JPH10223989A

JPH10223989A - 導波路型光素子

Info

Publication number: JPH10223989A
Application number: JP9027480A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Aoki; 雅博青木; Tomonobu Tsuchiya; 朋信土屋; Akira Oya; 彰大家; Hiroshi Sato; 宏佐藤; Masaaki Komori; 正明古森; Makoto Takahashi; 誠高橋; Yoshihisa Sakai; 義久界
Original assignee: Hitachi Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1997-02-12
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】信頼性が高く且つ高温動作に優れたビーム拡
大機能を有する導波路型光素子、特に半導体レーザの素
子構造を提供する。【解決手段】導波路型光素子の出射端面にレンズ機能
を有する領域をモノリシック集積し、この領域のバッフ
ァ層またはクラッド層もしくはその両者に絶縁性の半導
体層を導入する。これにより素子の高温特性および信頼
性は飛躍的に向上する。【効果】本発明の導波路型光素子は容易な手法で実現
できるため、素子性能の再現性や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モジュール、
光通信システムの高性能化、低コスト化を容易に実現で
きる。

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】光通信用モジュールの作製において、半
導体レーザ等の光導波素子（光素子と称される）と誘電
体導波路又は光ファイバ（光伝送路と称される）との高
効率な光結合が必要不可欠である。

【０００３】これに対し、加入者系光通信用途の光モジ
ュールのように低コスト化が必須な形態では、（１）レ
ンズを用いないで光素子と光ファイバとを直接結合する
レンズレス結合と、（２）光素子を発光させずに光軸位
置合わせを行なうパッシブアライメント実装の実現が必
須である。この実現に向けて光導波素子の入出射端面に
ビームスポットを拡大する導波路レンズ（レンズ機能を
有する領域）を光素子にモノリシック集積する試みが活
発化している。これらの報告例には、電子情報通信学会
秋季大会ＳＣ−１-２,ＳＣ−１-３,Ｃ−２９５,（1995
年９月）、特開平６−174982号公報、特開平５−243679
号公報、及びElectronics Letters誌 vol.30,No.20,168
5頁（1994年）等が挙げられる。

【０００４】導波路レンズの一実施態様としては、光素
子の活性領域、即ち発光、受光、又は入射光の変調を行
う半導体層（複数の半導体層を積層して構成される場合
もある）の層厚を素子の端面部にて部分的にテーパ状に
変化させたものがある。この層厚のテーパ状に変化した
領域に発光、受光又は光変調の機能に係わる電界又は電
流が生じないように光素子を構成することにより、テー
パ状に層厚が変化する領域は光のビーム径を変化させる
という全く別の機能を示す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記導
波路レンズは通常電流・電圧印加がなされる光素子の活
性領域の極近傍に隣接するため、レンズ領域への電気信
号の漏れ込みが無視できない。このため、しきい値電
流、寄生容量の増大がしばしば生じ、光素子の特性は劣
化していた。

【０００６】本発明の目的は、光素子の低電流動作と光
伝送路との低結合損失を両立させるために、テーパ状に
層厚の変化する半導体層からなる導波路レンズ領域の上
部または下部に電気信号の阻止領域を設け無効電気信号
成分を低減するための導波路型光素子の構造及びその作
製方法を提供することにある。

【０００７】本発明のさらなる目的は、光導波路または
光ファイバが設けられた実装基板上に本発明の導波路型
光素子を実装した低コストで高性能な光モジュール及び
これを用いた光通信システム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、本発明者らはモード変換導波路の一部に電気信号を
阻止する領域を有するモード変換器集積型導波路型光素
子の素子構造およびその好適な作製法を考案した。

【０００９】まず、本発明は以下の構造的な特徴を有す
る導波路型光素子により上記目的の達成を図る。即ち、
第１導電型の半導体基板上部に形成された第１導電型の
バッファ層、コア層、及び第１導電型と逆の導電型であ
る第２導電型のクラッド層を含めて構成された光導波路
を有し、当該光導波路の端部の少なくとも一方に光導波
路を導波する光ビームのスポットを変換する領域がモノ
リシックに集積された導波路型光素子において、上記光
導波路の一部の領域に電流または電圧を印加するための
電極構造を有し、且つ上記光ビームスポット変換領域に
位置する上記バッファ層又は上記クラッド層もしくはそ
の両者が電気的に絶縁性を示す部分を含める。

