JP7284431B2 - 光送信器 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。半導体レーザ素子には、変調器、半導体光増幅器およびレーザを含む光送信器を含む。
以下では、基板上に電界吸収型（ＥＡ：Electro-Absorption）光変調器を集積した半導体レーザ素子が開示される。さらに、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザ、ＥＡ変調器および半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を備えた光送信器についても開示される。
近年の動画配信サービスの普及やモバイルトラフィック需要の増大に伴い、ネットワークトラフィックが爆発的に増大している。ネットワークを担う光伝送路においては、伝送レートの高速化や光伝送機器の低消費電力化、伝送距離の長延化によるネットワークの低コスト化がトレンドである。光伝送機器で用いられる半導体変調光源にも、消費電力の増大を抑制しながら、高速・高出力化することが求められている。
図１は、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢ（ＥＡＤＦＢ）レーザの概略構成を示す図である。ＥＡＤＦＢレーザは、直接変調型のレーザと比較してより高い消光特性と優れたチャープ特性を有しており、幅広い用途で用いられてきた。光導波路を通る基板の断面（Ｙ－Ｚ面）を示した図１のように、ＥＡＤＦＢレーザ１０は、ＤＦＢレーザ１およびＥＡ変調器２が同一基板内に集積された構造を有する。ＤＦＢレーザ１は多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）からなる活性層４を有し、駆動電流源８および共振器内に形成された回折格子５によって決まる単一波長で発振する。またＥＡ変調器２は、ＤＦＢレーザ１とは異なる組成のＭＱＷからなる光吸収層６を有し、電気信号源９の制御により光吸収量を変化させる。ＤＦＢレーザ１からの出力光を透過または吸収する条件で駆動することで光を明滅させ、電気信号を光信号に変換する。
ＥＡＤＦＢレーザは、ＥＡ変調器６において大きな光損失を伴うために、高出力化が困難であった。この解決策として、ＥＡＤＦＢレーザの光出射端にさらに半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積したＥＡＤＦＢレーザ（SOA Assisted Extended Reach EADFB Laser:ＡＸＥＬ）が提案されている（非特許文献１）。以下簡単のため、ＥＡＤＦＢレーザにさらにＳＯＡを集積化したものをＡＸＥＬと呼ぶ。
図２は、ＳＯＡを集積化したＡＸＥＬの概略構成を示す図である。図１と同様に、光導波路を通る基板の断面（Ｙ－Ｚ面）を示した図２のＡＸＥＬ２０では、ＥＡ変調器２によって変調された信号光が、集積されたＳＯＡ領域３によって増幅され、光出力の向上が可能となる。ＡＸＥＬ２０の構成では、一般的なＥＡＤＦＢレーザと比較して約２倍の高出力が得られる。また、一般的なＥＡＤＦＢレーザと同じ光出力が得られる動作条件でＡＸＥＬ２０を駆動した場合、ＳＯＡ集積効果による高効率動作のため約４割の消費電力を削減できる。さらにＡＸＥＬ２０では、ＳＯＡ３の活性層７としてＤＦＢレーザ１の活性層４と同一のＭＱＷ構造を用いる。ＡＸＥＬ２０では、ＳＯＡ領域の集積のための再成長プロセスを追加する必要がなく、従来のＥＡＤＦＢレーザと同一の工程でデバイスを作製できる。
W. Kobayashi et al., "Novel approach for chirp and output power compensation applied to a 40-Gbit/s EADFB laser integrated with a short SOA,"、２０１５年４月、 Opt. Express, Vol. 23, No. 7, pp. 9533-9542 K. Morito et al., "High power semiconductor optical amplifier," ２００９年３月、 OFC/NFOECC2009, Tutorial, OWQ4
しかしながら、ＳＯＡをモノリシック集積したＡＸＥＬでは、ＥＡＤＦＢレーザと同一の製造工程が利用できる反面、ＳＯＡの構造の設計自由度が限られることによって、後述するように光波形品質の劣化や光出力の不足の問題があった。
本開示の１つの態様は、基板上に、多重量子井戸を有する活性領域を有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザと、前記ＤＦＢレーザとは異なる組成の多重量子井戸を有する吸収領域を含み、前記ＤＦＢレーザの発振光を変調する電界吸収型（ＥＡ）変調器と、前記ＤＦＢレーザと同一組成の活性領域を有し、前記ＥＡ変調器からの信号光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とがモノリシックに集積された光送信器であって、前記ＳＯＡの光導波方向に垂直な断面におけるコア層の幅が、前記ＤＦＢレーザのコア層の幅より小さいことを特徴とする光送信器である。
