JPH02271583A - レーザ集積化光変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ レーザと光変調器を集積化したレーザ集積化光変調器に
関し、 射出される散乱光を減少させることによって、光雑音を
減少させることの・できるレーザ集積化光変調器を提供
することを目的とし、 基板上に半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器を集
積化したレーザ集積化光変調器であって、レーザが上側
クラッド層と下側クラッド相に挾まれた活性層を有し、
光変調器が上側クラッド層と下側クラッド層に挾まれ、
レーザの活性層と突き合わせ整合配置された可変光吸収
層を有し、光変調器の上側クラッド層と下関クラッド層
の少なくとも一方の中に、可変光吸収層と平行に配置さ
れ、活性層と同等か、それよりも狭いバンドギャップを
有する吸収層が配置されているように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体光学装置に関し、特にレーザと光変調
器を集積化したレーザ集積化光変調器に関する。

現在の光伝送システムにおいては、単一縦モード半導体
レーザを直接変調する直接変調方式が採用されている。

このような直接変調方式では、緩和振動時に生ずる大き
な波長チャーピングにより、伝送容量を大きくすること
は困難である。従って、長距離光伝送システムにおいて
、大容量を得ようとする場合、直接変調方式は不向きで
ある。

一方、一定出力を発するＹ導体レーザを光源とし、光変
調器を用いて外部変調を行う外部変調方式は、超高速変
調が可能で、緩和振動が存在しないため、波長チャーピ
ングが少ない、従って、外部変調方式は、長距離大容量
光伝送に適している。

ところがレーザと光変調器を用いると、レンズやアイソ
レーション等が必要となって、部品数や全体の大きさが
大きくなってしまい、システム上の制限が多くなる。そ
こで、外部変調方式を実施するなめには、半導体レーザ
と光変調器をモノリシックに集積したデバイスが望まれ
る。

［従来の技術］ 第２図（Ａ）〜（ＤＪに従来技術を概略的に示す。

第２図（Ａ）は従来技術による、分布帰還型（ＤＦＢ）
半導体レーザの断面構造を示す。

１．５５μｍ帯用の半導体レーザを例にとって説明する
。ｎ型１ｎＰ基板６０上に回折格子６７を形成する溝を
形成し、その上にギャップ波長が約１．３５μｍに相当
するｎ型１ｎＧａＡｓＰの下クラッド層６５を形成し、
その上にギャップ波長が約１゜５５μｍに相当するｌ型
１ｎＧａＡｓＰの活性層６１を形成し、その上にｐ型１
ｎＰの上クラッド層６３を形成する。ｎ型１ｎＰの基板
６０の裏面およびＰ型ＩｎＰの上クラッド層６３の表面
には、それぞれ電極６６．６４が形成される。なお、ρ
型ｎ型は反転させてもよい。

上クラッド層６３と下クラッド層６５に挾まれた活性層
６１が導波構造のレーザキャビティを楕成し、回折格子
６７が画定する波長の光を発振する。ここで回折格子６
７は屈折率の興なる媒質の界面を周期的に凹凸に枝打た
せることによって、実効的屈折率を変化させて構成され
る。凹凸の周期に等しい波長の光が選択的に反射される
。

基板６０がｎ型で上クラッド層６３がｐ型の場合、ｐ側
電ｆ！６４を正極に接続し、ｎ型の基板６０側のｎｌ！
ｌ電極６６を負極に接続し、順バイアスを印加する。順
バイアスによって活性層６１に電流が流れると、発光性
再結合によって光が発生し、キャビティ内で発振するこ
とによってレーザ発光が生じる。

第２図（Ｂ）は、電界吸収型光変調器を概略的に示す、
たとえば、ｎ型１ｎＰの基板６０の上にｎ型１ｎＧａＡ
ｓＰの下クラッド層５５が形成され、その上にレーザ光
に対して透明であるが、電界を印加した時には吸収性に
変化するｌ型１ｎＧａＡｓＰの可変光吸収層５１が形成
され、さらにその上にｐ型１ｎＧａＡｓ　Ｐの上クラッ
ド層５３が形成される。

上下クラッド層５３．５５のＩｎＧａＡｓＰの組成は、
可変光吸収層であるＩｎＧａＡｓＰ層５１よりバ層上１
ャップを広く（屈折率を低く）！ｌんである。すなわち
、上下クラッド層５３．５５に挾まれた可変光吸収層５
１は導波構造を構成する。ｎ型基板６０上にｎ側電極５
６が形成され、ｐ型の上クラッド層５３上にｐ側電極５
４が形成される。

