(57)【要約】【課題】半導体レーザの特性向上と、光ファイバに対するレーザ光の結合効率の向上と、電力消費量の低減と、を同時に実現可能な半導体光モジュールを提供する。【解決手段】本発明は、半導体光モジュールであって、半導体レーザ素子領域は、活性層と、活性層を埋め込む第１クラッド層と、活性層及び第１クラッド層下に形成された第２クラッド層と、導波路に温度変化を与えるヒータ部と、を含み、光導波路素子領域は、入射したレーザ光のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換器と、スポットサイズ変換器を埋め込む光導波路コア層と、を含み、第１クラッド層はＩｎＰを含み、第２クラッド層は第１クラッド層よりも屈折率が低く熱伝導率が高い材料で構成され、スポットサイズ変換器及びヒータ部下には第２クラッド層よりも屈折率が低く熱伝導率が低い材料の第３クラッド層が形成されている。【選択図】図１
2019204904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路素子領域と半導体レーザ素子領域とが集積された半導体光モジュールであって、
前記半導体レーザ素子領域は、
活性層と、前記活性層を埋め込むように形成された第１クラッド層と、前記活性層及び前記第１クラッド層の下に形成された第２クラッド層と、前記半導体レーザ素子領域の導波路に温度変化を与えるヒータ部と、を含み、
前記光導波路素子領域は、
前記半導体レーザ素子領域から出射されたレーザ光が入射し、前記入射したレーザ光のスポットサイズを変換するようにテーパ状の導波路で構成されたスポットサイズ変換器と、前記スポットサイズ変換器を埋め込むように形成された光導波路コア層と、を含み、
前記第１クラッド層は、ＩｎＰを含み、
前記第２クラッド層は、前記第１クラッド層よりも屈折率が低く熱伝導率が高い材料で構成され、
前記スポットサイズ変換器及び前記ヒータ部の下には、前記第２クラッド層よりも屈折率が低く、かつ熱伝導率が低い材料で構成された第３クラッド層が形成されていることを特徴とする半導体光モジュール。
【請求項２】
前記第２クラッド層は、ＳｉＣ又はＣを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体光モジュール。
【請求項３】
前記スポットサイズ変換器の前記テーパ状の導波路は、ＩｎＰを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光モジュール。
【請求項４】
前記第３クラッド層は、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＯx、ＳｉＯＮ及びＡｌ2Ｏ3のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体光モジュール。
【請求項５】
前記光導波路素子領域及び前記半導体レーザ素子領域における上部クラッド層である第４クラッド層をさらに含み、
前記第４クラッド層は、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＯx、ＳｉＯＮ及びＡｌ2Ｏ3のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザと光導波路とを集積した半導体光モジュールに関し、より詳細には、半導体レーザの特性向上と、光ファイバに対するレーザ光の結合効率の向上と、電力消費量の低減と、を同時に実現可能な半導体光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、小型で低消費電力な素子として広く普及している。特に、半導体レーザを始めとする半導体光モジュールは、情報通信システムを構成する重要な部品である。
【０００３】
発光・受光・光変調を行う半導体光モジュールの材料としては、ＩｎＰやＧａＡｓ等に代表される化合物半導体が用いられている。しかし、これらの材料は、熱伝導性が良好ではないため、素子が動作中に温度上昇してしまい、特性が制限されていた（例えば、非特許文献１）。
【０００４】
一方、半導体電子デバイスの材料として広く用いられているＳｉは、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体に比べて高い熱伝導率を有する。しかし、Ｓｉは、間接遷移型の半導体であるため発光効率が非常に低く、半導体光モジュールの活性層（コア）の材料として用いることは非常に困難である。また、Ｓｉは、屈折率がＩｎＰやＧａＡｓよりも高いため、光閉じ込めの観点からクラッド層の材料として用いることができず、ＩｎＰやＧａＡｓ等で構成される活性層からクラッド層を介して十分に距離を取る必要がある。そのため、Ｓｉはまた、半導体光モジュールのクラッド材料として用いることも困難である。
【０００５】
さらに、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓ等の活性層とＩｎＰ等のクラッド層で構成されたＩｎＰ系光素子の場合、光閉じ込めに必要な活性層とクラッド層との屈折率差が大きく取ることができず、デバイス特性の向上に限界があった。
