JP5877727B2 - 半導体光変調素子及び光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、偏波多重方式の半導体光素子及びそれを備える光モジュールに関し、特に、
偏波多重方式の半導体光集積素子の特性向上に関する。

近年、偏波多重方式を実現する光変調器が用いられている。従来、かかる光変調器は、主に、分波器、２個の変調器、偏波回転子、及び、偏波合波器で構成されている。入力される光が、分波器によって同一の偏波を有する２つの光に分岐される。２つの光がそれぞれ変調器に入力され、それぞれ光信号に変換される。２つの光信号が伝搬する２つの導波路のうち、一方の導波路には偏波回転子が設けられ、偏波回転子によって、一方の光信号は異なる偏波を有する光信号に変換される。これら２つの光信号が偏波合波器で合波され、偏波多重光信号となる。

特許第４７０１２３２号

IEEE Photonics Technology Letters，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．８，１９９５，ｐ８９３−８９５

偏波回転子を用いた光変調器の一例が、特許文献１に開示されている。図１４は、従来技術に係る光変調器の一例を示す模式図である。図１４に示す光変調器は、偏波多重四位相偏移変調方式（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）の光変調器（以下、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器と記す）であり、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器１０１は、分波器１０２と、変調領域１０３（２個のＱＰＳＫ変調器）と、偏波回転子１０４と、偏波合波器１０５とを有している。ここでは、２個のＱＰＳＫ変調器それぞれは、２個のマッハツェンダ変調器（ＭＺ変調器１０６）を有しており、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器１０１は合計で４個のＭＺ変調器１０６を有している。

図の左側より入力する連続光（ＩＮ）は、まず分波器１０２で二分岐された後に、各分岐光は、ＱＰＳＫ変調器でさらに二分岐される。各ＱＰＳＫ変調器において、変調信号によって屈折率変化を受けた導波路を導波することにより、各ＱＰＳＫ変調器において、二分岐されている光は互いに位相差を生じ、かかる光を合波することにより、位相変調信号が生成される。偏波回転子１０４によって、一方の変調光信号を、もう一方の変調光信号に対し、異なる偏波を有するように偏波回転することで、異なる偏波を有する２つの位相変調信号を生成する。最後に、２つの位相変調信号を偏波合波器１０５で合波し、合波された偏波多重位相変調信号が、図の右側へ出力される（ＯＵＴ）。

近年、省コスト、省サイズ、省消費電力などの要請がある。それゆえ、偏波多重方式の光変調器の各光部品を同一基板上に集積される集積素子が望ましい。各光部品を同一基板上に集積した集積素子とすることで、部品の数を低減させ、結合損失を低減させることが出来る。偏波回転子を集積するための、半導体で構成される偏波回転子が非特許文献１に開示されている。しかし、非特許文献１に示す通り、偏波回転子を半導体で作製すると光損失が大きくなり、偏波消光比を高くすることが困難であるという問題が生じてしまう。

また、偏波回転子の作製誤差によって、歩留りが低下するという問題もある。歩留りの低い光部品である偏波回転子を、他の光部品とともに同一基板上に集積する場合、集積素子の歩留りも低下し、低コスト化を困難にする。また、偏波回転子の偏波回転量を電気的な屈折率変化を誘起させて調整することにより、偏波回転子の歩留りを改善することが可能であるが、そのために電源をさらに１つ配置する必要があり、さらに、試験コストが高くなることにより、この場合も低コスト化を困難にする。

さらに、図１４に示す通り、外部に設けられる光源（図示せず）より光がＤＰ−ＱＰＳＫ変調器１０１に入力され（ＩＮ）、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器１０１は外部へ偏波多重位相変調信号を出力（ＯＵＴ）している。外部の光源とＤＰ−ＱＰＳＫ変調器１０１とを光学的に結合させるために、コリメートレンズといった光部品を要することとなり、省コスト化及び省サイズ化を困難にするとともに、結合箇所において光損失が生じることにより省消費電力化も妨げられてしまう。それゆえ、光源と光変調器が、同一基板上に集積された集積素子が望ましいにも関わらず、歩留りの低い光部品を含むことにより、多くの部品を集積化することをより困難にしている。

本発明は、かかる課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、特性が向上される偏波多重方式の半導体光素子及びそれを備える光モジュールの提供とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光素子は、第１の偏波を有する光を出力する第１の光源と、前記第１の偏波と異なる偏波である第２の偏波を有する光を出力する第２の光源と、前記第１の光源の出力側に光学的に接続され、前記第１の光源が出力する光を変調して光信号を出力する、第１の光変調器と、前記第２の光源の出力側に光学的に接続され、前記第２の光源が出力する光を変調して光信号を出力する、第２の光変調器と、前記第１の光変調器が出力する光信号と、前記第２の光変調器が出力する光信号と、を結合して結合光信号を出力する、光合波器と、が、半導体基板上にともに集積される。

（２）上記（１）に記載の半導体光素子であって、前記第１の光源及び前記第２の光源の少なくとも一方は、波長可変レーザであり、前記第１の光源及び前記第２の光源は、前記第１の光源又は第２の光源のいずれか一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけることが可能であってもよい。

（３）上記（２）に記載の半導体光素子であって、前記波長可変レーザは、出力する光の波長を温度によって調整するための抵抗体を備える分布帰還型レーザであってもよい。

（４）上記（２）に記載の半導体光素子であって、前記波長可変レーザは、分布ブラッグ反射型レーザ又は横グレーティングアシスト横方向性結合器型レーザであってもよい。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記第１の光源及び前記第２の光源それぞれと光学的に接続するとともに、前記第１の光源及び前記第２の光源それぞれが出力する光の波長に差異があるかを検出するための、波長依存性を有する素子と、前記波長依存性を有する素子と光学的に接続するとともに、前記第１の光源及び前記第２の光源それぞれが出力する光を該素子が変換する光を検出する受光器と、をさらに備えてもよい。

（６）上記（５）に記載の半導体光素子であって、前記波長依存性を有する素子は、リング共振器又はマッハツェンダ型遅延干渉計であってもよい。

（７）上記（５）に記載の半導体光素子であって、前記波長依存性を有する素子はリング共振器であり、前記第１の光源に光学的に接続される第１の光導波路と、前記第２の光源に光学的に接続される第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記リング共振器を光学的に結合する、第１のマルチモード干渉型合分波器と、前記第２の光導波路と前記リング共振器を光学的に結合する、第２のマルチモード干渉型合分波器と、をさらに備えてもよい。

（８）上記（７）に記載の半導体光素子であって、前記第１のマルチモード干渉型合分波器及び前記第２のマルチモード干渉型合分波器は、ともに、光軸方向に沿って実効屈折率が変化してもよい。

（９）本発明に係る光モジュールは、上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の半導体光素子を、備えていてもよい。

（１０）本発明に係る光モジュールは、上記（５）乃至（８）のいずれかに記載の半導体光素子と、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記第１の光源又は第２の光源のいずれかの一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけるよう、前記第１の光源及び／又は前記第２の光源を制御する、制御部と、を備えてもよい。

（１１）上記（１０）に記載の光モジュールであって、前記第２の光源は波長可変レーザであり、前記制御部は、前記第１の光源の光出力を制御する信号に、第１ディザ信号を重畳し、前記受光器が検出する信号を前記第１ディザ信号の周波数で抽出して、前記波長依存性を有する素子を前記第１の光源の波長に対応して所定の特性となるように制御し、前記制御部は、前記第２の光源を制御する信号に、前記第１ディザ信号と異なる周波数を有する第２ディザ信号を重畳し、前記受光器が検出する信号を前記第２ディザ信号の周波数で抽出して、前記第２の光源の波長を前記波長依存性を有する素子の前記所定の特性に対応して所定の範囲となるように制御してもよい。

（１２）上記（１０）に記載の光モジュールであって、前記第１の光源及び前記第２の光源はともに波長可変レーザであり、前記制御部は、前記第１の光源を制御する信号に、第１ディザ信号を重畳し、前記第２の光源を制御する信号に、前記第１ディザ信号と異なる周波数を有する第２ディザ信号を重畳し、前記受光器が検出する信号を、前記第１ディザ信号の周波数及び前記第２ディザ信号の周波数それぞれで抽出して、前記第１の光源の波長及び前記第２の光源の波長を前記波長依存性を有する素子の所定の特性に対応して、それぞれ所定の範囲となるように制御してもよい。

（１３）上記（１０）に記載の光モジュールであって、前記第２の光源は波長可変レーザであり、前記半導体光素子は、前記第１の光源の前記第１の光変調器側とは反対側において、前記第１の光源に光学的に接続されるとともに、前記第１の光源が出力する光の強度を検出する第１光強度受光器と、前記第２の光源の前記第２の光変調器とは反対側において、前記第２の光源に光学的に接続されるとともに、前記第２の光源が出力する光の強度を検出する第２光強度受光器と、をさらに備え、前記制御部は、前記第１の光源に対応するタイムスロットにおいて、前記第１光強度受光器及び前記第２光強度受光器それぞれに、前記第１の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧を印加し、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記波長依存性を有する素子を前記第１の光源の波長に対応して所定の特性となるように制御し、前記第２の光源に対応するタイムスロットにおいて、前記第１光強度受光器及び前記第２光強度受光器それぞれに、前記第２の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧を印加し、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記第２の光源の波長を前記波長依存性を有する素子の前記所定の特性に対応して所定の範囲となるように制御してもよい。

（１４）上記（１０）に記載の光モジュールであって、 前記第１の光源及び前記第２の光源はともに波長可変レーザであり、前記半導体光素子は、前記第１の光源の前記第１の光変調器側とは反対側において、前記第１の光源に光学的に接続されるとともに、前記第１の光源が出力する光の強度を検出する第１光強度受光器と、前記第２の光源の前記第２の光変調器とは反対側において、前記第２の光源に光学的に接続されるとともに、前記第２の光源が出力する光の強度を検出する第２光強度受光器と、をさらに備え、前記制御部は、前記第１の光源に対応するタイムスロットにおいて、前記第１光強度受光器及び前記第２光強度受光器それぞれに、前記第１の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧を印加し、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記第１の光源が出力する光の波長を前記波長依存を有する素子の特性に対応して所定の範囲内となるよう制御し、前記第２の光源に対応するタイムスロットにおいて、前記第１光強度受光器及び前記第２光強度受光器それぞれに、前記第２の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧を印加し、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記第２の光源が出力する光の波長を前記波長依存を有する素子の特性に対応して所定の範囲内となるよう制御してもよい。

（１５）上記（１０）に記載の光モジュールであって、前記第１の光源及び前記第２の光源はともに波長可変レーザであり、前記制御部は、前記受光器が検出する信号より、前記第１の光源が出力する光と前記第２の光源が出力する光とが前記波長依存性を有する素子において干渉して発生するビート信号を抽出して、前記第１の光源の波長及び前記第２の光源の波長を前記波長依存性を有する素子の所定の特性に対応して、それぞれ所定の範囲となるように制御してもよい。

