(57)【要約】【課題】偏波依存性が抑制され、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を提供すること。【解決手段】活性層を有する半導体からなり、前記半導体の積層方向と直交する方向に入射光を導波する光導波路構造を有し、変調信号が印加されて、前記入射光を前記光導波路構造に導波させながら変調および増幅する半導体光変調増幅部と、前記半導体光変調増幅部に前記変調信号を印加する変調信号印加部と、を備え、前記半導体光変調増幅部は、前記変調信号によって、前記入射光の導波方向と同一の方向に、前記入射光と異なる波長のレーザ光を発振する、または、前記入射光の導波方向と異なる方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振する共振構造を備える半導体光変調器。【選択図】図１
2014154646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を有する半導体からなり、前記半導体の積層方向と直交する方向に入射光を導波する光導波路構造を有し、
変調信号が印加されて、前記入射光を前記光導波路構造に導波させながら変調および増幅する半導体光変調増幅部と、
前記半導体光変調増幅部に前記変調信号を印加する変調信号印加部と、を備え、
前記半導体光変調増幅部は、前記変調信号によって、前記入射光の導波方向と同一の方向に、前記入射光と異なる波長のレーザ光を発振する、または、前記入射光の導波方向と異なる方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振する共振構造を備えることを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
前記光導波路構造は、片端部に前記入射光を反射する入射光反射部を備え、他端部において前記入射光の入出力を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調器。
【請求項３】
前記共振構造は、前記入射光の導波方向と同一の方向に、前記入射光と異なる波長のレーザ光を発振するファブリー・ペロー型共振器、または、分布反射型共振器であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調器。
【請求項４】
前記共振構造は、前記入射光の導波方向と同一の方向に、前記入射光と異なる波長のレーザ光を発振する分布帰還型共振器であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調器。
【請求項５】
前記共振構造は、前記入射光の導波方向および半導体の積層方向と異なる方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振するファブリー・ペロー型共振器、または、分布反射型共振器であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調器。
【請求項６】
前記共振構造は、前記入射光の導波方向および半導体の積層方向と異なる方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振する分布帰還型共振器であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調器。
【請求項７】
前記共振構造は、半導体の積層方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振するファブリー・ペロー型共振器、または、分布反射型共振器であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体光変調器を備えることを特徴とする光ネットワークユニット。
【請求項９】
請求項８に記載の光ネットワークユニットを備えることを特徴とするパッシブ光ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅機能を備えた半導体光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光増幅器等の中継器を用いないようなＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  Ｔｏ  Ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ）等の短距離のアクセスネットワークでは、波長分割多重方式パッシブ光ネットワーク（ＷＤＭ−ＰＯＮ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）方式が注目されている。この方式では、基地局、つまり光ラインターミナル（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ）から送信されてきた種光を端末側、すなわち光ネットワークユニット（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）側で光変調して基地局側に送り返すような光変調器が求められる。さらに、この光変調器は、光ファイバや各光部品での損失により、減衰した種光を増幅する光増幅器機能、つまり、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の機能を兼ね備えていることが望ましい。
【０００３】
