WO2019111295A1 - 電界吸収型変調器、光半導体装置及び光モジュール - Google Patents

電界吸収型変調器、光半導体装置及び光モジュール Download PDF

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optical
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optical waveguide
semiconductor
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真也 奥田
崇 柳楽
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三菱電機株式会社
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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the present invention relates to an electro-absorption modulator that has a small temperature dependency and can perform so-called uncooled operation.
  • InGaAsP or AlGaInAs is generally used for a light absorption layer that absorbs light (for example, Patent Document 1). These have a large change in band gap with respect to ambient temperature fluctuations. For this reason, in order to obtain desired characteristics, a Peltier cooler, which is a temperature control mechanism, is mounted to be used, for example, controlled to a constant temperature of about 50 ° C. to 60 ° C., or an electroabsorption modulator A mechanism for adjusting the bias voltage of
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser By appropriately designing the oscillation wavelength of the semiconductor laser, sufficient gain can be obtained and oscillation can be maintained even if the gain spectrum changes due to temperature fluctuation.
  • the band gap of the light absorption layer by appropriately designing the band gap of the light absorption layer, the light receiving element functions sufficiently even if the band gap changes due to temperature fluctuation. As described above, in the semiconductor laser and the light receiving element, the temperature dependence of the characteristics is small, and so-called uncooled operation which does not require temperature adjustment by the temperature adjustment mechanism is easy.
  • the absorption spectrum needs to be controlled on the order of several nm, and a temperature control mechanism or a bias voltage control mechanism is indispensable. Because of the increase in power consumption, complexity and cost, an electro-absorption modulator is also desired to be uncooled.
  • Patent Document 5 A semiconductor laser device in which the active layer is composed of a short period superlattice having a thin film of two types of III-V semiconductors or a mixed crystal thereof as a constitutional unit and the largest one of the thin films contains Bi is reported (E.g., Patent Document 5).
  • the semiconductor laser device of Patent Document 5 uses, for example, a short-period superlattice of (InAsBi) m (GaAs) n containing Bi in the direction of InAs having a large lattice constant among InAs and GaAs as an active layer.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-223787 (0031 Stage, FIG. 1)
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-221413 (0023 Stage, FIG. 1) JP-A-11-68238 (0006, 0007, FIG. 1)
  • Patent Document 1 a semiconductor mixed crystal of III-V group containing aluminum (Al) is used for the electron absorption modulation part EA of the optical waveguide device.
  • Al is a reactive material and is susceptible to oxidation and corrosion.
  • the modulator (electron absorption modulator EA) of Patent Document 1 needs to be strictly controlled so that oxygen is not contained in the gas piping or reaction chamber of the film forming apparatus during crystal growth, and contains Al. Growth conditions are severer and expensive compared to non-materials.
  • Al Since Al is particularly vulnerable to humidity, it is necessary to prevent the crystal end face from coming into direct contact with the open air, which increases the manufacturing cost and the storage cost. Also, Al has a common melting point with silicon (Si) at 530 ° C. For this reason, in silicon photonics, which is a technology system that simultaneously manufactures electronic integrated circuits and optical integrated circuits on Si, Al may partially partially penetrate deep into Si at high temperature in the chip manufacturing process, resulting in electronic integration A semiconductor device in which a circuit and an optical integrated circuit are formed brings about a reduction in reliability.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to obtain an electroabsorption modulator which has a small temperature dependency and is excellent in reliability.
  • the electro-absorption modulator of the present invention is an electro-absorption modulator that is formed on an InP substrate and modulates incident light by an applied voltage, and a part of incident light is generated by an electric field generated by the applied voltage.
  • a light absorbing layer is provided which absorbs light, and the light absorbing layer is made of a ternary or higher ternary III-V semiconductor mixed crystal containing no Al but containing Bi.
  • the electroabsorption modulator according to the present invention has a small temperature dependency and reliability because the light absorption layer does not contain Al and is composed of a ternary or higher Group III-V semiconductor mixed crystal containing Bi. It can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an electro-absorption modulator according to Embodiment 1 of the present invention. It is principal part sectional drawing along the optical axis direction of FIG. It is a figure which shows the cross-section of the light absorption layer of FIG. It is a figure which shows the cross-section of the light absorption layer of the comparative example 1.
  • FIG. FIG. 7 is a perspective view showing an electro-absorption modulator according to Embodiment 2 of the present invention. It is principal part sectional drawing along the optical axis direction of FIG. It is a figure which shows the cross-section of the light absorption layer of FIG. It is a perspective view which shows the optical semiconductor device which concerns on Embodiment 3 of this invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing an optical communication configuration of Comparative Example 2; It is a figure which shows the optical module concerning Embodiment 5 of this invention. It is a figure which shows the other optical module which concerns on Embodiment 5 of this invention. It is a figure which shows the optical module concerning Embodiment 6 of this invention. It is a figure which shows the other optical module which concerns on Embodiment 6 of this invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an electro-absorption modulator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view of an essential part along the optical axis direction of FIG. 1
  • FIG. 3 is a view showing a cross-sectional structure of the light absorption layer of FIG.
  • the cross-sectional view of FIG. 2 is a view cut along a broken line 35 parallel to an optical axis 31 which is an axis through which light travels.
  • the electroabsorption modulator 16 according to the first embodiment includes an n-type InP substrate 1, a semiconductor multilayer structure 2 provided on the upper surface (surface) of the InP substrate 1, and SiO 2 provided on the semiconductor multilayer structure 2.
  • n-side electrode 10 provided on the lower surface (rear surface) of the InP substrate 1, and a p-side electrode 11 connected to the semiconductor multilayer structure 2 at the opening 34 of the insulating film 9.
  • a ridge waveguide 41 is provided in the semiconductor multilayer structure 2.
  • the semiconductor multilayer structure 2 includes an n-type cladding layer (first cladding layer) 3 made of n-type InP sequentially stacked on an n-type InP substrate 1 and an optical waveguide layer of an i-type InGaAsP (first optical waveguide Layer) 4, light absorption layer 5 of i-type InGaAsBi, p-type optical waveguide layer (second optical waveguide layer) 6 made of p-type InGaAsP, p-type cladding layer (second clad layer) 7 made of p-type InP And p-type contact layer 8 made of p-type InGaAs.
  • the n-type light absorption layer 5 of InGaAsBi is lattice matched with the InP substrate 1.
  • the lattice matching means that the lattice mismatch rate is 0.5% or less.
  • the light absorbing layer 5 of i-type InGaAsBi has an InGaAsBi / InGaAsP multiple quantum well (MQW) structure in which quantum well layers 13 of InGaAsBi and barrier layers 14 of InGaAsP are alternately stacked. It is.
  • FIG. 3 shows an example of the light absorption layer 5 having the five quantum well layers 13 and the four barrier layers 14.
  • An insulating film 9 is provided on the surface of the p-type contact layer 8 of p-type InGaAs, which is the uppermost layer of the semiconductor multilayer structure 2.
  • the p-side electrode 11 made of Ti / Au or the like passes through the p-type contact layer 8 of p-type InGaAs on the top of the ridge waveguide 41 to form the p-type cladding layer 7 of p-type InP and the p-type optical waveguide of p-type InGaAsP. It is electrically connected to the layer 6.
  • An n-side electrode 10 made of AuGe / Au is connected to the back surface (lower surface) of the n-type InP substrate 1.
  • the wavelength of the incident light 33 is, for example, 1.55 ⁇ m, which is an optical communication wavelength band. Incident light 33 is incident from the end face side of FIG.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the absorption layer 5, the p-type optical waveguide layer 6 of p-type InGaAsP, the p-type cladding layer 7 of p-type InP, and the p-type contact layer 8 of p-type InGaAs are epitaxially grown in order.
  • the light absorption layer 5 of i-type InGaAsBi epitaxially grows the quantum well layer 13 of InGaAsBi and the barrier layer 14 of InGaAsP alternately.
  • the insulating film 9 of SiO 2 is formed on the p-type contact layer 8 of p-type InGaAs by plasma CVD or the like.
  • An opening 34 is formed in the insulating film 9 in a region where the p-side electrode 11 is connected to the p-type contact layer 8 by combining the photolithography technology and the etching using hydrofluoric acid or the like.
  • a Ti / Au film is formed by electron beam (EB) evaporation, and an unnecessary portion of this film is lifted off together with the photoresist film to form the p-side electrode 11.
  • the bonding pad 12 connected to the p-side electrode 11 is simultaneously formed on the insulating film 9.
  • the lower surface of the n-type InP substrate 1 is polished to form the n-side electrode 10 on the lower surface of the n-type InP substrate 1.
  • the electro-absorption modulator 16 according to the present embodiment is manufactured by the above steps.
  • the basic operation of the electroabsorption modulator 16 according to the present embodiment will be described.
  • a reverse bias is applied from the outside to make the n-side electrode 10 positive and the p-side electrode 11 negative
  • the absorption spectrum of the light absorption layer 5 of the i-type InGaAsBi changes, and a light absorption phenomenon occurs.
  • Part of the incident light 33 incident from the end face side of the electroabsorption modulator 16 is absorbed by the light absorption layer 5 of i-type InGaAsBi according to the reverse bias voltage, and a pair of electrons and holes is generated.
  • the incident light 33 When almost all the incident light 33 is absorbed by the light absorption layer 5 by the light absorption phenomenon, the incident light 33 is extinguished, that is, substantially not emitted from the electroabsorption modulator 16.
  • the electroabsorption modulator 16 controls the emission and non-emission of the incident light 33, that is, modulates the incident light 33.
  • the electrons and the holes can be extracted to the outside as a current from the p-side electrode 11 and the n-side electrode 10. This current is called photocurrent.
  • the amount of light absorption in the electroabsorption modulator 16 differs depending on the value of the voltage applied to the light absorption layer 5 due to the external voltage applied between the p-side electrode 11 and the n-side electrode 10.
  • the incident light 33 is not emitted from the electroabsorption modulator 16, and a predetermined voltage of reverse bias is not applied to the electroabsorption modulator 16. Incident light 33 is emitted from the electroabsorption modulator 16.
  • FIG. 4 is a view showing a cross-sectional structure of the light absorption layer of Comparative Example 1.
  • the material of the light absorption layer 105 that is, the material of the quantum well layer 103 and the barrier layer 104 is i-type AlGaInAs.
  • the electroabsorption modulator it is necessary to exhibit a constant characteristic without being influenced by the temperature change of the external world.
