JP2015056509A - 半導体光共振器、半導体光素子及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光軸方向の異なる部位での発光波長の不均一を防止する。
【解決手段】共振器部４は、光軸方向で実効屈折率が異なる２以上の領域を含む導波路と、導波路の光軸方向に沿って形成される回折格子５と、を有し、導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子５のピッチを、導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子５のピッチよりも小さくした。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体光共振器、半導体光素子及び光通信モジュールに関する。

光通信に用いられる半導体光素子には、共振器部と変調器部等が一つの素子に集積されるものがある。この半導体光素子の作製方法として、例えば、変調器部の多重量子井戸等の多層構造をウェハ全体に結晶成長した後、最終的に変調器部となる領域にマスクをして、マスク領域以外をエッチングにより除去し、次に、共振器部の多層構造をウェハ全体に結晶成長する、いわゆるＢｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔ（以下ＢＪ）成長方法が知られている。

半導体光素子がＢＪ成長工程を経て作製される場合、例えば、変調器領域マスクの選択成長効果（以下ＳＡＧ効果）が半導体光素子の特性に影響する。例えば、下記の特許文献１に記載されているように、光導波路のフォト・ルミネッセンス（以下ＰＬ）波長は、マスク端からの位置に応じて異なることが知られている。

特開２０１３−５１３１９号公報

半導体光素子に集積される共振器部（レーザ部）については、光通信品質を高めるための発光波長の安定性を確保する必要がある。このためには、レーザ部に印加する駆動電流を変化させた場合や、レーザ部が経年劣化した場合においても発振モードが変化しないよう、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を一定水準以上確保する必要がある。

しかしながら、前述のようにレーザ部をＢＪ成長させた場合に、ＢＪマスクのＳＡＧ効果により、レーザ部の後方端面からＢＪマスク端に向かってレーザ多層の膜厚が厚くなり、組成波長が光軸方向において不均一となる。このため、光軸方向にレーザの実効屈折率ｎが不均一となり、Λを回折格子ピッチとすれば、ＤＦＢ波長λ_ＤＦＢ＝２ｎΛが光軸方向で不均一となる。そして、光軸方向における実効屈折率が不均一性となることにより、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの場合には、各縦モードの閾利得の周波数対称性が失われ、周波数が小さい側で閾利得が小さくなる。これにより、最小閾利得の零次発振モードと、次に小さい閾利得の縦モード（サブモード）の閾利得差が小さくなる。つまり、零次発振モードとサブモードの強度差が小さくなりＳＭＳＲ歩留を低下させてしまうことがある。

本発明は上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、光軸方向の異なる部位での発光波長の不均一を防止することができる半導体光共振器、光半導体素子及び光通信モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、（１）本発明に係る半導体光共振器は、光軸方向で実効屈折率が異なる２以上の領域を含む導波路と、前記導波路の光軸方向に沿って形成される回折格子と、を有し、前記導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくしたことを特徴とする。

（２）（１）に記載の半導体光共振器において、前記導波路は、光軸方向で厚みが異なる２以上の領域を含み、前記導波路の厚みが大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の厚みが小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくしたこととしてよい。

（３）（１）に記載の半導体光共振器において、前記導波路は、光軸方向でフォトルミネッセンス波長が異なる２以上の領域を含み、前記導波路のフォトルミネッセンス波長が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路のフォトルミネッセンス波長が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくしたこととしてよい。

（４）（１）乃至（３）のいずれかに記載の半導体光共振器において、前記導波路に沿ってメサストライプ構造を有することとしてよい。

（５）（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体光共振器において、前記光導波路の前後方端間の発光波長の差が±２ｎｍ以内であることとしてよい。

（６）本発明に係る半導体光素子は、（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体光共振器とＢｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔ構造で接続された光変調器と、を有することを特徴とする。

（７）（６）に記載の半導体光素子において、前記半導体光共振器は、前記光変調器との接続部に近い領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記接続部に対して遠い領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくしたこととしてよい。

（８）（６）に記載の半導体光素子において、前記半導体光共振器は、前記光変調器との接続部から所定の範囲内の領域に対して形成される回折格子に関し、前記導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくし、前記所定の範囲外の領域に対して形成される回折格子のピッチを均一としたこととしてよい。

（９）本発明に係る光通信モジュールは、（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体光共振器、又は（６）乃至（８）のいずれかに記載の半導体光素子を備えることを特徴とする。

