JP5303581B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体装置に関する。

これまでに提案されてきた波長可変半導体レーザは、レーザ発振に対する利得機能と波長選択機能とを備えている。波長を選択する方法としては、共振器内に設けた回折格子、エタロン等の屈折率、角度等を変化させることによって損失もしくは利得の共鳴波長を変化させる方法、ならびに、共振器内部の光路長（共振器内部の屈折率もしくは物理的な長さ）を変化させることによって共振器の共振波長を変化させる方法等があげられる。

ここで、屈折率を変化させる方法は、角度または長さを変化させる方法に比較して機械的な稼動部を必要としないことから、信頼性、製造コスト等の点で有利である。屈折率を変化させる方法には、例えば、光導波路の温度を変化させる方法、電流注入等によって光導波路内のキャリア密度を変化させる方法等がある。光導波路の温度を変化させる方法を採用した波長可変レーザの具体的な例として、例えば、波長選択機能を備えるサンプルドグレーティング分布反射領域（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＳＧ−ＤＲ）を備える半導体レーザ等が提案されている。

この半導体レーザにおいては、複数のＳＧ−ＤＲ領域（反射領域）の反射スペクトルを制御することによって、バーニア効果を用いた波長選択が行われてレーザ光が出力される。すなわち、この半導体レーザは、２つのＳＧ−ＤＲ領域の反射ピークが重なった波長でレーザ光を発振する。したがって、個々のＳＧ−ＤＲ領域の反射ピークを制御することによって、発振波長を制御することができる。

上記ＳＧ−ＤＲ領域の素子表面には、ヒータが設置されていることが多い。このヒータに発熱させることによって、ＳＧ−ＤＲ領域の光導波路の温度を変化させることができる。それにより、光導波路の屈折率が変化する。したがって、ヒータの発熱量を制御することによって、ＳＧ−ＤＲ領域の反射ピーク波長を制御することができる。このヒータを発熱させるには電力が必要である。そこで、ヒータに電力を供給することによって反射領域の屈折率を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−９２９３４号公報

ここで、反射ピーク波長の制御可能範囲は、光導波路の屈折率変化量、すなわち光導波路の温度変化量に比例する。波長制御範囲を大きくするためには、ヒータに供給する電力を増大させる必要がある。しかしながら、低電力で上記半導体レーザを制御できることが求められている。したがって、半導体レーザの制御電力ではヒータに十分な発熱をさせることが困難であった。

本発明は、ヒータによって出力された熱を光導波路に効率よく供給することができる光半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上において上面および側面を備えて画定され光導波路層を備えたストライプ状の半導体領域と、半導体領域の光導波路層より上部に設けられたヒータと、半導体領域の両側に光導波路層と並行に形成されたメサ溝と、を備え、半導体領域の幅は、ヒータが設けられた全ての領域に渡って半導体基板の幅より狭く画定され、光導波路層は、半導体領域の側面の下端より上側に設けられ、半導体領域の側面の下端の位置から光導波路層の位置までの距離は、半導体領域の幅の０．５倍以上であることを特徴とするものである。

本発明に係る光半導体装置においては、半導体領域の幅が半導体基板の幅よりも狭いことから、半導体領域における熱抵抗が大きくなる。この場合、ヒータによって光導波路層を効率よく加熱することができる。また、半導体領域の側面の下端から光導波路層までの距離は半導体領域の幅の０．５倍以上であることから、光導波路層と半導体基板との距離が十分に大きくなる。それにより、光導波路層を伝導した熱の拡散を抑制することができる。その結果、光導波路層における温度勾配を十分に大きくすることができる。以上のことから、ヒータによる発熱によって効率よく光導波路層の温度を制御することができる。

半導体領域の幅は、光導波路層が位置する領域における幅であってもよい。また、半導体領域は光導波路層を挟んで設けられた上部クラッド層と下部クラッド層とを備え、光導波路層はＩｎＧａＡｓＰからなり、上部クラッド層、下部クラッド層および半導体基板はＩｎＰからなるものであってもよい。さらに、半導体領域の側面側には、空間領域が位置していてもよい。この場合、空気の熱伝導率は半導体領域の熱伝導率よりも小さいことから、ヒータにおいて発生した熱は、主として半導体領域に伝導する。それにより、ヒータによる発熱によって効率よく光導波路層の温度を制御することができる。

