JP5545847B2 - Optical semiconductor device - Google Patents

Optical semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP5545847B2
JP5545847B2 JP2010136907A JP2010136907A JP5545847B2 JP 5545847 B2 JP5545847 B2 JP 5545847B2 JP 2010136907 A JP2010136907 A JP 2010136907A JP 2010136907 A JP2010136907 A JP 2010136907A JP 5545847 B2 JP5545847 B2 JP 5545847B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor device
optical
layer
optical semiconductor
wavelength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2010136907A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012004279A (en
Inventor
剛 藤澤
文良 狩野
啓之 石井
伸浩 布谷
慈 金澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2010136907A priority Critical patent/JP5545847B2/en
Publication of JP2012004279A publication Critical patent/JP2012004279A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5545847B2 publication Critical patent/JP5545847B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、光半導体装置に関し、より詳しくは、歪量子井戸層を有する電界吸収型光変調器集積半導体レーザのような光半導体装置に関する。   The present invention relates to an optical semiconductor device, and more particularly to an optical semiconductor device such as an electroabsorption optical modulator integrated semiconductor laser having a strained quantum well layer.

現在のインターネットの爆発的な広がりから、ネットワークの光化は大都市間の基幹網からFTTH(Fiber To The Home)に代表されるアクセス網までも広がっており、通信の種類としても従来のテレコミュニケーション用途からデータ通信まで多岐に亘りはじめている。特に最近ではイーサネット(登録商標)の光化が議論されており、その送受信機に関して、各種の形態、性能に関する標準化が進められている。   Due to the explosive spread of the current Internet, the opticalization of networks has expanded from backbone networks between large cities to access networks represented by FTTH (Fiber To The Home). It has begun to cover a wide range from applications to data communications. In particular, the opticalization of Ethernet (registered trademark) has been discussed recently, and standardization of various forms and performances of the transceiver is being promoted.

その中でも次世代ネットワークの一つとして議論されている100ギガビットイーサネット(100GbE)用送受信機は将来の超高速ネットワークとしてさかんに研究されている。100GbEでは伝送距離に応じて各種の規格が議論されているが、シングルモードファイバ(Single Mode Fiber:SMF)を伝送媒体に用いる中距離(10km)、長距離(40km)の伝送に関しては、規格の名前がそれぞれ100GBASE−LR4(以下、LR4と称す)、100GBASE−ER4(以下、ER4と称す)と規定されており、1294.53nm〜1296.59nm(lane1)、1299.02nm〜1301.09nm(lane2)、1303.54nm〜1305.63nm(lane3)、1308.09nm〜1310.19nm(lane4)という、4.5nm間隔、全体で15nmにもわたる、4波分の送信機を用意し、各レーンをそれぞれ25Gbit/sで動作させ、なおかつ、各送信機のサイドモード抑圧比(Side Mode Suppression Ratio:SMSR)が30dB以上、動的消光比がLR4に対して4dB、ER4に対して8dB以上必要であるなど、要求される性能が細かく設定されている。   Among them, a transceiver for 100 Gigabit Ethernet (100 GbE), which is being discussed as one of the next generation networks, has been studied extensively as a future ultra-high speed network. In 100 GbE, various standards are discussed according to the transmission distance, but for transmission over medium distance (10 km) and long distance (40 km) using a single mode fiber (SMF) as a transmission medium, The names are defined as 100GBASE-LR4 (hereinafter referred to as LR4) and 100GBASE-ER4 (hereinafter referred to as ER4), respectively, 1294.53 nm to 1296.59 nm (lane 1), 1299.02 nm to 1301.09 nm (lane 2) ), 1303.54 nm to 1305.63 nm (lane 3), 130.09 nm to 1310.19 nm (lane 4), 4.5 nm intervals, and a total of 15 nm transmitters for four waves are prepared. Each is operated at 25 Gbit / s, and each transmitter Idomodo suppression ratio (Side Mode Suppression Ratio: SMSR) is more than 30 dB, the dynamic extinction ratio and the like are required than 8dB relative to 4dB, ER4 respect LR4, required performance is finely set.

100GbE用送信機中の光源としては、現在、電界吸収型変調器集積レーザ(Electroabsorption Modulator integrated with DFB laser:EADFBレーザ)が有望視されている。EADFBレーザでは、半導体レーザ部と変調器部を独立に最適化できるため、高速の変調には非常に有利なことが知られており、特に100GbEのER4に対しては動的消光比が8dB以上必要であり、高消光比を得ることが容易なEADFBレーザがほぼ必須となっている。また、LR4、ER4ではペルチエ素子による一定温度動作が前提であるが、室温よりも少し温度の高い、40〜50℃で動作させると最も消費電力が小さくなることが知られている。一般に半導体レーザの性能は温度が高くなると劣化するために、これらの温度で動作させても性能劣化の少ない構成にする必要がある。   As a light source in a transmitter for 100 GbE, an electroabsorption modulator integrated laser (Electrobsorption Modulator integrated with DFB laser: EADFB laser) is currently promising. The EADFB laser is known to be very advantageous for high-speed modulation because the semiconductor laser and the modulator can be optimized independently, and the dynamic extinction ratio is 8 dB or more particularly for ER4 of 100 GbE. An EADFB laser that is necessary and easy to obtain a high extinction ratio is almost essential. Further, LR4 and ER4 are premised on a constant temperature operation by a Peltier element, but it is known that the power consumption becomes the smallest when operated at 40 to 50 ° C., which is a little higher than room temperature. In general, the performance of a semiconductor laser deteriorates as the temperature rises. Therefore, it is necessary to have a configuration with little performance deterioration even when the semiconductor laser is operated at these temperatures.

100GbE用の送受信機として、現在、CFP MSAトランシーバという規格のパッケージが提案されており、その中では、4つの光送信機(Transmitter Optical SubAssembly:TOSA)が並べられていて、それとは別に合波器が設置されている。トランシーバ中にはその他にも4つの受信機、分波器、電気信号処理部があり、そのサイズは75mm×140mmと非常に大きくなっている。それぞれのTOSAには、25Gbit/sで動作する光源の他に、温度制御のためのペルチエ素子、光ファイバに集光するためのレンズ、戻り光を防ぐためのアイソレータ、光ファイバが含まれ、それ自体のサイズも大きい上に、レンズ、アイソレータ、ペルチエ素子、光ファイバが4つの波長ごとに必要となっており、部材コスト、消費電力共に大きくなってしまう。   Currently, a standard package called CFP MSA transceiver has been proposed as a transceiver for 100 GbE, in which four optical transmitters (Transmitter Optical SubAssembly: TOSA) are arranged, separately from this, a multiplexer Is installed. There are four other receivers, duplexers, and electrical signal processing units in the transceiver, and the size thereof is very large at 75 mm × 140 mm. Each TOSA includes, in addition to a light source operating at 25 Gbit / s, a Peltier element for temperature control, a lens for focusing on an optical fiber, an isolator for preventing return light, and an optical fiber. In addition to its large size, a lens, an isolator, a Peltier element, and an optical fiber are required for every four wavelengths, and both the member cost and power consumption increase.

T. Fujisawa, M. Arai, N. Fujiwara, W. Kobayashi, T. Tadokoro, K. Tsuzuki, Y. Akage, R. Iga, T. Yamanaka, and F. Kano, "25 Gbit/s 1.3μm InGaAlAs-based electroabsorption modulator integrated with DFB laser for metro-area (40 km) 100 Gbit/s Ethernet system", IEE Electronics Letters, vol.45, no. 17, pp.900-901, 2009年8月13日T. Fujisawa, M. Arai, N. Fujiwara, W. Kobayashi, T. Tadokoro, K. Tsuzuki, Y. Akage, R. Iga, T. Yamanaka, and F. Kano, "25 Gbit / s 1.3μm InGaAlAs- based electroabsorption modulator integrated with DFB laser for metro-area (40 km) 100 Gbit / s Ethernet system ", IEE Electronics Letters, vol. 45, no. 17, pp. 900-901, August 13, 2009 W. Kobayashi, M. Arai, T. Yamanaka, N. Fujiwara, T. Fujisawa, M. Ishikawa, K. Tsuzuki, Y. Shibata, Y. Kondo, and F. Kano, "Wide temperature range (-25℃-100℃) operation of a 10-Gb/s 1.55-μm electroabsorption modulator integrated DFB laser for 80-km SMF transmission", IEEE Photonics Technology Letters, vol.21, no. 15, pp.1054-1056, 2009年8月1日W. Kobayashi, M. Arai, T. Yamanaka, N. Fujiwara, T. Fujisawa, M. Ishikawa, K. Tsuzuki, Y. Shibata, Y. Kondo, and F. Kano, "Wide temperature range (-25 ℃- (100 ° C) operation of a 10-Gb / s 1.55-μm electroabsorption modulator integrated DFB laser for 80-km SMF transmission ", IEEE Photonics Technology Letters, vol.21, no. 15, pp.1054-1056, August 2009 1 day T. Saito, T. Yamatoya, Y. Morita, E. Ishimura, C. Watatani, T. Aoyagi, and T. Ishikawa, "Clear eye opening 1.3 μm-25/43Gbps EML with novel tensile-strained asymmetric QW absorption layer", Proc. ECOC 2009, paper 8.1.3, 2009.T. Saito, T. Yamatoya, Y. Morita, E. Ishimura, C. Watatani, T. Aoyagi, and T. Ishikawa, "Clear eye opening 1.3 μm-25 / 43Gbps EML with novel tensile-strained asymmetric QW absorption layer" , Proc. ECOC 2009, paper 8.1.3, 2009.

これらの課題を解決するためには、4つの送信機と合波器を集積化することが有効である。集積の方法には、異種材料を用いて集積するハイブリッド集積と、一つの基板上に集積するモノリシック集積の2種類がある。ハイブリッド集積では、例えば、ある材料系で作製した合波器に、別の材料系で作製した4つの光源をなんらかの方法で集積する、という方法をとるが、4つの送信機と合波器の間での結合ロスを低減するためにアクティブアラインメントはほぼ必須であり、実装工程の複雑化は避けられない。また、送信機と合波器を別々に作製するために、集積化とは言っても、サイズの小型化には自ずと限界があり、作製、実装工程も複雑である。   In order to solve these problems, it is effective to integrate four transmitters and a multiplexer. There are two types of integration methods: hybrid integration using different materials and monolithic integration on one substrate. In the hybrid integration, for example, a method of integrating a light source made of another material system into a multiplexer made of a certain material system by some method is used, but between the four transmitters and the multiplexer. Active alignment is almost indispensable to reduce the coupling loss in the process, and the mounting process is inevitably complicated. In addition, since the transmitter and the multiplexer are separately manufactured, there is a limit to downsizing the size even if it is integrated, and the manufacturing and mounting processes are complicated.

一方、モノリシック集積では、一つの基板上に送信機と合波器を作りこんでしまうために、アラインメントがそもそも必要なく、実装は容易であり、1回の実装で4つの素子の実装が終了する。また、2つの素子が直接結合されているために、小型化も容易である。さらに、TOSA作製に必要なペルチエ素子、レンズ、アイソレータの数は1個で済むために、大幅な部材コスト、消費電力の低減が可能である。しかし、現在提案されているEADFBレーザは25Gbit/sという高速変調を可能にするために、その光導波路にリッジ構造を採用している。この構造では光の閉じ込めが弱く、光導波路の曲げ損失が大きく、曲げ半径を小さくできないために合波器が大きくなり、小型化には限界がある。また、EA変調器の層構造が均一になってしまうために、100GbEで必要な15nmという広い波長範囲にわたって、その規格を満足する消光比を確保できるような層構造の設計が必須である。さらに、4つの光源を同時に25Gbit/sという高速のデータレートで変調させるために、素子間のクロストークを抑圧することが大きな問題として残っている。また、EA変調器を駆動する際には、バイアス電圧と電圧振幅を設定する必要があるが、従来技術では、電圧振幅一定動作は報告されているが、バイアス電圧は波長ごとに変化させており、複雑な制御が必要であった。   On the other hand, in monolithic integration, since a transmitter and a multiplexer are built on one substrate, alignment is not necessary in the first place, and mounting is easy, and mounting of four elements is completed in one mounting. . Further, since the two elements are directly coupled, the size can be easily reduced. Furthermore, since the number of Peltier elements, lenses, and isolators necessary for manufacturing the TOSA is only one, it is possible to significantly reduce the member cost and power consumption. However, the currently proposed EADFB laser employs a ridge structure in its optical waveguide in order to enable high-speed modulation of 25 Gbit / s. In this structure, the optical confinement is weak, the bending loss of the optical waveguide is large, the bending radius cannot be reduced, the multiplexer is large, and there is a limit to downsizing. Further, since the layer structure of the EA modulator becomes uniform, it is essential to design a layer structure that can ensure an extinction ratio that satisfies the standard over a wide wavelength range of 15 nm required for 100 GbE. Furthermore, in order to simultaneously modulate the four light sources at a high data rate of 25 Gbit / s, suppressing crosstalk between elements remains a major problem. Also, when driving the EA modulator, it is necessary to set the bias voltage and the voltage amplitude. In the prior art, a constant voltage amplitude operation has been reported, but the bias voltage is changed for each wavelength. Complex control was necessary.

