JP2890644B2 - 集積型光変調器の製造方法 - Google Patents
集積型光変調器の製造方法Info
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- H01S5/2224—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers having special electric properties semi-insulating semiconductors
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光変調器と半導体レーザを集積化した集積型
光変調器およびその製造方法に関する。
光変調器およびその製造方法に関する。
（従来の技術） 分布帰還型半導体レーザ（DFBLD）等の単一軸モード
レーザと電界吸収型の半導体光変調器とを集積化した光
源は、レーザ領域で発光した一定の波長の光を変調領域
に信号電圧を加えることにより強度変調することができ
る。レーザ部と変調器部とが分離されているため、従来
のDFBLDを直接変調する方式に比べ変調時の波長変動
（波長チャーピング）を小さくできるという特長を有し
ている。波長チャーピングが小さな光源を用いると、光
ファイバの波長分散の影響を受けることのない光伝送が
可能になるため、集積型光変調器は将来の長距離・大容
量光ファイバ伝送用の光源として期待され、研究開発も
盛んに行われている。従来の集積型光変調器の一例とし
て古津らの報告によるもの（1989年電子情報通信学会秋
季全国大会講演予稿集、Ｃ−179）がある。この素子で
は寄生容量を低減して変調速度の高速化を図るために、
レーザ領域の活性層を含むメサストライプ及び変調領域
の光吸収層を含むメサストライプがともに側面を高抵抗
半導体によって埋め込まれた構造となっている。レーザ
側の発振しきい値電流20mA、光出力は17mWであり、変調
器側では素子容量として0.55pF、帯域として10GHzが得
られている。
レーザと電界吸収型の半導体光変調器とを集積化した光
源は、レーザ領域で発光した一定の波長の光を変調領域
に信号電圧を加えることにより強度変調することができ
る。レーザ部と変調器部とが分離されているため、従来
のDFBLDを直接変調する方式に比べ変調時の波長変動
（波長チャーピング）を小さくできるという特長を有し
ている。波長チャーピングが小さな光源を用いると、光
ファイバの波長分散の影響を受けることのない光伝送が
可能になるため、集積型光変調器は将来の長距離・大容
量光ファイバ伝送用の光源として期待され、研究開発も
盛んに行われている。従来の集積型光変調器の一例とし
て古津らの報告によるもの（1989年電子情報通信学会秋
季全国大会講演予稿集、Ｃ−179）がある。この素子で
は寄生容量を低減して変調速度の高速化を図るために、
レーザ領域の活性層を含むメサストライプ及び変調領域
の光吸収層を含むメサストライプがともに側面を高抵抗
半導体によって埋め込まれた構造となっている。レーザ
側の発振しきい値電流20mA、光出力は17mWであり、変調
器側では素子容量として0.55pF、帯域として10GHzが得
られている。
（発明が解決しようとする課題） 上記の素子ではｐサイドの電極はメサストライプの上
に直接形成されており、半導体と電極とのオーミックコ
ンタクトはメサストライプの最上層の幅（約２μｍ）に
限定されている。メサストライプの幅が狭いとオーミッ
ク抵抗が増加し、発熱によりレーザの出力が飽和した
り、高温動作が不安定になったりする。また、その結果
長期信頼性が維持できなくなる問題等が発生する。高出
力・高温動作及び高い信頼性を得るためには、半導体レ
ーザ素子の経験からオーミックコンタクトの幅は少なく
とも７μｍ以上必要であることが分かっている。一方メ
サストライプを広くすると横高次モードが発振し易くな
るためメサ幅は３μｍ以上には拡大できない。
に直接形成されており、半導体と電極とのオーミックコ
