JPH0410582A - 半導体光素子 - 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、半導体基板上に設けられた光導波路に関する
。

すなわち、光導波路の端面の角度をスネルの法則にした
がって設定し、基準面に対して垂直または平行に出射さ
れるようにした半導体光素子に関する。

〔従来の技術〕

低コヒーレント発光素子（５ｕｐｅｒ　Ｌｕｍ１ｎｅｓ
ｃｅｎｔＤｉｏｄｅいわゆるＳＬＤ、）、半導体光直接
増幅素子（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｌａ５ｅｒ　
ＡｍｐｌｉｆｉｅｒいわゆるＳＬＡ、）について、その
概略を説明する。

低コヒーレント発光素子（以下、ＳＬＤという。

）は、光学利得を有する先導波路を持ち、かつレーザ発
振を抑圧した素子である。この結果として、レーザの発
光する前段において、比較的広い光スペクトル幅で、発
光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｓ＋ｉｔｔｉｎｇＤｉｏ
ｄｅ、以下ＬＥＤという。）と比較して、より高い光出
力が得られる。そして、このＳＬＤは低コヒーレンスの
ため、光源、光ファイバ、光ディスク等における戻り光
雑音や干渉を起こすスッペクル雑音が本質的に生じにく
い。また、光スペクトル幅が広く、近似的な白色光源と
なりえるため、光計測用として近年、精力的に開発され
ている。

また、半導体光直接増幅素子（以下、ＳＬＡという。）
は、電流注入により光学利得を光導波路に与え、かつ、
レーザ発振を抑圧した素子であり、光伝送線路の途中に
配置される。現在、ＳＬＡは光伝送線路とのファイバ結
合損失を含めても光信号を２０ｄＢ程度、直接、増幅し
得るものである。このＳＬＡは、光スペクトル特性から
広帯域の光増幅が可能であり、かつ、同一材料から作製
される半導体レーザ（以下、ＬＤという。）等との集積
化が可能である。そのため、将来の光交換システムを含
めた長距離高速大容量光通信網の中核をなす素子として
開発が急がれている。

以上述べた、ＳＬＤ及びＳＬＡの基本的動作は、ＬＤの
光導波路端面における光反射のうち光導波路に結合され
る成分を抑圧して行われることが条件である。また、注
入密度を高めた場合においても、レーザ発振を生じさせ
ないということも必要である点で共通している。

このように、ＳＬＤ等の基本的動作は、ＬＤの光導波路
の端面における光反射のうち光導波路Ｑこ結合される成
分を抑圧した状況下で行われる必要がある。

この光導波路に結合される成分の抑圧、すなわち、光導
波路の結合反射率を低減するためには、一般には以下の
４つの手法が知られている。

■　ＬＤの光導波路の端面に無反射膜を施す。

■　光導波路端に光吸収領域を設け、反射光を吸収させ
る。

■　光導波路端に光吸収のない物質を埋め込むことによ
りいわゆる窓領域を設け、光導波路から放射された光、
及び窓領域内で反射する光を拡散させる。これによって
反射光の中で光導波路に結合される成分を抑圧する。

■　光を放射する端面に対して光導波路を傾斜して設け
、端面に反射し光導波路に結合される成分を抑圧する。

しかし、■から■までの手法には以下の問題がある。

■については以下の問題がある。

無反射膜を用いた場合、反射率≦１０−’＆するために
は層厚を５ｎｍ以内、屈折率を０．０５以内の精度で制
御する必要がある（例えば、電子通信学会技術研究報告
０ＱＥ８４−９３、ｐｐ、２９〜ｐｐ、３６斎藤、向弁
、三上） また、ＴＥ、　ＴＭの両モードについて、同時に、同一
のレヘルまで低減できないと報告されている（例えば、
Ｇ、Ａ、ＡＩｐｈｏｎｓｅ　ｅｔａｌ、　Ａｐｐｌｉｅ
ｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ　５５、
Ｎｏ、２２　２７　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１９８９　ｐｐ
、２２８９〜ｐｐ、２２９１　）。

