(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域を有する第一の光導波路を持つ半導体光増幅装置において、前記第一の光導波路の光導波方向は半導体基板の結晶面方位と垂直又は平行であり、スポットサイズ変換領域を有する第二の光導波路が前記第一の光導波路に接続され、前記第二の光導波路は、曲線導波路部を有し、かつ、前記半導体基板の端面と斜行し、前記曲線導波路部の曲率半径は、１２５〜３００μｍであり、前記第二の光導波路と端面との傾き角が５°よりも大きいことを特徴とする半導体光増幅装置。
【請求項２】
前記第一の光導波路を形成した後に、前記第二の光導波路をバットジョイントさせることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる半導体光増幅装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信の発展は日覚ましく、企業だけでなく家庭においてもインターネットに接続して、画像などの大容量データを送受信することが可能である。
このため伝送される情報量が急激に増加しており、これを十分に伝送・処理できる超高速、大容量の伝送網が強く求められている。
そのなかで、光による伝送・処理を用いた光伝送網は、ＴＨｚ級の広い帯域と数十Ｇｂｉｔ／ｓの超高速伝送能力をもつため、現在では通信網の幹線系や海底ケーブル系などで使用されている。
【０００３】
光伝送網は、主に発光器としての半導体レーザや受光器としてのフォトダイオード、伝送路としての光ファイバにより構成されている。
光ファイバでの伝送中や光路切り換えなどの処理中に光信号が受ける損失は、信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比などを劣化させ、受信感度などの伝送特性に大きな影響を与える。
従って、光信号を増幅することができる光増幅器は、光伝送網の構成要素として必須であり、且つ重要である。
【０００４】
光増幅器には、大きく分けて希土類添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅器と、化合物半導体で作製される半導体光増幅器（ＳＯＡ）があるが、ＳＯＡは素子サイズが数ｍｍ以下と非常に小型にすることができ、半導体ウェハ上で多数個を一括作製できるため低廉化やアレイ化が容易である。
また、ＳＯＡの入出力光のスポットサイズを光ファイバのそれと同等程度の３〜４μｍまで拡大するスポットサイズ変換器をＳＯＡの両端にモノリシック集積することによって実装トレランスを大幅に改善させる研究開発が盛んに行われている。
【０００５】
このスポットサイズ変換器は導波路の層厚又は幅が徐々に小さくなる構造をもち、これにより光の導波路への閉じ込めを弱めてスポットサイズを徐々に拡大していくものである。
スポットサイズ変換器を集積したＳＯＡを用いると、シリコン（Ｓi）基板上にガラス導波路を作製した光導波回路（ＰＬＣ）、もしくは直にＳi基板上に簡易に実装することが可能となり、低廉なモジュールの実現が期待できる。
【０００６】
ところで、ＳＯＡで入力光から出力光への増幅率、即ち利得が大きければ、受信感度を向上させたり、伝送路中の光増幅器の数が減らしたりできるため、ＳＯＡには高利得化が求められる。
高利得化のためには、１）活性層の利得係数を大きくする、２）注入電流を大きくする、ことなどが考えられる。
しかし、従来のＳＯＡでは、１）のように活性層を改良して利得係数を高め、２）のように注入電流を大きくしても以下のような発振の問題が生じるため、高利得化は困難となる。
【０００７】
ＳＯＡの原理的な構造を図６に示す。
図６（ａ）に示すように、左方から利得媒質０１に入力された光ａは電流注入ｂにより生じた利得により右方から増幅光ｃとして出力させる。
理想的には注入電流ｂを上げれば、それに見合うだけの利得の上昇が利得媒質０１から得られる。
