WO2020166515A1 - 半導体光集積素子 - Google Patents

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昌義 西田
石井　啓之
理仁 鈴木
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Furukawa Electric Co Ltd
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    • H01S5/3235—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers
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    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor optical integrated device in which a forward bias optical device and a semiconductor laser are monolithically integrated.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • Patent Documents 1 and 2 a semiconductor optical amplifier (SOA: Semiconductor Optical Amplifier) is provided outside the laser cavity, but the leakage current from the semiconductor optical amplifier flows into the waveguide section of the adjacent DBR mirror, There is a problem that the spectral line width becomes broad due to the change in the refractive index of the DBR mirror.
  • SOA Semiconductor Optical Amplifier
  • the present invention has been made in view of the above, and is a semiconductor optical integrated device that can prevent leakage current from a forward bias optical element such as a semiconductor optical amplifier from flowing into a mirror and prevent broadening of a spectral line width.
  • the purpose is to provide a device.
  • a semiconductor optical integrated device is a semiconductor optical integrated device in which a forward bias optical device and a semiconductor laser are monolithically integrated on the upper surface of a semiconductor substrate. And a passive waveguide section arranged between the forward bias optical element and the semiconductor laser, and a ground electrode arranged on the lower surface of the semiconductor substrate, wherein the semiconductor laser is a mirror having a length.
  • the forward-biased optical element On the side of the forward-biased optical element, the forward-biased optical element has a forward-biased optical-element electrode on the side opposite to the side in contact with the semiconductor substrate, and the passive waveguide section is on the side in contact with the semiconductor substrate.
  • the forward bias optical device is a semiconductor optical amplifier.
  • the length of the passive waveguide electrode is shorter than the length of the passive waveguide portion.
  • the passive waveguide electrode is arranged in the passive waveguide portion so as to avoid a position right above the optical waveguide layer.
  • the length of the forward bias optical device electrode is shorter than the length of the active core layer of the forward bias optical device, and the forward bias optical device electrode is the active bias layer. It is not disposed on the end of the core layer on the side of the passive waveguide portion.
  • the passive waveguide section has a groove section on the forward bias optical element side with respect to the passive waveguide electrode.
  • the semiconductor laser is a wavelength tunable laser, and includes two mirrors having the lengths, a gain waveguide section, and a phase adjustment waveguide section. ..
  • At least one of the mirrors having the two lengths is a distributed Bragg reflector.
  • the mirrors having the two lengths are the distributed Bragg reflector and the ring resonator filter.
  • the mirror having the length arranged on the forward bias optical device side is controlled by the heater.
  • FIG. 1 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view of the wavelength tunable laser element shown in FIG. 1 taken along the line AA.
  • FIG. 3 is a sectional view of the wavelength tunable laser element shown in FIG. 1 taken along line BB.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line CC of the wavelength tunable laser element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along the line DD of the wavelength tunable laser element shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element according to the third embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view of the wavelength tunable laser element shown in FIG. 1 taken along the line AA.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 8 is a sectional view taken along the line EE of the wavelength tunable laser element shown in FIG.
  • FIG. 9 is a sectional view taken along line FF of the wavelength tunable laser element shown in FIG.
  • FIG. 10 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a sectional view taken along the line GG of the wavelength tunable laser element shown in FIG.
  • FIG. 12 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element according to the fifth embodiment.
  • FIG. 13 is a sectional view taken along the line HH of the wavelength tunable laser element shown in FIG.
  • FIG. 14A is a sectional view taken along the line JJ of the wavelength tunable laser element shown in FIG. FIG.
  • FIG. 14B is a sectional view taken along line LL of the wavelength tunable laser element shown in FIG.
  • FIG. 15 is a schematic top view of the wavelength tunable laser device according to the sixth embodiment.
  • FIG. 16 is a sectional view taken along line KK of the wavelength tunable laser element shown in FIG.
  • FIG. 17 is a schematic perspective view of the wavelength tunable laser device according to the seventh embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic perspective view of the wavelength tunable laser element according to the eighth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element 100 according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA of the wavelength tunable laser element 100 shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is shown in FIG. 4 is a sectional view of the wavelength tunable laser element 100 taken along line BB
  • FIG. 4 is a sectional view of the wavelength tunable laser element 100 taken along line CC of FIG.
  • illustration of a part of the configuration (protective film, spacer layer) is omitted.
  • the wavelength tunable laser device 100 is a semiconductor optical integrated device in which a semiconductor laser 10, a semiconductor optical amplifier (SOA) 40 which is a forward bias optical device, and a passive waveguide portion 50 are monolithically integrated on the upper surface of a semiconductor substrate 15. .
  • the forward-biased optical element means a device in which a current is passed from the electrode placed above the forward-bias electrode to the electrode placed below.
  • the semiconductor laser 10 has a first SG-DBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) 11, which is a mirror having a length, a phase adjusting unit 12, a gain unit 13, and a second SG-DBR 14.
  • the first SG-DBR 11, the phase adjustment unit 12, the gain unit 13, and the second SG-DBR 14 are connected in this order.
  • the first SG-DBR 11 is one in which the second reflecting section and the wavelength filter are integrally configured.
  • the first SG-DBR 11 includes, for example, a lower cladding layer 17a made of n-type InP and an optical waveguide layer 18 having a DBR-type diffraction grating layer on the main surface of a semiconductor substrate 15 made of n-type InP.
  • a spacer layer 17d made of p-type InP and an upper cladding layer 22 made of p-type InGaAsP are sequentially stacked, and a micro-heater 23 which is a resistance heater containing Ti and AuZn are provided above the protective film 31 made of SiN or the like.
  • the pad electrode 27 including is disposed.
  • the wavelength characteristic of the first SG-DBR 11 can be adjusted by changing the refractive index of the optical waveguide layer 18 due to the heating of the micro heater 23.
  • the optical waveguide layer 18 and the spacer layer 17d have a stripe mesa structure having a width (for example, 1.8 ⁇ m) suitable for optically guiding the 1.55 ⁇ m band light in a single mode by etching or the like.
  • the striped mesa structure has a buried structure having a current blocking structure composed of a p-type InP buried layer 17b and an n-type InP current blocking layer 17c on both sides (left and right in the drawing).
  • the optical waveguide layer 18 has a structure in which a sampling diffraction grating is formed in the p-type InGaAsP layer along the z direction, and the groove of the diffraction grating is filled with InP.
  • the grating spacing of the diffraction grating is constant but is sampled, so that a reflection response substantially periodic with respect to the wavelength is exhibited.
  • the phase adjustment unit 12 is provided between the first SG-DBR 11 and the second SG-DBR 14.
  • a lower clad layer 17a, an optical waveguide layer 19 made of InGaAsP, a spacer layer 17d, and an upper clad layer 22 are sequentially laminated on the main surface of the semiconductor substrate 15, and the lower clad layer 17a, the spacer layer 17d, and the upper clad layer 22 are sequentially stacked on the main surface.
  • a micro-heater 24 which is a resistance heater containing Ti and a pad electrode 28 containing AuZn are arranged.
  • the cross section of the phase adjusting portion has a structure in which the optical waveguide layer 18 having the DBR type diffraction grating layer of the first SG-DBR 11 shown in FIG.
  • the gain unit 13 is provided between the first SG-DBR 11 and the second SG-DBR 14 and exerts an optical amplification function by being supplied with a drive current.
  • the gain section 13 includes a lower clad layer 17a, an active core layer 20 made of InGaAsP, a spacer layer 17d, and an upper clad layer 22, which are sequentially stacked on the main surface of the semiconductor substrate 15, and the upper clad layer is formed.
  • a pad electrode 29 containing AuZn is arranged on the upper part of the electrode 22 via a contact layer 25a and an ohmic electrode 25b.
  • the contact layer 25a and the ohmic electrode 25b are provided in the opening 31a formed in the protective film 31.
  • the active core layer 20 and the spacer layer 17d have a stripe mesa structure having a width (for example, 1.8 ⁇ m) suitable for optical waveguide of 1.55 ⁇ m band light in a single mode by etching or the like. Both sides (in the left-right direction of the paper) have a buried structure having a current blocking structure composed of a p-type InP buried layer 17b and an n-type InP current blocking layer 17c.
  • the second SG-DBR 14 is configured by integrally forming a first reflecting portion that outputs laser light and a wavelength filter.
  • the second SG-DBR 14 has a lower clad layer 17a, an optical waveguide layer 21 having a DBR type diffraction grating layer, a spacer layer 17d, and an upper clad layer 22, which are sequentially stacked on the main surface of the semiconductor substrate 15, and is made of SiN or the like for protection.
  • a micro-heater 26, which is a resistance heater containing Ti, and a pad electrode 30 containing AuZn are arranged on the upper part of the film 31.
