CN114450861A - 光发射器 - Google Patents

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Abstract

在本公开中示出一种新型构成，其在集成化了SOA的EADFB激光器中，保持发挥能使用相同层构造来简化制造工序的特征，并解决或者减轻光波形品质的劣化。集成化了SOA的EADFB激光器能作为光发射器使用。在本公开的光发射器中，采用在SOA的波导的至少一部分拥有锥形构造的波导构造。在SOA区域中，使波导宽度变窄，使载流子的消耗量在整个光波导方向上均匀化。通过使波导宽度(台面宽度)沿着SOA中的光波导方向连续变窄来降低光限制系数，即使在由于在SOA内的光放大而导致越靠近出射端总光功率越增大的情况下，也使分布于活性层区域内的光功率固定化。

Description

光发射器
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器元件。在半导体激光器元件中包括光发射器，所述光发射器包括：调制器、半导体光放大器以及激光器。
背景技术
以下，公开一种在基板上集成了电场吸收型(EA：Electro-Absorption)光调制器的半导体激光器元件。而且，还对具备了分布反馈型(DFB：Distributed Feedback)激光器、EA调制器以及半导体光放大器(SOA：Semiconductor Optical Amplifier)的光发射器进行公开。
随着近年的视频分发服务的普及、移动流量需求的增大，网络流量爆发性地增大。在承担网络的光传输线路中，趋势为：传输速率的高速化、光传输设备的低耗电化、通过传输距离的延长化而实现的网络的低成本化。对于在光传输设备中使用的半导体调制光源而言，也要求在抑制功耗增大的同时，高速、高输出化。
图1是表示EA调制器集成型DFB(EADFB)激光器的概略构成的图。EADFB激光器与直接调制型的激光器相比，具有较高的消光特性和优异的啁啾(chirp)特性，使用用途广泛。像示出了穿过光波导的基板的剖面(Y－Z面)的图1那样，EADFB激光器10具有DFB激光器1和EA调制器2集成于同一基板内的构造。DFB激光器1具有由多量子阱(MQW：Multi QuantumWell)构成的活性层4，并以由驱动电流源8和形成于谐振器内的衍射光栅5决定的单一波长振荡。此外EA调制器2具有由与DFB激光器1不同组成的MQW构成的光吸收层6，通过电信号源9的控制来改变光吸收量。通过在透射或者吸收来自DFB激光器1的输出光的条件下驱动来使光忽明忽暗，从而将电信号转换为光信号。
EADFB激光器由于在EA调制器6中伴随大的光损耗，因此难以高输出化。作为其解决方案，提出了一种在EADFB激光器的光出射端进一步集成了半导体光放大器(SOA)的EADFB激光器(SOA Assisted Extended Reach EADFB Laser:AXEL)(非专利文献1)。以下为了简单，将在EADFB激光器上进一步集成化了SOA的EADFB激光器称为AXEL。
图2是表示集成化了SOA的AXEL的概略构成的图。与图1相同，在示出了穿过光波导的基板的剖面(Y－Z面)的图2的AXEL20中，通过EA调制器2调制了的信号光，通过集成的SOA区域3被放大，能提高光输出。在AXEL20的构成中，与一般的EADFB激光器相比能获得约2倍的高输出。此外，在与一般的EADFB激光器获得相同光输出的工作条件下驱动AXEL20的情况下，由于通过SOA集成效果而实现的高效率工作，因此能减少约4成的功耗。在AXEL20中，作为SOA3的活性层7使用与DFB激光器1的活性层4相同的MQW构造。在AXEL20中，能以与以往的EADFB激光器相同的工序来制作器件，而不必追加用于SOA区域的集成的再生长工艺。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：W.Kobayashi et al.,“Novel approach for chirp and outputpower compensation applied to a 40-Gbit/s EADFB laser integrated with a shortSOA,”,2015年4月,Opt.Express,Vol.23,No.7,pp.9533-9542
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在单片集成了SOA的AXEL中，能使用与EADFB激光器相同的制造工序，但是另一方面，SOA的构造的设计自由度受限，如后述那样，存在光波形品质劣化的问题。
用于解决问题的方案
本公开的一个方案是一种光发射器，在基板上具备：分布反馈型(DFB)激光器，具有活性区域，所述活性区域具有多量子阱；电场吸收型(EA)调制器，对所述DFB激光器的振荡光进行调制；以及半导体光放大器(SOA)，具有与所述DFB激光器的相同组成的活性区域，放大来自所述EA调制器的信号光，其特征在于，具备：锥形构造，在所述SOA的波导的至少一部分在与光波导方向垂直的剖面中的所述波导的宽度沿着所述光波导方向逐渐变窄。