そのうえ、この無反射膜を用いる手法は光波の共振現象
によって行われているため、光の波長の広い範囲にわた
り安定した低反射率を実現することができない。

■については以下の問題がある。

光導波路端に光吸収領域を設けた場合、この領域は可飽
和吸収体として働（ために、光導波路中の光密度しきい
値を境として急激に吸収が変化し、かつ、この変化は結
晶成長及びデバイス形成時に意図せずに導入される結晶
の欠陥が非発光再結晶中心となる。そのため、製造上、
光吸収特性及びその経時特性に、ばらつきが生し、安定
した素子特性が得られ難い。さらに、そればかりでなく
、先導波路端に形成された光吸収２■域のために、入射
もしくは出射信号光が減衰するため、光直接増幅素子が
得られない。

■については以下の問題がある。

窓領域とは、光導波路端と窓領域との境界における光反
射を除去すべくその光導波路を形成する物質と同一か、
ごく近い屈折率を有する物質により光導波路端面に接し
、かつ、その光導波路端面からある長さを隔てて終端面
を有するように形成された領域を指す。この窓領域の機
能は、窓領域と接した光導波路端面からその窓領域に入
射した光はその窓領域中を拡散しながら、その窓領域の
終端面を経てその光導波路端面に戻って来るが、その拡
散により光導波路端面を通過し、光導波路中に帰還する
成分を著しく抑圧させるというものである。

しかし、例えば、埋め込み型構造をとるＧａｘＩｎ＋−
ＸＡｓｙ　Ｐ＋−ｙ／ＩｎＰ化合物半導体系光素子にお
いては、その化合、物半導体系により窓領域を結晶成長
により形成するが、一般にその光導波路端面に対する化
合物半導体の結晶成長に再現性が乏しい。このため、光
導波路端面と窓領域との境界における光反射を十分に抑
圧できない。また、光導波路端面と窓領域との境界で光
の透過が乱されることによって窓領域の終端面よりの出
射光において近視野像、及び遠視野像の乱れが生しる。

そのため、出射光を光ファイバに入射する場合、その出
射光のなかで光ファイバに入射する割合が低下するとい
う問題点がある。

［発明が解決しようとする課題〕 以上の■から■までの手法に比べて、■の光放射端面に
対して光導波路を傾斜して設け、端面反射の光導波路に
結合する成分を抑圧するという手法は、簡便であり実現
性もある。

しかし、■についても以下の問題がある。

まず、光導波路が傾斜した素子の形成法は、例えば、屈
折率導波路構造を採用する素子の場合、第−導伝型の例
えば、ＩｎＰ基板上に第−導伝型のｌｎＰ緩衝層、Ｇａ
Ｘ　Ｉ　ｎｌ−ｘ　Ａｓ、Ｐ＋−ｖ　／ＩｎＰ活性層、
第二導伝型のＪｎＰを順次結晶成長してなるダブルへテ
ロ基板上にストライプ状のエツチングマスクを形成した
上で、その活性層を含むようにメサ状にエツチングし、
後に屈折率導波路となるメサストライプを形成する。こ
の時メサストライプの方向を光出射端面の面方向と一致
しないように設定する。

引続きそのメサストライプをそのマスクにより覆われた
部分を除いて第二導伝型１ｎＰ、第−導伝型１ｎＰを順
次成長することにより埋め込み層を形成して素子構造が
完成する。このような構成においては、光導波路内から
光導波路端面を通過して出射する光線は光導波路端面を
通過する前後において、前記光導波路端面に仮想的に立
てた法線に対する角度の正弦と媒質の屈折率の積が保存
されるというスネルの法則を満たす。

そのため、光導波路の傾斜角と光出射角とは、より低い
反射率を求めて光導波路の傾斜角を太きくするにつれて
出射光方向が光出射端面の法線方向から離れて行くとい
う関係にある。

この関係を第９図、第１０図に示す。

第９図で説明すると、光出射端面７はへき開により形成
されている。そして、光導波路６が傾斜した素子をダイ
アモンド等のヒートシンク１２に接合する工程で、へき
関された端面を方向設定の基準としている。そのへき関
された端面の法線方向８に対してθｉ傾斜した光導波路
６の内部を伝播する光９は、スネルの法則に従い、第９
図中のθｒの角度を有する出射光５となる。この結果、
光導波路６が傾斜している素子と法線方向８とに平行な
光伝送線路に沿っている光ファイバとの結合がむずかし
くなる。

