(57)【要約】【課題】半導体光集積素子における各領域の熱クロストークを防止して、各領域の独立的な制御性を向上させる。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓの基板１１１上にｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第１クラッド層１１２、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの量子井戸からなる活性層１１３、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第２クラッド層１１４、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの回折格子層１１５、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第３クラッド層１１６、ｎ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓの電流阻止層１１７、ｐ型ＧａＡｓのキャップ層１１８、ｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１１９の半導体多層膜からなる光導波路が形成されている。共振器方向に光導波路は３領域に分割され、導波光を増幅する利得領域１０１、導波光の位相を制御する位相制御領域１０２、回折格子１１５ａが形成され発振波長であるブラッグ波長を制御するＤＢＲ領域１０３からなる。【選択図】　図１
2004071609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体多層膜の上部に電極が形成された複数の制御領域と、前記複数の制御領域の間の前記半導体多層膜の一部に溝が設けられた境界領域と、に分けられ、かつ前記基板の主面に沿いかつ制御領域と境界領域とを結ぶ方向に垂直な方向の幅が前記制御領域における幅と比較して狭い光導波路を有することを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項２】
前記境界領域における光導波路の幅が２０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体光集積素子。
【請求項３】
前記溝がコンタクト層のみに形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光集積素子。
【請求項４】
前記境界領域が活性層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体光集積素子。
【請求項５】
前記複数の制御領域に対し独立に電極が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光集積素子。
【請求項６】
前記複数の領域の１つが光を増幅する利得領域であることを特徴とする請求項１記載の半導体光集積素子。
【請求項７】
前記複数の領域の１つが導波光の位相を制御する位相制御領域であることを特徴とする請求項１記載の半導体光集積素子。
【請求項８】
前記複数の領域の一つにおいて回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光集積素子。
【請求項９】
前記回折格子が形成されている領域が、分布帰還領域または分布ブラッグ反射領域であることを特徴とする請求項８記載の半導体光集積素子。
【請求項１０】
前記境界領域の表面に酸化膜もしくは窒化膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光集積素子。
【請求項１１】
前記酸化膜が酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化チタンであることを特徴とする請求項１０記載の半導体光集積素子。
【請求項１２】
前記窒化膜が窒化シリコンであることを特徴とする請求項１０記載の半導体光集積素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光情報処理などに用いるのに適した半導体光集積素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からコンパクトな半導体光機能素子として、光集積素子が作製されている。半導体光集積素子とは、半導体レーザ、光増幅器、波長選択フィルタなどの異種機能素子を同一の半導体基板上に集積したものである。
【０００３】
この種の半導体光集積素子として、例えば、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ；Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザがある。図１０に従来の代表的なＤＢＲレーザの構造を示す。このＤＢＲレーザは光共振器方向において、同一光導波路が３領域に分割されている。３０１は光増幅を行う利得領域、３０２は導波光の位相を制御する位相制御領域、３０３は回折格子３１５ａが形成されたＤＢＲ領域である。
【０００４】
