(57)【要約】【課題】モノリシック集積型のコンパクトな変調機能を持つ光源を実現する。【解決手段】波長可変レーザアレイ１０と、光結合器２０と、半導体光アンプ３０と、半導体光変調器４０と、続光導波路５０，６０，７０，８０をモノリシック集積して、変調機能を持つ光源１が構成されている。半導体光変調器４０のコア層である光変調層には、キャリアを形成する不純物をドーピングしている。これにより、半導体光変調器４０での屈折率が向上し、半導体光変調器４０ひいては光源１全体の小型化が可能となる。【選択図】図１
2014092725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心波長の異なる複数の半導体波長可変レーザで構成される波長可変レーザアレイと、前記半導体波長可変レーザから接続光導波路を介して出力される光を結合する光結合器と、前記光結合器から接続光導波路を介して出力される光を変調する半導体光変調器をモノリシック集積してなる、変調機能を持つ光源において、
前記半導体光変調器のコア層である光変調層に、キャリアを形成する不純物をドーピングしていることを特徴とする変調機能を持つ光源。
【請求項２】
中心波長の異なる複数の半導体波長可変レーザで構成される波長可変レーザアレイと、前記半導体波長可変レーザから接続光導波路を介して出力される光を結合する光結合器と、前記光結合器から接続光導波路を介して出力される光を増幅する半導体光アンプと、前記半導体光アンプから接続光導波路を介して出力される光を変調する半導体光変調器をモノリシック集積してなる、変調機能を持つ光源において、
前記半導体光変調器のコア層である光変調層に、キャリアを形成する不純物をドーピングしていることを特徴とする変調機能を持つ光源。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記半導体光変調器が、マッハツェンダー光変調器、または、ＲＺ−ＤＱＰＳＫ光変調器であることを特徴とする変調機能を持つ光源。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
前記不純物は、Ｓｉ（シリコン），Ｓｅ（セレン），Ｓｎ（スズ），Ｃ（炭素）のうちの少なくとも一つであることを特徴とする変調機能を持つ光源。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項において、
前記半導体光変調器のコア層と、前記光結合器のコア層と、前記各接続光導波路のコア層は、同じ組成であり、且つ、同一の前記不純物が同一のドーピング濃度でドーピングされていることを特徴とする変調機能を持つ光源。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記光変調器のコア層がｎ型にドーピングされ、かつそのドーピング濃度が1×1018cm-3以下であることを特徴とする変調機能を持つ光源。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項において、
前記半導体光変調器のコア層を多重量子井戸構造にしたことを特徴とする変調機能を持つ光源。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項において、
前記波長可変レーザアレイの発振波長が１５００ｎｍから１６００ｎｍの間に設定される場合に、前記半導体光変調器のコア層のバンドギャップのフォトルミネッセンス波長を１３５０ｎｍ以下の波長域に設定したバルク層を用いたことを特徴とする変調機能を持つ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調機能を持つ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増加により、ノード間を結ぶ伝送には波長多重を用いてノード間の伝送容量を増加させている。
【０００３】
波長可変レーザおよび波長可変レーザと組み合わせて用いられる光変調器は、このような波長多重伝送において欠かすことのできない重要な部品である。波長可変レーザと組み合わせて用いる光変調器は、広い波長範囲で動作することが必要なことから、従来はニオブ酸リチウムを用いた光変調器が用いられている。
しかしながら、近年では低価格化と送信機の小型化のために、半導体光変調器と半導体波長可変レーザを用いて光変調機能を持つ光源（送信機）を実現することが期待されている。
【０００４】
このような中で、非特許文献１（IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 3, pp. 521-527, 2009）に示されるように、それぞれが異なる波長可変範囲を持つ半導体波長可変レーザアレイと半導体マッハツェンダー光変調器を同一パッケージにモジュール化を行い、コンパクトな波長可変レーザを用いた送信機を実現している。
