JP6729096B2 - 光半導体集積素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば光ファイバ通信の送信用光源として用いられる光半導体集積素子に関する。

特許文献１には、装置を小型化するために複数の変調器集積レーザをモノリシック集積した光源が開示されている。

特開２０１５−１７３２２３号公報

２つの変調器部の電極およびそれらの上に接続される給電ワイヤ同士を近接させる場合、変調信号の電気的クロストークの影響を考慮する必要がある。例えば、２つの変調器部の電極を光伝搬方向にずらして配置すれば、２つの変調器部の電極を並列に配置する場合に比べて電気的クロストークを低減できる。しかしながら、２つの変調器部の電極を光伝搬方向にずらすと、ずらした分だけ光の伝搬方向に基板を大きくしなければならない。

変調信号の電気的クロストークを低減する別の方法として、２つの変調器部の電極を並列に配置したまま電極間の距離を離すことが考えられる。しかしながらこの場合、基板サイズが光の伝搬方向と垂直方向に大きくなってしまう。

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、基板サイズを拡大することなく変調器部間の電気的クロストークを低減できる光半導体集積素子を提供することを目的とする。

本願の発明に光半導体集積素子は、第１長辺、該第１長辺に対向する第２長辺、第１短辺、及び該第１短辺に対向する第２短辺を有する基板と、該基板に形成された第１光源と、該基板に形成された第２光源と、該基板に形成された、該第１光源と該第２光源の出力光を合波する光合波器と、を備え、該第１光源は、第１レーザ部と、該第１レーザ部に接続され該第１レーザ部より第２短辺側に設けられた第１導波路と、該第１導波路に接続され該第１導波路よりも第２短辺側に設けられた第１変調器部と、該第１変調器部に接続され該第１変調器部より第２短辺側に設けられた第１曲がり導波路と、を有し、該第２光源は、第２レーザ部と、該第２レーザ部に接続され該第２レーザ部よりも第２短辺側に設けられた第２曲がり導波路と、該第２曲がり導波路に接続され該第２曲がり導波路より該第２短辺側に設けられた第２変調器部と、該第２変調器部に接続され該第２変調器部より前第２短辺側に設けられた第２導波路と、を有し、該第１変調器は該第２変調器よりも該第１短辺側にあり、該第１光源は該第１長辺側に設けられ、該第２光源は該第２長辺側に設けられ、該第１曲がり導波路は、該第１変調器部の出力光を該第２長辺側にシフトさせ、該第２曲がり導波路は、該第２レーザ部の出力光を該第１長辺側にシフトさせることを特徴とする。

本発明によれば、第１変調器部の出力側に曲がり導波路を設け、第２変調器部の入力側に曲がり導波路を設けるので、基板サイズを拡大することなく変調器部間の電気的クロストークを低減できる。

実施の形態に係る光半導体集積素子の平面図である。 第１比較例に係る光半導体集積素子の平面図である。 第２比較例に係る光半導体集積素子の平面図である。

本発明の実施の形態に係る光半導体集積素子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。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る光半導体集積素子の平面図である。基板１０は、第１長辺１０ａ、第１長辺１０ａに対向する第２長辺１０ｂ、第１短辺１０ｃ、及び第１短辺１０ｃに対向する第２短辺１０ｄを有する。基板１０は平面視で長方形に形成されている。基板１０の材料は例えばｎ型ＩｎＰである。

基板１０には第１光源２０、第２光源２２、光合波器３０、導波路３２がモノリシックに形成されている。第１光源２０と第２光源２２の出力光が光合波器３０で合波されて、導波路３２に出力される。

第１光源２０は、第１レーザ部１２ａと、第１レーザ部１２ａに接続された第１導波路１４ａと、第１導波路１４ａに接続された第１変調器部１６ａと、第１変調器部１６ａに接続された第１曲がり導波路１８ａとを有している。第１導波路１４ａは第１レーザ部１２ａより第２短辺１０ｄ側に設けられている。第１変調器部１６ａは第１導波路１４ａよりも第２短辺１０ｄ側に設けられている。第１曲がり導波路１８ａは第１変調器部１６ａより第２短辺１０ｄ側に設けられている。第１短辺１０ｃ側から、第１レーザ部１２ａ、第１導波路１４ａ、第１変調器部１６ａ、第１曲がり導波路１８ａが第１長辺１０ａに沿って設けられている。第１導波路１４ａは直線的な導波路である。

第２光源２２は、第２レーザ部１２ｂと、第２レーザ部１２ｂに接続された第２曲がり導波路１４ｂと、第２曲がり導波路１４ｂに接続された第２変調器部１６ｂと、第２変調器部１６ｂに接続された第２導波路１８ｂと、を有している。第２曲がり導波路１４ｂは第２レーザ部１２ｂよりも第２短辺１０ｄ側に設けられている。第２変調器部１６ｂは第２曲がり導波路１４ｂより第２短辺１０ｄ側に設けられている。第２導波路１８ｂは第２変調器部１６ｂより第２短辺１０ｄ側に設けられている。第１短辺１０ｃ側から、第２レーザ部１２ｂ、第２曲がり導波路１４ｂ、第２変調器部１６ｂ、第２導波路１８ｂが第２長辺１０ｂに沿って設けられている。第２導波路１８ｂは直線的な導波路である。

