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JP3666729B2 - Semiconductor optical amplifier and method for manufacturing the same - Google Patents

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JP3666729B2
JP3666729B2 JP28257199A JP28257199A JP3666729B2 JP 3666729 B2 JP3666729 B2 JP 3666729B2 JP 28257199 A JP28257199 A JP 28257199A JP 28257199 A JP28257199 A JP 28257199A JP 3666729 B2 JP3666729 B2 JP 3666729B2
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Japan
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waveguide
optical
optical waveguide
active layer
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泰正 須崎
修 三冨
克明 曲
康洋 近藤
悦弘 川口
好晃 門田
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NTT Inc
NTT Inc USA
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる半導体光増幅装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報通信の発展は日覚ましく、企業だけでなく家庭においてもインターネットに接続して、画像などの大容量データを送受信することが可能である。
このため伝送される情報量が急激に増加しており、これを十分に伝送・処理できる超高速、大容量の伝送網が強く求められている。
そのなかで、光による伝送・処理を用いた光伝送網は、THz級の広い帯域と数十Gbit/sの超高速伝送能力をもつため、現在では通信網の幹線系や海底ケーブル系などで使用されている。
【0003】
光伝送網は、主に発光器としての半導体レーザや受光器としてのフォトダイオード、伝送路としての光ファイバにより構成されている。
光ファイバでの伝送中や光路切り換えなどの処理中に光信号が受ける損失は、信号/雑音(S/N)比などを劣化させ、受信感度などの伝送特性に大きな影響を与える。
従って、光信号を増幅することができる光増幅器は、光伝送網の構成要素として必須であり、且つ重要である。
【0004】
光増幅器には、大きく分けて希土類添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅器と、化合物半導体で作製される半導体光増幅器(SOA)があるが、SOAは素子サイズが数mm以下と非常に小型にすることができ、半導体ウェハ上で多数個を一括作製できるため低廉化やアレイ化が容易である。
また、SOAの入出力光のスポットサイズを光ファイバのそれと同等程度の3〜4μmまで拡大するスポットサイズ変換器をSOAの両端にモノリシック集積することによって実装トレランスを大幅に改善させる研究開発が盛んに行われている。
【0005】
このスポットサイズ変換器は導波路の層厚又は幅が徐々に小さくなる構造をもち、これにより光の導波路への閉じ込めを弱めてスポットサイズを徐々に拡大していくものである。
スポットサイズ変換器を集積したSOAを用いると、シリコン(Si)基板上にガラス導波路を作製した光導波回路(PLC)、もしくは直にSi基板上に簡易に実装することが可能となり、低廉なモジュールの実現が期待できる。
【0006】
ところで、SOAで入力光から出力光への増幅率、即ち利得が大きければ、受信感度を向上させたり、伝送路中の光増幅器の数が減らしたりできるため、SOAには高利得化が求められる。
高利得化のためには、1)活性層の利得係数を大きくする、2)注入電流を大きくする、ことなどが考えられる。
しかし、従来のSOAでは、1)のように活性層を改良して利得係数を高め、2)のように注入電流を大きくしても以下のような発振の問題が生じるため、高利得化は困難となる。
【0007】
SOAの原理的な構造を図6に示す。
図6(a)に示すように、左方から利得媒質01に入力された光aは電流注入bにより生じた利得により右方から増幅光cとして出力させる。
理想的には注入電流bを上げれば、それに見合うだけの利得の上昇が利得媒質01から得られる。
しかし、実際には図6(b)に示すように、利得媒質01と空気との界面の屈折率差から利得媒質01の両端面には、ある反射率をもった反射鏡02(R≠0)が形成される。
【0008】
このため、利得媒質01と反射鏡02とで共振器構造を形成し、利得が大きくなると発振現象により発振光dが生じるため、利得の大半が発振現象で消費されてしまい、実際には利得を大きくすることができない本質的な原因となる。
そこで、従来のSOAでは端面での反射率を低減するため、図7(a)に示すように、両端面にSiO2やTiO2などの誘電体多層膜で構成された反射防止(AR)膜03を設けている。
【0009】
