(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体混晶からなる基板上に設けられ、発振波長の異なる複数の半導体レーザ部、および前記複数の半導体レーザ部のそれぞれに対して設けられ、当該複数の半導体レーザ部から出射する信号を変調する複数の電界吸収型光変調器部からなる光源と、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記光源より出射された信号を一つにまとめる合波器部とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶は、ＩｎＰであり、
前記半導体レーザ部が、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部が、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の井戸層及びバリア層はＩｎ1-x-yＡｌxＧａyＡｓであり、
前記電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が７から９であり、量子井戸層の歪量が０．１７％から０．７３％（プラス符号は引張歪）であり、バリア層のバンドギャップ波長が０．９μｍから１．０５μｍであり、
前記複数の半導体レーザ部および前記複数の電界吸収型変調器部の上部のクラッド部がｐ−ＩｎＰであり、前記合波器の上部のクラッド部がノンドープのＩｎＰである
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記半導体レーザ部の端部側にフォトダイオードを有し、当該フォトダイオードは前記半導体レーザ部と同じ層構造である
ことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記基板上における、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に設けられ、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層を具備し、
前記パッシブ層のコア部は、前記電界吸収型光変調器部の活性部と同じ多重量子井戸構造である、もしくはバンドギャップ波長１．１μｍから１．２μｍのＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yバルクである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層は、室温での利得が最大となる波長を１．２５μｍから１．３５μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚みおよび歪を有している
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が、４０〜５０℃において、１．２９μｍ〜１．３１μｍとなる深さおよび周期を有する回折格子が形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層は、室温での吸収端の波長が、前記ブラック波長から４０ｎｍ〜８０ｎｍ短くなる波長を達成する厚みを有している
ことを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記半導体レーザ部、前記電界吸収型光変調器部、および前記パッシブ層は、リッジ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れか一項に記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記合波器部のコア層は、バンドギャップ波長が１．１μｍから１．２μｍのＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yバルクである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の光半導体装置。
【請求項９】
前記合波器部は、ハイメサ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の光半導体装置。
【請求項１０】
前記合波器部は、テーパ構造の入出力導波路を具備する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の光半導体装置。
【請求項１１】
前記光源と前記合波器部は、不連続テーパ構造の接合部を介して接続される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の光半導体装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の光半導体装置を制御する光半導体装置の制御方法であって、
前記複数の電界吸収型光変調器部を駆動する際に、それぞれのバイアス電圧、電圧振幅を一定とする
ことを特徴とする光半導体装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置に関し、より詳しくは、歪量子井戸層を有する電界吸収型光変調器集積半導体レーザのような光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のインターネットの爆発的な広がりから、ネットワークの光化は大都市間の基幹網からＦＴＴＨ（Fiber To The Home）に代表されるアクセス網までも広がっており、通信の種類としても従来のテレコミュニケーション用途からデータ通信まで多岐に亘りはじめている。特に最近ではイーサネット（登録商標）の光化が議論されており、その送受信機に関して、各種の形態、性能に関する標準化が進められている。
【０００３】
その中でも次世代ネットワークの一つとして議論されている１００ギガビットイーサネット（１００ＧｂＥ）用送受信機は将来の超高速ネットワークとしてさかんに研究されている。１００ＧｂＥでは伝送距離に応じて各種の規格が議論されているが、シングルモードファイバ（Single Mode Fiber:ＳＭＦ）を伝送媒体に用いる中距離（１０ｋｍ）、長距離（４０ｋｍ）の伝送に関しては、規格の名前がそれぞれ１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４（以下、ＬＲ４と称す）、１００ＧＢＡＳＥ−ＥＲ４（以下、ＥＲ４と称す）と規定されており、１２９４．５３ｎｍ〜１２９６．５９ｎｍ（ｌａｎｅ１）、１２９９．０２ｎｍ〜１３０１．０９ｎｍ（ｌａｎｅ２）、１３０３．５４ｎｍ〜１３０５．６３ｎｍ（ｌａｎｅ３）、１３０８．０９ｎｍ〜１３１０．１９ｎｍ（ｌａｎｅ４）という、４．５ｎｍ間隔、全体で１５ｎｍにもわたる、４波分の送信機を用意し、各レーンをそれぞれ２５Ｇｂｉｔ／ｓで動作させ、なおかつ、各送信機のサイドモード抑圧比（Side Mode Suppression Ratio:ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上、動的消光比がＬＲ４に対して４ｄＢ、ＥＲ４に対して８ｄＢ以上必要であるなど、要求される性能が細かく設定されている。
【０００４】
１００ＧｂＥ用送信機中の光源としては、現在、電界吸収型変調器集積レーザ（Electroabsorption Modulator integrated with DFB laser:ＥＡＤＦＢレーザ）が有望視されている。ＥＡＤＦＢレーザでは、半導体レーザ部と変調器部を独立に最適化できるため、高速の変調には非常に有利なことが知られており、特に１００ＧｂＥのＥＲ４に対しては動的消光比が８ｄＢ以上必要であり、高消光比を得ることが容易なＥＡＤＦＢレーザがほぼ必須となっている。また、ＬＲ４、ＥＲ４ではペルチエ素子による一定温度動作が前提であるが、室温よりも少し温度の高い、４０〜５０℃で動作させると最も消費電力が小さくなることが知られている。一般に半導体レーザの性能は温度が高くなると劣化するために、これらの温度で動作させても性能劣化の少ない構成にする必要がある。
