JPH1114842A - 導波路型光集積回路素子及びその製造方法 - Google Patents
導波路型光集積回路素子及びその製造方法Info
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- JPH1114842A JPH1114842A JP9164824A JP16482497A JPH1114842A JP H1114842 A JPH1114842 A JP H1114842A JP 9164824 A JP9164824 A JP 9164824A JP 16482497 A JP16482497 A JP 16482497A JP H1114842 A JPH1114842 A JP H1114842A
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12083—Constructional arrangements
- G02B2006/12121—Laser
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- Semiconductor Lasers (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体レーザと光導波路の接続部における光
損失を最小限に抑えることができ、結果的に消費電力を
低減でき、信頼性を向上できる導波路型光集積回路素子
を提供する。 【解決手段】 半導体レーザ２００と光導波路３００の
接合領域を幅２μｍにわたって垂直にエッチングし、エ
ッチングした領域に、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌ混晶比
０．２のＡｌＧａＡｓ層４００を埋め込み成長させる。
損失を最小限に抑えることができ、結果的に消費電力を
低減でき、信頼性を向上できる導波路型光集積回路素子
を提供する。 【解決手段】 半導体レーザ２００と光導波路３００の
接合領域を幅２μｍにわたって垂直にエッチングし、エ
ッチングした領域に、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌ混晶比
０．２のＡｌＧａＡｓ層４００を埋め込み成長させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光通信、光情報処
理、光センサ等に利用できる光集積回路素子、特に発光
デバイスである半導体レーザと半導体レーザからの出射
光を導波させる光導波路を同一の半導体基板上に集積し
た導波路型光集積回路素子及びその製造方法に関する。
理、光センサ等に利用できる光集積回路素子、特に発光
デバイスである半導体レーザと半導体レーザからの出射
光を導波させる光導波路を同一の半導体基板上に集積し
た導波路型光集積回路素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、急速な発展を遂げているマルチメ
ディア社会は、近い招来、オフィスや各家庭においても
１００Ｍｂｐｓ以上という高速、大容量の光通信を可能
にすると考えられる。その中で、ワイヤレスの光伝送技
術は通信配線を不要にでき、しかも携帯用のコンピュー
タで各ポイントに設けられたターミナルを通じて通信で
きるという大きなメリットを有する。
ディア社会は、近い招来、オフィスや各家庭においても
１００Ｍｂｐｓ以上という高速、大容量の光通信を可能
にすると考えられる。その中で、ワイヤレスの光伝送技
術は通信配線を不要にでき、しかも携帯用のコンピュー
タで各ポイントに設けられたターミナルを通じて通信で
きるという大きなメリットを有する。
【０００３】図６は、このようなワイヤレスの光通信シ
ステムで用いられる受信部、即ち導波路型光集積回路素
子の一従来例を示す。
ステムで用いられる受信部、即ち導波路型光集積回路素
子の一従来例を示す。
【０００４】この光通信システムでは、周波数変調した
信号光１２を受信部で局部発振光１１と合波し、その差
周波の周波数を有するビート信号に変換するというヘテ
ロダイン検波を採用している。これにより、通常の強度
変調直接検波方式と比較して非常に信号対雑音特性の良
好な通信を実現できるという長所を有する。
信号光１２を受信部で局部発振光１１と合波し、その差
周波の周波数を有するビート信号に変換するというヘテ
ロダイン検波を採用している。これにより、通常の強度
変調直接検波方式と比較して非常に信号対雑音特性の良
好な通信を実現できるという長所を有する。
【０００５】以下に、今少し具体的にこの導波路型光集
積回路素子の構成を動作とともに説明する。本素子で
は、半導体レーザ１と２本の光導波路を同一基板上に集
積化し、更に、２本の光導波路が交差する部分に光分岐
素子２０を集積化している。
積回路素子の構成を動作とともに説明する。本素子で
は、半導体レーザ１と２本の光導波路を同一基板上に集
積化し、更に、２本の光導波路が交差する部分に光分岐
素子２０を集積化している。
【０００６】半導体レーザ１から出射された局部発振光
１１は集積化された光導波路の入力側の光導波路３０に
導入され、続いて、光分岐素子２０で２つに分岐され、
光導波路３１、３３にそれぞれ導かれる。
１１は集積化された光導波路の入力側の光導波路３０に
導入され、続いて、光分岐素子２０で２つに分岐され、
光導波路３１、３３にそれぞれ導かれる。
【０００７】一方、送信された来た信号光１２は入力側
の光導波路３２に導かれ、続いて、光分岐素子２０によ
り２つに分岐され、光導波路３１、３３にそれぞれ導か
れる。この結果、出力側の光導波路３１及び３３で信号
光１２と局部発振光１１が合波され、ビート信号が得ら
れる。
の光導波路３２に導かれ、続いて、光分岐素子２０によ
り２つに分岐され、光導波路３１、３３にそれぞれ導か
れる。この結果、出力側の光導波路３１及び３３で信号
光１２と局部発振光１１が合波され、ビート信号が得ら
れる。
【０００８】上記構成の導波路型光集積回路素子を作製
するためには、半導体レーザと光導波路とを同一基板上
に集積化する必要があるが、そのような集積化方法の一
例として、図７（ａ）に示す突き合わせ接合が考えられ
る。この図は理想的な構造を図示したもので、半導体基
板１００上に形成した屈折率結合型の分布帰還型半導体
レーザ（ＤＦＢレーザ）２００の一部を垂直にエッチン
グ除去し、その領域に光導波層３０１が２つの光閉じ込
め層３０２、３０３で挟まれた光導波路構造３００が形
成されている。半導体レーザ２００から出力された光は
直接光導波路３００に結合され、光導波層３０１を導波
する。
するためには、半導体レーザと光導波路とを同一基板上
に集積化する必要があるが、そのような集積化方法の一
例として、図７（ａ）に示す突き合わせ接合が考えられ
る。この図は理想的な構造を図示したもので、半導体基
板１００上に形成した屈折率結合型の分布帰還型半導体
レーザ（ＤＦＢレーザ）２００の一部を垂直にエッチン
グ除去し、その領域に光導波層３０１が２つの光閉じ込
め層３０２、３０３で挟まれた光導波路構造３００が形
成されている。半導体レーザ２００から出力された光は
直接光導波路３００に結合され、光導波層３０１を導波
する。
【０００９】このような光集積回路素子は半導体レーザ
と光導波路を別々に作製して貼り合わせる場合と比較し
て、位置合わせが不要であり、機械的安定性が高いとい
う特長を有する。なお、図中符号２０１は活性層を示し
ている。
と光導波路を別々に作製して貼り合わせる場合と比較し
て、位置合わせが不要であり、機械的安定性が高いとい
う特長を有する。なお、図中符号２０１は活性層を示し
ている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例は
以下に示す課題を有しており、そのことに起因して後述
の克服すべき問題点を有している。
以下に示す課題を有しており、そのことに起因して後述
の克服すべき問題点を有している。
【００１１】（１）垂直にエッチングされた領域に光導
波路構造を形成する際に、実際には図７（ａ）に示すよ
うな理想的な形状は実現されず、例えば図７（ｂ）に示
すような形状になる。このとき、光導波層３０１は半導
体レーザ２００と光導波路３００の結合場所の近傍で水
平から傾斜して形成されている。この傾斜領域では光は
この構造の屈折率分布を反映し、光導波層３０１に結合
されない光の割合が増加し、理想的な形状から予想され
る結合率より大きく低下する。
波路構造を形成する際に、実際には図７（ａ）に示すよ
うな理想的な形状は実現されず、例えば図７（ｂ）に示
すような形状になる。このとき、光導波層３０１は半導
体レーザ２００と光導波路３００の結合場所の近傍で水
平から傾斜して形成されている。この傾斜領域では光は
この構造の屈折率分布を反映し、光導波層３０１に結合
されない光の割合が増加し、理想的な形状から予想され
る結合率より大きく低下する。
【００１２】（２）半導体レーザ２００の垂直方向のビ
ーム径と光導波路３００の垂直方向の固有モードのビー
ム径とが一致していない場合、その違いが大きいほど光
が半導体レーザ２００から光導波路３００に結合される
光の割合いは低下する。
ーム径と光導波路３００の垂直方向の固有モードのビー
ム径とが一致していない場合、その違いが大きいほど光
が半導体レーザ２００から光導波路３００に結合される
光の割合いは低下する。
【００１３】以下に上記（１）、（２）で挙げた問題点
を今少し具体的に説明する。