しかし、この方法だけで実用的な高利得を得るために必要な反射率(R<0.1%)を実現するためには、膜厚の作製誤差を数%以下に抑える必要があり、再現性や生産性に難点がある。
従来のSOAは図7(a)のように、導波路が劈開端面に対し垂直に形成されているため、反射光eが再度、活性層04に結合しやすい構造となっていた。
そこで、さらに反射率を低減する方策として、図7(b)に示すように導波路を壁開端面に対して傾けた構造とすることにより、端面からの反射光eを導波路へ結合させないようにする方法が提案されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
図8(a)及び(b)には端面に対して斜めの導波路構造を実現した従来の構成を示す。
ここでは、スポットサイズ変換器を集積したSOAを考え、電流注入により利得が生じる活性層010のある領域を活性領域、導波光のスポットサイズを拡大するスポットサイズ変換(SS)層011のある領域をSS領域と呼ぶ。
図8(a)は、活性及びSS領域が直線で端面に対して斜めになっている構造で、活性層010の全体が端面に対して斜めになっている。
図8(b)は、活性層010が劈開面に垂直な直線導波路010aと曲率半径を持った曲線導波路010bで構成され、SS層011は劈開面に対して斜めの直線もしくは曲線導波路を持った構造である。
【0011】
この構造では、活性層010とSS層011を接続させるために活性層010の一部を曲率半径Rの曲線導波路(BEND−WG)010bにしている。
ここで、端面は劈開という化合物半導体特有の方法で形成される。
InPなどの化合物半導体では、その結晶構造から特定の結晶面で結合の弱い部分が存在する。
劈開とは半導体に所定の応力を加えることで、この結合の弱い結晶面に沿って原子層オーダーで平滑な面を得る工程で、端面は必ず所定の結晶面方位と平行又は垂直になる。
ところで、SOAでは電流が活性層に効率的に注入されるよう注入電流の横方向の経路を狭窄する埋め込み構造を広く用いている。
【0012】
例えば、pn−BHと呼ばれる埋め込み構造では、n−InP基板を用いる場合、活性層の両脇を結晶成長によりp−InP/n−InP/p−InP層で埋め込み、電流注入時にはpn接合の逆バイアスにより埋め込み領域には電流が供給されない。
このため、活性層にのみに電流注入されて効率が向上し、動作電流の低減などに寄与する。
【0013】
作製方法は図9(a)のように活性層を所定の結晶面方位(ここでは(100)面を表面としたn−InP基板の[011]方向)に平行なメサストライプ状に加工した後、その上部の選択成長マスクを用いてメサストライプ横にp−InP,n−InP層を順次形成する。
その後、選択成長マスクを除去して全面にp−InP層を形成する。
一方、GaInAsP系の結晶成長技術では一般的に結晶面方位により成長メカニズムが異なることが広く知られている。
【0014】
例えば、図9(b)のように[01−1]方向に平行なメサストライプを形成した場合、前記の結晶面方位に最適化した成長条件では選択性が劣るため選択マスク上にも結晶成長されてしまい易い。
このため、埋め込み構造のように活性層の両脇だけに選択的に結晶成長を行う場合には、結晶面方位を考慮した成長工程を用いる必要がある。
【0015】
上記のように導波路が端面に対し垂直な場合には結晶面方位を一つのみとすることができるため比較的容易に選択成長条件を得ることができるが、図8(a)及び(b)に示すように活性層010の全体もしくは一部が端面に対して斜めとなる場合には、メサストライプにはいくつかの結晶面方位が必ず含まれてしまい結晶成長条件が複雑になる。
その結果として、例えば、図9(c)のように十分な選択成長比をとることができずに選択成長マスク上にも結晶成長されてしまって活性層への均一な電流注入が行えなくなる。
従って、素子特性の劣化や作製再現性の悪化などの問題が生じてしまう。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成する本発明の請求項1に係る半導体光増幅装置は、活性領域を有する第一の光導波路を持つ半導体光増幅装置において、前記第一の光導波路の光導波方向は半導体基板の結晶面方位と垂直又は平行であり、スポットサイズ変換領域を有する第二の光導波路が前記第一の光導波路に接続され、前記第二の光導波路は、曲線導波路部を有し、かつ、前記半導体基板の端面と斜行し、前記曲線導波路部の曲率半径は、125〜300μmであり、前記第二の光導波路と端面との傾き角が5°よりも大きいすることを特徴とする。
記課題を達成する本発明の請求項に係る半導体光増幅装置の製造方法は、請求項1における前記第一の光導波路を形成した後に、前記第二の光導波路をバットジョイントさせることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明におけるSOAの概念図を図1に示す。
SOAは主に活性層10とSS層11から成り、活性層10に電流注入することで利得を生じさせ、SS層11によりスポットサイズの拡大を行って光ファイバと結合させる。図中、3はAR層である。
活性層10は、所定の結晶面方位に対し平行になるように形成される。
ここで重要なのは、活性層10が結晶面方位に対し平行な直線導波路のみで構成されることである。
【0018】
このため上述の結晶成長における問題点は全くない。
また、SS層11は、結晶方位に対してθだけ傾いた直線導波路11aと、活性層10とそれとを滑らかに接続させる曲率半径Rの曲線導波路11bとからなる。
