(57)【要約】  光送信デバイス（６０）は、第一の半導体基板（１）に形成された複数の分布帰還型の半導体レーザ（３１）を有する半導体レーザアレー（３０）が形成された半導体レーザチップ（６１）と、第二の半導体基板（２１）に形成されると共に半導体レーザ（３１）と同数の半導体変調器（４１）を有する半導体変調器アレー（４０）が形成された半導体導波路チップ（６２）と、を備えている。光送信デバイス（６０）は、半導体レーザアレー（３０）のそれぞれの半導体レーザ（３１）における半導体変調器アレー側の導波路（１２）の端面と、半導体変調器アレー（４０）のそれぞれの半導体変調器（４１）における半導体レーザアレー側の導波路（１３）の端面との距離が１０μｍ以内になるように、導波路（１２）と導波路（１３）とが突き合わされて接続されている。
2020012590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の半導体基板に形成された複数の分布帰還型の半導体レーザを有する半導体レーザアレーと、第二の半導体基板に形成されると共に前記半導体レーザと同数の半導体変調器を有する半導体変調器アレーと、を備えた光送信デバイスであって、
前記半導体レーザアレーが形成された半導体レーザチップと、前記半導体変調器アレーが形成された半導体導波路チップと、を備え、
前記半導体レーザアレーのそれぞれの前記半導体レーザにおける前記半導体変調器アレー側の導波路であるレーザ導波路の端面と、前記半導体変調器アレーのそれぞれの前記半導体変調器における前記半導体レーザアレー側の導波路である変調器導波路の端面との距離が１０μｍ以内になるように、前記レーザ導波路と前記変調器導波路とが突き合わされて接続されている、光送信デバイス。
【請求項２】
前記半導体レーザチップ及び前記半導体導波路チップは台座に搭載されており、
前記半導体レーザアレーは、前記半導体レーザの活性層を含む前記レーザ導波路が前記台座に対して前記第一の半導体基板よりも遠方になるように配置されており、
前記半導体変調器アレーは、前記半導体変調器の前記変調器導波路が前記第二の半導体基板よりも前記台座側になるように配置されている、請求項１記載の光送信デバイス。
【請求項３】
前記半導体導波路チップはサブマウント基板に搭載されており、
前記半導体変調器アレーは、前記半導体変調器のアノード電極及びカソード電極が前記第二の半導体基板と反対側の前記変調器導波路側に形成されており、
前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記サブマウント基板に形成された金属配線に金属ワイヤと異なる接続材で接続されている、請求項１又は２に記載の光送信デバイス。
【請求項４】
前記接続材は、半田バンプである、請求項３記載の光送信デバイス。
【請求項５】
前記半導体導波路チップは、前記変調器導波路の端面を含む変調器端面が、前記サブマウント基板の前記半導体レーザアレー側の端面である基板端面よりも前記レーザ導波路の端面を含むレーザ端面に近付けて配置されている、請求項３又は４に記載の光送信デバイス。
【請求項６】
前記半導体導波路チップは、前記変調器導波路の端面を含む変調器端面が、前記サブマウント基板の前記半導体レーザアレー側の端面である基板端面よりも前記レーザ導波路の端面を含むレーザ端面から離れないように配置されている、請求項３又は４に記載の光送信デバイス。
【請求項７】
前記半導体レーザチップは、
レーザ用サブマウント基板に搭載されており、
かつ、前記レーザ導波路の端面を含むレーザ端面が、前記レーザ用サブマウント基板の前記半導体変調器アレー側の端面である基板端面よりも前記変調器導波路の端面を含む変調器端面に近付けて配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【請求項８】
前記半導体レーザチップは、
レーザ用サブマウント基板に搭載されており、
かつ、前記レーザ導波路の端面を含むレーザ端面が、前記レーザ用サブマウント基板の前記半導体変調器アレー側の端面である基板端面よりも前記変調器導波路の端面を含む変調器端面から離れないように配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【請求項９】
互いに対向する前記半導体レーザアレー及び前記半導体変調器アレーのいずれか一方又は両方は、互いに対向する前記導波路の端面側に前記半導体レーザアレーが生成したレーザ光のスポットサイズを変更するスポットサイズ変換部を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【請求項１０】
