JP6761392B2

JP6761392B2 - 半導体光集積素子

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Publication number: JP6761392B2
Application number: JP2017179548A
Authority: JP
Inventors: 隆彦進藤; 小林　亘; 亘小林; 藤原　直樹; 直樹藤原; 慈金澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: JP2019057542A

Description

本発明は、InP基板上に電界吸収型（EA）光変調器を集積した半導体光集積素子に関する。より詳細には、本発明は、DFBレーザ、EA変調器および半導体光増幅器（SOA）からなる半導体光集積素子に関する。

分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）レーザは、単一波長性に優れており、単一の基板上に電界吸収型（ＥＡ: Electroabsorption）変調器とモノシリックに一体化して構成される形態が知られている。この形態の半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用発光装置として用いられ、信号光波長としては、主として、光ファイバの伝播損失が小さい１．５５μｍ帯、または、光ファイバに生じる波長分散の影響を受けにくい１.３μｍ帯が用いられている。

そして、このようなＥＡ−ＤＦＢレーザで長距離伝送が可能な光波形を得るためにはＤＣバイアスの絶対値は大きいほうがよい。一方で、高出力を得るためには、ＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスの絶対値は小さいほうがよい。すなわち、ＤＣバイアスの絶対値は、トレードオフの関係がある。このため、非特許文献１においては、上記トレードオフの関係を打ち消すために、ＥＡ変調器の出力端に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）をさらに集積することが開示されている。この非特許文献１の開示によれば、ＥＡ変調器の出力端に集積されたＳＯＡに電流注入を行うことにより、ＥＡ変調器から出力された変調光のチャープ値が変換されて、長距離伝送が実現される。

さらに、特許文献１においては、長距離伝送を実現するために、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器とＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子が開示されている。

特許第５８２３９２０号公報

Toshio Watanabe, 外３名, "Chirp Control of an Optical Signal Using Phase Modulation in a Semiconductor Optical Amplifier", Photonics Technology Letters, １９９８年７月, vol.10, No.7, p.1027-1029.

しかしながら、従来の半導体光集積素子の場合、出力端の素子端面で反射した変調光がＤＦＢレーザ側に戻ってＤＦＢレーザのレーザ光が乱れ得る。

本発明は、上記の状況下においてなされたものであり、ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノシリック集積した構成において、良好なレーザ光を得ることが可能な半導体光集積素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一形態に係る半導体光集積素子は、ＤＦＢレーザと、前記ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器と、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＥＡ変調器と同一基板上にモノリシック集積され、前記ＥＡ変調器の出射端に接続されたＳＯＡと、を含み、前記ＳＯＡの光導波路は、前記ＤＦＢレーザの出射光の光軸方向に対して平面視で傾斜する第１の方向に沿って光が伝搬するように配置され、前記ＳＯＡは、前記ＳＯＡの前記光導波路と離間して前記第１の方向に沿って形成された第１面と、前記光軸方向に対して平面視で前記第１面とは次第に離間する第２の方向に沿って形成された第２面と、を備え、かつ前記第２面は、前記ＥＡ変調器から前記光軸方向に沿って伝搬してくる光を、前記第２の方向に沿ってそらすように形成された溝部を有する。

この半導体光集積素子において、前記ＳＯＡの前記光導波路と前記溝部との離間距離は、前記ＳＯＡの前記光導波路を伝搬する光の電界強度分布の大きさに基づいて、前記溝部によって前記電界強度分布が乱れないように予め設定されるようにしても良い。

これらのいずれかの半導体光集積素子において、前記溝部は、平面視で三角形状としても良い。

これらのいずれか一つの半導体光集積素子において、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの各々は、同一の制御端子から電流が注入されるように構成されるようにしても良い。

本発明によると、ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノシリック集積した構成において、良好なレーザ光を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体光集積素子の制御の概略を説明するための図である。本実施形態の半導体光集積素子において、Ｉ_opとＩ_DFBとＩ_SOAとの関係を説明するための図である。本実施形態の半導体光集積素子の構成例を示す上面図である。本実施形態の半導体光集積素子において、光導波路を伝搬する光の伝搬方向におけるＤＦＢレーザからＳＯＡまでの断面を説明するための図である。図４のＡ−ＢにおけるＳＯＡの概略断面を説明するための模式図である。

