JP6146554B1 - Optical modulator integrated semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
半導体レーザ(1)と電界吸収型光変調器(2)が集積されている。半導体レーザ(1)はレーザ光を出射する。電界吸収型光変調器(2)はレーザ光を変調する。電界吸収型光変調器(2)において、第1導電型半導体層(4)、光導波路コア層(10)及び第2導電型半導体層(6)が順に積層されている。第1の電極(8)が第1導電型半導体層(4)の下に形成されている。第2の電極(11)が光導波路コア層(10)の真上において第2導電型半導体層(6)の上に形成されている。第1の電極(8)と第2の電極(11)との間に印加する電圧によって光導波路コア層(10)の光吸収係数が変化する。光導波路コア層(10)の幅は、電界吸収型光変調器(2)の光出射端に向かって漸減する。A semiconductor laser (1) and an electroabsorption optical modulator (2) are integrated. The semiconductor laser (1) emits laser light. The electroabsorption optical modulator (2) modulates the laser light. In the electroabsorption optical modulator (2), a first conductive semiconductor layer (4), an optical waveguide core layer (10), and a second conductive semiconductor layer (6) are sequentially stacked. A first electrode (8) is formed under the first conductivity type semiconductor layer (4). A second electrode (11) is formed on the second conductivity type semiconductor layer (6) just above the optical waveguide core layer (10). The light absorption coefficient of the optical waveguide core layer (10) varies depending on the voltage applied between the first electrode (8) and the second electrode (11). The width of the optical waveguide core layer (10) gradually decreases toward the light exit end of the electroabsorption optical modulator (2).
Description
本発明は、光変調器集積半導体レーザに関する。 The present invention relates to an optical modulator integrated semiconductor laser.
光ファイバ通信装置の送信用光源として光変調器集積半導体レーザが用いられている(例えば、特許文献1〜4参照)。電界吸収型光変調器(EAM)と集積半導体レーザ(EML)に加えて、出射光の光ビーム径、即ちスポットサイズを拡大するスポットサイズ変換器(SSC)を集積した光変調器集積半導体レーザも提案されている(例えば、非特許文献1参照)。このレーザでは、光変調器のコア層の出射端にスポットサイズ変換機能を有する透明導波路コア層がバットジョイントにより接続されている。 An optical modulator integrated semiconductor laser is used as a light source for transmission in an optical fiber communication device (see, for example, Patent Documents 1 to 4). In addition to the electroabsorption optical modulator (EAM) and the integrated semiconductor laser (EML), there is also an optical modulator integrated semiconductor laser in which a light beam diameter of the emitted light, that is, a spot size converter (SSC) for expanding the spot size is integrated. It has been proposed (see Non-Patent Document 1, for example). In this laser, a transparent waveguide core layer having a spot size conversion function is connected to the emission end of the core layer of the optical modulator by a butt joint.
しかし、光変調器とスポットサイズ変換器の接続部において光導波路の実効屈折率の虚部の値が合致しない。このため、半導体レーザへの反射戻り光が発生し、伝送特性の劣化が生じていた。 However, the value of the imaginary part of the effective refractive index of the optical waveguide does not match at the connection between the optical modulator and the spot size converter. For this reason, reflected return light to the semiconductor laser is generated, and transmission characteristics are deteriorated.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は伝送品質を改善することができる光変調器集積半導体レーザを得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain an optical modulator integrated semiconductor laser capable of improving transmission quality.
