半導体光素子及び半導体光素子の製造方法
【課題】従来よりも容易に反射光を低減することができる半導体光素子及び半導体光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体光素子1は、結晶層により構成される光導波路部16を含む。光導波路部16には、先細の先端部16aが形成されている。光導波路部16の先端部16aに、結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った、光が出射される端面16bが形成されている。
【解決手段】半導体光素子1は、結晶層により構成される光導波路部16を含む。光導波路部16には、先細の先端部16aが形成されている。光導波路部16の先端部16aに、結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った、光が出射される端面16bが形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体光素子及び半導体光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、光通信による情報の伝送量が飛躍的に増大している。このような光通信の基盤を支えているのが電界吸収型(EA:Electro Absorption)変調器集積型DFB(Distributed Feed Back)(EA/DFB)レーザなどの半導体光素子である。EA/DFB素子は、レーザ部を連続発振状態として、DFBレーザから出射された光をEA変調器に逆バイアスの電圧をかけることによりEA変調器での光の吸収量を変化させ高速変調を行っている。このため、EA/DFB素子は、レーザに流れる電流のON/OFFによって変調光を生成する直接変調方式の素子と比較して低チャープ特性であり、LN変調方式の素子などと比較して安価かつ小型であることから、中、長距離通信に用いられる半導体光素子として多用されている。
【0003】
ところで、半導体光素子は、内部の光の状態によって大きく特性が変わるため、外部より半導体素子内に光が入力されると動作状態が変わることとなる。また、素子が出射した光の反射にも敏感であり、出射した光が素子内に戻ると動作状態が不安定になる。半導体は屈折率が3程度と大きく、空気との境界である半導体光素子の端面で大きな反射が起こるため、通常、半導体光素子の出射端面には誘電体多層膜により低反射膜が形成されている。さらに、反射光を低減する必要がある場合には、素子端面近傍で光の閉じ込めを行わない構造、いわゆる窓構造を採用する場合がある。図13は、比較例の半導体光素子100の窓構造部124を上面から見た様子の一例を示す平面図である。図13に示す半導体光素子100では、光導波路部116を半導体光素子100の端面までは作製せず、半導体光素子100の端面近傍で光の閉じ込めを行わないことによってビームを拡大している。そのため、仮に、半導体光素子100の端面で光の反射が起こったとしても、戻り光が光導波路部116に光結合する割合は小さくなることとなる。
【0004】
DFBレーザにおいて、反射光がレーザに戻った場合、光出力−電流特性に折れ曲がり(キンク)が発生する。また、EA/DFB素子のように連続発振しているレーザに対してEA変調器で変調された反射光が戻ってきた場合は、反射光によってDFBレーザが揺らされ、本来EA変調器に印加されている電気信号とは異なる光の揺らぎが発生するため、光の周波数応答特性にピークやディップが発生し、アイパターンに光強度の揺らぎやジッタが発生し、その結果、伝送特性が劣化する。
【0005】
反射率を低減する窓構造は、光導波路部116の延長線上に低屈折率の半導体を埋込再成長させることによって形成される。そして、光導波路部116(コア部)と窓構造部124とは屈折率が異なるため、その境界で光の反射が起こる。この反射率を低減する技術として、特許文献1には、窓構造部とコア部との間の界面を、結晶成長時の結晶面方位を用いて斜めにする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2000−188441号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、結晶面方位を用いて窓構造部と光導波路部(コア部)との間の界面を斜めにすると、光導波路部の光軸方向に対する光導波路部の先端部の端面の角度が結晶面方位によって定まってしまうので、レーザから出射される光の波長帯が変わったときなどに、反射率の低減効果が最大になるように半導体光素子を製造することが困難となる。伝送速度が高速である通信システムにおいては、反射光の影響が大きいので、半導体光素子の性能を最大限引き出すためには、反射光をできるだけ低減することが求められる。
【0008】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、従来よりも容易に反射光を低減することができる半導体光素子及び半導体光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光素子は、結晶層により構成される光導波路部を含み、前記光導波路部には、先細の先端部が形成されており、前記光導波路部の先端部に、前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った、光が出射される端面が形成されていることを特徴とする。
【0010】
また、本発明に係る半導体光素子の製造方法は、結晶層により構成される光導波路部を形成する工程と、前記光導波路部の先端部が先細になるよう前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面を形成する工程と、含むことを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、光導波路部の先端部の端面の角度が、結晶面方位によって定まる角度に限定されないので、反射光を従来技術よりも容易に低減することができる。
【0012】
