半導体光集積素子
【課題】Ａｌ系半導体材料を用いて同一の基板上に集積した半導体レーザ及び半導体光変調器であって、Ａｌ系半導体材料の酸化とサイドエッチの影響を抑制し、ＢＪ結合面の反射や散乱を抑えた半導体光集積素子を提供する。
【解決手段】同一の基板上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を備えるレーザ部の光導波路とＡｌ系半導体材料からなる変調器層１８を備える変調器部の光導波路とをモノリシック集積した半導体光集積素子において、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層を設け、非Ａｌ系半導体材料からなる結合部を設けると共に、結合部の光導波路のリッジ幅を、レーザ部及び変調器部の光導波路のリッジ幅より大きくし、更に、活性層１３と結合部の半導体層２３及び変調器層１８と結合部の半導体層２３の結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させる。
【解決手段】同一の基板上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を備えるレーザ部の光導波路とＡｌ系半導体材料からなる変調器層１８を備える変調器部の光導波路とをモノリシック集積した半導体光集積素子において、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層を設け、非Ａｌ系半導体材料からなる結合部を設けると共に、結合部の光導波路のリッジ幅を、レーザ部及び変調器部の光導波路のリッジ幅より大きくし、更に、活性層１３と結合部の半導体層２３及び変調器層１８と結合部の半導体層２３の結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光通信用モジュール、光通信システムの光変調器集積化光源に用いる半導体光集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の広がりに伴い、メトロアクセス系通信（〜８０ｋｍ）では、現在、温調クーラー付で動作させている半導体レーザと光変調器を、温調クーラー無しで動作させ、それらを低コスト化させる、という需要が広がっている。このような需要を満たすために、半導体レーザと光変調器には、低温から高温にわたる広い範囲の環境温度でも、大きな特性劣化が見られないよう高性能化することが求められている。
【０００３】
光変調器集積化光源となる半導体光集積素子の高温動作化を考えた場合に、多重量子井戸構造のＤＦＢ（Distributed feedback）レーザと多重量子井戸構造の電界吸収型光変調器（ＥＡ（Electro-Absorption）変調器と称する。）を、どちらもＡｌ系半導体材料（ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料等）を用いて作製、モノリシック集積し、良好な特性を得たという報告が数多くされている（非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】M. R. Gokhale, et al., "Uncooled, 10Gb/s 1310nm Electroabsorption Modulated Laser", Optical Fiber Communications Conference, 2003, PD42
【非特許文献２】Kenichiro Yashiki, et al., "10-GB/s 23-km Penalty-Free Operation of 1310-nm Uncooled EML With Semi-Insulating BH Structure", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No.1, January 1, 2006, PP109-111
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ａｌ系半導体材料は、高温動作に優れる反面、材料の取り扱いの難しさに問題がある。
図２６は、半導体レーザと半導体光変調器を、同一基板上にモノリシック集積する際に良く用いられるバットジョイント（以下、ＢＪと略す。）法を模式的に表したものであり、良好なＢＪ構造を示している。
まず、基板５０上に、半導体レーザ部となる活性層５１を積層し、その上部にクラッド層５２を積層する（図２６（ａ））。その後、最初に集積したい半導体レーザ部の部分に酸化絶縁膜マスク５３（以下、マスク５３と称する。）を形成する（図２６（ｂ））。その後、エッチング溶液でマスク５３のかかっていない部分を削り取る（図２６（ｃ）。以下、この工程をウェットエッチングと称する。）。その後、ウェットエッチングした部分に半導体光変調器部となる変調器層５４、クラッド層５５を結晶再成長することで、半導体レーザ部と半導体光変調器部を、一つの基板５０上にモノリシック集積を行っている（図２６（ｄ））。
【０００６】
図２７は、Ａｌ系半導体材料にＢＪ法を適用した場合に起こる問題点を、模式的に表した図である。
Ａｌ系半導体材料でＢＪ法を行う場合も、図２６に示す方法と同様、残しておきたい部分にマスク５３を形成しておき、マスク５３が形成されていない部分をエッチング溶液で削り取る。ところが、Ａｌ系半導体材料では、図２７（ａ）の符号Ｓに示すように、エッチング溶液がマスク５３の下に入り込み、残しておきたい部分まで削り取ってしまう（以下、サイドエッチと称する）。これは、Ａｌ系半導体材料では、従来のＰ系半導体材料（ＩｎＧａＡｓＰ系材料）に比べ、サイドエッチＳの量が大きいためである。ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法と同様に、半導体光変調器部となる変調器層５４、クラッド層５５を結晶再成長し、同一基板５０上にモノリシック集積を行うことになる。しかしながら、サイドエッチＳの量が多いと、図２７（ｂ）に示すように、半導体レーザ部と半導体光変調器部との結合部分に空孔部５７が残ってしまい、半導体レーザ部と半導体光変調器部がきれいに結合されなくなる。そのため、半導体レーザ部と半導体光変調器部の結合効率が劣化し、光出力を減少させることが問題となっていた。
【０００７】
又、Ａｌ系半導体材料では、空気中で容易に酸化してしまうことも問題となっている。半導体を再成長しようとする場合に、表面が酸化していると、結晶再成長を行うことができなくなる。図２８（ａ）の符号５８は、ＢＪ法の際に、半導体レーザ部となる活性層５１の端面が酸化した様子を表している。活性層５１の端面が酸化している状態でＢＪ法を行うと、結合部分でうまく結晶成長ができず、図２８（ｂ）に示すように、空孔部５９が残ってしまう。そのため、半導体レーザ部と半導体光変調器部の結合効率が劣化し、光出力を減少させる原因となっていた。
【０００８】
Ａｌ系半導体材料の酸化への対処方法として、半導体レーザ部と半導体光変調器部を一度に成長する選択成長技術が報告されている。この方法では、結晶成長の過程でＡｌ系半導体材料を一度も空気中に出さないために酸化の影響を抑制できると報告されている（非特許文献２）。しかしながら、これらの工程は、全て難易度が高く、歩留まりの向上が難しい、量産に向かないという問題点があった。
【０００９】
又、ＢＪ法では、通常、ＢＪ結合面が導波路方向に直交するように形成されるため、ＢＪ結合における反射、散乱損失が生じ、閾値電流の増大や出力効率の低下等の問題を生じるおそれがある。特に、ＢＪ法の際に選択成長技術を用いる場合には、選択成長による成長膜厚や組成の変動が散乱を増加させ、結合効率を悪化させていた。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、Ａｌ系半導体材料を用いて同一の基板上に集積した半導体レーザ及び半導体光変調器であって、Ａｌ系半導体材料の酸化とサイドエッチの影響を抑制すると共に、ＢＪ結合面の反射や散乱を抑えた半導体光集積素子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】
【００１１】
上記課題を解決する第１の発明に係る半導体光集積素子は、
同一の半導体基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路とＡｌを含む半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路とをモノリシック集積した半導体光集積素子において、
前記活性層及び前記変調器層の上層側又は下層側に、Ａｌを含まない半導体材料からなる共通導波路層を設けると共に、
前記レーザ部光導波路と前記変調器部光導波路との間に、Ａｌを含まない半導体材料からなる結合部光導波路を設け、
前記結合部光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路及び前記変調器部光導波路のリッジ幅より大きくし、
前記活性層と前記結合部光導波路又は前記変調器層と前記結合部光導波路の少なくとも一つの結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させたことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第２の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１の発明に記載の半導体光集積素子において、
Ａｌを含まない半導体材料からなる窓構造部を、当該半導体光集積素子の両端部に設け、
前記活性層及び前記変調器層の端面を前記窓構造部で覆って、空気中に露出しないようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第３の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第２の発明に記載の半導体光集積素子において、
前記活性層と前記窓構造部又は前記変調器層と前記窓構造部の少なくとも一つの結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させたことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第４の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の半導体光集積素子において、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して５度以上傾斜していることを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第５の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の半導体光集積素子において、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して１０度以上５４度以下の角度で傾斜していることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第６の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第２〜第５のいずれか１つの発明に記載の半導体光集積素子において、
前記窓構造部の光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路又は前記変調器部光導波路の少なくとも一方のリッジ幅より大きくすることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第７の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１〜第６のいずれか１つの発明に記載の半導体光集積素子において、
前記レーザ部光導波路の両側面又は前記変調器部光導波路の両側面の少なくとも一方を、Ｒｕドープ半絶縁性半導体材料により埋め込むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＢＪ結合面を導波路方向に直交する方向に対して傾斜させているので、ＢＪ結合面における反射と散乱を抑えることができる。特に、活性領域（半導体レーザ）と非活性領域（半導体光変調器）が交互に繰り返される構造を有する分布活性ＤＦＢレーザ等の構造では、共振器全体の損失を低減し、閾値電流の増大や出力効率の低下を防止することができる。加えて、極めて容易な作製プロセスで、Ａｌ系半導体材料を用いる際の酸化、サイドエッチといった問題に起因する結合効率の低下も抑制することができる。その結果として、低温から高温までの広い動作温度範囲で、特性劣化の小さな高信頼性の半導体光集積素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係る半導体光集積素子の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００２０】
（構成）
図１は、本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の一例を示す斜視図である。又、図２〜図５は、図１に示す半導体光集積素子の断面図であり、図２が、その導波路方向の断面図、図３が、そのレーザ部の断面図、図４が、その結合部の断面図、図５が、図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００２１】
本実施例の半導体光集積素子は、ＥＡ−ＤＦＢレーザと呼ばれるものであり、Ａｌを含む半導体材料（以降、Ａｌ系半導体材料と呼ぶ。）からなる活性層１３を備える半導体レーザ部（以降、レーザ部と略す。）１の光導波路と、Ａｌ系半導体材料からなる変調器層１８を備える半導体光変調器部（以降、変調器部と略す。）２の光導波路とを、同一の基板１０上にモノリシック集積したものである。更に、レーザ部１と変調器部２との間に形成された結合部３の光導波路と、レーザ部１の端部側方に形成された窓構造部４の光導波路と、変調器部２の端部側方に形成された窓構造部５の光導波路とを有する。
【００２２】
レーザ部１は、下層側から、下部クラッド層となる基板１０と、Ａｌを含まない半導体材料（以降、非Ａｌ系半導体材料と呼ぶ。）からなる共通導波路層１１と、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層１２と、Ａｌ系半導体材料からなり、レーザ光を発振する活性層１３と、活性層１３上方に形成された回折格子１５と、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４と、コンタクト層２５、２６とから構成される。レーザ部１において、共通導波路層１１、エッチストップ層１２及び活性層１３は、コア層を構成している。なお、ここでは、電極部分の図示は省略している。
【００２３】
共通導波路層１１は、活性層１３、変調器層１８及び後述の半導体層２３の下方側（基板１０側）に、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の導波路方向に沿って、素子全長（窓構造部４〜レーザ部１〜結合部３〜変調器部２〜窓構造部５）に渡って延設されており、エッチストップ層１２、上部クラッド層２４と共に、非Ａｌ系半導体材料から形成されている。
【００２４】
変調器部２は、下層側から、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層１１と、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層１２と、Ａｌ系半導体材料からなり、活性層１３から発振されたレーザ光を変調する変調器層１８と、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４と、コンタクト層２５、２６とから構成される。変調器部２において、共通導波路層１１、エッチストップ層１２及び変調器層１８は、コア層を構成している。なお、ここでも、電極部分の図示は省略している。
【００２５】
結合部３は、活性層１３と変調器層１８とを光結合する役割を果たすものであり、下層側から、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層１１と、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層１２と、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３と、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４とから構成される。結合部３においては、共通導波路層１１がコア層を構成している。このように、半導体層２３も、非Ａｌ系半導体材料から形成されている。
【００２６】
窓構造部４、５は、下層側から、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層１１と、非Ａｌ系半導体材料エッチストップ層１２と、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３と、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４とから構成される。窓構造部４、５は、結合部３と略同等の構成を有しており、ここでも、共通導波路層１１がコア層を構成している。この窓構造部４、５は、Ａｌ系半導体材料から形成された活性層１３及び変調器層１８の端面が空気に触れないようにする役割を果たすものであり、そのため、活性層１３及び変調器層１８の側端面に、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３を形成することにより、活性層１３及び変調器層１８の端面を覆うような構造としており、更に、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上面に、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４を形成している。
【００２７】
又、レーザ部１（窓構造部４）、変調器部２（窓構造部５）及び結合部３は、上部クラッド層２４をリッジ構造に形成することにより、リッジ型光導波路構造としており、それらのリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPは、活性層１３と共通導波路層１１をあわせて一つの単一モード光導波路となるように、かつ、共通導波路層１１と変調器層１８をあわせて一つの単一モード光導波路となるように、各々設定されている。このように、活性層１３及び共通導波路層１１、共通導波路層１１及び変調器層１８を、単一モード光導波路となるように構成することにより、更には、後述するように、それらの結合面を傾斜させることにより、素子内での結合効率を向上せると共に損失を抑制している。
【００２８】
なお、共通導波路層１１を設けて集積した複数の素子間に光を導波させる場合には、結合部３のリッジ幅ＷPを、素子のリッジ幅ＷL、ＷEより広くすれば、導波する光のフィールドが単一モードを有することがわかっている。これにより、結合部３の光閉じ込め、結合効率を増加させ、導波する光の損失を低減することができる。
【００２９】
このような構成により、本発明に係る半導体光集積素子においては、活性層１３から放出された光は、活性層１３と共通導波路層１１とがあわせて単一モード光導波路になるように導波され、更に、共通導波路層１１と変調器層１８とがあわせて単一モード光導波路になるように導波されて、窓構造部５の端面から出射されることになる。
【００３０】
本実施例の半導体光集積素子は、概略、上述した構成を有するものである。ここで、その具体的な構成（例えば、各層の組成、厚さ等）の一例を例示する。
【００３１】
例えば、基板１０はｎ−ＩｎＰ、共通導波路層１１は厚さ２００ｎｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、エッチストップ層１２は厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ、半導体層２３はｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、上部クラッド層２４は厚さ１８００ｎｍのｐ−ＩｎＰからなり、全て、非Ａｌ系半導体材料から構成されている。又、コンタクト層２５は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、コンタクト層２６は厚さ３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ）からなる。
【００３２】
一方、活性層１３は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層、キャリアストップ層からなる。ガイド層は厚さ３０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、キャリアストップ層は厚さ３０ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層厚７ｎｍ、障壁層厚１０ｎｍの１０周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．５５μｍになるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００３３】
又、変調器層１８は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層からなる。ガイド層は厚さ２０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層１０ｎｍ、障壁層５ｎｍの８周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．４６μｍとなるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００３４】
又、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝２．０μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．５μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝２．０μｍとしている。なお、本実施例の場合、窓構造部４、５の光導波路のリッジ幅は、隣接するレーザ部１及び変調器部２のリッジ幅ＷL、ＷEと同じく、２．０μｍとしている。
