特開 2023-20996 半導体光デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023020996

(43)【公開日】2023-02-09

(54)【発明の名称】半導体光デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/026 20060101AFI20230202BHJP

   H01S 5/12 20210101ALI20230202BHJP

   G02F 1/017 20060101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

H01S5/026 616

H01S5/12

G02F1/017 503

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022117814

(22)【出願日】2022-07-25

(31)【優先権主張番号】P 2021122992

(32)【優先日】2021-07-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】899000068

【氏名又は名称】学校法人早稲田大学

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】開 達郎

(72)【発明者】

【氏名】松尾 慎治

(72)【発明者】

【氏名】相原 卓磨

(72)【発明者】

【氏名】硴塚 孝明

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼畑 清人

【テーマコード（参考）】

2K102

5F173

【Ｆターム（参考）】

2K102AA20

2K102BA02

2K102BB01

2K102BC04

2K102BD01

2K102DA05

2K102DA08

2K102DA11

2K102DD03

2K102EA02

2K102EA16

2K102EB20

2K102EB29

5F173AA22

5F173AA40

5F173AB13

5F173AB19

5F173AH14

5F173AH48

5F173AK22

5F173AQ03

5F173AR93

(57)【要約】

【課題】ＥＡ－ＤＦＢレーザなどの半導体光デバイスが、容易に製造できるようにする。
【解決手段】半導体光デバイスは、基板１０１の上に形成された活性層１０４をコアとする光導波路構造を備え、光導波路構造は、分布帰還型レーザからなるレーザ領域１３１と、レーザ領域１３１に連続して配置された電界吸収型変調器からなる変調領域１３２とを備え、変調領域１３２の活性層１０４は、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造１０４ａから構成されている。このように構成することで、変調領域１３２の活性層１０４の吸収端波長が、レーザ領域１３１の活性層１０４の吸収端波長より短い波長となるようにしている。
【選択図】 図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の上に形成された活性層をコアとする光導波路構造を備え、
前記光導波路構造は、
分布帰還型レーザからなるレーザ領域と、
前記レーザ領域に連続して配置された電界吸収型変調器からなる変調領域と
を備え、
前記変調領域の前記活性層の吸収端波長が、前記レーザ領域の前記活性層の吸収端波長より短い波長となるように、前記変調領域の前記活性層は、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造から構成されている
ことを特徴とする半導体光デバイス。

【請求項2】

請求項１記載の半導体光デバイスにおいて、
前記レーザ領域の前記活性層は、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造から構成されていることを特徴とする半導体光デバイス。

【請求項3】

請求項２記載の半導体光デバイスにおいて、
前記レーザ領域の共振器は、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造から構成された前記活性層による回折格子から構成されていることを特徴とする半導体光デバイス。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体光デバイスにおいて、
前記レーザ領域は、横方向電流注入型とされ、
前記変調領域は、横方向電圧印加型とされている
ことを特徴とする半導体光デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光送信器などに利用される半導体光デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

インターネットおよびモバイルネットワーク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が続いている。データ通信量の増大は、今や長距離の光ファイバ通信から、短距離のインタコネクションに渡るあらゆる通信で求められており、データ通信の大容量化、高速化に対する要求は止まることがない。

【0003】

このような背景から、近年ではデータ通信量の増大に伴い、５０ＧＢａｕｄを超える高ボーレートの変調光源が注目され、１００ＧＢＡＳＥ－ＤＲや４００ＧＢＡＳＥ－ＤＲ４など、既に５０ＧＢａｕｄ級の光トランシーバがインターネット規格において標準化されており、今後更なる高ボーレートの変調光源の進展が期待されている。

【0004】

高速変調光源としては、消費電力の観点からはレーザの駆動電流を変調する直接変調レーザなどの半導体光デバイスが有望である。直接変調レーザの変調帯域は、長らく緩和振動周波数により制限されてきたが、近年、光－光共鳴などの変調帯域を伸ばす効果が新たに提案され、実験レベルでは１００ＧＨｚ近くの３ｄＢ帯域を有する変調レーザも報告されている（非特許文献１）。

