(57)【要約】【課題】 光モード変換特性及び利得領域の動作特性の良好な半導体光素子を提供すること  【解決手段】 半導体基板（１１０）上に形成された下部クラッド層（１０３）及び上部クラッド層（１０５）を有する半導体光素子であって、これらクラッド層の間に形成された光信号を生成及び／又は増幅させるための活性層（１０４ｂ）を有する利得領域（１２０）と、この活性層から延長されるように形成された導波路層（１０４ａ）を有し、前記利得領域で生成及び／又は増幅された前記光信号のモードの大きさを変換して出力するスポットサイズ変換領域（１１０）と、を備え、前記導波路層はその厚みが漸次的に小さくなるように形成され、さらに、前記上部クラッド層はテーパー構造に形成した構成とする。【選択図】  図１
2005210120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と、を有する半導体光素子であって、
前記下部クラッド層と上部クラッド層との間に形成された光信号を生成及び／又は増幅させるための活性層を有する利得領域と、
前記下部クラッド層と上部クラッド層との間に前記活性層から延長されるように形成された導波路層を有し、前記利得領域で生成及び／又は増幅された前記光信号のモードの大きさを変換して出力するスポットサイズ変換領域と、を備え、
前記スポットサイズ変換領域の導波路層は前記活性層からその厚みが漸次的に小さくなるように形成され、さらに、前記上部クラッド層は前記利得領域を含む前記半導体光素子の一端から前記スポットサイズ変換領域を含む前記半導体光素子の他端にいくほどその幅が細くなるテーパー構造に形成されていることを特徴とするスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【請求項２】
前記スポットサイズ変換領域の導波路層の厚み（ｔ１）は、前記利得領域の活性層の厚み（ｔ２）に比べて、ｔ２：ｔ１が２:０より大きくて２:１以下の厚みの差(ＴＥＦ)を有するように、選択領域成長法によって成長されていることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【請求項３】
前記上部クラッド層は、前記利得領域を含む前記半導体光素子の一端での幅が２〜５μｍであり、前記スポットサイズ変換領域を含む前記半導体光素子の他端で０より大きくて２．０μｍ以下の幅を有するようにテーパー構造に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【請求項４】
前記半導体光素子は、前記スポットサイズ変換領域と前記利得領域との間で光学的に分離するためのトレンチが形成されることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【請求項５】
前記利得領域は、所定の波長の光を生成するための半導体レーザーであることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【請求項６】
前記利得領域は、その内部に入力された光を増幅させるための半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【請求項７】
前記利得領域は、その内部に入力された光にデータを載せた光信号に変造させるための光変調器であることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【請求項８】
前記活性層は、InGaAsP、AlGaInAs、InP、GaAsと同系列の化合物半導体から選択された材質を含むことを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【請求項９】
前記半導体光素子は、リッジ(Ridge)構造であることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関し、特に、スポットサイズ変換器が集積された半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザーは光加入者網や種々の形態の光メディアの光源として広く使われている。このような種々の用途の光源として適用し得るように、半導体レーザーは高い出力パワー及び小型化された構造を有している。
【０００３】
しかしながら、前記半導体レーザーから出力される光を単一モード光ファイバまたは光導波路などの送信媒体に結合させる際に、前記半導体レーザーから出力される光のモードと前記単一モード光ファイバ、あるいは光導波路間のモード差に起因して大きい結合損失が発生することがある。
【０００４】
上述した問題を解決するための手段として、スポットサイズ変換器（Spot Size Converter；ＳＳＣ）や、前記単一モード光ファイバまたは光導波路などに光を結合させるためのレンズ機構などが提案されている。
【０００５】
前記レンズ機構は、前記半導体レーザーから出力される光を視準化させるためのコリメータレンズ(Collimating lens)と、視準化された前記光を前記単一モード光ファイバまたは前記光導波路などに収斂させるためのフォーカスレンズ(Focusing lens)などを含む構成である。しかしながら、レンズ機構を備えると装置が大型化してしまい、また光軸を整列させるのが容易でないという問題がある。さらに、一定な収率を得ることが容易でないという問題がある。
