JP2012004279A - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体混晶からなる基板1上に設けられ、発振波長の異なる複数の半導体レーザ部21および複数の電界吸収型光変調器部23からなる光源と合波器部24とが形成された構成の光半導体装置であって、基板の半導体混晶がInPであり、電界吸収型光変調器部の活性部の井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであり、電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が7から9であり、量子井戸層の歪量が0.17%から0.73%(プラス符号は引張歪)であり、バリア層のバンドギャップ波長が0.9μmから1.05μmである。
【選択図】図1
Description
半導体混晶からなる基板上に設けられ、発振波長の異なる複数の半導体レーザ部、および前記複数の半導体レーザ部のそれぞれに対して設けられ、当該複数の半導体レーザ部から出射する信号を変調する複数の電界吸収型光変調器部からなる光源と、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記光源より出射された信号を一つにまとめる合波器部とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶は、InPであり、
前記半導体レーザ部が、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部が、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであり、
前記電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が7から9であり、量子井戸層の歪量が0.17%から0.73%(プラス符号は引張歪)であり、バリア層のバンドギャップ波長が0.9μmから1.05μmである
ことを特徴とする。
第1の発明に係る光半導体装置であって、
前記基板上における、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に設けられ、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層を具備し、
前記パッシブ層のコア部は、前記電界吸収型光変調器部の活性部と同じ多重量子井戸構造である、もしくはバンドギャップ波長1.1μmから1.2μmのIn1-xGaxAsyP1-yバルクである
ことを特徴とする。
第1または第2の発明に係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層は、室温での利得が最大となる波長を1.25μmから1.35μmとする材料が選択され、その波長を達成する厚みおよび歪を有している
ことを特徴とする。
第1乃至第3の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が、40〜50℃において、1.29μm〜1.31μmとなる深さおよび周期を有する回折格子が形成されている
ことを特徴とする。
第4の発明に係る光半導体装置であって、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層は、室温での吸収端の波長が、前記ブラック波長から40nm〜80nm短くなる波長を達成する厚みを有している
ことを特徴とする。
第2乃至第5の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部、前記電界吸収型光変調器部、および前記パッシブ層は、リッジ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする。
第1乃至第6の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部のコア層は、バンドギャップ波長が1.1μmから1.2μmのIn1-xGaxAsyP1-yバルクである
ことを特徴とする。
第1乃至第7の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部は、ハイメサ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする。
第1乃至第8の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部の上部のクラッド部は、ノンドープのInPである
ことを特徴とする。
第1乃至第9の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部は、テーパ構造の入出力導波路を具備する
ことを特徴とする。
第1乃至第10の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記光源と前記合波器部は、不連続テーパ構造の接合部を介して接続される
ことを特徴とする。
第1乃至第11の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記光源を4つ有し、
前記4つの光源の隣接する光源は、400μm〜600μmで配置される
ことを特徴とする。
第1乃至第12の発明の何れか1つに係る光半導体装置を制御する光半導体装置の制御方法であって、
前記複数の電界吸収型光変調器部を駆動する際に、それぞれのバイアス電圧、電圧振幅を一定とする
ことを特徴とする。
