(57)【要約】【課題】化合物半導体を利用した光変調素子を含む変調器では、適切な結晶成長を確保するため、屈折率変化量が大きい方向、すなわち屈折率変調効率が高い方向にレーザおよび変調素子のメサストライプを形成し、高効率な屈折率変調を実現することができない課題があった。より低バイアス電圧で変調素子の制御駆動が可能であって、光損失変動が小さく、大きな屈折率制御量を得ることができる構造の実現が望まれていた。【解決手段】電圧制御を用いて屈折率変調を行う半導体光制御装置において、ｐクラッド、ｎクラッド層に挟まれた単層または複数層からなる屈折率制御層の少なくとも一部がドーピング層を持っている。層構造は、バルク層、単層または多重量子井戸層とすることができる。素子ストライプの結晶方位は［１１０］に準ずる方向または［１−１０］に準ずる方向とする。【選択図】図４
2010113084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御電圧を用いて屈折率変調を行う光制御装置において、
ｐクラッド層と、
ｎクラッド層と、
前記ｎクラッド層および前記ｐクラッド層に挟まれ、ドーピング層を含む屈折率制御層であって、前記制御電圧によって前記屈折率制御層の屈折率が変調されることと
を備えたことを特徴とする光制御装置。
【請求項２】
前記ドーピング層のドーピング濃度は、前記ｎクラッド層または前記ｐクラッド層の内の同種ドーピングを施された前記クラッド層におけるドーピング濃度の１／１０以上１倍以下の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項３】
前記ドーピング層は、バルク層または多重量子井戸層であることを特徴とする請求項１または２に記載の光制御装置。
【請求項４】
前記ドーピング層は、前記ｎクラッド層または前記ｐクラッド層の内の一方に隣接して配置され前記一方と同種ドーピングされたバルク層およびさらに前記バルク層に隣接して配置された多重量子井戸層を含む積層構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光制御装置。
【請求項５】
前記屈折率制御層は、［１１０］の結晶方位に形成されたストライプ構造を有することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光制御装置。
【請求項６】
前記ドーピング層は、ｎ型ドープまたはｐ型ドープされていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光制御装置。
【請求項７】
前記制御電圧として、前記ｐクラッド層および前記ｎクラッド層間が、順バイアス方向および逆バイアス方向に駆動されるような電圧振幅を有する変調信号が印加されることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光制御装置。
【請求項８】
ＤＢＲ領域と、
請求項１乃至７いずれかに記載の屈折率制御層を含む屈折率制御領域と、
活性層領域と
を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項９】
前記屈折率制御領域に対して前記制御電圧が印加され、前記ＤＢＲ領域に発振波長制御電流が供給されることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の半導体レーザと、前記半導体レーザから出力される周波数変調光信号を強度変調光信号に変換する周波数フィルタとを備えたことを特徴とする光変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を制御する光信号処理装置に関する。より詳細には、電圧駆動により光の強度、位相および周波数を制御する半導体光制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネットの普及に伴う伝送容量の爆発的な増大により、光ファイバ通信における大容量化、高速化、長距離伝送化に対する要求が加速している。光ファイバ通信における重要な基本技術の１つは、光変調技術である。光変調技術には、代表的な２つの種類がある。１つはレーザの駆動電流に変調信号を重畳して変調光信号出力を生成する直接変調方式であり、もう１つはレーザから発振されたＣＷ（Continuous Wave）光を外部変調器によって変調する外部変調方式である。最初に、各変調方式における変調素子の構成および動作について概観する。
【０００３】
直接変調方式については、分布反射型（ＤＦＢ：Distributed  Feedback）レーザや面発光レーザを用いた１０Ｇｂｐｓ用の送信器が既に登場しており、研究レベルにおいては４０Ｇｂｐｓ動作が実現されている。直接変調方式は、その構成が非常に簡易であるという面で優れているが、高速変調動作をする場合に駆動電流が大きくなってしまう問題があった。また、変調動作に伴う発振波長の変動が避けられず、光ファイバ伝送時に伝送信号の波形が劣化してしまうために、伝送可能な距離が制限される点が問題となる。
【０００４】
発振波長の波長変動は、以下の理由によって発生する。レーザの駆動電流を変調させると、共振器内の光密度が変化する。非線形効果によって光密度の変化に伴い利得が変化するため、これに伴なってさらにキャリア濃度が変化する。キャリア濃度の変化は、プラズマ効果およびバンドフィリング効果を含むキャリア効果による屈折率変化を発生させ、結果として共振器の縦モード変化を引き起こす。より詳細には、波長変動には、波形の立ち上がり時または立ち下がり時の急激なキャリア変動に起因する過度チャープと、光出力レベルに追随して変動する断熱チャープとが存在する。上述の波長変動が生じると、伝送光信号のスペクトルが広がり、光ファイバ伝送時の分散耐性が劣化する。したがって、直接変調方式のレーザにおいては、通常、１０Ｇｂｐｓ動作時の伝送距離は１０ｋｍ程度に、４０Ｇｂｐｓ動作時の伝送距離は２〜３ｋｍ程度に制限されてしまう。
【０００５】
一方、外部変調方式については、変調素子に使用する材料の特徴的な物性を利用して変調光出力を得る様々な方法が実現されている。変調外部変調方式に用いられる材料系としては、例えば、化合物半導体、ＬｉＮｂＯ３素子およびシリコンなどが挙げられる。
【０００６】
化合物半導体を用いた変調素子構成としては、ＤＦＢレーザおよび電界吸収型変調器の集積素子が代表的である。これら素子構成においては、半導体材料に電界を印加することによって吸収端をシフトさせ、強度変調を行う。このとき、バルク構造ではフランツケルディッシュ効果、量子井戸構造では量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）の物性がそれぞれ利用される。これら素子構成は、光源および変調素子の集積性に優れており、また低電力駆動によって４０Ｇｂｐｓ動作を実現できる。しかし、直接変調方式と同様に、変調時の波長変動がやはり問題となる。
【０００７】
電界吸収型変調器における波長変動は、以下の原因により生じる。変調素子に電界を印加すると、バンド端がシフトして急激な吸収係数変化が生じる。この吸収係数変化を利用して、ＣＷ信号に強度変調信号を重畳することができる。しかし、吸収係数変化は、クラマース−クローニッヒの関係により、屈折率変化を発生させる。この屈折率変化が、変調信号の波長変動を引き起こす。波長変動は屈折率変化の変動領域で加わるため、信号の立ち上がり、立ち下がり時に過度チャープが生じる。直接変調方式と比較すれば、外部変調方式はチャープ量は小さく、また、バンドエンジニアリングを利用した量子井戸構造設計を採用することによってさらに低チャープ化も可能である。しかし、外部変調方式によっても、伝送可能な距離は、１０Ｇｂｐｓ動作時で４０〜８０ｋｍが一般的である。
【０００８】
上述の波長変動の問題を解決し、高速・長距離伝送に対応するため、マッハ・ツェンダ型変調器が提案されている。マッハ・ツェンダ型変調器は、分岐光の干渉を利用して変調光出力を得る。まず、入力光を３ｄＢカプラで分岐した後、分岐光の伝搬経路に個別の屈折率変化を付与することにより、分岐光間に位相差を与えて、その後合波させる。出力光の位相量、チャープ量を自由に制御することが可能であり、位相変調器または周波数変調器としての利用も可能である。分岐光の一方の伝搬経路のみに屈折率変化を付与した場合、波長をλ、素子の長さをＬ、実効屈折率変化をΔｎとすると、分岐光間の位相差Δφは次式で表される。
Δφ＝２πΔｎＬ／λ            式（１）
【０００９】
強度変調器として使用する場合は、分岐光間の位相差を０からπの間で変調すれば良い。マッハ・ツェンダ型変調器においては、屈折率を動的に制御する必要がある。したがって、低電圧で制御が可能で、かつ高速応答可能な、大きな屈折率変化量を得るための材料選択が重要である。現在、通信波長帯においては、ＬｉＮｂ０３、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓおよびシリコンを用いた報告がなされており、主流となっているのはＬｉＮｂ０３（ＬＮ）素子である。
【００１０】
ＬＮ素子においては、電気光学（ＥＯ）効果を利用することによって４０ＧＨｚを超える高速動作が可能である。しかし、素子のサイズが大きくまた駆動電圧が最低でも４Ｖ程度以上と高くなる問題がある。将来の通信伝送容量の大容量化にあたっては素子数の急激な増大が見込まれるため、省スペース化、低コスト化を実現するために、変調素子の小型化および低電力駆動化が急務となっている。この低電力駆動化の課題を解決するために、ＬＮ素子よりも電気光学効果が大きく、また光源との集積化が容易な化合物半導体を使用したマッハ・ツェンダ型変調素子が開発されている。
【００１１】
化合物半導体における屈折率変化は、前述した吸収係数の変化と同様に、量子閉じ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果、フランツケルディッシュ効果および電気光学効果の物性が利用される。前述のように電気光学効果は非常に高速な周波数応答が可能であり、ＩｎＡｌＧａＡｓ系材料を用いた素子として非特許文献１が、また、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた素子として非特許文献２などが報告されている。これらの化合物半導体を用いた４０Ｇｂｐｓ伝送に対応可能なマッハ・ツェンダ変調器は、ＬＮ素子に代わるものとして非常に有望である。変調素子の高性能化に向けては、式（１）で示したように低電圧で大きい屈折率変化Δｎを得ることと、波長変動を抑えるために屈折率変化に伴う吸収係数変化を減らすことが重要となる。
【００１２】
また、近年変調信号における新たな波長変動制御の手法として、上述の波長変動の小さいマッハ・ツェンダ型変調素子の開発に加えて、別の提案もなされている。例えば、周波数変調光源を使用して光フィルタを用いてＦＳＫ信号をＡＳＫ信号に変換し、チャープ制御を行うことによって、長距離伝送および高速変調を実現する手法である。非特許文献３においては、ＤＦＢレーザを周波数変調光源として用い、フィルタを用いて周波数変調信号から強度変調信号を生成するとともに、波長変動を抑制する手法が提案されている。１０ＧｂｐｓＮＲＺ信号において、３８．５ｋｍ伝送が報告されている。非特許文献３においては、先に述べた断熱チャープを周波数変調信号として利用し、フィルタを用いて周波数変調信号から強度変調信号への変換を行っている。この方式は、チャープ制御により大幅な伝送距離の増大を実現できる利点があるが、より高速動作に対応させようとする場合、緩和振動周波数による応答速度の制限が問題となる。したがって、周波数変調が可能であって、かつ高速応答特性を保つことができる周波数変調素子の実現が望まれる。
【００１３】