本発明の一態様では、前記光導波路部が基板上に形成されており、前記先端部に、前記基板の面に対して垂直な方向に対応する方向に沿った前記端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも端面を容易に形成することができる。
【0013】
また、本発明の一態様では、前記先端部の、前記光導波路部の光軸に沿った方向の長さが、前記光導波路部から出射される光の半波長の整数倍の長さに対応していることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも端面における光の反射率を低減することができる。
【0014】
また、本発明の一態様では、前記光導波路部を通る光の前記端面への入射角が臨界角を超えないよう、前記端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、端面において光が全反射しなくなる。
【0015】
また、本発明の一態様では、前記光導波路部の前記端面側に窓構造部が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも反射戻り光が光導波路に結合する可能性を低減することができる。
【0016】
また、本発明の一態様では、前記先端部に、前記光導波路部の光軸に対して略対称な、互いに異なる方向に沿った複数の端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも光導波路部から出射される光の光導波路の光軸に対する曲がり具合を低減することができる。
【0017】
また、本発明の一態様では、半導体レーザ部と光変調部とが集積されていることを特徴とする。
【0018】
また、本発明の一態様では、前記端面が、ドライエッチングにより形成されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の概略構成の一例を示す一部切り欠き斜視図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示すフロー図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図5】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図6】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図7】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図8】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図9】図8に示す半導体光素子の光導波路部の先端部付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。
【図10】半導体レーザ部から発振される光の波長と、パワー反射率との関係の一例を示す図である。
【図11】本発明の第2実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図12】図11に示す半導体光素子の光導波路部の先端部付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。
【図13】比較例の半導体光素子の窓構造部を上面から見た様子の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
【0021】
図1は、第1実施形態に係る半導体光素子1(例えば、EA/DFB素子)の概略構成の一例を示す一部切り欠き斜視図である。第1実施形態に係る半導体光素子1は、InGaAsP系材料を用いた1.55μm帯の半導体光素子1である。図1に示すように、第1実施形態に係る半導体光素子1は、半導体基板10上に、半導体レーザ部12(例えば、DFBレーザ部)と、光変調部14(例えば、EA変調器)と、が集積されている。第1実施形態では、半導体レーザ部12と、光変調部14と、によって、光導波路部16が構成されている。そして、光導波路部16の上には、p−クラッド層18が形成されている。そして、半導体レーザ部12と、光変調部14と、p−クラッド層18とは、高抵抗半導体20に埋め込まれている。そして、p−クラッド層18の上面と高抵抗半導体20の上面とは同一平面上にあり、その面の上には、2つの電極22が設けられている。
【0022】
第1実施形態に係る半導体光素子1では、半導体レーザ部12から発振される光が光変調部14により変調され、半導体光素子1の外部へと出射される。そして、第1実施形態に係る半導体光素子1の、光が出射される端面は誘電体多層膜などによって無反射コーティングがされている。また、半導体光素子1の、光が出射される端面付近には、窓構造部24が形成されている。
【0023】
ここで、第1実施形態に係る半導体光素子1の製造工程の一例を、図2に示すフロー図を参照しながら説明する。なお、図3〜図8は、半導体光素子1の製造工程の一例を示す斜視図である。
【0024】
まず、図3に示すように、n−InPである半導体基板10上に、半導体レーザ部12を構成するDFBレーザ多層を結晶成長する(S101)。そして、図4に示すように、半導体レーザ部12を構成するDFBレーザ多層の一部のみを残して、半導体レーザ部12をエッチングする(S102)。そして、図5に示すように、バットジョイント技術を用いて、光変調部14を構成するEA多層を形成する(S103)。そして、半導体レーザ部12に回折格子を形成する(S104)。そして、その後に、図6に示すように、亜鉛を1017cm−3程度ドーピングしたp−クラッド層18を結晶成長する(S105)。
【0025】
そして、図7に示すようにドライエッチングにより、半導体光素子1のメサ構造の形成を行う(S106)。このようにして、半導体レーザ部12と、光変調部14と、を含む光導波路部16が形成される。第1実施形態に係る半導体光素子1では、光導波路部16の先端部16aは先細となるように形成される。そして、この先端部16aには、EA変調器部14を構成する結晶層(EA多層)の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面16bが形成される。また、第1実施形態に係る半導体光素子1では、先端部16aの端面16bは、ドライエッチングにより、半導体基板10の上面に対して垂直な方向に対応する方向に沿って形成される。
