特許 6939411 半導体光素子

(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】6939411

(24)【登録日】2021年9月6日

(45)【発行日】2021年9月22日

(54)【発明の名称】半導体光素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/026 20060101AFI20210909BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/026 616

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-207298(P2017-207298)

(22)【出願日】2017年10月26日

(65)【公開番号】特開2019-79993(P2019-79993A)

(43)【公開日】2019年5月23日

【審査請求日】2019年12月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】硴塚 孝明

(72)【発明者】

【氏名】松尾 慎治

【審査官】 百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−２２５３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０５１１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７０８３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１６２４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１５８３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２２２７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２０３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１５８０８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３５３９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２４１１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３５５５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２０２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２０３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６８５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２６７８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２８７１４４（ＪＰ，Ａ）

(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】

シリコン基板と、前記シリコン基板上にＳｉＯ₂層が形成された、２層構造を有する基板と、
前記基板上に形成された電界吸収変調器領域であって、コア層の積層面に平行な方向かつ光導波方向に直交する方向のコア層の両側の前記基板上に、半導体極性の異なるクラッド層をそれぞれ配置した導波路構造を有する電界吸収変調器領域と、
前記基板上に形成されたレーザ領域であって、コア層の積層面に平行な方向かつ光導波方向に直交する方向のコア層の両側の基板上に、半導体極性の異なるクラッド層をそれぞれ配置し、前記電界吸収変調器領域のクラッド層の半導体極性とは逆に配置した導波路構造を有するレーザ領域と、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域とを接続する接続導波路領域であって、真性半導体による埋め込み導波路で形成され、前記真性半導体の両脇は前記基板のＳｉＯ₂層で埋め込まれた構造を有する接続導波路領域とを備え、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域を光導波方向に見た一方の側の、半導体極性の異なる２つの前記クラッド層が共通電極により接続され、前記共通電極を接地し、前記電界吸収変調器領域に逆バイアス電源を接続し、前記レーザ領域に順バイアス電源を接続する
ことを特徴とする半導体光素子。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体光素子であって、
前記接続導波路領域の前記真性半導体による埋め込み導波路が、前記接続導波路領域の
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域に接する光導波方向の両側の光入出力部分から
前記接続導波路領域の中央部分に向かって埋め込み幅を狭くするように形成されている
ことを特徴とする半導体光素子。

【請求項3】

請求項２に記載の半導体光素子であって、
前記接続導波路領域の前記真性半導体による埋め込み導波路が
前記接続導波路領域の中央部分には前記真性半導体による埋め込みがないように形成されている
ことを特徴とする半導体光素子。

【請求項4】

請求項１に記載の半導体光素子であって、
前記接続導波路領域の全体が真性半導体による埋め込みがない細線導波路で形成される
ことを特徴とする半導体光素子。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域のコア層が量子井戸構造である
ことを特徴とする半導体光素子。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記基板が、半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板である
ことを特徴とする半導体光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体光素子の構造に関する。より詳細には、半導体レーザと光変調器を集積した変調器集積光源に用いられる変調器集積レーザのような半導体光素子の構造に関する。

【背景技術】

【0002】

インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が著しい。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型(Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ)半導体レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、及び波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化に大きく寄与してきた。

【0003】

近年、光通信はコアネットワークやメトロネットワーク等のテレコム領域に限らず、データセンタ間、ラック間、さらにはボード間の短距離のデータ通信にも適用されている。例えば、１００ＧｂｉｔイーサネットはＷＤＭ型の多波長アレイ光源の構成を用いて標準化されており、短距離光通信の大容量化が急速に進んでいる。これらの背景に際し、光送信器の高速化かつ低消費電力化は必須であり、集積されたレーザ光源からの光を電気信号で変調して出力する高性能な変調光源として、変調器集積型半導体レーザが進展してきた。

【0004】

特に単一モードＤＦＢレーザと電界吸収（ＥｌｅｃｔｒｏＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）型光変調器を同一基板上にモノリシックに集積したＥＡ−ＤＦＢレーザは、小型でかつ消費電力が低く、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速変調が可能であるため（非特許文献１）、１００ｋｍ以下の比較的短距離用の光送信器として実用化されている。２０１７年現在、４００Ｇｂｉｔイーサネットの標準化が整いつつあり、５０Ｇｂｉｔ／ｓ級のＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕａｔｉｏｎ）に対応可能なＥＡ−ＤＦＢレーザが望まれるところである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】W. Kobayashi et al., “Design and Fabrication of 10-/40-Gb/s, Uncooled Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure,”IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no.1, pp.164-171, 2010