【０００６】
ＩｎＰ系光素子において活性層とクラッド層の屈折率差を大きく取るための方策としては、半導体レーザにおいてクラッド層の材料として屈折率の小さな空気や絶縁膜を採用することが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献２によると、電流注入の小さい、すなわち温度上昇が少ない領域での素子特性が大幅に向上した半導体レーザが実現されている。しかし、空気などの熱伝導率の小さな絶縁材料をクラッド層の材料として用いた場合、放熱特性が悪化し、温度上昇が大きくなってしまうため、熱による特性の劣化が顕著であった。
【０００７】
熱伝導率が高い材料としては金属材料が考えられるが、例えば金（Ａｕ）は、熱伝導率がＳｉよりも高く屈折率が非常に小さい一方で、消衰係数が大きいため光の吸収損失が大きいことから、クラッド層の材料として用いた場合、導波路内への光閉じ込めを実現することができない。そのため、クラッド層の材料としては、光素子の動作波長において消衰係数の小さい材料を用いる必要がある。
【０００８】
さらに、基板平面方向に電流を注入する、または、電界を印加する光素子の場合、金属などの導電性の材料はキャリアの抜け道として働くため、金属などの導電性の材料を用いて電流注入及び電界印加を行うことができない。そのため、基板平面方向に電流注入または電界印加を効率的に行うためには、クラッド層の材料は、コア層、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層よりもバンドギャップが大きく、光素子中のキャリアに対して障壁として働く材料である必要がある。
【０００９】
これらの問題のため、ＩｎＰ系光素子において、高い光閉じ込めと高い熱伝導率を両立し、効率的に活性層へ電流を注入または電界を印加可能な構造は、これまでに実現されていなかった。
【００１０】
そこで、半導体レーザ素子領域において、屈折率が比較的低く、かつ、熱伝導率が非常に高いＳｉＣやダイヤモンド（Ｃ）をクラッド層の材料として用いることが検討されている。ＳｉＣやＣを活性層におけるクラッド層の材料として用いた場合、基板平面方向に電流注入または電界印加を効率的に行うことが可能になりつつ、活性層において高い光閉じ込めと放熱効果が得られるためである。
【００１１】
一方で、半導体レーザを実用的に使用する際には、光ファイバへレーザ光を結合し、レーザ光を光ファイバ中で導波させることが重要である。一般的に、半導体レーザのモード半径と光ファイバのモード半径は大きく異なり、また半導体レーザの導波路の屈折率と光ファイバの屈折率も異なる。そのため、単純に半導体レーザと光ファイバを突き合わせただけでは、レーザ光を高効率に導波させることは困難である。
【００１２】
光ファイバへレーザ光を高効率に結合させる方法としては、レンズを用いて光ファイバへレーザ光を空間的に結合させる方法がある。しかし、このようなレンズを用いて導波させる方法は、構成が簡便であるが、空間を大きく使う必要があるため、小型化・集積化は困難である。
【００１３】
光ファイバへレーザ光を高効率に結合させる他の方法としては、スポットサイズ変換器（ＳＳＣ）を用いて光ファイバへレーザ光を結合させる方法がある。ＳＳＣは、光素子の光導波路と光ファイバ間の結合部分において、例えば光導波路をテーパ状に形成することにより、レーザ光のビーム径（スポットサイズ）を変換して、光ファイバに結合することができる。ＳＳＣを用いた場合、レンズを用いた場合のように空間を大きく使うことなくレーザ光を光ファイバへ高効率に結合させることができるため、ＳＳＣを半導体レーザと集積することは重要である。
【００１４】
ＳＳＣは、光ファイバとの屈折率差を無くすため、光ファイバと同程度の屈折率を有する材料で構成される必要がある。例えば非特許文献５に記載の方法では、レーザ光をガラス系の光ファイバと結合させるために、ガラスとほぼ同程度の屈折率を有するＳｉＯ2上に作製した半導体レーザから、ＳｉＯ2オーバークラッドを形成した導波路によって構成されたＳＳＣを用いてモード半径を光ファイバのモード半径へと近づけながら屈折率差を解消し、高効率な光結合を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】W. Kobayashi, T. Ito, T. Yamanaka, T. Fujisawa, Y. Shibata, T. Kurosaki, M. Kohtoku, T. Tadokoro, and H. Sanjoh, “50-Gb/s direct modulation of a 1.3-μm InGaAlAs-based DFB laser with a ridge waveguide structure,” IEEE J. Sel. Top. Quantμｍ Electron., vol. 19, no. 4, pp. 1500908-1500908, Jul. 2013.
