半導体光素子の製造方法、レーザモジュール、光伝送装置
【課題】埋め込みヘテロ構造を有する半導体光素子において、寄生容量が軽減される構造にすることにより、特性がさらに向上される半導体光素子の製造方法、レーザモジュール、及び、光伝送装置の提供。
【解決手段】 出射方向に沿って入力される光を変調して出射する変調器部、を備える半導体光素子の製造方法であって、前記変調器部は、アルミニウムを含む量子井戸層を備えるとともに、メサストライプ構造を有する半導体多層と、前記半導体多層の両側にそれぞれ隣接して配置されるとともに、不純物が添加される半導体埋め込み層と、を備え、前記半導体多層の所定の領域を除去して、メサストライプ構造とする工程と、 前記半導体多層の両側の表面を、塩素系ガスを用いてクリーニングする工程と、前記半導体多層の両側に、前記半導体埋め込み層を形成する工程と、を、順に含むことを特徴とする。
【解決手段】 出射方向に沿って入力される光を変調して出射する変調器部、を備える半導体光素子の製造方法であって、前記変調器部は、アルミニウムを含む量子井戸層を備えるとともに、メサストライプ構造を有する半導体多層と、前記半導体多層の両側にそれぞれ隣接して配置されるとともに、不純物が添加される半導体埋め込み層と、を備え、前記半導体多層の所定の領域を除去して、メサストライプ構造とする工程と、 前記半導体多層の両側の表面を、塩素系ガスを用いてクリーニングする工程と、前記半導体多層の両側に、前記半導体埋め込み層を形成する工程と、を、順に含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子、レーザモジュール、及び光伝送装置に関し、特に、埋め込みヘテロ構造を有する変調器を備える半導体光素子の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のブロードバンドネットワークの飛躍的な発展に伴い、ますます通信速度の高速化が求められている。こうした要求の一方、半導体光素子及びそれを搭載するレーザモジュール及び光伝送装置には、小型化・低消費電力化・低コスト化が、同時に求められている。
【０００３】
電界吸収型変調器（以下、ＥＡ（Electro-Absorption）変調器と記す）は、変調時のチャープ（波動変調）が小さく、光信号のＯＮレベルとＯＦＦレベルの差である消光比が大きく、広帯域である、といった有利な特性を有することに加え、小型で低コストであることにより、広く用いられている。
【０００４】
ＥＡ変調器とは、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confinement Stark Effect：以下、ＱＣＳＥと記す）を利用して、ＥＡ変調器の活性領域に、電界を選択的に印加することにより、光を変調する変調器である。ここで、活性領域は、いわゆる単一量子井戸（Single-Quantum Well：以下、ＳＱＷと記す）層、もしくは、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：以下、ＭＱＷと記す）層となっている。以下、本明細書において、ＭＱＷとは、通常のＭＱＷに加えて、ＳＱＷをも含むものとする。なお、ＱＣＳＥとは、ＭＱＷ層に電界が印加されると、ＭＱＷ層における光の吸収端が長波長側へシフトするという効果をいう。低いチャープと高い消光比を得るために、ＥＡ変調器のＭＱＷ層に適した材料として、インジウムガリウムアルミニウム砒素（ＩｎＧａＡｌＡｓ）などＡｌ系材料が望ましい。
【０００５】
また、半導体光素子の主な構造に、埋め込みヘテロ構造（Buried Heterostructure：以下、ＢＨ構造と記す）がある。ＢＨ構造とは、ＭＱＷ層を含む多層構造のうち、導波路領域の外側となる領域を除去することにより形成されるメサストライプ構造の両側を、半絶縁性半導体からなる半導体埋め込み層によって埋め込まれている構造をいう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体多層の両側を除去してメサストライプ構造を形成した後、メサストライプ構造のＡｌを含むＭＱＷ層の両側を半絶縁性半導体によって埋め込む際、半導体光素子の特性や信頼度が低下する懸念がある。また、それはＭＱＷ層に含まれるＡｌの含有率が高くなるほど、顕著である。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を鑑みて、ＭＱＷ層にＡｌ系材料を含み、ＢＨ構造を有する半導体光素子において、特性がさらに向上される半導体光素子の製造方法、レーザモジュール、光伝送装置を提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る半導体光素子の製造方法は、出射方向に沿って入力される光を変調して出射する変調器部、を備える半導体光素子の製造方法であって、前記変調器部は、アルミニウムを含む量子井戸層を備えるとともに、メサストライプ構造を有する半導体多層と、前記半導体多層の両側にそれぞれ隣接して配置されるとともに、不純物が添加される半導体埋め込み層と、を備え、前記半導体多層の所定の領域を除去して、メサストライプ構造とする工程と、前記半導体多層の両側の表面を、塩素系ガスを用いてクリーニングする工程と、前記半導体多層の両側に、前記半導体埋め込み層を形成する工程と、を、順に含むことを特徴とする。
【０００９】
（２）上記（１）に記載の半導体光素子の製造方法であって、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料として前記量子井戸層を形成する工程を、さらに備えていてもよい。
【００１０】
（３）上記（２）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記量子井戸を形成する工程において、１．３μｍ波長帯に用いられる組成に調整して前記量子井戸層を形成してもよい。
【００１１】
（４）上記（１）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記半導体埋め込み層に添加される前記不純物とは、ルテニウムであってもよい。
【００１２】
（５）上記（４）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記半導体埋め込み層を形成する工程において、層厚が３．５μｍ以上の前記半導体埋め込み層を形成してもよい。
【００１３】
（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、前記半導体光素子は、前記入力される光を出力する発振器部と、前記発振器部と前記変調器部の間を接続するとともに、コア層を備える導波路部と、をさらに備え、前記発振器部と前記導波路部との間、及び、前記導波路部と前記発振器部との間を、パットジョイント接続し、前記コア層を形成する工程を、さらに、含んでいてもよい。
【００１４】
（７）上記（６）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記コア層を形成する工程において、インジウムガリウム砒素燐、若しくは、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料として前記コア層を形成してもよい。
【００１５】
（８）上記（６）又は（７）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記変調器部は、電界吸収型変調器であり、前記発振器部は、回折格子を備える分布帰還型半導体レーザであり、前記変調器部の吸収波長端の波長エネルギーより、前記発振器部の発振波長の波長エネルギーが、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下低くなるよう回折格子を形成する工程を、さらに含んでいてもよい。
【００１６】
（９）上記（８）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記変調器部は、複数の光出力部を有し、前記複数の光出力部それぞれより光を出力するとともに、前記複数の光出力部に対応して、前記メサストライプ構造を有する前記半導体多層を複数備え、前記発振器部は、前記複数の光出力部にそれぞれに対応して前記回折格子を複数備え、前記回折格子を形成する工程において、前記複数の光出力部にそれぞれ対応する発振波長となるよう、前記複数の回折格子をそれぞれ形成してもよい。
【００１７】
（１０）上記（８）又は（９）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記メサストライプ構造とする工程において、前記半導体多層の所定の領域に、前記半導体光素子の光の出射側の端面から５μｍ以内となる領域を含んでいるとともに、前記半導体埋め込み層を形成する工程において、該領域を、前記半導体埋め込み層を形成することにより窓構造を形成してもよい。
【００１８】
（１１）本発明に係るレーザモジュールは、上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法によって製造される半導体光素子を備えていてもよい。
【００１９】
（１２）本発明に係る光伝送装置は、上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法によって製造される半導体光素子を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、ＭＱＷ層にＡｌ系材料を含み、ＢＨ構造を有する半導体光素子において、特性がさらに向上される半導体光素子の製造方法、レーザモジュール、光伝送装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の上面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の断面図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の断面図である。
【図２】Ｒｕが不純物として添加されるＩｎＰからなる埋め込み層の層厚ｄに対するｆ３ｄＢ帯域の計算結果を示す図である。
【図３】デチューニング量ΔＨに対する変調時光出力Ｐｍｏｄを表す図である。
【図４】デチューニング量ΔＨに対する変調時消光比ＡＣＥＲを表す図である。
【図５】デチューニング量ΔＨに対するｆ３ｄＢ帯域を表す図である。
【図６】デチューニング量ΔＨに対する変調時光振幅ＯＭＡを表す図である。
【図７Ａ】本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の上面図である。
【図７Ｂ】本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の断面図である。
【図７Ｃ】本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る当該実施形態に係るレーザモジュールの構成を表す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る実施形態について、以下に、詳細な説明をする。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００２３】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子は、変調器部と、発振器部が同一半導体基板上にモノリシックに集積される変調器集積型半導体光素子である。ここで、変調器部はＥＡ変調器であり、発振器部は分布帰還型半導体レーザ（（Distributed Feedback Laser：以下、ＤＦＢレーザと記す）であり、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０である。当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、ルテニウム（Ｒｕ）を不純物として添加された半導体埋め込み層によるＢＨ構造を有しており、１．３μｍ波長帯で伝送速度２５Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用に用いられ、４０℃から６０℃といった温度における駆動が可能である。ここで、１．３μｍ波長帯とは、１２８０ｎｍ以上１３６０ｎｍ以下の波長帯をいう。
【００２４】
図１Ａは、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の上面図である。前述の通り、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、ＥＡ変調器からなる変調器部６と、ＤＦＢレーザからなる発振器部１１とが、同じｎ型ＩｎＰ基板１上に集積されている。変調器部６と、発振器部１１との間には、バルク導波路となる導波路部１２が設けられている。ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の多層構造には、中央付近に、図中横方向に延伸する導波路領域がある。発振器部１１の導波路領域より、図中左方向へ出力される連続光が、導波路部１２の導波路領域を通過し、変調器部６に入力される。変調器部６の導波路領域において、入力される光が変調され、図中左側へ出射される。図中左側の端面から右側に、変調器部６のメサストライプ構造が形成されておらず、窓構造１８を有している。光が出射する図中左側の端面は、反射率１％以下の反射防止膜２４で覆われ、反対側にある図中右側の端面は、反射率９０％以上の高反射膜２３で覆われている。
【００２５】
図１Ｂ及び図１Ｃは、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の断面図である。図１Ｂは、図１Ａに示すＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０のＩＢ−ＩＢ破線を貫く断面を、図１Ｃは、変調器部６のＩＣ−ＩＣ波線を貫く断面を、それぞれ表している。
【００２６】
図１Ｂに示す通り、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の変調器部６、導波路部１２、及び発振器部１１は、それぞれ、半導体多層によって形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２が形成されている。変調器部６において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２上に、順に、ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層３、ＭＱＷ層４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層５が形成されており、光閉じ込め層となっている。ここで、ＭＱＷ層４は、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる井戸層と障壁層が交互に積層されている。変調器部６の光閉じ込め層には、Ａｌ系材料が用いられている。
【００２７】
発振器部１１において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層７、ＭＱＷ層８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層９、回折格子層１０が形成されており、光閉じ込め層となっている。ここで、ＭＱＷ層８は、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層と障壁層が交互に積層されている。また、回折格子層１０は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなっている。
【００２８】
導波路部１２において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上に、３層からなるコア層が形成されており、光閉じ込め層となっている。コア層は、組成波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１３，１４で、組成波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１５を挟みこむ構造である。コア層はバルク結晶からなるバルク導波路を形成している。変調器部６のＭＱＷ層４と導波路部１２のＩｎＧａＡｓＰ層１５との間、及び、導波路部１２のＩｎＧａＡｓＰ層１５と発振器部１１のＭＱＷ層８との間は、パットジョイント接続されている。
