JP2007094336A - 光半導体素子および光半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発生する迷光の伝搬を抑えることができる光半導体素子および光半導体素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体レーザ２およびＭＺ干渉型光変調器４を分岐カプラ３、合波カプラ５および光導波路１１〜１６によって接続し、モノリシック集積した光半導体素子１であって、半導体レーザ２から発する動作光に対応するバンドギャップ波長に比して長いバンドギャップ波長をもつ吸収層６を、少なくとも合波カプラ５の出力端および光導波路１６に隣接させて設けている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体レーザやマッハツェンダ（ＭＺ）型干渉器などの複数の光半導体デバイスを光カプラおよび光導波路によって接続し、モノリシック集積した光半導体素子に関するものである。

近年、光変調器、光スイッチ、波長変換素子などの光制御デバイスと半導体レーザデバイスとを同一の半導体基板上にモノリシック集積した光半導体素子が提案され、半導体加工技術および集積技術の進展によって一部実用化されている。ここで、光変調器としては、電界吸収型とＭＺ型とがあるが、光伝送速度の高速化に伴い、変調時の波長変動（チャープ）を制御することができるＭＺ干渉型光変調器が注目されている。

ＭＺ干渉型光変調器は、１入力２出力の光カプラ、曲がり光導波路および制御用電極部（アーム）を有する２つの光導波路、２入力１出力の光カプラを有し、制御電圧によって一方のアームを伝搬する光の位相を反転することによって光のオンオフ動作が行われる。また、ここで用いられる光カプラは、マルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラであり、このＭＭＩ光カプラは、光導波路内に励起される複数のモード間の干渉を用いて、１入力２出力（１×２）や１入力４出力（１×４）などの光合分波を実現する。

特開平５−２１９５号公報

ところで、半導体レーザとＭＺ干渉型光変調器とがモノリシック集積された光半導体素子は、少なくとも、４つの曲がり光導波路部と２つのＭＭＩカプラと有し、この曲がり光導波路部では、光導波路の外側に漏れ出していく光成分が存在する。この光成分は、曲がり光導波路部の光損失になるとともに、伝搬する方向によっては、別の光導波路にカップリングし、消光比を劣化させる場合があるなどの問題があった。また、ＭＭＩカプラでも、出力ポートとは異なる位置から漏れ出していく光成分が存在する。たとえば、図２３に示すように、前段のＭＺ干渉型光変調器に接続される２×１のＭＭＩカプラ１００は、各光導波路１０１，１０２から導波してくる光の位相が逆相であるオフ状態の場合に、入力された全ての光が出力側において漏れ出している。

これらの漏れ出していく光成分は、いわゆる迷光となって光半導体素子内を伝搬し、光半導体素子からの出力光に結合される光ファイバに、この迷光が結合すると消光比などの劣化を招くという問題点があった。なお、これらの問題は、光半導体素子の製造時の誤差などによって、曲がり光導波路幅や、ＭＭＩカプラの素子長や素子幅が設計値とずれている場合、一層顕著になる。

一方、ＭＭＩカプラは、合分波するポート数が増えれば増えるほど、迷光の影響が大きくなる。たとえば、複数ｎ個の半導体レーザとＭＺ干渉型光変調器とがモノリシック集積された場合、ｎ×２のＭＭＩカプラが必要になるが、このポート数ｎの増大によって迷光の量も増大する。一般に、Ｐポート×ＱポートのＭＭＩカプラである場合、漏れ出す迷光の量は、Ｐ≧Ｑのとき、（Ｐ−Ｑ／Ｐ）で増大する。すなわち、集積するポート数が多いほど、迷光の量が大きくなる。特に、ＭＭＩカプラの分岐側中央から漏れる光は、対向する合波側のＭＭＩカプラに直接結合するため、消光動作を大きく劣化させることになる。

なお、波長変換素子などのように、さらに多くの半導体デバイスを集積化する場合においても迷光の問題が発生する。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発生する迷光の伝搬を抑えることができる光半導体素子および光半導体素子の製造方法に関するものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる光半導体素子は、複数の光半導体デバイスを光カプラおよび光導波路によって接続し、モノリシック集積した光半導体素子であって、前記光カプラおよび前記光導波路を伝搬する動作光に対応するバンドギャップ波長に比して長いバンドギャップ波長をもつ吸収領域を前記光カプラあるいは前記光導波路に隣接して設けたことを特徴とする。

