(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された回折格子と、前記回折格子表面に形成された前記半導体基板の組成と所定の添加物の組成とから成る圧縮歪を有する変成層と、前記変成層上に回折格子を埋め込むように形成された伸張歪を有するガイド層と、前記ガイド層上の圧縮歪を有する量子井戸活性層と、前記活性層上のクラッド層とを有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記変成層が有する圧縮歪と前記量子井戸活性層が有する圧縮歪と前記ガイド層が有する伸張歪との蓄積歪量が、半導体結晶の臨界歪量以下になるような伸張歪量が前記ガイド層に導入されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記光半導体装置が分布帰還型半導体レーザであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記光半導体装置が分布反射型半導体レーザであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記半導体基板がＩｎＰであり、前記ガイド層がＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＧａＡｌＡｓであることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記添加物がＡｓ化合物を含むことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記添加物がＡｓ化合物とＰ化合物とを含むことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５に記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記変成層がＩｎＡｓＰであることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５に記載の光半導体装置。
【請求項９】
半導体基板上に回折格子を形成する工程と、前記回折格子表面に前記半導体基板の組成と所定の添加物の組成とから成る圧縮歪を有する変成層を形成する工程と、前記変成層上に回折格子を埋め込むように伸張歪を有するガイド層を形成する工程と、前記ガイド層上に圧縮歪を有する量子井戸活性層を形成する工程と、前記活性層上にクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記変成層が有する圧縮歪と前記量子井戸活性層が有する圧縮歪と前記ガイド層が有する伸張歪との蓄積歪量が、半導体結晶の臨界歪量以下になるように前記ガイド層に伸張歪を導入することを特徴とする請求項９に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０に記載の光半導体装置あるいは製造方法によって製造された光半導体装置と、該光半導体装置からの出力光を外部に導波するための手段と、この導波手段に前記光半導体装置からの出力光を入力する機構と、前記光半導体装置を駆動するための電気的インターフェースとを備えることを特徴とする光通信用モジュール。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１に記載の光半導体装置あるいは製造方法によって製造された光半導体装置もしくは光通信用モジュールが搭載された光送信装置と、この光送信装置からの出力光を受信するための光受信装置とを備えることを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置及びその製造方法並びにその光半導体装置を搭載した光通信用モジュール，光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年急激に伸びている通信需要に対応するため、１本の光ファイバ中に異なる波長の光信号を伝送させることにより、光ファイバを新たに増設することなく大幅に通信容量を拡大できる波長分割多重（ＷＤＭ：wavelength  division multiplexing）光通信システムが進展してきている。このＷＤＭ光通信システムには、発振波長（発振スペクトル）純度の高い光源が必要なため、縦単一モード発振が可能な分布帰還型（ＤＦＢ：distributed  feedback）半導体レーザが用いられる。このＤＦＢレーザの分布帰還動作による縦単一モード発振動作は、半導体光導波路内部に周期的な屈折率変化を発生させる回折格子を導入することで実現される。