JP2021027314A

JP2021027314A - 半導体光増幅器アレイ素子

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Publication number: JP2021027314A
Application number: JP2020011120A
Authority: JP
Inventors: 和明清田; Kazuaki Kiyota; 匡廣吉田; Masahiro Yoshida
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2021-02-22

Abstract

【課題】互いに特性が異なる半導体光増幅器が集積された半導体光増幅器アレイ素子を提供すること。【解決手段】半導体光増幅器アレイ素子１００は、基板１００aと、基板上に形成されており、それぞれが活性領域１１０ｃａ１、１１０ｃｂ１、１２０ｃａ１、１２０ｃｂ１を有する複数の半導体光増幅器と、を備え、複数の半導体光増幅器がそれぞれ有する２つの光入出力ポート１１１ａ、１１１ｂ、１２１ａ、１２１ｂは、いずれも活性領域のそれぞれに光学的に接続するとともに、いずれも当該半導体光増幅器アレイ素子の同一の端面に設けられており、複数の半導体光増幅器は、活性領域の長さが第１長さである第１半導体光増幅器１１０と、活性領域の長さが第１長さとは異なる第２長さの第２半導体光増幅器１２０と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光増幅器アレイ素子に関するものである。

光通信システムにおいて、ディジタルコヒーレント方式を用いたディジタルコヒーレント通信が広く適用されている。ディジタルコヒーレント通信は長距離(ロングホール)に用いられていた。近年その適用距離は短くなり、メトロ系やデータセンタ間にもディジタルコヒーレント方式が用いられるようになってきた。ディジタルコヒーレント通信システムの送信機中の変調器としては、古くから存在するＬＮ変調器に加えて、ＩｎＰ系半導体材料を用いたＩｎＰ変調器、およびＳｉフォトニクスを用いた変調器が用いられるようになってきた。

一般に、送信機には高出力化が望まれている。そこで、ＩｎＰ変調器は、非特許文献１のように、しばしば集積された半導体光増幅器(ＳＯＡ)を有する。非特許文献１では、変調器は４つの半導体光増幅器を有している。そのうち２つは入力された連続光を増幅する「Ｐｒｅ−半導体光増幅器」であり、他の２つは変調光を増幅する「Ｐｏｓｔ−半導体光増幅器」である。

一方、Ｓｉフォトニクスを用いた変調器においては、Ｓｉが間接遷移の材料であるために、発光素子を集積することは難しい。Ｓｉフォトニクスの素子に発光素子を集積する一つのアプローチは、非特許文献２に記載のように、Ｓｉフォトニクスチップ上にＩｎＰチップを「ハイブリッド集積」する方法である。この技術を変調器に適用することにより、半導体光増幅器をＳｉフォトニクス変調器とともに用いることができる。

ハイブリッド集積のための半導体光増幅器として、特許文献１には、Ｕターン構造の半導体光増幅器が開示されている。Ｕターン構造の半導体光増幅器は、被増幅光が入力される入力ポートと増幅光を出力する出力ポートとを同一の端面に有しており、さらに光路を折り返す曲げ導波路を有している。この構成を用いることにより、異なる導波路のＳｉフォトニクスチップとの光結合位置を一つの端面に集約することができ、ハイブリッド実装が容易になる。

国際公開第２０１３／０３５２５９号

R. A. Griffin et al.、 "InP Coherent Optical Modulator with Integrated Amplification for High Capacity Transmission、" Optical Fiber Communication Conference 2015、 Th4E.2. T. Matsumoto et al.、 "Hybrid-Integration of SOA on Silicon Photonics Platform Based on Flip-Chip Bonding、" JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY、 VOL. 37、 NO. 2、 pp. 307-313.

しかしながら、公知技術では、複数の半導体光増幅器を集積しつつ、かつ集積される半導体光増幅器の中に互いに異なる用途で使用される異なる特性の半導体光増幅器がある場合の、最適な素子設計については検討されていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、互いに特性が異なる半導体光増幅器が集積された半導体光増幅器アレイ素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様は、基板と、前記基板上に形成されており、それぞれが活性領域を有する複数の半導体光増幅器と、を備え、前記複数の半導体光増幅器がそれぞれ有する２つの光入出力ポートは、いずれも前記活性領域のそれぞれに光学的に接続するとともに、いずれも当該半導体光増幅器アレイ素子の同一の端面に設けられており、前記複数の半導体光増幅器は、前記活性領域の長さが第１長さである第１半導体光増幅器と、前記活性領域の長さが前記第１長さとは異なる第２長さの第２半導体光増幅器と、を含む半導体光増幅器アレイ素子である。

前記複数の半導体光増幅器は、前記２つの光入出力ポートの間に、光路が実質的に１８０度の角度で折り返しをする導波路で構成されている折り返し部を有してもよい。

前記第１半導体光増幅器の前記第１長さは、前記第２半導体光増幅器の前記第２長さより長く、前記第１半導体光増幅器の光入出力ポートは、連続光が入力され、前記第２半導体光増幅器の光入出力ポートは、変調光が入力されてもよい。