【0005】

一方で、簡易かつ高速変調に適した変調光源として商用化がなされてきた半導体光デバイスとして、電界吸収（ＥＡ）変調器と分布帰還（ＤＦＢ）レーザとを集積したＥＡ－ＤＦＢレーザがある。図７に、従来型の一般的なＥＡ－ＤＦＢレーザの構造を示す。

【0006】

このレーザは、ｎ型ＩｎＰからなる基板３０１の上に、レーザ領域３３１と変調領域３３２とを備える。レーザ領域３３１は、ＩｎＧａＡｓＰからなるレーザ用の量子井戸活性層３０２を備え、共振器内に形成された回折格子３０３によって単一波長で発振する。変調領域３３２は、ＩｎＧａＡｓＰからなる変調器用の活性層３０４を備える。量子井戸活性層３０２の吸収端波長は、活性層３０４の吸収端波長よりも長波長側に設定されている。

【0007】

量子井戸活性層３０２および活性層３０４は、上下を下部光閉じ込め層３０５および上部光閉じ込め層３０６に挟まれ、分離閉じ込めヘテロ（Separate Confined Heterostructure；ＳＣＨ）構造とされている。回折格子３０３は、上部光閉じ込め層３０６の上面に形成された周期的な凹凸パターンにより構成されている。また、上部光閉じ込め層３０６の上には、ｐ型のＩｎＰからなる半導体層３０７が形成され、レーザ領域３３１、変調領域３３２の各々に、ｐ電極３０８，ｐ電極３０９が形成されている。また、基板３０１の裏面には、ｎ電極３１０が形成されている。

【0008】

レーザ領域３３１には順バイアスを与えて電流注入によりレーザ発振動作を行い、変調領域３３２には逆バイアスを与えて、量子井戸による量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）により強度変調を行う。このＥＡ－ＤＦＢレーザにより、これまで、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速変調動作が報告されており（非特許文献２）、１０Ｇｂｉｔ／ｓをはじめとする商用光送信器に適用されてきた。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】S. Yamaoka et al., "Directly modulated membrane lasers with 108 GHz bandwidth on a high-thermal-conductivity silicon carbide substrate", Nature Photonics, vol. 15, pp. 28-35, 2021.

【非特許文献2】W. Kobayashi et al., "Design and Fabrication of 10-/40-Gb/s, Uncooled Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure", 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】

【0010】

ところで、従来のＥＡ－ＤＦＢレーザは、前述したように、変調領域の活性層の吸収端波長と、レーザ領域の活性層の吸収端波長とを異なるものとしている。このため、変調領域とレーザ領域とで異なる活性層の形成が必要となる。このような構成は、例えば、複数回の活性層のバットジョイント成長や、各々の活性層において、選択成長によるバンドギャップ制御といった結晶成長技術が必要となっていた。このように、従来、ＥＡ－ＤＦＢレーザなどの半導体光デバイスは、容易に製造することができないという問題があった。

【0011】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＥＡ－ＤＦＢレーザなどの半導体光デバイスが、容易に製造できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係る半導体光デバイスは、基板の上に形成された活性層をコアとする光導波路構造を備え、光導波路構造は、分布帰還型レーザからなるレーザ領域と、レーザ領域に連続して配置された電界吸収型変調器からなる変調領域とを備え、変調領域の活性層の吸収端波長が、レーザ領域の活性層の吸収端波長より短い波長となるように、変調領域の活性層は、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造から構成されている。

【発明の効果】

【0013】

以上説明したように、本発明によれば、変調領域の活性層を、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造から構成したので、ＥＡ－ＤＦＢレーザなどの半導体光デバイスが、容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1A】図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る半導体光デバイスの一部構成を示す断面図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る半導体光デバイスの構成を示す斜視図である。

【図2A】図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る半導体光デバイスの一部構成を示す断面図である。

【図2B】図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る半導体光デバイスの一部構成を示す断面図である。

