JP6717733B2

JP6717733B2 - 半導体光集積回路

Info

Publication number: JP6717733B2
Application number: JP2016216114A
Authority: JP
Inventors: 小林　亘; 亘小林; 石井　啓之; 啓之石井; 藤原　直樹; 直樹藤原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: JP2018074098A

Description

本発明は、分布帰還型レーザ、電界吸収型変調器、半導体光増幅器がモノリシックに集積された半導体光集積回路に関する。

近年の、インタネットトラフィックの増大に伴い、光通信システムの長距離伝送化と、長距離伝送化の結果得られる中継局舎削減による低消費電力化が求められている。都市間の中継局を結ぶメトロ系光通信網では、１０Ｇｂｉｔ／ｓの通信速度への高速化が進んでいる。このメトロ系光通信では、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）による４０〜８０ｋｍ伝送の長距離伝送が求められる。加えて、メトロ系光通信では、光出力の増加および消費電力の削減が重要な課題となっている。また、伝送距離が２ｋｍ〜４０ｋｍ程度のデータセンタなどの通信においては、通信用光源の高出力化と低消費電力化が求められている。

一般に、変調速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光信号を２ｋｍ〜４０ｋｍの伝送距離の範囲で用いる場合には、電界吸収効果を利用した電界吸収型(ＥＡ：Electroabsorption)変調器集積の分布帰還型(ＤＦＢ：Distributed Feedback Laser)レーザ(ＥＡ−ＤＦＢレーザ)が用いられている。データセンタ内では、チャーピングの影響を受けにくい１３００ｎｍ波長帯が用いられ、局舎間通信では光ファイバの伝播損失が小さい１５５０ｎｍ波長帯が主に用いられる。

ＥＡ−ＤＦＢレーザに駆動には、ＤＦＢレーザへの電流（Ｉ_op）の注入、ＥＡ変調器へのＤＣバイアス（Ｖ_b）印加、ＥＡ変調器への高周波バイアス（Ｖ_pp）印加を必要とする。Ｖ_bを深くしていくと変調光の持つチャープ値（β_c）は減少し、長距離伝送においても波形劣化を抑えることができる。

図１０は、光波形と伝送距離の関係のチャープ値β_c依存性を示す特性図である。β_cが負値（−０．７）の場合は、長距離伝送後の光波形の劣化が抑制されている。しかし、Ｖ_bを深くしていくと、ＥＡ変調器の損失が大きくなるためにＥＡ−ＤＦＢレーザからの出力強度が劣化し、長距離伝送の実現が難しくなる。

ＥＡ変調器のＤＣバイアスは、大きな光出力を得るためには浅いほうがよく、長距離伝送可能な光波形を得るためには深いほうが良いというトレードオフの関係を持つ。このトレードオフを打破するために、ＥＡ変調器の出力端に半導体光増幅器(ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier)を集積する技術が報告されている。非特許文献１においてはＳＯＡに電流注入を行い、この中を光波形が伝搬することで変調光のチャープ値を正値から負値に変換できると報告している。また、特許文献１においては、ＥＡ型ＤＦＢ−ＳＯＡのＬＤ（laser diode）部およびＳＯＡ部を同一端子で駆動する技術について報告されている。

特許第５８２３９２０号公報

T. Watanabe et al., "Chirp Control of an Optical Signal Using Phase Modulation in a Semiconductor Optical Amplifier", IEEE Photonics Technology Letters, vol.10, no.7, pp.1027-1029, 1998.

ところで、従来のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザから出射される変調光は、出射端面からの光がＳＯＡにより増幅されてＬＤ（ＤＦＢレーザ）に戻るために、通常のＥＡ−ＤＦＢレーザに比べて出射端面に施す無反射（Anti-Reflection：ＡＲ）膜の条件トレランスが厳しくなるなどの問題があった。無反射膜の性能としては、一般的には反射率として１×１０^-4以下（０．０１％）が求められるが、反射光がＳＯＡにより増幅されることを考えると、この分反射率を低減したＡＲ膜が必要となっていた。反射率は、形成されるＡＲ膜の厚さで決定されるが、この厚さは実際の製造においてばらつく。このため、製造毎にチャープ抑制の状態が変化し、出力強度が変化するという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、製造ばらつきによらずに明瞭な変調光波形と充分な光強度が得られて長距離伝送を可能とすることを目的とする。

本発明に係る半導体光集積回路は、基板の上に形成され分布帰還型レーザからなるレーザ部と、光出力端面の側でレーザ部に光接続して基板の上に形成された電界吸収型変調器からなる変調部と、変調部と光出力端面との間に配置されて変調部および光出力端面に光接続して基板の上に形成された半導体光増幅器からなる増幅部とを備え、レーザ部および変調部の光導波方向は、光出力端面の平面に対して垂直とされ、増幅部の光導波方向は、光出力端面の平面に対して垂直とは異なる角度とされている。