ここで、ＳＯＡについて、高飽和出力、低雑音指数のＳＯＡが報告されている（例えば非特許文献１など）。一般的にＳＯＡは、半導体の活性層に一定の電圧をかけ、活性層内のキャリアが励起された状態で用いられる。ここに、信号光を入射すると、信号光によって誘導放出が誘起され、信号光が増幅されて出力される。これによって、ＳＯＡは信号光を増幅する光増幅器として用いられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｋ．  Ｍｏｒｉｔｏ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｔａｎａｋａ，  “Ｒｅｃｏｒｄ  Ｈｉｇｈ  Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  （＋２２ｄＢｍ）  ａｎｄ  Ｌｏｗ  Ｎｏｉｓｅ  Ｆｉｇｕｒｅ  （５．７ｄＢ）  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ＳＯＡ  Ｍｏｄｕｌｅ”，  ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  １７，  ６，  １２９８−１３００，  （２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本来、ＳＯＡは光増幅器であるため、高速な変調ができないという問題があった。特に、変調帯域と素子長とは、トレードオフの関係にあり、素子長を短くして素子の小型化を図ると変調帯域が制限され、高速な光変調ができなくなるという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、素子長が短く、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体光変調器は、活性層を有する半導体からなり、前記半導体の積層方向と直交する方向に入射光を導波する光導波路構造を有し、変調信号が印加されて、前記入射光を前記光導波路構造に導波させながら変調および増幅する半導体光変調増幅部と、前記半導体光変調増幅部に前記変調信号を印加する変調信号印加部と、を備え、前記半導体光変調増幅部は、前記変調信号によって、前記入射光の導波方向と同一の方向に、前記入射光と異なる波長のレーザ光を発振する、または、前記入射光の導波方向と異なる方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振する共振構造を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記光導波路構造は、片端部に前記入射光を反射する入射光反射部を備え、他端部において前記入射光の入出力を行うことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記共振構造は、前記入射光の導波方向と同一の方向に、前記入射光と異なる波長のレーザ光を発振するファブリー・ペロー型共振器、または、分布反射型共振器であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記共振構造は、前記入射光の導波方向と同一の方向に、前記入射光と異なる波長のレーザ光を発振する分布帰還型共振器であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記共振構造は、前記入射光の導波方向および半導体の積層方向と異なる方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振するファブリー・ペロー型共振器、または、分布反射型共振器であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記共振構造は、前記入射光の導波方向および半導体の積層方向と異なる方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振する分布帰還型共振器であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記共振構造は、半導体の積層方向に、前記入射光と同一、もしくは、異なる波長のレーザ光を発振するファブリー・ペロー型共振器、または、分布反射型共振器であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光ネットワークユニットは、上記発明の半導体光変調器を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るパッシブ光ネットワークは、上記発明の光ネットワークユニットを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、素子長が短く、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｙ−ｚ面を表す模式的な断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｘ−ｙ面を表す模式的な断面図である。
【図４】図４は、変調信号印加部により印加される変調電流の電流プロファイルの一例を表す図である。
【図５】図５は、多重量子井戸構造を有する半導体活性層の微分利得係数とキャリア密度との関係を表す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器の入射光強度と利得との関係を表す説明図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器のＯＮ状態とＯＦＦ状態とにおける入射光の伝播方向におけるキャリア密度の分布を表す説明図である。
