JPWO2019159345A1 - 半導体光集積デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、実施の形態1による半導体光集積デバイスを示す鳥瞰図である。図2Aは図1の光素子部メサのZ方向に沿った断面図であり、図2Bは図2AにおけるA−Aの断面図である。図3A〜図3I、図4A〜図4Iは、図1の半導体光集積デバイスの製造工程を説明する図である。図5は2つの光導波路と光分布を説明する図であり、図6は図5の光導波路の接続部による散乱光の割合を示す図である。半導体光集積デバイス200は、InP基板1、光素子部メサ56、メサ溝54、メサ溝54により光素子部メサ56と分離された側壁部57、光素子部メサ56に設置されたモニタPD65を備えている。InP基板1上に形成された光素子部メサ56は、第一の光素子61と、監視用光導波路である埋め込み光導波路62、第二の光素子63が形成される。ここでは、第一の光素子を半導体レーザとし、第二の光素子をハイメサ光導波路として説明する。ハイメサ光導波路の符号は、63を用いる。光素子部メサ56は、エッチングによりメサ溝54が形成され、メサ形状となっている。図1では、モニタPD65が、埋め込み光導波路62の外周、例えば埋め込み光導波路62の上に設置された例を示したが、埋め込み光導波路62の側面部、又はInP基板1の裏面に設置してもよい。なお、給電用電極に関しては、図1では図面が煩雑になるため省略しているが、実際には給電用電極が存在する。図2Aでは、第一の光素子61の電極6を示した。以降の説明のため、座標X、Y、Zを図の通り定めた。InP基板1に垂直な方向がY方向(Y軸方向)であり、Y方向に垂直で半導体光集積デバイス200の長手方向がZ方向(Z軸方向)であり、Y方向及びZ方向に垂直で半導体光集積デバイス200の短手方向がX方向(X軸方向)である。半導体光集積デバイス200において、導波光はZ方向に伝播する。
図4Hは図4Eに示したC−Cにおける、メサ溝54形成後の断面図である。図4Hに示したように、ハイメサ光導波路63となるメサ内では電流ブロック層13はなく、光導波路層5のみが残るように、InPクラッド層14、電流ブロック層13がエッチングされる。このような構造をハイメサ光導波路という。
図4Iに示すように、絶縁膜15をフッ化水素水などで除去し、埋め込み光導波路62の上部、より具体的には埋め込み光導波路62のInPクラッド層14にモニタPD65が設置される。なお、図1、図2Aに示したInPクラッド層4は、積層されたInPクラッド層であり、埋め込み光導波路62及びハイメサ光導波路63においては下層のInPクラッド層10及び上層のInPクラッド層14から構成されており、第一の光素子61においては下層のInPクラッド層8及び上層のInPクラッド層14から構成されている。
図7は、実施の形態2による半導体光集積デバイスを示す鳥瞰図である。図8Aは図7の光素子部メサのZ方向に沿った断面図であり、図8Bは図8AにおけるA−Aの断面図である。実施の形態2の半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200の埋め込み光導波路62をハイメサ構造の光導波路であるハイメサ光導波路64に置き換えたものである。監視用光導波路であるハイメサ光導波路64は、半導体基板であるInP基板1に形成された、第一のクラッド層であるInPクラッド層2、光導波路層5、第二のクラッド層であるInPクラッド層4が順次積層された積層体を備えている。ハイメサ光導波路64の積層体は、InP基板1に垂直なY方向及び光が伝搬する方向であるZ方向に垂直なX方向に互いに対向すると共に光導波路層5が露出したメサ端面の対を有するハイメサ構造である。モニタPD65は、ハイメサ光導波路64の外周、例えばハイメサ光導波路64の上(表面)に設置される。図8Bに示すように、散乱光を生じさせるための散乱光発生パターン7は、ハイメサ光導波路64において幅を変更した部分である。
実施の形態3では、実施の形態1及び2と異なる散乱光発生パターンを説明する。図9は実施の形態3による散乱光発生パターンを示す図であり、図10は実施の形態3による他の散乱光発生パターンを示す図である。図11A〜図11Eは、図10の散乱光発生パターンを形成する第一の製造方法を説明する図である。図12A〜図12Dは、図10の散乱光発生パターンを形成する第二の製造方法を説明する図である。実施の形態3の半導体光集積デバイス200は、実施の形態1又は実施の形態2の半導体光集積デバイス200の散乱光発生パターンを図9又は図10に示した散乱光発生パターン7に変更したものである。
