(57)【要約】【課題】トータルのデバイス長が短い集積型光デバイスを搭載することで小型な光モジュールを実現する。【解決手段】第１導波路型光素子部と第２導波路型光素子部とを、基板に垂直な方向に集積することで素子長の短い集積型光デバイスを実現する。第１導波路型光素子部と第２導波路型光素子部の光学的な結合には、それぞれに集積形成した４５°傾斜全反射ミラーを用いる。即ち、第１導波路型光素子部で生成した光は第１導波路型光素子部の端部に形成された全反射ミラーで上方に折れ曲がり、この光を第２導波路型光素子部の端部に形成された４５°傾斜全反射ミラーで全反射して第２導波路型光素子部に結合する。また、第１導波路型光素子部は、基板面に垂直な方向に光を出射する光出射部分に出射光を集束するレンズ素子を有し、第２導波路型光素子部は、基板面に垂直な方向から光が入射する光入射部分に入射光を集光するレンズ素子を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導波路型光素子を集積化した集積型光デバイスを具備する光モジュールであって、
前記集積型光デバイスは、基板に垂直な方向に立体的に積層された第１導波路型光素子部と第２導波路型光素子部とを有し、
前記第１導波路型光素子部は、第１の光導波路を伝搬する光を基板面に垂直な方向に出射させるための反射部を有し、
前記第２導波路型光素子部は、基板面に垂直な方向から入射した光を第２の光導波路に導入するための反射部を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記第１導波路型光素子部は、サブマウント上に実装され、
前記第２導波路型光素子部は、前記第１導波路型光素子部上に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記第１導波路型光素子部における前記第１の光導波路の延長方向と直交する方向の長さが、前記第１導波路型光素子部上に実装された前記第２導波路型光素子部における前記第１の光導波路の延長方向と直交する方向の長さよりも長く、且つ、前記第１導波路型光素子部の前記第２導波路型光素子部と接していない領域に電極が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
【請求項４】
複数の導波路型光素子を集積化した集積型光デバイスを具備する光モジュールであって、
前記集積型光デバイスは、基板に垂直な方向に立体的に積層された第１導波路型光素子部と第２導波路型光素子部とを有し、
前記第１導波路型光素子部は、第１の光導波路を伝搬する光を基板面に垂直な方向に出射させるための反射部を有し、
前記第２導波路型光素子部は、基板面に垂直な方向から入射した光を第２の光導波路に導入するための反射部を有し、
前記第１導波路型光素子部と第２導波路型光素子部とは、高さの異なるサブマウント上に実装されており、
前記第１導波路型光素子部の前記第１の光導波路と、前記第２導波路型光素子部の前記第２の光導波路とは、基板主面に垂直な方向から投影して見たときにそれらの結合部において直線的に連続しておらず折れ曲がっていることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
前記第１導波路型光素子部はＴＭ偏光で動作する構造を有し、
前記第２導波路型素子部はＴＥ偏光で動作する構造を有することを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記第１導波路型光素子部はＴＥ偏光で動作する構造を有し、
前記第２導波路型素子部はＴＭ偏光で動作する構造を有することを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
【請求項７】
前記第１導波路型光素子部は、前記基板面に垂直な方向に光を出射する光出射部分に出射光を集束するレンズ素子を有し、
前記第２導波路型光素子部は、前記基板面に垂直な方向から光が入射する光入射部分に入射光を集光するレンズ素子を有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項８】
前記第１導波路型光素子部は、少なくとも一つの波長可変型レーザと少なくとも一つの半導体光増幅器を有し、
前記第２導波路型光素子部は、少なくとも一つの光変調器を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光モジュールに係り、特に、半導体レーザや光変調器等の導波路型光素子部を複数集積形成した集積型光デバイスを構成部品として具備する光送受信モジュール等の光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットを介したブロードバンドサービスが普及する等、ネットワーク上を行き交う通信トラフィック量が急速に増加しており、大都市間や大陸間の幹線ネットワークや、近接都市間を結ぶメトロ系ネットワークの大容量化が活発化している。
また、従来の通信ネットワーク（テレコム）だけでなく、ストレージ用ネットワークやイーサネット等のデータコムにおいても、システムの大容量化技術が益々重要になっている。これらの高速インターフェイス装置のスループットは、チャンネル当りの速度以外に、モジュールサイズと消費電力で決まる実装密度により制限される。
このことから光モジュールの小型化が重要な課題となっている。例えば、１０Ｇｂｐｓの光送受信モジュールでは、従来の比較的大きな３００ｐｉｎモジュールから，ＸＥＮＰＡＫ（10-Gigabit Ethernet Transceiver Package）やＸＦＰ（10-Gigabit Small Form Factor Pluggable）といった，より小型なモジュールが求められるようになっている。
このため光モジュールに搭載される光デバイスの小型化が重要な開発課題になっている。小型な光モジュールを実現するためのキー技術は光デバイスの集積化技術である。例えば、メトロ系ネットワークの中／長距離伝送用送受信モジュールでは、半導体電界吸収型（ＥＡ：Electroabsorption）変調器をモノリシック集積した分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザ光源を送信側に用いることで、小型な送受信機を実現する方式が既に実用化されている。
