(57)【要約】  半導体基板上に形成された光導波路を備える半導体光素子であって、前記光導波路は、入力された光を単一モードで導波する単一モード導波部と、前記光の導波方向に対して前記単一モード導波部の後段側に配置された曲げ部と、前記導波方向に対して前記曲げ部の後段側に配置され、前記導波方向に向かって導波路幅が広くなるように形成されており、前記光の入射側では前記光を単一モードで導波し、前記光の出射側では前記光を多モードで導波し得る導波路幅を有するフレア部と、を備える半導体光素子。
2013115179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光導波路を備える半導体光素子であって、前記光導波路は、
入力された光を単一モードで導波する単一モード導波部と、
前記光の導波方向に対して前記単一モード導波部の後段側に配置された曲げ部と、
前記導波方向に対して前記曲げ部の後段側に配置され、前記導波方向に向かって導波路幅が広くなるように形成されており、前記光の入射側では前記光を単一モードで導波し、前記光の出射側では前記光を多モードで導波し得る導波路幅を有するフレア部と、
を備えることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記曲げ部は、前記光を単一モードで導波することを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記光導波路は活性層を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記光導波路は、前記半導体基板の主表面である（００１）面上に形成されており、前記単一モード導波部は、前記半導体基板の＜１１０＞方向に沿って延伸しており、前記フレア部は、前記半導体基板の＜１１０＞方向から傾斜するように形成されてい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半導体光素子。
【請求項５】
前記光導波路の光の出射側は前記半導体基板の劈開端面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記光導波路はリッジ導波路で構成されてい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半導体光素子。
【請求項７】
半導体光増幅素子であ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半導体光素子。
【請求項８】
半導体発光素子であ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半導体光素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体光素子を備えることを特徴とする集積型半導体光素子。
【請求項１０】
半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項９に記載の集積型半導体光素子。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体光素子または請求項９もしくは１０に記載の集積型半導体光素子を備えることを特徴とする半導体光素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信等に用いられる半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信において、光伝送路である光ファイバ中での光信号の減衰や、光部品による光信号の損失を補償するために、光増幅器が用いられている。光増幅器としては、小型化や集積性の観点から半導体光増幅器が有望である。【０００３】
半導体光増幅器には、光導波路端面の反射による光共振を積極的に利用する共振型と、端面の反射を極力なくす進行波型がある。進行波型は、増幅特性の波長依存性が小さいことなどの利点がある。【０００４】
進行波型の半導体光増幅器を含む半導体光素子では、たとえば劈開面である端面の反射を低減するため、端面付近において光導波路を端面に対して傾ける構造がとられることがある。この場合、端面付近に曲げ導波路を設け、端面においては光導波路が端面に対して傾くようにし、それ以外の箇所では、端面に対して垂直な光導波路とする構造がとられることがある（たとえば特許文献１参照）。【０００５】
一方、半導体光増幅器では、光強度が大きい場合には出力が飽和しやすいという課題がある。この課題を解決し、出力光強度を高めるために、出力側端面に近づくにつれて導波路幅が広くなるフレア構造が用いられることがある（たとえば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１１１１７７号公報
【特許文献２】特開平０５−０６７８４５号公報
【特許文献３】特開２０１１−２３３８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、本発明者らが、端面反射の低減と出力光強度の向上とを同時に実現するために、上述した曲げ導波路とフレア構造とを組み合わせた構成とした半導体光素子を構成したところ、出力光に横多モードの光が含まれる場合があり、好ましい横基本モードでの単一モード性が高い出力光にならない場合があるという問題があった。以下、モードとは横モードを意味するものとする。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端面反射の低減、出力光強度の向上、および単一モード性が高い出力光を同時に実現することができる半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体光素子は、半導体基板上に形成された光導波路を備える半導体光素子であって、前記光導波路は、入力された光を単一モードで導波する単一モード導波部と、前記光の導波方向に対して前記単一モード導波部の後段側に配置された曲げ部と、前記導波方向に対して前記曲げ部の後段側に配置され、前記導波方向に向かって導波路幅が広くなるように形成されており、前記光の入射側では前記光を単一モードで導波し、前記光の出射側では前記光を多モードで導波し得る導波路幅を有するフレア部と、を備えることを特徴とする。