使SOA的波导宽度沿着光波导方向以各种各样的方案改变。可以是，所述SOA的整个区域为锥形构造；也可以是，在SOA的所述光波导方向的中间部具备所述锥形构造，该中间部的入射端侧和出射端侧分别是等宽度波导。也可以是，在SOA的出射端侧具备所述锥形构造，比所述锥形构造靠近所述EA调制器侧是等宽度波导。
发明效果
本公开的光发射器解决、减轻光波形品质的劣化的问题。
附图说明
图1是示出了EA调制器集成型DFB激光器的概略构成的图。
图2是示出了进一步集成化了SOA的AXEL的概略构成的图。
图3是示出了在SOA产生码型效应的情况下的NRZ光波形的图。
图4是示出了SOA内部的光波导方向的光功率变化的计算例的图。
图5是示出了SOA区域的波导的与光波导方向垂直的剖面构成的图。
图6是示出了本公开的AXEL的实施例1的光发射器的构成的图。
图7是示出了相对于波导宽度的基阶模式和高阶模式的实效折射率的图。
图8是示出了相对于波导宽度的光限制系数的变化的图。
图9是示出了SOA的波导宽度(固定宽度)与输出功率的关系的图。
图10是示出了与实施例1的光发射器的基板垂直的剖面的构成的图。
图11是示出了用于与实施例1的比较的以往技术的光发射器的构成的图。
图12是示出了在实施例1的构成中SOA内部的载流子消耗量分布的图。
图13是对实施例1的光发射器的眼图的改善进行说明的图。
图14是示出了本公开的AXEL的实施例2的光发射器的构成的图。
图15是示出了在实施例2的构成中SOA内部的载流子消耗量分布的图。
图16是示出了实施例2的光发射器的眼图的图。
图17是示出了本公开的AXEL的实施例3的光发射器的构成的图。
图18是示出了在各种各样的波导构成中SOA内部的载流子消耗量分布的图。
图19是示出了实施例3的光发射器的眼图的图。
具体实施方式
在本公开中示出一种新型构成，其在集成化了SOA的EADFB激光器(以下也称为AXEL)中，保持发挥能在DFB激光器与SOA中使用相同的层构造来简化制造工序的特征，并解决或者减轻光波形品质劣化的问题。集成化了SOA的EADFB激光器能作为光发射器使用。此外本公开包含作为包括光发射器的光传输装置的一面。以下，作为光发射器对本公开的特征性的工作进行说明，但也能使用在送出输送信息的信号光的各种各样的方式的装置中。此外在以下的说明中，AXEL和光发射器作为实质上相同的意思的器件，可交换地记述。
在由于AXEL的SOA的层构造的制约而导致的问题中，存在由于码型效应而导致的SOA中的光信号波形品质的劣化。码型效应作为波形的失真方式根据传输的脉冲串的构成而改变的现象而已知。如图2所示，在AXEL20中来自DFB激光器1的输出光在EA调制器2被调制后，入射至SOA3并被放大。向SOA3的入射光已被调制，为其强度随时间变化的信号光。在SOA3的内部，通过电流注入而产生的载流子由于光放大而被消耗。在向SOA3入射了信号光的情况下，由于信号光的光强度不断变动，因此SOA3中的载流子的消耗量也随着光强度而变动。例如，若入射的信号光的光强度持续为强的状态，则SOA内部的载流子成为有点枯竭，反之，若信号光的光强度持续为弱的状态，则不消耗内部的载流子而载流子密度上升。因此，由于信号光的强度的随机的状态变化而导致SOA的光增益也变动，对光波形品质造成不良影响。如下所述，特别是相同编码的连续持续时，码型效应对光波形产生强的影响。
在以NRZ(Non-Return-to-Zero)信号方式对光进行强度调制(OOK：On-Off-Keying)的情况下，将光强度强的状态设为“1”电平，将光强度弱的状态设为“0”电平，考虑相同编码持续的情况下的SOA的行为。当“0”电平的比特连续地持续时，向SOA入射的信号光的光强度持续为弱的状态，由于SOA内部的载流子消耗量持续为少的状态，因此载流子密度保持高的状态。当“0”电平的信号光连续后，信号光变为“1”电平时，状况变化而蓄积在SOA内的载流子被一下子消耗。此时，在光信号波形中容易引起大的过冲。
反之在“1”电平的比特连续的信号光入射至SOA的情况下，信号光的光强度始终保持强的状态，由于光放大而大量的载流子被消耗，SOA的光增益降低。其结果是，光信号波形的“1”电平降低，光信号波形的品质劣化。像这样的SOA中的码型效应在SOA中的载流子密度低时特别显著。根据相同的理由，当SOA长为长时，也会出现码型效应的强的影响。此外，由于当调制信号的比特速率低时相同编码连续时的实际时间变长，因此码型效应的影响特别容易出现。
图3是示出了在SOA中产生了码型效应的情况下的NRZ光波形图。示出了在图2中示出的AXEL20中在产生码型效应的情况下的10Gbit/s的NRZ光波形(眼图)。如上所述，载流子密度保持高的状态的“0”电平以几乎均匀的水平稳定着。另一方面，可以看出，就载流子被消耗的“1”电平而言，根据输入的信号的状态，SOA内部的载流子密度变化，变为不稳定的状态，光信号强度的水平也不同。如图3所示的光波形品质的劣化会导致传输品质的降低，成为不能进行足够的距离的光信号传输的主要因素。为了抑制码型效应，需要提升SOA内部的载流子密度。然而，如前所述，AXEL20的SOA3被限制为与DFB激光器1具有相同的层构造的活性层(MQW)。难以调整SOA内部的载流子密度，对码型效应的抑制有限。在以往技术的AXEL中，由于SOA的层构造的制约，因此无法单独地设定DFB激光器和SOA的光限制系数、电流密度。
