JP7130128B2 - 光半導体装置 - Google Patents

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Description

本願は、光半導体装置に関するものである。
近年、光通信の分野において、光伝送方式の高速化及び大容量化が進んでおり、その中核技術として、波長が異なる複数の光信号を１本の光ファイバで多重に伝送する波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）方式が普及している。また、ＷＤＭ方式に加えて、光伝送方式の高速化及び大容量化に向けて必須となるもう１つの中核技術として、変調に光の位相情報を利用するデジタルコヒーレント方式が急速に進展している。
特許文献１の図２６には、デジタルコヒーレント方式の送受信装置に用いる光半導体装置である波長可変光源が記載されている。特許文献１の図２６の波長可変光源では、半導体レーザアレイと、半導体レーザの出力光を合波する合波器と、合波器からの出力光を増幅する光増幅器とがモノリシックに集積されている。この波長可変光源は、半導体レーザにおける一端である前端面から出力された出力光（前方出力光）を通信用に増幅器を介して前端面から出力しており、半導体レーザにおける他端である後端面から出力された出力光（後方出力光）をモニタできるように後端面から出力する構成になっている。
特開２０１６－１４９５２９号公報（図２６）
デジタルコヒーレント方式においては、光の位相情報を用いることから、光源の位相ノイズが問題となる。光源の位相ノイズを表す指標として、スペクトル線幅が用いられており、スペクトル線幅の狭線幅化が重要となる。
特許文献１の図２６の波長可変光源は、半導体レーザアレイの各半導体レーザから出力される後方出力光を後端面に対して垂直に出力し、波長可変光源外部において波長モニタを接続する構成となっている。そのため、後方出力光が後端面から半導体レーザに反射され、光通信に用いる前方出力光のスペクトル線幅が増大してしまうという問題があった。
本願明細書に開示される技術は、半導体レーザアレイの各半導体レーザから出力される出力光の後側の端面での反射による半導体レーザへの戻り光を低減でき、光通信用の出力光のスペクトル線幅の増大を抑制できる光半導体装置を得ることを目的とする。
本願明細書に開示される一例の光半導体装置は、半導体基板に複数の半導体レーザ、複数の光検出器、複数の導波路及び光合波回路が形成されている光半導体装置であって、前端側から第一の光を出力すると共に前端側と反対側で後端側から第二の光を出力する複数の半導体レーザと、複数の半導体レーザから出力された第一の光を合波して出力光を出力する光合波回路と、第二の光のそれぞれを当該光半導体装置の一端面側へ導波する複数の導波路と、導波路を導波した第二の光のそれぞれが一端面又は一端面に形成された複数の凹部の傾斜端面にて反射した反射光のそれぞれを受光する複数の光検出器と、を備えている。光検出器は半導体レーザの後端側と一端面又は傾斜端面との間に配置されており、導波路から出力される第二の光は一端面又は傾斜端面の垂線に対して斜めに出力される。
本願明細書に開示される一例の光半導体装置は、各半導体レーザの後端側から出力された第二の光を一端面又は一端面に形成された凹部の傾斜端面にて反射した反射光を受光する光検出器を半導体レーザ毎に備えているので、後側の端面での反射による半導体レーザへの戻り光を低減でき、光通信用の出力光のスペクトル線幅の増大を抑制できる。
実施の形態１に係る光半導体装置を示す図である。 図１の第三導波路の第一例及び光検出器における後端面側の拡大図である。 図１におけるＡ－Ａの断面図である。 図１におけるＢ－Ｂの断面図である。 図１におけるＣ－Ｃの断面図である。 図１におけるＤ－Ｄの断面図である。 図１の第三導波路の第一例を示す図である。 図１の第三導波路の第二例を示す図である。 実施の形態２に係る光半導体装置を示す図である。 図９におけるＥ－Ｅの断面図である。 実施の形態３に係る光半導体装置を示す図である。 図１１の第三導波路の第一例及び光検出器における後端面側の拡大図である。 図１１の第三導波路の第二例を示す図である。 図１１の第三導波路の第三例を示す図である。 図１１の第三導波路の第四例を示す図である。 実施の形態４に係る光半導体装置を示す図である。
実施の形態１．
