JP2012060158A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】逆メサ方向で直線状に形成された直線導波路部と、逆メサ方向に対して傾く方向に形成された傾斜導波路部とを具備する光半導体装置であって、埋め込み導波路作製時の異常成長を抑制し、装置自体を小型化して伝搬損失を低減できる光半導体装置を提供することにある。
【解決手段】半導体レーザ１１が、活性層１０２を具備するものであり、導波路部１２が、活性層１０２と同じ高さで形成され、光を導波する導波路層１１５を具有するものであり、半導体レーザ１１がメサ構造で形成され、導波路部１２がメサ構造で形成されると共に、導波路部１２のメサ構造が半導体レーザ１１のメサ構造よりも低く形成され、半導体レーザ１２のメサ構造の側部に半導体層１２２が積層される一方、導波路部１２のメサ構造が半導体層１２２で埋め込まれるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザである光半導体装置に関し、特に光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用波長可変光源に好適なものである。

通信情報量の増大に対して、光波長（周波数）多重通信システムの研究が行われているが、送信用光源および同期検波用可同調光源として広範な波長調整機能が要求されており、また、光計測の分野からも広域波長帯をカバーする波長可変光源の実現が望まれている。

これまでに、種々の可変波長光源が研究されてきたが、それらを大別すると、１つの発振モードで連続的に波長が変わるものと、モード跳びを伴って不連続に波長が変わるものとに分けることができる。実際のシステムへの応用を考えた場合、制御性の面から、連続的に波長が変わるものの方が好ましい。また、波長変化を制御するために、温度を変化させて屈折率を制御するものと、電流注入による屈折率変化を用いるものの二つが主に使われているが、波長変化速度を考えると、電流注入による屈折率変化を用いた方が速い波長切り替えが可能である。

電流注入による屈折率変化を用いて連続的に発振波長を変化させることができる半導体レーザとしては、分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）や二重導波路レーザ（ＴＴＧレーザ）などが研究されており、連続波長可変幅としてＤＢＲレーザでは４．４ｎｍ、ＴＴＧレーザでは７ｎｍという値が報告されている。近年では、ＤＢＲレーザのモード跳びを抑えるために、活性層領域を短くした、いわゆる短共振器ＤＢＲレーザも研究されている。

モード跳びをともなった不連続な波長可変幅としては、ＤＢＲレーザでは１０ｎｍという値が得られている。また、不連続ではあるが広い波長可変幅が得られる半導体レーザとして、Ｙ分岐レーザ、超周期構造回折格子レーザなどが試作され、５０ｎｍ〜１００ｎｍの波長可変幅が得られている。

しかし、上記従来技術においては、次のような問題があった。
ＴＴＧレーザでは、光の増幅作用を行う活性導波路層に電流注入してレーザ発振動作を生じさせ、該活性導波路層のすぐ近くに形成される波長制御用非活性導波路層に独立に電流注入することにより、発振波長を変化させる。ここで、回折格子の周期をΛ、導波路の等価屈折率をｎとすれば、ブラッグ波長λｂは、以下に示す（１）式で表される。
λｂ＝２ｎΛ ・・・（１）

レーザは、このブラッグ波長近傍の１つの共振縦モードで発振動作する。非活性導波路層に電流注入を行うと、導波路の等価屈折率が変化し、（１）式より、ブラッグ波長もそれに比例して変化する。ここで、ブラッグ波長の変化の割合Δλｂ／λｂは、以下の（２）式に示すように、等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎと等しくなる。
Δλｂ／λｂ＝Δｎ／ｎ ・・・（２）

また、電流注入による等価屈折率の変化に伴い、共振縦モード波長も変化する。ＴＴＧレーザの場合、共振器全体の等価屈折率が一様に変化するので、共振縦モード波長の変化の割合Δλｒ／λｒは等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎと等しくなる。すなわち、以下の（３）式となる。
Δλｒ／λｒ＝Δｎ／ｎ ・・・（３）

（２）式、（３）式より、ＴＴＧレーザでは、ブラッグ波長の変化と共振縦モードの変化が等しくなるので、最初に発振したモードが保たれたまま連続的に発振波長が変化するという大きな特徴を有する。

しかしながら、単一横モード発振動作をさせるためには二重導波路の幅は１μｍ〜２μｍにする必要があり、さらに活性層と波長制御層との間に形成されるｎ型スペーサ層の厚さを１μｍ以下まで薄くする必要があるため、通常の半導体レーザで用いられている埋め込み構造とすることができず、それぞれの導波路層に効率良く電流を注入するための構造にすることが、製作上非常に困難であるという問題があった。また、通常の半導体レーザ構造と異なるため、半導体光増幅器などとの集積化が困難であり、多機能な集積デバイスを構成できないという問題があった。

それに対してＤＢＲレーザでは、光の増幅作用を行う活性導波路層と非活性導波路層とが直列に接続されている構造なので、通常の半導体レーザと同様に電流狭窄を行うための埋め込みストライプ構造を用いることができ、更に各々の導波路層に独立に電流注入を行うことは、各々の導波路層の上方に形成される電極を分離することにより容易に実現される。非活性導波路層への電流注入により、等価屈折率を変えてブラッグ波長を変化させる機構はＴＴＧレーザと同様であるが、等価屈折率の変化する領域が共振器の一部に限られているために、ブラッグ波長の変化量と共振縦モード波長の変化量とは一致しない。共振縦モード波長の変化の割合Δλｒ／λｒは、全共振器長さＬｔに対する分布反射器の実行長Ｌｅの割合分だけ等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎよりもすくなくなり、以下の（４）式となる。
Δλｒ／λｒ＝（Ｌｅ／Ｌｔ）・（Δｎ／ｎ） ・・・（４）