各３領域へそれぞれ独立に電流注入できるように、利得領域３０１と位相制御領域３０２との間の境界領域３００、位相制御領域３０２とＤＢＲ領域３０３との間の境界領域３００いずれにおいても、コンタクト層３１９が除去され、ｐ電極３３２はコンタクト層３１９の直上にそれぞれ設置されている。図１１に境界領域のａ−ａ’の断面図を示す。
【０００５】
利得領域３０１への注入電流により、利得領域の活性層３１３が発光し光導波路を光が導波する。利得領域３０１近傍の端面とＤＢＲ領域３０３の回折格子３１５ａによるＤＢＲとを２つの反射鏡として共振器が形成され、導波光が利得領域３０１で増幅されレーザ発振する。導波光は利得領域３０１近傍の端面から空間中へ放射され、レーザ光として利用できる。ＤＢＲレーザにおいて、ＤＢＲのブラッグ波長に最も波長の近い縦モードのみが、主にブラッグ反射しレーザ発振する。
【０００６】
出力は利得領域３０１への電流注入により制御する。発振波長の制御は、ＤＢＲ領域３０３への電流注入により行うことができる。電流注入によってＤＢＲ領域３０３における実効屈折率が変化するため、ブラッグ波長を制御することができる。同様に位相制御領域３０２への電流注入によって、導波光の位相が変化する。そのため縦モードを連続的に変化させることができる。ＤＢＲ領域３０３への電流注入だけでは実現できない連続的な発振波長の制御が、位相制御領域３０２への電流注入を適切に設定することによって可能となる。
【０００７】
このように半導体光集積素子においては、各領域へ独立に電流注入することにより高機能を実現している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電流注入によって半導体の屈折率が変化する機構は主に、プラズマ効果と熱効果の２つある。プラズマ効果は注入キャリアにより発生するため、電流注入に伴い屈折率が減少する。熱効果は電流注入によるｐ−ｎ接合での電力消費により発生し、電流注入に伴い屈折率が増加する。９００ｎｍより短波長域の半導体光集積素子では、電流注入においては主に熱効果により屈折率が変化する。一方、１．５μｍ帯などの長波長域の半導体光集積素子では、電流注入においては主にプラズマ効果により屈折率が変化する。しかし、長波長域においても、電流注入により副次的に熱が発生する。
【０００９】
従って、位相制御領域やＤＢＲ領域などには波長制御時に熱が発生する。また、利得領域などの光増幅領域においても発光に寄与しない投入電力により発熱する。
【００１０】
このように、半導体光集積素子においては各領域における発熱が存在する。これらの発熱は隣接の領域へ熱伝導する（熱クロストーク）。熱クロストークにより、各領域の独立的な制御性が悪化する。例えば、上記のＤＢＲレーザにおいては、位相制御領域への電流注入による発熱が利得領域とＤＢＲ領域へ熱クロストークする。利得領域への熱クロストークは光利得の低下を招き、出力を低下させる。また、ＤＢＲ領域においてはブラッグ波長の変化を招き、発振波長の制御が不安定となる。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、光導波路に形成された複数領域の独立制御性を向上させた半導体光集積素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体光集積素子は、基板上に形成された半導体多層膜の上部に電極が形成された複数の制御領域と、前記複数の制御領域の間の前記半導体多層膜の一部に溝が設けられた境界領域と、に分けられ、かつ前記基板の主面に沿いかつ制御領域と境界領域とを結ぶ方向に垂直な方向の幅が前記制御領域における幅と比較して狭い光導波路を有するものである。
【００１３】
この構成により、境界領域における断面積が減少するため、複数領域間の断熱性が向上し熱クロストークを防ぐことができる。
【００１４】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記境界領域における光導波路の幅が２０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、境界領域における断面積が減少するとともに光導波路の幅が大きくて境界部分の光分布にほとんど影響を与えないので、境界部分と複数領域の結合効率を低下させることをなくすことができる。
【００１５】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記溝がコンタクト層のみに形成されていることが好ましい。
【００１６】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記境界領域が活性層を有することが好ましい。この好ましい構成によれば、境界領域の光導波路の幅が最も発熱する活性層位置において狭くなっているため、複数領域間の効果的な断熱が実現できる。
【００１７】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記複数の制御領域に対し独立に電極が形成されていることが好ましい。この好ましい構成によれば、独立に電流注入できるので、各制御領域を効率的に独立制御することができる。
【００１８】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記複数の領域の１つが光を増幅する利得領域であることが好ましい。
