JP2001135887A - Optical semiconductor device and optical transmission system - Google Patents
Optical semiconductor device and optical transmission systemInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本願発明は光導波路層を有す
る光半導体装置およびその製造方法に係わるものであ
る。更には、本願発明は、光半導体装置を用いた光伝送
システムに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical semiconductor device having an optical waveguide layer and a method of manufacturing the same. Further, the present invention relates to an optical transmission system using an optical semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】光送信モジュール、光ファイバ、光受信
モジュールなどから構成される光伝送装置は、幹線系の
みならず加入者系へも導入されている。この加入者系光
通信システムにおいて、光源として用いられる半導体レ
ーザ装置から発生した光を、光学レンズを用いずに高効
率に光ファイバ或いは光導波路へ結合させることは、光
伝送装置の低コスト化を図るための重要な課題である。
これに対する方法として、半導体レーザ装置にビームス
ポット変換器を集積化する方法がある。2. Description of the Related Art An optical transmission device including an optical transmission module, an optical fiber, an optical reception module, and the like has been introduced not only to a trunk system but also to a subscriber system. In this subscriber optical communication system, coupling light generated from a semiconductor laser device used as a light source to an optical fiber or an optical waveguide with high efficiency without using an optical lens can reduce the cost of an optical transmission device. This is an important task for planning.
As a method for this, there is a method of integrating a beam spot converter in a semiconductor laser device.
【0003】このビームスポット変換器集積化の方式の
例に、光導波路層の膜厚を出射端面に向かって連続的に
減少させた膜厚テーパ型ビームスポット変換器を半導体
レーザ装置等にバットジョイント(結合)(Butt―
Joint)させる方式がある。 尚、Butt―Jo
intはバットジョイント結合と称されることもある
が、本明細書ではバットジョイントあるいは(結合)と
記載する。この方式は、ビームスポット変換部での損失
が小さく、有機金属気相成長(MOCVD:Metal
―Organic Chemical Vapor De
position)法による選択成長技術を用いること
により半導体レーザ装置等の光素子との集積化も容易で
あるという特徴がある。この膜厚テーパ型ビームスポッ
ト変換器においては、光導波路のコア内を伝搬してきた
光がコア膜厚の減少によりコア内に閉じ込められずにコ
アの外部にまで広がり、出射端面においてビームスポッ
ト径が拡大される。その結果、出射端面からのレーザ光
の広がり角が狭くなり、光ファイバ等との結合効率を向
上させる機能を有するものである。As an example of this beam spot converter integration method, a taper type beam spot converter in which the thickness of an optical waveguide layer is continuously reduced toward an emission end face is used in a butt joint for a semiconductor laser device or the like. (Joint) (Butt-
Joint). In addition, Butt-Jo
The int is sometimes referred to as a butt joint connection, but is described as a butt joint or (connection) in this specification. This method has a small loss in a beam spot conversion unit and is suitable for metal organic chemical vapor deposition (MOCVD: Metal).
-Organic Chemical Vapor De
By using the selective growth technique based on the position method, it is easy to integrate with an optical element such as a semiconductor laser device. In this film thickness tapered beam spot converter, the light propagating in the core of the optical waveguide spreads to the outside of the core without being confined in the core due to the decrease in the core film thickness, and the beam spot diameter at the emission end face is reduced. It is enlarged. As a result, the divergence angle of the laser light from the emission end face is reduced, and the function of improving the coupling efficiency with an optical fiber or the like is provided.
【0004】このような従来のビームスポット変換器集
積素子の例としては、例えば、Y.Itayaらの、I
EEE J.Selected Topics in
Quantum Electronics, Vol.
3,p.963,1997,“Spot−Size C
onverter Integrated Laser
Diodes”の報告がある。As an example of such a conventional beam spot converter integrated device, for example, Y. Itaya et al., I
EEE J. Selected Topics in
Quantum Electronics, Vol.
3, p. 963, 1997, "Spot-Size C
inverter Integrated Laser
Diodes ".
【0005】この膜厚テーパ型ビームスポット変換器の
半導体レーザ装置への集積方法を、図を用いて説明す
る。図1は、膜厚テーパ型ビームスポット変換器と半導
体レーザ装置の集積化素子の構造および製造方法を説明
するため、その工程順に示した導波方向に沿った断面図
である。A method of integrating this tapered beam spot converter into a semiconductor laser device will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the waveguide direction shown in the order of steps for explaining the structure and manufacturing method of a tapered beam spot converter and an integrated element of a semiconductor laser device.
【0006】まず、n−InP基板101上に、下側I
nGaAsP光ガイド層102、多重量子井戸(MQ
W:Multi−Quantum Well)活性層1
03、上側InGaAsP光ガイド層104を順次、M
OCVD成長する。次に、SiNによる誘電体膜105
を形成する(図1の(a))。First, a lower I-type substrate is placed on an n-InP substrate 101.
nGaAsP light guide layer 102, multiple quantum well (MQ
W: Multi-Quantum Well) active layer 1
03, the upper InGaAsP light guide layer 104 is sequentially
OCVD growth. Next, the dielectric film 105 of SiN
Is formed (FIG. 1A).
【0007】通例のフォトリソグラフとエッチング技術
を用いて膜厚テーパ形成領域を開口部とする所望の形状
のSiNパターン105’を作製する。当該SiNパタ
ーン105’をマスクとして、マスク開口部の光導波路
層(102〜104)をエッチングにより除去する(図
1の(b))。A SiN pattern 105 'having a desired shape is formed by using a conventional photolithography and etching technique, with the film thickness taper forming region as an opening. Using the SiN pattern 105 'as a mask, the optical waveguide layers (102 to 104) at the mask openings are removed by etching (FIG. 1B).
【0008】さらに、当該SiNパターン105’をマ
スクとしてMOCVD法選択成長により、利得領域にお
いて発生する光よりも短いバンドギャップ波長を有する
InGaAsP層を成長する。この際、レーザ利得領域
とバットジョイント結合する部分でのInGaAsP層
の膜厚が、光導波路層(102’〜104’)の膜厚と
ほぼ等しくとなるように設定する。これにより、SiN
によるマスク開口部には膜厚とバンドギャップ波長が連
続的に減少する膜厚テーパ型InGaAsP層106が
形成される(図1の(c))。このように形成したテー
パ型InGaAsP層(106)のレーザ利得領域11
0とのバットジョイント(結合)部からの距離に対する
膜厚の関係を図2に示す。図2の横軸はレーザ部110
との接合部からの距離、縦軸はビームスポット変換器部
111のテーパ部106の膜厚を示す。Further, an InGaAsP layer having a band gap wavelength shorter than the light generated in the gain region is grown by selective growth using the MOCVD method using the SiN pattern 105 'as a mask. At this time, the thickness of the InGaAsP layer at the portion where the butt joint is connected to the laser gain region is set to be substantially equal to the thickness of the optical waveguide layers (102 ′ to 104 ′). Thereby, the SiN
A tapered InGaAsP layer 106 in which the film thickness and the band gap wavelength are continuously reduced is formed in the mask opening formed by the method (FIG. 1C). The laser gain region 11 of the tapered InGaAsP layer (106) formed in this manner.
FIG. 2 shows the relationship between the film thickness and the distance from the butt joint (coupling) portion to zero. The horizontal axis in FIG.
The vertical axis indicates the thickness of the tapered portion 106 of the beam spot converter 111.
【0009】この後、SiNパターン105’を除去
し、p−InPクラッド層107をMOCVD成長す
る。以後は、通常の半導体レーザ装置作製と同様の工程
により、電極108、109等を形成し、膜厚テーパ型
ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置が完成する
(図1の(d))。After that, the SiN pattern 105 'is removed, and the p-InP cladding layer 107 is grown by MOCVD. Thereafter, the electrodes 108, 109 and the like are formed by the same steps as those for manufacturing a normal semiconductor laser device, and a semiconductor laser device integrated with a tapered beam spot converter is completed (FIG. 1D).
【0010】このとき、レーザ利得領域110の光導波
路層(102’〜104’)と膜厚テーパ型InGaA
sP層106はバットジョイント(結合)されることに
より、レーザ利得部110にて発生した光は、膜厚テー
パ型ビームスポット変換器部111へ効率良く導波さ
れ、且つビームスポット変換器側端面から出射される光
は、ビームスポット径が拡大され、光ファイバ或いは光
導波路と高効率かつ簡便に結合することが可能となる。At this time, the optical waveguide layers (102 'to 104') of the laser gain region 110 and the tapered InGaAs
By the butt joint (coupling) of the sP layer 106, the light generated in the laser gain unit 110 is efficiently guided to the film thickness tapered beam spot converter unit 111 and from the beam spot converter side end face. The emitted light has an enlarged beam spot diameter, and can be easily and efficiently coupled to an optical fiber or an optical waveguide.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】本願発明は、光導波路
への結合効率の高い光半導体装置を提供せんとするもの
である。更には、本願発明は、所望の寸法内で光導波路
への結合効率の高い光半導体装置を提供せんとするもの
である。更には、所望の寸法内で、光出力を所望に確保
しつつ、且つ光導波路への結合効率の高い光半導体装置
を提供せんとするものである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical semiconductor device having a high coupling efficiency to an optical waveguide. Still another object of the present invention is to provide an optical semiconductor device having high coupling efficiency to an optical waveguide within desired dimensions. It is still another object of the present invention to provide an optical semiconductor device having high coupling efficiency to an optical waveguide while ensuring a desired optical output within a desired dimension.
