JP2008064915A - 光集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の削減と歩留まりの向上及び半導体レーザと集積したモジュールの小型化を図ることができ、消光比の劣化を抑制できる光集積回路を提供する。
【解決手段】光集積回路１は半導体マッハツェンダ干渉計型変調器部（半導体ＭＺ変調器部）２と、フォトダイオード部３とを備える。半導体ＭＺ変調器部２は、入力側導波路４に接続された１×２ＭＭＩカプラ１０と、出力側導波路５に接続された１×２ＭＭＩカプラ１１と、１×２ＭＭＩカプラ１０，１１の間に接続された導波路８，９とを備える。入力側導波路４、１×２ＭＭＩカプラ１０，１１、導波路８，９、及び出力側導波路５は、InP基板７上に形成されている。フォトダイオード部３は半導体ＭＺ変調器部２の入力側導波路４にインラインに集積されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信に用いるマッハツェンダ干渉計型変調器や光スイッチなどの光制御素子を備えた光集積回路、特に入力光強度をモニタできる機能を備えた光集積回路に関する。

近年、一つの素子で一つの通信波長帯、もしくは波長帯の一部をカバーできるレーザ(広帯域波長可変レーザ)が開発されている。これらのレーザは波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing: WDM）伝送方式の光通信において、多くの在庫を持たずに済むという利点から、主にスペア光源として利用されている。一方、中長距離通信に使われる単一波長の信号光源には、変調に外部変調器を利用しているものが多く、これらの信号光源では、信号光源からの出力光を直接変調する場合に比べてより長距離の伝送が可能になるという利点がある。現在、外部変調器には半導体の電界吸収効果を用いたＥＡ変調器や、LiNbO₃(リチウムナイオベイト)などの誘電体やGaAs、InPなどの半導体の電気光学効果を用いたマッハツェンダ干渉計型変調器（以下、「ＭＺ型変調器」という。）が実用化されている。ＥＡ変調器では電界吸収効果を用いているため動作波長範囲が狭く、広帯域波長可変レーザの全波長範囲をカバーすることは難しいため、動作波長域が広いＭＺ型変調器が広帯域波長可変レーザとの集積には有利であると考えられている。

さらに、システムの小型化に対する要求から、レーザ光源（半導体レーザ）と変調器を同一モジュール内に集積する技術が盛んに研究されており、一部実用化されている。

一方、レーザ光源とのモジュール化において、通常単一波長レーザではその出力光の強度をモニタする出力モニタはレーザ光源の後方出力をフォトダイオード（ＰＤ）で検出することにより行われる。しかし、広帯域波長可変レーザの中には、レーザアレイ型のため後方出力による光強度のモニタが困難なレーザがある。このような広帯域波長可変レーザを用いる場合には、その前方出力光の一部をビームスプリッタ（ＢＳ）などで切り出し、ＰＤに入力している。

つまり、図１６に示す従来技術では、広帯域波長可変レーザ１００と、半導体の電気光学効果を用いたＭＺ型変調器１０１との間にビームスプリッタ１０２を配置し、広帯域波長可変レーザ１００の前方から出射される出力光（前方出力光）１０３の一部をビームスプリッタ１０２によりフォトダイオード１０４に入力するようにしている。ビームスプリッタ１０２を透過した出力光１０３は、ＭＺ型変調器１０１の入力側導波路に入射する。

また、光導波路にＰＤを集積する方法として、曲がり導波路の放射光を利用する方法や、主導波路から光を分岐させてＰＤに導く方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された半導体光モジュールでは、同一半導体基板上に、光入射導波路と該光入射導波路に続く曲線導波路と、該曲線導波路の外周部に配置した第一の受光器と、曲線導波路の延長上に配置した第二の受光器とを具備する。第一の受光器と第二の受光器との間に、光合分波器と、該光合分波器に続く出力光入射導波路とを形成し、入射導波路を入出力導波路としている。
特開平８−３０６９５２号公報

図１６に示す上記従来技術では、広帯域波長可変レーザ１００の出力光（前方出力光）１０３の光強度をモニタするのにビームスプリッタ１０２が必要になるため、次のような問題点があった。

（１）部品点数が増える。（２）ビームスプリッタ１０２の光軸調芯が必要になり、光軸ずれによる不良品の発生率が増えてしまう。（３）半導体レーザとＭＺ型変調器を同一モジュール内に集積する際に、モジュールが大型になってしまう。

また、上記特許文献１に記載されているような光導波路にＰＤを集積する従来の方法をＭＺ型変調器に適用しようとすると、曲がり導波路からの放射光のうちフォトダイオードに結合しないものが迷光となり、消光比の劣化を招く恐れがあった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、部品点数の削減と歩留まりの向上及び半導体レーザと集積したモジュールの小型化を図ることができ、消光比の劣化を抑制できる光集積回路を提供することにある。

本発明の第１の態様に係る光集積回路は、導波路を有する光制御素子と、前記光制御素子に入射する入射光の強度を検出するフォトダイオードと、を備え、前記フォトダイオードは、前記入射光が伝搬する前記光制御素子の導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする。

