JP4453937B2 - 光集積素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つ以上の光導波路を直接結合により集積化する光集積素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザをはじめ、受光素子、光変調器、光導波路など様々な光素子が各種のシステムに用いられている。特に、小型化、低消費電力化、低価格化などを目的として、これら光デバイスを同一の半導体基板上にモノリシックに集積化した光集積素子の開発が盛んになっている。なかでも２つ以上の光導波路を集積し、効率良く光を結合させることは、重要な技術である。
【０００３】
２つの導波路を結合させる代表的な方法として、図１１（ａ）に示す２つの光導波路を近接させて積層し垂直方向で結合させる方法と、図１１（ｂ）に示す一方の光導波路の端面で他方の光導波路を直接結合させる方法がある。
【０００４】
図１１（ａ）に示す方法は、２つの光導波路を同時に成長し形成できるため、製造するのは容易であるが、結合効率が小さいという問題がある。
【０００５】
図１１（ａ）に示す構造において結合効率を上げるためには、２つの導波層の距離を近づける必要があるが、この場合には、第２の光導波路における上クラッド層の厚さが薄くなってしまい、所望の光分布を設計することが困難になる。更には、第１の光導波路に２つの導波層が存在するため、光が広がり、第１の導波層の光密度が低下してしまう。このように、図１１（ａ）に示す方法では、構造上の制約が大きくなり、集積素子としても十分な特性を出すことが難しい。
【０００６】
図１１（ｂ）に示す方法は、結合効率を大きくすることができるが、２つの導波路を別々に形成する必要があるため、成長回数が増え、更には、それぞれの導波路でプロセスの整合をとる必要もあるため、マスク合わせが必要になるなど、製造工程が複雑になるという問題がある。
【０００７】
次に、光導波路の横方向の光閉じ込め方法として代表的なリッジ型光導波路と埋込型光導波路について説明する。
【０００８】
リッジ型光導波路は、リッジストライプを形成し、リッジ部分の実効的な屈折率がリッジ部以外の領域の実効屈折率よりも大きくなるようにして、リッジ部に光を閉じ込める方法である。リッジ型光導波路は、単体光導波路としては、スラブ導波路を中心部のみ残して両側をエッチング除去することで作製でき、製造が容易である。また、コア層に再成長界面が存在しないという利点もある。
【０００９】
埋込型光導波路は、活性領域の上下に加え両脇もクラッド層で埋込み、光を閉じ込める方法である。埋込型光導波路は、通常ＤＨ構造を平面上に成長させた後、メサを形成し、コア両脇にクラッド層を再成長して埋め込む。そのため、埋込型光導波路のコア層の両脇は、一旦空気に曝された後にクラッド層を再成長することになり、再成長界面に酸化膜が形成され、特に、半導体レーザでは信頼牲が著しく低下してしまうという問題がある。埋込型光導波路は、上記リッジ型光導波路に比べて製造工程が複雑ではあるが、コアの幅、層厚、混晶比などの構造設計上の自由度が大きく、導波損失が小さいという利点がある。
【００１０】
ところで、２つ以上の光導波路を集積する光集積素子の場合には、各光導波路にそれぞれの機能を持たせるため、各光導波路は異なる導波構造、光閉じ込め構造で構成することが、光集積素子としての特性及び機能の向上につながる。具体的には、各光導波路は、それぞれ所望の光の分布、形状を得るために、クラッド層、コア層の混晶比、層厚や導波路の幅等が設計されており、例えば、半導体レーザにおいては、閾値電流を下げるために活性層を薄くするといった設計がなされている。
【００１１】
従って、各素子は、その使用目的により最適な構造に設計する必要があるため、異なる機能を持つ光導波路を集積する光集積素子の場合には、それぞれを異なった構造にすることが望ましい。更には、２つの導波路を結合させる場合には、各々の光軸を合わせる必要があり、マスク合わせすること無く自己整合的に光軸が合うように形成することが望ましい。
【００１２】
異なる機能を持つ光導波路を集積した光集積素子として、例えば、特開平７−１４２６９９号公報には、リッジ型光導波路と埋込型光導波路を集積した例が記載されている（従来例１）。
【００１３】
この従来例１の光集積素子の製造方法を、図１２を用いて以下に説明する。
【００１４】
まず、図１２Ａに示すように、半導体基板１上に、リッジ型光導波路２のコア層となる光導波路層４と、埋込型光導波路３のコア層となる光導波路層５を公知の手法により同一基板平面内に形成する。
【００１５】
次に、図１２Ｂに示すように、光導波路４上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）６を通常の化学気相堆積法及びフォトリソグラフィーにより形成する。
【００１６】
次に、図１２Ｃに示すように、リッジ型光導波路２及び埋込型光導波路３を形成するためのフォトレジストパターン７を同一のフォトマスクで同時形成する。
【００１７】
次に、図１２Ｄに示すように、このフォトレジストパターン７をエッチングマスクとして光導波路層５をメサ加工する。その際、光導波路層４は、ＳｉＯ2絶縁膜６で覆われているためエッチング加工は施されない。更に、フォトレジストパターン７をマスクとして、今度は光導波路層４上のＳｉＯ2絶縁膜６を、例えば希釈フッ酸を用いてパターニングする。この状態で、フォトレジストパターン７を除去すると、図１２Ｅに示すようなマスクパターニング８が得られる。
【００１８】
次に、この基板上に、光導波路層４、５を形成する半導体より屈折率の低い半導体９を、例えば有機金属気相成長法を用いて結晶成長する。この場合、マスクパターニング８の上には結晶成長が起こらないため、図１２Ｆに示すように、光導波路４上には、リッジ装荷型光導波路２が、マスクパターニング８に沿って上記結晶成長中に形成される一方、メサ加工された光導波路５は、上記結晶成長中に低屈折率半導体９で埋め込まれた埋込型光導波路３となる。
【００１９】
この従来例１の光集積素子では、異なる光閉じ込め構造であるリッジ装荷型光導波路２と埋込型光導波路３を集積形成しており、光軸は自己整合的に合わせられている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例１による場合には、製造工程の簡略化を狙い、２つの光導波路の上クラッド層９を同時形成しているため、２つの光導波路をそれぞれ独立して設計することができない。
【００２１】
このため、各光導波路の導波構造は、互いに制約を受け、設計の自由度が低下するため、所望の特性や機能を持つ異なる２つの光導波路を集積した集積素子が得られないという問題が生じる。
【００２２】
更には、２つの光導波路のコア層と上クラッド層をそれぞれ別々に形成しているため、その分、成長回数が増え、製造工程が複雑になり、素子の歩留りが低下するという問題が生じる。
【００２３】
加えて、図１２Ｂに示すＳｉＯ2膜６の形成工程と、図１２Ｃに示すフォトレジストパターン７の形成工程において、２つの光導波路領域の境界でマスク合わせを行う必要があるため、これにより素子の歩留りが低下するという問題も生じる。
【００２４】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、所望の特性や機能を有する各光導波路を、直接結合により容易に集積化することができる光集積素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００２５】
本発明の他の目的は、光導波路を構成する各層の成長回数を低減したり、各光導波路領域の境界でのマスク合わせを不要とするなどにより、製造工程の削減と簡略化を図ることができる光集積素子の製造方法を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光集積素子の製造方法は、少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程とを包含する、第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３１】
本発明の光集積素子の製造方法は、少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、基板上の第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨って第１の光導波路のコア層を含む半導体層を成長して形成する工程と、第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程とを包含する、第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
本発明の光集積素子の製造方法は、少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、該メサ形状上の第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨って第１の光導波路のコア層を含む半導体層を成長して形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程とを包含する、第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の光集積素子は、上記光集積素子の製造方法より得られる、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記光集積素子において、前記光導波路の一方が分布帰還型半導体レーザである構造とすることができる。
【００３３】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００３４】
上記構成によれば、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、少なくとも１つの光導波路のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する。このため、コア層の周りは全てクラッド層で包囲され、埋込型光導波路となるので、導波損失を小さくすることが可能となる。しかも、この構成では、コア層両脇に再成長界面がないため、再成長界面に形成される自然酸化膜による光の散乱、吸収がなく、導波損失は更に小さくなる。
【００３５】
直接結合する２つの光導波路はそれぞれ別々に形成することができ、各々の構造的な制約を受けることがないので、例えば、特性の異なる埋込型光導波路とリッジ型光導波路を組み合わせる場合にもそれぞれ最適な構造に設計することができ、所望の特性や機能を有する各光導波路を、直接結合により容易に集積化することが可能となる。
【００３６】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する構成にすると、例えば、メサ下方に平面状に存在する光導波路のコア層を、半導体レーザの活性領域として薄く形成することにより、低閾値で再成長界面の存在しない信頼性の高いリッジ型半導体レーザと、埋込型光導波路を集積した光集積素子が得られる。
【００３７】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、光導波路の双方のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する構成にすると、例えば、信頼性に優れた低閾値の埋込型半導体レーザと埋込型光導波路を集積した光集積素子が得られる。
【００３８】
上記光導波路の一方が分布帰還型半導体レーザである構成にすると、端面を反射面としなくてもよいため、半導体レーザ領域のエッチング面に光導波路を直接成長形成することができるので、半導体レーザと光導波路の光集積素子を集積化するのが容易となる。
【００３９】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子の製造方法において、メサ形状を有する第１の光導波路を形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路領域をメサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、第２の光導波路を再成長して形成する工程とを包含する光集積素子の製造方法によれば、第１の光導波路のメサ形成プロセスにより、同時に第２の光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により第２の光導波路の埋込構造を形成することが可能となる。
【００４０】
より詳しくは、例えば、メサ形状をドライエッチングすると、メサ形状を保ったままエッチングが進み、エッチング後の表面もメサ形状となる。また、メサ形状上に結晶成長を行うと、メサ形状を反映して成長が進む。従って、メサ形状をドライエッチングし、再成長することにより、メサ形状を反映した再成長層の形成が可能となる。
【００４１】
他方、メサ形状上に光導波路を成長すると、メサ形状を反映して成長が進むため、コア層はメサ上部及び底部に成長する。更に、上クラッド層はコア層を覆い成長するため、メサ上部のコア層に対しては、コア層の上側及び両脇に同時にクラッド層が形成されることになり、１回の成長で埋込型の光導波路が形成される。
【００４２】
従って、少なくとも２つの光導波路を直接結合した光集積素子を、非常に簡便な工程で作製でき、第２の埋込型光導波路も１回の成長で形成できるので、製造工程の削減と簡略化を図ることが可能となる。
【００４３】
更には、第１の光導波路領域と第２の光導波路領城の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。尚、第１の光導波路と第２の光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせも不要となり、自己整合的に光軸を合わせることもできる。
【００４４】
これにより、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、少なくとも１つの光導波路のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する光集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上する。
【００４５】
上記の光集積素子の製造方法において、平面上に上記第１の光導波路を成長する工程と、第１の光導波路をメサ形状にエッチングする工程とを包含するようにすると、高い結合効率を有するリッジ型光導波路と埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を容易に製造でき、歩留りが向上する。即ち、この製造方法により、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する光集積素子が得られる。
【００４６】
上記の光集積素子の製造方法において、メサ形状を有する基板上に、上記第１の光導波路をメサ形状を反映して成長する工程を包含するようにすると、第１の光導波路を埋込型とすることが可能となる。しかも、第１の光導波路及び第２の光導波路を、各々１回の成長で形成でき、合計２回の結晶成長で形成できる。
【００４７】
従って、高い結合効率を有する埋込型光導波路と埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上する。即ち、この製造方法により、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、光導波路の双方のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する光集積素子が得られる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００４９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による光集積素子の構成例を示しており、リッジ型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図２に示す製造方法により作製することができる。
【００５０】
以下に、図１に示す実施形態１による光集積素子の製造方法を図２に基づいて具体的に説明する。
