JP3887738B2 - 半導体光集積回路装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体光集積回路装置及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光集積回路装置及びその製造方法に関するものであり、特に、波長多重（ＷＤＭ）通信方式において受光装置として用いる高感度な半導体光集積回路装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信需要の飛躍的な増大に対して波長の異なる複数の信号光を多重化して一本の光ファイバで同時に伝送させる波長多重通信システムの導入が検討されており、この波長多重通信システムを含めた光伝送システムにおいては、光ファイバを伝送されてきた光信号を受光素子で受信して電気信号に変換する際に、受光感度を増加させるために、受光素子の前段に光増幅器を挿入して受信信号を増幅する方法がある。
【０００３】
この様な目的に用いる光増幅器としては、Ｅｒドープファイバを用いた光ファイバ増幅器や、半導体増幅器の使用が可能であるが、増幅に伴って生じる所望の波長近傍以外の光、即ち、ＡＳＥノイズ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｎｏｉｓｅ）が受信感度の劣化を誘発することが問題となる。
【０００４】
したがって、この様な問題を解決するためには、波長フィルタを光増幅器と受光素子との間に挿入することにより不所望なＡＳＥノイズを遮断して受信感度の劣化を抑制すれば良いが、これらの素子によるシステムのサイズをコンパクトにするためには、これらの素子を全て半導体によってモノリシックに集積化することが不可欠となる。
【０００５】
この様に半導体でモノリシックに集積化する場合に用いる波長フィルタとしては、多層膜によるＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）型フィルタや、回折格子によるＤＢＲ型フィルタが考えられ、また、波長多重通信システムに適用するためには、波長フィルタ部は透過波長の選択、即ち、チューニングができる機構を有することが望ましい。
【０００６】
また、集積化に際しては、光増幅器及び受光素子とともに、光導波路型素子、面型素子を組み合わせてモノリシックに集積化することで、高感度な受信システムを構築することが可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光増幅器及び受光素子を光路上に一直線に配列して集積化した場合には、ＤＢＲ型フィルタからの反射光が光増幅器に帰還し、光増幅器の利得に揺らぎが生じ、それによって出力光パワーが揺らぐという問題がある。
【０００８】
また、必要な波長域を透過させるためには、ＤＢＲ型フィルタをλ／４型にしなくてはならないが、このλ／４型フィルタの場合には、光透過スペクトルにおけるストップバンドの光しか抑制できないという問題があり、また、透過帯域が狭いという問題がある。
【０００９】
また、ＤＢＲ型フィルタとして、位相シフトのないＤＢＲ型フィルタを用い、ＤＢＲ型フィルタから反射或いは回折された光が光増幅器に戻らないように、反射或いは回折する方向を傾けて受光素子に結合することも試みられているが（必要ならば、例えば、特願昭５８−１２３１５０号参照）、この場合には、回折格子の上下両側に回折が生ずるのでパワーロスが生ずるという問題があり、さらには、受光素子を同一基板上に集積化することが困難であるという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、不所望な波長のＡＳＥ光を抑制し、且つ、戻り光による光増幅器のパワー変動も抑制した高感度な光増幅器集積型受光装置を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図１は本発明の半導体光集積回路装置の光軸に沿った概略的断面図である。
図１参照
（１）本発明は、半導体光集積回路装置において、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器２、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に、前記の順で直列に配置することを特徴とする。
【００１２】
この様に、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器（ＶＣＦ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ）２、即ち、回折格子１２を設けて光結合特性に波長選択性を設けた方向性結合器（ＧＡＣＤ：Ｇｒａｔｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｏｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ）、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に直列に配置することによって、光検出器５の動作に影響を与えないように不所望なＡＳＥ光を吸収する光吸収器３を設けることができ、且つ、それによって、戻り光による光増幅器１のパワー変動を抑制することができるので、信号光を高感度に受信することができる。
【００１３】
（２）また、本発明は、上記（１）において、光増幅器１を構成する光増幅層６、光吸収器３を構成する光吸収層７、及び、光検出器５を構成する受光層８のバンドギャップが、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０のバンドギャップより小さいことを特徴とする。
【００１４】
この様なバンドギャップの関係に設定することによって、光導波路９，１０における増幅信号光の吸収損失を低減することができる。
【００１５】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０と、この光導波路９，１０とともに方向性結合器を構成する光導波路層１１との間隔が、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８と光導波路層１１との間隔より狭いことを特徴とする。
【００１６】
この様な間隔の関係に設定することによって、回折格子装荷型方向性結合器２，４以外の領域における光導波路層１１との光結合を防止することができ、光導波路層１１に不所望な光が導波することを防止したり、或いは、光導波路層１１を導波する増幅信号光の不所望な吸収を防止することができる。
【００１７】
（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、一対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の透過帯域の中心波長を互いにずらすことを特徴とする。
【００１８】
この様に、一対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の透過帯域の中心波長を互いにずらすことによって、全体の透過波長帯域を狭帯域化することができ、波長多重通信システムにおけるクロストークを防止することができる。
【００１９】
（５）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に制御電極１４，１５を設け、波長選択性を付与することを特徴とする。
【００２０】
この様に、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に制御電極１４，１５を設けることによって、全体の透過波長帯域及び中心透過波長を任意に設定することができる。
【００２１】
（６）また、本発明は、上記（５）において、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の動作を互いに非対称にすることを特徴とする。
【００２２】
この様に、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に、例えば、非対称に電流注入を行なって非対称動作させることによって、全体の透過波長帯域を狭帯域化し、且つ、中心透過波長を任意に設定することができる。
【００２３】
（７）また、本発明は、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器２、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に、前記の順で直列に配置した半導体光集積回路装置の製造方法において、光軸に沿って間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて分離クラッド層１７を成長することによって、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０と、この光導波路９，１０とともに方向性結合器を構成する光導波路層１１との間隔を、光増幅器１を構成する光増幅層６、光吸収器３を構成する光吸収層７、及び、光検出器５を構成する受光層８と光導波路層１１との間隔より狭くしたことを特徴とする。
【００２４】
この様に、間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて分離クラッド層１７を成長することによって、分離クラッド層１７の層厚を周期的に変化させることができ、それによって、上記の間隔の関係に設定することができる。