ンタクトはメサストライプの最上層の幅（約２μｍ）に
限定されている。メサストライプの幅が狭いとオーミッ
ク抵抗が増加し、発熱によりレーザの出力が飽和した
り、高温動作が不安定になったりする。また、その結果
長期信頼性が維持できなくなる問題等が発生する。高出
力・高温動作及び高い信頼性を得るためには、半導体レ
ーザ素子の経験からオーミックコンタクトの幅は少なく
とも７μｍ以上必要であることが分かっている。一方メ
サストライプを広くすると横高次モードが発振し易くな
るためメサ幅は３μｍ以上には拡大できない。
メサ幅を安定な横基本モード動作が得られる２μｍ以
下に設定した状態でオーミック抵抗を小さくするために
は、メサストライプ及び高抵抗ブロック層の上に第二導
電型（ここでは半導体基板にｎ型を用いているのでｐ
型）の埋め込み層を形成し、その上に電極を設けること
でコンタクト面積を広くすることが有効と考えられる。
但し埋め込み層を全ての領域に渡って形成したのでは、
低抵抗な埋め込み層の存在により、レーザ領域と変調領
域との間の分離抵抗が小さくなってしまう。この分離抵
抗が小さいと、変調信号のレーザ領域への漏れ込みによ
り波長チャーピングが生じてしまう。この波長チャーピ
ングを伝送特性に影響を与えない程度に制御するために
は、数〜10kΩ以上の分離抵抗が必要とされる。しか
し、上記の従来の素子では分離抵抗は1kΩと十分ではな
かった。
下に設定した状態でオーミック抵抗を小さくするために
は、メサストライプ及び高抵抗ブロック層の上に第二導
電型（ここでは半導体基板にｎ型を用いているのでｐ
型）の埋め込み層を形成し、その上に電極を設けること
でコンタクト面積を広くすることが有効と考えられる。
但し埋め込み層を全ての領域に渡って形成したのでは、
低抵抗な埋め込み層の存在により、レーザ領域と変調領
域との間の分離抵抗が小さくなってしまう。この分離抵
抗が小さいと、変調信号のレーザ領域への漏れ込みによ
り波長チャーピングが生じてしまう。この波長チャーピ
ングを伝送特性に影響を与えない程度に制御するために
は、数〜10kΩ以上の分離抵抗が必要とされる。しか
し、上記の従来の素子では分離抵抗は1kΩと十分ではな
かった。
本発明の目的は、横基本モードで動作し、高出力動作
に優れ、かつ十分な分離抵抗を有することにより変調時
の波長チャーピングが小さな集積型光変調器とその製造
方法を提供することにある。
に優れ、かつ十分な分離抵抗を有することにより変調時
の波長チャーピングが小さな集積型光変調器とその製造
方法を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明による集積型光変調器は、第一導電型の半導体
基板の上に形成された少なくとも活性層とその上の第二
導電型のクラッド層を含むメサストライプと、該メサス
トライプの両側面を埋める高抵抗ブロック層とを備え、
該メサストライプは２分され、それぞれの活性層の禁制
帯幅の異なる集積型光変調器において、禁制帯幅の狭い
活性層を含む領域であるレーザ領域と禁制帯幅の広い活
性層を含む変調領域との境界領域のクラッド層の断面積
が１〜２μm2であり、前記境界領域を除いて前記高抵抗
ブロック層とメサストライプの上に第二導電型の埋め込
み層を備え、前記レーザ領域と変調領域の埋め込み層の
上に第一、第二の電極を、前記基板半導体の下に第三の
電極を有してなることを特徴とする。
基板の上に形成された少なくとも活性層とその上の第二
導電型のクラッド層を含むメサストライプと、該メサス
トライプの両側面を埋める高抵抗ブロック層とを備え、
該メサストライプは２分され、それぞれの活性層の禁制
帯幅の異なる集積型光変調器において、禁制帯幅の狭い
活性層を含む領域であるレーザ領域と禁制帯幅の広い活
性層を含む変調領域との境界領域のクラッド層の断面積
が１〜２μm2であり、前記境界領域を除いて前記高抵抗
ブロック層とメサストライプの上に第二導電型の埋め込
み層を備え、前記レーザ領域と変調領域の埋め込み層の
上に第一、第二の電極を、前記基板半導体の下に第三の
電極を有してなることを特徴とする。
