【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高変調効率が得られる光変調器集積化光源素子およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光変調器集積化光源素子の代表的な例は、ＤＢＦレーザとフランツケルディッシュ効果を用いた電界印加吸収型変調器の集積構造である。 図４にH.So
daらによりエレクトロニクスレター誌第２６巻１号９ページに報告されている構造図を示す。 この構造では、Ｄ
ＢＦレーザの活性層２９と吸収型光変調器の活性層３０
は突き合わせ結合（バットジョイント結合）により接続されている。 この構造は、ＤＢＦレーザ構造を製作した後、一部をエッチングにより取り除き、新たに変調器の活性層導波路がレーザの活性層導波路に一致するように埋め込み再成長を行って製作する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述した突き合わせ結合では、活性層導波路の光学的吸収端、
すなわち実効禁制帯幅エネルギが結合部で急峻に変化するため、屈折率の変化も急峻であり、その結果、結合部での反射をなくすことは困難である。 また、変調器部分を選択埋め込み成長するために図４に示すように突き合わせ結合部３１で成長膜厚が不均一になり、導波路方向に分布を持つ。 さらにＩｎＰをクラッド層とする場合には、選択再成長の際、マストランスポート現象によりクラッド層のＩｎＰが突き合わせ結合部３１のコア部分に回り込み、導波路コアが接続されなくなる場合がある。
その結果、高い結合効率を得ることが困難であり、歩留まりも低下する。

【０００４】レーザの活性層に多重量子井戸（ＭＱＷ）
構造を用いれば、発振閾値電流を低減でき、光変調器の活性層にＭＱＷ構造を用いれば、量子閉じ込めシュタルク効果により低電圧駆動で広い変調周波数帯域が得られる等、高性能化が期待できるが、ＭＱＷ構造導波路の突き合わせ結合は極めて困難である。 その理由は、突き合わせ結合部近傍で選択埋め込み成長層が厚くなり、この結果、ＭＱＷ構造導波路の実効禁制帯幅エネルギが小さくなり、導波路の吸収損失が無視できなくなる。

【０００５】埋め込み成長法によらずに光変調器のＭＱ
Ｗ構造活性層の光学的吸収端波長をＭＱＷレーザの光学的吸収端波長より短波長にシフトさせ、かつ両者の活性層を滑らかに接続する方法としてＹ． Ｓuzukiらによりアプライドフィジックスレター誌５７巻２６号２７４５
頁に報告されている方法を応用して光変調器のＭＱＷ構造活性層のみを部分的に混晶化する方法があるが、井戸層と障壁層の間の原子の相互拡散により量子閉じ込めシュタルク効果が小さくなり、光変調器の高性能化が望めなくなる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決するために本発明は、レーザおよび光変調器の活性層を光学的吸収端波長、すなわち実効禁制帯幅エネルギの異なるＭＱＷ構造で構成し、かつ両者の禁制帯幅エネルギおよび屈折率が滑らかに接続した集積構造としたものである。 また、この集積構造の製造方法として絶縁膜ストライプもしくはメサストライプ構造を有する基板上に有機金属気相成長法により一括してレーザと光変調器の活性層を形成するようにしたものである。

【０００７】

【作用】本発明の構造においては、レーザ，光変調器ともに活性層にＭＱＷ構造を用いているので、変調電圧，
変調周波数帯域，発振閾値電流等において高性能化が期待できる。 さらに両素子の活性層ＭＱＷ構造の井戸層ならびに障壁層は完全に接続しており、その厚さと組成が両素子の間の遷移領域で滑らかに変化するのみである。
したがって実効屈折率も滑らかに接続しており、導波光は反射，拡散されることなく、レーザから光変調器へと結合する。 次に本発明の製造方法について説明する。 一般に酸化膜あるいは窒化膜を選択成長マスクとした有機金属気相成長法においては、選択成長マスク上に飛来した原料分子の一部は再度気相中に脱離するが、残りは分解しあるいは 未分解のままマスク上を拡散し、マスクで覆われずに半導体基板が現れている部分に到達してエピタキシャル成長に寄与する。 したがって供給量を空間的に一様に保つと、成長領域の近傍にマスクがある場合は無い場合に比べて厚い半導体層が成長する。 また、成長厚さはマスクまでの距離が小さく、マスクの面積が大きいほど大きくなる。 一方、量子井戸構造の実効禁制帯幅エネルギは、井戸層厚，障壁層厚に依存するが、主として井戸層厚に依存し、井戸層厚の増大とともに低エネルギとなる。 したがって２つの平行する選択成長マスクが形成された基板上にＭＱＷ構造をコアとする導波路構造を成長すると、選択マスクに挟まれた領域は選択マスクの無い領域に比べて実効禁制帯幅エネルギの小さいコア層が形成される。 ２つの領域は供給原料の拡散により滑らかに接続する。 井戸層の材料が混晶半導体で作られる場合は、混晶組成を決定する構成元素の間で脱離・拡散減少に違いがあれば、当然の帰結として混晶組成は成長領域の近傍にマスクがある場合と無い場合で異なる。
例えばＩｎＧａＡｓでは、成長領域の近傍にマスクがある場合には無い場合よりＩｎが過剰な組成が得られることが知られている。 すなわちマスクの近傍で禁制帯幅エネルギが小さくなる。 次に選択成長マスクを用いない製造方法について説明する。 有機金属気相成長法においては、一般に結晶方位（１００）面に比べて｛１１１｝面の成長速度が極めて小さい。 したがって｛１１１｝面と（１００）面の両方が現れている面に一様に原料を供給して成長を行うと、｛１１１｝面に飛来した原料の一部は表面を拡散して（１００）面に到達してエピタキシャル成長する。 すなわち｛１１１｝面は選択拡散マスクと同様な作用を及ぼすので、これを利用して同一基板上に実効禁制帯幅エネルギの異なるＭＱＷ構造を滑らかに接続して形成できる。 この場合には基板上に現れている面は全て単結晶面であり、選択成長マスクを用いていないので、マスク端からの異常成長等の問題が無い。