【００５１】
まず、図２Ａに示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上に、厚さ１μｍのｎ-Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１１、厚さ０．０８μｍのＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層１２、厚さ０．２μｍのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１３、厚さ０．１μｍのｐ−Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓガイド層１４、厚さ０．０２μｍのｎ−ＧａＡｓ光吸収層１５を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。次に、成長層の最上層であるｎ−ＧａＡｓ光吸収層１５に二光束干渉露光法及びエッチングにより１２０ｎｍ周期の凹凸形状を印刻した後、その上に厚さ０．８μｍのｐ−Ａｌ0.6Ｇ0.4Ａｓクラッド層１６、厚さ０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して、ＤＦＢ−ＬＤ構造を形成する。
【００５２】
次に、図２Ｂに示すように、ストライプ状のマスク２１を形成し、ＲＩＢＥ法により、ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１６の途中までエッチングを行い、リッジストライプを形成する。このリッジストライプは、ＤＦＢ−ＬＤの横方向の光の閉じ込めを行うためのものである。その際、ＤＦＢ−ＬＤ用のリッジストライプに連続して、後にエッチング除去して光導波路構造を成長する領域となるＤＦＢ−ＬＤ上にも同時にリッジを形成しておく。尚、光導波路の導波領域のリッジは、直線である必要はなく、滑らかに曲がっていてもよいし、必要に応じて所望の形状とすることが可能であり、又リッジの幅は一定である必要はなく、幅を変化させてもよい。従って、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでリッジ幅を変えることにより、各々の導波路の幅を独立して設計することができる。
【００５３】
次に、図２Ｃに示すように、マスク２１を除去した後、ＬＤ領域にマスク２２を形成する。マスク２２は、スパッタリング法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＯ2膜のパターンを形成したものである。このフォトリソグラフィーにおいては、先に形成したリッジストライプを内に含んでおれば、マスク合わせを行う必要はなく、マスク２２を形成した領域が、自己整合的に第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ領域となる。
【００５４】
尚、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでリッジ幅を変える場合は、リッジ幅が変わっている境界にマスク２２を合わせてもよいし、リッジ幅が変わっている境界からマスク２２をずらしてもよいが、望ましくは、リッジ幅が変わっている境界よりもＤＦＢ−ＬＤ領域側にマスク２２をずらすと、厳密なマスク合わせも不要となり、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光結合も良好に行われる。
【００５５】
次に、図２Ｄに示すように、上記マスク２２以外の領域を、ＲＩＢＥ法により３．５μｍのエッチングを行う。エッチングを行った領域が自己整合的に第２の光導波路領域となる。このエッチングの際、上記リッジの形状をそのまま引き継ぎ、エッチング後の表面もリッジ形状となっている。尚、このエッチングは、ＲＩＢＥ法以外のドライエッチング又はウェットエッチングで行っても良いが、エッチング端面は垂直になることが望ましい。
【００５６】
次に、図２Ｅに示すように、上記ＬＤ領域のマスク２２を選択成長マスクとして、光導波路構造を再成長して形成する。光導波路構造は、厚さ１．６μｍのＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ下クラッド層１８、厚さ０．５μｍのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓコア層１９、厚さ１．４μｍのＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ上クラッド層２０からなる。このとき、基板のリッジ形状を反映して成長されるため、コア層１９はリッジ上部及び底部に形成され、又リッジ上部のコア層１９の側面は、リッジ底部の上クラッド層２０に覆われ、コア層１９の周りは全てクラッド層１８、１９で包囲されており、埋込型光導波路となっている。ここで、光導波路は、ＤＦＢ−ＬＤ領域のエッチング面に直接成長形成しているが、ＤＦＢ−ＬＤであるため、端面は反射面としなくてもＤＦＢ−ＬＤとして動作する。特に、本実施形態１では、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤとなっており、端面の位相も合わせる必要がないため、製造歩留りが向上する。
【００５７】
次に、ＬＤ領域のリッジ上部のマスクを除去し、ＬＤ領域のリッジ上部及び基板裏面に電極を蒸着し（図示せず）、この光集積素子が完成する。
【００５８】
図１に示すように、先に形成したＤＦＢ−ＬＤの活性層１２と、後に再成長して形成した光導波路のリッジ上部のコア層１９は、同じ高さに位置し、ＤＦＢ−ＬＤにより発生した光は、コア層１９に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。
【００５９】
本実施形態１では、ＤＦＢ−ＬＤのリッジ形成プロセスにより、同時に光導波路領域にもリッジを形成し、このリッジを利用してエッチング、再成長により光導波路の埋込構造を形成していることから、以下の効果が得られる。
【００６０】
（１−１）ＤＦＢ−ＬＤ構造成長後、１度のリッジ形成プロセスとエッチング、再成長という非常に簡便な工程で作製でき、製造工程の削減と簡略化を図ることができる。
【００６１】
（１−２）第２の埋込型光導波路を１回の成長で形成できる。
【００６２】
（１−３）ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。
【００６３】
尚、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせを必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【００６４】
以上のように、リッジ型光導波路（ＤＦＢ−ＬＤ領域）と、埋込型光導波路（光導波路領域）という異なる光閉じ込め構造の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【００６５】
また、この実施形態１では、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路をそれぞれ別々に形成しているので、各々の構造的な制約を受けることなく、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路をそれぞれ最適な構造に設計することができ、設計の自由度が向上した。これにより、設計の自由度と製造の容易さを両立することが可能となった。
【００６６】
本実施形態１では、ＤＦＢ−ＬＤ領域では、閾値電流を下げるために、活性領域を比較的薄くしている。一方、光導波路領域では、コア層を厚くして、ビーム形状を最適な形状にしている。このように、ＤＦＢ−ＬＤの活性層と光導波路のコア層は、厚さも混晶比もそれぞれ異なることから、クラッド層の混晶比もそれぞれ変える必要がある。
【００６７】
上記従来例１では、第１の光導波路及び第２の光導波路の上クラッド層は同時に形成しているため、構造上の制約を受け、光集積素子の設計の自由度が低下し、本実施形態１のように各導波路を最適なものとすることはできなかった。
【００６８】
これに対し、本実施形態１では、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の活性層、コア層、クラッド層はそれぞれ最適な混晶比、層厚に設計することができ、光集積素子としての機能を十分に引き出すことができる。
【００６９】
第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤは、リッジ型光導波路とすることにより、活性層に再成長界面の存在しない信頼性の高いＤＦＢ−ＬＤ素子が得られている。
【００７０】
第２の光導波路は、埋込型光導波路であることから、比較的近い屈折率のクラッド層で両脇を覆われているため、リッジ幅を広げてもシングルモードが保たれ、リッジ幅の自由度が大きくなる。従って、光導波路構造を成長させたとき、リッジ形状を反映して成長するため、成長に従いリッジ幅が広がり、コア層の幅が広がっても、シングルモードは保たれる。また、コア層近傍に屈折率差の大きい空気が存在しないことから、空気の影響を受けることがなく、導波損失が小さくなる。
【００７１】
埋込型光導波路は、通常ＤＨ構造を平面上に成長させた後、メサを形成し、コア両脇にクラッド層を再成長して埋め込む。そのため、埋込型光導波路のコア層の両脇は一旦空気に曝された後にクラッド層を再成長することになり、再成長界面に酸化膜が形成され、光の吸収、散乱が増大し、伝搬損失が増大し、素子の特性の劣化、歩留り低下につながっていた。
【００７２】
しかし、本実施形態１では、コア層両脇の再成長界面がないため、再成長界面に形成される自然酸化膜による光の散乱、吸収がなく、導波損失は更に小さくなる。
【００７３】
リッジストライプをドライエッチングにより形成すると、リッジ形状に庇が形成されることがないため、後のプロセスにおいて、マスク材が庇の奥にまで周り込むことがなく、マスクを除去するときに、マスク材を完全に除去することができ、光導波路部分のエッチング及び光導波路の再成長が良好に行われる。
【００７４】
尚、第２の光導波路を形成した後に、ＤＦＢ−ＬＤ領域のリッジ以外の領域を半導体、樹脂等で埋め込んだものも、本発明の光集積素子に含まれることは言うまでもないことである。
【００７５】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２による光集積素子の構成例を示しており、埋込型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図４に示す製造方法により作製することができる。
【００７６】
以下に、図３に示す実施形態２による光集積素子の製造方法を図４に基づいて具体的に説明する。
【００７７】
まず、図４Ａに示すように、ｐ−ＩｎＰ基板３０に、二光束干渉露光法及びエッチングにより周期２４０ｎｍ、深さ１００ｎｍの回折格子を印刻する。
【００７８】
次に、図４Ｂに示すように、上記基板上に通常のフォトリソグラフィー及び臭素系エッチャントにより、高さ１μｍのメサ形状をＬＤ形成領域及び光導波路形成領域の両方に同時に形成する。その結果、メサ上部には回折格子が残るが、エッチング中に徐々に回折格子の形状がなまり、メサ底部では回折格子が消滅する。
【００７９】
ここで、光導波路の導波領域のメサは、直線である必要はなく、滑らかに曲がっていてもよいし、必要に応じて所望の形状とすることが可能であり、又メサの幅は一定である必要はなく、幅を変化させてもよい。例えば、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでメサ幅を変えることにより、各々の導波路の幅を独立して設計することができる。
【００８０】
次に、図４Ｃに示すように、図４Ｂに示す上記メサ基板上に、厚さ０．２μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３１（エネルギー波長１．２５μｍ）、多重量子井戸活性層３２、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層３３、厚さ０．５μｍのｐ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３４を、ＭＯＣＶＤ法により順次成長してＤＦＢ−ＬＤ構造を形成する。
【００８１】
ここで、多重量子井戸活性層３２は、ウェル層が厚さ７ｎｍのＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ組成０．５３）、バリア層が厚さ３ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（エネルギー波長１．１μｍ）の５層ウェルにより構成され、フォトルミネッセンス測定により測定したエネルギー波長は１．５５μｍであった。
【００８２】
基板のメサ形状を反映して成長されるため、活性層３２はメサの上部及び底部に形成される。また、メサ上部の活性層３２の側面は、メサ底部の上クラッド層３３に覆われ、活性層３２の周りは全てクラッド層３３で包囲されており、埋込型のＤＦＢ−ＬＤとなっている。また、成長が基板のメサ形状を反映して進むため、成長の最表面もメサ形状となっている。
【００８３】
次に、図４Ｄに示すように、ＬＤ領域にマスク３８を形成する。マスク３８は、プラズマＣＶＤ法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＮｘ膜のパターンを形成したものである。このフォトリソグラフィーにおいては、先に形成したメサを内に含んでおれば、マスク合わせを行う必要はなく、マスク３８を形成した領域が、自己整合的に第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ領域となる。
【００８４】
また、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでメサ幅を変える場合は、メサ幅が変わっている境界にマスク３８を合わせてもよいし、メサ幅が変わっている境界からマスク３８をずらしてもよい。望ましくは、メサ幅が変わっている境界よりもＤＦＢ−ＬＤ領城側にマスク３８をずらすと、厳密なマスク合わせも不要となり、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光結合も良好に行われる。
【００８５】
次に、図４Ｅに示すように、上記マスク３８以外の領域を、ＲＩＢＥ法により３μｍのエッチングを行うと、その領域が上記メサの形状をそのまま引き継ぎ、自己整合的に第２の光導波路領域となり、エッチング後の表面にメサ形状が形成される。
【００８６】
次に、図４Ｆに示すように、上記ＬＤ領域のマスク３８を選択成長マスクとして、厚さ０．８μｍのＩｎＡｌＡｓ下クラッド層３５（Ｉｎ組成０．５２）、厚さ０．４μｍのＩｎＧａＡｌＡｓコア層３６（エネルギー波長１．３μｍ）、厚さ１．８μｍのＩｎＡｌＡｓ上クラッド層３７（Ｉｎ組成０．５２）を、順次再成長して光導波路構造を形成する。
【００８７】
このとき、基板のメサ形状を反映して成長されるため、コア層３６はメサ上部及び底部に形成され、メサ上部のコア層３６の側面は、メサ底部の上クラッド層３７に覆われる。従って、コア層３６の周りは全てクラッド層３５、３７で包囲され、埋込型光導波路となる。
【００８８】
次に、ＬＤ領域のメサ上部のマスク３８を除去し、ＬＤ領域のメサ上部及び基板裏面に電極を蒸着し（図示せず）、この光集積素子が完成する。
【００８９】
ＤＦＢ−ＬＤ領域は、メサ上部にのみ回折格子が形成されているため、メサ上部に形成された活性層によって発生した光はこの回折格子により光帰還が働き、ＤＦＢ−ＬＤとして動作する。一方、メサ底部に形成された活性層は、光帰還が行われずＤＦＢ−ＬＤとしては動作しない。また、各層連続して成長形成しているため、活性層に再成長界面の無い埋込型のＤＦＢ−ＬＤとなっており、信頼性に優れた低閾値のＤＦＢ−ＬＤとなった。
【００９０】
図３に示すように、先に形成したＤＦＢ−ＬＤの活性層３２と、後に再成長して形成した光導波路のメサ上部のコア層３７は、同じ高さに位置し、ＤＦＢ−ＬＤにより発生した光は、コア層３７に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。上記実施形態１では、第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ構造を成長させ後にメサを形成していたのに対し、本実施形態２では、メサを形成した基板にＤＦＢ−ＬＤ構造を成長している。