この態様によると、フォトダイオードは、前記入射光が伝搬する前記光制御素子の導波路にインラインに集積されているので、その導波路を伝搬する光がフォトダイオードに入射し、フォトダイオードを透過して導波路内を進むので、その入射光の光強度をフォトダイオードにより検出できる。このため、図１６に示す上記従来技術におけるビームスプリッタなどの余分な光学部品を用いずに入射光の光強度をモニタすることができる。これにより、部品点数の削減と歩留まりの向上及び半導体レーザと集積したモジュールの小型化を図ることができる。また、フォトダイオードを光制御素子の入力側導波路にインラインに集積するため、上記従来技術のような曲がり導波路による迷光の発生がなく、消光比の劣化を抑制でき、精度の高い光強度検出が可能になる。従って、部品点数の削減と歩留まりの向上及び半導体レーザと集積したモジュールの小型化を図ることができ、消光比の劣化を抑制できる光集積回路を実現することができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記フォトダイオードは、光の吸収によりキャリアを発生させるＰＤ活性層と、前記ＰＤ活性層を挟んで両側に形成されたｐ型領域であるｐ層及びｎ型領域であるｎ層と、前記ｐ層及びｎ層の外側にそれぞれ形成されたｐ層側電極及びｎ層側電極と、を有し、前記ＰＤ活性層と前記ｐ層及びｎ層とにより、前記導波路の一部が形成されている、ことを特徴とする。この態様によると、前記入射光がフォトダイオードのＰＤ活性層に入射すると、この入射光はＰＤ活性層で吸収されることによってＰＤ活性層にキャリア（電子と正孔）が発生し、電子はｎ層に、正孔はｐ層にそれぞれ移動する。これにより、ｐ層側電極及びｎ層側電極に回路を接続しておけば、外部回路で光電流を検出することができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記光制御素子の導波路は前記フォトダイオードと同じ構造を有する、ことを特徴とする。この態様によると、光制御素子とフォトダイオードを同じ半導体基板上に集積可能になり、光集積回路の製造が容易になる。また、本発明に係る光集積回路と半導体レーザとのモノリシック集積が可能になり、半導体レーザの前方出力の光強度をフォトダイオードでモニタする前方出力方式の半導体レーザモジュールの小型化を図ることができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記ＰＤ活性層は量子井戸構造を有する、ことを特徴とする。この態様によると、光の吸収による電子と正孔の発生がほとんど量子井戸構造内部で行われ、効率よく光電流を取り出すことができる。これにより、フォトダイオードの量子効率が上がり、光通信に適した光集積回路を得ることができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記光制御素子は、半導体の電気光学効果を用いた半導体マッハツェンダ干渉計型変調器であり、前記フォトダイオードは前記半導体マッハツェンダ干渉計型変調器の入力側導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする。

この態様によると、半導体マッハツェンダ干渉計型変調器（半導体ＭＺ変調器）による変調前の半導体レーザの出力光（前方出力光）の光強度を、余分な光学部品を用いずにフォトダイオードでモニタすることができる。また、マッハツェンダ干渉計型変調器として半導体ＭＺ変調器を用いることで、光集積回路自体の小型化を図れると共に、半導体レーザと同一の半導体基板上に半導体ＭＺ変調器を形成できるので、半導体レーザとのモノリシック集積が容易になる。半導体ＭＺ変調器は、例えば、GaAs、InPなどの半導体の電気光学効果を用いたものである。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記光制御素子は、半導体の電気光学効果を用いたマッハツェンダ干渉計型変調器であり、前記フォトダイオードは前記半導体マッハツェンダ干渉計型変調器におけるマッハツェンダ干渉計を構成する２つの導波路のうち、変調に寄与しない一方の導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする。

この態様によると、半導体マッハツェンダ干渉計型変調器（半導体ＭＺ変調器）による変調前の半導体レーザの出力光の光強度を、余分な光学部品を用いずにフォトダイオードでモニタすることができる。また、マッハツェンダ干渉計型変調器として半導体ＭＺ変調器を用いることで、光集積回路自体の小型化を図れると共に、半導体レーザと同一の半導体基板上に半導体ＭＺ変調器を形成できるので、半導体レーザとのモノリシック集積が容易になる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記半導体マッハツェンダ干渉計型変調器と半導体レーザとをハイブリッド集積したレーザモジュールとして構成されている、ことを特徴とする。この態様によると、小型のレーザモジュールを実現することができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記半導体マッハツェンダ干渉計型変調器と半導体レーザとをモノリシック集積したレーザモジュールとして構成されている、ことを特徴とする。この態様によると、小型のレーザモジュールを実現することができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記光制御素子は、半導体の電気光学効果を用いて光をオン／オフし或いは光路を切り替える光スイッチであり、前記フォトダイオードは前記光スイッチの入力側導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする。

