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技術 半導体光素子及び光通信モジュール

出願人 日本オクラロ株式会社
発明者 小杉範仁山内俊也山口頼儀
出願日 2017年12月26日 (1年6ヶ月経過) 出願番号 2017-249585
公開日 2018年3月22日 (1年3ヶ月経過) 公開番号 2018-046309
状態 特許登録済
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード 次発振 工程作業 後方端面 アイソレーション層 サブモード 半導体多層 マスク端 位相調整器
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

光軸方向の異なる部位での発光波長の不均一を防止する。

解決手段

共振器部4は、光軸方向で実効屈折率が異なる2以上の領域を含む導波路と、導波路の光軸方向に沿って形成される回折格子5と、を有し、導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子5のピッチを、導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子5のピッチよりも小さくした。

概要

背景

光通信に用いられる半導体光素子には、共振器部と変調器部等が一つの素子集積されるものがある。この半導体光素子の作製方法として、例えば、変調器部の多重量子井戸等の多層構造ウェハ全体に結晶成長した後、最終的に変調器部となる領域にマスクをして、マスク領域以外をエッチングにより除去し、次に、共振器部の多層構造をウェハ全体に結晶成長する、いわゆるButt−Joint(以下BJ)成長方法が知られている。

半導体光素子がBJ成長工程を経て作製される場合、例えば、変調器領域マスクの選択成長効果(以下SAG効果)が半導体光素子の特性に影響する。例えば、下記の特許文献1に記載されているように、光導波路フォトルミネッセンス(以下PL波長は、マスク端からの位置に応じて異なることが知られている。

概要

光軸方向の異なる部位での発光波長の不均一を防止する。共振器部4は、光軸方向で実効屈折率が異なる2以上の領域を含む導波路と、導波路の光軸方向に沿って形成される回折格子5と、を有し、導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子5のピッチを、導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子5のピッチよりも小さくした。

目的

本発明は上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、光軸方向の異なる部位での発光波長の不均一を防止することができる半導体光共振器、光半導体素子及び光通信モジュールを提供する

効果

実績

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請求項1

半導体光共振器と、前記半導体光共振器と光学的に接続される光変調器と、を有し、前記半導体光共振器は、光軸方向で前記光変調器側の端部に近い領域の実行屈折率が前記端部に対して遠い領域の実行屈折率より大きい、2以上の領域を含む導波路と、前記導波路の光軸方向に沿って形成される回折格子と、を有し、前記回折格子のピッチは、前記端部に近い領域から前記端部に遠い領域に亘って段階的に変化し、前記回折格子のピッチの変更領域数は、3以上10以下である、ことを特徴とする半導体光素子

請求項2

請求項1に記載の半導体光素子であって、前記導波路は、光軸方向で前記端部に近い領域の厚みが、前記端部に遠い領域の厚みよりも厚い、ことを特徴とする半導体光素子。

請求項3

請求項1に記載の半導体光素子であって、前記導波路は、光軸方向で前記端部に近い領域のフォトルミネッセンス波長が、前記端部に遠い領域のフォトルミネッセンス波長より長い、ことを特徴とする半導体光素子。

請求項4

請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記導波路に沿ってメサストライプ構造を有することを特徴とする半導体光素子。

請求項5

請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記光導波路の前後方端間の発光波長の差が±2nm以内であることを特徴とする半導体光素子。

請求項6

請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記光共振器と前記光変調器との間にアイソレーション部をさらに有する、ことを特徴とする半導体光素子。

請求項7

請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体光素子を備える光通信モジュール

技術分野

0001

本発明は、半導体光共振器半導体光素子及び光通信モジュールに関する。

背景技術

0002

光通信に用いられる半導体光素子には、共振器部と変調器部等が一つの素子集積されるものがある。この半導体光素子の作製方法として、例えば、変調器部の多重量子井戸等の多層構造ウェハ全体に結晶成長した後、最終的に変調器部となる領域にマスクをして、マスク領域以外をエッチングにより除去し、次に、共振器部の多層構造をウェハ全体に結晶成長する、いわゆるButt−Joint(以下BJ)成長方法が知られている。

0003

半導体光素子がBJ成長工程を経て作製される場合、例えば、変調器領域マスクの選択成長効果(以下SAG効果)が半導体光素子の特性に影響する。例えば、下記の特許文献1に記載されているように、光導波路フォトルミネッセンス(以下PL波長は、マスク端からの位置に応じて異なることが知られている。