上記半導体光集積回路において、増幅部の光導波路幅は、変調部の光導波路幅より太く形成されている。

上記半導体光集積回路において、増幅部の光導波路幅は、高次の横モードが存在可能な幅以上とされている。

上記半導体光集積回路において、レーザ部に電流を供給するための電極端子と増幅部に電流を供給するための電極端子とは同電位とされ、レーザ部と増幅部との体積比は、電極端子への動作電流の注入により、レーザ部の電流がレーザ発振閾値以上となり、かつ、増幅部において光の損失以上の増幅効果が得られる状態とされているとよい。

以上説明したように、本発明によれば、増幅部の光導波方向は、光出力端面の平面に対して垂直とは異なる角度としたので、製造ばらつきによらずに明瞭な変調光波形と充分な光強度が得られて長距離伝送が可能となるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の構成を示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の構成を示す断面図である。図３は、増幅（ＳＯＡ）部１０４への入力光強度とＳＯＡ部１０４からの出力光波形の持つチャープ値のＳＯＡ部１０４の長さ依存性の関係を示す特性図である。図４は、実施の形態における半導体光集積回路のチャープ値が負値と正値において変調光波形を計算した結果を示す特性図である。図５は、ＳＯＡ部１０４の光導波方向の、レーザ（ＬＤ）部１０２および変調（ＥＡ）部１０３の光導波方向とは異なる角度θを０〜１０とした場合の、光出力端面１０５における反射率の変化について計算した結果を示す特性図である。図６は、ＳＯＡ部１０４の光導波方向の、ＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向とは異なる角度θを５°と固定し、ＳＯＡ部１０４の光導波路幅（ＳＯＡコア部１１４の平面視の幅）を太くしていった場合について、光出力端面１０５の反射率について計算した結果を示す特性図である。図７は、ＬＤ部１０２の光導波方向の長さを３００μｍとし、導波路幅（ＬＤコア部１１２の平面視の幅）を２．０μｍとした場合の全電流値Ｉ_op、ＬＤ部１０２に注入する電流値Ｉ_DFB、ＳＯＡ部１０４に注入する電流値Ｉ_SOAの関係を図７に示す特性図である。図８Ａは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｂは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｃは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｄは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｅは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｆは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｇは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｈは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｉは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｊは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図８Ｋは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。図９は、本発明の実施の形態における半導体光集積回路による素子を搭載した光送信モジュールの構成を示す構成図である。図１０は、光波形と伝送距離の関係のチャープ値β_c依存性を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の構成を示す平面図である。また、図２は、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の構成を示す断面図である。図２は、図１のｘｘ’線における断面を示している。

この半導体光集積回路は、基板１０１の上に形成され分布帰還型レーザからなるレーザ（ＬＤ）部１０２と、基板１０１の上に形成された電界吸収型変調器からなる変調（ＥＡ部）１０３と、基板１０１の上に形成された半導体光増幅器からなる増幅（ＳＯＡ）部１０４とを備える。ＬＤ部１０２は、よく知られた分布帰還型レーザであり、ＥＡ部１０３は、よく知られた電界吸収型変調器であり、ＳＯＡ部１０４は、よく知られた半導体光増幅器である（特許文献１，非特許文献１参照）。

ＥＡ部１０３は、光出力端面１０５の側でＬＤ部１０２に光接続（光結合）している。言い換えると、ＥＡ部１０３は、ＬＤ部１０２のレーザ光出射側に光接続している。また、ＳＯＡ部１０４は、ＥＡ部１０３と光出力端面１０５との間に配置され、ＥＡ部１０３および光出力端面１０５に光接続（光結合）している。言い換えると、ＳＯＡ部１０４は、ＥＡ部１０３の変調光出射側に配置されてＥＡ部１０３に光接続し、ＳＯＡ部１０４は、増幅光が出力する光出射端面１０５を備える。ＬＤ部１０２、ＥＡ部１０３、ＳＯＡ部１０４は、基板１０１の上に導波方向に一列に配置されて集積されている。

また、ＬＤ部１０２は、基板１０１を下部クラッドとし、この上に形成されたＬＤコア部１１２を備える。また、ＥＡ部１０３は、基板１０１を下部クラッドとし、この上に形成されたＥＡコア部１１３を備える。また、ＳＯＡ部１０４は、基板１０１を下部クラッドとし、この上に形成されたＳＯＡコア部１１４を備える。ＬＤコア部１１２、ＥＡコア部１１３、ＳＯＡコア部１１４は、これらの順に導波方向に直列に配置されている。また、ＬＤコア部１１２、ＥＡコア部１１３、ＳＯＡコア部１１４の上には、上部クラッド層１０６が形成されている。

