JP2003078209A

JP2003078209A - 光半導体装置

Info

Publication number: JP2003078209A
Application number: JP2001268331A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Satou; 嘉洋佐藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2003-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】光半導体装置に関し、レーザ・アレイ、光合
流器、ＳＯＡなどを集積化した波長可変光半導体装置に
於いて、ＳＯＡの出力フィールド・パターンに生成され
る乱れをなくし、光ファイバと結合する光出力がレーザ
のチャネル位置に依存することなく均一になるようにす
る。【解決手段】ＤＦＢレーザ・アレイ部５１及びＤＦＢ
レーザ・アレイ部５１の導波路を合流する光合流器部５
３及び光合流器部５３に光結合した半導体光増幅器部５
４を同一基板４１上に集積化した光半導体装置に於い
て、半導体光増幅器部５４は基板４１と平行に且つ基板
端面に対して斜め方向に配設すると共に半導体光増幅器
５４の近傍に於ける散乱光が現れ易い箇所に光吸収器４
６を配設してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の実施の形態】本発明は、波長選択範囲が広く、
且つ、光出力が高く、波長多重通信システムに於ける光
源として好適な光半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、通信需要の飛躍的な増大が伴っ
て、波長を異にする複数の信号光を多重化し、一本の光
ファイバで大容量の信号伝送を可能する波長多重（ｗａ
ｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌ
ｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）通信システムの開発が進んでい
る。

【０００３】このＷＤＭ通信システムに於いては、広い
波長選択範囲、及び、高い光出力を両立させる光源が必
要とされていて、この光源として光半導体装置を用いる
ことは、光源の小型化及び低コスト化に結び付き、実用
性が高いＷＤＭ通信システムを実現する上で有用であ
る。

【０００４】ＷＤＭ通信システムに対応する為の波長可
変レーザとして、素子温度を変化することで単一発振波
長を連続的に変えるものが知られている。

【０００５】図９は従来の波長可変光半導体装置を表す
要部切断斜面図であって、図中、１は基板、２はＤＦＢ
（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ
からなるアレイ、３は光導波路、４は光合流器、５は半
導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｐｔｉ
ｃａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）をそれぞれ示し
ている。

【０００６】このように、同一の基板１上にレーザ・ア
レイ１、光合流器４、ＳＯＡ５を集積化した波長可変光
半導体装置は、素子温度の制御、及び、発振波長を異に
するＤＦＢレーザの選択に依って、広い波長可変幅を維
持しつつ高い光出力を同時に実現することを可能とし、
特に、高光出力を必要とする１．５５〔μｍ〕帯の光通
信システムには有効である。

【０００７】然しながら、前記波長可変光半導体装置に
見られる構造、即ち、後段にＳＯＡ５を配置する構造で
は、ＳＯＡ５の光出射端面での僅かな反射戻り光は、往
路と同様、復路に於いてもＳＯＡ５に依って光増幅さ
れ、光合流器４を介してＤＦＢレーザ・アレイ１に戻る
為、それが原因となってＤＦＢレーザの縦モードの発振
スペクトルが劣化していた。

【０００８】その為、ＳＯＡ５の光出射端面にＡＲ（ａ
ｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コーティングは勿論の
こと、ＳＯＡ５に於ける光導波路を斜めに曲げる構造に
して僅かな端面反射戻り光であっても、再びＳＯＡ５に
結合させないようにする方法が知られている。

【０００９】ところが、この場合、ＳＯＡ５を斜め導波
路としたことに起因し、レーザ・アレイ１中のＤＦＢレ
ーザの位置、即ち、チャネル位置の如何に依っては光合
流器４で発生した散乱光がＳＯＡ５に結合したり、或い
は、ＳＯＡ５の光出射端面に於いて出射光と干渉するな
どの現象が現れた。

【００１０】その結果、ＳＯＡ５の出力フィールドに乱
れを生じ、光ファイバ結合する光出力がＤＦＢレーザの
チャネル位置に依存して変動する旨の問題があった。

【００１１】図１０は光合流器で発生する散乱光の様子
をシミュレーションした結果を表す説明図であり、図９
に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同
じ意味を持つものとする。

【００１２】図に於いて、Ｘは波長可変レーザの幅、Ｚ
は素子長、ＣＨはレーザ・アレイ１に於けるレーザのチ
ャネル、Ｓは散乱光をそれぞれ示し、ここでは、ＣＨ１
〜ＣＨ５の５チャネル仕様のレーザ・アレイ１について
シミュレーションを行い、ＣＨ１のレーザに関する散乱
光の様子を表してある。