【００１０】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記曲げ部は、前記光を単一モードで導波することを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記光導波路は活性層を含むことを特徴とする。【００１２】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記光導波路は、前記半導体基板の主表面である（００１）面上に形成されており、前記単一モード導波部は、前記半導体基板の＜１１０＞方向に沿って延伸しており、前記フレア部は、前記半導体基板の＜１１０＞方向から傾斜するように形成されていることを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記光導波路の光の出射側は前記半導体基板の劈開端面であることを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記光導波路はリッジ導波路で構成されていることを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、半導体光増幅素子であることを特徴とする。【００１６】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、半導体発光素子であることを特徴とする。【００１７】
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、上記の発明の半導体光素子を備えることを特徴とする。【００１８】
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、上記の発明において、半導体レーザ素子であることを特徴とする。【００１９】
また、本発明に係る半導体光素子モジュールは、上記の発明の半導体光素子または集積型半導体光素子を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、端面反射の低減、出力光強度の向上、および単一モード性が高い出力光を同時に実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、実施の形態１に係る半導体光増幅素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線要部断面図である。
【図３】図３は、比較形態に係る半導体光増幅素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。
【図４】図４は、出力光の横モードのＦＦＰを示す図である。
【図５】図５は、実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。
【図６】図６は、図５のＢ−Ｂ線要部断面図である。
【図７】図７は、図５のＣ−Ｃ線要部断面図である。
【図８】図８は、実施の形態３に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係や比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００２３】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。本実施の形態１は、光通信において用いられている１．５５μｍ波長帯の光が入力され、これを増幅して出力する半導体光増幅素子である。
【００２４】
図１は、本実施の形態１に係る半導体光増幅素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。なお、導波路構造の説明のため、後述するｐ側電極等の導波路構造以外の要素は、図示を省略している。図１に示すように、この半導体光増幅素子１００は、光入射端面１０１と、光出射端面１０２と、光入射端面１０１と光出射端面１０２との間に形成された光増幅導波路１１０とを備えている。光増幅導波路１１０は、光入射端面１０１から光出射端面１０２に向かって順次接続した、入力側直線部１１１、入力側曲げ部１１２、主直線部１１３、出力側曲げ部１１４、フレア部１１５、および出力側直線部１１６を有している。
【００２５】
図２は、図１のＡ−Ａ線要部断面図である。図２に示すように、半導体光増幅素子１００は、基板１２０上に、下部クラッド層１２１、光導波路となる活性層１２２、上部クラッド層１２３、下部電流ブロック層１２４、上部電流ブロック層１２５、上部クラッド層１２６、コンタクト層１２７、ｐ側電極１２８が形成され、さらに基板１２０の裏面にはｎ側電極１２９が形成されることによって構成されている。
【００２６】
基板１２０は、主表面が（００１）面であるｎ−ＩｎＰからなる。下部クラッド層１２１は、ｎ−ＩｎＰからなる。活性層１２２は、分離閉じ込めヘテロ構造を有するＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸を備えている。活性層１２２の総厚は１００ｎｍである。上部クラッド層１２３、１２６は、ｐ−ＩｎＰからなる。下部クラッド層１２１、活性層１２２、上部クラッド層１２３は、この順に積層し、メサストライプを形成している。下部電流ブロック層１２４および上部電流ブロック層１２５は、この順に積層し、メサストライプの両側を埋めている。下部電流ブロック層１２４はｐ−ＩｎＰからなり、上部電流ブロック層１２５はｎ−ＩｎＰからなる。上部クラッド層１２６およびコンタクト層１２７は、上部クラッド層１２３と上部電流ブロック層１２５との上に、この順に積層している。コンタクト層１２７は、ｐ−ＧａＩｎＡｓからなる。ｐ側電極１２８は、コンタクト層１２７上に形成されており、Ｔｉ／Ｐｔ構造を有する。ｎ側電極１２９はＡｕＧｅＮｉからなる。
【００２７】
図１に戻る。光入射端面１０１および光出射端面１０２は、基板１２０の（００１）面上に上述した半導体積層構造が形成されたエピタキシャル基板を、劈開して形成されたものであり、基板１２０の結晶の（１１０）面と一致する。光入射端面１０１および光出射端面１０２には誘電体等からなる低反射膜が形成されている。
【００２８】
入力側直線部１１１は、その一端が光入射端面１０１に面するように形成されている。また、入力側直線部１１１は、光入射端面１０１の法線の方向である、基板１２０の結晶の＜１１０＞方向から、角度８°だけ傾斜するように形成されている。主直線部１１３は、光入射端面１０１および光出射端面１０２に対して垂直な＜１１０＞方向に沿って延伸している。入力側曲げ部１１２は、入力側直線部１１１と主直線部１１３とを接続している。