【０００５】
図１２は、非特許文献１に示されている送信機である。同図に示すように、半導体波長可変レーザアレイ０１と、半導体マッハツェンダー光変調器０２と、アイソレータ０３と、レンズ０４ａ，０４ｂ，０４ｃをハイブリッド接続してキャリア０５が形成されている。このキャリア０５と波長ロッカー０６をパッケージ０７内に備えて、送信機０８が構成されている。
【０００６】
図１２に示す送信機０８では、半導体波長可変レーザアレイ０１と半導体マッハツェンダー光変調器０２を別々に作製し両者をハイブリッド接続している。このため、素子間接続のためのレンズ０４ａ，０４ｂ，０４ｃやアイソレータ０３などの光学素子が必要になることや、モジュール化の際の工程数増加等が問題となり、低価格化に向けて解決すべき課題となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 3, pp. 521-527, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、レーザと光変調器をモノリシック集積することが望まれるが、モノリシック集積する場合、光の導波するコア層部分としては以下の３種類が必要となる。
（１）レーザ発振波長にゲインのある活性層（ゲイン層）
（２）電圧印加により屈折率が変化する光変調層
（３）発振波長で吸収の少ない接続導波路層
【０００９】
一般に光変調器の屈折率変化を大きくするには、発振波長付近にバンドギャップを設定する必要があるが、光変調器を波長可変レーザと組み合わせて用いる場合は、広い波長範囲で動作電圧やバイアス変化が大きく変化しないことが望まれるため、バンドギャップの離調を大きく取る必要が出てくる。
【００１０】
実際、非特許文献１の場合も光変調器のコア層（光変調層）は、1.37ミクロンにフォトルミネッセンスピーク波長を持つ多重量子井戸構造を用いており、レーザの発振波長1.55ミクロンから大きくバンドギャップを離している。
【００１１】
この場合、電界を印加し量子閉じ込めシュタルク効果および電気光学効果（ポッケルス効果）により屈折率を変調することになるが、前述のように、離調を大きく取る必要があることにより、発振波長での屈折率変化が小さくなり、非特許文献１の送信機では半導体を用いているにも拘わらず、マッハツェンダー光変調器のアームに備えた電極の長さ（アームの長手方向に沿う電極の長さ）は3mmと長くなっている。素子サイズの増加は、１枚の基板から得られる素子数を減少させてしまうため、低コスト化が阻害されて問題となる。
【００１２】
一方、光変調器のコア層のバンドギャップ波長を発振波長に近づけた場合は、効率的に屈折率を変化させることができる。しかし、光変調器のコア層と同じ組成のコア層を接続光導波路のコア層として用いた場合には損失が大きくなる。このため、接続光導波路のコア層としては、光変調器のコア層とは別組成のコア層が必要になる。この場合は、光変調器のコア層の再成長と、接続光導波路のコア層の再成長を行わなければならず、再成長回数が増加し、歩留まりの低下、素子特性の不均一性の増加につながることとなり問題となる。
【００１３】
本発明は、このような背景の下になされたもので、光変調器のコア層の組成を発振波長から離した場合でも大きな屈折率変化を得られる変調機能を持つ光源を提供するものである。
さらに、本発明は、光変調器と接続光導波路と光結合器のコア層の組成及びドーピング濃度を同じにすることにより、歩留まりの向上および素子特性の均一性の向上を可能とする変調機能を持つ光源を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決する本発明は、中心波長の異なる複数の半導体波長可変レーザで構成される波長可変レーザアレイと、前記半導体波長可変レーザから接続光導波路を介して出力される光を結合する光結合器と、前記光結合器から接続光導波路を介して出力される光を変調する半導体光変調器をモノリシック集積してなる、変調機能を持つ光源において、
前記半導体光変調器のコア層である光変調層に、キャリアを形成する不純物をドーピングしていることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、中心波長の異なる複数の半導体波長可変レーザで構成される波長可変レーザアレイと、前記半導体波長可変レーザから接続光導波路を介して出力される光を結合する光結合器と、前記光結合器から接続光導波路を介して出力される光を増幅する半導体光アンプと、前記半導体光アンプから接続光導波路を介して出力される光を変調する半導体光変調器をモノリシック集積してなる、変調機能を持つ光源において、