前記半導体導波路チップは、前記半導体変調器アレーのそれぞれの前記半導体変調器から出射された複数の出射光を１つの出射光に合波する光合波器を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【請求項１１】
前記光合波器は、アレー導波路回折格子である、請求項１０記載の光送信デバイス。
【請求項１２】
半導体変調器アレーのそれぞれの前記半導体変調器は、マッハツェンダー変調器である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、光送信デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数のレーザを搭載した半導体レーザアレーと、複数の変調器を搭載した半導体変調器アレーにより構成された光通信用の送信デバイス（光送信デバイス）は、単一のレーザと単一の変調器で構成された光送信デバイスに比べ、伝送容量を拡大できる。半導体レーザアレーと半導体変調器アレーを小型に集積する方法として、一つのＩｎＰ基板など半導体基板上にモノリシック集積する方法と、異なる半導体基板上に形成した半導体レーザアレーと半導体変調器アレーを実装で集積するハイブリッド集積する方法がある。ＩｎＰ基板上の半導体レーザアレーと、Ｓｉ基板上の半導体変調器アレーを集積する場合は、主にハイブリッド集積する方法が用いられる。【０００３】
特許文献１には、半導体レーザアレーと半導体変調器アレーをハイブリッド集積した光送信デバイスが開示されている。特許文献１の光送信デバイスは、Ｓｉ系材料の導波路（Ｓｉ導波路）に、増幅媒体としてIII−Ｖ族半導体（III−Ｖ族増幅媒体）を貼り付け、Ｓｉ系材料の導波路に反射構造（反射器対を備えた光共振器）を形成するレーザ構造である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５３７８７１号公報（図１、図２、００１５段〜００２４段）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の光送信デバイスは、Ｓｉ導波路とIII−Ｖ族増幅媒体の貼り付けに高い技術が必要であるとともに、III−Ｖ族増幅媒体内に共振器構造がなくＳｉ導波路に共振器構造を設けた複雑なレーザ構造である。また、特許文献１の光送信デバイスは、III−Ｖ族増幅媒体とＳｉ導波路との間で光結合損失が発生し、注入電流当たりのレーザ出力光（レーザ出射光）の比率（レーザ効率と呼ぶ）が、III−Ｖ族材料のみで形成する共振器構造を有する半導体レーザに比べ悪いという問題点があった。【０００６】
本願明細書に開示される技術は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、構造が単純でレーザ効率が良い、半導体レーザアレーと半導体変調器アレーをハイブリッド集積した光送信デバイスを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願明細書に開示される一例の光送信デバイスは、第一の半導体基板に形成された複数の分布帰還型の半導体レーザを有する半導体レーザアレーと、第二の半導体基板に形成されると共に半導体レーザと同数の半導体変調器を有する半導体変調器アレーと、を備えた光送信デバイスであって、半導体レーザアレーが形成された半導体レーザチップと、半導体変調器アレーが形成された半導体導波路チップと、を備えている。光送信デバイスは、半導体レーザアレーのそれぞれの半導体レーザにおける半導体変調器アレー側の導波路であるレーザ導波路の端面と、半導体変調器アレーのそれぞれの半導体変調器における半導体レーザアレー側の導波路である変調器導波路の端面との距離が１０μｍ以内になるように、レーザ導波路と変調器導波路とが突き合わされて接続されている。
【発明の効果】
【０００８】
本願明細書に開示される一例の光送信デバイスは、互いに対向する半導体レーザアレーのレーザ導波路の端面と半導体変調器アレーの変調器導波路の端面との距離が１０μｍ以内になるようにレーザ導波路と変調器導波路とが突き合わされて接続されているので、構造が単純で高いレーザ効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る光送信デバイスを示す平面図である。
