JP5206187B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば光通信用の変調器を含む光半導体装置に関する。

近年、光通信用の変調器の小型化、低駆動電圧化を図るために、リング共振器を用いた変調器（リング共振器型変調器）が検討されている。
リング共振器型変調器は、バス導波路にリング状の導波路（リング導波路）を結合した構造になっている。また、リング導波路の周囲には導波路の屈折率を変調するための電極が形成されている。

リング共振器型変調器では、バス導波路の一方の端部から連続光が入力される。連続光は、電極を介してリング導波路に印加される電圧（リング変調器に印加される電圧）に応じて強度変調される。そして、バス導波路の他方の端部から変調光として出力される。
このようなリング共振器型変調器では、印加電圧に応じて、リング共振器の透過スペクトルにおける遮断波長帯の位置をシフトさせることで、光の変調動作を実現する。

例えば、印加電圧がローの場合に、連続光の波長が、リング共振器の透過スペクトルの遮断帯（ディップ）（リング共振器の共振波長）に合うようにする。この場合、連続光はリング共振器を実質的に透過しない。この結果、変調器から出力される光の強度がオフ状態となる。一方、印加電圧をハイにした場合、リング導波路の屈折率が変化して、透過スペクトルの遮断帯の位置がシフトする。このシフトによって、連続光の波長が、透過スペクトルの遮断帯から外れて、透過スペクトルの透過帯上に位置するようになる。この場合、連続光はリング共振器を透過する。この結果、変調器から出力される光の強度がオン状態となる。
Qianfan Xu et al., "Micrometre-scale silicon electro-optic modulator", Nature, vol. 435, pp.325-327, 19 May 2005

ところで、上述のようなリング共振器型変調器には、例えばＤＦＢレーザなどの半導体レーザを接続し、半導体レーザで発振したレーザ光を、連続光として入力することが考えられる。この場合、半導体レーザの発振波長とリング共振器の共振波長とを合わせることが必要になる。
しかしながら、上述のようなリング共振器型変調器では、Ｑ値の大きなリング共振器の共振波長付近における急峻な透過スペクトルの変化を利用することで、印加電圧の変化が小さく（つまり、導波路の屈折率変化も小さく）、透過スペクトルの遮断帯（リング共振器の共振波長）のシフト量が僅かであっても、透過スペクトルのディップ内に設定される動作波長において、透過率が大きく変化し、大きな出力光強度の変化が得られるようにして、十分な消光比を実現する。

この場合、透過スペクトルの透過率が大きく変化する波長範囲（変調器の動作波長帯域）は、原理的に透過スペクトルの遮断帯のシフト量と同程度またはそれ以下にする必要がある。
このシフト量は、リング共振器を構成するリング光導波路に印加する電圧に応じて生じるリング光導波路の屈折率の変化量に比例する。

ここで、リング光導波路の屈折率の変化量は、リング光導波路を構成する材料によって、得られる値が概ね決まってしまう。例えば、シリコン中にキャリアを注入したものでは、屈折率の変化量は概ね１０^−４程度の非常に小さい量であり、これによって得られる透過スペクトルの遮断帯のシフト量（即ち、共振波長のシフト量）は、１．５５μｍ帯では０．１ｎｍにも満たない値であり、非常に小さい。この場合、リング共振器の動作波長帯域の幅は、０．１ｎｍ以下という非常に狭い幅にすることになる。

このようにリング共振器の動作波長帯域が非常に狭い場合、変調器に入力する連続光の波長（即ち、半導体レーザの発振波長）が、非常に狭い帯域（例えば０．１ｎｍ以下の範囲内）に入るようにしなければならず、波長合わせが難しい。
そこで、半導体レーザの発振波長と光変調器の共振波長との間の波長合わせを容易に行なえるようにしたい。

このため、光半導体装置は、半導体レーザの発振波長を規定する第１の波長フィルタと、光共振構造を持ち、前記光共振構造への電気信号の印加により光を変調する光変調器とを備え、第１の波長フィルタと光変調器の光共振構造とが、同一基板上に集積されていることを要件とする。

したがって、光半導体装置によれば、半導体レーザの発振波長と光変調器の共振波長との間の波長合わせを容易に行なえるようになるという利点がある。

以下、図面により、本実施形態にかかる光半導体装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる光半導体装置について、図１〜図１３を参照しながら説明する。
本実施形態では、光半導体装置として、光通信用の変調器を含む光集積素子（光半導体装置）を例に挙げて説明する。

なお、本光集積素子は、例えば光送信器に備えられ、この光送信器と、この光送信器に光伝送路を介して接続された光受信器とを含むものとして光伝送システムが構成される。このため、本光集積素子を光送信素子（光通信用の光送信素子）ともいう。
図１に示すように、本光集積素子１は、半導体レーザ２と、半導体レーザ２に接続された光共振構造を持つ光変調器（共振器型光変調器）３とを備える。なお、本光集積素子１は、半導体レーザ２と共振器型光変調器３とを集積したものであるため、共振器型変調器集積レーザともいう。

本実施形態では、半導体レーザ２は、図１に示すように、導波路型の波長フィルタ（第１の波長フィルタ）４、及び、この波長フィルタ４に接続（光結合）され、光利得を生じうる利得導波路５を含む。
ここでは、波長フィルタ４は、透過型波長フィルタである。具体的には、リング共振器を用いたリング共振器型波長フィルタを用いている。このリング共振器型波長フィルタ４は、２つのバス導波路４Ａ，４Ｂの間にリング導波路（ここでは３つ）４Ｃを結合させた構造になっている。このため、本実施形態の半導体レーザは、リング共振器型半導体レーザである。

また、半導体レーザ２は、その両端にミラー６，７が設けられており、レーザ発振を生じさせる共振器（レーザ共振器）が構成されている。ここでは、一端側のミラー６は、利得導波路５の端面に設けられた高反射膜（ＨＲ膜）であり、他端側のミラー７は、波長フィルタ４を構成するバス導波路（第１の光導波路）４Ｂと、波長フィルタ４の後段に設けられる光変調器３を構成するバス導波路３Ａとの間に形成されたギャップミラーである。なお、利得導波路５の端面に高反射膜６を設けるのに代えて、例えばＤＢＲミラーを設けても良い。

なお、本実施形態では、波長フィルタ４を透過した光をギャップミラー７で反射させることによって発振波長が選択されるようにしているため、波長フィルタ４及びギャップミラー７を波長選択ミラーとして機能させていることになる。また、波長フィルタ４は、入射光を複数の波長帯域の光（複数の発振モードの光）に変換する機能を有する。
本実施形態では、光変調器３は、導波路型の光変調器である。具体的には、光共振構造としてリング共振器を備えるリング共振器型光変調器である。

ここでは、リング共振器型変調器３は、図１に示すように、バス導波路（第１の光導波路）３Ａにリング導波路３Ｂを結合させ、リング導波路３Ｂに沿ってリング導波路３Ｂの屈折率を変化させるための（変調するための）電極３Ｃを設けることによって構成されたリング共振器である。なお、各電極３Ｃは高周波信号源（変調電源）２０に接続されている。そして、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するバス導波路４Ｂと、光変調器３を構成するバス導波路３Ａとが、ギャップミラー（ギャップを用いたハーフミラー）７を介して接続（光結合）されている。

このリング共振器型変調器３では、バス導波路３Ａの一方の端部から連続光が入力され、この連続光が、電極３Ｃを介してリング導波路３Ｂに印加された電圧に応じて強度変調され、バス導波路３Ａの他方の端部から変調光として出力されることになる。
ここで、図２は、リング共振器型変調器３の透過スペクトル、及び、半導体レーザ２の発振スペクトル（レーザ発振スペクトル）を示している。なお、図２では、実線と点線の２本の透過スペクトルが示されているが、これらは、リング共振器３に印加する電圧がローの場合（実線）とハイの場合（点線）に対応している。

本実施形態では、Ｑ値の大きなリング共振器を用いているため、図２に示すように、リング共振器型変調器３の透過スペクトルには、印加電圧がローの場合、ハイの場合のそれぞれにおいて、共振波長付近において非常に急峻なディップが見られる。
本光集積素子１では、半導体レーザ２から入力される連続光（ここでは複数の発振モードの中の一つ）の波長と、例えば、実線（印加電圧がローの場合）の透過スペクトルにおけるディップの波長、即ち、リング共振器の共振波長（リング共振波長；光変調器３の動作波長）とを合わせる。