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＥＡ−ＤＦＢレーザは、ＥＡ変調器と単一モードＤＦＢレーザを同一基板上に集積して形成される。ＥＡ変調器は、変調される光の通過する光導波路コアとなる量子井戸活性層に、変調電気信号による電界を与えたときの光吸収係数の変化により光変調動作する。

【0007】

図１（ａ）に、一般的な従来のＥＡ変調器の変調領域の基板断面図を示す。図１（ａ）において、変調される光は、基板面内方向（紙面に垂直ないし紙面内の左右方向）に量子井戸層（コア層、活性層）１を通過するものとする。

【0008】

量子井戸層１は、バンドギャップの大きい材料で構成されたバリア層とバンドギャップの小さい材料で構成された井戸層を、交互に周期的に複数積層した多層構造である。この量子井戸層１（通常は非ドープの真性半導体であり、ｉ型と表現される）の上層と下層に、半導体極性の異なるクラッド層、例えばｐ型クラッド層（ｐ−ＩｎＰ）２に対して、ｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）３を配置した３層で、ｐｉｎ半導体構造が形成されている。ｐｉｎ半導体構造を挟んで面対向する上下の電極により、変調信号源４１からの変調電気信号とともに逆バイアスによって、上下方向（量子井戸層１に垂直な方向、縦方向）に電界が印加される。この電界により、量子井戸層１を通過する光に対する光吸収係数が制御され、光が変調される。

【0009】

図１（ｂ）は、電界ゼロの場合（実線）と所定の電界を印加した場合（点線）の、上記量子井戸構造のＥＡ変調器の波長に対する吸収係数（光吸収スペクトル）の変化を示す図である。量子井戸構造の光吸収スペクトルは、バンド間遷移波長に対応するバンド間吸収（図１（ｂ）の「バンド端」より左側の区間）と、その長波長側にある励起子吸収ピークからなる。

【0010】

電界を印加すると、量子井戸層１内のキャリアの局在により光吸収スペクトルの励起子吸収ピークが低下し、さらに実効的なバンドギャップが縮小することにより吸収スペクトルが長波長シフトする、いわゆる量子閉じ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果が生じる。したがって一般的には、レーザの動作波長を励起子吸収波長よりも長波長側に設定し、電界を与えることによる光吸収係数の増大によって、光変調動作が達成される。

【0011】

ＥＡ−ＤＦＢレーザ素子１０は、光導波路コア層に沿って設けられた電界吸収（ＥＡ）変調器領域と、ＤＦＢレーザとして機能するレーザ領域とにより構成され、レーザ領域で発生したレーザ光が電界吸収変調器領域で変調されて出力光となる。

【0012】

図２、３に、一般的な従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの導波路構造の基板断面図を示す。図２（ａ）は、レーザ領域９における光導波路コア層（光軸）に垂直な基板断面図、図２（ｂ）は、電界吸収変調器領域８における光導波路コア層に垂直な基板断面図である。図３は、光導波路コア層に沿った光軸を含む基板断面図である。

【0013】

図２（ａ）、（ｂ）において、ｎ型基板でもあるｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰクラッド層／基板）３の上には、半絶縁性ＩｎＰ埋込み層１５ により両脇を埋め込まれて、変調器のコア層（量子井戸層、活性層）１またはレーザコア層（量子井戸層、活性層）４が別組成で別々に形成されている。両コア層１，４の上には、共通のｐ型クラッド層２と２つのｐ型コンタクト層７、２つのｐ電極６が形成されている。

【0014】

図３に示されるように、両コア層１，４は接続導波路領域１３の光導波路で結合されている。レーザコア層４の上部には、レーザの発振波長を決める回折格子１１が形成される。両コア層１，４の上部には、共通のｐ型クラッド層２と２つのｐ型コンタクト層７、２つのｐ電極６が形成されている。ｎ型クラッド層／基板３の下には、共通のｎ電極５が設けられて接地されている。

【0015】

ＥＡ−ＤＦＢレーザでは、電界吸収変調器とレーザを独立にバイアス駆動するために、電気的な分離が必要である。図３に示す従来構造の例では、基板３を共通化してｎ電極５で接地している。一方、ｐ電極側ではエッチングにより導波モードに影響がない範囲で接続導波路領域１３上部のｐ型クラッド層２を薄くしており、更にコンタクト層７を除去している。これにより、ｐ電極６は電界吸収変調器領域８とレーザ領域９で電気的に２つに分離されている。