【図2C】図２Ｃは、本発明の実施の形態１に係る半導体光デバイスの一部構成を示す断面図である。

【図3A】図３Ａは、井戸層厚４ｎｍ、６ｎｍ、８ｎｍとした多重量子井戸層とした活性層１０４の動作波長（基底準位間の遷移波長）の活性層幅Ｄ_MODおよびＤ_LD依存性を示す特性図である。

【図3B】図３Ｂは、井戸層厚４ｎｍ、６ｎｍ、８ｎｍとした多重量子井戸層とした活性層１０４の基底準位と励起準位の遷移波長間隔の活性層幅Ｄ_MODおよびＤ_LD依存性を示す特性図である。

【図4】図４は、変調領域１３２に構成される光変調器の吸収スペクトルと、レーザ領域１３１に構成されるレーザの利得スペクトルを示す特性図である。

【図5A】図５Ａは、変調領域１３２のブラッグ波長λ_bMODをレーザ領域１３１のブラッグ波長λ_bLDに対して短波長側に配置した状態を説明するための説明図である。

【図5B】図５Ｂは、変調領域１３２のブラッグ波長λ_bMODをレーザ領域１３１のブラッグ波長λ_bLDに対して長波長側に配置した状態を説明するための説明図である。

【図5C】図５Ｃは、変調領域１３２のストップバンドをレーザ領域１３１の回折格子のストップバンド内に配置した状態を説明するための説明図である。

【図6A】図６Ａは、本発明の実施の形態２に係る半導体光デバイスの構成を示す断面図である。

【図6B】図６Ｂは、本発明の実施の形態１に係る半導体光デバイスの構成を示す斜視図である。

【図7】図７は、従来型の一般的なＥＡ－ＤＦＢレーザの構造を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態に係る半導体光デバイスについて説明する。

【0016】

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る半導体光デバイスについて、図１Ａ，図１Ｂ，図２Ａ，図２Ｂを参照して説明する。

【0017】

この半導体光デバイスは、基板１０１の上に形成された活性層１０４をコアとする光導波路構造を備え、光導波路構造は、分布帰還型レーザからなるレーザ領域１３１と、レーザ領域１３１に連続して配置された電界吸収型変調器からなる変調領域１３２とを備える。この半導体光デバイスは、よく知られたＥＡ－ＤＦＢレーザである。なお、図１Ａは、基板１０１の面に垂直で、導波方向に平行な面の断面を示している。また、図２Ａ，図２Ｂは、導波方向に垂直な面の断面を示している。

【0018】

この半導体光デバイスにおいて、変調領域１３２の活性層１０４は、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造１０４ａから構成されている。このように構成することで、変調領域１３２の活性層１０４の吸収端波長が、レーザ領域１３１の活性層１０４の吸収端波長より短い波長となるようにしている。変調領域１３２の活性層１０４は、導波方向に、井戸構造１０４ａによる多重量子井戸構造が構成されたものとなる。

【0019】

なお、基板１０１の上には、クラッド層１０２が形成され、クラッド層１０２の上には、半導体層１０３が形成されている。活性層１０４は、半導体層１０３に埋め込まれている。このため、変調領域１３２においては、導波方向に垂直な面の断面をみると、図２Ａに示すように、井戸構造１０４ａが、上下を半導体層１０３に挾まれて出現する箇所と、図２Ｂに示すように、半導体層１０３のみが出現する箇所とが存在する。

【0020】

また、実施の形態１では、レーザ領域１３１の活性層１０４も、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造１０４ｂから構成している。このように構成したレーザ領域１３１は、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造１０４ｂから構成された活性層１０４により、回折格子を構成して共振器としている。

【0021】

また、実施の形態１において、活性層１０４は、基板１０１の平面方向に、ｐ型半導体層１０６と、ｎ型半導体層１０７とに挟まれた横方向電流注入型・横方向電圧印加型とされている。レーザ領域１３１が、基板１０１の平面方向に電流が注入される横方向電流注入型とされている。また、変調領域１３２が、基板１０１の平面方向に電圧が印加される横方向電圧印加型とされている。変調領域１３２において、ｐ型半導体層１０６の上には、第１ｐ型コンタクト層１０８を介して、第１ｐ電極１１０が形成されている。また、変調領域１３２において、ｎ型半導体層１０７の上には、第１ｎ型コンタクト層１０９を介して、第１ｎ電極１１１が形成されている。