【０００５】
１００ＧｂＥ用の送受信機として、現在、ＣＦＰ ＭＳＡトランシーバという規格のパッケージが提案されており、その中では、４つの光送信機（Transmitter Optical SubAssembly:ＴＯＳＡ）が並べられていて、それとは別に合波器が設置されている。トランシーバ中にはその他にも４つの受信機、分波器、電気信号処理部があり、そのサイズは７５ｍｍ×１４０ｍｍと非常に大きくなっている。それぞれのＴＯＳＡには、２５Ｇｂｉｔ／ｓで動作する光源の他に、温度制御のためのペルチエ素子、光ファイバに集光するためのレンズ、戻り光を防ぐためのアイソレータ、光ファイバが含まれ、それ自体のサイズも大きい上に、レンズ、アイソレータ、ペルチエ素子、光ファイバが４つの波長ごとに必要となっており、部材コスト、消費電力共に大きくなってしまう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Fujisawa, M. Arai, N. Fujiwara, W. Kobayashi, T. Tadokoro, K. Tsuzuki, Y. Akage, R. Iga, T. Yamanaka, and F. Kano, "25 Gbit/s 1.3μm InGaAlAs-based electroabsorption modulator integrated with DFB laser for metro-area (40 km) 100 Gbit/s Ethernet system", IEE Electronics Letters, vol.45, no. 17, pp.900-901, 2009年8月13日
【非特許文献２】W. Kobayashi, M. Arai, T. Yamanaka, N. Fujiwara, T. Fujisawa, M. Ishikawa, K. Tsuzuki, Y. Shibata, Y. Kondo, and F. Kano, "Wide temperature range (-25℃-100℃) operation of a 10-Gb/s 1.55-μm electroabsorption modulator integrated DFB laser for 80-km SMF transmission", IEEE Photonics Technology Letters, vol.21, no. 15, pp.1054-1056, 2009年8月１日
【非特許文献３】T. Saito, T. Yamatoya, Y. Morita, E. Ishimura, C. Watatani, T. Aoyagi, and T. Ishikawa, "Clear eye opening 1.3 μm-25/43Gbps EML with novel tensile-strained asymmetric QW absorption layer", Proc. ECOC 2009, paper 8.1.3, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの課題を解決するためには、４つの送信機と合波器を集積化することが有効である。集積の方法には、異種材料を用いて集積するハイブリッド集積と、一つの基板上に集積するモノリシック集積の２種類がある。ハイブリッド集積では、例えば、ある材料系で作製した合波器に、別の材料系で作製した４つの光源をなんらかの方法で集積する、という方法をとるが、４つの送信機と合波器の間での結合ロスを低減するためにアクティブアラインメントはほぼ必須であり、実装工程の複雑化は避けられない。また、送信機と合波器を別々に作製するために、集積化とは言っても、サイズの小型化には自ずと限界があり、作製、実装工程も複雑である。
【０００８】
一方、モノリシック集積では、一つの基板上に送信機と合波器を作りこんでしまうために、アラインメントがそもそも必要なく、実装は容易であり、１回の実装で４つの素子の実装が終了する。また、２つの素子が直接結合されているために、小型化も容易である。さらに、ＴＯＳＡ作製に必要なペルチエ素子、レンズ、アイソレータの数は１個で済むために、大幅な部材コスト、消費電力の低減が可能である。しかし、現在提案されているＥＡＤＦＢレーザは２５Ｇｂｉｔ／ｓという高速変調を可能にするために、その光導波路にリッジ構造を採用している。この構造では光の閉じ込めが弱く、光導波路の曲げ損失が大きく、曲げ半径を小さくできないために合波器が大きくなり、小型化には限界がある。また、ＥＡ変調器の層構造が均一になってしまうために、１００ＧｂＥで必要な１５ｎｍという広い波長範囲にわたって、その規格を満足する消光比を確保できるような層構造の設計が必須である。さらに、４つの光源を同時に２５Ｇｂｉｔ／ｓという高速のデータレートで変調させるために、素子間のクロストークを抑圧することが大きな問題として残っている。また、ＥＡ変調器を駆動する際には、バイアス電圧と電圧振幅を設定する必要があるが、従来技術では、電圧振幅一定動作は報告されているが、バイアス電圧は波長ごとに変化させており、複雑な制御が必要であった。
【０００９】
したがって、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、１００ＧｂＥのＬＲ４、ＥＲ４規格に対応可能であって、制御が簡便で、低コスト、低消費電力であり、小型化できる光半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決する第１の発明に係る光半導体装置は、
半導体混晶からなる基板上に設けられ、発振波長の異なる複数の半導体レーザ部、および前記複数の半導体レーザ部のそれぞれに対して設けられ、当該複数の半導体レーザ部から出射する信号を変調する複数の電界吸収型光変調器部からなる光源と、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記光源より出射された信号を一つにまとめる合波器部とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶は、ＩｎＰであり、
前記半導体レーザ部が、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部が、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の井戸層及びバリア層はＩｎ1-x-yＡｌxＧａyＡｓであり、
前記電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が７から９であり、量子井戸層の歪量が０．１７％から０．７３％（プラス符号は引張歪）であり、バリア層のバンドギャップ波長が０．９μｍから１．０５μｍであり、
前記複数の半導体レーザ部および前記複数の電界吸収型変調器部の上部のクラッド部がｐ−ＩｎＰであり、前記合波器の上部のクラッド部がノンドープのＩｎＰである
ことを特徴とする。
上述した課題を解決する第２の発明に係る光半導体装置は、
第１の発明に係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部の端部側にフォトダイオードを有し、当該フォトダイオードは前記半導体レーザ部と同じ層構造である
ことを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決する第３の発明に係る光半導体装置は、
