JPH11177182A - 光変調器集積化レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の光変調器集積化レーザではレーザ領域
で発生した光を変調器領域に通した後、変調器端面で一
部の光が反射され再びレーザ領域に戻り、そのため発振
波長を変動させる。 【解決手段】 変調器領域１０の光吸収層３に隣接し
て、該光吸収層３に伝搬するレーザ光の光軸をずらすよ
うにした屈折率の高い光ガイド層１５を設ける。 【効果】 レーザ領域１２から変調器領域１０に伝搬し
た光はまず光吸収層３に伝わるが、その光軸は徐々に屈
折率の高い光ガイド層１５側に移動する。そのため、変
調器端面１０１で反射され再びレーザ領域１２に戻って
くる光の光軸はレーザ領域１２の活性層４に対してずれ
ているため活性層４に入射する戻り光が低減される。そ
の結果、レーザの発振波長を安定して維持することがで
き、高速変調時にもレーザの発振波長を安定して維持で
きるものを実現できるという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光変調器集積化
レーザに関するものであり、特に高速変調時にもレーザ
の発振波長を安定して維持できる光変調器集積化レーザ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザと光ファイバを用いて大量
のデータを送信するためには半導体レーザを高速で変調
する必要がある。通常の単一モード半導体レーザを直接
変調する方式では注入キャリア密度の変動による屈折率
変化が生じるため例えば１０Ｇｂｐｓの大容量通信光源
には使えない。一方、単一モード半導体レーザと電界吸
収型変調器を集積した集積化光源は半導体レーザをＤＣ
駆動し変調器に印加する逆バイアスを高速にオン・オフ
することで光スイッチの働きをさせるため注入キャリア
密度の変動によるレーザの活性層の屈折率変化が生じに
くい。そのため、大容量光通信のキーデバイスとして注
目されている。

【０００３】図８に従来の光変調器集積化レーザの斜視
図を示す。この光変調器集積化レーザは、ｎ−ＩｎＰ基
板１上のｎ−ＩｎＰ下クラッド層２上に形成されたレー
ザ領域１２と、上記ｎ−ＩｎＰ基板１上のｎ−ＩｎＰ下
クラッド層２上にアイソレーション領域１１を介して形
成され、上記レーザ領域１２の活性層４に対して直列に
形成された光吸収層３を有する変調器領域１０とを備え
るものである。レーザ領域１２の活性層４上には回折格
子５が形成されている。また、この回折格子５上および
変調器領域１０の光吸収層３上にｐ−ＩｎＰ上クラッド
層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が順次形成され
ている。このようなレーザ領域１２および変調器領域１
０を含む光導波路の両側には高抵抗ＩｎＰ電流ブロック
層８が埋め込み形成されている。アイソレーション領域
１１はレーザ領域１２と変調器領域１０との間における
ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７および高抵抗ＩｎＰ電
流ブロック層８の一部をエッチングにより除去して形成
される。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の上には、レ
ーザ領域１２と変調器領域１０とにそれぞれ独立した表
面電極９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面にはレー
ザ領域１２と変調器領域１０とに共通の裏面電極１３が
形成されている。