先行技術

0004

特開2013−51319号公報

発明が解決しようとする課題

0005

半導体光素子に集積される共振器部(レーザ部)については、光通信品質を高めるための発光波長の安定性を確保する必要がある。このためには、レーザ部に印加する駆動電流を変化させた場合や、レーザ部が経年劣化した場合においても発振モードが変化しないよう、サイドモード抑圧比SMSR)を一定水準以上確保する必要がある。

0006

しかしながら、前述のようにレーザ部をBJ成長させた場合に、BJマスクのSAG効果により、レーザ部の後方端面からBJマスク端に向かってレーザ多層膜厚が厚くなり、組成波長光軸方向において不均一となる。このため、光軸方向にレーザの実効屈折率nが不均一となり、Λを回折格子ピッチとすれば、DFB波長λDFB=2nΛが光軸方向で不均一となる。そして、光軸方向における実効屈折率が不均一性となることにより、例えば分布帰還型(DFB)レーザの場合には、各縦モードの閾利得の周波数対称性が失われ、周波数が小さい側で閾利得が小さくなる。これにより、最小閾利得の次発振モードと、次に小さい閾利得の縦モード(サブモード)の閾利得差が小さくなる。つまり、零次発振モードとサブモードの強度差が小さくなりSMSR歩留を低下させてしまうことがある。

0007

本発明は上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、光軸方向の異なる部位での発光波長の不均一を防止することができる半導体光共振器、光半導体素子及び光通信モジュールを提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために、(1)本発明に係る半導体光共振器は、光軸方向で実効屈折率が異なる2以上の領域を含む導波路と、前記導波路の光軸方向に沿って形成される回折格子と、を有し、前記導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくしたことを特徴とする。

0009

(2)(1)に記載の半導体光共振器において、前記導波路は、光軸方向で厚みが異なる2以上の領域を含み、前記導波路の厚みが大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の厚みが小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくしたこととしてよい。

0010

(3)(1)に記載の半導体光共振器において、前記導波路は、光軸方向でフォトルミネッセンス波長が異なる2以上の領域を含み、前記導波路のフォトルミネッセンス波長が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路のフォトルミネッセンス波長が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくしたこととしてよい。

0011

(4)(1)乃至(3)のいずれかに記載の半導体光共振器において、前記導波路に沿ってメサストライプ構造を有することとしてよい。

0012

(5)(1)乃至(4)のいずれかに記載の半導体光共振器において、前記光導波路の前後方端間の発光波長の差が±2nm以内であることとしてよい。

0013

(6)本発明に係る半導体光素子は、(1)乃至(5)のいずれかに記載の半導体光共振器とButt−Joint構造で接続された光変調器と、を有することを特徴とする。

0014

(7)(6)に記載の半導体光素子において、前記半導体光共振器は、前記光変調器との接続部に近い領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記接続部に対して遠い領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくしたこととしてよい。

0015

(8)(6)に記載の半導体光素子において、前記半導体光共振器は、前記光変調器との接続部から所定の範囲内の領域に対して形成される回折格子に関し、前記導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくし、前記所定の範囲外の領域に対して形成される回折格子のピッチを均一としたこととしてよい。

0016

(9)本発明に係る光通信モジュールは、(1)乃至(5)のいずれかに記載の半導体光共振器、又は(6)乃至(8)のいずれかに記載の半導体光素子を備えることを特徴とする。

発明の効果

0017

本発明によれば、半導体光共振器の光軸方向に設けられる回折格子のピッチを半導体層の実効屈折率に応じて変化させることで、発光波長の不均一を抑制できる。これにより、SMSRの悪化を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0018

本発明の実施形態に係る半導体光素子の平面図および半導体光素子のA−A’における断面図である。
BJ接続部を有する半導体光素子の光軸方向変位PL波長差ΔλPLとの関係を示す図である。
BJ接続部を有する半導体光素子の光軸方向変位と実効屈折率nとの関係を示す図である。
比較例に係る半導体光素子の共振器部における回折格子のピッチ間隔を説明する図である。
本発明の第1の実施形態に係る半導体光素子の共振器部における回折格子のピッチ間隔を説明する図である。
本発明の第2の実施形態に係る半導体光素子の共振器部における回折格子のピッチ間隔を説明する図である。
本発明の第3の実施形態に係る半導体光素子の共振器部における回折格子のピッチ間隔を説明する図である。
本発明の実施形態に係る半導体光素子のDFB波長差ΔλDFBとSMSR歩留との関係を示す図である。