第１または第２の発明に係る光半導体装置であって、
前記基板上における、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に設けられ、コア部とこのコア部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層を具備し、
前記パッシブ層のコア部は、前記電界吸収型光変調器部の活性部と同じ多重量子井戸構造である、もしくはバンドギャップ波長１．１μｍから１．２μｍのＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yバルクである
ことを特徴とする。
【００１２】
上述した課題を解決する第４の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第３の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層は、室温での利得が最大となる波長を１．２５μｍから１．３５μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚みおよび歪を有している
ことを特徴とする。
【００１３】
上述した課題を解決する第５の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第４の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が、４０〜５０℃において、１．２９μｍ〜１．３１μｍとなる深さおよび周期を有する回折格子が形成されている
ことを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第６の発明に係る光半導体装置は、
第５の発明に係る光半導体装置であって、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層は、室温での吸収端の波長が、前記ブラック波長から４０ｎｍ〜８０ｎｍ短くなる波長を達成する厚みを有している
ことを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決する第７の発明に係る光半導体装置は、
第３乃至第６の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記半導体レーザ部、前記電界吸収型光変調器部、および前記パッシブ層は、リッジ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする。
【００１６】
上述した課題を解決する第８の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第７の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部のコア層は、バンドギャップ波長が１．１μｍから１．２μｍのＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yバルクである
ことを特徴とする。
【００１７】
上述した課題を解決する第９の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第８の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部は、ハイメサ構造の光導波路を有し、その両脇を半導体よりも誘電率の小さな有機材料で埋め込まれている
ことを特徴とする。
【００１９】
上述した課題を解決する第１０の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第９の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記合波器部は、テーパ構造の入出力導波路を具備する
ことを特徴とする。
【００２０】
上述した課題を解決する第１１の発明に係る光半導体装置は、
第１乃至第１０の発明の何れか１つに係る光半導体装置であって、
前記光源と前記合波器部は、不連続テーパ構造の接合部を介して接続される
ことを特徴とする。
【００２２】
上述した課題を解決する第１２の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
第１乃至第１１の発明の何れか１つに係る光半導体装置を制御する光半導体装置の制御方法であって、
前記複数の電界吸収型光変調器部を駆動する際に、それぞれのバイアス電圧、電圧振幅を一定とする
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る光半導体装置よれば、１００ＧｂＥのＬＲ４、ＥＲ４規格で求められる大きな消光比を確保し、バイアス電圧、電圧振幅一定制御を実現できるため、これら規格に対応可能な、制御が簡便で、低コスト、低消費電力な、超小型モノリシック集積光源を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る光半導体装置の基本的な構造を示した断面図である。
【図２】本発明の第１，第２の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
【図３】第１の実施例に係る光半導体装置が具備する電界吸収型光変調器における井戸層吸収量の井戸層歪量依存性を示す図である。
【図４】光導波路の構造を模式的に示した図であって、図４（ａ）に埋め込み型の場合を示し、図４（ｂ）にリッジ型の場合を示し、図４（ｃ）にハイメサ型の場合を示す。
【図５】光源間クロストークの光源間隔依存性のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路の曲げ損失の曲げ半径依存性を示す図である。
【図７】ＭＭＩカプラの構造図である。
【図８】リッジ型ＭＭＩカプラ内の電界分布を示す図であって、図８（ａ）にそのコア中心における電界分布の縦断面を示し、図８（ｂ）に伝搬距離２２５μｍにおける電界分布の横断面を示す。
【図９】ハイメサ型ＭＭＩカプラ内の電界分布を示す図であって、図９（ａ）にそのコア中心における電界分布の縦断面を示し、図９（ｂ）に伝搬距離２５０μｍにおける電界分布の横断面を示す。
【図１０】テーパ構造つきＭＭＩカプラの構造図である。
【図１１】テーパ構造つきＭＭＩカプラの結合効率のＭＭＩ長依存性を示す図であって、図１１（ａ）に入力導波路幅が２．０μｍの場合を示し、図１１（ｂ）に入力導波路幅が２．５μｍの場合を示す。
【図１２】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置で用いた光導波路の電界分布を示す図であって、図１２（ａ）にリッジ型光導波路の場合を示し、図１２（ｂ）にハイメサ型光導波路の場合を示す。
【図１３】従来の、異種の光導波路を接合するテーパ構造接合部の平面図である。
【図１４】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置で用いた光導波路における不連続テーパ構造接合部の説明図であって、図１４（ａ）にその平面を示し、図１４（ｂ）にその斜視を示す。
【図１５】不連続テーパ構造接合部による結合効率とハイメサ型光導波路の幅方向の大きさとの関係を示すグラフである。
【図１６】不連続テーパ構造接合部による結合効率と不連続テーパ構造接合部のテーパ長との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置を具備する素子の写真である。
【図１８】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置を具備する素子の発振スペクトルを示す図である。