また、このように先導波路６の傾きを大きく取った場合
、出射光５を受ける光ファイバも必然的に傾くので、光
ファイバの受光効率を向上させるためには、光導波路６
が傾斜した光出射端面７と光ファイバ端とを、例えば、
１０μｍ程度に接近させる必要がある。しかし、この場
合光ファイバ端が光出射端面７に接触するようになって
しまう。

本発明は、傾斜した先導波路を有するＳＬＤ及びＳＬＡ
における上記のような事情を鑑みてなされたものであり
、光導波路の結合反射率を強く抑圧した上でも、出射光
と光ファイバとの結合が良好となる半導体光素子を提供
することを課題とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記課題を解決するために本発明の半導体光素子におい
ては、光が導波する先導波路の方向と光が出射される出
射面方向との間との関係をス矛ルの法則に従って設定し
た構成とした。

すなわち、この半導体光素子は、導波する光がスネルの
法則に従っ、で定めた基準面に対して平行または垂直方
向に光を放出、または導入するような角度をもってその
一つの端面を配設した第１の光導波路が半導体基板上に
形成され、その第１の光導波路の端面から放出される光
を導入、または放出し、そして上記のごとく定めた第１
の基準面に対して平行または垂直に配設される第２の基
準面とを有する第２の光導波路とを備えている。

〔実施例〕

以下、本発明の半導体光素子の一実施例を図面を用いて
説明する。

ここで、第１の光導波路は単に光導波路６として、第２
の光導波路は第２の光導波路３として以下述べる。

第１の実施例の構成において、第１図で俯かん図を、第
２図で模式的な見取図を示す。

まず、光導波路６に対して平行に進む光９があり、その
光９は光導波路６の光出射光導波路端面２で出射光５と
なる。出射光５は第１の基準面としてのへき開面４に対
し任意の方向で、かつ、水平または垂直方向になるよう
に、鉛直な光出射光導波路端面２を形成する。この光出
射光導波路端面２の形成はウェットまたはドライエツチ
ングにより行われる。次に、出射光５はへき開面４に平
行または垂直の位置にある第２の光導波路３の第２の基
準面１に対して垂直に入射され、第２の光導波路３の内
部を平行に進む。

そして、光出射光導波路端面２からの出射光５の方向が
、へき開面４の法線方向８に一致する条件を、例えばＧ
ａ　ＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ　（Ａｇ−１゜５５μｍ）に通
用した場合、光９と光出射光導波路端面２との間に成立
する関係を第３図及び、第４図に示す。

第３図中の角度：θｎは光出射光導波路端面２の法ＸＨ
“に対する光９の傾きである。

角度：θｆは法線方向８に対する光出射光導波路端面２
の傾きである。

角度：θｉは法線方向８゛に対する光９の傾きである。

このような構成による光出射光導波路端面２における光
９がもとの光導波路６に帰還する割合（光導波路結合反
射率）の例を、その光出射光導波路端面２に対する光９
の傾き角：θｎの関数として第８図に示す。光導波路結
合反射率はθｎと共に急激に減少し、例えば、第３図に
示した結晶系において光出射光導波路端面２の方向が法
線方向８に対しで４５°傾いている場合は、光導波路結
合反射率として屈折率光導波路構造においても５Ｘ　Ｉ
　Ｏ−’以下が得られることがわかる（破線で示す）。

以下に、本発明の半導体光素子を形成する一実施例を第
５図にて説明する。

（１）　　第−導伝層を有するＩｎＰ基板上に第−導伝
層のＩｎＰハンファ層１３、活性層１４、第二導伝層の
クラッド層１５を順次結晶成長する。

（２）　　（１）の工程により成長したダブルへテロ基
板のへき開面４方向に対し傾けたメサ１６を通常のＬＤ
と同様な手法により形成する。

（３）　　それを第二導伝層１７、第−導伝層１８のＩ
ｎＰにて順次埋め込み成長を行う。

（４）次に、ＩｎＰ基板上に、後にエツチングマスクと
なる誘電体層１９をプラズマＣＶＤ等によって被着する
。その後、光導波路６となるメサ１６方向と光出射端面
７との角度を考慮し、後に光出射端面７を含む溝を形成
するためのレジストパターン２０を形成する。次に、光
出射端面７を含む溝を形成する過程を第５図に示す（４
）の過程におけるＡＡ′断面で（ａ）からげ）を用いて
説明する。