【００２５】
（８）また、本発明は、上記（７）において、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８を選択成長マスクを用いて同時に成長させることによって、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８のバンドギャップを、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０のバンドギャップより小さくしたことを特徴とする。
【００２６】
この様に、間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８を成長することによって、各層のバンドギャップを上記の関係に設定することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して本発明の第１の実施の形態の光増幅器集積型受光装置の製造工程を説明する。
なお、図４（ｆ）は、平面図であり、その他の図は、図４（ｆ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った位置における概略的断面図である。
図２（ａ）参照
まず、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、例えば、厚さが８０ｎｍで、組成波長が１．１５μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２を設ける。
【００２８】
図２（ｂ）参照
次いで、全面にフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光法等を用いて、例えば、周期Λが３８μｍで、領域長が３００μｍの回折格子パターンを有するレジストパターン２３を２か所に形成し、このレジストパターン２３をマスクとして、エタンガス或いはメタンガスを反応ガスとした反応性イオンエッチングを施すことによってｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２からなる埋込回折格子層２４，２５を形成する。
【００２９】
図２（ｃ）参照
次いで、レジストマスク２３を除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、全面にｎ型ＩｎＰ層２６を成長させて表面を平坦にしたのち、例えば、厚さが２００ｎｍで、組成波長が１．５７μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７、及び、厚さが、例えば、５００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２８を順次成長させる。
この場合、ｎ型ＩｎＰ層２６とｎ型ＩｎＰ基板２１とが、ｎ側クラッド層となる。
【００３０】
図３（ｄ）参照
次いで、全面にＳｉＯ2 膜を堆積させたのちエッチングすることによって、例えば、各長さが２００μｍで、それらの間隔が６００μｍのＳｉＯ2 マスク２９を形成し、このＳｉＯ2 マスク２９をマスクとしてエッチングすることによって、露出しているｐ型ＩｎＰクラッド層２８及びｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７を選択的に除去する。
この結果、ＳｉＯ2 マスク２９の下に残存するｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７が、夫々、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの受光層３０、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの光吸収層３１、及び、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの光増幅活性層３２となる。
【００３１】
図３（ｅ）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク２９をそのまま選択成長マスクとして用いて、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、例えば、厚さが３００μｍで組成波長が１．３μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を成長させて領域長が６００μｍの光導波路層３３，３４を形成したのち、引き続いて、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５を成長させる。
【００３２】
図４（ｆ）及び（ｆ′）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク２９を除去したのち、再び、全面にＳｉＯ2 膜を堆積させ、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域における間隔が狭く、且つ、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域における間隔が広く、両者を結ぶ領域における間隔がテーパ状の開口部３８を形成してＳｉＯ2 マスク３７とする。
【００３３】
図５（ｇ）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク３７を選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法によって、残存するｐ型ＩｎＰクラッド層２８と選択成長させたｐ型ＩｎＰクラッド層３５とが一体化したｐ型ＩｎＰクラッド層３６上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９、ｐ型光導波路層４０となるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層、及び、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１を順次選択成長させる。
【００３４】
この場合、再成長後のｐ型ＩｎＰクラッド層３９のｐ型ＩｎＰクラッド層３６と合わせた厚さが、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で、例えば、１．５μｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、１．０μｍとなる様に、ＳｉＯ2 マスク３７の開口部３８の間隔を設定する。
【００３５】
また、ｐ型光導波路層４０としては、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、厚さが１５０ｎｍで、組成波長が１．１μｍになるように成長させると、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上での厚さはより厚く、且つ、組成波長はより長波長化する。
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で２μｍの厚さになるように成長させる。
【００３６】
その結果、埋込回折格子２４，２５の周期Λと相まって、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定される光導波路層３３，３４の伝播定数β1 と、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定されるｐ型光導波路層４０の伝播定数β2 との関係を、β1 −β2 ＝２π／Λの関係に設定することができ、それによって、埋込回折格子２４，２５の周期Λにマッチングする波長の光のみを選択的に結合する１対の回折格子装荷型方向性結合器を構成することができる。
【００３７】
図５（ｈ）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク３７を除去したのち、新たにＳｉＯ2 膜を堆積させ、受光層３０及び光増幅活性層３２に対応する領域を露出させる様にエッチングしてＳｉＯ2 マスク（図示せず）を形成したのち、このＳｉＯ2 マスクを用いてエッチングすることによって、露出しているｐ型ＩｎＰクラッド層４１を選択的に除去する。
【００３８】
次いで、露出したｐ型光導波路層４０上にｐ側電極４２，４３を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にｐ側電極４２，４３に夫々対向するｎ側電極４４，４５を形成したのち、端面に多層誘電体膜からなる無反射膜４６，４７を形成することによって、半導体光集積回路装置の基本構成が完成する。
【００３９】
次に、同じく、図５（ｈ）を参照して半導体光集積回路装置の動作を説明すると、光増幅活性層３２側の端面から信号光を入射し、ｐ側電極４２とｎ側電極４４との間に順バイアスを印加することによって信号光を増幅する。
【００４０】
次いで、増幅された信号光は、埋込回折格子層２４を設けた回折格子装荷型方向性結合器において、埋込回折格子層２４にマッチングにする波長の光のみがｐ型光導波路層４０側に導かれ、マッチングしない波長の光、即ち、ＡＳＥ光はそのまま光導波路層３３を通過し、光吸収層３１において吸収され、除去される。