高速応答可能な周波数変調機能および位相変調機能を実現する手法としては、直接変調レーザの断熱チャープを用いる手法の他に、レーザの共振器内部に屈折率制御領域を設けて縦モードを制御する手法が挙げられる。非特許文献４においては、分布ブラッグ反射器、活性層領域および位相制御のための屈折率制御領域からなる分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザの屈折率制御領域に電圧を印加し、電気光学効果による屈折率変化を利用して発振周波数を制御する手法が報告されている。この手法においては、電圧制御による極めて高速な周波数変調が実現可能であり、発振周波数と光出力レベルとを別々に制御できる特徴がある。また、電圧制御による変調時の光損失を抑制することによって、光出力変動のない、理想的な周波数変調および位相変調が実現可能である。例えば変調に伴う吸収損失の変化がない場合、周波数応答は素子の緩和振動周波数に制限されずに共振器応答のみにより決まる。このため、直接変調方式と比較して極めて高速な変調が可能である。
【００１４】
周波数変調振幅は、共振器構造により決定される。以下では、長さＬｐの活性層領域、長さＬｐの周波数変調を行う屈折率制御領域、長さＬｗの導波路領域からなる全共振器長Ｌａ11のレーザを考える。この素子における周波数変調量Δｆは、屈折率制御領域における実効屈折率の制御量（変化量）をΔｎｅｆｆ、実効屈折率をｎｅｆｆ、搬送波周波数をｆとすると次式のように表される。
【００１５】
【数１】
2010113084.tif 000003
【００１６】
ここで、Δｎｅｆｆ／ｎｅｆｆは、バイアス電圧をＶｂからＶｂ＋ΔＶに変化させた場合の、実効屈折率の変化量Δｎｅｆｆと、実効屈折率ｎｅｆｆとの比として定義され、次式で表される。
【００１７】
【数２】
2010113084.tif 000004
【００１８】
従って、先に述べたマッハ・ツェンダ変調器と同様に、低い制御電圧によって実効屈折率の大きな変化量Δｎｅｆｆ／ｎｅｆｆを得ることが素子特性改善の重要なポイントとなる。
【００１９】
以上では、振幅推移変調（ＡＳＫ）方式における変調光源用素子について概観した。近年では、さらに伝送フォーマット技術の検討が進展し、多値変調方式が注目を浴びている。特に、１つの位相状態に複数ビットからなるデータ列を対応させる多値位相変調（ＰＳＫ）方式の検討が急速に進んでいる。具体的には、ＤＰＳＫまたはＤＱＰＳＫなどの位相変調方式を用い、波長多重方式と組み合わせることによってさらに長距離の伝送を実現している。例えば、非特許文献５では、多値位相変調方式を利用し、伝送容量１Ｔｂ／ｓで、伝送距離が１００ｋｍを超える長距離伝送システムの例が開示されている。非特許文献５で示されているように、ＣＷ光源として分布帰還型レーザを利用し、位相変調素子としてＬｉＮｂ０３マッハ・ツェンダ変調器と組み合わせる手法が主流である。今後、低電力駆動および高速駆動が可能な半導体材料を用いた周波数変調素子ならびに位相変調素子の重要性は今後高まっていくと予想される。
【００２０】
以上のように、現在の通信用の変調素子を組み込んだ光源においては、電圧制御を用いた、高速応答かつ高効率な位相制御または周波数制御の実現することが課題となっている。すなわち、低電圧で変調素子の駆動が可能であって、光損失変動が小さく、大きな屈折率制御量を得ることができる変調素子構造の実現が重要な共通課題となっている。
【００２１】
【非特許文献１】K．Tsuzuki,“A 40-Gb/s InGaAlAs MQW n-i-n Mach-Zehnder Modulator With ａ Drive Voltage of 2.3 V”、IEEE Photonics Technology letters, vol.17，no.1，pp.46-48．
【非特許文献２】S．Akiyama、ISLC 2002、TuCl，“Novel InP-based Mach-Zehnder Modulator for 40 Gb/s Integrated Lightwave Source”
【非特許文献３】P．A．Morton、IEE Electronics Letters，vol.33，no.13310−311，“38.5km error free transmission at 10 Gbit/s standard fiber using a low chirp，spectrally filtered，directly modulated 1.55μｍ DFB laser”
【非特許文献４】J．Langanay、IEE  Electronics  Letters，vol.30，no.4，pp.311-321
【非特許文献５】A．Sano,“14-Tb/s（140×111-Gb/s PMD/WDM）CSRZ-DQPSK Transmission over 160km 27-THz Bandwidth Extended L-band EDFAs，”32nd  European Conference on Optical Communication（ECOC）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、化合物半導体を用いた変調素子においては、レーザおよび変調素子を屈折率変調効率の高い方向に集積化して製作し、高効率な屈折率変調を実現しようとする場合、以下に述べるような課題があった。ここで、半導体デバイスにおける電気光学効果を用いた屈折率制御についてより詳細に説明する。物質に印加された電場Ｅが屈折率に影響を及ぼす電気光学効果は、屈折率の変化をΔｎとすると、一般的に次式によって表される。
Δｎ＝ｎ（Ｅ）−ｎ（０）＝  ＡＥ２＋ＢＥ      （３）
【００２３】
半導体材料については、式（３）における１次の項は主としてポッケルス効果を示しており、２次の項は、バルク構造の場合はフランツケルディッシュ効果を、量子井戸構造の場合はＱＣＳＥ効果をそれぞれ示す。通常、屈折率制御素子においては、光吸収を避けるために動作波長をバンドギャップ波長に対して少なくとも５０ｎｍ以上長波側に設定する。この動作領域では、２次の項の効果Ａは、一般的にはプラス符号となり、結晶の方位による異方性は小さい。すなわち、電界印加Ｅに伴なって、屈折率は増大する。一方、１次の項であるポッケルス効果は、結晶の方位による大きな異方性を持つことが特徴である。
【００２４】
例えば、閃亜鉛鉱型であるＩｎＰ基板（００１）面上に導波路型素子を作成した場合、ポッケルス効果の係数は［１−１０］（［−１１０］）方向にストライプを形成した場合はプラス符号となり、［１１０］（［−１−１０］）方向にストライプを形成した場合はマイナス符号となる。従って、［１−１０］方向に導波路型素子のメサストライプを形成した場合、２次の項の効果とポッケルス効果は強め合う効果となる。一方で、［１１０］方向に導波路型素子のメサストライプを形成した場合、２次の項の効果とポッケルス効果とが相殺してしまうため、十分な屈折率変化を得ることができない。したがって、本来、屈折率制御素子を作製する場合は、［１−１０］方向に導波路メサストライプを形成することが有効である。
【００２５】
しかし、一般的な埋込み型半導体レーザにおいては、導波路のメサストライプは［１１０］方向に作製され、屈折率制御の効率が高い方向に変調素子を集積することは困難である。これは、以下の理由による。埋込みレーザの作製においては、導波路のメサストライプ上にマスクを形成して埋め込み層を再成長させる必要がある。これは、［１−１０］方向にメサストライプを形成した場合、成長面が（１１１）Ａ面を形成することでマスクの上に埋め込み層が成長してしまい、平坦な成長面を得ることが困難となってしまうためである。従って、半導体レーザの共振器内に屈折率制御領域を作製する場合、または半導体レーザと屈折率制御素子とを集積化する場合、バイアス電圧に対する屈折率制御（屈折率変調）の効率が低下する問題が生じる。
【００２６】
図１の（ａ）および（ｂ）は、従来技術における屈折率制御領域の構造例を示す図である。図１の（ａ）は、通信用の変調素子を含む光源を示す概念図である。光源１０は、変調信号が入力される変調素子２０を含んでおり、光源１０は、変調光を出力する。ここで、変調素子２０は、例えば、半導体材料からなる屈折率制御領域とすることができる。
【００２７】
図１の（ｂ）は、従来技術における屈折率制御領域の構成を示す図である。ここで、屈折率制御領域２０は、屈折率制御領域を集積化したレーザなどの光源や、光信号処理装置の一部を構成するものであることに留意されたい。屈折率制御領域２０は、ｎ型ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のＩｎＰクラッド層１０１上に、以下の各層を順次積層して構成されている。すなわち、ｎ型クラッド層１０１上に、屈折率制御層１０２、ｐ型クラッド層１０３、コンタクト層１０４が順に積層されている。屈折率制御層１０２はバンドギャップ波長１．３μｍ、厚さ３００ｎｍのノンドープバルクＩｎＧａＡｓＰで、ｐ型クラッド層１０３はドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3、高さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰで、コンタクト層１０４はドーピング濃度１×１０19ｃｍ-3、バンドギャップ１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰでそれぞれ構成される。ｎ型クラッド層１０１側の最下面にはｎ側電極１０５が、ｐ型クラッド層１０３側の最上面にはｐ側電極１０６が形成されている。ｎ型電極１０５とｐ型電極１０６との間には、屈折率を制御するための電圧（以下、バイアス電圧と言う）が印加される。既に述べたように、メサストライプは、埋め込み層の平坦な成長面を得るために、［１１０］方向に形成されていることに注意されたい。
【００２８】
図２の（ａ）は、屈折率制御領域のエネルギーバンド図を示す図である。横軸は、屈折率制御領域の厚さ方向の位置を示し、縦軸は、バイアス電圧を印加しない場合のエネルギーを示す。通信波長帯で用いる場合、概ね１１００ｎｍから１４５０ｎｍまでの位置の範囲が、屈折率制御層１０２に対応する。（ａ）で、上述の屈折率制御層１０２に対応する位置の左側はｎ型クラッド層に対応し、右側はｐ型クラッド層に対応する。
【００２９】
図２の（ｂ）は、バイアス電圧を変化させたときの屈折率制御層近傍のポテンシャル分布を示す。屈折率制御層１０２内では、ポテンシャル分布は傾斜直線となり、ほぼ一様な電界分布となる。バイアス電圧を変化させた場合、バンド構造の変形に伴い直線の傾きだけが変化してポテンシャルは一様に変化する。すなわち、バイアス電圧の効果に従い屈折率制御領域の屈折率が変化する。
【００３０】
図３は、電気光学効果による、図１の（ｂ）に示した屈折率制御領域のバイアス電圧と屈折率変化量との関係を示す図である。横軸はバイアス電圧を示し、正の電圧は順バイアス、負の電圧は逆バイアスとなる。縦軸は、屈折率変化量Δｎｅｆｆ／ｎｅｆｆを示し、バイアス電圧０Ｖを基準（Ｖｂ＝０）として式（３）により計算される。図１の（ｂ）の屈折率制御層はバルク構造を使用しており、メサストライプは［１１０］方向に形成されているので、２次の項はフランツケルディッシュ効果に、１次の項はポッケルス効果に基づいた効果である。
【００３１】
図３を参照すると、バイアス電圧の絶対値が小さい低バイアス電圧領域においては、フランツケルディッシュ効果とポッケルス効果とが相殺してしまうため、十分に有効な屈折率変化量を得ることができない。所望の屈折率変化量を得るためには、２次の項の効果が強くなる高バイアス電圧領域で使用する必要がある。これは、駆動電圧（バイアス電圧）を増加させ、駆動消費電力を増加させる結果となる。以上のように、素子の構成材料として化合物半導体を利用する場合に、適切な結晶成長を確保するためレーザおよび変調素子のメサストライプを屈折率変化量の大きい方向、すなわち屈折率変調効率の高い方向に形成し、高効率な屈折率変調を実現することができない課題があった。
【００３２】
