集成型光隔离器的制作方法

专利名称：集成型光隔离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及作为光非互易元件的光隔离器(或光循环器)的结构， 尤其涉及将半导体激光器和光隔离器整合成一体地集成的结构，效率良 好地吸收光隔离器的反向传输光、防止产生杂散光的集成型光隔离器。
背景技术：
光隔离器是只透过单方向的光、阻止与该方向相反的传输光的元件。 例如若将光隔离器配置在半导体激光器的出射端，则从激光器出射的光 透过光隔离器，可将此用作光纤通信用等的光源。相反，想要通过光隔 离器入射到半导体激光器的光则被光隔离器阻止前进，从而不能入射到 半导体激光器。若不在半导体激光器的出射端设置光隔离器，则反射回 来的光会入射到半导体激光器，这样会使半导体激光器的振荡特性劣化。 也就是说，光隔离器具有阻断想要入射到半导体激光器的光、不使半导 体激光器的特性劣化、确保稳定的振荡(发光)的作用。
若光从外部入射到半导体激光器，则半导体激光器的输出强度产生变 动(产生强度噪声)、振荡波长变化(产生相位噪声)，这成为光电子 领域的课题。为了避免这种现象，需要采取在半导体激光器的输出端配 置阻止反向传输光的光隔离器，使半导体激光器的光出射不产生上述不 良现象的措施。尤其是将半导体激光器用作高速光纤通信用的光源时， 由于光源(半导体激光器)的振荡稳定化是绝对条件，因此必须使用光 隔离器。
〈文献一览〉 (专利文献1 )
专利第3407046号 (专利文献2)
特开2001-350039号公报

发明内容
光隔离器能够防止光入射到半导体激光器，是半导体激光器振荡稳 定必不可缺的元件。#4居其使用目的，人们希望光隔离器和半导体激光 器一体集成化后使用，但以往还没有半导体激光器和光隔离器集成后一 体化的安装例。
只考虑光隔离器时，反射回来的光，因设置在光隔离器上的起偏镜， 向偏离光轴的方向发射。被光隔离器阻止了传输的反向传输光变成杂散 光，经过不能预料的路径，入射到半导体激光器中，或者作为不需要的 输出光传输到外部的光电路上。特别是专利第3407046号公报(专利文 献1)所示的干涉型光隔离器中，没有内部吸收反向传输光的结构，输 出光从反向传输光输出波导路径射到外部。该发射光，在光隔离器和半 导体激光器集成化时，有变成杂散光入射到半导体激光器的危险性，所 以，将射到光隔离器外部的光进行适当处理是非常重要的。
这里，利用了下述公开技术的结构，能够吸收反向传输光，防止杂 散光的发生。即，上述光隔离器由TM模式动作，所以由光隔离器射到 外部的光是TM模式光。并且，已知设置在光波导路径上部包层的金属 包层(例如Al和Au)能够有效吸收TM模式光，由该方法能够吸收从 光隔离器发射到外部的光。
即，根据第1图和第2图所示的以往光隔离器的终端结构，反向传
由设置在反向传输光输出波导路径上部的金属包层111及112的作用被 吸收，能够防止杂散光的发生。第1图表示光遮断部的平面结构例，第 2图是第1图F-F，部的剖面图。通过在激光电流注入电极100上施加规 定电压，从半导体激光器发出的激光从光隔离器的输入端103输入到光 隔离器，在光隔离器中正向传输后供给到外部光电^^。
这样，若作为光隔离器波导层130的上部包层，将金属包层lll、 112 直接或隔着适当的緩冲层安装在光隔离器波导层130上，则该金属包层 111、 112能够有效吸收在光隔离器波导层130中传输的光。但是，上述结构的光隔离器中，不需要金属包层lll、 112的部分或
者设置了金属包层111、 112后会有不便的部分(例如光隔离器波导路径
上)，必须实施不设置金属包层的对策。即，必须实施除去部分金属包 层或者使金属包层不影响光的波导等对策。
因此，以往的半导体激光器一体型光隔离器中，至少要进行设置金 属包层的工序和使金属包层不影响光隔离器动作的图案形成工序，导致 制造工序复杂且不经济等问题。
本发明是鉴于上述问题发明的，本发明的目的在于提供半导体激光 器与光隔离器集成为一体型且其制造工序容易、能够有效吸收光隔离器 的反向传输光以防止杂散光发生的集成型光隔离器。如本发明，形成光 隔离器与半导体激光器一体集成化的器件时，能够有效防止由光隔离器 从光路中除去的反向传输光，因器件内部和封装壁面的反射而意外地再 入射到半导体激光器中。