【００９１】
本実施形態２では、予めＤＦＢ−ＬＤ領域及び光導波路領域にメサ形状を形成した基板を用い、このメサを利用してＤＦＢ−ＬＤ及び光導波路を成長形成していることから、以下の効果が得られる。
【００９２】
（２−１）１度のメサ形成プロセスと、ＤＦＢ−ＬＤ構造成長、エッチング、再成長という、非常に簡便な工程で作製でき、製造工程の削減と簡略化を図ることができる。
【００９３】
（２−２）ＤＦＢ−ＬＤ及び第２の埋込型光導波路を各々１回の成長で形成でき、合計２回の結晶成長で形成できる。
【００９４】
（２−３）ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。
【００９５】
尚、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせを必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【００９６】
以上のように、埋込型光導波路（ＤＦＢ−ＬＤ領域）と埋込型光導波路（光導波路領域）の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【００９７】
このように、この実施形態２では、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路をそれぞれ別々に形成するため、各々の構造的な制約を受けることがないので、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路をそれぞれ最適な構造に設計することができ、設計の自由度が向上した。これにより、設計の自由度と製造の容易さを両立することが可能となった。
【００９８】
尚、上記した実施形態２では、ＤＦＢ−ＬＤ及び光導波路の各上クラッド層を別々に形成する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各上クラッド層を同一材料で同時に成長形成する構成としてもよい。
【００９９】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３による光集積素子の構成例を示しており、埋込型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図６に示す製造方法により作製することができる。
【０１００】
以下に、図５に示す実施形態３による光集積素子の製造方法を図６に基づいて具体的に説明する。
【０１０１】
まず、図６Ａに示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板４０上に、厚さ１μｍのｎ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層４１、多重量子井戸活性層４２、厚さ０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（エネルギー波長８５０ｎｍ）ガイド層４３を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。次に、成長層の最上層であるガイド層４３に二光束干渉露光法及びエッチングにより４５０ｎｍ周期の凹凸形状を印刻した後、厚さ０．８μｍのｐ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層４４、厚さ０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層４５を、ＭＯＣＶＤ法により再成長してＤＦＢ−ＬＤ構造を形成する。
【０１０２】
ここで、多重量子井戸活性層４２は、８ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ井戸層及び５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（エネルギー波長８５０ｎｍ）バリア層より構成しており、フォトルミネッセンス測定によるエネルギー波長は９８０ｎｍであった。
【０１０３】
次に、図６Ｂに示すように、ＤＦＢ−ＬＤ領域にメサストライプを形成するために、ストライプ状のマスク５０を形成し、ＲＩＢＥ法により、ｎ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層４１の途中までエッチングを行い、メサストライプを形成する。その際、ＤＦＢ−ＬＤ用のメサストライプに連続して、後にエッチング除去して光導波路構造を成長する領域となるＤＦＢ−ＬＤ上にも同時にメサ形状を形成しておく。
【０１０４】
ここで、マスク５０は、プラズマＣＶＤ法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＮｘ膜のパターンを形成したものである。
【０１０５】
尚、光導波路の導波領域のメサは、直線である必要はなく、滑らかに曲がっていてもよいし、必要に応じて所望の形状とすることが可能であり、又メサの幅は一定である必要はなく、幅が変化してもよい。例えば、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでメサ幅を変えることにより、各々の導波路の幅を独立して設計することができる。
【０１０６】
次に、図６Ｃに示すように、ＬＤ領域にマスク５１を形成する。マスク５１は、スパッタリング法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＯ2膜のパターンを形成したものである。また、マスク５０で、ＬＤ領域以外に残存しているものも同時に除去する。このフォトリソグラフィーにおいては、先に形成したメサストライプを内に含んでおれば、マスク合わせを行う必要はなく、マスク５１を形成した領域が、自己整合的に第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ領域となる。
【０１０７】
ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでメサ幅を変える場合は、メサ幅が変わっている境界にマスク５１を合わせてもよいし、メサ幅が変わっている境界からマスク５１をずらしてもよい。望ましくは、メサ幅が変わっている境界よりもＤＦＢ−ＬＤ領域側にマスク５１をずらすと、厳密なマスク合わせが不要となり、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光結合も良好に行われる。
【０１０８】
次に、図６Ｄに示すように、上記マスク５１以外の領域を、ＲＩＢＥ法により２μｍのエッチングを行い、その領域が上記メサの形状をそのまま引き継ぎ、自己整合的に第２の光導波路領域となり、エッチング後の表面にも、メサ形状が形成される。
【０１０９】
次に、図６Ｅに示すように、メサ上部に、図６Ｂに示すＳｉＮｘマスク５０が残るようにして、メサ上部以外の上記ＬＤ領域のＳｉＯ2マスク５１を全て除去する。
【０１１０】
次に、図６Ｆに示すように、上記ＳｉＮｘマスク５０を選択成長マスクとして、厚さ０．５μｍのｐ−ＩｎＧａＰ下クラッド層４６、厚さ０．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ（エネルギー波長７００ｎｍ）コア層４７、厚さ１．２μｍのｎ−ＩｎＧａＰ上クラッド層４８を順次再成長して、光導波路構造を形成する。
【０１１１】
その際、光導波路は、基板のメサ形状を反映して成長するため、コア層４７はメサ上部及び底部に形成される。この光導波路は、第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤの活性層４２側面にも同時に成長している。そして、ＤＦＢ−ＬＤに対しては、ＬＤの印加電圧とは逆のバイアスになるため、電流阻止層として働き、光学的には活性層４２よりも屈折率の小さい層で埋め込まれており、埋込型のＤＦＢ−ＬＤとなる。
【０１１２】
ＬＤ領域のメサ上部のマスク５０を除去し、ＬＤ領域のメサ上部及び基板裏面に電極を蒸着し（図示せず）、この光集積素子が完成する。
【０１１３】
図５に示すように、先に形成したＤＦＢ−ＬＤの活性層４２と、後に再成長して形成した光導波路のメサ上部のコア層４７は、同じ高さに位置し、ＤＦＢ−ＬＤにより発生した光は、コア層４７に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。
【０１１４】
本実施形態３では、ＤＦＢ−ＬＤのメサ形成プロセスにより、同時に光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により光導波路を形成していることから、以下の効果が得られる。
【０１１５】
（３−１）ＤＦＢ−ＬＤ構造成長後、１度のメサ形成プロセスとエッチング、光導波路再成長という、非常に簡便な工程で作製でき、製造工程の削減と簡略化を図ることができる。
【０１１６】
（３−２）第２の埋込型光導波路を１回の成長で形成できる。
【０１１７】
（３−３）ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。
【０１１８】
尚、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせを必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【０１１９】
以上のように、埋込型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【０１２０】
この実施形態３では、第２の光導波路は、メサ上部のコア層の側面にも、上クラッド層を成長させているが、面方位を選ぶことにより側面には殆ど成長しないようにすることもできる。
【０１２１】
上述した実施形態１〜実施形態３では、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の集積について説明したが、本発明の光集積素子は、この組み合わせに限定されるものではなく、例えば、２つの光導波路の集積、ファブリペロレーザと光導波路の集積としてもよい。半導体レーザと光導波路を集積する場合は、ＤＦＢ−ＬＤは反射端面を必要しないため、集積のし易さを考えるとＤＦＢ−ＬＤと光導波路の組み合わせが望ましい。
【０１２２】
また、第２の導波路をＤＦＢ−ＬＤとしてもよいが、第１の成長の方が第２の成長よりも良好な結晶性が得られるため、よりよい結晶性を必要とするＤＦＢ−ＬＤを第１の成長で行う第１の光導波路とすることが望ましい。
【０１２３】
更には、本発明の光集積素子は、上記の各実施形態で示した材料系に限定されるものではなく、上記の各実施形態で示した以外の材料系に対しても、同様な製法で、同様な構造を作ることができ、これらが本発明に含まれることは言うまでもない。
【０１２４】
（実施形態４）
図７は、本発明の実施形態４による光集積素子の構成例を示しており、埋込型光導波路と埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図８に示す製造方法により作製することができる。
【０１２５】
以下に、図７に示す実施形態４による光集積素子の製造方法を図８に基づいて具体的に説明する。
【０１２６】
まず、図８Ａに示すように、半導体基板６０上に第１コア層６１を気相成長して第１光導波路を形成する。
【０１２７】
次に、図８Ｂに示すように、通常のフォトリソグラフィー及びエッチングにより、フォトレジストマスク６４を形成し、第１光導波路形成領域及び第２光導波路形成領域の両方の領域に同時にメサ形状を形成する。
【０１２８】
次に、図８Ｃに示すように、フォトレジストマスク６４を除去した後、第１光導波路領域に、スパッタリング法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＯ2マスク６５を形成する。
【０１２９】
このフォトリソグラフィーにおいては、先に形成したメサ形状を内に含んでおれば、マスク合わせを行う必要はなく、マスク６５を形成した領域が、自己整合的に第１光導波路領域となる。
【０１３０】
次に、図８Ｄに示すように、上記マスク６５以外の領域をエッチングを行い、その領域が上記メサ形状をそのまま引き継ぎ、自己整合的に第２光導波路領域となり、エッチング後の表面もメサ形状となる。
【０１３１】
次に、図８Ｅに示すように、上記マスク６５を選択成長マスクとして、第２コア層６２を成長し、第２光導波路を形成する。このとき、コア層６２は、基板のメサ形状を反映して成長するため、メサ上部及び底部に形成される。
【０１３２】
次に、図８Ｆに示すように、マスク６５を除去する。
【０１３３】
次に、図８Ｇに示すように、第１光導波路領域及び第２光導波路領域全体に上クラッド層６３を成長して、この光集積素子が完成する。
【０１３４】
ここで、第２光導波路においては、メサ上部の第２コア層６２の側面は、メサ底部の上クラッド層６３に覆われ、第２コア層６２の周りは全てクラッド層６３で包囲されており、埋込型光導波路となっている。また、第１光導波路においても、メサ上部の第１コア層６１の側面は、メサ底部の上クラッド層６３に覆われ、第１コア層６１の周りは全てクラッド層６３で包囲されており、埋込型光導波路となっている。
【０１３５】
図７に示すように、先に形成した第１光導波路の第１コア層６１と、後に再成長して形成した第２光導波路のメサ上部の第２コア層６２は、同じ高さに位置し、第１光導波路を伝搬した光は、第２コア層６２に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。
【０１３６】
本実施形態４では、第１光導波路のメサ形成プロセスにより、同時に第２光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により第２光導波路を形成していることから、以下の効果が得られる。
【０１３７】
（４−１）第１光導波路を成長後、１度のメサ形成プロセスとエッチング、再成長という、非常に簡便な工程で作製できる。
【０１３８】
（４−２）第１光導波路領域と第２光導波路領域の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。
【０１３９】
尚、第１光導波路と第２光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせも必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【０１４０】
以上のように、２つの埋込型光導波路（第１光導波路と第２光導波路）の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【０１４１】
（実施形態５）
図９は、本発明の実施形態５による光集積素子の構成例を示しており、埋込型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図１０に示す製造方法により作製することができる。
【０１４２】
以下に、図９に示す実施形態５による光集積素子の製造方法を図１０に基づいて具体的に説明する。
【０１４３】
まず、図１０Ａに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板７０上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層７１、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７２（エネルギー波長１．３μｍ）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層７３（エネルギー波長１．０５μｍ）を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。次に、成長層の最上層であるガイド層７３に二光束干渉露光法及びエッチングにより２００ｎｍ周期の凹凸形状を印刻した後、ｐ−ＩｎＰクラッド層７４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７５を、ＭＯＣＶＤ法により順次再成長してＤＦＢ−ＬＤ構造を形成する。