【図８】図８は、変形例に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｘ−ｙ面を表す模式的な断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態３に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｙ−ｚ面を表す模式的な断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態３に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｘ−ｙ面を表す模式的な断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｙ−ｚ面を表す模式的な断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｙ−ｚ面を表す模式的な断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｘ−ｙ面を表す模式的な断面図である。
【図１９】図１９は、本発明に係る半導体光変調器を用いた光通信システムを表す模式図である。
【図２０】図２０は、図１９に示す光通信システムに実施の形態１に係る半導体光変調器を適用した場合における信号光の受信強度と誤り率との関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体光変調器の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１９】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。図１に示すように、半導体光変調器１００は、入射光１を変調および増幅し、信号光２として出力する半導体光変調増幅部１１０と、半導体光変調増幅部１１０に変調信号を印加する変調信号印加部１５０とからなる。ここで、以下において、入射光１の導波方向をｘ軸、半導体の積層方向をｙ軸、ｘ軸およびｙ軸と直交する方向をｚ軸とする。また、図中の線断面を表すローマ数字は、図示した位置における線断面図を表した図番号に対応する。
【００２０】
半導体光変調増幅部１１０は、入射側の片端部に、入射光１の反射を防ぐための無反射膜１１１を備える。入射光１が半導体光変調増幅部１１０に入射せずに反射すると、信号光２に対してノイズとなるため、これを防止するためである。一方、他端部には、入射光１を反射させる信号光反射部である反射膜１１２を備える。これによって、入射光１は入射部から入射し、入射した方向と反対方向に信号光２として出射する。
【００２１】
さらに、半導体光変調増幅部１１０は、半導体の屈折率差によって光を閉じ込める光導波路構造１１３を備え、半導体の積層方向と直交するｘ軸方向に入射光１を導波させる。また、半導体光変調増幅部１１０は、底面にｎ側電極１１４が形成され、上面にｐ側電極１１５が形成されている。変調信号印加部１５０はｎ側電極１１４とｐ側電極１１５とに接続している。これらの電極によって、半導体光変調増幅部１１０に変調信号印加部１５０から変調信号が印加され、半導体光変調増幅部１１０内を導波する入射光１が変調および増幅される。そして、半導体光変調増幅部１１０の光導波路構造１１３は、両端部付近に回折格子１１６を備える。この回折格子１１６は、半導体光変調増幅部１１０内に入射光１と異なる波長のレーザ光を発振させるための分布反射型共振器であるが、ファブリー・ペロー型共振器であってもよい。
【００２２】
次に、半導体光変調増幅部１１０の半導体の積層構造について説明する。半導体光変調増幅部１１０の半導体層は、例えばＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料、またはＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなり、１．５５μｍ帯の波長の光を増幅することができるようにその組成が設定されている。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｙ−ｚ面を表す模式的な断面図である。すなわち、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図２に示すように、この半導体光変調増幅部１１０は、シリコンベース１２１上に、底面にｎ側電極１１４が形成されたＩｎＰからなる基板１２２が設置されている。基板１２２上には、ｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層１２３が積層され、さらに、活性層１２４が積層されている。活性層１２４は、埋込層１２５と電流阻止層１２６とによって挟まれ、その上にｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１２７が積層されている。
【００２３】
活性層１２４は、例えばＧａＩｎＡｓＰからなり、幅３．９ｎｍの井戸層と幅１０ｎｍの障壁層とが、交互に５層積層された多重量子井戸であってよい。また、活性層１２４は、例えば組成を変えたＧａＩｎＡｓＰからなり、３層からなる３段分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Ｓｅｐａｒａｔｅｄ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）である下部３段ＳＣＨ層および上部３段ＳＣＨ層を備えていてもよい。また、上記の半導体材料は例示であり、使用される半導体材料は、使用される光の波長に応じて適宜選択することができる。