【００１３】図に依れば、ＣＨ１のレーザが動作した場
合の散乱光Ｓが斜めに配置されているＳＯＡ５と交わっ
ている状態を明瞭に看取することができる。

【００１４】図１１は出力光の水平方向ファー・フィー
ルド・パターンを表す線図であり、このデータを得たレ
ーザ・アレイはＣＨ１〜ＣＨ８の８チャネル仕様のもの
であって、図はそれ等を動作させて観察した結果を示し
ていて、ＣＨ１では散乱光との干渉に依ってフィールド
・パターンに細かい干渉ピークが存在したが、ＣＨ８で
はそのような干渉ピークは現れていない。

【００１５】前記したところから、従来の波長可変光半
導体装置では、光合流器からの散乱光の影響がＳＯＡの
光出射端面から拡がるフィールド・パターンに乱れを生
じ、その乱れがレーザのチャネル位置に依存することが
認識されよう。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、レーザ・
アレイ、光合流器、ＳＯＡなどを集積化した波長可変光
半導体装置に於いて、ＳＯＡの出力フィールド・パター
ンに生成される乱れをなくし、光ファイバと結合する光
出力がレーザのチャネル位置に依存することなく均一に
なるようにする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に依る光半導体装
置に於いては、単一波長で発振する半導体レーザ・アレ
イ、光導波路、光合流器、光増幅器（ＳＯＡ）を同一基
板上に集積化し、そして、ＳＯＡは基板面に平行に、且
つ、その光出射端面が基板端面に斜めとなるように設置
し、その構成に加え、ＳＯＡの脇に光吸収器を設置した
ことが基本になっている。

【００１８】前記手段を採ることに依り、広い波長可変
範囲と高い光出力を維持したまま、レーザのチャネル位
置に拘わらずＳＯＡの光出力フィールド・パターンに乱
れを発生することがなく、従って、光ファイバと結合す
る光出力が常に均一であるようにすることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明に依る基本的な構成
をもつ光半導体装置を表す要部切断斜面図であり、図に
於いて、１１は基板、１２はＤＦＢレーザからなるアレ
イ、１３は光導波路、１４は光合流器、１５は半導体光
増幅器（ＳＯＡ）、１６は光吸収器をそれぞれ示してい
る。

【００２０】この光半導体装置に於けるＤＦＢレーザ・
アレイ１２のうちの一つのレーザを発振させ、ＳＯＡ１
５を動作して高い出力光を出射するのであるが、この駆
動状態に於いて、光合流器１４で発生する散乱光は光吸
収器１６に依って吸収されるので、レーザのチャネル位
置に依存することなく、ＳＯＡ１５からは出力フィール
ドに乱れがない出力光を出射することが可能である。

【００２１】図２は本発明の実施の形態１乃至３の各光
半導体装置を表す要部平面図であって、（Ａ）は実施の
形態１、（Ｂ）は実施の形態２、（Ｃ）は実施の形態３
を示している。尚、図１に於いて用いた記号と同記号は
同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとし、また、
実施の形態１は図１について説明した光半導体装置と同
じものである。

【００２２】図２（Ａ）に見られる実施の形態１の光半
導体装置は、ＳＯＡ１５に於ける両脇の光合流器１４に
近い箇所、即ち、光合流器１４からの散乱光が現れ易い
箇所に光吸収器１６を設置した例である。

【００２３】図２（Ｂ）に見られる実施の形態２の光半
導体装置は、ＳＯＡ１５が斜め方向に屈折する側の光合
流器１４に近い箇所に光吸収器１７を設置した例であ
る。このように、光吸収器を斜め方向と同側に設置する
だけでも、散乱光に依る出力フィールドの乱れを抑制す
る効果は実用上充分な程度に得られる。

【００２４】図２（Ｃ）に見られる実施の形態３の光半
導体装置は、ＳＯＡ１５に於ける両脇の光合流器１４に
近い箇所から光出射端面近傍に至るまで全域に光吸収器
１８を設置することで、散乱光の吸収に完全を期した構
成になっている。

【００２５】図３は実施の形態４である光半導体装置を
表す要部切断正面図であり、図に於いて、２１は基板、
２２はｎ側クラッド層、２３と２５はＳＣＨ（ｓｅｐａ
ｒａｔｅｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｈｅｔｅｒｏｓｔ
ｒｕｃｔｕｒｅ）層、２４は活性層、２６はｐ側クラッ
ド層、２７はコンタクト層、２８は埋め込み層、２９は
光吸収器、３０はＳｉＯ₂からなる保護膜、３１はｐ側
電極、３２はｎ側電極をそれぞれ示している。