本发明是关于在化合物半导体衬底上设置半导体波导层、在上述半 导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另一部分形成光隔离器的集
成型光隔离器，本发明的上述目的由下述方式来实现在有上述半导体 激光器的半导体波导层的有源层上部设置激光电流注入电极，在上述半 导体激光器的两侧，上述光隔离器的反向传输光输出波导路径输出端上 设置终端吸收层；或者上述终端吸收层中，使上述半导体波导层起光吸 收层的作用，在上述终端吸收层上部设置半导体包层。
本发明是关于在化合物半导体衬底上设置半导体波导层、在上述半 导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另一部分形成光隔离器的集 成型光隔离器，本发明的上述目的由下述方式来实现在上述光隔离器 的反向传输光输出波导路径输出端中的上述半导体波导层上及半导体激 光器上，设置半导体包层及绝缘层，并在其上设置激光电流注入电极， 将上述光隔离器的反向传输光输出波导路径输出端上的上述半导体波导 层作为终端吸收层，上述绝缘层设置在上述半导体波导层中作为终端吸 收层的部分上；或者上述激光电流注入电极只设置在半导体激光器部上； 或者上述激光电流注入电极设置在半导体激光器部上及终端吸收层的一
部分或全体上；或者上述绝缘层由SiCb形成；或者上述绝缘层由A1203 形成。
本发明是关于在化合物半导体衬底上设置半导体波导层、在上述半 导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另一部分形成光隔离器的集 成型光隔离器，本发明的上述目的由下述方式来实现在上述光隔离器 的反向传输光输出波导路径输出端上设置半导体包层，在发光波导路径 上设置激光电流注入电极，将上述光隔离器的反向传输光输出波导路径
上述激光电流注入电极的部分与上述光隔离器的反向传输光输出波导路 径输出端上设置的终端吸收层之间，设置分离部。
本发明是关于在化合物半导体衬底上设置半导体波导层、在上述半 导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另一部分形成光隔离器的集 成型光隔离器，本发明的上述目的由下述方式来实现上述光隔离器的 半导体波导层由两步生长形成，即，在形成上述半导体激光器的各层之 后，只除去上述光隔离器的区域，上述光隔离器的部分由另外的结晶生 长工序进行再生长；或者使用选择生长法，在形成半导体激光器各层的 结晶生长工序的同时，形成光隔离器的半导体波导层。


第1图是表示以往的一般光隔离器的终端结构例的图。 第2图是第1图的F-F，部的剖面图。
第3图是表示本发明涉及的集成型光隔离器一例的立体结构图。
第4图是第3图的C-C'部的平面图。
第5图是第4图的D-D，部的剖面图。
第6图是表示本发明其他实施例的平面图。
第7图是第6图的E-E，部的剖面图。
第8图是将激光电流注入电极设置为I型时的平面图。
第9图是将激光电流注入电极设置为T型时的平面图。
第IO图是表示本发明其他实施例的剖面图。
第11图是表示集成型光隔离器的两步生长的生长工序的图。 第12图是表示集成型光隔离器的选择生长的生长工序的图。
具体实施例方式
半导体激光器中作为发光层的有源层(窄带隙层)，在注入规定阈 值以上的电流时，有增益而发光，注入电流不到规定阈值时，吸收光。 形成光隔离器与半导体激光器一体集成化的器件时，两元件的波导层(波 导路径)必须在高度方向上一致。因此，使与半导体激光器的有源层同 时形成但不注入电流的区域起光吸收层的作用，作为无用光从光隔离器 波导层射出的反向传输光，能够被半导体激光器侧的终端吸收层吸收。
本发明以上述事实为前提，提出了一种集成型光隔离器在一体集 成化的半导体激光器的发光层两侧，使通过结晶生长同时形成的窄带隙 层起终端吸收层的作用，与光隔离器一体集成型半导体激光器取得整合 性的结构，能够有效吸收反向传输光，防止杂散光的发生。
下面参照

本发明的实施方式。
第3图表示本发明涉及的集成型光隔离器1的立体结构例，发出激 光的半导体激光器10和作为光非互易元件的光隔离器20,连接在化合 物半导体村底2及半导体波导层3上后形成为一体。在半导体激光器10 的半导体波导层3形成用于发光输出的发光波导路径11 ，其上部设置激 光电流注入电极12。激光电流注入电极12两侧设置了用于形成光吸收 区域的半导体包层13A及13B。