  • the optical waveguide layer 21 has a configuration in which a sampling diffraction grating is formed in the p-type InGaAsP layer along the z direction, and the groove of the diffraction grating is filled with InP.
  • the cross section of the second SG-DBR 14 is similar to that of the first SG-DBR 11 of FIG.
  • the diffraction grating has a constant grating interval, but is sampled, and this shows a reflection response that is substantially periodic with respect to the wavelength.
  • the wavelength characteristic of the second SG-DBR 14 can be adjusted by changing the refractive index of the optical waveguide layer 21 due to the heating of the micro heater 26.
  • the first SG-DBR 11 and the second SG-DBR 14 form a laser resonator.
  • the first SG-DBR 11 and the second SG-DBR 14 have periodic reflection peaks having different wavelength intervals as wavelength characteristics.
  • the SOA 40 is provided on the semiconductor substrate 15 on the laser light output side of the second SG-DBR 14 via a passive waveguide section 50 described later.
  • a lower clad layer 17a, an active core layer 41, a spacer layer 17d, and an upper clad layer 22 are sequentially stacked on the main surface of the semiconductor substrate 15, and a contact layer 42a and an ohmic electrode 42b are formed on the upper clad layer 22.
  • the pad electrode 43 containing AuZn is disposed therethrough.
  • the contact layer 42a and the ohmic electrode 42b are provided in the opening 31a formed in the protective film 31 made of SiN or the like.
  • the cross section of the SOA 40 is similar to that of the gain section 13 shown in FIG. When the SOA 40 is supplied with the drive current, the SOA 40 amplifies the laser light output from the second SG-DBR 14 and outputs it as high-power laser light from the end face of the tunable laser element 100.
  • the wavelength of laser light is, for example, in the range of 1.55 ⁇ m wavelength band.
  • the end face be coated with an antireflection coating.
  • the antireflection coating may be applied only to the end surface on the SOA 40 side, the number of coating steps can be reduced.
  • the active core layer 41 of the SOA 40 be tilted in the vicinity of the end face with respect to the normal line of the end face by several degrees, typically 7°.
  • the passive waveguide section 50 is provided between the second SG-DBR 14 and the SOA 40, and connects the semiconductor laser 10 and the SOA 40 with the optical waveguide layer 51.
  • a lower clad layer 17a made of n-type InP, an optical waveguide layer 51 made of InGaAsP, a spacer layer 17d, and an upper clad layer 22 are sequentially laminated on the main surface of the semiconductor substrate 15, and the upper clad layer is formed.
  • a passive waveguide electrode 53 containing AuZn is arranged on the upper part of 22 via a contact layer 52a and an ohmic electrode 52b.
  • the contact layer 52a and the ohmic electrode 52b are provided in the opening 31a formed in the protective film 31 made of SiN or the like.
  • the cross section of the passive waveguide portion 50 has a structure in which the active core layer 20 of the gain portion 13 shown in FIG. 4 is replaced with an optical waveguide layer 51.
  • the ground electrode 16 is configured to include AuGeNi, for example, and is in ohmic contact with the semiconductor substrate 15.
  • the pad electrode 29 of the gain section 13, the pad electrode 43 of the SOA 40, and the passive waveguide electrode 53 are p-side electrodes, and the passive waveguide electrode 53 is electrically connected to the ground electrode 16.
  • the wavelength of the laser light can be adjusted by adjusting the wavelength characteristics of the first SG-DBR 11 and the second SG-DBR 14 by the micro heaters 24 and 26, and functions as a vernier type wavelength tunable laser. To do.
  • the leakage current from the SOA 40 through the upper clad layer 22 flows to the optical waveguide layer 21 of the second SG-DBR 14. Since the refractive index of the optical waveguide layer 21 changes, the reflection phase of the second SG-DBR 14 may change and the spectral line width may become broad. Further, in the wavelength tunable laser device 100 including the SOA 40, since the optical output is adjusted using the SOA, the leakage current amount may be increased or decreased by the optical output, and the spectral line width may be changed by the optical output. Furthermore, when the current injected into the active core layer 41 of the SOA 40 fluctuates due to an external factor, the amount of leakage current also changes and the spectral line width becomes broad.
  • the passive waveguide section 50 is arranged between the second SG-DBR 14 and the SOA 40, and the leakage current from the SOA 40 can be passed to the ground electrode 16 via the passive waveguide electrode 53, so that the leakage occurs. It is possible to suppress the broadening of the spectral line width due to the electric current.
  • the SOA is described as an example of the forward bias optical element, but the present invention is not limited to this.
  • a current injection type filter can be used instead of the SOA.
  • FIG. 5 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element 100A according to the second embodiment
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line DD of the wavelength tunable laser element 100A shown in FIG.
  • illustration of a part of the structure (protective film, spacer layer) is omitted.
  • the passive waveguide electrode 53A of the passive waveguide portion 50A is formed shorter than the length of the passive waveguide portion 50A.
  • the contact layer 52a-1 and the ohmic electrode 52b-1 are also formed short like the passive waveguide electrode 53A.
  • the passive waveguide section 50 is arranged between the second SG-DBR 14 and the SOA 40, and the leakage current from the SOA 40 is extracted to suppress the broadening of the spectral line width. Since the contact layer 52a made of P-type InGaAsP having a high doping concentration is provided on the upper portion, light loss occurs due to light absorption of the contact layer 52a. In the second embodiment, the length of the passive waveguide electrode 53A is made shorter than the length of the passive waveguide portion 50A, thereby reducing the light loss due to the contact layer 52a-1.
  • the passive waveguide electrode 53 is provided over the entire length of the passive waveguide portion 50 except for the electrically insulating gap (usually about 10 ⁇ m each) from the second SG-DBR 14 and the SOA 40.
  • the second passive waveguide electrode 53A has a length of 80% or less of the length of the passive waveguide portion 50A, preferably 10% or more and 50% or less of the length of the passive waveguide portion 50A.
  • the length of the passive waveguide portion 50A does not include an electrically insulating gap.
  • the passive waveguide electrode 53A is preferably installed on the SOA 40 side.
  • the passive waveguide electrode 53A similarly to the first embodiment, by extracting the leakage current from the SOA 40 by the passive waveguide electrode 53A, it is possible to suppress the broadening of the spectral line width due to the leakage current and to increase the length of the passive waveguide electrode 53A. Is short, it is possible to reduce light loss.
  • FIG. 7 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element 100B according to the third embodiment
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line EE of the wavelength tunable laser element 100B shown in FIG. 7, and
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line FF of the wavelength tunable laser element 100B shown in FIG.
  • illustration of part of the structure (protective film, spacer layer) is omitted.
  • the passive waveguide electrode 53B of the passive waveguide portion 50B is arranged so as not to be directly above the optical waveguide layer 51.
  • the contact layer 52a-2 and the ohmic electrode 52b-2 are also arranged so as not to be directly above the optical waveguide layer 51.
  • providing the contact layer 52a on the optical waveguide layer 51 causes light loss due to light absorption of the contact layer 52a.
  • two contact layers 52a-2, an ohmic electrode 52b-2, and a passive waveguide electrode 53B are formed in parallel with the optical waveguide layer 51 of the passive waveguide portion 50B, and the layer immediately above the optical waveguide layer 51 is formed. Avoid it.
  • the passive waveguide electrode 53A similarly to the first embodiment, by extracting the leakage current from the SOA 40 by the passive waveguide electrode 53A, it is possible to suppress the broadening of the spectral line width due to the leakage current, and the passive waveguide electrode 53B is used as the optical waveguide. Since it is arranged so as not to be directly above the layer 51, it is possible to reduce light loss.
  • FIG. 10 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element 100D according to the fourth embodiment
  • FIG. 11 is a sectional view taken along the line GG of the wavelength tunable laser element 100D shown in FIG.
  • illustration of a part of the structure (protective film, spacer layer) is omitted.
  • the pad electrode 43D of the SOA 40D is formed to have a length shorter than that of the active core layer 41.
  • the contact layer 42a-1 and the ohmic electrode 42b-1 are also formed short like the pad electrode 43D.
  • the leakage current from the pad electrode 43 of the SOA 40 is extracted by the passive waveguide electrode 53 of the passive waveguide section 50, thereby suppressing the broadening of the spectrum line width.
  • the amount of leakage current from the pad electrode 43 of the SOA 40 is reduced to further suppress the broadening of the spectral line width.
  • the length r1 of the pad electrode 43 of the SOA 40D is shorter than the length r2 of the active core layer 41, and the pad electrode 43D is located on the end of the active core layer 41 on the passive waveguide section 50 side. Not placed.