なお、光導波路層３３及びｐ型光導波路層４０のバンドギャップは、光増幅活性層３２のバンドギャップより大きいので、光導波路層３３及びｐ型光導波路層４０において信号光が吸収されることがない。
【００４１】
一方、ｐ型光導波路層４０側に導かれた信号光は、光吸収層３１の対応する領域においてはｐ型ＩｎＰクラッド層３６とｐ型ＩｎＰクラッド層３９を足した厚さが厚いので光吸収層３１において吸収されることなく、埋込回折格子層２５を設けた回折格子装荷型方向性結合器へ導かれ、埋込回折格子層２５にマッチングにする波長の光のみが光導波路層３４に戻される。
なお、この第１の実施の形態においては、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λを同じにしているので、両方の回折格子装荷型方向性結合器において選択される波長帯域は変化しない。
【００４２】
次いで、光導波路層３４に戻された信号光は、ｐ側電極４３とｎ側電極４５との間に逆バイアスが印加された受光層３０において検出されて、電気信号として取り出される。
【００４３】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、光増幅活性層３２によって構成される光増幅装置と光吸収層３１によって構成される光吸収器との間、及び、光吸収器と受光層３０によって構成される光検出器との間に、夫々、回折格子装荷型方向性結合器を設けているので、増幅した信号光を減衰させることなく、ＡＳＥ光のみを選択的に吸収除去することができ、ＡＳＥ光による受信感度の低下を防止することができる。
【００４４】
また、この光吸収層３１は、光検出器側の端面で反射した戻り光も吸収するので、戻り光による光増幅器のパワー変動を抑制することができ、増幅動作を安定化することができる。
【００４５】
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９を成長させる際に、周期的に間隔が変化する開口部３８を有するＳｉＯ2 マスク３７を用いた選択成長法を用いているので、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上の厚さを、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上の厚さよりも自動的に薄く形成することができ、それによって、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域におけるｐ型光導波路層４０との間の不所望な光結合を防止することができる。
【００４６】
なお、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λは、互いに異なるように設定しても良いものであり、それによって、波長選択性或いは波長帯域を狭くすることができ、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００４７】
次に、図６を参照して本発明の第２の実施の形態を説明するが、この第２の実施の形態は、１対の回折格子装荷型方向性結合器に制御電極４８，４９を設けた以外は、上記の第１の実施の形態と全く同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図６参照
この第２の実施の形態においては、制御電極４８，４９に順バイアスを印加し、電流注入によって回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長をチューニングにすることができ、ある程度の波長帯域において、任意の波長の信号光に対応した光増幅器集積型受光装置として動作させることができる。
【００４８】
また、制御電極４８と制御電極４９に印加する電圧を非対称にすることによって、１対の回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長を互いにずらすことができ、それによっても、透過帯域幅を可変にすることでき、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００４９】
次に、図７を参照して本発明の第３の実施の形態を説明するが、この第３の実施の形態は、上記の第１の実施の形態の半導体光集積回路装置における信号光の流れを上下逆転したものである。
図７参照
まず、上記の第１の実施の形態と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、例えば、厚さが８０ｎｍで、組成波長が１．１５μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を設けたのち、全面にフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光法等を用いて、例えば、周期Λが３８μｍで、領域長が３００μｍの回折格子パターンを有するレジストパターンを２か所に形成し、このレジストパターンをマスクとして、エタンガス或いはメタンガスを反応ガスとした反応性イオンエッチングを施すことによって埋込回折格子層２４，２５を形成する。
【００５０】
次いで、レジストマスクを除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、全面にｎ型ＩｎＰ層２６を成長させて表面を平坦にしたのち、例えば、厚さが１５０ｎｍで、組成波長が１．１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層からなるｎ型光導波路層５０、及び、厚さが、例えば、５００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層５１を順次成長させる。
【００５１】
次いで、全面にＳｉＯ2 膜を堆積させたのちエッチングすることによって、図４（ｆ）に示した開口部を有するＳｉＯ2 マスクを形成し、このＳｉＯ2 マスクを選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法によって、ｎ型ＩｎＰクラッド層５２、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１、及び、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５３を順次選択成長させる。
【００５２】
この場合、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９のｐ型ＩｎＰクラッド層３６と合わせた厚さが、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２を形成する領域上で、例えば、１．５μｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、１．０μｍとなる様に、ＳｉＯ2 マスクの開口部の間隔を設定するものであり、この開口部の間隔によって、各領域の組成波長及び膜厚を任意に制御することができる。
【００５３】
また、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２となる領域で、例えば、組成波長が１．５７μｍで厚さが３００ｎｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域において、例えば、組成波長が１．４μｍで厚さが１５０ｎｍとなる。
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で２μｍの厚さになるように成長させる。
【００５４】
その結果、埋込回折格子２４，２５の周期Λと相まって、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定される光導波路層３３，３４の伝播定数β3 と、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定されるｎ型光導波路層５０の伝播定数β4 との関係を、β3 −β4 ＝２π／Λの関係に設定することができ、それによって、埋込回折格子２４，２５の周期Λにマッチングする波長の光のみを選択的に結合する一対の回折格子装荷型方向性結合器を構成することができる。
【００５５】
次いで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５３上にｐ側電極４２，４３を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にｐ側電極４２，４３に夫々対向するｎ側電極４４，４５を形成したのち、両側の端面に多層誘電体膜からなる無反射膜４６，４７を形成することによって、半導体光集積回路装置の基本構成が完成する。
【００５６】
なお、この場合も、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λは、互いに異なるように設定しても良いものであり、それによって、波長選択性或いは波長帯域を狭くすることができ、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００５７】
この本発明の第３の実施の形態の半導体光集積回路装置の動作は、上記の第１の実施の形態の半導体光集積回路装置の動作と実質的に同様であるので説明は省略する。
【００５８】