このため、印加電圧がローの場合、半導体レーザ２からの連続光は、リング共振器を実質的に透過しない。この結果、光変調器３から出力される光の強度がオフ状態となる。
一方、印加電圧をハイにした場合、リング導波路３Ｂの屈折率が変化し、これに応じて、リング共振器の共振波長が変化する。この結果、透過スペクトルのディップの位置が、図２中、実線から点線へとシフトする。このシフトによって、半導体レーザ２からの連続光の波長が、透過スペクトルのディップの位置から外れて、透過スペクトルの透過帯上に位置するようになる。この場合、半導体レーザ２からの連続光はリング共振器を透過する。この結果、光変調器３から出力される光の強度がオン状態となる。

このようなリング共振器型変調器３では、リング共振器のＱ値を大きくすることで、透過スペクトルにおけるディップを急峻にする。これにより、リング導波路３Ｂへの印加電圧の変化が小さく（つまり、リング導波路の屈折率変化も小さく）、透過スペクトルの遮断帯（リング共振器の共振波長）のシフト量が僅かな場合であっても、透過スペクトルのディップ内に設定された動作波長において、図２に示すように、透過率が大きく変化し、大きな出力光強度の変化が得られ、十分な消光比を実現することができる。このため、駆動電圧を低く抑えることができる。また、リング導波路３Ｂの半径は１０μｍ以下であるため、光変調器３のサイズを小さくすることもできる。

しかしながら、上述のようなリング共振器型変調器３では、透過スペクトルの透過率が大きく変化する波長範囲（光変調器３の動作波長帯域）が極端に狭い。
例えば図１２に示すように、リング共振器型変調器に連続光を供給するのに、単一モード性の優れたＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザを用いると、ＤＦＢレーザは、例えば図１３に示すように、レーザ発振スペクトルにおける発振波長の広がり、即ち、線幅が非常に狭いため、この線幅が無視できるほど狭いＤＦＢレーザの発振波長（発振モード）を、例えば０．１ｎｍ以下という非常に狭いリング共振器の動作波長帯域に合わせる必要がある。

このため、上述したように、半導体レーザの発振波長（発振モード）と光変調器の共振波長との間の波長合わせは容易ではない。
このような波長合わせを、製造コスト及び消費電力の増大を招くことなく実現することは、実際上、非常に困難である。
つまり、リング共振器型変調器を例えばシリコン基板上に形成し、半導体レーザを例えばＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体基板上に形成すると、リング共振器型変調器と半導体レーザとは、異なる導波路構造を持つものとして形成されることになる。

この場合、半導体レーザとリング共振器型変調器との間でそれぞれ別個に作製誤差が生じ、半導体レーザの発振波長とリング共振器の共振波長とが大きくずれてしまう。また、動作時の環境温度の変化によって、半導体レーザの発振波長とリング共振器の共振波長とがそれぞれ別個にずれてしまう。そして、時間の経過とともに相対的なずれが大きくなる。

現実の用途において、上述のようなリング共振器型変調器の動作を実現しようとした場合、作製誤差によって発振波長がずれた複数の半導体レーザ、及び、作製誤差によって共振波長がずれた複数のリング共振器型変調器の中から、発振波長と共振波長とが一致する半導体レーザとリング共振器型変調器の組み合わせを探し出すことになり、その製造コストは大幅に増加してしまうことになる。

また、環境温度の変化によって、半導体レーザの発振波長とリング共振器の共振波長とがそれぞれ別個にずれてしまうのを防止するためには、例えばペルチェ素子やヒータ等を用いて、これらの素子の温度を局所的に一定に保つ必要がある。この結果、製造コストの増大、及び、消費電力の増大を招くことになる。
そこで、本実施形態では、半導体レーザ２の発振波長（発振モード）を規定する波長フィルタ４と、光変調器３の共振波長を規定する光共振構造とが、同一基板８上に集積され、実質的に同一の導波路構造になっている。

具体的には、図１に示すように、半導体レーザ２の波長フィルタ４と光変調器３の光共振構造（光変調器３を構成する光共振器）とが、同一の基板（ここではＳｉ基板）８上に、同一の材料（同一のコア材料及びクラッド材料）・組成で、同一のプロセスを経て、モノリシックに集積して形成されており、同一の寸法、同一の層構造（断面構造）の導波路になっている。このため、本光集積素子１は、半導体レーザ２の波長フィルタ４及び光変調器３が形成されている光集積素子（波長フィルタ集積型光変調素子）９を含むことになる。

なお、上記の「実質的に同一の導波路構造」には、材料・組成、寸法、層構造が完全に同一の場合だけでなく、これらのいずれかが多少異なり、ほぼ同一のものも含む。
このように、半導体レーザ２の波長フィルタ４と光変調器３の光共振構造とが、同一基板８上に集積され、同一の導波路構造になっているため、例えば、導波路の幅、厚さ、後述のリブ型導波路コアの両側へ延びるスラブ部分の厚さ等において、作製上の誤差が生じても、このような誤差は、半導体レーザ２の波長フィルタ４と光変調器３の光共振構造との間でほぼ同様の量だけ生じることになる。したがって、このような作製上の誤差が、導波路の屈折率に与える変化も両者の間でほぼ同一である。

一般に、リング共振器、回折格子などの光共振器においては、その構造によらず、導波路の屈折率変化に対する共振波長の変化は、次式によって与えられる。
δλ＝λ_０（δｎ／ｎ_０）
ここで、λ_０は、屈折率変化がない時の共振波長、δｎは、作製誤差等によって生じる導波路の屈折率変化、ｎ_０は、屈折率変化がない時の導波路の屈折率である。

この式から分かるように、屈折率変化が同程度である場合、共振波長の変化も、共振構造によらず、同程度となる。
したがって、導波路の幅や厚さ等の作製上の誤差に対する、光変調器３の共振波長の変化と半導体レーザ２の発振波長の変化は、ほぼ同一であり、両者の間の波長合わせは、このような誤差に対して影響を受けない。

言い換えると、リング共振器を用いた光変調器３の共振波長と半導体レーザ２の発振波長との間の波長合わせの作製誤差に対するトレランスが大幅に大きくなり、波長合わせが容易になる。
また、例えば、環境温度が変化した場合にも、光変調器３の光共振構造と半導体レーザ２の波長フィルタ４との間で、導波路の屈折率が同じように変化する。この場合、共振波長の変化も、やはり上記の式に従うため、両者の間で一定である。

したがって、初期状態において、光変調器３の共振波長と半導体レーザ２の発振波長との間の波長合わせがなされていた場合、その後の環境温度の変化によらず、波長合わせがなされた状態が維持されることになる。このため、素子の温度調整を行なう機構は、波長合わせの観点からは不要となる。
具体的には、本実施形態では、図１に示すように、半導体レーザ２の波長フィルタ４はリング共振器型波長フィルタである。つまり、光変調器３の光共振構造と半導体レーザ２の波長フィルタ４とが、共にリング共振器によって構成されている。このように、半導体レーザ２の波長フィルタ４と光変調器３とが、同一の光共振構造を持つものとして構成されている。この場合、導波路の断面構造を両者の間で完全に一致させることが可能である。

このため、作製誤差や環境温度の変化に伴って導波路の屈折率が変化したとしても、光変調器３の光共振構造と半導体レーザ２の波長フィルタ４との間で導波路の屈折率が、より一致しやすくなる。この結果、光変調器３の共振波長と半導体レーザ２の発振波長との間の波長合わせの作製誤差や環境温度の変化に対するトレランスが、より大きくなり、波長合わせが、より容易になる。

したがって、上述のように構成することで、リング共振器型光変調器３を用いて小型化、低駆動電圧化を図り、半導体レーザ２と光変調器３とを集積した光集積素子（光送信器）の製造コストや消費電力を低く抑えながら、半導体レーザ２の発振波長（入力連続光の波長）と光変調器３の共振波長との間の波長合わせが容易に行なえるようになる。
一方、半導体レーザ２の利得導波路５は、異なる基板（例えばＩｎＰ、ＧａＡｓ又は他の化合物半導体材料からなる基板）上に、異なる材料によって形成されており、異なる導波路構造を持っている。このため、本光集積素子１は、図１に示すように、半導体レーザ２の利得導波路５を構成する素子（発光素子；利得導波路素子；例えば半導体光増幅器）１０を含むことになる。

このように、本実施形態では、図１に示すように、半導体レーザ２を構成する利得導波路５と波長フィルタ４とが、互いに異なる基板上に形成された別個の素子９，１０として形成されている。そして、上述の発光素子１０が、上述の波長フィルタ集積型光変調素子９を構成する基板上に、例えば接着やフリップ・チップ・ボンディングなどの方法によって、ハイブリッド実装されている。

また、このように、半導体レーザ２を構成する利得導波路５と波長フィルタ４を、互いに異なる基板上に形成した後に、前者を後者の基板上にハイブリッド実装することで、波長フィルタ４を光変調器３の光共振構造と同一の導波路構造にして波長合わせを容易に行なえるようにしながら、利得導波路５については、このような要件にしばられることなく、大きな光利得を有するように基板、材料、構造等を採用することができる。