を今少し具体的に説明する。
【００１４】図７（ｂ）は、具体的には、ＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓ系ＤＦＢ半導体レーザを垂直にエッチングし
た後、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）によってＡｌ
ＧａＡｓ系の材料を成長した場合の例を示している。
ｌＧａＡｓ系ＤＦＢ半導体レーザを垂直にエッチングし
た後、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）によってＡｌ
ＧａＡｓ系の材料を成長した場合の例を示している。
【００１５】この成長工程においては、成長速度の面方
位依存性が大きいため、成長速度の小さい面が露出する
ように成長が進行し、同図に示すような形状の成長とな
っている。この場合、水平から傾いた方向に層構造が出
現するため、光の一部はその影響を受けて界面で反射さ
れ、或いは界面で屈折し、結果的に光導波層３０１に結
合せずに導波路外へ放射される。即ち、放射損失を生じ
る。
位依存性が大きいため、成長速度の小さい面が露出する
ように成長が進行し、同図に示すような形状の成長とな
っている。この場合、水平から傾いた方向に層構造が出
現するため、光の一部はその影響を受けて界面で反射さ
れ、或いは界面で屈折し、結果的に光導波層３０１に結
合せずに導波路外へ放射される。即ち、放射損失を生じ
る。
【００１６】本発明者等の実験結果によれば、約１ｄＢ
の光がこの影響で放射されることが確認された。上記と
は異なる他の条件で成長した場合、形状はさまざまに変
化したが、同図（ａ）に示したような理想的な形状を実
現することは不可能であり、いずれの場合も０．５ｄＢ
から１ｄＢ程度の放射損失が確認された。
の光がこの影響で放射されることが確認された。上記と
は異なる他の条件で成長した場合、形状はさまざまに変
化したが、同図（ａ）に示したような理想的な形状を実
現することは不可能であり、いずれの場合も０．５ｄＢ
から１ｄＢ程度の放射損失が確認された。
【００１７】また、この例では、半導体レーザ２００の
垂直方向のビーム径約１μｍに対し、光導波路３００の
光導波層３０１の層厚は約２μｍで作製した。この違い
によって、光が結合するときに大きなモード不整合が生
じ、それに起因する放射損失１．７ｄＢが確認された。
垂直方向のビーム径約１μｍに対し、光導波路３００の
光導波層３０１の層厚は約２μｍで作製した。この違い
によって、光が結合するときに大きなモード不整合が生
じ、それに起因する放射損失１．７ｄＢが確認された。
【００１８】このように、両者を合計すると約２．７ｄ
Ｂの損失が生じることになり、半導体レーザ２００には
実際に必要とされる光以上に高い出力が要求されるた
め、半導体レーザ２００の消費電力が高くなる。加え
て、その信頼性も低下するという大きな間題が発生す
る。
Ｂの損失が生じることになり、半導体レーザ２００には
実際に必要とされる光以上に高い出力が要求されるた
め、半導体レーザ２００の消費電力が高くなる。加え
て、その信頼性も低下するという大きな間題が発生す
る。
【００１９】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たものであり、半導体レーザと光導波路の接続部におけ
る光損失を最小限に抑えることができ、結果的に消費電
力を低減でき、信頼性を向上できる導波路型光集積回路
素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
たものであり、半導体レーザと光導波路の接続部におけ
る光損失を最小限に抑えることができ、結果的に消費電
力を低減でき、信頼性を向上できる導波路型光集積回路
素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明の導波路型光集積
回路素子は、端面出射型の半導体レーザと、複数の半導
体層からなり、該半導体レーザの出射光を導波させる光
導波路とを半導体基板上の横方向に集積した導波路型光
集積回路素子において、該半導体レーザと該光導波路の
接合領域に単一の半導体層を埋め込んで構成されてお
り、そのことにより上記目的が達成される。
回路素子は、端面出射型の半導体レーザと、複数の半導
体層からなり、該半導体レーザの出射光を導波させる光
導波路とを半導体基板上の横方向に集積した導波路型光
集積回路素子において、該半導体レーザと該光導波路の
接合領域に単一の半導体層を埋め込んで構成されてお
り、そのことにより上記目的が達成される。
【００２１】好ましくは、前記単一の半導体層の横方向
の長さが２０μｍ以下である構成とする。
の長さが２０μｍ以下である構成とする。
【００２２】また、本発明の導波路型光集積回路素子
は、端面出射型の半導体レーザと、複数の半導体層から
なり、該半導体レーザの出射光を導波させる光導波路と
を半導体基板上の横方向に集積した導波路型光集積回路
素子において、該半導体レーザと該光導波路の接合領域
に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半導体
層を埋め込んで構成されており、そのことにより上記目
的が達成される。
は、端面出射型の半導体レーザと、複数の半導体層から
なり、該半導体レーザの出射光を導波させる光導波路と
を半導体基板上の横方向に集積した導波路型光集積回路
素子において、該半導体レーザと該光導波路の接合領域
に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半導体
層を埋め込んで構成されており、そのことにより上記目
的が達成される。
【００２３】好ましくは、前記半導体層の屈折率は、層
方向の周辺部から中心部に向けて高くなる２次関数状に
変化する構成とする。
方向の周辺部から中心部に向けて高くなる２次関数状に
変化する構成とする。
【００２４】また、好ましくは、前記半導体層の屈折率
の変化は該半導体層の組成を変化させることにより形成
する。
の変化は該半導体層の組成を変化させることにより形成
する。
【００２５】また、好ましくは、前記半導体層の層方向
の中心位置は前記半導体レーザの出力光分布の中心に一
致し、かつ前記光導波路の固有モードの中心に一致する
ように構成する。
の中心位置は前記半導体レーザの出力光分布の中心に一
致し、かつ前記光導波路の固有モードの中心に一致する
ように構成する。
【００２６】また、好ましくは、前記半導体層と前記半
導体レーザとの間又は該半導体層と前記光導波路との
間、或いは該半導体層と該半導体レーザとの間及び該半
導体層と該光導波路との間に、単一の半導体層を埋め込
む構成とする。
導体レーザとの間又は該半導体層と前記光導波路との
間、或いは該半導体層と該半導体レーザとの間及び該半
導体層と該光導波路との間に、単一の半導体層を埋め込
む構成とする。
【００２７】また、本発明の導波路型光集積回路素子
は、端面出射型の半導体レーザと、複数の半導体層から
なり、該半導体レーザの出射光を導波させる光導波路と
を半導体基板上の横方向に集積した導波路型光集積回路
素子において、該半導体レーザと該光導波路の接合領域
に誘電体層を介在させており、そのことにより上記目的
が達成される。
は、端面出射型の半導体レーザと、複数の半導体層から
なり、該半導体レーザの出射光を導波させる光導波路と
を半導体基板上の横方向に集積した導波路型光集積回路
素子において、該半導体レーザと該光導波路の接合領域
に誘電体層を介在させており、そのことにより上記目的
が達成される。
【００２８】好ましくは、前記半導体層と前記半導体レ
ーザとの間及び該半導体層と前記光導波路との間に誘電
体層を介在させる構成とする。
ーザとの間及び該半導体層と前記光導波路との間に誘電
体層を介在させる構成とする。
【００２９】また、好ましくは、前記半導体レーザとし
て分布帰還型半導体レーザを用いる。
て分布帰還型半導体レーザを用いる。
【００３０】また、本発明の導波路型光集積回路素子の
製造方法は、半導体基板上に半導体レーザを構成する半
導体層を形成する工程と、該半導体層の一部を略垂直な
断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチ
ング除去した領域に光導波路を構成する半導体層を形成
する工程と、該半導体レーザの光出射端面と該光導波路
の光入射面との境界を含む領域を略垂直な断面を有する
ようにエッチング除去する工程と、エッチング除去した
領域に単一の半導体層を形成する工程とを包含してお
り、そのことにより上記目的が達成される。
製造方法は、半導体基板上に半導体レーザを構成する半
導体層を形成する工程と、該半導体層の一部を略垂直な
断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチ
ング除去した領域に光導波路を構成する半導体層を形成
する工程と、該半導体レーザの光出射端面と該光導波路
の光入射面との境界を含む領域を略垂直な断面を有する
ようにエッチング除去する工程と、エッチング除去した
領域に単一の半導体層を形成する工程とを包含してお
り、そのことにより上記目的が達成される。
【００３１】また、本発明の導波路型光集積回路素子の
製造方法は、半導体基板上に半導体レーザを構成する半
導体層を形成する工程と、該半導体層の一部を略垂直な
断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチ
ング除去した領域に光導波路を構成する半導体層を形成
する工程と、該半導体レーザの光出射端面と該光導波路
の光入射面との境界を含む領域を略垂直な断面を有する
ようにエッチング除去する工程と、エッチング除去した
領域に層方向に屈折率が実質的に連続して変化する半導
体層を形成する工程とを包含しており、そのことにより
上記目的が達成される。
製造方法は、半導体基板上に半導体レーザを構成する半
導体層を形成する工程と、該半導体層の一部を略垂直な
断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチ
ング除去した領域に光導波路を構成する半導体層を形成
する工程と、該半導体レーザの光出射端面と該光導波路
の光入射面との境界を含む領域を略垂直な断面を有する
ようにエッチング除去する工程と、エッチング除去した
領域に層方向に屈折率が実質的に連続して変化する半導
体層を形成する工程とを包含しており、そのことにより
上記目的が達成される。
【００３２】また、本発明の導波路型光集積回路素子の
製造方法は、半導体基板上に半導体レーザを構成する半
導体層を形成する工程と、該半導体層の一部を略垂直な
断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチ
ング除去した領域の側面に誘電体マスクを形成する工程
と、エッチング除去した領域に光導波路を構成する半導
体層を形成する工程とを包含しており、そのことにより
上記目的が達成される。
製造方法は、半導体基板上に半導体レーザを構成する半
導体層を形成する工程と、該半導体層の一部を略垂直な
断面を有するようにエッチング除去する工程と、エッチ
ング除去した領域の側面に誘電体マスクを形成する工程
と、エッチング除去した領域に光導波路を構成する半導
体層を形成する工程とを包含しており、そのことにより
上記目的が達成される。
【００３３】好ましくは、前記エッチング除去した領域
の側面に誘電体マスクを形成する工程を、前記半導体基
板にバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行う
バイアススパッタ法を用いて行う。
の側面に誘電体マスクを形成する工程を、前記半導体基
板にバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行う
バイアススパッタ法を用いて行う。
【００３４】また、本発明の導波路型光集積回路素子の
製造方法は、請求項６記載の導波路型光集積回路素子の
製造方法であって、ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコント
ローラの流量を制御することにより前記半導体層の層方
向の中心位置を前記半導体レーザの出力光分布の中心に
一致させ、かつ前記光導波路の固有モードの中心に一致
させる工程を包含しており、そのことにより上記目的が
達成される。
製造方法は、請求項６記載の導波路型光集積回路素子の
製造方法であって、ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコント
ローラの流量を制御することにより前記半導体層の層方
向の中心位置を前記半導体レーザの出力光分布の中心に
一致させ、かつ前記光導波路の固有モードの中心に一致
させる工程を包含しており、そのことにより上記目的が
達成される。
【００３５】以下に本発明の作用について説明する。
【００３６】半導体レーザと光導波路の接合領域に単一
の半導体層を埋め込む構成によれば、半導体レーザと光
導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在しな
い導波路型光集積回路素子を実現できる。
の半導体層を埋め込む構成によれば、半導体レーザと光
導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在しな
い導波路型光集積回路素子を実現できる。
【００３７】このため、半導体レーザ部と埋め込み領域
との界面及び埋め込み領域と光導波路部との界面におけ
る透価屈折率の差を小さくでき、これらの界面で導波光
はほとんど反射されず、また、屈折されないので、放射
損失を低減できる。
との界面及び埋め込み領域と光導波路部との界面におけ
る透価屈折率の差を小さくでき、これらの界面で導波光
はほとんど反射されず、また、屈折されないので、放射
損失を低減できる。
【００３８】加えて、上記構成によれば、半導体レーザ
からの出力光のビーム径を光導波路の固有モードのビー
ム径に容易に整合させることができるので、モード不整
合による放射損失を抑えることができる。
からの出力光のビーム径を光導波路の固有モードのビー
ム径に容易に整合させることができるので、モード不整
合による放射損失を抑えることができる。
【００３９】この結果、上記構成によれば、結合損失を
大幅に低減できるので、結果的に消費電力を低減でき、
信頼性を向上できる導波路型光集積回路素子を実現でき
る。
大幅に低減できるので、結果的に消費電力を低減でき、
信頼性を向上できる導波路型光集積回路素子を実現でき
る。
【００４０】また、半導体レーザと光導波路の接合領域
に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半導体
層を埋め込む構成によれば、この半導体層のレンズ効果
によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬中に連
続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム径に一致
したととろで光導波路に結合されるので、モード不整合
に起因する結合損失をより一層効果的に低減できる。
に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半導体
層を埋め込む構成によれば、この半導体層のレンズ効果
によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬中に連
続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム径に一致
したととろで光導波路に結合されるので、モード不整合
に起因する結合損失をより一層効果的に低減できる。
【００４１】また、上記２つの構成を組み合わせる構成
によれば、両者の効果を相乗的に発揮でき、結合損失を
一層効率良く低減できる導波路型光集積回路素子を実現
できる。
によれば、両者の効果を相乗的に発揮でき、結合損失を
一層効率良く低減できる導波路型光集積回路素子を実現
できる。
【００４２】また、半導体レーザと光導波路の接合領域
に誘電体層を介在させる構成によっても、半導体レーザ
と光導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在
しない導波路型光集積回路素子を実現できるので、上記
同様に結合損失を低減できる。
に誘電体層を介在させる構成によっても、半導体レーザ
と光導波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在
しない導波路型光集積回路素子を実現できるので、上記
同様に結合損失を低減できる。
【００４３】また、半導体レーザと光導波路の接合領域
に誘電体層を介在させ、且つ半導体レーザと該光導波路
の接合領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化
する半導体層を埋め込む構成によれば、水平から傾斜し
て成長する半導体層がないことと、モード不整合が無い
ことによる相乗効果により、結合損失を大幅に低減でき
る導波路型光集積回路素子を実現できる。
に誘電体層を介在させ、且つ半導体レーザと該光導波路
の接合領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化
する半導体層を埋め込む構成によれば、水平から傾斜し
て成長する半導体層がないことと、モード不整合が無い
ことによる相乗効果により、結合損失を大幅に低減でき
る導波路型光集積回路素子を実現できる。
【００４４】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき具体的に説明する。
に基づき具体的に説明する。
【００４５】（実施形態１）図１は本発明導波路型光集
積回路素子の実施形態１を示す。本実施形態１は一般的
なダブルヘテロ（ＤＨ）構造の半導体レーザを備えた導
波路型光集積回路素子に本発明を適用した例を示す。以
下にその構造を製造プロセスとともに説明する。
積回路素子の実施形態１を示す。本実施形態１は一般的
なダブルヘテロ（ＤＨ）構造の半導体レーザを備えた導
波路型光集積回路素子に本発明を適用した例を示す。以
下にその構造を製造プロセスとともに説明する。
【００４６】まず、ＭＯＣＶＤ装置内にＧａＡｓ基板
（ウエハー）１００を導入し、ＧａＡｓ基板１００上に
ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ２００を構成する半導体層
をＭＯＣＶＤ法で成長した。ここで、半導体レーザ２０
０としては垂直方向のビーム径約１μｍの一般的なダブ
ルヘテロ（ＤＨ）構造を用いた。活性層２０１のＡｌ混
晶比は０．１４で、発振波長７８０ｎｍの設定で成長し
た。
（ウエハー）１００を導入し、ＧａＡｓ基板１００上に
ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ２００を構成する半導体層
をＭＯＣＶＤ法で成長した。ここで、半導体レーザ２０
０としては垂直方向のビーム径約１μｍの一般的なダブ
ルヘテロ（ＤＨ）構造を用いた。活性層２０１のＡｌ混
晶比は０．１４で、発振波長７８０ｎｍの設定で成長し
た。
【００４７】次に、上記半導体層が形成されたウエハー
をＭＯＣＶＤ装置から取り外し、塩素ガスを用いたリア
クテイブ・イオン・ビーム・エッチング（ＲＩＢＥ）を
用いてＧａＡｓ基板１００に到達する深さまで垂直にエ
ッチングした。
をＭＯＣＶＤ装置から取り外し、塩素ガスを用いたリア
クテイブ・イオン・ビーム・エッチング（ＲＩＢＥ）を
用いてＧａＡｓ基板１００に到達する深さまで垂直にエ
ッチングした。
【００４８】その後、再び、ウエハーをＭＯＣＶＤ装置
内に導入し、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する
半導体層３００を成長した。この半導体層は、光導波層
３０１が上下の光閉じ込め層３０３、３０２で挟まれた
構造になっている。
内に導入し、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路を構成する
半導体層３００を成長した。この半導体層は、光導波層
３０１が上下の光閉じ込め層３０３、３０２で挟まれた
構造になっている。
【００４９】ここで、光導波層のＡｌ混晶比は０．２、
その層厚は２μｍである。また、上下の光閉じ込め層３
０３、３０２のＡｌ混晶比及び層厚は同一の値であり、
Ａｌ混晶比は０．２２、層厚は１μｍとした。
その層厚は２μｍである。また、上下の光閉じ込め層３
０３、３０２のＡｌ混晶比及び層厚は同一の値であり、
Ａｌ混晶比は０．２２、層厚は１μｍとした。
【００５０】このときの断面形状は、図１に示すよう
に、従来例と同様に水平方向から傾斜した構造になって
いる。但し、本実施形態１では、半導体レーザ２００と
光導波路３００との接合部近傍から遠ざかるに連れてそ
の傾斜の影響は小さくなり、接合部から３μｍ以上離れ
るとほぼ水平になっている。
に、従来例と同様に水平方向から傾斜した構造になって
いる。但し、本実施形態１では、半導体レーザ２００と
光導波路３００との接合部近傍から遠ざかるに連れてそ
の傾斜の影響は小さくなり、接合部から３μｍ以上離れ
るとほぼ水平になっている。
【００５１】ここで、光導波路部３００は半導体レーザ
２００の出力光（７８０ｎｍ）に対して透明であり、低
損失な導波路として機能する。また、エッチングの深さ
制御性は２％程度が得られており、その後のＭＯＣＶＤ
成長の成長層厚の制御性１％と合わせても、半導体レー
ザ２００の出力光分布の中心と、水平になった後の光導
波路３００の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精
度で合わせることができた。
２００の出力光（７８０ｎｍ）に対して透明であり、低
損失な導波路として機能する。また、エッチングの深さ
制御性は２％程度が得られており、その後のＭＯＣＶＤ
成長の成長層厚の制御性１％と合わせても、半導体レー
ザ２００の出力光分布の中心と、水平になった後の光導
波路３００の固有モードの中心の高さは０．１μｍの精
度で合わせることができた。
【００５２】次に、半導体レーザ２００と光導波路３０
０の接合領域を幅２μｍにわたって垂直にエッチングし
た。このときのエッチング深さは光導波路部３００を突
き抜けていればよく、精密な制御は必要としない。ここ
でのエッチングも、先と同じＲＩＢＥを適用した。
０の接合領域を幅２μｍにわたって垂直にエッチングし
た。このときのエッチング深さは光導波路部３００を突
き抜けていればよく、精密な制御は必要としない。ここ
でのエッチングも、先と同じＲＩＢＥを適用した。
【００５３】続いて、エッチングした領域に、再びＭＯ
ＣＶＤ法によってＡｌ混晶比０．２のＡｌＧａＡｓ層４
００を埋め込み成長した。最後に、半導体レーザ２００
部に成長した光導波路層を形成する半導体層及び埋め込
み層を形成する半導体層を除去した後、リッジ形状に加
工して、横方向の光閉じ込めを行い、レーザ２００部へ
の電極付け及び劈開等のプロセスを施し、これにより本
実施形態１の導波路型光集積回路素子を得た。
ＣＶＤ法によってＡｌ混晶比０．２のＡｌＧａＡｓ層４
００を埋め込み成長した。最後に、半導体レーザ２００
部に成長した光導波路層を形成する半導体層及び埋め込
み層を形成する半導体層を除去した後、リッジ形状に加
工して、横方向の光閉じ込めを行い、レーザ２００部へ
の電極付け及び劈開等のプロセスを施し、これにより本
実施形態１の導波路型光集積回路素子を得た。
【００５４】本実施形態１の導波路型光集積回路素子は
水平方向から傾斜した層構造をほとんど持たず、従来例
にみられた放射損失に起因する大きな結合損失は確認さ
れなかった。本素子の場合、半導体レーザ２００部で発
生した光は半導体レーザ２００部と埋め込み領域との界
面及び埋め込み領域と光導波路３００部との界面でほと
んど反射されない。このことは、これらの界面において
等価屈折率の差が小さいことに起因している。従って、
このレーザは半導体レーザ２００部と埋め込み領域及び
光導波路３００部全体を共振器とした外部共振器モード
で良好に動作した。
水平方向から傾斜した層構造をほとんど持たず、従来例
にみられた放射損失に起因する大きな結合損失は確認さ
れなかった。本素子の場合、半導体レーザ２００部で発
生した光は半導体レーザ２００部と埋め込み領域との界
面及び埋め込み領域と光導波路３００部との界面でほと
んど反射されない。このことは、これらの界面において
等価屈折率の差が小さいことに起因している。従って、
このレーザは半導体レーザ２００部と埋め込み領域及び
光導波路３００部全体を共振器とした外部共振器モード
で良好に動作した。
【００５５】また、本実施形態１の導波路型光集積回路
素子においては、最後に埋め込んだ領域は縦方向に光の
閉じ込め構造を有しないが、その長さが２μｍ程度と短
い場合は、放射される光の量は無視できる程度である。
このため、本実施形態１の導波路型光集積回路素子につ
いて、実際に光学特性を評価したところ、結合損失はモ
ード不整合に起因する１．７ｄＢのみであり、上記従来
例に比べて結合損失を大幅に低減できることが確認され
た。
素子においては、最後に埋め込んだ領域は縦方向に光の
閉じ込め構造を有しないが、その長さが２μｍ程度と短
い場合は、放射される光の量は無視できる程度である。
このため、本実施形態１の導波路型光集積回路素子につ
いて、実際に光学特性を評価したところ、結合損失はモ
ード不整合に起因する１．７ｄＢのみであり、上記従来
例に比べて結合損失を大幅に低減できることが確認され
た。
【００５６】更に、埋め込み領域の長さを変化させて結
合損失を調べてみたところ、１５μｍ程度までは顕著な
結合損失は測定されず、それ以上で少しずつ結合損失が
確認された。そして、埋め込み領域の長さを２０μｍと
したときには約１ｄＢの結合損失となった。要求される
損失量によってこの長さの許容範囲は変わるが、２０μ
ｍ以下に設定すると、１ｄＢ以下の結合損失に抑えら
れ、望ましい特性が得られることが確認できた。
合損失を調べてみたところ、１５μｍ程度までは顕著な
結合損失は測定されず、それ以上で少しずつ結合損失が
確認された。そして、埋め込み領域の長さを２０μｍと
したときには約１ｄＢの結合損失となった。要求される
損失量によってこの長さの許容範囲は変わるが、２０μ
ｍ以下に設定すると、１ｄＢ以下の結合損失に抑えら
れ、望ましい特性が得られることが確認できた。
【００５７】（実施形態２）図２（ａ）、（ｂ）は本発
明導波路型光集積回路素子の実施形態２を示す。本実施
形態２は吸収結合型回折格子を有する利得結合型半導体
レーザを備えた導波路型光集積回路素子に本発明を適用
した例を示す。以下にその構造を製造工程と共に説明す
る。
明導波路型光集積回路素子の実施形態２を示す。本実施
形態２は吸収結合型回折格子を有する利得結合型半導体
レーザを備えた導波路型光集積回路素子に本発明を適用
した例を示す。以下にその構造を製造工程と共に説明す
る。
【００５８】まず、ＧａＡｓ基板１００上にＡｌＧａＡ
ｓ系ＤＦＢレーザ２００’を構成する半導体層を分子線
エピタキシー（ＭＢＥ）法で成長した。この半導体レー
ザ２００’は、吸収結合型回折格子を有する利得結合型
半導体レーザであり、この半導体レーザ２００’につい
ては、例えばＹ．Ｎａｋａｎｏ、他 Ｊａｐａｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ，３２巻２号ｐ．８２５〜８２９（１９９３）に詳
細に記述されており、ここでは具体的な説明は省略す
る。
ｓ系ＤＦＢレーザ２００’を構成する半導体層を分子線
エピタキシー（ＭＢＥ）法で成長した。この半導体レー
ザ２００’は、吸収結合型回折格子を有する利得結合型
半導体レーザであり、この半導体レーザ２００’につい
ては、例えばＹ．Ｎａｋａｎｏ、他 Ｊａｐａｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ，３２巻２号ｐ．８２５〜８２９（１９９３）に詳
細に記述されており、ここでは具体的な説明は省略す
る。
【００５９】この半導体レーザ２００’の垂直方向のビ
ーム径も約１μｍであり、活性層２０１として３層の量
子井戸構造を採用し、その発振波長は８３０ｎｍに設定