【００２９】
フレア部１１５は、光出射端面１０２の法線の方向である＜１１０＞方向から角度８°だけ傾斜するように形成されている。フレア部１１５の導波路幅は、光の導波方向に向かって順次広くなるように形成されている。出力側曲げ部１１４は、主直線部１１３とフレア部１１５とを接続している。出力側直線部１１６は、その一端が光出射端面１０２に面するように、＜１１０＞方向から角度８°だけ傾斜するように形成されている。すなわちフレア部１１５と出力側直線部１１６とは直線状に配置されている。なお、傾斜角度は８°が好ましいが、これに限定されるものではない。
【００３０】
つぎに、各部分の寸法を説明する。なお、寸法は例示であって、特にこれらに限定されるものではない。
入力側直線部１１１、入力側曲げ部１１２、主直線部１１３、出力側曲げ部１１４の導波路幅は略等幅の２．５μｍであり、１．５５μｍ波長帯の光が単一モードで導波するように設定されている。主直線部１１３は単一モード導波部を構成している。フレア部１１５の導波路幅は、２．５μｍから４μｍまで、たとえば線形に拡大している。出力側直線部１１６の導波路幅は４μｍである。
【００３１】
入力側直線部１１１および出力側直線部１１６の導波路長は５０μｍに設計されている。入力側直線部１１１および出力側直線部１１６の導波路長は、光入射端面１０１と光出射端面１０２とを形成する際の劈開の位置精度より大きく設計すれば、劈開位置に誤差があっても確実に入力側直線部１１１および出力側直線部１１６が形成されるので好ましい。
【００３２】
入力側曲げ部１１２および出力側曲げ部１１４は、円弧状に屈曲しており、入力側直線部１１１と主直線部１１３、または主直線部１１３とフレア部１１５とを接続するようにその曲率および導波路長が設定されている。また、入力側曲げ部１１２および出力側曲げ部１１４において基本モードの曲げ損失が増大しないような曲率とすることが好ましい。入力側曲げ部１１２および出力側曲げ部１１４の曲率半径はいずれも１０００μｍであり、導波路長はいずれも約１２０μｍである。フレア部１１５の長さは５００μｍである。また、半導体光増幅素子１００の全長は１６００μｍである。
【００３３】
つぎに、半導体光増幅素子１００の動作について説明する。ｐ側電極１２８とｎ側電極１２９との間に電圧を印加し、活性層１２２に電流を注入する。このとき、電流は、下部電流ブロック層１２４および上部電流ブロック層１２５の作用によって活性層１２２に効率的に注入される。電流を注入した状態で、光入射端面１０１から光増幅導波路１１０の入力側直線部１１１に、増幅すべき１．５５μｍ波長帯のレーザ光等の光Ｌ１が入力されると、光増幅導波路１１０の入力側直線部１１１、入力側曲げ部１１２、主直線部１１３、出力側曲げ部１１４、フレア部１１５、および出力側直線部１１６が光Ｌ１を順次導波しながら、活性層１２２の光増幅作用によって光Ｌ１を増幅し、光出射端面１０２に面した出力側直線部１１６から増幅光Ｌ２として出力する。
【００３４】
この半導体光増幅素子１００では、光入射端面１０１および光出射端面１０２において、光増幅導波路１１０の入力側直線部１１１または出力側直線部１１６が、対応する端面に対して傾けられているので、各端面において低い反射率が得られる。たとえば、光入射端面１０１および光出射端面１０２に低反射膜を形成した状態で、光入射端面１０１の反射率を１０−４、光出射端面１０２の反射率を１０−６とすることができる。この反射率は光入射端面１０１および光出射端面１０２に公知の窓構造を採用することで、さらに低減することができる。
【００３５】
また、この半導体光増幅素子１００では、光増幅導波路１１０がフレア部１１５を有しており、光の導波方向である光出射端面１０２側に向かって導波路幅が広がっているので、たとえば飽和出力光強度として２０ｄＢｍ以上という良好な出力特性を実現することができる。
【００３６】
さらに、光増幅導波路１１０は、光の入力側である入力側直線部１１１、入力側曲げ部１１２、主直線部１１３、および出力側曲げ部１１４は、入力された光を単一モードで導波する。一方、光の出力側であるフレア部１１５、および出力側直線部１１６は、導波路幅が広いため、出力側曲げ部１１４から入力された光を多モードで導波し得るような構造となっている。たとえば、上記に例示した半導体材料の場合は、光増幅導波路１１０が単一モード導波路となる導波路幅は３．０μｍ以下である。そのため、光増幅導波路１１０が光を確実に単一モードで導波する導波路幅となっているのは、入力側直線部１１１から、フレア部１１５の入力側からおよそ１６０μｍの位置までであり、その位置から光出射端面１０２側では、光増幅導波路１１０は光を多モードで導波し得るような導波路幅となっている。フレア部１１５の入力側からおよそ１６０μｍまでの部分を単一モード部１１５ａとする。
【００３７】
ここで、出力側曲げ部１１４などの曲げ導波路では、基本モードの光が入力されたとしても、基本モード以外のモード成分が励起され得る。このような励起は、特に直線導波路との接続部分において発生し易い。このような励起が発生すると、その後の光導波路が光を多モードで導波し得る導波路の場合は、多モードの光の導波が発生する。
【００３８】
しかしながら、本実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００は、出力側曲げ部１１４に続くフレア部１１５の単一モード部１１５ａが存在する。出力側曲げ部１１４の前後の接続部で励起された基本モードの成分は単一モードで導波するが、基本モード以外のモード成分は、出力側曲げ部１１４および単一モード部１１５ａでは放射モードとなる。そのため、出力側曲げ部１１４および単一モード部１１５ａは、フレア部１１５を基本モード以外のモード成分の光がそれ以上導波することや、さらには出力側直線部１１６から出力されることを防止または抑制する。
【００３９】
ここで、単一モードとは、導波路を伝搬可能な導波モードが特定の偏光について単一であることを意味する。理想的な単一モードでは高次の導波モードの伝搬解自体が存在しないが、本発明の効果を得るためには、高次の導波モードがあったとしても、基本モードとの強度比が十分に大きい疑似単一モードであっても足りる。疑似単一モードの場合、基本モードと高次モードとでの伝搬損失の差が２０ｄＢ／ｍｍ程度以上あることが望ましい。これにより単一モード導波路部の長さが０．５ｍｍ前後の実用的な設計でも、高次モードに１０ｄＢの損失を与えることができる。
【００４０】
