WO2020144752A1 - 光半導体集積素子 - Google Patents

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佳道 森田
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三菱電機株式会社
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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H01S5/2275—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

Definitions

  • the present application relates to an optical semiconductor integrated device.
  • monitor PD monitor Photo Diode
  • a spot size converter for enlarging a small beam spot diameter of a semiconductor laser in order to improve coupling efficiency with an optical fiber has also been proposed for a long time (for example, refer to Patent Document 2).
  • JP-A-63-222485 page 3, upper right column, line 14 to lower right column, line 13, FIG. 4) Japanese Patent Laid-Open No. 2000-036638 (paragraphs 0023 to 0043, FIG. 1)
  • the present application discloses a technique for solving the above problems, and a sufficient amount of light can be incident on the monitor PD even in a structure in which a window region is arranged on the emission side of a spot size converter.
  • An object is to provide an optical semiconductor integrated device.
  • the optical semiconductor integrated device disclosed in the present application has a laser diode portion provided on the surface of a substrate, and a tapered shape that propagates laser light emitted from the laser diode portion and tapers in both sides in the propagation direction of the laser light.
  • the spot size converter provided on the surface of the substrate, and the substrate on the tip side of the core layer of the spot size converter
  • a window region provided on the surface, and a monitor provided on the surface of the window region, wherein the refractive index of the first cladding layer is lower than the refractive index of the second cladding layer.
  • an optical semiconductor integrated device disclosed in the present application propagates a laser diode portion provided on a surface of a substrate and a laser light emitted from the laser diode portion, and both sides are tapered in a propagation direction of the laser light.
  • a side clad layer and a second clad layer provided on each surface of the first clad layer, and a spot size conversion unit provided on the surface of the substrate, and the tip side of the core layer of the spot size conversion unit.
  • a first window layer is provided in a region corresponding to the first clad layer, a second window layer is provided in a region corresponding to the second clad layer, and a window region provided on the surface of the substrate. And a monitor provided on the surface of the window region, wherein the first window layer has a refractive index lower than that of the second window layer.
  • the laser light exuding from the core layer can be biased toward the monitor PD 50 side, which is sufficient for the monitor PD. A quantity of light can be incident.
  • FIG. 3 is a side sectional view showing the structure of the optical semiconductor integrated device according to the first embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1 showing the configuration of the optical semiconductor integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. FIG. 2 is a vertical sectional view taken along the line BB of FIG. 1 showing the configuration of the optical semiconductor integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a vertical sectional view taken along the line CC in FIG. 1, showing the configuration of the optical semiconductor integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a vertical sectional view taken along the line DD of FIG. 1, showing the configuration of the optical semiconductor integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a top view showing the configuration of the optical semiconductor integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart diagram for explaining the operation of the optical semiconductor integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a side sectional view showing a configuration of an optical semiconductor integrated device according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view taken along line GG of FIG. 8 showing the configuration of the optical semiconductor integrated device according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a side sectional view showing a configuration of an optical semiconductor integrated device according to a third embodiment.
  • 11 is a sectional view taken along line HH of FIG. 10 showing a configuration of an optical semiconductor integrated device according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the optical semiconductor integrated device according to the first embodiment, which is a vertical cross-sectional view of the central portion in the laser emission direction.
  • 2 is a cross-sectional view of the optical semiconductor integrated device at the position of arrow AA in FIG.
  • FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the optical semiconductor integrated device at the position of arrow BB in FIG.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the optical semiconductor integrated device at the position of arrow CC in FIG.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of the optical semiconductor integrated device at the position of the arrow DD in FIG.
  • FIG. 6 is a top view of FIG.
  • the optical semiconductor integrated device 501 includes a laser diode unit 20, a spot size conversion unit 30, a window region 40, and a monitor PD 50 provided on the surface of the window region 40. Composed.
  • the laser diode unit 20 is a distributed feedback laser, and includes an n-type InP clad layer 21, a core layer 22, a diffraction grating 23, and a p-type InP clad for vertical confinement on the surface of the n-type InP substrate 10. Layers 24 are laminated in order, and these are patterned in stripes. Both sides of the n-type InP clad layer 21 and the core layer 22 are buried with p-type InP clad layers 25a and 25b for lateral confinement having a bandgap energy larger than that of the core layer 22.
  • both sides of the diffraction grating 23 and the p-type InP clad layer 24 are filled with n-type InP clad layers 26a and 26b for lateral confinement having a bandgap energy larger than that of the core layer 22.
  • a p-type InP clad layer 27 and a p-type contact layer 28 are sequentially stacked on the surfaces of the p-type InP clad layer 24 and the n-type InP clad layers 26a and 26b.
  • the surface of the p-type contact layer 28 is protected by a passivation film 60, and the p-electrode 29 is connected to the p-type contact layer 28 through an opening 60 a formed in the passivation film 60.
  • An n-electrode 70 is connected to the lower surface of the n-type InP substrate 10.
  • the spot size converter 30 is an embedded spot size converter that is arranged on the emission side of the laser diode unit 20 and has a beam spot diameter expanding function.