実施の形態１の光半導体装置１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。図１は実施の形態１に係る光半導体装置を示す図であり、図２は図１の第三導波路の第一例及び光検出器における後端面側の拡大図である。図３は図１におけるＡ－Ａの断面図であり、図４は図１におけるＢ－Ｂの断面図である。図５は図１におけるＣ－Ｃの断面図であり、図６は図１におけるＤ－Ｄの断面図である。図７は図１の第三導波路の第一例を示す図であり、図８は図１の第三導波路の第二例を示す図である。実施の形態１の光半導体装置１は、光検出器が集積されると共にスペクトル線幅が従来よりも狭い狭線幅光源の一例を示している。実施の形態１の光半導体装置１は、複数の半導体レーザ２、光合波回路４、光増幅器６、各半導体レーザ２と光合波回路４とを接続する複数の第一導波路３、光合波回路４と光増幅器６とを接続する第二導波路５、各半導体レーザ２から後端面１２へ延伸する複数の第三導波路８、各第三導波路８から出力された第二出力光１０の反射光１１を受光する複数の光検出器９を備えている。複数の半導体レーザ２、複数の第一導波路３、複数の第三導波路８、複数の光検出器９は、それぞれ半導体レーザアレイ、第一導波路アレイ、第三導波路アレイ、光検出器アレイを構成している。半導体レーザ２、第一導波路３、第三導波路８、光検出器９のそれぞれの数は同数である。図１では、光検出器９が半導体レーザ２の延伸方向に対して傾いて延伸している例を示した。
図１では、４個の半導体レーザ２を備えた光半導体装置１の例を示したが、実際には半導体レーザ２は複数あればよく、例えば１６個でもよい。半導体レーザ２は、例えばＤＦＢ－ＬＤ（Distributed feedback-laser diode）である。それぞれの半導体レーザ２は、一端が第一導波路３に接続され、他端が第三導波路８に接続され、異なる波長で単一モードの光を発振可能である。なお、光半導体装置１に予備の半導体レーザ２が搭載されている場合は、同一の波長の光を発振する半導体レーザ２もある。光合波回路４は、多入力一出力の光合波回路である。半導体レーザ２が１６個の場合は、光合波回路４は１６×１－ＭＭＩ（Multi-Mode Interference）である。光合波回路４は、入力側に複数の第一導波路３が接続され、出力側に第二導波路５が接続されており、各第一導波路３から入力された対応する半導体レーザ２の第一の出力光を合波し、当該合波した第一の出力光を第二導波路５に出力する。光増幅器６は、第二導波路５に接続され、第一の出力光を増幅して光半導体装置１の外部に第一出力光７として出力する。
第一導波路３は半導体レーザ２から出力された第一の出力光を光合波回路４へ導波させる（伝搬させる）。第三導波路８は半導体レーザ２から後端面１２側へ出力された第二の出力光を後端面１２へ導波させる。光検出器９は、第三導波路８から後端面１２へ出力され、後端面１２で反射された反射光１１を吸収し検出電流を出力する。実施の形態１の光半導体装置１は、半導体レーザ２が出力した第一の出力光である第一出力光７を光通信に使用し、半導体レーザ２が出力した第二の出力光の一部である反射光１１をモニタに使用する。光検出器９で反射光１１がモニタされ出力された検出電流は半導体レーザ２の波長調整等に使用される。光半導体装置１の後端面１２及び第一出力光７が出力される後端面１２と反対側の端面である前端面は、劈開により形成される。
半導体レーザ２、光検出器９、光増幅器６、第一導波路３、第二導波路５、第三導波路８の縦構造を説明する。第一導波路３、第二導波路５、第三導波路８の縦構造は、同一なので、第二導波路５を代表として説明する。半導体レーザ２は、ＩｎＰの半導体基板１５、ＩｎＰの半導体基板１５の表面に形成されたエピ構造部４１、エピ構造部４１の表面側に形成されたアノード電極２３、半導体基板１５の裏面に形成されたカソード電極２１を備えている。エピ構造部４１は、半導体基板１５の表面に順次形成されたＩｎＰの第一クラッド層１６、ＩｎＰの電流ブロック層１７及び活性層２０、ＩｎＰの第二クラッド層１８を備えている。なお、図３では、活性層２０の表面又は裏面に形成された回折格子と、第二クラッド層１８の表面すなわちエピ構造部４１の表面に形成されたコンタクト層は省略した。活性層２０は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓである。半導体レーザ２は、順バイアスが印加された場合、アノード電極２３から電流注入されることで活性層２０に利得が生じて自然放出光が発生し、図示しない回折格子によって特定の波長の自然放出光が誘導放出の種光となり、予め定められた閾値電流を超えるとレーザ発振する。カソード電極２１は、半導体レーザ２、光増幅器６、光検出器９に共通のカソード電極であり、例えば半導体基板１５の裏面の全面に形成されている。
光検出器９は、ＩｎＰの半導体基板１５、ＩｎＰの半導体基板１５の表面に形成されたエピ構造部４１、エピ構造部４１の表面側に形成されたアノード電極２２、半導体基板１５の裏面に形成されたカソード電極２１を備えている。光検出器９のエピ構造部４１は、第一クラッド層１６の表面にＩｎＰの電流ブロック層１７及び光吸収層１９が形成されている点で、半導体レーザ２のエピ構造部４１と異なる。なお、図４では、第二クラッド層１８の表面すなわちエピ構造部４１の表面に形成されたコンタクト層は省略した。光吸収層１９は、反射光１１を吸収するＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓである。光検出器９は、順バイアスが印加されない場合、光吸収層１９にて反射光１１を吸収する。また、光検出器９は、逆バイアスが印加された場合、光吸収層１９にて反射光１１を吸収し、検出電流を出力する。
