JP5551928B2

JP5551928B2 - 半導体光素子及び半導体光素子の製造方法

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Publication number: JP5551928B2
Application number: JP2009282011A
Authority: JP
Inventors: 俊也山内; 聖二鷲見; 潤五十嵐; 康佐久間; 茂則早川
Original assignee: 日本オクラロ株式会社
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: JP2011124445A

Description

本発明は、半導体光素子及び半導体光素子の製造方法に関する。

近年、光通信による情報の伝送量が飛躍的に増大している。このような光通信の基盤を支えているのが電界吸収型（ＥＡ：Electro Absorption）変調器集積型ＤＦＢ（Distributed Feed Back）（ＥＡ／ＤＦＢ）レーザなどの半導体光素子である。ＥＡ／ＤＦＢ素子は、レーザ部を連続発振状態として、ＤＦＢレーザから出射された光をＥＡ変調器に逆バイアスの電圧をかけることによりＥＡ変調器での光の吸収量を変化させ高速変調を行っている。このため、ＥＡ／ＤＦＢ素子は、レーザに流れる電流のＯＮ／ＯＦＦによって変調光を生成する直接変調方式の素子と比較して低チャープ特性であり、ＬＮ変調方式の素子などと比較して安価かつ小型であることから、中、長距離通信に用いられる半導体光素子として多用されている。

ところで、半導体光素子は、内部の光の状態によって大きく特性が変わるため、外部より半導体素子内に光が入力されると動作状態が変わることとなる。また、素子が出射した光の反射にも敏感であり、出射した光が素子内に戻ると動作状態が不安定になる。半導体は屈折率が３程度と大きく、空気との境界である半導体光素子の端面で大きな反射が起こるため、通常、半導体光素子の出射端面には誘電体多層膜により低反射膜が形成されている。さらに、反射光を低減する必要がある場合には、素子端面近傍で光の閉じ込めを行わない構造、いわゆる窓構造を採用する場合がある。図１３は、比較例の半導体光素子１００の窓構造部１２４を上面から見た様子の一例を示す平面図である。図１３に示す半導体光素子１００では、光導波路部１１６を半導体光素子１００の端面までは作製せず、半導体光素子１００の端面近傍で光の閉じ込めを行わないことによってビームを拡大している。そのため、仮に、半導体光素子１００の端面で光の反射が起こったとしても、戻り光が光導波路部１１６に光結合する割合は小さくなることとなる。

ＤＦＢレーザにおいて、反射光がレーザに戻った場合、光出力−電流特性に折れ曲がり（キンク）が発生する。また、ＥＡ／ＤＦＢ素子のように連続発振しているレーザに対してＥＡ変調器で変調された反射光が戻ってきた場合は、反射光によってＤＦＢレーザが揺らされ、本来ＥＡ変調器に印加されている電気信号とは異なる光の揺らぎが発生するため、光の周波数応答特性にピークやディップが発生し、アイパターンに光強度の揺らぎやジッタが発生し、その結果、伝送特性が劣化する。

反射率を低減する窓構造は、光導波路部１１６の延長線上に低屈折率の半導体を埋込再成長させることによって形成される。そして、光導波路部１１６（コア部）と窓構造部１２４とは屈折率が異なるため、その境界で光の反射が起こる。この反射率を低減する技術として、特許文献１には、窓構造部とコア部との間の界面を、結晶成長時の結晶面方位を用いて斜めにする技術が開示されている。

特開２０００−１８８４４１号公報

しかし、結晶面方位を用いて窓構造部と光導波路部（コア部）との間の界面を斜めにすると、光導波路部の光軸方向に対する光導波路部の先端部の端面の角度が結晶面方位によって定まってしまうので、レーザから出射される光の波長帯が変わったときなどに、反射率の低減効果が最大になるように半導体光素子を製造することが困難となる。伝送速度が高速である通信システムにおいては、反射光の影響が大きいので、半導体光素子の性能を最大限引き出すためには、反射光をできるだけ低減することが求められる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、従来よりも容易に反射光を低減することができる半導体光素子及び半導体光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光素子は、結晶層により構成される光導波路部を含み、前記光導波路部には、先細の先端部が形成されており、前記光導波路部の先端部に、前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った、光が出射される端面が形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光素子の製造方法は、結晶層により構成される光導波路部を形成する工程と、前記光導波路部の先端部が先細になるよう前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面を形成する工程と、含むことを特徴とする。

