JPS6333890A - 光集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体レーザ、発光ダイオード、ホトダイオー
ド等の能動光素子と光導波路を一体化した光集積回路の
構造に関するものである。

従来の技術 能動光素子と光導波路とを一体化した光集積回路の構造
については、従来より種々のものが提案されている。こ
のなかで半導体レーザと光導波路を集積化した構造とし
て、例えば、Ｙ、ＴＯＨＭＯＲＩ他″Ｌｏｗ−ｔｈｒｅ
ｓｈｏｌｄ−ｃｕｒｒｅｎｔ　ＣＷ　ｏｐｅｒａｔｉｏ
ｎｏｆ　１．５μｍ　Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ　Ｐ／　Ｉ　ｎ
Ｐ　ｂｕｎｄｌｅ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−ｇｕｉｄｅ
　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｂｒａｇｇ−ｒｅｆｌｅｃ
ｔｏｒ（ＢＩＧ−ＤＢＲ）ｌａｓｅｒｓ、”　　Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ（エレクトロンレター）、、ｖｏ
ｌ、２１．ｐｐ、７４３−７４５（１９８Ｂ）に示され
ている第３図のようなものがある。この場合、ｐ型Ｉｎ
Ｐ基板１上にＩｎＧａＡｓＰ活性層２．ｎ型ＩｎＰ分離
層３．ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層４．ｎ型ＩｎＰ閉込
め層５よりなる半導体レーザ６と光導波層４．閉込め層
６のみよりなる光導波路７が形成されているが、両者は
ともにｎ型ＩｎＰ層８およびｐ型ＩｎＰ層９によって埋
込まれている。なお、光導波路７の光導波層４と接する
基板１上にはＤＢＲ構造とするだめのグレーティング１
０が形成されており、基板１の裏面にはＡｕ−Ｚｎ電極
１１が、結晶成長表面にはＡｕ−５ｎ電極１２が形成さ
れている。Ａｕ−３ｎ電極１２が半導体レーザ６の閉込
め層５のみと接触する：うにそれ以外の結晶成長層表面
は絶縁膜１３で被われている。

発明が解決しようとする問題点 このような従来の構造では、（１）半導体レーザと光導
波路の光学的結合効率が非常に高い（理論上は９９％）
、（２）半導体レーザと光導波路はともに横方向の光学
的閉込め機構を有しているという利点があるものの、（
３）光導波路の導波損失が大きい、（４）光導波路を形
成する位置が半導体レーザの活性層ストライブの延長線
上に限定されている、（５）半導体レーザと光導波路を
形成するための結晶成長の他に両者を埋込み構造とする
だめの結晶成長が必要であるという欠点を有している。

本発明は上記（１）　、　（２）の利点は活かしたまま
で、（鞠〜（５）の問題点を解決しようとするもので、
以下のような特長を有する能動光素子と光導波路の一体
化構造を提供しようとするものである。

（１）能動光素子と光導波路の結合効率が高い。

（２）光導波路は横方向にも光学的閉込め機構を有して
いる。

（３）　　光導波路の導波損失が少ない。

（４）能動光素子ど光導波路を任意の位置に配置できる
。

（６）製造が容易である。

問題点を解決するだめの手段 本発明は上記問題点を解決するために、化合物半導体基
板と、前記基板上の一部領域に形成された活性層を含む
能動領域と、前記基板上の前記能動領域以外の領域と前
記能動領域にまたがって形成された前記活性層よりも大
きなバンド・ギャップを有する光導波層と、前記光導波
層上に形成された前記光導波層よりも大きなバンド・ギ
ャップを有するストライプ状の装荷層とを具備した構造
で光集積回路を構成するというものである。

作　　用 本発明の構造は、能動領域とそれ以外の領域の両方の上
に光導波層と装荷層を形成した後、装荷層をストライプ
状にエツチング加工することによって得られ、能動領域
はその上の光導波層、装荷層とともに能動光素子（例え
ば半導体レーザ）となり、能動領域以外の領域上に形成
された光導波層と装荷層が光導波路となる。本構造では
、まず能動領域上にも光導波層が形成されていることが
ら能動光素子と光導波路の結合効率が高くなる。