以上のようにして、光出射端面１０２で出力側直線部１１６から出力される増幅光Ｌ２の単一モード性が高くなる。また、基本モード以外のモード成分の光の増幅に電力が消費されることが防止または抑制されるので、基本モードの増幅効率を高くできる。
【００４１】
本実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００の作用を比較形態との比較によってさらに具体的に説明する。図３は、比較形態に係る半導体光増幅素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。この半導体光増幅素子１００Ａは、半導体光増幅素子１００と比較して、フレア部１１５が主直線部１１３と直接接続し、＜１１０＞方向に沿って延伸している点、および、フレア部１１５と出力側直線部１１６とが出力側曲げ部１１４Ａを介して接続している点が異なるものである。出力側曲げ部１１４Ａの曲率半径は１０００μｍであり、導波路長は約１２０μｍであり、導波路幅は４μｍである。
【００４２】
この半導体光増幅素子１００Ａでは、出力側曲げ部１１４Ａ、およびその前後に接続しているフレア部１１５および出力側直線部１１６が光を多モードで導波し得る。このため、出力側曲げ部１１４Ａとその前後との接続部で発生した基本モード以外のモード成分の光は、出力側曲げ部１１４Ａおよび出力側直線部１１６を高次モードの光として伝搬する。この高次モードの光は出力側曲げ部１１４Ａおよび出力側直線部１１６で増幅されながら、光出射端面１０２まで到達する。
【００４３】
このように、半導体光増幅素子１００、１００Ａを比較すると、出力側曲げ部に起因して発生した基本モード以外の成分の光が、放射されるか、高次モードの光としてその後も伝搬するのかが異なる。
【００４４】
比較形態である半導体光増幅素子１００Ａの場合は、高次モードの光は光導波路内で増幅されるため、放射された場合に比べてパワーが大きくなる。さらに、高次モードの光は導波モードとして、光出射端面１０２まで到達するため、その後出力された光をレンズ等で集光する場合にも、基本モードの光との分離が難しい。
【００４５】
これに対して、本実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００の場合は、発生した基本モード以外の成分の光は放射される。そのため、放射後の当該光は光増幅されない。さらには、放射される場所は、光出射端面１０２とは異なる。したがって、光出射端面１０２で出力側直線部１１６から出力される基本モードの増幅光をレンズ等で集光する場合、その基本モードの増幅光の集光点には、放射された光は集光しない。したがって、放射された光と基本モードの増幅光との分離が容易である。これによって、単峰型の良好なビームパターンを有する増幅光を得ることができる。
【００４６】
図４は、本実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００の光出射端面１０２で出力側直線部１１６から出力される出力光の横モードのＦＦＰ(Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ)を示す図である。なお、図４では、測定されたＦＦＰを実線で示すとともに、当該ＦＦＰとの比較のために、ガウシャンビームの形状も破線で示している。図４に示すように、測定されたＦＦＰの形状はガウシャンビームの形状とほぼ一致していることがわかる。このように、出力光は、好ましい基本モードでの単一モード性が高い、良好なビームパターンの出力光となっている。
【００４７】
半導体光増幅素子１００Ａをモジュール化する際には、出力された増幅光は、高次モードの光の混在によってビームパターンが乱れるので、レンズや光ファイバへ光を結合させるための調整が困難である。これに対して、半導体光増幅素子１００の場合は、良好なビームパターンを有する増幅光が得られるため、モジュール化のための組み立てが容易になるとともに、レンズや光ファイバへの結合効率を高くすることができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００は、端面反射の低減、出力光強度の向上、および単一モード性が高い出力光を同時に実現することができる。
【００４９】
ここで、本実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００の製造方法の一例を説明する。まず、基板１２０上に、ＭＯＣＶＤ法などの公知の結晶成長方法を用いて、バッファ層を兼ねる下部クラッド層１２１、活性層１２２、上部クラッド層１２３をこの順に積層する。
【００５０】
つぎに、プラズマＣＶＤなどの方法を用いて、全面にＳｉＮｘ膜を堆積した後、公知のフォトリソグラフィ技術と誘電体エッチング技術とを用いて、光増幅導波路１１０の形状に対応した形状の、ＳｉＮｘ膜からなるマスクパターンを形成する。この際、次の半導体エッチング工程におけるサイドエッチング量を補正したマスクパターンとしておくことが好ましい。
【００５１】
つぎに、このマスクパターンをエッチングマスクとして、公知の方法を用いて、上部クラッド層１２３から活性層１２２を経て下部クラッド層１２１の一部にいたるまで、エッチングを行う。このエッチングはドライエッチングとウェットエッチングとを順次併用するものとしても良い。
【００５２】
その後、エッチングマスクとして用いたマスクパターンをそのまま選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法等の公知の方法を用いて、下部電流ブロック層１２４および上部電流ブロック層１２５をこの順に積層する。さらに、マスクパターンを剥離し、ＭＯＣＶＤ法等を用いて、上部クラッド層１２６およびコンタクト層１２７をこの順に積層する。
【００５３】
つぎに、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンを形成し、コンタクト層１２７上にｐ側電極１２８を蒸着し、リフトオフにより電極パターンとする。さらに、基板１２０を研磨により所定の厚さまで薄くし、裏面にｎ側電極１２９を蒸着する。
【００５４】
その後、エピタキシャル基板を劈開して光入射端面１０１および光出射端面１０２を形成し、各端面に低反射膜を形成する。さらに劈開端面と垂直な方向に並んだ素子を１つずつに分離する。これによって、半導体光増幅素子１００が完成する。