また、ＷＤＭシステムの低消費電力化や高信頼化の観点から、ＤＦＢレーザのレーザ発振しきい値電流の低減や、光出力の向上、信頼性の向上が必要であり、ＤＦＢレーザ活性層の結晶品質を向上させることが非常に重要である。T.Kouiらによってジャーナル・オブ・クリスタル・グロース誌、Vol．195，503-509ページ(1998年)に開示されている様に、光通信に用いられる波長１．３μｍ帯および１．５５μｍ帯の従来のＤＦＢレーザは、回折格子をＩｎＰ基板上に形成し、この回折格子上に活性層を形成する方法が用いられている。活性層の形成には有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：metal-organic  vapor phase  epitaxy）による結晶成長が一般的に用いられるが、成長温度である６００℃〜６５０℃に昇温する過程で、ＩｎＰ回折格子が崩れやすいことから、回折格子表面に例えば蒸気圧の低い砒素（Ａｓ）を含む層をコーティングして回折格子を保護する手法が用いられている。Ａｓを含む層をコーティングする方法は、成長温度への昇温待機中にＶ族原料であるホスフィン（ＰＨ３）とアルシン（ＡｓＨ３）とを供給することによって回折格子表面にＩｎＡｓＰ変成層がコーティングされる。回折格子高さ（回折格子の山谷の振幅）は、回折格子表面に形成するＩｎＡｓＰ変成層の組成によって制御され、より高い回折格子を保存するためにはＩｎＡｓＰ変成層のＡｓ組成を増やすことで実現できる。したがって、昇温待機中に供給するＰＨ３とＡｓＨ３との供給比を調整するだけで回折格子高さを制御できるという利点がある。一方、ＩｎＡｓＰ変成層はＩｎＰ基板に対して圧縮性の格子歪（ＩｎＰよりも大きな格子定数）を有するため、Ａｓ組成が大きくなると格子歪により、回折格子上に形成するレーザ活性層の結晶品質を劣化させる原因となる課題を有している。特に、半導体レーザの低しきい値化、高出力化に有利な圧縮歪型の歪量子井戸活性層を回折格子上に形成する場合にＩｎＡｓＰ変成層の圧縮歪と歪量子井戸の圧縮歪との両方が蓄積されるため結晶品質に問題が生じやすい。
【０００３】
従来の光半導体装置の一例として、分布帰還型半導体レーザについて要部断面図として示す図４（ａ）及び、回折格子部分の拡大図として示す図４（ｂ）を用いて説明する。分布帰還型半導体レーザ１（以降ＤＦＢレーザ１と呼ぶ）は、例えばｎ型ＩｎＰ基板２表面に形成された所定の周期の回折格子３と、その回折格子３表面にＩｎＡｓＰから成る変成層４と、その変成層４上に回折格子３を埋め込むように形成された無歪のｎ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第１のガイド層５と、その第１のガイド層５上に形成された圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＰから成る多重井戸活性層６（以降、ＭＱＷ層６と呼ぶ）と、そのＭＱＷ層６上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第２のガイド層７と、その第２のガイド層７上に形成されたｐ型ＩｎＰから成るクラッド層８と、そのクラッド層８上に形成されたＩｎＧａＡｓＰから成るキャップ層９と、前端面に施された無反射コーティング１０及び後端面に施された反射コーティング１１とで構成されている。
【０００４】
次に、このＤＦＢレーザ１の製造方法の一例を説明する。先ず、例えばｎ型ＩｎＰ基板２上に所定の周期の回折格子３を干渉露光技術とエッチングを用いて形成し、その回折格子３上に有機金属気相成長法（以降、ＭＯＶＰＥと呼ぶ）を用いて無歪のｎ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第１のガイド層５を結晶成長させる。ここで、この第１のガイド層５の結晶成長に先立ち、結晶成長装置（図示せず）内での昇温待機時（ＩｎＧａＡｓＰの成長温度より低い温度時）にＡｓＨ３及びＰＨ３を添加物として添加し回折格子３の表面に薄いＩｎＡｓＰから成る変成層４を形成する。これにより回折格子３が第１のガイド層５の結晶成長時に高温に晒されても、その形状が崩れることを防止する。尚、この変成層４はｎ型ＩｎＰ基板２よりも格子定数が大きいため圧縮歪ε１を有する。その後、変成層４上に回折格子３を埋め込む厚さまで無歪のｎ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第１のガイド層５を成長させ、その第１のガイド層５上に圧縮歪ε２を有するＩｎＧａＡｓＰから成るＭＱＷ層６を形成する。