JPH04151886A - 光半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光通信の分野に必要とされる光電子集積回路
などに用いられる光半導体素子、特に光カップラが構成
されたチャンネル導波路構造を有する光半導体素子に関
する。

［従来の技術］ 従来、光カップラとして、第１０図に示す様なＹ分岐型
光カップラ１００を含む複合共振器レザの一種である干
渉型レーザが知られている（■Ｈ，Ａ、Ｆａｔｔａｈ　
　ｅｔ　　ａｌ、”Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　ｉ
ｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　　１ａｓｅｒ”Ａｐｐ
ｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、４１．２．ｐｐ、１１２−１
１４　（Ｊｕｌｙ　１９８２）参照）。

また、第１１図（ａ）、（ｂ）に示す様なＸ分岐型光カ
ップラ１１０ａ、１１０ｂを含む干渉型レーザも知られ
ている（Ｊ、Ｓａｌ　ｚｍａｎ　　ｅｔ　　　ａ　　１
　　、　　　”　Ｃｒ　　ｏ　　ｓ　　ｓ　　　ｃ　ｏ
　　ｕ　ｐ　　１　　ｅ　ｄ　　　ｃ　ａｖｉｔｙ　　
　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　　１ａｓｅｒ”　　
Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、５２．　　ＬＯ，ｐｐ
、　　７６７−７６９　　（Ｍａｒｃｈ　　　１９８８
）参照）。ここでＲ，〜Ｒ４は共振面、Ｌ　＋〜Ｌ、４
は共振器長を夫々示す。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記従来例では次の様な欠点があった先ず、第
１０図に示すＹ分岐型光カップラを含む例の場合、Ｙ分
岐１００の分岐角が大きくとれない、素子長が１ｍｍ以
上となる為に他の光デバイスに比ベサイズが大きくなり
過ぎ集積化が困難であると言う問題がある。

また、第１１図に示すＸ分岐型光カップラを含む例の場
合、Ｘ分岐部１］、Ｏａ、１１０ｂに要求される位置精
度、深さ精度などのプロセス精度が高（、歩留り、再現
性に乏しい等の問題点があった。すなわち、光導波路を
伝搬してくる光波の界分布に対してＸ分岐部がどの様に
形成されるかで分岐、合流の態様が決まって（るので、
そのプロセス精度に厳しさが要求されるのである。

従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、プロセス
が容易で信顆性及び再現性に優れ半導体光集積回路に適
する光カップラを含む光半導体素子を提供することにあ
る。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成する本発明の光半導体素子においては、
半導体基板−ヒに構成された少な（とも１つのチャンネ
ル導波路構造に光波の結合を行なう為のカップラ部が構
成され、カップラ部は少な（とも水平方向の導波光界分
布の波面分割を行なう様に（垂直方向ないし深さ方向の
導波光界分布の波面分割を併せて行なってもよい）導波
路構造の一部に反射率の異なる部位を形成して成ってい
るより具体的には、チャンネル導波路構造は活性層を含
んだり、カップラ部はこの活性層を越えてスリット状に
加工された（水平方向には導波路構造の一部にのみ形成
される）加工部分を含んだり、カップラ部は導波路構造
の一部（水平方向に関して）に加工深さが異なる部分が
形成されて成ったり、カップラ部は導波路構造のＴ型、
Ｘ型、Ｙ型などの交差部位や非交差部位に設けられたり
（非交差部位に設けられて、複合共振器レーザを構成し
たりする）、カップラ部は複数方向に光波を分岐する様
に上記反射率の異なる部位を複数含んだり、カップラ部
は光導波路構造が分岐、合流する部分の一部（水平方向
に関して）に全反射ミラー（４５°　ミラー）となるス
リット溝を形成して構成されたりする。

［実施例］ 第１図は本発明の第１実施例であるＴ分岐カップラを含
む光半導体素子を示し、同図（ａ）は模式的上面図、同
図（ｂ）は第１図のＡ−Ａ′断面図、同図（ｃ）は第１
図のＢ−Ｂ′断面図、同図（ｄ）は第１図（ａ）の主要
部の拡大図である。