【０００３】
このような、半導体レーザや光変調器等の複数の導波路型光素子を集積する際の代表的な手法の例を挙げれば、例えば、バットジョイント集積技術があげられる。
バットジョイント集積技術とは、同一基板上に複数の光導波路を突き合わせ接合させて集積する技術である。その作製方法は、まず、第１の光導波路を半導体基板上に結晶成長し、つぎにその一部をマスクパターンで覆ってからマスクパターンに覆われていない部分をエッチング技術を用いて除去し、続いて第１の光導波路をエッチング除去した部分に第２の光導波路を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）を用いて成長して接続するということを必要回数繰り返すというものである。
本技術では、それぞれの光導波路多層構造の材料、組成、層数、および膜厚を個別に最適化できるため、一回の選択成長で複数の導波路型光素子を一括形成する手法等と比較して、高性能な集積光デバイスの製造方法として広く利用されている。
なお、従来の集積光デバイス技術の公知例としては、ＥＡ変調器とＤＦＢレーザとを、光導波路を挟んで同一基板面内に集積形成した光デバイスの例が、下記特許文献１に記載されている。また、波長可変レーザアレイと合波器と半導体光増幅器をバットジョイント技術を用いて集積形成した集積光デバイスの例が、下記特許文献２に記載されている。さらに、基板面に垂直な方向にレーザ光を照射する垂直レーザと光増幅器とを積層した光デバイスが、下記特許文献３に記載されている。
【０００４】
なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
【特許文献１】特開２００２-３２４９３６号公報
【特許文献２】特開２００６−２５３５２５号公報
【特許文献３】特開２００４−２７３９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の集積型光デバイスでは、複数の導波路型光素子部を同一基板面内に次々と継ぎ足していくという集積手法をとっている。例えば、前述の特許文献１では、ＥＡ変調器とバルク光導波路とＤＦＢレーザを集積した集積型光デバイスの例が記載されているが、ＥＡ変調器とバルク光導波路とＤＦＢレーザが同一基板上に直線的に継ぎ足された集積形態をとっている。
前述の特許文献２においても、波長可変レーザアレイと合波器と半導体光増幅器を、同一基板上でそれぞれの光導波路を継ぎたすように並べる形で集積している。
ところが、このような２次元的な集積形態では、集積する導波路型光素子の数が増えると、素子の長さが集積数に伴って単調に長くなるという問題がある。
このため、次世代の小型光モジュールに搭載するために求められる長さの短い集積型光デバイスを実現するためには、従来の２次元集積技術では限界がある。例えば、図１は、波長可変型半導体レーザ１１と半導体光増幅器１２、そして半導体マッハ・ツェンダー（ＭＺ：Mach―Zehnder）変調器１３を従来のバットジョイント技術を用いて２次元集積した集積型光デバイスを示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は断面図である。なお、図１（ｂ）は、図１（ａ）の上面図における点線（Ａ〜Ｂ間）位置における断面構造を示す。
波長可変型半導体レーザ１１は、レーザ利得領域２２の前方と後方を、後方抽出回折格子ＤＢＲ２１と前方抽出回折格子ＤＢＲ２３で挟んだ構造を有する。なお、図１において、１４は無反射コーティング、１５は後方抽出回折格子ＤＢＲ用ｐ電極、１６はレーザ利得領域用ｐ電極、１７は前方抽出回折格子ＤＢＲ用ｐ電極である。
半導体光増幅器１２は、増幅器利得領域２４を有する、この増幅器利得領域２４の構造はレーザ利得領域２２の構造と同じである。また、図１において、１８は光増幅器用ｐ電極である。
マッハ・ツェンダー変調器１３は、一対のＭＭＩ（Multimode Interference Coupler）カプラ１９を有する。なお、図１において、２０は位相変調器用ｐ電極、２５は変調器光導波路、２６はｎ電極である。
【０００６】
図１に示す集積型光デバイスでは、波長可変型半導体レーザ１１の素子長は１．５ｍｍ、半導体光増幅器１２の素子長は０．５ｍｍ、マッハ・ツェンダー変調器１３の素子長は２ｍｍあるため、この集積型光デバイスのトータルのデバイス長は４ｍｍにも及ぶ。
ところが次世代光モジュールでは、集積型光デバイスの素子長としては２ｍｍ程度に抑えることが求められており、従来の集積型光デバイスでは、この短いデバイス長を実現することができない。
なお、前述の特許文献３には、垂直レーザから基板面に垂直な方向に照射されたレーザ光を、反射鏡により反射させて光増幅器に入射することが記載されている。しかしながら、特許文献３には、次世代の小型光モジュールに搭載するために求められる長さの短い集積型光デバイスを実現することは記載されていない。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、トータルのデバイス長が短い集積型光デバイスを搭載することで小型な光モジュールを実現することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）複数の導波路型光素子を集積化した集積型光デバイスを具備する光モジュールであって、前記集積型光デバイスは、基板に垂直な方向に立体的に積層された第１導波路型光素子部と第２導波路型光素子部とを有し、前記第１導波路型光素子部は、第１の光導波路を伝搬する光を基板面に垂直な方向に出射させるための反射部を有し、前記第２導波路型光素子部は、基板面に垂直な方向から入射した光を第２の光導波路に導入するための反射部を有する。
（２）（１）において、前記第１導波路型光素子部は、サブマウント上に実装され、前記第２導波路型光素子部は、前記第１導波路型光素子部上に実装されている。