次に、そのＭＱＷ層６上にｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第２のガイド層７を結晶成長させ、その第２のガイド層７上にｐ型ＩｎＰから成るクラッド層８を結晶成長させ、そのクラッド層８上にＩｎＧａＡｓＰから成るキャップ層９を結晶成長させる。次に、端面を劈開で形成した後、前端面に無反射コーティング１０、後端面に反射コーティング１１を施し図４に示したＤＦＢレーザ１が完成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の光半導体装置では、第１のガイド層をＭＯＶＰＥで結晶成長させる際に回折格子が高温に晒されその形状が崩れることを防止するため回折格子表面に所定の添加物を添加し回折格子保護用の変成層を形成するが、この変成層は格子定数が半導体基板よりも大きく圧縮歪を有する。この変成層が有する圧縮歪ε１と、その上方に第１のガイド層を介して形成するＭＱＷ層の圧縮歪ε２との蓄積歪が半導体結晶の臨界歪量を越えると結晶性が崩れ転移が生じ、その結果、ＤＦＢレーザのしきい値が上がるなど特性を劣化させる虞があった。
【０００６】
本発明の目的は、変成層が有する圧縮歪ε１と、その上方に第１のガイド層を介して形成するＭＱＷ層が有する圧縮歪ε２との蓄積歪が半導体結晶の臨界歪量を越えないように応力補償する光半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体装置は、半導体基板上に形成された回折格子と、回折格子表面に形成された半導体基板の組成と所定の添加物の組成とから成る圧縮歪を有する変成層と、変成層上に回折格子を埋め込むように形成された伸張歪を有するガイド層と、ガイド層上の圧縮歪を有する量子井戸活性層と、活性層上のクラッド層とを有することを特徴とする光半導体装置である。
【０００８】
本発明の光半導体装置の製造方法は、半導体基板上に回折格子を形成する工程と、回折格子表面に半導体基板の組成と所定の添加物の組成とから成る圧縮歪を有する変成層を形成する工程と、変成層上に回折格子を埋め込むように伸張歪を有するガイド層を形成する工程と、ガイド層上に圧縮歪を有する量子井戸活性層を形成する工程と、活性層上にクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体装置の一例として、分布帰還型半導体レーザについて要部断面図として示す図１（ａ）及び、回折格子部分の拡大図として示す図１（ｂ）を用いて説明する。図４と同一部分には同一符号を用いて説明を省略する。分布帰還型半導体レーザ１０１（以降ＤＦＢレーザ１０１と呼ぶ）は、例えばｎ型ＩｎＰ基板２表面に形成された所定の周期の回折格子３と、その回折格子３表面にＩｎＡｓＰから成る圧縮歪ε１を有する変成層４と、その変成層４上に回折格子３を埋め込むように形成された伸張歪ε３を有するｎ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第１のガイド層１０２と、その第１のガイド層１０２上に形成された圧縮歪ε２を有するＩｎＧａＡｓＰから成る多重井戸活性層６（以降、ＭＱＷ層６と呼ぶ）と、そのＭＱＷ層６上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第２のガイド層７と、その第２のガイド層７上に形成されたｐ型ＩｎＰから成るクラッド層８と、そのクラッド層８上に形成されたＩｎＧａＡｓＰから成るキャップ層９と、前端面に施された無反射コーティング１０及び後端面に施された反射コーティング１１とで構成されている。上記の第１のガイド層１０２に導入する伸張歪ε３は、変成層４が有する圧縮歪ε１とＭＱＷ層６が有する圧縮歪ε２との蓄積歪を応力補償する大きさである。
【００１０】
次に、このＤＦＢレーザ１０１の製造方法の一例を説明する。先ず、例えばｎ型ＩｎＰ基板２上に所定の周期の回折格子３を干渉露光技術とエッチングを用いて形成し、その回折格子３上に有機金属気相成長法（以降、ＭＯＶＰＥと呼ぶ）を用いて伸張歪ε３を有するｎ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第１のガイド層１０２を結晶成長させる。ここで、この第１のガイド層１０２の結晶成長に先立ち、結晶成長装置（図示せず）内での昇温待機時（ＩｎＧａＡｓＰの成長温度より低い温度時）にＡｓＨ３及びＰＨ３を添加物として添加し回折格子３の表面に薄いＩｎＡｓＰから成る変成層４を形成する。これにより回折格子３が第１のガイド層１０２の結晶成長時に高温に晒されてもその形状が崩れることを防止する。その後、変成層４上に回折格子３を埋め込む厚さまで伸張歪ε３を有するｎ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第１のガイド層１０２を成長させ、その第１のガイド層１０２上に圧縮歪ε２を有するＩｎＧａＡｓＰから成るＭＱＷ層６を形成する。次に、そのＭＱＷ層６上にｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成る第２のガイド層７を結晶成長させ、その第２のガイド層７上にｐ型ＩｎＰから成るクラッド層８を結晶成長させ、そのクラッド層８上にＩｎＧａＡｓＰから成るキャップ層９を結晶成長させる。次に、劈開で端面を形成した後、前端面に無反射コーティング１０、後端面に反射コーティング１１を施し図１に示したＤＦＢレーザ１０１が完成する。この光半導体装置１０１は、結晶性が壊れる虞がなく、低しきい値及び高効率特性を有している。