【０１４４】
次に、図１０Ｂに示すように、ストライプ状のＳｉＮｘマスク８０を形成し、ｎ−ＩｎＰクラッド層７１の途中までエッチングを行いメサストライプを形成する。その際、ＤＦＢ−ＬＤ用のメサストライプに連続して、後にエッチング除去して光導波路構造を成長する領域となるＤＦＢ−ＬＤ上にも同時にメサを形成しておく。
【０１４５】
次に、図１０Ｃに示すように、ほぼＤＦＢ−ＬＤ以外の領域にＳｉＯ2マスク８１を形成する。このとき、ＤＦＢ−ＬＤ領域のＳｉＮｘマスク８０が残るようにマスク８１のパターニングを行う。
【０１４６】
次に、図１０Ｄに示すように、マスク８０及びマスク８１を選択成長マスクとして、ＤＦＢ−ＬＤ領域のメサの両側にＦｅドープＩｎＰ電流狭窄層７６を埋込成長し、埋込型ＤＦＢ−ＬＤを形成する。
【０１４７】
次に、図１０Ｅに示すように、マスク８０及びマスク８１を除去する。
【０１４８】
次に、図１０Ｆに示すように、ＤＦＢ−ＬＤ領域にＳｉＯ2マスク８２を形成する。ここで、マスク８２を形成した領域が、第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ領域となる。
【０１４９】
次に、図１０Ｇに示すように、上記マスク８２以外の領域を、ＲＩＢＥ法によりエッチングを行い、その領域が上記のメサ形状をそのまま引き継ぎ、第２の光導波路領域となり、エッチング後の表面もメサ形状となる。
【０１５０】
次に、図１０Ｈに示すように、上記マスク８２を選択成長マスクとして、ＩｎＰ下クラッド層７７、ＩｎＧaＡｓＰコア層７８（エネルギー波長１．１μｍ）、ＩｎＰ上クラッド層７９を、順次再成長して光導波路構造を形成する。このとき、コア層７８は、基板のメサ形状を反映して成長するため、メサ上部及び底部に形成され、更にメサ上部のコア層７８の側面にも上クラッド層７９が成長する。このため、コア層７８の周りは全てクラッド層７９で包囲され、埋込型光導波路となる。
【０１５１】
ここで、光導波路は、ＤＦＢ−ＬＤ領域のエッチング面に直接成長形成しているが、ＤＦＢ−ＬＤであるため、端面は反射面としなくてもＤＦＢ−ＬＤとして動作する。
【０１５２】
ＤＦＢ−ＬＤ領域のメサ上部にあるマスク８２をストライプ状に除去し、ＤＦＢ−ＬＤ領域のメサ上部及び基板裏面に電極を蒸着し（図示せず）、この光集積素子が完成する。
【０１５３】
図９に示すように、先に形成したＤＦＢ−ＬＤの活性層７２と、後に再成長して形成した光導波路のメサ上部に形成されたコア層７８は、同じ高さに位置し、ＤＦＢ−ＬＤにより発生した光は、コア層７８に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。
【０１５４】
本実施形態５では、ＤＦＢ−ＬＤのメサ形成プロセスにより、同時に光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により光導波路の埋込構造を形成していることから、以下の効果が得られる。
【０１５５】
（５−１）ＤＦＢ−ＬＤ構造成長後、１度のメサ形成プロセスとエッチング、再成長という、非常に簡便な工程で作製できる。
【０１５６】
（５−２）第２の埋込型光導波路を１回の成長で形成できる。
【０１５７】
尚、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせを必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【０１５８】
以上のように、２つの異なった構造の埋込型光導波路（ＤＦＢ−ＬＤと光導波路）の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【０１５９】
尚、本発明の光集積素子及びその製造方法は、上述した実施形態１〜実施形態５で説明した具体的な構成及び製造方法に限定されるものではなく、例えば、組成比や層厚を変えた構成や他の材料系とすることができ、更には構成及び工程を適宜変更、追加することができることは言うまでもない。
【０１６０】
【発明の効累】
以上説明したように、本発明の光集積素子及びその製造方法によれば、所望の特性や機能を有する各光導波路を、直接結合により容易に集積化することができる。更には、光導波路を構成する各層の成長回数を低減したり、各光導波路領域の境界でのマスク合わせを不要とするなどにより、製造工程の削減と簡略化を図ることもできる。
【０１６１】
より詳しくは、例えば、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、少なくとも１つの光導波路のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在するため、コア層の周りは全てクラッド層で包囲され、埋込型光導波路となるので、導波損失を小さくすることができる。しかも、この構成では、コア層両脇に再成長界面がないため、再成長界面に形成される自然酸化膜による光の散乱、吸収がなく、導波損失は更に小さくすることができる。
【０１６２】
直接結合する２つの光導波路はそれぞれ別々に形成することができ、各々の構造的な制約を受けることがないので、例えば、特性の異なる埋込型光導波路とリッジ型光導波路を組み合わせる場合にもそれぞれ最適な構造に設計することができ、所望の特性や機能を有する各光導波路を、直接結合により容易に集積化することができる。
【０１６３】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する構成にすると、例えば、メサ下方に平面状に存在する光導波路のコア層を、半導体レーザの活性領域として薄く形成することにより、低閾値で再成長界面の存在しない信頼性の高いリッジ型半導体レーザと、埋込型光導波路を集積した光集積素子が得られる。
【０１６４】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、光導波路の双方のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する構成にすると、例えば、信頼性に優れた低閾値の埋込型半導体レーザと埋込型光導波路を集積した光集積素子が得られる。
【０１６５】
上記光導波路の一方が分布帰還型半導体レーザである構成にすると、端面を反射面としなくてもよいため、半導体レーザ領域のエッチング面に光導波路を直接成長形成することができるので、半導体レーザと光導波路の光集積素子を集積化するのが容易となる。
【０１６６】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子の製造方法において、メサ形状を有する第１の光導波路を形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路領域をメサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、第２の光導波路を再成長して形成する工程とを包含する光集積素子の製造方法によれば、第１の光導波路のメサ形成プロセスにより、同時に第２の光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により第２の光導波路の埋込構造を形成することができる。
【０１６７】
従って、少なくとも２つの光導波路を直接結合した光集積素子を、非常に簡便な工程で作製でき、第２の埋込型光導波路も１回の成長で形成できるので、製造工程の削減と簡略化を図ることができる。
【０１６８】
更には、第１の光導波路領域と第２の光導波路領城の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。尚、第１の光導波路と第２の光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせも不要となり、自己整合的に光軸を合わせることもできる。
【０１６９】
これにより、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、少なくとも１つの光導波路のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する光集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上する。
【０１７０】
上記の光集積素子の製造方法において、平面上に上記第１の光導波路を成長する工程と、第１の光導波路をメサ形状にエッチングする工程とを包含するようにすると、高い結合効率を有するリッジ型光導波路と埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を容易に製造でき、歩留りが向上する。即ち、この製造方法により、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する光集積素子が得られる。
【０１７１】
上記の光集積素子の製造方法において、メサ形状を有する基板上に、上記第１の光導波路をメサ形状を反映して成長する工程を包含するようにすると、第１の光導波路を埋込型とすることができる。しかも、第１の光導波路及び第２の光導波路を、各々１回の成長で形成でき、合計２回の結晶成長で形成できる。
【０１７２】
従って、高い結合効率を有する埋込型光導波路と埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上する。即ち、この製造方法により、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、光導波路の双方のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する光集積素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による光集積素子の構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の実施形態２による光集積素子の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の実施形態３による光集積素子の構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態３による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図７】本発明の実施形態４による光集積素子の構成例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態４による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図９】本発明の実施形態５による光集積素子の構成例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態５による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図１１】２つの光導波路の結合方法を説明する図である。
【図１２】従来の光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ リッジ型光導波路
３ 埋込型光導波路
４、５ 光導波路コア層
６ シリコン酸化膿（ＳｉＯ2）
７ フォトレジストパターン
８ 選択成長用マスクパターン
９ 低屈折率半導体
１０ ｎ−ＧａＡｓ基板
１１ ｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
１２ Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層
１３ ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層
１４ ｐ−Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓガイド層
１５ ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
１６ ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
１７ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１８ Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ下クラッド層
１９ Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓコア層
２０ Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ上クラッド層
２１ メサ形成用マスク
２２ ＳｉＯ2マスク
３０ ｐ−ＩｎＰ基板
３１ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
３２ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層
３３ ｐ−ＩｎＰクラッド層
３４ ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
３５ ＩｎＡｌＡｓ下クラッド層（Ｉｎ組成０．５２）
３６ ＩｎＧａＡｌＡｓコア層
３７ ＩｎＡｌＡｓ上クラッド層（Ｉｎ組成０．５２）
３８ ＳｉＮｘマスク
４０ ｎ−ＧａＡｓ基板
４１ ｎ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層
４２ Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層
４３ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
４４ ｐ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層
４５ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
４６ ｐ−ＩｎＧａＰ下クラッド層
４７ ＩｎＧａＡｓＰコア層
４８ ｎ−ＩｎＧａＰ上クラッド層
５０ メサ形成用ＳｉＮｘマスク
５１ ＳｉＯ2マスク
６０ 半導体基板
６１ 第１コア層
６２ 第２コア層
６３ 上クラッド層
６４ メサ形成用フォトレジストマスク
６５ ＳｉＯ2マスク
７０ ｎ−ＩｎＰ基板
７１ ｎ−ＩｎＰクラッド層
７２ ＩｎＧａＡｓＰ活性層
７３ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
７４ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７５ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
７６ ＦｅドープＩｎＰ電流狭窄層
７７ ＩｎＰ下クラッド層
７８ ＩｎＧａＡｓＰコア層
７９ ＩｎＰ上クラッド層
８０ メサ形成用ＳｉＮｘマスク
８１ 電流狭窄層選択成長用ＳｉＯ2マスク
８２ 光導波路エッチング／再成長用ＳｉＯ2マスク
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つ以上の光導波路を直接結合により集積化する光集積素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザをはじめ、受光素子、光変調器、光導波路など様々な光素子が各種のシステムに用いられている。特に、小型化、低消費電力化、低価格化などを目的として、これら光デバイスを同一の半導体基板上にモノリシックに集積化した光集積素子の開発が盛んになっている。なかでも２つ以上の光導波路を集積し、効率良く光を結合させることは、重要な技術である。
【０００３】
２つの導波路を結合させる代表的な方法として、図１１（ａ）に示す２つの光導波路を近接させて積層し垂直方向で結合させる方法と、図１１（ｂ）に示す一方の光導波路の端面で他方の光導波路を直接結合させる方法がある。
【０００４】
図１１（ａ）に示す方法は、２つの光導波路を同時に成長し形成できるため、製造するのは容易であるが、結合効率が小さいという問題がある。
【０００５】