この態様によると、半導体の電気光学効果を用いた光スイッチによる変調前の半導体レーザの出力光の光強度を、余分な光学部品を用いずにフォトダイオードでモニタすることができる。また、光スイッチとして半導体の電気光学効果を用いた光スイッチを用いることで、光集積回路自体の小型化を図れると共に、半導体レーザと同一の半導体基板上に光スイッチを形成できるので、半導体レーザとのモノリシック集積が容易になる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記光スイッチは、入出力に２×２カプラをそれぞれ用いた少なくとも一組の２×２光スイッチを含む光スイッチであり、前記フォトダイオードは入力側の前記２×２カプラに接続された２つの入力側導波路の少なくとも一方にインラインに集積されている、ことを特徴とする。この態様によると、少なくとも一組の２×２光スイッチを含む光スイッチによる変調前の半導体レーザの出力光の光強度を、余分な光学部品を用いずにフォトダイオードでモニタすることができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記光スイッチは、前記入力側の２×２カプラと出力側の前記２×２カプラとの間に接続された２つの導波路のうち、変調に寄与しない一方の導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする。この態様によると、少なくとも一組の２×２光スイッチを含む光スイッチによる変調前の半導体レーザの出力光の光強度を、余分な光学部品を用いずにフォトダイオードでモニタすることができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記光スイッチと半導体レーザとをハイブリッド集積したレーザモジュールとして構成されている、ことを特徴とする。この態様によると、小型のレーザモジュールを実現することができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記光スイッチと半導体レーザとをモノリシック集積したレーザモジュールとして構成されている、ことを特徴とする。この態様によると、小型のレーザモジュールを実現することができる。

本発明によれば、ビームスプリッタ（ＢＳ）などの余分な光学部品が不要となるため、部品点数が減らせる。

ＢＳなどの余分な光学部品が不要になるため、ハイブリッド集積においてモジュールが小型になる。

波長安定化機構の不要な広帯域波長可変レーザを用いる場合、レーザと光回路素子のモノリシック集積が可能になるため、モジュールが小型になる。

ＢＳなどの余分な光学部品が不要になるため、光軸ずれによる不良を減らすことが出来る。さらにインラインにフォトダイオードを集積するため、曲がり導波路による迷光の発生がなく、光回路素子の歩留まりを上げることができる。

本発明の原理を図２に基づいて簡単に説明する。

図２に示す光集積回路Ａは、光制御素子としての半導体マッハツェンダ干渉計型変調器Ｂと、広帯域波長可変レーザなどの半導体レーザＣの前方出力光（入射光）Ｄの光強度を検出するフォトダイオードＥとを備える。フォトダイオードＥは、半導体マッハツェンダ干渉計型変調器Ｂの入力側導波路Ｆにインラインに集積されている。この光集積回路Ａでは、入力側導波路Ｆに入射した光（前方出力光Ｄ）がフォトダイオードＥに入射し、フォトダイオードＥを透過して入力側導波路Ｆ内を進むので、その入射光の光強度をフォトダイオードＥにより検出できる。

以下、本発明を具体化した光集積回路の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において、同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る光集積回路１を図１乃至図４に基づいて説明する。

本実施形態では、一例として、光制御素子として半導体の電気光学効果を用いた半導体マッハツェンダ干渉計型変調器部を備え、１×２ＭＭＩカプラの入口側にフォトダイオードをインラインに集積した構成の光集積回路について説明する。

図１（Ａ）は光集積回路１の概略構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示すフォトダイオード部３の縦断面図である。図１（Ｂ）の右側の図では、光集積回路１の入力側導波路４を拡大して示してある。

光集積回路１は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、導波路を有する光制御素子としての半導体マッハツェンダ干渉計型変調器部２と、入射光の強度を検出するフォトダイオードとしてのフォトダイオード部３とを備える。

半導体マッハツェンダ干渉計型変調器部（以下、「半導体ＭＺ変調器部」という。）２は、半導体の電気光学効果を用いた光変調器であり、図１（Ａ）に示すように、入力側導波路４に接続された１×２ＭＭＩカプラ１０と、出力側導波路５に接続された１×２ＭＭＩカプラ１１と、１×２ＭＭＩカプラ１０，１１の間に接続された２つの導波路８，９とを備えている。

入力側導波路４、１×２ＭＭＩカプラ１０，１１、導波路８，９、及び出力側導波路５は、半導体基板としてのInP基板７上に形成されている。１×２ＭＭＩカプラ１０，１１は、多モード干渉（Multi Mode Interferece:MMI）カプラである。２つの導波路８，９により、マッハツェンダ干渉計が構成されている。

導波路８，９上には信号電極１２，１３がそれぞれ形成されている。各信号電極１２，１３の入力側には信号入力端子１４，１５がそれぞれ接続され、その出力側には終端抵抗Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ接続されている。また、符号１６，１７はグランド電極である。

フォトダイオード部３は、入射光が伝搬する半導体ＭＺ変調器部２の導波路にインラインに集積されている。本実施形態では、一例として、フォトダイオード部３は、半導体ＭＺ変調器部２の導波路のうち、入力側導波路４にインラインに集積されている。

このような構成を有する半導体ＭＺ変調器部２では、入射側導波路４に入射した光はＭＭＩカプラ１０で等分され２つの導波路８，９に導かれる。それぞれの導波路８，９を伝搬した光波はＭＭＩカプラ１１で合波され出力側導波路５に導かれる。

信号電極１４に電圧を印加しないとき（電圧Ｖ₀）、導波路８，９を伝搬した光波は同位相でＭＭＩカプラ１１により合波されるので、出力側導波路５から光が出力される（オン）。信号電極１４に電圧Ｖ_１｛（Ｖ_１-Ｖ₀）＝Ｖπ、Ｖπ：半波長電圧｝を印加すると、電気光学効果による屈折率変化により、導波路９を伝搬する光波に対する導波路８を伝搬する光波の位相変化量がπラジアン（１８０°）となり、両光波はπの位相差でＭＭＩカプラ１１により合波されるので、出力側導波路５から光が出力されない（オフ）。

