JP3799628B2 - 半導体光集積素子及び半導体光集積素子の駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体光集積素子に係り, 特に電界吸収型光変調器集積化分布帰還型レーザに関する。
【０００２】
同一半導体基板上に発光領域と光変調領域が集積された半導体光集積素子は, 大容量光ファイバ通信システムにおける小型高性能の光源として有望である。特に, 分布帰還型レーザに電界吸収型光変調器を集積した電界吸収型光変調器集積化分布帰還型レーザは波長チャープが少なく従って伝送容量を増大することができるため，10 Gbit/s のような大容量の光ファイバ通信システムの光源として中心的な役割を果たすことが期待されている。
【０００３】
【従来の技術】
電界吸収型光変調器集積化分布帰還型レーザは，活性層を含む分布帰還型レーザと, 吸収層を含む電界吸収型光変調領域からなり，相互に電気的に分離された電極を各領域に配置した構造になっている。
【０００４】
活性層と吸収層は連続して接続されており，それらの間の材料, 組成, 層厚を変えることにより, 吸収層のエネルギーギャップが活性層のそれより大きくなるように設定されている。
【０００５】
このような構造の素子において，分布帰還型レーザ領域に定電流を流して発振させた後, 電界吸収型光変調領域に電圧が印加されなければ吸収層の吸収端はレーザ光のエネルギーより高エネルギー側にあるため，レーザ光に対する吸収層での吸収係数は小さく電界吸収型光変調領域を通過して出射端から放射される。一方, 電界吸収型光変調領域に電圧が印加されると, 吸収層の吸収端が低エネルギー側にシフトするためレーザ光に対する吸収層の吸収係数が大きくなり, レーザ光は吸収され, 正孔と電子の対に変換されて吸収電流が流れる。このようにして，電界吸収型光変調領域に変調信号電圧を印加することで，レーザ光に強度変調が行われる。
【０００６】
電界吸収型光変調器集積化分布帰還型レーザは, 単体の分布帰還型レーザと電界吸収型光変調器集を組み合わせた光源と比較すると, アイソレータやレンズがないため構成が簡単で安定性が高い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の電界吸収型光変調器集積化分布帰還型レーザは，分布帰還型レーザ領域と電界吸収型光変調領域の光結合効率が高く, 単体の電界吸収型光変調器と比較して, 非常に大きなパワーのレーザ光が電界吸収型光変調領域に入る。このため，吸収層にフォトキャリアが蓄積しやすくなり，周波数応答特性等の変調特性が劣化する。この特性劣化を起こさないためには電界吸収型光変調領域を長くする必要があり，そのために寄生容量が大きくなり高周波信号が入りにくくなったりする。また, 大きな吸収電流が流れるため，駆動回路の負担が大きくなり，駆動回路と変調器間のインピーダンスのミスマッチを起こしやすくなる。
【０００８】
分布帰還型レーザに流す電流を小さくすれば, 電界吸収型光変調領域に入るレーザ光のパワーを小さくできるが，伝送特性をよくするためにはレーザの発振を安定させることが必要であり，このためには比較的大きな電流を分布帰還型レーザに流す必要がある。
【０００９】
あるいは，分布帰還型レーザ領域と電界吸収型光変調領域の接合部において，光の散乱を大きくすれば, 電界吸収型光変調領域に入る光のパワーを小さくできるが，光出力がレーザ端面から伝播後に回折により広がった光強度分布を示す遠視野像を劣化させるおそれがある。
【００１０】
本発明は，伝送特性を向上させるのに必要な比較的大きな電流を分布帰還型レーザ領域に流しながら，発光遠視野像を劣化させることなく, 電界吸収型光変調領域に特性劣化を起こすことのない小さなパワーのレーザ光を結合させる素子構造を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決は、同一半導体基板上に発光領域と、光量調整領域と、光変調領域とがこの順に光軸を共有して集積され、前記発光領域は、前記光変調領域が吸収飽和を起こす光量より大きな光量を発光し、前記光量調整領域は、光吸収層と電極を有し、前記電極に直流電圧が印加されて前記光吸収層における光吸収率の増加量が調整され、これによって前記発光領域から前記光変調領域に到達する光量が前記光変調領域で吸収飽和を起こす光量より小さくなるように減衰され、前記光変調領域は、前記光量調整領域で減衰された光を変調することを特徴とする半導体光集積素子、
あるいは、同一半導体基板上に発光領域と、光量調整領域と、光変調領域とがこの順に光軸を共有して集積され、前記光量調整領域が光吸収層と電極を有する半導体光集積素子の駆動方法であって、前記光変調領域が吸収飽和を起こす光量より大きな光量を前記発光領域で発光させ、前記電極に直流電圧を印加して前記光吸収層における光吸収率の増加量を調整し、これによって前記発光領域から前記光変調領域に到達する光量を前記光変調領域が吸収飽和を起こす光量より小さくなるように減衰させ、前記光量調整領域で減衰された光を前記光変調領域で変調することを特徴とする半導体光集積素子の駆動方法により達成される。