  • the core layer 32 of the spot size conversion unit 30 is a tapered waveguide that is connected to the core layer 22 of the laser diode unit 20 and tapers in the propagation direction of the laser light incident from the core layer 22.
  • an n-type InP clad layer 31 for vertical confinement, a core layer 32, and a p-type InP clad layer 33 for vertical confinement are sequentially laminated on the surface of the n-type InP substrate 10. Both sides are patterned in a taper shape that tapers in the propagation direction of the laser light.
  • the core layer 32 includes a p-type InP clad layer 33 which is a front side clad layer and an n-type InP clad layer 31 which is a back side clad layer on the upper and lower sides, and n on the left and right sides is a first clad layer.
  • the structure is covered with the type InP clad layers 34a and 34b. Both sides of the n-type InP clad layer 31, the core layer 32, and the p-type InP clad layer 33 are filled with n-type InP clad layers 34a and 34b as first clad layers for lateral confinement.
  • a p-type InP clad layer 27 as a second clad layer common to the laser diode section 20 is laminated.
  • the entire surface of the p-type InP clad layer 27 is protected by the passivation film 60.
  • the n-type InP clad layer 31 of the spot size conversion section 30 corresponds to the n-type InP clad layer 21 of the laser diode section 20.
  • the p-type InP clad layer 33 corresponds to the diffraction grating 23 and the p-type InP clad layer 24 of the laser diode section 20.
  • the n-type InP clad layers 34a and 34b correspond to the p-type InP layers 25a and 25b and the n-type InP clad layers 26a and 26b of the laser diode section 20, respectively.
  • the n-type InP clad layers 34a and 34b have a lower refractive index than the p-type InP clad layer 27 due to the free carrier plasma effect. Is set lower than the refractive index of the p-type InP clad layer 27.
  • the vertical refractive index distribution is set by the combination of the p-type InP clad layer 27 and the n-type InP clad layers 34a and 34b, but the present invention is not limited to this.
  • a layer other than InP may be used.
  • a plurality of layers may be combined to provide a graded refractive index distribution.
  • the window region 40 is an end face window structure that is made of a semiconductor material that is transparent to the incident light from the spot size conversion unit 30 and that does not have a waveguide mechanism.
  • the n-type InP layer 41 and the undoped InP layer 42 as the first window layer are sequentially stacked.
  • a p-type InP clad layer 27 and a p-type contact layer 28 as a second window layer common to the laser diode section 20 are sequentially stacked.
  • undoped InP is used for the purpose of suppressing the light absorption loss in the window region 40.
  • the n-type InP layer 41 of the window region 40 corresponds to the lower layers of the n-type InP clad layer 31 and the n-type InP clad layers 34a and 34b of the spot size conversion section 30.
  • the undoped InP layer 42 corresponds to the upper layers of the core layer 32, the p-type InP clad layer 33, and the n-type InP clad layers 34a and 34b of the spot size conversion unit 30.
  • the monitor PD 50 is a PIN type photodiode.
  • the monitor PD 50 is formed by sequentially stacking an undoped InP layer 51 and an n-type contact layer 52 on the surface of the p-type contact layer 28 in the window region 40.
  • the surface of the n-type contact layer 52 is protected by the passivation film 60, and the p-electrode 53 and the n-electrode 54 are connected to the p-type contact layer 28 and the n-type contact layer 52 through the openings 60b and 60c, respectively.
  • FIG. 7 is a flow chart for explaining the operation of the spot size conversion unit 30 of the optical semiconductor integrated device 501.
  • the laser light emitted from the core layer 22 of the laser diode unit 20 is incident on the core layer 32 of the spot size conversion unit 30 (step S701).
  • both sides of the core layer 32 are patterned in a tapered shape that tapers in the propagation direction of the laser light, so that the propagation light gradually increases as it propagates in the spot size conversion section 30. It oozes into the n-type InP clad layers 34a and 34b on both sides of the core layer 32 (step S702).
  • a tapered shape that tapers in the propagation direction of the laser light
  • a ripple-shaped dotted line F2 shows how the laser light exudes (light intensity distribution) in the traveling direction, and the propagation light gradually propagates to the n-type InP cladding layers 34a and 34b on both sides of the core layer 32. You can see how it oozes out.
  • the laser light exuded from the core layer 32 is exposed above the n-type InP clad layers 34a and 34b on both sides of the core layer 32 and above the core layer 32 and the n-type InP clad layers 34a and 34b.
  • the p-type InP clad layer 27 and the p-type InP clad layer 27 are biased upward according to the vertical refractive index distribution (step S703, see the optical path E2 in FIG. 1).
  • elliptical dotted lines F1 and F2 indicate ranges of laser light centered on the core layers 22 and 23, respectively.
  • the range of the laser beam of the elliptical dotted line F2 is not only exuded to the n-type InP clad layers 34a and 34b on both sides of the core layer 32 but also the range of the elliptical dotted line F1 of the laser beam. It can be seen that due to the vertical refractive index distributions of 34a and 34b and the p-type InP clad layer 27, they are biased toward the upper p-type InP clad layer 27 side.
