半导体激光装置的制作方法

文档序号:11161765
半导体激光装置的制造方法

本发明涉及半导体激光装置。



背景技术:

以往,例如作为DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing,密集波分复用)光通信用的波长可变光源,公开了集成型的波长可变激光元件(例如参照专利文献1、2)。专利文献1所公开的波长可变激光元件在一个基板上集成了由激光振荡波长彼此不同的多个分布反馈型(DFB:Distributed Feedback)的半导体激光元件构成的半导体激光器阵列、多模干涉型(MMI:Multi Mode Interferometer)的光耦合器、和半导体光放大器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)。

这样与半导体激光器阵列连接的光耦合器若设为无波长选择性的光耦合器,则该元件的输出光强度相对于半导体激光器阵列的输出光强度而言成为半导体激光元件的件数分之一以下,存在损耗较大这样的问题。

因此,公开了一种波长可变激光元件,该波长可变激光元件为了降低该损耗来提高元件的输出效率,作为光耦合器而使用了由半导体构成的阵列波导衍射光栅(AWG:Arrayed Waveguide Grating)(例如参照专利文献3)。AWG具有输入侧平板波导、阵列波导和输出侧平板波导,与输出侧平板波导连接而形成了输出波导。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:JP特开2005-317695号公报

专利文献2:JP特开2008-103766号公报

专利文献3:JP特开2008-282937号公报



技术实现要素:

发明要解决的课题

但是,在AWG中,产生了制作误差的情况下,AWG的出射位置偏离,AWG与输出波导的耦合损耗增大,元件的输出显著下降。即,对于具有与输出侧平板波导连接的输出波导的波长可变激光元件而言,存在对于制作误差的容差较低这样的课题。特别是半导体激光元件中所使用的半导体材料与以石英玻璃为基料的材料相比折射率大幅增高,因此关于对于制作误差的容差,与以石英玻璃为基料的AWG相比,以半导体材料为基料的AWG的容差大幅降低,存在更大的课题。

本发明鉴于上述情况而作,其目的在于提供一种对于制作误差的容差较高并且输出效率较高的半导体激光装置。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题,并达成目的,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,具备半导体光集成元件,所述半导体光集成元件将具有多个半导体激光元件的半导体激光器阵列和半导体阵列波导衍射光栅在同一基板上集成为单片,并从输出端面输出由所述半导体激光元件振荡得到的激光,所述半导体阵列波导衍射光栅由半导体构成,并具有输入侧平板波导、阵列波导和输出侧平板波导,其中所述输入侧平板波导与所述多个半导体激光元件连接,所述阵列波导与所述输入侧平板波导连接,由长度彼此不同且并列排列的多个波导构成,所述输出侧平板波导与所述阵列波导连接,所述半导体光集成元件的所述输出端面包含所述输出侧平板波导的输出端而构成。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,在所述输出侧平板波导的输出端,具有端面窗结构部,所述端面窗结构部与所述输出侧平板波导的其他部分相比,关于所述输出平板波导的层叠方向的光限制较弱。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,所述端面窗结构部的半导体上表面的高度高于所述半导体阵列波导衍射光栅的半导体上表面的高度。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,来自所述输出端面的出射光关于所述平板波导的层叠面方向,从相对于所述输出端面的垂直方向倾斜射出。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,在设置了所述输出侧平板波导或者所述端面窗结构部的区域,具有去除所述半导体阵列波导衍射光栅所射出的相邻衍射光的结构。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,去除所述相邻衍射光的结构是比所述输出侧平板波导的芯层更深、且到达下部包覆层为止的槽。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,具备:第1透镜,其对从所述输出端面输出的所述激光进行聚光;和光纤,其被耦合由所述第1透镜聚光后的所述激光,并将所述激光向该半导体激光装置的外部进行导波并输出。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,具备:第1透镜,其对从所述输出端面输出的所述激光进行聚光;波导型光功能元件,其被输入由所述第1透镜聚光后的所述激光;第2透镜,其对从所述波导型光功能元件输出的所述激光进行聚光;和光纤,其被耦合由所述第2透镜聚光后的所述激光,并将所述激光向该半导体激光装置的外部进行导波并输出。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,具备:第1透镜,其对从所述输出端面输出的所述激光进行校准;波长监视器,其被输入由所述第1透镜校准后的所述激光,对波长进行检测;第2透镜,其对通过了所述波长监视器的所述激光进行聚光;波导型光功能元件,其被输入由所述第2透镜聚光后的所述激光;第3透镜,其对从所述波导型光功能元件输出的所述激光进行聚光;和光纤,其被耦合由所述第3透镜聚光后的所述激光,并将所述激光向该半导体激光装置的外部进行导波并输出。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,所述波导型光功能元件具备将所述激光放大并输出的半导体光放大器。

此外,本发明的一方式所涉及的半导体激光装置的特征在于,所述半导体激光元件是分布反馈型激光器、分布反射型激光器或分布布拉格反射型激光器中的任意一者。

发明效果

根据本发明,能够实现对于制作误差的容差高、并且输出效率高的半导体激光装置。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的半导体激光装置的俯视示意图的图。