  • the length of the portion of the active core layer 41 where the pad electrode 43D is not disposed (excluding the electrical insulation gap). ) Is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the leakage current from the SOA 40 is extracted by the passive waveguide electrode 53A, so that broadening of the spectral line width due to the leakage current can be suppressed, and leakage from the pad electrode 43D of the SOA 40D can be suppressed. Since the amount of current is reduced, it is possible to further broaden the spectral line width.
  • the same passive waveguide section 50 as in the first embodiment is adopted, but the passive waveguide section 50A of the second embodiment and the passive waveguide section 50B of the third embodiment are also adopted. Good.
  • FIG. 5 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element 100E according to the fifth embodiment
  • FIG. 13 is a sectional view taken along the line HH of the wavelength tunable laser element 100E shown in FIG. 12
  • FIG. 14A is FIG. 13 is a cross-sectional view (cross section at groove 54) of the wavelength tunable laser element 100E shown in FIG.
  • FIG. 14B is a cross-sectional view (cross section at the passive waveguide electrode 53E) of the wavelength tunable laser element shown in FIG. 12, taken along the line LL.
  • illustration of a part of the structure (protective film, spacer layer) is omitted.
  • the wavelength tunable laser device 100E according to the fifth embodiment has the groove 54 on the SOA 40 side with respect to the passive waveguide electrode 53E.
  • the groove portion 54 is formed on the SOA 40 side of the passive waveguide electrode 53E.
  • Two grooves 54, the contact layer 52a-3, the ohmic electrode 52b-3, and the passive waveguide electrode 53E are formed in parallel with the optical waveguide layer 51 of the passive waveguide portion 50E, and are formed directly above the optical waveguide layer 51. Avoid it.
  • the contact layer 52a-3, the ohmic electrode 52b-3, and the passive waveguide electrode 53E are shorter than the passive waveguide portion 50E, and are arranged adjacent to the groove portion 54.
  • the groove 54 reduces the injection of the leakage current from the SOA 40 into the passive waveguide electrode 53E. Since the leak current flows through the upper clad layer 22, it is preferable that the groove 54 be provided up to the n-type InP current blocking layer 17c through the p-type InP buried layer 17b.
  • the width of the passive waveguide electrode 53E (length in the direction orthogonal to the optical waveguide layer 51) is made longer than the width of the groove 54, thereby improving the amount of leakage current drawn by the passive waveguide electrode 53E.
  • the length may be the same as that of the groove 54.
  • the fifth embodiment similarly to the first embodiment, by extracting the leakage current from the SOA 40 by the passive waveguide electrode 53E, it is possible to suppress the broadening of the spectral line width due to the leakage current, and the groove 54 allows the pad electrode 43 of the SOA 40 to be suppressed. Since the amount of leakage current that can be injected from the device can be reduced, it is possible to further broaden the spectral line width.
  • FIG. 15 is a schematic top view of the wavelength tunable laser element 100F according to the fifth embodiment
  • FIG. 16 is a sectional view taken along the line KK of the wavelength tunable laser element 100F shown in FIG.
  • illustration of a part of the structure (protective film, spacer layer) is omitted.
  • the second SG-DBR 14F is a current injection type.
  • the second SG-DBR 14F is a pad electrode containing AuZn via the contact layer 32a and the ohmic electrode 32b on the upper clad layer 22 instead of the micro heater 26 and the pad electrode 30 in the second SG-DBR 14 of the first embodiment. 33 are arranged.
  • the contact layer 32a and the ohmic electrode 32b are provided in the opening formed in the protective film 31 made of SiN or the like.
  • current is injected from the ground electrode 16 and the pad electrode 33 into the optical waveguide layer 21 having the diffraction grating layer.
  • the concentration of electrons and holes in the optical waveguide layer 21 forming the distributed reflector changes.
  • the refractive index changes due to the carrier plasma effect, and the wavelength characteristics can be changed.
  • the second SG-DBR 14F is a current injection type, it is possible to suppress the broadening of the spectrum line width due to the leakage current by extracting the leakage current from the SOA 40 by the passive waveguide electrode 53.
  • FIG. 17 is a schematic perspective view of the wavelength tunable laser device 200 according to the seventh embodiment.
  • the mirrors having two lengths are the SG-DBR 114 and the ring resonator filter RF1.
  • the wavelength tunable laser element 200 is configured to oscillate in the 1.55 ⁇ m band and output a laser beam L1.
  • the wavelength tunable laser element 200 includes a first waveguide section 110 and a second waveguide section 120 formed on a common semiconductor substrate B.
  • the semiconductor substrate B is, for example, an n-type InP substrate.
  • a ground electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate B.
  • the ground electrode is made of, for example, AuGeNi and is in ohmic contact with the semiconductor substrate B.
  • the first waveguide section 110 includes a phase adjustment section 112, a gain section 113, an SG-DBR 114, a passive waveguide section 150, and an SOA 140. Further, the first waveguide section 110 includes a micro-heater 128, a pad electrode 129, a micro-heater 130, a passive waveguide on the phase adjusting section 112, the gain section 113, the SG-DBR 114, the passive waveguide section 150, and the SOA 140. It has an electrode 153 and a pad electrode 143.
  • the waveguide section 111 to which the layer and the active core layer of the SOA 140 are connected is arranged.
  • the semiconductor laminated portion 160 is configured by laminating semiconductor layers, and has the function of a clad portion with respect to the waveguide portion 111.
  • the microheater 128, the pad electrode 129, the microheater 130, the passive waveguide electrode 153, and the pad electrode 143 are arranged on the semiconductor laminated portion 160 along the waveguide portion 111.
  • a SiN x protective film is formed on the semiconductor laminated portion 160, and the pad electrode 129, the passive waveguide electrode 153, and the pad electrode 143 are provided on the semiconductor laminated portion 160 via the openings formed in the SiN x protective film. Is in contact with.
  • the second waveguide section 120 includes a bifurcating section 121, two arm sections 122 and 123, a ring-shaped waveguide 124, and a micro heater 125 made of Ti.
  • the 2-branching part 121 is configured by a 1 ⁇ 2 type branching waveguide including a 1 ⁇ 2 type multimode interference (MMI) waveguide 121a, and the 2-port side is connected to each of the two arm parts 122 and 123. At the same time, the 1-port side is connected to the first waveguide section 110 side.
  • MMI multimode interference
  • the arm portions 122 and 123 both extend in the z direction and are arranged so as to sandwich the ring-shaped waveguide 124.
  • the arm portions 122 and 123 are close to the ring-shaped waveguide 124, and both are optically coupled to the ring-shaped waveguide 124 with the same coupling coefficient ⁇ .
  • the value of ⁇ is 0.2, for example.
  • the arm portions 122 and 123 and the ring-shaped waveguide 124 form a ring resonance filter RF1.
  • the ring resonance type filter RF1 and the bifurcating part 121 form a reflection mirror M1.
  • the reflection mirror M1 exhibits a reflection response that is substantially periodic with respect to the wavelength.
  • the microheaters 125a and 125b as heating units for heating the optical waveguide are ring-shaped.
  • the micro heater 125a is arranged on the outer peripheral side of the ring-shaped waveguide 124, and the micro heater 125b is arranged on the inner peripheral side.
  • the microheaters 125a and 125b are provided on a dielectric layer as a protective film formed so as to cover the ring-shaped waveguide 124.
  • the first waveguide section 110 and the second waveguide section 120 are optically connected to each other, and the waveguide layer having the diffraction grating layer of the waveguide section 111 and the reflection mirror M1 constitute a laser resonator C1. doing. Further, the phase adjusting unit 112, the gain unit 113, the SG-DBR 114, and the second waveguide unit 120 form a semiconductor laser.
  • the ring-shaped waveguide 124 has a high-mesa waveguide structure. The width of the high mesa waveguide structure is about 2 ⁇ m.
  • the wavelength of the laser light can be adjusted by adjusting the wavelength characteristics of the SG-DBR 114 and the reflection mirror M1 by the microheaters 130 and 125, and the wavelength tunable laser element functions as a vernier type wavelength tunable laser.
  • the passive waveguide electrode 153 of the passive waveguide unit 150 can extract the leakage current from the SOA 140, so that broadening of the spectral line width can be prevented.
  • the passive waveguide section 150 between the SOA 140 and the SG-DBR 114, leakage occurs. It is possible to suppress the broadening of the spectral line width due to the electric current.
  • FIG. 18 is a schematic perspective view of the wavelength tunable laser element 200G according to the eighth embodiment.
  • the mirrors having two lengths are the SG-DBR 114 and the ring resonator filter RF2
  • the phase adjusting unit 112 includes the two arm units 122 and 123G of the second waveguide unit 120. It is provided on one of the arm portions 123G.
  • the wavelength tunable laser device 200G is configured to oscillate in the 1.55 ⁇ m band and output a laser beam L1.