本発明によれば、互いに特性が異なる半導体光増幅器が集積された半導体光増幅器アレイ素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る半導体光増幅器アレイ素子の模式的な平面図である。図２は、図１に示す半導体光増幅器アレイ素子の模式的な一部断面図である。図３は、参考形態に係る半導体光増幅器アレイ素子の模式的な平面図である。図４は、実施形態２に係る半導体光増幅器アレイ素子の模式的な平面図である。図５は、実施形態３に係る光モジュールの模式的な構成図である。

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複説明を適宜省略する。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る半導体光増幅器アレイ素子の模式的な平面図である。

チップ状の半導体光増幅器アレイ素子１００は、複数の半導体光増幅器として、半導体光増幅器１１０、１２０を備えている。半導体光増幅器１１０、１２０は基板１００ａ上に形成されており、１つの基板１００ａ上に集積されている。半導体光増幅器１１０は第１半導体光増幅器の一例であり、半導体光増幅器１２０は第２半導体光増幅器の一例である。半導体光増幅器アレイ素子１００はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を主な構成材料とする。

半導体光増幅器１１０は、能動部１１１と受動部１１２とを備えている。能動部１１１は、電流注入型の発光素子に適した埋込導波路構造を有しており、光導波路として、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂとを有する。受動部１１２は、Ｕ字型に屈曲しており、受動導波路としての光導波路を含むハイメサ導波路構造を有する。ハイメサ導波路構造はディープリッジ導波路構造とも呼ばれる。受動部１１２は、光路が実質的に１８０度の角度で折り返しをする導波路で構成されている折り返し部の一例である。

活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂはたとえばＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料、またはＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。受動部１１２は、クラッド層がｎ型ＩｎＰまたはｉ型ＩｎＰからなり、光導波路がたとえばバンドギャップ波長が１３００ｎｍのｉ型ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料からなる。活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂと受動部１１２の光導波路とは、バットジョイント接続などによって光学的に接続されている。活性層１１０ｃａと活性層１１０ｃｂとは、互いに略平行であり、受動部１１２のハイメサ導波路構造の光導波路を介在して光学的に接続されている。また、半導体光増幅器１１０は、給電部１１０ｊを備えている。また、半導体光増幅器１１０は、半導体光増幅器アレイ素子１００の一端面である端面１０１に設けられた、光入出力ポート１１１ａ、１１１ｂを有する。光入出力ポート１１１ａ、１１１ｂはそれぞれ活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂに接続している。活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂは、端面１０１側において、端面１０１の法線に対して傾斜している。

半導体光増幅器１２０は、能動部１２１と受動部１２２とを備えている。能動部１２１は、埋込導波路構造を有しており、光導波路として、活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂとを有する。受動部１２２は、Ｕ字型に屈曲しており、光導波路を含むハイメサ導波路構造を有する。受動部１２２は、光路が実質的に１８０度の角度で折り返しをする導波路で構成されている折り返し部の一例である。活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂの構成材料や構造は活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂと同じであり、受動部１２２の構成材料は受動部１１２と同じである。

活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂと受動部１２２の光導波路とは、バットジョイント接続などによって光学的に接続されている。活性層１２０ｃａと活性層１２０ｃｂとは、互いに略平行であり、受動部１２２のハイメサ導波路構造の光導波路を介在して光学的に接続されている。また、半導体光増幅器１２０は、給電部１２０ｊを備えている。また、半導体光増幅器１２０は、半導体光増幅器アレイ素子１００の端面１０１に設けられた、光入出力ポート１２１ａ、１２１ｂを有する。光入出力ポート１２１ａ、１２１ｂはそれぞれ活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂに接続している。活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂは、端面１０１側において、端面１０１の法線に対して傾斜している。

なお、能動部１１１、１２１と受動部１２２との間には、異なる構造の導波路を低損失で光学的に接続するための変換領域が設けられていてもよい。

半導体光増幅器アレイ素子１００は、さらに、互いに略平行に延伸するトレンチ溝１３１、１３２、１３３を備えている。トレンチ溝１３２は、半導体光増幅器１１０と半導体光増幅器１２０との間に形成されている。また、トレンチ溝１３１は半導体光増幅器１１０を挟んでトレンチ溝１３２の反対に配置されている。また、トレンチ溝１３３は半導体光増幅器１２０を挟んでトレンチ溝１３２の反対に配置されている。トレンチ溝１３１、１３２、１３３は半導体光増幅器１１０、１２０のそれぞれの一部同士、または半導体光増幅器１１０と物理接触領域１４１、または半導体光増幅器１２０と物理接触領域１４２を電気的に分離するために設けられている。

半導体光増幅器アレイ素子１００は、物理接触領域１４１、１４２を備えている。物理接触領域１４１、１４２はトレンチ溝１３１、１３２、１３３の延伸方向とは直交する方向における半導体光増幅器アレイ素子１００の両端に位置している。物理接触領域１４１、１４２は、半導体光増幅器アレイ素子１００を他の部材と組み合わせるときにその相手の部材と接触させ、高さ合わせを行うものである。

