JP2019004093A

JP2019004093A - 半導体光集積装置

Info

Publication number: JP2019004093A
Application number: JP2017119306A
Authority: JP
Inventors: 隆彦進藤; Takahiko Shindo; 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井; 小林　亘; Wataru Kobayashi; 亘小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2019-01-10

Abstract

【課題】製造の歩留りの低下や製造コストの増加を招くことなく、より高効率に光出力が得られるようにする。【解決手段】モノリシックに集積されたレーザ部１２１、変調部１２２、増幅部１２３を備える。基板１００の上に形成された下部クラッド層１０１と、下部クラッド層１０１の上に形成された下部光閉じ込め層１０２と、下部光閉じ込め層１０２の上に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上に形成された上部光閉じ込め層１０４と、上部光閉じ込め層１０４の上に形成された上部クラッド層１０５とを備える。活性層１０３をコアとする光導波路構造の導波方向に、レーザ部１２１と、変調部１２２と、増幅部１２３とが、これらの順に配置されて形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ＩｎＰなどの化合物半導体による基板に電界吸収型変調器と半導体レーザを集積した半導体光集積装置に関する。

近年の動画配信サービスの普及やモバイルトラフィック需要の増大に伴い、ネットワークトラフィックが爆発的に増大している。大容量光ネットワークの実現に向けて、高速・大容量伝送が可能な光送信機が求められている。しかし、大容量化と同時に許容される消費電力は、現状と同じかそれ以下にすることが求められることから、伝送レートあたりに許容される消費電力は、今後飛躍的に増大してしまうことが懸念される。さらに、大規模なデータセンタの普及に伴い、光通信による伝送領域はますます拡大し、これらの光通信用設備の更改頻度が大きく上昇している。これらのことから、光送信機の大容量・低消費電力化と同時に低コスト化の要求が高まっている。

電界吸収型変調器集積型ＤＦＢ（ＥＡＤＦＢ）レーザは、直接変調型のレーザと比較して高い消光特性とすぐれたチャープ特性を有することから、これまで幅広い用途で用いられてきた。図６に一般的なＥＡＤＦＢレーザの断面図を示す。ＤＦＢレーザ部２２１およびＥＡ変調器部２２２が、同一のチップ内に集積されている。ＤＦＢレーザ部２２１は、多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層２０３を備え、共振器内に形成された回折格子２０７によって単一波長で発振する。また、ＥＡ変調器部２２２は、ＭＱＷからなる光吸収層２０４を有し、ＤＦＢレーザ部２２１からの出力光を光吸収によって消光させることで、電気信号を光信号に変換する。

活性層２０３および光吸収層２０４は、光閉じ込め層２０２および光閉じ込め層２０５に挟まれ、分離閉じ込めヘテロ（Separate Confined Heterostructure；ＳＣＨ）構造とされている。また、これらは、下部クラッド層２０１と上部クラッド層２０６とに挟まれている。ＤＦＢレーザ部２２１の上部クラッド層２０６の上には、電極２１１が形成されている。また、ＥＡ変調器部２２２の上部クラッド層２０６の上には、電極２１２が形成されている。

これらＥＡＤＦＢレーザの課題としては、ＥＡ変調器部２２２において光吸収損失が生じることから、直接変調型のレーザと比較して、光出力の高出力化が困難なことが挙げられる。通常、ＥＡＤＦＢレーザのＤＦＢレーザ部とＥＡ変調器部とは、活性層のＭＱＷと光吸収層のＭＱＷとが異なる状態で、これらをバットジョイントにより光学的に結合している。従って、ＥＡＤＦＢレーザの製造工程において、一方のＭＱＷ構造は、再成長によって作製している。

このとき、ＤＦＢレーザ部における発振波長と、ＥＡ変調器のＭＱＷの持つ光吸収特性の中心波長とは、一般的に１００ｎｍ程度の波長差を設けて設計される。これにより、ＥＡ変調器における挿入損失（吸収損失）を抑制することができるが、同時に製造コストの上昇を招くことになる。また、これらのバットジョイント構造を用いた一般的なＥＡＤＦＢレーザにおいても、変調時光出力は、ファイバ結合後に５〜６ｄＢｍ程度であり、直接変調レーザに対しては光出力の面では依然として劣る。