特别是在SOA区域长的情况下，码型效应的影响变大，即使在注入了足够的SOA电流的情况下，也不能足够地抑制光波形品质的劣化。具体而言，在比特速率为10Gbit/s程度的NRZ信号输入至SOA的情况下，当SOA长成为200μm以上时，即使增大SOA电流量也没能获得足够的抑制效果。
在本公开的AXEL中，在DFB激光器和SOA中采用相同的层构造，并且采用沿着光波导方向，阶段性地或者连续性地缩小SOA的体积的波导构造(锥形构造)。通过SOA的该波导构造，来消除、减轻以往技术中的由于码型效应而导致的波形劣化的问题。DFB激光器和SOA的波导构造使用一并的工艺来制作。因此在本公开的AXEL中，相对于以往技术的AXEL的制作工艺不需要变更，能通过只修正SOA的波导形成时的掩模图案，来实现本公开的SOA中的波导构造。
本公开的光发射器中的码型效应的抑制如下说明。如前所述，作为抑制在SOA产生的码型效应的方法，理想的是，使波导中的载流子密度上升。然而，只单纯地使SOA整体的载流子密度上升对于抑制码型效应而言不足够。发明者们着眼于SOA区域中的光波导方向上的载流子密度的变化，找出了更有效地抑制码型效应的机制。
伴随着SOA内部的光放大的载流子的消耗不是均匀的，在SOA内部的光功率强的区域载流子的消耗量更多。在此，当光在拥有具有光增益g的活性层的SOA的内部传输时，若表示传输了长度L后的光功率P，则由下式表示。
P＝P0exp{(Γg-α)L} 公式(1)
在公式(1)中，P0是向SOA入射时的光功率，Γ是对具有光增益的活性层的光限制系数，α是传输时的损耗。即当满足(Γg－α)＞0时，SOA拥有放大效果，净光增益(Γg－α)根据传输长L来发挥作用，光被放大。
图4是表示SOA内部的光波导方向的光功率变化的计算例的图。图4的横轴表示从SOA区域的EA调制器侧的起点起的SOA长度L，即光的传输距离(μm)，纵轴表示光功率P(mW)。因此图4示出了，由于公式(1)示出的光增益，在SOA内部传输的光被放大，光功率逐渐增大的情形。在此，作为入射光功率P0假定“1”电平为10mW和“0”电平为1mW的情况进行计算。可知光功率随着作为SOA内部的传输距离的SOA长L而增大，并且传输距离越长光功率越如文字所示指数函数性增大。
如图4所示，在SOA内在光的入射端附近，光功率小，远离入射端，朝向出射端越远的部分(L大)光功率成为越强的状态。因此，SOA的每单位长度消耗的载流子的消耗量也与光功率相同随着从入射端朝向出射端指数函数性增大。基于该点，即使简单地增大向SOA的注入电流，也由于载流子的消耗量在SOA内部空间上不同，而难以在SOA内部整体范围实现最佳的载流子密度。只通过简单地增大SOA电流，难以有效地抑制码型效应和光波形品质的劣化。
在本公开的光发射器中，为了根据SOA内部的光功率和载流子的消耗量，均匀化SOA内的载流子密度，使SOA区域的体积沿着光波导方向阶段性地或者连续性地缩小。由图4的光功率的计算结果可知，在以往技术的AXEL中的SOA内部的光功率从SOA区域的入射端起根据传输距离呈指数函数性地增大，相同地载流子的消耗量也增大。该载流子的消耗量与每单位体积存在的光子数，就是说光子密度呈比例。光子密度是将活性区域中的光功率除以活性区域的波导截面积而获得的。在此，试着对SOA区域中的波导构成进行进一步研究。
图5是表示与光波导方向垂直地切断SOA区域的波导的剖面构成的图。因此，相当于沿图2中的V－V线切断的剖面(Y－X面)。若举出AXEL中的SOA区域的波导构成的一个例子的话，在n－InP基板22上，依次层叠有下方的包层26，下方的SCH(Semi－ConfinementHeterostructure：半受限异质结构)层24，活性层7，上方的SCH层23以及上方的包层25。在波导的两侧形成半绝缘性(SI)的InP的嵌入层21a、嵌入层21b。从最上部的电极27注入电流(载流子)的活性层7和SCH层23、SCH层24的区域比其他的区域折射率高，光被限制于该区域而作为波导的芯发挥功能。
另一方面，由于光的波导模式拥有像以高斯函数为代表的那样连续性的分布函数，因此光功率的一部分如用图5的虚线28示出的那样，渗出至芯的上下左右的包层区域。限制于芯的光功率的比率作为公式(1)的中的光限制系数Γ被定义。发明者们由此获得了控制光限制系数Γ的想法。如图4所示，在光功率随着传输距离呈指数函数性地增大的情况下，若随着光功率的增大反之减小光限制系数Γ的话，能均匀化活性层7的区域中的光功率密度、即光子密度。
发明者们考虑到，是否能通过以使光限制系数Γ随着光的传输距离变小的方式控制SOA的构成，来抑制由于在靠近SOA的出射端侧(波导的后半部)的剧烈的载流子消耗导致的载流子用尽而产生的波形劣化。