本開示の光送信器は、光波形品質の劣化や光出力の不足の問題を解決し、軽減する。
ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザの概略構成を示す図である。 ＳＯＡをさらに集積化したＡＸＥＬの概略構成を示す図である。 ＳＯＡの光閉じ込め係数を抑えるＳＣＨ構造を説明する図である。 ＳＯＡでパターン効果が生じた場合のＮＲＺ光波形を示した図である。 ＳＯＡの導波路幅を変更した場合の光閉じ込め係数の変化を示す図である。 ＳＯＡの導波路幅に対する飽和光出力相対値の計結果を示す図である。 実施例１の光送信器における導波路構造を示す図である。 ＳＯＡの導波路幅、長さと変調時光出力との関係を示す図である。 実施例１の光送信器においてファイバとの光結合効率を示した図である。 実施例２の光送信器における導波路構造を示す図である。 実施例２におけるＳＯＡ導波路幅と変調時光出力の関係を示す図である。 実施例２の光送信器におけるアイパターンの改善を説明する図である。
本開示では、ＳＯＡを集積化したＥＡＤＦＢレーザ（以下ＡＸＥＬとも呼ぶ）において、同一の層構造を用いて製造工程を簡素化できる特徴を生かしたままで、光波形品質の劣化や光出力の不足の問題を解決または軽減する新規な構成を示す。ＳＯＡを集積化したＥＡＤＦＢレーザは、光送信器として動作できる。また、光送信器を含む光伝送装置としての側面も持っている。以下では、光送信器として本開示の構成動作を説明するが、情報を搬送する信号光を提供する様々な形態の装置にも利用できる。また以下の説明では、ＡＸＥＬおよび光送信器も実質的に同じ意味のものとして、交換可能に記述している。
まず、ＡＸＥＬの高出力化を実現する上でのＳＯＡの構造制約について説明する。前述のように、ＳＯＡを集積したＡＸＥＬでは、ＳＯＡの光増幅効果によって一般的なＥＡＤＦＢレーザを大幅に上回る光出力を達成できるが、その光増幅効果にも限界がある。一般的なＳＯＡは、次式で表される飽和光出力Ｐsatを有している（非特許文献２）。
Figure 0007284431000001
式（１）において、Γは光利得を有する活性層（ＭＱＷ）への光閉じ込め係数、ｄおよびｗはそれぞれ活性層の厚さおよび幅、ａは微分利得、τsはキャリア寿命である。一般的なＳＯＡでは、高出力特性を得るために、式（１）を考慮してＳＯＡ内部の層構造を調整して、右辺の左側の項(ｄｗ／Γ)を大きくすることによって、飽和光出力Ｐsatを拡大し、ＡＸＥＬを高出力化できる。すなわち、ＳＯＡにおいて飽和光出力Ｐsatを高出力化するには、光閉じ込め係数Γを抑制して（ｄｗ／Γを大きく）、単位長さあたりの光利得が小さく、活性層体積（ｄｗに相当）が大きい導波路構造とするのが望ましい。
光導波路において、活性層の光閉じ込め係数を最も高くする層構造は、屈折率の高い活性層を中心に上下の光閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層、クラッド層を対称な厚さに設計したものが知られている。逆に、活性層の光閉じ込め係数を小さく抑えるためには、非対称な層構造を採用することになる。具体的には、活性層の体積を変えずに、活性層の上下にある２つのＳＣＨ層の一方の厚さを他方よりも厚く設計したり、活性層の上下いずれかに屈折率の高い材料の第２のＳＣＨ層を導入したりする。このような非対称な層構造を採用することで、基板垂直方向の光フィールド分布を活性層からずらすよう調整し、光閉じ込め係数を抑えることができる。
図３は、ＳＯＡにおいて光閉じ込め係数を抑えるＳＣＨ構造を説明する図である。図３の（ａ）は、ＳＣＨ層を含む対称構造の光導波路を模式的に示しており、光の進行方向に垂直な断面を示す。下のクラッド層２３ａ、下のＳＣＨ層２２ａ、活性層２１、上のＳＣＨ層２２ｂ、上のクラッド層２３ｂが、活性層２１の中心に対して上下対称に配置され、光フィールド２５のピーク位置は活性層２１の中心に一致する。このため、光は効率良く導波路の活性層２１内に閉じ込められる。一方、図３の（ｂ）は、非対称な層構造の光導波路の一例であって、活性層の下側に第２のＳＣＨ層２４を備えている。このため、光フィールド２６のピーク位置を下方にシフトさせ、光利得を有する活性層２１から遠ざけることで光閉じ込め係数が低下し、結果的に飽和光出力Ｐsatを増加させることができる。
また、活性層である多重量子井戸（ＭＱＷ）の量子井戸数を減らすことで活性層への光閉じ込め係数（Γ）を低下させ、飽和光出力Ｐsatを増加させる手法も用いられる。この場合、活性層への光閉じ込め係数（Γ）が低下するとともに、活性層の体積（ｄｗ）も同時に低下してしまうが、結果的に式（１）の(ｄｗ／Γ)を大きくできれば飽和光出力Ｐsatを増加できる。
