JPH11511911A - ディープリッジ型ウェーブガイドを有する光半導体構成要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 デジタル光通信は、光ファイバまたは支持プレートの光ウェーブガイドに結合するときの結合損失を小さくするために、光波のモード・フィールドを拡大する遷移帯を含んでいる光半導体素子を使用する。光半導体素子（ＢＥ１、ＢＥ２）は、基板（ＳＵＢ）上に配置されたカバー層（ＤＳ）を有するディープリッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）を含んでいる。リッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）は、第一のウェーブガイドコア（ＭＱＷ）および第二のウェーブガイドコア（ＢＵＬＫ）を含んでいる。第一のウェーブガイドコア（ＭＱＷ）は、一つまたは複数の光学活性半導体層を含んでいる。第一の遷移帯（ＵＢ１）内で、第二のウェーブガイドコア（ＢＵＬＫ）の層厚さは、リッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）の長手方向（Ｌ）に沿って減少する。これにより、光半導体素子（ＢＥ１、ＢＥ２）内を伝わる光波が、ウェーブガイドコアを囲んでいるカバー層（ＤＳ）および基板（ＳＵＢ）の半導体材料中にそれ、それによりそのモードフィールドが拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】 ディープリッジ型ウェーブガイドを有する光半導体構成要素 本発明は、請求の範囲第１項に記載の光半導体構成要素に関する。 光半導体構成要素は、デジタル光通信において、例えば送信構成要素または受 信構成要素として使用され、支持プレート上の光ウェーブガイドまたは光ファイ バに結合される。ディープリッジ型ウェーブガイドを有する光半導体構成要素は 、他のタイプのウェーブガイドを有する光半導体構成要素に比較して、電気容量 が小さいために最も高い周波数帯域幅を有するので、特に通信において最も高い ビット周波数に対して使用される。 ディープリッジ型ウェーブガイドは、基板上にメサ形リッジから形成された光 ウェーブガイドであり、リッジは、基板よりも高い屈折率を有するウェーブガイ ド層を含んでいる。特に能動的に駆動される、すなわち制御される光吸収または 増幅ディープリッジ型ウェーブガイドでは、リッジは、光学活性半導体層を含ん でおり、したがってｐドープ半導体材料からｎドープ半導体材料への遷移帯を含 んでいる。幅数μｍのリッジは、例えば空気やポリイミドなど、電気非伝導性で あり、明らかによ り小さい屈折率を有する材料によって横方向に囲まれる。 それと異なり、フラットリッジ型ウェーブガイドは、既存のウェーブガイド層 の少なくとも一部が幅数μｍのメサ形リッジの下に配置された光ウェーブガイド を表す。特に能動的に駆動されるフラットリッジ型ウェーブガイドでは、光学活 性半導体層は、リッジの一部ではなく、したがってｐドープ半導体材料からｎド ープ半導体材料への遷移帯は、横方向に幅数μｍのリッジに制限されない。 光半導体構成要素内を伝わる光波をできるだけ損失なしに光ウェーブガイドま たは光ファイバ中に結合するためには、半導体構成要素内の光波のモード・フィ ールドを光ウェーブガイドまたは光ファイバ中の光波のモード・フィールドに適 合させる必要がある。このために、半導体構成要素中を伝わる光波のモード・フ ィールドは、光伝搬方向に沿って断熱的に増幅される。 モード・フィールドを適合させるために、光半導体構成要素は、ウェーブガイ ド、またはウェーブガイドの個々の層が、光伝搬方向に対して直角な基板平面内 の方向を意味するウェーブガイドの長手方向に沿って横方向に狭くなるか、また は広くなるか、あるいは基板平面に対して直角な方向を意味する縦方向 に狭くなるか、または広くなる遷移帯を含んでいるウェーブガイドを使用する。 そのような遷移帯は、テーパとも呼ばれる。縦方向テーパは、特に半導体層の厚 さが増大または減少する遷移帯を規定し、横方向テーパは、ウェーブガイドの幅 が長手方向に沿って増大または減少する遷移帯を規定する。 文献「Ｃｏｍｐａｃｔ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｏｄｅ ｅｘｐａｎｄｅｒ ｆｏｒ ｅ ｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｏ ｆｌａｔ−ｅｎｄｅｄ ｓｉｎｇ ｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｒｅ」（Ｔ．