通常，为了使SOA稳定地工作，并且抑制码型效应的影响，提升载流子密度是通常的最有效的方法。如图5所示，若在SOA中载流子消耗变多的话，则载流子密度降低。载流子由流入SOA的电流供给，与SOA电流的量呈比例，因此为了抑制该载流子密度的降低，只要增大SOA电流就可以。然而，对SOA电流而言其存在由于发热等而导致的上限，在载流子的消耗大的状况下，最终载流子的供给还是会变得赶不上。
发明者们考虑到，是否从以往的意图增大载流子密度的想法转换观点，只要反之将载流子消耗量抑制为比较低的水平，均匀化载流子密度就可以。参照图4也一样，在被认为Po增大而载流子密度变低的状态(“1”电平)下码型效应变显著，眼图波形劣化，因此推测对于抑制波形劣化而言，优选抑制载流子消耗。此外，发生支持SOA的放大作用的受激发射的活性层成为带隙比周围窄的像井那样的构造，蓄积载流子。然而，由于过度供给的载流子通过溢流从井溢出，因此只是穿过半导体而未对受激发射产生贡献。认为像这样的状态对SOA的驱动而言非常低效，从前述的发热和效率的观点来看不现实。因此，着眼于在SOA中反之抑制载流子消耗，均匀化载流子密度的构成。
本公开的光发射器的构成在集成于AXEL的SOA区域中改变波导宽度，在光波导方向(波导长尺寸方向)上均匀化载流子的消耗量。由此抑制码型效应。通过使波导宽度(台面宽度)沿着SOA中的光波导方向连续变窄来降低光限制系数，即使在由于SOA内的光放大而导致越靠近出射端总光功率越增大的情况下，也使分布于活性层区域内的光功率固定化。
如上所述，在SOA产生的码型效应是由于SOA内部的载流子密度空间性地变动而产生的。通常由于在SOA内部光的功率随着光传输增大，因此随着从SOA的入射端侧靠近出射端侧，载流子密度减小。难以在SOA出射端侧始终将SOA内部的载流子密度保持为高的状态。因此在本公开的光发射器中，通过将SOA波导设为锥形构造，来利用随着波导宽度变窄光限制降低的现象。使光限制随着靠近原本载流子消耗量大的SOA输出端而降低，使光功率从活性区域分散至无载流子消耗的包层区域。其结果是，载流子消耗在SOA整体范围内均匀化，即使是采用比较长的SOA时，也能抑制光波形品质的劣化，实现高输出化。
在以下说明的本公开的光发射器中，通过使SOA的波导宽度沿着光波导方向(波导的长尺寸方向)以各种各样的方案改变，来对光限制系数Γ进行了控制。具体而言本公开的光发射器包括在SOA区域的至少一部分中使其波导宽度沿着光波导方向，即朝向出射端逐渐减小的锥形构造。在SOA的波导宽度变窄的区域中，光向包层的渗出量变大，限制系数Γ也变小。由此，分布于SOA中的波导的芯区域内的光功率的比率减小，芯区域中的载流子消耗被抑制。可以想到结果是载流子密度在SOA区域的整体范围内维持在固定的水准，抑制码型效应，并能获得良好的EYE波形。以下，对本公开的AXEL的光发射器的具体的实施例进行进一步的说明。
实施例1
图6是表示本公开的AXEL的实施例1的光发射器的概略构成的图。光发射器100是在基板上按顺序集成化有DFB激光器、EA调制器以及SOA的器件，图6是与基板面(x－z面)垂直地观察穿过光波导的厚度方向的中心的内部剖面的图。去除比剖面靠近上侧的要素而表示，成为从上方观察活性层的剖面的图。本光发射器100是按长度300μm的DFB激光器的波导101、其前方的长度150μm的EA调制器的波导102以及长度315μm的SOA的波导103的顺序构成的单片集成元件。在上述的基本构成的点上与图2的以往技术的AXEL的光发射器是相同构成。本公开的光发射器100在SOA的波导103的波导宽度沿着z轴逐渐地变化，并拥有锥状的构造的点上，与以往技术的构成(图11)不同。在SOA的入射端的波导宽度与DFB激光器、EA调制器的各波导相同，为1.7μm。在此，对本公开的特征性的SOA中的锥状的波导的宽度的决定方法进行研究。
图7是表示相对于波导宽度的基阶模式和高阶模式的实效折射率变化的图。在图7中，横轴表示波导宽度(μm)，纵轴表示0次的基阶模式(实线)和1次的高阶模式(虚线)的实效折射率。从波导宽度在1.5μm附近起，以虚线示出的高阶的波导模式存在，波导宽度在2μm以上时高阶模式的光限制系数变大，激光器以多横模工作。若振荡光多横模化，则来自光发射器的出射光与外部的单模光纤的耦合效率降低。因此，在从O频段至L频段的波段中实现单横模激光器工作的情况下，波导宽度的上限一般为2μm。在本实施例的光发射器100中的SOA区域的波导103中，沿着光波导方向SOA的整个区域范围内，波导宽度连续且线性地减小。在SOA的入射端的波导宽度为1.7μm，作为锥形构造的最终部的、SOA出射端的波导宽度设定为1.0μm。
图8是表示相对于波导宽度的光限制系数的变化的图。在图8的横轴示出了波导宽度(μm)，在纵轴示出了光限制系数。作为一个例子，对波长1.55μm的光对于图5中示出的波导构造进行光限制系数的计算。将限制纵向的光的芯层的厚度设为300nm来计算。如公式(1)所表示的那样，Γg小于α，不满足(Γg－α)＞0时，光在半导体内衰减。若参照图8的光限制系数，则实用性的波导宽度的下限为0.8μm程度。这是由于，如公式(1)所示，SOA的增益由光限制系数Γ和半导体活性层具有的增益g的乘积决定，因此若波导宽度过窄则变得不能在半导体活性层获得增益。在本实施例中，为了寻求具体的最佳锥形形状，作为预实验，制作多个拥有等宽度且波导宽度不同的单体SOA，求得SOA的波导宽度与输出功率的关系。就单体SOA的入射侧的耦合而言，将光纤输出以双透镜系统耦合，出射侧由大口径的功率仪表来测定。