【００２９】
さらに、変調器部６、導波路部１２、及び発振器部１１の光閉じ込め層の上側に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６が、変調器部６及び発振器部１１には、さらに、ｐ型コンタクト層１７が、形成されており、半導体多層構造をなしている。
【００３０】
発振器部１１の発振波長λＤＦＢは、５０℃において、１２９５．５ｎｍとなるように、回折格子の回折ピッチが設計され、回折格子層１０が形成されている。また、変調器部６の吸収端波長λＥＡは、５０℃において、１２５０．０ｎｍとなるよう、変調器部６のＭＱＷ層４の組成が調整されている。すなわち、発振波長λＤＦＢと吸収端波長λＥＡとの差で定義されるデチューニング量ΔＨが、４５．５ｎｍ（エネルギー換算をして、３４．８ｍｅＶ）となるよう、調整されている。ここで、発振波長λＤＦＢは吸収端波長λＥＡより長く、エネルギー換算すると、発振波長λＤＦＢの波長エネルギーは、吸収端波長λＥＡの波長エネルギーより、低くなっている。
【００３１】
図１Ｃに示す通り、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、半導体多層構造が導波路領域の外側となる領域が除去されるメサストライプ構造となっており、メサストライプ構造の両側が埋め込み層１９で埋め込まれるＢＨ構造を有している。埋め込み層１９は、Ｒｕが不純物として添加されるＩｎＰからなっており、半絶縁性半導体である。なお、メサストライプ構造の幅は１．４μｍで、高さは３．４μｍである。埋め込み層１９の層厚は５．０μｍである。
【００３２】
埋め込み層１９は、半絶縁性半導体からなり、例えば、鉄（Ｆｅ）やＲｕなどの不純物が添加される半導体である。メサストライプ構造に含まれるｐ型層のｐ型ドーパントである不純物と、埋め込み層に含まれる不純物とが、相互拡散をするために、ｐ型層のｐ型ドーパントである不純物が、メサストライプ構造の両側から埋め込み層に拡散するという問題が生じる。ｐ型層の不純物が埋め込み層に拡散することにより、変調器部６の駆動時に、ＭＱＷ層４に印加される電界が、埋め込み層１９にも広がることとなり、変調器としての特性を劣化させる。
【００３３】
メサストライプ構造に含まれるｐ型層のｐ型ドーパントとして、亜鉛（Ｚｎ）が用いられるのが一般的であり、埋め込み層１９の不純物にＦｅを用いる場合、ＺｎとＦｅの相互拡散は強いので、Ｚｎがより埋め込み層１９へ拡散することとなる。Ｚｎとの相互拡散との観点から、埋め込み層１９に添加する不純物は、Ｒｕが望ましい。ＲｕはＺｎとの相互拡散が、Ｆｅなどと比較して弱いので、Ｚｎが埋め込み層に拡散するのが抑制され、変調器としての特性が向上する。
【００３４】
図２は、Ｒｕが不純物として添加されるＩｎＰからなる埋め込み層の層厚ｄに対するｆ３ｄＢ帯域の計算結果を示す図である。ここで、当該計算において、ＥＡ変調器の変調器長を１００μｍ、メサストライプ構造の幅を１．５μｍ、ＭＱＷ層を含むアンドープ層の層厚を２６０ｎｍと仮定している。例えば、２５Ｇｂｉｔ／ｓ動作を可能とする帯域２５ＧＨｚを満足するためには、埋め込み層の層厚ｄは３．５μｍ以上必要であることが分かる。また、埋め込み層に、相互拡散が小さいＲｕを不純物として用いることにより、発振器部では、漏れ電流を低減させることができるため、閾値電流の低減、高光出力が実現できる。同様に、変調器部では、駆動時の電界の漏れを低減させることができるため、電圧が効率よくＭＱＷ層に印加され、高光出力が実現できる。
【００３５】
また、前述の通り、図１Ｂの図中左側端面から右側には、メサストライプ構造を有する半導体多層が形成されておらず、埋め込み層１９によって埋め込まれている窓構造１８となっている。窓構造１８の長さは５μｍ以上が望ましく、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０においては、窓構造１８の長さは１５μｍである。窓構造１８とは、半導体光素子の導波路領域の光の出射方向に対して先端部分において、光の閉じ込め層を有していないバルクの半導体によって埋め込まれている構造をいう。半導体光素子の内部の導波路領域を通過する光は、窓構造１８を通過して、反射防止膜２４に到達する。反射防止膜２４の反射率は非常に低く、多くの光は反射防止膜２４を通過して、半導体光素子から外部へ出射される。しかし、一部の光は反射防止膜２４で半導体光素子内部へ反射される。この場合であっても、窓構造１８によって、反射された光が再び、導波路領域に進入し、発振器部１１まで到達することが抑制されるので、高周波応答特性（Ｓ２１特性）が向上される。
【００３６】
また、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０において、デチューニング量ΔＨは、エネルギー換算して、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下となるのが望ましい。これら範囲は、以下のように説明される。
【００３７】
図３は、デチューニング量ΔＨに対する変調時光出力Ｐｍｏｄを、図４は、デチューニング量ΔＨに対する変調時消光比ＡＣＥＲを、図５は、デチューニング量ΔＨに対するｆ３ｄＢ帯域を、それぞれ表す図である。測定に用いたＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子は、変調器部の長さが１００μｍであり、ＥＡ変調器のＭＱＷ層を含むアンドープ層の層厚が２６０ｎｍである。また、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡとして、測定を行っている。図に示すデチューニング量ΔＨは、発振器部の発振波長λＤＦＢと変調器部吸収端波長λＥＡそれぞれの波長エネルギーＥを、それぞれ、Ｅ＝（ｈ／２π）・（ｃ／λ）を用いて、エネルギー換算し、それらの差の値を用いている。ここで、ｈ及びｃは、それぞれ、プランク定数及び真空中での光速を表している。
【００３８】
図６は、デチューニング量ΔＨに対する変調時光振幅ＯＭＡを表す図である。１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネットの規格には、変調時光振幅ＯＭＡ（Optical Modulation Amplitude）があり、変調時光出力Ｐｆｍｏｄと変調時消光比ＡＣＥＲから、ＯＭＡ＝１０ｌｏｇ｛（２×１０Ｐｆｍｏｄ／１０）×（１０ＡＣＥＲ／１０−１）／（１０ＡＣＥＲ／１０＋１）｝によって計算される。ここで、変調時光出力Ｐｆｍｏｄとは、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子を搭載するレーザモジュールでの変調時光出力をあらわし、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の変調時光出力Ｐｍｏｄからレーザモジュールでの結合損を引いたものである。図６は、レーザモジュールでの結合損を３ｄＢと仮定し、図示している。
【００３９】
図３に示す通り、デチューニング量ΔＨが小さくなると、変調器部での吸収が増大するので、変調時光出力Ｐｍｏｄが減少し、図４に示す通り、変調時消光比ＡＣＥＲが増大する。それに応じて、図６に示す通り、変調時光振幅ＯＭＡも減少する。ＩＥＥＥ８０２．３ｂａ規格で定められている変調時光振幅ＯＭＡの仕様である−１．３〜＋４．５ｄＢｍを満足させるために、変調時光出力Ｐｍｏｄ及び変調時消光比ＡＣＥＲを、それぞれ、＋１．０〜＋５．５ｄＢｍ（すなわち、レーザモジュールでの結合損を３ｄＢと仮定した場合に、変調時光出力Ｐｆｍｏｄを−２．０〜＋２．５ｄＢｍ）、及び、８．０ｄＢ以上となる条件を求める。図３及び図４に表す矢印は、この範囲を、それぞれ示している。図３及び図４から求められるデチューニング量ΔＨの範囲は、それぞれ、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下、及び、４０ｍｅＶ以下である。このとき、図６から、変調時光振幅ＯＭＡは、ＩＥＥＥ８０２．３ｂａ規格に対して、特性の経年劣化などを考慮しても十分に満たしている。図６に表す矢印は、ＩＥＥＥの規格を表している。
【００４０】
一方、図５に示す通り、デチューニング量ΔＨが小さくなると、変調器部における光吸収が大きくなり、高周波特性に劣化傾向が見られると考えられる。伝送速度２５Ｇｂｉｔ／ｓにおける駆動を可能にするためには、ｆ３ｄＢ帯域が２５ＧＨｚ以上ある必要があり、それを満たすデチューニング量ΔＨは、２３ｍｅＶ以上である。以上のことにより、これらすべての特性を満足するデチューニング量ΔＨは、エネルギー換算して、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下である。
【００４１】
次に、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の製造方法を説明する。
【００４２】
まず、変調器部６の多層構造の一部となる半導体多層を形成する（変調器半導体下層形成工程）。すなわち、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２、ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層３、ＭＱＷ層４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層５、及び、ｐ型ＩｎＰキャップ層を、有機金属気相成長法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：以下、ＭＯ−ＣＶＤと記す）によって形成する。ｐ型ＩｎＰキャップ層は後の工程で除去され、ｐ型ＩｎＰキャップ層以外の半導体多層が、変調器部６の光閉じ込め層となる。ここで、ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層３及びＭＱＷ層４は、不純物が添加されていないアンドープ層である。ＭＱＷ層４は、ともに、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる井戸層と障壁層を交互に積層することによって形成される。このとき、変調器部６の吸収端波長λＥＡが５０℃において１２５０ｎｍとなるように、ＭＱＷ層４のＩｎＧａＡｌＡｓの組成を調整する。
【００４３】
そして、熱ＣＶＤ（Thermal Chemical Vapor Deposition）によって二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を、ウェハ表面のうち、変調器部６となる領域のみに、パターン形成し、このＳｉＯ２膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングによって、変調器部６となる領域以外の領域にある半導体多層を、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上面に至るまで除去する。
【００４４】
次に、発振器部１１の多層構造の一部となる半導体多層を形成する（発振器半導体下層形成工程）。ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上側に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層７、ＭＱＷ層８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層９、回折格子層１０となる厚さ２０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層、及び、ｐ型ＩｎＰキャップ層を、ＭＯ−ＣＶＤによって形成する。ｐ型ＩｎＰキャップ層以外の半導体多層が、発振器部１１の光閉じ込め層となる。ここで、ＭＱＷ層８は、アンドープ層であり、ともに、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層と障壁層を交互に積層することによって形成される。
【００４５】
そして、発振器半導体下層形成工程と同様に、熱ＣＶＤによってＳｉＯ２膜を、ウェハ表面のうち、変調器部６及び発振器部１１となる領域にのみに、パターン形成し、ドライエッチング及びウェットエッチングによって、変調器部６及び発振器部１１となる領域以外の領域、すなわち、導波路部１２となる領域、にある半導体多層を、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上面に至るまで除去する。
【００４６】
さらに、導波路部１２の多層構造の一部となる半導体多層形成する（導波路部半導体下層形成工程）。ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上側に、同様に、コア層及びｐ型ＩｎＰキャップ層を、ＭＯ−ＣＶＤによって形成する。コア層が、導波路部１２の光閉じ込め層となる。ここで、コア層は３層からなり、ともにアンドープ層である。コア層は、組成波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１３，１４で、組成波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１５を挟みこむよう、形成される。この際、変調器部６と発振器部１１の実効屈折率と、導波路部１２の実効屈折率が、ほぼ一致するように、コア層を構成するＩｎＧａＡｓＰ層１３，１４，１５それぞれの膜厚を調整している。この際に、変調器部６と導波路部１２の間、及び、導波路部１２と発振器部１１の間を、公知のパットジョイント技術により光学的に接続する。
【００４７】
なお、ここでは、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いてコア層を形成しているが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いて形成してもよい。コア層の組成波長は、１．２μｍ以下が望ましい。
【００４８】
以上、変調器部６、発振器部１１、導波路部１２の順に、それぞれにおいて光閉じ込め層となる半導体多層を形成する工程について説明したが、これら工程の順番はこれに限られない。
【００４９】
これら工程の後、発振器部１１の回折格子を形成する（回折格子形成工程）。ウェハ表面のうち、発振器部１１のｐ型ＩｎＰキャップ層のみエッチングし、発振器部１１のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層を露出させる。そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層に干渉露光法を施し回折格子（grating）を形成することにより、回折格子層１０を形成する。このとき、５０℃における発振器部１１の発振波長λＤＦＢが１２９５．５ｎｍとなるピッチに設計することにより、デチューニング量ΔＨを４５．５ｎｍ（エネルギー換算すると、３４．８ｍｅＶ）にする。回折格子形成工程において、干渉露光法の代わりに、電子線（Electron Beam：以下、ＥＢと記す）描画法によって、回折格子を形成してもよい。
【００５０】
回折格子層１０を形成後、素子全体に亘って、残りの半導体多層を形成する（素子半導体上層形成工程）。ウェハ表面に形成されているｐ型ＩｎＰキャップ層をエッチングにより除去し、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型ＩｎＰ保護層を、ＭＯ−ＣＶＤによって形成する。これらｐ型層のｐ型ドーパントには、ともにＺｎを用いる。
【００５１】
素子半導体上層形成工程の後、半導体多層の両側を除去して、メサストライプ構造を形成する（メサストライプ形成工程）。ウェハ表面のうち、素子の導波路領域の上方となる領域に、ＳｉＯ２膜をパターン形成し、このＳｉＯ２膜をマスクとして、ドライエッチング若しくはウェットエッチングによって半導体多層を除去し、変調器部６、導波路部１２、発振器部１１に亘って、幅１．４μｍ、高さ３．４μｍのメサストライプ構造を形成する。このときに、変調器部６及び発振器部１１のＭＱＷ層４，８を含むそれぞれの光閉じ込め層と、導波路部１２のコア層は、メサストライプ構造両脇の底部（ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上面のうち、メサストライプ構造の両脇の領域）から約１μｍの高さとなるように、メサストライプ構造を形成する。また、ＳｉＯ２膜にパターン形成する際に、ウェハ表面のうち、光の出射側の素子端面（変調器部６側の素子端面）から１５μｍの領域には、ＳｉＯ２膜を形成しない。その結果、この領域の半導体多層は、エッチングによって除去される。すなわち、メサストライプ構造の光の出射側の端面は、素子端面より約１５μｍ内側に位置する。前述の通り、この除去される領域が、素子の窓構造１８となる。