【００２４】
ここで、埋込層１２５は下部クラッド層１２３と逆のｐ型のＩｎＰ、電流阻止層１２６は上部クラッド層１２７と逆のｎ型のＩｎＰである。これによって、ｎ側電極１１４とｐ側電極１１５とに正方向の電流が印加されると、活性層１２４にキャリアが溜まる一方で埋込層１２５と電流阻止層１２６との界面はキャリアが空乏化し、埋込層１２５および電流阻止層１２６は絶縁層として機能する。
【００２５】
活性層１２４の直上部には、コンタクト抵抗を低く抑えるためのコンタクト層１２８が積層され、それ以外の領域は半導体層を保護するため、例えばＳｉＮからなる保護層１２９によって覆われる。そして、コンタクト層１２８上に、ｐ側電極１１５が形成され、ｎ側電極１１４とｐ側電極１１５とによって、変調信号印加部１５０の変調信号が印加される。注入された電流は、埋込層１２５と電流阻止層１２６とによって狭窄されて流れるため、入射された入射光１と注入電流とを効率よく相互作用させることができる。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｘ−ｙ面を表す模式的な断面図である。すなわち、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図３に示すように、半導体光変調増幅部１１０のｘ軸方向は、ＩｎＰ埋込層からなる回折格子１１６が形成され、入射光１と異なる波長のレーザ光を発振する分布反射型共振器として機能する。共振構造は、半導体光変調増幅部１１０のｘ軸方向の両端部に反射部を形成したファブリー・ペロー型共振器であってもよい。
【００２７】
変調信号印加部１５０は、例えば５Ｇｂ／ｓ以上、好ましくは１０Ｇｂ／ｓ以上の高周波の信号で変調した変調電流を生成し、半導体光変調増幅部１１０に変調信号を印加する。変調電流は、強度変調の一種であるＯＯＫ（Ｏｎ−Ｏｆｆ  Ｋｅｙｉｎｇ）におけるＮＲＺ（Ｎｏｎ  Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）方式、またはＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）方式に相当する。図４は、変調信号印加部により印加される変調電流の電流プロファイルの一例を表す図である。変調電流プロファイルの一例として、図４（ａ）にＮＲＺ方式の変調電流プロファイルを、図４（ｂ）にＲＺ方式の変調電流プロファイルを示す。図４のＴｂｉｔは印加電流における１ｂｉｔ当たりの時間幅を表し、Ｔｂｉｔを２００ｐｓ以下とすると、５Ｇｂ／ｓ以上の高速変調が実現できる。さらに、Ｔｂｉｔを１００ｐｓ以下とすると、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速変調が実現できる。
【００２８】
次に、半導体光変調器１００の動作の一例について説明する。まず、入射光１は、戻り光によるノイズを低減するための無反射膜１１１を通過し、半導体光変調増幅部１１０に入射する。すると、入射光１は、半導体光変調増幅部１１０内の光導波路構造１１３を導波しながら変調および増幅を受ける。ここで、半導体光変調増幅部１１０は、変調信号印加部１５０により変調電流が印加されている。
【００２９】
まず、半導体光変調増幅部１１０にＯＮ状態の電流が注入されている時は、活性層１２４は注入電流によってキャリアが存在する状態となる。このとき、回折格子１１６による分布反射型共振器によって、入射光１と異なる波長のレーザ光が発振している。レーザ光が発振している状態では、内部利得と内部損失とが等しい状態に保たれているため、キャリア数が一定に保たれる。このとき、半導体光変調増幅部１１０は、入射光１に対して利得がクランプされた状態であり、入射光１は光導波路構造１１３を導波するとともに一定の増幅を受ける。
【００３０】
一方、半導体光変調増幅部１１０にＯＦＦ状態の電流が注入されている時は、注入電流量が少ないため、利得クランプ状態は発生しないか、発生しても増幅された信号光２によって利得クランプ状態が解かれる。これによって、入射光１が利得クランプ状態の利得を受けて増幅されるＯＮ状態と、入射光１が利得クランプ状態よりも低い利得を受けて増幅される、またはほとんど増幅されないＯＦＦ状態が得られ、半導体光変調増幅部１１０は、光増幅機能を備えた半導体光変調器として機能する。
【００３１】
なお、半導体光変調増幅部１１０において、分布反射型共振器の構造を適切に設計することにより、発振されたレーザ光を反射膜１１２側から出力させることによって、信号光２に対してレーザ光がノイズとなることを防ぐことができる。ただし、発振されたレーザ光を無反射膜１１１側から出力し、バンドパスフィルタ等によって、信号光２とレーザ光とを分離してもよい。レーザ光が無反射膜１１１と反射膜１１２とのいずれから出力する場合においても、信号光２とレーザ光とを分離するため、信号光２とレーザ光とを異なる波長とする必要がある。
【００３２】
ここで、ＳＯＡの変調特性について述べる。一般的に半導体レーザおよびＳＯＡの変調帯域は、緩和振動周波数、または、素子の寄生容量および微分抵抗により制限される。特に、ＳＯＡの場合、１０ＧＨｚまでの変調帯域においては、緩和振動周波数によって、変調帯域が制限される。
【００３３】
