WO2010016295A1 - 波長可変光送信機 - Google Patents

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友章 加藤
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    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength tunable optical transmitter.
  • wavelength multiplexing technique for multiplexing and transmitting a plurality of signal lights having different wavelengths is widely used.
  • the key component in an optical transmitter for a wavelength division multiplexing optical fiber communication system is an optical modulator.
  • the optical modulator is capable of high-speed optical modulation, its signal light wavelength dependency is small, and an unnecessary optical phase modulation component (light intensity modulation signal that causes deterioration of the received optical waveform during long-distance signal transmission) And a light intensity modulation component (when an optical phase modulation signal is generated) are desired to be small.
  • an MZ type optical intensity modulator in which an optical waveguide type optical phase modulator is incorporated in a Mach-Zehnder (MZ) optical interferometer is suitable.
  • MZ Mach-Zehnder
  • optical waveguide type semiconductor optical phase modulators and semiconductor MZ optical modulators using III-V compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) and indium phosphide (InP) as light source elements are miniaturized by monolithic integration. ⁇ Cost reduction is expected. Miniaturization and cost reduction are particularly important for practical use of optical transmitters for wavelength division multiplexing optical fiber communication systems.
  • a wavelength tunable light source generally includes a resonator structure in which a reflector having a wavelength tunable mechanism and a reflector having a small wavelength dependence (or no wavelength dependence) are arranged at both ends of a gain region that carries signal light.
  • a reflector having the wavelength tunable mechanism a semiconductor optical waveguide type ring optical resonator or a Bragg reflector is monolithically integrated with a gain region, and a diffraction grating having wavelength selectivity is arranged outside to obtain a gain. It can be roughly divided into those that are lens-coupled to the area.
  • a cleaved surface of a semiconductor optical waveguide can be used as a reflector having a small wavelength dependency.
  • a structure (narrow gap mirror) has been proposed in which a gap is formed over a length of about the signal light wavelength in an optical waveguide connecting a monolithically integrated variable wavelength light source and an optical modulator (for example, see Non-Patent Document 1). ).
  • the narrow gap mirror can be formed by a dry etching technique.
  • the etching depth control is difficult because the ratio of the etching stop mask covering the surface of the semiconductor substrate must be extremely high. In addition, it is difficult to observe the inside of the etched groove and it is difficult to judge whether it is good or bad.
  • a wavelength tunable optical transmitter is formed on a semiconductor substrate, a wavelength tunable light source formed on the semiconductor substrate and having at least a wavelength tunable first reflector and a gain region, and the semiconductor substrate.
  • the connected second semiconductor optical waveguide and the first and second semiconductor optical waveguides are collinearly coupled to each other over a length L C that is not m / 2 times (m: integer) the complete coupling length L C0 .
  • a waveguide coupling region and a second reflector formed at an end of the waveguide coupling region.
  • a wavelength tunable optical transmitter in which a wavelength tunable light source and an optical modulator are monolithically integrated, and which is small in size and excellent in manufacturing yield and reliability.
  • any problem with narrow gap mirrors is caused by coupling signal light between the optical waveguide end face of the wavelength tunable light source monolithically integrated on the same semiconductor substrate and the optical waveguide end face of the optical modulator. Don't be.
  • the inventor reviewed means for coupling signal light between two optical waveguide elements monolithically integrated on the same semiconductor substrate, and collinearly coupled the respective optical waveguide elements.
  • a new structure has been introduced in which the coupling region length is set appropriately and the end face of the optical waveguide at one end thereof has finite reflection.
  • This mirror structure functions as a reflector having a small wavelength dependency necessary for a reflection wavelength variable light source, and also functions as an optical coupler in both regions.
  • a part of the signal light output from the wavelength tunable light source is fed back to itself by a reflector provided at the end of the optical waveguide that is collinearly coupled to each other. The remainder is then coupled to the light modulator region.
  • the reflectance R to the wavelength tunable light source and the transmittance T to the optical modulator are both functions R (L C ) and T (L C ) of the collinear coupling region length L C.
  • R (L C ) and T (L C ) of the collinear coupling region length L C are both functions R (L C ) and T (L C ) of the collinear coupling region length L C.
  • L C ⁇ (m / 2) ⁇ L C0 (L C0 : complete coupling length) it is possible to ensure a certain end surface reflection necessary for laser oscillation of the wavelength variable light source.
  • signal light can be transmitted to the optical modulator.
  • the ratio between the reflectance R (L C ) and the transmittance T (L C ) can be adjusted at the position (coupling region length L C ) where the coupling portion is cleaved after the process is completed.
  • the cleavage position accuracy can be relaxed to a practical value (for example, about ⁇ 5 ⁇ m) that can be realized by an automatic cleavage machine in a mass production line.