本発明により、特性が向上される偏波多重方式の半導体光素子及びそれを備える光モジュールが提供される。

本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るＬＤの構造を示す断面図である。 波長精度に対する群遅延の計算結果である。 本発明の第１の実施形態に係る変調領域の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。 本発明の第４の実施形態に係るＭＭＩ合分波器の構造を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係るＭＭＩ合分波器の構造の他の例を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係るＭＭＩ合分波器の構造の他の例を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。 本発明の第６の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。 本発明の第７の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。 本発明の第８の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。 本発明の第９の実施形態に係る光モジュールの上面模式図である。 従来技術に係る光変調器の一例を示す模式図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

なお、以下の実施例では、異なる偏波を有する光を出力する２個の光源として、２個の波長調整可能な分布帰還型（ＤＦＢ）レーザダイオード（以下、ＬＤと記す）、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ＬＤ、及び横グレーティングアシスト横方向性結合器型（ＬＧＬＣ）ＬＤを集積した例を挙げているが、これらに限らず、波長調整可能であって、かつ、異なる偏波を有する光を出力する２個の光源であって、同一半導体基板上に集積することが出来ればよい。また、２個の光源の波長に差異があるかを検出するための光部品として、リング共振器とＭＺ型遅延干渉計を例として挙げているが、共振器であれば例えばファブリペロー（ＦＰ）型共振器であってもよいし、波長依存性がある素子であれば共振器に限られるものではない。さらに、受光器は集積の簡易性から受光素子（Photo Diode：以下、ＰＤと記す）を用いているが、これに限られるものでもない。以下に示す材料、組成、メサストライプ寸法、膜厚及び半導体基板は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明がこれに限られるものではない。理解を簡単にする目的でパッシベーション膜、電極などは、例えば可変熱源としての利用などの特別な効果があるときを除いて省略している。

［第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。当該実施形態に係る半導体光素子は、２個のＬＤと、２個のＱＰＳＫ変調器（変調領域１３）と、偏波合波器１４と、３個のＰＤ２０とが、同一基板上に備えられる半導体光集積素子である。ここで、２個のＬＤは、ＴＥ偏波（第１の偏波）を有する光を出力する第１ＬＤ１１（第１の光源）と、ＴＭ偏波（第２の偏波）を有する光を出力する第２ＬＤ１２（第２の光源）であり、ともに、波長調整が可能な分布帰還型（ＤＦＢ）ＬＤである。さらに、第１ＬＤ１１及び第２ＬＤ１２は、ＬＤ電極１５を素子表面に備え、ＬＤ電極１５の上面の一部を覆って形成される薄膜抵抗１６を備えている。薄膜抵抗１６の両端には、電極パッド２１が設けられ、２個の電極パッド２１の間に電圧を印加することにより、薄膜抵抗１６に電流が流れ、薄膜抵抗１６は発熱する。薄膜抵抗１６は、流れる電流を制御することにより発熱量が制御される可変熱源であり、２個のＬＤは、薄膜抵抗１６によって温度制御されることによって、波長調整が可能となる波長可変ＬＤである。すなわち、薄膜抵抗１６は、ＬＤが出力する光の波長を温度によって調整するための抵抗体である。また、各ＬＤの変調器側とは反対側に、光出力モニタであるＰＤ２０が配置されており、対応するＬＤと光学的に接続される。第１の偏波と第２の偏波は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波のように、異なる２つの偏波であり、素子の特性上、第１の偏波と第２の偏波は互いに直交しているのが望ましいが、これに限定されることはない。

なお、光出力モニタとして用いられる２個のＰＤ２０は、光部品の低減や結合損失の低減の観点からは、２個の光源や２個の変調器と同一基板上に集積されるのが望ましい。しかし、２個のＰＤ２０は必ずしも同一基板上に集積される必要はなく、別個の素子として配置されてもよい。また、ここでは、光源と変調器の組が２組、同一基板上に集積されている場合を示しているが、これに限定されることはなく、３以上の複数組、同一基板上に集積されていてもよい。

変調領域１３に、２個のＱＰＳＫ変調器が備えられており、２個のＱＰＳＫ変調器は、出力側に配置される偏波合波器１４とともに、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器を構成している。図１４に示す光変調器と異なり、分波器と偏波回転子を備えておらず、各ＱＰＳＫ変調器は対応するＬＤと、導波路を介して光学的に接続されている。ここで、第１ＬＤ１１に接続される図中上側のＱＰＳＫ変調器が第１の光変調器であり、第２ＬＤ１２に接続される図中下側のＱＰＳＫ変調器が第２の光変調器である。

１個のＱＰＳＫ変調器は、並列に並ぶ２個のＭＺ変調器と、その前後に配置されるＭＭＩ合分波器１７（マルチモード干渉型合分波器）とを、備えている。ＭＺ変調器の素子表面には電極１８が形成されている。また、一方のＭＺ変調器の出力側には位相シフタ１９が配置されている。ＭＺ変調器の電極１８に印加される電圧（高周波電気信号）を制御することにより、変調領域１３の２個のＱＰＳＫ変調器において、ＴＥ偏波の光及びＴＭ偏波の光が変調され、それぞれＴＥ偏波の光信号及びＴＭ偏波の光信号に変換され、偏波合波器１４へ出力される。

偏波合波器１４の出力側の一方には変調光出力モニタのためにＰＤ２０が設けられている。偏波合波器１４において、ＴＥ偏波の光信号（位相変調信号）及びＴＭ偏波の光信号（位相変調信号）が合波（結合）され、出力側の他方より、合波された結合光信号（偏波多重位相変調信号）が外部（図中右側へ）出力される。

図２は、当該実施形態に係るＬＤの構造を示す断面図である。当該実施形態に係るＬＤは、図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰクラッド層３１、ＩｎＧａＡｓＰガイド層（図示せず）、活性層３２、ＩｎＧａＡｓＰガイド層（図示せず）、ｐ型ＩｎＰスペーサ層（図示せず）、回折格子層（図示せず）、ｐ型ＩｎＰクラッド層３３、及びｐ型コンタクト層３６が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板上に積層されている。ここで、活性層３２は、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含んでいる。ｐ型ＩｎＰスペーサ層、回折格子層、ｐ型ＩｎＰクラッド層３３及びｐ型コンタクト層３６は、導波路となる領域の両側が除去されておりメサ構造となっている。メサ構造の両側と、活性層３２の上層のうちメサ構造が形成されていない領域と、を覆って、第１パッシベーション膜３４が形成されており、さらに、第１パッシベーション膜３４及びメサ構造の最上層（ｐ型コンタクト層３６）を覆って、ｐ型電極であるＬＤ電極１５が形成されている。ＬＤ電極１５はｐ型コンタクト層３６に接することにより、ＬＤ電極１５と活性層３２とは電気的に接続されている。ＬＤ電極１５の上側には、第２パッシベーション膜３７が形成され、第２パッシベーション膜３７の上側に薄膜抵抗１６が形成されている。第２パッシベーション膜３７により、ＬＤ電極１５と薄膜抵抗１６とは電気的に遮断されている。なお、第１パッシベーション膜３４の上側であって、薄膜抵抗１６の両端に接続するように、電極パッド２１が形成されている。電極パッド２１はＬＤ電極１５と電気的に遮断されている。

一般に、歪みのない井戸層はエネルギーバンドが縮退し、電子と重い正孔間の遷移が主要であるため、ＴＥ偏波の光を出力する。井戸層に歪みを導入すると重い正孔と軽い正孔の縮退が解けることにより、重い正孔と軽い正孔の遷移率が変化するため、各偏波の利得を調整できることが知られている。井戸層に圧縮歪を導入すると、ＴＥ偏波の光をより出力し、井戸層に伸張歪みを導入すると、ＴＭ偏波の光をより出力することとなる。

ここで、ＴＥ偏波の光を出力する第１ＬＤ１１において、ＴＥ偏波の利得のために、活性層３２に含まれる井戸層は、圧縮歪みか無歪みが好ましい。活性層３２の井戸層の歪みの方向と歪み量を調整することにより、発振する偏波を制御することができる。

次に、第１ＬＤ１１の製造方法の概略を説明する。ｎ型ＩｎＰ半導体基板上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層３１から回折格子層までを、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などで一括して結晶成長した後に、ＴＥ偏波に合わせた設計発振波長に合わせて、フォトリソグラフィで回折格子パターンを形成、その後、エッチングで光軸方向約０．２４μｍ周期の回折格子を形成する。次に、再成長によりｐ型ＩｎＰクラッド層３３、ｐ型コンタクト層３６を形成し、所要のメサストライプ幅になるようにフォトリソグラフィとエッチングでメサストライプを形成する。その後、化学気相成長（ＣＶＤ）法と、ＥＢ蒸着で第１パッシベーション膜３４とＬＤ電極１５を成膜する。この段階までは、従来のＤＦＢ−ＬＤと同じ方法で形成したものである。当該実施形態に係るＬＤでは、ＬＤ電極１５の横に、後に形成する薄膜抵抗１６に電流を注入するための電極パッド２１を形成する。その後、ＬＤ電極１５と薄膜抵抗１６との間に電流が流れることを防ぐために、ＬＤ電極１５の上に第２パッシベーション膜３７を形成し、その上側に薄膜抵抗１６を形成し、第１ＬＤ１１が作製される。

ＴＭ偏波の光を出力する第２ＬＤ１２の構造は、回折格子及び活性層を除いては、第１ＬＤ１１と同じ構造とすることが出来、第２ＬＤ１２の製造工程の多くを、第１ＬＤ１１の製造工程と共通にすることが出来る。よって、第２ＬＤ１２の製造方法を、第１ＬＤ１１の製造方法と異なる点について以下に説明する。第２ＬＤ１２の発振波長が、第１ＬＤ１１の発振波長と一致するか所定の範囲内となるとともに、ＴＭ偏波の光を出力するように、第２ＬＤ１２の回折格子を形成する。また、ＴＭ偏波の光を出力するために、第２ＬＤ１２の活性層３２に含まれる井戸層は、伸張歪が好ましい。作製ずれによる波長ずれを抑えるためには、偏波間で導波路の実効屈折率を出来得る限り近づけることが好ましい。

本発明に係る半導体光素子の特徴は、偏波回転素子を設ける代わりに、異なる偏波の光を出力する光源２個を設け、各光源が対応する変調器と光学的に接続されている点にある。かかる構成とすることにより、光源と光変調器とが同一基板上に集積される集積素子が実現される。偏波回転子を設けないことにより、偏波回転子を集積するよりも偏波消光比を大きく向上することができる。しかし、異なる偏波の光信号がそれぞれ、別個の光源が出力する光より生成されていることにより、異なる偏波の光信号がともに所定の伝送特性を得るために、２個の光源が出力する光の波長をともに所定の範囲内になるよう高精度に制御する必要がある。ここで、２個の光源は、一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけることが可能である必要がある。さらに、２個の光源は、一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に対して以下に述べる所定の範囲内とすることが可能であることが望ましく、２個の光源が出力する光の波長を一致させることが可能であることがさらに望ましい。