まず、緩和振動角周波数をωｒ、群速度をνｇ、キャリアに対する微分利得係数をａ、フォトンに対する微分利得係数をａｐ、閉じ込め係数をΓ、光子密度をＮｐ、微分キャリア寿命をτΔＮ、光子寿命をτｐとすると、緩和振動角周波数ωｒは下記の式（１）の関係を満たす。
【数１】
2014154646.tif 000003
また、式（１）におけるＲ’ｓｐは、Ｒ’ｓｐ＝Γνｇｇｎｓｐ／Ｖで与えられる。このとき、ｇは材料利得、ｎｓｐは反転分布係数、Ｖは活性層の体積を示している。
【００３４】
次に、緩和振動周波数をｆｒと置くと、ωｒとの関係は、ωｒ＝２πｆｒである。さらに、上記の式（１）において、１０ＧＨｚまでの変調帯域においては、τΔＮ／τ’ΔＮおよび１／τ’ΔＮτｐは、十分小さいため考慮しなくてよい。そのため、式（１）から、微分利得計数ａ、光子密度Ｎｐ、閉じ込め係数Γが大きい場合に、緩和振動周波数をｆｒを大きくすることができることがわかる。したがって、これらのパラメータを大きくするために、素子長を長くすることや、多重量子井戸の量子井戸数を多くすることが、緩和振動周波数ｆｒを大きくし、高速な光変調を可能とするために有効である。このとき、素子長と変調帯域とがトレードオフの関係となり、素子長を短くして素子の小型化を図ると変調帯域が制限され、高速な光変調ができなくなる。
【００３５】
ここで、図５は、多重量子井戸構造を有する半導体活性層の微分利得係数とキャリア密度との関係を表す図である。図５には、活性層が、ＧａＩｎＡｓＰおよびＡｌＧａＩｎＡｓである場合の微分利得係数とキャリア密度との関係を示した。図５から、キャリア密度Ｎが低いほど、微分利得係数ａが大きくなり、高速な光変調が可能であることがわかる。通常のＳＯＡにおいて、−１５ｄＢｍの入射光１を１０ｄＢｍの信号光２に増幅して出力する場合、９．８５ＧＨｚの変調速度を実現するには、２．２×１０−２４ｍ−３以下のキャリア密度で変調する必要がある。従来技術に係るＳＯＡにおいて、２．２×１０−２４ｍ−３以下のキャリア密度を実現するためには、ＳＯＡの素子長を２ｍｍとしなければならない。
【００３６】
一方で、本実施の形態１に係る半導体光変調器１００において、半導体光変調増幅部１１０に変調信号印加部１５０から変調電流が印加されてＯＮ状態となっている場合は、半導体光変調増幅部１１０の分布反射型共振器がレーザ光を発振している。このとき、注入された電流の一部はレーザ発振に使われるため、キャリア数はレーザ発振していない状態より少なくなる。例えば、素子長が１ｍｍの場合、通常のＳＯＡではキャリア密度が４．０×１０−２４ｍ−３となるが、本実施の形態１ではキャリア密度が３．１×１０−２４ｍ−３となる。このとき、キャリア密度が小さい本実施の形態１において、より高速な光変調をすることができる。
【００３７】
また、レーザ発振をさせているので、光子密度Ｎｐを増大させることにより、式（１）からわかるように、緩和振動周波数ｆｒを高めるという効果も付与される。これは、すなわち、レーザ発振をさせることにより、誘導放出が支配的になり、電子のキャリア寿命が短くなることを意味している。結果として、本実施の形態１に係る半導体光変調器において、素子長を１．２５ｍｍに設定すると、２．２×１０−２４ｍ−３以下のキャリア密度を実現することができ、さらに、レーザ発振による誘導放出の効果もあり、従来技術よりも短い素子長で１０ＧＨｚの変調を実現することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、半導体光変調器の高速化の点に注目しているが、レーザ発振により、利得クランプ状態、すなわち、光導波方向に対してキャリア密度が一定になる状態となっているため、通常のＳＯＡで問題となるような空間ホールバーニング効果を抑制することができる。空間ホールバーンニング効果とは、ＳＯＡの光導波方向に対してキャリア密度および利得に分布（ムラ）ができる現象である。空間ホールバーニング効果が発生すると、利得変調の速度が光導波方向で変化し、高速変調の妨げとなることがある。
【００３９】
次に、図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器の入射光強度と利得との関係を表す説明図である。ＩｏｎはＯＮ状態での利得特性を示し、ＩｏｆｆはＯＦＦ状態での利得特性を示す。ＯＮ状態では例えば２００ｍＡの電流が注入され、ＯＦＦ状態では例えば５０ｍＡの電流が注入される。本実施の形態１に係る半導体光変調器は、入力される信号光強度が図６の（ｂ）から（ｃ）の位置である場合において、最適な変調をかけることができる。図６の（ｂ）より信号光強度が低い場合、ＯＮ状態とＯＦＦ状態とにおいて、利得の差が十分に得られないので、図６の（ｂ）から（ｃ）の位置である場合よりも消光比が小さくなる。特に、信号光強度が図６の（ａ）より低いときは、変調がかけられない。一方、図６の（ｂ）より信号光強度が高い場合、Ｉｏｎの利得クランプ状態が解かれて利得が減少する図６の（ｃ）までの信号光強度においては、十分な変調をかけることができる。したがって、ＯＮ状態においては利得クランプ状態が維持され、ＯＦＦ状態では利得クランプ状態が解かれるような注入電流と入力される光強度との関係が実現される図６の（ｂ）から（ｃ）の位置において、入射光１に最適な変調をかけることができる。
【００４０】
