JP2965011B2 - 半導体光素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体光素子及びその製造方法Info
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体光素子及びそ
の製造方法に関し、特に曲線形状の光導波路を有する半
導体光素子及びその製造方法に関する。
の製造方法に関し、特に曲線形状の光導波路を有する半
導体光素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】有機金属気相成長法(MOVPE)にお
ける、ストライプ状誘電体マスクを用いた選択成長は、
誘電体マスクの幅を変えることのみで誘電体マスクに挟
まれた成長領域に成長される半導体結晶の組成及び層厚
を変化させることができるため、光集積素子等を作製す
る基本技術として研究が盛んに行われている。従来の選
択成長では、InP等の半導体基板上に、幅1.5μm
程度の成長領域をはさんだ一対のストライプ状誘電体薄
膜のマスクを形成し、MOVPEをもちいて、InGa
AsP等の結晶を選択的に成長させる。光導波路のシン
グルモード動作を維持するように成長領域幅を適当に選
択することにより、光導波路構造を半導体エッチング工
程なしで形成することができるため高品質な半導体光素
子を歩留まりよく作製することが可能である。また、選
択成長により形成される結晶の波長組成及び結晶層厚
は、前期誘電体マスク幅及び前期成長領域幅を変えるこ
とのみで制御でき、半導体レーザ、光変調器、光増幅器
等の光素子と受動光導波路とを集積した光集積素子を一
括形成できるため、半導体光素子の作製方法として非常
に有望である。とくに、成長領域への原料供給メカニズ
ムとしてSiO2 マスク上のIII 族原料種の表面マイ
グレーションと気相拡散が関与する成長領域幅3μm程
度以下での選択成長では、マスク幅の変化に対する波長
組成変化を大きくすることができる。前述した誘電体マ
スク幅により波長組成を変化させることができる原理に
ついては、加藤らによって、ELECTRONICS LETTERS誌VO
L.28, No.2(1992年1月16日号)第153ページから15
4ページに記述されている。
ける、ストライプ状誘電体マスクを用いた選択成長は、
誘電体マスクの幅を変えることのみで誘電体マスクに挟
まれた成長領域に成長される半導体結晶の組成及び層厚
を変化させることができるため、光集積素子等を作製す
る基本技術として研究が盛んに行われている。従来の選
択成長では、InP等の半導体基板上に、幅1.5μm
程度の成長領域をはさんだ一対のストライプ状誘電体薄
膜のマスクを形成し、MOVPEをもちいて、InGa
AsP等の結晶を選択的に成長させる。光導波路のシン
グルモード動作を維持するように成長領域幅を適当に選
択することにより、光導波路構造を半導体エッチング工
程なしで形成することができるため高品質な半導体光素
子を歩留まりよく作製することが可能である。また、選
択成長により形成される結晶の波長組成及び結晶層厚
は、前期誘電体マスク幅及び前期成長領域幅を変えるこ
とのみで制御でき、半導体レーザ、光変調器、光増幅器
等の光素子と受動光導波路とを集積した光集積素子を一
括形成できるため、半導体光素子の作製方法として非常
に有望である。とくに、成長領域への原料供給メカニズ
ムとしてSiO2 マスク上のIII 族原料種の表面マイ
グレーションと気相拡散が関与する成長領域幅3μm程
度以下での選択成長では、マスク幅の変化に対する波長
組成変化を大きくすることができる。前述した誘電体マ
スク幅により波長組成を変化させることができる原理に
ついては、加藤らによって、ELECTRONICS LETTERS誌VO
L.28, No.2(1992年1月16日号)第153ページから15
4ページに記述されている。
【0003】選択成長による光素子の例としては、例え
ば1997年春季応用物理学関係連合講演会講演予稿集N
o.3の1085ページに記載のスポットサイズ変換(S
pot-size converter: SSC,以後SSC)部付き半導体光増
幅器があげられる。近年、半導体光増幅器を電流注入型
のスイッチングゲートとして応用することが注目されて
いる。半導体光増幅器は一般的に50dB以上の高い消
光比を容易にとることができるため、低クロストークな
マトリクス光スイッチを実現するためのスイッチングゲ
ートとして有望である。近年、半導体レーザ、半導体光
増幅器と光ファイバあるいは石英系光導波路とをレンズ
なしで光結合するために、これらの光素子の入出射端に
SSCを集積する研究が盛んに行われている。SSCは
半導体のコア層断面積が素子端に向かい徐々に小さくな
る構造であり、素子の入出射端に向かい信号光の光閉じ
込めを弱くすることによりスポットサイズを拡大し、ス
ポットサイズの大きな光ファイバや石英系光導波路とレ
ンズなしで光結合したときの光結合特性を改善するもの
である。
ば1997年春季応用物理学関係連合講演会講演予稿集N
o.3の1085ページに記載のスポットサイズ変換(S
pot-size converter: SSC,以後SSC)部付き半導体光増
幅器があげられる。近年、半導体光増幅器を電流注入型
のスイッチングゲートとして応用することが注目されて
いる。半導体光増幅器は一般的に50dB以上の高い消
光比を容易にとることができるため、低クロストークな
マトリクス光スイッチを実現するためのスイッチングゲ
ートとして有望である。近年、半導体レーザ、半導体光
増幅器と光ファイバあるいは石英系光導波路とをレンズ
なしで光結合するために、これらの光素子の入出射端に
SSCを集積する研究が盛んに行われている。SSCは
半導体のコア層断面積が素子端に向かい徐々に小さくな
る構造であり、素子の入出射端に向かい信号光の光閉じ
込めを弱くすることによりスポットサイズを拡大し、ス
ポットサイズの大きな光ファイバや石英系光導波路とレ
ンズなしで光結合したときの光結合特性を改善するもの
である。
【0004】この半導体光増幅器の素子構造及び素子作
製方法を図13及び図14を用いて説明する。図13は
この半導体光増幅器の構造を模式的に示した素子長手方
向の断面図である。図14はこの素子の活性層を選択成
長により形成するために用いた誘電体マスクパターンで
あり、斜線部が誘電体マスクを示している。この素子で
は、偏光無依存な光増幅特性を得るために、活性層20
8の断面形状が幅420nm高さ300nmと正方形に
近くなっている。活性層208はSSC部102におい
て素子の入出射端に向かい層厚が徐々に薄くなる形状と
なっており、この構造により信号光のスポットサイズ変
換を行っている。活性層の全体は厚さ6μmのP−In
Pクラッド層209で埋め込まれる。また、素子両端に
は反射戻り光低減のための無反射被覆(ARコート)2
07および窓部103が形成されている。従来、活性層
部301とSSC部102の活性層206は2度の結晶
成長工程により形成されていたが、この報告例では、図
14のように、選択成長のマスク開口幅Woを0.7μ
m程度とせまくし、さらにSSC部102におけるSi
O2 マスク幅Wmを素子入出射端に向かって狭くする
ことにより、活性層部901とSSC部102を一括し
て成長している。これにより半導体のエッチング工程な
しで活性層を形成することが可能である。また、SSC
部を待たない従来の半導体光増幅器の同様の2度の結晶
成長のみでSSC付き半導体光増幅器が作製されてい
る。
製方法を図13及び図14を用いて説明する。図13は
この半導体光増幅器の構造を模式的に示した素子長手方
向の断面図である。図14はこの素子の活性層を選択成
長により形成するために用いた誘電体マスクパターンで
あり、斜線部が誘電体マスクを示している。この素子で
は、偏光無依存な光増幅特性を得るために、活性層20
8の断面形状が幅420nm高さ300nmと正方形に
近くなっている。活性層208はSSC部102におい
て素子の入出射端に向かい層厚が徐々に薄くなる形状と
なっており、この構造により信号光のスポットサイズ変
換を行っている。活性層の全体は厚さ6μmのP−In
Pクラッド層209で埋め込まれる。また、素子両端に
は反射戻り光低減のための無反射被覆(ARコート)2
07および窓部103が形成されている。従来、活性層
部301とSSC部102の活性層206は2度の結晶
成長工程により形成されていたが、この報告例では、図
14のように、選択成長のマスク開口幅Woを0.7μ
m程度とせまくし、さらにSSC部102におけるSi
O2 マスク幅Wmを素子入出射端に向かって狭くする
ことにより、活性層部901とSSC部102を一括し
て成長している。これにより半導体のエッチング工程な
しで活性層を形成することが可能である。また、SSC
部を待たない従来の半導体光増幅器の同様の2度の結晶
成長のみでSSC付き半導体光増幅器が作製されてい