本発明によれば、半導体光共振器の光軸方向に設けられる回折格子のピッチを半導体層の実効屈折率に応じて変化させることで、発光波長の不均一を抑制できる。これにより、ＳＭＳＲの悪化を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る半導体光素子の平面図および半導体光素子のＡ−Ａ’における断面図である。 ＢＪ接続部を有する半導体光素子の光軸方向変位とＰＬ波長差Δλ_ＰＬとの関係を示す図である。 ＢＪ接続部を有する半導体光素子の光軸方向変位と実効屈折率ｎとの関係を示す図である。 比較例に係る半導体光素子の共振器部における回折格子のピッチ間隔を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の共振器部における回折格子のピッチ間隔を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子の共振器部における回折格子のピッチ間隔を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体光素子の共振器部における回折格子のピッチ間隔を説明する図である。 本発明の実施形態に係る半導体光素子のＤＦＢ波長差Δλ_ＤＦＢとＳＭＳＲ歩留との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態）について、図面を参照して説明する。

図１には、本発明の実施形態に係る半導体光共振器を有する半導体光素子の平面図（ａ）および光軸における断面図（ｂ）を示した。なお、断面図（ｂ）は、平面図（ａ）のＡ−Ａ’における断面に対応している。

図１における符号１は半導体光素子、２は変調器部（光変調器）、３はアイソレーション部、４はレーザ光を発振する共振器部（半導体光共振器）、５は回折格子、６Ａ，６Ｂ，６Ｃは変調器部２や共振器部４に電圧や電流を印加するための電極であり、６Ａは変調器部上に設けられるパッド電極、６Ｂはパッド電極と接続し変調器部２の光導波路上に設けられる電極であり、６Ｃは共振器部４上に設けられる電極であり、７は活性層である。図１には半導体光素子にアイソレーション部３を設けた例を示したが、アイソレーション部３を設けずに、共振器部４と変調器部２とを接合させてもよい。また、電極６（６Ａ，６Ｃ）にはワイヤがボンディングされていてもよい。なお、変調器部４は、共振器部２から入射されたレーザ光を変調し、変調したレーザ光を前方の端面（Ａ側）から変調光信号として出射する。

ここで、図１に示した半導体光素子（ＥＡ／ＤＦＢレーザ）の作製方法の概要を説明する。

まず、ＩｎＰ基板上に変調器部２（ＥＡ部）の多層成長を実施し、ＳｉＯ２のマスクで変調器部２（ＥＡ部）を残すようにエッチングし、共振器部４（ＬＤ部）の多層成長を実施する。この際、マスクのＳＡＧ効果（選択成長効果）により、共振器部４の厚みが光軸方向で不均一となる。その後、ＳｉＯ２のマスクで変調器部２と共振器部４を残すようにエッチングし、アイソレーション部３の多層成長を行う。その後、電子線描画で形成したマスクを用い、実効屈折率に合わせた回折格子ピッチで配置される複数のピッチの回折格子を含む回折格子層を形成する。続いて、上部クラッド層及びコンタクト層の多層成長を行う。さらに、メサストライプを形成し、半絶縁ＩｎＰ埋込層を形成する。最後に半導体表面にパッシベーション膜を形成し、スルーホールを開け、通電のための電極層を形成して、図１の半導体光素子１を作製することができる。

図１に示した変調器部２と共振器部４を備える半導体光素子１では、図１の断面図（ｂ）に示されるように、活性層７は、ＢＪマスクのＳＡＧ効果によりＢＪ接続部（変調器部２と共振器部４との接続部）に近づくにつれ厚くなっている。

ここで、図４には、ＢＪ成長工程を経て作製した変調器部２と共振器部４とを備える半導体光素子１の光軸方向変位とＰＬ波長差Δλ_ＰＬの関係を示した。図４において、横軸の光軸方向の変位は、変調器部２と共振器部４との接続部を０とし、接続部から後方端側（Ａ’側）への距離を示している。また、ＰＬ波長λ_ＰＬは後方端（Ａ’側）の値を基準としており、図２における縦軸のＰＬ波長差Δλ_ＰＬは、光軸方向の変位位置におけるＰＬ波長と、後方端におけるＰＬ波長との波長差を表している。図４に示されるように、共振器部４の厚みは、変調器部２と共振器部４との接続部であるＢＪ接続部に近づくにつれ大きくなるため、共振器部４の各位置におけるＰＬ波長もＢＪ接続部に近づくにつれ大きくなっている。特に、ＢＪ接続部から１００μｍ以内の範囲では、ＰＬ波長差Δλ_ＰＬは指数関数的に大きくなっている。

