JPH07312460A - 光半導体素子 - Google Patents
光半導体素子Info
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- JPH07312460A JPH07312460A JP12573394A JP12573394A JPH07312460A JP H07312460 A JPH07312460 A JP H07312460A JP 12573394 A JP12573394 A JP 12573394A JP 12573394 A JP12573394 A JP 12573394A JP H07312460 A JPH07312460 A JP H07312460A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】TE波、TM波共に低反射率にでき、更に端面
を保護する性能の高い光学膜を端面に持つ光半導体素子
である。 【構成】端面に光学膜を施した光半導体素子1である。
光学膜は、2層の誘電体薄膜2、3の組み合わせからな
り、端面側の第1の薄膜2は、AlN、Si3N4から選
ばれる少なくとも1種の材料と、SiNxの材料との膜
からなり、第1の薄膜2上に形成される第2の薄膜3
は、SiO2の材料からなる。AlN、Si3N4から選
ばれる少なくとも1種の材料の組成濃度は、素子端面側
が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少し、かつS
iNxの組成濃度は、端面側が小さく、膜厚方向に徐々
に組成濃度が増加している。
を保護する性能の高い光学膜を端面に持つ光半導体素子
である。 【構成】端面に光学膜を施した光半導体素子1である。
光学膜は、2層の誘電体薄膜2、3の組み合わせからな
り、端面側の第1の薄膜2は、AlN、Si3N4から選
ばれる少なくとも1種の材料と、SiNxの材料との膜
からなり、第1の薄膜2上に形成される第2の薄膜3
は、SiO2の材料からなる。AlN、Si3N4から選
ばれる少なくとも1種の材料の組成濃度は、素子端面側
が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少し、かつS
iNxの組成濃度は、端面側が小さく、膜厚方向に徐々
に組成濃度が増加している。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信システムなどに
用いられる光信号を直接増幅する為の高帯域半導体光増
幅器等である、端面に、保護性能を有しかつ無反射コー
ティングの光学膜などを持つ光半導体素子に関する。
用いられる光信号を直接増幅する為の高帯域半導体光増
幅器等である、端面に、保護性能を有しかつ無反射コー
ティングの光学膜などを持つ光半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体光増幅器は、図7に示す様
に、基板100上に形成された上下クラッド層105、
106に挟まれた活性層102を含む半導体レーザ構造
101を有し、そのへき開端面に反射防止(AR)コー
ティング103a、103bを施すことによって、電流
104の注入で高い内部ゲインを与えた場合にもレーザ
発振が抑えられる様な構造を有している。
に、基板100上に形成された上下クラッド層105、
106に挟まれた活性層102を含む半導体レーザ構造
101を有し、そのへき開端面に反射防止(AR)コー
ティング103a、103bを施すことによって、電流
104の注入で高い内部ゲインを与えた場合にもレーザ
発振が抑えられる様な構造を有している。
【0003】このARコーティングの良否は半導体光増
幅器の性能を左右し、入力波長スペクトルに対するゲイ
ンの増減(ゲインリップル)を抑えるにはARコーティ
ングの反射率を低く抑える必要がある。ゲインリップル
を2dBとした場合の単一通過ゲインGとARコーティ
ングの反射率Rとの条件は G・R≦0.1 で与えられる。例えば、ゲイン20dBとした場合の反
射率はR≦0.1%となる。
幅器の性能を左右し、入力波長スペクトルに対するゲイ
ンの増減(ゲインリップル)を抑えるにはARコーティ
ングの反射率を低く抑える必要がある。ゲインリップル
を2dBとした場合の単一通過ゲインGとARコーティ
ングの反射率Rとの条件は G・R≦0.1 で与えられる。例えば、ゲイン20dBとした場合の反
射率はR≦0.1%となる。
【0004】こうした反射率Rを低減し波長スペクトル
に対するゲインリップルを解消した光増幅器は、多波長
多重化信号の光増幅に有用であり、進行波型光増幅器と
称される。
に対するゲインリップルを解消した光増幅器は、多波長
多重化信号の光増幅に有用であり、進行波型光増幅器と
称される。
【0005】ARコーティング103a、103bの形
成手段としては、通常、へき開端面に所望の屈折率n’
を有する誘電体膜をλ/4n’(λは光波長)の厚さで
堆積している。ここでの所望の屈折率は、用いる半導体
材料、導波路構造で異なるが、InP/InGaAsP
系のレーザにおいては、最適屈折率の値はおおよそn’
≒1.81である。
成手段としては、通常、へき開端面に所望の屈折率n’
を有する誘電体膜をλ/4n’(λは光波長)の厚さで
堆積している。ここでの所望の屈折率は、用いる半導体
材料、導波路構造で異なるが、InP/InGaAsP
系のレーザにおいては、最適屈折率の値はおおよそn’
≒1.81である。
【0006】ところで、半導体光増幅器には、TE波と
TM波の2つの偏波状態が存在し、夫々ゲインが異なる
のが一般的である。これらの半導体光増幅器の入出力に
は、通常、単一モードの光ファイバーが用いられるが、
光ファイバーへの圧力、温度、振動等による応力の変化
により伝送光の偏波状態が経時的に変化する。そのた
め、光ファイバーからの出力光を受けた半導体光増幅器
のゲインも不安定になる。そのため、その対策には、半
導体光増幅器の端面反射率を、TE波、TM波共に低減
する事が必要となる。
TM波の2つの偏波状態が存在し、夫々ゲインが異なる
のが一般的である。これらの半導体光増幅器の入出力に
は、通常、単一モードの光ファイバーが用いられるが、
光ファイバーへの圧力、温度、振動等による応力の変化
により伝送光の偏波状態が経時的に変化する。そのた
め、光ファイバーからの出力光を受けた半導体光増幅器
のゲインも不安定になる。そのため、その対策には、半
導体光増幅器の端面反射率を、TE波、TM波共に低減
する事が必要となる。
【0007】しかし、上記反射防止膜として単層膜を用
いた場合、最適屈折率(1.81)においては、TE
波、TM波共に、0.01%程度の反射率が期待出来る
が、僅か0.1の屈折率変動でも、そのTE波、TM波
の各反射率の比が100倍以上に拡大してしまい、製膜
上の屈折率制御が難しくなる。
いた場合、最適屈折率(1.81)においては、TE
波、TM波共に、0.01%程度の反射率が期待出来る
が、僅か0.1の屈折率変動でも、そのTE波、TM波
の各反射率の比が100倍以上に拡大してしまい、製膜
上の屈折率制御が難しくなる。
【0008】そこで、屈折率変動に対して比較的許容度
が広い、高屈折率の材料と低屈折率の材料を組み合わせ
た2層膜以上の膜構成にした反射防止膜も考えられる。
上記例の場合、高屈折率材料の屈折率は2.20〜2.
