JP3890291B2 - 電界吸収型変調器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝送速度が２．５Ｇｂｉｔ／ｓ以上である基幹系光伝送の主要部品の一つである半導体電界吸収型変調器に関する技術であり、特にその技術分野は半導体電界吸収型変調器を搭載した光通信用半導体レーザモジュール、光送信モジュール、光伝送装置および光通信システムに適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者が検討したところによれば、半導体電界吸収型変調器については、以下のような技術が考えられる。
【０００３】
（従来の技術１）
従来の技術１について、光伝送用の伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ半導体電界吸収型変調器集積光源の例を用いて説明する。
【０００４】
１０Ｇｂｉｔ／ｓ半導体電界吸収型変調器集積レーザ（以下、ＥＡ（Electro-Absorption）変調器集積レーザ）は、一定電流により駆動させるＤＦＢレーザ（Distributed feedback laser）部と、変調電圧により動作させるＥＡ変調器部により構成されている。ＥＡ変調器とは、ＥＡ変調器部に電圧を印加することにより生じる量子閉じ込めシュタルク効果を利用して、ＥＡ変調器部活性層吸収端をシフトさせることにより、ＤＦＢレーザの光をオン・オフするＥＡ変調器である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
このＥＡ変調器集積レーザと、ペルチェ、レンズ、アイソレータ、光ファイバ、及びモニタホトダイオード等を同一パッケージに実装することにより、レーザモジュールが構成される。さらに、このレーザモジュールを、レーザ駆動電流源、変調器駆動回路、バイアス振幅制御回路、及び温度制御回路等とともに実装することにより、１０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用光送信モジュールが構成される。これらのレーザモジュール、及び光送信モジュールは半導体レーザ装置と呼ばれる。
【０００６】
この１０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用光送信モジュールが所望の特性を得るためには、ＥＡ変調器集積レーザにおいて、帯域、変調時光出力、消光比、及びファイバ分散耐力の指標であるαパラメータ等の特性について、所望の特性を満足しなければならない。
【０００７】
一方、従来のＥＡ変調器集積レーザにおいて、レーザの電流は通常６５ｍＡであるが、さらに光出力を得るために電流を増加させると、ＥＡ変調器に入射する光が増加し、変調器半導体活性層内におけるキャリア密度が増大する。この現象は、変調器に流れるホトカレント電流にて確認することが可能である。このキャリア密度が極端に増大すると、ＥＡ変調器に印加した電界が遮断され、ＥＡ変調器活性層において電圧降下が生じる。この電圧降下により、実際に外部から印加した電圧と実効的に活性層へ印加される電圧とに差異が生じる。
【０００８】
ＥＡ変調器集積レーザの重要な特性である消光比、帯域、及びチャープ特性はＥＡ変調器活性層に実効的にかかる電圧に対して依存性があるため、前述の電圧降下が生じると、これらの特性が変わることになる。すなわち、レーザの電流を変えてＥＡ変調器に入力させる光強度を増加させると、変調器の特性が変わってしまう。
【０００９】
さらに、前述の電界遮断は、周波数応答の劣化も引き起こすことが知られている。この現象は、レーザとノモリシック集積されていない単体のＥＡ変調器素子でも、外部から光を入射させることにより同様のことが発生する。
【００１０】
（従来の技術２）
従来の技術２について、光伝送用の伝送速度４０Ｇｂｉｔ／ｓ半導体インピーダンス制御型電極構造を用いた電界吸収型変調器の例を用いて説明する。
【００１１】
４０Ｇｂｉｔ／ｓ半導体電界吸収型変調器（以下、ＥＡ変調器）は、（従来の技術１）で述べたＥＡ変調器と光をオン・オフする原理は同一である。変調器への高周波電界を印加する方式が異なり、本ＥＡ変調器は、インピーダンス制御型電極構造を用いたＥＡ変調器である（例えば、非特許文献２参照）。インピーダンス制御型電極構造とは、マイクロ波の進行方向を、光の進行方向とを一致させることにより、変調器全体のＣＲ時定数が動作周波数を制限しなくなるため、より高速動作を実現するものである。
【００１２】
このＥＡ変調器と、ペルチェ、レンズ、光ファイバ、及び変調器駆動用ドライバＩＣを同一パッケージに実装することにより、ＥＡ変調器光素子モジュールが構成される。
【００１３】
４０Ｇｂｉｔ／ｓのＥＡ変調器においても、（従来の技術１）で述べた、ＥＡ変調器特性の光入力強度依存性、及び、光入力強度増大時の周波数応答の劣化が大きな課題である。これに加えて、４０Ｇｂｉｔ／ｓＥＡ変調器においては、十分な消光特性を実現することが、次の理由で非常に困難である。
【００１４】
