(57)【要約】【課題】ホール及び電子のホールアップを抑制し、チャーピング特性が良好な送信用信号光源を提供することを目的とする。【解決手段】ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４は、ｎ型ＩｎＰ基板側から厚さ２０ｎｍの１．０Ｑ層４ａ、厚さ２０ｎｍの１．１Ｑ層４ｂ、厚さ２０ｎｍの１．２Ｑ層４ｃの３層で構成される。ＭＱＷ吸収層５は、各々の厚さが１０ｎｍである８層の井戸層５Ａと各々の厚さが５ｎｍである障壁層５Ｂで構成される。障壁層５Ｂはｎ型ＩｎＰ基板側から１〜４層は厚さ５ｎｍの１．２Ｑで構成され、５〜７層は厚さ５ｎｍの１．１５μｍ帯相当のＩｎＧａＡｌＡｓで構成される。ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６は、前記ＭＱＷ吸収層５から図１に示したｐ型ＩｎＰ上部クラッド層７へ向かって、組成が１．１５μｍ帯から１．０μｍ帯相当のＩｎＧａＡｌＡｓへと連続的に変化するように構成される。【選択図】  図２
2004341092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の半導体基板上に、少なくとも下側分離光閉込め層、吸収層、上側分離光閉込め層及び前記第１の導電型とは逆の導電型である第２の導電型のクラッド層を含む積層体を有し、前記積層体の上方には第２の導電型の電極、前記半導体基板の前記積層体を形成した面と反対側の面には第１の導電型の電極を有する電界吸収型光変調器において、前記第１または第２の導電型はｐ型またはｎ型であって、ｐ側の分離光閉込め層の一部をＩｎＧａＡｌＡｓ層で形成し、ｎ側の分離光閉込め層の一部をＩｎＧａＡｓＰ層で形成することを特徴とする電界吸収型光変調器。
【請求項２】
第１の導電型の半導体基板上に、少なくとも吸収層及び前記第１の導電型とは逆の導電型である第２の導電型のクラッド層を含む積層体を有し、前記積層体の上方には第２の導電型の電極、前記半導体基板の前記積層体を形成した面と反対側の面には第１の導電型の電極を有する電界吸収型光変調器において、前記第１または第２の導電型はｐ型またはｎ型であって、かつ前記吸収層は２以上の障壁層を有し、少なくとも最もｐ側の障壁層をＩｎＧａＡｌＡｓ層で形成し、少なくとも最もｎ側の障壁層をＩｎＧａＡｓＰ層で形成することを特徴とする電界吸収型光変調器。
【請求項３】
前記吸収層は、量子井戸型吸収層であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項４】
前記量子井戸型吸収層は多重量子井戸型吸収層であることを特徴とする請求項３に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の電界吸収型光変調器と、光を入力端から前記電界吸収型光変調器に伝搬する入力側光ファイバと、変調後の光を前記電界吸収型光変調器から出力端に伝搬する出力側光ファイバと、前記電界吸収型光変調器の入力端面と前記入力側光ファイバ及び前記電界吸収型光変調器の出力端面と前記出力側光ファイバとを光結合するレンズとを備えたことを特徴とする電界吸収型光変調器モジュール。
【請求項６】
電気信号の入力用高周波コネクタ有し、かつ該入力用高周波コネクタと前記電界吸収型光変調器とを電気的に接続する信号ラインをマイクロストリップラインで構成することを特徴とする請求項５に記載の電界吸収型光変調器モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至４に記載の電界吸収型光変調器と共通の基板を有するように少なくとも第１の導電型のクラッド層、活性層、前記第１の導電型とは逆の導電型である第２の導電型のクラッド層を含む積層体を有し、基板の前記積層体を形成したのと反対側の面には第１の導電型の電極、前記積層体の基板と反対側の面には第２の導電型の電極を有する半導体レーザ素子が形成されていることを特徴とする電界吸収型光変調器付き半導体集積素子。
【請求項８】
前記半導体レーザ素子は、分布帰還型半導体レーザ素子または分布ブラッグ反射型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項７に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子と、前記電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の電界吸収型光変調器の出力端面からの変調後の光を出力端に伝搬する出力側光ファイバと、前記出力端面と前記出力側光ファイバとを光結合するレンズとを備えたことを特徴とする電界吸収型光変調器付き半導体集積素子モジュール。
【請求項１０】
電気信号の入力用高周波コネクタ有し、かつ該入力用高周波コネクタと前記電界吸収型光変調器付き半導体集積素子とを電気的に接続する信号ラインを信号ラインはマイクロストリップラインで構成することを特徴とする請求項９に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子モジュール。
【請求項１１】
第１の導電型の半導体基板上に、少なくとも電界吸収型光変調器の吸収層を有する第１の積層体を形成した後、半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造を有する第２の積層体を形成し、その後前記半導体基板の前記第１の積層体及び前記第２の積層体上方には第２の導電型の電極、前記半導体基板の前記第１の積層体及び第２の積層体形成面とは反対側の面には第１の導電型の電極、前記第３の積層体の上面には第２の導電型の電極を形成することを特徴とする電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第２の積層体は少なくとも前記第１の積層体の吸収層を除去した部分に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項１３】
前記除去は、前記第１の積層体の成長方向と略平行方向のエッチングと前記成長方向と略垂直方向のエッチングを組み合わせて行うことを特徴とする２段階エッチングであることを特徴とする請求項１２に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１の積層体の成長方向と略垂直方向のエッチングの後、前記吸収層は前記第１の積層体の成長方向と略平行方向のエッチングにより形成された側面から１５０〜５００ｎｍの深さの空隙を有することを特徴とする請求項１３に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造は、活性層とは独立に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項１６】
前記半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造は、回折格子であることを特徴とする請求項１５に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項１７】
第１の導電型の半導体基板上に、少なくとも半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造を形成するための層を形成し、次いで少なくとも電界吸収型光変調器の吸収層を形成した後、前記半導体素子の発振波長を決定する構造を形成するための層に半導体素子の発振波長を形成する構造を形成し、その後、第２の導電型の電極、前記半導体基板の前記第１の積層体及び第２の積層体形成面とは反対側の面には第１の導電型の電極、前記第３の積層体の上面には第２の導電型の電極を形成することを特徴とする電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項１８】
前記半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造は、回折格子であることを特徴とする請求項１７に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項１９】
前記電界吸収型光変調器の吸収端波長を測定した後、前記半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造を形成することを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【請求項２０】
前記吸収端波長は１枚のウエハの中で所定の分布を持つように形成されていることを特徴とする請求項１９項に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界吸収型変調器、電界吸収型光変調器と半導体レーザを集積した電界吸収型光変調器付き半導体集積素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