ここで、曲線導波路11bの長さは曲率半径Rと傾きθによって一意に決定される。
さらにSS層11はスポットサイズ拡大のために層厚方向又は幅方向にテーパ形状となっている。
テーパ形状は形成方法により決まり、放射損失を小さくするために放物線状、あるいは指数関数状が多くの場合に選ばれる。
【0019】
層厚及び幅が一定である直線導波路では問題にはならないが、曲線導波路11bでは曲げによる放射損失が生じることが知られている。
これは直線導波路11aの伝搬モードが全領域で同一なのに対し、曲線導波路11bでは曲線部での伝搬モードが少しずつ異なるために損失を受けるためである。
この放射損失は層厚が一定の場合には、曲率半径を小さくして急激に導波路を曲げると増大することが知られている。
また導波路厚が薄くなると導波路への光の閉じ込めが弱くなり、同じ曲率半径でも放射損失が大きくなる傾向がある。
【0020】
本発明のSOAで用いているSS層11のようにテーパ形状をもつ導波路で曲げによる放射損失を低減するために曲率半径を大きくしようとすると、それに伴って曲線導波路11bの長さが増大する。
すると層厚の薄い部分も曲線導波路11b領域に含まれてしまうため導波路の薄膜化による放射損失の方が増大してしまう。
従って、曲率半径を大きくしても放射損失は必ずしも減少しなくなり、反対に増大する場合もある。
【0021】
SS層11の端面との傾き角度θにおける曲率半径に対する放射損失の計算値を図2に示す。
ここでは一例としてSS領域の全長が200μm及び300μmの場合を示す。
図2中の挿入図に示す傾き角度θの値が小さく、導波路が直線に近い場合には、曲率半径Rを大きくすることで放射損失が低減できるが、傾き角度θを大きくすると、曲率半径Rが200μm近辺までは放射損失が低減できるが、それ以上では逆に増加する傾向を示している。
【0022】
これは従来の構成では議論されていなかった重要な問題で、放射損失を低減するためには、各傾き角θに対して最適な曲率半径Rがあることを示しており、構成を決定する上で必須の条件である。
従って、端面での反射減衰量として実用上必要な30dB以上を得るための傾きθ>5°においては曲率半径Rを100〜500μmにすれば低損失な特性が得られる。
更に、言えば、125〜300μmが好ましく、150〜200μmが最も好ましい。
【0023】
〔実施例〕
以下、本発明の半導体光増幅装置について、実施例を参照して説明する。
本発明の一実施例に係る半導体光増幅装置の作製手順を図3及び図4に示す。
先ず、図3(a)に示すように、n型−InP基板21上にMOVPE法によりGaInAsP活性層22とInP薄クラッド層23を形成する。
【0024】
その上に熱CVD法を用いてSiO2膜24を形成し、フォトリソグラフィとCF4/H2−RIE、ウェットエッチングによりスポットサイズ変換層を形成する部分のSiO2膜24、薄クラッド層23及び活性層22を除去する。
次いで、図3(b)に示すように、このSiO2膜24をマスクとして選択MOVPE法により、GaInAsPスポットサイズ変換層25を形成する。
この際、マスクを所定の形状とすることで活性層22との境界で最も厚く、そこから遠ざかるに従って膜厚が薄くなる層厚テーパ形状を実現している。
【0025】
このように、活性領域を有する第一の光導波路を形成した後に、SS領域を有する第二の光導波路をバットジョイントさせて作製方法を用いると、活性層とスポットサイズ変換層とを別々に形成することができるので、活性層は光増幅特性のみに最適化した設計が可能となる。
一方、スポットサイズ変換層は活性層の設計に全く影響されることなく、低伝搬損失、光ファイバとの高効率結合などスポットサイズ変換のみを考慮した設計が可能となる。
【0026】
従って、活性層及びSS層に対する設計自由度が非常に大きくとれ、高い光増幅特性と低伝搬損失、高結合効率を両立させることが容易になる。
引き続き、SiO2膜24をHFにより除去し、図3(c)に示すように、MOVPE法により、全面にInPクラッド層26を形成する。
その後、SiO2膜27を形成し、フォトリソグラフィとCF4/H2−RIEにより導波路を形成する部分の上部以外のSiO2膜27を除去する。
【0027】
そして、図3(d)に示すように、このSiO2膜27をマスクとしてCH4/H2−RIEにより、InPクラッド層26、InP薄クラッド層23、GaInAsP活性層22、GaInAsPスポットサイズ変換層25及びn−InP基板21の一部を除去する。
更に、図3(e)に示すように、上記SiO2膜27を再度、マスクとして選択MOVPE法により、導波路部分の両脇にp−InP層28、n−InP層29を形成する。
【0028】
その後、SiO2膜27をHFにより除去し、MOVPE法により全面にInPオーバークラッド層30、GaInAsPキャップ層31を形成する。
そして、図4(a)に示すように、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより活性領域以外のキャップ層31を除去する。
引き続き、SiO2膜32を全面に形成し、フォトリソグラフィとCF4/H2−RIEにより活性領域上部のSiO2膜32を除去する。
【0029】
その後、活性領域上部にAuZnNi/Au電極33、n−InP基板にAuGeNi/Au電極34をそれぞれEB蒸着により形成する。
最後に素子端面を劈開により形成し、図4(c)に示すように、両端面にTiO2/SiO2反射防止膜35をEBスパッタにより形成する。