【００５５】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２は、１．５５μｍ波長帯のレーザ光を出力する波長可変型の集積型半導体レーザ素子である。
【００５６】
図４は、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。なお、導波路構造の説明のため、後述するｐ側電極等の導波路構造以外の要素は、図示を省略している。
【００５７】
図４に示すように、この集積型半導体レーザ素子２００は、複数のＤＦＢ（Distributed  Feedback）レーザストライプ２０３と、複数の曲げ導波路２０４と、ＭＭＩ光合流器２０５と、半導体光増幅器２１０とを一つの半導体基板上に集積した構造を有する。また、集積型半導体レーザ素子２００は、光出射端面２０２を備えている。
【００５８】
図５は、図４のＢ−Ｂ線要部断面図である。図５に示すように、集積型半導体レーザ素子２００の半導体光増幅器２１０の部分は、基板２２０上に、下部クラッド層２２１、光導波路となる活性層２２２、上部クラッド層２２３、２２４、コンタクト層２２５、絶縁膜２２６、平坦化ポリマー２２７、ｐ側電極２２８が形成され、さらに基板２２０の裏面にはｎ側電極２２９が形成されることによって構成されている。
【００５９】
基板２２０は、主表面が（００１）面であるｎ−ＩｎＰからなる。下部クラッド層２２１は、ｎ−ＩｎＰからなる。活性層２２２は、分離閉じ込めヘテロ構造を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸を備えている。活性層２２２の総厚は１５０ｎｍである。上部クラッド層２２３、２２４は、ｐ−ＩｎＰからなる。コンタクト層２２５は、ｐ−ＧａＩｎＡｓからなる。上部クラッド層２２４およびコンタクト層２２５は、この順に積層するとともに、上部クラッド層２２３に対して上部に突出し、リッジ構造を形成している。上部クラッド層２２４の幅がリッジ導波路の導波路幅となる。絶縁膜２２６は、ＳｉＮｘからなり、上部クラッド層２２３の表面と、上部クラッド層２２４およびコンタクト層２２５の側面とを覆っている。平坦化ポリマー２２７は、ポリイミドからなり、リッジ構造の表面が平坦になるように上部クラッド層２２４およびコンタクト層２２５を埋めている。ｐ側電極２２８は、コンタクト層２２５および平坦化ポリマー２２７上に形成されており、Ｔｉ／Ｐｔ構造を有する。ｎ側電極２２９はＡｕＧｅＮｉからなる。
【００６０】
図６は、図４のＣ−Ｃ線要部断面図である。図６に示すように、集積型半導体レーザ素子２００の曲げ導波路２０４の部分は、図５に示す構造において、活性層２２２に換えてＧａＩｎＡｓＰからなるコア層２３０が形成された構造を有する。また、ｐ側電極２２８は形成されておらず、コンタクト層２２５の表面も絶縁膜２２６で覆われている。ここで、活性層２２２が利得を有する波長が１．５５μｍ波長帯である場合、コア層２３０のＧａＩｎＡｓＰの組成は、１．５５μｍ波長帯の光に対して透明になるような組成に設定される。１．５５μｍ波長帯の光に対して透明になるような組成とは、たとえば、バンドギャップ波長が、１．５５μｍ波長帯よりも短波長である１．３μｍとなる組成である。
【００６１】
ＤＦＢレーザストライプ２０３は、半導体光増幅器２１０と同様の断面構造を有しているが、活性層２２２の上方に回折格子を有する点が異なる。ＭＭＩ光合流器２０５は曲げ導波路２０４と同様の断面構造を有している。
【００６２】
図４に戻る。光出射端面２０２は、基板２２０の（００１）面上に上述した半導体積層構造が形成されたエピタキシャル基板を、劈開して形成されたものであり、基板２２０の結晶の（１１０）面と一致する。光出射端面２０２には誘電体等からなる低反射膜が形成されている。
【００６３】
ＤＦＢレーザストライプ２０３は、各々が幅２μｍ、長さ６００μｍのストライプ状のリッジ導波路構造を有する端面発光型レーザであり、集積型半導体レーザ素子２００の一端において幅方向に２５μｍピッチで形成されている。ＤＦＢレーザストライプ２０３は、各ＤＦＢレーザストライプ２０３に備えられた回折格子の間隔を互いに異ならせることにより、レーザ発振波長が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲で相違するように構成されている。また、ＤＦＢレーザストライプ２０３の各レーザ発振波長は、集積型半導体レーザ素子２００の設定温度を変化させることにより調整することができる。集積型半導体レーザ素子２００は、駆動するＤＦＢレーザストライプ２０３の切り替えと、その温度制御によって、広い波長可変範囲を実現している。
【００６４】
ＭＭＩ光合流器２０５は、集積型半導体レーザ素子２００の中央部付近に形成されている。各曲げ導波路２０４は、各ＤＦＢレーザストライプ２０３とＭＭＩ光合流器２０５との間に形成されており、各ＤＦＢレーザストライプ２０３とＭＭＩ光合流器２０５とを光学的に接続する。
【００６５】
半導体光増幅器２１０は、ＭＭＩ光合流器２０５の出力側に接続している。半導体光増幅器２１０は、ＭＭＩ光合流器２０５から光出射端面２０２に向かって順次接続した、主直線部２１３、出力側曲げ部２１４、フレア部２１５、および出力側直線部２１６を有している。
【００６６】
主直線部２１３は、光出射端面２０２の法線の方向である＜１１０＞方向に沿って延伸している。フレア部２１５は、光出射端面１０２の法線の方向である＜１１０＞方向から角度８°だけ傾斜するように形成されている。フレア部２１５の導波路幅は光の導波方向に向かって順次広くなるように形成されている。出力側曲げ部２１４は、主直線部２１３とフレア部２１５とを接続している。出力側直線部２１６は、その一端が光出射端面２０２に面するように、＜１１０＞方向から角度８°だけ傾斜するように形成されている。すなわちフレア部２１５と出力側直線部２１６とは直線状に配置されている。
【００６７】
つぎに、半導体光増幅器２１０の各部分の寸法を説明する。なお、寸法は例示であって、特にこれらに限定されるものではない。
【００６８】
主直線部２１３、出力側曲げ部２１４の導波路幅は２μｍであり、１．５５μｍ波長帯の光が単一モードで導波するように設定されている。主直線部２１３は単一モード導波部を構成している。フレア部２１５の導波路幅は、２μｍから４μｍまで、たとえば線形に拡大している。出力側直線部２１６の導波路幅は４μｍである。
【００６９】