伝送容量の大容量化の要求に伴い、光ファイバ通信網における波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ；以下ＷＤＭという）システムが導入されている。波長分割多重システムにおける送信用信号光源は、半導体レーザ素子と半導体レーザ素子から発振された光を変調する変調手段によって構成される。半導体レーザ素子としては、その用途から単一波長発振可能であることが好ましく、分布帰還型半導体レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｌａｓｅｒ；以下ＤＦＢレーザという）などが用いられる。また、変調手段としては、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いたＬＮ変調器などの外部変調器、量子閉込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ）を利用した電界吸収型光変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；以下ＥＡ変調器という）などがある。
【０００３】
ＥＡ変調器は、電界による吸収係数の変化によって生じる電界吸収効果を適用した光変調器であって、量子井戸層を吸収層に有するＥＡ変調器は、逆バイアス電圧を印加して、エキシトン（励起子；Ｅｘｃｉｔｏｎ）の吸収端を長波長側（低エネルギー側）に移動させて、半導体レーザ素子の出射光を吸収、消光させることが可能な光素子である。消光比は、井戸層の膜厚、井戸層数等のＥＡ変調器の量子井戸構造の構成によって変わる。ＥＡ変調器の量子井戸構造と半導体レーザ素子の量子井戸構造とは必ずしも同じ構成でないので、光集積デバイスの特性を最大限に引き出すためには、半導体レーザ素子及びＥＡ変調器の量子井戸構造が、それぞれ、最適な井戸層の層数、膜厚で形成されることが重要である。
【０００４】
近年では、基幹回線系の敷設が一段落し、メトロ系と呼ばれる伝送距離が数十ｋｍ〜数百ｋｍである回線系の開発が行われている。このメトロ系に用いる送信用信号光源には、基幹回線系で用いられるほどの低チャープ特性は求められないものの、より廉価であることが求められている。
【０００５】
また、上述したようなＥＡ変調器と半導体レーザ素子を集積した従来のＥＡ変調器付きレーザ素子（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｌａｓｅｒ；以下ＥＭＬという）は、動作状態の平均出力が１ｍＷ以下である。例えば平均出力０．８ｍＷのＥＭＬは−１ｄＢｍに相当する。通常のシングルモードファイバ４０ｋｍを用いて伝送を行った場合、ファイバロスは９ｄＢ程度と見込まれるため、受信端出力は−１０ｄＢｍになる。したがって、受信器として最小受信感度が−１４ｄＢｍである比較的廉価なｐｉｎ−ＰＤを用いて受信することができる。
【０００６】
ところが、上述したＥＭＬと同じ平均出力を持つＥＭＬを光源として、伝送距離を８０ｋｍと場合にした場合には、ファイバロスは１８ｄＢと伝送距離が４０ｋｍの場合の２倍になるため、その受信端出力は−１９ｄＢｍとなり、最小受信感度が−１４ｄＢｍであるｐｉｎ−ＰＤでアンプを用いること無しに受信するにはパワー不足となる。アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  ＡＰＤ；以下ＡＰＤという）という高性能な受光素子を用いれば、−１９ｄＢｍ程度のパワーであっても受信は可能であるが、ＡＰＤは効果であるため、システムコストの増加を招くという結果に陥る。
【０００７】
したがって、システムコストを抑制するためには、信号光源を高出力化することも重要でなる。
例えば平均出力が２．５ｍＷ（４ｄＢｍに相当）であるようなＥＭＬを光源に用いた場合には、例えファイバロスが１８ｄＢであっても受信端出力は−１４ｄＢｍとなり、比較的廉価なｐｉｎ−ＰＤを用いて受信することができる。すなわち  ＡＰＤのような高価な受光素子を用いる必要はない。言い換えれば、
高出力なＥＭＬを実現できれば、コストを抑えつつ、伝送距離の延長が実現でき、高付加価値化に結びつける事ができる。
【０００８】
このような要望を満足する光源として、ＥＡ変調器と半導体レーザ素子を集積させた電界吸収型光変調器付き半導体集積素子（ＥＭＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｌａｓｅｒ）が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００３−６０２８５号公報
【００１０】
ここで図１０及び図１１を参照して、ＥＡ変調器と半導体レーザ素子、特にここではＤＦＢレーザをバットジョイント方式で結合、集積したＥＡ変調器付き半導体集積素子１４０の構成を説明する。図１０は光集積デバイスの構成を示す部分破断斜視図、及び図１１は図１０の線ＩＩ−ＩＩの断面図、すなわちＤＦＢレーザの断面図である。光集積デバイス２１０は、図１０に示すように、共通のｎ型半導体基板２１２上に、ＤＦＢレーザ２１４とＥＡ変調器２１６と結合、集積した光集積デバイスである。
【００１１】
ＤＦＢレーザ２１４は、下部クラッド層２１８、下部分離光閉込め層（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；以下ＳＣＨ層という）２２０、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ；以下ＭＱＷという）活性層２２２、回折格子２２４、上部クラッド層２２６、及び再成長クラッド層２２７、コンタクト層２２８からなる積層構造を備えている。ＥＡ変調器２１６は、下部クラッド層２３０、下部ＳＣＨ層２３２、ＭＱＷ吸収層２３４、ＤＦＢレーザ２１４と共通の上部クラッド層２２６、及びコンタクト層２２８からなる積層構造を備えている。ＤＦＢレーザ２１４及びＥＡ変調器２１６は、それぞれ、コンタクト層２２８上にｐ側電極２３５Ａ、２３５Ｂ及びｎ型基板２１２の裏面に共通のｎ側電極２３６を備えている。
【００１２】
ＤＦＢレーザ２１４の積層構造のうち、図１１に示すように、上部クラッド層２２６、回折格子２２４、上部ＳＣＨ層２２２、ＭＱＷ活性層２２０、下部ＳＣＨ層２１８、及びｎ型基板２１２の上部は、メサ２３７として形成されている。メサ２３７の両脇は、順次、成長させた、半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ層２３８、及びｎ型ＩｎＰ層２３９で埋め込まれ、横方向の電流閉じ込め構造が形成されている。半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ層２３８を設けるのは、電子トラップ層として働かせると同時に、寄生容量を低減するためである。更に、容量低減のために、メサ２３７に沿って積層構造をエッチングして、トレンチ２４０が形成されている。
【００１３】
また、ＥＡ変調器付き半導体集積素子の製造方法としては、ｎ型半導体基板２１２上全体にＭＱＷ活性層２２２を含むＤＦＢレーザ２１４の積層構造の一部を形成し、次いでＤＦＢレーザ２１４領域以外のＥＡ変調器２１６領域上に形成された前記半ＤＦＢレーザ２１４の積層構造の一部を少なくとも前記ＭＱＷ活性層２２２よりｎ型半導体基板２１２側まで除去する。その後、前記ＥＡ変調器２１６領域上にＭＱＷ吸収層２３４を含むＥＡ変調器２１６の積層構造の一部を形成し、次いでＤＦＢレーザ２１４領域とＥＡ変調器２１６領域の上面に共通層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
【００１４】
【特許文献２】
特開２００３−６０２８４号公報
【００１５】
この製造方法は突き合わせ結合（Ｂｕｔｔ−ｊｏｉｎｔ）法と呼ばれており、ＥＡ変調器２１６のＭＱＷ吸収層２３４及びＤＦＢレーザ２１４のＭＱＷ活性層２２２をそれぞれ独立に設計できるという利点を有する。
【００１６】
ＥＡ変調器付き半導体集積素子は、先に述べたようにＥＡ変調器とＤＦＢレーザ等の半導体レーザ素子を同一基板上にモノリシックに集積させたものである。半導体レーザ素子は直流動作により駆動されてレーザ光を発振する。該レーザ光はＥＡ変調器へ入射され、ＥＡ変調器の量子井戸の電界効果による吸収係数変化により吸収される。そして、高周波信号を電圧駆動により該ＥＡ変調器に重畳させて、前記レーザ光を変調させて高速信号を得ている。
【００１７】
ＷＤＭシステムには、Ｃ帯（Ｃ−ｂａｎｄ）と呼ばれる従来の波長帯（１．５３〜１．５６μｍ）と、現在開発されているＬ帯（Ｌ−ｂａｎｄ）と呼ばれる波長帯（１．５７〜１．６０μｍ）があるが、いずれもＩｎＰ系の材料による半導体レーザ素子によって構成されることが多い。前記半導体レーザ素子と集積される前記ＥＡ変調器は、該半導体レーザ素子と共通のＩｎＰ基板上に形成される。この場合、半導体層の形成上の観点からＥＡ変調器はＩｎＰに格子整合する半導体材料によって構成された格子整合系であることが好ましい。なお、ＥＡ変調器の吸収層は井戸層と障壁層によって構成される。
【００１８】