はじめに、本発明に係る光半導体装置の基本的な構造について図1を参照して説明する。
まず、n型のInP基板1上に、InP基板1側から順番に、下部のクラッド部と多重量子井戸構造の活性部とを成長させる。これにより、LD部21およびPD部25における下部のクラッド部および活性部が作製される。また、パッシブ層22、EAM部23および合波器部24における下部のクラッド部が作製される。
次に、この成長させた多重量子井戸構造の活性部のうち、LD部21およびPD部25として必要な部分以外の部分をウェットエッチングによって削り取り、多重量子井戸構造の活性部と多重量子井戸構造の活性部からなるコア部とをバットジョイント再成長させる。これにより、EAM部23の活性部5およびパッシブ層22のコア部8が作製される。
そして、このバットジョイント再成長させた活性層5およびコア部8のうち、EAM部23およびパッシブ層22として必要な部分以外をウェットエッチングによって削り取り、合波器部24のコア部11をバットジョイント再成長させる。
LD部21の発振波長は規格で厳密に定められているため、LD部21に形成する回折格子の周期、深さは、決められた波長(ここでは1.29μm〜1.31μm)で発振するように決定する必要がある。但し、光源を駆動する際に、消費電力を低減するために、室温よりも高い温度で駆動するために、40〜50℃において、上記発振波長を達成するように設定する。また、発振波長を安定化させるために、回折格子中に位相シフト領域を設けてもよいが、その際には、前端面からの出力が大きくなるように、位相シフトを挿入する位置を前端面側に寄せる。また、本素子は100GbEのLR4、ER4への適用を目的としているため、一つのEAM部の層構造で、15nmという広い波長範囲にわたって、25Gbit/sの高速変調が可能で、所望の消光比を得る必要がある。EAM部において大きな消光比を得るためには、量子井戸自体の設計のほかに、井戸層数、変調器長を増やす、という選択肢もあるが、層数を増やすと挿入損が増加し、変調器長を長くすると、寄生容量が増加し25Gbit/sの変調に必要な帯域が得にくくなるため、一つの井戸当たりの消光量を増やすことが極めて重要である。
半導体光デバイスに用いられる光導波路構造には主に、埋め込み型光導波路、リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路の3種類があり、それぞれの模式図を図4(a)、図4(b)、図4(c)に示す。
合波器部24においても当然、光導波路構造が必要であるが、求められる性能は光送信部であるLD部21、信号変換部であるEAM部23とは異なる。一つのチップ上に多数の素子を集積するためには、一つの素子から出た信号を出力部まで配線するに当たって、通常光導波路を曲げることを避けることはできない。光導波路を曲げたときには、曲げに対して外側の領域に光が放射していくことが知られており、これを曲げ損失と呼ぶ。この損失はゆるやかに曲げるほど(曲げ半径が大きいほど)小さく、急激に曲げるほど(曲げ損失が小さいほど)大きい。そして、この損失の大きさは光導波路のコア部の屈折率とそれを囲むクラッド部の屈折率の差によって決まる。この屈折率の差が大きいほど光はコア部に良く閉じ込められるが、小さいとクラッド部に大きく漏れ出し曲げ損失が大きくなる。そのため、曲げ損失が小さければ、より急激な角度で導波路を曲げることが可能なため、チップの小型化に有利である。また、MMIカプラにおいても、導波路のコアとクラッドの屈折率差が大きいほど光の放射損失を抑えることができる。これらの観点から集積部に用いる導波路構造を考えた場合、リッジ型、埋め込み型の光導波路では曲げ損失が大きく、集積用の光導波路には適さないと考えられる。ハイメサ型光導波路は導波路のコア部と横方向のクラッド部の屈折率差が非常に大きく、曲げ損失を少なくすることが可能で、なおかつMMIカプラにおける放射損失も抑えることが可能である。但し、光導波路のコア部には、酸化の問題のあるInAlGaAsよりもInGaAsPのほうが適していると考えられる。
図12(a)、(b)は、リッジ型導波路、ハイメサ型導波路の電界分布をそれぞれ示している。図から明らかなように、2つの導波路の電界分布は非常に異なっているため、単純にバットジョイント結合しただけでは結合損失が多きくなり、反射点となってしまう。このような場合、図13に示すようなテーパ構造の光導波路130を用いて電界分布を断熱的に変換する手法が良く行われている。この光導波路130は、リッジ型光導波路141に接続すると共に、ハイメサ型光導波路142に接続している。光導波路130の一方の端部131の幅は、リッジ型光導波路141の幅Wridgeと同じに形成されている。光導波路130の他方の端部132の幅は、ハイメサ型光導波路142の幅Whmと同じに形成されている。光導波路130の幅は、一方の端部131から他方の端部132に向けて徐々に狭くなるように形成されている。しかし、図12(a)に示すように、リッジ型導波路の電界分布は、リッジメサの下で、リッジメサよりも広い範囲に分布しているため、図13に示すようなテーパ構造光導波路130では、メサの外側に分布している光に関しては、損失となってしまう。
本実施例に係る光半導体装置の場合、EAM部23の活性部5をバットジョイント再成長させた後、合波器部24のコア部11をバットジョイント再成長させる際に、LD部21とEAM部23の間をもう一度ウェットエッチングによって削り、その後、合波器部24と同じ組成のInGaAsPバルクを再成長させる。その他の製造工程については、上述した実施例1と同じである。
2 多重量子井戸構造の活性部
3,4 クラッド部