また、上部クラッド層１０６の上には、絶縁層１０７が形成されている。また、絶縁層１０７の上には、ＬＤ電極１２２、ＥＡ電極１２３、ＳＯＡ電極１２４が形成されている。ＬＤ電極１２２は、絶縁層１０７を貫通してＬＤ部１０２における上部クラッド層１０６に電気的に接続している。ＥＡ電極１２３は、絶縁層１０７を貫通してＥＡ部１０３における上部クラッド層１０６に電気的に接続している。ＳＯＡ電極１２４は、絶縁層１０７を貫通してＳＯＡ部１０４における上部クラッド層１０６に電気的に接続している。また、基板１０１の裏面には、電極１１５が形成されている。

上述した構成に加え、実施の形態では、ＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向（ＬＤコア部１１２、ＥＡコア部１１３の延在方向）は、光出力端面１０５の平面に対して垂直とされている。一方、ＳＯＡ部１０４の光導波方向（ＳＯＡコア部１１４の延在方向）は、光出力端面１０５の平面に対して垂直とは異なる角度とされている。言い換えると、ＳＯＡ部１０４の光導波方向は、ＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向とは異なる角度としている。例えば、基板１０１の平面に平行な面内で、ＳＯＡ部１０４の光導波方向を、ＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向とは異なる角度とすればよい。なお、光出力端面１０５には、反射防止膜１０９が形成されている。

以下、より詳細に説明する。まず、変調光がＳＯＡ部１０４の内部を伝搬する過程で、ＳＯＡ部１０４内部のキャリア密度に変化が発生する。このキャリア密度の変化によってＳＯＡ部１０４（ＳＯＡコア部１１４）の内部の屈折率の変化が起きる。この、屈折率の変化から変調光に位相変化を生じることで、ＳＯＡ部１０４（ＳＯＡコア部１１４）中を伝搬する光波形のチャープ変換が発生する。

上述した位相変化Δφは、屈折率変化Δｎ、ＳＯＡ部１０４の光導波方向の長さＬを用いて、以下の式により示すことができる（非特許文献１参照）。なお、λは、対象となる光の波長である。

上式によると、位相変化量はＳＯＡ部１０４の長さＬに比例する。

ＳＯＡ部１０４の長さＬとチャープ値との関係は、図３に示すように変化する。図３は、ＳＯＡ部１０４への入力光強度とＳＯＡ部１０４からの出力光波形の持つチャープ値のＳＯＡ部１０４の長さ依存性の関係を示す特性図である。ＳＯＡ部１０４の長さＬが１０μｍの場合は、位相変化量がＳＯＡ部１０４長に応じて小さいため、チャープ値が０より小さい負値を実現するためには大きな入力強度を必要とする。

ＬＤ部１０２で生成されてＥＡ部１０３で変調されて出力した光出力として一般的な値０ｄＢｍにおいて、チャープ値が負値を実現するためには、ＳＯＡ部１０４の長さＬが５０μｍ以上必要である。

チャープ値が負値と正値において変調光波形を計算した結果を図４に示す。図４の（ａ）は、ＥＡ部１０３から出力されてＳＯＡ部１０４に入力される変調光波形を示している。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）による８０ｋｍ伝送を実現するためには、チャープ値を負値にする必要があり、ＥＡ部１０３へのＤＣバイアスＶ_bは深い値に設定されている。図４の（ｂ）は、ＥＡ部１０３の出力側にＳＯＡ部１０４が無い場合の、ＳＭＦによる８０ｋｍ伝送後の変調光波形を示している。図４の（ｃ）は、ＥＡ部１０３の出力側にＳＯＡ部１０４が有る場合の、ＳＭＦによる８０ｋｍ伝送後の変調光波形を示している。

同一のＶ_b値条件下において、ＳＯＡ部１０４が無い場合に比べ、ＳＯＡ部１０４が有る場合は、変調光波形の劣化を抑えることができており、長距離伝送に優れた特性を示している。ＳＯＡ部１０４が有る場合は、ＳＯＡ部１０４が無い場合と同等の光波形が得られるまでＶ_bを浅くしていくことが可能であり、この結果光出力の増加を実現することができる。