実施の形態１の場合と同様に、出力側直線部２１６の導波路長は、光出射端面２０２とを形成する際の劈開の位置精度より大きく設計すれば、劈開位置に誤差があっても確実に出力側直線部２１６が形成されるので好ましい。出力側直線部２１６の導波路長は５０μｍに設計されている。
【００７０】
出力側曲げ部２１４は、円弧状に屈曲しており、主直線部２１３とフレア部２１５とを接続するようにその曲率および導波路長が設定されている。また、出力側曲げ部２１４において基本モードの曲げ損失が増大しないような曲率とすることが好ましい。出力側曲げ部２１４の曲率半径は１０００μｍであり、導波路長は約１２０μｍである。フレア部２１５の長さは４００μｍである。また、半導体光増幅器２１０の全長は１０００μｍである。
【００７１】
つぎに、集積型半導体レーザ素子２００の動作について説明する。まず、複数のＤＦＢレーザストライプ２０３から、所望の波長のレーザ光を出力できるものを１つ選択し、これを駆動する。複数の曲げ導波路２０４のうち駆動するＤＦＢレーザストライプ２０３と光学的に接続している光導波路は、駆動されたＤＦＢレーザストライプ２０３から出力されたレーザ光を導波し、ＭＭＩ光合流器２０５に出力する。ＭＭＩ光合流器２０５は、入力されたレーザ光を通過させて、半導体光増幅器２１０の主直線部２１３に出力する。半導体光増幅器２１０は、ＭＭＩ合流器２０５から入力されたレーザ光を増幅して、光出射端面２０２に面する出力側直線部２１６から出力光Ｌ３として出力する。半導体光増幅器２１０は、駆動されたＤＦＢレーザストライプ２０３からのレーザ光が受けた、ＭＭＩ光合流器２０５による光の損失を補い、光出射端面２０２から所望の強度のレーザ光出力を得るために主に用いられる。
【００７２】
この集積型半導体レーザ素子２００では、半導体光増幅器２１０の出力側直線部２１６が、光出射端面２０２に対して傾けられているので、光出射端面２０２において低い反射率が得られる。たとえば、光出射端面２０２に低反射膜を形成した状態での反射率を１０−６とすることができる。
【００７３】
また、この集積型半導体レーザ素子２００では、半導体光増幅器２１０がフレア部２１５を有しており、光の導波方向である光出射端面２０２側に向かって導波路幅が広がっているので、たとえば出力光強度として８０ｍＷ以上という良好な出力特性を実現することができる。
【００７４】
また、上記に例示した半導体材料の場合は、リッジ導波路である半導体光増幅器２１０が単一モード導波路となる導波路幅は２．５μｍ以下である。そのため、半導体光増幅器２１０が光を確実に単一モードで導波する導波路幅となっているのは、主直線部２１３から、フレア部２１５の途中の位置までであり、その位置から光出射端面２０２側では、半導体光増幅器２１０は光を多モードで導波し得るような導波路幅となっている。フレア部２１５のうち光を確実に単一モードで導波する導波路幅となっている部分を単一モード部２１５ａとする。
【００７５】
本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子２００は、実施の形態１の場合と同様に、出力側曲げ部２１４に続くフレア部２１５の単一モード部２１５ａが存在する。このため、出力側曲げ部２１４の前後の接続部で励起された基本モードの成分は単一モードで導波するが、基本モード以外のモード成分は、出力側曲げ部２１４および単一モード部２１５ａでは放射モードとなる。したがって、出力側曲げ部２１４および単一モード部２１５ａは、フレア部２１５を基本モード以外のモード成分の光がそれ以上導波することや、さらには出力側直線部２１６から出力されることを防止する。
【００７６】
ここで、単一モードとは、導波路を伝搬可能な導波モードが特定の偏光について単一であることを意味する。理想的な単一モードでは高次の導波モードの伝搬解自体が存在しないが、本発明の効果を得るためには、高次の導波モードがあったとしても、基本モードとの強度比が十分に大きい疑似単一モードであっても足りる。疑似単一モードの場合、基本モードと高次モードとでの伝搬損失の差が２０ｄＢ／ｍｍ程度以上あることが望ましい。これにより単一モード導波路部の長さが０．５ｍｍ前後の実用的な設計でも、高次モードに１０ｄＢの損失を与えることができる。
【００７７】
以上のようにして、光出射端面２０２で出力側直線部２１６から出力される出力光Ｌ３の単一モード性が高くなる。また、基本モード以外のモード成分の光の増幅に電力が消費されることが防止または抑制されるので、基本モードの増幅効率を高くできる。
【００７８】
また、実施の形態１と同様に、出力側曲げ部２１４の前後の接続部で発生した基本モード以外の成分の光は放射され、放射される場所は、光出射端面２０２とは異なる。したがって、光出射端面２０２で出力側直線部２１６から出力される基本モードの出力光をレンズ等で集光する場合、その基本モードの出力光の集光点には、放射された光は集光しない。したがって、放射された光と基本モードの出力光との分離が容易である。これによって、単峰型の良好なビームパターンを有する出力光を得ることができる。したがって、モジュール化のための組み立てが容易になるとともに、レンズや光ファイバへの結合効率を高くすることができる。
【００７９】
以上説明したように、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子２００は、端面反射の低減、出力光強度の向上、および単一モード性が高い出力光を同時に実現することができる。
【００８０】
ここで、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子２００の製造方法の一例を説明する。まず、基板２２０上に、ＭＯＣＶＤ法などの公知の結晶成長方法を用いて、バッファ層を兼ねる下部クラッド層２２１、活性層２２２、上部クラッド層２２３、ＧａＩｎＡｓＰグレーティング層(図示しない)をこの順に積層する。
【００８１】
つぎに、プラズマＣＶＤなどの方法を用いて、全面にＳｉＮｘ膜を堆積した後、ＤＦＢレーザストライプ２０３のそれぞれを形成する位置に、互いに周期の異なる回折格子のパターンになるように、ＳｉＮｘ膜にパターンニングを施す。そして、パターンニングしたＳｉＮｘ膜をマスクとしてエッチングを行い、ＧａＩｎＡｓＰグレーティング層に回折格子を形成するとともに、その他の領域のＧａＩｎＡｓＰグレーティング層を全て取り除く。その後、ＳｉＮｘ膜のマスクを除去し、ｐ−ＩｎＰ層を再び堆積する。
【００８２】