図２は、図１に示す半導体光増幅器アレイ素子の模式的なＡ−Ａ線一部断面図である。図２は主にトレンチ溝１３２から半導体光増幅器１１０側の断面を示している。なお、トレンチ溝１３２から半導体光増幅器１１０側も同様の断面を有しているので、説明を適宜省略する。

半導体光増幅器アレイ素子１００は、ｎ型ＩｎＰからなる基板１００ａと、基板１００ａの上に積層したｎ型ＩｎＰからなるクラッド層１００ｂとを備えている。基板１００ａとクラッド層１００ｂとの間にはｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなるエッチングストップ層１００ｍが介在している。半導体光増幅器１１０および物理接触領域１４１におけるクラッド層１００ｂは３つのストライプメサ部１００ｂａを有する。ストライプメサ部１００ｂａの上には活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１００ｃがそれぞれ積層している。

ストライプメサ部１００ｂａおよび活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１００ｃの片側または両側にはｐ型ＩｎＰからなる第１電流ブロック層１００ｄが積層されている。第１電流ブロック層１００ｄの上にはｎ型ＩｎＰ層からなる第２電流ブロック層１００ｅが積層されている。第１電流ブロック層１００ｄと第２電流ブロック層１００ｅとは電流ブロック構造を形成している。

第２電流ブロック層１００ｅおよび活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂの上にはｐ型ＩｎＰからなるクラッド層１００ｆが積層されている。クラッド層１００ｆの上にはＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層１００ｇが積層されている。

トレンチ溝１３１、１３２、１３３は、エッチングストップ層１００ｍの表面の深さまで到達している。トレンチ溝１３２は、半導体光増幅器１１０、１２０のそれぞれの、上述したｐ型半導体からなる積層部を電気的に分離している。

ｎ側コンタクト電極１００ｋは、トレンチ溝１３２内の一部で基板１００ａとオーミック接触するように積層されている。同様に、ｐ側コンタクト電極１１０ｈが、コンタクト層１００ｇの表面の一部でコンタクト層１００ｇとオーミック接触するように積層されている。ｐ側コンタクト電極１１０ｈ、１２０ｈ、ｎ側コンタクト電極１００ｋがオーミック接触している領域以外のトレンチ溝１３１、１３２、１３３の内面およびコンタクト層１００ｇの表面は、たとえばＳｉＮｘからなるパッシベーション膜１００ｉが積層されている。

パッシベーション膜１００ｉの上にはボンディングパッドと配線からなる給電部１１０ｊ、１００ｌが形成されている。パッシベーション膜１００ｉはｐ側コンタクト電極１１０ｈの上で開口しており、その開口で配線とｐ側コンタクト電極１１０ｈとが電気的に接続している。パッシベーション膜１００ｉはｎ側コンタクト電極１００ｋの上で開口しており、その開口で給電部１００ｌの配線とｎ側コンタクト電極１００ｋとが電気的に接続している。給電部１１０ｊ、１００ｌの各配線は各ボンディングパッドまで引き回されている。各ボンディングパッドはコンタクト層１００ｇの上方に形成されている。これによりｐ側とｎ側とでボンディングパッドの高低差が小さくなっている。

物理接触領域１４１、１４２では、活性層１００ｃの上にパッシベーション膜１００ｉが積層されている。

半導体光増幅器１１０では、給電部１００ｌと給電部１１０ｊとの間に電圧を印加し、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂのうちｐ側コンタクト電極１１０ｈで覆われた活性領域１１０ｃａ１、１１０ｃｂ１のそれぞれに電流を注入すると、活性領域１１０ｃａ１、１１０ｃｂ１は光増幅作用を発揮する。活性領域は活性層のうち電流が注入される領域である。その結果、半導体光増幅器１１０は光入出力ポート１１１ａから入力された光Ｌ１を光増幅して光Ｌ２として光入出力ポート１１１ｂから出力する。なお、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂが端面１０１側において、端面１０１の法線に対して傾斜しているので、端面１０１で発生した反射光が活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂに入力されることが抑制される。

同様に、半導体光増幅器１２０では、給電部１００ｌと給電部１２０ｊとの間に電圧を印加し、活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂのうちｐ側コンタクト電極で覆われた活性領域１２０ｃａ１、１２０ｃｂ１のそれぞれに電流を注入すると、活性領域１２０ｃａ１、１２０ｃｂ１は光増幅作用を発揮する。その結果、半導体光増幅器１２０は光入出力ポート１２１ａから入力された光Ｌ３を光増幅して光Ｌ４として光入出力ポート１２１ｂから出力する。なお、活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂが端面１０１側において、端面１０１の法線に対して傾斜しているので、端面１０１で発生した反射光が活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂに入力されることが抑制される。

トレンチ溝１３２が半導体光増幅器１１０、１２０のｐ型半導体層を電気的に分離しているので、半導体光増幅器１１０、１２０は独立して駆動制御することができる。

以上の半導体積層構造において、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１２０ｃａ、１２０ｃｂのいずれも、幅、厚さおよび実効屈折率が等しい。