次に光導波路は装荷型光導波路となるので横方向にも光
学的閉込めがなされる上に導波損失も少ない。さらに、
装荷層をエツチングする際のマスク形状で能動光素子と
光導波路の位置が決定されるので、両者の位置関係を自
由に設定でき、かつその製造工程も簡単である。

実施例 第１図は本発明の光集積回路の一実施例を示す斜視図で
ある。第１図において、ｐ型ＩｎＰ基板１４上の一部領
域にＩｎＧａＡｓＰ活性層１６（バンド・ギャップ波長
λｇ＝１．３μｍ）およびｎ−ＩｎＰ分離層１６が積層
されて能動領域となっている。

この能動領域上も含めて基板１４上全域にｎ型ＩｎＧａ
ＡｓＰ　　光導波層１７（λｇ＝１．１μｍ）が積層さ
れており、さらにその上にストライプ状のｎ−ＩｎＰ装
荷層１８が形成されている。装荷層１８および光導波層
１７の表面に露出している部分は絶縁膜１９で被われて
いるが、能動領域上にある装荷層１８の頂上部のみ絶縁
膜１９は無（、Ａｕ−３ｎ電極２０と接している。まだ
基板１４の裏面全面にはＡｕ−Ｚｎ電極２１が形成され
ている。

以上の構造で能動領域を含む部分が半導体レーザ２２で
あり、それ以外の部分が光導波路２３である。半導体レ
ーザ２２はＡｕ−８ｎ電極２Ｑがら装荷層１８へ電流注
入することで動作する。注入された電流は装荷層１８直
下にある活性層１５のストライプ領域で再結合し発光す
るが、このストライプ領域はその上に装荷層１８がある
ため実効屈折率が高くなっており光は横方向にも閉込め
られる。ここで、装荷層１日と活性層１５の間に光導波
層１７と分離層１６が介在しているが、この間での電流
の横波がりは非常に小さい。逆に、本構造は活性層が直
接装荷層に接している構造に比べて表面再結合による無
効電流が抑圧されるという利点を有している。また、光
導波路２３においても装荷層１８直下の光導波層１７の
ストライプ領域の実効屈折率が高くなることから、この
ストライプ領域に元が閉込められる。

本実施例は半導体レーザ２２と光導波路２３がその光軸
方向に集積化された構造になっており、モノリシック外
部共振器レーザとしての応用が可能である。すなわち、
光導波路を外部共振器とすることでスペクトル線幅が狭
いレーザ発振光を得ることができる。ここで、光導波路
が半導体レーザに比べて長い程、また光導波路から半導
体レーザへ帰還される光の量が多い程スペクトル線幅を
狭くすることができる。従って、半導体レーザと光導波
路の結合効率が高い“ことと光導波路の導波損失が少な
いことが要求される。本実施例は半導体レーザと光導波
路の光学的結合に関しては従来例と同様であり、能動領
域が活性層４分離層、光導波層の３層となっていること
からその積層方向の等価屈折率が光導波路における光導
波層の等価屈折率とほぼ等しくなるので結合効率が高く
なる。

一方、光導波路の導波損失に関しては、従来例では２４
０−１　と非常に太きかったものが、本発明でハ１Ｃｒ
ｎ−１以下になった。これが本発明の第１の要点でちり
、導波損失が低減される理由は以下のように説明される
。

通常、半導体で作製された光導波路が導波損失を生長７
？原因としては、自由キャリア吸収が考えられている。

しかし、第３図に示した従来例のような埋込み型導波路
では、導波層側壁の凹凸による散乱損失の方が影響が大
きい。

導波層をストライプ状に加工する際にその側壁に凹凸が
生じることは避けられず、埋込み型導波路のように導波
層とこれを埋込む埋込み層の屈折率差が大きいと大きな
散乱損失を生じることになる。

これに対して本実施例のような装荷型導波路では、光導
波層内の光の横方向閉込めは実効屈折率の小さな差によ
って行われているため、装荷層側壁に凹凸があってもそ
れによる散乱損失は小さい。

さらに本実施例では装荷層をストライプ状にエツチング
するだけでストライプ構造が完成するのに対し、従来例
では埋込み層をエピタキシアル成長する必要がある。こ
の点から本実施例の方が容易に製造できることは明らか
である。