実施の形態4では、実施の形態1〜実施の形態3と異なる散乱光発生パターンを説明する。図13は、実施の形態4による散乱光発生パターンを示す図である。光導波路層5を途中で曲げることで、曲げによる導波光の損失が生じる。すなわち光導波路層5が途中で曲げられた曲げ部により、導波光の損失が生じる。実施の形態4では、この曲げ損失により生じた散乱光をモニタPD65に受光させる。図13に散乱光発生パターン7の一例を示す。図13は、実施の形態1の埋め込み光導波路62のZ−X方向断面(図2B参照)における要部に相当する。実施の形態1の散乱光発生パターン7は、光導波路層5のX方向の幅が狭くなっている例であった。実施の形態4の散乱光発生パターン7は、光導波路層5が蛇行した例である。図13の散乱光発生パターン7は、図3Hのように散乱光発生パターン7を形成するための絶縁膜の形状を変更することで実現することができる。なお、図13の散乱光発生パターン7のような形状が繰り返されるものであっても、図13の散乱光発生パターン7と同様の効果、すなわち散乱光を発生させることができる。なお、図13に示した散乱光発生パターン7は、実施の形態2のハイメサ光導波路64にも適用できる。
実施の形態5では、散乱光を得るためのパターンとしてモード変換光導波路17を利用する例を説明する。図14は、実施の形態5による半導体光集積デバイスを示す鳥瞰図である。図15Aは図14の光素子部メサにおける要部のZ方向に沿った断面図であり、図15Bは図15AにおけるA−Aの断面図である。実施の形態5は、モード変換光導波路17が散乱光を得るためのパターンに利用される例である。図15に示した埋め込み光導波路62は、第一光導波路76と第二光導波路77を有し、第一光導波路76の光導波路層5と第二光導波路77の光導波路層5とがモード変換光導波路17により接続されている。モード変換光導波路17は、異なる光導波路モードを接続するために設けられるが、導波光がモード変換する際に散乱光が生じる。実施の形態5の半導体光集積デバイス200は、モード変換光導波路17の上側にモニタPD65を設置する。図15では、モード変換光導波路17が破線29aと破線29bとの間に配置された例を示した。また、図15では、破線29cから左側に電流ブロック層13が存在し、破線29cから右側に電流ブロック層13が存在しない例を示した。つまり、図15では、第一光導波路76が埋め込み構造の光導波路であり、第二光導波路77がハイメサ構造の光導波路である例を示した。
実施の形態6では、散乱光を得るための散乱光発生部としてバットジョイントにより接続された光導波路を利用する例を説明する。図16Aは実施の形態6による監視用光導波路における要部のZ方向に沿った断面図であり、図16Bは図16AにおけるA−Aの断面図である。図17Aは実施の形態6による他の監視用光導波路における要部のZ方向に沿った断面図であり、図17Bは図17AにおけるA−Aの断面図である。図16A、図16Bに示した監視用光導波路である埋め込み光導波路62は、第一光導波路76と第二光導波路77を有し、第一光導波路76の光導波路層18と第二光導波路77の光導波路層5とがバットジョイントにより接続されており、バットジョイント部37を有している。実施の形態6の半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200において図16A、図16Bに示した埋め込み光導波路62を適用したものである。図16Aには、第一光導波路76と第二光導波路77におけるY方向の光分布である、Y方向第一光分布21とY方向第二光分布22を示した。また、図16Bには、第一光導波路76と第二光導波路77におけるX方向の光分布である、X方向第一光分布19とX方向第二光分布20を示した。
図18は、実施の形態7による半導体光集積デバイスを示す鳥瞰図である。図18に示した半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200における導波路の上部に設置されたモニタPD65を、MOCVDなどの結晶成長技術によってモノリシック集積されたモニタPD66に変更された点で異なる。MOCVDなどの結晶成長技術によってモノリシック集積されたモニタPD66は、実施の形態2〜実施の形態6にも適用できる。
図19は、実施の形態8による半導体光集積デバイスを示す鳥瞰図である。図19に示した半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200における導波路の上部に設置されたモニタPD65を、接着剤68によって貼り付けられたモニタPD素子67に変更された点で異なる。接着剤68は、例えばポリイミドなどの有機接着剤である。モニタPD素子67を貼り付ける方法として、接着剤68を用いる例を示したが、その他の方法であってもよい。
図20は、実施の形態9による半導体光集積デバイスを示す鳥瞰図である。図21Aは図20の光素子部メサのZ方向に沿った断面図であり、図21Bは図21AにおけるA−Aの断面図である。実施の形態9の半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200における光素子部メサ56の導波路の上部に設置されたモニタPD65が、光素子部メサ56の光導波路(埋め込み光導波路62)における片側側面又は両側側面に貼り付けにより設置された点で異なる。図21Bでは、モニタPD65が光素子部メサ56の光導波路における両側側面に設置された例を示した。図20、図21Bに示したモニタPD65の具体例は、実施の形態8で示した接着剤68をよって貼り付けられたモニタPD素子67である。
