JP2019040950A - 半導体光集積素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＡ変調器の変調信号の漏洩による影響を抑制する。【解決手段】ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一の基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子４００であって、光導波方向に対して、ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器、ＳＯＡの順に集積され、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡは、同一の制御端子から、ＤＦＢレーザとＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入され、制御端子からＤＦＢレーザに至る電流供給経路と、制御端子からＳＯＡに至る電流供給経路のそれぞれに可変抵抗Ｒ３、Ｒ４が挿入されている。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体光集積素子に関し、より詳細には、半導体レーザと変調器と増幅器とがモノリシックに一体化された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）変調器とモノリシックに一体化された半導体光集積素子が知られている。このような半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用の光送信モジュールとして用いられている。この光送信モジュールの信号光波長は、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帯も用いられ、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速光信号を伝送する。

ＥＡ−ＤＦＢレーザにおいて高出力を得るためには、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ためには、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。非特許文献１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、長距離伝送を実現している。

図１に、従来の半導体光集積素子の制御方法を示す。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（例えば、特許文献１参照）。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。ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３の光導波方向の長さの比を調整することにより、所定の電流注入量Ｉ_OPに対してＩ_DFBとＩ_SOAの割合を調整することができる。

特許第５８２３９２０号公報

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.

しかしながら、所定の電流注入量Ｉ_OPに対してＩ_DFBとＩ_SOAの割合を、ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３の光導波方向の長さの比により設定しているので、半導体光集積素子を光送信モジュールに搭載して実運用に供した後は、電流注入量の分岐比を変えることはできない。従って、素子の経年劣化に応じて分岐比を変えたい場合、実運用時の伝送速度に応じて分岐比を変えたい場合であっても、分岐比を変更することができず、光送信モジュールとしての伝送特性が劣化してしまうという問題があった。

本発明の目的は、実運用に際してもＤＦＢレーザとＳＯＡへの電流注入量の分岐比を可変することができる半導体光集積素子を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一の基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子であって、光導波方向に対して、前記ＤＦＢレーザ、前記ＥＡ変調器、前記ＳＯＡの順に集積され、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入され、前記制御端子から前記ＤＦＢレーザに至る電流供給経路と、前記制御端子から前記ＳＯＡに至る電流供給経路のそれぞれに可変抵抗が挿入されていることを特徴とする。

本発明によれば、実運用に際してもＤＦＢレーザとＳＯＡへの電流注入量の分岐比を可変することができ、光送信モジュールとしての伝送特性の劣化を抑制することができる。

従来の半導体光集積素子の制御方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体光集積素子を示す断面図である。 半導体光集積素子に電源を供給する方法を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図２に、本発明の一実施形態にかかる半導体光集積素子を示す。半導体光集積素子２００は、光導波方向に対して順に、ＤＦＢレーザ２０１、ＥＡ変調器２０２、およびＳＯＡ２０３がモノリシックに集積されており、これらの構成要素は、ｎ−ＩｎＰ基板２１１上のｎ−ＩｎＰクラッド層２１２の上に形成されている。

ＤＦＢレーザ２０１は、クラッド層２１２の上に活性層２１３と、回折格子２１５が形成されたガイド層２１４とを備え、ＤＦＢレーザ部の中心部分には、発振波長の単一モードを実現するために、回折格子を四分の一波長だけ位相シフトした四分の一波長位相シフト２１６が設けられている。

ＥＡ変調器２０２は、クラッド層２１２の上に吸収層２１７を備え、ＳＯＡ２０３は、クラッド層２１２の上に活性層２１８およびガイド層２１９を備える。ＳＯＡ２０３の活性層およびガイド層は、ＤＦＢレーザ２０１の活性層およびガイド層と同じ層構造とすることもできる。

これらの構成要素の上には、さらにｐ−ＩｎＰクラッド層２２０が形成され、その上にＤＦＢレーザ電極２２１、ＥＡ変調器電極２２２、ＳＯＡ電極２２３のそれぞれが形成されている。また、基板２１１に下面には、ｎ電極２２４が形成されている。

このような構成により、同一の電流源２３１から駆動電流としてＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３に電流Ｉ_OPが供給される。ここで、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３の光導波方向の長さの比（ＤＦＢレーザ電極２２１とＳＯＡ電極２２３の光導波方向の長さの比に同じ）が調整されており、同一の制御端子から供給される電流Ｉ_OPが、ＤＦＢレーザ２０１への電流Ｉ_DFBと、ＳＯＡ２０３への電流Ｉ_SOAとして分流されて供給される。

ＥＡ変調器２０３には、バイアスＴを介して、直流電圧源２３３からのバイアス電圧Ｖ_biasに、高周波（ＲＦ）信号源２３２からのＲＦ信号電圧Ｖ_RFが重畳されて、ＥＡ変調器電極２２２に印加される。