図７は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器のＯＮ状態とＯＦＦ状態とにおける入射光の伝播方向におけるキャリア密度の分布を表す説明図である。ＩｏｎはＯＮ状態でのキャリア密度を示し、ＩｏｆｆはＯＦＦ状態でのキャリア密度を示す。図７に示すように、本実施の形態１に係る半導体光変調器において、半導体光変調増幅部１１０を入射光１が導波すると、ＯＮ状態では、レーザ発振しているため、内部利得と内部損失とが等しくなっており、利得クランプされた状態であるから、キャリア密度が一定である。したがって、入射光１は半導体光変調増幅部１１０を導波しながら、常に一定の増幅を受けることとなる。一方、ＯＦＦ状態では、光が伝播して増幅されるに従って利得クランプ状態は解かれ、キャリア密度は減少する。
【００４１】
なお、半導体光変調器が利得クランプ状態に無い場合は、変調信号光が伝播するとＯＮ状態とＯＦＦ状態とで光増幅に消費するキャリア数が異なるので、伝播方向においてキャリア密度に分布が生じ、パターン効果の原因となる。
【００４２】
このようなパターン効果は、利得クランプ効果によって、伝播方向でキャリア密度が一定に保たれる本実施の形態１に係る半導体光変調器においては発生しない。したがって、本実施の形態１に係る半導体光変調器は、パターン効果を抑制する効果も得ることができる。
【００４３】
（変形例）
次に、本実施の形態１に係る半導体光変調器の変形例として、反射部を有さず、入射光１を入射側する端部と反対側の端部から信号光２を出射する透過型の半導体光変調器について説明する。図８は、変形例に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。図８に示すように、本変形例に係る半導体光変調器２００の半導体光変調増幅部２１０における入射光１を入射する端部と反対側の端部は、無反射膜２１２であって、入射光１を反射せずに信号光２として出射する。このとき、無反射膜２１２が入射光１を反射すると、反射された光と入射光１とが干渉してノイズとなるため、出射側の端部は無反射膜であることが望ましい。このように、透過型の半導体光変調器であっても、素子長が短く、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器３００について説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。図９に示すとおり、本実施の形態２に係る半導体光変調器３００の半導体光変調増幅部３１０は、回折格子１１６がｘ軸上の全域にわたって形成されている。
【００４５】
図１０は、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｘ−ｙ面を表す模式的な断面図である。すなわち、図９のＸ−Ｘ線断面図である。図１０に示すように、半導体光変調増幅部３１０は、共振構造が分布帰還型共振器として構成されている。このように、共振構造がｘ軸方向に形成された分布帰還型共振器の半導体光変調器であっても、素子長が短く、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。なお、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器３００の半導体光変調増幅部３１０は、変形例のような透過型の素子であってもよい。
【００４６】
また、実施の形態１と同様に、本実施の形態２に係る半導体光変調器３００において、入射される入射光１と、半導体光変調増幅部３１０の分布帰還型共振器が発振するレーザ光とは、異なる波長である。これによって、信号光２とレーザ光とを分離することが容易になる。
【００４７】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る半導体光変調器４００について説明する。図１１は、本発明の実施の形態３に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。図１１に示すとおり、本実施の形態３に係る半導体光変調器４００の半導体光変調増幅部４１０は、ｚ軸方向に回折格子１１６が形成されている。
【００４８】
図１２は、本発明の実施の形態３に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｙ−ｚ面を表す模式的な断面図である。すなわち、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。図１２に示すように、半導体光変調増幅部４１０の回折格子１１６は、ｚ軸方向に分布反射型共振器を形成している。ただし、半導体光変調増幅部４１０は、ファブリー・ペロー型共振器が形成された構成であってもよい。このとき、半導体光変調増幅部４１０の分布反射型共振器が発振するレーザ光の波長は、入射光１の波長と同一であってよい。なぜなら、入射光１とレーザ光とは出射する方向が異なるため、容易に分離することができるからである。
【００４９】
図１３は、本発明の実施の形態３に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｘ−ｙ面を表す模式的な断面図である。すなわち、図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。図１３に示すように、半導体光変調増幅部４１０において、入射光１が導波するｘ軸方向には、回折格子が形成されていない。そのため、無反射膜１１１を通過して入射した入射光１は、半導体光変調増幅部４１０内を導波しながら変調および増幅され、さらに、反射膜１１２で反射され、入射された端部から入射された方向と反対の方向に信号光２として出射する。このように、共振構造がｚ軸方向に形成された分布反射型共振器の半導体光変調器であっても、素子長が短く、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。なお、本発明の実施の形態３に係る半導体光変調器４００の半導体光変調増幅部４１０は、変形例のような透過型の素子であってもよい。