偏波間で必要な波長精度は、受信側での波長推定と群遅延（Differential Group Delay）で決まる。波長制御に数十ｐｍ程度の精度であれば、受信側でのデジタル信号処理によって波長推定可能である。一つのチャネル内における群遅延の遅延時間は、偏波モード分散（ＰＭＤ）に偏波間の波長差による色分散（ＣＤ）を重畳した遅延量となる。ＣＤは伝送距離に応じて変化し、その上限はタイムスロットによって決まるため、ボーレートによって制限される。つまり、伝送距離とボーレートによって制限される範囲内であれば、異なる偏波の光信号において、ともにほとんど等しい伝送特性が発揮される。

図３は、波長精度Δλに対する群遅延の計算結果である。図の横軸は波長精度Δλ［ｐｍ］であり、図の縦軸は、群遅延時間［ｐｓ］である。図には、伝送距離が１０ｋｍ（太線）、４０ｋｍ（細線）、８０ｋｍ（破線）である場合がそれぞれ示されている。ここで、ＪＩＳ Ｃ６８３５及びＩＴＵ-Ｔ Ｇ．６５２に準拠するシングルモード光ファイバにおける群遅延時間を例にして計算しており、ＰＭＤに起因する遅延は０．２［ｐｓ／（ｋｍ）^１／２］、１５５０ｎｍ帯の光信号に対するＣＤに起因する遅延は１６［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］としている。ＰＭＤに起因する遅延時間は、図のｙ切片に示されるシンボルで表されている。すなわち、伝送距離が１０ｋｍの場合はシンボル”▲”、伝送距離が４０ｋｍの場合はシンボル”■”、伝送距離が８０ｋｍの場合はシンボル”●”で表される遅延時間となっており、ＰＭＤに起因する遅延時間は波長精度Δλに依らず一定である。これに対して、ＣＤに起因する遅延時間は波長精度Δλに比例して大きくなっており、その傾きは、伝送距離が長くなるのに対して大きくなる。そして、群遅延時間は、前述の通り、ＰＭＤに起因する遅延時間とＣＤに起因する遅延時間の和となっているので、波長精度Δλに対する群遅延時間は、伝送距離に応じて、ＰＭＤに起因する遅延時間をｙ切片と、ＣＤに起因する起因遅延時間の傾きとを有する直線となる。

例えばタイムスロットに対する許容遅延を０．１、許容する群遅延２．５ｐｓとすると、群遅延の１０倍までのタイムスロットが許容される。２５ｐｓに対応する４０Ｇｂａｕｄまでが伝送可能なボーレートである。同様に、ボーレート２５Ｇｂａｕｄが群遅延４ｐｓに対応している。ボーレート４０Ｇｂａｕｄでは、許容される群遅延に対して、ＰＭＤに起因する遅延の割合が大きく、光通信においてはインターコネクトのような短距離に限られる。ボーレート２５Ｇｂａｕｄでは、伝送距離１０ｋｍに必要な波長精度Δλは２０ｐｍ、伝送距離４０ｋｍに必要な波長精度は４ｐｍ、伝送距離８０ｋｍに必要な波長精度は２ｐｍとなる。一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に対して、この波長精度の範囲とすることにより、２個の光源はそれぞれ良好な伝送特性を得ることが出来る。

以上のように、当該実施形態に係る半導体光素子では、２個の光源が出力する光の波長を所定の範囲（精度）に制御する必要がある。当該実施形態に係る半導体光素子は当該実施形態に係るＬＤを備えており、薄膜抵抗への注入電流によって、半導体光素子のうち光源だけを加熱することができる。よって、素子に備えられる他の光部品の温度依存性に依らず、ＬＤの制御をすることが出来、複雑な構成を必要とすることなく、一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源は出力する光の波長に対して、所定の範囲となるよう制御することができる。

当該実施形態に係るＬＤは、薄膜抵抗を備えるＤＦＢ−ＬＤであり、４ｎｍ以上の波長可変幅を得ることができる。ＬＤが出力する光の波長可変幅が４ｎｍ以上あることにより、素子の作製工程による波長ずれを考慮しても、２個の光源が出力する光の波長を前述の所定の範囲とすることが可能である。

図４は、当該実施形態に係る変調領域１３の構造を示す断面図である。変調領域１３のＭＺ変調器では、電気光学効果により屈折率変化が誘起され、入力する光が光信号に変換される。図４には、ＭＺ変調器の屈折率変化が誘起される領域のうち一方の断面が示されている。図４に示す通り、ｎ型ＩｎＰクラッド層３１、ＩｎＧａＡｓＰガイド層（図示せず）、活性層３２、ＩｎＧａＡｓＰガイド層（図示せず）、ｐ型ＩｎＰクラッド層３３、及びｐ型コンタクト層３６が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板上に形成されている。なお、活性層３２は、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含んでいる。活性層３２が所望の屈折率変化を誘起するのに必要な電圧を低減するために、活性層３２における光閉じ込め係数を高くするのが望ましく、当該実施形態に係るＭＺ変調器では、導波路の外側をエッチング加工したディープリッジ構造をしている。ディープブリッジ構造のメサストライプの両側と、ｎ型ＩｎＰクラッド層３１の上層のうちメサストライプが形成されない領域と、を覆って、パッシベーション膜３８が形成されており、さらに、ディープブリッジ構造の最上層（ｐ型コンタクト層３６）の上側に、ｐ型電極である電極１８が形成されている。

異なる偏波の２つの光信号がともに共通する変調特性となるように、２つのＭＺ変調器の活性層３２を対応する偏波に合わせて調整してもよい。また、２個のＭＺ変調器の活性層３２に共通する変調特性が得られれば、活性層３２を異なる材料や構造で形成してもよい。２個の光源（第１ＬＤ１１，第２ＬＤ１２）それぞれが出力する光は、ＭＭＩ合分波器１７にてそれぞれ分岐され、各ＱＰＳＫ変調器において最終的に四分岐される。ディープリッジ構造のメサストライプの上側に形成される電極１８に、進行波型の高周波電気信号が伝搬し、電極１８の下方に位置する活性層に電界が印加されることにより、屈折率変化が誘起される。

ＱＰＳＫ変調器に設けられる各ＭＺ変調器は、コンスタレーションマップのＩチャンネルとＱチャンネルに相当する変調を行う。ＩチャンネルとＱチャンネルの間にπ／２の位相差が生じるように、ＩチャンネルとＱチャンネルの合波前に位相シフタ１９が設けられている。ＩチャンネルとＱチャンネルの信号がＭＭＩ合分波器１７で合波され、その光信号が変調領域１３より偏波合波器１４へ出力される。ＱＰＳＫ変調器と偏波合波器１４との間は、光導波路を介して光学的に接続されているので、ここで生じる光損失は軽減される。

図１に示す偏波合波器１４について説明する。偏波合波器１４は、２つの中間導波路と、その前後に配置されるＭＭＩ合分波器からなるＭＺ干渉計である。中間導波路は、屈折率が偏波に依存しないような構成が好ましい。２つの異なる偏波の光信号がそれぞれ入力分波器で分岐され、ともに２つの中間導波路にそれぞれ入力されるので、２つの中間導波路の間にはπ／２の位相差が生じる。この２つの中間導波路の実効屈折率を偏波によって異なるように形成することにより、異なった偏波に異なった位相差を与え、同じポートに導かれるようにする。一方の偏波は位相差π／２を保持し、もう一方の偏波は位相差πになるように２つの中間導波路のメサストライプ幅と中間導波路の長さを設定することで、異なった偏波が同じ出力ポートに導かれるようにすることができる。ここではメサストライプ幅を１．５μｍ、中間導波路のメサストライプ幅を３．５μｍ（図中下側）と１．０μｍ（図中上側）、中間導波路長を５１μｍ、ＭＭＩ合分波器幅を８．８μｍ、ＭＭＩ合分波器長を１１５．０μｍとしている。ここで、２つの中間導波路のメサストライプ幅を異なる値とすることにより、２つの中間導波路の実効屈折率を異なるものとしている。しかし、偏波による実効屈折率差を生じるのはメサストライプ幅を異なる値とすることに限定されず、例えば、一方の中間導波路の導波路厚を変更させたり、偏波依存性の高い屈折率変化を誘起させたりしてもよい。

図１に示すＰＤ２０について説明する。ＰＤ２０は、導波路型ＰＤであり、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＩｎＧａＡｓＰコア層、ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＩｎＰスペーサ層、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、及びｐ型コンタクト層が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板に形成されている。ｎ型クラッド層から吸収層までを、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などで一括してｎ型ＩｎＰ半導体基板上に結晶成長した後に、光導波路にあたる領域の吸収層をエッチングし、その後、ｐ型クラッド層を再成長することで、導波路型ＰＤと光導波路を同一半導体基板上に形成することができる。なお、ＰＤ２０は光源と光学的に接続されている。ここでは、光変調器側とは反対側より出射されるＬＤの光をＰＤ２０が光源の光出力量として検出することにより、光源の注入電流量をフィードバック制御することが出来る。

最後に、図１に示す光導波路について説明する。光導波路は、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＩｎＧａＡｓＰコア層、ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層がｎ型ＩｎＰ半導体基板上に形成されている。複雑な導波路を小さな素子サイズで実現するためには、導波路の曲げ半径を小さくする必要があるが、この場合、発生する損失が大きくなる。損失を抑制しつつ曲げ半径を小さくするためには、光閉じ込め係数を高くすることが有用であり、光閉じ込め係数を所望の高い値とするために、ガイド層とコア層を合わせた光閉じ込め領域の厚さを０．３μｍ程度、導波路の幅を１．０μｍ程度にしている。また、光閉じ込め係数の高い導波路構造として、図４に示すＭＺ変調器と同様に、ディープリッジ構造とするのが好ましい。なお、ここでは、光閉じ込め係数の高い導波路構造として、ディープブリッジ構造の両側を埋め込む材料に、低屈折率ポリマであるポリイミドを用いているが、それに限定されることはなく、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）であってもいいし、バンドギャップの大きな、もしくは半絶縁性の半導体であってもよい。

なお、隣り合う光部品の活性層が異なる構造である場合、隣り合う光部品の接続成長は公知のバットジョイント（ＢＪ）法を用いればよい。

当該実施形態に係る半導体光素子は、イーサネット（登録商標）やインターコネクトなどのアプリケーションに適用するのに有用である。ブロードバンドサービスの普及により年々増加するインターネットコンテンツとインターネット人口の増大によって、情報通信サービスにはさらなる高速化と通信容量の増加が求められている。大容量化にはチャンネルあたりの高速化が有用であるが、高速化に伴い電気信号の処理及び増幅が、消費電力的にも、経済的にも困難になってきている。そのため、最近では通信容量の増加に伴う消費電力の増加、関連装置及び部品価格の上昇も大きな課題となっている。これらの要求を満たすため、現在の情報通信サービスでは波長分割多重（ＷＤＭ）方式や位相多値変調方式、偏波多重方式などの方式が採用されている。ＷＤＭ方式は、チャネルに波長を割り当て、波長数だけ通信容量を増加する方式である。ファイバ損失及びファイバ分散の観点から波長範囲が制限されるため、チャネル数を増やすには波長間隔を狭くする必要があり、結果として、波長制御、波長間のクロストーク、合分波に伴う光損失が課題となる。ＷＤＭ方式では間隔の狭いＷＤＭグリッド上に波長を高精度にロッキングする必要があるため、ＷＤＭ方式では一般的に波長ロッカが用いられる。位相多値変調方式は、分散耐力に優れた方式として、主に長距離伝送用に用いられている。変調成分を複素表示したコンスタレーションマップ上に配置する多値数を増やすことで周波数利用効率は向上するものの、位相雑音の影響から多値数を無制限に多くすることはできない。そこで位相多値変調方式に偏波多重方式を合わせることでさらなる周波数利用効率の向上を図っている。位相達変調方式に偏波多重方式を合わせた変調方式のうち、すでに実用化されているものが当該実施形態で示すＤＰ−ＱＰＳＫである。これらの方式は伝送容量を増やすために、ＷＤＭ方式、位相多値変調方式、偏波多重方式の順で導入され、周波数利用効率の向上を図られている。

