JP2019057543A

JP2019057543A - 半導体光集積素子

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Publication number: JP2019057543A
Application number: JP2017179551A
Authority: JP
Inventors: 隆彦進藤; Takahiko Shindo; 小林　亘; Wataru Kobayashi; 亘小林; 藤原　直樹; Naoki Fujiwara; 直樹藤原; 慈金澤; Shigeru Kanazawa
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-04-11
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: JP6810671B2

Abstract

【課題】ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノシリック集積した構成において、良好なレーザ光を得ることができる半導体光集積素子を提供すること。【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、ＤＦＢレーザおよびＥＡ変調器と同一基板上にモノリシック集積され、ＥＡ変調器の出射端に接続されたＳＯＡとを含み、ＳＯＡは、ＤＦＢレーザの出射光の光軸方向に対して平面視で第１の方向に沿って傾斜して形成される光導波路を有し、光導波路は、断面視で斜め形状の傾斜面を有し、傾斜面の傾斜角は、出力端の素子端面に向かって徐々に大きくなる。【選択図】図３

Description

本発明は、本発明は、InP基板上に電界吸収型（EA）光変調器を集積した半導体光集積素子に関する。より詳細には、本発明は、DFBレーザ、EA変調器および半導体光増幅器（SOA）からなる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、信号光波長としては、主として、光ファイバの伝播損失が小さい１．５５μｍ帯、または、光ファイバに生じる波長分散の影響を受けにくい１.３μｍ帯が用いられている。

そして、このようなＥＡ−ＤＦＢレーザで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。一方で、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。すなわち、ＤＣバイアスの絶対値は、トレードオフの関係がある。このため、非特許文献１においては、上記トレードオフの関係を打ち消すために、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。

さらに、特許文献１においては、長距離伝送を実現するために、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. C. Sun et al., "Influence of residual facet reflection on the eye diagram performance of high-speed electroabsorption modulated lasers", Journal of lightwave technology, vol.27, no.15, pp.2970-2976, 2009.

しかしながら、従来の半導体光集積素子の場合、出力端の素子端面で反射した変調光がＤＦＢレーザ側に戻ってＤＦＢレーザのレーザ光が乱れ得る。

この点、ＥＡ−ＤＦＢレーザにおいては、出力端の素子端面からの反射光の影響で変調光の波長が乱れるという問題が報告されている（非特許文献２）。そして、この問題に関して、非特許文献２では、素子端面のＡＲコーティングの反射率を改善することで、変調光の波長が明瞭になるとの報告もある。

一般に、ＥＡ−ＤＦＢレーザの場合、ＡＲコーティングが施される素子端面の反射率の設計目標値は、０．０１％以下（−４０ｄＢ）となるから、たとえＡＲコーティングの反射率を改善したとしても素子端面からの反射光はわずかに存在する。

ここで、上述したＳＯＡ集積型ＥＡ−ＤＦＢレーザ（半導体光集積素子）においても、ＥＡ−ＤＦＢレーザと同様の出力端の素子端面を備えるから、素子端面からの反射光を完全になくすことはできない。しかも、出力端の素子端面で光が反射すると、ＳＯＡで増幅されてＤＦＢレーザに戻る可能性がある。仮にＳＯＡの利得を１０ｄＢとすれば、出力端の素子端面からの反射光が１０ｄＢ増幅されてＤＦＢレーザに戻ることになる。このことが、従来の半導体光集積素子においてＤＦＢレーザのレーザ光が乱れる原因になり得る。

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構成において、良好なレーザ光を得ることが可能な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ＤＦＢレーザおよび前記ＥＡ変調器と同一基板上にモノリシック集積され、前記ＥＡ変調器の出射端に接続されたＳＯＡとを含み、前記ＳＯＡは、前記ＤＦＢレーザの出射光の光軸方向に対して平面視で第１の方向に沿って傾斜して形成される光導波路を有し、前記光導波路は、断面視で斜め形状の傾斜面を有し、前記傾斜面の長さは、断面視で出力端の素子端面に向かって徐々に長くなる。

