WO2023228403A1 - 光デバイス - Google Patents

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WO2023228403A1
WO2023228403A1 PCT/JP2022/021733 JP2022021733W WO2023228403A1 WO 2023228403 A1 WO2023228403 A1 WO 2023228403A1 JP 2022021733 W JP2022021733 W JP 2022021733W WO 2023228403 A1 WO2023228403 A1 WO 2023228403A1
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WO
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region
light modulation
layer
optical device
light
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/021733
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English (en)
French (fr)
Inventor
英隆 西
慎治 松尾
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers

Definitions

  • the present invention relates to an optical device that modulates the frequency of emitted laser light.
  • optical communication devices are rapidly increasing in speed, capacity, and transmission distance.
  • optical transmitters are the key devices that support optical communication, including directly modulated lasers (DML) and electro-absorption modulator integrated distributed feedback lasers (DFB lasers).
  • DML directly modulated lasers
  • DFB lasers electro-absorption modulator integrated distributed feedback lasers
  • EA-DFB is widely used in the intensity modulation direct detection (IMDD) transmission method, which has a simpler system configuration.
  • IMDD intensity modulation direct detection
  • DML and EA-DFB inherently generate frequency chirp, there has been a major problem in that the transmission distance is limited, especially now that transmission capacities of 100 Gbit/s/ ⁇ class have been achieved.
  • a frequency modulated laser has been proposed as a device that solves the frequency chirp problem and has a device structure similar to DML and EA-DFB, and has excellent manufacturability (Non-patent Document 1). ).
  • the structure of this frequency modulated laser is shown in FIG.
  • This frequency modulation laser is a distributed Bragg reflector (DBR) laser, and has a gain region 702 and a phase of the effective refractive index of the propagating optical mode in a resonance region between two distributed Bragg reflector regions 701a and 701b.
  • a shift area 703 is provided.
  • the signal light frequency-modulated in the frequency-modulated laser described above can then be transmitted through a simple optical filter to perform frequency modulation-intensity modulation (FM-AM) conversion, which can also be applied to IMDD systems. be.
  • FM-AM frequency modulation-intensity modulation
  • Non-Patent Document 2 shows that this frequency modulated laser is capable of high-speed operation, unlike DML, whose low operating range is largely controlled by the relaxation oscillation frequency.
  • the above-mentioned technique has the following problems.
  • conventional technology when a modulated electric field is applied to the phase shift region, even if the bandgap is controlled so that intensity modulation due to quantum confined Stark effect or Franz-Keldysh effect does not occur, some kind of There is a problem in that intensity modulation occurs due to reasons (for example, carriers flowing in and out of the phase shift region), and the operating speed decreases.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to suppress intensity modulation and modulate frequency.
  • An optical device includes a gain region that constitutes a waveguide type semiconductor laser and a waveguide type optical modulation region that modulates laser light of the semiconductor laser, and the optical modulation region has an electro-optic effect.
  • the semiconductor laser oscillates by modulating the effective refractive index of the propagating optical mode by applying a modulating electric field to the optical modulating layer. modulate the frequency of the laser light.
  • the light modulation region is made of a material having an electro-optic effect, it is possible to suppress intensity modulation and modulate frequency.
  • FIG. 1A is a plan view showing the configuration of an optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1D is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2B is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2C is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3A is a plan view showing the configuration of an optical device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 3C is a sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 3D is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4B is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4C is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5A is a plan view showing the configuration of an optical device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6B is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6B is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 6C is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 7A is a plan view showing the configuration of an optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7C is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7D is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7A is a plan view showing the configuration of an optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7C is a cross-sectional view showing a partial
  • FIG. 8A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 8B is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 8C is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 9A is a plan view showing the configuration of an optical device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 9D is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 10A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 10B is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 10C is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 10A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 10B is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 5 of
  • FIG. 11A is a plan view showing the configuration of an optical device according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 11C is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 12A is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 12B is a distribution diagram showing the electromagnetic field distribution of the optical propagation mode of the optical device according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of a frequency modulated laser.
  • FIG. 1B shows a cross section taken along line aa' in FIG. 1A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 1C shows a cross section taken along line bb' of FIG. 1A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 1D shows a cross section taken along line cc' in FIG. 1A perpendicular to the waveguide direction.
  • This optical device includes a gain region 101 that constitutes a waveguide type semiconductor laser, and a waveguide type optical modulation region 102 that modulates the laser light of the semiconductor laser.
  • the semiconductor laser is a distributed Bragg reflection laser
  • the gain region 101 is arranged between the first distributed Bragg reflection mirror region 105 and the second distributed Bragg reflection mirror region 106.
  • the light modulation region 102 is arranged between the gain region 101 and the first distributed Bragg reflector region 105.
  • the laser is oscillated (output) in the direction of the arrow shown in FIG. 1A.
  • the gain region 101 includes a p-type semiconductor layer 112a, an i-type semiconductor layer 112, and an n-type semiconductor layer 112b, and the active layer 111 is embedded in the i-type semiconductor layer 112.
  • the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b can be made of, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP.
  • the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b can be formed.
  • the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed can be formed on the light modulation layer 103 via a bonding layer 107 made of SiO 2 , for example. can.
  • the active layer 111 can be made of InGaAlAs. Further, the active layer 111 can have a multiple quantum well structure. Using the p-electrode 113a and the n-electrode 113b, a current is passed through the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b in a direction (lateral direction) that intersects (perpendicularly) to the waveguide direction with respect to the i-type semiconductor layer 112. It is said to have a structure for injection (Reference document 1).
  • the light modulation region 102 includes a light modulation layer 103 made of a material that has an electro-optic effect and arranged in a range where it can be coupled to propagating light.
  • a modulating electric field to the light modulating layer 103 using the electrodes 121a and 121b, the effective refractive index of the propagating optical mode is modulated, thereby modulating the frequency of the laser light oscillated by the semiconductor laser.
  • the light modulation region 102 can be made of, for example, lithium niobate (LN).
  • the light modulation region 102 includes a core 104 formed on the light modulation layer 103 with a bonding layer 107 interposed therebetween.
  • the core 104 is formed continuously to the i-type semiconductor layer 112 (active layer 111) of the gain region 101.
  • the electrodes 121a and 121b are arranged with the core 104 in between.
  • the core 104 can be made of a III-V compound semiconductor such as InP, for example.
  • the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106 include a core 104 formed on the light modulation layer 103 with a bonding layer 107 interposed therebetween.
  • the core 104 is continuously formed from the light modulation region 102 to the first distributed Bragg reflector region 105. Furthermore, the light modulation region 102 has a small core width.
  • a diffraction grating 151 is formed on the core 104.
  • a diffraction grating 161 is formed on the core 104.
  • the diffraction grating 151 and the diffraction grating 161 can also be formed on the side surface of the core 104.
  • the light modulation layer 103 and the bonding layer 107 are commonly formed over the entire area of the gain region 101, the light modulation region 102, the first distributed Bragg reflector region 105, and the second distributed Bragg reflector region 106.
  • the light modulation layer 103 also functions as a lower cladding.
  • an upper cladding layer 108 made of, for example, SiO 2 is formed over the entire area of the gain region 101 , the light modulation region 102 , the first distributed Bragg reflector region 105 , and the second distributed Bragg reflector region 106 .
  • the gain region 101 can have a length in the waveguide direction of 80 ⁇ m
  • the optical modulation region 102 can have a length in the waveguide direction of 40 ⁇ m
  • the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106 can have a length of 80 ⁇ m in the waveguide direction.
  • FIG. 2A shows the light propagation mode of the first distributed Bragg reflector region 105 (second distributed Bragg reflector region 106).
  • the core 104 in the first distributed Bragg reflector region 105 had a width of 600 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 20 nm. As shown in FIG. 2A, the light is substantially confined to the core 104.
  • FIG. 2B shows the light propagation mode of the light modulation region 102.
  • the core 104 in the light modulation region 102 had a width of 350 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 20 nm. As shown in FIG. 2B, a portion of the light confined within the core 104 leaks into the light modulation layer 103.
  • the light modulation region 102 it is important to appropriately adjust the size of the cross section of the core 104 so that the electromagnetic field distribution of the propagating light mode leaks into the light modulation layer 103.
  • a modulating electric field is applied from the electrodes 121a and 121b arranged on the left and right sides of the core 104, the refractive index in the light modulating layer 103 is mainly modulated by the electro-optic effect. As a result, the effective refractive index of the propagating light mode in the light modulation region 102 is modulated.
  • the size of the cross section of the core 104, the thickness of the bonding layer 107, and the relative positions of the electrodes 121a and 121b with respect to the core 104 are appropriately adjusted so as to obtain as large a change in the effective refractive index as possible with respect to the applied voltage.
  • FIG. 2C shows the optical propagation mode in the gain region 101.
  • the thickness of the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed was 350 nm
  • the width of the active layer 111 was 800 nm
  • the thickness of the active layer 111 was 250 nm.
  • the bonding layer 107 had a thickness of 20 nm.
  • light is strongly confined within the active layer 111.
  • the light modulation region 102 (light modulation layer 103) is made of a material that has an electro-optic effect, it becomes possible to suppress intensity modulation and modulate the frequency.
  • the size of the core 104 in consideration of productivity, it is desirable to make the core height (thickness) equal to the thickness of the i-type semiconductor layer 112 in the gain region 101, as described above.
  • the core width is adjusted appropriately in each region so that the desired light confinement within the core 104 is obtained, and the width is gradually changed between each region so that no light radiation loss or reflection occurs. It is desirable to connect with a tapered structure.
  • an optical filter for frequency modulation-intensity modulation conversion (FM-AM conversion) beyond the second distributed Bragg reflector region 106
  • the above-mentioned optical filter can be constructed from a Mach-Zehnder interferometer (MZI) using an optical waveguide with a core made of InP or a ring resonator. Further, it is desirable that the optical filter described above is appropriately provided with a wavelength tuning structure such as a heater. Furthermore, in order to reduce the connection loss to the optical fiber to which the optical device according to the embodiment is connected, for example, a spot size converter or the like can be integrated beyond the second distributed Bragg reflector region 106. .
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • FIG. 3B shows a cross section taken along line aa' in FIG. 3A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 3C shows a cross section taken along line bb' in FIG. 3A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 3D shows a cross section perpendicular to the waveguide direction along line cc' in FIG. 3A.
  • This optical device includes a gain region 101 that constitutes a waveguide type semiconductor laser, and a waveguide type optical modulation region 102 that modulates the laser light of the semiconductor laser.