る。
【0005】選択成長による光集積素子の例としては、
例えば、ELECTRONICS LETTERS Vol.32の2265ページ
から2266ページに記載のK.Hamamoto Et.Al. による1
×4半導体光増幅器ゲート型モノリシックマトリクス光
スイッチが挙げられる。図15にこの素子の構成を模式
的に示す平面図を示した。この例では、[011]方向
に活性層のストライプを持つ4つの半導体光増幅器40
1とこれらを結ぶY分岐型の受動分岐光導波路402を
選択成長時の誘電体マスク幅を変化させることにより一
括形成し、1入力4出力の分岐/半導体光増幅器ゲート
型マトリクス光スイッチを形成している。半導体光増幅
器部及び受動光導波路部のマスク幅をそれぞれ、30μ
m、6μmとしている。このとき、半導体光増幅器40
1及び受動分岐光導波路402における結晶のバンドギ
ャップ波長はそれぞれ1.55μm、1.40μmとな
り、受動分岐光導波路402は波長1.55μmの信号
光に対して吸収を持たない透明な組成となる。このよう
な光集積素子を従来の製造方法により作製した場合、半
導体光増幅器と受動光導波路部を2度の結晶成長工程に
より別々に形成する必要があったが、選択成長を用いる
ことにより種々の光素子をより簡便に作製することが可
能である。
例えば、ELECTRONICS LETTERS Vol.32の2265ページ
から2266ページに記載のK.Hamamoto Et.Al. による1
×4半導体光増幅器ゲート型モノリシックマトリクス光
スイッチが挙げられる。図15にこの素子の構成を模式
的に示す平面図を示した。この例では、[011]方向
に活性層のストライプを持つ4つの半導体光増幅器40
1とこれらを結ぶY分岐型の受動分岐光導波路402を
選択成長時の誘電体マスク幅を変化させることにより一
括形成し、1入力4出力の分岐/半導体光増幅器ゲート
型マトリクス光スイッチを形成している。半導体光増幅
器部及び受動光導波路部のマスク幅をそれぞれ、30μ
m、6μmとしている。このとき、半導体光増幅器40
1及び受動分岐光導波路402における結晶のバンドギ
ャップ波長はそれぞれ1.55μm、1.40μmとな
り、受動分岐光導波路402は波長1.55μmの信号
光に対して吸収を持たない透明な組成となる。このよう
な光集積素子を従来の製造方法により作製した場合、半
導体光増幅器と受動光導波路部を2度の結晶成長工程に
より別々に形成する必要があったが、選択成長を用いる
ことにより種々の光素子をより簡便に作製することが可
能である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザの活性層
のストライプ方向は一般的に[011]方位に形成され
る。これは半導体レーザ動作に必要な共振器構造を基板
のへき開面を利用して形成するためである。
のストライプ方向は一般的に[011]方位に形成され
る。これは半導体レーザ動作に必要な共振器構造を基板
のへき開面を利用して形成するためである。
【0007】しかし、光素子の特性向上や光集積素子の
小型化のために、任意のストライプ方向の活性層をもつ
光素子も考えられるようになっている。例えば、前章で
示したモノリシックマトリクススイッチの例でも、分岐
曲線導波路の一部を半導体光増幅器部の活性層とするこ
とで素子の小型化が図られる。また、半導体光増幅器で
は、素子端のへき開面、光結合のためのレンズ、光ファ
イバの端面などからの活性層への反射戻り光を抑制する
ために、活性層のストライプ方向を基板面内において
[011]方位に対して6から8°程度の角度を持つよ
うに配置し、端面に角度を持たせる報告もある。さら
に、前章で示したSSC部付き半導体光増幅器では、ス
イッチングゲート動作時におけるON/OFF消光比改
善のために、S字形状に活性層ストライプを形成する試
みが行われている。
小型化のために、任意のストライプ方向の活性層をもつ
光素子も考えられるようになっている。例えば、前章で
示したモノリシックマトリクススイッチの例でも、分岐
曲線導波路の一部を半導体光増幅器部の活性層とするこ
とで素子の小型化が図られる。また、半導体光増幅器で
は、素子端のへき開面、光結合のためのレンズ、光ファ
イバの端面などからの活性層への反射戻り光を抑制する
ために、活性層のストライプ方向を基板面内において
[011]方位に対して6から8°程度の角度を持つよ
うに配置し、端面に角度を持たせる報告もある。さら
に、前章で示したSSC部付き半導体光増幅器では、ス
イッチングゲート動作時におけるON/OFF消光比改
善のために、S字形状に活性層ストライプを形成する試
みが行われている。
【0008】以上述べたように、活性層を任意の形状に
形成できることはデバイス作製の自由度を著しく増加さ
せる。
形成できることはデバイス作製の自由度を著しく増加さ
せる。
【0009】しかし、これまで選択成長を用いて曲線光
導波路のような受動光導波路の作製は行われてきたが、
電流注入し、光増幅媒質として使用される領域を含む能
動光導波路を任意のストライプ方向で作製したことはな
かった。そこで、(100)基板面内において、[01
1]方位に対して任意のストライプ方向をもつ活性層を
選択成長により形成した結果、ストライプ方向と[01
1]方位とのなす角(以下導波路角度と呼ぶ)により、
活性層の波長組成や断面形状が変化することを見いだし
た。
導波路のような受動光導波路の作製は行われてきたが、
電流注入し、光増幅媒質として使用される領域を含む能
動光導波路を任意のストライプ方向で作製したことはな
かった。そこで、(100)基板面内において、[01
1]方位に対して任意のストライプ方向をもつ活性層を
選択成長により形成した結果、ストライプ方向と[01
1]方位とのなす角(以下導波路角度と呼ぶ)により、
活性層の波長組成や断面形状が変化することを見いだし
た。
【0010】図9にInP基板の(100)面上に様々
な導波路角度で選択成長により形成されたInGaAs
Pバルク活性層における、導波路角度とフォトルミネッ
センス(PL)スペクトルのピーク波長及び活性層厚の
関係を示した。ここで成長圧力を760Torr、誘電
体マスク幅およびマスク開口幅をそれぞれ35μm、
0.7μmとした。導波路角度の増加に伴い、PLピー
ク波長及び活性層厚の増加がみられる。従って、導波路
角度が任意に変化する形状の活性層構造を選択成長によ
り形成した場合、活性層の組成が不均一となり電流注入
時の利得特性が低下するおそれがある。また、活性層に
導入される歪量も不均一となるため、電流注入時の利得
の偏光依存性が生ずるおそれがある。これは選択成長に
より形成された活性層の波長組成の変化は、III 族原
料の組成比の変化によりもたらされるため、波長組成の
変化は活性層の結晶の面内歪の変化を伴うためである。
な導波路角度で選択成長により形成されたInGaAs
Pバルク活性層における、導波路角度とフォトルミネッ
センス(PL)スペクトルのピーク波長及び活性層厚の
関係を示した。ここで成長圧力を760Torr、誘電
体マスク幅およびマスク開口幅をそれぞれ35μm、
0.7μmとした。導波路角度の増加に伴い、PLピー
ク波長及び活性層厚の増加がみられる。従って、導波路
角度が任意に変化する形状の活性層構造を選択成長によ
り形成した場合、活性層の組成が不均一となり電流注入
時の利得特性が低下するおそれがある。また、活性層に
導入される歪量も不均一となるため、電流注入時の利得
の偏光依存性が生ずるおそれがある。これは選択成長に
より形成された活性層の波長組成の変化は、III 族原
料の組成比の変化によりもたらされるため、波長組成の
変化は活性層の結晶の面内歪の変化を伴うためである。
【0011】よって本発明の解決しようとする課題は、
任意の導波路角度で選択成長により形成された活性層の
組成を活性層の各部で均一にすることである。
任意の導波路角度で選択成長により形成された活性層の
組成を活性層の各部で均一にすることである。
【0012】
【課題を解決するための手段】以上に記載の課題を解決
するための手段を以下に示す。
するための手段を以下に示す。
【0013】本発明の第1の半導体光素子の製造方法
は、少なくとも部分的には光増幅媒体となる光導波路を
有し、該光導波路が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体
基板の(100)面上あるいは(100)面から10度
以内の傾斜を持つ基板面上に形成され、該光導波路のス
トライプ方向が前記基板面上の面内において少なくとも
部分的には[011]結晶方位に対して角度を有するよ
うな半導体光素子において、前記光導波路が前記半導体
基板上に形成された少なくとも1対のストライプ状誘電
体薄膜に挟まれた成長領域に有機金属気相化学成長法に
より選択的に結晶成長する工程により形成される半導体
光素子の製造方法であって、前記ストライプ状誘電体薄