【0026】
そして、図8に示すように、メサ周囲を高抵抗半導体20(例えば、Fe−InPやRu−InPなど)によって埋込結晶成長する(S107)。そして、半導体光素子1の上面に電極22を配置する(S108)。そして、半導体光素子1の、光が出射される端面に、無反射コーティングを行う(S109)。
【0027】
このようにして、第1実施形態に係る半導体光素子1が形成される。そして、第1実施形態に係る半導体光素子1は、光導波路部16の先端部16aの端面側に窓構造部24が形成されている。
【0028】
第1実施形態に係る半導体光素子1では、半導体レーザ部12から出射される光が、光変調部14で変調され、光導波路部16の先端部16aの端面16bから窓構造部24、無反射コーディングされた半導体光素子1の端面、を経由して、外部へと出射する。
【0029】
図9は、図8に示す半導体光素子1の光導波路部16の先端部16a付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。ここで、端面16bにおける光の反射率を低減するための、先端部16aの光導波路部16の光軸方向に沿った長さLを、端面16bにおける反射波が相殺されるよう以下のように決定した。位相が2Nπ(N=1、2、3・・・)ずれた反射波が重なり合ったとき、端面16bにおける光の反射率が最小となる。そのため、光導波路部16の等価屈折率をn_eff、高抵抗半導体20の屈折率をn1、光導波路部16の先端部16aの平均屈折率は、(n_eff+n1)/2、とすると、端面16bにおける光の反射率を低減するためには、先端部16aの光導波路部16の光軸方向に沿った長さLを、次式に示す値に設定することが望ましい。すなわち、長さLを、光導波路部16から出射される光の先端部16aにおける半波長の整数倍の長さに対応するよう設定することが望ましい。
【0030】
【数1】
【0031】
ここで、Nの値が大きくなると、端面16bと、光導波路部16の光軸とのなす角度が小さくなっていく。すなわち、光導波路部16を通る光の、端面16bへの入射角θが大きくなっていく。ここで、第1実施形態に係る半導体光素子1では、光導波路部16を通る光の、端面16bへの入射角θが、臨界角を超えないよう、スネルの法則に基づき、長さLが次式に示す条件を充足するように端面16bが形成されている。なお、次式において、Wmは光導波路部16の幅(メサ幅)を示している。
【0032】
【数2】
【0033】
第1実施形態に係る半導体光素子1における上述の長さLの値は、例えば、1.45μmである。なお、この長さLは、N=6の場合に対応している。
【0034】
ここで、先端部16aと、窓構造部24と、の境界面(端面16b)における反射について説明する。
【0035】
例えば、端面16bが、光導波路部16に先細の先端部16aが形成されていない場合(例えば、光導波路部16の光軸に対して垂直となるよう形成されている場合)における、光導波路部16の先端部16aの端面16bでのパワー反射率Rは、フレネルの公式より、次式で定義される。なお、次式においてrは反射係数を表す。
【0036】
【数3】
【0037】
ここで、光導波路部16の等価屈折率n_effを3.2、高抵抗半導体20の屈折率n1を3.167、光導波路部16の先端部16aの幅Wmを1.3μm、半導体レーザ部12から発振される光の波長λを1550nmとした場合には、パワー反射率Rは、−45dBとなる。
【0038】
一方、第1実施形態に係る半導体光素子1については、先端部16aを、屈折率が段階的に変化する微小領域を積層した多重反射構造と同等であると考え、各微小領域での多重反射を積層計算していくことによってパワー反射率を計算する。例えば、L=1.45μmとした場合(N=6に対応)における、半導体レーザ部12から発振される光の波長λと、パワー反射率Rとの関係の一例を、図10に例示する。なお、図10には、光導波路部16の光軸に対して垂直となるよう形成されている場合における、半導体レーザ部12から発振される光の波長λと、光導波路部16の先端部16aの端面16bでのパワー反射率Rと、の関係(上述のN=0に対応する)の一例も示されている。
【0039】
図10に示すように、半導体レーザ部12から発振される光の波長λが1500nmから1600nmである場合においては、反射率Rが−75dB以下となっている。このように、第1実施形態に係る半導体光素子1では、従来技術よりも大幅に反射率を低減することができる。また、上述の場合には、光導波路部16を通る光の、先端部16aの端面16bへの入射角θは、臨界角に対して、33度の余裕がある。
【0040】
第1実施形態に係る半導体光素子1の特性を評価したところ、第1実施形態に係る半導体光素子1は、光導波路部16の先端部16aが光導波路部16の光軸に対して垂直になるよう作製していた半導体光素子1と比較して、30dB以上の反射率低減効果が得られた。この反射率低減効果によって、従来起こっていた半導体光素子1の光出力−電流特性の折れ曲がり及びアイパターンのハイレベルの揺らぎ、ジッタが、従来の半導体光素子1と比較して改善していることが確認された。
【0041】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【0042】
[第2実施形態]
図11は、図7に対応する、第2実施形態に係る半導体光素子1の製造工程の一例を示す斜視図である。図12は、図9に対応する、第2実施形態に係る半導体光素子1の光導波路部16の先端部16a付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。
【0043】
図11及び図12に示すように、第2実施形態に係る半導体光素子1では、先端部16aの形状が光導波路部16の光軸に対して略対称となるよう先端部16aの端面16bが形成されている。図11及び図12に示す半導体光素子1では、例えば、先端部16aの形状が光導波路部16の光軸に対して対称となるよう2つの端面16bが形成されている。