現状、４０Ｇｂｉｔ／ｓの高速動作を実現できるＥＡ変調器駆動ドライバは、高出力化が困難であり、電圧３Ｖ程度しか実現していない。３Ｖ以下の振幅電圧では、現在のＥＡ変調器との組み合わせにおいて、消光特性が不十分である。さらに、インピーダンス制御型電極構造のＥＡ変調器においては、ＥＡ変調器駆動ドライバの出力であるマイクロ波の強度がインピーダンス制御型電極を通過するにしたがって減衰することが知られている。
【００１５】
従来の光導波路幅が一定であるＥＡ変調器の場合、閉じ込め係数が導波路の光軸方向で一定であるが、マイクロ波で印加される電圧は導波路の光軸方向で光の出射方向に向って減衰する。このため、マイクロ波電界強度が強い導波路入射側では、変調時の光吸収量が多く、その吸収量はほぼ飽和レベルに近くになる。
【００１６】
一方、マイクロ波電界強度が弱い導波路出射側では入射側に比べて光吸収量が小さい。もし、導波路入射側で、光吸収の飽和レベルが大きければ、マイクロ波電界強度が強い場合に、より光を吸収することが可能であると言える。つまり、この導波路における光吸収レベルとマイクロ波強度の関係が、効率良く変調器活性層に電界を印加することの妨げとなっている。
【００１７】
（従来の技術３）
従来の技術３として、ＥＡ変調器では、信号光を吸収することにより、内部に光吸収電流が発生するため、信号光の強度が大きいと光吸収電流が多量となり、その高速動作が制限されてしまうという問題があるため、光吸収電流を効率良く引き出すことが高周波特性を向上させるために重要である。
【００１８】
そこで、このようなＥＡ変調器では、光閉じ込め層と光吸収層との合計厚さが他端側よりも一端側ほど厚くしたことを特徴とする技術がある。この技術によれば、光吸収電流の発生領域を均一化させることにより、光吸収電流を効率良く引き出すことができるＥＡ変調器を提供することができる（例えば、特許文献１、２参照）。
【００１９】
【非特許文献１】
青木，他〔M.Aoki, et.al.〕、”ハイスピード（１０ギガビットパーセック） アンド ロー ドライブ ボルテージ（１ボルト ピークトウ ピーク） インジウムガリウム砒素／インジウムガリウム砒素リン エムキュウダブリュウ エレクトロアブソープション モジュレータ インテグレイテッド ディエフビー レーザ ウィズ セミインシュレイティング バリッド ヘテロストラクチャー〔High-s peed(10Gbit/s) and low-drive-voltage(1V peak to peak) InGaAs/ InGaAsP MQW electroabsorption modulator integrated DFB laser w ith semi-insulating buried heterostructure〕”、エレクトロンレターズ〔Electron. Lett.〕、２８分冊〔vol.28〕、ｐｐ．１１５７−１１５８、１９９２
【００２０】
【非特許文献２】
白井，他〔M.shirai, et.al.〕、第２８回 ヨーロピアン コンファレンス オン オプティカル コミュニケイションズ（イーシーオーシー２００２） プロシーディングス ９．５．４〔Proc. 28^th Euro pean Conference on Optical Communications (ECOC2002), 9.5. 4〕、”インピーダンス コントロールド エレクトロード（アイシーイー） セミコンダクタ モジュレイターズ フォー １．３マイクロメートル４０ギガバイトパーセック トランシーバズ〔IMPEDANCE- CONTROLLED-ELECTRODE(ICE) SEMICONDUCTOR MODURATORS FOR 1.3-μm -40-Gbit/s TRANCEIVERS〕”
【００２１】
【特許文献１】
特開２００１−１４２０３６号公報（第１頁の要約など）
【００２２】
【特許文献２】
特開２００１−２４２８９号公報（第１頁の要約など）
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のようなＥＡ変調器の技術について、本発明者が検討した結果、本発明により解決可能な課題は２つ考えられる。
【００２４】
一つは、ＥＡ変調器活性層内におけるキャリア密度増大の抑制である。このキャリア密度増大により、ＥＡ変調器に印加した電界が遮断され、即ちレーザの出力を上げてＥＡ変調器に入力させる光強度を増加させると、変調器の特性が変わってしまう。また、このキャリア密度の増大は周波数応答の劣化も引き起こす。
【００２５】
二つ目の課題は、インピーダンス制御型電極構造のＥＡ変調器における、変調器活性層への電界強度印加効率の改善である。高速の変調動作においては、ＥＡ変調器、及びこれを駆動するドライバの制限により、十分な消光特性を得ることが困難である。特にインピーダンス制御型電極構造のＥＡ変調器においては、マイクロ波の強度がインピーダンス制御型電極の入力側、つまり変調器導波路光入力側で大きく、出力側、即ち変調器導波路光入力側では減衰することが知られている。
【００２６】
従来の光導波路幅が一定であるＥＡ変調器の場合、閉じ込め係数が導波路の光軸方向で一定であるが、マイクロ波で印加される電圧は導波路の光軸方向で光の出射方向に向って減衰する。このため、マイクロ波電界強度が強い導波路入射側では、変調時の光吸収量が飽和レベルに近くなり、マイクロ波電界強度が弱い導波路出射側では入射側に比べて光吸収量が小さい。この導波路における光吸収レベルとマイクロ波強度の関係が、効率良く変調器活性層に電界を印加することの妨げとなっている。