前記ＥＡ変調器の障壁層を形成する材料としてはＩｎＧａＡｓＰ系材料がある。該障壁層をＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成すると、突き合わせ接合法によりＥＡ変調器を選択再成長させやすいという利点を有する反面で、井戸層とのΔＥｃ（伝導帯下端エネルギーの差）が小さく、ΔＥｖ（価電子帯上端エネルギーの差）が大きいため、ホールの蓄積が起こりやすく、結果としてホールのパイルアップが起こりやすいという問題があった。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題を解決した障壁層を形成する材料としてはＩｎＧａＡｌＡｓ系材料があるが、障壁層をＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で形成すると、ΔＥｃが大きく、ΔＥｖが小さいため、ホールの蓄積が起こりにくく、結果としてホールのパイルアップが起こりにくいという利点を有する。さらに、有効質量の小さい電子の閉込めも強いため、消光比が大きく取れるという利点も有する。しかしながら、材料にＡｌを含んでいるために突き合わせ接合により電界吸収型光変調器を選択再成長させることが難しいという問題があった。
【００２０】
また、前記障壁層をＩｎＧａＡｌＡｓで形成した場合、組成によっては電子に対する障壁が高くなり、電子に対する排出時間が大きくなることがある。この場合には、ホールに対するパイルアップは生じないものの、電子に対するパイルアップが生じてしまうことがあった。
【００２１】
これらパイルアップは屈折率変化を引き起こすため、以下の（１）式で表されるαパラメータ（αｐ）が悪化する。ここでλは光ファイバへの入射光の波長、Δｎは電圧印加時の電界吸収型光変調器の吸収層の屈折率変化、Δαａｂｓは電界吸収型光変調器の吸収層の屈折率変化である。
【数１】
2004341092.tif 000003
【００２２】
前記αパラメータは、光ファイバで光信号を伝送した後の波形の劣化（チャーピング）を引き起こす度合いを示し、αパラメータの劣化は伝送距離を妨げる原因になる。また、パイルアップは、高周波特性（Ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ特性；以下ＲＦ特性という）も劣化させる原因になる。
【００２３】
また、半導体レーザ素子とＥＡ変調器と集積させた半導体集積素子においては、該半導体レーザ素子の発振波長と該ＥＡ変調器の吸収端波長との波長差ΔλＥ−Ｄ（ＥＡ変調器の吸収端波長−半導体レーザ素子の発振波長）を消光比や光出力といった静特性及びチャーピング特性の制御という理由から一定に保つ必要がある。しかしながら、実際にはＥＡ変調器の吸収層を形成する際に、その吸収端波長がねらいとずれてしまうことがあり、ΔλＥ−Ｄを一定に保つことが難しかった。
【００２４】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、チャーピング特性が良好な送信用信号光源を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる電界吸収型光変調器は、第１の導電型の半導体基板上に、少なくとも下側分離光閉込め層（ＳＣＨ層）、吸収層、上側分離光閉込め層（ＳＣＨ層）及び前記第１の導電型とは逆の導電型である第２の導電型のクラッド層を含む積層体を有し、前記積層体の上方には第２の導電型の電極、前記半導体基板の前記積層体を形成した面と反対側の面には第１の導電型の電極を有する電界吸収型光変調器において、前記第１または第２の導電型はｐ型またはｎ型であって、ｐ側の分離光閉込め層（ＳＣＨ層）の一部をＩｎＧａＡｌＡｓ層で形成し、ｎ側の分離光閉込め層（ＳＣＨ層）の一部をＩｎＧａＡｓＰ層で形成することを特徴としている。
【００２６】
この電界吸収型光変調器によれば、少なくともｐ側のＳＣＨ層の一部をΔＥｖが小さくかつＩｎＰ半導体基板に格子整合するＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で形成し、かつ少なくともｎ側のＳＣＨ層の一部をΔＥｃが小さくかつ半導体基板に格子整合するＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成することによって、ホール及び電子の蓄積が起こりにくい、すなわちホールのパイルアップ及び電子のパイルアップが起こりにくい電界吸収型光変調器を提供することができる。
【００２７】
なお、上記効果は、ｐ側及びｎ側のＳＣＨ層の一部を上述した材料で構成することにより得ることができるが、好ましくはその全てを上述した材料で、すなわちｐ側のＳＣＨ層の全体をＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で形成し、ｎ側のＳＣＨ層の全体をＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成することが好ましい。
【００２８】
また、前記ｐ側及びｎ側ＳＣＨ層は、一種類の組成でも、組成が徐々に変化するＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Ｇｒａｔｅｄ  Ｉｎｄｅｘ  Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層とすることもできる。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層において、組成は連続的に変化しても良いし、階段状に変化しても良い。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層を用いた場合には、上記効果に加え、高光入力時にホールのパイルアップが起こりにくいという効果を得ることができる。
【００２９】
また、請求項２にかかる電界吸収型光変調器は、第１の導電型の半導体基板上に、少なくとも吸収層及び前記第１の導電型とは逆の導電型である第２の導電型のクラッド層を含む積層体を有し、前記積層体の上方には第２の導電型の電極、前記半導体基板の前記積層体を形成した面と反対側の面には第１の導電型の電極を有する電界吸収型光変調器において、前記第１または第２の導電型はｐ型またはｎ型であって、かつ前記吸収層は２以上の障壁層を有し、少なくとも最もｐ側の障壁層をＩｎＧａＡｌＡｓ層で形成し、少なくとも最もｎ側の障壁層をＩｎＧａＡｓＰ層で形成することを特徴としている。
【００３０】
この電界吸収型光変調器によれば、少なくとも最もｐ側の障壁層をΔＥｖが小さくかつＩｎＰ半導体基板に格子整合またはＩｎＰと比較的近い格子定数を持つＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で形成し、かつ少なくとも最もｎ側の障壁層をΔＥｃが小さくかつ半導体基板に格子整合かつＩｎＰ半導体基板に格子整合またはＩｎＰと比較的近い格子定数を持つＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成することによって、ホール及び電子の蓄積が起こりにくい、すなわちホールのパイルアップ及び電子のパイルアップが起こりにくい電界吸収型光変調器を提供することができる。
【００３１】
上記効果は、それぞれ最もｐ側もしくはｎ側の障壁層を上述した材料で構成することにより得ることができるが、好ましくは活性層中心からｐ側もしくはｎ側の全ての障壁層を上述した材料で、すなわち活性層中心からｐ側の全ての障壁層をＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で形成し、活性層中心からｎ側の全ての障壁層をＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成することが好ましい。なお、障壁層が奇数である場合には、中央の障壁層はＩｎＧａＡｌＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層のいずれでも良い。
【００３２】
また、請求項３にかかる電界吸収型光変調器は、上記発明において、前記吸収層は、量子井戸型吸収層であることを特徴としている。このようにすると電界吸収型光変調器は効果的に量子閉込め効果を利用することができる。
【００３３】
また、請求項４にかかる電界吸収型光変調器は、上記発明において、前記量子井戸型吸収層は多重量子井戸型吸収層であることを特徴としている。このようにすると、より大きな消光比を低電圧で得られるという効果を得ることができる。また、前記多重量子井戸吸収層最外層が障壁層となっていることが好ましく、また井戸数は６〜１０層程度とすることが好ましい。
【００３４】
また、請求項５にかかる電界吸収型光変調器モジュールは、上記発明にかかる電界吸収型光変調器と、光を入力端から前記電界吸収型光変調器に伝搬する入力側光ファイバと、変調後の光を前記電界吸収型光変調器から出力端に伝搬する出力側光ファイバと、前記電界吸収型光変調器の入力端面と前記入力側光ファイバ及び前記電界吸収型光変調器の出力端面と前記出力側光ファイバとを光結合するレンズとを備えたことを特徴としている。
【００３５】
この電界吸収型光変調器モジュールによれば、少なくともｐ側のＳＣＨ層の一部またはｐ側の障壁層をΔＥｖが小さくかつＩｎＰ半導体基板に格子整合またはＩｎＰと比較的近い格子定数を持つＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で形成し、かつ少なくともｎ側のＳＣＨ層の一部またはｎ側の障壁層をΔＥｃが小さくかつ半導体基板に格子整合またはＩｎＰと比較的近い格子定数を持つＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成することによって、ホール及び電子の蓄積が起こりにくい、すなわちホールのパイルアップ及び電子のパイルアップが起こりにくい電界吸収型光変調器を提供することができる。
