JP2018060974A - 半導体光集積素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＡ変調器とＳＯＡとをモノシリックに備えるＤＢＲの半導体光集積素子を提供すること。
【解決手段】半導体光集積素子は、ＤＢＲレーザと、ＤＢＲレーザに接続されたＥＡ変調器と、ＥＡ変調器の出射端に形成されたＳＯＡとを含み、ＤＢＲレーザ、ＥＡ変調器およびＳＯＡは、同一基板上にモノリシック集積される。
【選択図】図３

Description

本発明は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ:Distributed Bragg Reflector）の半導体光集積素子に関する。

発振波長を変化させることができる波長可変レーザは大別して、波長可変分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）レーザにヒータなどを集積してレーザ温度を変化させることで発振波長を変化させる構成と、回折格子の屈折率を電流注入で変化させることで波長を変化させる分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザがあることが知られている。例えば、ＤＦＢレーザでは、単一の基板上にＤＦＢレーザと電界吸収型（ＥＡ: Electroabsorption）変調器と半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）とを備え、ＳＯＡに電流注入を行うことにより、ＥＡ変調器から出力された変調光のチャープ値を変換して、長距離伝送を実現するものがある（非特許文献１）。

ＤＢＲレーザは、ナノ秒オーダの高速波長の切り換え速度を有し、次世代の高速波長可変光源として期待されている。このような状況下において、ＤＢＲレーザでは、光通信における高速波長可変レーザの作製を目的として、波長安定化技術により高性能化が行われたものが報告されている（非特許文献２）。

Toshio Watanabe, 外３名, "Chirp Control of an Optical Signal Using Phase Modulation in a Semiconductor Optical Amplifier", Photonics Technology Letters, １９９８年７月, vol.10, No.7, p.1027-1029. 藤原直樹，「高速波長可変光源のモード安定化と医療計測への応用に関する研究」，早稲田大学博士論文, ２００９年２月

非特許文献１のように、ＥＡ変調器からの出射光を、別のモジュールのSOAをもちいてチャープ補償を行う報告は従来からされてきた。しかし、波長可変機能をもつDBRレーザとＥＡ変調器とＳＯＡとをモノシリックに備え、広い波長範囲でEA変調器のチャープをSOAで補償する素子は実現されていなかった。

本発明は、上記の状況下においてなされたものであり、ＥＡ変調器とＳＯＡとをモノシリックに備えるＤＢＲレーザの半導体光集積素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、ＤＢＲレーザと、前記ＤＢＲレーザに接続されたＥＡ変調器と、前記ＥＡ変調器の出射端に形成されたＳＯＡとを含み、前記ＤＢＲレーザ、前記ＥＡ変調器および前記ＳＯＡは、同一基板上にモノリシック集積される。

前記ＤＢＲレーザの光生成領域、および前記ＳＯＡの各々は、同一の制御端子から電流が注入されるように構成してもよい。

前記ＤＢＲレーザの光生成領域、および前記ＳＯＡの各々は、前記同一の制御端子から、前記ＤＢＲレーザと前記ＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入されるように構成してもよい。

本発明によると、ＥＡ変調器とＳＯＡとをモノシリックに備えるＤＢＲレーザの半導体光集積素子を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体光集積素子の制御の概略を説明するための図である。 実施形態の半導体光集積素子において、Ｉ_opとＩ_DBRとＩ_SOAとの関係を説明するための図である。 実施形態の半導体光集積素子の構成例を示す図である。 実施形態における半導体光集積素子の作製方法の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態である半導体光集積素子（以下、単に「光集積素子」という。）について説明する。この実施形態の光集積素子は、ＤＢＲレーザとＥＡ変調器とＳＯＡとを備える。

［光集積素子１００の制御概略］
図１は、本実施形態に係る光集積素子１００の制御の概略を説明するための図である。

図１に示すように、この半導体光集積素子１００は、光導波方向に対して順に、ＤＢＲレーザ１０１、ＥＡ変調器１０２、およびＳＯＡ１０３を備えており、これらの構成要素は、単一の半導体基板上に、一体的にモノシリック積層されている。