先ず、第１実施例のプロセス手順について説明する。

基板１上に、分子線成長法（ＭＢＥ）により第１クラッ
ド層２、活性層３、第２クラッド層４、キャップ層５か
らなるエピタキシャル膜を順に成長させる。基板１との
界面には必要に応じてＧａＡｓであるバッファ層を形成
してもよい。第１、第２クラッド層２．４の膜厚は１μ
ｍとし、活性層３の膜厚は約０．１μｍとした。次に、
その上部にフォトリソグラフィ法により幅３μｍの所望
のパターン（図示例ではＴ字型パターン）を形成し、反
応性イオンビームエツチング（ＲＩ　Ｂ　Ｅ）によりリ
ッジ部（第１図（ｂ）参照）を形成し、横方向の閉じ込
めを行なうストライブ構造とした（第１図（ａ）、（ｂ
）参照）。

更に、集束イオンビームエツチング（ＦＩＢＥ）法によ
り、活性層３の下部に至る端面加工をしてスリット溝１
０を第１図（ｃ）の如（形成するこのスリット溝１０は
１、ＦＩＢＥによる端面傾斜角度θが８５度以」二で（
第１図（ｃ）参照）リッジ導波路の分岐・合流部の中心
から光波の導波方向にφ＝４５°の角度を持って（第１
図（ｄ）参照）形成され、４５°ミラーすなわち全反射
ミラーを構成している。

続いて、この素子の端面なへき開により光が入射、出射
できる様にした。

この全反射ミラーによって、活性層３に第１図（ａ＞の
Ｂ−Ｂ′方向に入射した光波１１は、分岐・合流部で光
波１２（反射）と光波１３（透過）にほぼ同一の比率で
分岐される。このとき、光波１２は第１図（ｄ）に示す
分岐・合流部の下半分のスリット溝１０で全反射され、
光波１３はこの分岐・合流部の上半分をそのまま透過し
ていくことで生じる。

本実施例における分岐・合流部すなわち光カップラは、
水平方向（チャンネル導波路構造が形成された基板ｌの
伸展方向）の波面分割型の分岐カップラを形成するもの
である為、スリット溝１０の端面の加工深さは活性層３
（チャンネル導波路構造の中心となる導波路層）を越え
てエツチングするものであればよ（精度の厳しい深さ制
御が不必要となる。そして、４５°ミラーの位置制御を
することによって、光波の透過・反射の比率な所望の値
に設定することができる。

本実施例では、チャンネル導波路構造としてリッジ導波
路について述べたが、屈折率型の導波路も同様に利用で
きる。

第２図と第３図は第１実施例の変形例を示し、第２図の
Ｔ型カップラでは、スリット溝２０が第１実施例と対称
的な位置にすなわち第１実施例では透過部であったとこ
ろに形成されており、第３図のＴ型カップラでは、スリ
ット溝２１が、導波方向に対して４５°の角度を成して
、分岐・合流部の中央部に形成されている。

第４図はＹ分岐カップラの第２実施例を示し、スリット
溝２５が図示の如（形成されて、第４図の矢印で示す如
（光波が分岐・合流される。

第５図は第３実施例を示す。第３実施例は本発明を送信
部と受信部を併設した光ノードに応用した例である。

第６図と第７図は第５図のＡ−Ａ′断面図、Ｂ−Ｂ′断
面図を夫々示す。本実施例は上記第１実施例の加工端面
を集積カップラに用いた例である第５図において、２９
はＦＩＢで形成されたスリット溝であり、３０ａ、３０
ｂは電流注入によってゲインを有する不図示の光アンプ
を具備する増幅領域、３１ａ、３１ｂは逆バイアス印加
により動作する光検出器を具備する光検出領域である３
８ａ、３８ｂは端面に形成されたＡＲコートであり、Ａ
１゜Ｑ　３　＋　Ｚ　ｒ　Ｏ２をエレクトロンビム（Ｅ
Ｂ）蒸着によって堆積している。３９は導波路である。

導波路３９は上面に十字型に形成されたもので、その中
心から上下方向の導波路部分は増幅領域３０ａ、３０ｂ
とされ、左右方向は検出領域３８ａ、３８ｂとされてい
る。スリット溝２９は、その長平方向が、上述した十字
型の導波路３９の各長手方向に対して４５°傾斜し左下
端より中央部まで伸びたものとなるように導波路３９の
略中央部分に設けられている。これにより、導波路３９
の中央部分は破線にて示した集積カップラ部３２とされ
る。