膜の幅あるい前記成長領域の幅を、前記光導波路のスト
ライプ方向と[011]結晶方位とのなす角に応じて前
記光導波路の各部において変化させることを特徴とす
る。
は、少なくとも部分的には光増幅媒体となる光導波路を
有し、該光導波路が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体
基板の(100)面上あるいは(100)面から10度
以内の傾斜を持つ基板面上に形成され、該光導波路のス
トライプ方向が前記基板面上の面内において少なくとも
部分的には[011]結晶方位に対して角度を有するよ
うな半導体光素子において、前記光導波路が前記半導体
基板上に形成された少なくとも1対のストライプ状誘電
体薄膜に挟まれた成長領域に有機金属気相化学成長法に
より選択的に結晶成長する工程により形成される半導体
光素子の製造方法であって、前記ストライプ状誘電体薄
膜の幅あるい前記成長領域の幅を、前記光導波路のスト
ライプ方向と[011]結晶方位とのなす角に応じて前
記光導波路の各部において変化させることを特徴とす
る。
【0014】本発明の第2の半導体光素子の製造方法
は、第1の半導体光素子の製造方法において、前記スト
ライプ状誘電体薄膜の幅が、前記光導波路のストライプ
方向と[011]結晶方位とのなす角の増加に応じて狭
くなることを特徴とする。
は、第1の半導体光素子の製造方法において、前記スト
ライプ状誘電体薄膜の幅が、前記光導波路のストライプ
方向と[011]結晶方位とのなす角の増加に応じて狭
くなることを特徴とする。
【0015】本発明の第3の半導体光素子の製造方法
は、第1の半導体光素子の製造方法において、前記成長
領域の幅が、前記光導波路のストライプ方向と[01
1]結晶方位とのなす角の増加に応じて狭くなることを
特徴とする。
は、第1の半導体光素子の製造方法において、前記成長
領域の幅が、前記光導波路のストライプ方向と[01
1]結晶方位とのなす角の増加に応じて狭くなることを
特徴とする。
【0016】本発明の第4の半導体光素子の製造方法
は、第1から第3の半導体光素子の製造方法において、
前記成長領域の幅が2μm以下であることを特徴とす
る。
は、第1から第3の半導体光素子の製造方法において、
前記成長領域の幅が2μm以下であることを特徴とす
る。
【0017】本発明の第5の半導体光素子の製造方法
は、第1から第4の半導体光素子の製造方法において、
前記ストライプ状誘電体薄膜に挟まれた成長領域に選択
的に形成される成長層がバルクであることを特徴とす
る。
は、第1から第4の半導体光素子の製造方法において、
前記ストライプ状誘電体薄膜に挟まれた成長領域に選択
的に形成される成長層がバルクであることを特徴とす
る。
【0018】本発明の第6の半導体光素子の製造方法
は、第1から第5の半導体光素子の製造方法において、
前記閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体基板がInP基
板であって、結晶を構成するIII 族原料がIn、G
a、のいずれかあるいは両方であって、V族原料がA
s、Al、P、Nのいずれかの組み合わせであることを
特徴とする。
は、第1から第5の半導体光素子の製造方法において、
前記閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体基板がInP基
板であって、結晶を構成するIII 族原料がIn、G
a、のいずれかあるいは両方であって、V族原料がA
s、Al、P、Nのいずれかの組み合わせであることを
特徴とする。
【0019】本発明の半導体光集積素子は、複数の半導
体光増幅器及び、曲線、分岐形状を有し、信号光を導波
するための半導体分岐光導波路を同一基板面内に少なく
とも有する半導体光集積素子において、前記半導体光増
幅器のストライプ方向が活性層の光導波方向の各部で異
なる曲線形状であり、前記半導体分岐光導波路の曲線部
の一部として形成されていることを特徴とする。
体光増幅器及び、曲線、分岐形状を有し、信号光を導波
するための半導体分岐光導波路を同一基板面内に少なく
とも有する半導体光集積素子において、前記半導体光増
幅器のストライプ方向が活性層の光導波方向の各部で異
なる曲線形状であり、前記半導体分岐光導波路の曲線部
の一部として形成されていることを特徴とする。
【0020】本発明の光通信用モジュールは、前記第1
〜第6の製造方法により得られた半導体光素子と、該半
導体光素子からの出力光を外部に導波するための導波手
段と、この導波手段に前記半導体光素子からの出力光を
集光するための集光手段と、上記半導体光集積素子を駆
動するための駆動手段とを有することを特徴とする。
〜第6の製造方法により得られた半導体光素子と、該半
導体光素子からの出力光を外部に導波するための導波手
段と、この導波手段に前記半導体光素子からの出力光を
集光するための集光手段と、上記半導体光集積素子を駆
動するための駆動手段とを有することを特徴とする。
【0021】本発明の第2の光通信用モジュールは、前
記第1〜第6の製造方法により得られた半導体光素子或
いは前記半導体光集積素子と、該半導体光素子に入力光
を導波させるための導波手段と、この導波手段から前記
半導体光素子へ入力光を集光するための集光手段と、前
記半導体光素子からの出力光を外部に導波するための導
波手段と、この導波手段に上記半導体光素子からの出力
光を集光するための集光手段と、上記半導体光集積素子
を駆動するための駆動手段とを有することを特徴とす
る。
記第1〜第6の製造方法により得られた半導体光素子或
いは前記半導体光集積素子と、該半導体光素子に入力光
を導波させるための導波手段と、この導波手段から前記
半導体光素子へ入力光を集光するための集光手段と、前
記半導体光素子からの出力光を外部に導波するための導
波手段と、この導波手段に上記半導体光素子からの出力
光を集光するための集光手段と、上記半導体光集積素子
を駆動するための駆動手段とを有することを特徴とす
る。
【0022】本発明の光通信システムは、前記第1〜第
6の製造方法により得られた半導体光素子或いは前記半
導体光集積素子を有する通信手段と、この通信手段から
の出力光を受信するための受信手段とを有することを特
徴とする。
6の製造方法により得られた半導体光素子或いは前記半
導体光集積素子を有する通信手段と、この通信手段から
の出力光を受信するための受信手段とを有することを特
徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】本発明の作用を図10、図11、
図12を用いて説明する。図10は本発明の作用を説明
するための選択成長用誘電体マスクパターンである。図
11は図10のマスクパターンを用いて形成したInG
aAsPバルク活性層のPLピーク波長を活性層の各位
置で測定した結果を示すグラフである。図12は、本発
明の活性層組成の均一化を図る方法を説明するためのグ
ラフである。本発明の作用を説明するために、活性層の
素子長手方向の長さが350μm、入出力端における活
性層の光軸のずれ量30μmのS字形状をもつInGa
AsPバルク活性層を選択成長により形成する場合を考
える。このような構造を選択成長で形成する際には図7
(a)のパターンが用いられてきた。図10(a)のパ
ターンでは、マスク幅Wmは35μm、マスク開口幅W
oは0.7μmである。このとき形成された活性層の各
部におけるPLピーク波長分布は図11(a)の様にな
る。導波路角度の増加に伴いPLピーク波長は長波長化
し、導波路角度が最大の9.8°となる活性層中央部で
は、導波路角度が0°の場合と比較し、波長組成が約7
0nm長くなっている。このようにバンドギャップ組成
の不均一な活性層に電流注入した場合、信号光に対する
利得が低下するため動作電流の増大を招く。また、利得
の偏光依存性を生ずる。
図12を用いて説明する。図10は本発明の作用を説明
するための選択成長用誘電体マスクパターンである。図
11は図10のマスクパターンを用いて形成したInG
aAsPバルク活性層のPLピーク波長を活性層の各位
置で測定した結果を示すグラフである。図12は、本発
明の活性層組成の均一化を図る方法を説明するためのグ
ラフである。本発明の作用を説明するために、活性層の
素子長手方向の長さが350μm、入出力端における活
性層の光軸のずれ量30μmのS字形状をもつInGa
AsPバルク活性層を選択成長により形成する場合を考
える。このような構造を選択成長で形成する際には図7
(a)のパターンが用いられてきた。図10(a)のパ
ターンでは、マスク幅Wmは35μm、マスク開口幅W
oは0.7μmである。このとき形成された活性層の各
部におけるPLピーク波長分布は図11(a)の様にな
る。導波路角度の増加に伴いPLピーク波長は長波長化
し、導波路角度が最大の9.8°となる活性層中央部で
は、導波路角度が0°の場合と比較し、波長組成が約7
0nm長くなっている。このようにバンドギャップ組成