したがって、（２）式、（４）式より、ＤＢＲレーザでは波長制御電流を注入するにつれてブラッグ波長と共振縦モード波長とが相対的に離れていくため、モード跳びを生じてしまうという欠点を持っていた。モード跳びを生じさせないためには、回折格子が形成されていない位相調整領域を設けて、そこへの電流注入により共振縦モードの変化量とブラッグ波長の変化量とを一致させる必要がある。

しかし、この方法では２つの電極への波長制御電流を制御するための外部回路が必要になり、装置構造、および制御が複雑になるという問題があった。モード跳びを生じさせないもう一つの方法として、共振器長を短くして縦モード間隔を広げる短共振器ＤＢＲレーザが考えられるが、活性層を短くする必要があるため、大きな出力を得るのが困難であるという問題があった。

ＴＴＧレーザおよびＤＢＲレーザにおける連続波長可変幅は、波長制御層の屈折率変化量に制限され、その値は４ｎｍ〜７ｎｍ程度に留まっている。波長可変幅をさらに広くするには、モード跳びを許容し、波長フィルタの波長変化量が屈折率変化量よりも大きくなるような手段を用いる必要がある。Ｙ分岐レーザや、超周期構造回折格子レーザは、いずれも屈折率変化量よりもフィルタ波長変化量が大きくなる手段を用いている。これらのレーザでは、フィルタ波長を大きく変化させ、なおかつ十分な波長選択性を得るために、２つの電極に流す電流を制御する必要があり、さらに共振縦モード波長を制御するための電極も必要となる。その結果、発振波長を調整するのに３つの電極への注入電流を制御しなければならず、制御が非常に複雑になってしまう問題があった。

これらの問題を解決するべく、１つの電極への注入電流制御により連続的に４ｎｍ〜７ｎｍ程度発振波長を変化させることができ、なおかつ活性導波路層および非活性導波路層への電流注入も効率良く行える半導体レーザを得ることと、モード跳びを伴うけれども、２つの電極への注入電流により、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の範囲に亘って発振波長を変化させることができる半導体レーザが開発されている。非特許文献１および特許文献１には、分布活性ＤＦＢレーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢ−ＬＤ）の構造が開示されている。この構造によれば、活性層体積も十分確保できるため、高出力化を図ることが可能である。

図７に非特許文献１において開示された分布活性ＤＦＢレーザの構造の断面を示す。

図７に示すように、分布活性ＤＦＢレーザは、下部クラッド４０１上に、活性導波路層４０２と非活性導波路層（波長制御領域）４０３とをそれぞれ一定の長さＬａ、Ｌｔで、交互に周期的に直列結合した構造となっている。活性導波路層４０２および非活性導波路層４０３の上には上部クラッド４０４が形成され、活性導波路層４０２および非活性導波路層４０３と上部クラッド４０４との間には凹凸、すなわち回折格子４０５が形成されている。更に、上部クラッド４０４上には、活性導波路層４０２、非活性導波路層４０３に対応して活性層電極４０７、波長制御電極４０８がそれぞれ設けられている。また、下部クラッド４０１の下方には共通の電極４１０が設けられている。この分布活性ＤＦＢレーザにおいては、活性導波路層４０２への電流Ｉａの注入により発光とともに利得が生じ、活性導波路層４０２と上部クラッド４０４との間に形成された回折格子４０５の周期に応じた波長のみが選択的に反射されてレーザ発振が起こる。

一方、非活性導波路層４０３への電流Ｉｔの注入により、該非活性導波路層４０３の屈折率はキャリア密度に応じて生じるプラズマ効果により変化するため、これに伴って、非活性導波路層４０３と上部クラッド４０４との間に形成された回折格子４０５の光学的な周期は変化する。そして、非活性導波路層４０３の等価屈折率が変化し、一周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。繰り返し構造の一周期の長さをＬ、波長制御領域長をＬｔとすれば、共振縦モード波長の変化の割合は、以下に示す（５）式で表される。
Δλｒ／λｒ＝（Ｌｔ／Ｌ）・（Δｎ／ｎ） ・・・（５）

一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長の変化の割合Δλｓ／λｓは、以下に示す（６）式で表される。
Δλｓ／λｓ＝（Ｌｔ／Ｌ）・（Δｎ／ｎ） ・・・（６）

（５）式、（６）式より、反射ピーク波長と共振縦モード波長とは同じ量だけシフトする。従って、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。

特許文献１に開示されている分布活性ＤＦＢレーザの構造の断面を図８に示す。
この分布活性ＤＦＢレーザも図７に示す分布活性ＤＦＢレーザと同様に、下部クラッド５０１上に、活性導波路層５０２と非活性導波路層５０３とをそれぞれ一定の長さＬａ、Ｌｔで、交互に周期的に直列結合した構造を有している。活性導波路層５０２および非活性導波路層５０３の上に上部クラッド５０４が形成され、活性導波路層５０２と上部クラッド５０４との間には凹凸、すなわち回折格子５０５が形成されている。更に、上部クラッド５０４上には、それぞれ活性導波路層５０２、非活性導波路層５０３に対応して活性層電極５０７、波長制御電極５０８が設けられている。また、下部クラッド５０１の下部には共通の電極５１０が形成されている。この分布活性ＤＦＢレーザでは、回折格子５０５を一部のみに形成しているが、図７の分布活性ＤＦＢレーザと同じように連続的に波長変化する。

また、特許文献１には、図９に示すように、図８に示す分布活性ＤＦＢレーザと同様の構造を有し、活性導波路層５０２と非活性導波路層５０３の繰り返し周期がそれぞれＬ１、Ｌ２である、異なる二つのレーザを直列結合した構造も開示されている。なお、図９に示した部材と実質的に同一の部材については同一符号を付し、その説明を省略する。