  • the semiconductor laser is a distributed Bragg reflection laser
  • the gain region 101 is arranged between the first distributed Bragg reflection mirror region 105 and the second distributed Bragg reflection mirror region 106.
  • the light modulation region 102 is arranged between the gain region 101 and the first distributed Bragg reflector region 105.
  • the gain region 101 includes a p-type semiconductor layer 112a, an i-type semiconductor layer 112, and an n-type semiconductor layer 112b, and the active layer 111 is embedded in the i-type semiconductor layer 112.
  • the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b can be made of, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP.
  • the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b can be formed.
  • the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed may be formed on the light modulation layer 103' via a bonding layer 107 made of SiO 2 , for example. I can do it.
  • the active layer 111 can be made of InGaAlAs. Further, the active layer 111 can have a multiple quantum well structure. Using the p-electrode 113a and the n-electrode 113b, a current is passed through the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b in a direction (lateral direction) that intersects (perpendicularly) to the waveguide direction with respect to the i-type semiconductor layer 112. It is said to have a structure for injection (Reference document 1).
  • the light modulation region 102 includes a light modulation layer 103' made of a material having an electro-optic effect and arranged in a range where it can be coupled to propagating light.
  • a modulating electric field to the light modulating layer 103' using the electrodes 121a and 121b, the effective refractive index of the propagating optical mode is modulated, thereby modulating the frequency of the laser light oscillated by the semiconductor laser.
  • the light modulation region 102 can be made of lithium niobate, for example.
  • the light modulation region 102 includes a core 104 formed on the light modulation layer 103' with a bonding layer 107 interposed therebetween.
  • the core 104 is formed continuously to the i-type semiconductor layer 112 (active layer 111) of the gain region 101.
  • the electrodes 121a and 121b are arranged with the core 104 in between.
  • the core 104 can be made of a III-V compound semiconductor such as InP, for example.
  • the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106 include a core 104 formed on the light modulation layer 103' with a bonding layer 107 in between.
  • the core 104 is continuously formed from the light modulation region 102 to the first distributed Bragg reflector region 105. Furthermore, the light modulation region 102 has a small core width.
  • a diffraction grating 151 is formed on the core 104.
  • a diffraction grating 161 is formed on the core 104.
  • the diffraction grating 151 and the diffraction grating 161 can also be formed on the side surface of the core 104.
  • the light modulation layer 103' and the bonding layer 107 are formed in common throughout the gain region 101, the light modulation region 102, the first distributed Bragg reflector region 105, and the second distributed Bragg reflector region 106. has been done. Further, an upper cladding layer 108 made of, for example, SiO 2 is formed over the entire area of the gain region 101 , the light modulation region 102 , the first distributed Bragg reflector region 105 , and the second distributed Bragg reflector region 106 . Further, the gain region 101 can have a length in the waveguide direction of 80 ⁇ m, and the optical modulation region 102 can have a length in the waveguide direction of 40 ⁇ m. Further, the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106 can have a length of 80 ⁇ m in the waveguide direction.
  • a light modulation layer 103' is formed on a lower cladding layer 109 made of SiO2 . Further, the light modulation layer 103' is rib-shaped, with a rib core 103a convex on the side where the active layer 111 of the semiconductor laser is formed, when viewed in cross section perpendicular to the propagation direction of the propagated light.
  • the slab portion of the light modulation layer 103' can have a thickness of 100 nm, and the rib core 103a can have a width of 1000 nm and a height (thickness) of 200 nm.
  • the rib-shaped light modulation layer 103' is formed over the entire area of the gain region 101, the light modulation region 102, the first distributed Bragg reflector region 105, and the second distributed Bragg reflector region 106.
  • FIG. 4A shows the light propagation mode of the first distributed Bragg reflector area 105 (second distributed Bragg reflector area 106).
  • the core 104 in the first distributed Bragg reflector region 105 had a width of 600 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm. As shown in FIG. 4A, the light is substantially confined to the core 104.
  • FIG. 4B shows the light propagation mode of the light modulation region 102.
  • the core 104 in the light modulation region 102 had a width of 250 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm.
  • a portion of the light is confined within the core 104, but most of the light has an intensity distribution in the rib core 103a of the light modulation layer 103'.
  • the light modulation region 102 it is important to appropriately adjust the size of the cross section of the core 104 so that the electromagnetic field distribution of the propagating light mode leaks to the rib core 103a.
  • a modulated electric field is applied from the electrodes 121a and 121b arranged on the left and right sides of the core 104 (rib core 103a)
  • the refractive index in the rib core 103a is mainly modulated by the electro-optic effect.
  • the effective refractive index of the propagating light mode in the light modulation region 102 is modulated.
  • the size of the cross section of the core 104, the thickness of the bonding layer 107, and the relative positions of the electrodes 121a and 121b with respect to the core 104 are appropriately adjusted so as to obtain as large a change in the effective refractive index as possible with respect to the applied voltage.
  • FIG. 4C shows the optical propagation mode in the gain region 101.
  • the thickness of the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed was 350 nm
  • the width of the active layer 111 was 800 nm
  • the thickness of the active layer 111 was 250 nm.
  • the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • light is strongly confined within the active layer 111.
  • the light modulation region 102 (light modulation layer 103') is made of a material that has an electro-optic effect, it becomes possible to suppress intensity modulation and modulate the frequency.
  • the size of the core 104 in consideration of productivity, it is desirable to make the core height (thickness) equal to the thickness of the i-type semiconductor layer 112 in the gain region 101, as described above.
  • the core width is adjusted appropriately in each region so that the desired light confinement within the core 104 is obtained, and the width is gradually changed between each region so that no light radiation loss or reflection occurs. It is desirable to connect with a tapered structure.
  • an optical filter for frequency modulation-intensity modulation conversion (FM-AM conversion) beyond the second distributed Bragg reflector region 106
  • the above-mentioned optical filter can be constructed from a Mach-Zehnder interferometer (MZI) using an optical waveguide with a core made of InP or a ring resonator. Further, it is desirable that the optical filter described above is appropriately provided with a wavelength tuning structure such as a heater. Furthermore, in order to reduce the connection loss to the optical fiber to which the optical device according to the embodiment is connected, for example, a spot size converter or the like can be integrated beyond the second distributed Bragg reflector region 106. .
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • FIG. 5B shows a cross section taken along line aa' in FIG. 5A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 5C shows a cross section taken along line bb' in FIG. 5A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 5D shows a cross section taken along line cc' in FIG. 5A perpendicular to the waveguide direction.
  • This optical device includes a gain region 101 that constitutes a waveguide type semiconductor laser, and a waveguide type optical modulation region 102 that modulates the laser light of the semiconductor laser.
  • the semiconductor laser is a distributed Bragg reflector laser
  • the gain region 101 is arranged between the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106.
  • the light modulation region 102 is arranged between the gain region 101 and the first distributed Bragg reflector region 105.
  • the gain region 101 includes a p-type semiconductor layer 112a, an i-type semiconductor layer 112, and an n-type semiconductor layer 112b, and the active layer 111 is embedded in the i-type semiconductor layer 112.
  • the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b can be made of, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP.
  • the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b can be formed.
  • the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed may be formed on the light modulation layer 103' via a bonding layer 107 made of SiO 2 , for example. I can do it.
  • the active layer 111 can be made of InGaAlAs. Further, the active layer 111 can have a multiple quantum well structure. Using the p-electrode 113a and the n-electrode 113b, a current is passed through the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b in a direction (lateral direction) that intersects (perpendicularly) to the waveguide direction with respect to the i-type semiconductor layer 112. It is said to have a structure for injection (Reference document 1).
  • the light modulation region 102 includes a light modulation layer 103' made of a material having an electro-optic effect and arranged in a range where it can be coupled to propagating light.
  • a modulating electric field to the light modulating layer 103' using the electrodes 121a and 121b, the effective refractive index of the propagating optical mode is modulated, thereby modulating the frequency of the laser light oscillated by the semiconductor laser.
  • the light modulation region 102 can be made of lithium niobate, for example.
  • the core 104 is not formed on the light modulation layer 103' in the light modulation region 102.
  • the core 104 is formed in a first distributed Bragg reflector region 105 and a second distributed Bragg reflector region 106, as will be described later.
  • the core 104 can be made of a III-V compound semiconductor such as InP, for example.
  • the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106 include a core 104 formed on the light modulation layer 103' with a bonding layer 107 in between. Further, the core width gradually becomes smaller toward the light modulation region 102. Furthermore, in the first distributed Bragg reflector region 105, a diffraction grating 151 is formed on the core 104. Similarly, in the second distributed Bragg reflector region 106, a diffraction grating 161 is formed on the core 104. The diffraction grating 151 and the diffraction grating 161 can also be formed on the side surface of the core 104.
  • the light modulation layer 103' and the bonding layer 107 are formed in common throughout the gain region 101, the light modulation region 102, the first distributed Bragg reflector region 105, and the second distributed Bragg reflector region 106. has been done. Further, an upper cladding layer 108 made of, for example, SiO 2 is formed over the entire area of the gain region 101 , the light modulation region 102 , the first distributed Bragg reflector region 105 , and the second distributed Bragg reflector region 106 . Further, the gain region 101 can have a length in the waveguide direction of 80 ⁇ m, and the optical modulation region 102 can have a length in the waveguide direction of 40 ⁇ m. Further, the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106 can have a length of 80 ⁇ m in the waveguide direction.
  • a light modulation layer 103' is formed on a lower cladding layer 109 made of SiO2 .
  • the light modulation layer 103' is rib-shaped, with a rib core 103a convex on the side where the active layer 111 of the semiconductor laser is formed, when viewed in cross section perpendicular to the propagation direction of the propagated light.
  • the slab portion of the light modulation layer 103' can have a thickness of 100 nm, and the rib core 103a can have a width of 1000 nm and a height (thickness) of 200 nm.
  • the rib-shaped light modulation layer 103' is formed over the entire area of the gain region 101, the light modulation region 102, the first distributed Bragg reflector region 105, and the second distributed Bragg reflector region 106.
  • FIG. 6A shows the light propagation mode of the first distributed Bragg reflector area 105 (second distributed Bragg reflector area 106).
  • the core 104 in the first distributed Bragg reflector region 105 had a width of 600 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm. As shown in FIG. 6A, the light is substantially confined to the core 104.
  • FIG. 6B shows the light propagation mode of the light modulation region 102 in which the core 104 is not formed.
  • the rib core 103a in the light modulation region 102 had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm.