した。
ーム径も約１μｍであり、活性層２０１として３層の量
子井戸構造を採用し、その発振波長は８３０ｎｍに設定
した。
【００６０】次に、塩素ガスをＧａＡｓ基板１００に直
接照射するとともに、塩素イオン（若しくはアルゴンイ
オン）を同時照射するケミカリー・アシスティッド・イ
オン・ビーム・エッチング（ＣＡＩＢＥ）を用いてＧａ
Ａｓ基板１００に到達する深さまで垂直にエッチングし
た。
接照射するとともに、塩素イオン（若しくはアルゴンイ
オン）を同時照射するケミカリー・アシスティッド・イ
オン・ビーム・エッチング（ＣＡＩＢＥ）を用いてＧａ
Ａｓ基板１００に到達する深さまで垂直にエッチングし
た。
【００６１】このエッチングに関しては、Ｈ．Ｋａｗａ
ｎｉｓｈｉ、他 ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３５巻７Ｂ号
ｐ．８８０〜８８２（１９９６）に詳細な記述があり、
ここでは具体的な説明については省略する。
ｎｉｓｈｉ、他 ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３５巻７Ｂ号
ｐ．８８０〜８８２（１９９６）に詳細な記述があり、
ここでは具体的な説明については省略する。
【００６２】その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路３
０１を構成する半導体層３００を成長した。この半導体
層に関しては、上記実施形態１と同様であるが、本実施
形態２では酸化珪素膜をマスクとした選択成長を行うこ
とにより、半導体レーザ２００部には成長が起らない条
件で成長した。なお、図中の符号３０３、３０２は上記
実施形態１同様に上下の光閉じ込め層を示している。
０１を構成する半導体層３００を成長した。この半導体
層に関しては、上記実施形態１と同様であるが、本実施
形態２では酸化珪素膜をマスクとした選択成長を行うこ
とにより、半導体レーザ２００部には成長が起らない条
件で成長した。なお、図中の符号３０３、３０２は上記
実施形態１同様に上下の光閉じ込め層を示している。
【００６３】このとき、成長後の基板表面は平坦に埋め
込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾
いた層構造が従来例と同様に確認された。光導波層３０
１の層厚は２μｍとした。本実施形態２においても、実
施形態１同様に、半導体レーザ２００の出力光分布の中
心と水平になったあとの光導波路３０１の固有モードの
中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができ
た。
込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾
いた層構造が従来例と同様に確認された。光導波層３０
１の層厚は２μｍとした。本実施形態２においても、実
施形態１同様に、半導体レーザ２００の出力光分布の中
心と水平になったあとの光導波路３０１の固有モードの
中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができ
た。
【００６４】次に、半導体レーザ２００’と光導波路３
０１の接合領域を含む形で幅７．８μｍにわたって垂直
にエッチングした。このエッチング深さは光導波路３０
１部を突き抜け、７．０μｍに制御した。
０１の接合領域を含む形で幅７．８μｍにわたって垂直
にエッチングした。このエッチング深さは光導波路３０
１部を突き抜け、７．０μｍに制御した。
【００６５】続いて、エッチングされた領域に連続的に
屈折率ｎが変化する構造を含む半導体層５００を成長し
た。図２（ｂ）は半導体層５００の層方向（層厚方向）
における屈折率分布を示す。同図（ｂ）に示すように、
屈折率の分布は層方向の周辺部から中心部に向かって屈
折率が大きくなる２次関数的に変化しており、この屈折
率分布はＡｌの混晶比の変化を用いて形成した。
屈折率ｎが変化する構造を含む半導体層５００を成長し
た。図２（ｂ）は半導体層５００の層方向（層厚方向）
における屈折率分布を示す。同図（ｂ）に示すように、
屈折率の分布は層方向の周辺部から中心部に向かって屈
折率が大きくなる２次関数的に変化しており、この屈折
率分布はＡｌの混晶比の変化を用いて形成した。
【００６６】ここで、半導体層５００（以後、Ｇｒａｄ
ｅｄ ＩＮｄｅｘ（ＧＲＩＮ）領域と称する）の厚さ
は、片側（中心部から周辺部）２．８９４μｍ、中心部
の屈折率３．５４５（屈折率の最大値）、周辺部の屈折
率３．２（屈折率の最小値）、中心位置は半導体レーザ
２００の出力光分布の中心及び光導波路３０１の固有モ
ードの中心の高さに一致させた。この位置合わせ制御
は、ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量を
コンピュータ制御することにより容易に実現できた。
ｅｄ ＩＮｄｅｘ（ＧＲＩＮ）領域と称する）の厚さ
は、片側（中心部から周辺部）２．８９４μｍ、中心部
の屈折率３．５４５（屈折率の最大値）、周辺部の屈折
率３．２（屈折率の最小値）、中心位置は半導体レーザ
２００の出力光分布の中心及び光導波路３０１の固有モ
ードの中心の高さに一致させた。この位置合わせ制御
は、ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量を
コンピュータ制御することにより容易に実現できた。
【００６７】その後、半導体レーザ２００、ＧＲＩＮ領
域５００及び光導波路３００にわたり、幅２μｍの横幅
で導波路領域を規定する溝をエッチングした。この溝
は、全ての層を貫通するように深い溝とした。
域５００及び光導波路３００にわたり、幅２μｍの横幅
で導波路領域を規定する溝をエッチングした。この溝
は、全ての層を貫通するように深い溝とした。
【００６８】最後に、エッチングした領域に半導体層
（図示せず）を埋め込むことにより埋め込み導波路構造
を形成し、横モード閉じ込め構造として、本実施形態２
の導波路型光集積回路素子を得た。
（図示せず）を埋め込むことにより埋め込み導波路構造
を形成し、横モード閉じ込め構造として、本実施形態２
の導波路型光集積回路素子を得た。
【００６９】本実施形態２の導波路型光集積回路素子
は、半導体レーザ２００’部はＤＦＢレーザであり、半
導体レーザ２００’とＧＲＩＮ領域５００の界面で反射
がなくてもレーザ発振するため、半導体レーザ２００’
部で独立して良好に発振した。光導波路３０１部に光分
岐素子等の他のデバイスを集積する場合は、このよう
に、半導体レーザ単体で動作するＤＦＢレーザを光源と
して用いることが望ましい。
は、半導体レーザ２００’部はＤＦＢレーザであり、半
導体レーザ２００’とＧＲＩＮ領域５００の界面で反射
がなくてもレーザ発振するため、半導体レーザ２００’
部で独立して良好に発振した。光導波路３０１部に光分
岐素子等の他のデバイスを集積する場合は、このよう
に、半導体レーザ単体で動作するＤＦＢレーザを光源と
して用いることが望ましい。
【００７０】本実施形態２の導波路型光集積回路素子に
ついて、半導体レーザ２００’から光導波路３０１への
結合損失を評価したところ、約０．４ｄＢであった。こ
のうち、ＧＲＩＮ領域５００成長時の水平からずれた成
長に起因する結合損失が０．２ｄＢと見積もられ、モー
ド不整合に起因する損失はＧＲＩＮ領域５００の採用に
より大幅に低減できたことが確認された。
ついて、半導体レーザ２００’から光導波路３０１への
結合損失を評価したところ、約０．４ｄＢであった。こ
のうち、ＧＲＩＮ領域５００成長時の水平からずれた成
長に起因する結合損失が０．２ｄＢと見積もられ、モー
ド不整合に起因する損失はＧＲＩＮ領域５００の採用に
より大幅に低減できたことが確認された。
【００７１】その理由は、ＧＲＩＮ領域５００のレンズ
効果によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬中
に連続的に変化し、光導波路３０１の固有モードのビー
ム径に一致したととろで光導波路３０１に結合されてい
るためである。実際、ＧＲＩＮ領域５００の長さを変化
させて結合損失を測定してみたところ、周期的に変化す
ることが確認されている。従って、ＧＲＩＮ領域５００
の長さは、上記のとおり光導波路３０１の固有モードの
ビーム径に合わせて最適化することが望ましい。
効果によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬中
に連続的に変化し、光導波路３０１の固有モードのビー
ム径に一致したととろで光導波路３０１に結合されてい
るためである。実際、ＧＲＩＮ領域５００の長さを変化
させて結合損失を測定してみたところ、周期的に変化す
ることが確認されている。従って、ＧＲＩＮ領域５００
の長さは、上記のとおり光導波路３０１の固有モードの
ビーム径に合わせて最適化することが望ましい。
【００７２】なお、本実施形態２ではＧＲＩＮ領域５０
０の屈折率変化として２次関数を用いたが、実質的に同
様のレンズ効果を有すればこれに限らず、他の屈折率分
布を用いることも可能である。また、ここでは屈折率が
２次関数状に連続して変化する構造としたが、これを線
分で近似したりしても同様の特性が得られることは明ら
かである。
０の屈折率変化として２次関数を用いたが、実質的に同
様のレンズ効果を有すればこれに限らず、他の屈折率分
布を用いることも可能である。また、ここでは屈折率が