  • the wavelength tunable laser device 200G includes a first waveguide section 110G and a second waveguide section 120G formed on a common semiconductor substrate S1.
  • the semiconductor substrate S1 is, for example, an n-type InP substrate.
  • a ground electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate S1.
  • the ground electrode is made of, for example, AuGeNi, and makes ohmic contact with the semiconductor substrate S1.
  • the first waveguide section 110G includes a gain section 113, an SG-DBR 114, a passive waveguide section 150, and an SOA 140. Further, the first waveguide section 110G has a pad electrode 129, a micro heater 130, a passive waveguide electrode 153, and a pad electrode 143 on the gain section 113, SG-DBR 114, passive waveguide section 150, and SOA 140. doing. Inside the first waveguide section 110G, the active core layer of the gain section 113, the waveguide layer having the diffraction grating layer of the SG-DBR 114, the waveguide layer of the passive waveguide section 150, and the active core layer of the SOA 140 are provided. The connected waveguide section 111G is arranged.
  • the semiconductor laminated portion 160 is formed by laminating semiconductor layers, and has a function of a cladding portion and the like with respect to the waveguide portion 111G.
  • the pad electrode 129, the micro heater 130, the passive waveguide electrode 153, and the pad electrode 143 are arranged on the semiconductor laminated portion 160 along the waveguide portion 111G.
  • a SiN x protective film is formed on the semiconductor laminated portion 160, and the pad electrode 129, the passive waveguide electrode 153, and the pad electrode 143 are provided on the semiconductor laminated portion 160 via the openings formed in the SiN x protective film. Is in contact with.
  • the second waveguide section 120G includes a bifurcating section 121, two arm sections 122 and 123G, a ring-shaped waveguide 124, and a micro heater 125 made of Ti.
  • the 2-branching part 121 is configured by a 1 ⁇ 2 type branching waveguide including a 1 ⁇ 2 type multimode interference (MMI) waveguide 121a, and the 2-port side is connected to each of the two arm parts 122 and 123G. In addition, the 1-port side is connected to the first waveguide section 110G side.
  • MMI multimode interference
  • the arm portions 122 and 123G and the ring-shaped waveguide 124 form a ring resonance type filter RF2.
  • the ring resonance type filter RF2 and the two-branching part 121 form a reflection mirror M2.
  • Each of the arm portions 122 and 123G extends in the z direction and is arranged so as to sandwich the ring-shaped waveguide 124.
  • the phase adjuster 112 is arranged on the arm 123G.
  • a micro heater 128 is formed on the phase adjustment unit 112.
  • the arm portion 123G is configured by laminating a lower clad layer made of n-type InP, an optical waveguide layer made of InGaAsP, and an upper clad layer made of p-type InP on the semiconductor substrate S1 in this order. Has a high mesa waveguide structure.
  • the SiN protective film is formed so as to cover the arm portion 123G.
  • the micro-heater 128 is arranged on the SiN protective film along the optical waveguide layer of the phase adjusting unit 112.
  • the second branch portion 121, the arm portion 122, and the ring-shaped waveguide 124, which are other components of the second waveguide portion 120G, also have a high-mesa waveguide structure and are covered with the SiN protective film.
  • the micro-heater 125 has a ring shape and is disposed on the SiN protective film formed so as to cover the ring-shaped waveguide 124.
  • the first waveguide section 110G and the second waveguide section 120G are optically connected to each other, and the waveguide layer having the diffraction grating layer of the waveguide section 111G and the reflection mirror M2 constitute a laser resonator C2. doing. Further, the gain section 113, the SG-DBR 114, and the second waveguide section 120G form a semiconductor laser.
  • the passive waveguide electrode 153 of the passive waveguide unit 150 can extract the leakage current from the SOA 140, and thus the broadening of the spectral line width can be prevented.
  • the passive waveguide section 150 is arranged between the SOA 140 and the SG-DBR 114 to prevent leakage. It is possible to suppress the broadening of the spectral line width due to the electric current.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the present invention also includes those configured by appropriately combining the above-described components. Further, further effects and modified examples can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspects of the present invention are not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