  • the spot size conversion unit 30 emits upwardly biased laser light to the window region 40, and part of the laser light is incident on the monitor PD 50 provided on the surface of the window region 40 (step S705).
  • the monitor PD 50 provided on the surface of the window region 40.
  • a reverse bias is applied to the monitor PD 50 via the p electrode 53 and the n electrode 54, the laser light absorbed by the p-type contact layer 28 is photoelectrically converted, and taken out to an external circuit as a monitor current.
  • both sides of the core layer 32 are patterned into a tapered shape that tapers in the propagation direction of the laser light, and the refractive indices of the n-type InP clad layers 34a and 34b on both sides of the core layer are monitored.
  • the refractive index lower than that of the p-type InP clad layer 27 covering the surface side of the core layer on the side close to the PD 50, the laser light exuded from the core layer can be biased toward the monitor PD 50 side. A sufficient amount of light can be made to enter.
  • the laser diode unit 20 provided on the surface of the n-type InP substrate 10 and the laser light emitted from the laser diode unit 20 are propagated.
  • the core layer 32 is tapered on both sides in the propagation direction of the laser light
  • the p-type InP clad layer 33 is a front-side cladding layer that covers the front surface side of the core layer 32, and the back surface that covers the back surface side of the core layer 32.
  • the n-type InP clad layer 31 which is the side clad layer, the n-type InP clad layers 34a and 34b which are the first clad layers provided on both sides of the core layer 32, and the front surface side clad layer and the first clad layer.
  • the p-type InP clad layer 27, which is the second clad layer provided, is provided on the surface of the n-type InP substrate 10, and the spot size conversion part 30 and n on the tip side of the core layer 32 of the spot size conversion part 30.
  • a window region 40 provided on the surface of the type InP substrate 10 and a monitor PD 50 that is a monitor unit provided on the surface of the window region 40 are provided, and the refractive index of the first cladding layer is set to be greater than that of the second cladding layer. Since it is also made low, the laser light exuded from the core layer can be biased to the monitor PD 50 side, and a sufficient amount of light can be incident on the monitor PD.
  • the spot size conversion unit 30 is arranged adjacent to the laser diode unit 20 in the present embodiment, the same effect can be obtained in a structure in which a waveguide type device such as a modulator is integrated between the two. Is obtained.
  • Embodiment 2 In the first embodiment, in the window region 40, the undoped InP layer is formed in the region corresponding to the upper layers of the core layer 32, the p-type InP cladding layer 33, and the n-type InP cladding layers 34a and 34b of the spot size conversion unit 30. 42 is provided, the second embodiment shows a case where an n-type InP layer is provided.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the optical semiconductor integrated device according to the second embodiment, which is a vertical cross-sectional view of the central portion in the laser emission direction.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view of the optical semiconductor integrated device at the position of arrow GG in FIG.
  • the region of the undoped InP layer 42 of the first embodiment is the same as the n-type InP clad layers 34a and 34b of the first clad layer.
  • the layer was an n-type InP layer 41.
  • the other configurations of the optical semiconductor integrated device 502 according to the second embodiment are the same as those of the semiconductor optical integrated device 501 according to the first embodiment, and corresponding parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the propagating light emitted from the laser diode unit 20 is incident on the window region 40 in a state of being biased upward by the spot size conversion unit 30.
  • the p-type InP clad layer 27 and the undoped InP layer 42 both have the same refractive index of 3.204 (when the wavelength is 1.3 ⁇ m), so that the light incident on the window region 40 travels straight.
  • the refractive index of the n-type InP layer 41 as the first window layer disposed at the exit of the spot size conversion unit 30 is 3.19 (wavelength 1.3 ⁇ m, carrier concentration 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ).
  • the window region 40 corresponding to the n-type InP cladding layers 34a and 34b, which is the first cladding layer is the first window layer.
  • the n-type InP layer 41 is provided, and the window region 40 corresponding to the p-type InP clad layer 27 that is the second clad layer is commonly provided with the p-type InP clad layer 27 that is the second window layer. Since the refractive index of the one window layer is made lower than that of the second window layer, the light incident on the window region is further deflected upward in accordance with the difference in the refractive index, and therefore enters the monitor PD as compared with the first embodiment. The amount of light can be further improved.
  • the refractive index of the first cladding layer is lower than that of the second cladding layer, and the refractive index of the first window layer is lower than that of the second window layer.
  • the structure is set to be low, the effect is exhibited even only by the structure in which the refractive index of the first window layer is lower than that of the second window layer. By combining them, you can enjoy both effects.
  • Embodiment 3 In the first embodiment, the monitor PD 50 is provided only on the surface of the window region 40, but in the third embodiment, not only the surface of the window region 40 but also the surface of the spot size conversion unit 30 is extended. ..
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical semiconductor integrated device according to the third embodiment, which is a vertical cross-sectional view of the central portion in the laser emission direction.
  • 11 is a cross-sectional view of the optical semiconductor integrated device at the position of arrow HH in FIG.
  • the monitor PD 55 extends the monitor PD 50 according to the first embodiment, and the monitor PD 50 extends from the surface of the window region 40 and the spot size conversion unit 30. It is provided over a part of the surface.
