JPH0964464A

JPH0964464A - 半導体光集積回路

Info

Publication number: JPH0964464A
Application number: JP7212014A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yamada; 篤志山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-08-21
Filing date: 1995-08-21
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【目的】エバネッセント結合によって、レーザ光を導波
路に結合させる構成であって、高い効率で結合させるこ
とのできる光集積回路を提供する。【構成】半導体レーザに、レーザ光を発振するレーザ領
域１１１と、結合領域１１２とを設ける。結合領域１１
２は、レーザ領域１１１が発振した光を伝搬しながら、
導波路１６との間で周期的に行き来させることにより、
レーザ光を導波路１６に結合させる。結合領域１１２
は、電気光学効果を有する材料で構成し、電圧を印加し
て、前記周期を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エバネッセント場
による分布帰還型レーザと導波路とを結合する構成を用
いた半導体光集積回路に係わる。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザから出射された光を光導波
路に結合させる方法の一つとして、エバネッセント結合
方法が用いられる。エバネッセント結合方法は、例え
ば、特公昭５６−３８０７５号等に記載されている。

【０００３】エバネッセント結合方法で、分布帰還型
（ＤＦＢ）レーザと導波路とを結合させる構成の一例を
図３を用いて、簡単に説明する。ＤＦＢレーザ１０１
を、導波路１０２の上に搭載する。このとき、ＤＦＢレ
ーザ１０１の活性層１０３と、導波路１０２のコア層１
０４とを近接させて配置することにより、０次モード光
と１次モード光の合わせて２モードが生じ得るようにす
る。ＤＦＢレーザ１０１の活性層１０３から生じた光
は、エバネッセント光を通して導波路１０２側へ瞬時に
広がる。こうして広がった光は、０次モード光と１次モ
ード光とを励振する。両モード光は干渉し、干渉光は、
レーザ１０１と導波路１０２との間を周期的に蛇行しな
がら進行する。この０次モード光と１次モード光の干渉
光の蛇行の一周期の長さを完全結合長と言う。図４に、
計算によって求めた、進行波のみを考慮したレーザ１０
１と導波路１０２との間の光パワーの移行を示す。図４
において、導波路１０２における光パワーが最も大きく
なる長さｚに、素子長Ｌを設計することにより、レーザ
１０１から出射された光を最も効率よく導波路１０２に
結合させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＤＦＢ
レーザと導波路との間の完全結合長は、ＤＦＢレーザお
よび導波路を構成する複数の層の各層の厚さおよび屈折
率に大きく依存する。このため、量産した場合、完全結
合長にどうしてもばらつきが生じ、一定の素子長にした
場合には、光導波路に結合する光量にもばらつきが生じ
る。

【０００５】本発明は、エバネッセント結合によって、
レーザ光を導波路に結合させる構成であって、高い効率
で結合させることのできる光集積回路を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、半導体レーザと、前記半導体レー
ザから出射された光を伝搬するための導波路とを有する
半導体集積回路において、前記半導体レーザは、レーザ
光を発振するレーザ領域と、前記レーザ領域が発振した
光を伝搬しながら、前記導波路との間で周期的に行き来
させることにより、前記レーザ光を前記導波路に結合さ
せるための結合領域とを有し、前記結合領域は、電気光
学効果を有する材料で構成されていることを特徴とする
半導体光集積回路が提供される。

【０００７】この構成によれば、結合領域に電圧を印加
して、屈折率を変化させることにより、導波路層との間
で周期的に行き来する光の周期を変えることができる。
これにより、最も効率よく導波路層に光が結合するよう
に、周期を調節することが可能になる。

【０００８】

【本発明の実施の形態】本発明の実施の形態の集積回路
素子について図面を用いて説明する。

【０００９】まず、本発明の第１の実施の形態につい
て、図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）を用いて説明
する。

【００１０】基板１８上には、順に、導波路用下部クラ
ッド層１７、導波路層１６、導波路用上部クラッド層１
５、活性層１４、活性層用上部クラッド層１３、ガイド
層１２、上部クラッド層１１、ＧａＡｓ層１０が順に積
層されている。

【００１１】基板１８は、ＧａＡｓからなる。また、導
波路用下部クラッド層１７、導波路層１６、導波路用上
部クラッド層１５、活性層用上部クラッド層１３、ガイ
ド層１２、上部クラッド層１１の各層は、ＡｌxＧａ1-x
Ａｓにより形成されている。各層のＡｌ組成ｘは、導波
路用下部クラッド層１７から順に、０．３０，０．１６
５，０．３５，０．３０，０．０７，０．３５とした。
活性層１４は、ＧａＡｓで形成した。