【図１９】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置を具備する素子の静的消光比を示す図である。
【図２０】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置を具備する素子の小信号周波数応答を示す図である。
【図２１】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置を具備する電界吸収型光変調器部における動的消光比のバイアス電圧依存性を示す図である。
【図２２】本発明に係る光半導体装置の断面図であって、図２２（ａ）に第１の実施例の場合を示し、図２２（ｂ）に第２の実施例の場合を示す。
【図２３】本発明に係る光半導体装置が具備する電界吸収型光変調器部内で発生したフォトキャリアの流れ方を説明するための図であって、図２３（ａ）に第１の実施例の場合を示し、図２３（ｂ）に第２の実施例の場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る光半導体装置の実施例について具体的に説明する。
はじめに、本発明に係る光半導体装置の基本的な構造について図１を参照して説明する。
【００２６】
図１に示すように、本発明に係る光半導体装置は、モノリシック集積光源であって、半導体混晶からなる基板１上に、半導体レーザ活性部（Laser diode：ＬＤ部）２１と、パッシブ層（光導波部）２２と、電界吸収型光変調器部（Electroabsorption modulator部：ＥＡＭ部）２３と、合波器部２４とが形成された構成となっている。
【００２７】
ＬＤ部２１は、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、この活性部２の上下に設けられたクラッド部３，４とを有している。
【００２８】
ＥＡＭ部２３は、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、この活性部５の上下に設けられたクラッド部６，７とを有している。
【００２９】
パッシブ層２２は、コア部８と、このコア部８の上下に設けられたクラッド部９，１０とを有している。
【００３０】
合波器部２４は、コア部１１と、このコア部１１の上下に設けられたクラッド部１２，１３とを有している。
【００３１】
基板１の下面には下部電極１４が設けられる。ＬＤ部２１における上部のクラッド部３の上面と、ＥＡＭ部２３における上部のクラッド部６の上面には、コンタクト層１５を介して上部電極１６が設けられている。一方、パッシブ層２２における上部のクラッド部９の上面にはコンタクト層も上部電極も設けられておらず、パッシブ層２２はＬＤ部２１とＥＡＭ部２３とを電気的に絶縁している。合波器部２４における上部のクラッド部１２の上面にはコンタクト層も上部電極も設けられていない。なお、ＬＤ部２１と後述するフォトダイオード部２５との間にもパッシブ層２２が設けられており、このパッシブ層２２はＬＤ部２１とフォトダイオード部２５とを電気的に絶縁している。
【実施例１】
【００３２】
本発明の第１の実施例に係る光半導体装置について図２を参照して説明する。
【００３３】
図２に示すように、本実施例に係る光半導体装置である１００ＧｂＥ用モノリシック集積光源は、半導体混晶からなる基板１上に４つのレーン３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄが設けられた構成になっている。各レーン３１Ａ〜３１Ｄには、フォトダイオード部（ＰＤ部）２５とＬＤ部２１とＥＡＭ部２３が設けられており、ＰＤ部２５とＬＤ部２１とＥＡＭ部２３は光導波路を介して同一基板１上で接続されている。４つのＬＤ部２１は、波長の異なる信号をそれぞれ出射する機器である。そして、４つのレーン３１Ａ〜３１Ｄは、合波器部２４である多モード干渉型カプラ（MultiMode Interference coupler:ＭＭＩカプラ）により各レーン３１Ａ〜３１Ｄを導波した光は１つに合波される。
【００３４】
ＬＤ部２１は、ｎ型のＩｎＰ基板１上に形成され、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のｎ−ＩｎＰクラッド部４と、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層、ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓＰ回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、上部のｐ−ＩｎＰクラッド部３とを有して成るものである。このようにＬＤ部２１にアルミニウムを含むＩｎＡｌＧａＡｓを用いることにより、温度特性を改善することができる。
【００３５】
ＥＡＭ部２３は、ｎ型のＩｎＰ基板１上に形成され、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のｎ−ＩｎＰクラッド部７と、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層及びＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、ＩｎＡｌＧａＡｓＰガイド層と、上部のｐ−ＩｎＰクラッド部６とを有して成るものである。
【００３６】
パッシブ層２２のコア部８および上下のクラッド部９，１０は、ＥＡＭ部２３と同様の構成となっている。すなわち、パッシブ層２２は、ｎ型のＩｎＰ基板１上に形成され、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のｎ−ＩｎＰクラッド部１０と、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層及びＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部からなるコア部８と、ＩｎＡｌＧａＡｓＰガイド層と、上部のｐ−ＩｎＰクラッド部９とを有して成るものである。ただし、パッシブ層２２によってＰＤ部２５とＬＤ部２１とＥＡＭ部２３とを電気的に絶縁するため、パッシブ層２２には上部電極が設けられていない。
【００３７】
ＰＤ部２５は、各レーン３１Ａ〜３１Ｄの一方の端部側に設けられている。ＰＤ部２５は、ＬＤ部２１とほぼ同じ層構造であって、ｎ型のＩｎＰ基板１上に形成され、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のｎ−ＩｎＰクラッド部と、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層及びＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部と、ＩｎＡｌＧａＡｓＰガイド層と、上部のｐ−ＩｎＰクラッド部とを有して成るものである。
【００３８】
本実施例では、上述したような構造の１００ＧｂＥ用モノリシック集積光源において、ＬＤ部２１の活性層２としてバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部２３の活性層５として井戸層のバンドギャップ波長はＬＤ部２１との離調が室温で７０ｎｍとなるように、与えられた歪に対して第１量子化準位間波長が１．２３μｍとなるような混晶を用いる。合波器部２４に関しては、コア層１１をバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰとし、下部クラッド１３をｎ−ＩｎＰとする。
【００３９】