【００１０】上述のコア層とは、バッファ層及びクラッ
ド層より高い屈折率を有する半導体層を指し、導波され
る光は概ねコア層に集中する。但し、コア層−バッファ
層間やコア層−クラッド層間にコア層より屈折率の小さ
い半導体層を新たに設けてもよく、このような半導体層
を介して複数のコア層を配置してもよい（例、多重量子
井戸構造）。コア層は、光素子の光学的機能、例えば発
光・受光のような光−電気変換機能や、外部から入射し
た光の変調機能を果たす半導体層、所謂活性領域（活性
層）にも相当する。

【００１１】一方、バッファ層又はクラッド層の少なく
とも一方には、これを構成する半導体材料にプロトン
（水素イオン：Ｈ⁺）またはヘリウム・イオン（Ｈｅ⁺）
を打ち込むことにより、容易に且つ再現性よく絶縁性部
分を形成することができる。

【００１２】更に各論を述べれば、光導波路はリッジ装
荷型構造、即ちクラッド層を基板主面に対し凸状のスト
ライプ（リッジ：隆起構造）に形成する構成としても、
又は光導波路の両側を半導体層で埋め込む、所謂埋め込
みヘテロ構造としてもよい。リッジ装荷型構造を採用す
る場合、リッジを構成する半導体結晶の両側の側壁を
（１１１）Ａ結晶面としても、又は（０１−１）結晶面
としてもよい。

【００１３】さらに、光導波路が形成された側、換言す
れば半導体基板と反対側の素子表面（成長表面とも呼
ぶ）に、実装基板に導波路型素子を固着するための薄膜
半田電極を形成すればジャンクションダウン実装に好適
である。

【００１４】上述の構造を有する導波路型光素子は、例
えば半導体レーザダイオードや導波路型受光ダイオード
として利用され、夫々の素子は単独又は複数個で光導波
路または光ファイバが設けられた実装基板上に実装され
て送受信モジュールを構成できる。このモジュールは、
光通信システムを構成する上で有用である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の導波路型光素子及
びこれを用いた光モジュール並びに光通信システムの具
体的な実施の形態を、実施例１乃至６及び図１〜図７を
用いて説明する。

【００１６】＜実施例１＞先ず、図１を参照して本実施
例を説明する。本実施例では、活性領域としてレーザ光
を発振する領域を備えた導波路型光素子を紹介する。図
１Ｃは、本実施例の導波路型光素子の完成イメージの鳥
瞰図であり、図１Ｃの手前側、即ち左下側に現れた面は
レーザ光を発生する端面となる。レーザ光は、後述の上
部電極１０８で覆われた右上側（奥側）の活性領域（後
述の多重量子井戸活性層１０３）で発振し、左下側（手
前側）の上部電極１０８に覆われない領域で、そのスポ
ット径が拡大される。即ち、手前の領域が上述のレンズ
領域となる。図面における活性領域とレンズ領域との位
置関係は、後述の実施例２及び３に関連する図２乃至４
においても図１と同様にレイアウトされる。

【００１７】本実施例においては、ｎ型（１００）Ｉｎ
Ｐ半導体基板１０１上に、公知の手法によりｎ型ＩｎＰ
バッファ層１０２が形成される。続いて当該ｎ型ＩｎＰ
バッファ層１０２上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長
１．０５μｍ）下側光ガイド層、ＩｎＧａＡｓＰ（組成
波長１．４９μｍ）の井戸層とＩｎＧａＡｓＰ（組成波
長１．０５μｍ）の障壁層からなる７周期の多重量子井
戸構造、及びＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．０５μｍ）
上側光ガイド層を順次積層させて多重量子井戸活性層
（多重量子井戸型の活性領域）１０３を形成する。ｎ型
ＩｎＰバッファ層１０２から多重量子井戸活性層１０３
の上側光ガイド層に至って積層される半導体層間の界面
は、活性領域、即ち図１Ａの右上側（奥側）において基
板１０１主面にほぼ並行に、レンズ領域、即ち図１Ａの
左下側（手前側）において基板１０１主面に対し傾いて
いる。ここで、前者を平坦部分と呼び、手前側の端面に
向けて半導体層の層厚が減少する後者を膜厚減少部分と
呼ぶ。

【００１８】平坦部分での各層の厚さは、ｎ型ＩｎＰバ
ッファ層１０２：０．３μｍ、多重量子井戸活性層１０
３を構成するｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層：０．
１μｍ、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層：６．０ｎｍ、ＩｎＧａ
ＡｓＰ障壁層：１０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド
層：０．１μｍである。いずれの層厚も、膜厚減少部分
では平坦部分での厚さの１／３〜１／４迄減少して膜厚
テーパ導波路を作製する。このテーパ導波路の実現には
有機金属気相成長法での選択成長法またはシャドーマス
ク成長法を用いた。次に、基板全面に３．５μｍ厚ｐ−
ＩｎＰクラッド層１０４、ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層
０．２μｍ１０５を順次形成する（この段階で図１Ａの
構造が完成する）。