  • the band gap changes and the absorption spectrum changes as the temperature of AlGaInAs changes, the characteristics of the electro-absorption modulator having the light absorption layer 105 of AlGaInAs change.
  • the electroabsorption modulator 16 according to the first embodiment suppresses the change in characteristics at low and high temperatures because the band gap of InGaAsBi of the light absorption layer 5 is constant with respect to the temperature change. Yes, it is possible to operate uncooled. Further, in the electroabsorption modulator 16 of the first embodiment, crystal growth of the light absorption layer 5 is easy because the light absorption layer 5 does not contain Al. In the electro-absorption modulator 16 of the first embodiment, the crystal of the light absorption layer 5 not containing Al does not undergo oxidation, so the generation of crystal defects in the light absorption layer 5 is suppressed and the deterioration of the reliability is prevented. be able to. Further, in the electroabsorption modulator 16 according to the first embodiment, InGaAsBi is lattice-matched with the n-type InP substrate 1, so that generation of crystal defects due to strain is also suppressed.
  • the quantum well layer 13 of the light absorption layer 5 may contain Bi, and a III-V group semiconductor other than InGaAsBi may be used.
  • a III-V group semiconductor other than InGaAsBi may be used.
  • InGaPBi-based mixed crystal, InGaAsPBi-based mixed crystal, or the like can be used.
  • the quantum well layer 13 is not limited to one layer, and these materials may be combined to form a multilayer.
  • the electro-absorption modulator 16 according to the first embodiment is an electro-absorption modulator that is formed on the InP substrate 1 and that modulates the incident light 33 by the applied voltage.
  • a light absorbing layer 5 is provided that absorbs part of the incident light 33 by the generated electric field.
  • the light absorption layer 5 of the electroabsorption modulator 16 according to the first embodiment is made of a ternary or higher ternary III-V semiconductor mixed crystal containing Bi and containing no Al.
  • the light absorption layer 5 is composed of a ternary or higher ternary III-V semiconductor mixed crystal containing no Al but containing Bi, so the temperature dependence is small. , Can improve the reliability.
  • the electroabsorption modulator 16 has a multiple quantum well structure in which the light absorption layer 5 is formed by alternately stacking the quantum well layers 13 and the barrier layers 14, and the quantum well layer 13 contains Al. It is composed of a ternary or more ternary III-V semiconductor mixed crystal containing Bi without containing
  • the quantum well layer 13 of the light absorption layer 5 does not contain Al but contains Bi
  • the barrier layer 14 of the light absorption layer 5 contains Al. Since the temperature dependency is small, the reliability can be improved.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an electro-absorption modulator according to a second embodiment of the present invention.
  • 6 is a cross-sectional view of an essential part along the optical axis direction of FIG. 5, and
  • FIG. 7 is a view showing a cross-sectional structure of the light absorption layer of FIG.
  • the cross-sectional view of FIG. 6 is a view cut along a broken line 35 parallel to the optical axis 31 which is an axis through which light travels.
  • the electro-absorption modulator 16 of the second embodiment differs from the electro-absorption modulator 16 of the first embodiment in that the light absorption layer of the semiconductor multilayer structure 2 is a light absorption layer 45.
  • the light absorption layer 45 is an InGaAsBi / AlGaInAs multiple quantum well structure.
  • the light absorption layer 45 has an InGaAsBi / AlGaInAs multiple quantum well structure in which quantum well layers 13 of InGaAsBi and barrier layers 15 of AlGaInAs are alternately stacked, as shown in FIG.
  • the quantum well layer 13 is made of InGaAsBi
  • the barrier layer 15 is made of AlGaInAs.
  • the quantum well layer 13 of the light absorption layer 45 is InGaAsBi, so that the temperature dependence of the absorption spectrum of the modulator disappears as in the first embodiment, and the uncooled operation is performed. Is possible.
  • the electroabsorption modulator 16 according to the second embodiment can ensure stable operation even at high temperatures by setting the barrier layer 15 of the light absorption layer 45 to AlGaInAs having a large conduction band offset.
  • the quantum well layer 13 of the light absorption layer 45 does not contain Al, as long as it contains Bi, and III-V semiconductors other than InGaAsBi may be used.
  • III-V semiconductors other than InGaAsBi For example, InGaPBi-based mixed crystal, InGaAsPBi-based mixed crystal, or the like can be used.
  • the quantum well layer 13 is not limited to one layer, and these materials may be combined to form a multilayer.
  • the barrier layer 15 may contain Al, and III-V semiconductors other than AlGaInAs may be used.
  • AlGaInAsP-based mixed crystal can be used.
  • the barrier layer 15 is not limited to one layer, and these materials may be combined to form a multilayer.
  • the quantum well layer 13 of the light absorption layer 45 does not contain Al but contains Bi, and the barrier layer 15 of the light absorption layer 45 contains Al. Therefore, the temperature dependency is small and the reliability can be improved.
  • the barrier layer 15 of the light absorption layer 45 contains Al, the electroabsorption modulator 16 of the second embodiment is stable even at a higher temperature than the electroabsorption modulator 16 of the first embodiment. Operation can be secured.
  • the electro-absorption modulator 16 according to the second embodiment is an electro-absorption modulator that is formed on the InP substrate 1 and that modulates the incident light 33 by the applied voltage.
  • the light absorption layer 45 which absorbs a part of incident light 33 by the generated electric field is provided.
  • the light absorption layer 45 of the electroabsorption modulator 16 according to the second embodiment has a multiple quantum well structure in which quantum well layers 13 and barrier layers 15 are alternately stacked, and the quantum well layer 13 does not contain Al.
  • the barrier layer 15 is composed of an Al-containing ternary or more III-V semiconductor mixed crystal containing no Bi.
  • the quantum well layer 13 of the light absorption layer 45 does not contain Al but is composed of a ternary or higher Group III-V semiconductor mixed crystal containing Bi.
  • the temperature dependency is small, and the reliability can be improved.
  • FIG. 8 is a perspective view showing an optical semiconductor device according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a view showing a cross-sectional structure of the active layer of the semiconductor laser of FIG.
  • An optical semiconductor device 50 according to the third embodiment is an optical semiconductor device in which an electroabsorption modulator 16 and a distributed feedback (DFB) semiconductor laser 17 are integrated on an n-type InP substrate 1.
  • the electroabsorption modulator 16 is the same as the electroabsorption modulator 16 of the first embodiment or the electroabsorption modulator 16 of the second embodiment.
  • FIG. 8 shows an example of the light absorption layer 5 of Embodiment 1 as the light absorption layer of the electroabsorption modulator 16.
  • the semiconductor laser 17 has an active layer 18.
  • the semiconductor multilayer structure 2 from the n-type cladding layer 3 to the p-type contact layer 8 in the semiconductor laser 17 has a structure in which the light absorption layer 5 of the electroabsorption modulator 16 is replaced with the active layer 18.
  • the electroabsorption modulator 16 has a ridge waveguide 41, and the semiconductor laser 17 has a ridge waveguide 42.
  • the ridge waveguide 41 and the ridge waveguide 42 are continuous.
  • the broken line 36 b is a broken line parallel to the boundary of the surface and the boundary of the cross-sectional structure in the light absorption layer 5 and the active layer 18.
  • the broken line 36a indicates the end from which light is emitted, and the broken line 36c indicates the end from which light is incident.
  • the semiconductor laser 17 is in the range of broken line 36b to broken line 36c, and the electroabsorption modulator 16 is in the range of broken line 36a to broken line 36b.
  • the semiconductor laser 17 includes an n-type InP substrate 1, a semiconductor multilayer structure 2 provided on the upper surface (surface) of the InP substrate 1, an insulating film 9 made of SiO 2 provided on the semiconductor multilayer structure 2, and an InP substrate An n-side electrode 10 provided on the lower surface (rear surface) of the semiconductor laser 1 and a p-side electrode 11 connected to the semiconductor multilayer structure 2 are provided.
  • the semiconductor multilayer structure 2 includes an n-type cladding layer (first laser cladding layer) 3 made of n-type InP sequentially stacked on an n-type InP substrate 1 and an optical waveguide layer of i-type InGaAsP (first laser Optical waveguide layer) 4, active layer 18, p-type optical waveguide layer of p-type InGaAsP (second laser optical waveguide layer) 6, p-type cladding layer of p-type InP second laser cladding layer) 7, and p P-type contact layer 8 made of InGaAs.
  • first laser cladding layer made of n-type InP sequentially stacked on an n-type InP substrate 1 and an optical waveguide layer of i-type InGaAsP (first laser Optical waveguide layer) 4, active layer 18, p-type optical waveguide layer of p-type InGaAsP (second laser optical waveguide layer) 6, p-type cladding layer of p-type InP second laser cla
  • First laser cladding layer (n-type cladding layer 3) of the semiconductor laser 17, first laser optical waveguide layer (optical waveguide layer 4), active layer 18, second laser optical waveguide layer (p-type optical waveguide layer 6) And the second laser cladding layer (p-type cladding layer 7) are respectively the first cladding layer (n-type cladding layer 3) and the first optical waveguide layer (optical waveguide layer in the electroabsorption modulator 16). 4) It is connected to the light absorption layers 5 and 45, the second optical waveguide layer (p-type optical waveguide layer 6), and the second cladding layer (p-type cladding layer 7).
  • the active layer 18 of the semiconductor laser 17 has an InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well structure in which quantum wells 19 of InGaAsP and barrier layers 20 of InGaAsP are alternately stacked.
  • the example of the light absorption layer 5 which has five quantum well layers 19 and four barrier layers 20 was shown.
  • the manufacturing process of the optical semiconductor device 50 of the third embodiment is the same as the manufacturing process of the electro-absorption modulator 16 described in the first embodiment. However, the light absorption layer 5 of the electroabsorption modulator 16 and the active layer 18 of the semiconductor laser 17 are not formed simultaneously but separately.
  • An optical semiconductor device in which such a modulator and a laser are integrated that is, the optical semiconductor device 50 of the third embodiment in which the electroabsorption modulator 16 and the semiconductor laser 17 are integrated, is implemented as the electroabsorption modulator 16.
  • the same effect as Embodiment 1 or Embodiment 2 can be obtained.