しかしながらＡＸＥＬのＤＦＢレーザおよびＳＯＡは、単一の結晶成長プロセスで一括して形成された、同一の活性層（ＭＱＷ）を有しており、ＳＯＡの層構造はＤＦＢレーザと共通の構造に制約される。再び図２を参照すれば、ＤＦＢレーザ１の活性層４とＳＯＡ３の活性層７は同一の構造であって、異なるのは回折格子構造５の有無のみである。通常、ＤＦＢレーザとＳＯＡとでは設計指針が大きく異なり、ＤＦＢレーザを高効率に動作させるためには光閉じ込め係数Γが大きくなるように設計される。これは、上述のＳＯＡの飽和光出力Ｐsatを増加させる条件と相反する。結局、ＡＸＥＬ２０におけるＳＯＡ３の層構造の制約により、ＳＯＡ３は光閉じ込め係数Γが比較的高く維持されたままになり、飽和光出力Ｐsatが不足する問題があった。
ＡＸＥＬのＳＯＡの層構造の制約によるもう１つの問題は、パターン効果によるＳＯＡにおける光信号波形品質の劣化である。パターン効果は、伝送するパルス列の構成によって波形の歪み方が変わる現象として知られている。図２に示したように、ＡＸＥＬ２０ではＤＦＢレーザ１からの出力光がＥＡ変調器２で変調された後に、ＳＯＡ３に入射され増幅される。ＳＯＡ３への入射光は変調されており、時間的にその強度が変化する信号光となっている。ＳＯＡ３の内部では電流注入によって生じたキャリアが光増幅によって消費される。信号光をＳＯＡ３へ入射した場合、信号光の光強度が絶えず変動しているため、ＳＯＡ３におけるキャリアの消費量も光強度に伴い変動する。例えば、入射した信号光の光強度が強い状態が続くとＳＯＡ内部のキャリアは枯渇気味になり、逆に、信号光の光強度が弱い状態が続くと内部のキャリアは消費されずキャリア密度が上昇する。したがって、信号光の強度のランダムな状態変化によってＳＯＡの光利得も変動してしまい、光波形品質に悪影響を与える。次に述べるように、特に同符号の連続が続いた際に、光波形にパターン効果の影響が強く生じる。
光をＮＲＺ（Non-Return-to-Zero）信号方式で強度変調（ＯＯＫ：On-Off-Keying）した場合の、光強度が強い状態を“１”レベル、弱い状態を“０”レベルとし、同符号が続いた場合のＳＯＡの振る舞いを考える。“０”レベルのビットが連続して続いた場合、ＳＯＡへ入射する信号光の光強度は弱い状態が続き、ＳＯＡ内部のキャリア消費量が少ない状態が続くため、キャリア密度は高い状態に保たれる。“０”レベルの信号光が連続した後で、信号光が“１”レベルに変化した時、状況は変化してＳＯＡ内に蓄積されたキャリアが一気に消費される。この時、光信号波形では大きくオーバーシュートを起こし易くなる。
逆に“１”レベルのビットが連続する信号光がＳＯＡに入射した場合、信号光の光強度が常に強い状態に保たれ、光増幅のために多くのキャリアが消費されて、ＳＯＡの光利得は低下してしまう。この結果、光信号波形の“１”レベルは低下し、光信号波形の品質が劣化する。このようなＳＯＡにおけるパターン効果は、ＳＯＡにおけるキャリア密度が低い場合に特に顕著である。同様の理由で、ＳＯＡ長が長い場合にも顕著な影響が表れる。また、変調信号のビットレートが低い場合には同符号が連続したときの実質的な時間が長くなるため、特にパターン効果の影響が現れやすい。
図４は、ＳＯＡにおいてパターン効果が生じた場合のＮＲＺ光波形を示した図である。図２に示したＡＸＥＬ２０において、パターン効果が生じた場合の１０Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ光波形（アイパターン）を示している。上述のように、 キャリア密度が高い状態に保たれる“０”レベルは、ほぼ均一なレベルで安定している。一方、キャリアが消費される“１”レベルは、入力された信号の状態に応じてＳＯＡ内部のキャリア密度が変化し不安定な状態となり、光信号強度のレベルもバラバラなことがわかる。図４に示したような光波形品質の劣化は伝送品質の低下につながり、十分な距離の光信号伝送ができない要因となる。パターン効果を抑制するためには、ＳＯＡ内部のキャリア密度を上昇させことが必要である。しかしながら、前述のようにＡＸＥＬ２０のＳＯＡ３は、ＤＦＢレーザ１と同一の層構造の活性層（ＭＱＷ）に制限されている。ＳＯＡ内部のキャリア密度を調整することが難しく、パターン効果の抑制にも限界があった。従来技術のＡＸＥＬでは、ＳＯＡの層構造の制約のため、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの光閉じ込め係数や電流密度を別個に設定することはできなかった。