【００１１】
尚、ここでは、光半導体装置の一例として分布帰還型（ＤＦＢ：distributed  feedback）半導体レーザで説明したが、分布反射型（ＤＢＲ：distributed  bragg reflector）半導体レーザであっても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、上記では、ＩｎＧａＡｓＰから成るガイド層，ＡｓＨ３及びＰＨ３を含む添加物で説明したが、ガイド層としては例えばＩｎＧａＡｌＡｓでもよく、添加物は少なくともＡｓ化合物を含んでいればよい。
【００１２】
次に、本発明に係る光半導体装置を搭載した光送信モジュールの一例について図２を用いて説明する。光送信モジュール３００は、本発明に係る光半導体装置３０１と、光半導体装置駆動用の電気的インターフェース３０２と、非球面レンズ３０３と、光アイソレータ３０４とを有し、光ファイバ３０５に接続され、光半導体装置３０１からの出力光が非球面レンズ３０３および光アイソレータ３０４を介して光ファイバ３０５へ入力されるように配置されている。この光送信モジュール３００によると、低い消費電力で動作させることができる。これは、本発明に係る光半導体装置３０１が低しきい値及び高効率特性を有していることに起因する。
【００１３】
次に、上記光送信モジュール３００を搭載した光送信装置を用いたＷＤＭ光通信システムの一例について図３を用いて説明する。ＷＤＭ光通信システム４００は、光送信装置４０１と、光ファイバ３０５と、光受信装置４０２とで構成されている。光送信装置４０１は、発光波長の異なる３２個の光送信モジュール３００と、該光送信モジュール３００からの光を合波する光合波器４０３と、光送信モジュール３００を駆動するための光送信モジュール駆動系４０４とを有し、光受信装置４０２は、光分波器４０５と、３２個の受光モジュール４０６と、受光モジュール４０６を駆動するための受光モジュール駆動系４０７とを有しており、光送信装置４０１から出力された信号光は光ファイバ３０５を通して光受信装置４０２に送られる。光受信装置４０２に入力された３２波長の光は光分波器４０５を介して受光モジュール駆動系４０７によって制御される３２個の受光モジュール４０６に１波長ずつ入力されて信号を検出する。本発明に係わる光通信システム４００によって低い消費電力でＷＤＭ伝送が容易に実現される。これは、光送信装置４０１に搭載されている光半導体装置が低しきい値及び高効率特性を有していることに起因する。
【００１４】
【発明の効果】
本発明に係わる光半導体装置は、変成層が有する圧縮歪ε１と、その上方に第１のガイド層を介して形成するＭＱＷ層の有する圧縮歪ε２との蓄積歪が、第１のガイド層に導入する伸張歪ε３で相殺されるため、結晶性が壊れる虞がなく低しきい値及び高効率特性を有している。また、本発明に係る光半導体装置を搭載した光送信モジュールは、低い消費電力で動作させることが可能となり、本発明に係る光送信モジュールを搭載した光送信装置を用いたＷＤＭ光通信システムにおいても低い消費電力でＷＤＭ伝送が容易に実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光半導体装置の要部断面図
【図２】  本発明に係わる光送信モジュールの説明図
【図３】  本発明に係わる光送信装置を用いた光通信システムの説明図
【図４】  従来の光半導体装置の要部断面図
【符号の説明】
２  ｎ型ＩｎＰ基板
３  回折格子
４  変成層
６  多重井戸活性層（ＭＱＷ層）
７  第２のガイド層
８  クラッド層
９  キャップ層
１０  無反射コーティング
１１  反射コーティング
１０１  分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）
１０２  第１のガイド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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