  • the difference ⁇ between the oscillation wavelength of the laser and the absorption wavelength of the modulator is on the order of several nm in order to obtain the desired light output, extinction ratio, transmission penalty etc. of the modulator. Accuracy is required. Therefore, in the optical semiconductor device 50 of the third embodiment, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 17 is made to have temperature dependency by using a III-V group semiconductor not containing Bi for the active layer 18 of the semiconductor laser 17. On the other hand, by using the structure of Embodiment 1 or Embodiment 2 as the electro-absorption modulator 16, the absorption wavelength which is the wavelength of light absorbed by the electro-absorption modulator 16 does not have temperature dependency. .
  • the oscillation wavelength of the laser can be changed by changing the temperature while keeping the absorption wavelength of the electroabsorption modulator 16 constant. That is, in the optical semiconductor device 50 of the third embodiment, the oscillation wavelength of the laser can be compensated by changing the temperature while the absorption wavelength of the electroabsorption modulator 16 is constant. Furthermore, the optical semiconductor device 50 according to the third embodiment can compensate for the shift of ⁇ due to the fabrication error of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 17 and the absorption wavelength of the electroabsorption modulator 16 by temperature modulation, and the fabrication is required. Accuracy is relaxed.
  • the active layer 18 of the semiconductor laser 17 is not required to contain Bi, and III-V semiconductors other than InGaAsP may be used.
  • III-V semiconductors other than InGaAsP may be used.
  • AlGaInAs-based mixed crystals can also be used.
  • each layer of the quantum well layer 19 and the barrier layer 20 is not limited to one layer, and these materials may be combined to form multiple layers.
  • FIG. 10 is a perspective view showing an optical semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the optical semiconductor device 50 according to the fourth embodiment guides the two second semiconductor lasers 21a and 21b and the laser beams of different wavelengths emitted from the second semiconductor lasers 21a and 21b to the n-type InP substrate 1.
  • It is an optical semiconductor device in which a Y-type coupler 22 which is a coupler for coupling waveguides is integrated, and is a multi-wavelength integrated optical semiconductor device.
  • the second semiconductor lasers 21a and 21b are semiconductor lasers in which an electroabsorption modulator is integrated, and more specifically, the optical semiconductor device of the third embodiment in which the electroabsorption modulator 16 and the semiconductor laser 17 are integrated. 50.
  • the electroabsorption modulator 16 is the same as the electroabsorption modulator 16 of the first embodiment or the electroabsorption modulator 16 of the second embodiment.
  • the light absorption layer of the electroabsorption modulator 16 is an example of the light absorption layer 5 of the first embodiment.
  • the Y-type coupler 22 has a transparent waveguide layer 23.
  • the semiconductor multilayer structure 2 from the n-type cladding layer 3 to the p-type contact layer 8 in the Y-type coupler 22 has a structure in which the light absorption layer 5 of the electroabsorption modulator 16 is replaced by the transparent waveguide layer 23 .
  • the electroabsorption modulator 16 of the second semiconductor laser 21a has a ridge waveguide 41a
  • the electroabsorption modulator 16 of the second semiconductor laser 21b has a ridge waveguide 41b.
  • the Y coupler 22 has ridge waveguides 46a, 46b and 46c.
  • the ridge waveguide 41a and the ridge waveguide 46a are continuous, and the ridge waveguide 41b and the ridge waveguide 46b are continuous.
  • the ridge waveguide 46c is connected to the ridge waveguides 46a and 46b.
  • the broken line 36 e is a broken line parallel to the boundary of the surface and the boundary of the cross-sectional structure in the transparent waveguide layer 23 and the light absorption layer 5.
  • the broken line 36 f is a broken line parallel to the boundary of the surface and the boundary of the cross-sectional structure in the light absorption layer 5 and the active layer 18.
  • the broken line 36d indicates the end from which light is emitted, and the broken line 36g indicates the end from which light is incident.
  • the broken line 36g and the broken line 36d are described on the upper side (surface side) of the optical semiconductor device 50 on the left side in FIG. 10, and are described on the lower side (back side) of the optical semiconductor device 50 on the right side in FIG.
  • the broken line 36 g and the broken line 36 d are omitted except for the upper surface (front surface) and the right side surface of the optical semiconductor device 50.
  • the second semiconductor laser 21a is in the range from the broken line 36e to the broken line 36g and to the left of the broken line 36h.
  • the second semiconductor laser 21b is a region from the broken line 36e to the broken line 36g and from the broken line 36h to the right.
  • the semiconductor laser 17 is in the range from the broken line 36f to the broken line 36g in the second semiconductor laser 21a and the second semiconductor laser 21b.
  • the electroabsorption modulator 16 is in the range from the broken line 36 e to the broken line 36 f in the second semiconductor laser 21 a and the second semiconductor laser 21 b.
  • the Y-type coupler 22 ranges from the broken line 36 d to the broken line 36 e.
  • the Y-type coupler 22 includes an n-type InP substrate 1, a semiconductor multilayer structure 2 provided on the upper surface (surface) of the InP substrate 1, and an insulating film 9 made of SiO 2 provided on the semiconductor multilayer structure 2.
  • An n-side electrode 10 provided on the lower surface (rear surface) of the InP substrate 1 and a p-side electrode 11 connected to the semiconductor multilayer structure 2 are provided.
  • the semiconductor multilayer structure 2 includes an n-type cladding layer (first coupler cladding layer) 3 composed of n-type InP sequentially stacked on an n-type InP substrate 1 and an optical waveguide layer of i-type InGaAsP (first Coupler optical waveguide layer 4), transparent waveguide layer 23, p-type optical waveguide layer of p-type InGaAsP (second coupler optical waveguide layer) 6, p-type cladding layer consisting of p-type InP second coupler cladding Layer) 7 and a p-type contact layer 8 made of p-type InGaAs.
  • first coupler cladding layer composed of n-type InP sequentially stacked on an n-type InP substrate 1 and an optical waveguide layer of i-type InGaAsP (first Coupler optical waveguide layer 4), transparent waveguide layer 23, p-type optical waveguide layer of p-type InGaAsP (second coupler optical waveguide layer) 6, p-type
  • the (p-type optical waveguide layer 6) and the second coupler cladding layer (p-type cladding layer 7) are the first cladding layers (in the electro-absorption modulator 16 of the second semiconductor lasers 21a and 21b, respectively).
  • the manufacturing process of the optical semiconductor device 50 of the fourth embodiment is the same as the manufacturing process of the electro-absorption modulator 16 described in the first embodiment.
  • the light absorption layer 5 of the electroabsorption modulator 16, the active layer 18 of the semiconductor laser 17, and the transparent waveguide layer 23 of the Y-type coupler 22 are not formed simultaneously but separately.
  • FIG. 11 is a diagram showing an optical communication configuration of Comparative Example 2.
  • the lights 110a and 110b emitted from the plurality of semiconductor lasers 106a and 106b are collimated by the collimating lenses 107a and 107b, respectively, and are coupled to one optical fiber 109 by the condensing lens 108.
  • the configuration of Comparative Example 2 is used, miniaturization is difficult, and between the semiconductor lasers 106a and 106b, the collimator lenses 107a and 107b, the wavelength selection filter (not shown), and the condenser lens 108. This is disadvantageous in terms of operation cost because it requires a large number of optical adjustment operations.
  • the optical semiconductor device 50 (multi-wavelength integrated optical semiconductor device) of the fourth embodiment
  • a plurality of laser beams of different wavelengths are emitted from a plurality of semiconductor lasers 17 formed on the same substrate.
  • a coupler such as the coupler 22 can condense light on an external point.
  • the optical semiconductor device 50 according to the fourth embodiment can perform wavelength multiplexing without using a multiplexing device such as the collimating lenses 107a and 107b or the condensing lens 108.
  • the optical semiconductor device 50 according to the fourth embodiment can integrate a plurality of semiconductor lasers 17 on a single chip, so that small and high-density integration is possible.
  • a multi-wavelength integrated optical semiconductor device in which such a laser, a modulator, and a coupler are integrated that is, an optical semiconductor device according to the fourth embodiment in which the semiconductor laser 17, the electroabsorption modulator 16, and the Y-type coupler 22 are integrated.
  • the same effect as the third embodiment can be obtained by using the structure of the third embodiment as the second semiconductor lasers 21a and 21b.
  • the Y-type coupler 22 is used as a coupler that condenses laser beams of a plurality of different wavelengths and combines them into one waveguide.
  • Multi Mode Interference (MMI) or the like can be used.
  • MMI Multi Mode Interference
  • an example of the optical semiconductor device 50 in which two second semiconductor lasers 21a and 21b are integrated is described, but the number of integrated second semiconductor lasers 21a and 21b may be two or more. .
  • a four-wavelength integrated optical semiconductor device in which four second semiconductor lasers 21a (or 21b) are integrated can be used.
  • a ridge waveguide is employed as the structure of the electroabsorption modulator 16 and the semiconductor laser 17.
  • the buried structure of the stripe mesa structure in the electroabsorption modulator 16 and the semiconductor laser 17 may be a semi-insulator buried hetero (SI-BH) structure or a semi-insulating planar buried hetero (PN-). It is also possible to adopt the BH) structure.
  • the electroabsorption modulator 16 and the semiconductor laser 17 can also combine these structures.
  • a bulk structure, a quantum wire structure, a quantum dot structure, and a structure combining them are applied to the light absorption layer 5 of the electroabsorption modulator 16 and the active layer 18 of the semiconductor laser 17. It is also possible.
  • FIG. 12 is a view showing an optical module according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the optical module 80 according to the fifth embodiment holds the optical semiconductor device 50, the chip carrier 25 on which the optical semiconductor device 50 is mounted, the stem 81 on which the chip carrier 25 is mounted, the lens 27, and the lens 27 and covers the surface side of the stem 81.
  • a lens holder 28 and a terminal 82 connected to the optical semiconductor device 50 are provided.
  • the lens holder 28 is disposed on the stem 81 so as to cover the optical semiconductor device 50 and the chip carrier 25.
  • the lens 27 and the lens holder 28 are shown in cross section.
  • the optical semiconductor device 50 is mounted by AuSn solder on a chip carrier 25 made of aluminum nitride (AlN) with a termination resistance of 50 ⁇ .
  • the chip carrier 25 has, for example, a plate shape.
  • the stem 81 is a cylindrical package base, and the material of the stem 81 is a metal such as a cold rolled steel plate (SPC).