  • the monitor PD 55 of the third embodiment is A p-type contact layer 28, an undoped InP layer 51, and an n-type contact layer 52 are sequentially stacked so as to extend over the p-type InP clad layer 27 of the spot size conversion unit 30 and the p-type InP clad layer 27 of the window region 40. Formed.
  • the other configurations of the optical semiconductor integrated device 503 according to the third embodiment are similar to those of the semiconductor optical integrated device 501 according to the first embodiment, and corresponding parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the reflected light from the front end face 40a of the window region 40 is effectively used.
  • a part of the reflected light from the front end face 40a (see the optical path E3 in FIG. 10) is incident on the window region 40 of the monitor PD 55, but the window length is generally short (if it is long, the emitted light in the window region is an element.
  • the amount of light incident on the monitor PD 55 is limited due to reflection from the passivation film on the surface and disturbance of the FFP (Far Field Pattern) shape).
  • the monitor PD 55 since the monitor PD 55 is also present on the surface of the spot size conversion unit 30 arranged in front of the window region 40, the amount of light incident on the monitor PD 55 increases (see the optical path E4 in FIG. 10).
  • the monitor PD 55 is provided over the surface of the window region 40 and the surface of the spot size conversion unit 30, so that the first embodiment is described. In comparison, the amount of light incident on the monitor PD can be further improved.
  • n-type InP substrate 10 n-type InP substrate, 20 laser diode section, 22 core layer, 27 p-type InP clad layer (second clad layer), 30 spot size conversion section, 34a, 34b n-type InP clad layer (first clad layer), 40 Window area, 50, 55 monitor PD (monitor section), 501, 502, 503 optical semiconductor integrated device.

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Abstract

ｎ型ＩｎＰ基板（１０）の表面に設けられたレーザダイオード部（２０）と、出射されたレーザ光を伝搬し、両側がレーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状のコア層（３２）、コア層（３２）の表面側のｐ型ＩｎＰクラッド層（３３）、コア層（３２）の裏面側のｎ型ＩｎＰクラッド層（３１）、コア層（３２）の両側に設けられた第一クラッド層のｎ型ＩｎＰクラッド層（３４ａ、３４ｂ）、およびｐ型ＩｎＰクラッド層（３３）と第一クラッド層の各表面に設けられた第二クラッド層のｐ型ＩｎＰクラッド層（２７）からなり、ｎ型ＩｎＰ基板（１０）の表面に設けられたスポットサイズ変換部（３０）と、コア層（３２）の先端側のｎ型ＩｎＰ基板（１０）の表面に設けられた窓領域（４０）と、窓領域（４０）の表面に設けられたモニタ部のモニタＰＤ（５０）とを備え、第一クラッド層の屈折率を第二クラッド層の屈折率よりも低くする。

Description

光半導体集積素子
　本願は、光半導体集積素子に関する。