次に、ＳＯＡ部１０４の光導波方向の、ＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向とは異なる角度θを０〜１０とした場合の、光出力端面１０５における反射率の変化について計算した結果を図５に示す。ここでは、ＬＤ部１０２の光導波路幅（ＬＤコア部１１２の平面視の幅）と、ＳＯＡ部１０４の光導波路の幅（ＳＯＡコア部１１４の平面視の幅）とは同一とする。各部の遠視野像（ＦＦＰ）の水平方向および垂直方向は、光強度が１／ｅ²の条件において２６度および２６度と仮定した。等価屈折率ｎｅｑは３．２６として計算した。

図５に示すように、ＳＯＡ部１０４の光導波方向を、ＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向と同じにして角度を付けていない場合は、光出力端面１０５において反射率が２８％となる。一方、ＳＯＡ部１０４の光導波方向の、ＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向とは異なる角度θを、５°とすることにより、光出力端面１０５における反射率は４．０％まで減らすことができる。

この結果は、反射防止膜１０９が形成されていない状態で比較すると、光出力端面１０５の平面に対してＳＯＡ部１０４の光導波方向を９０°から５°曲げるだけで、曲げない場合に比較して７分の１程度の反射率まで抑制できることを示している。これらの状態に加えて反射防止膜１０９を形成するので、形成する反射防止膜１０９の厚さの精度要求が低減できることを示している。

次に、ＳＯＡ部１０４の光導波方向の、ＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向とは異なる角度θを５°と固定し、ＳＯＡ部１０４の光導波路幅（ＳＯＡコア部１１４の平面視の幅）を太くしていった場合について、光出力端面１０５の反射率について計算した結果を図６に示す。ＳＯＡ部１０４における光導波路の幅が太くなることで、遠視野像（ＦＦＰ）の水平方向が狭くなっていく。

図６に示すように、ＳＯＡ部１０４の光導波方向のＬＤ部１０２およびＥＡ部１０３の光導波方向とは異なる角度θを５°とし、ＬＤ部１０２、ＥＡ部１０３、およびＳＯＡ部１０４における光導波路の幅を２μｍとした場合、反射率が４．２％となる。この状態から、ＳＯＡ部１０４における光導波路の幅を広く（太く）していくと、反射率は小さくなっていく。ＳＯＡ部１０４における光導波路幅を３μｍ以上とすると、反射率が１％を下回る。

これは、ＳＯＡ部１０４の光導波路を曲げず、ＳＯＡ部１０４の光導波路幅をＬＤ部１０２の光導波路幅と同一とした状態の反射率２８％に比べ、約１３ｄＢも戻り光の影響を抑制できていることを意味している。このことは、ＳＯＡ部１０４において光が１０倍に増幅されても、反射率が１０分の１以下に下がっているので、反射防止膜１０９のトレランスは厳しくなっていないことを示している。

また、ＳＯＡ部１０４の光導波路の幅は、少なくとも高次の横モードが存在しうる幅以上とすると、反射されて戻る過程で高次モードへ変換された光がＬＤ部１０２、ＥＡ部１０３の光導波路と再度結合しないため、より好適である。

次に、実施の形態における半導体光集積回路の動作制御について説明する。本発明の実施の形態における半導体集積回路は、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの制御と同等の簡便な駆動を実現するため、集積したＳＯＡ部１０４をＬＤ部１０２と同電位とされた制御端子（ＬＤ電極１２２，ＳＯＡ電極１２４）で制御する。制御端子から注入する電流値Ｉ_opは、ＬＤ部１０２およびＳＯＡ部１０４に注入する電流をＩ_DFBおよびＩ_SOAとして、「Ｉ_op＝Ｉ_DFB＋Ｉ_SOA」となる。

一般にＥＡ−ＤＦＢレーザを搭載した光送信モジュールにおいて許容されるＩ_op値は、６０〜８０ｍＡである。本発明においても、ＥＡ−ＤＦＢレーザの改良を目指すためＩ_opの値は８０ｍＡを上限値としなくてはならない。なお、同一の端子でＬＤ部１０２およびＳＯＡ部１０４を駆動する場合、ＬＤ部１０２およびＳＯＡ部１０４に流れる電流は、各部の体積に応じて配分される。各部の光導波方向の長さ（導波路長）Ｌおよび導波路幅Ｗとし、層厚をｔとした場合に、各部の抵抗値はＬ×Ｗに反比例する。厚さｔが一定の場合、抵抗値は各部の体積に反比例することになる。よって各部に配分される電流比は、各部の体積比で配分される。このためＬおよびＷを適切に設定することで、各部の電流を調整することが可能となる。