本発明によれば、光導波路部の先端部の端面の角度が、結晶面方位によって定まる角度に限定されないので、反射光を従来技術よりも容易に低減することができる。

本発明の一態様では、前記光導波路部が基板上に形成されており、前記先端部に、前記基板の面に対して垂直な方向に対応する方向に沿った前記端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも端面を容易に形成することができる。

また、本発明の一態様では、前記先端部の、前記光導波路部の光軸に沿った方向の長さが、前記光導波路部から出射される光の半波長の整数倍の長さに対応していることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも端面における光の反射率を低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記光導波路部を通る光の前記端面への入射角が臨界角を超えないよう、前記端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、端面において光が全反射しなくなる。

また、本発明の一態様では、前記光導波路部の前記端面側に窓構造部が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも反射戻り光が光導波路に結合する可能性を低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記先端部に、前記光導波路部の光軸に対して略対称な、互いに異なる方向に沿った複数の端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも光導波路部から出射される光の光導波路の光軸に対する曲がり具合を低減することができる。

また、本発明の一態様では、半導体レーザ部と光変調部とが集積されていることを特徴とする。

また、本発明の一態様では、前記端面が、ドライエッチングにより形成されることを特徴とする。

本発明の第１実施形態に係る半導体光素子の概略構成の一例を示す一部切り欠き斜視図である。本発明の第１実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示すフロー図である。本発明の第１実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。図８に示す半導体光素子の光導波路部の先端部付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。半導体レーザ部から発振される光の波長と、パワー反射率との関係の一例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。図１１に示す半導体光素子の光導波路部の先端部付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。比較例の半導体光素子の窓構造部を上面から見た様子の一例を示す平面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１は、第１実施形態に係る半導体光素子１（例えば、ＥＡ／ＤＦＢ素子）の概略構成の一例を示す一部切り欠き斜視図である。第１実施形態に係る半導体光素子１は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた１．５５μｍ帯の半導体光素子１である。図１に示すように、第１実施形態に係る半導体光素子１は、半導体基板１０上に、半導体レーザ部１２（例えば、ＤＦＢレーザ部）と、光変調部１４（例えば、ＥＡ変調器）と、が集積されている。第１実施形態では、半導体レーザ部１２と、光変調部１４と、によって、光導波路部１６が構成されている。そして、光導波路部１６の上には、ｐ−クラッド層１８が形成されている。そして、半導体レーザ部１２と、光変調部１４と、ｐ−クラッド層１８とは、高抵抗半導体２０に埋め込まれている。そして、ｐ−クラッド層１８の上面と高抵抗半導体２０の上面とは同一平面上にあり、その面の上には、２つの電極２２が設けられている。

第１実施形態に係る半導体光素子１では、半導体レーザ部１２から発振される光が光変調部１４により変調され、半導体光素子１の外部へと出射される。そして、第１実施形態に係る半導体光素子１の、光が出射される端面は誘電体多層膜などによって無反射コーティングがされている。また、半導体光素子１の、光が出射される端面付近には、窓構造部２４が形成されている。

ここで、第１実施形態に係る半導体光素子１の製造工程の一例を、図２に示すフロー図を参照しながら説明する。なお、図３〜図８は、半導体光素子１の製造工程の一例を示す斜視図である。