【００２７】
そこで、本発明は、前述の一つ目の課題を解決し、電界吸収型変調器の活性層内におけるキャリア密度の増大を抑制して変調器の特性劣化を抑制することができる半導体電界吸収型変調器を提供することを目的とするものである。
【００２８】
さらに、本発明は、前述の二つ目の課題を解決し、インピーダンス制御型電界吸収型変調器における活性層への電界印加効率を改善することができる半導体電界吸収型変調器を提供することを目的とするものである。
【００２９】
なお、前述の従来の技術（特許文献１、２）においては、本発明と同様の課題を解決するための技術として類似するが、光導波路の構造が異なっている。すなわち、特許文献１、２では、光導波路の厚さ方向を特定したものであるが、本発明では光導波路の平面上における幅方向を特定したものである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の一つ目の課題である、ＥＡ変調器活性層内におけるキャリア密度増大の抑制について、光の吸収量の集中を低減し、光の吸収量を均一にすることにより、キャリア密度の増大を抑えることが可能である。
【００３１】
具体的には、光強度が大きいＥＡ変調器入力部分でＩｎＰ基板と平行な方向の光導波路幅を大きくし、光吸収が生じる活性層における光密度を低減することが考えられる。また、ＥＡ変調器内部での光強度は、導波路の軸方向で活性層による吸収が起きるため、光導波路入射部からの光導波路長ｘでの光強度は、Ｐ（ｘ）＝Ｐ（０）ｅｘｐ（−Γαｘ）で表される。ここで、Γは光導波路の光閉じ込め係数、αは活性層の吸収係数、ｘは光導波路入射部からの光導波路長、Ｐ（０）は入射光強度である。つまり、入射光は光導波路入射端から出射方向に向って、徐々に小さくなる。
【００３２】
したがって、ＥＡ変調器光導波路の幅を、光強度が最も大きい入射部で幅を広くし、ここから出射部にかけて連続的に細いテーパ形状にすることにより、光強度が大きい入射側で光密度を低減することが可能となる。これにより、光の単位面積当たりの吸収量を光軸方向で平均化する方向へ近づけることが可能となり、キャリア密度の極度な増大を抑制することができる。したがって上記構造を採用することにより、ＥＡ変調器の消光特性、チャープ特性等における入力光強度依存性の低減が可能となり、且つ周波数応答の劣化を抑えることが可能となる。
【００３３】
さらに、本発明は、前述の二つ目の課題である、インピーダンス制御型電極構造のＥＡ変調器における、変調器活性層への電界強度印加効率の改善についても、同様の手段にて解決が可能である。
【００３４】
（従来の技術２）で述べた４０Ｇｂｉｔ／ｓ半導体インピーダンス制御型電極構造を用いた電界吸収型変調器において、ＥＡ変調器入力側において、ＩｎＰ基板と平行な方向の光導波路幅を大きくし、ＥＡ変調器出力側に向って、連続的に導波路幅を細いテーパ形状とする。この構造を採用することで、以下の２つの理由により活性層部の実効印加電圧の改善が可能となる。
【００３５】
第一の理由は、先に述べたように、キャリア密度を光軸方向で平均化することが可能となり、導波路活性層部に印加される電界の遮断効果が低減されるためである。
【００３６】
続いて第二の理由について説明する。インピーダンス制御型電極構造のＥＡ変調器においては、ＥＡ変調器駆動ドライバの出力であるマイクロ波の強度がインピーダンス制御型電極を通過するにしたがって減衰することが知られている。
【００３７】
従来の光導波路幅が一定であるＥＡ変調器の場合、閉じ込め係数が導波路の光軸方向で一定であるが、マイクロ波で印加される電圧は導波路の光軸方向で光の出射方向に向って減衰する。このため、マイクロ波電界強度が強い導波路入射側では、変調時の光吸収量が大きくなり、且つ光吸収がその飽和レベルに近くなる。ここで光吸収の飽和レベルとは、電界を印加してもそれ以上光吸収が生じない状態をいい、飽和レベルに近づくと光吸収が生じ難くなることが知られている。
【００３８】
一方、マイクロ波電界強度が弱い導波路出射側では入射側に比べて光吸収量が小さい。例えば、導波路入射側において、光吸収の飽和レベルが大きければ、強い電界に対しても光吸収量が飽和により減少することなく、より光を吸収することが可能であると言える。光吸収の飽和レベルは、光導波路幅を大きくすることにより達成可能である。
【００３９】
したがって、本発明の光導波路構造を採用することにより、光吸収の飽和レベルが出射側より大きい光導波路の入射側において、強度の減衰が少ない十分強いマイクロ波で光導波路活性層に電界を印加するため、光を効率良く消光することが可能となる。
【００４０】
以上の２つの理由により、活性層部の実効印加電圧の改善が可能となり、ＥＡ変調器の消光特性の改善が実現できる。また、ＥＡ変調器特性における入力光強度依存性の低減と周波数応答の劣化の抑制も、同時に実現することは繰り返すまでもない。
【００４１】