ＥＡＤＦＢレーザの低コスト化に向けて、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部に同一のＭＱＷを用いたＥＡＤＦＢレーザがこれまでに報告されている（非特許文献１参照）。これにより、作製プロセスにおいてバットジョイント部（活性層または光吸収層）の再成長プロセスが不要となり、製造コストは大幅に縮小が可能となる。加えて、一般的なＥＡＤＦＢレーザにおいて、ＤＦＢレーザの動作不安定化を招く要因となるＥＡ変調器とＤＦＢレーザの境界での光反射が抑制される利点がある。これにより、ＤＦＢレーザの動作を不安定化する要素が低減されチップの歩留りの向上が期待できる。

しかし、前述した通り、ＥＡ変調部における光吸収波長ピークとＤＦＢレーザの発振波長とが近接しているため、ＥＡ変調器部における光吸収が大きく、十分な光出力を得ることが困難になる。一般的に、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部とに共通のＭＱＷを用いた場合の変調時光出力は、ファイバ結合時の値として０〜３ｄＢｍ程度となり、一般的なＥＡＤＦＢレーザに対して大きく劣る値となる。

また、これまでに、大容量な光送信機の実現に向けて、複数チャネルのＥＡＤＦＢレーザ同一基板上に集積した半導体レーザがこれまでに報告されている。一例として４チャネルの光送信機の構成を図７に示す。これは、４つのＤＦＢレーザ部２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄと、４つのＥＡ変調器部２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄとを備える。また、４つのＥＡ変調器部２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄからの出力光は、各々光導波路２３１でＭＭＩ合波器２３２に接続し、各チャネルからの出力光がＭＭＩ合波器２３２で合波され、光導波路２３３を介して出力される。この光送信器では、上述した各部分が、同一の基板２００の上にモノリシックに集積されている。

ＤＦＢレーザ部２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄからは、各々異なる波長の光が出力され、各々の前方に集積されたＥＡ変調器部２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄによって変調され、４チャネルの信号光を生成する。さらに各信号光は、光導波路２３１によってＭＭＩ合波器２３２に導かれて１つの光導波路２３３に合波され、出射端面から出力される。すなわち、４つの異なる波長の光を出力するＷＤＭ光送信器が構成されている。

図８は、上述したＷＤＭ光送信機の１チャネル分のＤＦＢレーザ部２２１と、ＥＡ変調器部２２２と、光導波路部２２３との断面構造を示す。前述した単チャネルのＥＡＤＦＢレーザに対して、複数チャネルを構成するための図８に示すＥＡＤＦＢレーザアレイは、各チャネルの光出力を合波するために、光導波路部２２３によってチップ内に光を伝搬させる必要がある。

十分な光出力を得るためには、低損失な光導波路部２２３を集積する必要がある。このため、ＤＦＢレーザ部２２１およびＥＡ変調器部２２２とは異なり、光導波路部２２３には、バルクコア層２０８を、バットジョイント構造を用いて集積している。従って、この光送信機の作製工程においては、ＥＡ変調器部２２２のバットジョイント再成長の工程に加えて、光導波路部２２３のバットジョイント再成長が必要となる。

また、４チャネルのＭＭＩでは原理的に各チャネルに６ｄＢ以上の損失が生じることから、合波後の光出力の高出力化は、単チャネルのＥＡＤＦＢレーザよりもさらに困難となる。従って、マルチチャネルのＥＡＤＦＢレーザアレイにおいても、バットジョイント再成長による高い製造コストと光出力の高出力化のトレードオフが課題となる。

これまでに、ＥＡＤＦＢレーザの高出力化に向けた解決策として、光出射端にさらに半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積したＥＡＤＦＢレーザ（ＳＯＡ Assisted Extended Reach ＥＡＤＦＢ Laser：ＡＸＥＬ）が提案されている（非特許文献２参照）。ＡＸＥＬの概略について、図９を用いて説明する。ＡＸＥＬでは、ＤＦＢレーザ部２２１で発振してＥＡ変調器部２２２によって変調された信号光が、集積されたＳＯＡ部２２４によって増幅されるため、高出力化が可能である。