  • the light is confined in the rib core 103a of the light modulation layer 103', and almost all of the light has an intensity distribution in the rib core 103a of the light modulation layer 103'.
  • the rib core 103a has an electromagnetic field distribution in the propagating light mode.
  • a modulated electric field is applied from the electrodes 121a and 121b arranged on the left and right sides of the rib core 103a, the refractive index in the rib core 103a is mainly modulated by the electro-optic effect. As a result, the effective refractive index of the propagating light mode in the light modulation region 102 is modulated.
  • FIG. 6C shows the optical propagation mode in the gain region 101.
  • the thickness of the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed was 350 nm
  • the width of the active layer 111 was 800 nm
  • the thickness of the active layer 111 was 250 nm.
  • the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • light is strongly confined within the active layer 111.
  • the light modulation region 102 (light modulation layer 103') is made of a material that has an electro-optic effect, it becomes possible to suppress intensity modulation and modulate the frequency. Further, by not providing the core 104 in the light modulation region 102, it is possible to further confine light to the rib core 103a.
  • an optical filter for frequency modulation-intensity modulation conversion (FM-AM conversion) beyond the second distributed Bragg reflector region 106
  • the above-mentioned optical filter can be constructed from a Mach-Zehnder interferometer (MZI) using an optical waveguide with a core made of InP or a ring resonator. Further, it is desirable that the optical filter described above is appropriately provided with a wavelength tuning structure such as a heater. Furthermore, in order to reduce the connection loss to the optical fiber to which the optical device according to the embodiment is connected, for example, a spot size converter or the like can be integrated beyond the second distributed Bragg reflector region 106. .
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • FIG. 7B shows a cross section taken along line aa' in FIG. 7A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 7C shows a cross section taken along line bb' in FIG. 7A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 7D shows a cross section perpendicular to the waveguide direction along line cc' in FIG. 7A.
  • This optical device includes a gain region 101 that constitutes a waveguide type semiconductor laser, and a waveguide type optical modulation region 102a that modulates the laser light of the semiconductor laser.
  • the semiconductor laser is a distributed feedback (DFB) laser and includes a diffraction grating 114 in the gain region 101.
  • DFB distributed feedback
  • the gain region 101 includes a p-type semiconductor layer 112a, an i-type semiconductor layer 112, and an n-type semiconductor layer 112b, and the active layer 111 is embedded in the i-type semiconductor layer 112.
  • a diffraction grating 114 can be formed on the active layer 111.
  • the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b can be made of, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP.
  • the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b can be formed.
  • the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed may be formed on the light modulation layer 103' via a bonding layer 107 made of SiO 2 , for example. I can do it.
  • the active layer 111 can be made of InGaAlAs. Further, the active layer 111 can have a multiple quantum well structure. Using the p-electrode 113a and the n-electrode 113b, a current is passed through the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b in a direction (lateral direction) that intersects (perpendicularly) to the waveguide direction with respect to the i-type semiconductor layer 112. It is said to have a structure for injection (Reference document 1).
  • the light modulation region 102a includes a light modulation layer 103' made of a material having an electro-optic effect and arranged in a range where it can be coupled to propagating light.
  • a modulating electric field to the light modulating layer 103' using the electrodes 121a and 121b, the effective refractive index of the propagating optical mode is modulated, thereby modulating the frequency of the laser light oscillated by the semiconductor laser.
  • the light modulation region 102a can be made of lithium niobate, for example.
  • the core 104 formed on the light modulation layer 103' via the bonding layer 107 is provided with a diffraction grating 151', and the light modulation region 102a is provided with a distributed Bragg grating. It is equipped with a reflective structure.
  • the diffraction grating 151' can be formed on the top or side surface of the core 104.
  • the light modulation region 102a also constitutes a distributed Bragg reflector region.
  • the core 104 is formed continuously to the i-type semiconductor layer 112 (active layer 111) of the gain region 101.
  • the electrodes 121a and 121b are arranged with the core 104 in between.
  • the core 104 can be made of a III-V compound semiconductor such as InP, for example.
  • the diffraction grating 114 in the gain region 101 is designed to have an appropriate amount of detuning between it and the light modulation region 102a, which also constitutes the distributed Bragg reflector region.
  • an output optical waveguide 106' is formed after the gain region 101.
  • the output optical waveguide 106' includes a core 104 formed on the optical modulation layer 103' via a bonding layer 107.
  • the core 104 is formed continuously to the i-type semiconductor layer 112 (active layer 111) of the gain region 101.
  • the light modulation layer 103' and the bonding layer 107 are commonly formed throughout the gain region 101, the light modulation region 102a, and the output optical waveguide 106'.
  • an upper cladding layer 108 made of, for example, SiO 2 is formed over the entire area of the gain region 101, the optical modulation region 102a, and the output optical waveguide 106'.
  • the gain region 101 can have a length in the waveguide direction of 80 ⁇ m
  • the optical modulation region 102a can have a length in the waveguide direction of 40 ⁇ m.
  • the output optical waveguide 106' can have a length of 80 ⁇ m in the waveguide direction.
  • a light modulation layer 103' is formed on a lower cladding layer 109 made of SiO2 .
  • the light modulation layer 103' is rib-shaped, with a rib core 103a convex on the side where the active layer 111 of the semiconductor laser is formed, when viewed in cross section perpendicular to the propagation direction of the propagated light.
  • the slab portion of the light modulation layer 103' can have a thickness of 100 nm, and the rib core 103a can have a width of 1000 nm and a height (thickness) of 200 nm.
  • the rib-shaped light modulation layer 103' is formed over the entire area of the gain region 101, the light modulation region 102a, and the output optical waveguide 106'.
  • FIG. 8A shows the light propagation mode of the light modulation region 102a.
  • the core 104 in the light modulation region 102 had a width of 250 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm. As shown in FIG. 8A, almost all of the light is confined in the rib core 103a of the light modulation layer 103'.
  • the size of the cross section of the core 104 is such that the electromagnetic field distribution of the propagating light mode leaks into the light modulating layer 103 (rib core 103a) and the electromagnetic field distribution of the propagating light mode exists in the rib core 103a. It is important to make appropriate adjustments.
  • a modulated electric field is applied from the electrodes 121a and 121b arranged on the left and right sides of the core 104 (rib core 103a)
  • the refractive index in the rib core 103a is mainly modulated by the electro-optic effect. This modulates the effective refractive index of the propagating light mode in the light modulation region 102a.
  • FIG. 8B shows the optical propagation mode in the gain region 101.
  • the thickness of the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed was 350 nm
  • the width of the active layer 111 was 800 nm
  • the thickness of the active layer 111 was 100 nm.
  • the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • light is strongly confined within the active layer 111.
  • FIG. 8C shows the optical propagation mode of the output optical waveguide 106'.
  • the core 104 in the output optical waveguide 106' had a width of 550 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm. As shown in FIG. 8C, the light is substantially confined to the core 104.
  • the light modulation region 102a (light modulation layer 103') is made of a material that has an electro-optic effect, it becomes possible to suppress intensity modulation and modulate the frequency.
  • the core height (thickness) is adjusted appropriately in each region so that the desired light confinement within the core 104 is obtained, and the width is gradually changed between each region so that no light radiation loss or reflection occurs. It is desirable to connect with a tapered structure.
  • an optical filter for frequency modulation-intensity modulation conversion FM-AM conversion
  • a compact optical transmitter can be realized.
  • the above-mentioned optical filter can be constructed from a Mach-Zehnder interferometer (MZI) using an optical waveguide with a core made of InP or a ring resonator. Further, it is desirable that the optical filter described above is appropriately provided with a wavelength tuning structure such as a heater. Furthermore, in order to reduce the connection loss to the optical fiber to which the optical device according to the embodiment is connected, a spot size converter or the like can be integrated at the end of the output optical waveguide 106'.
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • FIG. 9B shows a cross section taken along line aa' in FIG. 9A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 9C shows a cross section taken along line bb' in FIG. 9A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 9D shows a cross section taken along line cc' in FIG. 9A perpendicular to the waveguide direction.
  • This optical device includes a gain region 101 that constitutes a waveguide type semiconductor laser, and a waveguide type optical modulation region 102 that modulates the laser light of the semiconductor laser.
  • the semiconductor laser is a distributed feedback (DFB) laser and includes a diffraction grating 114 in the gain region 101. Furthermore, in addition to the gain region 101, a gain region 101' is provided (two gain regions are provided).
  • DFB distributed feedback
  • the gain region 101 includes a p-type semiconductor layer 112a, an i-type semiconductor layer 112, and an n-type semiconductor layer 112b, and the active layer 111 is embedded in the i-type semiconductor layer 112.
  • a diffraction grating 114 can be formed on the active layer 111.
  • the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b can be made of, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP.
  • the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b can be formed.
  • the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed may be formed on the light modulation layer 103' via a bonding layer 107 made of SiO 2 , for example. I can do it.
  • the active layer 111 can be made of InGaAlAs. Further, the active layer 111 can have a multiple quantum well structure. Using the p-electrode 113a and the n-electrode 113b, a current is passed through the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b in a direction (lateral direction) that intersects (perpendicularly) to the waveguide direction with respect to the i-type semiconductor layer 112. It is said to have a structure for injection (Reference document 1).
  • the gain region 101' also has the same configuration as the gain region 101 described above.
  • Each diffraction grating can be designed to have an appropriate amount of detuning between the two gain regions 101 and 101'.
  • the light modulation region 102 includes a light modulation layer 103' made of a material having an electro-optic effect and arranged in a range where it can be coupled to propagating light.
  • a modulating electric field By applying a modulating electric field to the light modulating layer 103' using the electrodes 121a and 121b, the effective refractive index of the propagating optical mode is modulated, thereby modulating the frequency of the laser light oscillated by the semiconductor laser.
  • the light modulation region 102 can be made of lithium niobate, for example.
  • the light modulation region 102 is arranged between the two gain regions 101 and 101'.
  • the light modulation region 102 includes a core 104 formed on the light modulation layer 103' with a bonding layer 107 interposed therebetween.
  • the core 104 is formed continuously to the i-type semiconductor layer 112 (active layer 111) of the gain region 101.
  • the electrodes 121a and 121b are arranged with the core 104 in between.
  • the core 104 can be made of a III-V compound semiconductor such as InP, for example.
  • an output optical waveguide 106' is formed after the gain region 101.
  • the output optical waveguide 106' includes a core 104 formed on the optical modulation layer 103' via a bonding layer 107.