图2是将图1所示的半导体激光装置的半导体光集成元件进行放大后的图。

图3是与波导垂直的面上的DFB激光器的剖面示意图。

图4是与波导垂直的面上的AWG的剖面示意图。

图5是与波导垂直的面上的端面窗结构部的剖面示意图。

图6是表示向从出射端面倾斜的方向射出出射光的出射侧平板波导的示例的图。

图7是表示对实施例1所涉及的半导体激光装置与比较例1所涉及的半导体激光装置的输出特性进行了比较的状况的图。

图8是表示实施例1所涉及的半导体激光装置的层叠面方向上的输出光强度的分布的图。

图9是表示实施例1所涉及的半导体激光装置的层叠方向上的输出光强度的分布的图。

图10是表示去除相邻衍射光的结构的示例的图。

图11是表示实施方式2所涉及的半导体激光装置的俯视示意图的图。

图12是与波导垂直的面上的SOA的剖面示意图。

图13是表示对实施例2所涉及的半导体激光装置与比较例2所涉及的半导体激光装置的输出特性进行了比较的状况的图。

具体实施方式

以下,参照附图对本发明所涉及的半导体激光装置的实施方式进行说明。另外,本发明并不限定于该实施方式。此外,在附图的记载中,对相同或对应的要素适当赋予相同符号。此外,应当注意的是,附图是示意性的图,各要素的尺寸的关系、各要素的比率等存在与实际不同的情况。在附图的相互间,也存在包含尺寸的关系或比率彼此不同的部分的情况。

[实施方式1]

首先,对本发明的实施方式1所涉及的半导体激光装置进行说明。图1是表示实施方式1所涉及的半导体激光装置的俯视示意图的图。如图1所示,半导体激光装置100具备载置在TEC(ThermoElectric Cooler:热电冷却元件)110上的半导体光集成元件120。在半导体光集成元件120中,集成有作为半导体激光器阵列的DFB激光器阵列130和作为半导体阵列波导衍射光栅的AWG140。进而,半导体激光装置100具备光检测器150、作为第1透镜的透镜160和光纤170。

TEC110例如是珀耳帖(Peltier)元件,控制所载置的半导体光集成元件120的温度来设为规定温度。

半导体光集成元件120是将DFB激光器阵列130和AWG140在同一基板上集成为单片(monolithic)的半导体光集成元件。

(平面结构)

图2是将图1所示的半导体激光装置的半导体光集成元件进行放大后的图。另外,图2所示的俯视示意图为了简化而仅示出波导,省略了电极等图案。

如图2所示,本实施方式1所涉及的半导体光集成元件120具备DFB激光器阵列130、AWG140和包含半导体光集成元件120的输出端面120a而构成的端面窗结构部180。半导体光集成元件120将由DFB激光器阵列130振荡得到的激光L经由AWG140以及端面窗结构部180从输出端面120a进行输出。此外,半导体光集成元件120具备埋入型波导部121、台型波导部122和埋入型波导部123。埋入型波导部121、埋入型波导部123是具有在波导芯层的两侧附近埋入了半导体包层材料的波导结构的区域,台型波导部122是具有至少包含波导芯层以及上部包覆层的半导体层呈台状突出的波导结构的区域。另外,本实施方式1的台型波导部122中的波导是直到至少包含波导芯层的半导体层为止呈台状突出的高台型波导。

DFB激光器阵列130具有振荡波长不同的多个DFB激光器130a。DFB激光器阵列130所具有的DFB激光器130a的数量例如为12,但并不限于此。多个DFB激光器130a例如设计为在1.55μm波长带(1525nm~1610nm)中振荡波长分别相差3.5nm。但是,DFB激光器阵列130的振荡波长带并不限于此,例如也可以是其他通信波长带。此外,通过变更各DFB激光器130a的温度,从而各DFB激光器130a的振荡波长发生变化。因此,DFB激光器阵列130通过选择多个DFB激光器130a之中的1个来进行粗调,通过温度变更来进行微调,作为整体,作为进行连续的波长范围内的振荡的波长可变光源而进行动作。从各DFB激光器130a射出的激光L导入到与各DFB激光器130a连接的波导,各波导的间隔设为5μm,向AWG140输出。

AWG140是由半导体构成的半导体阵列波导衍射光栅,具备与DFB激光器阵列130连接的输入侧平板波导141、与输入侧平板波导141连接的阵列波导142、和与阵列波导142连接的输出侧平板波导143。

输入侧平板波导141以及输出侧平板波导143是不具有层叠面方向的光的限制结构的波导,在输入侧平板波导141以及输出侧平板波导143输入输出的导波光在层叠面方向上发散。在AWGl40中,射入到输入侧平板波导141的光在输入侧平板波导141内在层叠面方向上一边作为光束而扩展一边进行传播,耦合到阵列波导142中。从阵列波导142射出的光,再次由输出侧平板波导143聚成光束,从输出侧平板波导143的输出端143a输出。因此,AWG140的输入侧平板波导141以及输出侧平板波导143不需要特别的层叠面方向的限制。