ｐｉｌｌ電極５４とｎｌｔ極５６をそれぞれ負極、正極
に接続し、逆バイアスを印加することによって電界吸収
型光変調器を動作させる。

逆バイアスが印加されて可変光吸収層５１が入射レーザ
光に対して吸収性になると、出力光はほぼ零になり、逆
バイアスが解除されて光吸収層５１が入射レーザ光に対
して透明になるハイレベルの信号が出力される。

第２図（Ｃ）はレーザを集積化した光変調器を概略的に
示す、基本的に第２図（Ａ）に示す半導体レーザと、第
２図（Ｂ）に示す電界吸収型光変調器を突き合わせ結合
させた形態を有している。

すなわち、たとえばｎ型１ｎＰの基板６０上に比較的バ
ンドギャップの広いｎ型１ｎＧａＡｓＰの下クララド層
５５が形成され、その上に半導体レーザのｌ型１ｎＧａ
ＡｓＰの活性層６１および光変調器のｌ型ＩｎＧａＡＳ
Ｐの可変光吸収層５１が形成され、その上をｐ型１ｎＰ
の上クラッド層５３が覆う。

］ｎＰ基板６０上に共通電極５６を形成し、半導体レー
ザの部分には順バイアス用の電極６４を形成し、光変調
器の部分には逆バイアス用の電極５４を形成する。たと
えば、を極５６を設置し、レーザ用電極６４に一定の順
バイアス電圧を印加して半導体レーザを一定出力で発振
させ、その光を逆バイアス用電極５４に印加する逆バイ
アス電圧によって変調することによって、可変光吸収層
５１が入射レーザ光をオン・オフし、変調した光出力を
外部に発射する。

ところで、半導体レーザの活性層６１から光変調器に入
射する光は、その間で光学的界面５８を通過しなければ
ならない。

第２図（Ｄ）に半導体レーザから光変調器に入射する光
の動作を概略的に示す、半導体レーザと光変調器の間に
は光学的界面が存在するため、その面において光散乱が
生じる。

光変調器の可変光吸収層５１の両側のクラッド層は、可
変光吸収層よりも広いバンドギャップを有するので、レ
ーザ光に対して透明であり、クラッド層に入射したレー
ザ光は減衰せず端面にまで進行する可能性が高い。

端面から外部に発射した散乱光は、光雑音となる。すな
わち、電界を印加されて可変光吸収層５１が光吸収性に
なっていても、散乱光がクラッド層を介して外部に発射
すると信号の零レベルが持ち上がることになる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上述べたように従来技術によれば、半導体レーザと光
変調器を集積化しなレーザ集積化光変調器において、レ
ーザと変調器の光学的界面において散乱光が生じ、光雑
音を発生させる。

本発明の目的は、射出される散乱光を減少させることに
よって、光雑音を減少させることのできるレーザ集積化
光変調器を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、光変調器のクラッド層内に、可変光吸
収層と平行に、吸収層を設は散乱光を吸収させる。

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の原理説明図である。第
１図（Ａ）は構造を概略的に示す。

基板１０上に半導体レーザ１７と光変調器１９が構成さ
れている。

半導体レーザ１７の部分においては、基板１０上に下側
クラッド層１５、活性層１１、上側クラッド層１３が堆
積され、レーザキャビティを構成している。

光変調器１９の部分においては、基板１０上に下側クラ
ッド層５、可変光吸収層１、上側クラッド層３が堆積さ
れている。下側クラッド層５または上側クラッド層３の
少なくとも一方の中には活性層１１と同等か、それより
も狭いバンドギャップを有する吸収層７．９が可変吸収
層１と平行に配置されている。

第１図（Ｂ）、（Ｃ）は第１図（Ａ）に示したレーザ集
積化光変調器の基本的動作を説明する概念図である。第
１図（Ｂ）は導波光の動作を示す。

半導体レーザの活性層１１を進行してきた光が光変調器
の可変光吸収層１に入射すると、クラッド３．５によっ
て挾まれた可変光吸収層１が導波構造を構成するので、
可変光吸収層１に沿って進行する。

可変光吸収層１が無電界下で透明である場合には、入射
光はそのまま出力端に透過する。可変光吸収層１が電界
印加によって吸収性に変化すると、入射したレーザ光は
可変光吸収層１で吸収され、はぼ出力光はなくなる。

［作用］ 第１図（Ｃ）は散乱光を示す概念図である。

半導体レーザの活性層１１からレーザ光が光変調器に入
射しようとした際、間の光学的界面で散乱を受けると可
変光吸収層１に導入されず、外側のクラッド層３．５に
進行してよう、クラッド層３．５はレーザ光に対して透
明なので散乱光はそのまま進む、しかし、散乱光の行く
先に吸収層７．９が設けられているので、これらの吸収
層に達しなレーザ光は吸収されてしまい、外部には発射
しない。