  • the core 104 is formed continuously to the i-type semiconductor layer 112 (active layer 111) of the gain region 101.
  • the optical modulation layer 103' and the bonding layer 107 are commonly formed over the entire area of the gain region 101, the optical modulation region 102, the gain region 101', and the output optical waveguide 106'.
  • an upper cladding layer 108 made of, for example, SiO 2 is formed over the entire area of the gain region 101, the gain region 101', the optical modulation region 102, and the output optical waveguide 106'.
  • the length of the gain region 101 and the gain region 101' in the waveguide direction can be 80 ⁇ m
  • the length of the optical modulation region 102 can be 40 ⁇ m in the waveguide direction.
  • the output optical waveguide 106' can have a length of 80 ⁇ m in the waveguide direction.
  • a light modulation layer 103' is formed on a lower cladding layer 109 made of SiO2 .
  • the light modulation layer 103' is rib-shaped, with a rib core 103a convex on the side where the active layer 111 of the semiconductor laser is formed, when viewed in cross section perpendicular to the propagation direction of the propagated light.
  • the slab portion of the light modulation layer 103' can have a thickness of 100 nm, and the rib core 103a can have a width of 1000 nm and a height (thickness) of 200 nm.
  • the rib-shaped optical modulation layer 103' is formed over the entire area of the gain region 101, the optical modulation region 102, and the output optical waveguide 106'.
  • FIG. 10A shows the optical propagation mode in the gain region 101.
  • the thickness of the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed was 350 nm
  • the width of the active layer 111 was 800 nm
  • the thickness of the active layer 111 was 100 nm.
  • the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm
  • the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm.
  • light is strongly confined within the active layer 111.
  • FIG. 10B shows the light propagation mode of the light modulation region 102.
  • the core 104 in the light modulation region 102 had a width of 250 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm. As shown in FIG. 10B, almost all of the light is confined in the rib core 103a of the light modulation layer 103'.
  • the rib core 103a has an electromagnetic field distribution in the propagating light mode.
  • a modulated electric field is applied from the electrodes 121a and 121b arranged on the left and right sides of the rib core 103a, the refractive index in the rib core 103a is mainly modulated by the electro-optic effect. As a result, the effective refractive index of the propagating light mode in the light modulation region 102 is modulated.
  • FIG. 10C shows the optical propagation mode of the output optical waveguide 106'.
  • the core 104 in the output optical waveguide 106' had a width of 550 nm and a height of 350 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm. As shown in FIG. 10C, the light is substantially confined to the core 104.
  • the light modulation region 102 (light modulation layer 103') is made of a material that has an electro-optic effect, it becomes possible to suppress intensity modulation and modulate the frequency.
  • the core height (thickness) is adjusted appropriately in each region so that the desired light confinement within the core 104 is obtained, and the width is gradually changed between each region so that no light radiation loss or reflection occurs. It is desirable to connect with a tapered structure.
  • an optical filter for frequency modulation-intensity modulation conversion FM-AM conversion
  • a compact optical transmitter can be realized.
  • the above-mentioned optical filter can be constructed from a Mach-Zehnder interferometer (MZI) using an optical waveguide with a core made of InP or a ring resonator. Further, it is desirable that the optical filter described above is appropriately provided with a wavelength tuning structure such as a heater. Furthermore, in order to reduce the connection loss to the optical fiber to which the optical device according to the embodiment is connected, a spot size converter or the like can be integrated at the end of the output optical waveguide 106'.
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • FIG. 11B shows a cross section taken along line aa' in FIG. 11A perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 11C shows a cross section taken along line bb' in FIG. 11A perpendicular to the waveguide direction.
  • This optical device includes a gain region/light modulation region 101a that constitutes a waveguide type semiconductor laser and serves as a waveguide type light modulation region that modulates the laser light of the semiconductor laser. In this optical device, a light modulation region is arranged to overlap a gain region.
  • the semiconductor laser is a distributed Bragg reflection laser
  • the gain region/light modulation region 101a is arranged between the first distributed Bragg reflection mirror region 105 and the second distributed Bragg reflection mirror region 106.
  • the gain region/light modulation region 101a includes a p-type semiconductor layer 112a, an i-type semiconductor layer 112, and an n-type semiconductor layer 112b, and an active layer 111 is embedded in the i-type semiconductor layer 112.
  • the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b can be made of, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP.
  • the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b can be formed.
  • the active layer 111 can be made of InGaAlAs. Further, the active layer 111 can have a multiple quantum well structure. Using the p-electrode 113a and the n-electrode 113b, a current is passed through the p-type semiconductor layer 112a and the n-type semiconductor layer 112b in a direction (lateral direction) that intersects (perpendicularly) to the waveguide direction with respect to the i-type semiconductor layer 112. It is said to have a structure for injection (Reference document 1).
  • the gain region/light modulation region 101a includes a light modulation layer 103' made of a material having an electro-optic effect and arranged in a range capable of coupling to propagating light.
  • a p-type semiconductor layer 112a, an i-type semiconductor layer 112, and an n-type semiconductor layer 112b are formed on the light modulation layer 103' with a bonding layer 107 made of SiO 2 interposed therebetween.
  • a semiconductor layer is formed.
  • the light modulation layer 103' in the gain region/light modulation region 101a includes an electrode '121a and an electrode '121b taken out above and outside the formation region of the p-type semiconductor layer 112a, i-type semiconductor layer 112, and n-type semiconductor layer 112b. is connected.
  • the effective refractive index of the propagating optical mode is modulated, thereby modulating the frequency of the laser light oscillated by the semiconductor laser.
  • the light modulation region 102 can be made of lithium niobate, for example.
  • the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106 include a core 104 formed on the light modulation layer 103' with a bonding layer 107 in between.
  • the core 104 is formed continuously on the i-type semiconductor layer 112.
  • a diffraction grating 151 is formed on the core 104.
  • a diffraction grating 161 is formed on the core 104.
  • the diffraction grating 151 and the diffraction grating 161 can also be formed on the side surface of the core 104.
  • the light modulation layer 103' and the bonding layer 107 are formed in common throughout the first distributed Bragg reflector region 105, the gain region/light modulation region 101a, and the second distributed Bragg reflector region 106.
  • an upper cladding layer 108 made of SiO 2 is formed over the entire area of the first distributed Bragg reflector region 105 , the gain region/light modulation region 101 a , and the second distributed Bragg reflector region 106 .
  • the gain region/light modulation region 101a has a length in the waveguide direction of 40 ⁇ m
  • the first distributed Bragg reflector region 105 and the second distributed Bragg reflector region 106 have a length in the waveguide direction of 80 ⁇ m. I can do it.
  • the light modulation layer 103' is formed on the lower cladding layer 109 made of SiO2 . Further, the light modulation layer 103' is rib-shaped, with a rib core 103a convex on the side where the active layer 111 of the semiconductor laser is formed, when viewed in cross section perpendicular to the propagation direction of the propagated light.
  • the slab portion of the light modulation layer 103' can have a thickness of 100 nm, and the rib core 103a can have a width of 1000 nm and a height (thickness) of 200 nm.
  • the rib-shaped light modulation layer 103' is formed throughout the first distributed Bragg reflector region 105, the gain region/light modulation region 101a, and the second distributed Bragg reflector region 106.
  • FIG. 12A shows the light propagation mode of the first distributed Bragg reflector area 105 (second distributed Bragg reflector area 106).
  • the core 104 in the first distributed Bragg reflector region 105 had a width of 550 nm and a height of 250 nm, and the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm.
  • the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm. As shown in FIG. 12A, the light is substantially confined to the core 104.
  • FIG. 12B shows the optical propagation mode of the gain region/light modulation region 101a.
  • the optical mode exists in both the rib core 103a and the active layer 111, and it is important to obtain not only optical gain but also refractive index modulation.
  • a modulated electric field is applied from electrodes '121a and '121b arranged on the left and right sides of the rib core 103a
  • the refractive index in the rib core 103a is mainly modulated by the electro-optic effect.
  • the effective refractive index of the propagating light mode in the gain region/light modulation region 101a is modulated.
  • the cross-sectional size of the rib core 103a, the thickness of the bonding layer 107, and the relative positions of the electrodes 121a and 121b with respect to the core 104 are adjusted as appropriate to obtain as large a change in the effective refractive index as possible with respect to the applied voltage. .
  • the thickness of the semiconductor layer in which the p-type semiconductor layer 112a, the i-type semiconductor layer 112, and the n-type semiconductor layer 112b are formed was 250 nm, the width of the active layer 111 was 300 nm, and the thickness of the active layer 111 was 250 nm. Further, the bonding layer 107 had a thickness of 500 nm. Further, the rib core 103a had a width of 1000 nm and a height of 200 nm, and the slab thickness of the light modulation layer 103' was 100 nm. As shown in FIG. 12B, light is mainly confined in the rib core 103a and also exists in the active layer 111, so that optical gain can be obtained.
  • the light modulation layer 103' is made of a material that has an electro-optic effect, it becomes possible to suppress intensity modulation and modulate the frequency.
  • the size of the core 104 in consideration of productivity, it is desirable to make the core height (thickness) equal to the thickness of the i-type semiconductor layer 112, as described above.
  • an optical filter for frequency modulation-intensity modulation conversion (FM-AM conversion) beyond the second distributed Bragg reflector region 106
  • the above-mentioned optical filter can be constructed from a Mach-Zehnder interferometer (MZI) using an optical waveguide with a core made of InP or a ring resonator. Further, it is desirable that the optical filter described above is appropriately provided with a wavelength tuning structure such as a heater.
  • a spot size converter or the like can be integrated, for example, beyond the second distributed Bragg reflector region 106. .
  • the light modulation region is made of a material having an electro-optic effect, it becomes possible to suppress intensity modulation and modulate frequency.