【0016】

このような構造で、図１で説明した通り、電界吸収変調器領域８では逆バイアス、すなわちｐ電極６の電位がｎ電極５よりも低い状態で駆動する必要がある。一方、レーザ領域９では電流注入動作のために順バイアス、すなわちｐ電極６の電位がｎ電極５よりも高い状態で駆動する必要がある。

【0017】

したがって、例えば電界吸収変調器の変調信号源（バイアス電圧源）４１によるバイアス電圧の絶対値をＶ_bEA、レーザ領域のバイアス電圧の絶対値をＶ_bLDとすると、両者の電気的極性は逆であり、ｐ電極側での電圧差は｜Ｖ_bEA＋Ｖ_bLD｜と、和の絶対値となり、接続導波路領域１３の部分にかかる電位差がかなり大きくなってしまう。

【0018】

例えば一般的なレーザの順バイアス電圧は＋１〜＋３Ｖ程度、変調器の逆バイアス電圧は−１〜−４Ｖ程度であるので、最大７Ｖもの電圧が接続導波路領域１３の導波路に加わることになる。加えて、接続導波路領域１３は、エッチングにより薄くはされているものの伝導性を有するクラッド領域２で接続されているために、リーク電流が発生する。このリーク電流を抑制するためには、接続導波路領域１３の導波路長を充分長くすることが必要となり、素子の長さが長尺化する。例えば、非特許文献１では接続導波路領域１３の導波路長は５０μｍが設定されている。

【0019】

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、作製工程が簡易で、電気的分離特性に優れた、高性能な電界吸収変調器集積レーザを実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

【0021】

（発明の構成１）
シリコン基板と、前記シリコン基板上にＳｉＯ₂層が形成された、２層構造を有する基板と、
前記基板上に形成された電界吸収変調器領域であって、コア層の積層面に平行な方向かつ光導波方向に直交する方向のコア層の両側の前記基板上に、半導体極性の異なるクラッド層をそれぞれ配置した導波路構造を有する電界吸収変調器領域と、
前記基板上に形成されたレーザ領域であって、コア層の積層面に平行な方向かつ光導波方向に直交する方向のコア層の両側の基板上に、半導体極性の異なるクラッド層をそれぞれ配置し、前記電界吸収変調器領域のクラッド層の半導体極性とは逆に配置した導波路構造を有するレーザ領域と、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域とを接続する接続導波路領域であって、真性半導体による埋め込み導波路で形成され、前記真性半導体の両脇は前記基板のＳｉＯ₂層で埋め込まれた構造を有する接続導波路領域とを備え、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域を光導波方向に見た一方の側の、半導体極性の異なる２つの前記クラッド層が共通電極により接続され、前記共通電極を接地し、前記電界吸収変調器領域に逆バイアス電源を接続し、前記レーザ領域に順バイアス電源を接続する
ことを特徴とする半導体光素子。

【0023】

（発明の構成２）
発明の構成１に記載の半導体光素子であって、
前記接続導波路領域の前記真性半導体による埋め込み導波路が、前記接続導波路領域の
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域に接する光導波方向の両側の光入出力部分から
前記接続導波路領域の中央部分に向かって埋め込み幅を狭くするように形成されている
ことを特徴とする半導体光素子。

【0024】

（発明の構成３）
発明の構成２に記載の半導体光素子であって、
前記接続導波路領域の前記真性半導体による埋め込み導波路が
前記接続導波路領域の中央部分には前記真性半導体による埋め込みがないように形成されている
ことを特徴とする半導体光素子。

【0025】

（発明の構成４）
発明の構成１に記載の半導体光素子であって、
前記接続導波路領域の全体が真性半導体による埋め込みがない細線導波路で形成される
ことを特徴とする半導体光素子。

【0026】

（発明の構成５）
発明の構成１乃至４のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域のコア層が量子井戸構造である
ことを特徴とする半導体光素子。

【0028】

（発明の構成６）
発明の構成１乃至５のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記基板が、半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板である
ことを特徴とする半導体光素子。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、変調器領域とレーザ領域の間の電位差が抑制され、かつ電気的な分離が向上するために、リーク電流を抑制し、電圧耐性が向上する。また、接続導波路が真性半導体から構成されるために電気的抵抗が高く、かつ光損失が抑制されるために、接続導波路を短くできるため、素子の小型化を実現できる。