前記半導体光変調器のコア層である光変調層に、キャリアを形成する不純物をドーピングしていることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記半導体光変調器が、マッハツェンダー光変調器、または、ＲＺ−ＤＱＰＳＫ光変調器であることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記不純物は、Ｓｉ（シリコン），Ｓｅ（セレン），Ｓｎ（スズ），Ｃ（炭素）のうちの少なくとも一つであることを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記半導体光変調器のコア層と、前記光結合器のコア層と、前記各接続光導波路のコア層は、同じ組成であり、且つ、同一の前記不純物が同一のドーピング濃度でドーピングされていることを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、前記光変調器のコア層がｎ型にドーピングされ、かつそのドーピング濃度が1×1018cm-3以下であることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、前記半導体光変調器のコア層を多重量子井戸構造にしたことを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、前記波長可変レーザアレイの発振波長が１５００ｎｍから１６００ｎｍの間に設定される場合に、前記半導体光変調器のコア層のバンドギャップのフォトルミネッセンス波長を１３５０ｎｍ以下の波長域に設定したバルク層を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、半導体光変調器のコア層である光変調層に、キャリアを形成する不純物をドーピングすることにより、半導体光変調器での屈折率を向上でき、半導体光変調器の小型化、ひいては、変調機能を持つ光源の小型化を実現することができる。
このため本発明は、波長可変レーザアレイと、屈折率の変調を動作原理として用いる光変調器のモノリシック集積に適しており、コンパクトな変調機能を持つ光源を実現することが可能である。
また、本発明では、半導体光変調器のコア層と、光結合器のコア層と、各接続光導波路のコア層を、同じ組成にし、且つ、同一の前記不純物を同一のドーピング濃度でドーピングすることにより、再成長回数を減少させることができ、歩留まりの向上および素子特性の均一性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１に係る変調機能を持つ光源を示す構成図。
【図２】実施例１のエピ構造を示す断面図。
【図３】本発明の実施例２に係る変調機能を持つ光源のエピ構造を示す断面図。
【図４】本発明の実施例３に係る変調機能を持つ光源を示す構成図。
【図５】実際に作製した素子のレーザ特性を示す特性図。
【図６】マッハツェンダー光変調器部分の特性を示す特性図。
【図７】マッハツェンダー光変調器の両アームに電圧を相補的に印加した場合の伝送特性を示す特性図。
【図８】本発明の実施例４に係る変調機能を持つ光源を示す構成図。
【図９】ドーピング濃度と屈折率変化量の関係を示す特性図。
【図１０】ドーピング濃度が異なる場合のマッハツェンダー光変調器の特性を示す特性図。
【図１１】多重量子井戸構造とバルク層での動作特性をそれぞれ示す特性図。
【図１２】従来技術に係る変調機能を持つ光源を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る変調機能を持つ光源を、実施例に基づき詳細に説明する。
【００２５】
〔実施例１〕
本発明の実施例１に係る、変調機能を持つ光源１を図１に示す。この光源１は、波長可変レーザアレイ１０と、光結合器２０と、半導体光アンプ３０と、半導体光変調器４０と、第１〜第４の接続光導波路５０，６０，７０，８０をモノリシック集積して構成されている。
【００２６】
波長可変レーザアレイ１０は、異なる中心波長を持つ複数の半導体波長可変レーザ１０−１〜１０−５で構成されている。光結合器２０は、半導体波長可変レーザ１０−１〜１０−５からの出力光を結合する。半導体光アンプ３０は、光結合器２０からの出力光を増幅する。半導体光変調器４０は、半導体光アンプ３０からの出力光を変調する屈折率（位相）光変調器である。
【００２７】
第１の接続光導波路５０は波長可変レーザアレイ１０と光結合器２０とを接続し、第２の接続光導波路６０は光結合器２０と半導体光アンプ３０とを接続し、第３の接続光導波路７０は半導体光アンプ３０と光変調器４０とを接続し、第４の接続光導波路８０は光変調器４０に接続されている。