また、本発明による集積型光変調器の製造方法は第一
導電型の半導体基板の上に少なくとも禁制帯幅の異なる
活性層とその上の第二導電型クラッド層を含むメサスト
ライプを形成した後、該メサストライプの両側面を高抵
抗ブロック層で埋め込む工程と、禁制帯幅の狭い活性層
を含む領域であるレーザ領域と禁制帯幅の広い活性層を
含む領域である変調領域との境界領域において前記高抵
抗ブロック層とメサストライプの上に絶縁膜を形成する
工程と、該絶縁膜の上を除いて第二導電型の埋め込み層
を形成する工程と、前記レーザ領域と変調領域の埋め込
み層の上に第一、第二の電極を、さらに前記半導体基板
の下に第三の電極を形成する工程とを含むことを特徴と
する。
導電型の半導体基板の上に少なくとも禁制帯幅の異なる
活性層とその上の第二導電型クラッド層を含むメサスト
ライプを形成した後、該メサストライプの両側面を高抵
抗ブロック層で埋め込む工程と、禁制帯幅の狭い活性層
を含む領域であるレーザ領域と禁制帯幅の広い活性層を
含む領域である変調領域との境界領域において前記高抵
抗ブロック層とメサストライプの上に絶縁膜を形成する
工程と、該絶縁膜の上を除いて第二導電型の埋め込み層
を形成する工程と、前記レーザ領域と変調領域の埋め込
み層の上に第一、第二の電極を、さらに前記半導体基板
の下に第三の電極を形成する工程とを含むことを特徴と
する。
（作用） 埋め込み層をレーザ領域と変調領域にのみ形成し、境
界領域に設けなければ、電極と半導体とのコンタクト面
積を広くすることにより素子のオーミック抵抗を小さく
し、かつ二つの領域間の分離抵抗を大きくとることが可
能である。この場合、レーザ領域と変調領域とはメサス
トライプの活性層上部のクラッド層のみにより電気的な
つながりを持つ。しかし、このクラッド層の断面積が十
分小さい（１〜２μm2）ため、分離抵抗の値として数10
kΩ以上が期待される。
界領域に設けなければ、電極と半導体とのコンタクト面
積を広くすることにより素子のオーミック抵抗を小さく
し、かつ二つの領域間の分離抵抗を大きくとることが可
能である。この場合、レーザ領域と変調領域とはメサス
トライプの活性層上部のクラッド層のみにより電気的な
つながりを持つ。しかし、このクラッド層の断面積が十
分小さい（１〜２μm2）ため、分離抵抗の値として数10
kΩ以上が期待される。
このような構造はウエハ全面に埋め込み層を形成した
後に、境界部において埋め込み層をエッチング除去して
もよいのであるが、この場合エッチング深さが浅過ぎる
と分離抵抗が小さ過ぎたり、また深過ぎると活性層を導
波する光の散乱損失の原因になるため、非常に厳しい深
さの制御が要求される。そこで、より簡単な方法で上記
の構造を得る方法は、メサストライプを高抵抗ブロック
層で側面を埋め込んだ後に、境界領域に相当する部分に
絶縁膜を形成し、その上から埋め込み層を結晶成長すれ
ば、埋め込み層は境界領域を除いて積層する。これによ
り制御良く、優れた特性の集積型変調器が得られる。
後に、境界部において埋め込み層をエッチング除去して
もよいのであるが、この場合エッチング深さが浅過ぎる
と分離抵抗が小さ過ぎたり、また深過ぎると活性層を導
波する光の散乱損失の原因になるため、非常に厳しい深
さの制御が要求される。そこで、より簡単な方法で上記
の構造を得る方法は、メサストライプを高抵抗ブロック
層で側面を埋め込んだ後に、境界領域に相当する部分に
絶縁膜を形成し、その上から埋め込み層を結晶成長すれ
ば、埋め込み層は境界領域を除いて積層する。これによ
り制御良く、優れた特性の集積型変調器が得られる。
（実施例） 以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。
る。
第１図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明の実施例で
ある集積型光変調器及びその製造方法を説明する図であ
る。第１図（ａ）ではｎ−InP基板１の上のレーザ領域
に相当する部分に周期2400Åの回折格子２を干渉露光法