【０００４】次に、上記光変調器集積化レーザの製造方
法を説明する。図９に上記光変調器集積化レーザの製造
フローを示す。まず、ｎ−ＩｎＰ基板１上に活性層４を
有するレーザ領域１２と光吸収層３を有する変調器領域
１０を各々別々に結晶成長し、最後にウェハ全面にコン
タクト層７を成長する。結晶成長には有機金属気相成長
法や液相成長法などが用いられる。次に、コンタクト層
７上に光導波路を形成するためのＳｉＯ₂ 等の絶縁膜１
４をスパッタリングやＣＶＤを用いて成膜する。そし
て、この絶縁膜１４を幅２ミクロン程度にパターニング
する（図９(a) ）。膜厚は通常１００〜２００ｎｍ程度
に設定される。次に、絶縁膜１４をマスクに活性層４の
下までエッチングを行い幅約１．５ミクロンの光導波路
を形成した後、光導波路の両側を高抵抗ＩｎＰ電流ブロ
ック層８で埋め込み成長する（図９(b) ）。エッチング
はウェットエッチングでもドライエッチングでも良い。
その後、絶縁膜１４をフッ酸溶液で除去した後、レーザ
領域１２と変調器領域１０を電気的に分離するため、部
分的にｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７をエッチングで
除去してアイソレーション領域１１を形成する（図９
(c) ）。このアイソレーション領域１１の長さは通常５
０ミクロン程度に設定される。最後に表面側と裏面側に
それぞれ表面電極９、裏面電極１３を形成し、図８に示
す素子が完成する（図９(d) ）。レーザ領域１２と変調
器領域１０の長さは、各々６００ミクロン、２００ミク
ロン程度の長さとなる。この長さは活性層４や光吸収層
３の構造により最適化が行われる。活性層４、光吸収層
３の厚みはそれぞれ０．１ミクロン，０．２ミクロン程
度に設定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、集積化光源
はレーザ光を光ファイバへ結合し長距離伝送を行うた
め、高速変調時にもレーザの発振波長が変動しないこと
が要求される。これは、発振波長が変動すると波長によ
り光ファイバの損失が異なるため長距離伝送を行う際、
信号の劣化が生じやすくなるためである。従来の光変調
器集積化レーザではレーザ領域１２で発生した光を変調
器領域１０に通した後、変調器端面１０１で一部の光が
反射され再びレーザ領域１２に戻り、発振波長を変動さ
せるという問題があった。このため、従来は変調器端面
に１％以下の低反射コーティングを行い、変調器端面で
のレーザ光の反射を極力抑える構造になっていたものも
あったが、このような低反射コーティングを安定に形成
することが困難であり、さらに低反射にすることも難し
いためより確実に反射光を抑制できる構造が必要であっ
た。

【０００６】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、変調器端面で反射されて活性
層に入射する戻り光を低減して、レーザの発振波長を安
定して維持することができる光変調器集積化レーザを提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による光変調器集
積化レーザは、半導体基板上に形成されたレーザ領域
と、上記半導体基板上にアイソレーション領域を介して
形成され、上記レーザ領域の活性層に対して直列に形成
された光吸収層を有する変調器領域とを備えた光変調器
集積化レーザにおいて、上記変調器領域の光吸収層に隣
接して、該光吸収層を伝搬するレーザ光の光軸をずらす
ようにした屈折率の高い光ガイド層を設けてなることを
特徴とするものである。

【０００８】また、本発明による光変調器集積化レーザ
は、上記の光変調器集積化レーザにおいて、上記変調器
領域の変調器端面側に、該変調器端面での反射率を下げ
るための窓領域を設けてなることを特徴とするものであ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、本発明の
実施の形態１による光変調器集積化レーザを示した斜視
図である。本実施の形態１による光変調器集積化レーザ
は、ｎ−ＩｎＰ基板１上のｎ−ＩｎＰ下クラッド層２上
に形成されたレーザ領域１２と、上記ｎ−ＩｎＰ基板１
上のｎ−ＩｎＰ下クラッド層２上にアイソレーション領
域１１を介して形成され、上記レーザ領域１２の活性層
４に対して直列に形成された光吸収層３を有する変調器
領域１０とを備えるものである。上記変調器領域１０の
光吸収層３の直上には、該光吸収層３を伝搬するレーザ
光の光軸をずらすようにした屈折率の高い光ガイド層１
５が形成されている。また、上記レーザ領域１２の活性
層４上には回折格子５が形成されている。また、この回
折格子５上および変調器領域１０の光ガイド層１５上に
ｐ−ＩｎＰ上クラッド層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層７が順次形成されている。そして、このようなレー
ザ領域１２および変調器領域１０とを含む光導波路の両
側には高抵抗ＩｎＰ電流ブロック層８が埋め込み形成さ
れている。アイソレーション領域１１はレーザ領域１２
と変調器領域１０との間におけるｐ−ＩｎＧａＡｓコン
タクト層７および高抵抗ＩｎＰ電流ブロック層８の一部
をエッチングにより除去して形成される。ｐ−ＩｎＧａ
Ａｓコンタクト層７の上には、レーザ領域１２と変調器
領域１０とにそれぞれ独立した表面電極９が形成され、
ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面にはレーザ領域１２と変調器領
域１０とに共通の裏面電極１３が形成されている。

