(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光射出部と、第１の選択成長により形成され前記光射出部と結晶学的に結合された第１の光導波路と、第２の選択成長により形成され前記第１の光導波路の出射端面側に結晶学的に結合された第２の光導波路を少なくとも有し、少なくとも前記第１および第２の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少し、かつ
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の結合部近傍において、
前記第１の光導波路側における膜厚の減少の割合よりも、
前記第２の光導波路側における膜厚の減少の割合が大きいことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
光射出部と、前記光射出部とバットジョイントを構成し複数回の選択成長によって形成されたビームスポット変換器部とを有し、前記ビームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少し且つ当該ビームスポット変換器部の光導波路内部にバットジョイントを１個以上有し、
前記バットジョイントの結合部近傍での、前記ビームスポット変換器部の光導波路の前記出射端面側で、連続的に減少する膜厚の減少の割合が、
前記バットジョイントの結合部近傍での、前記ビームスポット変換器部の光導波路の前記出射端面と反対側で、連続的に減少する膜厚の減少の割合に比べて大きいことを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
前記光射出部が半導体発光装置部であることを特徴とする請求項１〜２項のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記光射出部が光変調器、光増幅器、光導波路、及び光スイッチの群から選ばれた少なくとも一者なることを特徴とする請求項１〜２項のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記ビームスポット変換器部の光導波路層のバンドギャップ波長が、前記光導波路層の前記光射出部との界面より出射端面に向かって短波長となっていることを特徴とする請求項２〜４項のいずれかに記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は光導波路層を有する光半導体装置およびその製造方法に係わるものである。更には、本願発明は、光半導体装置を用いた光伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光送信モジュール、光ファイバ、光受信モジュールなどから構成される光伝送装置は、幹線系のみならず加入者系へも導入されている。この加入者系光通信システムにおいて、光源として用いられる半導体レーザ装置から発生した光を、光学レンズを用いずに高効率に光ファイバ或いは光導波路へ結合させることは、光伝送装置の低コスト化を図るための重要な課題である。これに対する方法として、半導体レーザ装置にビームスポット変換器を集積化する方法がある。
【０００３】
このビームスポット変換器集積化の方式の例に、光導波路層の膜厚を出射端面に向かって連続的に減少させた膜厚テーパ型ビームスポット変換器を半導体レーザ装置等にバットジョイント（結合）（Ｂｕｔｔ―Ｊｏｉｎｔ）させる方式がある。 尚、Ｂｕｔｔ―Ｊｏｉｎｔはバットジョイント結合と称されることもあるが、本明細書ではバットジョイントあるいは（結合）と記載する。この方式は、ビームスポット変換部での損失が小さく、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ―Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による選択成長技術を用いることにより半導体レーザ装置等の光素子との集積化も容易であるという特徴がある。この膜厚テーパ型ビームスポット変換器においては、光導波路のコア内を伝搬してきた光がコア膜厚の減少によりコア内に閉じ込められずにコアの外部にまで広がり、出射端面においてビームスポット径が拡大される。その結果、出射端面からのレーザ光の広がり角が狭くなり、光ファイバ等との結合効率を向上させる機能を有するものである。
【０００４】
このような従来のビームスポット変換器集積素子の例としては、例えば、Ｙ．Ｉｔａｙａらの、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．３，ｐ．９６３，１９９７，“Ｓｐｏｔ−Ｓｉｚｅ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅｓ”の報告がある。
【０００５】
この膜厚テーパ型ビームスポット変換器の半導体レーザ装置への集積方法を、図を用いて説明する。図１は、膜厚テーパ型ビームスポット変換器と半導体レーザ装置の集積化素子の構造および製造方法を説明するため、その工程順に示した導波方向に沿った断面図である。
【０００６】