により形成した後、全面に波長組成1.3μｍのｎ−InGaA
sPガイド層３（厚さ0.1μｍ）を成長する。その上に選
択成長法により、変調領域に波長組成1.40μｍのInGaAs
P光吸収層4a（禁制帯幅の広い活性層、厚さ0.25μｍ）
を、またレーザ領域に波長組成1.55μｍのInGaAsP発光
層4b（禁制帯幅の狭い活性層、厚さ0.15μｍ）を形成す
る。光吸収層4a、発光層4bの上にｐ−InPクラッド層５
（厚さ1.0μｍ）を形成する。第１図（ｂ）ではエッチ
ングによりストライプ状の活性層を含むメサストライプ
６（幅約1.5μｍ）を形成した後、その両脇をFeドープ
高抵抗InPブロック層７（厚さ３μｍ）とその上のｎ−I
nPバッファ層８（厚さ１μｍ）により埋め込む。そして
レーザ領域と変調領域の境界領域の半導体表面に素子分
離用の絶縁膜（SiO2）９を形成する。絶縁膜９の幅は約
10μｍである。第１図（ｃ）では絶縁膜９が形成された
ウエハ上にｐ−InP埋め込み層10（厚さ１μｍ）、その
上にP+−InGaAsキャップ層11（厚さ0.3μｍ）を成長す
る。このときレーザ領域と変調領域との境界部は絶縁膜
９で覆われているため、この部分には埋め込み層10は形
成されない。尚ここまでの結晶成長は全てMO−VPE法に
より行なった。第１図（ｄ）ではウエハ表面全体にSiO2
絶縁膜12をCVD法によって形成した後、レーザ領域と変
調領域のメサストライプ６の上部において絶縁膜12に窓
13a,13bを開け、更にレーザ領域にはボンディングパッ
ドの面積を小さくした電極14を、変調領域には電極15
を、半導体基板１の下にはコモン電極16を形成する。レ
ーザ領域の長さが400μｍ、変調領域の長さが200μｍと
なるように素子を切り出した後に、図中には示していな
いが、変調領域の端面にはSiN膜からなる無反射コーテ
ィングを施した。
ある集積型光変調器及びその製造方法を説明する図であ
る。第１図（ａ）ではｎ−InP基板１の上のレーザ領域
に相当する部分に周期2400Åの回折格子２を干渉露光法
により形成した後、全面に波長組成1.3μｍのｎ−InGaA
sPガイド層３（厚さ0.1μｍ）を成長する。その上に選
択成長法により、変調領域に波長組成1.40μｍのInGaAs
P光吸収層4a（禁制帯幅の広い活性層、厚さ0.25μｍ）
を、またレーザ領域に波長組成1.55μｍのInGaAsP発光
層4b（禁制帯幅の狭い活性層、厚さ0.15μｍ）を形成す
る。光吸収層4a、発光層4bの上にｐ−InPクラッド層５
（厚さ1.0μｍ）を形成する。第１図（ｂ）ではエッチ
ングによりストライプ状の活性層を含むメサストライプ
６（幅約1.5μｍ）を形成した後、その両脇をFeドープ
高抵抗InPブロック層７（厚さ３μｍ）とその上のｎ−I
nPバッファ層８（厚さ１μｍ）により埋め込む。そして
レーザ領域と変調領域の境界領域の半導体表面に素子分
離用の絶縁膜（SiO2）９を形成する。絶縁膜９の幅は約
10μｍである。第１図（ｃ）では絶縁膜９が形成された
ウエハ上にｐ−InP埋め込み層10（厚さ１μｍ）、その
上にP+−InGaAsキャップ層11（厚さ0.3μｍ）を成長す
る。このときレーザ領域と変調領域との境界部は絶縁膜
９で覆われているため、この部分には埋め込み層10は形
成されない。尚ここまでの結晶成長は全てMO−VPE法に
より行なった。第１図（ｄ）ではウエハ表面全体にSiO2
絶縁膜12をCVD法によって形成した後、レーザ領域と変
調領域のメサストライプ６の上部において絶縁膜12に窓
13a,13bを開け、更にレーザ領域にはボンディングパッ
ドの面積を小さくした電極14を、変調領域には電極15
を、半導体基板１の下にはコモン電極16を形成する。レ
ーザ領域の長さが400μｍ、変調領域の長さが200μｍと
なるように素子を切り出した後に、図中には示していな
いが、変調領域の端面にはSiN膜からなる無反射コーテ
ィングを施した。
こうして得られた素子のレーザ領域に電流注入したと
ころしきい値電流13mAで、波長1.55μｍで単一モードで