【００３６】
また、請求項６にかかる電界吸収型光変調器モジュールは、上記発明において、電気信号の入力用高周波コネクタ有し、かつ該入力用高周波コネクタと前記電界吸収型光変調器とを電気的に接続する信号ラインをマイクロストリップラインで構成することを特徴としている。このようにすると、高周波信号を損失を少なくかつより効果的に伝播させることが可能になるという効果を得ることができる。
【００３７】
この電界吸収型光変調器モジュールによれば、少なくともｐ側のＳＣＨ層の一部またはｐ側の障壁層をΔＥｖが小さくかつＩｎＰ半導体基板に格子整合またはＩｎＰと比較的近い格子定数を持つＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で形成し、かつ少なくともｎ側のＳＣＨ層の一部またはｎ側の障壁層をΔＥｃが小さくかつ半導体基板に格子整合またはＩｎＰと比較的近い格子定数を持つＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成することによって、ホール及び電子の蓄積が起こりにくい、すなわちホールのパイルアップ及び電子のパイルアップが起こりにくい電界吸収型光変調器モジュールを提供することができる。
【００３８】
上記目的を達成するために、請求項７にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子は、請求項１乃至４に記載の電界吸収型光変調器と共通の基板を有するように少なくとも第１の導電型のクラッド層、活性層、前記第１の導電型とは逆の導電型である第２の導電型のクラッド層を含む積層体を有し、基板の前記積層体を形成したのと反対側の面には第１の導電型の電極、前記積層体の基板と反対側の面には第２の導電型の電極を有する半導体レーザ素子が形成されていることを特徴としている。
【００３９】
この電界吸収型光変調器付き半導体集積素子によれば、上記発明の電界吸収型光変調器を半導体レーザ素子と集積させることによって、ホール及び電子の蓄積が起こりにくい、すなわちホールのパイルアップ及び電子のパイルアップが起こりにくい電界吸収型光変調器付き半導体集積素子を提供することができる。
【００４０】
また、請求項８にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子は、上記発明において、前記半導体レーザ素子は、分布帰還型半導体レーザ素子または分布ブラッグ反射型半導体レーザ素子であることを特徴としている。このようにすると半導体レーザ素子からの発振波長を単一波長とすることができるので、送信用信号光源として好ましい。特に前記半導体レーザ素子を分布帰還型半導体レーザとすると、回折格子の設計により所望通りの発振波長を得ることができるのでより好ましい。
【００４１】
また、請求項９にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子モジュールは、請求項７または請求項８に記載の電界吸収型光変調器付き半導体集積素子と、前記電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の電界吸収型光変調器の出力端面からの変調後の光を出力端に伝搬する出力側光ファイバと、前記出力端面と前記出力側光ファイバとを光結合するレンズとを備えたことを特徴としている。
【００４２】
この電界吸収型光変調器付き半導体集積素子モジュールによれば、少なくともｐ側のＳＣＨ層の一部またはｐ側の障壁層をΔＥｖが小さくかつＩｎＰ半導体基板に格子整合またはＩｎＰと比較的近い格子定数を持つＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で形成し、かつ少なくともｎ側のＳＣＨ層の一部またはｎ側の障壁層をΔＥｃが小さくかつ半導体基板に格子整合またはＩｎＰと比較的近い格子定数を持つＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成することによって、ホール及び電子の蓄積が起こりにくい、すなわちホールのパイルアップ及び電子のパイルアップが起こりにくい電界吸収型光変調器を提供することができる。
【００４３】
また、請求項１０にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子モジュールは、上記発明において、電気信号の入力用高周波コネクタ有し、かつ該入力用高周波コネクタと前記電界吸収型光変調器付き半導体集積素子とを電気的に接続する信号ラインをマイクロストリップラインで構成することを特徴としている。このようにすると、高周波信号を損失を少なく、かつより効果的に伝播できるという効果を得ることができる。
【００４４】
さらに、前述した目的を達成するために、請求項１１にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、第１の導電型の半導体基板上に、少なくとも電界吸収型光変調器の吸収層を有する第１の積層体を形成した後、半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造を有する第２の積層体を形成し、その後前記半導体基板の前記第１の積層体及び前記第２の積層体上方には第２の導電型の電極、前記半導体基板の前記第１の積層体及び第２の積層体形成面とは反対側の面には第１の導電型の電極、前記第３の積層体の上面には第２の導電型の電極を形成することを特徴としている。
【００４５】
この電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法によれば、電界吸収型光変調器の吸収層を有する積層体を形成した後、半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造を有する第２の積層体を形成するので、電界吸収型光変調器の吸収短波長と半導体レーザ素子の発振波長との差を容易に設定することができる。
【００４６】
また、請求項１２にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、上記発明において、前記第２の積層体は少なくとも前記第１の積層体の吸収層を除去した部分に形成されることを特徴としている。
【００４７】
また、請求項１３にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、上記発明において、前記除去は、前記第１の積層体の成長方向と略平行方向のエッチングと前記成長方向と略垂直方向のエッチングを組み合わせて行うことを特徴とする２段階エッチングであることを特徴としている。このようにすると成長方向と略垂直方向の深さ制御を独立にすることができる。また、成長方向のエッチングはドライエッチングを用いて行うことが好ましい。
【００４８】
また、請求項１４にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、上記発明において、記前記第１の積層体の成長方向と略垂直方向のエッチングの後、前記吸収層は前記第１の積層体の成長方向と略平行方向のエッチングにより形成された側面から１５０〜５００ｎｍの深さの空隙を有することを特徴としている。なお、前記空隙は２００〜３００ｎｍであることがより好ましい。このようにすると再成長層の積層欠陥を低減、またはボイドの発生を抑制することができる。また、略平行方向のエッチングを用いて行うことが好ましい。
【００４９】
また、請求項１５にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、上記発明において、前記半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造は、活性層とは独立に設けられていることを特徴としている。
【００５０】
また、請求項１６にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、上記発明において、前記半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造は、回折格子であることを特徴としている。このようにすると半導体レーザ素子の塾方向の光分布を制御することができる。また、回折格子は屈折率型であることが好ましい。
【００５１】
また、請求項１７にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、第１の導電型の半導体基板上に、少なくとも半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造を形成するための層を形成し、次いで少なくとも電界吸収型光変調器の吸収層を形成した後、前記半導体素子の発振波長を決定する構造を形成するための層に半導体素子の発振波長を形成する構造を形成し、その後、第２の導電型の電極、前記半導体基板の前記第１の積層体及び第２の積層体形成面とは反対側の面には第１の導電型の電極、前記第３の積層体の上面には第２の導電型の電極を形成することを特徴としている。
【００５２】
また、請求項１８にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、上記発明において、前記半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造は、回折格子であることを特徴としている。。