【００３５】
本実施例の半導体光集積素子は、上述した積層構造を有するものであるが、その導波路方向の構造は、図５（ａ）に示す構造としている。具体的には、ＢＪ法により結合された、窓構造部４の半導体層２３とレーザ部１の活性層１３との結合面、レーザ部１の活性層１３と結合部３の半導体層２３との結合面、結合部３の半導体層２３と変調器部２の変調器層１８との結合面、変調器部２の変調器層１８と窓構造部５の半導体層２３との結合面全てを、導波路方向に対して４５度傾斜させた構造としている。詳細は後述するが、結合面の傾斜角度は４５度でなくても、光の導波方向から垂直以外の斜めの角度を有していればよく、その角度は５度以上であれば有効であり、１０度以上５４度以下であればさらに有効である。又、これらの結合面は、全て傾斜させる必要はなく、少なくとも１つの結合面を導波路方向に対して傾斜させればよい。
【００３６】
更に、結合面の傾斜角度は、全て、同じ角度、同じ方向でなくてもよく、例えば、図５（ｂ）、（ｃ）に示すようなものでもよい。
【００３７】
なお、活性層１３、変調器層１８、半導体層２３以外の層、例えば、上部クラッド層２４、コンタクト層における窓構造部４／レーザ部１間、レーザ部１／結合部３間、結合部３／変調器部２間、変調器部２／窓構造部４間の角度は、本実施例においては傾斜させていないが、傾斜させてもよい。
【００３８】
ここで、図６〜図９を参照して、結合面を導波路方向に対して傾斜させた構造について、その適切な傾斜角度、そして、その作用効果を説明する。
【００３９】
上述したように、本実施例において、レーザ部１の活性層１３及び変調器部２の変調器層１８は、Ａｌ系半導体材料であるＩｎＧａＡｌＡｓからなり、結合部３、窓構造部４及び窓構造部５の半導体層２３は、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなり、互いに組成が異なっている。従って、ＢＪ結合面は、屈折率が異なる層の結合となる。
【００４０】
屈折率が互いに異なる物質の境界面（結合面）においては、一方の物質から他方の物質へ光が入射する際に光の反射が生じる。例えば、図６に示す屈折率Ｎ1の物質Ｍ1と屈折率Ｎ2の物質Ｍ2との境界面Ｂに、物質Ｍ1側から光が入射したとすると、結合界面における光の反射率Ｒは、以下の（１）式で表される。
Ｒ＝（（Ｎ1−Ｎ2）／（Ｎ1＋Ｎ2））2 … （１）
【００４１】
本実施例の半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）において、活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との屈折率差が小さいため、（１）式から、反射率Ｒの絶対値は非常に小さくなる。しかし、その一方で、図５で示したように、一つの素子中に、屈折率が互いに異なる領域を結合した結合面が複数（図５中では４面）存在する。このため、一つの素子全体では光の反射の影響が無視できない程度に大きくなるおそれがある。従って、結合面を複数有する素子にあっては、反射率Ｒをできるだけ低く抑えるか、反射が起きたとしても反射波が導波路に結合しないようにすることが重要である。
【００４２】
屈折率が互いに異なる物質の境界面に対して光が斜めに入射した場合、入射角をθ1、屈折角をθ2とすると、スネルの法則に従い、以下の（２）式で表されるように、その境界面で屈折が生じる。なお、入射角θ1は、境界面Ｂの法線に対する光の伝播方向の傾斜角とする。
ｓｉｎθ1／ｓｉｎθ2＝Ｎ2／Ｎ1 … （２）
【００４３】
ここで、入射角θ1がブリュースター角θBに一致する場合、入射面に平行な成分の反射をなくすことができる。ブリュースター角θBは、以下の（３）式で表すことができる。
θB＝ｔａｎ-1（Ｎ2／Ｎ1） … （３）
【００４４】
図７に、一例として、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓＰとバンドギャップ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｌＡｓとの屈折率差と、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長との関係を示す。伝播する光の波長は１．５５μｍとしている。図７に示すように、半導体の屈折率はバンドギャップ波長によって異なる。例えば、バンドギャップ波長１．５５μｍの半導体と、バンドギャップ波長１．４０μｍの半導体とでは、０．０９程度の屈折率差がある。
【００４５】
実際に導波路構造を作製する場合には、バンドギャップ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｌＡｓと、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓＰとをコアとして用い、これらよりも屈折率の低い半導体でコアに光を閉じ込める構造をとる。
【００４６】
例えば、簡単な導波路構造として、厚さ０．１５μｍのコアをＩｎＰのクラッドで挟んで構成される導波路構造の等価屈折率で考えると、バンドギャップ波長１．５５μｍの半導体をコアとして用いた場合の等価屈折率は３．１２、バンドギャップ波長１．４０μｍの半導体をコアとして用いた場合の等価屈折率は３．１９となり、これらの導波路の等価屈折率差は０．０２程度以下になる。なお、本実施例に当てはめてみると、レーザ部１の活性層１３、変調器部２の変調器層１８を、Ａｌ系半導体材料であるＩｎＧａＡｌＡｓから構成した場合には、その等価屈折率は３．２〜３．３５となり、結合部３、窓構造部４、窓構造部５の半導体層２３を、非Ａｌ系半導体材料である波長組成（ＰＬ波長）１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰから構成した場合には、その等価屈折率は３．３９となり、それらの等価屈折率差は、０．０５〜０．１９となる。
【００４７】
図８に、図６に示した境界面Ｂに入射する光の入射角θ1と反射率Ｒとの関係を示す。なお、入射角θ1は、境界面Ｂに直交する方向と光の伝播方向との角度である。図８に示すグラフは、入射側の物質Ｍ1の屈折率をＮ1＝３．２０、物質Ｍ1と物質Ｍ2の屈折率差ΔｎをそれぞれΔｎ＝Ｎ1−Ｎ2＝０．００５、０．０１、０．０１５、０．０２とした場合の例を示している。
【００４８】
本実施例においては、ＥＡ−ＤＦＢレーザにおける活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との屈折率差が小さいため、（３）式から、ブリュースター角θBはほぼ４５度となる。即ち、活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との結合面の傾斜角θがほぼ４５度の場合に反射率Ｒが０となり、又、傾斜角θ＝４５度近傍で反射率Ｒが非常に小さくなる。
【００４９】
屈折率差Δｎ＝０．０１の場合を例にとってみると、図８から、入射角θ1が１０度以上５４度以下で反射率Ｒを低減できる。特に、反射率Ｒを、光が境界面に対して垂直に入射した場合の、即ち、入射角θ1＝０の場合の半分以下に抑えるためには、入射角θ1を２８度から５２度程度の間の値とすればよい。又、反射率Ｒを、入射角θ1＝０における反射率Ｒの３分の１以下に抑えるためには、入射角θ1を３３度から５１度程度の間の値とすればよい。なお、図８からわかるように、入射角θ1がブリュースター角θBより小さい範囲であるほうが、入射角θ1がブリュースター角θBより大きい場合に比較して、入射角θ1に対する反射率Ｒの変化が緩やかになっている。
【００５０】
なお、必ずしも境界面における反射を全て抑える必要がなく、反射が起きても反射波が導波路に結合しないような場合、以下のように入射角θ1の選択範囲を広げることができる。
【００５１】
図９に、光モードフィールド幅を１．５μｍとした場合の境界面への入射角と、導波路への反射波の結合率との関係を示す。なお、反射波結合率は、境界面での屈折率差を考慮しなくてもいいように、入射角θ1＝０のとき、すなわち、境界面が導波路方向に対して直交する場合における反射波の導波路への結合率を１として表示した。
【００５２】
図９から、入射角θ1がおよそ５度以上あれば導波路への反射波結合率を半分に低減でき、反射波結合率を３０％程度以下にするためには入射角θ1がおよそ７度以上あればよく、反射波結合率を一桁低減するには、入射角θ1をおよそ９度以上とすればよいことがわかる。
【００５３】
以上のことから、図１〜図５に示す本実施例の半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）において、活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して、反射波結合率を、例えば半分以下に抑制するためには、結合面の角度を導波路方向に対して５度以上９０度未満とする必要がある。又、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して、反射波結合率を３０％以下に抑制するためには導波路方向に対する結合面の角度を７度以上９０度未満とする必要がある。又、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して反射波結合率を一桁低減するためには、導波路方向に対する結合面の角度を９度以上９０度未満とする必要がある。
【００５４】
又、活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との結合面における反射率Ｒを、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して、例えば半分以下とするためには、結合面の傾斜角θを２８度乃至５２度程度、３分の１以下とするためには、結合面の傾斜角θを３３度乃至５１度程度、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して反射率Ｒをほぼ０とするためには、結合面の傾斜角θを４５度とする必要がある。
【００５５】
なお、上述したような反射波の影響を抑制する効果は、結合する導波路の数が増えるほど大きくなることは明らかである。
【００５６】
従って、導波路に対して、屈折率境界面である結合面の傾斜角θが上記角度となるようにすれば、結合面における屈折率差により生じた反射率Ｒを低減し、反射波の導波路への結合を低減することができる。本実施例の場合、レーザ部１の活性層１３からの発振光は、共通導波路層１１を介して、変調器部２の変調器層１８に導波するものと、共通導波路層１１を介さず、結合部３の半導体層２３を介して、変調器部２の変調器層１８に導波するものがあり、後者のように導波する光に対して、結合面における屈折率差により生じた反射率Ｒを低減し、反射波の導波路への結合を低減することになる。
【００５７】
（作製方法）
次に、図１〜図５と共に、図１０（ａ）〜（ｄ）、図１１（ａ）〜（ｅ）を用いて、本実施例の半導体光集積素子の作製方法を説明する。
【００５８】
（１）まず、ｎ−ＩｎＰの基板１０上に、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層１１（厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ））、エッチストップ層１２（厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ）を順に結晶成長させ、その上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を結晶成長させる。その後、半導体層（回折格子層）１４を結晶成長させ、半導体層（回折格子層）１４に回折格子１５を形成する（図１０（ａ））。
【００５９】
（２）次に、１００ｎｍの半導体層１６（ｉ−ＩｎＰ）を結晶成長する。その後、最初に集積したいレーザ部１の部分の試料表面に誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク１７を形成する（図１０（ｂ））。このマスク１７は、変調器部２の部分の試料表面には開口部を有することになる。マスク１７としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜（３００ｎｍ厚）を成膜し、通常の露光方法でレジストパターンを形成した後、ＣＦ系のプラズマエッチングにより作製すればよい。
【００６０】
（３）次に、マスク１７を用いて、マスク１７のかかっていない部分、つまり、変調器部２の部分の活性層１３をウェットエッチングにより除去する（図１０（ｃ））。この際、変調器部２の部分においては、活性層１３までは溶かすが、エッチストップ層１２（厚さ１０ｎｍ）は溶かさないような溶液を用いてウェットエッチングを行い、共通導波路層１１は残している。なお、本実施例における作製方法の場合も、従来と同様に、Ａｌ系半導体材料においては、図１０（ｃ）に示すように、エッチング溶液がマスク１７の下に入り込み、サイドエッチＳが形成されてしまう。
【００６１】
（４）次に、ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法により、変調器層１８、ＩｎＧａＡｓＰ層１９（１００ｎｍ）、ｉ−ＩｎＰ層２０（１００ｎｍ）を結晶再成長する。本実施例における作製方法の場合も、サイドエッチＳの部分では、結晶再成長がなされず、活性層１３と変調器層１８との結合部分に空孔部２１が残ってしまう（図１０（ｄ））。
【００６２】
空孔部２１が残った状態では、活性層１３と変調器層１８がきれいに結合されなくなり、サイドエッチＳの量が大きくなると、この影響は更に大きくなる。この状態のままでは、従来と同様に、活性層１３と変調器層１８の結合効率が低下し、光出力を減少させることが問題となってしまう。そこで、本発明においては、共通導波路層１１を形成すると共に、図１１（ａ）〜（ｅ）以降の手順を経て、半導体光集積素子を形成することにより、簡易な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制するようにしている。
【００６３】
（５）具体的には、空孔部２１がある部分の試料表面に開口部を形成するように、又、活性層１３の空孔部２１とは反対側の端部及び変調器層１８の空孔部２１とは反対側の端部、つまり、半導体光集積素子の両端部の試料表面に開口部を形成するように、誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク２２を形成する（図１１（ａ））。加えて、マスク２２は、活性層１３の両端、変調器層１８の両端が導波路方向に対して傾斜する形状となるように形成されており、例えば、図５（ａ）を参照して説明すると、半導体層２３に該当する部分に開口部を有し、後に結合面となる開口部の縁部分が導波路方向に対して傾斜する形状となっている。マスク２２としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜（３００ｎｍ厚）を成膜し、通常の露光方法でレジストパターンを形成した後、ＣＦ系のプラズマエッチングにより作製する。
【００６４】
（６）次に、上記マスク２２を用いて、ドライエッチング加工により、空孔部２１を含む領域と素子端部の領域を除去する（図１１（ｂ））。つまり、後に結合部３となる部分を一旦除去することにより、空孔部２１を除去している。この際、活性層１３、変調器層１８までは除去するが、エッチストップ層１２以下の層は除去しないようにして、共通導波路層１１は残している。ドライエッチング加工には、塩素、臭素等のハロゲン系ガス、又は、メタン、エタン等の炭化水素ガス、又は、アルゴンガス等を用いる。なお、酸溶液を用いたウェットエッチングによって、空孔部２１を含む領域と素子端部の領域の除去加工を行ってもよい。
【００６５】
（７）次に、マスク２２を、ＨＦ系溶液によるウェットエッチング、又は、ＣＦ系ガスによるドライエッチングにより除去した後、半導体層２３（ｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ）をＭＯＶＰＥ法により成長する。このとき、各部のＢＪ結合面が導波路方向に対して傾斜して形成されることになる。その後、上部クラッド層２４（１８００ｎｍ、ｐ−ＩｎＰ）をＭＯＶＰＥ法により全面に成長する（図１１（ｃ））。上部クラッド層２４としては、例えば、アンドープのＩｎＰ層（１５０ｎｍ厚）とｐ−ＩｎＰ層（２μｍ厚程度）から構成してもよい。このようにして、レーザ部１と変調器部２との間の結合部３と、素子端部の窓構造部４、５が同時に形成される。
【００６６】
（８）引き続き、コンタクト層２５（２００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ））とコンタクト層２６（３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ））を、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長する（図１１（ｄ））。
【００６７】
（９）その後、試料表面に光導波路形成用の誘電体絶縁膜マスクを形成し、上部クラッド層２４、コンタクト層２５、２６をリッジ型光導波路形状にエッチング加工する（図１参照）。このとき、レーザ部１の光導波路、結合部３の光導波路及び変調器部２の光導波路は、単一モード光導波路の条件を満たすようなリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPに形成され、結合部３では、図１に示すように、幅方向に広がった上部クラッド層２４ａが形成されることになる。
【００６８】
その後、結合部３において電極分離を行う領域だけ開口すると共に、窓構造部４、５の領域を開口したマスクパターンを用いて、レーザ部１の光導波路と変調器部２の光導波路の間のコンタクト層２５、２６を除去して、互いの電極分離を行うと共に、同時に、窓構造部４、５のコンタクト層２５、２６も除去する（図１１（ｅ））。その後、変調器部２の光導波路の脇に、ポリイミド等の有機物膜を形成した後、レーザ部１と変調器部２に各々電極を作製する。
【００６９】
従来技術においては、Ａｌ系半導体材料のサイドエッチにより、大きく結合効率が下がる問題があり、このような結合効率の低下を回避するため、難易度の高いプロセスを必要としていた。これに対して、本発明では、上述した作製方法を用いることにより、難易度の高い作製プロセスの使用を回避し、簡単な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制する半導体光集積素子を実現することができる。
【００７０】
そして、上述してきたように、本発明に係る半導体光集積素子においては、共通導波路層１１を備えると共に、レーザ部１と変調器部２とを光結合する結合部３を備えている。更に、素子を導波する光のフィールドが単一モードとなるようなリッジ幅に、各部のリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPを形成すると共に、導波路方向に対して傾斜するように、各部間の結合面を形成している。このような構造により、結合効率を向上させると共に素子内での損失を抑制することが可能である。
【００７１】
特に、Ａｌ系半導体材料を用いた素子においては、Ａｌ系半導体材料の酸化に起因する劣化が生じる可能性が高くなるが、本発明においては、非Ａｌ系半導体材料を用いて、サイドエッチにより形成された空孔部２１を埋め込むと共に、素子端部も、非Ａｌ系半導体材料で覆うことにより、即ち、窓構造部４、５を導入することにより、素子端部の酸化に起因する劣化を防止することができる。この窓構造部４、５は、非Ａｌ系半導体材料からなる結合部３と同時に形成できるため、素子作製プロセスを簡略化でき、素子の作製コストを削減することもできる。
【実施例２】
【００７２】
実施例１では、波長１．５５μｍでの半導体光集積素子について述べたが、本実施例では、波長１．３μｍでの半導体光集積素子について述べる。
【００７３】
（構成）
本実施例の半導体光集積素子も、前述の図１〜図５に示した構造からなり、各層が以下のように構成されたものである。従って、各構成要素については、同じ符号を用いて説明を行う。
【００７４】
本実施例の半導体光集積素子において、基板１０はｎ−ＩｎＰ、共通導波路層１１は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．１μｍ）、エッチストップ層１２は厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ、半導体層２３はｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、上部クラッド層２４は厚さ１８００ｎｍのｐ−ＩｎＰからなり、全て、非Ａｌ系半導体材料から構成されている。又、コンタクト層２５は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、コンタクト層２６は厚さ３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ）からなる。
【００７５】
一方、活性層１３は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層、キャリアストップ層からなる。ガイド層は厚さ３０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、キャリアストップ層は厚さ３０ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層厚７ｎｍ、障壁層厚１０ｎｍの１０周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．３０μｍになるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００７６】
又、変調器層１８は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層からなる。ガイド層は厚さ２０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層１０ｎｍ、障壁層５ｎｍの８周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．２３μｍとなるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００７７】