図１において、ＤＢＲレーザ１０１の光生成領域とＳＯＡ１０３とは、同一の制御端子１０４から注入される電流値Ｉ_opによって制御される。このとき、ＤＢＲレーザ１０１の光生成領域への注入電流をＩ_DBRとし、ＳＯＡ１０３への注入電流をＩ_SOAとすると、電流値Ｉ_opは、Ｉ_op＝Ｉ_DBR＋Ｉ_SOAで与えられる。なお、電流値Ｉ_d1，Ｉ_d2は、後述するＤＢＲ領域３２，３３へ注入されるようになっている。

一般に、ＥＡ−ＤＢＲレーザで許容されるＩ_opの値は６０〜８０ｍＡである。この観点から、本実施形態の光集積素子１００でも、Ｉ_opの上限値は、例えば８０ｍＡに設定されるのが好ましい。

上述したＩ_opとＩ_DBRとＩ_SOAとの関係は、後述する図２において、詳細に示してある。図２は、かかる関係を説明するための図である。図２では、一般的な長さである４５０μｍのＤＢＲレーザ１００が使用される。

図２に示すように、例えば、ＳＯＡ長が５０μｍの場合、ＳＯＡ長はＤＢＲレーザの長さ（４５０μｍ）に対して１／９となるため、電流値Ｉ_opの大部分はＤＢＲレーザに注入される。

一方、図２に示すように、ＳＯＡ長が１５０μｍの場合、ＳＯＡ長はＤＢＲレーザの長さに対して１／３となるため、Ｉ_op＝８０ｍＡのときは６０ｍＡ程度のＩ_DBRがＤＢＲレーザに注入され、２０ｍＡ程度のＩ_SOAがＳＯＡに注入される。

このように、ＤＢＲレーザ１０１およびＳＯＡ１０３の各長さを調整することで、それらに注入される電流Ｉ_DBR,Ｉ_SOAを調整することができる。

例えば、「Ｉ_DBR」を大きくする場合には、「Ｉ_SOA」は減少する。この関係があるため、仮に光集積素子１００からＳＯＡ１０３を無くしてＤＢＲレーザ１０１およびＥＡ変調器１０２を備える光集積素子を構成した場合（以下、「比較例」と称す。）には、「Ｉ_SOA」が無くなる分、「Ｉ_DBR」が大きくなり、ＤＢＲレーザ１０１からの光出力は、ＳＯＡ１０３を集積した光集積素子１００のものよりも大きくなる。したがって、比較例の場合、ＥＡ変調器１０２に入力される光強度も大きくなり、ＥＡ変調器１０２に光吸収電流として流れる電流も比較例の方が大きくなる。このことは、ＥＡ変調器１０２の消費電力は、比較例の場合のようにＳＯＡを備えないようにした方が大きいことを意味する。換言すると、本実施形態の光集積素子１００のようにＳＯＡ１０３を集積することで、ＥＡ変調器１０２の消費電力は、比較例の場合よりも削減することができる。

例えば、ＤＢＲレーザ１の長さが４５０μｍの場合、ＤＢＲレーザ１の駆動で閾値電流およびＳＭＳＲ(Sub-Mode Suppression Ratio)を得るためのＩ_opは、最低でも６０ｍＡが必要となる。このため、光導波方向におけるＳＯＡ長は、１５０μｍ以下とすることが好ましい。

また、例えばＤＢＲレーザ１を３００μｍに設定する場合は、必要なＳＭＳＲを得るためのＩ_opは、４０ｍＡ程度まで小さくすることができる。このため、ＳＯＡ１０３を長くしてＳＯＡ１０３への電流Ｉ_SOAを増やすことも可能となる。

このように、ＤＢＲレーザ１０１とＳＯＡ１０３の長さのバランス（比率）に応じて、所定の長さのＤＢＲレーザ１０１に最低限必要な電流を投入できるようにＳＯＡ１０３の長さを変更することで、安定的な単一モード動作と光出力の増幅の両立が実現できる。

［光集積素子１００の構成］
次に、上述した光集積素子１００の構成について、図３を参照して説明する。

図３は、光集積素子１００の構成例を示す図である。

図３において、光集積素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板１を備えており、この基板１上に、光導波方向に対して順に、ＤＢＲレーザ部層３と、ＥＡ変調器部層２と、ＳＯＡ部層４とを備える。また、基板１の裏面には、ｎ型電極１３を備える。