一方、波長可変レーザをアレイ化して波長可変幅を増加させる波長可変アレイ素子も開発されている。１つの波長可変レーザの波長可変幅が７ｎｍ程度であったとしても、これを６素子アレイ化し集積すれば、６倍の波長可変幅が得られる。ここで、図１０にレーザアレイ集積素子の平面を示す。この図１０に示すように、レーザアレイ集積素子は、同一基板６０１上に設けられたものであり、半導体レーザ（ＬＤ）部６１１と、導波路部６１２と、結合器６１３と、半導体増幅器（ＳＯＡ）部６１４とを具備するものである。ＬＤ部６１１は６つの半導体レーザ６１１ａ〜ｆを具備するものである。これら６つの半導体レーザ６１１ａ〜ｆは並列に配置されている。導波路部６１２は、半導体レーザ６１１ａ〜ｆのそれぞれと結合器６１３とを接続する導波路６１２ａ〜ｆで構成される。よって、ＬＤ部６１１からの出力光は、導波路部６１２を伝搬して結合器６１３に導入され、この結合器６１３により一つの導波路に導かれている。そして、結合器６１３により出力が低下するため、これを補うためにＳＯＡ部６１４により増幅している。この図１０では、結合器６１３として多モード干渉型（ＭＭＩ）の構造を用いたが、ファネル型などの構造などとすることも提案されている。半導体レーザ６１１ａ〜ｆは熱的な分離や、電気的な分離を得るために、ある程度間隔をあける必要があるが、結合器６１３で１本の導波路にまとめるため、半導体レーザ６１１ａ〜ｆから結合器６１３までの導波路は、曲線導波路であったり、半導体レーザ６１１ａ〜ｆの延在方向に対して斜めに延在する斜め導波路であったりする。

特許第３２３７７３３号明細書 石井他著、「分布活性ＤＦＢレーザ(A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode(TDA-DFB-LD))」、IEEE Photonics Letters、vol.10、no.1、1998年１月、p.30―32

一般的に半導体レーザの導波路を埋め込みヘテロ構造（ＢＨ）で作製する場合には、（１００）基板の場合に＜０１１＞方向の、いわゆる逆メサ方向に導波路を形成する。これとは直交する＜０１１−＞（この１−は１の上の横棒を示す）方向の順メサ方向に導波路を形成すると、再成長時にその後のプロセスに不適切な結晶面が生成されてしまうため作製が困難である。ここで、図１１に、メサ構造を作製した後に、メサ構造作製時の絶縁マスク７０９を、そのまま選択成長のマスクとして用いてＩｎＰにＦｅをドーピングした半絶縁体７２２で両脇を埋め込み再成長した後の断面を模式的に示す。図１１（ａ）は、導波路を逆メサ方向に作製した場合の導波路と直交する断面図であり、図１１（ｂ）は、導波路を順メサ方向に作製した場合の導波路と直交する断面図である。この図１１（ｂ）に示すように、順メサ方向に導波路を作製した場合には、マスク（絶縁膜）７０９上に半絶縁体７２２がせりあがるように異常に結晶成長して、マスク７０９上に空間７３０が形成されてしまい、素子作製が困難になる。これは、メサ構造の高さが高いほどその脇に再成長する半導体の量が増加するため、異常成長する量も増加することになる。なお、図１１にて、符号７０１はｎ型ＩｎＰを示し、符号７０２は活性層を示し、符号７０４はｐ型ＩｎＰを示し、符号７０６はコンタクト層を示す。

ＬＤアレイ集積素子では、前述のように、ＬＤと結合器を結ぶ導波路部分で、曲線導波路、若しくは、逆メサ方向からずれた角度で導波路を形成する必要がある。ここで、図１２（ａ）にＬＤを逆メサ方向に配置したアレイ素子を模式的に示す平面を示し、図１２（ｂ）に図１２（ａ）におけるｘ−ｘ’断面を示し、図１２（ｃ）に図１２（ａ）におけるｙ−ｙ’断面を示す。なお、図１２（ａ）に示すアレイ素子は上述した図１０に示すアレイ素子と同一であり、同一部材には同一符号を付記しその説明を省略する。図１２（ａ）にて、Ａ１１は逆メサ方向を示し、Ａ１２は導波路８１２ｆの延在方向を示し、θ１０は逆メサ方向Ａ１１と導波路８１２ｆの延在方向Ａ１２との角度を示す。図１２（ｂ）,（ｃ）にて、符号９０１はｎ型ＩｎＰを示し、符号９０２は活性層を示し、符号９０４はｐ型ＩｎＰを示し、符号９０６はコンタクト層を示し、符号９０９は絶縁膜を示し、符号９１５は導波路層を示し、符号９２２は半絶縁性ＩｎＰを示す。

ＬＤと結合器を結ぶ導波路部分では、電流を注入する必要が無いためコンタクト層も埋め込まれてしまっても問題が無いため、再成長時にはエッチングマスクを剥がしてしまって再成長しても良い。しかしながら、埋め込み量が多い場合には、異常成長が生じて、空間ができたり（図１１（ｂ）参照）、図１２（ｃ）に示すように、ひさし９３１ができたりしてしまう。これは逆メサ方向からの角度が大きくなればなるほど顕著になる。また、メサ構造の高さが高くなればなるほど顕著になる。これにより、例えば、この上に金属配線を行う場合などには、断線するなどの諸問題が生じる可能性があった。

この問題（コンタクト層上における空間の生成やひさしの生成といった異常成長）を解決するためには、できるだけ逆メサ方向からの角度が小さくなるようにし、異常な成長が起きないようにすれば良いが、角度を浅くするとＬＤと結合器の距離が長くなり、素子長の増大を招き装置自体が大型化してしまう。さらに、装置の大型化に伴って伝搬損失が増大してしまう。