  • SPC cold rolled steel plate
  • FIG. 13 is a view showing another optical module according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the other optical module 80 shown in FIG. 13 includes an electro-absorption modulator 16, a semiconductor laser 17, a chip carrier 25 for mounting the electro-absorption modulator 16 and the semiconductor laser 17, a stem 81 for mounting the chip carrier 25, and a lens 27, a lens holder 28 for holding the lens 27 and covering the surface side of the stem 81, and a terminal 82 connected to the electroabsorption modulator 16 and the semiconductor laser 17.
  • the lens holder 28 is disposed on the stem 81 so as to cover the electroabsorption modulator 16, the semiconductor laser 17, and the chip carrier 25.
  • the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained by using the structures of the first and second embodiments as the electro-absorption modulator 16 which is an optical device. .
  • the optical module 80 includes the stem 81, the chip carrier 25 mounted on the stem 81, and the optical device mounted on the chip carrier 25 (electroabsorption modulator 16, optical semiconductor device And a lens holder 28 disposed on the stem 81 so as to cover the optical device (electro-absorption modulator 16 and optical semiconductor device 50) and the chip carrier 25.
  • the optical device of the optical module 80 of the fifth embodiment is the electro-absorption modulator 16 of the first or second embodiment or the optical semiconductor device 50 of the third or fourth embodiment.
  • the light absorption layer 5 in the optical device does not contain Al, and a ternary or more Group III-V semiconductor containing Bi.
  • the quantum well layer 13 of the light absorption layer 45 is made of a mixed crystal, or is made of a ternary or more ternary III-V semiconductor mixed crystal containing Bi without containing Al.
  • the light absorption layer 5 of the optical device (the electroabsorption modulator 16, the optical semiconductor device 50) or the quantum well layer 13 of the light absorption layer 45 does not contain Al, but Bi. Since it is composed of the ternary or higher Group III-V semiconductor mixed crystal to be contained, its temperature dependency is small, and the reliability can be improved.
  • FIG. 14 is a view showing an optical module according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the optical module 80 according to the sixth embodiment includes an optical semiconductor device 50, a chip carrier 25 on which the optical semiconductor device 50 is mounted, a temperature control mechanism 29 such as a Peltier cooler connected to the chip carrier 25, a temperature control mechanism 29, and a chip carrier 25.
  • a lens holder 28 for holding the lens 27 and the lens 27 and covering the surface side of the stem 81, and a terminal 82 connected to the optical semiconductor device 50 and the like.
  • the lens holder 28 is disposed on the stem 81 so as to cover the optical semiconductor device 50, the chip carrier 25, and the temperature control mechanism 29.
  • the lens 27 and the lens holder 28 are shown in cross section.
  • the optical semiconductor device 50 is mounted by AuSn solder on a chip carrier 25 made of aluminum nitride (AlN) with a termination resistance of 50 ⁇ .
  • the optical module 80 according to the sixth embodiment is different from the optical module 80 according to the fifth embodiment in that the optical module 80 according to the sixth embodiment includes the temperature control mechanism 29 and the chip carrier 25 is mounted on the temperature control mechanism 29.
  • the terminal 82 also has a terminal connected to the temperature control mechanism 29.
  • the optical module 80 by using the structures of the third and fourth embodiments as the optical semiconductor device 50 which is an optical device, the same effects as those of the third and fourth embodiments can be obtained. That is, the optical module 80 of the sixth embodiment can obtain the same effects as those of the third and fourth embodiments without performing the temperature adjustment of the optical semiconductor device 50 by the temperature control mechanism 29.
  • the temperature control mechanism 29 changes the temperature of the optical semiconductor device 50, so that the absorption wavelength of the electroabsorption modulator 16 is constant as described in the third embodiment.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser 17 can be changed as it is.
  • the optical module 80 according to the sixth embodiment can compensate for the shift of ⁇ due to the fabrication error of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 17 and the absorption wavelength of the electroabsorption modulator 16 by temperature modulation, and the required fabrication accuracy is relaxed. Be done.
  • FIG. 15 is a view showing another optical module according to Embodiment 6 of the present invention.
  • the other optical module 80 shown in FIG. 15 is a chip carrier 25 on which the electro-absorption modulator 16, the semiconductor laser 17, the electro-absorption modulator 16 and the semiconductor laser 17 are mounted, a peltier cooler connected to the chip carrier 25, etc.
  • Terminal 82 connected to the The lens holder 28 is disposed on the stem 81 so as to cover the electroabsorption modulator 16, the semiconductor laser 17, the chip carrier 25, and the temperature control mechanism 29.
  • the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained by using the structures of the first and second embodiments as the electro-absorption modulator 16 which is an optical device. . That is, the optical module 80 of the sixth embodiment can obtain the same effects as those of the first and second embodiments without performing the temperature adjustment of the optical semiconductor device 50 by the temperature control mechanism 29.
  • Another optical module 80 of the sixth embodiment shown in FIG. 15 is a semiconductor laser 17 using the structure of the first and second embodiments as the electro-absorption modulator 16 which is an optical device, and which is an optical device.