また、請求項２にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記吸収領域は、前記光カプラあるいは前記光導波路から幅方向に広がり、かつ後段出力方向全面に渡って設けられることを特徴とする。

また、請求項３にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記吸収領域は、前記光カプラの出力端側に設けたことを特徴とする。

また、請求項４にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記光カプラが複数である場合、前段の光カプラの出力端から該前段の光カプラに接続される後段の光カプラの入力端の間に、前記吸収領域を設けることを特徴とする。

また、請求項５にかかる光半導体素子は、上記の発明において、光分岐を行う光カプラと光合波を行う光カプラとの間に、前記吸収領域を設けたことを特徴とする。

また、請求項６にかかる光半導体素子は、上記の発明において、２つの光カプラが複数の光導波路によって接続される場合、該２つの光カプラおよび該複数の光導波路によって囲まれる領域を前記吸収領域とすることを特徴とする。

また、請求項７にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記光カプラが複数の出力端をもつマルチモード干渉光カプラである場合、該出力端間の光集中端に吸収用の光導波路を設けるとともに、前記出力端に接続される光導波路間に前記吸収領域を設けることを特徴とする。

また、請求項８にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記吸収領域は、前記光半導体デバイス、前記光カプラおよび前記光導波路を除いた領域全面に設けたことを特徴とする。

また、請求項９にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記光半導体デバイスは、半導体レーザデバイスおよび光制御機能デバイスであることを特徴とする。

また、請求項１０にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記半導体レーザデバイスは、１以上の分布帰還型半導体レーザであり、前記光制御機能デバイスは、マッハツェンダ型光干渉器であることを特徴とする。

また、請求項１１にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記光導波路は、半導体基板に平行な平面に形成されるリッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層の幅が広いことを特徴とする。

また、請求項１２にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記マッハツェンダ型光干渉器の各アームは、半導体基板に平行な平面に形成されるリッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層の幅が広いことを特徴とする。

また、請求項１３にかかる光半導体素子は、上記の発明において、前記吸収領域に隣接する光カプラあるいは前記吸収領域に隣接する光導波路は、リッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層が広いことを特徴とする。

また、請求項１４にかかる光半導体素子の製造方法は、複数の光半導体デバイスを光カプラおよび光導波路によって接続し、モノリシック集積した光半導体素子の製造方法であって、半導体基板に平行な平面内に、選択成長法によって、前記光カプラおよび前記光導波路を伝搬する動作光に対応するバンドギャップ波長に比して長いバンドギャップ波長をもつ吸収領域を前記光カプラあるいは前記光導波路に隣接して形成することを特徴とする。

また、請求項１５にかかる光半導体素子の製造方法は、複数の光半導体デバイスを光カプラおよび光導波路によって接続し、モノリシック集積した光半導体素子の製造方法であって、半導体基板に平行な平面内に、Ｂ／Ｊ再成長法によって、前記光カプラおよび前記光導波路を伝搬する動作光に対応するバンドギャップ波長に比して長いバンドギャップ波長をもつ吸収領域を前記光カプラあるいは前記光導波路に隣接して形成することを特徴とする。

また、請求項１６にかかる光半導体素子の製造方法は、上記の発明において、前記吸収領域は、前記光カプラあるいは前記光導波路から幅方向に広がり、かつ後段出力方向全面に渡って設けられることを特徴とする。

また、請求項１７にかかる光半導体素子の製造方法は、上記の発明において、前記吸収領域は、前記光カプラの出力端側に設けたことを特徴とする。

また、請求項１８にかかる光半導体素子の製造方法は、上記の発明において、前記光半導体デバイスは、半導体レーザデバイスおよび光制御機能デバイスであることを特徴とする。

また、請求項１９にかかる光半導体素子の製造方法は、上記の発明において、前記半導体レーザデバイスは、１以上の分布帰還型半導体レーザであり、前記光制御機能デバイスは、マッハツェンダ型光干渉器であることを特徴とする。