  • the semiconductor optical integrated device according to the present invention is useful for an optical device used for optical communication and the like.

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Abstract

半導体光増幅器等の順バイアス光素子からの漏れ電流のミラーへの流入を抑制し、スペクトル線幅のブロード化を防止しうる半導体光集積素子を提供することを目的とする。半導体光集積素子は、半導体基板の上面に、順バイアス光素子と半導体レーザがモノリシック集積された半導体光集積素子であって、前記順バイアス光素子と前記半導体レーザの間に配置される受動導波路部と、前記半導体基板の下面に配置される接地電極と、を備え、前記半導体レーザは、長さを有するミラーを前記順バイアス光素子側に有し、前記順バイアス光素子は、前記半導体基板と接する側と反対側に順バイアス光素子電極を有し、前記受動導波路部は、前記半導体基板と接する側と反対側に受動導波路電極を有し、前記受動導波路電極は、前記接地電極と電気的に接続されている。

Description

半導体光集積素子
　本発明は、順バイアス光素子と半導体レーザがモノリシック集積された半導体光集積素子に関する。
　コヒーレント光通信の普及に伴って、発振したレーザ光が狭スペクトル線幅である波長可変レーザ素子の需要が高まっている。波長可変レーザ素子の１つに標本化回折格子（Sampled　Grating）を用い、かつバーニア効果を利用した分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Distributed　Bragg　Reflector）型波長可変レーザがある（たとえば特許文献１および２参照）。この波長可変レーザ素子においては、半導体素子内に回折格子の一部が標本化されたＤＢＲミラーを２つ用いる。この２つのＤＢＲミラーの反射スペクトルは、周期がわずかに異なる櫛状のピークを有する形状をしている。また、ＤＢＲミラーに電流注入または加熱により屈折率変化を起して、その反射波長特性を可変にできる。２つのＤＢＲミラーの反射ピークを重ね合わせることにより、この重ね合わせた波長で共振器を形成することができる。このとき、共振器長を適切に設計すれば、共振器モードである縦モードの間隔が２つのＤＢＲミラーによる反射ピークの帯域と同程度となり、１つの共振器モードだけが選択され、単一モード発振が実現される。
　特許文献１，２においては、レーザーキャビティの外に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor　Optical　Amplifier）を備えているが、半導体光増幅器からのリーク電流が隣接するＤＢＲミラーの導波路部に流入して、ＤＢＲミラーの屈折率が変動するためにスペクトル線幅がブロード化してしまうという問題を有していた。
特開２０１７－１６１８３０号公報 特表２０１７－５２７１２１号公報
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体光増幅器等の順バイアス光素子からの漏れ電流のミラーへの流入を抑制し、スペクトル線幅のブロード化を防止しうる半導体光集積素子を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、半導体基板の上面に、順バイアス光素子と半導体レーザがモノリシック集積された半導体光集積素子であって、前記順バイアス光素子と前記半導体レーザの間に配置される受動導波路部と、前記半導体基板の下面に配置される接地電極と、を備え、前記半導体レーザは、長さを有するミラーを前記順バイアス光素子側に有し、前記順バイアス光素子は、前記半導体基板と接する側と反対側に順バイアス光素子電極を有し、前記受動導波路部は、前記半導体基板と接する側と反対側に受動導波路電極を有し、前記受動導波路電極は、前記接地電極と電気的に接続されている。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、前記順バイアス光素子は、半導体光増幅器である。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、前記受動導波路電極の長さは、前記受動導波路部の長さより短い。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、前記受動導波路電極は、前記受動導波路部に光導波路層の直上を避けて配置されている。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、前記順バイアス光素子電極の長さは、前記順バイアス光素子の活性コア層の長さより短く、前記順バイアス光素子電極は、前記活性コア層の前記受動導波路部側の端部上に配置されていない。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、受動導波路部は、前記受動導波路電極より順バイアス光素子側に溝部を有する。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、前記半導体レーザは波長可変レーザであり、２つの前記長さを有するミラーと、利得導波路部と、位相調整導波路部と、を有する。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、前記２つの長さを有するミラーのうち、少なくとも１つは分布ブラッグ反射器である。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、前記２つの長さを有するミラーは、前記分布ブラッグ反射器とリング共振器フィルタである。
　また、本発明の一態様に係る半導体光集積素子は、前記２つの長さを有するミラーのうち、順バイアス光素子側に配置される長さを有するミラーはヒータにより制御される。
　本発明によれば、半導体光増幅器等からの漏れ電流のミラーへの流入を抑制し、狭スペクトル線幅の半導体光集積素子を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施形態１に係る波長可変レーザ素子の模式的な上面図である。 図２は、図１に示す波長可変レーザ素子のＡ－Ａ線断面図である。 図３は、図１に示す波長可変レーザ素子のＢ－Ｂ線断面図である。 図４は、図１に示す波長可変レーザ素子のＣ－Ｃ線断面図である。 図５は、実施形態２に係る波長可変レーザ素子の模式的な上面図である。 図６は、図５に示す波長可変レーザ素子のＤ－Ｄ線断面図である。 図７は、実施形態３に係る波長可変レーザ素子の模式的な上面図である。 図８は、図７に示す波長可変レーザ素子のＥ－Ｅ線断面図である。 図９は、図７に示す波長可変レーザ素子のＦ－Ｆ線断面図である。 図１０は、実施形態４に係る波長可変レーザ素子の模式的な上面図である。 図１１は、図１０に示す波長可変レーザ素子のＧ－Ｇ線断面図である。 図１２は、実施形態５に係る波長可変レーザ素子の模式的な上面図である。 図１３は、図１２に示す波長可変レーザ素子のＨ－Ｈ線断面図である。 図１４Ａは、図１２に示す波長可変レーザ素子のＪ－Ｊ線断面図である。 図１４Ｂは、図１２に示す波長可変レーザ素子のＬ－Ｌ線断面図である。 図１５は、実施形態６に係る波長可変レーザ素子の模式的な上面図である。 図１６は、図１５に示す波長可変レーザ素子のＫ－Ｋ線断面図である。 図１７は、実施形態７に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。 図１８は、実施形態８に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。
　以下に、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、一部の図中においては、適宜ｘｙｚ座標軸を示し、これにより方向を説明する。
（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係る波長可変レーザ素子１００の模式的な上面図、図２は、図１に示す波長可変レーザ素子１００のＡ－Ａ線断面図、図３は、図１に示す波長可変レーザ素子１００のＢ－Ｂ線断面図、図４は、図１に示す波長可変レーザ素子１００のＣ－Ｃ線断面図である。なお、図２では、一部構成（保護膜、スペーサ層）の図示を省略している。
　波長可変レーザ素子１００は、半導体基板１５の上面に、半導体レーザ１０と、順バイアス光素子である半導体光増幅器（ＳＯＡ）４０と、受動導波路部５０がモノシリック集積された半導体光集積素子である。なお、本明細書において、順バイアス光素子とは、順バイアス電極の上部に設置された電極から下部に設置された電極に電流を流すデバイスを意味する。
　半導体レーザ１０は、長さを有するミラーである第１ＳＧ－ＤＢＲ（Sampled　Grating　Distributed　Bragg　Reflector）１１と、位相調整部１２と、利得部１３と、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４とを有する。第１ＳＧ－ＤＢＲ１１、位相調整部１２、利得部１３、および第２ＳＧ－ＤＢＲ１４は、この順番に接続されている。
　第１ＳＧ－ＤＢＲ１１は、第２反射部と波長フィルタとが一体に構成されたものである。第１ＳＧ－ＤＢＲ１１は、図３に示すように、たとえば、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１５の主面上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層１７ａ、ＤＢＲ型回折格子層を有する光導波路層１８、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１７ｄ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる上部クラッド層２２が順次積層され、ＳｉＮ等からなる保護膜３１を介して、上部にＴｉを含む抵抗ヒータであるマイクロヒータ２３と、ＡｕＺｎを含むパッド電極２７が配置されている。第１ＳＧ－ＤＢＲ１１は、マイクロヒータ２３の加熱による光導波路層１８の屈折率の変化によって、波長特性を調整可能である。