【0030】

また、変調器領域、レーザ領域のコア層の両側にｎ層、ｐ層を設けて横方向に電圧を印加する構造であることから、変調器の上下方向には屈折率の低い領域で挟んだ薄膜構造を採用することが可能であり、高い光閉じ込めを実現できる。加えて、電極が面対向せず、素子容量が電極面積の影響を受けにくく、薄膜のｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の厚さにより素子容量が規定されるため、垂直方向電界型の変調器と比較して単位長あたりの容量を抑制できる。さらに、変調器領域の活性層に量子井戸構造を使用し、量子井戸への横方向（量子井戸層の積層面に平行な方向）電界印加を用いることにより、変調効率が増大する。

【0031】

以上のように、小型かつ電気的な分離特性に優れたＥＡ−ＤＦＢレーザを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】従来のＥＡ変調器の基板断面図１（ａ）と、ＱＣＳＥ効果による光吸収スペクトルの変化を示す図１（ｂ）である。

【図2】従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの導波路方向に垂直な基板断面の図である。図２（ａ）はレーザ領域における、図２（ｂ）は変調器領域における基板断面図である。

【図3】従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの、導波路方向に沿った基板断面図である。

【図4】本発明の実施例１の半導体光素子の、全体構造を示す斜視図である。

【図5】本発明の実施例１の半導体光素子の、導波路方向に垂直な基板断面の図である。図５（ａ）はレーザ領域における、図５（ｂ）は接続導波路領域における、図５（ｃ）は変調器領域における基板断面図である。

【図6】本発明の実施例１の半導体光素子の、電源との接続を説明する上面図である。

【図7】本発明の実施例１の変調器領域の、吸収係数の変化と消光特性の説明図である。

【図8】本発明の実施例１の変形例１の半導体光素子の上面図８（ａ）と、接続導波路領域の２ヶ所における部分基板断面図８（ｂ）、８（ｃ）である。

【図9】本発明の実施例１の変形例２の半導体光素子の、電源との接続を説明する上面図である。

【図10】本発明の実施例２の半導体光素子の、全体構造を示す斜視図である。

【図11】本発明の実施例２の半導体光素子の、導波路方向に垂直な基板断面の図である。図１１（ａ）はレーザ領域における、図１１（ｂ）は接続導波路領域における、図１１（ｃ）は変調器領域における基板断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

【0034】

（実施例１）
図４は、本発明の実施例１の半導体光素子の全体構造を示す斜視図である。また、図５は、本発明の実施例１の半導体光素子の、導波路方向に垂直な基板断面の図である。図５（ａ）はレーザ領域９における、図５（ｂ）は接続導波路領域１３における、図５（ｃ）は変調器領域８における基板断面図である。図６は、本発明の実施例１の半導体光素子の半導体領域の上面図であり、駆動電源との接続方法を説明するために電極もあわせて示した図である。

【0035】

図４、図５で示したように、本発明の実施例１の半導体光素子では、基板はシリコン基板２０の上にＳｉＯ₂層２１が形成された２層構造であり、この基板の上に基板面に平行な横方向の電流注入構造および電圧印加構造を有する埋め込みコア層が形成されている。

【0036】

ＥＡ変調器領域８、接続導波路領域１３、およびレーザ領域９のコア層２３、２４は、ともに例えば６層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸から形成される。変調器領域８と接続導波路領域１３は、量子井戸のフォトルミネッセンス波長１．４８μｍの同一のコア層２３を使用することができる。また、レーザ領域９のコア層２４の量子井戸のフォトルミネッセンス波長は１．５５μｍである。コア幅は、いずれも０．７μｍであり、コア層を含むスラブ層の厚さは３５０ｎｍである。

【0037】

図５（ａ）、（ｃ）に示すように、コア層（量子井戸層）２３、２４の両側の基板上には、コア層の積層面に平行な方向かつ光導波方向に直交する方向の両側から電圧を与えるために、異なるタイプ（型、半導体極性）のドーピングが施されたＩｎＰクラッド層２５，２６により埋め込まれている。このとき、レーザ領域９と変調器領域８においてＩｎＰクラッド層２５，２６の配置は、半導体のドーピング極性（ｐ型／ｎ型）が、光導波方向に見てコア層を挟んで基板の左右両側で逆になるように、入れ替えて配置されている。

【0038】

すなわち、図５（ａ）のレーザ領域９のコア層２４の左側には、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型クラッド層２６が、コア層２４の右側には、Ｓｉドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型クラッド層２５が形成されている。