半導体光増幅器アレイ素子１００では、半導体光増幅器１１０における活性領域の長さは活性領域１１０ｃａ１、１１０ｃｂ１の長さの合計であるが、これを第１長さとする。半導体光増幅器１２０における活性領域の長さは活性領域１２０ｃａ１、１２０ｃｂ１の長さの合計であるが、これを第２長さとする。すると、第１長さと第２長さとは異なり、本実施形態では第１長さは第２長さより長い。これにより、半導体光増幅器１１０の増幅特性と半導体光増幅器１２０の増幅特性とを異ならせることができる。

また、半導体光増幅器１１０の光入出力ポート１１１ａ、１１１ｂおよび半導体光増幅器１２０の光入出力ポート１２１ａ、１２１ｂは、受動部１１２、１２２の光路が実質的に１８０度の角度で折り返しをするため、半導体光増幅器アレイ素子１００の１つの端面１０１に設けられる。これにより、半導体光増幅器アレイ素子１００と他の導波路素子との接続端面を１端面に集約できるというメリットがある。また、光入出力ポート１１１ａ、１１１ｂ、１２１ａ、１２１ｂを１端面に集約しつつ、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂの延伸方向における受動部１１２の位置を変更するだけで、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂひいては活性領域１１０ｃａ１、１１０ｃｂ１の長さを自由に調整できる。さらに、活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂの延伸方向における受動部１２２の位置を変更するだけで、活性層１２０ｃａ、１２０ｃｂひいては活性領域１２０ｃａ１、１２０ｃｂ１の長さを自由に調整できる。

また、受動部１１２、１２２の光路が実質的に１８０度の角度で折り返しをするため、半導体光増幅器アレイ素子１００の素子長を短くすることができる。

以下では、半導体光増幅器１１０における活性領域の第１長さと半導体光増幅器１２０における活性領域の第２長さとが異なることの効果の一例について説明する。

たとえば、半導体光増幅器１１０には、光Ｌ１として連続光（ＣＷ光）が入力される。また、半導体光増幅器１２０には、光Ｌ２として変調光が入力される。この場合、たとえば第１長さは８００μｍであり、第２長さは５００μｍである。

ＣＷ光の半導体光増幅器には、高出力と高効率が要求される。高出力のためには、半導体光増幅器の熱によるロールオーバを防ぐために、活性領域が長いことが好適である。また、高効率のためには、半導体光増幅器は誘導放出が支配的になるように飽和領域で動作することが好適である。このために、半導体光増幅器は活性領域が長い、または活性層への光閉じ込め係数が大きいことが好ましい。

一方、変調光用の半導体光増幅器には、パターン効果の抑制が要求される。パターン効果を抑制するためには、半導体光増幅器は、その注入電流に応じて、誘導放出が無視できる程度に小さくなるように、線形領域で動作することが必要である。このために、半導体光増幅器は活性領域が短い、または活性層への光閉じ込め係数が小さいことが好ましい。

このように、用途の異なる２つの半導体光増幅器では、互いに必要な特性が異なり、最適化の方策はほとんど正反対である。このため、半導体光増幅器に対して個別の最適化が必須である。

上述したように、個別の最適化のために活性層への光閉じ込め係数を両者で異なるものとするという方法もあるが、そのためには構造が異なる２種類の活性層を作製する必要がある。しかしながら、活性層は、その構成材料としての多元系半導体材料に対して、受動導波路よりも精密な組成制御が必要であるので、作製方法が複雑になる。

これに対して、実施形態１に係る半導体光増幅器アレイ素子１００では、折り返し配置の利点を享受した上に、活性領域の長さの調整による個別最適化が容易に実現できるので、ＣＷ光用と変調光用で個別最適化された半導体光増幅器１１０、１２０を備える構成を実現できる。

（作製方法）
つぎに、半導体光増幅器アレイ素子１００の作製方法の一例について説明する。まず、ウェハ状の基板１００ａの表面にｎ型ＩｎＰからなるバッファ層を結晶成長し、つづいて、エッチングストップ層１００ｍ、クラッド層１００ｂ、活性層、ｐ型ＩｎＰ層を順に結晶成長する。

つづいて、結晶成長した活性層のうち、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１２０ｃａ、１２０ｃｂ、および物理接触領域１４１、１４２において残すべき活性層（活性層１００ｃなど）となる領域以外の領域のｐ型ＩｎＰ層と活性層とをエッチングにより除去し、除去した領域にｉ型ＧａＩｎＡｓＰ層とｉ型ＩｎＰ層とをバットジョイント成長する。ｉ型ＧａＩｎＡｓＰ層は受動部１１２、１２２の光導波路となり、ｉ型ＩｎＰ層は受動部１１２、１２２のクラッド層となる。