また、ＡＸＥＬの特徴として、ＳＯＡ部２２４の活性層２０９に、ＤＦＢレーザ部２２１の活性層２０３と同一のＭＱＷ構造を用いている点が挙げられる。これにより、従来のＥＡＤＦＢレーザに対して新たに再成長工程を追加することなくＳＯＡ領域を集積し、従来のＥＡＤＦＢレーザと同一プロセスで作製が可能となる。

加えて、図９に示すように、ＤＦＢレーザ部２２１の電極２１１とＳＯＡ部２２４の電極２１３とを、同一の直流電源に接続して駆動させる。これによって、従来のＥＡＤＦＢレーザに対して端子数を増加させることなく同一の駆動方法で動作させることが可能となる（特許文献１参照）。

ＳＯＡを集積することによってＤＦＢレーザの駆動電流の一部がＳＯＡに流れる。この電流配分は、ＤＦＢレーザ長とＳＯＡ長の比率（体積）に応じた電流がそれぞれの領域に流れる。図１０に、ＡＸＥＬのＳＯＡとＤＦＢレーザを同一結線で共通駆動した場合と、別々の電流源を用いて独立駆動させた場合の投入電力と光出力との関係をプロットしたグラフを示す。

図１０において、共通駆動は、ＳＯＡとＤＦＢレーザを同一電流源に接続し、同時に電流をスイープして測定した。独立駆動時には、ＳＯＡ電流を１０ｍＡ、３０ｍＡ、５０ｍＡのいずれかに固定し、ＤＦＢレーザの駆動電流をスイープさせて測定した。また、いずれの場合も、実際の駆動時を想定し、ＥＡ変調器の逆方向印加電圧として一般的な−２Ｖを印加している。従って、図１０には、ＥＡ変調器領域において光吸収による損失が比較的大きい状態での光出力特性が示されている。また、チップ全体の消費電力は、ＤＦＢレーザ、ＳＯＡおよびＥＡ変調器の各消費電力の合計である。

図１０において、ＡＸＥＬの独立駆動時には、必要となる光出力に応じてＳＯＡとＤＦＢレーザとの電流バランスを調整する必要がある。すなわち、独立駆動時のそれぞれの曲線群の包絡線上にあたる条件が最も高効率な動作条件となり、所望の光出力に応じてＤＦＢレーザとＳＯＡの電流量をそれぞれ設定する必要がある。一方、共通駆動においては図１０に示す独立駆動時の包絡線とほぼ一致していることが分かる。

このことから、ＡＸＥＬの駆動条件においては、ＳＯＡとＤＦＢレーザとを、同一の電流源で共通駆動させることで高効率な動作が可能となる。また、この傾向は、ＥＡ変調器の印加電圧を変化させた場合にも同様の結果が得られている。このように、ＥＡ変調器における光吸収に伴う損失の大きさによらず、ＳＯＡとＤＦＢレーザとを同一の電流源で共通駆動させた場合に、常に高効率な動作が可能となる。

特開２０１３−２５８３３６号公報

M. Moehrle et al., "InGaAlAs RW-based electro-absorption-modulated DFB-lasers for high-speed applications", Proc. of SPIE, vol. 9134, 913419, 2014. W. Kobayashi et al., "Novel approach for chirp and output power compensation applied to a 40-Gbit/s EADFB laser integrated with a short SOA", Optics Express, vol. 23, no. 7, pp. 9533-9542, 2015.

今後、大容量かつ低コストな光送信機の要求がますます高まると予想されている。一般的なＥＡＤＦＢレーザにおいては、ＥＡ変調器部にＤＦＢレーザ部と異なるＭＱＷ構造を用いていることから、製造時にバットジョイント構造を作製する再成長工程が必要となり、これが製造コストの増大に繋がっていた。また、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部とに同一のＭＱＷを用いることで製造コストの低コスト化が試みられているが、一般的なＥＡＤＦＢレーザに対して十分な光出力が得られないことが課題であった。

前述した通り、ＥＡＤＦＢレーザの高出力化に向けた解決策としてＳＯＡを集積したＡＸＥＬが挙げられるが、ＡＸＥＬにおいても同様にチップ自体の製造コストの課題は避けられない。ＡＸＥＬでは、前述した通り、ＳＯＡ部とＤＦＢレーザとに同一の活性層を用いている。従って、ＳＯＡ集積に伴う付加的な作製プロセスは発生しないが、従来のＥＡＤＦＢレーザと同じくＥＡ変調器部のバットジョイント再成長を行う必要があり、これが高い製造コストの要因となっている。