このようにして、信号電極１４に電圧Ｖ₀，Ｖ_１を印加することで、広帯域波長可変レーザなどの半導体レーザの前方から出射される出力光（前方出力光）を半導体ＭＺ変調器部２により強度変調することができる。

フォトダイオード部３は、図１（Ｂ）に示すように、光の吸収によりキャリア（電子と正孔）を発生させるＰＤ活性層３０と、ＰＤ活性層３０を挟んで両側に形成されたｐ型領域であるｐ層４１及びｎ型領域であるｎ層４２と、ｐ層４１及びｎ層４２の外側にそれぞれ形成されたｐ層側電極１８，１９及びｎ層側電極２０と、を有している。コアとなるＰＤ活性層３０と、クラッドとなるｐ層４１及びｎ層４２とにより、ハイメサ導波路型の入力側導波路４の一部が形成されている。

本実施形態では、半導体ＭＺ変調器部２の入力側導波路４、導波路８，９、及び出力側導波路５は、フォトダイオード部３と同じ構造を有している。つまり、半導体ＭＺ変調器部２の各導波路４，８，９及び５は、フォトダイオード部３と同様に、コアとなるＰＤ活性層３０と、クラッドとなるｐ層４１及びｎ層４２とによりそれぞれ形成されている。

フォトダイオード部３のＰＤ活性層３０は、厚さが数ｎｍオーダーの薄膜である井戸層３１，３１をバンドギャップの大きいバリア層３２で挟むように形成された量子井戸構造を有している。

図１（Ｂ）で、符号２１はｐ層４１側における光集積回路１の表面全体を覆うパシベーション膜（SiNx膜）である。このパシベーション膜２１におけるｐ層４１の表面と接する部分に窓１８ａが形成され、この窓１８を介してｐ層４１の表面にｐ層側電極１８，１９が電気的に接続されている。このパシベーション膜２１により、外部から金属イオンなどの不純物が侵入し内部へ拡散するのを阻止し、不純物が再結合中心となり，基板表面のキャリアが再結合するという現象が起こるのを防止することができる。また、窓１８ａを介してｐ層４１の表面と電気的に接続されるｐ層側電極１８，１９と、InP基板（半導体基板）７の端面に形成されたｎ層側電極２０とには、バッテリＥ１及び抵抗Ｒ３が接続されており、これによりフォトダイオード部３に逆バイアス電圧が印加されている。また、ｐ層側電極１８，１９とｎ層側電極２０とを介して、外部回路により光電流を検出できるようになっている。

この構成により、広帯域波長可変レーザの出力光（前方出力光）がフォトダイオード部３のＰＤ活性層３０に入射すると、この入射光はＰＤ活性層３０で吸収されることによってＰＤ活性層３０にキャリア（電子と正孔）が発生し、電子はｎ層４２に、正孔はｐ層４１にそれぞれ移動する。これにより、ｐ層側電極１８，１９及びｎ層側電極２０に回路を接続しておけば、この外部回路により入射光の光強度に応じた光電流を検出することができる。 次に、第１実施形態に係る光集積回路１の製造工程を、図３及び図４に基づいて説明する。図３（Ａ）乃至（Ｃ）及び図４（Ａ）乃至（Ｃ）は光集積回路１の製造方法を示す一連の工程図である。なお、図３（Ａ）の右側に示す図は、その左側に示す光集積回路の平面図におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図３（Ｂ），（Ｃ）及び図４（Ａ）乃至（Ｃ）における右側に示す図も、図３（Ａ）の右側に示す図と同様の断面図である。

（工程１）InP基板７上に、有機金属化学気相蒸着法 (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD法)によりＰＤ活性層３０を成長させる。このＰＤ活性層３０上に、MOCVD法によりInP層４１を成長させる（図３（Ａ）参照）。
（工程２）InP層４１上に、シリコン窒化膜（SiNx膜）パターン５０を形成する（図３（Ａ）参照）。
（工程３）シリコン窒化膜パターン５０をマスクとして、ＰＤ活性層３０より深い位置までエッチングにより導波路４，８，９、及び５と、１×２ＭＭＩカプラ１０，１１とを形成する（図３（Ｂ）参照）。
（工程４）シリコン窒化膜パターン５０を除去する（図３（Ｃ）参照）。
（工程５）全体をパシベーション膜（SiNx膜）２１で覆い、パシベーションする（図４（Ａ）参照）。
（工程６）パシベーション膜２１におけるｐ層４１の表面と接する部分（メサトップ）に窓明けして窓１８ａを形成し、ｐ層４１の表面にｐ層側電極１８，１９を形成する（図４（Ｂ）参照）。
（工程７）InP基板７の裏面を研磨し、この裏面にｎ層側電極２０を形成する（図４（Ｃ）参照）。これにより、図１（Ａ）に示す光集積回路１が完成する。