本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低バイアス電圧で駆動することができ、高効率かつ高速変調が可能な屈折率変調素子および光信号処理装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、制御電圧を用いて屈折率変調を行う光制御装置において、ｐクラッド層と、ｎクラッド層と、前記ｎクラッド層および前記ｐクラッド層に挟まれ、ドーピング層を含む屈折率制御層であって、前記制御電圧によって前記屈折率制御層の屈折率が変調されることとを備えたことを特徴とする光制御装置である。
【００３４】
請求項２に記載の発明は、請求項１の光制御装置であって、前記ドーピング層のドーピング濃度は、前記ｎクラッド層または前記ｐクラッド層の内の同種ドーピングを施された前記クラッド層におけるドーピング濃度の１／１０以上１倍以下の範囲にあることを特徴とする。
【００３５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光制御装置であって、前記ドーピング層は、バルク層または多重量子井戸層であることを特徴とする。
【００３６】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２の光制御装置であって、前記ドーピング層は、前記ｎクラッド層または前記ｐクラッド層の内の一方に隣接して配置され前記一方と同種ドーピングされたバルク層およびさらに前記バルク層に隣接して配置された多重量子井戸層を含む積層構造を有することを特徴とする。
【００３７】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの光制御装置であって、前記屈折率制御層は、［１１０］の結晶方位に形成されたストライプ構造を有することを特徴とする。
【００３８】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの光制御装置であって、前記ドーピング層は、ｎ型ドープまたはｐ型ドープされていることを特徴とする。
【００３９】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６いずれかの光制御装置であって、前記制御電圧として、前記ｐクラッド層および前記ｎクラッド層間が、順バイアス方向および逆バイアス方向に駆動されるような電圧振幅を有する変調信号が印加されることを特徴とする。
【００４０】
請求項８に記載の発明は、ＤＢＲ領域と、請求項１乃至７いずれかに記載の屈折率制御層を含む屈折率制御領域と、活性層領域とを備えたことを特徴とする半導体レーザである。
【００４１】
請求項９に記載の発明は、請求項８の半導体レーザであって、前記屈折率制御領域に対して前記制御電圧が印加され、前記ＤＢＲ領域に発振波長制御電流が供給されることを特徴とする。前記ＤＢＲ領域に対して前記制御電圧を印加し、前記屈折率制御領域に発振波長制御電流を供給することもできる。
【００４２】
請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の半導体レーザと、前記半導体レーザから出力される周波数変調光信号を強度変調光信号に変換する周波数フィルタとを備えたことを特徴とする光変調装置である。
【発明の効果】
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、低バイアス電圧で駆動することができ、高効率かつ高速変調が可能な屈折率変調素子を実現することができる。さらに、レーザとの集積が簡単な屈折率制御構造を実現することができる。本発明をＤＢＲレーザに適用することにより、低バイアス電圧駆動の周波数変調動作を実現することもできる。さらに、このＤＢＲレーザを周波数変調光源として利用し、周波数変調光を光フィルタを用いてＦＭ／ＡＭ変換することによって、低消費電力で、長距離伝送が可能な光送信器を実現することができる。
【００４４】
本発明の光制御装置は、次のような構成を採用した。電圧制御を用いて屈折率変調を行う半導体光制御装置において、ｐクラッド、ｎクラッド層に挟まれた単層、または複数層からなる屈折率制御層の少なくとも一部がドーピング層を持っている。屈折率制御層のドーピングはｎドープまたはｐドープが適用可能であり、特にｎドープが効果的である。また、層構造は、バルク層、単層または多重量子井戸層を用いることができる。屈折率制御層を複数の層から形成し、ｎクラッド層側がｎドープバルク層であり、ｐクラッド層側がｎドープ多重量子井戸層である構成、または、ｐクラッド層側がｐドープバルク層であり、ｎクラッド層側がｐドープ多重量子井戸層である構成とすることもできる。
【００４５】
さらに、使用材料は閃亜鉛鉱結晶であり、素子のストライプの結晶方位が［１１０］に準ずる方向、または［１−１０］に準ずる方向である構成とした。屈折率制御層の構成および動作の説明に加えて、屈折率制御層を電界制御して周波数変調を行う周波数変調ＤＢＲレーザに適用した例も示す。さらに、光フィルタと組み合わせてＦＭ／ＡＭ変換を利用する構成も示す。以下、本発明に係る光信号処理装置に含まれる屈折率制御層（領域）の構造および動作について、図面とともに詳細に説明する。
【００４６】
[層構造例１]：図４は、本発明に係る構造例１の屈折率制御領域の構成を示す図である。ここで、屈折率制御領域１００ａは、屈折率制御領域を集積化したレーザなどの光源や、集積化して構成された光信号処理装置の一部を構成するものであることに留意されたい。
【００４７】
屈折率制御領域１００ａは、ｎ型ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のＩｎＰクラッド層１０１上に、以下の各層を順次積層して構成されている。すなわち、ｎ型クラッド層１０１上に、屈折率制御層１０７、ｐ型クラッド層１０３、コンタクト層１０４が順に積層されている。屈折率制御層１０７は、従来技術がノンドープであったのに対し、Ｓｉドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３、バンドギャップ波長１．３μｍ、厚さ３００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰで構成される点に特徴がある。ｐ型クラッド層１０３はドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3、高さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰで、コンタクト層１０４はドーピング濃度１×１０19ｃｍ-3、バンドギャップ１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰで、それぞれ構成される。ｎ型クラッド層１０１側の最下面にはｎ側電極１０５が、ｐ型クラッド層１０３側の最上面にはｐ側電極１０６が形成されている。
【００４８】
以下、本構造のｐ型電極１０６およびｎ型電極１０５間にバイアス電圧を印加した場合の電気光学効果について、メサストライプの作製方向の場合に分けて説明する。まず、メサストライプの作製方向、すなわち光の伝搬方向が［１１０］方向である場合を考察する。
【００４９】
図５の（ａ）は、ｎドープを施した本構造の屈折率制御領域のエネルギーバンド図を示す図である。ｎドープを施された時、屈折率制御層１０７内にはドーピング濃度と同程度の電子が存在し、屈折率制御層１０７内のｎクラッド層１０１側のバンドはほぼ平坦である。一方、ｐクラッド層１０３側には急峻なビルトイン電界が印加されている。
【００５０】
図５の（ｂ）は、構造例１についてバイアス電圧を変化させたときの屈折率制御層近傍のポテンシャル分布を示す。本発明の場合、屈折率制御領層１０７のｐ型クラッド層１０３側の領域においては、電界の高い領域で駆動することになる。このため、バイアス電圧印加に伴う屈折率変化量は、式（３）における２次の項の効果、すなわちフランツケルディッシュ効果が支配的となり、低バイアス電圧においても屈折率変化を得ることが可能となる。
【００５１】
図６は、本発明の構造例１におけるバイアス電圧と電気光学効果に起因する屈折率変化量との関係を示す図である。横軸はバイアス電圧を示し、正の電圧が順バイアス、負の電圧が逆バイアスである。縦軸は、屈折率変化量Δｎｅｆｆ／ｎｅｆｆを示し、バイアス電圧０Ｖを基準（Ｖｂ＝０）として式（３）により計算される。破線で示したドーピングを施さない従来技術の場合と比較して、屈折率変化量は大幅に増えている。また、屈折率制御層にドーピングを施すことにより、電気光学効果に加え、キャリアの効果による屈折率変化を得ることができる。
【００５２】
図７は、本発明の構造例１におけるバイアス電圧と屈折率制御層内のキャリア濃度との関係を示す図である。負のバイアス電圧を増加させることで屈折率制御層１０７内のキャリアが減少しており、ドーピングによって、バイアス電圧印加によるキャリア掃引の効果が顕著に生じていることがわかる。破線で比較して示したように、ドーピングを施さない従来技術の場合にも残留キャリアが存在するために同様の効果は生じているが、屈折率制御層へのドーピングによってキャリア掃引の効果を増大させていることは明らかである。バイアス電圧の変化に伴なうキャリア濃度変化は、プラズマ効果およびバンドギャップ縮小効果による屈折率変化を発生させる。
【００５３】
図８は、本発明の構造例１におけるバイアス電圧とプラズマ効果に起因する屈折率変化量との関係を示す図である。破線で示したドーピングを施さない従来技術の場合と比較して、大幅な屈折率変化量が増大していることは明らかである。したがって、［１１０］方向にメサストライプを作製した構造の素子においても大きな屈折率変化量を得ることができ、埋め込み構造を持つ光信号処理素子にも適用することができる。
【００５４】
図９は、電気光学効果とキャリア効果とを合わせた屈折率変化量のバイアス電圧依存性を示す図である。すなわち図９は、図６に示した電気光学効果に起因する屈折率変化量と、図８に示したプラズマ効果に起因する屈折率変化量とを加算して表したものである。本発明に係る構造例１では、従来技術と比較して大幅な屈折率変化量が増えているのがわかる。バイアス電圧が負である逆バイアス領域（＜０）における屈折率変化量が増大していることに加え、順バイアス領域（＞０）においてもバイアス電圧に応じて変化する有意な屈折率変化が得られている。
【００５５】
図９を参照すれば、屈折率制御層にドーピングを施したことによって、バイアス電圧に対する屈折率変化量の線形性が改善されていることもわかる。したがって、本構造例によれば、順バイアスから逆バイアスまでの間の広いバイアス電圧の範囲で変調素子を駆動させることができる。特に、０Ｖ付近に基準バイアス電圧を設定し、変調信号に対応したバイアス電圧を順バイアス領域および逆バイアス領域の境界近傍で駆動することによって、バイアス電圧の絶対値が抑制され、低電力駆動が実現できる。例えば、図９において、バイアス電圧の駆動範囲を−０．５〜＋０．５Ｖとした場合、従来技術によればΔｎｅｆｆ／ｎｅｆｆはほとんど変化しない。一方で、本構造例１によれば、同じバイアス電圧の駆動範囲の場合、Δｎｅｆｆ／ｎｅｆｆは２×１０−５変化する。従来技術において、同じ屈折率変化量を得るためには、例えばバイアス電圧の駆動範囲を−２〜−０．５Ｖとしなければならない。上述の屈折率変化量は、屈折率制御層へのドーピング濃度を変えることにより制御することができ、さらに増やすことができる。
【００５６】
