JP5670098B2 - 半導体光変調素子及び光半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体光変調素子及び光半導体モジュールに関する。

現在の光通信技術では、波長多重技術による大容量化が進んでいる。波長多重技術では、光の波長を決定する半導体レーザ部分と電気のデジタル信号を光のデジタル信号へと変換する光変調器部分を独立に持つ外部変調型光送信機が主に用いられている。

近年、光の波長を決定する半導体レーザ部分には、波長を任意に可変できる波長可変レーザを用いることが多く、これに伴い、光変調器部分も、波長依存性が少なく、伝送速度や伝送距離を増加するために有利な分岐干渉型強度変調器（マッハツェンダー型変調器）が用いられることが多い。

また、光伝送容量の更なる増加のために波長多重の波長チャンネル数も増加する傾向にあるため、送信機部の小型化が進められている。この小型化された送信器部には、可変波長レーザと光導波路デバイスであるマッハツェンダー変調器を同一の光半導体モジュールの内部に実装したデバイスが開発されており、その中で、小型化に有効な手段の一つが、下記非特許文献１のＦｉｇｕｒｅ１に記載されるような、半導体レーザと半導体マッハツェンダー変調器のハイブリッド集積モジュールである。

このハイブリッド集積モジュールの構成は、半導体光モジュールのパッケージ内に半導体分布帰還（ＤＦＢ）レーザ等の半導体レーザとレンズ結合により半導体又はＬＮマッハツェンダー変調器が光結合され、光ファイバーへと光出力される構成になっている。一方、波長多重技術では、非常に正確に光の波長を制御し、安定化する必要がある。このため、このような光半導体モジュールには、波長を安定化するための波長ロッカーユニットが、同時に実装されることが多い。

図２０に示すように、従来のモジュール構造では、波長可変レーザ１と、マッハツェンダー変調器等の導波路型光変調器４、波長ロッカーユニット６を空間光学系でハイブリッド実装する光半導体モジュール構造となっている。この構造において、まず、波長可変レーザ１から出射された光は、第一コリメータレンズ２−１、アイソレータ３、結合レンズ２−２を介して導波路型光変調器４に入射される。導波路型光変調器４に入射した光は、導波路型光変調器４の光導波路５を伝搬し再び空間に出射され、導波路型光変調器４から出射された光は、第二コリメータレンズ２−３によって再び平行ビームに変換され波長ロッカーユニット６に入射する。

波長ロッカーユニット６は、第一ビームスプリッタ９、光出力検出用ＰＤ（以下、ＡＰＣ−ＰＤ）７、第二ビームスプリッタ１０、エタロン素子１１、波長検出用ＰＤ（以下、ＡＦＣ−ＰＤ）１２で構成されており、矢印Ａで示すように波長ロッカーユニット６に入射した光は第一ビームスプリッタ９に入射し、矢印Ｂで示すように光軸方向と直行する方向と、矢印Ｃで示すように光軸方向に分離される。光軸方向と直行する方向にはＡＰＣ−ＰＤ７が搭載されるため、これにより光出力レベルをモニタリングしている。

更に、矢印Ｃで示すように光軸方向に透過した光は、第二ビームスプリッタ１０に入射し、矢印Ｄで示すように光軸方向と直行する方向と、矢印Ｅで示すように光軸方向とに分離される。光軸方向と直行方向にはエタロン素子１１及びＡＦＣ−ＰＤ１２が搭載されており、これにより波長に依存した光出力レベルをモニタリングしている。更に、矢印Ｅで示すように第一ビームスプリッタ９及び第二ビームスプリッタ１０により分岐されず直進して透過した光は、レンズなどの光学部品により光ファイバ（図示省略）に入射し、光ファイバ内を伝送していく。

現在の波長多重光通信技術では、光信号の光波長の安定性を数ｐｍ程度と非常に高精度に安定させる必要がある。このため、波長ロッカーユニット６でモニターされる光は、高い精度での検出が要求されている。

Ｋｅｎ Ｔｓｕｚｕｋｉ、外６名、"１０−Ｇｂｉｔ／ｓ，２００ ｋｍ ｄｕｏｂｉｎａｒｙ ＳＭＦ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｆｕｌｌ Ｃ−ｂａｎｄ ｔｕｎａｂｌｅ ＤＦＢ ｌａｓｅｒ ａｒｒａｙ ｃｏ−ｐａｃｋａｇｅｄ ｗｉｔｈ ＩｎＰ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ"、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＳＬＣ ２００８．、ＩＥＥＥ ２１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、２００８年、ｐ．１７−１８ アルプス電気株式会社、「コリメータ用レンズ」、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成２２年４月２２日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｐｓ．ｃｏｍ／ＷｅｂＯｂｊｅｃｔｓ／ｃａｔａｌｏｇ．ｗｏａ／Ｊ／ＨＴＭＬ／Ｏｐｔｉｃａｌ／Ｏｐｔｉｃａｌ／ＣＯＬＬＩＭＡＴＯＲ／ＣＯＬＬＩＭＡＴＯＲ＿ｌｉｓｔ．ｈｔｍｌ〉