しかし、実際には図６（ｂ）に示すように、利得媒質０１と空気との界面の屈折率差から利得媒質０１の両端面には、ある反射率をもった反射鏡０２（Ｒ≠０）が形成される。
【０００８】
このため、利得媒質０１と反射鏡０２とで共振器構造を形成し、利得が大きくなると発振現象により発振光ｄが生じるため、利得の大半が発振現象で消費されてしまい、実際には利得を大きくすることができない本質的な原因となる。
そこで、従来のＳＯＡでは端面での反射率を低減するため、図７（ａ）に示すように、両端面にＳiＯ2やＴiＯ2などの誘電体多層膜で構成された反射防止（ＡＲ）膜０３を設けている。
【０００９】
しかし、この方法だけで実用的な高利得を得るために必要な反射率（Ｒ＜０．１％）を実現するためには、膜厚の作製誤差を数％以下に抑える必要があり、再現性や生産性に難点がある。
従来のＳＯＡは図７（ａ）のように、導波路が劈開端面に対し垂直に形成されているため、反射光ｅが再度、活性層０４に結合しやすい構造となっていた。
そこで、さらに反射率を低減する方策として、図７（ｂ）に示すように導波路を壁開端面に対して傾けた構造とすることにより、端面からの反射光ｅを導波路へ結合させないようにする方法が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図８（ａ）及び（ｂ）には端面に対して斜めの導波路構造を実現した従来の構成を示す。
ここでは、スポットサイズ変換器を集積したＳＯＡを考え、電流注入により利得が生じる活性層０１０のある領域を活性領域、導波光のスポットサイズを拡大するスポットサイズ変換（ＳＳ）層０１１のある領域をＳＳ領域と呼ぶ。
図８（ａ）は、活性及びＳＳ領域が直線で端面に対して斜めになっている構造で、活性層０１０の全体が端面に対して斜めになっている。
図８（ｂ）は、活性層０１０が劈開面に垂直な直線導波路０１０ａと曲率半径を持った曲線導波路０１０ｂで構成され、ＳＳ層０１１は劈開面に対して斜めの直線もしくは曲線導波路を持った構造である。
【００１１】
この構造では、活性層０１０とＳＳ層０１１を接続させるために活性層０１０の一部を曲率半径Ｒの曲線導波路（ＢＥＮＤ−ＷＧ）０１０ｂにしている。
ここで、端面は劈開という化合物半導体特有の方法で形成される。
ＩnＰなどの化合物半導体では、その結晶構造から特定の結晶面で結合の弱い部分が存在する。
劈開とは半導体に所定の応力を加えることで、この結合の弱い結晶面に沿って原子層オーダーで平滑な面を得る工程で、端面は必ず所定の結晶面方位と平行又は垂直になる。
ところで、ＳＯＡでは電流が活性層に効率的に注入されるよう注入電流の横方向の経路を狭窄する埋め込み構造を広く用いている。
【００１２】
例えば、ｐｎ−ＢＨと呼ばれる埋め込み構造では、ｎ−ＩnＰ基板を用いる場合、活性層の両脇を結晶成長によりｐ−ＩnＰ／ｎ−ＩnＰ／ｐ−ＩnＰ層で埋め込み、電流注入時にはｐｎ接合の逆バイアスにより埋め込み領域には電流が供給されない。
このため、活性層にのみに電流注入されて効率が向上し、動作電流の低減などに寄与する。
【００１３】
作製方法は図９（ａ）のように活性層を所定の結晶面方位（ここでは（１００）面を表面としたｎ−ＩnＰ基板の［０１１］方向）に平行なメサストライプ状に加工した後、その上部の選択成長マスクを用いてメサストライプ横にｐ−ＩnＰ，ｎ−ＩnＰ層を順次形成する。
その後、選択成長マスクを除去して全面にｐ−ＩnＰ層を形成する。
一方、ＧaＩnＡsＰ系の結晶成長技術では一般的に結晶面方位により成長メカニズムが異なることが広く知られている。
【００１４】
例えば、図９（ｂ）のように［０１−１］方向に平行なメサストライプを形成した場合、前記の結晶面方位に最適化した成長条件では選択性が劣るため選択マスク上にも結晶成長されてしまい易い。
このため、埋め込み構造のように活性層の両脇だけに選択的に結晶成長を行う場合には、結晶面方位を考慮した成長工程を用いる必要がある。