【００２８】
図２に変調機能を持つ光源１のエピ構造の断面図を示す。同図に示すように、半導体基板１００上に、順にｎ型半導体層１０１、コア層１０２、ｐ型半導体層１０３が積層された構造になっている。
コア層１０２は、波長可変レーザアレイ（半導体波長可変レーザ）１０のゲイン層１０２−１０と、接続光導波路５０の導波路層１０２−５０と、光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路６０の導波路層１０２−６０と、半導体光アンプ３０のゲイン層１０２−３０と、接続光導波路７０の導波路層１０２−７０と、半導体光変調器４０の光変調層１０２−４０と、接続光導波路８０の導波路層１０２−８０とが、同一の積層高さ位置で並んで形成されている。
【００２９】
実施例１では、コア層１０２の再成長（形成）は次の３つのグループに分けて行う。つまり、３回の再成長回数でコア層１０２を形成している。なお、３つのグループの形成順番は任意である。ドーピングの条件を変えて３つのグループを再成長させることにより、これら３つのグループをドーピング濃度が異なる状態に形成することができる。
（１）第１グループ
波長可変レーザアレイ（半導体波長可変レーザ）１０のゲイン層１０２−１０と、半導体光アンプ３０のゲイン層１０２−３０。
（２）第２グループ
光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０。
（３）第３グループ
半導体光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０。
【００３０】
第１グループの波長可変レーザアレイ（半導体波長可変レーザ）１０のゲイン層１０２−１０と、半導体光アンプ３０のゲイン層１０２−３０は、波長可変レーザアレイ１０及び半導体光アンプ３０に対応して発振波長にゲインを持つ。
第２グループの光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０は、光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０とは別組成となっているため、発振波長で吸収が少なくなっている。
第３グループの光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０には、キャリアを形成する不純物がドーピングされている。
【００３１】
光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０にドーピングする、キャリアを形成する不純物としては、例えばＳｉ（シリコン），Ｓｅ（セレン），Ｓｎ（スズ），Ｃ（炭素）のうちの少なくとも一つを用いる。
ドーピングの手法としては、光変調層（コア層）１０２−４０の組成物（半導体材料）に不純物を混ぜた混合物を用いて再成長する手法と、再成長により形成した光変調層（コア層）１０２−４０に対してイオン注入法等により不純物を打ち込む手法とがある。
【００３２】
ｐ型半導体層１０３の表面には、波長可変レーザアレイ１０の電極１１と、半導体光アンプ３０の電極３１と、半導体光変調器４０の電極４１が形成されている。
【００３３】
変調機能を持つ光源１の動作原理を、図１を用いて説明する。
この光源１では、異なる中心波長を持つ半導体波長可変レーザ１０−１〜１０−５から一つを選択すること、および、半導体波長可変レーザ１０−１〜１０−５の動作温度を調整することにより、任意の波長を選択することで波長可変レーザアレイ１０として動作する。
【００３４】
波長可変レーザアレイ１０の半導体波長可変レーザ１０−１〜１０−５から出力された出力光は、接続光導波路５０を通って光結合器２０に接続される。この際、光結合器２０は、どの半導体波長可変レーザ１０−１〜１０−５から発振した光であっても、光結合器２０の出力側の接続光導波路６０に結合するように設計してある。例えばこのような光結合器２０としてはマルチモード干渉結合器やファネル結合器がある。
【００３５】
接続光導波路６０を通過した光は半導体光アンプ３０により、光強度が増幅される。
増幅された光は接続光導波路７０を通って半導体光変調器（位相変調器）４０に入射する。半導体光変調器（位相変調器）４０では逆バイアスを印加することにより、フランツケルディッシュ効果、ポッケルス効果のみならず、キャリア効果により屈折率が変調され、結果として位相が変調される。
【００３６】