　光導波路層１８およびスペーサ層１７ｄは、エッチング等により、１．５５μｍ帯の光をシングルモードで光導波するのに適した幅（例えば１．８μｍ）にされたストライプメサ構造とされている。ストライプメサ構造の両脇（紙面左右方向）は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１７ｂおよびｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１７ｃからなる電流ブロッキング構造を有した埋込み構造となっている。光導波路層１８は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はＩｎＰで埋め込まれた構成を有する。光導波路層１８において回折格子の格子間隔は一定であるが標本化されており、これにより波長に対し略周期的な反射応答を示す。
　位相調整部１２は、第１ＳＧ－ＤＢＲ１１と第２ＳＧ－ＤＢＲ１４との間に設けられている。位相調整部１２は、半導体基板１５の主面上に、下部クラッド層１７ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層１９、スペーサ層１７ｄ、上部クラッド層２２が順次積層され、保護膜３１を介して、上部にＴｉを含む抵抗ヒータであるマイクロヒータ２４と、ＡｕＺｎを含むパッド電極２８が配置されている。位相調整部の断面は、図３に示す第１ＳＧ－ＤＢＲ１１のＤＢＲ型回折格子層を有する光導波路層１８が、光導波路層１９に置き換えられた構造である。
　利得部１３は、第１ＳＧ－ＤＢＲ１１と第２ＳＧ－ＤＢＲ１４との間に設けられており、駆動電流を供給されることによって光増幅機能を発揮する。利得部１３は、図４に示すように、半導体基板１５の主面上に、下部クラッド層１７ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性コア層２０、スペーサ層１７ｄ、上部クラッド層２２が順次積層され、上部クラッド層２２の上部にコンタクト層２５ａおよびオーミック電極２５ｂを介して、ＡｕＺｎを含むパッド電極２９が配置されている。コンタクト層２５ａおよびオーミック電極２５ｂは、保護膜３１に形成された開口部３１ａに設けられている。活性コア層２０およびスペーサ層１７ｄは、エッチング等により、１．５５μｍ帯の光をシングルモードで光導波するのに適した幅（例えば１．８μｍ）にされたストライプメサ構造とされ、ストライプメサ構造の両脇（紙面左右方向）は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１７ｂおよびｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１７ｃからなる電流ブロッキング構造を有した埋込み構造となっている。
　第２ＳＧ－ＤＢＲ１４は、レーザ光が出力される第１反射部と波長フィルタとが一体に構成されたものである。第２ＳＧ－ＤＢＲ１４は、半導体基板１５の主面上に、下部クラッド層１７ａ、ＤＢＲ型回折格子層を有する光導波路層２１、スペーサ層１７ｄ、上部クラッド層２２が順次積層され、ＳｉＮ等からなる保護膜３１を介して、上部にＴｉを含む抵抗ヒータであるマイクロヒータ２６と、ＡｕＺｎを含むパッド電極３０が配置されている。光導波路層２１は、光導波路層１８と同様に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はＩｎＰで埋め込まれた構成を有する。第２ＳＧ－ＤＢＲ１４の断面は、図３の第１ＳＧ－ＤＢＲ１１と同様である。光導波路層２１において回折格子の格子間隔は一定であるが標本化されており、これにより波長に対し略周期的な反射応答を示す。第２ＳＧ－ＤＢＲ１４は、マイクロヒータ２６の加熱による光導波路層２１の屈折率の変化によって、波長特性を調整可能である。第１ＳＧ－ＤＢＲ１１と第２ＳＧ－ＤＢＲ１４とがレーザ共振器を構成している。第１ＳＧ－ＤＢＲ１１と第２ＳＧ－ＤＢＲ１４とは、波長特性として、互いに波長間隔が異なる周期的な反射ピークを有している。
　ＳＯＡ４０は、半導体基板１５上において、後述する受動導波路部５０を介して、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４のレーザ光出力側に設けられている。ＳＯＡ４０は、半導体基板１５の主面上に、下部クラッド層１７ａ、活性コア層４１、スペーサ層１７ｄ、上部クラッド層２２が順次積層され、上部クラッド層２２の上部にコンタクト層４２ａおよびオーミック電極４２ｂを介して、ＡｕＺｎを含むパッド電極４３が配置されている。コンタクト層４２ａおよびオーミック電極４２ｂは、ＳｉＮ等からなる保護膜３１に形成された開口部３１ａに設けられている。ＳＯＡ４０の断面は、図４に示す利得部１３と同様である。ＳＯＡ４０は、駆動電流が供給されることによって、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４から出力されたレーザ光を増幅して、波長可変レーザ素子１００の端面から高出力のレーザ光として出力させる。
　レーザ光の波長は、たとえば、１．５５μｍ波長帯の範囲にある。なお、レーザ光の端面反射を抑制するために、端面に反射防止コートが施されていることが好ましい。波長可変レーザ素子１００では、ＳＯＡ４０側の端面のみに反射防止コートを施せばよいので、コーティング工程の回数を少なくできる。また、端面反射のさらなる抑制のためには、ＳＯＡ４０の活性コア層４１が端面付近で端面の法線に対して数度、典型的には７°傾斜していることが好ましい。
　受動導波路部５０は、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４とＳＯＡ４０との間に設けられ、半導体レーザ１０とＳＯＡ４０を光導波路層５１により接続している。受動導波路部５０は、半導体基板１５の主面上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層１７ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層５１、スペーサ層１７ｄ、上部クラッド層２２が順次積層され、上部クラッド層２２の上部にコンタクト層５２ａおよびオーミック電極５２ｂを介して、ＡｕＺｎを含む受動導波路電極５３が配置されている。コンタクト層５２ａおよびオーミック電極５２ｂは、ＳｉＮ等からなる保護膜３１に形成された開口部３１ａに設けられている。受動導波路部５０の断面は、図４に示す利得部１３の活性コア層２０が、光導波路層５１に置き換えられた構造である。
　半導体基板１５の裏面には、ｎ側電極である接地電極１６が形成されている。接地電極１６は、たとえば、ＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、半導体基板１５とオーミック接触している。利得部１３のパッド電極２９、ＳＯＡ４０のパッド電極４３、及ぶ受動導波路電極５３は、ｐ側電極であり、受動導波路電極５３は、接地電極１６と電気的に接続されている。以上の構成により、接地電極１６およびパッド電極２９から利得部１３の活性コア層２０への電流注入、接地電極１６およびパッド電極４３からＳＯＡ４０の活性コア層４１への電流注入が可能になっている。
　波長可変レーザ素子１００では、マイクロヒータ２４，２６により第１ＳＧ－ＤＢＲ１１および第２ＳＧ－ＤＢＲ１４の波長特性を調製することで、レーザ光の波長を調製することができ、バーニア型の波長可変レーザとして機能する。
　ＳＯＡ４０では、接地電極１６およびパッド電極４３から活性コア層４１に電流が注入されるが、上部クラッド層２２を通ってＳＯＡ４０からの漏れ電流が、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４の光導波路層２１に流れることより光導波路層２１の屈折率が変化するため、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４の反射位相が変化してスペクトル線幅がブロード化するおそれがある。また、ＳＯＡ４０を備えた波長可変レーザ素子１００では、ＳＯＡを用いて光出力の調整を行うので、光出力により漏れ電流量も増減し、光出力によりスペクトル線幅も変化するおそれがある。さらに、ＳＯＡ４０の活性コア層４１に注入する電流が外的要因で揺らいだ場合に、漏れ電流量も変化し、スペクトル線幅がブロード化してしまう。
　実施形態１では、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４とＳＯＡ４０との間に受動導波路部５０を配置し、ＳＯＡ４０からの漏れ電流を、受動導波路電極５３を介して接地電極１６に流すことができるので、漏れ電流によるスペクトル線幅のブロード化を抑制することができる。
　実施形態１では、順バイアス光素子としてＳＯＡを例に説明しているが、これに限定するものではない。順バイアス光素子としては、ＳＯＡに代えて電流注入型フィルタを使用することもできる。
（実施形態２）
　図５は、実施形態２に係る波長可変レーザ素子１００Ａの模式的な上面図であり、図６は、図５に示す波長可変レーザ素子１００ＡのＤ－Ｄ線断面図である。図６では、一部構成（保護膜、スペーサ層）の図示を省略している。実施形態２に係る波長可変レーザ素子１００Ａでは、受動導波路部５０Ａの受動導波路電極５３Ａは、受動導波路部５０Ａの長さより短く形成されている。コンタクト層５２ａ－１およびオーミック電極５２ｂ－１も受動導波路電極５３Ａと同様に短く形成されている。
　実施形態１では、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４とＳＯＡ４０との間に受動導波路部５０を配置し、ＳＯＡ４０からの漏れ電流を引き抜いてスペクトル線幅のブロード化を抑制しているが、光導波路層５１の上部にドーピング濃度が高いP型ＩｎＧａＡｓＰを材料とするコンタクト層５２ａを設けているため、コンタクト層５２ａの光吸収による光の損失が発生してしまう。実施形態２では、受動導波路電極５３Ａの長さを、受動導波路部５０Ａの長さより短くすることにより、コンタクト層５２ａ－１による光の損失を低減する。実施形態１では、受動導波路電極５３は、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４およびＳＯＡ４０との電気的絶縁ギャップ（それぞれ通常１０μｍ程度）を除いて、受動導波路部５０の全長にわたって設けられているが、実施形態２の受動導波路電極５３Ａは、受動導波路部５０Ａの長さの８０％以下、好ましくは受動導波路部５０Ａの長さの１０％以上５０％以下の長さとする。ここで、受動導波路部５０Ａの長さには、電気的絶縁ギャップを含まないものとする。また、漏れ電流を効率的に引き抜くために、受動導波路電極５３Ａは、ＳＯＡ４０側に設置することが好ましい。