（ａ）　　基板上の誘電体層１９をレジストパターン２
０状にエツチングした後、電極材料２１を基板の表裏両
面にそれぞれの導伝性に合わせて蒸着する。

（ｂ）　　レジストパターン２０をアセトン等で溶解し
て、パターン上の電極材料２１をリフトオフした後、熱
処理を施し、電極２２を形成する。

（Ｃ）　　このように電極２２が形成された基板上に、
再び、誘電体層２３を被着する。

（ｄ）　　レジスト２４を塗布した後、前記レジストパ
ターン２０と平行にエツチングするための領域の窓を開
ける。

（ｅ）　　引き続いて、レジスト２４をマスクとして誘
電体層２３を除去する。

（ｆ）　　その後、誘電体層２３をマスクとして、Ｇａ
Ｔ　ｎ　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　Ｐ結晶、またはＧａ１ｎ
ＡｓＰ／　Ｉ　ｎ　Ｐ結晶にウェット法やドライ法を用
いて工・ンチングを施し、溝２７を形成する。

（５）　　以上（ａ）からげ）の工程により溝２７を有
する基板が形成される。（第５図　（５）参照）（６）
　　次に、溝２７の垂直部分に活性層を含む光導波路６
の端面が一致するようにＩｎＰ基板を、へき開もしくは
ダイシングに依って分割することにより、傾斜光導波路
素子２５を得ることができる。

そして、本発明の半導体光素子を用いた（７）、（８）
の応用例がある。

（力　そして、この傾斜光導波路素子２５を、ダイアモ
ンド等のヒートシンク１２の端面に、結晶のへき開面４
を一致させてダイボンディングした後、傾斜光導波路素
子２５へのワイアーボンディング２８を行いＳＬＤを完
成させる。

（８）　　一方、ＳＬＡは、傾斜光導波路素子２５とヒ
ートシンク１２との全長を同程度とし、これを出力光フ
ァイバ２９と入力光ファイバ３１の間に配置することに
より完成する。

このＳＬＤ、ＳＬＡは、ワイアー２８を通して電流また
は電子を傾斜光導波路素子２５に注入することにより機
能する。

これまで、Ｇａ１ｎＡｓＰ／ＩｎＰ系屈折率導波構造素
子に付いて説明してきたが、本発明は利得導波構造やり
ンジ光導波路構造及びＡｌＧａＡｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　
Ｓ系など他の結晶系の素子にも適用できることは言うま
でもない。

また、第２の実施例として、本発明の半導体光素子を分
布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）に適用した例を
第６図に、分布ブラッグ反射型半導体レーザ（ＤＢＲ−
ＬＤ）に適用した例を第７図に示した。

ＤＦＢ−ＬＤは活性層１４に沿って発振波長を選択する
回折格子３２が刻まれたガイド層３０を具備している。

一方、ＤＢＲ−ＬＤは活性層１４と光を選択的に反射す
る回折格子３２を有するガイド層３０が直列に結合され
た構造となっている。この側構造とも回折格子３２は、
ガイド層３０の方向に光を回折するように第５図（１）
の工程で作られたダフルへテロ基板の形成時に作り込ま
れており、それ以後の埋め込み成長工程は、第１の実施
例にあるＳＬＤやＳＬＡと基本的に同一である。このよ
うに、本発明をＤＢＲ−ＬＤ、または、ＤＦＢ−ＬＤに
適用した場合の効果は以下のとおりである。

ＤＢＲ−ＬＤ、または、ＤＦＢ−ＬＤにおいて、先光導
波路端面における回折格子３２の位相がレーザ発振の特
性に強い影響を与える。例えば、ＧａＩ　ｎ　Ａ　ｓ　
Ｐ　／　Ｉ　ｎ　Ｐ光半導体レーザにおいて、次回折格
子３２のピンチは、２００〜２５０ｎｍと微細である。