65、低屈折率材料においては1.25〜1.48の範
囲での各々の屈折率とその膜厚との組み合わせにおい
て、TE、TM波共に、低屈折率(0.1%以下)を達
成する事が可能となる。その具体的な材料を挙げれば、
高屈折率材料としてはTiO2、CeO2、ZnS等があ
り、低屈折率材料としてはMgF2、CaF2、LiF等
が知られている。
が広い、高屈折率の材料と低屈折率の材料を組み合わせ
た2層膜以上の膜構成にした反射防止膜も考えられる。
上記例の場合、高屈折率材料の屈折率は2.20〜2.
65、低屈折率材料においては1.25〜1.48の範
囲での各々の屈折率とその膜厚との組み合わせにおい
て、TE、TM波共に、低屈折率(0.1%以下)を達
成する事が可能となる。その具体的な材料を挙げれば、
高屈折率材料としてはTiO2、CeO2、ZnS等があ
り、低屈折率材料としてはMgF2、CaF2、LiF等
が知られている。
【0009】
【発明が解決しようとしている課題】しかし、反射防止
効果だけでなく、環境雰囲気からの酸素や水分から半導
体レーザ構造端面を保護する性能が高いか否かという点
に関しては、上記材料群では必ずしも充分とは言えな
い。例えば、半導体レーザ構造端面に接する第1の薄膜
がTiO2、CeO2等の酸化物の場合は、遊離酸素によ
る端面への影響があり、第2の薄膜がフッ化物の場合は
吸湿性等の問題が生じる。
効果だけでなく、環境雰囲気からの酸素や水分から半導
体レーザ構造端面を保護する性能が高いか否かという点
に関しては、上記材料群では必ずしも充分とは言えな
い。例えば、半導体レーザ構造端面に接する第1の薄膜
がTiO2、CeO2等の酸化物の場合は、遊離酸素によ
る端面への影響があり、第2の薄膜がフッ化物の場合は
吸湿性等の問題が生じる。
【0010】そこで、本発明においては、半導体光増幅
器等の光半導体素子端面に積層された光学膜が、TE
波、TM波共に0.1%以下の低反射率を有し、しかも
製膜上の屈折率変動の許容量も大きい2層膜構成の反射
防止膜であり、かつ環境雰囲気からの光半導体素子端面
を保護する膜として高耐久性を要求する課題をも解決す
る。
器等の光半導体素子端面に積層された光学膜が、TE
波、TM波共に0.1%以下の低反射率を有し、しかも
製膜上の屈折率変動の許容量も大きい2層膜構成の反射
防止膜であり、かつ環境雰囲気からの光半導体素子端面
を保護する膜として高耐久性を要求する課題をも解決す
る。
【0011】よって、本発明の目的は、上記課題を解決
した、端面に光学膜を持つ光半導体素子を提供すること
にある。
した、端面に光学膜を持つ光半導体素子を提供すること
にある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明では、端面に光学
膜(反射防止膜など)を施した半導体光増幅器などの光
半導体素子において、該光学膜は、2層の誘電体薄膜の
組み合わせからなり、該素子端面側の第1の薄膜は、A
lN、Si3N4から選ばれる少なくとも1種の材料とS
iNxの材料との膜からなり、該AlN、Si3N4から
選ばれる少なくとも1種の材料の組成濃度は、素子端面
側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少し、かつ
SiNxの組成濃度は、素子端面側が小さく、膜厚方向
に徐々に組成濃度が増加している傾斜組成の膜であり、
第2の薄膜はSiO2の材料からなることを特徴とす
る。
膜(反射防止膜など)を施した半導体光増幅器などの光
半導体素子において、該光学膜は、2層の誘電体薄膜の
組み合わせからなり、該素子端面側の第1の薄膜は、A
lN、Si3N4から選ばれる少なくとも1種の材料とS
iNxの材料との膜からなり、該AlN、Si3N4から
選ばれる少なくとも1種の材料の組成濃度は、素子端面
側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少し、かつ
SiNxの組成濃度は、素子端面側が小さく、膜厚方向
に徐々に組成濃度が増加している傾斜組成の膜であり、
第2の薄膜はSiO2の材料からなることを特徴とす
る。
【0013】更に、前記第1の薄膜の傾斜組成膜の平均
屈折率nは、2.50≦n≦2.65の範囲であるが望
ましい。
屈折率nは、2.50≦n≦2.65の範囲であるが望
ましい。
【0014】
【実施例1】まず、本発明の光学膜材料を用いた半導体
光増幅器の実施例を斜視図である図1に示す。基本構造
となる半導体レーザ構造は、リッジ型レーザ1が用いら
れていて、へき開面は、傾斜組成膜2を含む2層の光学
膜材料2、3から成る。次に、半導体レーザデバイスの
構成と作製方法について説明する。
光増幅器の実施例を斜視図である図1に示す。基本構造
となる半導体レーザ構造は、リッジ型レーザ1が用いら
れていて、へき開面は、傾斜組成膜2を含む2層の光学
膜材料2、3から成る。次に、半導体レーザデバイスの
構成と作製方法について説明する。
【0015】図2において、21はn型InP基板、2
2はn型InPバッファ層、23は1.55μm組成の
InGaAsP活性層、24はp型InPクラッド層、
25はp型InGaAsPキャップ層である。これらの
エピタキシャル膜は有機金属熱分解(MO−CVD)法
などによって堆積、形成される。この後、フォトリソグ
ラフィによるリッジ部のパターニング後、反応性イオン