したがって、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、100GbEのLR4、ER4規格に対応可能であって、制御が簡便で、低コスト、低消費電力であり、小型化できる光半導体装置を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and is compatible with LR4 and ER4 standards of 100 GbE, easy to control, low cost, low power consumption, An object of the present invention is to provide an optical semiconductor device that can be miniaturized.

上述した課題を解決する第1の発明に係る光半導体装置は、
半導体混晶からなる基板上に設けられ、発振波長の異なる複数の半導体レーザ部、および前記複数の半導体レーザ部のそれぞれに対して設けられ、当該複数の半導体レーザ部から出射する信号を変調する複数の電界吸収型光変調器部からなる光源と、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記光源より出射された信号を一つにまとめる合波器部とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶は、InPであり、
前記半導体レーザ部が、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部が、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであり、
前記電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が7から9であり、量子井戸層の歪量が0.17%から0.73%(プラス符号は引張歪)であり、バリア層のバンドギャップ波長が0.9μmから1.05μmであり、
前記複数の半導体レーザ部および前記複数の電界吸収型変調器部の上部のクラッド部がp−InPであり、前記合波器の上部のクラッド部がノンドープのInPである
ことを特徴とする。
上述した課題を解決する第2の発明に係る光半導体装置は、
第1の発明に係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部の端部側にフォトダイオードを有し、当該フォトダイオードは前記半導体レーザ部と同じ層構造である
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to a first invention for solving the above-described problem is
A plurality of semiconductor laser portions provided on a substrate made of a semiconductor mixed crystal and having different oscillation wavelengths, and a plurality of semiconductor laser portions provided for each of the plurality of semiconductor laser portions, for modulating signals emitted from the plurality of semiconductor laser portions. A light source comprising an electroabsorption optical modulator part, a core part and a clad part provided above and below the core part, and a combiner part for combining signals emitted from the light source into one An optical semiconductor device having a formed configuration,
The semiconductor mixed crystal of the substrate is InP,
The semiconductor laser part has an active part of a multiple quantum well structure including a quantum well layer, a barrier layer, and a diffraction grating forming layer, and a cladding part provided above and below the active part,
The electroabsorption optical modulator portion has an active portion of a multiple quantum well structure including a quantum well layer, a barrier layer, and an optical confinement layer, and a cladding portion provided above and below the active portion,
The well layer and the barrier layer in the active part of the electroabsorption optical modulator part are In 1-xy Al x Ga y As,
The active portion of the electro-absorption optical modulator has a quantum well number of 7 to 9, a strain amount of the quantum well layer of 0.17% to 0.73% (plus sign is tensile strain), and a barrier Ri 1.05μm der band gap wavelength from 0.9μm of layer,
The upper cladding portions of the plurality of semiconductor laser portions and the plurality of electroabsorption modulator portions are p-InP, and the upper cladding portion of the multiplexer is non-doped InP. And
An optical semiconductor device according to a second invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to a first invention,
A photodiode is provided on the end side of the semiconductor laser portion, and the photodiode has the same layer structure as the semiconductor laser portion.
It is characterized by that.

上述した課題を解決する第の発明に係る光半導体装置は、
第1または第2の発明に係る光半導体装置であって、
前記基板上における、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に設けられ、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層を具備し、
前記パッシブ層のコア部は、前記電界吸収型光変調器部の活性部と同じ多重量子井戸構造である、もしくはバンドギャップ波長1.1μmから1.2μmのIn1-xGaxAsy1-yバルクである
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to a third invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to the first or second invention,
Provided between the semiconductor laser part and the electroabsorption optical modulator part on the substrate, and having a core part and cladding parts provided above and below the core part, and the semiconductor laser part and the Comprising a passive layer that electrically insulates the electroabsorption optical modulator section;
The core portion of the passive layer has the same multiple quantum well structure as the active portion of the electroabsorption optical modulator portion, or an In 1-x Ga x As y P 1 having a band gap wavelength of 1.1 μm to 1.2 μm. -y Bulk feature.

上述した課題を解決する第の発明に係る光半導体装置は、
第1乃至第3の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層は、室温での利得が最大となる波長を1.25μmから1.35μmとする材料が選択され、その波長を達成する厚みおよび歪を有している
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to a fourth invention for solving the above-described problem is as follows.
An optical semiconductor device according to any one of the first to third inventions ,
The quantum well layer of the active part of the semiconductor laser part has a thickness and strain that achieves the wavelength selected from a material having a wavelength that maximizes the room temperature gain of 1.25 μm to 1.35 μm. It is characterized by that.

上述した課題を解決する第の発明に係る光半導体装置は、
第1乃至第の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が、40〜50℃において、1.29μm〜1.31μmとなる深さおよび周期を有する回折格子が形成されている
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to a fifth invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to any one of the first to fourth inventions,
The diffraction grating forming layer of the active part of the semiconductor laser part is formed with a diffraction grating having a depth and a period with a Bragg wavelength of 1.29 μm to 1.31 μm at 40 to 50 ° C. Features.

上述した課題を解決する第の発明に係る光半導体装置は、
の発明に係る光半導体装置であって、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層は、室温での吸収端の波長が、前記ブラック波長から40nm〜80nm短くなる波長を達成する厚みを有している
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to a sixth invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to a fifth invention,
The quantum well layer of the active part of the electroabsorption optical modulator part has a thickness that achieves a wavelength at which the absorption edge wavelength at room temperature is 40 nm to 80 nm shorter than the black wavelength. .

上述した課題を解決する第の発明に係る光半導体装置は、
乃至第の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部、前記電界吸収型光変調器部、および前記パッシブ層は、リッジ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to a seventh invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to any one of the third to sixth inventions,
The semiconductor laser section, the electroabsorption optical modulator section, and the passive layer each have an optical waveguide having a ridge structure, and both sides thereof are embedded with an organic material having a dielectric constant smaller than that of a semiconductor. And

上述した課題を解決する第の発明に係る光半導体装置は、
第1乃至第の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部のコア層は、バンドギャップ波長が1.1μmから1.2μmのIn1-xGaxAsy1-yバルクである
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to an eighth invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to any one of the first to seventh inventions,
The core layer of the multiplexer unit may bandgap wavelength of 1.2μm of In 1-x Ga x As y P 1-y bulk from 1.1 .mu.m.

上述した課題を解決する第の発明に係る光半導体装置は、
第1乃至第の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部は、ハイメサ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to a ninth invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to any one of the first to eighth inventions,
The multiplexer unit has an optical waveguide having a high mesa structure, and both sides thereof are embedded with an organic material having a dielectric constant smaller than that of a semiconductor.

上述した課題を解決する第10の発明に係る光半導体装置は、
第1乃至第9の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部は、テーパ構造の入出力導波路を具備する
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to a tenth invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to any one of the first to ninth inventions,
The multiplexer unit includes an input / output waveguide having a tapered structure.

上述した課題を解決する第11の発明に係る光半導体装置は、
第1乃至第10の発明の何れか1つに係る光半導体装置であって、
前記光源と前記合波器部は、不連続テーパ構造の接合部を介して接続される
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device according to an eleventh invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device according to any one of the first to tenth inventions,
The light source and the multiplexer unit are connected to each other through a joint portion having a discontinuous taper structure.

上述した課題を解決する第12の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
第1乃至第11の発明の何れか1つに係る光半導体装置を制御する光半導体装置の制御方法であって、
前記複数の電界吸収型光変調器部を駆動する際に、それぞれのバイアス電圧、電圧振幅を一定とする
ことを特徴とする。
An optical semiconductor device control method according to a twelfth aspect of the invention for solving the above-described problem is
An optical semiconductor device control method for controlling an optical semiconductor device according to any one of the first to eleventh inventions,
When driving the plurality of electroabsorption optical modulator sections, each bias voltage and voltage amplitude are fixed.

本発明に係る光半導体装置よれば、100GbEのLR4、ER4規格で求められる大きな消光比を確保し、バイアス電圧、電圧振幅一定制御を実現できるため、これら規格に対応可能な、制御が簡便で、低コスト、低消費電力な、超小型モノリシック集積光源を構成することが可能となる。   According to the optical semiconductor device according to the present invention, a large extinction ratio required by the LR4 and ER4 standards of 100 GbE can be ensured, and the bias voltage and voltage amplitude constant control can be realized. An ultra-small monolithic integrated light source with low cost and low power consumption can be configured.

本発明に係る光半導体装置の基本的な構造を示した断面図である。1 is a cross-sectional view showing a basic structure of an optical semiconductor device according to the present invention. 本発明の第1,第2の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structure of the optical semiconductor device based on the 1st, 2nd Example of this invention. 第1の実施例に係る光半導体装置が具備する電界吸収型光変調器における井戸層吸収量の井戸層歪量依存性を示す図である。It is a figure which shows the well layer distortion amount dependence of the well layer absorption amount in the electro-absorption type optical modulator which the optical semiconductor device which concerns on a 1st Example comprises. 光導波路の構造を模式的に示した図であって、図4(a)に埋め込み型の場合を示し、図4(b)にリッジ型の場合を示し、図4(c)にハイメサ型の場合を示す。FIGS. 4A and 4B schematically show the structure of an optical waveguide, FIG. 4A shows a buried type, FIG. 4B shows a ridge type, and FIG. 4C shows a high mesa type. Show the case. 光源間クロストークの光源間隔依存性のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the light source space | interval dependence of the crosstalk between light sources. リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路の曲げ損失の曲げ半径依存性を示す図である。It is a figure which shows the bending radius dependence of the bending loss of a ridge type | mold optical waveguide and a high mesa type | mold optical waveguide. MMIカプラの構造図である。It is a structural diagram of an MMI coupler. リッジ型MMIカプラ内の電界分布を示す図であって、図8(a)にそのコア中心における電界分布の縦断面を示し、図8(b)に伝搬距離225μmにおける電界分布の横断面を示す。FIGS. 8A and 8B are diagrams showing the electric field distribution in the ridge-type MMI coupler. FIG. 8A shows a longitudinal section of the electric field distribution at the center of the core, and FIG. . ハイメサ型MMIカプラ内の電界分布を示す図であって、図9(a)にそのコア中心における電界分布の縦断面を示し、図9(b)に伝搬距離250μmにおける電界分布の横断面を示す。FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the electric field distribution in the high-mesa MMI coupler, in which FIG. 9A shows a vertical section of the electric field distribution at the center of the core, and FIG. . テーパ構造つきMMIカプラの構造図である。It is a structural diagram of a MMI coupler with a taper structure. テーパ構造つきMMIカプラの結合効率のMMI長依存性を示す図であって、図11(a)に入力導波路幅が2.0μmの場合を示し、図11(b)に入力導波路幅が2.5μmの場合を示す。FIGS. 11A and 11B show the MMI length dependence of the coupling efficiency of an MMI coupler with a taper structure. FIG. 11A shows the case where the input waveguide width is 2.0 μm, and FIG. The case of 2.5 μm is shown. 本発明の第1の実施例に係る光半導体装置で用いた光導波路の電界分布を示す図であって、図12(a)にリッジ型光導波路の場合を示し、図12(b)にハイメサ型光導波路の場合を示す。FIGS. 12A and 12B show the electric field distribution of the optical waveguide used in the optical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, FIG. 12A shows the case of a ridge type optical waveguide, and FIG. The case of a type optical waveguide is shown. 従来の、異種の光導波路を接合するテーパ構造接合部の平面図である。It is a top view of the conventional taper structure junction part which joins a different kind of optical waveguide. 本発明の第1の実施例に係る光半導体装置で用いた光導波路における不連続テーパ構造接合部の説明図であって、図14(a)にその平面を示し、図14(b)にその斜視を示す。It is explanatory drawing of the discontinuous taper structure junction part in the optical waveguide used with the optical semiconductor device which concerns on 1st Example of this invention, Comprising: The plane is shown to Fig.14 (a), and FIG.14 (b) A perspective view is shown. 不連続テーパ構造接合部による結合効率とハイメサ型光導波路の幅方向の大きさとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coupling efficiency by a discontinuous taper structure junction part, and the magnitude | size of the width direction of a high mesa type | mold optical waveguide. 不連続テーパ構造接合部による結合効率と不連続テーパ構造接合部のテーパ長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coupling efficiency by a discontinuous taper structure junction part, and the taper length of a discontinuous taper structure junction part. 本発明の第1の実施例に係る光半導体装置を具備する素子の写真である。It is a photograph of the element which comprises the optical semiconductor device which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に係る光半導体装置を具備する素子の発振スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the oscillation spectrum of the element which comprises the optical semiconductor device which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に係る光半導体装置を具備する素子の静的消光比を示す図である。It is a figure which shows the static extinction ratio of the element which comprises the optical semiconductor device which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に係る光半導体装置を具備する素子の小信号周波数応答を示す図である。It is a figure which shows the small signal frequency response of the element which comprises the optical semiconductor device which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に係る光半導体装置を具備する電界吸収型光変調器部における動的消光比のバイアス電圧依存性を示す図である。It is a figure which shows the bias voltage dependence of the dynamic extinction ratio in the electro-absorption type optical modulator part which comprises the optical semiconductor device based on the 1st Example of this invention. 本発明に係る光半導体装置の断面図であって、図22(a)に第1の実施例の場合を示し、図22(b)に第2の実施例の場合を示す。FIG. 22A is a cross-sectional view of an optical semiconductor device according to the present invention, and FIG. 22A shows the case of the first embodiment, and FIG. 22B shows the case of the second embodiment. 本発明に係る光半導体装置が具備する電界吸収型光変調器部内で発生したフォトキャリアの流れ方を説明するための図であって、図23(a)に第1の実施例の場合を示し、図23(b)に第2の実施例の場合を示す。FIG. 23A is a diagram for explaining the flow of photocarriers generated in the electroabsorption optical modulator portion included in the optical semiconductor device according to the present invention, and FIG. 23A shows the case of the first embodiment. FIG. 23B shows the case of the second embodiment.