【0044】
第1実施形態に係る半導体光素子1では、端面16bが1つであり、光導波路部16の光軸に対して斜めになっているので、光導波路部16から出射される光が光導波路部16の光軸に対して約1度曲がる。一方、第2実施形態に係る半導体光素子1では、光導波路部16から出射される光が光導波路部16の光軸に沿って出射される。例えば、光導波路部16と、高抵抗半導体20と、の屈折率の差が大きく、出射光の曲がり角度が大きい半導体光素子1においては、第2実施形態に係る半導体光素子1のように、先端部16aの形状が光導波路部16の光軸に対して対称となるよう先端部16aの端面16bを形成することは有効となる。
【0045】
第2実施形態に係る半導体光素子1の製造工程は、S106を除いては、第1実施形態に係る半導体光素子1の製造工程と同様である。第2実施形態に係る半導体光素子1では、S106において、半導体光素子1の先端部16aの形状が光導波路部16の光軸に対して対称となるよう2つの端面16bを形成する。
【0046】
端面16bにおける光の反射率を低減するためには、先端部16aの光導波路部16の光軸方向に沿った長さLを、上述の式(1)に示す値に設定することが望ましい。
【0047】
また、第2実施形態に係る半導体光素子1では、光導波路部16を通る光の、先端部16aの端面16bへの入射角θが、臨界角を超えないよう、スネルの法則に基づき、長さLが次式に示す条件を充足するように、先端部16aの端面16bが形成されている。なお、次式において、Wmは光導波路部16の幅(メサ幅)を示している。
【0048】
【数4】
【0049】
第2実施形態に係る半導体光素子1における上述の長さLの値は、例えば、1.45μmである。なお、この長さLは、N=6の場合に対応している。
【0050】
第2実施形態に係る半導体光素子1での、例えば、L=1.45μmとした場合(N=6に対応)における、半導体レーザ部12から発振される光の波長λと、パワー反射率Rとの関係は、第1実施形態に係る半導体光素子1と同様(図10参照)である。また、この場合には、光導波路部16を通る光の、先端部16aの端面16bへの入射角θは、臨界角に対して、16度の余裕がある。
【0051】
第2実施形態に係る半導体光素子1でも、第1実施形態に係る半導体光素子1と同様に、光導波路部16に先細の先端部16aが形成されていない半導体光素子1(例えば、光導波路部16の先端部16aが光導波路部16の光軸に対して垂直になるよう作製した半導体光素子1)と比較して、30dB以上の反射率低減効果が得られた。この反射率低減効果によって、従来起こっていた半導体光素子1の光出力−電流特性の折れ曲がり及びアイパターンのハイレベルの揺らぎ、ジッタが、従来の半導体光素子1と比較して改善していることが確認された。
【0052】
なお、本発明は上記実施形態にも限定されるものではない。
【0053】
例えば、通信波長帯である1.3μm帯にも本発明は適用可能である。また、InGaAlAsやGaInNAsなどの他の化合物半導体材料を用いた半導体光素子1にも本発明は適用可能である。また、半導体光増幅器(SOA)を含む半導体光素子や、マッハツェンダー型変調器を含む半導体光素子に対して本発明を適用しても構わない。また、半導体光素子が備える半導体レーザの基本構造は限定されない。半導体光素子が備える半導体レーザの基本構造が埋込型構造であってもリッジ型構造であっても構わない。
【符号の説明】
【0054】
1 半導体光素子、10 半導体基板、12 半導体レーザ部、14 光変調部、16 光導波路部、16a 先端部、16b 端面、18 p−クラッド層、20 高抵抗半導体、22 電極、24 窓構造部、100 半導体光素子、116 光導波路部、124 窓構造部。
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体光素子及び半導体光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、光通信による情報の伝送量が飛躍的に増大している。このような光通信の基盤を支えているのが電界吸収型(EA:Electro Absorption)変調器集積型DFB(Distributed Feed Back)(EA/DFB)レーザなどの半導体光素子である。EA/DFB素子は、レーザ部を連続発振状態として、DFBレーザから出射された光をEA変調器に逆バイアスの電圧をかけることによりEA変調器での光の吸収量を変化させ高速変調を行っている。このため、EA/DFB素子は、レーザに流れる電流のON/OFFによって変調光を生成する直接変調方式の素子と比較して低チャープ特性であり、LN変調方式の素子などと比較して安価かつ小型であることから、中、長距離通信に用いられる半導体光素子として多用されている。
【0003】
ところで、半導体光素子は、内部の光の状態によって大きく特性が変わるため、外部より半導体素子内に光が入力されると動作状態が変わることとなる。また、素子が出射した光の反射にも敏感であり、出射した光が素子内に戻ると動作状態が不安定になる。半導体は屈折率が3程度と大きく、空気との境界である半導体光素子の端面で大きな反射が起こるため、通常、半導体光素子の出射端面には誘電体多層膜により低反射膜が形成されている。さらに、反射光を低減する必要がある場合には、素子端面近傍で光の閉じ込めを行わない構造、いわゆる窓構造を採用する場合がある。図13は、比較例の半導体光素子100の窓構造部124を上面から見た様子の一例を示す平面図である。図13に示す半導体光素子100では、光導波路部116を半導体光素子100の端面までは作製せず、半導体光素子100の端面近傍で光の閉じ込めを行わないことによってビームを拡大している。そのため、仮に、半導体光素子100の端面で光の反射が起こったとしても、戻り光が光導波路部116に光結合する割合は小さくなることとなる。
【0004】