【０００８】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。 （実施例１）図１に本発明の第１の実施例であるＭＱＷ
−ＤＦＢレーザとＭＱＷ光変調器の集積化光源素子を示す。 図１（ａ）は素子構造，図１（ｂ）はエピタキシャル成長前の基板を示す。 図１（ｂ）に示すようにｎ−Ｉ
ｎＰ基板１の表面に幅１００μｍ，長さ６００μｍの２
本のＳｉＯ ₂選択成長マスク１６を１０μｍの間隔をもって形成する。 次に有機金属気相成長法によりｎ−Ｉｎ
Ｐクラッド層２を０．１μｍ，次いで１０ｎｍのＩｎＧ
ａＡｓを井戸層とし波長１．３μｍ相当のＩｎＧａＡｓ
Ｐ１０ｎｍを障壁層とする量子井戸構造６層からなる活性層３，波長１．３μｍ相当のＩｎＧａＡｓＰガイド層４を０．１μｍを成長した。 この状態で導波路コアとなるべきＭＱＷ構造活性層は１回の成長で滑らかに接続されて形成されている。 フォトルミネッセンスにより測定したレーザ領域１４並びに変調器領域１５の吸収端波長は、それぞれ１．５５μｍ，１．４８μｍであった。 次に領域１４の部分に干渉露光とエッチングによりグレーティングを形成した後、選択成長マスク１６をエッチングにより取り除き、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層，ｐ ⁺ −
ＩｎＧａＡｓＰオーミック接触層の順に成長した。 次にドライエッチングにより幅３μｍのリッジ導波路に加工し、領域１４と領域１５の間の遷移領域２０μｍにわたってガイド層４まで選択エッチングして電気的分離溝１
０を形成した後、上部クラッド層を残して半絶縁性Ｉｎ
Ｐ層により埋め込み成長した。 レーザ部，光変調器部にｐ側電極９ ₁ ，９ ₂を、基板裏面に共通電極１３をそれぞれ形成した後、レーザ部の長さが３００μｍ，光変調器部の長さが１００μｍとなるようにへきかいし、反射防止膜１１，高反射膜１２をコーティングした。

【０００９】このように構成された集積化光源素子により、１．５５μｍ帯において、周波数帯域幅２０ＧＨｚ
以上の変調特性が得られ、また、選択埋め込み成長による突き合わせ結合を用いていないので、光結合部に起因する素子劣化は皆無であり、８０％以上の製作歩留まりを得た。

【００１０】また、このような構成においては、領域１
５の活性層の井戸層のＩｎＧａＡｓがＩｎＰ基板に格子整合するように成長条件を選ぶと、領域１４では活性層の井戸層のＩｎＧａＡｓの組成はＩｎがより過剰になって格子定数がＩｎＰより大きくなる。 この構成による井戸層幅は１０ｎｍ程度で薄いため、転位は発生せず、結果として井戸層が圧縮応力を受けることになり、レーザ活性層に圧縮歪を受けた歪超格子を用いたＭＱＷレーザを領域１４に製作できる。 すなわち本実施例の方法によれば、閾値電流密度が小さい等の特長を有する歪ＭＱＷ
レーザと無歪のＭＱＷ光変調器の集積化した光源素子を容易に製作できる。