  • the temperature control mechanism 29 varies the temperature of the electroabsorption modulator 16 and the semiconductor laser 17 as described in the third embodiment.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser 17 can be changed while the absorption wavelength of the modulator 16 is constant.
  • the other optical module 80 according to the sixth embodiment can compensate for the shift of ⁇ due to the fabrication error of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 17 and the absorption wavelength of the electroabsorption modulator 16 by temperature modulation, and the required fabrication accuracy Is relieved.
  • the optical module 80 is mounted on the stem 81, the temperature control mechanism 29 mounted on the stem 81, the chip carrier 25 mounted on the temperature control mechanism 29, and the chip carrier 25.
  • Optical device optical semiconductor device 50, single electroabsorption modulator 16, single semiconductor laser 17
  • lens 27 an optical device (optical semiconductor device 50, single electroabsorption modulator 16)
  • a lens holder 28 disposed on the stem so as to cover the chip carrier 25 and the temperature control mechanism 29.
  • the light absorption layer 5 in the optical device does not contain Al, and does not contain Bi, and is a ternary or higher III-V compound.
  • the quantum well layer 13 of the light absorption layer 45 is made of a ternary or more ternary III-V semiconductor mixed crystal containing Bi but not containing Al. Furthermore, the active layer 18 in the optical device (the semiconductor laser 17 of the optical semiconductor device 50, the single semiconductor laser 17) of the optical module 80 according to the fifth embodiment is formed of a ternary or more III-V semiconductor mixed crystal not containing Bi. Be done. In the optical module 80 according to the sixth embodiment, the light absorption layer 5 of the optical device or the quantum well layer 13 of the light absorption layer 45 does not contain Al, but is made of a ternary or higher Group III-V semiconductor mixed crystal containing Bi. Because of the configuration, the temperature dependency is small, and the reliability can be improved.
  • the absorption wavelength of the electro-absorption modulator 16 is changed by changing the temperature of the optical device (the electro-absorption modulator 16 and the optical semiconductor device 50) by the temperature control mechanism 29.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser 17 can be changed with constant.
  • a coaxial semiconductor optical module as a CAN (can) package is adopted as the optical module 80.
  • a TOSA Transmitter Optical
  • a receptacle having a built-in isolator or a flexible substrate is provided. It is good also as SubAssembly).

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Abstract

温度依存性が小さく、信頼性に優れた電界吸収型変調器を得ることを目的とする。　本発明の電界吸収型変調器（１６）は、ＩｎＰ基板（１）に形成され、印加される電圧により入射光（３３）を変調する電界吸収型変調器であって、印加される電圧により発生する電界により入射光（３３）の一部を吸収する光吸収層（５）を備え、光吸収層（５）は、Ａｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されることを特徴とする。

Description

電界吸収型変調器、光半導体装置及び光モジュール
　本発明は、温度依存性が小さく、いわゆるアンクールド動作が可能な電界吸収型変調器に関する発明である。
　従来の光通信に用いられるＩｎＰ基板に形成された電界吸収型変調器では光を吸収する光吸収層にＩｎＧａＡｓＰもしくはＡｌＧａＩｎＡｓが一般的に使用される（例えば、特許文献１）。これらは周囲の温度変動に対するバンドギャップの変化が大きい。このため、所望の特性を得るために温度調整機構であるペルチェクーラーを搭載して、例えば５０℃から６０℃程度の一定温度に制御して使用されるか、もしくは温度変動時に電界吸収型変調器のバイアス電圧を調節する機構が搭載される。
　電界吸収型変調器とは異なり、半導体レーザは発振波長を適切に設計することで、温度変動により利得スペクトルが変化しても、充分な利得が得られ発振が維持できる。また、受光素子は光吸収層のバンドギャップを適切に設計することで、温度変動によりバンドギャップが変化しても充分に機能する。このように、半導体レーザや受光素子では特性の温度依存性が小さく、温度調整機構による温度調整を必要としない、いわゆるアンクールド動作が容易である。
　一方、電界吸収型変調器は所望の特性を得るためには吸収スペクトルを数ｎｍのオーダーで制御する必要があり、温度調整機構またはバイアス電圧調整機構が必要不可欠である。消費電力、複雑度、コストが増大するため、電界吸収型変調器もアンクールド動作が望まれる。
　ビスマス（Ｂｉ）を含むIII－Ｖ族の半導体混晶はＢｉの量とともにバンドギャップの温度変化が小さくなり、特にＩｎＧａＡｓＢｉは温度変化に対しバンドギャップ（０．６～１．５ｅＶ）が一定になることが報告されている（例えば、特許文献２）。ＩｎＧａＡｓＢｉを用いて温度特性の向上を図った半導体レーザも報告されている（例えば、特許文献３、４）。
　活性層が２種類のIII－Ｖ族半導体又はその混晶の薄膜を構成単位とした短周期超格子からなり、その薄膜のうち格子定数の最も大きいものがＢｉを含む半導体レーザ素子が報告されている（例えば、特許文献５）。特許文献５の半導体レーザ素子は、例えば、ＩｎＡｓとＧａＡｓのうち格子定数の大きいＩｎＡｓの方にＢｉを含んだ（ＩｎＡｓＢｉ）ｍ（ＧａＡｓ）ｎの短周期超格子を活性層に用いている。
特開２０１０－１１４２９５号公報（００７４段、図３－１４） 特開平９－８４０５号公報（０００８段、図１、図３） 特開２０００－２２３７８７号公報（００３１段、図１） 特開２００４－２２１４１３号公報（００２３段、図１） 特開平１１－６８２３８号公報（０００６段、０００７段、図１）
　特許文献１では光導波路素子の電子吸収変調部ＥＡにアルミニウム（Ａｌ）を含むIII－Ｖ族の半導体混晶が用いられている。Ａｌは反応性に富んだ材料で酸化や腐食を起こしやすい。光吸収層の結晶成長時にＡｌが酸化すると異常成長が生じて多くの欠陥が発生する。このような変調器（電子吸収変調部ＥＡ）は、動作時にこの欠陥部分を基点として結晶の劣化が進行し、信頼性の低下をもたらす。このため、特許文献１の変調器（電子吸収変調部ＥＡ）は、結晶成長時は成膜装置のガス配管や反応室内に酸素が含まれないように厳密に制御する必要があり、Ａｌを含まない材料と比較して成長条件が厳しく高コストとなる。
　Ａｌは特に湿度に弱いため、結晶端面が直接外気と接触すること防ぐ必要があり、作製コスト及び保管コストが増大する。また、Ａｌはシリコン（Ｓｉ）と５３０℃で共通融点を持っている。このため、Ｓｉ上に電子集積回路と光集積回路を同時に製作する技術体系であるシリコンフォトニクスにおいて、チップ製作工程の高温時にＡｌが部分的に深くＳｉ中に溶け込みピットを作ることがあり、電子集積回路と光集積回路とが形成された半導体装置は信頼性の低下をもたらす。
　本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的は温度依存性が小さく、信頼性に優れた電界吸収型変調器を得るものである。
　本発明の電界吸収型変調器は、ＩｎＰ基板に形成され、印加される電圧により入射光を変調する電界吸収型変調器であって、印加される電圧により発生する電界により入射光の一部を吸収する光吸収層を備え、光吸収層は、Ａｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成される。
　本発明の電界吸収型変調器は、光吸収層がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されるので、温度依存性が小さく、信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態１に係る電界吸収型変調器を示す斜視図である。 図１の光軸方向に沿った要部断面図である。 図２の光吸収層の断面構造を示す図である。 比較例１の光吸収層の断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電界吸収型変調器を示す斜視図である。 図５の光軸方向に沿った要部断面図である。 図６の光吸収層の断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す斜視図である。 図８の半導体レーザの活性層の断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る光半導体装置を示す斜視図である。 比較例２の光通信構成を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る光モジュールを示す図である。 本発明の実施の形態５に係る他の光モジュールを示す図である。 本発明の実施の形態６に係る光モジュールを示す図である。 本発明の実施の形態６に係る他の光モジュールを示す図である。
実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１に係る電界吸収型変調器を示す斜視図である。図２は図１の光軸方向に沿った要部断面図であり、図３は図２の光吸収層の断面構造を示す図である。図２の断面図は、光が進行する軸である光軸３１に平行な破線面３５で切断した図である。実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、ｎ型のＩｎＰ基板１と、ＩｎＰ基板１の上面（表面）に設けられた半導体積層構造２と、半導体積層構造２に設けられたＳｉＯ２からなる絶縁膜９と、ＩｎＰ基板１の下面（裏面）に設けられたｎ側電極１０と、絶縁膜９の開口部３４において半導体積層構造２に接続されたｐ側電極１１とを備えている。図１に示すように半導体積層構造２にリッジ型導波路４１が設けられている。半導体積層構造２は、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に順に積層されたｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層（第一のクラッド層）３、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰの光導波路層（第一の光導波路層）４、ｉ型ＩｎＧａＡｓＢｉの光吸収層５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型光導波路層（第二の光導波路層）６、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層（第二のクラッド層）７、及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層８を有する。ＩｎＧａＡｓＢｉのｎ型の光吸収層５はＩｎＰ基板１と格子整合している。なお、ここでは、格子整合とは、格子不整合率が０．５％以下であることを意味するものとする。