【図２】図１の半導体レーザと半導体変調器の概略構成を示す図である。
【図３】図１の光送信デバイスの断面図である。
【図４】図２の半導体変調器の断面図である。
【図５】図１の半導体レーザと半導体変調器の導波路形状を示す平面図である。
【図６】実施の形態１に係る他の光送信デバイスを示す平面図である。
【図７】図６の他の光送信デバイスの断面図である。
【図８】実施の形態２に係る光送信デバイスを示す平面図である。
【図９】図８の光送信デバイスの断面図である。
【図１０】実施の形態３に係る光送信デバイスを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光送信デバイスを示す平面図である。図２は図１の半導体レーザと半導体変調器の概略構成を示す図であり、図３は図１の光送信デバイスの断面図である。図４は図２の半導体変調器の断面図であり、図５は図１の半導体レーザと半導体変調器の導波路形状を示す平面図である。図３は図１におけるＡ−Ａの断面を示しており、図４は図２におけるＢ−Ｂの断面を示している。実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０が形成された半導体レーザチップ６１と半導体変調器アレー４０が形成された半導体導波路チップ６２をハイブリッド集積した光送信デバイス、すなわちハイブリッド集積送信デバイスである。光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０が形成された半導体レーザチップ６１と、半導体変調器アレー４０が形成された半導体導波路チップ６２と、半導体レーザチップ６１が実装されたサブマウント基板１０と、半導体導波路チップ６２が実装されたサブマウント基板１１と、サブマウント基板１０、１１が実装された台座９とを備えている。半導体レーザアレー３０は複数の半導体レーザ３１を有しており、半導体変調器アレー４０は半導体レーザ３１と同数の半導体変調器４１を有している。台座９には、半導体レーザチップ６１がサブマウント基板１０を介して搭載されており、半導体導波路チップ６２がサブマウント基板１１を介して搭載されている。半導体レーザチップ６１はサブマウント基板１０に実装されて搭載されており、半導体導波路チップ６２はサブマウント基板１１に実装されて搭載されている。
【００１１】
半導体レーザアレー３０は、ｎ−ＩｎＰ基板１上に形成された１６個の分布帰還型の半導体レーザ３１を備えている。各半導体レーザ３１は、ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３、ｐ−ＩｎＰクラッド層４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５が順次形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ活性層３の上部（表面）には、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ−ＩｎＰクラッド層４で構成された回折格子構造（図示せず）が形成されている。また、各半導体レーザ３１は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３の両脇がＩｎＰ埋込層図示せず）で埋め込まれており、いわゆる埋込型の導波路構造となっている。ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面（サブマウント基板１０に対向する面）に全ての半導体レーザ３１に共通のカソード電極６が形成されており、各半導体レーザ３１の導波路（レーザ導波路）１２の上部にそれぞれのアノード電極７が形成されている。導波路（レーザ導波路）１２はＩｎＧａＡｓＰ活性層３を含んでいる。各半導体レーザ３１の回折格子の周期が異なる値となっており、各半導体レーザ３１が異なる波長の光を出射するようになっている。半導体レーザアレー３０は、異なる波長の光を出射する半導体レーザ３１を複数備えているので、多波長光源である。半導体レーザアレー３０が出射する出射光の波長は１.３μｍ帯である。半導体レーザアレー３０のｎ−ＩｎＰ基板１の裏面は、すなわち半導体レーザチップ６１のｎ−ＩｎＰ基板１の裏面は、サブマウント基板１０上（表面）に半田８で実装されている。さらに、半導体レーザチップ６１を実装したサブマウント基板１０は、金属製の台座９上（表面）に半田８で実装されている。各半導体レーザ３１のアノード電極７は、金ワイヤ等の金属ワイヤ１７によりサブマウント基板１０に形成された金属配線（図示せず）に接続されている。