阵列波导142由长度彼此不同且并列排列的多个波导构成,并设置有依赖于波长的光程差。因此,若向与该依赖于波长的光程差对应的输入侧平板波导141的位置,输入从多个DFB激光器130a射出的振荡波长不同的导波光,则会在输出侧平板波导143耦合成同一光线。

具体而言,阵列波导142由宽度2μm的彼此以3.5μm间隔排列的40根波导构成,并构成为焦点距离成为480μm。在此,阵列波导142的透射波长设计为与各DFB激光器130a的振荡波长一致。因此,从各DFB激光器130a射出的激光L通过AWG140的波长选择功能,全都被聚光于半导体光集成元件120的输出端面120a的大致相同位置。

另外,在变更了TEC110整体的温度的情况下,随着DFB激光器阵列130的振荡波长发生变化,AWG140的透射波长也发生实质上相同的变化,因此输出端面120a上的聚光位置没有变化。

端面窗结构部180形成在输出侧平板波导143与输出端面120a之间,成为如下结构,即,不具有层叠面方向的光限制结构,并且与输出侧平板波导143相比层叠方向(图2中纸面垂直方向)的光限制较弱。具体而言,通过去除输出端面120a附近的波导芯层而形成。通过使用窗结构,从而在芯片的解理时,解理位置从AWG140的层叠面方向的光束的焦点位置错开,在由透镜系统进行耦合时,能够避免在层叠面方向和层叠方向上产生像散。进而,对于输出端面120a虽然为了降低反射率而实施低反射涂层,但通过设置端面窗结构部180,能够进一步降低反射率。另外,从解理的位置偏离的观点出发,端面窗结构部180的光波导方向上的长度优选为10μm以上且20μm以下。而且,端面窗结构部180构成为窗结构从光束被聚光的位置开始。

另外,半导体光集成元件120也可以是不具有端面窗结构部180的结构。在该情况下,半导体光集成元件120的输出端面120a包含输出侧平板波导143的输出端143a而构成。即,半导体光集成元件120所输出的激光L从输出侧平板波导143的输出端143a直接输出。

(剖面结构)

图3~图5是与波导垂直的面上的DFB激光器130a、阵列波导142以及端面窗结构部180各自的剖面示意图。

(剖面结构:DFB激光器)

如图3所示,DFB激光器130a具有在基板101上依次层叠了下部包覆层102、波导芯层103a以及上部包覆层104的结构。基板101的材料为InP,下部包覆层102的材料为n-InP。另外,基板101的材料也可以设为n-InP。此外,在重视高频特性的情况下,也可以将n侧电极设置于下部包覆层102,将基板101的材料设为半绝缘InP。

波导芯层103a构成为以通过电流注入而发光的GaInAsP为材料的多量子阱结构的活性层。此外,在波导芯层103a的上表面,设置有未图示的衍射光栅层。波导芯层103a的厚度包含SCH层在内为150nm,宽度为1.7μm。

DFB激光器130a的波导芯层103a具有在波导芯层103a的两侧附近埋入了下部埋入包覆层106以及上部埋入包覆层107的结构。下部埋入包覆层106以及上部埋入包覆层107的材料分别为p-InP以及n-InP。下部埋入包覆层106以及上部埋入包覆层107作为电流阻挡层而发挥功能,提高了向波导芯层103a注入的电流的注入效率。

上部包覆层104的材料为p-InP,在内部,与层叠面平行地插入有蚀刻耐性与上部包覆层104不同的蚀刻停止层105。另外,根据制造方法,也可以省略该蚀刻停止层105。上部包覆层104的厚度将蚀刻停止层105也包含在内为4.5μm。另外,插入蚀刻停止层105的情况下的蚀刻停止层105的厚度例如为10nm。

在上部包覆层104上,设置了由p-GaInAs构成的接触层108,并与p侧电极109a接触。此外,在DFB激光器130a的上表面以及侧面,适当形成以SiNx为材料的钝化膜191,将相邻的DFB激光器130a彼此电分离。而且p侧电极109a与键合线等布线192a接触。

(剖面结构:阵列波导)

如图4所示,阵列波导142具有在基板101上依次层叠了下部包覆层102、波导芯层103b以及上部包覆层104的结构。另外,基板101、下部包覆层102以及上部包覆层104的材料与DFB激光器130a相同。

波导芯层103b由以GaInAsP为材料的块状结构(bulk structure)构成。波导芯层103b的厚度为200nm,宽度为2.0μm。上部包覆层104的厚度为2.3μm。

在上部包覆层104上,设置有蚀刻停止层105,但也可以去除该蚀刻停止层105。此外,在AWG140的上表面,适当地形成了以SiNx为材料的钝化膜191。

(剖面结构:端面窗结构部)

