(57)【要約】【課題】チップサイズの増大、電極数の増加、消費電力の増加を招くことなく、また、半導体レーザ及び変調器に対する制御以外の制御を行なうことなく、さらに、素子端面における残留反射による戻り光によって半導体レーザの特性に影響を与えないようにしながら、光出力を増大させる。【解決手段】半導体基板１上にモノリシック集積された半導体レーザ２及び変調器３を備え、両端面に無反射コート５，６が施されている光半導体素子４において、半導体レーザ１を、位相シフト７を有する回折格子８が形成されている回折格子形成領域９と、回折格子形成領域９と同一の活性層１５を有し、回折格子８が形成されていない回折格子非形成領域１０と、回折格子形成領域９及び回折格子非形成領域１０の活性層１５に電流注入を行なうための１つの電極１４とを備えるものとし、回折格子非形成領域１０を回折格子形成領域９に対して変調器３側に設ける。【選択図】図１
2008294124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にモノリシック集積された半導体レーザ及び変調器を備え、
両端面に無反射コートが施されており、
前記半導体レーザは、位相シフトを有する回折格子が形成されている回折格子形成領域と、前記回折格子形成領域と同一の活性層を有し、前記回折格子が形成されていない回折格子非形成領域と、前記回折格子形成領域及び前記回折格子非形成領域の活性層に電流注入を行なうための１つの電極とを備え、前記回折格子非形成領域が前記回折格子形成領域に対して前記変調器側に設けられていることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記回折格子非形成領域が、５０μｍ〜１５０μｍの範囲内の長さを有することを特徴とする、請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記回折格子形成領域が、２５０μｍ以上の長さを有することを特徴とする、請求項１又は２記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記位相シフトが、λ／４位相シフトであり、前記回折格子形成領域の中央よりも前記変調器側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１項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記変調器が、電界吸収型変調器であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記半導体レーザの活性層と前記変調器の活性層は、異なる層構造を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記半導体レーザと前記変調器とは導波路領域を介して接続されており、
前記変調器の活性層の層構造と前記導波路領域の層構造とは同一になっており、前記半導体レーザの回折格子非形成領域の端面と前記導波路領域の端面とがバットジョイント接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記半導体レーザの活性層が、ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記変調器の活性層が、ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ファイバ通信などに用いられる光半導体素子に関し、特に、半導体レーザと変調器とを集積した光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザと、外部変調器、特に電界吸収型変調器とをモノリシック集積した光半導体素子は、コンパクトであるため、中・長距離用の光源として、光通信システムで広く使用されてきている。
この半導体レーザと変調器とが一体化された光半導体素子はサイズが１ｍｍ以下と小さいため、ＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub-Assembly）と呼ばれている小型モジュールに搭載可能で、光送信器の小型化に大きく寄与している。
【０００３】
現在、主流となってきている伝送速度が１０Ｇｂ／ｓの光通信システムの場合、およそ１００ｋｍくらいまでの伝送距離に対して用いられている。
ここで、図４は、半導体レーザ１００と変調器（電界吸収型変調器）１０１とを集積した従来の変調器集積レーザ（電界吸収型変調器集積レーザ）の導波路方向に沿う断面構造を示す模式図である。
【０００４】
図４に示すように、半導体レーザ（半導体レーザ部）１００としては、レーザ用多重量子井戸活性層１０２に単一モード発振させるための回折格子１０３を設けたＤＦＢレーザが用いられるのが通常である。
特に、図４に示すように、波長多重通信にも対応しうるように、波長制御性も含めて製造歩留まりの良い、λ／４位相シフト１０４を有する回折格子１０３を設けたＤＦＢレーザが用いられることが多い。
【０００５】
このようなλ／４位相シフト１０４を設けたＤＦＢレーザ１００を用いる場合、図４に示すように、素子の出射端面（変調器側の端面；前側端面）を無反射コート（ＡＲコート）１０５を施すとともに、素子の後側端面（半導体レーザ側の端面）についても、回折格子１０３の端面位相の影響を抑えるために無反射コート（ＡＲコート）１０６を施すのが通常である（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