そこで、本発明の目的は、前述した問題に鑑み提案されたもので、逆メサ方向に直線状に形成された直線導波路部と、逆メサ方向に対して傾く方向に形成された傾斜導波路部とを具備する光半導体装置であって、埋め込み導波路作製時の異常成長を抑制し、装置自体を小型化して伝搬損失を低減できる光半導体装置を提供することである。

上述した課題を解決する第１の発明に係る光半導体装置は、
逆メサ方向に直線状に形成された直線導波路部と、前記直線導波路部に接続し、逆メサ方向に対して傾く方向に形成された傾斜導波路部と、を有する光半導体装置であって、
前記直線導波路部が、活性層を具備するものであり、
前記傾斜導波路部が、前記活性層と同じ高さで形成され、光を導波する導波路層を具備するものであり、
前記直線導波路部がメサ構造で形成され、
前記傾斜導波路部がメサ構造で形成されると共に、前記傾斜導波路部のメサ構造が前記直線導波路部のメサ構造よりも低く形成され、
前記直線導波路部のメサ構造の側部に半導体層が積層される一方、前記傾斜導波路部のメサ構造が半導体層で埋め込まれる
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る光半導体装置は、第１の発明に係る光半導体装置であって、
前記直線導波路部のメサ高さが２．５μｍ以上であり、
前記傾斜導波路部のメサ高さが２．５μｍ未満である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る光半導体装置は、第２の発明に係る光半導体装置であって、
前記傾斜導波路部のメサ構造の高さが、前記導波路層の厚さ以上である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る光半導体装置は、第１乃至第３の発明の何れか一つに係る光半導体装置であって、
前記直線導波路部および前記傾斜導波路部がｎ型ＩｎＰ基板、または、半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成されるものであり、
前記導波路層の上部にｐ−ＩｎＰ層が形成され、
前記ｐ−ＩｎＰ層が３００ｎｍ以下の厚さである
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る光半導体装置は、第１乃至第４の発明の何れか一つに係る光半導体装置であって、
前記半導体層が、ルテニウムをドーピングした半絶縁体を含有する層である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る光半導体装置は、第１乃至第５の発明の何れか一つに係る光半導体装置であって、
前記傾斜導波路部が、前記逆メサ方向に対して５度以上傾く方向へ直線状に延在する傾斜状導波路、または曲線状に延在する曲線状導波路である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係る半導体レーザアレイは、第１乃至第６の発明の何れか一つに係る光半導体装置を具備する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第８の発明に係るリング共振器は、第１乃至第６の発明の何れか一つに係る光半導体装置を具備する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第９の発明に係るマッハツェンダー干渉計は、第１乃至第６の発明の何れか一つに係る光半導体装置を具備する
ことを特徴とする。

本発明に係る光半導体装置によれば、ＬＤアレイ素子などの傾斜導波路部を有する光半導体装置において、埋め込み導波路作製時の異常成長を抑制し、短い距離で逆メサ方向からの傾斜角の大きい導波路とし、直線導波路部と傾斜導波路部を結ぶ埋め込み導波路を作製でき、装置自体を小型化できる。これに伴って伝搬損失を低減できる。

本発明に係る光半導体装置の第一番目の実施形態の平面図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ’断面図である。 図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ’断面図である。 本発明に係る光半導体装置の第一番目の実施形態の作製工程を示す図である。 本発明に係る光半導体装置の第二番目の実施形態を模式的に示す平面図である。 本発明に係る光半導体装置の第三番目の実施形態を模式的に示す平面図である。 従来の分布活性ＤＦＢレーザの説明図である。 従来の他の分布活性ＤＦＢレーザの断面図である。 従来の他の分布活性ＤＦＢレーザの断面図である。 従来の波長可変アレイ素子の平面図である。 従来の波長可変アレイ素子が具備する光半導体装置および導波路部の断面図である。 従来の波長可変アレイ素子の説明図である。

本発明に係る光半導体装置の実施形態を、以下に示す実施形態において詳細に説明する。

［第一の実施形態］
本発明に係る光半導体装置の第一の実施形態について、図１乃至図４に基づき詳細に説明する。
本実施形態では、半導体レーザアレイに適用した場合について説明する。
図１は光半導体装置を模式的に示す平面図であり、図２は図１に示すＩＩ−ＩＩ’断面図であり、図３は図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ’断面図である。図４は光半導体装置の作製工程を示す図であり、図４（ａ）〜（ｄ）は図１に示すＩＩ−ＩＩ’断面構造の作製工程を示し、図４（ｅ）〜（ｈ）は図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ’断面構造の作製工程を示す。

本実施形態に係る光半導体装置１０では、図１に示すように、基板１としてｎ型ＩｎＰ（１００）基板を用い、ＬＤの導波路の方向が＜０１１＞方向の逆メサ方向Ａ１である。光半導体装置１０は、半導体レーザ（ＬＤ）部１１、導波路部１２、結合器１３、および半導体増幅器（ＳＯＡ）１４を具備する。半導体レーザ部１１は６つの半導体レーザ１１ａ〜ｆを具備するものである。これら６つの半導体レーザ１１ａ〜ｆは並列に配置される。導波路部１２は、各半導体レーザ１１ａ〜ｆと結合器１３を接続する導波路１２ａ〜ｆで構成されている。これら導波路１２ａ〜ｆは、逆メサ方向Ａ１に対して傾斜する方向に延在している。例えば、導波路１２ｆは、逆メサ方向Ａ１に対して角θ１傾斜した傾斜方向Ａ２に延在して形成されている。そして、各半導体レーザ１１ａ〜ｆからの出力光は、各導波路１２ａ〜ｆを通って結合器１３で結合している。結合した光は半導体増幅器１４で増幅されて出力されている。