例えば、ＬＤ部１０２のＬが３００μｍおよびＷが２μｍであり、ＳＯＡ部１０４のＬが１００μｍおよびＷが４μｍである場合を考える。この場合、体積比は６００：４００＝３：２（１：０．６６）となり、電流は３：２（１：０．６６）の割合で流れることになる。この構成において、同一端子でＬＤ部１０２およびＳＯＡ部１０４に電流を２００ｍＡ印加すると、ＬＤ部１０２は１２０ｍＡ、ＳＯＡ部１０４は８０ｍＡとなる。各々の電流密度は一定として考えることができる。このため長期信頼性の観点からも、いずれかを厳しい条件で駆動するわけではないために特性の制御をしやすくなる。

ＬＤ部１０２の光導波方向の長さを一般的な３００μｍとし、導波路幅（ＬＤコア部１１２の平面視の幅）を２．０μｍとした場合のＩ_op、Ｉ_DFB、Ｉ_SOAの関係を図７に示す。ＳＯＡ部１０４の光導波方向の長さが５０μｍ、導波路幅（ＳＯＡコア部１１４の平面視の幅）が４μｍの場合、ＬＤ部１０２の体積に対してＳＯＡ部１０４の体積は１／３となるため、注入した電流の３／４はＬＤ部１０２に流れる。一方、ＳＯＡ部１０４の光導波方向の長さを２５０μｍ、導波路幅４μｍとした場合、ＬＤ部１０２の体積に対してＳＯＡ部１０４部の体積は５／３倍となり、８０ｍＡ注入において、３０ｍＡ程度はＬＤ部１０２に注入される。このように、実施の形態によれば、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザに対して消費電力が大きく増加すること無くＳＯＡ部１０４に電流注入でき、さらにＥＡ部１０３のバイアスＶ_bを浅くできる分、消費電力が削減できることになる。

一般的に、ＤＦＢレーザの駆動には閾値電流、および代表的な評価因子であるサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を得るため２０ｍＡは必要である。なお、ＬＤ閾値は１０ｍＡ程度である。このため、駆動電流Ｉ_opの上限が８０ｍＡの場合は、全体の１／４はＬＤ部１０２に流す必要があり、ＳＯＡ部１０４の体積はＬＤ部１０２の３倍以下であることが重要となる。

一方、ＳＯＡ部１０４の体積がＬＤ部１０２より小さい場合の下限を考える。ＳＯＡ部１０４の光導波方向の長さが５０μｍ以下においては、ＬＤ部１０２の光増幅の効果を大きくとることができない。これは、注入した電流のほとんどが、半導体の損失を補償するために使われてしまうためである。一般的なＬＤ部１０２として光導波方向の長さ３００μｍ、導波路幅（ＬＤコア部１１２の平面視の幅）２μｍを考えた場合、ＳＯＡ部１０４の光導波方向の長が５０μｍでかつ反射の影響を抑えられる導波路幅（ＳＯＡコア部１１４の平面視の幅）３μｍの場合は、体積として１／４となる。よって、ＳＯＡ部１０４の体積がＬＤ部１０２の０．２５倍以下の条件では、ＳＯＡ部１０４をモノリシックに集積する利点が得られないものと考えられる。

次に、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法例について図８Ａ〜図８Ｋを用いて説明する。図８Ａ〜図８Ｋは、本発明の実施の形態における半導体光集積回路の製造方法を説明するための途中工程における状態を模式的に示す断面図である。

まず、図８Ａに示すように、ｎ型のＩｎＰからなる基板２０１の上に、よく知られた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる層厚６ｎｍの量子井戸層およびＩｎＧａＡｌＡｓからなる層厚１０ｎｍの障壁層を、交互に積層して量子井戸構造層２０２を形成する。形成する量子井戸構造層２０２は、２５℃における発光波長は約１４７０ｎｍとする。また、量子井戸構造層２０２は、量子井戸層および障壁層を１０層程度交互に積層することにより、消光に十分な光閉じ込め構造とする。

次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により量子井戸構造層２０２をパターニングすることで、図８Ｂに示すように、導波方向に所望の長さとした量子井戸構造パターン２０３を形成する。例えば、よく知られたスパッタ法などの堆積法により、酸化シリコンなどの絶縁材料を量子井戸構造層２０２の上に堆積して絶縁層を形成する。この絶縁層をリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、マスクパターンを形成する。形成したマスクパターンをマスクとして量子井戸構造層２０２を選択的にエッチングすることで、量子井戸構造パターン２０３が形成できる。量子井戸構造パターン２０３により、電界吸収型変調器からなるＥＡ部が構成される。

次に、図８Ｃに示すように、量子井戸構造パターン２０４，量子井戸構造パターン２０５を形成する。例えば、量子井戸構造パターン２０３のパターニングに用いた絶縁材料からなるマスクパターンを選択成長マスクとし、量子井戸構造パターン２０３の側方の基板２０１の上に、各量子井戸構造を構成する化合物半導体を堆積すればよい。量子井戸構造パターン２０４，量子井戸構造パターン２０５を形成した後、マスクパターンは除去する。