また、変調器（変調器部）１０１は、活性層として、半導体レーザ１００の活性層１０２とは異なる層構造の変調器用多重量子井戸活性層１１０が用いられ、電圧を印加すると吸収が変化するようになっていて、印加電圧に応じて変調された光信号が生成されるようになっている。
なお、図４中、符号１０７はレーザ電極、符号１０８は変調器電極、符号１０９は基板側電極を、それぞれ示している。
【０００７】
さらに、半導体レーザ１００と変調器１０１との間には、電気的に分離するための分離領域として、電極の形成されていない領域（導波路領域；導波路部）１１１が設けられている。この導波路領域１１１は、半導体レーザ１００及び変調器１０１の活性層とは異なる層構造を有するものとすることもある（例えば特許文献２参照）が、図４に示すように、変調器１０１の変調器用多重量子井戸活性層１１０と同じ層構造にすることが多い。
【０００８】
なお、上述の変調器集積レーザは、再成長を行なうことで半導体レーザの活性層と変調器の活性層とを異なる層構造にしているが、このほか、図５に示すように、選択成長を使って一括形成した、厚さの異なる活性層（多重量子井戸活性層）１２２を、半導体レーザ１２０及び変調器１２１の活性層として用いた変調器集積レーザも提案されている（例えば特許文献３，４参照）。このような変調器集積レーザでは、図５に示すように、半導体レーザ１２０の活性層の厚さが厚く、変調器１２１の活性層の厚さが薄く、半導体レーザ１２０と変調器１２１との間の遷移領域１３０の厚さが変化している。なお、図５中、符号１２３は回折格子、符号１２４は位相シフト、符号１２５，１２６は無反射コート、符号１２７はレーザ電極、符号１２８は変調器電極、符号１２９は基板側電極、符号１３０は遷移領域をそれぞれ示している。
【０００９】
例えば特許文献３，４に記載されている変調器集積レーザでは、図５に示すように、半導体レーザ１２０と変調器１２１との間に形成された、厚さが変化する遷移領域１３０の途中まで回折格子１２３が形成されており、レーザ電極（上部電極）１２７も遷移領域１３０の途中まで形成されている。つまり、回折格子１２３の実効的な周期があまり変化しないように、回折格子１２３は遷移領域１３０の層厚の変化が少ない領域にだけ設けるようにして、安定な単一モード発振が得られるようにしている。
【００１０】
一方、層厚がある程度変化するまでは活性層１２２の吸収が導波路として使うには大きいため、レーザ電極１２７を回折格子１２３が形成されていない遷移領域１３０の途中まで形成して電流注入を行なうことで、吸収を抑えるようにしている。なお、遷移領域１３０では厚さが変化することで量子井戸層のバンドギャップが半導体レーザ１２０よりも広くなっているため、利得はほとんど得られず、光出力増大効果はほとんど得られない。
【００１１】
また、高出力化を図るために、図６に示すように、半導体レーザ１４０と変調器１４１とを集積した変調器集積レーザにおいて、さらに半導体光増幅器（ＳＯＡ）１４２を集積したものもある（例えば非特許文献１参照）。
なお、図６中、符号１４３はレーザ用多重量子井戸活性層、符号１４４は回折格子、符号１４５は変調器用多重量子井戸活性層、符号１４６は半導体光増幅器用多重量子井戸活性層、符号１４７はレーザ電極、符号１４８は変調器電極、１４９は増幅器電極、１５０は高反射コート、１５１は無反射コート、１５２は基板電極をそれぞれ示している。
【００１２】
また、非特許文献１に記載された変調器集積レーザは、図６に示すように、位相シフトが設けられておらず、半導体レーザ側の素子端面に高反射コート（ＨＲコート）１５０が施されているものである。
【特許文献１】特開平９−３１２４３７号公報
【特許文献２】特開２００２−３２４９３６号公報
【特許文献３】特開平９−９２９２１号公報
【特許文献４】特許第３１４１８５４号公報
【非特許文献１】B. Kang et al., "10 Gb/s High Power Electro-Absorption Modulated Laser Monolithically Integrated with a Semiconductor Optical Amplifier for Transmission over 80 km", Tech. Dig. OFC2003, vol. 2, pp. 751-753
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述のような変調器集積レーザは非常に小型の光源であるが、回折格子に位相シフトを設け、素子の両端面にＡＲコートを施す場合、高い光出力が得られないという課題がある。
特に、例えば１０Ｇｂ／ｓでの８０ｋｍ伝送用途などでは、本来、高出力が望まれる応用であるにも関わらず、８０ｋｍ伝送可能な波長チャープが得られる変調器の条件では変調器の損失が増し、高出力が得られないというトレードオフの関係が存在する。
【００１４】
現在、商用化されているデバイスでは、変調時の平均光出力が＋２ｄＢｍ程度であり、強誘電体であるＬｉＮｂＯ3を用いた変調器と比べて数ｄＢも光出力が小さいため、高出力化が望まれている。
一方、上述のように、高出力化を図るために、変調器集積レーザにさらに半導体光増幅器を集積すると（図６参照）、チップサイズの増大、電極数の増加、消費電力の増加を招き、半導体光増幅器に対する別個の制御が必要になるという課題がある。
【００１５】
つまり、従来の変調器集積レーザに導波路領域を介して半導体光増幅器を接続するため、その分だけチップサイズが大きくなる。
また、半導体光増幅器に電流注入を行なうための別の電極を追加することになるため、電極数が増加する。さらに、半導体光増幅器を別個に制御することも必要になる。