光増幅器６は、ＩｎＰの半導体基板１５、ＩｎＰの半導体基板１５の表面に形成されたエピ構造部４１、エピ構造部４１の表面側に形成されたアノード電極２４、半導体基板１５の裏面に形成されたカソード電極２１を備えている。光増幅器６のエピ構造部４１は、第一クラッド層１６の表面にＩｎＰの電流ブロック層１７及び活性層２５が形成されている点で、半導体レーザ２のエピ構造部４１と異なる。なお、図５では、第二クラッド層１８の表面に形成されたコンタクト層は省略した。活性層２５は、第二導波路５を導波する導波光に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓである。なお、光増幅器６は、順バイアスが印加された場合、半導体レーザ２から出力された出力光を増幅する機能を有するが、単独ではレーザ発振しないように設計されている。また、光増幅器６は、順バイアスが印加されない場合、活性層２５は光吸収層として動作するため、波長切り替えの際のシャッターとして利用することが可能である。
第二導波路５は、ＩｎＰの半導体基板１５、ＩｎＰの半導体基板１５の表面に形成されたエピ構造部４１、半導体基板１５の裏面に形成されたカソード電極２１を備えている。なお、カソード電極２１は第二導波路５の機能上必要ではないが、第二導波路５の光閉込層２６の下方の半導体基板１５の裏面にカソード電極２１が形成されている。第二導波路５のエピ構造部４１は、第一クラッド層１６の表面にＩｎＰの電流ブロック層１７及び光閉込層２６が形成されている点で、半導体レーザ２のエピ構造部４１と異なる。光閉込層２６は、ＩｎＧａＡｓＰである。なお、前述したように第一導波路３、第二導波路５、第三導波路８の縦構造は、同一なので、第一導波路３、第三導波路８の縦構造も図６と同じである。
半導体レーザ２の活性層２０、光検出器９の光吸収層１９、光増幅器６の活性層２５、第一導波路３、第二導波路５、第三導波路８の光閉込層２６は、それぞれＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置等を用いて形成されたエピタキシャル層である。活性層２０、光吸収層１９、活性層２５、光閉込層２６は、それぞれ第一クラッド層１６の表面に形成されるので、フォトリソグラフィー技術、エッチング技術を用いて個別に形成される。なお、活性層２０、光吸収層１９、活性層２５、光閉込層２６を同一の材料で形成する場合には、第一クラッド層１６の表面にエピタキシャル層を形成した後にエッチングにより各活性層２０、光吸収層１９、活性層２５、光閉込層２６を形成すことができる。
半導体レーザ２のアノード電極２３は、図１のように半導体レーザ２の長手方向に延伸しており、外部と接続する部分である外部接続部（破線円の部分）は例えば光半導体装置１の短手方向の一端側又は他端側に配置されている。光増幅器６のアノード電極２４は、図１のように光増幅器６の延伸方向に沿って延伸しており、外部と接続する部分である外部接続部（破線円の部分）は例えば光半導体装置１の短手方向の一端側に配置されている。光検出器９のアノード電極２２は、図１のように光検出器９の長手方向に延伸しており、複数の光検出器９のアノード電極２２は互いに接続されている。光検出器９のアノード電極２２における外部と接続する部分である外部接続部（破線円の部分）は、例えば光半導体装置１の短手方向の他端側に配置されている。図１では、アノード電極２２が上から２番目から４番目までの第三導波路８における光閉込層２６と交差して配置されている例を示した。なお、光半導体装置１の短手方向の一端側、他端側は、それぞれ図１における上側、下側である。図１では、半導体レーザ２の延伸方向は光半導体装置１の長手方向であり、光検出器９の延伸方向は半導体レーザ２の延伸方向に対して傾斜している例を示した。また、図１では、光増幅器６は光の進行方向の上流側において光半導体装置１の長手方向に延伸しており、下流側において光半導体装置１の長手方向に対して傾斜しており、第一出力光７が光半導体装置１の後端面１２と反対側の端面である前端面の垂線（図示せず）に対して斜めに出力される例を示した。
第三導波路８は、例えば曲線部３１と直線部３２とを備えている。図７の破線３３ａ～破線３３ｂまでが曲線部３１であり、図７の破線３３ｂ～破線３３ｃまでが直線部３２である。第三導波路８から出力される第二出力光１０は、図２に示すように光半導体装置１の後端面１２の垂線２７に対して斜めに出力される。これにより、後端面１２で反射した反射光１１が第三導波路８に入射して半導体レーザ２へ導波する光、すなわち戻り光が低減される。第三導波路８の第二出力光１０は後端面１２の垂線２７に対して７°以上の角度で出力されることが望ましい。すなわち、第二出力光１０の進行方向に平行な破線２８と垂線２７との角度α１が７°以上であることが望ましい。また、光検出器９は後端面１２で反射した反射光１１が進行する方向に延伸して配置されている。すなわち、光検出器９は反射光１１の進行方向を示す破線２９に延伸して配置されている。破線２９と垂線２７との角度β１は角度α１に応じて最適な角度が選択される。角度β１は反射光１１の進行方向を示す破線２９に延伸して配置されることにより、光検出器９による反射光１１の吸収を最も効率的に行うことができる。しかし、角度β１は反射光１１の進行方向を示す破線２９からずれていてもよい。角度β１は角度α１よりも小さくすることで、光半導体装置１の短手方向の幅すなわち半導体レーザ２及び光検出器９の配置方向の幅を小さくすることができる。なお、第二出力光１０の広がりが少ない場合は、後端面１２へ出力される出力角度α１と反射光１１の反射角度（強度が最大となる進行方向と垂線２７との角度）は同じになる。図２では、光半導体装置１の短手方向の幅を小さくする観点から、光検出器９の配置角度β１が出力角度α１よりも小さくなっている例を示した。