図１１（ａ）に示す構造において結合効率を上げるためには、２つの導波層の距離を近づける必要があるが、この場合には、第２の光導波路における上クラッド層の厚さが薄くなってしまい、所望の光分布を設計することが困難になる。更には、第１の光導波路に２つの導波層が存在するため、光が広がり、第１の導波層の光密度が低下してしまう。このように、図１１（ａ）に示す方法では、構造上の制約が大きくなり、集積素子としても十分な特性を出すことが難しい。
【０００６】
図１１（ｂ）に示す方法は、結合効率を大きくすることができるが、２つの導波路を別々に形成する必要があるため、成長回数が増え、更には、それぞれの導波路でプロセスの整合をとる必要もあるため、マスク合わせが必要になるなど、製造工程が複雑になるという問題がある。
【０００７】
次に、光導波路の横方向の光閉じ込め方法として代表的なリッジ型光導波路と埋込型光導波路について説明する。
【０００８】
リッジ型光導波路は、リッジストライプを形成し、リッジ部分の実効的な屈折率がリッジ部以外の領域の実効屈折率よりも大きくなるようにして、リッジ部に光を閉じ込める方法である。リッジ型光導波路は、単体光導波路としては、スラブ導波路を中心部のみ残して両側をエッチング除去することで作製でき、製造が容易である。また、コア層に再成長界面が存在しないという利点もある。
【０００９】
埋込型光導波路は、活性領域の上下に加え両脇もクラッド層で埋込み、光を閉じ込める方法である。埋込型光導波路は、通常ＤＨ構造を平面上に成長させた後、メサを形成し、コア両脇にクラッド層を再成長して埋め込む。そのため、埋込型光導波路のコア層の両脇は、一旦空気に曝された後にクラッド層を再成長することになり、再成長界面に酸化膜が形成され、特に、半導体レーザでは信頼牲が著しく低下してしまうという問題がある。埋込型光導波路は、上記リッジ型光導波路に比べて製造工程が複雑ではあるが、コアの幅、層厚、混晶比などの構造設計上の自由度が大きく、導波損失が小さいという利点がある。
【００１０】
ところで、２つ以上の光導波路を集積する光集積素子の場合には、各光導波路にそれぞれの機能を持たせるため、各光導波路は異なる導波構造、光閉じ込め構造で構成することが、光集積素子としての特性及び機能の向上につながる。具体的には、各光導波路は、それぞれ所望の光の分布、形状を得るために、クラッド層、コア層の混晶比、層厚や導波路の幅等が設計されており、例えば、半導体レーザにおいては、閾値電流を下げるために活性層を薄くするといった設計がなされている。
【００１１】
従って、各素子は、その使用目的により最適な構造に設計する必要があるため、異なる機能を持つ光導波路を集積する光集積素子の場合には、それぞれを異なった構造にすることが望ましい。更には、２つの導波路を結合させる場合には、各々の光軸を合わせる必要があり、マスク合わせすること無く自己整合的に光軸が合うように形成することが望ましい。
【００１２】
異なる機能を持つ光導波路を集積した光集積素子として、例えば、特開平７−１４２６９９号公報には、リッジ型光導波路と埋込型光導波路を集積した例が記載されている（従来例１）。
【００１３】
この従来例１の光集積素子の製造方法を、図１２を用いて以下に説明する。
【００１４】
まず、図１２Ａに示すように、半導体基板１上に、リッジ型光導波路２のコア層となる光導波路層４と、埋込型光導波路３のコア層となる光導波路層５を公知の手法により同一基板平面内に形成する。
【００１５】
次に、図１２Ｂに示すように、光導波路４上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）６を通常の化学気相堆積法及びフォトリソグラフィーにより形成する。
【００１６】
次に、図１２Ｃに示すように、リッジ型光導波路２及び埋込型光導波路３を形成するためのフォトレジストパターン７を同一のフォトマスクで同時形成する。
【００１７】
次に、図１２Ｄに示すように、このフォトレジストパターン７をエッチングマスクとして光導波路層５をメサ加工する。その際、光導波路層４は、ＳｉＯ2絶縁膜６で覆われているためエッチング加工は施されない。更に、フォトレジストパターン７をマスクとして、今度は光導波路層４上のＳｉＯ2絶縁膜６を、例えば希釈フッ酸を用いてパターニングする。この状態で、フォトレジストパターン７を除去すると、図１２Ｅに示すようなマスクパターニング８が得られる。
【００１８】
次に、この基板上に、光導波路層４、５を形成する半導体より屈折率の低い半導体９を、例えば有機金属気相成長法を用いて結晶成長する。この場合、マスクパターニング８の上には結晶成長が起こらないため、図１２Ｆに示すように、光導波路４上には、リッジ装荷型光導波路２が、マスクパターニング８に沿って上記結晶成長中に形成される一方、メサ加工された光導波路５は、上記結晶成長中に低屈折率半導体９で埋め込まれた埋込型光導波路３となる。
【００１９】
この従来例１の光集積素子では、異なる光閉じ込め構造であるリッジ装荷型光導波路２と埋込型光導波路３を集積形成しており、光軸は自己整合的に合わせられている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例１による場合には、製造工程の簡略化を狙い、２つの光導波路の上クラッド層９を同時形成しているため、２つの光導波路をそれぞれ独立して設計することができない。
【００２１】
このため、各光導波路の導波構造は、互いに制約を受け、設計の自由度が低下するため、所望の特性や機能を持つ異なる２つの光導波路を集積した集積素子が得られないという問題が生じる。
【００２２】
更には、２つの光導波路のコア層と上クラッド層をそれぞれ別々に形成しているため、その分、成長回数が増え、製造工程が複雑になり、素子の歩留りが低下するという問題が生じる。
【００２３】
加えて、図１２Ｂに示すＳｉＯ2膜６の形成工程と、図１２Ｃに示すフォトレジストパターン７の形成工程において、２つの光導波路領域の境界でマスク合わせを行う必要があるため、これにより素子の歩留りが低下するという問題も生じる。
【００２４】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、所望の特性や機能を有する各光導波路を、直接結合により容易に集積化することができる光集積素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００２５】
本発明の他の目的は、光導波路を構成する各層の成長回数を低減したり、各光導波路領域の境界でのマスク合わせを不要とするなどにより、製造工程の削減と簡略化を図ることができる光集積素子の製造方法を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光集積素子の製造方法は、少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程とを包含する、第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３１】
本発明の光集積素子の製造方法は、少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、基板上の第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨って第１の光導波路のコア層を含む半導体層を成長して形成する工程と、第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程とを包含する、第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
本発明の光集積素子の製造方法は、少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、該メサ形状上の第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨って第１の光導波路のコア層を含む半導体層を成長して形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程とを包含する、第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の光集積素子は、上記光集積素子の製造方法より得られる、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記光集積素子において、前記光導波路の一方が分布帰還型半導体レーザである構造とすることができる。
【００３３】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００３４】
上記構成によれば、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、少なくとも１つの光導波路のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する。このため、コア層の周りは全てクラッド層で包囲され、埋込型光導波路となるので、導波損失を小さくすることが可能となる。しかも、この構成では、コア層両脇に再成長界面がないため、再成長界面に形成される自然酸化膜による光の散乱、吸収がなく、導波損失は更に小さくなる。
【００３５】
直接結合する２つの光導波路はそれぞれ別々に形成することができ、各々の構造的な制約を受けることがないので、例えば、特性の異なる埋込型光導波路とリッジ型光導波路を組み合わせる場合にもそれぞれ最適な構造に設計することができ、所望の特性や機能を有する各光導波路を、直接結合により容易に集積化することが可能となる。
【００３６】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する構成にすると、例えば、メサ下方に平面状に存在する光導波路のコア層を、半導体レーザの活性領域として薄く形成することにより、低閾値で再成長界面の存在しない信頼性の高いリッジ型半導体レーザと、埋込型光導波路を集積した光集積素子が得られる。
【００３７】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、光導波路の双方のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する構成にすると、例えば、信頼性に優れた低閾値の埋込型半導体レーザと埋込型光導波路を集積した光集積素子が得られる。
【００３８】
上記光導波路の一方が分布帰還型半導体レーザである構成にすると、端面を反射面としなくてもよいため、半導体レーザ領域のエッチング面に光導波路を直接成長形成することができるので、半導体レーザと光導波路の光集積素子を集積化するのが容易となる。
【００３９】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子の製造方法において、メサ形状を有する第１の光導波路を形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路領域をメサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、第２の光導波路を再成長して形成する工程とを包含する光集積素子の製造方法によれば、第１の光導波路のメサ形成プロセスにより、同時に第２の光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により第２の光導波路の埋込構造を形成することが可能となる。
【００４０】
より詳しくは、例えば、メサ形状をドライエッチングすると、メサ形状を保ったままエッチングが進み、エッチング後の表面もメサ形状となる。また、メサ形状上に結晶成長を行うと、メサ形状を反映して成長が進む。従って、メサ形状をドライエッチングし、再成長することにより、メサ形状を反映した再成長層の形成が可能となる。
【００４１】
他方、メサ形状上に光導波路を成長すると、メサ形状を反映して成長が進むため、コア層はメサ上部及び底部に成長する。更に、上クラッド層はコア層を覆い成長するため、メサ上部のコア層に対しては、コア層の上側及び両脇に同時にクラッド層が形成されることになり、１回の成長で埋込型の光導波路が形成される。
【００４２】
従って、少なくとも２つの光導波路を直接結合した光集積素子を、非常に簡便な工程で作製でき、第２の埋込型光導波路も１回の成長で形成できるので、製造工程の削減と簡略化を図ることが可能となる。
【００４３】
更には、第１の光導波路領域と第２の光導波路領城の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。尚、第１の光導波路と第２の光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせも不要となり、自己整合的に光軸を合わせることもできる。
【００４４】
これにより、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、少なくとも１つの光導波路のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する光集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上する。
【００４５】
上記の光集積素子の製造方法において、平面上に上記第１の光導波路を成長する工程と、第１の光導波路をメサ形状にエッチングする工程とを包含するようにすると、高い結合効率を有するリッジ型光導波路と埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を容易に製造でき、歩留りが向上する。即ち、この製造方法により、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する光集積素子が得られる。
【００４６】
上記の光集積素子の製造方法において、メサ形状を有する基板上に、上記第１の光導波路をメサ形状を反映して成長する工程を包含するようにすると、第１の光導波路を埋込型とすることが可能となる。しかも、第１の光導波路及び第２の光導波路を、各々１回の成長で形成でき、合計２回の結晶成長で形成できる。
【００４７】
従って、高い結合効率を有する埋込型光導波路と埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上する。即ち、この製造方法により、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、光導波路の双方のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する光集積素子が得られる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００４９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による光集積素子の構成例を示しており、リッジ型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図２に示す製造方法により作製することができる。
【００５０】
以下に、図１に示す実施形態１による光集積素子の製造方法を図２に基づいて具体的に説明する。
【００５１】
まず、図２Ａに示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上に、厚さ１μｍのｎ-Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１１、厚さ０．０８μｍのＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層１２、厚さ０．２μｍのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１３、厚さ０．１μｍのｐ−Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓガイド層１４、厚さ０．０２μｍのｎ−ＧａＡｓ光吸収層１５を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。次に、成長層の最上層であるｎ−ＧａＡｓ光吸収層１５に二光束干渉露光法及びエッチングにより１２０ｎｍ周期の凹凸形状を印刻した後、その上に厚さ０．８μｍのｐ−Ａｌ0.6Ｇ0.4Ａｓクラッド層１６、厚さ０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して、ＤＦＢ−ＬＤ構造を形成する。