２次関数状に連続して変化する構造としたが、これを線
分で近似したりしても同様の特性が得られることは明ら
かである。
【００７３】（実施形態３）図３は本発明導波路型光集
積回路素子の実施形態３を示す。本実施形態３の導波路
型光集積回路素子は、実施形態２の手法と実施形態１の
手法とを組み合わせて作製したものである。
積回路素子の実施形態３を示す。本実施形態３の導波路
型光集積回路素子は、実施形態２の手法と実施形態１の
手法とを組み合わせて作製したものである。
【００７４】即ち、ＧＲＩＮ層５００成長時の水平から
ずれた成長に起因する結合損失を低減させるために、半
導体レーザ２００’とＧＲＩＮ領域５００の接合領域を
含む領域、或いはＧＲＩＮ領域５００と光導波路層３０
０の接合領域を含む領域、若しくは、その両方の領域を
エッチングし、層構造を有しない層を成長させること
で、実施形態２の効果に実施形態１の効果を付加したも
のである。
ずれた成長に起因する結合損失を低減させるために、半
導体レーザ２００’とＧＲＩＮ領域５００の接合領域を
含む領域、或いはＧＲＩＮ領域５００と光導波路層３０
０の接合領域を含む領域、若しくは、その両方の領域を
エッチングし、層構造を有しない層を成長させること
で、実施形態２の効果に実施形態１の効果を付加したも
のである。
【００７５】ここで、上記の説明におけるエッチングと
しては、ほぼ垂直にエッチングができさえすればよく、
一般的なエッチング方法を用いることができる。例え
ば、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）等を
用いても良いし、ウェットエッチングを用いることも可
能である。また、結晶成長についても上記に述べたＭＯ
ＣＶＤ法、ＭＢＥ法に限らず、場合によっては液相成
長、クロライドＶＰＥ等を用いることも可能である。
しては、ほぼ垂直にエッチングができさえすればよく、
一般的なエッチング方法を用いることができる。例え
ば、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）等を
用いても良いし、ウェットエッチングを用いることも可
能である。また、結晶成長についても上記に述べたＭＯ
ＣＶＤ法、ＭＢＥ法に限らず、場合によっては液相成
長、クロライドＶＰＥ等を用いることも可能である。
【００７６】なお、実施形態１及び実施形態２と対応す
る部分には同一の符号を付してある。
る部分には同一の符号を付してある。
【００７７】（実施形態４）図４（ａ）、（ｂ）は本発
明導波路型光集積回路素子の実施形態４を示す。本実施
形態４の導波路型光集積回路素子は、その製造プロセス
に特徴を有するものである。以下にその構造を製造工程
と共に説明する。
明導波路型光集積回路素子の実施形態４を示す。本実施
形態４の導波路型光集積回路素子は、その製造プロセス
に特徴を有するものである。以下にその構造を製造工程
と共に説明する。
【００７８】まず、ＧａＡｓ基板１００上にＡｌＧａＡ
ｓ系ＤＦＢレーザ２００’を構成する半導体層をＭＢＥ
法で成長した。本実施形態４の導波路型光集積回路素子
は、半導体レーザとして吸収結合型回折格子を有する利
得結合型半導体レーザを用いている。
ｓ系ＤＦＢレーザ２００’を構成する半導体層をＭＢＥ
法で成長した。本実施形態４の導波路型光集積回路素子
は、半導体レーザとして吸収結合型回折格子を有する利
得結合型半導体レーザを用いている。
【００７９】この半導体レーザ２００’の垂直方向のビ
ーム径は約１μｍであり、活性層２０１として３層の量
子井戸構造を採用し、発振波長７８０ｎｍに設定した。
ーム径は約１μｍであり、活性層２０１として３層の量
子井戸構造を採用し、発振波長７８０ｎｍに設定した。
【００８０】次に、ＲＩＢＥ法を用いてＧａＡｓ基板１
００に到達する深さまで垂直にエッチングした。ここ
で、エッチングマスクとしては酸化珪素膜を用いた。続
いて、エッチングされた領域の側面に酸化珪素膜６００
を形成した。
００に到達する深さまで垂直にエッチングした。ここ
で、エッチングマスクとしては酸化珪素膜を用いた。続
いて、エッチングされた領域の側面に酸化珪素膜６００
を形成した。
【００８１】この形成は、ＧａＡｓ基板１００にバイア
ス電圧を引加しながらスパッタリングを行うバイアスス
パッタ法を用いて行った。そうしたところ、エッチング
底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面の
みに酸化珪素膜６００を形成することができた。ここ
で、酸化珪素膜６００の膜厚は２０ｎｍとした。このよ
うに膜厚を薄くすると、酸化珪素膜６００による反射は
生じなかった。
ス電圧を引加しながらスパッタリングを行うバイアスス
パッタ法を用いて行った。そうしたところ、エッチング
底面には酸化珪素の形成は見られず、エッチング側面の
みに酸化珪素膜６００を形成することができた。ここ
で、酸化珪素膜６００の膜厚は２０ｎｍとした。このよ
うに膜厚を薄くすると、酸化珪素膜６００による反射は
生じなかった。
【００８２】この時点で、酸化珪素膜６００はエッチン
グされていない領域とエッチングされた領域の側面に形
成され、エッチング底面には形成されていない。引き続
き、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路３０１を構成する半
導体層３００を成長した。この半導体層３００に関して
は、酸化珪素膜６００をマスクとした選択成長を行うこ
とにより、半導体レーザ２００’部には成長が起らない
条件で成長した。
グされていない領域とエッチングされた領域の側面に形
成され、エッチング底面には形成されていない。引き続
き、ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路３０１を構成する半
導体層３００を成長した。この半導体層３００に関して
は、酸化珪素膜６００をマスクとした選択成長を行うこ
とにより、半導体レーザ２００’部には成長が起らない
条件で成長した。
【００８３】本実施形態４の導波路型光集積回路素子で
は、エッチング側面に酸化珪素膜６００からなる誘電体
層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向
の成長も抑制され、それによって半導体層３００の成長
時、水平から傾斜した成長は見られず、すべてＧａＡｓ
基板１００に平行に成長は進行した。なお、光導波層３
０１の層厚は２μｍとした。
は、エッチング側面に酸化珪素膜６００からなる誘電体
層が形成されているので、エッチング側面に垂直な方向
の成長も抑制され、それによって半導体層３００の成長
時、水平から傾斜した成長は見られず、すべてＧａＡｓ
基板１００に平行に成長は進行した。なお、光導波層３
０１の層厚は２μｍとした。
【００８４】本実施形態４の導波路型光集積回路素子に
おいても、半導体レーザ２００’の出力光分布の中心と
水平になったあとの光導波路３０１の固有モードの中心
の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。
おいても、半導体レーザ２００’の出力光分布の中心と
水平になったあとの光導波路３０１の固有モードの中心
の高さは０．１μｍの精度で合わせることができた。
【００８５】本実施形態４の導波路型光集積回路素子に
ついて、半導体レーザ２００’から光導波路３０１への
結合損失を評価したところ、約１．８ｄＢであり、モー
ドの不整合に起因する損失のみであり、結合損失を低減
できることが確認できた。
ついて、半導体レーザ２００’から光導波路３０１への
結合損失を評価したところ、約１．８ｄＢであり、モー
ドの不整合に起因する損失のみであり、結合損失を低減
できることが確認できた。
【００８６】（実施形態５）図５は本発明導波路型光集
積回路素子の実施形態５を示す。本実施形態５の導波路
型光集積回路素子は、実施形態２の手法と実施形態４の
手法を組み合わせて作製したものである。以下にその構
造を製造工程と共に説明する。
積回路素子の実施形態５を示す。本実施形態５の導波路
型光集積回路素子は、実施形態２の手法と実施形態４の
手法を組み合わせて作製したものである。以下にその構
造を製造工程と共に説明する。
【００８７】まず、ＩｎＰ基板１１０上にＩｎＧａＡｓ
Ｐ系ＤＦＢレーザ２１０を構成する半導体層をＭＢＥ法
で成長した。本実施形態５の導波路型光集積回路素子
は、半導体レーザ２１０として吸収結合型回折格子を有
する利得結合型半導体レーザを用いている。
Ｐ系ＤＦＢレーザ２１０を構成する半導体層をＭＢＥ法
で成長した。本実施形態５の導波路型光集積回路素子
は、半導体レーザ２１０として吸収結合型回折格子を有
する利得結合型半導体レーザを用いている。
【００８８】この半導体レーザ２１０の垂直方向のビー
ム径は約１μｍであり、活性層２１１には５層の量子井
戸構造を採用し、発振波長１．５５μｍに設定した。
ム径は約１μｍであり、活性層２１１には５層の量子井
戸構造を採用し、発振波長１．５５μｍに設定した。
【００８９】次に、ＲＩＢＥ法を用いてＩｎＰ基板１１
０に到達する深さまで垂直にエッチングした。その後、
ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路３０１を構成する半導体
層３００を成長した。この半導体層３００に関しては酸
化珪素膜をマスクとした選択成長を行うことにより、半
導体レーザ２１０部には成長が起らない条件で成長し
た。