【００５２】
メサストライプ形成工程の後、メサストライプ構造に対して、表面処理を施す（表面処理工程）。ウェハ全体を、塩素系ガス雰囲気の中にさらし、メサストライプ構造の側面をクリーニングする。これにより、メサストライプ構造の側面に露出している変調器部６のＭＱＷ層４もクリーニングされ、ＭＱＷ層４にＡｌが含まれている場合であっても、完成後に、特性が向上される半導体素子の製造が可能となる。特に、変調器部６のＭＱＷ層４が、Ａｌ含有率が高い材料によって形成されている場合に、特性の向上はさらに高まる。
【００５３】
表面処理工程の後、メサストライプ構造の側面を埋め込み層１９によって埋め込む（埋め込み工程）。すなわち、メサストライプ構造の両脇部分及び先端部分に、Ｒｕを不純物として添加されるＩｎＰによって、厚さ５．０μｍの埋め込み層１９を形成する。このときの結晶成長温度は、抵抗率と埋め込み形状が最適となるように、５５０℃〜６００℃の間に設定するのが望ましい。
【００５４】
埋め込み工程の後、ｐ型電極２１及びｎ型電極２２を形成する（電極形成工程）。メサストライプ構造の最上層であるｐ型コンタクト層１７のうち、導波路部１２の領域を、除去する。これにより、変調器部６のｐ型コンタクト層１７と、発振器部１１のｐ型コンタクト層１７とが、電気的に絶縁される。それゆえ、除去されることにより生じる溝は、アイソレーション溝と呼ばれている。さらに、ウェハ表面全体に、ＳｉＯ２からなるパッシベーション膜２０を形成する。形成されるパッシベーション膜２０のうち、変調器部６及び発振器部１１のメサストライプ構造の上方それぞれの一部を除去し、スルーホールとする。変調器部６及び発振器部１１それぞれのスルーホールを覆うように、ウェハ表面に、順に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜を蒸着し、イオンミリングによって電極パターンを施すことにより、変調器部６及び発振器部１１それぞれのｐ型電極２１を形成する。その後、ウェハの下面を、ウェハが１００μｍから１５０μｍ程度になるまで研磨加工し、ウェハ下面に、順に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜を蒸着することにより、ｎ型電極２２を形成する。
【００５５】
電極形成工程の後、ウェハをチップ化することにより、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は完成する（チップ化工程）。すなわち、ウェハをバー状に劈開し、変調器部６側の端面に反射率１％以下の反射防止膜２４を、発振器部１１側の端面に反射率９０％以上の高反射膜２３をそれぞれコーティングし、さらに、チップ状態に劈開することにより、素子は完成する。当該製造方法にて製造された当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０を、素子Ｌ０とする。
【００５６】
１００Ｇｂｉｔ／ｓといった高速伝送速度であって、例えばメトロ網伝送に用いる１０ｋｍ以上の長距離光伝送が可能な半導体光素子、レーザモジュール、及び、光伝送装置が望まれている。１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネット光伝送装置を実現する方式の一つとして、シングルモードファイバ（Single Mode Fiber：以下、ＳＭＦと記す）の波長分散が小さい１．３μｍ波長帯で２５Ｇｂｉｔ／ｓ駆動する、異なる４波長の半導体光素子をパラレルに波長多重（Wavelength Division Multiplexing：以下、ＷＤＭと記す）する方式が主に用いられている。さらに、低消費電力化の観点から、レーザモジュール内で半導体光素子の温度を４０〜６０℃で動作（セミクールド動作）が可能な半導体素子が望ましい。
【００５７】
また、１．３μｍ波長帯では、従来、ＤＦＢレーザを高速電流変調することによって、光のオン・オフを行う直接変調型レーザが一般的であった。しかしながら、直接変調型レーザはチャーピングが大きいため、高速電流変調を行ったときに瞬時的なキャリアの変動で活性層の屈折率が変動して光の波長が変動する緩和振動現象を起こしやすい。それゆえ、伝送速度２５Ｇｂｉｔ／ｓといった高速変調を行うには、緩和振動周波数を上げる必要があり、１．３μｍ波長帯において、安定的な２５Ｇｂｉｔ／ｓ駆動の直接変調型ＤＦＢレーザ素子の製造は困難である。
【００５８】
それゆえ、ＷＤＭによって１００Ｇｂｉｔ／ｓ駆動を可能とするために、上記の素子Ｌ０の他に、１．３μｍ波長帯で２５Ｇｂｉｔ／ｓ駆動する、異なる３波長のＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０を、同様の製造方法において製造した。これらを、素子Ｌ１、素子Ｌ２、素子Ｌ３とする。素子Ｌ１、素子Ｌ２、素子Ｌ３は、変調器部６の吸収波長λＥＡが、５０℃において、それぞれ、１２５４．０ｎｍ、１２５９．０ｎｍ、１２６４．０ｎｍとそれぞれなるよう、発振器部１１の発振波長λＤＦＢが、５０℃において、それぞれ、１３００．０ｎｍ、１３０４．５ｎｍ、１３０９．０ｎｍとそれぞれなるよう製造されている。ここで、デチューニング量ΔＨは、エネルギー換算して、いずれも約３４ｍｅＶである。
【００５９】
これら素子について、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の５０Ω終端抵抗がついたチップキャリアにＡｕＳｎはんだを用いて搭載し、発振器部１１及び変調器部６それぞれに通電するための導線をボンディングして、素子温度ＴＬＤ＝５０℃において、特性評価を行った。変調時光出力Ｐｍｏｄ及び変調時消光比ＡＣＥＲは、変調器部６の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−０．３Ｖ、変調電圧Ｖｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、特性評価を行っている。
【００６０】
【表１】
【００６１】
表１は、４個の素子Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３における素子の特性を表す表である。表１に示す通り、発振閾値電流Ｉｔｈ及びレーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐｏも良好な値を示しており、いずれの素子も、１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネット光伝送装置に搭載する素子として、十分な特性を示している。表面処理工程において、メサストライプ構造のＭＱＷ層４のＡｌ表面をクリーニングすることによって、良好な特性・信頼度を示すことが確認される。
【００６２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子は、第１の実施形態と同様に、ＢＨ構造を有するＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０である。当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０と、基本的な構成及び製造方法は同じであるが、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、１．３μｍ波長帯で伝送速度４０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用に用いられ、４０℃から６０℃といった温度における駆動が可能である。
【００６３】
図７Ａは、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の上面図であり、図７Ｂ及び図７Ｃは、その断面図である。図７Ｂは、図７Ａに示すＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０のVIIＢ−VIIＢ破線を貫く断面を、図７Ｃは、VIIＣ−VIIＣ破線を貫く断面を、表している。
【００６４】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の製造方法においても、第１の実施形態と同様に、メサストライプ形成工程の後、メサストライプ構造に対して、塩素系ガスによる表面処理を施す表面処理工程を行い、その後に、メサストライプ構造の両脇に埋め込み層１９を形成する埋め込み工程を行っている。
【００６５】
また、回折格子形成工程において、５０℃における発振器部１１の発振波長λＤＦＢが１３００．０ｎｍとなるよう、回折格子の回折ピッチを設計することにより、デチューニング量ΔＨを５０ｎｍ（エネルギー換算すると、３８ｍｅＶ）にする。
【００６６】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の変調器部６には、ｐ型電極２１のパッド部とパッシベーション膜２０との間に、ポリイミド樹脂３０が形成されている。変調器部６には寄生容量が存在し、その中の一つに、ｐ型電極２１のパッド部と、ｎ型ＩｎＰ基板１の間に生じる寄生容量がある。ここで、ｐ型電極２１のパッド部は、図７Ａに示すｐ型電極２１のうち、長方形状をしている領域である。ｐ型電極２１のパッド部は、ｐ型電極２１に印加する電圧を供給するために、導線を接続するための領域であり、導線との電気的接続を確保するために十分となる面積を確保する必要がある。それゆえ、当該寄生容量を低減するために、埋め込み層１９より誘電率の小さいポリイミド樹脂３０を、パッシベーション膜２０とｐ型電極２１のパッド部の間に配置することにより、当該寄生容量は、小さい誘電率であるポリイミド樹脂３０と、埋め込み層１９との直列接続されたものと等価であり、当該寄生容量が低減される。
【００６７】
ポリイミド樹脂３０を形成するために、第１の実施形態において説明した電極形成工程において、ウェハ表面全体にパッシベーション膜２０を形成後、ウェハ表面全体に、厚さ３μｍのポリイミド樹脂３０を塗布する。ｐ型電極２１のパッド部となる領域に対応してマスクをし、マスクされていない領域にあるポリイミド樹脂３０を、酸素とアルゴンの混合ガスによるエッチバックにより除去する。その後は、パッシベーション膜２０にスルーホールを形成し、さらに、ｐ型電極２１を形成する。
【００６８】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０について、第１の実施形態と同様に、特性評価を行った。その結果、素子温度ＴＬＤ＝５０℃において、発振閾値電流Ｉｔｈ＝１５．６ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐｏ＝９．３ｄＢｍ、発振波長λＤＦＢ＝１３００．２３ｎｍであり、また、ｆ３ｄＢ帯域は４２．１ＧＨｚ、変調時光出力Ｐｍｏｄ＝＋４．９ｄＢｍ、変調時消光比ＡＣＥＲ＝８．１ｄＢであった。これらは、４０Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネットシリアル伝送に十分な特性を示している。表面処理工程において、メサストライプ構造のＭＱＷ層４のＡｌ表面をクリーニングすることによって、良好な特性・信頼度を示すことが確認される。
【００６９】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係るレーザモジュールは、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０が搭載されるレーザモジュール５１であり、４０℃から６０℃といった温度における駆動が可能である。
【００７０】
図８は、当該実施形態に係るレーザモジュール５１の構成を表す図である。第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、５０Ω終端抵抗が付いた窒化アルミ二ウム（ＡｌＮ）製のチップキャリア１０２に、ＡｕＳｎはんだを用いて、搭載されている。チップキャリア１０２は、温度調整手段であるペルチエ基板１０３の上側に搭載されており、それらが、パッケージ１１０に搭載されている。サーミスタ１０４、モニタフォトダイオード１０７、集光用レンズ１０８が、さらに、パッケージ１１０に搭載されている。ここで、集光用レンズ１０８は、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の光の出射方向に出力する前方出力光１０５を、光の出射先に接続される光ファイバー１０９へ、光を集光するためのレンズである。モニタフォトダイオード１０７は、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の光の出射方向と反対方向に出力する後方出力光１０６を受光している。
【００７１】
パッケージ１１０の外部には、レーザ駆動電流源１１１が設けられ、モニタフォトダイオード１０７で受光する後方出力光１０６のパワー変動が、レーザ駆動電流源１１１に帰還され、発振器部１１に供給する電流量が制御されることにより、前方出力光１０５のパワーを一定に保つＡＰＣ（Auto Power Control）制御が行われる。なお、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の変調器部６に対しては、変調器高周波信号源１１２より、変調器駆動信号が供給される。
【００７２】
また、ペルチエ駆動電流源１１３によって、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０に対して、ＡＴＣ（Auto Temperature Control）制御が行われる。すなわち、サーミスタ１０４は、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の温度を検知し、その温度をモニタ温度として、ペルチエ駆動電流源１１３へ出力する。モニタ温度に対応して、ペルチエ基板１０３に対して、ペルチエ駆動電流源１１３よりペルチエ駆動電流が供給される。ＡＴＣ制御により、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の温度を一定に保つことが可能となる。
【００７３】
第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０において説明した４個の素子Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３それぞれを搭載する各レーザモジュール５１について、２５．８Ｇｂｉｔ／ｓ変調評価を行ったところ、各レーザモジュール５１とも、１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネット光伝送装置に搭載するレーザモジュールとして、十分な特性を示している。
【００７４】
同様に、当該実施形態に係る光送受信モジュールは、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０が搭載される光送信部と、公知の光受信部を備える光送受信モジュールである。光送受信モジュールの光送信部の構成は、レーザモジュール５１の構成と同様のものとする。
【００７５】
さらに、当該実施形態に係る光伝送装置は、レーザモジュール５１若しくは光送受信モジュールが搭載される光伝送装置である。光伝送装置の他の構成については、公知のものと同じである。
【００７６】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子は、変調器部と発振器部とを備える集積レーザ部を、同一半導体上にモノシリックに、４個備えるＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２である。第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０として、４個の素子Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３について説明したが、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２は、それら４個の素子を、それぞれ集積レーザ部として、備えている。すなわち、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の集積レーザ部は、それぞれ、１．３μｍ波長帯で伝送速度２５Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用に用いられ、４０℃から６０℃といった温度における駆動が可能である。それゆえ、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２は、４個集積レーザ部それぞれより光出力がされるので、４個の光出力部を有しており、ＷＤＭにより、伝送速度１００Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用に用いることが出来る。