【００１９】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記複数の領域の１つが導波光の位相を制御する位相制御領域であることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記複数の領域の一つにおいて回折格子が形成されていることが好ましい。
【００２１】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記回折格子が形成されている領域が、分布帰還領域または分布ブラッグ反射領域であることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記境界領域の表面に酸化膜もしくは窒化膜が形成されていることが好ましい。この好ましい構成によれば、境界領域の表面をＳｉＯ２などの酸化膜やＳｉＮｘなどの窒化膜で覆うので、表面からの半導体層の酸化や腐食などによる境界部分の光導波路の劣化を防止することができる。
【００２３】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記酸化膜が酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化チタンであることが好ましい。
【００２４】
本発明の半導体光集積素子は、さらに前記窒化膜が窒化シリコンであることが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態における半導体光集積素子であるＤＢＲレーザを示す図面である。
【００２７】
ｎ型ＧａＡｓの基板１１１上にｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第１クラッド層１１２、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの量子井戸からなる活性層１１３、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第２クラッド層１１４、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの回折格子層１１５、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第３クラッド層１１６、ｎ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓの電流阻止層１１７、ｐ型ＧａＡｓのキャップ層１１８、ｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１１９の半導体多層膜からなる光導波路が形成されている。共振器方向に光導波路は３領域に分割され、導波光を増幅する利得領域１０１、導波光の位相を制御する位相制御領域１０２、回折格子１１５ａが形成され発振波長であるブラッグ波長を制御するＤＢＲ領域１０３からなる。
【００２８】
ｎ電極１３１は基板１１１下に、ｐ電極１３２は各領域のコンタクト層１１９のそれぞれに分割されて設置されている。
【００２９】
位相制御領域１０２とＤＢＲ領域１０３の活性層１１３ａはＳｉイオン注入による無秩序化が施されている。そのため活性層１１３ａのバンドギャップエネルギーは、利得領域１０１の活性層１１３のバンドギャップより大きい。従って、活性層１１３で発生した導波光の吸収が低減されている。
【００３０】
また、各領域間には境界部分１００が設置されている。境界部分１００のａ−ａ’の断面を図２に示す。また比較のために、境界部分以外の光導波路のｂ−ｂ’の断面を図３に示す。
【００３１】
境界部分１００は光導波路の上にはコンタクト層１１９が除去されることによって溝が形成されている。導波光の垂直方向の光分布はコンタクト層１１９では活性層１１３、１１３ａの１００分の１以下となっている。従って、コンタクト層１１９を除去しても境界部分１００の光分布は、隣接する領域の光分布とほぼ同じであり、実効屈折率もほぼ等しい。すなわち、隣接する領域と境界部分１００との結合効率を低下させることがない。
【００３２】
また、境界部分１００は電流阻止層１１７から第１クラッド層１１２までエッチングすることにより、光導波路の幅Ｗを利得領域１０１や位相制御領域１０２、ＤＢＲ領域１０３より狭くしている。
【００３３】
隣接する領域と境界領域１００との結合効率と境界部分１００の分離熱抵抗の、Ｗ依存性を理論計算した結果を図４に示す。Ｗを２０μｍ以上とすれば、隣接する領域と境界部分１００との結合効率は低下しないことが分かる。これは、導波光の水平方向（半導体多層膜の主面に平行方向）の光分布は、光導波路中心から左右約１０μｍほどで光導波路中心での光強度の１００分の１以下となるからである。一方、分離熱抵抗を大きくするためにはＷが小さいほど望ましいことが分かる。分離熱抵抗を、境界部分の光導波路の幅を狭くしない場合の２倍とするためには、Ｗを１５０μｍ以下とすればよい。本実施形態ではＷを３０μｍとしている。
【００３４】
以上のような境界部分のコンタクト層に溝を形成し、光導波路の幅を１０μｍ以上、１５０μｍ以下とすることによって、分離熱抵抗を増加させることができる。これにより、領域間の熱クロストークを防ぐことができる。また、境界部分１００と各領域間との結合効率はほぼ１００％であり、接続損失は無視できる。そのため、動作電流の上昇などの悪影響は殆ど存在しない。