DFBレーザにおいて、反射光がレーザに戻った場合、光出力−電流特性に折れ曲がり(キンク)が発生する。また、EA/DFB素子のように連続発振しているレーザに対してEA変調器で変調された反射光が戻ってきた場合は、反射光によってDFBレーザが揺らされ、本来EA変調器に印加されている電気信号とは異なる光の揺らぎが発生するため、光の周波数応答特性にピークやディップが発生し、アイパターンに光強度の揺らぎやジッタが発生し、その結果、伝送特性が劣化する。
【0005】
反射率を低減する窓構造は、光導波路部116の延長線上に低屈折率の半導体を埋込再成長させることによって形成される。そして、光導波路部116(コア部)と窓構造部124とは屈折率が異なるため、その境界で光の反射が起こる。この反射率を低減する技術として、特許文献1には、窓構造部とコア部との間の界面を、結晶成長時の結晶面方位を用いて斜めにする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2000−188441号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、結晶面方位を用いて窓構造部と光導波路部(コア部)との間の界面を斜めにすると、光導波路部の光軸方向に対する光導波路部の先端部の端面の角度が結晶面方位によって定まってしまうので、レーザから出射される光の波長帯が変わったときなどに、反射率の低減効果が最大になるように半導体光素子を製造することが困難となる。伝送速度が高速である通信システムにおいては、反射光の影響が大きいので、半導体光素子の性能を最大限引き出すためには、反射光をできるだけ低減することが求められる。
【0008】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、従来よりも容易に反射光を低減することができる半導体光素子及び半導体光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光素子は、結晶層により構成される光導波路部を含み、前記光導波路部には、先細の先端部が形成されており、前記光導波路部の先端部に、前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った、光が出射される端面が形成されていることを特徴とする。
【0010】
また、本発明に係る半導体光素子の製造方法は、結晶層により構成される光導波路部を形成する工程と、前記光導波路部の先端部が先細になるよう前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面を形成する工程と、含むことを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、光導波路部の先端部の端面の角度が、結晶面方位によって定まる角度に限定されないので、反射光を従来技術よりも容易に低減することができる。
【0012】
本発明の一態様では、前記光導波路部が基板上に形成されており、前記先端部に、前記基板の面に対して垂直な方向に対応する方向に沿った前記端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも端面を容易に形成することができる。
【0013】
また、本発明の一態様では、前記先端部の、前記光導波路部の光軸に沿った方向の長さが、前記光導波路部から出射される光の半波長の整数倍の長さに対応していることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも端面における光の反射率を低減することができる。
【0014】
また、本発明の一態様では、前記光導波路部を通る光の前記端面への入射角が臨界角を超えないよう、前記端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、端面において光が全反射しなくなる。
【0015】
また、本発明の一態様では、前記光導波路部の前記端面側に窓構造部が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも反射戻り光が光導波路に結合する可能性を低減することができる。
【0016】
また、本発明の一態様では、前記先端部に、前記光導波路部の光軸に対して略対称な、互いに異なる方向に沿った複数の端面が形成されていることを特徴とする。こうすれば、従来技術よりも光導波路部から出射される光の光導波路の光軸に対する曲がり具合を低減することができる。
【0017】
また、本発明の一態様では、半導体レーザ部と光変調部とが集積されていることを特徴とする。
【0018】
また、本発明の一態様では、前記端面が、ドライエッチングにより形成されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の概略構成の一例を示す一部切り欠き斜視図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示すフロー図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図5】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図6】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図7】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図8】本発明の第1実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図9】図8に示す半導体光素子の光導波路部の先端部付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。
【図10】半導体レーザ部から発振される光の波長と、パワー反射率との関係の一例を示す図である。
【図11】本発明の第2実施形態に係る半導体光素子の製造工程の一例を示す斜視図である。
【図12】図11に示す半導体光素子の光導波路部の先端部付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。