　通信装置の部品点数削減のため、半導体レーザチップ内にモニタフォトダイオード（モニタＰｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：以下、モニタＰＤと略す）を集積する構造が古くから提案されている（例えば、特許文献１参照）。一方、光ファイバとの結合効率を向上させるため、半導体レーザの小さなビームスポット径を拡大するためのスポットサイズ変換器も古くから提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６３－２２２４８５号公報（第３頁右上欄第１４行目～右下欄第１３行目、第４図） 特開２０００－０３６６３８号公報（段落００２３～００４３、図１）
　特許文献２のようなスポットサイズ変換器を、特許文献１の半導体レーザに適用する場合、一般に、ビームスポット径を拡大するために設計されたスポットサイズ変換器は、出射光の放射角が狭く、窓領域の上方にあるモニタＰＤに十分な光量を入射させることができないという問題があった。
　本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、スポットサイズ変換器の出射側に窓領域を配置した構造においても、モニタＰＤに十分な光量を入射させることができる光半導体集積素子を提供することを目的とする。
　本願に開示される光半導体集積素子は、基板の表面に設けられたレーザダイオード部と、前記レーザダイオード部から出射されたレーザ光を伝搬し、両側が前記レーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状であるコア層、前記コア層の表面側を覆う表面側クラッド層、前記コア層の裏面側を覆う裏面側クラッド層、前記コア層の両側に設けられた第一クラッド層、および前記表面側クラッド層と前記第一クラッド層の各表面に設けられた第二クラッド層からなる、前記基板の表面に設けられたスポットサイズ変換部と、前記スポットサイズ変換部のコア層の先端側の前記基板の表面に設けられた窓領域と、前記窓領域の表面に設けられたモニタ部とを備え、前記第一クラッド層の屈折率は、前記第二クラッド層の屈折率よりも低いことを特徴とする。
　また、本願に開示される光半導体集積素子は、基板の表面に設けられたレーザダイオード部と、前記レーザダイオード部から出射されたレーザ光を伝搬し、両側が前記レーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状であるコア層、前記コア層の表面側を覆う表面側クラッド層、前記コア層の裏面側を覆う裏面側クラッド層、前記コア層の両側に設けられた第一クラッド層、および前記表面側クラッド層と前記第一クラッド層の各表面に設けられた第二クラッド層からなり、前記基板の表面に設けられたスポットサイズ変換部と、前記スポットサイズ変換部のコア層の先端側の前記第一クラッド層に対応する領域には第一窓層が配設され、前記第二クラッド層に対応する領域には第二窓層が配設され、前記基板の表面に設けられた窓領域と、前記窓領域の表面に設けられたモニタ部とを備え、前記第一窓層の屈折率は、前記第二窓層の屈折率よりも低いことを特徴とする。
　本願によれば、第一クラッド層の屈折率を第二クラッド層の屈折率よりも低くしたので、コア層から染み出したレーザ光をモニタＰＤ５０側に偏らせることができ、モニタＰＤに十分な光量を入射させることができる。
実施の形態１による光半導体集積素子の構成を示す側断面図である。 実施の形態１による光半導体集積素子の構成を示す図１のＡ－Ａ横断面図である。 実施の形態１による光半導体集積素子の構成を示す図１のＢ－Ｂ縦断面図である。 実施の形態１による光半導体集積素子の構成を示す図１のＣ－Ｃ縦断面図である。 実施の形態１による光半導体集積素子の構成を示す図１のＤ－Ｄ縦断面図である。 実施の形態１による光半導体集積素子の構成を示す上面図である。 実施の形態１による光半導体集積素子の動作を説明するためのフローチャート図である。 実施の形態２による光半導体集積素子の構成を示す側断面図である。 実施の形態２による光半導体集積素子の構成を示す図８のＧ－Ｇ縦断面図である。 実施の形態３による光半導体集積素子の構成を示す側断面図である。 実施の形態３による光半導体集積素子の構成を示す図１０のＨ－Ｈ側断面図である。
　実施の形態１．
　図１は、実施の形態１における光半導体集積素子の構成を示す断面図であり、レーザ出射方向中央部の縦断面図である。図２は、図１のＡＡの矢視位置での光半導体集積素子の横断面図である。図３は、図１のＢＢの矢視位置での光半導体集積素子の縦断面図である。図４は、図１のＣＣの矢視位置での光半導体集積素子の縦断面図である。図５は、図１のＤＤの矢視位置での光半導体集積素子の縦断面図である。図６は、図１の上面図である。
　図１から図６に示すように、実施の形態１の光半導体集積素子５０１は、レーザダイオード部２０、スポットサイズ変換部３０、窓領域４０、および窓領域４０の表面に設けられたモニタＰＤ５０から構成される。
　レーザダイオード部２０は、分布帰還型レーザであり、ｎ型ＩｎＰ基板１０の表面に縦方向閉じ込め用のｎ型ＩｎＰクラッド層２１、コア層２２、回折格子２３、縦方向閉じ込め用のｐ型ＩｎＰクラッド層２４が順に積層されており、これらはストライプ状にパターニングされている。ｎ型ＩｎＰクラッド層２１およびコア層２２の両側は、コア層２２よりバンドギャップエネルギーが大きい、横方向閉じ込め用のｐ型ＩｎＰクラッド層２５ａ、２５ｂによって埋め込まれている。また、回折格子２３およびｐ型ＩｎＰクラッド層２４の両側は、コア層２２よりバンドギャップエネルギーが大きい、横方向閉じ込め用のｎ型ＩｎＰクラッド層２６ａ、２６ｂによって埋め込まれている。さらに、ｐ型ＩｎＰクラッド層２４とｎ型ＩｎＰクラッド層２６ａ、２６ｂの表面にはｐ型ＩｎＰクラッド層２７とｐ型コンタクト層２８が順に積層されている。ｐ型コンタクト層２８の表面はパッシベーション膜６０で保護され、パッシベーション膜６０に開けられた開口部６０ａを介してｐ電極２９がｐ型コンタクト層２８に接続されている。ｎ型ＩｎＰ基板１０の下面にはｎ電極７０が接続されている。