【００３５】
動作時には、利得領域１０１への電流注入により活性層１１３に利得が生じることにより、光出力を制御する。位相制御領域１０２とＤＢＲ領域１０３への電流注入により活性層１１３ａに発熱が生じ、各領域の実効屈折率を増加させることにより発振波長を制御する。位相制御領域１０２においては実効屈折率の増加は導波光の位相を変化させるために、電流注入に伴い発振波長が周期的に変化する。ＤＢＲ領域１０３においては実効屈折率の増加がブラッグ波長を変化させるために、電流注入に伴い発振波長がステップ状に長波長側へ変化する。
【００３６】
従来のように境界部分１００の光導波路幅を狭くしていない構造の素子と本実施形態構造の素子とにおける素子特性の例が図５である。この図は光出力１００ｍＷにおける、位相制御領域への電流注入による波長制御特性を示す。図５（ａ）が従来の構造の素子特性であるが、光出力が変動し発振波長の変化が不規則である。これは、位相制御領域への注入電流による発熱が境界部分を通じてＤＢＲ領域へ伝導し、ＤＢＲ領域の実効屈折率を変化させるためである。そのため、導波光の位相だけでなくブラッグ波長も変化し、発振波長の変化に異常を生じる。従って、発振波長の精密な制御が困難となる。
【００３７】
図５（ｂ）に示す本実施形態構造では、発振波長が周期的に変化している。これは、境界部分１００の分離熱抵抗が従来よりも高いので、位相制御領域１０２で発生した熱がＤＢＲ領域１０３へ伝導することが抑制されるためである。そのため、位相制御領域１０２への注入電流により、ブラッグ波長を変動させることなく、導波光の位相のみを変化させることができる。
【００３８】
このように本実施形態では従来と比べて、各領域の独立制御性を向上することができている。また、動作電流を比較したが、本実施形態と従来構造とには差異がない。すなわち、本実施形態の構造において、境界部分での結合効率の低下は見られない。
【００３９】
（第二の実施形態）
図６は、本発明の第二の実施形態における半導体光集積素子である変調器付きＤＦＢレーザを示す図面である。
【００４０】
ｎ型ＧａＡｓの基板２１１上にｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第１クラッド層２１２、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの回折格子層２１５、ｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第２クラッド層２１４、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの量子井戸からなる活性層２１３、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第３クラッド層２１６、ｎ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓの電流阻止層２１７、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第４クラッド層２１８、ｐ型ＧａＡｓのコンタクト層２１９の半導体多層膜からなる光導波路が形成されている。共振器方向に光導波路は２領域に分割され、回折格子２１５ａが形成されブラッグ波長近傍の導波光のみを増幅する分布帰還（ＤＦＢ）領域２０１、導波光の出力を変調する変調領域２０２からなる。レーザ光は、変調領域２０２近傍の端面から放射される。本実施形態ではブラッグ波長を８５０ｎｍとしている。
【００４１】
ｎ電極２３１は基板２１１下に、ｐ電極２３２は各領域のコンタクト層２１９のそれぞれに分割されて設置されている。
【００４２】
活性層２１３の吸収端は変調領域２０２に電流注入していない状態では、ＤＦＢ領域の回折格子２１５ａにより定まる発振波長（ブラッグ波長）より長波長側に位置するように設定している。この吸収端を変調領域２０２への電流注入により制御することにより、周波数チャーピングなく狭線幅の高速の光出力変調を行う。
【００４３】
また、各領域間には境界部分２００が設置されている。境界部分２００のａ−ａ’の断面を図７に示す。また比較のために、境界部分以外の光導波路のｂ−ｂ’の断面を図８に示す。
【００４４】
境界部分２００は光導波路の上にコンタクト層２１９に溝が除去されている。また、光導波路の側面のコンタクト層２１９から第１クラッド層２１２までエッチングすることによって、幅３０μｍのリッジ形状となっている。このような溝を形成し幅を狭くしても上述の第一の実施形態と同様に境界部分１００での各領域間の光接続効率はほぼ１００％であり、動作電流の上昇などの悪影響は殆ど存在しない。
【００４５】
また、境界部分２００の表面にはＳｉＯ２膜２４１が覆っている。
【００４６】
動作時には、ＤＦＢ領域２０１への電流注入により活性層２１３に利得が生じブラッグ波長で発振する。変調領域２０２への電流注入によって変調領域２０２の活性層の吸収を変化させ、光出力を制御することができる。なお、電流注入により変調領域２０２においては、活性層を中心に熱が発生する。
【００４７】