【0012】より具体的には、本願発明は、これまでの
膜厚テーパ型ビームスポット変換器での限界を打ち破る
ものである。即ち、本願発明は、現在の光システムで要
求される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有す
る光半導体装置である。本願発明は、これまでの膜厚テ
ーパ型ビームスポット変換器において光導波路と高い結
合効率を確保する為の膜厚テーパ領域の長さとすると、
光出力が低下することを回避する。More specifically, the present invention overcomes the limitations of the conventional film thickness tapered beam spot converter. That is, the present invention is an optical semiconductor device having a high coupling efficiency with an optical waveguide within a desired dimension required in a current optical system. In the present invention, the thickness of the film thickness taper region to ensure high coupling efficiency with the optical waveguide in the conventional film thickness tapered beam spot converter,
Avoid lowering of light output.
【0013】本願発明は、更に現在の光システムで要求
される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する
光半導体装置を有する光モジュール及び光伝送システム
を提供せんとするものである。Another object of the present invention is to provide an optical module and an optical transmission system having an optical semiconductor device having a high coupling efficiency with an optical waveguide within a desired size required for a current optical system.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】本願発明の主な形態を列
挙すると次の通りである。The main aspects of the present invention are as follows.
【0015】本願発明の第1の形態は、光射出部と、前
記光射出部と結晶学的に接合された第1の光導波路と、
前記第1の光導波路の出射端面側に結晶学的に接合され
た第2の光導波路を少なくとも有し、少なくとも前記第
1および第2の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連
続的に減少することを特徴とする光半導体装置である。According to a first aspect of the present invention, there is provided a light emitting portion, a first optical waveguide crystallographically joined to the light emitting portion,
At least a second optical waveguide that is crystallographically joined to the emission end face side of the first optical waveguide is provided, and at least the first and second optical waveguides have a film thickness continuously toward the emission end face. An optical semiconductor device characterized in that it decreases.
【0016】本願発明の第2の形態は、光射出部と、前
記光射出部とバットジョイント(結合)を構成するビー
ムスポット変換器部と有し、前記ビームスポット変換器
部の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少
し且つ当該ビームスポット変換器部の光導波路内部にバ
ットジョイント(結合)を1個以上有することを特徴と
する光半導体装置である。前記光導波路層領域の出射端
面側の端面に接して、少なくとも前記光導波路層領域の
光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次
その厚さを減ずるように前記ビームスポット変換器部の
光導波路が形成される。本願発明は光導波路、例えば光
ファイバー等への結合効率の高い光半導体装置を提供す
ることが出来る。According to a second aspect of the present invention, there is provided a light emitting section, a beam spot converter section forming a butt joint (coupling) with the light emitting section, and a film of an optical waveguide of the beam spot converter section. An optical semiconductor device characterized in that the thickness is continuously reduced toward the emission end face and that one or more butt joints (couplings) are provided inside the optical waveguide of the beam spot converter. In contact with the end face of the optical waveguide layer area on the emission end face side, the beam spot conversion is performed so that the thickness of the optical waveguide layer area is gradually reduced in the waveguide direction at least in the direction intersecting the light waveguide direction. The optical waveguide of the container is formed. The present invention can provide an optical semiconductor device having a high coupling efficiency to an optical waveguide, for example, an optical fiber.
【0017】勿論、本願発明は、複数のテーパ型光導波
路領域を有しても良い。即ち、第1のテーパ型光導波路
領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前記第1
のテーパ型光導波路領域の光の導波方向に交差する方向
の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるように第2
のテーパ型光導波路領域、同様に第3のテーパ型光導波
路領域等を有しても良い。Of course, the present invention may have a plurality of tapered optical waveguide regions. That is, at least the first tapered optical waveguide region is in contact with the end surface on the emission end surface side of the first tapered optical waveguide region.
The second thickness of the tapered optical waveguide region is gradually reduced in the waveguide direction from the thickness in the direction crossing the light waveguide direction.
May be provided, as well as a third tapered optical waveguide region.
【0018】本願発明の別な形態は、前記光射出部が半
導体発光装置部であることを特徴とする光半導体装置で
ある。当該半導体発光装置部は通例半導体レーザ装置が
用いられる。本形態は光通信システムに用いるに極めて
有用である。勿論、本願発明は、前記第1および第2の
形態に示した通り、その他の領域からの光が、前記光射
出部を通してビームスポット変換器部伝達される形態へ
の適用も可能である。本願発明に適用可能な光射出部を
構成する具体的な例は、半導体レーザ装置、光変調器、
光増幅器、光導波路、光スイッチなどの各種光素子を挙
げることが出来る。又、前記光射出部として、光導波路
が用いられ、この光導波路に前記半導体レーザ装置、光
変調器、光増幅器、光導波路、光スイッチなどの各種光
素子よりの光が導波された形態も、本願発明に用いるこ
とが出来る。Another embodiment of the present invention is an optical semiconductor device, wherein the light emitting portion is a semiconductor light emitting device portion. As the semiconductor light emitting device, a semiconductor laser device is usually used. This embodiment is extremely useful for use in an optical communication system. Of course, as shown in the first and second embodiments, the present invention is also applicable to an embodiment in which light from other regions is transmitted to the beam spot converter unit through the light emitting unit. Specific examples of configuring the light emitting unit applicable to the present invention include a semiconductor laser device, an optical modulator,
Various optical elements such as an optical amplifier, an optical waveguide, and an optical switch can be given. Also, an optical waveguide is used as the light emitting portion, and light from various optical elements such as the semiconductor laser device, the optical modulator, the optical amplifier, the optical waveguide, and the optical switch is guided to the optical waveguide. Can be used in the present invention.
【0019】尚、本願発明では、レーザの共振器の形式
は、ファブリ・ペロー共振器、DFB(Distrib
uted Feedback)、DBR(Difrac
tion Bragg Refrection)等、その
要請に応じて用いることが出来る。In the present invention, the type of the laser resonator is a Fabry-Perot resonator, a DFB (Distribut).
uteedfeedback), DBR (Difrac)
Tion Bragg Reflection) can be used in response to such a request.
【0020】本願発明の更に別な形態は、前記光導波路
層のバンドギャップ波長が、前記バットジョイント(結
合)部から出射端面に向かって短波長となっていること
を特徴とする光半導体装置である。この短波長化は波長
が連続的に変化していることが好ましい。Still another aspect of the present invention is an optical semiconductor device, characterized in that the bandgap wavelength of the optical waveguide layer is shorter from the butt joint (coupling) portion toward the emission end face. is there. In order to shorten the wavelength, it is preferable that the wavelength is continuously changed.
【0021】本願発明の更に別な形態は、光射出部と、
前記光射出部と結晶学的に接合された光導波路を有し、
前記光導波路は、第1の光導波路と、前記第1の光導波
路の出射端面側に結晶学的に接合された第2の光導波路
を少なくとも有し、少なくとも前記第1及び第2を有す
る光導波路の導波方向の長さが300μm以下であり、
少なくとも前記第1及び第2を有する前記光導波路の膜
厚が出射端面に向かって減少し、前記光射出部と前記第
1の光導波路との界面での膜厚と前記出射端面での当該
光導波路の膜厚比が3対1以上を有することを特徴とす
る光半導体装置である。本願発明は、特に所望寸法内に
て、光導波路を構成出来、且つ光導波路への結合効率の
高い、極めて実用的な光半導体装置を提供することが出
来る。According to still another aspect of the present invention, there is provided a light emitting unit,
Having an optical waveguide crystallographically bonded to the light emitting portion,
The optical waveguide has at least a first optical waveguide, and a second optical waveguide that is crystallographically bonded to an emission end face side of the first optical waveguide, and has at least the first and second optical waveguides. The length of the waveguide in the waveguide direction is 300 μm or less;
The thickness of at least the first and second optical waveguides decreases toward the emission end face, and the thickness at the interface between the light emission portion and the first optical waveguide and the light guide at the emission end face are reduced. An optical semiconductor device, wherein the thickness ratio of the waveguide is 3: 1 or more. The present invention can provide an extremely practical optical semiconductor device in which an optical waveguide can be formed particularly in a desired size and the coupling efficiency to the optical waveguide is high.
【0022】本願発明の更に別な形態は、光射出部と、
前記光射出部とバットジョイント(結合)を構成するビ
ームスポット変換器部と有し、前記ビームスポット変換
器部の導波方向の長さが300μm以下であり、前記ビ
ームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向
かって連続的に減少し、前記バットジョイント(結合)
と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が3対1以上
を有し、且つ当該ビームスポット変換器部の光導波路内
部にバットジョイント(結合)を1個以上有することを
特徴とする光半導体装置である。本願発明は光導波路へ
の結合効率の高い、極めて実用的な光半導体装置を提供
することが出来る。Still another embodiment of the present invention is a light emitting unit,
A beam spot converter that forms a butt joint (coupling) with the light emitting unit, wherein the length of the beam spot converter in the waveguide direction is 300 μm or less, and the optical waveguide of the beam spot converter is The thickness of the butt joint (coupling) decreases continuously toward the emission end face.