バリア材料の組成は基板に格子整合するものとしているが、歪補償の目的でバリア層に歪を導入しても問題は無い。半導体混晶の組成比は、歪量、井戸幅、第一量子化準位間波長によって特定し、必要が無ければ具体的に述べない。
【００４０】
本発明は前述したとおり、１００ＧｂＥ用の１．３μｍ帯の光源に対するものであり、そこで用いられる波長の範囲は各種の規格において１．２５μｍ〜１．３５μｍ程度である。したがって、ＬＤ部２１の活性層２の量子井戸層は、室温での利得が最大となる光波の波長を１．２５μｍ〜１．３５μｍとする材料（Ｉｎ1-x-yＡｌxＧａyＡｓ）が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有していれば良い。
【００４１】
次に、本実施例に係る光半導体装置である１００ＧｂＥ用モノリシック集積光源の製造方法について説明する。
まず、ｎ型のＩｎＰ基板１上に、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のクラッド部と多重量子井戸構造の活性部とを成長させる。これにより、ＬＤ部２１およびＰＤ部２５における下部のクラッド部および活性部が作製される。また、パッシブ層２２、ＥＡＭ部２３および合波器部２４における下部のクラッド部が作製される。
次に、この成長させた多重量子井戸構造の活性部のうち、ＬＤ部２１およびＰＤ部２５として必要な部分以外の部分をウェットエッチングによって削り取り、多重量子井戸構造の活性部と多重量子井戸構造の活性部からなるコア部とをバットジョイント再成長させる。これにより、ＥＡＭ部２３の活性部５およびパッシブ層２２のコア部８が作製される。
そして、このバットジョイント再成長させた活性層５およびコア部８のうち、ＥＡＭ部２３およびパッシブ層２２として必要な部分以外をウェットエッチングによって削り取り、合波器部２４のコア部１１をバットジョイント再成長させる。
【００４２】
続いて、ＬＤ部２１に回折格子を形成した後、ＬＤ部２１、パッシブ層２２、ＥＡＭ部２３、合波器部２４、およびＰＤ部２５のそれぞれに上部のクラッド部を２μｍ成長させ、さらに、ｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層１５を成長させることで、ＰＤ部２５、ＬＤ部２１、パッシブ層２２、ＥＡＭ部２３、および合波器部２４が作りこまれたウェハーが完成する。ここで、このまま、合波器部２４のＭＭＩカプラを作りこむと、上部のクラッド部がｐ−ＩｎＰであるために、光の損失が大きく、出射光パワーが小さくなってしまう。そこで、ここでは、この状態からさらに、合波器部２４の上部のクラッド部をエッチングによって削り取り、ノンドープのＩｎＰをバットジョイント再成長させる。
【００４３】
完成したウェハーに、ＬＤ部２１、ＥＡＭ部２３、パッシブ層２２、ＰＤ部２５にリッジ型導波路用メサ形成プロセス、合波器部２４にハイメサ型導波路用メサ形成プロセス、及び電極形成プロセス（ただしパッシブ層２２および合波器部２４には上部電極を形成しない）を実施し、へき開後、チップの前後端面に無反射コーティング（図示せず）を施すことによって完成となる。
【００４４】
完成した光半導体装置（デバイス）は、次のような制御方法で使用する。それぞれのＬＤ部２１に電流を注入し、連続光を発生させる。ＥＡＭ部２３に入射した光は、あるバイアス電圧を中心に、ある電圧振幅で駆動して、光を変調する。ＰＤ部２５に入射した光は吸収電流に変換され、この電流の値によってＬＤ部２１の発振波長を求め、それをＬＤ部２１の注入電流にフィードバックし、発振波長が変化しないように、波長モニタとして用いる。
【００４５】
ここで、ＰＤ部２５はＥＡＭ部２３に入射される前の光出力をモニタするためにＬＤ部２１の後端側に配置する。通常ＬＤ部２１では、前、後端面の両側から光が出力されるが、この配置にすることで、出力された光を無駄なく信号光、モニタ光として用いることができ、エネルギー利用効率向上の効果がある。
【００４６】
以下では、本素子における個別デバイスの特徴について述べる。
【００４７】
まず、ＬＤ部２１、ＥＡＭ部２３の構造について説明する。
ＬＤ部２１の発振波長は規格で厳密に定められているため、ＬＤ部２１に形成する回折格子の周期、深さは、決められた波長（ここでは１．２９μｍ〜１．３１μｍ）で発振するように決定する必要がある。但し、光源を駆動する際に、消費電力を低減するために、室温よりも高い温度で駆動するために、４０〜５０℃において、上記発振波長を達成するように設定する。また、発振波長を安定化させるために、回折格子中に位相シフト領域を設けてもよいが、その際には、前端面からの出力が大きくなるように、位相シフトを挿入する位置を前端面側に寄せる。また、本素子は１００ＧｂＥのＬＲ４、ＥＲ４への適用を目的としているため、一つのＥＡＭ部の層構造で、１５ｎｍという広い波長範囲にわたって、２５Ｇｂｉｔ／ｓの高速変調が可能で、所望の消光比を得る必要がある。ＥＡＭ部において大きな消光比を得るためには、量子井戸自体の設計のほかに、井戸層数、変調器長を増やす、という選択肢もあるが、層数を増やすと挿入損が増加し、変調器長を長くすると、寄生容量が増加し２５Ｇｂｉｔ／ｓの変調に必要な帯域が得にくくなるため、一つの井戸当たりの消光量を増やすことが極めて重要である。
【００４８】
ここでは、一つの井戸当たりの消光量を増やすために、ＩｎＡｌＧａＡｓ系材料を用いた引張歪量子井戸を用いる。ＩｎＡｌＧａＡｓ系材料を用いることによって、大きな伝導帯バンドオフセットを得ることができ、電圧印加時にも、電子と正孔の波動関数のオーバーラップが大きくなり、消光比を大きくすることができる。また、引張歪量子井戸を採用することによって、価電子帯のヘビーホールとライトホールのバンドの両方を吸収に用いることができ、より吸収量を大きくすることができる。
【００４９】
図３に、ＥＡＭ部２３の井戸幅を１０ｎｍとし、バリア層のバンドギャップ波長を１μｍとした場合における井戸層吸収量の井戸層歪量依存性を示す。ここで、負の歪量は圧縮歪を表し、正の歪量は引張歪みを表すものとする。図３からわかるように、引張歪０．５％で１井戸当たりの消光量が最大となり、量子井戸層の歪量が０．１７〜０．７３％のときに、０．５％の時の消光量の９０％を確保することが可能であり、０．２５〜０．６５％のときに９５％を確保することが可能となる。この物理的な理由は、価電子帯ヘビーホールとライトホールの第１バンドのエネルギー差が小さくなり、Γ点での状態密度が大きくなることによる。また、バリア層のバンドギャップ波長に関しては、小さすぎると、クラッドよりもバンドギャップが大きくなり、大きすぎると、井戸内の閉じ込めが弱くなるため、０．９μｍ以上、１．０５μｍ以下であることが望ましい。量子井戸数については、多すぎると挿入損が増加し、少なすぎると、消光比が小さくなるため、７から９が望ましい。ＬＤ部の発振波長とＥＡＭ部のバンド端波長の差（離調）に関しては、小さすぎると挿入損失が大きくなり、大きすぎると消光に必要な電圧が大きくなりしかも消光比が小さくなる。ここでターゲットとしている１００ＧｂＥの用途に対しては、４０ｎｍ〜８０ｎｍとしておくことが望ましい。
【００５０】
次にＥＡＭ部２３の導波路構造について図４を用いて説明する。
半導体光デバイスに用いられる光導波路構造には主に、埋め込み型光導波路、リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路の３種類があり、それぞれの模式図を図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す。
【００５１】