【0022】

また、レーザ領域１３１において、 ｐ型半導体層１０６の上には、第２ｐ型コンタクト層１１２を介して、第２ｐ電極１１４が形成されている。また、レーザ領域１３１において、ｎ型半導体層１０７の上には、第２ｎ型コンタクト層１１３を介して、第２ｎ電極１１５が形成されている。なお、活性層１０４は、厚さ方向に、多重量子井戸構造とすることができ、また、いわゆるバルク構造とすることもできる。

【0023】

例えば、基板１０１は、シリコン基板とすることができる。また、クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）から構成し、厚さ２μｍ程度とすることができる。また、半導体層１０３は、例えば、ノンドープのＩｎＰなどの化合物半導体から構成することができる。また、半導体層１０３は、厚さ３５０ｎｍとすることができる。

【0024】

また、活性層１０４は、ＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸層による多重量子井戸構造とすることができる。例えば、活性層１０４は、例えば幅７００ｎｍ、厚さ６ｎｍの井戸層を６層用いた多重量子井戸層とすることができる。図２Ｃに例示するように、活性層１０４は、バンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層１４１、バンドギャップの高いＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層１４２による多重量子井戸層とすることができる。活性層１０４は、総厚さを例えば１００ｎｍとすることができる。この場合、活性層１０４の下部における半導体層１０３の厚さは、１５０ｎｍとし、上部における半導体層１０３の厚さは、１００ｎｍとすることができる。

【0025】

ｐ型半導体層１０６は、例えば、ＩｎＰから構成され、厚さ３００ｎｍ程度とされている。また、ｐ型半導体層１０６は、ｐ型ドーパントとして、Ｚｎが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度の濃度でドーピングされている。また、ｎ型半導体層１０７は、ＩｎＰから構成され、厚さ３００ｎｍ程度とされている。また、ｎ型半導体層１０７は、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉが、１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度の濃度でドーピングされている。この例では、ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０７の上面から突出する部分の半導体層１０３の厚さ（リッジ高さ）が、５０ｎｍとなる。なお、ｐ型半導体層１０６、ｎ型半導体層１０７の厚さは、２５０ｎｍとすることもできる。この場合、ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０７の上面から突出する部分の半導体層１０３の厚さ（リッジ高さ）が、１００ｎｍとなる。

【0026】

また、第１ｐ型コンタクト層１０８、第２ｐ型コンタクト層１１２は、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成し、濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度に、ｐ型ドーパントがドーピングされている。また、第１ｎ型コンタクト層１０９、第２ｎ型コンタクト層１１３は、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成し、濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度に、ｎ型ドーパントがドーピングされている。なお、レーザ領域１３１と変調領域１３２との間には、活性層１０４がなく、半導体層１０３をコアとする光導波路が構成されている。

【0027】

この構成において、コアの領域となる半導体層１０３のクラッド層１０２の上面からの高さ（厚さ）が３５０ｎｍとされ、ｐ型半導体層１０６，ｎ型半導体層１０７の厚さが３００ｎｍとされているので、リブ型導波路として機能し、半導体層１０３によるコア領域への横方向の光閉じ込めが確保される。

【0028】

実施の形態１において、変調領域１３２における井戸構造１０４ａの導波方向（光伝搬方向）の幅Ｄ_MODおよび間隔Λ_MODと、レーザ領域１３１における井戸構造１０４ｂの導波方向の幅Ｄ_LDおよび間隔Λ_LDとは、各々異なっている。例えば、Ｄ_MODは３０ｎｍ、Λ_MODは１００ｎｍとし、Ｄ_LDは２００ｎｍ、Λ_LDは２７６ｎｍとすることができる。

【0029】

上述した各寸法において、レーザ領域１３１で構成されるレーザのブラッグ波長λ_bLDは１．５５μｍとなる。変調領域１３２の導波方向長さは、３００μｍとしレーザ領域１３１の導波方向長さは１００μｍとすることができる。