【非特許文献２】T. Fujii, T. Sato, K. Takeda, K. Hasebe, T. Kakitsuka, and S. Matsuo, “Epitaxial growth of InP to bury directly bonded thin active layer on SiO2/Si substrate for fabricating distributed feedback lasers on silicon,” IET Optoelectron., vol. 9, no. 4, pp. 151-157, Aug. 2015.
【非特許文献３】S. Tsuji, K. Mizuishi, Y. Nakayama, M. Shimaoka, and M. Hirao, “InGaAsP/InP Laser Diodes Mounted on Semi-Insulating SiC Ceramics,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 22, no. S1, p. 239, Jan. 1983.
【非特許文献４】J. A. Alamo, T. Mizutani, J. A. Alamo, and T. Mizutani, “Rapid thermal annealing of InP using GaAs and InP proximity caps,” J. Appl. Phys., vol. 62, pp. 3456-3458, 1987.
【非特許文献５】H. Nishi, T. Fujii, K. Takeda, K. Hasebe, T. Kakitsuka, T. Tsuchizawa, T. Yamamoto, K. Yamada, and S. Matsuo, “Membrane distributed-reflector laser integrated with SiOx -based spot-size converter on Si substrate,” Opt. Express, vol. 24, no. 16, pp. 18346-18352, Aug. 2016.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述したように、半導体レーザの特性向上のため、ＳｉＯ2ではなく、より熱伝導率が大きいＳｉＣやＣをクラッド材料として利用する場合、放熱性の向上に伴って半導体レーザの特性を向上させることができる。一方で、ＳｉＣやＣの屈折率は、活性層の屈折率に比べれば低いものの、ＳｉＯ2などのＳＳＣや光ファイバの材料の屈折率と比べると高い。そのため、例えばＳｉＯ2オーバークラッド及びＳｉＣアンダークラッドを用いてＳＳＣを形成しようとしても、ＳＳＣは導波路幅が徐々に狭くなるように構成されているため、導波モードは導波路内を伝播するにつれてＳｉＣアンダークラッドに放射されてしまう。したがって、ＳｉＣをアンダークラッドとして単純に用いただけでは、光ファイバに対してレーザ光の十分な結合効率を得ることができない。
【００１７】
さらに、導波路領域でヒータ等の温調器を用いて光導波路の屈折率を変化させることで波長調整などを行う光導波路型素子においては、ＳｉＣの熱伝導率の高さに起因して温度変化が小さくなってしまい、素子の熱容量が極端に小さくなるため、所望の温度変化を得るために必要な電力消費量が増大する問題があった。
【００１８】
以上より、ＳｉＣを単純にクラッド材料として用いると、半導体レーザ部分で特性向上が期待できる一方で、活性層領域からの光取り出しと温調型の光素子の電力使用量の効率化を得ることは非常に困難であり、その解決手法についてはこれまで報告されていない。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、半導体レーザの特性向上と、光ファイバに対するレーザ光の結合効率の向上と、電力消費量の低減と、を同時に実現可能な半導体光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】
【００２０】