The light guide has a film thickness ratio of 3: 1 or more at the emission end face, and has at least one butt joint (coupling) inside the light guide of the beam spot converter section. It is a semiconductor device. The present invention can provide an extremely practical optical semiconductor device having a high coupling efficiency to an optical waveguide.
【0023】更に、前記発明の諸形態を任意に組み合わ
せ用いることが出来ることは言うまでもない。Further, it goes without saying that the various aspects of the invention can be used in any combination.
【0024】本願発明の更に別な形態は、光導波路と光
半導体装置とを有し、前記光半導体装置が、光射出部
と、前記光射出部とバットジョイント(結合)を構成す
るビームスポット変換器部と有し、前記ビームスポット
変換器部の導波方向の長さが300μm以下であり、当
該光半導体装置と光導波路との光の結合効率が−3dB
を超えない光半導体装置であることを特徴とする光伝送
システムである。Still another embodiment of the present invention has an optical waveguide and an optical semiconductor device, and the optical semiconductor device comprises a light emitting portion, and a beam spot converter forming a butt joint (coupling) with the light emitting portion. The beam spot converter has a length of 300 μm or less in the waveguide direction, and the light coupling efficiency between the optical semiconductor device and the optical waveguide is −3 dB.
The optical transmission system is characterized by being an optical semiconductor device not exceeding.
【0025】前記ビームスポット変換器部の光導波路の
膜厚が出射端面に向かって連続的に減少するのが好まし
い。且つ前記ビームスポット変換器部の光導波路内部に
バットジョイント(結合)を1個以上有するのが実用的
な形態である。前記バットジョイント(結合)と前記出
射端面での当該光導波路の膜厚比が3対1以上を有せし
めることで前記当該光半導体装置と光導波路との光の結
合効率を所望に確保するに有用である。It is preferable that the thickness of the optical waveguide of the beam spot converter part decreases continuously toward the emission end face. It is a practical form to have at least one butt joint (coupling) inside the optical waveguide of the beam spot converter. By making the thickness ratio between the butt joint (coupling) and the optical waveguide at the emission end face 3: 1 or more, it is useful for ensuring the desired optical coupling efficiency between the optical semiconductor device and the optical waveguide. It is.
【0026】又、前記光導波路層のバンドギャップ波長
が、前記バットジョイント(結合)部から出射端面に向
かって短波長となっていることを特徴とする光半導体装
置である。この短波長化は波長が連続的に変化している
ことが好ましい。Further, the optical semiconductor device is characterized in that the band gap wavelength of the optical waveguide layer is shorter from the butt joint (coupling) portion toward the emission end face. In order to shorten the wavelength, it is preferable that the wavelength is continuously changed.
【0027】又、前記光射出部が半導体発光装置部であ
ることを特徴とする光半導体装置において、当該半導体
発光装置部は通例半導体レーザ装置が用いられるのが好
例である。本形態は光通信システムに用いるに極めて有
用である。本願発明は、光半導体装置と光ファイバ或い
は光導波路との結合効率を改善することが可能であり、
前記光半導体装置を光伝送装置に用いることにより、光
伝送装置あるいは光伝送システムの低コスト化が図れ
る。In the optical semiconductor device, wherein the light emitting portion is a semiconductor light emitting device, it is preferable that a semiconductor laser device is used as the semiconductor light emitting device. This embodiment is extremely useful for use in an optical communication system. The present invention can improve the coupling efficiency between an optical semiconductor device and an optical fiber or an optical waveguide,
By using the optical semiconductor device for an optical transmission device, the cost of the optical transmission device or the optical transmission system can be reduced.
【0028】更に、前記発明の諸形態を任意に組み合わ
せ用いることが出来ることは言うまでもない。Further, it goes without saying that the various aspects of the invention can be used in any combination.
【0029】本願発明の製造方法に関わる形態は、半導
体基板上に形成された光導波路層領域の出射端面側の一
部を除去する工程、前記光導波路層の除去された領域
に、前記光導波路層領域の出射端面側の端面に接して、
少なくとも前記光導波路層領域の光の導波方向に交差す
る方向の厚さより導波方向に漸次その厚さを減ずるよう
にテーパ型光導波路領域を結晶成長する工程を少なくと
も一回有する光半導体装置の製造方法である。According to a mode relating to the manufacturing method of the present invention, there is provided a step of removing a part of an optical waveguide layer region formed on a semiconductor substrate on an emission end face side, and adding the optical waveguide to the removed region of the optical waveguide layer. In contact with the end face on the emission end face side of the layer region,
An optical semiconductor device having at least one step of crystal-growing a tapered optical waveguide region such that the thickness of the optical waveguide layer region is gradually reduced in the waveguide direction from the thickness of the optical waveguide layer region in a direction intersecting the light waveguide direction. It is a manufacturing method.
【0030】前記光導波路層領域の出射端面と前記テー
パ型光導波路領域とはいわゆるバットジョイント(結
合)を形成している。The output end face of the optical waveguide layer region and the tapered optical waveguide region form a so-called butt joint (coupling).
【0031】テーパ型光導波路領域内部にバットジョイ
ント(結合)は複数有することは任意である。即ち、本
願発明の製造方法に関わる別な形態は、半導体基板上に
形成された光導波路層領域の出射端面側の一部を除去す
る工程、前記光導波路層の除去された領域に、前記光導
波路層領域の出射端面側の端面に接して、少なくとも前
記光導波路層領域の光の導波方向に交差する方向の厚さ
より導波方向に漸次その厚さを減ずるように第1のテー
パ型光導波路領域を結晶成長する工程、前記第1のテー
パ型光導波路領域の出射端面側の一部を除去する工程、
前記第1のテーパ型光導波路領域の除去された領域に、
前記第1のテーパ型光導波路領域の出射端面側の端面に
接して、少なくとも前記第1のテーパ型光導波路領域の
光の導波方向に交差する方向の厚さより導波方向に漸次
その厚さを減ずるように第2のテーパ型光導波路領域を
結晶成長する工程、を少なくとも有する光半導体装置の
製造方法である。It is optional to have a plurality of butt joints (couplings) inside the tapered optical waveguide region. That is, another mode related to the manufacturing method of the present invention is a step of removing a part of an optical waveguide layer region formed on a semiconductor substrate on an emission end face side, and adding the optical waveguide layer to the removed region of the optical waveguide layer. The first tapered light guide is in contact with the end face on the emission end face side of the waveguide layer area so as to gradually reduce its thickness in the waveguide direction at least in the direction intersecting the light guide direction of the optical waveguide layer area. Crystal growing a waveguide region, removing a part of the first tapered optical waveguide region on the emission end face side,
In the region where the first tapered optical waveguide region is removed,
In contact with the end face of the first tapered optical waveguide region on the emission end surface side, the thickness of the first tapered optical waveguide region is gradually increased in the waveguide direction more than the thickness of the first tapered optical waveguide region in the direction intersecting the light waveguide direction. And a step of crystal-growing the second tapered optical waveguide region so as to reduce the size of the optical semiconductor device.
【0032】前記各テーパ型光導波路領域の結晶成長は
有機金属気相成長法選択成長が有用である。そして、化
合物半導体層の結晶成長に際しては、テーパ型ビームス
ポット変換器の光導波路層のバンドギャップ波長が、光
半導体素子とのバットジョイント(結合)部から出射端
面に向かって連続的に短波長化するのが好ましい。For the crystal growth of each of the tapered optical waveguide regions, selective growth by the metal organic chemical vapor deposition method is useful. During the crystal growth of the compound semiconductor layer, the band gap wavelength of the optical waveguide layer of the tapered beam spot converter is continuously reduced from the butt joint (coupling) portion with the optical semiconductor element toward the emission end face. Is preferred.
【0033】[0033]
【発明の実施の形態】個別の発明の実施の諸形態を説明
するに先立って、一般的な発明の実施の諸形態の具体的
な詳細を説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing individual embodiments of the present invention, specific details of general embodiments of the present invention will be described.
【0034】本願発明の一つの例は、前述したように、
膜厚テーパ型ビームスポット変換器を集積する際に、M
OCVD法選択成長による膜厚テーパ光導波路層の形成
工程を導波方向に2回以上繰り返すことによって得るこ
とが出来る。すなわち、光半導体素子と膜厚テーパ型ビ
ームスポット変換器のバットジョイント(結合)部の他
に、膜厚テーパ型ビームスポット変換器内部にもバット
ジョイント(結合)部を1個以上設けることにより膜厚
比を増大させることを特徴とする。One example of the present invention is, as described above,
When integrating a film thickness tapered beam spot converter, M
It can be obtained by repeating the step of forming the tapered optical waveguide layer by the OCVD selective growth twice or more in the waveguide direction. That is, in addition to the butt joint (coupling) part of the optical semiconductor element and the tapered beam spot converter, one or more butt joint (coupling) part is provided inside the tapered beam spot converter. It is characterized in that the thickness ratio is increased.