さらに、半導体光増幅器にも電流注入を行なう必要があるため、消費電力が増加する。特に、変調器集積レーザを構成する変調器に導波路領域を介して半導体光増幅器を接続することになり、変調器によって変調された光を半導体光増幅器で増幅することになるため、変調光が歪まないように増幅しなければならない。この場合、変調光の入力レベルに応じて注入電流の電流レベルを高くしなければならず、消費電力が増加し、制御も複雑になる。
【００１６】
また、半導体光増幅器による増幅率を大きくすることで、ＡＲコートが施されている素子端面での残留反射によって半導体レーザに戻る光が大きくなってしまい、波長変動など半導体レーザの特性に悪影響を及ぼすおそれがある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、チップサイズの増大、電極数の増加、消費電力の増加を招くことなく、また、半導体レーザ及び変調器に対する制御以外の制御を行なうことなく、さらに、素子端面における残留反射による戻り光によって半導体レーザの特性に影響を与えないようにしながら、光出力を増大させることができるようにした、光半導体素子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】
【００１７】
このため、本発明の光半導体素子は、半導体基板上にモノリシック集積された半導体レーザ及び変調器を備え、両端面に無反射コートが施されており、半導体レーザは、位相シフトを有する回折格子が形成されている回折格子形成領域と、回折格子形成領域と同一の活性層を有し、回折格子が形成されていない回折格子非形成領域と、回折格子形成領域及び回折格子非形成領域の活性層に電流注入を行なうための１つの電極とを備え、回折格子非形成領域が回折格子形成領域に対して変調器側に設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
したがって、本発明の光半導体素子によれば、チップサイズの増大、電極数の増加、消費電力の増加を招くことなく、また、半導体レーザ及び変調器に対する制御以外の制御を行なうことなく、さらに、素子端面における残留反射による戻り光によって半導体レーザの特性に影響を与えないようにしながら、光出力を増大させることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子について、図１〜図３を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光半導体素子は、例えば図１に示すように、半導体基板（ここではｎ型ＩｎＰ基板）１上に、半導体レーザ［ここでは内部にλ／４位相シフトを有する回折格子を備えるＤＦＢ（Distributed Feed-Back；分布帰還型）レーザ］２及び変調器（ここでは電界吸収型変調器）３をモノリシック集積した変調器集積レーザ（ここでは電界吸収型変調器集積レーザ；半導体集積素子）４であって、素子４の両端面に無反射コート５，６が施されている。
【００２０】
特に、半導体レーザ２は、図１に示すように、λ／４位相シフト７を有する回折格子８が形成されている回折格子形成領域（共振器領域）９と、回折格子８が形成されていない回折格子非形成領域（増幅領域）１０とを備える。
ここで、回折格子８の周期は、発振波長が１．５５μｍとなるように設定されている。また、回折格子８の深さは、例えば結合係数κが４５〜５５ｃｍ-1程度になるように設定されている。但し、これに限られるものではない。
【００２１】
また、λ／４位相シフト７は、図１に示すように、回折格子形成領域（共振器領域）９の中央よりも変調器３側（回折格子非形成領域１０側；出射端面側；前方端面側）に形成されている。これにより、出射端面側から出射される変調光（レーザ光）の光出力を増大させることができる。
本実施形態では、図１に示すように、共振器領域９は、一方の素子端面側（後端面側；図１中、左側）に設けられており、増幅領域１０は、共振器領域外、即ち、共振器領域９に対して変調器３側に設けられている。つまり、ｎ型ＩｎＰ基板１の表面上（即ち、ｎ型ＩｎＰ基板１とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１３との界面）に、回折格子８が形成されている回折格子形成領域９と、回折格子８が形成されていない回折格子非形成領域１０とが、光導波方向に沿って（即ち、活性層に沿って）直列に設けられており、回折格子形成領域９が素子端面側に設けられており、回折格子非形成領域１０が変調器３側に設けられている。
【００２２】
そして、半導体レーザ２を動作させるべく、１つのレーザ用ｐ側電極１４を介して共振器領域９及び増幅領域１０の活性層（ここではレーザ用ＡｌＧａＩｎＡｓ歪多重量子井戸活性層）１５に電流注入が行なわれるため、共振器領域９と増幅領域１０とは同程度の電流密度で電流が注入された状態になっている。また、上述のように、共振器領域９に連なるように、共振器領域９に対して変調器３側に増幅領域１０が設けられている（つまり、半導体レーザ２は回折格子８を設けた領域９の変調器３側に回折格子８を設けない領域１０を有する）。この結果、共振器領域（回折格子形成領域）９からの光強度の強い単一モード連続発振光（ＣＷ光）が一方向に増幅領域（回折格子非形成領域）１０に入射し、増幅領域１０では、利得飽和した低い増幅率の状態が自動的に得られ、利得飽和を利用した増幅が行なわれることになる。
【００２３】