素子の寸法は、活性層の長さ600μm、活性層の厚さ0.4μm、スポットサイズ変換層の長さ300μm,スポットサイズ変換層の厚さ0.4μm(活性層との接続部)〜0.2μm(素子端面)となるようにした。
【0030】
また、スポットサイズ変換層の曲線導波路部分の曲率半径Rは200μmとし、それ以外の部分は結晶面方位に対し傾きθ=7°の直線導波路とした。
このような工程で作製したSOAにおいて、従来の端面に垂直な導波路のみで構成されたSOAの注入電流200mAでのチップ利得25dBよりも大きい30dBのチップ利得を得た。
また、放射損失については0.5dB以下と良好な値を得た。
ここでは、両端のSS層が平行となっているS字型の構成について示したが、図5に示すように片端のSS層11が活性層10を通る直線を中心として折り返したようなコの字型の構成でももちろん良い。
【0031】
また、本実施例では、活性層とSS層を異なった材料で形成しているが、異なる領域で材料の組成波長を変化させることができる選択マスクを用いた選択結晶成長などにより活性層とSS層を一括して形成してももちろん良い。
また、活性層及びSS層はそれぞれ単一層としているが、活性領域とSS領域に共通の光導波層とその上部に活性層及びSS層を形成したような装荷構造としてももちろん良い。
また、SS層のテーパ形状を層厚方向に形成しているが、フォトリソグラフィとエッチング技術を用いて幅方向のテーパ形状としてももちろん良い。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、放射損失を低く抑えた上で、高い利得を実更することができ、これにより高利得の半導体光増幅器を再現性、生産性よく得られるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるSOAの概念図である。
【図2】SS層の端面との傾き角度における曲率半径に対する放射損失の計算値をに示すグラフである。
【図3】本発明の一実施例に係る半導体光増幅装置の作製手順を示す工程図である。
【図4】本発明の一実施例に係る半導体光増幅装置の作製手順を示す工程図である。
【図5】本発明の他の実施例に係る半導体光増幅装置の斜視図である。
【図6】SOAの原理的な構造を示す説明図である。
【図7】反射防止膜を設けたSOAの構造を示す説明図である。
【図8】端面に対して斜めの導波路構造を実現した従来のSOAの構造を示す説明図である。
【図9】従来のSOAの作製方法を示す工程図である。
【符号の説明】
3 AR層
10 活性層
11 SS層
11a 直線導波路
11b 曲線導波路
21 n型−InP基板
22 GaInAsP活性層
23 InP薄クラッド層
24 SiO2
25 GaInAsPスポットサイズ変換層
26 InPクラッド層
27 SiO2
28 p−InP層
29 n−InP層
30 InPオーバークラッド層
31 GaInAsPキャップ層
32 SiO2
33 AuZnNi/Au電極
34 AuGeNi/Au電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical amplifier used for optical communication and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the development of information communication has been remarkable, and it is possible to send and receive large-capacity data such as images by connecting to the Internet not only at companies but also at home.
For this reason, the amount of information to be transmitted is rapidly increasing, and there is a strong demand for an ultrahigh-speed, large-capacity transmission network that can sufficiently transmit and process this information.
Among them, optical transmission networks using optical transmission and processing have a wide THz-class bandwidth and ultra-high-speed transmission capability of several tens of Gbit / s, so they are currently used in communication network trunk systems and submarine cable systems. in use.
[0003]
The optical transmission network is mainly composed of a semiconductor laser as a light emitter, a photodiode as a light receiver, and an optical fiber as a transmission path.