【００５２】
次に、図２Ｂに示すように、ストライプ状のマスク２１を形成し、ＲＩＢＥ法により、ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１６の途中までエッチングを行い、リッジストライプを形成する。このリッジストライプは、ＤＦＢ−ＬＤの横方向の光の閉じ込めを行うためのものである。その際、ＤＦＢ−ＬＤ用のリッジストライプに連続して、後にエッチング除去して光導波路構造を成長する領域となるＤＦＢ−ＬＤ上にも同時にリッジを形成しておく。尚、光導波路の導波領域のリッジは、直線である必要はなく、滑らかに曲がっていてもよいし、必要に応じて所望の形状とすることが可能であり、又リッジの幅は一定である必要はなく、幅を変化させてもよい。従って、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでリッジ幅を変えることにより、各々の導波路の幅を独立して設計することができる。
【００５３】
次に、図２Ｃに示すように、マスク２１を除去した後、ＬＤ領域にマスク２２を形成する。マスク２２は、スパッタリング法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＯ2膜のパターンを形成したものである。このフォトリソグラフィーにおいては、先に形成したリッジストライプを内に含んでおれば、マスク合わせを行う必要はなく、マスク２２を形成した領域が、自己整合的に第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ領域となる。
【００５４】
尚、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでリッジ幅を変える場合は、リッジ幅が変わっている境界にマスク２２を合わせてもよいし、リッジ幅が変わっている境界からマスク２２をずらしてもよいが、望ましくは、リッジ幅が変わっている境界よりもＤＦＢ−ＬＤ領域側にマスク２２をずらすと、厳密なマスク合わせも不要となり、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光結合も良好に行われる。
【００５５】
次に、図２Ｄに示すように、上記マスク２２以外の領域を、ＲＩＢＥ法により３．５μｍのエッチングを行う。エッチングを行った領域が自己整合的に第２の光導波路領域となる。このエッチングの際、上記リッジの形状をそのまま引き継ぎ、エッチング後の表面もリッジ形状となっている。尚、このエッチングは、ＲＩＢＥ法以外のドライエッチング又はウェットエッチングで行っても良いが、エッチング端面は垂直になることが望ましい。
【００５６】
次に、図２Ｅに示すように、上記ＬＤ領域のマスク２２を選択成長マスクとして、光導波路構造を再成長して形成する。光導波路構造は、厚さ１．６μｍのＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ下クラッド層１８、厚さ０．５μｍのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓコア層１９、厚さ１．４μｍのＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ上クラッド層２０からなる。このとき、基板のリッジ形状を反映して成長されるため、コア層１９はリッジ上部及び底部に形成され、又リッジ上部のコア層１９の側面は、リッジ底部の上クラッド層２０に覆われ、コア層１９の周りは全てクラッド層１８、１９で包囲されており、埋込型光導波路となっている。ここで、光導波路は、ＤＦＢ−ＬＤ領域のエッチング面に直接成長形成しているが、ＤＦＢ−ＬＤであるため、端面は反射面としなくてもＤＦＢ−ＬＤとして動作する。特に、本実施形態１では、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤとなっており、端面の位相も合わせる必要がないため、製造歩留りが向上する。
【００５７】
次に、ＬＤ領域のリッジ上部のマスクを除去し、ＬＤ領域のリッジ上部及び基板裏面に電極を蒸着し（図示せず）、この光集積素子が完成する。
【００５８】
図１に示すように、先に形成したＤＦＢ−ＬＤの活性層１２と、後に再成長して形成した光導波路のリッジ上部のコア層１９は、同じ高さに位置し、ＤＦＢ−ＬＤにより発生した光は、コア層１９に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。
【００５９】
本実施形態１では、ＤＦＢ−ＬＤのリッジ形成プロセスにより、同時に光導波路領域にもリッジを形成し、このリッジを利用してエッチング、再成長により光導波路の埋込構造を形成していることから、以下の効果が得られる。
【００６０】
（１−１）ＤＦＢ−ＬＤ構造成長後、１度のリッジ形成プロセスとエッチング、再成長という非常に簡便な工程で作製でき、製造工程の削減と簡略化を図ることができる。
【００６１】
（１−２）第２の埋込型光導波路を１回の成長で形成できる。
【００６２】
（１−３）ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。
【００６３】
尚、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせを必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【００６４】
以上のように、リッジ型光導波路（ＤＦＢ−ＬＤ領域）と、埋込型光導波路（光導波路領域）という異なる光閉じ込め構造の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【００６５】
また、この実施形態１では、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路をそれぞれ別々に形成しているので、各々の構造的な制約を受けることなく、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路をそれぞれ最適な構造に設計することができ、設計の自由度が向上した。これにより、設計の自由度と製造の容易さを両立することが可能となった。
【００６６】
本実施形態１では、ＤＦＢ−ＬＤ領域では、閾値電流を下げるために、活性領域を比較的薄くしている。一方、光導波路領域では、コア層を厚くして、ビーム形状を最適な形状にしている。このように、ＤＦＢ−ＬＤの活性層と光導波路のコア層は、厚さも混晶比もそれぞれ異なることから、クラッド層の混晶比もそれぞれ変える必要がある。
【００６７】
上記従来例１では、第１の光導波路及び第２の光導波路の上クラッド層は同時に形成しているため、構造上の制約を受け、光集積素子の設計の自由度が低下し、本実施形態１のように各導波路を最適なものとすることはできなかった。
【００６８】
これに対し、本実施形態１では、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の活性層、コア層、クラッド層はそれぞれ最適な混晶比、層厚に設計することができ、光集積素子としての機能を十分に引き出すことができる。
【００６９】
第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤは、リッジ型光導波路とすることにより、活性層に再成長界面の存在しない信頼性の高いＤＦＢ−ＬＤ素子が得られている。
【００７０】
第２の光導波路は、埋込型光導波路であることから、比較的近い屈折率のクラッド層で両脇を覆われているため、リッジ幅を広げてもシングルモードが保たれ、リッジ幅の自由度が大きくなる。従って、光導波路構造を成長させたとき、リッジ形状を反映して成長するため、成長に従いリッジ幅が広がり、コア層の幅が広がっても、シングルモードは保たれる。また、コア層近傍に屈折率差の大きい空気が存在しないことから、空気の影響を受けることがなく、導波損失が小さくなる。
【００７１】
埋込型光導波路は、通常ＤＨ構造を平面上に成長させた後、メサを形成し、コア両脇にクラッド層を再成長して埋め込む。そのため、埋込型光導波路のコア層の両脇は一旦空気に曝された後にクラッド層を再成長することになり、再成長界面に酸化膜が形成され、光の吸収、散乱が増大し、伝搬損失が増大し、素子の特性の劣化、歩留り低下につながっていた。
【００７２】
しかし、本実施形態１では、コア層両脇の再成長界面がないため、再成長界面に形成される自然酸化膜による光の散乱、吸収がなく、導波損失は更に小さくなる。
【００７３】
リッジストライプをドライエッチングにより形成すると、リッジ形状に庇が形成されることがないため、後のプロセスにおいて、マスク材が庇の奥にまで周り込むことがなく、マスクを除去するときに、マスク材を完全に除去することができ、光導波路部分のエッチング及び光導波路の再成長が良好に行われる。
【００７４】
尚、第２の光導波路を形成した後に、ＤＦＢ−ＬＤ領域のリッジ以外の領域を半導体、樹脂等で埋め込んだものも、本発明の光集積素子に含まれることは言うまでもないことである。
【００７５】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２による光集積素子の構成例を示しており、埋込型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図４に示す製造方法により作製することができる。
【００７６】
以下に、図３に示す実施形態２による光集積素子の製造方法を図４に基づいて具体的に説明する。
【００７７】
まず、図４Ａに示すように、ｐ−ＩｎＰ基板３０に、二光束干渉露光法及びエッチングにより周期２４０ｎｍ、深さ１００ｎｍの回折格子を印刻する。
【００７８】
次に、図４Ｂに示すように、上記基板上に通常のフォトリソグラフィー及び臭素系エッチャントにより、高さ１μｍのメサ形状をＬＤ形成領域及び光導波路形成領域の両方に同時に形成する。その結果、メサ上部には回折格子が残るが、エッチング中に徐々に回折格子の形状がなまり、メサ底部では回折格子が消滅する。
【００７９】
ここで、光導波路の導波領域のメサは、直線である必要はなく、滑らかに曲がっていてもよいし、必要に応じて所望の形状とすることが可能であり、又メサの幅は一定である必要はなく、幅を変化させてもよい。例えば、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでメサ幅を変えることにより、各々の導波路の幅を独立して設計することができる。
【００８０】
次に、図４Ｃに示すように、図４Ｂに示す上記メサ基板上に、厚さ０．２μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３１（エネルギー波長１．２５μｍ）、多重量子井戸活性層３２、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層３３、厚さ０．５μｍのｐ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３４を、ＭＯＣＶＤ法により順次成長してＤＦＢ−ＬＤ構造を形成する。
【００８１】
ここで、多重量子井戸活性層３２は、ウェル層が厚さ７ｎｍのＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ組成０．５３）、バリア層が厚さ３ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（エネルギー波長１．１μｍ）の５層ウェルにより構成され、フォトルミネッセンス測定により測定したエネルギー波長は１．５５μｍであった。
【００８２】
基板のメサ形状を反映して成長されるため、活性層３２はメサの上部及び底部に形成される。また、メサ上部の活性層３２の側面は、メサ底部の上クラッド層３３に覆われ、活性層３２の周りは全てクラッド層３３で包囲されており、埋込型のＤＦＢ−ＬＤとなっている。また、成長が基板のメサ形状を反映して進むため、成長の最表面もメサ形状となっている。
【００８３】
次に、図４Ｄに示すように、ＬＤ領域にマスク３８を形成する。マスク３８は、プラズマＣＶＤ法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＮｘ膜のパターンを形成したものである。このフォトリソグラフィーにおいては、先に形成したメサを内に含んでおれば、マスク合わせを行う必要はなく、マスク３８を形成した領域が、自己整合的に第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ領域となる。
【００８４】
また、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでメサ幅を変える場合は、メサ幅が変わっている境界にマスク３８を合わせてもよいし、メサ幅が変わっている境界からマスク３８をずらしてもよい。望ましくは、メサ幅が変わっている境界よりもＤＦＢ−ＬＤ領城側にマスク３８をずらすと、厳密なマスク合わせも不要となり、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光結合も良好に行われる。
【００８５】
次に、図４Ｅに示すように、上記マスク３８以外の領域を、ＲＩＢＥ法により３μｍのエッチングを行うと、その領域が上記メサの形状をそのまま引き継ぎ、自己整合的に第２の光導波路領域となり、エッチング後の表面にメサ形状が形成される。
【００８６】
次に、図４Ｆに示すように、上記ＬＤ領域のマスク３８を選択成長マスクとして、厚さ０．８μｍのＩｎＡｌＡｓ下クラッド層３５（Ｉｎ組成０．５２）、厚さ０．４μｍのＩｎＧａＡｌＡｓコア層３６（エネルギー波長１．３μｍ）、厚さ１．８μｍのＩｎＡｌＡｓ上クラッド層３７（Ｉｎ組成０．５２）を、順次再成長して光導波路構造を形成する。
【００８７】
このとき、基板のメサ形状を反映して成長されるため、コア層３６はメサ上部及び底部に形成され、メサ上部のコア層３６の側面は、メサ底部の上クラッド層３７に覆われる。従って、コア層３６の周りは全てクラッド層３５、３７で包囲され、埋込型光導波路となる。
【００８８】
次に、ＬＤ領域のメサ上部のマスク３８を除去し、ＬＤ領域のメサ上部及び基板裏面に電極を蒸着し（図示せず）、この光集積素子が完成する。
【００８９】
ＤＦＢ−ＬＤ領域は、メサ上部にのみ回折格子が形成されているため、メサ上部に形成された活性層によって発生した光はこの回折格子により光帰還が働き、ＤＦＢ−ＬＤとして動作する。一方、メサ底部に形成された活性層は、光帰還が行われずＤＦＢ−ＬＤとしては動作しない。また、各層連続して成長形成しているため、活性層に再成長界面の無い埋込型のＤＦＢ−ＬＤとなっており、信頼性に優れた低閾値のＤＦＢ−ＬＤとなった。
【００９０】
図３に示すように、先に形成したＤＦＢ−ＬＤの活性層３２と、後に再成長して形成した光導波路のメサ上部のコア層３７は、同じ高さに位置し、ＤＦＢ−ＬＤにより発生した光は、コア層３７に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。上記実施形態１では、第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ構造を成長させ後にメサを形成していたのに対し、本実施形態２では、メサを形成した基板にＤＦＢ−ＬＤ構造を成長している。
【００９１】
本実施形態２では、予めＤＦＢ−ＬＤ領域及び光導波路領域にメサ形状を形成した基板を用い、このメサを利用してＤＦＢ−ＬＤ及び光導波路を成長形成していることから、以下の効果が得られる。
【００９２】
（２−１）１度のメサ形成プロセスと、ＤＦＢ−ＬＤ構造成長、エッチング、再成長という、非常に簡便な工程で作製でき、製造工程の削減と簡略化を図ることができる。
【００９３】
（２−２）ＤＦＢ−ＬＤ及び第２の埋込型光導波路を各々１回の成長で形成でき、合計２回の結晶成長で形成できる。
【００９４】
（２−３）ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。
【００９５】
尚、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせを必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【００９６】