ここで、前記ＳＯＡの長さは、前記光導波路を伝搬する光が前記出力端の素子端面に到達するときに、前記光の偏波が４５°回転した状態となるように設定されているようにしてもよい。

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ようにしてもよい。

本発明によると、ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノシリック集積した構成において、良好なレーザ光を得ることができる。

本発明の一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。本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。本実施形態の半導体光集積素子の構成例を示す上面図である。本実施形態の半導体光集積素子において、光導波路を伝搬する光の伝搬方向におけるＤＦＢレーザからＳＯＡまでの断面を説明するための図である。図４のＡ−ＢにおけるＳＯＡの概略断面を説明するための模式図である。変形例１の半導体光集積素子の構成例を示す上面図である。図６のＡ−ＢにおけるＳＯＡの概略断面を説明するための模式図である。

以下、本発明の一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。）１００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、光集積素子１００は、光の伝搬方向に対して順に、ＤＦＢレーザ１１、ＥＡ変調器１２、およびＳＯＡ１３を備えており、これらの構成要素１１〜１３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１１とＳＯＡ１３とは、同一の制御端子１４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１１への注入電流をＩ_DFBとし、ＳＯＡ１３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１１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１１およびＳＯＡ１３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、ＤＦＢレーザ１１の長さが４５０μｍの場合、ＤＦＢレーザ１１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、ＳＯＡ１３を長くしてＳＯＡ１３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１１とＳＯＡ１３の長さのバランス（比率）に応じて、所定の長さのＤＦＢレーザ１１に最低限必要な電流を投入できるようにＳＯＡ１３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および図４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４は、光集積素子１００において、光導波路５を伝搬する光の伝搬方向におけるＤＦＢレーザ１１からＳＯＡ１３までの断面を説明するための図である。なお、この光集積素子１００の構成の説明に関連して例示する材料は一例であり、自在に変更することができる。

図３に示すように、光集積素子１００は、ＤＦＢレーザ１１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１２と、ＥＡ変調器１２の出射端に接続されたＳＯＡ１３とを含む。

ＤＦＢレーザ１１およびＥＡ変調器１２においては、光導波路５は、ＤＦＢレーザ１１の出射光の光軸ｚの方向に沿って形成される。一方で、ＳＯＡ１３においては、光導波路５は、上述の光軸ｚの方向に対して傾斜する第１の方向に伝搬するように形成される。図３の例では、第１の方向は、光軸ｚ方向に対して、ｙ方向にθ１（例えば、３０°）傾斜する方向である。

ＳＯＡ１３の出射端面１３Ａ、すなわち光集積素子１００の出射端面１３Ａには、ＡＲ（Anti-Reflection）膜が形成される。

ここで、一般に、光集積素子においては、斜めの光導波路を設けて出力端の素子端面にＡＲ膜を形成した場合であっても、ＡＲ膜で変調光が反射して迷光が発生するため、ＤＦＢレーザのレーザ光が乱れ得る。

この観点から、本実施形態の光集積素子１００では、出力端の素子端面１３ＡのＡＲ膜で反射した迷光によるＤＦＢレーザ１１のレーザ光の乱れが生じないように、光導波路５に斜め形状の後述する傾斜面５Ａを設けている。なお、光導波路５の傾斜面５Ａの形状については、後述する図５において、概略的な模式図を示してある。

図４において、光集積素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板１０２を備え、この基板１０２上には、光導波方向に対して順に、ＤＦＢレーザ１１と、ＥＡ変調器１２と、ＳＯＡ１３と、受光器１４とが形成される。また、基板１０２の裏面には、ｎ型電極１０１を備える。