【００１２】
半導体変調器アレー４０は、Ｓｉ基板２１上に形成された１６個のマッハツェンダー変調器である半導体変調器４１を備えている。各半導体変調器４１は導波路（変調器導波路）１３を有しており、導波路１３は、入射側導波路１４、２つのアーム導波路１５ａ、１５ｂ、出射側導波路１６で構成される。各半導体変調器４１は、Ｓｉ基板２１の表面（サブマウント基板１１側の面）に、ＳｉО２の第一絶縁層２２、Ｓｉ層２３、ＳｉО２の第二絶縁層２４が順次形成されている。各半導体変調器４１は、Ｓｉ層２３にメサストライプが形成されたリブ導波路構造を有する。すなわち、入射側導波路１４、２つのアーム導波路１５ａ、１５ｂ、出射側導波路１６は、メサストライプが形成されたリブ導波路構造を有する。図４では、２つのアーム導波路１５ａ、１５ｂにおけるメサストライプ４６ａ、４６ｂを示した。各半導体変調器４１は、図４に示すように、アーム導波路１５ａ、１５ｂの両脇、すなわちメサストライプ４６ａ、４６ｂの両脇にカソード電極２６、アノード電極２７があり、カソード電極２６及びアノード電極２７は、ともに導波路面側（Ｓｉ基板２１とは逆側、サブマウント基板１１側）のＳｉ層２３の表面に形成されている。すなわち、カソード電極２６及びアノード電極２７は、Ｓｉ基板２１と反対側の変調器導波路（導波路１３）側に形成されている。
【００１３】
半導体変調器アレー４０が形成された半導体導波路チップ６２は、導波路面側を半田バンプ２９でサブマウント基板１１上（表面）に実装されている。各半導体変調器４１のカソード電極２６及びアノード電極２７は、サブマウント基板１１に形成された金属配線２０に半田バンプ２９により接続されている。つまり、半導体変調器アレー４０が形成された半導体導波路チップ６２は、半導体レーザアレー３０が形成された半導体レーザチップ６１と異なり、電気接続に金属ワイヤ１７を用いない実装、フリップチップ実装となっている。半田バンプ２９は、金属ワイヤ１７と異なる接続材である。図４では、１つのカソード電極２６がアーム導波路１５ａとアーム導波路１５ｂの間に配置され、２つのアノード電極２７がアーム導波路１５ａ、１５ｂの外側に配置された例を示した。半導体変調器アレー４０をサブマウント基板１１に実装する際に、半導体変調器アレー４０の半導体レーザアレー３０側の端面である変調器端面４２が、サブマウント基板１１の半導体レーザアレー３０側の端面である基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０側にはみ出るように（光軸方向に飛び出して）実装している。すなわち、半導体導波路チップ６２は、変調器導波路（導波路１３）の端面を含む変調器端面４２が、サブマウント基板１１の半導体レーザアレー３０側の端面である基板端面１８よりもレーザ導波路（導波路１２）の端面を含むレーザ端面３２に近付けて配置されている。半導体変調器アレー４０のサブマウント基板１１は、樹脂２８を用いて台座９上（表面）に実装されている。
【００１４】
実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０の各導波路１２と半導体変調器アレー４０の各導波路１３が突き合わされるように実装されている特徴を有している。また、実施の形態１の光送信デバイス６０は、前述したように、半導体レーザアレー３０は台座９に対してジャンクションアップの状態（ＩｎＧａＡｓＰ活性層３が台座９と反対側になる状態）でサブマウント基板１０に実装され、半導体変調器アレー４０は導波路１３が台座９の側に向けてサブマウント基板１１に実装されている。言い換えれば、実施の形態１の光送信デバイス６０は、台座９に対するＩｎＧａＡｓＰ活性層３の位置がｎ−ＩｎＰ基板１の位置よりも遠くになるように半導体レーザアレー３０が配置され、台座９に対する導波路１３の位置がＳｉ基板２１よりも近くになるように半導体変調器アレー４０が配置されている。また、半導体レーザアレー３０は、半導体レーザ３１の活性層（ＩｎＧａＡｓＰ活性層３）を含むレーザ導波路（導波路１２）が台座９に対して第一の半導体基板（ｎ−ＩｎＰ基板１）よりも遠方になるように配置されており、半導体変調器アレー４０は、半導体変調器４１の変調器導波路（導波路１３）が第二の半導体基板（Ｓｉ基板２１）よりも台座９側になるように配置されていると表現することもできる。
【００１５】