さらに、本発明は、前述のようなＥＡ変調器、またはインピーダンス制御型電極構造のＥＡ変調器とレーザ（例えば単一モードレーザ等）とを集積したＥＡ変調器集積光源（レーザ）、さらにこれらを搭載した半導体素子モジュール、光送信モジュール、ならびに光伝送装置等に適用して、光出力安定性や信頼性を向上することが可能となる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００４３】
（実施の形態１）
図１により、本発明における実施の形態１として、伝送速度１０Ｇｂｉｔ/ ｓ、２０ｋｍ光伝送用である、波長１．５μｍ帯半導体ＥＡ変調器について説明する。併せて、図２により図１の半導体ＥＡ変調器を搭載した半導体素子モジュール、図３により半導体ＥＡ変調器の変形例を説明する。図１は実施の形態１の半導体ＥＡ変調器を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ’切断面の断面図を示す。図２は半導体ＥＡ変調器を搭載した半導体素子モジュールの平面図を示す。図３は半導体ＥＡ変調器の変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ’切断面の断面図を示す。
【００４４】
本実施の形態における、伝送速度１０Ｇｂｉｔ/ ｓ、２０ｋｍ光伝送用である、波長１．５μｍ帯半導体ＥＡ変調器の素子は、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１００上に、第１回目の結晶成長として、有機金属気相法を用いた公知の選択成長法によりＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層１０１、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と障壁層８周期からなる歪多重量子井戸層（以下、量子井戸層）１０２、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層１０３、ＩｎＰクラッド層１０４、及びＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５を形成する。
【００４５】
次に、電界を印加して光を吸収する活性層を有するＥＡ変調器部光導波路１０６を形成するため、通常のホトリフォグラフィ技術とＢｒ系エッチャントを用いたウェットエッチングにて、ＥＡ変調器部光導波路１０６を形成する。この光導波路形成おいて、ＥＡ変調器部のＩｎＰ基板と平行な方向の光導波路幅が、例えば一例として、ＥＡ変調器の入力側において２μｍとし、ＥＡ変調器の出力側に向って、連続的に１．４μｍまで細くなるような形状に形成する。具体的には、ホトマスクのパターンをテーパ形状に設計することにより、実現可能である。
【００４６】
ここで、このテーパ形状に形成されたＥＡ変調器部光導波路１０６は、ＥＡ変調器動作時に光の吸収が生じる、下側光ガイド層１０１、量子井戸層１０２、及び上側光ガイド層１０３を含んでいる。さらに、低容量化のためＦｅ−ＩｎＰ層による光導波路の両側を埋め込み再成長を行う。
【００４７】
続いて、パッシベーション膜１０７を半導体全面に形成した後、テーパ状のＥＡ変調器部活性層に電界が印加されるように、スルーホールを形成した後、ｐ側電極１０８、及びｎ側電極１０９の形成を経て図１に示す素子が作製される。ＥＡ変調器部光導波路１０６に電流を注入する長さである変調器長は、素子の帯域を決める変調器部分の容量、および消光比を考慮して１６０μｍとし、ＥＡ変調器端面には無反射コーティングを施してある。
【００４８】
続いて、上記素子の光伝送用ＥＡ変調器２０１を終端抵抗が付いて高周波設計がなされたチップキャリア２０２に搭載し、ペルチェ基板２０３、レンズ２０４、光ファイバ２０５等を同一パッケージに実装することにより、図２に示すような半導体素子モジュールが構成される。
【００４９】
このＥＡ変調器搭載の際には、ＥＡ変調器部光導波路幅が広い方を光入力とし、狭い方を光出力側になるように配置されている。したがって、光の入射側から出射方向にかけてテーパ状に形成されているため、キャリア密度の増大を抑制することができる。
【００５０】
これによって、ＥＡ変調器特性における入力光強度依存性の低減が可能となり、且つ周波数応答の劣化を抑えることが可能となる。
【００５１】
本実施の形態においては、テーパ形状の大きさを、ＥＡ変調器光入力側では２μｍ、出射側では１．４μｍとしたが、歪多重量子井戸を含めた層構造により、この最適値は異なる。
【００５２】
さらに、低容量化等の設計により、導波路形状において、図３に示すように、ＥＡ変調器部光導波路１０６の前後に電流を印加しないパッシブ光導波路３０１をジョイントする構造も考えられる。この場合も図１の場合と同様の効果が得られる。
【００５３】
また、本実施の形態では、ＥＡ変調器部分の多重量子井戸について、Ｐ系材料であるＩｎＧａＡｓＰの４元混晶を用いている。これに対し、多重量子井戸にＡｌ系材料を用いた場合は、そのバンドオフセットの特徴から、低チャープで且つ消光比の大きい変調器設計が可能となる(参考文献として、清水，他〔J.Shimizu, et al.〕、第７回 オプトエレクトロニクス アンド コミュニケイションズコンファレンス（オウイーシーシー２００２） テクニカル ダイジェスト〔Tech. Dig. 7^th Optoelectronics and Communications Conference (OECC2002）〕、ｐｐ５０６−５０７、２００２)。この場合においても、本発明の導波路構造をとることにより、入力光強度依存性低減等の同様の効果が得られる。