又、各領域のリッジ幅については、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝２．０μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．４μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝１．８μｍとしている。なお、本実施例の場合も、窓構造部４、５の光導波路のリッジ幅は、隣接するレーザ部１及び変調器部２のリッジ幅ＷL、ＷEと同じく、各々、２．０μｍ、１．８μｍとしている。
【００７８】
加えて、本実施例の半導体光集積素子においても、その導波路方向の構造は、図５（ａ）に示したように、窓構造部４の半導体層２３とレーザ部１の活性層１３との結合面、レーザ部１の活性層１３と結合部３の半導体層２３との結合面、結合部３の半導体層２３と変調器部２の変調器層１８との結合面、変調器部２の変調器層１８と窓構造部５の半導体層２３との結合面全てを、導波路方向に対して４５度傾斜させた構造としている。
【００７９】
このように、本実施例の半導体光集積素子は、共通導波路層１１、活性層１３及び変調器層１８において、実施例１に示した半導体光集積素子とは、ＰＬ波長が相違し、又、各領域のリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPが相違しているが、実施例１と同等の効果を奏する。なお、本実施例の半導体光集積素子の作製方法については、上記相違点を除き、実施例１に示した作製方法と同等のものであるため、ここでは、作製方法の説明については省略する。
【実施例３】
【００８０】
上記実施例１、２においては、共通導波路層１１が活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の下方側（基板１０側）にある構造について説明したが、本実施例においては、共通導波路層１１が活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上方側（素子表面側）にある構造について説明する。
【００８１】
（構成）
本実施例の半導体光集積素子は、図１２〜図１５に示した構造からなり、各層が以下のように構成されたものである。ここで、図１２は半導体光集積素子の斜視図、図１３は半導体光集積素子の導波路方向の断面図、図１４は半導体光集積素子におけるレーザ部の断面図、図１５は半導体光集積素子における結合部の断面図を示すものである。なお、本実施例では、上述した実施例１、２における構成要素と同等のものについては、同じ符号を用い、重複する説明は省略する。
【００８２】
本実施例の半導体光集積素子において、基板１０はｎ−ＩｎＰ、共通導波路層１１は２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、エッチストップ層１２は厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ、半導体層２３はｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、上部クラッド層２４は厚さ１８００ｎｍのｐ−ＩｎＰからなり、全て、非Ａｌ系半導体材料から構成されている。又、コンタクト層２５は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、コンタクト層２６は厚さ３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ）からなる。
【００８３】
一方、活性層１３は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層、キャリアストップ層からなる。ガイド層は厚さ３０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、キャリアストップ層は厚さ３０ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層厚７ｎｍ、障壁層厚１０ｎｍの１０周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．５５μｍになるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００８４】
又、変調器層１８は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層からなる。ガイド層は厚さ２０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層１０ｎｍ、障壁層５ｎｍの８周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．４６μｍとなるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００８５】
又、各領域のリッジ幅については、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝２．０μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．５μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝２．０μｍとしている。なお、本実施例の場合も、窓構造部４、５の光導波路のリッジ幅は、隣接するレーザ部１及び変調器部２のリッジ幅ＷL、ＷEと同じく、２．０μｍとしている。
【００８６】
加えて、本実施例の半導体光集積素子においても、その導波路方向の構造は、図５（ａ）に示したように、窓構造部４の半導体層２３とレーザ部１の活性層１３との結合面、レーザ部１の活性層１３と結合部３の半導体層２３との結合面、結合部３の半導体層２３と変調器部２の変調器層１８との結合面、変調器部２の変調器層１８と窓構造部５の半導体層２３との結合面全てを、導波路方向に対して４５度傾斜させた構造としている。
【００８７】
（作製方法）
ここで、図１２〜図１５と共に、図１６（ａ）〜（ｄ）、図１７（ａ）〜（ｆ）を用いて、本実施例の半導体光集積素子の作製方法を説明する。
【００８８】
（１）まず、ｎ−ＩｎＰの基板１０上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を結晶成長させる（図１６（ａ））。
【００８９】
（２）次に、最初に集積したいレーザ部１の部分の試料表面に誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク１７を形成する（図１６（ｂ））。このマスク１７は、変調器部２の部分の試料表面には開口部を有することになる。マスク１７は、実施例１と同様な方法により加工する。
【００９０】
（３）次に、マスク１７を用いて、マスク１７のかかっていない部分、つまり、変調器部２の部分の活性層１３のみをウェットエッチングにより除去する（図１６（ｃ））。この際、変調器部２の部分においては、活性層１３までは溶かすが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は溶かさないような溶液を用いてウェットエッチングを行う。なお、本実施例における作製方法の場合、サイドエッチの影響は小さいと予想される。
【００９１】
（４）次に、ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法により、変調器層１８を結晶再成長する。本実施例における作製方法の場合、サイドエッチの影響は小さいと予想されるが、Ａｌ系半導体材料においては、酸化の影響により、やはり、結晶再成長がなされず、活性層１３と変調器層１８との結合部分に空孔部２１が残ってしまう（図１６（ｄ））。
【００９２】
空孔部２１が残った状態では、活性層１３と変調器層１８がきれいに結合されなくなる。この状態のままでは、従来と同様に、活性層１３と変調器層１８の結合効率が低下し、光出力を減少させることが問題となってしまう。そこで、本発明においても、共通導波路層１１を形成すると共に、図１７（ａ）〜（ｆ）以降の手順を経て、半導体光集積素子を形成することにより、簡易な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制するようにしている。
【００９３】
（５）具体的には、空孔部２１がある部分の試料表面に開口部を形成するように、又、活性層１３の空孔部２１とは反対側の端部及び変調器層１８の空孔部２１とは反対側の端部、つまり、半導体光集積素子の両端部の試料表面に開口部を形成するように、誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク２２を形成する（図１７（ａ））。加えて、マスク２２は、活性層１３の両端、変調器層１８の両端が導波路方向に対して傾斜する形状となるように形成されており、例えば、図５（ａ）を参照して説明すると、半導体層２３に該当する部分に開口部を有し、後に結合面となる開口部の縁部分が導波路方向に対して傾斜する形状となっている。なお、マスク２２は、実施例１と同様な方法により加工する。
【００９４】
（６）次に、マスク２２を用いて、実施例１と同様に、ドライエッチング又はウェットエッチングにより、空孔部２１を含む領域と素子端部の領域を除去する（図１７（ｂ））。つまり、後に結合部３となる部分を一旦除去することにより、空孔部２１を除去している。この際、活性層１３、変調器層１８までは除去するが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は除去しないようにしている。
【００９５】
（７）次に、エッチングにより除去した部分に、アンドープの半導体層２３（ｉ−ＩｎＰ、２００ｎｍ厚）をＭＯＶＰＥ法で結晶成長する（図１７（ｃ））。このとき、各部のＢＪ結合面が導波路方向に対して傾斜して形成されることになる。なお、ｉ−ＩｎＰに換えて、ＩｎＰ以外のＡｌを含まない半導体材料、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いてもよい。この場合、ＩｎＧａＡｓＰ等の波長組成は、レーザ部の活性層と変調器部の変調器層に用いたものより短波長であることが望ましい。
【００９６】
（８）次に、マスク２２を、ＨＦ系溶液によるウェットエッチング、又は、ＣＦ系ガスによるドライエッチングにより除去した後、エッチストップ層１２（厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ）、非Ａｌ系半導体材料（２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ））からなる共通導波路層１１を順に結晶成長させる。その後、レーザ部１に回折格子１５を形成し、上部クラッド層２４（１８００ｎｍ、ｐ−ＩｎＰ）をＭＯＶＰＥ法により全面に成長する（図１７（ｄ））。このようにして、レーザ部１と変調器部２との間の結合部３と、素子端部の窓構造部４、５が同時に形成される。
【００９７】
（９）引き続き、コンタクト層２５（２００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ））とコンタクト層２６（３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ））を、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長する（図１７（ｅ））。
【００９８】
（１０）その後、試料表面に光導波路形成用の誘電体絶縁膜マスクを形成し、上部クラッド層２４、コンタクト層２５、２６を光導波路状にエッチング加工する（図１２参照）。このとき、レーザ部１の光導波路、結合部３の光導波路及び変調器部２の光導波路は、上述したように、単一モード光導波路の条件を満たすリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPに形成される。具体的には、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝２．０μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．５μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝２．０μｍとした。従って、結合部３では、図１２に示すように、幅方向に広がった上部クラッド層２４ａが形成されることになる。
【００９９】
その後、結合部３において電極分離を行う領域だけ開口すると共に、窓構造部４、５の領域を開口したマスクパターンを用いて、レーザ部１の光導波路と変調器部２の光導波路の間のコンタクト層２５、２６を除去して、互いの電極分離を行うと共に、同時に、窓構造部４、５のコンタクト層２５、２６も除去する（図１７（ｆ））。その後、変調器部２の光導波路の脇に、ポリイミド等の有機物膜を形成した後、レーザ部１と変調器部２に各々電極を作製する。
【０１００】
このように、本実施例の半導体光集積素子は、実施例１に示した半導体光集積素子とは、共通導波路層１１の位置が相違しているが、実施例１と同等の効果を奏する。
【実施例４】
【０１０１】
実施例３においては、共通導波路層１１を活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上方側（素子表面側）に設けた構造について説明したが、本実施例では、図１８〜図２２に示すように、更に、レーザ部１、変調器部２等をＲｕ（ルテニウム）ドープＩｎＰの埋込層２９で埋め込む構造について説明する。
【０１０２】
（構成）
本実施例の半導体光集積素子は、図１８〜図２２に示した構造からなり、各層が以下のように構成されたものである。ここで、図１８は、本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の一例を示す斜視図である。又、図１９〜図２２は、図１８に示す半導体光集積素子の断面図であり、図１９が、その導波路方向に沿う断面図、図２０が、そのレーザ部の断面図、図２１が、その結合部の断面図、図２２が、その変調器部の断面図である。なお、本実施例では、上述した実施例１〜３における構成要素と同等のものについては、同じ符号を用いて、説明を行う。
【０１０３】
本実施例の半導体光集積素子も、実施例１と同様に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を備えるレーザ部１の光導波路と、Ａｌ系半導体材料からなる変調器層１８を備える変調器部２の光導波路とを、同一の基板１０上にモノリシック集積したものである。更に、レーザ部１と変調器部２との間に形成された結合部３の光導波路と、レーザ部１の端部側方に形成された窓構造部４の光導波路と、変調器部２の端部側方に形成された窓構造部５の光導波路とを有するものである。
【０１０４】
レーザ部１は、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、Ａｌ系半導体材料からなり、レーザ光を発振する活性層１３と、活性層１３の上方に形成された回折格子と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層２８と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１１と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２４と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層２５とから構成され、それらの上下に、ｎ−メタルからなる下部電極２７、ｐ−メタルからなる上部電極３０が形成されたものである。レーザ部１において、活性層１３、エッチストップ層２８、共通導波路層１１が、コア層を構成している。又、共通導波路層１１以上の層、具体的には、共通導波路層１１及び上部クラッド層２４がリッジ構造に形成されて、その両側面が、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９により埋め込まれた構造となっている。
【０１０５】
共通導波路層１１は、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上層側（基板１０とは反対側）に、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の導波路方向に沿って、素子全長（窓構造部４〜レーザ部１〜結合部３〜変調器部２〜窓構造部５）に渡って延設されており、エッチストップ層２８、上部クラッド層２４と共に、非Ａｌ系半導体材料から形成されている。
【０１０６】
又、変調器部２は、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、Ａｌ系半導体材料からなり、活性層１３から発振されたレーザ光を変調する変調器層１８と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層２８と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１１と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２４と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層２５とから構成され、それらの上下に、ｎ−メタルからなる下部電極２７、ｐ−メタルからなる上部電極３０が形成されたものである。変調器部２において、変調器層１８、エッチストップ層２８、共通導波路層１１が、コア層を構成している。又、レーザ部１と同様に、共通導波路層１１及び上部クラッド層２４がリッジ構造に形成されて、その両側面が、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９により埋め込まれた構造となっている。
【０１０７】
又、結合部３は、活性層１３と変調器層１８とを光結合する役割を果たすものであり、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層２３と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層２８と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１１と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２４とから構成される。結合部３においては、共通導波路層１１がコア層を構成している。又、レーザ部１と同様に、共通導波路層１１及び上部クラッド層２４がリッジ構造に形成されて、その両側面が、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９により埋め込まれた構造となっている。
【０１０８】
又、窓構造部４、５は、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層２３と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層２８と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１１と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２４とから構成される。窓構造部４、５は、結合部３と略同等の構成を有しており、ここでも、共通導波路層１１がコア層を構成している。この窓構造部４、５は、Ａｌ系半導体材料から形成された活性層１３及び変調器層１８の端面が空気に触れないようにする役割を果たすものであり、そのため、基板１０の上面であり、かつ、活性層１３及び変調器層１８の側端面に、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３を形成することにより、活性層１３及び変調器層１８の端面を覆うような構造としている。又、レーザ部１と同様に、共通導波路層１１及び上部クラッド層２４がリッジ構造に形成されて、その両側面が、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９により埋め込まれた構造となっている。
【０１０９】
レーザ部１の活性層１３は、更に詳細には、基板１０側から、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）層３１、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ（Multiple Quantum Wall；多重量子井戸）層３２、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層３３、ＩｎＡｌＡｓからなるキャリアストップ層３４、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層３５からなり、ＳＣＨ層３１、ＭＱＷ層３２、ＳＣＨ層３３、キャリアストップ層３４は、Ａｌ系半導体材料から構成されている。
【０１１０】
又、変調器部２の変調器層１８は、基板１０側から、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層４１、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ層４２、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層４３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層４４からなり、ＳＣＨ層４１、ＭＱＷ層４２、ＳＣＨ層４３は、Ａｌ系半導体材料から構成されている。
【０１１１】
このように、本実施例の半導体光集積素子では、レーザ部１、変調器部２、結合部３、窓構造部４、５の両側面を、ＲｕドープＩｎＰの埋込層２９により埋め込む構成としている。埋込層２９は、活性層１３、変調器層１８、半導体層２３の上層側に設けられた共通導波路層１１の両側面まで埋め込むことが望ましく、実施例３の図１２と比較すると、本実施例では、共通導波路層１１までエッチングされて、エッチストップ層２８の上層に埋込層２９が形成されている。
【０１１２】
加えて、本実施例の半導体光集積素子においても、その導波路方向の構造は、図５（ａ）に示したように、窓構造部４の半導体層２３とレーザ部１の活性層１３との結合面、レーザ部１の活性層１３と結合部３の半導体層２３との結合面、結合部３の半導体層２３と変調器部２の変調器層１８との結合面、変調器部２の変調器層１８と窓構造部５の半導体層２３との結合面全てを、導波路方向に対して４５度傾斜させた構造としている。