つづいて、クラッド層１００ｂおよび活性層の埋込（ＢＨ）構造を形成するためにメサエッチングを行い、ストライプメサ部１００ｂａ、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１００ｃなどを形成する。さらに、第１電流ブロック層１００ｄと第２電流ブロック層１００ｅと結晶成長し、ＢＨ構造を形成する。このとき、上述したように物理接触領域１４１、１４２となる領域は保護して活性層１００ｃなどを残すようにする。また、後にハイメサ導波路とする領域はやや広めに保護しておく。

つづいて、上記結晶成長を行った基板１００ａの全領域にクラッド層１００ｆとコンタクト層１００ｇとを順次結晶成長する。

つづいて、エッチングによって必要部分以外のコンタクト層１００ｇを除去する。この際に、クラッド層１００ｆを部分的に薄くしてもよい。

つづいて、ｐ側コンタクト電極１１０ｈを蒸着により形成する。

つづいて、受動部１１２、１２２のハイメサ導波路構造をエッチングにより形成する。

つづいて、ウェットエッチングにより物理接触領域１４１、１４２とトレンチ溝１３１、１３２、１３３を形成する。このとき、塩酸系のエッチングによってＩｎＰを選択的にエッチングすると、ＧａＩｎＡｓＰからなるエッチングストップ層１００ｍ、活性層１００ｃの表面でエッチングがストップすることによって、物理接触領域１４１、１４２とトレンチ溝１３１、１３２、１３３とを所望の深さまで再現よく形成し、表面を出すことができる。

特に、活性層１００ｃをエッチングストップ層として利用しているので、物理接触領域１４１、１４２と活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１２０ｃａ、１２０ｃｂとの相対的な高さ精度が高くなる。たとえば、ボンディングパッドと同様の面に物理接触領域を形成する場合には、活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１２０ｃａ、１２０ｃｂとの高さの差は設計中心値としてたとえば４．５μｍ程度となる。一方、半導体光増幅器アレイ素子１００によれば、物理接触領域１４１、１４２と活性層１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１２０ｃａ、１２０ｃｂとの高さの差は設計中心値としてたとえば０．４μｍ程度である。したがって、パッシベーション膜１００ｉの成膜における製造上の厚さのずれが１０％としても、半導体光増幅器アレイ素子１００の構成の方がばらつき量が１／１０未満に低減できると言える。

つづいて、ｎ側コンタクト電極１００ｋを蒸着により形成する。さらに、パッシベーション膜１００ｉを形成する。その後、電気的コンタクトを取るために、所定の位置のパッシベーション膜１００ｉをエッチングにより除去する。つづいて、給電部１１０ｊ、１２０ｊ、１００ｌを蒸着により形成する。

つづいて、ウェハを所定の厚さまで研磨・ポリッシュする。これでウェハプロセスが完了する。さらに、完成したウェハをへき開することにより、各半導体光増幅器アレイ素子１００の端面を形成する。つづいて、入出力ポートがある端面１０１には低反射コーティングを行う。その後ウェハから半導体光増幅器アレイ素子１００をチップ毎に切り出し、所定の検査を行うことで、半導体光増幅器アレイ素子１００が完成する。

（参考形態）
ここで、参考形態として、図３に示す構成の半導体光増幅器アレイ素子１０００を検討する。

半導体光増幅器アレイ素子１０００は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を主な構成材料とし、半導体光増幅器１１００、１２００を備えている。

半導体光増幅器１１００は、埋込導波路構造を有しており、光導波路として、たとえばＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料、またはＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなるＭＱＷ構造の活性層１１００ｃを有する。また、半導体光増幅器１１００は、給電部１１００ｊを備えている。また、半導体光増幅器１１００は、光入出力ポート１１１０ａ、１１１０ｂを有する。光入出力ポート１１１０ａ、１１１０ｂは半導体光増幅器アレイ素子１０００の対向する端面である端面１０１０、１０２０にそれぞれ設けられている。

半導体光増幅器１２００は、光導波路として、活性層１２００ｃを有する。活性層１２００ｃの構成材料や構造は活性層１１００ｃと同じである。

半導体光増幅器１２００は、給電部１２００ｊを備えている。また、半導体光増幅器１２００は、光入出力ポート１１２０ａ、１１２０ｂを有する。光入出力ポート１１２０ａ、１１２０ｂは端面１０１０、１０２０にそれぞれ設けられている。

半導体光増幅器アレイ素子１０００は、さらに、互いに略平行に延伸するトレンチ溝１３１０、１３２０、１３３０を備えている。トレンチ溝１３２０は、半導体光増幅器１１００と半導体光増幅器１２００との間に形成されている。また、トレンチ溝１３１０は半導体光増幅器１１００を挟んでトレンチ溝１３２０の反対に配置されている。

また、半導体光増幅器アレイ素子１００は、物理接触領域１４１０、１４２０を備えている。物理接触領域１４１０、１４２０はトレンチ溝１３１０、１３２０、１３３０の延伸方向とは直交する方向における半導体光増幅器アレイ素子１０００の両端に位置している。