　実施形態２では、実施形態１と同様に、ＳＯＡ４０からの漏れ電流を受動導波路電極５３Ａにより引き抜くことにより、漏れ電流によるスペクトル線幅のブロード化を抑制できるとともに、受動導波路電極５３Ａの長さが短いため、光の損失を低減することが可能となる。
（実施形態３）
　図７は、実施形態３に係る波長可変レーザ素子１００Ｂの模式的な上面図であり、図８は、図７に示す波長可変レーザ素子１００ＢのＥ－Ｅ線断面図であり、図９は、図７に示す波長可変レーザ素子１００ＢのＦ－Ｆ線断面図である。図９では、一部構成（保護膜、スペーサ層）の図示を省略している。実施形態３に係る波長可変レーザ素子１００Ｂでは、受動導波路部５０Ｂの受動導波路電極５３Ｂは、光導波路層５１の直上を避けて配置されている。コンタクト層５２ａ－２およびオーミック電極５２ｂ－２も受動導波路電極５３Ｂと同様に、光導波路層５１の直上を避けて配置されている。
　実施形態２で説明したように、光導波路層５１の上部にコンタクト層５２ａを設けることにより、コンタクト層５２ａの光吸収による光の損失が発生してしまう。実施形態３では、コンタクト層５２ａ－２、オーミック電極５２ｂ－２、および受動導波路電極５３Ｂを、受動導波路部５０Ｂの光導波路層５１に平行に２つ形成し、光導波路層５１の直上を避けて配置している。
　実施形態３では、実施形態１と同様に、ＳＯＡ４０からの漏れ電流を受動導波路電極５３Ａにより引き抜くことにより、漏れ電流によるスペクトル線幅のブロード化を抑制できるとともに、受動導波路電極５３Ｂを光導波路層５１の直上を避けて配置しているため、光の損失を低減することが可能となる。
（実施形態４）
　図１０は、実施形態４に係る波長可変レーザ素子１００Ｄの模式的な上面図であり、図１１は、図１０に示す波長可変レーザ素子１００ＤのＧ－Ｇ線断面図である。図１１では、一部構成（保護膜、スペーサ層）の図示を省略している。実施形態４に係る波長可変レーザ素子１００Ｄでは、ＳＯＡ４０Ｄのパッド電極４３Ｄの長さは、活性コア層４１の長さより短く形成されている。コンタクト層４２ａ－１およびオーミック電極４２ｂ－１もパッド電極４３Ｄと同様に短く形成されている。
　実施形態１では、ＳＯＡ４０のパッド電極４３からの漏れ電流を受動導波路部５０の受動導波路電極５３で引き抜くことにより、スペクトル線幅のブロード化を抑制する。実施形態４では、ＳＯＡ４０のパッド電極４３からの漏れ電流量を低減することにより、スペクトル線幅のブロード化をさらに抑制する。波長可変レーザ素子１００Ｄでは、ＳＯＡ４０Ｄのパッド電極４３の長さｒ１は、活性コア層４１の長さｒ２より短く、パッド電極４３Ｄは、活性コア層４１の受動導波路部５０側の端部上に配置されない。ただし、活性コア層４１のパッド電極４３Ｄが配置されていない部分は、光吸収層となるため、活性コア層４１のパッド電極４３Ｄが配置されていない部分の長さ（電気的絶縁ギャップを含まない）は、１０μｍ以下とすることが好ましい。
　実施形態４では、実施形態１と同様に、ＳＯＡ４０からの漏れ電流を受動導波路電極５３Ａにより引き抜くことにより、漏れ電流によるスペクトル線幅のブロード化を抑制できるとともに、ＳＯＡ４０Ｄのパッド電極４３Ｄからの漏れ電流量を低減するため、さらなるスペクトル線幅のブロード化が可能となる。
　なお、実施形態４では、実施形態１と同様の受動導波路部５０を採用しているが、実施形態２の受動導波路部５０Ａや、実施形態３の受動導波路部５０Ｂを採用してもよい。
（実施形態５）
　図１２は、実施形態５に係る波長可変レーザ素子１００Ｅの模式的な上面図であり、図１３は、図１２に示す波長可変レーザ素子１００ＥのＨ－Ｈ線断面図であり、図１４Ａは、図１２に示す波長可変レーザ素子１００ＥのＪ－Ｊ線断面図（溝部５４での断面）である。図１４Ｂは、図１２に示す波長可変レーザ素子のＬ－Ｌ線断面図（受動導波路電極５３Ｅでの断面）である。図１３では、一部構成（保護膜、スペーサ層）の図示を省略している。実施形態５に係る波長可変レーザ素子１００Ｅでは、受動導波路電極５３ＥよりＳＯＡ４０側に溝部５４を有する。
　実施形態５では、ＳＯＡ４０から第２ＳＧ－ＤＢＲ１４に注入しうる漏れ電流量を低減するために、受動導波路電極５３ＥよりＳＯＡ４０側に溝部５４を形成している。なお、溝部５４、コンタクト層５２ａ－３、オーミック電極５２ｂ－３、および受動導波路電極５３Ｅは、受動導波路部５０Ｅの光導波路層５１に平行に２つ形成し、光導波路層５１の直上を避けて配置している。また、コンタクト層５２ａ－３、オーミック電極５２ｂ－３、および受動導波路電極５３Ｅの長さは、受動導波路部５０Ｅの長さより短く、溝部５４に隣接して配置している。溝部５４を設けることにより、ＳＯＡ４０からの漏れ電流の受動導波路電極５３Ｅへの注入が低減する。漏れ電流は、上部クラッド層２２を流れるため、溝部５４は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１７ｂを貫通して、ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１７ｃまで設けることが好ましい。実施形態５では、受動導波路電極５３Ｅの幅（光導波路層５１と直交する方向の長さ）は、溝部５４の幅より長くすることにより、受動導波路電極５３Ｅによる漏れ電流の引き抜き量を向上させているが、溝部５４と同じ長さとしてもよい。
　実施形態５では、実施形態１と同様に、ＳＯＡ４０からの漏れ電流を受動導波路電極５３Ｅにより引き抜くことにより、漏れ電流によるスペクトル線幅のブロード化を抑制できるとともに、溝部５４によりＳＯＡ４０のパッド電極４３から注入されうる漏れ電流量を低減できるため、さらなるスペクトル線幅のブロード化が可能となる。
（実施形態６）
　図１５は、実施形態５に係る波長可変レーザ素子１００Ｆの模式的な上面図であり、図１６は、図１５に示す波長可変レーザ素子１００ＦのＫ－Ｋ線断面図である。図１では、一部構成（保護膜、スペーサ層）の図示を省略している。実施形態６に係る波長可変レーザ素子１００Ｆでは、第２ＳＧ－ＤＢＲ１４Ｆは電流注入型である。
　第２ＳＧ－ＤＢＲ１４Ｆは、実施形態１の第２ＳＧ－ＤＢＲ１４において、マイクロヒータ２６およびパッド電極３０に換えて、上部クラッド層２２の上部にコンタクト層３２ａおよびオーミック電極３２ｂを介して、ＡｕＺｎを含むパッド電極３３が配置されている。コンタクト層３２ａおよびオーミック電極３２ｂは、ＳｉＮ等からなる保護膜３１に形成された開口部に設けられている。第２ＳＧ－ＤＢＲ１４Ｆでは、接地電極１６およびパッド電極３３から回折格子層を有する光導波路層２１に電流が注入される。光導波路層２１に注入される電流が変化すると、分布反射器を構成する光導波路層２１中の電子および正孔の濃度が変化する。その結果、キャリアプラズマ効果により、屈折率が変化し、波長特性を変更しうる。
　第２ＳＧ－ＤＢＲ１４Ｆが電流注入型である場合にも、ＳＯＡ４０からの漏れ電流を受動導波路電極５３により引き抜くことにより、漏れ電流によるスペクトル線幅のブロード化を抑制できる。
（実施形態７）
　図１７は、実施形態７に係る波長可変レーザ素子２００の模式的な斜視図である。波長可変レーザ素子２００は、２つの長さを有するミラーは、ＳＧ－ＤＢＲ１１４とリング共振器フィルタＲＦ１である。
　図１７に示すように、波長可変レーザ素子２００は、１．５５μｍ帯でレーザ発振し、レーザ光Ｌ１を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子２００は、共通の半導体基板Ｂ上に形成された、第１の導波路部１１０と第２の導波路部１２０とを備える。半導体基板Ｂはたとえばｎ型ＩｎＰ基板からなる。なお、半導体基板Ｂの裏面には接地電極が形成されている。接地電極は、たとえばＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、半導体基板Ｂとオーミック接触する。
　第１の導波路部１１０は、位相調整部１１２、利得部１１３、ＳＧ－ＤＢＲ１１４、受動導波路部１５０、およびＳＯＡ１４０を備える。また、第１の導波路部１１０は、位相調整部１１２、利得部１１３、ＳＧ－ＤＢＲ１１４、受動導波路部１５０、およびＳＯＡ１４０上に、マイクロヒータ１２８、パッド電極１２９、マイクロヒータ１３０、受動導波路電極１５３、およびパッド電極１４３を有している。第１の導波路部１１０の内部には、位相調整部１１２の導波路層、利得部１１３の活性コア層、ＳＧ－ＤＢＲ１１４の回折格子層を有する導波路層、受動導波路部１５０の導波路層、およびＳＯＡ１４０の活性コア層が接続された導波路部１１１が配置されている。半導体積層部１６０は、半導体層が積層して構成されており、導波路部１１１に対してクラッド部の機能等を備える。
　マイクロヒータ１２８、パッド電極１２９、マイクロヒータ１３０、受動導波路電極１５３、およびパッド電極１４３は、半導体積層部１６０上において、導波路部１１１に沿うように配置されている。なお、半導体積層部１６０にはＳｉＮx保護膜が形成されており、パッド電極１２９、受動導波路電極１５３、およびパッド電極１４３はＳｉＮx保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部１６０に接触している。
　第２の導波路部１２０は、２分岐部１２１、２つのアーム部１２２，１２３、リング状導波路１２４、およびＴｉからなるマイクロヒータ１２５を備える。２分岐部１２１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路１２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部１２２，１２３のそれぞれに接続されるとともに１ポート側が第１の導波路部１１０側に接続されている。２分岐部１２１により、２つのアーム部１２２，１２３は、その一端が統合され、導波路部１１１と光学的に結合される。
　アーム部１２２，１２３は、いずれもｚ方向に延伸し、リング状導波路１２４を挟むように配置されている。アーム部１２２，１２３はリング状導波路１２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路１２４と光学的に結合している。κの値はたとえば０．２である。アーム部１２２，１２３とリング状導波路１２４とは、リング共振型フィルタＲＦ１を構成している。また、リング共振型フィルタＲＦ１と２分岐部１２１とは、反射ミラーＭ１を構成している。反射ミラーＭ１は波長に対し略周期的な反射応答を示す。光導波路の加熱を行う加熱部としてのマイクロヒータ１２５ａ，１２５ｂはリング状である。リング状導波路１２４の外周側にマイクロヒータ１２５ａが配置され、内周側にマイクロヒータ１２５ｂが配置されている。マイクロヒータ１２５ａ，１２５ｂは、リング状導波路１２４を覆うように形成された保護膜としての誘電体層上に設けられている。