また、図５は、ＢＪ成長工程を経て作製した変調器部２と共振器部４とを備える半導体光素子１の光軸方向変位と実効屈折率差Δｎとの関係を示した。図５において、横軸の光軸方向の変位は、変調器部２と共振器部４との接続部を０とし、接続部から後方端側（Ａ’側）への距離を示している。また、実効屈折率ｎは後方端（Ａ’側）の値を基準としており、図５における縦軸の実効屈折率差Δｎは、光軸方向の変位位置における実効屈折率と、後方端における実効屈折率との差を表している。図５に示されるように、共振器部４の実効屈折率は、ＢＪ接続部に近づくにつれ大きくなっている。特に、ＢＪ接続部から１００μｍ以内の範囲では、実効屈折率差Δｎは指数関数的に大きくなっている。

ここで、図３には、本実施形態の比較例に係る半導体光素子１１の共振器部４の概略を説明する断面図を示した。なお、図３に示した半導体光素子１１の断面図では、アイソレーション層を省略している。図３において、１０１は第一半導体多層（例えばＥＡ多層）であり、１０２は第二半導体多層（例えばＬＤ多層）であり、１０３は回折格子層、１０４は活性層である。

図３において、回折格子層１０３に形成される複数の回折格子１５に関し、変調器部２に近い順に１５（１）、１５（２）、・・・、１５（Ｎ）と表記する。ここで、Ｎは２以上の整数である。そして、比較例に係る回折格子１５のピッチΛの大きさは、各位置で一定（Ｄ）である。

ここで、ＤＦＢ波長λ_ＤＦＢは、実効屈折率ｎ、回折格子のピッチΛとした場合に、λ_ＤＦＢ＝２ｎΛで表され、図３に示した比較例に係る半導体光素子１１のように、回折格子ピッチΛを素子内で均一とした場合には、図５で示したように、ＢＪ接続部からの位置に応じて実効屈折率ｎが変化しているため、ＢＪ接続部からの位置に応じてＤＦＢ波長λ_ＤＦＢ＝２ｎΛが不均一となってしまう。そのため、比較例に係る半導体光素子１のように回折格子のピッチをＢＪ接続部からの位置に依らず（すなわち、ＬＤ多層の厚みに依らず）一定とした場合にはＳＭＳＲ歩留が低下する可能性がある。

これに対して、本発明では、共振器部４の各位置におけるＤＦＢ波長を均一とするために、共振器部４の各位置における回折格子のピッチを調整するようにしている。例えば、ＢＪ接続部から近い回折格子のピッチを、ＢＪ接続部から遠い回折格子のピッチよりも狭くすることで、共振器部４の各位置での回折格子のピッチを一定とする場合に比べて、ＤＦＢ波長を均一化することができる。以下、本発明における共振器部４に形成される回折格子の構成について具体例を挙げて説明する。

図２には、本発明の第１実施形態に係る半導体光素子１に備えられる共振器部４の概略を説明する断面図を示した。なお、図２に示した半導体光素子１の断面図では、比較例に係る半導体光素子１と同様にアイソレーション層を省略している。図２において、１０１は第一半導体多層（例えばＥＡ多層）であり、１０２は第二半導体多層（例えばＬＤ多層）であり、１０３は回折格子層、１０４は活性層である。

図２において示された回折格子層１０３に形成される複数の回折格子５に関し、変調器部２に近い順に５（１）、５（２）、・・・、５（Ｎ）と表記する。ここで、Ｎは２以上の整数である。このとき、回折格子５（ｉ）と回折格子５（ｉ＋１）との間隔（ピッチ）の大きさをＤ（ｉ）で表し、ｉは１〜Ｎ−１の整数とする。そして、本実施形態に係る共振器部４においては、ＢＪ接続部からの距離に応じて（すなわち、共振器部４の活性層の厚みに応じて）回折格子のピッチの大きさＤ（ｉ）を変化させることとしている。例えば、１≦ｉ＜ｊ≦Ｎを満たす整数ｉ，ｊに関し、少なくともＤ（ｉ）＜Ｄ（ｊ）の関係が成立する回折格子のピッチが１以上存在することとしてもよい。そして、１≦ｉ＜ｊ≦Ｎを満たす任意の整数ｉ，ｊに関し、回折格子５（ｉ）の位置における実効屈折率ｎ（ｉ）、回折格子５（ｊ）の位置における実効屈折率ｎ（ｊ）とした場合に、｜２ｎ（ｉ）Ｄ（ｉ）−２ｎ（ｊ）Ｄ（ｊ）｜≦Ｔｈ（例えばＴｈは２ｎｍ）を満たすように、回折格子のピッチを設定することとしてよい。