以上のように、埋込型光導波路（ＤＦＢ−ＬＤ領域）と埋込型光導波路（光導波路領域）の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【００９７】
このように、この実施形態２では、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路をそれぞれ別々に形成するため、各々の構造的な制約を受けることがないので、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路をそれぞれ最適な構造に設計することができ、設計の自由度が向上した。これにより、設計の自由度と製造の容易さを両立することが可能となった。
【００９８】
尚、上記した実施形態２では、ＤＦＢ−ＬＤ及び光導波路の各上クラッド層を別々に形成する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各上クラッド層を同一材料で同時に成長形成する構成としてもよい。
【００９９】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３による光集積素子の構成例を示しており、埋込型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図６に示す製造方法により作製することができる。
【０１００】
以下に、図５に示す実施形態３による光集積素子の製造方法を図６に基づいて具体的に説明する。
【０１０１】
まず、図６Ａに示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板４０上に、厚さ１μｍのｎ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層４１、多重量子井戸活性層４２、厚さ０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（エネルギー波長８５０ｎｍ）ガイド層４３を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。次に、成長層の最上層であるガイド層４３に二光束干渉露光法及びエッチングにより４５０ｎｍ周期の凹凸形状を印刻した後、厚さ０．８μｍのｐ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層４４、厚さ０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層４５を、ＭＯＣＶＤ法により再成長してＤＦＢ−ＬＤ構造を形成する。
【０１０２】
ここで、多重量子井戸活性層４２は、８ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ井戸層及び５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（エネルギー波長８５０ｎｍ）バリア層より構成しており、フォトルミネッセンス測定によるエネルギー波長は９８０ｎｍであった。
【０１０３】
次に、図６Ｂに示すように、ＤＦＢ−ＬＤ領域にメサストライプを形成するために、ストライプ状のマスク５０を形成し、ＲＩＢＥ法により、ｎ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層４１の途中までエッチングを行い、メサストライプを形成する。その際、ＤＦＢ−ＬＤ用のメサストライプに連続して、後にエッチング除去して光導波路構造を成長する領域となるＤＦＢ−ＬＤ上にも同時にメサ形状を形成しておく。
【０１０４】
ここで、マスク５０は、プラズマＣＶＤ法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＮｘ膜のパターンを形成したものである。
【０１０５】
尚、光導波路の導波領域のメサは、直線である必要はなく、滑らかに曲がっていてもよいし、必要に応じて所望の形状とすることが可能であり、又メサの幅は一定である必要はなく、幅が変化してもよい。例えば、ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでメサ幅を変えることにより、各々の導波路の幅を独立して設計することができる。
【０１０６】
次に、図６Ｃに示すように、ＬＤ領域にマスク５１を形成する。マスク５１は、スパッタリング法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＯ2膜のパターンを形成したものである。また、マスク５０で、ＬＤ領域以外に残存しているものも同時に除去する。このフォトリソグラフィーにおいては、先に形成したメサストライプを内に含んでおれば、マスク合わせを行う必要はなく、マスク５１を形成した領域が、自己整合的に第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ領域となる。
【０１０７】
ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域とでメサ幅を変える場合は、メサ幅が変わっている境界にマスク５１を合わせてもよいし、メサ幅が変わっている境界からマスク５１をずらしてもよい。望ましくは、メサ幅が変わっている境界よりもＤＦＢ−ＬＤ領域側にマスク５１をずらすと、厳密なマスク合わせが不要となり、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光結合も良好に行われる。
【０１０８】
次に、図６Ｄに示すように、上記マスク５１以外の領域を、ＲＩＢＥ法により２μｍのエッチングを行い、その領域が上記メサの形状をそのまま引き継ぎ、自己整合的に第２の光導波路領域となり、エッチング後の表面にも、メサ形状が形成される。
【０１０９】
次に、図６Ｅに示すように、メサ上部に、図６Ｂに示すＳｉＮｘマスク５０が残るようにして、メサ上部以外の上記ＬＤ領域のＳｉＯ2マスク５１を全て除去する。
【０１１０】
次に、図６Ｆに示すように、上記ＳｉＮｘマスク５０を選択成長マスクとして、厚さ０．５μｍのｐ−ＩｎＧａＰ下クラッド層４６、厚さ０．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ（エネルギー波長７００ｎｍ）コア層４７、厚さ１．２μｍのｎ−ＩｎＧａＰ上クラッド層４８を順次再成長して、光導波路構造を形成する。
【０１１１】
その際、光導波路は、基板のメサ形状を反映して成長するため、コア層４７はメサ上部及び底部に形成される。この光導波路は、第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤの活性層４２側面にも同時に成長している。そして、ＤＦＢ−ＬＤに対しては、ＬＤの印加電圧とは逆のバイアスになるため、電流阻止層として働き、光学的には活性層４２よりも屈折率の小さい層で埋め込まれており、埋込型のＤＦＢ−ＬＤとなる。
【０１１２】
ＬＤ領域のメサ上部のマスク５０を除去し、ＬＤ領域のメサ上部及び基板裏面に電極を蒸着し（図示せず）、この光集積素子が完成する。
【０１１３】
図５に示すように、先に形成したＤＦＢ−ＬＤの活性層４２と、後に再成長して形成した光導波路のメサ上部のコア層４７は、同じ高さに位置し、ＤＦＢ−ＬＤにより発生した光は、コア層４７に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。
【０１１４】
本実施形態３では、ＤＦＢ−ＬＤのメサ形成プロセスにより、同時に光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により光導波路を形成していることから、以下の効果が得られる。
【０１１５】
（３−１）ＤＦＢ−ＬＤ構造成長後、１度のメサ形成プロセスとエッチング、光導波路再成長という、非常に簡便な工程で作製でき、製造工程の削減と簡略化を図ることができる。
【０１１６】
（３−２）第２の埋込型光導波路を１回の成長で形成できる。
【０１１７】
（３−３）ＤＦＢ−ＬＤ領域と光導波路領域の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。
【０１１８】
尚、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせを必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【０１１９】
以上のように、埋込型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【０１２０】
この実施形態３では、第２の光導波路は、メサ上部のコア層の側面にも、上クラッド層を成長させているが、面方位を選ぶことにより側面には殆ど成長しないようにすることもできる。
【０１２１】
上述した実施形態１〜実施形態３では、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の集積について説明したが、本発明の光集積素子は、この組み合わせに限定されるものではなく、例えば、２つの光導波路の集積、ファブリペロレーザと光導波路の集積としてもよい。半導体レーザと光導波路を集積する場合は、ＤＦＢ−ＬＤは反射端面を必要しないため、集積のし易さを考えるとＤＦＢ−ＬＤと光導波路の組み合わせが望ましい。
【０１２２】
また、第２の導波路をＤＦＢ−ＬＤとしてもよいが、第１の成長の方が第２の成長よりも良好な結晶性が得られるため、よりよい結晶性を必要とするＤＦＢ−ＬＤを第１の成長で行う第１の光導波路とすることが望ましい。
【０１２３】
更には、本発明の光集積素子は、上記の各実施形態で示した材料系に限定されるものではなく、上記の各実施形態で示した以外の材料系に対しても、同様な製法で、同様な構造を作ることができ、これらが本発明に含まれることは言うまでもない。
【０１２４】
（実施形態４）
図７は、本発明の実施形態４による光集積素子の構成例を示しており、埋込型光導波路と埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図８に示す製造方法により作製することができる。
【０１２５】
以下に、図７に示す実施形態４による光集積素子の製造方法を図８に基づいて具体的に説明する。
【０１２６】
まず、図８Ａに示すように、半導体基板６０上に第１コア層６１を気相成長して第１光導波路を形成する。
【０１２７】
次に、図８Ｂに示すように、通常のフォトリソグラフィー及びエッチングにより、フォトレジストマスク６４を形成し、第１光導波路形成領域及び第２光導波路形成領域の両方の領域に同時にメサ形状を形成する。
【０１２８】
次に、図８Ｃに示すように、フォトレジストマスク６４を除去した後、第１光導波路領域に、スパッタリング法及び通常のフォトリソグラフィーにより、ＳｉＯ2マスク６５を形成する。
【０１２９】
このフォトリソグラフィーにおいては、先に形成したメサ形状を内に含んでおれば、マスク合わせを行う必要はなく、マスク６５を形成した領域が、自己整合的に第１光導波路領域となる。
【０１３０】
次に、図８Ｄに示すように、上記マスク６５以外の領域をエッチングを行い、その領域が上記メサ形状をそのまま引き継ぎ、自己整合的に第２光導波路領域となり、エッチング後の表面もメサ形状となる。
【０１３１】
次に、図８Ｅに示すように、上記マスク６５を選択成長マスクとして、第２コア層６２を成長し、第２光導波路を形成する。このとき、コア層６２は、基板のメサ形状を反映して成長するため、メサ上部及び底部に形成される。
【０１３２】
次に、図８Ｆに示すように、マスク６５を除去する。
【０１３３】
次に、図８Ｇに示すように、第１光導波路領域及び第２光導波路領域全体に上クラッド層６３を成長して、この光集積素子が完成する。
【０１３４】
ここで、第２光導波路においては、メサ上部の第２コア層６２の側面は、メサ底部の上クラッド層６３に覆われ、第２コア層６２の周りは全てクラッド層６３で包囲されており、埋込型光導波路となっている。また、第１光導波路においても、メサ上部の第１コア層６１の側面は、メサ底部の上クラッド層６３に覆われ、第１コア層６１の周りは全てクラッド層６３で包囲されており、埋込型光導波路となっている。
【０１３５】
図７に示すように、先に形成した第１光導波路の第１コア層６１と、後に再成長して形成した第２光導波路のメサ上部の第２コア層６２は、同じ高さに位置し、第１光導波路を伝搬した光は、第２コア層６２に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。
【０１３６】
本実施形態４では、第１光導波路のメサ形成プロセスにより、同時に第２光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により第２光導波路を形成していることから、以下の効果が得られる。
【０１３７】
（４−１）第１光導波路を成長後、１度のメサ形成プロセスとエッチング、再成長という、非常に簡便な工程で作製できる。
【０１３８】
（４−２）第１光導波路領域と第２光導波路領域の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。
【０１３９】
尚、第１光導波路と第２光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせも必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【０１４０】
以上のように、２つの埋込型光導波路（第１光導波路と第２光導波路）の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【０１４１】
（実施形態５）
図９は、本発明の実施形態５による光集積素子の構成例を示しており、埋込型ＤＦＢ−ＬＤと埋込型光導波路を集積した構造を有しており、図１０に示す製造方法により作製することができる。
【０１４２】
以下に、図９に示す実施形態５による光集積素子の製造方法を図１０に基づいて具体的に説明する。
【０１４３】
まず、図１０Ａに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板７０上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層７１、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７２（エネルギー波長１．３μｍ）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層７３（エネルギー波長１．０５μｍ）を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。次に、成長層の最上層であるガイド層７３に二光束干渉露光法及びエッチングにより２００ｎｍ周期の凹凸形状を印刻した後、ｐ−ＩｎＰクラッド層７４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７５を、ＭＯＣＶＤ法により順次再成長してＤＦＢ−ＬＤ構造を形成する。
【０１４４】
次に、図１０Ｂに示すように、ストライプ状のＳｉＮｘマスク８０を形成し、ｎ−ＩｎＰクラッド層７１の途中までエッチングを行いメサストライプを形成する。その際、ＤＦＢ−ＬＤ用のメサストライプに連続して、後にエッチング除去して光導波路構造を成長する領域となるＤＦＢ−ＬＤ上にも同時にメサを形成しておく。
【０１４５】
次に、図１０Ｃに示すように、ほぼＤＦＢ−ＬＤ以外の領域にＳｉＯ2マスク８１を形成する。このとき、ＤＦＢ−ＬＤ領域のＳｉＮｘマスク８０が残るようにマスク８１のパターニングを行う。
【０１４６】
次に、図１０Ｄに示すように、マスク８０及びマスク８１を選択成長マスクとして、ＤＦＢ−ＬＤ領域のメサの両側にＦｅドープＩｎＰ電流狭窄層７６を埋込成長し、埋込型ＤＦＢ−ＬＤを形成する。
【０１４７】
次に、図１０Ｅに示すように、マスク８０及びマスク８１を除去する。
【０１４８】
次に、図１０Ｆに示すように、ＤＦＢ−ＬＤ領域にＳｉＯ2マスク８２を形成する。ここで、マスク８２を形成した領域が、第１の光導波路であるＤＦＢ−ＬＤ領域となる。
【０１４９】
次に、図１０Ｇに示すように、上記マスク８２以外の領域を、ＲＩＢＥ法によりエッチングを行い、その領域が上記のメサ形状をそのまま引き継ぎ、第２の光導波路領域となり、エッチング後の表面もメサ形状となる。
【０１５０】