埋め込み型光導波路１００は、図４（ａ）に示すように、基板１０１上に、下部のクラッド部１０２、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層１０３、上部のクラッド部１０４を順番に形成し、ＭＱＷ構造の活性層１０３の両脇を基板１０１に達するまでエッチングしてＭＱＷ構造の活性層１０３の両脇をけずり、半導体１０５により埋め込んだ構造であり、放射性が良く、効率的な電流の注入が可能である。また、ビームの形状を円に近づけることができるため、光ファイバとの結合が容易で、これまで半導体レーザに広く用いられてきた。しかし、ＥＡＭ部への適用を考えた場合、誘電率の大きな半導体の上部に電極を形成するため、寄生容量が増加し、１００ギガ規格に必要な高速変調が難しいという問題点がある。また、ＩｎＡｌＧａＡｓ系の材料は空気に触れると酸化するために、活性層両脇のエッチングの際に活性層がむき出しになるため、結晶の品質が劣化する可能性がある。
【００５２】
リッジ型光導波路１１０は、図４（ｂ）に示すように、基板１１１上に、下部のクラッド部１１２、ＭＱＷ構造の活性層１１３、上部のクラッド部１１４を順番に形成し、ＭＱＷ構造の活性層１１３を削らずに、上部のクラッド部１１４のみをエッチングすることによってメサを形成し、導波路を形成したものである。メサの両脇を、ベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）などの誘電率の小さな有機物１１５で埋め込むことによって、ＥＡＭ部での寄生容量を大幅に減らすことが可能なため、高速変調に有利であると考えられる。また、上部のクラッド部１１４とＭＱＷ構造の活性層１１３の間にエッチングストップ層を挟むことによりＭＱＷ構造の活性層１１３を空気中に晒すことなく作製可能で、ＩｎＡｌＧａＡｓ系の材料を用いる場合には、活性層の結晶の品質を守ることが可能である。不利な点としては、ビームの形状が楕円になるためファイバとの結合が埋め込み型に比べると難しいことが挙げられる。
【００５３】
ハイメサ型光導波路１２０は、図４（ｃ）に示すように、基板１２１上に、下部のクラッド部１２２、ＭＱＷ構造の活性層１２３、上部のクラッド部１２４を順番に形成し、ＭＱＷ構造の活性層１２３の両脇を基板１２１に達するまでエッチングし、通常、そこをＢＣＢなどの誘電率の小さな有機材料１２５で埋め込んだ構造である。この光導波路では、ＭＱＷ構造の活性層１２３と横方向の屈折率の差が非常に大きくなることから、光が強く閉じ込められるため、光導波路を曲げても光が放射しにくい、という利点があるが、ＭＱＷ構造の活性層１２３の両脇をエッチングするために、結晶品質の劣化は避けられない。そこで、ここでは、ＬＤ部２１、ＥＡＭ部２３共に、ＩｎＡｌＧａＡｓ系の結晶品質を保護し、大きな変調帯域を確保できる、有機物埋め込みのリッジ構造を採用する。
【００５４】
本素子において、上記光源を一つのチップに集積するのに際し、各光源を２５Ｇｂｉｔ／ｓという高速のレートで変調するために、各光源間での電気的なクロストークが問題となる。そのため、光源のチップ内レイアウトには十分に気を使う必要がある。図５は、光源間クロストークの光源間隔依存性のシミュレーション結果を示す図である。図５から、通常必要とされる、クロストーク量でおおよそ−４０ｄＢ以下を達成するには光源間隔を４００μｍ以上とする必要があることがわかる。しかし、あまりに光源間の間隔が大きいと、合波器まで達するための光導波路の長さが長くなってしまい、光の損失が大きくなってしまうため、６００μｍ以下であることが望ましい。本実施例においては光源間の間隔を５００μｍとした。また、本実施例においては、高速の変調器を有する多チャネル光素子の変調器として、ＥＡＭ部２３を用いている。従来の多チャネル集積素子用変調器としてはマッハ・ツェンダー干渉計型の光変調器を用いるのが一般的であったが、この場合、一つの変調器につき２つの高周波用進行波型電極が必要となり、素子を実装するパッケージの端子が多くなってしまうことや、素子長が非常に大きく（〜１ｍｍ）なるという問題があった。ＥＡＭ部２３を変調器に採用して集積素子を構成することにより、高周波用の電極は一つの変調器につき一つで済み、クロストーク抑圧、パッケージ、チップサイズの小型化に非常に有効である。
【００５５】
次に、合波器部２４の構造について説明する。
合波器部２４においても当然、光導波路構造が必要であるが、求められる性能は光送信部であるＬＤ部２１、信号変換部であるＥＡＭ部２３とは異なる。一つのチップ上に多数の素子を集積するためには、一つの素子から出た信号を出力部まで配線するに当たって、通常光導波路を曲げることを避けることはできない。光導波路を曲げたときには、曲げに対して外側の領域に光が放射していくことが知られており、これを曲げ損失と呼ぶ。この損失はゆるやかに曲げるほど（曲げ半径が大きいほど）小さく、急激に曲げるほど（曲げ損失が小さいほど）大きい。そして、この損失の大きさは光導波路のコア部の屈折率とそれを囲むクラッド部の屈折率の差によって決まる。この屈折率の差が大きいほど光はコア部に良く閉じ込められるが、小さいとクラッド部に大きく漏れ出し曲げ損失が大きくなる。そのため、曲げ損失が小さければ、より急激な角度で導波路を曲げることが可能なため、チップの小型化に有利である。また、ＭＭＩカプラにおいても、導波路のコアとクラッドの屈折率差が大きいほど光の放射損失を抑えることができる。これらの観点から集積部に用いる導波路構造を考えた場合、リッジ型、埋め込み型の光導波路では曲げ損失が大きく、集積用の光導波路には適さないと考えられる。ハイメサ型光導波路は導波路のコア部と横方向のクラッド部の屈折率差が非常に大きく、曲げ損失を少なくすることが可能で、なおかつＭＭＩカプラにおける放射損失も抑えることが可能である。但し、光導波路のコア部には、酸化の問題のあるＩｎＡｌＧａＡｓよりもＩｎＧａＡｓＰのほうが適していると考えられる。
【００５６】
図６は、合波器部２４のコア層１１におけるＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長を１．１５μｍとし、コア層１１の厚さを０．３μｍとし、合波器部２４へ入る光の波長を１．３μｍとし、導波路幅を１．５μｍとした場合における、リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路の曲げ損失の曲げ半径依存性を示す図である。許容曲げ半径は光の配線の長さにも依存するが、仮に許容曲げ損失を１０-4ｄＢ／μｍとした場合、許容曲げ半径は、ハイメサ型光導波路で１３０μｍ、リッジ型光導波路で４００μｍ程度となり、約３分の１程度まで小さくすることが可能となる。合波器部２４のコア層１１のバンドギャップ波長は、レーザの発振波長に近すぎると吸収による損失が大きくなるため、それよりも十分短波長である必要があり、発振波長よりも１００ｎｍ程度短波であればこの吸収損失は問題にならない。本実施例の場合、発振波長が１．３μｍ付近であるため、コア層１１のバンドギャップ波長は１．２μｍ程度より短波長である必要がある。しかし、あまりに波長が短いと、基板との屈折率差がとれなくなり、小さな光導波路構造を作りにくくなる。ＩｎＰ基板１に対して、通常と同じ大きさの光導波路を作成することのできるコア層１１のバンドギャップ波長は通常１．１μｍ以上であり、本実施例における発振波長１．３μｍのレーザに対しては、コア層１１のバンドギャップ波長は１．１μｍ〜１．２μｍ程度が最適となる。本実施例では、コア層１１のバンドギャップ波長を１．１５μｍとしているが、１．１μｍ以上であれば同様の効果を得ることができる。
【００５７】