Loss experienced by an optical signal during processing such as transmission through an optical fiber or switching of an optical path degrades a signal / noise (S / N) ratio and the like, and greatly affects transmission characteristics such as reception sensitivity.
Therefore, an optical amplifier capable of amplifying an optical signal is indispensable and important as a component of the optical transmission network.
[0004]
There are two types of optical amplifiers: optical fiber amplifiers using rare earth-doped optical fibers and semiconductor optical amplifiers (SOA) made of compound semiconductors. SOAs are very small, with element sizes of several millimeters or less. In addition, since a large number of semiconductor wafers can be manufactured at once, cost reduction and arraying are easy.
In addition, active research and development to significantly improve mounting tolerance by monolithically integrating spot size converters at both ends of the SOA to expand the spot size of SOA input / output light to 3-4 μm, which is equivalent to that of optical fibers. Has been done.
[0005]
This spot size converter has a structure in which the layer thickness or width of the waveguide is gradually reduced, thereby weakening confinement of light in the waveguide and gradually increasing the spot size.
Using an SOA with an integrated spot size converter, an optical waveguide circuit (PLC) in which a glass waveguide is fabricated on a silicon (Si) substrate, or directly on a Si substrate can be easily mounted, and is inexpensive. Realization of modules can be expected.
[0006]
By the way, if the amplification factor from the input light to the output light, that is, the gain is large in the SOA, the reception sensitivity can be improved or the number of optical amplifiers in the transmission path can be reduced. Therefore, the SOA is required to have a high gain. .
In order to increase the gain, it is conceivable to 1) increase the gain coefficient of the active layer and 2) increase the injection current.
However, in the conventional SOA, even if the active layer is improved as in 1) to increase the gain coefficient and the injection current is increased as in 2), the following oscillation problem occurs. It becomes difficult.
[0007]
The principle structure of the SOA is shown in FIG.
As shown in FIG. 6A, the light a input to the gain medium 01 from the left is output as amplified light c from the right due to the gain generated by the current injection b.
Ideally, if the injection current b is increased, a gain increase corresponding to the injection current b can be obtained from the gain medium 01.
However, actually, as shown in FIG. 6 (b), reflecting mirrors 02 (R ≠ 0) having a certain reflectance on both end faces of the gain medium 01 due to a difference in refractive index at the interface between the gain medium 01 and air. ) Is formed.
[0008]
For this reason, a resonator structure is formed by the gain medium 01 and the reflecting mirror 02. Since the oscillation light d is generated by the oscillation phenomenon when the gain becomes large, most of the gain is consumed by the oscillation phenomenon. It becomes an essential cause that cannot be enlarged.
Therefore, in the conventional SOA, in order to reduce the reflectance at the end face, as shown in FIG. 7A, an antireflection (AR) film composed of dielectric multilayer films such as SiO 2 and TiO 2 on both end faces as shown in FIG. 03 is provided.
[0009]
However, in order to realize the reflectivity (R <0.1%) necessary to obtain a practical high gain only by this method, it is necessary to suppress the film thickness production error to several percent or less. There are difficulties in productivity and productivity.
As shown in FIG. 7A, the conventional SOA has a structure in which the reflected light e is easily coupled to the active layer 04 again because the waveguide is formed perpendicular to the cleavage end face.
Therefore, as a measure for further reducing the reflectivity, the reflected light e from the end face is not coupled to the waveguide by adopting a structure in which the waveguide is inclined with respect to the wall open end face as shown in FIG. 7B. A method to make it is proposed.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
FIGS. 8A and 8B show a conventional configuration in which a waveguide structure oblique to the end face is realized.
Here, an SOA in which a spot size converter is integrated is considered, and a region having an active layer 010 in which gain is generated by current injection is defined as an active region, and a region having a spot size conversion (SS) layer 011 that expands the spot size of guided light is defined. This is called the SS area.
FIG. 8A shows a structure in which the active and SS regions are straight and inclined with respect to the end face, and the entire active layer 010 is inclined with respect to the end face.
In FIG. 8B, the active layer 010 is composed of a straight waveguide 010a perpendicular to the cleavage plane and a curved waveguide 010b having a radius of curvature, and the SS layer 011 is a straight or curved waveguide oblique to the cleavage plane. It is a structure with
[0011]
In this structure, in order to connect the active layer 010 and the SS layer 011, a part of the active layer 010 is a curved waveguide (BEND-WG) 010 b having a radius of curvature R.
Here, the end face is formed by a method peculiar to a compound semiconductor called cleavage.
In a compound semiconductor such as InP, there is a weakly bonded portion on a specific crystal plane due to its crystal structure.