この本発明の第３の実施の形態においては、受光層３０、光吸収層３１、光増幅活性層３２、及び、光導波路層３３，３４を、一度の選択成長工程において単一のｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層から形成しているので、製造工程が簡素化され、それによって、半導体光集積回路装置の低コスト化が可能になる。
【００５９】
次に、図８を参照して本発明の第４の実施の形態を説明するが、この第４の実施の形態は、１対の回折格子装荷型方向性結合器に制御電極４８，４９を設けた以外は、上記の第３の実施の形態の半導体光集積回路装置と全く同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図８参照
この第４の実施の形態においても、制御電極４８，４９に順バイアスを印加し、電流注入によって回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長をチューニングにすることができ、ある程度の波長帯域において、任意の波長の信号光に対応した光増幅器集積型受光装置として動作させることができる。
【００６０】
また、この場合にも、制御電極４８と制御電極４９に印加する電圧を非対称にすることによって、１対の回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長を互いにずらすことができ、それによっても、透過帯域幅を可変にすることでき、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００６１】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、１対の回折格子装荷型方向性結合器を構成する回折格子を埋込回折格子層２４，２５を利用して構成しているが、この様な回折格子に限られるものではなく、光導波路層３３，３４、或いは、ｎ型光導波路層５０に直接レリーフ型として形成しても良く、設ける位置としては光導波路層３３，３４、或いは、ｎ型光導波路層５０の上下の何方側の面に設けても良いものである。
【００６２】
また、上記の各実施の形態の説明においては、信号光の導波方向に垂直な方向の断面構造を示してしないが、ストライプ状にメサエッチングしたのち、ＦｅドープＩｎＰ高抵抗層を成長させて埋込導波路構造にしても良いし、或いは、ストライプ状にメサエッチングしたのち、ポリイミド等で被覆して埋込導波路構造にしても良いし、さらには、リッジ型導波路構造にしても良く、特定のストライプ構造に限定されないものである。
【００６３】
また、上記の各実施の形態の説明においては、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２としてバルクのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いても良いものである。
【００６４】
また、上記の各実施の形態においては、光増幅器、光吸収器、及び、光検出器を構成する領域の長さを２００μｍとして、その間に設ける回折格子装荷型方向性結合器を構成する領域の長さを６００μｍとしているが、各領域の長さは適宜変更しても良いものであり、特に、回折格子装荷型方向性結合器を構成する領域の長さは方向性結合器の結合効率や吸収損失等の特性を損なわない範囲で適宜変更しても良いものである。
【００６５】
また、上記の第１及び第２の実施の形態においては、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２を組成波長が１．５７μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２から形成しているが、各層のバンドギャップを最適化するために、夫々、異なった組成のＩｎＧａＡｓＰ層から構成しても良いものである。
【００６６】
また、上記の第１及び第２の実施の形態においては、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９の厚さを周期的に変化させるために、間隔が周期的に変化する開口部３８を有するＳｉＯ2 マスク３７を用いた選択成長法によってｐ型ＩｎＰクラッド層３９を成長しているが、選択成長法に限られるものではなく、例えば、ｐ型ＩｎＰクラッド層３６を厚く成長させて、選択エッチングを用いることによってｐ型ＩｎＰクラッド層３９と同様の形状の段差を形成しても良いものである。
【００６７】
また、上記の各実施の形態の説明においては、両側の端面に無反射膜４６，４７を設けているだけであるが、さらなる反射率の低減のために、光増幅活性層３２側の端面或いは受光層３０側の端面を低屈折率の半導体層、したがって、通常はバンドギャップの大きな半導体層、例えば、上記の各実施の形態の場合にはｉ型ＩｎＰ層によって埋め込んで窓構造にしても良い。
【００６８】
また、同じく、さらなる反射率の低減のために、光増幅活性層３２側の端面或いは受光層３０側の端面を、光軸に対して傾斜させて傾斜端面構造を採用しても良いものであり、特に、端面をｎ型ＩｎＰ基板１１の主面に対して垂直性を保つ方向に傾斜させた方が、製造工程が簡単になる。
【００６９】
いずれにしても、これらの無反射膜、窓構造、或いは、傾斜端面構造を夫々単独で、或いは、２つまたは３つ組み合わせて用いることによって、端面での反射を防止することができ、それによって、戻り光による光増幅器のパワー変動を抑制することができる。
【００７０】
また、本発明は、各層の組成波長は各実施の形態に記載された数値に限られるものではなく、対象となる信号光の波長に応じて適宜変更すれば良いものであり、さらには、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系に限られるものではなく、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系等の他の化合物半導体を用いて形成しても良いものである。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、光増幅器と光吸収器との間、及び、光吸収器と光検出器との間に回折格子装荷型方向性結合器を挿入しているので、増幅した信号光を特段減衰することなく不所望なＡＳＥ光を選択的に光吸収器で吸収することができ、また、戻り光も吸収することができるので、光増幅器のパワー変動を抑制し、高感度な光増幅器集積型受光装置を構成することができ、波長多重光通信システムの実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の図３以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の図４以降の製造工程の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の説明図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態の説明図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態の説明図である。
【符号の説明】
１ 光増幅器
２ 回折格子装荷型方向性結合器
３ 光吸収器
４ 回折格子装荷型方向性結合器
５ 光検出器
６ 光増幅活性層
７ 光吸収層
８ 受光層
９ 光導波路
１０ 光導波路
１１ 光導波路層
１２ 回折格子
１３ 回折格子
１４ 制御電極
１５ 制御電極
１６ 半導体基板
１７ 分離クラッド層
２１ ｎ型ＩｎＰ基板
２２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２３ レジストパターン
２４ 埋込型回折格子層
２５ 埋込型回折格子層
２６ ｎ型ＩｎＰ層
２７ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２８ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２９ ＳｉＯ2 マスク
３０ 受光層
３１ 光吸収層
３２ 光増幅活性層
３３ 光導波路層
３４ 光導波路層
３５ ｐ型ＩｎＰクラッド層
３６ ｐ型ＩｎＰクラッド層
３７ ＳｉＯ2 マスク
３８ 開口部
３９ ｐ型ＩｎＰクラッド層
４０ ｐ型光導波路層
４１ ｐ型ＩｎＰクラッド層
４２ ｐ側電極
４３ ｐ側電極
４４ ｎ側電極
４５ ｎ側電極
４６ 無反射膜
４７ 無反射膜
４８ 制御電極
４９ 制御電極
５０ ｎ型光導波路層
５１ ｎ型ＩｎＰクラッド層
５２ ｎ型ＩｎＰクラッド層
５３ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光集積回路装置及びその製造方法に関するものであり、特に、波長多重（ＷＤＭ）通信方式において受光装置として用いる高感度な半導体光集積回路装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信需要の飛躍的な増大に対して波長の異なる複数の信号光を多重化して一本の光ファイバで同時に伝送させる波長多重通信システムの導入が検討されており、この波長多重通信システムを含めた光伝送システムにおいては、光ファイバを伝送されてきた光信号を受光素子で受信して電気信号に変換する際に、受光感度を増加させるために、受光素子の前段に光増幅器を挿入して受信信号を増幅する方法がある。
【０００３】
この様な目的に用いる光増幅器としては、Ｅｒドープファイバを用いた光ファイバ増幅器や、半導体増幅器の使用が可能であるが、増幅に伴って生じる所望の波長近傍以外の光、即ち、ＡＳＥノイズ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｎｏｉｓｅ）が受信感度の劣化を誘発することが問題となる。