【００５３】
また、請求項１９にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、上記発明において、前記電界吸収型光変調器の吸収端波長を測定した後、前記半導体レーザ素子の発振波長を決定する構造を形成することを特徴としている。このようにするとＥＡ変調器の構造を形成した後にレーザの発振波長との差を容易に制御することができる。
【００５４】
また、請求項２０にかかる電界吸収型光変調器付き半導体集積素子の製造方法は、上記発明において、前記吸収端波長は１枚のウエハの中で所定の分布を持つように形成されていることを特徴としている。このようにすると一枚のウエハの中でそれぞれの半導体集積素子の発振波長域を広範囲とすることができる。また、前記吸収端波長のウエハ面内の分布はレーザ素子とＥＡ変調器の波長差を一定とするような分布とすることが好ましい。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
図１は本実施形態例１の電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）１の構造を示す部分破断斜視図、図２は該ＥＡ変調器１の吸収層近傍の構造を示す模式図である。ＥＡ変調器１は、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４、ＭＱＷ吸収層５、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層７、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８からなる積層構造を備えている。
【００５６】
ＥＡ変調器１の積層構造のうち、図１に示すように、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層７、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６、ＭＱＷ吸収層５、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３、及びｎ型ＩｎＰ基板２の上部は、メサとして形成されている。メサの両脇は、順次、成長させた、半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ層１２、及びｎ型ＩｎＰ層１３で埋め込まれ、横方向の電流閉じ込め構造が形成されている。半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ層１２を設けるのは、電子トラップ層として働かせると同時に、寄生容量を低減するためである。更に、容量低減のために、メサに沿って積層構造をエッチングして、トレンチ１４が形成されている。なお、図示の関係上、トレンチ１４はメサの片側だけに記載しているが、実際には両側に形成されている。メサ上及びｎ型ＩｎＰ層１３上には、ｐ型ＩｎＰ再成長クラッド層１５、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８が順次積層され、更にｐ側電極９が設けてある。なお、ｎ型ＩｎＰ半導体基板２の前記積層構造形成面とは他方の面にはｎ側電極１０が設けてある。
【００５７】
次いで、図２を用いて本実施形態例１のＥＡ変調器１の吸収層近傍の構造について説明する。図２は、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４、ＭＱＷ吸収層５、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６についてのエネルギーバンドギャップ構造を模式的に示した図である。本実施形態例１において、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４は、図１に示したｎ型ＩｎＰ基板２側から順に厚さ２０ｎｍの１．０Ｑ層４ａ（１．０Ｑとは１．０μｍ相当のエネルギーバンドギャップ波長を有するＩｎＧａＡｓＰを示す。以下同様）、厚さ２０ｎｍの１．１Ｑ層４ｂ、厚さ２０ｎｍの１．２Ｑ層４ｃの３層で構成される。
【００５８】
また、ＭＱＷ吸収層５は、各々の厚さが１０ｎｍである８層の井戸層５Ａの各層の間に各々の厚さが５ｎｍである障壁層５Ｂで構成される。ここで、井戸層５Ａは、ＩｎＰに対して歪が０．５％程度の１．４９Ｑで構成される。また障壁層５Ｂは以下の構成を有する。すなわち、図１に示したｎ型ＩｎＰ基板２側から１〜４層は、厚さ５ｎｍの１．２Ｑ（屈折率３．３４、ＩｎＰに対する歪−０．１％）で構成され、５〜７層は、厚さ５ｎｍの１．１５μｍ帯相当のエネルギーバンドギャップ波長を有するＩｎＧａＡｌＡｓ（屈折率３．３４、ＩｎＰに対する歪−０．１％）で構成される。
【００５９】
また、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６は、前記ＭＱＷ吸収層５から図１に示したｐ型ＩｎＰ上部クラッド層７へ向かって、組成が１．１５μｍ帯から１．０μｍ帯相当のエネルギーバンドギャップ波長を有するＩｎＧａＡｌＡｓへと連続的に変化するように構成される。ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６の膜厚は４５ｎｍである。ここで、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６の膜厚がｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４の総厚（６０ｎｍ）と異なるのは、ＦＦＰ（Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）が前記ＭＱＷ吸収層５を中心に対称となるようにするためである。
【００６０】
本実施形態例１に記載したＥＡ変調器１に、別途作製したＤＦＢレーザ素子から波長１．５５μｍの光を入力して、特性の評価を行った。その結果を表１に示す。
【００６１】
【表１】
2004341092.tif 000004
【００６２】
ここで、評価項目１はＥＡ変調器に加える電圧（ＶＥＡ）が０Ｖの時の光−電気の高周波特性（ＲＦ特性）であり、評価項目２は、ＥＡ変調器に加える電圧（ＶＥＡ）を０Ｖから０３Ｖまで変化させた場合のαパラメータ（αｐ）、評価項目３はαパラメータ（αｐ）が０の時のＥＡ変調器に加える電圧（ＶＥＡ）、評価項目４は分散特性が２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるシングルモードファイバ（ＳＭＦ；Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ）内を９．９５Ｇｂｐｓで８０ｋｍ伝送させた後のパワーペナルティである。
【００６３】
比較例１
実施形態例１に対する比較例１として、実施形態例１のｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４、障壁層５Ｂ及びｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６の組成をエネルギーバンドギャップ波長を変えずに全てＩｎＧａＡｓＰで形成した以外は実施形態例１と同様のＥＡ変調器を作製した。
【００６４】
比較例２
実施形態例１に対する比較例２として、実施形態例１のｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４、障壁層５Ｂ及びｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６の組成をエネルギーバンドギャップ波長を変えずに全てＩｎＧａＡｌＡｓで形成した以外は実施形態例１と同様のＥＡ変調器を作製した。
【００６５】
比較例１及び２について、実施形態例１と同様の項目について評価したところ、表２のようになった。表２に示した結果から比較例１及び比較例２に対する実施形態例１の優位性を確認することができた。
【００６６】
【表２】
2004341092.tif 000005
【００６７】
なお、実施形態例１においては、全てのｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４及びｎ側の障壁層５Ｂ（１〜４層）をＩｎＧａＡｓＰで形成し、また全てのｐ型ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６とｐ側の障壁層５Ｂ（５〜７層）をＩｎＧａＡｌＡｓで形成したが、この実施形態例は本願発明の範囲を限定するものではない。したがって、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４の少なくとも一部をＩｎＧａＡｓＰで形成し、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６の少なくとも一部をＩｎＧａＡｌＡｓしたＥＡ変調器や最もｎ側の障壁層５Ｂ（１層）をＩｎＧａＡｓＰで形成し、また最もｐ側の障壁層５Ｂ（７層）をＩｎＧａＡｌＡｓで形成したＥＡ変調器も先に述べた効果を得ることができる。しかしながら、最も好ましいのは本実施形態例１のように全てのｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４及びｎ側の障壁層５Ｂ（１〜４層）をＩｎＧａＡｓＰで形成し、また全てのｐ型ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６とｐ側の障壁層５Ｂ（５〜７層）をＩｎＧａＡｌＡｓで形成したＥＡ変調器１である。
