JP6417276B2 - 光半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は光通信用の光半導体素子に関し、より詳細には半導体上に作製された導波路構造と光出力を得る端面とを備える光半導体素子において、その端面付近に出射光の出射角度をステアリングするための屈折率変調部を有する光半導体素子に関する。

一般的な端面から光の入出力を行う光機能素子として機能する光半導体素子においては、実装工程で光ファイバや石英系PLCなどの他の光機能素子と光結合をする際に、お互いの光軸を一致させるアライメント作業を実施している（非特許文献１参照）。

このアライメント作業では、実際に光を導波させ、実際に得られた光結合強度をモニタリングし、その値が最大化されるようにそれぞれの素子の配置を調整している。

光半導体素子、すなわち半導体基板上に作製された一般的な光機能素子においては、光の入出力は、劈開により作製された基板端面から行われる。実装時に光機能素子と光ファイバ等の他の光機能素子とを光結合する場合は、それぞれの端面からの光軸を一致させるアライメント作業を実施している。

T. Ohyama, T. Hashimoto, T. Yamada, R. Kasahara, S.Kamei, M.Ishii, T. Shibata, S.Mino, and T.Kitagawa, "4-channel x 10-Gbit/s hybrid integrated multiwavelength laser moduleusing silica-based planar lightwave circuit platform with 1.5 %-Δ," 28th European Conference on Optical Communication (ECOC 2002) , 5.4.1, 2002.

しかしながら、実際にはアライメント後のチップ固定時などに位置ずれが発生し、光軸の角度誤差が生じることは避けられない。実装後にこの角度誤差の補正は困難である。光結合部の角度誤差が生じることが避けられないことから、光結合損失の増大やそれを補うための消費電力の増大といった問題を生じていた。

本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、実装時に生じるアライメント誤差による光損失を低減し、光ファイバや他の光デバイスへの高効率な光結合を可能にする光半導体素子を提供することにある。

上記課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、半導体基板上に、コア層およびクラッド層からなる導波路と、前記導波路と連通された出力用導波路と、水平方向断面において前記出力用導波路の両側または片側に設けられた屈折率変調部と、を備え、前記屈折率変調部は、前記出力導波路を伝搬する光のモードフィールドを変化させるように当該屈折率変調部の屈折率を調整する屈折率調整手段を有する光半導体素子である。

出力用導波路の片側に屈折率変調部を備える光半導体素子の概略を示す平面図である。 出力用導波路の両側に屈折率変調部を備える光半導体素子の概略を示す平面図である。 屈折率変調部の屈折率を低下させて出射角度補正をした様子を示す図である。 屈折率変調部の屈折率を増加させて出射角度補正をした様子を示す図である。 半導体中での補正角度と空気へ出射された際の出射光の補正角度との関係を示す図である。 実施例１に係る光半導体素子と光ファイバとを実装した光送信機の概略構造を示す図である。 出力用導波路部分の断面構造を示す図である。 実施例２に係る光半導体素子と光ファイバとを実装した光送信機の概略構造を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は、出力用導波路の片側に屈折率変調部を備える光半導体素子の概略を示す平面図であり、図２は、出力用導波路の両側に屈折率変調部を備える光半導体素子の概略を示す平面図である。本実施形態の光半導体素子１は、基板５上に、出射端面Aを有する出力用導波路２と、出力用導波路２の出射端面Aにおける出射光の出射角度をステアリングするための屈折率変調部３とを備えて構成される。屈折率変調部（屈折率変調領域ともいう）３の屈折率を変調することにより出力導波路２を伝搬する光のモードフィールドを変化させて出射光の出射角度を調整し、アライメント時の光軸角度誤差を実装後に補正する。

屈折率変調部３は、導波路４を伝搬した光を出射端面Aまで導く出力用導波路３の導波路水平方向断面の両側の少なくとも一方に設けることができる。すなわち、図１に示すように出力導波路２の伝搬方向に垂直な断面に対し、左右どちらか一方にのみ屈折率調整領域３を有する構造であってもよいし、図２に示すように左右両方に屈折率調整領域３を有する構造であってもよい。

