特許 6247944 水平共振器面出射型レーザ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6247944

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】水平共振器面出射型レーザ素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/187 20060101AFI20171204BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/187

【請求項の数】7

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2014-14919(P2014-14919)

(22)【出願日】2014年1月29日

(65)【公開番号】特開2015-142055(P2015-142055A)

(43)【公開日】2015年8月3日

【審査請求日】2016年10月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】301005371

【氏名又は名称】日本オクラロ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】足立 光一朗

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 崇功

【審査官】 大和田 有軌

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２３５１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８８５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−００５５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４５０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２６０４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５１３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０７９７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６９７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１０９１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１５３２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３４１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３４１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２８３８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１６４３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／００８５６１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 B. Stegmuller, et al.，“Surface Emitting InGaAsP/InP Distributed Feedback Laser Diode at 1.53μm with Monolithic Integrated Microlens”，IEEE Photonics Technology Letters，１９９１年 ９月，Vol.3，No.9，P.776-778

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００ − ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板の一方の面に形成され、前記半導体基板の前記面に沿った一方向及び前記一方向とは逆向きの他方向に出射する光を発生させる活性層と、
前記活性層の前記一方向の端に設けられ、光を導波する第１導波路層及び前記第１導波路層内の光を反射する第１分布ブラッグ反射鏡を有し、前記活性層から出射された光を反射する後方分布ブラッグ反射鏡部と、
前記後方分布ブラッグ反射鏡部の前記一方向端から出射される光を反射して、前記半導体基板の前記他方の面側に導く後方反射鏡と、
前記一方の面側に形成され、前記活性層から前記他方向に出射する光を前記半導体基板の他方の面側に反射させる前方反射鏡と、
前記半導体基板の前記他方の面側であって、前記後方反射鏡から出射される光が通過する位置を含んで形成され、誘電体からなり、反射を防止する反射防止膜と、
前記半導体基板の前記他方の面に形成され、前記前方反射鏡で反射した光を集光する集光レンズと、
前記一方の面側にともに形成され、フリップチップ構造となる、ｐ型電極及びｎ型電極と、
を備え、
前記反射防止膜は、前記集光レンズ上をさらに含んで形成される、ことを特徴とする水平共振器面出射型レーザ素子。

【請求項2】

請求項１に記載の水平共振器面出射型レーザ素子において、
前記活性層とは異なる層で、平面視で前記活性層と重なる位置に回折格子が集積された分布帰還型レーザであることを特徴とする水平共振器面出射型レーザ素子。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の水平共振器面出射型レーザ素子において、
前記活性層の前記他方向の端に設けられ、光を導波する第２導波路層及び前記第２導波路層内の光を反射する第２分布ブラッグ反射鏡を有する出射側分布ブラッグ反射鏡部を更に備える、ことを特徴とする水平共振器面出射型レーザ素子。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の水平共振器面出射型レーザ素子において、
前記活性層の前記他方向側に設けられた変調器を更に備える、ことを特徴とする水平共振器面出射型レーザ素子。

【請求項5】

請求項４に記載の水平共振器面出射型レーザ素子において、前記変調器が電界吸収型変調器であることを特徴とする、水平共振器面出射型レーザ素子。

【請求項6】

請求項４に記載の水平共振器面出射型レーザ素子において、前記変調器がマッハツェンダー型変調器であることを特徴とする、水平共振器面出射型レーザ素子。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載の水平共振器面出射型レーザ素子において、
出射されるレーザの波長を変更する波長可変部を更に備える、ことを特徴とする水平共振器面出射型レーザ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光通信に用いられる水平共振器面出射型レーザ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

情報技術の発展に伴い、光ファイバ通信を用いたデータ伝送が急速に発展している。これまで、光ファイバ通信技術は、主として、陸上の幹線や海底光通信に代表される長距離の高速データ伝送、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）に代表されるアクセス通信網、幹線とアクセス通信網をつなぐメトロ網に用いられてきた。近年、インターネットや携帯端末の普及に伴い伝送容量が劇的に増大し、ストレージ用ネットワーク（ＳＡＮ：Storage Area Network）や局舎内の高速ネットワーク装置間をつなぐイーサネット（登録商標）（ＬＡＮ：Local Area Network）などでも光ファイバ通信が普及しつつある。伝送速度も従来の１０Ｇｂｐｓベースから４０／１００Ｇｂｐベースへの移行が進んでおり、２０１０年の６月には１００ギガビットを伝送するための１００ギガビットイーサネットの光通信規格が策定された。

【0003】

また、近年、バックボーン系で用いられるハイエンドルータのスループットは１Ｔｂｐｓに達しており、今後更なる容量拡大が予測されている。これに伴い、これら伝送装置間（数ｍ〜数百ｍ）或いは装置内（数ｃｍ〜数十ｃｍ）といった極めて近距離のデータ伝送においても大容量データを効率的に処理するために、配線の光化が有望視されている。このような光信号の送受信を行う光モジュールの送信光源である半導体レーザ素子は、その共振器方向（垂直共振、水平共振）とレーザ光が出射する面（端面出射、面出射）の組み合わせ方により三種類に分類される。第１のタイプは水平共振器端面出射レーザ素子であり、第２のタイプは垂直共振器面出射レーザ素子、第３のタイプは水平共振器面出射型レーザ素子である。