【0039】

一方、図５（ｃ）の変調器領域８のコア層２３の左側には、Ｓｉドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型クラッド層２５が、コア層２３の右側には、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型クラッド層２６が形成されている。

【0040】

なお、図５（ｂ）の接続導波路領域１３のコア層２３の周囲は、クラッド層として真性半導体（ｉ−ＩｎＰ）層２２で埋め込まれ、その両脇は基板上層のＳｉＯ₂層２１に続くＳｉＯ₂層で埋め込まれており、右側で共通電極５０を支持している。

【0041】

図５（ａ）、（ｃ）にあるように、レーザ領域９および変調器領域８のクラッド層２５，２６の上部には、それぞれＩｎＧａＡｓコンタクト層２７、２８が形成され、それぞれドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ型ドーピング、ｐ型ドーピングが施されている。さらに、コンタクト層の領域の上にはｎ電極２９またはｐ電極３０および共通電極５０が形成され、電極間の表面にはＳｉＯ₂保護膜３１または表面回折格子１２が形成されている。見易さのため、図４の斜視図にはＳｉＯ₂保護膜３１は表示していない。

【0042】

図４の斜視図、図６の上面図に示すように、本発明の実施例１の半導体光素子は、変調器領域８とレーザ領域９、両領域間の接続導波路領域１３から構成されている。レーザ領域９の活性層長は６００μｍ、変調器領域８の活性層長は２００μｍ、接続導波路領域１３の長さは２０μｍである。

【0043】

図４の斜視図に示すように、レーザ領域９のコア層２４の上部には厚さ１０ｎｍのＳｉＮ絶縁膜が形成され、ＳｉＮとＳｉＯ₂からなるブラッグ波長１．５５μｍのλ／４シフト回折格子構造が表面回折格子１２を形成している。

【0044】

図６に示すように、変調器領域８とレーザ領域９は、両領域間の接続導波路領域１３のＩｎＰ層をエッチングすることで分離される。また、変調器領域８およびレーザ領域９のｎ型クラッド層２５、ｐ型クラッド層２６は、それぞれの領域の必要な部分のみに形成されている。

【0045】

また、図４、図６に示すように、ＥＡ変調器領域８のｐ型クラッド層２６側の電極、レーザ領域９のｎ型クラッド層２５側の電極は、電気的に接続された一体の共通電極５０として形成され、接地されている。

【0046】

この導波路構造を持つ素子を作製するにあたり、ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板（２１／２０）上へＩｎＰ薄膜を形成するには、ウエハ接合等の技術を用いることができる。また、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等の結晶成長には有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いることができ、レーザ導波路構造および回折格子の作製にはウェットエッチングまたはドライエッチング等の一般的な半導体レーザの作製方法を用いることができる。

【0047】

活性層（コア層）２３，２４の左右の電流注入用のクラッド層２５，２６は、真性ＩｎＰを埋め込み再成長し、その後にイオン注入または熱拡散等の手法で、不純物半導体を形成できる。この手法により再成長を繰り返すことなく、必要な領域のみにドーピング領域を形成できる。また、ｎ型ドーピングのＩｎＰおよびｐ型ドーピングのＩｎＰを、それぞれ埋め込み再成長によって形成してもよい。また、表面回折格子１２は、活性層の形成後に、レーザ表面への電子ビーム露光によるパタン形成とエッチングを行うことにより形成することができる。

【0048】

図７に、本素子の変調器領域８の消光特性を示す。図７（ａ）は、厚さ１０ｎｍ、バンドギャップ波長１．４５μｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸構造に対し、基板に平行な方向に種々の強度の電界を印加した場合の吸収係数スペクトルの変化である。電界強度の範囲は０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍとした。電界印加により励起子吸収が抑制されて吸収スペクトルが広がり、加えてバンド端吸収が２次元フランツ・ケルディッシュ効果により変化し、励起子吸収ピークに対して長波長側で吸収係数が増大する。

【0049】

図７（ｂ）には、複数のレーザ発振波長における本素子の変調器領域８の消光特性を示す。レーザの発振波長が１．５５μｍに設定されているため、電圧振幅０．８Ｖ程度の１Ｖ以下の駆動電圧で、１０ｄＢの消光特性を実現することができる。

【0050】

図６の実施例１上面図には、本素子を駆動するための電源の接続構成も合わせて示している。変調器領域８のｐ側の電極、レーザ領域９のｎ側の電極は共に、一体の共通電極５０として形成され接地されている。