従って、出射面から見た信号光のＳ／Ｎ比は向上する。

このように、光変調器の上側クラッド層３または下側ク
ラッド層５の少なくとも一方に吸収層７．９を設けるこ
とによって、散乱光を吸収し、レーザ集積化光変調器の
雑音を低減することができる。

［実施例］ 第３図（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例によるレーザ
集積化光変調器を示す、第３図（Ａ）は、縦断面図を示
す、第３図（Ｂ）は光変調器の部分での横断面図を示す
、第４図（Ａ）〜（Ｆ）に、第３図（Ａ）、（Ｂ）に示
すレーザ集積化光変調器の製造プロセスの１例を示す。

以下、１．５５μｍ帯の場合を例にとって説明するが、
他の波長用に構成を変更することは当業者に自明であろ
う。

第４図（Ａ）に示すように、ｎ型１ｎＰ基板３０上に比
較的バンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓ　Ｐの吸収層
２９を形成し、光変調器部にマスクをし、半導体レーザ
部分をエツチングして除去する。

次に、第４図（Ｂ）に示すように、基板３０と同じ組成
のｎ型１ｎＰのバッファ層２６．３６を堆積する。

第４図（Ｃ）に示すように、半導体レーザ部分において
、ＩｎＰバッファ層３６の表面にλ／４シフト回折格子
３７を構成するための平行溝を形成する。なお、中央部
のλ／４シフトは図示していない、たとえば、干渉縞を
露光し、エツチングをすることにより平行溝を形成する
。

次に、第４図（Ｄ）に示すように、この上に相対的にバ
ンドギャップの広いｎ型１ｎＧａＡｓＰの下クラッド層
３５、相対的にバンドギャップの狭い１型１ｎＧａＡＳ
Ｐの活性層３１、相対的にバンドギャップの広いｐ型１
ｎＧａＡｓＰの上クラッド層３３を順次堆積する。

基板全面にこれらの層を堆積した後、第４図（Ｅ）に示
すように、レーザの部分をマスクして、光変調器の部分
をエツチングで除去する。

次に、第４図（Ｆ）に示すように、光変調器の部分にお
いて、露出したｎ型］ｎＰ層２６の上に相対的にバンド
ギャップの広いｎ型］ｎＧａＡｓＰの下クラッド層２５
、その上に相対的にバンドギャップが狭いが半導体レー
ザの活性層３１よりもバンドギャップが広い（バンドギ
ャップ波長の短い）１型１ｎＧａＡｓＰ可変光吸収層２
１、さらにその上に可変光吸収層２１よりもバンドギャ
ップの狭いρ型ＩｎＧａＡｓＰの吸収層２７を挾んだバ
ンドギャップが相対的に広いｐ型１ｎＰの上クラッド層
２３を形成する。なお、Ｐ型ｎ型の導電型は反転しても
よい。

この後、メサ・エツチングを行い、側面を半絶縁性１ｎ
Ｐ領域４０で埋めこむ、　ＩｎＰ基板３ｏの上に電極２
８を形成し、半導体レーザの上クラッド層３３の上に電
極３４、光変調器の上クラッド層２３の上に電極２４を
形成する。このようにして、第３図（Ａ）、（Ｂ）に示
す構造が形成される。

第３図（Ｂ）の光変調器の断面図に示すように、可変光
吸収層２１の上側には吸収層２７が、下側には吸収層２
９が可変光吸収層２１と平行に配置され、上下に散乱さ
れた散乱光を吸収する。