ビームエッチング(RIBE)法によって、幅2〜3μ
m、活性層23までの深さ0.3〜0.4μmのリッジ
部を形成する。更に、Si3N4膜26を堆積した後、キ
ャップ部25からの電流注入を可能とする窓開けを行
い、上面及び下面に電極27、28の形成を行う。上記
のプロセスが終了したレーザウエハは、バー状あるいは
チップ状にへき開され、へき開端面に上記の光学膜材料
構成によるコーティング処理が行われる。
2はn型InPバッファ層、23は1.55μm組成の
InGaAsP活性層、24はp型InPクラッド層、
25はp型InGaAsPキャップ層である。これらの
エピタキシャル膜は有機金属熱分解(MO−CVD)法
などによって堆積、形成される。この後、フォトリソグ
ラフィによるリッジ部のパターニング後、反応性イオン
ビームエッチング(RIBE)法によって、幅2〜3μ
m、活性層23までの深さ0.3〜0.4μmのリッジ
部を形成する。更に、Si3N4膜26を堆積した後、キ
ャップ部25からの電流注入を可能とする窓開けを行
い、上面及び下面に電極27、28の形成を行う。上記
のプロセスが終了したレーザウエハは、バー状あるいは
チップ状にへき開され、へき開端面に上記の光学膜材料
構成によるコーティング処理が行われる。
【0016】コーティングの層構成を示す図3におい
て、2、3は、本実施例の傾斜組成膜2を含む2層の光
学膜である。半導体レーザ端面側の第1の薄膜2は傾斜
組成膜である。傾斜組成膜2を構成するAlN、Si3
N4から選ばれる少くとも1種の材料の組成濃度は、端
面側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少してい
る。また、同じく傾斜組成膜2を構成するSi Nxの材
料の組成濃度は、光半導体素子端面側が小さく、膜厚方
向に徐々に組成濃度が増加している。
て、2、3は、本実施例の傾斜組成膜2を含む2層の光
学膜である。半導体レーザ端面側の第1の薄膜2は傾斜
組成膜である。傾斜組成膜2を構成するAlN、Si3
N4から選ばれる少くとも1種の材料の組成濃度は、端
面側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少してい
る。また、同じく傾斜組成膜2を構成するSi Nxの材
料の組成濃度は、光半導体素子端面側が小さく、膜厚方
向に徐々に組成濃度が増加している。
【0017】本実施例の傾斜組成膜2の材料構成や構造
には、以下の特徴がある。 (1)Si3N4やAlNは非酸化物であり、且つ緻密な
膜となることから、環境雰囲気からの酸素や水分から半
導体レーザ構造端面を保護する性能が高く、そのため端
面に近い方はSi3N4やAlNで積層する方が、より信
頼性が上がる。 (2)Si Nxは、化学量論的に不確定な組成比である
が、組成的に安定なSi3N4より多くのSiを含むこと
により、屈折率を高くできる。 (3)傾斜組成膜2は後述する様に半導体レーザ構造素
子の回転或は移動等の機構で簡単に積層できる。
には、以下の特徴がある。 (1)Si3N4やAlNは非酸化物であり、且つ緻密な
膜となることから、環境雰囲気からの酸素や水分から半
導体レーザ構造端面を保護する性能が高く、そのため端
面に近い方はSi3N4やAlNで積層する方が、より信
頼性が上がる。 (2)Si Nxは、化学量論的に不確定な組成比である
が、組成的に安定なSi3N4より多くのSiを含むこと
により、屈折率を高くできる。 (3)傾斜組成膜2は後述する様に半導体レーザ構造素
子の回転或は移動等の機構で簡単に積層できる。
【0018】傾斜組成膜2に続いて、第2の薄膜3が積
層される。第2の薄膜3はSiO2であり、低屈折率材
料群の中では、吸湿性のない、また化学的に安定な材料
である。
層される。第2の薄膜3はSiO2であり、低屈折率材
料群の中では、吸湿性のない、また化学的に安定な材料
である。
【0019】そして、上記第1の薄膜2と第2の薄膜3
の組み合わせにおいて、傾斜組成膜である第1の薄膜2
の平均屈折率nが2.50≦n≦2.65となる範囲に
なるように製膜することにより、TE波、TM波共に端
面反射率を0.1%以下にすることができ、更に半導体
レーザ構造端面の保護性能も確保できる。
の組み合わせにおいて、傾斜組成膜である第1の薄膜2
の平均屈折率nが2.50≦n≦2.65となる範囲に
なるように製膜することにより、TE波、TM波共に端
面反射率を0.1%以下にすることができ、更に半導体
レーザ構造端面の保護性能も確保できる。
【0020】各材料の半導体レーザ素子端面への製膜
は、スパッタ法や電子ビーム蒸着法等の通常の真空製膜
法が適用できる。Si Nx膜は、Si3N4のターゲット
上にSiの微小チップを複数個載せて、或はSiターゲ
ット上にSi3N4の微小チップを複数個載せて、スパッ
タガスとしてArガスあるいはAr+N 2の混合ガスを
用いたスパッタ法で組成制御する方法、粒状のSiとS
i3N4の混合物を用いた電子ビーム蒸着法で組成制御す
る方法等で得られる。
は、スパッタ法や電子ビーム蒸着法等の通常の真空製膜
法が適用できる。Si Nx膜は、Si3N4のターゲット
上にSiの微小チップを複数個載せて、或はSiターゲ
ット上にSi3N4の微小チップを複数個載せて、スパッ
タガスとしてArガスあるいはAr+N 2の混合ガスを
用いたスパッタ法で組成制御する方法、粒状のSiとS