キャリア効果は、半導体光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０に、キャリアを形成する不純物をドーピングすることにより得られる効果である。即ち、不純物をドーピングすることにより光変調層（コア層）１０２−４０に形成されたキャリアは、コア層に逆バイアス電圧を印加することによりコア層から引き抜かれる。このため、電界印加によりコア層のキャリア数が制御可能となり、屈折率を変調することができるのである。
【００３７】
位相変調光は、接続光導波路８０を通って出力され、例えば出力側でマッハツェンダー干渉計などを用いて強度変調信号に変換され受光素子により受信される。
【００３８】
実施例１の変調機能を持つ光源１では、光変調層（コア層）１０２−４０に、キャリアを形成する不純物をドーピングすることにより、半導体光変調器４０においては、フランツケルディッシュ効果及びポッケルス効果のみならず、キャリア効果によっても屈折率が変調される結果、半導体光変調器４０の変調器長を短くすることができる。このため、変調機能を持つ光源１全体としての小型化を図ることができる。
また、光変調層（コア層）１０２−４０でのコア組成のバンドギャップ波長を、動作波長から大きく離しても使用可能となるため、半導体光変調器４０を波長可変レーザアレイ１０等の動作波長範囲の広いレーザと組み合わせて用いることが可能となる。
【００３９】
〔実施例２〕
図３は、本発明の実施例２に係る変調機能を持つ光源１Ａの断面構造図である。この実施例２の光源１Ａは、図１，図２に示す実施例１の光源１に対して、コア層１０２の再成長回数と組成の一部が異なっているが、他の部分の構成は実施例１と同じである。
したがって、実施例１とは異なる部分を中心に説明をする。
【００４０】
実施例２の光源１Ａでは、コア層１０２の再成長（形成）は次の２つのグループに分けて行う。つまり、２回の再成長回数でコア層１０２を形成している。なお、２つのグループの形成順番は任意である。ドーピングの条件を変えて２つのグループを再成長させることにより、これら２つのグループをドーピング濃度が異なる状態に形成することができる。
（１）第１グループ
波長可変レーザアレイ（半導体波長可変レーザ）１０のゲイン層１０２−１０と、半導体光アンプ３０のゲイン層１０２−３０。
（２）第２グループ
光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０と、半導体光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０。
【００４１】
光結合器２０の導波路層１０２−２０と接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０は、半導体光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０と同じ組成、同じドーピング濃度になっている。
つまり、光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０と、半導体光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０には、同じ組成中に、同一の不純物が同一のドーピング濃度でドーピングされている。不純物としては、例えば実施例１と同様にシリコン等を用いる。
【００４２】
ドーピングの手法としては、導波路層１０２−２０と、導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０と、光変調層（コア層）１０２−４０の組成物（半導体材料）に不純物を混ぜた混合物を用いて再成長する手法と、再成長により形成した導波路層１０２−２０と、導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０と、光変調層（コア層）１０２−４０に対してイオン注入法等により不純物を打ち込む手法とがある。
【００４３】
実施例２の変調機能を持つ光源１Ａでは、光結合器２０の導波路層１０２−２０と接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０を、半導体光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０と同じ組成、同じドーピング濃度にすることにより、コア層１０２の再成長回数を２回で済ませることができるため、実施例１の光源１に対して、再成長回数を減らすことができる。このことは光源１Ａ（素子）の歩留まりや素子特性の均一性を考える上で有利である。
【００４４】
〔実施例３〕
図４は、本発明の実施例３に係る変調機能を持つ光源１Ｂを示している。図１に示す実施例１の光源１との違いは、光変調器がマッハツェンダー光変調器４００になっているところである。
他の部分の構成は、図１に示す実施例１の光源１と同様である。