まず、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、下側ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０２、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）活性層１０３、上側ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０４を順次、ＭＯＣＶＤ成長する。次に、ＳｉＮによる誘電体膜１０５を形成する（図１の（ａ））。
【０００７】
通例のフォトリソグラフとエッチング技術を用いて膜厚テーパ形成領域を開口部とする所望の形状のＳｉＮパターン１０５’を作製する。当該ＳｉＮパターン１０５’をマスクとして、マスク開口部の光導波路層（１０２〜１０４）をエッチングにより除去する（図１の（ｂ））。
【０００８】
さらに、当該ＳｉＮパターン１０５’をマスクとしてＭＯＣＶＤ法選択成長により、利得領域において発生する光よりも短いバンドギャップ波長を有するＩｎＧａＡｓＰ層を成長する。この際、レーザ利得領域とバットジョイント結合する部分でのＩｎＧａＡｓＰ層の膜厚が、光導波路層（１０２’〜１０４’）の膜厚とほぼ等しくとなるように設定する。これにより、ＳｉＮによるマスク開口部には膜厚とバンドギャップ波長が連続的に減少する膜厚テーパ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０６が形成される（図１の（ｃ））。このように形成したテーパ型ＩｎＧａＡｓＰ層（１０６）のレーザ利得領域１１０とのバットジョイント（結合）部からの距離に対する膜厚の関係を図２に示す。図２の横軸はレーザ部１１０との接合部からの距離、縦軸はビームスポット変換器部１１１のテーパ部１０６の膜厚を示す。
【０００９】
この後、ＳｉＮパターン１０５’を除去し、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０７をＭＯＣＶＤ成長する。以後は、通常の半導体レーザ装置作製と同様の工程により、電極１０８、１０９等を形成し、膜厚テーパ型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置が完成する（図１の（ｄ））。
【００１０】
このとき、レーザ利得領域１１０の光導波路層（１０２’〜１０４’）と膜厚テーパ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０６はバットジョイント（結合）されることにより、レーザ利得部１１０にて発生した光は、膜厚テーパ型ビームスポット変換器部１１１へ効率良く導波され、且つビームスポット変換器側端面から出射される光は、ビームスポット径が拡大され、光ファイバ或いは光導波路と高効率かつ簡便に結合することが可能となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供せんとするものである。更には、本願発明は、所望の寸法内で光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供せんとするものである。更には、所望の寸法内で、光出力を所望に確保しつつ、且つ光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供せんとするものである。
【００１２】
より具体的には、本願発明は、これまでの膜厚テーパ型ビームスポット変換器での限界を打ち破るものである。即ち、本願発明は、現在の光システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する光半導体装置である。本願発明は、これまでの膜厚テーパ型ビームスポット変換器において光導波路と高い結合効率を確保する為の膜厚テーパ領域の長さとすると、光出力が低下することを回避する。
【００１３】
本願発明は、更に現在の光システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する光半導体装置を有する光モジュール及び光伝送システムを提供せんとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本願発明の主な形態を列挙すると次の通りである。
【００１５】
本願発明の第１の形態は、光射出部と、前記光射出部と結晶学的に接合された第１の光導波路と、前記第１の光導波路の出射端面側に結晶学的に接合された第２の光導波路を少なくとも有し、少なくとも前記第１および第２の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少することを特徴とする光半導体装置である。
【００１６】
本願発明の第２の形態は、光射出部と、前記光射出部とバットジョイント（結合）を構成するビームスポット変換器部と有し、前記ビームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少し且つ当該ビームスポット変換器部の光導波路内部にバットジョイント（結合）を1個以上有することを特徴とする光半導体装置である。前記光導波路層領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記光導波路層領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように前記ビームスポット変換器部の光導波路が形成される。本願発明は光導波路、例えば光ファイバー等への結合効率の高い光半導体装置を提供することが出来る。