【0035】尚、前記の膜厚テーパ領域の光導波路は単
一層で構成され、その上下の材料層がクラッド層の役割
を果たす。当該膜厚テーパ領域の光導波路を複数の積層
体でもって構成することも可能である。The optical waveguide in the above-mentioned tapered region is composed of a single layer, and the material layers above and below the optical waveguide serve as cladding layers. It is also possible to configure the optical waveguide in the film thickness taper region with a plurality of laminates.
【0036】先に説明したように、MOCVD法選択成
長により形成した膜厚テーパ領域の膜厚分布は指数関数
的に減少するため、例えば、無限に離れた位置に対する
膜厚比が3となるような条件で作製する場合、300μ
mの膜厚テーパ領域長さでの膜厚比は3よりも小さな値
しか得られない。しかし、膜厚分布が指数関数的に減少
することから、例えば150μmの領域での膜厚比が2
であれば、同工程を2回繰り返すことにより、300μ
mの領域での膜厚比を4とすることが可能となる。As described above, since the film thickness distribution of the film thickness taper region formed by the selective growth by the MOCVD method decreases exponentially, for example, the film thickness ratio to an infinitely distant position becomes 3. 300 μm
The film thickness ratio at a film thickness taper region length of m is smaller than 3. However, since the film thickness distribution decreases exponentially, for example, the film thickness ratio in the region of 150 μm is 2
Then, by repeating the same process twice, 300 μm
The film thickness ratio in the region of m can be set to 4.
【0037】一方、膜厚テーパ領域のInGaAsP結
晶のバンドギャップ波長は、MOCVD法選択成長の効
果により、膜厚の厚い光半導体素子とのバットジョイン
ト(結合)部よりも膜厚の薄い出射端面側で短波長化す
る。この短波長化は概ね、数10nm程度である。この
ため、2回目以降の膜厚テーパ光導波路層の形成工程に
おいては、そのバットジョイント(結合)部においてI
nGaAsP結晶のバンドギャップ波長が連続的になる
ように順次短波長に設定することにより、膜厚テーパ光
導波路層の形成工程が2回以上に増えた場合にも光学損
失の増加は無い。従って、レーザ特性を損なうことなく
ビームスポット径のみを増大させることが可能となる。On the other hand, the bandgap wavelength of the InGaAsP crystal in the tapered film thickness region is smaller than that of the butt joint (coupling) portion with the thick optical semiconductor device due to the effect of selective growth by the MOCVD method. To shorten the wavelength. This shortening of the wavelength is generally about several tens of nm. For this reason, in the second and subsequent steps of forming the tapered optical waveguide layer, the butt joint (coupling) portion has
By sequentially setting the wavelength to be short so that the band gap wavelength of the nGaAsP crystal becomes continuous, the optical loss does not increase even when the number of steps of forming the tapered optical waveguide layer is increased twice or more. Therefore, it is possible to increase only the beam spot diameter without impairing the laser characteristics.
【0038】この波長の短波長化は、知られているよう
に、InとGa原料のシリコン窒化膜上での拡散の比に
起因する。従って、化合物半導体材料のInGaAsP
結晶、InGaAs結晶、あるいはInGaAsP結晶
において実現するビームスポット変換器部内部でのバッ
ドジョイント(結合)の数は、ビームスポット変換器の
光導波路の光の進行方向の実用上の長さからみて、1−
2個が実用的である。勿論、その数はビームスポット変
換器部の長さや前記バットジョイント(結合)と前記出
射端面での当該光導波路の膜厚比をどの程度を要請する
か等によって設計される。As is known, the shortening of the wavelength is caused by the diffusion ratio of In and Ga on the silicon nitride film. Therefore, the compound semiconductor material InGaAsP
The number of bad joints (couplings) inside the beam spot converter realized in the crystal, the InGaAs crystal, or the InGaAsP crystal depends on the practical length of the light traveling direction of the optical waveguide of the beam spot converter. −
Two are practical. Needless to say, the number is designed depending on the length of the beam spot converter, the required thickness ratio of the optical waveguide at the butt joint (coupling) and the output end face, and the like.
【0039】尚、ここで、ビームスポット変換器部は、
通例のコア層をクラッド層で挟む光導波路を基本にし、
光の進行方向に対して交差する縦方向の光導波路の厚さ
が、光の進行方向に添って変化する構成(いわゆるve
rtically tapered waveguid
e)を用いて十分である。 又、いわゆるバットジョイ
ント(結合)は、第1の光導波路に結晶学的に接続され
た第2の光導波路を有する結合を指す。その具体的な例
は、前記第1の光導波路としてのレーザ活性層領域に前
記第2の光導波路としての光導波路の結合、前記第1の
光導波路としてのレーザ活性層領域に前記第2の光導波
路としてのビーム拡大器の光導波路の結合、前記第1の
光導波路としての光導波路に第2の光導波路としてのビ
ーム拡大器の光導波路の結合、あるいは前記第1の光導
波路としての光導波路領域に前記第2の光導波路として
の光導波路の結合、等を挙げることが出来る。通例、こ
うしたバットジョイント(結合)は、第1の光導波路層
の一部を、例えばエッチング等で除去した後、この部分
に接続する第2の光導波路層を結晶成長することによっ
て形成される。Here, the beam spot converter section includes:
Based on an optical waveguide that sandwiches a usual core layer between cladding layers,
A configuration in which the thickness of the optical waveguide in the vertical direction crossing the traveling direction of light changes along the traveling direction of the light (so-called ve).
rtally tapered waveguide
Using e) is sufficient. Also, a so-called butt joint (coupling) refers to a coupling having a second optical waveguide crystallographically connected to the first optical waveguide. Specific examples thereof include coupling of the laser active layer region as the first optical waveguide to the laser active layer region as the first optical waveguide, and coupling of the second active region to the laser active layer region as the first optical waveguide. Coupling of an optical waveguide of a beam expander as an optical waveguide, coupling of an optical waveguide of a beam expander as a second optical waveguide to the optical waveguide as the first optical waveguide, or light coupling as an optical waveguide of the first optical waveguide Coupling of an optical waveguide as the second optical waveguide to a waveguide region can be mentioned. Usually, such a butt joint (coupling) is formed by removing a part of the first optical waveguide layer by, for example, etching or the like, and then crystal-growing the second optical waveguide layer connected to this part.
【0040】以下に、本願発明と前記した通例の半導体
レーザ装置にビームスポット変換器を集積した素子とを
比較検討する。このことによって、本願発明の有用なこ
とが理解されるであろう。In the following, the invention of the present application and a device in which a beam spot converter is integrated with the above-described conventional semiconductor laser device will be compared and studied. It will be appreciated from this that the present invention is useful.
【0041】従来構造の膜厚テーパ型ビームスポット変
換器においても、バットジョイント接続部と他方の出射
端面における光導波路層の膜厚比を大きくすることによ
り、出射端面でのビームスポット径をさらに拡大させ、
光ファイバ或いは光導波路との結合効率をより高めるこ
とが可能ではある。In the conventional tapered beam spot converter, the beam spot diameter at the exit end face is further increased by increasing the thickness ratio of the optical waveguide layer at the butt joint connection portion and the other exit end face. Let
It is possible to further increase the coupling efficiency with an optical fiber or an optical waveguide.
【0042】しかし、従来の膜厚テーパ型ビームスポッ
ト変換器と半導体レーザ装置の集積化素子においては、
その製造段階において、両者をバットジョイント(結
合)させるためにMOCVD法選択成長を1回だけ用い
ている。MOCVD法選択成長による膜厚テーパ形成の
原理は、誘電体マスク近傍において成長に用いる有機金
属原料がマスク上を横方向に拡散し、マスク開口領域の
成長速度が増大することを利用している。この為、選択
成長による誘電体マスク周辺の膜厚分布は図2に示した
ような指数関数的な分布形状となる。従って、通常のM
OCVD成長条件において得られる膜厚は誘電体マスク
近傍を1とした場合、誘電体マスクから無限に離れた位
置において1/3程度である。However, in the conventional integrated device of the film thickness tapered beam spot converter and the semiconductor laser device,
In the manufacturing stage, selective growth by the MOCVD method is used only once in order to butt joint (coupling) the two. The principle of forming a film thickness taper by MOCVD selective growth utilizes the fact that an organic metal material used for growth diffuses laterally on a mask near a dielectric mask, thereby increasing the growth rate of a mask opening region. Therefore, the film thickness distribution around the dielectric mask by the selective growth has an exponential distribution shape as shown in FIG. Therefore, the usual M
The film thickness obtained under the OCVD growth conditions is about 1/3 at a position infinitely distant from the dielectric mask, assuming that the vicinity of the dielectric mask is 1.