０に到達する深さまで垂直にエッチングした。その後、
ＭＯＣＶＤ法を用いて光導波路３０１を構成する半導体
層３００を成長した。この半導体層３００に関しては酸
化珪素膜をマスクとした選択成長を行うことにより、半
導体レーザ２１０部には成長が起らない条件で成長し
た。
【００９０】このとき、成長後の基板表面は平坦に埋め
込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾
いた層構造が従来例と同様に確認された。光導波層３０
１の層厚は１．５μｍとした。本実施形態５の導波路型
光集積回路素子も、半導体レーザ２１０の出力光分布の
中心と水平になったあとの光導波路３０１の固有モード
の中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができ
た。
込まれていたが、断面形状の観察より、水平方向から傾
いた層構造が従来例と同様に確認された。光導波層３０
１の層厚は１．５μｍとした。本実施形態５の導波路型
光集積回路素子も、半導体レーザ２１０の出力光分布の
中心と水平になったあとの光導波路３０１の固有モード
の中心の高さは０．１μｍの精度で合わせることができ
た。
【００９１】次に、酸化珪素マスクを用いて、半導体レ
ーザ２１０と光導波路３０１の接合領域を含む形で幅
４．１７μｍにわたって垂直にエッチングした。このエ
ッチング深さは光導波路３０１部を突き抜け、６．０μ
ｍに制御した。
ーザ２１０と光導波路３０１の接合領域を含む形で幅
４．１７μｍにわたって垂直にエッチングした。このエ
ッチング深さは光導波路３０１部を突き抜け、６．０μ
ｍに制御した。
【００９２】続いて、エッチングされた領域の側面に酸
化珪素膜６００を形成した。この形成は、実施形態４同
様にバイアススパッタ法を用いて行った。そうしたとこ
ろ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エ
ッチング側面のみに酸化珪素膜６００を形成することが
できた。酸化珪素膜６００の膜厚は２０ｎｍとした。
化珪素膜６００を形成した。この形成は、実施形態４同
様にバイアススパッタ法を用いて行った。そうしたとこ
ろ、エッチング底面には酸化珪素の形成は見られず、エ
ッチング側面のみに酸化珪素膜６００を形成することが
できた。酸化珪素膜６００の膜厚は２０ｎｍとした。
【００９３】引き続き、エッチングされた領域に連続的
に屈折率が変化する構造（ＧＲＩＮ領域）５００を含む
半導体層を成長した。屈折率はＩｎ、Ａｓ組成の変化を
用いて変化させた。ここで、ＧＲＩＮ領域５００の中心
位置は半導体レーザ２１０の出力光分布の中心及び光導
波路３０１の固有モードの中心の高さに一致させた。
に屈折率が変化する構造（ＧＲＩＮ領域）５００を含む
半導体層を成長した。屈折率はＩｎ、Ａｓ組成の変化を
用いて変化させた。ここで、ＧＲＩＮ領域５００の中心
位置は半導体レーザ２１０の出力光分布の中心及び光導
波路３０１の固有モードの中心の高さに一致させた。
【００９４】この位置合わせ制御は、実施形態４同様に
ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコン
ピュータ制御することにより容易に実現できた。
ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量をコン
ピュータ制御することにより容易に実現できた。
【００９５】本実施形態５の導波路型光集積回路素子に
おいても、エッチング側面に誘電体層が形成されている
ので、エッチング側面に垂直な方向の成長は抑制され、
それによってＧＲＩＮ領域５００の成長時、水平から傾
斜した成長は見られず、すべてＩｎＰ基板１１０に平行
に成長は進行した。
おいても、エッチング側面に誘電体層が形成されている
ので、エッチング側面に垂直な方向の成長は抑制され、
それによってＧＲＩＮ領域５００の成長時、水平から傾
斜した成長は見られず、すべてＩｎＰ基板１１０に平行
に成長は進行した。
【００９６】本実施形態５の導波路型光集積回路素子に
ついて、半導体レーザ２１０から光導波路３０１への結
合損失を評価したところ、約０．２ｄＢであり、水平か
ら傾斜して成長する半導体層がないことと、モード不整
合が無いことによる相乗効果により、結合損失を大幅に
低減できることが確認された。
ついて、半導体レーザ２１０から光導波路３０１への結
合損失を評価したところ、約０．２ｄＢであり、水平か
ら傾斜して成長する半導体層がないことと、モード不整
合が無いことによる相乗効果により、結合損失を大幅に
低減できることが確認された。
【００９７】
【発明の効果】以上の本発明導波路型光集積回路素子に
よれば、半導体レーザと光導波路の接合領域に単一の半
導体層を埋め込む構成をとるので、半導体レーザと光導
波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在しない
導波路型光集積回路素子を実現できる。
よれば、半導体レーザと光導波路の接合領域に単一の半
導体層を埋め込む構成をとるので、半導体レーザと光導
波路の接合部に水平方向から傾いた層構造が存在しない
導波路型光集積回路素子を実現できる。
【００９８】このため、半導体レーザ部と埋め込み領域
との界面及び埋め込み領域と光導波路部との界面におけ
る透価屈折率の差を小さくでき、これらの界面で導波光
はほとんど反射されず、また、屈折されないので、放射
損失を低減できる。
との界面及び埋め込み領域と光導波路部との界面におけ
る透価屈折率の差を小さくでき、これらの界面で導波光
はほとんど反射されず、また、屈折されないので、放射
損失を低減できる。
【００９９】加えて、上記構成によれば、半導体レーザ
からの出力光のビーム径を光導波路の固有モードのビー
ム径に容易に整合させることができるので、モード不整
合による放射損失を抑えることができる。
からの出力光のビーム径を光導波路の固有モードのビー
ム径に容易に整合させることができるので、モード不整
合による放射損失を抑えることができる。
【０１００】この結果、本発明成によれば、結合損失を
大幅に低減できるので、結果的に消費電力を低減でき、
信頼性を向上できる導波路型光集積回路素子を実現でき
る。
大幅に低減できるので、結果的に消費電力を低減でき、
信頼性を向上できる導波路型光集積回路素子を実現でき
る。
【０１０１】また、特に請求項３等に記載の導波路型光
集積回路素子によれば、半導体レーザと光導波路の接合
領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半
導体層を埋め込む構成をとるので、この半導体層のレン
ズ効果によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬
中に連続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム径
に一致したととろで光導波路に結合されるので、モード
不整合に起因する結合損失をより一層効果的に低減でき
る。
集積回路素子によれば、半導体レーザと光導波路の接合
領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して変化する半
導体層を埋め込む構成をとるので、この半導体層のレン
ズ効果によって導波中の光のモードプロファイルが伝搬
中に連続的に変化し、光導波路の固有モードのビーム径
に一致したととろで光導波路に結合されるので、モード
不整合に起因する結合損失をより一層効果的に低減でき
る。
【０１０２】また、上記２つの構成を組み合わせる構成
によれば、両者の効果を相乗的に発揮でき、結合損失を
一層効率良く低減できる導波路型光集積回路素子を実現
できる。
によれば、両者の効果を相乗的に発揮でき、結合損失を
一層効率良く低減できる導波路型光集積回路素子を実現
できる。
【０１０３】また、特に請求項８等に記載の導波路型光
集積回路素子によれば、半導体レーザと光導波路の接合
領域に誘電体層を介在させる構成をとり、この構成によ
っても、半導体レーザと光導波路の接合部に水平方向か
ら傾いた層構造が存在しない導波路型光集積回路素子を
実現できるので、上記同様に結合損失を低減できる。
集積回路素子によれば、半導体レーザと光導波路の接合
領域に誘電体層を介在させる構成をとり、この構成によ
っても、半導体レーザと光導波路の接合部に水平方向か
ら傾いた層構造が存在しない導波路型光集積回路素子を
実現できるので、上記同様に結合損失を低減できる。
【０１０４】また、特に請求項９等に記載の導波路型光
集積回路素子によれば、半導体レーザと光導波路の接合
領域に誘電体層を介在させ、且つ半導体レーザと該光導
波路の接合領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して
変化する半導体層を埋め込む構成をとるので、水平から
傾斜して成長する半導体層がないことと、モード不整合
が無いことによる相乗効果により、結合損失を大幅に低
減できる導波路型光集積回路素子を実現できる。
集積回路素子によれば、半導体レーザと光導波路の接合
領域に誘電体層を介在させ、且つ半導体レーザと該光導
波路の接合領域に、屈折率が層方向に実質的に連続して
変化する半導体層を埋め込む構成をとるので、水平から
傾斜して成長する半導体層がないことと、モード不整合
が無いことによる相乗効果により、結合損失を大幅に低
減できる導波路型光集積回路素子を実現できる。
【０１０５】また、特に請求項１１〜請求項１５記載の