次に、半導体レーザアレー３０の導波路１２と半導体変調器アレー４０の導波路１３とが突き合わされて接続される突き合わせ接続部について、図５を用いて説明する。図５では、半導体レーザアレー３０の１つの半導体レーザ３１と、半導体変調器アレー４０の１つの半導体変調器４１との突き合わせ接続部を示した。半導体レーザアレー３０は、半導体変調器アレー４０に対向する端面であるレーザ端面３２が、半導体変調器アレー４０における半導体レーザアレー３０に対向する端面である変調器端面４２に予め定められた距離以内で突き合わされて接続されている、すなわち極力隙間が狭くなるように配置されて光結合接続されている。ここで、予め定められた距離は１０μｍ以内である。
【００１６】
半導体レーザアレー３０の導波路１２のコア層は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３である。半導体変調器アレー４０の導波路１３はリブ導波路、つまりＳｉ層のメサストライプである。図５では、導波路１２の平面形状としてＩｎＧａＡｓＰ活性層３の平面形状を示し、導波路１３の平面形状としてメサストライプ４５の平面形状を示した。図５に示した導波路１３は、半導体レーザアレー３０に対向する半導体変調器アレー４０の変調器端面４２側なので、図２に示した入射側導波路１４を示している。導波路１２は、レーザ端面３２から離れた領域の伝送部３４と、レーザ端面３２側のスポットサイズ変換部３３とを備えている。図５において破線７１ａから左側の伝送部３４の導波路幅は１.３μｍである。図５において破線７１ａから破線７１ｂ（レーザ端面３２の位置）までのスポットサイズ変換部３３は、レーザ端面３２から１００μｍ離れた位置（破線７１ａの位置）からレーザ端面３２に向かって導波路幅がテーパ状に狭くなっている。つまり、この破線７１ａから破線７１ｂまでの導波路は、レーザ出力光（レーザ出射光）のスポットサイズを変える、スポットサイズ変換器になっている。
【００１７】
半導体変調器アレー４０の導波路１３の変調器端面４２側、すなわち入射側導波路１４は、変調器端面４２から離れた領域の伝送部４４と、変調器端面４２側のスポットサイズ変換部４３とを備えている。図５において破線７１ｃから右側の伝送部４４の導波路幅、すなわちメサストライプ幅は５００ｎｍである。図５において破線７１ｃから破線７１ｂ（変調器端面４２の位置）までのスポットサイズ変換部４３は、変調器端面４２から２００μｍ離れた位置（破線７１ｃの位置）から端面に向かってテーパ状に導波路幅、すなわちメサストライプ幅が狭くなっている。つまり、この破線７１ｃから破線７１ｂまでの導波路（メサストライプ４５）は、レーザ出力光（レーザ出射光）のスポットサイズを変えるスポットサイズ変換器になっている。
【００１８】
実施の形態１の光送信デバイス６０は、多波長光を発生する半導体レーザアレー３０と半導体変調器アレー４０とを備えており、単一の半導体レーザ３１と単一の半導体変調器４１とを備えたものに比べ、波長多重通信により通信容量（伝送容量）を拡大できる。また、実施の形態１の光送信デバイス６０は、独立した半導体レーザアレー３０及び半導体変調器アレー４０、すなわち半導体レーザチップ６１及び半導体導波路チップ６２を、実装によりハイブリッド集積した構造である。従って、実施の形態１の光送信デバイス６０は、特許文献１のような光送信デバイス、III−Ｖ族半導体をＳｉ半導体に貼り付けてＳｉ半導体に共振器構造を設けた光送信デバイスに比べ、単純な構造である。従って、実施の形態１の光送信デバイス６０は、量産性に優れ、低コストで製造可能である。また、実施の形態１の光送信デバイス６０は、レーザ構造が特許文献１の光送信デバイスと異なりｎ−ＩｎＰ基板１上に独立して形成された分布帰還型レーザであり、高いレーザ効率が得られる。
【００１９】
また、実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０と半導体変調器アレー４０との光結合にレンズを用いない構造である。半導体レーザと変調器との光結合にレンズを用いる方式では、次の３つの問題がある。第１の問題は、各レンズの高精度な位置合わせが必要で、全てのレンズを実装するのに長時間を有することである。第２の問題は、複数のレンズにより光送信デバイスのサイズが大きくなることである。第３の問題は、複数のレンズを用いるため光送信デバイスが高価となることである。また、レーザと変調器との光結合にレンズを用いる方式では、半導体レーザ及び変調器の数が多くなると、この３つの問題がより顕著になる。
【００２０】