  • the reflectance can control the absolute value and wavelength dependence of the reflectance R (L C ) and transmittance T (L C ).
  • the dielectric film is a single layer, it is possible to cover a practical reflectance and wavelength range (for example, a C band indicating about 1525 to 1565 nm) as a wavelength tunable light source.
  • the present invention has a folded structure, the monolithic integrated element can be shortened. It becomes possible. Therefore, improvement in process yield and module miniaturization during mass production can be expected.
  • the folding structure that can monitor the signal light output from the wavelength tunable light source from the side opposite to the light modulation output is highly flexible in the light receiving element mounting position in the wavelength tunable optical transmitter module. It is also advantageous for downsizing.
  • the scattered light which was a problem of the narrow gap mirror, can be eliminated in principle.
  • the signal light component transmitted through the reflector does not propagate toward the optical modulator in the form of non-guided light in the semiconductor substrate. Therefore, extinction ratio deterioration due to such scattered light hardly occurs in principle, which is advantageous in terms of modulation characteristics.
  • the electrical separation (insulation) of the wavelength tunable light source and the optical modulator practical characteristics can be expected by combining the device structure of the semiconductor optical waveguide and methods such as separation grooves and ion implantation.
  • an etching stop mask that almost completely covers the surface of the semiconductor substrate other than the narrow gap portion required when using the conventional narrow gap mirror is also unnecessary. Therefore, it is not affected by in-plane dependency or blocking mask coverage dependency at the time of etching, and an improvement in manufacturing yield can be expected.
  • the coupling means of the wavelength tunable light source and the optical modulator according to the present invention makes it possible to monolithically integrate and downsize the module without causing any trouble in the oscillation operation of the wavelength tunable light source and the light modulation characteristics in the optical modulator region. Is possible. In addition, cost reduction can be expected by improving the manufacturing yield and reducing the inspection process.
  • FIG. 1 is a plan view for explaining the configuration of a wavelength tunable optical transmitter according to the first embodiment of the present invention. The configuration will be described in order below.
  • This element is a wavelength variable optical transmitter in which a wavelength variable light source and an MZ optical modulator are monolithically integrated on the same semiconductor substrate 101.
  • the wavelength tunable light source includes a gain region 104, a phase control region 106, and a wavelength tunable reflector 102. Each component is connected by a waveguide 105.
  • the wavelength tunable reflector 102 includes a pair of semiconductor optical resonators 110a and 110b having slightly different free spectral ranges, an optical bandpass filter 112 using an asymmetric MZ interferometer, and a multiplexer / demultiplexer 111c.
  • the optical bandpass filter 112 a pair of multiplexers / demultiplexers 111a and 111b are connected to each other via a pair of waveguides 105a and 105b having different lengths.
  • the pair of waveguides 105 are curved and the width is narrowed toward the tips thereof, so that non-reflection termination processing is performed.
  • a waveguide 105 constituting the optical bandpass filter 112 is connected to each of the semiconductor optical resonators 110a and 110b. Further, each of the semiconductor optical resonators 110 a and 110 b is also connected to a waveguide 105 formed substantially in parallel with the waveguide 105 constituting the optical bandpass filter 112. The waveguides 105 are connected to each other via a multiplexer / demultiplexer 111c.
  • a pair of two-input two-output optical multiplexers / demultiplexers 107a and 107b are smoothly connected to both ends of an optical phase modulation region 103 constituted by a pair of waveguides.
  • the output optical waveguide 105c of the wavelength tunable light source and the input optical waveguide 105d of the optical modulator region are coupled by a coupling region 108 that is collinearly coupled to each other.
  • a high reflection film 113 made of a dielectric or the like is provided on the end face of the coupling region 108.
  • a low reflection film 109 is formed on the output side end face of the optical modulator region.
  • the arrows in FIG. 1 indicate the flow of optical signals.
  • the wavelength tunable light source oscillates in a single axis mode at a certain wavelength.
  • the oscillation wavelength is determined from the resonance condition of the pair of semiconductor optical resonators 110 a and 110 b of the wavelength tunable reflector 102.
  • This resonance wavelength can be controlled by injecting a current into a heater electrode (not shown) provided in the semiconductor optical resonators 110a and 110b and controlling its temperature.
  • the phase control region 106 is provided in order to obtain a stable single-axis mode laser oscillation state.
  • the signal light output of the laser-oscillated variable wavelength light source is guided to the coupling region 108 through the optical waveguide 105c smoothly connected thereto.
  • the reflection on the highly reflective film 113 formed on the end face of the coupling region 108 and necessary for laser oscillation is controlled by the length of the coupling region 108. It can also be controlled by the thickness and refractive index of the highly reflective film 113 provided on this end face.