【0004】

特許文献１は、分布ブラッグ反射を利用して活性領域の短縮化すると共に、素子温度の上昇を抑制した半導体レーザについて開示している。特許文献２は、レーザと検出器とがエピタキシャル層に統合された、単一のファイバへアクセスする双方向光動作用シングルチップについて開示している。特許文献３は、放熱性に優れ消費電力をより少なくすると共に、面発光型とした光通信モジュールが開示されている。非特許文献１には、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓＰ活性層を含んだ光導波路と、光導波路の端部に４５°の角度をもって形成された反射鏡と、ＩｎＰ基板裏面上の４５°反射鏡と対向する位置に形成された円形レンズとを備えた水平共振器型面出射レーザの室温連続発振特性が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−４５０６６号公報

【特許文献2】国際公開第２００５／０７２２２４号

【特許文献3】特開２００７−５５９４号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.3, NO.9, 1991、pp.776-778

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述した光信号の送受信を行う光モジュールには、光ファイバ通信のインフラをより安価に提供するために、低コスト化が強く求められている。このため、光信号の送信光源である、半導体レーザ素子においても、これを安価に量産することは主要な課題の一つといえる。量産におけるコスト低減を図るためには、作製歩留まりを上げることと、検査工程を簡易化することが重要である。特に、レーザの性能と無関係に、検査工程を簡易化することのできるレーザ構造が実現できれば低コスト化に大きく寄与できるため有用である。

【0008】

上述の第１の水平共振器端面出射レーザ素子は、基板面内水平な方向に光導波路が形成されており、基板をへき開により分割した端面からレーザ光を出射するものである。このレーザ構造では共振器長を数百μｍまで長く取ることができるために、高温下においても数十ｍＷの高出力が得られる。しかし、レーザ光を受光するための光学部材を実装基板面内でレーザ素子に隣接して設置する必要があり、多チャンネルの高密度実装やモジュール全体の小型化には不向きである。また、水平共振器端面出射レーザはその共振器構造からファブリーペロー（ＦＰ：Fabry-Perot）型とＤＦＢ（Distributed Feedback）型の２つに分類される。前者は、活性層の両端にミラーを配し光をフィードバックする。このミラーには原子レベルでの平坦性が求められるため、ヘキ開端面が使用される。さらに、発振しきい電流低減等の観点から通常は、ヘキ開端面に誘電体高反射膜を堆積した構造が用いられる。一方、ＤＦＢレーザは活性層とは異なる層で、上あるいは下側の平面視で活性層と重なる位置に回折格子を集積し、共振構造を形成している。しかしながら、ＤＦＢレーザにおいても、単一発振歩留り、光出力、光軸方向の光分布制御等のといった実用上の観点から、その端面にはヘキ開端面に誘電体反射膜を堆積した構造が必要となっている。このため、水平共振器端面出射レーザはウェハプロセス後に、ヘキ開工程によりウェハを分割し、誘電体膜を形成する工程が必要となる。

【0009】

特許文献１には、ウェハ面内にＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーを集積し、ウェハプロセスのみで共振器を構成する例が開示されている。しかしながら、本構造では単一発振歩留りの観点から、端面からの残存反射成分を除去する必要が有り、ＤＢＲミラーの両端をヘキ開端とし、誘電体反射防止膜をコーティングしている。

【0010】

次に、第２の垂直共振器面出射レーザ素子は、共振器を半導体基板に垂直な方向に形成し、レーザ光をウェハ面に対して垂直に出射する構造のレーザである。このため、受光部材を素子上面に設置する配置が可能であり、実装基板面内での高密度化に有利である。加えて、この垂直共振器面出射レーザ素子は、ウェハプロセスのみでレーザ作製が完了するため、ウェハ状態でレーザ特性の評価が可能である。従って、ウェハレベルでレーザ素子の良否検査が可能である。このため、第１の水平共振器端面出射レーザのような、ウェハプロセスだけで作製工程が閉じないレーザ素子に対して、検査コストの点で大きな優位性を持つ。しかしながら、本構造の場合は、共振器長が結晶成長膜厚で決まるために非常に短く、高い光出力を得ることが本質的に困難となっている。

【0011】

第３の水平共振器面出射型レーザ素子は、上記２つのレーザの優れた点を兼ね備えたレーザ構造であるということができる。本構造は、共振器が基板面内水平な方向に形成されており、これに、レーザ光を基板表面あるいは裏面から出射させるために４５°に傾斜した反射ミラーが集積形成された構造を持つ。

【0012】

このような光を基板面から出射する水平共振器面出射レーザでは、比較的容易に光出射面にレンズをモノリシック集積できる。素子にレンズを一体集積することで、外部レンズやこれを支持するための部材といった、部品の点数を削減することができ、加えてこれら部材を配置する面積も削減することができる。従って、光素子と受光部を繋ぐ光学系の部品コスト低減と小型化が可能であり高密度実装に好適な構造であると言える。また、レンズと光出射位置は半導体プロセスの精度で制御されるため、外部レンズを用いる場合と比較して、はるかに高精度なアライメントが実現できる。従って、基板裏面にレンズをモノリッシック集積した水平共振器垂直出射レーザは伝送容量とコスト両方の観点において、次世代の光通信に好適な素子であると言える。