これに対して、実施の形態１の光送信デバイス６０では、レンズを用いないため、第２及び第３の問題は生じない。第１の問題についても、実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０と半導体変調器アレー４０との導波路間ピッチを合わせて配置することで、すなわち最も外側の２つの半導体レーザ３１と半導体変調器４１とのペア（対）の導波路の位置合わせをすることで、全ての半導体レーザ３１と半導体変調器４１との間の導波路（導波路１２、１３）の位置を合わすことができる。
【００２１】
図１のように、実施の形態１の光送信デバイス６０では、半導体レーザアレー３０はｎ−ＩｎＰ基板１（半導体基板）の露出面が台座９側にあり（半導体基板の露出面が垂直方向の下向き）、半導体変調器アレー４０はＳｉ基板２１（半導体基板の露出面）が台座９と逆側にある（半導体基板面が垂直方向の上向き）。実施の形態１の光送信デバイス６０における半導体レーザアレー３０及び半導体変調器アレー４０は、半導体基板上（半導体基板表面）に形成された層（積層構造層）の層厚が半導体基板の層厚よりも薄くなっている。従って、実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０及び半導体変調器アレー４０の半導体基板の露出面を台座９に対して上下方向逆にすることで、半導体レーザチップ６１、半導体導波路チップ６２の実装の際に垂直方向に自由度が生じ、半導体レーザチップ６１、半導体導波路チップ６２の実装が容易になる。以下に詳しく説明する。
【００２２】
半導体レーザチップ６１、半導体導波路チップ６２の実装方法を説明する。まず、サブマウント基板１０に実装された半導体レーザチップ６１を台座９に半田８によりダイボンドする。その次に、サブマウント基板１１に実装された半導体導波路チップ６２を、半導体レーザアレー３０の導波路１２と半導体変調器アレー４０の導波路１３とが突き合わされるように位置合わせをした後に、台座９に樹脂２８で固定する。半導体レーザアレー３０のｎ−ＩｎＰ基板１の層厚に対して、半導体変調器アレー４０の第一絶縁層２２から第二絶縁層２４までの厚さ（層厚）が薄いため、半導体変調器アレー４０のサブマウント基板１１と台座９との間に、互いの相対位置を調整するのに十分な隙間がある。このため、実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体導波路チップ６２の位置合わせの際に垂直方向の自由度が大きく、半導体導波路チップ６２の位置合わせが容易になる。更に、実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０がジャンクションアップの状態、つまりＩｎＧａＡｓＰ活性層３がｎ−ＩｎＰ基板１よりも台座９から離れた位置になる状態で、サブマウント基板１０を介して台座９に実装されているため、半導体レーザアレー３０の高い信頼性を実現できる。光通信用の光送信デバイスは高い信頼性が要求される。実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０が高い信頼性を有するので、光通信用の光送信デバイスの要求を満たしている。
【００２３】
実施の形態１の光送信デバイス６０は、図４のように半導体変調器アレー４０が金属ワイヤ１７を用いないフリップチップ実装としている。実施の形態１の光送信デバイス６０は、金属ワイヤ１７を用いないため、半導体変調器アレー４０の優れた高周波応答特性を実現できる。特に、実施の形態１のように、半導体変調器４１の数が多い場合、金属ワイヤ１７を用いない効果、すなわち高周波応答特性が優れている効果がより顕著となる。
【００２４】
比較例として、半導体変調器アレー４０が金属ワイヤ１７を用いてサブマウント基板１１に接続する例（比較例１）を考える。金属ワイヤ１７を用いる場合、光送信デバイス６０が実装される外部電気回路基板であるサブマウント基板１１までの電気配線は、複数の半導体変調器４１を跨いで外部電気回路まで長尺な金属ワイヤ１７で配線するか、半導体変調器アレー４０のカソード電極２６又はアノード電極２７、あるはその両方を半導体変調器４１の導波路１３上に導波路１３を横切る形で形成することになる。長尺な金属ワイヤ１７は高周波応答特性の劣化に繋がり、導波路１３を横切る電極（カソード電極、アノード電極）は光反射抑制の工夫が必要となる。実施の形態１の光送信デバイス６０は、比較例１と異なり、半導体変調器アレー４０が金属ワイヤ１７を用いないフリップチップ実装によりサブマウント基板１１に実装されているので、光反射抑制の工夫が必要ではなく、高周波応答特性が優れている。