Ｂｒｅｎｎｅｒ ｅｔ ａｌ、Ｅｌｅｃｔ ｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌｕｍｅ ３１、Ｎｏ．７ １９９５、ｐａ ｇｅｓ１４４３−１４４５）には、フラットリッジ型ウェーブガイドを有する光 半導体構成要素が記載されている。これは、光学活性ウェーブガイド層、および このウェーブガイド層上に配置されたリッジを含んでいる。光学活性ウェーブガ イド層の厚さは、遷移帯内で構成要素の出口ファセットの方向においてリッジ型 ウェーブガイドの長手方向に沿って減少し、リッジ型ウェーブガイドは、出口フ ァセットの方向において横方向に広くなる。リッジ型ウェーブガイドお よび遷移帯は、電極を備えており、電圧を印加することによって能動的に駆動さ れる。 記載の半導体構成要素は、特に能動的に駆動された遷移帯内で、深くエッチン グされたリッジ型ウェーブガイドを有する半導体ウェーブガイドよりも大きい容 量を有する。さらに、モード・フィールド適合が主として能動的に駆動された横 方向テーパを介して行われるリッジ型ウェーブガイドでは、そのようなウェーブ ガイドがそのシングルモダリティを失うように、基本モードよりも高いモードが 励起される。 本発明の目的は、最も高い伝送速度に適しており、かつほとんど損失のない形 で光ファイバまたは光ウェーブガイドに結合することができる光半導体構成要素 を提供することである。 この目的は、請求の範囲第１項に記載の特徴によって達成される。有利な構成 は、従属クレームに記載されている。 本発明の光半導体構成要素の二つの実施形態について、以下で第１図から第４ 図によって説明する。 第１図は、基板平面に対して直角な、ウェーブガイドの長手方向に沿った第一 の実施形態における本発明の光半導体構成要素の断面図である。 第２図は、第１図と同じ断面、さらに遷移帯の両側で、ウェーブガイド内を伝 わる光波のモード・フィールドの定性的進路を示す図である。 第３図は、第一の実施形態における半導体構成要素の正面図である。 第４図は、第二の実施形態における半導体構成要素の正面図である。 本発明の光半導体構成要素は、基板上に配置された第一のウェーブガイドコア を有するディープリッジ型ウェーブガイドを有する。第一のウェーブガイドコア は、一つまたは複数の光学活性半導体層を有する。第一の遷移帯は、リッジ型ウ ェーブガイド内を伝わる光波のモード・フィールドを、光ファイバ内か、または 支持プレート上に配置された光ウェーブガイド内の光波のモード・フィールドに 適合させるために使用される。本発明の基本概念は、横方向テーパを使用して、 リッジ型ウェーブガイド、すなわちその厚さが第一の遷移帯内でリッジ型ウェー ブガイドの長手方向に沿って減少する層内を伝わる光波のモード・フィールドを 適合させることであるが、一つまたは複数の光学活性半導体層の層厚さの構造と 無関係にこの横方向テーパ を実施することである。このために、リッジ型ウェーブガイドは、その層厚さが 、長手方向に沿ってモード・フィールドを適合させるために第一の遷移帯内で減 少する第二のウェーブガイドコアを含んでいる。 本発明の一つの利点は、第一の遷移帯内のモード・フィールドの適合が、リッ ジ型ウェーブガイドの長手方向に沿った第一のウェーブガイドコアの層厚さの変 化と無関係であることである。光学活性半導体層のエネルギーバンドギャップは 、それらの層厚さおよび材料組成によって決まるので、モード・フィールドの適 合は、光学活性半導体層のエネルギーバンドギャップと無関係である。したがっ て、光半導体構成要素は、能動的、すなわち制御された光増幅ウェーブガイド領 域または光吸収ウェーブガイド領域を有し、かつ受動的、すなわち増幅されない 光伝導ウェーブガイド領域を有する。 第１図に、第一の実施形態における本発明の光半導体構成要素ＢＥ１の断面を 示す。断面は、ディープリッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥの長手方向Ｌに沿っ て基板ＳＵＢの平面に対して直角に延びる。 ディープリッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥは、基板ＳＵＢ 上に配置され、また重ねられたバッファ層ＢＵＦ、第一のウェーブガイドコアＭ ＱＷ、第二のウェーブガイドコアＢＵＬＫ、カバー層ＤＳおよび金属コンタクト 層ＭＫを含んでいる。 第一および第二のウェーブガイドコアＭＱＷ、ＢＵＬＫは、それぞれカバー層 ＤＳ、バッファ層ＢＵＦおよび基板ＳＵＢの屈折率よりも大きい屈折率を有する 。