【００１７】
勿論、本願発明は、複数のテーパ型光導波路領域を有しても良い。即ち、第１のテーパ型光導波路領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記第１のテーパ型光導波路領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように第２のテーパ型光導波路領域、同様に第３のテーパ型光導波路領域等を有しても良い。
【００１８】
本願発明の別な形態は、前記光射出部が半導体発光装置部であることを特徴とする光半導体装置である。当該半導体発光装置部は通例半導体レーザ装置が用いられる。本形態は光通信システムに用いるに極めて有用である。勿論、本願発明は、前記第１および第２の形態に示した通り、その他の領域からの光が、前記光射出部を通してビームスポット変換器部伝達される形態への適用も可能である。本願発明に適用可能な光射出部を構成する具体的な例は、半導体レーザ装置、光変調器、光増幅器、光導波路、光スイッチなどの各種光素子を挙げることが出来る。又、前記光射出部として、光導波路が用いられ、この光導波路に前記半導体レーザ装置、光変調器、光増幅器、光導波路、光スイッチなどの各種光素子よりの光が導波された形態も、本願発明に用いることが出来る。
【００１９】
尚、本願発明では、レーザの共振器の形式は、ファブリ・ペロー共振器、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）、ＤＢＲ（Ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）等、その要請に応じて用いることが出来る。
【００２０】
本願発明の更に別な形態は、前記光導波路層のバンドギャップ波長が、前記バットジョイント（結合）部から出射端面に向かって短波長となっていることを特徴とする光半導体装置である。この短波長化は波長が連続的に変化していることが好ましい。
【００２１】
本願発明の更に別な形態は、光射出部と、前記光射出部と結晶学的に接合された光導波路を有し、前記光導波路は、第１の光導波路と、前記第１の光導波路の出射端面側に結晶学的に接合された第２の光導波路を少なくとも有し、少なくとも前記第１及び第２を有する光導波路の導波方向の長さが３００μｍ以下であり、少なくとも前記第１及び第２を有する前記光導波路の膜厚が出射端面に向かって減少し、前記光射出部と前記第１の光導波路との界面での膜厚と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が３対１以上を有することを特徴とする光半導体装置である。本願発明は、特に所望寸法内にて、光導波路を構成出来、且つ光導波路への結合効率の高い、極めて実用的な光半導体装置を提供することが出来る。
【００２２】
本願発明の更に別な形態は、光射出部と、前記光射出部とバットジョイント（結合）を構成するビームスポット変換器部と有し、前記ビームスポット変換器部の導波方向の長さが３００μｍ以下であり、前記ビームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少し、前記バットジョイント（結合）と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が３対１以上を有し、且つ当該ビームスポット変換器部の光導波路内部にバットジョイント（結合）を1個以上有することを特徴とする光半導体装置である。本願発明は光導波路への結合効率の高い、極めて実用的な光半導体装置を提供することが出来る。
【００２３】
更に、前記発明の諸形態を任意に組み合わせ用いることが出来ることは言うまでもない。
【００２４】
本願発明の更に別な形態は、光導波路と光半導体装置とを有し、前記光半導体装置が、光射出部と、前記光射出部とバットジョイント（結合）を構成するビームスポット変換器部と有し、前記ビームスポット変換器部の導波方向の長さが３００μｍ以下であり、当該光半導体装置と光導波路との光の結合効率が−３ｄＢを超えない光半導体装置であることを特徴とする光伝送システムである。
【００２５】
前記ビームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少するのが好ましい。且つ前記ビームスポット変換器部の光導波路内部にバットジョイント（結合）を1個以上有するのが実用的な形態である。前記バットジョイント（結合）と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が３対１以上を有せしめることで前記当該光半導体装置と光導波路との光の結合効率を所望に確保するに有用である。
【００２６】
又、前記光導波路層のバンドギャップ波長が、前記バットジョイント（結合）部から出射端面に向かって短波長となっていることを特徴とする光半導体装置である。この短波長化は波長が連続的に変化していることが好ましい。
【００２７】