【図13】比較例の半導体光素子の窓構造部を上面から見た様子の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
【0021】
図1は、第1実施形態に係る半導体光素子1(例えば、EA/DFB素子)の概略構成の一例を示す一部切り欠き斜視図である。第1実施形態に係る半導体光素子1は、InGaAsP系材料を用いた1.55μm帯の半導体光素子1である。図1に示すように、第1実施形態に係る半導体光素子1は、半導体基板10上に、半導体レーザ部12(例えば、DFBレーザ部)と、光変調部14(例えば、EA変調器)と、が集積されている。第1実施形態では、半導体レーザ部12と、光変調部14と、によって、光導波路部16が構成されている。そして、光導波路部16の上には、p−クラッド層18が形成されている。そして、半導体レーザ部12と、光変調部14と、p−クラッド層18とは、高抵抗半導体20に埋め込まれている。そして、p−クラッド層18の上面と高抵抗半導体20の上面とは同一平面上にあり、その面の上には、2つの電極22が設けられている。
【0022】
第1実施形態に係る半導体光素子1では、半導体レーザ部12から発振される光が光変調部14により変調され、半導体光素子1の外部へと出射される。そして、第1実施形態に係る半導体光素子1の、光が出射される端面は誘電体多層膜などによって無反射コーティングがされている。また、半導体光素子1の、光が出射される端面付近には、窓構造部24が形成されている。
【0023】
ここで、第1実施形態に係る半導体光素子1の製造工程の一例を、図2に示すフロー図を参照しながら説明する。なお、図3〜図8は、半導体光素子1の製造工程の一例を示す斜視図である。
【0024】
まず、図3に示すように、n−InPである半導体基板10上に、半導体レーザ部12を構成するDFBレーザ多層を結晶成長する(S101)。そして、図4に示すように、半導体レーザ部12を構成するDFBレーザ多層の一部のみを残して、半導体レーザ部12をエッチングする(S102)。そして、図5に示すように、バットジョイント技術を用いて、光変調部14を構成するEA多層を形成する(S103)。そして、半導体レーザ部12に回折格子を形成する(S104)。そして、その後に、図6に示すように、亜鉛を1017cm−3程度ドーピングしたp−クラッド層18を結晶成長する(S105)。
【0025】
そして、図7に示すようにドライエッチングにより、半導体光素子1のメサ構造の形成を行う(S106)。このようにして、半導体レーザ部12と、光変調部14と、を含む光導波路部16が形成される。第1実施形態に係る半導体光素子1では、光導波路部16の先端部16aは先細となるように形成される。そして、この先端部16aには、EA変調器部14を構成する結晶層(EA多層)の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面16bが形成される。また、第1実施形態に係る半導体光素子1では、先端部16aの端面16bは、ドライエッチングにより、半導体基板10の上面に対して垂直な方向に対応する方向に沿って形成される。
【0026】
そして、図8に示すように、メサ周囲を高抵抗半導体20(例えば、Fe−InPやRu−InPなど)によって埋込結晶成長する(S107)。そして、半導体光素子1の上面に電極22を配置する(S108)。そして、半導体光素子1の、光が出射される端面に、無反射コーティングを行う(S109)。
【0027】
このようにして、第1実施形態に係る半導体光素子1が形成される。そして、第1実施形態に係る半導体光素子1は、光導波路部16の先端部16aの端面側に窓構造部24が形成されている。
【0028】
第1実施形態に係る半導体光素子1では、半導体レーザ部12から出射される光が、光変調部14で変調され、光導波路部16の先端部16aの端面16bから窓構造部24、無反射コーディングされた半導体光素子1の端面、を経由して、外部へと出射する。
【0029】
図9は、図8に示す半導体光素子1の光導波路部16の先端部16a付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。ここで、端面16bにおける光の反射率を低減するための、先端部16aの光導波路部16の光軸方向に沿った長さLを、端面16bにおける反射波が相殺されるよう以下のように決定した。位相が2Nπ(N=1、2、3・・・)ずれた反射波が重なり合ったとき、端面16bにおける光の反射率が最小となる。そのため、光導波路部16の等価屈折率をn_eff、高抵抗半導体20の屈折率をn1、光導波路部16の先端部16aの平均屈折率は、(n_eff+n1)/2、とすると、端面16bにおける光の反射率を低減するためには、先端部16aの光導波路部16の光軸方向に沿った長さLを、次式に示す値に設定することが望ましい。すなわち、長さLを、光導波路部16から出射される光の先端部16aにおける半波長の整数倍の長さに対応するよう設定することが望ましい。
【0030】
【数1】
【0031】
ここで、Nの値が大きくなると、端面16bと、光導波路部16の光軸とのなす角度が小さくなっていく。すなわち、光導波路部16を通る光の、端面16bへの入射角θが大きくなっていく。ここで、第1実施形態に係る半導体光素子1では、光導波路部16を通る光の、端面16bへの入射角θが、臨界角を超えないよう、スネルの法則に基づき、長さLが次式に示す条件を充足するように端面16bが形成されている。なお、次式において、Wmは光導波路部16の幅(メサ幅)を示している。
【0032】
【数2】
【0033】
第1実施形態に係る半導体光素子1における上述の長さLの値は、例えば、1.45μmである。なお、この長さLは、N=6の場合に対応している。
【0034】
ここで、先端部16aと、窓構造部24と、の境界面(端面16b)における反射について説明する。
【0035】
例えば、端面16bが、光導波路部16に先細の先端部16aが形成されていない場合(例えば、光導波路部16の光軸に対して垂直となるよう形成されている場合)における、光導波路部16の先端部16aの端面16bでのパワー反射率Rは、フレネルの公式より、次式で定義される。なお、次式においてrは反射係数を表す。