出射角度を調節するためには屈折率変調部３の少なくともどちらか一方の屈折率を変調し、光の伝搬方向に対して導波路水平方向に異なる非対称なモードフィールドとなるような屈折率分布を形成する。さらに、光の伝搬方向に対して導波路水平方向の屈折率分布の非対称性が大きくなるような導波路構造とすることで出射端面Aに到達するまでの光の伝搬方向を補正する。すなわち補正前の伝搬方向に対して角度Δθだけ伝搬方向の光軸が補正される。さらに端面に到達した光は、空気などの屈折率の低い媒質に放射されるため、前述の半導体中の補正角度よりもさらに大きな角度となるように屈折されて出力される。

屈折率変調部３における屈折率の調整には、半導体において一般的に用いられているように、導波路上に設けた電極からのキャリア注入で屈折率を変化させるキャリアプラズマ効果、電圧印加によって屈折率を変化させる電気光学効果、または導波路上に設けたマイクロヒータ等からの発熱によって屈折率を変化させる熱光学効果が用いられる。また、屈折率変化には、キャリアプラズマ効果のように半導体の屈折率を減少させる効果と、熱光学効果のように半導体の屈折率を増加させる効果とがある。屈折率変調部３では上記のいずれを用いてもよい。

ここで例えば、InP基板中にInPより高い屈折率を有するコア層からなる導波路構造を有し、且つ基板端面から光を外部に出射する半導体光素子について考える。導波路は出力用導波路と連通しており、ここでは出力用導波路幅は導波路との連結部で導波路幅と等しい。出力用導波路は、出射端面に向かって幅が広がるテーパ構造または出射端面に向かって幅が狭まるテーパ構造となっていてもよい。また、出力用導波路の光の伝搬方向に沿って左右両側に屈折率変調部を有しており、この屈折率変調部の幅も出力用導波路の出射端面に向けて広くなるテーパ構造となっている。

屈折率変調部は出力用導波路と同じ組成の半導体材料からなり、前記キャリアプラズマ効果や電気光学効果や熱光学効果によって必要に応じて屈折率の変調ができる。InP基板中を伝搬した光は端面から外部に出力され光ファイバ等に結合される。実装時に光ファイバ等との光軸ずれが確認され、出射光の出射角度補正が必要になった場合は、出力用導波路の両側の屈折率変調部のいずれか一方に対し屈折率を変調し出射角度を補正する。

コア材料としてInGaAsPを用いた場合、キャリアプラズマ効果による屈折率変化は、屈折率が減少するように変化する。電気光学効果による屈折率変化は、結晶方位等で変るが、本実施形態で想定している条件では屈折率が増加するように変化する。また、熱光学効果による屈折率変化は、屈折率が増加するように変化する。

図３に屈折率変調部の屈折率を低下させ出射角度補正を行った際の概略図を示す。ここではキャリアプラズマ効果等を用いて2つの屈折率変調部のうち一方(図示上側)の屈折率を出力導波路のコア層に対して低くなるように変調することができる。伝搬光進行方向に対して屈折率が低下した領域の幅が連続的に大きくなるようなテーパ構造となっている。このため光が出力用導波路中を伝搬しながらモードフィールドの中心が出力用導波路の中心から連続的にずれる。図示上側の屈折率変調部３の屈折率を低下させると、モードフィールドの中心が図示下側にずれる。このように光が端面に到達するまでの伝搬方向が補正されることに伴い端面からの出射角度が補正される。補正角度の大きさは屈折率変調の度合いによって調整できる。また、図２のように屈折率変調部を2つ持つ場合は屈折率変調を行う2つの領域のどちらかを選択することで出射方向が選択できる。