実施例

0019

以下、本発明の実施の形態(以下、実施形態)について、図面を参照して説明する。

0020

図1には、本発明の実施形態に係る半導体光共振器を有する半導体光素子の平面図(a)および光軸における断面図(b)を示した。なお、断面図(b)は、平面図(a)のA−A’における断面に対応している。

0021

図1における符号1は半導体光素子、2は変調器部(光変調器)、3はアイソレーション部、4はレーザ光発振する共振器部(半導体光共振器)、5は回折格子、6A,6B,6Cは変調器部2や共振器部4に電圧電流を印加するための電極であり、6Aは変調器部上に設けられるパッド電極、6Bはパッド電極と接続し変調器部2の光導波路上に設けられる電極であり、6Cは共振器部4上に設けられる電極であり、7は活性層である。図1には半導体光素子にアイソレーション部3を設けた例を示したが、アイソレーション部3を設けずに、共振器部4と変調器部2とを接合させてもよい。また、電極6(6A,6C)にはワイヤボンディングされていてもよい。なお、変調器部4は、共振器部2から入射されたレーザ光を変調し、変調したレーザ光を前方の端面(A側)から変調光信号として出射する。

0022

ここで、図1に示した半導体光素子(EA/DFBレーザ)の作製方法の概要を説明する。

0023

まず、InP基板上に変調器部2(EA部)の多層成長を実施し、SiO2のマスクで変調器部2(EA部)を残すようにエッチングし、共振器部4(LD部)の多層成長を実施する。この際、マスクのSAG効果(選択成長効果)により、共振器部4の厚みが光軸方向で不均一となる。その後、SiO2のマスクで変調器部2と共振器部4を残すようにエッチングし、アイソレーション部3の多層成長を行う。その後、電子線描画で形成したマスクを用い、実効屈折率に合わせた回折格子ピッチで配置される複数のピッチの回折格子を含む回折格子層を形成する。続いて、上部クラッド層及びコンタクト層の多層成長を行う。さらに、メサストライプを形成し、半絶縁InP埋込層を形成する。最後に半導体表面にパッシベーション膜を形成し、スルーホールを開け、通電のための電極層を形成して、図1の半導体光素子1を作製することができる。

0024

図1に示した変調器部2と共振器部4を備える半導体光素子1では、図1の断面図(b)に示されるように、活性層7は、BJマスクのSAG効果によりBJ接続部(変調器部2と共振器部4との接続部)に近づくにつれ厚くなっている。

0025

ここで、図4には、BJ成長工程を経て作製した変調器部2と共振器部4とを備える半導体光素子1の光軸方向変位とPL波長差ΔλPLの関係を示した。図4において、横軸の光軸方向の変位は、変調器部2と共振器部4との接続部を0とし、接続部から後方端側(A’側)への距離を示している。また、PL波長λPLは後方端(A’側)の値を基準としており、図2における縦軸のPL波長差ΔλPLは、光軸方向の変位位置におけるPL波長と、後方端におけるPL波長との波長差を表している。図4に示されるように、共振器部4の厚みは、変調器部2と共振器部4との接続部であるBJ接続部に近づくにつれ大きくなるため、共振器部4の各位置におけるPL波長もBJ接続部に近づくにつれ大きくなっている。特に、BJ接続部から100μm以内の範囲では、PL波長差ΔλPLは指数関数的に大きくなっている。

0026

また、図5は、BJ成長工程を経て作製した変調器部2と共振器部4とを備える半導体光素子1の光軸方向変位と実効屈折率差Δnとの関係を示した。図5において、横軸の光軸方向の変位は、変調器部2と共振器部4との接続部を0とし、接続部から後方端側(A’側)への距離を示している。また、実効屈折率nは後方端(A’側)の値を基準としており、図5における縦軸の実効屈折率差Δnは、光軸方向の変位位置における実効屈折率と、後方端における実効屈折率との差を表している。図5に示されるように、共振器部4の実効屈折率は、BJ接続部に近づくにつれ大きくなっている。特に、BJ接続部から100μm以内の範囲では、実効屈折率差Δnは指数関数的に大きくなっている。