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Abstract

この光デバイスは、導波路型の半導体レーザを構成するゲイン領域（１０１）と、半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域（１０２）とを備える。半導体レーザは、分布ブラッグ反射レーザであり、ゲイン領域（１０１）は、第１分布ブラッグ反射鏡領域（１０５）と第２分布ブラッグ反射鏡領域（１０６）の間に配置されている。また、光変調領域（１０２）は、ゲイン領域（１０１）と第１分布ブラッグ反射鏡領域（１０５）との間に配置されている。光変調領域（１０２）は、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層（１０３）を備える。

Description

光デバイス
　本発明は、発信するレーザ光の周波数を変調する光デバイスに関する。
　増大し続ける情報通信トラフィックを支えるため、光通信デバイスの高速大容量化や伝送距離の長距離化が飛躍的に進展している。光通信デバイスの中でも、光送信機は光通信を支えるキーデバイスであり、中でも直接変調レーザ（Directly modulated laser：ＤＭＬ）や、電界吸収変調器集積型ＤＦＢレーザ(Electro-Absorption modulator integrated distributed feedback laser：ＥＡ－ＤＦＢ）は、よりシンプルなシステム構成となる強度変調－直接検波（ＩＭＤＤ）伝送方式において広く用いられている。しかしＤＭＬやＥＡ－ＤＦＢは原理的に周波数チャープが生じるため、特に１００Ｇｂｉｔ／ｓ／λ級の伝送容量が実現される昨今、伝送距離が制限されるという大きな問題があった。
　上述した問題に対し、周波数チャープの問題を解決しつつ、ＤＭＬやＥＡ－ＤＦＢと類似したデバイス構造を有することで製造性にも優れるデバイスとして、周波数変調レーザが提案されている（非特許文献１）。この周波数変調レーザの構造を図１３に示す。この周波数変調レーザは、分布反射型（Distributed Bragg reflector：ＤＢＲ）レーザであり、２つの分布ブラッグ反射鏡領域７０１ａ，７０１ｂの間の共振領域に、ゲイン領域７０２と、伝搬光モード実効屈折率の位相シフト領域７０３とを備える。位相シフト領域７０３の実効屈折率を変調することでＤＢＲレーザの縦モード発進波長、すなわち発振周波数を変調する。
　上述した周波数変調レーザにおいて周波数変調された信号光は、この後、シンプルな光フィルタを透過させることで、周波数変調－強度変調（ＦＭ－ＡＭ）変換が可能であり、ＩＭＤＤシステムにも適用可能である。
　また非特許文献２において、この周波数変調レーザは、緩和振動周波数によって動作低域が大きく律速されるＤＭＬと異なり、高速動作可能なことも示されている。
S. Matsuo et al., "Extended Transmission Reach Using Optical Filtering of Frequency-Modulated Widely Tunable SSG-DBR Laser", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 20, no. 4, pp. 294-296, 2008. T. Kakitsuka and S. MATSUO, "High-Speed Frequency Modulated DBR Lasers for Long-Reach Transmission", IEICE Transactions on Electronics, vol. E92.C, no. 7, p. 929, 2009. S. Matsuo and T. Kakitsuka, "Low-operating-energy directly modulated lasers for shortdistance optical interconnects", Advances in Optics and Photonics, vol. 10, no. 3, pp. 567-643, 2018.
　しかしながら、上述した技術では、次に示す問題があった。従来技術では、位相シフト領域に変調電界を印加した際、量子閉じ込めシュタルク（Stark）効果やフランツ－ケルディッシュ（Franz-Keldysh）効果による強度変調が生じないようにバンドギャップを制御したとしても、何らかの理由（例えば、位相シフト領域内に流出入するキャリア）によって強度変調が生じてしまい、動作速度が低下するという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、強度変調を抑制して周波数を変調することを目的とする。
　本発明に係る光デバイスは、導波路型の半導体レーザを構成するゲイン領域と、半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域とを備え、光変調領域は、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層を備え、光変調層に対する変調電界の印加により、伝搬光モードの実効屈折率を変調することで、半導体レーザが発振するレーザ光の周波数を変調する。
　以上説明したように、本発明によれば、光変調領域を、電気光学効果を有する材料から構成したので、強度変調を抑制して周波数を変調することができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの構成を示す平面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの構成を示す平面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図３Ｄは、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの構成を示す平面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図５Ｃは、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図５Ｄは、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの構成を示す平面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図７Ｃは、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図７Ｄは、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図８Ｃは、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの構成を示す平面図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図９Ｃは、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図９Ｄは、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図１０Ｃは、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図１１Ａは、本発明の実施の形態６に係る光デバイスの構成を示す平面図である。 図１１Ｂは、本発明の実施の形態６に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図１１Ｃは、本発明の実施の形態６に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図１２Ａは、本発明の実施の形態６に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図１２Ｂは、本発明の実施の形態６に係る光デバイスの光伝搬モードの電磁界分布を示す分布図である。 図１３は、周波数変調レーザの構造を示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る光デバイスについて説明する。
［実施の形態１］
　はじめに、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの構成について図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄを参照して説明する。図１Ｂは、図１Ａのａａ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図１Ｃは、図１Ａのｂｂ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図１Ｄは、図１Ａのｃｃ’線における導波方向に垂直な断面を示している。この光デバイスは、導波路型の半導体レーザを構成するゲイン領域１０１と、半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域１０２とを備える。
　実施の形態１において、半導体レーザは、分布ブラッグ反射レーザであり、ゲイン領域１０１は、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５と第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の間に配置されている。また、光変調領域１０２は、ゲイン領域１０１と第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５との間に配置されている。図１Ａに示す矢印の方にレーザが発振（出力）される。
　ゲイン領域１０１は、ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂを備え、ｉ型半導体層１１２には、活性層１１１が埋め込まれている。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂは、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。半導体層に所定の不純物を導入することで、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを形成することができる。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層は、例えば、ＳｉＯ2から構成された接合層１０７を介し、光変調層１０３の上に形成することができる。
　また、活性層１１１は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することができる。また、活性層１１１は、多重量子井戸構造とすることができる。ｐ電極１１３ａおよびｎ電極１１３ｂを用い、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを介し、ｉ型半導体層１１２に対して導波方向に交差（垂直）な方向（横方向）に、電流を注入する構造とされている（参考文献１）。
　光変調領域１０２は、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層１０３を備える。電極１２１ａ、電極１２１ｂを用いた、光変調層１０３に対する変調電界の印加により、伝搬光モードの実効屈折率を変調することで、半導体レーザが発振するレーザ光の周波数を変調する。光変調領域１０２は、例えば、ニオブ酸リチウム（Lithium Niobate：ＬＮ）から構成することができる。
　また、光変調領域１０２は、光変調層１０３の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。コア１０４は、ゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２（活性層１１１）に連続して形成されている。電極１２１ａ、電極１２１ｂは、コア１０４を挾んで配置されている。コア１０４は、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
　第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５と第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６は、光変調層１０３の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。光変調領域１０２から第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５にかけて、コア１０４は連続して形成されている。また、光変調領域１０２は、コア幅が小さくなっている。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５においては、コア１０４の上に回折格子１５１が形成されている。同様に、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６においては、コア１０４の上に回折格子１６１が形成されている。回折格子１５１、回折格子１６１は、コア１０４の側面に形成することもできる。
　実施の形態１において、光変調層１０３、接合層１０７は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に共通に形成され、光変調層１０３は下部クラッドとしても機能する。また、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に、例えば、ＳｉＯ2からなる上部クラッド層１０８が形成されている。また、ゲイン領域１０１は、導波方向の長さを８０μｍとし、光変調領域１０２は、導波方向の長さを４０μｍとすることができる。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６は、導波方向の長さを８０μｍとすることができる。
　次に、実施の形態１に係る光デバイスにおける光伝搬モードについて、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを参照して説明する。
　まず、図２Ａに、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５（第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６）の光伝搬モードを示す。第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５におけるコア１０４は、幅６００ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ２０ｎｍとした。図２Ａに示すように、光はほぼコア１０４に閉じ込められている。
　次に、図２Ｂに、光変調領域１０２の光伝搬モードを示す。光変調領域１０２におけるコア１０４は、幅３５０ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ２０ｎｍとした。図２Ｂに示すように、コア１０４内に閉じ込められている光の一部が、光変調層１０３に漏れ出している。
　光変調領域１０２においては、コア１０４の断面のサイズは、光変調層１０３に伝搬光モードの電磁界分布が漏れ出すように適宜調整することが重要となる。コア１０４の左右に配置された電極１２１ａ、電極１２１ｂより変調電界を印加すると、主に、光変調層１０３における屈折率が電気光学効果によって変調される。これにより、光変調領域１０２における伝搬光モードの実効屈折率が変調される。コア１０４の断面のサイズ、接合層１０７の厚さ、電極１２１ａ、電極１２１ｂのコア１０４に対する相対的な位置は、印加電圧に対してなるべく大きな実効屈折率変化が得られるように適宜調整する。
　次に、図２Ｃに、ゲイン領域１０１の光伝搬モードを示す。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層の厚さは３５０ｎｍとし、活性層１１１の幅は８００ｎｍｍとし、活性層１１１の厚さ２５０ｎｍとした。また、接合層１０７は厚さ２０ｎｍとした。図２Ｃに示すように、光は、活性層１１１内に強く閉じ込められている。
　上述したように、光変調領域１０２（光変調層１０３）を、電気光学効果を有する材料から構成したので、強度変調を抑制して周波数を変調することができるようになる。なお、コア１０４のサイズについては、生産性を考慮すると、上述したように、コア高さ（厚さ）をゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２の厚さに等しくすることが望ましい。この条件の範囲で、コア１０４内への所望の光閉じ込めが得られるように、コア幅を各領域において適宜調整し、各領域間は光放射損失や反射が生じないように幅を漸次変化させるテーパ構造によって接続することが望ましい。