第１導波路１４ａを第１曲がり導波路１８ａより短くしつつ、第２曲がり導波路１４ｂを第２導波路１８ｂより長くすることで、第１変調器部１６ａは第２変調器部１６ｂよりも第１短辺１０ｃ側に設けた。言い換えれば、第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂを基板１０の長手方向にずらして設ける。図１には、第１変調器部１６ａと第２曲がり導波路１４ｂが対向し、第２変調器部１６ｂと第１曲がり導波路１８ａが対向することで、第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂが基板１０の長手方向にずれたことが示されている。

第１光源２０は第１長辺１０ａ側に設けられ、第２光源２２は第２長辺１０ｂ側に設けられている。第１曲がり導波路１８ａは、第１変調器部１６ａの出力光を第２長辺１０ｂ側にシフトさせ、第２曲がり導波路１４ｂは、第２レーザ部１２ｂの出力光を第１長辺１０ａ側にシフトさせる。

第１レーザ部１２ａと第２レーザ部１２ｂは、波長の異なる埋込導波路型の半導体レーザ素子である。第１レーザ部１２ａと第２レーザ部１２ｂは例えばＤＦＢレーザ素子である。第１レーザ部１２ａと第２レーザ部１２ｂのコア層は例えばＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ又はＡｌＧａＩｎＡｓ−ＭＱＷで構成されている。２つのレーザ部の上面は電極になっており、これらの電極間の熱的なクロストークの影響等を考慮し、第１レーザ部１２ａの中心と第２レーザ部１２ｂの中心は１３８μｍだけ離した。

第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂは、埋込導波路型の電界吸収型変調器である。第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂのコア層は例えばＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ又はＡｌＧａＩｎＡｓ−ＭＱＷで構成されている。２つの変調器部の上面が変調電極になっている。第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂの電気的なクロストークを考慮し、第１変調器部１６ａの中心と第２変調器部１６ｂの中心を２０９μｍ離した。

第１曲がり導波路１８ａと第２曲がり導波路１４ｂは、例えば曲率半径３００μｍの曲がり導波路である。第１曲がり導波路１８ａと第２曲がり導波路１４ｂのコア層はＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓバルク導波路で構成されている。

光合波器３０は、埋込導波路型のＭＭＩ(Multi-Mode Interface)合波器である。光合波器３０のコア層は、第１曲がり導波路１８ａのコア層及び第２導波路１８ｂのコア層と一体形成されている。また、出射用光導波路である導波路３２は埋込導波路型である。導波路３２のコア層は第１曲がり導波路１８ａ、第２導波路１８ｂ及び光合波器３０のコア層と一体形成されている。

光の伝搬について説明する。第１レーザ部１２ａの出力光は、第１変調器部１６ａで強度変調され、第１曲がり導波路１８ａを伝搬して光合波器３０へ入射する。第１レーザ部１２ａの出力光は、第１曲がり導波路１８ａに入射するまでは、第１長辺１０ａと平行に進むが、第１曲がり導波路１８ａを伝搬することで第２長辺１０ｂ側に移動する。

一方、第２レーザ部１２ｂの出力光は、第２曲がり導波路１４ｂを伝搬した後に第２変調器部１６ｂで強度変調され、光合波器３０へ入射する。第２レーザ部１２ｂの出射光は、第２曲がり導波路１４ｂにより第１長辺１０ａ側に移動し、その後は、第２長辺１０ｂと平行に進む。光合波器３０は前述の２つの入射光を１つに合波し導波路３２に出力する。

これら第１レーザ部１２ａ、第２レーザ部１２ｂ、第１導波路１４ａ、第２曲がり導波路１４ｂ、第１変調器部１６ａ、第２変調器部１６ｂ、第１曲がり導波路１８ａ、第２導波路１８ｂ、光合波器３０及び導波路３２は、基板１０上にバットジョイント法を用いてモノリシック集積されている。第１短辺１０ｃの長さと第２短辺１０ｄの長さは例えば２５０μｍである。第１長辺１０ａの長さと第２長辺１０ｂの長さは例えば１５００μｍである。

図２は、第１比較例に係る光半導体集積素子の平面図である。第１比較例では、第２変調器部１６ｂと第２レーザ部１２ｂが第２導波路１８ｂでつながれ、第２変調器部１６ｂと光合波器３０が第２曲がり導波路１４ｂでつながれた点で、図１の構成と異なる。この相違点により、第１比較例では、第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂの中心間距離は１３８μｍとなっている。図１の構成では、第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂの中心間距離は２０９μｍであるから、第１比較例に係る光半導体集積素子は、変調電極間の電気的クロストークが顕在化する。なお、第１比較例の基板サイズは図１の基板１０のサイズと同じである。