実施の形態１の光半導体装置１は、第三導波路８から第二出力光１０を後端面１２の垂線２７に対して７°以上の角度で出力することにより、後端面１２で反射した反射光１１が第三導波路８に入射して半導体レーザ２へ導波する戻り光を低減することができる。実施の形態１の光半導体装置１は、後端面１２で反射した反射光１１が第三導波路８から半導体レーザ２へ戻る戻り光を低減することができるので、光通信に用いる第一出力光７のスペクトル線幅が増大することを抑制することができる。なお、後端面１２側で出力される第二出力光１０のスペクトル線幅が増大することも抑制することができる。
第三導波路８の出力端の導波路幅すなわち後端面１２側の導波路幅は３μｍ以上であることが望ましい。さらに望ましくは、第三導波路８の出力端の導波路幅は、４μｍ以上であるとよい。これにより、第三導波路８から出力される第二出力光１０のビーム広がりが抑制され、半導体レーザ２への戻り光が低減される。また、第三導波路８の出力端と後端面１２の間隔は、光半導体装置１のチップの分離精度のばらつきの観点から、１０～３０μｍであることが望ましい。つまり、第三導波路８の出力端と後端面１２の間隔が少なくとも１０μｍ確保されるように、隣接するチップ間隔が設計されている。
第三導波路８は、図８に示すように、テーパ部３０、曲線部３１を備えたテーパ曲がり導波路でもよい。図８の破線３３ａ～破線３３ｂまでがテーパ部３０であり、図８の破線３３ｂ～破線３３ｃまでが曲線部３１である。テーパ部３０は、第二の光（第二出力光１０）を出力する側の端部に光の進行方向に広がっている形状を有している。また、第三導波路８は、テーパ部３０、曲線部３１、直線部３２を組み合わせた導波路又はそれら単独の導波路でもよい。すなわち、第三導波路８は、テーパ直線導波路（図１３参照）、直線導波路（図１２参照）、テーパ曲がり導波路（図８参照）、曲がり導波路（図１５参照）、のいずれかまたはそれらの組み合わせにより構成されてもよい。第三導波路８をテーパ曲がり導波路または曲がり導波路にすることで、実施の形態１の光半導体装置１は、第二出力光１０の後端面１２への出力角度の自由度を上げることができる。第三導波路８のテーパ曲がり導波路または曲がり導波路の曲率半径は、放射光の抑制及びシングルモード導波の観点から、３００μｍ以上であることが望ましい。さらに望ましくは、第三導波路８のテーパ曲がり導波路または曲がり導波路の曲率半径は１０００μｍ以上であるとよい。
光検出器９は、半導体レーザ２の延伸方向軸上に配置されておらず、第三導波路８から出力される第二出力光１０の後端面１２での反射光１１の光路上に形成される。これにより、実施の形態１の光半導体装置１は、半導体レーザ２のアノード電極２３と光検出器９のアノード電極２２との間のアイソレーションを確保するこができ、同時に光半導体装置１の長手方向のチップ長の増大を抑制できる。また、実施の形態１の光半導体装置１は、第三導波路８から出力される第二出力光１０の後端面１２での反射光１１の殆ど全てが光検出器９に吸収されるので、反射光１１が光半導体装置１内で再度反射されることが抑制でき、半導体レーザ２への戻り光が低減される。また、光検出器９の反射光入射端すなわち後端面１２側の入射端と後端面１２の間隔は、光半導体装置１のチップの分離精度のばらつきの点から、１０～３０μｍであることが望ましい。つまり、光検出器９の反射光入射端すなわち後端面１２側の入射端と後端面１２の間隔が少なくとも１０μｍ確保されるように、隣接するチップ間隔が設計されている。
実施の形態１の光半導体装置１は、後端面１２から外部に出力される第二出力光１０を利用しない。そのため、実施の形態１の光半導体装置１は、第三導波路８の端面出力角度すなわち角度α１にいかなる制限も生じないので、第三導波路８の選択、配置及び光検出器９の配置の自由度が高い。また、実施の形態１の光半導体装置１は、複数の光検出器９のアノード電極２２を共通化することが可能であり、光検出器９のアノード電極２２と外部とを接続する外部接続部は１つでよい。したがって、実施の形態１の光半導体装置１は、複数の光検出器９のアノード電極２２を共通化することで、外部接続部が少なくでき、チップサイズを小さくすることができる。
実施の形態１の光半導体装置１は、第三導波路８から出力される第二出力光１０の後端面１２での反射光１１に起因する半導体レーザ２への戻り光を抑制することができ、第一出力光７のスペクトル線幅の増大を抑制できるので、第一出力光７のスペクトル線幅を狭くすることが可能となる。実施の形態１の光半導体装置１は、第一出力光７のスペクトル線幅を狭くできるので、狭線幅光源を実現することができる。したがって、実施の形態１の光半導体装置１を用いることで、デジタルコヒーレント方式の光通信を高精度に実現することができる。
