JP2018060973A

JP2018060973A - 半導体光集積素子およびこれを搭載した光送受信モジュール

Info

Publication number: JP2018060973A
Application number: JP2016199338A
Authority: JP
Inventors: 小林　亘; Wataru Kobayashi; 亘小林; 隆彦進藤; Takahiko Shindo; 藤原　直樹; Naoki Fujiwara; 直樹藤原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12

Abstract

【課題】光出力をさらに高出力化することができる半導体光集積素子等を提供すること。
【解決手段】半導体光集積素子は、ＤＦＢレーザと、ＤＦＢ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、ＤＦＢ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、ＤＦＢレーザは、回折格子を備える第１の光生成領域と、前記回折格子を備えない第２の光生成領域とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、分布帰還型（ＤＦＢ:Distributed FeedBack）の半導体光集積素子に関する。

分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）レーザは、単一波長性に優れており、単一の基板上に電界吸収型（ＥＡ: Electroabsorption）変調器とモノシリックに一体化して構成される形態が知られている。この形態の半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用発光装置として用いられ、このときの信号光波長は主に、光ファイバの伝播損失が小さい１５５０ｎｍ帯が用いられるが、光ファイバに生じる波長分散の影響を受けにくい１３００ｎｍ帯でも信号光波長は用いられている。

このようなＥＡ−ＤＦＢレーザにおいて高出力を得るにはＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスの絶対値は小さいほうがよい一方、長距離伝送が可能な光波形を得るにはＤＣバイアスの絶対値は大きいほうがよいというトレードオフの関係がある。このトレードオフの関係を打ち消すために、非特許文献１では、ＥＡ変調器の出力端に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）をさらに集積することが開示されている。この非特許文献１の開示によれば、ＥＡ変調器の出力端に集積された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が変換されて、長距離伝送が実現される。

また、このような長距離伝送を実現するために、特許文献１では、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器とＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子が開示されている。

特許第５８２３９２０号

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.

非特許文献１のＥＡ−ＤＦＢレーザは、ＳＯＡへの電流注入によって長距離伝送が実現される。しかしながら、このＥＡ−ＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザから与えられる光によって、ＳＯＡから光出力するので、光出力の最大値は、ＤＦＢレーザからの光出力の最高値に依拠し、より高出力の光を得ることができないという問題があった。

また、特許文献１の半導体光集積素子では、ＤＦＢレーザ全域に、回折格子が形成されているため、シングルモードの安定性が得られるものの、高出力が制限され得る。

本発明は、上記の状況下においてなされたものであり、ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノシリック集積したとしても、光出力をさらに高出力化することができる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、ＤＦＢレーザと、前記ＤＦＢ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ＤＦＢ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、前記ＤＦＢレーザは、回折格子を備える第１の光生成領域と、前記回折格子を備えない第２の光生成領域とを備える。

ここで、前記ＤＦＢレーザおよび前記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ＤＦＢレーザの前記第２の光生成領域は、前記ＥＡ変調器側である前方端面側に設けられ、前記第１の光生成領域は、前記前方端面側とは逆側の後方端面側に設けられるようにしてもよい。

本発明によると、回折格子が光生成領域全体に形成されている単純なＤＦＢレーザに比べて、光出力のさらなる高出力化が実現できる。

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_DFB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。図３の半導体光集積素子を含む光送信モジュールの構成例を示す図である。

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、ＥＡ−ＤＦＢレーザである。

［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、ＤＦＢ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、ＤＦＢレーザ１０１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、ＤＦＢレーザ１０１への注入電流をＩ_DFB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_DFB＋Ｉ_SOAで与えられる。

一般に、ＥＡ−ＤＦＢレーザを搭載した光送信モジュールで許容される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_DFB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ＤＦＢレーザ１０１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ＤＦＢ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ＤＦＢ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ＤＦＢ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_DFBがＤＦＢ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、ＤＦＢ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_DFB,Ｉ_SOAを調整することができる。

例えば、「Ｉ_DFB」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ＤＦＢ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_DFB」が大きくなり、ＤＦＢ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、ＤＦＢレーザ１の長さが４５０μｍの場合、ＤＦＢ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、ＤＦＢ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ＤＦＢ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、ＤＦＢ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ＤＦＢ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、ＤＦＢ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、ＤＦＢレーザ部層３上の後方端面側の領域（光生成領域）３１には、回折格子６が形成されているが、前方端面側（ＥＡ変調器１０２側）の領域（光生成領域）３２には、回折格子６が形成されていない。