以下、本発明に係る光半導体装置の実施例について具体的に説明する。
はじめに、本発明に係る光半導体装置の基本的な構造について図1を参照して説明する。
Examples of the optical semiconductor device according to the present invention will be specifically described below.
First, the basic structure of the optical semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG.

図1に示すように、本発明に係る光半導体装置は、モノリシック集積光源であって、半導体混晶からなる基板1上に、半導体レーザ活性部(Laser diode:LD部)21と、パッシブ層(光導波部)22と、電界吸収型光変調器部(Electroabsorption modulator部:EAM部)23と、合波器部24とが形成された構成となっている。   As shown in FIG. 1, the optical semiconductor device according to the present invention is a monolithic integrated light source, and on a substrate 1 made of a semiconductor mixed crystal, a semiconductor laser active part (Laser diode: LD part) 21 and a passive layer ( An optical waveguide unit 22, an electroabsorption modulator unit (Electroabsorption modulator unit: EAM unit) 23, and a multiplexer unit 24 are formed.

LD部21は、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部2と、この活性部2の上下に設けられたクラッド部3,4とを有している。   The LD portion 21 has an active portion 2 having a multiple quantum well structure including a quantum well layer, a barrier layer, and a diffraction grating formation layer, and cladding portions 3 and 4 provided above and below the active portion 2.

EAM部23は、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部5と、この活性部5の上下に設けられたクラッド部6,7とを有している。   The EAM portion 23 includes an active portion 5 having a multiple quantum well structure including a quantum well layer, a barrier layer, and an optical confinement layer, and clad portions 6 and 7 provided above and below the active portion 5.

パッシブ層22は、コア部8と、このコア部8の上下に設けられたクラッド部9,10とを有している。   The passive layer 22 has a core portion 8 and clad portions 9 and 10 provided above and below the core portion 8.

合波器部24は、コア部11と、このコア部11の上下に設けられたクラッド部12,13とを有している。   The multiplexer unit 24 includes a core unit 11 and clad units 12 and 13 provided above and below the core unit 11.

基板1の下面には下部電極14が設けられる。LD部21における上部のクラッド部3の上面と、EAM部23における上部のクラッド部6の上面には、コンタクト層15を介して上部電極16が設けられている。一方、パッシブ層22における上部のクラッド部9の上面にはコンタクト層も上部電極も設けられておらず、パッシブ層22はLD部21とEAM部23とを電気的に絶縁している。合波器部24における上部のクラッド部12の上面にはコンタクト層も上部電極も設けられていない。なお、LD部21と後述するフォトダイオード部25との間にもパッシブ層22が設けられており、このパッシブ層22はLD部21とフォトダイオード部25とを電気的に絶縁している。   A lower electrode 14 is provided on the lower surface of the substrate 1. An upper electrode 16 is provided on the upper surface of the upper cladding portion 3 in the LD portion 21 and the upper surface of the upper cladding portion 6 in the EAM portion 23 via a contact layer 15. On the other hand, neither the contact layer nor the upper electrode is provided on the upper surface of the upper cladding portion 9 in the passive layer 22, and the passive layer 22 electrically insulates the LD portion 21 from the EAM portion 23. Neither the contact layer nor the upper electrode is provided on the upper surface of the upper cladding portion 12 in the multiplexer portion 24. A passive layer 22 is also provided between the LD portion 21 and a photodiode portion 25 described later, and the passive layer 22 electrically insulates the LD portion 21 and the photodiode portion 25 from each other.

本発明の第1の実施例に係る光半導体装置について図2を参照して説明する。   An optical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図2に示すように、本実施例に係る光半導体装置である100GbE用モノリシック集積光源は、半導体混晶からなる基板1上に4つのレーン31A,31B,31C,31Dが設けられた構成になっている。各レーン31A〜31Dには、フォトダイオード部(PD部)25とLD部21とEAM部23が設けられており、PD部25とLD部21とEAM部23は光導波路を介して同一基板1上で接続されている。4つのLD部21は、波長の異なる信号をそれぞれ出射する機器である。そして、4つのレーン31A〜31Dは、合波器部24である多モード干渉型カプラ(MultiMode Interference coupler:MMIカプラ)により各レーン31A〜31Dを導波した光は1つに合波される。   As shown in FIG. 2, the 100 GbE monolithic integrated light source, which is an optical semiconductor device according to the present embodiment, has a configuration in which four lanes 31 A, 31 B, 31 C, and 31 D are provided on a substrate 1 made of a semiconductor mixed crystal. ing. Each of the lanes 31A to 31D is provided with a photodiode portion (PD portion) 25, an LD portion 21, and an EAM portion 23. The PD portion 25, the LD portion 21, and the EAM portion 23 are disposed on the same substrate 1 via an optical waveguide. Connected on. The four LD units 21 are devices that emit signals having different wavelengths. In the four lanes 31 </ b> A to 31 </ b> D, light guided through the lanes 31 </ b> A to 31 </ b> D is multiplexed into one by a multimode interference coupler (MMI coupler) which is a multiplexer unit 24.

LD部21は、n型のInP基板1上に形成され、InP基板1側から順番に、下部のn−InPクラッド部4と、InAlGaAsバリア層、InAlGaAs量子井戸層及びInAlGaAsP回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部2と、上部のp−InPクラッド部3とを有して成るものである。このようにLD部21にアルミニウムを含むInAlGaAsを用いることにより、温度特性を改善することができる。   The LD portion 21 is formed on the n-type InP substrate 1 and includes, in order from the InP substrate 1, the lower n-InP cladding portion 4, an InAlGaAs barrier layer, an InAlGaAs quantum well layer, and an InAlGaAsP diffraction grating formation layer. It has an active portion 2 having a multiple quantum well structure and an upper p-InP clad portion 3. Thus, by using InAlGaAs containing aluminum for the LD portion 21, the temperature characteristics can be improved.

EAM部23は、n型のInP基板1上に形成され、InP基板1側から順番に、下部のn−InPクラッド部7と、InAlGaAsバリア層及びInAlGaAs量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部5と、InAlGaAsPガイド層と、上部のp−InPクラッド部6とを有して成るものである。   The EAM part 23 is formed on the n-type InP substrate 1 and is activated in order of the multi-quantum well structure including the lower n-InP clad part 7, the InAlGaAs barrier layer, and the InAlGaAs quantum well layer from the InP substrate 1 side. It has a portion 5, an InAlGaAsP guide layer, and an upper p-InP clad portion 6.

パッシブ層22のコア部8および上下のクラッド部9,10は、EAM部23と同様の構成となっている。すなわち、パッシブ層22は、n型のInP基板1上に形成され、InP基板1側から順番に、下部のn−InPクラッド部10と、InAlGaAsバリア層及びInAlGaAs量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部からなるコア部8と、InAlGaAsPガイド層と、上部のp−InPクラッド部9とを有して成るものである。ただし、パッシブ層22によってPD部25とLD部21とEAM部23とを電気的に絶縁するため、パッシブ層22には上部電極が設けられていない。   The core portion 8 and the upper and lower cladding portions 9 and 10 of the passive layer 22 have the same configuration as the EAM portion 23. That is, the passive layer 22 is formed on the n-type InP substrate 1, and in order from the InP substrate 1 side, the lower n-InP cladding portion 10, the multiple quantum well structure including the InAlGaAs barrier layer and the InAlGaAs quantum well layer. A core portion 8 composed of the active portion, an InAlGaAsP guide layer, and an upper p-InP clad portion 9. However, since the PD unit 25, the LD unit 21, and the EAM unit 23 are electrically insulated by the passive layer 22, the passive layer 22 is not provided with an upper electrode.

PD部25は、各レーン31A〜31Dの一方の端部側に設けられている。PD部25は、LD部21とほぼ同じ層構造であって、n型のInP基板1上に形成され、InP基板1側から順番に、下部のn−InPクラッド部と、InAlGaAsバリア層及びInAlGaAs量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部と、InAlGaAsPガイド層と、上部のp−InPクラッド部とを有して成るものである。   The PD unit 25 is provided on one end side of each of the lanes 31A to 31D. The PD unit 25 has substantially the same layer structure as that of the LD unit 21 and is formed on the n-type InP substrate 1, and in order from the InP substrate 1 side, a lower n-InP clad unit, an InAlGaAs barrier layer, and an InAlGaAs It has an active part of a multiple quantum well structure including a quantum well layer, an InAlGaAsP guide layer, and an upper p-InP cladding part.

本実施例では、上述したような構造の100GbE用モノリシック集積光源において、LD部21の活性層2としてバンドギャップ波長が1.3μmとなるような多重量子井戸構造を用い、EAM部23の活性層5として井戸層のバンドギャップ波長はLD部21との離調が室温で70nmとなるように、与えられた歪に対して第1量子化準位間波長が1.23μmとなるような混晶を用いる。合波器部24に関しては、コア層11をバンドギャップ波長1.15μmのInGaAsPとし、下部クラッド13をn−InPとする。   In this embodiment, in the monolithic integrated light source for 100 GbE having the above-described structure, a multi-quantum well structure having a band gap wavelength of 1.3 μm is used as the active layer 2 of the LD unit 21, and the active layer of the EAM unit 23 is used. 5, the band gap wavelength of the well layer is a mixed crystal in which the wavelength between the first quantization levels is 1.23 μm with respect to a given strain so that the detuning with the LD portion 21 is 70 nm at room temperature. Is used. As for the multiplexer unit 24, the core layer 11 is InGaAsP with a band gap wavelength of 1.15 μm, and the lower cladding 13 is n-InP.

バリア材料の組成は基板に格子整合するものとしているが、歪補償の目的でバリア層に歪を導入しても問題は無い。半導体混晶の組成比は、歪量、井戸幅、第一量子化準位間波長によって特定し、必要が無ければ具体的に述べない。   The composition of the barrier material is assumed to lattice match with the substrate, but there is no problem even if strain is introduced into the barrier layer for the purpose of strain compensation. The composition ratio of the semiconductor mixed crystal is specified by the strain amount, the well width, and the wavelength between the first quantization levels, and is not specifically described unless necessary.

本発明は前述したとおり、100GbE用の1.3μm帯の光源に対するものであり、そこで用いられる波長の範囲は各種の規格において1.25μm〜1.35μm程度である。したがって、LD部21の活性層2の量子井戸層は、室温での利得が最大となる光波の波長を1.25μm〜1.35μmとする材料(In1-x-yAlxGayAs)が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有していれば良い。 As described above, the present invention is for a light source of 1.3 μm band for 100 GbE, and the wavelength range used therein is about 1.25 μm to 1.35 μm in various standards. Therefore, the quantum well layer of the active layer 2 of the LD portion 21 is selected from a material (In 1-xy Al x Ga y As) that sets the wavelength of the light wave that maximizes the gain at room temperature to 1.25 μm to 1.35 μm. It is only necessary to have a thickness and strain to achieve the wavelength.

次に、本実施例に係る光半導体装置である100GbE用モノリシック集積光源の製造方法について説明する。
まず、n型のInP基板1上に、InP基板1側から順番に、下部のクラッド部と多重量子井戸構造の活性部とを成長させる。これにより、LD部21およびPD部25における下部のクラッド部および活性部が作製される。また、パッシブ層22、EAM部23および合波器部24における下部のクラッド部が作製される。
次に、この成長させた多重量子井戸構造の活性部のうち、LD部21およびPD部25として必要な部分以外の部分をウェットエッチングによって削り取り、多重量子井戸構造の活性部と多重量子井戸構造の活性部からなるコア部とをバットジョイント再成長させる。これにより、EAM部23の活性部5およびパッシブ層22のコア部8が作製される。
そして、このバットジョイント再成長させた活性層5およびコア部8のうち、EAM部23およびパッシブ層22として必要な部分以外をウェットエッチングによって削り取り、合波器部24のコア部11をバットジョイント再成長させる。
Next, a method for manufacturing a 100 GbE monolithic integrated light source, which is an optical semiconductor device according to this embodiment, will be described.
First, a lower clad portion and an active portion having a multiple quantum well structure are grown on an n-type InP substrate 1 in order from the InP substrate 1 side. Thereby, the lower clad part and active part in LD part 21 and PD part 25 are produced. Further, the lower clad portion in the passive layer 22, the EAM portion 23, and the multiplexer portion 24 is produced.
Next, of the grown active portion of the multiple quantum well structure, portions other than those necessary for the LD portion 21 and the PD portion 25 are scraped off by wet etching, and the active portion of the multiple quantum well structure and the multiple quantum well structure are removed. The butt joint is regrown with the core portion composed of the active portion. Thereby, the active part 5 of the EAM part 23 and the core part 8 of the passive layer 22 are produced.
Of the active layer 5 and the core portion 8 that have been regrown, the portions other than those necessary as the EAM portion 23 and the passive layer 22 are scraped off by wet etching, and the core portion 11 of the multiplexer portion 24 is removed from the butt joint. Grow.