従来の半導体レーザと半導体光変調器がハイブリッド集積され実装された半導体光モジュールでは、半導体レーザから出射された光は、レンズにて変調器に入射される際、変調器の導波路外に入射した光や、導波路の途中で漏れる光が少なからず発生する。これらの光は、変調器内を正常光結合された光とは別に光導波路外を透過し、変調器の出射端面まで到達し、そして変調器部の端面から放射される。

その際、変調原理として干渉効果を用いる変調器では、正常に導波路部を伝搬する光の他にわずかながら出射される。この現象は、干渉型の変調器だけではなく、吸収型の変調器でも発生するが、干渉型の変調器の方が、変調原理として、干渉により光を打ち消す効果を用いるためその量は大きい。これは、干渉により打ち消された光が、正常に伝搬するモードから放射モードへと変化するという原理からなっているためであり、実際に端面まで到達する量は少ないが、原理的にはその発生は避けられない。

また、近年用いられている、多モード干渉型（ＭＭＩ）カップラーにより構成されたマッハツンダー型変調器においても、光が消えていく途中の過程では、干渉により放射モードを発生させてしまう。

図２０に示すように、これらの光は、出射する位置が正常伝搬光とは違う位置から出射するため、レンズにより光路が曲げられ迷光として、素子よりも前方（素子と光ファイバー結合部間）に配置される波長ロッカーユニット６等のモニターフォトダイオード、つまり、光強度を安定に保つためのパワーモニター用受光器であるＡＰＣ−ＰＤ７とエタロン素子１１を通過させることで、波長に対して一定周期（ここでは、５０ＧＨｚ間隔）で振幅する特性を測定するための波長モニター用受光器であるＡＦＣ−ＰＤ１２等に直接入射又は間接的に入射してしまう。

このため、図２１，２２に示すように、ＡＰＣ−ＰＤ７及びＡＦＣ−ＰＤ１２の出力レベルが不安定になるという問題があった。図２１，２２から分かるように、波長可変レーザ１により波長を変化させると、僅かにノイズを伴いながら、周波数で言えば高周波数側、波長で言えば短波長側になるに従い受光量が減っていくことが分かる。

この受光量の減少の傾向は、波長に対する材料吸収の効果で生じていると考えれば、ほぼ一定の割合で減少し、安定した特性となるが、従来構造における評価結果では、迷光成分の効果により、波長可変レーザの駆動条件（バイアス、温度）やモジュールの温度条件により不安定に変化し、定常的に一定の量とならなかった。

このため、電気的に除去することが難しく、ＡＰＣ−ＰＤ７及びＡＦＣ−ＰＤ１２からの電気信号は非常に不安定な状態となるため、波長制御、光出力制御が困難になるという問題がある。この問題は、導波路型光変調器４の光導波路５を端面に対して７度又は８度程度傾けて配置する構造とすることで、大部分は解消されるが、完全に消失することは無かった。

また、端面に対して斜めに配置した出力導波路を持つ導波路型光変調器４では、この導波路型光変調器４を光半導体モジュール内に搭載する場合に、搭載する角度が光導波路５を傾けた角度に光導波路５の屈折率を掛け合わせた角度（７度斜め入射の場合、約２３度）で搭載しなくてはならない。このことは、実装面積、つまり、実装するために広い横幅を必要とすることとなる。また、斜め搭載となるため、コリメータ用のレンズを素子に近づけることができなくなるため、小型化の光半導体モジュール設計の大きな障害となっている。