　スポットサイズ変換部３０は、レーザダイオード部２０の出射側に配置される、ビームスポット径拡大機能を有する埋込型のスポットサイズ変換器である。スポットサイズ変換部３０のコア層３２は、レーザダイオード部２０のコア層２２と接続し、コア層２２から入射するレーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状の導波路である。スポットサイズ変換部３０は、ｎ型ＩｎＰ基板１０の表面に縦方向閉じ込め用のｎ型ＩｎＰクラッド層３１、コア層３２、縦方向閉じ込め用のｐ型ＩｎＰクラッド層３３が順に積層されており、これらは両側がレーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状にパターニングされている。
　スポットサイズ変換部３０では、コア層３２が、上下を表面側クラッド層であるｐ型ＩｎＰクラッド層３３と裏面側クラッド層であるｎ型ＩｎＰクラッド層３１で、左右を第一クラッド層であるｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂで覆われた構成となる。ｎ型ＩｎＰクラッド層３１、コア層３２およびｐ型ＩｎＰクラッド層３３の両側は、横方向閉じ込め用の第一クラッド層としてのｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂによって埋め込まれている。ｐ型ＩｎＰクラッド層３３とｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂの表面には、レーザダイオード部２０と共通の第二クラッド層としてのｐ型ＩｎＰクラッド層２７が積層されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層２７の表面は、全面がパッシベーション膜６０で保護されている。
　スポットサイズ変換部３０のｎ型ＩｎＰクラッド層３１は、レーザダイオード部２０のｎ型ＩｎＰクラッド層２１に対応する。ｐ型ＩｎＰクラッド層３３は、レーザダイオード部２０の回折格子２３およびｐ型ＩｎＰクラッド層２４に対応する。ｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂは、レーザダイオード部２０のｐ型ＩｎＰ層２５ａ、２５ｂおよびｎ型ＩｎＰクラッド層２６ａ、２６ｂに対応する。
　ここで、ｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂは、自由キャリアプラズマ効果によりｐ型ＩｎＰクラッド層２７と比較して屈折率が下がることが知られており、ｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂの屈折率は、ｐ型ＩｎＰクラッド層２７の屈折率より低く設定される。なお、本実施の形態では、上下方向の屈折率分布をｐ型ＩｎＰクラッド層２７とｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂの組合せで設定したが、これに限るものではない。ＩｎＰ以外の層を用いてもよい。また、複数の層を組合わせて段階的に屈折率の分布をつけてもよい。
　窓領域４０は、スポットサイズ変換部３０からの入射光に対して透明な半導体材料で構成され、かつ導波機構を持たない端面窓構造である。ｎ型ＩｎＰ基板１０の表面に、ｎ型ＩｎＰ層４１、第一窓層としてのアンドープＩｎＰ層４２が順に積層されている。アンドープＩｎＰ層４２の表面には、レーザダイオード部２０と共通の第二窓層としてのｐ型ＩｎＰクラッド層２７およびｐ型コンタクト層２８が順に積層されている。ここでは、窓領域４０での光吸収損失を抑制する目的でアンドープのＩｎＰを採用している。
　窓領域４０のｎ型ＩｎＰ層４１は、スポットサイズ変換部３０のｎ型ＩｎＰクラッド層３１およびｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂの下層部に対応する。アンドープＩｎＰ層４２は、スポットサイズ変換部３０のコア層３２、ｐ型ＩｎＰクラッド層３３およびｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂの上層部に対応する。
　モニタＰＤ５０は、ＰＩＮ型のフォトダイオードである。モニタＰＤ５０は、窓領域４０におけるｐ型コンタクト層２８の表面に、アンドープＩｎＰ層５１、ｎ型コンタクト層５２が順に積層して形成される。ｎ型コンタクト層５２の表面は、パッシベーション膜６０で保護され、開口部６０ｂ、６０ｃを介してｐ電極５３およびｎ電極５４がそれぞれｐ型コンタクト層２８、ｎ型コンタクト層５２に接続されている。
　次に、実施の形態１における光半導体集積素子５０１の動作について説明する。図７は、光半導体集積素子５０１のスポットサイズ変換部３０での動作を説明するためのフローチャート図である。
　まず、スポットサイズ変換部３０では、レーザダイオード部２０のコア層２２から出射したレーザ光が、スポットサイズ変換部３０のコア層３２に入射される（ステップＳ７０１）。続いて、スポットサイズ変換部３０では、コア層３２の両側がレーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状にパターニングされとなっているため、伝搬光はスポットサイズ変換部３０内を伝搬するにつれて徐々にコア層３２両側のｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂへ染み出していく（ステップＳ７０２）。図２では、波紋状の点線Ｆ２は、進行方向におけるレーザ光の染み出し（光強度分布）の様子を示しており、伝搬光が徐々にコア層３２両側のｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂへ染み出していく様子がわかる。