本開示のＡＸＥＬでは、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡで同一の層構造を用いつつ、別々の異なるコア幅（導波路幅）を持つ導波路構造を採用する。異なるコア幅の導波路を採用することで、従来技術における飽和光出力の不足やパターン効果による波形劣化の問題を解消し、軽減する。ＥＡ変調器とＳＯＡとの間の部分には、光利得を持たないパッシブ導波路領域を導入し、パッシブ導波路領域においてテーパ形状を用いることで導波路幅を連続的に変化させる。テーパを含む構成によって、ＤＦＢレーザからＳＯＡへ向かって、導波路幅の異なる領域が構成される場合でも、低損失に光を伝搬させることができる。ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの導波路構造は、ＥＡ部も含めて、すべて一括のプロセスを用いて作製される。したがって本開示のＡＸＥＬにおいては、従来技術のＡＸＥＬの作製プロセスに対し変更は不要で、導波路形成時のマスクパターンを修正することのみで実現できる。
光波形品質の劣化防止や光出力特性の向上は、以下述べる指針によって、ＳＯＡの導波路幅を設定することで実現される。ＳＯＡにおける光出力の高出力化については、ＳＯＡの導波路幅をＤＦＢレーザの導波路幅よりも大きく設計することで、活性層体積ｄｗと光閉じ込め係数Γの比（ｄｗ／Γ）を大きくすることができる。結果的に、式（１）にも示したように、ＳＯＡの飽和光出力Ｐsatを拡大し、ＡＸＥＬで高出力が得られる。
一方、ＳＯＡにおけるパターン効果を抑制するためには、ＳＯＡの導波路幅をＤＦＢレーザよりも小さく設計する。信号光がＳＯＡに入射した際のキャリアの消費およびその変動を小さく抑える必要がある。ＳＯＡの導波路幅をＤＦＢレーザの導波路幅よりも小さく（狭く）設計することで、活性層体積が減少し、少ないＳＯＡ駆動電流であっても比較的高いキャリア密度を実現できる。さらに、ＳＯＡの導波路幅狭く設計することで光閉じ込め係数が小さくなるため、光増幅によるキャリアの消費量が少なく、キャリア変動に伴うパターン効果が抑制される。
図５は、ＳＯＡの導波路幅を変更した場合の光閉じ込め係数の変化を説明する図である。図５の（ａ）は、ＳＯＡの導波路幅を変更した場合の活性層（ＭＱＷ）への光閉じ込め係数の計算結果を示している。横軸にはＳＯＡの導波路の幅（μｍ）を、縦軸に光閉じ込め係数（％）を示している。ここでは一般的なＳＯＡの構造として、１．３μｍ帯に光利得を有する量子井戸数６層の活性層（ＭＱＷ）を持ち、導波路の両脇を電流ブロック層として半絶縁性のＩｎＰで埋め込んだ埋め込みヘテロ構造を想定して計算した。図５の（ｂ）は、光閉じ込め係数の計算を行ったＳＯＡの導波路の断面図を示した。ｎ－ＩｎＰ基板３４上に、下のクラッド層３３ａ、下のＳＣＨ層３２ａ、活性層３１、上のＳＣＨ層３２ｂ、上のクラッド層３３ｂが順次構成されている。導波路の脇には半絶縁性（ＳＩ）のＩｎＰの埋め込み層３６ａ、３６ｂを形成している。図５で説明する導波路幅と光閉じ込め係数の関係は、具体的な層構造には関係なく広い波長帯域の光源に対して成り立つ。本開示のＡＸＥＬにおける後述の効果は、実施例における特定の波長帯域やＳＯＡの量子井戸数、導波路構造に限られるのではなく、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの導波路幅の最適化のみに依るものであることに留意されたい。
図５の（ａ）から明らかなように、ＳＯＡにおける導波路幅を増加させるにしたがって光閉じ込め係数は増大する。導波路幅が２μｍ以下の場合、光閉じ込め係数は急峻な変化をしている。これに対し導波路幅２μｍ以上になると、光閉じ込め係数はほぼ飽和しており、大きな変化はない。一般的な１．３μｍ帯波長における埋め込みヘテロ構造を持つＤＦＢレーザでは、１．５μｍ程度の導波路幅が採用されており、光閉じ込め係数は６％程度となる。
図６は、ＳＯＡの導波路幅に対する飽和光出力の相対値の計結果を示す図である。横軸にはＳＯＡにおける導波路の幅（μｍ）を、左の縦軸に導波路幅１．５μｍの場合を基準とした相対飽和光出力（比）と、右の縦軸に同一駆動電流で動作させた場合の相対キャリア密度（比）を示している。前述のように、飽和光出力は式（１）で表され、活性層の体積ｄｗを光閉じ込め係数Γで割った（ｄｗ／Γ）に依存する。導波路幅ｗを拡大した場合は光閉じ込め係数Γも増加するが、図５の（ａ）に示した通り導波路幅２μｍ以上では光閉じ込め係数Γはほぼ飽和している。しかしながら、飽和光出力は、導波路幅ｗよりも活性層体積（ｄｗ）の増加が主に寄与するため、図６の一点鎖線で示したように導波路幅が１．５μｍ以上の範囲であっても、飽和光出力の向上が可能である。
一方、パターン効果を抑制する点では、ＳＯＡの導波路幅をＤＦＢレーザの導波路幅よりも狭くすることで、より高い効果を発揮する。図６の実線で示したようにキャリア密度は、導波路幅が１．５μｍ以下の範囲で増大している。キャリア密度は、導波路幅比の逆数に対応しており、ＳＯＡに光が入射した時のキャリアの急激な変動を抑制するためには光閉じ込め係数を小さくすることが有効である。図５の（ａ）において明らかなとおり、ＳＯＡの導波路幅ｗをＤＦＢレーザの導波路幅よりも小さく設計することでＳＯＡにおける光閉じ込め係数を低下させることができる。さらに図６に示したように、導波路幅ｗを小さく設計することで、相対的にキャリア密度を上昇させることができる。この点でもＳＯＡの導波路幅を狭くすることはパターン効果の抑制に効果を発揮する。