  • the reflectance of the highly reflective film 113 can be regarded as almost constant over a wide wavelength band to such an extent that there is no practical problem. Further, part of the signal light leaks from the high reflection film 113 having a finite reflectance of less than 1. On the other hand, the remaining signal light power is coupled to the optical modulator. When a modulation electric signal is applied to the optical phase modulation region 103 of the optical modulator, an optical modulation output is emitted from the end face 109.
  • Example 1 Next, a specific example 1 of the wavelength tunable optical transmitter according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the wavelength tunable light source and the MZ type optical modulator are monolithically integrated on the semi-insulating InP substrate 101.
  • the gain region 104 of the wavelength tunable light source is a semiconductor light in which an undoped InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well active layer (10 well layers, gain peak wavelength 1550 nm) is sandwiched from above and below by a p-InP upper cladding layer and an n-InP lower cladding layer. It consists of an amplifier and has a length of 450 ⁇ m.
  • the wavelength tunable reflector 102 includes an undoped AlGaInAs / AlGaInAs multiple quantum well core layer gain region (16 well layers, transition wavelength 1390 nm) from above, a ruthenium-doped InP upper cladding layer and a p-InP electron barrier layer, and from the bottom n
  • This wavelength tunable reflector 102 is a combination of a pair of semiconductor disk type optical resonators 110a and 110b having slightly different free spectral ranges and an optical bandpass filter 112 using an asymmetric MZ interferometer.
  • the pair of semiconductor disk-type optical resonators 110a and 110b and the optical bandpass filter 112 are provided with heater electrodes (not shown) on the surfaces thereof. Each resonance wavelength is controlled by injecting current here.
  • a pair of two-input two-output multimode interference optical multiplexers / demultiplexers 107a and 107b are smoothly connected to both ends of a pair of optical phase modulation regions 103 having a length of 2.5 mm.
  • the optical phase modulation region 103 has an undoped AlGaInAs / AlGaInAs multiple quantum well core layer gain region (16 well layers, transition wavelength 1390 nm) from the top to the n-InP upper cladding layer and the p-InP electron barrier layer from the bottom. Is based on a semiconductor optical waveguide sandwiched between n-InP lower cladding layers.
  • other multimode interference optical multiplexers / demultiplexers and passive optical waveguides include an undoped AlGaInAs / AlGaInAs multiple quantum well core layer gain region (16 well layers, transition wavelength 1390 nm) from above, and a ruthenium-doped InP upper cladding layer. And a p-InP electron barrier layer, and based on a semiconductor optical waveguide sandwiched between n-InP lower clad layers from below. An electrode 114 for applying an electric field is formed in the optical phase modulation region 103.
  • the output optical waveguide 105a of the wavelength tunable light source and the input optical waveguide 105d of the optical modulator are collinearly coupled to each other over a distance of 1 ⁇ m and a length of 250 ⁇ m to form a coupling region 108.
  • the opposite side, that is, the end portion is a cleaved surface using the crystal plane of the semiconductor substrate, and a highly reflective film 113 having a reflectivity of 90% is formed on the end surface.
  • a low reflection film 109 having a reflectance of 0.05% is formed on the output side end face of the optical modulator.
  • FIG. 2 is a plan view for explaining the configuration of a wavelength tunable optical transmitter according to the second embodiment of the present invention.
  • a light receiving element 115 for monitoring the signal light intensity leaking from the end face is provided in the vicinity of the end face of the coupling region 108. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the optical output of the wavelength tunable light source can be monitored and controlled by measuring the photocurrent of the light receiving element 115.
  • the wavelength tunable optical transmitter according to the present invention is a problem in miniaturization and manufacturing yield in realizing an ultrahigh-speed optical modulator and its integrated optical device, particularly for a trunk optical fiber communication system.
  • the means for coupling it is possible to effectively improve the current manufacturing process.
  • the next generation optical fiber communication system can be further reduced in size, speed, and power consumption.
  • the first effect of the present invention is that it can be made smaller than a wavelength tunable optical transmitter using a narrow gap mirror. This is because the element can be shortened effectively by realizing the folding mirror structure according to the present invention.
  • the second effect of the present invention is that the device manufacturing yield is improved by the present invention. This is because the complicated and precise process of the narrow gap mirror structure is greatly omitted.
  • a third effect of the present invention is that the extinction characteristic is improved by the present invention.
  • the reason is that there is no discontinuity of the waveguide as in the narrow gap mirror structure, and the signal light scattered there does not propagate toward the exit end of the optical modulator region, so the extinction ratio does not deteriorate.