【0036】
【数3】
【0037】
ここで、光導波路部16の等価屈折率n_effを3.2、高抵抗半導体20の屈折率n1を3.167、光導波路部16の先端部16aの幅Wmを1.3μm、半導体レーザ部12から発振される光の波長λを1550nmとした場合には、パワー反射率Rは、−45dBとなる。
【0038】
一方、第1実施形態に係る半導体光素子1については、先端部16aを、屈折率が段階的に変化する微小領域を積層した多重反射構造と同等であると考え、各微小領域での多重反射を積層計算していくことによってパワー反射率を計算する。例えば、L=1.45μmとした場合(N=6に対応)における、半導体レーザ部12から発振される光の波長λと、パワー反射率Rとの関係の一例を、図10に例示する。なお、図10には、光導波路部16の光軸に対して垂直となるよう形成されている場合における、半導体レーザ部12から発振される光の波長λと、光導波路部16の先端部16aの端面16bでのパワー反射率Rと、の関係(上述のN=0に対応する)の一例も示されている。
【0039】
図10に示すように、半導体レーザ部12から発振される光の波長λが1500nmから1600nmである場合においては、反射率Rが−75dB以下となっている。このように、第1実施形態に係る半導体光素子1では、従来技術よりも大幅に反射率を低減することができる。また、上述の場合には、光導波路部16を通る光の、先端部16aの端面16bへの入射角θは、臨界角に対して、33度の余裕がある。
【0040】
第1実施形態に係る半導体光素子1の特性を評価したところ、第1実施形態に係る半導体光素子1は、光導波路部16の先端部16aが光導波路部16の光軸に対して垂直になるよう作製していた半導体光素子1と比較して、30dB以上の反射率低減効果が得られた。この反射率低減効果によって、従来起こっていた半導体光素子1の光出力−電流特性の折れ曲がり及びアイパターンのハイレベルの揺らぎ、ジッタが、従来の半導体光素子1と比較して改善していることが確認された。
【0041】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【0042】
[第2実施形態]
図11は、図7に対応する、第2実施形態に係る半導体光素子1の製造工程の一例を示す斜視図である。図12は、図9に対応する、第2実施形態に係る半導体光素子1の光導波路部16の先端部16a付近を上から見た様子の一例を示す平面図である。
【0043】
図11及び図12に示すように、第2実施形態に係る半導体光素子1では、先端部16aの形状が光導波路部16の光軸に対して略対称となるよう先端部16aの端面16bが形成されている。図11及び図12に示す半導体光素子1では、例えば、先端部16aの形状が光導波路部16の光軸に対して対称となるよう2つの端面16bが形成されている。
【0044】
第1実施形態に係る半導体光素子1では、端面16bが1つであり、光導波路部16の光軸に対して斜めになっているので、光導波路部16から出射される光が光導波路部16の光軸に対して約1度曲がる。一方、第2実施形態に係る半導体光素子1では、光導波路部16から出射される光が光導波路部16の光軸に沿って出射される。例えば、光導波路部16と、高抵抗半導体20と、の屈折率の差が大きく、出射光の曲がり角度が大きい半導体光素子1においては、第2実施形態に係る半導体光素子1のように、先端部16aの形状が光導波路部16の光軸に対して対称となるよう先端部16aの端面16bを形成することは有効となる。
【0045】
第2実施形態に係る半導体光素子1の製造工程は、S106を除いては、第1実施形態に係る半導体光素子1の製造工程と同様である。第2実施形態に係る半導体光素子1では、S106において、半導体光素子1の先端部16aの形状が光導波路部16の光軸に対して対称となるよう2つの端面16bを形成する。
【0046】
端面16bにおける光の反射率を低減するためには、先端部16aの光導波路部16の光軸方向に沿った長さLを、上述の式(1)に示す値に設定することが望ましい。
【0047】
また、第2実施形態に係る半導体光素子1では、光導波路部16を通る光の、先端部16aの端面16bへの入射角θが、臨界角を超えないよう、スネルの法則に基づき、長さLが次式に示す条件を充足するように、先端部16aの端面16bが形成されている。なお、次式において、Wmは光導波路部16の幅(メサ幅)を示している。
【0048】
【数4】
【0049】
第2実施形態に係る半導体光素子1における上述の長さLの値は、例えば、1.45μmである。なお、この長さLは、N=6の場合に対応している。
【0050】
第2実施形態に係る半導体光素子1での、例えば、L=1.45μmとした場合(N=6に対応)における、半導体レーザ部12から発振される光の波長λと、パワー反射率Rとの関係は、第1実施形態に係る半導体光素子1と同様(図10参照)である。また、この場合には、光導波路部16を通る光の、先端部16aの端面16bへの入射角θは、臨界角に対して、16度の余裕がある。
【0051】
第2実施形態に係る半導体光素子1でも、第1実施形態に係る半導体光素子1と同様に、光導波路部16に先細の先端部16aが形成されていない半導体光素子1(例えば、光導波路部16の先端部16aが光導波路部16の光軸に対して垂直になるよう作製した半導体光素子1)と比較して、30dB以上の反射率低減効果が得られた。この反射率低減効果によって、従来起こっていた半導体光素子1の光出力−電流特性の折れ曲がり及びアイパターンのハイレベルの揺らぎ、ジッタが、従来の半導体光素子1と比較して改善していることが確認された。
【0052】
なお、本発明は上記実施形態にも限定されるものではない。
【0053】
例えば、通信波長帯である1.3μm帯にも本発明は適用可能である。また、InGaAlAsやGaInNAsなどの他の化合物半導体材料を用いた半導体光素子1にも本発明は適用可能である。また、半導体光増幅器(SOA)を含む半導体光素子や、マッハツェンダー型変調器を含む半導体光素子に対して本発明を適用しても構わない。また、半導体光素子が備える半導体レーザの基本構造は限定されない。半導体光素子が備える半導体レーザの基本構造が埋込型構造であってもリッジ型構造であっても構わない。