そのため、へき開等による光導波路端面の形成において
、回折格子３２の位相制御は、現在、はぼ不可能である
。それゆえ、これらのＬＤの発振特性を安定化するため
には、光導波路端面での光の反射を抑圧する必要がある
。本発明では、このような問題の解決に対しても有効で
あることはこれまでの説明からも明らかである。

そして、また本発明による構成を半導体レーザ型光スイ
ッチに適用することもできる。

この場合の効果は以下のとおりである。

本発明の半導体光素子では、光出射端が光入射の垂直方
向にずれているため、スイッチ−オフ状態において、ク
ロストークの原因となる素子への入射光が活性層を迂回
して伝播する。そのため、光出射端へ直接出る光信号成
分を従来の物より削減できると言う利点もある。

〔発明の効果〕

本発明の構成によれば、次のような利点が得られる。

まず、結合反射率を抑圧した上で、光を基準面に対して
平行または垂直に出射または導入できるので、光の結合
が容易にできるようになった。

次に、半導体光素子の基準面に対して平行または垂直に
という調整しやすい角度で光を出射できる。したがって
、光出射端面以外の、へき開面により素子の位置合わせ
を通常の半導体レーザ同様容易にできるので、製造が容
易である。

また、この反射率の低減は無反射膜のような物質の有す
る波長依存性を、はとんど持たない方法で行っているた
め、広範囲の波長にねったで、ファブリ・ペローモード
発振の抑圧が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体光素子の俯かん図、第２図は本
発明の半導体光素子を模式的に示した見取図、 第３図は第１図の光出射端面付近を拡大した図、第４図
は光導波路と光出射端面との間に成立する関係を説明す
る図、 第５図は本発明の半導体光素子の製造工程を示した図、 第６図は本発明の半導体光素子をＤＦＢ−ＬＤに使用し
た場合の俯かん図、 第７図は本発明の半導体光素子をＤＢＲ−ＬＤに使用し
た場合の俯かん図、 第８図は光出射端面における入射光が元の光導波路に帰
還する割合（光導波路結合反射率）の例を第３図に示す
端面に対する光導波路傾き角：θｎの関数として示した
図である。 第９図は従来の半導体光素子の俯かん図、第１Ｏ図は従
来の半導体光素子を模式的に示した見取図である。 １２・ １３・ １５・ １６・ １８・ ２０・ ２２・ ２４・ ２７・ ２９・ ３１　・ 第２の光導波路 へき開面、５・・・出射光、 光導波路、７・・・光出射端面、 法線方向、９・・・光、 出射光、１１・・・半導体基板 ヒートシンク、 ＩｎＰハンフ７層、１４・・・活性層、第２導伝層のク
ラット層、 メサ、１７・・・第２導伝層、 第１導伝層、１９・・・誘電体層、 レジストパターン、２１・・・電極材料、電極、２３・
・・誘電体層、 レジスト、２５・・・傾斜光導波路素子、溝、２Ｂ・・
・ワイアー 出力ファイバ、３０・・・ガイド層、 人力ファイバ。３２・・・回折格子。 １・・・第２の基準面、 ２・・・光出射光導波路端面、 出願人　　　　　　アンリッ株式会社 代理人　　弁理士　　小　池　龍太部 第 図 第 図 第 図 ６４ノ 第 図 ＋００ φｒ （度） 図 第 図 第 図 θ、＋　（及ン 第１ ０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第１の基準面（４）を有する半導体基板（１１）と、
   該半導体基板（１１）上に形成され、それが導波する光
   （９）がスネルの法則に従って第１の基準面（４）に対
   して平行または垂直方向に光を放出または導入するよう
   な角度をもってその一つの端面（２）が配設されている
   第１の光導波路（６）と、 該第１の光導波路（６）の前記端面（２）より放出され
   る光（５）を導入または放出し、かつ、前記第１の基準
   面（４）と平行または垂直に配設される第２の基準面（
   １）とを有する第２の光導波路（３）とを備えた半導体
   光素子。