　また、周波数変調－強度変調の変換（ＦＭ－ＡＭ変換）を行うための光フィルタを、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の先に集積することで、小型な光送信機を実現できる。上述した光フィルタは、ＩｎＰからなるコアによる光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）やリング共振器から構成することができる。また、上述した光フィルタには、ヒータのような波長チューニング構造を適宜付与することが望ましい。また、実施の形態に係る光デバイスが接続される光ファイバへの接続損失を低減するためには、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の先に、例えばスポットサイズ変換器などを集積することができる。
［実施の形態２］
　次に、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの構成について図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄを参照して説明する。図３Ｂは、図３Ａのａａ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図３Ｃは、図３Ａのｂｂ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図３Ｄは、図３Ａのｃｃ’線における導波方向に垂直な断面を示している。この光デバイスは、導波路型の半導体レーザを構成するゲイン領域１０１と、半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域１０２とを備える。
　実施の形態２において、実施の形態１において、半導体レーザは、分布ブラッグ反射レーザであり、ゲイン領域１０１は、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５と第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の間に配置されている。また、光変調領域１０２は、ゲイン領域１０１と第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５との間に配置されている。
　ゲイン領域１０１は、ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂを備え、ｉ型半導体層１１２には、活性層１１１が埋め込まれている。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂは、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。半導体層に所定の不純物を導入することで、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを形成することができる。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層は、例えば、ＳｉＯ2から構成された接合層１０７を介し、光変調層１０３’の上に形成することができる。
　また、活性層１１１は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することができる。また、活性層１１１は、多重量子井戸構造とすることができる。ｐ電極１１３ａおよびｎ電極１１３ｂを用い、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを介し、ｉ型半導体層１１２に対して導波方向に交差（垂直）な方向（横方向）に、電流を注入する構造とされている（参考文献１）。
　光変調領域１０２は、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層１０３’を備える。電極１２１ａ、電極１２１ｂを用いた、光変調層１０３’に対する変調電界の印加により、伝搬光モードの実効屈折率を変調することで、半導体レーザが発振するレーザ光の周波数を変調する。光変調領域１０２は、例えば、ニオブ酸リチウムから構成することができる。
　また、光変調領域１０２は、光変調層１０３’の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。コア１０４は、ゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２（活性層１１１）に連続して形成されている。電極１２１ａ、電極１２１ｂは、コア１０４を挾んで配置されている。コア１０４は、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
　第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５と第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６は、光変調層１０３’の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。光変調領域１０２から第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５にかけて、コア１０４は連続して形成されている。また、光変調領域１０２は、コア幅が小さくなっている。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５においては、コア１０４の上に回折格子１５１が形成されている。同様に、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６においては、コア１０４の上に回折格子１６１が形成されている。回折格子１５１、回折格子１６１は、コア１０４の側面に形成することもできる。
　実施の形態２において、光変調層１０３’、接合層１０７は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に共通に形成されている。また、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に、例えば、ＳｉＯ2からなる上部クラッド層１０８が形成されている。また、ゲイン領域１０１は、導波方向の長さを８０μｍとし、光変調領域１０２は、導波方向の長さを４０μｍとすることができる。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６は、導波方向の長さを８０μｍとすることができる。
　上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態２では、光変調層１０３’が、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層１０９の上に形成されている。さらに、光変調層１０３’は、伝搬光の伝搬方向に垂直な断面視で、半導体レーザの活性層１１１が形成されている側に凸のリブコア１０３ａを備えるリブ型とされている。光変調層１０３’のスラブ部は、厚さ１００ｎｍとし、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ（厚さ）２００ｎｍとすることができる。リブ型とされた光変調層１０３’は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に形成されている。
　次に、実施の形態２に係る光デバイスにおける光伝搬モードについて、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを参照して説明する。
　まず、図４Ａに、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５（第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６）の光伝搬モードを示す。第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５におけるコア１０４は、幅６００ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図４Ａに示すように、光はほぼコア１０４に閉じ込められている。
　次に、図４Ｂに、光変調領域１０２の光伝搬モードを示す。光変調領域１０２におけるコア１０４は、幅２５０ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図４Ｂに示すように、光は、一部がコア１０４内に閉じ込められているが、大部分は、光変調層１０３’のリブコア１０３ａに強度分布を有している。
　光変調領域１０２においては、コア１０４の断面のサイズは、リブコア１０３ａに伝搬光モードの電磁界分布が漏れ出すように適宜調整することが重要となる。コア１０４（リブコア１０３ａ）の左右に配置された電極１２１ａ、電極１２１ｂより変調電界を印加すると、主に、リブコア１０３ａにおける屈折率が電気光学効果によって変調される。これにより、光変調領域１０２における伝搬光モードの実効屈折率が変調される。コア１０４の断面のサイズ、接合層１０７の厚さ、電極１２１ａ、電極１２１ｂのコア１０４に対する相対的な位置は、印加電圧に対してなるべく大きな実効屈折率変化が得られるように適宜調整する。
　次に、図４Ｃに、ゲイン領域１０１の光伝搬モードを示す。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層の厚さは３５０ｎｍとし、活性層１１１の幅は８００ｎｍｍとし、活性層１１１の厚さ２５０ｎｍとした。また、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。図４Ｃに示すように、光は、活性層１１１内に強く閉じ込められている。
　上述したように、光変調領域１０２（光変調層１０３’）を、電気光学効果を有する材料から構成したので、強度変調を抑制して周波数を変調することができるようになる。なお、コア１０４のサイズについては、生産性を考慮すると、上述したように、コア高さ（厚さ）をゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２の厚さに等しくすることが望ましい。この条件の範囲で、コア１０４内への所望の光閉じ込めが得られるように、コア幅を各領域において適宜調整し、各領域間は光放射損失や反射が生じないように幅を漸次変化させるテーパ構造によって接続することが望ましい。
　また、周波数変調－強度変調の変換（ＦＭ－ＡＭ変換）を行うための光フィルタを、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の先に集積することで、小型な光送信機を実現できる。上述した光フィルタは、ＩｎＰからなるコアによる光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）やリング共振器から構成することができる。また、上述した光フィルタには、ヒータのような波長チューニング構造を適宜付与することが望ましい。また、実施の形態に係る光デバイスが接続される光ファイバへの接続損失を低減するためには、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の先に、例えばスポットサイズ変換器などを集積することができる。
［実施の形態３］
　次に、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの構成について図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄを参照して説明する。図５Ｂは、図５Ａのａａ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図５Ｃは、図５Ａのｂｂ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図５Ｄは、図５Ａのｃｃ’線における導波方向に垂直な断面を示している。この光デバイスは、導波路型の半導体レーザを構成するゲイン領域１０１と、半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域１０２とを備える。
　実施の形態３において、半導体レーザは、分布ブラッグ反射レーザであり、ゲイン領域１０１は、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５と第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の間に配置されている。また、光変調領域１０２は、ゲイン領域１０１と第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５との間に配置されている。
　ゲイン領域１０１は、ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂを備え、ｉ型半導体層１１２には、活性層１１１が埋め込まれている。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂは、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。半導体層に所定の不純物を導入することで、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを形成することができる。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層は、例えば、ＳｉＯ2から構成された接合層１０７を介し、光変調層１０３’の上に形成することができる。
　また、活性層１１１は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することができる。また、活性層１１１は、多重量子井戸構造とすることができる。ｐ電極１１３ａおよびｎ電極１１３ｂを用い、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを介し、ｉ型半導体層１１２に対して導波方向に交差（垂直）な方向（横方向）に、電流を注入する構造とされている（参考文献１）。
　光変調領域１０２は、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層１０３’を備える。電極１２１ａ、電極１２１ｂを用いた、光変調層１０３’に対する変調電界の印加により、伝搬光モードの実効屈折率を変調することで、半導体レーザが発振するレーザ光の周波数を変調する。光変調領域１０２は、例えば、ニオブ酸リチウムから構成することができる。
　一方、実施の形態３では、光変調領域１０２において、光変調層１０３’の上にコア１０４が形成されていない。コア１０４は、後述するように、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６において形成されている。コア１０４は、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
　第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５と第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６は、光変調層１０３’の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。また、コア幅は、光変調領域１０２に向けて、徐々に小さくなっている。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５においては、コア１０４の上に回折格子１５１が形成されている。同様に、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６においては、コア１０４の上に回折格子１６１が形成されている。回折格子１５１、回折格子１６１は、コア１０４の側面に形成することもできる。
　実施の形態３において、光変調層１０３’、接合層１０７は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に共通に形成されている。また、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に、例えば、ＳｉＯ2からなる上部クラッド層１０８が形成されている。また、ゲイン領域１０１は、導波方向の長さを８０μｍとし、光変調領域１０２は、導波方向の長さを４０μｍとすることができる。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６は、導波方向の長さを８０μｍとすることができる。