【０００４】
したがって、この様な問題を解決するためには、波長フィルタを光増幅器と受光素子との間に挿入することにより不所望なＡＳＥノイズを遮断して受信感度の劣化を抑制すれば良いが、これらの素子によるシステムのサイズをコンパクトにするためには、これらの素子を全て半導体によってモノリシックに集積化することが不可欠となる。
【０００５】
この様に半導体でモノリシックに集積化する場合に用いる波長フィルタとしては、多層膜によるＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）型フィルタや、回折格子によるＤＢＲ型フィルタが考えられ、また、波長多重通信システムに適用するためには、波長フィルタ部は透過波長の選択、即ち、チューニングができる機構を有することが望ましい。
【０００６】
また、集積化に際しては、光増幅器及び受光素子とともに、光導波路型素子、面型素子を組み合わせてモノリシックに集積化することで、高感度な受信システムを構築することが可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光増幅器及び受光素子を光路上に一直線に配列して集積化した場合には、ＤＢＲ型フィルタからの反射光が光増幅器に帰還し、光増幅器の利得に揺らぎが生じ、それによって出力光パワーが揺らぐという問題がある。
【０００８】
また、必要な波長域を透過させるためには、ＤＢＲ型フィルタをλ／４型にしなくてはならないが、このλ／４型フィルタの場合には、光透過スペクトルにおけるストップバンドの光しか抑制できないという問題があり、また、透過帯域が狭いという問題がある。
【０００９】
また、ＤＢＲ型フィルタとして、位相シフトのないＤＢＲ型フィルタを用い、ＤＢＲ型フィルタから反射或いは回折された光が光増幅器に戻らないように、反射或いは回折する方向を傾けて受光素子に結合することも試みられているが（必要ならば、例えば、特願昭５８−１２３１５０号参照）、この場合には、回折格子の上下両側に回折が生ずるのでパワーロスが生ずるという問題があり、さらには、受光素子を同一基板上に集積化することが困難であるという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、不所望な波長のＡＳＥ光を抑制し、且つ、戻り光による光増幅器のパワー変動も抑制した高感度な光増幅器集積型受光装置を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図１は本発明の半導体光集積回路装置の光軸に沿った概略的断面図である。
図１参照
（１）本発明は、半導体光集積回路装置において、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器２、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に、前記の順で直列に配置することを特徴とする。
【００１２】
この様に、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器（ＶＣＦ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ）２、即ち、回折格子１２を設けて光結合特性に波長選択性を設けた方向性結合器（ＧＡＣＤ：Ｇｒａｔｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｏｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ）、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に直列に配置することによって、光検出器５の動作に影響を与えないように不所望なＡＳＥ光を吸収する光吸収器３を設けることができ、且つ、それによって、戻り光による光増幅器１のパワー変動を抑制することができるので、信号光を高感度に受信することができる。
【００１３】
（２）また、本発明は、上記（１）において、光増幅器１を構成する光増幅層６、光吸収器３を構成する光吸収層７、及び、光検出器５を構成する受光層８のバンドギャップが、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０のバンドギャップより小さいことを特徴とする。
【００１４】
この様なバンドギャップの関係に設定することによって、光導波路９，１０における増幅信号光の吸収損失を低減することができる。
【００１５】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０と、この光導波路９，１０とともに方向性結合器を構成する光導波路層１１との間隔が、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８と光導波路層１１との間隔より狭いことを特徴とする。
【００１６】
この様な間隔の関係に設定することによって、回折格子装荷型方向性結合器２，４以外の領域における光導波路層１１との光結合を防止することができ、光導波路層１１に不所望な光が導波することを防止したり、或いは、光導波路層１１を導波する増幅信号光の不所望な吸収を防止することができる。
【００１７】
（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、一対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の透過帯域の中心波長を互いにずらすことを特徴とする。
【００１８】
この様に、一対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の透過帯域の中心波長を互いにずらすことによって、全体の透過波長帯域を狭帯域化することができ、波長多重通信システムにおけるクロストークを防止することができる。
【００１９】
（５）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に制御電極１４，１５を設け、波長選択性を付与することを特徴とする。
【００２０】
この様に、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に制御電極１４，１５を設けることによって、全体の透過波長帯域及び中心透過波長を任意に設定することができる。
【００２１】
（６）また、本発明は、上記（５）において、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４の動作を互いに非対称にすることを特徴とする。
【００２２】
この様に、１対の回折格子装荷型方向性結合器２，４に、例えば、非対称に電流注入を行なって非対称動作させることによって、全体の透過波長帯域を狭帯域化し、且つ、中心透過波長を任意に設定することができる。
【００２３】
（７）また、本発明は、光増幅器１、回折格子装荷型方向性結合器２、光吸収器３、及び、回折格子装荷型方向性結合器４を、光検出器５の前段に、前記の順で直列に配置した半導体光集積回路装置の製造方法において、光軸に沿って間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて分離クラッド層１７を成長することによって、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０と、この光導波路９，１０とともに方向性結合器を構成する光導波路層１１との間隔を、光増幅器１を構成する光増幅層６、光吸収器３を構成する光吸収層７、及び、光検出器５を構成する受光層８と光導波路層１１との間隔より狭くしたことを特徴とする。
【００２４】
この様に、間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて分離クラッド層１７を成長することによって、分離クラッド層１７の層厚を周期的に変化させることができ、それによって、上記の間隔の関係に設定することができる。
【００２５】
（８）また、本発明は、上記（７）において、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８を選択成長マスクを用いて同時に成長させることによって、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８のバンドギャップを、回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０のバンドギャップより小さくしたことを特徴とする。
【００２６】
この様に、間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて回折格子装荷型方向性結合器２，４を構成する光導波路９，１０、光増幅層６、光吸収層７、及び、受光層８を成長することによって、各層のバンドギャップを上記の関係に設定することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して本発明の第１の実施の形態の光増幅器集積型受光装置の製造工程を説明する。
なお、図４（ｆ）は、平面図であり、その他の図は、図４（ｆ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った位置における概略的断面図である。
図２（ａ）参照