【００６８】
また、本実施形態例１ではｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４を階段構造、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層６を連続変化構造としたが、両者は共に階段構造であっても良いし、連続変化構造であっても良い。さらに、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３は必須ではなく、ｎ型ＩｎＰ基板２の厚さを厚くして実施的にｎ型ＩｎＰ基板２にｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３の機能を持たせることによって省略することができる。
さらに、本実施形態例１においては、ｎ型ＩｎＰ基板にほぼ格子整合するＥＡ変調器を例にとって説明したが、各半導体層の導電型は逆であっても良い。また、ＧａＡｓ基板にほぼ格子整合するＥＡ変調器にも適用することができる。
【００６９】
実施形態例２
図３は本実施形態例２のＥＡ変調器モジュール１００の構造を示す模式図である。ＥＡ変調器モジュール１００はＥＡ変調器１０１と、光をＥＡ変調器モジュール１００の入力端から前記ＥＡ変調器１０１に伝搬する入力側光ファイバ１０２と、変調後の光を前記ＥＡ変調器１０１からＥＡ変調器モジュール１００の出力端に伝搬する出力側光ファイバ１０３と、前記ＥＡ変調器１０１の入力端面と前記入力側光ファイバ１０２とを光学的に結合するレンズ１０４ａ、１０４ｂ及び前記ＥＡ変調器１０１の出力端面と前記出力側光ファイバ１０３とを光学的に結合するレンズ１０５ａ、１０５ｂとを備えている。
【００７０】
また、本実施形態例２にかかるＥＡ変調器モジュール１００は１０ＧＨｚ以上という高周波用ＥＡ変調器モジュールであるため、電気信号の入力用高周波コネクタ１０６を有し、かつ該入力用高周波コネクタ１０６と前記ＥＡ変調器１０１とを電気的に接続する信号ラインは図示しないマイクロストリップラインで構成されている。なお、本実施形態例２で用いたＥＡ変調器モジュール１００の周波数は１０ＧＨｚである。また、ＥＡ変調器１０１は実施形態例１で用いたＥＡ変調器１と同じであるため、詳細な説明は省略する。
【００７１】
なお、ここでレンズ系としては、ＥＡ変調器１０１の入力端面と前記入力側光ファイバ１０２とを光学的に結合するレンズ１０４ａ、１０４ｂ及びＥＡ変調器１０１の出力端面と前記出力側光ファイバ１０３とを光学的に結合するレンズ１０５ａ、１０５ｂとも２レンズ系を用いたが、本願発明はこの実施形態には限定されず、例えば、光ファイバ１０２及び光ファイバ１０３のＥＡ変調器１０１側の端面をレンズ上に加工することによって、レンズドファイバとし、１レンズ系とすることもできる。なお、本実施形態例２を周波が２．５ＧＨｚ以下のような比較的低周波数用ＥＡ変調器モジュールに適用することもできる。低周波数用ＥＡ変調器モジュールの場合には、高周波コネクタ１０６に代えて通常のリード線を用いることができる。
【００７２】
実施形態例３
図４は本実施形態例３のＥＡ変調器付き半導体集積素子２０の構造を示す部分破断斜視図、図５は該ＥＡ変調器付き半導体集積素子２０の半導体レーザ素子、具体的にはＤＦＢレーザ２１の活性層近傍の構造を示す模式図である。なお、本実施形態例３のＥＡ変調器１’の構造は実施形態例１のＥＡ変調器１と同じであるため、対応する箇所に同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００７３】
実施形態例３では、前記ＥＡ変調器１’と集積させる半導体レーザ素子としてはＤＦＢレーザ２１を用いた。ＤＦＢレーザ２１は、前記ＥＡ変調器１’と共通のｎ型ＩｎＰ基板２２（２）上に、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２３、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４、ＭＱＷ活性層２５、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２６、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層２７、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２８からなる積層構造を備えている。そして上部クラッド層２７中には、ＤＦＢレーザ２１の発振波長を決定する回折格子２７ａが形成されている。
【００７４】
ＤＦＢレーザ２１の積層構造のうち、図４に示すように、前記ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層２７、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２６、ＭＱＷ活性層２５、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２３、及びｎ型ＩｎＰ基板２２（２）の上部は、メサ３１として形成されている。メサ３１は半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ層３２、及びｎ型ＩｎＰ層３３で埋め込まれ、横方向の電流閉じ込め構造が形成されている。また、容量低減のために、メサ３１に沿って積層構造をエッチングして、トレンチ３４が形成されている。なお、図示の関係上、トレンチ３４はメサ３１の片側だけに記載しているが、実際には両側に形成されている。
【００７５】
前記メサ３１上及びｎ型ＩｎＰ層３３上には、ＥＡ変調器１’と共通のｐ型ＩｎＰ再成長クラッド層３５（１５）、及びコンタクト層２８が順次積層され、更にｐ側電極２９を設けている。また、ｐ側電極２９とＥＡ変調器１’のｐ側電極９との間には、ＥＡ変調器１’とＤＦＢレーザ２１の電流制御を独立に行うために、再成長クラッド層３５（１５）の一部にまで達する分離溝３６が形成されている。そしてｎ型ＩｎＰ半導体基板２２（２）の前記積層構造形成面とは他方の面にはｎ側電極１０が設けてある。
【００７６】
なお、メサ３１はＤＦＢレーザ２１のメサ３１を構成する積層構造とＥＡ変調器１’のメサを構成する積層構造を形成した後、エッチングによりＥＡ変調器１’のメサと同時に形成することができる。また、トレンチ３４もＥＡ変調器１’のトレンチ１４と同時に形成することができる。
【００７７】
次いで、図５を用いて本実施形態例３のＤＦＢレーザ２１の活性層近傍の構造について説明する。図５は、図４におけるｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４、ＭＱＷ活性層２５、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２６、回折格子２７ａを含むｐ型ＩｎＰ上部クラッド層２７についてのエネルギーバンドギャップ構造を模式的に示した図である（図５においては図示の関係上、符号２５は省略している）。本実施形態例３において、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４は、図４に示したｎ型ＩｎＰ基板２２側から順に厚さ３０ｎｍの１．１０Ｑ層２４ａ、厚さ３０ｎｍの１．１５Ｑ層２４ｂ、厚さ１２ｎｍの１．２０Ｑ層２４ｃの３層で構成される。
【００７８】
また、ＭＱＷ活性層２５は、各々の厚さが４．５ｎｍである６層の井戸層２５Ａの各層の間に各々の厚さが１２ｎｍである障壁層２５Ｂで構成される。ここで、井戸層５Ａは１．５５Ｑで構成され、障壁層５Ｂは１．２０Ｑで構成される。また、ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２６は、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４とＭＱＷ活性層２５を挟んで対称に構成される。すなわち、前記ＭＱＷ活性層２５から図４に示したｐ型ＩｎＰ上部クラッド層２７へ向かって、順に厚さ１２ｎｍの１．２０Ｑ層２６ａ、厚さ３０ｎｍの１．１５Ｑ層２６ｂ、厚さ３０ｎｍの１．１０Ｑ層２６ｃの３層で構成されている。
【００７９】
また、回折格子２７ａは厚さ２０ｎｍの１．５Ｑで構成され、その回折格子パターンは、所望の発振波長λｇと回折格子２７ａ部分の実効的屈折率ｎｅｆｆ及び回折格子ピッチΛとの関係式λｇ＝２ｎｅｆｆΛを満足するように決定される。例えば、本実施形態例３においては、回折格子ピッチΛが２４２ｎｍ、そのデューティー比は３０％とした。また、回折格子２７ａと前記障壁層２６ｃとの距離は１８０ｎｍとした。
【００８０】