上述のＳＯＡにおける導波路幅の設計指針に基づいて、以下、本開示のＡＸＥＬの実施例についてさらに説明する。
本実施例では、２５Ｇｂｉｔ／ｓの変調信号を生成可能な光送信器において、変調時光出力を８ｄＢｍ以上に増加させた光送信器について開示する。現在の光伝送機器における光送信器の変調時出力は、０～＋３ｄＢｍ程度である。本実施例では、４０ｋｍ以上の長期離伝送も想定したリンクロスバジェットにおいて、十分なマージンを得るために、変調時光出力を８ｄＢｍ以上に増加させた光送信器の実現を目指した。以下の説明では、ＡＸＥＬによる光送信器の実施例について説明するが、ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器およびＳＯＡを少なくとも含む、集積化した他のデバイスにも、当然に本開示のＳＯＡにおける導波路幅の設計指針が適用できる。ＤＦＢレーザの波長帯域についても、以降の実施例のものだけに限定されない。
図７は、実施例１のＡＸＥＬによる光送信器の導波路構造を示す図である。図７の（a）は、光送信器１００の導波路の厚さ方向中心を通り基板面に平行な断面（ｘ－ｚ面）を見た図であり、図７の（ｂ）は導波路幅方向の中心を通り基板面に垂直な断面（ｙ－ｚ面）を見た図である。図７の（ａ）および（ｂ）間でｚ軸方向の縮尺は一致しておらず、図７の（ｂ）に比べて（ａ）はｚ方向をやや拡大して導波路長さ方向の一部を示している。また図７の（ａ）では、断面より上層側の要素はすべて除去して示している。
図７の（ｂ）に示したように、本実施例の光送信器１００は、ＤＦＢレーザ１０１、ＥＡ変調器１０２、パッシブ領域１０４、ＳＯＡ１０３がこの順に集積化されたモノリシック集積素子である。ＤＦＢレーザ１０１は長さ３００μｍ、その前方のＥＡ変調器は長さ１５０μｍであり、ＥＡ変調器１０２とＳＯＡ１０３との間には長さ１２０μｍのテーパ構造のパッシブ領域１０４が設けられている。図７の（ａ）に示したように、導波路幅の異なるＥＡ変調器の導波路１０６と、ＳＯＡ１０３の導波路１０８との間をテーパ導波路１０７によって低損失に光結合させる。
ここで、光送信器１００の集積回路（ＡＸＥＬ）の作製プロセスを説明する。素子作製にはｎ－ＩｎＰ基板上に、下部ＳＣＨ層、多重量子井戸層の活性層（ＭＱＷ１）、上部ＳＣＨ層を順次成長した初期基板を用いた。ここで、多重量子井戸は６層の量子井戸層からなり、発振波長１．３μｍ帯に光利得を有する。上述の各層を含む初期基板は、ＤＦＢレーザ１０１の高効率動作のために最適化された構造である。尚、初期基板は一般に入手することができるため使用しているのであって、初期基板を使用せずに、上述の各層を作製しても良い。
集積回路の作製工程として、まずＤＦＢレーザ１０１およびＳＯＡ領域１０３となる部分を残して、その他の活性層を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長によりＥＡ変調器１０２のための多重量子井戸層（ＭＱＷ２）を成長した。次に、ＳＯＡ領域１０３とＥＡ変調器１０２の境界部分を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長を行うことでパッシブ領域１０４のコア層となるバルク半導体を成長する。続いて、ＤＦＢレーザの領域に発振波長１．３μｍ帯で動作するような回折格子を形成した。
その後、再成長により素子全面にｐ－ＩｎＰクラッド層およびコンタクト層を成長した。クラッド層の厚さは、電極領域に光のフィールドが掛からないように、本実施例では２．０μｍを用いた。次に、メサ構造をエッチングによって形成した。この工程において、各領域の導波路幅はフォト工程で任意のパターンが形成され、一括のエッチング工程で形成される。本開示のＡＸＥＬによる光送信器のようにＤＦＢレーザおよびＳＯＡで、異なる導波路幅を設計した場合でも、上述の作製工程は従来と同一であり工程負荷やコストを上昇させることなく作製できる。
次に、埋め込み再成長によってメサの両脇にＦｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層を形成した。続いて、ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器およびＳＯＡのそれぞれの領域を電気的に分離するために、各領域間のコンタクト層をウェットエッチングにより除去した。次に、ＩｎＰ基板の上部表面の各領域上のコンタクト層を介して電流を注入するためのＰ側の電極を形成した。その後、ＩｎＰ基板の裏面を１５０μｍ程度まで研磨し、基板裏面に電極を形成して半導体ウエハ上での工程は完了となる。