このように、増幅領域１０では利得飽和を利用して増幅が行なわれるため、増幅率があまり大きくならないようにすることができ、これにより、素子端面（図１中、右側の端面）における残留反射による戻り光によって半導体レーザ２の特性に影響を与えないようにすることができる。つまり、変調器集積レーザ４において出射側（前側；図１中、右側）の素子端面に無反射コート６を施しても、残留反射によって半導体レーザ２に戻る光が大きくなると波長変動など半導体レーザ２の特性に悪影響を及ぼすことになる一方、上述のように、共振器領域（回折格子形成領域）９に対して変調器３側に増幅領域（回折格子非形成領域）１０を設けると、増幅領域１０が戻り光も増幅してしまうことになる。このため、増幅領域１０における増幅率があまり大きくならないようにすることで、素子端面における残留反射による戻り光によって半導体レーザ２の特性に影響を与えないようにすることができる。
【００２４】
また、上述のように構成することで、半導体レーザの全長にわたって回折格子を形成した従来の変調器集積レーザと同一の注入電流で、変調器を介して素子端面から出力される変調光の光出力を増大させることができる。
ところで、共振器領域９と増幅領域１０は、図１に示すように、共振器領域（回折格子形成領域）９では、ｎ型ＩｎＰ基板１の表面上（即ち、ｎ型ＩｎＰ基板１とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１３との界面）に回折格子８が設けられており、増幅領域（回折格子非形成領域）１０では、ｎ型ＩｎＰ基板１の表面上に回折格子８が設けられていないという点で異なるだけで、これ以外の層構造は同一になっている。
【００２５】
具体的には、図１に示すように、共振器領域９及び増幅領域１０は、いずれも、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１３（厚さ０．１μｍ）、ｎ型ＩｎＰ層１７（厚さ０．０５μｍ；エッチング停止層）、レーザ用ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層１５、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８（厚さ１．６５μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９（厚さ０．３μｍ）を順に積層した層構造になっている。つまり、共振器領域９及び増幅領域１０は同一の活性層１５を有する。
【００２６】
ここで、レーザ用ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層１５は、多重量子井戸構造として、例えば圧縮歪み１．２％、厚さ５．１ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と、無歪み、厚さ１０ｎｍ、組成波長１．２μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とを７層積層した構造で、フォトルミネセンス波長が１．５５μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ圧縮歪多重量子井戸活性層としている。但し、これに限られるものではない。
【００２７】
また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９上に、図１に示すように、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるレーザ用ｐ側電極（上部電極）１４が設けられている。つまり、共振器領域９及び増幅領域１０の活性層１５の双方に電流注入を行なうために、共振器領域９及び増幅領域１０の上方に１つ（単一）の上部電極１４が設けられている。
ところで、本実施形態では、図１に示すように、半導体レーザ（半導体レーザ部）２と変調器（変調器部；長さ２００μｍ）３とは導波路領域（導波路部；長さ５０μｍ）２０を介して接続されている。つまり、半導体レーザ２と変調器３との間には、これらを電気的に分離するための分離領域として、コンタクト層及び電極の形成されていない領域（導波路領域）２０が設けられている。ここでは、分離領域となる導波路領域２０は、後述するように変調器３の層構造と同一であるが、分離抵抗を上げるために、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を除去している。そして、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８上にはＳｉＯ2膜２１が形成されている。
【００２８】
また、本実施形態では、図１に示すように、変調器３の層構造と導波路領域２０の層構造とは同一になっており、半導体レーザ２の増幅領域（回折格子非形成領域）１０の端面と導波路領域２０の端面とがバットジョイント接続されている。
さらに、本実施形態では、図１に示すように、半導体レーザ２の層構造と、変調器３及び導波路領域２０の層構造とは異なるものとなっている。つまり、変調器３及び導波路領域２０の活性層１６は、上述のように構成される半導体レーザ２の活性層１５とは異なる層構造になっており、活性層以外の層構造は同一になっている。
【００２９】
ここで、変調器３及び導波路領域２０は、図１に示すように、上述のレーザ用ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層１５に代えて、変調器用ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層１６を備えるものとしている。