半導体光増幅器１１００では、活性層１１００ｃに電流を注入して光増幅作用を発揮させた状態で、端面１０１０側の光入出力ポート１１１０ａから入力された光Ｌ１０を光増幅して光Ｌ２０として端面１０２０側の光入出力ポート１１１０ｂから出力する。同様に、半導体光増幅器１２００では、活性層１２００ｃに電流を注入して光増幅作用を発揮させた状態で、端面１０１０側の光入出力ポート１１２０ａから入力された光Ｌ３０を光増幅して光Ｌ４０として端面１０２０側の光入出力ポート１１２０ｂから出力する。

このような半導体光増幅器１１００では、他の導波路素子との接続端面は対向する２端面となり、接続箇所の増加や、接続相手の接続箇所と端面１０１０および１０２０との距離を精度よく一致させないと、接続損失が増大するおそれがある。また、半導体光増幅器１１００では活性層１１００ｃ、１２００ｃの長さを異ならせることが困難であり、個別の最適化には不適である。

（実施形態２）
図４は、実施形態４に係る半導体光増幅器アレイ素子の模式的な平面図である。

チップ状の半導体光増幅器アレイ素子２００は、複数の半導体光増幅器として、１つの基板上に集積された半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂを備えている。半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂは第１半導体光増幅器の一例であり、半導体光増幅器１２０Ａ、１２０Ｂは第２半導体光増幅器の一例である。半導体光増幅器アレイ素子２００はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を主な構成材料とする。

半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂは、実施形態１の半導体光増幅器１１０と同様の構成を有する。すなわち、半導体光増幅器１１０Ａは、能動部１１１Ａと受動部１１２Ａとを備えている。半導体光増幅器１１０Ｂは、能動部１１１Ｂと受動部１１２Ｂとを備えている。能動部１１１Ａ、１１１Ｂは、それぞれ活性層１１０Ａｃａ、１１０Ａｃｂ、活性層１１０Ｂｃａ、１１０Ｂｃｂを有する。また、半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂは、それぞれ給電部１１０Ａｊ、１１０Ｂｊを備えている。また、半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂは、それぞれ、半導体光増幅器アレイ素子２００の一端面である端面２０１に設けられた、光入出力ポート１１１Ａａ、１１１Ａｂ、光入出力ポート１１１Ｂａ、１１１Ｂｂを有する。

半導体光増幅器１２０Ａ、１２０Ｂは、実施形態１の半導体光増幅器１２０と同様の構成を有する。すなわち、半導体光増幅器１２０Ａは、能動部１２１Ａと受動部１２２Ａとを備えている。半導体光増幅器１２０Ｂは、能動部１２１Ｂと受動部１２２Ｂとを備えている。能動部１２１Ａ、１２１Ｂは、それぞれ活性層１２０Ａｃａ、１２０Ａｃｂ、活性層１２０Ｂｃａ、１２０Ｂｃｂを有する。また、半導体光増幅器１２０Ａ、１２０Ｂは、それぞれ給電部１２０Ａｊ、１２０Ｂｊを備えている。また、半導体光増幅器１２０Ａ、１２０Ｂは、それぞれ、半導体光増幅器アレイ素子２００の端面２０１に設けられた、光入出力ポート１２１Ａａ、１２１Ａｂ、光入出力ポート１２１Ｂａ、１２１Ｂｂを有する。

半導体光増幅器アレイ素子２００は、さらに、互いに略平行に延伸するトレンチ溝２３１、２３２、２３３、２３４、２３５を備えている。トレンチ溝２３２は、半導体光増幅器１１０Ａと半導体光増幅器１１０Ｂとの間に形成されている。トレンチ溝２３３は、半導体光増幅器１１０Ｂと半導体光増幅器１２０Ａとの間に形成されている。トレンチ溝２３４は、半導体光増幅器１２０Ａと半導体光増幅器１２０Ｂとの間に形成されている。また、トレンチ溝２３１は半導体光増幅器１１０Ａを挟んでトレンチ溝２３２の反対に配置されている。また、トレンチ溝２３５は半導体光増幅器１２０Ｂを挟んでトレンチ溝２３４の反対に配置されている。トレンチ溝２３１、２３２、２３３、２３４、２３５は半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂのそれぞれの一部同士、または半導体光増幅器１１０Ａと物理接触領域１４１、または半導体光増幅器１２０Ｂと物理接触領域１４２を電気的に分離するために設けられている。

半導体光増幅器アレイ素子２００は、半導体光増幅器アレイ素子１００と同様に物理接触領域１４１、１４２を備えている。物理接触領域１４１、１４２はトレンチ溝２３１、２３２、２３３、２３４、２３５の延伸方向とは直交する方向における半導体光増幅器アレイ素子２００の両端に位置している。

半導体光増幅器アレイ素子２００の断面構造および各要素の構成材料は、半導体光増幅器アレイ素子１００の対応する断面構造および対応する各要素の構成材料と同じなので説明を省略する。

半導体光増幅器１１０Ａでは、活性層１１０Ａｃａ、１１０Ａｃｂのうちｐ側コンタクト電極で覆われた活性領域１１０Ａｃａ１、１１０Ａｃｂ１のそれぞれに電流を注入すると、活性領域１１０Ａｃａ１、１１０Ａｃｂ１は光増幅作用を発揮する。その結果、半導体光増幅器１１０Ａは光入出力ポート１１１Ａａから入力された光Ｌ１Ａを光増幅して光Ｌ２Ａとして光入出力ポート１１１Ａｂから出力する。