図１０は、バイアス電圧が−３Ｖの場合の、実効屈折率変化量のドーピング濃度依存性を示した図である。横軸は屈折率制御層１０７へのドーピング濃度を、縦軸は屈折率変化量をそれぞれ示す。屈折率制御層１０７と同種ドーパントを含むｎクラッド層１０１のドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のとき、屈折率制御層１０７にわずかにドーピングしても実効屈折率変化量を増やす効果が得られる。図１０からわかるように、実効屈折率変化量は、ドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３（横軸目盛で０．１）まで増加すると急激に増加し、ドーピング濃度が２×１０１７ｃｍ−３まで増加するとさらに増加する。ドーピング濃度が３〜４×１０１７ｃｍ−３以上に増加すると、実効屈折率変化量はやがて飽和を始める。さらに、５×１０１７ｃｍ−３で、ほぼ最大値に達して飽和する。図５の（ａ）および（ｂ）で説明した屈折率制御層１０７内に生じる電界は、ｎ型クラッド層１０１のドーピング濃度と屈折率制御層１０７のドーピング濃度との比に依存する。これを考慮すると、屈折率制御層１０７内ドーピング濃度が、ｎ型クラッド層１０１内ドーピング濃度の１／１０以上のとき、十分な実効屈折率変化量を増やす効果が得られる。
【００５７】
屈折率制御層１０７のドーピング濃度がｎクラッド層１０１のドーピング濃度より高くなると、電界は屈折率制御層およびｐ側クラッド層間のヘテロ界面付近の領域のみに生じるようになる。この領域の光閉じ込め量は小さいので、本発明の層構造による実効屈折率変化量を増やす効果は少ない。
【００５８】
以上より、本発明の層構造における実効屈折率変化量を増やす効果は、屈折率制御層のドーピング濃度が、ｎクラッド層のドーピング濃度の１／１０以上１以下の範囲において有効である。
【００５９】
本構造においては、ｎドープに起因するキャリア吸収はドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３あたり１ｃｍ−１と極めて小さく、損失変動の小さい変調動作を実現できる。本構造による変調素子は電流注入動作でなく、キャリアのドリフトのみを利用しているため、４０ＧＨｚ級の高速な変調動作も可能である。尚、上述の説明では、屈折率制御層内にぴて均一なドーピングプロファイルの場合のみを示したが、傾斜型など不均一なドーピングプロファイルとしても同様の効果が得られる。
【００６０】
ここまで、本発明の構造例１について、メサストライプの作製方向、すなわち光の伝搬方向が［１１０］方向である場合を説明してきた。次に、光の伝搬方向が［１−１０］方向である場合を考察する。尚、上述の各場合は、等価な方位を示す指数の場合も含むことに注意されたい。例えば、［１１０］方向は［−１−１０］方向などを含み、［１−１０］方向は［−１１０］方向などを含む。したがって、［１１０］方向およびこれと等価なすべての方向を含む概念として、［１１０］方向に準ずる方向とも呼ぶ。
【００６１】
メサストライプの作製方向、すなわち光の伝搬方向が［１−１０］方向の場合は、［１１０］方向の場合と比較して、より大きな屈折率変化量を得ることができる。［１−１０］方向の場合も、バイアス電圧を印加したときのバンド構造の変化とポテンシャル形状は図５の（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示したのと同様である。しかし、式（３）で示した電気光学効果において、ポッケルス係数Ａが正符号となるためにポッケルス効果と２次の項の効果が強め合い、［１１０］方向の場合よりも大きな屈折率変化量が得られる。なお、キャリアによる屈折率変化量は異方性が小さいため、キャリアの効果は［１１０］方向と同等である。
【００６２】
図１１は、［１−１０］方向の場合の、実効屈折率変化量のバイアス電圧依存性を示す図である。図９に示した［１１０］方向の場合と対比させれば、より大きな屈折率変化が得られているのがわかる。
【００６３】
図１２は、［１−１０］方向およびバイアス電圧−３Ｖの場合の、実効屈折率変化量のドーピング濃度依存性を示した図である。図１０に示した［１１０］方向の場合と同様に、ドーピングによる実効屈折率変化量を増やす効果が得られる。実効屈折率変化量は、ドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３まで増加すると急激に増加を始め、ドーピング濃度が２×１０１７ｃｍ−３まで増加するとさらに増加する。ドーピング濃度が３〜４×１０１７ｃｍ−３以上に増加すると実効屈折率変化量は飽和を始める。屈折率制御層内に生じる電界が、クラッド層のドーピング濃度と屈折率制御層のドーピング濃度との比に依存することとｎクラッド層１０１内のドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３であることを考慮すれば、屈折率制御層のドーピング濃度が、ｎクラッド層内のドーピング濃度の１／１０以上のときに実効屈折率変化量を増やす効果が得られる。
【００６４】
屈折率制御層１０７内のドーピング濃度がクラッド層内ドーピング濃度より高濃度になると、電界は屈折率制御層およびｐ側クラッド層間のヘテロ界面付近の領域のみに生じるようになる。この領域の光閉じ込め量は小さいので、本発明の層構造による実効屈折率変化量を増やす効果は少ない。
【００６５】
以上より、本発明の層構造において実効屈折率変化量を増やす効果は、屈折率制御層内ドーピング濃度がクラッド層内ドーピング濃度の１／１０以上１以下の範囲において有効である。
【００６６】
[層構造例２]：図１３は、本発明に係る構造例２の屈折率制御領域の構成を示す図である。層構造例１における屈折率制御層１０７に代わって、Ｓｉによるｎ型ドーピング濃度１×１０１７ｃｍ−３であって、遷移波長１．４μｍ、厚さ３００ｎｍの２０層無歪ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層１０８を含む構成とした。構造例２の構成は、量子井戸層１０８を除いて、構造例１の構成と同一である。量子井戸層１０８の中の、１つの井戸層の厚さは６ｎｍ、１つの障壁層の厚さは１０ｎｍとした。
【００６７】
本構造例２においては、構造例１におけるフランツケルディッシュ効果がＱＣＳＥ効果に置き換わり、このＱＣＳＥ効果とキャリア効果とが組み合わせられることによって、実効屈折率変化量が大きく、高効率の屈折率変調が可能となる。特に、ＱＣＳＥ効果は励起子吸収に基づくために、吸収スペクトルの吸収端が急峻であるためバンド端に近い領域での使用が可能である。したがって、構造例２は、フランツ・ケルディッシュ効果を利用していた構造例１と比較して屈折率変化量が大きく、高効率の屈折率変調動作を実現することができる。ｎ型ドーピングは、量子井戸層１０８のうちの井戸層および障壁層のいずれに対して施しても効果があるが、導波路損失の観点からは障壁層に対してドーピングを施すのがより好ましい。また、本構造例において、メサストライプの作製は［１１０］方向または［１−１０］方向のいずれでも効果がある。しかしながら、層構造例１と同様に、メサストライプの作製は［１−１０］方向の場合のほうがより大きな効果を得ることができる。
【００６８】
[層構造例３]：図１４は、本発明に係る構造例３の屈折率制御領域の構成を示す図である。本構造例３においては、構造例１における１つの屈折率制御層１０７に代わって、２種類の層から構成される点で、構造例１と異なっている。すなわち、ｎクラッド層１０１側に、第１の層として、厚さ２００ｎｍ、ｎ型ドーピング濃度１×１０１７ｃｍ−３の１．３μｍ屈折率制御層１０９が形成されている。第１の層の上に、厚さ１００ｎｍ、ｎ型ドーピング濃度１×１０17ｃｍ-3であって、遷移波長１．４μｍの１３層の無歪ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸屈折率制御層１１０がさらに形成されている。量子井戸屈折率制御層１１０において、井戸層の厚さは６ｎｍ、障壁層の厚さは１０ｎｍとした。
【００６９】
このように、ｎ型バルク屈折率制御層のｐ型クラッド層側、すなわち屈折率制御層内のドーピングと反対の極性のドーピングがされたクラッド層側に、量子井戸屈折率制御層を配置した構成とする。
【００７０】
図１５は、本構造例３の屈折率制御領域におけるバンド構造を示す図である。本構造におけるバンド構造は、ｎ電極側のｎ型バルク屈折率制御層がフラットとなり、ｐ電極側のｎ型量子井戸屈折率制御層が急峻に傾いた構造となる。したがって、ｐ電極側においては高電界が印加されるため、屈折率制御効率の高いＱＣＳＥ効果を有効に利用することができる。また、ｎ電極側では、実効的な印加電界は小さいが、バルク構造を使用することでキャリアの引き抜き速度が速くなり、キャリア効果を効率良く利用することが可能となる。
【００７１】
[層構造例４]：上述の構造例１から構造例３においては、ドーパントの種類としてｎ型ドーピングの場合を示したが、キャリアに対する屈折率変化の効果はｐ型ドーピングによっても生ずる。したがって、ドーパントの種類だけを変えて、同様の構造を採用することができる。具体的には、構造例１に準ずる構造として、屈折率制御層１０７にｐドープバルク層を使用することができる。また、構造例２に準ずる構造として、屈折率制御層１０８にｐドープ量子井戸層を使用することができる。
【００７２】
同様に、構造例３に準ずる構造としては、ｎ電極側の第１の層である屈折率制御層１０９としてｐドープ量子井戸屈折率制御層を設け、ｐ電極側の第２の層である屈折率制御層１１０としてｐドープバルク屈折率制御層を設ける。このように、ｐ型バルク制御層のｎ型クラッド層側、すなわち屈折率制御層内のドーピングと反対の極性のドーピングがされたクラッド層側に、量子井戸屈折率制御層を配置した構成とする。
【００７３】
図１６は、構造例４の一例として、構造例３においてｐドーピングを使用した場合の屈折率制御領域のエネルギーバンド図を示す図である。ｐ電極側の屈折率制御層では、実効的な印加電界は小さいが、バルク構造であるためにキャリアの引き抜き速度が速くなり、ホールによるキャリア効果を効率良く利用することが可能となる。ｐ型ドーパントとしては、例えば、Ｚｎを使用することができる。
【００７４】
以上に述べた各構造例の動作原理の説明から明らかなように、本発明の屈折率制御領域の構成はこれらの実施例に限られない。例えば、多層からなる屈折率制御層の一部の層にドーピングを導入することによっても、同様に実効屈折率変化量を増やす効果が得られる。以下では、上述の層構造を組み込んだ光信号処理装置の具体的な例として、複数の素子適用例について説明する。
【００７５】
[素子適用例１]：図１７は、本発明の屈折率制御領域を適用した半絶縁埋め込み構造を持つ周波数変調型ＤＢＲレーザの構造を示す図である。図１７は、ＤＢＲレーザの導波路の光伝搬方向を含む面における断面図である。すなわち、図のｙ軸方向が光伝搬方向であり、メサストライプはｙ軸方向に、［１１０］方向に形成されている。ＤＢＲレーザは、後述のプロセスに従い、導波路およびメサ構造を形成しながら順次作製される。
【００７６】
本ＤＢＲレーザ４００ａは、ｙ軸方向について４つの領域から構成される。すなわち、ｙ軸方向で両端に配置された長さ６００μｍの分布ブラッグ反射ミラー領域（以下、ＤＢＲ領域）１１１ａ、１１１ｂ、一方のＤＢＲ領域１１１ａに隣接し周波数変調を行う長さ２００μｍの屈折率制御領域１１２、および屈折率制御領域１１２に隣接し長さ２００μｍの活性層領域１１３から構成される。
【００７７】
ｚ方向については、ｎ型クラッド層１０１の上に各領域でｎ型ドーピングを持つ導波路層１０２が形成されている。すなわち、ＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂではＤＢＲ層１０２が、屈折率制御領域１１２では屈折率制御層１０２がそれぞれ積層されている。活性層領域１１３では発光波長１．５５μｍの１０層多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）１１４が積層されている。ＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂの導波路層１０２内には、それぞれ回折格子１１５が設けられている。さらに各領域において、ｐ型クラッド層１０３、コンタクト層１０４が順次積層され、ＤＢＲレーザ素子４００ａの上下にはそれぞれｐ型電極１０６、ｎ型電極１０５が設けられている。４つの各領域１１１ａ、１１２、１１３、１１１ｂを電気的に分離するために、領域境界付近のコンタクト層１０４は除去されている。