【０１１３】
（作製方法）
次に、図１８〜図２２を参照しながら、図２３（ａ）〜（ｄ）、図２４（ａ）〜（ｆ）を用いて、本発明に係る半導体光集積素子の作製方法を説明する。
【０１１４】
（１）まず、ｎ−ＩｎＰの基板１０上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を結晶成長させる（図２３（ａ））。
【０１１５】
（２）次に、最初に集積したいレーザ部１の部分の試料表面に誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク１７を形成する（図２３（ｂ））。このマスク１７は、変調器部２の部分の試料表面には開口部を有することになる。マスク１７は、実施例１と同様な方法により加工する。
【０１１６】
（３）次に、マスク１７を用いて、マスク１７のかかっていない部分、つまり、変調器部２となる部分の活性層１３のみをウェットエッチングにより除去する（図２３（ｃ））。この際、変調器部２となる部分においては、活性層１３までは溶かすが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は溶かさないような溶液を用いてウェットエッチングを行う。
【０１１７】
（４）次に、ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法により、変調器層１８を結晶再成長する。本実施例における作製方法の場合も、この時点では、サイドエッチや酸化の影響は避けることができず、活性層１３と変調器層１８との結合部分に空孔部２１が残ってしまう（図２３（ｄ））。
【０１１８】
空孔部２１が残った状態では、活性層１３と変調器層１８がきれいに結合されなくなる。この状態のままでは、従来と同様に、活性層１３と変調器層１８の結合効率が低下し、光出力を減少させることが問題となってしまう。そこで、図２４（ａ）〜（ｆ）以降の手順を経て、結合部３、共通導波路層１１を形成すると共に、半導体光集積素子を形成することにより、簡易な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制するようにしている。
【０１１９】
（５）具体的には、空孔部２１がある部分の試料表面に開口部を有すると共に、活性層１３の空孔部２１とは反対側の端部及び変調器層１８の空孔部２１とは反対側の端部、つまり、半導体光集積素子の両端部の試料表面に開口部を有するように、誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク２２を形成する（図２４（ａ））。加えて、マスク２２は、活性層１３の両端、変調器層１８の両端が導波路方向に対して傾斜する形状となるように形成されており、例えば、図５（ａ）を参照して説明すると、半導体層２３に該当する部分に開口部を有し、後に結合面となる開口部の縁部分が導波路方向に対して傾斜する形状となっている。なお、マスク２２は、実施例１と同様な方法により加工する。
【０１２０】
（６）次に、マスク２２を用いて、ドライエッチング又はウェットエッチングにより、空孔部２１を含む領域と素子端部の領域を除去する（図２４（ｂ））。つまり、後に結合部３となる部分を一旦除去することにより、空孔部２１を除去している。この際、活性層１３、変調器層１８までは除去するが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は除去しないようにしている。ドライエッチング加工には、塩素、臭素等のハロゲン系ガス、又は、メタン、エタン等の炭化水素ガス、又は、アルゴンガス等を用いる。又、ウェットエッチングには、酸溶液等を用いる。
【０１２１】
（７）次に、エッチングにより除去した部分に、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３をＭＯＶＰＥ法で結晶成長する（図２４（ｃ））。このとき、各部のＢＪ結合面が導波路方向に対して傾斜して形成されることになる。なお、半導体層２３としては、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いる。
【０１２２】
（８）次に、マスク２２を、ＨＦ系溶液によるウェットエッチング、又は、ＣＦ系ガスによるドライエッチングにより除去した後、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層２８及び共通導波路層１１を順に結晶成長させる。このとき、共通導波路層１１の層厚ｄは、０．１μｍ未満になると結合効率が低下して、素子特性が低下するので、０．１μｍ以上であることが望ましい。一方、０．６μｍより厚くなると、共通導波路層１１の光閉じ込めが増大する一方、レーザ部１の活性層１１の光閉じ込めが低下して、レーザの特性が低下（閾値電流の増大等）するので、０．６μｍ以下であることが望ましい。更に、層厚を０．３５μｍ以下にすると、閾値電流が更に低減するので有効である。このように、共通導波路層１１の層厚ｄは、０．１μｍ以上、０．６μｍ以下であると有効であり、０．１μｍ以上、０．３５μｍ以下であることがより望ましい。その後、レーザ部１に回折格子１５を形成し、上部クラッド層２４をＭＯＶＰＥ法により全面に成長する（図２４（ｄ））。このようにして、レーザ部１と変調器部２との間の結合部３と、素子端部の窓構造部４、５が同時に形成される。
【０１２３】
（９）引き続き、コンタクト層２５を、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長する（図２４（ｅ））。
【０１２４】
（１０）コンタクト層２５の結晶成長後、試料表面に光導波路形成用の誘電体絶縁膜マスクを形成し、共通導波路層１１、上部クラッド層２４、コンタクト層２５を光導波路状にエッチング加工する。光導波路状にエッチング加工する際、除去対象部分においては、共通導波路層１１までを除去し、エッチストップ層２８で止めるような溶液を用いて行う（図１８、図２０〜図２２参照）。このとき、レーザ部１の光導波路、結合部３の光導波路及び変調器部２の光導波路は、単一モード光導波路の条件を満たすリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPに形成される。具体的には、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝１．６μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．５μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝２．０μｍとした。
【０１２５】
（１１）その後、形成した光導波路の両側面に、ＭＯＶＰＥ法により、電流ブロック層として、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９を成長させた（図１８、図２０〜図２２参照）。Ｒｕの原料としては、ビスエチルシクロペンタディエニルルテニウム（bis(ethylcycloPentadienyl)ruthenimm(II)）を用いた。
【０１２６】
（１２）その後、結合部３において電極分離を行う領域を開口すると共に、窓構造部４、５の領域を開口したマスクパターンを用いて、レーザ部１の光導波路と変調器部２の光導波路の間のコンタクト層２５を除去して、互いの電極分離を行うと共に、同時に、窓構造部４、５のコンタクト層２５も除去する。その後、レーザ部１と変調器部２の上方に各々上部電極３０を形成し、基板１０の裏面側に下部電極２７を形成する（図２４（ｆ））。
【０１２７】
上述したように、本発明に係る半導体光集積素子においては、レーザ部１と変調器部２とを光結合する結合部３を備えると共に、レーザ部１の活性層１３、変調器部２の変調器層１８及び結合部３の半導体層２３の上層に共通導波路層１１を備えており、更に、導波路となる構成のうち、Ａｌを含まない共通導波路層１１以上の層をリッジ構造とする埋め込み導波路構造としている。
【０１２８】
このように、本実施例の半導体光集積素子は、実施例１に示した半導体光集積素子とは、共通導波路層１１の位置が相違しているが、実施例１と同等の効果を奏する。
【０１２９】
加えて、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上層に共通導波路層１１を備えることにより、共通導波路層１１のみをリッジ構造に含む構造として、リッジ構造幅の加工により、共通導波路層１１のみの幅を制限することができる。その結果、活性層１３及び変調器層１８の下層側に共通導波路層を備える場合に比べて、横方向の光閉じ込めを増加させて、レーザ部、結合部、変調器部において、導波光を良好に導波させるという利点を有する。
【０１３０】
又、本発明に係る半導体光集積素子においては、リッジ構造の両脇をＲｕドープＩｎＰ半絶縁性半導体からなる埋込層２９で埋め込むので、電流狭窄、放熱性に優れ、その結果、放熱性に優れるので信頼性も向上するという利点も有する。なお、本実施例においては、リッジ構造の両側面を埋め込む半絶縁性半導体材料にＲｕドープされたものを用いているが、Ｆｅ等の他の不純物がドープされたものを用いてもよい。
【０１３１】
更に、埋込層２９で埋め込む際には、Ａｌ系半導体材料から構成される活性層１３、変調器層１８自体が加工（エッチング）されることがないため、Ａｌ系半導体表面（埋め込み後は埋め込み界面）が大気に露出することがなく、酸化されることがない。Ａｌ系半導体表面が酸化した場合には、結晶品質を劣化させ、素子特性の劣化を招くが、本発明に係る半導体光集積素子においては、Ａｌ系半導体表面が大気に露出することがなく、酸化されることなく加工が行われるので、素子特性が良好であるという利点も有する。
【０１３２】
このような構成により、本実施例の半導体光集積素子においては、活性層１３から放出された光は、活性層１３と共通導波路層１１との間をシングルモードで導波され、更に、共通導波路層１１と変調器層１８との間もシングルモードで導波されて、高い効率で窓構造部５の端面から出射されることになる。
【０１３３】
なお、本実施例においては、半導体光集積素子のレーザ部１及び変調器部２の両側面をＲｕドープのＩｎＰ層で埋め込む構造（ＲｕドープＩｎＰ層埋め込み構造）としたが、レーザ部１又は変調器部２の少なくとも一方にＲｕドープＩｎＰ層埋め込み構造を導入するようにしてもよい。又、本実施例においては、共通導波路層１１を活性層１３及び変調器層１８の上方側（素子表面側）に設けた構造において、ＲｕドープＩｎＰ層埋め込み構造を導入することについて説明したが、実施例１、２の構造においても、ＲｕドープＩｎＰ層埋め込み構造を導入してもよい。
【実施例５】
【０１３４】
上記実施例１〜４では、素子端部の窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅を、隣接するレーザ部１の光導波路、変調器部２の光導波路のリッジ幅と同等としている半導体光集積素子について述べたが、本実施例では、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅が、隣接するレーザ部１の光導波路又は変調器部２の光導波路の少なくとも一方のリッジ幅より大きい半導体光集積素子について述べる。
【０１３５】
（構成）
図２５に、本実施例の半導体光集積素子を示す。本実施例の半導体光集積素子は、図２５に示すように、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅を除いて、その構成は、実施例１に示す半導体光集積素子と同等の構成である。従って、実施例１における構成要素と同等のものについては、同じ符号を用い、重複する説明は省略する。
【０１３６】
具体的には、本実施例では、窓構造部４、５における光導波路（上部クラッド層２４ｂ、２４ｃ）のリッジ幅ＷW、ＷXを、共に２．５μｍとしており、隣接するレーザ部１の光導波路及び変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷL（２．０μｍ）、ＷE（２．０μｍ）より大きくしている。その他、各層の材料、厚さ等の構成については、実施例１に記載した通りである。
【０１３７】
一方、本実施例の半導体光集積素子の作製方法については、実施例１に示した作製方法の（９）において、上部クラッド層２４を光導波路状にエッチング加工する際に、図２５に示す上部クラッド層２４ｂ、２４ｃのように形成すればよいだけであり、他の作製工程については同等である。従って、本実施例では、作製方法の説明についても省略する。
【０１３８】
本実施例の半導体光集積素子においては、結合部３における光導波路のリッジ幅ＷPと共通導波路層１１を導波する光の閉じ込め係数の関係により、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅ＷW、ＷXが３．８μｍより大きくなると、導波する光が単一モードでなくなるので、リッジ幅ＷW、ＷXは３．８μｍ以下が有効であることがわかっている。
【０１３９】
又、窓構造部４と隣接するレーザ部１との結合効率の関係及び窓構造部５と隣接する変調器部２との結合効率の関係から、リッジ幅ＷW、ＷXが２．０μｍ以上３．５μｍ以下の範囲において、結合効率を８０％以上にすることができることがわかっている。このことは、特に窓構造部５と隣接する変調器部２との光結合において、光損失による変調器部２からの出力光の低下を抑制することができることを示す。
【０１４０】
上述したように、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅ＷW、ＷXを、隣接するレーザ部１の光導波路又は変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷL、ＷEよりも大きくすることにより、良好な出力特性を得ることができる。更に、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅ＷW、ＷXを、隣接するレーザ部１の光導波路又は変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷL、ＷEよりも大きくすることにより、出力光のビーム形状を円形に維持することができる。これにより、本実施例の半導体光集積素子を、光ファイバと接続する際に光ファイバとの結合効率の低減を抑制できる。
【０１４１】
本実施例において、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅ＷW、ＷXは、共に、隣接するレーザ部１の光導波路又は変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷL、ＷEより大きくしたが、隣接するレーザ部１の光導波路のリッジ幅ＷL又は変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷEのうち、少なくともどちらか一方のリッジ幅より大きくすればよい。
【０１４２】
又、本実施例においては、実施例１と同様に、波長帯を１．５５μｍとしているが、１．３μｍにも適用できる。更に、本実施例においては、共通導波路層１１を活性層１３及び変調器層１８の下層側に設けたが、実施例３に示すように、共通導波路層１１を活性層１３及び変調器層１８の上層側に設けても、同様の効果が得られる。加えて、本実施例では、素子構造にリッジ構造を採用しているが、実施例４に示すように、Ｒｕ等をドープした半導体層（例えば、ＲｕドープＩｎＰ層）で、メサ両脇を埋め込む構造でも、同様の効果が得られる。
【０１４３】
＜その他の実施例＞
なお、上記実施例１〜５においては、１．３μｍ波長帯、１．５５μｍ波長帯に対応する半導体光集素子について説明したが、Ａｌ系半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路と、Ａｌ系半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路を用いる場合であれば、他の波長帯であっても本発明は適用でき、同等の効果を得ることができる。
【０１４４】
又、共通導波路層の波長組成は、１．１μｍ、１．３μｍを用いたが、この波長組成に限ることはない。特に、共通導波路層の波長組成は、レーザ部の活性層、変調器部の変調器層よりも長波長であると、光の導波がマルチモードになる（単一モードでない）場合があるので、レーザ部の活性層、変調器部の変調器層よりも短波長であることが望ましい。
【０１４５】
又、レーザ部の光導波路と変調器部の光導波路の結合部にＩｎＰを用いたが、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等のＡｌを含まない半導体材料であれば適用できる。この場合、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の波長組成は、レーザ部の活性層と変調器部の変調器層に用いたものより短波長であることが望ましい。レーザ部、変調器部、結合部、共通導波路層等を構成する層の厚さ、幅等は他の値であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
本発明に係る半導体光集積素子は、光通信用モジュール、光通信システムにおける光変調器集積化光源に好適なものであり、特に、温度調節用クーラー無しで動作させる低コストの光通信用モジュール、光通信システムに用いて好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の一例（実施例１）を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体光集積素子の導波路方向の断面図である。
【図３】図１に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の断面図である。
【図４】図１に示す半導体光集積素子における結合部の断面図である。
【図５】図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】屈折率が互いに異なる物質の境界面における光の屈折を説明する図である。
【図７】バンドギャップ波長と屈折率差との関係を示すグラフである。
【図８】入射角と反射率との関係を示すグラフである。
【図９】境界面への入射角に対する反射波の結合率を示すグラフである。
【図１０】図１に示す半導体光集積素子の作製方法（前半）を説明する図である。
【図１１】図１に示す半導体光集積素子の作製方法（後半）を説明する図である。
【図１２】本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の他の一例（実施例３）を示す斜視図である。
【図１３】図１２に示す半導体光集積素子の導波路方向の断面図である。
【図１４】図１２に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の断面図である。
【図１５】図１２に示す半導体光集積素子における結合部の断面図である。
【図１６】図１２に示す半導体光集積素子の作製方法（前半）を説明する図である。
【図１７】図１２に示す半導体光集積素子の作製方法（後半）を説明する図である。
【図１８】本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の他の一例（実施例４）を示す斜視図である。
【図１９】図１８に示す半導体光集積素子の導波路方向の断面図である。
【図２０】図１８に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の断面図である。
【図２１】図１８に示す半導体光集積素子における結合部の断面図である。
【図２２】図１８に示す半導体光集積素子における変調器部の断面図である。
【図２３】図１８に示す半導体光集積素子の作製方法（前半）を説明する図である。
【図２４】図１８に示す半導体光集積素子の作製方法（後半）を説明する図である。
【図２５】本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の他の一例（実施例５）を示す斜視図である。
【図２６】ＢＪ法を説明する模式図である。
【図２７】サイドエッチを説明する模式図である。
【図２８】Ａｌ系半導体材料層の酸化を説明する模式図である。
【符号の説明】
【０１４８】
１ 半導体レーザ部
２ 半導体光変調器部
３ 結合部
４、５ 窓構造部
１０ 基板
１１ 共通導波路層
１２、２８ エッチストップ層
１３ 活性層
１８ 変調器層
２３ 半導体層
２４ 上部クラッド層
２９ 埋込層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光通信用モジュール、光通信システムの光変調器集積化光源に用いる半導体光集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の広がりに伴い、メトロアクセス系通信（〜８０ｋｍ）では、現在、温調クーラー付で動作させている半導体レーザと光変調器を、温調クーラー無しで動作させ、それらを低コスト化させる、という需要が広がっている。このような需要を満たすために、半導体レーザと光変調器には、低温から高温にわたる広い範囲の環境温度でも、大きな特性劣化が見られないよう高性能化することが求められている。
【０００３】
光変調器集積化光源となる半導体光集積素子の高温動作化を考えた場合に、多重量子井戸構造のＤＦＢ（Distributed feedback）レーザと多重量子井戸構造の電界吸収型光変調器（ＥＡ（Electro-Absorption）変調器と称する。）を、どちらもＡｌ系半導体材料（ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料等）を用いて作製、モノリシック集積し、良好な特性を得たという報告が数多くされている（非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】M. R. Gokhale, et al., "Uncooled, 10Gb/s 1310nm Electroabsorption Modulated Laser", Optical Fiber Communications Conference, 2003, PD42
【非特許文献２】Kenichiro Yashiki, et al., "10-GB/s 23-km Penalty-Free Operation of 1310-nm Uncooled EML With Semi-Insulating BH Structure", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No.1, January 1, 2006, PP109-111