以下、本発明の一実施形態である半導体光集積素子（以下、単に「光集積素子」という。）１００について説明する。この実施形態の光集積素子は、ＥＡ−ＤＦＢレーザである。

［光集積素子１００の制御概略］
図１は、本実施形態に係る光集積素子１００の制御の概略を説明するための図である。

図１に示すように、光集積素子１００は、光の伝搬方向に対して順に、ＤＦＢレーザ１１、ＥＡ変調器１２、およびＳＯＡ１３を備えており、これらの構成要素１１〜１３は、単一の半導体基板上に、一体的にモノシリック積層されている。

図１において、ＤＦＢレーザ１１とＳＯＡ１３とは、同一の制御端子１４から注入される電流値Ｉ_opによって制御される。このとき、ＤＦＢレーザ１１への注入電流をＩ_DFBとし、ＳＯＡ１３への注入電流をＩ_SOAとすると、電流値Ｉ_opは、Ｉ_op＝Ｉ_DFB＋Ｉ_SOAで与えられる。

一般に、ＥＡ−ＤＦＢレーザを搭載した光送信モジュールで許容されるＩ_opの値は６０〜８０ｍＡである。この観点から、本実施形態の光集積素子１００でも、Ｉ_opの上限値は、例えば８０ｍＡに設定されるのが好ましい。

上述したＩ_opとＩ_DFBとＩ_SOAとの関係は、後述する図２において、詳細に示してある。図２は、かかる関係を説明するための図である。図２では、一般的な長さである４５０μｍのＤＦＢレーザ１１が使用される。

図２に示すように、例えば、ＳＯＡ長が５０μｍの場合、ＳＯＡ長はＤＦＢレーザの長さ（４５０μｍ）に対して１／９となるため、電流値Ｉ_opの大部分はＤＦＢレーザに注入される。

一方、図２に示すように、ＳＯＡ長が１５０μｍの場合、ＳＯＡ長はＤＦＢレーザの長さに対して１／３となるため、Ｉ_op＝８０ｍＡのときは６０ｍＡ程度のＩ_DFBがＤＦＢレーザに注入され、２０ｍＡ程度のＩ_SOAがＳＯＡに注入される。

このように、ＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３の各長さを調整することで、それらに注入される電流Ｉ_DFB,Ｉ_SOAを調整することができる。

例えば、ＤＦＢレーザ１１の長さが４５０μｍの場合、ＤＦＢレーザ１１の駆動で閾値電流およびＳＭＳＲ(Sub-Mode Suppression Ratio)を得るためのＩ_opは、最低でも６０ｍＡが必要となる。このため、光導波方向におけるＳＯＡ長は、１５０μｍ以下とすることが好ましい。

また、例えばＤＢＲレーザ１を３００μｍに設定する場合は、必要なＳＭＳＲを得るためのＩ_opは、４０ｍＡ程度まで小さくすることができる。このため、ＳＯＡ１３を長くしてＳＯＡ１３への電流Ｉ_SOAを増やすことも可能となる。

このように、ＤＦＢレーザ１１とＳＯＡ１３の長さのバランス（比率）に応じて、所定の長さのＤＦＢレーザ１１に最低限必要な電流を投入できるようにＳＯＡ１３の長さを変更することで、安定的な単一モード動作と光出力の増幅の両立が実現できる。

［光集積素子１００の構成］
次に、上述した光集積素子１００の構成について、図３および図４を参照して説明する。図３は、光集積素子１００の構成例を示す図であって、（ａ）は光集積素子１００の上面図と、（ｂ）は光導波路５と溝部１３８との離間距離ｒを示す図を示す。図４は、光集積素子１００において、光導波路５を伝搬する光の伝搬方向におけるＤＦＢレーザ１１からＳＯＡ１３までの断面を説明するための図である。なお、この光集積素子１００の構成の説明に関連して例示する材料は一例であり、自在に変更することができる。

図３（ａ）に示すように、光集積素子１００は、ＤＦＢレーザ１１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１２と、ＥＡ変調器１２の出射端に接続されたＳＯＡ１３とを含む。

ＤＦＢレーザ１１およびＥＡ変調器１２においては、光導波路５は、ＤＦＢレーザ１１の出射光の光軸ｚの方向に沿って形成される。一方で、ＳＯＡ１３においては、光導波路５は、上述の光軸ｚの方向に対して傾斜する第１の方向に伝搬するように形成される。図３の例では、第１の方向は、光軸ｚ方向に対して、ｙ方向にθ１（例えば、３０°）傾斜する方向である。