【００７８】
各領域のｐ型電極については、周波数変調を行う屈折率制御領域１１２に対して電圧制御装置（Ｖ）１１６が、ＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂに対しては発振波長制御電流装置（ＩＲ、ＩＦ）１１８、１１９が、活性層領域１１３に対しては活性層電流制御装置（ＩＤ）１１７がそれぞれ接続されている。
【００７９】
図１８の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本ＤＢＲレーザ４００ａの活性層領域の断面およびＤＢＲ領域もしくは屈折率制御領域の断面を示す図である。すなわち、（ａ）は図１７における活性層領域１１３をｘ−ｚ面で見た図である。（ｂ）は、図１７におけるＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂまたは屈折率制御領域１１２をｘ−ｚ面で見た図である。各領域において、導波路幅１．５μｍのメサストライプが形成されている。導波路１０２の上部にはドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ−ＩｎＰクラッド層１０３が形成されている。活性層ストライプおよびＤＢＲストライプの両側は、それぞれ半絶縁性ＩｎＰクラッド１２０で埋め込まれている。クラッド層１２０の上部には、メサストライプの上部を除いてＳｉＯ２絶縁膜１２１が形成され、素子の最上面にｐ側電極１０６が形成されている。
【００８０】
本ＤＢＲレーザは、以下の手順に従って作製される。まず、ｎ型ＩｎＰ基板の全面に有機金属気相成長法を用いて、ｎ型クラッド層１０１およびＭＱＷ活性層１１４を形成した。次に、プラズマＣＶＤを使用して全面にＳｉＯ２膜を形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＭＱＷ活性層１１４領域上にＳｉＯ２マスクを形成した。その後、ウェットエッチングを使用して、不要なＭＱＷ活性層を除去した。引き続き、有機金属気相成長法を使用して、ｎドープＩｎＧａＡｓＰ屈折率制御層１０２およびＤＢＲ層１０２をバットジョイント成長させた。次に、電子ビーム露光法を使用してＤＢＲ領域に回折格子のレジストパターンを描画し、ウェットエッチングを用いて回折格子１１５を作製した。回折格子１１５を作製後、レジストおよびＳｉＯ２膜を除去し、有機金属気相成長法を使用して、ｐクラッド層１０３およびコンタクト層１０４を成長させた。その後、ＳｉＯ２マスクを形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを使用して、ＳｉＯ２の導波路パターンを形成した。
【００８１】
次に、このパターンをマスクとして、ドライエッチングを使用して導波路ストライプを形成した。導波路ストライプを形成した後、有機金属気相成長法を使用して、半絶縁性ＦｅドープＩｎＰ層クラッド１２０をストライプ高さまで埋め込み成長させた。次に、導波路間分離のために、ＳｉＯ２を形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＳｉＯ２マスクを形成し、ウェットエッチングによりコンタクト領域１０４を除去した。次に、ストライプ上のＳｉＯ２を除去した後で、プラズマＣＶＤを使用してＳｉＯ２絶縁膜１２１を形成した。さらに、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて電極部分の窓を形成した。引き続き、リフトオフにより電極パターンを形成し、電子ビーム蒸着を使用してＡｕ／Ｚｎ／Ｎｉのｐ電極１０６を形成した。その後、ｎ電極１０５としてにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１０５を形成した。最後に、真空蒸着を使用して、ＤＢＲレーザ素子の両端の端面に、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の無反射コーティングを施した。
【００８２】
次に、本ＤＢＲレーザにおける変調動作について説明する。活性層電流制御装置１１７によって活性層領域１１４へ電流を注入し、レーザ発振を行う。発振波長制御電流装置１１８、１１９によってＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂへ電流注入を行い、発振波長を調整する。電圧制御装置１１６から屈折率制御領域１１２へ、変調信号電圧を印加することによって変調動作が行なわれる。より具体的には、バイアス電圧Ｖｂに対してピーク−ピーク振幅がＶＰＰの変調信号が重畳された変調信号電圧が、屈折率制御領域１１２へ印加される。変調信号電圧に応じて屈折率制御領域１１２の実効屈折率が変化する結果、発振波長の縦モードが変化することによって周波数変調動作が実現される。
【００８３】
図１９は、素子適用例１のＤＢＲレーザ素子における周波数変調量と印加電圧との関係を示す図である。従来技術による屈折率制御領域を備えた場合の関係も破線で示してある。変調信号の電圧振幅変化ＶＰＰにより生じるＤＢＲ領域の屈折率変化をΔｎｅｆｆとすると、周波数変調量Δｆは式（２）によって与えられる。本実施例におけるＬｐ／Ｌａ11は約０．３である。したがって、例えば１０ＧＨｚ（波長変化量では０．０８ｎｍ）の周波数変調量を得ようとする場合であって、バイアス電圧Ｖｂを０Ｖに設定したときは、変調信号に必要な電圧振幅変化ＶＰＰは０．７５Ｖとなる。一方、従来技術の屈折率制御領域を用いた場合では、バイアス電圧Ｖｂを０Ｖに設定しても、図１９の破線で示した従来技術の特性の０Ｖ近傍における傾きが０であることからわかるように、ほとんど有効な周波数変調量を得ることができない。したがって、１０ＧＨｚの周波数変調量を得るために、バイアス電圧Ｖｂは−１．８５Ｖまで増加させなければならない。
【００８４】
本発明の屈折率制御領域をＤＢＲレーザに適応することによって、従来技術による構造のものと比較してバイアス電圧を大幅に抑えることができる。また、同じバイアス電圧であっても、変調信号の電圧振幅変化ＶＰＰを抑えることもできる。本発明によれば、０Ｖ以上の順バイアス領域においても有意な屈折率変化が得られる。したがって、バイアス電圧０Ｖを挟んで順バイアス領域から逆バイアス領域を動作点として変調を行うことができる。このとき、順方向バイアスに関しては、変調信号による瞬時電圧を順方向降伏電圧以下となるように動作点を設定すれば順方向電流が流れないため、高速な変調動作を保つことができる。
【００８５】
上述のように、０Ｖ近傍を中心として順バイアス領域から逆バイアス領域にかけての変調動作を行うことで、従来では不可能だった低駆動電力による変調動作が可能となる。また、バイアス電圧の変化に対する周波数変化の応答の線形性が改善されているため、順バイアス領域から逆バイアス領域までの広い電圧範囲において周波数変調量が安定した変調が可能となる。具体的には、バイアス電圧−周波数変化の応答特性の線形性が向上することで、変調信号の電気信号波形を劣化なく光変調信号波形に反映できる。通信システムにおいて、変調特性の非線型性に起因する波形劣化歪みを抑制することができる。
【００８６】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、従来の［１１０］方向に作製されたメサストライプを用いた埋め込み構造であっても、低バイアス電圧駆動によって高効率の変調が得られ、光変調器を含む光信号処理装置の大幅な特性改善を実現することができる。尚、上では周波数変調の観点から説明を行ったが、周波数変化は発振波長変化と等価であり、本ＤＢＲレーザを超高速の波長切替動作を実現する波長可変光源としても適用できる。
【００８７】
[素子適用例２]：図２０は、本発明の屈折率制御領域を適用したリッジ構造を持つ周波数変調型ＤＢＲレーザの構造を示す図である。図２０は、ＤＢＲレーザの導波路の光伝搬方向を含む面における断面図である。すなわち、図のｙ軸方向が光伝搬方向であり、メサストライプはｙ軸方向に、［１１０］方向に形成されている。ＤＢＲレーザは、後述のプロセスに従い、導波路およびメサ構造のパターンを形成しながら順次作製される。
【００８８】
本ＤＢＲレーザ４００ｂは、ｙ軸方向について４つの領域から構成される。すなわち、ｙ軸方向で両端に配置された長さ６００μｍの分布ブラッグ反射ミラー領域（以下、ＤＢＲ領域）１１１ａ、１１１ｂ、一方のＤＢＲ領域１１１ａに隣接し周波数変調を行う長さ２００μｍの屈折率制御領域１１２、および屈折率制御領域１１２に隣接し長さ２００μｍの活性層領域１１３から構成される。
【００８９】
ｚ方向については、４つの各領域において、ｎ型クラッド層１０１の上にｎ型ドーピングを持つ導波路層１０２が形成されている。すなわち、ＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂではＤＢＲ層１０２が、屈折率制御領域１１２では屈折率制御層１０２がそれぞれ積層されている。活性層領域１１３でも、ｎ型ドーピングを持つ導波路層１０２が積層され、さらにその上に発光波長１．５５μｍの１０層多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）１１４が積層される。ＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂの導波路層１０２内には、それぞれ回折格子１１５が設けられている。さらに各領域において、ｐ型クラッド層１０３、コンタクト層１０４が順次積層され、ＤＢＲレーザ素子４００ｂの上下にはそれぞれｐ型電極１０６、ｎ型電極１０５が設けられている。４つの各領域１１１ａ、１１２、１１３、１１１ｂを電気的に分離するために、領域境界付近のコンタクト層１０４は除去されている。
【００９０】
各領域のｐ型電極については、周波数変調を行う屈折率制御領域１１２に対して電圧制御装置（Ｖ）１１６が、ＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂに対しては発振波長制御電流装置（ＩＲ、ＩＦ）１１８、１１９が、活性層領域１１３に対しては活性層電流制御装置（ＩＤ）１１７がそれぞれ接続されている。
【００９１】
図２１の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本ＤＢＲレーザ４００ｂのＤＢＲ領域もしくは屈折率制御領域の断面および活性層領域の断面を示す図である。すなわち、（ａ）は、図２０におけるＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂまたは屈折率制御領域１１２をｘ−ｚ面で見た図である。（ｂ）は図２０における活性層領域１１３をｘ−ｚ面で見た図である。各領域において、導波路幅２μｍ、高さ１．５μｍのメサストライプが形成されている。導波路１０２の上部にはドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ−ＩｎＰクラッド層１０３が形成されている。活性層ストライプおよびＤＢＲストライプの両側は、それぞれベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）１２２で埋め込まれており、その上部にはＳｉＯ２絶縁膜１２１が形成されている。素子の最上面にｐ側電極１０６が形成されている。
【００９２】