以上のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○フォトダイオード部３は半導体ＭＺ型変調器２の入力側導波路４にインラインに集積されているので、入力側導波路４を伝搬する光がフォトダイオード部３に入射し、フォトダイオード部３を透過して入力側導波路４内を進むので、その入射光の光強度をフォトダイオード部３により検出できる。

具体的には、入力側導波路４に入射した光がフォトダイオード部３のＰＤ活性層３０で吸収されることによってＰＤ活性層３０にキャリア（電子と正孔）が発生し、電子はｎ層４２に、正孔はｐ層４１にそれぞれ移動する。これにより、ｐ層側電極１８，１９及びｎ層側電極２０に回路を接続しておけば、この外部回路により入射光の光強度に応じた光電流を検出することができる。このため、上記従来技術におけるビームスプリッタなどの余分な光学部品を用いずに入射光の光強度をモニタすることができる。これにより、部品点数の削減と歩留まりの向上及び半導体レーザと集積したモジュールの小型化を図ることができる。

また、フォトダイオード部３を半導体ＭＺ型変調器２の入力側導波路４にインラインに集積するため、上記従来技術のような曲がり導波路による迷光の発生がなく、消光比の劣化を抑制でき、精度の高い光強度検出が可能になる。従って、部品点数の削減と歩留まりの向上及び半導体レーザと集積したモジュールの小型化を図ることができ、消光比の劣化を抑制できる光集積回路１を実現することができる。

○ビームスプリッタなどの光学部品の光軸調芯が不要になるため、光軸ずれによる不良品の発生率が減り歩留まりが向上する。

○ビームスプリッタなどの光学部品が不要になるため、半導体ＭＺ型変調器２とフォトダイオード部３を備えた小型の光集積回路１を作製することができる。

○光集積回路１が小型になるので、この光集積回路１と広帯域波長可変レーザなどの半導体レーザとを同一モジュール（同一パッケージ）内にハイブリッド集積して半導体モジュールを作製する際に、小型の半導体モジュールを実現することができる。

○光集積回路１が小型になると共に、半導体ＭＺ型変調器２とフォトダイオード部３が同一の半導体基板（InP基板７）上に形成して光集積回路１が作製されているので、この光集積回路１と広帯域波長可変レーザなどの半導体レーザとを同一の半導体基板上にモノリシック集積して半導体モジュールを作製する際に、小型の半導体モジュールを実現することができる。

○波長安定化機構の不要な広帯域波長可変レーザを用いる場合、この広帯域波長可変レーザと光集積回路素子１のモノリシック集積が可能になるため、モジュールが小型になる。

○フォトダイオード部３のＰＤ活性層３０は量子井戸構造を有する構成により、光の吸収による電子と正孔の発生がほとんど量子井戸構造内部で行われ、効率よく光電流を取り出すことができる。これにより、フォトダイオード部３の量子効率が上がり、光通信に適した光集積回路１を得ることができる。

○半導体ＭＺ変調器２による変調前の前記前方出力光の光強度を、余分な光学部品を用いずにフォトダイオード部３でモニタすることができる。

○マッハツェンダ干渉計型変調器として半導体ＭＺ変調器２を用いることで、光集積回路１自体の小型化を図れると共に、広帯域波長可変レーザなどの半導体レーザと同一の半導体基板（InP基板７）上に半導体ＭＺ変調器２を形成できるので、半導体レーザとのモノリシック集積が容易になる。半導体ＭＺ変調器は、例えば、GaAs、InPなどの半導体の電気光学効果を用いたものである。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る光集積回路１Ａを、図５乃至図７に基づいて説明する。図５は光集積回路１Ａの概略構成を示す平面図である。

上記第１実施形態では、入力側導波路４、導波路８，９及び出力側導波路５をそれぞれハイメサ型導波路とした光集積回路１Ａについて説明したが、本実施形態に係る光集積回路１Ａは、入力側導波路４、導波路８，９及び出力側導波路５をそれぞれローメサ型導波路としている。また、フォトダイオード部３は、図５に示すように、ＰＤ活性層３０と、ＰＤ活性層３０を挟んで両側に形成されたｐ型領域であるｐ層４１及びｎ型領域であるｎ層７ａ（InP基板７の一部）と、ｐ層４１及びInP基板７の外側（ｎ層の外側）にそれぞれ形成されたｐ層側電極１８，１９及びｎ層側電極２０と、を有している。その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

次に、第２実施形態に係る光集積回路１Ａの製造工程を、図６及び図７に基づいて説明する。図６（Ａ）乃至（Ｃ）及び図７（Ａ）乃至（Ｃ）は、図３（Ａ）乃至（Ｃ）及び図４（Ａ）乃至（Ｃ）の右側に示す断面図と同様の断面図で、光集積回路１Ａの製造方法を示す一連の工程図である。