【００１２】また、ガイド層１２には、図１（ａ）、
（ｂ）に示したように、ｚ方向について、素子の端部ｚ
＝０からｚ＝Ｌ1までのレーザ領域１１１のみにグレー
ティングが形成されている。レーザ領域１１１の両側に
は、上部クラッド層１５に達する深さのＰ型拡散領域１
９ａおよびＮ型拡散領域１９ｂが設けられている。Ｐ型
拡散領域１９ａには、電極２２が搭載され、Ｎ型拡散領
域１９ｂには、電極２３が搭載されている。

【００１３】また、導波路用上部クラッド層１５の上部
部分からＧａＡｓ層１０までの各層は、ｚ方向につい
て、ｚ＝０からｚ＝Ｌ0までの範囲のみに配置されてい
る。

【００１４】ｚ＞Ｌ0の領域は、導波路領域１１３であ
る。導波路用上部クラッド層１５は、伝搬すべき光を導
波路層１６の導波路領域１１３に閉じこめるために、導
波路領域１１３の形状に加工され、装荷型の導波路を構
成している（図１（ｂ）、図１（ｄ））。

【００１５】ここで、Ｌ1＜ｚ＜Ｌ0の領域１１２は、完
全結合長可変領域である。完全結合長可変領域１１２に
は、領域１１２に電圧を印加し、電気光学効果により屈
折率を変化させるための３つの電極２１が搭載されてい
る。

【００１６】また、電極２１、２２、２３部分を除く素
子全体は、絶縁膜２０で覆われている。また、ｚ＝Ｌ0
の端面には、光の反射を防止する反射防止コート２５を
配置する。

【００１７】図１（ａ），（ｂ），（ｃ）、（ｄ）の集
積回路素子の動作について説明する。

【００１８】領域１１１は、ＤＦＢレーザの構成であ
る。電極２２、２３から電流を注入すると、活性層１４
から光が生じ、この光がガイド層１２のグレーティング
により分布帰還することにより、レーザ発振する。レー
ザ光は、ｚ方向に進行する。レーザ光のエバネッセント
光は、レーザ領域１１１の下部の導波路層１６に達す
る。このとき、活性層１４と導波路層１６とで、０次モ
ード光と１次モード光が励振されるように、活性層１４
と導波路層１６との距離を設計しておくことにより、０
次モードと１次モードの両モード光が生じ、両者のモー
ド干渉光が、活性層１４と導波路層１６との間を蛇行し
ながらｚ方向に伝搬する。そして、完全結合長変化領域
１１２に達する。

【００１９】完全結合長変化領域１１２の活性層１４に
は、電極２２、２３から電流が注入されないため、完全
結合長変化領域１１２の活性層は、光を発生しないが、
光を伝搬する導波路路として作用する。したがって、レ
ーザ領域１１１で生じたレーザ光は、完全結合長変化領
域においても、活性層１４と導波路層１６との間を蛇行
しながらさらにｚ方向に伝搬する。

【００２０】レーザ領域１１１における０次モード光と
１次モード光との完全結合長、すなわち、両モード間の
位相差が１８０度となる長さは、各層の膜厚、屈折率に
大きく依存している。そこで、本実施の形態では、完全
結合長変化領域１１２において、電極２１から電圧印加
することにより、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓの電気光
学効果によって、完全結合長変化領域１１２を構成する
各層の屈折率を変化させ、完全結合長を変化させる。こ
の完全結合長の変化量は、電圧の大きさに依存するの
で、ｚ＝Ｌ0において、導波路層１６の光強度が最大に
なるように、電極２１から印加する電圧の大きさを調節
する。これにより、ｚ＝Ｌ0で導波路層１６に移行した
光は、そのままｚ＞Ｌ0の導波路領域１１３を伝搬して
いく。

【００２１】このように、本実施の形態では、レーザー
領域１１１に連続して完全結合長変化領域１１２を設
け、完全結合長変化領域１１２において、電気光学効果
を利用して完全結合長を変化させることにより、レーザ
領域１１１で発生したレーザ光を最も効率よく導波路に
結合させることができる。

【００２２】したがって、製造時の誤差により、各層の
屈折率や膜厚に設計値とのズレが生じても、完全結合長
変化領域に印加する電圧を調節することにより、電気的
に補正することができる。

【００２３】また、完全結合長変化領域１１２の電極２
１は、これによって印加する電圧が、レーザ領域１１１
のレーザ発振動作に影響を与えないように、レーザ領域
１１１から離れた位置に配置することが望ましい。