　次いで、スポットサイズ変換部３０では、コア層３２から染み出したレーザ光が、コア層３２両側のｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂと、コア層３２およびｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂの上方のｐ型ＩｎＰクラッド層２７とに付けられた上下方向の屈折率分布に従って上方に偏る（ステップＳ７０３、図１の光路Ｅ２参照）。図３および図４では、楕円状の点線Ｆ１、Ｆ２は、それぞれコア層２２、２３を中心とするレーザ光の範囲を示す。楕円状の点線Ｆ１のレーザ光の範囲に対し、楕円状の点線Ｆ２のレーザ光の範囲は、コア層３２両側のｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂへ染み出すだけでなく、ｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂとｐ型ＩｎＰクラッド層２７に付けられた上下方向の屈折率分布により、上方のｐ型ＩｎＰクラッド層２７側に偏っていることがわかる。
　最後に、スポットサイズ変換部３０は、上方に偏ったレーザ光を窓領域４０に出射し、レーザ光の一部が窓領域４０の表面に設けられたモニタＰＤ５０に入射する（ステップＳ７０５）。図５では、楕円状の点線Ｆ３のレーザ光の範囲の一部が、モニタＰＤ５０に入り込んでいることがわかる。モニタＰＤ５０には、ｐ電極５３およびｎ電極５４を介して逆バイアスが印加されており、ｐ型コンタクト層２８で吸収されたレーザ光が光電変換され、モニタ電流として外部回路に取り出される。
　このように、スポットサイズ変換部３０では、コア層３２の両側がレーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状にパターニングされ、コア層の両側のｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂの屈折率を、モニタＰＤ５０に近い側でコア層の表面側を覆うｐ型ＩｎＰクラッド層２７の屈折率よりも低く設定することで、コア層から染み出したレーザ光をモニタＰＤ５０側に偏らせることができ、モニタＰＤに十分な光量を入射させることができる。
　以上のように、本実施の形態１にかかる光半導体集積素子５０１によれば、ｎ型ＩｎＰ基板１０の表面に設けられたレーザダイオード部２０と、レーザダイオード部２０から出射されたレーザ光を伝搬し、両側がレーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状であるコア層３２、コア層３２の表面側を覆う表面側クラッド層であるｐ型ＩｎＰクラッド層３３、コア層３２の裏面側を覆う裏面側クラッド層であるｎ型ＩｎＰクラッド層３１、コア層３２の両側に設けられた第一クラッド層であるｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂ、および表面側クラッド層と第一クラッド層の各表面に設けられた第二クラッド層であるｐ型ＩｎＰクラッド層２７からなり、ｎ型ＩｎＰ基板１０の表面に設けられたスポットサイズ変換部３０と、スポットサイズ変換部３０のコア層３２の先端側のｎ型ＩｎＰ基板１０の表面に設けられた窓領域４０と、窓領域４０の表面に設けられたモニタ部であるモニタＰＤ５０とを備え、第一クラッド層の屈折率を第二クラッド層の屈折率よりも低くしたので、コア層から染み出したレーザ光をモニタＰＤ５０側に偏らせることができ、モニタＰＤに十分な光量を入射させることができる。
　なお、本実施の形態では、レーザダイオード部２０に隣接してスポットサイズ変換部３０が配置されているが、両者の間に変調器等の導波路型デバイスが集積された構造においても同様の効果が得られる。
　実施の形態２．
　実施の形態１では、窓領域４０において、スポットサイズ変換部３０のコア層３２、ｐ型ＩｎＰクラッド層３３、およびｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂの上層部に対応する領域には、アンドープＩｎＰ層４２を設けたが、実施の形態２では、ｎ型ＩｎＰ層を設けた場合について示す。
　図８は、実施の形態２における光半導体集積素子の構成を示す断面図であり、レーザ出射方向中央部の縦断面図である。図９は、図８のＧＧの矢視位置での光半導体集積素子の縦断面図である。
　図８および図９に示すように、実施の形態２の光半導体集積素子５０２では、実施の形態１におけるアンドープＩｎＰ層４２の領域も、第一クラッド層のｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂと同じ層からなるｎ型ＩｎＰ層４１とした。実施の形態２による光半導体集積素子５０２のその他の構成については、実施の形態１の半導体光集積素子５０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
　実施の形態２では、レーザダイオード部２０から出射された伝搬光が、スポットサイズ変換部３０によって上方に偏った状態で窓領域４０入射する。実施の形態１ではｐ型ＩｎＰクラッド層２７とアンドープＩｎＰ層４２の屈折率が共に３．２０４（波長１．３μｍの場合）と差がないため窓領域４０へ入射した光は真っすぐに進むのに対し、実施の形態２ではスポットサイズ変換部３０の出口に配置した第一窓層としてのｎ型ＩｎＰ層４１の屈折率が３．１９（波長１．３μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ－３の場合：キャリア濃度が高いほど屈折率は下がる）と第二窓層としてのｐ型ＩｎＰクラッド層２７よりも低い。したがって、窓領域４０へ入射した光は、上記屈折率差に従ってさらに上方に偏るため（図８の光路Ｅ２、図９のレーザ光の範囲：楕円状の点線Ｆ４参照）、実施の形態１に比べてモニタＰＤ５０へ入射する光量をさらに向上させることができる。
　以上のように、本実施の形態２にかかる光半導体集積素子５０２によれば、第一クラッド層であるｎ型ＩｎＰクラッド層３４ａ、３４ｂに対応する窓領域４０には、第一窓層であるｎ型ＩｎＰ層４１が設けられ、第二クラッド層であるｐ型ＩｎＰクラッド層２７に対応する窓領域４０には、共通して第二窓層であるｐ型ＩｎＰクラッド層２７が設けられ、第一窓層の屈折率を第二窓層の屈折率よりも低くしたので、窓領域へ入射した光は、屈折率差に従ってさらに上方に偏るため、実施の形態１に比べてモニタＰＤへ入射する光量をさらに向上させることができる。