ところで、本実施形態では、半導体レーザ２の波長フィルタ４は、半導体レーザ２の発振モード間隔（レーザ共振器の共振器モード間隔）よりも広い透過波長帯域（透過帯域）を有する。このため、図２に示すように、本実施形態の半導体レーザ２は多モード発振することになる。
つまり、波長フィルタ４の透過波長帯域を十分に大きくし、フラットトップにすることによって、半導体レーザ２の発振スペクトルにおいて、複数の共振器モード（発振モード）で発振するようにしている。

この場合、光変調器３は、共振波長付近の波長を持つ（共振波長帯域に含まれる）発振モードの光を変調することになる。つまり、光変調器３を構成するリング光導波路は、複数の波長帯域の光（複数の発振モードの光）のいずれかと共振する共振波長を有することになる。この場合、半導体レーザ２の波長フィルタ４及び光変調器３の光共振構造（光共振器）は、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長とが一致するように設計する必要があるが、上述のように、半導体レーザ２を複数の発振モードで発振するように構成することで、複数の発振モードのうち、少なくとも１つの発振モードが、光変調器３の共振波長（動作波長）と一致又はほぼ一致すれば良くなる。したがって、光変調器３の共振波長と半導体レーザ２の発振波長との間の波長合わせのトレランスが、より大きくなり、波長合わせが、より容易になる。

ところで、上述のように、半導体レーザ２を複数の発振モードで発振するように構成すると、光変調器３の共振波長帯域外にあり、光変調器３によって変調を受けない発振モードの光（連続光）が不要な光として出力されることになるため、これを光変調器３からの出力光から取り除くのが望ましい。
そこで、本光集積素子１は、図１に示すように、光変調器３の後段に、光変調器３の共振波長帯域に含まれる発振モードの光（変調光）のみを取り出すための導波路型の波長フィルタ（第２の波長フィルタ；発振モード選択フィルタ）１１を備える。

第２の波長フィルタ１１は、光変調器３を構成するバス導波路３Ａに接続（光結合）されている。そして、第２の波長フィルタ１１によって、光変調器３によって変調された変調光のみが取り出されるようになっている。つまり、第２の波長フィルタ１１は、光変調器３の共振波長帯域外の発振モードの連続光（不要光）をカット（除去）するようになっている。

本実施形態では、第２の波長フィルタ１１は、リング共振器型波長フィルタである。このリング共振器型波長フィルタ１１は、２つのバス導波路１１Ａ，１１Ｂの間にリング導波路（ここでは１つ）１１Ｃを結合させた構造になっている。そして、光変調器３によって変調された光（変調光）が一方のバス導波路１１Ａから出力され、変調されなかった不要な連続光が他方のバス導波路（第１の光導波路）１１Ｂから出力されるようになっている。

このように、第２の波長フィルタ１１と光変調器３とが、実質的に同一の光共振構造（導波路構造）を持つものとして構成されている。つまり、第２の波長フィルタ１１と光変調器３の光共振構造とが、同一の基板８上に、同一の材料（同一のコア材料及びクラッド材料）・組成で、同一のプロセスを経て、モノリシックに集積して形成されており、同一の寸法、同一の層構造（断面構造）の導波路になっている。なお、上記の「実質的に同一の導波路構造」には、材料・組成、寸法、層構造が完全に同一の場合だけでなく、これらのいずれかが多少異なり、ほぼ同一のものも含む。

なお、本実施形態では、光変調器３の後段に第２の波長フィルタ１１を設けているが、これに限られるものではなく、例えば図１１に示すように、光変調器３の前段に第２の波長フィルタ１１を設けるようにしても良い。なお、図１１では、本実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
したがって、上述のように構成することで、半導体レーザ２と光変調器３とを集積した光送信器１の製造コストや消費電力を低く抑えながら、半導体レーザ２の発振波長（入力連続光の波長）とリング共振器型変調器３の共振波長との間の波長合わせが容易に行なえるようになる。

なお、本実施形態では、小型化、低駆動電圧化を図るべく、リング共振器型光変調器３を用いているが、これに限られるものではなく、共振構造を利用した光変調器であれば良い。
以下、さらに具体的な構成例について説明する。
まず、光変調器部分の構造について、図３、図４を参照しながら説明する。

本構成例では、図３に示すように、リング共振器３を構成するリング導波路３Ｂは、その半径（リング径）を約６μｍとし、その共振波長が１．５５μｍ（動作波長）になるようにしている。また、リング導波路３Ｂとバス導波路３Ａとの間の結合係数（結合効率）は０．６％としている。
ここで、図４は、図３の点線Ａに沿う断面構造を示している。

図４に示すように、リング共振器３を構成するリング導波路構造は、シリコン基板８上にシリコン酸化膜（埋め込み酸化膜）１２を挟んでシリコン薄膜層１３が形成された基板［ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板］１４上に形成されている。
ここでは、バルクのシリコン基板８上に、例えばＳｉＯ_２からなる埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層；例えば厚さ３μｍ）１２が形成され、このＢＯＸ層１２上に、シリコン薄膜層（ＳＯＩ層；例えば厚さ２５０ｎｍ）１３が形成されたＳＯＩ基板１４を用いている。

そして、このＳＯＩ基板１４を加工し、図４に示すような断面構造の導波路を形成している。つまり、図４に示すように、ＳＯＩ層１３を加工して、リング共振器３を構成するリング導波路３Ｂの導波路コア３ＢＸとして、リブ型光導波路（シリコン材料を含むリブ型光導波路）の導波路コア（リブ型導波路コア）を形成している。
ここでは、図４に示すように、リブ型導波路コア３ＢＸのリブ部分（Ｓｉコア）の幅は４５０ｎｍである。また、リブ型導波路コア３ＢＸのリブ部分の厚さは２５０ｎｍであり、リブ型導波路コア３ＢＸの両側へ延びるスラブ部分（Ｓｉスラブ）１４Ａ，１４Ｂの厚さは５０ｎｍである。

ここで、リング導波路３Ｂのリブ型導波路コア３ＢＸは、図３，図４に示すように、リブ部分のキャリア濃度を変調できるように、リブ部分の両脇に接しているスラブ部分の一方（リング導波路３Ｂの内側）１４Ｂにｐ型不純物材料がドーピングされてｐ型領域（ｐ^＋型伝導領域）が形成されており、他方（リング導波路３Ｂの外側）１４Ａにｎ型不純物材料がドーピングされてｎ型領域（ｎ^＋型伝導領域）が形成されている。これにより、アンドープのシリコンからなるリブ部分の内部にｐｎ接合が形成されるようになっている。

ここでは、ｐ型不純物材料、ｎ型不純物材料のドーピングは、それぞれ、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）のイオン・インプランテーションによって行なわれる。ドーピング濃度は、いずれも１０^１９ｃｍ^−３としている。なお、このようなドーピング領域は、一般的なシリコン材料の電子デバイスのプロセス技術を用いて形成すれば良い。
また、上述のリブ型導波路コア３ＢＸが埋め込まれるように、ＳｉＯ_２オーバクラッド層１５が形成されている。

なお、図３、図４では図示していないが、リブ部分から離れた場所において、これらのドーピングされたスラブ部分（ｐ型領域、ｎ型領域）１４Ａ，１４Ｂの表面上に、それぞれ、例えばアルミニウムからなる金属電極が形成されている。
次に、半導体レーザ部分の構造について、図５、図６を参照しながら説明する。
本構成例では、図５に示すように、半導体レーザ２の発振波長を決める波長フィルタ４は、上述の光変調器３と同一の基板８上に形成されている。なお、図５では、上述の実施形態と同一のもの（図１参照）には同一の符号を付している。

また、図５に示すように、この波長フィルタ４は、光変調器３と同様にリング共振器を用いて構成されている。
本構成例では、波長フィルタ４の透過帯域を広げるため、図５に示すように、３個のリング共振器（リング導波路）４Ｃを直列に接続した構造（３段の直列接続リング共振器）になっており、両端のリング共振器（リング導波路）４Ｃのそれぞれにバス導波路４Ａ，４Ｂが接続された構造になっている。つまり、入力側、出力側の２本のバス導波路４Ａ，４Ｂの間に３個のリング導波路４Ｃを直列に接続した構造になっている。

ここでは、３個のリング共振器を構成するリング導波路４Ｃの半径（リング径）をいずれも６μｍとし、上述の光変調器部分と同様に、その共振波長が１．５５μｍ（動作波長）になるようにしている。
また、２本のバス導波路４Ａ，４Ｂのうち一方のバス導波路４Ａ（入力側バス導波路；図５中、上側のバス導波路）は、その全長が約５００μｍであり、半導体レーザ２を構成する利得導波路５（発光素子１０）に接続（光結合）されている。