　また、前述した実施の形態２と同様に、光変調層１０３’が、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層１０９の上に形成されている。さらに、光変調層１０３’は、伝搬光の伝搬方向に垂直な断面視で、半導体レーザの活性層１１１が形成されている側に凸のリブコア１０３ａを備えるリブ型とされている。光変調層１０３’のスラブ部は、厚さ１００ｎｍとし、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ（厚さ）２００ｎｍとすることができる。リブ型とされた光変調層１０３’は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に形成されている。
　次に、実施の形態３に係る光デバイスにおける光伝搬モードについて、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃを参照して説明する。
　まず、図６Ａに、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５（第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６）の光伝搬モードを示す。第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５におけるコア１０４は、幅６００ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図６Ａに示すように、光はほぼコア１０４に閉じ込められている。
　次に、図６Ｂに、コア１０４を形成していない光変調領域１０２の光伝搬モードを示す。光変調領域１０２におけるリブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図６Ｂに示すように、光は、光変調層１０３’のリブコア１０３ａに閉じ込められ、ほぼ全てが光変調層１０３’のリブコア１０３ａに強度分布を有している。
　光変調領域１０２においては、リブコア１０３ａに伝搬光モードの電磁界分布が存在していることが重要となる。リブコア１０３ａの左右に配置された電極１２１ａ、電極１２１ｂより変調電界を印加すると、主に、リブコア１０３ａにおける屈折率が電気光学効果によって変調される。これにより、光変調領域１０２における伝搬光モードの実効屈折率が変調される。
　次に、図６Ｃに、ゲイン領域１０１の光伝搬モードを示す。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層の厚さは３５０ｎｍとし、活性層１１１の幅は８００ｎｍｍとし、活性層１１１の厚さ２５０ｎｍとした。また、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。図６Ｃに示すように、光は、活性層１１１内に強く閉じ込められている。
　上述したように、光変調領域１０２（光変調層１０３’）を、電気光学効果を有する材料から構成したので、強度変調を抑制して周波数を変調することができるようになる。また、光変調領域１０２において、コア１０４を設けないことにより、リブコア１０３ａへのさらなる光の閉じ込めが可能となる。
　また、周波数変調－強度変調の変換（ＦＭ－ＡＭ変換）を行うための光フィルタを、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の先に集積することで、小型な光送信機を実現できる。上述した光フィルタは、ＩｎＰからなるコアによる光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）やリング共振器から構成することができる。また、上述した光フィルタには、ヒータのような波長チューニング構造を適宜付与することが望ましい。また、実施の形態に係る光デバイスが接続される光ファイバへの接続損失を低減するためには、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の先に、例えばスポットサイズ変換器などを集積することができる。
［実施の形態４］
　次に、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの構成について図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄを参照して説明する。図７Ｂは、図７Ａのａａ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図７Ｃは、図７Ａのｂｂ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図７Ｄは、図７Ａのｃｃ’線における導波方向に垂直な断面を示している。この光デバイスは、導波路型の半導体レーザを構成するゲイン領域１０１と、半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域１０２ａとを備える。
　実施の形態４において、半導体レーザは、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであり、ゲイン領域１０１に回折格子１１４を備える。
　ゲイン領域１０１は、ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂを備え、ｉ型半導体層１１２には、活性層１１１が埋め込まれている。ｉ型半導体層１１２において、活性層１１１の上に回折格子１１４を形成することができる。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂは、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。半導体層に所定の不純物を導入することで、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを形成することができる。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層は、例えば、ＳｉＯ2から構成された接合層１０７を介し、光変調層１０３’の上に形成することができる。
　また、活性層１１１は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することができる。また、活性層１１１は、多重量子井戸構造とすることができる。ｐ電極１１３ａおよびｎ電極１１３ｂを用い、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを介し、ｉ型半導体層１１２に対して導波方向に交差（垂直）な方向（横方向）に、電流を注入する構造とされている（参考文献１）。
　光変調領域１０２ａは、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層１０３’を備える。電極１２１ａ、電極１２１ｂを用いた、光変調層１０３’に対する変調電界の印加により、伝搬光モードの実効屈折率を変調することで、半導体レーザが発振するレーザ光の周波数を変調する。光変調領域１０２ａは、例えば、ニオブ酸リチウムから構成することができる。
　さらに、実施の形態４では、光変調領域１０２ａにおいて、光変調層１０３’の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４に、回折格子１５１’を備え、光変調領域１０２ａに、分布ブラッグ反射構造を備えるものとした。回折格子１５１’は、コア１０４の上面もしくは側面に形成することができる。実施の形態４では、光変調領域１０２ａが、分布ブラッグ反射鏡領域も構成している。コア１０４は、ゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２（活性層１１１）に連続して形成されている。電極１２１ａ、電極１２１ｂは、コア１０４を挾んで配置されている。コア１０４は、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
　実施の形態４において、ゲイン領域１０１の回折格子１１４は、分布ブラッグ反射鏡領域も構成している光変調領域１０２ａとの間に、適切なデチューニング量を有するように設計される。
　また、実施の形態４において、ゲイン領域１０１の後段には、出力光導波路１０６’が形成されている。出力光導波路１０６’は、光変調層１０３’の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。コア１０４は、ゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２（活性層１１１）に連続して形成されている。
　実施の形態４において、光変調層１０３’、接合層１０７は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２ａ、出力光導波路１０６’の全域に共通に形成されている。また、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２ａ、出力光導波路１０６’の全域に、例えば、ＳｉＯ2からなる上部クラッド層１０８が形成されている。また、ゲイン領域１０１は、導波方向の長さを８０μｍとし、光変調領域１０２ａは、導波方向の長さを４０μｍとすることができる。また、出力光導波路１０６’は、導波方向の長さを８０μｍとすることができる。
　また、前述した実施の形態２と同様に、光変調層１０３’が、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層１０９の上に形成されている。さらに、光変調層１０３’は、伝搬光の伝搬方向に垂直な断面視で、半導体レーザの活性層１１１が形成されている側に凸のリブコア１０３ａを備えるリブ型とされている。光変調層１０３’のスラブ部は、厚さ１００ｎｍとし、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ（厚さ）２００ｎｍとすることができる。リブ型とされた光変調層１０３’は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２ａ、出力光導波路１０６’の全域に形成されている。
　次に、実施の形態４に係る光デバイスにおける光伝搬モードについて、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃを参照して説明する。
　まず、図８Ａに、光変調領域１０２ａの光伝搬モードを示す。光変調領域１０２におけるコア１０４は、幅２５０ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図８Ａに示すように、光は、ほぼ全てが、光変調層１０３’のリブコア１０３ａに閉じ込められている。
　光変調領域１０２ａにおいては、コア１０４の断面のサイズは、光変調層１０３（リブコア１０３ａ）に伝搬光モードの電磁界分布が漏れ出し、リブコア１０３ａに伝搬光モードの電磁界分布が存在するように適宜調整することが重要となる。コア１０４（リブコア１０３ａ）の左右に配置された電極１２１ａ、電極１２１ｂより変調電界を印加すると、主に、リブコア１０３ａにおける屈折率が電気光学効果によって変調される。これにより、光変調領域１０２ａにおける伝搬光モードの実効屈折率が変調される。
　次に、図８Ｂに、ゲイン領域１０１の光伝搬モードを示す。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層の厚さは３５０ｎｍとし、活性層１１１の幅は８００ｎｍｍとし、活性層１１１の厚さ１００ｎｍとした。また、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。図８Ｂに示すように、光は、活性層１１１内に強く閉じ込められている。
　次に、図８Ｃに、出力光導波路１０６’の光伝搬モードを示す。出力光導波路１０６’におけるコア１０４は、幅５５０ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図８Ｃに示すように、光はほぼコア１０４に閉じ込められている。
　上述したように、光変調領域１０２ａ（光変調層１０３’）を、電気光学効果を有する材料から構成したので、強度変調を抑制して周波数を変調することができるようになる。
　なお、コア１０４のサイズについては、生産性を考慮すると、上述したように、コア高さ（厚さ）をゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２の厚さに等しくすることが望ましい。この条件の範囲で、コア１０４内への所望の光閉じ込めが得られるように、コア幅を各領域において適宜調整し、各領域間は光放射損失や反射が生じないように幅を漸次変化させるテーパ構造によって接続することが望ましい。
　また、周波数変調－強度変調の変換（ＦＭ－ＡＭ変換）を行うための光フィルタを、出力光導波路１０６’の先に集積することで、小型な光送信機を実現できる。上述した光フィルタは、ＩｎＰからなるコアによる光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）やリング共振器から構成することができる。また、上述した光フィルタには、ヒータのような波長チューニング構造を適宜付与することが望ましい。また、実施の形態に係る光デバイスが接続される光ファイバへの接続損失を低減するためには、出力光導波路１０６’の先に、例えばスポットサイズ変換器などを集積することができる。
［実施の形態５］
　次に、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの構成について図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄを参照して説明する。図９Ｂは、図９Ａのａａ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図９Ｃは、図９Ａのｂｂ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図９Ｄは、図９Ａのｃｃ’線における導波方向に垂直な断面を示している。この光デバイスは、導波路型の半導体レーザを構成するゲイン領域１０１と、半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域１０２とを備える。
　実施の形態５において、半導体レーザは、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであり、ゲイン領域１０１に回折格子１１４を備える。さらに、ゲイン領域１０１に加え、ゲイン領域１０１’を備える（ゲイン領域を２つ備える）。
　ゲイン領域１０１は、ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂを備え、ｉ型半導体層１１２には、活性層１１１が埋め込まれている。ｉ型半導体層１１２において、活性層１１１の上に回折格子１１４を形成することができる。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂは、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。半導体層に所定の不純物を導入することで、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを形成することができる。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層は、例えば、ＳｉＯ2から構成された接合層１０７を介し、光変調層１０３’の上に形成することができる。
　また、活性層１１１は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することができる。また、活性層１１１は、多重量子井戸構造とすることができる。ｐ電極１１３ａおよびｎ電極１１３ｂを用い、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを介し、ｉ型半導体層１１２に対して導波方向に交差（垂直）な方向（横方向）に、電流を注入する構造とされている（参考文献１）。
　ゲイン領域１０１’も、上述したゲイン領域１０１と同様の構成とされている。２つのゲイン領域１０１とゲイン領域１０１’との間で、適切なデチューニング量を有するように各々の回折格子を設計することができる。
　光変調領域１０２は、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層１０３’を備える。電極１２１ａ、電極１２１ｂを用いた、光変調層１０３’に対する変調電界の印加により、伝搬光モードの実効屈折率を変調することで、半導体レーザが発振するレーザ光の周波数を変調する。光変調領域１０２は、例えば、ニオブ酸リチウムから構成することができる。実施の形態５において、光変調領域１０２は、２つのゲイン領域１０１，ゲイン領域１０１’の間に配置されている。
　また、光変調領域１０２は、光変調層１０３’の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。コア１０４は、ゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２（活性層１１１）に連続して形成されている。電極１２１ａ、電極１２１ｂは、コア１０４を挾んで配置されている。コア１０４は、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