まず、図３に示すように、ｎ−ＩｎＰである半導体基板１０上に、半導体レーザ部１２を構成するＤＦＢレーザ多層を結晶成長する（Ｓ１０１）。そして、図４に示すように、半導体レーザ部１２を構成するＤＦＢレーザ多層の一部のみを残して、半導体レーザ部１２をエッチングする（Ｓ１０２）。そして、図５に示すように、バットジョイント技術を用いて、光変調部１４を構成するＥＡ多層を形成する（Ｓ１０３）。そして、半導体レーザ部１２に回折格子を形成する（Ｓ１０４）。そして、その後に、図６に示すように、亜鉛を１０^１７ｃｍ^−３程度ドーピングしたｐ−クラッド層１８を結晶成長する（Ｓ１０５）。

そして、図７に示すようにドライエッチングにより、半導体光素子１のメサ構造の形成を行う（Ｓ１０６）。このようにして、半導体レーザ部１２と、光変調部１４と、を含む光導波路部１６が形成される。第１実施形態に係る半導体光素子１では、光導波路部１６の先端部１６ａは先細となるように形成される。そして、この先端部１６ａには、ＥＡ変調器部１４を構成する結晶層（ＥＡ多層）の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面１６ｂが形成される。また、第１実施形態に係る半導体光素子１では、先端部１６ａの端面１６ｂは、ドライエッチングにより、半導体基板１０の上面に対して垂直な方向に対応する方向に沿って形成される。

そして、図８に示すように、メサ周囲を高抵抗半導体２０（例えば、Ｆｅ−ＩｎＰやＲｕ−ＩｎＰなど）によって埋込結晶成長する（Ｓ１０７）。そして、半導体光素子１の上面に電極２２を配置する（Ｓ１０８）。そして、半導体光素子１の、光が出射される端面に、無反射コーティングを行う（Ｓ１０９）。

このようにして、第１実施形態に係る半導体光素子１が形成される。そして、第１実施形態に係る半導体光素子１は、光導波路部１６の先端部１６ａの端面側に窓構造部２４が形成されている。

第１実施形態に係る半導体光素子１では、半導体レーザ部１２から出射される光が、光変調部１４で変調され、光導波路部１６の先端部１６ａの端面１６ｂから窓構造部２４、無反射コーディングされた半導体光素子１の端面、を経由して、外部へと出射する。

図９は、図８に示す半導体光素子１の光導波路部１６の先端部１６ａ付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。ここで、端面１６ｂにおける光の反射率を低減するための、先端部１６ａの光導波路部１６の光軸方向に沿った長さＬを、端面１６ｂにおける反射波が相殺されるよう以下のように決定した。位相が２Ｎπ（Ｎ＝１、２、３・・・）ずれた反射波が重なり合ったとき、端面１６ｂにおける光の反射率が最小となる。そのため、光導波路部１６の等価屈折率をｎ_＿ｅｆｆ、高抵抗半導体２０の屈折率をｎ_１、光導波路部１６の先端部１６ａの平均屈折率は、（ｎ_＿ｅｆｆ＋ｎ_１）／２、とすると、端面１６ｂにおける光の反射率を低減するためには、先端部１６ａの光導波路部１６の光軸方向に沿った長さＬを、次式に示す値に設定することが望ましい。すなわち、長さＬを、光導波路部１６から出射される光の先端部１６ａにおける半波長の整数倍の長さに対応するよう設定することが望ましい。

ここで、Ｎの値が大きくなると、端面１６ｂと、光導波路部１６の光軸とのなす角度が小さくなっていく。すなわち、光導波路部１６を通る光の、端面１６ｂへの入射角θが大きくなっていく。ここで、第１実施形態に係る半導体光素子１では、光導波路部１６を通る光の、端面１６ｂへの入射角θが、臨界角を超えないよう、スネルの法則に基づき、長さＬが次式に示す条件を充足するように端面１６ｂが形成されている。なお、次式において、Ｗｍは光導波路部１６の幅（メサ幅）を示している。

第１実施形態に係る半導体光素子１における上述の長さＬの値は、例えば、１．４５μｍである。なお、この長さＬは、Ｎ＝６の場合に対応している。

ここで、先端部１６ａと、窓構造部２４と、の境界面（端面１６ｂ）における反射について説明する。

例えば、端面１６ｂが、光導波路部１６に先細の先端部１６ａが形成されていない場合（例えば、光導波路部１６の光軸に対して垂直となるよう形成されている場合）における、光導波路部１６の先端部１６ａの端面１６ｂでのパワー反射率Ｒは、フレネルの公式より、次式で定義される。なお、次式においてｒは反射係数を表す。