【０００６】
一方、前記スポットサイズ変換器の場合には、前記半導体レーザーなどのような半導体光素子の基板上に集積させることが可能であり、そのため製造工程の簡略化及び生産原価の節減と、装置の最小化を図ることができるという利点がある。
【０００７】
前記スポットサイズ変換器は、半導体レーザーなどの光源で生成された光を前記半導体レーザーの活性層に閉じ込めなければならず、この活性層内への光の閉じ込め程度を示す指標を光閉じ込め係数(Optical Confinement factor)と言う。すなわち、前記スポットサイズ変換器は、前記半導体光素子の光閉じ込め係数を増加させることで、前記半導体レーザーのしきい電流値（スレッシュホールド電流）を低くすることができるようになる。また、前記スポットサイズ変換器は、前記半導体レーザーの活性層内に閉じ込めた光を漸次的に放出して前記半導体光素子の出力面での光の大きさを増加させることにより、異なる光素子または送信媒体などに結合される光の結合損失を最小化させることができる。
【０００８】
この種のスポットサイズ変換器が集積された半導体光素子としては、木村など(Kimura et al.)によって報告された"Semiconductor laser and method of fabricating semiconductor laser"(特許文献１，特許文献２)と、青木など(Aoki et al.)によって報告された"Semiconductor optical device"(特許文献３，特許文献４)などがある。
【０００９】
特許文献１，２において、木村などは垂直な方向に傾くように形成されたスポットサイズ変換器が集積された半導体光素子について開示しているし、木村などによって提案されたスポットサイズ変換器が形成された領域を有する半導体光素子は、選択的領域成長(Selective Area Growth：ＳＡＧ)などによって成長されることで、半導体レーザーなどと異なる垂直方向に傾いた構造を有するスポットサイズ変換器を形成することができる。さらに、木村などによって開示された半導体光素子の構造の場合、垂直方向に傾いたスポットサイズ変換器の導波路層と、光素子領域との間の厚さの差(thickness enhancement factor:ＴＥＦ)が増加されるほど選択的領域成長法によって成長されたスポットサイズ変換器によるモードカップリングの効果が増加される。
【００１０】
一方、特許文献３，４において、青木などはスポットサイズ変換器が形成された領域内に位置された上部クラッド層の両側面を傾くように形成した半導体光素子の構造について開示している。しかしながら青木などによって開示された半導体光素子は、前記半導体光素子と、前記半導体光素子の周辺を取り囲む大気間の屈折率差が大きくて光の放射角が大きくなる問題がある。
【００１１】
更に、選択的領域成長法(ＳＡＧ)を利用して、スポットサイズ変換器が形成された領域から半導体レーザーなどのような光源が形成された利得(Gain)領域まで活性層の構造が連続的な半導体光素子や、バットジョイント(Butt joint)方法などを利用してスポットサイズ変換器が形成された領域と半導体レーザーなどのような光源が形成された利得(Gain)領域が不連続的に形成された場合の半導体光素子らすべては理想的な動作特性を有するためにスポットサイズ変換器が形成された領域の厚さと利得領域の厚さ比が３：１以上でなければならないと共に、応力の差は１％以内でなければならない。
【００１２】
しかし、光モード変換領域と利得領域との厚さの比が３：１以上である場合は、選択的領域成長法またはバットジョイント法によって成長されたスポットサイズ変換領域と利得領域との間の応力差が増加するようになって、これによりスポットサイズの変換特性が向上する一方で、光出力特性が低下してしまう問題がある。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−１１２０８１号公報
【特許文献２】米国出願番号：ＵＳ６，０１８，５３９
【特許文献３】特開平８−１１６１２４号公報
【特許文献４】米国出願番号：ＵＳ５，７３７，４７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、前記した従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、モードカップリング及び光出力の効率が高いスポットサイズ変換領域が集積された半導体光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、本発明によるスポットサイズ変換領域を含む半導体光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と、を有する半導体光素子であって、
前記下部クラッド層と上部クラッド層との間に形成された光信号を生成及び／又は増幅させるための活性層を有する利得領域と、