の不均一な活性層に電流注入した場合、信号光に対する
利得が低下するため動作電流の増大を招く。また、利得
の偏光依存性を生ずる。
【0024】そこで、活性層の導波路角度の変化に応じ
てマスク幅及びマスク開口幅を変化させることにより、
導波路角度の変化に伴う波長組成の長波長化を補償する
ことを考える。
てマスク幅及びマスク開口幅を変化させることにより、
導波路角度の変化に伴う波長組成の長波長化を補償する
ことを考える。
【0025】はじめにマスク幅による活性層組成の均一
化について説明する。図12(a)のグラフは導波路角
度が0°、5°、10°の場合におけるInGaAsP
バルク活性層のマスク幅WmとPLピーク波長の関係を
示す。導波路角度0°の曲線は、従来の[011]方向
のストライプを持つ選択成長活性層の特性を示してい
る。前節において図9を用いて説明したように、同一マ
スク幅で比較した場合、導波路角度が大きくなるほどP
Lピーク波長が長波長化することが分かる。マスク幅W
mが35μm、導波路角度0°におけるPLピーク波長
は約1470nmである。導波路角度5°のストライプ
で0°と同じPLピーク波長を得るには、マスク幅Wmを
27μmとすればよいことが分かる。同様に導波路角度
が10°ではマスク幅Wmが27μmにおいて同一のPL
ピーク波長が得られる。本説明で使用している形状の活
性層における最大導波路角度は約9.8°である。した
がって導波路角度の増加に応じてマスク幅を35μmか
ら27μmまで、段階的もしくは連続的に変化させるこ
とにより、活性層組成の不均一を抑制することが可能で
ある。図9(b)にマスク幅Wmを連続的に変化させるこ
とにより活性層組成の均一化を図る場合用いるマスクパ
ターンを示した。また、図10(b)のマスクパターン
を用いて形成した活性層の各部におけるPLピーク波長
の分布を図11(b)に示した。導波路角度の変化に応
じてマスク幅を連続的に変化させることにより、均一な
波長組成の活性層が実現できる。
化について説明する。図12(a)のグラフは導波路角
度が0°、5°、10°の場合におけるInGaAsP
バルク活性層のマスク幅WmとPLピーク波長の関係を
示す。導波路角度0°の曲線は、従来の[011]方向
のストライプを持つ選択成長活性層の特性を示してい
る。前節において図9を用いて説明したように、同一マ
スク幅で比較した場合、導波路角度が大きくなるほどP
Lピーク波長が長波長化することが分かる。マスク幅W
mが35μm、導波路角度0°におけるPLピーク波長
は約1470nmである。導波路角度5°のストライプ
で0°と同じPLピーク波長を得るには、マスク幅Wmを
27μmとすればよいことが分かる。同様に導波路角度
が10°ではマスク幅Wmが27μmにおいて同一のPL
ピーク波長が得られる。本説明で使用している形状の活
性層における最大導波路角度は約9.8°である。した
がって導波路角度の増加に応じてマスク幅を35μmか
ら27μmまで、段階的もしくは連続的に変化させるこ
とにより、活性層組成の不均一を抑制することが可能で
ある。図9(b)にマスク幅Wmを連続的に変化させるこ
とにより活性層組成の均一化を図る場合用いるマスクパ
ターンを示した。また、図10(b)のマスクパターン
を用いて形成した活性層の各部におけるPLピーク波長
の分布を図11(b)に示した。導波路角度の変化に応
じてマスク幅を連続的に変化させることにより、均一な
波長組成の活性層が実現できる。
【0026】同様にマスク開口幅の制御による活性層組
成の均一化について説明する。図12(b)に導波路角
度が0°、5°、10°におけるInGaAsPバルク
活性層のマスク開口幅とPLピーク波長の関係を示す。
マスク開口幅Woが0.7μm、導波路角度0°におけ
るPLピーク波長は約1470nmである。導波路角度
5°のストライプで0°と同じPLピーク波長を得るに
は、マスク幅開口幅Woを約1.1μmとすればよいこ
とが分かる。同様に導波路角度が10°ではマスク開口
幅Woが1.23μmにおいて同一のPLピーク波長が
得られる。従って、導波路角度の増加に応じて、マスク
開口幅を0.7μmから1.23μmまで、段階的もし
くは連続的に変化させることにより、本作用の説明で使
用している構造の活性層の波長組成の均一化をはかるこ
とができる。図10(c)に、マスク開口幅Woを連続
的に変化させた場合の選択成長マスクの形状を示した。
また、図11(c)に、図10(c)のマスクパターン
を使用して形成した活性層の各部におけるPLピーク波
長の分布を示した。マスク幅を変化させた場合と同様、
マスク開口幅を変化させることにより、活性層の各部に
おける波長組成の均一化が図られる。
成の均一化について説明する。図12(b)に導波路角
度が0°、5°、10°におけるInGaAsPバルク
活性層のマスク開口幅とPLピーク波長の関係を示す。
マスク開口幅Woが0.7μm、導波路角度0°におけ
るPLピーク波長は約1470nmである。導波路角度
5°のストライプで0°と同じPLピーク波長を得るに
は、マスク幅開口幅Woを約1.1μmとすればよいこ
とが分かる。同様に導波路角度が10°ではマスク開口
幅Woが1.23μmにおいて同一のPLピーク波長が
得られる。従って、導波路角度の増加に応じて、マスク
開口幅を0.7μmから1.23μmまで、段階的もし
くは連続的に変化させることにより、本作用の説明で使
用している構造の活性層の波長組成の均一化をはかるこ
とができる。図10(c)に、マスク開口幅Woを連続
的に変化させた場合の選択成長マスクの形状を示した。
また、図11(c)に、図10(c)のマスクパターン
を使用して形成した活性層の各部におけるPLピーク波
長の分布を示した。マスク幅を変化させた場合と同様、
マスク開口幅を変化させることにより、活性層の各部に
おける波長組成の均一化が図られる。
【0027】以上示した方法により、従来の[011]
方位の活性層と同等の品質の活性層を、任意のストライ
プ方向を有する活性層において実現できる。
方位の活性層と同等の品質の活性層を、任意のストライ
プ方向を有する活性層において実現できる。
【0028】
(第一の実施例)第1の実施例である、スポットサイズ
変換導波路付き半導体光増幅器について説明する。図1
は本素子の活性層を選択成長で形成する際に用いる誘電
体マスクパターンの平面図である。図2は本素子の構造
を表す素子上面及び素子長手方向断面図である。図3は
本素子の他の構造例を模式的に示す活性層形状の平面図
である。従来例で述べたように、半導体光増幅器と光フ
ァイバをレンズ系を用いずに直接光結合するために、半
導体光増幅器にスポットサイズ変換構造を設ける試みが
なされている。しかし、従来例で述べた構造のスポット
サイズ変換部付き半導体光増幅器をファイバと直接光結
合しモジュール化した場合、消光比30dB程度となっ
てしまうことがわかった。ゲート用途の半導体光増幅器
には高い消光比が要求される。これは、光スイッチにお
いて、クロストークによる受信感度劣化を1dB以下と
するには40dB以上の消光比が必要とされ、これを下
回ると受信感度劣化は急激に増大するためである。半導
体光増幅器ゲート動作時において、ON時(電流注入
時)に光増幅する一方、OFF時(電流非注入時)は高
い光吸収をするという動作原理によりスイッチングを行
なうため一般的に50dB以上の高い消光比を有する。
しかし、スポットサイズ変換部付き半導体光増幅器とフ
ラット端光ファイバとの直接光結合では、入力側のスポ
ットサイズ変換部において半導体光増幅器の導波路光モ
ードに結合しない非導波光(迷光)が多くなる。半導体
光増幅器の信号OFF時においては導波光は活性層で吸
収されるが、迷光はクラッド層或いは半導体基板を伝搬
したのち出力側ファイバに到達してしまうためOFF信
号時の光出力レベルを上昇させ、結果としてスイッチン
グ動作時の消光比が低下する。
変換導波路付き半導体光増幅器について説明する。図1
は本素子の活性層を選択成長で形成する際に用いる誘電
体マスクパターンの平面図である。図2は本素子の構造
を表す素子上面及び素子長手方向断面図である。図3は
本素子の他の構造例を模式的に示す活性層形状の平面図
である。従来例で述べたように、半導体光増幅器と光フ
ァイバをレンズ系を用いずに直接光結合するために、半
導体光増幅器にスポットサイズ変換構造を設ける試みが
なされている。しかし、従来例で述べた構造のスポット
サイズ変換部付き半導体光増幅器をファイバと直接光結
合しモジュール化した場合、消光比30dB程度となっ
てしまうことがわかった。ゲート用途の半導体光増幅器
には高い消光比が要求される。これは、光スイッチにお
いて、クロストークによる受信感度劣化を1dB以下と
するには40dB以上の消光比が必要とされ、これを下
回ると受信感度劣化は急激に増大するためである。半導
体光増幅器ゲート動作時において、ON時(電流注入
時)に光増幅する一方、OFF時(電流非注入時)は高