【００５４】
（実施の形態２）
図４により、本発明における実施の形態２として、伝送速度１０Ｇｂｉｔ/ ｓ、２０ｋｍ光伝送用である、波長１．５μｍ帯半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザについて説明する。併せて、図５により半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの変形例を説明する。図４は実施の形態２の半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ’切断面の断面図を示す。図５は半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ’切断面の断面図を示す。
【００５５】
本実施の形態における、伝送速度１０Ｇｂｉｔ/ ｓ、２０ｋｍ光伝送用である、波長１．５μｍ帯半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの素子は、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１００上に選択成長用酸化膜マスクを形成した後、第１回目の結晶成長として、有機金属気相法を用いた公知の選択成長法によりＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層１０１、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と障壁層８周期からなる量子井戸層１０２、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層１０３を形成する。選択成長を用いることにより、ＥＡ変調器部における量子井戸層１０２の総厚がレーザ部における総厚より薄く形成される。したがって、ＥＡ変調器部における量子井戸層１０２の吸収波長がレーザ部のそれに比べて小さくなる。
【００５６】
さらに、回折格子形成、クラッド層１０４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５を形成する。次に光導波路を形成するため、通常のホトリフォグラフィ技術とＢｒ系エッチャントを用いたウェットエッチングにて、ＥＡ変調器部光導波路１０６とレーザ部光導波路４０１を一括形成する。この光導波路形成おいて、ＥＡ変調器部のＩｎＰ基板と平行な方向の光導波路幅が、例えば一例として、ＥＡ変調器の入力側において２μｍとし、ＥＡ変調器の出力側に向って、連続的に１．４μｍまで細くなるような形状に形成する。具体的には、ホトマスクのパターンをテーパ形状に設計することにより、実現可能である。
【００５７】
ここで、このテーパ形状に形成されたＥＡ変調器部光導波路１０６は、ＥＡ変調器動作時に光の吸収が生じる、下側光ガイド層１０１、量子井戸層１０２、及び上側光ガイド層１０３を含んでいる。その後、Ｆｅ−ＩｎＰ層による光導波路の両側を埋め込み再成長を行い、同時にＥＡ変調器の出射側に、光導波路の無い窓構造を形成する。
【００５８】
続いて、テーパ状のＥＡ変調器部活性層に電界が印加されるように、スルーホールを形成した後、ｐ側電極１０８、及びｎ側電極１０９の形成を経て図４に示す素子が作製される。ＥＡ変調器部光導波路１０６に電流を注入する長さである変調器長は、素子の帯域を決める変調器部分の容量、および消光比を考慮して１６０μｍとし、ＥＡ変調器側である前端面には無反射コーティング、後端面には反射コーティングを施してある。
【００５９】
続いて、前記実施の形態１と同様に、上記素子を終端抵抗等組み込まれたチップキャリアに搭載し、ペルチェ基板、レンズ、光ファイバ、及びモニタホトダイオード等を同一パッケージに実装することにより、半導体素子モジュールが構成される。
【００６０】
この半導体素子モジュールに搭載された、ＥＡ変調器集積レーザは、光導波路幅がＥＡ変調器の光入射側から出射方向にかけてテーパ状に形成されているため、キャリア密度の増大を抑制することができる。
【００６１】
これによって、ＥＡ変調器特性における入力光強度依存性の低減が可能となり、且つ周波数応答の劣化を抑えることが可能となる。
【００６２】
本実施の形態においては、テーパ形状の大きさを、ＥＡ変調器の光入力側では２μｍ、出射側では１．４μｍとしたが、歪多重量子井戸を含めた層構造により、この最適値は異なる。
【００６３】
さらに、導波路形状において、図５に示すように、レーザ部光導波路４０１からＥＡ変調器部光導波路１０６までの遷移領域では逆テーパ形状とし、ＥＡ変調器の光入力側から出射側にかけて、テーパ形状にする構造も考えられる。この場合、レーザの導波路幅設計の自由度が広がり、例えば横モード制御の点で有効である。
【００６４】