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ａｌ系半導体材料は、高温動作に優れる反面、材料の取り扱いの難しさに問題がある。
図２６は、半導体レーザと半導体光変調器を、同一基板上にモノリシック集積する際に良く用いられるバットジョイント（以下、ＢＪと略す。）法を模式的に表したものであり、良好なＢＪ構造を示している。
まず、基板５０上に、半導体レーザ部となる活性層５１を積層し、その上部にクラッド層５２を積層する（図２６（ａ））。その後、最初に集積したい半導体レーザ部の部分に酸化絶縁膜マスク５３（以下、マスク５３と称する。）を形成する（図２６（ｂ））。その後、エッチング溶液でマスク５３のかかっていない部分を削り取る（図２６（ｃ）。以下、この工程をウェットエッチングと称する。）。その後、ウェットエッチングした部分に半導体光変調器部となる変調器層５４、クラッド層５５を結晶再成長することで、半導体レーザ部と半導体光変調器部を、一つの基板５０上にモノリシック集積を行っている（図２６（ｄ））。
【０００６】
図２７は、Ａｌ系半導体材料にＢＪ法を適用した場合に起こる問題点を、模式的に表した図である。
Ａｌ系半導体材料でＢＪ法を行う場合も、図２６に示す方法と同様、残しておきたい部分にマスク５３を形成しておき、マスク５３が形成されていない部分をエッチング溶液で削り取る。ところが、Ａｌ系半導体材料では、図２７（ａ）の符号Ｓに示すように、エッチング溶液がマスク５３の下に入り込み、残しておきたい部分まで削り取ってしまう（以下、サイドエッチと称する）。これは、Ａｌ系半導体材料では、従来のＰ系半導体材料（ＩｎＧａＡｓＰ系材料）に比べ、サイドエッチＳの量が大きいためである。ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法と同様に、半導体光変調器部となる変調器層５４、クラッド層５５を結晶再成長し、同一基板５０上にモノリシック集積を行うことになる。しかしながら、サイドエッチＳの量が多いと、図２７（ｂ）に示すように、半導体レーザ部と半導体光変調器部との結合部分に空孔部５７が残ってしまい、半導体レーザ部と半導体光変調器部がきれいに結合されなくなる。そのため、半導体レーザ部と半導体光変調器部の結合効率が劣化し、光出力を減少させることが問題となっていた。
【０００７】
又、Ａｌ系半導体材料では、空気中で容易に酸化してしまうことも問題となっている。半導体を再成長しようとする場合に、表面が酸化していると、結晶再成長を行うことができなくなる。図２８（ａ）の符号５８は、ＢＪ法の際に、半導体レーザ部となる活性層５１の端面が酸化した様子を表している。活性層５１の端面が酸化している状態でＢＪ法を行うと、結合部分でうまく結晶成長ができず、図２８（ｂ）に示すように、空孔部５９が残ってしまう。そのため、半導体レーザ部と半導体光変調器部の結合効率が劣化し、光出力を減少させる原因となっていた。
【０００８】
Ａｌ系半導体材料の酸化への対処方法として、半導体レーザ部と半導体光変調器部を一度に成長する選択成長技術が報告されている。この方法では、結晶成長の過程でＡｌ系半導体材料を一度も空気中に出さないために酸化の影響を抑制できると報告されている（非特許文献２）。しかしながら、これらの工程は、全て難易度が高く、歩留まりの向上が難しい、量産に向かないという問題点があった。
【０００９】
又、ＢＪ法では、通常、ＢＪ結合面が導波路方向に直交するように形成されるため、ＢＪ結合における反射、散乱損失が生じ、閾値電流の増大や出力効率の低下等の問題を生じるおそれがある。特に、ＢＪ法の際に選択成長技術を用いる場合には、選択成長による成長膜厚や組成の変動が散乱を増加させ、結合効率を悪化させていた。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、Ａｌ系半導体材料を用いて同一の基板上に集積した半導体レーザ及び半導体光変調器であって、Ａｌ系半導体材料の酸化とサイドエッチの影響を抑制すると共に、ＢＪ結合面の反射や散乱を抑えた半導体光集積素子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】
【００１１】
上記課題を解決する第１の発明に係る半導体光集積素子は、
同一の半導体基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路とＡｌを含む半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路とをモノリシック集積した半導体光集積素子において、
前記活性層及び前記変調器層の上層側又は下層側に、Ａｌを含まない半導体材料からなる共通導波路層を設けると共に、
前記レーザ部光導波路と前記変調器部光導波路との間に、Ａｌを含まない半導体材料からなる結合部光導波路を設け、
前記結合部光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路及び前記変調器部光導波路のリッジ幅より大きくし、
前記活性層と前記結合部光導波路又は前記変調器層と前記結合部光導波路の少なくとも一つの結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させたことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第２の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１の発明に記載の半導体光集積素子において、
Ａｌを含まない半導体材料からなる窓構造部を、当該半導体光集積素子の両端部に設け、
前記活性層及び前記変調器層の端面を前記窓構造部で覆って、空気中に露出しないようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第３の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第２の発明に記載の半導体光集積素子において、
前記活性層と前記窓構造部又は前記変調器層と前記窓構造部の少なくとも一つの結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させたことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第４の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の半導体光集積素子において、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して５度以上傾斜していることを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第５の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の半導体光集積素子において、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して１０度以上５４度以下の角度で傾斜していることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第６の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第２〜第５のいずれか１つの発明に記載の半導体光集積素子において、
前記窓構造部の光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路又は前記変調器部光導波路の少なくとも一方のリッジ幅より大きくすることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第７の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１〜第６のいずれか１つの発明に記載の半導体光集積素子において、
前記レーザ部光導波路の両側面又は前記変調器部光導波路の両側面の少なくとも一方を、Ｒｕドープ半絶縁性半導体材料により埋め込むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＢＪ結合面を導波路方向に直交する方向に対して傾斜させているので、ＢＪ結合面における反射と散乱を抑えることができる。特に、活性領域（半導体レーザ）と非活性領域（半導体光変調器）が交互に繰り返される構造を有する分布活性ＤＦＢレーザ等の構造では、共振器全体の損失を低減し、閾値電流の増大や出力効率の低下を防止することができる。加えて、極めて容易な作製プロセスで、Ａｌ系半導体材料を用いる際の酸化、サイドエッチといった問題に起因する結合効率の低下も抑制することができる。その結果として、低温から高温までの広い動作温度範囲で、特性劣化の小さな高信頼性の半導体光集積素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係る半導体光集積素子の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００２０】
（構成）
図１は、本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の一例を示す斜視図である。又、図２〜図５は、図１に示す半導体光集積素子の断面図であり、図２が、その導波路方向の断面図、図３が、そのレーザ部の断面図、図４が、その結合部の断面図、図５が、図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００２１】
本実施例の半導体光集積素子は、ＥＡ−ＤＦＢレーザと呼ばれるものであり、Ａｌを含む半導体材料（以降、Ａｌ系半導体材料と呼ぶ。）からなる活性層１３を備える半導体レーザ部（以降、レーザ部と略す。）１の光導波路と、Ａｌ系半導体材料からなる変調器層１８を備える半導体光変調器部（以降、変調器部と略す。）２の光導波路とを、同一の基板１０上にモノリシック集積したものである。更に、レーザ部１と変調器部２との間に形成された結合部３の光導波路と、レーザ部１の端部側方に形成された窓構造部４の光導波路と、変調器部２の端部側方に形成された窓構造部５の光導波路とを有する。
【００２２】
レーザ部１は、下層側から、下部クラッド層となる基板１０と、Ａｌを含まない半導体材料（以降、非Ａｌ系半導体材料と呼ぶ。）からなる共通導波路層１１と、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層１２と、Ａｌ系半導体材料からなり、レーザ光を発振する活性層１３と、活性層１３上方に形成された回折格子１５と、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４と、コンタクト層２５、２６とから構成される。レーザ部１において、共通導波路層１１、エッチストップ層１２及び活性層１３は、コア層を構成している。なお、ここでは、電極部分の図示は省略している。
【００２３】
共通導波路層１１は、活性層１３、変調器層１８及び後述の半導体層２３の下方側（基板１０側）に、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の導波路方向に沿って、素子全長（窓構造部４〜レーザ部１〜結合部３〜変調器部２〜窓構造部５）に渡って延設されており、エッチストップ層１２、上部クラッド層２４と共に、非Ａｌ系半導体材料から形成されている。
【００２４】
変調器部２は、下層側から、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層１１と、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層１２と、Ａｌ系半導体材料からなり、活性層１３から発振されたレーザ光を変調する変調器層１８と、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４と、コンタクト層２５、２６とから構成される。変調器部２において、共通導波路層１１、エッチストップ層１２及び変調器層１８は、コア層を構成している。なお、ここでも、電極部分の図示は省略している。
【００２５】
結合部３は、活性層１３と変調器層１８とを光結合する役割を果たすものであり、下層側から、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層１１と、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層１２と、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３と、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４とから構成される。結合部３においては、共通導波路層１１がコア層を構成している。このように、半導体層２３も、非Ａｌ系半導体材料から形成されている。
【００２６】
窓構造部４、５は、下層側から、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層１１と、非Ａｌ系半導体材料エッチストップ層１２と、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３と、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４とから構成される。窓構造部４、５は、結合部３と略同等の構成を有しており、ここでも、共通導波路層１１がコア層を構成している。この窓構造部４、５は、Ａｌ系半導体材料から形成された活性層１３及び変調器層１８の端面が空気に触れないようにする役割を果たすものであり、そのため、活性層１３及び変調器層１８の側端面に、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３を形成することにより、活性層１３及び変調器層１８の端面を覆うような構造としており、更に、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上面に、非Ａｌ系半導体材料からなる上部クラッド層２４を形成している。
【００２７】
又、レーザ部１（窓構造部４）、変調器部２（窓構造部５）及び結合部３は、上部クラッド層２４をリッジ構造に形成することにより、リッジ型光導波路構造としており、それらのリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPは、活性層１３と共通導波路層１１をあわせて一つの単一モード光導波路となるように、かつ、共通導波路層１１と変調器層１８をあわせて一つの単一モード光導波路となるように、各々設定されている。このように、活性層１３及び共通導波路層１１、共通導波路層１１及び変調器層１８を、単一モード光導波路となるように構成することにより、更には、後述するように、それらの結合面を傾斜させることにより、素子内での結合効率を向上せると共に損失を抑制している。
【００２８】
なお、共通導波路層１１を設けて集積した複数の素子間に光を導波させる場合には、結合部３のリッジ幅ＷPを、素子のリッジ幅ＷL、ＷEより広くすれば、導波する光のフィールドが単一モードを有することがわかっている。これにより、結合部３の光閉じ込め、結合効率を増加させ、導波する光の損失を低減することができる。
【００２９】
このような構成により、本発明に係る半導体光集積素子においては、活性層１３から放出された光は、活性層１３と共通導波路層１１とがあわせて単一モード光導波路になるように導波され、更に、共通導波路層１１と変調器層１８とがあわせて単一モード光導波路になるように導波されて、窓構造部５の端面から出射されることになる。
【００３０】
本実施例の半導体光集積素子は、概略、上述した構成を有するものである。ここで、その具体的な構成（例えば、各層の組成、厚さ等）の一例を例示する。
【００３１】
例えば、基板１０はｎ−ＩｎＰ、共通導波路層１１は厚さ２００ｎｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、エッチストップ層１２は厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ、半導体層２３はｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、上部クラッド層２４は厚さ１８００ｎｍのｐ−ＩｎＰからなり、全て、非Ａｌ系半導体材料から構成されている。又、コンタクト層２５は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、コンタクト層２６は厚さ３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ）からなる。
【００３２】
一方、活性層１３は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層、キャリアストップ層からなる。ガイド層は厚さ３０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、キャリアストップ層は厚さ３０ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層厚７ｎｍ、障壁層厚１０ｎｍの１０周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．５５μｍになるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００３３】
又、変調器層１８は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層からなる。ガイド層は厚さ２０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層１０ｎｍ、障壁層５ｎｍの８周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．４６μｍとなるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００３４】
又、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝２．０μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．５μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝２．０μｍとしている。なお、本実施例の場合、窓構造部４、５の光導波路のリッジ幅は、隣接するレーザ部１及び変調器部２のリッジ幅ＷL、ＷEと同じく、２．０μｍとしている。
【００３５】
本実施例の半導体光集積素子は、上述した積層構造を有するものであるが、その導波路方向の構造は、図５（ａ）に示す構造としている。具体的には、ＢＪ法により結合された、窓構造部４の半導体層２３とレーザ部１の活性層１３との結合面、レーザ部１の活性層１３と結合部３の半導体層２３との結合面、結合部３の半導体層２３と変調器部２の変調器層１８との結合面、変調器部２の変調器層１８と窓構造部５の半導体層２３との結合面全てを、導波路方向に対して４５度傾斜させた構造としている。詳細は後述するが、結合面の傾斜角度は４５度でなくても、光の導波方向から垂直以外の斜めの角度を有していればよく、その角度は５度以上であれば有効であり、１０度以上５４度以下であればさらに有効である。又、これらの結合面は、全て傾斜させる必要はなく、少なくとも１つの結合面を導波路方向に対して傾斜させればよい。
【００３６】
更に、結合面の傾斜角度は、全て、同じ角度、同じ方向でなくてもよく、例えば、図５（ｂ）、（ｃ）に示すようなものでもよい。
【００３７】
なお、活性層１３、変調器層１８、半導体層２３以外の層、例えば、上部クラッド層２４、コンタクト層における窓構造部４／レーザ部１間、レーザ部１／結合部３間、結合部３／変調器部２間、変調器部２／窓構造部４間の角度は、本実施例においては傾斜させていないが、傾斜させてもよい。
【００３８】
ここで、図６〜図９を参照して、結合面を導波路方向に対して傾斜させた構造について、その適切な傾斜角度、そして、その作用効果を説明する。
【００３９】
上述したように、本実施例において、レーザ部１の活性層１３及び変調器部２の変調器層１８は、Ａｌ系半導体材料であるＩｎＧａＡｌＡｓからなり、結合部３、窓構造部４及び窓構造部５の半導体層２３は、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなり、互いに組成が異なっている。従って、ＢＪ結合面は、屈折率が異なる層の結合となる。
【００４０】
屈折率が互いに異なる物質の境界面（結合面）においては、一方の物質から他方の物質へ光が入射する際に光の反射が生じる。例えば、図６に示す屈折率Ｎ1の物質Ｍ1と屈折率Ｎ2の物質Ｍ2との境界面Ｂに、物質Ｍ1側から光が入射したとすると、結合界面における光の反射率Ｒは、以下の（１）式で表される。
Ｒ＝（（Ｎ1−Ｎ2）／（Ｎ1＋Ｎ2））2 … （１）
【００４１】
本実施例の半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）において、活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との屈折率差が小さいため、（１）式から、反射率Ｒの絶対値は非常に小さくなる。しかし、その一方で、図５で示したように、一つの素子中に、屈折率が互いに異なる領域を結合した結合面が複数（図５中では４面）存在する。このため、一つの素子全体では光の反射の影響が無視できない程度に大きくなるおそれがある。従って、結合面を複数有する素子にあっては、反射率Ｒをできるだけ低く抑えるか、反射が起きたとしても反射波が導波路に結合しないようにすることが重要である。
【００４２】
屈折率が互いに異なる物質の境界面に対して光が斜めに入射した場合、入射角をθ1、屈折角をθ2とすると、スネルの法則に従い、以下の（２）式で表されるように、その境界面で屈折が生じる。なお、入射角θ1は、境界面Ｂの法線に対する光の伝播方向の傾斜角とする。
ｓｉｎθ1／ｓｉｎθ2＝Ｎ2／Ｎ1 … （２）
【００４３】
ここで、入射角θ1がブリュースター角θBに一致する場合、入射面に平行な成分の反射をなくすことができる。ブリュースター角θBは、以下の（３）式で表すことができる。
θB＝ｔａｎ-1（Ｎ2／Ｎ1） … （３）
【００４４】