  • the present invention is useful for production and use of a wavelength tunable optical transmitter, construction and use of various systems using the wavelength tunable optical transmitter, and the like. Further, the present invention has various applicability in communication, optics, and related technical fields.

Abstract

　本発明は、波長可変光源と光変調器とがモノリシック集積された波長可変光送信機であって、小型かつ製造歩留り及び信頼性に優れた波長可変光送信機を提供することを目的とする。本発明に係る波長可変光送信機は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に形成され、少なくとも波長可変型の第１の反射器１０２と利得領域１０４とを有する波長可変光源と、半導体基板１０１上に形成された半導体光変調器と、前記半導体基板上に形成され、波長可変光源に滑らかに接続された第１の半導体光導波路１０５ｃと、前記半導体基板上に形成され、半導体光変調器に滑らかに接続された第２の半導体光導波路１０５ｄと、第１及び第２の半導体光導波路が、完全結合長ＬＣ０のｍ／２倍（ｍ：整数）ではない長さＬＣにわたり互いにコリニア結合された導波路結合領域１０８と、導波路結合領域１０８の端部に形成された第２の反射器１１３とを備える。

Description

波長可変光送信機
　本発明は、波長可変光送信機に関する。
　インターネットや映像配信等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴って、幹線系やメトロ系では、より長距離大容量かつ高信頼な高密度波長多重光ファイバ通信システムが導入されている。また、加入者系でも、光ファイバアクセスサービスが急速に普及している。光ファイバ通信システムでは、光伝送路である光ファイバの敷設コスト低減や光ファイバ１本当たりの伝送帯域利用効率を高めることが望まれている。そのため、複数の異なる波長の信号光を多重化して伝送する波長多重技術が広く用いられている。
　波長多重光ファイバ通信システム向け光送信機におけるキーコンポーネントは、光変調器である。光変調器には、高速光変調が可能であること、その信号光波長依存性が小さいこと、さらに、長距離信号伝送時の受信光波形劣化を招く不要な光位相変調成分（光強度変調信号を生成する場合）や光強度変調成分（光位相変調信号を生成する場合）が小さいことが望まれる。こうした用途には、マッハ・ツェンダー（ＭＺ：Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）光干渉計に光導波路型の光位相変調器を組み込んだＭＺ型光強度変調器が適している。
　また、光源素子としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウム燐（ＩｎＰ）などのIII－V族化合物半導体を用いた光導波路型の半導体光位相変調器や半導体ＭＺ光変調器では、モノリシック集積化による小型化・低コスト化が期待されている。小型化・低コスト化は、波長多重光ファイバ通信システム向け光送信機を実用化する上で特に重要である。
　ところで、波長可変光源は、一般的に、信号光を担う利得領域の両端に、波長可変機構を有する反射器と波長依存性の小さい（あるいは無い）反射器とが配置された共振器構造を備える。上記波長可変機構を有する反射器としては、半導体光導波路型のリング型光共振器やブラッグ反射器を利得領域とモノリシック集積したものと、波長選択性を備えた回折格子を外部に配置して利得領域へレンズ結合したものに大別できる。一方、波長依存性の小さい反射器としては、半導体光導波路の劈開面を用いることができる。
　波長可変光源に光導波路型の半導体光変調器をモノリシック集積する場合、両者の間に波長依存性の小さい反射器を設ける必要がある。この反射器では、一定量の光を反射しつつ、波長可変光源から光変調器へ実用的な割合で信号光を結合させる必要もある。さらに、モノリシック集積された光変調器領域と波長可変光源領域とが互いに独立に動作するよう、つまりそれぞれの制御信号の影響が他方へ及ばないように、両者を電気的に分離（絶縁）する必要もある。そこで、モノリシック集積された波長可変光源と光変調器とを結ぶ光導波路に信号光波長程度の長さにわたって空隙を形成する構造（狭空隙ミラー）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。狭空隙ミラーは、ドライエッチング技術により形成可能である。
　しかしながら、狭空隙ミラーの実用化には、課題も多い。まず、波長可変光源と光変調器とを長手軸方向に沿って一直線上に配置する必要があるため、モノリシック集積素子が長尺になりやすく、モジュール小型化や生産歩留りの面で不利である。また、０．１μｍ程度の高い加工寸法精度が求められる。