【００７７】
図９は、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の上面図である。当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２において、図９に示すＡ−Ａ破線を貫く断面は、図１Ｂに示す断面であり、Ｂ−Ｂ破線を貫く断面は、図１Ｃに示す断面である。
【００７８】
４個の集積レーザ部それぞれの変調器部６の吸収端波長λＥＡは、５０℃において１２５９ｎｍとなるよう、変調器部６のＭＱＷ層４の組成が調整されている。また、４個の集積レーザ部それぞれの発振器部１１の発振波長λＤＦＢは、５０℃において、順に、１２９５．５ｎｍ、１３００．０ｎｍ、１３０４．５ｎｍ、１３０９．０ｎｍとなるように、回折格子の回折ピッチがそれぞれ設計され、回折格子層１０がそれぞれ形成されている。これら４個の集積レーザ部は、順に、第１の実施形態に係る４個の素子、Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に対応しており、それぞれ、集積レーザ部Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３とする。ここで、４個の集積レーザ部において、デチューニング量ΔＨは、順に、３６．５ｎｍ、４１．０ｎｍ、４５．５ｎｍ、５０．０ｎｍ（エネルギー換算すると、それぞれ、２７．８ｍｅＶ、３１．１ｍｅＶ、３４．３ｍｅＶ、３７．６ｍｅＶ）となっている。
【００７９】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の製造方法は、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の製造方法と、基本的には同じであり、メサストライプ形成工程の後、メサストライプ構造に対して、塩素系ガスによる表面処理を施す表面処理工程を行い、その後に、メサストライプ構造の両脇に埋め込み層１９を形成する埋め込み工程を行っている。
【００８０】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の製造方法は、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の製造方法と、以下の点において主に異なる。
【００８１】
変調器半導体下層形成工程において、４個の集積レーザ部それぞれの変調器部６の吸収端波長λＥＡが５０℃においてともに１２５９ｎｍとなるように、各変調器部６のＭＱＷ層４のＩｎＧａＡｌＡｓの組成を調整する。
【００８２】
また、回折格子形成工程において、ＥＢ描画法によって、４個の集積レーザ部それぞれの発振器部１１の発振波長λＤＦＢが、５０℃において、順に、１２９５．５ｎｍ、１３００．０ｎｍ、１３０４．５ｎｍ、１３０９．０ｎｍとなるように、回折格子の回折ピッチをそれぞれ設計して、回折格子を形成する。
【００８３】
さらに、チップ化工程において、隣り合う４個の集積レーザ部を１個のチップとして劈開する。
【００８４】
以上の製造方法によって製造することにより、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２は、それぞれの集積レーザ部より、異なる発振波長λＤＦＢの光を出射することが出来る。
【００８５】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２について、第１の実施形態と同様に、素子温度ＴＬＤ＝５０℃において、特性評価を行った。なお、この際、それぞれ導波路領域に高周波電圧が印加される４個の集積レーザ部が隣り合って配置されているので、チップキャリアに搭載する際、実装上の工夫を施す必要がある。
【００８６】
【表２】
【００８７】
表２は、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の４個の集積レーザ部Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３における特性を表す表である。変調時光出力Ｐｍｏｄ及び変調時消光比ＡＣＥＲは、変調器部６の逆バイアス電圧Ｖｅａは表２に示す値により、また、変調電圧Ｖｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、特性評価を行っている。
【００８８】
当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の４個の集積レーザ部において、デチューニング量ΔＨがそれぞれ異なっているので、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐｏは、集積レーザ部Ｌ３において最も大きくなっている。また、波長が長くなるにつれて、逆バイアス電圧Ｖｅａの絶対値を大きくすることにより、各集積レーザ部において、近い値の変調時消光比ＡＣＥＲが実現される。また、その他の特性についても駆動条件を変更することにより、１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネット光伝送装置に搭載する素子として、十分な特性を示している。表面処理工程において、メサストライプ構造のＭＱＷ層４のＡｌ表面をクリーニングすることによって、良好な特性・信頼度を示すことが確認される。
【００８９】
以上、本発明に係る半導体光素子、レーザモジュールについて、説明した。本発明の特徴は、Ａｌを含む量子井戸層と、不純物が添加される半導体埋め込み層とを備えるＢＨ構造を有する変調器を備える半導体光素子において、メサストライプ構造を形成後、埋め込み層を形成する工程との間に、メサストライプ構造の両側の表面を、塩素系ガスを用いてクリーニングする工程を行うことにある。
【００９０】
Ａｌを含む量子井戸層とは、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ層であるが、１．５５μｍ波長帯に比べて、１．３μｍ波長帯のＥＡ変調器のＭＱＷ層に含まれるＡｌの含有率が高い。それゆえ、１．３μｍ波長帯のＥＡ変調器において、特性や信頼性の高い素子を製造することが困難であり、ので、１．３μｍ波長帯のＥＡ変調器に対して本発明を適用することにより、本発明の効果はさらに高まっている。埋め込み層の層厚は、３．５μｍ以上が望ましい。
【００９１】
また、半導体埋め込み層に添加する不純物としては、Ｒｕが望ましい。メサストライプ構造のｐ型層にｐ型ドーパントとして添加されるＺｎに対して、Ｆｅなどと比較して、相互拡散が抑制されるので、不純物をＲｕとすることにより、変調器の特性が向上する。
【００９２】
ＳＭＦを用いて、波長分散が小さい１．３μｍ波長帯の光伝送を行う場合、ＳＭＦの伝播損失は０．３〜０．４ｄＢ／ｋｍ程度と大きい。それゆえ、半導体光素子には、１．５５μｍ波長帯の光伝送よりも、より大きな光出力が求められている。
【００９３】
変調器部と、発振器部が同一半導体基板上にモノリシックに集積される変調器集積型半導体光素子において、変調器部と発振器部との間に導波路部を設け、発振器部の発振波長より組成波長の短いバルク導波路をなすコア層を備え、変調器部及び発振器部それぞれとバットジョイント接続するようコア層を形成するのが望ましい。これにより、変調器集積型半導体光素子の光出力特性はさらに向上することとなる。なお、コア層は、ＩｎＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｌＡｓのいずれかを用いて形成するのが、さらに望ましい。１．３μｍ波長帯の変調器集積型半導体光素子において、コア層の組成波長は１．２μｍ以下となるよう、コア層を形成するのが、さらに望ましい。
【００９４】
さらに、変調器部がＥＡ変調器で、発振器部がＤＦＢレーザからなるＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子において、デチューニング量ΔＨを２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下の範囲とするのが望ましい。すなわち、変調器部の吸収波長端の波長エネルギーより、発振器部の発振波長の波長エネルギーが、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下低くなるよう回折格子を形成するのが望ましい。これにより、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の特性はさらに高まる。
【００９５】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子などのレーザとなる集積レーザ部が複数、同一基板上に集積されるレーザアレイ素子であってもよい。当該半導体光素子は、複数の光出力部を備えている。複数の集積レーザ部それぞれの変調器部は、変調器部の光閉じ込め層を形成する工程（変調器半導体下層形成工程）において、変調器部の吸収端波長λＥＡが同じ波長となるように形成し、複数の集積レーザ部それぞれの回折格子を形成する工程（回折格子形成工程）において、各集積レーザ部の発振波長λＤＦＢに応じて、回折格子を形成するのが望ましい。その際、各集積レーザ部のデチューニング量ΔＨがすべて、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下となっているのが、さらに望ましい。これにより、当該レーザアレイ素子の特性はさらに高まる。
【００９６】
また、半導体光素子の出射側端面の内側には、メサストライプ構造が存在していない窓構造を有しているのが望ましい。これにより、素子の特性はさらに高まる。半導体多層の所定の領域を除去することによりストライプ構造を形成するが、この工程において、該所定の領域に、窓構造となる領域を含めて、この領域にある半導体多層を除去する。さらに、埋め込み層を埋め込む工程において、この領域にも埋め込み層を形成する。これにより、ストライプ構造の先端が出射側の端面より内側に位置し、窓構造が形成される。窓構造の長さ、すなわち、ストライプ構造の先端から出射側端面までの距離が、５μｍ以上あるのが望ましい。このとき、出射側の端面から５μｍ以内となる領域は、ストライプ構造を形成する際に除去する領域に含まれることとなる。
【符号の説明】
【００９７】
１ ｎ型ＩｎＰ基板、２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、３ ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層、４ ＭＱＷ層、５ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層、６ 変調器部、７ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、８ ＭＱＷ層、９ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、１０ 回折格子層、１１ 発振器部、１２ 導波路部、１３，１４，１５ ＩｎＧａＡｓＰ層、１６ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１８ 窓構造、１９ 埋め込み層、２０ パッシベーション膜、２１ ｐ型電極、２２ ｎ型電極、２３ 高反射膜、２４ 反射防止膜、５０ ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子、５１ レーザモジュール、５２ ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子、１０２ チップキャリア、１０３ ペルチエ基板、１０４ サーミスタ、１０５ 前方出力光、１０６ 後方出力光、１０７ モニタフォトダイオード、１０８ 集光レンズ、１０９ ファイバー、１１０ パッケージ、１１１ レーザ駆動電流源、１１２ 変調器高周波信号源、１１３ ペルチエ駆動電流源。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子、レーザモジュール、及び光伝送装置に関し、特に、埋め込みヘテロ構造を有する変調器を備える半導体光素子の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のブロードバンドネットワークの飛躍的な発展に伴い、ますます通信速度の高速化が求められている。こうした要求の一方、半導体光素子及びそれを搭載するレーザモジュール及び光伝送装置には、小型化・低消費電力化・低コスト化が、同時に求められている。
【０００３】
電界吸収型変調器（以下、ＥＡ（Electro-Absorption）変調器と記す）は、変調時のチャープ（波動変調）が小さく、光信号のＯＮレベルとＯＦＦレベルの差である消光比が大きく、広帯域である、といった有利な特性を有することに加え、小型で低コストであることにより、広く用いられている。
【０００４】
ＥＡ変調器とは、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confinement Stark Effect：以下、ＱＣＳＥと記す）を利用して、ＥＡ変調器の活性領域に、電界を選択的に印加することにより、光を変調する変調器である。ここで、活性領域は、いわゆる単一量子井戸（Single-Quantum Well：以下、ＳＱＷと記す）層、もしくは、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：以下、ＭＱＷと記す）層となっている。以下、本明細書において、ＭＱＷとは、通常のＭＱＷに加えて、ＳＱＷをも含むものとする。なお、ＱＣＳＥとは、ＭＱＷ層に電界が印加されると、ＭＱＷ層における光の吸収端が長波長側へシフトするという効果をいう。低いチャープと高い消光比を得るために、ＥＡ変調器のＭＱＷ層に適した材料として、インジウムガリウムアルミニウム砒素（ＩｎＧａＡｌＡｓ）などＡｌ系材料が望ましい。
【０００５】
また、半導体光素子の主な構造に、埋め込みヘテロ構造（Buried Heterostructure：以下、ＢＨ構造と記す）がある。ＢＨ構造とは、ＭＱＷ層を含む多層構造のうち、導波路領域の外側となる領域を除去することにより形成されるメサストライプ構造の両側を、半絶縁性半導体からなる半導体埋め込み層によって埋め込まれている構造をいう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体多層の両側を除去してメサストライプ構造を形成した後、メサストライプ構造のＡｌを含むＭＱＷ層の両側を半絶縁性半導体によって埋め込む際、半導体光素子の特性や信頼度が低下する懸念がある。また、それはＭＱＷ層に含まれるＡｌの含有率が高くなるほど、顕著である。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を鑑みて、ＭＱＷ層にＡｌ系材料を含み、ＢＨ構造を有する半導体光素子において、特性がさらに向上される半導体光素子の製造方法、レーザモジュール、光伝送装置を提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る半導体光素子の製造方法は、出射方向に沿って入力される光を変調して出射する変調器部、を備える半導体光素子の製造方法であって、前記変調器部は、アルミニウムを含む量子井戸層を備えるとともに、メサストライプ構造を有する半導体多層と、前記半導体多層の両側にそれぞれ隣接して配置されるとともに、不純物が添加される半導体埋め込み層と、を備え、前記半導体多層の所定の領域を除去して、メサストライプ構造とする工程と、前記半導体多層の両側の表面を、塩素系ガスを用いてクリーニングする工程と、前記半導体多層の両側に、前記半導体埋め込み層を形成する工程と、を、順に含むことを特徴とする。
【０００９】