以上のことから、本発明は、横幅方向の小型化を図ることができると共に、波長精度及び光出力精度を向上させることができる半導体光変調素子及び光半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る半導体光変調素子は、
光導波路を備える半導体光変調素子において、
前記半導体光変調素子の光出射側における前記光導波路の有する光伝搬の有効範囲、すなわち、半導体光導波路構造を伝搬する光の基本モードが分布する領域の外の領域の出射端面を、前記光導波路を中心に横方向に対称に、前記出射端面から出射する前記半導体光変調素子からの光が当該半導体光変調素子の外方向に透過して出射する角度に加工すると共に、
前記半導体光変調素子の光出射側から出射される光を平行ビームに変換するレンズを備え、
前記出射端面の加工角度は、前記基本モード以外の光の出射方向が、前記レンズの開口外となる角度である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る半導体光変調素子は、第１の発明に係る半導体光変調素子において、
前記出射端面の加工角度を１８度とする
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第３の発明に係る半導体光変調素子は、第１又は第２の発明に係る半導体光変調素子において、
前記半導体光変調素子の光出射側の前記光導波路の横幅を拡大して光の出射角を狭くし、前記レンズの直径を０．３ｍｍ以内とする
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第４の発明に係る半導体光変調素子は、第３の発明に係る半導体光変調素子において、
前記レンズに短焦点型のマイクロレンズを用いる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第５の発明に係る半導体光変調素子は、第４の発明に係る半導体光変調素子において、
前記マイクロレンズを中心とする左右の位置に、前記マイクロレンズより直径が大きい大口径レンズを配置したマイクロレンズアレイを用いる
ことを特徴とする。
上記の課題を解決する第６の発明に係る光半導体モジュールは、
第１〜第５の発明のいずれか１つに係る半導体光変調素子と、当該半導体光変調素子の光入射側に配置され、当該半導体光変調素子に光を入射する半導体レーザ素子と、当該半導体光変調素子の光出射側に配置され、当該半導体光変調素子から出射される光を受光して波長安定化を行う波長ロッカーユニットとを備える
ことを特徴とする。

本発明によれば、横幅方向の小型化を図ることができると共に、波長精度及び光出力精度を向上させることができる半導体光変調素子及び光半導体モジュールを提供することができる。

本発明に係る光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図である。 本発明に係る半導体光変調素子の端面加工の例を示した模式図である。 一般的な導波路型光変調器とコリメータレンズの配置の例を示した模式図である。 テーパ導波路構造の断面図である。 ハイメサテーパ導波路におけるテーパ導波路幅と縦方向及び横方向の遠視野像の半値全幅の特性を示した図である。 埋め込みテーパ導波路におけるテーパ導波路幅と縦方向及び横方向の遠視野像の半値全幅の特性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る半導体光変調素子の光出射側の端面の構造を示した模式図である。 本発明の第１の実施例に係る光半導体モジュールにおけるＡＰＣ−ＰＤとＡＦＣ−ＰＤの値を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る光半導体モジュールにおけるＡＦＣ／ＡＰＣ Ｒａｔｉｏの値を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る光半導体モジュールと従来の光半導体モジュールにおけるＡＰＣ−ＰＤ値を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る光半導体モジュールと従来の光半導体モジュールにおけるＡＰＣ−ＰＤ ΔＩの値を示した図である。 図１０に示した本発明の第１の実施例に係る光半導体モジュールと従来の光半導体モジュールにおけるＡＰＣ−ＰＤ値の微分効率を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る光半導体モジュールと従来の光半導体モジュールにおけるＡＦＣ／ＡＰＣ Ｒａｔｉｏとロッキングポイントの値を示した図である。 本発明の第２の実施例に係るマイクロレンズアレイを用いた光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図である。 本発明の第２の実施例に係る半導体光変調素子の光出射側の端面の構造を示した模式図である。 本発明の第２の実施例に係る斜め端面構造とマイクロレンズアレイを用いた光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図である。 本発明の第２の実施例に係るポリイミドを用いた半導体光変調素子の光出射側の端面の構造を示した模式図である。 本発明の第２の実施例に係る微小ウェッジ板を用いた半導体光変調素子の光出射側の端面の構造を示した模式図である。 本発明の第２の実施例に係る遮光構造を有するＰＤベースを搭載した波長ロッカーユニットの構成例を示した模式図である。 従来の光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図である。 従来の光半導体モジュールにおけるＡＰＣ−ＰＤとＡＦＣ−ＰＤの値を示した図である。 従来の光半導体モジュールにおけるＡＦＣ／ＡＰＣ Ｒａｔｉｏの値を示した図である。

以下、本発明に係る半導体光変調素子及び光半導体モジュールを実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る半導体光変調素子及び光半導体モジュールは、光半導体モジュールの小型化設計のため、半導体光変調素子を傾けないで搭載した場合において、半導体光変調素子の端面より出射される迷光が、レンズにより、正常な伝搬光に混入し、又は、光路が曲げられて波長ロッカーユニット６のＡＰＣ−ＰＤ７とＡＦＣ−ＰＤ１２に直接入射又は間接的に入射することにより、光半導体モジュールの波長制御や光出力制御が非常に困難になるという問題を改善するために、マッハツェンダー変調器等の導波路型の半導体光変調素子において、半導体光変調素子の光出射側の端面における半導体光変調素子の半導体光導波路の有する光伝搬の有効範囲、すなわち、半導体光導波路構造を伝搬する光の基本モードが分布する領域の外の領域を、半導体光導波路を中心に横方向に対称に斜めにカットするなどして加工することにより、伝搬光以外の光の出射方向を、続いて搭載されるコリメータレンズの有効開口範囲外に曲げることを特徴とする。