　ｉ型ＩｎＧａＡｓＢｉの光吸収層５は、図３に示すように、ＩｎＧａＡｓＢｉの量子井戸層１３と、ＩｎＧａＡｓＰのバリア層１４が交互に積層されたＩｎＧａＡｓＢｉ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造である。図３では、５層の量子井戸層１３と４層のバリア層１４を有する光吸収層５の例を示した。絶縁膜９が、半導体積層構造２の最上層であるｐ型ＩｎＧａＡｓのｐ型コンタクト層８の表面に設けられている。Ｔｉ／Ａｕ等からなるｐ側電極１１がリッジ型導波路４１の上部のｐ型ＩｎＧａＡｓのｐ型コンタクト層８を介して、ｐ型ＩｎＰのｐ型クラッド層７及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰのｐ型光導波路層６と電気的に接続されている。ＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ側電極１０がｎ型のＩｎＰ基板１の裏面（下面）接続されている。ここで、入射光３３の波長は例えば光通信波長帯である１．５５μｍである。入射光３３は図１の端面側より入射する。
　続いて、本実施の形態にかかる電界吸収型変調器１６の製造方法を簡単に説明する。まず、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて、ｎ型ＩｎＰのｎ型クラッド層３、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰの光導波路層４、ｉ型ＩｎＧａＡｓＢｉの光吸収層５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのｐ型光導波路層６、ｐ型ＩｎＰのｐ型クラッド層７、及びｐ型ＩｎＧａＡｓのｐ型コンタクト層８を順にエピタキシャル成長させる。ｉ型ＩｎＧａＡｓＢｉの光吸収層５は、ＩｎＧａＡｓＢｉの量子井戸層１３と、ＩｎＧａＡｓＰのバリア層１４を交互にエピタキシャル成長させる。
　次に、ｐ型ＩｎＧａＡｓのｐ型コンタクト層８上にプラズマＣＶＤ法などによりＳｉＯ２の絶縁膜９を形成する。フォトリソグラフィ技術とフッ酸などを用いたエッチングとを組み合わせて、ｐ側電極１１をｐ型コンタクト層８に接続する領域において絶縁膜９に開口部３４を形成する。その後、電子ビーム（ＥＢ）蒸着によりＴｉ／Ａｕ膜を形成し、この膜の不要部分をフォトレジスト膜と共にリフトオフしてｐ側電極１１を形成する。この際に絶縁膜９上に、ｐ側電極１１に接続されたボンディングパッド１２を同時に形成する。その後、ｎ型のＩｎＰ基板１の下面を研磨し、ｎ型のＩｎＰ基板１の下面にｎ側電極１０を形成する。以上の工程により本実施の形態に係る電界吸収型変調器１６が製造される。
　本実施の形態に係る電界吸収型変調器１６の基本動作を説明する。外部からｎ側電極１０がプラス、ｐ側電極１１がマイナスとなる逆バイアスが加えられるとｉ型ＩｎＧａＡｓＢｉの光吸収層５の吸収スペクトルが変化し、光吸収現象が生じる。電界吸収型変調器１６の端面側より入射された入射光３３は、逆バイアスの電圧に応じてｉ型ＩｎＧａＡｓＢｉの光吸収層５で一部が吸収され電子及びホールの対が発生する。殆ど全ての入射光３３が光吸収現象により光吸収層５で吸収されると、入射光３３は消光する、すなわち電界吸収型変調器１６から実質的に出射されない。電界吸収型変調器１６は、入射光３３の出射及び非出射を制御する、すなわち入射光３３を変調する。この電子とホールは、ｐ側電極１１及びｎ側電極１０から電流として外部に取り出すことが可能である。この電流を光電流と呼ぶ。なお、電界吸収型変調器１６における光吸収量は、ｐ側電極１１及びｎ側電極１０間に印加された外部電圧に起因してその光吸収層５に印加された電圧の値によって異なる。電界吸収型変調器１６に逆バイアスの所定電圧が印加された場合は入射光３３が電界吸収型変調器１６から出射されず、電界吸収型変調器１６に逆バイアスの所定電圧が印加されない場合は入射光３３が電界吸収型変調器１６から出射される。
　本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図４は比較例１の光吸収層の断面構造を示す図である。比較例１では光吸収層１０５の材料、すなわち量子井戸層１０３及びバリア層１０４の材料が、ｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓである。電界吸収型変調器において、外界の温度変化に影響されず一定の特性を示すことが必要である。しかし、ＡｌＧａＩｎＡｓは温度を変化させるとバンドギャップが変わり吸収スペクトルが変化するため、ＡｌＧａＩｎＡｓの光吸収層１０５を有する電界吸収型変調器は、変調器の特性が変化してしまう。
　比較例１と異なり、本実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、光吸収層５のＩｎＧａＡｓＢｉのバンドギャップが温度変化に対し一定のため、低温及び高温での特性の変化を抑えることができ、アンクールド動作が可能である。また、本実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、光吸収層５がＡｌを含まないため、光吸収層５の結晶成長が容易である。本実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、Ａｌを含まない光吸収層５は結晶の酸化が起こらないため、光吸収層５の結晶欠陥の発生が抑制され、信頼性の悪化を防ぐことができる。また、本実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、ＩｎＧａＡｓＢｉはｎ型のＩｎＰ基板１と格子整合しているため、歪による結晶欠陥の発生も抑制される。
　光吸収層５の量子井戸層１３はＢｉが含まれていればよく、ＩｎＧａＡｓＢｉ以外のIII－Ｖ族半導体を用いてもよい。例えば、ＩｎＧａＰＢｉ系混晶、ＩｎＧａＡｓＰＢｉ系混晶等を用いることができる。また、量子井戸層１３は１層に限らずこれらの材料を組み合わせて多層にしても良い。
　以上のように、実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、ＩｎＰ基板１に形成され、印加される電圧により入射光３３を変調する電界吸収型変調器であって、印加される電圧により発生する電界により入射光３３の一部を吸収する光吸収層５を備えている。実施の形態１の電界吸収型変調器１６の光吸収層５は、Ａｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成される。実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、光吸収層５がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されるので、温度依存性が小さく、信頼性を向上させることができる。
　また、実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、光吸収層５が、量子井戸層１３及びバリア層１４が交互に積層された多重量子井戸構造であり、量子井戸層１３がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成される。実施の形態１の電界吸収型変調器１６は、光吸収層５の量子井戸層１３にＡｌが含有されず、Ｂｉが含有されており、光吸収層５のバリア層１４にＡｌが含有されていないので、温度依存性が小さく、信頼性を向上させることができる。
実施の形態２．
　図５は本発明の実施の形態２に係る電界吸収型変調器を示す斜視図である。図６は図５の光軸方向に沿った要部断面図であり、図７は図６の光吸収層の断面構造を示す図である。図６の断面図は、光が進行する軸である光軸３１に平行な破線面３５で切断した図である。実施の形態２の電界吸収型変調器１６は、半導体積層構造２の光吸収層が光吸収層４５である点で実施の形態１の電界吸収型変調器１６と異なる。光吸収層４５はＩｎＧａＡｓＢｉ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸構造である。
　光吸収層４５は、図７に示すように、ＩｎＧａＡｓＢｉの量子井戸層１３と、ＡｌＧａＩｎＡｓのバリア層１５が交互に積層されたＩｎＧａＡｓＢｉ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸構造である。量子井戸層１３がＩｎＧａＡｓＢｉで構成され、バリア層１５がＡｌＧａＩｎＡｓで構成される。
　実施の形態２の電界吸収型変調器１６は、光吸収層４５の量子井戸層１３をＩｎＧａＡｓＢｉとすることで、実施の形態１と同様に変調器の吸収スペクトルの温度依存性がなくなり、アンクールド動作が可能である。実施の形態２の電界吸収型変調器１６は、光吸収層４５のバリア層１５を伝導帯オフセットの大きいＡｌＧａＩｎＡｓとすることで、高い温度でも安定した動作を確保できる。
　光吸収層４５の量子井戸層１３はＡｌを含有せず、Ｂｉを含有していればよく、ＩｎＧａＡｓＢｉ以外のIII－Ｖ族半導体を用いてもよい。例えば、ＩｎＧａＰＢｉ系混晶、ＩｎＧａＡｓＰＢｉ系混晶等を用いることができる。また、量子井戸層１３は１層に限らずこれらの材料を組み合わせて多層にしても良い。バリア層１５はＡｌを含有していれば良く、ＡｌＧａＩｎＡｓ以外のIII－Ｖ族半導体を用いてもよい。例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系混晶などを用いることができる。また、バリア層１５は１層に限らずこれらの材料を組み合わせて多層にしても良い。
　実施の形態２の電界吸収型変調器１６は、光吸収層４５の量子井戸層１３にＡｌが含有されず、Ｂｉが含有されており、光吸収層４５のバリア層１５にＡｌが含有されているので、温度依存性が小さく、信頼性を向上させることができる。また、実施の形態２の電界吸収型変調器１６は、光吸収層４５のバリア層１５にＡｌが含有されているので、実施の形態１の電界吸収型変調器１６よりも高い温度でも安定した動作を確保できる。
　以上のように、実施の形態２の電界吸収型変調器１６は、ＩｎＰ基板１に形成され、印加される電圧により入射光３３を変調する電界吸収型変調器であって、印加される電圧により発生する電界により入射光３３の一部を吸収する光吸収層４５を備えている。実施の形態２の電界吸収型変調器１６の光吸収層４５は、量子井戸層１３及びバリア層１５が交互に積層された多重量子井戸構造であり、量子井戸層１３がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成され、バリア層１５がＢｉを含有せず、Ａｌを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成される。実施の形態２の電界吸収型変調器１６は、光吸収層４５の量子井戸層１３がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されるので、温度依存性が小さく、信頼性を向上させることができる。
実施の形態３．
　図８は本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す斜視図であり、図９は図８の半導体レーザの活性層の断面構造を示す図である。実施の形態３の光半導体装置５０は、ｎ型のＩｎＰ基板１に電界吸収型変調器１６と分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）の半導体レーザ１７が集積されている光半導体装置である。電界吸収型変調器１６は、実施の形態１の電界吸収型変調器１６又は実施の形態２の電界吸収型変調器１６と同じである。なお、図８では、電界吸収型変調器１６の光吸収層が実施の形態１の光吸収層５の例を示した。半導体レーザ１７は活性層１８を有する。半導体レーザ１７におけるｎ型クラッド層３～ｐ型コンタクト層８までの半導体積層構造２は、電界吸収型変調器１６の光吸収層５が活性層１８に代わった構造になっている。電界吸収型変調器１６はリッジ型導波路４１を有しており、半導体レーザ１７はリッジ型導波路４２を有している。リッジ型導波路４１とリッジ型導波路４２は連続している。破線３６ｂは、光吸収層５と活性層１８における、表面の境界と断面構造の境界に平行な破線である。破線３６ａは光が出射する側の端を示し、破線３６ｃは光が入射する側の端を示している。半導体レーザ１７は破線３６ｂから破線３６ｃの範囲であり、電界吸収型変調器１６は破線３６ａから破線３６ｂの範囲である。
　半導体レーザ１７は、ｎ型のＩｎＰ基板１と、ＩｎＰ基板１の上面（表面）に設けられた半導体積層構造２と、半導体積層構造２に設けられたＳｉＯ２からなる絶縁膜９と、ＩｎＰ基板１の下面（裏面）に設けられたｎ側電極１０と、半導体積層構造２に接続されたｐ側電極１１とを備えている。半導体積層構造２は、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に順に積層されたｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層（第一のレーザクラッド層）３、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰの光導波路層（第一のレーザ光導波路層）４、活性層１８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのｐ型光導波路層（第二のレーザ光導波路層）６、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層第二のレーザクラッド層）７、及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層８を有する。半導体レーザ１７の第一のレーザクラッド層（ｎ型クラッド層３）、第一のレーザ光導波路層（光導波路層４）、活性層１８、第二のレーザ光導波路層（ｐ型光導波路層６）、第二のレーザクラッド層（ｐ型クラッド層７）は、それぞれ、電界吸収型変調器１６における、第一のクラッド層（ｎ型クラッド層３）、第一の光導波路層（光導波路層４）、光吸収層５、４５、第二の光導波路層（ｐ型光導波路層６）、第二のクラッド層（ｐ型クラッド層７）に接続されている。