（２）上記（１）に記載の半導体光素子の製造方法であって、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料として前記量子井戸層を形成する工程を、さらに備えていてもよい。
【００１０】
（３）上記（２）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記量子井戸を形成する工程において、１．３μｍ波長帯に用いられる組成に調整して前記量子井戸層を形成してもよい。
【００１１】
（４）上記（１）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記半導体埋め込み層に添加される前記不純物とは、ルテニウムであってもよい。
【００１２】
（５）上記（４）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記半導体埋め込み層を形成する工程において、層厚が３．５μｍ以上の前記半導体埋め込み層を形成してもよい。
【００１３】
（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、前記半導体光素子は、前記入力される光を出力する発振器部と、前記発振器部と前記変調器部の間を接続するとともに、コア層を備える導波路部と、をさらに備え、前記発振器部と前記導波路部との間、及び、前記導波路部と前記発振器部との間を、パットジョイント接続し、前記コア層を形成する工程を、さらに、含んでいてもよい。
【００１４】
（７）上記（６）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記コア層を形成する工程において、インジウムガリウム砒素燐、若しくは、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料として前記コア層を形成してもよい。
【００１５】
（８）上記（６）又は（７）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記変調器部は、電界吸収型変調器であり、前記発振器部は、回折格子を備える分布帰還型半導体レーザであり、前記変調器部の吸収波長端の波長エネルギーより、前記発振器部の発振波長の波長エネルギーが、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下低くなるよう回折格子を形成する工程を、さらに含んでいてもよい。
【００１６】
（９）上記（８）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記変調器部は、複数の光出力部を有し、前記複数の光出力部それぞれより光を出力するとともに、前記複数の光出力部に対応して、前記メサストライプ構造を有する前記半導体多層を複数備え、前記発振器部は、前記複数の光出力部にそれぞれに対応して前記回折格子を複数備え、前記回折格子を形成する工程において、前記複数の光出力部にそれぞれ対応する発振波長となるよう、前記複数の回折格子をそれぞれ形成してもよい。
【００１７】
（１０）上記（８）又は（９）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記メサストライプ構造とする工程において、前記半導体多層の所定の領域に、前記半導体光素子の光の出射側の端面から５μｍ以内となる領域を含んでいるとともに、前記半導体埋め込み層を形成する工程において、該領域を、前記半導体埋め込み層を形成することにより窓構造を形成してもよい。
【００１８】
（１１）本発明に係るレーザモジュールは、上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法によって製造される半導体光素子を備えていてもよい。
【００１９】
（１２）本発明に係る光伝送装置は、上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法によって製造される半導体光素子を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、ＭＱＷ層にＡｌ系材料を含み、ＢＨ構造を有する半導体光素子において、特性がさらに向上される半導体光素子の製造方法、レーザモジュール、光伝送装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の上面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の断面図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の断面図である。
【図２】Ｒｕが不純物として添加されるＩｎＰからなる埋め込み層の層厚ｄに対するｆ３ｄＢ帯域の計算結果を示す図である。
【図３】デチューニング量ΔＨに対する変調時光出力Ｐｍｏｄを表す図である。
【図４】デチューニング量ΔＨに対する変調時消光比ＡＣＥＲを表す図である。
【図５】デチューニング量ΔＨに対するｆ３ｄＢ帯域を表す図である。
【図６】デチューニング量ΔＨに対する変調時光振幅ＯＭＡを表す図である。
【図７Ａ】本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の上面図である。
【図７Ｂ】本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の断面図である。
【図７Ｃ】本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る当該実施形態に係るレーザモジュールの構成を表す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る実施形態について、以下に、詳細な説明をする。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００２３】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子は、変調器部と、発振器部が同一半導体基板上にモノリシックに集積される変調器集積型半導体光素子である。ここで、変調器部はＥＡ変調器であり、発振器部は分布帰還型半導体レーザ（（Distributed Feedback Laser：以下、ＤＦＢレーザと記す）であり、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０である。当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、ルテニウム（Ｒｕ）を不純物として添加された半導体埋め込み層によるＢＨ構造を有しており、１．３μｍ波長帯で伝送速度２５Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用に用いられ、４０℃から６０℃といった温度における駆動が可能である。ここで、１．３μｍ波長帯とは、１２８０ｎｍ以上１３６０ｎｍ以下の波長帯をいう。
【００２４】
図１Ａは、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の上面図である。前述の通り、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、ＥＡ変調器からなる変調器部６と、ＤＦＢレーザからなる発振器部１１とが、同じｎ型ＩｎＰ基板１上に集積されている。変調器部６と、発振器部１１との間には、バルク導波路となる導波路部１２が設けられている。ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の多層構造には、中央付近に、図中横方向に延伸する導波路領域がある。発振器部１１の導波路領域より、図中左方向へ出力される連続光が、導波路部１２の導波路領域を通過し、変調器部６に入力される。変調器部６の導波路領域において、入力される光が変調され、図中左側へ出射される。図中左側の端面から右側に、変調器部６のメサストライプ構造が形成されておらず、窓構造１８を有している。光が出射する図中左側の端面は、反射率１％以下の反射防止膜２４で覆われ、反対側にある図中右側の端面は、反射率９０％以上の高反射膜２３で覆われている。
【００２５】
図１Ｂ及び図１Ｃは、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の断面図である。図１Ｂは、図１Ａに示すＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０のＩＢ−ＩＢ破線を貫く断面を、図１Ｃは、変調器部６のＩＣ−ＩＣ波線を貫く断面を、それぞれ表している。
【００２６】
図１Ｂに示す通り、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の変調器部６、導波路部１２、及び発振器部１１は、それぞれ、半導体多層によって形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２が形成されている。変調器部６において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２上に、順に、ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層３、ＭＱＷ層４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層５が形成されており、光閉じ込め層となっている。ここで、ＭＱＷ層４は、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる井戸層と障壁層が交互に積層されている。変調器部６の光閉じ込め層には、Ａｌ系材料が用いられている。
【００２７】
発振器部１１において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層７、ＭＱＷ層８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層９、回折格子層１０が形成されており、光閉じ込め層となっている。ここで、ＭＱＷ層８は、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層と障壁層が交互に積層されている。また、回折格子層１０は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなっている。
【００２８】
導波路部１２において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上に、３層からなるコア層が形成されており、光閉じ込め層となっている。コア層は、組成波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１３，１４で、組成波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１５を挟みこむ構造である。コア層はバルク結晶からなるバルク導波路を形成している。変調器部６のＭＱＷ層４と導波路部１２のＩｎＧａＡｓＰ層１５との間、及び、導波路部１２のＩｎＧａＡｓＰ層１５と発振器部１１のＭＱＷ層８との間は、パットジョイント接続されている。
【００２９】
さらに、変調器部６、導波路部１２、及び発振器部１１の光閉じ込め層の上側に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６が、変調器部６及び発振器部１１には、さらに、ｐ型コンタクト層１７が、形成されており、半導体多層構造をなしている。
【００３０】
発振器部１１の発振波長λＤＦＢは、５０℃において、１２９５．５ｎｍとなるように、回折格子の回折ピッチが設計され、回折格子層１０が形成されている。また、変調器部６の吸収端波長λＥＡは、５０℃において、１２５０．０ｎｍとなるよう、変調器部６のＭＱＷ層４の組成が調整されている。すなわち、発振波長λＤＦＢと吸収端波長λＥＡとの差で定義されるデチューニング量ΔＨが、４５．５ｎｍ（エネルギー換算をして、３４．８ｍｅＶ）となるよう、調整されている。ここで、発振波長λＤＦＢは吸収端波長λＥＡより長く、エネルギー換算すると、発振波長λＤＦＢの波長エネルギーは、吸収端波長λＥＡの波長エネルギーより、低くなっている。
【００３１】
図１Ｃに示す通り、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、半導体多層構造が導波路領域の外側となる領域が除去されるメサストライプ構造となっており、メサストライプ構造の両側が埋め込み層１９で埋め込まれるＢＨ構造を有している。埋め込み層１９は、Ｒｕが不純物として添加されるＩｎＰからなっており、半絶縁性半導体である。なお、メサストライプ構造の幅は１．４μｍで、高さは３．４μｍである。埋め込み層１９の層厚は５．０μｍである。
【００３２】
埋め込み層１９は、半絶縁性半導体からなり、例えば、鉄（Ｆｅ）やＲｕなどの不純物が添加される半導体である。メサストライプ構造に含まれるｐ型層のｐ型ドーパントである不純物と、埋め込み層に含まれる不純物とが、相互拡散をするために、ｐ型層のｐ型ドーパントである不純物が、メサストライプ構造の両側から埋め込み層に拡散するという問題が生じる。ｐ型層の不純物が埋め込み層に拡散することにより、変調器部６の駆動時に、ＭＱＷ層４に印加される電界が、埋め込み層１９にも広がることとなり、変調器としての特性を劣化させる。
【００３３】
メサストライプ構造に含まれるｐ型層のｐ型ドーパントとして、亜鉛（Ｚｎ）が用いられるのが一般的であり、埋め込み層１９の不純物にＦｅを用いる場合、ＺｎとＦｅの相互拡散は強いので、Ｚｎがより埋め込み層１９へ拡散することとなる。Ｚｎとの相互拡散との観点から、埋め込み層１９に添加する不純物は、Ｒｕが望ましい。ＲｕはＺｎとの相互拡散が、Ｆｅなどと比較して弱いので、Ｚｎが埋め込み層に拡散するのが抑制され、変調器としての特性が向上する。
【００３４】
図２は、Ｒｕが不純物として添加されるＩｎＰからなる埋め込み層の層厚ｄに対するｆ３ｄＢ帯域の計算結果を示す図である。ここで、当該計算において、ＥＡ変調器の変調器長を１００μｍ、メサストライプ構造の幅を１．５μｍ、ＭＱＷ層を含むアンドープ層の層厚を２６０ｎｍと仮定している。例えば、２５Ｇｂｉｔ／ｓ動作を可能とする帯域２５ＧＨｚを満足するためには、埋め込み層の層厚ｄは３．５μｍ以上必要であることが分かる。また、埋め込み層に、相互拡散が小さいＲｕを不純物として用いることにより、発振器部では、漏れ電流を低減させることができるため、閾値電流の低減、高光出力が実現できる。同様に、変調器部では、駆動時の電界の漏れを低減させることができるため、電圧が効率よくＭＱＷ層に印加され、高光出力が実現できる。
【００３５】
また、前述の通り、図１Ｂの図中左側端面から右側には、メサストライプ構造を有する半導体多層が形成されておらず、埋め込み層１９によって埋め込まれている窓構造１８となっている。窓構造１８の長さは５μｍ以上が望ましく、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０においては、窓構造１８の長さは１５μｍである。窓構造１８とは、半導体光素子の導波路領域の光の出射方向に対して先端部分において、光の閉じ込め層を有していないバルクの半導体によって埋め込まれている構造をいう。半導体光素子の内部の導波路領域を通過する光は、窓構造１８を通過して、反射防止膜２４に到達する。反射防止膜２４の反射率は非常に低く、多くの光は反射防止膜２４を通過して、半導体光素子から外部へ出射される。しかし、一部の光は反射防止膜２４で半導体光素子内部へ反射される。この場合であっても、窓構造１８によって、反射された光が再び、導波路領域に進入し、発振器部１１まで到達することが抑制されるので、高周波応答特性（Ｓ２１特性）が向上される。
【００３６】
また、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０において、デチューニング量ΔＨは、エネルギー換算して、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下となるのが望ましい。これら範囲は、以下のように説明される。
【００３７】