半導体領域の側面は、半導体領域の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する絶縁部材によって覆われていてもよい。また、絶縁部材は、ポリイミドであってもよい。この場合、ヒータにおいて発生した熱は、主として半導体領域に伝導する。それにより、ヒータによる発熱によって効率よく光導波路層の温度を制御することができる。

光導波路層を備えるとともに伝搬光に対して利得を有する利得部をさらに備え、利得部の光導波路層と半導体領域の光導波路とは光結合していてもよい。また、利得部は、半導体領域の幅より広い幅を有していてもよい。さらに、利得部および半導体領域を搭載する温度制御装置をさらに備えていてもよい。また、利得部の少なくとも一部が温度制御装置上に搭載されていてもよい。この場合、温度制御装置によってレーザチップの温度を制御することができる。それにより、レーザチップの発振波長を制御することができる。また、半導体領域の側面の下端は、半導体基板の面より低い位置に設けられていてもよい。

本発明によれば、ヒータによって出力された熱を光導波路層に効率よく供給することができる。その結果、ヒータによる発熱によって効率よく光導波路層の温度を制御することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る分布反射器の模式的断面図である。 ヒータによって与えられる熱の伝導方向について示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る分布反射器の模式的断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る分布反射器の模式的断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るレーザチップの全体構成を示す斜視図である。 （ａ）はレーザチップの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るレーザモジュールの全体構成を示す模式図である。 本発明の第６の実施の形態に係るレーザモジュールの全体構成を示す模式図である。 比較例に係る分布反射器の模式的断面図である。 分布反射器における温度分布を示す図である。 分布反射器における温度勾配を示す図である。 実施例２に係る分布反射器における温度勾配を示す図である。 実施例３に係る分布反射器における温度勾配を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態においては、本発明に係る光半導体装置の一例として分布反射器について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る分布反射器１００の模式的断面図である。図１に示すように、分布反射器１００は、半導体基板１０１上の中央部に半導体基板１０１の幅よりも小さい幅を有するストライプメサ状のメサ半導体領域１０２が設けられた構造を有する。したがって、メサ半導体領域１０２は半導体基板１０１の中央部から突出した構造を有する。

メサ半導体領域１０２の上面および側面ならびに半導体基板１０１の露出した上面には、保護膜として機能する絶縁膜１０３が形成されている。半導体基板１０１は、例えば、ＩｎＰからなる。絶縁膜１０３は、ＳｉＯ_２等のメサ半導体領域１０２の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する絶縁材からなる。メサ半導体領域１０２の上方の絶縁膜１０３上には、ヒータ１０４が配置されている。

メサ半導体領域１０２は、クラッド領域１０５の中央部に光導波路層１０６が形成された構造を有する。クラッド領域１０５は、例えば、ＩｎＰからなり、光導波路層１０６を往復するレーザ光を閉じ込める機能を果たす。光導波路層１０６は、例えば、吸収端がレーザ発振波長よりも短波長側にあるＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなる。ヒータ１０４は、ＮｉＣｒ等からなり、与えられる電力に応じて光導波路層１０６の温度を変化させる。それにより、光導波路層１０６の屈折率が変化する。

次に、ヒータ１０４によって与えられる熱の伝導について説明する。図２は、ヒータ１０４によって与えられる熱の伝導方向について示す模式図である。空気の熱伝導率はメサ半導体領域１０２の熱伝導率よりも低いことから、ヒータ１０４において発生した熱は、主としてメサ半導体領域１０２および半導体基板１０１に伝導する。

図２に示すように、メサ半導体領域１０２および半導体基板１０１は、熱の伝わり方に応じて領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃおよび領域Ｄに分けられる。領域Ａは、メサ半導体領域１０２の上側の領域である。領域Ｂは、メサ半導体領域１０２における領域Ａ以外の下側の領域である。領域Ｃは、半導体基板１０１の上側の領域である。領域Ｄは、半導体基板１０１における領域Ｃ以外の下側の領域である。