ＤＦＢレーザ１１は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０３上に積層された活性層１０４とガイド層１０５とを有する。そして、ガイド層１０５には、λ／４位相シフト１０５Ａおよび回折格子１０５Ｂを含む。活性層１０４は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系またはＩｎＧａＡｓＰ系の材料で形成される。

ガイド層１０５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６が形成され、このクラッド層１０６上にｐ型電極１０７が設けられる。この電極１０７には、図１に示した電流Ｉ_DFBが注入される。

ＥＡ変調器１２は、クラッド層１０３上に積層された吸収層１０８とクラッド層１０６とｐ型電極１０９とを有する。電極１０９には、ＥＡ変調器１２を駆動させるためのバイアス電圧Ｖ_biと高周波電圧ＲＦとが、バイアスＴ２００を介して印加される。これにより、ＥＡ変調器１２では、ＤＦＢレーザ１１からの光を変調するが可能になる。

吸収層１０８は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系またはＩｎＧａＡｓＰ系の材料で形成され、量子井戸構造を有する。

ＳＯＡ１３は、前述のクラッド層１０３上に積層された活性層１３１とガイド層１３２とクラッド層１０６とｐ型電極１３３とを有する。活性層１３１は、ＤＦＢレーザ１１の活性層１０４と同一の組成を有し、ガイド層１３２は、ＤＦＢレーザ１１のガイド層１０５と同一の組成を有する。この実施形態では、ＳＯＡ１３の電極１３３には、図１に示した電流Ｉ_SOAが注入される。この実施形態では、例えば、２５℃におけるＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３での発光波長は約１．５５μｍとする。

図５は、ＳＯＡ１３の概略断面を説明するための模式図であって、（ａ）は図３のＡ−Ｂ断面、（ｂ）は図３のＣ−Ｄ断面、（ｃ）は図３のＥ−Ｆ断面、を示す。

図５（ａ）に示した断面例は、例えばＳＯＡ１３の入射面側である図３のＡ−Ｂ断面に対応している。この断面では、ＳＯＡ１３の光導波路５は、傾斜面５Ａを有しておらず、このため、ＳＯＡ１３は、次のように構成される。すなわち、ＳＯＡ１３においては、活性層１３１は、基板１０２の上に設けられたクラッド層１０３，１０６の間に形成され、ｐ型電極１３３は、コンタクト層１３４を介して、クラッド層１０６上に形成される。

そして、図３においてＳＯＡ１３の中間点であるＣ−Ｄ断面では、図５（ｂ）に示すように、ＳＯＡ１３の光導波路５は、傾斜角がθ２の傾斜面５Ａを有する。

本実施形態では、傾斜面５Ａの傾斜角θ２は、出射端面１３Ａに向かって徐々に大きくなるように設定される。換言すれば、傾斜面５Ａの長さは、出射端面１３Ａに向かって徐々に長くなるように設定される。

そのため、図３においてＳＯＡ１３の出射端面１３Ａ側であるＥ−Ｆ断面では、傾斜面５Ａの傾斜角θ２は、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）に示したものよりも大きくなるように設定される。

このような傾斜面５ＡをＳＯＡ１３に構成することにより、ＳＯＡ１３の光導波路５を伝搬する光が出射端面１３Ａに到達するときに、ＳＯＡ１３に入射する変調光ｈの偏波を例えば４５°回転させることが可能になる。そのため、出射端面１３Ａで反射する光ｈの偏波を９０°回転させることが可能となり、反射光ｈが仮に生じた場合でも、ＳＯＡ１３の光導波路５内に戻らず、ＤＦＢレーザ１１のレーザ光は乱れない。

ここで、ＳＯＡ１３の長さは、ＳＯＡ１３の光導波路５を伝搬する光ｈが出射端面１３Ａに到達するときに、光ｈの偏波が例えば４５°回転した状態となるように設定されている。