図３は、第２比較例に係る光半導体集積素子の平面図である。第２比較例では、第１変調器部１６ａと光合波器３０の間に第１曲がり導波路１８ａを設け、第２変調器部１６ｂと光合波器３０の間に第２曲がり導波路１４ｂを設けるので、２つの変調器部の間隔を大きくすることが難しい。第２比較例では、２つの変調器部の間隔を大きくするために、第１長辺１０ａと第２長辺１０ｂの長さを１６４５μｍと長くしたうえで、第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂを基板１０の長手方向にずらした。第２比較例の第１長辺１０ａと第２長辺１０ｂの長さは、図１の第１長辺１０ａと第２長辺１０ｂの長さである１５００μｍよりも１４５μｍ大きい。第２比較例の第１短辺１０ｃと第２短辺１０ｄの長さは図１の第１短辺１０ｃ及び第２短辺１０ｄと同様２５０μｍである。第２比較例では、このように、第１長辺１０ａと第２長辺１０ｂの長さを長くすることで、第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂの距離を図１の第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂの距離と等しい２０９μｍとした。

第１比較例の場合には第１変調器部１６ａと第２変調器部１６ｂの間の距離を大きくできないので、２つの変調器部の電極間の電気的クロストークが顕在化する。第２比較例の場合には２つの変調器部の電極間の電気的クロストークは抑制できるが基板サイズが大きくなる。

ところが、本発明の実施の形態に係る光半導体集積素子では、第１レーザ部１２ａと第１変調器部１６ａは直線的な第１導波路１４ａでつなぎ、第１変調器部１６ａと光合波器３０を第１曲がり導波路１８ａでつなぐとともに、第２レーザ部１２ｂと第２変調器部１６ｂを第２曲がり導波路１４ｂでつなぎ、第２変調器部１６ｂと光合波器３０を直線的な第２導波路１８ｂでつなぐ。これにより、基板１０のサイズを拡大することなく２つの変調器部を離すことができる。例えば、基板１０のサイズは２５０×１５００μｍと小さくしつつ、２つの変調器部を２０９μｍ離して配置できる。よって、基板１０のサイズを拡大することなく２つの変調器部間の電気的クロストークを低減できる。

本発明の実施の形態に係る光半導体集積素子はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば、第１光源２０、第２光源２２、光合波器３０及び導波路３２の導波路構造は、埋込型に限定されず、リッジ型又はハイメサ型とすることができる。基板１０は、ｎ型半導体基板に限定されず、ｐ型半導体基板又は半絶縁性基板を用いてもよい。

１０ 基板、 １２ａ 第１レーザ部、 １６ａ 第１変調器部、 １８ａ 第１曲がり導波路、 １２ｂ 第２レーザ部、 １４ｂ 第２曲がり導波路、 １６ｂ 第２変調器部

Claims (3)

1. 第１長辺、前記第１長辺に対向する第２長辺、第１短辺、及び前記第１短辺に対向する第２短辺を有する基板と、
   前記基板に形成された第１光源と、
   前記基板に形成された第２光源と、
   前記基板に形成された、前記第１光源と前記第２光源の出力光を合波する光合波器と、を備え、
   前記第１光源は、第１レーザ部と、前記第１レーザ部に接続され前記第１レーザ部より前記第２短辺側に設けられた第１導波路と、前記第１導波路に接続され前記第１導波路よりも前記第２短辺側に設けられた第１変調器部と、前記第１変調器部に接続され前記第１変調器部より前記第２短辺側に設けられた第１曲がり導波路と、を有し、
   前記第２光源は、第２レーザ部と、前記第２レーザ部に接続され前記第２レーザ部よりも前記第２短辺側に設けられた第２曲がり導波路と、前記第２曲がり導波路に接続され前記第２曲がり導波路より前記第２短辺側に設けられた第２変調器部と、前記第２変調器部に接続され前記第２変調器部より前記第２短辺側に設けられた第２導波路と、を有し、
   前記第１変調器部は前記第２変調器部よりも前記第１短辺側にあり、
   前記第１光源は前記第１長辺側に設けられ、
   前記第２光源は前記第２長辺側に設けられ、
   前記第１曲がり導波路は、前記第１変調器部の出力光を前記第２長辺側にシフトさせ、
   前記第２曲がり導波路は、前記第２レーザ部の出力光を前記第１長辺側にシフトさせることを特徴とする光半導体集積素子。
2. 前記第１レーザ部と前記第２レーザ部はＤＦＢレーザ素子であり、
   前記第１変調器部と前記第２変調器部は、電界吸収型変調器であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体集積素子。
3. 前記第１光源と前記第２光源の導波路構造は、埋込型、リッジ型、又はハイメサ型のいずれか１つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体集積素子。

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