当該実施形態に係る半導体光素子は、ボーレートを上げることなく、大容量な光素子を実現している。従来において用いられてきた偏波回転子などの実装光部品を不要とするとともに、実装工程及び光損失を低減することができている。さらに、バルク光学系での光接続を大幅に減少することで、イーサネット（登録商標）やインターコネクトなどの比較的短距離向けの小型、低コスト、低消費電力な光素子が実現できる。

なお、当該実施形態に係る半導体光素子では、２個の光源にともに薄膜抵抗が備えられ、２個の光源がともに波長調整可能である。素子の特性向上や素子の特性安定性の観点から、２個の光源はともに波長調整可能である波長可変レーザであることが望ましい。しかし、一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけるよう、すなわち、他方の光源が出力する光の波長に対して所定の範囲とするよう、制御するという観点では、少なくとも該一方の光源が波長調整可能であればよく、該他方の光源は必ずしも波長調整可能である必要はない。すなわち、他方の光源には薄膜抵抗が備えられていなくてもよい。これは、以下の実施形態に係る半導体光素子についても同様である。

また、当該実施形態に係る半導体光素子は、一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけることが出来ればよい。２個の光源が出力する光の波長を相対的に所定の範囲に近づければよく、波長ロッカが行う波長制御のように、２個の光源が出力する光の波長を、所定の絶対波長にともに近づける必要はない。よって、２個の光源が出力する光の波長を絶対波長に近づける場合に比べて、低い波長精度で当該実施形態に係る半導体光素子を作製することが可能であり、低コストや低サイズ化を実現することが出来る。

当該実施形態に係る半導体光素子を、光通信に適用する場合、当該実施形態に係る半導体光素子の少なくとも１個の光源は、光通信における一般的な波長帯であるＣバンドの波長帯又はＬバンドの波長帯の全範囲で波長調整可能であるのが望ましく、２個の光源がともに当該全範囲で波長調整可能であればなおよい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子は、第１の実施形態に係る半導体光素子と、２個の光源の波長に差異があるかを検出するための光部品をさらに備える点で異なっているが、それ以外は第１の実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。かかる光部品を備えることにより、第１の実施形態で説明した効果に加え、２個の光源の波長をより高い精度で制御することが出来るというさらなる効果を奏する。

図５は、当該実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。２個のＬＤそれぞれの変調領域１３側とは反対側において、第１の実施形態のＰＤ２０と同様に、ＬＤの光出力モニタである第１ＰＤ４０が、対応するＬＤに光学的に接続するよう、配置されている。さらに、各ＬＤから光導波路４４が、第１ＰＤ４０を貫き、さらに延伸し、その終端に、共振モニタである第２ＰＤ４１（受光器）が配置されており、ＬＤと光導波路４４とは光学的に接続されている。ここでは、第１ＬＤ１１より、第１の光導波路４４Ａが図の左向きに延伸し、下向きへ屈曲し、さらに下向きに延伸し、終端に第２ＰＤ４１Ａが配置されている。また、第２ＬＤ１２より、第２の光導波路４４Ｂが図の左向きに延伸し、終端に第２ＰＤ４１Ｂが配置されている。光導波路４４を終端付近で曲げておくことにより、端面反射が抑制されている。さらに、終端に第２ＰＤ４１が配置されていることで、第２ＰＤ４１にて光を吸収することにより、一方の光源より出力された光がリング共振器４２を介して他方の光源へ混入する迷光が抑制される。

第１ＬＤ１１より延伸する第１の光導波路４４Ａの図中左側に、かつ、第２ＬＤ１２より延伸する第２の光導波路４４Ｂの図中上側に、それぞれ隣接するよう、リング共振器４２が配置されている。さらに、リング共振器４２の左側に隣接して、図中上下方向に延伸する第３の光導波路４４Ｃが配置されている。第３の光導波路４４Ｃは、図中上向きに延伸し、左向きに屈曲し、さらに、右向きに延伸している。その終端に、第２ＰＤ４１Ｃが配置され、また、第１の光導波路４４Ａ及び第２の光導波路４４Ｂと同様に、終端付近は曲げられている。

第１ＰＤ４０及び第２ＰＤ４１は、ともに導波路型ＰＤであり、第１の実施形態に係るＰＤ２０と同様の構造をしている。かかる構造とすることにより、第１ＰＤ４０は出力する光の強度を検出する光出力モニタとして、第２ＰＤ４１は共振器によって共振される光の強度を検出する共振モニタとして機能する。ここで、第２ＰＤ４１は、リング共振器を透過する光を検出する検出器である。第２ＰＤ４１のモニタ量を第１ＰＤ４０のモニタ量で割った除算量を求めることにより、光源の出力変動の影響を除することができる。

なお、ここでは、当該実施形態に係る半導体光素子には３本の光導波路４４が備えられているが、これに限定されることはなく、リング共振器４２と光学的に結合する光導波路４４の数は必要に応じて増減すればよい。また、３本の光導波路４４それぞれの終端に、第２ＰＤ４１を配置されているが、それに限定されることはなく、一部の光導波路４４のみに第２ＰＤ４１を配置してもよい。３個の第２ＰＤ４１のいずれかを共振モニタとして使用すればよく、ＬＤより直接出力される光の検出を抑制する観点では、第３の光導波路４４Ｃの終端に配置される第２のＰＤ４１Ｃを共振モニタとして使用するのが望ましい。第１の光導波路４４Ａ及び第２の光導波路４４Ｂの光源とは反対側の終端の形状や第２ＰＤ４１の有無は、必要に応じて変更することが可能である。

リング共振器４２は、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＩｎＧａＡｓＰコア層、ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層がｎ型ＩｎＰ半導体基板上に形成されている。光導波路と同様に光閉じ込め係数を所望の高い値とするために、ガイド層とコア層を合わせた光閉じ込め領域の厚さを０．５μｍ程度、導波路の幅を１．０μｍ程度にしている。また、光閉じ込め係数の高い導波路構造として、図４に示すＭＺ変調器と同様に、ディープリッジ構造とするのが好ましい。リング共振器４２の一部は、隣接する光導波路と、一定の間隔を維持して平行に延伸している。かかる箇所では、リング共振器４２と光導波路とが光学的に結合しており、かかる箇所は、方向性結合器４３として機能している。これにより、リング共振器４２は、光源（ＬＤ）及び第２ＰＤ４１と光学的に接続している。リング共振器４２の透過率特性は媒体の屈折率がそれぞれの波長において一定であれば周期的である。λを共振周波数、λ_ＦＳＲを波長間隔、Ｒをリング半径、ｎ_ｅｆｆをコア層の実効屈折率とすると、その変化率周期（ＦＳＲ：Free Spectral Range）はλ_ＦＳＲ≒λ^２／（２π・Ｒ・ｎ_ｅｆｆ）で与えられるため、一周器長によって任意のＦＳＲを選択可能であり、光導波路との結合係数によってフィネスを設計できる。

また、リング共振器４２は異なる偏波が同時に導波する光導波路であるので、異なる偏波で出来得る限り実効屈折率を近い値に設定する必要がある。これは異なった偏波においても近いＦＳＲを得るためである。導波路断面で上下左右のクラッド材料が同じ場合は正方形に近づけることで、上下と左右でクラッド材料が異なる場合は屈折率差を補償するような矩形形状にすることで、偏波間の実効屈折率を近づけることができる。上記の構造では実効屈折率がＴＥ偏波で３．２４６４８１、ＴＭ偏波で３．２４６３７１になり、屈折率をほとんど等しくすることが出来る。ＴＥ偏波及びＴＭ偏波との間で、実効屈折率の差が０．００３４％に抑えられており、偏波依存性がこのように抑制されていれば、ボーレート２５Ｇｂａｕｄで伝送距離１０ｋｍに必要な波長精度は２０ｐｍに対応出来る。このように導波路の屈折率特性を両偏波において共通にしておくことで、両偏波においてリング共振器の動作を共通にすることが出来る。共振器の偏波依存性は抑制されているのが望ましく、一方の実効屈折率が他方の実効屈折率に対して、±０．０１％の範囲内にあるのが望ましい。なお、一般に、半導体で共振器を形成すると、ＦＳＲに波長依存性と温度依存性が生じることが知られているが、本発明の用途では透過波長のみが所定の範囲にあればよいので問題にならない。

なお、図５に示す通り、リング共振器４２に備えられるリング状に周回する光導波路の形状は、円形ではなく、矩形の頂点が丸められた形状をしている。リング共振器４２が３本の光導波路４４と、方向性結合器として光学的に結合するために、かかる形状としているが、これに限定されることはない。リング共振器４２と光導波路４４とをより近接して配置するなどすることにより、リング共振器４２と光導波路４４と所望の結合係数が得られれば、リング共振器４２の光導波路の形状はより円形に近くてもよいし、その逆もあり得る。また、図５に示す通り、リング共振器４２の周回する導波路の一部に電極が備えられ、かかる電極に所定の電圧を印加することにより、電極下の活性層の実効的な屈折率を変化させることが可能である。電極に印加する電圧を制御することにより、リング共振器４２の波長依存特性を制御することが出来る。

当該実施形態では、異なる偏波であっても、共通する透過波長特性で動作するのが望ましい。よって、ＦＳＲは作製による波長ずれを考慮して設定するのが好ましい。作製による波長ずれは複数の光源において同じようにずれることと、本発明の用途では絶対波長は問題にならないことから、ＦＳＲは１ｎｍと設定している。

また、波長精度は発生するＦＳＲの傾きで決まるので、ＦＳＲを大きくとるにはフィネスを鋭くする必要がある。比較的大きなＦＳＲのなかで細かい波長の制御を必要とするため、フィネスを大きくするのが望ましい。Ｑ値を高くするためには結合係数を低くすることが好ましいが、結合係数が低すぎると透過強度が小さくなり、ＰＤの分解感度と共に波長制御分解能に影響を及ぼすため、適切な結合係数の設定が必要である。ここでは大きなフィネスを得るために、リング共振器と光導波路の結合部が方向性結合器となるように、リング共振器と光導波路を配置している。光導波路及びリング共振器はディープリッジ構造が採用されており、大きな光閉じ込め係数により方向性結合器の挿入損が抑えられ、大きなフィネスを得ることができている。結合部が方向性結合器となる場合、ＴＥ偏波とＴＭ偏波では電界の振動方向が異なるので、電界の浸み出しが異なり、結合長をそれぞれに合わせた長さにする必要がある。結合部における光導波路やリング共振器４２のメサ幅も調整することが好ましい。