【００４５】
マッハツェンダー光変調器４００は、第１アーム４０１と、第２アーム４０２と、第１アーム４０１上に備えられた電極４０３と、第２アーム４０２上に備えられた電極４０４を有している。しかも、マッハツェンダー光変調器４００の光変調層には、キャリアを形成する不純物（シリコン等）がドーピングされている。
【００４６】
なお、コア層を３回の再成長により形成することにより、光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０を、同じ組成にし、同一の不純物を同一のドーピング濃度でドーピングしている。また、これらのドーピング濃度を、波長可変レーザアレイ（半導体波長可変レーザ）１０のゲイン層１０２−１０と、半導体光アンプ３０のゲイン層１０２−３０の濃度と異なるように形成することができる。さらに、半導体光変調器４０の光変調層（コア層）１０２−４０のドーピング濃度とも異なるように形成することができる。
または、コア層を２回の再成長により形成することにより、光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０と、マッハツェンダー光変調器４００の光変調層（コア層）を、同じ組成にし、同一の不純物を同一のドーピング濃度でドーピングしている。また、これらのドーピング濃度を、波長可変レーザアレイ（半導体波長可変レーザ）１０のゲイン層１０２−１０と、半導体光アンプ３０のゲイン層１０２−３０の濃度と異なるように形成することができる。
【００４７】
マッハツェンダー光変調器４００は、入力した光を２つに分岐し、その後、それぞれ分岐した導波路（第１アーム４０１及び第２アーム４０２）に設けられた屈折率変調層（光変調層）により入力光の位相を独立に制御する。そして、再び合波されるが、この際二つの導波路（第１アーム４０１及び第２アーム４０２）からの信号光の位相関係により、合波後の出力光強度は強められたり弱められたりするため、マッハツェンダー光変調器４００は、強度変調器として動作する。
また、マッハツェンダー光変調器４００は、同じ出力光強度の場合でもビット間で相対的に位相差を付けて出力する位相変調器としても動作する。
【００４８】
実施例３の変調機能を持つ光源１Ｂでは、現在の通信システムで最も多く用いられているマッハツェンダー光変調器に不純物をドーピングした、高効率な屈折率変調特性を有するサイズの小さいマッハツェンダー光変調器４００を使用している。このため、変調機能を持つ光源１Ｂ全体としての小型化を図ることができる。
【００４９】
図４に示す実施例３の変調機能を持つ光源１Ｂに対応する、実際に作製した光源のレーザ特性を図５に示す。
実際に作製した素子（変調機能を持つ光源）では、波長可変レーザアレイは、波長の異なるDFB（分布帰還型：distributed feed back）レーザを１２個並べて、フルＣバンドをカバーする構成とした。本素子では波長可変動作はレーザの選択と動作温度による発振波長の変化を利用した。また、光変調器としては、マッハツェンダー光変調器を用いた。
【００５０】
図５に代表的な３つのレーザの特性を示している。即ち順に並べた発信波長が順次ずれた１２個のレーザＬＤ１〜ＬＤ１２のうちの、発信波長が最も長いレーザＬＤ１と、発信波長が中間の長さになっているレーザＬＤ７と、発信波長が最も短いレーザＬＤ１２の特性を示している。
同図に示すように、それぞれ異なる波長で発振しており、また１５度から５０度の温度変化により３nm以上の波長変化が得られた。
【００５１】
図６に、実際に作製した光源における、マッハツェンダー光変調器部分の特性を示す。マッハツェンダー光変調器の電極長（アームの長手方向に沿う電極の長さ）は０．７mmであった。
図６に示すように、第２アームに印加する電圧を変化させると、出力光強度が変化することがわかる。この際、第２アームと反対側の第１アームのバイアス電圧を変化させると入出力特性を切り替えることが可能である。
【００５２】
また、図６に示すように、本素子の場合、波長を変化させた場合にも、ほとんど入出力特性が変化していないことがわかる。つまり、第１アームのバイアス電圧が−１．０Ｖの
ときには、各波長（１５３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、１５７０ｎｍ、）のロスが最小になる位置は、第２アームのバイアス電圧が−０．１Ｖあたりで同一である。また、第１アーム
のバイアス電圧が−５．５Ｖのときには、各波長（１５３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、１５７
０ｎｍ、）のロスが最小になる位置は、第２アームのバイアス電圧が−４．２Ｖあたりで