また、請求項２０にかかる光半導体素子の製造方法は、上記の発明において、前記光導波路は、半導体基板に平行な平面に形成されるリッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層の幅が広いことを特徴とする。

また、請求項２１にかかる光半導体素子の製造方法は、上記の発明において、前記マッハツェンダ型光干渉器の各アームは、半導体基板に平行な平面に形成されるリッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層の幅が広いことを特徴とする。

また、請求項２２にかかる光半導体素子の製造方法は、上記の発明において、前記吸収領域に隣接する光カプラあるいは前記吸収領域に隣接する光導波路は、リッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層が広いことを特徴とする。

この発明にかかる光半導体素子および光半導体素子の製造方法では、光カプラおよび光導波路を伝搬する動作光に対応するバンドギャップ波長に比して長いバンドギャップ波長をもつ吸収領域を前記光カプラあるいは前記光導波路に隣接して設けているので、光カプラの出力端や光導波路から漏れ出す迷光を吸収し、この迷光が動作光と結合することによる消光比などの劣化を防止することができるという効果を奏する。

以下、この発明を実施するための最良の形態である光半導体素子および光半導体素子の製造方法について図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１である光半導体素子の概要構成を示す図である。図１において、図１において、この光半導体素子１は、ＩｎＰなどの半導体基板上に、半導体レーザ２、半導体レーザ２からの出力光を２分岐するＭＭＩカプラによって実現される分岐カプラ３、分岐カプラ３によって分岐された光をそれぞれアーム４−１，４−２に伝搬させアーム４−１，４−２の一方あるいは双方の位相を変化させることによって光変調を行うＭＺ干渉型光変調器４、ＭＺ干渉型光変調器４の各アーム４−１，４−２から出力された光を合波するＭＭＩカプラによって実現される合波カプラ５が形成され、モノリシック集積されている。

半導体レーザ２と分岐カプラ３との間は、光導波路１１によって接続され、分岐カプラ３とアーム４−１，４−２との間は、それぞれ光導波路１２，１３によって接続され、アーム４−１，４−２と合波カプラ５との間は、それぞれ光導波路１４，１５によって接続され、合波カプラ５の出力側は、光導波路１６に接続され、合波カプラ５によって合波された光は、この光導波路１６を介して出力される。

半導体レーザ２は、バンドギャップ波長が１５５０ｎｍの量子井戸構造の活性層をもつＤＦＢレーザであり、その発振波長は、１５５０ｎｍ近傍である。アーム４−１，４−２は、それぞれバンドギャップ波長１４６０ｎｍの量子井戸構造の活性層によって光導波路が形成され、電極１８，１９への電圧印加によって屈折率変化が生じることによって導波する光の位相を変化させる。各光導波路１１〜１６は、バンドギャップ波長が１３００ｎｍの量子井戸構造の活性層によって形成される。

ここで、半導体基板上の上述した半導体レーザ２，ＭＺ干渉型光変調器４などがモノリシックに形成される平面であって、合波カプラ５の出力端側の全面に吸収層６が形成される。すなわち、光導波路１４，１５が接続される合波カプラ５の入力端を通り、光半導体素子１の長手方向であって光の出力方向に直交する線から、光出力方向の全面にわたって吸収層６が設けられる。もちろん、合波カプラ５および光導波路１６の領域は除かれる。この吸収層６は、バンドギャップ波長１５５０ｎｍの量子井戸構造の活性層によって形成され、この１５５０ｎｍ近傍から１５５０ｎｍ未満の光を吸収する。特に合波カプラ５と光導波路１６とが接続される出力端から漏れ出る迷光を吸収し、光導波路１６を導波する光に、迷光が混合して消光比が劣化するのを防止する。

ここで、図２〜図１２を参照して、図１に示した光半導体素子１の製造方法について説明する。図２〜図５は、光半導体素子１の製造過程に伴う平面図であり、図６〜１２は、光半導体素子１の製造過程に伴う断面図である。まず、図６に示すように、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置などを用いて、ｎ−ＩｎＰ基板２１上の全面に、バンドギャップ波長１５５０ｎｍの量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ）をもつ半導体レーザ活性層２２を成長させる。さらに、半導体レーザ活性層２２の上層にＩｎＰ層を形成する。この際、半導体レーザ２が形成される領域Ｅ１には、ＤＦＢレーザの波長選択を実現するため、回折格子２２ｂを形成する。