前記下部クラッド層と上部クラッド層との間に前記活性層から延長されるように形成された導波路層を有し、前記利得領域で生成及び／又は増幅された前記光信号のモードの大きさを変換して出力するスポットサイズ変換領域と、を備え、
前記スポットサイズ変換領域の導波路層は前記活性層からその厚みが漸次的に小さくなるように形成され、さらに、前記上部クラッド層は前記利得領域を含む前記半導体光素子の一端から前記スポットサイズ変換領域を含む前記半導体光素子の他端にいくほどその幅が細くなるテーパー構造に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
前記スポットサイズ変換領域の導波路層の厚み（ｔ１）は、前記利得領域の活性層の厚み（ｔ２）に比べて、ｔ２：ｔ１が２:０より大きくて２:１以下の厚みの差(ＴＥＦ)を有するように、選択領域成長法によって成長されていてもよい。また前記上部クラッド層は、前記利得領域を含む前記半導体光素子の一端での幅が２〜５μｍであり、前記スポットサイズ変換領域を含む前記半導体光素子の他端で０より大きくて２．０μｍ以下の幅を有するようにテーパー構造に形成されていてもよい。更に、前記半導体光素子は、前記スポットサイズ変換領域と前記利得領域との間で光学的に分離するためのトレンチが形成されていてもよい。
【００１７】
前記利得領域は、所定の波長の光を生成するための半導体レーザー、その内部に入力された光を増幅させるための半導体光増幅器、又はその内部に入力された光にデータを載せた光信号に変造させるための光変調器であってもよい。また前記活性層は、InGaAsP、AlGaInAs、InP、GaAsと同系列の化合物半導体をから選択された材質を含むようにしてもよい。更に、前記半導体光素子は、リッジ(Ridge)構造であってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、例えば選択領域成長法（ＳＡＧ）のみを使って垂直方向と側面方向の傾斜度の構造を有する半導体光素子を提供することにより、従来の半導体光素子よりも低いＴＥＦを有する構造にも適用可能な利点がある。すなわち、ＴＥＦ値を低くすることで、スポットサイズ変換特性と半導体レーザーなどのような利得領域の動作特性とを同時に満足させることができる。さらに、本発明によれば、例えばALGaInAS系列の活性層を含む半導体光素子などのような、埋め立て型ヘテロ(Burried hetero)構造に適用が容易でない半導体光素子などであっても適用す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、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭にするために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。なお、図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。
【００２０】
図１は、本発明の望ましい実施形態による半導体光素子を示す斜視図であり、図２は、図１に示された半導体光素子の平面図であり、図３は、図１に示されたＡ−Ａ'の断面を示す縦断面図である。
【００２１】
図１ないし図３を参照すれば、本実施形態による半導体光素子１００は、利得領域１２０及び、光モード大きさ変換領域としてのスポットサイズ変換領域（Spot Size Conversion；ＳＳＣ）１１０を有している。
【００２２】
利得領域１２０は、半導体基板１０１と、該半導体基板１０１上に成長されたバッファー層(buffer layer)１０２と、前記バッファー層１０２上に成長された下部クラッド層１０３と、前記下部クラッド層１０３上に成長された上部クラッド層１０５と、前記上部クラッド層上に成長された接触層(contact layer)１０６及び、前記下部クラッド層１０３及び上部クラッド層１０５の間に成長された光を生成及び／又は増幅させるための活性層１０４ｂを含む構成である。
【００２３】
スポットサイズ変換領域１１０は、前記下部クラッド層１０３及び上部クラッド層１０５の間に形成された前記活性層１０４ｂから延長（延設）されるように成長された導波路エリア１０４ａを含む構成である。
なお、図中１０７は、例えばポリイミドなどの樹脂層である。
【００２４】
また、前記半導体光素子１００は、前記スポットサイズ変換領域１１０と前記利得領域１２０との間を光学的、電気的に分離するために、前記接触層１０６を前記利得領域１２０上にのみに形成するようにしてもよく、または前記接触層１０６を前記スポットサイズ変換領域１１０上にも形成した後、前記スポットサイズ変換領域１１０と前記利得領域１２０との間にトレンチ(Trench)１０８を形成した構造としてもよい。なお、図３は、トレンチ１０８を形成した構成の一例を記載してある。
【００２５】
前記上部クラッド層１０５は、前記利得領域１２０を含む前記半導体光素子１００の一端から、前記スポットサイズ変換領域１１０を含む前記半導体光素子１００の他端にいくほどその幅が細くなるテーパー(Taper)構造となるように、例えばエッチングにより形成される。より具体的な一例として、前記上部クラッド層１０５は前記利得領域１０４ｂを含む前記半導体光素子１００の一端での幅Ｔ２が２〜５μｍであり、前記スポットサイズ変換領域１１０を含む前記半導体光素子１００の他端での幅Ｔ１が２．０μｍ以下の幅を有するテーパー(Taper)構造に例えばエッチングにより形成される。