ヒータ１０４において発生した熱は、まず、メサ半導体領域１０２の幅の経路において領域Ａの上端から下方に向けて伝導する。一般に、２点間を流れる熱流量Ｐと温度差ｄＴとの間にはｄＴ＝Ｐ×Ｒ_ｔｈの関係がある。ここで、Ｒ_ｔｈは熱抵抗であり、熱が流れる経路の長さに比例し、断面積に反比例する。したがって、ヒータの発熱量（もしくは供給電力）が一定の場合、温度差ｄＴは熱抵抗Ｒ_ｔｈに比例する。また、同じ長さ当たりの温度差すなわち温度勾配は、熱流経路の断面積が小さいほど大きくなる。

ここで、メサ半導体領域１０２の幅が半導体基板１０１の幅に比較して小さいことから、領域Ａにおける熱抵抗は大きく、温度勾配も大きくなる。領域Ａの下端まで伝導した熱は、領域Ｂにおいて下方に伝導する。領域Ｂはメサ半導体領域１０２の下側の領域であり、半導体基板１０１の近くに位置する。そのため、領域Ｂにおいては、半導体基板１０１の影響を受けて半導体基板１０１に対して熱が放射状に広がりながら伝導する。それにより、領域Ｂにおいては温度勾配が徐々に低下する。

領域Ｂの下端まで伝導した熱は、領域Ｃにおいて下方に伝導する。領域Ｃにおいては、半導体基板１０１の幅方向に広がりながら熱が伝導する。そのため、領域Ｃにおける温度勾配は急激に小さくなる。領域Ｃの下端まで伝導した熱は、領域Ｄにおいて下方に伝導する。領域Ｄにおいては、熱は半導体基板１０１の幅の経路に拡がりきって下方に伝導するため、温度勾配は一定の小さな値に収束する。

以上説明したとおり、メサ半導体領域１０２の幅が半導体基板１０１の幅に比較して小さいことから、ヒータ１０４における発生熱は光導波路層１０６に対して効率よく供給される。本実施の形態においては、光導波路層１０６のメサ半導体領域１０２の下端からの距離Ｄ２は、メサ半導体領域１０２の幅Ｗの０．５倍以上である。なお、メサ半導体領域１０２の幅Ｗは、光導波路層１０６が位置する領域の幅である。一例として、半導体基板１０１の幅は３００μｍ程度であり、メサ半導体領域１０２の幅Ｗは１０μｍ程度であり、メサ半導体領域１０２の上端から光導波路層１０６までの距離Ｄ１は３μｍ程度であり、光導波路層１０６から半導体基板１０１までの距離Ｄ２は７μｍ程度である。ここで、熱効率以外を目的としたメサ半導体領域での距離Ｄ２は、一般的に２μｍ以下であるので、本発明とは構成上異なっている。

なお、本発明における半導体領域の下端とは、本実施例では、ストライプメサ状のメサ半導体領域１０２の底面に相当する。したがって、本実施例では、半導体領域の下端が半導体基板と半導体領域の界面に位置することになる。当然ながら、ストライプメサが界面よりも高く形成された場合は、メサ半導体領域１０２の底面が基板の界面より高いところに位置することになる。また、メサ半導体領域１０２の底面が界面よりも低く形成された場合は、メサ半導体領域の底面が基板の界面より低いところに位置することになる。この場合、メサ半導体領域は基板の一部を含むことになる。

この場合、光導波路層１０６と半導体基板１０１との距離が十分に大きくなる。それにより、光導波路層１０６を伝導した熱の拡散を抑制することができる。その結果、光導波路層１０６における温度勾配を十分に大きくすることができる。以上のことから、本実施の形態においては、ヒータ１０４による発熱によって効率よく光導波路層１０６の温度を制御することができる。