【0043】この結果、例えば実際の膜厚テーパ型ビー
ムスポット変換器と半導体レーザ装置の集積化素子に用
いられるような300μm以下の膜厚テーパ型ビームス
ポット変換器で得られる膜厚テーパ領域の膜厚比は、最
大でも2.5程度が限界である。このため、例えば半導
体レーザ装置にビームスポット変換器を集積した素子に
おいては、シングルモードファイバとの結合効率は最大
−3dB程度が限界である。As a result, for example, a film in a film thickness taper region obtained by a film thickness taper type beam spot converter of 300 μm or less as used in an actual film thickness taper type beam spot converter and an integrated element of a semiconductor laser device. The maximum thickness ratio is about 2.5 at the maximum. Therefore, for example, in a device in which a beam spot converter is integrated in a semiconductor laser device, the coupling efficiency with a single mode fiber is limited to about -3 dB at the maximum.
【0044】一方、図2から明らかなように、膜厚テー
パ領域の長さを例えば1mmと十分に長くすることによ
り膜厚テーパ領域の膜厚比を3程度まで増大させること
は可能である。しかし、この場合には、利得を持たない
膜厚テーパ領域が増加することにより光学的損失が増加
しレーザ光の出力が低下する。更に、集積化素子の寸法
が大幅に増加するため、同一面積ウエハからの素子の取
得数が減少して低コスト化に難点を有する。On the other hand, as is clear from FIG. 2, it is possible to increase the thickness ratio of the tapered region to about 3 by making the length of the tapered region sufficiently long, for example, 1 mm. However, in this case, an increase in the thickness taper region having no gain causes an increase in optical loss and a decrease in the output of laser light. Further, since the size of the integrated device is greatly increased, the number of devices to be obtained from a wafer having the same area is reduced, which causes a problem in cost reduction.
【0045】本願諸発明は、これらの従来技術の有する
諸難点を回避するものであることが十分理解されるであ
ろう。It will be appreciated that the present invention avoids these difficulties of the prior art.
【0046】発明の実施の形態1 n型InP基板上に膜厚テーパ型ビームスポット変換器
集積半導体レーザ装置を作製した。図3は本実施の形態
を示す斜視図である。又、図4は、その素子構造および
製造方法を説明するための導波方向に沿った断面図であ
る。First Embodiment A tapered beam spot converter integrated semiconductor laser device was fabricated on an n-type InP substrate. FIG. 3 is a perspective view showing the present embodiment. FIG. 4 is a sectional view taken along the waveguide direction for explaining the element structure and the manufacturing method.
【0047】尚、本例では、発光部を半導体材料で埋め
込んだ、いわゆる埋め込み型(BH型:Buried
Hetero-structure type)の半導体
レーザ装置の例を示している。この横モモード制御の点
は、本願の発明に直接的な関係なない。In this example, a so-called embedded type (BH type: Buried) in which the light emitting portion is embedded with a semiconductor material.
1 shows an example of a semiconductor laser device of a Hetero-structure type. This aspect of the lateral mode control is not directly related to the present invention.
【0048】まず、通例のMOCVD法により、n型
(100)InP基板1上にn型InGaAsP下側の
光ガイド層(バンドギャップ波長1.10μm、厚さ
0.1μm)2、歪MQW活性層(発振波長1.3μ
m)3、p型InGaAsP上側の光ガイド層(バンド
ギャップ波長1.10μm、厚さ0.1μm)4を順次
形成する。当該歪MQW活性層の例は、InGaAsP
(6nm厚)を井戸層としInGaAsP(バンドギャ
ップ波長1.10μm、10nm厚)を障壁層とする歪
MQW活性層で、その周期は7周期である。First, an optical guide layer (band gap wavelength: 1.10 μm, thickness: 0.1 μm) under n-type InGaAsP 2 on an n-type (100) InP substrate 1 by a conventional MOCVD method, and a strained MQW active layer (Oscillation wavelength 1.3μ
m) 3, and an optical guide layer (bandgap wavelength 1.10 μm, thickness 0.1 μm) 4 on the upper side of the p-type InGaAsP is sequentially formed. An example of the strained MQW active layer is InGaAsP
(6 nm thick) is a strained MQW active layer having a well layer and InGaAsP (band gap wavelength 1.10 μm, 10 nm thick) as a barrier layer, and its period is 7 periods.
【0049】本願発明において、実用的には半導体レー
ザ装置は量子井戸構造を有する活性層領域、多重量子井
戸構造の活性層領域、あるいは歪多重量子井戸構造の活
性層領域などが用いられる。これらの構造は通例のもの
を用いて十分である。その他の実施の形態においても同
様である。In the present invention, practically, the semiconductor laser device uses an active layer region having a quantum well structure, an active layer region having a multiple quantum well structure, or an active layer region having a strained multiple quantum well structure. Conventional structures are sufficient for these structures. The same applies to other embodiments.
【0050】次に、第1回目のSiNによる誘電体膜を
形成し、周知のフォトリソグラフとエッチングの方法を
用いて、膜厚テーパ形成領域を開口部とする所望の形状
のSiNパターン5を作製する。こうして、このSiN
パターン5の領域をマスクされる領域として、マスク開
口部の光導波路層(2〜4)をエッチングにより除去す
る(図5の(a))。Next, a first dielectric film made of SiN is formed, and an SiN pattern 5 having a desired shape is formed using a well-known photolithography and etching method, with the film thickness tapered region as an opening. I do. Thus, this SiN
Using the region of the pattern 5 as a region to be masked, the optical waveguide layers (2 to 4) at the mask opening are removed by etching (FIG. 5A).
【0051】さらに、前記SiNパターン5の領域をマ
スクされる領域として、周知のMOCVD法選択成長に
より、InGaAsP光導波路層(バットジョイント
(結合)部のバンドギャップ波長1.10μm、厚さ3
00nm)6を成長する(図5の(b))。このときS
iNマスク開口部には膜厚が連続的に減少するInGa
AsP膜厚テーパ光導波路層6が形成される。この膜厚
テーパ光導波路層の第1のバットジョイント部から15
0μmの位置での膜厚は約150nm、バンドギャップ
波長は約1.07μmである。 尚、本例の前記InG
aAsP光導波路層6はその上下のn型InP基板1及
びp−InPクラッド層9が、いわゆるクラッド層の役
割を果たして、光を導波する。Further, the region of the SiN pattern 5 is used as a region to be masked, and the InGaAsP optical waveguide layer (the band gap wavelength of the butt joint (coupling) portion is 1.10 μm, the thickness is 3) by the well-known MOCVD selective growth.
(00 nm) 6 (FIG. 5B). Then S
InGa mask whose film thickness continuously decreases is formed in the iN mask opening.
An AsP film thickness tapered optical waveguide layer 6 is formed. The distance from the first butt joint portion of the tapered optical waveguide layer is 15
The film thickness at the position of 0 μm is about 150 nm, and the band gap wavelength is about 1.07 μm. The InG of the present example
The n-type InP substrate 1 and the p-InP cladding layer 9 above and below the aAsP optical waveguide layer 6 serve as a so-called cladding layer to guide light.
【0052】前記SiNによる誘電体膜5を除去した
後、当該半導体積層体の上部に、第2回目のSiNによ
る誘電体膜を形成する。そして、周知のフォトリソグラ
フとエッチングにより第1回目バットジョイント(結
合)部から150μmの位置を開口部先端とするSiN
パターン7を作製する(図5の(c))。After removing the dielectric film 5 made of SiN, a second dielectric film made of SiN is formed on the semiconductor laminated body. Then, a SiN having a position of 150 μm from the first butt joint (coupling) portion as a tip of the opening by well-known photolithography and etching.
The pattern 7 is manufactured (FIG. 5C).
【0053】次に、該SiNパターン7の領域をマスク
される領域としてを、マスク開口部のInGaAsP層
6をエッチングにより除去する。このとき、開口部での
InGaAsP層6’の厚さは約150nmである。さ
らに、前記SiNパターン7の領域をマスクされる領域
としてMOCVD法選択成長により、InGaAsP光
導波路層(バットジョイント(結合)部のバンドギャッ
プ波長1.07μm、厚さ150nm)を成長する(図
5の(d))。このときSiNマスク開口部には膜厚が
連続的に減少するInGaAsP膜厚テーパ光導波路層
8が形成される。この膜厚テーパ光導波路層の第2のバ
ットジョイント部から150μmの位置での膜厚は約7
5nm、バンドギャップ波長は約1.04μmである。
この後、SiNパターン7を除去し、p−InPクラッ
ド層9をMOCVD成長する(図5の(e))。Next, the InGaAsP layer 6 in the mask opening is removed by etching using the SiN pattern 7 as a region to be masked. At this time, the thickness of the InGaAsP layer 6 ′ at the opening is about 150 nm. Further, an InGaAsP optical waveguide layer (a band gap wavelength of a butt joint (coupling) portion of 1.07 μm and a thickness of 150 nm) is grown by MOCVD selective growth using the region of the SiN pattern 7 as a region to be masked (FIG. 5). (D)). At this time, an InGaAsP film thickness tapered optical waveguide layer 8 whose film thickness is continuously reduced is formed in the opening of the SiN mask. The film thickness of this tapered optical waveguide layer at a position 150 μm from the second butt joint is about 7 μm.
5 nm, and the bandgap wavelength is about 1.04 μm.
Thereafter, the SiN pattern 7 is removed, and the p-InP cladding layer 9 is grown by MOCVD (FIG. 5E).