続いて、LD部21に回折格子を形成した後、LD部21、パッシブ層22、EAM部23、合波器部24、およびPD部25のそれぞれに上部のクラッド部を2μm成長させ、さらに、p−InGaAsのコンタクト層15を成長させることで、PD部25、LD部21、パッシブ層22、EAM部23、および合波器部24が作りこまれたウェハーが完成する。ここで、このまま、合波器部24のMMIカプラを作りこむと、上部のクラッド部がp−InPであるために、光の損失が大きく、出射光パワーが小さくなってしまう。そこで、ここでは、この状態からさらに、合波器部24の上部のクラッド部をエッチングによって削り取り、ノンドープのInPをバットジョイント再成長させる。   Subsequently, after forming a diffraction grating in the LD part 21, an upper cladding part is grown by 2 μm on each of the LD part 21, the passive layer 22, the EAM part 23, the multiplexer part 24, and the PD part 25, and By growing the contact layer 15 of p-InGaAs, a wafer in which the PD portion 25, the LD portion 21, the passive layer 22, the EAM portion 23, and the multiplexer portion 24 are formed is completed. Here, if the MMI coupler of the multiplexer unit 24 is made as it is, the upper clad part is p-InP, so that the loss of light is large and the output light power is reduced. Therefore, here, from this state, the upper clad portion of the multiplexer portion 24 is further removed by etching, and non-doped InP is regrown to the butt joint.

完成したウェハーに、LD部21、EAM部23、パッシブ層22、PD部25にリッジ型導波路用メサ形成プロセス、合波器部24にハイメサ型導波路用メサ形成プロセス、及び電極形成プロセス(ただしパッシブ層22および合波器部24には上部電極を形成しない)を実施し、へき開後、チップの前後端面に無反射コーティング(図示せず)を施すことによって完成となる。   On the completed wafer, the LD portion 21, EAM portion 23, passive layer 22, and PD portion 25 have a ridge waveguide mesa formation process, the multiplexer portion 24 has a high mesa waveguide mesa formation process, and an electrode formation process ( However, the upper electrode is not formed on the passive layer 22 and the multiplexer unit 24), and after cleavage, a non-reflective coating (not shown) is applied to the front and rear end surfaces of the chip.

完成した光半導体装置(デバイス)は、次のような制御方法で使用する。それぞれのLD部21に電流を注入し、連続光を発生させる。EAM部23に入射した光は、あるバイアス電圧を中心に、ある電圧振幅で駆動して、光を変調する。PD部25に入射した光は吸収電流に変換され、この電流の値によってLD部21の発振波長を求め、それをLD部21の注入電流にフィードバックし、発振波長が変化しないように、波長モニタとして用いる。   The completed optical semiconductor device (device) is used in the following control method. A current is injected into each LD section 21 to generate continuous light. The light incident on the EAM unit 23 is driven with a certain voltage amplitude around a certain bias voltage to modulate the light. The light incident on the PD unit 25 is converted into an absorption current, and the oscillation wavelength of the LD unit 21 is obtained from the value of this current, and this is fed back to the injection current of the LD unit 21 so that the oscillation wavelength does not change. Used as

ここで、PD部25はEAM部23に入射される前の光出力をモニタするためにLD部21の後端側に配置する。通常LD部21では、前、後端面の両側から光が出力されるが、この配置にすることで、出力された光を無駄なく信号光、モニタ光として用いることができ、エネルギー利用効率向上の効果がある。   Here, the PD unit 25 is disposed on the rear end side of the LD unit 21 in order to monitor the light output before entering the EAM unit 23. Usually, in the LD unit 21, light is output from both sides of the front and rear end faces, but with this arrangement, the output light can be used as signal light and monitor light without waste, improving energy utilization efficiency. effective.

以下では、本素子における個別デバイスの特徴について述べる。   Below, the characteristic of the individual device in this element is described.

まず、LD部21、EAM部23の構造について説明する。
LD部21の発振波長は規格で厳密に定められているため、LD部21に形成する回折格子の周期、深さは、決められた波長(ここでは1.29μm〜1.31μm)で発振するように決定する必要がある。但し、光源を駆動する際に、消費電力を低減するために、室温よりも高い温度で駆動するために、40〜50℃において、上記発振波長を達成するように設定する。また、発振波長を安定化させるために、回折格子中に位相シフト領域を設けてもよいが、その際には、前端面からの出力が大きくなるように、位相シフトを挿入する位置を前端面側に寄せる。また、本素子は100GbEのLR4、ER4への適用を目的としているため、一つのEAM部の層構造で、15nmという広い波長範囲にわたって、25Gbit/sの高速変調が可能で、所望の消光比を得る必要がある。EAM部において大きな消光比を得るためには、量子井戸自体の設計のほかに、井戸層数、変調器長を増やす、という選択肢もあるが、層数を増やすと挿入損が増加し、変調器長を長くすると、寄生容量が増加し25Gbit/sの変調に必要な帯域が得にくくなるため、一つの井戸当たりの消光量を増やすことが極めて重要である。
First, the structures of the LD unit 21 and the EAM unit 23 will be described.
Since the oscillation wavelength of the LD portion 21 is strictly determined by the standard, the period and depth of the diffraction grating formed in the LD portion 21 oscillate at a predetermined wavelength (here, 1.29 μm to 1.31 μm). Need to be determined. However, when the light source is driven, in order to reduce power consumption, in order to drive at a temperature higher than room temperature, the oscillation wavelength is set to be achieved at 40 to 50 ° C. In order to stabilize the oscillation wavelength, a phase shift region may be provided in the diffraction grating. In this case, the position where the phase shift is inserted is set so that the output from the front end surface is increased. Move to the side. In addition, since this device is intended for application to 100 GbE LR4 and ER4, a single EAM layer layer structure enables high-speed modulation of 25 Gbit / s over a wide wavelength range of 15 nm, and a desired extinction ratio. Need to get. In order to obtain a large extinction ratio in the EAM section, in addition to the design of the quantum well itself, there is an option of increasing the number of well layers and the modulator length. However, if the number of layers is increased, the insertion loss increases. If the length is increased, the parasitic capacitance increases and it becomes difficult to obtain a band necessary for 25 Gbit / s modulation. Therefore, it is extremely important to increase the amount of extinction per well.

ここでは、一つの井戸当たりの消光量を増やすために、InAlGaAs系材料を用いた引張歪量子井戸を用いる。InAlGaAs系材料を用いることによって、大きな伝導帯バンドオフセットを得ることができ、電圧印加時にも、電子と正孔の波動関数のオーバーラップが大きくなり、消光比を大きくすることができる。また、引張歪量子井戸を採用することによって、価電子帯のヘビーホールとライトホールのバンドの両方を吸収に用いることができ、より吸収量を大きくすることができる。   Here, in order to increase the extinction amount per well, a tensile strain quantum well using an InAlGaAs-based material is used. By using an InAlGaAs-based material, a large conduction band offset can be obtained, and even when a voltage is applied, the overlap of wave functions of electrons and holes is increased, and the extinction ratio can be increased. Further, by adopting a tensile strain quantum well, both heavy hole and light hole bands in the valence band can be used for absorption, and the amount of absorption can be further increased.

図3に、EAM部23の井戸幅を10nmとし、バリア層のバンドギャップ波長を1μmとした場合における井戸層吸収量の井戸層歪量依存性を示す。ここで、負の歪量は圧縮歪を表し、正の歪量は引張歪みを表すものとする。図3からわかるように、引張歪0.5%で1井戸当たりの消光量が最大となり、量子井戸層の歪量が0.17〜0.73%のときに、0.5%の時の消光量の90%を確保することが可能であり、0.25〜0.65%のときに95%を確保することが可能となる。この物理的な理由は、価電子帯ヘビーホールとライトホールの第1バンドのエネルギー差が小さくなり、Γ点での状態密度が大きくなることによる。また、バリア層のバンドギャップ波長に関しては、小さすぎると、クラッドよりもバンドギャップが大きくなり、大きすぎると、井戸内の閉じ込めが弱くなるため、0.9μm以上、1.05μm以下であることが望ましい。量子井戸数については、多すぎると挿入損が増加し、少なすぎると、消光比が小さくなるため、7から9が望ましい。LD部の発振波長とEAM部のバンド端波長の差(離調)に関しては、小さすぎると挿入損失が大きくなり、大きすぎると消光に必要な電圧が大きくなりしかも消光比が小さくなる。ここでターゲットとしている100GbEの用途に対しては、40nm〜80nmとしておくことが望ましい。   FIG. 3 shows the well layer strain dependency of the well layer absorption when the well width of the EAM portion 23 is 10 nm and the band gap wavelength of the barrier layer is 1 μm. Here, the negative strain amount represents compressive strain, and the positive strain amount represents tensile strain. As can be seen from FIG. 3, when the tensile strain is 0.5%, the extinction amount per well is maximized, and when the strain amount of the quantum well layer is 0.17 to 0.73%, It is possible to ensure 90% of the extinction amount, and it is possible to ensure 95% when 0.25 to 0.65%. The physical reason is that the energy difference between the first band of the valence band heavy hole and the light hole is reduced, and the density of states at the Γ point is increased. Further, regarding the band gap wavelength of the barrier layer, if it is too small, the band gap becomes larger than that of the cladding, and if it is too large, confinement in the well is weakened, so that it is 0.9 μm or more and 1.05 μm or less. desirable. When the number of quantum wells is too large, the insertion loss increases. When the number is too small, the extinction ratio decreases, so 7 to 9 is desirable. Regarding the difference (detuning) between the oscillation wavelength of the LD section and the band edge wavelength of the EAM section, if it is too small, the insertion loss increases. If it is too large, the voltage required for quenching increases and the extinction ratio decreases. Here, it is desirable to set the thickness to 40 nm to 80 nm for the target 100 GbE application.

次にEAM部23の導波路構造について図4を用いて説明する。
半導体光デバイスに用いられる光導波路構造には主に、埋め込み型光導波路、リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路の3種類があり、それぞれの模式図を図4(a)、図4(b)、図4(c)に示す。
Next, the waveguide structure of the EAM portion 23 will be described with reference to FIG.
There are mainly three types of optical waveguide structures used in semiconductor optical devices: buried optical waveguides, ridge optical waveguides, and high-mesa optical waveguides. The schematic diagrams of these are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). As shown in FIG.

埋め込み型光導波路100は、図4(a)に示すように、基板101上に、下部のクラッド部102、多重量子井戸(MQW)構造の活性層103、上部のクラッド部104を順番に形成し、MQW構造の活性層103の両脇を基板101に達するまでエッチングしてMQW構造の活性層103の両脇をけずり、半導体105により埋め込んだ構造であり、放射性が良く、効率的な電流の注入が可能である。また、ビームの形状を円に近づけることができるため、光ファイバとの結合が容易で、これまで半導体レーザに広く用いられてきた。しかし、EAM部への適用を考えた場合、誘電率の大きな半導体の上部に電極を形成するため、寄生容量が増加し、100ギガ規格に必要な高速変調が難しいという問題点がある。また、InAlGaAs系の材料は空気に触れると酸化するために、活性層両脇のエッチングの際に活性層がむき出しになるため、結晶の品質が劣化する可能性がある。   In the buried optical waveguide 100, as shown in FIG. 4A, a lower clad portion 102, an active layer 103 having a multiple quantum well (MQW) structure, and an upper clad portion 104 are sequentially formed on a substrate 101. In this structure, both sides of the active layer 103 with the MQW structure are etched until reaching the substrate 101, and both sides of the active layer 103 with the MQW structure are embedded and embedded with the semiconductor 105. Is possible. Further, since the beam shape can be made close to a circle, it can be easily coupled with an optical fiber and has been widely used in semiconductor lasers. However, when considering application to the EAM portion, since the electrode is formed on the top of the semiconductor having a large dielectric constant, there is a problem that parasitic capacitance increases and high-speed modulation necessary for the 100 giga standard is difficult. In addition, since the InAlGaAs-based material is oxidized when exposed to air, the active layer is exposed at the time of etching on both sides of the active layer, so that the quality of the crystal may be deteriorated.

