JP6213103B2 - 半導体光素子および光モジュール - Google Patents
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Description
本願発明者は、鋭意研究の結果、この発振波長と2つの特性値λBGおよびλPLとの差が、複数の光変調器間での消光比ばらつき等の特性へ影響を与えることを発見した。
前記複数の集積型光変調素子それぞれが、
発振波長を有するレーザ光を出射するレーザ素子部と、
前記レーザ素子部からのレーザ光を受ける量子井戸コア層を備え、入力電気信号に従って光変調を行う電界吸収型の光変調器部と、
を備え、
前記複数の集積型光変調素子のうち第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長よりも、前記複数の集積型光変調素子のうち第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長のほうが長く、
前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長よりも、前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長のほうが長く、
前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のフォトルミネセンス波長よりも、前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のフォトルミネセンス波長のほうが長く、
前記複数の集積型光変調素子のうち第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差の絶対値を第1波長差とし、前記複数の集積型光変調素子のうち第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差の絶対値を第2波長差とし、前記第1波長差と前記第2波長差との差が2nm以下であり、
前記第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第1集積型光変調素子が有する前記光変調器部のフォトルミネセンス波長との差の絶対値を第3波長差とし、前記第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第2集積型光変調素子が有する前記光変調器部のフォトルミネセンス波長との差の絶対値を第4波長差とし、前記第3波長差と前記第4波長差との差が2nm以下であることを特徴とする。
前記複数の集積型光変調素子それぞれが、
信号入力端子と、
発振波長を有するレーザ光を出射するレーザ素子部と、
前記レーザ素子部からのレーザ光を受ける量子井戸コア層を備え、前記信号入力端子からの電気信号に従って光変調を行う電界吸収型光変調器部と、
を含み、
前記複数の集積型光変調素子のうち第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長よりも、前記複数の集積型光変調素子のうち第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長のほうが長く、
前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長よりも、前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長のほうが長く、
前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のフォトルミネセンス波長よりも、前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のフォトルミネセンス波長のほうが長く、
前記複数の集積型光変調素子のうち第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差の絶対値を第1波長差とし、前記複数の集積型光変調素子のうち第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差の絶対値を第2波長差とし、前記第1波長差と前記第2波長差との差が2nm以下であり、
前記第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第1集積型光変調素子が有する前記電界吸収型光変調器部のフォトルミネセンス波長との差の絶対値を第3波長差とし、前記第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第2集積型光変調素子が有する前記電界吸収型光変調器部のフォトルミネセンス波長との差の絶対値を第4波長差とし、前記第3波長差と前記第4波長差との差が2nm以下であることを特徴とする。
[実施の形態1の装置の構成]
(光モジュールの構成)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる光モジュール10を示すブロック図である。光モジュール10は、100Gbit/s光通信システムに用いられる波長分割多重通信用光モジュールである。光モジュール10は、1つのパッケージ内に出射光の波長が異なる4つの集積型光変調素子21〜24を備えている。ただし、集積型光変調素子21〜24は、それぞれが別々の半導体基板上に形成された素子である。