次に、異なる偏波の共振波長を近づける方法について説明する。偏波間の共振波長のずれを例えばボーレート２５Ｇｂａｕｄで伝送距離４０ｋｍに必要な波長精度である４ｐｍ以内にするには偏波間の実効屈折率のずれを１０^−５以内にする必要がある。作製によるメサストライプ幅のばらつきなどを考慮するとこの範囲内に制御して作製するのは困難である。このため、リング共振器の共振波長は偏波依存性の大きい屈折率変化を利用して制御するとよい。例えばポッケルス効果などの電気光学効果や光弾性効果などの音響光学効果を用いて、一方の偏波の共振波長のみを変化させることで、異なる偏波で同じ共振周波数になるように制御するのが好ましい。つまり、屈折率変化の偏波依存性を用いて、２つの光源の波長に差異があるかを検出するための光部品の偏波依存性を抑制する。

なお、当該実施形態では作製による波長ずれを考慮してＦＳＲを大きく設定しているが、ＦＳＲを小さくしてフィネスを緩やかにしてもよい。当該実施形態に係る半導体光素子は、偏波が異なる２個の光源が出力する光の波長を所定の絶対波長に合わせる必要は必ずしもない。当該実施形態に係る半導体光素子の特徴は、抵抗体を備えるという簡易な構成で２個の光源が出力する光の波長を相対的に合わせることができるところにある。これにより、高い伝送性能を有する、イーサネット（登録商標）やインターコネクトなどの比較的短距離向けの小型、低コスト、低消費電力な光素子が実現できる。

なお、当該実施形態に係る半導体光素子において、２つの光源の波長に差異があるかを検出するための光部品として、リング共振器を用いているがこれに限定されることはなく、２個の光源それぞれが出力する光の波長に差異があるかを検出するための、波長依存性を有する素子であればよい。なお、当該素子は、２個の光源それぞれに光学的に接続していればよく、２個の光源が出力する光が直接当該素子に入力していなくてもよい。すなわち、２個の光源が出力する光が、受光器、光導波路、結合器などの光部品を介して、当該素子に入力していてもよい。さらに、波長依存性を有する素子とは、素子の光の透過率又は反射率に強い波長依存性があることにより、光が素子を透過又は反射する後において、所定の波長範囲にある光の強度が、それ以外の範囲にある光の強度と比較して、特異的な差が生じさせることが出来る素子である。光が素子を透過又は反射した後の光は、波長依存性を有しており、当該光が、２つの光源それぞれが出力する光を該素子が変換する光である。第２ＰＤ４１（光検出器）は当該光を検出している。第２ＰＤ４１が検出する信号より、当該素子や光源の特性を制御することが可能である。また、第１の実施形態におけるＰＤ２０と同様に、第１ＰＤ４０、第２ＰＤ４１Ｃ、光導波路４４、及びリング共振器４２の一部又は全部は、必ずしも、２個の光源や２個の変調器と同一基板上に集積される必要はなく、別個の素子として配置されてもよい。さらに、第１の実施形態と同様に、光源と変調器の組が３以上の複数組、同一基板上に集積されてもよい。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る半導体光素子は、第２の実施形態に係る半導体光素子と、リング共振器４２と光導波路とを光学的に結合する箇所が、方向性結合器ではなく、ＭＭＩ合分波器を用いている点で異なっているが、それ以外は第２の実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。

図６は、当該実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。前述の通り、リング共振器４２と光導波路との結合箇所に、ＭＭＩ合分波器４５が配置されている。当該実施形態に係るＭＭＩ合分波器４５は、所定の幅で光軸方向に所定の長さに延伸する矩形状をしている。なお、図６に示す光導波路４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃがリング共振器４２との結合箇所に配置されるＭＭＩ合分波器４５は、それぞれ、第１のＭＭＩ合分波器、第２のＭＭＩ合分波器、及び第３のＭＭＩ合分波器である。

第２の実施形態に係る半導体光素子において、リング共振器と光導波路の結合部は、方向性結合器であり、２本のメサストライプが並んで配置されている。かかる構造とするために、２本のメサストライプを狭いメサ間隔で配置させたり、メサ側壁のラフネスが結合係数に影響するのでメサ側壁を所望の条件とするなど、高精度の加工が必要である。これに対して、当該実施形態に係る半導体光素子では、リング共振器と光導波路の結合部をＭＭＩ結合器とすることにより、第２の実施形態と比較して、より簡素な加工により２個の光源の波長を高い精度で制御する半導体光素子を実現することが出来る。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子は、第３の実施形態に係る半導体光素子と、ＭＭＩ合分波器の形状が異なっているが、それ以外は第３の実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。

図７は、当該実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。リング共振器４２と光導波路との結合箇所に、ＭＭＩ合分波器４６が配置されている。図８Ａは、当該実施形態に係るＭＭＩ合分波器４６の構造を示す模式図である。図７及び図８Ａに示す通り、光軸方向に沿って、ＭＭＩ合分波器４６のメサ幅が一端から徐々に小さくなり（テーパー形状）、再び大きくなって他端へ至る（逆テーパー形状）形状となっている。すなわち、当該実施形態に係るＭＭＩ合分波器４６には、光軸方向に対して、くびれ（切り欠け）が設けられている。かかる形状により、図７に示す３個のＭＭＩ合分波器４６は、ともに、光軸方向に沿って、実効屈折率が変化しており、すなわち、光軸方向に沿って、ＭＭＩ合分波器４６のコントラストが変化している。これにより、リング共振器と光導波路との結合係数を適切に制御し、リング共振器の共振の鋭さ（Ｑ値）を調整することができる。共振の鋭さの制御は波長精度の適切な設定を可能とする。

ＭＭＩ合分波器４６の形状は、図８Ａに示す形状に限定されることはなく、光軸方向に沿って実効屈折率が変化する形状であって、リング共振器と光導波路との結合係数を適切に制御する形状であれば広く適用される。図８Ｂ及び図８Ｃは、当該実施形態に係るＭＭＩ合分波器４６の構造の他の例を示す模式図である。図８Ｂに示す通り、ＭＭＩ合分波器４６の形状は、一端から他端にかけて、光軸方向に沿ってＭＭＩ合分波器４６のメサ幅が徐々に小さくなる形状であってもよい。また、図８Ｃに示す通り、ＭＭＩ合分波器４６の形状は、一端側のメサ幅と、他端側のメサ幅が異なって延伸する形状であってもよい。さらに、ＭＭＩ合分波器が、光軸方向に沿って実効屈折率が変化していればよく、形状によって実現されることに限定される必要はない。例えば、光軸方向に沿って応力分布が生じるようにＭＭＩ合分波器に応力を印加してもよいし、光軸方向に沿って材料組成が変化するようＭＭＩ合分波器を作製してもよい。

当該実施形態に係る半導体光素子は、光軸方向に沿って実効屈折率が変化する形状のＭＭＩ合分波器を備えることにより、第３の実施形態と比較して、より特性が向上する半導体光素子が実現される。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る半導体光素子は、第２乃至第４の実施形態に係る半導体光素子と、２個の光源の波長に差異があるかを検出するための光部品の構成が異なっているが、それ以外は第２乃至第４の実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。

図９は、当該実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。当該実施形態に係る半導体光素子では、２個の光源の波長に差異があるかを検出するための光部品に、ＭＺ型遅延干渉計５１を用いている。図９に示す通り、２個のＬＤそれぞれの変調領域１３側とは反対側に、ＬＤの光出力モニタである第１ＰＤ４０が配置されている。さらに、２個のＬＤそれぞれから光導波路が、第１ＰＤ４０を貫き、さらに延伸して、ＭＺ型遅延干渉計５１と光学的に接続されている。ＭＺ型遅延干渉計５１のＬＤとは反対側にそれぞれ光学的に接続される２本の光導波路の終端には、共振モニタである第２ＰＤ４１がそれぞれ配置されている。

ＭＺ型遅延干渉計５１は、偏波合波器１４と同様に、２つの中間導波路と、その前後に配置されるＭＭＩ合分波器からなる。ＭＺ型遅延干渉計５１は、光導波路と同じ構造で形成されており、２個の光源及び２個の第２ＰＤ４１と光学的に接続している。ＭＺ型遅延干渉計５１のＦＳＲは、アーム（中間導波路）の全長ではなく、光路長差で決まる。光路長差が小さいほど大きなＦＳＲを発生し、光路長差が大きいほど小さなＦＳＲが発生する。２つのアーム間の光路長差をＬとすると、ＦＳＲはλ_ＦＳＲ≒λ^２／（２・ｎ_ｅｆｆ・Ｌ）で与えられる。

当該実施形態に係る半導体光素子は、ＭＺ型遅延干渉計を用いることにより、リング共振器を用いる場合に比べ、ＦＳＲをより大きくしやすく、フィネスが大きくなりにくく、さらに、結合効率が高いなどのより顕著な効果を奏する。さらに、第２の実施形態などに比べて、より簡素な加工により、２個の光源の波長を高い精度で制御する半導体光素子を実現することが出来る。図９に示す通り、第２乃至第４の実施形態に係るリング共振器４２と同様に、ＭＺ型遅延干渉計５１の一方の中間導波路の所定の領域に電極が備えられ、かかる電極に所定の電圧を印加することにより、電極下の活性層の実効的な屈折率を変化することが可能である。電極に印加する電圧を制御することにより、ＭＺ型遅延干渉計５１の波長依存特性を制御することが出来る。

なお、当該実施形態に係る半導体光素子において、２個の光源の波長に差異があるかを検出するための光部品として、ＭＺ型遅延干渉計を用いているがこれに限定されることはなく、波長依存性を有する素子であればよい。また、第２乃至第４の実施形態におけるリング共振器４２等と同様に、第１ＰＤ４０、第２ＰＤ４１、及びＭＺ型遅延干渉計５１の一部又は全部は、必ずしも、２個の光源や２個の変調器と同一基板上に集積される必要はなく、別個の素子として配置されてもよい。さらに、第１乃至第４の実施形態と同様に、光源と変調器の組が３以上の複数組、同一基板上に集積されてもよい。

［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係る半導体光素子は、光源として、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）の波長可変ＬＤを用いていることを除いて、第１乃至第５の実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。光源にＤＢＲ−ＬＤを用いることにより、第１乃至第５の実施形態と比較して、各光源の波長をより広い範囲で調整することが出来る。

図１０は、当該実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。図１０に示す通り、半導体光素子に備えられる２個の光源は、ＴＥ偏波を有する光を出力する第１ＬＤ５２と、ＴＭ偏波を有する光を出力する第２ＬＤ５３であり、ともにＤＢＲ−ＬＤである。２個の光源以外の構成は、図１に示す第１の実施形態に係る半導体光素子と同じである。各ＬＤは、光の出射側から順に、前方ＤＢＲミラー６１、位相調整部６２、利得部６３、及び後方ＤＢＲミラー６４を有している。利得部６３の前後にそれぞれ配置されている前方ＤＢＲミラー６１及び後方ＤＢＲミラー６４は、多層内に回折格子を備えており、電流注入により屈折率変化が誘起され、反射波長が変化するミラーである。位相調整部６２は、共振器内の位相を調整する。利得部６３は、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ガイド層、活性層、ガイド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型コンタクト層が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板上に形成されている。なお、活性層はＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含んでいる。また、前方ＤＢＲミラー６１及び後方ＤＢＲミラー６４（ＤＢＲミラー領域）には、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ガイド層、コア層、ガイド層、ｐ型ＩｎＰスペーサ層、回折格子層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型コンタクト層が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板上に形成されている。さらに、位相調整部６２（位相調整領域）には、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ガイド層、コア層、ガイド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型コンタクト層が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板上に形成されている。