【符号の説明】
【0054】
1 半導体光素子、10 半導体基板、12 半導体レーザ部、14 光変調部、16 光導波路部、16a 先端部、16b 端面、18 p−クラッド層、20 高抵抗半導体、22 電極、24 窓構造部、100 半導体光素子、116 光導波路部、124 窓構造部。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
結晶層により構成される光導波路部を含み、
前記光導波路部には、先細の先端部が形成されており、
前記光導波路部の先端部に、前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った、光が出射される端面が形成されている、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項2】
前記光導波路部が基板上に形成されており、
前記先端部に、前記基板の面に対して垂直な方向に対応する方向に沿った前記端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。
【請求項3】
前記先端部の、前記光導波路部の光軸に沿った方向の長さが、前記光導波路部から出射される光の半波長の整数倍の長さに対応している、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体光素子。
【請求項4】
前記光導波路部を通る光の前記端面への入射角が臨界角を超えないよう、前記端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項5】
前記光導波路部の前記端面側に窓構造部が形成されている、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項6】
前記先端部に、前記光導波路部の光軸に対して略対称な、互いに異なる方向に沿った複数の端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項7】
半導体レーザ部と光変調部とが集積されている、
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項8】
前記端面が、ドライエッチングにより形成される、
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項9】
結晶層により構成される光導波路部を形成する工程と、
前記光導波路部の先端部が先細になるよう前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体光素子の製造方法。
【請求項1】
結晶層により構成される光導波路部を含み、
前記光導波路部には、先細の先端部が形成されており、
前記光導波路部の先端部に、前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った、光が出射される端面が形成されている、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項2】
前記光導波路部が基板上に形成されており、
前記先端部に、前記基板の面に対して垂直な方向に対応する方向に沿った前記端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。
【請求項3】
前記先端部の、前記光導波路部の光軸に沿った方向の長さが、前記光導波路部から出射される光の半波長の整数倍の長さに対応している、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体光素子。
【請求項4】
前記光導波路部を通る光の前記端面への入射角が臨界角を超えないよう、前記端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項5】
前記光導波路部の前記端面側に窓構造部が形成されている、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項6】
前記先端部に、前記光導波路部の光軸に対して略対称な、互いに異なる方向に沿った複数の端面が形成されている、
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項7】
半導体レーザ部と光変調部とが集積されている、
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項8】
前記端面が、ドライエッチングにより形成される、
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項9】
結晶層により構成される光導波路部を形成する工程と、
前記光導波路部の先端部が先細になるよう前記結晶層の結晶面方位に沿った方向とは異なる方向に沿った端面を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体光素子の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2011−124445(P2011−124445A)
【公開日】平成23年6月23日(2011.6.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−282011(P2009−282011)
【出願日】平成21年12月11日(2009.12.11)
【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23年6月23日(2011.6.23)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年12月11日(2009.12.11)
【出願人】(301005371)日本オプネクスト株式会社 (311)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]