　第１の導波路部１１０と第２の導波路部１２０は、互いに光学的に接続され、導波路部１１１の回折格子層を有する導波路層と反射ミラーＭ１とによって、レーザ共振器Ｃ１を構成している。また、位相調整部１１２、利得部１１３、ＳＧ－ＤＢＲ１１４、および第２の導波路部１２０によって、半導体レーザが構成される。リング状導波路１２４は、ハイメサ導波路構造を有する。ハイメサ導波路構造の幅は約２μｍである。
　波長可変レーザ素子２００では、マイクロヒータ１３０、１２５によりＳＧ－ＤＢＲ１１４および反射ミラーＭ１の波長特性を調製することで、レーザ光の波長を調製することができ、バーニア型の波長可変レーザとして機能する。
　波長可変レーザ素子２００において、受動導波路部１５０の受動導波路電極１５３は、ＳＯＡ１４０からの漏れ電流を引き抜くことができるため、スペクトル線幅のブロード化を防止することができる。
　２つの長さを有するミラーが、ＳＧ－ＤＢＲ１１４とリング共振器フィルタＲＦ１である波長可変レーザ素子２００においても、受動導波路部１５０を、ＳＯＡ１４０とＳＧ－ＤＢＲ１１４との間に配置することにより、漏れ電流によるスペクトル線幅のブロード化を抑制できる。
（実施形態８）
　図１８は、実施形態８に係る波長可変レーザ素子２００Ｇの模式的な斜視図である。波長可変レーザ素子２００Ｇは、２つの長さを有するミラーは、ＳＧ－ＤＢＲ１１４とリング共振器フィルタＲＦ２であり、位相調整部１１２は、第２の導波路部１２０の２つのアーム部１２２，１２３Ｇのうちのアーム部１２３Ｇに設けられている。
　図１８に示すように、波長可変レーザ素子２００Ｇは、１．５５μｍ帯でレーザ発振し、レーザ光Ｌ１を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子２００Ｇは、共通の半導体基板Ｓ１上に形成された、第１の導波路部１１０Ｇと第２の導波路部１２０Ｇとを備える。半導体基板Ｓ１はたとえばｎ型ＩｎＰ基板からなる。なお、半導体基板Ｓ１の裏面には接地電極が形成されている。接地電極は、たとえばＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、半導体基板Ｓ１とオーミック接触する。
　第１の導波路部１１０Ｇは、利得部１１３、ＳＧ－ＤＢＲ１１４、受動導波路部１５０、およびＳＯＡ１４０を備える。また、第１の導波路部１１０Ｇは、利得部１１３、ＳＧ－ＤＢＲ１１４、受動導波路部１５０、およびＳＯＡ１４０上に、パッド電極１２９、マイクロヒータ１３０、受動導波路電極１５３、およびパッド電極１４３を有している。第１の導波路部１１０Ｇの内部には、利得部１１３の活性コア層、ＳＧ－ＤＢＲ１１４の回折格子層を有する導波路層、受動導波路部１５０の導波路層、およびＳＯＡ１４０の活性コア層が接続された導波路部１１１Ｇが配置されている。半導体積層部１６０は、半導体層が積層して構成されており、導波路部１１１Ｇに対してクラッド部の機能等を備える。
　パッド電極１２９、マイクロヒータ１３０、受動導波路電極１５３、およびパッド電極１４３は、半導体積層部１６０上において、導波路部１１１Ｇに沿うように配置されている。なお、半導体積層部１６０にはＳｉＮx保護膜が形成されており、パッド電極１２９、受動導波路電極１５３、およびパッド電極１４３はＳｉＮx保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部１６０に接触している。
　第２の導波路部１２０Ｇは、２分岐部１２１、２つのアーム部１２２、１２３Ｇ、リング状導波路１２４、およびＴｉからなるマイクロヒータ１２５を備える。２分岐部１２１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路１２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部１２２，１２３Ｇのそれぞれに接続されるとともに１ポート側が第１の導波路部１１０Ｇ側に接続されている。２分岐部１２１により、２つのアーム部１２２，１２３Ｇは、その一端が統合され、導波路部１１１Ｇと光学的に結合される。アーム部１２２，１２３Ｇとリング状導波路１２４とは、リング共振型フィルタＲＦ２を構成している。また、リング共振型フィルタＲＦ２と２分岐部１２１とは、反射ミラーＭ２を構成している。
　アーム部１２２，１２３Ｇは、いずれもｚ方向に延伸し、リング状導波路１２４を挟むように配置されている。アーム部１２３Ｇには位相調整部１１２が配置されている。位相調整部１１２上に、マイクロヒータ１２８が形成されている。アーム部１２３Ｇは、図示していないが、半導体基板Ｓ１上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層、およびｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層がこの順で積層して構成されたハイメサ導波路構造を有している。ＳｉＮ保護膜はアーム部１２３Ｇを覆うように形成されている。マイクロヒータ１２８はＳｉＮ保護膜上において、位相調整部１１２の光導波路層に沿うように配置されている。なお、第２の導波路部１２０Ｇのその他の構成要素である２分岐部１２１、アーム部１２２、リング状導波路１２４も同様にハイメサ導波路構造を有しており、ＳｉＮ保護膜で覆われている。マイクロヒータ１２５はリング状であり、リング状導波路１２４を覆うように形成されたＳｉＮ保護膜上に配置されている。
　第１の導波路部１１０Ｇと第２の導波路部１２０Ｇは、互いに光学的に接続され、導波路部１１１Ｇの回折格子層を有する導波路層と反射ミラーＭ２とによって、レーザ共振器Ｃ２を構成している。また、利得部１１３、ＳＧ－ＤＢＲ１１４、および第２の導波路部１２０Ｇによって、半導体レーザが構成される。
　波長可変レーザ素子２００Ｇにおいて、受動導波路部１５０の受動導波路電極１５３は、ＳＯＡ１４０からの漏れ電流を引き抜くことができるため、スペクトル線幅のブロード化を防止することができる。
　２つの長さを有するミラーが、ＳＧ－ＤＢＲ１１４とリング共振器フィルタＲＦ２である波長可変レーザ素子２００Ｇにおいても、受動導波路部１５０を、ＳＯＡ１４０とＳＧ－ＤＢＲ１１４との間に配置することにより、漏れ電流によるスペクトル線幅のブロード化を抑制できる。
　上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　本発明に係る半導体光集積素子は、光通信等に用いられる光デバイスに有用である。
１０　半導体レーザ
１１　第１ＳＧ－ＤＢＲ
１２，１１２　位相調整部
１３，１１３　利得部
１４　第２ＳＧ－ＤＢＲ
１５，Ｂ，Ｓ１　半導体基板
１６　接地電極
１７ａ　下部クラッド層
１７ｂ　ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１７ｃ　ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
１７ｄ　スペーサ層
１８，１９，２１，５１　光導波路層
２０，４１　活性コア層
２２　上部クラッド層
２３，２４，２６，１２８，１３０　マイクロヒータ
２５ａ，４２ａ，５２ａ，３２ａ　コンタクト層
２５ｂ，４２ｂ，５２ｂ，３２ｂ　オーミック電極
２７，２８，２９，３０，３３，４３，４３Ｄ，１２９，１４３　パッド電極
３１　保護膜
３１ａ　開口部
４０，１４０　半導体光増幅器
５０，１５０　受動導波路部
５３，１５３　受動導波路電極
５４　溝部
１１０，１１０Ｇ　第１の導波路部
１１１，１１１Ｇ　導波路部
１１４　ＳＧ－ＤＢＲ
１２０，１２０Ｇ　第２の導波路部
１２２，１２３，１２３Ｇ　アーム部
１２４　リング状導波路
１６０　半導体積層部
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，２００，２００Ｇ　波長可変レーザ素子
Ｃ１，Ｃ２　レーザ共振器
Ｌ１　レーザ光
Ｍ１，Ｍ２　反射ミラー
ＲＦ１，ＲＦ２　リング共振器フィルタ

Claims (10)

  1. 　半導体基板の上面に、順バイアス光素子と半導体レーザがモノリシック集積された半導体光集積素子であって、
    　前記順バイアス光素子と前記半導体レーザの間に配置される受動導波路部と、
    　前記半導体基板の下面に配置される接地電極と、
    　を備え、
    　前記半導体レーザは、長さを有するミラーを前記順バイアス光素子側に有し、
    　前記順バイアス光素子は、前記半導体基板と接する側と反対側に順バイアス光素子電極を有し、
    　前記受動導波路部は、前記半導体基板と接する側と反対側に受動導波路電極を有し、前記受動導波路電極は、前記接地電極と電気的に接続されている
    　半導体光集積素子。
  2. 　前記順バイアス光素子は、半導体光増幅器である
    　請求項１に記載の半導体光集積素子。
  3. 　前記受動導波路電極の長さは、前記受動導波路部の長さより短い
    　請求項１または２に記載の半導体光集積素子。
  4. 　前記受動導波路電極は、前記受動導波路部に前記光導波路層の直上を避けて配置されている
    　請求項１～３のいずれか一つに記載の半導体光集積素子。
  5. 　前記順バイアス光素子電極の長さは、前記順バイアス光素子の活性コア層の長さより短く、前記順バイアス光素子電極は、前記活性コア層の前記受動導波路部側の端部上に配置されていない
    　請求項１または２に記載の半導体光集積素子。
  6. 　受動導波路部は、前記受動導波路電極より順バイアス光素子側に溝部を有する
    　請求項１～３のいずれか一つに記載の半導体光集積素子。
  7. 　前記半導体レーザは波長可変レーザであり、２つの前記長さを有するミラーと、利得部と、位相調整部と、を有する
    　請求項１～６のいずれか一つに記載の半導体光集積素子。
  8. 　前記２つの長さを有するミラーのうち、少なくとも１つは分布ブラッグ反射器である
    　請求項７に記載の半導体光集積素子。
  9. 　前記２つの長さを有するミラーは、前記分布ブラッグ反射器とリング共振器フィルタである
    　請求項８に記載の半導体光集積素子。
  10. 　前記２つの長さを有するミラーのうち、順バイアス光素子側に配置される長さを有するミラーはヒータにより制御される
    　請求項７～９のいずれか一つに記載の半導体光集積素子。
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