上述した各層２〜４は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の材料もしくはＩｎＧａＡｓP系の材料で形成され、量子井戸構造を有する。

ＥＡ変調器部層２とＤＢＲレーザ部層３との間に形成された光導波路層５は、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料で形成される。これに加えて、光導波路層５は、ＥＡ変調器部層２とＳＯＡ部層４との間、およびＳＯＡ部層４と素子端面との間にも形成されている。そして、ＥＡ変調器部層２、ＤＢＲレーザ部層３、ＳＯＡ部層４および光導波路層５上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層７が形成されている。

図３において、ＤＢＲレーザ部層３は、電流Ｉ_DBRが注入される活性領域３１と、その活性領域３１の両端面側に形成されたＤＢＲ領域３２，３３とを含む。ＤＢＲ領域３２は、ＤＢＲレーザ部層３の後端部側に形成され、ＤＢＲ領域３３は、ＤＢＲレーザ部層３の前端部側に形成される。

活性領域３１では、電流Ｉ_DBRの注入や光励起等により発光するようになっている。ＤＢＲ領域３２，３３には回折格子６が形成されており、対応する電流Ｉ_d1，Ｉ_d2の注入による屈折率変化により波長を可変させるようになっている。

絶縁膜８は、ＥＡ変調器部層２、ＤＢＲレーザ部層３、ＳＯＡ部層４、光導波路層５およびクラッド層７をそれぞれ覆うように形成されている。そして、絶縁膜８上にはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）９が形成され、ＢＣＢ９上にはさらに、ＥＡ変調器部層２への電圧印加のためのｐ型電極１０、ＤＢＲレーザ部層３の活性領域３１に電流Ｉ_DBRを注入するためのｐ型電極１１ａ、ＤＢＲレーザ部層３の各回折格子３２，３３にそれぞれ電流Ｉ_d1，Ｉ_d2を注入するための各ｐ型電極１１ｂ，１１ｃ、およびＳＯＡ部層５に電流Ｉ_SOAを注入するためのｐ型電極１２が形成されている。

［ＤＢＲレーザ１０１の動作原理］
次に、上述したＤＢＲレーザ１０１の動作原理について、図１および図３を参照して説明する。

ＤＢＲレーザ１０１は、凹凸により形成された回折格子６により光を回折させ、レーザ発振を得る。この回折格子６は、分布反射器（ＤＢＲ）と呼ばれる。ＤＢＲレーザ１０１の発振波長は、ＤＢＲの凹凸のピッチにより決定される。

ここで、ＤＢＲレーザ１０１の発振波長のチューニングのメカニズムについて説明する。ＤＢＲレーザ１０１では集積されたＤＢＲのブラッグ波長に対応して発振し、その反射帯域は大きくても数nmである。従って、ＤＢＲレーザ１０１では、ゲイン中心から意図的にブラッグ波長をずらし，選択的に発振させることができる(デチューニング)。また、ＤＢＲ領域３２，３３を順バイアスし、対応するｐ型電極１１ｂ，１１ｃからそれぞれ電流Ｉ_d1，Ｉ_d2を注入する。これにより、キャリア密度が増加し屈折率を減少させることができ(プラズマ効果)、ブラッグ波長が短波長にシフトし、発振波長が可変となる。

［光集積素子１００の作製方法］
次に、上述した光集積素子１００の作製方法について、図３および図４を参照して説明する。図４は、光集積素子１００の作製方法の一例を説明するための図である。なお、この作製方法の説明に関連して例示する値は一例であり、自在に変更することができる。

まず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の材料からなり、量子井戸構造を有するＥＡ変調器部層２を形成する（図４（ａ））。このとき、例えば、２５℃におけるＥＡ変調器部層２の発光波長は約１４７０ｎｍとする。また、上述した量子井戸構造は、量子井戸層の厚さを６ｎｍ、障壁層の厚さを１０ｎｍとする。この場合、量子井戸層と障壁層は、１０層程度、交互に積層される。これにより、消光に十分な光閉じ込め構造が形成される。そして、エッチングにより、ＥＡ変調器部層２の長さを調整して、ＥＡ変調器１０２を形成する（図４（ｂ））。