【００１１】（実施例２）本発明の第２の実施例は、Ｍ
ＱＷ−ＤＢＲレーザとＭＱＷ光変調器の集積化光源素子である。 ＤＢＲレーザの光導波路は活性層導波路とＤＢ
Ｒ導波路で構成されている。 ＤＢＲ導波路は、透明であればよいが、ＭＱＷ変調器の活性層導波路は印加電界により吸収あるいは屈折率の変化を引き起こさねばならないので、吸収損失が無視できる範囲で可能な限り吸収端波長に近い方が変調効率が高い。 したかってＤＢＲ導波路の光学吸収端波長はＭＱＷ光変調器の光学吸収端波長より短波長側に取る必要がある。

【００１２】図２に第２の実施例の素子の製作に必要な選択成長マスクを形成したＩｎＰ基板を示す。 領域２０
にレーザを、領域２２に光変調器を製作する。 選択成長マスク１７はそれぞれ幅１００μｍ，長さ３００μｍでこれに挟まれた領域２０の間隙は１０μｍであり、この領域にＤＢＲレーザの活性層を形成する。 選択成長マスク１８はそれぞれ幅５０μｍ，長さ３００μｍで領域２
２の幅は３０μｍである。 領域１９，２１は両側に選択成長マスクのない領域であり、選択成長マスク１７と選択成長マスク１８の間の距離は３００μｍである。 実施例１と同様な工程で製作するが、グレーティングは領域１９，２１に形成し、領域１９、２０，２１にＤＢＲレーザが製作される。 電気的分離溝は領域２１と領域２２
の間に形成する。

【００１３】（実施例３）本発明の第３の実施例は、第１の実施例において、レーザを選択成長マスク間ではなく、図３（ａ），（ｂ）に示すように（１００）ＩｎＰ
基板にメサ加工を施し、その頂部あるいは 底部に製作するものである。 領域２３あるいは 領域２５にレーザを、領域２４あるいは 領域２６に光変調器を製作する。 なお、２７には（１００）面，２８には｛１１１｝
面がそれぞれ現れている。 ｛１１１｝面２８の影響で領域２３あるいは 領域２５の成長速度は、領域２４あるいは 領域２６の成長速度より大きくなり、したがってＭＱＷ構造活性層の実効禁制帯幅エネルギは領域２３あるいは 領域２５の方が領域２４あるいは 領域２６より小さくなる。 領域２４あるいは領域２６に製作した光変調器は領域２３あるいは領域２５に製作したレーザの発振光に対して透明になる。

【００１４】（実施例４）本発明の第４の実施例は、第１の実施例に対する第３の実施例のごとく、第２の実施例において、選択成長マスクを用いる代わりにメサ加工した基板を用いる方法である。

【００１５】なお、前述した実施例においては、ＩｎＧ
ａＡｓＰ系を材料の例にとって説明したが、ＩｎＧａＡ
ｌＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系等の他の材料系においても、
有効なことは言うまでもない。

【００１６】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
吸収端波長および屈折率の異なるレーザのＭＱＷ活性層と光変調器のＭＱＷ活性層を吸収端波長および屈折率を徐々に変えつつ滑らかに接続しているので、反射，散乱，吸収損失の少ない高性能な集積化光源素子が実現できる。 また、従来と比べ、エピタキシャル成長回数が少なくできるので、歩留まりの高い製作ができる等の極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明する図である。

【図２】本発明の第２の実施例の素子の製造方法を説明する図である。

【図３】本発明の第３の実施例の素子の製造方法を説明する図である。

【図４】従来の電界印加吸収型変調器の構成を説明する図である。

【符号の説明】

１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ３ ＭＱＷ活性導波路層 ４ ＩｎＧａＡｓＰガイド層 ５ グレーティング ６ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層 ７ ｐ ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰオーム接触層 ８ 半絶縁性ＩｎＰ埋め込み成長層 ９ ₁レーザ用ｐ電極 ９ ₂光変調器用ｐ電極 １０ 電気的分離溝 １１ 反射防止膜 １２ 高反射膜 １３ 共通ｎ電極 １４ レーザ製作領域 １５ 光変調器製作領域 １６ 選択成長マスク １７ 選択成長マスク １８ 選択成長マスク １９ ＤＢＲグレーティング製作領域 ２０ ＤＢＲ活性層製作領域 ２１ ＤＢＲグレーティング製作領域 ２２ レーザ製作領域 ２３ レーザ製作領域 ２４ 光変調器製作領域 ２５ レーザ製作領域 ２６ 光変調器製作領域 ２７ （１００）面 ２８ ｛１１１｝面 ２９ ＤＦＢレーザ活性層 ３０ 光変調器活性層 ３１ 突き合わせ結合部

【手続補正書】

【提出日】平成５年７月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図４】

【図３】

フロントページの続き (72)発明者 脇田 紘一 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内