半導体レーザ１１ｆは、図２に示すように、下層側から順番に、ｎ型ＩｎＰ１０１、活性層１０２、ｐ型ＩｎＰ１０４、コンタクト層１０６、絶縁膜１０９が積層された構造である。ｎ型ＩｎＰ１０１の上部の一部、活性層１０２、ｐ型ＩｎＰ１０４でメサ構造１３１が形成されている。そして、ｎ型ＩｎＰ１０１の上部、活性層１０２、コンタクト層１０６の両側に接して半絶縁性ＩｎＰ（半絶縁体）１２２が積層された構造となっている。なお、半導体レーザ１１ａ〜ｅは、この半導体レーザ１１ｆと同一の層構造となっており、その説明を省略する。

導波路１２ｆは、図３に示すように、下層側から順番に、ｎ型ＩｎＰ１０１、導波路層１１５、ｐ型ＩｎＰ１０４が積層された構造である。ｎ型ＩｎＰ１０１の上部の一部、導波路層１１５、ｐ型ＩｎＰ１０４でメサ構造１３２が形成されている。そして、ｎ型ＩｎＰ１０１の上部、導波路層１１５、ｐ型ＩｎＰ１０４が半絶縁性ＩｎＰ（半絶縁体）１２２で埋め込まれた構造となっている。導波路１２ｆにおけるメサ構造１３２の高さ（メサ高さ）ｈ２は、半導体レーザ１１ｆにおけるメサ構造１３１の高さ（メサ高さ）ｈ１よりも低く形成されている。なお、導波路１２ａ〜ｅは、この導波路１２ｆと同一の層構造となっており、その説明を省略する。

ここで、上述した半導体レーザ（直線導波路部）および導波路（傾斜導波路部）の作製方法につき図４を参照して説明する。

最初に、図４（ａ）および図４（ｅ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上にＧａＩｎＡｓＰ活性層１０２若しくはＧａＩｎＡｓＰ導波路層１１５を成長させ、更にｐ型ＩｎＰクラッド層１０４、ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層１０６を成長させる。選択成長によるバッドジョイント法などにより、ＬＤやＳＯＡなど利得を持つ領域には活性層を、導波路や結合器を作製する領域には導波路層を成長するようにすれば良い。本実施形態では有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いた。更にＳｉＯ₂絶縁膜を堆積した後、リソグラフィーおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの方法を用いて導波路を形成するためのエッチングマスク（導波路形状のエッチングマスク）１０９をＧａＩｎＡｓＰコンタクト層１０６の表面に作製する（エッチングマスク形成工程）。

続いて、図４（ｂ）および図４（ｆ）に示すように、ＳｉＯ₂絶縁膜からなるエッチングマスク１０９をマスクとしてドライエッチング技術により半導体をエッチングする（第一のエッチング工程）。具体的には、ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層１０６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４の一部をエッチング（除去）する。本実施形態では、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ＲＩＥを用いた。本実施形態では、活性層１０２上のｐ型ＩｎＰクラッド１０４が２．０μｍ厚、コンタクト層１０６が０．２μｍ厚であったため、エッチング深さを２．０μｍとした。

続いて、図４（ｃ）および図４（ｇ）に示すように、半導体レーザ部のエッチングマスク１０９を残す一方、導波路部１２上のエッチングマスク１０９のみを除去し（エッチングマスク除去工程）、再度ＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングを行った（第二のエッチング工程）。これにより、半導体レーザ部には図に示すように２段階のエッチングにより２段分の高さのメサ構造が形成される。他方、導波路部には、導波路層１１５上のｐ型ＩｎＰ層１０４やコンタクト層１０６もエッチングされるため、１段目の高さのメサ構造が形成される。すなわち、導波路部では、第一のエッチング工程にて作製されたエッチングの深さ分の高さのメサ構造が形成される。２回目のエッチングでは１．５μｍのエッチングを行ったため、半導体レーザ部では合計３．５μｍの高さを有するメサ構造が形成され、導波路部では２．０μｍの高さを有するメサ構造が形成された。

続いて、図４（ｄ）および図４（ｈ）に示すように、Ｒｕをドーピングした半絶縁性のＩｎＰによりメサ構造を埋め込み再成長した（半絶縁体再成長工程）。図４（ｄ）では、エッチングマスクを残したまま選択成長を行ったため、メサ脇にのみ結晶が成長する。半導体レーザ部は、３．５μｍの高いメサ構造であるが、逆メサ方向の導波路であるために異常成長が生じない。すなわち、半導体レーザ部１１では、メサ構造の側部に半絶縁体１２２が積層する。他方、図４（ｈ）では、エッチングマスクを除去しているので、全体的に結晶が成長する。メサ高さが２．０μｍと比較的低いため、逆メサ方向から傾斜した導波路であるが、異常成長がなく成長する。すなわち、導波路部１２では、メサ構造が半絶縁体１２２で埋め込まれる。

したがって、本実施形態に係る光半導体装置１０によれば、異常成長なく導波路層を再成長することが可能となったため、デバイス表面に形成した金属配線の断線が生じなくなった。本実施形態を適用する以前は、素子作製時に断線が生じないまでも、異常成長部分の上部が不規則な凹凸があり、配線が細くなったり、薄くなったりしてしまい、抵抗値が大きくなったり、電流を流している間に発熱により断線したりしていたいが、本発明の適用により、設計通りの配線が可能となり、ダイオードの電流−電圧特性からは、通常の半導体レーザで一般的な抵抗値５Ωが得られた。また、短い距離で逆メサ方向からの傾斜角の大きい導波路とし、直線導波路部と傾斜導波路部を結ぶ埋め込み導波路を作製でき、装置自体を小型化できる。これに伴って伝搬損失を低減できる。