まず、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、例えば、厚さが８０ｎｍで、組成波長が１．１５μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２を設ける。
【００２８】
図２（ｂ）参照
次いで、全面にフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光法等を用いて、例えば、周期Λが３８μｍで、領域長が３００μｍの回折格子パターンを有するレジストパターン２３を２か所に形成し、このレジストパターン２３をマスクとして、エタンガス或いはメタンガスを反応ガスとした反応性イオンエッチングを施すことによってｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２からなる埋込回折格子層２４，２５を形成する。
【００２９】
図２（ｃ）参照
次いで、レジストマスク２３を除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、全面にｎ型ＩｎＰ層２６を成長させて表面を平坦にしたのち、例えば、厚さが２００ｎｍで、組成波長が１．５７μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７、及び、厚さが、例えば、５００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２８を順次成長させる。
この場合、ｎ型ＩｎＰ層２６とｎ型ＩｎＰ基板２１とが、ｎ側クラッド層となる。
【００３０】
図３（ｄ）参照
次いで、全面にＳｉＯ2 膜を堆積させたのちエッチングすることによって、例えば、各長さが２００μｍで、それらの間隔が６００μｍのＳｉＯ2 マスク２９を形成し、このＳｉＯ2 マスク２９をマスクとしてエッチングすることによって、露出しているｐ型ＩｎＰクラッド層２８及びｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７を選択的に除去する。
この結果、ＳｉＯ2 マスク２９の下に残存するｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２７が、夫々、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの受光層３０、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの光吸収層３１、及び、領域長が２００μｍで組成波長が１．５７μｍの光増幅活性層３２となる。
【００３１】
図３（ｅ）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク２９をそのまま選択成長マスクとして用いて、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、例えば、厚さが３００μｍで組成波長が１．３μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を成長させて領域長が６００μｍの光導波路層３３，３４を形成したのち、引き続いて、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５を成長させる。
【００３２】
図４（ｆ）及び（ｆ′）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク２９を除去したのち、再び、全面にＳｉＯ2 膜を堆積させ、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域における間隔が狭く、且つ、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域における間隔が広く、両者を結ぶ領域における間隔がテーパ状の開口部３８を形成してＳｉＯ2 マスク３７とする。
【００３３】
図５（ｇ）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク３７を選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法によって、残存するｐ型ＩｎＰクラッド層２８と選択成長させたｐ型ＩｎＰクラッド層３５とが一体化したｐ型ＩｎＰクラッド層３６上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９、ｐ型光導波路層４０となるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層、及び、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１を順次選択成長させる。
【００３４】
この場合、再成長後のｐ型ＩｎＰクラッド層３９のｐ型ＩｎＰクラッド層３６と合わせた厚さが、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で、例えば、１．５μｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、１．０μｍとなる様に、ＳｉＯ2 マスク３７の開口部３８の間隔を設定する。
【００３５】
また、ｐ型光導波路層４０としては、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、厚さが１５０ｎｍで、組成波長が１．１μｍになるように成長させると、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上での厚さはより厚く、且つ、組成波長はより長波長化する。
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で２μｍの厚さになるように成長させる。
【００３６】
その結果、埋込回折格子２４，２５の周期Λと相まって、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定される光導波路層３３，３４の伝播定数β1 と、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定されるｐ型光導波路層４０の伝播定数β2 との関係を、β1 −β2 ＝２π／Λの関係に設定することができ、それによって、埋込回折格子２４，２５の周期Λにマッチングする波長の光のみを選択的に結合する１対の回折格子装荷型方向性結合器を構成することができる。
【００３７】
図５（ｈ）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク３７を除去したのち、新たにＳｉＯ2 膜を堆積させ、受光層３０及び光増幅活性層３２に対応する領域を露出させる様にエッチングしてＳｉＯ2 マスク（図示せず）を形成したのち、このＳｉＯ2 マスクを用いてエッチングすることによって、露出しているｐ型ＩｎＰクラッド層４１を選択的に除去する。
【００３８】
次いで、露出したｐ型光導波路層４０上にｐ側電極４２，４３を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にｐ側電極４２，４３に夫々対向するｎ側電極４４，４５を形成したのち、端面に多層誘電体膜からなる無反射膜４６，４７を形成することによって、半導体光集積回路装置の基本構成が完成する。
【００３９】
次に、同じく、図５（ｈ）を参照して半導体光集積回路装置の動作を説明すると、光増幅活性層３２側の端面から信号光を入射し、ｐ側電極４２とｎ側電極４４との間に順バイアスを印加することによって信号光を増幅する。
【００４０】
次いで、増幅された信号光は、埋込回折格子層２４を設けた回折格子装荷型方向性結合器において、埋込回折格子層２４にマッチングにする波長の光のみがｐ型光導波路層４０側に導かれ、マッチングしない波長の光、即ち、ＡＳＥ光はそのまま光導波路層３３を通過し、光吸収層３１において吸収され、除去される。
なお、光導波路層３３及びｐ型光導波路層４０のバンドギャップは、光増幅活性層３２のバンドギャップより大きいので、光導波路層３３及びｐ型光導波路層４０において信号光が吸収されることがない。
【００４１】
一方、ｐ型光導波路層４０側に導かれた信号光は、光吸収層３１の対応する領域においてはｐ型ＩｎＰクラッド層３６とｐ型ＩｎＰクラッド層３９を足した厚さが厚いので光吸収層３１において吸収されることなく、埋込回折格子層２５を設けた回折格子装荷型方向性結合器へ導かれ、埋込回折格子層２５にマッチングにする波長の光のみが光導波路層３４に戻される。
なお、この第１の実施の形態においては、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λを同じにしているので、両方の回折格子装荷型方向性結合器において選択される波長帯域は変化しない。
【００４２】
次いで、光導波路層３４に戻された信号光は、ｐ側電極４３とｎ側電極４５との間に逆バイアスが印加された受光層３０において検出されて、電気信号として取り出される。
【００４３】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、光増幅活性層３２によって構成される光増幅装置と光吸収層３１によって構成される光吸収器との間、及び、光吸収器と受光層３０によって構成される光検出器との間に、夫々、回折格子装荷型方向性結合器を設けているので、増幅した信号光を減衰させることなく、ＡＳＥ光のみを選択的に吸収除去することができ、ＡＳＥ光による受信感度の低下を防止することができる。