MQWコア層103は、井戸層103aとバリア層103bを有し、これらが交互に積層されたものである。例えば、井戸層103aの数は5〜15として井戸層103aの厚さは5〜15nmとしてもよく、バリア層103bの厚さは3〜12nmとしてもよい。このような井戸層103aおよびバリア層103bの設計値は、同一の光モジュール10の中で設けられた複数のMQWコア層103の間では同じ値とする。
以下、実施の形態1にかかる光モジュール10において、集積型光変調素子21〜24が有する設計パラメータを説明する。本願発明者は、下記の設計パラメータに着目することで、集積型光変調素子21〜24の間の消光比のばらつきを抑制することができることを見出した。
・発振波長λLD
・バリア層バンドギャップ波長λBG
・MQWコア層のフォトルミネセンス(PL)波長λPL
・LDBG波長差ΔλLDBG
・LDPL波長差ΔλLDPL
先ず、発振波長λLDを説明する。発振波長λLDは、集積型光変調素子21〜24それぞれのレーザ素子部121a〜121dの設計パラメータである。レーザ素子部121aは、その発振波長がλLD1である。レーザ素子部121bは、その発振波長がλLD2である。レーザ素子部121cは、その発振波長がλLD3である。レーザ素子部121dは、その発振波長がλLD4である。
次に、バリア層バンドギャップ波長λBGを説明する。バリア層バンドギャップ波長λBGは、EAM部122a〜122dの設計パラメータである。
さらに、フォトルミネセンス(PL)波長λPLを説明する。フォトルミネセンス(PL)波長λPLは、EAM部122a〜122dのもう1つの設計パラメータである。EAM部122aにおけるi型InGaAsPMQWコア層103のフォトルミネセンス波長を、λPL1とする。
次に、LDBG波長差ΔλLDBGを説明する。LDBG波長差ΔλLDBGは、集積型光変調素子21〜24それぞれにおける、レーザ素子部121a〜121dとEAM部122a〜122dとの間の設計パラメータである。
ΔλLDBG1 = |λLD1−λBG1| ・・・(1)
ΔλLDBG2 = |λLD2−λBG2| ・・・(2)
ΔλLDBG3 = |λLD3−λBG3| ・・・(3)
ΔλLDBG4 = |λLD4−λBG4| ・・・(4)
215nm≦ΔλLDBG1〜ΔλLDBG4≦217nm ・・・(5)
次に、LDPL波長差ΔλLDPLを説明する。LDPL波長差ΔλLDPLは、レーザ素子部121a〜121dとEAM部122a〜122dとの間のもう1つの設計パラメータである。
ΔλLDPL1 = |λLD1−λPL1| ・・・(6)
ΔλLDPL2 = |λLD2−λPL2| ・・・(7)
ΔλLDPL3 = |λLD3−λPL3| ・・・(8)
ΔλLDPL4 = |λLD4−λPL4| ・・・(9)
実施の形態1にかかる光モジュール10では、上述した式(5)に示すように、発振波長λLD1〜λLD4およびバリア層バンドギャップ波長λBG1〜λBG4を設計している。つまり、バリア層バンドギャップ波長λBGと発振波長λLDの差をΔλLDBGとした場合に、集積型光変調素子21〜24が有するΔλLDBG1、ΔλLDBG2、ΔλLDBG3、ΔλLDBG4のばらつきの大きさが、−1nm以上かつ+1nm以下の範囲内に収まるようにしている。
λBG1=λBG2 ・・・(10)
ΔλLDPL1=ΔλLDPL2 ・・・(11)
ΔλLDBG1−ΔλLDBG2=Δλ LD 1−Δλ LD 2 ・・・(12)
また、ΔλLDPL1〜ΔλLDPL4のばらつきの大きさを−3nm以上かつ+3nm以下という所定範囲内に収めるようにしてもよい。つまり、ΔλLDPL1〜ΔλLDPL4のうちの最大値と最小値の差が6nm以下になるように、λLD1〜λLD4およびλPL1〜λPL4を設定してもよい。
このような所定範囲を設定することで、消光比ばらつきを±0.3dB程度に抑えることができる。また、EAM部122a〜122dのうち隣り合うもの同士で、MQWの構造を統一できるという効果がある。複数のEAM部に同じMQW構造を設けてもよいということは、モノリシック集積を行う製造工程において、EAM部を製造するためのバットジョイント回数を減らせるという利点がある。
または、ΔλLDPL1〜ΔλLDPL4のばらつきの大きさを−5nm以上かつ+5nm以下という所定範囲内に収めるようにしてもよい。つまり、ΔλLDPL1〜ΔλLDPL4のうちの最大値と最小値の差が10nm以下になるように、λLD1〜λLD4およびλPL1〜λPL4を設定してもよい。
このような所定範囲を設定することで、EAMの駆動条件を調整することにより異なる波長間で同等の特性を実現できるという効果がある。
[実施の形態2の装置の構成]
図6は本発明の実施の形態2にかかる光モジュール210のブロック図である。光モジュール210は、100Gbit/s光通信システムに用いられる波長分割多重通信用光モジュールである。
図8〜図12は、本発明の実施の形態2にかかる光モジュール210の製造プロセスを示す図である。図13は、本発明の実施の形態2にかかる光モジュール210の製造方法を示すフローチャートである。