本発明の一態様に係る半導体光モジュールは、光導波路素子領域と半導体レーザ素子領域とが集積された半導体光モジュールであって、前記半導体レーザ素子領域は、活性層と、前記活性層を埋め込むように形成された第１クラッド層と、前記活性層及び前記第１クラッド層の下に形成された第２クラッド層と、前記半導体レーザ素子領域の導波路に温度変化を与えるヒータ部と、を含み、前記光導波路素子領域は、前記半導体レーザ素子領域から出射されたレーザ光が入射し、前記入射したレーザ光のスポットサイズを変換するようにテーパ状の導波路で構成されたスポットサイズ変換器と、前記スポットサイズ変換器を埋め込むように形成された光導波路コア層と、を含み、前記第１クラッド層は、ＩｎＰを含み、前記第２クラッド層は、前記第１クラッド層よりも屈折率が低く熱伝導率が高い材料で構成され、前記スポットサイズ変換器及び前記ヒータ部の下には、前記第２クラッド層よりも屈折率が低く、かつ熱伝導率が低い材料で構成された第３クラッド層が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
本発明の他の態様に係る半導体光モジュールによると、前記第２クラッド層は、ＳｉＣ又はＣを含むことを特徴とする。
【００２２】
本発明の他の態様に係る半導体光モジュールによると、前記スポットサイズ変換器の前記テーパ状の導波路は、ＩｎＰを含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明の他の態様に係る半導体光モジュールによると、前記第３クラッド層は、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＯx、ＳｉＯＮ及びＡｌ2Ｏ3のいずれかを含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明の他の態様に係る半導体光モジュールによると、前記光導波路素子領域及び前記半導体レーザ素子領域における上部クラッド層である第４クラッド層をさらに含み、前記第４クラッド層は、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＯx、ＳｉＯＮ及びＡｌ2Ｏ3のいずれかを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールによれば、半導体レーザの特性向上と、光ファイバに対するレーザ光の結合効率の向上と、電力消費量の低減と、を同時に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールの構成の上面図であり、図１（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールのIB−IB断面図である。
【図２】図２（ａ）は参考例に係る半導体光モジュールの上面図であり、図２（ｂ）は参考例に係る半導体光モジュールのIIB−IIB断面図であり、図２（ｃ）は参考例に係る半導体光モジュールのIIC−IIC断面図である。
【図３】図３（ａ）は参考例に係る半導体光モジュールの光導波路素子領域における基本モードの等価屈折率の導波路幅依存性を示す図であり、図３（ｂ）は参考例に係る半導体光モジュールの光導波路素子領域における基本モード分布の拡がりの導波路幅依存性を示す図である。
【図４】図４は、参考例に係る半導体光モジュールに基づいて計算された、光導波路素子領域３１０における導波モード分布を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施例に係る半導体光モジュールに基づいて計算された、光導波路素子領域１１０における導波モード分布を示す図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールにおける第２クラッド層１５２と第３クラッド層１５３との接続部分の構造の例を示す上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）中のVIB−VIB断面図である。
【図７】図７（ａ）は下部クラッドとしてＳｉＣを用いた場合であってヒータ部に５０μＷ/μｍ2の電力を入力した場合の熱分布の計算結果を示し、図７（ｂ）は下部クラッドとしてＳｉＯ2を用いた場合であってヒータ部に５０μＷ/μｍ2の電力を入力した場合の熱分布の計算結果を示す。
【図８】図８は、本実施例又は参考例に係る半導体光モジュールにおける前段ＤＢＲ部に両脇に配置されたヒータ部周辺の層構造を示す断面図である。
【図９】図９は下部クラッドとしてＳｉＣとＳｉＯ2とをそれぞれ用いた場合におけるヒータ部への供給電力に対する導波路中心部での上昇温度の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールの上面図である。図１（ａ）には、本発明の一実施形態に係る半導体光モジュール１００と、半導体光モジュール１００に結合された光ファイバ２００と、が示されている。