加えて、ＳＯＡ領域が新たに集積されることに伴い、従来のＥＡＤＦＢレーザよりもバットジョイント界面が多くなることから、この界面での反射戻り光がＤＦＢレーザの動作不安定化の要因となる。結果として、チップ内歩留りの低下を招き、これがチップの製造コストの増加に繋がっていた。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、製造の歩留りの低下や製造コストの増加を招くことなく、より高効率に光出力が得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体光集積装置は、基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層の上に形成された多重量子井戸構造の活性層と、活性層の上に形成された上部光閉じ込め層と、上部光閉じ込め層の上に形成された上部クラッド層とを備え、活性層をコアとする光導波路構造の導波方向に、分布帰還型レーザからなるレーザ部と、レーザ部に連続して配置された電界吸収型変調器からなる変調部と、変調部に連続して配置された半導体光増幅器からなる増幅部とが形成され、レーザ部と増幅部とは、同一の電源に接続している。

上記半導体光集積装置において、光導波路構造は、増幅部の出力側において活性層に接続するコア層から構成された光導波路部を備える。

上記半導体光集積装置において、平行に配置された複数の光導波路構造と、光導波路構造の各々の増幅部から出力される各々の光信号を合波する合波部とを備え、合波部は基板の上に形成されているようにしてもよい。

上記半導体光集積装置において、合波部は、多モード干渉により信号光を合波する。

上記半導体光集積装置において、増幅部の導波方向の長さは、５０〜１５０μｍとされているとよい。

以上説明したように、本発明によれば、レーザ部と変調部と増幅部とを、活性層を共通として集積したので、製造の歩留りの低下や製造コストの増加を招くことなく、より高効率に光出力が得られるようになる。

図１は、本発明の実施の形態における半導体光集積装置の構成を示す断面図である。図２は、実際に作製した実施の形態における半導体光集積装置への注入電流１００ｍＡにおける光出力を示す特性図である。図３は、本発明の実施の形態における半導体光集積装置の構成を示す構成図である。図４は、本発明の実施の形態における半導体光集積装置の他の構成を示す断面図である。図５は、各々異なる発振波長とした４チャネルの構成とした実施の形態における半導体光集積装置の光出力特性を示す特性図である。図６は、従来の半導体光集積装置の構成を示す断面図である。図７は、半導体光集積装置の構成を示す構成図である。図８は、半導体光集積装置の構成を示す断面図である。図９は、半導体光集積装置の構成を示す断面図である。図１０は、ＡＸＥＬのＳＯＡとＤＦＢレーザを同一結線で共通駆動した場合と、別々の電流源を用いて独立駆動させた場合の投入電力と光出力との関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態における半導体光集積装置について図１を参照して説明する。この半導体光集積装置は、モノリシックに集積されたレーザ部１２１、変調部１２２、増幅部１２３を備える。レーザ部１２１からの光出力は集積された変調部１２２に入射し、変調部１２２において強度変調され、増幅部１２３に入射し増幅された後、出射端面に達し端面から出力される。

ここで、この半導体光集積装置は、基板１００の上に形成された下部クラッド層１０１と、下部クラッド層１０１の上に形成された下部光閉じ込め層１０２と、下部光閉じ込め層１０２の上に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上に形成された上部光閉じ込め層１０４と、上部光閉じ込め層１０４の上に形成された上部クラッド層１０５とを備える。活性層１０３は、多重量子井戸構造とされている。活性層１０３は、積層方向に下部光閉じ込め層１０２と上部光閉じ込め層１０４とに挟まれ、分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）構造とされている。

上述したように構成した活性層１０３をコアとする光導波路構造の導波方向に、レーザ部１２１と、変調部１２２と、増幅部１２３とが、これらの順に配置されて形成されている。レーザ部１２１は、回折格子１０６を備える分布帰還型レーザである。変調部１２２は、電界吸収型変調器である。増幅部１２３は、半導体光増幅器である。また、この半導体光集積装置は、レーザ部１２１と増幅部１２３とは、同一の直流電源に接続している。