つぎに、全面にＳｉＮｘ膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、ＤＦＢレーザストライプ２０３より幅広のストライプのパターン、および半導体光増幅器２１０より幅広のストライプパターンになるように、ＳｉＮｘ膜のパターニングを行う。そして、パターニングしたＳｉＮｘ膜をエッチングマスクとして用いてエッチングを行い、上部クラッド層２２３の一部より活性層２２２にいたるまでを除去する。つぎに、ＳｉＮｘ膜のマスクをそのまま選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法等を用いて、上記除去した領域に、ＧａＩｎＡｓＰからなるコア層２３０および上部クラッド層２２３をバットジョイント成長する。
【００８３】
つぎに、ＳｉＮｘ膜のマスクを剥離し、ＭＯＣＶＤ法等を用いて、上部クラッド層２２４およびコンタクト層２２５をこの順に積層する。
【００８４】
つぎに、全面にＳｉＮｘ膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術を用いてＳｉＮｘ膜のパターニングを行う。パターニングされたＳｉＮｘ膜をエッチングマスクとして用いて、ＤＦＢレーザストライプ２０３、曲げ導波路２０４、ＭＭＩ光合流器２０５、半導体光増幅器２１０の脇に相当する部分のエッチングを公知のエッチング方法を用いて行う。これによって、リッジ導波路構造が形成される。
【００８５】
続いて、全面に絶縁膜２２６となるＳｉＮｘ膜を堆積した後、平坦化ポリマー２２７をスピンコートする。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて平坦化ポリマー２２７をパターニングして、ＤＦＢレーザストライプ２０３、曲げ導波路２０４、ＭＭＩ光合流器２０５、半導体光増幅器２１０の脇に相当する部分のみの平坦化ポリマー２２７を残す。
【００８６】
つぎに、平坦化ポリマー２２７を硬化させた後、ｐ側電極を形成する部分のみ絶縁膜２２６を除去する。その後ｐ側電極２２８を形成する。さらに、基板２２０を研磨により所定の厚さまで薄くし、裏面にｎ側電極２２９を蒸着する。
【００８７】
その後、エピタキシャル基板を劈開して光出射端面２０２を形成し、光出射端面２０２に低反射膜を形成する。さらに劈開端面と垂直な方向に並んだ素子を１つずつに分離する。これによって、集積型半導体レーザ素子２００が完成する。
【００８８】
本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子２００は、ＤＦＢレーザストライプ２０３、曲げ導波路２０４、ＭＭＩ光合流器２０５および半導体光増幅器２１０の各光導波路はリッジ導波路で構成されている。リッジ導波路の場合は、上述した製造方法の一例にも示したように、その製造プロセス中に、結晶方位に大きく依存する工程である埋め込み工程が存在しない。本実施の形態２のように、曲げ部の後段にフレア部を設けた構成とすると、フレア部も＜１１０＞方向に対して傾斜することとなるので、結晶方位に対して傾いた光導波路の長さが比較的長くなる。このように結晶方位に対して傾いた光導波路の長さが長い場合は、埋め込み工程を必要としないリッジ導波路を用いた、本実施の形態２の構成を採用すれば、製造が容易であり、かつ結晶方位に対して光導波路を形成する方向を自由度高く選べる等という点でさらに好適である。
【００８９】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態３に係る半導体光素子モジュールは、実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子を備えた半導体レーザモジュールである。
【００９０】
図７は、本実施の形態３に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面断面図である。図７に示すように、この半導体レーザモジュール１０００は、実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子２００と、コリメートレンズ１０１０と、光アイソレータ１０２０と、ビームスプリッタ１０３０と、パワーモニタＰＤ（Photo  Detector）１０４０と、集光レンズ１０５０と、光ファイバ１０６０と、集積型半導体レーザ素子２００、コリメートレンズ１０１０、光アイソレータ１０２０、ビームスプリッタ１０３０、パワーモニタＰＤ１０４０及び集光レンズ１０５０を収容し、光ファイバ１０６０が挿入される筐体１０７０とを備えている。
【００９１】
集積型半導体レーザ素子２００は、駆動するＤＦＢレーザストライプに対応する波長のレーザ光Ｌ４を出力する。コリメートレンズ１０１０は、レーザ光Ｌ４を平行光線とする。光アイソレータ１０２０は、平行光線とされたレーザ光Ｌ４を紙面右方向に透過し、紙面左方向からコリメートレンズ１０１０側に光が入力されることを防止する。ビームスプリッタ１０３０は、反射面１０３１を有しており、光アイソレータ１０２０を透過したレーザ光Ｌ４の大部分を透過し、その一部のレーザ光Ｌ５を反射して分岐する。パワーモニタＰＤ１０４０は、ビームスプリッタ１０３０が分岐したレーザ光Ｌ５を検出し、検出した光強度に応じた電流を出力する。パワーモニタＰＤ１０４０から出力された電流は、不図示の制御装置に入力され、集積型半導体レーザ素子２００の出力制御に用いられる。
【００９２】
集光レンズ１０５０は、ビームスプリッタ１０３０を透過したレーザ光Ｌ４を集光して光ファイバ１０６０に結合する。光ファイバ１０６０は結合されたレーザ光Ｌ４を伝搬する。伝搬されたレーザ光Ｌ４は信号光等として用いられる。
【００９３】
本実施の形態３に係る半導体レーザモジュール１０００は、良好なビームパターンを有するレーザ光Ｌ４を出力する集積型半導体レーザ素子２００を備えている。そのため、組み立てが容易であるとともに、光ファイバ１０６０への結合効率が高いためにエネルギー効率のよい半導体レーザモジュールである。
【００９４】
（その他の実施の形態）
以上、この発明の実施の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者に様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００９５】
たとえば、上記実施の形態１の構成において、フレア部１１５の単一モード部１１５ａを曲げ導波路としても、本発明の効果を得ることができる。この場合、出力側曲げ部１１４を削除してもよい。
【００９６】