次に、第３実施例のプロセス手順を説明する。

先ず、第６図と第７図から分かる様に、ｎ型ＧａＡｓ基
板４１上にＭＢＥ法により、順次、バッファ層としての
ｎ型ＧａＡｓ４２を１．　ｇ　ｍ厚で、クラッド層とし
てのｎ型Ａ　１０．４　Ｇａｏ、ｃ　Ａｓ４３を１．５
ＩＬｍ厚で形成した。次に、ノンドープＧａΔ５（１０
０人厚）　、　Ａ　１０．２　Ｇ　ａｎ、ａ　Ａ　Ｓ　
（３０人厚）を４回（り返し積層し最後にＧａＡｓを１
００人厚で積層し、多重量子井戸構造の活性層４４を形
成し、その上にクラッド層としてのｐ型Ａ　１　（１，
４’Ｇ　ａｏ６Ａ　Ｓ　４５を１．５１ｊｍ厚で、キャ
ップ層としてのＧａＡｓ４６を０．５μｍ厚で形成した
。

次に、この半導体レーザウェハ上に、フオＩ・リソグラ
フィー工程により、幅３μｍの所望の十字型のマスクパ
ターン（導波路３９のパターン）を形成し、このマスク
を通して塩素ガス雰囲気のＲＩＢＥ法により活性層４４
の手前０．２μｍまでエツチングし、リッジ部を形成し
て横方向の閉じ込めを行なうストライブ構造とした。

続いて、このリッジが形成されたレーザウェハ上に、Ｓ
ｉＮから成る絶縁膜４７（厚さ１２００人）をプラズマ
ＣＶＤ法によって形成し、ＳｉＮ絶縁膜４７−Ｆにレジ
ストを約り、Ｏ＋ｔｍスビンコトした。その後、４Ｐａ
の０２雰囲気でのＲＩＢＥ法によって、成膜されたレジ
ストのみを除去し、リッジの順き部のＳｉＮ絶縁膜４７
を露出させ、更に４ＰａのＣＦ４ガス雰囲気でのＲＩ　
Ｂ　ＩＥ法を実施してリッジの頂き部の露出したＳｉＮ
絶縁膜を選択的にエツチングした。その後、残存してい
るレジストを４Ｐａの０２雰囲気でのＲＩＢＥ法により
除去した。

次いで、リッジの頂き部に形成された表面酸化膜を塩酸
によってウェットエツチングし電流注入窓とし、続いて
、上部電極としてＣｒ−Ａｕオーミック用電極４８を真
空蒸着法で形成し、ＧａＡＳ基板４１をラッピングで１
００μｍの厚さまで削った後にｎ型用オーミック用電極
４９としてＡｕＧｅ−Ａｕ電極を蒸着した。そして、ｐ
型、ｎ型の電極のオーミックコンタクトをとる為の熱処
理を行ない、リッジ型半導体素子とした。

更に、加速電圧４０ＫｅＶのＧａ＋イオンを用いたＦＩ
Ｂ法によるエツチングにより、カップラ部３２のスリッ
ト満２９を第５図に示す態様で形成した。スリブ１〜溝
２９は上述した如（傾斜し、深さは活性層４４よりＩｇ
ｍ深く、且つ溝の傾斜角度は８５°以上になる様にした
（第７図参照）最後に、共振面をへき開により形成し、
ＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着によってＡ１゜０３＋
ＺｒＯ２を蒸着しＡＲコート３８ａ、３８ｂとしスクラ
イブで分離し電極はワイヤーボンディングにより取り出
した。

次ぎに、動作について説明する。入射した光波３３は、
増幅領域３０ａにて増幅された入射波３４として集積カ
ップラ部３２に入射し、第１図の実施例で述べた如く透
過波３６と反射波３５に分離される。反射波３５は入射
波３３の光検出領域３１ａにて光電変換され、光波３３
中の信号成分をモニタすることが行なわれる。一方、透
過波３６は増幅領域３０ｂにて更に増幅され、出射光３
７として出力される。逆から（ＡＲコート３８ｂを介し
て）入射した場合には光検出領域３１ｂにてモニタが行
なわれ、その他の増幅動作に関しては同様となる。