如图5所示,端面窗结构部180具有如下结构,即,在基板101上,依次层叠了下部包覆层102、下部埋入包覆层106、上部埋入包覆层107、被插入了蚀刻停止层105的上部包覆层104、以及接触层108。另外,基板101、下部包覆层102、下部埋入包覆层106、上部埋入包覆层107、上部包覆层104、蚀刻停止层105以及接触层108的材料与DFB激光器130a相同。

从图5可知,在端面窗结构部180中,不存在波导芯层,作为代替,下部埋入包覆层106以及上部埋入包覆层107填充在下部包覆层102与上部包覆层104之间。此外,在端面窗结构部180的上表面,形成了以SiNx为材料的钝化膜191。另外,比较图4和图5也可知,在半导体光集成元件120中,端面窗结构部180的半导体上表面的高度高于阵列波导142的半导体上表面的高度。对于端面窗结构部180而言,由于层叠方向的光限制较弱,因此光在层叠方向上发生衍射。然后,若衍射光由端面窗结构部的半导体上表面反射,则会光束形状散乱。为了避免这一情况,优选使端面窗结构部180的半导体上表面高于阵列波导142的半导体上表面的高度。

在图2所示的半导体光集成元件120中,来自输出端面143a的出射光关于平板波导143的层叠面方向,相对于输出端面143a沿垂直方向射出。为了更有效地防止出射端面上的反射光,也可以构成为如图6所示的半导体光集成元件120c那样,将AWG140a相对于输出端面143a倾斜配置,由此来自输出端面143a的出射光关于平板波导143b的层叠面方向,从相对于出射端面143a的垂直方向倾斜射出。

由以上说明的剖面结构可知,DFB激光器130a通过设为埋入型的波导结构,从而能够享有波导侧部的表面再耦合速度小这样的优点。此外,AWG140通过高台型的波导结构,从而能够实现较小的曲率半径和密集的波导间隔,能够实现显著的小型化。

返回至图1,光检测器150检测从DFB激光器阵列130的与输出端面120a相反一侧的面输出的光,并输出与所检测到的光的强度相应的电信号。光检测器只要具备光检测功能便无特别限定,例如也可以是具备光电二极管的光检测器。

透镜160对从输出端面120a输出的半导体光集成元件120所输出的激光L进行聚光。透镜160通过调整相对于所射入的激光L的层叠面方向以及层叠方向的角度、层叠面方向、层叠方向、激光L的传播方向的位置,从而能够以低损耗将半导体光集成元件120所输出的激光L耦合到光纤170。

光纤170被耦合由透镜160聚光的激光L,向半导体激光装置100的外部导波并输出。

接下来,对半导体激光装置100的动作进行说明。首先,根据所希望的波长,选择DFB激光器阵列130的多个DFB激光器130a之中的任意一个DFB激光器130a。然后,为了所选择的DFB激光器130a输出所希望的波长的激光L,使TEC110成为规定温度。接着,对所选择的DFB激光器130a注入电流来使其输出所希望的波长的激光L。

从DFB激光器阵列130输出的激光L,射入到AWG140的输入侧平板波导141。所射入的光在输入侧平板波导141内在层叠面方向上作为光束一边扩展一边传播,耦合到阵列波导142。所耦合的光在阵列波导142中传播,由输出侧平板波导143再次聚成光束。此时,从各DFB激光器130a射出的波长不同的光通过AWG140的波长选择功能,全都被聚光于输出侧平板波导143的相同位置。由输出侧平板波导143聚光后的光射入到端面窗结构部180,不受层叠面方向的光限制地从输出端面120a向半导体光集成元件120的外部输出。该半导体光集成元件120所输出的激光L由透镜160聚光而耦合到光纤170中,从光纤170输出到半导体激光装置100的外部。

在此,若与DFB激光器阵列130连接的光耦合器设为无波长选择性的光耦合器,则半导体光集成元件120的输出光强度相对于DFB激光器阵列130的输出光强度会成为DFB激光器的根数分之一以下。例如,若假定DFB激光器阵列130的DFB激光器的数量为8,则半导体光集成元件120的输出光强度相对于DFB激光器阵列130的输出光强度成为1/8以下(12.5%以下)。另一方面,在半导体光集成元件120中,作为与多个DFB激光器阵列130连接的光耦合器,使用了按照各自不同的DFB激光器130a的波长高效率地透射的AWG140。结果,半导体激光装置100为半导体光集成元件120的输出光强度的下降得到抑制、输出效率高的半导体激光装置。

此外,在AWG140的输出侧平板波导连接了输出波导的结构的情况下,存在对于制作误差的容差较低这样的课题。例如,作为制作误差,若假定波导的宽度从所希望的值偏离400nm,波导芯层的厚度从所希望的值偏离23nm,芯的组成换算为波长后从所希望的值偏离42nm,则输出侧平板波导的出射位置能够估算在层叠面方向上偏离5μm。此时,显而易见,输出侧平板波导与宽度2μm左右的输出波导的耦合损耗显著增大。