　さらに、エッチング阻止マスクが半導体基板表面を被覆する割合が極めて高くならざるを得ないため、エッチング深さ制御が難しい。その上、エッチング加工した溝内部の観察が困難で良否判定が難しい。
　また、空隙ミラーのような光導波路の不連続部では、信号光が散乱されるため、波長可変光源領域と光変調器領域との信号光結合効率を高めることが難しい。そして、こうした空隙ミラーで散乱された信号光が、半導体基板中を非導波光として信号光出射端面近傍へ伝搬することにより、光変調器としての消光特性が劣化する。例えば、こうした散乱を抑制するために、狭空隙ミラー内部へ適度な屈折率の樹脂を充填する手法も考えられる。しかし、樹脂の熱処理や下地膜の形成条件最適化が難しく、反射・透過特性の補正や信頼性に課題がある。また、樹脂によりプロセス装置が汚染される懸念もある。さらに、プロセス段階で反射・透過特性が決定されてしまい後工程での調整・歩留り回復が難しい。
　また、狭空隙ミラーを形成した加工面（光導波路端面）をそのまま露出させておくことは信頼性上問題がある。他方、この加工面に誘電体保護膜を形成するのは、被覆形状の制御や均一性の観点から困難である。
S. Sudo、外６名、「External Cavity Wavelength Tunable Laser Utilizing On-Chip VOA」、Technical Digest of Optical Fiber Communication Conference and Exposition 2006、２００６年、OWL4
　以上説明した通り、狭空隙ミラーを用いた波長可変光送信機では、小型化が難しく、かつ、製造歩留りや信頼性にも課題がある。
　本発明は、波長可変光源と光変調器とがモノリシック集積された波長可変光送信機であって、小型かつ製造歩留り及び信頼性に優れた波長可変光送信機を提供することを目的とする。
　本発明に係る波長可変光送信機は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、少なくとも波長可変型の第１の反射器と利得領域とを有する波長可変光源と、前記半導体基板上に形成された半導体光変調器と、前記半導体基板上に形成され、前記波長可変光源に滑らかに接続された第１の半導体光導波路と、前記半導体基板上に形成され、前記半導体光変調器に滑らかに接続された第２の半導体光導波路と、前記第１及び第２の半導体光導波路が、完全結合長ＬＣ０のｍ／２倍（ｍ：整数）ではない長さＬＣにわたり互いにコリニア結合された導波路結合領域と、前記導波路結合領域の端部に形成された第２の反射器と、を備えたものである。
　本発明によれば、波長可変光源と光変調器とがモノリシック集積された波長可変光送信機であって、小型かつ製造歩留り及び信頼性に優れた波長可変光送信機を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る波長可変光送信機の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る波長可変光送信機の構成を示す図である。
符号の説明
１０１　半導体基板
１０２　波長可変反射器
１０３　下部クラッド層
１０４　利得領域
１０５、１０５ａ～ｄ　導波路
１０６　位相制御領域
１０７ａ、１０７ｂ、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ　光合分波器
１０８　結合領域
１０９　低反射膜
１１０ａ、１１０ｂ　光共振器
１１２　光バンドパスフィルタ
１１３　高反射膜
１１４　電極
１１５　受光素子
　狭空隙ミラーの抱えるいずれの課題も、同一半導体基板上にモノリシック集積された波長可変光源の光導波路端面と光変調器の光導波路端面との間で信号光を結合させることに起因したものに他ならない。発明者は、鋭意研究の結果、同一半導体基板上にモノリシック集積された２つの光導波路型素子間の信号光を結合させる手段を見直し、それぞれの光導波路型素子をコリニア結合させた。また、この結合領域長を適切に設定し、さらにその一端の光導波路端面に有限の反射を持たせる構造を新たに導入した。このミラー構造は、反射波長可変光源に必要な波長依存性の小さい反射器として機能するとともに、両領域の光結合器として機能する。
　互いにコリニア結合した光導波路の端部に設けられた反射器により、波長可変光源から出力された信号光の一部は、自身へフィードバックされる。そして、残りは光変調器領域へ結合される。
　この波長可変光源への反射率Ｒおよび光変調器への透過率Ｔはともにコリニア結合領域長ＬＣの関数Ｒ（ＬＣ）、Ｔ（ＬＣ）である。
　ここで、ＬＣ≠（ｍ／２）×ＬＣ０（ＬＣ０：完全結合長）とすることにより、波長可変光源のレーザ発振に必要なある一定の端面反射を確保することができる。その上で、光変調器への信号光透過も可能になる。
　この反射率Ｒ（ＬＣ）、透過率Ｔ（ＬＣ）の比はプロセス完了後に結合部を劈開する位置（結合領域長ＬＣ）で調整が可能である。コリニア結合領域の光導波路構造を適切に設計することにより、この劈開位置精度を量産ラインの自動劈開機で実現可能な実用的な値（例えば±５μｍ程度）へ緩和することができる。同様に、比較的広い波長域にわたって、反射率Ｒ（ＬＣ）や透過率Ｔ（ＬＣ）を実用上支障の無い程度に均一に設定することも可能であり、反射器兼光結合器として実用的な波長無依存動作が期待できる。