【0013】

しかしながら、非特許文献１や特許文献２に記載されているような水平共振器面出射型レーザ素子の構造では、その共振器構造はＤＦＢやＤＢＲ型であり、レーザ後端面にはヘキ開端面及び誘電体反射膜が必要であり、このためウェハレベルでレーザ素子の検査を行うことができない。また、特許文献３に記載の水平共振器面出射レーザは特許文献１に開示されているＤＢＲを集積した端面出射型レーザの場合と同様にＤＢＲ端には残存反射成分除去のため反射防止膜を必要とするため、この場合においても、ウェハレベルでレーザ素子の検査を行うことができない。一方、特許文献２に記載の水平共振器面出射レーザは、レーザ後端面にエッチング端面を使用しているが、エッチング端面ではヘキ開のように原子面を出すことができないため、反射散乱などが生じ、十分な出力特性が得られない恐れがある。

【0014】

本発明は上述の事情に鑑みてしたものであり、検査コストを抑えると共に、十分な出力特性を有する水平共振器面出射型レーザ素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の水平共振器面出射型レーザ素子は、半導体基板の一方の面に形成され、前記半導体基板の前記面に沿った一方向及び前記一方向とは逆向きの他方向に出射する光を発生させる活性層と、前記活性層の前記一方向の端に設けられ、光を導波する導波路層及び前記導波路層内の光を反射する分布ブラッグ反射鏡を有し、前記活性層から出射された光を反射する後方分布ブラッグ反射鏡部と、前記後方分布ブラッグ反射鏡部の前記一方向端から出射される光を前記一方向及び前記他方向とは異なる方向に導く光学部材と、前記一方の面側に形成され、前記活性層から前記他方向に出射する光を前記半導体基板の他方の面側に反射させる前方反射鏡と、を備える水平共振器面出射型レーザ素子である。

【0016】

また、本発明の水平共振器面出射型レーザ素子は、前記半導体基板の前記他方の面に形成され、前記前方反射鏡で反射した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズ上に形成され、誘電体からなり、反射を防止する反射防止膜と、を更に備えていてもよい。

【0017】

また、本発明の水平共振器面出射型レーザ素子において、前記光学部材は、前記後方分布ブラッグ反射鏡部の前記一方向端から出射される光を、前記半導体基板の前記他方の面側に導き、前記反射防止膜は、前記半導体基板の他方の面状であって、前記光学部材から出射される光が通過する位置にも成膜されていてもよい。

【0018】

また、本発明の水平共振器面出射型レーザ素子において、前記光学部材は、前記半導体基板の前記一方の面側に形成された後方反射鏡であってもよい。

【0019】

また、本発明の水平共振器面出射型レーザ素子において、前記光学部材は、前記一方向及び前記他方向とは異なる方向に導く曲げ導波路であり、前記曲げ導波路は、端部にレーザ光の波長を吸収しないバンドギャップを有する単一の半導体材料からなる窓構造を有していてもよい。

【0020】

また、本発明の水平共振器面出射型レーザ素子において、前記活性層とは異なる層で、平面視で前記活性層と重なる位置に回折格子が集積された分布帰還型レーザであってもよい。

【0021】

また、本発明の水平共振器面出射型レーザ素子は、前記活性層の前記他方向の端に設けられ、前記導波路層及び前記分布ブラッグ反射鏡を有する出射側分布ブラッグ反射鏡部を更に備えていてもよい。

【0022】

また、本発明の水平共振器面出射型レーザ素子は、前記活性層の前記他方向側に設けられた変調器を更に備えていてもよい。この場合に、前記変調器は、電界吸収型変調器及びマッハツェンダー型変調器のいずれかとすることができる。

【0023】

また、本発明の水平共振器面出射型レーザ素子は、出射されるレーザの波長を変更する波長可変部を更に備えていてもよい。

【発明の効果】

【0024】

本発明の水平共振器面出射型レーザ素子によれば、十分な出力を有しつつ、検査コストを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1A】実施例１に係る水平共振器面出射型レーザ素子の平面図である。

【図1B】実施例１に係る水平共振器面出射型レーザ素子の光軸方向断面図である。

【図2A】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2B】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2C】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2D】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2E】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2F】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2G】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2H】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す平面図である。

【図2I】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2J】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図2K】実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

【図3A】本発明の実施例２に係る水平共振器面出射型レーザの平面図である。

【図3B】本発明の実施例２に係る水平共振器面出射型レーザの光軸方向断面図である。

【図4A】本発明の実施例３に係る水平共振器面出射型レーザの平面図である。

【図4B】本発明の実施例３に係る水平共振器面出射型レーザの光軸方向断面図である。

【図5A】本発明の実施例４に係る水平共振器面出射型レーザの平面図である。

【図5B】本発明の実施例４に係る水平共振器面出射型レーザの光軸方向断面図である。

【図6A】本発明の実施例５である小型光モジュールの表面鳥瞰図である。

【図6B】本発明の実施例５である小型光モジュールの側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面において、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【実施例1】