また、合波器部２４のＭＭＩカプラについて、図７にＭＭＩカプラの構造図を示す。図７に示すように、ＭＭＩカプラ１５０は、４つの波長の光を一つの導波路に集光するために４つの入力ポートと１つの出力ポートからなり、４つの入力導波路１５１，１５２，１５３，１５４と、１つの出力導波路１５５とを具備する。ＭＭＩカプラ１５０の導波路幅をＷとし、出力導波路１５５の幅をＷhmとする。図８（ａ）は出力導波路幅Ｗhm＝１．５μｍ、ＭＭＩ幅Ｗ＝２０μｍの場合のリッジ型ＭＭＩのコア中心での縦方向断面電界分布を示している。図８（ｂ）は、伝搬距離２２５μｍでの横方向断面電界分布を示している。図９（ａ）は、ＭＭＩ幅Ｗ＝２０μｍの場合のハイメサ型ＭＭＩのコア中心での縦方向断面電界分布を示している。図９（ｂ）は、伝搬距離２５０μｍでの横方向断面電界分布を示している。これらの図から明らかなように、リッジ型ＭＭＩカプラでは、断面内への光の放射が大きいのに対して、ハイメサ型ＭＭＩカプラでは光の放射がほとんど無く、放射損失を抑えることができることがわかる。
【００５８】
更に波長依存性を低減するために、図１０に示すような、入力導波路１６１〜１６４および出力導波路１６５にテーパ構造を設けたＭＭＩカプラ本体からなるＭＭＩカプラ１６０を用いる。入力導波路１６１〜１６４および出力導波路１６５の幅は、それぞれＭＭＩカプラ本体側に向けて徐々に太くなるように形成されている。ここで、ＭＭＩ入出力端における導波路幅をＷtaperとする。図１１（ａ）、（ｂ）は、Ｗtaper＝２．０μｍ、２．５μｍの場合の、４つの波長（１２９５ｎｍ、１３００ｎｍ、１３０５ｎｍ、１３１０ｎｍ）における、入力ポートから出力ポートへの結合効率のＭＭＩ長さ依存性をそれぞれ示している。これらの図から、Ｗtaperを大きくすることで、波長依存性が低減されていることがわかる。しかし、あまりにＷtaperが大きいと、隣の導波路との間隔が狭くなり、作製することが難しくなる。ＭＭＩカプラの入出力導波路を作製する、通常のフォトリソグラフィーの工程では、導波路と導波路の間には少なくとも１μｍ以上の大きさがなければ精度の良いパターンが転写できないため、ＭＭＩ幅２０μｍの場合、４つの導波路をそれぞれ５μｍの幅に収めなければならないので、Ｗtaperは２．５μｍから３μｍ程度が最適である。また、本実施例では、テーパ部の長さは１００μｍとした。
【００５９】
最後に、リッジ型導波路とハイメサ型構造の接続部の構造について述べる。
図１２（ａ）、（ｂ）は、リッジ型導波路、ハイメサ型導波路の電界分布をそれぞれ示している。図から明らかなように、２つの導波路の電界分布は非常に異なっているため、単純にバットジョイント結合しただけでは結合損失が多きくなり、反射点となってしまう。このような場合、図１３に示すようなテーパ構造の光導波路１３０を用いて電界分布を断熱的に変換する手法が良く行われている。この光導波路１３０は、リッジ型光導波路１４１に接続すると共に、ハイメサ型光導波路１４２に接続している。光導波路１３０の一方の端部１３１の幅は、リッジ型光導波路１４１の幅Ｗridgeと同じに形成されている。光導波路１３０の他方の端部１３２の幅は、ハイメサ型光導波路１４２の幅Ｗhmと同じに形成されている。光導波路１３０の幅は、一方の端部１３１から他方の端部１３２に向けて徐々に狭くなるように形成されている。しかし、図１２（ａ）に示すように、リッジ型導波路の電界分布は、リッジメサの下で、リッジメサよりも広い範囲に分布しているため、図１３に示すようなテーパ構造光導波路１３０では、メサの外側に分布している光に関しては、損失となってしまう。
【００６０】
そこで、本実施例では、図１４に示すような、不連続テーパ構造接合部を用いる。不連続テーパ構造接合部は、図１４に示すように、リッジ型光導波路４１およびハイメサ型光導波路４２に接する光導波路であって、所定の長さＬtaperを有する不連続テーパ構造接合部本体５０からなる。不連続テーパ構造接合部本体５０の一方の端部５１は一方の導波路４１と接し、不連続テーパ構造接合部本体５０の他方の端部５２は他方の導波路４２と接する。一方の導波路４１は、当該一方の導波路４１を導波する光の横方向の広がりが、他方の導波路４２を導波する光の横方向の広がりよりも広くなるように形成された構造を有している。一方の光導波路４１のメサの高さが、他方の光導波路のメサの高さよりも低く形成されている。不連続テーパ構造接合部本体５０の幅は、一方の端部５１から他方の端部５２に向けて徐々に狭くなるように形成されている。不連続テーパ構造接合部本体５０における一方の端部５１の幅Ｗtaperが一方の導波路４１の幅Ｗridgeよりも広く形成されている。このような不連続テーパ構造接合部本体５０により、リッジ型光導波路である一方の導波路４１と、ハイメサ型光導波路である他方の導波路４２の接合部で、ハイメサ型光導波路の幅を広くすることにより、リッジ構造中のメサの外側に分布している光も、ハイメサ導波路に取り込むことが可能である。不連続テーパ構造接合部は、ハイメサ型導波路用メサ形成プロセスにて作製されており、不連続テーパ構造接合部本体５０のメサの高さは、他方の導波路４２のメサの高さと同じである。なお、図１４には、導波路４１，４２および不連続テーパ構造光導波路本体５０における、光の導波に関与するメサを図示し、それ以外の部分の図示を省略している。
【００６１】
図１５に不連続テーパ構造接合部における、リッジ型光導波路とハイメサ型光導波路の結合効率のテーパ幅Ｗtaper依存性を示す。図１５に示すように、テーパ幅Ｗtaper、すなわち不連続テーパ構造接合部本体５０の一方の端部５１の幅を大きくしていくと結合効率が大きくなり、ある幅以上では結合効率は減少する。図１５から、９５％以上の結合効率を得るには、テーパ幅Ｗtaperは２．０μｍ以上２．８μｍ以下とすればよいことがわかる。
【００６２】
図１６に、不連続テーパ構造接合部におけるテーパ幅Ｗtaper＝２．５μｍのときの結合効率のテーパ長さ依存性を示す。テーパ長Ｌtaperが４０μｍ以上で結合効率が飽和しており、テーパ長Ｌtaperが２０μｍで９５％以上の結合効率が得られ、テーパ長Ｌtaperが４０μｍ以上で９８％以上となり、実用上問題無いことがわかる。但し、光導波路そのものの損失があるので、あまり長すぎると、導波路損失が大きくなってしまうので、せいぜい１００μｍ程度にするのがよい。また、図１０に示した、テーパつき入出力導波路１６１〜１６４，１６５をもつＭＭＩカプラ１６０のテーパ長Ｌtaperも同様に４０μｍ以上とすればよい。
【００６３】
図１７に、上述した構成の光半導体装置を元に作製した素子の外観を示す。チップサイズは合波器部でのハイメサ型導波路の採用により、２×２．６ｍｍ2という非常に小さなサイズに抑えることができた。もし、合波器部にリッジ型導波路を用いると、曲げ損失の見積もりから、少なくともこの３倍の大きさが必要である。図１８に、上述した構成の光半導体装置を元に作製した素子のそれぞれの半導体レーザ部の発振スペクトルを示す。図１８に示すように、光半導体装置が具備する半導体レーザ部における回折格子の周期、深さを調整することにより、１００ＧｂＥ規格で求められる波長範囲内でレーザを動作させることができることがわかる。
【００６４】
図１９に、上述した構成の光半導体装置を元に作製した素子の静的消光比を示す。測定は全て、モジュール消費電力を小さくするために、室温よりも少し高い４０℃で行った。４レーン全ての波長において、１６ｄＢ以上の静的消光比が得られており、後に示すように、動的消光比の８ｄＢを得るためには十分な値であることがわかった。図２０に、上述した光半導体装置を具備する素子の小信号応答を示す。図２０に示すように、両脇をＢＣＢで埋め込んだリッジ構造の導波路を用いることで、４レーン全てにおいて、２０ＧＨｚ程度の３ｄＢ帯域を得ることができ、２５Ｇｂｉｔ／ｓの変調には十分であることがわかる。図２１は、変調速度２５Ｇｂｉｔ／ｓ、変調振幅２Ｖの場合における電界吸収型光変調器部の動的消光比のバイアス電圧依存性を示している。図２１に示すように、ＬＲ４に要求される動的消光比４ｄＢは、表示している全ての範囲で得られており、どこを用いてもよいことがわかる。またＥＲ４に要求される動的消光比８ｄＢに関しては、バイアス電圧−２Ｖで全てのレーンで満たしており、バイアス電圧を−２Ｖにしておけば、変調振幅２Ｖで、バイアス電圧、変調振幅一定動作が可能であることがわかる。従来のＥＡＭ部では、動作波長が異なる場合、バイアス電圧を変化させて駆動するということが常識であったが、適切な設計をすることによって、一つの構造で１５ｎｍという広い波長範囲にわたって、バイアス電圧、変調振幅一定制御が可能であることがわかる。このことは、作製したデバイスの制御が簡単になることを意味している。以上、ＥＡＭ部に、本実施例による、適切な設計に基づいたＩｎＡｌＧａＡｓ系の引張歪量子井戸を用い、有機物埋めこみのリッジ構造の光導波路を用いることで、１００ＧｂＥのＬＲ４、ＥＲ４規格に求められる性能を満たし、なおかつ、従来のＥＡＭでは常識であった、動作波長に応じてバイアス電圧を変更すること無しに、バイアス電圧、電圧振幅一定動作が可能なことを実証した。