なお、ここでは、バス導波路４Ａを、１回の折り返しのみによって、全長を約５００μｍとしているが、これに限られるものではなく、例えば、全長を同じにし、又は、全長を長くした上で、多数回の折り返しによってコンパクトに形成し、素子上に占める波長フィルタ全体の長さを短く抑えるようにしても良い。また、バス導波路４Ａを、折り返しを用いないで形成しても良い。

また、２本のバス導波路４Ａ，４Ｂのうち他方のバス導波路４Ｂ（出力側バス導波路；図５中、下側のバス導波路）は、ギャップミラー７を介して光変調器３を構成するバス導波路３Ａに接続（光結合）されている。つまり、この半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成する他方のバス導波路４Ｂと光変調器３を構成するバス導波路３Ａとは連なるように形成されており、この導波路中にギャップミラー７が形成されている。

このギャップミラー７は、導波路中に近接して設けられた２箇所の狭いギャップによって構成されており、このギャップ部分では、コアが途切れており、クラッド材料であるＳｉＯ_２が充填されている。ここでは、ギャップの長さは２６７ｎｍであり、ギャップ間の間隔（長さ）は１５５ｎｍである。
さらに、図５に示したように、リング導波路４Ｃとリング導波路４Ｃとの間の結合係数（結合効率）、及び、リング導波路４Ｃとバス導波路４Ａ，４Ｂとの間の結合係数（結合効率）は、それぞれ、２％、２５％としている。

このような波長フィルタ４を構成するリング導波路構造は、上述の光変調器３を構成するリング導波路構造と同様である。
つまり、波長フィルタ４を構成するリング導波路構造は、図６に示すように、シリコン基板８上にシリコン酸化膜（埋め込み酸化膜）１２を挟んでシリコン薄膜層１３が形成された基板［ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板］１４上に形成されている。なお、図６では、上述の光変調器部分の断面構造（図４参照）と同一のものには同一の符号を付している。

ここでは、バルクのシリコン基板８上に、例えばＳｉＯ_２からなる埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層；例えば厚さ３μｍ）１２が形成され、このＢＯＸ層１２上に、シリコン薄膜層（ＳＯＩ層；例えば厚さ２５０ｎｍ）１３が形成されたＳＯＩ基板１４を用いている。
そして、このＳＯＩ基板１４を加工し、図６に示すような断面構造の導波路を形成している。つまり、図６に示すように、ＳＯＩ層１３を加工して、リング共振器を構成するリング導波路４Ｃの導波路コア４ＣＸとして、リブ型光導波路（シリコン材料を含むリブ型光導波路）の導波路コア（リブ型導波路コア）を形成している。

ここでは、図６に示すように、リブ型導波路コア４ＣＸのリブ部分（Ｓｉコア）の幅は４５０ｎｍである。また、リブ型導波路コア４ＣＸのリブ部分の厚さは２５０ｎｍであり、リブ型導波路コア４ＣＸの両側へ延びるスラブ部分（Ｓｉスラブ）の厚さは５０ｎｍである。
また、上述のリブ型導波路コア４ＣＸが埋め込まれるように、ＳｉＯ_２オーバクラッド層１５が形成されている。

このように、波長フィルタ４の導波路構造は、上述の光変調器３の導波路構造と同一になっているため、これらは同一の製造方法によって製造することができる。つまり、図４、図６のそれぞれに示した光変調器３の導波路構造と半導体レーザ２の波長フィルタ４の導波路構造とを、同一の製造工程によって、同時に一括形成（一体形成）することができる。これにより、主に導波路製造工程において生じる、製造誤差（作製誤差）、及び、これに起因する導波路の屈折率の揺らぎが、両者の間で同様に生じるようにし、これにより、両者の間の波長ずれを非常に小さく抑えることができる。

例えば、リング共振器型光変調器３と半導体レーザ２の波長フィルタ４とを含む光集積素子９は、以下のようにして製造することができる。
まず、図７（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板８上に、ＢＯＸ層１２及びＳＯＩ層１３を備えるＳＯＩ基板１４を用意する。
次いで、図７（Ｂ）に示すように、このＳＯＩ基板１４上に、導波路を形成するためのストライプ状のＳｉＯ_２マスク（ＳｉＯ_２ストライプマスク）１７を形成する。

次に、図７（Ｃ）に示すように、このマスク１７を用いて、例えばドライエッチングによってＳＯＩ層１３を加工し、導波路形状を作製する。
最後に、図７（Ｄ）に示すように、ＳｉＯ_２からなるオーバクラッド層１５を全体に堆積させる。
なお、本構成例では、図４、図６に示すように、光変調器３を構成するリング共振器のみにドーピングによる伝導領域及び金属電極を設け、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するリング共振器にはドーピングによる伝導領域及び金属電極を設けていない。これは、導波路の構造及び製造方法が、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するリング共振器と光変調器３のリング共振器との間で、完全に同一でないことを意味し、両者の共振波長の間に差を生じさせる要因となる可能性がある。そこで、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するリング共振器においても、光変調器３のリング共振器と同様に、ドーピングによる伝導領域と金属電極のいずれか一方又は両方を設けても良い。これにより、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するリング共振器と光変調器３を構成するリング共振器との間で、各導波路の構造及び製造方法を完全に同一にすることができ、これらの間の共振波長を、より一致させやすくなる。

ところで、図５に示すように、半導体レーザ２の利得導波路５を構成する発光素子１０は、例えば、ＩｎＰ基板上に形成されており、導波路コアとしてＩｎＧａＡｓＰ系の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層（ＭＱＷコア）を備えるものとしている。そして、この発光素子１０が、光変調器３が形成されたＳｉ基板８に形成されたテラス１８上にハイブリッド実装されている。

ここでは、利得導波路５（発光素子１０）の長さは５００μｍである。また、発光素子１０のＭＱＷコアの発光波長が１．５５μｍ付近になるように、ＭＱＷの組成、膜厚が調整されている。
また、発光素子１０には電極が形成されており、この電極を介してＭＱＷコアに電流注入（ここでは直流電流の注入）が行なわれ、ＭＱＷコアにおいて光利得を生じさせるようにしている。なお、図５では、これらの電極、及び、直流電流源は省略している。

さらに、図５に示すように、発光素子１０の一方の端面（半導体レーザ２の波長フィルタ４に接続される側の端面）には、反射防止（ＡＲ）膜１６がコーティングされており、反対側の端面には、高反射（ＨＲ）膜６がコーディングされているものとする。
この場合、レーザ発振を生じさせる共振器は、発光素子１０の端面に形成されている高反射膜（ＨＲコーティング）６と、波長フィルタ４を構成するバス導波路４Ｂに形成されたギャップミラー７との間に形成される。つまり、発光素子１０において発生した光は、この共振器の中を往復しながら、発光素子１０において増幅をうけることで、レーザ発振へと導かれる。

本構成例では、ギャップミラー７の反射率を約６３％とし、ハーフミラーとして機能するようにして、レーザ共振器内の光の一部が、レーザ光として光変調器３側へ出力されるようにしている。
次に、光変調器３の後段に設けられる第２の波長フィルタ１１の構造について、図８を参照しながら説明する。

本構成例では、図８に示すように、第２の波長フィルタ１１は、上述の光変調器３及び半導体レーザ２の波長フィルタ４と同一の基板８上に形成されている。
また、図８に示すように、この第２の波長フィルタ１１は、光変調器３及び半導体レーザ２の波長フィルタ４と同様にリング共振器を用いて構成されている。
本構成例では、２本のバス導波路１１Ａ，１１Ｂの間にリング導波路１１Ｃを接続（光結合）した構造になっている。

ここでは、上述の光変調器部分及び半導体レーザ２の波長フィルタ部分と同様に、リング共振器を構成するリング導波路１１Ｃの半径（リング径）を６μｍとし、その共振波長が１．５５μｍ（動作波長）になるようにしている。
また、図８に示したように、リング導波路１１Ｃとバス導波路１１Ａ，１１Ｂとの間の結合係数（結合効率）は、いずれも１％としている。

この第２の波長フィルタ１１を構成するリング導波路構造は、上述の半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するリング導波路構造（図６参照）と同一である。なお、この第２の波長フィルタ１１を構成するリング導波路構造においても、光変調器３のリング共振器と同様に、ドーピングによる伝導領域及び金属電極を設けても良い。これにより、第２の波長フィルタ１１を構成するリング共振器と光変調器３を構成するリング共振器との間で、各導波路の構造及び製造方法を完全に同一にすることができ、これらの間の共振波長を、より一致させやすくなる。また、第２の波長フィルタ１１の導波路構造は、上述の光変調器３の導波路構造及び半導体レーザ２の波長フィルタ４の導波路構造と同一になっているため、これらは同一の製造方法によって製造することができる。つまり、光変調器３の導波路構造、半導体レーザ２の波長フィルタ４の導波路構造、第２の波長フィルタ１１の導波路構造を、同一の製造工程によって、同時に一括形成（一体形成）することができる。