以上のように作製したＥＡ変調器付き半導体集積素子２０について、実施形態例１と同項目について評価をしたところ、実施形態例１と同様な値を得ることができた。また、実施形態例３では、ＥＡ変調器１’とＤＦＢレーザ２１を集積させたＥＡ変調器付き半導体集積素子２０としたので、実施形態例１に示すようにＥＡ変調器１とＤＦＢレーザ素子とを独立に設けた場合に比べて、同等の動特性を持ちながら変調時の平均光出力を大きく取るという効果を得ることができた。
【００８１】
なお、実施形態例３においても、実施形態例１と同様に全てのｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４及びｎ側の障壁層２５Ｂ（１〜４層）をＩｎＧａＡｓＰで形成し、また全てのｐ型ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２６とｐ側の障壁層２５Ｂ（５〜７層）をＩｎＧａＡｌＡｓで形成する必要はない。しかしながら、最も好ましいのは本実施形態例３のように全てのｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４及びｎ側の障壁層２５Ｂ（１〜４層）をＩｎＧａＡｓＰで形成し、また全てのｐ型ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２６とｐ側の障壁層２５Ｂ（５〜７層）をＩｎＧａＡｌＡｓで形成したＥＡ変調器１’である。
【００８２】
また、ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４及び側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２６についても、実施形態例１と同様、両者は共に階段構造であっても良いし、連続変化構造であっても良い。また、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２３は必須ではなく、ｎ型ＩｎＰ基板２２（２）の厚さを厚くして実施的にｎ型ＩｎＰ基板２２（２）にｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２３の機能を持たせることによって省略することができる点も同様である。
さらに、本実施形態例３においては、ｎ型ＩｎＰ基板にほぼ格子整合するＥＡ変調器付き半導体集積素子２０を例にとって説明したが、各半導体層の導電型は逆であっても良い。また、ＧａＡｓ基板にほぼ格子整合するＥＡ変調器付き半導体集積素子にも適用することができる。
【００８３】
また、ＤＦＢレーザ２１の構造も実施形態例３の構造に限定されず、例えば、回折格子２７ａがＭＱＷ活性層２５よりもｎ型ＩｎＰ基板２２側にあっても良い。
さらに、ＤＦＢレーザ２１に代えて分布ブラッグ反射型半導体レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ；以下ＤＢＲレーザという）を用いることができる。ＤＢＲレーザを用いると波長可変性に優れたＥＡ変調器付き半導体集積素子を得ることができるが、高出力化という観点からすればＤＦＢレーザを用いることが好ましい。
【００８４】
なお、本実施形態例３のＥＡ変調器付き半導体集積素子２０は以下のように作製された。まず、ｎ型ＩｎＰ基板２２（２）の全面にＤＦＢレーザ２１の上部ＩｎＰクラッド層２７までの積層構造を通常行われている製造方法で形成した後、ＳｉＮ等の誘電体膜をマスクとして、ＤＦＢレーザ２１のＭＱＷ活性層２５を含むように前記積層構造を通常行われているエッチング方法により除去する。次いで、ＥＡ変調器１’ＩｎＰクラッド層７まで形成した後、ＤＦＢレーザ２１上のマスクを除去する。次いで、新たなＳｉＮ膜などの誘電体膜をマスクとして通常行われているエッチング方法により、１．５μｍ程度の幅のメサ１１（３１）を形成する。次いでメサ１１（３１）の側面を半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ層１２（３２）及びｎ型ＩｎＰ層１３（３３）で埋め込み、横方向の電流閉じ込め構造が形成された。
【００８５】
また、容量低減のために、メサ１１（３１）に沿って積層構造をエッチングして、トレンチ１４（３４）を形成する。次いで前記メサ１１（３１）上及びｎ型ＩｎＰ層１３（３３）上には、ｐ型ＩｎＰ再成長クラッド層１５（３５）及びコンタクト層８（２８）が順次積層されたのち、ＥＡ変調器１’とＤＦＢレーザ２１への電流注入を独立に行うために、再成長クラッド１５（３５）の一部にまで達する分離溝３６が形成される。更にコンタクト層８上にｐ側電極９、コンタクト層２８上にｐ側電極２９を形成する。その後、ｎ型ＩｎＰ基板２（２２）の裏面を研磨した後、ｎ側電極１０を形成した。
【００８６】
なお、本願発明に係るＥＡ変調器付き半導体集積素子は実施形態例３に記載された製造方法に限定されず、例えば、選択成長  （ＳＡＧ；Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ａｒｅａ  Ｇｒｏｗｔｈ）  方法によりＭＱＷ吸収層５及びＭＱＷ活性層２５を含む層を一工程で形成することもできる。
【００８７】
実施形態例４
図６は本実施形態例４のＥＡ変調器付き半導体集積素子モジュール１１０の構造を示す模式図である。ＥＡ変調器付き半導体集積素子モジュール１１０はＥＡ変調器付き半導体集積素子１１１と、変調後の光を前記ＥＡ変調器付き半導体集積素子１１１の出力端面（ＥＡ変調器側）からＥＡ変調器付き半導体集積素子モジュール１１０の出力端に伝搬する出力側光ファイバ１１３と、前記ＥＡ変調器付き半導体集積素子１１１の出力端面と前記出力側光ファイバ１１３とを光学的に結合するレンズ１１５ａ、１１５ｂとを備えている。
【００８８】
また、本実施形態例４にかかるＥＡ変調器付き半導体集積素子モジュール１１０は１０ＧＨｚ以上という高周波用ＥＡ変調器付き半導体集積素子モジュールであるため、電気信号の入力用高周波コネクタ１１６を有し、かつ該入力用高周波コネクタ１１６と前記ＥＡ変調器付き半導体集積素子１１１とを電気的に接続する信号ラインは図示しないマイクロストリップラインで構成されている。なお、本実施形態例４で用いたＥＡ変調器モジュール１１０の周波数は１０ＧＨｚである。また、ＥＡ変調器付き半導体集積素子１１１は実施形態例３で用いたＥＡ変調器付き半導体集積素子２０と同じであるため、詳細な説明は省略する。
【００８９】
なお、ここでレンズ系としては、ＥＡ変調器付き半導体集積素子１１１の出力端面と前記出力側光ファイバ１１３とを光学的に結合するレンズ１１５ａ、１１５ｂとして２レンズ系を用いたが、本願発明はこの実施形態には限定されず、例えば、光ファイバ１１３のＥＡ変調器付き半導体集積素子１１１側の端面をレンズ上に加工することによって、レンズドファイバとし、１レンズ系とすることもできる。また、高周波用ＥＡ変調器付き半導体集積素子モジュールとしない場合には、高周波コネクタ１１６は必要ない。なお、本実施形態例４を周波が２．５ＧＨｚ以下のような比較的低周波数用ＥＡ変調器モジュールに適用することもできる。低周波数要ＥＡ変調器モジュールの場合には、高周波コネクタ１１６に代えて通常のリード線を用いることができる。
【００９０】
実施形態例５
図７（ａ）〜（ｄ）、図８（ｅ）〜（ｈ）、図９（ｉ）〜（ｌ）は本実施形態例５のＥＡ変調器付き半導体集積素子の製造方法についての概略説明図である。なお、実施形態例５において製造するＥＡ変調器付き半導体集積素子２０’の構造は、ＥＡ変調器１’’のｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２６、障壁層及びｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層２４をそれぞれＩｎＧａＡｓＰで形成したこと以外は実施形態例３のＥＡ変調器付き半導体集積素子２０と同じであるため、対応する箇所に同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００９１】
実施形態例５においては、まず図７（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２の全面にＤＦＢレーザ２１を上部ＩｎＰクラッド層２７の一部までの積層構造を通常行われている製造方法で形成した後、図示しないＳｉＮ等の誘電体膜をマスクとして、ＥＡ変調器の形成領域Ａに形成されている前記積層構造のうち、ｎ型ＧＲＩＮ−ＳＣＨ２４迄を通常のエッチング法により除去した（図７（ｂ））。
【００９２】
次いで、ＥＡ変調器１’’を前記積層構造と同じ高さになるように上部ＩｎＰクラッド層７まで形成した（図７（ｃ））。ここで、ＥＡ変調器１’’の吸収端波長を測定した。
さらにＤＦＢレーザ２１上のマスクを除去し、回折格子形成層２７ａ’（厚さ２０ｎｍの１．５Ｑ層）をＤＦＢレーザ２１形成領域Ｂ及びＥＡ変調器１’’形成領域Ａに積層した（図７（ｄ））。ここで、ＤＦＢレーザ２１上に先に測定した吸収端波長と所望の波長差（実施形態例５においては６０ｎｍ）になるよう決定した回折格子パターンを電子描画装置で描画させ、次いで回折格子形成層２７ａ’にドライエッチングを施し回折格子２７ａを形成させた。なお、この際にＥＡ変調器１’’上に形成されていた回折格子形成層２７ａ’は除去され、回折格子２７ａを埋め込むように所定の高さまでｐ型ＩｎＰ再成長クラッド層３５（１５）を積層させて回折格子領域２７Ａを形成した（図８（ｅ））。なお、前記図８（ｅ）、及び以下に説明で用いる図８（ｆ）は概略図なので図示された回折格子２７ａのピッチとデューティー比は実際に形成されたものとは異なる。