Cleavage is a process of applying a predetermined stress to a semiconductor to obtain a smooth surface in the atomic layer order along this weakly bonded crystal plane. The end face is always parallel or perpendicular to a predetermined crystal plane orientation.
By the way, in the SOA, a buried structure that narrows the lateral path of the injection current is widely used so that the current is efficiently injected into the active layer.
[0012]
For example, in a buried structure called pn-BH, when an n-InP substrate is used, both sides of the active layer are buried with a p-InP / n-InP / p-InP layer by crystal growth, and the pn junction is reversed at the time of current injection. No current is supplied to the buried region due to the bias.
For this reason, the current is injected only into the active layer, the efficiency is improved, and the operation current is reduced.
[0013]
As shown in FIG. 9A, the fabrication method is performed after processing the active layer into a mesa stripe shape parallel to a predetermined crystal plane orientation (here, the [011] direction of the n-InP substrate with the (100) plane as the surface). Then, p-InP and n-InP layers are successively formed on the side of the mesa stripe using the selective growth mask on the top.
Thereafter, the selective growth mask is removed and a p-InP layer is formed on the entire surface.
On the other hand, it is widely known that the growth mechanism of a GaInAsP-based crystal growth technique generally differs depending on the crystal plane orientation.
[0014]
For example, when a mesa stripe parallel to the [01-1] direction is formed as shown in FIG. 9B, the selectivity is inferior under the growth conditions optimized for the crystal plane orientation, so that the crystal is grown on the selection mask. It is easy to be done.
Therefore, when crystal growth is selectively performed only on both sides of the active layer as in a buried structure, it is necessary to use a growth process that takes into account the crystal plane orientation.
[0015]
As described above, when the waveguide is perpendicular to the end face, only one crystal plane orientation can be obtained, so that the selective growth conditions can be obtained relatively easily. ), When the whole or a part of the active layer 010 is inclined with respect to the end face, the mesa stripe always includes several crystal plane orientations, and the crystal growth conditions are complicated.
As a result, for example, a sufficient selective growth ratio cannot be obtained as shown in FIG. 9C, and crystals are grown on the selective growth mask, so that uniform current injection into the active layer cannot be performed.
Therefore, problems such as deterioration of element characteristics and deterioration of fabrication reproducibility occur.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor optical amplifying device having a first optical waveguide having an active region, wherein the optical waveguide direction of the first optical waveguide is the same as that of the semiconductor substrate. A second optical waveguide that is perpendicular or parallel to the crystal plane orientation and has a spot size conversion region is connected to the first optical waveguide, the second optical waveguide has a curved waveguide portion, and The end face of the semiconductor substrate is skewed , the radius of curvature of the curved waveguide portion is 125 to 300 μm, and the inclination angle between the second optical waveguide and the end face is larger than 5 °. .
The method of manufacturing a semiconductor optical amplifier device according to claim 2 of the present invention to achieve the above SL problem, after forming the first optical waveguide in claim 1, that is butt joint of said second optical waveguide Features.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A conceptual diagram of the SOA in the present invention is shown in FIG.
The SOA is mainly composed of an active layer 10 and an SS layer 11. A gain is generated by injecting current into the active layer 10, and a spot size is enlarged by the SS layer 11 to be coupled to an optical fiber. In the figure, 3 is an AR layer.
The active layer 10 is formed so as to be parallel to a predetermined crystal plane orientation.
What is important here is that the active layer 10 is composed only of a straight waveguide parallel to the crystal plane orientation.
[0018]
For this reason, there is no problem in the above-mentioned crystal growth.
The SS layer 11 includes a straight waveguide 11a inclined by θ with respect to the crystal orientation, and a curved waveguide 11b having a radius of curvature R that smoothly connects the active layer 10 and the active layer 10.
Here, the length of the curved waveguide 11b is uniquely determined by the radius of curvature R and the inclination θ.
Further, the SS layer 11 has a taper shape in the layer thickness direction or the width direction in order to increase the spot size.
The tapered shape is determined by the forming method, and a parabolic shape or exponential shape is often selected in order to reduce the radiation loss.
[0019]
Although it is not a problem with a straight waveguide having a constant layer thickness and width, it is known that a radiation loss due to bending occurs in the curved waveguide 11b.
This is because the propagation mode of the straight waveguide 11a is the same in all regions, but the curved waveguide 11b receives a loss because the propagation mode in the curved portion is slightly different.
This radiation loss is known to increase when the waveguide radius is sharply bent with a small radius of curvature when the layer thickness is constant.
Further, when the waveguide thickness is reduced, light confinement in the waveguide is weakened, and radiation loss tends to increase even with the same radius of curvature.