【0054】その後、ウエハを大気中に取り出し、スト
ライプ状の酸化シリコン(SiO2)マスク(幅約2μm )
によりメサエッチングを行い、リッジ型の構造を形成す
る。この後、再度MOCVD装置内に導入し、化合物半
導体材料InPによってp型埋め込み層14およびn型
ブロック層15、p型クラッド層16を形成する。こう
して、いわゆるBH型の光閉じ込め領域が形成される。Thereafter, the wafer is taken out into the atmosphere, and a silicon oxide (SiO 2 ) mask having a stripe shape (width of about 2 μm) is obtained.
To form a ridge-type structure. Thereafter, the substrate is again introduced into the MOCVD apparatus, and the p-type buried layer 14, the n-type block layer 15, and the p-type clad layer 16 are formed with the compound semiconductor material InP. Thus, a so-called BH type light confinement region is formed.
【0055】その後、SiO2マスクを除去して、LD
部直上部にp型電極11を形成した。さらに、基板裏面
にn型電極10を形成した後、両端面の劈開工程を経
て、膜厚テーパ型ビームスポット変換器が集積化された
光半導体レーザ装置が完成する(図5の(f))。本例
のレーザ利得部12の長さは300μm、ビームスポッ
ト変換部13の長さは300μmである。After that, the SiO 2 mask is removed and LD
The p-type electrode 11 was formed immediately above the part. Further, after forming the n-type electrode 10 on the back surface of the substrate, the optical semiconductor laser device in which the taper type beam spot converter is integrated is completed through a cleavage process of both end faces (FIG. 5 (f)). . In this example, the length of the laser gain section 12 is 300 μm, and the length of the beam spot conversion section 13 is 300 μm.
【0056】上記のようにMOCVD法選択成長による
膜厚テーパ光導波路層の形成工程を導波方向に2回繰り
返すことにより得られた膜厚テーパ型ビームスポット変
換領域13の膜厚比は、図5に示すように、300nm
/75nm=4となる。この値は、従来の形成工程を1
回のみ行った場合(300nm/120nm=2.5)
に比べ増大している。尚、図5の横軸はレーザ部12と
の接合部からの距離、縦軸はビームスポット変換器部1
3のテーパ部6’および8の膜厚を示す。As described above, the film thickness ratio of the film thickness tapered beam spot conversion region 13 obtained by repeating the formation process of the film thickness tapered optical waveguide layer by MOCVD selective growth twice in the waveguide direction is shown in FIG. As shown in FIG.
/ 75 nm = 4. This value corresponds to 1 for the conventional forming process.
(Only 300 times / 120 nm = 2.5)
It is increasing compared to. The horizontal axis in FIG. 5 is the distance from the junction with the laser unit 12, and the vertical axis is the beam spot converter unit 1.
3 shows the thickness of the tapered portions 6 ′ and 8.
【0057】また、膜厚テーパ領域13のInGaAs
P結晶のバンドギャップ波長は、図6に示すように、第
1のバットジョイント部の1.10μmから出射端面の
1.04μmまで、連続的に短波長化している。図6の
横軸はレーザ部12との接合部からの距離、縦軸はIn
GaAsP結晶のバンドギャップに対応する波長を示し
ている。The InGaAs of the film thickness tapered region 13 is formed.
As shown in FIG. 6, the bandgap wavelength of the P crystal is continuously shortened from 1.10 μm at the first butt joint to 1.04 μm at the emission end face. The horizontal axis in FIG. 6 is the distance from the junction with the laser unit 12, and the vertical axis is In.
The wavelength corresponding to the band gap of the GaAsP crystal is shown.
【0058】この結果、膜厚テーパ型ビームスポット変
換器集積半導体レーザ装置の特性は、ビームスポット変
換器を集積しない場合と遜色なく、しかもシングルモー
ドファイバとの結合効率は−2dBとなった。この結果
は、従来の形成工程が1回のみで、ビームスポット変換
器の光導波路がその内部にバットジョイントを有せず、
単一の光導波路で構成されている場合の、シングルモー
ドファイバとの結合効率−3dBよりも改善された。As a result, the characteristics of the tapered beam spot converter integrated semiconductor laser device were comparable to those in the case where no beam spot converter was integrated, and the coupling efficiency with a single mode fiber was -2 dB. This result shows that the conventional formation process is performed only once, and the optical waveguide of the beam spot converter does not have a butt joint therein.
The coupling efficiency with a single mode fiber in the case of a single optical waveguide was improved from -3 dB.
【0059】発明の実施の形態2 本例はビームスポット変換器の導波路内部に2個のバッ
トジョイント(結合)を有する例である。Embodiment 2 This embodiment is an example in which two butt joints (coupling) are provided inside the waveguide of the beam spot converter.
【0060】n型InP基板上に膜厚テーパ型ビームス
ポット変換器が集積化された光半導体レーザ装置を作製
した。図7は、その光半導体レーザ装置の導波方向に沿
った断面図である。An optical semiconductor laser device in which a taper type beam spot converter was integrated on an n-type InP substrate was manufactured. FIG. 7 is a sectional view taken along the waveguide direction of the optical semiconductor laser device.
【0061】まず、MOCVD法により、n型(10
0)InP基板21上にn型InGaAsP下側光ガイ
ド層(バンドギャップ波長1.10μm、厚さ0.1μ
m)22、歪MQW活性層領域(発振波長1.3μm)
23、p型InGaAsP上側光ガイド層(バンドギャ
ップ波長1.10μm、厚さ0.1μm)24を順次形
成する。この歪MQW活性層領域23はInGaAsP
(6nm厚)を井戸層としInGaAsP(バンドギャ
ップ波長1.10μm、10nm厚)を障壁層とする歪
MQW活性層で、その周期は7周期である。First, an n-type (10
0) On the InP substrate 21, an n-type InGaAsP lower optical guide layer (bandgap wavelength 1.10 μm, thickness 0.1 μm)
m) 22, strained MQW active layer region (oscillation wavelength: 1.3 μm)
23, a p-type InGaAsP upper light guide layer (bandgap wavelength 1.10 μm, thickness 0.1 μm) 24 is sequentially formed. This strained MQW active layer region 23 is made of InGaAsP.
(6 nm thick) is a strained MQW active layer having a well layer and InGaAsP (band gap wavelength 1.10 μm, 10 nm thick) as a barrier layer, and its period is 7 periods.
【0062】次に、第1回目のSiNによる誘電体パタ
ーンを形成し、エッチングにより膜厚テーパ光導波路層
の一部を除去した後、MOCVD法選択成長により、I
nGaAsP膜厚テーパ光導波路層25を成長する。こ
のとき膜厚テーパ光導波路層の第1のバットジョイント
部から100μmの位置での膜厚は約180nm、バン
ドギャップ波長は約1.08μmである。尚、前記In
GaAsP膜厚テーパ光導波路層25が有するバットジ
ョイント(結合)部のバンドギャップ波長は1.10μ
m、厚さ300nmである。Next, a first dielectric pattern of SiN is formed, and a part of the tapered optical waveguide layer is removed by etching.
An nGaAsP film thickness tapered optical waveguide layer 25 is grown. At this time, the thickness of the tapered optical waveguide layer at a position 100 μm from the first butt joint is about 180 nm, and the band gap wavelength is about 1.08 μm. The In
The band gap wavelength of the butt joint (coupling) portion of the GaAsP film thickness tapered optical waveguide layer 25 is 1.10 μm.
m, thickness 300 nm.
【0063】次に、SiNによる誘電体膜を除去した
後、第2回目のSiNによる誘電体パターンを形成し、
エッチングにより膜厚テーパ光導波路層の一部を除去し
た後、MOCVD法選択成長により、InGaAsP膜
厚テーパ光導波路層(バットジョイント(結合)部のバ
ンドギャップ波長1.08μm、厚さ180nm)26
を成長する。このとき膜厚テーパ光導波路層の第2のバ
ットジョイント部から100μmの位置での膜厚は約1
00nm、バンドギャップ波長は約1.06μmであ
る。Next, after removing the dielectric film made of SiN, a second dielectric pattern made of SiN is formed.
After removing a part of the tapered optical waveguide layer by etching, selective growth is performed by MOCVD to form an InGaAsP tapered optical waveguide layer (a band gap wavelength of a butt joint (coupling) portion is 1.08 μm and a thickness is 180 nm).
Grow. At this time, the film thickness at a position of 100 μm from the second butt joint portion of the tapered optical waveguide layer is about 1 μm.
00 nm, and the band gap wavelength is about 1.06 μm.