具体的には、変調器用ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層１６は、多重量子井戸構造として、例えば圧縮歪み０．５％、厚さ９ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と、引張歪み０．３％、厚さ５．１ｎｍ、組成波長１．３４μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とを７層積層した構造で、フォトルミネセンス波長が１．４９μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ圧縮歪多重量子井戸活性層としている。但し、これに限られるものではない。
【００３０】
また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９上に、図１に示すように、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる変調器用ｐ側電極（上部電極）２２が設けられている。
さらに、基板裏面側には、図１に示すように、例えばＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ型電極（下部電極）２３が設けられている。
また、本実施形態では、各半導体層を積層し、ストライプ状のメサ構造に加工した後、メサ構造の両脇を高抵抗半導体層（半絶縁性半導体層；ここではＦｅドープＩｎＰ層）で埋め込んで、埋込型導波路構造（ここでは半絶縁性埋込ヘテロ構造；ＳＩ−ＢＨ構造；Semi-Insulating Buried Heterostructure）にしている。
【００３１】
ところで、本発明者らは、半導体レーザ２の全長にわたって回折格子８が形成された変調器集積レーザを基準として、回折格子非形成領域１０の長さを大きくしていった場合にどの程度光出力が改善させるかを確認すべく、半導体レーザ２の長さを４００μｍとし、回折格子非形成領域１０の長さを０μｍから２００μｍまでの間で変化させた複数の変調器集積レーザ（この場合、回折格子形成領域９の長さは４００μｍから２００μｍまでの間で変化させたものとなる）、及び、半導体レーザ２の長さを５００μｍとし、回折格子非形成領域１０の長さを０μｍから２００μｍまでの間で変化させた複数の変調器集積レーザ（この場合、回折格子形成領域９の長さは５００μｍから３００μｍまでの間で変化させたものとなる）を作製した。なお、回折格子非形成領域１０の長さが０μｍの場合、半導体レーザ２の全長にわたって回折格子８が形成されていることになる。
【００３２】
なお、λ／４位相シフト７は、回折格子形成領域９の中央よりもやや変調器３側の位置に設けるために、回折格子形成領域９の長さが３００μｍ、４００μｍ、５００μｍの場合に、それぞれ、素子端面（後側端面；図１中、左側の端面）から１７０μｍ、２３０μｍ、２９０μｍとなるような線形関係でλ／４位相シフト７の位置を設定した。
ここで、図２は、上述のようにして作製した各変調器集積レーザ４から出力された変調光の光出力（ｄＢ）をプロットしたものである。
【００３３】
なお、図２では、説明の便宜上、半導体レーザ２の長さを４００μｍとし、回折格子非形成領域１０の長さを０μｍ、５０μｍ、７５μｍとし、回折格子形成領域９の長さを４００μｍ、３５０μｍ、３２５μｍとした各変調器集積レーザ４、及び、半導体レーザ２の長さを５００μｍとし、回折格子非形成領域１０の長さを０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍとし、回折格子形成領域９の長さを５００μｍ、４５０μｍ、４００μｍ、３５０μｍ、３００μｍとした各変調器集積レーザ４から出力された変調光の光出力（ｄＢ）をプロットしている。
【００３４】
図２に示すように、半導体レーザ２の長さに関わらず、回折格子非形成領域１０の長さを長くしていくと光出力が向上することが確認できた。
但し、半導体レーザ２の長さを５００μｍとし、回折格子非形成領域１０の長さを２００μｍとした変調器集積レーザ４においては、素子の出射端面（前端面；図１中、右側の端面）における残留反射の影響と見られる特性不良が確認された。このことから、増幅率は低いものの、利得が大きくなりすぎていると考えられ、回折格子非形成領域１０の長さを２００μｍとするのはやや長すぎると考えられる。
【００３５】
このため、素子端面における残留反射による戻り光によって半導体レーザ２の特性に影響を与えないようにしながら（半導体レーザ２の動作が不安定にならないようにしながら）、光出力を増大させるためには、回折格子非形成領域１０の長さが長くなりすぎないように所望の範囲内に設定するのが好ましい。具体的には、回折格子非形成領域１０の長さは、半導体レーザ２の長さを５００μｍとした場合、５０μｍ〜１５０μｍの範囲内（好ましくは１００μｍ程度）の長さにするのが好ましい。また、半導体レーザ２の長さを４００μｍとした場合も同様である。
【００３６】
また、半導体レーザ２として機能させるためには、共振器領域（回折格子形成領域）９は、２５０μｍ以上の長さにするのが好ましい。
次に、本実施形態にかかる光半導体素子（変調器集積レーザ）の製造方法について説明する。
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、図１に示すように、半導体レーザ２の共振器領域（回折格子形成領域）９を形成するための領域（素子端面から所望の長さの領域）に、λ／４位相シフト７を含む回折格子８を、例えば電子ビーム露光法及びドライエッチングを用いて形成する。一方、半導体レーザ２の増幅領域（回折格子非形成領域）１０を形成するための領域（共振器領域９に連なり、共振器領域９に対して変調器３側の所望の長さの領域）には回折格子８を形成しない。