（第２の実施の形態）
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る分布反射器１００ａについて説明する。図３は、分布反射器１００ａの模式的断面図である。分布反射器１００ａが図１の分布反射器１００と異なる点は、さらに周辺半導体領域１０７が形成されている点である。図３に示すように、周辺半導体領域１０７は、メサ半導体領域１０２の側面と所定の間隔を空けて形成されている。すなわち、分布反射器１００ａは、メサ半導体領域１０２と周辺半導体領域１０７との間に溝が形成された構造を有する。周辺半導体領域１０７は、例えば、ＩｎＰ等からなる。なお、絶縁膜１０３は、メサ半導体領域１０２の上面および側面ならびに周辺半導体領域１０７の上面および側面に形成されている。

本実施の形態においては、メサ半導体領域１０２と周辺半導体領域１０７との間に空間が介在することから、ヒータ１０４において発生した熱は、主としてメサ半導体領域１０２および半導体基板１０１に伝導する。したがって、ヒータ１０４による発熱によって効率よく光導波路層１０６の温度を制御することができる。

（第３の実施の形態）
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る分布反射器１００ｂについて説明する。図４は、分布反射器１００ｂの模式的断面図である。分布反射器１００ｂが図３の分布反射器１００ａと異なる点は、メサ半導体領域１０２と周辺半導体領域１０７との間の溝にメサ半導体領域１０２よりも低い熱伝導率を有する絶縁性樹脂１０８が充填されている点である。絶縁性樹脂１０８は、例えば、ポリイミド等からなる。

本実施の形態においては、メサ半導体領域１０２と周辺半導体領域１０７との間にメサ半導体領域１０２よりも低い熱伝導率を有する絶縁性樹脂１０８が介在することから、ヒータ１０４において発生した熱は、主としてメサ半導体領域１０２および半導体基板１０１に伝導する。したがって、ヒータ１０４による発熱によって効率よく光導波路層１０６の温度を制御することができる。

なお、第１〜第３の実施の形態においては、メサ半導体領域１０２が半導体領域に相当し、光導波路層１０６よりも上側のクラッド領域１０５が上部クラッド層に相当し、光導波路層１０６よりも下側のクラッド領域１０５が下部クラッド層に相当し、絶縁性樹脂１０８が絶縁部材に相当する。

（第４の実施の形態）
続いて、本発明の第４の実施の形態に係るレーザチップ２００について説明する。図５は、レーザチップ２００の全体構成を示す斜視図であり、図６（ａ）はレーザチップ２００の平面図である、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。以下、図５、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照しつつレーザチップ２００の説明を行う。

図５、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、レーザチップ２００は、ＳＧ−ＤＲ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）チップ構造α、ＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）チップ構造βおよびＰＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）チップ構造γを順に連結させた構造を有する。

ＳＧ−ＤＲチップ構造αは、半導体基板１上に光導波路層３、クラッド層５および絶縁層６が順に積層され、絶縁層６上に薄膜抵抗体９、電源電極１０およびグランド電極１１が積層された構造を有する。ＳＧ−ＤＦＢチップ構造βは、半導体基板１上に光導波路層４、クラッド層５、コンタクト層７および電極８が順に積層された構造を有する。ＰＣチップ構造γは、半導体基板１上に光導波路層１２、クラッド層５、コンタクト層１３および電極１４が順に積層された構造を有する。ＳＧ−ＤＲチップ構造α、ＳＧ−ＤＦＢチップ構造βおよびＰＣチップ構造γにおける半導体基板１およびクラッド層５は、それぞれ一体的に形成された単一層である。光導波路層３，４，１２は、同一面上に形成され、光結合している。

ＳＧ−ＤＲチップ構造α側の半導体基板１、光導波路層３およびクラッド層５の端面には、低反射膜１５が形成されている。一方、ＰＣチップ構造γ側の半導体基板１、光導波路層１２およびクラッド層５の端面には、低反射膜１６が形成されている。抽出回折格子２は、光導波路層３，４に所定の間隔をあけて複数形成され、それによってサンプルドグレーティングが形成される。絶縁層６は、電極８と電極１４との境界にも形成されている。