次に、本構成例の光集積素子１の動作について説明する。
まず、半導体レーザ２の動作について説明する。
半導体レーザ２の発振波長は、レーザ共振器内に設けられたＳｉ基板８上のリング共振器型の波長フィルタ４によって決められる。つまり、リング共振器型波長フィルタ４のドロップ波長帯域（透過波長帯域）内にある波長の光のみが、発光素子１０から見て後段のギャップミラー７まで到達し、ここで反射されることで、レーザ共振器内を往復し、光増幅を受け、レーザ発振することになる。

ここで、図９は、図５に示すように構成されたリング共振器型波長フィルタ４のドロップ光の強度スペクトル（ドロップ特性；透過スペクトル）を示している。
図９に示すように、ドロップ波長帯（透過波長帯）は、波長１．５５μｍを中心に幅約２．０ｎｍとなっている。この波長帯において、ドロップ光の強度は幅０．１５ｄＢ以内に収まっており、フラットトップなドロップ特性（透過スペクトル特性）が実現されている。

ここで、実際にレーザ発振をする波長は、このドロップ波長帯の中の共振器モードに一致する波長に限られる。
上述のように、本構成例では、図５に示すように、発光素子１０の長さ、及び、発光素子１０とリング共振器型波長フィルタ４の発光素子１０に接続される側のバス導波路４Ａの長さは、いずれも、５００μｍである。これらの長さと、それぞれの導波路の屈折率を元に見積もられる共振器モード間隔は、約０．３ｎｍである。このため、上述の２ｎｍのドロップ波長帯域に含まれる共振器モードの本数は６本程度と見積もられる。したがって、本構成例の半導体レーザ２においては、１．５５μｍを中心に０．３ｎｍの波長間隔で並んだ６本程度の共振器モードが発振する多モード発振のスペクトルが得られることになる（図２参照）。

次に、リング共振器型変調器３の動作について説明する。
既に図２を用いて説明したように、上述のリング共振器型変調器３では、その透過スペクトルの共振波長付近に生じるディップの中にある波長の光のみを選択的に変調する。
本構成例では、このディップの幅は、上述の共振器モード間隔０．３ｎｍよりも小さい。

したがって、本リング共振器型変調器３は、光変調器３に入力された多モード発振のレーザ光のうち、光変調器３の共振波長帯域に含まれる波長の光（ここでは複数の発振モードの中の１つ）のみを選択的に強度変調することになる。この場合、他の波長（発振モード）のレーザ光は、変調を受けずに、不要光として光変調器３から出力されることになる。

次に、第２の波長フィルタ１１の動作について説明する。
上述の光変調器３から出力される光は、その後段に設けられた第２の波長フィルタ１１としてのリング共振器型波長フィルタに入力される。つまり、光変調器３で強度変調を受けた光のみならず、強度変調を受けずに通過した光も第２の波長フィルタ１１としてのリング共振器型波長フィルタに入力される。

ここで、第２の波長フィルタ１１を構成するリング共振器は、上述したように、光変調器３を構成するリング共振器と同様の構造を有しており、共振波長は両者の間で一致又はほぼ一致する。
したがって、第２の波長フィルタ１１では、光変調器３を構成するリング共振器の共振波長と同じ波長の光、すなわち、光変調器３において強度変調を受けた波長のレーザ光のみを選択的に一方のバス導波路（ドロップポート）１１Ａ（光集積素子１の出力ポート）へ出力し、それ以外のレーザ光を他方のバス導波路（スルーポート）１１Ｂへ出力する。

ここで、図１０は、図８に示すように構成された第２の波長フィルタ１１としてのリング共振器型波長フィルタのドロップ光の強度スペクトル（ドロップ特性；透過スペクトル）を示している。
図１０に示すように、光変調器３の共振波長中心（動作波長中心）の１．５５μｍにおいて、ドロップ光の強度が大きくなっていることがわかる。また、図１０に示すように、１．５５μｍを中心に半導体レーザ２の共振器モード間隔と同じ０．３ｎｍ離れた波長においては、ドロップ光の強度は−１５ｄＢ以下まで低下していることがわかる。

したがって、このような第２の波長フィルタ１１を用いることで、光変調器３において強度変調を受けた１．５５μｍの共振器モードの光のみをドロップポート１１Ａから出力させ、残りの不要な非変調光をスルーポート１１Ｂから出力させうることが分かる。
このように、本構成例では、複数の共振器モードで多モード発振しているレーザ光のうち、光変調器３の共振波長帯域に含まれる波長のレーザ光のみを、光変調器３において選択的に強度変調し、さらに、この変調を受けたレーザ光のみを、変調器後段の第２の波長フィルタ１１によって選択的に出力するようになっている。

したがって、光集積素子１によれば、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長との間の波長合わせを容易に行なえるようになるという利点がある。これにより、低駆動電圧でサイズの小さいリング共振器型変調器３を用いた共振器型変調器集積レーザ１を低コスト、低消費電力で実現できることになる。
なお、上述の実施形態では、具体的な光集積素子１の構成例について説明しているが、本発明は、これらの具体的な構成例に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、シリコン基板上にシリコン材料を主に用いて本光集積素子を形成する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ又は他の化合物半導体材料からなる基板を用い、これらの基板上に本光集積素子を形成しても良い。また、ニオブ酸リチウムやポリマなどの電界光学効果を有する他の誘電体材料を用いて本光集積素子を形成しても良い。

また、上述の実施形態では、半導体レーザ２の波長フィルタ４と光変調器３とを集積した素子９と、半導体レーザ２の利得導波路５を備える素子１０とを、異なる２種の基板上に形成し、これらを接着して、ハイブリッド実装するようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、半導体レーザ２の利得導波路５及び波長フィルタ４、及び、光変調器３を同一基板上に集積した素子として構成しても良い。

また、上述の実施形態では、（１）半導体レーザ２の波長フィルタ４と光変調器３の光共振構造とを同一基板上に集積することで、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長との間の波長合わせを容易にするとともに、（２）半導体レーザ２を多モード発振させることで、複数の発振モードのうち、少なくとも１つの発振モードが、光変調器３の共振波長（動作波長）と一致又はほぼ一致すれば良いようにして、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長との間の波長合わせを容易にしているが、上記（１）、（２）のうち、いずれか一方を採用するだけでも良い。

上記（１）だけを採用する場合、半導体レーザが単一モード発振するように、半導体レーザの波長フィルタを構成しても良く、この場合、第２の波長フィルタを設けなくても良い。
上記（２）だけを採用する場合、半導体レーザ２の波長フィルタ４と光変調器３の光共振構造とが同一基板上に集積されていなくても良い。

また、上述の実施形態では、半導体レーザ２の利得導波路５と光変調器３との間に半導体レーザ２の波長フィルタ４を設けているが、これに限られるものではなく、例えば、半導体レーザ２の波長フィルタ４と光変調器３との間に半導体レーザ２の利得導波路５を設けても良い。この場合、半導体レーザの利得導波路をハイブリッド実装するためのテラスは、同一基板上に集積された半導体レーザの波長フィルタと光変調器との間に溝部として形成すれば良い。

また、上述の実施形態では、本変調器が利用する電界光学効果として、導波路コア内に形成したｐｎ接合を逆バイアスに保った上で、コア内に存在するキャリアの密度を、変調のための電圧信号によって変化させることによって生じるフリー・キャリアプラズマ効果を利用して、導波路の屈折率を変化させる場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。

例えば、ｐｎ接合を順バイアスに保った上で、キャリア注入によって屈折率を変化させても良い。また、半導体材料の吸収端位置の電界による変化によって誘起される屈折率の変化を利用しても良い。また、電界によって誘起される線形の屈折率変化（ポッケルス効果）を利用しても良い。
また、上述の実施形態では、リング共振器を構成するリング光導波路として、リブ型で横方向にｐｎ接合を形成した断面構造を持つものを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、チャネル型の導波路とし、縦方向にｐｎ接合を形成したものとしても良い。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる光半導体装置について、図１４を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる光半導体装置（光集積素子；光送信素子）は、上述の第１実施形態のものに対し、半導体レーザの波長フィルタの構造が異なる。つまり、上述の第１実施形態では、半導体レーザの波長フィルタ（第１の波長フィルタ）として、透過型のリング共振器型波長フィルタを用いているのに対し、本実施形態では、反射型の回折格子型波長フィルタを用いている点が異なる。

本光集積素子は、図１４に示すように、半導体レーザ２の発振モードを規定する波長フィルタ４０として、導波路型のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラー（回折格子ミラー；波長選択ミラー）を備える。つまり、本実施形態では、半導体レーザ２は、ＤＢＲレーザである。なお、図１４では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。