当該実施形態に係る半導体光素子は、第１乃至第５の実施形態に係る半導体光素子に用いられるＤＦＢ−ＬＤと比較して、ＤＢＲミラー及び位相調整部への電流注入による屈折率変化を利用しているため、波長の切り替えがより速い。さらに、バーニア効果による波長選択のため、より広帯域な波長可変幅を実現可能である。

さらに、第２乃至第５の実施形態に係る半導体光素子の光源を第１ＬＤ５２及び第２ＬＤ５３に置換することが出来ることにより、２個のＬＤの波長調整をさらに高精度に制御することが出来る。また、リング共振器のＦＳＲをＷＤＭグリッド波長に合わせることで一般的な波長ロッカとしての機能を併せ持たせることもできる、というさらなる効果を奏する。すなわち、当該実施形態に係る半導体光素子では、波長精度が高いことによってＷＤＭ方式と親和性の高い、比較的短距離向けの小型、低コスト、低消費電力な光素子が実現される。ただし、半導体を用いた場合のＷＤＭグリッドは例えばＬＡＮ−ＷＤＭのような比較的バンド（波長範囲）の狭いものが好ましい。

なお、第１の実施形態と同様に、ＰＤ２０などは、必ずしも、２個の光源や２個の変調器と同一基板上に集積される必要はなく、別個の素子として配置されてもよい。さらに、第１の実施形態と同様に、光源と変調器の組が３以上の複数組、同一基板上に集積されてもよい。

［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に係る半導体光素子は、光源として、ＬＧＬＣを用いた波長可変ＬＤを用いていることを除いて、第１乃至第５の実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。光源にＬＧＬＣ−ＬＤを用いることにより、第１乃至第６の実施形態と比較して、各光源の波長をさらにより広い範囲で調整することが出来る。

図１１は、当該実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。図１１に示す通り、半導体光素子に備えられる２個の光源は、ＴＥ偏波を有する光を出力する第１ＬＤ５４と、ＴＭ偏波を有する光を出力する第２ＬＤ５５であり、ともにＬＧＬＣ−ＬＤである。２個の光源以外の構成は、図１に示す第１の実施形態に係る半導体光素子と同じである。各ＬＤは、光の出射側から順に、ＤＢＲミラー７１、利得部７２、位相調整部７３、及びＬＧＬＣフィルタ７４を有している。利得部７２の前方に配置されているＤＢＲミラー７１は、多層内に回折格子を備えており、電流注入により屈折率変化が誘起され、反射波長が変化するミラーである。利得部７２の後方に配置されているＬＧＬＣフィルタ７４は、同様に、屈折率変化が誘起され、透過波長が変化するフィルタである。位相調整部７３は、共振器内の位相を調整する。利得部７２は、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ガイド層、活性層、ガイド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型コンタクト層が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板に形成されている。なお、活性層はＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含んでいる。また、ＤＢＲミラー７１は、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ガイド層、コア層、ガイド層、ｐ型ＩｎＰスペーサ層、回折格子層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型コンタクト層が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板に形成されている。ＬＧＬＣフィルタ７４は、導波路の横に光学遷移補助用の回折格子を設けた導波路をさらに備え、２本の導波路は光学的に結合しており方向性結合器として機能している。ＬＧＬＣフィルタ７４は、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ガイド層、コア層、ガイド層、ｐ型ＩｎＰスペーサ層、回折格子層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型コンタクト層が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板に形成されている。位相調整部７３は、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ガイド層、コア層、ガイド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型コンタクト層が、順にｎ型ＩｎＰ半導体基板に形成されている。

第１ＬＤ５４及び第２ＬＤ５５は、ＬＧＬＣフィルタ、ＤＢＲミラー、位相調整部のへの電流注入または電界印加による屈折率変化を利用して、発振する波長を変化させることができる。それにより、当該実施形態に係る半導体光素子では、光源にＬＧＬＣ−ＬＤを用いることにより、第６の実施形態に係る半導体光素子に用いられるＤＢＲ−ＬＤと比較して、さらに波長の制御性をより高くすることができる。また、ＤＢＲ−ＬＤよりもさらに広範囲な波長可変幅を実現することが出来る。

さらに、第２乃至第５の実施形態に係る半導体光素子の光源を第１ＬＤ５４及び第２ＬＤ５５に置換することが出来ることにより、２個のＬＤの波長調整をさらに高精度に制御することが出来る。また、リング共振器のＦＳＲをＷＤＭグリッド波長に合わせることで一般的な波長ロッカとしての機能を併せ持たせることもできる、というさらなる効果を奏する。すなわち、当該実施形態に係る半導体光素子では、波長精度が高いことによってＷＤＭ方式と親和性の高い、比較的短距離向けの小型、低コスト、低消費電力な光素子が実現される。ただし、半導体を用いた場合のＷＤＭグリッドは例えばＬＡＮ−ＷＤＭのような比較的バンド（波長範囲）の狭いものが好ましい。

なお、第１の実施形態と同様に、ＰＤ２０などは、必ずしも、２個の光源や２個の変調器と同一基板上に集積される必要はなく、別個の素子として配置されてもよい。さらに、第１の実施形態と同様に、光源と変調器の組が３以上の複数組、同一基板上に集積されてもよい。

［第８の実施形態］
本発明の第８の実施形態に係る半導体光素子は、第１乃至第７の実施形態に係る半導体光素子を複数、同一半導体基板上に集積したアレイ半導体光素子である。

図１２は、当該実施形態に係る半導体光素子の上面模式図である。図１２に示す半導体光素子は、図５に示す第２の実施形態に係る半導体光素子８０を複数、同一半導体基板上に集積したアレイ半導体光素子である。図１２には、図５に示す第２の実施形態に係る半導体光素子８０を複数集積したアレイ半導体光素子が示されているが、これに限定されることはなく、第１乃至第７のいずれかの実施形態に係る半導体光素子を複数集積したアレイ半導体光素子であってもよい。また、図１２には、半導体光素子８０が４個、同一基板上に集積されているアレイ半導体光素子が示されているが、４個に限定されることもなく、他の数であってもよいのは、言うまでもない。

４個の半導体光素子８０それぞれにおいて、光源波長及びリング共振器の共振波長を半導体光素子８０毎に同じ波長ピッチずつずらして作製する。これにより、各半導体光素子はＤＰ−ＱＰＳＫ方式であり、それが４個集積され、波長分割多重（ＷＤＭ）方式のアレイ半導体光素子の実現が可能となる。例えば、ボーレート２５Ｇｂａｕｄであれば、ワンチップで４００Ｇｂｐｓにも及ぶ大容量の半導体光素子を提供することができる。イーサネット（登録商標）やインターコネクトなどの比較的短距離向けの小型、低コスト、低消費電力で、なおかつ、大容量な光素子を実現することが出来る。

なお、図１２では、半導体光素子８０毎に、出射ポートが設けられているが、これに限定されることはなく、例えば、アレイ半導体光素子上に、さらに偏波合波器を備えて、複数の半導体光素子８０が出射する光信号を合波することにより、出射ポートの数を半導体光素子８０の数より減じて作製することができる。特に、出射ポートを１つにすることにより、伝送線である光ファイバとの光学的な接続をより簡便にすることができる。

［第９の実施形態］
本発明の第９の実施形態に係る光モジュールは、第１乃至第８の実施形態に係る半導体光素子を備える光モジュールである。

図１３は、当該実施形態に係る光モジュールの上面模式図である。図には、図５に示す第２の実施形態に係る半導体光素子８０を備える光モジュールが示されているが、これに限定されることはなく、第１乃至第８のいずれかの実施形態に係る半導体光素子を備える光モジュールであってもよい。

当該実施形態に係る光モジュールに、外部より制御信号８１が入力される。図５に示す半導体光素子８０がキャリア９０の上に設置されている。光モジュールは、制御回路８２、波長制御ドライバ８４、ＬＤドライバ８５、変調ドライバ８６、ＴＥＣ８７（温度調整素子）、半導体光素子８０が設置されるキャリア９０、終端抵抗９１、２個のコリメートレンズ８８、アイソレータ８９、及び光ファイバ９２を備えている。ここで、半導体光素子８０を制御する制御部は、制御回路８２、波長制御ドライバ８４、ＬＤドライバ８５、変調ドライバ８６、及びＴＥＣ８４を含んでおり、少なくとも第２ＰＤ４１（共振モニタ）が検出する信号に基づいて、２個の光源のいずれか一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけるよう、２個の光源の両方又は該一方の光源を制御する。

半導体光素子８０が設置されるキャリア９０は、ＴＥＣ８７にて温度調整されている。２個の光源とリング共振器との間に配置される２個の第１ＰＤ４０からの信号（光出力信号９５）が制御回路８２に入力される。２つの光出力信号９５により、制御回路８２は各光源の光出力のずれを検出する。そして、所望の光出力になるように、制御回路８２が制御信号を、光源の光出力を制御するＬＤドライバ８５へ出力し、ＬＤドライバ８５が対応する光源をフィードバック制御する。また、リング共振器と光学的に結合している光導波路に配置される第２ＰＤ４１の信号（共振信号９６）が制御回路８２に入力される。共振信号９６により、制御回路８２は異なる偏波の２個の光源が発振する光の波長のずれを検出し、波長差が所望の範囲まで小さくなるように、制御回路８２が制御信号を、光源に設けられる薄膜抵抗に流れる電流を制御する波長制御ドライバ８４へ出力し、波長制御ドライバ８４が、対応する光源をフィードバック制御する。外部より入力される制御信号８１に基づいて、制御回路８２が制御信号を、変調領域を制御する変調ドライバ８６へ出力し、変調ドライバ８６が変調領域に、伝送信号に対応する電圧（高周波電気信号）を印加する。チップ（半導体光素子８０）で生成された偏波多重光信号は、コリメートレンズ８８でコリメートした後に、アイソレータ８９を通し、再度、コリメートレンズ８８にて集光され、出力側に配置される光ファイバ９２から外部へ出射される。図５に示す半導体光素子８０の変調領域１３に備えられる４個のＭＺ変調器の電極１８それぞれの光の出射側の端子は、終端抵抗９１に接続される。

なお、図１３に示す光モジュールに搭載される半導体光素子８０を、第６又は第７の実施形態に係る半導体光素子に置き換えてもよい。第６の実施形態に係る半導体光素子が搭載される場合は、波長制御ドライバ８４は、ＤＢＲ−ＬＤの前方ＤＢＲミラー６１及び後方ＤＢＲミラー６４と接続され、波長制御を行う。同様に、第７の実施形態に係る半導体光素子が搭載される場合は、波長制御ドライバ８４は、ＬＧＬＣ−ＬＤのＤＢＲミラー７１及びＬＧＬＣフィルタ７４と接続され、波長制御を行う。