【００９３】
その後、ｐ型ＩｎＰ再成長クラッド層３５（１５）上に図示しないＳｉＮ膜などの誘電体膜を施し、該誘電体膜をマスクとして通常行われているエッチング方法により、１．５μｍ程度の幅のメサ３１（１１）を形成した（図８（ｆ）。次いでメサ３１（１１）の側面を半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ層３２（１２）及びｎ型ＩｎＰ層３３（１３）で埋め込み、横方向の電流閉じ込め構造を形成した（図８（ｇ））。
【００９４】
次いで、残りのｐ型ＩｎＰ再成長クラッド層３５（１５）及びコンタクト層２８（８）を順次積層した（図８（ｈ））のち、容量を低減させるためにメサに沿って積層構造をエッチングして、トレンチ３４（１４）を形成した（図９（ｉ））。また、ＥＡ変調器１’’とＤＦＢレーザ２１への電流注入を独立に行うために、再成長クラッド３５（１５）の一部にまで達する分離溝３６を形成した（図９（ｊ））。更にコンタクト層８上にｐ側電極９、コンタクト層２８上にｐ側電極２９を形成した後、ｎ型ＩｎＰ基板２（２２）の裏面を研磨した後、ｎ側電極１０を形成した（図９（ｋ））。また、トレンチ３４（１４）の表面にＳｉＮからなる誘電体膜３７を施した。
【００９５】
以上のように作製したＥＡ変調器付き半導体集積素子２０’について、実施形態例１及び２と同項目について評価をしたところ、実施形態例１及び２と同様な値を得ることができた。
【００９６】
なお、本実施形態例５では、回折格子形成層２７ａ’をＤＦＢレーザ２１形成領域及びＥＡ変調器１’’形成領域に積層したが、回折格子２７ａはＤＦＢレーザ２１上に形成されれば良いので、ＤＦＢレーザ２１形成領域のみに形成しても良い。
【００９７】
また、本実施形態例５ではＥＡ変調器１’’の吸収層を含む積層構造の除去を通常のエッチング法で行ったが、このエッチングは前記積層構造の成長方向と略平行方向に進むドライエッチングを施した後、前記成長方向と略垂直方向に進むウエットエッチングを施す２段階エッチング法を用いることもできる。このようにすると、前記ウエットエッチングによってそのエッチング側面から１５０〜５００ｎｍの深さの空隙を形成することができる。このような空隙を設けると、ドライエッチングの際にマストランスポート現象が発生し、ＩｎＰ溶け出すことが前記空隙に流入させることができるため、突き合わせ接合面を所望の形状に形成することができる。
【００９８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる電界吸収型光変調器、電界吸収型光変調器付き半導体集積素子及び電界吸収型光変調器付き半導体集積素子によれば、チャーピング特性が良好でメトロ系に適した送信用信号光源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施形態例１の電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）１の構造を示す部分破断斜視図である。
【図２】図２は、該ＥＡ変調器１の吸収層近傍の構造を示す模式図である。
【図３】図３は、本実施形態例２のＥＡ変調器モジュール１００の構造を示す模式図である。
【図４】図４は、本実施形態例３のＥＡ変調器付き半導体集積素子２０の構造を示す部分破断斜視図である。
【図５】図５は、実施形態例３のＥＡ変調器付き半導体集積素子２０のＤＦＢレーザ２１の活性層近傍の構造を示す模式図である。
【図６】図６は、本実施形態例４のＥＡ変調器付き半導体集積素子モジュール１１０の構造を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｄ）は、ＥＡ変調器付き半導体集積素子の製造方法についての第１の概略説明図である。
【図８】図８（ｅ）〜（ｈ）は、ＥＡ変調器付き半導体集積素子の製造方法についての第２の概略説明図である。
【図９】図９（ｉ）〜（ｍ）は、ＥＡ変調器付き半導体集積素子の製造方法についての第３の概略説明図である。
【図１０】図１０は、従来の光集積デバイスの構成を示す部分破断斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０の線ＩＩ−ＩＩの断面図である。
【符号の説明】
１、１’、１’’  電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）
２                ｎ型ＩｎＰ基板
３                ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
４                ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
４ａ              １．０Ｑ層
４ｂ              １．１Ｑ層
４ｃ              １．２Ｑ層
５                ＭＱＷ吸収層
５Ａ              井戸層
５Ｂ              障壁層
６                ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
７                ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
８                ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
９                ｐ側電極
１０                ｎ側電極１０
１１、３１          メサ
１２、３２          ＦｅドープＩｎＰ層
１３、３３          ｎ型ＩｎＰ層
１４、３４          トレンチ
１５、３５          ｐ型ＩｎＰ再成長クラッド層
２０、２０’        ＥＡ変調器付き半導体集積素子
２１                ＤＦＢレーザ
２２                ｎ型ＩｎＰ基板
２３                ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
２４                ｎ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
２４ａ              １．１０Ｑ層
２４ｂ              １．１５Ｑ層
２４ｃ              １．２０Ｑ層
２５                ＭＱＷ活性層
２５Ａ              井戸層
２５Ｂ              障壁層
２６                ｐ側ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
２６ａ              １．２０Ｑ層
２６ｂ              １．１５Ｑ層
２６ｃ              １．１０Ｑ層
２７                ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
２７ａ              回折格子
２７ａ’            回折格子形成層
２７Ａ              回折格子領域
２８                ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２９                ｐ側電極
３６                分離溝
３７                誘電体膜
１００              電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）モジュール
１０１              ＥＡ変調器
１０２              入力側光ファイバ
１０３              出力側光ファイバ
１０４ａ、１０４ｂ  レンズ
１０５ａ、１０５ｂ  レンズ
１０６              高周波コネクタ
１１０              電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）付き半導体集積素子モジュール
１１１              ＥＡ変調器付き半導体集積素子
１１３              出力側光ファイバ
１１５ａ、１１５ｂ  レンズ
１１６              高周波コネクタ
【図１】
2004341092.tif 000006
【図２】
2004341092.tif 000007
【図３】
2004341092.tif 000008
【図４】
2004341092.tif 000009
【図５】
2004341092.tif 000010
【図６】
2004341092.tif 000011
【図７】
2004341092.tif 000012
【図８】
2004341092.tif 000013
【図９】
2004341092.tif 000014
【図１０】
2004341092.tif 000015
【図１１】
2004341092.tif 000016