量子井戸構造パターン２０４，量子井戸構造パターン２０５も、前述同様に、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる層厚４ｎｍの量子井戸層およびＩｎＧａＡｌＡｓからなる層厚１０ｎｍの障壁層を交互に積層した量子井戸構造層より形成すればよい。量子井戸構造パターン２０４，量子井戸構造パターン２０５の２５℃における発光波長は約１５４０ｎｍとする。

量子井戸構造パターン２０４および量子井戸構造パターン２０５により、基板２０１の上で量子井戸構造パターン２０３を挟む状態に形成する。量子井戸構造パターン２０４により、分布帰還型レーザからなるＬＤ部が構成される。また、量子井戸構造パターン２０５により、半導体光増幅器からなるＳＯＡ部が構成される。

次に、図８Ｄに示すように、量子井戸構造パターン２０４と量子井戸構造パターン２０３との間、量子井戸構造パターン２０３と量子井戸構造パターン２０５との間、量子井戸構造パターン２０５の出力端側に、光導波層２０６を形成する。例えば、光導波層２０６を形成する領域に溝を備える絶縁材料による選択成長マスクを形成した後、この選択成長マスクをマスクとして下層を選択的にエッチング除去し、光導波層２０６となる領域に溝を形成する。引き続き、形成した溝に露出する基板２０１の上に、よく知られた選択成長法により、光導波層２０６となる化合物半導体を堆積すればよい。化合物半導体を堆積した後、選択成長マスクは除去する。

光導波層２０６により、ＬＤ部となる量子井戸構造パターン２０４と、ＥＡ部となる量子井戸構造パターン２０３と、ＳＯＡ部となる量子井戸構造パターン２０５量子井戸構造４とを分離する。また、光導波層２０６により、量子井戸構造パターン２０５と光出力端面とを分離する。

光導波層２０６の詳細な構造としては、例えば厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層と、厚さ２００ｎｍ、組成波長１３００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層と、厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層と積層した構造とすればよい。これら各半導体層を積層した光導波層２０６により、光損失を小さい状態で、各部分が光結合できるようになる。

光導波層２０６を形成することで、この領域における量子井戸構造パターン２０４、量子井戸構造パターン２０３、量子井戸構造パターン２０５を除去することになる。このように除去することで、各パターンの端部における量子井戸構造パターン２０４、量子井戸構造パターン２０５の結晶成長時のソースガスによる残差などの影響が除去できることになる。また、量子井戸構造パターン２０４、量子井戸構造パターン２０３、量子井戸構造パターン２０５などの間を直接接触させる場合に比較し、光損失をより小さい状態で光結合できるようになる。

次に、図８Ｅに示すように、量子井戸構造パターン２０４の最上層の障壁層上に、分布帰還型レーザからなるＬＤ部とするための回折格子２０４ａを形成する。

次に、図８Ｆに示すように、ｐ型のＩｎＰからなる半導体層２０７を形成する。次いで、半導体層２０７をパターニングし、図８Ｇに示すように、上部クラッド層２０８を形成する。形成した上部クラッド層２０８の平面視の形状（導波方向の幅）により、量子井戸構造パターン２０４（ＬＤ部），量子井戸構造パターン２０３（ＥＡ部），量子井戸構造パターン２０５（ＳＯＡ部）の各々における光導波路の延在方向や導波路幅が規定される。これらのことは、上部クラッド層２０８の下部に電流が供給されるものとなるためである。例えば、ＬＤ部の光導波方向の長さを３００μｍ、ＬＤ部の導波路幅を２μｍとし、ＳＯＡ部の光導波方向の長さを１５０μｍ、ＳＯＡの導波路幅を４μｍとした。ＳＯＡ部の体積はＬＤ部と同じになる。

従って、量子井戸構造パターン２０４および量子井戸構造パターン２０３における上部クラッド層２０８の平面視の形状は、光出力端面に垂直な方向に延在し、また、同一の幅とする。また、量子井戸構造パターン２０５における上部クラッド層２０８の平面視の形状は、光出力端面の平面に対して垂直とは異なる方向に延在し、量子井戸構造パターン２０４の部分より太い幅とする。