i3N4の混合物を用いた電子ビーム蒸着法で組成制御す
る方法等で得られる。
【0021】AlN膜は、AlNをターゲットとして、
スパッタガスとしてArガスあるいはAr+N 2の混合
ガス等を用いたスパッタ法や、AlNを蒸発源とした電
子ビーム蒸着法等で製膜できる。
スパッタガスとしてArガスあるいはAr+N 2の混合
ガス等を用いたスパッタ法や、AlNを蒸発源とした電
子ビーム蒸着法等で製膜できる。
【0022】Si3N4膜は、Si3N4をターゲット
として、ArガスあるいはAr+N2の混合ガス等をス
パッタガスに用いたスパッタ法、Si3N4を蒸発源とし
た電子ビーム蒸着法等で製膜できる。
として、ArガスあるいはAr+N2の混合ガス等をス
パッタガスに用いたスパッタ法、Si3N4を蒸発源とし
た電子ビーム蒸着法等で製膜できる。
【0023】AlNとSi3N4の混合膜は、上記のそ
れぞれのターゲットを用いた同時スパッタ法や、あらか
じめ、AlNとSi3N4を焼結して形成したターゲッ
トを用いる方法、AlNターゲット或はSi3N4ター
ゲット上に夫々Si3N4チップ或はAlNチップを載
せた複合ターゲットで組成制御したスパッタ法や、Al
NとSi3N4の混合物を蒸発源とした電子ビーム蒸着
法等て製膜できる。
れぞれのターゲットを用いた同時スパッタ法や、あらか
じめ、AlNとSi3N4を焼結して形成したターゲッ
トを用いる方法、AlNターゲット或はSi3N4ター
ゲット上に夫々Si3N4チップ或はAlNチップを載
せた複合ターゲットで組成制御したスパッタ法や、Al
NとSi3N4の混合物を蒸発源とした電子ビーム蒸着
法等て製膜できる。
【0024】次に、傾斜組成膜2の製膜法について述べ
る。図4は、スパッタ法を例とした傾斜組成膜2の製膜
法及び製膜装置を簡略的に示す図である。61は、Al
N、Si3N4から選ばれる少なくとも1種の材料から
成るターゲット、62はSi3N4ターゲット上にSi
の微小チップを載せた複合ターゲット、63は端面に傾
斜組成膜2を含む反射防止膜を積層する半導体素子、6
4は半導体素子63のホルダー基板、65は半導体素子
63の移動方向、66は隔壁板である。
る。図4は、スパッタ法を例とした傾斜組成膜2の製膜
法及び製膜装置を簡略的に示す図である。61は、Al
N、Si3N4から選ばれる少なくとも1種の材料から
成るターゲット、62はSi3N4ターゲット上にSi
の微小チップを載せた複合ターゲット、63は端面に傾
斜組成膜2を含む反射防止膜を積層する半導体素子、6
4は半導体素子63のホルダー基板、65は半導体素子
63の移動方向、66は隔壁板である。
【0025】複数のターゲットを同時にスパッタできる
多元同時スパッタ装置を用いて、光半導体素子63を移
動或は回転可能な状態で、ターゲット61に近い方か
ら、矢印65に示す方向に移動して製膜する。製膜は、
移動に従って、ターゲット61の材料組成が徐々に減少
し、ターゲット62の材料(Si Nx)組成が徐々に増
加する。
多元同時スパッタ装置を用いて、光半導体素子63を移
動或は回転可能な状態で、ターゲット61に近い方か
ら、矢印65に示す方向に移動して製膜する。製膜は、
移動に従って、ターゲット61の材料組成が徐々に減少
し、ターゲット62の材料(Si Nx)組成が徐々に増
加する。
【0026】傾斜組成膜2の各々の材料の組成や屈折率
は、各ターゲット61、62に投入する電力や、複合タ
ーゲット上の各材料の占有面積比、スパッタガス圧、ス
パッタガス種、基板間距離等で決まる各々の材料の組成
や製膜速度と、光半導体素子63の移動速度、隔壁板6
6の高さ、各ターゲット61、62の配置等で制御可能
である。そして、傾斜組成膜2の平均屈折率nをあらか
じめ測定しておいて、nが2.50≦n≦2.65の範
囲になる様に、製膜条件を設定しておけば良い。こうし
て、所望の屈折率を有する傾斜組成膜2を製膜した後、
続いてSiO2膜3を積層する。
は、各ターゲット61、62に投入する電力や、複合タ
ーゲット上の各材料の占有面積比、スパッタガス圧、ス
パッタガス種、基板間距離等で決まる各々の材料の組成
や製膜速度と、光半導体素子63の移動速度、隔壁板6
6の高さ、各ターゲット61、62の配置等で制御可能
である。そして、傾斜組成膜2の平均屈折率nをあらか
じめ測定しておいて、nが2.50≦n≦2.65の範
囲になる様に、製膜条件を設定しておけば良い。こうし
て、所望の屈折率を有する傾斜組成膜2を製膜した後、
続いてSiO2膜3を積層する。
【0027】また、電子ビーム蒸着法による製膜法は、
図4におけるターゲット61、62の替わりに多元同時
の電子ビーム蒸着源を置き換えるだけで、上記のスパッ
タ法と同様に製膜すれば良い。例えば、61には粒状の
AlN、Si3N4から選ばれる少なくとも1種の材
料、62には粒状のSiとSi3N4の混合物を用い
る。この時の傾斜組成膜2の各々の組成や屈折率は、各
蒸着源(AlN、Si3N4から選ばれる少なくとも1
種の材料とSi Nx材料)の組成比や各蒸着源に照射す
る電子ビーム量や基板間距離等で決まる各々の材料の組
成や製膜速度と、光半導体素子63を移動速度、隔壁板
66の高さ、各蒸発源の配置等で制御可能である。
図4におけるターゲット61、62の替わりに多元同時
の電子ビーム蒸着源を置き換えるだけで、上記のスパッ
タ法と同様に製膜すれば良い。例えば、61には粒状の