また、本実施の形態においては、ＥＡ変調器とレーザの集積する手段として、ＥＡ変調器部量子井戸層とレーザ部量子井戸層を一括成長する結晶選択成長法を用いたが、それぞれ独立に結晶成長を行う、バットジョイント法による集積を行った場合においても、ＥＡ変調器部光導波路がテーパ状に形成されていれば、同様の効果が得られる。
【００６５】
（実施の形態３）
図６により、本発明における実施の形態３として、伝送速度４０Ｇｂｉｔ/ ｓ光伝送用である、波長１．３μｍ帯インピーダンス制御型ＥＡ変調器について説明する。併せて、図７により図６のインピーダンス制御型ＥＡ変調器を搭載した半導体素子モジュールを説明する。図６は実施の形態３のインピーダンス制御型ＥＡ変調器を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ’切断面の断面図を示す。図７はインピーダンス制御型ＥＡ変調器を搭載した半導体素子モジュールの平面図を示す。
【００６６】
本実施の形態における、伝送速度４０Ｇｂｉｔ/ ｓ光伝送用である、波長１．３μｍ帯インピーダンス制御型ＥＡ変調器の素子は、ＦｅドープＩｎＰ半導体基板６０１上に有機金属気相法を用いて、ｎ−ＩｎＰバッファ層６０２を形成し、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層、歪多重量子井戸層、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層からなる活性層６０３を成長する。
【００６７】
続いて、電界を印加して光を吸収する活性層を有するＥＡ変調器光導波路６０４となる領域にマスクを形成して、これ以外の領域の活性層を、ドライエッチングで除去する。その後、洗浄処理等を施し、ＥＡ変調器導波路前後にパッシブ光導波路６０５を形成するため、有機金属気相法にて、ＩｎＧａＡｓＰ層を含むパッシブ光導波路層６０６を形成し、ＥＡ変調器部活性層６０３と光学的に連続となるようにバットジョイント接続を行う。
【００６８】
次に、ｐ−ＩｎＰクラッド層６０７、及びコンタクト層６００を結晶成長工程にて形成し、ハイインピーダンス線路部６０８におけるｎ−ＩｎＰバッファ層６０２をエッチングにて完全に除去し、Ｆｅ−ＩｎＰ基板を露出させる。
【００６９】
続いて、ＥＡ変調器部光導波路６０４とパッシブ光導波路６０５で構成された光導波路をドライエッチングにて形成する。この光導波路は図６に示すように、ＩｎＰ基板と平行な方向の光導波路幅が、例えば一例として、ＥＡ変調器の光入力側のパッシブ光導波路６０５において２μｍとし、ＥＡ変調器部光導波路６０４の入力から出力に向って、連続的に１．４μｍまで細くなるようなテーパ形状に形成し、さらに出力側のパッシブ光導波路６０５は１．４μｍ幅で形成する。
【００７０】
ここで、このテーパ形状に形成されたＥＡ変調器部光導波路６０４は、ＥＡ変調器動作時に光の吸収が生じる、下側光ガイド層、量子井戸層、及び上側光ガイド層を含んでいる。その後、Ｆｅ−ＩｎＰ層１０５による光導波路の両側を埋め込み再成長を行う。
【００７１】
さらに、本デバイスではアノード、及びカソード電極が素子表面にコプレナー構造に形成されたインピーダンス制御型電極を有し、ｐ型、及びｎ型電極の両方を素子表面からとる構造であるため、ｎ型電極６０９の形成領域におけるＦｅ−ＩｎＰ埋め込み層をドライエッチングで除去し、ｎ−ＩｎＰバッファ層６０２を露出させる。その後、パッシベーション膜６１０の形成、スルーホール形成、及びハイインピーダンス線路部６０８と活性層直上部６１１からなるｐ型電極、及びｎ型電極６０９の形成を経て、図６に示すような、インピーダンス制御型ＥＡ変調器が得られる。
【００７２】
ここで、ハイインピーダンス線路部６０９は、ドライバＩＣとのインピーダンス整合を考慮して、導波路幅、及びグランドであるｎ型電極６０９までの距離が最適化されている。
【００７３】
上記素子の光伝送用ＥＡ変調器７０１を高周波設計がなされたチップキャリア７０２に搭載し、終端抵抗含む高周波基板７０３、ペルチェ基板２０３、レンズ２０４、及び入出力光ファイバ２０５を同一パッケージに実装することにより、図７に示すような半導体素子モジュールが構成される。
【００７４】
また、このモジュールには、ＥＡ変調器を駆動するためのドライバＩＣ７０４も内蔵されている。これは、ドライバＩＣからＥＡ変調器までの距離を短くすることで、ドライバＩＣの出力振幅を極力減衰させることなくＥＡ変調器に伝えるためである。しかし、ドライバＩＣの出力振幅が十分であれば、ドライバＩＣを内蔵する必要は無く、同様の効果が期待される。
【００７５】
このＥＡ変調器モジュールに搭載された、ＥＡ変調器は、光導波路幅がＥＡ変調器の光入射側から出射方向にかけてテーパ状に形成されているため、キャリア密度の増大を抑制することができる。さらに、光吸収の飽和レベルが大きい導波路の入射側において、強度の減衰が少ない十分なマイクロ波で光導波路活性層に電界を印加するため、より光を吸収することが可能であると言える。このため、光を効率良く消光することが可能となり、消光特性の向上が実現する。
【００７６】
本実施の形態では、ＥＡ変調器単体について記載したが、ＤＦＢレーザと集積した、インピーダンス制御型ＥＡ変調器集積レーザにおいても、同様の効果が得られる。