一般的に、ＷＤＭ方式を用いて安定した光通信を行うためには、予期せぬ信号光源の停止に備えて、予備の光源を確保する必要がある。しかしながら、１つの光半導体装置に１つの半導体レーザが搭載されている場合には、多重化される光信号の波長それぞれについて予備の光源を確保すると、予備の光源の数が多くなり、これらの光源を保守するためのコストが増加してしまう。そこで、このコストを抑えるため、１つの光半導体装置で複数波長のレーザ光を出力できる波長可変光源が必要となる。実施の形態１の光半導体装置１は、複数の半導体レーザ２が搭載されており、半導体レーザ２のアノード電極２３と光検出器９のアノード電極２２との間のアイソレーションを確保するこができ、同時に光半導体装置１の長手方向のチップ長の増大を抑制できる。したがって、実施の形態１の光半導体装置１は、長手方向のチップ長の増大を抑制しながら予備の半導体レーザ２を備えた波長可変光源を実現できる。光半導体装置１に１６個の半導体レーザ２が搭載されている場合は、８種類の波長のレーザ光を出力できる半導体レーザ群を２セット搭載することができる。また、光半導体装置１に１６個の半導体レーザ２が搭載されている場合は、４種類の波長のレーザ光を出力できる半導体レーザ群を４セット搭載することができる。
実施の形態１の光半導体装置１は、第三導波路８から出力される第二出力光１０の後端面１２での反射光１１が光検出器９によって吸収され、半導体レーザ２への戻り光が低減されるため、スペクトル線幅の増大を抑制できる。実施の形態１の光半導体装置１は、第三導波路８の後端面１２側の導波路幅を３μｍ以上とすることにより、第三導波路８から出力される第二出力光１０のビーム広がりを抑制でき、半導体レーザ２への戻り光がさらに低減でき、スペクトル線幅の増大をさらに抑制できる。また、実施の形態１の光半導体装置１は、第三導波路８から出力される第二出力光１０の後端面１２での反射光１１の光路上に光検出器９を配置することにより、先行文献１のように半導体レーザ２と光検出器９をチップの長手方向に直列に並べた場合と比較して、長手方向のチップ長を増大させずに、半導体レーザ２のアノード電極２３と光検出器９のアノード電極２２との間のアイソレーションを確保できる。
なお、図１では光増幅器６を備えた光半導体装置１の例を示したが、光増幅器６はなくても構わない。
以上のように、実施の形態１の光半導体装置１は、半導体基板１５に複数の半導体レーザ２、複数の光検出器９、複数の導波路（第三導波路８）及び光合波回路４が形成されている光半導体装置であって、前端側から第一の光を出力すると共に前端側と反対側で後端側から第二の光を出力する複数の半導体レーザ２と、複数の半導体レーザ２から出力された第一の光を合波して出力光（第一出力光７）を出力する光合波回路４と、第二の光のそれぞれを当該光半導体装置１の一端面（後端面１２）側へ導波する複数の導波路（第三導波路８）と、導波路（第三導波路８）を導波した第二の光のそれぞれが一端面（後端面１２）にて反射した反射光１１のそれぞれを受光する複数の光検出器９と、を備えている。光検出器９は半導体レーザ２の後端側と一端面（後端面１２）との間に配置されており、導波路（第三導波路８）から出力される第二の光（第二出力光１０）は一端面（後端面１２）の垂線２７に対して斜めに出力される。実施の形態１の光半導体装置１は、この構成により、各半導体レーザ２の後端側から出力された第二の光を一端面（後端面１２）にて反射した反射光１１を受光する光検出器９を半導体レーザ２毎に備えているので、後側の端面（後端面１２）での反射による半導体レーザ２への戻り光を低減でき、光通信用の第一出力光７のスペクトル線幅の増大を抑制できる。
実施の形態２．
図９は実施の形態２に係る光半導体装置を示す図であり、図１０は図９におけるＥ－Ｅの断面図である。実施の形態２の光半導体装置１は、光検出器９の３方向の周囲にメサ溝１３が形成されている点で、実施の形態１の光半導体装置１と異なる。実施の形態１の光半導体装置１と異なる部分について、主に説明する。メサ溝１３は、反射光１１が入射する側すなわち後端面１２側には形成されていない。実施の形態２の光半導体装置１は、半導体レーザ２と光検出器９とを隔てるようにメサ溝１３が形成されているので、光半導体装置１の長手方向に関して、半導体レーザ２のアノード電極２３と光検出器９のアノード電極２２と間の十分なアイソレーションを確保しながら半導体レーザ２と光検出器９との配置距離を縮めることができる。したがって、実施の形態２の光半導体装置１は、実施の形態１の光半導体装置１よりも長手方向のチップ長を小さくすることができる。図９では、メサ溝１３が光検出器９と光検出器９が受光する第二の光（後端側から出力された光）を出力する半導体レーザ２との間に形成されており、メサ溝１３が半導体レーザ２よりも光検出器９の側に形成されている例を示した。