光隔离器20的半导体波导层3上，在与半导体包层13A及13B对应 的位置上形成反向传输光输出波导路径21A及21B,同时与发光波导路 径11对应地形成输入波导路径22。半导体波导层3上还设置了与光波 导方向交叉状态的磁光材料23,其上还设置了作为磁场部的永磁24A及 24B。
第4图表示第3图的C-C，的平面结构，第5图表示第4图的D-D，的 剖面结构，光隔离器20的半导体包层13A、 13B下的半导体波导层3部 分，成为起光吸收层作用的终端吸收层3A、 3B,同时半导体波导层3 的其他部分作为光隔离器波导路径(光波导层)作用。光隔离器20与半 导体激光器10的连接部的结构如第4图及第5图所示，包括有源层(半
导体波导层3)，构成半导体激光器IO所必需的各层，由连续的结晶生 长工序形成，具有整合性。
另外，光隔离器20的波导层(半导体波导层3)具有与半导体激光 器10的有源层不同的组成，必须是对半导体激光器10的振荡波长吸收 少的低吸收半导体层。光隔离器20的波导层(半导体波导层3)可以由 两步生长形成，即，在半导体激光器IO的各层形成后，只除去光隔离器 20的区域，由其他结晶生长工序进行再生长。另外，也可以使用选择生 长法，在形成半导体激光器IO各层的结晶生长工序的同时形成。无论使 用哪种方法，为了使半导体激光器IO输出的光高效地正向入射到光隔离 器20上，半导体激光器IO的有源层(半导体波导层3)与光隔离器20 用的波导层(半导体波导层3)必须在高度方向上准确地一致。半导体 激光器10的有源层与光隔离器20用的波导层在高度方向上一致，也有 利于将反向传输光有效地导入终端吸收层3A、 3B,利于有效吸收。
上述结构的本发明所涉及的集成型光隔离器1的制作如下述在高 度方向上的同一位置形成半导体激光器IO的有源层(半导体波导层3) 与光隔离器20的光波导层(半导体波导层3)。然后，在形成半导体激 光器10的有源层(半导体波导层3)中，只向半导体激光器10的发光 波导路径ll、即不发光部分，由激光电流注入电极12选择地注入电流， 作为半导体激光器IO动作，除此之外的有源层(半导体波导层3)中不 注入电流，光波导层(半导体波导层3)作为终端吸收层3A、 3B作用。 另外，光隔离器20中，将返回半导体激光器10的反向传输光导入反向 传输光传输波导路径21A及21B，将从反向传输光输出波导路径21A及 21B射出的反向传输光导入设置在光隔离器20反向传输光输出波导路径 输出端的终端吸收层3A及3B。由此，终端吸收层3A及3B吸收从光隔 离器20发出的反向传输光。
第3图 第5图所示结构的集成型光隔离器1中，从光隔离器20入 射到本器件(反向传输光输出波导路径21A及21B)的光，是应该在光 隔离器20或半导体激光器10中除去的反向传输光。该反向传输光，因 光隔离器20的动作，会被导入反向传输光输出波导路径21A及21B,但
由于设置在光隔离器20反向传输光输出波导路径输出端的终端吸收层
3A、 3B的光吸收，防止了变成杂散光入射到半导体激光器10的发光波 导路径11。即，未形成终端吸收层3A、 3B的状态中，从光隔离器20 射出的光可能会被导入反向传输光输出波导路径21A、 21B，变成杂散光 入射到半导体激光器IO。但是，本发明的集成型光隔离器1中，从反向 传输光输出波导路径21A、 21B射出的光，被半导体包层13A、 13B下 的终端吸收层3A、 3B吸收(除去)，所以能够防止杂散光的发生。
如上述，根据本发明，将反向传输光输出波导路径21A、 21B和与半 导体激光器有源层(半导体波导层3)同时形成的终端吸收层(不注入 电流的有源层)3A、 3B连接，由该终端吸收层3A、 3B吸收反向传输光， 所以能够提供防止杂散光发生、反向传输阻止特性好的高性能光隔离器。
另外，由第6图及第7图所示结构的集成型光隔离器也能够实现与 上述实施例相同的作用。本例中，在半导体波导层3上的想要吸收反向 传输光的区域(终端吸收层3A、 3B )及激光器发光区域上设置半导体包 层13。半导体包层13上，为了不使电流注入终端吸收层3A、 3B的区域， 在该区域之上的部分设置绝缘层(例如Si02、八1203等)16。然后在其上 的激光器发光区域和绝缘层16的整个上部，由激光电流注入用电极15 覆盖。激光电流注入用电极15的下侧两侧，设置了分离的绝缘层16, 所以绝缘层16的区域里不会有电流注入。但是，为了使电流从激光电流 注入用电极15注入到激光器发光区域，激光器发光区域上不设置绝缘层 16。根据本实施方式，作为光吸收层的区域里，由于绝缘层16,电流不 会注入，能够形成终端吸收层3A、 3B。