又、前記光射出部が半導体発光装置部であることを特徴とする光半導体装置において、当該半導体発光装置部は通例半導体レーザ装置が用いられるのが好例である。本形態は光通信システムに用いるに極めて有用である。本願発明は、光半導体装置と光ファイバ或いは光導波路との結合効率を改善することが可能であり、前記光半導体装置を光伝送装置に用いることにより、光伝送装置あるいは光伝送システムの低コスト化が図れる。
【００２８】
更に、前記発明の諸形態を任意に組み合わせ用いることが出来ることは言うまでもない。
【００２９】
本願発明の製造方法に関わる形態は、半導体基板上に形成された光導波路層領域の出射端面側の一部を除去する工程、前記光導波路層の除去された領域に、前記光導波路層領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記光導波路層領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるようにテーパ型光導波路領域を結晶成長する工程を少なくとも一回有する光半導体装置の製造方法である。
【００３０】
前記光導波路層領域の出射端面と前記テーパ型光導波路領域とはいわゆるバットジョイント（結合）を形成している。
【００３１】
テーパ型光導波路領域内部にバットジョイント（結合）は複数有することは任意である。即ち、本願発明の製造方法に関わる別な形態は、半導体基板上に形成された光導波路層領域の出射端面側の一部を除去する工程、前記光導波路層の除去された領域に、前記光導波路層領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記光導波路層領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように第１のテーパ型光導波路領域を結晶成長する工程、前記第１のテーパ型光導波路領域の出射端面側の一部を除去する工程、前記第１のテーパ型光導波路領域の除去された領域に、前記第１のテーパ型光導波路領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記第１のテーパ型光導波路領域の光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように第２のテーパ型光導波路領域を結晶成長する工程、を少なくとも有する光半導体装置の製造方法である。
【００３２】
前記各テーパ型光導波路領域の結晶成長は有機金属気相成長法選択成長が有用である。そして、化合物半導体層の結晶成長に際しては、テーパ型ビームスポット変換器の光導波路層のバンドギャップ波長が、光半導体素子とのバットジョイント（結合）部から出射端面に向かって連続的に短波長化するのが好ましい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
個別の発明の実施の諸形態を説明するに先立って、一般的な発明の実施の諸形態の具体的な詳細を説明する。
【００３４】
本願発明の一つの例は、前述したように、膜厚テーパ型ビームスポット変換器を集積する際に、ＭＯＣＶＤ法選択成長による膜厚テーパ光導波路層の形成工程を導波方向に２回以上繰り返すことによって得ることが出来る。すなわち、光半導体素子と膜厚テーパ型ビームスポット変換器のバットジョイント（結合）部の他に、膜厚テーパ型ビームスポット変換器内部にもバットジョイント（結合）部を１個以上設けることにより膜厚比を増大させることを特徴とする。
【００３５】
尚、前記の膜厚テーパ領域の光導波路は単一層で構成され、その上下の材料層がクラッド層の役割を果たす。当該膜厚テーパ領域の光導波路を複数の積層体でもって構成することも可能である。
【００３６】
先に説明したように、ＭＯＣＶＤ法選択成長により形成した膜厚テーパ領域の膜厚分布は指数関数的に減少するため、例えば、無限に離れた位置に対する膜厚比が３となるような条件で作製する場合、３００μｍの膜厚テーパ領域長さでの膜厚比は３よりも小さな値しか得られない。しかし、膜厚分布が指数関数的に減少することから、例えば１５０μｍの領域での膜厚比が２であれば、同工程を２回繰り返すことにより、３００μｍの領域での膜厚比を４とすることが可能となる。
【００３７】
一方、膜厚テーパ領域のＩｎＧａＡｓＰ結晶のバンドギャップ波長は、ＭＯＣＶＤ法選択成長の効果により、膜厚の厚い光半導体素子とのバットジョイント（結合）部よりも膜厚の薄い出射端面側で短波長化する。この短波長化は概ね、数１０ｎｍ程度である。このため、２回目以降の膜厚テーパ光導波路層の形成工程においては、そのバットジョイント（結合）部においてＩｎＧａＡｓＰ結晶のバンドギャップ波長が連続的になるように順次短波長に設定することにより、膜厚テーパ光導波路層の形成工程が２回以上に増えた場合にも光学損失の増加は無い。従って、レーザ特性を損なうことなくビームスポット径のみを増大させることが可能となる。
【００３８】
この波長の短波長化は、知られているように、ＩｎとＧａ原料のシリコン窒化膜上での拡散の比に起因する。従って、化合物半導体材料のＩｎＧａＡｓＰ結晶、ＩｎＧａＡｓ結晶、あるいはＩｎＧａＡｓＰ結晶において実現する