なお、レーザ部１２１において、上部クラッド層１０５の上に、第１コンタクト層１０８を介して第１電極１１１が形成されている。また、変調部１２２において、上部クラッド層１０５の上に、第２コンタクト層１０９を介して第２電極１１２が形成されている。また、増幅部１２３において、上部クラッド層１０５の上に、第３コンタクト層１１０を介して第３電極１１３が形成されている。

実施の形態によれば、レーザ部１２１、変調部１２２、増幅部１２３は、活性層１０３を共通としている。従って、レーザ部１２１と変調部１２２との間に、バットジョイント構造はない。同様に、変調部１２２と増幅部１２３との間に、バットジョイント構造はない。

例えば、基板１００は、ｎ型のＩｎＰから構成され、下部クラッド層１０１は、ｎ−ＩｎＰから構成され、下部光閉じ込め層１０２は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＡｓから構成されている。また、上部光閉じ込め層１０４は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＡｓから構成され、上部クラッド層１０５は、ｐ−ＩｎＰから構成されている。また、各コンタクト層は、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓから構成されている。

活性層１０３は、ノンドープのｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓから構成された井戸層とＩｎＡｌＧａＡｓから構成された障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸である。井戸層は、例えば、厚さ１０ｎｍ程度とされ、障壁層は、厚さ５ｎｍ程度とされている。

ここで、製造方法について簡単に説明する。まず、ｎ型のＩｎＰからなる基板１００を用意し、この上に、下部クラッド層１０１となるｎ−ＩｎＰ層、下部光閉じ込め層１０２となるｉ−ＩｎＡｌＡｓ層，井戸層となるｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層，障壁層となるＩｎＡｌＧａＡｓ層を順次に結晶成長する。次に、下部クラッド層１０１となるｎ−ＩｎＰ層の所定の箇所に回折格子１０６を形成する。例えば、レーザ部１２１が、１．３μｍ帯を発振波長として動作するように回折格子１０６を形成する。

次に，上部光閉じ込め層１０４となるｉ−ＩｎＡｌＡｓ層、上部クラッド層１０５となるｐ−ＩｎＰ層、およびコンタクト層となるｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層を、順次に結晶成長する。井戸層となるｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層および障壁層となるＩｎＡｌＧａＡｓ層は、交互に所定回数堆積する。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、上記各層を結晶成長させればよい。各クラッド層の厚さは、一般的な半導体レーザで用いられる２．０μｍとすればよい。

次に、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層の上に、プラズマＣＶＤ法などによりシリコン酸化物などからなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜を公知のフォトリソグラフィにより形成したレジストパターンをマスクとしてエッチングし、上記絶縁膜からなる選択エッチングマスクを形成する。なお、このエッチングは、Ｃ₂Ｆ₆などのフロロカーボン系ガスを用いたリアクティブイオンエッチングなどで行えばよい。

次に、レジストパターンを除去した後、形成した選択エッチングマスクを用い、基板１００の上に結晶成長した各層を選択的に除去し、下部クラッド層１０１，下部光閉じ込め層１０２，活性層１０３，上部光閉じ込め層１０４，上部クラッド層１０５，およびコンタクト層からなる所定の幅のハイメサ構造とした光導波路構造を形成する。

次いで、選択エッチングマスクを、今度は選択成長マスクとして用い、メサ構造周囲の基板１００の上に、Ｆｅがドープされて高抵抗とされたＩｎＰを再成長させ、層（不図示）を形成する。次に、レーザ部１２１、変調部１２２、増幅部１２３の各領域を電気的に絶縁するために、領域間のコンタクト層を除去し、第１コンタクト層１０８、第２コンタクト層１０９、第３コンタクト層１１０を形成する。

この後、よく知られたリフトオフ法などにより、ｐ側の電極となる第１電極１１１、第２電極１１２、第３電極１１３を形成する。次いで、裏面研磨によって基板１００を薄膜化した後、基板１００の裏面全面に、ｎ側の第４電極（不図示）を形成した。最後に、光が出射する増幅部１２３側の半導体端面には無反射膜（不図示）を成膜し、レーザ部１２１側の端面には高反射膜（不図示）を形成した。