ここでは、ＤＢＲミラー４０は、導波路の幅を一定の周期で変調することによって構成している。また、ＤＢＲミラー４０は、半導体レーザ２の発振モード間隔よりも広い反射波長帯域を有する。
ＤＢＲミラー４０を構成する導波路の断面構造（導波路構造）は、基本的に、上述の第１実施形態のリング共振器型波長フィルタ４と同様にすれば良い（図６参照）。

具体的な構成例としては、ＤＢＲミラー部分以外の部分は、導波路の幅を４５０ｎｍで均一とし、ＤＢＲミラー部分は、導波路の幅が４５０ｎｍの部分と４４５ｎｍの部分とが交互に周期的に並ぶようにすれば良い。この場合、ＤＢＲミラー４０を構成する回折格子の周期は３１０ｎｍとし、ＤＢＲミラー４０の反射波長ピークが１．５５μｍに一致するように調整して作製すれば良い。ここでは、ＤＢＲミラー部分の導波路の長さは、図１４に示すように、９３μｍとしている。

このように構成されるＤＢＲミラー４０の反射スペクトルは、中心波長１．５５μｍで、数ｎｍ程度の幅において５０％程度の反射率を有する。したがって、本構成例の半導体レーザ２も、上述の第１実施形態の構成例と同様に、数ｎｍの範囲で数本の共振器モードで多モード発振することになる。また、共振器内の発光素子１０の長さ、及び、導波路の長さを、上述の第１実施形態の構成例と同様にすることで、共振器モード間隔についても、上述の第１実施形態の構成例と同様に、０．３ｎｍ程度となる。

なお、その他の構成（発光素子、リング共振器型変調器、第２の波長フィルタの構造など）、動作、製造方法等については、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここではその説明を省略する。
ところで、本実施形態では、光変調器３の光共振構造はリング型のものを用いているのに対し、半導体レーザ２の波長フィルタ４０はＤＢＲ型のものを用いており、両者をリング型のものとしている第１実施形態の場合とは異なる。

しかしながら、上述の第１実施形態において説明したように、一般に、光共振器においては、リング型、ＤＢＲ型などの構造によらず、導波路の屈折率変化に対する共振波長の変化は、次式によって表される。
δλ＝λ_０（δｎ／ｎ_０）
つまり、屈折率変化が両者の間で等しければ、その結果としての共振波長の変化も両者の間で等しくなる。

また、ＤＢＲミラー部分では、導波路の幅が周期的に変調されているものの、導波路の基本的な断面構造は、光変調器３のリング共振器部分と半導体レーザ２のＤＢＲミラー部分とで同じであり、両者は同一基板８上に一体形成されるため、作製上の誤差や環境温度の変化に対して生じる導波路の屈折率変化も両者の間でほぼ同一となる。
このため、本実施形態の構造においても、上述の第１実施形態の構造ほどではないものの、光変調器３の共振波長と半導体レーザ２の発振波長との間の波長合わせが容易になるという効果が得られる。

したがって、光集積素子１によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長との間の波長合わせを容易に行なえるようになるという利点がある。これにより、低駆動電圧でサイズの小さいリング共振器型変調器３を用いた共振器型変調器集積レーザ１を低コスト、低消費電力で実現できることになる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態にかかる光半導体装置について、図１５を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる光半導体装置（光集積素子；光送信素子）は、上述の第２実施形態のもの（図１４参照）に対し、光変調器の構成が異なる。
つまり、上述の第２実施形態では、光変調器としてリング共振器型変調器３を用いているのに対し、本実施形態では、図１５に示すように、リング共振器をアームに装荷したマッハツェンダ（ＭＺ）型変調器３０を用いている点が異なる。

図１５に示すように、本光集積素子１に備えられる光変調器３０は、マッハツェンダ干渉計を構成する第１光導波路３１及び第２光導波路３２（２つのアーム）と、第１光導波路３１又は第２光導波路３２を伝搬する光が結合する位置に設けられ、リング共振器３３を構成するリング導波路３３Ａと、リング導波路３３Ａに沿って設けられ、伝搬する光の位相が変化するようにリング導波路３３Ａの屈折率を変化させる（変調する）ための電極３３Ｂとを備える。なお、図１５では、上述の第２実施形態のもの（図１４参照）と同一のものには同一の符号を付している。

ここでは、リング共振器３３を構成するリング導波路３３Ａは、各アーム３１，３２のそれぞれに複数設けられている。また、各リング導波路３３Ａのそれぞれの周囲に電極３３Ｂが設けられている。そして、各電極３３Ｂには、高周波信号源（変調電源）３４が接続されており、リング導波路３３Ａの屈折率が高周波電気信号（変調信号）によって変調されるようになっている。なお、ここでは、各アーム３１，３２のそれぞれに複数のリング共振器３３を設けているが、各アーム３１，３２の少なくとも一方に少なくとも１つのリング共振器を設ければ良い。

このようなリング装荷型ＭＺ変調器３０では、通常のＭＺ変調器と同様に、ＭＺ干渉計に入力された連続光は、分岐されてＭＺ干渉計を構成する２本のアーム３１，３２を伝搬した後、再び結合（合波）され、変調器出力光として出力される。
この際、アーム３１，３２のそれぞれに装荷された複数のリング共振器３３に電界を印加し、リング導波路３３Ａの屈折率を変化させることで、アーム３１，３２を伝搬する光の位相を変調する。

そして、アーム３１，３２を伝搬する際に複数のリング共振器３３によって位相変調された光を、アーム伝搬後に干渉させることで、光の強度を変調する。
このように、本実施形態では、ＭＺ干渉計を構成する２つのアーム３１，３２を伝搬する光が結合する位置に設けられた複数のリング共振器３３によって、伝搬する光の位相を変化させた後、ＭＺ干渉計によって、伝搬する光の強度を変化させて、入力された連続光を変調する。

特に、本変調器３０では、リング共振器３３の出力光（リング出力光；リング共振器３３に結合せずに伝搬する光も含む）の位相スペクトルのシフトを利用して変調を行なう。
つまり、本変調器３０では、ＭＺ干渉計のアーム３１，３２にリング共振器３３が装荷されているため、アーム３１，３２を伝搬する光のうち、リング共振器３３の共振波長帯域に含まれる波長の光は、リング導波路３３Ａに結合し、リング導波路３３Ａを伝搬した後、再びアーム３１，３２に結合して伝搬することになる。これは、リング導波路３３Ａが設けられている部分を通過した後、リング共振器３３の共振波長帯域において、位相が波長によって大きく変化することになる（即ち、位相スペクトルに大きな傾きが生じる）ことと等価である。

このため、リング出力光の位相スペクトルは、図１６（Ａ）に示すように、リング共振器３３の中心共振波長を含む広い共振波長帯域（リング共振波長帯域）において、傾き（波長の変化に対する位相の変化の割合）が大きくなっており、直線的に変化している。
そして、変調のための電気信号を、電極３３Ｂを介して、リング導波路３３Ａに印加して、リング導波路３３Ａの屈折率を変化させると、図１６（Ｂ）に示すように、リング出力光の位相スペクトルが波長軸方向へシフトする。この場合、リング共振器３３の広いリング共振波長帯域では、図１６（Ｂ）に示すように、位相スペクトルの傾きが大きくなっているため、わずかな屈折率変化で位相スペクトルがわずかにシフトすれば、リング出力光の位相が大きく変化する。このため、本変調器３０では、図１６（Ｂ）に示すように、位相スペクトルのリング共振波長帯域内に動作波長を設定すれば良い。したがって、本変調器３０では、動作波長帯域がリング共振器３３の広いリング共振波長帯域とほぼ等しくなり、広い動作波長帯域が得られることになる。

そして、本変調器３０では、リング共振器３３がＭＺ干渉計の中に組み込まれているため、リング出力光に生じた位相変化は、ＭＺ干渉計によって、変調器出力光における強度変化に変換される。
このように、本変調器３０では、リング共振器３３によって位相変化を生じさせて、ＭＺ干渉計の２本のアーム３１，３２を伝搬する光に位相差を生じさせ、これらをＭＺ干渉計によって干渉させることで強度変調を行なう。

ここで、図１７は、本変調器３０の透過スペクトル、及び、半導体レーザ２の発振スペクトル（レーザ発振スペクトル）を示している。なお、図１７では、実線と点線の２本の透過スペクトルが示されているが、これらは、リング共振器３に印加する電圧がローの場合（実線）とハイの場合（点線）に対応している。
本変調器３０では、図１７に示すように、広い動作波長帯域において所望の消光比（変調器出力光の強度変化）が得られることになる。