半導体基板１は、例えば、ＩｎＰからなる。光導波路層３は、例えば、吸収端がレーザ発振波長よりも短波長側にあるＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなり、１．３μｍ程度のＰＬ波長を有する。光導波路層４は、例えば、目的とする波長でのレーザ発振に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなる活性層を含み、１．５７μｍ程度のＰＬ波長を有する。光導波路層１２は、光を吸収または増幅することによって出射光出力を変化させるためのＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなり、例えば１．５７μｍ程度のＰＬ波長を有する。

光導波路層３には、ＳＧ−ＤＲセグメントが複数形成されている。本実施例においては、光導波路層３にＳＧ−ＤＲセグメントが３つ形成されている。ここで、ＳＧ−ＤＲセグメントとは、光導波路層３において抽出回折格子２が設けられている領域と抽出回折格子２が設けられていないスペース部とがそれぞれ１つ連続する領域である。

クラッド層５は、ＩｎＰからなり、光導波路層３，４，１２を伝播するレーザ光を閉じ込める機能を果たす。コンタクト層７，１３は、ＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなる。絶縁層６は、ＳｉＮ，ＳｉＯ_２等の絶縁体からなる保護膜である。低反射膜１５，１６は、例えばＭｇＦ_２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜からなり、０．３％以下程度の反射率を有する。

薄膜抵抗体９は、ＮｉＣｒ等からなり、絶縁層６上に３つのＳＧ−ＤＲセグメントにわたって形成されている。薄膜抵抗体９には、電源電極１０およびグランド電極１１が１つずつ接続されている。電源電極１０、グランド電極１１、電極８，１４は、Ａｕ等の導電性材料からなる。なお、図５に示すように、薄膜抵抗体９の両側から光導波路層３の両側にかけてメサ溝が光導波路層３と並行に形成されている。

本実施の形態においては、なお、図５に示すように、ヒータ９の両側から光導波路層３の両側を通って半導体基板１にかけてメサ溝２１が光導波路層３と並行に形成されている。本実施例においては、光導波路層３を含むメサ半導体領域２０がメサ溝２１によって画定され、光導波路層３を含むメサ半導体領域２０が上記第１実施例〜第３実施例におけるメサ半導体領域１０２に対応する。光導波路層３の下端からメサ半導体領域２０の下端までの距離は、メサ半導体領域２０の幅の０．５倍以上である。

続いて、レーザチップ２００の動作について説明する。電極８に所定の電流が供給されると、光導波路層４において光が発生する。発生した光は、光導波路層３，４を伝播しつつ繰り返し反射および増幅されてレーザ発振する。発振したレーザ光の一部は、光導波路層１２において増幅または吸収された後、低反射膜１６を通して外部に出射される。光導波路層１２における増幅率もしくは吸収率は、電極１４に供給する電流に応じて制御することができる。電極１４に所定の電流が供給されると、出射光出力が一定に維持される。

また、薄膜抵抗体９に電流等の電気信号が供給されると、その大きさに応じて各ＳＧ−ＤＲセグメントの温度が調整される。それにより、各ＳＧ−ＤＲセグメントの屈折率が変化する。その結果、光導波路層３の反射ピーク波長が変化する。以上のことから、薄膜抵抗体９に供給する電流の大きさを制御することによって、レーザチップ２００の発振波長を制御することができる。

なお、光導波路層３の下端からメサ半導体領域２０の下端までの距離がメサ半導体領域２０の幅の０．５倍以上であることから、光導波路層３を伝導した熱の拡散を抑制することができる。その結果、光導波路層３における温度勾配を十分に大きくすることができる。以上のことから、本実施の形態においては、薄膜抵抗体９による発熱によって効率よく光導波路層３の温度を制御することができる。

本実施の形態においては、ＳＧ−ＤＦＢチップ構造βが利得部に相当し、メサ半導体領域２０が半導体領域に相当し、ＰＣチップ構造γが光の吸収または増幅を行う領域に相当する。