また、本実施形態に係る光半導体装置の作製方法によれば、エッチングマスク除去工程で導波路部１２上のエッチングマスクを除去した半導体に対して第二のエッチング工程でエッチングを行うため、半導体レーザ部１１のメサ構造１３１と導波路部１２のメサ構造１３２とでその高さが異なる構造となる。そして、第二のエッチング工程の後に半絶縁体再成長工程を行うことで、半導体レーザ部１１のメサ構造１３１の側部に半絶縁体１２２が積層される一方、導波路部１２のメサ構造１３２が半絶縁体１２２で埋め込まれる。よって、埋め込み導波路作製時の異常成長を抑制し、装置自体を小型化して伝搬損失を低減できる光半導体装置１０を確実に作製することができる。

本実施形態では、半導体レーザ部１１として分布活性ＤＦＢレーザを用いて説明したが、その他の波長可変レーザなどを用いることも可能である。また、結合器１３としてＭＭＩを用いて説明したが、ファネル型や多段のＹ分岐など他の結合器などを用いることも可能である。本発明の重要な点は、集積素子である光半導体装置を構成する一つ一つで素子の種類ではなく、逆メサ方向から傾斜した角度を持つ導波路のメサ構造の高さを低くすることである。

本実施形態では、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせによる層構造を用いて説明したが、この半導体材料だけでなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓなど、その他の半導体材料を用いることも可能である。また、活性層および導波路層としては、バルクだけでなく、量子井戸構造や、量子細線、量子ドットなどの低次元量子井戸構造などとすることも可能である。また、活性層や導波路層のコア層の上下に、コア層とクラッド層の中間の屈折率を持つ光閉じ込めのための層を設け、分離ヘテロ構造（ＳＣＨ）などとすることも可能である。

結晶成長の方法としては、ＭＯＣＶＤ法だけではなく、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などほかの成長方法を用いることも可能である。

エッチングマスクおよび選択成長時のマスクとしては、ＳｉＯ₂のみでなくＳｉＮやその他膜、もしくはそれらの混合膜などとすることも可能である。

半導体のエッチングとしては、ＩＣＰ−ＲＩＥだけでなく、並行平板ＲＩＥやＥＣＲ−ＲＩＢＥなどその他のエッチング方法とすることも可能であり、本実施形態に係る光半導体装置の形状を作製できる方法であれば使用することが可能である。

また、エッチングの方法によっては、メサ構造の脇（側部）のエッチング深さと、メサ構造から離れた場所のエッチングの深さが異なる場合があるが、メサ構造の脇のエッチング深さが所望の深さとなることが重要である。

本実施形態では、半導体レーザ部１１のメサ構造の高さを３．５μｍ、導波路部１２のメサ構造の高さを２．０μｍとしたが、メサ構造の高さを変えて検討した結果、導波路部のメサ構造の高さを２．５μｍ未満とすることにより、異常成長が抑制できる。また、本実施形態では、１段目のエッチングを２．０μｍ、２段目のエッチングを１．５μｍとしたが、導波路部のメサ構造の高さを２．５μｍ未満になる範囲で１段目と２段目のエッチング量を変更しても良い。半導体レーザ部のような逆メサ方向に延在する導波路のメサ構造の高さに制限は無い。

通常、波長１．５μｍ波長帯の半導体レーザの場合、単一モード条件などを考慮して、導波路層の厚さは０．１μｍ〜０．５μｍ程度に設計される。本発明では、導波路の曲線部のメサ構造の高さを低くするが、導波路層が消失してしまうと光を導波させることが不可能となる。また、導波路の横方向の光閉じ込めを行う必要があることから、導波路部のメサ構造の高さは少なくとも導波路層の厚さ以上は必要である。

また、本実施形態では、直線導波路部である半導体レーザ１１部は全て高いメサ構造としたが、少なくとも傾斜導波路部、具体的には、逆メサ方向に対して所定の角度で傾斜した方向に直線状に延在する傾斜状導波路、もしくは曲線状に延在する曲線状導波路のメサ構造の高さを低くすれば良く、直線導波路部の一部が低いメサ構造とすることも可能である。すなわち、直線導波路部であっても、電流を注入する一部を高いメサ構造とし、その他を低いメサ構造とすることも可能である。

本実施形態では、メサ構造を埋め込む材料である半絶縁体として、ＲｕをドーピングしたＩｎＰを用いて説明したが、ＦｅをドーピングしたＩｎＰを用いることも可能である。但し、Ｒｕをドーピングすることにより、ｐ型を形成するためのドーパントであるＺｎとＦｅとの相互拡散を抑制することができるため、より設計通りの絶縁特体を得ることが可能となる。このため本実施形態のように電流で波長を変化させることができる分布活性ＤＦＢレーザなどでは、高速な波長切り替えのための高周波信号に対しても動作することが可能となる。

本実施形態では、（１００）基板を用い、ＬＤの方向を＜０１１＞逆メサ方向としたが、基板の面方位が異なる場合には、ＬＤの方向を＜０１１＞方向と等価な結晶方向で考えることが可能である。

本実施形態では、導波路部１２の逆メサ方向からの傾きは、およそ４０度であった。メサ構造の高さが３．５μｍ程度である場合、逆メサ方向からの傾きが１０度程度であっても異常成長が生じるが、本発明により更に逆メサ方向から大きな傾きを持った導波路であっても問題なく埋め込み再成長が可能である。これにより、半導体レーザ部と結合器の距離を短縮することが可能となり、素子長の短縮化が可能となり装置自体を小型化することができる。これに伴って、伝搬損失の低減が可能となる。