同様に、半導体光増幅器１１０Ｂでは、活性層１１０Ｂｃａ、１１０Ｂｃｂのうちｐ側コンタクト電極で覆われた活性領域１１０Ｂｃａ１、１１０Ｂｃｂ１のそれぞれに電流を注入すると、活性領域１１０Ｂｃａ１、１１０Ｂｃｂ１は光増幅作用を発揮する。その結果、半導体光増幅器１１０Ｂは光入出力ポート１１１Ｂａから入力された光Ｌ１Ｂを光増幅して光Ｌ２Ｂとして光入出力ポート１１１Ｂｂから出力する。

同様に、半導体光増幅器１２０Ａでは、活性層１２０Ａｃａ、１２０Ａｃｂのうちｐ側コンタクト電極で覆われた活性領域１２０Ａｃａ１、１２０Ａｃｂ１のそれぞれに電流を注入すると、活性領域１２０Ａｃａ１、１２０Ａｃｂ１は光増幅作用を発揮する。その結果、半導体光増幅器１２０Ａは光入出力ポート１２１Ａａから入力された光Ｌ３Ａを光増幅して光Ｌ３Ｂとして光入出力ポート１１１Ａｂから出力する。

同様に、半導体光増幅器１２０Ｂでは、活性層１２０Ｂｃａ、１２０Ｂｃｂのうちｐ側コンタクト電極で覆われた活性領域１２０Ｂｃａ１、１２０Ｂｃｂ１のそれぞれに電流を注入すると、活性領域１２０Ｂｃａ１、１２０Ｂｃｂ１は光増幅作用を発揮する。その結果、半導体光増幅器１２０Ｂは光入出力ポート１２１Ｂａから入力された光Ｌ４Ａを光増幅して光Ｌ４Ｂとして光入出力ポート１１１Ｂｂから出力する。

なお、トレンチ溝２３２、２３３、２３４の存在により、半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂは独立して駆動制御することができる。

以上の半導体積層構造において、活性層１１０Ａｃａ、１１０Ａｃｂ、１１０Ｂｃａ、１１０Ｂｃｂ、１２０Ａｃａ、１２０Ａｃｂ、１２０Ｂｃａ、１２０Ｂｃｂのいずれも、幅、厚さおよび実効屈折率が等しい。

半導体光増幅器アレイ素子２００では、半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂにおける活性領域の第１長さは等しく、かつ半導体光増幅器１２０Ａ、１２０Ｂにおける活性領域の第２長さは等しい。さらに、第１長さと第２長さとは異なり、本実施形態では第１長さは第２長さより長い。これにより、半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂの増幅特性は等しくでき、半導体光増幅器１２０Ａ、１２０Ｂの増幅特性は等しくでき、半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂの増幅特性と半導体光増幅器１２０Ａ、１２０Ｂの増幅特性とを異ならせることができる。

また、半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂの各の光入出力ポートは、半導体光増幅器アレイ素子２００の１つの端面２０１に設けられるので、半導体光増幅器アレイ素子２００と他の導波路素子との接続端面を１端面に集約できるというメリットがある。また、受動部１１２Ａ、１１２Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂの位置を変更するだけで、各活性層および各活性領域の長さを自由に調整できる。

また、受動部１１２Ａ、１１２Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂの光路が実質的に１８０度の角度で折り返しをするため、半導体光増幅器アレイ素子２００の素子長を短くすることができる。

以上のことから、半導体光増幅器アレイ素子２００では、折り返し配置の利点を享受した上に、活性領域の長さの調整による個別最適化が容易に実現できるので、たとえば、ＣＷ光用と変調光用で個別最適化された半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂを備える構成を実現できる。

半導体光増幅器アレイ素子２００は、たとえばＤＰ（Dual Polarization）−ＩＱ変調器と組み合わせて使用すると好適である。たとえば、光Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂとして、互いに直交する直線偏波を有するＣＷ光を半導体光増幅器アレイ素子２００に入力し、半導体光増幅器１１０Ａ、１１０Ｂによってそれぞれ光増幅して光Ｌ２Ａ、Ｌ２Ｂとして出力させる。その後、光Ｌ２Ａ、Ｌ２ＢをＩＱ変調器に入力し、変調光としての光Ｌ３Ａ、Ｌ３Ｂを生成する。さらに、光Ｌ３Ａ、Ｌ３Ｂを半導体光増幅器アレイ素子２００に入力し、半導体光増幅器１２０Ａ、１２０Ｂによってそれぞれ光増幅して光Ｌ２Ａ、Ｌ２Ｂとして出力させる。半導体光増幅器アレイ素子２００では１つのチップに４つの半導体光増幅器が集積されているので、製造、組み立ての工数を削減できる。