（第５の実施の形態）
続いて、本発明の第５の実施の形態に係るレーザモジュール３００について説明する。図７は、レーザモジュール３００の全体構成を示す模式図である。図７に示すように、レーザモジュール３００は、温度制御装置３０１上にキャリアが搭載され、キャリア上にレーザチップ３０２およびサーミスタが載置された構造を有する。レーザチップ３０２は、第４の実施の形態に係るレーザチップ２００と同様のものである。

温度制御装置３０１は、レーザチップ３０２全体の温度を制御する。それにより、温度制御装置３０１は、光導波路層４の反射ピーク波長を制御することができる。したがって、本実施の形態に係るレーザモジュール３００は、薄膜抵抗体９による光導波路層３の温度制御および温度制御装置３０１による光導波路層４の温度制御の両方によって、発振波長を制御することができる。

（第６の実施の形態）
続いて、本発明の第６の実施の形態に係るレーザモジュール３００ａについて説明する。図８は、レーザモジュール３００ａの全体構成を示す模式図である。レーザモジュール３００ａが図７のレーザモジュール３００と異なる点は、レーザチップ３０２が温度制御装置３０１上において配置される箇所である。図８に示すように、レーザチップ３０２のうちＰＣチップ構造γおよびＳＧ−ＤＦＢチップ構造βは温度制御装置３０１上に載置され、ＳＧ−ＤＲチップ構造αは温度制御装置３０１上に載置されていない。

この場合、温度制御装置３０１は、ＳＧ−ＤＦＢチップ構造βの温度を制御する。それにより、温度制御装置３０１は、光導波路層４の反射ピーク波長を制御することができる。したがって、本実施の形態に係るレーザモジュール３００ａは、薄膜抵抗体９による光導波路層３の温度制御および温度制御装置３０１による光導波路層４の温度制御の両方によって、発振波長を制御することができる。このように、ＳＧ−ＤＲチップ構造αは、温度制御装置３０１上に載置されていなくてもよい。

以下、上記実施の形態に係る分布反射器をモデル化し、数値計算によって熱解析を行った。

（実施例１）
実施例１においては、第１の実施の形態に係る分布反射器１００を作製した。半導体基板１０１およびクラッド領域１０５はＩｎＰからなり、光導波路層１０６はＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなる。メサ半導体領域１０２の幅Ｗは、１０μｍとした。また、メサ半導体領域１０２の上端から光導波路層１０６の下端までの距離Ｄ１は３μｍとし、光導波路層１０６の下端から半導体基板１０１までの距離Ｄ２は１７μｍとした。したがって、メサ半導体領域１０２の高さ（Ｄ１＋Ｄ２）は２０μｍである。半導体基板１０１およびメサ半導体領域１０２全体の高さは１００μｍである。また、半導体基板１０１の幅は３００μｍであり、半導体基板１０１の高さは８０μｍとした。

（実施例２）
実施例２においては、実施例１と同様に分布反射器１００を作製した。実施例２に係る分布反射器１００は、メサ半導体領域１０２の幅Ｗが２０μｍである他は、実施例１の分布反射器１００と同様である。

(実施例３)
実施例３においては、実施例１と同様に分布反射器１００を作製した。実施例３に係る分布反射器１００は、メサ半導体領域１０２の幅Ｗが４０μｍ、メサ半導体領域１０２の高さが３０μｍ（Ｄ１＝３μｍ、Ｄ２＝２７μｍ）、半導体基板１０１の高さが７０μｍである他は、実施例１の分布反射器１００と同様である。

（比較例）
比較例においては、図９に示す分布反射器４００を作製した。図９は分布反射器４００の模式的断面図である。図９に示すように、分布反射器４００は、第１の実施の形態に係る分布反射器１００において半導体基板１０１上に半導体基板１０１と等しい幅を有する半導体領域４０１が積層された構造を有する。すなわち、分布反射器４００は、分布反射器１００のメサ半導体領域１０２を半導体基板１０１の幅に拡げた構造を有する。分布反射器４００における距離Ｄ１は３μｍとし、距離Ｄ２は１７μｍとし、分布反射器４００のヒータ１０４を除く高さは１００μｍとした。また、比較例に係る半導体基板１０１および半導体領域４０１の幅は３００μｍとした。