【0051】

また、変調器領域８のｎ電極２９には変調器バイアス電圧源（変調信号源）４１を、レーザ領域９のｐ電極３０にはレーザ駆動電流源４２を接続して、変調器領域８には逆バイアス、レーザ領域９には順バイアスを与える。

【0052】

このとき本発明では、コア層２３，２４の両側のクラッド層の半導体極性（ｐ型／ｎ型）が、変調器領域８とレーザ領域９で逆の配置であるため、２つのバイアス電源の電圧極性は同じとなる。

【0053】

すなわち変調器側のバイアス電圧の絶対値をＶ_bEA、レーザ領域のバイアス電圧の絶対値をＶ_bLDとすると、変調器領域８のｎ電極２９とレーザ領域９のｐ電極３０間の電位差は、｜Ｖ_bEA−Ｖ_bLD｜と、差の絶対値となる。すなわち、電位差が電圧の絶対値の差分で表されるため、従来構造と比較して接続導波路に加わる電界を抑制することができる。

【0054】

また図６では、接続導波路領域１３のコア層２３は、真性半導体（ｉ−ＩｎＰ）層２２で埋め込まれているので、変調器とレーザの間がｐｉｎ構造となる。このため、接続導波路領域が導電性の不純物半導体で接続されている図３の従来構造と比較すると、リーク電流の抑制効果が高い。

【0055】

特に変調器のバイアス電圧の絶対値がレーザのバイアス電圧よりも高い、すなわちＶ_bEA＞Ｖ_bLDの場合、図６でコア層２３，２４より上の部分の変調器側のｎクラッド２５とレーザ側のｐクラッド２６間が逆バイアスとなり、電流リークをほぼ完全に抑制できる。

【0056】

また、Ｖ_bEA＜Ｖ_bLDであっても、電位差が拡散電位内に収まっていればほとんど電流は流れない。電位差がそれ以上であっても、本実施例では接続導波路領域１３が真性半導体２２で構成されているために抵抗が高く、電流リークを抑制できる。

【0057】

加えて、全ての領域が埋め込み導波路で形成されているため、導波路間の高い光結合を実現できる。また、接続導波路領域１３が真性半導体で構成されているために光損失が低いことも特徴である。

【0058】

このように本発明の構成によれば、レーザ領域と変調器領域の良好な電気的な分離を有するＥＡ−ＤＦＢレーザを実現できる。

【0059】

（実施例１の変形例１）
図８に、実施例１の変形例１を示す。図４から６の実施例１では、接続導波路領域１３を真性半導体２２による埋め込み導波路で構成したが、より高抵抗化するために、接続導波路領域１３の導波路幅を狭くすることも有効である。

【0060】

図８（ａ）は実施例１の変形例１の半導体部分の上面図、図８（ｂ）、（ｃ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’における基板断面図の概要を示す図である。

【0061】

例えば、図８（ａ）、（ｂ）に示す通り、接続導波路領域１３の変調器領域８とレーザ領域９に接する光導波方向の両側の光入出力部分を、真性半導体（ｉ−ＩｎＰ）２２による埋め込み導波路構造（図８（ｂ））として、接続導波路領域１３の中央部分に向かってｉ−ＩｎＰ層２２の埋め込み幅を狭くする、ないしは中央部分ではｉ−ＩｎＰ層２２の埋め込みをなくし、コア層２３のみとする（図８（ｃ））ことにより、光結合を劣化させることなく、変調器領域８とレーザ領域９の間の分離抵抗を増大できる。

【0062】

この実施例１の変形例１の接続導波路領域１３の中央部分では、図８（ｃ）のＢ−Ｂ‘断面図のように、導波路コア層２３の左右両側の埋め込みｉ−ＩｎＰ層２２を完全に除いた細線導波路構造にしても構わない。また、光入出力部分を含めて全ての接続導波路領域１３を、埋め込みｉ−ＩｎＰ層２２のない細線導波路構造にすることもできる。この構成では、光結合効率はやや劣るが電気的分離の効果がより高い。

【0063】

この構成でも、接続導波路領域１３のコア層２３の周囲の、ｉ−ＩｎＰ層２２で埋め込まれた部分以外の両脇は、基板上層のＳｉＯ₂層２１と同じＳｉＯ₂層で埋め込まれており、共通電極５０を支持している。