このように、ＤＦＢ波長λ_ＤＦＢを一定とするためには、屈折率ｎが大きくなった場合には対応する箇所の回折格子ピッチΛを小さくさせればよい。例えば、図５に示された実効屈折率変化に合わせて、回折格子ごとに回折格子ピッチΛを変化させてもよい。この場合には、図２に示される回折格子のピッチの大きさＤ（ｉ）を、回折格子５（ｉ）と回折格子５（ｉ＋１）とにおける実効屈折率の中間値をｎｉとした場合に、Ｄ（ｉ）＝λ_ＤＦＢ／２ｎｉに設定することとしてよい。

もちろん、回折格子ごとにピッチを変化させずに、図７に示される第２の実施形態に係る半導体光素子１のように、回折格子のピッチを段階的に変化させるようにしてもよい。

図７には、第２の実施形態に係る半導体光素子１に備えられる共振器部４の概略を説明する断面図を示した。図７に示した第２の実施形態は、回折格子のピッチ以外は、図２に示した第１の実施形態に係る半導体光素子１と同様の構成を有している。以下、相違点について説明する。

図７に示される第２の実施形態に係る半導体光素子１の例では、回折格子ごとにピッチを設定するのではなく、回折格子のピッチをＭ（ＭはＮより小さい整数）段階に分けて設定することとしている。このように、回折格子のピッチを、段階的に変化をさせる場合には、実効屈折率の単位長さ当りの変化率を軽減するため、異なる回折格子ピッチ領域の境界で、実効屈折率に合わせて中間的な長さのピッチを設定することとしてよい（例えば、同じピッチとするＫ個（Ｋは２以上の整数）の回折格子における実効屈折率のうち中間的な実効屈折率に基づいてＫ個に共通するピッチを設定することとしてよい）。さらに回折格子ピッチを段階的に変化させる場合は、ＳＭＳＲ歩留向上の効果を検討したところ、ピッチの変更領域数（すなわちＭ）は３以上であれば、良好なＳＭＳＲ歩留を確保できる。そして回折格子ピッチの変更領域数（すなわちＭ）の上限は、回折格子形成工程作業が複雑となることから、１０以下が望ましい。すなわち、回折格子のピッチの段階数Ｍは３以上１０以下とすることとしてよい。

また、図８には、第３の実施形態に係る半導体光素子１に備えられる共振器部４の概略を説明する断面図を示した。図８に示した第３の実施形態は、回折格子のピッチ以外は、図２に示した第１の実施形態に係る半導体光素子１と同様の構成を有している。以下、相違点について説明する。

図８に示されるように、第３の実施形態では、半導体光素子１における回折格子ピッチの変更領域を、ＢＪ接続部付近からＬの範囲内（例えばＬ＝２００ｕｍ程度）とし、ＢＪ接続部付近からＬより大きい部位については（すなわち、ＢＪ接続部付近からＬより大きく、ＬＤ部の後方端面までは）均一（等間隔）の回折格子ピッチとしてもよい。これは、図５より実効屈折率ｎの変化が、ＢＪ接続部から２００ｕｍ程度まででおおむね飽和している点に着目したものであり、第３の実施形態によれば、回折格子のピッチの変化領域を第１及び第２の実施形態に比べて小さくし、第１の実施形態に比べては回折格子のピッチの変化段階数を減じることができる。

ここで、図６には、本発明の実施形態に係る半導体光素子１のＤＦＢ波長差Δλ_ＤＦＢとＳＭＳＲ歩留の関係を示した。ここでΔλ_ＤＦＢとは半導体光素子１は発振するレーザ光の波長幅を示す。例えば比較例の図３の場合は、Δλ_ＤＦＢ＝２×ｎ（１）×Ｄ−２×ｎ（Ｎ）×Ｄである。ここでｎ（１）はＢＪ接続部に最も近い領域の実行屈折率であり、ｎ（Ｎ）は逆側の最も遠い領域の実行屈折率である。図６に示される関係は、実際に作製した１．５５μｍ帯の変調器集積型半導体光素子１のＤＦＢ波長差Δλ_ＤＦＢの実績に基づく計算結果である。計算は、実効屈折率の変化に合わせて、回折格子ピッチを８段階に変化させ、ＤＦＢ波長差Δλ_ＤＦＢを低減させたという条件下で行った。