次に、図１０Ｈに示すように、上記マスク８２を選択成長マスクとして、ＩｎＰ下クラッド層７７、ＩｎＧaＡｓＰコア層７８（エネルギー波長１．１μｍ）、ＩｎＰ上クラッド層７９を、順次再成長して光導波路構造を形成する。このとき、コア層７８は、基板のメサ形状を反映して成長するため、メサ上部及び底部に形成され、更にメサ上部のコア層７８の側面にも上クラッド層７９が成長する。このため、コア層７８の周りは全てクラッド層７９で包囲され、埋込型光導波路となる。
【０１５１】
ここで、光導波路は、ＤＦＢ−ＬＤ領域のエッチング面に直接成長形成しているが、ＤＦＢ−ＬＤであるため、端面は反射面としなくてもＤＦＢ−ＬＤとして動作する。
【０１５２】
ＤＦＢ−ＬＤ領域のメサ上部にあるマスク８２をストライプ状に除去し、ＤＦＢ−ＬＤ領域のメサ上部及び基板裏面に電極を蒸着し（図示せず）、この光集積素子が完成する。
【０１５３】
図９に示すように、先に形成したＤＦＢ−ＬＤの活性層７２と、後に再成長して形成した光導波路のメサ上部に形成されたコア層７８は、同じ高さに位置し、ＤＦＢ−ＬＤにより発生した光は、コア層７８に直接結合されるため、大きい結合効率が得られた。
【０１５４】
本実施形態５では、ＤＦＢ−ＬＤのメサ形成プロセスにより、同時に光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により光導波路の埋込構造を形成していることから、以下の効果が得られる。
【０１５５】
（５−１）ＤＦＢ−ＬＤ構造成長後、１度のメサ形成プロセスとエッチング、再成長という、非常に簡便な工程で作製できる。
【０１５６】
（５−２）第２の埋込型光導波路を１回の成長で形成できる。
【０１５７】
尚、ＤＦＢ−ＬＤと光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせを必要とせず、自己整合的に光軸を合わせることができることは、言うまでもない。
【０１５８】
以上のように、２つの異なった構造の埋込型光導波路（ＤＦＢ−ＬＤと光導波路）の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上すると共に、高い光の結合効率が得られた。
【０１５９】
尚、本発明の光集積素子及びその製造方法は、上述した実施形態１〜実施形態５で説明した具体的な構成及び製造方法に限定されるものではなく、例えば、組成比や層厚を変えた構成や他の材料系とすることができ、更には構成及び工程を適宜変更、追加することができることは言うまでもない。
【０１６０】
【発明の効累】
以上説明したように、本発明の光集積素子及びその製造方法によれば、所望の特性や機能を有する各光導波路を、直接結合により容易に集積化することができる。更には、光導波路を構成する各層の成長回数を低減したり、各光導波路領域の境界でのマスク合わせを不要とするなどにより、製造工程の削減と簡略化を図ることもできる。
【０１６１】
より詳しくは、例えば、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、少なくとも１つの光導波路のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在するため、コア層の周りは全てクラッド層で包囲され、埋込型光導波路となるので、導波損失を小さくすることができる。しかも、この構成では、コア層両脇に再成長界面がないため、再成長界面に形成される自然酸化膜による光の散乱、吸収がなく、導波損失は更に小さくすることができる。
【０１６２】
直接結合する２つの光導波路はそれぞれ別々に形成することができ、各々の構造的な制約を受けることがないので、例えば、特性の異なる埋込型光導波路とリッジ型光導波路を組み合わせる場合にもそれぞれ最適な構造に設計することができ、所望の特性や機能を有する各光導波路を、直接結合により容易に集積化することができる。
【０１６３】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する構成にすると、例えば、メサ下方に平面状に存在する光導波路のコア層を、半導体レーザの活性領域として薄く形成することにより、低閾値で再成長界面の存在しない信頼性の高いリッジ型半導体レーザと、埋込型光導波路を集積した光集積素子が得られる。
【０１６４】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、光導波路の双方のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する構成にすると、例えば、信頼性に優れた低閾値の埋込型半導体レーザと埋込型光導波路を集積した光集積素子が得られる。
【０１６５】
上記光導波路の一方が分布帰還型半導体レーザである構成にすると、端面を反射面としなくてもよいため、半導体レーザ領域のエッチング面に光導波路を直接成長形成することができるので、半導体レーザと光導波路の光集積素子を集積化するのが容易となる。
【０１６６】
少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子の製造方法において、メサ形状を有する第１の光導波路を形成する工程と、第１の光導波路領域をマスクする工程と、第２の光導波路領域をメサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、第２の光導波路を再成長して形成する工程とを包含する光集積素子の製造方法によれば、第１の光導波路のメサ形成プロセスにより、同時に第２の光導波路領域にもメサを形成し、このメサを利用してエッチング、再成長により第２の光導波路の埋込構造を形成することができる。
【０１６７】
従って、少なくとも２つの光導波路を直接結合した光集積素子を、非常に簡便な工程で作製でき、第２の埋込型光導波路も１回の成長で形成できるので、製造工程の削減と簡略化を図ることができる。
【０１６８】
更には、第１の光導波路領域と第２の光導波路領城の境界はマスク合わせが不要で、それぞれが自己整合的に配置される。尚、第１の光導波路と第２の光導波路の光軸を合わせるためのマスク合わせも不要となり、自己整合的に光軸を合わせることもできる。
【０１６９】
これにより、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、少なくとも１つの光導波路のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する光集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上する。
【０１７０】
上記の光集積素子の製造方法において、平面上に上記第１の光導波路を成長する工程と、第１の光導波路をメサ形状にエッチングする工程とを包含するようにすると、高い結合効率を有するリッジ型光導波路と埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を容易に製造でき、歩留りが向上する。即ち、この製造方法により、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する光集積素子が得られる。
【０１７１】
上記の光集積素子の製造方法において、メサ形状を有する基板上に、上記第１の光導波路をメサ形状を反映して成長する工程を包含するようにすると、第１の光導波路を埋込型とすることができる。しかも、第１の光導波路及び第２の光導波路を、各々１回の成長で形成でき、合計２回の結晶成長で形成できる。
【０１７２】
従って、高い結合効率を有する埋込型光導波路と埋込型光導波路の直接結合型光導波路集積素子を、容易に製造でき、歩留りが向上する。即ち、この製造方法により、少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、光導波路の双方のコア層が、メサ形状頂部及び底部に存在する光集積素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による光集積素子の構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の実施形態２による光集積素子の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の実施形態３による光集積素子の構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態３による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図７】本発明の実施形態４による光集積素子の構成例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態４による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図９】本発明の実施形態５による光集積素子の構成例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態５による光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図１１】２つの光導波路の結合方法を説明する図である。
【図１２】従来の光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ リッジ型光導波路
３ 埋込型光導波路
４、５ 光導波路コア層
６ シリコン酸化膿（ＳｉＯ2）
７ フォトレジストパターン
８ 選択成長用マスクパターン
９ 低屈折率半導体
１０ ｎ−ＧａＡｓ基板
１１ ｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
１２ Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層
１３ ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層
１４ ｐ−Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓガイド層
１５ ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
１６ ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
１７ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１８ Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ下クラッド層
１９ Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓコア層
２０ Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ上クラッド層
２１ メサ形成用マスク
２２ ＳｉＯ2マスク
３０ ｐ−ＩｎＰ基板
３１ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
３２ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層
３３ ｐ−ＩｎＰクラッド層
３４ ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
３５ ＩｎＡｌＡｓ下クラッド層（Ｉｎ組成０．５２）
３６ ＩｎＧａＡｌＡｓコア層
３７ ＩｎＡｌＡｓ上クラッド層（Ｉｎ組成０．５２）
３８ ＳｉＮｘマスク
４０ ｎ−ＧａＡｓ基板
４１ ｎ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層
４２ Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層
４３ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
４４ ｐ−Ｉｎ0.48Ｇａ0.52Ｐクラッド層
４５ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
４６ ｐ−ＩｎＧａＰ下クラッド層
４７ ＩｎＧａＡｓＰコア層
４８ ｎ−ＩｎＧａＰ上クラッド層
５０ メサ形成用ＳｉＮｘマスク
５１ ＳｉＯ2マスク
６０ 半導体基板
６１ 第１コア層
６２ 第２コア層
６３ 上クラッド層
６４ メサ形成用フォトレジストマスク
６５ ＳｉＯ2マスク
７０ ｎ−ＩｎＰ基板
７１ ｎ−ＩｎＰクラッド層
７２ ＩｎＧａＡｓＰ活性層
７３ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
７４ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７５ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
７６ ＦｅドープＩｎＰ電流狭窄層
７７ ＩｎＰ下クラッド層
７８ ＩｎＧａＡｓＰコア層
７９ ＩｎＰ上クラッド層
８０ メサ形成用ＳｉＮｘマスク
８１ 電流狭窄層選択成長用ＳｉＯ2マスク
８２ 光導波路エッチング／再成長用ＳｉＯ2マスク
Claims (5)
- 少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、
第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、
第１の光導波路領域をマスクする工程と、
第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、
メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程と
を包含する、
第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成する光集積素子の製造方法。 - 少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、
基板上の第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨って第１の光導波路のコア層を含む半導体層を成長して形成する工程と、
第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、
第１の光導波路領域をマスクする工程と、
第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、
メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程と
を包含する、
第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成する光集積素子の製造方法。 - 少なくとも２つの光導波路が直接結合により集積化されるようその一方を第１の光導波路領域上に、その他方を第２の光導波路領域上に配置した光集積素子を製造する方法において、
第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨ってメサ形状を形成する工程と、
該メサ形状上の第１の光導波路が形成される領域および第２の光導波路が形成される領域に跨って第１の光導波路のコア層を含む半導体層を成長して形成する工程と、
第１の光導波路領域をマスクする工程と、
第２の光導波路が形成される領域を、該メサ形状をほぼ保ったままエッチングする工程と、
メサ形状が形成された第２の光導波路が形成される領域上に第２の光導波路のコア層を含む半導体層を、メサ形状をほぼ保ったまま再成長する工程と
を包含する、
第１および第２の光導波路領域にそれぞれ、少なくとも一部をメサ形状とした第１および第２の光導波路を形成する光集積素子の製造方法。 - 少なくとも２つの光導波路を直接結合により集積化する光集積素子において、
一方の光導波路のコア層がメサ形状頂部及び底部に存在し、他方の光導波路のコア層がメサ下方に平面状に存在する、請求項１または２に記載の光集積素子の製造方法より得られる光集積素子。 - 前記光導波路の一方が分布帰還型半導体レーザである請求項４に記載の光集積素子。
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