い光吸収をするという動作原理によりスイッチングを行
なうため一般的に50dB以上の高い消光比を有する。
しかし、スポットサイズ変換部付き半導体光増幅器とフ
ラット端光ファイバとの直接光結合では、入力側のスポ
ットサイズ変換部において半導体光増幅器の導波路光モ
ードに結合しない非導波光(迷光)が多くなる。半導体
光増幅器の信号OFF時においては導波光は活性層で吸
収されるが、迷光はクラッド層或いは半導体基板を伝搬
したのち出力側ファイバに到達してしまうためOFF信
号時の光出力レベルを上昇させ、結果としてスイッチン
グ動作時の消光比が低下する。
【0029】この問題を解決するための方法のひとつと
して、図2に示すように活性層を曲げることにより、入
出力光導波路の光軸にオフセット106を設け、迷光2
03と出力信号光204を分離して出力側ファイバ20
5において迷光203のみを除去することが考えられ
る。この場合、導波光は光導波路に沿って曲がって進む
が、迷光は基本的に直進するので切り分けられる。図2
は活性層がS字形状で入出力導波路の光軸が平行移動し
た例であるが、迷光除去の要点は入出力導波路の光軸が
重ならないような活性層形状であるので図3(a)から
(c)に模式的に示した活性層形状も有効である。これ
らの構造により、SSC部を付加した半導体光増幅器の
高消光比化が図られる。
して、図2に示すように活性層を曲げることにより、入
出力光導波路の光軸にオフセット106を設け、迷光2
03と出力信号光204を分離して出力側ファイバ20
5において迷光203のみを除去することが考えられ
る。この場合、導波光は光導波路に沿って曲がって進む
が、迷光は基本的に直進するので切り分けられる。図2
は活性層がS字形状で入出力導波路の光軸が平行移動し
た例であるが、迷光除去の要点は入出力導波路の光軸が
重ならないような活性層形状であるので図3(a)から
(c)に模式的に示した活性層形状も有効である。これ
らの構造により、SSC部を付加した半導体光増幅器の
高消光比化が図られる。
【0030】この構造を、従来例で示したように、狭い
成長領域への選択成長により形成することを考える。マ
スク開口幅を0.7μm程度とすることで、偏光無依存
型のシングルモード動作可能な活性層が直接形成でき
る。また、このような狭い狭い成長領域への選択成長で
は、SiO2 マスク上のIII 族原料種の気相拡散だけ
でなく、マイグレーション長が3μm程度であるIII
族原料種の表面マイグレーションの両効果により成長領
域への原料供給が行われ、この場合、マスク幅の変化に
対して大きな波長組成変化が得られるため、能動素子と
受動導波路の一括形成あるいは信号光波長に対して光吸
収の少ないSSC部の形成が可能となる。
成長領域への選択成長により形成することを考える。マ
スク開口幅を0.7μm程度とすることで、偏光無依存
型のシングルモード動作可能な活性層が直接形成でき
る。また、このような狭い狭い成長領域への選択成長で
は、SiO2 マスク上のIII 族原料種の気相拡散だけ
でなく、マイグレーション長が3μm程度であるIII
族原料種の表面マイグレーションの両効果により成長領
域への原料供給が行われ、この場合、マスク幅の変化に
対して大きな波長組成変化が得られるため、能動素子と
受動導波路の一括形成あるいは信号光波長に対して光吸
収の少ないSSC部の形成が可能となる。
【0031】しかし、S字形状の活性層構造を従来の一
様なマスク幅、マスク開口幅の選択成長で成長した場
合、作用の章で述べたとおり、活性層のストライプ方向
の角度により波長組成が変化し活性層の波長組成は70
nmの分布を持つ。このため従来例で示した[011]
方向に活性層をもつSSC付き半導体光増幅器と比較し
て動作電流が大きくなる。本実施例では、活性層を本発
明の選択成長マスクパターンを用いて形成し、半導体光
増幅器の動作電流の低減を図る。
様なマスク幅、マスク開口幅の選択成長で成長した場
合、作用の章で述べたとおり、活性層のストライプ方向
の角度により波長組成が変化し活性層の波長組成は70
nmの分布を持つ。このため従来例で示した[011]
方向に活性層をもつSSC付き半導体光増幅器と比較し
て動作電流が大きくなる。本実施例では、活性層を本発
明の選択成長マスクパターンを用いて形成し、半導体光
増幅器の動作電流の低減を図る。
【0032】以下に、素子の具体的な作製方法について
説明する。はじめにn−InP基板208上に入出力導
波路のストライプ方向が[011]方位となるように図
1のSiO2 マスクを形成した。図1のパターンはS
字形状活性層部101、SSC部102、および窓部1
03からなる。S字形状活性層部101は長手方向の長
さが350μm、入出力導波路の光軸のオフセット30
μmのストライプ形状をもつ。S字形状活性層101の
マスク幅は導波路角度が0°の場所で35μmとし、導
波路角度の増加に従い連続的に狭くなる形状とした。導
波路角度が最大の約9.8°となる素子中央部における
マスク幅は27μmとした。SSC部はストライプ方向
が[011]方向であり、素子の入出射端に向かい、マ
スクが35μmから4μmまで徐々に狭くなる形状とし
た。マスク開口幅Woは素子各部にわたり0.7μmで
一定とした。このパターンを用いて波長組成1.5μm
の無歪InGaAsPバルク層をMOVPE選択成長に
より形成した。厚さ300nm幅450nmの正方形に
近い断面で偏光無依存な増幅利得を有する活性層を形成
した。活性層はSSC部においては、素子の入出射端に
向かい層厚が300nmから50nmまで徐々に薄くな
る構造である。このテーパ状の層厚変化をもつ活性層構
造により、光導波路端での光スポットサイズが広げられ
る。光スポットサイズを広げたことにより、レンズ系を
用いない直接光結合方法でフラット端ファイバと良好な
光結合が得られた。形成した活性層の各部のPLピーク
波長を測定した結果、活性層全体でのPLピーク波長の
ばらつきは±5nmであった。したがって、本発明によ
り波長組成の均一な活性層が形成された。
説明する。はじめにn−InP基板208上に入出力導
波路のストライプ方向が[011]方位となるように図
1のSiO2 マスクを形成した。図1のパターンはS
字形状活性層部101、SSC部102、および窓部1
03からなる。S字形状活性層部101は長手方向の長
さが350μm、入出力導波路の光軸のオフセット30
μmのストライプ形状をもつ。S字形状活性層101の
マスク幅は導波路角度が0°の場所で35μmとし、導
波路角度の増加に従い連続的に狭くなる形状とした。導
波路角度が最大の約9.8°となる素子中央部における
マスク幅は27μmとした。SSC部はストライプ方向
が[011]方向であり、素子の入出射端に向かい、マ
スクが35μmから4μmまで徐々に狭くなる形状とし
た。マスク開口幅Woは素子各部にわたり0.7μmで
一定とした。このパターンを用いて波長組成1.5μm
の無歪InGaAsPバルク層をMOVPE選択成長に
より形成した。厚さ300nm幅450nmの正方形に
近い断面で偏光無依存な増幅利得を有する活性層を形成
した。活性層はSSC部においては、素子の入出射端に
向かい層厚が300nmから50nmまで徐々に薄くな
る構造である。このテーパ状の層厚変化をもつ活性層構
造により、光導波路端での光スポットサイズが広げられ
る。光スポットサイズを広げたことにより、レンズ系を
用いない直接光結合方法でフラット端ファイバと良好な
光結合が得られた。形成した活性層の各部のPLピーク
波長を測定した結果、活性層全体でのPLピーク波長の
ばらつきは±5nmであった。したがって、本発明によ
り波長組成の均一な活性層が形成された。
【0033】選択MOVPEにより活性層206を一括
形成した後、活性層部以外のInGaAsP成長層をエ
ッチングにより除去した。その後埋め込み選択成長のた
めのSiO2 膜(膜厚80nm)を全面に再形成し、
埋め込み選択成長用パターンを形成し、ドーピング濃度
7.0×1017/cm3 のp−InPクラッド層20
9(層厚6μm)およびドーピング濃度10×1019/
c3 のp−InGaAsコンタクト層210(層厚4
0nm)を選択MOVPEにより形成した。埋め込み成
長の後、再びSiO2 膜を全面に形成し、Ti−Au
電極のコンタクト窓形成用SiO2マスク211をパタ
ーニングした。その後、Ti−Auスパッタ膜を全面に
スパッタしたのち、Ti−Au電極212のパターンニ
ングを行った。つぎに、InP基板裏面の研磨と裏面電
極形成、劈開による素子端面の形成を行った。最後に劈
開後の素子端面にSiON 膜により無反射被覆(AR
コート)207を形成した。このARコート207と実
効的に反射率を下げるための窓部103により端面反射
率は0.1%程度に抑えられた。以上で、素子の作製を
完了した。
形成した後、活性層部以外のInGaAsP成長層をエ
ッチングにより除去した。その後埋め込み選択成長のた
めのSiO2 膜(膜厚80nm)を全面に再形成し、