同一である。このようなことから、波長を変化させた場合にも、ほとんど入出力特性が変化していないことがわかる。
これは、光変調器部分のコア層（光変調層）のバンドギャップを1300 nmと大きく離しているために、吸収端の影響が除去できているためである。
【００５３】
前述したように従来素子では吸収端を離すと波長依存性は小さくなるものの、素子サイズの増大が問題となっていたが、本素子のように、光変調器のコア層（光変調層）にドーピングを行いキャリア効果も加わって屈折率変化量を増大させることで、十分短い素子長で動作しており、本発明の有効性を確認できた。
【００５４】
図７は両アームに電圧を相補的に印加した場合の伝送特性の評価結果を示している。分散が±800 ps/nmまでの範囲でパワーペナルティが1 dB以下と良好な結果が示された。
つまり図７において、特性点Ｐ0と特性点Ｐ800とのsensitivityの差は約−０．６ｄＢｍであり、特性点Ｐ0と特性点Ｐ-800とのsensitivityの差は約−０．２ｄＢｍであり、パワーペナルティの2 dB（特性点Ｐ0のsensitivityが−１９．２ｄＢｍであるので、sensitivityが−２１．２〜−１７．２ｄＢｍの範囲内）よりも小さいことがわかる。
【００５５】
なお、上記例では波長可変レーザとしてDFBレーザを用いたがその他にDBR（分布ブラッグ反射型：distributed bragg reflector）レーザや、半導体アンプと波長可変フィルタを組み合わせた波長可変レーザであれば、どのようなレーザの構成でも適用可能である。
【００５６】
〔実施例４〕
図８は、本発明の実施例４に係る変調機能を持つ光源１Ｃを示している。図１に示す実施例１の光源１との違いは、光変調器が、複数のマッハツェンダー変調器から構成されるRZ（return to zero）−DQPSK(差動４値位相変調方式：differential quadrature phase shift keying)光変調器４１０になっているところである。
RZ−DQPSK光変調器４１０は、並列に並べられた２つのDQPSK用マッハツェンダー光変調器４１１，４１２と、RZ化のためのマッハツェンダー光変調器４１３とを、直列に接続して構成されている。
他の部分の構成は、図１に示す実施例１の光源１と同様である。
【００５７】
RZ−DQPSK光変調器４１０を構成する各マッハツェンダー光変調器４１１，４１２，４１３の光変調層には不純物（シリコン等）がドーピングされている。
なお、コア層を３回の再成長により形成することにより、光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０とを、同じ組成にし、同一の不純物を同一のドーピング濃度でドーピングしている。
または、コア層を２回の再成長により形成することにより、光結合器２０の導波路層１０２−２０と、接続光導波路５０，６０，７０，８０の導波路層１０２−５０，１０２−６０，１０２−７０，１０２−８０と、RZ−DQPSK光変調器４１０の光変調層（コア層）とを、同じ組成にし、同一の不純物を同一のドーピング濃度でドーピングしている。
【００５８】
実施例４の変調機能を持つ光源１Ｃでは、光変調器４１０を複数のマッハツェンダー光変調器４１１，４１２，４１３で構成することにより、位相変調を用いた変調フォーマットにも適用可能である。
【００５９】
本発明に係る素子（光変調機能を持つ光源）では、光変調器のコア層（光変調層）に、不純物としてｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントをドーピングすることにより、キャリアを注入すれば所望の動作を得ることが可能であるが、素子性能としては損失の低減も重要な課題である。化合物半導体導波路ではp型半導体層の方がn型半導体層よりも同じドーピング濃度の場合一桁ほど損失が大きくなる。
そのため、コア層のドーピングにはｎ型ドーパントを用いることが有効である。さらにコア層に近接するp型層のドーピング濃度は低いほど損失が小さくなる。
【００６０】
そこでp型半導体層のドーピング濃度を1×1018cm-3にした場合に、コア層にｎ型ドーピングを行う場合のドーピング濃度と屈折率変化量の関係を示したのが図９である。
図９に示すようにｐ型半導体層のドーピング濃度以上にコア層をｎ型にドーピングしても屈折率変化は増加しないことがわかる。その場合には効果とは反対にドーピングすることによりｎ型層といえども損失の増大が避けられないというデメリットがある。
【００６１】