図３は、デチューニング量ΔＨに対する変調時光出力Ｐｍｏｄを、図４は、デチューニング量ΔＨに対する変調時消光比ＡＣＥＲを、図５は、デチューニング量ΔＨに対するｆ３ｄＢ帯域を、それぞれ表す図である。測定に用いたＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子は、変調器部の長さが１００μｍであり、ＥＡ変調器のＭＱＷ層を含むアンドープ層の層厚が２６０ｎｍである。また、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡとして、測定を行っている。図に示すデチューニング量ΔＨは、発振器部の発振波長λＤＦＢと変調器部吸収端波長λＥＡそれぞれの波長エネルギーＥを、それぞれ、Ｅ＝（ｈ／２π）・（ｃ／λ）を用いて、エネルギー換算し、それらの差の値を用いている。ここで、ｈ及びｃは、それぞれ、プランク定数及び真空中での光速を表している。
【００３８】
図６は、デチューニング量ΔＨに対する変調時光振幅ＯＭＡを表す図である。１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネットの規格には、変調時光振幅ＯＭＡ（Optical Modulation Amplitude）があり、変調時光出力Ｐｆｍｏｄと変調時消光比ＡＣＥＲから、ＯＭＡ＝１０ｌｏｇ｛（２×１０Ｐｆｍｏｄ／１０）×（１０ＡＣＥＲ／１０−１）／（１０ＡＣＥＲ／１０＋１）｝によって計算される。ここで、変調時光出力Ｐｆｍｏｄとは、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子を搭載するレーザモジュールでの変調時光出力をあらわし、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の変調時光出力Ｐｍｏｄからレーザモジュールでの結合損を引いたものである。図６は、レーザモジュールでの結合損を３ｄＢと仮定し、図示している。
【００３９】
図３に示す通り、デチューニング量ΔＨが小さくなると、変調器部での吸収が増大するので、変調時光出力Ｐｍｏｄが減少し、図４に示す通り、変調時消光比ＡＣＥＲが増大する。それに応じて、図６に示す通り、変調時光振幅ＯＭＡも減少する。ＩＥＥＥ８０２．３ｂａ規格で定められている変調時光振幅ＯＭＡの仕様である−１．３〜＋４．５ｄＢｍを満足させるために、変調時光出力Ｐｍｏｄ及び変調時消光比ＡＣＥＲを、それぞれ、＋１．０〜＋５．５ｄＢｍ（すなわち、レーザモジュールでの結合損を３ｄＢと仮定した場合に、変調時光出力Ｐｆｍｏｄを−２．０〜＋２．５ｄＢｍ）、及び、８．０ｄＢ以上となる条件を求める。図３及び図４に表す矢印は、この範囲を、それぞれ示している。図３及び図４から求められるデチューニング量ΔＨの範囲は、それぞれ、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下、及び、４０ｍｅＶ以下である。このとき、図６から、変調時光振幅ＯＭＡは、ＩＥＥＥ８０２．３ｂａ規格に対して、特性の経年劣化などを考慮しても十分に満たしている。図６に表す矢印は、ＩＥＥＥの規格を表している。
【００４０】
一方、図５に示す通り、デチューニング量ΔＨが小さくなると、変調器部における光吸収が大きくなり、高周波特性に劣化傾向が見られると考えられる。伝送速度２５Ｇｂｉｔ／ｓにおける駆動を可能にするためには、ｆ３ｄＢ帯域が２５ＧＨｚ以上ある必要があり、それを満たすデチューニング量ΔＨは、２３ｍｅＶ以上である。以上のことにより、これらすべての特性を満足するデチューニング量ΔＨは、エネルギー換算して、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下である。
【００４１】
次に、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の製造方法を説明する。
【００４２】
まず、変調器部６の多層構造の一部となる半導体多層を形成する（変調器半導体下層形成工程）。すなわち、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２、ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層３、ＭＱＷ層４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層５、及び、ｐ型ＩｎＰキャップ層を、有機金属気相成長法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：以下、ＭＯ−ＣＶＤと記す）によって形成する。ｐ型ＩｎＰキャップ層は後の工程で除去され、ｐ型ＩｎＰキャップ層以外の半導体多層が、変調器部６の光閉じ込め層となる。ここで、ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層３及びＭＱＷ層４は、不純物が添加されていないアンドープ層である。ＭＱＷ層４は、ともに、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる井戸層と障壁層を交互に積層することによって形成される。このとき、変調器部６の吸収端波長λＥＡが５０℃において１２５０ｎｍとなるように、ＭＱＷ層４のＩｎＧａＡｌＡｓの組成を調整する。
【００４３】
そして、熱ＣＶＤ（Thermal Chemical Vapor Deposition）によって二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を、ウェハ表面のうち、変調器部６となる領域のみに、パターン形成し、このＳｉＯ２膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングによって、変調器部６となる領域以外の領域にある半導体多層を、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上面に至るまで除去する。
【００４４】
次に、発振器部１１の多層構造の一部となる半導体多層を形成する（発振器半導体下層形成工程）。ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上側に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層７、ＭＱＷ層８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層９、回折格子層１０となる厚さ２０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層、及び、ｐ型ＩｎＰキャップ層を、ＭＯ−ＣＶＤによって形成する。ｐ型ＩｎＰキャップ層以外の半導体多層が、発振器部１１の光閉じ込め層となる。ここで、ＭＱＷ層８は、アンドープ層であり、ともに、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層と障壁層を交互に積層することによって形成される。
【００４５】
そして、発振器半導体下層形成工程と同様に、熱ＣＶＤによってＳｉＯ２膜を、ウェハ表面のうち、変調器部６及び発振器部１１となる領域にのみに、パターン形成し、ドライエッチング及びウェットエッチングによって、変調器部６及び発振器部１１となる領域以外の領域、すなわち、導波路部１２となる領域、にある半導体多層を、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上面に至るまで除去する。
【００４６】
さらに、導波路部１２の多層構造の一部となる半導体多層形成する（導波路部半導体下層形成工程）。ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上側に、同様に、コア層及びｐ型ＩｎＰキャップ層を、ＭＯ−ＣＶＤによって形成する。コア層が、導波路部１２の光閉じ込め層となる。ここで、コア層は３層からなり、ともにアンドープ層である。コア層は、組成波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１３，１４で、組成波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１５を挟みこむよう、形成される。この際、変調器部６と発振器部１１の実効屈折率と、導波路部１２の実効屈折率が、ほぼ一致するように、コア層を構成するＩｎＧａＡｓＰ層１３，１４，１５それぞれの膜厚を調整している。この際に、変調器部６と導波路部１２の間、及び、導波路部１２と発振器部１１の間を、公知のパットジョイント技術により光学的に接続する。
【００４７】
なお、ここでは、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いてコア層を形成しているが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いて形成してもよい。コア層の組成波長は、１．２μｍ以下が望ましい。
【００４８】
以上、変調器部６、発振器部１１、導波路部１２の順に、それぞれにおいて光閉じ込め層となる半導体多層を形成する工程について説明したが、これら工程の順番はこれに限られない。
【００４９】
これら工程の後、発振器部１１の回折格子を形成する（回折格子形成工程）。ウェハ表面のうち、発振器部１１のｐ型ＩｎＰキャップ層のみエッチングし、発振器部１１のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層を露出させる。そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層に干渉露光法を施し回折格子（grating）を形成することにより、回折格子層１０を形成する。このとき、５０℃における発振器部１１の発振波長λＤＦＢが１２９５．５ｎｍとなるピッチに設計することにより、デチューニング量ΔＨを４５．５ｎｍ（エネルギー換算すると、３４．８ｍｅＶ）にする。回折格子形成工程において、干渉露光法の代わりに、電子線（Electron Beam：以下、ＥＢと記す）描画法によって、回折格子を形成してもよい。
【００５０】
回折格子層１０を形成後、素子全体に亘って、残りの半導体多層を形成する（素子半導体上層形成工程）。ウェハ表面に形成されているｐ型ＩｎＰキャップ層をエッチングにより除去し、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型ＩｎＰ保護層を、ＭＯ−ＣＶＤによって形成する。これらｐ型層のｐ型ドーパントには、ともにＺｎを用いる。
【００５１】
素子半導体上層形成工程の後、半導体多層の両側を除去して、メサストライプ構造を形成する（メサストライプ形成工程）。ウェハ表面のうち、素子の導波路領域の上方となる領域に、ＳｉＯ２膜をパターン形成し、このＳｉＯ２膜をマスクとして、ドライエッチング若しくはウェットエッチングによって半導体多層を除去し、変調器部６、導波路部１２、発振器部１１に亘って、幅１．４μｍ、高さ３．４μｍのメサストライプ構造を形成する。このときに、変調器部６及び発振器部１１のＭＱＷ層４，８を含むそれぞれの光閉じ込め層と、導波路部１２のコア層は、メサストライプ構造両脇の底部（ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上面のうち、メサストライプ構造の両脇の領域）から約１μｍの高さとなるように、メサストライプ構造を形成する。また、ＳｉＯ２膜にパターン形成する際に、ウェハ表面のうち、光の出射側の素子端面（変調器部６側の素子端面）から１５μｍの領域には、ＳｉＯ２膜を形成しない。その結果、この領域の半導体多層は、エッチングによって除去される。すなわち、メサストライプ構造の光の出射側の端面は、素子端面より約１５μｍ内側に位置する。前述の通り、この除去される領域が、素子の窓構造１８となる。
【００５２】
メサストライプ形成工程の後、メサストライプ構造に対して、表面処理を施す（表面処理工程）。ウェハ全体を、塩素系ガス雰囲気の中にさらし、メサストライプ構造の側面をクリーニングする。これにより、メサストライプ構造の側面に露出している変調器部６のＭＱＷ層４もクリーニングされ、ＭＱＷ層４にＡｌが含まれている場合であっても、完成後に、特性が向上される半導体素子の製造が可能となる。特に、変調器部６のＭＱＷ層４が、Ａｌ含有率が高い材料によって形成されている場合に、特性の向上はさらに高まる。
【００５３】
表面処理工程の後、メサストライプ構造の側面を埋め込み層１９によって埋め込む（埋め込み工程）。すなわち、メサストライプ構造の両脇部分及び先端部分に、Ｒｕを不純物として添加されるＩｎＰによって、厚さ５．０μｍの埋め込み層１９を形成する。このときの結晶成長温度は、抵抗率と埋め込み形状が最適となるように、５５０℃〜６００℃の間に設定するのが望ましい。
【００５４】
埋め込み工程の後、ｐ型電極２１及びｎ型電極２２を形成する（電極形成工程）。メサストライプ構造の最上層であるｐ型コンタクト層１７のうち、導波路部１２の領域を、除去する。これにより、変調器部６のｐ型コンタクト層１７と、発振器部１１のｐ型コンタクト層１７とが、電気的に絶縁される。それゆえ、除去されることにより生じる溝は、アイソレーション溝と呼ばれている。さらに、ウェハ表面全体に、ＳｉＯ２からなるパッシベーション膜２０を形成する。形成されるパッシベーション膜２０のうち、変調器部６及び発振器部１１のメサストライプ構造の上方それぞれの一部を除去し、スルーホールとする。変調器部６及び発振器部１１それぞれのスルーホールを覆うように、ウェハ表面に、順に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜を蒸着し、イオンミリングによって電極パターンを施すことにより、変調器部６及び発振器部１１それぞれのｐ型電極２１を形成する。その後、ウェハの下面を、ウェハが１００μｍから１５０μｍ程度になるまで研磨加工し、ウェハ下面に、順に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜を蒸着することにより、ｎ型電極２２を形成する。
【００５５】
電極形成工程の後、ウェハをチップ化することにより、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は完成する（チップ化工程）。すなわち、ウェハをバー状に劈開し、変調器部６側の端面に反射率１％以下の反射防止膜２４を、発振器部１１側の端面に反射率９０％以上の高反射膜２３をそれぞれコーティングし、さらに、チップ状態に劈開することにより、素子は完成する。当該製造方法にて製造された当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０を、素子Ｌ０とする。
【００５６】
１００Ｇｂｉｔ／ｓといった高速伝送速度であって、例えばメトロ網伝送に用いる１０ｋｍ以上の長距離光伝送が可能な半導体光素子、レーザモジュール、及び、光伝送装置が望まれている。１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネット光伝送装置を実現する方式の一つとして、シングルモードファイバ（Single Mode Fiber：以下、ＳＭＦと記す）の波長分散が小さい１．３μｍ波長帯で２５Ｇｂｉｔ／ｓ駆動する、異なる４波長の半導体光素子をパラレルに波長多重（Wavelength Division Multiplexing：以下、ＷＤＭと記す）する方式が主に用いられている。さらに、低消費電力化の観点から、レーザモジュール内で半導体光素子の温度を４０〜６０℃で動作（セミクールド動作）が可能な半導体素子が望ましい。
【００５７】
また、１．３μｍ波長帯では、従来、ＤＦＢレーザを高速電流変調することによって、光のオン・オフを行う直接変調型レーザが一般的であった。しかしながら、直接変調型レーザはチャーピングが大きいため、高速電流変調を行ったときに瞬時的なキャリアの変動で活性層の屈折率が変動して光の波長が変動する緩和振動現象を起こしやすい。それゆえ、伝送速度２５Ｇｂｉｔ／ｓといった高速変調を行うには、緩和振動周波数を上げる必要があり、１．３μｍ波長帯において、安定的な２５Ｇｂｉｔ／ｓ駆動の直接変調型ＤＦＢレーザ素子の製造は困難である。
【００５８】
それゆえ、ＷＤＭによって１００Ｇｂｉｔ／ｓ駆動を可能とするために、上記の素子Ｌ０の他に、１．３μｍ波長帯で２５Ｇｂｉｔ／ｓ駆動する、異なる３波長のＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０を、同様の製造方法において製造した。これらを、素子Ｌ１、素子Ｌ２、素子Ｌ３とする。素子Ｌ１、素子Ｌ２、素子Ｌ３は、変調器部６の吸収波長λＥＡが、５０℃において、それぞれ、１２５４．０ｎｍ、１２５９．０ｎｍ、１２６４．０ｎｍとそれぞれなるよう、発振器部１１の発振波長λＤＦＢが、５０℃において、それぞれ、１３００．０ｎｍ、１３０４．５ｎｍ、１３０９．０ｎｍとそれぞれなるよう製造されている。ここで、デチューニング量ΔＨは、エネルギー換算して、いずれも約３４ｍｅＶである。