ＳＯＡ１３の出射端面１３Ａ、すなわち光集積素子１００の出射端面１３Ａには、ＡＲ（Anti-Reflection）膜が形成される。

ＳＯＡ１３には、ＥＡ変調器１２から光軸ｚ方向に沿って伝搬してくる光ｄを除去するための溝部１３８を有する。

図３（ａ）では、溝部１３８は、ＳＯＡ１３の光導波路５と離間して上記第１の方向に沿って形成された第１面１３８ａと、ＥＡ変調器１２から光軸ｚ方向に伝搬する光ｄを第２の方向にそって形成された第２面１３８ｂとを有する。この実施形態では、第２の方向は、光軸ｚ方向に対して、ｙ方向にθ２（例えば、−３０°）傾斜する方向である。これにより、ＥＡ変調器１２から直進してくる光ｄは、光軸ｚ方向から第２の方向にずれて進むため、ＳＯＡ１３の出射端面１３Ａで反射したとしても、その反射光がＤＦＢレーザ１１側に戻らず、ＤＦＢレーザのレーザ光は乱れない。

なお、上述した第１の方向および／または第２の方向は、自在に変更することができる。例えば、上述した「θ１」の値を３５°とし、上述した「θ２」の値を−３０°とすることもできる。

一般に、光集積素子においては、斜めの光導波路を設けて出力端の素子端面にＡＲ膜を形成した場合であっても、ＡＲ膜で変調光が反射して迷光が発生するため、ＤＦＢレーザのレーザ光が乱れ得る。

この観点から、本実施形態の光集積素子１００では、出力端の素子端面１３ＡのＡＲ膜で反射した迷光によるＤＦＢレーザ１１のレーザ光の乱れが生じないように、溝部１３８を設けている。

溝部１３８は、図３（ｂ）に示すように、ＳＯＡ１３の光導波路５と距離ｒだけ離れて配置される。なお、図３に示したＡ−Ｂにおける溝部１３８の断面は、後述する図５において、概略的な模式図を示してある。

図４において、光集積素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板１０２を備え、この基板１０２上には、光導波方向に対して順に、ＤＦＢレーザ１１と、ＥＡ変調器１２と、ＳＯＡ１３と、受光器１４とが形成される。また、基板１０２の裏面には、ｎ型電極１０１を備える。

ＤＦＢレーザ１１は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０３上に積層された活性層１０４とガイド層１０５とを有する。そして、ガイド層１０５には、λ／４位相シフト１０５Ａおよび回折格子１０５Ｂを含む。活性層１０４は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系またはＩｎＧａＡｓＰ系の材料で形成される。

ガイド層１０５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６が形成され、このクラッド層１０６上にｐ型電極１０７が設けられる。この電極１０７には、図１に示した電流Ｉ_DFBが注入される。

ＥＡ変調器１２は、クラッド層１０３上に積層された吸収層１０８とクラッド層１０６とｐ型電極１０９とを有する。電極１０９には、ＥＡ変調器１２を駆動させるためのバイアス電圧Ｖ_biと高周波電圧ＲＦとが、バイアスＴ２００を介して印加される。これにより、ＥＡ変調器１２では、ＤＦＢレーザ１１からの光を変調するが可能になる。

吸収層１０８は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系またはＩｎＧａＡｓＰ系の材料で形成され、量子井戸構造を有する。

ＳＯＡ１３は、前述のクラッド層１０３上に積層された活性層１３１とガイド層１３２とクラッド層１０６とｐ型電極１３３とを有する。活性層１３１は、ＤＦＢレーザ１１の活性層１０４と同一の組成を有し、ガイド層１３２は、ＤＦＢレーザ１１のガイド層１０５と同一の組成を有する。この実施形態では、ＳＯＡ１３の電極１３３には、図１に示した電流Ｉ_SOAが注入される。この実施形態では、例えば、２５℃におけるＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３での発光波長は約１．５５μｍとする。

図５は、図３のＡ−ＢにおけるＳＯＡ１３の概略断面を説明するための模式図である。

図５に示すように、ＳＯＡ１３においては、活性層１３１は、基板１０２の上に設けられたクラッド層１０３，１０６の間に形成され、ｐ型電極１３３は、コンタクト層１３４を介して、クラッド層１０６上に形成される。