[0020]
When the radius of curvature is increased in order to reduce radiation loss due to bending in a waveguide having a tapered shape like the SS layer 11 used in the SOA of the present invention, the length of the curved waveguide 11b increases accordingly. To do.
As a result, the thin portion of the layer is also included in the curved waveguide 11b region, so that the radiation loss due to the thinning of the waveguide increases.
Therefore, even if the radius of curvature is increased, the radiation loss is not necessarily reduced, and may increase on the contrary.
[0021]
The calculated value of the radiation loss with respect to the radius of curvature at the inclination angle θ with the end face of the SS layer 11 is shown in FIG.
Here, as an example, the case where the total length of the SS region is 200 μm and 300 μm is shown.
When the value of the inclination angle θ shown in the inset in FIG. 2 is small and the waveguide is close to a straight line, the radiation loss can be reduced by increasing the curvature radius R, but when the inclination angle θ is increased, the curvature radius is increased. The radiation loss can be reduced up to around R 200 μm, but it tends to increase on the contrary.
[0022]
This is an important problem that has not been discussed in the conventional configuration, and shows that there is an optimum radius of curvature R for each inclination angle θ in order to reduce the radiation loss. It is an indispensable condition.
Accordingly, when the curvature radius R is set to 100 to 500 μm at an inclination θ> 5 ° for obtaining a return loss of 30 dB or more necessary for practical use as the reflection attenuation amount at the end face, low loss characteristics can be obtained.
Furthermore, if it says, 125-300 micrometers is preferable and 150-200 micrometers is the most preferable.
[0023]
〔Example〕
The semiconductor optical amplifier according to the present invention will be described below with reference to examples.
A manufacturing procedure of a semiconductor optical amplifier according to an embodiment of the present invention is shown in FIGS.
First, as shown in FIG. 3A, a GaInAsP active layer 22 and an InP thin clad layer 23 are formed on an n-type InP substrate 21 by MOVPE.
[0024]
A SiO 2 film 24 is formed thereon using a thermal CVD method, and a portion of the SiO 2 film 24, thin clad layer 23, and a portion where a spot size conversion layer is formed by photolithography, CF 4 / H 2 -RIE, and wet etching. The active layer 22 is removed.
Next, as shown in FIG. 3B, a GaInAsP spot size conversion layer 25 is formed by selective MOVPE using the SiO 2 film 24 as a mask.
At this time, by forming the mask into a predetermined shape, a layer thickness taper shape in which the thickness is the thickest at the boundary with the active layer 22 and the film thickness decreases as the distance from the active layer 22 increases is realized.
[0025]
As described above, after forming the first optical waveguide having the active region, the active layer and the spot size conversion layer are separately formed by using the fabrication method by butt-joining the second optical waveguide having the SS region. Therefore, the active layer can be designed to be optimized only for the optical amplification characteristics.
On the other hand, the spot size conversion layer is not affected at all by the design of the active layer, and can be designed considering only spot size conversion such as low propagation loss and high efficiency coupling with an optical fiber.
[0026]
Therefore, the design freedom for the active layer and the SS layer can be greatly increased, and it is easy to achieve both high optical amplification characteristics, low propagation loss, and high coupling efficiency.
Subsequently, the SiO 2 film 24 is removed by HF, and as shown in FIG. 3C, an InP cladding layer 26 is formed on the entire surface by the MOVPE method.
Thereafter, the SiO 2 film 27 is formed, and the SiO 2 film 27 other than the upper part of the portion where the waveguide is formed is removed by photolithography and CF 4 / H 2 -RIE.
[0027]
Then, as shown in FIG. 3D, the InP cladding layer 26, the InP thin cladding layer 23, the GaInAsP active layer 22, the GaInAsP spot size conversion layer are formed by CH 4 / H 2 -RIE using the SiO 2 film 27 as a mask. 25 and a part of the n-InP substrate 21 are removed.
Further, as shown in FIG. 3E, the p-InP layer 28 and the n-InP layer 29 are formed on both sides of the waveguide portion by selective MOVPE again using the SiO 2 film 27 as a mask.
[0028]
Thereafter, the SiO 2 film 27 is removed by HF, and an InP overcladding layer 30 and a GaInAsP cap layer 31 are formed on the entire surface by MOVPE.
Then, as shown in FIG. 4A, the cap layer 31 other than the active region is removed by photolithography and wet etching.
Subsequently, the SiO 2 film 32 is formed on the entire surface, and the SiO 2 film 32 above the active region is removed by photolithography and CF 4 / H 2 -RIE.