さらに、傾斜導波路部としては、逆メサ方向に対して５度以上傾斜した傾斜導波路を具備する光半導体装置に適用することが可能である。このような形状の導波路を具備する光半導体装置に適用することで、マスクの上方にひさしが形成したり、マスクの上方が半導体で覆われて当該マスクと半導体との間に空間が形成したりすることを防止することができ、マスクの上方に電極を容易に作製できるようになる。よって、製造時間の増加を抑制できると共に、そのコスト増を抑制できる。

ここで、２段目のエッチングにより導波路層上に残すＩｎＰ層の厚さにつき検討する。一般的に、再成長の境界面は結晶欠陥が発生し易く、意図しない再結晶が発生することになるため、半導体レーザなどの電流を注入して用いるデバイスの場合には、できるだけ再成長界面を活性層から離すようにした方が特性の向上が望める。一方で、ｐ型のＩｎＰは光の吸収損失が多いことが知られている。本実施形態の場合には、電流を注入しない導波路の曲線部に２段エッチングを適用していることから、再成長界面の結晶欠陥の影響よりも、ｐ型ＩｎＰの吸収損失を低減するために、導波路層上のｐ−ＩｎＰ層の厚さをできるだけ減らし、ｐ−ＩｎＰ層にかかる光フィールドの割合を低減した方が良い。導波する光のフィールドが導波路層上のｐ−ＩｎＰにかかる割合は、ｐ−ＩｎＰの厚さが１μｍの時に比べて、３００ｎｍのときに８０％、２００ｎｍのときに６３％、１００ｎｍのときに４１％に低減できる。したがって、導波路層上のｐ−ＩｎＰ層を３００ｎｍ以下にすることで、ｐ型ＩｎＰ層による吸収損失を低減する効果も得ることができる。

また、本実施形態では、半導体レーザ部１１や導波路部１２などの各素子が形成される基板１をｎ型ＩｎＰとしたが、この基板をｐ型ＩｎＰ、または、半絶縁性ＩｎＰ、例えばＦｅをドープしたＩｎＰとすることも可能である。基板をｐ型ＩｎＰとし、この基板上に上記各素子が形成された光半導体装置とする場合には、半導体レーザ部における活性層の上部、導波路部における導波路層の上部にｐ型ＩｎＰ１０４の代わりにｎ型ＩｎＰを積層すれば良い。基板を半絶縁性ＩｎＰとし、この基板上に上記各素子が形成された光半導体装置とする場合、半絶縁性基板上にｎ型ＩｎＰ層を積層し、活性層などの層を積層した後にｐ型ＩｎＰ層を積層すれば良い。このような光半導体装置であっても、活性層などの層上のｐ−ＩｎＰ層を３００ｎｍ以下にすることで、ｐ型ＩｎＰ層による吸収損失を低減する効果も得ることができる。また、半絶縁性基板を用いた光半導体装置とする場合、半絶縁性基板上にｐ型ＩｎＰ層を積層し、活性層などの層を積層した後にｎ型ＩｎＰ層を積層することも可能である。

［第二の実施形態］
本発明に係る光半導体装置の第二の実施形態について、図５に基づき詳細に説明する。
図５は光半導体装置を模式的に示す平面図である。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第一の実施形態に係る光半導体装置をリング共振器に適用した場合の装置である。

本実施形態に係る光半導体装置２００は、図５に示すように、リング共振器２５０と入出力導波路２６０とを具備する装置である。リング共振器２５０と入出力導波路２６０は、方向性結合器により光学的に結合している。なお、リング共振器２５０および入出力導波路２６０は、同一基板２０１上に作製されている。

具体的には、リング共振器２５０は、第一の曲線導波路部２１０と、第二の曲線導波路部２２０と、直線導波路部２３０とで構成される機器である。第一の曲線導波路部２１０は、図中左側へ向けて凸状をなし、曲線状に延在する第一の曲線状導波路２１１で構成されている。第二の曲線導波路部２２０は、図中右側へ向けて凸状をなし、曲線状に延在する第二の曲線状導波路２２１で構成されている。直線導波路部２３０は、第一の曲線状導波路２１１の一方の入出力部と第二の曲線状導波路２２１の一方の入出力部とを接続する第一の直線導波路２３１と、第一の曲線状導波路２１１の他方の入出力部と第二の曲線状導波路２２１の他方の入出力部とを接続する第二の直線導波路２３２とを具備するものである。

リング共振器２５０に利得を持たせたレーザとするためには、活性層を備え、電流を注入することが必要である。そのため、直線部分に活性層を備え、この部分を高いメサ構造で形成する。他方、曲線部分を低いメサ構造で形成して、埋め込み再成長時に異常成長が起きないようにする。

本実施形態で用いた層構造は、第一の実施形態と同一であり、本実施形態の直線部分が第一の実施形態のレーザ部１１に相当し、曲線部分が第一の実施形態の導波路部１２に相当する。

本実施形態では、第一の実施形態で説明した２段エッチングを用いて、１段目のエッチングにより１．５μｍ、２段目のエッチングにより１．５μｍエッチングし、高いメサ構造の高さを３．０μｍ、低いメサ構造の高さを１．５μｍとした。

本実施形態に係る光半導体装置２００によれば、第一の実施形態に係る光半導体装置１０と比べて、逆メサ方向からの角度が大きい導波路部分を再成長するため、第一の実施形態の場合よりも低いメサ構造の高さを低くすることにより、異常成長の無い再成長を行うことができた。

［第三の実施形態］
本発明に係る光半導体装置の第三の実施形態について、図６に基づき詳細に説明する。
図６は光半導体装置を模式的に示す平面図である。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第一の実施形態に係る光半導体装置をマッハツエンダー干渉計に適用した場合の装置である。