これにより、光波が主として二つのウェーブガイドコアＭＱＷ、ＢＵＬＫ内を 伝わる。 第一のウェーブガイドコアＭＱＷは、一つまたは複数の光学活性半導体層を含 んでいる。光学活性半導体層は、ｐドープ半導体材料からｎドープ半導体材料へ の遷移を表し、リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥ内を伝わる光波と相互作用す ることを特徴とする。電子遷移は、この場合、一つまたは複数の光学活性半導体 層の価電子帯と伝導帯との間で、光の吸収か、または誘導放出の形で誘導される 。これは、光波を増幅するか、あるいは吸収し、増幅ファクタまたは減衰ファク タは、注入電流または印加電圧を選択することによって調整することができる。 一つまたは複数の光学活性半導体層は、互い違いの大および小のエネルギーバ ンドギャップを有する半導体層のパケットを意味する多重量子井戸構造を有する 半導体パケットであること が好ましい。エネルギーバンドギャップは、この場合、層を形成する材料の価電 子帯と伝導帯との間のエネルギー差を意味する。 第一の遷移帯ＵＢ１内で、第二のウェーブガイドコアＢＵＬＫの厚さは、リッ ジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥの長手方向Ｌに沿って減少する。これにより、リ ッジ型ウェーブガイド内を伝わる光波のモード・フィールドが拡大する。 第二のウェーブガイドコアＢＵＬＫの増大がリッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧ Ｅの長手方向Ｌに沿って連続的であれば特に有利である。そうすれば、リッジ型 ウェーブガイドＲＩＤＧＥ内を伝わる光波の第一の遷移帯ＵＢ１内での散乱およ び吸収は特に小さくなる。リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥの長手方向Ｌに沿 った第二のウェーブガイドコアＢＵＬＫの増大は、第一の実施形態のように直線 的に起こるか、あるいは、例えば指数関数的に起こる。 第１図の断面の他に、第２図にも、第一の遷移帯ＵＢ１の両側でリッジ型ウェ ーブガイドＲＩＤＧＥ内を伝わる光波のモード・フィールドの進路を定性的に示 す。その場合、光波の電界ベクトルの大きさは、例えばリッジ型ウェーブガイド ＲＩＤＧＥ の長手方向Ｌにおいて示され、位置座標は、基板平面に対して直角である。図面 を見れば、光波のモード・フィールドが第二のウェーブガイドコアＢＵＬＫ内の 減少によって拡大されることが明らかになる。その理由は、光波は、第一の遷移 帯ＵＢ１に沿って狭くなるウェーブガイドコアＢＵＬＫ内を伝導しなくなり、ま すますカバー層ＤＳ、基板ＳＵＢおよびバッファ層ＢＵＦを囲んでいる半導体材 料中に逸れるためである。 第一の実施形態の光半導体構成要素ＢＥ１は、そこから光信号が発生するか、 あるいはそこから光信号が光半導体構成要素ＢＥ１中に入る前面Ｆを有する。光 ファイバまたは支持プレート上の光ウェーブガイドは、この前面Ｆに結合される 。このために、第二のウェーブガイドコアＢＵＬＫは、その厚さがリッジ型ウェ ーブガイドＲＩＤＧＥの長手方向Ｌに沿って前面Ｆに向かって減少するように設 計される。 本発明の特に有利な構成では、多重量子井戸構造の個々の半導体層の厚さは、 第二の遷移帯ＵＢ２内でリッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥの長手方向Ｌに沿っ て減少する。個々の半導体層の厚さの減少は、第二のウェーブガイドコアＢＵＬ Ｋの厚さが減少するのと同じ方向において起こる。 多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャッブ、したがって多重量子井戸構造 が光学活性である波長は、実質上その個々の半導体層の厚さに依存する。第二の 遷移帯ＵＢ２内のその個々の半導体層の厚さの減少は、多重量子井戸構造が光学 活性である波長をより短い波長にシフトする。これにより、リッジ型ウェーブガ イドＲＩＤＧＥの一部を、受動的に、すなわち増幅されない光を伝導することに よって駆動することができる。光半導体素子ＢＥ２は、半導体層がより厚い能動 的ウェーブガイド領域ＡＫＴを有し、半導体層がより薄い厚さを有する受動的ウ ェーブガイド領域ＰＡＳを有する。金属コンタクト層ＭＫは、リッジ型ウェーブ ガイドＲＩＤＧＥの能動的ウェーブガイド領域ＡＫＴにのみ付着される。 第二の遷移帯ＵＢ２内の第二の遷移は、第一の遷移帯ＵＢ１の少なくとも一部 を覆うように構成すると有利である。