なお、このようなリング共振器装荷ＭＺ変調器３０の詳細については、例えば特願２００８−１３７０３７号に記載されている。
このようなリング共振器装荷ＭＺ変調器３０を用いる場合、変調器３０の出力側の一方のポート３５から強度変調を受けた変調光が出力光として出力される一方、他方のポート３６から変調器３０の共振波長帯域外の波長を有し、強度変調を受けなかった不要な連続光が出力されることになる。つまり、リング共振器装荷ＭＺ変調器３０は、連続光をカットし、変調光のみを取り出す波長フィルタ（変調光選択フィルタ）としても機能する。このため、上述の第２実施形態の場合と異なり、光変調器３０の後段に第２の波長フィルタ１１を設ける必要がない。

具体的な構成例としては、ＭＺ変調器３０のアーム３１，３２に接続されるリング共振器３３の数は、各アーム３１，３２のそれぞれに１０個にしている。なお、図１５では、図示の都合上、各アーム３１，３２のそれぞれに２個のリング共振器３３だけを示している。
また、各リング共振器３３を構成するリング光導波路３３Ａの半径（リング径）は約８μｍとし、その共振波長が約１．５５μｍ（動作波長）になるようにしている。

特に、本構成例では、光変調器３０の動作波長帯域を広げるために、各アーム３１，３２に設けられる１０個のリング導波路３３Ａの半径は０．８ｎｍずつずらされている。つまり、各アーム３１，３２のそれぞれに設けられた各リング共振器３３は、互いに共振波長が異なるように形成されている。また、リング導波路３３Ａとアーム（バス導波路）３１，３２との間の結合係数（結合効率）は１４．６％である。

なお、その他の構成（特に半導体レーザ部分の構造など）、製造方法等については、上述の第２実施形態のものと同じであるため、ここではその説明を省略する。
このように構成される本光集積素子は、以下のように動作する。
まず、上述の第２実施形態の場合と同様に、半導体レーザ２は複数の共振器モードで多モード発振する。そして、これらの複数の共振器モードのレーザ光が、リング共振器装荷型ＭＺ変調器３０に入力される。

リング共振器装荷ＭＺ変調器３０では、上述の第２実施形態のリング共振器型変調器３と同様に、入力された多モード発振のレーザ光のうち、リング共振器の共振波長付近の波長の光（ここでは複数の発振モードの中の３つ）のみを選択的に強度変調することになる。この場合、他の波長（発振モード）のレーザ光は、変調を受けずに、不要光として光変調器から出力されることになる。

そして、リング共振器装荷ＭＺ変調器３０は、出力側の一方のポート３５から強度変調を受けた変調光（ここでは３つの発振モードの変調光）を出力光として出力する一方、他方のポート３６から強度変調を受けなかった不要な連続光を出力する。
したがって、本光集積素子１によれば、上述の第２実施形態の場合と同様に、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３０の共振波長との間の波長合わせを容易に行なえるようになるという利点がある。これにより、低駆動電圧でサイズの小さいリング共振器３３を用いた共振器型変調器集積レーザ１を低コスト、低消費電力で実現できることになる。

特に、本実施形態では、リング共振器装荷型ＭＺ変調器３０を用いることで、光変調器の動作波長帯域を約１ｎｍ程度まで広げることが可能である。このため、上述の第２実施形態の場合と比較して、光変調器３０の共振波長と半導体レーザ２の発振波長との間の波長合わせが、より容易になるという効果もある。
なお、上述の実施形態では、リング径、リング径の差、結合係数、リング共振器の個数などについて、具体的な数値を記載しているが、これらは、変調器に要求される消光比、動作波長帯域、総作用長等によって、適宜、変更しても良い。

また、上述の実施形態では、上述の第２実施形態の変形例として説明しているが、これに限られるものではなく、上述の第１実施形態の変形例として構成することもできる。つまり、半導体レーザの波長フィルタとしてリング共振器型波長フィルタを用いるとともに、光変調器としてリング共振器をアームに装荷したマッハツェンダ変調器を用いることもできる。

また、上述の実施形態では、半導体レーザ２は複数の共振器モードで発振（多モード発振）するようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、図１８に示すように、半導体レーザ２は単一モード発振（単一波長モード発振）するようにしても良い。この場合、単一モード発振を生じさせるために、波長フィルタ４０の反射波長帯域を十分に狭くする必要がある。このような波長フィルタの設計は、ＤＢＲミラー４０の結合係数及び長さを調整することで容易に実現できる。上述の実施形態では、変調器の動作波長帯域を約１ｎｍ程度まで広げることができるため、半導体レーザ２の発振スペクトルの発振モードが単一であっても、光変調器３０の共振波長と半導体レーザ２の発振波長との間の波長合わせが容易になるという効果がある。また、半導体レーザ２を単一波長モード発振とすることで、半導体レーザが複数の共振器モードで発振するように構成した場合と比較して、本光半導体装置から得られる信号光を光ファイバによって伝送した時の波長分散（クロマティック・ディスパージョン）の影響を小さく抑えることができる。この結果、半導体レーザが複数の共振器モードで発振するように構成した場合よりも長距離伝送を行なうことが可能となる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態にかかる光半導体装置について、図１９を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる光半導体装置（光集積素子；光送信素子）は、上述の第１実施形態のものに対し、図１９に示すように、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するリング共振器の上方にヒータ（温度調整機構）２１が設けられている点が異なる。
まず、本実施形態において、ヒータ２１を設けている理由について説明する。
上述の第１実施形態のように構成することで、光変調器３の共振波長と半導体レーザ２の発振波長とを一致又はほぼ一致させることができるため、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長との間の波長合わせのために、これらの波長を制御するための温度調整機構を設けなくても良い。

しかしながら、例えばペルチェ素子上に置いたり、あるいは、局所的にヒータを設けたりするなど、温度調整機構を設けて、素子の温度調整を行なっても良い。
この場合、完全に温度調整機構をなくした場合ほどのコスト低減や消費電力低減の効果は得られないものの、上述の第１実施形態の構成を採用することで温度調整の必要性が小さくなるため、全体のシステムを簡略化できるという利点はある。

例えば、実際に半導体レーザ２やリング共振器型変調器３を作製する際には、その精度に応じて構造に揺らぎが生じ、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長とが、設計通りにならず、作製誤差によってずれてしまう場合がある。
また、仮に初期状態において半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長とが合っていたとしても、その後、動作時の環境温度の変化によってずれてしまう場合もある。

このような場合、温度調整機構を設けて、素子の温度調整を行なうのが有効である。このような温度調整を行なう場合でも、上述の第１実施形態の構成を採用することで、半導体レーザと光変調器とを異なる基板上に形成した場合（図１２参照）と比較して、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長とが大きく離れてしまうことがないため、これらの間の波長合わせを容易に行なえる。

さらに、上述の第１実施形態では、リング共振器型変調器３の共振波長帯域（動作波長帯域）は、多モード発振しているレーザの共振器モード間隔に比較して小さいため、これらの共振器モードの間の波長に光変調器３の共振波長（動作波長）が位置してしまう可能性がある。
この場合、半導体レーザ２の波長フィルタ４の温度を制御することで、共振器モードの波長をモード間隔程度の範囲で調整することが有効である。このような調整が必要となる場合でも、本光集積素子１においては、半導体レーザと光変調器とを異なる基板上に形成した場合（図１２参照）と比較して、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長とが大きく離れてしまうことがないため、これらの間の波長合わせが容易になるという効果は得られる。

そこで、本実施形態では、これらの点を考慮して、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成する３つのリング共振器が形成されている領域に局所的にヒータ（温度調整機構）２１を設けている。
具体的な構成例としては、図１９に示すように、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成する３つのリング共振器（リング導波路４Ｃ）の直上に、一本の線状のヒータ（局所ヒータ）２１が蛇行するように設けられている。

ここでは、線状のヒータ２１は、図６に示したような導波路の断面構造において、シリコン導波路コア４ＣＸの上面から、ＳｉＯ_２オーバクラッド層１５（例えば３μｍ程度）の表面上に、例えば厚さ１００ｎｍ、幅１ｍｍの矩形断面を持つように形成される。このヒータ２１の材料としては、例えばチタンなどを用いれば良い。
また、図１９に示すように、ヒータ２１には直流電源２２が接続されている。そして、ヒータ２１に接続された直流電源２２からの電流を制御することで、ヒータ２１で発生する熱量を制御し、これにより、半導体レーザ２の波長フィルタ４部分の温度を制御するようにしている。

このような温度制御によって、図９に示したような半導体レーザ２の波長フィルタ４の透過スペクトルの位置を、波長軸方向へシフトさせることができ、半導体レーザ２の発振波長を調整することができる。これにより、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長との間の波長合わせを行なうことができる。
なお、その他の構成、動作、製造方法等については、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここではその説明を省略する。