ここで、量子井戸構造パターン２０４における上部クラッド層２０８下部の領域の部分の体積が、ＬＤ部の体積となる。また、量子井戸構造パターン２０５における上部クラッド層２０８下部の領域の部分の体積が、ＳＯＡ部の体積となる。また、量子井戸構造パターン２０４および量子井戸構造パターン２０３における上部クラッド層２０８の平面視の幅（リッジ幅）を２μｍ程度にすると、上部クラッド層２０８下部に形成されるコア部による光導波路において、光通信に好適な安定した横シングルモード発振が得られる。また、量子井戸構造パターン２０５における上部クラッド層２０８の平面視の幅は、４μｍとすればよい。また、量子井戸構造パターン２０５における上部クラッド層２０８の延在方向（光導波方向）は、量子井戸構造パターン２０４および量子井戸構造パターン２０３における延在方向とは、５°異なる方向とすればよい。

次に、図８Ｈに示すように、上部クラッド層２０８および上部クラッド層２０８の側方の領域を覆う状態に、ＳｉＮからなる絶縁層２０９を形成する。次に、図８Ｉに示すように、絶縁層２０９の上に、例えばＢＣＢ（ベンゾクシロブテン）などの低誘電率材料からなる低誘電率層２１０を形成する。低誘電率層２１０は、光導波路の脇を埋め込み平坦にするよう形成する。また、導波路２０８の上の低誘電率層２１０および絶縁層２０９を除去し、ＬＤ部ｐ電極２８２ａ、ＥＡ部ｐ電極２８３ａ、ＳＯＡ部ｐ電極２８４ａを形成する。これら電極は、低誘電率層２１０および絶縁層２０９を貫通し、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層２０８に接続している。また、基板２０１の裏面にｎ電極２１１を形成する。

上述したように各電極を形成した後、劈開により素子を切り出し、後端面に反射率９０％の反射膜（不図示）、前端面に反射率０．０１％以下の低反射膜（不図示）をスパッタリング法により形成する。以上の製造方法により、ＬＤ部、ＥＡ部、ＳＯＡ部が同一基板上に集積されたリッジ導波路型半導体光集積デバイスが作製できる。なお、上述では、ＥＡ部となる量子井戸構造を形成した後、ＬＤ部およびＳＯＡ部となる量子井戸構造を形成したが、これに限るものではない。ＬＤ部およびＳＯＡ部となる量子井戸構造を形成した後、ＥＡ部となる量子井戸構造を形成しても同様である。

ところで、上述では、上部クラッド層２０８の形状により、量子井戸構造パターン２０４，量子井戸構造パターン２０３，量子井戸構造パターン２０５の各々における光導波路の延在方向や導波路幅を規定するようにしたが、これに限るものではない。

例えば、図８Ｆを用いて説明したように、ｐ型のＩｎＰからなる半導体層２０７を形成した後、上部クラッド層２０８を形成するとともに、上部クラッド層２０８と同じ平面形状に量子井戸構造パターン２０４，光導波層２０６，量子井戸構造パターン２０３，光導波層２０６，量子井戸構造パターン２０５，光導波層２０６をパターニングし、図８Ｊに示すように、量子井戸構造パターン２０４ａ，光導波層２０６ａ，量子井戸構造パターン２０３ａ，光導波層２０６ａ，量子井戸構造パターン２０５ａ，光導波層２０６ａとする。加えて、厚さ方向に一部の基板２０１も上部クラッド層２０８と同じ平面形状にパターニングし、下部クラッド層２０１ａを形成する。

この構成では、下部クラッド層２０１ａの上に、量子井戸構造パターン２０４ａ，光導波層２０６ａ，量子井戸構造パターン２０３ａ，光導波層２０６ａ，量子井戸構造パターン２０５ａ，光導波層２０６ａによるコア部が形成され、これらコア部の上に上部クラッド層２０８が形成され、これらで光導波路となる。この構成においては、ＬＤ部，ＥＡ部，ＳＯＡ部の各々における光導波路の延在方向や導波路幅が、量子井戸構造パターン２０４ａ，量子井戸構造パターン２０３ａ，量子井戸構造パターン２０５ａの形状により規定される。例えば、ＬＤ部の光導波方向の長さを３００μｍ、ＬＤ部の導波路幅を２μｍとし、ＳＯＡ部の光導波方向の長さを１５０μｍ、ＳＯＡの導波路幅を４μｍとした。ＳＯＡ部の体積はＬＤ部と同じになる。

以上のようにして各形状を形成した後、図８Ｋに示すように、光導波路の両脇を埋め込むように、高抵抗なＩｎＰからなる埋め込み層２１２を形成して電流狭窄構造とする。また、上部クラッド層２０８および埋め込み層２１２の上に絶縁層２１３を形成し、この上にＬＤ部ｐ電極２８２ａ、ＥＡ部ｐ電極２８３ａ、ＳＯＡ部ｐ電極２８４ａを形成する。これら電極は、絶縁層２１３を貫通し、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層２０８に接続している。また、基板２０１の裏面にｎ電極２１１を形成する。