【００１５】
上記のように導波路が端面に対し垂直な場合には結晶面方位を一つのみとすることができるため比較的容易に選択成長条件を得ることができるが、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように活性層０１０の全体もしくは一部が端面に対して斜めとなる場合には、メサストライプにはいくつかの結晶面方位が必ず含まれてしまい結晶成長条件が複雑になる。
その結果として、例えば、図９（ｃ）のように十分な選択成長比をとることができずに選択成長マスク上にも結晶成長されてしまって活性層への均一な電流注入が行えなくなる。
従って、素子特性の劣化や作製再現性の悪化などの問題が生じてしまう。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成する本発明の請求項１に係る半導体光増幅装置は、活性領域を有する第一の光導波路を持つ半導体光増幅装置において、前記第一の光導波路の光導波方向は半導体基板の結晶面方位と垂直又は平行であり、スポットサイズ変換領域を有する第二の光導波路が前記第一の光導波路に接続され、前記第二の光導波路は、曲線導波路部を有し、かつ、前記半導体基板の端面と斜行し、前記曲線導波路部の曲率半径は、１２５〜３００μｍであり、前記第二の光導波路と端面との傾き角が５°よりも大きいすることを特徴とする。
上記課題を達成する本発明の請求項２に係る半導体光増幅装置の製造方法は、請求項１における前記第一の光導波路を形成した後に、前記第二の光導波路をバットジョイントさせることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明におけるＳＯＡの概念図を図１に示す。
ＳＯＡは主に活性層１０とＳＳ層１１から成り、活性層１０に電流注入することで利得を生じさせ、ＳＳ層１１によりスポットサイズの拡大を行って光ファイバと結合させる。図中、３はＡＲ層である。
活性層１０は、所定の結晶面方位に対し平行になるように形成される。
ここで重要なのは、活性層１０が結晶面方位に対し平行な直線導波路のみで構成されることである。
【００１８】
このため上述の結晶成長における問題点は全くない。
また、ＳＳ層１１は、結晶方位に対してθだけ傾いた直線導波路１１ａと、活性層１０とそれとを滑らかに接続させる曲率半径Ｒの曲線導波路１１ｂとからなる。
ここで、曲線導波路１１ｂの長さは曲率半径Ｒと傾きθによって一意に決定される。
さらにＳＳ層１１はスポットサイズ拡大のために層厚方向又は幅方向にテーパ形状となっている。
テーパ形状は形成方法により決まり、放射損失を小さくするために放物線状、あるいは指数関数状が多くの場合に選ばれる。
【００１９】
層厚及び幅が一定である直線導波路では問題にはならないが、曲線導波路１１ｂでは曲げによる放射損失が生じることが知られている。
これは直線導波路１１ａの伝搬モードが全領域で同一なのに対し、曲線導波路１１ｂでは曲線部での伝搬モードが少しずつ異なるために損失を受けるためである。
この放射損失は層厚が一定の場合には、曲率半径を小さくして急激に導波路を曲げると増大することが知られている。
また導波路厚が薄くなると導波路への光の閉じ込めが弱くなり、同じ曲率半径でも放射損失が大きくなる傾向がある。
【００２０】
本発明のＳＯＡで用いているＳＳ層１１のようにテーパ形状をもつ導波路で曲げによる放射損失を低減するために曲率半径を大きくしようとすると、それに伴って曲線導波路１１ｂの長さが増大する。
すると層厚の薄い部分も曲線導波路１１ｂ領域に含まれてしまうため導波路の薄膜化による放射損失の方が増大してしまう。
従って、曲率半径を大きくしても放射損失は必ずしも減少しなくなり、反対に増大する場合もある。
【００２１】
ＳＳ層１１の端面との傾き角度θにおける曲率半径に対する放射損失の計算値を図２に示す。