導波路型光集積素子の製造方法によれば、上記した効果
を発揮できる導波路型光集積素子を容易に製造すること
ができる。
導波路型光集積素子の製造方法によれば、上記した効果
を発揮できる導波路型光集積素子を容易に製造すること
ができる。
【図１】本発明の実施形態１を示す、導波路型光集積回
路素子の断面図。
路素子の断面図。
【図２】本発明の実施形態２を示す、（ａ）は導波路型
光集積回路素子の断面図、（ｂ）はＧＲＩＮ領域の屈折
率分布を示す概念図。
光集積回路素子の断面図、（ｂ）はＧＲＩＮ領域の屈折
率分布を示す概念図。
【図３】本発明の実施形態３を示す、導波路型光集積回
路素子の断面図。
路素子の断面図。
【図４】本発明の実施形態４を示す、導波路型光集積回
路素子の製造工程図。
路素子の製造工程図。
【図５】本発明の実施形態５を示す、導波路型光集積回
路素子の製造工程図。
路素子の製造工程図。
【図６】導波路型光集積回路素子の従来例を示す斜視
図。
図。
【図７】（ａ）は半導体レーザと光導波路とを同一基板
上に集積化した場合の理想的な構造を示す断面図、
（ｂ）は実際の構造を示す断面図。
上に集積化した場合の理想的な構造を示す断面図、
（ｂ）は実際の構造を示す断面図。
１００ ＧａＡｓ基板 １１０ ＩｎＰ基板 ２００ ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ ２００’ ＡｌＧａＡｓ系ＤＦＢレーザ ２１０ ＩｎＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザ ３００ 光導波路を構成する半導体層 ３０１ 光導波層 ３０２ 下側の光閉じ込め層 ３０３ 上側の光閉じ込め層 ４００ ＡｌＧａＡｓ埋め込み層 ５００ ＧＲＩＮ領域 ６００ 酸化珪素膜
Claims (15)
- 【請求項１】 端面出射型の半導体レーザと、複数の半
導体層からなり、該半導体レーザの出射光を導波させる
光導波路とを半導体基板上の横方向に集積した導波路型
光集積回路素子において、 該半導体レーザと該光導波路の接合領域に単一の半導体
層を埋め込んだ導波路型光集積回路素子。 - 【請求項２】 前記単一の半導体層の横方向の長さが２
０μｍ以下である請求項１記載の導波路型光集積回路素
子。 - 【請求項３】 端面出射型の半導体レーザと、複数の半
導体層からなり、該半導体レーザの出射光を導波させる
光導波路とを半導体基板上の横方向に集積した導波路型
光集積回路素子において、 該半導体レーザと該光導波路の接合領域に、屈折率が層
方向に実質的に連続して変化する半導体層を埋め込んだ
導波路型光集積回路素子。 - 【請求項４】 前記半導体層の屈折率は、層方向の周辺
部から中心部に向けて高くなる２次関数状に変化する請
求項３記載の導波路型光集積回路素子。 - 【請求項５】 前記半導体層の屈折率の変化は該半導体
層の組成を変化させることにより形成した請求項３又は
請求項４記載の導波路型光集積回路素子。 - 【請求項６】 前記半導体層の層方向の中心位置は前記
半導体レーザの出力光分布の中心に一致し、かつ前記光
導波路の固有モードの中心に一致している請求項４記載
の導波路型光集積回路素子。 - 【請求項７】 前記半導体層と前記半導体レーザとの間
又は該半導体層と前記光導波路との間、或いは該半導体
層と該半導体レーザとの間及び該半導体層と該光導波路
との間に、単一の半導体層を埋め込んだ請求項３〜請求
項６のいずれかに記載の導波路型光集積回路素子。 - 【請求項８】 端面出射型の半導体レーザと、複数の半
導体層からなり、該半導体レーザの出射光を導波させる
光導波路とを半導体基板上の横方向に集積した導波路型
光集積回路素子において、 該半導体レーザと該光導波路の接合領域に誘電体層を介
在させた導波路型光集積回路素子。 - 【請求項９】 前記半導体層と前記半導体レーザとの間
及び該半導体層と前記光導波路との間に誘電体層を介在
させた請求項３〜請求項６のいずれかに記載の導波路型
光集積回路素子。 - 【請求項１０】 前記半導体レーザが分布帰還型半導体
レーザである請求項１〜請求項９のいずれかに記載の導
波路型光集積回路素子。 - 【請求項１１】 半導体基板上に半導体レーザを構成す
る半導体層を形成する工程と、 該半導体層の一部を略垂直な断面を有するようにエッチ
ング除去する工程と、 エッチング除去した領域に光導波路を構成する半導体層
を形成する工程と、 該半導体レーザの光出射端面と該光導波路の光入射面と
の境界を含む領域を略垂直な断面を有するようにエッチ
ング除去する工程と、 エッチング除去した領域に単一の半導体層を形成する工
程とを包含する導波路型光集積回路素子の製造方法。 - 【請求項１２】 半導体基板上に半導体レーザを構成す
る半導体層を形成する工程と、 該半導体層の一部を略垂直な断面を有するようにエッチ
ング除去する工程と、 エッチング除去した領域に光導波路を構成する半導体層
を形成する工程と、 該半導体レーザの光出射端面と該光導波路の光入射面と
の境界を含む領域を略垂直な断面を有するようにエッチ
ング除去する工程と、 エッチング除去した領域に層方向に屈折率が実質的に連
続して変化する半導体層を形成する工程とを包含する導
波路型光集積回路素子の製造方法。 - 【請求項１３】 半導体基板上に半導体レーザを構成す
る半導体層を形成する工程と、 該半導体層の一部を略垂直な断面を有するようにエッチ
ング除去する工程と、 エッチング除去した領域の側面に誘電体マスクを形成す
る工程と、 エッチング除去した領域に光導波路を構成する半導体層
を形成する工程とを包含する導波路型光集積回路素子の
製造方法。 - 【請求項１４】 前記エッチング除去した領域の側面に
誘電体マスクを形成する工程を、前記半導体基板にバイ
アス電圧を印加しながらスパッタリングを行うバイアス
スパッタ法を用いて行う請求項１３記載の導波路型光集
積回路素子の製造方法。 - 【請求項１５】 請求項６記載の導波路型光集積回路素
子の製造方法であって、 ＭＯＣＶＤ装置のマスフローコントローラの流量を制御
することにより前記半導体層の層方向の中心位置を前記
半導体レーザの出力光分布の中心に一致させ、かつ前記
光導波路の固有モードの中心に一致させる工程を包含す
る導波路型光集積回路素子の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16482497A JP4117854B2 (ja) | 1997-06-20 | 1997-06-20 | 導波路型光集積回路素子及びその製造方法 |
| US09/098,611 US6163631A (en) | 1997-06-20 | 1998-06-17 | Waveguide type optical integrated circuit element and method for fabricating same |
| US09/645,102 US6340605B1 (en) | 1997-06-20 | 2000-08-23 | Waveguide type optical integrated circuit element and method for fabricating same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16482497A JP4117854B2 (ja) | 1997-06-20 | 1997-06-20 | 導波路型光集積回路素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1114842A true JPH1114842A (ja) | 1999-01-22 |
| JP4117854B2 JP4117854B2 (ja) | 2008-07-16 |
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ID=15800622
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|---|---|---|---|
| JP16482497A Expired - Fee Related JP4117854B2 (ja) | 1997-06-20 | 1997-06-20 | 導波路型光集積回路素子及びその製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6163631A (ja) |
| JP (1) | JP4117854B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6865207B1 (en) | 1998-12-18 | 2005-03-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device withspot-size converter and method for fabricating the same |
| WO2007080891A1 (ja) * | 2006-01-11 | 2007-07-19 | Nec Corporation | 半導体レーザ、モジュール、及び、光送信機 |
| WO2020213066A1 (ja) * | 2019-04-16 | 2020-10-22 | 日本電信電話株式会社 | 可視光光源 |
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