一般に、回折格子が無い領域（この実施形態では、光生成領域３２）を増やせば増やすほど光パワーは大きくなるが、その分、レーザ光のシングルモード安定性が犠牲になる。このため、本実施形態の光集積素子１００では、シングルモードの安定性が保てるように、回折格子６の非形成領域３２を可能な限り長くして、高出力（ハイパワー）が得られるようにしている。

絶縁膜８は、ＥＡ変調器部層２、ＤＦＢ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、ＤＦＢレーザ部層３への電流注入のためのｐ型電極１１、およびＳＯＡ部層５への電流注入のためのｐ型電極１２が形成されている。

［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ＤＦＢ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ＤＦＢ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ＤＦＢ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。

ＤＦＢ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、ＤＦＢレーザ部層３上の一部に形成される。すなわち、ＤＦＢレーザ部層３は、回折格子６を備える領域３１と、回折格子６を備えない領域３２とを含む。この場合、領域３１はＤＦＢレーザの後方端面側に形成し、領域３２はＤＦＢレーザの前方端面側に形成する。なお、ＤＦＢレーザ部層３の全長に対するこれら領域３１，３２の長さの比率は、後述する高出力のレーザ光が得られれば、自由に設定することができる。

そして、ｐ型ＩｎＰクラッド層７を、ＥＡ変調器部層２、ＤＦＢ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、ＤＦＢ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ＤＦＢ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、ＤＦＢレーザ１０１およびＳＯＡ１０３の各ｐ型電極１１，１２に対して同時に順方向バイアスが印加された場合、ＤＦＢレーザ部層３において発生した光は、回折格子６により周期的に帰還する。

本実施形態のＤＦＢレーザ１０１では、回折格子６は後方端面側の領域３１に設けられ、端面側（ＥＡ変調器１０２側）の領域３２には設けられていない。この場合には、領域３１で回折格子６によって共振して出力を増大した光が、領域３２に入射される。領域３２においては回折格子が存在しないために、領域３１からの光を効率よく増幅する。その後、増幅された光はＥＡ変調器１０２側へ出射する。これにより、シングルモードの高出力のレーザ光が生成されてＤＦＢレーザ部層３から出射される。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ＤＦＢレーザ部層３からの高出力のレーザ光は、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、高出力の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高出力の変調光が、ＥＡ変調器部層２から出射される。

ＥＡ変調器部層２から出射した高出力のレーザ光は、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、ＤＦＢ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。ここで、ＤＦＢレーザ１０１は、回折格子６を備える領域３１と、回折格子６を備えない領域３２とを備えるので、領域３１で回折格子６によって共振してシングルモードで発振した光が、領域３２で効率よく増幅され、その後ＥＡ変調器１０２側へ出射するので、高出力の光出力を得ることができる。

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、ＤＦＢレーザ１０１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、ＤＦＢレーザ１０１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）
上記実施形態では、光集積素子１００を光送信モジュールに搭載する態様について言及しなかったが、そのような光送信モジュールを構成するようにしてもよい。

図５は、かかる光送信モジュール２００の構成例を例示している。

図５に示す例では、光送信モジュール２００は、光集積素子１００と、レンズ１６と、パッケージ１４とを備えており、レンズ１６およびパッケージ１４で光集積素子１００が封止されるように構成されている。パッケージ１４は、例えば金属のケース（ＣＡＮ）で構成される。

図５において、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの各ｐ型電極１１，１２は、同一の制御端子１０４とワイヤ接続されている。ＥＡ変調器のｐ型電極１０は、パッケージリードピン１０５から高周波配線板１５を介してワイヤ接続されている。

（変更例２）
以上では、図１を参照して、同一の制御端子１０４からＤＦＢレーザ１０１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、ＤＦＢレーザ１０１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、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの各ｐ型電極１１，１２には、それぞれの制御端子から電流が注入される。

（変更例３）
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。

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

Claims

ＤＦＢレーザと、
前記ＤＦＢ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ＤＦＢ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、
前記ＤＦＢレーザは、回折格子を備える第１の光生成領域と、前記回折格子を備えない第２の光生成領域とを備える
ことを特徴とする半導体光集積素子。
前記ＤＦＢレーザおよび前記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。
前記ＤＦＢレーザの前記第２の光生成領域は、前記ＥＡ変調器側である前方端面側に設けられ、前記第１の光生成領域は、前記前方端面側とは逆側の後方端面側に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光集積素子。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子を搭載することを特徴とする光送信モジュール。