【0064】

（実施例１の変形例２）
図９に実施例１の変形例２を示す。図６の実施例１では変調器領域８のｐ電極とレーザ領域９のｎ電極を共通化して一体の共通電極５０として接地する構成を示したが、図９の実施例１の変形例２では、両領域の半導体極性（型、ドーピング）およびバイアス電圧の極性を図６の実施例１と逆にして、変調器領域８側のｎ電極とレーザ領域９側のｐ電極を共通化して一体の共通電極５０として接地している。

【0065】

そして、変調器領域８側のｐ電極３０に（負の）逆バイアスの電源（変調信号源）４１、レーザ領域９側のｎ電極２９に（負の）順バイアスの電源（レーザ駆動電流源）４２を接続している。

【0066】

図９の実施例１の変形例２の場合も、変調器領域８のｐ電極３０とレーザ領域９のｎ電極２９の間の電位差は｜Ｖ_bEA−Ｖ_bLD｜となり、従来構造と比較して、接続導波路に加わる電界を抑制できる。

【0067】

（実施例２）
図１０は、本発明の実施例２の半導体光素子の全体構造を示す斜視図である。図１１は、実施例１の図５と同様に、本発明の実施例２の半導体光素子の光軸方向に見た導波路方向に垂直な、レーザ領域９の基板断面図１１（ａ）、接続導波路領域１３の基板断面図１１（ｂ）、および変調器領域８の基板断面図１１（ｃ）である。

【0068】

図１０の本発明の実施例２では、図４の実施例１と異なり、基板は単層の半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板４０であり、この基板の上に基板面に平行な横方向の電流注入構造および電圧印加構造を有する埋め込みコア層が形成されている。

【0069】

ＥＡ変調器領域８、接続導波路領域１３、およびレーザ領域９の各コア層２３、２４は、ともに例えば２０層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸から形成される。変調器領域８と接続導波路領域１３は、量子井戸のフォトルミネッセンス波長１．４８μｍの同一のコア層２３を使用することができる。また、レーザ領域９のコア層２４の量子井戸のフォトルミネッセンス波長は１．５５μｍである。コア幅は、いずれも０．８μｍであり、埋め込み層の厚さは４００ｎｍである。

【0070】

図１１（ａ）、（ｃ）に示すように、変調器領域８、およびレーザ領域９のコア層（量子井戸層）２３，２４の両側の基板上には、コア層の積層面に平行な方向かつ光導波方向に直交する方向の両側から電圧を与えるために、異なるタイプ（型、半導体極性）のドーピングが施されたＩｎＰクラッド層２５，２６より埋め込まれている。このとき、レーザ領域９と変調器領域８において、ＩｎＰクラッド層２５，２６の配置は、半導体のドーピング極性（ｐ型／ｎ型）が、光導波方向に見てコア層を挟んで基板の左右で逆になるように、入れ替えて配置されている。

【0071】

すなわち、図１１（ａ）のレーザ領域９のコア層２４の左側には、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型クラッド層２６が、コア層２４の右側には、Ｓｉドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型クラッド層２５が形成されている。

【0072】

一方、図１１（ｃ）の変調器領域８のコア層２３の左側には、Ｓｉドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型クラッド層２５が、コア層２３の右側には、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型クラッド層２６が形成されている。

【0073】

なお、図１１（ｂ）の接続導波路領域１３のコア層２３の周囲は、クラッド層として真性半導体（ｉ−ＩｎＰ）２２で埋め込まれ、その両脇は基板上層のＳｉＯ₂層２１に続くＳｉＯ₂層で埋め込まれており、右側で共通電極５０を支持している。

【0074】

実施例２においても、実施例１の変形例１（図８）と同様に、接続導波路領域１３の埋め込み幅を狭くする、ないしは中央部分で埋め込みをなくしてもよい。さらには、光入出力部分を含めて、全ての光接続導波路領域１３を埋め込みｉ−ＩｎＰ層２２のない細線導波路構造にすることもできる。

【0075】

図１１（ａ）（ｃ）にあるように、レーザ領域９および変調器領域８のクラッド層２５，２６の上部には、それぞれＩｎＧａＡｓコンタクト層２７，２８が形成され、それぞれドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ型ドーピング、ｐ型ドーピングが施されている。さらに、コンタクト層２７，２８の領域の上には電流注入用の電極２９，３０、および共通電極５０が形成され、電極間の表面にはＳｉＯ₂保護膜３１または表面回折格子１２が形成されている。見易さのため、図１０の斜視図にはＳｉＯ₂保護膜３１は表示していない。