第6图的实施例中，激光电流注入电极设置在要吸收反向传输光的 区域(终端吸收层3A、 3B )及激光器发光区域的全面，但如果是终端吸 收层3A、 3B中不会有电流注入的结构，其上部的电极可有可无。终端 吸收层3A、 3B上部有绝缘层，为不注入电流的结构，所以可以如第8 图那样，只在激光器发光区域上设置激光电流注入电极(I型)，或者如 第9图那样，将激光电流注入电极设置为T型的形状。激光电流注入电 极必须设置在激光器发光区域上，除此之外的、设置了绝缘层的区域中，
激光电流注入电极的平面形状是任意的。
第3图 第5图的实施例及第6图~第9图的实施例中，半导体激 光器1 0的有源层(半导体波导层3 )中，半导体激光器1 0的发光波 导路径1 1部分，由于从激光电流注入电极12及15的电流注入，有增 益，起发光层作用。但是，除此之外的区域中，由于不注入电流，起终 端吸收层作用。即，光隔离器20中，因其动作，反向传输光到达第4图、 第6图、第8图及第9图的终端吸收层3A、 3B位置，入射到与光隔离 器20的反向传输光输出波导路径21A、 21B相同高度的终端吸收层3A、 3B,在终端吸收层3A、 3B中传输适当距离后，衰减为十分小的光功率。 终端吸收层3A、 3B中的衰减程度，例如终端吸收层3A、 3B的吸收系 数为500cm"时，100jum的传输距离会有-21.7dB的衰减，终端吸收层 3A、 3B的吸收系数为1000cm'1时,100 ju m的传输距离会有-43.4dB的 衰减量。
第10图表示本发明的其他实施例，由激光电流注入电极12产生的 激光器有源层17，因分离部18A、 18B，与终端吸收层3A、 3B分离。 分离部18A、 18B,从半导体包层13A、 13B的上表面到化合物半导体衬 底2的上面位置，分离部18A、 18B之间设置激光电流注入电极12以形 成激光器有源层17，能够防止注入电流流入终端吸收层3A、 3B,同时 通过半导体与分离部18A、 18B的界面上的反射，能够进一步衰减从终 端吸收层3A、 3B到半导体激光器10的微弱漏光。
本发明的集成型光隔离器的制作方法，可以考虑作为结晶生长方法、 进行两步生长的方法和进行选择生长的方法。两步生长的生长工序，如 第11图(a) ~ (h)模式所示，最初形成半导体激光器10的各层，除 去光隔离器20的区域，然后由另外的结晶生长工序使光隔离器部再生 长。即，最初只制成有源元件，除去其他部分，然后重新将无源部分成 膜。具体来说，首先，如第11图(a)所示，制成半导体激光器10的各 层。这时，化合物半导体衬底2中，也制成形成光隔离器20的部分。接 着如同图(b)所示，成为光隔离器20的部分，由蚀刻除去化合物半导 体衬底2的层以外的部分。同图(c)的蚀刻、同图(d)的生长、同图
(e)的蚀刻过程中，进行成为半导体激光器10的激光器发光区域及终 端吸收层的区域的图案形成。然后，如第11图(f)所示，从光隔离器 20的化合物半导体衬底2,.进行上面各层的生长，同图(g)中，进行输 入波导路径22及反向传输光输出波导路径21的各波导路径25等光隔离 器20的部分的图案形成。最后如第11图(h)所示，设置激光电流注入 电极12。
其次，选择生长的生长工序如第12图所示。选择生长中，在衬底上 制成掩模，在该掩模上成膜。这时，利用结晶生长速度因掩模形状而不 同的特性，同时形成有源区域和无源区域，即半导体激光器IO和光隔离 器20的各层。然后通过图案形成，进行各元件的制作。首先如第12图 (a)所示，形成由化合物半导体衬底2、半导体波导层3所对应的各层 构成的晶片。接着如第12图(b)所示，在晶片上由光刻形成掩模图案 26。从该掩模图案26，如同图(c)所示，进行发光波导路径11及半导 体包层13A、 13B等半导体激光器10、输入波导路径22及反向传输光输 出波导路径21等光隔离器20的各元件的生长。最后如第12图(d)所 示，设置磁光材料23。
根据本发明的集成型光隔离器，半导体激光器与光隔离器集成为一 体型，吸收层与半导体激光器的有源层(半导体波导层)同时形成，形 成光隔离器的波导路径图案时，同时可以形成将反向传输的无用光导入 吸收层的波导路径，所以不需要增加除去杂散光的制造工序，其制造工 序也很容易，能够有效吸收光隔离器的反向传输光，防止杂散光的发生。