図4に屈折率変調部の屈折率を増加させ出射角度補正を行った際の概略図を示す。ここでは熱光学効果等を用い2つの屈折率変調部のうち一方(図示上側)の屈折率を出力導波路のコア層に対して高くなるように変調した場合である。この場合は屈折率を低下させた場合とは逆に屈折率変調を行った領域に伝搬光のモードフィールドの中心が出力用導波路の中心から連続的にずれる。図示上側の屈折率変調部３の屈折率を増加させると、モードフィールドの中心が図示上側にずれる。このように光が端面に到達するまでの伝搬方向が補正されることに伴い端面からの出射角度が補正される。

伝搬中の光の補正角度は屈折率変調部の変調度と導波路の幅によって変わるが最大で約２°である。これに対して、半導体中から空気などの低屈折率な媒質中に出射された光は屈折されるため、基板からの出射光として観測される光の補正角度はさらに大きく、最大約６°の補正が可能である。図５に半導体中での補正角度と空気へ出射された際の出射光の補正角度の関係を示す。図5に示すように、光半導体素子の外部の空気へと出射された光はより大きく補正されることが判る。

上述した光半導体素子について、以下の実施例に基づいてさらに詳細に説明する。

［実施例１］
この実施例で用いる光半導体素子は、出力用光導波路が出射端面に向けて幅が広くなるテーパ構造を有しているものを用いている。図６は、実施例１に係る光半導体素子と光ファイバとを実装した光送信機の概略構造を示す図である。図6に示す例では、光半導体素子としては、屈折率変調による出射角度補正構造を有する半導体レーザ素子を採用している。

図6に示すInP基板上５に作製された半導体レーザ素子１は、光源となるInGaAlAs1.3μm帯半導体レーザ６と、光を低損失に導波するInGaAsPコア層からなる導波路４と、導波路４と同じ組成層をコア層とする光出力用導波路２とを備えている。コア層の上下にはp-InPおよびn-InPクラッド層を有し、基板垂直方向にヘテロpin接合を有する。半導体レーザ６と導波路４および出力用導波路２は光の進行方向に対する両側を半絶縁性InP層で埋め込んだ埋め込みヘテロ構造となっている。

図７に出力用導波路部分の断面構造を示す。出力用導波路２と屈折率変調領域３とがInGaAsPからなるコア層１０に設けられている。コア層１０が下部クラッド層１２となるｎ‐InP層の上に設けられており、半絶縁性のInP１１が、下部クラッド層１２およびコア層１０を左右両側から挟むように設けられている。p-InPからなる上部クラッド層１３の上部の、屈折率変調領域３に対応する部分には導電率の高い半導体からなるコンタクト層１４と電極１５とが設けられている。２つの屈折率変調領域３にそれぞれ対応する電極１５およびコンタクト層１４は、互いにそれぞれ電気的に分離されているので、２つの屈折率変調領域３を独立して制御できる。

図６に戻って、半導体レーザ６に直結された導波路４の幅は1.2 μm、出力用導波路２は導波路４との結合部で1.2 μmで導波路幅と等しく、光の伝搬方向に連続的に幅が広がるテーパ構造とした。端面Aにおける出力用導波路幅は3.0 μmである。また導波路両脇の二つの屈折率変調領域３は、導波路４との結合部ではそれぞれ幅0.1 μm、端面Aではそれぞれ1.0 μmとなるようなテーパ構造とした。このときの出力用導波路の長さは20 μmとした。また、光ファイバ２０は、出力用導波路２の出射側に光接続するコア２１を有する。

光送信機の実装工程においては半導体レーザを動作させ、光ファイバへの光結合強度をモニタしながら出力光が最大になるような光軸調節を実施した。光軸調節後のファイバ結合した光強度を確認すると、ファイバとの結合部で約11dBの光損失が確認された。ここでは半導体基板と光ファイバとの設置角度誤差が損失の主要因として挙げられた。外観検査から半導体端面とファイバ端面の角度誤差は約2.6°であることが分かった。この角度を補正するために、一方の屈折率変調部上の電極上に電圧を印加しキャリア注入による出射角度の補正を試みた。その結果、約1.8Vの電圧印加時に光ファイバへの結合効率が最大となり、ファイバ結合部の損失は約6dBに改善された。