　また、この反射率は端面に形成する誘電体膜を設けることにより、この反射率Ｒ（ＬＣ）、透過率Ｔ（ＬＣ）の絶対値や波長依存性も制御可能である。例えば、誘電体膜を単層とすることにより、波長可変光源として実用的な反射率と波長域（例えば１５２５～１５６５ｎｍ程度を指すＣ帯など）をカバーすることが可能である。
　このように、後工程でもこれらパラメータを調整可能なため、寸法精度の要求が厳しく、プロセス時に反射率と透過率が固定されてしまう狭空隙ミラーに比べて、より高い製造歩留りが期待できる。
　また、１未満の有限の反射率とすることでこの光導波路端面から漏れてくる信号光電力の一部を受光素子へ結合させることにより、波長可変光源の発振光出力を正確に見積ることも可能になる。これは、光出力一定制御（ＡＰＣ）を行う上で実用上も極めて有用である。
　また、従来は、空隙ミラーを介して波長可変光源と光変調器との間を直線状にレイアウトする必要があったが、本発明では、折り返し構造となるため、モノリシック集積素子の短尺化を図ることが可能となる。そのため、量産時のプロセス歩留り改善やモジュール小型化が期待できる。また、波長可変光源からの信号光出力を光変調出力とは反対側から監視できるこの折り返し構造の特徴は、波長可変光送信機モジュール内での受光素子搭載位置の自由度が高く、同モジュールの小型化にも有利である。
　同様に、折り返し構造となることにより、狭空隙ミラーの課題であった散乱光を原理的に無くすことができる。その上、反射器を透過した信号光成分が半導体基板中を非導波光の形で光変調器へ向かって伝搬することも無くなる。そのため、こうした散乱光に起因する消光比劣化が原理的に起こりにくく、変調特性面でも有利である。
　さらに、本折り返しミラー構造を導入するにあたって、新規の素子製造プロセス工程は一切必要無く、マスクパターンだけの工夫で実現できるため、既に確立された素子製造技術がそのまま適用可能であり、製造コスト低減の面で有利である。
　また、波長可変光源と光変調器の電気的分離（絶縁）についても、半導体光導波路の層構造の工夫ならびに分離溝やイオン注入などの手法も併用することにより、実用的な特性が期待できる。
　また、従来の狭空隙ミラーを用いる際に事実上必須であった空隙を充填するための樹脂が不要となる。そのため、素子信頼性を左右しかねない半導体製造装置の汚染等を防止するうえでも有利である。
　同様に、従来の狭空隙ミラーを用いる際に必要であった狭空隙部以外の半導体基板表面をほぼ完全に覆いつくすエッチング阻止マスクも不要となる。そのため、エッチング時の面内依存性や阻止マスク被覆率依存性の影響を受けることも無くなり、製造歩留り向上が期待できる。
　同様に、従来の狭空隙ミラーのような狭い領域だけをエッチング加工する場合に困難であったギャップ内部のエッチング状態観察も不要になり、素子製造工程における検査工程の一部を省略できるため、製造コスト低減も期待できる。
　このように、本発明に係る波長可変光源と光変調器との結合手段により、波長可変光源の発振動作や光変調器領域の光変調特性に何ら支障をきたすことなく、モノリシック集積及びモジュール小型化が可能となる。また、製造歩留り向上や検査工程削減等による低コスト化も期待できる。
　以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
　実施の形態１
　次に、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変光送信機の構成を説明する平面図である。以下にその構成を順に説明する。
　本素子は、同一の半導体基板１０１上に、波長可変光源とＭＺ光変調器とがモノリシック集積された波長可変光送信機である。波長可変光源は、利得領域１０４、位相制御領域１０６、波長可変反射器１０２から構成されている。各構成要素は導波路１０５により接続されている。
　ここで、波長可変反射器１０２は、互いにわずかに異なるフリースペクトラルレンジを持つ一対の半導体光共振器１１０ａ、１１０ｂ、非対称ＭＺ干渉計を応用した光バンドパスフィルタ１１２、合分波器１１１ｃを備える。光バンドパスフィルタ１１２では、長さの異なる一対の導波路１０５ａ、１０５ｂを介して、一対の合分波器１１１ａ、１１１ｂが互いに接続されている。また、合分波器１１１ａ、１１１ｂの未使用の入出力ポートでは、一対の導波路１０５を湾曲させその先端に向かって幅を狭めることにより、無反射終端処理が施されている。さらに、光バンドパスフィルタ１１２の両端近傍では、これを構成する導波路１０５が、各半導体光共振器１１０ａ、１１０ｂに接続されている。さらに、各半導体光共振器１１０ａ、１１０ｂは、光バンドパスフィルタ１１２を構成する導波路１０５と略並行に形成された導波路１０５にも接続されている。そして、この導波路１０５同士が合分波器１１１ｃを介して接続されている。