（分析）
ヒータ１０４に一定の電力を供給して各分布反射器を加熱し、各分布反射器における温度分布を測定した。図１０は、実施例１および比較例に係る分布反射器における温度分布を示す図である。図１０の横軸は各分布反射器のヒータ１０４の底面からの距離ｚを示す。各分布反射器の底面（基板底面）においてはｚ＝−１００μｍである。図１０の縦軸は各分布反射器における底面の温度との温度差ｄＴを示す。したがって、各分布反射器の底面においてはｄＴ＝０である。図１０の実線は実施例に係る分布反射器の温度差ｄＴを示し、図１０の破線は比較例に係る分布反射器の温度差ｄＴを示す。

図１０に示すように、いずれの分布反射器においても、底面から上面にかけて温度が増加した。実施例１に係る分布反射器１００においては、底面から上面方向に温度が徐々に増加し、ｚ＝−２０μｍよりも上方では比較例に係る分布反射器に比較して急激に温度が増加した。これは、メサ半導体領域１０２の幅が半導体基板１０１の幅に比較して小さくなっていることから、メサ半導体領域１０２における熱抵抗が大きくなっているからであると考えられる。すなわち、比較例に係る分布反射器においてはメサ構造が設けられていないことから熱が横方向に拡がりやすい傾向にあるが、実施例１に係る分布反射器においてはメサ構造に起因してヒータ１０４から与えられる熱が横方向に拡がらずに狭い範囲で伝導するからであると考えられる。したがって、実施例に係る分布反射器１００においては、光導波路層１０６を効率よく加熱することができる。

続いて、各分布反射器における温度差ｄＴを距離ｚで微分して、温度勾配ｄＴ／ｄｚを求めた。図１１は、各分布反射器における温度勾配ｄＴ／ｄｚを示す図である。図１１の横軸は距離ｚを示し、図１１の縦軸は温度勾配ｄＴ／ｄｚを示す。図１１の実線は実施例に係る分布反射器１００の温度勾配ｄＴ／ｄｚを示し、図１１の破線は比較例に係る分布反射器４００の温度勾配ｄＴ／ｄｚを示す。

図１１に示すように、いずれの分布反射器においても、底面から上面にかけて温度勾配ｄＴ／ｄｚが増加した。比較例に係る分布反射器４００においては、ヒータ１０４の下面からの距離が大きくなるにしたがって急激に温度勾配ｄＴ／ｄｚが低下し、光導波路層１０６の位置（Ｚ＝−３μｍ）における温度勾配ｄＴ／ｄｚはヒータ１０４の下面の温度勾配ｄＴ／ｄｚの７０％程度にまで減少した。

これに比較して、実施例に係る分布反射器１００においては、温度勾配ｄＴ／ｄｚは、ヒータ１０４の下面から所定の距離まで最大値を維持し、光導波路層１０６においても最大値を示した。したがって、実施例に係る分布反射器１００においては、効率よく光導波路層１０６を加熱することができることが立証された。この温度勾配ｄＴ／ｄｚは、ｚ＝−１５μｍの位置から低下し始めた。この位置はメサ半導体領域１０２の下端から５μｍの位置である。したがって、本発明の効果を発揮するためには、距離Ｄ２を５μｍ以上とすることが必要であることがわかる。

図１２は、実施例２に係る分布反射器１００における温度勾配を示す図である。図１２の横軸は実施例２に係る分布反射器１００のヒータ１０４の底面からの距離ｚを示す。図１２の縦軸は温度勾配ｄＴ／ｄｚを示す。図１２に示すように、実施例２に係る分布反射器１００においては、温度勾配ｄＴ／ｄｚはｚ＝−１０μｍの位置から低下し始めた。この位置はメサ半導体領域１０２の下端から１０μｍの位置である。したがって、本発明の効果を得るためには、距離Ｄ２を１０μｍ以上とすることが必要であることがわかる。