本ＤＢＲレーザは、以下の手順に従って作製される。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、有機金属気相成長法を使用して、ｎ型ドープ屈折率制御層１０２、厚さ１０ｎｍのＩｎＰエッチストップ層およびＭＱＷ活性層１１４までを形成した。次に、プラズマＣＶＤを使用して全面にＳｉＯ２膜を形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＭＱＷ活性層１１４領域上にＳｉＯ２マスクを形成させた。その後、ウェットエッチングを使用して不要なＭＱＷ層を除去した。次に、電子ビーム露光法を用いてＤＢＲ領域に回折格子のレジストパターンを描画し、ウェットエッチングを用いて回折格子１１５を作製した。回折格子１１５を作製後、レジストおよびＳｉＯ２膜を除去して、有機金属気相成長法を使用して全面にｐ−ＩｎＰクラッド層１０３およびコンタクト層１０４をこの順に成長させた。
【００９３】
続いて全面にＳｉＯ２を形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＳｉＯ２の導波路パターンを形成した。次に、このパターンをマスクとしてドライエッチングおよびウェットエッチングを使用して導波路部分を除いてｐ−ＩｎＰクラッド領域１０３、コンタクト領域１０４を除去し、導波路ストライプを形成した。次に、導波路間分離のために、ＳｉＯ２を形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＳｉＯ２マスクを形成し、ウエットエッチングにより電極間のコンタクト領域１０４を除去した。
【００９４】
次に、スピンコート法および熱処理工程を使用して、導波路ストライプをＢＣＢ１２２によって埋め込んだ。さらに、ストライプ上のＳｉＯ２を除去した後で、プラズマＣＶＤを使用してＳｉＯ２絶縁膜１２１を形成した。その後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて電極部分の窓を形成した。引き続き、リフトオフにより電極パターンを形成し、電子ビーム蒸着を使用してＡｕ／Ｚｎ／Ｎｉからなるｐ電極１０６を形成した。その後、ｎ電極１０５としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１０５を形成した。最後に、真空蒸着を使用してＤＢＲレーザ素子の両端の端面にＳｉＯ２／ＴｉＯ２の無反射コーティングを施した。
【００９５】
次に、本ＤＢＲレーザにおける変調動作について説明する。活性層電流制御装置１１７によって活性層領域１１４へ電流を注入し、レーザ発振を行う。発振波長制御電流装置１１８、１１９によってＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂへ電流注入を行い、発振波長を調整する。電圧制御装置１１６から屈折率制御領域１１２へ変調信号電圧を印加することによって変調動作が行なわれる。より具体的には、バイアス電圧Ｖｂに対してピーク−ピーク振幅がＶＰＰの変調信号が重畳された変調信号電圧が、屈折率制御領域へ印加される。変調信号電圧に応じて屈折率制御領域の実効屈折率が変化する結果、発振波長の縦モードが変化することによって周波数変調動作を実現できる。
【００９６】
本ＤＢＲレーザにおいても、素子適用例１と同様に、低バイアス電圧駆動によって高効率の変調が得られ、光変調器を含む光信号処理装置の大幅な特性改善を実現することができる。本素子適用例においては、導波路および活性層を一括して成長させた基板を用いることによって、導波路領域の再成長が不要となる。１回の再成長工程によって素子を作製できるため、作製コストの点で有利である。また、ｎドーピングを施すことで、活性層領域１１３における電気抵抗を減らす点でも効果がある。
【００９７】
また、リッジ構造を採用することによって、次の利点が得られる。前述のように、埋め込み構造においては、埋め込み成長時の平坦な成長面を実現するため、ストライプ方向の作製は［１１０］方向に制限される。しかし、リッジ構造では、埋め込み成長に関する問題点を考慮する必要がないため、ストライプを［１−１０］方向にも作製することができる。ストライプを［１−１０］方向に作製した場合、前述したようにバイアス電圧印加時の電気光学効果による屈折率変化と、ドーピングによる屈折率変化とが同一方向となり、屈折率変化量の増加の効果をさらに増すことができる。したがって、屈折率変化量の増加は、［１−１０］方向の方が［１１０］方向よりも高い。従って、導波路形成のためにリッジ構造を採用し、さらにストライプを［１−１０］方向に作製することで、周波数変調量が大きく、低消費電力で周波数変調が可能なレーザを実現できる。
【００９８】
[素子適用例３]：上述の２つの素子適用例では、ＤＢＲ領域とは別個の屈折率制御領域を設けて、この屈折率制領域を位相変調領域として機能させる構成を説明した。しかしながら、発振波長の制御を行なうＤＢＲ領域を位相変調領域として機能させることもできる。すなわち、本発明はＤＢＲ領域を屈折率変調領域として機能させる周波数変調レーザにも適用できる。この場合、素子適用例１、２における屈折率制御領域は、発振波長の制御のために利用することができる。以下の素子適用例では、ＤＢＲレーザの素子構造上の観点から、素子適用例１、２と同一の構成部分は、同一の名称で説明するが、機能上は異なる目的に使用されることに注意されたい。以下、素子適用例１、２と対比させながら説明する。
【００９９】
図２２は、本発明の屈折率制御層構造を適用した半絶縁埋め込み構造を持つ周波数変調型ＤＢＲレーザの構成を示す図である。図２２は、ＤＢＲレーザの導波路の光伝搬方向を含む面における断面図である。すなわち、図のｙ軸方向が光伝搬方向であり、メサストライプはｙ軸方向に、［１１０］方向に形成されている。ＤＢＲレーザは、後述のプロセスに従い、導波路およびメサ構造のパターンを形成しながら順次作製される。
【０１００】
本ＤＢＲレーザ４００ｃは、ｙ軸方向について見ると３つの領域から構成される。すなわち、ｙ軸方向については、長さ４００μｍの分布ブラッグ反射ミラー領域（ＤＢＲ領域）１１１、ＤＢＲ領域１１１に隣接し長さ２００μｍの屈折率制御領域１１２、および屈折率制御領域１１２に隣接し長さ２００μｍの活性層領域１１３から構成される。本ＤＢＲレーザは、ＤＢＲ領域が１つだけで構成される点で、２つのＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂからなる素子適用例１のＤＢＲレーザと相違している。
【０１０１】
ｚ方向については、ｎ型クラッド層１０１の上に各領域でｎ型ドーピングを持つ導波路層が形成されている。すなわち、ＤＢＲ領域１１１ではＤＢＲ層１０２が、屈折率制御領域１１２では屈折率制御層１０２がそれぞれ積層されている。活性層領域１１３では発光波長１．５５μｍの１０層多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）１１４が積層されている。ＤＢＲ領域１１１の導波路層１０２内には、回折格子１１５が設けられている。さらに各領域において、ｐ型クラッド層１０３、コンタクト層１０４が順次積層され、ＤＢＲレーザ素子４００ｃの上下にはそれぞれｐ型電極１０６、ｎ型電極１０５が設けられている。３つの各領域１１１、１１２、１１３を電気的に分離するために、領域境界付近のコンタクト層１０４は除去されている。
【０１０２】
各領域のｐ型電極については、ＤＢＲ領域１１１に対して周波数変調を行うための電圧制御装置（Ｖ）１１６が、屈折率制御領域１１２に対しては波長調整を行うための発振波長制御電流装置（ＩＰ）１１８が、活性層領域１１３に対しては活性層電流制御装置（ＩＤ）１１７がそれぞれ接続されている点に注目されたい。各領域を駆動する電源種類の点で、素子適用例１の構成と相違している。
【０１０３】
各領域の断面構造は、素子適用例１と同一である。図１８の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本ＤＢＲレーザ４００ｃの活性層領域の断面およびＤＢＲ領域もしくは屈折率制御領域の断面を示す図である。すなわち、（ａ）は図２２における活性層領域１１３をｘ−ｚ面で見た図である。（ｂ）は、図２２におけるＤＢＲ領域１１１または屈折率制御領域１１２をｘ−ｚ面で見た図である。各領域において、導波路幅１．５μｍのメサストライプが形成されている。導波路１０２の上部にはドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ−ＩｎＰクラッド層１０３が形成されている。活性層ストライプおよびＤＢＲストライプの両側は、それぞれ半絶縁性ＩｎＰクラッド１２０で埋め込まれている。クラッド層１２０の上部には、メサストライプの上部を除いてＳｉＯ２絶縁膜１２１が形成され、素子の最上面にｐ側電極１０６が形成されている。
【０１０４】
本ＤＢＲレーザは、以下の手順に従って作製される。まず、ｎ型ＩｎＰ基板上全面に有機金属気相成長法を使用してｎ型クラッド層１０１およびＭＱＷ活性層１１４が形成される。次に、プラズマＣＶＤを使用して全面にＳｉＯ２膜を形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＭＱＷ活性層１１４領域上にＳｉＯ２マスクを形成した。その後、ウェットエッチングを使用して、不要なＭＱＷ活性層を除去した。引き続き、有機金属気相成長法を使用してｎドープＩｎＧａＡｓＰ屈折率制御層１０２およびＤＢＲ層１０２をバットジョイント成長させた。次に、電子ビーム露光法を使用してＤＢＲ領域に回折格子のレジストパターンを描画し、ウェットエッチングを用いて回折格子１１５を作製した。回折格子１１５を作製した後、レジストとＳｉＯ２膜を除去し、有機金属気相成長法を使用してｐ−クラッド層１０３およびコンタクト層１０４を成長させた。続いて、ＳｉＯ２を形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを使用してＳｉＯ２の導波路パターンを形成した。
【０１０５】
次に、このパターンをマスクとしてドライエッチングを使用して、導波路ストライプを形成した。引き続き、有機金属気相成長法を使用して半絶縁性ＦｅドープＩｎＰ層クラッド１２０をストライプ高さまで埋め込み成長させた。次に、導波路間分離のために、ＳｉＯ２を形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＳｉＯ２マスクを形成し、ウエットエッチングによりコンタクト領域１０４を除去した。次に、ストライプ上のＳｉＯ２を除去した後で、プラズマＣＶＤを使用してＳｉＯ２絶縁膜１２１を形成した。さらに、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて電極部分の窓を形成した。引き続き、リフトオフにより電極パターンを形成し、電子ビーム蒸着を使用してＡｕ／Ｚｎ／Ｎｉのｐ電極１０６を形成した。その後、ｎ電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１０５を形成した。最後に、真空蒸着を用いてＤＢＲレーザ素子のＤＢＲ領域側の端面にＳｉＯ２／ＴｉＯ２の無反射コーティングを施した。
【０１０６】
本構成においても、低バイアス電圧に対して高効率な周波数変調動作が可能である。活性層電流制御装置１１７により活性層領域１１３へ電流を注入し、レーザ発振を行う。発振波長制御電流装置１１８により屈折率制御領域１１２に電流注入を行い、発振波長を調整する。変調動作は、電圧制御装置１１６によりＤＢＲ領域１１１に変調信号電圧を加えることによって行なわれる。より具体的には、バイアス電圧Ｖｂに対してピーク−ピーク振幅が電圧振幅ＶＰＰの変調信号が重畳された電圧変調信号がＤＢＲ領域１１１へ印加される。
【０１０７】
本構成のＤＢＲレーザの発振周波数（発振波長）は、次に説明するメカニズムによって変化する。ＤＢＲレーザの発振波長は、ＤＢＲのブラッグ波長を中心とする反射スペクトルとの位相整合条件により決定される。ＤＢＲに屈折率変化が生じると、ＤＢＲのブラッグ波長で決まる中心波長および共振器の縦モード波長が変化する。このとき、ＤＢＲ領域に印加される電圧振幅ＶＰＰにより生じる屈折率変化量をΔｎｅｆｆとする。ブラッグ反射波長（周波数）のずれΔｆＢは、ＤＢＲ領域の屈折率をｎ、ブラッグ波長に対応する周波数をｆＢとして、次式で表される。