（３）（２）において、前記第１導波路型光素子部における前記第１の光導波路の延長方向と直交する方向の長さが、前記第１導波路型光素子部上に実装された前記第２導波路型光素子部における前記第１の光導波路の延長方向と直交する方向の長さよりも長く、且つ、前記第１導波路型光素子部の前記第２導波路型光素子部と接していない領域に電極が形成されている。
【０００８】
（４）複数の導波路型光素子を集積化した集積型光デバイスを具備する光モジュールであって、前記集積型光デバイスは、基板に垂直な方向に立体的に積層された第１導波路型光素子部と第２導波路型光素子部とを有し、前記第１導波路型光素子部は、第１の光導波路を伝搬する光を基板面に垂直な方向に出射させるための反射部を有し、前記第２導波路型光素子部は、基板面に垂直な方向から入射した光を第２の光導波路に導入するための反射部を有し、前記第１導波路型光素子部と第２導波路型光素子部とは、高さの異なるサブマウント上に実装されており、前記第１導波路型光素子部の前記第１の光導波路と、前記第２導波路型光素子部の前記第２の光導波路とは、基板主面に垂直な方向から投影して見たときにそれらの結合部において直線的に連続しておらず折れ曲がっている。
（５）（４）において、前記第１導波路型光素子部はＴＭ偏光で動作する構造を有し、前記第２導波路型素子部はＴＥ偏光で動作する構造を有する。
（６）（４）において、前記第１導波路型光素子部はＴＥ偏光で動作する構造を有し、前記第２導波路型素子部はＴＭ偏光で動作する構造を有する。
（７）（１）ないし（６）の何れかにおいて、前記第１導波路型光素子部は、前記基板面に垂直な方向に光を出射する光出射部分に出射光を集束するレンズ素子を有し、前記第２導波路型光素子部は、前記基板面に垂直な方向から光が入射する光入射部分に入射光を集光するレンズ素子を有する。
（８）（１）ないし（７）の何れかにおいて、前記第１導波路型光素子部は、少なくとも一つの波長可変型レーザと少なくとも一つの半導体光増幅器を有し、前記第２導波路型光素子部は、少なくとも一つの光変調器を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、デバイス長の短い集積型光デバイスを実現でき、本デバイスを搭載することにより、超小型の光モジュールを実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［本願発明の概要］
本発明のポイントは、導波路型光素子をウェハの面に垂直な方向に立体的に集積することにより、集積型光デバイスのトータルの長さを短くすることである。
以下、本発明の集積型光デバイスの構成を図２および図３を用いて説明する。
図２は、波長可変型半導体レーザ１１と、半導体光増幅器１２と、半導体マッハ・ツェンダー変調器１３を本発明の方法により一体化集積した集積型光デバイスの一例を示す図であり、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は上面図である。なお、図２（ａ）の断面図は図２（ｂ）の上面図における点線Ａ−Ｂ間における断面構造を示している。
図２に示す集積型光デバイスは、上下２つの光デバイスを立体的に積層し半田３４等により直接接合した集積構造を持つ。
下側光デバイス３１は、従来の集積方法により、波長可変型半導体レーザ１１と半導体光増幅器１２をバットジョイント集積した光デバイスであり、上側光デバイス３２は、半導体マッハ・ツェンダー変調器１３である。
波長可変型半導体レーザ１１は、レーザ利得領域２２の前方と後方を、後方抽出回折格子ＤＢＲ２１と前方抽出回折格子ＤＢＲ２３で挟んだ構造を有する。半導体光増幅器１２は、増幅器利得領域２４を有する。この増幅器利得領域２４の構造はレーザ利得領域２２の構造と同じである。半導体マッハ・ツェンダー変調器１３は、一対のＭＭＩカプラ１９を有する。
なお、図２において、１４は無反射コーティング、２０は位相変調器用ｐ電極、２５は変調器光導波路、２６はｎ電極、３３，３６は引き出し電極、３５はサブマウントである。
【００１１】
上下２つの光デバイス（３１，３２）は、それぞれに集積形成された全反射ミラー（２７，３０）とレンズ素子（２８，２９）により光学的に結合される。
波長可変型半導体レーザ１１で生成されたレーザ光は、半導体光増幅器１２で増幅され、半導体光増幅器１２の先に集積形成された全反射ミラー２７で上方に折れ曲がる。この下側光デバイス３１からの出射光は、下側光デバイス３１の光出射部に集積形成されたレンズ素子２８でコリメート（狭窄化または集束化）され、上側光デバイス３２に入射する。
上側光デバイス３２では、光入射部に集積形成されたレンズ素子２９により光が集光され、集積形成された全反射ミラー３０で折り曲げられて半導体マッハ・ツェンダー変調器１３の変調器光導波路２５に結合され、変調される。変調されたレーザ光は、ミラーおよびレンズ素子の形成されていない側の端面から出射される。
このように、図２に示す集積型光デバイスでは、導波路型光素子部が３次元的に集積されているので、面内方向に継ぎ足すように集積する従来の２次元集積デバイスと比較してデバイスの長さを約半分に短くすることができる。
また、このように上下の光デバイス（３１，３２）を直接接合した構造では、上側と下側が接触している部分の電極への電気的な接続をとるために、下側光デバイス３１は上側光デバイス３２より幅が広くなっている。すなわち、下側光デバイス３１の、上側光デバイス３２と接触していない露出部分には引き出し電極３３が形成されており、上側光デバイス３１と下側光デバイス３２で共通の電気接続をとることができるようになっている。また、集積型光デバイスを実装するサブマウント３５上には引き出し電極３６が形成されており、下側光デバイス３１の波長可変型半導体レーザ１１および半導体光増幅器１２の電気接続をとることができる構成となっている。
【００１２】
図３は、２つの光デバイス（３１，３２）を、全反射ミラー（２７，３０）とレンズ素子（２８，２９）の光結合部分のみで上下方向に重ね合わせた構造とした場合の例である。図３に示す構造では、上側に配置された上側光デバイス３２と、下側に配置された下側光デバイス３１はそれぞれ高さの異なるサブマウント３５上に実装されている。サブマウント３５は図示したように高さの異なる個別の２つのサブマウントでも良いし、１つのサブマウントに段差構造を設けたものでも良い。