図１０はドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3と１×１０18ｃｍ-3の場合のマッハツェンダー光変調器の特性を示している。ドーピング濃度が増えるとバイアス電圧が０Ｖの時の損失が２．５ｄＢ程度増加することに加え、バイアス電圧が３Ｖ付近と９Ｖ付近にみられる大幅に透過率が小さくなる点の透過率は、ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3の場合の方がドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3の場合よりも大きくなっている。そのため素子の重要な特性である消光比（一番明るい透過率と一番暗い透過率の差）が劣化してしまう。ドーピング濃度が増すに従い単調に透過率が減少する。
ドーピング濃度が高いと屈折率の変化量が小さくなり、かつ透過率が減少、すなわち損失が増大する。その為、本発明に用いるコア層のドーピング濃度は、1×1018cm-3以下であることが望ましい。
【００６２】
さらに本発明では、これまで述べてきたように発振波長や動作温度による特性の変化を小さくすることが重要である。
その為、光変調器のコア層（光変調層）として、多重量子井戸構造を用いることによりバンド端よりも低エネルギー側での吸収を小さくした構造が重要である。
【００６３】
図１１は、多重量子井戸構造を用いた場合（図１１（ａ））と、バルク層（図１１（ｂ））を用いた場合の、バイアス電圧に対するバンドギャップの変化を示している。多重量子井戸の場合は、バルク層と比較して、バンド端での吸収が急峻となるため動作波長依存性が少ないことや、動作波長に多重量子井戸のバンドギャップを近づけることが可能となるため（たとえば１５５０ｎｍで動作する場合に１４５０ｎｍ）、小さな電圧で動作可能となる。
【００６４】
一方、コア層としてバルク層を用いる場合は、例えば波長可変レーザの発振波長が１５００ｎｍから１６００ｎｍの間に設定される場合に、半導体光変調器のコア層のバンドギャップのフォトルミネッセンス波長を１３５０ｎｍ以下の波長域に設定したバルク層を用いることが重要となる。これは多重量子井戸を用いた場合とバルク層を用いた場合を比較すると、バイアス電圧を加えた場合に吸収端が緩やかに変化してしまうため、バルク層を用いる場合には充分なバンドギャップを取ることが重要となる。
【００６５】
このようにしたことにより、図６に示すように発振波長や動作温度による特性の変化を小さくすることが達成できた。これは現在通信で用いられている波長領域全体で同じ動作電圧で動作可能となることを意味する。このことにより、駆動電気回路が動作温度に無関係に動作電圧を設定できることになるため、回路構成が簡略化できる等の点で低コスト化が可能になる。
【００６６】
以上の実施例では、ＩｎＰ系半導体を用いた場合には、コア層はＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＡｓ等のバルクあるいは多重量子構造を用い、ｎ型の不純物としてＳｉ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｃのうちの少なくとも一つを用いる。
同様に、ＧａＮ系半導体やＧａＡｓ系半導体においても、本発明を実施することは可能である。
【００６７】
なお上記の各実施例では、波長可変レーザアレイと光結合器と半導体光アンプと半導体光変調器と接続光導波路をモノリシック集積してなる変調機能を持つ光源を対象としているが、本発明は、半導体光アンプを有していない、波長可変レーザアレイと光結合器と半導体光変調器と接続光導波路をモノリシック集積してなる変調機能を持つ光源にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  変調機能を持つ光源
１０  波長可変レーザアレイ
１０−１〜１０−５  半導体波長可変レーザ
２０  光結合器
３０  半導体光アンプ
４０  半導体光変調器
５０，６０，７０，８０  接続光導波路
４００  マッハツェンダー光変調器
４１０  ＲＺ−ＤＱＰＳＫ光変調器
４１１，４１２，４１３  マッハツェンダー光変調器
【図１】
2014092725.tif 000003
【図２】
2014092725.tif 000004
【図３】
2014092725.tif 000005
【図４】
2014092725.tif 000006
【図５】
2014092725.tif 000007
【図６】
2014092725.tif 000008
【図７】
2014092725.tif 000009
【図８】
2014092725.tif 000010
【図９】
2014092725.tif 000011
【図１０】
2014092725.tif 000012
【図１１】
2014092725.tif 000013
【図１２】
2014092725.tif 000014