図22は、実施の形態10による半導体光集積デバイスを示す鳥瞰図である。図23Aは図22の光素子部メサのZ方向に沿った断面図であり、図23Bは図23AにおけるA−Aの断面図である。実施の形態10の半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200における光素子部メサ56の導波路の上部に設置されたモニタPD65が、InP基板1の裏面に貼り付けにより設置された点で異なる。図22、図23Aに示したモニタPD65の具体例は、実施の形態8で示した接着剤68をよって貼り付けられたモニタPD素子67である。
実施の形態11では、散乱光を発生させるメサ側面の形状を説明する。図24Aは実施の形態11による監視用光導波路における要部のZ方向に沿った断面図であり、図24Bは図24AにおけるA−Aの断面図である。実施の形態11の半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200の散乱光発生パターンを図24A、図24Bに示した凹部32に変更したものである。凹部32は、光素子部メサ56を形成する際に、より具体的にはメサ溝54を形成する際に同時に形成する。凹部32のX方向の深さは、内部を導波する光の分布(光分布31)にかかるように調整されている。このように加工された凹部32に導波光の裾がかかることで、散乱光が生じる。実施の形態11の半導体光集積デバイス200は、凹部32により生じた散乱光をモニタPD65で受光する。なお、図24A、図24Bでは、三角柱状の凹部32を示した。三角柱状の凹部32は、Z−Y方向の断面(X方向に垂直な断面)が三角形である。
実施の形態12では、散乱光が入力側に戻ることを避けるために、メサ側面に凹凸部33が設けられた例を説明する。図25Aは実施の形態12による半導体光集積デバイスにおける光素子部メサのZ方向に沿った断面図であり、図25Bは図25AにおけるA−Aの断面図である。実施の形態12の半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200の埋め込み光導波路62のメサ側面に凹凸部33が設けられたものである。
実施の形態13では、散乱光が入力側に戻ることを抑制するために、光導波路層5の下部に吸収係数の大きい吸収層34が設けられた例を説明する。図26は、実施の形態13による半導体光集積デバイスにおける光素子部メサのZ方向に沿った断面図である。実施の形態13の半導体光集積デバイス200は、実施の形態1の半導体光集積デバイス200の光導波路層5の下部に吸収係数の大きい吸収層34が設けられたものである。散乱光発生パターン7(図2B参照)により生じた散乱光を抑制するため、光導波路層5の下部に吸収係数の大きいInGaAs層である吸収層34が挿入されている。図26では、吸収層34が第一の光素子61の活性層3の下部に挿入された例を示した。また、図26では、モニタPD65が設置された位置よりも導波方向(Z方向)のInPクラッド層4の表面にも吸収層34が配置された例を示した。これらの吸収層34は、MOCVDによる結晶成長技術により実現する。吸収層34は、導波光の波長に対して、吸収係数を持つ材料であればInGaAs以外の材料であってもよい。
Claims (17)
- 光が伝搬する、第一の光素子、監視用光導波路、第二の光素子が同一の半導体基板に形成された半導体光集積デバイスであって、
前記監視用光導波路は前記第一の光素子に接続され、前記第二の光素子は前記監視用光導波路に接続されており、
前記監視用光導波路は、異なるモードフィールド径を有する光導波路が組み合わされた、前記光の一部を散乱させる光散乱部を備え、
前記光散乱部により散乱された散乱光を受光する光検出器が、前記監視用光導波路の外周又は前記半導体基板の前記光散乱部と逆側の裏面に設置されたことを特徴とする半導体光集積デバイス。 - 前記監視用光導波路は、前記半導体基板に形成された、第一のクラッド層、光導波路層、第二のクラッド層が順次積層された積層体を備え、
前記光散乱部は、前記光導波路層の屈折率が部分的に変化することにより、モードフィールド径が変化していることを特徴とする請求項1記載の半導体光集積デバイス。 - 前記監視用光導波路は、モードフィールド径及び前記光の導波モードが異なる第一光導波路及び第二光導波路と、前記第一光導波路と前記第二光導波路との間は接続されており、前記光の導波モードを変換するモード変換光導波路と、を備え、
前記モード変換光導波路が前記光散乱部であることを特徴とする請求項1記載の半導体光集積デバイス。 - 前記監視用光導波路は、モードフィールド径が異なる第一光導波路及び第二光導波路を備え、
前記光散乱部は、前記第一光導波路と前記第二光導波路とがそれぞれのモードフィールド径の中心がずれた又は中心が一致したバッドジョイントにより接続されたバットジョイント部であることを特徴とする請求項1記載の半導体光集積デバイス。 - 前記監視用光導波路は、モードフィールド径が同一の第一光導波路及び第二光導波路を備え、
前記光散乱部は、前記第一光導波路と前記第二光導波路とがそれぞれのモードフィールド径の中心がずれたバッドジョイントにより接続されたバットジョイント部であることを特徴とする請求項1記載の半導体光集積デバイス。 - 前記監視用光導波路は、前記半導体基板に形成された、第一のクラッド層、光導波路層、第二のクラッド層が順次積層された積層体を備え、