リッジ型光導波路110は、図4(b)に示すように、基板111上に、下部のクラッド部112、MQW構造の活性層113、上部のクラッド部114を順番に形成し、MQW構造の活性層113を削らずに、上部のクラッド部114のみをエッチングすることによってメサを形成し、導波路を形成したものである。メサの両脇を、ベンゾシクロブタン(BCB)などの誘電率の小さな有機物115で埋め込むことによって、EAM部での寄生容量を大幅に減らすことが可能なため、高速変調に有利であると考えられる。また、上部のクラッド部114とMQW構造の活性層113の間にエッチングストップ層を挟むことによりMQW構造の活性層113を空気中に晒すことなく作製可能で、InAlGaAs系の材料を用いる場合には、活性層の結晶の品質を守ることが可能である。不利な点としては、ビームの形状が楕円になるためファイバとの結合が埋め込み型に比べると難しいことが挙げられる。   As shown in FIG. 4B, the ridge-type optical waveguide 110 is formed by sequentially forming a lower clad part 112, an MQW structure active layer 113, and an upper clad part 114 on a substrate 111, thereby forming an MQW structure active. A mesa is formed by etching only the upper clad portion 114 without cutting the layer 113 to form a waveguide. By embedding both sides of the mesa with an organic substance 115 having a small dielectric constant such as benzocyclobutane (BCB), it is possible to greatly reduce the parasitic capacitance in the EAM portion, which is considered advantageous for high-speed modulation. In addition, when an etching stop layer is sandwiched between the upper clad portion 114 and the active layer 113 having the MQW structure, the MQW structure active layer 113 can be manufactured without being exposed to the air, and an InAlGaAs-based material is used. It is possible to protect the crystal quality of the active layer. As a disadvantage, the beam shape is elliptical, so that the coupling with the fiber is difficult compared to the buried type.

ハイメサ型光導波路120は、図4(c)に示すように、基板121上に、下部のクラッド部122、MQW構造の活性層123、上部のクラッド部124を順番に形成し、MQW構造の活性層123の両脇を基板121に達するまでエッチングし、通常、そこをBCBなどの誘電率の小さな有機材料125で埋め込んだ構造である。この光導波路では、MQW構造の活性層123と横方向の屈折率の差が非常に大きくなることから、光が強く閉じ込められるため、光導波路を曲げても光が放射しにくい、という利点があるが、MQW構造の活性層123の両脇をエッチングするために、結晶品質の劣化は避けられない。そこで、ここでは、LD部21、EAM部23共に、InAlGaAs系の結晶品質を保護し、大きな変調帯域を確保できる、有機物埋め込みのリッジ構造を採用する。   As shown in FIG. 4C, the high-mesa optical waveguide 120 is formed by sequentially forming a lower clad portion 122, an MQW structure active layer 123, and an upper clad portion 124 on a substrate 121 so as to activate the MQW structure. Etching is performed on both sides of the layer 123 until it reaches the substrate 121, and is usually embedded with an organic material 125 having a low dielectric constant such as BCB. This optical waveguide has the advantage that the difference between the refractive index in the lateral direction and the active layer 123 of the MQW structure becomes very large, so that the light is confined strongly, so that it is difficult to emit light even if the optical waveguide is bent. However, since both sides of the MQW structure active layer 123 are etched, deterioration of crystal quality is inevitable. Therefore, here, both the LD portion 21 and the EAM portion 23 employ an organic-embedded ridge structure that protects the crystal quality of InAlGaAs and can secure a large modulation band.

本素子において、上記光源を一つのチップに集積するのに際し、各光源を25Gbit/sという高速のレートで変調するために、各光源間での電気的なクロストークが問題となる。そのため、光源のチップ内レイアウトには十分に気を使う必要がある。図5は、光源間クロストークの光源間隔依存性のシミュレーション結果を示す図である。図5から、通常必要とされる、クロストーク量でおおよそ−40dB以下を達成するには光源間隔を400μm以上とする必要があることがわかる。しかし、あまりに光源間の間隔が大きいと、合波器まで達するための光導波路の長さが長くなってしまい、光の損失が大きくなってしまうため、600μm以下であることが望ましい。本実施例においては光源間の間隔を500μmとした。また、本実施例においては、高速の変調器を有する多チャネル光素子の変調器として、EAM部23を用いている。従来の多チャネル集積素子用変調器としてはマッハ・ツェンダー干渉計型の光変調器を用いるのが一般的であったが、この場合、一つの変調器につき2つの高周波用進行波型電極が必要となり、素子を実装するパッケージの端子が多くなってしまうことや、素子長が非常に大きく(〜1mm)なるという問題があった。EAM部23を変調器に採用して集積素子を構成することにより、高周波用の電極は一つの変調器につき一つで済み、クロストーク抑圧、パッケージ、チップサイズの小型化に非常に有効である。   In the present device, when the light sources are integrated on one chip, each light source is modulated at a high rate of 25 Gbit / s, so that electrical crosstalk between the light sources becomes a problem. Therefore, it is necessary to pay sufficient attention to the in-chip layout of the light source. FIG. 5 is a diagram illustrating a simulation result of the dependency of the crosstalk between light sources on the light source interval. From FIG. 5, it can be seen that the distance between the light sources needs to be 400 μm or more in order to achieve the normally required crosstalk amount of approximately −40 dB or less. However, if the distance between the light sources is too large, the length of the optical waveguide for reaching the multiplexer becomes long and the loss of light becomes large. In this embodiment, the interval between the light sources is 500 μm. In this embodiment, the EAM unit 23 is used as a modulator of a multichannel optical element having a high-speed modulator. Conventionally, as a modulator for a multi-channel integrated device, a Mach-Zehnder interferometer type optical modulator is generally used. In this case, two high-frequency traveling-wave electrodes are required for each modulator. Thus, there are problems that the number of terminals of the package on which the element is mounted increases and the element length becomes very large (˜1 mm). By adopting the EAM section 23 as a modulator to constitute an integrated device, only one high-frequency electrode is required for each modulator, which is very effective for crosstalk suppression, package, and chip size reduction. .

次に、合波器部24の構造について説明する。
合波器部24においても当然、光導波路構造が必要であるが、求められる性能は光送信部であるLD部21、信号変換部であるEAM部23とは異なる。一つのチップ上に多数の素子を集積するためには、一つの素子から出た信号を出力部まで配線するに当たって、通常光導波路を曲げることを避けることはできない。光導波路を曲げたときには、曲げに対して外側の領域に光が放射していくことが知られており、これを曲げ損失と呼ぶ。この損失はゆるやかに曲げるほど(曲げ半径が大きいほど)小さく、急激に曲げるほど(曲げ損失が小さいほど)大きい。そして、この損失の大きさは光導波路のコア部の屈折率とそれを囲むクラッド部の屈折率の差によって決まる。この屈折率の差が大きいほど光はコア部に良く閉じ込められるが、小さいとクラッド部に大きく漏れ出し曲げ損失が大きくなる。そのため、曲げ損失が小さければ、より急激な角度で導波路を曲げることが可能なため、チップの小型化に有利である。また、MMIカプラにおいても、導波路のコアとクラッドの屈折率差が大きいほど光の放射損失を抑えることができる。これらの観点から集積部に用いる導波路構造を考えた場合、リッジ型、埋め込み型の光導波路では曲げ損失が大きく、集積用の光導波路には適さないと考えられる。ハイメサ型光導波路は導波路のコア部と横方向のクラッド部の屈折率差が非常に大きく、曲げ損失を少なくすることが可能で、なおかつMMIカプラにおける放射損失も抑えることが可能である。但し、光導波路のコア部には、酸化の問題のあるInAlGaAsよりもInGaAsPのほうが適していると考えられる。
Next, the structure of the multiplexer unit 24 will be described.
Of course, the multiplexer unit 24 also requires an optical waveguide structure, but the required performance is different from that of the LD unit 21 which is an optical transmission unit and the EAM unit 23 which is a signal conversion unit. In order to integrate a large number of elements on one chip, it is usually inevitable to bend the optical waveguide when wiring a signal output from one element to the output section. It is known that when an optical waveguide is bent, light is emitted to a region outside the bending, which is called bending loss. This loss is smaller as it is gently bent (larger bend radius) and larger as it is bent more rapidly (lower bend loss). The magnitude of this loss is determined by the difference between the refractive index of the core portion of the optical waveguide and the refractive index of the cladding portion surrounding it. The greater the difference in the refractive index, the better the light is confined in the core part. Therefore, if the bending loss is small, the waveguide can be bent at a steeper angle, which is advantageous for downsizing of the chip. Also in the MMI coupler, the radiation loss of light can be suppressed as the refractive index difference between the core and the clad of the waveguide increases. Considering the waveguide structure used in the integrated portion from these viewpoints, it is considered that the ridge type and buried type optical waveguides have a large bending loss and are not suitable for the optical waveguide for integration. The high-mesa optical waveguide has a very large difference in refractive index between the core portion of the waveguide and the cladding portion in the lateral direction, can reduce bending loss, and can also suppress radiation loss in the MMI coupler. However, it is considered that InGaAsP is more suitable for the core portion of the optical waveguide than InAlGaAs, which has oxidation problems.

図6は、合波器部24のコア層11におけるInGaAsPのバンドギャップ波長を1.15μmとし、コア層11の厚さを0.3μmとし、合波器部24へ入る光の波長を1.3μmとし、導波路幅を1.5μmとした場合における、リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路の曲げ損失の曲げ半径依存性を示す図である。許容曲げ半径は光の配線の長さにも依存するが、仮に許容曲げ損失を10-4dB/μmとした場合、許容曲げ半径は、ハイメサ型光導波路で130μm、リッジ型光導波路で400μm程度となり、約3分の1程度まで小さくすることが可能となる。合波器部24のコア層11のバンドギャップ波長は、レーザの発振波長に近すぎると吸収による損失が大きくなるため、それよりも十分短波長である必要があり、発振波長よりも100nm程度短波であればこの吸収損失は問題にならない。本実施例の場合、発振波長が1.3μm付近であるため、コア層11のバンドギャップ波長は1.2μm程度より短波長である必要がある。しかし、あまりに波長が短いと、基板との屈折率差がとれなくなり、小さな光導波路構造を作りにくくなる。InP基板1に対して、通常と同じ大きさの光導波路を作成することのできるコア層11のバンドギャップ波長は通常1.1μm以上であり、本実施例における発振波長1.3μmのレーザに対しては、コア層11のバンドギャップ波長は1.1μm〜1.2μm程度が最適となる。本実施例では、コア層11のバンドギャップ波長を1.15μmとしているが、1.1μm以上であれば同様の効果を得ることができる。 6 shows that the band gap wavelength of InGaAsP in the core layer 11 of the multiplexer unit 24 is 1.15 μm, the thickness of the core layer 11 is 0.3 μm, and the wavelength of light entering the multiplexer unit 24 is 1. It is a figure which shows the bending radius dependence of the bending loss of a ridge type | mold optical waveguide and a high mesa type | mold optical waveguide when it is 3 micrometers and a waveguide width is 1.5 micrometers. The allowable bending radius depends on the length of the optical wiring, but if the allowable bending loss is 10 −4 dB / μm, the allowable bending radius is about 130 μm for the high-mesa optical waveguide and about 400 μm for the ridge-type optical waveguide. Thus, it can be reduced to about one third. If the band gap wavelength of the core layer 11 of the multiplexer unit 24 is too close to the oscillation wavelength of the laser, the loss due to absorption increases. Therefore, the band gap wavelength needs to be sufficiently shorter than that, and is about 100 nm shorter than the oscillation wavelength. If so, this absorption loss is not a problem. In this embodiment, since the oscillation wavelength is around 1.3 μm, the band gap wavelength of the core layer 11 needs to be shorter than about 1.2 μm. However, if the wavelength is too short, a difference in refractive index from the substrate cannot be obtained, making it difficult to produce a small optical waveguide structure. The band gap wavelength of the core layer 11 capable of producing an optical waveguide of the same size as that of the InP substrate 1 is usually 1.1 μm or more, which is compared with the laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm in this embodiment. Thus, the optimum band gap wavelength of the core layer 11 is about 1.1 μm to 1.2 μm. In this embodiment, the band gap wavelength of the core layer 11 is 1.15 μm, but the same effect can be obtained if it is 1.1 μm or more.