図１は、本発明に係る光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図である。なお、図１（ａ）は本発明に係る光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図、図１（ｂ）は図１（ａ）に破線で示した部分の拡大図である。

本発明に係る光半導体モジュールは、従来の光半導体モジュールと同様、図２０及び図１（ａ）に示すように、光半導体モジュールのパッケージ内壁１４内に、波長可変レーザ１と、第一コリメータレンズ２−１と、結合レンズ２−２と、第二コリメータレンズ２−３と、アイソレータ３と、光導波路５を有する導波路型光変調器４と、波長ロッカーユニット６とを備えている。また、波長ロッカーユニット６には、ＡＰＣ−ＰＤ７と、ＰＤベースと、第一ビームスプリッタ９と、第二ビームスプリッタ１０と、エタロン素子１１と、ＡＦＣ−ＰＤ１２とを備えている。また、パッケージ内壁１４の波長ロッカーユニット６側の内面には、光吸収処理部又は反射防止処理部１７を備えている。なお、一般に、半導体光素子用のコリメータレンズには、開口数（以下、ＮＡ）が０．４から０．８程度のものがよく用いられている（例えば、上記非特許文献２参照）。

図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、本発明に係る半導体光変調素子においては、導波路型光変調器４の光合波部又はカップラー部１５の端面に０度で入射するテーパ導波路１８を有する導波路型光変調器４の光出射側の端面１６を、光導波路５中の光の屈折率が約３．２程度とすれば、ＮＡが０．４のレンズの場合７．８度以上、ＮＡが０．５のレンズの場合９．４度以上、ＮＡが０．６のレンズの場合１２度以上、ＮＡが０．８のレンズの場合１６度以上に、それぞれ図１（ｂ）中にθで示す位置の角度を設定して斜めに加工することにより、コリメータレンズが持つ有効開口外に迷光１９を外すことができ、正常伝搬光２０と迷光１９の光路を大きく分離することができる。

また、端面に対して斜めに入射する導波路構造を持つ導波路型光変調器４においても、迷光１９が障害となる場合がある。この場合にも、導波路型光変調器４の光出射側の端面を斜めに加工すれば、コリメータレンズが持つ有効開口外に迷光１９を外すことができる。この場合、図２（ａ）に示す形状ではなく、図２（ｂ）に示すように、導波路型光変調器４の光導波路５以外の部分を左右とも同一方向に、斜めに配置した光導波路５（本実施例においては斜め７度）と逆向きに傾けた角度を持つように端面１６を加工すれば、正常伝搬光２０と迷光１９の光路を大きく分離することができる。

このような端面の加工により、正常な伝搬光、つまり正常な素子の光出力光路上に迷光成分が混入することを防ぐことができる。しかし、この角度の加工では、レンズの有効開口外からレンズ内部に侵入し、レンズを通過して出力される迷光成分に関しては、除去しきれない。つまり、レンズ内を通過し、正常伝播光の光路とは異なる角度でレンズから出射される光については完全に対応することができない。

この問題を解決するためには、更なる角度で端面を斜めに加工すればよい。図３に示すものは、一般的な、第二コリメータレンズ２−３と導波路型光変調器４の配置図であり、第二コリメータレンズ２−３は曲率半径２ｍｍ程度、半径０．４ｍｍ程度の開口を有しており、第二コリメータレンズ２−３先端からの作動距離ＷＤが約０．３ｍｍ程度に設計された第二コリメータレンズ２−３であり、光半導体素子用コリメータレンズとしては一般的な設計となっている。

図３（ａ）から分かるように、第二コリメータレンズ２−３内に迷光成分を入れないためには、０．３ｍｍの作動距離ＷＤを経て、レンズ開口である片側０．４ｍｍの領域の外側に光を誘導することができればよいことになる。このとき、図３（ｂ）から、出射角度としては、約６０度程度の角度が必要であることがわかる。この６０度の出射角度を作り出すためには、導波路型光変調器４の光の屈折率が約３．２として、１８度以上の角度に出力導波路以外の部分を斜めに端面加工すればよい。