【００１９】次に、通常のフォトリソグラフィーとエッ
チングによりキャップ層１０５をフレアストライプ状
（Flare-stripe：ストライプの幅が手前に向けて拡がる
形状）に加工する。ストライプ方向は［０１１］とす
る。続いて、臭化水素酸と燐酸の混合水溶液によるウェ
ットエッチングを用いてｐ−ＩｎＰクラッド層１０４を
加工し、図１Ｂに示すような（１１１）Ａ面を側壁にも
つ逆メサ断面形状のリッジ導波路を形成する。この結
果、リッジ導波路の横幅はフレア部先端で８μｍ、後端
で２μｍである。

【００２０】続いて熱ＣＶＤ法により基板全面に厚さ
０．５μｍのシリコン酸化膜１０６を形成する。この
後、フォトレジストマスクをマスク材として一様膜厚で
ある導波路領域と膜厚テーパ領域に約５０μｍ程度を除
く領域に、イオン打込法によりプロトンをクラッド層中
に打ち込みプロトン打込領域１０７を形成する（図１
Ｂ）。この際、ドーズ量は1×10^-14cm^-2であり打込深さ
約３μｍまでプロトンが均一に分布するようにイオン加
速エネルギーを多段階に分けた。

【００２１】続いて、フォトレジストマスクを除去した
後、エッチバック法、フォトリソグラフィー、エッチン
グを用いてプロトンが打込まれていないリッジ導波路上
部のシリコン酸化膜１０６を除去する。次に、上部電極
１０８を斜め蒸着法を用いて、リッジの側壁にも電極が
形成されるように形成する。電極窓はプロトンが打込ま
れていない部分のみに形成した。下部電極１０９形成の
後、劈開工程により共振器長６００μｍの素子に切り出
した。前端面には反射率４７％の高反射膜１１０、後端
面には反射率９０％の高反射膜１１１を公知の手法によ
り形成した。図１Ｃは完成素子の構造である。プロトン
打込の効果を確認するため、プロトン打込領域が無いこ
と以外は同構造のレーザを同一基板上に作製し特性を比
較した。

【００２２】プロトン打込領域を有する素子は室温、連
続条件において発振波長は１．３μｍ、室温において発
振しきい値１０〜１２ｍＡ、発振効率０．４０Ｗ／Ａと
良好な発振特性を示した。また、８５℃の高温条件にお
いてもしきい値は２５〜３０ｍＡ、発振効率は０．２５
Ｗ／Ａ程度と良好であった。また、素子の長期信頼性を
８５℃の高温条件下で評価したところ１０万時間以上に
渡って安定な動作を示した。

【００２３】一方、プロトン打込領域の無い素子では室
温において発振しきい値１１〜１４ｍＡ、発振効率０．
３５Ｗ／Ａ、８５℃の高温条件においてはしきい値は３
５〜５０ｍＡ、発振効率は０．２０Ｗ／Ａ程度とプロト
ン打込領域を有する素子に比べて素子特性は大きく劣化
した。これはプロトン打込領域の無い素子では注入され
た電流の一部が膜厚テーパ導波路領域へ拡散注入され無
効電流となってしまうためである。

【００２４】この実施例から明らかなように、プロトン
打込領域を電流非注入領域に設けることにより無効電流
を低減できるため素子特性を大きく改善できることを示
した。

【００２５】上記実施例ではリッジ形状が逆メサの場合
について示したが従来型である順メサ形状、垂直メサ形
状のリッジ導波路に適用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。また、上
記実施例ではＩｎＰ系半導体レーザについて示したが、
ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｓｉ等他の全ての半導体光導波路素
子適用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。

【００２６】＜実施例２＞図２、３は実施例１とほぼ同
様な手法で埋め込みヘテロ型の出射ビームを拡大した機
能を有する波長１．３０μｍ帯半導体レーザを作製した
例である。図２、３はそれぞれｐ型、ｎ型のInP基板を
用いた場合である。実施例１と同様に、プロトン打込領
域を有する素子では素子特性が大きく改善されたが改善
の度合いはクラッド層がｎ型で電子が容易に拡散しやす
いｐ型InP基板上の素子でより顕著であった。