【００２８】
また、図１（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールのIB−IB断面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、半導体光モジュール１００は、光ファイバ２００に光学的に結合した光導波路素子領域１１０と、光導波路素子領域１１０にレーザ光を入射させる半導体レーザ素子領域１２０と、が集積されている。光ファイバ２００は、ファイバコア２０１と、ファイバクラッド２０２と、を含む。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、光導波路素子領域１１０は、ＳＳＣ部１１２と、ＳＳＣ部１１２を埋め込むように形成された導波路コア層１１３と、を有する導波路部１１１を含む。半導体レーザ素子領域１２０は、活性層１２１と、ＩｎＰを含む第１クラッド層１２２と、活性層１２１の前段に形成された前段分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）部１２３と、活性層１２１の後段に形成された後段ＤＢＲ部１２４と、温度調整により光導波路の屈折率を変化させることで波長調整を行うためのヒータ部１２５及び１２６と、を含む。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールは、基板１５１上に、第２クラッド層１５２と、第２クラッド層１５２を埋め込む第３クラッド層１５３と、第３クラッド層１５３上の導波路部１１１、活性層１２１、前段ＤＢＲ部１２３及び後段ＤＢＲ部１２４と、導波路部１１１、活性層１２１、前段ＤＢＲ部１２３及び後段ＤＢＲ部１２４を埋め込む第４クラッド層１５４と、が形成されている。
【００３１】
ＳＳＣ部１１２は、半導体レーザ素子領域１２０から出射されたレーザ光が入射し、当該入射したレーザ光のスポットサイズを変換するようにテーパ状の導波路で構成されている。ＳＳＣ部１１２は、例えば、ＩｎＰで構成することができる。導波路コア層１１３は、ＳＳＣ部１１２を埋め込むように構成されている。導波路コア層１１３の材料としては、ＳｉＯxを用いることができるが、この他にもＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3等の材料が考えられる。ＳＳＣ部１１２における導波路幅をテーパ状に段階的に細めていくことにより、光の導波モードをＳＳＣ部１１２における導波路から導波路コア層１１３へと導くことができる。
【００３２】
活性層１２１は、組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓで構成された多重量子井戸・障壁層を含む。ただし、活性層１２１における多重量子井戸・障壁層の材料は、ＩｎＧａＡｌＡｓの他にＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等が考えられるが、この限りではない。
【００３３】
第１クラッド層１２２は、活性層１２１を埋め込むように形成されている。活性層１２１の多重量子井戸・障壁層上の第１クラッド層１２２はｉ−ＩｎＰで構成することができ、活性層１２１の一方の側面側の第１クラッド層１２２はｐ−ＩｎＰで構成することができ、活性層１２１の他方の側面側の第１クラッド層１２２はｎ−ＩｎＰで構成することができる。
【００３４】
例えば、活性層１２１の幅は０．６μｍ、活性層１２１及び第１クラッド層１２２の厚さは０．３２μｍとすることができるが、層構造や導波路幅はこの限りではない。活性層１２１の厚さ０．３２μｍは、活性層１２１内を伝搬する１．３１μｍの波長の光が活性層１２１の厚さ方向に対してシングルモードとなるおおよそ上限の値である。
【００３５】
動作波長や活性層１２１として用いる材料を変更する場合、活性層１２１の厚さ方向にシングルモードとなるためには、動作波長をλ、活性層１２１の平均的な屈折率をｎcore、第２クラッド層１５２の屈折率をｎcladとすると、活性層１２１の厚さtはおおよそ下記の式（１）の関係を満たせば良い。
【００３６】
【数１】
2019204904.tif 000003
【００３７】
例えば、１．５５μｍ帯の波長の光を利用する場合には、コア層の厚さtは０．３６４μｍ以下となる。
【００３８】