【００２４】ここで、図１（ａ），（ｂ），（ｃ），
（ｄ）に示した集積回路素子の製造手順について、簡単
に説明する。

【００２５】まず、基板１８上に、導波路用下部クラッ
ド層１７からガイド層１２までを、ＭＢＥ（分子線成長
法）によって、所定の組成で積層する。そして、フォト
リソグラフィーとエッチングにより、ガイド層１２のレ
ーザ領域１１１にグレーティングを形成する。ＬＰＥ
（液相成長法）により、グレーティングを埋め込みなが
ら上部クラッド層１１とＧａＡｓ層１０とを成長させ
る。その後、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）のように、レ
ーザ領域１１１および完全結合長変化領域１１２および
その周辺を残して、ＧａＡｓ層１０から導波路用上部ク
ラッド層１５の上部までをエッチングにより取り除く。
さらに、導波路領域１１３を残して、導波路用上部クラ
ッド層１５をエッチングにより取り除き、導波路領域１
１３を形成する。

【００２６】その後、レーザ領域１１１の両側にＰ型拡
散領域１９ａとＮ型拡散領域１９ｂとを拡散により形成
する。また、レーザ領域１１１から十分離れたところへ
Ａｌによるショットキー電極２１を設ける。さらに素子
全体をポリイミドからなる絶縁膜２０で覆い、電極２１
部分にコンタクトホールを設けるとともに、Ｐ型電極２
２、Ｎ型電極２３の位置にＡｕＧｅ膜を形成する。

【００２７】次に、本発明の第２の実施の形態につい
て、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いて説明する。

【００２８】本実施の形態の集積回路素子の層構成は、
第１の実施の形態とほぼ同様であるが、導波路用上部ク
ラッド層を、上層１５ａと下層１５ｂの２層に分割し、
上層１５ａのみをＮ型にドープした。また、最上層をＰ
型にドープしたＧａＡｓ層２４にした。さらに、レーザ
領域１１１および完全結合長変化領域１１２を残し、Ｐ
型ＧａＡｓ層２４から活性層１４までを取り除いた。ま
た、レーザ領域１１１および完全結合長変化領域１２３
のＰ型ＧａＡｓ層２４と上部クラッド層１１をエッチン
グし、電流狭窄のためのストライプ１２５を形成した。

【００２９】そして、一方のレーザ用電極１２２を、レ
ーザ領域１１１のわきの上部クラッド層の上層１５ａの
上に配置した。他方のレーザ用電極１２３は、Ｐ型Ｇａ
Ａｓ層２４の上に配置した。完全結合長変化領域１１２
の電極２２２、２２３も同様の配置とした。

【００３０】また、レーザ領域１１１と完全結合長変化
領域１１２の境界のＰ型ＧａＡｓ層２４をエッチングに
よりに取り除いて凹部１２６を設け、完全結合長変化領
域１１２の電圧が、レーザ領域１１１にも印加されるの
を防止している。

【００３１】このように、導波路用上部クラッド層を２
層に分け、上層１５ａにドープを施すことにより、レー
ザ領域１１１に、上層１５ａを介して、層の厚さ方向に
電流を注入することが可能である。また、下層１５ｂお
よびその下の導波路層１６には、ドープが施されていな
いので、導波路層１６を伝搬する光が、キャリアによっ
て吸収されることにより、伝搬損失が大きくなるのを防
ぐことができる。

【００３２】したがって、層の厚さ方向に、電流を注入
することにより活性層から生じた光を、効率よく導波路
層に結合させ、小さな伝搬損失で導波路層１６を伝搬さ
せることができる。

【００３３】上層１５ａのうち電極１２２と接する部分
には、不純物拡散領域を設けることができる。不純物拡
散領域を設けることにより、電場印加が効率よく実行で
きる。

【００３４】レーザ領域１１１から生じたレーザ光が、
完全結合長変化領域１１２を介して、導波路領域１１３
に結合する動作については、第１の実施の態様と同じで
あるので説明を省略する。

【００３５】また、本実施の形態では、凹部１２６が設
けられているため、電極２２２、２２３間の電圧がレー
ザ領域１１１のレーザ発振に影響を与えるのを防ぐこと
ができ、レーザ発振動作を安定化させることができる。

【００３６】このように、第２の形態の素子において
も、製造時の誤差によって各層の屈折率や膜厚に設計値
とズレが生じても、これを電極２２２、２２３間の電圧
によって電気的に補正し、レーザ光を導波路に効率よく
結合させることができる。