另一方面,本实施方式1所涉及的半导体激光装置100为如下结构,即,不具有输出波导,通过透镜160来补偿来自输出侧平板波导143的输出位置的偏离。上述的制作误差所引起的被输出的激光L在层叠面方向上的5μm的位置偏离相当于将透镜160的层叠面方向的角度调整1.9°,能够通过透镜160来充分补偿。这样,半导体激光装置100通过对不具有输出波导的集成了AWG140的半导体光集成元件120与透镜160进行组合,从而能够具有足够的对准容差来获得高耦合效率。因此,半导体激光装置100是对于制作误差的容差高的半导体激光装置。

此外,在现有的波导彼此的接合、即对输出侧平板波导与输出波导进行接合的情况下,在进行激光L的传播方向的对准时,在AWG的聚光位置处于半导体光集成元件的输出端面的即便是些许内侧的情况下,存在波导彼此碰撞损坏的情况。因此,存在如下这样的课题,即,只能对准固定到形成一点间隙的程度,连接损耗大。尤其是在使用半导体波导的情况下,由于从半导体波导的输出端输出的激光L的发散角度较大,因此存在由于一点间隙而产生致命的耦合损耗的情况。另一方面,像半导体激光装置100那样,在透镜对准的情况下,能够使透镜160在激光L的传播方向上从0开始一边向正侧或是向负侧移动一边进行对准。这样,在半导体激光装置100中,通过进行透镜对准,从而能够容易对准,并且能够减小连接损耗。

另外,在本实施方式1中,输入侧平板波导141和输出侧平板波导143为相同朝向。在该情况下,即使在埋入型波导部121以及埋入型波导部123和台型波导部122的图案位置由于制作上的原因而与设计值出现偏离的情况下,基于AWG140的聚光的位置也不会改变。而且,由于是在输出侧平板波导143侧不设置输出波导而直接从输出端面120a输出的结构,因此聚光位置的偏离原本就成为不了输出效率的下降的主要原因。因此,制作时的图案偏离在很大程度上被容许,即使在出现了数μm的偏离的情况下,半导体激光装置100的输出特性也不会恶化。即,即使使用了存在在现有的埋入型波导部与台型波导部的连接方法的情况下损耗的增加不能容许那样的图案偏离的制法,在本实施方式1的半导体激光装置100中,也能够不产生过量的损耗地进行制作。如以上所说明的那样,半导体激光装置100是对于制作误差的容差高、并且输出效率高的半导体激光装置。

(制造方法)

接下来,说明本实施方式1的半导体光集成元件120的制造方法。首先,在基板101上通过MOCVD法来依次层叠下部包覆层102、DFB激光器130a的波导芯层103a、上部包覆层104的一部分以及衍射光栅层。波导芯层103a是以GaInAsP为材料的多量子阱结构,衍射光栅层由GaInAs构成。

接着,在整个表面上沉积SiNx膜之后,按照形成于DFB激光器130a的衍射光栅层的周期性的衍射光栅的图案对SiNx膜进行图案形成。然后,以SiNx膜为掩模来进行蚀刻。由此,在衍射光栅层形成衍射光栅结构。然后,在去除了整个表面的SiNx膜之后,通过基于MOCVD法的衍射光栅埋入生长来层叠上部包覆层104。

再次在整个表面上沉积SiNx膜之后,对与DFB激光器130a对应的部分实施图案形成以成为稍微宽幅的图案。然后,以SiNx膜为掩模进行蚀刻来去除形成AWG的区域的波导芯层而使下部包覆层102露出。接下来将SiNx膜的掩模直接作为选择生长的掩模,通过MOCVD法,来层叠AWG140的波导芯层103b以及上部包覆层104。

接下来,去除了SiNx膜的掩模之后,新沉积SiNx膜,并实施图案形成以成为与DFB激光器130a以及各连接部的波导对应的图案。此时,对于后来形成高台型波导的AWG140及其附近的连接部的波导,以比波导芯层的宽度更大宽度的方式进行图案形成。此外,成为端面窗结构部180的部分将图案去除。

然后,以该SiNx膜为掩模进行蚀刻,形成与DFB激光器130a以及各连接部的波导对应的台结构,并且使下部包覆层102露出。接下来,以该SiNx膜的掩模为选择生长的掩模,使用MOCVD法,在所露出的下部包覆层102之上,层叠下部埋入包覆层106以及上部埋入包覆层107。

接下来,去除了SiNx膜的掩模之后,使用MOCVD法,在整个表面上依次层叠上部包覆层104、厚度10nm的蚀刻停止层105、上部包覆层104、接触层108。

然后,进行图案形成以对形成高台型波导的区域以外进行覆盖,以该图案为掩模,通过包含硫酸和过氧化氢的蚀刻剂来去除由p-GaInAs构成的接触层108,进而通过利用盐酸系的蚀刻剂进行的湿式蚀刻来去除到蚀刻停止层105为止的上部包覆层104。