前段ＤＢＲ部１２３及び後段ＤＢＲ部１２４は、例えば、回折格子状に形成されたＩｎＰで構成することができる。前段ＤＢＲ部１２３及び後段ＤＢＲ部１２４の両脇には、温度調整用のヒータ部１２５及び１２６が設けられている。ヒータ部１２５及び１２６は、電力注入により半導体レーザ素子領域１２０の導波路に温度変化を与えて導波路における光の屈折率を変化させることで導波路を伝搬する光の波長を変化させることにより、前段ＤＢＲ部１２３及び後段ＤＢＲ部１２４の動作波長を変化させることが可能である。ヒータ部１２５及び１２６は、タンタル（Ｔａ）で構成することができる。しかし、ヒータ部１２５及び１２６の材料、温度調整の方法や設置位置はこの限りではない。
【００３９】
第２クラッド層１５２は、活性層１２１及び第１クラッド層の下に形成された下部クラッド層である。第２クラッド層１５２は、第１クラッド層１２２よりも屈折率が低く熱伝導率が高い材料（例えばＳｉＣ、Ｃ等）を含む。ＳｉＣやＣは、活性層１２１を形成するいかなる材料よりも屈折率が低く、熱伝導率とバンドギャップが大きい。第２クラッド層１５２は、ＳｉＣ、Ｃ等で構成された基板１５１のリソグラフィ・エッチング等によって作製可能であるが、作製の方法は問わない。
【００４０】
第３クラッド層１５３は、ＳＳＣ部１１２、前段ＤＢＲ部１２３、後段ＤＢＲ部１２４の下に形成された下部クラッド層である。第３クラッド層１５３としては、第２クラッド層１５２よりも屈折率が低く、かつ熱伝導率が低い材料、例えば、ＳｉＯ2を用いることができる。ただし、第３クラッド層１５３の材料は、ＳｉＯ2に限定されず、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯx、ＳｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3を用いてもよい。第３クラッド層１５３は、材料の堆積、平坦化研磨等によって作製可能であるが、作製の方法は問わない。
【００４１】
第４クラッド層１５４は、光導波路素子領域１１０及び半導体レーザ素子領域１２０における上部クラッド層である。第４クラッド層１５４としては、例えば、ＳｉＯ2を用いることができる。ＳｉＯ2は、光ファイバ２００として一般的に用いられる石英光ファイバクラッド層と同程度の屈折率を有する。ただし、第４クラッド層１５４の材料は、ＳｉＯ2に限定されず、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯx、ＳｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3を用いてもよい。第４クラッド層１５４は、材料の堆積、平坦化研磨等によって作製可能であるが、作製の方法は問わない。
【００４２】
本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールにおいて、活性層１２１及び第１クラッド層１２２は、結晶成長技術により形成可能であり、第２クラッド層１５２は活性層１２１との基板接合技術などで形成可能であるが、作製の方法についてはこれに限らない。また、基板水平方向への光閉じ込めは多重量子井戸層と第１クラッド層１２２との屈折率差と導波路利得により実現されているが、２次元フォトニック結晶構造による光閉じ込めなど、実現の方法は問わない。
【００４３】
（参考例）
本発明との比較のため、参考例として、本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールの光導波路素子領域１１０においてＳｉＯ2等で構成された下部クラッド層（第３クラッド層１５３）を、ＳｉＣで構成された下部クラッド層で置換した場合について検討する。
【００４４】
図２（ａ）は、参考例に係る半導体光モジュールの上面図である。また、図２（ｂ）は、参考例に係る半導体光モジュールのIIB−IIB断面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）には、光導波路素子領域３１０と、半導体レーザ素子領域３２０と、を含む半導体光モジュール３００が示されている。
【００４５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、光導波路素子領域３１０は、テーパ状の導波路で構成されたＳＳＣ部３１２と、導波路コア層３１３と、を有する導波路部３１１を含む。半導体レーザ素子領域３２０は、活性層３２１と、ＩｎＰを含む第１クラッド層３２２と、前段ＤＢＲ部３２３及び後段ＤＢＲ部３２４と、ヒータ部３２５及び３２６と、を含む。
【００４６】