ビームスポット変換器部内部でのバッドジョイント（結合）の数は、ビームスポット変換器の光導波路の光の進行方向の実用上の長さからみて、１−２個が実用的である。勿論、その数はビームスポット変換器部の長さや前記バットジョイント（結合）と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比をどの程度を要請するか等によって設計される。
【００３９】
尚、ここで、ビームスポット変換器部は、通例のコア層をクラッド層で挟む光導波路を基本にし、光の進行方向に対して交差する縦方向の光導波路の厚さが、光の進行方向に添って変化する構成（いわゆるｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  ｔａｐｅｒｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を用いて十分である。  又、いわゆるバットジョイント（結合）は、第１の光導波路に結晶学的に接続された第２の光導波路を有する結合を指す。その具体的な例は、前記第１の光導波路としてのレーザ活性層領域に前記第２の光導波路としての光導波路の結合、前記第１の光導波路としてのレーザ活性層領域に前記第２の光導波路としてのビーム拡大器の光導波路の結合、前記第１の光導波路としての光導波路に第２の光導波路としてのビーム拡大器の光導波路の結合、あるいは前記第１の光導波路としての光導波路領域に前記第２の光導波路としての光導波路の結合、等を挙げることが出来る。通例、こうしたバットジョイント（結合）は、第１の光導波路層の一部を、例えばエッチング等で除去した後、この部分に接続する第２の光導波路層を結晶成長することによって形成される。
【００４０】
以下に、本願発明と前記した通例の半導体レーザ装置にビームスポット変換器を集積した素子とを比較検討する。このことによって、本願発明の有用なことが理解されるであろう。
【００４１】
従来構造の膜厚テーパ型ビームスポット変換器においても、バットジョイント接続部と他方の出射端面における光導波路層の膜厚比を大きくすることにより、出射端面でのビームスポット径をさらに拡大させ、光ファイバ或いは光導波路との結合効率をより高めることが可能ではある。
【００４２】
しかし、従来の膜厚テーパ型ビームスポット変換器と半導体レーザ装置の集積化素子においては、その製造段階において、両者をバットジョイント（結合）させるためにＭＯＣＶＤ法選択成長を1回だけ用いている。ＭＯＣＶＤ法選択成長による膜厚テーパ形成の原理は、誘電体マスク近傍において成長に用いる有機金属原料がマスク上を横方向に拡散し、マスク開口領域の成長速度が増大することを利用している。この為、選択成長による誘電体マスク周辺の膜厚分布は図２に示したような指数関数的な分布形状となる。従って、通常のＭＯＣＶＤ成長条件において得られる膜厚は誘電体マスク近傍を１とした場合、誘電体マスクから無限に離れた位置において１／３程度である。
【００４３】
この結果、例えば実際の膜厚テーパ型ビームスポット変換器と半導体レーザ装置の集積化素子に用いられるような３００μｍ以下の膜厚テーパ型ビームスポット変換器で得られる膜厚テーパ領域の膜厚比は、最大でも２．５程度が限界である。このため、例えば半導体レーザ装置にビームスポット変換器を集積した素子においては、シングルモードファイバとの結合効率は最大−３ｄＢ程度が限界である。
【００４４】
一方、図２から明らかなように、膜厚テーパ領域の長さを例えば１ｍｍと十分に長くすることにより膜厚テーパ領域の膜厚比を３程度まで増大させることは可能である。しかし、この場合には、利得を持たない膜厚テーパ領域が増加することにより光学的損失が増加しレーザ光の出力が低下する。更に、集積化素子の寸法が大幅に増加するため、同一面積ウエハからの素子の取得数が減少して低コスト化に難点を有する。
【００４５】
本願諸発明は、これらの従来技術の有する諸難点を回避するものであることが十分理解されるであろう。
【００４６】
発明の実施の形態１
ｎ型ＩｎＰ基板上に膜厚テーパ型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置を作製した。図３は本実施の形態を示す斜視図である。又、図４は、その素子構造および製造方法を説明するための導波方向に沿った断面図である。
【００４７】
尚、本例では、発光部を半導体材料で埋め込んだ、いわゆる埋め込み型（ＢＨ型：Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｙｐｅ）の半導体レーザ装置の例を示している。この横モモード制御の点は、本願の発明に直接的な関係なない。
【００４８】
まず、通例のＭＯＣＶＤ法により、ｎ型（１００）ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側の光ガイド層（バンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ０．１μｍ）２、歪ＭＱＷ活性層（発振波長１．３μｍ）３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側の光ガイド層（バンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ０．１μｍ）４を順次形成する。当該歪ＭＱＷ活性層の例は、ＩｎＧａＡｓＰ（６ｎｍ厚）を井戸層としＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．１０μｍ、１０ｎｍ厚）を障壁層とする歪ＭＱＷ活性層で、その周期は７周期である。