【００５０】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調器５００について説明する。図１４は、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。図１４に示すとおり、本実施の形態４に係る半導体光変調器５００の半導体光変調増幅部５１０は、ｚ軸方向に回折格子１１６が形成されている。
【００５１】
図１５は、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｙ−ｚ面を表す模式的な断面図である。すなわち、図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。図１５に示すように、半導体光変調増幅部５１０の回折格子１１６は、ｚ軸方向に分布帰還型共振器を形成している。このとき、分布帰還型共振器が発振するレーザ光の波長は、入射光１の波長と同一であってよい。なぜなら、入射光１とレーザ光とは出射する方向が異なるため、入射光１とレーザ光とを容易に分離できるからである。このように、共振構造がｚ軸方向に形成された分布帰還型共振器の半導体光変調器であっても、素子長が短く、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。なお、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調器５００の半導体光変調増幅部５１０は、変形例のような透過型の素子であってもよい。
【００５２】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調器６００について説明する。図１６は、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調器の具体的構成を示す模式的な図である。図１６に示すとおり、本実施の形態５に係る半導体光変調器６００の半導体光変調増幅部６１０のｘ軸方向およびｚ軸方向には、回折格子が形成されていない。そして、ｘ軸方向には、入射光１が導波する光導波路構造１１３が直線状に形成されている。
【００５３】
図１７は、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｙ−ｚ面を表す模式的な断面図である。すなわち、図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。図１７が示すように、半導体光変調増幅部６１０において、活性層１２４は、ｙ軸方向において、例えばＩｎＰからなる低屈折率層６３０ａとＧａＩｎＡｓＰからなる高屈折率層６３０ｂとが交互に、例えば５０ペア積層した下部反射部６３０と、下部反射部６３０と同様に、低屈折率層６３１ａと高屈折率層６３１ｂとが交互に、例えば５０ペア積層した上部反射部６３１とに挟まれている。下部反射部６３０および上部反射部６３１は、光導波路構造１１３が伸びるｘ軸方向に垂直なｙ軸方向において、垂直共振構造である分布反射型共振器を形成している。低屈折率層６３０ａ、６３１ａおよび高屈折率層６３０ｂ、６３１ｂの各層の厚さは、それぞれ半導体光変調増幅部６１０のｙ軸方向に形成された分布反射型共振器により発振するレーザ光の波長の１／４波長分の厚さである。分布反射型共振器が発振するレーザ光の波長は、入射光１の波長と同一であってよい。なぜなら、入射光１とレーザ光とは出射する方向が異なるため、入射光１とレーザ光とを容易に分離できるからである。
【００５４】
図１８は、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のｘ−ｙ面を表す模式的な断面図である。すなわち、図１６のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。図１８に示すように、半導体光変調増幅部６１０の入射光１が導波するｘ軸方向には回折格子は形成されていない。そのため、無反射膜１１１を通過して入射した入射光１は、半導体光変調増幅部６１０内を導波しながら変調および増幅され、さらに、反射膜１１２で反射され、入射された端部から入射された方向と反対の方向に信号光２として出射する。このように、共振構造がｙ軸方向に形成された分布反射型共振器の半導体光変調器であっても、素子長が短く、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。なお、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調器６００の半導体光変調増幅部６１０は、変形例のような透過型の素子であってもよい。
【００５５】
なお、垂直共振構造は、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差が大きい方が、積層する層数を減らせるため好ましい。しかしながら、ＩｎＰ基板と格子整合のよい材料を用いて、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を大きくすることは困難である。そこで、ＧａＡｓ基板を用い、低屈折率層をＡｌＡｓ、高屈折率層をＧａＡｓとする構造であってもよい。このとき、活性層として、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料を用いることができる。