ところで、一般的にＤＦＢレーザの発振波長は、電流を注入して動作させたときに、活性層の発光スペクトルの中心ピークと発振波長とが一致するように設計される。また、活性層の発光スペクトルをフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定で評価した場合、電流注入時よりも短波長側に中心ピークが観測される。従って、一般的にはＤＦＢレーザの発振波長は、活性層のフォトルミネッセンス光のスペクトルにおけるピーク波長（ＰＬ波長）の２０〜４０ｎｍほど長波長側に設計されることになる。

これに対し、実施の形態では、レーザ部１２１の発振波長を、活性層１０３のＰＬ波長の６０ｎｍ長波長側に設計している。これは、変調部１２２にレーザ部１２１と同一の活性層１０３を用いている実施の形態では、通常の変調部１２２よりも光吸収の損失が増大するためであり、変調部１２２における吸収損失とレーザ部１２１の動作特性を考慮し、レーザ部１２１の発振波長における最適なデチューニング量を設計している。

次に、実際に作製した半導体光集積装置の評価結果について説明する。作成した試料は、レーザ部１２１、変調部１２２の導波方向の長さを、各々３００μｍ、１５０μｍ、とした。また、増幅部１２３の長さによる特性への依存性を確認するために、増幅部１２３長５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍの試料を各々作製した。また、本発明における半導体光集積装置の優位性を確認するために、一般的なＥＡＤＦＢレーザを作製し、この比較試料についても評価を行った。この比較試料においては、ＥＡ変調器の部分は、バットジョイント再成長によって、ＤＦＢレーザ部とは異なる組成のＭＱＷを形成して光吸収層とした。

ここで、レーザ部１２１と変調部１２２の発光波長スペクトルをＰＬ測定で確認したところ、レーザ部１２１の発光波長スペクトルの中心ピークに対して変調部１２２の中心ピークは約１００ｎｍ短波長であることを確認した。また、比較試料は、一般的なＥＡＤＦＢレーザと同様に、レーザ部の発振波長を、電流注入時の活性層の発振スペクトルの中心波長と一致するように設計している。従って、比較試料では、レーザ部の発振波長と変調部の吸収スペクトルの中心波長とは１００ｎｍのデチューニング量に設計されていることになる。なお、比較試料においては、レーザ部および変調部の導波方向の長さは、実施の形態における試料と同様とした。

作製した試料および比較試料の特性評価を実施した。同一ロットで作製した試料および比較試料ついて発振特性評価を実施し、駆動電流１５０ｍＡ以下でのキンクの有無によって選別を行った。この結果、実施の形態における試料は、従来のＡＸＥＬに対して、製造歩留りが１０％向上していることを確認した。

従来のＡＸＥＬでは、変調部とレーザ部との界面、および増幅部と変調部との界面の２か所のバットジョイント部で反射戻り光が生じ、レーザ部の動作を不安定にしていた。これに対して実施の形態では、バットジョイントを持たない構造により、反射戻り光が抑制され、歩留りが大きく改善した。

次に、比較試料および増幅部１２３の長の異なる試料の静特性評価を行った。前述した通り、レーザ部１２１と増幅部１２３とは、同一の直流電源に接続して動作させた。

比較試料では、変調部の光吸収層とレーザ部の活性層とが、異なる構造であり、レーザ部の発振波長と変調部での吸収波長のピークとが離れている。このため、比較試料で十分な消光を得るためには、変調部へ比較的大きな印加電圧が必要となる。ここでは、一般的な駆動電圧であるＶｄｃ＝−２．０Ｖを用いた。

これに対して、実施の形態における試料では、レーザ部１２１と変調部１２２とが、同一の活性層１０３を用いていることから、変調部１２２とへの印加電圧は小さくても十分な消光が得られる。ここではＶｄｃ＝−０．５Ｖを用いている。

図２に示すように、試料および比較試料への注入電流１００ｍＡにおける光出力を比較すると、増幅部１２３の長さが５０μｍの試料の光出力と、比較試料の光出力がほぼ一致していることが確認された。この結果から、実施の形態における半導体光集積装置において、変調部１２２での光吸収の増大とレーザ部１２１のデチューニングによる光出力の低下を補償するためには、増幅部１２３の長さを最低でも５０μｍとすることが重要である。