図３に示す構造では、図３（ｂ）の上面図を見るとわかるように、上側に配置された上側光デバイス３２の光導波路に沿った軸方向と、下側に配置された下側光デバイス３１の光導波路に沿った軸方向は直線的に連続しておらず、９０°折り曲がっている。
このように上下に集積する光デバイス（３１，３２）の光導波路を結合部で折り曲げて配置することで、集積型光デバイスの全体の長さを、従来の直線的に繋げていく集積方法と比較して約１／２に短くすることができる。
図３に示す構造は、図２に示す構造と比較して、集積型光デバイスの占有面積が広くなっているが、上下それぞれの光デバイス（３１，３２）の熱的な独立性と電気的な独立性を保ちやすいという利点がある。
なお、図３のように、上下の光デバイス（３１，３２）を９０°折り曲げて配置した場合には、上側の光導波路と下側の光導波路では光の偏光方向が９０°回転する点に注意が必要である。
【００１３】
例えば、下側に引張り歪量子井戸を有しＴＭ（Transverse Magnetic）偏光のレーザ光を発するレーザを集積した場合には、このレーザ光は上側の光導波路内ではＴＥ（Transverse Electric）偏光となるので、上側に集積する光素子はＴＥ偏光に対して良好に動作するように設計された光素子でなければならない。その逆に、例えば、下側に圧縮歪量子井戸を有しＴＥ偏光のレーザ光を発するレーザを集積した場合には、このレーザ光は上側の光導波路内ではＴＭ偏光となるので、上側に集積する光素子はＴＭ偏光に対して良好に動作するように設計された光素子でなければならない。
なお、前述の特許文献３には、垂直レーザから基板面に垂直な方向に照射されたレーザ光を、反射鏡により反射させて光増幅器に入射することが記載されている。しかしながら、特許文献３には、下側光デバイス３１と、上側光デバイス３２とを、基板に垂直な方向に集積することで素子長の短い集積型光デバイスを実現することは記載されていない。
特に、下側光デバイス３１と上側光デバイス３２の光学的な結合に、それぞれに集積形成した４５°傾斜全反射ミラーとレンズ素子を用いることは何ら記載されていない。即ち、下側光デバイス３１で生成した光を、下側光デバイス３１の端部に形成された全反射ミラーで上方に折れ曲げ、この光を上側光デバイス３２の端部に形成された４５°傾斜全反射ミラーで全反射して上側光デバイス３２に結合することは何ら開示されていない。
【００１４】
［集積型光デバイスの一例］
以下、本発明の実施例の光モジュールに搭載される集積型光デバイスの一例を図４〜６を用いて説明する。
図４は、本発明の実施例の光モジュールに搭載される集積型光デバイスの一例を示す図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は上面図である。
図５は、図４に示す集積型光デバイスの半導体レーザ部の製造工程を説明する断面図である。
図６は、図４に示す集積型光デバイスの半導体レーザ部の光の進行方向に交差する面での断面図である。
図４に示す集積型光デバイスは、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）半導体レーザと電界吸収型（ＥＡ：Electro Absorption）変調器とを３次元的に集積した波長１．５５μｍ帯のＥＡ変調器集積レーザである。
図４に示す集積型光デバイスは、基板面に垂直に集積された半導体レーザ部４１と変調器部４２から構成されている。半導体レーザ部４１のｎ電極４３と変調器部４２のｎ電極４４は、半田３４を介して電気的に接続される。そして、半導体レーザ部４１のｎ電極４３と変調器部４２のｎ電極４４は、ともに引き出し電極３３に接続される。
半導体レーザ部４１のｐ電極４５と変調器部４２のｐ電極４６はそれぞれ独立に形成されており、半導体レーザ部４１のｐ電極４５は引き出し電極３６に接続される。
【００１５】
半導体レーザ部４１と変調器部４２は、それぞれに集積形成された全反射ミラー（即ち、４５°傾斜全反射ミラー）（２７，３０）とレンズ素子（２８，２９）を介して光学的に接続されている。
すなわち、半導体レーザ部４１の活性層で発生したレーザ光は、半導体レーザ部４１に集積形成された全反射ミラー２７で反射して上方に折れ曲がる。上方に導かれたレーザ光は半導体レーザ部４１に集積形成されたレンズ素子２８でコリメート（狭窄化または集束化）されて上側の変調器部４２に入射する。
変調器部４２に入射した光は、変調器部４２に集積形成されたレンズ素子２９で集光された後、変調器部４２に集積形成された全反射ミラー３０で反射されて変調器部４２の光導波路に結合される。
なお、半導体レーザ部４１と変調器部４２の光導波路はストライプ状に加工されており、埋込みヘテロ型（ＢＨ：Buried Hetero）構造を有する（図６参照）。この構造はよく知られたものである。
以下、半導体レーザ部４１と変調器部４２の積層構造を、図４（ａ）を用いて説明する。半導体レーザ部４１と変調器部４２はそれぞれ独立に最適な構造としているため、それぞれ異なった積層構造を有する。
半導体レーザ部４１は、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層４７、ＩｎＧａＡｌＡｓ歪多重量子井戸層４８、そしてｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層４９を有する。活性領域となる量子井戸層では、厚さ７ｎｍのウェル層と厚さ８ｎｍのバリア層を５周期積層し、レーザとして十分な特性を実現できるように設計した。これらの層の下には、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる回折格子層５０を形成した。活性層領域および回折格子層５０の構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１５５０ｎｍとなるように形成した。
【００１６】
ここで、量子井戸層４８を挟んで設けられた光閉じ込め層（４７，４９）は、量子井戸層４８の光閉じ込めを強化するための層である。
光導波機能はコア領域を、これより屈折率の低いクラッド層で挟み込むことによって生じるものであり、クラッド層／量子井戸層／クラッド層の積層構造により光導波機能が実現されるものであるが、具体的形態では、量子井戸層４８における光閉じ込めを強化するため、量子井戸層４８を挟んで光閉じ込め層（４７，４９）を設けている。