【００６５】
したがって、本実施例に係る光半導体装置によれば、一つのチップ上に光源、合波器部２４をモノリシック集積し、なおかつ、ＥＡＭ部２３のバイアス電圧、電圧振幅を一定で制御可能な１００ＧｂＥのＬＲ４、ＥＲ４用光源を実現することが可能となり、送信機の構成に必要な部材、消費電力はおよそ４分の１となり、産業上大きな効果を得ることができる。
【００６６】
なお、誘電率の小さな有機材料１１５，１２５として、ＢＣＢの他にポリイミドを用いることも可能である。
【実施例２】
【００６７】
本発明の第２の実施例に係る光半導体装置について、図２、図２２、図２３を参照して説明する。
【００６８】
本実施例に係る光半導体装置である１００ＧｂＥ用モノリシック集積光源は、図２に示すように、半導体混晶からなる基板１上に４つのレーン３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄが設けられた構成になっている。各レーン３１Ａ〜３１Ｄには、フォトダイオード部（ＰＤ部）２５とＬＤ部２１とＥＡＭ部２３が設けられており、ＰＤ部２５とＬＤ部２１とＥＡＭ部２３は光導波路を介して同一基板１上で接続されている。４つのＬＤ部２１は、波長の異なる信号をそれぞれ出射する機器である。そして、４つのレーン３１Ａ〜３１Ｄは、合波器部２４である多モード干渉型カプラ（MultiMode Interference coupler:ＭＭＩカプラ）により各レーン３１Ａ〜３１Ｄを導波した光は１つに合波される。
【００６９】
本実施例に係る光半導体装置は、上述した第１の実施例に係る光半導体装置が具備するパッシブ層のコア部を、ＥＡＭ部と同様の層構造ではなく、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yバルクとした構成であって、それ以外は上述した第１の実施例に係る光半導体装置と同じ構成を有している。ここで、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yバルクのバンドギャップ波長は、上述した第１の実施例における合波器部２４の部分の議論から、１．１μｍ〜１．２μｍが最適となる。
【００７０】
次に、本実施例に係る光半導体装置である１００ＧｂＥ用モノリシック集積光源の製造方法について説明する。
本実施例に係る光半導体装置の場合、ＥＡＭ部２３の活性部５をバットジョイント再成長させた後、合波器部２４のコア部１１をバットジョイント再成長させる際に、ＬＤ部２１とＥＡＭ部２３の間をもう一度ウェットエッチングによって削り、その後、合波器部２４と同じ組成のＩｎＧａＡｓＰバルクを再成長させる。その他の製造工程については、上述した実施例１と同じである。
【００７１】
図２２は、本発明に係る光半導体装置の断面図であって、図２２（ａ）に第１の実施例の場合を示し、図２２（ｂ）に第２の実施例の場合を示す。なお、図２２には、ＬＤ部２１とパッシブ層２２，２６とＥＡＭ部２３のみを図示している。図２２（ａ）に示すように、第１の実施例に係る光半導体装置の場合、パッシブ層２２の光導波路層構造としてＥＡＭ部２３と同じ層を再成長することになるので、すなわち、複数の組成の複数の層からなる層構造を再成長することになるので、バットジョイント端面近傍では、組成の制御が難しく、結晶の品質が悪くなり、形状も劣化する。このことは、ＬＤ部２１とＥＡＭ部２３の結合効率を劣化させ、長期信頼性も低下させる。しかし、本実施例に係る光半導体装置では、図２２（ｂ）に示すように、ＬＤ部２１とＥＡＭ部２３の間のパッシブ層２６における下部のクラッド部１０の上層をエッチングによって削り、バルクの結晶を再成長したコア部１８を作製している。このように、光導波路層が単一組成で単一層構造となるバルク材料からなるコア部１８としたほうが、組成や膜厚の制御が容易であるため、バットジョイント端面の凹凸が少なくなり、再成長界面での組成変動も小さくなる。
【００７２】
図２３は、光半導体装置が具備する電界吸収型光変調器部内で発生したフォトキャリアの流れ方を説明するための図であって、図２３（ａ）に第１の実施例の場合を示し、図２３（ｂ）に第２の実施例の場合を示す。第１の実施例に係る光半導体装置では、図２３（ａ）に示すように、パッシブ層２２がＥＡＭ部２３と同じ層構造であり、ＥＡＭ部２３で発生したフォトキャリア６０がパッシブ層２２に進入し、変調特性に悪影響を及ぼす。これに対し、本実施例に係る光半導体装置では、図２３（ｂ）に示すように、パッシブ層２６のコア部１８をバンドギャップの大きなバルク材料に置き換えることによって、フォトキャリア６０のパッシブ層２６のコア部１８への進入を減少させることが可能なため高速変調に有利である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は光半導体装置に関するものであり、１００ＧｂＥのＬＲ４、ＥＲ４用光源を実現することが可能となり、小型化、低コスト化、低消費電力化することができるので、光通信産業などにおいて、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１          基板
２          多重量子井戸構造の活性部
３，４      クラッド部
５          多重量子井戸構造の活性部
６，７      クラッド部
８          コア部
９，１０    クラッド部
１１        コア部
１２，１３  クラッド部
１４        下部電極
１５        コンタクト層
１６        上部電極
１８        コア部
２１        半導体レーザ活性部（ＬＤ部）
２２        パッシブ層（光導波路部）
２３        電界吸収型光変調器部（ＥＡＭ部）
２４        合波器部
２５        フォトダイオード部（ＰＤ部）
２６        パッシブ層（光導波路部）
３１Ａ〜３１Ｄ  レーン
５０        不連続テーパ構造接合部本体
５１        一方の端部
５２        他方の端部
６０        フォトキャリア
１６０      テーパつきＭＭＩカプラ
１６１〜１６４  入力導波路
１６５      出力導波路
【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１０】
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【図１１】
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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１９】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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