【００１２】
【作用】
本発明の半導体光集積素子は, 分布帰還型レーザ領域と電界吸収型光変調領域の間に, 以下に説明する機能を有する(1) 光量調整領域, あるいは(2) 光量減衰領域を設ける。
(1) 光量調整領域
図１に光量調整領域を有する半導体光集積素子の断面を示す。
【００１３】
図で， 1は半導体基板でInP 基板, 2は回折格子, 3は光ガイド層, 4はMQW 活性層, 5は光ガイド層, 6はQW吸収層, 7は光ガイド層, 8はMQW 吸収層, 9 は光ガイド層, 10はクラッド層, 11はコンタクト層, 13〜16は電極である。
【００１４】
分布帰還型レーザ領域と電界吸収型光変調領域との間に光量調整領域を配置する。この領域には，各領域に対して電気的に分離された電極を設けている。光量調整領域の吸収層は材料，組成，層厚を変えることにより，吸収層のエネルギーギャップが活性層のそれより大きくなるように設定する。
【００１５】
光量調整領域に電圧を印加することにより，吸収層の吸収端が低エネルギー側にシフトさせ，レーザ光に対する吸収層の吸収係数を大きくすることで電界吸収型光変調領域に入るレーザ光のパワーを調整することが可能となる。変調信号電圧を印加する電界吸収型光変調領域には適正なレーザ光のパワーを入れることでフォトキャリアの蓄積による変調特性の劣化が起こることを防止できる。また，吸収電流が小さくなるため，駆動回路の負担は小さくなり，インピーダンスのミスマッチが緩和される。さらに，このような構成ではレーザ光の散乱を伴わないため発光遠視野像を劣化させることはない。
(2) 光量減衰領域
図２に光量減衰領域を有する半導体光集積素子の断面を示す。
【００１６】
分布帰還型レーザ領域と電界吸収型光変調領域との間に光量減衰領域を配置する。この領域にはハイドープされた吸収層を配置する。これにより，電界吸収型光変調領域に入るレーザ光のパワーを減衰することが可能となる。その結果(1) の場合と同様に，変調信号電圧を印加する電界吸収型光変調領域には適正なレーザ光のパワーを入れることでフォトキャリアの蓄積による変調特性の劣化が起こることを防止できる。また，吸収電流が小さくなるため，駆動回路の負担は小さくなり，インピーダンスのミスマッチが緩和される。このような構成ではレーザ光の散乱を伴わないため発光遠視野像を劣化させることはない。
【００１７】
【実施例】
次に, 1.55μｍ帯の光源を例にとって, 製造プロセスとともに実施例を説明する。
【００１８】
〔図３(A) 参照〕：
(1)部分回折格子の形成
InP 基板 1上に部分回折格子を形成する。分布帰還型レーザ領域となる部分に回折格子 2を形成し，電界吸収型光変調領域となる部分はフラットのまま残す。
【００１９】
回折格子は周期が 241 nm, 深さが 30 nmである。
(2)分布帰還型レーザ領域の成長
有機金属気相成長(MOVPE) 法により, 光ガイド層 3, 多重量子井戸(MQW) 活性層 4, 光ガイド層 5を成長する。
【００２０】
光ガイド層 3, 5 は厚さ 100 nm, 波長1.15μｍ組成のInGaAsP 層である。
MQW 活性層 4は 10 層の井戸層と障壁層とからなる。井戸層は厚さ 5.1 nm,圧縮歪み 0.8％のInGaAsP 層, 障壁層は厚さ 10 nm, 波長1.30μｍ組成のInGaAsP 層である。
【００２１】
〔図３(B) 参照〕：
(3)光量調整領域形成用のエッチングマスク兼再成長マスクの形成
回折格子 2の存在する領域に二酸化シリコン(SiO₂)膜からなるマスクを形成し, 光量調整領域形成用のエッチングマスク兼成長マスクとする。
【００２２】
(4)エッチング
光ガイド層 5及びMQW 活性層 4をエッチングする。
〔図３(C) 参照〕：
(5)光量調整領域の成長
MOVPE 法により, MQW 吸収層 6, 光ガイド層 7を成長する。
【００２３】
光ガイド層 7は厚さ 100 nm, 波長1.15μｍ組成のInGaAsP 層である。
MQW 活性層 4は 10 層の井戸層と障壁層とからなる。井戸層は厚さ 9.0 nm,波長 1.582μｍ組成のInGaAsP 層, 障壁層は厚さ 5.1nm, 波長 1.15 μｍ組成の InGaAsP 層である。
【００２４】
〔図３(D) 参照〕：
(6)電界吸収型光変調領域形成用のエッチングマスク兼再成長マスクの形成
回折格子の存在する部分及び光量調整領域となる部分に SiO₂ からなるマスクを形成し，電界吸収型光変調領域形成用のエッチングマスク兼再成長マスクとする。
【００２５】
(7)エッチング
光ガイド層 8及びMQW 吸収層 7をエッチングする。
〔図４(E) 参照〕：
(8)電界吸収型光変調領域の成長
MOVPE 法により, MQW 吸収層 8, 光ガイド層 9を成長する。
【００２６】
光ガイド層 9は厚さ 100 nm, 波長1.15μｍ組成のInGaAsP 層である。