図１３は、実施例３に係る分布反射器１００における温度勾配を示す図である。図１３の横軸は実施例３に係る分布反射器１００のヒータ１０４の底面からの距離ｚを示す。図１２の縦軸は温度勾配ｄＴ／ｄｚを示す。図１３に示すように、実施例３に係る分布反射器１００においては、温度勾配ｄＴ／ｄｚはｚ＝−２０μｍの位置から低下し始めた。この位置はメサ半導体領域１０２の下端から２０μｍの位置である。したがって、本発明の効果を得るためには、距離Ｄ２を２０μｍ以上とすることが必要であることがわかる。

ここで、メサ半導体領域１０２における温度勾配ｄＴ／ｄｚは、メサ半導体領域１０２の幅Ｗに反比例するため、幅Ｗが大きいほど本発明の効果は小さくなる。したがって、幅Ｗが大きくなるほど距離Ｄ２も大きくなる必要がある。上記各実施例に係る分布反射器１００においては、幅Ｗ＝１０μｍに対して距離Ｄ２＝５μｍ以上、幅Ｗ＝２０μｍに対して距離Ｄ２＝１０μｍ以上、幅Ｗ＝４０μｍに対して距離Ｄ２＝２０μｍ以上であることが必要である。したがって、距離Ｄ２が幅Ｗの０．５倍以上であると本発明の効果があることがわかる。なお、上記各実施例においては、本発明に係る光半導体装置として、分布反射器もしくはＳＧ−ＤＲ領域とＳＧ−ＤＦＢ領域を備えるレーザチップが記載されているが、それに限られない。本発明に係る光半導体装置もしくはレーザチップは、光導波路の温度を制御するヒータを備えていれば、他の光半導体装置を用いてもよい。

１，１０１ 半導体基板
３，１０６ 光導波路層
９ 薄膜抵抗体
２０，１０２ メサ半導体領域
１００，１００ａ，１００ｂ 分布反射器
１０３ 絶縁膜
１０４ ヒータ
１０５ クラッド領域
１０６ 光導波路層
１０８ 絶縁性樹脂
２００，３０２ レーザチップ
３００，３００ａ レーザモジュール
３０１ 温度制御装置

Claims (11)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上において、上面および側面を備えて画定され、光導波路層を備えたストライプ状の半導体領域と、
   前記半導体領域の前記光導波路層より上部に設けられたヒータと、
   前記半導体領域の両側に前記光導波路層と並行に形成されたメサ溝と、を備え、
   前記半導体領域の幅は、前記ヒータが設けられた全ての領域に渡って前記半導体基板の幅より狭く画定され、
   前記光導波路層は、前記半導体領域の側面の下端より上側に設けられ、
   前記半導体領域の側面の下端の位置から前記光導波路層の位置までの距離は、前記半導体領域の幅の０．５倍以上であることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記半導体領域の幅は、前記光導波路層が位置する領域における幅であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記半導体領域は、前記光導波路層を挟んで設けられた上部クラッド層と下部クラッド層とを備え、
   前記光導波路層は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、
   前記上部クラッド層、前記下部クラッド層および前記半導体基板は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項１または２記載の光半導体装置。
4. 前記半導体領域の側面側には、空間領域が位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光半導体装置。
5. 前記半導体領域の側面は、前記半導体領域の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する絶縁部材によって覆われていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光半導体装置。
6. 前記絶縁部材は、ポリイミドであることを特徴とする請求項５記載の光半導体装置。
7. 光導波路層を備えるとともに伝搬光に対して利得を有する利得部をさらに備え、
   前記利得部の光導波路層と前記半導体領域の光導波路とは、光結合していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光半導体装置。
8. 前記利得部は、前記半導体領域の幅より広い幅を有することを特徴とする請求項７記載の光半導体装置。
9. 前記利得部および前記半導体領域を搭載する温度制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項７または８記載の光半導体装置。
10. 前記利得部の少なくとも一部が前記温度制御装置上に搭載されていることを特徴とする請求項７または８記載の光半導体装置。
11. 前記半導体領域の側面の下端は、前記半導体基板の面より低い位置に設けられることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。

Images