【００３７】
次に、回折格子形成領域９及び回折格子非形成領域１０を有するｎ型ＩｎＰ基板１上に、図１に示すように、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１３（厚さ０．１μｍ）、ｎ型ＩｎＰ層１７（厚さ０．０５μｍ；エッチング停止層）、レーザ用ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ圧縮歪多重量子井戸活性層１５（例えば圧縮歪み１．２％、厚さ５．１ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と、無歪み、厚さ１０ｎｍ、組成波長１．２μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とを７層積層した構造；フォトルミネセンス波長１．５５μｍ）、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８の一部（例えば厚さ０．１５μｍ程度）を順に成長させる。ここでは、半導体レーザ２の共振器領域９及び増幅領域１０を形成するための領域に同一の活性層１５が形成される。
【００３８】
次いで、ＳｉＯ2膜を例えばＣＶＤ法などを用いて形成した後、例えばフォトリソグラフィで変調器３（例えば長さ２００μｍ）及び分離領域となる導波路領域２０（例えば長さ５０μｍ）を形成するための領域のＳｉＯ2膜を除去する。
このＳｉＯ2膜をマスク（ＳｉＯ2マスク）として例えばウェットエッチングを用いてｐ型ＩｎＰクラッド層１８、レーザ用ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ圧縮歪多重量子井戸活性層１５を順に選択的にエッチングする。
【００３９】
その後、ＳｉＯ2膜を残したまま、例えば有機金属気相成長法を用いて、変調器用ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ圧縮歪多重量子井戸活性層１６（例えば圧縮歪み０．５％、厚さ９ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と、引張歪み０．３％、厚さ５．１ｎｍ、組成波長１．３４μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とを７層積層した構造；フォトルミネセンス波長１．４９μｍ）、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８の一部（例えば厚さ０．１５μｍ程度）を順に再成長してバットジョイント接合（バットジョイント成長）させる。これにより、半導体レーザ２の回折格子非形成領域１０の端面と分離領域となる導波路領域２０の端面とがバットジョイント接続されることになる。また、変調器３及び分離領域となる導波路領域２０を形成するための領域に半導体レーザ２の層構造とは異なる層構造が形成される。さらに、変調器３を形成するための領域と分離領域となる導波路領域２０を形成するための領域に同一の層構造が形成される。
【００４０】
次いで、マスクとして用いたＳｉＯ2膜を除去した後、ウェハ全面にｐ型ＩｎＰクラッド層１８の残りの部分（例えば厚さ１．５μｍ程度）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９（厚さ０．３μｍ）を順に成長させる。これにより、例えば全体の厚さが１．６５μｍ程度のｐ型ＩｎＰクラッド層１８が形成される。
次に、ＳｉＯ2膜を全面に形成し、例えばフォトリソグラフィを用いてストライプ状にし、このストライプ状のＳｉＯ2膜をマスク（ＳｉＯ2マスク）として、例えばドライエッチングを用いて、例えば幅１．７μｍ、高さ３μｍのメサ構造を形成する。
【００４１】
そして、メサ構造の両脇（両側方）を、例えば有機金属気相成長法を用いて、例えばＦｅドープＩｎＰ埋込層を成長（埋込再成長）させる。これにより、電流狭窄構造としての半絶縁性埋込ヘテロ構造（ＳＩ−ＢＨ構造）が形成される。
その後、ＳｉＯ2マスクを除去し、例えばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、分離領域となる導波路領域２０のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を除去した後、全面にＳｉＯ2膜（パッシベーション膜；絶縁膜）２１を形成する。
【００４２】
次に、半導体レーザ２及び変調器３を形成するための領域のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９の上方のみＳｉＯ2膜を除去して、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９上に、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるレーザ用ｐ型電極（上部電極）１４及び変調器用ｐ型電極（上部電極）２２が形成される。ここでは、半導体レーザ２の共振器領域９及び増幅領域１０を形成するための領域には１つ（単一）のｐ型電極１４が形成される。一方、基板裏面側に例えばＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ型電極（下部電極）２３が形成される。
【００４３】
そして、アレイ状にへき開後、両端面に無反射コート５，６を施し、光半導体素子（変調器集積レーザ）４が完成する。