傾けた導波路型光変調器４の端面から出射する光の出射角をコリメータビームが進行する軸を０度として、６０度程度の出射傾きを作り出すためには、傾けた導波路型光変調器４の端面の角度分を考慮して、導波路型光変調器４の端面の出射角度を約８０度程度の出射角度となるように設定すればよく、光導波路５側の屈折率を約３．２とすれば、１９度以上で全反射角となるが、１８度以上の角度で端面を加工すれば、ほとんどのケースにおいて、光導波路５外から出射する光は、第二コリメータレンズ２−３の開口から完全に外すことができる。

また、このとき、導波路型光変調器４の側の光出力導波路構造を横型のハイメサテーパ構造、又は、埋め込み型テーパ構造とすることで、横方向のみ、又は、縦方向横方向共に、出射角を制御して、導波路型光変調器４の遠視野特性（ＦＦＰ）を横方向、縦方向共に３０度以下にすれば、レンズ直径やレンズの開口を低下させることができるようになるため、迷光と正常伝搬光を分離しやすくなるとともに、小型化光モジュール設計の自由度を拡大することができる。

図４に示すものは、テーパ導波路構造の断面構造図であり、図４（ａ）は、ハイメサ導波路構造におけるテーパ導波路構造、図４（ｂ）は、埋め込み導波路構造におけるテーパ導波路構造である。
図４（ａ）は、導波路型光変調器４の全体が、ＩｎＰ基板上において導波路コア２２となるガイド層（通常は、バルクのＩｎＧａＡｓＰ層、又は、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ等を組み合わせた量子井戸構造の層となる。）をＩｎＰクラッド２１により挟んだ基本的には３層スラブ構造を導波路コア２２の幅Ｗに合わせてＩｎＰ基板面以下まで掘り下げた構造となっている。この構造におけるテーパ構造は、約０．３ｍｍ程度の長さを光の出射端面までの間、その幅を徐々に拡大した横幅テーパ構造となる。

図４（ｂ）は、埋め込み型のテーパ構造であり、ハイメサ構造の導波路コア２２を再成長技術により、クラッド材料であるＩｎＰクラッド２１で埋め込んだ構造となっている。この場合、図４（ａ）と同様に横幅を拡大したテーパ構造と横幅を狭くしたテーパー構造の二通りの形を設計することができる。そして、これらの形状によって、光導波路５から出射する光の出射角度を制御することができる。

図５，６に、テーパ導波路幅と縦方向横方向の遠視野像の半値全幅の特性を示す。一つの目標値としてレンズ直径を少なくても０．３ｍｍ以内にすることができれば、従来のレンズ径のおよそ１／２にすることができることから、光半導体モジュールの小型化設計と迷光の除去に効果的だと考えた。

図５から、ハイメサ構造による横幅テーパ構造では、導波路幅を１μｍから５μｍへと変化させるにつれて、縦方向は一定の値を示すが、横方向は、導波路幅が増えるにつれて減少することがわかる。そして、図５から、約３．５μｍ以上の幅とすることで、横方向のＦＦＰ半値全幅θ_fwhmは、３０度以下にすることができることがわかる。

この結果から、光の強度を１／ｅ²までを有効範囲として、片側の出射角度（半角）、すなわちダイバージェンス角度αを計算すると、

となる。

ここで、θ_fwhmが３０度だとすれば、２５．４度程度の角度で片側に広がり角を持つように調整できることがわかる。つまり、コリメータレンズの平均的な作動距離を０．３ｍｍとすれば、レンズの有効開口径は半径約１４２μｍ程度でよいということになる。

現在、一般に使用されているレンズ直径は、０．６ｍｍから０．８ｍｍ程度であるため、半分以下の直径でも問題なく動作するレンズを選ぶことができるようになる。このことは、光半導体モジュールの小型化の設計において、非常に有効であるばかりでなく、今回問題となっている迷光の除去についても、端面加工により迷光を、出射角度を調整してレンズの開口から外す効果をより確実なものとすることができる。

ただし、この場合、制御できるのは横方向のみであり、縦方向においては出射角度が遠視野像の半値全幅で４８度程度あるため、０．６ｍｍ程度の有効開口が必要であり、横方向に有効開口が０．３ｍｍ、縦方向に０．６ｍｍという縦長のレンズが必要になる。

また、図４（ｂ）に示す埋め込み型テーパ導波路構造の場合には、図６から、幅を広くした場合、幅２μｍ以上の幅でテーパ導波路を製作することにより横方の遠視野像の半値全幅は３０度以下となる。このことにより、ハイメサ導波路構造と同様の効果を得ることができる。