図７に、一例として、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓＰとバンドギャップ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｌＡｓとの屈折率差と、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長との関係を示す。伝播する光の波長は１．５５μｍとしている。図７に示すように、半導体の屈折率はバンドギャップ波長によって異なる。例えば、バンドギャップ波長１．５５μｍの半導体と、バンドギャップ波長１．４０μｍの半導体とでは、０．０９程度の屈折率差がある。
【００４５】
実際に導波路構造を作製する場合には、バンドギャップ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｌＡｓと、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓＰとをコアとして用い、これらよりも屈折率の低い半導体でコアに光を閉じ込める構造をとる。
【００４６】
例えば、簡単な導波路構造として、厚さ０．１５μｍのコアをＩｎＰのクラッドで挟んで構成される導波路構造の等価屈折率で考えると、バンドギャップ波長１．５５μｍの半導体をコアとして用いた場合の等価屈折率は３．１２、バンドギャップ波長１．４０μｍの半導体をコアとして用いた場合の等価屈折率は３．１９となり、これらの導波路の等価屈折率差は０．０２程度以下になる。なお、本実施例に当てはめてみると、レーザ部１の活性層１３、変調器部２の変調器層１８を、Ａｌ系半導体材料であるＩｎＧａＡｌＡｓから構成した場合には、その等価屈折率は３．２〜３．３５となり、結合部３、窓構造部４、窓構造部５の半導体層２３を、非Ａｌ系半導体材料である波長組成（ＰＬ波長）１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰから構成した場合には、その等価屈折率は３．３９となり、それらの等価屈折率差は、０．０５〜０．１９となる。
【００４７】
図８に、図６に示した境界面Ｂに入射する光の入射角θ1と反射率Ｒとの関係を示す。なお、入射角θ1は、境界面Ｂに直交する方向と光の伝播方向との角度である。図８に示すグラフは、入射側の物質Ｍ1の屈折率をＮ1＝３．２０、物質Ｍ1と物質Ｍ2の屈折率差ΔｎをそれぞれΔｎ＝Ｎ1−Ｎ2＝０．００５、０．０１、０．０１５、０．０２とした場合の例を示している。
【００４８】
本実施例においては、ＥＡ−ＤＦＢレーザにおける活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との屈折率差が小さいため、（３）式から、ブリュースター角θBはほぼ４５度となる。即ち、活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との結合面の傾斜角θがほぼ４５度の場合に反射率Ｒが０となり、又、傾斜角θ＝４５度近傍で反射率Ｒが非常に小さくなる。
【００４９】
屈折率差Δｎ＝０．０１の場合を例にとってみると、図８から、入射角θ1が１０度以上５４度以下で反射率Ｒを低減できる。特に、反射率Ｒを、光が境界面に対して垂直に入射した場合の、即ち、入射角θ1＝０の場合の半分以下に抑えるためには、入射角θ1を２８度から５２度程度の間の値とすればよい。又、反射率Ｒを、入射角θ1＝０における反射率Ｒの３分の１以下に抑えるためには、入射角θ1を３３度から５１度程度の間の値とすればよい。なお、図８からわかるように、入射角θ1がブリュースター角θBより小さい範囲であるほうが、入射角θ1がブリュースター角θBより大きい場合に比較して、入射角θ1に対する反射率Ｒの変化が緩やかになっている。
【００５０】
なお、必ずしも境界面における反射を全て抑える必要がなく、反射が起きても反射波が導波路に結合しないような場合、以下のように入射角θ1の選択範囲を広げることができる。
【００５１】
図９に、光モードフィールド幅を１．５μｍとした場合の境界面への入射角と、導波路への反射波の結合率との関係を示す。なお、反射波結合率は、境界面での屈折率差を考慮しなくてもいいように、入射角θ1＝０のとき、すなわち、境界面が導波路方向に対して直交する場合における反射波の導波路への結合率を１として表示した。
【００５２】
図９から、入射角θ1がおよそ５度以上あれば導波路への反射波結合率を半分に低減でき、反射波結合率を３０％程度以下にするためには入射角θ1がおよそ７度以上あればよく、反射波結合率を一桁低減するには、入射角θ1をおよそ９度以上とすればよいことがわかる。
【００５３】
以上のことから、図１〜図５に示す本実施例の半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）において、活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して、反射波結合率を、例えば半分以下に抑制するためには、結合面の角度を導波路方向に対して５度以上９０度未満とする必要がある。又、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して、反射波結合率を３０％以下に抑制するためには導波路方向に対する結合面の角度を７度以上９０度未満とする必要がある。又、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して反射波結合率を一桁低減するためには、導波路方向に対する結合面の角度を９度以上９０度未満とする必要がある。
【００５４】
又、活性層１３、変調器層１８と半導体層２３との結合面における反射率Ｒを、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して、例えば半分以下とするためには、結合面の傾斜角θを２８度乃至５２度程度、３分の１以下とするためには、結合面の傾斜角θを３３度乃至５１度程度、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して反射率Ｒをほぼ０とするためには、結合面の傾斜角θを４５度とする必要がある。
【００５５】
なお、上述したような反射波の影響を抑制する効果は、結合する導波路の数が増えるほど大きくなることは明らかである。
【００５６】
従って、導波路に対して、屈折率境界面である結合面の傾斜角θが上記角度となるようにすれば、結合面における屈折率差により生じた反射率Ｒを低減し、反射波の導波路への結合を低減することができる。本実施例の場合、レーザ部１の活性層１３からの発振光は、共通導波路層１１を介して、変調器部２の変調器層１８に導波するものと、共通導波路層１１を介さず、結合部３の半導体層２３を介して、変調器部２の変調器層１８に導波するものがあり、後者のように導波する光に対して、結合面における屈折率差により生じた反射率Ｒを低減し、反射波の導波路への結合を低減することになる。
【００５７】
（作製方法）
次に、図１〜図５と共に、図１０（ａ）〜（ｄ）、図１１（ａ）〜（ｅ）を用いて、本実施例の半導体光集積素子の作製方法を説明する。
【００５８】
（１）まず、ｎ−ＩｎＰの基板１０上に、非Ａｌ系半導体材料からなる共通導波路層１１（厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ））、エッチストップ層１２（厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ）を順に結晶成長させ、その上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を結晶成長させる。その後、半導体層（回折格子層）１４を結晶成長させ、半導体層（回折格子層）１４に回折格子１５を形成する（図１０（ａ））。
【００５９】
（２）次に、１００ｎｍの半導体層１６（ｉ−ＩｎＰ）を結晶成長する。その後、最初に集積したいレーザ部１の部分の試料表面に誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク１７を形成する（図１０（ｂ））。このマスク１７は、変調器部２の部分の試料表面には開口部を有することになる。マスク１７としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜（３００ｎｍ厚）を成膜し、通常の露光方法でレジストパターンを形成した後、ＣＦ系のプラズマエッチングにより作製すればよい。
【００６０】
（３）次に、マスク１７を用いて、マスク１７のかかっていない部分、つまり、変調器部２の部分の活性層１３をウェットエッチングにより除去する（図１０（ｃ））。この際、変調器部２の部分においては、活性層１３までは溶かすが、エッチストップ層１２（厚さ１０ｎｍ）は溶かさないような溶液を用いてウェットエッチングを行い、共通導波路層１１は残している。なお、本実施例における作製方法の場合も、従来と同様に、Ａｌ系半導体材料においては、図１０（ｃ）に示すように、エッチング溶液がマスク１７の下に入り込み、サイドエッチＳが形成されてしまう。
【００６１】
（４）次に、ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法により、変調器層１８、ＩｎＧａＡｓＰ層１９（１００ｎｍ）、ｉ−ＩｎＰ層２０（１００ｎｍ）を結晶再成長する。本実施例における作製方法の場合も、サイドエッチＳの部分では、結晶再成長がなされず、活性層１３と変調器層１８との結合部分に空孔部２１が残ってしまう（図１０（ｄ））。
【００６２】
空孔部２１が残った状態では、活性層１３と変調器層１８がきれいに結合されなくなり、サイドエッチＳの量が大きくなると、この影響は更に大きくなる。この状態のままでは、従来と同様に、活性層１３と変調器層１８の結合効率が低下し、光出力を減少させることが問題となってしまう。そこで、本発明においては、共通導波路層１１を形成すると共に、図１１（ａ）〜（ｅ）以降の手順を経て、半導体光集積素子を形成することにより、簡易な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制するようにしている。
【００６３】
（５）具体的には、空孔部２１がある部分の試料表面に開口部を形成するように、又、活性層１３の空孔部２１とは反対側の端部及び変調器層１８の空孔部２１とは反対側の端部、つまり、半導体光集積素子の両端部の試料表面に開口部を形成するように、誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク２２を形成する（図１１（ａ））。加えて、マスク２２は、活性層１３の両端、変調器層１８の両端が導波路方向に対して傾斜する形状となるように形成されており、例えば、図５（ａ）を参照して説明すると、半導体層２３に該当する部分に開口部を有し、後に結合面となる開口部の縁部分が導波路方向に対して傾斜する形状となっている。マスク２２としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜（３００ｎｍ厚）を成膜し、通常の露光方法でレジストパターンを形成した後、ＣＦ系のプラズマエッチングにより作製する。
【００６４】
（６）次に、上記マスク２２を用いて、ドライエッチング加工により、空孔部２１を含む領域と素子端部の領域を除去する（図１１（ｂ））。つまり、後に結合部３となる部分を一旦除去することにより、空孔部２１を除去している。この際、活性層１３、変調器層１８までは除去するが、エッチストップ層１２以下の層は除去しないようにして、共通導波路層１１は残している。ドライエッチング加工には、塩素、臭素等のハロゲン系ガス、又は、メタン、エタン等の炭化水素ガス、又は、アルゴンガス等を用いる。なお、酸溶液を用いたウェットエッチングによって、空孔部２１を含む領域と素子端部の領域の除去加工を行ってもよい。
【００６５】
（７）次に、マスク２２を、ＨＦ系溶液によるウェットエッチング、又は、ＣＦ系ガスによるドライエッチングにより除去した後、半導体層２３（ｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ）をＭＯＶＰＥ法により成長する。このとき、各部のＢＪ結合面が導波路方向に対して傾斜して形成されることになる。その後、上部クラッド層２４（１８００ｎｍ、ｐ−ＩｎＰ）をＭＯＶＰＥ法により全面に成長する（図１１（ｃ））。上部クラッド層２４としては、例えば、アンドープのＩｎＰ層（１５０ｎｍ厚）とｐ−ＩｎＰ層（２μｍ厚程度）から構成してもよい。このようにして、レーザ部１と変調器部２との間の結合部３と、素子端部の窓構造部４、５が同時に形成される。
【００６６】
（８）引き続き、コンタクト層２５（２００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ））とコンタクト層２６（３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ））を、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長する（図１１（ｄ））。
【００６７】
（９）その後、試料表面に光導波路形成用の誘電体絶縁膜マスクを形成し、上部クラッド層２４、コンタクト層２５、２６をリッジ型光導波路形状にエッチング加工する（図１参照）。このとき、レーザ部１の光導波路、結合部３の光導波路及び変調器部２の光導波路は、単一モード光導波路の条件を満たすようなリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPに形成され、結合部３では、図１に示すように、幅方向に広がった上部クラッド層２４ａが形成されることになる。
【００６８】
その後、結合部３において電極分離を行う領域だけ開口すると共に、窓構造部４、５の領域を開口したマスクパターンを用いて、レーザ部１の光導波路と変調器部２の光導波路の間のコンタクト層２５、２６を除去して、互いの電極分離を行うと共に、同時に、窓構造部４、５のコンタクト層２５、２６も除去する（図１１（ｅ））。その後、変調器部２の光導波路の脇に、ポリイミド等の有機物膜を形成した後、レーザ部１と変調器部２に各々電極を作製する。
【００６９】
従来技術においては、Ａｌ系半導体材料のサイドエッチにより、大きく結合効率が下がる問題があり、このような結合効率の低下を回避するため、難易度の高いプロセスを必要としていた。これに対して、本発明では、上述した作製方法を用いることにより、難易度の高い作製プロセスの使用を回避し、簡単な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制する半導体光集積素子を実現することができる。
【００７０】
そして、上述してきたように、本発明に係る半導体光集積素子においては、共通導波路層１１を備えると共に、レーザ部１と変調器部２とを光結合する結合部３を備えている。更に、素子を導波する光のフィールドが単一モードとなるようなリッジ幅に、各部のリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPを形成すると共に、導波路方向に対して傾斜するように、各部間の結合面を形成している。このような構造により、結合効率を向上させると共に素子内での損失を抑制することが可能である。
【００７１】
特に、Ａｌ系半導体材料を用いた素子においては、Ａｌ系半導体材料の酸化に起因する劣化が生じる可能性が高くなるが、本発明においては、非Ａｌ系半導体材料を用いて、サイドエッチにより形成された空孔部２１を埋め込むと共に、素子端部も、非Ａｌ系半導体材料で覆うことにより、即ち、窓構造部４、５を導入することにより、素子端部の酸化に起因する劣化を防止することができる。この窓構造部４、５は、非Ａｌ系半導体材料からなる結合部３と同時に形成できるため、素子作製プロセスを簡略化でき、素子の作製コストを削減することもできる。
【実施例２】
【００７２】
実施例１では、波長１．５５μｍでの半導体光集積素子について述べたが、本実施例では、波長１．３μｍでの半導体光集積素子について述べる。
【００７３】
（構成）
本実施例の半導体光集積素子も、前述の図１〜図５に示した構造からなり、各層が以下のように構成されたものである。従って、各構成要素については、同じ符号を用いて説明を行う。
【００７４】
本実施例の半導体光集積素子において、基板１０はｎ−ＩｎＰ、共通導波路層１１は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．１μｍ）、エッチストップ層１２は厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ、半導体層２３はｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、上部クラッド層２４は厚さ１８００ｎｍのｐ−ＩｎＰからなり、全て、非Ａｌ系半導体材料から構成されている。又、コンタクト層２５は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、コンタクト層２６は厚さ３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ）からなる。
【００７５】
一方、活性層１３は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層、キャリアストップ層からなる。ガイド層は厚さ３０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、キャリアストップ層は厚さ３０ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層厚７ｎｍ、障壁層厚１０ｎｍの１０周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．３０μｍになるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００７６】
又、変調器層１８は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層からなる。ガイド層は厚さ２０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層１０ｎｍ、障壁層５ｎｍの８周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．２３μｍとなるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００７７】
又、各領域のリッジ幅については、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝２．０μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．４μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝１．８μｍとしている。なお、本実施例の場合も、窓構造部４、５の光導波路のリッジ幅は、隣接するレーザ部１及び変調器部２のリッジ幅ＷL、ＷEと同じく、各々、２．０μｍ、１．８μｍとしている。
【００７８】
加えて、本実施例の半導体光集積素子においても、その導波路方向の構造は、図５（ａ）に示したように、窓構造部４の半導体層２３とレーザ部１の活性層１３との結合面、レーザ部１の活性層１３と結合部３の半導体層２３との結合面、結合部３の半導体層２３と変調器部２の変調器層１８との結合面、変調器部２の変調器層１８と窓構造部５の半導体層２３との結合面全てを、導波路方向に対して４５度傾斜させた構造としている。
【００７９】
このように、本実施例の半導体光集積素子は、共通導波路層１１、活性層１３及び変調器層１８において、実施例１に示した半導体光集積素子とは、ＰＬ波長が相違し、又、各領域のリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPが相違しているが、実施例１と同等の効果を奏する。なお、本実施例の半導体光集積素子の作製方法については、上記相違点を除き、実施例１に示した作製方法と同等のものであるため、ここでは、作製方法の説明については省略する。
【実施例３】
【００８０】
上記実施例１、２においては、共通導波路層１１が活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の下方側（基板１０側）にある構造について説明したが、本実施例においては、共通導波路層１１が活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上方側（素子表面側）にある構造について説明する。
【００８１】
（構成）
本実施例の半導体光集積素子は、図１２〜図１５に示した構造からなり、各層が以下のように構成されたものである。ここで、図１２は半導体光集積素子の斜視図、図１３は半導体光集積素子の導波路方向の断面図、図１４は半導体光集積素子におけるレーザ部の断面図、図１５は半導体光集積素子における結合部の断面図を示すものである。なお、本実施例では、上述した実施例１、２における構成要素と同等のものについては、同じ符号を用い、重複する説明は省略する。
【００８２】
本実施例の半導体光集積素子において、基板１０はｎ−ＩｎＰ、共通導波路層１１は２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、エッチストップ層１２は厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ、半導体層２３はｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、上部クラッド層２４は厚さ１８００ｎｍのｐ−ＩｎＰからなり、全て、非Ａｌ系半導体材料から構成されている。又、コンタクト層２５は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ）、コンタクト層２６は厚さ３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ）からなる。
【００８３】
一方、活性層１３は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層、キャリアストップ層からなる。ガイド層は厚さ３０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、キャリアストップ層は厚さ３０ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層厚７ｎｍ、障壁層厚１０ｎｍの１０周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．５５μｍになるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００８４】