AlN、Si3N4から選ばれる少なくとも1種の材
料、62には粒状のSiとSi3N4の混合物を用い
る。この時の傾斜組成膜2の各々の組成や屈折率は、各
蒸着源(AlN、Si3N4から選ばれる少なくとも1
種の材料とSi Nx材料)の組成比や各蒸着源に照射す
る電子ビーム量や基板間距離等で決まる各々の材料の組
成や製膜速度と、光半導体素子63を移動速度、隔壁板
66の高さ、各蒸発源の配置等で制御可能である。
【0028】こうして、半導体レーザ端面に高屈折率の
傾斜組成膜2(AlN、Si3N4から選ばれる少なく
とも1種の材料とSi Nxとの傾斜組成膜)と低屈折率
のSiO2膜3の2層膜を形成した半導体光増幅器は、
ゲインリップルの測定により、TE波、TM波共に反射
率0.1%以下を実現できる。図1に示すように、半導
体光増幅器を、閾値電流より少し小さい定電流注入状態
とし、外部からレンズあるいは光ファイバによって光波
4を入力させ、半導体光増幅器に結合させることによ
り、増幅光波5を得ることができる。この様にして、内
部ゲイン20〜30dBを達成している。
傾斜組成膜2(AlN、Si3N4から選ばれる少なく
とも1種の材料とSi Nxとの傾斜組成膜)と低屈折率
のSiO2膜3の2層膜を形成した半導体光増幅器は、
ゲインリップルの測定により、TE波、TM波共に反射
率0.1%以下を実現できる。図1に示すように、半導
体光増幅器を、閾値電流より少し小さい定電流注入状態
とし、外部からレンズあるいは光ファイバによって光波
4を入力させ、半導体光増幅器に結合させることによ
り、増幅光波5を得ることができる。この様にして、内
部ゲイン20〜30dBを達成している。
【0029】
【実施例2】図5は上記例のデバイスを、波長多重送受
信システムに適用した場合のシステム概念図である。同
図において、10は上記の光増幅器、11は送信部、1
2は受信部、13、14はそれぞれ合波・分波器、15
は伝送光ファイバである。こうした構成により、例えば
波長1550nmおよび1540nmの信号を多重化
し、光増幅器10で高ゲイン、低リップルで増幅し、1
00Mbps以上の伝送速度でクロストークのない信号
の授受が可能となる。
信システムに適用した場合のシステム概念図である。同
図において、10は上記の光増幅器、11は送信部、1
2は受信部、13、14はそれぞれ合波・分波器、15
は伝送光ファイバである。こうした構成により、例えば
波長1550nmおよび1540nmの信号を多重化
し、光増幅器10で高ゲイン、低リップルで増幅し、1
00Mbps以上の伝送速度でクロストークのない信号
の授受が可能となる。
【0030】以上述べたように、光通信システムなどに
用いられる光信号を、直接、増幅するための高帯域半導
体光増幅器が得られるが、その入出力端面の保護膜兼反
射防止膜の傾斜組成膜2を含む2層膜を、実例として、
以下に詳細に記述する。
用いられる光信号を、直接、増幅するための高帯域半導
体光増幅器が得られるが、その入出力端面の保護膜兼反
射防止膜の傾斜組成膜2を含む2層膜を、実例として、
以下に詳細に記述する。
【0031】
【実例1−3】図4に示すような2元同時スパッタも可
能な高周波スパッタ装置において、ターゲット61は1
25mmφのAlN、ターゲット62は同サイズのSi
3N4の上に10mm角のSi片を20〜50個載せた
複合ターゲットを使用した。到達真空度は5×10−6
torr以下、スパッタ電力は200W〜1KW、スパ
ッタガス圧は1〜10×10−3torr、スパッタガ
ス種はArを用いた。
能な高周波スパッタ装置において、ターゲット61は1
25mmφのAlN、ターゲット62は同サイズのSi
3N4の上に10mm角のSi片を20〜50個載せた
複合ターゲットを使用した。到達真空度は5×10−6
torr以下、スパッタ電力は200W〜1KW、スパ
ッタガス圧は1〜10×10−3torr、スパッタガ
ス種はArを用いた。
【0032】半導体レーザデバイス63を基板ホルダー
64に設置して、基板ホルダー64を矢印65に示す方
向にゆっくり回転させながら、AlNとSi Nxの傾斜
組成膜2を半導体レーザの両端面に積層した。
64に設置して、基板ホルダー64を矢印65に示す方
向にゆっくり回転させながら、AlNとSi Nxの傾斜
組成膜2を半導体レーザの両端面に積層した。
【0033】この時の、AlNターゲット61とSi3
N4−Si複合ターゲット62への投入スパッタ電力P
を変えることで、比較例2例を含む5種類の傾斜組成膜
を積層した。各傾斜組成膜をXPS(軟X線光電子分光
法)により膜厚方向に分析した。測定した元素の測定軌
道は、Si2p、Al2pである。実例1の測定結果を、横
軸にレーザ端面からの距離、縦軸に化学結合状態が変化
して生じるケミカルシフトを考慮した全てのAl2p、S
i2pから換算したAlNとSi Nxの量からのAlNの
組成比をとって、図6に示す。
N4−Si複合ターゲット62への投入スパッタ電力P
を変えることで、比較例2例を含む5種類の傾斜組成膜
を積層した。各傾斜組成膜をXPS(軟X線光電子分光
法)により膜厚方向に分析した。測定した元素の測定軌
道は、Si2p、Al2pである。実例1の測定結果を、横
軸にレーザ端面からの距離、縦軸に化学結合状態が変化
して生じるケミカルシフトを考慮した全てのAl2p、S
i2pから換算したAlNとSi Nxの量からのAlNの