このようにすると、半導体素子ＢＥ２の長 さを全体的により短くすることができる。しかしながら、第二の遷移帯ＵＢ２は 、長手方向Ｌにおいて第一の遷移帯ＵＢ１の部分的に前部の前またはその中に構 成すると有利である。これは、その場合、電流を注入することによって駆動しな ければならない能動的ウェーブガイ ド領域ＡＫＴが第一の遷移帯ＵＢ１全体上に延びず、それにより電流需要が減少 し、かつ電気容量が低下するためである。 本発明による光半導体構成要素の具体的利点は、第一の遷移帯ＵＢ１内の光波 のモード・フィールドの適合が、多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップ の変化に依存しないことである。特にこれは、本発明による光半導体構成要素が 、偏光と無関係に動作すること、すなわち様々な偏光方向を有する光信号を同様 に処理することを達成する。 第一の実施形態では、基板ＳＵＢ、バッファ層ＢＵＦおよびカバー層ＤＳは、 ＩｎＰやＧａＡｓなど、ＩＩＩ／Ｖ接続タイプの半導体を含んでいる。二つのウ ェーブガイドコアＭＱＷ、ＢＵＬＫは、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧ ａＡＩＰなど、主要なＩＩＩ族およびＶ族の元素を有する三元または四元の混合 結晶を含んでいる。ただし、半導体素子が動作する波長に応じて、主要なＩＩ族 およびＶＩ族、ＩＶ族およびＩＶ族またはＩ族およびＶＩＩ族からの元素の化合 物も半導体素子に適している。 光ファイバまたは支持プレート上の光ウェーブガイドに結合したときの結合損 失が最小限に抑えられることの他に、本発明 による光半導体構成要素ＢＥ１は、ディープリッジ型ウェーブガイドを有する従 来の光半導体構成要素よりも大きい整合公差が、低い損失結合に対して許容でき るので、半導体構成要素とファイバまたは支持プレートとの整合が簡略化される 追加の利点を有する。すなわち、例えば半導体構成要素ＢＥ１内の２μｍの不整 合は、結合損失を約１ｄＢ増大させるだけである。さらに、光ファイバに結合す るためのマイクロレンズが不要であり、また平坦な端部を有する簡単な単一モー ド光ファイバが使用できる。 第３図は、第一の実施形態における半導体構成要素ＢＥ１の正面図である。そ の上に配置されたディープリッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥを有する基板ＳＵ Ｂが示されている。リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥは、メサストリップの形 を有する。 第一の遷移帯ＵＢ１内では、第二のウェーブガイドコアＢＵＬＫの厚さは、長 手方向Ｌに沿って減少する。第二の遷移帯ＵＢ２内では、第一のウェーブガイド コアＭＱＷの多重量子井戸構造内の個々の半導体層の厚さは、長手方向Ｌにおい て減少し、これは、リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥに能動的ウェーブガイド 領域ＡＫＴおよび受動的ウェーブガイド領域ＰＡＳ を与える。第三の遷移帯内では、リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥの幅は、長 手方向Ｌに沿って前面Ｆに向かって増大する。これは、リッジ型ウェーブガイド ＲＩＤＧＥ内を伝導する光波のモード・フィールドを、特に横方向にさらに拡大 する。 第三の遷移帯ＵＢ３は、少なくともその大部分が長手方向Ｌにおいて第二の遷 移帯ＵＢ２の後に位置し、かつ一部が第一の遷移帯ＵＢ１を覆うように構成され る。このようにして、リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥが横方向に拡大する第 三の遷移帯ＵＢ３は、全体または少なくとも大部分が受動的ウェーブガイド領域 ＰＡＳ内に位置し、したがって横方向拡大が強い場合でも、高次モードが励起さ れることはない。したがって、リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥは単一モード を有する。 リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥ拡大の特別の利点は、適当な拡大サイズで あれば、出射光波が対称モード・フィールドを有し、そのため結合損失が最小に なることである。 第４図は、第二の実施形態における本発明による光半導体構成要素ＢＥ２の正 面図である。