接下来,在整个表面上沉积SiNx膜,并实施图案形成使得在相当于高台型波导的两侧的部分形成开口。此时,使DFB激光器130a的区域的周边处于由SiNx膜覆盖的状态,在DFB激光器130a的左右的沟槽区域形成开口。

然后,以该SiNx膜为掩模,通过干蚀,对蚀刻停止层105、上部包覆层104、波导芯层以及下部包覆层102的一部分进行蚀刻来形成台结构。

在此,进行蚀刻使得高台结构的侧部的下部包覆层102的蚀刻深度与设计值一致。此时,对于将DFB激光器130a电分离的沟槽而言,至少从接触层108、上部包覆层104蚀刻到蚀刻停止层105为止。进而,覆盖沟槽以外的部分,通过盐酸系的湿式蚀刻来加深该沟槽的蚀刻深度。

然后,通过公知的方法,在各部分形成钝化膜191,在其开口部形成用于电流注入的p侧电极109a等。在表面的加工结束之后,对基板101进行研磨使其成为所希望的厚度,在背面形成电极。

进而,通过基板解理来形成端面,进行端面涂布、元件分离,从而半导体光集成元件120的制造方法完成。

另外,在以上说明的制造方法中,采用了在整个表面上层叠了上部包覆层104之后对台型波导部的区域进行蚀刻的方法,但也能够通过使用选择生长等的其他制造方法来制造。

(实施例1)

接下来,作为实施例1,制作实施方式1所涉及的半导体激光装置100,并将其输出特性与比较例1进行了比较。比较例1所涉及的半导体激光装置具有将半导体激光装置100的AWG140置换为MMI的结构,其他构成与半导体激光装置100相同。

图7是表示对实施例1所涉及的半导体激光装置与比较例1所涉及的半导体激光装置的输出特性进行了比较的状况的图。图7是表示相对于向DFB激光器的注入电流的半导体光集成元件的输出光强度的图。此外,图7表示在实施例1以及比较例1中,关于DFB激光器阵列所具有的12个DFB激光器之中最长波长、最短波长以及中央附近的波长这3个DFB激光器的输出光强度。

如图7所示,无论在哪个DFB激光器中结果都是实施例1的DFB激光器130a的输出光强度相对于比较例1的DFB激光器的输出光强度高4倍左右。这是由于,在实施例1中,通过将MMI置换为AWG140,从而光耦合器所引起的耦合损耗得到了改善。即,示出了半导体激光装置100是输出效率高、高输出的半导体激光装置。

接着,对实施例1所涉及的半导体激光装置100的半导体光集成元件120的输出端面120a上的层叠面方向、层叠方向的输出光强度进行了测定。图8是表示实施例1所涉及的半导体激光装置的层叠面方向上的输出光强度的分布的图。在图8中,中央的峰值是AWG140的0次的衍射光的输出位置,左右的峰值是AWG140的±1次的衍射光的输出位置。图8中由虚线所示的0次的衍射光的半峰全宽为3.3μm。

如上所述由于制作误差,存在该0次的峰值在层叠面方向(图8中的左右方向)上偏离5μm程度的情况。因此,可知以低损耗将该输出光耦合到输出波导是极其困难的。进而从图8可知,在将该输出光与输出波导连接的情况下,输出光在层叠面方向上偏离1μm程度,就会导致产生很大的耦合损耗。另一方面,在半导体激光装置100中,由于通过透镜160来补偿制作误差所引起的层叠面方向的偏离,因此能够防止耦合损耗的增大。因此,半导体激光装置100是对于制作误差的容差高、并且输出效率高的半导体激光装置。

图9是表示实施例1所涉及的半导体激光装置的层叠方向上的输出光强度的分布的图。如图9所示,层叠方向上的输出光强度在中央具有1个峰值。图9中由虚线所示的该峰值的半峰全宽为2.3μm。从图8、图9可知,层叠面方向、层叠方向都能够得到良好的单峰的光束轮廓(beam profile),在使用透镜与光纤、波导等耦合时,能够获得较高的耦合效率。

如以上说明的那样,本实施方式1所涉及的半导体激光装置100是对于制作误差的容差高、并且输出效率高的半导体激光装置。

另外,如图8所示,光强度最强的主要的衍射光即0次的衍射光存在相邻的±1次的衍射光。该衍射光若直接射出到半导体光集成元件120的外部则会成为杂散光,有时会导致半导体激光装置100的特性发生劣化。在该情况下,如图10所示,在设置了输出侧平板波导143的区域143c,通过设置去除相邻衍射光的结构143b,从而能够防止成为杂散光的情况。在此,输出侧平板波导143在区域143c中没有明确的外缘,在区域143c中具有物理上相同的结构。因此,去除相邻衍射光的结构143b设置于区域143c中的不阻碍0次的衍射光而能够去除相邻衍射光的位置即可。去除相邻衍射光的结构143b能够设为比输出侧平板波导143的芯更深且到达下部包覆层为止的槽或孔。此外,也可以是能够吸收相邻衍射光的吸收层。进而,也可以不是在设置了输出侧平板波导143的区域143c,而是在设置了端面窗结构部180的区域设置去除相邻衍射光的结构143b。