本発明に係る光変調器集積半導体レーザは、レーザ光を出射する半導体レーザと、前記半導体レーザと集積され、前記レーザ光を変調する電界吸収型光変調器と、埋込層と、透明導波路コア層とを備え、前記電界吸収型光変調器は、順に積層された第1導電型半導体層、光導波路コア層及び第2導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層の下に形成された第1の電極と、前記光導波路コア層の真上において前記第2導電型半導体層の上に形成された第2の電極とを有し、前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加する電圧によって前記光導波路コア層の光吸収係数が変化し、前記光導波路コア層の幅は、前記電界吸収型光変調器の光出射端に向かって漸減し、前記埋込層は前記光導波路コア層の両サイドを埋め込み、前記透明導波路コア層は前記光導波路コア層の周囲に形成され前記光導波路コア層に接触し、前記透明導波路コア層の真上において前記第2の電極は形成されていないか、又は前記第2導電型半導体層に接触しておらず、前記透明導波路コア層の屈折率は、前記埋込層の屈折率と前記光導波路コア層の屈折率との間の値であり、前記透明導波路コア層のバンドギャップエネルギーは、前記光導波路コア層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことを特徴とする。
An optical modulator integrated semiconductor laser according to the present invention includes a semiconductor laser that emits laser light, an electroabsorption optical modulator that is integrated with the semiconductor laser and modulates the laser light , a buried layer, and a transparent waveguide The electroabsorption optical modulator includes a first conductive semiconductor layer, an optical waveguide core layer, a second conductive semiconductor layer, and a first conductive semiconductor layer, which are sequentially stacked. A first electrode formed on the second conductive type semiconductor layer immediately above the optical waveguide core layer, and the first electrode and the second electrode. light absorption coefficient of the optical waveguide core layer is changed by a voltage applied between the width of the optical waveguide core layer, gradually decreases toward the light emitting end of the electro-absorption optical modulator, the embedded The layer embeds both sides of the optical waveguide core layer, and the transparent waveguide core A layer is formed around the optical waveguide core layer and is in contact with the optical waveguide core layer, and the second electrode is not formed immediately above the transparent waveguide core layer, or the second conductive semiconductor The refractive index of the transparent waveguide core layer is not in contact with the layer, and is a value between the refractive index of the buried layer and the refractive index of the optical waveguide core layer. The band gap energy is larger than the band gap energy of the optical waveguide core layer .
本発明では、電界吸収型光変調器の光導波路コア層の幅が、電界吸収型光変調器の出射端に向かって漸減する。これにより、電界吸収型光変調器は、光を変調すると同時に、スポットサイズを拡大するスポットサイズ変換器としても動作する。これにより、屈折率の虚部の差異に起因する反射戻り光は生じないため、伝送品質を改善することができる。 In the present invention, the width of the optical waveguide core layer of the electroabsorption optical modulator gradually decreases toward the emission end of the electroabsorption optical modulator. Thus, the electroabsorption optical modulator operates as a spot size converter that modulates light and simultaneously enlarges the spot size. As a result, reflected return light caused by the difference in the imaginary part of the refractive index does not occur, so that transmission quality can be improved.
本発明の実施の形態に係る光変調器集積半導体レーザについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。 An optical modulator integrated semiconductor laser according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す平面図である。半導体レーザ1と電界吸収型光変調器2が集積されている。半導体レーザ1がレーザ光を出射し、そのレーザ光を電界吸収型光変調器2が変調する。Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a plan view showing a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. A semiconductor laser 1 and an electroabsorption
図2は図1のI−IIに沿った断面図である。半導体レーザ1において、n−InP基板3上にn−InPクラッド層4、活性層5、p−InPクラッド層6及びp−InGaAsPコンタクト層7が順に積層されている。活性層5は例えばInGaAsP−MQW又はAlGaInAs−MQWであり、回折格子の層も含む。カソード電極8がn−InP基板3の下に形成されている。アノード電極9が活性層5の真上においてp−InGaAsPコンタクト層7上に形成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line I-II in FIG. In the semiconductor laser 1, an n-
図3は図1のIII−IVに沿った断面図である。図4は図1のV−VIに沿った断面図である。図5は図1のVII−VIIIに沿った断面図である。電界吸収型光変調器2において、n−InP基板3上にn−InPクラッド層4、光導波路コア層10、p−InPクラッド層6及びp−InGaAsPコンタクト層7が順に積層されている。光導波路コア層10は例えばAlGaInAs−MQW又はInGaAsP−MQWである。
3 is a cross-sectional view taken along line III-IV in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line V-VI in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VII-VIII in FIG. In the electroabsorption
アノード電極11が光導波路コア層10の真上においてp−InGaAsPコンタクト層7の上に形成されている。アノード電極9,11以外においてp−InGaAsPコンタクト層7はSiO2絶縁膜12で覆われている。半絶縁性InP層13及びn−InP電流ブロック層14が活性層5及び光導波路コア層10の両サイドを埋め込んでいる。An
カソード電極8とアノード電極11との間に印加する電圧によって光導波路コア層10の光吸収係数が変化する。電界吸収型光変調器2は、光導波路コア層10の幅が一定の部分と、光導波路コア層10の幅が電界吸収型光変調器2の光出射端に向かって漸減する部分とを有する。幅が漸減する部分の直上にもアノード電極11が形成されている。幅が一定の部分と漸減する部分の両方に同じ変調信号を共通のアノード電極11を介して印加し、光変調器として動作させる。光導波路コア層10の幅がレーザ光の伝搬方向に沿って徐々に狭くなる部分は、光変調器としてだけでなく、スポットサイズ変換器部としても動作する。
The light absorption coefficient of the optical
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図6は、比較例に係る半導体装置を示す平面図である。図7は図6のV−VIに沿った断面図である。図8は図6のVII−VIIIに沿った断面図である。図6のI−IIに沿った断面図は図2と同じであり、図6のIII−IVに沿った断面図は図3と同じである。 Subsequently, the effect of the present embodiment will be described in comparison with a comparative example. FIG. 6 is a plan view showing a semiconductor device according to a comparative example. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line V-VI in FIG. FIG. 8 is a sectional view taken along the line VII-VIII in FIG. 6 is the same as FIG. 2, and the cross-sectional view along III-IV in FIG. 6 is the same as FIG.