組成比をとって、図6に示す。
【0034】この結果、半導体レーザ端面側は、AlN
の組成濃度が高く、膜厚方向に徐々に減少している(S
i Nxの組成濃度は逆の傾向)のがわかる。なお、比較
例3としては、半導体レーザデバイスを隔壁板66の上
方の位置に設置して、基板ホルダー64を回転させない
で積層したAlNとSi Nxの混合膜を積層した。この
混合膜のXPSによる膜厚方向の分析結果を、同様にし
て図6に点線で示す。この結果は、両者の組成は膜厚方
向にほぼ一定値を示した。
の組成濃度が高く、膜厚方向に徐々に減少している(S
i Nxの組成濃度は逆の傾向)のがわかる。なお、比較
例3としては、半導体レーザデバイスを隔壁板66の上
方の位置に設置して、基板ホルダー64を回転させない
で積層したAlNとSi Nxの混合膜を積層した。この
混合膜のXPSによる膜厚方向の分析結果を、同様にし
て図6に点線で示す。この結果は、両者の組成は膜厚方
向にほぼ一定値を示した。
【0035】次に、125mmφのSiO2ターゲット
が設置してある別のスパッタ装置に、両端面に傾斜組成
膜及び混合膜を積層した半導体レーザデバイスを移し替
え、傾斜組成膜や混合膜に続けてSiO2膜を両端面に
積層した。
が設置してある別のスパッタ装置に、両端面に傾斜組成
膜及び混合膜を積層した半導体レーザデバイスを移し替
え、傾斜組成膜や混合膜に続けてSiO2膜を両端面に
積層した。
【0036】上記2層膜を両端面に積層した半導体レー
ザデバイスは、TE波、TM波の反射率RTE、RTMを測
定した。耐久性能は、半導体レーザの出力を30mWと
し、80°Cの環境下に6000時間放置した時の半導
体レーザへの注入電流値の変化により評価した。注入電
流値がほぼ0に低下した場合と、注入電流値が初期値の
2倍以上必要になった場合を素子の故障とみなし、その
故障数によって、○印:故障数、全品の5%以下、△
印:故障数、全品の5%超と表した。
ザデバイスは、TE波、TM波の反射率RTE、RTMを測
定した。耐久性能は、半導体レーザの出力を30mWと
し、80°Cの環境下に6000時間放置した時の半導
体レーザへの注入電流値の変化により評価した。注入電
流値がほぼ0に低下した場合と、注入電流値が初期値の
2倍以上必要になった場合を素子の故障とみなし、その
故障数によって、○印:故障数、全品の5%以下、△
印:故障数、全品の5%超と表した。
【0037】以上、半導体レーザデバイスの端面に積層
した第1層目の傾斜組成膜2、混合膜の平均屈折率n、
膜厚d1、第2層目のSiO2膜3の膜厚d2と、反射率
R、耐久性試験結果を合わせて表1に示す。
した第1層目の傾斜組成膜2、混合膜の平均屈折率n、
膜厚d1、第2層目のSiO2膜3の膜厚d2と、反射率
R、耐久性試験結果を合わせて表1に示す。
【0038】
【表1】 以上の結果、第1層の傾斜組成膜の屈折率が高い場合
は、相対的にSiの含有率が多くなり、耐久性能は他に
比べて劣る傾向にある。一方、屈折率が低い場合は、あ
まり反射率が低くならず反射防止効果が薄い。また、混
合膜の場合は、レーザ端面がSiを含む層に接している
為、耐久性能は若干劣る。
は、相対的にSiの含有率が多くなり、耐久性能は他に
比べて劣る傾向にある。一方、屈折率が低い場合は、あ
まり反射率が低くならず反射防止効果が薄い。また、混
合膜の場合は、レーザ端面がSiを含む層に接している
為、耐久性能は若干劣る。
【0039】そこで、第1層として平均屈折率2.50
〜2.65のAlNとSi Nxの傾斜組成膜、第2層と
してSiO2からなる2層膜反射防止膜を積層した半導
体レーザを有する半導体光増幅器は、端面反射率が、T
E波、TM波共に、0.1%以下を達成でき、かつ耐久
性能も良好であることがわかった。
〜2.65のAlNとSi Nxの傾斜組成膜、第2層と
してSiO2からなる2層膜反射防止膜を積層した半導
体レーザを有する半導体光増幅器は、端面反射率が、T
E波、TM波共に、0.1%以下を達成でき、かつ耐久
性能も良好であることがわかった。
【0040】
【実例4−6】実施例1〜3におけるAlNターゲット
の代わりにSi3N4ターゲットを用いた以外、同様な
手順で、Si3N4とSi Nxの傾斜組成膜2を積層
し、次にSiO2膜3を続いて積層した2層膜の結果
を、実例4〜6として表2に示す。比較例4は、比較例
3と同様にして、Si3N4とSi Nxの混合膜を第1
層とし、次にSiO2膜を続いて積層した2層膜の結果
も、表2に示す。
の代わりにSi3N4ターゲットを用いた以外、同様な
手順で、Si3N4とSi Nxの傾斜組成膜2を積層
し、次にSiO2膜3を続いて積層した2層膜の結果
を、実例4〜6として表2に示す。比較例4は、比較例
3と同様にして、Si3N4とSi Nxの混合膜を第1
層とし、次にSiO2膜を続いて積層した2層膜の結果
も、表2に示す。
【0041】
【表2】 以上の結果、第1層として平均屈折率2.50〜2.6
5のSi3N4とSi Nxの傾斜組成膜で、且つSi3
N4の組成濃度は半導体レーザ端面側が大きく、膜厚方
向に徐々に組成濃度が減少し、Si Nxの組成濃度は端
面側が小さく膜厚方向に徐々に組成濃度が増加している
膜で、第2層としてSiO2を積層した2層膜反射防止
膜は、半導体レーザ端面反射率が、TE波、TM波共
に、0.1%以下を達成でき、かつ耐久性能も良好であ