第３図（Ａ）、（Ｂ）に示すレーザ集積化光変調器の１
例において、半導体レーザの活性層３１は、たとえばギ
ャップ波長１．５５μｍ、厚さ０゜１５μｍとする。導
波構造を形成するため、たとえば下クラッド層３５をギ
ャップ波長１．３５μｍのＩｎＧａＡＳＰで形成し、そ
の下にギャップ波長１゜３μｍのＩｎＰ層を配し、上ク
ラッド層３３をギャップ波長１．３μｍのＩｎＰで形成
する。光変調器の部分では、可変光吸収層２１は、たと
えば厚さ０．２０〜０．３５μｍ　、＋ギャップ波長１
．４０μｍのＩｎＧａＡｓＰ層で形成する。可変光吸収
層２１の上下のクラッド層はそれぞれ可変光吸収層２１
と同じ程度の厚さ、０．１５〜０．３５μｍ程度に形成
する。下クラッド層２５は、たとえばギャップ波長１，
３５μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰ層で形成する。光吸収層
２７．２９は、活性層３１と同等が、それよりも狭いバ
ンドギャップ（長いギャップ波長）の組成のＩｎＧａＡ
ｓ　Ｐとし、たとえば厚さ０．　１５〜０．４μｍ程度
とする。たとえば、レーザ部分の長さは３００μｍ、光
変調器の部分の長さは２５０μｍとする。光変調器側の
端面には反射防止膜を設ける。第３図（Ｂ）に示すメサ
形状の幅は、たとえば２μｍ弱ないし３μｍとし、その
高さはたとえば５μｍ程度とする。また、基板３０の厚
さは、たとえば１００μｍ程度とする。このような構成
で、たとえば１０ｍＷ程度の出力光を得ることができる
。

なお、可変光吸収層２１の上側らしくは下側の散乱光の
みが問題である場合は、その一方のみに光吸収層を設け
ればよい、たとえば、可変光吸収層２１の下側の散乱光
のみを除去するには、下側の光吸収層２７を設ける。

１．５５μｍ帯の場合の１例を説明したが、同様の構成
で１．３５μｍ帯のレーザ集積化光変調器を構成できる
。また、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを用いて、約０．７〜
０．９μｍの波長の光を用いるレーザ集積化光変調器を
構成することもできる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によればレーザ集積化光変
調器において、レーザの活性層から光変調器の吸収層に
光を結合させる際、導波せず散乱した光を吸収し、消光
比を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の原理説明図であり、第
１図（Ａ）は構造を示す断面図、第１図（Ｂ）は導波光
を説明するための概念図、第１図（Ｃ）は散乱光を説明
するための概念図、第２図（Ａ）〜（Ｄ＞は従来技術を
示す図であり、第２図（Ａ）は半導体レーザの断面図、
第２図（Ｂ）は電界吸収型光変調器の断面図、第２図（
Ｃ）はレーザ集積化光変調器の断面図、第２図（Ｄ）は
散乱光を説明する断面図、 第３図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例を示し、第３図
（Ａ）は縦断面図、第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）の構造
の内、光変調器の部分の横断面図、第４図（Ａ）〜（Ｆ
）は、第３図（Ａ）、（Ｂ）の構造を製造するためのプ
ロセスを示す断面図である。 図において、 ２３．３３ 光変調器の可変光吸収層 光変調器の上側クラッド層 光変調器の下側クラッド層 光変調器の上側吸収層 光変調器の下側吸収層 基板 レーザの活性層 レーザの上側クラッド層 レーザの下側クラッド層 レーザ 光変調器 ＩｎＧａＡｓＰ可変光吸収層 ＩｎＧａＡｓＰ活性層 ２４．２８．３４ ２５．３５ ２６、３６ ２７．２９ ５４．５６ ６４、６６ を極 Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐクラッド層 ＩｎＰバッファ層 ＩｎＧａＡｓＰ吸収層 基板 回折格子 半絶縁性１ｎＰ領域 光変調器の可変光吸収層 光変調器の上クラッド層 電極 光変調器の下クラッド層 基板 レーザの活性層 レーザの上クラッド層 電極 レーザの下クラッド層 回折格子 （Ａ）構造 （Ｂ）導波光 （Ｃ）散乱光 （Ａ）ｆｉ断面図 （Ｂ）光変Ｘ器横断面ズ 第３図 （Ａ）半導体レーザ （Ｂ）電界吸収型光変調器 （Ｃ）レーザ集積化光変調器 ＜Ｄ）散乱光 （Ｂ）バッファ層形成 （Ｄ）積Ｎ堆頂 製造プロセス 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）、基板（１０）上に半導体レーザ（１７）と電界
   吸収型半導体光変調器（１９）を集積化したレーザ集積
   化光変調器であって、 レーザ（１７）が上側クラッド層（１３）と下側クラッ
   ド相（１５）に挾まれた活性層（１１）を有し、 光変調器（１９）が上側クラッド層（３）と下側クラッ
   ド層（５）に挾まれ、レーザ（１７）の活性層（１１）
   と突き合わせ整合配置された可変光吸収層（１）を有し
   、 光変調器（１９）の上側クラッド層（３）と下側クラッ
   ド層（５）の少なくとも一方の中に、可変光吸収層（１
   ）と平行に配置され、活性層（１１）と同等か、それよ
   りも狭いバンドギャップを有する吸収層（７、９）が配
   置されていことを特徴とするレーザ集積化光変調器。