【0030】

図１Ｂに示すように、変調領域１３２とレーザ領域１３１の接続領域には、コンタクト層および電極を形成せずに電気的に分離する。変調領域１３２の第１ｐ電極１１０と第１ｎ電極１１１との間には逆バイアス方向に電圧を与え、レーザ領域１３１の第２ｐ電極１１４と第２ｎ電極１１５との間には順バイアス方向に電圧を与える。

【0031】

次に、ＥＡ－ＤＦＢレーザとする実施の形態に係る半導体光デバイスの動作と効果について説明する。

【0032】

実施の形態１に係る半導体装置では、変調領域１３２の井戸構造１０４ａと、レーザ領域１３１の井戸構造１０４ｂとで、各々異なる幅に設定して周期的に配置する。変調領域１３２の井戸構造１０４ａの幅Ｄ_MODをレーザ領域１３１の井戸構造１０４ｂの幅Ｄ_LDよりも細くし、複数の井戸構造１０４ａからなる変調領域１３２の活性層１０４に、導波方向に２次元的な量子効果を発現させる。このことにより、変調領域１３２の遷移波長または吸収端波長λ_MODが、導波方向に連続している活性層１０４の遷移波長または吸収端波長λ_wellよりも短波長化する。

【0033】

図３Ａ、図３Ｂに、井戸層厚４ｎｍ、６ｎｍ、８ｎｍとした多重量子井戸層とした活性層１０４の動作波長の活性層幅Ｄ_MODおよびＤ_LD依存性を示す。図３Ａは、基底準位間の遷移波長、図３Ｂは基底準位と励起準位の遷移波長間隔を示す。活性層幅が狭くなるに従い、２次元的な量子効果の発現によって遷移波長が短波長化し、合わせて遷移波長間隔が広くなる。実施例として、井戸幅を６ｎｍとし、Ｄ_MODが３０ｎｍ、Ｄ_LDは２００ｎｍとすると、変調領域１３２の遷移波長が１．５μｍ、レーザ領域１３１の遷移波長が１．５５μｍとなり、変調領域１３２の吸収端がレーザ領域１３１に対して５０ｎｍ短波長側に離調される。また、基底準位と励起準位の波長間隔は変調領域１３２では８０ｎｍ、レーザ領域１３１では１．５ｎｍとなり、変調領域１３２において強い量子効果が現れる。

【0034】

このように構成した変調領域１３２に構成される光変調器の吸収スペクトルと、レーザ領域１３１に構成されるレーザの利得スペクトルを図４に示す。変調領域１３２の吸収端波長λ_MODが短波長化し、量子効果により急峻な吸収スペクトルが発現する。この構成において、レーザの発振波長λ_LDをλ_MOD吸収端波長よりも長波長化することにより、変調領域１３２に電圧を与えない場合の伝搬損失を抑制できる。変調領域１３２に逆バイアスの電圧を与えると、１次元フランツケルディッシュ効果により吸収端が長波長側にシフトし、レーザ領域１３１に構成されるレーザの動作波長領域の吸収損失が増大し、強度変調が実現される。

【0035】

このような強度変調において、光吸収により発生した電子・正孔対は、活性層１０４の厚さ方向を構成している量子井戸構造と、複数の井戸構造１０４ａによる導波方向の量子井戸構造において、厚さ方向および水平方向に障壁なく掃引されるため、高速な変調動作が実現される。また、半導体層１０３は、厚さ３５０ｎｍと比較的薄い構造としているので、単位長さあたりの素子の寄生容量が低く、ＣＲ時定数の面でも高速動作の点で効果がある。

【0036】

レーザ領域１３１は、活性層１０４を構成する複数の井戸構造１０４ｂが、周期的に配置されており、これらによって、屈折率結合・利得結合の複合型のブラッグ回折格子として機能する。この構造を採用することで、位相シフトなどを設けることなく、均一な回折格子構造を用いても、回折格子の長波長側ストップバンドの安定な単一モード動作を実現できる（参考文献）。この例では、レーザ領域１３１のブラッグ波長は１．５５μｍである。活性層１０４の結合係数は１０００ｃｍ^-1であり、小型のレーザ共振器を形成可能な高い結合係数が実現できる。