【００５９】
これら素子について、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の５０Ω終端抵抗がついたチップキャリアにＡｕＳｎはんだを用いて搭載し、発振器部１１及び変調器部６それぞれに通電するための導線をボンディングして、素子温度ＴＬＤ＝５０℃において、特性評価を行った。変調時光出力Ｐｍｏｄ及び変調時消光比ＡＣＥＲは、変調器部６の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−０．３Ｖ、変調電圧Ｖｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、特性評価を行っている。
【００６０】
【表１】
【００６１】
表１は、４個の素子Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３における素子の特性を表す表である。表１に示す通り、発振閾値電流Ｉｔｈ及びレーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐｏも良好な値を示しており、いずれの素子も、１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネット光伝送装置に搭載する素子として、十分な特性を示している。表面処理工程において、メサストライプ構造のＭＱＷ層４のＡｌ表面をクリーニングすることによって、良好な特性・信頼度を示すことが確認される。
【００６２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子は、第１の実施形態と同様に、ＢＨ構造を有するＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０である。当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０と、基本的な構成及び製造方法は同じであるが、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、１．３μｍ波長帯で伝送速度４０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用に用いられ、４０℃から６０℃といった温度における駆動が可能である。
【００６３】
図７Ａは、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の上面図であり、図７Ｂ及び図７Ｃは、その断面図である。図７Ｂは、図７Ａに示すＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０のVIIＢ−VIIＢ破線を貫く断面を、図７Ｃは、VIIＣ−VIIＣ破線を貫く断面を、表している。
【００６４】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の製造方法においても、第１の実施形態と同様に、メサストライプ形成工程の後、メサストライプ構造に対して、塩素系ガスによる表面処理を施す表面処理工程を行い、その後に、メサストライプ構造の両脇に埋め込み層１９を形成する埋め込み工程を行っている。
【００６５】
また、回折格子形成工程において、５０℃における発振器部１１の発振波長λＤＦＢが１３００．０ｎｍとなるよう、回折格子の回折ピッチを設計することにより、デチューニング量ΔＨを５０ｎｍ（エネルギー換算すると、３８ｍｅＶ）にする。
【００６６】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の変調器部６には、ｐ型電極２１のパッド部とパッシベーション膜２０との間に、ポリイミド樹脂３０が形成されている。変調器部６には寄生容量が存在し、その中の一つに、ｐ型電極２１のパッド部と、ｎ型ＩｎＰ基板１の間に生じる寄生容量がある。ここで、ｐ型電極２１のパッド部は、図７Ａに示すｐ型電極２１のうち、長方形状をしている領域である。ｐ型電極２１のパッド部は、ｐ型電極２１に印加する電圧を供給するために、導線を接続するための領域であり、導線との電気的接続を確保するために十分となる面積を確保する必要がある。それゆえ、当該寄生容量を低減するために、埋め込み層１９より誘電率の小さいポリイミド樹脂３０を、パッシベーション膜２０とｐ型電極２１のパッド部の間に配置することにより、当該寄生容量は、小さい誘電率であるポリイミド樹脂３０と、埋め込み層１９との直列接続されたものと等価であり、当該寄生容量が低減される。
【００６７】
ポリイミド樹脂３０を形成するために、第１の実施形態において説明した電極形成工程において、ウェハ表面全体にパッシベーション膜２０を形成後、ウェハ表面全体に、厚さ３μｍのポリイミド樹脂３０を塗布する。ｐ型電極２１のパッド部となる領域に対応してマスクをし、マスクされていない領域にあるポリイミド樹脂３０を、酸素とアルゴンの混合ガスによるエッチバックにより除去する。その後は、パッシベーション膜２０にスルーホールを形成し、さらに、ｐ型電極２１を形成する。
【００６８】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０について、第１の実施形態と同様に、特性評価を行った。その結果、素子温度ＴＬＤ＝５０℃において、発振閾値電流Ｉｔｈ＝１５．６ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐｏ＝９．３ｄＢｍ、発振波長λＤＦＢ＝１３００．２３ｎｍであり、また、ｆ３ｄＢ帯域は４２．１ＧＨｚ、変調時光出力Ｐｍｏｄ＝＋４．９ｄＢｍ、変調時消光比ＡＣＥＲ＝８．１ｄＢであった。これらは、４０Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネットシリアル伝送に十分な特性を示している。表面処理工程において、メサストライプ構造のＭＱＷ層４のＡｌ表面をクリーニングすることによって、良好な特性・信頼度を示すことが確認される。
【００６９】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係るレーザモジュールは、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０が搭載されるレーザモジュール５１であり、４０℃から６０℃といった温度における駆動が可能である。
【００７０】
図８は、当該実施形態に係るレーザモジュール５１の構成を表す図である。第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０は、５０Ω終端抵抗が付いた窒化アルミ二ウム（ＡｌＮ）製のチップキャリア１０２に、ＡｕＳｎはんだを用いて、搭載されている。チップキャリア１０２は、温度調整手段であるペルチエ基板１０３の上側に搭載されており、それらが、パッケージ１１０に搭載されている。サーミスタ１０４、モニタフォトダイオード１０７、集光用レンズ１０８が、さらに、パッケージ１１０に搭載されている。ここで、集光用レンズ１０８は、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の光の出射方向に出力する前方出力光１０５を、光の出射先に接続される光ファイバー１０９へ、光を集光するためのレンズである。モニタフォトダイオード１０７は、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の光の出射方向と反対方向に出力する後方出力光１０６を受光している。
【００７１】
パッケージ１１０の外部には、レーザ駆動電流源１１１が設けられ、モニタフォトダイオード１０７で受光する後方出力光１０６のパワー変動が、レーザ駆動電流源１１１に帰還され、発振器部１１に供給する電流量が制御されることにより、前方出力光１０５のパワーを一定に保つＡＰＣ（Auto Power Control）制御が行われる。なお、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の変調器部６に対しては、変調器高周波信号源１１２より、変調器駆動信号が供給される。
【００７２】
また、ペルチエ駆動電流源１１３によって、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０に対して、ＡＴＣ（Auto Temperature Control）制御が行われる。すなわち、サーミスタ１０４は、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の温度を検知し、その温度をモニタ温度として、ペルチエ駆動電流源１１３へ出力する。モニタ温度に対応して、ペルチエ基板１０３に対して、ペルチエ駆動電流源１１３よりペルチエ駆動電流が供給される。ＡＴＣ制御により、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の温度を一定に保つことが可能となる。
【００７３】
第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０において説明した４個の素子Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３それぞれを搭載する各レーザモジュール５１について、２５．８Ｇｂｉｔ／ｓ変調評価を行ったところ、各レーザモジュール５１とも、１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネット光伝送装置に搭載するレーザモジュールとして、十分な特性を示している。
【００７４】
同様に、当該実施形態に係る光送受信モジュールは、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０が搭載される光送信部と、公知の光受信部を備える光送受信モジュールである。光送受信モジュールの光送信部の構成は、レーザモジュール５１の構成と同様のものとする。
【００７５】
さらに、当該実施形態に係る光伝送装置は、レーザモジュール５１若しくは光送受信モジュールが搭載される光伝送装置である。光伝送装置の他の構成については、公知のものと同じである。
【００７６】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子は、変調器部と発振器部とを備える集積レーザ部を、同一半導体上にモノシリックに、４個備えるＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２である。第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０として、４個の素子Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３について説明したが、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２は、それら４個の素子を、それぞれ集積レーザ部として、備えている。すなわち、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の集積レーザ部は、それぞれ、１．３μｍ波長帯で伝送速度２５Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用に用いられ、４０℃から６０℃といった温度における駆動が可能である。それゆえ、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２は、４個集積レーザ部それぞれより光出力がされるので、４個の光出力部を有しており、ＷＤＭにより、伝送速度１００Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用に用いることが出来る。
【００７７】
図９は、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の上面図である。当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２において、図９に示すＡ−Ａ破線を貫く断面は、図１Ｂに示す断面であり、Ｂ−Ｂ破線を貫く断面は、図１Ｃに示す断面である。
【００７８】
４個の集積レーザ部それぞれの変調器部６の吸収端波長λＥＡは、５０℃において１２５９ｎｍとなるよう、変調器部６のＭＱＷ層４の組成が調整されている。また、４個の集積レーザ部それぞれの発振器部１１の発振波長λＤＦＢは、５０℃において、順に、１２９５．５ｎｍ、１３００．０ｎｍ、１３０４．５ｎｍ、１３０９．０ｎｍとなるように、回折格子の回折ピッチがそれぞれ設計され、回折格子層１０がそれぞれ形成されている。これら４個の集積レーザ部は、順に、第１の実施形態に係る４個の素子、Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に対応しており、それぞれ、集積レーザ部Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３とする。ここで、４個の集積レーザ部において、デチューニング量ΔＨは、順に、３６．５ｎｍ、４１．０ｎｍ、４５．５ｎｍ、５０．０ｎｍ（エネルギー換算すると、それぞれ、２７．８ｍｅＶ、３１．１ｍｅＶ、３４．３ｍｅＶ、３７．６ｍｅＶ）となっている。
【００７９】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の製造方法は、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の製造方法と、基本的には同じであり、メサストライプ形成工程の後、メサストライプ構造に対して、塩素系ガスによる表面処理を施す表面処理工程を行い、その後に、メサストライプ構造の両脇に埋め込み層１９を形成する埋め込み工程を行っている。
【００８０】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の製造方法は、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子５０の製造方法と、以下の点において主に異なる。
【００８１】
変調器半導体下層形成工程において、４個の集積レーザ部それぞれの変調器部６の吸収端波長λＥＡが５０℃においてともに１２５９ｎｍとなるように、各変調器部６のＭＱＷ層４のＩｎＧａＡｌＡｓの組成を調整する。
【００８２】
また、回折格子形成工程において、ＥＢ描画法によって、４個の集積レーザ部それぞれの発振器部１１の発振波長λＤＦＢが、５０℃において、順に、１２９５．５ｎｍ、１３００．０ｎｍ、１３０４．５ｎｍ、１３０９．０ｎｍとなるように、回折格子の回折ピッチをそれぞれ設計して、回折格子を形成する。
【００８３】
さらに、チップ化工程において、隣り合う４個の集積レーザ部を１個のチップとして劈開する。
【００８４】
以上の製造方法によって製造することにより、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２は、それぞれの集積レーザ部より、異なる発振波長λＤＦＢの光を出射することが出来る。
【００８５】
当該実施形態に係るＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２について、第１の実施形態と同様に、素子温度ＴＬＤ＝５０℃において、特性評価を行った。なお、この際、それぞれ導波路領域に高周波電圧が印加される４個の集積レーザ部が隣り合って配置されているので、チップキャリアに搭載する際、実装上の工夫を施す必要がある。
【００８６】
【表２】
【００８７】
表２は、当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の４個の集積レーザ部Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３における特性を表す表である。変調時光出力Ｐｍｏｄ及び変調時消光比ＡＣＥＲは、変調器部６の逆バイアス電圧Ｖｅａは表２に示す値により、また、変調電圧Ｖｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、特性評価を行っている。
【００８８】