[实施方式2]

接下来,对本发明的实施方式2所涉及的半导体激光装置进行说明。图11是表示实施方式2所涉及的半导体激光装置的俯视示意图的图。如图11所示,本实施方式2所涉及的半导体激光装置200具备收纳在框体H上的TEC210和TEC220。在TEC210上,载置有半导体光集成元件230。而且,在半导体光集成元件230中,集成了DFB激光器阵列240和AWG250。进而,半导体激光装置200具备:作为第1透镜的透镜260、波长监视器270、作为第2透镜的透镜280、载置在TEC220上的作为半导体光放大器的SOA290、作为第3透镜的透镜300和光纤310。TEC210、TEC220、半导体光集成元件230、透镜300、光纤310由于可以是与实施方式1相同的构成,所以省略说明。

透镜260配置在比透镜300更靠近半导体光集成元件230侧,对从半导体光集成元件230的输出端面输出的激光L进行校准而使其成为大致平行光。

波长监视器270被输入由透镜260校准后的激光L,检测波长。通过一边监控所检测的波长一边变更DFB激光器阵列240的驱动条件,从而能够使半导体激光装置200输出的激光L成为所希望的波长。

透镜280配置在比透镜300更靠近半导体光集成元件230侧,对通过波长监视器270输入的半导体光集成元件230所输出的激光L进行聚光。透镜280以低损耗将半导体光集成元件230所输出的激光L耦合到SOA290。

SOA290是如下的波导型光功能元件,即,被输入由透镜280聚光后的激光L,根据所注入的电流将该激光L放大后进行输出。

另外,透镜260以及波长监视器270、和透镜280以及SOA290中的任意一方均可以配置于半导体光集成元件230侧。

(剖面结构:SOA)

图12是与波导垂直的面上的SOA的剖面示意图。如图12所示,SOA290具有在基板201上依次层叠了下部包覆层202、波导芯层203d以及上部包覆层204的结构。另外,基板201、下部包覆层202以及上部包覆层204的材料与DFB激光器130a相同。

波导芯层203d由以通过电流注入而发光的GaInAsP为材料的多量子阱结构构成。波导芯层203d的厚度包含SCH层在内为150nm,宽度为1.7μm。

在上部包覆层204的内部,插入有蚀刻耐性与上部包覆层204不同的蚀刻停止层205。与实施方式1同样地,根据制造法,也可以省略该蚀刻停止层205。上部包覆层204的厚度将蚀刻停止层205也包含在内为4.5μm。另外,插入蚀刻停止层205的情况下的蚀刻停止层205的厚度例如为10nm。

SOA290的波导芯层203d具有在DFB激光器130a的波导芯层103a的两侧附近埋入了下部埋入包覆层206以及上部埋入包覆层207的波导结构。下部埋入包覆层206以及上部埋入包覆层207的材料分别为p-InP以及n-InP。下部埋入包覆层206以及上部埋入包覆层207作为电流阻挡层而发挥功能,提高了向波导芯层203d注入的电流的注入效率。

在上部包覆层204上,设置了由p-GaInAs构成的接触层208,与p侧电极209d接触。此外,在SOA290的上表面,适当地形成了以SiNx为材料的钝化膜291。进而p侧电极209d与键合线等布线292d接触。

接下来,对半导体激光装置200的动作进行说明。首先,根据所希望的波长,选择DFB激光器阵列240的多个DFB激光器之中的任意一个DFB激光器。然后,为了所选择的DFB激光器输出所希望的波长的激光L,使TEC210成为规定温度。此外,使TEC220成为规定温度以使得在所希望的波长下SOA290成为适当的放大效率。接着,对所选择的DFB激光器注入电流来使其输出所希望的波长的激光L。此外,对SOA290也注入规定电流。

从DFB激光器阵列240输出的激光L,射入到AWG250的输入侧平板波导。射入到AWG250的光从输出侧平板波导的规定位置输出,经由端面窗结构部,不受层叠面方向的光限制地从半导体光集成元件230的输出端面输出。

该半导体光集成元件230的输出光由透镜260校准后,输入到波长监视器270。波长监视器270检测所输入的激光L的波长。基于所检测出的激光L的波长,对DFB激光器阵列240的驱动条件、TEC210以及TEC220的温度进行反馈控制,由此能够使激光L成为规定波长。

通过波长监视器270而输入到透镜280的激光L由透镜280聚光后射入到SOA290。SOA290根据所注入的电流将所射入的激光L放大后进行输出。从SOA290输出的激光L由透镜300耦合到光纤310中,从光纤310输出到半导体激光装置200的外部。