【００２６】図から明らかなように、実施の形態４は、
光吸収器２９を埋め込み層２８内に埋め込んだ構造にし
たものであって、この構造にすることで、埋め込み層２
８内に散乱する光を光吸収器２９に依って吸収すること
ができる。

【００２７】一般に、光通信用半導体装置に於いては、
リッジ状の光導波路を低屈折率の材料からなる埋め込み
層で覆う構造のものを多用しているので、埋め込まれた
光吸収層をもつ実施の形態４の構造は有用である。

【００２８】前記各実施の形態では、光半導体装置に用
いる材料としてはＩｎＰ系を対象としたのであるが、こ
の場合、光吸収器としては、ＩｎＰに比較して吸収端が
長波であって、且つ、格子整合する材料を用いることで
実現することができる。

【００２９】また、前記各実施の形態では、レーザとし
てＤＦＢレーザを用いているが、ＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉ
ｂｕｔｅｄ−ｂｒａｇｇｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザ
や回折格子からなる光導波路をもつ光半導体装置に適用
しても同効である。

【００３０】図４は図２（Ａ）或いは図２（Ｂ）につい
て説明した実施の形態に相当する具体的実施例を説明す
る為の光半導体装置を表す要部切断斜面図であり、図に
於いて、４１は基板、４２は回折格子、４３はスペーサ
層、４４はコア層、４５は活性層、４６は光吸収器、４
７はＳｉＯ₂からなる保護層、４８は電極パターン、４
９はＡＲ（ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コート、
５１はＤＦＢレーザ・アレイ部、５２は光導波路部、５
３は光合流器部、５４は半導体光増幅器部をそれぞれ示
している。尚、図示していないが、活性層４５にはＳＣ
Ｈ層が積層されている。

【００３１】図示の光半導体装置に関する主要なデータ
を例示すると次の通りである。（１）基板４１材料：ｎ−ＩｎＰ

【００３２】（２）ＤＦＢレーザ・アレイ部５１ＤＦＢレーザ素子長：３００〔μｍ〕回折格子４２の形式：λ／４シフト型スペーサ層４３の材料：ｎ−ＩｎＰ層厚：０．０１〔μｍ〕活性層４５の材料：ＩｎＧａＡｓＰ構造：６層ＭＱＷ（ｍｕｌｔｉｐｌｅｑｕａｎｔｕｍ
ｗｅｌｌｓ）井戸層厚：５．１〔ｎｍ〕バリア層厚：１０〔ｎｍ〕活性層幅：１．４〔μｍ〕ＳＣＨ層の材料：ＩｎＧａＡｓＰ（１．１５〔μｍ〕組
成）層厚：５０〔ｎｍ〕ｐ側クラッド層（図示せず）の材料：ｐ−ＩｎＰ層厚１．５〔μｍ〕ｐ側コンタクト層（図示せず）の材料：ｐ−ＩｎＧａＡ
ｓＰ層厚：０．３〔μｍ〕

【００３３】（３）光導波路部５２及び光合流器部５
３コア層４４の材料：ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（１．３
〔μｍ〕組成）層厚：２００〔ｎｍ〕クラッド層（図示せず）の材料：ノンドープＩｎＰ層厚：２．０〔μｍ〕光導波路５２＋光合流器５３の素子長：１１００〔μ
ｍ〕尚、光合流器５３は、多モード干渉導波路型（ｍｕｌｔ
ｉ−ｍｏｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）光合
流器やテーパ状導波路型光合流器であってよい。

【００３４】（４）半導体光増幅器部５４素子長：６００〔μｍ〕活性層の構造：ＤＦＢレーザと同じ

【００３５】（５）光吸収器４６材料：ＩｎＧａＡｓＰ層厚：１．５〔μｍ〕配置位置は図２（Ａ）乃至（Ｃ）について説明したよう
に、光増幅器部５４の一部両側、一部片側、全域両側な
ど必要に応じて選択し、そして、光増幅器部５４との間
の距離は例えば１０〔μｍ〕程度である。

【００３６】（６）埋め込み層構造この具体例に於いても、ＤＦＢレーザ・アレイ部５１〜
半導体光増幅器部５４など全て図３について説明した埋
め込み層２８と同様な埋め込み層で埋め込まれるが、そ
の構造は、ＳＩＢＨ（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ
ｂｕｒｉｅｄｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構
造であり、材料はＦｅをドープした半絶縁性ＩｎＰ、層
厚は２．０〔μｍ〕とした。