[0029]
Thereafter, an AuZnNi / Au electrode 33 is formed on the active region and an AuGeNi / Au electrode 34 is formed on the n-InP substrate by EB deposition.
Finally, the element end face is formed by cleaving, and as shown in FIG. 4C, a TiO 2 / SiO 2 antireflection film 35 is formed on both end faces by EB sputtering.
The dimensions of the device are as follows: active layer length 600 μm, active layer thickness 0.4 μm, spot size conversion layer length 300 μm, spot size conversion layer thickness 0.4 μm (connection to active layer) to 0 .2 μm (element end face).
[0030]
Further, the radius of curvature R of the curved waveguide portion of the spot size conversion layer was 200 μm, and the other portions were linear waveguides having an inclination θ = 7 ° with respect to the crystal plane orientation.
In the SOA manufactured by such a process, a chip gain of 30 dB, which is larger than the chip gain of 25 dB at the injection current of 200 mA of the SOA constituted only by the waveguide perpendicular to the conventional end face, was obtained.
In addition, the radiation loss was as good as 0.5 dB or less.
Here, an S-shaped configuration in which the SS layers at both ends are parallel to each other is shown. However, as shown in FIG. 5, the SS layer 11 at one end is folded around a straight line passing through the active layer 10. Of course, a letter-shaped configuration is also acceptable.
[0031]
In this embodiment, the active layer and the SS layer are formed of different materials. However, the active layer and the SS layer are formed by selective crystal growth using a selection mask that can change the composition wavelength of the material in different regions. Of course, the layers may be formed together.
Further, although the active layer and the SS layer are each a single layer, it is of course possible to adopt a loading structure in which an optical waveguide layer common to the active region and the SS region and an active layer and an SS layer formed thereon are formed.
Moreover, although the taper shape of the SS layer is formed in the layer thickness direction, the taper shape in the width direction may naturally be formed by using photolithography and etching techniques.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a high gain while keeping radiation loss low, and thereby an effect that a high gain semiconductor optical amplifier can be obtained with high reproducibility and productivity. Is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of SOA in the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a calculated value of radiation loss with respect to a radius of curvature at an inclination angle with an end face of an SS layer.
FIG. 3 is a process diagram showing a manufacturing procedure of a semiconductor optical amplifying device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process diagram showing a manufacturing procedure of a semiconductor optical amplifier according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of a semiconductor optical amplifier according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a principle structure of an SOA.
FIG. 7 is an explanatory view showing the structure of an SOA provided with an antireflection film.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a structure of a conventional SOA that realizes a waveguide structure that is inclined with respect to an end face;
FIG. 9 is a process diagram showing a conventional SOA manufacturing method.
[Explanation of symbols]
3 AR layer 10 Active layer 11 SS layer 11a Linear waveguide 11b Curved waveguide 21 n-type InP substrate 22 GaInAsP active layer 23 InP thin clad layer 24 SiO 2 film 25 GaInAsP spot size conversion layer 26 InP clad layer 27 SiO 2 film 28 p-InP layer 29 n-InP layer 30 InP overclad layer 31 GaInAsP cap layer 32 SiO 2 film 33 AuZnNi / Au electrode 34 AuGeNi / Au electrode

Claims (2)

活性領域を有する第一の光導波路を持つ半導体光増幅装置において、前記第一の光導波路の光導波方向は半導体基板の結晶面方位と垂直又は平行であり、スポットサイズ変換領域を有する第二の光導波路が前記第一の光導波路に接続され、前記第二の光導波路は、曲線導波路部を有し、かつ、前記半導体基板の端面と斜行し、前記曲線導波路部の曲率半径は、125〜300μmであり、前記第二の光導波路と端面との傾き角が5°よりも大きいことを特徴とする半導体光増幅装置。In the semiconductor optical amplifier having the first optical waveguide having the active region, the optical waveguide direction of the first optical waveguide is perpendicular or parallel to the crystal plane orientation of the semiconductor substrate, and the second optical waveguide has a spot size conversion region. An optical waveguide is connected to the first optical waveguide, the second optical waveguide has a curved waveguide portion, and is skewed with an end surface of the semiconductor substrate, and a curvature radius of the curved waveguide portion is 125 to 300 μm, and an inclination angle between the second optical waveguide and the end face is larger than 5 ° . 前記第一の光導波路を形成した後に、前記第二の光導波路をバットジョイントさせることを特徴とする請求項記載の半導体光増幅装置の製造方法。Wherein after forming the first optical waveguide, the second manufacturing method of the semiconductor optical amplifier device according to claim 1, characterized in that butt the optical waveguide.
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