従来のように境界部分２００の光導波路幅を狭くしていない構造の素子と本実施形態構造の素子とにおける素子特性の例が図９である。この図は変調領域への注入電流を制御することにより光出力を変調させた時の、光出力と発振波長の変化を示す。変調は１ＭＨｚで、光出力はピーク１００ｍＷ、バイアス５０ｍＷである。図９（ａ）が従来の構造の素子特性であるが、光出力がパルス後半でピークから約５％低下し、また発振波長もバイアス時８５０ｎｍに比べて高出力時は８５０．３ｎｍと０．３ｎｍ長波長側にシフトしている。これは変調領域で発生した熱が境界部分を通じて、ＤＦＢ領域へ伝導しているためである。このため、ＤＦＢ領域における活性層の利得の減少により光出力が低下し、またＤＦＢ領域の実効屈折率が増加するため、ブラッグ波長が長波長側へ変化する。
【００４８】
一方、図９（ｂ）が本実施形態構造の素子特性であるが、パルス内での光出力の変化は約１％以下であり、発振波長の変動も０．１ｎｍ以下である。これは、境界部分２００の分離熱抵抗を従来よりも高くすることができているので、変調領域２０２で発生した熱がＤＦＢ領域２０１へ伝導することが抑制されているためである。
【００４９】
上記のように、本実施形態では境界部分２００に光導波路のコンタクト層に溝が形成され活性層の位置での幅が狭いため、第一の実施形態と同様に、各領域間の熱クロストークを防ぐことができる。その結果、各領域の独立制御性を向上することができる。
【００５０】
また、境界部分２００の側面にはＳｉＯ２膜２４１が覆っているので、側面からの活性層２１３、２１３ａの酸化を防ぐことができる。そのため、境界部分２００における光導波路の活性層の側面を露出させることによる、素子の信頼性低下を避けることができる。実際、７０℃でパルス駆動１００ｍＷでの信頼性試験において、境界部分２００の側面をＳｉＯ２膜２４１で覆っていない素子は１０００時間で劣化したが、境界部分２００の側面をＳｉＯ２膜２４１で覆った本実施形態に係る構造の素子は１００００時間以上の寿命であった。
【００５１】
なお、本発明の第一および第二の実施形態ではＡｌＧａＡｓ系の半導体材料を用い説明したが、ＩｎＰ材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＢＡｌＧａＩｎＮ系材料、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ系材料、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＰ系材料からなる半導体材料を用いてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体光集積素子の複数領域間の高効率な光接続と、熱クロストーク防止を両立することができる。そのため各領域の独立的な制御性が向上する。結果として信頼性が高く良好な特性を有する半導体光集積素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態におけるＤＢＲレーザの、共振器方向と平行方向の断面図
【図２】本発明の第一の実施形態におけるＤＢＲレーザの境界部分の、共振器方向と垂直方向の断面図
【図３】本発明の第一の実施形態におけるＤＢＲレーザの利得領域の、共振器方向と垂直方向の断面図
【図４】本発明の第一の実施形態におけるＤＢＲレーザの、境界部分の光導波路の幅と、分離熱抵抗と結合効率の依存性を示す図
【図５】従来のＤＢＲレーザと本発明の第一の実施形態におけるＤＢＲレーザとにおける、位相制御特性を示す図
【図６】本発明の第二の実施形態における変調器付きＤＦＢレーザの、共振器方向と平行方向の断面図
【図７】本発明の第二の実施形態における変調器付きＤＦＢレーザの境界部分の、共振器方向と垂直方向の断面図
【図８】本発明の第二の実施形態における変調器付きＤＦＢレーザの変調領域の、共振器方向と垂直方向の断面図
【図９】従来と本発明の第二の実施形態の変調器付きＤＦＢレーザにおける、光出力変調特性を比較して示した図
【図１０】従来例のＤＢＲレーザの、共振器方向と平行方向の断面図
【図１１】従来例のＤＢＲレーザの共振器方向と垂直方向の断面図
【符号の説明】
１００、２００、３００　境界部分
１０１、３０１　利得領域
１０２、３０２　位相制御領域
１０３、３０３　ＤＢＲ領域
１１１、２１１、３１１　基板
１１２、２１２、３１２　第１クラッド層
１１３、２１３、３１３　活性層
１１３ａ、３１３ａ　　無秩序化した活性層
１１４、２１４、３１４　第２クラッド層
１１５、２１５、３１５　回折格子層
１１５ａ、２１５ａ、３１５ａ　回折格子
１１６、２１６、３１６　第３クラッド層
１１７、２１７、３１７　電流阻止層
１１８、３１８　キャップ層
１１９、２１９、３１９　コンタクト層
１３１、２３１、３３１　ｎ電極
１３２、２３２、３３２　ｐ電極
２０１　ＤＦＢ領域
２０２　変調領域
２１８　第４クラッド層
２４１　絶縁層
【図１】
2004071609.tif 000003
【図２】
2004071609.tif 000004
【図３】
2004071609.tif 000005
【図４】
2004071609.tif 000006
【図５】
2004071609.tif 000007
【図６】
2004071609.tif 000008
【図７】
2004071609.tif 000009
【図８】
2004071609.tif 000010
【図９】
2004071609.tif 000011
【図１０】
2004071609.tif 000012
【図１１】
2004071609.tif 000013