本実施形態に係る光半導体装置３００は、図６に示すように、第一の曲線導波路部３１０と、第二の曲線導波路部３２０と、直線導波路部３３０とを具備する装置である。

具体的には、第一の曲線導波路部３１０は、２つの入力部３１１，３１２と２つの出力部３１３，３１４を有する第一の２×２のＭＭＩカプラ（合分波器）３１５を具備するものである。第二の曲線導波路部３２０は、２つの入力部３２１，３２２と２つの出力部３２３，３２４を有する第二の２×２のＭＭＩカプラ（合分波器）３２５を具備するものである。

直線導波路部３３０は、第一の２×２のＭＭＩカプラ３１５における一方の出力部３１３と第二の２×２のＭＭＩカプラ３２５の一方の入力部３２１とを接続する第一の光導波路３３１と、第一の２×２のＭＭＩカプラ３１５における他方の出力部３１４と第二の２×２のＭＭＩカプラ３２５の他方の入力部３２２とを接続する第二の光導波路３３２とを具備するものである。

ただし、本実施形態に係る光半導体装置３００は、活性層がなく、何れの領域も導波路層を有する層構造とした装置である。直線部分である直線導波路部３３０では、電気的に屈折率を変える必要があるため、高いメサ構造として元の層構造を残した。合分波器を含む曲線導波路部３１０，３２０は、２段エッチングにより低いメサ構造とした。すなわち、２段エッチングを適用した場合には、１段目のエッチングを行った後に曲線導波路部３１０，３２０上のエッチングマスクを除去する一方、直線導波路部３３０上のエッチングマスクを残し、この状態にて２段目のエッチング行って、直線導波路部３３０を曲線導波路部３１０，３２０よりも高いメサ構造とした。

そして、本実施形態に係る光半導体装置３００では、導波路層の上部のｐ型ＩｎＰクラッド層を２．５μｍとしたので、一段目のエッチングを２．５μｍ、二段目のエッチングを２．０μｍとした。これにより、高いメサ構造の高さ（メサ高）が４．５μｍとなり、低いメサ構造の高さ（メサ高）が２．５μｍとなった。このように本実施形態では、メサ高が４．５μｍと高いために、メサの方向が逆メサ方向から５度程度傾いていても異常成長が生じたが、本発明の適用により、異常成長がなく埋め込み再成長が可能となった。

このように、半導体レーザだけでなく、その他の光素子に対しても本発明を適用可能である。

したがって、本実施形態に係る光半導体装置３００によれば、上述した第一の実施形態に係る光半導体装置１０と同様、短い距離で逆メサ方向からの傾斜角の大きい導波路とし、直線導波路部と傾斜導波路部を結ぶ埋め込み導波路を作製でき、装置自体を小型化できる。これに伴って伝搬損失を低減できる。

本発明に係る光半導体装置は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザに利用可能であり、例えば、光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、広帯域波長帯をカバーする光計測用光源に利用可能である。

１０，２００，３００ 光半導体装置
１１ 半導体レーザ部
１２ 傾斜導波路部
１０１ 下部クラッド
１０２ 活性層
１０４ 上部クラッド層
１０６ コンタクト層
１０９ 絶縁膜
１１５ 導波路層
１２２ 半絶縁体
２５０ リング共振器
３１５，３２５ ２×２ ＭＭＩカプラ
ｈ１ 半導体レーザのメサ高さ
ｈ２ 導波路部のメサ高さ

Claims (9)

1. 逆メサ方向に直線状に形成された直線導波路部と、前記直線導波路部に接続し、逆メサ方向に対して傾く方向に形成された傾斜導波路部と、を有する光半導体装置であって、
   前記直線導波路部が、活性層を具備するものであり、
   前記傾斜導波路部が、前記活性層と同じ高さで形成され、光を導波する導波路層を具備するものであり、
   前記直線導波路部がメサ構造で形成され、
   前記傾斜導波路部がメサ構造で形成されると共に、前記傾斜導波路部のメサ構造が前記直線導波路部のメサ構造よりも低く形成され、
   前記直線導波路部のメサ構造の側部に半導体層が積層される一方、前記傾斜導波路部のメサ構造が半導体層で埋め込まれる
   ことを特徴とする光半導体装置。
2. 請求項１に記載された光半導体装置であって、
   前記直線導波路部のメサ構造の高さが２．５μｍ以上であり、
   前記傾斜導波路部のメサ構造の高さが２．５μｍ未満である
   ことを特徴とする光半導体装置。
3. 請求項２に記載された光半導体装置であって、
   前記傾斜導波路部のメサ構造の高さが、前記導波路層の厚さ以上である
   ことを特徴とする光半導体装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載された光半導体装置であって、
   前記直線導波路部および前記傾斜導波路部がｎ型ＩｎＰ基板、または、半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成されるものであり、
   前記導波路層の上部にｐ−ＩｎＰ層が形成され、
   前記ｐ−ＩｎＰ層が３００ｎｍ以下の厚さである
   ことを特徴とする光半導体装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載された光半導体装置であって、
   前記半導体層が、ルテニウムをドーピングした半絶縁体を含有する層である
   ことを特徴とする光半導体装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載された光半導体装置であって、
   前記傾斜導波路部が、前記逆メサ方向に対して５度以上傾く方向へ直線状に延在する傾斜状導波路、または曲線状に延在する曲線状導波路である
   ことを特徴とする光半導体装置。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載された光半導体装置を具備する
   ことを特徴とする半導体レーザアレイ。
8. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載された光半導体装置を具備する
   ことを特徴とするリング共振器。
9. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載された光半導体装置を具備する
   ことを特徴とするマッハツェンダー干渉計。

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