【００２６】
前記利得領域１２０は前記上部クラッド層１０３及び下部クラッド層１０５の間に成長された活性層１０４ｂを含んでおり、この活性層１０４ｂはInGaAsP、AlGaInAs、InP、GaAsなどすべての化合物半導体層を適用することができる。即ち、活性層１０４ｂは、InGaAsP、AlGaInAs、InP、GaAsと同系列の化合物半導体から選択された材質を含むことができる。
【００２７】
前記利得領域１２０は、前記活性層１０４ｂの動作特性によって、予め設定された所定の波長の光を生成するための半導体レーザー、その内部に入力された光を増幅させるための半導体光増幅器、その内部に入力された光にデータを載せた光信号に変調させるための変調器など、種々の機能を有する半導体光素子を集積させることができる。即ち、利得領域１２０は、光信号を生成及び／又は増幅させるための活性層１０４ｂを有する構成である。
【００２８】
さらに、例えばAlGaInAs系列の化合物半導体層は、大気中で酸化されるなどの問題が生じるために、リッジ(Ridge)構造以外の埋め立て型ヘテロ構造の半導体光素子などには適用が容易でないことがあるが、本実施形態においては、リッジ構造の半導体光素子などに適用することで、AlGaInAs系列の化合物半導体層を含んでいても適用することができる。
【００２９】
前記スポットサイズ変換領域１１０は、前記活性層１０４ｂから延長（延設）された導波路層１０４ａをさらに含んでおり、前記活性層１０４ｂに比べて２:１以下の厚みの差(Thickness Enhancement Factor:ＴＥＦ)を有するように例えば選択領域成長法(Selective Area Growth；ＳＡＧ)によって成長されて形成されている。前記導波路層１０４ａは、前記上部クラッド層１０５及び下部クラッド層１０３よりも低い屈折率を有する材質を選択することができる。さらに前記スポットサイズ変換領域１１０の導波路層１０４ａは、その長さ方向において前記活性層１０４ｂ側から外方側に向かうにつれてその厚みが漸次的に小さくなるように成長されて形成されている。
【００３０】
上記実施例による半導体光素子１００の動作特性と、一般的な半導体光増幅器の動作特性とを比較した結果について表１を用いて説明する。この表１は、本実施形態による半導体光素子１００の出力特性と、従来技術による半導体光素子の出力特性を実際に試験を行なって比較した結果である。本実施形態による半導体光素子１００は、全体長さが６００μｍであり、前記スポットサイズ変換領域１１０の長さが１５０μｍであり、前記利得領域１２０の長さが４５０μｍであり、前記上部クラッド層１０５は前記利得領域１２０を含む前記半導体光素子１００の一端での幅が３μｍであり、前記スポットサイズ変換領域１１０を含む前記半導体光素子１００の他端での幅が１μｍである。
【００３１】
【表１】
2005210120.tif 000003
【００３２】
表１の結果から明らかなように、特許文献１，２における木村などによる半導体光素子である厚さの差(ＴＥＦ)が２．３以上である場合の半導体光素子は、出力される光の放射角が２０度未満に減少された反面、しきい電流(ＩＴＨ)値及び出力効率(ＳＥ)が増加されることを分かる。一方、特許文献３，４における青木などによる半導体光素子である側面のみにテーパリング(Tapering)された上部クラッドを含む半導体光素子は、しきい電流及び出力効率などのようなレーザー効率が良好である反面、出力される光の放射角度がほとんど減少されていないことが分かる。
【００３３】
上述した厚さの差（ＴＥＦ）は、半導体光素子のスポットサイズ変換領域の厚さと、利得領域との間の厚みの差を意味しており、本発明の望ましい実施形態による１．５未満の厚みの差を有する半導体光素子が木村などによって提案された半導体光素子の構造よりも低いしきい電流値と、高い出力効率を有するようになると共に、低い放射角の光を出力することができることが分かる。
【００３４】
以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲のみならず、その範囲と均等なものにより定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の望ましい実施形態による半導体光素子を示す斜視図である。
【図２】上記半導体光素子の平面図である。
【図３】上記半導体光素子の断面を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００  半導体光素子
１０１  半導体基板
１０２  バッファー層
１０３  下部クラッド層
１０４ａ  導波路層
１０４ｂ  活性層
１０５  上部クラッド層
１０６  接触層
【図１】
2005210120.tif 000004
【図２】
2005210120.tif 000005
【図３】
2005210120.tif 000006