【0027】

本発明の実施例１に係る水平共振器面出射型レーザ素子１００の構造を図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは水平共振器面出射型レーザ素子１００の平面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉ線に沿った断面であり、水平共振器面出射型レーザ素子１００の光軸方向断面図である。水平共振器面出射型レーザ素子１００は、レーザ部分においてｎ型ＩｎＰ基板１１０上にＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８を有し、共振器直下のｐ型ＩｎＰクラッド層１１７が凸型のストライプ状にエッチングされたリッジ型導波路構造を有する。図１Ｂに示すように、水平共振器面出射型レーザ素子１００は、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８の直下に回折格子１０９が形成された、ＤＦＢレーザである。回折格子１０９のピッチは１．３μｍ帯で発振するように設計されている。ＤＦＢ共振器の長さは高速特性を考慮して、１５０μｍの共振器長とした。以後、説明において、「前方」は、最終的に水平共振器面出射型レーザ素子１００から出射されるレーザ光が、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８から出射される方向を示し、「後方」はその反対方向を表すこととする。図１Ｂにおいて出射されるレーザ光の様子は二点鎖線の矢印で示されている。

【0028】

リッジ型導波路構造の下部にはコンタクト層１１５（後述）が形成されており、コンタクト層１１５下部にはｐ型電極１０３が形成されている。また、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８は、パッシブ導波路層１２７（後述）とＤＢＲ層１２５（後述）からなるＤＢＲミラー部（後方分布ブラッグ反射鏡部）１０７とバットジョイント接続されている。ＤＢＲミラー部１０７の長さは２００μｍとした。この構造により、従来、ヘキ開面と誘電体膜を用いていた高反射機能をＤＢＲミラー部１０７で代替すると同時に、ＤＢＲミラー部１０７からの残存反射光を後方モノリシック集積ミラー（後方反射鏡）１０１を用いて基板側に放射し、後述するモノリシック集積レンズ１１２（集光レンズ）面上に同時に形成された基板表面上の反射防止膜１１１を介して外に逃がすことが可能となる。従って、ウェハ状態ですべての作製工程が完了し、ウェハを切断する前のウェハレベルでの特性検査が可能になる。なお、本実施例においては、回折格子１０９を形成することとしたが、回折格子１０９を形成せず、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８の前方にも、パッシブ導波路とＤＢＲ層からなるＤＢＲミラー部をバットジョイント接続した分布ブラッグ反射型レーザとしてもよい。

【0029】

ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８の光出射端の前方およびＤＢＲミラー部１０７の後方にはそれぞれ、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１７からなる半導体埋め込み層をエッチングして形成した、前方モノリシック集積ミラー（前方反射鏡）１０４と後方モノリシック集積ミラー１０１とが形成されている。この半導体埋め込み層は、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８から出射されるレーザ光を吸収しないバンドギャップ構造を持ち、また、埋め込み層内部は単一の材料からなるためレーザ光はその材料屈折率に応じた所定の角度で広がりながら伝搬する。このような埋め込み構造部分は一般的に窓構造と呼ばれている。また、前方モノリシック集積ミラー１０４の周辺部のｐ型ＩｎＰクラッド層１１７の一部をｎ型ＩｎＰ基板１１０が露出するまでエッチングし、ｎ型電極コンタクト層１０６を形成し、ｎ型電極１０５を素子表面に形成することでｐ、ｎ両電極がチップ表面に配されたフリップチップ構造とした。なお、本実施形態では、ｎ型ＩｎＰ基板１１０が露出するまでエッチングすることとしたが、ｎ型ＩｎＰ基板１１０が露出しない深さであってもよい。図１Ｂの右端からＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８まで至る長さは２００μｍ、図１Ｂの左端からＤＢＲミラー部１０７まで至る長さは１５０μｍであり、チップの共振器方向長さは７００μｍとした。またチップの共振器垂直方向長さは２５０μｍである。ｎ型ＩｎＰ基板１１０の上面には凹形状段差が形成され、更にその段差の底部にはｎ型ＩｎＰ基板１１０をエッチングして形成したモノリシック集積レンズ１１２が形成されており、モノリシック集積レンズ１１２の表面には例えばアルミナの薄膜からなる反射防止膜１１１がコーティングされている。本実施例においては、アルミナを用いることとしたが、アルミナに限らず、反射を抑える材料を用いることができる。

【0030】

次に、図２Ａ〜図２Ｋを用いて、図１の実施形態に係るＤＦＢ型の水平共振器面出射型レーザ素子１００の詳細な作製方法を説明する。図２Ａ〜図２Ｋは、水平共振器面出射型レーザ素子１００の製造工程を順に示す断面図である。なお、これらの断面図は、積層を順に説明するため、図１Ｂの視野の図を図面内で１８０°回転した断面で示している。

【0031】

まず、図２Ａに示すように、レーザ部分の構造を形成するために、ｎ型ＩｎＰ基板１１０上にｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された歪多重量子井戸層、およびｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された光閉じ込め層からなるＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８と、ＩｎＰスペーサ層１１３と、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる回折格子層１２６を含む半導体多層体を形成する。このＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８は、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたｎ側光閉じ込め層、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたｐ型光閉じ込め層の間に、アンドープなＩｎＧａＡｌＡｓで構成され、厚さ７ｎｍのウェル層ＷＬと厚さ８ｎｍのバリア層ＢＬを５周期積層した多重量子井戸構造を備えている。このような多重量子井戸構造は、出力されるレーザが十分な特性を実現できるように設計される。

【0032】

次にこのＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８、ＩｎＰスペーサ層１１３及び回折格子層１２６の一部をＳｉＯ２パターニングマスクと硫酸系エッチャントを用いてエッチングした。続いて、有機金属気相成長法を用いて、そのエッチングした部分にＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸を含むパッシブ導波路層１２７、パッシブ導波路層１２７と共にＤＢＲミラー部１０７を形成するためＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるＤＢＲ層１２５を成長した（図２Ｂ）。