【００４４】
また、この光吸収層３１は、光検出器側の端面で反射した戻り光も吸収するので、戻り光による光増幅器のパワー変動を抑制することができ、増幅動作を安定化することができる。
【００４５】
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９を成長させる際に、周期的に間隔が変化する開口部３８を有するＳｉＯ2 マスク３７を用いた選択成長法を用いているので、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上の厚さを、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上の厚さよりも自動的に薄く形成することができ、それによって、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域におけるｐ型光導波路層４０との間の不所望な光結合を防止することができる。
【００４６】
なお、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λは、互いに異なるように設定しても良いものであり、それによって、波長選択性或いは波長帯域を狭くすることができ、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００４７】
次に、図６を参照して本発明の第２の実施の形態を説明するが、この第２の実施の形態は、１対の回折格子装荷型方向性結合器に制御電極４８，４９を設けた以外は、上記の第１の実施の形態と全く同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図６参照
この第２の実施の形態においては、制御電極４８，４９に順バイアスを印加し、電流注入によって回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長をチューニングにすることができ、ある程度の波長帯域において、任意の波長の信号光に対応した光増幅器集積型受光装置として動作させることができる。
【００４８】
また、制御電極４８と制御電極４９に印加する電圧を非対称にすることによって、１対の回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長を互いにずらすことができ、それによっても、透過帯域幅を可変にすることでき、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００４９】
次に、図７を参照して本発明の第３の実施の形態を説明するが、この第３の実施の形態は、上記の第１の実施の形態の半導体光集積回路装置における信号光の流れを上下逆転したものである。
図７参照
まず、上記の第１の実施の形態と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、例えば、厚さが８０ｎｍで、組成波長が１．１５μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を設けたのち、全面にフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光法等を用いて、例えば、周期Λが３８μｍで、領域長が３００μｍの回折格子パターンを有するレジストパターンを２か所に形成し、このレジストパターンをマスクとして、エタンガス或いはメタンガスを反応ガスとした反応性イオンエッチングを施すことによって埋込回折格子層２４，２５を形成する。
【００５０】
次いで、レジストマスクを除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法によって、全面にｎ型ＩｎＰ層２６を成長させて表面を平坦にしたのち、例えば、厚さが１５０ｎｍで、組成波長が１．１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層からなるｎ型光導波路層５０、及び、厚さが、例えば、５００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層５１を順次成長させる。
【００５１】
次いで、全面にＳｉＯ2 膜を堆積させたのちエッチングすることによって、図４（ｆ）に示した開口部を有するＳｉＯ2 マスクを形成し、このＳｉＯ2 マスクを選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法によって、ｎ型ＩｎＰクラッド層５２、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１、及び、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５３を順次選択成長させる。
【００５２】
この場合、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９のｐ型ＩｎＰクラッド層３６と合わせた厚さが、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２を形成する領域上で、例えば、１．５μｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域上で、例えば、１．０μｍとなる様に、ＳｉＯ2 マスクの開口部の間隔を設定するものであり、この開口部の間隔によって、各領域の組成波長及び膜厚を任意に制御することができる。
【００５３】
また、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２となる領域で、例えば、組成波長が１．５７μｍで厚さが３００ｎｍとなり、埋込回折格子層２４，２５に対応する領域において、例えば、組成波長が１．４μｍで厚さが１５０ｎｍとなる。
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４１は、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２に対応する領域上で２μｍの厚さになるように成長させる。
【００５４】
その結果、埋込回折格子２４，２５の周期Λと相まって、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定される光導波路層３３，３４の伝播定数β3 と、埋込回折格子２４，２５上での層厚によって規定されるｎ型光導波路層５０の伝播定数β4 との関係を、β3 −β4 ＝２π／Λの関係に設定することができ、それによって、埋込回折格子２４，２５の周期Λにマッチングする波長の光のみを選択的に結合する一対の回折格子装荷型方向性結合器を構成することができる。
【００５５】
次いで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５３上にｐ側電極４２，４３を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にｐ側電極４２，４３に夫々対向するｎ側電極４４，４５を形成したのち、両側の端面に多層誘電体膜からなる無反射膜４６，４７を形成することによって、半導体光集積回路装置の基本構成が完成する。
【００５６】
なお、この場合も、埋込回折格子層２４と埋込回折格子層２５の周期Λは、互いに異なるように設定しても良いものであり、それによって、波長選択性或いは波長帯域を狭くすることができ、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００５７】
この本発明の第３の実施の形態の半導体光集積回路装置の動作は、上記の第１の実施の形態の半導体光集積回路装置の動作と実質的に同様であるので説明は省略する。
【００５８】
この本発明の第３の実施の形態においては、受光層３０、光吸収層３１、光増幅活性層３２、及び、光導波路層３３，３４を、一度の選択成長工程において単一のｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層から形成しているので、製造工程が簡素化され、それによって、半導体光集積回路装置の低コスト化が可能になる。
【００５９】
次に、図８を参照して本発明の第４の実施の形態を説明するが、この第４の実施の形態は、１対の回折格子装荷型方向性結合器に制御電極４８，４９を設けた以外は、上記の第３の実施の形態の半導体光集積回路装置と全く同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図８参照
この第４の実施の形態においても、制御電極４８，４９に順バイアスを印加し、電流注入によって回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長をチューニングにすることができ、ある程度の波長帯域において、任意の波長の信号光に対応した光増幅器集積型受光装置として動作させることができる。
【００６０】
また、この場合にも、制御電極４８と制御電極４９に印加する電圧を非対称にすることによって、１対の回折格子装荷型方向性結合器において選択される中心波長を互いにずらすことができ、それによっても、透過帯域幅を可変にすることでき、波長多重通信方式におけるクロストークを防止することができる。