0027

ここで、図3には、本実施形態の比較例に係る半導体光素子11の共振器部4の概略を説明する断面図を示した。なお、図3に示した半導体光素子11の断面図では、アイソレーション層を省略している。図3において、101は第一半導体多層(例えばEA多層)であり、102は第二半導体多層(例えばLD多層)であり、103は回折格子層、104は活性層である。

0028

図3において、回折格子層103に形成される複数の回折格子15に関し、変調器部2に近い順に15(1)、15(2)、・・・、15(N)と表記する。ここで、Nは2以上の整数である。そして、比較例に係る回折格子15のピッチΛの大きさは、各位置で一定(D)である。

0029

ここで、DFB波長λDFBは、実効屈折率n、回折格子のピッチΛとした場合に、λDFB=2nΛで表され、図3に示した比較例に係る半導体光素子11のように、回折格子ピッチΛを素子内で均一とした場合には、図5で示したように、BJ接続部からの位置に応じて実効屈折率nが変化しているため、BJ接続部からの位置に応じてDFB波長λDFB=2nΛが不均一となってしまう。そのため、比較例に係る半導体光素子1のように回折格子のピッチをBJ接続部からの位置に依らず(すなわち、LD多層の厚みに依らず)一定とした場合にはSMSR歩留が低下する可能性がある。

0030

これに対して、本発明では、共振器部4の各位置におけるDFB波長を均一とするために、共振器部4の各位置における回折格子のピッチを調整するようにしている。例えば、BJ接続部から近い回折格子のピッチを、BJ接続部から遠い回折格子のピッチよりも狭くすることで、共振器部4の各位置での回折格子のピッチを一定とする場合に比べて、DFB波長を均一化することができる。以下、本発明における共振器部4に形成される回折格子の構成について具体例を挙げて説明する。

0031

図2には、本発明の第1実施形態に係る半導体光素子1に備えられる共振器部4の概略を説明する断面図を示した。なお、図2に示した半導体光素子1の断面図では、比較例に係る半導体光素子1と同様にアイソレーション層を省略している。図2において、101は第一半導体多層(例えばEA多層)であり、102は第二半導体多層(例えばLD多層)であり、103は回折格子層、104は活性層である。

0032

図2において示された回折格子層103に形成される複数の回折格子5に関し、変調器部2に近い順に5(1)、5(2)、・・・、5(N)と表記する。ここで、Nは2以上の整数である。このとき、回折格子5(i)と回折格子5(i+1)との間隔(ピッチ)の大きさをD(i)で表し、iは1〜N−1の整数とする。そして、本実施形態に係る共振器部4においては、BJ接続部からの距離に応じて(すなわち、共振器部4の活性層の厚みに応じて)回折格子のピッチの大きさD(i)を変化させることとしている。例えば、1≦i<j≦Nを満たす整数i,jに関し、少なくともD(i)<D(j)の関係が成立する回折格子のピッチが1以上存在することとしてもよい。そして、1≦i<j≦Nを満たす任意の整数i,jに関し、回折格子5(i)の位置における実効屈折率n(i)、回折格子5(j)の位置における実効屈折率n(j)とした場合に、|2n(i)D(i)−2n(j)D(j)|≦Th(例えばThは2nm)を満たすように、回折格子のピッチを設定することとしてよい。

0033

このように、DFB波長λDFBを一定とするためには、屈折率nが大きくなった場合には対応する箇所の回折格子ピッチΛを小さくさせればよい。例えば、図5に示された実効屈折率変化に合わせて、回折格子ごとに回折格子ピッチΛを変化させてもよい。この場合には、図2に示される回折格子のピッチの大きさD(i)を、回折格子5(i)と回折格子5(i+1)とにおける実効屈折率の中間値をniとした場合に、D(i)=λDFB/2niに設定することとしてよい。

0034

もちろん、回折格子ごとにピッチを変化させずに、図7に示される第2の実施形態に係る半導体光素子1のように、回折格子のピッチを段階的に変化させるようにしてもよい。

0035

図7には、第2の実施形態に係る半導体光素子1に備えられる共振器部4の概略を説明する断面図を示した。図7に示した第2の実施形態は、回折格子のピッチ以外は、図2に示した第1の実施形態に係る半導体光素子1と同様の構成を有している。以下、相違点について説明する。