発振した。素子抵抗は４Ωと低い値を示した。従って高
出力動作に優れ変調器側から最高38mWの高出力動作を得
た。最高発振温度は108℃であった。変調器側を逆バイ
アス電圧により変調したところ、3Vp−ｐの変調電圧に
対して15dBの消光比を得た。レーザ領域と変調領域との
分離抵抗は約20kΩと高く、従って変調時においても信
号電流のリークによる波長のチャーピングはほとんど観
測されなかった。
ころしきい値電流13mAで、波長1.55μｍで単一モードで
発振した。素子抵抗は４Ωと低い値を示した。従って高
出力動作に優れ変調器側から最高38mWの高出力動作を得
た。最高発振温度は108℃であった。変調器側を逆バイ
アス電圧により変調したところ、3Vp−ｐの変調電圧に
対して15dBの消光比を得た。レーザ領域と変調領域との
分離抵抗は約20kΩと高く、従って変調時においても信
号電流のリークによる波長のチャーピングはほとんど観
測されなかった。
尚本発明では発光層4bに1.55μｍ組成のInGaAsPを用
いたが、発光層4bはInGaAs/InGaAsP多重量子井戸からな
ってもよい。また同様に、光吸収層4aも禁制帯幅が発光
層4bよりも広い多重量子井戸からなっていてもよい。ま
た本実施例では、高抵抗ブロック層７の上にｎ−InPバ
ッファ層８を設けたが、ｎ−InPバッファ層８は無くて
もよく、その場合でも本集積型光変調器はほとんど性能
を損ねることなく動作する。バッファ層８はInGaAsPか
らなっていてもよく、この場合バッファ層８を境界部に
おいて選択的に除去することができ、それによりレーザ
領域と変調領域との間の抵抗を一層高めることができ
る。更に本発明は、レーザ領域が分布反射型半導体レー
ザ（DBRLD）であっても、有効である。
いたが、発光層4bはInGaAs/InGaAsP多重量子井戸からな
ってもよい。また同様に、光吸収層4aも禁制帯幅が発光
層4bよりも広い多重量子井戸からなっていてもよい。ま
た本実施例では、高抵抗ブロック層７の上にｎ−InPバ
ッファ層８を設けたが、ｎ−InPバッファ層８は無くて
もよく、その場合でも本集積型光変調器はほとんど性能
を損ねることなく動作する。バッファ層８はInGaAsPか
らなっていてもよく、この場合バッファ層８を境界部に
おいて選択的に除去することができ、それによりレーザ
領域と変調領域との間の抵抗を一層高めることができ
る。更に本発明は、レーザ領域が分布反射型半導体レー
ザ（DBRLD）であっても、有効である。
（発明の効果） 本発明による集積型光変調器は、素子抵抗が低いため
高出力、高温動作に優れると共に、レーザ領域と変調領
域との間の分離抵抗が大きいため変調時のチャーピング
が小さいという特長を有している。本集積型光変調器は
長距離大容量光ファイバ通信用の光源として有望であ
る。
高出力、高温動作に優れると共に、レーザ領域と変調領
域との間の分離抵抗が大きいため変調時のチャーピング
が小さいという特長を有している。本集積型光変調器は
長距離大容量光ファイバ通信用の光源として有望であ
る。
第１図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明の実施例であ
る集積型光変調器の製造方法を説明する工程図であり、
図において１……ｎ−InP基板、２……回折格子、３…
…ｎ−InGaAsPガイド層、4a……InGaAsP光吸収層、4b…
…InGaAsP発光層、５……ｐ−InPクラッド層、６……メ
サストライプ、７……FeドープInP高抵抗層、８……ｎ
−InPバッファ層、9,12……SiO2膜、10……ｐ−InP埋め
込み層、11……P+−InGaAsキャップ層、13a,13bはSiO2
膜に開けた窓、14,15,16……電極である。
る集積型光変調器の製造方法を説明する工程図であり、
図において１……ｎ−InP基板、２……回折格子、３…
…ｎ−InGaAsPガイド層、4a……InGaAsP光吸収層、4b…
…InGaAsP発光層、５……ｐ−InPクラッド層、６……メ
サストライプ、７……FeドープInP高抵抗層、８……ｎ