次に、基板１上に、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の材料からなり、量子井戸構造を有するＤＢＲレーザ部層３およびＳＯＡ部層４をバットジョイントプロセスにより形成する（図４（ｃ））。このとき、例えば、２５℃におけるＤＢＲレーザ部層３およびＳＯＡ部層４の発光波長は約１５４０ｎｍとする。また、これらの層３，４の量子井戸構造についても、例えば、量子井戸層の厚さを４ｎｍ、障壁層の厚さを１０ｎｍとする。このときの量子井戸層と障壁層は、６層程度、交互に積層される。

さらに、バッドジョイントプロセスにより、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなる光導波路層５を、ＥＡ変調器部層２とＤＢＲレーザ部層３との間、ＥＡ変調器部層２とＳＯＡ部層４との間、およびＳＯＡ部層４と素子端面との間にそれぞれ形成する（図４（ｄ））。光導波路層５としては、例えば、厚さが１００ｎｍで組成波長が１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層と、厚さが２００ｎｍで組成波長が１３００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ成長層と、厚さが１００ｎｍで組成波長が１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層とを積層した構造を有するのが好ましい。このような構造によって、光損失の小さい光導波路層５が実現する。

ＤＢＲレーザ部層３上に、回折格子６を形成する（図４（ｅ））。図４（ｅ）の例では、回折格子６は、ＤＢＲレーザ部層３の両端部側にそれぞれＤＢＲ領域３２，３３として形成される。すなわち、ＤＢＲレーザ部層３は、活性領域３１と、回折格子６を備えるＤＢＲ領域３２，３３とを含む。そして、ｐ型ＩｎＰクラッド層７を、ＥＡ変調器部層２、ＤＢＲレーザ部層３、ＳＯＡ部層４および光導波路層５上に形成する（図４（ｆ））。

上述したクラッド層７をエッチングして、導波路構造が、リッジ型導波路構造となるようにする（図４（ｇ））。例えば、リッジ型導波路構造のリッジ幅が２μｍ程度に設定された場合、光通信に好適な安定した横シングルモード発振が得られることとなる。

なお、本実施形態の光集積素子１００は、リッジ導波路に限られず、例えば埋め込み型導波路などを適用することもできる。

次に、ＥＡ変調器部層２、ＤＢＲレーザ部層３、ＳＯＡ部層４、光導波路層５およびクラッド層７上をそれぞれ覆うように、絶縁膜８を形成する（図４（ｈ））。そして、絶縁膜８上にＢＣＢ９を形成し、ＢＣＢ９上に、３つのｐ型電極１０，１１，１２を形成した後、基板１の裏面にｎ型電極１３を形成する（図４（ｉ））。図４（ｉ）の例では、電極１０〜１３を形成した後、劈開により素子を切り出し、その後スパッタリング法により、素子の後端面には反射率が９０％の反射膜を形成するとともに素子の前端面には反射率が0.01％以下の低反射膜を形成する。このようにして、図３に示したＤＢＲレーザ１０１、ＥＡ変調器１０２、およびＳＯＡ１０３を備えた光集積素子１００が作製される。

［光集積素子１００の動作］
次に、上述した光集積素子１００の動作について、図３〜図４を参照して説明する。

先ず、ＤＢＲレーザ１０１のｐ型電極１１ａ〜１１ｃ、およびＳＯＡ１０３のｐ型電極１２に対して同時に順方向バイアスが印加される。この場合には、ＤＢＲレーザ１０１の活性領域３１ではｐ型電極１１ａから電流Ｉ_DBRが注入され、ＤＢＲ領域３２，３３では、対応するｐ型電極１１ｂ，１１ｃからそれぞれ電流Ｉ_d1，Ｉ_d2が注入される。

ＤＢＲレーザ部層３の活性領域３１において発生した光は、ＤＢＲ領域３２で波長が可変され、その結果、ＤＢＲレーザ部層３から、シングルモードのレーザ光が出射される。このときのレーザ光の発振波長は、例えば１５５０ｎｍである。

そして、上述したＤＢＲレーザ部層３からのレーザ光は、光導波路層５を介して、ＥＡ変調器部層２に入射する。この実施形態では、ＥＡ変調器１０２のｐ電極１０には逆方向バイアスが印加されているため、ＥＡ変調器部層２において、レーザ光が吸収および変調され、それによりレーザ光のオンまたはオフが可能となる。このとき、正のチャープ値を有する変調光が、ＥＡ変調器部層２から出射される。