0036

図7に示される第2の実施形態に係る半導体光素子1の例では、回折格子ごとにピッチを設定するのではなく、回折格子のピッチをM(MはNより小さい整数)段階に分けて設定することとしている。このように、回折格子のピッチを、段階的に変化をさせる場合には、実効屈折率の単位長当り変化率を軽減するため、異なる回折格子ピッチ領域の境界で、実効屈折率に合わせて中間的な長さのピッチを設定することとしてよい(例えば、同じピッチとするK個(Kは2以上の整数)の回折格子における実効屈折率のうち中間的な実効屈折率に基づいてK個に共通するピッチを設定することとしてよい)。さらに回折格子ピッチを段階的に変化させる場合は、SMSR歩留向上の効果を検討したところ、ピッチの変更領域数(すなわちM)は3以上であれば、良好なSMSR歩留を確保できる。そして回折格子ピッチの変更領域数(すなわちM)の上限は、回折格子形成工程作業が複雑となることから、10以下が望ましい。すなわち、回折格子のピッチの段階数Mは3以上10以下とすることとしてよい。

0037

また、図8には、第3の実施形態に係る半導体光素子1に備えられる共振器部4の概略を説明する断面図を示した。図8に示した第3の実施形態は、回折格子のピッチ以外は、図2に示した第1の実施形態に係る半導体光素子1と同様の構成を有している。以下、相違点について説明する。

0038

図8に示されるように、第3の実施形態では、半導体光素子1における回折格子ピッチの変更領域を、BJ接続部付近からLの範囲内(例えばL=200um程度)とし、BJ接続部付近からLより大きい部位については(すなわち、BJ接続部付近からLより大きく、LD部の後方端面までは)均一(等間隔)の回折格子ピッチとしてもよい。これは、図5より実効屈折率nの変化が、BJ接続部から200um程度まででおおむね飽和している点に着目したものであり、第3の実施形態によれば、回折格子のピッチの変化領域を第1及び第2の実施形態に比べて小さくし、第1の実施形態に比べては回折格子のピッチの変化段階数を減じることができる。

0039

ここで、図6には、本発明の実施形態に係る半導体光素子1のDFB波長差ΔλDFBとSMSR歩留の関係を示した。ここでΔλDFBとは半導体光素子1は発振するレーザ光の波長幅を示す。例えば比較例の図3の場合は、ΔλDFB=2×n(1)×D−2×n(N)×Dである。ここでn(1)はBJ接続部に最も近い領域の実行屈折率であり、n(N)は逆側の最も遠い領域の実行屈折率である。図6に示される関係は、実際に作製した1.55μm帯の変調器集積型半導体光素子1のDFB波長差ΔλDFBの実績に基づく計算結果である。計算は、実効屈折率の変化に合わせて、回折格子ピッチを8段階に変化させ、DFB波長差ΔλDFBを低減させたという条件下で行った。

0040

図6に示される関係に関し、まず、DFB波長差ΔλDFBが最大の点(3.56,65.8%)は対策前素子(すなわち、図3に示される回折格子の構造を有する半導体光素子1)の実績である。SMSR歩留は最も小さく、DFB波長差ΔλDFBを低減するにつれ、SMSR歩留は向上する。特に、DFB波長差ΔλDFBが2nm以下では、目標のSMSR歩留80%を超え、かつ歩留はほぼ飽和し、DFB波長差ΔλDFBがゼロの場合(最適化された場合)とほぼ同等の歩留となることが見込まれる。

0041

もちろん、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この分野の通常の知識を有する当業者によって多様な変更、変形又は置換が可能であることはいうまでもない。例えば、波長帯に関しては1.55μmに限らず、光通信に使われる1.3μm帯やその他の波長においても同様の効果が得られることはいうまでもない。また、本発明は分布反射型DBR)レーザにおいても適用可能であり、共振器と集積される半導体光素子1はEA変調器に限らず、位相変調器位相調整器増幅器であってもよい。さらに本発明は、LD部の多層の厚さがBJ接続部付近のほうが薄い場合においても適用できる。この場合には、回折格子ピッチを大きくすることでDFB波長λDFBを一定とすることができる。

0042

また、本発明に係る半導体光素子1は、変調器部2に入力される伝送信号に応じて変調した光信号を出力する光通信モジュールに搭載することとしてよい。

0043

1半導体光素子、2変調器部、3アイソレーション部、4共振器部、5回折格子、6,6A,6B,6C電極、7活性層、101 第一半導体多層、102 第二半導体多層、103回折格子層、104 活性層。

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