MQW 活性層 8は 10 層の井戸層と障壁層とからなる。井戸層は厚さ 9.0 nm,波長 1.569μｍ組成のInGaAsP 層, 障壁層は厚さ 5.1nm, 波長 1.15 μｍ組成の InGaAsP 層である。
【００２７】
(9)エッチングマスク兼再成長マスクの除去
〔図４(F) の横断面図参照〕：
(10)クラッド層及びコンタクト層の成長
MOVPE 法により, クラッド層10, コンタクト層11を成長する。
【００２８】
クラッド層10は厚さ 1μｍのInP 層, コンタクト層11は厚さ 400nm, 波長 1.3μｍ組成のInGaAsP 層である。
〔図４(G) 参照〕：
(11)導波路形成用のエッチングマスク兼再成長マスクの形成
回折格子に対し垂直方向に幅 1.5μｍのSiO₂マスクを形成し, 導波路形成用のエッチングマスク兼再成長マスクとする。
(12)エッチング
コンタクト層11, クラッド層10, ガイド層5, 7, 9, MQW 活性層 4, MQW 吸収層 6, 8, 光ガイド層 3をエッチングする。
(13)電流狭窄層の形成
MOVPE 法により, 電流狭窄層12を成長する。
【００２９】
電流狭窄層12は, 厚さ2.5 μｍの鉄(Fe)ドープのInP 層である。
(14)電極膜の形成
基板の両側に電極膜を成膜する。
【００３０】
▲１▼光量調整の場合
(15)電極の分離
成長層側は, 分布帰還型レーザ領域, 光量調整領域, 電界吸収型光変調領域を電気的に分離するために，各領域間を50μｍの長さにわたって, 電極とコンタクト層をエッチング除去して, 電極13,15,14を形成する。基板側には共通電極16を形成する。
【００３１】
ここで，各領域の共振器方向の長さはレーザ領域が 300μｍ, 50μｍの間隔をおいて光量調整領域の長さが200 μｍ, 50μｍの間隔をおいて電界吸収型光変調領域の長さが 200μｍである。
【００３２】
▲２▼光量減衰の場合
成長層側は, 分布帰還型レーザ領域, 電界吸収型光変調領域を電気的に分離するために，各領域間を 500μｍの長さにわたって, 電極とコンタクト層をエッチング除去して, 電極13,14 を形成する。基板側には共通電極16を形成する。
【００３３】
ここで，各領域の共振器方向の長さはレーザ領域が 300μｍ, 光量減衰領域が 500μｍ, 電界吸収型光変調領域の長さが 200μｍである。
また，光量減衰領域の吸収層の不純物濃度はりん(P) ドープの 1×10¹⁹cm^-3以上, 光変調領域のそれはノントープである。
【００３４】
次に，光量調整の具体例を例示する。
実施例で作製された光量調整領域に−１V を加えた場合は−10 dB,−２V を加えた場合は−20 dB である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば，比較的大きな電流を分布帰還型レーザ領域に流しながら，発光遠視野像を劣化させることなく且つ電界吸収型光変調領域に吸収飽和を起こすことのない小さなパワーのレーザ光を結合させる素子構造が得られることにより光通信システムの伝送特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の原理説明図(1)
【図２】 本発明の原理説明図(2)
【図３】 本発明の実施例の説明図(1)
【図４】 本発明の実施例の説明図(2)
【図５】 本発明の実施例の説明図(3)
【符号の説明】
1 半導体基板でInP 基板
2 回折格子
3 光ガイド層
4 MQW 活性層 6 MQW 吸収層 8 MQW 吸収層
5 光ガイド層 7 光ガイド層 9 光ガイド層
10 クラッド層
11 コンタクト層
12 電流狭窄層
13〜16 電極

Claims (2)

1. 同一半導体基板上に発光領域と、光量調整領域と、光変調領域とがこの順に光軸を共有して集積され、
   前記発光領域は、前記光変調領域が吸収飽和を起こす光量より大きな光量を発光し、
   前記光量調整領域は、光吸収層と電極を有し、前記電極に直流電圧が印加されて前記光吸収層における光吸収率の増加量が調整され、これによって前記発光領域から前記光変調領域に到達する光量が前記光変調領域で吸収飽和を起こす光量より小さくなるように減衰され、
   前記光変調領域は、前記光量調整領域で減衰された光を変調することを特徴とする半導体光集積素子。
2. 同一半導体基板上に発光領域と、光量調整領域と、光変調領域とがこの順に光軸を共有して集積され、前記光量調整領域が光吸収層と電極を有する半導体光集積素子の駆動方法であって、
   前記光変調領域が吸収飽和を起こす光量より大きな光量を前記発光領域で発光させ、
   前記電極に直流電圧を印加して前記光吸収層における光吸収率の増加量を調整し、これによって前記発光領域から前記光変調領域に到達する光量を前記光変調領域が吸収飽和を起こす光量より小さくなるように減衰させ、
   前記光量調整領域で減衰された光を前記光変調領域で変調することを特徴とする半導体光集積素子の駆動方法。

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