カップラ３２の損失及び端面結合損失を補填する形で光
増幅率（ゲイン）を設定すれば、見掛は上、損失のない
受光用光ノードとして機能し多段化接続が可能となる。

なお、以上の説明においては、受信のみを行なうものと
して説明したが、送信部、受信部を併設させれば送受信
可能な光ノードの実現が可能となり、この様に構成して
も当然よい。

第８図は本発明の第４実施例を示し、第９図は第８図の
カップラ部のＡ−Ａ′断面図である。

本実施例では、パスライン方向に配置された光増幅部８
０ａ、８０ｂが形成され、受信部・送信部への分岐導波
路８２．８３が、パスライン方向の導波路と交差してい
る。分岐カップラ８８は、交差部に八字形の溝８１、を
形成することによりて、分岐結合を行なっている。分岐
結合の比率は、導波路の光電磁界分布と満８１の長さな
どを制御（位置制御）することによって、調整すること
ができる。このような溝８１の形成には、Ｇａ集東イオ
ンビーム（Ｆ　Ｉ　Ｂ）によるエツチング、反応性イオ
ンビーム（ＲＩＴ’３Ｅ）によるエツチングなどの微細
加工技術が利用できる。

分岐カッ、ブラ部８８以外の部分は、前記第３実施例と
同様の構成で実現できる。

本実施例におけるハネ型分岐カップラ８１は、左右の分
岐導波路８２．８３への分岐比が異なる。通常、受信部
の方の結合を高めるため、ハネ型の上部（狭くなってい
る方）の方を受信部側分岐導波路８２に向けて配置する
とよい。溝の分岐比を一３ｄＢ、過剰損失を無視すると
、受信部側への分岐比は一３ｄＢ、送信部側への分岐比
は一６ｄＢとなる。また、ハネ型の下部（開いた側）に
光が入射する場合、−６ｄＢの反射が存在する為、送信
部側の周波数安定化の為に、アイソレータを挿入するこ
とが必要となる（不図示）。

尚、第８図において、８３ａはファイバ９１の端面が当
接するＡＲコート、８３ｂはファイバ９２の端面が当接
するＡＲコート、８３ｃは受信部側のファイバ９４が当
接するＡＲコート、８３ｄは送信部側のファイバ９５が
当接するＡ　Ｒコートであり、第９図において、第７図
の符号と同一の符号で示すものは第７図の部位と同じも
のである第４実施例の動作を説明する。

光ファイバ９１．ＡＲコート８３ａを介して入射した光
波は、増幅部８０ａで増幅された入射波として集積カッ
プラ部８８に入り、透過、反射するスリット溝８１と満
のない部分により、光波は、左側の受信部への導波路８
２に入る光波と右側の送信部への導波路８３に入る光波
（これは上記アイソレータで遮断される）と増幅部８０
ｂに入る光波とに分岐される。導波路８２．ファイバ９
４を経て受信部に入る光波はそこで信号が検出され、増
幅部８０ｂへ入った光波はそこで更に増幅されてファイ
バ９２へと出力される。逆から（Ａｌ１ Ｒコート８３ｂを介して）入射した光波についても、上
と同じである。送信部からファイバ９５、導波路８３を
介してカップラ部８８に入る光波は、同じ（透過、反射
するスリット溝８１と溝のない部分により、導波路８２
．８３（導波路８３に反射される光波はアイソレータで
遮断される）及び増幅部８０ａ、８０ｂへと入る光波に
分岐される。導波路８２とファイバ９４を介して受信部
に入る光波はそこで信号成分がモニタされ、増幅部８０
ａ、８０ｂへと入る光波は、夫々、そこで増幅されてフ
ァイバ９１．９２へと出力される。

以上の実施例においては、レーザの共振面をへき開によ
って形成した例を示したが、ＲＩＢＥ法、反応性イオン
エツチング等のドライエツチング等のエツチングによっ
て形成されるエツチング端面を用いてもよい。

また、以上の実施例においては、活性領域をＭＱＷ（多
重量子井戸構造）で形成したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、ＤＨ（ダブルへテロ）構造、５ＱＷ
（囃−量子井戸）構造などであってもよい。