　半導体レーザ１７の活性層１８は、図９に示すように、ＩｎＧａＡｓＰの量子井戸層１９と、ＩｎＧａＡｓＰのバリア層２０が交互に積層されたＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造である。図９では、５層の量子井戸層１９と４層のバリア層２０を有する光吸収層５の例を示した。実施の形態３の光半導体装置５０の製造工程は、実施の形態１で説明した電界吸収型変調器１６の製造工程と同様である。ただし、電界吸収型変調器１６の光吸収層５と半導体レーザ１７の活性層１８は、同時に形成されず個別に形成される。
　このような変調器とレーザを集積化した光半導体装置、すなわち電界吸収型変調器１６及び半導体レーザ１７が集積化された実施の形態３の光半導体装置５０は、電界吸収型変調器１６として実施の形態１または実施の形態２の構造を用いることで、実施の形態１または実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
　変調器及びレーザが集積化された光半導体装置において、所望の変調器の光出力、消光比、伝送ペナルティなどを得るために、レーザの発振波長と変調器の吸収波長の差分Δλは数ｎｍオーダーの精度が要求される。このため実施の形態３の光半導体装置５０は、半導体レーザ１７の活性層１８にＢｉを含まないIII－Ｖ族半導体を用いることで、半導体レーザ１７の発振波長には温度依存性を持たせる。一方、電界吸収型変調器１６として実施の形態１または実施の形態２の構造を用いることで、電界吸収型変調器１６が吸収する光の波長である吸収波長には温度依存性を持たせない。したがって、実施の形態３の光半導体装置５０では、温度を変動させることで電界吸収型変調器１６の吸収波長は一定のまま、レーザの発振波長を変化させることができる。すなわち、実施の形態３の光半導体装置５０は、温度を変動させることで電界吸収型変調器１６の吸収波長は一定のまま、レーザの発振波長を補償することができる。さらに、実施の形態３の光半導体装置５０は、半導体レーザ１７の発振波長、電界吸収型変調器１６の吸収波長の作製誤差によるΔλのズレを温度変調により補償することができ、要求される作製精度が緩和される。
　半導体レーザ１７の活性層１８はＢｉが含まれていなければよく、ＩｎＧａＡｓＰ以外のIII－Ｖ族半導体を用いてもよい。例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ系混晶などを用いることもできる。また、量子井戸層１９及びバリア層２０の各層は１層に限らずこれらの材料を組み合わせて多層にしても良い。
実施の形態４．
　図１０は、本発明の実施の形態４に係る光半導体装置を示す斜視図である。実施の形態４の光半導体装置５０は、ｎ型のＩｎＰ基板１に２つの第二の半導体レーザ２１ａ、２１ｂと、第二の半導体レーザ２１ａ、２１ｂから出射される異なる波長のレーザ光を導く導波路を結合する結合器であるＹ型結合器２２が集積されている光半導体装置であり、多波長集積光半導体装置である。第二の半導体レーザ２１ａ、２１ｂは、電界吸収型変調器が集積された半導体レーザであり、具体的には電界吸収型変調器１６及び半導体レーザ１７が集積された実施の形態３の光半導体装置５０である。電界吸収型変調器１６は、実施の形態１の電界吸収型変調器１６又は実施の形態２の電界吸収型変調器１６と同じである。なお、図１０では、電界吸収型変調器１６の光吸収層が実施の形態１の光吸収層５の例を示した。Ｙ型結合器２２は、透明導波路層２３を有する。
　Ｙ型結合器２２におけるｎ型クラッド層３～ｐ型コンタクト層８までの半導体積層構造２は、電界吸収型変調器１６の光吸収層５が透明導波路層２３に代わった構造になっている。第二の半導体レーザ２１ａの電界吸収型変調器１６はリッジ型導波路４１ａを有しており、第二の半導体レーザ２１ｂの電界吸収型変調器１６はリッジ型導波路４１ｂを有している。Ｙ型結合器２２は、リッジ型導波路４６ａ、４６ｂ、４６ｃを有している。リッジ型導波路４１ａとリッジ型導波路４６ａは連続しており、リッジ型導波路４１ｂとリッジ型導波路４６ｂは連続している。リッジ型導波路４６ｃは、リッジ型導波路４６ａ、４６ｂと連結されている。破線３６ｅは、透明導波路層２３と光吸収層５における、表面の境界と断面構造の境界に平行な破線である。破線３６ｆは、光吸収層５と活性層１８における、表面の境界と断面構造の境界に平行な破線である。破線３６ｄは光が出射する側の端を示し、破線３６ｇは光が入射する側の端を示している。なお、破線３６ｇ及び破線３６ｄは、図１０における左側では光半導体装置５０の上側（表面側）に記載し、図１０における右側では光半導体装置５０の下側（裏面側）に記載した。破線３６ｇ及び破線３６ｄは、光半導体装置５０の上面（表面）及び右側面以外では省略した。
　図１０において、第二の半導体レーザ２１ａは、破線３６ｅから破線３６ｇの範囲で、かつ破線３６ｈから左側の領域である。図１０において、第二の半導体レーザ２１ｂは、破線３６ｅから破線３６ｇの範囲で、かつ破線３６ｈから右側の領域である。半導体レーザ１７は、第二の半導体レーザ２１ａ及び第二の半導体レーザ２１ｂにおける其々の破線３６ｆから破線３６ｇの範囲である。電界吸収型変調器１６は、第二の半導体レーザ２１ａ及び第二の半導体レーザ２１ｂにおける其々の破線３６ｅから破線３６ｆの範囲である。Ｙ型結合器２２は、破線３６ｄから破線３６ｅの範囲である。
　Ｙ型結合器２２は、ｎ型のＩｎＰ基板１と、ＩｎＰ基板１の上面（表面）に設けられた半導体積層構造２と、半導体積層構造２に設けられたＳｉＯ２からなる絶縁膜９と、ＩｎＰ基板１の下面（裏面）に設けられたｎ側電極１０と、半導体積層構造２に接続されたｐ側電極１１とを備えている。半導体積層構造２は、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に順に積層されたｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層（第一の結合器クラッド層）３、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰの光導波路層（第一の結合器光導波路層）４、透明導波路層２３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのｐ型光導波路層（第二の結合器光導波路層）６、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層第二の結合器クラッド層）７、及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層８を有する。Ｙ型結合器２２の第一の結合器クラッド層（ｎ型クラッド層３）、第一の結合器光導波路層（光導波路層４）、透明導波路層２３、第二の結合器光導波路層（ｐ型光導波路層６）、第二の結合器クラッド層（ｐ型クラッド層７）は、それぞれ、第二の半導体レーザ２１ａ、２１ｂの電界吸収型変調器１６における、第一のクラッド層（ｎ型クラッド層３）、第一の光導波路層（光導波路層４）、光吸収層５、４５、第二の光導波路層（ｐ型光導波路層６）、第二のクラッド層（ｐ型クラッド層７）に接続されている。実施の形態４の光半導体装置５０の製造工程は、実施の形態１で説明した電界吸収型変調器１６の製造工程と同様である。ただし、電界吸収型変調器１６の光吸収層５、半導体レーザ１７の活性層１８、Ｙ型結合器２２の透明導波路層２３は、同時に形成されず個別に形成される。
　本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図１１は比較例２の光通信構成を示す図である。比較例２では複数の半導体レーザ１０６ａ、１０６ｂから出射した光１１０ａ、１１０ｂがそれぞれコリメートレンズ１０７ａ、１０７ｂでコリメート光とされ、集光レンズ１０８において一本の光ファイバ１０９に結合される。このような比較例２の構成を用いた場合には、小型化が困難であり、また、半導体レーザ１０６ａ、１０６ｂ、コリメートレンズ１０７ａ、１０７ｂ、波長選択フィルタ（図示せず）、集光レンズ１０８間での多数の光学的な調整作業が必要となるため、作業コストの点で不利である。
　一方、本実施の形態４の光半導体装置５０（多波長集積光半導体装置）は、複数の異なる波長のレーザ光が同一基板に形成された複数の半導体レーザ１７から出射され、これらを例えばＹ型結合器２２等の結合器により外部の一点へ集光させることができる。これにより、本実施の形態４の光半導体装置５０は、コリメートレンズ１０７ａ、１０７ｂ、または集光レンズ１０８などの合波デバイスを用いることなく波長多重が可能となる。本実施の形態４の光半導体装置５０は、複数の半導体レーザ１７をワンチップに集積することができるため、小型でかつ高密度な集積が可能である。
　このようなレーザ、変調器、結合器を集積した多波長集積光半導体装置、すなわち半導体レーザ１７、電界吸収型変調器１６、Ｙ型結合器２２が集積化された実施の形態４の光半導体装置５０は、第二の半導体レーザ２１ａ、２１ｂとして、実施の形態３の構造を用いることで、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
　なお、実施の形態４では複数の異なる波長のレーザ光を集光して１つの導波路に結合する結合器としてＹ型結合器２２を用いているが、これ以外にも多モード干渉導波路（Ｍｕｌｔｉ　Ｍｏｄｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）などを用いることができる。また、実施の形態４では、第二の半導体レーザ２１ａ、２１ｂを２つ集積した光半導体装置５０の例を示したが、集積する第二の半導体レーザ２１ａ、２１ｂの数は２つ以上でもよい。例えば、第二の半導体レーザ２１ａ（又は２１ｂ）を４つ集積した４波長集積光半導体装置とすることもできる。
　なお、実施の形態１～４では、電界吸収型変調器１６、半導体レーザ１７の構造として、リッジ型導波路を採用したが、コア層をメサ型にパターニングしたハイメサ型導波路にすることも可能である。また、電界吸収型変調器１６、半導体レーザ１７におけるストライプメサ構造体の埋込構造に、半絶縁体埋込へテロ（ＳＩ－ＢＨ）構造や、半絶縁性プレーナ型埋込へテロ（ＰＮ－ＢＨ）構造を採用することも可能である。また、電界吸収型変調器１６、半導体レーザ１７は、これらの構造を組み合わせることも可能である。また、電界吸収型変調器１６の光吸収層５及び半導体レーザ１７の活性層１８には、多重量子井戸構造以外に、バルク構造、量子細線構造、量子ドット構造、及びこれらを組み合わせた構造を適用することも可能である。
実施の形態５．
　図１２は、本発明の実施の形態５に係る光モジュールを示す図である。実施の形態５の光モジュール８０は、光半導体装置５０、光半導体装置５０を搭載するチップキャリア２５、チップキャリア２５を搭載するステム８１、レンズ２７、レンズ２７を保持しステム８１の表面側を覆うレンズフォルダ２８、光半導体装置５０に接続する端子８２を備えている。レンズフォルダ２８は、光半導体装置５０、チップキャリア２５を覆うようにステム８１に配置されている。図１２では、レンズ２７、レンズフォルダ２８は断面で示した。光半導体装置５０が、５０Ωの終端抵抗がついた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製のチップキャリア２５にＡｕＳｎはんだで搭載される。チップキャリア２５は例えば板状である。ステム８１は円筒形のパッケージ土台であり、ステム８１の材料は冷間圧延鋼板（ＳＰＣ）などの金属である。端子８２は、ステム８１に貫通または接続されている。
　このような光モジュール８０において、光デバイスである光半導体装置５０として、実施の形態３、４の構造を用いることで、実施の形態３、４と同様の効果を得ることができる。
　また、光モジュール８０に実施の形態１、２の電界吸収型変調器１６を搭載することもできる。図１３は、本発明の実施の形態５に係る他の光モジュールを示す図である。図１３に示した他の光モジュール８０は、電界吸収型変調器１６、半導体レーザ１７、電界吸収型変調器１６及び半導体レーザ１７を搭載するチップキャリア２５、チップキャリア２５を搭載するステム８１、レンズ２７、レンズ２７を保持しステム８１の表面側を覆うレンズフォルダ２８、電界吸収型変調器１６及び半導体レーザ１７に接続する端子８２を備えている。レンズフォルダ２８は、電界吸収型変調器１６、半導体レーザ１７、チップキャリア２５を覆うようにステム８１に配置されている。図１３に示した光モジュール８０において、光デバイスである電界吸収型変調器１６として、実施の形態１、２の構造を用いることで、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。
　以上のように、実施の形態５の光モジュール８０は、ステム８１と、ステム８１に搭載されたチップキャリア２５と、チップキャリア２５に搭載された光デバイス（電界吸収型変調器１６、光半導体装置５０）と、レンズ２７を保持し、光デバイス（電界吸収型変調器１６、光半導体装置５０）及びチップキャリア２５を覆うようにステム８１に配置されたレンズフォルダ２８と、を備えている。実施の形態５の光モジュール８０の光デバイスは、実施の形態１、２の電界吸収型変調器１６又は、実施の形態３、４の光半導体装置５０である。実施の形態５の光モジュール８０は、光デバイス（電界吸収型変調器１６、光半導体装置５０）における光吸収層５がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されている、又は光吸収層４５の量子井戸層１３がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されている。実施の形態５の光モジュール８０は、光デバイス（電界吸収型変調器１６、光半導体装置５０）の光吸収層５又は光吸収層４５の量子井戸層１３が、Ａｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されるので、温度依存性が小さく、信頼性を向上させることができる。