その目的により、クラッド層の屈折率は、光閉じ込め層の屈折率より低い値とする。尚、図４に示す半導体レーザ部４１では、基板側のクラッド層は当該基板がこの役割を担っているが、勿論、半導体基板上に基板側クラッド層を別に設けることも可能である。
回折格子層５０の極性はｎ型、ｐ型のいずれでも良い。ｐ型の場合には、ＤＦＢレーザは、光の伝播方向に屈折率のみが周期的に変化する屈折率結合型となる。また、ｎ型の回折格子では、利得結合型ＤＦＢレーザとなる。それは、既に知られているように、回折格子が周期的な電流阻止層として機能するために、屈折率のみならず、活性層内の利得に周期的変化が生じるためである。
また、図４では、回折格子がＤＦＢレーザの全領域で均一に形成されたものを説明したが、必要に応じて、領域の一部に回折格子の位相をずらして構成した、いわゆる位相シフト構造を設けても良い。
一方、変調器部４２では、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層５１、アンドープ光吸収層５２、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層５３を形成した。光吸収層５２は、ＥＡ変調器として良好な特性を引き出すために、ＩｎＧａＡｌＡｓ系歪多重量子井戸構造とした。量子井戸の厚さは、８ｎｍ、バリア層の厚さは５ｎｍとし、これらを１０周期積層した。変調器部４２のバリア層を半導体レーザ部４１と比較して薄くする理由は、吸収層内でのキャリアの移動を容易にして変調器特性を向上させるためである。
【００１７】
次に、図４に示す半導体レーザ部４１の製造工程を、図５を用いて説明する。
まず、半導体レーザ部４１の構造を形成するために、ｎ型ＩｎＰ基板５４上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層４７、ＩｎＧａＡｌＡｓ歪多重量子井戸層４８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層４９を積層する。
更に、この上方にＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる回折格子層５０を含む多層構造を形成する。さらに、その上方にｐ型ＩｎＰクラッド層５５とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５６を形成する（図５（ａ）参照）。
この多層構造を有するＩｎＰウェハ上に、二酸化珪素膜５７を被覆して保護マスクとする。この二酸化珪素マスク５７を用いて、図５の（ｂ）に示すように、コンタクト層５６、ｐ型クラッド層５５、回折格子層５０、光閉じ込め層４９、歪多重量子井戸層４８、光閉じ込め層４７、そしてＩｎＰ基板５４の一部までをエッチングすることにより、光導波路を形成する。エッチングには、例えば、塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等のドライエッチング、あるいは臭素系溶液等によるウェットエッチング、さらには両者の併用、いずれの手法を用いても良い。
次に、本試料を結晶成長炉に搬入してＭＯＶＰＥ法を用いて６００℃にてＦｅをドープした半絶縁性ＩｎＰ層５８を埋め込み成長した（図５（ｃ）参照）。
このエッチング工程と埋込み層を再成長させるプロセスにより、埋込みヘテロ構造を形成した。埋込みへテロ構造は、光導波路の光の進行方向の両側を光を閉じ込め得る材料で埋め込んだ構造である。
閉じ込めに用いる材料は、通例高抵抗の材料とする。本例では、Ｆｅをドープした高抵抗の半絶縁性ＩｎＰ５８を用いた。図６は素子の光の進行方向と交差する面での断面図である。図６より埋込み構造が十分理解されるであろう。
なお、この埋込み構造形成工程においては、光導波路の光の進行方向の両側を埋め込むと同時に、光導波路の光出射側の端も半絶縁性ＩｎＰ５８で埋め込んだ。光導波路の先端をＩｎＰで埋め込んだ理由は、こうすることにより４５°傾斜全反射ミラーをエッチング加工する部分がＩｎＰ材料だけで構成されるようにすることができて、エッチングで形成するミラーを完全に平滑に加工することが容易になるからである。
【００１８】
その後、埋込み成長のための選択成長マスクとして用いた二酸化珪素膜５７を除去してエッチングマスク用の窒化珪素膜５９を形成し、４５°の傾斜角度にＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ層５８をエッチングした（図５（ｄ）参照）。
この傾斜エッチングには、塩素とアルゴンガスを用いた化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ：Chemically Assisted Ion Beam Etching）を用い、ウェハを４５°の角度に傾斜させてエッチングすることにより４５°のエッチングを実現した。なお、本例では、ＣＡＩＢＥを用いたエッチング方法について記載したが、塩素系ガスの反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Reactive Ion Beam Etching）や、ウェットエッチングを用いても良い。
次に、窒化珪素膜５９を除去した後、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５６の上部にｐ電極４５を蒸着した。さらに、基板裏面を１００μｍの厚みまで研磨した後、基板裏面に円形の開口部を有する窒化珪素マスク６０を形成した（図５（ｅ）参照）。続いて、臭化水素系ウェットエッチングにより、レンズ素子とする部分を深さ２０μｍまでエッチングした。これにより、拡散律速性を有する臭化水素系のウェットエッチングでは、窒化珪素マスク６０に近い部分ほどエッチング深さが深くなる性質を有するため、裏面のＩｎＰにレンズ素子２８が形成された（図５（ｆ）参照）。ここで、レンズ素子２８の凸部の高さは５μｍとし、レンズ素子２８の半径は４０μｍとした。