如上述，本发明涉及的集成型光隔离器，有以下两点特征。
(1) 通过向有源层(半导体波导层)中注入电流，可以起半导体激 光器的发光层的作用，不注入电流的区域起光吸收层作用。因此，要实 现由终端吸收层吸收反向传输光、防止成为杂散光射到波导路径外部， 不需要追加多余的制造工序，制造也很容易。
(2) 终端吸收层与半导体激光器发光层和光隔离器的波导层形成为 同一高度，所以终端吸收层能够有效吸收光隔离器的反向传输光。
权利要求
1.一种集成型光隔离器，在化合物半导体衬底上设置半导体波导层、在上述半导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另一部分形成光隔离器，其特征在于，在有上述半导体激光器的半导体波导层的有源层上部设置激光电流注入电极，在上述半导体激光器的两侧，在上述光隔离器的反向传输光输出波导路径输出端上设置终端吸收层。
2. 根据权利要求1所述的集成型光隔离器，其特征在于，上述终端吸收层中，上述半导体波导层起光吸收层作用，上述终端吸收层的上部 设置了半导体包层。
3. —种集成型光隔离器，在化合物半导体衬底上设置半导体波导 层、在上述半导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另一部分形成 光隔离器，其特征在于，在上述光隔离器的反向传输光输出波导路径输 出端中的上述半导体波导层上及半导体激光器上，设置半导体包层及绝 缘层，并在其上设置激光电流注入电极，将上述光隔离器的反向传输光
4. 根据权利要求3所述的集成型光隔离器，其特征在于，上述激光 电流注入电极只设置在半导体激光器部上。
5. 根据权利要求3所述的集成型光隔离器，其特征在于，上述激光 电流注入电极设置在半导体激光器部上及终端吸收层的一部分或全体 上。
6. 根据权利要求3至5中任一项所述的集成型光隔离器，其特征在于，上述绝缘层由Si02形成。
7. 根据权利要求3至5中任一项所述的集成型光隔离器，其特征在 于，上述绝缘层由八1203形成。
8. —种集成型光隔离器，在化合物半导体衬底上设置半导体波导 层、在上述半导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另一部分形成 光隔离器，其特征在于，在上述光隔离器的反向传输光输出波导路径输 出端上设置半导体包层，在发光波导路径上设置激光电流注入电极，将 上述光隔离器的反向传输光输出波导路径输出端的上述半导体包层下的 半导体波导层作为终端吸收层。
9. 根据权利要求6所述的集成型光隔离器，其特征在于，在有上述 激光电流注入电极的部分与设置在上述光隔离器的反向传输光输出波导 路径输出端的终端吸收层之间，设置分离部。
10. —种集成型光隔离器的制造方法，在化合物半导体衬底上设置 半导体波导层、在上述半导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另 一部分形成光隔离器，其特征在于，上述光隔离器的半导体波导层由两 步生长形成，即，在形成了上述半导体激光器的各层之后，只除去上述 光隔离器的区域，上述光隔离器的部分由另外的结晶生长工序进行再生 长。
11. 一种集成型光隔离器的制造方法，所述集成型光隔离器在化合 物半导体衬底上设置半导体波导层、在上述半导体波导层的一部分形成 半导体激光器、在另一部分形成光隔离器，所述制造方法的特征在于， 使用选择生长法，在形成半导体激光器各层的结晶生长工序的同时，形 成光隔离器的半导体波导层。
全文摘要
本发明提供一种集成型光隔离器，其结构为将半导体激光和光隔离器集成为一体的结构，其制造工序容易，能够有效地吸收光隔离器的反向传输光，防止产生杂散光。本发明的集成型光隔离器，在化合物半导体衬底上设置半导体波导层、在上述半导体波导层的一部分形成半导体激光器、在另一部分形成光隔离器，在有上述半导体激光器的半导体波导层的有源层的上部设置激光电流注入电极，在上述半导体激光器的两侧的上述光隔离器的反向传输光输出波导路径的输出端设置终端吸收层。
文档编号G02B6/12GK101375190SQ20078000395
公开日2009年2月25日 申请日期2007年1月30日 优先权日2006年1月31日
发明者樱井一正, 水本哲弥 申请人:国立大学法人东京工业大学;三美电机株式会社