埋め込み選択成長用パターンを形成し、ドーピング濃度
7.0×1017/cm3 のp−InPクラッド層20
9(層厚6μm)およびドーピング濃度10×1019/
c3 のp−InGaAsコンタクト層210(層厚4
0nm)を選択MOVPEにより形成した。埋め込み成
長の後、再びSiO2 膜を全面に形成し、Ti−Au
電極のコンタクト窓形成用SiO2マスク211をパタ
ーニングした。その後、Ti−Auスパッタ膜を全面に
スパッタしたのち、Ti−Au電極212のパターンニ
ングを行った。つぎに、InP基板裏面の研磨と裏面電
極形成、劈開による素子端面の形成を行った。最後に劈
開後の素子端面にSiON 膜により無反射被覆(AR
コート)207を形成した。このARコート207と実
効的に反射率を下げるための窓部103により端面反射
率は0.1%程度に抑えられた。以上で、素子の作製を
完了した。
【0034】はじめに、作製した素子とフラット端ファ
イバとの光結合損失を測定した。フラット端ファイバを
近づけた後、外部からファイバを通して光挿入し半導体
光増幅器に流れるフォトカレントを測定した。これより
ファイバと本半導体光増幅器間の光結合損失は片側3d
Bと見積もられた。次に本素子の利得特性を測定した。
半導体光増幅器に20mAを電流注入し、λ=1.55
μm、強度0dBmの信号光をファイバを通して入力を
したところ、挿入損失無し(ファイバ間利得0dB)で
出力側ファイバから信号光が出力された。電流注入無し
にした場合(OFFの場合)、出力側ファイバからの出
力は−50dBm以下であった。
イバとの光結合損失を測定した。フラット端ファイバを
近づけた後、外部からファイバを通して光挿入し半導体
光増幅器に流れるフォトカレントを測定した。これより
ファイバと本半導体光増幅器間の光結合損失は片側3d
Bと見積もられた。次に本素子の利得特性を測定した。
半導体光増幅器に20mAを電流注入し、λ=1.55
μm、強度0dBmの信号光をファイバを通して入力を
したところ、挿入損失無し(ファイバ間利得0dB)で
出力側ファイバから信号光が出力された。電流注入無し
にした場合(OFFの場合)、出力側ファイバからの出
力は−50dBm以下であった。
【0035】活性層形成時のSiO2 マスク幅を活性
層各部で一定として作製した従来の素子についても同様
に利得特性の測定を行ったところ、ファイバ間利得0d
Bとなる注入電流は30mAであった。したがって、本
実施例の素子作製方法により曲線形状の活性層を有する
半導体光増幅器の動作電流を10mA低減することがで
きた。
層各部で一定として作製した従来の素子についても同様
に利得特性の測定を行ったところ、ファイバ間利得0d
Bとなる注入電流は30mAであった。したがって、本
実施例の素子作製方法により曲線形状の活性層を有する
半導体光増幅器の動作電流を10mA低減することがで
きた。
【0036】(第2の実施例)第2の実施例である1×
4半導体光増幅器ゲート型モノリシックマトリクス光ス
イッチについて説明する。図4は本素子の構成を示した
平面図である。図5は本素子の活性層および受動分岐光
導波路のコア層を選択成長により形成する際に使用する
誘電体マスクパターンの平面図である。本素子は従来例
の図12に示したマトリクス光スイッチと同様、4つの
半導体光増幅器401とこれらを結ぶY分岐型の受動分
岐光導波路402により1入力4出力の分岐/半導体光
増幅器ゲート型マトリクス光スイッチを形成している。
ただし、本素子では半導体光増幅器401を曲線光導波
路の一部に形成する。半導体光増幅器401の曲線に沿
った長さは500μmである。このとき、半導体光増幅
器401内での導波路角度は6.4°を中心に3.5°
から9.3°まで変化している。受動分岐光導波路40
2は曲率半径5mmの円弧形状により形成されている。出
力側ポートの隣接した導波路の間隔は250μmであ
る。
4半導体光増幅器ゲート型モノリシックマトリクス光ス
イッチについて説明する。図4は本素子の構成を示した
平面図である。図5は本素子の活性層および受動分岐光
導波路のコア層を選択成長により形成する際に使用する
誘電体マスクパターンの平面図である。本素子は従来例
の図12に示したマトリクス光スイッチと同様、4つの
半導体光増幅器401とこれらを結ぶY分岐型の受動分
岐光導波路402により1入力4出力の分岐/半導体光
増幅器ゲート型マトリクス光スイッチを形成している。
ただし、本素子では半導体光増幅器401を曲線光導波
路の一部に形成する。半導体光増幅器401の曲線に沿
った長さは500μmである。このとき、半導体光増幅
器401内での導波路角度は6.4°を中心に3.5°
から9.3°まで変化している。受動分岐光導波路40
2は曲率半径5mmの円弧形状により形成されている。出
力側ポートの隣接した導波路の間隔は250μmであ
る。
【0037】この半導体光増幅器部を従来の選択成長に
より作製した場合、曲線導波路上に形成された活性層は
50nmの波長組成分布を有する。しかし本実施例で
は、本発明の素子作製法により、従来例で示したような
[011]方向に活性層ストライプを有する半導体光増
幅器と同等の特性を得ることが可能である。本発明によ
り、選択成長による素子作製時においても活性層部を、
その素子特性を犠牲にすることなく任意の形状で作製す
ることが可能となった。これにより能動素子と受動導波
路を集積した光集積素子においては、曲線部に利得領域
を形成することができ、素子サイズの小型化が図られ
る。
より作製した場合、曲線導波路上に形成された活性層は
50nmの波長組成分布を有する。しかし本実施例で
は、本発明の素子作製法により、従来例で示したような
[011]方向に活性層ストライプを有する半導体光増
幅器と同等の特性を得ることが可能である。本発明によ
り、選択成長による素子作製時においても活性層部を、
その素子特性を犠牲にすることなく任意の形状で作製す
ることが可能となった。これにより能動素子と受動導波
路を集積した光集積素子においては、曲線部に利得領域
を形成することができ、素子サイズの小型化が図られ
る。
【0038】本素子の素子構造及び作製方法は実施例1
のSSC付き半導体光増幅器と埋め込み成長工程以外の
工程は同一であるため、簡単に述べるにとどめる。はじ
めにn−InP基板208上に入出力導波路のストライ
プ方向が[011]方位となるように図5のSiO2
マスクを形成した。半導体光増幅器部SiO2 マスク
501はマスク幅を35μmから30μmまで、導波路
角度の増加に応じて減少させることにより、組成分布の
均一化を図った。。半導体光増幅器部のマスク開口幅Wo
は素子各部にわたり0.7μmで一定とした。受動分岐
光導波路部SiO2 マスク502のマスク幅は6μ
m、マスク開口幅は10μmで一定であり、半導体光増
幅器部SiO2 マスク401と受動分岐光導波路部S
iO2 マスク502の間は長さ50μmにわたって次
第にマスク開口幅を変化させることによりなめらかに続
く構造としている。
のSSC付き半導体光増幅器と埋め込み成長工程以外の
工程は同一であるため、簡単に述べるにとどめる。はじ
めにn−InP基板208上に入出力導波路のストライ
プ方向が[011]方位となるように図5のSiO2
マスクを形成した。半導体光増幅器部SiO2 マスク
501はマスク幅を35μmから30μmまで、導波路
角度の増加に応じて減少させることにより、組成分布の
均一化を図った。。半導体光増幅器部のマスク開口幅Wo
は素子各部にわたり0.7μmで一定とした。受動分岐
光導波路部SiO2 マスク502のマスク幅は6μ
m、マスク開口幅は10μmで一定であり、半導体光増
幅器部SiO2 マスク401と受動分岐光導波路部S
iO2 マスク502の間は長さ50μmにわたって次
第にマスク開口幅を変化させることによりなめらかに続
く構造としている。
【0039】このパターンを用いて波長組成1.5μm
の無歪InGaAsPバルク層をMOVPE選択成長に
より形成する。活性層の断面形状は厚さ300nm幅4
50nmの正方形に近い断面で偏光無依存な増幅利得を
有する。半導体光増幅器部及び受動光導波路部における
結晶のバンドギャップ波長はそれぞれ1.55μm、
1.40μmとなり、受動導波路部は波長1.55μm
の信号光に対して吸収を持たない透明な組成となるため
受動導波路として機能する。選択MOVPEにより活性
層206を一括形成した後、はじめに受動分岐光導波路
部402を2μm厚のアンドープInP層で埋め込ん
だ。その後半導体光増幅器に、ドーピング濃度度7.0
×1017/cm3 のp−InPクラッド層209(層
厚2μm)およびドーピング濃度10×1019/cm3
のp−InGaAsコンタクト層210(層厚40n
m)を選択MOVPEにより形成した。埋め込み成長の
後、Ti−Au電極パターンニング工程、裏面電極形成
工程、劈開による素子端面形成工程、無反射被覆(AR