【０１０８】
【数３】
2010113084.tif 000005
【０１０９】
また、縦モード波長のずれΔｆｍは、全共振器長をＬａ11、ＤＢＲ領域の実効長をＬDBR、縦モード周波数をｆｍとすると次式で表される。
【０１１０】
【数４】
2010113084.tif 000006
【０１１１】
モード跳びを起こさずに変調動作させる場合、縦モード波長のずれ（変化）が実際の周波数変調量に寄与する。すなわち、実際の変調周波数量は式（６）で示されるようにΔｆｍにより決定される。式（６）は、式（２）のＬＰがＬＤＢＲに置き換えられたものである。したがって、大きな周波数変調量を得るためには、式（２）と同様に実効屈折率の変化量Δｎｅｆｆ／ｎｅｆｆを大きくすることが重要となる。
【０１１２】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、従来技術の［１１０］方向に作製されたメサストライプを用いた埋め込み構造を用いても、低電圧駆動によって高効率の変調が得られ、光変調器を含む光信号処理装置の大幅な特性改善を実現することができる。尚、上では周波数変調の観点から説明を行ったが、周波数変化は発振波長変化と等価であり、本ＤＢＲレーザを超高速の波長切替動作を実現する波長可変光源としても適用できる。また、本構成においては、発振波長の調整の機能のために屈折率制御領域１１２を設けているが、上述した変調原理より、屈折率制御領域１１２がない構成の場合でも、変調動作を実現できることに留意すべきである。
【０１１３】
[素子適用例４]：図２３は、本発明の屈折率制御層構造を適用した半絶縁埋め込み構造を持つ周波数変調型ＤＢＲレーザの別の構成を示す図である。図２３は、ＤＢＲレーザの導波路の光伝搬方向を含む面における断面図である。すなわち、図のｙ軸方向が光伝搬方向であり、メサストライプはｙ軸方向に、［１１０］方向に形成されている。ＤＢＲレーザは、後述のプロセスに従い、導波路およびメサ構造のパターンを形成しながら順次作製される。
【０１１４】
本ＤＢＲレーザ４００ｄは、ｙ軸方向について３つの領域から構成される。すなわち、ｙ軸方向について、長さ４００μｍの分布ブラッグ反射ミラー領域（ＤＢＲ領域）１１１、ＤＢＲ領域１１１に隣接し長さ２００μｍの屈折率制御領域１１２、および屈折率制御領域１１２に隣接し長さ２００μｍの活性層領域１１３から構成される。本ＤＢＲレーザは、１つのＤＢＲ領域だけで構成される点で、２つのＤＢＲ領域１１１ａ、１１１ｂから構成される素子適用例２のＤＢＲレーザと相違している。
【０１１５】
ｚ方向については、３つの各領域において、ｎ型クラッド層１０１の上にｎ型ドーピングを持つ導波路層１０２が形成されている。すなわち、ＤＢＲ領域１１１ではＤＢＲ層１０２が、屈折率制御領域１１２では屈折率制御層１０２がそれぞれ積層されている。活性層領域１１３でも、ｎ型ドーピングを持つ導波路層１０２が積層され、さらにその上に発光波長１．５５μｍの１０層多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）１１４が積層される。ＤＢＲ領域１１１のＤＢＲ層１０２内には、それぞれ回折格子１１５が設けられている。さらに各領域において、ｐ型クラッド層１０３、コンタクト層１０４が順次積層される。ＤＢＲレーザ素子４００ｄの上下にはそれぞれｐ型電極１０６およびｎ型電極１０５が設けられている。３つの各領域１１１、１１２、１１３を電気的に分離するために、領域境界付近のコンタクト層１０４は除去されている。
【０１１６】
各領域のｐ型電極については、ＤＢＲ領域１１１に対して周波数変調を行うための電圧制御装置（Ｖ）１１６が、屈折率制御領域１１２に対しては波長調整を行うための発振波長制御電流装置（ＩＰ）１１８が、活性層領域１１３に対しては活性層電流制御装置（ＩＤ）１１７がそれぞれ接続されている点に注目されたい。各領域を駆動する電源種類の点で、素子適用例２の構成と相違している。
【０１１７】
各領域の断面構造は、素子適用例２と同一である。図２１の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本ＤＢＲレーザ４００ｄのＤＢＲ領域もしくは屈折率制御領域の断面および活性層領域の断面を示す図である。すなわち、（ａ）は、図２３におけるＤＢＲ領域１１１または屈折率制御領域１１２をｘ−ｚ面で見た図である。（ｂ）は図２３における活性層領域１１３をｘ−ｚ面で見た図である。各領域において、導波路幅２μｍ、高さ１．５μｍのメサストライプが形成されている。導波路１０２の上部にはドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ−ＩｎＰクラッド層１０３が形成されている。活性層ストライプおよびＤＢＲストライプの両側は、それぞれベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）１２２で埋め込まれており、その上部にはＳｉＯ２絶縁膜１２１が形成されている。素子の最上面にｐ側電極１０６が形成されている。
【０１１８】
本ＤＢＲレーザは、以下の手順に従って作製される。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、有機金属気相成長法を使用して、ｎ型ドープ屈折率制御層１０２、厚さ１０ｎｍのＩｎＰエッチストップ層およびＭＱＷ活性層１１４までを形成した。次に、プラズマＣＶＤを使用して全面にＳｉＯ２膜を形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＭＱＷ活性層１１４領域上にＳｉＯ２マスクを形成した。その後、ウェットエッチングを使用して、不要なＭＱＷ活性層を除去した。次に、電子ビーム露光法を用いてＤＢＲ領域に回折格子のレジストパターンを描画し、ウェットエッチングを使用して回折格子１１５を作製した。回折格子１１５を作製した後、レジストおよびＳｉＯ２膜を除去して、有機金属気相成長法を使用して全面にｐ−ＩｎＰクラッド層１０３およびコンタクト層１０４をこの順に成長させた。
【０１１９】
続いて全面にＳｉＯ２を形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＳｉＯ２の導波路パターンを形成した。次に、このパターンをマスクとしてドライエッチングおよびウェットエッチングを使用して導波路部分を除いたｐ−ＩｎＰクラッド領域１０３を除去し、導波路ストライプを形成した。次に、導波路間分離のために、ＳｉＯ２を形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてＳｉＯ２マスクを形成し、ウエットエッチングにより電極間のコンタクト領域１０４を除去した。
【０１２０】
次に、スピンコート法および熱処理工程を使用して、導波路ストライプをＢＣＢ１２２によって埋め込んだ。次に、ストライプ上のＳｉＯ２を除去した後で、プラズマＣＶＤを使用してＳｉＯ２絶縁膜１２１を形成した。その後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて電極部分の窓を形成した。引き続き、リフトオフにより電極パターンを形成し、電子ビーム蒸着を使用してＡｕ／Ｚｎ／Ｎｉからなるｐ電極１０６を形成した。その後、ｎ電極１０５としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１０５を形成した。最後に、真空蒸着を使用してＤＢＲレーザ素子のＤＢＲ領域側の端面にＳｉＯ２／ＴｉＯ２の無反射コーティングを施した。
【０１２１】
本構成においても、低いバイアス電圧に対して高効率な周波数変調動作が可能である。活性層電流制御装置１１７により活性層領域１１３へ電流を注入し、レーザ発振を行う。発振波長制御電流装置１１８により屈折率制御領域１１２に電流注入を行い、発振波長を調整する。変調動作は、電圧制御装置１１６によりＤＢＲ領域１１１に変調信号電圧を加えることによって行なわれる。より具体的には、バイアス電圧Ｖｂに対してピーク−ピーク振幅が電圧振幅ＶＰＰの変調信号が重畳された電圧変調信号がＤＢＲ領域１１１へ印加される。
【０１２２】
素子構成例３と同様に、従来技術の［１１０］方向に作製されたメサストライプを用いた埋め込み構造を用いても、低バイアス電圧駆動によって高効率の変調が得られ、光変調器を含む光信号処理装置の大幅な特性改善を実現することができる。尚、これまでは周波数変調の観点から説明を行ったが、周波数変化は発振波長変化と等価であり、本ＤＢＲレーザを超高速の波長切替動作を実現する波長可変光源にも適用できる。また、本構成においては、発振波長の調整の機能のために屈折率制御領域１１２を設けているが、上述の変調原理より、屈折率制御領域１１２がない構成の場合でも、変調動作を実現できることに留意すべきである。
【０１２３】
[その他の素子適用例]：上述の素子適用例１−４の各実施例においては、両側または一方にＤＢＲ反射鏡を備えたＤＢＲレーザの共振器内部に周波数変調を行う屈折率制御領域を設けた構造を示した。本発明の屈折率制御層を持った変調素子の適用例は上述の構造に限られない。素子適用例１、２では、前後のＤＢＲ反射鏡を備えた４電極のＤＢＲレーザ構造を示したが、機能セクション数は４つに限られず、異なるセクション数の構造でも構わない。例えば、モード抑制および波長の微調機能を備えるために、屈折率制御領域を複数備えても良い。また、素子適用例３、４のように、素子の片側だけにＤＢＲ構造を設けた構造でも良い。
【０１２４】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）領域を本発明の屈折率制御層を含む変調素子の前後に集積しても構わない。また、上述の実施例の素子構造として、半絶縁埋め込み構造およびリッジ型構造を例示的に示したが、ｐｎ埋め込み構造、ハイメサ構造等、その他の導波路構造にも適用できるのは言うまでもない。使用材料としてＩｎＧａＡｓＰを用いた例を示したが、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの材料にも適用できる。
【０１２５】
また、本発明はＤＢＲ構造を含む発振器に限られず、共振器内に周波数および波長を制御する屈折率制御領域を持つ全ての構造に適用可能である。例えば、ＤＢＲ反射鏡の代わりに、超周期回折格子型ＤＢＲ（ＳＳＧ−ＤＢＲ）、サンプル型回折格子型ＤＢＲ（ＳＧ−ＤＢＲ）、リング共振器、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）など、波長選択性を持つ共振器であればどのようなタイプも使用できる。さらに、上述の各実施例では、活性層、反射鏡および屈折率制御領域がモノリシック集積された素子構成の例を示したが、反射鏡を外部に設けた外部共振器型の素子構成にも適用できる。
【０１２６】
さらに、上述の本発明の素子適用例では、高速変調が可能な周波数変調光源への適用例について示したが、適用例は周波数変調レーザに限られない。マッハ・ツェンダ型変調器など、バイアス電圧の印加とともに大きな屈折率変化量を必要とする多くの光制御素子および光信号処理装置に適用できることは言うまでもない。
【０１２７】
[変調光源への適用例]：本発明の屈折率制御層を含む変調素子を適用した周波数変調光源を利用した光信号伝送方式の具体例を以下に示す。
【０１２８】
図２４は、本発明の屈折率制御層を含む周波数変調光源を使用した光変調信号伝送方式の構成を示す図である。光変調信号生成装置２０１は、情報信号源からのＮＲＺ信号により光信号を周波数変調する光源２０２と、光源２０２の出力側に接続され周波数変調信号を強度変調信号へ変換する機能を持つ周波数フィルタ２０３とを含む。光変調信号生成装置２０１から出力された光信号は、光ファイバ２０４を伝播した後に、光受信装置２０５によって受信される。本発明の屈折率制御層を含む変調素子を、光変調信号生成装置２０１の周波数変調光源２０２に適用する。具体的には、素子適用例１から素子適用例４までのＤＢＲレーザなどを周波数変調光源に適用できる。