第一の実施形態における半導体構成要素ＢＥ１と同様に、光半導体 構成要素ＢＥ２は、第１図に示される同じ垂直層構造を有する。これは、その上 に配置さ れたディープリッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥを有する基板ＳＵＢを示す。 第一の遷移帯ＵＢ１内では、第二のウェーブガイドコアＢＵＬＫの厚さは、長 手方向Ｌに沿って減少する。第二の遷移帯ＵＢ２内では、第一のウェーブガイド コアＭＱＷの多重量子井戸構造内の個々の半導体層の厚さは、長手方向Ｌにおい て減少し、これは、リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥに能動的ウェーブガイド 領域ＡＫＴおよび受動的ウェーブガイド領域ＰＡＳを与える。 前面Ｆ上で、リッジ型ウェーブガイドＲＩＤＧＥは、集積円筒形レンズＬＥＮ Ｓの形をした終端を有する。この集積円筒形レンズＬＥＮＳの底面は、双曲形、 放物形、あるいは円弧形を有する。 この設計の特別な利点は、円筒形レンズＬＥＮＳが光波のモード・フィールド の追加の拡大をもたらすことである。円筒形レンズＬＥＮＳの底面の適切な形状 は、出射光波のモード・フィールドが対称的である、すなわち出射光波が楕円光 スポットではなく円形光スポットを形成する。対称モード・フィールドを有する この設計では、結合損失が最小である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 基板（ＳＵＢ）および基板（ＳＵＢ）上に配置された、カバー層（ＤＳ） を有するディープリッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）を有する光半導体構成 要素（ＢＥ１、ＢＥ２）であって、 リッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）が、それぞれその屈折率が、カバー層 （ＤＳ）の屈折率および基板（ＳＵＢ）の屈折率よりも大きい第一のウェーブガ イドコア（ＭＱＷ）および第二のウェーブガイドコア（ＢＵＬＫ）を含んでおり 、 第一のウエーブガイドコア（ＭＱＷ）が、一つまたは複数の光学活性半導体層 を含んでおり、 第一の遷移帯（ＵＢ１）内で、第二のウェーブガイドコア（ＢＵＬＫ）の厚さ が、ディープリッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）の長手方向（Ｌ）に沿って 減少する光半導体構成要素（ＢＥ１、ＢＥ２）。 ２． 入射光信号または出射光信号用の前面（Ｆ）を有し、かつ第二のウェーブ ガイドコア（ＢＵＬＫ）の厚さが、リッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）の長 手方向（Ｌ）に沿って前面 （Ｆ）に向かって減少することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光半導体 構成要素（ＢＥ１、ＢＥ２）。 ３． 第二のウェーブガイドコア（ＢＵＬＫ）の層厚さの減少が連続的であるこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光半導体構成要素（ＢＥ１、ＢＥ２） 。 ４． 第一のウェーブガイドコア（ＭＱＷ）の一つまたは複数の光学活性半導体 層が、多重量子井戸構造を有する半導体パケットであることを特徴とする請求の 範囲第１項に記載の光半導体構成要素（ＢＥ１、ＢＥ２）。 ５． 第二の遷移帯（ＵＢ２）内で、第一のウェーブガイドコア（ＭＱＷ）の半 導体パケットの個々の層の厚さが、第二のウェーブガイドコア（ＢＵＬＫ）の厚 さが減少するのと同じ方向（Ｌ）に減少することを特徴とする請求の範囲第４項 に記載の光半導体構成要素（ＢＥ１、ＢＥ２）。 ６． 第三の遷移帯（ＵＢ３）内で、リッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）の 幅が、第二のウェーブガイドコア（ＢＵＬＫ）の厚さが減少するのと同じ方向（ Ｌ）に増大することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光半導体構成要素（ ＢＥ１、ＢＥ２）。 ７． 前面（Ｆ）上で、リッジ型ウェーブガイド（ＲＩＤＧＥ）が、双曲形、放 物形、あるいは円弧形の底面を有する集積円筒形レンズの形をした終端（ＬＥＮ Ｓ）を有することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光半導体構成要素（Ｂ Ｅ１、ＢＥ２）。