また、上記実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子２００に対して、本発明の発明者による特許文献３に開示されている迷光導波メサをさらに備えていてもよい。迷光導波メサを備える場合、上述した放射光は迷光導波メサを伝搬する間に吸収されるため、さらに良好なビームパターンの光が得られる。
【００９７】
また、上記実施の形態では、１．５５μｍ波長帯用にその化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、入力される光の波長に応じて適宜設定されるものであり、特に限定はされない。
【００９８】
また、上記実施の形態では、光導波路は活性層を含んでいるが、活性層は光導波路の一部にのみ含まれるようにしてもよい。さらには、本発明は活性層を含む構成に限らず、フレア部と曲げ部とを有する光導波路を備える半導体光素子に広く適用できるものである。
【００９９】
また、上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態１に係る半導体光増幅素子をリッジ導波路で構成してもよい。また、たとえば、実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００の光入射端面１０１に高反射膜を形成し、これを半導体発光素子として使用してもよい。さらには、このような半導体発光素子を、実施の形態３における集積型半導体レーザ素子２００に置き換え、さらに光ファイバ１０６０を外部共振器としての光ファイバグレーティングに置き換えれば、半導体レーザ素子モジュールを構成することができる。
【０１００】
また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
以上のように、本発明に係る半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュールは、主に光通信の用途に利用して好適なものである。
【符号の説明】
【０１０２】
１００  半導体光増幅素子
１０１  光入射端面
１０２、２０２  光出射端面
１１０  光増幅導波路
１１１  入力側直線部
１１２  入力側曲げ部
１１３、２１３  主直線部
１１４、２１４  出力側曲げ部
１１５、２１５  フレア部
１１５ａ、２１５ａ  単一モード部
１１６、２１６  出力側直線部
１２０、２２０  基板
１２１、２２１  下部クラッド層
１２２、２２２  活性層
１２３、１２６、２２３、２２４    上部クラッド層
１２４  下部電流ブロック層
１２５  上部電流ブロック層
１２７、２２５  コンタクト層
１２８、２２８  ｐ側電極
１２９、２２９  ｎ側電極
２００  集積型半導体レーザ素子
２０３  ＤＦＢレーザストライプ
２０４  曲げ導波路
２０５  ＭＭＩ光合流器
２１０  半導体光増幅器
２２６  絶縁膜
２２７  平坦化ポリマー
２３０  コア層
１０００  半導体レーザモジュール
１０１０  コリメートレンズ
１０２０  光アイソレータ
１０３０  ビームスプリッタ
１０３１  反射面
１０４０  パワーモニタＰＤ
１０５０  集光レンズ
１０６０  光ファイバ
１０７０  筐体
Ｌ１  光
Ｌ２  増幅光
Ｌ３  出力光
Ｌ４、Ｌ５  レーザ光
【図１】
2013115179.tif 000003
【図２】
2013115179.tif 000004
【図３】
2013115179.tif 000005
【図４】
2013115179.tif 000006
【図５】
2013115179.tif 000007
【図６】
2013115179.tif 000008
【図７】
2013115179.tif 000009
【図８】
2013115179.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月24日(2013.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光導波路を備える半導体光素子であって、前記光導波路は、
入力された光を単一モードで導波する単一モード導波部と、
前記光の導波方向に対して前記単一モード導波部の後段側に配置され、前記光を単一モードで導波する曲げ部と、
前記導波方向に対して前記曲げ部の後段側に配置され、前記導波方向に向かって導波路幅が広くなるように形成されており、前記光の入射側では前記光を単一モードで導波し、前記光の出射側では前記光を多モードで導波し得る導波路幅を有するフレア部と、
を備え、
前記光導波路は活性層を含み、前記活性層の光増幅作用によって、前記単一モード導波部、前記曲げ部、及び、前記フレア部の全てにおいて、前記光の光増幅が行われることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記光導波路は、前記半導体基板の主表面である（００１）面上に形成されており、前記単一モード導波部は、前記半導体基板の＜１１０＞方向に沿って延伸しており、前記フレア部は、前記半導体基板の＜１１０＞方向から傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記光導波路の光の出射側は前記半導体基板の劈開端面であることを特徴とする請求項１または４に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記光導波路はリッジ導波路で構成されていることを特徴とする請求項１、４および５のいずれか一つに記載の半導体光素子。
【請求項７】
半導体光増幅素子であることを特徴とする請求項１、４〜６のいずれか一つに記載の半導体光素子。
【請求項８】
半導体発光素子であることを特徴とする請求項１、４〜６のいずれか一つに記載の半導体光素子。
【請求項９】
請求項１、４〜８のいずれか一つに記載の半導体光素子を備えることを特徴とする集積型半導体光素子。
【請求項１０】
半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項９に記載の集積型半導体光素子。
【請求項１１】
請求項１、４〜８のいずれか一つに記載の半導体光素子または請求項９もしくは１０に記載の集積型半導体光素子を備えることを特徴とする半導体光素子モジュール。
【国際調査報告】
2013115179.tif 000011
2013115179.tif 000012
2013115179.tif 000013
2013115179.tif 000014