ここでは一例としてＳＳ領域の全長が２００μｍ及び３００μｍの場合を示す。
図２中の挿入図に示す傾き角度θの値が小さく、導波路が直線に近い場合には、曲率半径Ｒを大きくすることで放射損失が低減できるが、傾き角度θを大きくすると、曲率半径Ｒが２００μｍ近辺までは放射損失が低減できるが、それ以上では逆に増加する傾向を示している。
【００２２】
これは従来の構成では議論されていなかった重要な問題で、放射損失を低減するためには、各傾き角θに対して最適な曲率半径Ｒがあることを示しており、構成を決定する上で必須の条件である。
従って、端面での反射減衰量として実用上必要な３０ｄＢ以上を得るための傾きθ＞５°においては曲率半径Ｒを１００〜５００μｍにすれば低損失な特性が得られる。
更に、言えば、１２５〜３００μｍが好ましく、１５０〜２００μｍが最も好ましい。
【００２３】
〔実施例〕
以下、本発明の半導体光増幅装置について、実施例を参照して説明する。
本発明の一実施例に係る半導体光増幅装置の作製手順を図３及び図４に示す。
先ず、図３（ａ）に示すように、ｎ型−ＩnＰ基板２１上にＭＯＶＰＥ法によりＧaＩnＡsＰ活性層２２とＩnＰ薄クラッド層２３を形成する。
【００２４】
その上に熱ＣＶＤ法を用いてＳiＯ2膜２４を形成し、フォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥ、ウェットエッチングによりスポットサイズ変換層を形成する部分のＳiＯ2膜２４、薄クラッド層２３及び活性層２２を除去する。
次いで、図３（ｂ）に示すように、このＳiＯ2膜２４をマスクとして選択ＭＯＶＰＥ法により、ＧaＩnＡsＰスポットサイズ変換層２５を形成する。
この際、マスクを所定の形状とすることで活性層２２との境界で最も厚く、そこから遠ざかるに従って膜厚が薄くなる層厚テーパ形状を実現している。
【００２５】
このように、活性領域を有する第一の光導波路を形成した後に、ＳＳ領域を有する第二の光導波路をバットジョイントさせて作製方法を用いると、活性層とスポットサイズ変換層とを別々に形成することができるので、活性層は光増幅特性のみに最適化した設計が可能となる。
一方、スポットサイズ変換層は活性層の設計に全く影響されることなく、低伝搬損失、光ファイバとの高効率結合などスポットサイズ変換のみを考慮した設計が可能となる。
【００２６】
従って、活性層及びＳＳ層に対する設計自由度が非常に大きくとれ、高い光増幅特性と低伝搬損失、高結合効率を両立させることが容易になる。
引き続き、ＳiＯ2膜２４をＨＦにより除去し、図３（ｃ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、全面にＩnＰクラッド層２６を形成する。
その後、ＳiＯ2膜２７を形成し、フォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥにより導波路を形成する部分の上部以外のＳiＯ2膜２７を除去する。
【００２７】
そして、図３（ｄ）に示すように、このＳiＯ2膜２７をマスクとしてＣＨ4／Ｈ2−ＲＩＥにより、ＩnＰクラッド層２６、ＩnＰ薄クラッド層２３、ＧaＩnＡsＰ活性層２２、ＧaＩnＡsＰスポットサイズ変換層２５及びｎ−ＩnＰ基板２１の一部を除去する。
更に、図３（ｅ）に示すように、上記ＳiＯ2膜２７を再度、マスクとして選択ＭＯＶＰＥ法により、導波路部分の両脇にｐ−ＩnＰ層２８、ｎ−ＩnＰ層２９を形成する。
【００２８】
その後、ＳiＯ2膜２７をＨＦにより除去し、ＭＯＶＰＥ法により全面にＩnＰオーバークラッド層３０、ＧaＩnＡsＰキャップ層３１を形成する。
そして、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより活性領域以外のキャップ層３１を除去する。
引き続き、ＳiＯ2膜３２を全面に形成し、フォトリソグラフィとＣＦ4／Ｈ2−ＲＩＥにより活性領域上部のＳiＯ2膜３２を除去する。