图9是表示SOA的波导宽度(固定宽度)与输出功率的关系的图。在横轴示出了SOA的波导宽度(μm)，在纵轴示出了SOA的输出功率(dBm)。此时，SOA长为100μm，SOA注入电流为50mA，向SOA的输入功率为3dBm。从图9可知，在SOA的波导宽度为0.5μm与1μm之间，SOA的放大性能剧烈地变化。在波导宽度在0.8μm以下的范围中，输出功率减小，不能获得足够的光放大工作。对于SOA的锥形形状的长度，由于若使波导宽度剧烈地变窄则在波导模式中产生光损耗，因此在波导的光波导方向(长尺寸方向)上将大约1μm的宽度的变化比率设为0.02μm以下为好。在本实施例的光发射器中，考虑用于作为SOA发挥功能的上述的波导宽度的实用性的上限和下限，作为波导宽度被限制在从2μm至0.8μm的范围。若假定在该范围内改变波导宽度，则SOA的锥形构造的长度最低也需要设为60μm以上。因此，也可以使SOA的波导(长度60μm以上)以最大变化宽度在2μm～0.8μm范围逐渐地变窄，也可以进一步缩小变化宽度的范围，使其在1.8μm～1.0μm的范围内逐渐地变窄。只要根据设为对象的码型效应的程度，来决定波导宽度的最大变化量就可以。
在本公开的光发射器中，在SOA的波导的至少一部分中，包括沿着光波导方向其宽度逐渐地变窄的锥形构造，因此通常SOA出射侧的波导宽度比SOA的入射侧的波导宽度窄。但是在EA调制器与SOA之间也可以由锥状的无源波导来连接，因此也可以存在入射侧与出射侧的波导宽度为相同程度的情况。
在此，对光发射器100的集成电路(AXEL)的制作工艺进行说明。在元件制作中，使用了在n－InP基板上，依次生长有下部SCH层、多量子阱层的活性层(MQW1)以及上部SCH层的初始基板。在此，多量子阱由6层的量子阱层构成，在振荡波长1.55μm段具有光增益。包括上述的各层的初始基板是为了DFB激光器101的高效率工作而最佳化了的构造。需要说明的是，由于初始基板通常能获得因此进行使用，也可以不使用初始基板而制作上述的各层。
再次参照图6对集成电路的制作工序进行说明，首先留下成为DFB激光器的波导101和SOA区域的波导103的部分，选择性地对其他的活性层进行刻蚀，通过对接再生长，生长用于EA调制器的波导102的多量子阱层(MQW2)。接着，在DFB激光器的区域形成在振荡波长1.55μm段工作那样的衍射光栅。
其后，通过再生长在元件整个面生长p－InP包层和接触层。包层的厚度在本实施例中使用了2.0μm以不对电极区域施加光场。接着，通过刻蚀形成了台面构造。在该工序中，各区域的波导宽度通过光刻工序形成任意的图案，并通过一并的刻蚀工序形成。通过使在SOA区域中掩模的宽度连续地变窄实现了SOA部中的锥形构造。像本公开的AXEL的光发射器那样，即使在SOA具备锥形形状的波导的情况下，上述的制作工序也与以往相同，能不增大工序负荷、成本而进行制作。
接着，通过嵌入再生长在台面的两侧形成了掺杂了Fe的半绝缘性InP层104a、半绝缘性InP层104b。接着，为了电分离DFB激光器、EA调制器以及SOA的各自的区域，通过湿法刻蚀去除了各区域间的接触层。其后，形成了用于经由InP基板的上部表面的各区域上的接触层注入电流的P侧的电极。而且，将InP基板的背面研磨至150μm程度，在基板背面形成电极，半导体晶片上的集成电路的制作工序完成。
图6中未示出，但晶片上的各元件在光出射的端面被切掉后，在与SOA的波导103邻接的前侧的端面施加无反射涂层(AR)，在相反侧的后侧的端面施加高反射涂层(HR)。通过将SOA的出射侧的解理位置设为距离SOA的波导103的端12.5μm的位置，传输光从SOA的波导构造出射，在嵌入的InP区域内自由空间传输。在实际的器件中，与解理位置的精度相关存在误差，自由空间的传输距离在2.5μm至22.5μm之间可以变化，通过自游空间的传输抑制端面反射。在本实施例的光发射器100中，在SOA的波导103中，在初始基板形成的芯层构造维持原状残留，具有与DFB激光器的波导101的层构造相同的构造。DFB激光器和SOA的层构造的差异只是衍射光栅的有无。在本实施例的光发射器100中，通过在DFB激光器和SOA中使用共同的层构造，能为集成多个功能区域的构造，并且抑制再生长次数，以低成本制造。
图10是表示与实施例1的光发射器的基板面垂直的剖面的构造的图。观察与图6中的包括X－X线的基板面(X－Z面)垂直的剖面(Y－Z面)，而需要留意的点是，Y方向将芯层等放大示出。对于Y方向而言，本实施例的光发射器100拥有：芯层(层厚合计200nm)，由多量子阱层的活性层101～103以及上SCH层105b、下SCH层105a构成；以及层叠构造，由从上夹住芯层的InP包层107、从下夹住芯层的InP包层106构成。再次参照图6，对于X方向而言，拥有在台面两侧形成有InP层104a、InP层104b的嵌入异质构造。SOA以外的区域的波导宽度(条带宽度)在全部区域范围内设为1.7μm。DFB激光器未在图10中示出，但以通过形成于DFB激光器的区域的衍射光栅决定的单一波长工作。