実施の形態６．
　図１４は、本発明の実施の形態６に係る光モジュールを示す図である。実施の形態６の光モジュール８０は、光半導体装置５０、光半導体装置５０を搭載するチップキャリア２５、チップキャリア２５に接続されたペルチェクーラー等の温度制御機構２９、温度制御機構２９及びチップキャリア２５を搭載するステム８１、レンズ２７、レンズ２７を保持しステム８１の表面側を覆うレンズフォルダ２８、光半導体装置５０等に接続する端子８２を備えている。レンズフォルダ２８は、光半導体装置５０、チップキャリア２５、温度制御機構２９を覆うようにステム８１に配置されている。図１４では、レンズ２７、レンズフォルダ２８は断面で示した。光半導体装置５０が、５０Ωの終端抵抗がついた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製のチップキャリア２５にＡｕＳｎはんだで搭載される。実施の形態６の光モジュール８０は、温度制御機構２９を備え、チップキャリア２５が温度制御機構２９に搭載される点で、実施の形態５の光モジュール８０と異なる。端子８２には温度制御機構２９に接続する端子もある。
　このような光モジュール８０において、光デバイスである光半導体装置５０として、実施の形態３、４の構造を用いることで、実施の形態３、４と同様の効果を得ることができる。すなわち、実施の形態６の光モジュール８０は、温度制御機構２９による光半導体装置５０の温度調整を実行しなくても、実施の形態３、４と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態６の光モジュール８０は、温度制御機構２９により光半導体装置５０の温度を変動させることで、実施の形態３で説明したように、電界吸収型変調器１６の吸収波長は一定のまま、半導体レーザ１７の発振波長を変化させることができる。実施の形態６の光モジュール８０は、半導体レーザ１７の発振波長、電界吸収型変調器１６の吸収波長の作製誤差によるΔλのズレを温度変調により補償することができ、要求される作製精度が緩和される。
　また、光モジュール８０に実施の形態１、２の電界吸収型変調器１６を搭載することもできる。図１５は、本発明の実施の形態６に係る他の光モジュールを示す図である。図１５に示した他の光モジュール８０は、電界吸収型変調器１６、半導体レーザ１７、電界吸収型変調器１６及び半導体レーザ１７を搭載するチップキャリア２５、チップキャリア２５に接続されたペルチェクーラー等の温度制御機構２９、温度制御機構２９及びチップキャリア２５を搭載するステム８１、レンズ２７、レンズ２７を保持しステム８１の表面側を覆うレンズフォルダ２８、電界吸収型変調器１６及び半導体レーザ１７等に接続する端子８２を備えている。レンズフォルダ２８は、電界吸収型変調器１６、半導体レーザ１７、チップキャリア２５、温度制御機構２９を覆うようにステム８１に配置されている。図１３に示した光モジュール８０において、光デバイスである電界吸収型変調器１６として、実施の形態１、２の構造を用いることで、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。すなわち、実施の形態６の光モジュール８０は、温度制御機構２９による光半導体装置５０の温度調整を実行しなくても、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。
　また、図１５に示した実施の形態６の他の光モジュール８０は、光デバイスである電界吸収型変調器１６として、実施の形態１、２の構造を用い、かつ光デバイスである半導体レーザ１７として実施の形態３、４のレーザ構造を用いる場合は、温度制御機構２９により電界吸収型変調器１６及び半導体レーザ１７の温度を変動させることで、実施の形態３で説明したように、電界吸収型変調器１６の吸収波長は一定のまま、半導体レーザ１７の発振波長を変化させることができる。実施の形態６の他の光モジュール８０は、半導体レーザ１７の発振波長、電界吸収型変調器１６の吸収波長の作製誤差によるΔλのズレを温度変調により補償することができ、要求される作製精度が緩和される。
　以上のように、実施の形態６の光モジュール８０は、ステム８１と、ステム８１に搭載された温度制御機構２９と、温度制御機構２９に搭載されたチップキャリア２５と、チップキャリア２５に搭載された光デバイス（光半導体装置５０、単体の電界吸収型変調器１６、単体の半導体レーザ１７）と、レンズ２７を保持し、光デバイス（光半導体装置５０、単体の電界吸収型変調器１６、単体の半導体レーザ１７）、チップキャリア２５及び温度制御機構２９を覆うようにステムに配置されたレンズフォルダ２８と、を備えている。実施の形態５の光モジュール８０は、光デバイス（光半導体装置５０、単体の電界吸収型変調器１６）における光吸収層５がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されている、又は光吸収層４５の量子井戸層１３がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成される。更に実施の形態５の光モジュール８０の光デバイス（光半導体装置５０の半導体レーザ１７、単体の半導体レーザ１７）における活性層１８がＢｉを含有しない３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成される。実施の形態６の光モジュール８０は、光デバイスの光吸収層５又は光吸収層４５の量子井戸層１３がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されるので、温度依存性が小さく、信頼性を向上させることができる。また、実施の形態６の光モジュール８０は、温度制御機構２９により光デバイス（電界吸収型変調器１６、光半導体装置５０）の温度を変動させることで、電界吸収型変調器１６の吸収波長は一定のまま、半導体レーザ１７の発振波長を変化させることができる。
　なお、実施の形態５及び実施の形態６では、光モジュール８０として、ＣＡＮ（カン）パッケージである同軸型半導体光モジュールを採用したが、アイソレータを内蔵したレセプタクルやフレキシブル基板を設けたＴＯＳＡ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　ＳｕｂＡｓｓｅｍｂｌｙ）等としても良い。
　なお、本発明は、矛盾のない範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
　１…ＩｎＰ基板、３…ｎ型クラッド層、６…ｐ型光導波路層、７…ｐ型クラッド層、１３…量子井戸層、１４…バリア層、１５…バリア層、１６…電界吸収型変調器、１７…半導体レーザ、１８…活性層、２１ａ、２１ｂ…第二の半導体レーザ、２２…Ｙ型結合器、２３…透明導波路層、２５…チップキャリア、２７…レンズ、２８…レンズフォルダ、２９…温度制御機構、３３…入射光、４５…光吸収層、５０…光半導体装置、８０…光モジュール、８１…ステム

Claims (19)

  1. 　ＩｎＰ基板に形成され、印加される電圧により入射光を変調する電界吸収型変調器であって、
    印加される前記電圧により発生する電界により前記入射光の一部を吸収する光吸収層を備え、
    前記光吸収層は、Ａｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されることを特徴とする電界吸収型変調器。
  2. 　前記光吸収層は、量子井戸層及びバリア層が交互に積層された多重量子井戸構造であり、前記量子井戸層がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されることを特徴とする請求項１記載の電界吸収型変調器。
  3. 　ＩｎＰ基板に形成され、印加される電圧により入射光を変調する電界吸収型変調器であって、
    印加される前記電圧により発生する電界により前記入射光の一部を吸収する光吸収層を備え、
    前記光吸収層は、量子井戸層及びバリア層が交互に積層された多重量子井戸構造であり、
    前記量子井戸層がＡｌを含有せず、Ｂｉを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成され、
    前記バリア層がＢｉを含有せず、Ａｌを含有する３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されることを特徴とする電界吸収型変調器。
  4. 　前記光吸収層は、ＩｎＧａＡｓＢｉにより構成されることを特徴とする請求項１記載の電界吸収型変調器。
  5. 　前記量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓＢｉにより構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の電界吸収型変調器。
  6. 　前記光吸収層は、ＩｎＧａＰＢｉにより構成されることを特徴とする請求項１記載の電界吸収型変調器。
  7. 　前記量子井戸層は、ＩｎＧａＰＢｉにより構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の電界吸収型変調器。
  8. 　前記光吸収層は、ＩｎＧａＡｓＰＢｉにより構成されることを特徴とする請求項１記載の電界吸収型変調器。
  9. 　前記量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓＰＢｉにより構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の電界吸収型変調器。
  10. 　前記ＩｎＰ基板の表面に形成された第一のクラッド層と、前記第一のクラッド層の表面に形成された第一の光導波路層と、前記第一の光導波路層の表面に形成された前記光吸収層と、前記光吸収層の表面に形成された第二の光導波路層と、前記第二の光導波路層の表面に形成された第二のクラッド層を備えたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電界吸収型変調器。
  11. 　請求項１０記載の電界吸収型変調器と、前記電界吸収型変調器が形成された前記ＩｎＰ基板に形成された半導体レーザとを備え、
    前記半導体レーザは、
    前記ＩｎＰ基板の表面に形成された第一のレーザクラッド層と、前記第一のレーザクラッド層の表面に形成された第一のレーザ光導波路層と、前記第一のレーザ光導波路層の表面に形成された活性層と、前記活性層の表面に形成された第二のレーザ光導波路層と、前記第二のレーザ光導波路層の表面に形成された第二のレーザクラッド層を備え、
    前記第一のレーザクラッド層、前記第一のレーザ光導波路層、前記活性層、前記第二のレーザ光導波路層、前記第二のレーザクラッド層は、それぞれ、前記電界吸収型変調器における、前記第一のクラッド層、前記第一の光導波路層、前記光吸収層、前記第二の光導波路層、前記第二のクラッド層に接続されていることを特徴とする光半導体装置。
  12. 　請求項１から９のいずれか１項に記載の電界吸収型変調器と、前記電界吸収型変調器が形成された前記ＩｎＰ基板に形成された半導体レーザとを備え、
    前記半導体レーザの活性層は、前記電界吸収型変調器の前記光吸収層に接続されていることを特徴とする光半導体装置。
  13. 　請求項１１または１２に記載の光半導体装置を同一のＩｎＰ基板に２つ以上集積されたことを特徴とする光半導体装置。
  14. 　請求項１２記載の光半導体装置である第二の半導体レーザが同一のＩｎＰ基板に２つ以上集積され、
    前記第二の半導体レーザから出射された異なる波長のレーザ光を導く導波路を結合する結合器が前記同一のＩｎＰ基板に集積されたことを特徴とする光半導体装置。
  15. 　請求項１１記載の光半導体装置である第二の半導体レーザが同一のＩｎＰ基板に２つ以上集積され、
    前記第二の半導体レーザから出射された異なる波長のレーザ光を導く導波路を結合する結合器が前記同一のＩｎＰ基板に集積されたことを特徴とする光半導体装置。
  16. 　前記結合器は、
    前記ＩｎＰ基板の表面に形成された第一の結合器クラッド層と、前記第一の結合器クラッド層の表面に形成された第一の結合器光導波路層と、前記第一の結合器光導波路層の表面に形成された透明導波路層と、前記透明導波路層の表面に形成された第二の結合器光導波路層と、前記第二の結合器光導波路層の表面に形成された第二の結合器クラッド層を備え、
    前記第一の結合器クラッド層、前記第一の結合器光導波路層、前記透明導波路層、前記第二の結合器光導波路層、前記第二の結合器クラッド層は、それぞれ、前記第二の半導体レーザの前記電界吸収型変調器における、前記第一のクラッド層、前記第一の光導波路層、前記光吸収層、前記第二の光導波路層、前記第二のクラッド層に接続されていることを特徴とする請求項１５記載の光半導体装置。
  17. 　ステムと、前記ステムに搭載されたチップキャリアと、前記チップキャリアに搭載された光デバイスと、レンズを保持し、前記光デバイス及び前記チップキャリアを覆うように前記ステムに配置されたレンズフォルダと、を備え、
    前記光デバイスは、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の電界吸収型変調器、または請求項１１から１６のいずれか１項に記載の光半導体装置であることを特徴とする光モジュール。
  18. 　請求項１７記載の光モジュールにおいて、
    ペルチェクーラーが搭載されていないことを特徴とする光モジュール。
  19. 　ステムと、前記ステムに搭載された温度制御機構と、前記温度制御機構に搭載されたチップキャリアと、前記チップキャリアに搭載された光デバイスと、レンズを保持し、前記光デバイス、前記チップキャリア及び前記温度制御機構を覆うように前記ステムに配置されたレンズフォルダと、を備え、
    前記光デバイスは、
    請求項１１から１６のいずれか１項に記載の光半導体装置であり、かつ前記半導体レーザの活性層がＢｉを含有しない３元以上のIII－Ｖ族半導体混晶により構成されることを特徴とする光モジュール。
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