加熱する加熱手段（３）とを有する半導体光素
   子〔４〕と，該半導体光素子を載置し，前記光導波路の
   一部分に対しては直接接触し，前記光導波路の他の部分
   に対しては空間部を介在させて当接されたヒートシンク
   〔５〕とでなる半導体光モジュール。
2. 【請求項２】活性領域（１）と，それに連続する第１の
   受動領域（Ｂ）と第２の受動領域（Ａ）とからなる非発
   光領域（２０）とを備えて成る光導波路〔２〕と前記非
   発光領域の少なくとも一部を加熱する加熱手段〔３〕と
   を有する半導体光素子〔４〕と，該半導体光素子を載置
   し，前記活性領域と前記非発光領域の一部とに対しては
   直接接触し，該非発光領域の残部に対しては空間部を介
   在させて当接されたヒートシンク〔５〕とでなり，前記
   加熱手段からの熱は，第１の受動領域と第２の受動領域
   とへ所定の割合で伝わるように半導体光素子，ヒートシ
   ンク及び空間部が構成されている半導体光モジュール。