また、増幅部１２３の長の設計には、上限に関しても制約がある。増幅部１２３において、ＮＲＺ（Non Return to Zero）方式で変調された信号光を入射し増幅した場合、パターン効果によって信号波形品質の劣化が生じる。これは、信号光を増幅する増幅部１２３の長さおよび電流密度に依存する。パターン効果を抑制するためには、増幅部１２３の長を１５０μｍ以下に設計することが重要となる（非特許文献２参照）。

次に、実施の形態における試料（半導体光集積装置）の伝送特性について評価した。この評価では、増幅部１２３の長さを５０μｍとした試料を用い、レーザ部１２１および増幅部１２３（活性領域）への注入電流を１００ｍＡとした。また、変調部１２２への印加電圧およびスイープ電圧は、−０．５Ｖ、２．０Ｖとし、「２５ＧｂｐｓＮＲＺ、ＰＲＢＳ：２³¹−１」の電気信号で変調を行った。

出射端面からの出力光を、レンズを通して光ファイバに接続し、１０ｋｍの伝送特性評価を実施した。ファイバ結合された変調時光強度は５．１ｄＢｍであった。また、光波形を確認したところ、動的消光比８ｄＢ以上の十分な消光を確認していた。また、ビット誤り率測定を実施したところ、エラーフリー伝送が確認され、光送信機として十分な特性が確認された。

次に、４チャネルの光送信器とする構成について図３を用いて説明する。４つのレーザ部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄと、４つの変調部１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄと、４つの増幅部１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄとを備える。４つの増幅部１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄで増幅された各信号光は、各々光導波路１３１で合波器１３２に接続し、各チャネルからの出力光が合波器１３２で合波され、光導波路１３３を介して出力される。この光送信器では、上述した各部分が、同一の基板１００の上にモノリシックに集積されている。合波器１３２は、例えば、多モード干渉により信号光を合波する。

レーザ部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄからは、各々異なる波長の光が出力され、各々の前方に集積された変調部１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄによって強度変調され、増幅部１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄで増幅され、４チャネルの信号光を生成する。さらに各信号光は、光導波路１３１によって合波器１３２に導かれて１つの光導波路１３３に合波され、出射端面から出力される。ここでは４つの信号光を生成する場合を例に説明するが、本発明はこのチャネル数に依存するものではなく、異なるチャネル数あるいは単一チャネルとしても同様の効果を発揮する。

上述したように複数のチャネルの構成とする場合、図４に示すように、活性層１０３をコアとする光導波路構造の、増幅部１２３の出力側において活性層１０３に接続するコア層１１４から構成された光導波路部１２４を備えるようにする。

この場合においても、前述同様に製造すればよい。４チャネルとする場合、各レーザ部１２１の回折格子１０６を調節することで、所望とする波長帯が発振状態とする。例えば、レーザ部１２１ａは、発振波長を１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍとする。レーザ部１２１ｂは、発振波長を１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍとする。レーザ部１２１ｃは、発振波長を１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍとする。レーザ部１２１ｄは、発振波長を１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍとする。いか、各々のチャネルを、短波長側からｌａｎｅ０、ｌａｎｅ１、ｌａｎｅ２、ｌａｎｅ３と呼ぶ。

ここでの発振波長のデチューニングはｍ最も短波長側のｌａｎｅ０に対して、前述同様に、レーザ部１２１の特性と変調部１２２での吸収損失とのバランスからデチューニング量を６０ｎｍとなるように設計している。

この場合、製造方法は、各レーザ部、各変調部１２２、各増幅部については、前述同様である。光導波路部１２４は、バルクのコア層１１４とコア層１１４の上下を、下部クラッド層１０１と上部クラッド層１０５とで挾む。なお、ハイメサ構造とする導波路幅は、１．５μｍとする。各レーザ部１２１の導波方向の長さは３００μｍとし、各変調部１２２の長さは１５０μｍとすればよい。また、各増幅部１２３の導波方向の長さは１２０μｍとすればよい。

前述同様に、上述した４チャネルの構成とした光送信器（半導体光集積装置）を実際に作製して評価した。この評価においても、前述同様に、レーザ部１２１と増幅部１２３とは、同一の直流電源に接続して動作させた。この半導体光集積装置では、レーザ部１２１と変調部１２２とが、同一の活性層１０３を用いていることから、変調部１２２とへの印加電圧は小さくても十分な消光が得られる。ここでは、Ｖｄｃ＝−０．５Ｖとした。