波長制御は以下の方法で行う。それぞれの光源の光出力を制御する信号に異なる周波数のディザ信号を重畳し、光出力信号と共振信号を周波数抽出することで、光源の波長差を検出する。検出量に応じて波長制御ドライバにフィードバックすることで、２個の光源が出力する光の波長を近づけることが出来る。

具体的には、制御回路８２は制御信号をＬＤドライバ８５に出力し、ＬＤドライバ８５は、第１ＬＤ１１が出力する光出力を制御する信号に、第１ディザ信号を重畳する。同様に、ＬＤドライバ８５は、第２ＬＤ１２が出力する光出力を制御する信号に、第２ディザ信号を重畳する。第１ディザ信号の周波数と第２ディザ信号の周波数が異なっていることにより、第２ＰＤ４１が検出する共振信号９６を、第１ディザ信号及び第２ディザ信号の周波数それぞれで抽出することにより、第１ＬＤ１１が出力する光の強度と、第２ＬＤ１２が出力する光の強度を検出する。さらに、検出される第１ＬＤ１１が出力する光の強度に基づいて、波長制御ドライバ８４が第１ＬＤ１１が出力する光の波長を調整する。光の波長を変化させると、検出される第１ＬＤ１１が出力する光の強度が変化し、リング共振器の所定の特性に応じて、光の強度を所定の範囲とすることにより、第１ＬＤ１１が出力する光の波長を所定の範囲とすることが出来る。同様に、検出される第２ＬＤ１２が出力する光の強度に基づいて、第２ＬＤ１２が出力する光の波長を所定の範囲とすることが出来る。このようにして、第１ＬＤ１１及び第２ＬＤ１２それぞれが出力する光の波長をともに制御することが出来、一方の光源が出力する光の波長を他方の光源が出力する光の波長に近づけるよう制御することが出来る。理想的には、２個の光源が出力する光の波長が一致しているのが望ましい。なお、第１ディザ信号及び第２ディザ信号は、ともに、光伝送信号品質に影響を与えないために、変調信号のボーレートに比べて十分に低い周波数の信号が望ましい。ディザ信号の振幅を所定の値とすることで、それぞれの光源が出力する光の強度を、該強度に対して小さい範囲で変調させることが可能である。例えば、ＴＥ偏波を有する光を出力する第１ＬＤ１１のＬＤ電極１５に２ｋＨｚの電圧信号である第１ディザ信号を重畳し、ＴＭ偏波を有する光を出力する第２ＬＤ１２のＬＤ電極１５に３ｋＨｚの電圧信号である第２ディザ信号を重畳する。共振信号９６を光出力信号９５で割った除算量を周波数抽出することにより、波長差をモニタすることが可能となる。それぞれの光源のＬＤ電極に印加する電圧（光強度を制御する信号）を制御して、周波数抽出した信号が、それぞれの光源ごとに定めたある特定の信号値にすることにより、それぞれの光源が出力する光の波長を制御することが出来る。例えば、当該特定の信号値をピーク値とすると、周波数抽出した信号が最大となるよう、波長制御すればよい。ここで、ディザ信号が光強度を制御する信号（電圧信号）に重畳されるが、必ずしも電圧である必要はなく、
光源を制御する信号であればよい。例えば、光源の薄膜提供への注入ＤＣ電流量（波長を制御する信号）にディザ信号を重畳してもよく、光源の波長制御方法に適した信号であればよい。

なお、ここでは、２個の光源がともに、抵抗体を備えるＤＦＢ−ＬＤであり、波長可変な光源であるが、少なくともいずれか一方が波長可変であればよい。例えば、第２の光源が波長可変である場合について説明する。第１の光源及び第２の光源の光出力を制御する信号に、第１ディザ信号及び第２ディザ信号をそれぞれ重畳する。受光器（第２ＰＤ４１
）が検出する信号を、第１ディザ信号及び第２ディザ信号の周波数それぞれで抽出することにより、第１の光源及び第２の光源それぞれが出力する光の強度を検出する。検出される第１ＬＤ１１が出力する光の強度に基づいて、リング共振器を第１の光源の波長に対応して所定の特性となるよう制御する。たとえば、検出される第１ＬＤ１１が出力する光の強度が最大となるように、リング共振器の透過波長を制御する。そして、検出される第２ＬＤ１２が出力する光の強度に基づいて、リング共振器の所定の特性に応じて、光の強度を所定の範囲とすることにより、第２ＬＤ１２が出力する光の波長を所定の範囲とすることが出来る。このようにして、一方の光源が出力する光の波長を他方の光源が出力する光の波長に近づけるよう制御することが出来る。理想的には、２個の光源が出力する光の波長が一致しているのが望ましい。なお、この場合、第２ディザ信号は、光強度を制御する信号（電圧信号）に重畳されるが、必ずしも電圧である必要はなく、光源を制御する信号であればよい。例えば、光源の薄膜提供への注入ＤＣ電流量（波長を制御する信号）にディザ信号を重畳してもよく、光源の波長制御方法に適した信号であればよい。

［第１０の実施形態］
本発明の第１０の実施形態に係る光モジュールの構成は、第９の実施形態に係る光モジュールと同じであるが、波長制御の方法が第９の実施形態と異なっている。

波長制御は以下の方法で行う。それぞれの光源の出力制御する信号に、それぞれの光源に異なるタイムスロットを割り当てた時分割信号により、それぞれの光源が制御される。光出力信号及び共振信号を時分割信号に同期して検出することにより、光源の波長差を検出する。検出量に応じて波長制御ドライバにフィードバックすることで、一方の光源が出力する光の波長を他方の光源が出力する光の波長に近づけることが出来る。

具体的には、第１ＬＤ１１に対応するタイムスロットにおいて、第１ＬＤ１１が出力する光の波長をリング共振器の透過波長（共振波長）と所定の範囲になるよう制御し、第２ＬＤ１２に対応するタイムスロットにおいて、第２ＬＤ１２が出力する光の波長をリング共振器の透過波長と所定の範囲になるよう制御することにより、２個の光源が出力する光の波長を近づける。理想的には、第１ＬＤ１１が出力する光の波長をリング共振器の透過波長と一致させ、第２ＬＤ１２が出力する光の波長をリング共振器の透過波長と一致させることにより、第１ＬＤ１１及び第２ＬＤ１２が出力する光の波長を一致させる。

第１ＬＤ１１に接続される第１ＰＤ４０（第１光強度受光器）及び第２ＬＤ１２に接続される第１ＰＤ４０（第２光強度受光器）それぞれに印加するバイアス電圧を所定の電圧とすることにより、第１光強度受光器を透過してさらに第１の光導波路４４Ａを伝搬する光の強度、及び、第２光強度受光器を透過してさらに第２の光導波路４４Ｂを伝搬する光の強度を制御することが出来る。これにより、それぞれの光導波路よりリング共振器へ遷移する光の強度が変化し、第２ＰＤ４１において検出する光強度が変化する。

第１ＬＤ１１に対応するタイムスロットにおいて、第１光強度受光器及び第２光強度受光器である第１ＰＤ４０それぞれに印加するバイアス電圧を、第１ＬＤ１１の波長検出するための所定のバイアス電圧とする。例えば、当該所定のバイアス電圧として、第１光強度受光器のバイアス電圧を０Ｖと、第２光強度受光器のバイアス電圧を−３Ｖとすることにより、第２ＬＤ１２の後方より出力し、第１ＰＤ４０を透過してさらに第２の光導波路４４Ｂを伝搬する光の強度を検出にあまり影響を与えない強度に維持しつつ、第１ＬＤ１１の後方より出力し、第１ＬＤ１１を透過してさらに第１の光導波路４４Ａを伝搬する光の強度を検出するのに十分な強度に高めることが出来る。なお、第１ＬＤ１１が出力する光自体の強度が変化しているのではないので、第１ＬＤ１１より出力し、変調領域１３を導波する変調信号の出力は一定に保たれている。当該所定のバイアス電圧として、第１光強度受光器及び第２光強度受光器のバイアス電圧を、それぞれ０Ｖ及び−３Ｖとしたことにより、第２ＰＤ４１で検出する共振信号の強度は、第１ＬＤ１１からの光の信号強度が支配的になる。このため、以前のタイムスロットで検出した出力信号で第２ＰＤ４１で検出する共振信号を割った除算量により、第１ＬＤ１１が出力する光の波長モニタが可能となる。第１ＬＤ１１に対応するタイムスロットにおいて、第１ＬＤ１１の薄膜抵抗１６への注入電流量（波長制御する信号）を制御して、共振信号強度がそれぞれの光源ごとに定めたある特定の信号値にすることにより、第１ＬＤ１１が出力する光の波長をリング共振器の特性に対応する所定の範囲（透過波長に対して所定の範囲内）に制御することができる。

同様に、第２ＬＤ１２に対応するタイムスロットにおいても、第１光強度受光器及び第２光強度受光器となる第１ＰＤ４０のバイアス電圧を、第２ＬＤ１２の波長検出するための所定のバイアス電圧とすることにより、同様の手順で波長制御することで、第２ＬＤ１２が出力する光の波長をリング共振器の特性に対応する所定の範囲（透過波長に対して所定の範囲内）に制御することが出来、これにより、２個の光源が出力する光の波長を近づけることが出来る。なお、ここで、第２ＬＤ１２の波長検出するための所定のバイアス電圧として、例えば、第１ＬＤ１１の波長検出するための所定のバイアスとは反対に、第１光強度受光器のバイアス電圧を−３Ｖと、第２光強度受光器のバイアス電圧を０Ｖとすればよい。

なお、ここでは、２個の光源がともに、抵抗体を備えるＤＦＢ−ＬＤであり、波長可変な光源であるが、少なくともいずれか一方が波長可変であればよい。例えば、第２の光源が波長可変である場合について説明する。第１の光源に対応するタイムスロットにおいて、第１光強度受光器及び第２光強度受光器それぞれに印加するバイアス電圧を、第１の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧とする。受光器（第２ＰＤ４１）が検出する共振信号に基づいて、リング共振器を第１の光源の波長に対応して所定の特性となるよう制御する。たとえば、受光器（第２ＰＤ４１）が検出する共振信号が最大となるように、リング共振器の透過波長を制御する。そして、第２の光源に対応するタイムスロットにおいて、第１光強度受光器及び第２光強度受光器それぞれに印加するバイアス電圧を、第２の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧とする。受光器（第２ＰＤ４１）が検出する共振信号に基づいて、第２の光源が出力する光の波長をリング共振器の特性に対応する所定の範囲（透過波長に対して所定の範囲内）に制御することが出来、これにより、第２の光源の波長を第１の光源の波長に対して所定の範囲内とすることが出来る。

［第１１の実施形態］
本発明の第１１の実施形態に係る光モジュールの構成は、第９及び第１０の実施形態に係る光モジュールと同じであるが、波長制御の方法が第９及び第１０の実施形態と異なっている。