当該ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子５２の４個の集積レーザ部において、デチューニング量ΔＨがそれぞれ異なっているので、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐｏは、集積レーザ部Ｌ３において最も大きくなっている。また、波長が長くなるにつれて、逆バイアス電圧Ｖｅａの絶対値を大きくすることにより、各集積レーザ部において、近い値の変調時消光比ＡＣＥＲが実現される。また、その他の特性についても駆動条件を変更することにより、１００Ｇｂｉｔ／ｓイーサーネット光伝送装置に搭載する素子として、十分な特性を示している。表面処理工程において、メサストライプ構造のＭＱＷ層４のＡｌ表面をクリーニングすることによって、良好な特性・信頼度を示すことが確認される。
【００８９】
以上、本発明に係る半導体光素子、レーザモジュールについて、説明した。本発明の特徴は、Ａｌを含む量子井戸層と、不純物が添加される半導体埋め込み層とを備えるＢＨ構造を有する変調器を備える半導体光素子において、メサストライプ構造を形成後、埋め込み層を形成する工程との間に、メサストライプ構造の両側の表面を、塩素系ガスを用いてクリーニングする工程を行うことにある。
【００９０】
Ａｌを含む量子井戸層とは、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ層であるが、１．５５μｍ波長帯に比べて、１．３μｍ波長帯のＥＡ変調器のＭＱＷ層に含まれるＡｌの含有率が高い。それゆえ、１．３μｍ波長帯のＥＡ変調器において、特性や信頼性の高い素子を製造することが困難であり、ので、１．３μｍ波長帯のＥＡ変調器に対して本発明を適用することにより、本発明の効果はさらに高まっている。埋め込み層の層厚は、３．５μｍ以上が望ましい。
【００９１】
また、半導体埋め込み層に添加する不純物としては、Ｒｕが望ましい。メサストライプ構造のｐ型層にｐ型ドーパントとして添加されるＺｎに対して、Ｆｅなどと比較して、相互拡散が抑制されるので、不純物をＲｕとすることにより、変調器の特性が向上する。
【００９２】
ＳＭＦを用いて、波長分散が小さい１．３μｍ波長帯の光伝送を行う場合、ＳＭＦの伝播損失は０．３〜０．４ｄＢ／ｋｍ程度と大きい。それゆえ、半導体光素子には、１．５５μｍ波長帯の光伝送よりも、より大きな光出力が求められている。
【００９３】
変調器部と、発振器部が同一半導体基板上にモノリシックに集積される変調器集積型半導体光素子において、変調器部と発振器部との間に導波路部を設け、発振器部の発振波長より組成波長の短いバルク導波路をなすコア層を備え、変調器部及び発振器部それぞれとバットジョイント接続するようコア層を形成するのが望ましい。これにより、変調器集積型半導体光素子の光出力特性はさらに向上することとなる。なお、コア層は、ＩｎＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｌＡｓのいずれかを用いて形成するのが、さらに望ましい。１．３μｍ波長帯の変調器集積型半導体光素子において、コア層の組成波長は１．２μｍ以下となるよう、コア層を形成するのが、さらに望ましい。
【００９４】
さらに、変調器部がＥＡ変調器で、発振器部がＤＦＢレーザからなるＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子において、デチューニング量ΔＨを２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下の範囲とするのが望ましい。すなわち、変調器部の吸収波長端の波長エネルギーより、発振器部の発振波長の波長エネルギーが、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下低くなるよう回折格子を形成するのが望ましい。これにより、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子の特性はさらに高まる。
【００９５】
また、本発明に係る半導体光素子は、上記ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子などのレーザとなる集積レーザ部が複数、同一基板上に集積されるレーザアレイ素子であってもよい。当該半導体光素子は、複数の光出力部を備えている。複数の集積レーザ部それぞれの変調器部は、変調器部の光閉じ込め層を形成する工程（変調器半導体下層形成工程）において、変調器部の吸収端波長λＥＡが同じ波長となるように形成し、複数の集積レーザ部それぞれの回折格子を形成する工程（回折格子形成工程）において、各集積レーザ部の発振波長λＤＦＢに応じて、回折格子を形成するのが望ましい。その際、各集積レーザ部のデチューニング量ΔＨがすべて、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下となっているのが、さらに望ましい。これにより、当該レーザアレイ素子の特性はさらに高まる。
【００９６】
また、半導体光素子の出射側端面の内側には、メサストライプ構造が存在していない窓構造を有しているのが望ましい。これにより、素子の特性はさらに高まる。半導体多層の所定の領域を除去することによりストライプ構造を形成するが、この工程において、該所定の領域に、窓構造となる領域を含めて、この領域にある半導体多層を除去する。さらに、埋め込み層を埋め込む工程において、この領域にも埋め込み層を形成する。これにより、ストライプ構造の先端が出射側の端面より内側に位置し、窓構造が形成される。窓構造の長さ、すなわち、ストライプ構造の先端から出射側端面までの距離が、５μｍ以上あるのが望ましい。このとき、出射側の端面から５μｍ以内となる領域は、ストライプ構造を形成する際に除去する領域に含まれることとなる。
【符号の説明】
【００９７】
１ ｎ型ＩｎＰ基板、２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、３ ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層、４ ＭＱＷ層、５ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層、６ 変調器部、７ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、８ ＭＱＷ層、９ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、１０ 回折格子層、１１ 発振器部、１２ 導波路部、１３，１４，１５ ＩｎＧａＡｓＰ層、１６ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１８ 窓構造、１９ 埋め込み層、２０ パッシベーション膜、２１ ｐ型電極、２２ ｎ型電極、２３ 高反射膜、２４ 反射防止膜、５０ ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子、５１ レーザモジュール、５２ ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザアレイ素子、１０２ チップキャリア、１０３ ペルチエ基板、１０４ サーミスタ、１０５ 前方出力光、１０６ 後方出力光、１０７ モニタフォトダイオード、１０８ 集光レンズ、１０９ ファイバー、１１０ パッケージ、１１１ レーザ駆動電流源、１１２ 変調器高周波信号源、１１３ ペルチエ駆動電流源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射方向に沿って入力される光を変調して出射する変調器部、を備える半導体光素子の製造方法であって、
前記変調器部は、
アルミニウムを含む量子井戸層を備えるとともに、メサストライプ構造を有する半導体多層と、
前記半導体多層の両側にそれぞれ隣接して配置されるとともに、不純物が添加される半導体埋め込み層と、を備え、
前記半導体多層の所定の領域を除去して、メサストライプ構造とする工程と、
前記半導体多層の両側の表面を、塩素系ガスを用いてクリーニングする工程と、
前記半導体多層の両側に、前記半導体埋め込み層を形成する工程と、を、
順に含むことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光素子の製造方法であって、
インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料として前記量子井戸層を形成する工程を、さらに備える、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記量子井戸を形成する工程において、
１．３μｍ波長帯に用いられる組成に調整して前記量子井戸層を形成する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体埋め込み層に添加される前記不純物とは、ルテニウムである、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体埋め込み層を形成する工程において、
層厚が３．５μｍ以上の前記半導体埋め込み層を形成する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体光素子は、
前記入力される光を出力する発振器部と、
前記発振器部と前記変調器部の間を接続するとともに、コア層を備える導波路部と、
をさらに備え、
前記発振器部と前記導波路部との間、及び、前記導波路部と前記発振器部との間を、パットジョイント接続し、前記コア層を形成する工程を、
さらに、含むことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記コア層を形成する工程において、
インジウムガリウム砒素燐、若しくは、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料として前記コア層を形成する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記変調器部は、電界吸収型変調器であり、
前記発振器部は、回折格子を備える分布帰還型半導体レーザであり、
前記変調器部の吸収波長端の波長エネルギーより、前記発振器部の発振波長の波長エネルギーが、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下低くなるよう回折格子を形成する工程を、さらに含む、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記変調器部は、複数の光出力部を有し、前記複数の光出力部それぞれより光を出力するとともに、前記複数の光出力部に対応して、前記メサストライプ構造を有する前記半導体多層を複数備え、
前記発振器部は、前記複数の光出力部にそれぞれに対応して前記回折格子を複数備え、
前記回折格子を形成する工程において、
前記複数の光出力部にそれぞれ対応する発振波長となるよう、前記複数の回折格子をそれぞれ形成する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記メサストライプ構造とする工程において、前記半導体多層の所定の領域に、前記半導体光素子の光の出射側の端面から５μｍ以内となる領域を含んでいるとともに、
前記半導体埋め込み層を形成する工程において、該領域を、前記半導体埋め込み層を形成することにより窓構造を形成する、
ことを特徴とする、半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法によって製造される半導体光素子を備える、レーザモジュール。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法によって製造される半導体光素子を備える、光伝送装置。
【請求項１】
出射方向に沿って入力される光を変調して出射する変調器部、を備える半導体光素子の製造方法であって、
前記変調器部は、
アルミニウムを含む量子井戸層を備えるとともに、メサストライプ構造を有する半導体多層と、
前記半導体多層の両側にそれぞれ隣接して配置されるとともに、不純物が添加される半導体埋め込み層と、を備え、
前記半導体多層の所定の領域を除去して、メサストライプ構造とする工程と、
前記半導体多層の両側の表面を、塩素系ガスを用いてクリーニングする工程と、
前記半導体多層の両側に、前記半導体埋め込み層を形成する工程と、を、
順に含むことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光素子の製造方法であって、
インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料として前記量子井戸層を形成する工程を、さらに備える、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記量子井戸を形成する工程において、
１．３μｍ波長帯に用いられる組成に調整して前記量子井戸層を形成する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体埋め込み層に添加される前記不純物とは、ルテニウムである、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体埋め込み層を形成する工程において、
層厚が３．５μｍ以上の前記半導体埋め込み層を形成する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体光素子は、
前記入力される光を出力する発振器部と、
前記発振器部と前記変調器部の間を接続するとともに、コア層を備える導波路部と、
をさらに備え、
前記発振器部と前記導波路部との間、及び、前記導波路部と前記発振器部との間を、パットジョイント接続し、前記コア層を形成する工程を、
さらに、含むことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記コア層を形成する工程において、
インジウムガリウム砒素燐、若しくは、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料として前記コア層を形成する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記変調器部は、電界吸収型変調器であり、
前記発振器部は、回折格子を備える分布帰還型半導体レーザであり、
前記変調器部の吸収波長端の波長エネルギーより、前記発振器部の発振波長の波長エネルギーが、２３ｍｅＶ以上４０ｍｅＶ以下低くなるよう回折格子を形成する工程を、さらに含む、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記変調器部は、複数の光出力部を有し、前記複数の光出力部それぞれより光を出力するとともに、前記複数の光出力部に対応して、前記メサストライプ構造を有する前記半導体多層を複数備え、
前記発振器部は、前記複数の光出力部にそれぞれに対応して前記回折格子を複数備え、
前記回折格子を形成する工程において、
前記複数の光出力部にそれぞれ対応する発振波長となるよう、前記複数の回折格子をそれぞれ形成する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記メサストライプ構造とする工程において、前記半導体多層の所定の領域に、前記半導体光素子の光の出射側の端面から５μｍ以内となる領域を含んでいるとともに、
前記半導体埋め込み層を形成する工程において、該領域を、前記半導体埋め込み層を形成することにより窓構造を形成する、
ことを特徴とする、半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法によって製造される半導体光素子を備える、レーザモジュール。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法によって製造される半導体光素子を備える、光伝送装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２９２９（Ｐ２０１２−２９２９Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３６２２０（Ｐ２０１０−１３６２２０）
【出願日】平成２２年６月１５日（２０１０．６．１５）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１５日（２０１０．６．１５）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
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