【００３７】（７）その他電極パターン４８の材料は、ｐ側電極の場合、下地側か
らＡｕ・Ｚｎ／Ａｕの積層構造、ｎ側電極の場合、下地
側からＡｕ・Ｇｅ／Ａｕの積層構造である。

【００３８】ＳｉＯ₂からなる保護層４７の厚さは０．
４〔μｍ〕とし、また、端面反射防止構造は、二層から
なるＡＲコート４９を用いた。

【００３９】この具体的実施例では、ＤＦＢレーザを用
いているが、これは、ＤＢＲレーザや光導波路など、回
折格子を有する他の光半導体素子を用いることもでき
る。

【００４０】図５乃至図８は本発明の光半導体装置を製
造する工程を説明する為の工程要所に於ける光半導体装
置を表す要部切断斜面図であり、以下、これ等の図を参
照しつつ説明する。

【００４１】図５（Ａ）参照（１）ｎ−ＩｎＰからなる基板６１に於けるＤＦＢレー
ザ・アレイ形成予定部分に回折格子６２を形成する。

【００４２】図５（Ｂ）参照（２）ＭＯＶＰＥ法を適用することに依り、全面にスペ
ーサ層６３、上下にＳＣＨ層をもつＭＱＷ活性層６４、
ｐ側クラッド層６５、ｐ側コンタクト層６６を順に積層
形成する。

【００４３】図６（Ａ）参照（３）ＣＶＤ法並びにリソグラフィ法を適用することに
依り、ＳｉＯ₂からなるマスク膜を形成してから、ＤＦ
Ｂレーザ・アレイ形成予定部分と半導体光増幅器形成予
定部分との間に在る光導波路及び光合流器の形成予定部
分に於けるｐ側コンタクト層６６の表面からスペーサ層
６３までをエッチングする。

【００４４】（４）前記工程（３）で形成したＳｉＯ₂
からなるマスク膜を残した状態でＭＯＶＰＥ法を適用す
ることに依り、工程（３）でエッチングした光導波路及
び光合流器の形成予定部分にｎ側クラッド層６７、コア
層６８、ｐ側クラッド層６９を順に積層形成する。ここ
で、コア層６８の高さはＤＦＢレーザ・アレイに於ける
ＭＱＷ活性層６４の高さと略一致させる。この後、前記
ＳｉＯ₂からなるマスク膜を除去する。

【００４５】図６（Ｂ）参照（５）ＣＶＤ法を適用することに依るＳｉＯ₂膜の形
成、リソグラフィ法を適用することに依るＳｉＯ₂膜の
パターニングを行う。

【００４６】（６）エタン系ガスをエッチング・ガスと
するドライ・エッチング法を適用することに依り、前記
工程（５）でパターニングされたＳｉＯ₂膜をマスクと
してＤＦＢレーザ・アレイ部、光導波路部、光合流器
部、半導体光増幅器部のエッチングを行い高さ２〔μ
ｍ〕のメサを形成する。

【００４７】図７（Ａ）参照（７）メサ・エッチングのマスクとして用いたＳｉＯ₂
膜を残したまま、ＭＯＶＰＥ法を適用することに依り、
前記工程（６）で形成したメサを埋め込む為に層厚を２
〔μｍ〕にしたＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰからなる埋め
込み層７０を形成する。

【００４８】図７（Ｂ）参照（８）前記選択成長及びメサ・エッチングのマスクとし
て用いたＳｉＯ₂膜を除去してから、再びＣＶＤ法及び
リソグラフィ法を適用することに依り、光吸収層形成予
定部分に開口をもつＳｉＯ₂膜を形成する。

【００４９】（９）リソグラフィ法を適用することに依
り、前記工程（８）で形成した開口をもつＳｉＯ₂膜を
マスクとして、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰからなる埋め
込み層７０のドライ・エッチングを行って、深さ１．５
〔μｍ〕の凹所を形成する。

【００５０】（１０）ＭＯＶＰＥ法を適用することに依
り、前記工程（９）で形成した凹所を埋めるＩｎＧａＡ
ｓＰを成長して光吸収器７１とする。

【００５１】図８参照（１１）埋め込み層７０のエッチング・マスクとして用
いたＳｉＯ₂膜を除去してから、改めてＭＯＶＰＥ法を
適用することに依り、ＳｉＯ₂からなる保護膜７２を形
成する。