まず、図8に示すようにn型InP基板101上に有機金属気相成長法(MOCVD)で、n型InPクラッド層131、4元混晶のi型MQWコア層132、p型InPクラッド層133を成長する。p型InPクラッド層133の層内には、4元混晶の回折格子層133aが設けられている。
その後、レーザ素子部121a、121bの活性層となる部分にSiO2マスク201を形成し、p型InPクラッド層133、i型MQWコア層132、およびn型InPクラッド層131をエッチングで除去する。除去した状態が図9である。このエッチングにより、n型InP基板101の上面の一部101aが露出している。
次に、図10に示すように、SiO2マスク201を選択成長マスクとして、再びMOCVD装置で、集積型光変調素子部221aのためのn型InPクラッド層102、i型InGaAsPMQWコア層103、およびp型InPクラッド層104をバットジョイント成長する。このときの上面図が図11である。
その後、一度、SiO2マスク201を除去する。除去の後、集積型光変調素子部221aのレーザ素子部121aの活性層部分、集積型光変調素子部221bのレーザ素子部121bの活性層部分、および集積型光変調素子部221aのEAM部122aの吸収層形成部分に再びSiO2マスクを形成し、p型InPクラッド層133、i型MQWコア層132、およびn型InPクラッド層131をエッチングで除去する。このエッチングでn型InP基板101の表面の一部が露出する。
次にSiO2マスクを選択成長マスクとして、上記ウェットエッチングで露出した面に、再びMOCVD装置で、集積型光変調素子部221bのためのn型InPクラッド層、i型InGaAsPMQWコア層、p型InPクラッド層をバットジョイント成長する。各層の組成比は、必要なバリア層バンドギャップ波長およびフォトルミネセンス波長などに合わせて調節する。バットジョイント成長後、SiO2マスクを除去する。
その後、集積型光変調素子部221aのレーザ素子部121aの活性層部分、集積型光変調素子部221bのレーザ素子部121bの活性層部分、集積型光変調素子部221aのEAM部122aの吸収層形成部分、および集積型光変調素子部221bのEAM部122bの吸収層形成部分に、再びSiO2マスクを形成し、この再形成したSiO2マスク以外の部分のp型InPクラッド層133、i型MQWコア層132、およびn型InPクラッド層131をエッチングで除去する。SiO2マスクを設ける部分は、図12に太い破線で示した枠内の領域である。このエッチングでn型InP基板101の表面の一部が露出する。
ステップS206で再形成したSiO2マスクを選択成長マスクとして、再びMOCVD装置で今度は窓構造123のためのInP層を成長する。その後SiO2マスクを除去し、再びMOCVD装置でコンタクト層を成長する。その後、エッチングによりリッジ導波路を形成し、コンタクト層上にp側電極を形成する。その後、n型InP基板101を研磨で薄くし、最後にn型InP基板101の裏面にn側電極を形成する。
その後、モノリシック光素子221の完成後に、同様にモノリシック光素子222が製造される。モノリシック光素子221、222、波長合波器12、および信号入力端子31〜34を含めてパッケージングが施されることで、光モジュール210が提供される。
[実施の形態3の装置の構成]
図14は本発明の実施の形態3にかかる光モジュール310のブロック図である。光モジュール310は、100Gbit/s光通信システムに用いられる波長分割多重通信用光モジュールである。
図16〜図21は、本発明の実施の形態3にかかる光モジュール310の製造プロセスを示す図である。図22は、本発明の実施の形態3にかかる光モジュール310の製造方法を示すフローチャートである。
まず、図16に示すようにn型InP基板101上に有機金属気相成長法(MOCVD)で、n型InPクラッド層131、4元混晶のi型MQWコア層132、p型InPクラッド層133を成長する。p型InPクラッド層133の層内には、4元混晶の回折格子層133aが設けられている。
その後、レーザ素子部121の活性層となる部分にSiO2マスク201を形成し、p型InPクラッド層133、i型MQWコア層132、およびn型InPクラッド層131をエッチングで除去する。このエッチングでn型InP基板101の表面の一部が露出する。除去した状態が図17である。
次に図18に示すように、SiO2マスク201を選択成長マスクとして、再びMOCVD装置で、集積型光変調素子部321a、321bのためのn型InPクラッド層102、i型InGaAsPMQWコア層103、p型InPクラッド層104をバットジョイント成長する。
その後、一度SiO2マスク201を除去する。除去した後、集積型光変調素子部321a、321b、321c、321dのレーザ素子部121の活性層部分および集積型光変調素子部321a、321bのEAM部122の吸収層形成部分に再びSiO2マスクを形成する。この状態を図20に示す。SiO2マスク以外の部分のp型InPクラッド層133、i型MQWコア層132、およびn型InPクラッド層131をエッチングで除去する。このエッチングでn型InP基板101の表面の一部が露出する。