したがって、本実施形態にかかる光半導体素子（変調器集積レーザ）によれば、歩留まり良く単一モード発振が得られる素子（変調器集積レーザ）４において（即ち、位相シフト７及び両端面に無反射コート５，６を有する変調器集積レーザ４において）、チップサイズの増大、電極数の増加、消費電力の増加を招くことなく、また、半導体レーザ２及び変調器３に対する制御以外の制御を行なうことなく、さらに、素子端面における残留反射による戻り光によって半導体レーザ２の特性に影響を与えないようにしながら、光出力を増大させることができるという利点がある。
【００４４】
つまり、本光半導体素子（変調器集積レーザ）によれば、歩留まり良く単一モード発振が得られる素子（変調器集積レーザ）４において（即ち、位相シフト７及び両端面に無反射コート５，６を有する変調器集積レーザ４において）、半導体レーザの全長にわたって回折格子が形成されている従来の変調器集積レーザに対して、回折格子８が形成されていない回折格子非形成領域１０を所望の範囲にわたって設けるだけで良く、チップサイズ、電極数などの他の構成及び制御は従来の変調器集積レーザと同じままで、素子端面における残留反射による戻り光によって半導体レーザの特性に影響を与えないようにしながら、光出力を増大させることができるという利点がある。
【００４５】
なお、上述の実施形態における光半導体素子の構造、材料・組成等は、一例にすぎず、少なくとも、歩留まり良く単一モード発振が得られる素子（変調器集積レーザ）４において（即ち、位相シフト７及び両端面に無反射コート５，６を有する変調器集積レーザ４において）、半導体レーザが、位相シフトを有する回折格子が形成されている回折格子形成領域と、回折格子形成領域と同一の活性層を有し、回折格子が形成されていない回折格子非形成領域と、回折格子形成領域及び回折格子非形成領域の活性層に電流注入を行なうための１つの電極とを備え、回折格子非形成領域が回折格子形成領域に対して変調器側に設けられているものであれば良い。
【００４６】
例えば、上述の実施形態では、活性層をＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層１５，１６とし、井戸層と障壁層とを積層させた構造のものを例に挙げて説明しているが、図３に示すように、その上下にＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）と呼ばれている光の導波モードを調整する層（光ガイド層）３０〜３３を設けても良い。特に、変調器３については、再成長させる際に活性層１６から成長させるよりも、ＳＣＨ層３２から成長させた方が、再成長界面の活性層１６への影響が小さくなるので望ましい。この場合、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料からなるＳＣＨ層を用いると成長が容易である。
【００４７】
例えば、半導体レーザ２では、ｎ側ＳＣＨ層３０として厚さ５０ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ層（組成波長１．２μｍ）、ｐ側ＳＣＨ層３１として厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層（組成波長１．０５μｍ）を設ければ良い。なお、レーザ用多重量子井戸活性層１５のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層の組成波長も１．２μｍである。一方、変調器３では、ｎ側ＳＣＨ層３２として厚さ５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層（組成波長１．０５μｍ）、ｐ側ＳＣＨ層３３として厚さ５０ｎｍの組成波長が１．３２μｍから１．０μｍまで連続的に変化するＩｎＧａＡｓＰ層を設ければ良い。なお、変調器用多重量子井戸活性層１６のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層の組成波長は１．３４μｍである。
【００４８】
このような層構造を用いて、例えば、半導体レーザ２の長さを４００μｍとし、回折格子非形成領域１０の長さを７５μｍとした変調器集積レーザ４において、８０ｋｍ伝送可能な条件で、５０℃で、チップ端の１０Ｇｂ／ｓ変調時光出力が＋６．５ｄＢｍ（ファイバ結合で＋３．５ｄＢｍ）と高い値になることが確認できた。
また、上述の実施形態では、変調器３の層構造と導波路領域２０の層構造とを同一にしているが、これに限られるものではなく、例えば、変調器の層構造と導波路領域の層構造とを異なるものとしても良い。
【００４９】
また、上述の実施形態では、活性層をＡｌＧａＩｎＡｓ系多重量子井戸活性層１５，１６としているが、これに限られるものではなく、例えばＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸活性層などの他の材料系の多重量子井戸活性層を用いることも可能である。
また、上述の実施形態では、導波路構造としてＳＩ−ＢＨ構造を採用しているが、これに限られるものではなく、例えば、他の埋込構造を用いることも可能であるし、リッジ導波路構造などを用いることも可能である。
【００５０】
また、上述の実施形態では、変調器として電界吸収型変調器を集積したものを例に説明しいているが、これに限られるものではなく、例えば、マッハツェンダ型変調器、方向性結合器型変調器などを集積した集積素子に対しても本発明は適用可能である。