在此,本实施方式2所涉及的半导体激光装置200是如下结构,即,不具有输出波导,而通过透镜260、透镜280、透镜300来补偿从输出侧平板波导的输出位置的偏离。因此,半导体激光装置200中的制作误差所引起的被输出的激光L的位置偏离能够通过透镜260、透镜280、透镜300来充分补偿。进而,通过使SOA290的光束点尺寸与半导体光集成元件230相匹配地进行设计使得成为低像倍率,从而对于各透镜的光轴方向的定位也能够得到高容差。这样,半导体激光装置200通过对不具有输出波导的集成了AWG250的半导体光集成元件230与透镜260、透镜280、透镜300进行组合,从而能够具有足够的对准容差来获得高耦合效率。因此,半导体激光装置200是对于制作误差的容差高的半导体激光装置。

另外,在本实施方式2所涉及的半导体激光装置200中,也能够构成为不具备波长监视器270而将由透镜260校准后的输出光直接输入到透镜280。此外,也可以调换波长监视器270与SOA290的位置,按照半导体光集成元件230、透镜260、透镜280、SOA290、用于校准SOA290的输出光的另一个透镜260、波长监视器270、透镜300的顺序进行配置。

(实施例2)

接下来,作为实施例2以及比较例2,测定了实施例1以及比较例1的半导体激光装置还具备SOA的情况下的输出光强度。比较例2所涉及的半导体激光装置具有将半导体激光装置200的AWG250置换为MMI的结构,其他构成与半导体激光装置200相同。

图13是表示对实施例2所涉及的半导体激光装置与比较例2所涉及的半导体激光装置的输出特性进行了比较的状况的图。图13是表示相对于向SOA290的注入电流的半导体激光装置的输出光强度的图。另外,向DFB激光器的注入电流固定。此外,图13表示在实施例2以及比较例2中,关于DFB激光器阵列所具有的12个DFB激光器之中最长波长、最短波长以及中央附近的波长这3个DFB激光器的输出光强度。

如图13所示,无论在哪个DFB激光器中结果都是来自实施例2的SOA290的输出光强度相比于来自比较例2的SOA的输出光强度高1.7倍左右。这是由于,在实施例2中,通过将MMI置换为AWG250,从而光耦合器所引起的耦合损耗得到了改善,由此向SOA290的输入光强度得到了提升。即,示出了半导体激光装置200是输出效率高的半导体激光装置。

因此,本实施方式2所涉及的半导体激光装置200是对于制作误差的容差高、并且输出效率高的半导体激光装置。

如以上所说明的那样,根据本实施方式,能够提供对于制作误差的容差高、并且输出效率高的半导体激光装置。

另外,在上述实施方式中,设为多个DFB激光器彼此振荡波长不同来进行了说明,但本发明并不限于此。例如,可以构成多个DFB激光器在同一波长下振荡,且在单一波长下进行高输出的振荡的半导体激光装置。此外,DFB激光器可以是输出通过被供给调制电流而被调制的信号光的构成,也可以是被供给恒定电流的构成。

此外,在上述实施方式中,将半导体激光元件设为DFB激光器来进行了说明,但本发明并不限于此。半导体激光元件也可以是例如分布反射型(DR:Distributed Reflector)激光器或分布布拉格反射型(DBR:Distributed Bragg Reflector)激光器。

此外,在使用通过上述实施方式而说明的半导体光集成元件来组装具有2个以上的透镜的模块的情况下,向半导体光集成元件的输出端面和与输出端面相邻配置的透镜之间的最佳对准位置的对位,根据与耦合到其他透镜的波导(光纤或带SSC的SOA)的平衡来决定。只要进行适当的设计,便能够在光束点尺寸较大的地方进行对准作业,能够实现组装容易的构成。

此外,本发明并不限定于上述实施方式。将上述各构成要素适当组合而构成的技术方案也包含在本发明中。此外,进一步的效果、变形例能够由本领域技术人员容易地导出。因此,本发明的更加广泛的方式并不限定于上述的实施方式,能够进行各种各样的变更。

工业实用性

如上所述,本发明所涉及的半导体激光装置在一个基板上集成多个元件的半导体光集成元件的技术中非常有用。

符号说明

100、200 半导体激光装置

101、201 基板

102、202 下部包覆层

103a、103b、203d 波导芯层

104、204 上部包覆层

105、205 蚀刻停止层

106、206 下部埋入包覆层

107、207 上部埋入包覆层

108、208 接触层

109a、209d p侧电极

110、210、220 TEC

120、120c、230 半导体光集成元件

120a 输出端面

121、123 埋入型波导部

122 台型波导部

130、240 DFB激光器阵列

130a DFB激光器

140、140a、250 AWG

141 输入侧平板波导

142 阵列波导

143 输出侧平板波导

143a 输出端

143b 去除相邻衍射光的结构

143c 区域

150 光检测器

160、260、280、300 透镜

170、310 光纤

180 端面窗结构部

191、291 钝化膜

192a、292d 布线

270 波长监视器

290 SOA

H 框体

L 激光

再多了解一些
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