5 多重量子井戸構造の活性部
6,7 クラッド部
8 コア部
9,10 クラッド部
11 コア部
12,13 クラッド部
14 下部電極
15 コンタクト層
16 上部電極
18 コア部
21 半導体レーザ活性部(LD部)
22 パッシブ層(光導波路部)
23 電界吸収型光変調器部(EAM部)
24 合波器部
25 フォトダイオード部(PD部)
26 パッシブ層(光導波路部)
31A〜31D レーン
50 不連続テーパ構造接合部本体
51 一方の端部
52 他方の端部
60 フォトキャリア
160 テーパつきMMIカプラ
161〜164 入力導波路
165 出力導波路
Claims (13)
- 半導体混晶からなる基板上に設けられ、発振波長の異なる複数の半導体レーザ部、および前記複数の半導体レーザ部のそれぞれに対して設けられ、当該複数の半導体レーザ部から出射する信号を変調する複数の電界吸収型光変調器部からなる光源と、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記光源より出射された信号を一つにまとめる合波器部とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶は、InPであり、
前記半導体レーザ部が、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部が、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであり、
前記電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が7から9であり、量子井戸層の歪量が0.17%から0.73%(プラス符号は引張歪)であり、バリア層のバンドギャップ波長が0.9μmから1.05μmである
ことを特徴とする光半導体装置。 - 前記基板上における、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に設けられ、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層を具備し、
前記パッシブ層のコア部は、前記電界吸収型光変調器部の活性部と同じ多重量子井戸構造である、もしくはバンドギャップ波長1.1μmから1.2μmのIn1-xGaxAsyP1-yバルクである
ことを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。 - 前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層は、室温での利得が最大となる波長を1.25μmから1.35μmとする材料が選択され、その波長を達成する厚みおよび歪を有している
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光半導体装置。 - 前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が、40〜50℃において、1.29μm〜1.31μmとなる深さおよび周期を有する回折格子が形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の光半導体装置。 - 前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層は、室温での吸収端の波長が、前記ブラック波長から40nm〜80nm短くなる波長を達成する厚みを有している
ことを特徴とする請求項4に記載の光半導体装置。 - 前記半導体レーザ部、前記電界吸収型光変調器部、および前記パッシブ層は、リッジ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする請求項2乃至請求項5の何れか一項に記載の光半導体装置。 - 前記合波器部のコア層は、バンドギャップ波長が1.1μmから1.2μmのIn1-xGaxAsyP1-yバルクである
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の光半導体装置。 - 前記合波器部は、ハイメサ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載の光半導体装置。 - 前記合波器部の上部のクラッド部は、ノンドープのInPである
ことを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか一項に記載の光半導体装置。 - 前記合波器部は、テーパ構造の入出力導波路を具備する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の光半導体装置。 - 前記光源と前記合波器部は、不連続テーパ構造の接合部を介して接続される
ことを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか一項に記載の光半導体装置。 - 前記光源を4つ有し、
前記4つの光源の隣接する光源は、400μm〜600μmで配置される
ことを特徴とする請求項1乃至請求項11の何れか一項に記載の光半導体装置。 - 請求項1乃至請求項12の何れか一項に記載の光半導体装置を制御する光半導体装置の制御方法であって、
前記複数の電界吸収型光変調器部を駆動する際に、それぞれのバイアス電圧、電圧振幅を一定とする
ことを特徴とする光半導体装置の制御方法。
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