ＥＡ変調器部層２から出射したレーザ光は、ＳＯＡ部層４でチャープ値が負値に変換されるとともにさらに増幅されてＳＯＡ部層４から外部へ出射する。

以上説明したように、本実施形態の光集積素子１００では、ＤＢＲレーザ１０１、ＥＡ変調器１０２およびＳＯＡ１０３は、同一基板上にモノリシック集積される。

また、本実施形態の光集積素子１００では、ＳＯＡ１０３は、モノシリック集積されている。このため、ＳＯＡがモノリシック集積されておらず別のモジュール部品となっている従来のＥＡ−ＤＦＢレーザ（非特許文献１）のものに比べて、消費電力を抑制することができる。すなわち、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザでは、ＥＡ−ＤＦＢレーザとの結合損失が大きくなりやすいため、非常に長いＳＯＡに大きな電流を注入しており、結果として、消費電力が増加し得た。また、この消費電力が増加し得る点については、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザ（非特許文献１）ではＳＯＡへ電流を注入する必要があるので、その分、ＳＯＡを備えないＥＡ−ＤＦＢレーザ単体のものよりも消費電力が増加し得るという問題があった。

また、本実施形態の光集積素子１００では、同一の制御端子１０４によって、ＤＢＲレーザ１０１の活性領域３１およびＳＯＡ１０３への電流を注入するように構成している。そのため、仮に制御端子１０４を、ＤＢＲレーザ１０１の活性領域３１およびＳＯＡ１０３の各々に対応して別々に備えるようにした場合に比べて、制御端子数を少なくすることができる。

次に、本実施形態の光集積素子１００の変形例について説明する。

（変更例１）
以上では、図１を参照して、同一の制御端子１０４からＤＢＲレーザ１０１の活性領域３１およびＳＯＡ１０３の各々に電流を注入する場合について説明したが、異なる制御端子から、ＤＢＲレーザ１０１の活性領域３１およびＳＯＡ１０３の各々に電流を注入するようにしてもよい。この場合、ＤＢＲレーザ１０１およびＳＯＡ１０３の各ｐ型電極１１ａ，１２には、それぞれの制御端子から電流が注入される。

（変更例２）
以上では、1550nm波長で発振する場合について説明したが、それ以外の波長を適用しても上記実施形態と同等の効果を得ることができる。例えば1300nm帯で発振する場合についても、光通信用の光集積素子１００の各構成要素１０１，１０２，１０３の結晶組成を変更して適用することもできる。

（変更例３）
以上では、導波路構造として、リッジ導波路構造を採用した例について説明したが、埋め込み型導波路を採用した場合についても光通信用の光集積素子１００の各構成要素１０１，１０２，１０３の結晶組成を変更して適用することもできる。

１ 基板
２ ＥＡ変調器部層
３ ＤＢＲレーザ部層
４ ＳＯＡ部層
５ 光導波路層
６ 回折格子
７ クラッド層
８ 絶縁膜
９ ＢＣＢ
１０、１１ａ〜１１ｃ、１２ ｐ型電極
１３ ｎ型電極
１４ パッケージ
１５ 高周波配線板
１６ レンズ
３１ ＤＢＲレーザの活性領域
３２，３３ ＤＢＲレーザの回折格子領域
１００ 半導体光集積素子
１０１ ＤＢＲレーザ
１０２ ＥＡ変調器
１０３ ＳＯＡ
１０４ 制御端子

Claims (3)

1. ＤＢＲレーザと、
   前記ＤＢＲレーザに接続されたＥＡ変調器と、
   前記ＥＡ変調器の出射端に形成されたＳＯＡと
   を含み、
   前記ＤＢＲレーザ、前記ＥＡ変調器および前記ＳＯＡは、同一基板上にモノリシック集積される
   ことを特徴とする半導体光集積素子。
2. 前記ＤＢＲレーザの光生成領域、および前記ＳＯＡの各々は、同一の制御端子から電流が注入されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
3. 前記ＤＢＲレーザの光生成領域、および前記ＳＯＡの各々は、前記同一の制御端子から、前記ＤＢＲレーザと前記ＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入されるように構成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体光集積素子。

Images