また、逆に導波路幅を狭くするようにテーパ導波路を製作した場合には、０．８μｍ幅以下で縦方向横方向共に遠視野像の半値全幅は３０度を下回る。しかし、加工により幅を０．６μｍ以下にすると極端に光の閉じ込め効果を失うため、放射散乱効果が大きくなる可能性があること、加えて、極めて加工が難しくなるという問題点がある。

このため、０．６μｍから０．８μｍ程度のテーパ加工を行うことで、縦横の出射角を両方共に３０度以下に保つことが現実的に有効な設計範囲となる。この範囲では、縦方向、横方向共に、出射角が３０度を下回り、かつ、その値がそろっていることから、小型のシリンドリカルな通常設計のレンズを選ぶことができ、迷光の除去に極めて有効な設計となる。

本発明に係る半導体光変調素子及び光半導体モジュールによれば、マッハツェンダー変調器等の導波路型光変調器４の光導波路５を正常に伝搬する基本モード以外の光成分を波長ロッカーユニット６等の内部に搭載したフォトダイオード（光受信器）の受光範囲から外すことができるため、従来、正常な伝搬光と混在して受光されていた光成分を除去することができる。したがって、光半導体モジュールの横幅方向の小型化を図ることができると共に、光半導体モジュールの波長精度及び光出力精度を向上させることができる。

以下、本発明に係る半導体光変調素子及び光半導体モジュールの第１の実施例について説明する。
本実施例に係る半導体光変調素子及び光半導体モジュールにおいては、光導波路５の端面の出力導波路以外の化合物半導体テラス部２３の部分に１８度の端面加工を施し、かつ、出力導波路の導波路コア２４を０．８μｍ幅に先細型テーパー構造として半導体マッハツェンダー変調器を搭載したハイブリッドモジュールを製作した。

図７に本実施例に係る光半導体モジュールにおける端面の加工形状を示す。本実施例に係る光半導体モジュールの構成は、図２０に示した従来の光半導体モジュールと同様に、レーザとして、波長可変レーザ１を搭載し、第一コリメータレンズ２−１、アイソレータ３、結合レンズ２−２を介し導波路型光変調器４を集積した。この導波路型光変調器４の後方には、波長安定化のための波長ロッカーユニット６を搭載している。

図８に、レーザの出力を約４０ｍＷ程度にした場合の波長ロッカーユニット６に搭載した各受光器ＡＰＣ−ＰＤ７とＡＦＣ−ＰＤ１２の値を示し、図９に、レーザの出力を約４０ｍＷ程度にした場合の波長ロッカーユニット６に搭載した各受光器ＡＰＣ−ＰＤ７とＡＦＣ−ＰＤ１２の比ＡＦＣ／ＡＰＣ Ｒａｔｉｏの値を示す。

図８より、半導体導波路型変調器に迷光除去手段を施したことにより、ＡＰＣ−ＰＤ７への直接的又は間接的な迷光が除去されＡＰＣ−ＰＤ値は従来構造と比べると正常な平坦なグラフとなっている。それに伴い、図９において、ロッキングポイントも平坦で安定した特性になっている。これにより、各Ｇｒｉｄでロッキングポイントを個別設定する必要がなくなり、波長の制御性を向上することができた。

次に、ＡＰＣ−ＰＤ７の変化を従来構造と本実施例に係る光半導体モジュールにおける構造とで比較してみる。
図１０〜１２に比較の結果を示す。図１０，１１より、従来構造では、波長ごとにＡＰＣ−ＰＤ７に入射する迷光の量が異なりＡＰＣ−ＰＤ値に変動が見られるが、新構造では、迷光が除去され、値の変動を低減することができている（変動幅５μＡ→０．５μＡに低減）。

また、図１２は図１０の微分効率を示している。従来構造では振幅が大きく、あるスロープが見受けられるが、本実施例に係る光半導体モジュールでは振幅が小さく、スロープも見えない（振幅±０．１→±０．０２に低減）。このことから、迷光が除去されＡＰＣ−ＰＤ値が安定したことが分かる。

以上のことから、本実施例に係る光半導体モジュールにおける構造では、ＡＰＣ−ＰＤ７に入射する迷光を除去することができ、ＡＰＣ−ＰＤ値を安定化させることができる。これにより、ＡＰＣ−ＰＤ７の制御性が格段に向上することが確認できた。

同じように、ＡＦＣ／ＡＰＣ Ｒａｔｉｏを従来構造と本実施例に係る光半導体モジュールにおける構造での変化を見てみることにする。図１３では、従来構造と本実施例に係る光半導体モジュールにおける構造でのロッキングポイントの変化を比べている。また、表１に、従来構造でのロッキングポイントを示し、表２に、本実施例に係る光半導体モジュールにおける構造でのロッキングポイントを示している。