比較例では、電界吸収型光変調器2の光導波路コア層10の幅が一定であり、その出射端に、スポットサイズ変換機能を有するスポットサイズ変換器15の透明導波路コア層16がバットジョイントにより接続されている。消光比をExt、電界吸収型光変調器2の吸収係数をα、変調器長をL、光波長をλ、光導波路コア層10の屈折率の虚部をk、屈折率の実部をn、反射率をRとすると以下の関係式が成り立つ。
Ext=exp(−αL)
k=αλ/4π
R=(k/sqrt(n2+k2)+n)2 In the comparative example, the width of the optical
Ext = exp (−αL)
k = αλ / 4π
R = (k / sqrt (n 2 + k 2 ) + n) 2
一例として、消光比Extが11dB、変調器長Lが180μm、半導体レーザ1の発振波長λが1.55μmの場合、屈折率の虚部kの変動は7.5E−4となる。光導波路コア層10と透明導波路コア層16の実部の実効屈折率nがともに3.2であった場合、屈折率の虚部の変動による反射率の変動Rは1.9E−16%となる。このように電界吸収型光変調器2とスポットサイズ変換器15の接続部において実効屈折率の虚部の値が合致しない。このため、半導体レーザ1に変調され強度が変化する光が戻り、活性層5内部の光強度を擾乱し、伝送特性の劣化が生じる。
As an example, when the extinction ratio Ext is 11 dB, the modulator length L is 180 μm, and the oscillation wavelength λ of the semiconductor laser 1 is 1.55 μm, the fluctuation of the imaginary part k of the refractive index is 7.5E-4. When the effective refractive index n of the real part of both the optical
これに対して、本実施の形態では、電界吸収型光変調器2の光導波路コア層10の幅が、電界吸収型光変調器2の出射端に向かって漸減する。これにより、電界吸収型光変調器2は、光を変調すると同時に、スポットサイズを拡大するスポットサイズ変換器としても動作する。これにより、比較例のような屈折率の虚部の差異に起因する反射戻り光は生じないため、伝送品質を改善することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the width of the optical
また、窓構造を設けると、電界吸収型光変調器2の光導波路コア層10と窓構造の埋込層との間の屈折率差が極めて大きなことに起因して戻り光が大きくなり、上記の効果が得られなくなる。そこで、光出射端での光反射を低減するため、光導波路コア層10は光出射端まで延在していることが好ましい。
Further, when the window structure is provided, the return light becomes large due to the extremely large difference in refractive index between the optical
実施の形態2.
図9は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す平面図である。図10は図9のV−VIに沿った断面図である。図11は図9のVII−VIIIに沿った断面図である。図9のI−IIに沿った断面図は図2と同じであり、図9のIII−IVに沿った断面図は図3と同じである。
FIG. 9 is a plan view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 10 is a cross-sectional view taken along line V-VI in FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line VII-VIII in FIG. 9 is the same as FIG. 2, and the cross-sectional view along III-IV in FIG. 9 is the same as FIG.
透明導波路コア層16が光導波路コア層10の周囲に形成され光導波路コア層10に接触する。透明導波路コア層16は例えばInGaAsP又はAlGaInAsである。透明導波路コア層16の真上においてアノード電極11は形成されていないか、又はSiO2絶縁膜12の上に形成されるなどしてp−InGaAsPコンタクト層7に接触していない。透明導波路コア層16の屈折率は、半絶縁性InP層13及びn−InP電流ブロック層14の屈折率と光導波路コア層10の屈折率との間の値である。透明導波路コア層16のバンドギャップエネルギーは、光導波路コア層10のバンドギャップエネルギーよりも大きい。A transparent
このように透明導波路コア層16を設けることで電界吸収型光変調器2の消光特性とスポットサイズとを独立に設計することができる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。
By providing the transparent
実施の形態3.