【００３７】上述の各実施の形態では、レーザ領域１１
１と完全結合長変化領域１１２とを一体の構成にし、レ
ーザ領域１１１の各層を形成する工程で、完全結合長変
化領域１１２の各層を同時に形成したが、レーザ領域１
１１と完全結合長変化領域１１２とを別体とし、別々に
形成することも可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、半導体レーザの光を、
エバネッセント結合によって、高い効率で導波路に結合
させることのできる光集積回路を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）本発明の第１
の実施の形態による半導体光集積回路の構成を示す断面
図および上面図。

【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）本発明の第２の実施の
形態による半導体光集積回路の構成を示す断面図および
上面図。

【図３】従来のエバネッセント結合の素子の構成を示す
説明図。

【図４】図３の素子において、光パワーの移行を示すグ
ラフ。

【符号の説明】

１０・・・ＧａＡｓ層、１１・・・上部クラッド層、１
２・・・ガイド層、１３・・・活性層用上部クラッド
層、１４・・・活性層、１５・・・導波路層用上部クラ
ッド層、１６・・・導波路層、１７・・・導波路層用下
部クラッド層、１８・・・基板、１９ａ・・・Ｐ型拡散
層、１９ｂ・・・Ｎ型拡散層、２０・・・絶縁膜、２
１、２２、２３・・・電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザと、前記半導体レーザから出
射された光を伝搬するための導波路とを有する半導体集
積回路において、前記半導体レーザは、レーザ光を発振するレーザ領域
と、前記レーザ領域が発振した光を伝搬しながら、前記
導波路との間で周期的に行き来させることにより、前記
レーザ光を前記導波路に結合させるための結合領域とを
有し、前記結合領域は、電気光学効果を有する材料で構成され
ていることを特徴とする半導体光集積回路。
【請求項２】請求項１において、前記結合領域は、前記
光の行き来の周期を変化させるために、前記電気光学効
果を有する材料に電圧を印加する電極を有し、前記レーザ領域は、レーザ活性層と、前記レーザ活性層
をレーザ発振させるために前記レーザ活性層に電流を注
入する電極を有することを特徴とする半導体光集積回
路。
【請求項３】請求項１において、前記レーザ領域は、レ
ーザ活性層とクラッド層とを有し、前記結合領域は、導波路層とクラッド層とを有し、前記結合領域の導波路層は、前記レーザ領域のレーザ活
性層を形成する工程によって形成され、前記結合領域のクラッド層は、前記レーザ領域のクラッ
ド層を形成する工程によって形成されていることを特徴
とする半導体光集積回路。
【請求項４】請求項３において、前記結合領域の導波路
層は、前記レーザ領域のレーザ活性層と連続し、前記結合領域のクラッド層は、前記レーザ領域のクラッ
ド層と連続していることを特徴とする半導体光集積回
路。
【請求項５】請求項３において、前記レーザ領域のクラ
ッド層は、前記導波路と前記活性層との間に配置され、前記結合領域のクラッド層は、前記導波路と前記導波路
層との間に配置されていることを特徴とする半導体光集
積回路。
【請求項６】請求項５において、前記レーザ領域のクラ
ッド層は、２層からなり、前記２層のうちの前記活性層側に位置する第１クラッド
層は、前記導波路側に位置する第２クラッド層よりも、
キャリア濃度が高いことを特徴とする半導体光集積回
路。
【請求項７】請求項６において、前記レーザ領域は、前
記活性層をレーザ発振させるために、前記活性層に電流
を注入する一対の電極を有し、前記一対の電極のうちの一方の電極は、前記第１クラッ
ド層上に配置されていることを特徴とする半導体光集積
回路。
【請求項８】請求項１において、前記レーザ領域は、レ
ーザ発振させるために、光を分布帰還させるグレーティ
ングを備えていることを特徴とする半導体光集積回路。
【請求項９】基板上に形成された導波路と、前記導波路
の一部に積層された活性層およびクラッド層を有し、前記活性層およびクラッド層の上には、前記活性層をレ
ーザ発振させるために、前記活性層に電流を注入するた
めの第１電極と、前記活性層およびクラッド層の屈折率
を変化させるための第２電極とを有することを特徴とす
る半導体光集積回路。
【請求項１０】請求項９において、前記第１電極と第２
電極とは、それぞれ、レーザ光の進行方向に沿って配置
され、前記第１電極が電流を注入する領域と、前記第２電極が
電圧を印加する領域とは、異なる領域であることを特徴
とする半導体光集積回路。
【請求項１１】請求項９において、前記活性層と前記導
波路とは、活性層が発振する光によって、これらの間
に、０次モード光と１次モード光とが励振されるように
配置され、前記第２電極は、前記０次モードと１次モードとの完全
結合長が変化するように電圧を印加することを特徴とす
る半導体集積回路。