【0033】

その後、電子ビーム露光法を用いて、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８とパッシブ導波路層１２７の直上に回折格子１０９及び１１４を形成し、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８とパッシブ導波路層１２７の先端部を硫酸系エッチャントによりエッチングした（図２Ｃ）。この時、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８とＤＢＲミラー部１０７の共振器方向の長さをそれぞれ、１５０μｍと２００μｍとした。ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８直上の回折格子１０９の構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成した。なお、本実施例では、回折格子１０９がＤＦＢレーザの全領域で均一に形成されたものを説明したが、必要に応じて、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８と重なる領域の一部に回折格子１０９の位相をずらして構成した、いわゆる位相シフト構造を設けても良い。或いは回折格子１０９の周期が軸方向に変化している構造でもよい。また、パッシブ導波路層１２７直上の回折格子１１４の構造は、その反射スペクトルが１３１０ｎｍを中心に約６０ｎｍの幅で反射率が９８％以上のストップバンドを持つように設計した。また、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８とパッシブ導波路層１２７の実効的な伝搬定数が同じとなるように層構造を最適化した。

【0034】

次に、その上方にｐ型ＩｎＰで構成されたｐ型ＩｎＰクラッド層１１７を形成し、次にｐ型ＩｎＧａＡｓで構成されたコンタクト層１１５を形成する（図２Ｄ）。ドーピングによるキャリア濃度は１０の１８乗ｃｍ−３にした。この多層構造を有するＩｎＰウェハ上に、レジストパターニングマスクとリン酸系エッチャントを用いて、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８の直上以外のコンタクト層１１５をエッチングにより除去した（図２Ｅ）。続いて、このＩｎＰウェハ上に二酸化珪素膜を被覆して保護マスクとする。この二酸化珪素マスクを用いて、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８直上にリッジ型導波路構造を形成した（図２Ｆ）。また、図示しないが、リッジ型導波路構造形成と同時に、後にｎ型電極コンタクト層１０６を形成する領域のｐ型ＩｎＰクラッド層１１７の除去も行った。

【0035】

その後、図２Ｇに示すように、エッチングマスク用の窒化珪素膜（ＳｉＮ保護膜１１６）を形成し、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８の前方部分とパッシブ導波路１２７の後方部分を、４５°の傾斜角度にそれぞれエッチングすることにより、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１７およびｎ型ＩｎＰ基板で構成された前方モノリシック集積ミラー１０４及び後方モノリシック集積ミラー１０１を形成した。この傾斜エッチングには、塩素とアルゴンガスを用いた化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ：Chemically Assisted Ion Beam Etching）を用い、ウェハを４５°の角度に傾斜させてエッチングすることにより４５°のエッチングを実現した。なお、本実施例ではＣＡＩＢＥを用いたエッチング方法について記載したが、塩素系ガスの反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Reactive Ion Beam Etching）や、ウェットエッチングを用いても良い。反射鏡である前方モノリシック集積ミラー１０４の光軸方向断面形状は、一方の切断面がｎ型ＩｎＰ基板１１０の面に垂直であるカタカナの“レ”の字型としたが、両方の切断面がｎ型ＩｎＰ基板１１０の面に斜めであるＶ型でも可能であり、また、斜面のみからなる構造でも可能である。本実施例においては、４５°の角度にモノリシック集積ミラーを形成することとしたが、これ以外の角度であってもよい。特に後方モノリシック集積ミラー１０１の場合には、前方でのレーザ出射に影響を与えない方向に反射させるように形成することができる。一方で、後方モノリシック集積ミラー１０１及び前方モノリシック集積ミラー１０４を同じ形状とすることにより、同時に形成することができ、製造工程を簡略化し、製造コストを抑えることができる。

【0036】

次に、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１５の上部のＳｉＮ保護膜１１６を除去し（図２Ｈ）、ｐ型電極１０３を蒸着し、続いて、ｎ型電極１０５を蒸着した（図２Ｉ）。その後、図２Ｊに示すように、基板裏面を１５０μｍの厚みまで研磨した後、基板裏面に窒化珪素マスク１２１を形成した。続いて、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、直径１２５μｍ深さ３０μｍの円形状にエッチングした。この時、円柱の円の中心軸（β）が、パッシブ導波路層１２７の延長線（α）と４５度傾斜ミラー上で交差するように上記窒化珪素マスク１２１を形成している。なお円の形状は用途によって楕円形状の場合もある。引き続いて、ドーナツ状に掘りこんだ部分に囲まれた柱状部分１２２の上部の窒化珪素マスクを除去し、ウェットエッチングを行った。これにより柱状の部分表面から食刻されて角が取れ、裏面ＩｎＰレンズであるモノリシック集積レンズ１１２が形成された（図２Ｋ）。なお、モノリシック集積レンズ１１２の表面は、後の工程で、反射防止膜１１１で覆われる。この時、反射防止膜１１１はレンズ面上だけでなく、後方モノリシック集積ミラーにより、基板方向へ放射される残存透過光の放射面に延在して形成した。