図１３より、従来構造ではロッキングポイントが変化しているのに対して、本実施例に係る光半導体モジュールにおける構造では一定の値を示している。このことから波長制御性が向上したことが確認できた。

以下、本発明に係る半導体光変調素子及び光半導体モジュールの第２の実施例について説明する。

図１４は、本実施例に係るマイクロレンズアレイを用いた光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図である。なお、図１４（ａ）は本実施例に係るマイクロレンズアレイを用いた光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）に破線で示した部分の拡大図である。

図１４に示すように、本実施例に係る半導体光変調素子及び光半導体モジュールにおいては、迷光除去手段として、第二コリメータレンズ２−３にマイクロレンズを用い、マイクロレンズの左右に大口径のレンズ２５を配置したレンズアレイを用いた。本実施例に係る光半導体モジュールにおいては、図１４（ｂ）中に破線で示す大口径レンズ２５の光軸中心を、導波路型光変調器４の幅より外側に配置したことにより、光導波路５外から出射された迷光を大口径レンズを介してＰＤ受光部外へとシフトさせることができる。

また、大口径レンズ２５をマイクロレンズの左右に接するように配置することにより、マイクロレンズの有効径外近接を通過して光軸と平行に進み、第一ビームスプリッタ９へ入射する迷光の除去が可能となる。

図１５に、本実施例において用いた導波路型光変調器４の光出射側の端面の構造を示す。本実施例において用いた導波路型光変調器４の光出射側のハイメサ型テーパ導波路のメサ部２６は横幅拡大型のテーパ構造であり、約３００μｍのテーパ長により導波路コア幅を２．５μｍから４μｍへと広くしている。

コア幅４μｍの光導波路５から出射される光の開口角度は、遠視野像（ＦＦＰ）から半値全幅で約２８度、光強度が１／ｅ²に低下する範囲までの出射半角は、約２４度で、レンズの作動距離ＷＤを３００μｍとすれば、必要なレンズ開口は、レンズ半径にして２００μｍ以下であり、半径２００μｍのマイクロレンズを用いても十分にその効果を得ることができる。さらに、レンズの小型化で、作動距離ＷＤを２００μｍ程度まで縮小した短焦点レンズを用いれば、更に横方向のレンズ開口を狭く設計でき、光半導体モジュールの小型化に有利となる。

また、第二コリメータレンズ２−３の両側に比較的大口径（ここでは、半径が０．５ｍｍ程度）のレンズを配置することで、出力導波路から５０μｍ以上離れた場所から放射する散乱光の大半を除去することができた。

図１６は、本実施例に係る斜め端面構造とマイクロレンズアレイを用いた光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図である。なお、図１６（ａ）は本実施例に係る斜め端面構造とマイクロレンズアレイを用いた光半導体モジュールの要部の構成を示した模式図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に破線で示した部分の拡大図である。

図１６に示す構造は、導波路型光変調器４の光出射側の端面において光導波路５を除いて斜めに加工又はカットした構造であり、この構造と上述したマイクロレンズアレイを併用することで、光導波路５以外を通過する光２７が原因となる迷光の除去がより可能となる構造である。

この構造は、導波路型光変調器４の光出射側の光導波路５の外周部を光導波路５の持つ光伝搬の有効範囲、すなわち、半導体光導波路構造を伝搬する光の基本モードが分布する領域の外の領域を光導波路５を中心に導波路型光変調器４の光出射側の端面を中心部から遠ざかる方向に対称に斜めに加工又はカットした素子構造である。この構造を上述したマイクロレンズアレイと併用することにより、使用するレンズ設計が格段に容易になる。

また、図７に示した構造を形成する方法として、図１７に示すように、通常加工された半導体素子をヒートシンク２２に半田固定した後、ポリイミドなど有機材料２９を出力導波路の出射端にのみ塗布し、酸素ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）などを用い端面部を加工する方法がある。

また、図７に示した構造を形成する方法として、図１８に示すように、ヒートシンク２２上に予め出力導波路が実装される右両側の位置にガラス製の微小ウエッジ板３０を固定し、その微小ウエッジ板３０に合わせて半導体素子を搭載する方法がある。
さらに、図７に示した構造を形成する方法として、導波路型光変調器４の光出射側の光導波路５の周囲を素子製作時にドライエッチングやウエットエッチング技術を用いて、有効な深さ（例えば、５０μｍ程度）で加工して形成する方法などがある。