　ＭＺ光変調器では、一対の導波路により構成される光位相変調領域１０３の両端に１対の２入力２出力光合分波器１０７ａ、１０７ｂが滑らかに接続されている。波長可変光源の出力光導波路１０５ｃと光変調器領域の入力光導波路１０５ｄは互いにコリニア結合した結合領域１０８にて結合されている。この結合領域１０８の端面には誘電体などからなる高反射膜１１３が設けられている。一方、光変調器領域の出力側端面には低反射膜１０９が形成されている。
　次に、図１に示す波長可変光送信機の動作について説明する。図１における矢印は光信号の流れを示している。
　利得領域１０４に電流が注入されることにより、波長可変光源は、ある波長で単一軸モードレーザ発振する。その発振波長は、波長可変反射器１０２の一対の半導体光共振器１１０ａ、１１０ｂの共振条件から決まる。この共振波長は、半導体光共振器１１０ａ、１１０ｂに設けたヒータ電極（不図示）に電流を注入し、その温度を制御することにより制御可能である。また、安定な単一軸モードレーザ発振状態を得るためには、位相整合状態の制御も必要であるため、位相制御領域１０６が設けられている。レーザ発振した波長可変光源の信号光出力は、ここに滑らかに接続された光導波路１０５ｃを介して結合領域１０８へ導かれる。
　結合領域１０８の端面に形成され、レーザ発振に必要な高反射膜１１３における反射は、この結合領域１０８の長さにより制御される。また、この端面に設けられた高反射膜１１３の厚さや屈折率によっても制御され得る。この高反射膜１１３での反射率は、広い波長帯にわたって実用上支障の無い程度に、ほぼ一定と見なすことができる。また、信号光の一部は１未満の有限の反射率を有する高反射膜１１３から漏れる。一方、残りの信号光電力は光変調器へ結合される。そして、光変調器の光位相変調領域１０３に変調電気信号を印加すると、光変調出力が端面１０９から出射される。
　実施例１
　次に、図１を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変光送信機の具体的な実施例１について説明する。実施例１に係る波長可変光送信機では、半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上に、波長可変光源とＭＺ型光変調器とがモノリシック集積されている。
　波長可変光源の利得領域１０４はアンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層（井戸層数１０層、利得ピーク波長１５５０ｎｍ）をｐ－ＩｎＰ上部クラッド層ならびにｎ－ＩｎＰ下部クラッド層で上下から挟み込んだ半導体光増幅器からなり、長さは４５０μｍである。
　波長可変反射器１０２はアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸コア層利得領域（井戸層数１６層、遷移波長１３９０ｎｍ）を上からルテニウムドープＩｎＰ上部クラッド層とｐ－ＩｎＰ電子障壁層で、下からはｎ－ＩｎＰ下部クラッド層で挟み込んだ半導体光導波路をベースとした光共振器である。この波長可変反射器１０２は、互いにわずかに異なるフリースペクトラルレンジを持つ一対の半導体ディスク型光共振器１１０ａ、１１０ｂと非対称ＭＺ干渉計を応用した光バンドパスフィルタ１１２とを組み合わせたものである。これら一対の半導体ディスク型光共振器１１０ａ、１１０ｂと光バンドパスフィルタ１１２とには、その表面にヒータ電極（不図示）が設けられている。ここへ電流を注入することによりそれぞれの共振波長を制御する。
　光変調器では、一対の長さ２．５ｍｍの光位相変調領域１０３の両端に１対の２入力２出力多モード干渉型光合分波器１０７ａ、１０７ｂが滑らかに接続されている。光位相変調領域１０３は、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸コア層利得領域（井戸層数１６層、遷移波長１３９０ｎｍ）を上からｎ－ＩｎＰ上部クラッド層とｐ－ＩｎＰ電子障壁層とで、下からはｎ－ＩｎＰ下部クラッド層で挟み込んだ半導体光導波路をベースとする。
　また、これ以外の多モード干渉型光合分波器や受動光導波路は、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸コア層利得領域（井戸層数１６層、遷移波長１３９０ｎｍ）を上からルテニウムドープＩｎＰ上部クラッド層とｐ－ＩｎＰ電子障壁層で、下からはｎ－ＩｎＰ下部クラッド層で挟み込んだ半導体光導波路をベースとする。光位相変調領域１０３には、電場を印加するための電極１１４が形成されている。
　波長可変光源の出力光導波路１０５ａと光変調器の入力光導波路１０５ｄとは間隔１μｍ、長さ２５０μｍにわたって互いにコリニア結合され、結合領域１０８を形成している。また、その反対側すなわち端部は半導体基板の結晶面を利用した劈開面となっており、端面には反射率が９０％の高反射膜１１３が形成されている。一方、光変調器の出力側端面には反射率０．０５％の低反射膜１０９が形成されている。
　本素子の利得領域１０４へ３０ｍＡの電流を注入すると、波長１５５０ｎｍにて単一軸モード発振した。また、一対の半導体ディスク型光共振器１１０ａ、１１０ｂと半導体バンドパス光フィルタ１１２のヒータ電極に電流を注入し、かつ、位相制御領域１０６へ適切な電流を注入することにより、波長１５２５～１５６５ｎｍにわたって広範囲に波長可変動作した。また、利得電流１５０ｍＡ、光位相変調領域１０３に振幅２Ｖｐ－ｐの変調電気信号を印加することにより、光出力＋３ｄＢｍ、消光比２５ｄＢのＮＲＺ光変調動作が得られた。光変調器の帯域は４０ＧＨｚであり、４０Ｇｂ／ｓの光変調動作を確認した。