（工程１）InP基板７上に、上記MOCVD法によりＰＤ活性層３０を成長させる。このＰＤ活性層３０上に、MOCVD法によりInP層４１を成長させる（図６（Ａ）参照）。
（工程２）InP層４１上に、シリコン窒化膜（SiNx膜）パターン５０を形成する（図６（Ａ）参照）。
（工程３）シリコン窒化膜パターン５０をマスクとして、ＰＤ活性層３０の位置までエッチングにより導波路４，８，９、及び５と、１×２ＭＭＩカプラ１０，１１とを形成する（図６（Ｂ）及び図３（Ｂ）参照）。
（工程４）シリコン窒化膜パターン５０を除去する（図６（Ｃ）参照）。
（工程５）全体をパシベーション膜（SiNx膜）２１で覆い、パシベーションする（図７（Ａ）参照）。
（工程６）パシベーション膜２１におけるｐ層４１の表面と接する部分（メサトップ）に窓明けして窓１８ａを形成し、ｐ層４１の表面にｐ層側電極１８，１９を形成する（図７（Ｂ）参照）。
（工程７）InP基板７の裏面を研磨し、この裏面にｎ層側電極２０を形成する（図７（Ｃ）参照）。これにより、図５に示す光集積回路１Ａが完成する。

以上のように構成された第２実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果と同様の作用効果を奏する。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る光集積回路１Ｂを、図８乃至図１０に基づいて説明する。図８は光集積回路１Ｂの概略構成を示す平面図である。

上記第１実施形態では、入力側導波路４、導波路８，９及び出力側導波路５をそれぞれハイメサ型導波路とした光集積回路１Ａについて説明したが、本実施形態に係る光集積回路１Ｂは、入力側導波路４、導波路８，９及び出力側導波路５をそれぞれ埋め込み型導波路としている。また、フォトダイオード部３は、図８に示すように、ＰＤ活性層３０と、ＰＤ活性層３０を挟んで両側に形成されたｐ層４１及びｎ層７ａ（InP基板７の一部）と、ｐ層４１及びInP基板７の外側（ｎ層の外側）にそれぞれ形成されたｐ層側電極１８，１９及びｎ層側電極２０と、を有している。その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

次に、第３実施形態に係る光集積回路１Ａの製造工程を、図９及び図１０に基づいて説明する。図９（Ａ）乃至（Ｃ）及び図１０（Ａ）乃至（Ｃ）は、図３（Ａ）乃至（Ｃ）及び図４（Ａ）乃至（Ｃ）の右側に示す断面図と同様の断面図で、光集積回路１Ｂの製造方法を示す一連の工程図である。

（工程１）InP基板７上に、上記MOCVD法によりＰＤ活性層３０を成長させる。このＰＤ活性層３０上に、MOCVD法によりInP層４１を成長させる（図９（Ａ）参照）。
（工程２）InP層４１上に、シリコン窒化膜（SiNx膜）パターン５０を形成する（図９（Ａ）参照）。
（工程３）シリコン窒化膜パターン５０をマスクとして、ＰＤ活性層３０より深い位置までエッチングにより導波路４，８，９、及び５と、１×２ＭＭＩカプラ１０，１１とを形成する（図９（Ｂ）及び図３（Ｂ）参照）。
この後、エッチングによりできた空間にＦｅなどをドープしたInP層６０をMOCVD法により成長させる（図９（Ｂ）参照）。なお、その空間に樹脂などの絶縁材料を充填してもよい。
（工程４）シリコン窒化膜パターン５０を除去する（図９（Ｃ）参照）。
（工程５）全体をパシベーション膜（SiNx膜）２１で覆い、パシベーションする（図１０（Ａ）参照）。
（工程６）パシベーション膜２１におけるｐ層４１の表面と接する部分（メサトップ）に窓明けして窓１９ａを形成し、ｐ層４１の表面にｐ層側電極１９を形成する（図１０（Ｂ）参照）。
（工程７）InP基板７の裏面を研磨し、この裏面にｎ層側電極２０を形成する（図１０（Ｃ）参照）。これにより、図５に示す光集積回路１Ａが完成する。

以上のように構成された第３実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果と同様の作用効果を奏する。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る光集積回路１Ｄを、図１１に基づいて説明する。図１１は光集積回路１Ｄの概略構成を示す平面図である。

上記第１実施形態に係る光集積回路１では、フォトダイオード部３は半導体ＭＺ変調器部２の入力側導波路４にインラインに集積されている。これに対して、本実施形態に係る光集積回路１Ｄでは、フォトダイオード部３Ｄは半導体ＭＺ変調器部２におけるマッハツェンダ干渉計を構成する２つの導波路８，９のうち、変調に寄与しない一方の導波路９にインラインに集積されている。

具体的には、パシベーション膜２１におけるｐ層４１の表面と接する部分（メサトップ）に窓明けした窓（図４（Ｂ）の窓１８ａと同様の窓）が導波路９の領域に形成されており、この領域におけるｐ層４１の表面に、図４（Ｃ）に示すｐ層側電極１８と同様のｐ層側電極１８Ｄが形成されている（図１１参照）。また、InP基板７の裏面におけるｐ層側電極１８Ｄと対応する領域には、図４（Ｃ）に示すｎ層側電極２０と同様のｎ層側電極（図示省略）が形成されている。

以上のように構成された第４実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果と同様の作用効果を奏する。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る光集積回路１Ｅを、図１２に基づいて説明する。図１２は光集積回路１Ｅの概略構成を示す平面図である。

上記第１実施形態に係る光集積回路１の半導体ＭＺ変調器部２では、その入出力に×２ＭＭＩカプラ１０，１１が接続されている。これに対して、本実施形態に係る光集積回路１Ｅの半導体ＭＺ変調器部２Ｅでは、その入出力に２×２ＭＭＩカプラ１０ａ，１１ａが接続されている。つまり、２つの入力側導波路４ａ，４ｂが２×２ＭＭＩカプラ１０ａを介して導波路８，９に接続され、２つの出力側導波路５ａ，５ｂが２×２ＭＭＩカプラ１１ａを介して導波路８，９に接続されている。