【００５６】
（実施の形態６）
図１９は、本発明に係る半導体光変調器を用いた光通信システムを表す模式図である。ＷＤＭ−ＰＯＮ１０００は、事業者系であるＯＬＴ１００１と、伝送ファイバ１０１０と、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）波長合波器１０２０と、各加入者系であるＯＮＵ１０３０、１０４０、１０５０、１０６０とからなる。はじめに、ＯＬＴ１００１のＴｘ／Ｒｘ１００２、１００３、１００４、１００５において、それぞれ波長の異なる信号光が発振される。発振された信号光は、ＡＷＧ１００７によって合波される。さらに、合波された信号光は、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐａｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光を用いた広帯域光源１００６から出力されたＡＳＥ光とカプラ１００８において合波される。
【００５７】
次に、合波された信号光およびＡＳＥ光は、伝送ファイバ１０１０によって、事業者系から加入者系へと伝送される。そして、ＡＷＧ１０２０において、各加入者系であるＯＮＵ１０３０、１０４０、１０５０、１０６０に分波される。ここで、ＡＳＥ光はＡＷＧ１０２０によってフィルタされ、各加入者系毎に異なる波長帯域を有するＡＳＥ光とされる。各ＯＮＵでは、Ｔｘ／Ｒｘ１０３１、１０４１、１０５１によって、信号光が送受信される。なお、Ｔｘ／Ｒｘとは、具体的には、Ｔｘ／Ｒｘ１０６１のように、ＷＤＭフィルタ１０６１ａ、Ｒｘ１０６１ｂ、Ｔｘ１０６１ｃとで構成されている。ＷＤＭフィルタ１０６１ａは信号光とフィルタされたＡＳＥ光とを分波する。Ｒｘ１０６１ｂは信号光を受信してその信号光に含まれる情報を取り出す。Ｔｘ１０６１ｃは例えば上述した本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器であって、ＷＤＭフィルタ１０６１ａによって分波されたＡＳＥ光を変調および増幅して、アップストリームの信号光として事業者系に送信する。なお、Ｔｘ１０６１ｃとしては、上述した各実施の形態またはその変形例に係る半導体光変調器を用いることができる。
【００５８】
次に、実際に実施の形態１に係る半導体光変調器を製造し、信号光を伝送させた結果について説明する。図２０は、図１９に示す光通信システムに実施の形態１に係る半導体光変調器を適用した場合における信号光の受信強度と誤り率との関係を表す図である。図２０は、ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ（図中ＢＢと略記）と２０ｋｍ伝送時とにおける、波長１５３０、１５４０、１５５０、１５６５ｎｍの信号光の受信信号光強度に対する誤り率（ＢＥＲ：Ｂｉｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ）である（ただし、縦軸の誤り率は対数で表記）。図２０からわかるとおり、同じ誤り率に対するｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋと２０ｋｍ伝送時との受信強度の差が小さい。これによって、エラーが少ない通信ができていることがわかる。以上説明したように、本実施の形態に係る半導体光変調器は、ＷＤＭ−ＰＯＮのＯＮＵとして利用できる。
【００５９】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、素子長が短く、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を提供することができる。
【００６０】
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１  入射光
２  信号光
１００、２００、３００、４００、５００、６００  半導体光変調器
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０  半導体光変調増幅部
１１１、２１２  無反射膜
１１２  反射膜
１１３  光導波路構造
１１４  ｎ側電極
１１５  ｐ側電極
１１６  回折格子
１２１  シリコンベース
１２２  基板
１２３  下部クラッド層
１２４  活性層
１２５  埋込層
１２６  電流阻止層
１２７  上部クラッド層
１２８  コンタクト層
１２９  保護層
１５０  変調信号印加部
６３０  下部反射部
６３０ａ、６３１ａ  低屈折率層
６３０ｂ、６３１ｂ  高屈折率層
６３１  上部反射部
１０００  ＷＤＭ−ＰＯＮ
１００１  ＯＬＴ
１００２、１００３、１００４、１００５、１０３１、１０４１、１０５１、１０６１  Ｔｘ／Ｒｘ
１００６  広帯域光源
１００７、１０２０  ＡＷＧ
１００８  カプラ
１０１０  伝送ファイバ
１０３０、１０４０、１０５０、１０６０  ＯＮＵ
１０６１ａ  ＷＤＭフィルタ
１０６１ｂ  Ｒｘ
１０６１ｃ  Ｔｘ
【図１】
2014154646.tif 000004
【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】
2014154646.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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