また、合波器部24のMMIカプラについて、図7にMMIカプラの構造図を示す。図7に示すように、MMIカプラ150は、4つの波長の光を一つの導波路に集光するために4つの入力ポートと1つの出力ポートからなり、4つの入力導波路151,152,153,154と、1つの出力導波路155とを具備する。MMIカプラ150の導波路幅をWとし、出力導波路155の幅をWhmとする。図8(a)は出力導波路幅Whm=1.5μm、MMI幅W=20μmの場合のリッジ型MMIのコア中心での縦方向断面電界分布を示している。図8(b)は、伝搬距離225μmでの横方向断面電界分布を示している。図9(a)は、MMI幅W=20μmの場合のハイメサ型MMIのコア中心での縦方向断面電界分布を示している。図9(b)は、伝搬距離250μmでの横方向断面電界分布を示している。これらの図から明らかなように、リッジ型MMIカプラでは、断面内への光の放射が大きいのに対して、ハイメサ型MMIカプラでは光の放射がほとんど無く、放射損失を抑えることができることがわかる。 FIG. 7 shows a structural diagram of the MMI coupler of the multiplexer unit 24. As shown in FIG. As shown in FIG. 7, the MMI coupler 150 includes four input ports 151, 152, and 153 including four input ports and one output port for condensing four wavelengths of light into one waveguide. , 154 and one output waveguide 155. The waveguide width of the MMI coupler 150 is W, and the width of the output waveguide 155 is W hm . FIG. 8A shows a vertical cross-sectional electric field distribution at the core center of the ridge type MMI when the output waveguide width W hm = 1.5 μm and the MMI width W = 20 μm. FIG. 8B shows a transverse cross-sectional electric field distribution at a propagation distance of 225 μm. FIG. 9A shows the vertical cross-sectional electric field distribution at the core center of the high mesa type MMI when the MMI width W = 20 μm. FIG. 9B shows the transverse cross-sectional electric field distribution at a propagation distance of 250 μm. As can be seen from these figures, the ridge type MMI coupler emits light in a large cross section, whereas the high mesa type MMI coupler has little light emission and can suppress radiation loss. .

更に波長依存性を低減するために、図10に示すような、入力導波路161〜164および出力導波路165にテーパ構造を設けたMMIカプラ本体からなるMMIカプラ160を用いる。入力導波路161〜164および出力導波路165の幅は、それぞれMMIカプラ本体側に向けて徐々に太くなるように形成されている。ここで、MMI入出力端における導波路幅をWtaperとする。図11(a)、(b)は、Wtaper=2.0μm、2.5μmの場合の、4つの波長(1295nm、1300nm、1305nm、1310nm)における、入力ポートから出力ポートへの結合効率のMMI長さ依存性をそれぞれ示している。これらの図から、Wtaperを大きくすることで、波長依存性が低減されていることがわかる。しかし、あまりにWtaperが大きいと、隣の導波路との間隔が狭くなり、作製することが難しくなる。MMIカプラの入出力導波路を作製する、通常のフォトリソグラフィーの工程では、導波路と導波路の間には少なくとも1μm以上の大きさがなければ精度の良いパターンが転写できないため、MMI幅20μmの場合、4つの導波路をそれぞれ5μmの幅に収めなければならないので、Wtaperは2.5μmから3μm程度が最適である。また、本実施例では、テーパ部の長さは100μmとした。 In order to further reduce the wavelength dependence, an MMI coupler 160 composed of an MMI coupler body provided with a tapered structure in the input waveguides 161 to 164 and the output waveguide 165 as shown in FIG. 10 is used. The widths of the input waveguides 161 to 164 and the output waveguide 165 are formed so as to gradually increase toward the MMI coupler main body. Here, the waveguide width at the input / output end of the MMI is W taper . 11A and 11B show the MMI of the coupling efficiency from the input port to the output port at four wavelengths (1295 nm, 1300 nm, 1305 nm, and 1310 nm) when W taper = 2.0 μm and 2.5 μm. Each shows the length dependence. From these figures, it can be seen that the wavelength dependency is reduced by increasing W taper . However, if W taper is too large, the distance between adjacent waveguides becomes narrow, making it difficult to manufacture. In an ordinary photolithography process for producing an input / output waveguide of an MMI coupler, an accurate pattern cannot be transferred unless there is a size of at least 1 μm between the waveguides. In this case, since the four waveguides must be accommodated in a width of 5 μm, W taper is optimally about 2.5 μm to 3 μm. In this embodiment, the length of the tapered portion is 100 μm.

最後に、リッジ型導波路とハイメサ型構造の接続部の構造について述べる。
図12(a)、(b)は、リッジ型導波路、ハイメサ型導波路の電界分布をそれぞれ示している。図から明らかなように、2つの導波路の電界分布は非常に異なっているため、単純にバットジョイント結合しただけでは結合損失が多きくなり、反射点となってしまう。このような場合、図13に示すようなテーパ構造の光導波路130を用いて電界分布を断熱的に変換する手法が良く行われている。この光導波路130は、リッジ型光導波路141に接続すると共に、ハイメサ型光導波路142に接続している。光導波路130の一方の端部131の幅は、リッジ型光導波路141の幅Wridgeと同じに形成されている。光導波路130の他方の端部132の幅は、ハイメサ型光導波路142の幅Whmと同じに形成されている。光導波路130の幅は、一方の端部131から他方の端部132に向けて徐々に狭くなるように形成されている。しかし、図12(a)に示すように、リッジ型導波路の電界分布は、リッジメサの下で、リッジメサよりも広い範囲に分布しているため、図13に示すようなテーパ構造光導波路130では、メサの外側に分布している光に関しては、損失となってしまう。
Finally, the structure of the connecting portion between the ridge waveguide and the high mesa structure will be described.
12A and 12B show electric field distributions of the ridge waveguide and the high mesa waveguide, respectively. As is clear from the figure, the electric field distributions of the two waveguides are very different, so that simply by butt joint coupling, the coupling loss increases and becomes a reflection point. In such a case, a method of adiabatically converting the electric field distribution using a tapered optical waveguide 130 as shown in FIG. The optical waveguide 130 is connected to the ridge type optical waveguide 141 and to the high mesa type optical waveguide 142. The width of one end 131 of the optical waveguide 130 is formed to be the same as the width W ridge of the ridge type optical waveguide 141. The width of the other end 132 of the optical waveguide 130 is formed to be the same as the width W hm of the high mesa optical waveguide 142. The width of the optical waveguide 130 is formed so as to gradually narrow from one end 131 toward the other end 132. However, as shown in FIG. 12A, the electric field distribution of the ridge-type waveguide is distributed in a wider range under the ridge mesa than the ridge mesa, and therefore, in the tapered structure optical waveguide 130 as shown in FIG. The light distributed outside the mesa is lost.

そこで、本実施例では、図14に示すような、不連続テーパ構造接合部を用いる。不連続テーパ構造接合部は、図14に示すように、リッジ型光導波路41およびハイメサ型光導波路42に接する光導波路であって、所定の長さLtaperを有する不連続テーパ構造接合部本体50からなる。不連続テーパ構造接合部本体50の一方の端部51は一方の導波路41と接し、不連続テーパ構造接合部本体50の他方の端部52は他方の導波路42と接する。一方の導波路41は、当該一方の導波路41を導波する光の横方向の広がりが、他方の導波路42を導波する光の横方向の広がりよりも広くなるように形成された構造を有している。一方の光導波路41のメサの高さが、他方の光導波路のメサの高さよりも低く形成されている。不連続テーパ構造接合部本体50の幅は、一方の端部51から他方の端部52に向けて徐々に狭くなるように形成されている。不連続テーパ構造接合部本体50における一方の端部51の幅Wtaperが一方の導波路41の幅Wridgeよりも広く形成されている。このような不連続テーパ構造接合部本体50により、リッジ型光導波路である一方の導波路41と、ハイメサ型光導波路である他方の導波路42の接合部で、ハイメサ型光導波路の幅を広くすることにより、リッジ構造中のメサの外側に分布している光も、ハイメサ導波路に取り込むことが可能である。不連続テーパ構造接合部は、ハイメサ型導波路用メサ形成プロセスにて作製されており、不連続テーパ構造接合部本体50のメサの高さは、他方の導波路42のメサの高さと同じである。なお、図14には、導波路41,42および不連続テーパ構造光導波路本体50における、光の導波に関与するメサを図示し、それ以外の部分の図示を省略している。 Therefore, in this embodiment, a discontinuous tapered structure joint as shown in FIG. 14 is used. As shown in FIG. 14, the discontinuous taper structure joint portion is an optical waveguide in contact with the ridge-type optical waveguide 41 and the high mesa optical waveguide 42, and has a predetermined length L taper and a discontinuous taper structure joint body 50. Consists of. One end 51 of the discontinuous tapered structure joint body 50 is in contact with one waveguide 41, and the other end 52 of the discontinuous taper structure joint body 50 is in contact with the other waveguide 42. One waveguide 41 has a structure in which the lateral spread of light guided through the one waveguide 41 is wider than the lateral spread of light guided through the other waveguide 42. have. The mesa height of one optical waveguide 41 is formed lower than the mesa height of the other optical waveguide. The width of the discontinuous taper structure joint body 50 is formed so as to gradually narrow from one end 51 toward the other end 52. The width W taper of one end 51 in the discontinuous tapered structure joint body 50 is formed wider than the width W ridge of one waveguide 41. With such a discontinuous tapered structure joint body 50, the width of the high mesa optical waveguide is widened at the joint of one waveguide 41, which is a ridge optical waveguide, and the other waveguide 42, which is a high mesa optical waveguide. By doing so, the light distributed outside the mesa in the ridge structure can also be taken into the high mesa waveguide. The discontinuous taper structure junction is manufactured by a mesa formation process for a high mesa waveguide, and the mesa height of the discontinuous taper structure main body 50 is the same as the mesa height of the other waveguide 42. is there. In FIG. 14, mesas involved in light guiding in the waveguides 41 and 42 and the optical waveguide body 50 with the discontinuous taper structure are illustrated, and the other portions are not shown.

図15に不連続テーパ構造接合部における、リッジ型光導波路とハイメサ型光導波路の結合効率のテーパ幅Wtaper依存性を示す。図15に示すように、テーパ幅Wtaper、すなわち不連続テーパ構造接合部本体50の一方の端部51の幅を大きくしていくと結合効率が大きくなり、ある幅以上では結合効率は減少する。図15から、95%以上の結合効率を得るには、テーパ幅Wtaperは2.0μm以上2.8μm以下とすればよいことがわかる。 FIG. 15 shows the taper width W taper dependence of the coupling efficiency of the ridge type optical waveguide and the high mesa type optical waveguide at the joint portion of the discontinuous taper structure. As shown in FIG. 15, when the taper width W taper , that is, the width of one end 51 of the discontinuous tapered structure joint body 50 is increased, the coupling efficiency increases, and the coupling efficiency decreases above a certain width. . From FIG. 15, it is understood that the taper width W taper may be set to 2.0 μm or more and 2.8 μm or less in order to obtain a coupling efficiency of 95% or more.

図16に、不連続テーパ構造接合部におけるテーパ幅Wtaper=2.5μmのときの結合効率のテーパ長さ依存性を示す。テーパ長Ltaperが40μm以上で結合効率が飽和しており、テーパ長Ltaperが20μmで95%以上の結合効率が得られ、テーパ長Ltaperが40μm以上で98%以上となり、実用上問題無いことがわかる。但し、光導波路そのものの損失があるので、あまり長すぎると、導波路損失が大きくなってしまうので、せいぜい100μm程度にするのがよい。また、図10に示した、テーパつき入出力導波路161〜164,165をもつMMIカプラ160のテーパ長Ltaperも同様に40μm以上とすればよい。 FIG. 16 shows the taper length dependence of the coupling efficiency when the taper width W taper = 2.5 μm in the discontinuous taper structure joint. When the taper length L taper is 40 μm or more, the coupling efficiency is saturated, and when the taper length L taper is 20 μm, a coupling efficiency of 95% or more is obtained, and when the taper length L taper is 40 μm or more, it becomes 98% or more. I understand that. However, since there is a loss of the optical waveguide itself, if it is too long, the waveguide loss will increase. Therefore, it is preferable that the optical waveguide be at most about 100 μm. Similarly, the taper length L taper of the MMI coupler 160 having the tapered input / output waveguides 161 to 164 and 165 shown in FIG. 10 may be set to 40 μm or more.

図17に、上述した構成の光半導体装置を元に作製した素子の外観を示す。チップサイズは合波器部でのハイメサ型導波路の採用により、2×2.6mm2という非常に小さなサイズに抑えることができた。もし、合波器部にリッジ型導波路を用いると、曲げ損失の見積もりから、少なくともこの3倍の大きさが必要である。図18に、上述した構成の光半導体装置を元に作製した素子のそれぞれの半導体レーザ部の発振スペクトルを示す。図18に示すように、光半導体装置が具備する半導体レーザ部における回折格子の周期、深さを調整することにより、100GbE規格で求められる波長範囲内でレーザを動作させることができることがわかる。 FIG. 17 shows an appearance of an element manufactured based on the optical semiconductor device having the above-described configuration. The chip size could be suppressed to a very small size of 2 × 2.6 mm 2 by using a high mesa waveguide in the multiplexer section. If a ridge-type waveguide is used for the multiplexer unit, it is necessary to have at least three times the size from the estimation of bending loss. FIG. 18 shows an oscillation spectrum of each semiconductor laser portion of an element manufactured based on the optical semiconductor device having the above-described configuration. As shown in FIG. 18, it can be seen that the laser can be operated within the wavelength range required by the 100 GbE standard by adjusting the period and depth of the diffraction grating in the semiconductor laser portion included in the optical semiconductor device.