また、光集積回路１Ｅでは、フォトダイオード部３Ｅは、半導体ＭＺ変調器部２の２つの入力側導波路４ａ，４ｂの一方（入力側導波路４ａ）にインラインに集積されている。

このような構成を有する半導体ＭＺ変調器部２Ｅは、２×２光スイッチとして用いることができる。

このように、本例に係る光集積回路１Ｅでは、半導体の電気光学効果を用いて光をオン／オフし或いは光路を切り替える光スイッチとして用いることができる光制御素子としての半導体ＭＺ変調器部２Ｅと、この光スイッチの入力側導波路４ａにインラインに集積されたフォトダイオード部３Ｅとを備えている。

以上のように構成された第５実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○半導体の電気光学効果を用いた２×２光スイッチとして用いることができる。
○光スイッチによる変調前の半導体レーザの出力光の光強度を、余分な光学部品を用いずにフォトダイオード部３Ｅでモニタすることができる。
○半導体の電気光学効果を用いた光スイッチとして用いることができるので、光集積回路自体の小型化を図れると共に、半導体レーザと同一の半導体基板上に光スイッチ（半導体ＭＺ変調器部２Ｅ）を形成できるので、半導体レーザとのモノリシック集積が容易になる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る光集積回路１Ｆを、図１３に基づいて説明する。

図１２に示す上記第５実施形態に係る光集積回路１Ｅの半導体ＭＺ変調器部２Ｅでは、フォトダイオード部３Ｅは、半導体ＭＺ変調器部２の２つの入力側導波路４ａ，４ｂの一方（入力側導波路４ａ）にインラインに集積されている。これに対して、本実施形態に係る光集積回路１Ｆの半導体ＭＺ変調器部２Ｆでは、フォトダイオード部３Ｆは、半導体ＭＺ変調器部２の２つの入力側導波路４ａ，４ｂの両方にインラインに集積されている。その他の構成は上記第５実施形態と同様である。

このように構成された第６実施形態によれば、上記第５実施形態と同様の作用効果を奏する。
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る光集積回路１Ｇを、図１４に基づいて説明する。

この光集積回路１Ｇの半導体ＭＺ変調器部２Ｇでは、フォトダイオード部３Ｇは、図１１に示す第４実施形態に係る光集積回路１Ｄと同様に、半導体ＭＺ変調器部２Ｇにおけるマッハツェンダ干渉計を構成する２つの導波路８，９のうち、変調に寄与しない一方の導波路９にインラインに集積されている。その他の構成は上記第５実施形態と同様である。

このように構成された第７実施形態によれば、上記第５実施形態と同様の作用効果を奏する。
（第８実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る光集積回路１Ｈを、図１５に基づいて説明する。

この光集積回路１Ｈは、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示す上記第１実施形態に係る光集積回路１と同様の半導体ＭＺ変調器部２及びフォトダイオード部３と、半導体レーザ７０とを同一の半導体基板７´上にモノリシック集積したレーザモジュールとして構成されている。

このように構成された第８実施形態によれば、小型のレーザモジュールを実現することができる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・上記各実施形態では、半導体ＭＺ変調器２は、InPの電気光学効果を用いているが、InPに限らず、GaAsなどの半導体の電気光学効果を用いた半導体ＭＺ変調器を有する光集積回路にも本発明は適用可能である。

・上記各実施形態では、フォトダイオード部３のＰＤ活性層３０を、井戸層３１，３１をバリア層３２で挟むように形成した量子井戸構造としているが、ＰＤ活性層３０を、１層或いは「２」以外の複数層の井戸層３１を有する量子井戸構造とした構成の光集積回路にも本発明は適用可能である。

・上記各実施形態では、フォトダイオード部３のＰＤ活性層３０と、半導体ＭＺ変調器２の各導波路とを同じ構造にしているが、ＰＤ活性層３０を、半導体ＭＺ変調器２の各導波路とは異なる構造にしてもよい。例えば、ＰＤ活性層３０を、量子井戸構造に代えて、InGaAsなどのキャリア密度の低い光吸収層（ｉ層）としてもよい。

・本発明に係る光集積回路に集積される光制御素子は、上述した光変調器や光スイッチとして用いられる半導体ＭＺ変調器に限らず、半導体の電界吸収効果を用いたＥＡ変調器、電気光学効果を用いた方向性結合器型の変調器、複数の半導体光増幅器（SOA）を用い、各SOAへの注入電流のオン／オフにより光をオン／オフする光スイッチにも本発明は適用可能である。

・上記第５実施形態で説明したような光集積回路１Ｅの半導体ＭＺ変調器部２Ｅは、２×２光スイッチとして用いることができるが、これを基本構造として用いた４×４光スイッチなどのＭ×Ｎ光スイッチにも本発明は適用可能である。