（実施形態３）
図５は、実施形態３に係る光モジュールの模式的な構成図である。光モジュール５００は、実施形態１に係る半導体光増幅器アレイ素子１００と、レーザ光源等のＣＷ光源３００と、ＩｎＰ変調器等の変調器４００と、を備えている。

光モジュール５００では、ＣＷ光源３００はＣＷ光である光Ｌ１を半導体光増幅器アレイ素子１００に出力する。半導体光増幅器アレイ素子１００は光Ｌ１を半導体光増幅器１１０によって光増幅して光Ｌ２として変調器４００に出力する。変調器４００は入力された光Ｌ２を変調して光Ｌ３として半導体光増幅器アレイ素子１００に出力する。半導体光増幅器アレイ素子１００は光Ｌ３を半導体光増幅器１２０によって光増幅して光Ｌ４として光モジュール５００から出力する。

なお、上記実施形態では、受動部は、Ｕ字型に屈曲しており、光路が実質的に１８０度の角度で折り返しをする折り返し部を構成しているが、屈曲が連続しておらず、直線部を挟んで幾つかに分割されていてもよいし、数度程度の微小な角度の違いがあってもよい。さらには、光入出力ポートから活性層が曲がっている部分の曲げ角度の合計が１８０度になっていてもよい。さらには、光が入力する光入出力ポート側の傾斜角度と光が出力する光入出力ポート側の傾斜角度を反対向きの傾斜にすることで、受動部における折り返しの角度を１８０度以外の角度にすることもできる。ただし、活性層の導波路形成工程は、半導体材料の結晶の面方位に依存するので、結晶面方位に対する各活性層の角度がほぼ同一になるように、折り返しや曲げの角度を設定することが好ましい。

なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００、２００半導体光増幅器アレイ素子
１００ａ基板
１００ｂ、１００ｆクラッド層
１００ｂａストライプメサ部
１００ｃ、１１０ｃａ、１１０ｃｂ、１２０ｃａ、１２０ｃｂ、１１０Ａｃａ、１１０Ａｃｂ、１１０Ｂｃａ、１１０Ｂｃｂ、１２０Ａｃａ、１２０Ａｃｂ、１２０Ｂｃａ、１２０Ｂｃｂ活性層
１００ｄ第１電流ブロック層
１００ｅ第２電流ブロック層
１００ｇコンタクト層
１００ｉパッシベーション膜
１００ｌ、１１０ｊ、１２０ｊ、１１０Ａｊ、１１０Ｂｊ、１２０Ａｊ、１２０Ｂｊ給電部
１００ｋｎ側コンタクト電極
１００ｍエッチングストップ層
１０１、２０１端面
１１０、１２０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂ半導体光増幅器
１１０ｃａ１、１１０ｃｂ１、１２０ｃａ１、１２０ｃｂ１、１１０Ａｃａ１、１１０Ａｃｂ１、１１０Ｂｃａ１、１１０Ｂｃｂ１、１２０Ａｃａ１、１２０Ａｃｂ１、１２０Ｂｃａ１、１２０Ｂｃｂ１活性領域
１１０ｈｐ側コンタクト電極
１１１、１２１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１２１Ａ、１２１Ｂ能動部
１１１ａ、１１１ｂ、１２１ａ、１２１ｂ、１１１Ａａ、１１１Ａｂ、１１１Ｂａ、１１１Ｂｂ、１２１Ａａ、１２１Ａｂ、１２１Ｂａ、１２１Ｂｂ光入出力ポート
１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ、１２２、１２２Ａ、１２２Ｂ受動部
１３１、１３２、１３３、２３１、２３２、２３３、２３４、２３５トレンチ溝
１４１、１４２物理接触領域
３００ＣＷ光源
４００変調器
５００光モジュール
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ、Ｌ２Ａ、Ｌ２Ｂ、Ｌ３Ａ、Ｌ３Ｂ、Ｌ４Ａ、Ｌ４Ｂ光

Claims

基板と、
前記基板上に形成されており、それぞれが活性領域を有する複数の半導体光増幅器と、
を備え、
前記複数の半導体光増幅器がそれぞれ有する２つの光入出力ポートは、いずれも前記活性領域のそれぞれに光学的に接続するとともに、いずれも当該半導体光増幅器アレイ素子の同一の端面に設けられており、
前記複数の半導体光増幅器は、前記活性領域の長さが第１長さである第１半導体光増幅器と、前記活性領域の長さが前記第１長さとは異なる第２長さの第２半導体光増幅器と、を含む
半導体光増幅器アレイ素子。
前記複数の半導体光増幅器は、前記２つの光入出力ポートの間に、光路が実質的に１８０度の角度で折り返しをする導波路で構成されている折り返し部を有する
請求項１に記載の半導体光増幅器アレイ素子。
前記第１半導体光増幅器の前記第１長さは、前記第２半導体光増幅器の前記第２長さより長く、
前記第１半導体光増幅器の光入出力ポートは、連続光が入力され、前記第２半導体光増幅器の光入出力ポートは、変調光が入力される
請求項１または２に記載の半導体光増幅器アレイ素子。