次に、窒化珪素マスク６０を完全に除去し、レンズ素子２８の表面に窒化酸化珪素からなる無反射コーティング膜６１を形成した。さらに、ｎ側電極４３およびＡｕＳｎ半田３４を通常の蒸着およびリフトオフ法を用いて形成した。また、素子の後端面には、通例の半導体光素子で用いられる高反射コーティング膜６２を形成した（図５（ｇ）参照）。半導体レーザ部４１の素子長は３００μｍ、幅は３００μｍとした。
【００１９】
次に、変調器部４２の製造方法を説明する。
変調器部４２の製造方法は、半導体多層構造の構成を除けばほぼ半導体レーザ部４１の製造方法と同様であるため、図４（ａ）を参照しながら概略のみ説明する。
まず、ｎ型ＩｎＰ基板５４上に、ＭＯＶＰＥ法を用いてＥＡ変調器の吸収層領域を形成した。ＥＡ変調器の吸収層領域は、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層５１、ＩｎＧａＡｌＡｓ系多重量子井戸光吸収層５２、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層５３からなる。引き続いてｐ型ＩｎＰクラッド層とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層を形成した（図示せず）。
この結晶成長工程に引き続き、前述の半導体レーザの製造工程と同様の工程により、レンズ素子２９と４５°傾斜全反射ミラー３０を集積した変調器部４２を作製した。なお、変調器部４２の場合には、半導体レーザ部４１の場合と異なりｎ電極上に半田は形成しなかった。変調器部４２の素子長は３００μｍ、幅は２００μｍとした。
最後に、引き出し電極パターン３６を形成したサブマウント３５上に半導体レーザ部４１を、レンズ素子形成面が上になるように実装した上で、この半導体レーザ部上にＥＡ変調器部４２を、レンズ素子形成面が下になるように実装した。
このとき、半導体レーザ部４１とＥＡ変調器部４２は、半導体レーザ部４１のｎ側電極４５上に形成したＡｕＳｎ半田３４によって接着されている。また、下側に実装する半導体レーザ部４１が上側に実装するＥＡ変調器部４２と比較して大きくなっているので半導体レーザ部のＥＡ変調器部と接していない面上に形成された引き出し電極３３により、半導体レーザのｎ側電極４３とＥＡ変調器のｎ側電極４４への電気的接続をとることができる。
【００２０】
図４に示すＥＡ変調器集積レーザは、本発明の効果を反映して、素子の全長が３００μｍと極めて小さなサイズとなった。また、その発振特性は、室温、連続条件における閾値電流が１０ｍＡ、スロープ効率が０.４Ｗ／Ａであり、良好な発振特性を示した。
また、図４に示すＥＡ変調器集積レーザにおいて、５０℃、５ｍＷでの一定光出力通電試験を行った結果、推定寿命として１００万時間が得られ、図４に示すＥＡ変調器集積レーザが高い信頼性を有することが実証された。
なお、図４に示す例では、ＥＡ変調器部４２の光出射端面と半導体レーザ部４１の端面の位置が揃っているのでＥＡ変調器部４２からの出射光が半導体レーザ部４１の上面にぶつかるという問題は起こらない。しかしながら、ＥＡ変調器部４２の素子長が半導体レーザ部４１の素子長より短くＥＡ変調器部４２の端面が半導体レーザ部４１の端面よりも長さＲだけ後退している場合には、出射光が半導体レーザ部４１の上面にぶつからないようにするためには、変調器部４２の遠視野像拡がり角をθ、変調器部４２の部厚みをＴとしたときにＲ＜Ｔ/ｔａｎ（θ/２）の関係式を満たすように設計しなければならないことを付記しておく。
【００２１】
［集積型光デバイスの他の例］
図７は、本発明の実施例の光モジュールに搭載される集積型光デバイスの他の例を示す図であり、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は断面図、図７（ｃ）は断面図である。なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）の上面図における点線（Ａ〜Ｂ間）位置における断面構造を、図７（ｃ）は、図７（ａ）の上面図における点線（Ｃ〜Ｄ間）位置における断面構造を示している。
図７に示す集積型光デバイスは、抽出回折格子分布ブラッグ反射型（ＳＧ-ＤＢＲ：Sampled Grating Distributed Bragg Reflector）波長可変レーザと、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）、マッハ・ツェンダー型（ＭＺ：Mach-Zehnder）変調器を３次元集積した波長１．５５μｍ帯のマッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザである。
図７に示す集積型光デバイスは、それぞれ個別のサブマウント３５に実装された２つの集積光素子を、基板に垂直な方向に立体的に積層した構造を持つ。
下側に形成する下側光デバイス（第１の集積光素子）３１は、ＩｎＰ基板５４上にＳＧ-ＤＢＲ型波長可変レーザ７１と、半導体光増幅器７２、そして低損失光導波路領域７３をバットジョイント技術を用いてモノリシック集積した素子であり、光出射部にはエッチングで形成した全反射ミラー２７とレンズ素子２８が集積形成されている。
ＳＧ-ＤＢＲ型波長可変レーザ７１は、５周期のＩｎＧａＡｓＰ圧縮歪多重量子井戸からなる利得領域２２の前方と後方を、縦モード間隔の異なる２つのＳＧ-ＤＢＲ領域（後方抽出回折格子ＤＢＲ２１と前方抽出回折格子ＤＢＲ２３）で挟んだ構造を持つ。
ここで、ＳＧ-ＤＢＲとは、一対の回折格子を有する領域と回折格子を有さない領域からなる部分を一周期として複数周期繰り返した構造のことである。
【００２２】
半導体光増幅器７２の利得領域２４の構造は波長可変レーザの利得領域２２の構造と同じであり、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸からなる。低損失光導波路領域７３はバンドギャップ波長が１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路７４を有している。なお、図７において、２６はｎ電極である。
ＳＧ-ＤＢＲ型波長可変レーザ７１、半導体光増幅器７２、および低損失光導波路領域７３の長さは、それぞれ１．３ｍｍ、６００μｍ、１００μｍであり、トータルの素子長は２ｍｍである。