・上記第８実施形態では、半導体ＭＺ変調器部２及びフォトダイオード部３と、半導体レーザ７０とを同一の半導体基板７´上にモノリシック集積したレーザモジュールとして構成した光集積回路について説明したが、本発明はこれに限定されない。半導体ＭＺ変調器部２以外の上述した光制御素子と、フォトダイオード部３と、半導体レーザ７０とを同一の半導体基板７´上にモノリシック集積したレーザモジュールにも本発明は適用可能である。

・さらに、本発明は、上述した各種の光制御素子と、フォトダイオード部３と、半導体レーザ７０とを同一のパッケージ内に実装（ハイブリッド集積）したレーザモジュールにも本発明は適用可能である。

（Ａ）は第１実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すフォトダイオード部の縦断面図。 本発明の原理説明図。 （Ａ）乃至（Ｃ）は第１実施形態に係る光集積回路の工程図。 （Ａ）乃至（Ｃ）は図３（Ｃ）に続く光集積回路の工程図。 第２実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す平面図。 （Ａ）乃至（Ｃ）は第２実施形態に係る光集積回路の工程図。 （Ａ）乃至（Ｃ）は図６（Ｃ）に続く光集積回路の工程図。 第３実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す平面図。 （Ａ）乃至（Ｃ）は第３実施形態に係る光集積回路の工程図。 （Ａ）乃至（Ｃ）は図９（Ｃ）に続く光集積回路の工程図。 第４実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す平面図。 第５実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す平面図。 第６実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す平面図。 第７実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す平面図。 第８実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す平面図。 従来例の概略構成を示す平面図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ：光集積回路、
２，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ：半導体マッハツェンダ干渉計型変調器部、
３，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ，３Ｇ：フォトダイオード部、
４，４ａ，４ｂ：入力側導波路、５，５ａ，５ｂ：出力側導波路、
７：InP基板、７ａ：ｎ層、８，９：導波路、１０，１１： １×２MMIカプラ、
１２，１３：信号電極、１４，１５：信号入力端子、Ｒ１，Ｒ２：終端抵抗、
１６，１７：グランド電極、１８，１９：ＰＤのｐ層側電極、１８ａ，１９ａ：窓、
２０：ＰＤのｎ層側電極、２１：パシベーション膜、
３０：量子井戸構造のＰＤ活性層（コア）、３１：井戸層、３２：バリア層、
４１；ｐ層（ クラッド） 、４２：ｎ層（ クラッド）。

Claims (13)

1. 導波路を有する光制御素子と、
   前記光制御素子に入射する入射光の強度を検出するフォトダイオードと、を備え、
   前記フォトダイオードは、前記入射光が伝搬する前記光制御素子の導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする光集積回路。
2. 前記フォトダイオードは、光の吸収によりキャリアを発生させるＰＤ活性層と、前記ＰＤ活性層を挟んで両側に形成されたｐ型領域であるｐ層及びｎ型領域であるｎ層と、前記ｐ層及びｎ層の外側にそれぞれ形成されたｐ層側電極及びｎ層側電極と、を有し、
   前記ＰＤ活性層と前記ｐ層及びｎ層とにより、前記導波路の一部が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。
3. 前記光制御素子の導波路は前記フォトダイオードと同じ構造を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の光集積回路。
4. 前記ＰＤ活性層は量子井戸構造を有する、ことを特徴とする請求項１叉は２に記載の光集積回路。
5. 前記光制御素子は、半導体の電気光学効果を用いた半導体マッハツェンダ干渉計型変調器であり、前記フォトダイオードは前記半導体マッハツェンダ干渉計型変調器の入力側導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光集積回路。
6. 前記光制御素子は、半導体の電気光学効果を用いたマッハツェンダ干渉計型変調器であり、前記フォトダイオードは前記半導体マッハツェンダ干渉計型変調器におけるマッハツェンダ干渉計を構成する２つの導波路のうち、変調に寄与しない一方の導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光集積回路。
7. 前記半導体マッハツェンダ干渉計型変調器と半導体レーザとをハイブリッド集積したレーザモジュールとして構成されている、ことを特徴とする請求項５叉は６に記載の光集積回路。
8. 前記半導体マッハツェンダ干渉計型変調器と半導体レーザとをモノリシック集積したレーザモジュールとして構成されている、ことを特徴とする請求項５叉は６に記載の光集積回路。
9. 前記光制御素子は、半導体の電気光学効果を用いて光をオン／オフし或いは光路を切り替える光スイッチであり、前記フォトダイオードは前記光スイッチの入力側導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光集積回路。
10. 前記光スイッチは、入出力に２×２カプラをそれぞれ用いた少なくとも一組の２×２光スイッチを含む光スイッチであり、前記フォトダイオードは入力側の前記２×２カプラに接続された２つの入力側導波路の少なくとも一方にインラインに集積されている、ことを特徴とする請求項９に記載の光集積回路。
11. 前記光スイッチは、前記入力側の２×２カプラと出力側の前記２×２カプラとの間に接続された２つの導波路のうち、変調に寄与しない一方の導波路にインラインに集積されている、ことを特徴とする請求項９に記載の光集積回路。
12. 前記光スイッチと半導体レーザとをハイブリッド集積したレーザモジュールとして構成されている、ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一つに記載の光集積回路。
13. 前記光スイッチと半導体レーザとをモノリシック集積したレーザモジュールとして構成されている、ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一つに記載の光集積回路。

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