在本实施例的光发射器中，在SOA中在初始生长基板形成的芯层构造维持原状残留，具有与DFB激光器的层构造相同的构造。DFB激光器和SOA的层构造的差异只是衍射光栅的有无。在本实施例的光发射器100中，通过在DFB激光器和SOA中使用共同的层构造，能为集成多个功能区域的构造，并且抑制再生长次数，以低成本制造。在相同基板上同时制作长度为250μm包括不拥有锥形构造的SOA的光发射器，与图6和图10的构成的实施例1的光发射器进行比较评价，验证了SOA中的锥形构造的效果。
图11是表示用于与实施例1的比较的以往技术的光发射器的构成的图。与图6的本实施例的波导的俯视图相对应，是与基板面(x－z)面垂直地观察穿过光发射器20的光波导5、光波导6、光波导7的厚度方向的中心的剖面的图。与图6的实施例1的构成不同的点是，SOA的波导7不是锥状而拥有均匀宽度(等宽度)。
在图6、图10以及图11中，分别示意性地示出了DFB激光器中的光功率分布和SOA中的光功率分布。在图11的以往技术的构成中，光功率分布11、光功率分布12在X轴方向上拥有相同扩散。需要留意的点是，与此相对，在本实施例的构成的图6中，与DFB激光器的波导的光功率分布108a相比，拥有锥形构造的SOA的波导的光功率分布109a向包层侧(X轴方向)扩散。这是因为在SOA中是通过使波导宽度逐渐地变窄来降低光限制系数Γ。需要说明的是，对于与图10的基板面垂直的方向(Y轴方向)而言，波导的厚度没有变化，因此两个光功率分布108b、光功率分布109b成为相同的扩散。
使用制作的元件进行了10Gbit/s的调制特性评价。调制信号为NRZ形式，使用了伪随机二进制序列PRBS231－1。在制作的全部的AXEL中，将DFB激光器的电流值设定为80mA，将向EA调制器的外加电压设定为－1.5V，将SOA的电流值设定为100mA。此外，对EA变更器外加的信号的振幅电压Vpp为1.5V。为了比较而制作的不拥有锥形构造的SOA分别设计为活性层的体积与拥有锥形构造的SOA相同。因此，在无信号光输入状态下将相同电流值注入至SOA时的，以总电流值求得的载流子密度是相同的。
当通过使用标准的带有透镜单模光纤的光纤耦合来评价调制时光输出时，对于SOA中拥有锥形构造的本实施例的光发射器而言，调制时光输出为11.5mW。另一方面，在不拥有锥形构造的以往技术的光发射器的情况下，调制时光输出为12.2mW。两者的差为0.25dB程度，即使将SOA的波导设为锥形构造，也几乎没观察到光输出的降低，获得了与以往技术的光发射器几乎相同程度的光输出。
图12是示出了SOA内部的载流子消耗量的分布的图。在横轴上示出了从SOA内的入射侧端起的位置、即传输距离(μm)，在纵轴上示出了通过数值计算求得的载流子消耗量(AU)。在不具有锥形构造的SOA中，当将SOA入射端的载流子消耗量设为1时，像以实线的计算结果示出的那样，在SOA的出射端与其相比消耗2倍以上的载流子。这与图4中示出的那样，越靠近SOA的输出端光强度变得越大，光的传输距离(SOA长)L变得越大越消耗更多的载流子相对应。
与此相对，可知，在具备拥有锥形构造的SOA波导的本实施例的光发射器的构成中，载流子消耗量的增大像以虚线的计算结果示出的那样，即使最大也能抑制至1.5倍程度。即，通过SOA的锥形构造，SOA的波导宽度被配置为沿着光波导方向逐渐地变窄，因此SOA的活性区域中的载流子消耗量被抑制，朝向SOA出射端载流子消耗量被均匀化。由此，能期待抑制码型效应的影响。
图13是对实施例1的光发射器的眼图的改善进行说明的图。图13的(a)是具备拥有本实施例的锥形构造的SOA的光发射器100的眼图。图13的(b)是具备以往技术的不拥有锥形构造的SOA的光发射器的情况的眼图。由图13的(a)可知，在拥有锥形构造的SOA中，“1”电平的不均宽度变窄，获得清晰的开口(眼Eye)，眼图的波形品质大大改善。使用相同条件评价40km的传输特性时，具备拥有锥形构造的SOA的光发射器确认了无错传输，而在不拥有锥形构造的SOA的情况下未能无错到达。
像在以上图12和图13中说明的那样，通过在SOA的波导具备锥形构造来控制载流子消耗量，从而抑制由码型效应导致的光信号波形品质的劣化，确认了向拥有清晰的眼图的足够的光波形品质的改善的效果。
实施例2
在上述的实施例1中，在SOA的波导具备锥形构造，但锥形的形状是沿着SOA的光波导方向(长尺寸方向)在SOA的整个区域范围宽度线性地变窄。然而，只要是使波导宽度朝向SOA的出射端变窄，能抑制SOA的出射端附近的载流子消耗量的构造即可，不限于实施例1的波导构成。在本实施例中，示出只在波导后半的出射端侧的一部分具备锥形构造而不是SOA的整个区域的构成例。