また、上述の実施形態では、回折格子８を半導体基板１に形成しているが、これに限られるものではなく、さまざまなバリエーションが考えられる。例えば、半導体基板上に積層される複数の半導体層の界面に形成しても良い。具体的には、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導波路層に周期的に形成された凹部をｎ型ＩｎＰ層によって埋め込むことによって回折格子を形成しても良いし、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導波路層を周期的に分断してｎ型ＩｎＰ層によって埋め込むことによって回折格子を形成しても良い。また、回折格子を活性層の下側ではなく、上側に形成しても良い。また、回折格子を素子表面に露出するように形成しても良いし、リッジ導波路を用いた場合には回折格子をリッジ導波路構造の側面に形成しても良い。
【００５１】
また、上述の実施形態では、位相シフトをλ／４位相シフト７とし、回折格子形成領域９の中央よりも変調器３側に設けているが、これに限られるものではなく、例えば、回折格子形成領域の中央に設けても良い。この場合、光出力はやや低下するがモード安定性は向上する。また、例えば、λ／８位相シフトを２つ設けた構造など、後端面（半導体レーザ側の素子端面）が無反射コートでも単一モード発振可能な回折格子構造であれば本発明は適用可能である。ここで、λ／８位相シフトを２つ設ける構造とする場合、２つのλ／８位相シフトの中間位置が回折格子形成領域の中央よりも変調器側になるように、２つのλ／８位相シフトの位置を設定すれば良い。例えば、一方のλ／８位相シフトを回折格子形成領域の中央に設け、他方のλ／８位相シフトを変調器側にずらした位置（上述の実施形態におけるλ／４位相シフトと同様に変調器側にずらした位置）に設けるようにすれば良い。
【００５２】
また、上述の実施形態では、ｎ型ＩｎＰ基板１上に形成した光半導体素子を例に説明しているが、これに限られるものはない。例えば高抵抗ＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ基板）上に形成しても良い。また、半導体レーザと変調器の間の分離抵抗が小さくなりやすいという短所はあるものの、ｐ型ＩｎＰ基板上に形成することもできる。また、ＩｎＰ以外の半導体材料からなる基板上に形成しても良い。例えばＧａＡｓ基板上に形成した光半導体素子に適用することもできる。ＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料などを用いたり、量子ドットなどを用いたりして活性層を構成することで、ＧａＡｓ基板上でも通信波長帯である波長１．３μｍ帯の光半導体素子を実現することができる。
【００５３】
また、上述の実施形態では、活性層をＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ歪多重量子井戸構造としているが、これに限られるものではなく、例えば他の構造の多重量子井戸構造、厚膜のバルク構造、量子ドット（例えばＩｎＡｓ量子ドットやＧａＩｎＡｓ量子ドット）を用いる構造などであっても良い。
また、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光半導体素子の構成を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる光半導体素子における回折格子非形成領域の長さと光出力との関係を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の変形例にかかる光半導体素子の構成を示す模式的断面図である。
【図４】従来の変調器集積レーザの構成を示す模式的断面図である。
【図５】従来の他の変調器集積レーザの構成を示す模式的断面図である。
【図６】従来の変調器集積レーザにさらに半導体光増幅器を集積した素子の構成を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
２  半導体レーザ
３  変調器（電界吸収型変調器）
４  変調器集積レーザ（電界吸収型変調器集積レーザ；半導体集積素子）
５，６  無反射コート
７  λ／４位相シフト
８  回折格子
９  回折格子形成領域（共振器領域）
１０  回折格子非形成領域（増幅領域）
１３  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導波路層
１４  レーザ用ｐ側電極
１５  レーザ用ＡｌＧａＩｎＡｓ歪多重量子井戸活性層
１６  変調器用ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪多重量子井戸活性層
１７  ｎ型ＩｎＰ層
１８  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１９  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２０  導波路領域
２１  ＳｉＯ2膜
２２  変調器用ｐ側電極（上部電極）
２３  ｎ型電極（下部電極）
３０〜３３  ＳＣＨ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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【図５】
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【図６】
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