【０１２９】
図２５は、本光変調信号生成装置で使用される周波数フィルタの構成を示す図である。周波数フィルタ２０３は、２つのエタロンフィルタ３０１ａ、３０１ｂを直列に接続した構成である。エタロンフィルタ３０１ａ、３０１ｂは、共振器３０２ａの入力端および出力端にミラー３０３ａ、３０３ｂを、共振器３０２ｂの入力端および出力端にミラー３０３ｃ、３０３ｄをそれぞれ設けている。周波数フィルタ２０３のＦＳＲ（Free Spectral Range）は、１００ＧＨｚである。
【０１３０】
図２６は、周波数フィルタの透過スペクトル特性および位相特性を示す図である。図２６の（ａ）は、透過スペクトル特性を示し、（ｂ）は位相特性を示している。（ａ）および（ｂ）を参照すれば、透過率の最大ピーク付近では、透過率の変化すなわち強度変化とともに位相変化が生じていることがわかる。尚、本実施例において使用する周波数フィルタは、ＦＭ／ＡＭ変換機能を持つ周波数フィルタであれば良い。具体的には、複合共振エタロン、アレイ導波路格子、ラティス型フィルタ、マッハ・ツェンダ干渉計、リング共振器フィルタ、ファイバブラッググレーティングなどがある。周波数フィルタがＦＭ／ＡＭ変換機能に加えて分散特性を有している場合、周波数フィルタの分散特性を光ファイバの分散の値と逆符号に設定することによって、分散補償機能を併せ持つこともできる。ここで、周波数フィルタのＦＭ／ＡＭ変換機能について説明する。
【０１３１】
図２６の（ａ）は、光変調信号生成装置２０２を伝送速度２０Ｇｂｐｓで動作させた場合の動作周波数および周波数フィルタの透過周波数の設定条件を説明している。搬送周波数を、１９３．４ＴＨｚ（１．５５μｍ）とする。周波数フィルタの透過率ピーク周波数は、ＮＲＺ信号の「１」に対して５ＧＨｚ高周波数側となるように設定する。また、ＮＲＺ信号の「０」に対応する光信号の周波数は、ＮＲＺ信号「１」に対して１０ＧＨｚ低周波数側となるように設定する。図２６の（ａ）の横軸上に矢印で表示された「０」および「１」に対応する周波数の関係に注目されたい。
【０１３２】
図２６の（ａ）の透過率特性から分かるように、ＮＲＺ信号の「１」に対応する光信号の透過率（概ね−５ｄＢ）は、ＮＲＺ信号の「０」に対応する光信号の透過率（概ね−２０ｄＢ）よりも高くなっている。すなわち、ＮＲＺ信号の「１」に対応する光信号の透過率と、ＮＲＺ信号の「０」に対応する光信号の透過率との間には、１５ｄＢの差異がある。このため、周波数変調信号がこの周波数フィルタ２０３を通過することによって、入力の周波数変調信号に応じた強度変調信号を出力させることができる。
【０１３３】
図２６で説明した設定条件のように、伝送するビットレートの半分の値を周波数変調の変調幅の値に設定する条件は、ＭＳＫ（Minimum Shift Keying)と呼ばれている。ＭＳＫの場合、隣接パルス間の位相差はπとなる。このため、ＭＳＫ条件には、光信号が光ファイバを伝播する際に分散のために生じるパルス信号の重なりを抑える効果がある。また、周波数変調の変調幅の値が、光信号で伝送するビットレートの１／４から３／４の間に設定されていれば、「１−０−１」と信号が推移する際の隣接パルス間の位相差は逆符号となる。この設定条件は、光ファイバ伝播後のパルスの分散に伴う信号の重なりを抑える効果を持つ。
【０１３４】
既に説明したように、本発明の素子適用例１を用いた場合、図２６で説明したＭＳＫ条件を満たす駆動条件において、周波数変調量１０ＧＨｚを得るために必要な変調電圧は０．７５Ｖである。一方、従来技術を用いた構造においては変調電圧は１．８５Ｖ必要となり、本発明の屈折率制御層を採用することによって、駆動バイアス電圧を大幅に減らすことができる。
【０１３５】
図２７および図２８は、それぞれ周波数フィルタを通過する前後における変調光信号の波形を示す図である。図２７は、信号源２０２から２０ＧｂｐｓのＮＲＺ周波数変調信号を生成し、周波数フィルタ２０３を透過させた際の、透過前後の光信号の強度成分の時間変化を示す図である。強度成分を信号列「１」「０」とともに示している。図２８は、透過前後の光信号の周波数成分の時間変化を示す図である。周波数成分を信号列「１」「０」とともに示している。縦軸は、搬送派周波数からの周波数ずれを示す。
【０１３６】
光源２０２から周波数フィルタ２０３への入力光信号は、強度変調成分を持たず、周波数変調成分のみを持つ。この入力光信号は、周波数フィルタ２０３を透過することによって、ＦＭ／ＡＭ変換機能によりＮＲＺの強度変調信号に変換される。また、入力光信号の周波数成分は、フィルタ透過前では、信号列に同期した周波数成分を持っている。一方、フィルタ透過後では、周波数変調成分が０ＧＨｚ付近にある時間（期間）が増えており、大きな周波数変動が生じるのは信号が「０」の場合だけであることがわかる。すなわち、光信号が大きな振幅で存在する時間においては、周波数変動が抑制されているために実質的に周波数変動がなく、光ファイバの分散に起因する伝送特性の劣化を抑えることができる。次に、具体的な伝送特性を説明する。
【０１３７】
図２９は、光変調信号生成装置から出力された光信号のアイ開口を示す図である。光変調信号生成装置２０１で生成した光変調信号を、分散値１６．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍを持つ光ファイバ２０４を経由して、５０ｋｍの区間伝送させた場合のアイ開口を示している。図２９の（ａ）は、光変調信号生成装置２０１から出力された光信号のアイ開口を示し、（ｂ）は、光受信装置２０５で受信した光信号のアイ開口を示す。５０ｋｍの区間を光ファイバを伝播させた後でも、十分に明瞭なアイ開口が得られている。このように、本発明の屈折率制御層を周波数変調光源に適用することで、低バイアス電圧・低消費電力で動作し、かつ高速、長距離伝送が可能な変調光源を実現することができる。
【０１３８】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、低バイアス電圧で駆動することができ、高効率かつ高速変調が可能な屈折率変調素子を実現することができる。レーザとの集積が容易な屈折率制御構造を実現することもできる。また、本発明をＤＢＲレーザに適用することによって、低電圧駆動の周波数変調動作を実現することもできる。さらに、このＤＢＲレーザを周波数変調光源として利用し、周波数変調光を光フィルタを用いてＦＭ／ＡＭ変換することによって、低消費電力で、長距離伝送が可能な光送信器を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明は、光通信システムにおいて使用される光信号処理装置、例えば通信光源、光信号変調装置などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】（ａ）は、通信用の変調素子を含む光源を示す概念図である。（ｂ）は、従来技術における屈折率制御領域の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、従来技術の屈折率制御領域のバンド構造を示し、（ｂ）は、屈折率制御領域のポテンシャルのバイアス電圧依存性を示す図である。
【図３】従来技術におけるバイアス電圧と実効屈折率変化量との関係を示す図である。
【図４】本発明に係る構造例１の屈折率制御領域の構成を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の構造例１の屈折率制御領域のバンド構造を示し、（ｂ）は、屈折率制御領域のポテンシャルのバイアス電圧依存性を示す図である。
【図６】構造例１におけるバイアス電圧と電気光学効果に起因する実効屈折率変化量との関係を示す図である。
【図７】構造例１におけるバイアス電圧とキャリア濃度との関係を示す図である。
【図８】構造例１におけるバイアス電圧とプラズマ効果に起因する実効屈折率変化量との関係を示す図である。
【図９】［１１０］方向における電気光学効果およびキャリア効果を合わせた実効屈折率変化量のバイアス電圧依存性を示す図である。
【図１０】［１１０］方向における実効屈折率変化量のドーピング濃度依存性を示した図である。
【図１１】［１−１０］方向における実効屈折率変化量のバイアス電圧依存性を示す図である。
【図１２】［１−１０］方向における実効屈折率変化量のドーピング濃度依存性を示した図である。
【図１３】本発明に係る構造例２の屈折率制御領域の構成を示す図である。
【図１４】本発明に係る構造例３の屈折率制御領域の構成を示す図である。
【図１５】構造例３による屈折率制御領域のエネルギーバンド図を示す図である。
【図１６】構造例４による屈折率制御領域のエネルギーバンド図を示す図である。
【図１７】本発明の屈折率制御領域を適用した半絶縁埋め込み構造を持つ周波数変調型ＤＢＲレーザの構造図である。
【図１８】（ａ）は、本ＤＢＲレーザの活性層領域の断面図、（ｂ）は、ＤＢＲ領域または屈折率制御領域の断面図である。
【図１９】素子適用例１のＤＢＲレーザ素子における周波数変調量と印加電圧との関係を示す図である。
【図２０】本発明の屈折率制御領域を適用した半絶縁埋め込み構造を持つ周波数変調型ＤＢＲレーザの構造図である。
【図２１】（ａ）は、ＤＢＲ領域または屈折率制御領域の断面図、（ｂ）は、本ＤＢＲレーザの活性層領域の断面図である。
【図２２】本発明の屈折率制御層構造を適用した半絶縁埋め込み構造を持つ周波数変調型ＤＢＲレーザの構成を示す図である。
【図２３】本発明の屈折率制御層構造を適用した半絶縁埋め込み構造を持つ周波数変調型ＤＢＲレーザの他の構成を示す図である。
【図２４】本発明の屈折率制御層を含む周波数変調光源を使用した光変調信号伝送方式の構成を示す図である。
【図２５】光変調信号生成装置で使用される周波数フィルタの構成図である。
【図２６】（ａ）は周波数フィルタの透過スペクト特性を、（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図２７】周波数フィルタを透過する前後の変調光信号の振幅の時間波形を示す図である。
【図２８】周波数フィルタを透過する前後の変調光信号の周波数成分の時間波形を示す図である。
【図２９】光変調信号生成装置から出力された光信号のアイ開口を示す図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１０１  ｎ型クラッド層（ｎ型クラッド基板）
１０２  バルク屈折率制御層
１０３  ｐ型クラッド層
１０４  コンタクト層
１０５  ｎ側電極
１０６  ｐ側電極
１０７  ｎドープバルク屈折率制御層
１０８  ｎドープ多重量子井戸屈折率制御層
１０９  ｎドープバルク屈折率制御層
１１０  ｎドープ多重量子井戸屈折率制御層
１１１、１１１ａ、１１１ｂ  ＤＢＲ領域
１１２  屈折率制御領域
１１３  活性層領域
１１４  多重量子井戸活性層
１１５  回折格子
１１６  電圧制御装置
１１７  活性層電流制御装置
１１８  発振波長制御電流装置
１１９  発振波長制御電流装置
１２０  半絶縁性ＩｎＰクラッド
１２１  ＳｉＯ２絶縁膜
１２２  ＢＣＢ埋込層
２０１  光変調信号生成装置
２０２  周波数変調光源
２０３  周波数フィルタ
２０４  光ファイバ
２０５  光受信装置
３０１ａ、３０１ｂ  エタロンフィルタ
３０２ａ、３０２ｂ  共振器
３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ  反射鏡
４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄ  ＤＢＲレーザ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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