ここで、光導波路部１６の等価屈折率ｎ_＿ｅｆｆを３．２、高抵抗半導体２０の屈折率ｎ_１を３．１６７、光導波路部１６の先端部１６ａの幅Ｗｍを１．３μｍ、半導体レーザ部１２から発振される光の波長λを１５５０ｎｍとした場合には、パワー反射率Ｒは、−４５ｄＢとなる。

一方、第１実施形態に係る半導体光素子１については、先端部１６ａを、屈折率が段階的に変化する微小領域を積層した多重反射構造と同等であると考え、各微小領域での多重反射を積層計算していくことによってパワー反射率を計算する。例えば、Ｌ＝１．４５μｍとした場合（Ｎ＝６に対応）における、半導体レーザ部１２から発振される光の波長λと、パワー反射率Ｒとの関係の一例を、図１０に例示する。なお、図１０には、光導波路部１６の光軸に対して垂直となるよう形成されている場合における、半導体レーザ部１２から発振される光の波長λと、光導波路部１６の先端部１６ａの端面１６ｂでのパワー反射率Ｒと、の関係（上述のＮ＝０に対応する）の一例も示されている。

図１０に示すように、半導体レーザ部１２から発振される光の波長λが１５００ｎｍから１６００ｎｍである場合においては、反射率Ｒが−７５ｄＢ以下となっている。このように、第１実施形態に係る半導体光素子１では、従来技術よりも大幅に反射率を低減することができる。また、上述の場合には、光導波路部１６を通る光の、先端部１６ａの端面１６ｂへの入射角θは、臨界角に対して、３３度の余裕がある。

第１実施形態に係る半導体光素子１の特性を評価したところ、第１実施形態に係る半導体光素子１は、光導波路部１６の先端部１６ａが光導波路部１６の光軸に対して垂直になるよう作製していた半導体光素子１と比較して、３０ｄＢ以上の反射率低減効果が得られた。この反射率低減効果によって、従来起こっていた半導体光素子１の光出力−電流特性の折れ曲がり及びアイパターンのハイレベルの揺らぎ、ジッタが、従来の半導体光素子１と比較して改善していることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

［第２実施形態］
図１１は、図７に対応する、第２実施形態に係る半導体光素子１の製造工程の一例を示す斜視図である。図１２は、図９に対応する、第２実施形態に係る半導体光素子１の光導波路部１６の先端部１６ａ付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。

図１１及び図１２に示すように、第２実施形態に係る半導体光素子１では、先端部１６ａの形状が光導波路部１６の光軸に対して略対称となるよう先端部１６ａの端面１６ｂが形成されている。図１１及び図１２に示す半導体光素子１では、例えば、先端部１６ａの形状が光導波路部１６の光軸に対して対称となるよう２つの端面１６ｂが形成されている。

第１実施形態に係る半導体光素子１では、端面１６ｂが１つであり、光導波路部１６の光軸に対して斜めになっているので、光導波路部１６から出射される光が光導波路部１６の光軸に対して約１度曲がる。一方、第２実施形態に係る半導体光素子１では、光導波路部１６から出射される光が光導波路部１６の光軸に沿って出射される。例えば、光導波路部１６と、高抵抗半導体２０と、の屈折率の差が大きく、出射光の曲がり角度が大きい半導体光素子１においては、第２実施形態に係る半導体光素子１のように、先端部１６ａの形状が光導波路部１６の光軸に対して対称となるよう先端部１６ａの端面１６ｂを形成することは有効となる。

第２実施形態に係る半導体光素子１の製造工程は、Ｓ１０６を除いては、第１実施形態に係る半導体光素子１の製造工程と同様である。第２実施形態に係る半導体光素子１では、Ｓ１０６において、半導体光素子１の先端部１６ａの形状が光導波路部１６の光軸に対して対称となるよう２つの端面１６ｂを形成する。