ウエハ上の各素子は光が出射される端面が切り出された後に、図７には示していないが、ＳＯＡ１０３と隣接する前方側の端面には無反射コーティング（ＡＲ）を、反対側の後ろ側の端面には高反射コーティング（ＨＲ）を施している。本実施例の光送信器１００では、ＳＯＡ１０３には、初期基板で形成されていたコア層構造がそのまま残存しており、ＤＦＢレーザ１０１の層構造と同一の構造を有する。ＤＦＢレーザ１０１およびＳＯＡ１０３の層構造の差異は、回折格子の有無のみである。本実施例の光送信器１００では、ＤＦＢレーザ１０１およびＳＯＡ１０３で共通の層構造を利用することで、複数の機能領域を集積した構造でありながら再成長回数を抑制し低コストでの製造が可能である。
本実施例の光送信器１００の導波路は、共振器の垂直方向については、多重量子井戸層の活性層と上下のＳＣＨ層からなるコア層（層厚の合計２００ｎｍ）と、コア層を上下から挟み込むＩｎＰクラッド層からなる積層構造を持っている。水平方向については、メサ両脇にＩｎＰ層が形成された埋め込みヘテロ構造を持っている。ＤＦＢレーザ領域１０１における導波路幅は、レーザが最も安定に動作する１．５μｍを採用した。また、ＥＡ変調器１０２においても同様の１．５μｍを採用した。ＳＯＡについては、本開示の光送信器でＤＦＢレーザとは異なる幅の導波路を利用する効果を確認するために、ＳＯＡ幅について１．５、１．７、２．４μｍの３種類の導波路幅を有するＡＸＥＬをそれぞれ作製し、動作特性を比較した。ＳＯＡ長についても、１００μｍ～２５０μｍの範囲で７種類の異なるＳＯＡ長を有するＡＸＥＬを作製した。すべてのＡＸＥＬにおいて、ＤＦＢレーザおよびＥＡ変調器は同一の層構造を有しており、異なるのはＳＯＡ領域における導波路幅と長さだけである。また、ＳＯＡ幅が１．５μｍを有するＡＸＥＬは、ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器、ＳＯＡがすべて均一の導波路幅を持っているため、図７に示したようなＥＡ変調器およびＳＯＡの間のテーパ構造を持たないことになる。
作製した素子を用いて２５Ｇｂｉｔ／ｓの変調特性評価を行った。変調信号はＮＲＺ形式で、疑似ランダム２進数シーケンスＰＲＢＳ２３１－１を用いた。作製したすべてのＡＸＥＬにおいて、レーザの電流値を８０ｍＡに、ＥＡ変調器への印可電圧を－１．５Ｖに設定して比較を行った。ＳＯＡの駆動電流については、導波路幅１．５μｍ、長さ１５０μｍのＳＯＡを持つＡＸＥＬを基準とし、ＳＯＡ電流を７０ｍＡに設定した。この電流値を基準に、他のすべてのＡＸＥＬに対しては、ＳＯＡの活性領域の面積（ｘ－ｚ面）に比例した電流値を設定した。すなわちすべてのＳＯＡを同一の電流密度で駆動して、動作特性を比較した。
図８は、ＳＯＡの導波路幅、長さと変調時光出力との関係を示す図である。３種類のＳＯＡ導波路幅をパラメータとして、横軸にＳＯＡの長さ（μｍ）を、縦軸に変調時光出力Ｐａｖｇ（ｄＢｍ）を示した。変調時光出力については、標準的なレンズ付きシングルモードファイバを用いたファイバ結合時の光強度をプロットしている。図８から明らかなように、ＳＯＡの導波路幅を増やすのに応じて変調時光出力強度も増加していることがわかる。ＳＯＡの導波路幅１．５μｍの場合は、ＳＯＡ長１５０μｍ程度で光出力が飽和してしまい、これ以上ＳＯＡを長くしても高出力化できない。これに対して、導波路幅を１．７μｍ、２．４μｍと大きくしていくに従って、ＳＯＡ長がより長い範囲でも光出力が飽和しにくく、より高い光出力が得られようになる。
ＳＯＡ長が短く、１００μｍ程度の場合では、どの導波路幅においても変調時出力はほとんど変化していない。これは図５の（ａ）に示したように、導波路幅１．５μｍ以上では光閉じ込め係数がほとんど変化せず、ＳＯＡ内を伝搬する光のモード利得があまり変わらないことに対応している。一方で、ＳＯＡ長が一定程度よりも長ければ、図６に示したように、導波路幅の拡張で飽和光出力を増加させることが可能であり、比較的長いＳＯＡの場合であっても変調時光出力を増大させることができる。導波路幅２．４μｍ、長さ２２５μｍのＳＯＡを有するＡＸＥＬでは、変調時光出力が８．１ｄＢｍに達しており、十分な光出力が確認された。
図９は、実施例１の光送信器においてファイバとの光結合効率を示した図である。各条件で作製したＡＸＥＬの光送信器において標準的なレンズ付きシングルモードファイバを用いて光出力を結合したときの、ＳＯＡの導波路幅（横軸）と光ファイバ結合効率（縦軸）を示す。ここでは、ＳＯＡの導波路幅の範囲をさらに広げて、導波路幅３．５μｍまでのものを評価している。図９から明らかな通り、ＳＯＡ幅が広くなるにつれて光ファイバ結合効率は低下する。この光ファイバ結合効率の低下は、ＳＯＡの導波路を導波する光のフィールドが円形から楕円形になることで、レンズによる結合損失が増加するためである。この結合損失も考慮した場合、ＳＯＡの導波路幅を、図９で結合効率の低下が比較的少ない２．５μｍ以下の範囲とすることがＡＸＥＬ高出力化にあたっての上限となる。これ以上の導波路幅の拡張は、光出力の増加よりも、光ファイバとの結合損失の増加によるデメリットの方が大きくなる。