［実施例２］
この実施例で用いる光半導体素子は、出力用光導波路が出射端面に向けて幅が狭くなるテーパ構造を有しているものを用いている。図８は、実施例２に係る光半導体素子と光ファイバとを実装した光送信機の概略構造を示す図である。図8に示す例では、光半導体素子としては、屈折率変調による出射角度補正構造を有する半導体レーザ素子を採用している。実施例１と異なる点のみを説明する。

InP基板５上に作製された半導体レーザ素子１は、光源となるInGaAlAs1.3μm帯半導体レーザ６と、光を低損失に導波するInGaAsPコア層からなる導波路４と、導波路４と同じ組成層をコア層とする光出力用導波路２とを備えている。出力用導波路２は導波路４との連結部においては導波路４と同じ幅を持ち光の進行方向へ端面に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ構造である。ここでは導波路幅を3.0μmとし、テーパによって端面付近で0.5μmまで細くなるような構造とした。

さらに、導波路４の中心から3.5μm離れた導波路脇片側に発熱用の電極を作製することで屈折率変調領域３を設けている。本実施例では屈折率変調領域３は、マイクロヒータによる熱光学効果により屈折率を変調する。この構成においては、マイクロヒータの直下で最も高温となる領域を中心に連続的に屈折率が変化する。なお、マイクロヒータによる加熱範囲の幅は出力用導波路２全体に渡って一定とした。これは、本実施例において出力用導波路２を光が伝搬する際には、テーパ構造によりモードフィールド径が広がりながら伝搬するため、結果的に屈折率変化領域３に係るモードフィールド分布が伝搬と共に大きくなるような構造となっているためである。このように、本発明は出力用導波路２を伝搬する光のモードフィールドに対して、屈折率変調部３の割合が連続的に大きくなるような構造に設計することでより効果的に出射光の角度を調整することができる。出力用導波路２のテーパ構造や屈折率変調領域３のテーパ構造は必ずしも必要ではない。

光送信機の実装後の光強度を確認した結果、ファイバとの結合部で約8 dBの光損失が確認された。この際に外観検査から半導体端面とファイバ端面の角度誤差は約2.1°であることが確認されこの角度誤差が損失の主要因として挙げられる。この角度を補正するために屈折率変調部上のマイクロヒータに電圧を印加し熱光学効果を用いて屈折率変調部の屈折率を増加させた。ヒータ電極の効果により最大100℃程度までヒータ部の温度を上昇させることが可能である。

その結果、ヒータ電極へ約60 mAの電流注入時に光ファイバへの結合効率が最大となり、ファイバ結合部の損失は約5dBに改善された。

１ 光半導体素子
２ 出力用導波路
３ 屈折率変調部（屈折率変調領域）
４ 導波路
５ 基板
A 出射端面

Claims (2)

1. 半導体基板上に、
   コア層およびクラッド層からなる導波路と、
   前記導波路と連通された出力用導波路と、
   水平方向断面において前記出力用導波路の光の伝搬方向に沿って両側または片側に設けられた屈折率変調部と、を備え、
   前記出力用導波路の導波路幅は、前記導波路との連結部において当該導波路と等しく、前記屈折率変調部に係るモードフィールド分布が伝搬と共に大きくなるような構造となるように出力端面に向けて連続的に小さくなっていくテーパ構造を有し、
   前記屈折率変調部は、前記出力用導波路を伝搬する光のモードフィールドを変化させるように当該屈折率変調部の屈折率を調整するべく加熱するマイクロヒータを有し、
   前記マイクロヒータの加熱範囲の幅は一定であることを特徴とする光半導体素子。
2. 前記半導体基板は、InP基板であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。