図２（ｂ）に示すように、参考例に係る半導体光モジュール３００は、基板３５１上に、下部クラッド層３５２と、下部クラッド層３５２上の導波路部３１１、活性層３２１、前段ＤＢＲ部３２３及び後段ＤＢＲ部３２４と、導波路部３１１、活性層３２１、前段ＤＢＲ部３２３及び後段ＤＢＲ部３２４を埋め込む上部クラッド層３５４と、が形成されている。
【００４７】
図２（ｃ）は、参考例に係る半導体光モジュールのIIC−IIC断面図である。図２（ｃ）に示すように、下部クラッド層３５２は、ＳｉＣで構成されている。参考例に係る半導体光モジュールは、光導波路素子領域３１０及び半導体レーザ素子領域３２０の下部クラッドが共にＳｉＣで構成されている点を除き、本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールと同様の構成を有する。
【００４８】
図３（ａ）は、参考例に係る半導体光モジュールの光導波路素子領域における基本モードの等価屈折率の導波路幅依存性を示し、図３（ｂ）は参考例に係る半導体光モジュールの光導波路素子領域における基本モード分布の拡がりの導波路幅依存性を示す。参考例に係る半導体光モジュールでは、ＳＳＣ部３１２、前段ＤＢＲ部３２３及び後段ＤＢＲ部３２４はＩｎＰを用い、基板３５１及び下部クラッド層３５２はＳｉＣを用い、上部クラッド層３５４はＳｉＯ2を用い、導波路コア層３１３はＳｉＯxを用いた。活性層３２１は、組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓで構成された多重量子井戸・障壁層とし、第１クラッド層３２２は、ｉ−ＩｎＰで活性層３２１の上面を覆い、ｐ−ＩｎＰ及びｎ−ＩｎＰでそれぞれ活性層３２１の両側面を覆うように形成した。また、参考例に係る半導体光モジュールでは、導波路コア層３１３の幅を１．５μｍ、ＳＳＣ部３１２の厚さを０．３２μｍ、ＳＳＣ部３１２におけるテーパ状の導波路部分の長さを３００μｍとした。
【００４９】
図３（ａ）に示すように、ＳＳＣ部３１２における導波路幅が０．３μｍ以下の場合、導波モードの等価屈折率は下部クラッド層３５２を構成するＳｉＣの屈折率以下となるため、基板放射モードとなる。また、図３（ｂ）に示すように、導波路幅が狭い領域では、縦方向のモード径は全く拡がらず、また、導波路幅が広い領域では、横方向のモード径は拡がるが、マルチモード導波してしまうという問題が生じる。そのため、単純にＳｉＣを下部クラッドとして使用すると、ＳＳＣとしては全く機能しない。
【００５０】
図４は、参考例に係る半導体光モジュールに基づいて計算された、光導波路素子領域３１０における導波モード分布を示す。図４に示すように、光導波路素子領域３１０のＳＳＣ部３１２に入力された光は、導波の途中で基板放射モードへ移行してＳＳＣ部３１２から基板３５１に漏れ出すため、ＳＳＣ部３１２のテーパ部分が終端する出力端まで導波することができない。
【００５１】
（実施例）
次に、本発明の効果を実証するため、本発明の実施例に係る半導体光モジュールについて検討する。本発明の実施例に係る半導体光モジュールでは、ＳＳＣ部１１２、前段ＤＢＲ部１２３及び後段ＤＢＲ部１２４としてＩｎＰを用い、基板１５１及び第２クラッド層１５２としてＳｉＣを用い、第３クラッド層１５３及び第４クラッド層１５４としてＳｉＯ2を用い、導波路コア層１１３としてＳｉＯxを用いた。活性層１２１は、組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓで構成された多重量子井戸・障壁層とし、第１クラッド層１２２は、ｉ−ＩｎＰで活性層１２１の上面を覆い、ｐ−ＩｎＰ及びｎ−ＩｎＰでそれぞれ活性層１２１の両側面を覆うように形成した。また、本実施例に係る半導体光モジュールでは、導波路コア層１１３の幅を１．５μｍ、ＳＳＣ部１１２の厚さを０．３２μｍ、ＳＳＣ部１１２におけるテーパ状の導波路部分の長さを３００μｍとした。
【００５２】
図５は、本発明の実施例に係る半導体光モジュールに基づいて計算された、光導波路素子領域１１０における導波モード分布を示している。図５に示すように、光が徐々にモード径を拡げながらＳＳＣ部１１２を伝搬して、導波路コア層１１３へモードが移行している。これは、光導波路素子領域１１０の下部クラッド層としてＳｉＯ2を用いた構造を導入したことで、屈折率の非対称性が緩和された効果を示している。したがって、本実施例に示すような本発明の一実施形態に係る構造はＳＳＣとして機能することから、本発明は、ＳｉＣ上レーザと導波路構造の一体集積の観点から、非常に有効な手段であると結論付けられる。よって、本発明の構造を採用することにより、レーザ光を光ファイバに対して十分に結合させることが可能となる。