その後、図２および図７に示すように、半導体レーザ２が形成される領域Ｅ１および吸収層６が形成される領域Ｅ２をＳｉＮｘ２０ａでマスクし、それ以外の領域Ｅ１１をエッチングして除去し、選択成長法によって、バンドギャップ波長１４６０ｎｍのＭＺ活性層２３を成長させる。なお、選択成長法に代えて、Ｂ／Ｊ（butt joint）再成長法によってＭＺ活性層２３を形成してもよい。

さらに、図３および図８に示すように、領域Ｅ１，Ｅ２に加えてアーム４−１，４−２が形成される領域Ｅ３をＳｉＮｘ２０ａでマスクし、それ以外の領域Ｅ１２をエッチングして除去し、選択成長法によって、バンドギャップ波長１３００ｎｍの光導波路層２４を成長させる。なお、選択成長法に代えて、Ｂ／Ｊ（butt joint）再成長法によってＭＺ活性層２３を形成してもよい。

その後、図９に示すように、形成した半導体レーザ活性層２２，ＭＺ活性層２３，光導波路層２４の上層全面にＩｎＰ層２５を形成し、さらにＩｎＰ層２５の上層全面にコンタクト層２６を積層する。その後、図１０に示すように、ＳｉＮｘ２０ｃによってフォトマスクを形成し、光導波路パターンを転写し、光導波路パターン以外の部分を光導波路層２４最上層の手前までドライエッチングし、ローメサ構造の光導波路を形成する。この光導波路パターンは、光導波路１１〜１６、半導体レーザ２、分岐カプラ３、アーム４−１，４−２、合波カプラ５、吸収層６の領域をいう。

さらに、図１１に示すように、たとえば電気的な接触が必要なアーム４−１，４−２に相当する部分を除いて絶縁層３１を形成し、このアーム４−１，４−２の上面にコンタクト層３２および電極面を形成するためのコンタクト層３３を形成し、このコンタクト層３３の上面に電極１９を形成するとともに、ｎ−ＩｎＰ層２１の下面全体に電極３０を形成する。この電極１９，１８と同様な電極が形成されるのは、半導体レーザ２であり、半導体レーザ２の電極１７が形成される（図５参照）。

なお、上述した光導波路は、ローメサ構造としたが、図１２に示すように、ハイメサ構造としてもよい。このハイメサ構造の光導波路は、光導波路パターン以外の部分をＭＺ活性層２３，光導波路層２４の下部層、ここではｎ−ＩｎＰ層２１に達するまでドライエッチングを行うことによって形成される。また、光導波路は、半導体、ポリマーなどで埋め込んだ埋め込みメサ構造としてもよい。

このようにして形成された光半導体素子１では、曲がり光導波路である光導波路１２〜１５やＭＭＩカプラである分岐カプラ３，合波カプラ５などから、光導波路以外の方向に漏れ出していく光成分である迷光が、光半導体素子１の出力端側に設けられた吸収層６によって吸収されるので、光導波路１６を介して光ファイバに結合する迷光成分がなくなる。この光半導体素子１では、動作電圧３Ｖ時に消光比３２ｄＢが得られた。なお、吸収層６を設けない場合には、消光比２７ｄＢであった。

この実施の形態１では、光半導体素子１の出力端側の合波カプラ５および光導波路１６に隣接した吸収層６を設け、迷光を吸収するようにしているので、消光比の劣化を防止することができる。

（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、１の半導体レーザと１つのＭＺ干渉型光変調器とをモノリシック集積した光半導体素子であったが、この実施の形態２では、複数の半導体レーザと１つのＭＺ干渉型光変調器とをモノリシック集積したものを対象としている。

図１３は、この発明の実施の形態２である光半導体素子４１の概要構成を示す図である。図１３に示すように、この光半導体素子４１は、分岐カプラ３以降の後段の構成は、図１に示した光半導体素子１と同じである。この光半導体素子４１では、分岐カプラ３の前段に３つの半導体レーザ４２−１〜４２−３を有し、各半導体レーザ４２−１〜４２−３から選択的に出力されたレーザ光を３×１のＭＭＩカプラ４３によって１つの光導波路１１に出力する。