図５では、溝部１３８は、活性層１３１から距離ｒ隔てて形成される。距離ｒは、光導波路５を伝搬する光の遠方出射パターン (ＦＦＰ：Far Field Pattern) の電界強度分布ｈの大きさを考慮して予め設定される。この実施形態では、電界強度分布ｈのｙ方向の幅は、２μｍ〜４μｍとなるので、距離ｒは、溝部１３８によって電界強度分布ｈが乱されないように、２μｍ以上とする。一方で、溝部１３８を光導波路５から離しすぎると、溝部１３８では、ＥＡ変調器１２から光軸ｚ方向に伝搬して蛇行する光をひろいやすくなる。このため、ＥＡ変調器１２から直進してくる光成分をカットするため、距離ｒは、１５μｍ以下とするのが好ましい。すなわち、例えば、２μｍ≦ｒ≦１５μｍとなる。

以上説明したように、本実施形態の光集積素子１００においては、ＳＯＡ１３の光導波路５は、ＤＦＢレーザ１１の出射光の光軸ｚ方向に対して平面視で傾斜する第１の方向に沿って光が伝搬するように配置される。さらに、ＳＯＡ１３は、ＳＯＡ１３の光導波路５と離間して形成され、かつＥＡ変調器１２から光軸ｚ方向に沿って伝搬してくる光ｄを、第２の方向にそらすように形成された溝部１３８を有する。このために、ＥＡ変調器１２から直進してくる光ｄは、光軸ｚ方向から第２の方向にずれて進むため、ＳＯＡ１３の出射端面１３Ａで反射したとしても、その反射光がＤＦＢレーザ１１側に戻らず、ＤＦＢレーザのレーザ光は乱れない。したがって、良好なレーザ光の遠方出射パターン (ＦＦＰ：Far Field Pattern) を得ることができる。

次に、本実施形態の光集積素子１００の変形例について説明する。

（変更例１）
溝部１３８は、本実施形態で例示した形状に限られない。ＥＡ変調器１２から直進してくる光ｄを第２の方向にそらすことができるのであれば、変更するようにしてもよい。例えば、溝部１３８の第２面１３８ｂは、段階的に傾斜角度を変えて形成するようにしてもよい。あるいは、溝部１３８の第２面１３８ｂは、曲線状に形成するようにしてもよい。

（変更例２）
上記各実施形態では、光集積素子１００を光送信モジュールに搭載する態様について言及しなかったが、そのような光送信モジュールを構成するようにしてもよい。

（変更例３）
以上では、図１を参照して、同一の制御端子１４からＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３の各々に電流を注入する場合について説明したが、異なる制御端子から、ＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３の各々に電流を注入するようにしてもよい。この場合、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの各ｐ型電極１０７，１３３には、それぞれの制御端子から電流Ｉ_DFB，Ｉ_SOAが注入される。

（変更例４）
以上では、１．５５μｍ波長で発振する場合について説明したが、それ以外の波長を適用しても上記実施形態と同等の効果を得ることができる。例えば１．３μｍ帯で発振する場合についても、光通信用の光集積素子１００の各構成要素１１，１２，１３の結晶組成を変更して適用することもできる。

１１ＤＦＢレーザ
１２ＥＡ変調器
１３ＳＯＡ
１４制御端子
１００半導体光集積素子
１０１ｐ型電極
１０２基板
１０３，１０６，１１１，１１４クラッド層
１０４活性層
１０５ガイド層
１３８溝部
１３８ａ第１面
１３８ｂ第２面

Claims

ＤＦＢレーザと、
前記ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器と、
前記ＤＦＢレーザおよび前記ＥＡ変調器と同一基板上にモノリシック集積され、前記ＥＡ変調器の出射端に接続されたＳＯＡと、を含み、
前記ＳＯＡの光導波路は、前記ＤＦＢレーザの出射光の光軸方向に対して平面視で傾斜する第１の方向に沿って光が伝搬するように配置され、
前記ＳＯＡは、前記ＳＯＡの前記光導波路と離間して前記第１の方向に沿って形成された第１面と、前記光軸方向に対して平面視で前記第１面とは次第に離間する第２の方向に沿って形成された第２面と、を備え、かつ前記第２面は、前記ＥＡ変調器から前記光軸方向に沿って伝搬してくる光を、前記第２の方向に沿ってそらすように形成された溝部を有する
ことを特徴とする半導体光集積素子。
前記ＳＯＡの前記光導波路と前記溝部との離間距離は、前記ＳＯＡの前記光導波路を伝搬する光の電界強度分布の大きさに基づいて、前記溝部によって前記電界強度分布が乱れないように予め設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
前記溝部は、平面視で三角形状である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光集積素子。
前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの各々は、同一の制御端子から電流が注入されるように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子。