图14是表示本公开的AXEL的实施例2的光发射器的构成的图。与实施例1的图6相同，光发射器200是在基板上按顺序集成化有DFB激光器、EA调制器以及SOA的器件，图14是与基板面(x－z面)垂直地观察穿过光波导的厚度方向的中心的内部的剖面的图。去除比剖面靠近上侧的要素而表示，成为从上方观察活性层的剖面的图。DFB激光器(LD)的波导201长度为300μm，其光波导方向的前方的EA调制器的波导长度为150μm，SOA的波导203a、SOA的波导203b的整体长度为310μm，这些波导被集成化于单片。在上述波导的两侧，示出了嵌入再生长的半绝缘性InP层204a、半绝缘性InP层204b。与实施例1的光发射器在构成上的不同点在于，SOA的前半部为长度100μm且无锥形的等宽度的直线波导203a，SOA的后半部为长度210μm且波导宽度线性地变窄的锥形构造203b。锥形形状的开始点的波导宽度为1.7μm，锥形形状的最终点的波导宽度为0.8μm。
需要留意的是，在本实施例中也同样，比起在DFB激光器和SOA的前半部拥有相同波导宽度的等宽度波导201的光功率分布208、等宽度波导203a的光功率分布210，SOA的锥形构造的波导203b的光功率分布209在X轴方向上扩散。
像图4的SOA内的光的传输距离和光强度的关系中示出的那样，在SOA内部的光功率在出射端侧的波导的后半部剧烈地增大。因此，通过将SOA的波导的前半部设为锥形构造而实现的载流子消耗量的抑制效果，不会像将后半部设为锥形构造的情况那样程度显著地出现。因此在本实施例中，为了提高SOA的波导的前半部的增益而实现高输出化，设为从SOA的波导的中途导入锥形形状的构造而不是SOA的波导的开始点。就SOA的驱动条件而言，将激光器的电流值设定为80mA，将向EA调制器的外加电压设定为－1.5V，将SOA的电流值设定为100mA。此外，对EA调制器外加的信号的振幅电压Vpp为1.5V。
当通过使用带有透镜单模光纤的光纤耦合来评价实施例2的光发射器的调制时光输出时，获得12mW。与将SOA的整个区域设为锥形构造的实施例1的光发射器的11.5mW相比，输出功率稍微提高了。关于载流子消耗的抑制效果，能期待与实施例1的情况同等水平。
图15是示出了SOA内部的载流子消耗量的分布的图。与图13完全相同，在横轴上示出了从SOA内的入射侧端起的位置(μm)，在纵轴上示出了通过数值计算求得的载流子消耗量(AU)。在图13中示出的以往技术和实施例1的两个曲线基础上，加入了对于本实施例的只将SOA的波导的后半部设为锥形形状的构造的计算结果。能确认在以实线示出的本实施例的载流子消耗量的曲线中，若传输距离大于200μm，则载流子消耗量的抑制效果变强。以SOA的入射端作为基准的载流子消耗量的增大量也能与实施例1相同地抑制至最大1.5倍程度。
本实施例的光发射器的制作工艺与实施例1相比只存在SOA的掩模图案的差异，与前述的实施例1的情况基本相同。本实施例中的DFB激光器的振荡波长为以通过衍射光栅来决定的单一波长工作的1.55μm段。使用制作的元件进行了10Gbit/s的调制特性评价。调制信号与实施例1相同，使用了伪随机二进制序列PRBS231－1。
图16是示出了实施例2的光发射器的眼图的图。在图13的(a)中示出的实施例1时残留的“1”电平的过冲，在图16的实施例2的波形中几乎不能确认，获得了进一步良好的眼图波形。在实施例2的光发射器中，即使SOA的整体的长度非常长，为310μm，也实现了拥有清晰的眼开口的良好的眼图。示出了即使是像本实施例那样从SOA的波导的中途导入锥形构造的情况下，码型效应也被抑制，能获得非常高的光输出的同时获得高品质的光波形。
实施例3
实施例1拥有SOA的整个区域为锥形构造，并且沿着光波导方向(长尺寸方向)波导宽度逐渐地变窄的构成。在实施例2中，示出了只在SOA的出射端侧的后半部拥有锥形构造的变形例。在本实施例中，示出SOA的波导中的锥形构造的进一步的变形例，示出只在SOA的光波导方向的中间部拥有锥形构造的构成例。
图17是表示本公开的AXEL的实施例3的光发射器的构成的图。与实施例1、实施例2相同，光发射器300是在基板上按顺序集成化有DFB激光器、EA调制器以及SOA的器件，图17是与基板面(x－z面)垂直地观察穿过光波导的厚度方向的中心的内部的剖面的图。去除比剖面靠近上侧的要素而表示，示出了从上方观察活性层的剖面的图。DFB激光器(LD)的波导301长度为300μm，其光波导方向的前方的EA调制器的波导302长度为150μm，SOA的波导303a～303c的整体长度为310μm，这些波导被集成化于单片。在上述波导的两侧，示出了嵌入再生长的半绝缘性InP层304a、半绝缘性InP层304b。
与实施例1和实施例2的光发射器在构成上的不同点是，SOA的波导由在其光波导方向的中间部包括锥形构造的三个区域构成。SOA的前部的长度100μm和后部的长度30μm成为不拥有锥形构造的等宽度的直线波导303a、直线波导303c，位于两者的中间部的长度180μm成为波导宽度线性地变窄的锥形波导303b。锥形形状的开始点的波导宽度为1.7μm，锥形形状的最终点的波导宽度变为1μm。因此锥形波导303b之后的等宽度波导303c的宽度也成为1μm。
再次参照图15的载流子消耗量的分布，在实施例2的光发射器中的SOA锥形构造中，在距离SOA的入射侧端约220μm处，载流子消耗量开始降低。这是由于通过后半部的锥形构造203b降低了活性层的光限制系数Γ。由于在光限制系数Γ降低的状态下SOA的光放大效果也变弱，因此会妨碍高输出化。因此在本实施例中，为了防止在SOA的波导的终端部的放大增益降低，设为了在SOA的中途停止锥形构造的构成。