【００７７】
（実施の形態４）
図８により、本発明における実施の形態４として、半導体光素子モジュールに適用した例について説明する。図８は実施の形態４の半導体光素子モジュールの平面図を示す。
【００７８】
本実施の形態では、前記実施の形態１で述べた、図１あるいは図３に示す１０Ｇｂｉｔ/ ｓ光伝送用ＥＡ変調器２０１において、終端抵抗が付いて高周波設計がなされたチップキャリア２０２に搭載する。続いて、ペルチェ基板２０３、レンズ２０４，８０３、光ファイバ２０５、及びチップキャリア８０２に搭載されたＤＦＢレーザ８０１等を同一パッケージに実装する。
【００７９】
この時、ＤＦＢレーザ８０１の光をレンズ８０３でＥＡ変調器の光導波路幅が広く形成されている入力側に結合させるようにハイブリッド集積する。こうした光素子モジュールにおいても、ＥＡ変調器部光導波路幅が広い方にＤＦＢレーザ８０１の光が入力するため、キャリア密度の増大を抑制することができる。これによって、ＥＡ変調器特性における入力光強度依存性の低減が可能となり、且つ周波数応答の劣化を抑えることが可能となる。
【００８０】
また、同様に、前記実施の形態３で述べた図６に示すような４０Ｇｂｉｔ/ ｓ光伝送用インピーダンス制御型ＥＡ変調器においても、上記で述べたＤＦＢレーザとのハイブリッド集積が可能である。この場合も、光導波路幅がＥＡ変調器の光入射側から出射方向にかけてテーパ状に形成されているため、キャリア密度の増大を抑制することができる。
【００８１】
さらに、光吸収の飽和レベルが大きい導波路の入射側において、強度の減衰が少ない十分なマイクロ波で光導波路活性層に電界を印加するため、より光を吸収することが可能である。このため、光を効率良く消光することが可能となり、消光特性の向上が実現する。
【００８２】
（実施の形態５）
図９により、本発明における実施の形態５として、光送信用モジュールに適用した例について説明する。図９は実施の形態５の光送信用モジュールの構成図を示す。
【００８３】
本実施の形態では、前記実施の形態１で述べた、図２に示す１０Ｇｂｉｔ/ ｓ光伝送用ＥＡ変調器を搭載した半導体光素子モジュール９０１を、ＤＦＢレーザモジュール９０２、レーザ駆動電流源９０３、レーザ温度制御回路９０４、変調器駆動回路９０５、変調器バイアス振幅制御回路９０６、及び変調器温度制御回路９０７等と同一パッケージに実装し、光送信モジュールが構成される。
【００８４】
この時、ＤＦＢレーザモジュール９０２からの光出力が、本発明による半導体光素子モジュール９０１の入力になるように配置されている。半導体光素子モジュール９０１の入力とは、ＥＡ変調器部光導波路幅が広い方を光入力としているため、キャリア密度の増大を抑制することができる。これによって、ＥＡ変調器特性における入力光強度依存性の低減が可能となり、且つ周波数応答の劣化を抑えることが可能となる。したがって、本発明を用いることにより光波形、及び伝送特性が安定した光送信モジュールを実現することができる。
【００８５】
また、前記実施の形態３で示した４０Ｇｂｉｔ/ ｓ光伝送用インピーダンス制御型ＥＡ変調器を搭載した光素子モジュール（図７）においても、同様に光送信モジュールを構成すれば、光波形、及び伝送特性が安定した光送信モジュールを実現することができる。
【００８６】
さらに、本実施の形態においては、光送信モジュールの例で説明したが、光素子モジュールとＤＦＢレーザモジュールとの配置が同様であれば、前述の効果が得られる。
【００８７】
（実施の形態６）
図１０により、本発明における実施の形態６として、光伝送装置に適用した例について説明する。図１０は実施の形態６の光伝送装置の構成図を示す。
【００８８】
本実施の形態の光伝送装置は、オーバーヘッド等のＳＯＮＥＴパターンを付加するフレーマ１００１、制御信号等の情報を管理する信号制御装置１００２、低速の信号を束ねるマルチプレクサ１００３、電源１００４、及び前記実施の形態５で述べた光送信モジュール１００５で基本的に構成される。様々なインターフェイスの電気信号が入力し、光信号として出力される。
【００８９】
この光伝送装置に、本発明を適用した光送信モジュール１００５を装置内に組み込むことにより、特性の安定した信頼度の高い光伝送装置が実現できる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明により、幹線系光伝送の重要な部品の一つである、半導体電界吸収型変調器集積レーザの本質である前後比直線性の不具合を、これを搭載した半導体レーザモジュール、及び光送信モジュールにて補正するため、半導体レーザモジュール、及び光送信モジュールの光出力安定性や信頼性を向上することができる。さらに、これらの光送信モジュールを用いることにより、信頼度の高い光伝送装置、及び幹線系光伝送システムの構築を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は本発明における実施の形態１の半導体ＥＡ変調器を示す平面図と、（ａ）のａ−ａ’切断面を示す断面図である。