【００１０】次に、上記光変調器集積化レーザの製造方
法を説明する。図２に上記光変調器集積化レーザの製造
フローを示す。まず、ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰ
下クラッド層２を結晶成長した後、活性層４および回折
格子５を有するレーザ領域１２と、光吸収層３および光
ガイド層１５を有する変調器領域１０を各々別々に結晶
成長し、最後にウェハ全面にコンタクト層７を成長す
る。結晶成長には有機金属気相成長法や液相成長法など
が用いられる。次に、コンタクト層７上に光導波路を形
成するためのＳｉＯ₂ 等の絶縁膜１４をスパッタリング
やＣＶＤを用いて成膜する。そして、この絶縁膜１４を
幅２ミクロン程度にパターニングする（図２(a) ）。膜
厚は通常１００〜２００ｎｍ程度に設定される。次に、
絶縁膜１４をマスクに活性層４の下までエッチングを行
い幅約１．５ミクロンの光導波路を形成した後、光導波
路の両側を高抵抗ＩｎＰ電流ブロック層８で埋め込み成
長する（図２(b) ）。エッチングはウェットエッチング
でもドライエッチングでも良い。その後、絶縁膜１４を
フッ酸溶液で除去した後、レーザ領域１２と変調器領域
１０を電気的に分離するため、部分的にｐ−ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層７をエッチングで除去してアイソレーシ
ョン領域１１を形成する（図２(c) ）。このアイソレー
ション領域１１の長さは通常５０ミクロン程度に設定さ
れる。最後に表面側と裏面側にそれぞれ表面電極９、裏
面電極１３を形成し、図１に示す素子が完成する（図２
(d) ）。なお、レーザ領域１２と変調器領域１０の長さ
は、各々６００ミクロン、２００ミクロン程度である。
この長さは活性層４や光吸収層３の構造により最適化が
行われる。活性層４、光吸収層３の厚みはそれぞれ０．
１ミクロン，０．２ミクロン程度に設定され、また光ガ
イド層１５の厚みは約０．１ミクロン程度に設定され
る。

【００１１】次に、本実施の形態１による光変調器集積
化レーザの動作の説明をする。図３は、レーザ領域１２
と変調器領域１０の長さ方向における断面模式図であ
り、図において、１６はレーザ領域１２から変調器領域
１０に伝搬する光の分布を示す。

【００１２】レーザ領域１２に電流注入を行うとレーザ
領域１２ではレーザ発振が生じ、その光が変調器領域１
０にも伝搬する。変調器領域１０に伝搬した光は、図３
に示すように、まず光吸収層３に伝わるが、光吸収層３
の直上にこの光吸収層３より屈折率の高い光ガイド層１
５が存在するため光軸は徐々に光ガイド層１５側に移動
する。そして、変調器端面１０１に到達した光の一部は
変調器端面１０１で反射され光ガイド層１５を伝搬し再
びレーザ領域１２側に戻ってくるが、このとき、光軸が
レーザ領域１２の活性層４から見ると上方にずれている
ため活性層４に十分結合できない。従って、図８に示し
た従来のものの如きレーザ領域１２の活性層４と変調器
領域１０の光吸収層３が直接結合している場合に比べレ
ーザ領域１２に入射される戻り光を低減することができ
る。

【００１３】このように、本実施の形態１の光変調器集
積化レーザによれば、変調器領域１０の光吸収層３に隣
接して、該光吸収層３に伝搬するレーザ光の光軸をずら
すようにした屈折率の高い光ガイド層１５を設けてなる
ので、レーザ領域１２から変調器領域１０に伝搬した光
の光軸は徐々に光ガイド層１５側に移動する。そのた
め、変調器端面１０１に到達した光の一部は変調器端面
１０１で反射され光ガイド層１５を伝搬し再びレーザ領
域１２に戻ってくるが、この戻り光の光軸はレーザの活
性層４に対して上方にずれているためレーザ領域１２の
活性層４に十分結合できず活性層４に入射する戻り光が
低減され、その結果、レーザの発振波長を安定して維持
することができ、高速変調時にもレーザの発振波長を安
定して維持できるものを実現できるという効果がある。