　なお、実施の形態２では、第一クラッド層の屈折率を第二クラッド層の屈折率よりも低くした構成とした上で、第一窓層の屈折率も第二窓層の屈折率よりも低くする構成としたが、第一窓層の屈折率を第二窓層の屈折率よりも低くする構成のみでも効果は発揮される。組み合わせることで、両方の効果を享受できる。
　実施の形態３．
　実施の形態１では、モニタＰＤ５０は、窓領域４０の表面にのみ設けたが、実施の形態３では、窓領域４０の表面だけでなく、スポットサイズ変換部３０の表面まで延伸された場合について示す。
　図１０は、実施の形態３における光半導体集積素子の構成を示す断面図であり、レーザ出射方向中央部の縦断面図である。図１１は、図１０のＨＨの矢視位置での光半導体集積素子の横断面図である。
　図１０および図１１に示すように、実施の形態３の光半導体集積素子５０３では、モニタＰＤ５５は、実施の形態１のモニタＰＤ５０を延伸して、窓領域４０の表面とスポットサイズ変換部３０の表面の一部に跨って設けられる。実施の形態３のモニタＰＤ５５は、
スポットサイズ変換部３０のｐ型ＩｎＰクラッド層２７と窓領域４０のｐ型ＩｎＰクラッド層２７の上に跨るように、ｐ型コンタクト層２８、アンドープＩｎＰ層５１、ｎ型コンタクト層５２が順に積層して形成される。実施の形態３による光半導体集積素子５０３のその他の構成については、実施の形態１の半導体光集積素子５０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
　実施の形態３では窓領域４０の前端面４０ａからの反射光を有効に活用する。前端面４０ａからの反射光（図１０の光路Ｅ３参照）の一部は、モニタＰＤ５５の窓領域４０の部分へ入射するが、一般に窓長は短いため（長いと窓領域での放射光が素子表面のパッシベーション膜で反射しＦＦＰ（Far Field Pattern）形状が乱れる）、モニタＰＤ５５へ入射する光量が制限される。一方、実施の形態３では窓領域４０の手前に配置されたスポットサイズ変換部３０の表面にもモニタＰＤ５５が存在するため、モニタＰＤ５５に入射する光量が増える（図１０の光路Ｅ４参照）。
　以上のように、本実施の形態３にかかる光半導体集積素子５０３によれば、モニタＰＤ５５を、窓領域４０の表面とスポットサイズ変換部３０の表面に跨って設けたので、実施の形態１に比べてモニタＰＤへ入射する光量をさらに向上させることができる。
　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
　１０　ｎ型ＩｎＰ基板、２０　レーザダイオード部、２２　コア層、２７　ｐ型ＩｎＰクラッド層（第二クラッド層）、３０　スポットサイズ変換部、３４ａ、３４ｂ　ｎ型ＩｎＰクラッド層（第一クラッド層）、４０　窓領域、５０、５５　モニタＰＤ（モニタ部）、５０１、５０２、５０３　光半導体集積素子。

Claims (7)

  1. 　基板の表面に設けられたレーザダイオード部と、
    　前記レーザダイオード部から出射されたレーザ光を伝搬し、両側が前記レーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状であるコア層、前記コア層の表面側を覆う表面側クラッド層、前記コア層の裏面側を覆う裏面側クラッド層、前記コア層の両側に設けられた第一クラッド層、および前記表面側クラッド層と前記第一クラッド層の各表面に設けられた第二クラッド層からなり、前記基板の表面に設けられたスポットサイズ変換部と、
    　前記スポットサイズ変換部のコア層の先端側の前記基板の表面に設けられた窓領域と、
    　前記窓領域の表面に設けられたモニタ部とを備え、
    　前記第一クラッド層の屈折率は、前記第二クラッド層の屈折率よりも低いことを特徴とする光半導体集積素子。
  2. 　前記第一クラッド層と前記第二クラッド層は、それぞれ複数の層からなり、前記第一クラッド層側から前記第二クラッド層側まで段階的に屈折率が低くなることを特徴とする請求項１に記載の光半導体集積素子。
  3. 　前記第一クラッド層はｎ型ＩｎＰ層であり、前記第二クラッド層はｐ型ＩｎＰ層であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体集積素子。
  4. 　前記第一クラッド層に対応する窓領域には第一窓層が設けられ、前記第二クラッド層に対応する窓領域には第二窓層が設けられ、前記第一窓層の屈折率は、前記第二窓層の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体集積素子。
  5. 　前記第一窓層は、ｎ型ＩｎＰ層であり、前記第二窓層は、ｐ型ＩｎＰ層であることを特徴とする請求項４に記載の光半導体集積素子。
  6. 　前記モニタ部は、前記スポットサイズ変換部の表面に跨って設けられたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光半導体集積素子。
  7. 　基板の表面に設けられたレーザダイオード部と、
    　前記レーザダイオード部から出射されたレーザ光を伝搬し、両側が前記レーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状であるコア層、前記コア層の表面側を覆う表面側クラッド層、前記コア層の裏面側を覆う裏面側クラッド層、前記コア層の両側に設けられた第一クラッド層、および前記表面側クラッド層と前記第一クラッド層の各表面に設けられた第二クラッド層からなり、前記基板の表面に設けられたスポットサイズ変換部と、
    　前記スポットサイズ変換部のコア層の先端側の前記第一クラッド層に対応する領域には第一窓層が配設され、前記第二クラッド層に対応する領域には第二窓層が配設され、前記基板の表面に設けられた窓領域と、
    　前記窓領域の表面に設けられたモニタ部とを備え、
    　前記第一窓層の屈折率は、前記第二窓層の屈折率よりも低いことを特徴とする光半導体集積素子。
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