−InPバッファ層、9,12……SiO2膜、10……ｐ−InP埋め
込み層、11……P+−InGaAsキャップ層、13a,13bはSiO2
膜に開けた窓、14,15,16……電極である。
Claims (1)
- 【請求項１】第一導電型の半導体基板の上に少なくとも
禁制帯幅の異なる活性層とその上の第二導電型クラッド
層を含むメサストライプを形成した後、該メサストライ
プの両側面を高抵抗ブロック層で埋め込む工程と、禁制
帯幅の狭い活性層を含む領域であるレーザ領域と禁制帯
幅の広い活性層を含む変調領域との境界領域において前
記高抵抗ブロック層とメサストライプの上に絶縁膜を形
成する工程と、該絶縁膜の上を除いて第二導電型の埋め
込み層を形成する工程と、前記レーザ領域と変調領域の
埋め込み層の上に第一、第二の電極を、さらに前記基板
半導体の下に第三の電極を形成する工程とを含むことを
特徴とする集積型光変調器の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2088702A JP2890644B2 (ja) | 1990-04-03 | 1990-04-03 | 集積型光変調器の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2088702A JP2890644B2 (ja) | 1990-04-03 | 1990-04-03 | 集積型光変調器の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03286586A JPH03286586A (ja) | 1991-12-17 |
| JP2890644B2 true JP2890644B2 (ja) | 1999-05-17 |
Family
ID=13950211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2088702A Expired - Fee Related JP2890644B2 (ja) | 1990-04-03 | 1990-04-03 | 集積型光変調器の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2890644B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3386261B2 (ja) * | 1994-12-05 | 2003-03-17 | 三菱電機株式会社 | 光半導体装置、及びその製造方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5712585A (en) * | 1980-06-26 | 1982-01-22 | Nec Corp | Semiconductor laser |
| JPS61164287A (ja) * | 1985-01-16 | 1986-07-24 | Nec Corp | 半導体レ−ザ |
| JPH0824210B2 (ja) * | 1987-07-17 | 1996-03-06 | 富士通株式会社 | 光双安定半導体レ−ザとその製造方法 |
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1990
- 1990-04-03 JP JP2088702A patent/JP2890644B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
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| １９９０年電子情報通信学会春季全国大会Ｃ−２４０ｐ．４−２９５ |
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| JPH03286586A (ja) | 1991-12-17 |
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