【００１４】ところで、特開平７−７８９６０号公報や
特開平４−２９１７８０号公報において、変調器領域か
らの戻り光によるレーザ発振を不安定にすることを防止
するレーザの構造が示されているが、いずれもレーザ領
域と変調器領域とに共通な光導波路を備えており、この
光導波路はレーザ領域と変調器領域とにわたって同一平
面上に設けられレーザ領域で発振した光と変調器領域で
反射された光の光軸を同一にするものであり、これに対
し、本発明では、上述のように変調器領域１０にのみ光
導波路となる光ガイド層１５を設け、この変調器領域１
０で光軸をずらすことによりレーザ領域１２への戻り光
の影響を抑制することを狙っており、本発明は上記公報
に記載のものとは目的、構成および効果が異なるもので
ある。

【００１５】なお、本実施の形態１では光ガイド層１５
を光吸収層３の直上に設けているが、図４に示すように
光ガイド層１５の位置は光吸収層３の下でも良く、また
光吸収層３との間に薄い（１ミクロン以下）クラッド層
を挿入しても良い。また、本実施の形態１ではＩｎＰ系
の材質のものを使用するが、ＧａＡｓ系などその他種々
の材質のものに適用しても良い。

【００１６】実施の形態２．図５は、本発明の実施の形
態２による光変調器集積化レーザを示した斜視図であ
る。図において１７は窓領域を示す。この実施の形態２
では実施の形態１の光変調器集積化レーザにおける変調
器端面側に窓領域１７を設けたものに相当する。

【００１７】この光変調器集積化レーザを製造するに
は、図６に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１上にレーザ領
域１２と変調器領域１０とを結晶成長し、その全面にコ
ンタクト層７を結晶成長した後、このコンタクト層７上
には、変調器端面部分を覆わないようにした絶縁膜１８
を形成する（図６(a) ）。その後、この絶縁膜１８をマ
スクに活性層４の下までエッチングを行い光導波路を形
成した後、光導波路の両側および変調器端面部分を高抵
抗ＩｎＰ電流ブロック層８を埋め込み成長する（図６
(b) ）。このようにして窓領域１７は高抵抗ＩｎＰ電流
ブロック層８を形成するときに同時に変調器端面部分に
形成される。その後、絶縁膜１８をフッ酸溶液で除去し
た後、レーザ領域１２と変調器領域１０を電気的に分離
するため、部分的にｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７を
エッチングで除去してアイソレーション領域１１を形成
する（図６(c) ）。最後に表面側と裏面側にそれぞれ表
面電極９、裏面電極１３を形成し、図５に示す素子が完
成する（図６(d) ）。

【００１８】次に、本実施の形態２による光変調器集積
化レーザの動作を説明する。図７は、窓領域が無い場合
（図７(a) 、実施の形態１に対応する）と、窓領域１７
が有る場合（図７(b) 、実施の形態２に対応する）の変
調器領域１０を示した断面図である。

【００１９】本実施の形態２のものでは、レーザ領域１
２に電流注入を行うとレーザ領域１２ではレーザ発振が
生じ、その光が変調器領域１０にも伝搬する。そして、
変調器領域１０の光吸収層３に伝搬してくる光はその光
軸が徐々に光ガイド層１５側に移動し、光導波路の端面
１０２に達すると、図７(b) に示すように窓領域１７で
上下左右に広がる（符号１９）。この広がった光１９の
一部は変調器端面１０１で反射され再び光ガイド層１５
に戻るが、窓領域１７で光が広がるためその量は減少す
る。一方、窓領域１７の無い場合では、変調器端面１０
１に達した光の一部はそのまま光ガイド層１５側に戻る
（図７(a) 参照）。すなわち、窓領域１７を設けた場合
では、実質的に変調器端面１０１での反射率が下がった
状態になる。例えば窓領域１７の長さを２０ミクロンと
すれば窓領域１７のない実施の形態１の場合（図７(a)
）に比べ変調器端面の反射率は１／１０程度にまで低
下する。従って、光ガイド層１５に戻る光が減少すれ
ば、結果としてレーザ領域１２の活性層４に入射する光
も減少する。