【００２７】＜実施例３＞図４は実施例１とほぼ同様な
手法で逆メサリッジ導波路構造の出射ビ−ムを拡大した
機能を有する波長１．３０μｍ帯分布帰還型レーザを作
製した例である。素子構造は周期201nmのλ/4位相シフ
ト型回折格子４１２が膜厚平坦部に形成されている点、
端面反射膜の反射率が１％（前方）、７０％（後方）で
ある点以外は実施例１と同様である。プロトン打込領域
を有する素子は室温、連続条件において発振波長は１．
３１μｍ、室温において発振しきい値１０〜１２ｍＡ、
発振効率０．４０Ｗ／Ａと良好な発振特性を示した。ま
た、８５℃の高温条件においてもしきい値は２５〜３０
ｍＡ、発振効率は０．２５Ｗ／Ａ程度と良好であった。
また、素子の長期信頼性を８５℃の高温条件下で評価し
たところ１０万時間以上に渡って安定な動作を示した。

【００２８】＜実施例４＞図５は実施例１〜３の半導体
レーザを光ファイバが装着されたシリコン基板上に実装
した、光モジュールを作製した例である。図において、
（１００）シリコン基板５０１の一部分に形成されたＶ
型溝５０２に光ファイバ５０３を固定し、ファイバ端面
部に実施例１または実施例２の波長１．３μｍの半導体
レーザ５０４およびレーザの光出力モニタ用の導波路型
受光素子５０５をジャンクションダウン実装する。レー
ザ、光ファイバ間およびレーザ、受光素子間の光軸位置
合わせにはシリコン基板５０１、半導体レーザ５０４、
受光素子５０５に各々設けられた位置決め用のマーカを
用いた。

【００２９】素子は室温、連続条件において発振波長は
１．３μｍ、発振しきい値１０〜１２ｍＡ、ファイバ結
合効率は狭窄化されたビーム形状を反映して約５０％と
良好な結合特性を示した。また、８５℃の高温条件にお
いてもしきい値は２５〜３０ｍＡ、動作電流６０ｍＡで
ファイバ端光出力２ｍＷを得た。また、素子の長期信頼
性を１０ｍＷ、８５℃、８５％の高温高湿条件下で評価
したところ１０万時間以上に渡って安定な動作を示し
た。

【００３０】＜実施例５＞図６は実施例１〜３の半導体
レ−ザを光導波路が形成されたシリコン基板上に実装し
た、光モジュールを作製した例である。図において、
（１００）シリコン基板６０１上部に形成された光導波
路６０２に光ファイバ６０３を固定し、光導波路端面部
に実施例１〜３の半導体レーザ６０４、光出力モニタ用
の導波路型受光素子６０５および受信用の導波路型受光
素子６０６をジャンクションダウン実装する。レーザ、
光ファイバ間およびレーザ、受光素子間の光軸位置合わ
せにはシリコン基板６０１、半導体レーザ６０４、受光
素子６０５、６０６、に各々設けられた位置決め用のマ
ーカを用いた。

【００３１】素子は室温、連続条件において発振波長は
１．３μｍ、発振しきい値１０〜１２ｍＡ、ファイバ結
合効率は狭窄化されたビーム形状を反映して約５０％と
良好な結合特性を示した。また、８５℃の高温条件にお
いてもしきい値は２５〜３０ｍＡ、動作電流８０ｍＡで
ファイバ端光出力４ｍＷを得た。。また、素子の長期信
頼性を１０ｍＷ、８５℃、８５％の高温高湿条件下で評
価したところ１０万時間以上に渡って安定な動作を示し
た。

【００３２】＜実施例６＞図７は実施例４、５の光モジ
ュールを用いたアクセス系光通信システムである。送受
信モジュール７０１は光モジュール７０２と駆動段７０
３、受信増幅段７０４とを有する。光信号はファイバ７
０５で伝送される途中、１６以上に分岐されるためシス
テムコストの大幅な削減が実現できる。これは、高い光
出力を少ない動作電流で実現する高性能光素子及びその
モジュールに基づいている。

【００３３】

【発明の効果】本発明に係る半導体発光素子によれば、
信頼性の高く、且つ高温動作に優れたビーム拡大機能を
有する導波路型光素子、特に半導体レーザを容易な手法
で実現できる。

【００３４】このため、本発明の導波路型光素子は、素
子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この
素子を適用した光モジュールの高性能化、低コスト化、
光通信システムの低コスト化を容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を説明するための図である。