ることがわかった。
5のSi3N4とSi Nxの傾斜組成膜で、且つSi3
N4の組成濃度は半導体レーザ端面側が大きく、膜厚方
向に徐々に組成濃度が減少し、Si Nxの組成濃度は端
面側が小さく膜厚方向に徐々に組成濃度が増加している
膜で、第2層としてSiO2を積層した2層膜反射防止
膜は、半導体レーザ端面反射率が、TE波、TM波共
に、0.1%以下を達成でき、かつ耐久性能も良好であ
ることがわかった。
【0042】
【実例7−9】実例4〜6におけるSi3N4ターゲッ
トの上にAlNターゲットチップを貼り付けた複合ター
ゲットを用いた以外、同様な手順で、Si3N4−Al
N(分析の結果、組成比52:48)とSi Nxの傾斜
組成膜2を積層し、次にSiO2膜3を続いて積層した
2層膜の結果を、実施例7〜9として表3に示す。
トの上にAlNターゲットチップを貼り付けた複合ター
ゲットを用いた以外、同様な手順で、Si3N4−Al
N(分析の結果、組成比52:48)とSi Nxの傾斜
組成膜2を積層し、次にSiO2膜3を続いて積層した
2層膜の結果を、実施例7〜9として表3に示す。
【0043】
【表3】 以上の結果、第1層として平均屈折率2.50〜2.6
5のSi3N4とAlNとの混合物とSi Nxの傾斜組
成膜(Si3N4とAlNとの混合物の組成濃度は半導
体レーザ端面側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が
減少し、Si Nxの組成濃度は端面側が小さく膜厚方向
に徐々に組成濃度が増加している膜)、第2層としてS
iO2を積層した2層膜反射防止膜は、半導体レーザ端
面反射率が、TE波、TM波共に、0.1%以下を達成
でき、かつ耐久性能も良好であることがわかった。
5のSi3N4とAlNとの混合物とSi Nxの傾斜組
成膜(Si3N4とAlNとの混合物の組成濃度は半導
体レーザ端面側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が
減少し、Si Nxの組成濃度は端面側が小さく膜厚方向
に徐々に組成濃度が増加している膜)、第2層としてS
iO2を積層した2層膜反射防止膜は、半導体レーザ端
面反射率が、TE波、TM波共に、0.1%以下を達成
でき、かつ耐久性能も良好であることがわかった。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体レーザ構造を有する半導体光増幅器などの光半導
体素子の端面に、端面側の第1の薄膜は、AlN、Si
3N4から選ばれる少なくとも1種の材料と、SiNxの
材料との膜からなり、該AlN、Si3N4から選ばれる
少なくとも1種の材料の組成濃度は、半導体レーザ構造
端面側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少し、
かつSiNxの組成濃度は、素子端面側が小さく、膜厚
方向に徐々に組成濃度が増加している傾斜組成膜であ
り、第1の薄膜上に形成される第2の薄膜はSiO2の
材料からなる2層の光学膜材料を積層することにより、
伝送光の偏波状態に左右されない様に、TE波、TM波
共に低反射率にすることが可能になり、更に素子端面を
保護する性能の高い膜となる。
半導体レーザ構造を有する半導体光増幅器などの光半導
体素子の端面に、端面側の第1の薄膜は、AlN、Si
3N4から選ばれる少なくとも1種の材料と、SiNxの
材料との膜からなり、該AlN、Si3N4から選ばれる
少なくとも1種の材料の組成濃度は、半導体レーザ構造
端面側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少し、
かつSiNxの組成濃度は、素子端面側が小さく、膜厚
方向に徐々に組成濃度が増加している傾斜組成膜であ
り、第1の薄膜上に形成される第2の薄膜はSiO2の
材料からなる2層の光学膜材料を積層することにより、
伝送光の偏波状態に左右されない様に、TE波、TM波
共に低反射率にすることが可能になり、更に素子端面を
保護する性能の高い膜となる。
【図1】本発明の光学膜材料を用いた半導体光増幅器の
斜視図。
斜視図。
【図2】本発明の光学膜材料を用いた半導体レーザデバ
イスの断面図。
イスの断面図。
【図3】本発明の光学膜材料を用いた半導体レーザデバ
イスの縦断面図。
イスの縦断面図。
【図4】本発明の光学膜材料を積層する製膜装置の簡略
図。
図。
【図5】光通信システムにより、波長多重化伝送を行う
例のブロック図。
例のブロック図。
【図6】本発明の傾斜組成膜のXSP測定による組成分
布例を示す図。
布例を示す図。
【図7】従来例を示す図。
1,10 リッジ型半導体光増幅器 2 第1層目の傾斜組成膜 3 第2層目の膜 4 入力光 5 増幅光波 11 送信部 12 受信部 13 合波器 14 分波器 15 伝送光ファイバ 21 基板 22,24 クラッド層 23 活性層 25 キャップ層 26 絶縁層 27,28 電極 61,62 ターゲット 63 半導体素子 64 ホルダー基板 65 半導体素子の移動方向 66 隔壁板
Claims (2)
- 【請求項1】 端面に光学膜を施した光半導体素子にお
いて、該光学膜は、2層の誘電体薄膜の組み合わせから
なり、該素子端面側の第1の薄膜は、AlN、Si3N4
から選ばれる少なくとも1種の材料とSiNxの材料と