【００２０】このように、本実施の形態２の光変調器集
積化レーザによれば、変調器領域１０の変調器端面側
に、該変調器端面１０１での反射率を下げるために窓領
域１７を設けることにより、光ガイド層１５を伝搬して
きた光は窓領域１７で上下左右に広がるため変調器端面
１０１に反射されて光ガイド層１５に戻る量がさらに低
減され、結果としてレーザ領域１２の活性層４に入射す
る戻り光もさらに減少し、レーザの発振波長をさらに安
定して維持することができるものを実現できるという効
果がある。

【００２１】なお、本実施の形態２でも光ガイド層１５
の位置は光吸収層３の下でも良く、また光吸収層３との
間に薄い（１ミクロン以下）クラッド層を挿入しても良
い。また、本実施の形態２ではＩｎＰ系の材質のものを
使用するが、ＧａＡｓ系などその他種々の材質のものに
適用しても良い。

【００２２】

【発明の効果】本発明の光変調器集積化レーザによれ
ば、変調器領域の光吸収層に隣接して、該光吸収層に伝
搬するレーザ光の光軸をずらすようにした屈折率の高い
光ガイド層を設けてなるので、レーザ領域から変調器領
域に伝搬した光はまず光吸収層に伝わるが、上記屈折率
の高い光ガイド層が存在するためその光軸は徐々に光ガ
イド層側に移動する。そのため、変調器端面に到達した
光の一部は変調器端面で反射され光ガイド層を伝搬し再
びレーザ領域に戻ってくるが、この戻り光の光軸はレー
ザ領域の活性層に対してずれているため活性層に十分結
合できず活性層に入射する戻り光が低減され、レーザの
発振波長に影響を与えることがなくなり、その結果、レ
ーザの発振波長を安定して維持することができ、高速変
調時にもレーザの発振波長を安定して維持できるものを
実現できるという効果がある。

【００２３】また、上記変調器領域の変調器端面側に、
該変調器端面での反射率を下げるための窓領域を設ける
ことにより、光ガイド層を伝搬してきた光は窓領域で上
下左右に広がるため変調器端面に反射されて光ガイド層
に戻る量がさらに低減され、結果としてレーザ領域の活
性層に入射する戻り光もさらに減少し、レーザの発振波
長をさらに安定して維持することができるものを実現で
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による光変調器集積
化レーザを示す斜視図である。

【図２】 実施の形態１による光変調器集積化レーザの
製造工程を示す模式図である。

【図３】 実施の形態１において光の分布を示す模式図
である。

【図４】 実施の形態１において光ガイド層を光吸収層
の下に配置した光変調器集積化レーザを示す断面図であ
る。

【図５】 この発明の実施の形態２による光変調器集積
化レーザを示す斜視図である。

【図６】 実施の形態２による光変調器集積化レーザの
製造工程を示す模式図である。

【図７】 窓領域が無い場合と窓領域で光が広がる様子
を示した模式図である。

【図８】 従来の光変調器集積化レーザを示す斜視図で
ある。

【図９】 従来の光変調器集積化レーザの製造工程を示
す模式図である。

【符号の説明】

１ ｎ−ＩｎＰ基板、２ ｎ−ＩｎＰ下クラッド層、３
光吸収層、４ 活性層、５ 回折格子、６ ｐ−Ｉｎ
Ｐ上クラッド層、７ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、
８ 高抵抗ＩｎＰ電流ブロック層、９ 表面電極、１０
変調器領域、１１ アイソレーション領域、１２ レ
ーザ領域、１３ 裏面電極、１４ 絶縁膜、１５ 光ガ
イド層、１６ 光導波路内での光の分布、１７ 窓領
域、１８ 絶縁膜、１９ 光導波路端面での光、１０１
変調器端面、１０２ 光導波路端面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成されたレーザ領域
   と、上記半導体基板上にアイソレーション領域を介して
   形成され、上記レーザ領域の活性層に対して直列に形成
   された光吸収層を有する変調器領域とを備えた光変調器
   集積化レーザにおいて、 上記変調器領域の光吸収層に隣接して、該光吸収層を伝
   搬するレーザ光の光軸をずらすようにした屈折率の高い
   光ガイド層を設けてなることを特徴とする光変調器集積
   化レーザ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光変調器集積化レーザ
   において、 上記変調器領域の変調器端面側に、該変調器端面での反
   射率を下げるための窓領域を設けてなることを特徴とす
   る光変調器集積化レーザ。