ここで、上述したように、Ｐポート×ＱポートのＭＭＩカプラである場合、漏れ出す迷光の量は、Ｐ≧Ｑのとき、（Ｐ−Ｑ／Ｐ）で増大し、集積するポート数が多いほど、迷光の量が大きくなる。したがって、少なくともＭＭＩカプラ４３の出力端面に隣接し、光導波路１１および分岐カプラ３の入力端面に隣接させ、光半導体素子１の幅方向であって側面まで延ばした吸収層４６をさらに設けている。この吸収層４６は、吸収層６と同じ半導体レーザ活性層によって実現している。これによって、ＭＭＩカプラ４３からの迷光が他の光導波路などに影響を及ぼすのを防止している。この光半導体素子４１では、動作電圧３Ｖ時に消光比３２ｄＢが得られた。なお、吸収層６および吸収層４６を設けない場合には、消光比２０ｄＢであった。

この実施の形態２では、吸収層６に加えて吸収層４６をさらに設け、極力、迷光の発生直後に、迷光を吸収するようにしているので、一層、迷光による消光比の劣化を防止できる。

（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。この実施の形態３では、実施の形態２で示したＭＭＩカプラ４３と分岐カプラ３とを１つの３×２のＭＭＩカプラ５３によって実現している。

図１４は、この発明の実施の形態３である光半導体素子５１の概要構成を示す図である。図１４に示すように、この光半導体素子５１は、図１３に示したＭＭＩカプラ４３、光導波路１１および分岐カプラ３を、１つの３×２のＭＭＩカプラ５３に置き換えている。さらに、このＭＭＩカプラ５３の出力端面とアーム４−１，４−２によって囲まれる領域に吸収層５６を形成している。この吸収層５６は、吸収層６と同じ半導体レーザ活性層によって実現している。この吸収層５６を設けることによって、ＭＭＩカプラ５３の出力端面から漏れ出る迷光を直ちに吸収し、他の光導波路などに影響を及ぼさないようにしている。この光半導体素子５１では、動作電圧３Ｖ時に消光比３２ｄＢが得られた。なお、吸収層６および吸収層５６を設けない場合には、消光比１８ｄＢであった。

この実施の形態３では、ＭＭＩカプラ５３の出力端に吸収層５６を設け、極力、迷光の発生直後に、迷光を吸収するようにしているので、一層、迷光による消光比の劣化を防止できる。

（実施の形態４）
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。この実施の形態４は、実施の形態３で示した吸収層５６の領域に吸収光導波路６５を設けるようにしている。

図１５は、この発明の実施の形態４である光半導体素子６１の概要構成を示す図である。図１５に示すように、この光半導体素子６１は、図１４に示した吸収層５６の領域であってアーム４−１，４−２に平行な中央領域に、アーム４−１，４−２と同じＭＺ活性層によって実現される吸収光導波路６５を形成している。また、吸収光導波路６５を除いた吸収層５６に対応する領域には、半導体レーザ活性層によって実現される吸収層６６が形成される。これによって、吸収光導波路６５に迷光を導き出し、この吸収光導波路６５に隣接された吸収層６６によって迷光を効率的に吸収するようにしている。３×２のＭＭＩカプラ５３では、設計上、２つの出力側ポートの中央部分に漏れ出力が集中するため、この部分から漏れる迷光を吸収光導波路６５を用いて広域で効率よく吸収しようとするものである。この光半導体素子６１では、動作電圧３Ｖ時に消光比３２ｄＢが得られた。なお、吸収層６、吸収層６６および吸収光導波路６５を設けない場合には、消光比１８ｄＢであった。

この実施の形態４では、ＭＭＩカプラ５３の出力端に吸収光導波路６５および吸収層６６を設け、極力、迷光の発生直後に、迷光を吸収するようにしているので、一層、迷光による消光比の劣化を防止できる。

（実施の形態５）
つぎに、この発明の実施の形態５について説明する。この実施の形態５では、さらに導波する光のロスを小さくするため、リッジ幅に比して光導波路層の幅を広くしたリッジ型の光導波路構造としている。