図３に、半導体光集積素子に電源を供給する方法を示す。従来、図３（ａ）に示したように、半導体光集積素子２００が実装された光送信モジュールには、高周波配線基板３０１が配置されている。高周波配線基板３０１には、ＤＦＢレーザ電極２２１とＳＯＡ電極２２３に電流を供給する配線３０２と、ＥＡ変調器電極２２２に電圧を供給する高周波配線３０３とが形成され、半導体光集積素子２００の各々の電極と配線との間を、ボンディング・ワイヤで接続している。図３（ｂ）は、このような構成にかかる等価回路である。モノシリック積層されているＤＦＢレーザ２０１とＥＡ変調器２０２の間には分離抵抗Ｒ１が存在し、ＥＡ変調器２０２とＳＯＡ２０３との間には分離抵抗Ｒ２が存在する。

（第１の実施形態）
図４に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。図４（ａ）に示したように、高周波配線基板３０１上の配線３０２とＤＦＢレーザ電極２２１との間の電流供給経路に可変抵抗Ｒ３、配線３０２とＳＯＡ電極２２３との間の電流供給経路に可変抵抗Ｒ４を実装する。半導体光集積素子２００の電極（２２１，２２２，２２３）は、クラッド層２２０上に、ｐ−コンタクト層を形成し、金属を蒸着して作製する。そこで、クラッド層２２０上の電極が形成されていない領域のｐ−コンタクト層を利用して可変抵抗を配置する。

具体的には、図４（ｂ）に示したように、ｐ−コンタクト層の一部のドーピング量を変えて、抵抗素子とし、間隔をおいて複数の金属電極を蒸着しておく。金属電極と金属電極の間に複数の抵抗素子（Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３の組と、Ｒ４１，Ｒ４２，Ｒ４３の組）が直列に形成されることになる。従って、配線３０２と可変抵抗Ｒ３の電極との間、ＤＦＢレーザ電極２２１と可変抵抗Ｒ３の電極との間の接続方法を変えることにより、６通りの抵抗値を選択することができる。配線３０２およびＳＯＡ電極２２３と可変抵抗Ｒ４との間の接続も同様である。

従来の構成では、ＤＦＢレーザとＳＯＡへの電流注入量の分岐比は、半導体光集積素子を作製したときのＤＦＢレーザとＳＯＡの光導波方向の長さの比で決まってしまう。第１の実施形態によれば、可変抵抗による抵抗値の選択が可能であるので、実運用に際してもＤＦＢレーザとＳＯＡへの電流注入量を、適切な分岐比に設定することができる。

（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。図５（ａ）に示したように、高周波配線基板３０１上の配線３０２とＤＦＢレーザ電極２２１との間の電流供給経路に可変抵抗Ｒ５、配線３０２とＳＯＡ電極２２３との間の電流供給経路に可変抵抗Ｒ６を実装する。半導体光集積素子２００の電極（２２１，２２２，２２３）は、クラッド層２２０上に、ｐ−コンタクト層を形成し、金属を蒸着して作製する。そこで、クラッド層２２０上の電極が形成されていない領域に、金属を蒸着して可変抵抗として利用する。

具体的には、図５（ｂ）に示したように、幅の異なる金属パターンのそれぞれを抵抗素子とし、一方を共通端子として接続しておく。共通端子とそれぞれの金属パターンの端部との間に複数の抵抗素子（Ｒ５１，Ｒ５２，Ｒ５３の組と、Ｒ６１，Ｒ６２，Ｒ６３の組）が並列に形成されることになる。従って、配線６０２と可変抵抗Ｒ５の端部との間の接続方法を変えることにより、６通りの抵抗値を選択することができる。配線６０２およびＳＯＡ電極２２３と可変抵抗Ｒ６との間の接続も同様である。

第２の実施形態によれば、可変抵抗による抵抗値の選択が可能であるので、実運用に際してもＤＦＢレーザとＳＯＡへの電流注入量を、適切な分岐比に設定することができる。

（第３の実施形態）
図６に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。第２の実施形態では、電極に用いる金属を利用して可変抵抗を構成したが、第３の実施形態では、高周波配線基板６０１上にチップ抵抗を実装して可変抵抗を構成する。

具体的には、図６に示したように、抵抗値の異なるチップ抵抗を、一方を共通端子として実装しておく。共通端子とそれぞれのチップ抵抗の他方の端子との間に複数の抵抗素子が並列に形成されることになる。従って、配線３０２と可変抵抗Ｒ７の端子との間の接続方法を変えることにより、６通りの抵抗値を選択することができる。配線３０２およびＳＯＡ電極２２３と可変抵抗Ｒ８との間の接続も同様である。