【００５３】
また、本実施例に係る半導体光モジュールでは、導波路コア層１１３としてＳｉＯxを用いるため、光導波路素子領域１１０における導波路端面の屈折率が石英光ファイバの屈折率とほぼ同等となることから、石英で構成された光ファイバ２００と接続した場合の界面での反射を抑制することが可能となる。
【００５４】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールにおける第２クラッド層１５２と第３クラッド層１５３との接続部分の構造の例を示す上面図及びそのVIB−VIB断面図である。図６（ａ）では、簡略化のため、ＤＲＢ部１２３及び１２４、ヒータ部１２５及び１２６は省略している。
【００５５】
図６（ａ）に示すように、第２クラッド層１５２と第３クラッド層１５３との接続部分の端面を、光の進行方向に対して直交する面に関して斜めに形成することで、第２クラッド層１５２と第３クラッド層１５３との接続端面における活性層１２１への光の反射を低減させることが可能である。第２クラッド層１５２と第３クラッド層１５３との接続部分の端面の光の進行方向に直交する面に対する傾斜角は、７°程度が好ましいが、この限りではない。
【００５６】
図７（ａ）は下部クラッドとしてＳｉＣを用いた場合であってヒータ部に５０μＷ/μｍ2の電力を入力した場合の熱分布の計算結果を示し、図７（ｂ）は下部クラッドとしてＳｉＯ2を用いた場合であってヒータ部に５０μＷ/μｍ2の電力を入力した場合の熱分布の計算結果を示す。また、図８は、本実施例又は参考例に係る半導体光モジュールにおける前段ＤＢＲ部に両脇に配置されたヒータ部周辺の層構造を示す断面図である。
【００５７】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す結果は、図８に示す層構造を利用して算出した。具体的には、図８に示すように、ヒータ部の幅をそれぞれ５μｍとし、ヒータ部とコア層との間の距離を５μｍとして算出した。ヒータ部の材料としては、Ｔａを用いた。
【００５８】
下部クラッドがＳｉＣの場合は、図７（ａ）に示すように、ヒータ部近傍の領域の温度上昇が１℃未満である。それに対し、下部クラッドがＳｉＯ2の場合は、図７（ｂ）に示すように、ヒータ部近傍の領域は約２０℃温度上昇している。これは、ＳｉＯ2の熱伝導率がＳｉＣの熱伝導率よりも小さいため、下部クラッドがＳｉＯ2の場合には効率的に導波路領域で発熱する効果を明確に示している。
【００５９】
図９は、下部クラッドとしてＳｉＣとＳｉＯ2とをそれぞれ用いた場合におけるヒータ部への供給電力に対する導波路中心部での上昇温度の関係を示す。図９に示す結果は、図８に示す層構造を利用して算出した。
【００６０】
図９に示すように、下部クラッドとしてＳｉＯ2を用いた場合、下部クラッドとしてＳｉＣを用いた場合に比べて、一定の温度変化を得るために必要な電力を約２０分の１にすることができるため、消費電力を大幅に減少させることが可能となる。したがって、本発明の構造を採用することにより、所望の温度変化を得るために必要な電力消費量を低減することが可能となる。そのため、ＤＢＲ部への効率的な温調が可能となり、低消費電力で動作する波長可変レーザを実現することが可能となる。
【００６１】
このように、本発明によると、活性層１２１の下部クラッド層としてＳｉＣやＣを含む第２クラッド層１５２を用いることにより、放熱性を向上させて半導体レーザの特性を向上させることができる。また、本発明によると、光導波路素子領域１１０の下部クラッド層としてＳｉＯ2等を含む第３クラッド層１５３を用いることにより、レーザ光を光ファイバ２００に対して十分に結合させることが可能となる。さらに、本発明によると、ヒータ部１２５及び１２６に温度変化を与える光導波路の下部クラッド層としてＳｉＯ2等を含む第３クラッド層１５３を用いることにより、所望の温度変化を得るために必要な電力消費量を低減することが可能となる。
【００６２】
以上により、本発明の一実施形態に係る半導体光モジュールによると、半導体レーザの特性向上と、光ファイバに対するレーザ光の結合効率の向上と、電力消費量の低減と、を同時に実現することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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