　実施の形態２
　次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変光送信機の構成を説明する平面図である。実施の形態１と異なる点は、結合領域１０８の端面近傍に、この端面から漏れてきた信号光強度を監視するための受光素子１１５が設けられている点である。それ以外の構成は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。本実施の形態における構成により、波長可変光源の光出力を、受光素子１１５の光電流を測定することにより監視し、制御することが可能となる。
　以上説明したように、本発明に係る波長可変光送信機は、特に幹線系光ファイバ通信システム向けの超高速光変調器及びその集積光素子を実現する上での小型化や製造歩留りについての課題を、結合の手段を見直すことにより、現状の製造プロセスのまま、効果的に改善することができる。これにより、次世代光ファイバ通信システムの一層の小型・高速化・低電力化が可能となる。
　本発明の第１の効果は、狭空隙ミラーを用いた波長可変光送信機よりも小型化することができることである。その理由は、本発明により折り返しミラー構造が実現できることにより、素子を効果的に短尺化できるからである。
　本発明の第２の効果は、本発明により、素子製造歩留りが向上することである。その理由は、狭空隙ミラー構造の煩雑で精度を要するプロセスが大幅に省略されるからである。
　本発明の第３の効果は、本発明により、消光特性が改善されることである。その理由は、狭空隙ミラー構造のような導波路不連続がなく、そこで散乱される信号光が光変調器領域の出射端方向へ伝搬することもないため、消光比が劣化しないからである。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能なものである。
　また、この出願は、２００８年８月６日に出願された日本出願特願２００８－２０３０４２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　本発明は、波長可変光送信機の作製、使用、及び波長可変光送信機を用いた各種システムの構築、使用等に有用なものである。また、通信、光学、及びこれらに関連する技術分野において、様々な利用可能性を有するものである。

Claims (8)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板上に形成され、少なくとも波長可変型の第１の反射器と利得領域とを有する波長可変光源と、
    　前記半導体基板上に形成された半導体光変調器と、
    　前記半導体基板上に形成され、前記波長可変光源に滑らかに接続された第１の半導体光導波路と、
    　前記半導体基板上に形成され、前記半導体光変調器に滑らかに接続された第２の半導体光導波路と、
    　前記第１及び第２の半導体光導波路が、完全結合長ＬＣ０のｍ／２倍（ｍ：整数）ではない長さＬＣにわたり互いにコリニア結合された導波路結合領域と、
    　前記導波路結合領域の端部に形成された第２の反射器と、を備えた波長可変光送信機。
  2. 　前記第２の反射器は、前記波長可変光源の発振波長範囲において前記第１の反射器よりも波長依存性が小さいことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光送信機。
  3. 　前記第２の反射器が、エッチング又は劈開により形成された半導体光導波路の端面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長可変光送信機。
  4. 　前記半導体光導波路の端面に反射膜が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の波長可変光送信機。
  5. 　前記第２の反射器を透過した信号光を監視する監視部を有することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の波長可変光送信機。
  6. 　前記第１及び第２の半導体光導波路が、リブ型光導波路又はリッジ型光導波路であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の波長可変光送信機。
  7. 　前記波長可変反射器が、半導体導波路リング型光共振器又は半導体ディスク型光共振器のいずれかを用いたものであることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の波長可変光送信機。
  8. 　前記第１の反射器が、熱又は電流注入又は電圧印加による屈折率変化を用いたものであることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の波長可変光送信機。
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