【図２】本発明における実施の形態１の半導体ＥＡ変調器を搭載した半導体素子モジュールを示す平面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は本発明における実施の形態１の半導体ＥＡ変調器の変形例を示す平面図と、（ａ）のａ−ａ’切断面を示す断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は本発明における実施の形態２の半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを示す平面図と、（ａ）のａ−ａ’切断面を示す断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明における実施の形態２の半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの変形例を示す平面図と、（ａ）のａ−ａ’切断面を示す断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は本発明における実施の形態３のインピーダンス制御型ＥＡ変調器を示す平面図と、（ａ）のａ−ａ’切断面を示す断面図である。
【図７】本発明における実施の形態３のインピーダンス制御型ＥＡ変調器を搭載した半導体素子モジュールを示す平面図である。
【図８】本発明における実施の形態４の半導体光素子モジュールを示す平面図である。
【図９】本発明における実施の形態５の光送信用モジュールを示す構成図である。
【図１０】本発明における実施の形態６の光伝送装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１００…ｎ型ＩｎＰ基板、１０１…ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層、１０２…量子井戸層、１０３…ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層、１０４…ＩｎＰクラッド層、１０５…ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１０６…ＥＡ変調器部光導波路、１０７…パッシベーション膜、１０８…ｐ側電極、１０９…ｎ側電極、２０１…１０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用ＥＡ変調器、２０２…チップキャリア、２０３…ペルチェ基板、２０４…非球面レンズ、２０５…光ファイバ、３０１…パッシブ光導波路、４０１…レーザ部光導波路、６０１…ＦｅドープＩｎＰ半導体基板、６０２…ｎ−ＩｎＰバッファ層、６０３…活性層、６０４…ＥＡ変調器部光導波路、６０５…パッシブ光導波路、、６０６…パッシブ光導波路層、６０７…ｐ−ＩｎＰクラッド層、６０８…ハイインピーダンス線路部、６０９…ｎ型電極、６１０…パッシベーション膜、６１１…活性層直上部、７０１…４０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用ＥＡ変調器、７０２…チップキャリア、７０３…終端抵抗含む高周波基板、７０４…ドライバＩＣ、８０１…ＤＦＢレーザ、８０２…チップキャリア、８０３…レンズ、９０１…半導体光素子モジュール、９０２…ＤＦＢレーザモジュール、９０３…レーザ駆動電流源、９０４…レーザ温度制御回路、９０５…変調器駆動回路、９０６…変調器バイアス振幅制御回路、９０７…変調器温度制御回路、１００１…フレーマ、１００２…信号制御装置、１００３…マルチプレクサ、１００４…電源、１００５…光送信モジュール。

Claims (2)

1. 半導体電界吸収型変調器を用いた半導体電界吸収型変調器集積光源であって、
   前記半導体電界吸収型変調器とレーザとが同一基板上に集積され、
   前記半導体電界吸収型変調器は、電界を印加して光を吸収する活性層を有する光導波路が形成され、
   前記光導波路は、光の入射部の幅を最も広くし、光の単位面積当たりの吸収量が光軸方向で平均化するように入射部から出射部にかけて細くなる連続的なテーパ状に形成され、
   前記レーザは、前記光導波路の幅の広い側に集積された構造に形成され、
   前記レーザから前記光導波路までの遷移領域では逆テーパ形状に形成されていることを特徴とする半導体電界吸収型変調器集積光源。
2. 半導体電界吸収型変調器を用いた半導体電界吸収型変調器集積光源であって、
   前記半導体電界吸収型変調器とレーザとが同一基板上に集積され、
   前記半導体電界吸収型変調器は、アノード、及びカソード電極が素子表面にコプレナー構造に形成されたインピーダンス制御型電極を有し、電界を印加して光を吸収する活性層を有する光導波路が形成され、
   前記光導波路は、光の入射部の幅を最も広くし、光の単位面積当たりの吸収量が光軸方向で平均化するように入射部から出射部にかけて細くなる連続的なテーパ状に形成され、
   前記レーザは、前記光導波路の幅の広い側に集積された構造に形成され、
   前記レーザから前記光導波路までの遷移領域では逆テーパ形状に形成されていることを特徴とする半導体電界吸収型変調器集積光源。

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