コート)形成工程を経て、素子の作製を完了する。なお
実施例1及び本実施例においてn−InP基板の面方位
については触れなかったが、(100)基板あるいは
(100)面から10度以内の傾斜を持つ基板を使用す
ることにより良好な素子が作製できる。
の無歪InGaAsPバルク層をMOVPE選択成長に
より形成する。活性層の断面形状は厚さ300nm幅4
50nmの正方形に近い断面で偏光無依存な増幅利得を
有する。半導体光増幅器部及び受動光導波路部における
結晶のバンドギャップ波長はそれぞれ1.55μm、
1.40μmとなり、受動導波路部は波長1.55μm
の信号光に対して吸収を持たない透明な組成となるため
受動導波路として機能する。選択MOVPEにより活性
層206を一括形成した後、はじめに受動分岐光導波路
部402を2μm厚のアンドープInP層で埋め込ん
だ。その後半導体光増幅器に、ドーピング濃度度7.0
×1017/cm3 のp−InPクラッド層209(層
厚2μm)およびドーピング濃度10×1019/cm3
のp−InGaAsコンタクト層210(層厚40n
m)を選択MOVPEにより形成した。埋め込み成長の
後、Ti−Au電極パターンニング工程、裏面電極形成
工程、劈開による素子端面形成工程、無反射被覆(AR
コート)形成工程を経て、素子の作製を完了する。なお
実施例1及び本実施例においてn−InP基板の面方位
については触れなかったが、(100)基板あるいは
(100)面から10度以内の傾斜を持つ基板を使用す
ることにより良好な素子が作製できる。
【0040】本素子は本発明の素子作製法により半導体
光増幅器部を、その素子特性を犠牲にすることなく曲線
光導波路部に形成することが可能である。これにより従
来例で示したマトリクス光スイッチと比較して、素子長
を700μm短縮することができる。
光増幅器部を、その素子特性を犠牲にすることなく曲線
光導波路部に形成することが可能である。これにより従
来例で示したマトリクス光スイッチと比較して、素子長
を700μm短縮することができる。
【0041】なお、本実施例ではマスク幅を変化させる
ことにより半導体光増幅器401の波長組成の均一化を
図ったが、作用の章で述べたようにマスク開口幅により
組成の均一化を図ることも可能である。この場合、導波
路角度の増加に応じて、マスク開口幅を0.6μmから
0.8μmまで変化させることにより均一な組成を有す
る活性層を得ることができる。
ことにより半導体光増幅器401の波長組成の均一化を
図ったが、作用の章で述べたようにマスク開口幅により
組成の均一化を図ることも可能である。この場合、導波
路角度の増加に応じて、マスク開口幅を0.6μmから
0.8μmまで変化させることにより均一な組成を有す
る活性層を得ることができる。
【0042】本実施例によるマトリクス光スイッチは従
来構造と比較し素子の小型化が図られるため、マトリク
ス規模の拡大が容易であり、4×4、1×8、8×8等
のモノリシック集積型マトリクス光スイッチを実現する
ために有効である。
来構造と比較し素子の小型化が図られるため、マトリク
ス規模の拡大が容易であり、4×4、1×8、8×8等
のモノリシック集積型マトリクス光スイッチを実現する
ために有効である。
【0043】(第3の実施例)図6はサブマウント60
3上に半導体光素子602として実施例1のスポットサ
イズ変換部付き半導体光増幅器をを固定し、その光軸上
の両素子端端において光ファイバ601を光結合させ、
さらに駆動回路604を内蔵した光通信用中継モジュー
ル605である。本モジュールを用いれば、毎秒10ギ
ガビット程度の高速光信号の光経路切り替えにおいて、
低消費電力、高ON/OFF比の光スイッッチングが可
能となる。
3上に半導体光素子602として実施例1のスポットサ
イズ変換部付き半導体光増幅器をを固定し、その光軸上
の両素子端端において光ファイバ601を光結合させ、
さらに駆動回路604を内蔵した光通信用中継モジュー
ル605である。本モジュールを用いれば、毎秒10ギ
ガビット程度の高速光信号の光経路切り替えにおいて、
低消費電力、高ON/OFF比の光スイッッチングが可
能となる。
【0044】(第4の実施例)図7はサブマウント60
3上に実施例2の1×4半導体光増幅器ゲート型モノリ
シックマトリクス光スイッチと、その入出力光導波路の
光軸上に光ファイバ601をレンズ701を介して光結
合させ、さらに駆動回路604を内蔵した光通信用中継
モジュール605である。本モジュールを用いれば、毎
秒10ギガビット程度の高速光信号の光経路切り替えに
おいて、小型、低消費電力、高ON/OFF比の光スイ
ッッチング特性が容易に得られる。
3上に実施例2の1×4半導体光増幅器ゲート型モノリ
シックマトリクス光スイッチと、その入出力光導波路の
光軸上に光ファイバ601をレンズ701を介して光結
合させ、さらに駆動回路604を内蔵した光通信用中継
モジュール605である。本モジュールを用いれば、毎
秒10ギガビット程度の高速光信号の光経路切り替えに
おいて、小型、低消費電力、高ON/OFF比の光スイ
ッッチング特性が容易に得られる。
【0045】(第5の実施例)図8は実施例4の光通信
用中堅モジュール605を用いたクロスコネクト系光通
信システムである。送信装置801は送信モジュール8
03とこのモジュール803を駆動するための鼓動系8
02とを有する。送信モジュール803からの光信号
は、光通信用中継モジュール605により光経路を選択
されたのち伝送され、受光部806を有する受信装置8
07により受信される。本実施例に係る光通信システム
によれば、低消費電力、低クロストークでスケーラビリ
ティに優れた光クロスコネクトシステムを容易に構築で
きる。
用中堅モジュール605を用いたクロスコネクト系光通
信システムである。送信装置801は送信モジュール8
03とこのモジュール803を駆動するための鼓動系8
02とを有する。送信モジュール803からの光信号
は、光通信用中継モジュール605により光経路を選択
されたのち伝送され、受光部806を有する受信装置8
07により受信される。本実施例に係る光通信システム
によれば、低消費電力、低クロストークでスケーラビリ
ティに優れた光クロスコネクトシステムを容易に構築で
きる。
【0046】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、曲
線等の任意のストライプ形状を有し、少なくとも部分的
には光増幅媒体である半導体光導波路を選択MOVPE
により形成する際に、半導体光導波路の結晶組成を導波
路のストライプ方向によらずに導波路各部で一定にする
ことができる。この素子作製技術により、選択成長を用
いた半導体光素子の可能性が著しく広げられる。
線等の任意のストライプ形状を有し、少なくとも部分的
には光増幅媒体である半導体光導波路を選択MOVPE
により形成する際に、半導体光導波路の結晶組成を導波
路のストライプ方向によらずに導波路各部で一定にする
ことができる。この素子作製技術により、選択成長を用
いた半導体光素子の可能性が著しく広げられる。
【0047】尚、本発明は上記の実施例に限定されるも
のではない。実施例としては、InP系の半導体光増幅
器、および半導体モノリシック集積型マトリクス光スイ
ッチの例のみを示したが、この実施例に限る必要はな
い。他の例としては、互いに異なるストライプ方向に形
成された複数の半導体レーザの発振波長の均一化を図る
ことができる。或いは、Y分岐型の活性層を有する空間
スイッチングや波長チューニング可能な半導体レーザ等
を素子特性を犠牲にすることなく選択成長により形成可
能である。さらに、光変調器や方向性結合器、導波路ア
レイ回折格子型合分波器などが集積された素子など、選
択成長により形成され、利得領域を含むあらゆる半導体
光素子に対して、本発明は適用可能である。さらに本発
明は光素子単体だけに留まらず、本発明の光素子を構成
要素に持つ図14から図16に示すような光通信モジュ
ールや光通信システムの性能を著しく向上させることが
可能であり、光通信モジュールや光通信システムのスケ
ーラビリティ向上に極めて有効である。
のではない。実施例としては、InP系の半導体光増幅
器、および半導体モノリシック集積型マトリクス光スイ
ッチの例のみを示したが、この実施例に限る必要はな
い。他の例としては、互いに異なるストライプ方向に形
成された複数の半導体レーザの発振波長の均一化を図る
ことができる。或いは、Y分岐型の活性層を有する空間
スイッチングや波長チューニング可能な半導体レーザ等
を素子特性を犠牲にすることなく選択成長により形成可
能である。さらに、光変調器や方向性結合器、導波路ア
レイ回折格子型合分波器などが集積された素子など、選
択成長により形成され、利得領域を含むあらゆる半導体
光素子に対して、本発明は適用可能である。さらに本発
明は光素子単体だけに留まらず、本発明の光素子を構成
要素に持つ図14から図16に示すような光通信モジュ