次に、作製した素子を搭載した光送信モジュールについて、図９を用いて説明する。図９は、光送信モジュールの構成を示す構成図である。この光送信モジュールは、実施の形態における半導体光集積回路の素子３０１が、実装基板３０２に実装され、実装基板３０２が、ＣＡＮ型のパッケージの筐体３０４に収容されている。筐体３０４には、素子３０１から出射される光信号の光学系を構成するレンズ３０６が設けられている。

また、実装基板３０２の上に形成されている各電極端子と、素子３０１のＬＤ部ｐ電極３８２、ＥＡ部ｐ電極３８３、ＳＯＡ部ｐ電極３８４とが、ワイヤにより結線されている。ＬＤ部ｐ電極３８２およびＳＯＡ部ｐ電極３８４は、同一の端子に接続されている。また、ＥＡ部ｐ電極３８３は、実装基板３０２に形成されている高周波配線３０５に、結線のためのワイヤが最短となるように接続されている。

次に、上述したリッジ導波路型半導体光集積デバイスの動作方法について説明する。まず、ＬＤ部ｐ電極２８２ａおよびＳＯＡ部ｐ電極２８４ａに同時に順方向バイアスを印加する。このバイアス印加により、ＬＤ部においては、回折格子２０４ａにより光が周期的な帰還を受け、ＬＤ部からシングルモードでレーザ光が発振される。また、発振波長は１５５０ｎｍとなる。発信したレーザ光は光導波層２０６を通過してＥＡ部に入射する。ＥＡ部ｐ電極２８３ａに逆方向バイアスを印加することにより、レーザ光がＥＡ部で吸収される。これにより光のオン・オフができる。

ＥＡ部ｐ電極２８３ａに逆方向バイアスが印加されない状態では、レーザ光はＥＡ部で吸収されずに通過する。ＥＡ部を通過したレーザ光は、ＳＯＡ部を通過し、光出力端面よりデバイス外部に出射する。これにより、変調光のチャープを変換し、浅いＶ_bバイアスでのＥＡ変調器動作を可能とする。浅いＶ_bバイアスを反映してＬＤ部およびＳＯＡ部に対する注入電流８０ｍＡにおいて、８０ｋｍ伝送時の光出力として３ｄＢｍを得た。また動的消光比１０ｄＢ以上を得た。伝送距離８０ｋｍ以上におけるアイ・ダイアグラムにおいて良好なアイ開口を得ることが可能となった。

以上に説明したように、本発明によれば、ＳＯＡ部の光導波方向は、光出力端面の平面に対して垂直とは異なる角度としたので、製造ばらつきによらずに明瞭な変調光波形と充分な光強度が得られて長距離伝送が可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、各半導体の材料は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓに限るものではなく、他の化合物半導体から構成してもよいことは言うまでもない。

１０１…基板、１０２…レーザ（ＬＤ）部、１０３…変調（ＥＡ）部、１０４…増幅（ＳＯＡ）部、１０５…光出力端面、１０６…上部クラッド層、１０７…絶縁層、１０９…反射防止膜、１１２…ＬＤコア部、１１３…ＥＡコア部、１１４…ＳＯＡコア部、１１５…電極、１２２…ＬＤ電極、１２３…ＥＡ電極、１２４…ＳＯＡ電極。

Claims

基板の上に形成され分布帰還型レーザからなるレーザ部と、
光出力端面の側で前記レーザ部に光接続して前記基板の上に形成された電界吸収型変調器からなる変調部と、
前記変調部と前記光出力端面との間に配置されて前記変調部および前記光出力端面に光接続して前記基板の上に形成された半導体光増幅器からなる増幅部と
を備え、
前記レーザ部および変調部の光導波方向は、前記光出力端面の平面に対して垂直とされ、
前記増幅部の光導波方向は、前記光出力端面の平面に対して垂直とは異なる角度とされ、
前記増幅部の光導波路幅は、変調部の光導波路幅より太く形成され、
前記増幅部の光導波路幅は、高次の横モードが存在可能な幅以上とされていることを特徴とする半導体光集積回路。
請求項１記載の半導体光集積回路において、
前記レーザ部に電流を供給するための電極端子と前記増幅部に電流を供給するための電極端子とは同電位とされ、
前記レーザ部と前記増幅部との体積比は、
前記電極端子への動作電流の注入により、前記レーザ部の電流がレーザ発振閾値以上となり、かつ、前記増幅部において光の損失以上の増幅効果が得られる状態とされている
ことを特徴とする半導体光集積回路。