【0037】

本実施例のレーザは以上の工程により全てのレーザ作製プロセスが完了する。続いて、ウェハ状態のまま、ｐ型電極１０３とｎ型電極１０５に針プローバを接触さて通電し、各レーザの初期特性をチェックした。その後、所望の特性を満たすレーザ素子をダイシングにより切り出し、チップ化した。

【0038】

以上の工程により作製された水平共振器面出射型レーザ素子１００のレーザの発振特性を評価したところ、室温での発振しきい電流は７ｍＡ、スロープ効率は０．３Ｗ／Ａであり、副モード抑圧比４０ｄＢ以上の良好な単一波長発振を得た。また、電流光出力特性及び発振スペクトルにはＤＢＲミラー部１０７からの残存反射に依存した特性劣化は見られず、ヘキ開端面に高反射な誘電体膜を形成した場合と同等な特性が得られた。このことから本発明の高反射構造と反射防止構造が効果的に機能していることが確認できた。

【0039】

本実施例では、レンズの直径は１２０μｍとし、レンズの曲率は０．００４μｍ−１とした。また、レンズ表面から発光点までの距離は１６０μｍとした。この設計により、レーザ光はレンズ表面から約１００μｍの位置に集光する。この時、レーザ光のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）は共振器垂直方向、水平方向共に半地全幅で約１３°であり、前記集光位置での光スポットサイズは直径約４０μｍであった。

【0040】

このレーザアレイとコア系５０μｍのグレーデッドインデックス（ＧＩ）マルチモードファイバ（ＭＭＦ：Multi Mode Fiber）を用いて光結合実験を実施した結果、光の集光位置へＭＭＦを配置することで結合損失０．３ｄＢ以下の低損失な光結合を得ることができた。また、短共振器構造を反映した良好な高速特性を示し、８５℃において、バイアス電流６０ｍＡ、振幅電流４０ｍＡｐｐ、の駆動条件で２５Ｇｂｐｓの動作を実現した。以上のように、本発明を適用することで、低コストな次世代光通信向けの高速動作レーザを作製することができた。

【0041】

なお、本実施例ではＩｎＰ基板上に形成された波長帯１．３μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型レーザに適用した例を示したが、基板材料や活性層材料、そして発振波長はこの例に限定されるものではない。本発明は例えば１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰレーザ等のその他の材料系にも同様に適用可能である。

【0042】

また、以上においては、リッジ構造の実施例を示したが、本発明は、埋め込みヘテロ型構造（ＢＨ構造）にも適用が可能である。また、本素子は、作製工程で隣接素子間に電気分離溝を形成している。このため、チップ化の際にアレイ上に切り出すことで、アレイ素子とすることも可能である。

【実施例2】

【0043】

本発明の実施例２に係る１．３μｍ波長帯の短共振器型の水平共振器面出射型レーザ素子２００の構造を図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは水平共振器面出射型レーザ素子２００の平面図であり、図３Ｂは、図３ＡのIII−III線における光軸方向断面図である。水平共振器面出射型レーザ素子２００の基本的な構造は、リッジ型導波路構造を有するＤＦＢレーザである。本実施例の水平共振器面出射型レーザ素子２００は、ＤＦＢ共振器となる活性層の両端にＤＢＲミラー部１０７及び２０７がバットジョイント集積されており、ＤＢＲミラー部１０７及び２０７のそれぞれ後方及び前方に、後方モノリシック集積ミラー１０１及び前方モノリシック集積ミラー１０４が配置されていることを特徴とする。

【0044】

以下、図３Ａ及び３Ｂを用いて構造を詳述する。レーザ部分はｎ型ＩｎＰ基板１１０上にＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８とｐ型ＩｎＰクラッド層１１７が積層され、ＩｎＧａＡｓＡｌ活性層１０８の直下には回折格子１０９が集積されている。回折格子１０９は室温での発振波が１３００ｎｍとなるようにピッチを設計した。なお、本実施例ではλ／４シフト型の回折格子１０９を用いたが、均一回折格子や、回折格子１０９が光軸方向に変化する回折格子１０９でもよい。また、ＩｎＧａＡｓＡｌ活性層１０８の前方にはパッシブ導波路層１２７及びＤＢＲ層１２５からなるＤＢＲミラー部２０７がバットジョイント集積され、後方にはＤＢＲミラー部１０７がバットジョイント集積されている。なお、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８部分とその前後のＤＢＲミラー部１０７及び２０７はそれらの実効的な伝搬定数が同じになるようにそれぞれの実行屈折率を調整している。

【0045】

図示していないが、これらの積層構造がリッジ型導波路構造へ加工されている。リッジ形成工程は実施例１と同様である。また、実施例１と同様にリッジ形成と同時にｎ型電極が形成される領域のｐ型ＩｎＰクラッド層１１７を除去し、ミラー形成部のコンタクト層１１５除去同時にｎ型電極コンタクト層１０６を形成した。そして、素子の表面に、ｐ型電極１０３とｎ型電極１０５が形成されたフリップチップ構造とした。