【0037】

また、複数の井戸構造１０４ｂによる利得結合の効果によって、反射耐性の向上にも効果がある。なお、変調領域１３２においても、複数の井戸構造１０４ａによる周期的活性層構造が形成されるため、変調領域１３２においてもブラッグ回折格子が形成される。この構成においては、図５Ａ，図５Ｂに示すように、変調領域１３２のブラッグ波長λ_bMODをレーザ領域１３１のブラッグ波長λ_bLDに対して短波長側、もしくは長波長側に配置することで、レーザの発振光への変調領域１３２の反射の影響を抑制するように設定することができる。この例における変調領域１３２のブラッグ波長は５６０ｎｍであり、変調領域１３２の反射スペクトルがレーザ領域の透過スペクトルに対して大幅に短波長側に配置されている。

【0038】

また，図５Ｃに示すように、変調領域１３２のストップバンドが、レーザ領域１３１の回折格子のストップバンド内に配置されるように設定すると、レーザの自然放出光が抑制されるため、変調領域１３２の反射の影響の抑制に効果がある。上述した実施例１に係る半導体光デバイスによれば、単一の活性層１０４を用いた、５０Ｇｂａｕｄ級の高速変調に適用可能な集積変調光源が実現できる。

【0039】

実施の形態に係る半導体光デバイスは、既存の素子作製方法により作製できる。例えばシリコン基板上にＳｉＯ₂を形成して酸素プラズマアシスト接合などの貼り合わせ技術を用い、ＩｎＰ基板の上にエピタキシャル成長により形成した化合物半導体層を接合し、この化合物半導体層の上に、有機金属気相成長法などを用い、活性層１０４の成長や、活性層１０４の埋め込み成長を行い、半導体層１０３の形成ができる。

【0040】

半導体層１０３の形状の形成や、活性層１０４における井戸構造１０４ａ、井戸構造１０４ｂの形成は、例えば、公知のフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィー、およびウェット，ドライエッチングを用いた加工が適用できる。また、ｐ型半導体層１０６と、ｎ型半導体層１０７の形成については、ＩｎＰの再成長を用いてもよいし、ノンドープのＩｎＰとコンタクトＩｎＧａＡｓ層を形成した後に、イオン注入や熱拡散などを用いてｎ型およびｐ型の不純物を導入することにより作製してもよい。

【0041】

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体光デバイスについて、図６Ａ，図６Ｂを参照して説明する。

【0042】

この半導体光デバイスは、基板１０１の上に形成された活性層１０４をコアとする光導波路構造を備え、光導波路構造は、分布帰還型レーザからなるレーザ領域１３１ａと、レーザ領域１３１ａに連続して配置された電界吸収型変調器からなる変調領域１３２とを備える。この半導体光デバイスは、よく知られたＥＡ－ＤＦＢレーザである。なお、図６Ａは、基板１０１の面に垂直で、導波方向に平行な面の断面を示している。

【0043】

この半導体光デバイスにおいて、変調領域１３２の活性層１０４は、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造１０４ａから構成されている。このように構成することで、変調領域１３２の活性層１０４の吸収端波長が、レーザ領域１３１ａの活性層１０４の吸収端波長より短い波長となるようにしている。変調領域１３２の活性層１０４は、導波方向に、井戸構造１０４ａによる多重量子井戸構造が構成されたものとなる。

【0044】

なお、基板１０１の上には、クラッド層１０２が形成され、クラッド層１０２の上には、半導体層１０３が形成されている。活性層１０４は、半導体層１０３に埋め込まれている。

【0045】

また、実施の形態２では、レーザ領域１３１ａの活性層１０４は、導波方向に連続した構造１０４ｃから構成している。また、実施の形態２では、レーザ領域１３１ａにおいて、半導体層１０３の上面に形成された周期的な凹凸パターンにより回折格子１０５を構成し、これにより共振器を構成している。なお、回折格子１０５は、半導体層１０３の上面に、ＩｎＰ薄膜層の上にＳｉＯ₂やＳｉＮなどによる誘電体層を形成し、この誘電体層をエッチングして形成することもできる。