図１６は、図１１に対応したアーム４−１，４−２部分の断面を示す図である。図１６の下部に示すように、この発明の実施の形態４である光半導体素子６１の概要構成を示す図である。図１５に示すように、メサ幅２ｂとＭＺ活性層の幅２ｗとほぼ同じであって導波する光がガウシアン分布である場合、図１５の下部に示すように、光導波路を通る光は、メサ幅２ｂを超えて光導波路層２４に染み出し、この染み出した光は光導波路層２４によって吸収あるいは散乱してしまい、ロス領域Ｃ１，Ｃ２において光導波路を導波する光のロスになる。なお、図１６では、ＭＺ活性層の幅２ｗを、光のスポットサイズの２倍の幅とほぼ同じであるとしている。ここで、スポットサイズとは、光の中心点から光の電界振幅が中心値の１／ｅとなる点までの幅をいう。

ここで、メサ幅ｂに対するＭＺ活性層２３の中心からの幅ｗの比をａとすると、ＭＺ活性層内部に閉じ込められる光の割合ｈ（ａ）²は、図１７に示すように、幅比ａを大きくすればするほど、１に近づくように変化する。図１６に示した光導波路構造の場合、幅比ａ＝１であり、このときのＭＺ活性層内部に閉じ込められる光の割合ｈ（ａ）²は、０．７１であり、２９％の光が半導体レーザ活性層にしみ出し、ロスを受ける。また、幅比ａ＝２とすることによってロスを受ける光の割合は１％となる。逆に、ロスを受ける光の割合を１０％以下とするためには、幅比ａ＝１．３８以上とすればよい。

したがって、図１８に示すように、ＭＺ活性層２３に拡張部分２３ａを形成し、ＭＺ活性層２３の幅ａ・ｗ＝１．３８とすることによって、ロス領域Ｃ２１，Ｃ２２でのロスを１０％以下にすることができる。もちろん、ＭＺ活性層２３の幅ａ・ｗ＝２とすることによってロスを１％以下に低減することができる。

図１９は、図１に示した光半導体素子に、この実施の形態５の光導波路構造を適用した場合の構造を示す図である。図１９に示すように、ローメサリッジ構造のアーム４−１，４−２のローメサリッジ構造のＭＺ活性層２３に拡張部分２３ａを形成して、ＭＺ活性層２３を広げることによって、導波する光のロスを低減することができる。さらに、図１９では、合成カプラ５および光導波路１６の幅方向に、吸収層６が直接接続しないように、合成カプラ５および光導波路１６の各メサ幅に比して広い光導波路層２４ａを形成し、この光導波路層２４ａに吸収層６が隣接して配置されるようにしている。これによって、合成カプラ５および光導波路１６を通る光のロスを低減できるとともに、迷光による影響を防止することができる。

また、図２０は、図１３に示した光半導体素子に、この実施の形態５の光導波路構造を適用した場合の構造を示す図である。図２０に示すように、この光半導体素子は、図１９に示した光半導体素子と同様に、アーム４−１，４−２に拡張部分２３ａを形成するとともに光導波路層２４ａを形成して、導波する光のロスを低減するようにしている。さらに、ＭＭＩカプラ４３と分岐カプラ３との間を接続する光導波路１１のローメサリッジ構造に対して、メサ幅に比して広い光導波路層２４ｂを形成し、この光導波路層２４ｂに吸収層４６が隣接して配置されるようにしている。これによって光導波路１１を通る光のロスを低減できるとともに、迷光による影響を防止することができる。

また、図２１は、図１４に示した光半導体素子に、この実施の形態５の光導波路構造を適用した場合の構造を示す図である。図２１に示すように、この光半導体素子は、図１９に示した光半導体素子と同様に、アーム４−１，４−２に拡張部分２３ａを形成するとともに光導波路層２４ａを形成して、導波する光のロスを低減するようにしている。さらに、拡張部分２３ａと吸収層５６との間に光導波路層２４ｃが介在するように形成し、この光導波路層２４ｃに吸収層５６が隣接して配置されるようにしている。これによってアーム４−１，４−２を通る光のロスを低減できるとともに、迷光による影響を防止することができる。