【0064】次に、SiN誘電体膜を除去した後、第3
回目のSiN誘電体パターンを形成し、エッチングによ
り膜厚テーパ光導波路層の一部を除去した後、MOCV
D法選択成長により、InGaAsP膜厚テーパ光導波
路層(バットジョイント(結合)部のバンドギャップ波
長1.06μm、厚さ100nm)27を成長する。こ
の際、誘電体パターンの開口部横方向間隔を第1回目、
第2回目の誘電体パターンよりも広くすることにより、
選択成長による膜厚変化が小さくなるように設定した。
これは、出射端面近傍での光導波路の膜厚変化を低減す
ることにより、光導波路内での光のモード安定化を図る
ためである。このとき膜厚テーパ光導波路層の第3のバ
ットジョイント部から100μmの位置での膜厚は約9
0nm、バンドギャップ波長は約1.05μmである。
尚、本例の前記InGaAsP光導波路層(25、2
6、27)はその上下のn型InP基板21及びp−I
nPクラッド層28が、いわゆるクラッド層の役割を果
たして、光を導波する。Next, after removing the SiN dielectric film, the third
After forming a second SiN dielectric pattern and removing a part of the tapered optical waveguide layer by etching, the MOCV
An InGaAsP film thickness tapered optical waveguide layer (band gap wavelength of a butt joint (coupling) portion 1.06 μm, thickness 100 nm) 27 is grown by the D method selective growth. At this time, the horizontal width of the opening of the dielectric pattern is set to the first time,
By making it wider than the second dielectric pattern,
The thickness was set so that the change in film thickness due to the selective growth was small.
This is for stabilizing the mode of light in the optical waveguide by reducing the change in the film thickness of the optical waveguide near the emission end face. At this time, the film thickness at a position 100 μm from the third butt joint of the film thickness tapered optical waveguide layer is about 9
0 nm, and the band gap wavelength is about 1.05 μm.
Incidentally, the InGaAsP optical waveguide layers (25, 2
6, 27) are the upper and lower n-type InP substrates 21 and p-I
The nP cladding layer 28 serves as a so-called cladding layer and guides light.
【0065】この後、SiNパターンを除去し、p−I
nPクラッド層28をMOCVD成長する。その後、ウ
エハを大気中に取り出し、ストライプ状の酸化シリコン
(SiO2)マスク(幅約5μm )によりメサエッチングを
行い、リッジ型の構造を形成する。この後、再度MOC
VD装置内に導入し、化合物半導体材料InPによって
p型埋め込み層14およびn型ブロック層15、p型ク
ラッド層16を形成する。こうして、いわゆるBH型の
光閉じ込め領域が形成される。Thereafter, the SiN pattern is removed, and pI
The nP cladding layer 28 is grown by MOCVD. After that, the wafer is taken out into the atmosphere and striped silicon oxide
Mesa etching is performed using a (SiO 2 ) mask (about 5 μm in width) to form a ridge type structure. After this, MOC again
The semiconductor device is introduced into a VD device, and a p-type buried layer 14, an n-type block layer 15, and a p-type clad layer 16 are formed using a compound semiconductor material InP. Thus, a so-called BH type light confinement region is formed.
【0066】その後、 SiO2マスクを除去して、LD
部直上部にp型電極30を形成した。さらに、基板裏面
にn型電極29を形成した後、両端面の劈開工程を経
て、膜厚テーパ型ビームスポット変換器の集積化された
半導体レーザ装置が完成する。レーザ利得部31の長さ
は300μm、ビームスポット変換部32の長さは30
0μmである。Thereafter, the SiO 2 mask is removed, and the LD
A p-type electrode 30 was formed immediately above the portion. Further, after the n-type electrode 29 is formed on the back surface of the substrate, the semiconductor laser device in which the tapered beam spot converter is integrated is completed through a step of cleaving both end faces. The length of the laser gain section 31 is 300 μm, and the length of the beam spot conversion section 32 is 30 μm.
0 μm.
【0067】本手法により、MOCVD法選択成長によ
る膜厚テーパ光導波路層の形成工程を導波方向に3回繰
り返すことにより得られた膜厚テーパ型ビームスポット
変換領域32の膜厚比は、図8に示すように、300n
m/90nm=3.3となった。この結果、膜厚テーパ
型ビームスポット変換器集積半導体レーザ装置のシング
ルモードファイバとの結合効率は−2.5dBとなっ
た。尚、図8の横軸はレーザ部31との接合部からの距
離、縦軸はビームスポット変換器部32のテーパ部25
−27の膜厚を示す。The thickness ratio of the tapered beam spot conversion region 32 obtained by repeating the process of forming the tapered optical waveguide layer by selective growth using the MOCVD method three times in the waveguide direction according to this method is shown in FIG. As shown in FIG.
m / 90 nm = 3.3. As a result, the coupling efficiency of the tapered beam spot converter integrated semiconductor laser device with the single mode fiber was -2.5 dB. The horizontal axis in FIG. 8 is the distance from the junction with the laser unit 31, and the vertical axis is the tapered part 25 of the beam spot converter 32.
A film thickness of -27 is shown.
【0068】以上の各実施の形態においては、半導体レ
ーザ装置とビームスポット変換器の集積化の場合につい
て説明したが、光変調器、光増幅器、光導波路、光スイ
ッチなどの各種光素子とビームスポット変換器を集積す
る場合についても本願発明は同様に有効である。In each of the above embodiments, the case where the semiconductor laser device and the beam spot converter are integrated has been described. However, various optical elements such as an optical modulator, an optical amplifier, an optical waveguide, an optical switch, and a beam spot are integrated. The present invention is similarly effective when integrating converters.
【0069】また、本発明はビームスポット変換器内部
にバットジョイント(結合)部を1個以上有するため、
第2の実施形態の工程3に示したように、選択成長に用
いる誘電体マスクパターンの形状を変化させることによ
り、任意の膜厚テーパ形状を設計、作製することが可能
であるという特徴も有する。Also, since the present invention has at least one butt joint (coupling) portion inside the beam spot converter,
As shown in Step 3 of the second embodiment, an arbitrary thickness taper shape can be designed and manufactured by changing the shape of a dielectric mask pattern used for selective growth. .
【0070】尚、本願発明における実施の形態1から実
施の形態2に例示した光半導体装置を光源として送信シ
ステム装置系に搭載し、光通信システムを構成すること
が出来る。わけても、本願の光半導体装置は加入者系の
光システムの用いて有用である。光モジュールの本願の
光半導体装置を用いることによって、これまで半導体レ
ーザ装置と光導波路との間に必要であった光学レンズが
不要となる。本願発明はあ、低コストの要求に有利であ
る。An optical communication system can be configured by mounting the optical semiconductor device exemplified in the first and second embodiments of the present invention as a light source in a transmission system device system. In particular, the optical semiconductor device of the present application is useful for use in a subscriber optical system. By using the optical semiconductor device of the present application of the optical module, an optical lens which has been required between the semiconductor laser device and the optical waveguide is unnecessary. The present invention is advantageous for low cost requirements.
【0071】本願発明を用いることによって、現在の光
システムで要求される所望寸法内で、光導波路と高い結
合効率を有する光半導体装置を有する光モジュール及び
光伝送システムを提供することが出来る。By using the present invention, it is possible to provide an optical module and an optical transmission system having an optical semiconductor device having a high coupling efficiency with an optical waveguide within a desired size required for a current optical system.
【0072】[0072]
【発明の効果】本願発明は、光導波路への結合効率の高
い光半導体装置を提供することが出来る。更には、本願
発明は、所望の寸法内で光導波路への結合効率の高い光
半導体装置を提供することが出来る。According to the present invention, an optical semiconductor device having a high coupling efficiency to an optical waveguide can be provided. Furthermore, the present invention can provide an optical semiconductor device having high coupling efficiency to an optical waveguide within a desired size.
【0073】本願発明は、膜厚テーパ型ビームスポット
変換器において光導波路と高い結合効率を確保し且つ光
出力が低下することを回避する。The present invention secures high coupling efficiency with an optical waveguide in a film thickness tapered beam spot converter and avoids a decrease in optical output.
【0074】本願発明は、更に現在の光システムで要求
される所望寸法内で、光導波路と高い結合効率を有する
光半導体装置を有する光モジュール及び光伝送システム
を提供することが出来る。The present invention can further provide an optical module and an optical transmission system having an optical semiconductor device having a high coupling efficiency with an optical waveguide within a desired size required for a current optical system.
【図1】図1は従来のビームスポット変換器が集積化さ
れた半導体レーザ装置を製造する工程順に示した装置の
導波方向に平行な面での断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the waveguide direction of a device shown in the order of manufacturing a semiconductor laser device in which a conventional beam spot converter is integrated.
【図2】図2は従来の膜厚テーパ型ビームスポット変換
器の膜厚分布を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a film thickness distribution of a conventional film thickness tapered beam spot converter.
【図3】図3は本願発明の第1の実施形態におけるビー
ムスポット変換器が集積化された半導体レーザ装置の斜
視図である。FIG. 3 is a perspective view of a semiconductor laser device in which a beam spot converter according to the first embodiment of the present invention is integrated.
【図4】図4は本願発明の第1の実施形態におけるビー
ムスポット変換器集積半導体レーザ装置を製造する工程
順に示した装置の導波方向に平行な面での断面図であ
る。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the waveguide direction of the device shown in the order of steps for manufacturing the beam spot converter integrated semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
【図5】図5は本発明の第1の実施形態における膜厚テ
ーパ型ビームスポット変換器の光導波路の膜厚分布を説
明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a film thickness distribution of an optical waveguide of the film thickness tapered beam spot converter according to the first embodiment of the present invention.