なお、上述した偏波の回転角は、４５°に限られず、出射端面１３Ａからの反射光ｄがＳＯＡ１３の光導波路５内に戻らないのであれば、変更することができる。

以上説明したように、本実施形態の光集積素子１００においては、ＳＯＡ１３の光導波路５は、断面視で斜め形状の傾斜面５Ａを有する。ここで、傾斜面５Ａの傾斜角θ２は、出力端の素子端面である出射端面１３Ａに向かって徐々に大きくなる。このために、ＳＯＡ１３においては、光導波路５を伝搬する光ｈの偏波が回転するため、ＳＯＡ１３の出射端面１３Ａで光ｈが反射したとしても、その反射光ｄがＳＯＡ１３の光導波路５内に戻らず（ＤＦＢレーザ１１側に戻らず）、ＤＦＢレーザ１１のレーザ光は乱れない。したがって、良好なレーザ光を得ることができる。

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、ＳＯＡ１３の光導波路５の幅が一定の場合について説明したが、傾斜面５Ａでの光反射をより抑制するため、ＳＯＡ１３の光導波路５の幅は、出射端面１３Ａに向かって徐々に広くなるようにしてもよい。

例えば図６は、図３と類似の光集積素子１００Ａを示す上面図であって、ＳＯＡ１３の光導波路５を出射端面１３Ａに向かって徐々に広くなるようにした構成を例示している。図６では、特に記述しない限り、図３の説明で用いた符号等をそのまま用いている。

図７は、図６に示したＳＯＡ１３の概略断面を説明するための模式図であって、（ａ）は図６のＡ−Ｂ断面、（ｂ）は図６のＣ−Ｄ断面、（ｃ）は図６のＥ−Ｆ断面、を示す。
図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、変形例１の光集積素子１００Ａでは、図３に示したものと同様に、ＳＯＡ１３の傾斜面５Ａは徐々に長くなるが、吸収層１３１の下面の長さａ，ｂ，ｃが、ａ＜ｂ＜ｃとなるように設定される。このようにしても、上記実施形態のものと同様の効果（ＳＯＡ１３の光導波路５を伝搬する光ｈの偏波が回転するため、ＳＯＡ１３の出射端面１３Ａで光ｈが反射したとしても、その反射光ｄがＳＯＡ１３の光導波路５内に戻らず、ＤＦＢレーザ１１のレーザ光は乱れない）を奏するほか、傾斜面５Ａでの光反射をより抑制することができる。

（変更例２）
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。

（変更例３）
以上では、図１を参照して、同一の制御端子１４からＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３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１１およびＳＯＡ１３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１０７，１３３には、それぞれの制御端子から電流Ｉ_DFB，Ｉ_SOAが注入される。

（変更例４）
以上では、１．５５μｍ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１．３μｍ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１１，１２，１３の結晶組成を変更して適用することもできる。

５光導波路
５Ａ傾斜面
１１ＤＦＢレーザ
１２ＥＡ変調器
１３ＳＯＡ
１４制御端子
１００半導体光集積素子
１０１ｐ型電極
１０２基板
１０３，１０６クラッド層
１０４活性層
１０５ガイド層
１０８，１３２吸収層

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ＤＦＢレーザおよび前記ＥＡ変調器と同一基板上にモノリシック集積され、前記ＥＡ変調器の出射端に接続されたＳＯＡと
を含み、
前記ＳＯＡは、前記ＤＦＢレーザの出射光の光軸方向に対して平面視で第１の方向に沿って傾斜して形成される光導波路を有し、
前記光導波路は、断面視で斜め形状の傾斜面を有し、
前記傾斜面の長さは、断面視で出力端の素子端面に向かって徐々に長くなる
ことを特徴とする半導体光集積素子。
前記ＳＯＡの長さは、前記光導波路を伝搬する光が前記出力端の素子端面に到達するときに、前記光の偏波が４５°回転した状態となるように設定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。
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または２に記載の半導体光集積素子。