【0076】

図１０の実施例２の半導体光素子は、実施例１の図４と同様に、変調器領域８とレーザ領域９、両領域間の接続導波路領域１３から構成されている。レーザ領域９の活性層長は６００μｍ、変調器領域８の活性層長は２００μｍ、接続導波路領域１３の長さは２０μｍである。

【0077】

図１０の斜視図に示すように、レーザ領域９のコア層２４の上部には厚さ１００ｎｍのＳｉＮ絶縁膜が形成され、ＳｉＮとＳｉＯ₂からなるブラッグ波長１．５５μｍのλ／４シフト回折格子構造が表面回折格子１２を形成している。

【0078】

また、接続導波路領域１３は、図１１（ｂ）の断面図に示すように、コア層２３が真性半導体（ｉ−ＩｎＰ）２２で埋め込まれている埋込み導波路により構成されている。

【0079】

図１０、１１に示すように、変調器領域８とレーザ領域９は、両領域間のＩｎＰ領域をエッチングすることで分離される。また、変調器領域８およびレーザ領域９のｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層は、それぞれの領域の必要な部分のみに形成されている。

【0080】

また、図１０、図１１に示すように、変調器領域８のｐ型クラッド層２６側の電極、レーザ領域９のｎ型クラッド層２５側の電極は、電気的に接続された一体の共通電極５０として形成されている。

【0081】

本実施例２の構成も、実施例１と同様に一般的な半導体素子の作製方法により作製できる。

【0082】

本実施例２においても、実施例１の図６と同様に駆動電圧源（電流源）４１，４２を接続することにより、リーク電流を抑制し、電圧耐性の高いＥＡ−ＤＦＢレーザを実現できる。特に本実施例２の構造は、ＩｎＰ基板上にレーザを構成しているために放熱の効果が高い。また、光のモードが低損失な半絶縁性ＩｎＰ領域に広がっているために損失が低く、レーザの光出力の増大に有利である。

【0083】

以上説明したように、本発明により、レーザ領域と変調器領域の電気的分離に優れたＥＡ−ＤＦＢレーザを実現することができる。なお、本発明に係る半導体光素子の構造は各実施例の形態に留まらない。動作波長は１．５５μｍとしたが、１．３μｍ帯等、その他の波長に対しても設計変更の範囲で実現できる。例えば、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系レーザの構成であれば、動作波長１μｍから２μｍの範囲で実現できる。

【0084】

また、レーザのコア層２４はＩｎＧａＡｓＰ系としたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系など、他の化合物半導体材料も適用することができる。また、本実施例においてはレーザ領域と変調器領域、接続領域のコア層を量子井戸構造としたが、いずれかの領域、もしくは全ての領域をバルク構造にすることもできる。また、回折格子１２はＳｉＮとＳｉＯ₂により構成したが、ＳｉＯＮやＳｉＯｘ等、その他の絶縁膜で構成しても構わないし、ＩｎＰの表面をエッチングすることで形成しても構わない。また、レーザのコア層２４の上下に直接、回折格子を形成することもできる。

【産業上の利用可能性】

【0085】

以上のように本発明によれば、簡易な作製方法により、電気的分離特性に優れたＥＡ−ＤＦＢレーザを実現することが可能となり、光通信システム用の光送信器に広範に利用することができる。

【符号の説明】

【0086】

１ 量子井戸層（コア層、活性層）
２ ｐ型クラッド層（ｐ−ＩｎＰ）
３ ｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）／基板
４ レーザコア層（量子井戸層、活性層）
５、６ ｎ電極、ｐ電極
７ ｐ型コンタクト層
８ 電界吸収（ＥＡ）変調器領域
９ レーザ領域
１０ ＥＡ−ＤＦＢレーザ素子
１１ 回折格子
１２ 表面回折格子
１３ 接続導波路領域
１５ 半絶縁性ＩｎＰ埋込み層
２０ シリコン基板
２１ ＳｉＯ₂層
２２ 真性半導体（ｉ−ＩｎＰ）層
２３、２４ コア層（量子井戸層、活性層）
２５、２６ ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層
２７、２８ （ｎ型／ｐ型）コンタクト層
２９、３０ ｎ電極、ｐ電極
３１ ＳｉＯ₂保護膜
４０ 半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ単層基板
４１ 変調信号源（バイアス電圧源）
４２ レーザ駆動電流源
５０ 共通電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】