【図２】本発明の実施例２を説明するための図である。

【図３】本発明の実施例２を説明するための図である。

【図４】本発明の実施例３を説明するための図である。

【図５】本発明の実施例４を説明するための図である。

【図６】本発明の実施例５を説明するための図である。

【図７】本発明の実施例６を説明するための図である。

【符号の説明】

１０１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、１０２…ｎ
型ＩｎＰバッファ層、１０３…テーパ多重量子井戸構
造、１０４…ｐ−ＩｎＰクラッド層、１０５…ｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓキャップ層、１０６…シリコン酸化膜、１０７
…プロトン打込領域、１０８…上部電極、１０９…下部
電極、１１０…高反射膜、１１１…高反射膜、２０１…
ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、２０２…テーパ多
重量子井戸構造、２０３…ＩｎＰ埋め込み層、２０４…
ｐ−ＩｎＰＩｎＰクラッド層、２０５…プロトン打込領
域、２０６…シリコン酸化膜、２０７…上部電極、２０
８…下部電極、２０９…高反射膜、２１０…高反射膜、
３０１…ｐ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、３０２…
膜厚テーパ多重量子井戸構造、３０３…ＩｎＰ埋め込み
層、３０４…ｎ−ＩｎＰクラッド層、３０５…プロトン
打込領域、３０６…シリコン酸化膜、３０７…上部電
極、３０８…下部電極、３０９…高反射膜、３０１…高
反射膜、４０１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、
４０２…ｎ型ＩｎＰバッファ層、４０３…テーパ多重量
子井戸構造、４０４…ｐ−ＩｎＰクラッド層、４０５…
ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層、４０６…シリコン酸化
膜、４０７…プロトン打込領域、４０８…上部電極、４
０９…下部電極、４１０…反射防止膜、４１１…高反射
膜、４１２…λ/4位相シフト型回折格子、５０１…（１
００）シリコン基板、５０２…Ｖ型溝、５０３…光ファ
イバ、５０４…半導体レーザ、５０５…導波路型受光素
子、６０１…（１００）シリコン基板、６０２…光導波
路、６０３…光ファイバ、６０４…半導体レーザ、６０
５…導波路型受光素子、６０６…導波路型受光素子、７
０１…送受信モジュール、７０２…光モジュール、７０
３…駆動段、７０４…受信増幅段、７０５…光ファイ
バ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大家彰東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者佐藤宏東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者古森正明東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者高橋誠東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者界義久東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体基板上部に形成された
第１導電型のバッファ層、コア層、及び第２の導電型の
クラッド層を含めて構成された光導波路を有し、該光導
波路の端部の少なくとも一方に光導波路を導波する光ビ
ームのスポットを変換する領域がモノリシックに集積さ
れた導波路型光素子において、上記光導波路の一部の領
域に電流または電圧を印加するための電極構造を有し、
且つ上記光ビームスポット変換領域に位置する上記バッ
ファ層又は上記クラッド層もしくはその両者が絶縁性の
部分を含むことを特徴とする導波路型光素子。
【請求項２】上記絶縁性部分は、プロトンまたはヘリウ
ムを打ち込むことにより形成されることを特徴とする請
求項１に記載の導波路型光素子。
【請求項３】上記光導波路は、リッジ装荷型構造を有す
ることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型光
素子。
【請求項４】上記光導波路は、埋め込みヘテロ構造を有
することを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型
光素子。
【請求項５】上記リッジ装荷型構造のリッジ両側の側壁
は、（１１１）Ａ結晶面を有することを特徴とする請求
項３に記載の導波路型光素子。
【請求項６】上記リッジ装荷型構造のリッジ両側の側壁
は、（０１−１）結晶面を有することを特徴とする請求
項３に記載の導波路型光素子。
【請求項７】上記光導波路が形成された側の素子表面に
は、実装基板に素子を固着するための薄膜半田電極が形
成されていることを特徴とする請求項１乃至６に記載の
導波路型光素子。
【請求項８】請求項１乃至７項のいずれかに記載の光導
波路を基本構造とした半導体レーザダイオード。
【請求項９】請求項１乃至７項のいずれかに記載の光導
波路を基本構造とした導波路型受光ダイオード。
【請求項１０】光導波路または光ファイバが設けられた
実装基板上に、請求項８に記載の半導体レーザ又は請求
項９に記載の導波路型受光ダイオードもしくは該半導体
レーザ及び該導波路型受光ダイオードの双方が実装され
ていることを特徴とした送受信モジュール。
【請求項１１】請求項１０に記載の送受信モジュールを
用いた光通信システム。