いずれの構造であっても、図８，９に示すような良好な特性を得ることができた。また、図８，９及び図１３に示した、波長ロッカーユニット６に搭載するＡＰＣ−ＰＤ７及びＡＦＣ−ＰＤ１２の出力には、僅かながら、導波路型光変調器４の光出射側の端面からの迷光以外の迷光成分として、光半導体モジュールのパッケージ内壁１４の後壁面より、搭載した波長可変レーザ１の後部の端面から出力された光が検出されることが分かっている。

この光は波長可変レーザ１の駆動条件が変わらない限り変化しないため、パワーの安定化及び波長の安定化には直接影響は無いが、これらの光を除去するためには、図１９（ａ）に示すように、波長ロッカーユニット６に搭載する各ＰＤベース８の形状、又は、ＰＤベース８の側面に遮光板３１を取り付けた構造にすることにより、除去できることが分かっている。なお、図１９（ａ）は、ＰＤベース８をＬ型に加工したＬ型ＰＤベース３２の例を示している。

図１９（ａ）は、遮光板３１を取り付けたＰＤベース８を搭載した波長ロッカーユニット６示しており、光半導体モジュールのパッケージ内壁１４後方端面等からＡＰＣ−ＰＤ７及びＡＦＣ−ＰＤ１２に向けて飛んでくる迷光の除去に有効な構造である。遮光板３１の材料としては、ＰＤベース８の材料であるアルミナ材の他、ムライト等のセラミック材料においてその効果を確認しているが、波長可変レーザ１の発振波長の光を遮断できる材料であれば、どのような材料を用いてもよいが、半田工程やモジュール製作工程における熱処理に耐性がある材料である必要はある。

本発明は、例えば、光通信技術および光通信用半導体光モジュールの構造及び半導体光デバイスにおいて利用することが可能である。

１ 波長可変レーザ
２−１ 第一コリメータレンズ
２−２ 結合レンズ
２−３ 第二コリメータレンズ
３ アイソレータ
４ 導波路型光変調器
５ 光導波路
６ 波長ロッカーユニット
７ ＡＰＣ−ＰＤ
８ ＰＤベース
９ 第一ビームスプリッタ
１０ 第二ビームスプリッタ
１１ エタロン素子
１２ ＡＦＣ−ＰＤ
１３ サーミスタ
１４ パッケージ内壁
１５ 光合波部又はカップラー部
１６ 導波路型光変調器の光出射側の端面
１７ 光吸収処理部又は反射防止処理部
１８ 端面に０度で入射するテーパ導波路
１９ 迷光
２０ 正常伝搬光
２１ ＩｎＰクラッド
２２ 導波路コア
２３ 化合物半導体テラス部
２４ 導波路コア
２５ マイクロレンズアレイ
２６ ハイメサ型テーパ導波路のメサ部
２７ 導波路以外を通過する光
２８ ヒートシンク
２９ 有機材料
３０ 微小ウエッジ板
３１ 遮光板
３２ Ｌ型ＰＤベース

Claims (6)

1. 光導波路を備える半導体光変調素子において、
   前記半導体光変調素子の光出射側における前記光導波路の有する光伝搬の有効範囲、すなわち、半導体光導波路構造を伝搬する光の基本モードが分布する領域の外の領域の出射端面を、前記光導波路を中心に横方向に対称に、前記出射端面から出射する前記半導体光変調素子からの光が当該半導体光変調素子の外方向に透過して出射する角度に加工すると共に、
   前記半導体光変調素子の光出射側から出射される光を平行ビームに変換するレンズを備え、
   前記出射端面の加工角度は、前記基本モード以外の光の出射方向が、前記レンズの開口外となる角度である
   ことを特徴とする半導体光変調素子。
2. 前記出射端面の加工角度を１８度とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調素子。
3. 前記半導体光変調素子の光出射側の前記光導波路の横幅を拡大して光の出射角を狭くし、前記レンズの直径を０．３ｍｍ以内とする
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体光変調素子。
4. 前記レンズに短焦点型のマイクロレンズを用いる
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体光変調素子。
5. 前記マイクロレンズを中心とする左右の位置に、前記マイクロレンズより直径が大きい大口径レンズを配置したマイクロレンズアレイを用いる
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体光変調素子。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の半導体光変調素子と、当該半導体光変調素子の光入射側に配置され、当該半導体光変調素子に光を入射する半導体レーザ素子と、当該半導体光変調素子の光出射側に配置され、当該半導体光変調素子から出射される光を受光して波長安定化を行う波長ロッカーユニットとを備える
   ことを特徴とする光半導体モジュール。

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