実施の形態２の光半導体装置１は、第三導波路８から出力される第二出力光１０の後端面１２での反射光１１がメサ溝１３により反射される。実施の形態２の光半導体装置１は、光検出器９に入射されなかった反射光１１がメサ溝１３により反射され、反射光１１の多くが光検出器９で吸収できるので、実施の形態１の光半導体装置１よりも半導体レーザ２への戻り光が低減され、スペクトル線幅の増大を抑制することができる。
光検出器９のアノード電極２２は、図９のように光検出器９の長手方向に延伸しており、複数の光検出器９のアノード電極２２はメサ溝１３を避けて後端面１２側にて互いに接続されている。光検出器９のアノード電極２２における外部と接続する部分である外部接続部（破線円の部分）は、例えば光半導体装置１の短手方向の他端側に配置されている。
実施の形態２の光半導体装置１の構造は、メサ溝１３及び光検出器９のアノード電極２２の配置以外は実施の形態１の光半導体装置１と同じなので、実施の形態１の光半導体装置１と同じ効果を奏する。また、実施の形態２の光半導体装置１の構造は、メサ溝１３により第三導波路８から出力される第二出力光１０の後端面１２での反射光１１に起因する戻り光が低減でき、実施の形態１の光半導体装置１よりもスペクトル線幅の増大を抑制することが可能となる。すなわち、実施の形態２の光半導体装置１は、実施の形態１の光半導体装置１よりも第一出力光７のスペクトル線幅を狭くすることができる。また、実施の形態２の光半導体装置１は、半導体レーザ２のアノード電極２３と光検出器９のアノード電極２２と間の十分なアイソレーションを確保しながら、実施の形態１の光半導体装置１よりも長手方向のチップ長を小さくすることができる。
図９では、光検出器９の３方向の周囲にメサ溝１３が形成されている例を示した。すなわち、メサ溝１３が、光検出器９の両長辺と一端面である後端面１２から離れた短辺を囲むように形成されている例である。しかし、メサ溝１３の配置構造はこれに限定されない。通常、複数の半導体レーザ２を備えた波長可変光源では、１つの半導体レーザ２のみがレーザ光を出力するので、レーザ光を出力している半導体レーザ２に後端面１２で反射した反射光１１がこの半導体レーザ２に侵入する光を低減すればよい。このため、半導体レーザ２から離れた面側にはメサ溝１３がなくてもよい。すなわち、メサ溝１３は、光検出器９の長辺であって当該光検出器９が受光する第二の光を出力する半導体レーザ２側の長辺と一端面である後端面１２から離れた短辺を囲むように形成されていてもよい。
実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る光半導体装置を示す図である。図１２は、図１１の第三導波路の第一例及び光検出器における後端面側の拡大図である。図１３、図１４、図１５は、それぞれ図１１の第三導波路の第二例、第三例、第四例を示す図である。実施の形態３の光半導体装置１は、実施の形態１の光半導体装置１とは、後端面１２に複数の凹部１４が形成されている点で異なる。実施の形態１の光半導体装置１と異なる部分について、主に説明する。凹部１４はドライエッチングにより形成される。凹部１４は傾斜端面３５と凹部側面３６とを有している。傾斜端面３５は、後端面１２と傾斜角度θだけ傾いて形成されている。第三導波路８の第二出力光１０が傾斜端面３５の垂線３７に対して斜めに出力されるように第三導波路及び傾斜端面３５を形成することにより、傾斜端面３５で反射した反射光１１が第三導波路８に入射して半導体レーザ２へ導波する光、すなわち戻り光が低減される。傾斜角度θは、次に説明する角度α２と第三導波路８の形状に応じて選択される。
第三導波路８の第二出力光１０は傾斜端面３５の垂線３７に対して７°以上の角度で出力されることが望ましい。すなわち、図１２に示した第二出力光１０の進行方向に平行な破線３８と垂線３７との角度α２が７°以上であることが望ましい。また、光検出器９は傾斜端面３５で反射した反射光１１が進行する方向に延伸して配置されている。すなわち、光検出器９は反射光１１の進行方向を示す破線３９に延伸して配置されている。破線３９と垂線３７との角度β２は角度α２に応じて最適な角度が選択される。角度β２は反射光１１の進行方向を示す破線３９に延伸して配置されることにより、光検出器９による反射光１１の吸収を最も効率的に行うことができる。しかし、角度β２は反射光１１の進行方向を示す破線３９からずれていてよい。角度β２は角度α２よりも小さくすることで、光半導体装置１の短手方向すなわち半導体レーザ２及び光検出器９の配置方向の幅を小さくすることができる。なお、第二出力光１０の広がりが少ない場合は、傾斜端面３５へ出力される出力角度α２と反射光１１の反射角度（強度が最大となる進行方向と垂線３７との角度）は同じになる。図１２では、光半導体装置１の短手方向の幅を小さくする観点から、光検出器９の配置角度β２が出力角度α２よりも小さくなっている例を示した。
実施の形態３の光半導体装置１の構造は、後端面１２に複数の凹部１４が形成されている以外は実施の形態１の光半導体装置１と同じなので、実施の形態１の光半導体装置１と同じ効果を奏する。