【図6】図6は本発明の第1の実施形態における膜厚テ
ーパ型ビームスポット変換器の光導波路の結晶バンドギ
ャップ波長分布を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a crystal bandgap wavelength distribution of an optical waveguide of the film thickness tapered beam spot converter according to the first embodiment of the present invention.
【図7】図7は本願発明の第2の実施形態におけるビー
ムスポット変換器集積半導体レーザ装置の導波方向に平
行な面での断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a beam spot converter integrated semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention, taken along a plane parallel to the waveguide direction.
【図8】図8は本発明の第2の実施形態における膜厚テ
ーパ型ビームスポット変換器の膜厚分布を説明するため
の図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a film thickness distribution of a film thickness tapered beam spot converter according to a second embodiment of the present invention.
1…化合物半導体基板、2…下側光ガイド層、3…MQ
W活性層領域、4…上側光ガイド層、5…誘電体膜、
6、6’…第1の膜厚テーパ光導波路層、7…誘電体
膜、8…第2の膜厚テーパ光導波路層、9…クラッド
層、10…n電極、11…p電極、12…レーザ利得
部、13…ビームスポット変換部、14…埋込層、15
…ブロック層、16…クラッド層、21…化合物半導体
基板、22…下側光ガイド層、23…MQW活性層領
域、24…上側光ガイド層、25…第1の膜厚テーパ光
導波路層、26…第2の膜厚テーパ光導波路層、27…
第3の膜厚テーパ光導波路層、28…クラッド層、29
…n電極、30…p電極、31…レーザ利得部、32…
ビームスポット変換部、101…化合物半導体基板、1
02、102’…下側光ガイド層、103、103’…
MQW活性層領域、104、104’…上側光ガイド
層、105、105’…誘電体膜、106…膜厚テーパ
光導波路層、107…クラッド層、108…n電極、1
09…p電極、110…レーザ利得部、111…ビーム
スポット変換部である。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Compound semiconductor substrate, 2 ... Lower light guide layer, 3 ... MQ
W active layer region, 4 ... upper light guide layer, 5 ... dielectric film,
6, 6 ': first thickness tapered optical waveguide layer, 7: dielectric film, 8: second tapered optical waveguide layer, 9: cladding layer, 10: n electrode, 11: p electrode, 12 ... Laser gain unit, 13: beam spot conversion unit, 14: buried layer, 15
... block layer, 16 ... cladding layer, 21 ... compound semiconductor substrate, 22 ... lower light guide layer, 23 ... MQW active layer region, 24 ... upper light guide layer, 25 ... first thickness tapered optical waveguide layer, 26 ... second thickness tapered optical waveguide layer, 27 ...
Third film thickness tapered optical waveguide layer, 28 ... clad layer, 29
... n electrode, 30 ... p electrode, 31 ... laser gain part, 32 ...
Beam spot converter, 101 ... compound semiconductor substrate, 1
02, 102 '... lower light guide layer, 103, 103' ...
MQW active layer region, 104, 104 ': upper light guide layer, 105, 105': dielectric film, 106: tapered optical waveguide layer, 107: clad layer, 108: n electrode, 1
09 ... p electrode, 110 ... laser gain section, 111 ... beam spot conversion section.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠田 和典 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Fターム(参考) 2H037 AA01 BA02 DA03 5F073 AA22 AA45 AA74 AB25 AB28 BA02 CA12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazunori Shinoda 1-280 Higashi-Koigabo, Kokubunji-shi, Tokyo F-term in Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. 2H037 AA01 BA02 DA03 5F073 AA22 AA45 AA74 AB25 AB28 BA02 CA12
Claims (9)
合された第1の光導波路と、前記第1の光導波路の出射
端面側に結晶学的に接合された第2の光導波路を少なく
とも有し、少なくとも前記第1および第2の光導波路の
膜厚が出射端面に向かって連続的に減少することを特徴
とする光半導体装置。1. A light emitting portion, a first optical waveguide crystallographically bonded to the light emitting portion, and a second optical crystallographically bonded to an emission end face of the first optical waveguide. An optical semiconductor device having at least an optical waveguide, wherein the film thickness of at least the first and second optical waveguides decreases continuously toward the emission end face.
ントを構成するビームスポット変換器部と有し、前記ビ
ームスポット変換器部の光導波路の膜厚が出射端面に向
かって連続的に減少し且つ当該ビームスポット変換器部
の光導波路内部にバットジョイントを1個以上有するこ
とを特徴とする光半導体装置。2. A light emitting section, and a beam spot converter section forming a butt joint with the light emitting section, wherein the thickness of the optical waveguide of the beam spot converter section is continuously increased toward an emission end face. An optical semiconductor device having a reduced number and one or more butt joints inside an optical waveguide of the beam spot converter.
ことを特徴とする請求項1〜2項のいずれかに記載の光
半導体装置。3. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the light emitting unit is a semiconductor light emitting device unit.
導波路、及び光スイッチの群から選ばれた少なくとも一
者なることを特徴とする請求項1〜2項のいずれかに記
載の光半導体装置。4. The light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting portion is at least one member selected from the group consisting of an optical modulator, an optical amplifier, an optical waveguide, and an optical switch. Optical semiconductor device.
波路層のバンドギャップ波長が、前記光導波路層の前記
光射出部との界面より出射端面に向かって短波長となっ
ていることを特徴とする請求項1〜4項のいずれかに記
載の光半導体装置。5. A method according to claim 1, wherein a band gap wavelength of the optical waveguide layer of the beam spot converter is shorter from an interface of the optical waveguide layer with the light emitting portion toward an emission end face. The optical semiconductor device according to claim 1.
合された光導波路を有し、前記光導波路は、第1の光導
波路と、前記第1の光導波路の出射端面側に結晶学的に
接合された第2の光導波路を少なくとも有し、少なくと
も前記第1及び第2を有する光導波路の導波方向の長さ
が300μm以下であり、少なくとも前記第1及び第2
を有する前記光導波路の膜厚が出射端面に向かって減少
し、前記光射出部と前記第1の光導波路との界面での膜
厚と前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が3対1以
上を有することを特徴とする光半導体装置。6. A light emitting portion, and an optical waveguide that is crystallographically joined to the light emitting portion, wherein the optical waveguide is a first optical waveguide, and an emission end face side of the first optical waveguide. At least a second optical waveguide that is crystallographically bonded to the first optical waveguide, at least the first and second optical waveguides have a length of 300 μm or less in the waveguide direction, and at least the first and second optical waveguides
The thickness of the optical waveguide having the thickness decreases toward the emission end face, and the film thickness ratio at the interface between the light emission part and the first optical waveguide and the thickness of the optical waveguide at the emission end face becomes 3 An optical semiconductor device having at least one pair.
イントを構成するビームスポット変換器部とを有し、前
記ビームスポット変換器部の導波方向の長さが300μ
m以下であり、前記ビームスポット変換器部の光導波路
の膜厚が出射端面に向かって減少し、前記バットジョイ
ントと前記出射端面での当該光導波路の膜厚比が3対1
以上を有し、且つ当該ビームスポット変換器部の光導波
路内部にバットジョイントを1個以上有することを特徴
とする光半導体装置。7. A light emitting unit, and a beam spot converter unit forming a butt joint with the light emitting unit, wherein the length of the beam spot converter unit in the waveguide direction is 300 μm.
m, the thickness of the optical waveguide of the beam spot converter decreases toward the emission end face, and the thickness ratio of the optical waveguide between the butt joint and the emission end face is 3: 1.
An optical semiconductor device comprising the above, and having one or more butt joints inside the optical waveguide of the beam spot converter.
部は前記光射出部とバットジョイントを構成するビーム
スポット変換器部を有し、前記ビームスポット変換器部
の光導波路の膜厚が出射端面に向かって連続的に減少し
且つ当該ビームスポット変換器部の光導波路内部にバッ
トジョイントを1個以上有することを特徴とする光伝送
システム。8. An optical waveguide having an optical waveguide and a light emitting section, wherein the light emitting section has a beam spot converter section forming a butt joint with the light emitting section. An optical transmission system characterized in that a film thickness is continuously reduced toward an emission end face and one or more butt joints are provided inside an optical waveguide of the beam spot converter.
半導体装置が、光射出部と、前記光射出部とバットジョ
イントを構成するビームスポット変換器部と有し、前記
ビームスポット変換器部の導波方向の長さが300μm
以下であり、当該光半導体装置と光導波路との光の結合
効率が−3dBを超えない光半導体装置であることを特
徴とする光伝送システム。9. An optical semiconductor device comprising: an optical waveguide; and an optical semiconductor device, wherein the optical semiconductor device includes a light emitting unit, and a beam spot converter unit forming a butt joint with the light emitting unit. 300 μm
An optical transmission system comprising: an optical semiconductor device, wherein the optical coupling efficiency between the optical semiconductor device and the optical waveguide does not exceed -3 dB.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP31095799A JP4146974B2 (en) | 1999-11-01 | 1999-11-01 | Optical semiconductor device and optical transmission system |
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| JP2001135887A true JP2001135887A (en) | 2001-05-18 |
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