第３の実施形態によれば、可変抵抗による抵抗値の選択が可能であるので、実運用に際してもＤＦＢレーザとＳＯＡへの電流注入量を、適切な分岐比に設定することができる。

なお、第１〜３の実施形態では、ＤＦＢレーザとＳＯＡのそれぞれの配線経路に可変抵抗を挿入する例を説明したが、ＤＦＢレーザとＳＯＡのいずれか一方にのみ可変抵抗を挿入する構成としてもよい。

（第４の実施形態）
図７に、本発明の第４の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。第４の実施形態では、実運用に際して電流注入量の分岐比を可変することはできないが、ＤＦＢレーザとＳＯＡの光導波方向の長さの比を設定した後に、電流注入量の分岐比を設定する方法について述べる。図７（ａ）に示した半導体光集積素子７００において、ＤＦＢレーザの光導波方向と垂直な断面を図７（ｂ）に示し、ＳＯＡの光導波方向と垂直な断面を図７（ｃ）に示す。

ＤＦＢレーザのメサの構造は、図２に示した構造と同じであり、ｎ−ＩｎＰ基板２１１、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１２、活性層２１３、回折格子が形成されたガイド層２１４、およびｐ−ＩｎＰクラッド層２２０が順に積層されている。メサの両側は、埋め込み層（ＩｎＰ）７０２ａ，ｂによって埋め込まれ、メサの上面は、電極と接触する部分を除いて絶縁層（ＳｉＯ₂）７０１ａ，ｂで覆う。ここで、メサの上面の絶縁層７０１ａ，ｂによって設けられる開口部、すなわちＤＦＢレーザ電極２２１とｐ−ＩｎＰクラッド層２２０との接触する部分の幅Ｗ１を調整することにより、電極とメサとの間の抵抗成分を変えることができる。

ＳＯＡのメサの構造も図２に示した構造と同じであり、ｎ−ＩｎＰ基板２１１、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１２、活性層２１８およびガイド層２１９、およびｐ−ＩｎＰクラッド層２２０が順に積層されている。メサの両側は、埋め込み層（ＩｎＰ）７０２ａ，ｂによって埋め込まれ、メサの上面は、電極と接触する部分を除いて絶縁層（ＳｉＯ₂）７０１ａ，ｂで覆う。ここで、メサの上面の絶縁層７０１ａ，ｂによって設けられる開口部、すなわちＳＯＡ電極７２３とｐ−ＩｎＰクラッド層２２０との接触する部分の幅Ｗ２を調整することにより、電極とメサとの間の抵抗成分を変えることができる。

ＤＦＢレーザとＳＯＡの光導波方向の長さの比を設定し、Ｗ１＝Ｗ２としてＤＦＢレーザ電極７２１とＳＯＡ電極７２３とを設定すると、電流注入量の分岐比が決まる。ここで、電極の幅Ｗ１，Ｗ２を調整することにより、さらに電流分岐比の微調整を行うことができる。加えて、第１〜３の実施形態を併用することにより、実運用に際してもＤＦＢレーザとＳＯＡへの電流注入量を、適切な分岐比に設定することができる。

１０１，２０１ ＤＦＢレーザ
１０２，２０２ ＥＡ変調器
１０３，２０３ ＳＯＡ
２００，４００，５００，７００ 半導体光集積素子
２１１ 基板
２１２，２２０ クラッド層
２１３，２１８ 活性層
２１４，２１９ ガイド層
２１５ 回折格子
２１６ 四分の一波長位相シフト
２１７ 吸収層
２２１，７２１ ＤＦＢレーザ電極
２２２，７２２ ＥＡ変調器電極
２２３，７２３ ＳＯＡ電極
２３１ 電流源
２３２ ＲＦ信号源
２３３ 直流電圧源
３０１，６０１ 高周波配線基板
３０２，６０２ 配線
３０３，６０３ 高周波配線
７０１ 絶縁層
７０２ 埋め込み層

Claims (3)

1. ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一の基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子であって、
   光導波方向に対して、前記ＤＦＢレーザ、前記ＥＡ変調器、前記ＳＯＡの順に集積され、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入され、
   前記制御端子から前記ＤＦＢレーザに至る電流供給経路と、前記制御端子から前記ＳＯＡに至る電流供給経路のそれぞれに可変抵抗が挿入されていることを特徴とする半導体光集積素子。
2. 前記可変抵抗は、前記半導体光集積素子にモノリシックに集積されてい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。
3. 前記ＤＦＢレーザの電極および前記ＳＯＡの電極は、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡの光導波方向と垂直な方向の幅が調整され、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡへの電流注入量の分岐比が設定されてい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。

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