第三導波路８の出力端の導波路幅すなわち後端面１２側の導波路幅は３μｍ以上であることが望ましい。さらに望ましくは、第三導波路８の出力端の導波路幅は、４μｍ以上であるとよい。これにより、第三導波路８から出力される第二出力光１０のビーム広がりが抑制され、半導体レーザ２への戻り光が低減される。
第三導波路８は、図１２に示した直線導波路に限らない。図１３にはテーパ直線導波路の第三導波路８の例を示した。図１４にはテーパ曲がり導波路の第三導波路８の例を示し、図１５には曲がり導波路の第三導波路８の例を示した。第三導波路８は、直線導波路、テーパ直線導波路、テーパ曲がり導波路、曲がり導波路のいずれかまたはそれらの組み合わせにより構成されてもよい。図１３に示した第三導波路８は、テーパ部３０と直線部３２とを有している。図１３の破線３３ａ～破線３３ｂまでがテーパ部３０であり、図１３の破線３３ｂ～破線３３ｃまでが直線部３２である。図１４に示した第三導波路８は、テーパ部３０と曲線部３１とを有している。図１４の破線３３ａ～破線３３ｂまでがテーパ部３０であり、図１４の破線３３ｂ～破線３３ｃまでが曲線部３１である。
実施の形態３の光半導体装置１は、第三導波路８から出力される第二出力光１０が傾斜端面３５の垂線３７に対して７°以上の角度で出力されるように後端面１２に凹部１４を形成することにより、傾斜端面３５で反射した反射光１１が第三導波路８に入射して半導体レーザ２へ導波する戻り光を低減することができる。実施の形態３の光半導体装置１は、傾斜端面３５で反射した反射光１１が第三導波路８から半導体レーザ２へ戻る戻り光を低減することができるので、光通信に用いる第一出力光７のスペクトル線幅が増大することを抑制することができる。また、実施の形態３の光半導体装置１は、第三導波路８をテーパ導波路としたり、第三導波路８の出力端の導波路幅すなわち後端面１２側の導波路幅を３μｍ以上とすることにより、第三導波路８から出力される第二出力光１０のビーム広がりを抑制でき、半導体レーザ２への戻り光がさらに低減され、光通信に用いる第一出力光７のスペクトル線幅が増大することをさらに抑制することができる。
実施の形態３の光半導体装置１は、第三導波路８から出力される第二出力光１０が傾斜端面３５の垂線３７に対して７°以上の角度で出力されるように後端面１２に凹部１４を形成することにより、実施の形態１の光半導体装置１と同様の効果を奏することができ、かつ実施の形態１の光半導体装置１よりも短手方向の幅すなわち半導体レーザ２及び光検出器９の配置方向の幅を小さくすることができる。実施の形態３の光半導体装置１は、図１２、図１３に示すように、第三導波路８を直線導波路又はテーパ直線導波路とすることで、他の形状の第三導波路８を備えた光半導体装置１よりも短手方向の幅を小さくすることができる。
以上のように、実施の形態３の光半導体装置１は、半導体基板１５に複数の半導体レーザ２、複数の光検出器９、複数の導波路（第三導波路８）及び光合波回路４が形成されている光半導体装置であって、前端側から第一の光を出力すると共に前端側と反対側で後端側から第二の光を出力する複数の半導体レーザ２と、複数の半導体レーザ２から出力された第一の光を合波して出力光（第一出力光７）を出力する光合波回路４と、第二の光のそれぞれを当該光半導体装置１の一端面（後端面１２）側へ導波する複数の導波路（第三導波路８）と、導波路（第三導波路８）を導波した第二の光のそれぞれが一端面（後端面１２）に形成された複数の凹部１４の傾斜端面３５にて反射した反射光１１を受光する複数の光検出器９と、を備えている。光検出器９は半導体レーザ２の後端側と傾斜端面３５との間に配置されており、導波路（第三導波路８）から出力される第二の光（第二出力光１０）は傾斜端面３５の垂線３７に対して斜めに出力される。実施の形態３の光半導体装置１は、この構成により、各半導体レーザ２の後端側から出力された第二の光を一端面（後端面１２）に形成された凹部１４の傾斜端面３５にて反射した反射光１１を受光する光検出器９を半導体レーザ２毎に備えているので、後側の端面（傾斜端面３５）での反射による半導体レーザ２への戻り光を低減でき、光通信用の第一出力光７のスペクトル線幅の増大を抑制できる。
実施の形態４．
図１６は、実施の形態４に係る光半導体装置を示す図である。実施の形態４の光半導体装置１は、光検出器９の３方向の周囲にメサ溝１３が形成されている点で、実施の形態３の光半導体装置１と異なる。実施の形態４の光半導体装置１は、実施の形態３の光半導体装置１と実施の形態２の光半導体装置１とのを組み合わせた構成になっている。したがって、実施の形態４の光半導体装置１は、実施の形態３の光半導体装置１の効果と実施の形態２の光半導体装置１の効果を奏することができる。