　また、実施の形態５において、ゲイン領域１０１の後段には、出力光導波路１０６’が形成されている。出力光導波路１０６’は、光変調層１０３’の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。コア１０４は、ゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２（活性層１１１）に連続して形成されている。
　実施の形態５において、光変調層１０３’、接合層１０７は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、ゲイン領域１０１’、出力光導波路１０６’の全域に共通に形成されている。また、ゲイン領域１０１、ゲイン領域１０１’、光変調領域１０２、出力光導波路１０６’の全域に、例えば、ＳｉＯ2からなる上部クラッド層１０８が形成されている。また、ゲイン領域１０１，ゲイン領域１０１’は、導波方向の長さを８０μｍとし、光変調領域１０２は、導波方向の長さを４０μｍとすることができる。また、出力光導波路１０６’は、導波方向の長さを８０μｍとすることができる。
　また、前述した実施の形態２と同様に、光変調層１０３’が、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層１０９の上に形成されている。さらに、光変調層１０３’は、伝搬光の伝搬方向に垂直な断面視で、半導体レーザの活性層１１１が形成されている側に凸のリブコア１０３ａを備えるリブ型とされている。光変調層１０３’のスラブ部は、厚さ１００ｎｍとし、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ（厚さ）２００ｎｍとすることができる。リブ型とされた光変調層１０３’は、ゲイン領域１０１、光変調領域１０２、出力光導波路１０６’の全域に形成されている。
　次に、実施の形態５に係る光デバイスにおける光伝搬モードについて、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃを参照して説明する。
　まず、図１０Ａに、ゲイン領域１０１の光伝搬モードを示す。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層の厚さは３５０ｎｍとし、活性層１１１の幅は８００ｎｍｍとし、活性層１１１の厚さ１００ｎｍとした。また、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図１０Ａに示すように、光は、活性層１１１内に強く閉じ込められている。
　次に、図１０Ｂに、光変調領域１０２の光伝搬モードを示す。光変調領域１０２におけるコア１０４は、幅２５０ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図１０Ｂに示すように、光は、ほぼ全てが、光変調層１０３’のリブコア１０３ａに閉じ込められている。
　光変調領域１０２においては、リブコア１０３ａに伝搬光モードの電磁界分布が存在していることが重要となる。リブコア１０３ａの左右に配置された電極１２１ａ、電極１２１ｂより変調電界を印加すると、主に、リブコア１０３ａにおける屈折率が電気光学効果によって変調される。これにより、光変調領域１０２における伝搬光モードの実効屈折率が変調される。
　次に、図１０Ｃに、出力光導波路１０６’の光伝搬モードを示す。出力光導波路１０６’におけるコア１０４は、幅５５０ｎｍ、高さ３５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図１０Ｃに示すように、光はほぼコア１０４に閉じ込められている。
　上述したように、光変調領域１０２（光変調層１０３’）を、電気光学効果を有する材料から構成したので、強度変調を抑制して周波数を変調することができるようになる。
　なお、コア１０４のサイズについては、生産性を考慮すると、上述したように、コア高さ（厚さ）をゲイン領域１０１のｉ型半導体層１１２の厚さに等しくすることが望ましい。この条件の範囲で、コア１０４内への所望の光閉じ込めが得られるように、コア幅を各領域において適宜調整し、各領域間は光放射損失や反射が生じないように幅を漸次変化させるテーパ構造によって接続することが望ましい。
　また、周波数変調－強度変調の変換（ＦＭ－ＡＭ変換）を行うための光フィルタを、出力光導波路１０６’の先に集積することで、小型な光送信機を実現できる。上述した光フィルタは、ＩｎＰからなるコアによる光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）やリング共振器から構成することができる。また、上述した光フィルタには、ヒータのような波長チューニング構造を適宜付与することが望ましい。また、実施の形態に係る光デバイスが接続される光ファイバへの接続損失を低減するためには、出力光導波路１０６’の先に、例えばスポットサイズ変換器などを集積することができる。
［実施の形態６］
　次に、本発明の実施の形態６に係る光デバイスの構成について図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃを参照して説明する。図１１Ｂは、図１１Ａのａａ’線における導波方向に垂直な断面を示している。図１１Ｃは、図１１Ａのｂｂ’線における導波方向に垂直な断面を示している。この光デバイスは、導波路型の半導体レーザを構成し、かつ半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域となるゲイン領域兼光変調領域１０１ａを備える。この光デバイスは、光変調領域が、ゲイン領域と重なって配置されている。
　実施の形態６において、半導体レーザは、分布ブラッグ反射レーザであり、ゲイン領域兼光変調領域１０１ａは、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５と第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の間に配置されている。
　ゲイン領域兼光変調領域１０１ａは、ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂを備え、ｉ型半導体層１１２には、活性層１１１が埋め込まれている。ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂは、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。半導体層に所定の不純物を導入することで、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを形成することができる。
　また、活性層１１１は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することができる。また、活性層１１１は、多重量子井戸構造とすることができる。ｐ電極１１３ａおよびｎ電極１１３ｂを用い、ｐ型半導体層１１２ａおよびｎ型半導体層１１２ｂを介し、ｉ型半導体層１１２に対して導波方向に交差（垂直）な方向（横方向）に、電流を注入する構造とされている（参考文献１）。
　また、ゲイン領域兼光変調領域１０１ａは、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層１０３’を備える。ゲイン領域兼光変調領域１０１ａにおいて、光変調層１０３’の上に、ＳｉＯ2から構成された接合層１０７を介し、ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層が形成されている。
　ゲイン領域兼光変調領域１０１ａにおける光変調層１０３’には、ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂの形成領域より外側で、上部に取り出される電極’１２１ａ、電極’１２１ｂが接続されている。電極’１２１ａ、電極’１２１ｂによる光変調層１０３’に対する変調電界の印加により、伝搬光モードの実効屈折率を変調することで、半導体レーザが発振するレーザ光の周波数を変調する。光変調領域１０２は、例えば、ニオブ酸リチウムから構成することができる。
　第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５と第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６は、光変調層１０３’の上に接合層１０７を介して形成されたコア１０４を備える。コア１０４は、ｉ型半導体層１１２に連続して形成されている。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５においては、コア１０４の上に回折格子１５１が形成されている。同様に、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６においては、コア１０４の上に回折格子１６１が形成されている。回折格子１５１、回折格子１６１は、コア１０４の側面に形成することもできる。
　実施の形態６において、光変調層１０３’、接合層１０７は、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、ゲイン領域兼光変調領域１０１ａ、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に共通に形成されている。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、ゲイン領域兼光変調領域１０１ａ、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に、例えば、ＳｉＯ2からなる上部クラッド層１０８が形成されている。また、ゲイン領域兼光変調領域１０１ａは、導波方向の長さを４０μｍとし、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６は、導波方向の長さを８０μｍとすることができる。
　また、光変調層１０３’は、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層１０９の上に形成されている。さらに、光変調層１０３’は、伝搬光の伝搬方向に垂直な断面視で、半導体レーザの活性層１１１が形成されている側に凸のリブコア１０３ａを備えるリブ型とされている。光変調層１０３’のスラブ部は、厚さ１００ｎｍとし、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ（厚さ）２００ｎｍとすることができる。リブ型とされた光変調層１０３’は、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５、ゲイン領域兼光変調領域１０１ａ、および第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の全域に形成されている。
　次に、実施の形態６に係る光デバイスにおける光伝搬モードについて、図１２Ａ、図１２Ｂを参照して説明する。
　まず、図１２Ａに、第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５（第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６）の光伝搬モードを示す。第１分布ブラッグ反射鏡領域１０５におけるコア１０４は、幅５５０ｎｍ、高さ２５０ｎｍとし、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図１２Ａに示すように、光はほぼコア１０４に閉じ込められている。
　次に、図１２Ｂに、ゲイン領域兼光変調領域１０１ａの光伝搬モードを示す。ゲイン領域兼光変調領域１０１ａにおいては、光のモードは、リブコア１０３ａおよび活性層１１１の両者に存在し、光ゲインが得られるとともに、屈折率変調も得られるようにすることが重要となる。リブコア１０３ａの左右に配置された電極’１２１ａ、電極’１２１ｂより変調電界を印加すると、主に、リブコア１０３ａにおける屈折率が電気光学効果によって変調される。これにより、ゲイン領域兼光変調領域１０１ａにおける伝搬光モードの実効屈折率が変調される。リブコア１０３ａの断面のサイズ、接合層１０７の厚さ、電極’１２１ａ、電極’１２１ｂのコア１０４に対する相対的な位置は、印加電圧に対してなるべく大きな実効屈折率変化が得られるように適宜調整する。
　ｐ型半導体層１１２ａ、ｉ型半導体層１１２、ｎ型半導体層１１２ｂが形成される半導体層の厚さは２５０ｎｍとし、活性層１１１の幅は３００ｎｍｍとし、活性層１１１の厚さ２５０ｎｍとした。また、接合層１０７は厚さ５００ｎｍとした。また、リブコア１０３ａは、幅１０００ｎｍ、高さ２００ｎｍとし、光変調層１０３’のスラブ厚は１００ｎｍとした。図１２Ｂに示すように、光は、主にリブコア１０３ａに閉じ込められると同時に、活性層１１１にも存在し、光ゲインを得られるようになっている。
　上述したように、光変調層１０３’を、電気光学効果を有する材料から構成したので、強度変調を抑制して周波数を変調することができるようになる。なお、コア１０４のサイズについては、生産性を考慮すると、上述したように、コア高さ（厚さ）をｉ型半導体層１１２の厚さに等しくすることが望ましい。
　また、周波数変調－強度変調の変換（ＦＭ－ＡＭ変換）を行うための光フィルタを、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の先に集積することで、小型な光送信機を実現できる。上述した光フィルタは、ＩｎＰからなるコアによる光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）やリング共振器から構成することができる。また、上述した光フィルタには、ヒータのような波長チューニング構造を適宜付与することが望ましい。また、実施の形態に係る光デバイスが接続される光ファイバへの接続損失を低減するためには、第２分布ブラッグ反射鏡領域１０６の先に、例えばスポットサイズ変換器などを集積することができる。
　以上に説明したように、本発明によれば、光変調領域を、電気光学効果を有する材料から構成したので、強度変調を抑制して周波数を変調することができるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…ゲイン領域、１０２…光変調領域、１０３…光変調層、１０４…コア、１０５…第１分布ブラッグ反射鏡領域、１０６…第２分布ブラッグ反射鏡領域、１０７…接合層、１０８…上部クラッド層、１１１…活性層、１１２ａ…ｐ型半導体層、１１２ｂ…ｎ型半導体層、１１３ａ…ｐ電極、１１３ｂ…ｎ電極、１２１ａ，１２１ｂ…電極、１５１…回折格子、１６１…回折格子。

Claims (8)

  1. 　導波路型の半導体レーザを構成するゲイン領域と、
    　前記半導体レーザのレーザ光を変調する導波路型の光変調領域と
    　を備え、
    　前記光変調領域は、電気光学効果を有する材料から構成されて、伝搬光に結合可能な範囲に配置された光変調層を備え、前記光変調層に対する変調電界の印加により、伝搬光モードの実効屈折率を変調することで、前記半導体レーザが発振するレーザ光の周波数を変調することを特徴とする光デバイス。
  2. 　請求項１記載の光デバイスにおいて、
    　前記半導体レーザは、分布ブラッグ反射レーザであり、
    　前記光変調領域は、前記ゲイン領域と、分布ブラッグ反射鏡領域との間に配置されている
    　ことを特徴とする光デバイス。
  3. 　請求項２記載の光デバイスにおいて、
    　前記光変調層は、伝搬光の伝搬方向に垂直な断面視で、前記半導体レーザの活性層が形成されている側に凸のリブ型とされていることを特徴とする光デバイス。
  4. 　請求項３記載の光デバイスにおいて、
    　前記光変調領域および前記光変調領域に連続する分布ブラッグ反射鏡領域にかけて、前記ゲイン領域の活性層に連続して形成されたコアを備えることを特徴とする光デバイス。
  5. 　請求項１記載の光デバイスにおいて、
    　前記半導体レーザは、分布ブラッグ反射レーザであり、
    　前記光変調領域は、前記ゲイン領域と重なって配置され、
    　前記光変調層は、伝搬光の伝搬方向に垂直な断面視で、前記半導体レーザの活性層が形成されている側に凸のリブ型とされている
    　ことを特徴とする光デバイス。
  6. 　請求項１記載の光デバイスにおいて、
    　前記半導体レーザは、分布帰還型レーザであることを特徴とする光デバイス。
  7. 　請求項６記載の光デバイスにおいて、
    　前記ゲイン領域を２つ備え、
    　前記光変調領域は、２つの前記ゲイン領域の間に配置されている
    　ことを特徴とする光デバイス。
  8. 　請求項６記載の光デバイスにおいて、
    　前記光変調領域は、分布ブラッグ反射構造を備えることを特徴とする光デバイス。
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