需要留意的是，在本实施例中也同样，比起在DFB激光器和SOA的前半部拥有相同波导宽度的等宽度波导301的光功率分布308、等宽度波导303a的光功率分布310，SOA的锥形构造的波导303b的光功率分布309在X轴方向上扩散。
就本实施例的光发射器的驱动条件而言，将激光器的电流值设定为80mA，将向EA调制器的外加电压设定为－1.5V，将SOA的电流值设定为100mA。此外，对EA调制器外加的信号的振幅电压Vpp为1.5V。
当通过使用带有透镜单模光纤的光纤耦合来评价实施例3的光发射器的调制时光输出时，获得13mW。包括以往技术、实施例1以及实施例2的情况，其差别微小，但通过本实施例的光发射器获得了最高的光输出。关于载流子消耗的抑制效果，也能期待与实施例1、实施例2的情况同等水平。
图18是示出了在上述的各种各样的SOA波导构成中SOA内部的载流子消耗量的分布的图。与图13和图15相同，在横轴上示出了从SOA内的入射侧端起的位置(μm)，在纵轴上示出了通过数值计算求得的载流子消耗量(AU)。图18在以往技术、实施例1以及实施例2的三个曲线基础上，加入了对于本实施例的只将SOA的中间部设为锥形形状的构造的计算结果。能与实施例1、实施例2相同程度地抑制以实线示出的实施例3的构成的载流子消耗量的增大。以入射端作为基准的载流子消耗量的增大量也能与实施例1相同地抑制至最大1.5倍程度。此外可知在实施例2的构成(二点锁线)中观察到的在SOA后部(220μm～)的载流子消耗量的降低也被改善。
本实施例的光发射器的制作工艺与前述的实施例1和实施例2大致相同。本实施例中的DFB激光器的振荡波长为以通过衍射光栅来决定的单一波长工作的1.55μm段。使用制作的元件进行了10Gbit/s的调制特性评价。调制信号与实施例1和实施例2相同，使用了伪随机二进制序列PRBS231－1。
图19是示出了实施例3的光发射器的眼图的图。在图13的(a)中示出的实施例1时残留的“1”电平的过冲，在图19的实施例3中几乎不能确认，获得了进一步良好的眼图波形。如图18所示，在本实施例的光发射器中，由于与实施例2同程度地抑制载流子消耗量，眼图也成为与实施例2非常接近的良好的波形。可知在本实施例的光发射器中也同样，即使SOA的整体的长度非常长，为310μm，也实现了拥有清晰的眼开口的良好的眼图。
示出了即使是像本实施例那样从SOA的波导的中途开始锥形构造，并在中途结束的情况下，码型效应也被抑制，能获得非常高的光输出的同时获得高品质的光波形。
像以上详细地说明的那样，通过本公开的光发射器，能通过单片集成了SOA的AXEL，维持使用与EADFB激光器相同的制造工序，改善光波形品质劣化，获得高光输出的同时获得高品质的光波形。通过设于SOA的锥形构造而均匀化载流子密度的效果不仅限应用于各实施例示出的波段，对于1250～1600μm等光通信频带也能应用。
产业上的可利用性
本发明能用于光通信。例如，能用于光发射器。

Claims (8)

1.一种光发射器，在基板上具备：
分布反馈型DFB激光器，具有活性区域，所述活性区域具有多量子阱；
电场吸收型EA调制器，对所述DFB激光器的振荡光进行调制；以及
半导体光放大器SOA，具有与所述DFB激光器相同组成的活性区域，放大来自所述EA调制器的信号光，
所述光发射器的特征在于，具备：
锥形构造，在所述SOA的波导的至少一部分在与光波导方向垂直的剖面中的所述波导的宽度沿着所述光波导方向逐渐变窄。
2.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，
所述DFB激光器、所述EA调制器以及所述SOA单片集成在所述基板上，
所述DFB激光器和所述SOA的光波导构造具有相同的层构造。
3.根据权利要求1或2所述的光发射器，其特征在于，所述SOA的整个区域为所述锥形构造。
4.根据权利要求1或2所述的光发射器，其特征在于，在所述SOA的所述光波导方向的中间部具备所述锥形构造，该中间部的入射端侧和出射端侧分别是等宽度波导。
5.根据权利要求1或2所述的光发射器，其特征在于，在所述SOA的出射端侧具备所述锥形构造，比所述锥形构造靠近所述EA调制器侧是等宽度波导。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光发射器，其特征在于，在所述锥形构造中，所述波导的所述宽度线性地单调减小。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的光发射器，其特征在于，所述锥形构造被配置为所述波导的所述宽度在从0.8μm至2.1μm之间的任意一个范围内逐渐变窄。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光发射器，其特征在于，在所述SOA的所述波导中，在入射端与出射端之间所述宽度不同。
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