次に、再び形成したSiO2マスクを選択成長マスクとして、再びMOCVD装置で、集積型光変調素子部321c、321dのためのn型InPクラッド層、i型InGaAsPMQWコア層、n型InPクラッド層をバットジョイント成長する。バットジョイント成長後に、SiO2マスクを除去する。
その後、レーザ素子部121a〜121dの活性層部分およびEAM部122a〜122dの吸収層形成部分に再びSiO2マスクを形成し、この再形成したSiO2マスク以外の部分のp型InPクラッド層133、i型MQWコア層132、およびn型InPクラッド層131をエッチングで除去する。SiO2マスクを設ける部分は、図21に太い破線で示した枠内の領域である。このエッチングでn型InP基板101の表面の一部が露出する。
ステップS306で再形成したSiO2マスクを選択成長マスクとして、再びMOCVD装置で今度は窓構造123のためのInP層を成長する。その後SiO2マスクを除去し、再びMOCVD装置でコンタクト層を成長する。その後、これまで成長させた半導体積層構造を部分的にエッチングすることによりリッジ部を形成する。リッジ部上面のコンタクト層の上にp側電極を形成する。その後、n型InP基板101を研磨で薄くし、最後にn型InP基板101の裏面にn側電極を形成する。
モノリシック光素子321、波長合波器12、および信号入力端子31〜34を含めてパッケージングが施されることで、光モジュール310が提供される。
ΔλLDBGA =|λLD1−λBGA| ・・・(13)
ΔλLDBGB =|λLD3−λBGB| ・・・(14)
[実施の形態4の装置の構成]
図23は本発明の実施の形態4にかかる光モジュール410のブロック図である。光モジュール410は、100Gbit/s光通信システムに用いられる波長分割多重通信用光モジュールである。
図25および図26は、本発明の実施の形態4にかかる光モジュール410の製造プロセスを示す図である。図25は、製造途中の光モジュール410の断面図であり、図26は、製造途中の光モジュール410の上面図である。図27は、本発明の実施の形態4にかかる光モジュール410の製造方法を示すフローチャートである。
図25の断面図に示すように、n型InP基板101上に、MOCVDで、n型InPクラッド層131、4元混晶のi型MQWコア層132、p型InPクラッド層133を成長する。p型InPクラッド層133の層内には、4元混晶の回折格子層133aが設けられている。
次に図26の上面図に示すように、p型InPクラッド層133の上面に、SiO2マスク201、202、203、204、および205を形成する。具体的には、レーザ素子部121a〜121dの活性層部分にSiO2マスク201を形成する。
次にSiO2マスク201〜205を選択成長マスクとして、EAM部122a〜122dのn型InPクラッド層、i型InGaAsPMQWコア層、およびp型InPクラッド層を同時に成長する。
その後一度SiO2マスクを除去した後、レーザ素子部121a〜121dの活性層およびEAM部122a〜122dの光吸収層となるべき部分に、再びSiO2マスクを形成する。この再形成したSiO2マスク以外の部分のp型InPクラッド層133、i型MQWコア層132、およびn型InPクラッド層131をエッチングで除去する。SiO2マスクを設ける部分は、図26に太い破線で示した枠内の領域である。このエッチングでn型InP基板101の表面の一部が露出する。
ステップS404で再形成したSiO2マスクを選択成長マスクとして、再びMOCVD装置で今度は窓構造123のためのInP層を成長する。その後SiO2マスクを除去し、再びMOCVD装置でコンタクト層を成長する。その後、エッチングによりリッジ導波路を形成し、コンタクト層上にp側電極を形成する。その後、n型InP基板101を研磨で薄くし、最後にn型InP基板101の裏面にn側電極を形成する。
モノリシック光素子421、波長合波器12、および信号入力端子31〜34を含めてパッケージングが施されることで、光モジュール410が提供される。
Claims (5)
- 複数の集積型光変調素子を備えた半導体光素子であって、
前記複数の集積型光変調素子それぞれが、
発振波長を有するレーザ光を出射するレーザ素子部と、
前記レーザ素子部からのレーザ光を受ける量子井戸コア層を備え、入力電気信号に従って光変調を行う電界吸収型の光変調器部と、
を備え、
前記複数の集積型光変調素子のうち第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長よりも、前記複数の集積型光変調素子のうち第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長のほうが長く、
前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長よりも、前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長のほうが長く、
前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のフォトルミネセンス波長よりも、前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のフォトルミネセンス波長のほうが長く、