端面１６ｂにおける光の反射率を低減するためには、先端部１６ａの光導波路部１６の光軸方向に沿った長さＬを、上述の式（１）に示す値に設定することが望ましい。

また、第２実施形態に係る半導体光素子１では、光導波路部１６を通る光の、先端部１６ａの端面１６ｂへの入射角θが、臨界角を超えないよう、スネルの法則に基づき、長さＬが次式に示す条件を充足するように、先端部１６ａの端面１６ｂが形成されている。なお、次式において、Ｗｍは光導波路部１６の幅（メサ幅）を示している。

第２実施形態に係る半導体光素子１における上述の長さＬの値は、例えば、１．４５μｍである。なお、この長さＬは、Ｎ＝６の場合に対応している。

第２実施形態に係る半導体光素子１での、例えば、Ｌ＝１．４５μｍとした場合（Ｎ＝６に対応）における、半導体レーザ部１２から発振される光の波長λと、パワー反射率Ｒとの関係は、第１実施形態に係る半導体光素子１と同様（図１０参照）である。また、この場合には、光導波路部１６を通る光の、先端部１６ａの端面１６ｂへの入射角θは、臨界角に対して、１６度の余裕がある。

第２実施形態に係る半導体光素子１でも、第１実施形態に係る半導体光素子１と同様に、光導波路部１６に先細の先端部１６ａが形成されていない半導体光素子１（例えば、光導波路部１６の先端部１６ａが光導波路部１６の光軸に対して垂直になるよう作製した半導体光素子１）と比較して、３０ｄＢ以上の反射率低減効果が得られた。この反射率低減効果によって、従来起こっていた半導体光素子１の光出力−電流特性の折れ曲がり及びアイパターンのハイレベルの揺らぎ、ジッタが、従来の半導体光素子１と比較して改善していることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態にも限定されるものではない。

例えば、通信波長帯である１．３μｍ帯にも本発明は適用可能である。また、ＩｎＧａＡｌＡｓやＧａＩｎＮＡｓなどの他の化合物半導体材料を用いた半導体光素子１にも本発明は適用可能である。また、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を含む半導体光素子や、マッハツェンダー型変調器を含む半導体光素子に対して本発明を適用しても構わない。また、半導体光素子が備える半導体レーザの基本構造は限定されない。半導体光素子が備える半導体レーザの基本構造が埋込型構造であってもリッジ型構造であっても構わない。

１半導体光素子、１０半導体基板、１２半導体レーザ部、１４光変調部、１６光導波路部、１６ａ先端部、１６ｂ端面、１８ｐ−クラッド層、２０高抵抗半導体、２２電極、２４窓構造部、１００半導体光素子、１１６光導波路部、１２４窓構造部。

Claims

結晶層により構成される光導波路部を含み、
前記光導波路部には、先細の先端部が形成されており、
前記光導波路部の先端部に、前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った、光が出射される端面が形成されており、
前記先端部の、前記光導波路部の光軸に沿った方向の長さが、前記光導波路部から出射される光の半波長の整数倍の長さに対応している、
ことを特徴とする半導体光素子。
前記光導波路部が基板上に形成されており、
前記先端部に、前記基板の面に対して垂直な方向に対応する方向に沿った前記端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
前記光導波路部を通る光の前記端面への入射角が臨界角を超えないよう、前記端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光素子。
前記光導波路部の前記端面側に窓構造部が形成されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
前記先端部に、前記光導波路部の光軸に対して略対称な、互いに異なる方向に沿った複数の端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
半導体レーザ部と光変調部とが集積されている、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
前記端面が、ドライエッチングにより形成される、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体光素子。
結晶層により構成される光導波路部を形成する工程と、
前記光導波路部の先端部が先細になるよう前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面を形成する工程と、を含み、
前記先端部の、前記光導波路部の光軸に沿った方向の長さが、前記光導波路部から出射される光の半波長の整数倍の長さに対応している、
ことを特徴とする半導体光素子の製造方法。