図19に、上述した構成の光半導体装置を元に作製した素子の静的消光比を示す。測定は全て、モジュール消費電力を小さくするために、室温よりも少し高い40℃で行った。4レーン全ての波長において、16dB以上の静的消光比が得られており、後に示すように、動的消光比の8dBを得るためには十分な値であることがわかった。図20に、上述した光半導体装置を具備する素子の小信号応答を示す。図20に示すように、両脇をBCBで埋め込んだリッジ構造の導波路を用いることで、4レーン全てにおいて、20GHz程度の3dB帯域を得ることができ、25Gbit/sの変調には十分であることがわかる。図21は、変調速度25Gbit/s、変調振幅2Vの場合における電界吸収型光変調器部の動的消光比のバイアス電圧依存性を示している。図21に示すように、LR4に要求される動的消光比4dBは、表示している全ての範囲で得られており、どこを用いてもよいことがわかる。またER4に要求される動的消光比8dBに関しては、バイアス電圧−2Vで全てのレーンで満たしており、バイアス電圧を−2Vにしておけば、変調振幅2Vで、バイアス電圧、変調振幅一定動作が可能であることがわかる。従来のEAM部では、動作波長が異なる場合、バイアス電圧を変化させて駆動するということが常識であったが、適切な設計をすることによって、一つの構造で15nmという広い波長範囲にわたって、バイアス電圧、変調振幅一定制御が可能であることがわかる。このことは、作製したデバイスの制御が簡単になることを意味している。以上、EAM部に、本実施例による、適切な設計に基づいたInAlGaAs系の引張歪量子井戸を用い、有機物埋めこみのリッジ構造の光導波路を用いることで、100GbEのLR4、ER4規格に求められる性能を満たし、なおかつ、従来のEAMでは常識であった、動作波長に応じてバイアス電圧を変更すること無しに、バイアス電圧、電圧振幅一定動作が可能なことを実証した。   FIG. 19 shows a static extinction ratio of an element manufactured based on the optical semiconductor device having the above-described configuration. All measurements were performed at 40 ° C., slightly above room temperature, to reduce module power consumption. A static extinction ratio of 16 dB or more was obtained at all four lane wavelengths, and as shown later, it was found that the value was sufficient to obtain a dynamic extinction ratio of 8 dB. FIG. 20 shows a small signal response of an element including the above-described optical semiconductor device. As shown in FIG. 20, by using a ridge structure waveguide in which both sides are embedded with BCB, a 3 dB band of about 20 GHz can be obtained in all four lanes, which is sufficient for 25 Gbit / s modulation. I understand that. FIG. 21 shows the bias voltage dependence of the dynamic extinction ratio of the electroabsorption optical modulator section when the modulation speed is 25 Gbit / s and the modulation amplitude is 2V. As shown in FIG. 21, the dynamic extinction ratio 4 dB required for the LR 4 is obtained in all the displayed ranges, and it can be seen that any place can be used. Further, the dynamic extinction ratio 8 dB required for ER4 is satisfied in all lanes with a bias voltage of −2V. If the bias voltage is set to −2V, the operation of the bias voltage and the modulation amplitude is constant with the modulation amplitude of 2V. It turns out that it is possible. In the conventional EAM unit, when the operating wavelength is different, it is common knowledge that the driving is performed by changing the bias voltage. However, by appropriately designing, the bias voltage can be applied over a wide wavelength range of 15 nm with one structure. It can be seen that constant modulation amplitude control is possible. This means that control of the manufactured device is simplified. As described above, the performance required for the LR4 and ER4 standards of 100 GbE is obtained by using an InAlGaAs-based tensile strain quantum well based on an appropriate design according to the present embodiment and an organic waveguide embedded ridge structure optical waveguide in the EAM portion. In addition, it has been proved that the bias voltage and voltage amplitude constant operation can be performed without changing the bias voltage according to the operating wavelength, which is common sense in the conventional EAM.

したがって、本実施例に係る光半導体装置によれば、一つのチップ上に光源、合波器部24をモノリシック集積し、なおかつ、EAM部23のバイアス電圧、電圧振幅を一定で制御可能な100GbEのLR4、ER4用光源を実現することが可能となり、送信機の構成に必要な部材、消費電力はおよそ4分の1となり、産業上大きな効果を得ることができる。   Therefore, according to the optical semiconductor device of the present embodiment, the light source and the multiplexer unit 24 are monolithically integrated on one chip, and the bias voltage and voltage amplitude of the EAM unit 23 can be controlled at a constant level. It becomes possible to realize light sources for LR4 and ER4, and members and power consumption necessary for the configuration of the transmitter are reduced to about a quarter, and a large industrial effect can be obtained.

なお、誘電率の小さな有機材料115,125として、BCBの他にポリイミドを用いることも可能である。   Note that polyimide can be used as the organic materials 115 and 125 having a low dielectric constant in addition to BCB.

本発明の第2の実施例に係る光半導体装置について、図2、図22、図23を参照して説明する。   An optical semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2, FIG. 22, and FIG.

本実施例に係る光半導体装置である100GbE用モノリシック集積光源は、図2に示すように、半導体混晶からなる基板1上に4つのレーン31A,31B,31C,31Dが設けられた構成になっている。各レーン31A〜31Dには、フォトダイオード部(PD部)25とLD部21とEAM部23が設けられており、PD部25とLD部21とEAM部23は光導波路を介して同一基板1上で接続されている。4つのLD部21は、波長の異なる信号をそれぞれ出射する機器である。そして、4つのレーン31A〜31Dは、合波器部24である多モード干渉型カプラ(MultiMode Interference coupler:MMIカプラ)により各レーン31A〜31Dを導波した光は1つに合波される。   The monolithic integrated light source for 100 GbE, which is an optical semiconductor device according to the present embodiment, has a configuration in which four lanes 31A, 31B, 31C, and 31D are provided on a substrate 1 made of a semiconductor mixed crystal, as shown in FIG. ing. Each of the lanes 31A to 31D is provided with a photodiode portion (PD portion) 25, an LD portion 21, and an EAM portion 23. The PD portion 25, the LD portion 21, and the EAM portion 23 are disposed on the same substrate 1 via an optical waveguide. Connected on. The four LD units 21 are devices that emit signals having different wavelengths. In the four lanes 31 </ b> A to 31 </ b> D, light guided through the lanes 31 </ b> A to 31 </ b> D is multiplexed into one by a multimode interference coupler (MMI coupler) which is a multiplexer unit 24.

本実施例に係る光半導体装置は、上述した第1の実施例に係る光半導体装置が具備するパッシブ層のコア部を、EAM部と同様の層構造ではなく、In1-xGaxAsy1-yバルクとした構成であって、それ以外は上述した第1の実施例に係る光半導体装置と同じ構成を有している。ここで、In1-xGaxAsy1-yバルクのバンドギャップ波長は、上述した第1の実施例における合波器部24の部分の議論から、1.1μm〜1.2μmが最適となる。 In the optical semiconductor device according to this example, the core portion of the passive layer included in the optical semiconductor device according to the first example described above is not a layer structure similar to that of the EAM portion, but In 1-x Ga x As y. The P 1-y bulk configuration is the same as that of the optical semiconductor device according to the first embodiment described above. Here, the optimum band gap wavelength of the In 1-x Ga x As y P 1-y bulk is 1.1 μm to 1.2 μm based on the discussion of the multiplexer unit 24 in the first embodiment described above. It becomes.

次に、本実施例に係る光半導体装置である100GbE用モノリシック集積光源の製造方法について説明する。
本実施例に係る光半導体装置の場合、EAM部23の活性部5をバットジョイント再成長させた後、合波器部24のコア部11をバットジョイント再成長させる際に、LD部21とEAM部23の間をもう一度ウェットエッチングによって削り、その後、合波器部24と同じ組成のInGaAsPバルクを再成長させる。その他の製造工程については、上述した実施例1と同じである。
Next, a method for manufacturing a 100 GbE monolithic integrated light source, which is an optical semiconductor device according to this embodiment, will be described.
In the case of the optical semiconductor device according to the present embodiment, when the core part 11 of the multiplexer unit 24 is regrown after the active part 5 of the EAM part 23 is regrown with the butt joint, the LD part 21 and the EAM The portion 23 is again etched by wet etching, and then an InGaAsP bulk having the same composition as that of the multiplexer portion 24 is regrown. Other manufacturing processes are the same as those in the first embodiment.

図22は、本発明に係る光半導体装置の断面図であって、図22(a)に第1の実施例の場合を示し、図22(b)に第2の実施例の場合を示す。なお、図22には、LD部21とパッシブ層22,26とEAM部23のみを図示している。図22(a)に示すように、第1の実施例に係る光半導体装置の場合、パッシブ層22の光導波路層構造としてEAM部23と同じ層を再成長することになるので、すなわち、複数の組成の複数の層からなる層構造を再成長することになるので、バットジョイント端面近傍では、組成の制御が難しく、結晶の品質が悪くなり、形状も劣化する。このことは、LD部21とEAM部23の結合効率を劣化させ、長期信頼性も低下させる。しかし、本実施例に係る光半導体装置では、図22(b)に示すように、LD部21とEAM部23の間のパッシブ層26における下部のクラッド部10の上層をエッチングによって削り、バルクの結晶を再成長したコア部18を作製している。このように、光導波路層が単一組成で単一層構造となるバルク材料からなるコア部18としたほうが、組成や膜厚の制御が容易であるため、バットジョイント端面の凹凸が少なくなり、再成長界面での組成変動も小さくなる。   22A and 22B are cross-sectional views of the optical semiconductor device according to the present invention. FIG. 22A shows the case of the first embodiment, and FIG. 22B shows the case of the second embodiment. In FIG. 22, only the LD portion 21, the passive layers 22 and 26, and the EAM portion 23 are illustrated. As shown in FIG. 22A, in the case of the optical semiconductor device according to the first embodiment, the same layer as the EAM portion 23 is regrowth as the optical waveguide layer structure of the passive layer 22, that is, a plurality of Therefore, in the vicinity of the end face of the butt joint, it is difficult to control the composition, the crystal quality is deteriorated, and the shape is also deteriorated. This degrades the coupling efficiency between the LD unit 21 and the EAM unit 23 and also reduces long-term reliability. However, in the optical semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 22B, the upper layer of the lower cladding portion 10 in the passive layer 26 between the LD portion 21 and the EAM portion 23 is etched away to remove the bulk. The core portion 18 is produced by re-growing the crystal. As described above, the core portion 18 made of a bulk material having a single composition and a single layer structure of the optical waveguide layer is easier to control the composition and the film thickness. The composition variation at the growth interface is also reduced.

図23は、光半導体装置が具備する電界吸収型光変調器部内で発生したフォトキャリアの流れ方を説明するための図であって、図23(a)に第1の実施例の場合を示し、図23(b)に第2の実施例の場合を示す。第1の実施例に係る光半導体装置では、図23(a)に示すように、パッシブ層22がEAM部23と同じ層構造であり、EAM部23で発生したフォトキャリア60がパッシブ層22に進入し、変調特性に悪影響を及ぼす。これに対し、本実施例に係る光半導体装置では、図23(b)に示すように、パッシブ層26のコア部18をバンドギャップの大きなバルク材料に置き換えることによって、フォトキャリア60のパッシブ層26のコア部18への進入を減少させることが可能なため高速変調に有利である。   FIG. 23 is a diagram for explaining the flow of photocarriers generated in the electro-absorption optical modulator unit included in the optical semiconductor device. FIG. 23A shows the case of the first embodiment. FIG. 23B shows the case of the second embodiment. In the optical semiconductor device according to the first embodiment, as shown in FIG. 23A, the passive layer 22 has the same layer structure as the EAM portion 23, and the photocarriers 60 generated in the EAM portion 23 are formed in the passive layer 22. Enters and adversely affects modulation characteristics. On the other hand, in the optical semiconductor device according to this example, as shown in FIG. 23B, the passive layer 26 of the photocarrier 60 is replaced by replacing the core portion 18 of the passive layer 26 with a bulk material having a large band gap. This is advantageous for high-speed modulation because it is possible to reduce the entry of the core 18 into the core portion 18.

本発明は光半導体装置に関するものであり、100GbEのLR4、ER4用光源を実現することが可能となり、小型化、低コスト化、低消費電力化することができるので、光通信産業などにおいて、極めて有益に利用することができる。   The present invention relates to an optical semiconductor device, and can realize a light source for LR4 and ER4 of 100 GbE, and can be downsized, reduced in cost, and reduced in power consumption. It can be used beneficially.