前記積層体は、
前記半導体基板に垂直なY方向及び前記光が伝搬する方向であるZ方向に垂直なX方向に互いに対向すると共に前記光導波路層が露出したメサ端面の対を有するハイメサ構造、
又は、前記半導体基板に垂直なY方向及び前記光が伝搬する方向であるZ方向に垂直なX方向に互いに対向すると共に前記光導波路層が露出していないメサ端面の対を有する埋め込み構造であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体光集積デバイス。 - 光が伝搬する、第一の光素子、監視用光導波路、第二の光素子が同一の半導体基板に形成された半導体光集積デバイスであって、
前記監視用光導波路は前記第一の光素子に接続され、前記第二の光素子は前記監視用光導波路に接続されており、
前記監視用光導波路は、前記半導体基板に形成された、第一のクラッド層、前記光の一部を散乱させる光散乱部を有する光導波路層、第二のクラッド層が順次積層された積層体を備え、
前記光散乱部は、前記光導波路層に形成された曲げ部であり、
前記光散乱部により散乱された散乱光を受光する光検出器が、前記監視用光導波路の外周又は前記半導体基板の前記光散乱部と逆側の裏面に設置されたことを特徴とする半導体光集積デバイス。 - 前記積層体は、
前記半導体基板に垂直なY方向及び前記光が伝搬する方向であるZ方向に垂直なX方向に互いに対向すると共に前記光導波路層が露出したメサ端面の対を有するハイメサ構造、
又は、前記半導体基板に垂直なY方向及び前記光が伝搬する方向であるZ方向に垂直なX方向に互いに対向すると共に前記光導波路層が露出していないメサ端面の対を有する埋め込み構造であることを特徴とする請求項7記載の半導体光集積デバイス。 - 光が伝搬する、第一の光素子、監視用光導波路、第二の光素子が同一の半導体基板に形成された半導体光集積デバイスであって、
前記監視用光導波路は前記第一の光素子に接続され、前記第二の光素子は前記監視用光導波路に接続されており、
前記監視用光導波路は、前記半導体基板に形成された、第一のクラッド層、光導波路層、第二のクラッド層が順次積層された積層体を備え、
前記積層体は、前記半導体基板に垂直なY方向及び前記光が伝搬する方向であるZ方向に垂直なX方向に互いに対向すると共に前記光導波路層が露出していないメサ端面の対を有する埋め込み構造であり、
前記監視用光導波路は、少なくとも1つのX方向の前記メサ端面に前記光の分布の裾がかかる凹部を有し、
前記凹部は、前記光の一部を散乱させる光散乱部であり、
前記光散乱部により散乱された散乱光を受光する光検出器が、前記監視用光導波路の外周又は前記半導体基板の前記光散乱部と逆側の裏面に設置されたことを特徴とする半導体光集積デバイス。 - 前記監視用光導波路は、前記埋め込み構造のX方向の前記メサ端面に、当該メサ端面に到達した前記散乱光が多方向に反射又は透過する凹凸部を有することを特徴とする請求項6、8、9のいずれか1項に記載の半導体光集積デバイス。
- 前記光検出器は、前記監視用光導波路における前記半導体基板と逆側の表面に、モノリシックに形成されていることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の半導体光集積デバイス。
- 前記光検出器は、光検出器素子が前記監視用光導波路における前記半導体基板と逆側の表面に、接着材により接着されていることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の半導体光集積デバイス。
- 前記光検出器は、前記ハイメサ構造又は前記埋め込み構造の少なくとも1つのX方向の前記メサ端面に接着材により接着されていることを特徴とする請求項6または8に記載の半導体光集積デバイス。
- 前記光検出器は、前記埋め込み構造の少なくとも1つのX方向の前記メサ端面に接着材により接着されていることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体光集積デバイス。
- 前記光検出器は、前記光散乱部に対して前記光の伝搬する方向側であって、前記光散乱部により散乱された前記散乱光の光強度が最も高い位置に設置されたことを特徴とする請求項11から14のいずれか1項に記載の半導体光集積デバイス。
- 前記光検出器は、
前記半導体基板の前記光散乱部と逆側の裏面に接着材により接着されており、
前記光散乱部に対して前記光の伝搬する方向側であって、前記光散乱部により散乱された前記散乱光の光強度が最も高い位置に設置されたことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の半導体光集積デバイス。 - 前記光検出器が、前記監視用光導波路の外周に配置されており、
前記監視用光導波路は、
前記光散乱部により散乱された前記散乱光を吸収する吸収層を、
前記半導体基板側と、
前記光検出器よりも前記光が伝搬する方向側であって前記半導体基板と逆側の表面とに有することを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載の半導体光集積デバイス。
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