【００５２】（１２）リソグラフィ法を適用することに
依り、ＤＦＢレーザ・アレイ部、半導体光増幅器部に電
極コンタクト窓を開口し、次いで、真空蒸着法を適用す
ることに依り、保護膜７２上にＡｕ・Ｚｎ／Ａｕの積層
構造を成膜し、次いで、リソグラフィ法を適用すること
に依り、Ａｕ・Ｚｎ／Ａｕのパターニングを行ってｐ側
電極７３を形成する。

【００５３】（１３）真空蒸着法を適用することに依
り、基板６１裏面にＡｕ・Ｇｅ／Ａｕの積層構造を成膜
してｎ側電極７４とし、この後、劈開を行ってアレイ化
し、その劈開端面に通常の技法を適用してＡＲコート７
５を形成して完成する。

【００５４】このようにして作製された光半導体装置に
於いては、光合流器からの散乱光が光吸収器７１で有効
に吸収されるので、半導体光増幅器と交差して悪影響を
与えることはなくなる。

【００５５】

【発明の効果】本発明に依る光半導体装置に於いては、
半導体レーザ・アレイ及び該半導体レーザ・アレイの導
波路を合流する光合流器及び該光合流器に光結合した半
導体光増幅器が同一基板上に集積化され、半導体光増幅
器は基板と平行に且つ基板端面に対して斜め方向に配設
されると共に半導体光増幅器の近傍に於ける散乱光が現
れ易い箇所に光吸収器が配設されている。

【００５６】前記構成を採ることに依り、広い波長可変
範囲と高い光出力を維持したまま、レーザのチャネル位
置に拘わらずＳＯＡの光出力フィールド・パターンに乱
れを発生することがなく、従って、光ファイバと結合す
る光出力が常に均一であるようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に依る基本的な構成をもつ光半導体装置
を表す要部切断斜面図である。

【図２】本発明の実施の形態１乃至３の各光半導体装置
を表す要部平面図である。

【図３】実施の形態４である光半導体装置を表す要部切
断正面図である。

【図４】図２（Ａ）或いは図２（Ｂ）について説明した
実施の形態に相当する具体的実施例を説明する為の光半
導体装置を表す要部切断斜面図である。

【図５】本発明の光半導体装置を製造する工程を説明す
る為の工程要所に於ける光半導体装置を表す要部切断斜
面図である。

【図６】本発明の光半導体装置を製造する工程を説明す
る為の工程要所に於ける光半導体装置を表す要部切断斜
面図である。

【図７】本発明の光半導体装置を製造する工程を説明す
る為の工程要所に於ける光半導体装置を表す要部切断斜
面図である。

【図８】本発明の光半導体装置を製造する工程を説明す
る為の工程要所に於ける光半導体装置を表す要部切断斜
面図である。

【図９】従来の波長可変光半導体装置を表す要部切断斜
面図である。

【図１０】光合流器で発生する散乱光の様子をシミュレ
ーションした結果を表す説明図である。

【図１１】出力光の水平方向ファー・フィールド・パタ
ーンを表す線図である。

【符号の説明】

４１基板４２回折格子４３スペーサ層４４コア層４５活性層４６光吸収器４７ＳｉＯ₂からなる保護層４８電極パターン４９ＡＲ（ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コート５１ＤＦＢレーザ・アレイ部５２光導波路部５３光合流器部５４半導体光増幅器部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザ・アレイ及び該半導体レーザ
・アレイの導波路を合流する光合流器及び該光合流器に
光結合した半導体光増幅器を同一基板上に集積化した光
半導体装置に於いて、前記半導体光増幅器は前記基板と平行に且つ基板端面に
対して斜め方向に配設されると共に前記半導体光増幅器
の近傍に於ける散乱光が現れ易い箇所に光吸収器が配設
されてなることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】前記半導体光増幅器が斜めに屈曲した側に
のみ前記光吸収器が配設されてなることを特徴とする請
求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】前記半導体光増幅器の延在方向の近傍に於
ける全域に前記光吸収器が配設されてなることを特徴と
する請求項１記載の光半導体装置。
【請求項４】前記光吸収器が半導体埋め込み層中に配設
されてなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１
記載の光半導体装置。
【請求項５】基板も含め前記半導体埋め込み層がＩｎＰ
で構成され、且つ、光吸収器はＩｎＰに格子整合すると
共に吸収端がＩｎＰに比較して長波長帯に在る材料で構
成されてなることを特徴とする特徴とする請求項４記載
の光半導体装置。