1 基板
2 多重量子井戸構造の活性部
3,4 クラッド部
5 多重量子井戸構造の活性部
6,7 クラッド部
8 コア部
9,10 クラッド部
11 コア部
12,13 クラッド部
14 下部電極
15 コンタクト層
16 上部電極
18 コア部
21 半導体レーザ活性部(LD部)
22 パッシブ層(光導波路部)
23 電界吸収型光変調器部(EAM部)
24 合波器部
25 フォトダイオード部(PD部)
26 パッシブ層(光導波路部)
31A〜31D レーン
50 不連続テーパ構造接合部本体
51 一方の端部
52 他方の端部
60 フォトキャリア
160 テーパつきMMIカプラ
161〜164 入力導波路
165 出力導波路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Active part 3 of multiple quantum well structure 3, 4 Clad part 5 Active part 6 of multiple quantum well structure 6, 7 Clad part 8 Core part 9, 10 Clad part 11 Core part 12, 13 Clad part 14 Lower electrode 15 Contact layer 16 Upper electrode 18 Core part 21 Semiconductor laser active part (LD part)
22 Passive layer (optical waveguide)
23 Electroabsorption optical modulator (EAM)
24 Multiplexer 25 Photodiode (PD)
26 Passive layer (optical waveguide)
31A to 31D Lane 50 Discontinuous tapered structure joint body 51 One end 52 The other end 60 Photocarrier 160 Tapered MMI couplers 161 to 164 Input waveguide 165 Output waveguide

Claims (12)

半導体混晶からなる基板上に設けられ、発振波長の異なる複数の半導体レーザ部、および前記複数の半導体レーザ部のそれぞれに対して設けられ、当該複数の半導体レーザ部から出射する信号を変調する複数の電界吸収型光変調器部からなる光源と、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記光源より出射された信号を一つにまとめる合波器部とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶は、InPであり、
前記半導体レーザ部が、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部が、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであり、
前記電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が7から9であり、量子井戸層の歪量が0.17%から0.73%(プラス符号は引張歪)であり、バリア層のバンドギャップ波長が0.9μmから1.05μmであり、
前記複数の半導体レーザ部および前記複数の電界吸収型変調器部の上部のクラッド部がp−InPであり、前記合波器の上部のクラッド部がノンドープのInPである
ことを特徴とする光半導体装置。
A plurality of semiconductor laser portions provided on a substrate made of a semiconductor mixed crystal and having different oscillation wavelengths, and a plurality of semiconductor laser portions provided for each of the plurality of semiconductor laser portions, for modulating signals emitted from the plurality of semiconductor laser portions. A light source comprising an electroabsorption optical modulator part, a core part and a clad part provided above and below the core part, and a combiner part for combining signals emitted from the light source into one An optical semiconductor device having a formed configuration,
The semiconductor mixed crystal of the substrate is InP,
The semiconductor laser part has an active part of a multiple quantum well structure including a quantum well layer, a barrier layer, and a diffraction grating forming layer, and a cladding part provided above and below the active part,
The electroabsorption optical modulator portion has an active portion of a multiple quantum well structure including a quantum well layer, a barrier layer, and an optical confinement layer, and a cladding portion provided above and below the active portion,
The well layer and the barrier layer in the active part of the electroabsorption optical modulator part are In 1-xy Al x Ga y As,
The active portion of the electro-absorption optical modulator has a quantum well number of 7 to 9, a strain amount of the quantum well layer of 0.17% to 0.73% (plus sign is tensile strain), and a barrier Ri 1.05μm der band gap wavelength from 0.9μm of layer,
The upper cladding portions of the plurality of semiconductor laser portions and the plurality of electroabsorption modulator portions are p-InP, and the upper cladding portion of the multiplexer is non-doped InP. An optical semiconductor device.
前記半導体レーザ部の端部側にフォトダイオードを有し、当該フォトダイオードは前記半導体レーザ部と同じ層構造であるA photodiode is provided on the end side of the semiconductor laser portion, and the photodiode has the same layer structure as the semiconductor laser portion.
ことを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。The optical semiconductor device according to claim 1.
前記基板上における、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に設けられ、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層を具備し、
前記パッシブ層のコア部は、前記電界吸収型光変調器部の活性部と同じ多重量子井戸構造である、もしくはバンドギャップ波長1.1μmから1.2μmのIn1-xGaxAsy1-yバルクである
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光半導体装置。
Provided between the semiconductor laser part and the electroabsorption optical modulator part on the substrate, and having a core part and cladding parts provided above and below the core part, and the semiconductor laser part and the Comprising a passive layer that electrically insulates the electroabsorption optical modulator section;
The core portion of the passive layer has the same multiple quantum well structure as the active portion of the electroabsorption optical modulator portion, or an In 1-x Ga x As y P 1 having a band gap wavelength of 1.1 μm to 1.2 μm. 3. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the optical semiconductor device is a -y bulk.
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層は、室温での利得が最大となる波長を1.25μmから1.35μmとする材料が選択され、その波長を達成する厚みおよび歪を有している
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の光半導体装置。
The quantum well layer of the active part of the semiconductor laser part has a thickness and strain that achieves the wavelength selected from a material having a wavelength that maximizes the room temperature gain of 1.25 μm to 1.35 μm. the optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that.
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が、40〜50℃において、1.29μm〜1.31μmとなる深さおよび周期を有する回折格子が形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項の何れか一項に記載の光半導体装置。
The diffraction grating forming layer of the active part of the semiconductor laser part is formed with a diffraction grating having a depth and a period with a Bragg wavelength of 1.29 μm to 1.31 μm at 40 to 50 ° C. The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the optical semiconductor device is characterized in that:
前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層は、室温での吸収端の波長が、前記ブラック波長から40nm〜80nm短くなる波長を達成する厚みを有している
ことを特徴とする請求項に記載の光半導体装置。
The quantum well layer of the active part of the electroabsorption optical modulator part has a thickness that achieves a wavelength at which the absorption edge wavelength at room temperature is 40 nm to 80 nm shorter than the black wavelength. The optical semiconductor device according to claim 5 .
前記半導体レーザ部、前記電界吸収型光変調器部、および前記パッシブ層は、リッジ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする請求項乃至請求項の何れか一項に記載の光半導体装置。
The semiconductor laser section, the electroabsorption optical modulator section, and the passive layer each have an optical waveguide having a ridge structure, and both sides thereof are embedded with an organic material having a dielectric constant smaller than that of a semiconductor. the optical semiconductor device according to any one of claims 3 to 6,.
前記合波器部のコア層は、バンドギャップ波長が1.1μmから1.2μmのIn1-xGaxAsy1-yバルクである
ことを特徴とする請求項1乃至請求項の何れか一項に記載の光半導体装置。
The core layer of the multiplexer unit of claim 1 to claim 7 bandgap wavelength is characterized in that the 1.2μm of In 1-x Ga x As y P 1-y bulk from 1.1μm The optical semiconductor device according to any one of the above.
前記合波器部は、ハイメサ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項の何れか一項に記載の光半導体装置。
The multiplexer unit has an optical waveguide of high mesa structure, any one of claims 1 to 8, characterized in that embedded the both sides in small organic material dielectric constant than the semiconductor An optical semiconductor device according to item.
前記合波器部は、テーパ構造の入出力導波路を具備する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の光半導体装置。
The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 9, wherein the multiplexer unit includes an input / output waveguide having a tapered structure.
前記光源と前記合波器部は、不連続テーパ構造の接合部を介して接続される
ことを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか一項に記載の光半導体装置。
11. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the light source and the multiplexer unit are connected via a joint portion having a discontinuous taper structure.
請求項1乃至請求項11の何れか一項に記載の光半導体装置を制御する光半導体装置の制御方法であって、
前記複数の電界吸収型光変調器部を駆動する際に、それぞれのバイアス電圧、電圧振幅を一定とする
ことを特徴とする光半導体装置の制御方法。
An optical semiconductor device control method for controlling an optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 11 ,
A method for controlling an optical semiconductor device, characterized in that, when driving the plurality of electroabsorption optical modulator sections, the bias voltage and the voltage amplitude are made constant.
JP2010136907A 2010-06-16 2010-06-16 Optical semiconductor device Active JP5545847B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010136907A JP5545847B2 (en) 2010-06-16 2010-06-16 Optical semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010136907A JP5545847B2 (en) 2010-06-16 2010-06-16 Optical semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012004279A JP2012004279A (en) 2012-01-05
JP5545847B2 true JP5545847B2 (en) 2014-07-09

Family

ID=45535955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010136907A Active JP5545847B2 (en) 2010-06-16 2010-06-16 Optical semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5545847B2 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5733832B2 (en) * 2012-03-26 2015-06-10 日本電信電話株式会社 Wavelength multiplexed optical transmitter
JP6320192B2 (en) * 2013-08-30 2018-05-09 三菱電機株式会社 Wavelength variable light source and wavelength variable light source module
JP6213103B2 (en) * 2013-09-27 2017-10-18 三菱電機株式会社 Semiconductor optical device and optical module
JP5997713B2 (en) * 2014-01-21 2016-09-28 日本電信電話株式会社 Wavelength multiplexing transmitter
JP6093312B2 (en) * 2014-01-21 2017-03-08 日本電信電話株式会社 Wavelength multiplexing transmitter
JP5918787B2 (en) * 2014-01-21 2016-05-18 日本電信電話株式会社 Wavelength multiplexing transmitter
JP6365357B2 (en) * 2015-03-11 2018-08-01 三菱電機株式会社 Manufacturing method of optical semiconductor device
JP6729096B2 (en) * 2016-07-06 2020-07-22 三菱電機株式会社 Optical semiconductor integrated device
US11862935B2 (en) 2019-05-30 2024-01-02 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Tunable DBR semiconductor laser

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020028390A1 (en) * 1997-09-22 2002-03-07 Mohammad A. Mazed Techniques for fabricating and packaging multi-wavelength semiconductor laser array devices (chips) and their applications in system architectures
JP2003014963A (en) * 2001-06-27 2003-01-15 Nec Corp Semiconductor optical integrated element and its manufacturing method and module for optical communication
JP2003017798A (en) * 2001-07-03 2003-01-17 Hitachi Ltd Light source module integrated with optical modulator
JP2002134826A (en) * 2001-10-26 2002-05-10 Hitachi Ltd Semiconductor optical integrated element
JP4550371B2 (en) * 2003-05-14 2010-09-22 古河電気工業株式会社 Electroabsorption optical modulator, semiconductor integrated device with electroabsorption optical modulator, module using them, and method for manufacturing semiconductor integrated device with electroabsorption optical modulator
JP2005045548A (en) * 2003-07-22 2005-02-17 Mitsubishi Electric Corp Optical transmitter and optical transmission system
JP2005064309A (en) * 2003-08-18 2005-03-10 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical excitation surface emission laser
JP4814525B2 (en) * 2005-01-11 2011-11-16 株式会社日立製作所 Optical semiconductor device
JP2006245222A (en) * 2005-03-02 2006-09-14 Fujitsu Ltd Optical semiconductor device and method of manufacturing the same
JP4934344B2 (en) * 2006-04-07 2012-05-16 日本オプネクスト株式会社 Semiconductor optical integrated device and semiconductor optical integrated device
JP4962279B2 (en) * 2007-11-15 2012-06-27 富士通株式会社 Semiconductor device, semiconductor optical integrated device, and optical transmission device
JP2009016878A (en) * 2008-10-20 2009-01-22 Hitachi Ltd Semiconductor laser and optical module using the same
JP2009296020A (en) * 2009-09-24 2009-12-17 Hitachi Ltd Optical module

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012004279A (en) 2012-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5545847B2 (en) Optical semiconductor device
US10826267B2 (en) Surface coupled systems
US7796656B2 (en) Enhanced efficiency laterally-coupled distributed feedback laser
JP3323725B2 (en) Polarization modulation laser, driving method thereof, and optical communication system using the same
JP5823920B2 (en) Semiconductor optical integrated device
JP5206187B2 (en) Optical semiconductor device
US9312663B2 (en) Laser device, light modulation device, and optical semiconductor device
US20170317471A1 (en) An optical device and a method for fabricating thereof
JP5542071B2 (en) Optical integrated circuit
US9728938B2 (en) Optical semiconductor device, optical semiconductor device array, and optical transmitter module
US8412008B2 (en) Semiconductor optical device
US8787420B2 (en) Integrated semiconductor laser element
JP4906185B2 (en) Optical semiconductor device and optical semiconductor device modulation method
JP2010226062A (en) Optical waveguide element, manufacturing method therefor, semiconductor device, laser module, and optical transmission system
WO2010016295A1 (en) Variable-wavelength optical transmitter
US20100142885A1 (en) Optical module
JP2005183955A (en) Electroabsorption optical modulation module having monolithically integrated photodetector and method of manufacturing the same
US9077152B2 (en) Laser device having a looped cavity capable of being functionalized
JP6454256B2 (en) Wavelength multiplexed optical transmitter
JP2019008179A (en) Semiconductor optical element
JP2019054107A (en) Semiconductor optical element
CN116544780A (en) High-performance tunable semiconductor laser based on silicon nitride external cavity
JP2011258785A (en) Optical waveguide and optical semiconductor device using it
Tsuzuki et al. Full C-band tunable DFB laser array copackaged with InP Mach–Zehnder modulator for DWDM optical communication systems
WO2009055894A1 (en) Enhanced efficiency laterally-coupled distributed feedback laser

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120829

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7426

Effective date: 20130306

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130918

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131015

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20131213

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140507

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140509

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5545847

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150