【0046】

また、基板裏面の光出射部にはｎ型ＩｎＰ基板１１０をエッチングして、モノリシック集積レンズ１１２が形成されており、モノリシック集積レンズ１１２表面から基板表面の後方モノリシック集積ミラー１０１直上まで例えばＡｌＯｘからなる反射防止膜１１１が積層されている。本実施例においては、ＤＦＢの共振器長は７０μｍとし、回折格子の結合係数は１００ｃｍ−１としているが、これら以外の値を用いてもよい。また、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８前方のＤＢＲミラー部２０７の長さは３０μｍ、後方のＤＢＲミラー部１０７の長さは１００μｍとし、それぞれ、波長１３００ｎｍに対する反射率が７０％、９８％とした。また、チップの全長は７００μｍとした。しかしながら、寸法及び係数は、上述の値に限られるものではなく、要求や性能に合わせて適宜変更することができる。

【0047】

本実施例のレーザは実施例１と同様に、全てのレーザ作製工程がウェハプロセスで完了し、ウェハレベルで初期選別検査を実施することができた。つづいて、良好な初期特性を示した素子をダイシングによりチップ化し、コプレーナ型の高周波線路を有するＡｌＮサブマウントにジャンクションダウンでフリップチップ実装した。この形態で、水平共振器面出射型レーザ素子２００の直流電流特性を評価したところ、室温でしきい電流が５ｍＡ、スロープ効率が０．３５Ｗ／Ａの良好な発振特性を得た。また、波長１３００ｎｍで良好な単一波長発振した。また、４/λシフト構造を反映してブラッグ波長で発振した。これらの特性において、後方または前方ＤＢＲからの残存反射に依存した特性劣化は観察されなかった。次にこのレーザの高周波特性を測定したところ、室温での変調帯域がバイアス電流４０ｍＡの低電流で室温での変調帯域が３０ＧＨｚと短共振器構造を反映した、広い帯域を得ることができた。以上のように、本発明を適用することで、次世代の高速光源として好適な高速素子を低コストで作製することができた。

【実施例3】

【0048】

本発明の実施例３に係る１．３μｍ波長帯の短共振器型の水平共振器面出射型レーザ素子３００の構造を図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは水平共振器面出射型レーザ素子３００の平面図であり、図４Ｂは、図４ＡのIV−IV線における光軸方向断面図である。水平共振器面出射型レーザ素子３００の基本的な構造は、実施例１と同様である。ＤＢＲミラー部１０７の後方に曲げ導波路を配置している点が実施例１と異なる。以下にその構造と効果を図４Ａ及び４Ｂを用いて詳述する。これらの図に示すように、レーザ部分はｎ型ＩｎＰ基板１１０上にＩｎＧａＡｓＡｌ活性層１０８とｐ型ＩｎＰクラッド層１１７が積層され、ＩｎＧａＡｓＡｌ活性層１０８の直上には回折格子１０９が集積されている。回折格子１０９は室温での発振波が１３００ｎｍとなるようにピッチを設計した。なお、本実施例ではλ／４シフト型の回折格子１０９を用いたが、均一回折格子や、回折格子が光軸方向に変化する回折格子１０９でもよい。また、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８の後方にはパッシブ導波路層１２７とＤＢＲ層１２５からなるＤＢＲミラー部１０７がバットジョイント集積されている。なお、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８部分とその後方のＤＢＲミラー部１０７は全て、実施例１と同じ設計である。そして、ＤＢＲミラー部１０７は曲げ導波路３０１がバットジョイント集積されている。この時、曲げ導波路３０１の実効的な伝搬定数はＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０８、及びＤＢＲミラー部１０７に近い値となるように設計した。また、曲げ導波路の週端にはｐ型ＩｎＰクラッド層１１７からなる窓構造が形成されている。

【0049】

図示していないが、これらの積層構造がリッジ型導波路構造へ加工されている。リッジ形成工程は実施例１と全く同様である。また、実施例１と同様にリッジ形成と同時にｎ型電極が形成される領域のｐ型ＩｎＰクラッド層１１７を除去し、ミラー形成部のコンタクト層１１５除去同時にｎ型電極コンタクト層１０６を形成した。そして、素子の表面に、ｐ型電極１０３とｎ型電極１０５が形成されたフリップチップ構造とした。また、基板裏面の光出射部にはｎ型ＩｎＰ基板１１０をエッチングして、モノリシック集積レンズ１１２が形成されており、モノリシック集積レンズ１１２表面には反射防止膜１１１を積層した。

【0050】

本水平共振器面出射型レーザ素子３００では、ＤＢＲミラー部１０７端へ透過するレーザ光の一部は曲げ導波路によって、チップの外側へ逃がし、残留反射成分を除去している。従って、本水平共振器面出射型レーザ素子３００においても、レーザ作製工程はウェハプロセスで完了させることができた。ウェハプロセスと、ウェハ状態にて初期特性を評価し、良好な素子を実施例１と同様に評価したところ、実施例１と同じレーザ特性を得ることができ、本発明の第２の構造がウェハレベル検査に対応した、高速低コスト光源として好適であることを示した。

【実施例4】

【0051】

本発明の実施例４に係る変調器集積型の水平共振器面出射型レーザ素子４００の構造を図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは水平共振器面出射型レーザ素子４００の平面図であり、図５Ｂは、図５ＡのＶ−Ｖ線における光軸方向断面図である。水平共振器面出射型レーザ素子４００の製造工程について以下に説明する。