また、図２２は、図１５に示した吸収光導波路６５を有する光半導体素子に、この実施の形態５の光導波路構造を適用した場合の構造を示す図である。図２２に示すように、この光半導体素子は、図１９に示した光半導体素子と同様に、アーム４−１，４−２に拡張部分２３ａを形成するとともに光導波路層２４ａを形成して、導波する光のロスを低減するようにしている。さらに、拡張部分２３ａと吸収層５６との間に光導波路層２４ｄが介在するように形成し、この光導波路層２４ｄに吸収層５６が隣接して配置されるようにしている。これによってアーム４−１，４−２を通る光のロスを低減できるとともに、迷光による影響を防止することができる。

なお、上述した実施の形態１〜５では、モノリシック集積された半導体基板上に一部に吸収層を設けるようにしていたが、これに限らず、半導体素子２、分岐カプラ３、アーム４−１，４−２、合波カプラ５、光導波路１１〜１６などの機能部以外の領域全面に半導体レーザ活性層によって実現される吸収層を設けてもよい。さらに、吸収層は、半導体レーザ活性層に限らず、導波する動作光を吸収できればよく、この動作光のバンドギャップ波長を超えるバンドギャップ波長をもつ活性層であればよい。

また、上述した実施の形態１〜５では、ＭＭＩカプラを用いた光半導体素子について説明したが、これに限らず、方向性結合器を用いた場合も同様に適用することができる。

さらに、上述した実施の形態では、半導体レーザおよびＭＺ干渉型光変調器を搭載した光半導体素子について説明したが、これに限らず、波長変換素子などの他の多くの半導体デバイスを集積化した場合についても同様に吸収層を形成することによって迷光による影響を防止することができる。

この発明の実施の形態１にかかる光半導体素子の概要構成を示す図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す平面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す平面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す平面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す平面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す断面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す断面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す断面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す断面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す断面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す断面図である。 図１に示した光半導体素子の製造過程を示す断面図である。 この発明の実施の形態２にかかる光半導体素子の概要構成を示す図である。 この発明の実施の形態３にかかる光半導体素子の概要構成を示す図である。 この発明の実施の形態４にかかる光半導体素子の概要構成を示す図である。 図１１に対応したアーム部分の断面図である。 幅比に対する透過比の変化を示す図である。 メサ幅に比して広いＭＺ活性層を形成したアーム部分の断面図である。 図１に示した光半導体素子に、この発明の実施の形態５の光導波路構造を適用した場合の構造を示す図である。 図１３に示した光半導体素子に、この発明の実施の形態５の光導波路構造を適用した場合の構造を示す図である。 図１４に示した光半導体素子に、この発明の実施の形態５の光導波路構造を適用した場合の構造を示す図である。 図１５に示した吸収光導波路６５を有する光半導体素子に、この発明の実施の形態５の光導波路構造を適用した場合の構造を示す図である。 ＭＭＩカプラから漏れ出る迷光の状態を示す図である。

符号の説明

１，４１，５１，６１ 光半導体素子
２，４２−１〜４２−３ 半導体レーザ
３ 分岐カプラ
４ ＭＺ干渉型光変調器
４−１，４−２ アーム
５ 合波カプラ
６，４６，５６，６６ 吸収層
１１〜１６ 光導波路
１７〜１９，３０，４４−１〜４４−３ 電極
２０ａ〜２０ｃ ＳｉＮｘ
２１ ｎ−ＩｎＰ基板
２２ 半導体レーザ活性層
２２ａ，２５ ＩｎＰ層
２２ｂ 回折格子
２３ ＭＺ活性層
２３ａ 拡張部分
２４，２４ａ〜２４ｄ 光導波路層
２６，３２，３３ コンタクト層
３１ 絶縁層
４３，５３ ＭＭＩカプラ
６５ 吸収光導波路

Claims (22)