又、変調器層１８は、基板１０側から、ガイド層、多重量子井戸層、ガイド層からなる。ガイド層は厚さ２０ｎｍでＰＬ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、Ａｌ系半導体材料から構成されている。多重量子井戸層は、井戸層１０ｎｍ、障壁層５ｎｍの８周期構造で、量子井戸のＰＬ波長が１．４６μｍとなるような組成からなる。なお、多重量子井戸層は無歪でも歪が入っていてもよいものとする。
【００８５】
又、各領域のリッジ幅については、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝２．０μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．５μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝２．０μｍとしている。なお、本実施例の場合も、窓構造部４、５の光導波路のリッジ幅は、隣接するレーザ部１及び変調器部２のリッジ幅ＷL、ＷEと同じく、２．０μｍとしている。
【００８６】
加えて、本実施例の半導体光集積素子においても、その導波路方向の構造は、図５（ａ）に示したように、窓構造部４の半導体層２３とレーザ部１の活性層１３との結合面、レーザ部１の活性層１３と結合部３の半導体層２３との結合面、結合部３の半導体層２３と変調器部２の変調器層１８との結合面、変調器部２の変調器層１８と窓構造部５の半導体層２３との結合面全てを、導波路方向に対して４５度傾斜させた構造としている。
【００８７】
（作製方法）
ここで、図１２〜図１５と共に、図１６（ａ）〜（ｄ）、図１７（ａ）〜（ｆ）を用いて、本実施例の半導体光集積素子の作製方法を説明する。
【００８８】
（１）まず、ｎ−ＩｎＰの基板１０上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を結晶成長させる（図１６（ａ））。
【００８９】
（２）次に、最初に集積したいレーザ部１の部分の試料表面に誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク１７を形成する（図１６（ｂ））。このマスク１７は、変調器部２の部分の試料表面には開口部を有することになる。マスク１７は、実施例１と同様な方法により加工する。
【００９０】
（３）次に、マスク１７を用いて、マスク１７のかかっていない部分、つまり、変調器部２の部分の活性層１３のみをウェットエッチングにより除去する（図１６（ｃ））。この際、変調器部２の部分においては、活性層１３までは溶かすが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は溶かさないような溶液を用いてウェットエッチングを行う。なお、本実施例における作製方法の場合、サイドエッチの影響は小さいと予想される。
【００９１】
（４）次に、ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法により、変調器層１８を結晶再成長する。本実施例における作製方法の場合、サイドエッチの影響は小さいと予想されるが、Ａｌ系半導体材料においては、酸化の影響により、やはり、結晶再成長がなされず、活性層１３と変調器層１８との結合部分に空孔部２１が残ってしまう（図１６（ｄ））。
【００９２】
空孔部２１が残った状態では、活性層１３と変調器層１８がきれいに結合されなくなる。この状態のままでは、従来と同様に、活性層１３と変調器層１８の結合効率が低下し、光出力を減少させることが問題となってしまう。そこで、本発明においても、共通導波路層１１を形成すると共に、図１７（ａ）〜（ｆ）以降の手順を経て、半導体光集積素子を形成することにより、簡易な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制するようにしている。
【００９３】
（５）具体的には、空孔部２１がある部分の試料表面に開口部を形成するように、又、活性層１３の空孔部２１とは反対側の端部及び変調器層１８の空孔部２１とは反対側の端部、つまり、半導体光集積素子の両端部の試料表面に開口部を形成するように、誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク２２を形成する（図１７（ａ））。加えて、マスク２２は、活性層１３の両端、変調器層１８の両端が導波路方向に対して傾斜する形状となるように形成されており、例えば、図５（ａ）を参照して説明すると、半導体層２３に該当する部分に開口部を有し、後に結合面となる開口部の縁部分が導波路方向に対して傾斜する形状となっている。なお、マスク２２は、実施例１と同様な方法により加工する。
【００９４】
（６）次に、マスク２２を用いて、実施例１と同様に、ドライエッチング又はウェットエッチングにより、空孔部２１を含む領域と素子端部の領域を除去する（図１７（ｂ））。つまり、後に結合部３となる部分を一旦除去することにより、空孔部２１を除去している。この際、活性層１３、変調器層１８までは除去するが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は除去しないようにしている。
【００９５】
（７）次に、エッチングにより除去した部分に、アンドープの半導体層２３（ｉ−ＩｎＰ、２００ｎｍ厚）をＭＯＶＰＥ法で結晶成長する（図１７（ｃ））。このとき、各部のＢＪ結合面が導波路方向に対して傾斜して形成されることになる。なお、ｉ−ＩｎＰに換えて、ＩｎＰ以外のＡｌを含まない半導体材料、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いてもよい。この場合、ＩｎＧａＡｓＰ等の波長組成は、レーザ部の活性層と変調器部の変調器層に用いたものより短波長であることが望ましい。
【００９６】
（８）次に、マスク２２を、ＨＦ系溶液によるウェットエッチング、又は、ＣＦ系ガスによるドライエッチングにより除去した後、エッチストップ層１２（厚さ１０ｎｍのアンドープｉ−ＩｎＰ）、非Ａｌ系半導体材料（２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ））からなる共通導波路層１１を順に結晶成長させる。その後、レーザ部１に回折格子１５を形成し、上部クラッド層２４（１８００ｎｍ、ｐ−ＩｎＰ）をＭＯＶＰＥ法により全面に成長する（図１７（ｄ））。このようにして、レーザ部１と変調器部２との間の結合部３と、素子端部の窓構造部４、５が同時に形成される。
【００９７】
（９）引き続き、コンタクト層２５（２００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．３μｍ））とコンタクト層２６（３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（ＰＬ波長１．５μｍ））を、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長する（図１７（ｅ））。
【００９８】
（１０）その後、試料表面に光導波路形成用の誘電体絶縁膜マスクを形成し、上部クラッド層２４、コンタクト層２５、２６を光導波路状にエッチング加工する（図１２参照）。このとき、レーザ部１の光導波路、結合部３の光導波路及び変調器部２の光導波路は、上述したように、単一モード光導波路の条件を満たすリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPに形成される。具体的には、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝２．０μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．５μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝２．０μｍとした。従って、結合部３では、図１２に示すように、幅方向に広がった上部クラッド層２４ａが形成されることになる。
【００９９】
その後、結合部３において電極分離を行う領域だけ開口すると共に、窓構造部４、５の領域を開口したマスクパターンを用いて、レーザ部１の光導波路と変調器部２の光導波路の間のコンタクト層２５、２６を除去して、互いの電極分離を行うと共に、同時に、窓構造部４、５のコンタクト層２５、２６も除去する（図１７（ｆ））。その後、変調器部２の光導波路の脇に、ポリイミド等の有機物膜を形成した後、レーザ部１と変調器部２に各々電極を作製する。
【０１００】
このように、本実施例の半導体光集積素子は、実施例１に示した半導体光集積素子とは、共通導波路層１１の位置が相違しているが、実施例１と同等の効果を奏する。
【実施例４】
【０１０１】
実施例３においては、共通導波路層１１を活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上方側（素子表面側）に設けた構造について説明したが、本実施例では、図１８〜図２２に示すように、更に、レーザ部１、変調器部２等をＲｕ（ルテニウム）ドープＩｎＰの埋込層２９で埋め込む構造について説明する。
【０１０２】
（構成）
本実施例の半導体光集積素子は、図１８〜図２２に示した構造からなり、各層が以下のように構成されたものである。ここで、図１８は、本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の一例を示す斜視図である。又、図１９〜図２２は、図１８に示す半導体光集積素子の断面図であり、図１９が、その導波路方向に沿う断面図、図２０が、そのレーザ部の断面図、図２１が、その結合部の断面図、図２２が、その変調器部の断面図である。なお、本実施例では、上述した実施例１〜３における構成要素と同等のものについては、同じ符号を用いて、説明を行う。
【０１０３】
本実施例の半導体光集積素子も、実施例１と同様に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を備えるレーザ部１の光導波路と、Ａｌ系半導体材料からなる変調器層１８を備える変調器部２の光導波路とを、同一の基板１０上にモノリシック集積したものである。更に、レーザ部１と変調器部２との間に形成された結合部３の光導波路と、レーザ部１の端部側方に形成された窓構造部４の光導波路と、変調器部２の端部側方に形成された窓構造部５の光導波路とを有するものである。
【０１０４】
レーザ部１は、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、Ａｌ系半導体材料からなり、レーザ光を発振する活性層１３と、活性層１３の上方に形成された回折格子と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層２８と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１１と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２４と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層２５とから構成され、それらの上下に、ｎ−メタルからなる下部電極２７、ｐ−メタルからなる上部電極３０が形成されたものである。レーザ部１において、活性層１３、エッチストップ層２８、共通導波路層１１が、コア層を構成している。又、共通導波路層１１以上の層、具体的には、共通導波路層１１及び上部クラッド層２４がリッジ構造に形成されて、その両側面が、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９により埋め込まれた構造となっている。
【０１０５】
共通導波路層１１は、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上層側（基板１０とは反対側）に、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の導波路方向に沿って、素子全長（窓構造部４〜レーザ部１〜結合部３〜変調器部２〜窓構造部５）に渡って延設されており、エッチストップ層２８、上部クラッド層２４と共に、非Ａｌ系半導体材料から形成されている。
【０１０６】
又、変調器部２は、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、Ａｌ系半導体材料からなり、活性層１３から発振されたレーザ光を変調する変調器層１８と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層２８と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１１と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２４と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層２５とから構成され、それらの上下に、ｎ−メタルからなる下部電極２７、ｐ−メタルからなる上部電極３０が形成されたものである。変調器部２において、変調器層１８、エッチストップ層２８、共通導波路層１１が、コア層を構成している。又、レーザ部１と同様に、共通導波路層１１及び上部クラッド層２４がリッジ構造に形成されて、その両側面が、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９により埋め込まれた構造となっている。
【０１０７】
又、結合部３は、活性層１３と変調器層１８とを光結合する役割を果たすものであり、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層２３と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層２８と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１１と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２４とから構成される。結合部３においては、共通導波路層１１がコア層を構成している。又、レーザ部１と同様に、共通導波路層１１及び上部クラッド層２４がリッジ構造に形成されて、その両側面が、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９により埋め込まれた構造となっている。
【０１０８】
又、窓構造部４、５は、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層２３と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層２８と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１１と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２４とから構成される。窓構造部４、５は、結合部３と略同等の構成を有しており、ここでも、共通導波路層１１がコア層を構成している。この窓構造部４、５は、Ａｌ系半導体材料から形成された活性層１３及び変調器層１８の端面が空気に触れないようにする役割を果たすものであり、そのため、基板１０の上面であり、かつ、活性層１３及び変調器層１８の側端面に、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３を形成することにより、活性層１３及び変調器層１８の端面を覆うような構造としている。又、レーザ部１と同様に、共通導波路層１１及び上部クラッド層２４がリッジ構造に形成されて、その両側面が、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９により埋め込まれた構造となっている。
【０１０９】
レーザ部１の活性層１３は、更に詳細には、基板１０側から、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）層３１、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ（Multiple Quantum Wall；多重量子井戸）層３２、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層３３、ＩｎＡｌＡｓからなるキャリアストップ層３４、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層３５からなり、ＳＣＨ層３１、ＭＱＷ層３２、ＳＣＨ層３３、キャリアストップ層３４は、Ａｌ系半導体材料から構成されている。
【０１１０】
又、変調器部２の変調器層１８は、基板１０側から、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層４１、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ層４２、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層４３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層４４からなり、ＳＣＨ層４１、ＭＱＷ層４２、ＳＣＨ層４３は、Ａｌ系半導体材料から構成されている。
【０１１１】
このように、本実施例の半導体光集積素子では、レーザ部１、変調器部２、結合部３、窓構造部４、５の両側面を、ＲｕドープＩｎＰの埋込層２９により埋め込む構成としている。埋込層２９は、活性層１３、変調器層１８、半導体層２３の上層側に設けられた共通導波路層１１の両側面まで埋め込むことが望ましく、実施例３の図１２と比較すると、本実施例では、共通導波路層１１までエッチングされて、エッチストップ層２８の上層に埋込層２９が形成されている。
【０１１２】
加えて、本実施例の半導体光集積素子においても、その導波路方向の構造は、図５（ａ）に示したように、窓構造部４の半導体層２３とレーザ部１の活性層１３との結合面、レーザ部１の活性層１３と結合部３の半導体層２３との結合面、結合部３の半導体層２３と変調器部２の変調器層１８との結合面、変調器部２の変調器層１８と窓構造部５の半導体層２３との結合面全てを、導波路方向に対して４５度傾斜させた構造としている。
【０１１３】
（作製方法）
次に、図１８〜図２２を参照しながら、図２３（ａ）〜（ｄ）、図２４（ａ）〜（ｆ）を用いて、本発明に係る半導体光集積素子の作製方法を説明する。
【０１１４】
（１）まず、ｎ−ＩｎＰの基板１０上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１３を結晶成長させる（図２３（ａ））。
【０１１５】
（２）次に、最初に集積したいレーザ部１の部分の試料表面に誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク１７を形成する（図２３（ｂ））。このマスク１７は、変調器部２の部分の試料表面には開口部を有することになる。マスク１７は、実施例１と同様な方法により加工する。
【０１１６】
（３）次に、マスク１７を用いて、マスク１７のかかっていない部分、つまり、変調器部２となる部分の活性層１３のみをウェットエッチングにより除去する（図２３（ｃ））。この際、変調器部２となる部分においては、活性層１３までは溶かすが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は溶かさないような溶液を用いてウェットエッチングを行う。
【０１１７】
（４）次に、ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法により、変調器層１８を結晶再成長する。本実施例における作製方法の場合も、この時点では、サイドエッチや酸化の影響は避けることができず、活性層１３と変調器層１８との結合部分に空孔部２１が残ってしまう（図２３（ｄ））。
【０１１８】
空孔部２１が残った状態では、活性層１３と変調器層１８がきれいに結合されなくなる。この状態のままでは、従来と同様に、活性層１３と変調器層１８の結合効率が低下し、光出力を減少させることが問題となってしまう。そこで、図２４（ａ）〜（ｆ）以降の手順を経て、結合部３、共通導波路層１１を形成すると共に、半導体光集積素子を形成することにより、簡易な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制するようにしている。
【０１１９】
（５）具体的には、空孔部２１がある部分の試料表面に開口部を有すると共に、活性層１３の空孔部２１とは反対側の端部及び変調器層１８の空孔部２１とは反対側の端部、つまり、半導体光集積素子の両端部の試料表面に開口部を有するように、誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク２２を形成する（図２４（ａ））。加えて、マスク２２は、活性層１３の両端、変調器層１８の両端が導波路方向に対して傾斜する形状となるように形成されており、例えば、図５（ａ）を参照して説明すると、半導体層２３に該当する部分に開口部を有し、後に結合面となる開口部の縁部分が導波路方向に対して傾斜する形状となっている。なお、マスク２２は、実施例１と同様な方法により加工する。
【０１２０】
（６）次に、マスク２２を用いて、ドライエッチング又はウェットエッチングにより、空孔部２１を含む領域と素子端部の領域を除去する（図２４（ｂ））。つまり、後に結合部３となる部分を一旦除去することにより、空孔部２１を除去している。この際、活性層１３、変調器層１８までは除去するが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は除去しないようにしている。ドライエッチング加工には、塩素、臭素等のハロゲン系ガス、又は、メタン、エタン等の炭化水素ガス、又は、アルゴンガス等を用いる。又、ウェットエッチングには、酸溶液等を用いる。
【０１２１】
（７）次に、エッチングにより除去した部分に、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層２３をＭＯＶＰＥ法で結晶成長する（図２４（ｃ））。このとき、各部のＢＪ結合面が導波路方向に対して傾斜して形成されることになる。なお、半導体層２３としては、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いる。
【０１２２】