また、全反射ミラー２７の角度は４５°であり、ＳＧ-ＤＢＲ型波長可変レーザ７１で発生し、半導体光増幅器７２で増幅された光は全反射して上方に導かれる。また、レンズ素子２８は直径６０μｍ、曲率半径１００μｍであり、出射光をほぼコリメート光近くまでコリメート（狭窄化または集束化）して出射する機能を果たす。また、レーザ光を出射するレンズ面および後方ＳＧ−ＤＢＲ領域の端面には反射率が１％以下の無反射コーティングを施した（図示せず）。
上側に形成する上側光デバイス（第２の集積光素子）３２は、半導体マッハ・ツェンダー変調器１３と、全反射ミラー３０と、レンズ素子２９をモノリシック集積した素子である。半導体マッハ・ツェンダー変調器１３は、ＩｎＰ基板５４上に形成されており、図７（ａ）に示すように、入力側光導波路に接続された多モード干渉（ＭＭＩ）カプラ７５と、出力側光導波路に接続されたＭＭＩカプラ７６と、２つのＭＭＩカプラの間に接続された２本の光導波路を備えている。
【００２３】
２本の光導波路上には、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５６を介して、一対の位相変調用ｐ電極２０が形成されている。なお、図７において、４３はｎ電極である。
光導波路の多層構造は、図７（ｃ）に示すように、ＩｎＰクラッド層７７で上下を挟まれた２０周期のＩｎＧａＡｓＰ無歪多重量子井戸層（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）７８からなる。
光導波路の横構造は、多重量子井戸層を突き抜くようにエッチングすることにより深いメサを形成した、いわゆるハイメサ構造である。ハイメサ構造のエッチングは塩素ガスの誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により行った。また、メサ構造の両脇はポリイミド７９で埋め込んだ。
また、集積形成した全反射ミラー３０の角度は４５°であり、下側光デバイス３１から出射し、レンズ素子２９で集光された光が全反射して入力側光導波路に結合する構成となっている。
上側光デバイス３２の素子長は１．５ｍｍである。また、レーザ光が入射するレンズ面および変調したレーザ光を出射する端面には反射率が１％以下の無反射コーティングを施した（図示せず）。
【００２４】
上側光デバイス３２は、下側光デバイス３１と比較して１００μｍ厚いサブマウント３５上に実装されており、下側光デバイス３１から上方に出射した光が、上側光デバイス３２に入射するように、上側光デバイス３２のほうが下側光デバイス３１よりも下側光デバイス３１の厚さ分だけ高い位置に載置されるようになっている。
また、下側光デバイス３１と上側光デバイス３２は、その結合部分で上面から見た光の導波方向が９０°折れ曲がるように配置されている。このため、図７に示す集積型光デバイスでは、長さ２ｍｍの光増幅器集積波長可変レーザと、長さ１．５ｍｍの変調器を集積しているにもかかわらず、トータルの長さを２ｍｍに抑えることができている。
図７に示すマッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザは、本発明の効果を反映して、全長２ｍｍと極めて小さいデバイスサイズにおいて、１５２５ｎｍから１５６５ｎｍの４０ｎｍの波長範囲で２０ｍＷ以上の光出力にて単一モード発振した。また、駆動電圧３Ｖのプッシュ・プル駆動にて、波長範囲１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲で動的消光比１２ｄＢを得た。
また、図７に示すマッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザにおいて、８０℃、１０ｍＷでの一定光出力通電試験を行った結果、推定寿命として１５０万時間が得られ、図７に示すマッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザは高い信頼性を有することが実証された。
【００２５】
なお、前述の説明では、上側光デバイス３２として、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光に関わらず同等の特性で動作する無歪のＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造を用いた半導体マッハ・ツェンダー変調器のみを使用したため、光の偏光方向について特別の配慮をしていない。
しかしながら、図７に示すように、上下の光導波路を折り曲げる形で集積する場合で、上側光デバイス３２と下側光デバイス３１の双方に強い偏光依存性がある場合には注意が必要である。
例えば、下側光デバイス３１に歪多重量子井戸を活性層とするレーザがあり、上側光デバイス３２に歪多重量子井戸を利得領域とする光増幅器がある場合を例にとれば、歪多重量子井戸レーザが圧縮歪であればレーザ光はＴＥ偏光となり、この光が上側光デバイス３２に伝播した際にはＴＭ偏光となるので、上側光デバイス３２の光増幅器の利得領域はＴＭ偏光に対して良好に動作する引張り歪多重量子井戸にする必要がある。
なお、図７では、発振波長１．５５μｍ帯のマッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザについて記載したが、本発明は、発振波長が１．３μｍ帯の素子にも同様に適用可能である。
また、前述の説明では、本発明を、マッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザへの適用例について述べたが、ビーム拡大器集積レーザ等のその他の集積型光デバイスにも同様に適用可能である。また、図７に示す集積型光デバイスでは、２つの光デバイス（３１，３２）は、どちらもＩｎＰ基板上に作製された光素子であったが、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸を用いた半導体レーザ等の、ＧａＡｓ基板上に作製された光素子を用いることも可能である。