【0046】

また、実施の形態２においても、活性層１０４は、基板１０１の平面方向に、ｐ型半導体層１０６と、ｎ型半導体層１０７とに挟まれた横方向電流注入型・横方向電圧印加型とされている。変調領域１３２において、ｐ型半導体層１０６の上には、第１ｐ型コンタクト層１０８を介して、第１ｐ電極１１０が形成されている。また、変調領域１３２において、ｎ型半導体層１０７の上には、第１ｎ型コンタクト層１０９を介して、第１ｎ電極１１１が形成されている。

【0047】

また、レーザ領域１３１ａにおいて、 ｐ型半導体層１０６の上には、第２ｐ型コンタクト層１１２を介して、第２ｐ電極１１４が形成されている。また、レーザ領域１３１ａにおいて、ｎ型半導体層１０７の上には、第２ｎ型コンタクト層１１３を介して、第２ｎ電極１１５が形成されている。なお、活性層１０４は、厚さ方向に、多重量子井戸構造とすることができ、また、いわゆるバルク構造とすることもできる。

【0048】

実施の形態２に係る半導体光デバイスは、実施の形態１におけるレーザ領域１３１実施例１におけるレーザ領域を、回折格子１０５による表面回折格子型のＤＦＢレーザとした構成ものであり、他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。レーザ領域１３１ａは、導波方向の長さが１００μｍの、連続した構造１０４ｃにより活性層１０４を構成している。

【0049】

また、実施の形態２において、レーザ領域１３１ａの変調領域１３２側の前段１０５ａに対し、後端１０５ｂの回折格子１０５のピッチを広くする。この構成とすることにより、レーザ領域１３１ａは、屈折率結合型のＤＦＢレーザとして動作し、回折格子１０５の長波長側ストップバンドの安定な単一モード動作を実現できる。本構造を用いても、単一の活性層１０４を用いた、５０Ｇｂａｕｄ級の高速変調に適用可能な集積変調光源が実現できる。

【0050】

実施の形態２によれば、実施の形態１に比較して、回折格子の結合係数の制御が容易であり、例えばレーザの共振器長を長くしてかつ結合係数の値を抑制して安定な単一モード動作を確保し、電流密度を抑制して高出力動作を実現するのに効果がある。

【0051】

なお、活性層材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓなどのＩｎＰ基板に成長可能なあらゆる材料を用いることができる。また、上述した実施の形態では、活性層内の高い光閉じ込めを実現するためにＳｉＯ₂／Ｓｉ基板上の薄膜構造を用いたが、ＩｎＰ基板上に同様の構造を形成することも可能である。また、変調領域は、当然単独の変調器としても動作するほか、ゲート素子などの集積光回路に適用することができる。

【0052】

以上に説明したように、本発明によれば、変調領域の活性層を、導波方向に周期的に分離した複数の井戸構造から構成したので、ＥＡ－ＤＦＢレーザなどの半導体光デバイスが、容易に製造できるようになる。

【0053】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【0054】

［参考文献］K. Ohira et al, "Low-Threshold and High-Efficiency Operation of Distributed Reflector Lasers With Width-Modulated Wirelike Active Regions", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 11, no. 5, pp. 1162-1168, 2005.

【符号の説明】

【0055】

１０１…基板、１０２…クラッド層、１０３…半導体層、１０４…活性層、１０４ａ…井戸構造、１０４ｂ…井戸構造、１０５…回折格子、１０６…ｐ型半導体層、１０７…ｎ型半導体層、１０８…第１ｐ型コンタクト層、１０９…第１ｎ型コンタクト層、１１０…第１ｐ電極、１１１…第１ｎ電極、１１２…第２ｐ型コンタクト層、１１３…第２ｎ型コンタクト層、１１４…第２ｐ電極、１１５…第２ｎ電極、１３１…レーザ領域、１３２…変調領域。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図7】