【００４９】
本願発明において、実用的には半導体レーザ装置は量子井戸構造を有する活性層領域、多重量子井戸構造の活性層領域、あるいは歪多重量子井戸構造の活性層領域などが用いられる。これらの構造は通例のものを用いて十分である。その他の実施の形態においても同様である。
【００５０】
次に、第１回目のＳｉＮによる誘電体膜を形成し、周知のフォトリソグラフとエッチングの方法を用いて、膜厚テーパ形成領域を開口部とする所望の形状のＳｉＮパターン５を作製する。こうして、このＳｉＮパターン５の領域をマスクされる領域として、マスク開口部の光導波路層（２〜４）をエッチングにより除去する（図４の（ａ））。
【００５１】
さらに、前記ＳｉＮパターン５の領域をマスクされる領域として、周知のＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（バットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ３００ｎｍ）６を成長する（図４の（ｂ））。このときＳｉＮマスク開口部には膜厚が連続的に減少するＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層６が形成される。この膜厚テーパ光導波路層の第１のバットジョイント部から１５０μｍの位置での膜厚は約１５０ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０７μｍである。 尚、本例の前記ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層６はその上下のｎ型ＩｎＰ基板１及びｐ−ＩｎＰクラッド層９が、いわゆるクラッド層の役割を果たして、光を導波する。
【００５２】
前記ＳｉＮによる誘電体膜５を除去した後、当該半導体積層体の上部に、第２回目のＳｉＮによる誘電体膜を形成する。そして、周知のフォトリソグラフとエッチングにより第１回目バットジョイント（結合）部から１５０μｍの位置を開口部先端とするＳｉＮパターン７を作製する（図４の（ｃ））。
【００５３】
次に、該ＳｉＮパターン７の領域をマスクされる領域としてを、マスク開口部のＩｎＧａＡｓＰ層６をエッチングにより除去する。このとき、開口部でのＩｎＧａＡｓＰ層６’の厚さは約１５０ｎｍである。さらに、前記ＳｉＮパターン７の領域をマスクされる領域としてＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（バットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長１．０７μｍ、厚さ１５０ｎｍ）を成長する（図４の（ｄ））。このときＳｉＮマスク開口部には膜厚が連続的に減少するＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層８が形成される。この膜厚テーパ光導波路層の第２のバットジョイント部から１５０μｍの位置での膜厚は約７５ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０４μｍである。この後、ＳｉＮパターン７を除去し、ｐ−ＩｎＰクラッド層９をＭＯＣＶＤ成長する（図４の（ｄ））。
【００５４】
その後、ウエハを大気中に取り出し、ストライプ状の酸化シリコン(ＳｉＯ2)マスク(幅約２μｍ )によりメサエッチングを行い、リッジ型の構造を形成する。この後、再度ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、化合物半導体材料ＩｎＰによってｐ型埋め込み層１４およびｎ型ブロック層１５、ｐ型クラッド層１６を形成する。こうして、いわゆるＢＨ型の光閉じ込め領域が形成される。
【００５５】
その後、ＳｉＯ2マスクを除去して、ＬＤ部直上部にｐ型電極１１を形成した。さらに、基板裏面にｎ型電極１０を形成した後、両端面の劈開工程を経て、膜厚テーパ型ビームスポット変換器が集積化された光半導体レーザ装置が完成する（図４の（ｅ））。本例のレーザ利得部１２の長さは３００μｍ、ビームスポット変換部１３の長さは３００μｍである。
【００５６】
上記のようにＭＯＣＶＤ法選択成長による膜厚テーパ光導波路層の形成工程を導波方向に２回繰り返すことにより得られた膜厚テーパ型ビームスポット変換領域１３の膜厚比は、図５に示すように、３００ｎｍ／７５ｎｍ＝４となる。この値は、従来の形成工程を１回のみ行った場合（３００ｎｍ／１２０ｎｍ＝２．５）に比べ増大している。尚、図５の横軸はレーザ部１２との接合部からの距離、縦軸はビームスポット変換器部１３のテーパ部６’および８の膜厚を示す。
【００５７】
また、膜厚テーパ領域１３のＩｎＧａＡｓＰ結晶のバンドギャップ波長は、図６に示すように、第１のバットジョイント部の１．１０μｍから出射端面の１．０４μｍまで、連続的に短波長化している。図６の横軸はレーザ部１２との接合部からの距離、縦軸はＩｎＧａＡｓＰ結晶のバンドギャップに対応する波長を示している。
【００５８】