の膜からなり、該AlN、Si3N4から選ばれる少なく
とも1種の材料の組成濃度は、素子端面側が大きく、膜
厚方向に徐々に組成濃度が減少し、かつSiNxの組成
濃度は、素子端面側が小さく、膜厚方向に徐々に組成濃
度が増加している傾斜組成の膜であり、第2の薄膜はS
iO2の材料からなることを特徴とする光半導体素子。 - 【請求項2】 前記第1の薄膜の傾斜組成膜の平均屈折
率nは、2.50≦n≦2.65の範囲であることを特
徴とする請求項1記載の光半導体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12573394A JPH07312460A (ja) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | 光半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12573394A JPH07312460A (ja) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | 光半導体素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07312460A true JPH07312460A (ja) | 1995-11-28 |
Family
ID=14917449
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12573394A Pending JPH07312460A (ja) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | 光半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07312460A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1059554A3 (en) * | 1999-06-08 | 2002-08-28 | The University of Tokyo | Semiconductor optical device |
| JP2012528345A (ja) * | 2009-05-29 | 2012-11-12 | テクノロジアン タトキマスケスクス ヴィーティーティー | 調節可能な微小機械ファブリ・ペロー干渉計、中間産物、およびその製造方法 |
| WO2021200550A1 (ja) * | 2020-04-02 | 2021-10-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケードレーザ素子、量子カスケードレーザ装置及び量子カスケードレーザ装置の製造方法 |
| JP2023043548A (ja) * | 2021-09-16 | 2023-03-29 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光半導体素子、光学ユニット及び光学ユニットの製造方法 |
-
1994
- 1994-05-16 JP JP12573394A patent/JPH07312460A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1059554A3 (en) * | 1999-06-08 | 2002-08-28 | The University of Tokyo | Semiconductor optical device |
| JP2012528345A (ja) * | 2009-05-29 | 2012-11-12 | テクノロジアン タトキマスケスクス ヴィーティーティー | 調節可能な微小機械ファブリ・ペロー干渉計、中間産物、およびその製造方法 |
| WO2021200550A1 (ja) * | 2020-04-02 | 2021-10-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケードレーザ素子、量子カスケードレーザ装置及び量子カスケードレーザ装置の製造方法 |
| JP2021163922A (ja) * | 2020-04-02 | 2021-10-11 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケードレーザ素子、量子カスケードレーザ装置及び量子カスケードレーザ装置の製造方法 |
| US12573813B2 (en) | 2020-04-02 | 2026-03-10 | Hamamatsu Photonics K.K. | Quantum cascade laser element, quantum cascade laser device, and method for manufacturing quantum cascade laser device |
| JP2023043548A (ja) * | 2021-09-16 | 2023-03-29 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光半導体素子、光学ユニット及び光学ユニットの製造方法 |
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