また、以上の実施例においては、ＧａＡｓ系を用いたり
ッジウェーブ型構造を例にとって述べたが、ＢＨ（埋め
込みへテロストライブ）構造、ＣＰＳ構造（チャネル基
板プレーナストライブ）、電流光の狭窄の為の吸収層を
活性層近（に設けた構造等の屈折率導波型のレーザに対
しても有効である。ストライブ電極型やプロトンボンバ
ード型などの利得導波型レーザに対しても有効である。

更に加えて、半導体レーザの材料はＧａＡｓ・ＡｌＧａ
Ａｓ系の他、Ｉ　ｎＰ　・Ｉ’ｎＧａＡｓＰ系ＡＩＧａ
ＩｎＰ系等の材料に対しても同様に当てはまるのは言う
までもない。

［発明の詳細な 説明した様に、本発明によれば、少なくとも水平方向の
界分布の波面分割を行なう構成となっているので、深さ
方向の波面分割の程度などを左程厳格に設定する必要が
な（なり、Ｙ分岐、Ｘ分岐などのカップラが水平方向の
位置精度だけで作製できる様になる。よって集積化が第
１０図の従米国と比べて容易であり、プロセスが第１１
図の従来例と比べて容易で、信頼性、再現性に優れ、歩
留りが向上する。また、光カップラが構成された光電子
集積化デバイスが実現可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は本発明の第１
実施例の平面図、Ａ−Ａ′断面図、Ｂ−Ｂ′断面図、部
分拡大図、第２図と第３図は第１実施例の変形例の図、
第４図は第２実施例の平面図、第５図は第３実施例の平
面図、第６図は第５図のＡ−Ａ′断面図、第７図は第５
図のＢ−Ｂ’断面図、第８図は第４実施例の平面図、第
９図は第８図のＡ−Ａ′断面図、第１０図と第１１図は
従来例を示す図である。 ｌ、４１・・・・・基板、２．４．４３．４５・・・・
・クラッド層、３．４４・・・・・活性層５．４６・・
・・・キャップ層、１０．２０．２１．２５．２９．８
１・・・・・スリット溝、４７・・・・・絶縁膜、４８
．４９・・・・・電極、８０ａ、８０ｂ・−・・’−光
光幅幅部８２、８３−−−・−導波路、８３ａ、８３ｂ
、８３ｃ８３ｄ・・・・・ＡＲコート、８８・・・・・
カップラ部、９１．９２．９４．９５・・・・・光ファ
イバ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に構成されたチャンネル導波路構造に
   光波の結合を行なう為のカップラ部が構成されており、
   該カップラ部は少なくとも水平方向の導波光界分布の波
   面分割を行なう様に該導波路構造の一部に反射率の異な
   る部位を形成して成ることを特徴とする光半導体素子。 ２、前記チャンネル導波路構造は活性層を含む請求項１
   記載の光半導体素子。 ３、前記カップラ部は活性層を越えてスリット状に加工
   された加工部分を含む請求項２記載の光半導体素子。 ４、前記カップラ部は、チャンネル導波路構造の一部に
   加工深さが異なる部分が形成されて成る請求項１記載の
   光半導体素子。 ５、前記カップラ部の加工深さが異なる部分はスリット
   状に加工された形態を有する請求項４記載の光半導体素
   子。 ６、前記カップラ部はチャンネル導波路構造の交差部位
   に設けられている請求項１記載の光半導体素子。 ７、前記交差部位はＴ型、Ｘ型或はＹ型である請求項６
   記載の光半導体素子。 ８、前記カップラ部は、前記交差部位に、光導波方向に
   対して所定の角度を成して水平方向に途中まで伸びた或
   は一部に亙って伸びた少なくとも１つのスリット溝が形
   成されて成る請求項６記載の光半導体素子。 ９、前記チャンネル導波路構造が、カップラ部を成す交
   差部位を含んで複数形成され、そのうち１組は光増幅領
   域となり、他の１組は送信部と受信部の少なくとも一方
   に接続される様に構成され、分岐、合流、増幅機能を示
   す光ノードを構成している請求項１記載の光半導体素子
   。 １０、前記カップラ部は複数方向に光波を分岐する様に
   前記反射率の異なる部位を複数含む請求項１記載の光半
   導体素子。