（８）次に、マスク２２を、ＨＦ系溶液によるウェットエッチング、又は、ＣＦ系ガスによるドライエッチングにより除去した後、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層２８及び共通導波路層１１を順に結晶成長させる。このとき、共通導波路層１１の層厚ｄは、０．１μｍ未満になると結合効率が低下して、素子特性が低下するので、０．１μｍ以上であることが望ましい。一方、０．６μｍより厚くなると、共通導波路層１１の光閉じ込めが増大する一方、レーザ部１の活性層１１の光閉じ込めが低下して、レーザの特性が低下（閾値電流の増大等）するので、０．６μｍ以下であることが望ましい。更に、層厚を０．３５μｍ以下にすると、閾値電流が更に低減するので有効である。このように、共通導波路層１１の層厚ｄは、０．１μｍ以上、０．６μｍ以下であると有効であり、０．１μｍ以上、０．３５μｍ以下であることがより望ましい。その後、レーザ部１に回折格子１５を形成し、上部クラッド層２４をＭＯＶＰＥ法により全面に成長する（図２４（ｄ））。このようにして、レーザ部１と変調器部２との間の結合部３と、素子端部の窓構造部４、５が同時に形成される。
【０１２３】
（９）引き続き、コンタクト層２５を、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長する（図２４（ｅ））。
【０１２４】
（１０）コンタクト層２５の結晶成長後、試料表面に光導波路形成用の誘電体絶縁膜マスクを形成し、共通導波路層１１、上部クラッド層２４、コンタクト層２５を光導波路状にエッチング加工する。光導波路状にエッチング加工する際、除去対象部分においては、共通導波路層１１までを除去し、エッチストップ層２８で止めるような溶液を用いて行う（図１８、図２０〜図２２参照）。このとき、レーザ部１の光導波路、結合部３の光導波路及び変調器部２の光導波路は、単一モード光導波路の条件を満たすリッジ幅ＷL、ＷE、ＷPに形成される。具体的には、レーザ部１のリッジ幅ＷL＝１．６μｍ、結合部３のリッジ幅ＷP＝２．５μｍ、変調器部２のリッジ幅ＷE＝２．０μｍとした。
【０１２５】
（１１）その後、形成した光導波路の両側面に、ＭＯＶＰＥ法により、電流ブロック層として、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層２９を成長させた（図１８、図２０〜図２２参照）。Ｒｕの原料としては、ビスエチルシクロペンタディエニルルテニウム（bis(ethylcycloPentadienyl)ruthenimm(II)）を用いた。
【０１２６】
（１２）その後、結合部３において電極分離を行う領域を開口すると共に、窓構造部４、５の領域を開口したマスクパターンを用いて、レーザ部１の光導波路と変調器部２の光導波路の間のコンタクト層２５を除去して、互いの電極分離を行うと共に、同時に、窓構造部４、５のコンタクト層２５も除去する。その後、レーザ部１と変調器部２の上方に各々上部電極３０を形成し、基板１０の裏面側に下部電極２７を形成する（図２４（ｆ））。
【０１２７】
上述したように、本発明に係る半導体光集積素子においては、レーザ部１と変調器部２とを光結合する結合部３を備えると共に、レーザ部１の活性層１３、変調器部２の変調器層１８及び結合部３の半導体層２３の上層に共通導波路層１１を備えており、更に、導波路となる構成のうち、Ａｌを含まない共通導波路層１１以上の層をリッジ構造とする埋め込み導波路構造としている。
【０１２８】
このように、本実施例の半導体光集積素子は、実施例１に示した半導体光集積素子とは、共通導波路層１１の位置が相違しているが、実施例１と同等の効果を奏する。
【０１２９】
加えて、活性層１３、変調器層１８及び半導体層２３の上層に共通導波路層１１を備えることにより、共通導波路層１１のみをリッジ構造に含む構造として、リッジ構造幅の加工により、共通導波路層１１のみの幅を制限することができる。その結果、活性層１３及び変調器層１８の下層側に共通導波路層を備える場合に比べて、横方向の光閉じ込めを増加させて、レーザ部、結合部、変調器部において、導波光を良好に導波させるという利点を有する。
【０１３０】
又、本発明に係る半導体光集積素子においては、リッジ構造の両脇をＲｕドープＩｎＰ半絶縁性半導体からなる埋込層２９で埋め込むので、電流狭窄、放熱性に優れ、その結果、放熱性に優れるので信頼性も向上するという利点も有する。なお、本実施例においては、リッジ構造の両側面を埋め込む半絶縁性半導体材料にＲｕドープされたものを用いているが、Ｆｅ等の他の不純物がドープされたものを用いてもよい。
【０１３１】
更に、埋込層２９で埋め込む際には、Ａｌ系半導体材料から構成される活性層１３、変調器層１８自体が加工（エッチング）されることがないため、Ａｌ系半導体表面（埋め込み後は埋め込み界面）が大気に露出することがなく、酸化されることがない。Ａｌ系半導体表面が酸化した場合には、結晶品質を劣化させ、素子特性の劣化を招くが、本発明に係る半導体光集積素子においては、Ａｌ系半導体表面が大気に露出することがなく、酸化されることなく加工が行われるので、素子特性が良好であるという利点も有する。
【０１３２】
このような構成により、本実施例の半導体光集積素子においては、活性層１３から放出された光は、活性層１３と共通導波路層１１との間をシングルモードで導波され、更に、共通導波路層１１と変調器層１８との間もシングルモードで導波されて、高い効率で窓構造部５の端面から出射されることになる。
【０１３３】
なお、本実施例においては、半導体光集積素子のレーザ部１及び変調器部２の両側面をＲｕドープのＩｎＰ層で埋め込む構造（ＲｕドープＩｎＰ層埋め込み構造）としたが、レーザ部１又は変調器部２の少なくとも一方にＲｕドープＩｎＰ層埋め込み構造を導入するようにしてもよい。又、本実施例においては、共通導波路層１１を活性層１３及び変調器層１８の上方側（素子表面側）に設けた構造において、ＲｕドープＩｎＰ層埋め込み構造を導入することについて説明したが、実施例１、２の構造においても、ＲｕドープＩｎＰ層埋め込み構造を導入してもよい。
【実施例５】
【０１３４】
上記実施例１〜４では、素子端部の窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅を、隣接するレーザ部１の光導波路、変調器部２の光導波路のリッジ幅と同等としている半導体光集積素子について述べたが、本実施例では、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅が、隣接するレーザ部１の光導波路又は変調器部２の光導波路の少なくとも一方のリッジ幅より大きい半導体光集積素子について述べる。
【０１３５】
（構成）
図２５に、本実施例の半導体光集積素子を示す。本実施例の半導体光集積素子は、図２５に示すように、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅を除いて、その構成は、実施例１に示す半導体光集積素子と同等の構成である。従って、実施例１における構成要素と同等のものについては、同じ符号を用い、重複する説明は省略する。
【０１３６】
具体的には、本実施例では、窓構造部４、５における光導波路（上部クラッド層２４ｂ、２４ｃ）のリッジ幅ＷW、ＷXを、共に２．５μｍとしており、隣接するレーザ部１の光導波路及び変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷL（２．０μｍ）、ＷE（２．０μｍ）より大きくしている。その他、各層の材料、厚さ等の構成については、実施例１に記載した通りである。
【０１３７】
一方、本実施例の半導体光集積素子の作製方法については、実施例１に示した作製方法の（９）において、上部クラッド層２４を光導波路状にエッチング加工する際に、図２５に示す上部クラッド層２４ｂ、２４ｃのように形成すればよいだけであり、他の作製工程については同等である。従って、本実施例では、作製方法の説明についても省略する。
【０１３８】
本実施例の半導体光集積素子においては、結合部３における光導波路のリッジ幅ＷPと共通導波路層１１を導波する光の閉じ込め係数の関係により、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅ＷW、ＷXが３．８μｍより大きくなると、導波する光が単一モードでなくなるので、リッジ幅ＷW、ＷXは３．８μｍ以下が有効であることがわかっている。
【０１３９】
又、窓構造部４と隣接するレーザ部１との結合効率の関係及び窓構造部５と隣接する変調器部２との結合効率の関係から、リッジ幅ＷW、ＷXが２．０μｍ以上３．５μｍ以下の範囲において、結合効率を８０％以上にすることができることがわかっている。このことは、特に窓構造部５と隣接する変調器部２との光結合において、光損失による変調器部２からの出力光の低下を抑制することができることを示す。
【０１４０】
上述したように、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅ＷW、ＷXを、隣接するレーザ部１の光導波路又は変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷL、ＷEよりも大きくすることにより、良好な出力特性を得ることができる。更に、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅ＷW、ＷXを、隣接するレーザ部１の光導波路又は変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷL、ＷEよりも大きくすることにより、出力光のビーム形状を円形に維持することができる。これにより、本実施例の半導体光集積素子を、光ファイバと接続する際に光ファイバとの結合効率の低減を抑制できる。
【０１４１】
本実施例において、窓構造部４、５における光導波路のリッジ幅ＷW、ＷXは、共に、隣接するレーザ部１の光導波路又は変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷL、ＷEより大きくしたが、隣接するレーザ部１の光導波路のリッジ幅ＷL又は変調器部２の光導波路のリッジ幅ＷEのうち、少なくともどちらか一方のリッジ幅より大きくすればよい。
【０１４２】
又、本実施例においては、実施例１と同様に、波長帯を１．５５μｍとしているが、１．３μｍにも適用できる。更に、本実施例においては、共通導波路層１１を活性層１３及び変調器層１８の下層側に設けたが、実施例３に示すように、共通導波路層１１を活性層１３及び変調器層１８の上層側に設けても、同様の効果が得られる。加えて、本実施例では、素子構造にリッジ構造を採用しているが、実施例４に示すように、Ｒｕ等をドープした半導体層（例えば、ＲｕドープＩｎＰ層）で、メサ両脇を埋め込む構造でも、同様の効果が得られる。
【０１４３】
＜その他の実施例＞
なお、上記実施例１〜５においては、１．３μｍ波長帯、１．５５μｍ波長帯に対応する半導体光集素子について説明したが、Ａｌ系半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路と、Ａｌ系半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路を用いる場合であれば、他の波長帯であっても本発明は適用でき、同等の効果を得ることができる。
【０１４４】
又、共通導波路層の波長組成は、１．１μｍ、１．３μｍを用いたが、この波長組成に限ることはない。特に、共通導波路層の波長組成は、レーザ部の活性層、変調器部の変調器層よりも長波長であると、光の導波がマルチモードになる（単一モードでない）場合があるので、レーザ部の活性層、変調器部の変調器層よりも短波長であることが望ましい。
【０１４５】
又、レーザ部の光導波路と変調器部の光導波路の結合部にＩｎＰを用いたが、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等のＡｌを含まない半導体材料であれば適用できる。この場合、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の波長組成は、レーザ部の活性層と変調器部の変調器層に用いたものより短波長であることが望ましい。レーザ部、変調器部、結合部、共通導波路層等を構成する層の厚さ、幅等は他の値であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
本発明に係る半導体光集積素子は、光通信用モジュール、光通信システムにおける光変調器集積化光源に好適なものであり、特に、温度調節用クーラー無しで動作させる低コストの光通信用モジュール、光通信システムに用いて好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の一例（実施例１）を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体光集積素子の導波路方向の断面図である。
【図３】図１に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の断面図である。
【図４】図１に示す半導体光集積素子における結合部の断面図である。
【図５】図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】屈折率が互いに異なる物質の境界面における光の屈折を説明する図である。
【図７】バンドギャップ波長と屈折率差との関係を示すグラフである。
【図８】入射角と反射率との関係を示すグラフである。
【図９】境界面への入射角に対する反射波の結合率を示すグラフである。
【図１０】図１に示す半導体光集積素子の作製方法（前半）を説明する図である。
【図１１】図１に示す半導体光集積素子の作製方法（後半）を説明する図である。
【図１２】本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の他の一例（実施例３）を示す斜視図である。
【図１３】図１２に示す半導体光集積素子の導波路方向の断面図である。
【図１４】図１２に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の断面図である。
【図１５】図１２に示す半導体光集積素子における結合部の断面図である。
【図１６】図１２に示す半導体光集積素子の作製方法（前半）を説明する図である。
【図１７】図１２に示す半導体光集積素子の作製方法（後半）を説明する図である。
【図１８】本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の他の一例（実施例４）を示す斜視図である。
【図１９】図１８に示す半導体光集積素子の導波路方向の断面図である。
【図２０】図１８に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の断面図である。
【図２１】図１８に示す半導体光集積素子における結合部の断面図である。
【図２２】図１８に示す半導体光集積素子における変調器部の断面図である。
【図２３】図１８に示す半導体光集積素子の作製方法（前半）を説明する図である。
【図２４】図１８に示す半導体光集積素子の作製方法（後半）を説明する図である。
【図２５】本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の他の一例（実施例５）を示す斜視図である。
【図２６】ＢＪ法を説明する模式図である。
【図２７】サイドエッチを説明する模式図である。
【図２８】Ａｌ系半導体材料層の酸化を説明する模式図である。
【符号の説明】
【０１４８】
１ 半導体レーザ部
２ 半導体光変調器部
３ 結合部
４、５ 窓構造部
１０ 基板
１１ 共通導波路層
１２、２８ エッチストップ層
１３ 活性層
１８ 変調器層
２３ 半導体層
２４ 上部クラッド層
２９ 埋込層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の半導体基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路とＡｌを含む半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路とをモノリシック集積した半導体光集積素子において、
前記活性層及び前記変調器層の上層側又は下層側に、Ａｌを含まない半導体材料からなる共通導波路層を設けると共に、
前記レーザ部光導波路と前記変調器部光導波路との間に、Ａｌを含まない半導体材料からなる結合部光導波路を設け、
前記結合部光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路及び前記変調器部光導波路のリッジ幅より大きくし、
前記活性層と前記結合部光導波路又は前記変調器層と前記結合部光導波路の少なくとも一つの結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させたことを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光集積素子において、
Ａｌを含まない半導体材料からなる窓構造部を、当該半導体光集積素子の両端部に設け、
前記活性層及び前記変調器層の端面を前記窓構造部で覆って、空気中に露出しないようにしたことを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体光集積素子において、
前記活性層と前記窓構造部又は前記変調器層と前記窓構造部の少なくとも一つの結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させたことを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子において、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して５度以上傾斜していることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子において、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して１０度以上５４度以下の角度で傾斜していることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の半導体光集積素子において、
前記窓構造部の光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路又は前記変調器部光導波路の少なくとも一方のリッジ幅より大きくすることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体光集積素子において、
前記レーザ部光導波路の両側面又は前記変調器部光導波路の両側面の少なくとも一方を、Ｒｕドープ半絶縁性半導体材料により埋め込むことを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項１】
同一の半導体基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路とＡｌを含む半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路とをモノリシック集積した半導体光集積素子において、
前記活性層及び前記変調器層の上層側又は下層側に、Ａｌを含まない半導体材料からなる共通導波路層を設けると共に、
前記レーザ部光導波路と前記変調器部光導波路との間に、Ａｌを含まない半導体材料からなる結合部光導波路を設け、
前記結合部光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路及び前記変調器部光導波路のリッジ幅より大きくし、
前記活性層と前記結合部光導波路又は前記変調器層と前記結合部光導波路の少なくとも一つの結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させたことを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光集積素子において、
Ａｌを含まない半導体材料からなる窓構造部を、当該半導体光集積素子の両端部に設け、
前記活性層及び前記変調器層の端面を前記窓構造部で覆って、空気中に露出しないようにしたことを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体光集積素子において、
前記活性層と前記窓構造部又は前記変調器層と前記窓構造部の少なくとも一つの結合面を、導波路方向に直交する方向に対して傾斜させたことを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子において、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して５度以上傾斜していることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子において、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して１０度以上５４度以下の角度で傾斜していることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の半導体光集積素子において、
前記窓構造部の光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路又は前記変調器部光導波路の少なくとも一方のリッジ幅より大きくすることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体光集積素子において、
前記レーザ部光導波路の両側面又は前記変調器部光導波路の両側面の少なくとも一方を、Ｒｕドープ半絶縁性半導体材料により埋め込むことを特徴とする半導体光集積素子。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２００９−２５３０９７（Ｐ２００９−２５３０９７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１００５０７（Ｐ２００８−１００５０７）
【出願日】平成２０年４月８日（２００８．４．８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月８日（２００８．４．８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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