ールや光通信システムの性能を著しく向上させることが
可能であり、光通信モジュールや光通信システムのスケ
ーラビリティ向上に極めて有効である。
【図1】本発明の第一実施例である半導体光増幅器の作
製に使用する誘電体マスクパターンを示す平面図であ
る。
製に使用する誘電体マスクパターンを示す平面図であ
る。
【図2】本発明の第一の実施例である半導体光増幅器の
構造を示す平面図および断面図である。
構造を示す平面図および断面図である。
【図3】本発明の第一の実施例である半導体光増幅器の
他の構造例を示す平面図である。
他の構造例を示す平面図である。
【図4】本発明により製造される半導体光増幅器の第二
の実施例である、Y分岐/半導体光増幅器ゲート型1×
4モノリシックマトリクス光スイッチの構造を示す平面
図および断面図である。
の実施例である、Y分岐/半導体光増幅器ゲート型1×
4モノリシックマトリクス光スイッチの構造を示す平面
図および断面図である。
【図5】本発明の第二の実施例であるY分岐/半導体光
増幅器ゲート型1×4モノリシックマトリクス光スイッ
チを製作する際に用いられる選択成長マスクの形状を示
す平面図である。
増幅器ゲート型1×4モノリシックマトリクス光スイッ
チを製作する際に用いられる選択成長マスクの形状を示
す平面図である。
【図6】本発明の第3の実施例である光中継モジュール
の構成を説明するための図である。
の構成を説明するための図である。
【図7】本発明の第4の実施例である中継モジュールの
構成を説明するための図である。
構成を説明するための図である。
【図8】本発明の第5の実施例である光通信システムの
構成を説明するための図である。
構成を説明するための図である。
【図9】本発明の半導体光素子の作製方法の原理を説明
するための図である。
するための図である。
【図10】本発明の半導体光素子の作製方法の原理を説
明するための誘電体マスクパターン形状の平面図であ
る。
明するための誘電体マスクパターン形状の平面図であ
る。
【図11】本発明の半導体光素子の作製方法の原理を説
明するための図である。
明するための図である。
【図12】本発明の半導体光素子の作製方法の原理を説
明するための図である。
明するための図である。
【図13】選択成長技術を用いて作製した半導体光素子
の従来例であるスポットサイズ変換部付き半導体光増幅
器の構造を示す断面斜視図である。
の従来例であるスポットサイズ変換部付き半導体光増幅
器の構造を示す断面斜視図である。
【図14】選択成長技術を用いて作製した半導体光素子
の従来例であるスポットサイズ変換部付き半導体光増幅
器の作製に用いられる誘電体マスクパターンの形状を示
す平面図である。
の従来例であるスポットサイズ変換部付き半導体光増幅
器の作製に用いられる誘電体マスクパターンの形状を示
す平面図である。
【図15】選択成長技術を用いて作製した半導体光素子
の従来例であるY分岐/半導体光増幅器ゲート型1×4
モノリシックマトリクス光スイッチの構成を示す平面図
である。
の従来例であるY分岐/半導体光増幅器ゲート型1×4
モノリシックマトリクス光スイッチの構成を示す平面図
である。
101 S字形状活性層部 102 SSC部 103 窓部 104 SiO2 マスク 105 成長領域 106 オフセット 201 入力側ファイバ 202 入力信号光 203 迷光 204 出力信号光 205 出力側ファイバ 206 活性層 207 ARコート 208 InP基板 209 p−InPクラッド層 210 p−InGaAsコンタクト層 211 電極窓形成用SiO2 マスク 212 Ti/Au電極 301 活性層部 401 半導体光増幅器 402 受動分岐光導波路 501 半導体光増幅器部SiO2 マスク 502 受動分岐光導波路部SiO2 マスク 601 光ファイバ 602 半導体光素子 603 サブマウント 604 駆動回路 605 光通信用中継モジュール 701 レンズ 801 送信装置 802 送信モジュール駆動系 803 光通信用送信モジュール 804 中継装置 805 中継モジュール駆動系 806 受光部 807 受信装置
Claims (10)
- 【請求項1】少なくとも部分的には光増幅媒体となる光
導波路を有し、該光導波路が閃亜鉛鉱型結晶構造を有す
る半導体基板の(100)面上あるいは(100)面か
ら10度以内の傾斜を持つ基板面上に形成され、該光導
波路のストライプ方向が前記基板面上の面内において少
なくとも部分的には[011]結晶方位に対して角度を
有するような半導体光素子において、前記光導波路が前
記半導体基板上に形成された少なくとも1対のストライ
プ状誘電体薄膜に挟まれた成長領域に有機金属気相化学
成長法により選択的に結晶成長する工程により形成され
る半導体光素子の製造方法であって、前記ストライプ状
誘電体薄膜の幅あるい前記成長領域の幅を、前記光導波
路のストライプ方向と[011]結晶方位とのなす角に
応じて前記光導波路の各部において変化させることを特
徴とする半導体光素子の製造方法。 - 【請求項2】請求項1に記載の半導体光素子の製造方法
であって、前記ストライプ状誘電体薄膜の幅が、前記光
導波路のストライプ方向と[011]結晶方位とのなす
角の増加に応じて狭くなることを特徴とする半導体光素
子の製造方法。 - 【請求項3】請求項1に記載の半導体光素子の製造方法
であって、前記成長領域の幅が、前記光導波路のストラ
イプ方向と[011]結晶方位とのなす角の増加に応じ
て広くなることを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 【請求項4】請求項1から3に記載の半導体光素子の製
造方法であって、前記成長領域の幅が2μm以下である
ことを特徴とする半導体光素子の作製方法。 - 【請求項5】請求項1から4に記載の半導体光素子の製
造方法であって、前記ストライプ状誘電体薄膜に挟まれ
た成長領域に選択的に形成される成長層がバルクである
ことを特徴とする半導体光素子の作製方法。 - 【請求項6】請求項1から5に記載の半導体光素子の製
造方法であって、前記閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導
体基板がInP基板であって、結晶を構成するIII 族
原料がIn、Ga、Alのいずれかあるいはその組み合
わせであって、V族原料がAs、P、Nのいずれかある
いはその組み合わせであることを特徴とする半導体光素
子の作製方法。 - 【請求項7】複数の半導体光増幅器及び、曲線、分岐形
状を有し、信号光を導波するための半導体分岐光導波路
を同一基板面内に少なくとも有する半導体光集積素子に
おいて、前記半導体光増幅器のストライプ方向が活性層
の光導波方向の各部で異なる曲線形状であり、前記半導
体分岐光導波路の曲線部の一部として形成されているこ
とを特徴とする半導体光集積素子。 - 【請求項8】請求項1から6に記載の素子作製方法によ
り作製された半導体光素子と、該半導体光素子からの出
力光を外部に導波するための導波手段と、この導波手段
に前記半導体光素子からの出力光を集光するための集光
手段と、上記半導体光集積素子を駆動するための駆動手
段とを有する光通信用モジュール。 - 【請求項9】請求項1から6に記載の素子作製方法によ
り作製された半導体光素子或いは請求項7に記載の半導
体光集積素子と、該半導体光素子に入力光を導波させる
ための導波手段と、この導波手段から前記半導体光素子
へ入力光を集光するための集光手段と、前記半導体光素
子からの出力光を外部に導波するための導波手段と、こ
の導波手段に上記半導体光素子からの出力光を集光する
ための集光手段と、上記半導体光集積素子を駆動するた
めの駆動手段とを有する光通信用モジュール。 - 【請求項10】請求項1から6に記載の素子作製方法に
より作製された半導体光素子或いは請求項7に記載の半
導体光集積素子を有する通信手段と、この通信手段から
の出力光を受信するための受信手段とを有する光通信シ
ステム。
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| JP26422497A JP2965011B2 (ja) | 1997-09-29 | 1997-09-29 | 半導体光素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26422497A JP2965011B2 (ja) | 1997-09-29 | 1997-09-29 | 半導体光素子及びその製造方法 |
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- 1997-09-29 JP JP26422497A patent/JP2965011B2/ja not_active Expired - Fee Related
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