前記複数の集積型光変調素子のうち第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差の絶対値を第1波長差とし、前記複数の集積型光変調素子のうち第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差の絶対値を第2波長差とし、前記第1波長差と前記第2波長差との差が2nm以下であり、
前記第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第1集積型光変調素子が有する前記光変調器部のフォトルミネセンス波長との差の絶対値を第3波長差とし、前記第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第2集積型光変調素子が有する前記光変調器部のフォトルミネセンス波長との差の絶対値を第4波長差とし、前記第3波長差と前記第4波長差との差が2nm以下であることを特徴とする半導体光素子。 - 前記複数の集積型光変調素子が、3つ以上の集積型光変調素子を含み、
前記3つ以上の集積型光変調素子は、それぞれの集積型光変調素子のレーザ素子部の発振波長と前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差であるLDBG波長差を備え、
前記3つ以上の集積型光変調素子がそれぞれ有するLDBG波長差のうち、最大値と最小値の差が2nm以下であり、
前記複数の集積型光変調素子が、3つ以上の集積型光変調素子を含み、
前記3つ以上の集積型光変調素子は、それぞれの集積型光変調素子のレーザ素子部の発振波長と電界吸収型光変調器部のフォトルミネセンス波長の差であるLDPL波長差を備え、
前記3つ以上の集積型光変調素子がそれぞれ有するLDPL波長差のうち、最大値と最小値の差が2nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。 - 前記レーザ素子部の発振波長は、1250nm以上かつ1350nm以下の範囲内であり、
前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長は、1000nm以上かつ1120nm以下の範囲内であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体光素子。 - 前記複数の集積型光変調素子が1つの半導体基板上にモノリシック化されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体光素子。
- 複数の集積型光変調素子と、
前記複数の集積型光変調素子の電界吸収型光変調器部それぞれの出射光を合波する波長合波器と、
を備えた光モジュールであって、
前記複数の集積型光変調素子それぞれが、
信号入力端子と、
発振波長を有するレーザ光を出射するレーザ素子部と、
前記レーザ素子部からのレーザ光を受ける量子井戸コア層を備え、前記信号入力端子からの電気信号に従って光変調を行う電界吸収型光変調器部と、
を含み、
前記複数の集積型光変調素子のうち第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長よりも、前記複数の集積型光変調素子のうち第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長のほうが長く、
前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長よりも、前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長のほうが長く、
前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のフォトルミネセンス波長よりも、前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のフォトルミネセンス波長のほうが長く、
前記複数の集積型光変調素子のうち第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第1集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差の絶対値を第1波長差とし、前記複数の集積型光変調素子のうち第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第2集積型光変調素子が有する前記量子井戸コア層のバリア層のバンドギャップ波長との差の絶対値を第2波長差とし、前記第1波長差と前記第2波長差との差が2nm以下であり、
前記第1集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第1集積型光変調素子が有する前記電界吸収型光変調器部のフォトルミネセンス波長との差の絶対値を第3波長差とし、前記第2集積型光変調素子が有するレーザ素子部の発振波長と前記第2集積型光変調素子が有する前記電界吸収型光変調器部のフォトルミネセンス波長との差の絶対値を第4波長差とし、前記第3波長差と前記第4波長差との差が2nm以下であることを特徴とする光モジュール。
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