図６に示される関係に関し、まず、ＤＦＢ波長差Δλ_ＤＦＢが最大の点（３．５６，６５．８％）は対策前素子（すなわち、図３に示される回折格子の構造を有する半導体光素子１）の実績である。ＳＭＳＲ歩留は最も小さく、ＤＦＢ波長差Δλ_ＤＦＢを低減するにつれ、ＳＭＳＲ歩留は向上する。特に、ＤＦＢ波長差Δλ_ＤＦＢが２ｎｍ以下では、目標のＳＭＳＲ歩留８０％を超え、かつ歩留はほぼ飽和し、ＤＦＢ波長差Δλ_ＤＦＢがゼロの場合（最適化された場合）とほぼ同等の歩留となることが見込まれる。

もちろん、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この分野の通常の知識を有する当業者によって多様な変更、変形又は置換が可能であることはいうまでもない。例えば、波長帯に関しては１．５５μｍに限らず、光通信に使われる１．３μｍ帯やその他の波長においても同様の効果が得られることはいうまでもない。また、本発明は分布反射型（ＤＢＲ）レーザにおいても適用可能であり、共振器と集積される半導体光素子１はＥＡ変調器に限らず、位相変調器、位相調整器、増幅器であってもよい。さらに本発明は、ＬＤ部の多層の厚さがＢＪ接続部付近のほうが薄い場合においても適用できる。この場合には、回折格子ピッチを大きくすることでＤＦＢ波長λ_ＤＦＢを一定とすることができる。

また、本発明に係る半導体光素子１は、変調器部２に入力される伝送信号に応じて変調した光信号を出力する光通信モジュールに搭載することとしてよい。

１ 半導体光素子、２ 変調器部、３ アイソレーション部、４ 共振器部、５ 回折格子、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 電極、７ 活性層、１０１ 第一半導体多層、１０２ 第二半導体多層、１０３ 回折格子層、１０４ 活性層。

Claims (9)

1. 光軸方向で実効屈折率が異なる２以上の領域を含む導波路と、
   前記導波路の光軸方向に沿って形成される回折格子と、を有し、
   前記導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくした
   ことを特徴とする半導体光共振器。
2. 請求項１に記載の半導体光共振器であって、
   前記導波路は、光軸方向で厚みが異なる２以上の領域を含み、
   前記導波路の厚みが大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の厚みが小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくした
   ことを特徴とする半導体光共振器。
3. 請求項１に記載の半導体光共振器であって、
   前記導波路は、光軸方向でフォトルミネッセンス波長が異なる２以上の領域を含み、
   前記導波路のフォトルミネッセンス波長が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路のフォトルミネッセンス波長が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくした
   ことを特徴とする半導体光共振器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体光共振器であって、
   前記導波路に沿ってメサストライプ構造を有する
   ことを特徴とする半導体光共振器。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光共振器であって、
   前記光導波路の前後方端間の発光波長の差が±２ｎｍ以内である
   ことを特徴とする半導体光共振器。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光共振器と、
   前記半導体光共振器とＢｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔ構造で接続された光変調器と、
   を有することを特徴とする半導体光素子。
7. 請求項６に記載の半導体光素子であって、
   前記半導体光共振器は、
   前記光変調器との接続部に近い領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記接続部に対して遠い領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくした
   ことを特徴とする半導体光素子。
8. 請求項６に記載の半導体光素子であって、
   前記半導体光共振器は、
   前記光変調器との接続部から所定の範囲内の領域に対して形成される回折格子に関し、前記導波路の実効屈折率が大きい領域に対して形成される回折格子のピッチを、前記導波路の実効屈折率が小さい領域に対して形成される回折格子のピッチよりも小さくし、
   前記所定の範囲外の領域に対して形成される回折格子のピッチを均一とした
   ことを特徴とする半導体光素子。
9. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光共振器、又は請求項６乃至８のいずれかに記載の半導体光素子を備える光通信モジュール。

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