波長がわずかに異なる光を干渉させると、周波数の差を周波数とするビート信号が発生する。波長制御は、受光器（第２ＰＤ４１）が検出する信号より、リング共振器において２個の光源が出力する光が干渉して発生するビート信号を抽出する。波長制御ドライバにビート信号をフィードバックすることでそれぞれの光源の波長差を小さくする。ビート信号のピーク強度は波長差が小さいほど大きくなる。ここでは、リング共振器のＦＳＲピークに全ての光源の波長が重なった時にビート信号の強度は最大になる。そのため、共振信号が最大となるように各光源の波長を制御することで波長を一致させることが可能となる。

具体的には、第１ＬＤ１１の薄膜抵抗１６への注入電流量（波長制御する信号）を共振信号強度が最大となるように制御する。このとき、リング共振器のＦＳＲピークと第１ＬＤ１１が出力する光の波長とが所定の範囲となり、理想的には第１ＬＤ１１が出力する光の波長がリング共振器の透過波長と一致する。続いて、第２ＬＤ１２の薄膜抵抗１６への注入電流量を共振信号強度が最大となるように制御する。このとき、リング共振器のＦＳＲピークと第２ＬＤ１２が出力する光の波長とが所定の範囲となり、理想的には第２ＬＤ１２が出力する光の波長がリング共振器の透過波長と一致する。よって、第１ＬＤ１１及び第２ＬＤ１２それぞれが出力する光の波長とが所定の範囲となり、理想的には一致する。

なお、ここでは、２個の光源がともに、抵抗体を備えるＤＦＢ−ＬＤであり、波長可変な光源であるが、少なくともいずれか一方が波長可変であればよく、受光器（第２ＰＤ４１）が検出する共振信号に基づいて、波長可変である光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけるよう、制御すればよい。

以上、第９乃至第１１の実施形態に係る光モジュールについて、説明した。第９乃至第１１の実施形態に係る光モジュールにより、ボーレートを上げることなく，大容量な光モジュールが提供される。第９乃至第１１の実施形態に係る光モジュールは、従来において用いられてきた偏波回転子などの実装光部品を不要とするとともに，実装工程及び光損失を低減することができている。さらに、第９乃至第１１の実施形態に係る光モジュールにより、安定した伝送特性をもつ，イーサネット（登録商標）やインターコネクトなどの比較的短距離向けの小型，低コスト，低消費電力，大容量な光モジュールが実現できる。なお、光モジュールは図１３に示す光モジュールに限定されることなく、本発明に係る半導体光素子を備えるモジュールであれば、広く適用することが出来る。すなわち、光モジュールとは、光伝送モジュールや光送信モジュールを含んでいる。

１１ 第１ＬＤ、１２ 第２ＬＤ、１３ 変調領域、１４ 偏波合波器、１５ ＬＤ電極、１６ 薄膜抵抗、１７ ＭＭＩ合分波器、１８ 電極、１９ 位相シフタ、２０ ＰＤ、２１ 電極パッド、３１ ｎ型ＩｎＰクラッド層、３２ 活性層、３３ ｐ型ＩｎＰクラッド層、３４ 第１パッシベーション膜、３６ ｐ型コンタクト層、３７ 第２パッシベーション膜、３８ パッシベーション膜、４０ 第１ＰＤ、４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ 第２ＰＤ、４２ リング共振器、４３ 方向性結合器、４４ 光導波路、４４Ａ 第１の光導波路、４４Ｂ 第２の光導波路、４４Ｃ 第３の光導波路、４５，４６ ＭＭＩ合分波器、５１ ＭＺ型遅延干渉計、５２ 第１ＬＤ、５３ 第２ＬＤ、５４ 第１ＬＤ、５５ 第２ＬＤ、６１ 前方ＤＢＲミラー、６２ 位相調整部、６３ 利得部、６４ 後方ＤＢＲミラー、７１ ＤＢＲミラー、７２ 利得部、７３ 位相調整部、７４ ＬＧＬＣフィルタ、８０ 半導体光素子、８１ 制御信号、８２ 制御回路、８４ 波長制御ドライバ、８５ ＬＤドライバ、８６ 変調ドライバ、８７ ＴＥＣ、８８ コリメートレンズ、８９ アイソレータ、９０ キャリア、９１ 終端抵抗、９２ 光ファイバ、９５ 光出力信号、９６ 共振信号、１０１ ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器、１０２ 分波器、１０３ 変調領域、１０４ 偏波回転子、１０５ 偏波合波器、１０６ ＭＺ変調器。

Claims (12)

1. 第１の偏波を有する光を出力する第１の光源と、
   前記第１の偏波と異なる偏波である第２の偏波を有する光を出力する第２の光源と、
   前記第１の光源の出力側に光学的に接続され、前記第１の光源が出力する光を変調して光信号を出力する、第１の光変調器と、
   前記第２の光源の出力側に光学的に接続され、前記第２の光源が出力する光を変調して光信号を出力する、第２の光変調器と、
   前記第１の光変調器が出力する光信号と、前記第２の光変調器が出力する光信号と、を結合して結合光信号を出力する、光合波器と、
   前記第１の光源及び前記第２の光源それぞれと光学的に接続するとともに、前記第１の光源及び前記第２の光源それぞれが出力する光の波長に差異があるかを検出するための、
   リング共振器と、
   前記リング共振器と光学的に接続するとともに、前記第１の光源及び前記第２の光源それぞれが出力する光を該素子が変換する光を検出する受光器と、
   前記第１の光源に光学的に接続される第１の光導波路と、
   前記第２の光源に光学的に接続される第２の光導波路と、
   前記第１の光導波路と前記リング共振器を光学的に結合する、第１のマルチモード干渉型合分波器と、
   前記第２の光導波路と前記リング共振器を光学的に結合する、第２のマルチモード干渉型合分波器と、
   が、半導体基板上にともに集積される、半導体光素子。
2. 請求項１に記載の半導体光素子であって、
   前記第１の光源及び前記第２の光源の少なくとも一方は、波長可変レーザであり、
   前記第１の光源及び前記第２の光源は、前記第１の光源又は第２の光源のいずれか一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけることが可能である、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
3. 請求項２に記載の半導体光素子であって、
   前記波長可変レーザは、出力する光の波長を温度によって調整するための抵抗体を備える分布帰還型レーザである、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
4. 請求項２に記載の半導体光素子であって、
   前記波長可変レーザは、分布ブラッグ反射型レーザ又は横グレーティングアシスト横方向性結合器型レーザである、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記第１のマルチモード干渉型合分波器及び前記第２のマルチモード干渉型合分波器は、ともに、光軸方向に沿って実効屈折率が変化する、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光素子を、備える光モジュール。
7. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光素子と、
   前記受光器が検出する信号に基づいて、前記第１の光源又は第２の光源のいずれかの一方の光源が出力する光の波長を、他方の光源が出力する光の波長に近づけるよう、前記第１の光源及び／又は前記第２の光源を制御する、制御部と、
   を備える光モジュール。
8. 請求項７に記載の光モジュールであって、
   前記第２の光源は波長可変レーザであり、
   前記制御部は、前記第１の光源の光出力を制御する信号に、第１ディザ信号を重畳し、前記受光器が検出する信号を前記第１ディザ信号の周波数で抽出して、前記波長依存性を有する素子を前記第１の光源の波長に対応して所定の特性となるように制御し、
   前記制御部は、前記第２の光源を制御する信号に、前記第１ディザ信号と異なる周波数を有する第２ディザ信号を重畳し、前記受光器が検出する信号を前記第２ディザ信号の周波数で抽出して、前記第２の光源の波長を前記波長依存性を有する素子の前記所定の特性に対応して所定の範囲となるように制御する、
   ことを特徴とする、光モジュール。
9. 請求項７に記載の光モジュールであって、
   前記第１の光源及び前記第２の光源はともに波長可変レーザであり、
   前記制御部は、前記第１の光源を制御する信号に、第１ディザ信号を重畳し、前記第２の光源を制御する信号に、前記第１ディザ信号と異なる周波数を有する第２ディザ信号を重畳し、前記受光器が検出する信号を、前記第１ディザ信号の周波数及び前記第２ディザ信号の周波数それぞれで抽出して、前記第１の光源の波長及び前記第２の光源の波長を前記波長依存性を有する素子の所定の特性に対応して、それぞれ所定の範囲となるように制御する、
   ことを特徴とする、光モジュール。
10. 請求項７に記載の光モジュールであって、
    前記第２の光源は波長可変レーザであり、
    前記半導体光素子は、
    前記第１の光源の前記第１の光変調器側とは反対側において、前記第１の光源に光学的に接続されるとともに、前記第１の光源が出力する光の強度を検出する第１光強度受光器と、
    前記第２の光源の前記第２の光変調器とは反対側において、前記第２の光源に光学的に接続されるとともに、前記第２の光源が出力する光の強度を検出する第２光強度受光器と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、
    前記第１の光源に対応するタイムスロットにおいて、前記第１光強度受光器及び前記第２光強度受光器それぞれに、前記第１の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧を印加し、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記波長依存性を有する素子を前記第１の光源の波長に対応して所定の特性となるように制御し、
    前記第２の光源に対応するタイムスロットにおいて、前記第１光強度受光器及び前記第２光強度受光器それぞれに、前記第２の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧を印加し、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記第２の光源の波長を前記波長依存性を有する素子の前記所定の特性に対応して所定の範囲となるように制御する、
    ことを特徴とする、光モジュール。
11. 請求項７に記載の光モジュールであって、
    前記第１の光源及び前記第２の光源はともに波長可変レーザであり、
    前記半導体光素子は、
    前記第１の光源の前記第１の光変調器側とは反対側において、前記第１の光源に光学的に接続されるとともに、前記第１の光源が出力する光の強度を検出する第１光強度受光器と、
    前記第２の光源の前記第２の光変調器とは反対側において、前記第２の光源に光学的に接続されるとともに、前記第２の光源が出力する光の強度を検出する第２光強度受光器と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、
    前記第１の光源に対応するタイムスロットにおいて、前記第１光強度受光器及び前記第２光強度受光器それぞれに、前記第１の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧を印加し、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記第１の光源が出力する光の波長を前記波長依存を有する素子の特性に対応して所定の範囲内となるよう制御し、
    前記第２の光源に対応するタイムスロットにおいて、前記第１光強度受光器及び前記第２光強度受光器それぞれに、前記第２の光源の波長検出するための所定のバイアス電圧を印加し、前記受光器が検出する信号に基づいて、前記第２の光源が出力する光の波長を前記波長依存を有する素子の特性に対応して所定の範囲内となるよう制御する、
    ことを特徴とする、光モジュール。
12. 請求項７に記載の光モジュールであって、
    前記第１の光源及び前記第２の光源はともに波長可変レーザであり、
    前記制御部は、前記受光器が検出する信号より、前記第１の光源が出力する光と前記第２の光源が出力する光とが前記波長依存性を有する素子において干渉して発生するビート信号を抽出して、前記第１の光源の波長及び前記第２の光源の波長を前記波長依存性を有する素子の所定の特性に対応して、それぞれ所定の範囲となるように制御する、
    ことを特徴とする、光モジュール。

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