【００２９】
その後、活性領域上部にＡuＺnＮi／Ａu電極３３、ｎ−ＩnＰ基板にＡuＧeＮi／Ａu電極３４をそれぞれＥＢ蒸着により形成する。
最後に素子端面を劈開により形成し、図４（ｃ）に示すように、両端面にＴiＯ2／ＳiＯ2反射防止膜３５をＥＢスパッタにより形成する。
素子の寸法は、活性層の長さ６００μｍ、活性層の厚さ０．４μｍ、スポットサイズ変換層の長さ３００μｍ，スポットサイズ変換層の厚さ０．４μｍ（活性層との接続部）〜０．２μｍ（素子端面）となるようにした。
【００３０】
また、スポットサイズ変換層の曲線導波路部分の曲率半径Ｒは２００μｍとし、それ以外の部分は結晶面方位に対し傾きθ＝７°の直線導波路とした。
このような工程で作製したＳＯＡにおいて、従来の端面に垂直な導波路のみで構成されたＳＯＡの注入電流２００ｍＡでのチップ利得２５ｄＢよりも大きい３０ｄＢのチップ利得を得た。
また、放射損失については０．５ｄＢ以下と良好な値を得た。
ここでは、両端のＳＳ層が平行となっているＳ字型の構成について示したが、図５に示すように片端のＳＳ層１１が活性層１０を通る直線を中心として折り返したようなコの字型の構成でももちろん良い。
【００３１】
また、本実施例では、活性層とＳＳ層を異なった材料で形成しているが、異なる領域で材料の組成波長を変化させることができる選択マスクを用いた選択結晶成長などにより活性層とＳＳ層を一括して形成してももちろん良い。
また、活性層及びＳＳ層はそれぞれ単一層としているが、活性領域とＳＳ領域に共通の光導波層とその上部に活性層及びＳＳ層を形成したような装荷構造としてももちろん良い。
また、ＳＳ層のテーパ形状を層厚方向に形成しているが、フォトリソグラフィとエッチング技術を用いて幅方向のテーパ形状としてももちろん良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、放射損失を低く抑えた上で、高い利得を実更することができ、これにより高利得の半導体光増幅器を再現性、生産性よく得られるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＳＯＡの概念図である。
【図２】ＳＳ層の端面との傾き角度における曲率半径に対する放射損失の計算値をに示すグラフである。
【図３】本発明の一実施例に係る半導体光増幅装置の作製手順を示す工程図である。
【図４】本発明の一実施例に係る半導体光増幅装置の作製手順を示す工程図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る半導体光増幅装置の斜視図である。
【図６】ＳＯＡの原理的な構造を示す説明図である。
【図７】反射防止膜を設けたＳＯＡの構造を示す説明図である。
【図８】端面に対して斜めの導波路構造を実現した従来のＳＯＡの構造を示す説明図である。
【図９】従来のＳＯＡの作製方法を示す工程図である。
【符号の説明】
３  ＡＲ層
１０  活性層
１１  ＳＳ層
１１ａ  直線導波路
１１ｂ  曲線導波路
２１  ｎ型−ＩnＰ基板
２２  ＧaＩnＡsＰ活性層
２３  ＩnＰ薄クラッド層
２４  ＳiＯ2膜
２５  ＧaＩnＡsＰスポットサイズ変換層
２６  ＩnＰクラッド層
２７  ＳiＯ2膜
２８  ｐ−ＩnＰ層
２９  ｎ−ＩnＰ層
３０  ＩnＰオーバークラッド層
３１  ＧaＩnＡsＰキャップ層
３２  ＳiＯ2膜
３３  ＡuＺnＮi／Ａu電極
３４  ＡuＧeＮi／Ａu電極
【図１】
0003666729.tif 000002
【図２】
0003666729.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003666729.tif 000008
【図８】
0003666729.tif 000009
【図９】
0003666729.tif 000010