【００６１】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、１対の回折格子装荷型方向性結合器を構成する回折格子を埋込回折格子層２４，２５を利用して構成しているが、この様な回折格子に限られるものではなく、光導波路層３３，３４、或いは、ｎ型光導波路層５０に直接レリーフ型として形成しても良く、設ける位置としては光導波路層３３，３４、或いは、ｎ型光導波路層５０の上下の何方側の面に設けても良いものである。
【００６２】
また、上記の各実施の形態の説明においては、信号光の導波方向に垂直な方向の断面構造を示してしないが、ストライプ状にメサエッチングしたのち、ＦｅドープＩｎＰ高抵抗層を成長させて埋込導波路構造にしても良いし、或いは、ストライプ状にメサエッチングしたのち、ポリイミド等で被覆して埋込導波路構造にしても良いし、さらには、リッジ型導波路構造にしても良く、特定のストライプ構造に限定されないものである。
【００６３】
また、上記の各実施の形態の説明においては、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２としてバルクのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いても良いものである。
【００６４】
また、上記の各実施の形態においては、光増幅器、光吸収器、及び、光検出器を構成する領域の長さを２００μｍとして、その間に設ける回折格子装荷型方向性結合器を構成する領域の長さを６００μｍとしているが、各領域の長さは適宜変更しても良いものであり、特に、回折格子装荷型方向性結合器を構成する領域の長さは方向性結合器の結合効率や吸収損失等の特性を損なわない範囲で適宜変更しても良いものである。
【００６５】
また、上記の第１及び第２の実施の形態においては、受光層３０、光吸収層３１、及び、光増幅活性層３２を組成波長が１．５７μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２２から形成しているが、各層のバンドギャップを最適化するために、夫々、異なった組成のＩｎＧａＡｓＰ層から構成しても良いものである。
【００６６】
また、上記の第１及び第２の実施の形態においては、ｐ型ＩｎＰクラッド層３９の厚さを周期的に変化させるために、間隔が周期的に変化する開口部３８を有するＳｉＯ2 マスク３７を用いた選択成長法によってｐ型ＩｎＰクラッド層３９を成長しているが、選択成長法に限られるものではなく、例えば、ｐ型ＩｎＰクラッド層３６を厚く成長させて、選択エッチングを用いることによってｐ型ＩｎＰクラッド層３９と同様の形状の段差を形成しても良いものである。
【００６７】
また、上記の各実施の形態の説明においては、両側の端面に無反射膜４６，４７を設けているだけであるが、さらなる反射率の低減のために、光増幅活性層３２側の端面或いは受光層３０側の端面を低屈折率の半導体層、したがって、通常はバンドギャップの大きな半導体層、例えば、上記の各実施の形態の場合にはｉ型ＩｎＰ層によって埋め込んで窓構造にしても良い。
【００６８】
また、同じく、さらなる反射率の低減のために、光増幅活性層３２側の端面或いは受光層３０側の端面を、光軸に対して傾斜させて傾斜端面構造を採用しても良いものであり、特に、端面をｎ型ＩｎＰ基板１１の主面に対して垂直性を保つ方向に傾斜させた方が、製造工程が簡単になる。
【００６９】
いずれにしても、これらの無反射膜、窓構造、或いは、傾斜端面構造を夫々単独で、或いは、２つまたは３つ組み合わせて用いることによって、端面での反射を防止することができ、それによって、戻り光による光増幅器のパワー変動を抑制することができる。
【００７０】
また、本発明は、各層の組成波長は各実施の形態に記載された数値に限られるものではなく、対象となる信号光の波長に応じて適宜変更すれば良いものであり、さらには、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系に限られるものではなく、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系等の他の化合物半導体を用いて形成しても良いものである。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、光増幅器と光吸収器との間、及び、光吸収器と光検出器との間に回折格子装荷型方向性結合器を挿入しているので、増幅した信号光を特段減衰することなく不所望なＡＳＥ光を選択的に光吸収器で吸収することができ、また、戻り光も吸収することができるので、光増幅器のパワー変動を抑制し、高感度な光増幅器集積型受光装置を構成することができ、波長多重光通信システムの実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の図３以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の図４以降の製造工程の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の説明図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態の説明図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態の説明図である。
【符号の説明】
１ 光増幅器
２ 回折格子装荷型方向性結合器
３ 光吸収器
４ 回折格子装荷型方向性結合器
５ 光検出器
６ 光増幅活性層
７ 光吸収層
８ 受光層
９ 光導波路
１０ 光導波路
１１ 光導波路層
１２ 回折格子
１３ 回折格子
１４ 制御電極
１５ 制御電極
１６ 半導体基板
１７ 分離クラッド層
２１ ｎ型ＩｎＰ基板
２２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２３ レジストパターン
２４ 埋込型回折格子層
２５ 埋込型回折格子層
２６ ｎ型ＩｎＰ層
２７ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２８ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２９ ＳｉＯ2 マスク
３０ 受光層
３１ 光吸収層
３２ 光増幅活性層
３３ 光導波路層
３４ 光導波路層
３５ ｐ型ＩｎＰクラッド層
３６ ｐ型ＩｎＰクラッド層
３７ ＳｉＯ2 マスク
３８ 開口部
３９ ｐ型ＩｎＰクラッド層
４０ ｐ型光導波路層
４１ ｐ型ＩｎＰクラッド層
４２ ｐ側電極
４３ ｐ側電極
４４ ｎ側電極
４５ ｎ側電極
４６ 無反射膜
４７ 無反射膜
４８ 制御電極
４９ 制御電極
５０ ｎ型光導波路層
５１ ｎ型ＩｎＰクラッド層
５２ ｎ型ＩｎＰクラッド層
５３ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
Claims (8)
- 光増幅器、回折格子装荷型方向性結合器、光吸収器、及び、回折格子装荷型方向性結合器を、光検出器の前段に、前記の順で直列に配置することを特徴とする半導体光集積回路装置。
- 上記光増幅器を構成する光増幅層、上記光吸収器を構成する光吸収層、及び、上記光検出器を構成する受光層のバンドギャップが、上記回折格子装荷型方向性結合器を構成する光導波路のバンドギャップより小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体光集積回路装置。
- 上記回折格子装荷型方向性結合器を構成する光導波路と、前記光導波路とともに方向性結合器を構成する光導波路層との間隔が、上記光増幅層、光吸収層、及び、受光層と前記光導波路層との間隔より狭いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光集積回路装置。
- 上記一対の回折格子装荷型方向性結合器の透過帯域の中心波長を、互いにずらすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体光集積回路装置。
- 上記１対の回折格子装荷型方向性結合器に制御電極を設け、波長選択性を付与することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体光集積回路装置。
- 上記１対の回折格子装荷型方向性結合器の動作を、互いに非対称にすることを特徴とする請求項５記載の半導体光集積回路装置。
- 光増幅器、回折格子装荷型方向性結合器、光吸収器、及び、回折格子装荷型方向性結合器を、光検出器の前段に、前記の順で直列に配置した半導体光集積回路装置の製造方法において、光軸に沿って間隔が周期的に異なる開口部を有する選択成長マスクを用いて分離クラッド層を成長することによって、前記回折格子装荷型方向性結合器を構成する光導波路と、前記光導波路とともに方向性結合器を構成する光導波路層との間隔を、前記光増幅器を構成する光増幅層、前記光吸収器を構成する光吸収層、及び、前記光検出器を構成する受光層と前記光導波路層との間隔より狭くしたことを特徴とする半導体光集積回路装置の製造方法。
- 上記回折格子装荷型方向性結合器を構成する光導波路、光増幅層、光吸収層、及び、受光層を、上記選択成長マスクを用いて同時に成長させることによって、前記光増幅層、光吸収層、及び、受光層のバンドギャップを、前記回折格子装荷型方向性結合器を構成する光導波路のバンドギャップより小さくしたことを特徴とする請求項７記載の半導体光集積回路装置の製造方法。
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