【0052】

最初に、ｎ型ＩｎＰ基板１１０上に有機金属気相成長法を用いて、ＩｎＧａＡｓＡｌ活性層１０８を成長する。続いて、レーザ部分以外のＩｎＧａＡｓＡｌ活性層１０８を選択的にエッチングした後、有機金属気相成長法を用いて、ＩｎＧａＡｓＡｌ系の変調器層４０８を成長した。更に変調器部分以外の変調器層４０８を選択的にエッチングし、最後にパッシブ導波路層１２７とＤＢＲ層１２５からなるＤＢＲミラー部１０７を有機金属気相成長法を用いて成長した。この後、実施例１と同様の工程を用いて、リッジ型のＤＦＢ構造及び、リッジ型の電界吸収型変調器４０８、後方モノリシック集積ミラー１０１、前方モノリシック集積ミラー１０４、モノリシック集積レンズ１１２を作製した。

【0053】

レーザの共振器長は３００μｍとし、変調器長は１００μｍとした。発振波長及び、ＩｎＧａＡｓＡｌ活性層１０８部分とＤＢＲミラー部１０７の伝搬定数の関係は実施例１と同様である。モノリシック集積レンズ１１２の設計も実施例１と同様である。本構造により、電界吸収型変調器集積のＤＦＢ水平共振器面出射型レーザにおいてもウェハレベル検査に対応した構造を実現した。

【実施例5】

【0054】

本発明の実施例５に係る小型光モジュール５００について図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは小型光モジュール５００の鳥瞰図であり、図６Ｂは小型光モジュール５００の側面図である。本実施例のモジュールはストリップ線路を有する多層配線セラミック基板５０４上に、実施例１の水平共振器面出射型レーザ素子１００を１次元の４チャンネルアレイ状に切り出した多波長水平共振器面出射レーザチップ５０２とレーザを駆動するための集積回路５０５が金バンプ５０８によって電気的接続を取りながら実装されている。多波長水平共振器面出射レーザチップ５０２の上方にはコネクタ支柱５０３によって、ファイバアレイコネクタ５０１が最適な光結合を有する位置に実装されている。ファイバアレイコネクタ５０１には４本のＭＭＦが９０°曲げられて実装されており、ファイバ受光面とレーザチップの光出射面が最適な光結合を有する位置に実装されている。

【0055】

この小型光モジュール５００を用いることによって、チャンネル当り２５Ｇｂｐｓ、合計１００Ｇｂｐｓの信号を波長多重し伝送することができた。以上により、本発明を適用したレーザアレイを用いることで、ルータ装置内用として好適な小型かつ低コストな多チャンネル光モジュールを作製できた。

【0056】

以上説明したように、上述の各実施例における水平共振器面出射型レーザ素子によれば、従来ヘキ開端面に形成していた誘電体膜で提供していた高反射構造または反射防止構造をウェハプロセスで集積可能である。従って、レーザ作製工程がウェハプロセスのみで閉じ、ウェハレベル検査が可能となる。また、ヘキ開面を利用しないことから、精密なヘキ開工程が不要となり、ダイシングでチップ化が可能となる。これによって、発光点からレンズまでの距離に相当するチップの厚さを自由に設計可能となり、レンズ設計の自由度が大幅に上がるという新たな効果が得られる。また、端面に高反射あるいは反射防止の膜を形成する場合、これらの膜剥がれが信頼性劣化要因の一つとして懸念される。しかし、本発明では端面膜を必要としないため、このような劣化要因を除去することができる。以上のように、本発明を用いることで、ウェアを切断する前のウェハレベル検査が可能な水平共振器垂直出射レーザ素子を提供できる。したがって、本実施形態に係る水平共振器面出射型レーザ素子は、検査コストを抑えると共に、十分な出力特性を備えることができる。

【0057】

また、先述のように、水平共振器面出射型レーザ素子は、水平共振器端面出射レーザの出射端面に光路変換ミラーを配して面出射化している。従って、本発明の、高反射構造または反射防止構造と光路変換ミラーを用いると、原理的には全ての水平共振器端面出射レーザをウェハレベル検査対応可能にすることができる。

【0058】

また、上述の水平共振器面出射型レーザ素子における水平共振器には、波長可変部を備える波長可変型水平共振器その他の水平共振器を用いることができる。

【符号の説明】

【0059】

１００ 水平共振器面出射型レーザ素子、１０１ 後方モノリシック集積ミラー、１０３ ｐ型電極、１０４ 前方モノリシック集積ミラー、１０５ ｎ型電極、１０６ ｎ型電極コンタクト層、１０７ ＤＢＲミラー部、１０８ ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層、１０９ 回折格子、１１０ ｎ型ＩｎＰ基板、１１１ 反射防止膜、１１２ モノリシック集積レンズ、１１３ ＩｎＰスペーサ層、１１４ 回折格子、１１５ コンタクト層、１１６ 保護膜、１１７ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１２１ 窒化珪素マスク、１２２ 柱状部分、１２５ ＤＢＲ層、１２６ 回折格子層、１２７ パッシブ導波路、２００ 水平共振器面出射型レーザ素子、２０７ ＤＢＲミラー部、３００ 水平共振器面出射型レーザ素子、３０１ 導波路、４００ 水平共振器面出射型レーザ素子、４０８ 変調器、５００ 小型光モジュール、５０１ ファイバアレイコネクタ、５０２ 多波長水平共振器面出射レーザチップ、５０３ コネクタ支柱、５０４ 多層配線セラミック基板、５０５ 集積回路、５０８ 金バンプ。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図2H】

【図2I】

【図2J】

【図2K】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】