この結果、膜厚テーパ型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置の特性は、ビームスポット変換器を集積しない場合と遜色なく、しかもシングルモードファイバとの結合効率は−２ｄＢとなった。この結果は、従来の形成工程が１回のみで、ビームスポット変換器の光導波路がその内部にバットジョイントを有せず、単一の光導波路で構成されている場合の、シングルモードファイバとの結合効率−３ｄＢよりも改善された。
【００５９】
発明の実施の形態２
本例はビームスポット変換器の導波路内部に２個のバットジョイント（結合）を有する例である。
【００６０】
ｎ型ＩｎＰ基板上に膜厚テーパ型ビームスポット変換器が集積化された光半導体レーザ装置を作製した。図７は、その光半導体レーザ装置の導波方向に沿った断面図である。
【００６１】
まず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型（１００）ＩｎＰ基板２１上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層（バンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ０．１μｍ）２２、歪ＭＱＷ活性層領域（発振波長１．３μｍ）２３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層（バンドギャップ波長１．１０μｍ、厚さ０．１μｍ）２４を順次形成する。この歪ＭＱＷ活性層領域２３はＩｎＧａＡｓＰ（６ｎｍ厚）を井戸層としＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．１０μｍ、１０ｎｍ厚）を障壁層とする歪ＭＱＷ活性層で、その周期は７周期である。
【００６２】
次に、第１回目のＳｉＮによる誘電体パターンを形成し、エッチングにより膜厚テーパ光導波路層の一部を除去した後、ＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層２５を成長する。このとき膜厚テーパ光導波路層の第１のバットジョイント部から１００μｍの位置での膜厚は約１８０ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０８μｍである。尚、前記ＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層２５が有するバットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長は１．１０μｍ、厚さ３００ｎｍである。
【００６３】
次に、ＳｉＮによる誘電体膜を除去した後、第２回目のＳｉＮによる誘電体パターンを形成し、エッチングにより膜厚テーパ光導波路層の一部を除去した後、ＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層（バットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長１．０８μｍ、厚さ１８０ｎｍ）２６を成長する。このとき膜厚テーパ光導波路層の第２のバットジョイント部から１００μｍの位置での膜厚は約１００ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０６μｍである。
【００６４】
次に、ＳｉＮ誘電体膜を除去した後、第３回目のＳｉＮ誘電体パターンを形成し、エッチングにより膜厚テーパ光導波路層の一部を除去した後、ＭＯＣＶＤ法選択成長により、ＩｎＧａＡｓＰ膜厚テーパ光導波路層（バットジョイント（結合）部のバンドギャップ波長１．０６μｍ、厚さ１００ｎｍ）２７を成長する。この際、誘電体パターンの開口部横方向間隔を第１回目、第２回目の誘電体パターンよりも広くすることにより、選択成長による膜厚変化が小さくなるように設定した。これは、出射端面近傍での光導波路の膜厚変化を低減することにより、光導波路内での光のモード安定化を図るためである。このとき膜厚テーパ光導波路層の第３のバットジョイント部から１００μｍの位置での膜厚は約９０ｎｍ、バンドギャップ波長は約１．０５μｍである。尚、本例の前記ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（２５、２６、２７）はその上下のｎ型ＩｎＰ基板２１及びｐ−ＩｎＰクラッド層２８が、いわゆるクラッド層の役割を果たして、光を導波する。
【００６５】
この後、ＳｉＮパターンを除去し、ｐ−ＩｎＰクラッド層２８をＭＯＣＶＤ成長する。その後、ウエハを大気中に取り出し、ストライプ状の酸化シリコン(ＳｉＯ2)マスク(幅約５μｍ )によりメサエッチングを行い、リッジ型の構造を形成する。この後、再度ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、化合物半導体材料ＩｎＰによってｐ型埋め込み層１４およびｎ型ブロック層１５、ｐ型クラッド層１６を形成する。こうして、いわゆるＢＨ型の光閉じ込め領域が形成される。
【００６６】
その後、 ＳｉＯ2マスクを除去して、ＬＤ部直上部にｐ型電極３０を形成した。さらに、基板裏面にｎ型電極２９を形成した後、両端面の劈開工程を経て、膜厚テーパ型ビームスポット変換器の集積化された半導体レーザ装置が完成する。レーザ利得部３１の長さは３００μｍ、ビームスポット変換部３２の長さは３００μｍである。