図８および図９の結果によれば、ＤＦＢレーザの導波路幅が１．５～２．０μｍに設計された場合であって、かつ、ＳＯＡの導波路幅拡張による飽和光出力の増大とレンズ結合時の損失を考慮するとき、本開示の光送信器ではＳＯＡの導波路幅を１．５μｍ以上２．５μｍ以下とした時に最もその効果を発揮する。
導波路幅２．４μｍ、長さ２２５μｍのＳＯＡを有するＡＸＥＬにおいて、評価したアイパターン波形の“０”レベルおよび“１”レベルの光出力差によって、動的消光比を求めた。動的消光比として９．１ｄＢが得られ、光信号の波形品質も十分な水準が得られている。最後に、レーザの電流値を８０ｍＡ、ＥＡ変調器への印可電圧を－１．５Ｖ、ＳＯＡ電流を１６８ｍＡとして、シングルモードファイバによる４０ｋｍの伝送特性を評価した。これは、図８で示したＳＯＡの導波路幅、長さと変調時光出力との関係を求めた測定と同じ駆動条件である。その結果、ビットエラーレート１０－１２を下回るエラーフリー伝送を確認できた。以上詳細に説明したように、ＡＸＥＬのＳＯＡの導波路幅をＤＦＢレーザの導波路幅よりも拡大し最適化することで、光出力の十分な高出力化の効果が確認された。
本実施例では、光送信器の高出力化に着目したものであったが、次の実施例では、パターン効果の影響を抑え、信号波形の品質を高める例を示す。
図１０は、実施例２のＡＸＥＬによる光送信器の導波路構造を示す図である。図１０では、光送信器２００の導波路の厚さ方向中心を通り基板面に平行な断面（ｘ－ｚ面）を見た図である。基板面に垂直な断面の構成は、後述するＳＯＡ側の出射端部近傍を除いて実施例１の場合と変わりはないので、図１０では上面図のみを示した。図面の左側のＤＦＢレーザは一部省略して、断面より上の部分は除去して示している。
本実施例の光送信器２００は、実施例１と同様に、ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器、パッシブ領域、ＳＯＡがこの順に集積化されたモノリシック集積素子である。ＤＦＢレーザの導波路２０５は長さ３００μｍ、その前方のＥＡ変調器の導波路２０６は長さ１５０μｍであり、ＳＯＡの導波路２０８は長さ１００μｍである。ＥＡ変調器とＳＯＡとの間には長さ１００μｍのテーパ構造２０７が設けられ、導波路幅の異なるＥＡ変調器とＳＯＡとの間を低損失に光結合させる。実施例１の場合と異なり、テーパ２０７は、光の伝搬方向に沿って次第に幅が狭まる構造となる。
本実施例では、１．５７μｍ波長帯において、１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調信号を生成可能な光送信器であって、ＳＯＡにおけるパターン効果を抑制し、高品質な光波形と高出力特性を実現する光送信器について開示する。変調レートが１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調信号では、実施例１の２５Ｇｂｉｔ／ｓの場合と比較して、変調レートレートが低いために同符号連続の期間がより長く、ＳＯＡの持つパターン効果の影響が大きくなる。そこで本実施例のＡＸＥＬによる光送信器では、ＳＯＡにおいて、ＤＦＢレーザの導波路よりも細い導波路幅採用することで、ＳＯＡにおける駆動電流密度を上昇させ、高品質な光波形を実現する。
本実施例の光送信器２００の集積回路（ＡＸＥＬ）の作製プロセスは、前述の実施例１の工程とほぼ同一である。唯一異なる部分として、図１０に示したようにＳＯＡ導波路２０８とチップの光出射端の境界に、チップ端面での反射を抑制する窓構造２０９をバルクＩｎＰで形成している。本実施例の光送信器２００において、パターン効果の影響を軽減するためのＳＯＡの導波路幅の最適化は、従来のＡＸＥＬの作製プロセスを変更することなく、導波路形成のマスクパターン修正のみで可能である。本実施例では、複数のＳＯＡの導波路幅が異なるＡＸＥＬを作製しその光波形の品質を評価した。作製したすべてのＡＸＥＬのＤＦＢレーザとＥＡ変調器の導波路幅は１．５μｍで、いずれも同一の層構造を持っている。ＳＯＡの層構造はＤＦＢレーザと同じであり、ＳＯＡの長さはすべて１００μｍで一定値である。本実施例では、ＳＯＡの導波路幅のみを変化させ、すべての条件で、同一の導波路幅および層構造のＡＸＥＬを５台ずつ作製して、各素子において評価を行った。ＳＯＡの異なる導波路幅の各条件で複数個を作製して光出力を測定することで、デバイスの特性値のばらつきについても評価している。