図12は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す平面図である。図13は図12のV−VIに沿った断面図である。図14は図12のVII−VIIIに沿った断面図である。図12のI−IIに沿った断面図は図2と同じであり、図12のIII−IVに沿った断面図は図3と同じである。
FIG. 12 is a plan view showing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 13 is a cross-sectional view taken along line V-VI in FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line VII-VIII in FIG. 12 is the same as FIG. 2, and the cross-sectional view along III-IV in FIG. 12 is the same as FIG.
光導波路コア層10と透明導波路コア層16の合計幅は、電界吸収型光変調器2の出射端に向かって漸減する。これにより、実施の形態2よりもスポットサイズを拡大することができる。その他の構成及び効果は実施の形態1,2と同様である。
The total width of the optical
1 半導体レーザ、2 電界吸収型光変調器、4 n−InPクラッド層(第1導電型半導体層)、6 p−InPクラッド層(第2導電型半導体層)、8 カソード電極(第1の電極)、11 アノード電極(第2の電極)、10 光導波路コア層、13 半絶縁性InP層(埋込層)、14 n−InP電流ブロック層(埋込層)、16 透明導波路コア層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser, 2 Electroabsorption type optical modulator, 4 n-InP clad layer (1st conductivity type semiconductor layer), 6 p-InP clad layer (2nd conductivity type semiconductor layer), 8 Cathode electrode (1st electrode) ), 11 Anode electrode (second electrode), 10 Optical waveguide core layer, 13 Semi-insulating InP layer (embedded layer), 14 n-InP current blocking layer (embedded layer), 16 Transparent waveguide core layer
Claims (3)
前記半導体レーザと集積され、前記レーザ光を変調する電界吸収型光変調器と、
埋込層と、
透明導波路コア層とを備え、
前記電界吸収型光変調器は、順に積層された第1導電型半導体層、光導波路コア層及び第2導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層の下に形成された第1の電極と、前記光導波路コア層の真上において前記第2導電型半導体層の上に形成された第2の電極とを有し、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加する電圧によって前記光導波路コア層の光吸収係数が変化し、
前記光導波路コア層の幅は、前記電界吸収型光変調器の光出射端に向かって漸減し、
前記埋込層は前記光導波路コア層の両サイドを埋め込み、
前記透明導波路コア層は前記光導波路コア層の周囲に形成され前記光導波路コア層に接触し、
前記透明導波路コア層の真上において前記第2の電極は形成されていないか、又は前記第2導電型半導体層に接触しておらず、
前記透明導波路コア層の屈折率は、前記埋込層の屈折率と前記光導波路コア層の屈折率との間の値であり、
前記透明導波路コア層のバンドギャップエネルギーは、前記光導波路コア層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことを特徴とする光変調器集積半導体レーザ。 A semiconductor laser that emits laser light;
An electroabsorption optical modulator integrated with the semiconductor laser and modulating the laser light ;
An embedded layer;
A transparent waveguide core layer ,
The electroabsorption optical modulator includes a first conductive semiconductor layer, an optical waveguide core layer, a second conductive semiconductor layer, and a first electrode formed under the first conductive semiconductor layer, which are sequentially stacked. And a second electrode formed on the second conductivity type semiconductor layer directly above the optical waveguide core layer,
The light absorption coefficient of the optical waveguide core layer is changed by a voltage applied between the first electrode and the second electrode,
The width of the optical waveguide core layer gradually decreases toward the light exit end of the electroabsorption optical modulator ,
The embedded layer embeds both sides of the optical waveguide core layer,
The transparent waveguide core layer is formed around the optical waveguide core layer and is in contact with the optical waveguide core layer,
The second electrode is not formed directly above the transparent waveguide core layer, or is not in contact with the second conductivity type semiconductor layer,
The refractive index of the transparent waveguide core layer is a value between the refractive index of the buried layer and the refractive index of the optical waveguide core layer,
The optical modulator integrated semiconductor laser , wherein the band gap energy of the transparent waveguide core layer is larger than the band gap energy of the optical waveguide core layer .
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