【００６７】
本手法により、ＭＯＣＶＤ法選択成長による膜厚テーパ光導波路層の形成工程を導波方向に３回繰り返すことにより得られた膜厚テーパ型ビームスポット変換領域３２の膜厚比は、図８に示すように、３００ｎｍ／９０ｎｍ＝３．３となった。この結果、膜厚テーパ型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置のシングルモードファイバとの結合効率は−２．５ｄＢとなった。尚、図８の横軸はレーザ部３１との接合部からの距離、縦軸はビームスポット変換器部３２のテーパ部２５−２７の膜厚を示す。
【００６８】
以上の各実施の形態においては、半導体レーザ装置とビームスポット変換器の集積化の場合について説明したが、光変調器、光増幅器、光導波路、光スイッチなどの各種光素子とビームスポット変換器を集積する場合についても本願発明は同様に有効である。
【００６９】
また、本発明はビームスポット変換器内部にバットジョイント（結合）部を１個以上有するため、第２の実施形態の工程３に示したように、選択成長に用いる誘電体マスクパターンの形状を変化させることにより、任意の膜厚テーパ形状を設計、作製することが可能であるという特徴も有する。
【００７０】
尚、本願発明における実施の形態１から実施の形態２に例示した光半導体装置を光源として送信システム装置系に搭載し、光通信システムを構成することが出来る。わけても、本願の光半導体装置は加入者系の光システムの用いて有用である。光モジュールの本願の光半導体装置を用いることによって、これまで半導体レーザ装置と光導波路との間に必要であった光学レンズが不要となる。本願発明はあ、低コストの要求に有利である。
【００７１】
本願発明を用いることによって、現在の光システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する光半導体装置を有する光モジュール及び光伝送システムを提供することが出来る。
【００７２】
【発明の効果】
本願発明は、光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供することが出来る。更には、本願発明は、所望の寸法内で光導波路への結合効率の高い光半導体装置を提供することが出来る。
【００７３】
本願発明は、膜厚テーパ型ビームスポット変換器において光導波路と高い結合効率を確保し且つ光出力が低下することを回避する。
【００７４】
本願発明は、更に現在の光システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する光半導体装置を有する光モジュール及び光伝送システムを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のビームスポット変換器が集積化された半導体レーザ装置を製造する工程順に示した装置の導波方向に平行な面での断面図である。
【図２】図２は従来の膜厚テーパ型ビームスポット変換器の膜厚分布を説明するための図である。
【図３】図３は本願発明の第１の実施形態におけるビームスポット変換器が集積化された半導体レーザ装置の斜視図である。
【図４】図４は本願発明の第１の実施形態におけるビームスポット変換器集積半導体レーザ装置を製造する工程順に示した装置の導波方向に平行な面での断面図である。
【図５】図５は本発明の第１の実施形態における膜厚テーパ型ビームスポット変換器の光導波路の膜厚分布を説明するための図である。
【図６】図６は本発明の第１の実施形態における膜厚テーパ型ビームスポット変換器の光導波路の結晶バンドギャップ波長分布を説明するための図である。
【図７】図７は本願発明の第２の実施形態におけるビームスポット変換器集積半導体レーザ装置の導波方向に平行な面での断面図である。
【図８】図８は本発明の第２の実施形態における膜厚テーパ型ビームスポット変換器の膜厚分布を説明するための図である。
【符号の説明】
１…化合物半導体基板、２…下側光ガイド層、３…ＭＱＷ活性層領域、４…上側光ガイド層、５…誘電体膜、６、６’…第１の膜厚テーパ光導波路層、７…誘電体膜、８…第２の膜厚テーパ光導波路層、９…クラッド層、１０…ｎ電極、１１…ｐ電極、１２…レーザ利得部、１３…ビームスポット変換部、１４…埋込層、１５…ブロック層、１６…クラッド層、２１…化合物半導体基板、２２…下側光ガイド層、２３…ＭＱＷ活性層領域、２４…上側光ガイド層、２５…第１の膜厚テーパ光導波路層、２６…第２の膜厚テーパ光導波路層、２７…第３の膜厚テーパ光導波路層、２８…クラッド層、２９…ｎ電極、３０…ｐ電極、３１…レーザ利得部、３２…ビームスポット変換部、１０１…化合物半導体基板、１０２、１０２’…下側光ガイド層、１０３、１０３’…ＭＱＷ活性層領域、１０４、１０４’…上側光ガイド層、１０５、１０５’…誘電体膜、１０６…膜厚テーパ光導波路層、１０７…クラッド層、１０８…ｎ電極、１０９…ｐ電極、１１０…レーザ利得部、１１１…ビームスポット変換部である。
【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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