なお、実施の形態１から４では、光半導体装置１に半導体レーザ２、第一導波路３、第三導波路８、光検出器９がそれぞれ複数搭載され、光合波回路４、第二導波路５、光増幅器６がそれぞれ１つ搭載された例を示した。しかし、半導体レーザ２、第三導波路８、光検出器９の配置構造は、他の光半導体装置にも適用できる。すなわち、１組の半導体レーザ２、第三導波路８、光検出器９と、半導体レーザ２の第一の出力光を第三導波路８と反対側に導波する他の導波路、この他の導波路に接続された光増幅器６を備えた光半導体装置１において、実施の形態１から４に示した半導体レーザ２、第三導波路８、光検出器９の配置構造を適用してもよい。なお、他の導波路は第二導波路５に相当する直線導波路である。また、光増幅器６はなくもよい。この場合、他の導波路は、光増幅器６と同様に例えば図７に示した曲線部３１及び直線部３２を備えた導波路にしてもよい。１組の半導体レーザ２、第三導波路８、光検出器９を備えた光半導体装置１は、実施の形態１から４の光半導体装置１と同様に、後側の端面である後端面１２又は傾斜端面３５での反射による半導体レーザ２への戻り光を低減でき、光通信用の第一出力光７のスペクトル線幅の増大を抑制できる。
なお、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１…光半導体装置、２…半導体レーザ、４…光合波回路、６…光増幅器、７…第一出力光、８…第三導波路、９…光検出器、１０…第二出力光、１１…反射光、１２…後端面（一端面）、１３…メサ溝、１４…凹部、１５…半導体基板、１６…第一クラッド層、１７…電流ブロック層、１８…第二クラッド層、１９…光吸収層、２０…活性層、２１…カソード電極、２２…アノード電極、２３…アノード電極、２７…垂線、３０…テーパ部、３５…傾斜端面、３７…垂線

Claims (11)

  1. 半導体基板に複数の半導体レーザ、複数の光検出器、複数の導波路及び光合波回路が形成されている光半導体装置であって、
    前端側から第一の光を出力すると共に前記前端側と反対側で後端側から第二の光を出力する複数の前記半導体レーザと、
    複数の前記半導体レーザから出力された前記第一の光を合波して出力光を出力する前記光合波回路と、
    前記第二の光のそれぞれを当該光半導体装置の一端面側へ導波する複数の前記導波路と、
    前記導波路を導波した前記第二の光のそれぞれが前記一端面又は前記一端面に形成された複数の凹部の傾斜端面にて反射した反射光のそれぞれを受光する複数の前記光検出器と、を備え、
    前記光検出器は、前記半導体レーザの前記後端側と前記一端面又は前記傾斜端面との間に配置されており、
    前記導波路から出力される前記第二の光は前記一端面又は前記傾斜端面の垂線に対して斜めに出力される、光半導体装置。
  2. 前記光検出器と当該光検出器が受光する前記第二の光を出力する前記半導体レーザとの間にメサ溝を備えている請求項１記載の光半導体装置。
  3. 前記メサ溝は前記半導体レーザよりも前記光検出器の側に形成されている請求項２記載の光半導体装置。
  4. 前記光検出器は、前記半導体レーザの延伸方向に対して傾いて延伸している請求項１から３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
  5. 前記光検出器は、前記半導体レーザの延伸方向に対して傾いて延伸しており、
    前記光検出器の長辺であって当該光検出器が受光する前記第二の光を出力する前記半導体レーザ側の長辺と前記一端面又は前記傾斜端面から離れた短辺を囲むように形成されたメサ溝を備えている、請求項１記載の光半導体装置。
  6. 前記光検出器は、前記半導体レーザの延伸方向に対して傾いて延伸しており、
    前記光検出器の両長辺と前記一端面又は前記傾斜端面から離れた短辺を囲むように形成されたメサ溝を備えている、請求項１記載の光半導体装置。
  7. 前記光合波回路から出力された前記出力光を増幅する光増幅器を備えている請求項１から６のいずれか１項に記載の光半導体装置。
  8. 前記導波路は、前記第二の光を出力する側の端部に光の進行方向に広がるテーパ部を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の光半導体装置。
  9. 前記光検出器は、
    前記半導体基板の表面に形成された第一クラッド層と、前記第一クラッド層の表面に形成された光吸収層と、前記第一クラッド層の表面に形成されると共に前記光吸収層の側面に接続された電流ブロック層と、前記光吸収層及び電流ブロック層の表面に形成された第二クラッド層と、前記第二クラッド層の表面側に形成されたアノード電極と、前記半導体基板の裏面に形成されたカソード電極と、を備えている請求項１から８のいずれか１項に記載の光半導体装置。
  10. 前記半導体レーザは、
    前記半導体基板の表面に形成された第一クラッド層と、前記第一クラッド層の表面に形成された活性層と、前記第一クラッド層の表面に形成されると共に前記活性層の側面に接続された電流ブロック層と、前記活性層及び電流ブロック層の表面に形成された第二クラッド層と、前記第二クラッド層の表面側に形成されたアノード電極と、前記半導体基板の裏面に形成されたカソード電極と、を備えており、
    前記活性層と前記光検出器の前記光吸収層とは同一の前記第一クラッド層の表面に形成されている請求項９記載の光半導体装置。
  11. 複数の前記光検出器の前記アノード電極は互いに接続されている請求項９または１０に記載の光半導体装置。
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