図５に、ｌａｎｅ０、ｌａｎｅ１、ｌａｎｅ２、ｌａｎｅ３の光出力特性を示す。各光出力は、合波器１３２よる合波後の出射端面からの出力をプロットした結果である。ｌａｎｅ０、ｌａｎｅ１、ｌａｎｅ２、ｌａｎｅ３の各チャネルへの注入電流１５０ｍＡにおける光出力を比較すると。ｌａｎｅ０〜ｌａｎｅ３に対して６〜８ｍＷ程度の光出力が得られた。ここで、短波長よりのｌａｎｅの光出力が小さいのは、変調部１２２における吸収損失が長波長側のｌａｎｅよりも大きいためである。

続いて、上述した４チャネルの構成とした光送信器の伝送特性評価を実施した。レーザ部１２１および増幅部１２３（活性領域）への注入電流は、ｌａｎｅ０で１５０ｍＡ、ｌａｎｅ１〜３で１３０ｍＡとした。変調部１２２への印加電圧およびスイープ電圧は、すべてのｌａｎｅで−０．５Ｖ、２．０Ｖとし、「２５ＧｂｐｓＮＲＺ、ＰＲＢＳ：２³¹−１」の電気信号で変調を行った。ｌａｎｅ０、ｌａｎｅ１、ｌａｎｅ２、ｌａｎｅ３の各々出射端面からの出力光を、各々レンズを通して別々の光ファイバに接続し、１０ｋｍの伝送特性評価を実施した。

ファイバ結合された変調時光強度は、ｌａｎｅ０で４．８ｄＢｍ、ｌａｎｅ１で５．１ｄＢｍ、ｌａｎｅ２で５．２ｄＢｍ、ｌａｎｅ３で５．５ｄＢｍであった。また、いずれのチャネルにおいても、光波形を確認したところ動的消光比８ｄＢ以上の十分な消光を確認している。ビット誤り率測定を実施したところ、各チャネルでエラーフリー伝送が確認され、光送信機として十分な特性が確認された。

以上に説明したように、本発明によれば、レーザ部と変調部と増幅部とを、活性層を共通として集積したので、製造の歩留りの低下や製造コストの増加を招くことなく、より高効率に光出力が得られるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１００…基板、１０１…下部クラッド層、１０２…下部光閉じ込め層、１０３…活性層、１０４…上部光閉じ込め層、１０５…上部クラッド層、１０６…回折格子、１０８…第１コンタクト層、１０９…第２コンタクト層、１１０…第３コンタクト層、１１１…第１電極、１１２…第２電極、１１３…第３電極、１２１…レーザ部、１２２…変調部、１２３…増幅部。

Claims

基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された下部光閉じ込め層と、
前記下部光閉じ込め層の上に形成された多重量子井戸構造の活性層と、
前記活性層の上に形成された上部光閉じ込め層と、
前記上部光閉じ込め層の上に形成された上部クラッド層と
を備え、
前記活性層をコアとする光導波路構造の導波方向に、分布帰還型レーザからなるレーザ部と、前記レーザ部に連続して配置された電界吸収型変調器からなる変調部と、前記変調部に連続して配置された半導体光増幅器からなる増幅部とが形成され、
前記レーザ部と前記増幅部とは、同一の電源に接続している
ことを特徴とする半導体光集積装置。
請求項１記載の半導体光集積装置において、
前記光導波路構造は、前記増幅部の出力側において前記活性層に接続するコア層から構成された光導波路部を備えることを特徴とする半導体光集積装置。
請求項１または２記載の半導体光集積装置において、
平行に配置された複数の前記光導波路構造と、
前記光導波路構造の各々の前記増幅部から出力される各々の光信号を合波する合波部と
を備え、
前記合波部は前記基板の上に形成されていることを特徴とする半導体光集積装置。
請求項３記載の半導体光集積装置において、
前記合波部は、多モード干渉により信号光を合波することを特徴とする半導体光集積装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体光集積装置において、
前記増幅部の導波方向の長さは、５０〜１５０μｍとされていることを特徴とする半導体光集積装置。