さらに、前述の説明では、２つの光デバイス（３１，３２）が丁度９０°の角度で折れ曲がるような形で載置した構成としたが、必ずしも角度は丁度９０°である必要はなく、たとえば８０°や１１０°の角度で配置することも可能である。
【００２６】
［実施例］
以下、本発明の実施例の光モジュールを図８を用いて説明する。
図８は、本発明の実施例の光モジュールを示す図であり、図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は断面図である。なお、図８（ｂ）は、図８（ａ）の上面図における点線（Ａ〜Ｂ間）位置における断面構造を示している。
本実施例は、マッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザ（集積光源）と波長ロッカを内蔵した光送信モジュールである。
本実施例の光モジュールは、図７に示すマッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザ（以下、集積光源と略記する）８０と、波長ロッカ８１とを備える。集積光源８０と波長ロッカ８１は、それぞれぺルチェ素子８２上のＡｌＮからなる実装基板８３に実装されている。
集積光源８０から出射した光ビームは、その前方にあるレンズ８４によりコリメート光となり、波長ロッカ８１に入射する。波長ロッカ８１を通過した光ビームは、レンズ８５により集光され光ファイバ８６に結合し、モジュール外部へ伝播する。
波長ロッカ８１とは、２つのビームスプリッタ８７と、２つのフォトダイオード８８と、１つのエタロンフィルタ８９とを備えた、波長を安定化するための部品である。
【００２７】
波長ロッカ８１では、集積光源８０から出射した光の、エタロンフィルタ８９を透過した光強度とエタロンフィルタ８９を透過していない光強度とを比較することによって波長をモニタしており、モニタ結果を集積光源８０の駆動条件にフィードバックすることにより、極めて高精度に波長制御されたレーザ光を得ることができる。
本実施例に使用されている集積光源８０は、前述した通り素子の全長が２ｍｍと短いため、全長４ｍｍの従来の集積光源を使用した場合と比較してモジュールの長さを２ｍｍ短くすることができた。また、本実施例の光モジュールを用いて１０Ｇｂｐｓの伝送特性を評価したところ、１５３０、１５４０、１５５０、１５６０ｎｍの４波長において、エラーフリーの１００ｋｍ伝送特性が得られた。パワーペナルティは３ｄＢ以下であった。
なお、本実施例では、図７に示すマッハ・ツェンダー変調器集積波長可変レーザを搭載した光モジュールについて説明したが、図４に示すＥＡ変調器集積レーザを搭載するようにしてもよい。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】波長可変型半導体レーザと、半導体光増幅器と、半導体マッハ・ツェンダー変調器とを従来のバットジョイント技術を用いて２次元集積した集積型光デバイスを説明するための図である。
【図２】波長可変レーザと、光増幅器と、半導体マッハ・ツェンダー変調器を本発明の方法により一体化集積した集積型光デバイスの一例を示す図である。
【図３】波長可変レーザと、光増幅器と、半導体マッハ・ツェンダー変調器を本発明の方法により一体化集積した集積型光デバイスの他の例を示す図である。
【図４】本発明の実施例の光モジュールに搭載される集積型光デバイスの一例を示す図である。
【図５】図４に示す集積型光デバイスの半導体レーザ部の製造工程を説明する断面図である。
【図６】図４に示す集積型光デバイスの半導体レーザ部の光の進行方向に交差する面での断面図である。
【図７】本発明の実施例の光モジュールに搭載される集積型光デバイスの他の例を示す図である。
【図８】本発明の実施例の光モジュールを示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１  波長可変型半導体レーザ
１２，７２  半導体光増幅器
１３  半導体マッハ・ツェンダー変調器
１４  無反射コーティング
１５  後方抽出回折格子ＤＢＲ用ｐ電極
１６  レーザ利得領域用ｐ電極
１７  前方抽出回折格子ＤＢＲ用ｐ電極
１８  光増幅器用ｐ電極
１９，７５，７６  ＭＭＩカプラ
２０  位相変調器用ｐ電極
２１  後方抽出回折格子ＤＢＲ
２２  レーザ利得領域
２３  前方抽出回折格子ＤＢＲ
２４  増幅器利得領域
２５  変調器光導波路
２６  ｎ電極
２７，３０  全反射ミラー
２８，２９  レンズ素子
３１  下側光デバイス
３２  上側光デバイス
３３，３６  引き出し電極
３４  半田
３５  サブマウント
４１  半導体レーザ部
４２  変調器部
４３  レーザ用ｎ電極
４４  変調器用ｎ電極
４５  レーザ用ｐ電極
４６  変調器用ｐ電極
４７，５１  ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層
４８  ＩｎＧａＡｌＡｓ歪多重量子井戸層
４９  ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層
５０  回折格子層
５２  アンドープ光吸収層
５３  アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層
５４  ｎ型ＩｎＰ基板
５５  ｐ型ＩｎＰクラッド層
５６  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５７  二酸化珪素膜
５８  半絶縁性ＩｎＰ層
５９  窒化珪素膜
６０  窒化珪素マスク
６１  無反射コーティング膜
６２  高反射コーティング膜
７１  ＳＧ-ＤＢＲ型波長可変レーザ
７３  低損失光導波路領域
７４  光導波路
７７  ＩｎＰクラッド層
７８  ＩｎＧａＡｓＰ無歪多重量子井戸層
７９  ポリイミド
８０  集積光源
８１  波長ロッカ
８２  ペルチェ素子
８３  実装基板
８４，８５  レンズ
８６  光ファイバ
８７  ビームスプリッタ
８８  フォトダイオード
８９  エタロンフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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