図１１は、実施例２の光送信器におけるＳＯＡ導波路幅と変調時光出力との関係を示す図である。光送信器の駆動条件は、ＳＯＡの導波路幅１．５μｍの素子の電流値を６０ｍＡに設定し、これを基準として、作製したすべての素子のＳＯＡが同一の電流密度（ｘ－ｚ面）になるように駆動させた。すべてのＡＸＥＬにおいて、ＤＦＢレーザの電流値を８０ｍＡ、ＥＡ変調器への印可電圧を－１．５Ｖと設定した。変調信号はＮＲＺ形式で、疑似ランダム２進数シーケンスＰＲＢＳ２３１－１を用いた。光出力は、実施例１と同様に、標準的なレンズ付きシングルモードファイバを用いたファイバ結合時の光強度である。
図１１から明らかな通り、ＳＯＡの導波路幅が小さくなるにしたがって、変調時光出力が低下していることを確認できる。これは図５の（ａ）とともに説明したように、導波路幅を縮小することで量子井戸への光閉じ込め係数が低下するためである。図１１の導波路幅と変調時光出力との関係で注目すべきは、導波路幅が１．０μｍ以下の範囲で見られるエラーバー（誤差範囲）で示された光出力のばらつきである。ＳＯＡの導波路幅の縮小と同時に光出力のばらつき範囲も急激に増加しており、特に導波路幅が０．８μｍ以下の場合にばらつきが顕著である。これは導波路幅の縮小により、導波路パターンの露光時に生じる導波路幅そのもののばらつきが現れるためであって、現状の製造工程では避けられないばらつきとなる。
図１１における導波路幅自体のばらつきによる変調時光出力の不安定さも考慮すると、パターン効果抑制のためのＳＯＡ導波路幅の縮小には限界があることがわかる。光通信に使用されている一般的なＤＦＢレーザの導波路幅が１．５～２．０μｍであることを考慮すると、ＳＯＡの導波路幅が０．８μｍ以上２．０μｍ以下の範囲で、本実施例は最もその効果を発揮できる。最後に、ＳＯＡの導波路幅が１．０μｍを有するＳＯＡと、従来のＤＦＢレーザとＥＡ変調器と同じ導波路幅１．５μｍのＳＯＡを採用したＡＸＥＬで光波形品質の比較を行った。
図１２は、実施例２の光送信器におけるアイパターンの改善を説明する図である。図１２の（ａ）は、本実施例でＳＯＡの導波路幅を１．０μｍとしてＤＦＢレーザ等よりも狭くした場合のアイパターンである。図１２の（ｂ）は、従来技術のＤＦＢレーザからＳＯＡまでのすべての導波路幅が１．５μｍの場合のアイパターンである。ＤＦＢレーザおよびＥＡ変調器の駆動条件と、変調信号は前述の条件と同一である。２つのＡＸＥＬのＳＯＡには同一の電流値７０ｍＡが印可されている。したがって、図１２の（ａ）に示したＳＯＡ幅が１．０μｍのアイパターンが、より高い電流密度で動作しているものになる。
図１２から明らかな通り、ＳＯＡの導波路幅を縮小したことで、“１”レベルのばらつき幅が狭まり、明瞭な開口（アイEye）が得られており、アイパターンの波形品質が大きく改善している。このときの変調時光出力は、ＳＯＡ幅１．５μｍの素子で６．４ｄＢｍ、ＳＯＡ幅１．０μｍの素子で６．１ｄＢｍでほぼ同等レベルであり、光出力の点でも遜色がない。図１２の（ａ）に示したＳＯＡの導波路幅をＤＦＢレーザ等よりも縮小した素子のほうが、電流密度が上昇したことによって光利得も上昇し、光閉じ込め係数の低下を補ったためと考えられる。
以上図１１および図１２でも説明したように、ＳＯＡの導波路幅を最適化することで、パターン効果による光信号波形品質の劣化を抑え、明瞭なアイパターンを持つように十分な光波形品質の改善効果を確認できた。
本発明は、光通信に利用できる。例えば、光送信器に利用可能である。

Claims (4)

  1. 基板上に、
    多重量子井戸を有する活性領域を有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザと、
    前記ＤＦＢレーザとは異なる組成の多重量子井戸を有する吸収領域を含み、前記ＤＦＢレーザの発振光を変調する電界吸収型（ＥＡ）変調器と、
    前記ＤＦＢレーザと同一組成の活性領域を有し、前記ＥＡ変調器からの信号光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とがモノリシックに集積された光送信器であって、
    前記ＳＯＡの光導波方向に垂直な断面におけるコア層の幅が、前記ＤＦＢレーザのコア層の幅より小さいことを特徴とする光送信器。
  2. 前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの光導波構造は、同一の層構造および同一組成を有すること
    を特徴とする請求項１に記載の光送信器。
  3. 前記ＳＯＡの前記コア層の前記幅は、０．８μｍ以上、２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光送信器。
  4. 前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの光導波構造は、一括プロセスによって形成されたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の光送信器。
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