以上述べてきだ導波損失が少ない、製造が容易であると
いう蛎点は本実施例のように本発明をモノリシック外部
共振器レーザに応用する場合に限定されるものではなく
、広く能動光素子と光導波路の集積構造一般に共通する
ものである。

次に本発明の第２の要点である能動光素子と光導波路の
位置が自由に設定できるということを応用した第２の実
施例を第２図に示す。第２図は第２の実施例の平面図で
ある。図に示した発光領域２４および受光領域２５は第
１図の半導体レーザ２２と同じ構造になっており、それ
ぞれ発光ダイオードおよびホトダイオードとして機能す
る。それ以外の領域は光導波路となっているが、第１の
装荷層２６と第２の装荷層２７が近接した平行な部分に
は、第１図の半導体レーザ２２と同様の構造でＡｕ−３
ｎ電極２８が形成されている。この２本の装荷層が近接
した平行な部分は方向性結合器２９として機能する。

本実施例は、以下に述べるように動作する。第２の装荷
層の下にある光導波層（以下第２の光導波路と称す）に
入射した元Ｐ１ば、方向性結合器２９の畿内学的寸法を
適当な値に設定しておくと、この部分で第１の装荷層の
下にある光導波層（以下第１０光導波路と称す）に移り
、第１の光導波路から出力光Ｐｏとして出力される。こ
こで方向性結合器２９のＡｕ−３ｎ電極２８から電流注
入を行うと、方向性結合器部分の光導波路の伝播定数が
変化し、第２の光導波路から第１０光導波路へ移る光の
量が変化する。このとき適当な電流値を選んでやれば第
２の光導波路に入力された光はその！ま第２０光導波路
を進んで受光領域２５へ入射される。同時に発光領域２
４から出力された光は第１の光導波路を通じてそのまま
出力光Ｐｏ　　として出力される。

本実施例は以上のような動作をするので、例えば光フア
イバ通信における元中継器として利用することができる
。通常の動作状態では方向性結合器２９に電流注入をし
ておき、外部からの入射光Ｐｉを受光領域２５で受光し
、電気信号に変換する。この電気信号を電気的に増幅あ
るいは信号処理した後、発光領域２４において電気信号
から光に変換し出力光Ｐｏとして出力する。一方、発光
領域２４等が故障した場合には方向性結合器２９の注入
電流を○とすれば、入射光Ｐ１をそのまま出力光Ｐｏ　
として出力することができる。この機能は電気系統が故
障した場合にも作動するので、本実施例はフェイル・セ
ーフ機能を有する光中継器として用いることができる。

なお、以上の実施例の説明においては材料をＩｎＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓＰ　系としてきたが、本発明は当然のことな
からＧ　ａ　Ａ　ｓ　／Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系等の
他の化合物半導体材料を用いても実施することができる
。

１だ、光集積回路として、より多くの発光素子。

受光素子、光導波路、方向性結合器を集積化することも
可能であり、この場合にも製造工程はさほど複雑にはな
らない。さらに、本発明の用途も、元ファイバ通信に限
定されるものではなく、光デイスク用光学ヘッド、光計
測、光情報処理等にも広く利用することができる。

発明の効果 以上述べてきたように、本発明によれば半導体レーザ等
の能動光素子と光導波路を集積化した場合に、能動元素
子と光導波路の結合効率が高く、光導波路は横方向にも
光学的閉込め機構を有しており、光導波路の導波損失が
少なく、能動光素子と光導波路を任意の位置に配置でき
、かつ製造も容易な構造を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光集積回路の斜視図、第２
図は本発明の他の実施例の光集積回路の平面図、第３図
は従来の光集積回路の要部断面斜視図である。 １４・・・・・・基板、１５・・・・・・活性層、１７
・・・・・光導波層、１８・・・・・・装荷層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 化合物半導体基板と、前記基板上の一部領域に形成され
   た活性層を含む能動領域と、前記基板上の前記能動領域
   以外の領域と前記能動領域にまたがって形成された前記
   活性層よりも大きなバンド・ギャップを有する光導波層
   と、前記光導波層上に形成された前記光導波層よりも大
   きなパッド・ギャップを有するストライプ状の装荷層と
   を具備したことを特徴とする光集積回路。