したがって、本光集積素子１によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長との間の波長合わせを容易に行なえるようになるという利点がある。これにより、低駆動電圧でサイズの小さいリング共振器型変調器３を用いた共振器型変調器集積レーザ１を低コスト、低消費電力で実現できることになる。
特に、本実施形態によれば、例えば作製誤差や環境温度の変化によって、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長とがずれてしまった場合や多モード発振しているレーザの共振器モードの間の波長に光変調器３の共振波長（動作波長）が位置してしまった場合であっても、半導体レーザ２の発振波長と光変調器３の共振波長との間の波長合わせを容易に行なえるという利点がある。

なお、上述の実施形態では、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するリング導波路４Ｃが設けられている部分にヒータ２１を設けているが、これに限られるものではなく、例えば、これに加え、あるいは、これに代えて、それ以外の領域に、同様のヒータを設けても良い。
例えば、レーザ共振器内のバス導波路（波長フィルタ４を構成するバス導波路４Ａ又は４Ｂ）の直上に、同様のヒータを設けても良い。この場合、レーザ共振器内の光の位相を制御することができ、これにより、レーザ発振スペクトルにおける共振器モードの位置を微調整することができ、半導体レーザの発振波長と光変調器の共振波長との間の波長合わせを行なうことができる。

また、例えば、リング共振器型変調器、及び、光変調器の後段のリング共振器型波長フィルタ（第２の波長フィルタ）のいずれか、あるいは、両方に、同様のヒータを設けても良い。この場合、これらのヒータの一部あるいは全部を用いて、半導体レーザの発振波長、光変調器の共振波長、及び、光変調器の後段の波長フィルタの透過波長の波長合わせを行なうことができる。

また、上述の実施形態では、ヒータを設け、温度調整によって共振器モードの位置の微調整を行なうようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、ヒータを設けるとともに、あるいは、ヒータを設けるのに代えて、レーザ共振器内の導波路上に、例えばキャリアを注入するための電極を設けるなどして、光の位相を変調する領域（位相制御領域）を設け、共振器モードの位置の微調整を行なうようにしても良い。

また、このようなヒータやキャリア注入などによる位相制御領域は、利得導波路と同一基板上に、利得導波路に隣接して設けても良い。
要するに、本光集積素子１において、光変調器３の光共振構造、半導体レーザ２の波長フィルタ４を構成するリング導波路４Ｃ、バス導波路４Ａ又は４Ｂ、半導体レーザ２の利得導波路５、第２の波長フィルタ１１のうちの少なくとも１つに、温度を制御するためのヒータ（温度調整機構）又はキャリアを注入するための電極（位相制御領域）を設けるようにしても良い。

さらに、上述の実施形態では、ヒータを設け、温度調整によって共振器モードの位置の微調整を行なうようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、ヒータを設けるとともに、あるいは、ヒータを設けるのに代えて、本光集積素子の全体を例えばペルチェ素子（温度調整機構）などの上において、素子全体の温度調整を行なえるようにし、これにより、レーザ発振スペクトルにおける共振器モードの位置を微調整することができ、半導体レーザの発振波長と光変調器の共振波長との間の波長合わせを行なうことができる。

また、半導体レーザ、光変調器、第２の波長フィルタのそれぞれにヒータを設けるか、又は、素子全体をペルチェ素子上におくことで、それぞれの温度を調整できるようにすれば、半導体レーザの発振波長、光変調器の共振波長、及び、第２の波長フィルタの透過波長の相互間の波長合わせを行なえるだけでなく、これらの波長を例えば１．５５μｍの動作波長に合わせることもできる。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、半導体レーザの波長フィルタ及び光変調器の後段の波長フィルタとして、リング共振器型波長フィルタや回折格子型波長フィルタを用いる場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、他の波長フィルタを用いても良い。例えば、アレイ回折格子（ＡＷＧ）やフォトニック結晶スラブ導波路を用いた波長フィルタを用いても良い。

また、本発明は、上述した各実施形態及びその変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置の構成を示す模式的平面図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置を構成するリング共振器型変調器の透過スペクトル及び半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置を構成するリング共振器型変調器の構成例を示す模式的平面図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置を構成するリング共振器型変調器の導波路構造の構成例を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置を構成する半導体レーザの構成例を示す模式的平面図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置の半導体レーザを構成する波長フィルタの導波路構造の構成例を示す模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置のリング導波路及びバス導波路を構成する光導波路の製造方法を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置を構成する光変調器後段の波長フィルタの構成例を示す模式的平面図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置の半導体レーザを構成する波長フィルタのドロップ特性を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置を構成する光変調器後段の波長フィルタのドロップ特性を示す図である。 本発明の第１実施形態の変形例にかかる光半導体装置の構成を示す模式的平面図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置の課題を説明するための図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置の課題を説明するための図である。 本発明の第２実施形態にかかる光半導体装置の構成を示す模式的平面図である。 本発明の第３実施形態にかかる光半導体装置の構成を示す模式的平面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明の第３実施形態にかかる光半導体装置を構成するリング共振器装荷型ＭＺ変調器におけるリング共振器による位相変化を利用した変調の原理を説明するための図である。 本発明の第３実施形態にかかる光半導体装置を構成するリング共振器型変調器の透過スペクトル及び半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 本発明の第３実施形態の変形例にかかる光半導体装置を構成するリング共振器型変調器の透過スペクトル及び半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 本発明の第４実施形態にかかる光半導体装置の構成を示す模式的平面図である。

符号の説明

１ 光集積素子（光半導体装置）
２ 半導体レーザ
３ 光変調器（リング共振器型変調器）
３Ａ バス導波路
３Ｂ リング導波路
３ＢＸ リブ型導波路コア
３Ｃ 電極
４ 半導体レーザの波長フィルタ（第１の波長フィルタ）
４Ａ，４Ｂ バス導波路
４Ｃ リング導波路
４ＣＸ リブ型導波路コア
５ 利得導波路
６ ミラー（高反射膜）
７ ギャップミラー（ハーフミラー）
８ 基板（Ｓｉ基板）
９ 光集積素子（波長フィルタ集積型光変調素子）
１０ 発光素子
１１ 波長フィルタ（第２の波長フィルタ）
１１Ａ，１１Ｂ バス導波路
１１Ｃ リング導波路
１２ シリコン酸化膜（埋め込み酸化膜；ＢＯＸ層）
１３ シリコン薄膜層（ＳＯＩ層）
１４ ＳＯＩ基板
１４Ａ スラブ部分（Ｓｉスラブ；ｎ型領域；ｎ^＋型伝導領域）
１４Ｂ スラブ部分（Ｓｉスラブ；ｐ型領域；ｐ^＋型伝導領域）
１５ ＳｉＯ_２オーバクラッド層
１６ 反射防止膜
１７ ＳｉＯ_２マスク（ＳｉＯ_２ストライプマスク）
２０ 高周波信号源（変調電源）
２１ ヒータ
２２ 直流電源
３０ リング装荷型ＭＺ変調器
３１ 第１光導波路（アーム）
３２ 第２光導波路（アーム）
３３ リング共振器
３３Ａ リング導波路
３３Ｂ 電極
３４ 高周波信号源（変調電源）
３５，３６ ポート
４０ ＤＢＲミラー

Claims (7)

1. 半導体レーザの発振波長を規定する第１の波長フィルタと、
   光共振構造を持ち、前記光共振構造への電気信号の印加により光を変調する光変調器とを備え、
   前記第１の波長フィルタと前記光変調器の光共振構造とが、同一基板上に集積されていることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記半導体レーザの利得導波路を構成する発光素子を備え、
   前記発光素子は、前記基板と異なる基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記光変調器は、リング共振器型光変調器であることを特徴とする、請求項１又は２記載の光半導体装置。
4. 前記光変調器は、
   マッハツェンダ干渉計を構成する第１光導波路及び第２光導波路と、
   前記第１光導波路又は前記第２光導波路を伝搬する光が結合する位置に設けられ、リング共振器を構成するリング導波路と、
   前記リング導波路に沿って設けられ、伝搬する光の位相が変化するように前記リング導波路の屈折率を変化させるための電極とを備えることを特徴とする、請求項１又は２記載の光半導体装置。
5. 前記第１の波長フィルタは、リング共振器型波長フィルタ又は回折格子型波長フィルタであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
6. 前記第１の波長フィルタは、前記半導体レーザの発振モード間隔よりも広い反射又は透過波長帯域を有し、前記半導体レーザの発振モードを規定し、
   前記光変調器は、共振波長帯域に含まれる発振モードの光を変調することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
7. 前記光変調器の前段又は後段に接続され、共振波長帯域外の発振モードの光を取り除く第２の波長フィルタを備えることを特徴とする、請求項６に記載の光半導体装置。

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