1. 複数の光半導体デバイスを光カプラおよび光導波路によって接続し、モノリシック集積した光半導体素子であって、
   前記光カプラおよび前記光導波路を伝搬する動作光に対応するバンドギャップ波長に比して長いバンドギャップ波長をもつ吸収領域を前記光カプラあるいは前記光導波路に隣接して設けたことを特徴とする光半導体素子。
2. 前記吸収領域は、前記光カプラあるいは前記光導波路から幅方向に広がり、かつ後段出力方向全面に渡って設けられることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
3. 前記吸収領域は、前記光カプラの出力端側に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体素子。
4. 前記光カプラが複数である場合、前段の光カプラの出力端から該前段の光カプラに接続される後段の光カプラの入力端の間に、前記吸収領域を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光半導体素子。
5. 光分岐を行う光カプラと光合波を行う光カプラとの間に、前記吸収領域を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光半導体素子。
6. ２つの光カプラが複数の光導波路によって接続される場合、該２つの光カプラおよび該複数の光導波路によって囲まれる領域を前記吸収領域とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光半導体素子。
7. 前記光カプラが複数の出力端をもつマルチモード干渉光カプラである場合、該出力端間の光集中端に吸収用の光導波路を設けるとともに、前記出力端に接続される光導波路間に前記吸収領域を設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光半導体素子。
8. 前記吸収領域は、前記光半導体デバイス、前記光カプラおよび前記光導波路を除いた領域全面に設けたことを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
9. 前記光半導体デバイスは、半導体レーザデバイスおよび光制御機能デバイスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光半導体素子。
10. 前記半導体レーザデバイスは、１以上の分布帰還型半導体レーザであり、
    前記光制御機能デバイスは、マッハツェンダ型光干渉器であることを特徴とする請求項９に記載の光半導体素子。
11. 前記光導波路は、半導体基板に平行な平面に形成されるリッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層の幅が広いことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光半導体素子。
12. 前記マッハツェンダ型光干渉器の各アームは、半導体基板に平行な平面に形成されるリッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層の幅が広いことを特徴とする請求項１０または１１に記載の光半導体素子。
13. 前記吸収領域に隣接する光カプラあるいは前記吸収領域に隣接する光導波路は、リッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層が広いことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光半導体素子。
14. 複数の光半導体デバイスを光カプラおよび光導波路によって接続し、モノリシック集積した光半導体素子の製造方法であって、
    半導体基板に平行な平面内に、選択成長法によって、前記光カプラおよび前記光導波路を伝搬する動作光に対応するバンドギャップ波長に比して長いバンドギャップ波長をもつ吸収領域を前記光カプラあるいは前記光導波路に隣接して形成することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
15. 複数の光半導体デバイスを光カプラおよび光導波路によって接続し、モノリシック集積した光半導体素子の製造方法であって、
    半導体基板に平行な平面内に、Ｂ／Ｊ再成長法によって、前記光カプラおよび前記光導波路を伝搬する動作光に対応するバンドギャップ波長に比して長いバンドギャップ波長をもつ吸収領域を前記光カプラあるいは前記光導波路に隣接して形成することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
16. 前記吸収領域は、前記光カプラあるいは前記光導波路から幅方向に広がり、かつ後段出力方向全面に渡って設けられることを特徴とする請求項１４または１５に記載の光半導体素子の製造方法。
17. 前記吸収領域は、前記光カプラの出力端側に設けたことを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一つに記載の光半導体素子の製造方法。
18. 前記光半導体デバイスは、半導体レーザデバイスおよび光制御機能デバイスであることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか一つに記載の光半導体素子の製造方法。
19. 前記半導体レーザデバイスは、１以上の分布帰還型半導体レーザであり、
    前記光制御機能デバイスは、マッハツェンダ型光干渉器であることを特徴とする請求項１８に記載の光半導体素子の製造方法。
20. 前記光導波路は、半導体基板に平行な平面に形成されるリッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層の幅が広いことを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか一つに記載の光半導体素子の製造方法。
21. 前記マッハツェンダ型光干渉器の各アームは、半導体基板に平行な平面に形成されるリッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層の幅が広いことを特徴とする請求項１９または２０に記載の光半導体素子の製造方法。
22. 前記吸収領域に隣接する光カプラあるいは前記吸収領域に隣接する光導波路は、リッジ型の光導波路構造を有し、かつリッジ幅に比して光導波路層が広いことを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか一つに記載の光半導体素子の製造方法。

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