【００２５】
また、実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体変調器アレー４０が、半導体レーザアレー３０と突き合わせ接続する側の端面（変調器端面４２）において、サブマウント基板１１の基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０側に飛び出して実装されている。半導体レーザアレー３０の導波路１２と半導体変調器アレー４０の導波路１３とを突き合わせ接続により光結合を行う場合、光結合損失を減らすためには、導波路１２と導波路１３との間の隙間をできる限り狭くする必要がある。ここで、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２がサブマウント基板１１の基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０から離れている比較例２を考える。比較例２の場合、半導体変調器アレー４０と半導体レーザアレー３０とを突き合わせ接続した後に、半導体レーザアレー３０と半導体変調器アレー４０との導波路間に大きな隙間ができ、光結合損失が大きくなってしまう。半導体変調器アレー４０の変調器端面４２をサブマウント基板１１の基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０側に飛び出させるか、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２をサブマウント基板１１の基板端面１８に面一とする、すなわち例えば半導体レーザアレー３０のレーザ端面３２に対する変調器端面４２を含む平面及び基板端面１８を含む平面を一致させることでこの問題を解決できる。なお、図３に示したように、半導体レーザチップ６１が搭載されたサブマウント基板１０の基板端面１９は、半導体レーザチップ６１のレーザ端面３２と面一である。
【００２６】
図１、図３に示した例は、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２がサブマウント基板１１の基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０側に飛び出している例を示した。図１、図３に示した実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２がサブマウント基板１１の基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０側に飛び出しているので、半導体レーザアレー３０と半導体変調器アレー４０との光結合損失を比較例２に比べて低減することができ、光信号として出射された出射光の伝送距離を伸ばすことができる。
【００２７】
半導体変調器アレー４０が形成された半導体導波路チップ６２をサブマウント基板１１に半田バンプ２９を用いて実装する際に、位置ばらつきが生じるので、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２をはじめからサブマウント基板１１の基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０側に飛び出す設計としておくことで、チップ位置ずれがあっても半導体変調器アレー４０の変調器端面４２が基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０側から引っ込むことを防ぐことができる。すなわち、半導体導波路チップ６２のサブマウント基板１１に対する要求実装位置精度を緩和することができる。
【００２８】
実施の形態１の光送信デバイス６０は、図５のように、半導体レーザアレー３０及び半導体変調器アレー４０の突き合わせ接続する端面側に、それぞれスポットサイズを変換するスポットサイズ変換部３３、４３を設けている。これにより、実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０の出射端面（レーザ端面３２）の出射光のスポットサイズが拡大するとともに、半導体変調器アレー４０の入射側導波路１４の光モードのスポットサイズも拡大する。これにより、半導体変調器アレー４０を台座９に実装する際に位置ずれが生じた場合の光結合効率の低下を抑える効果がある。言い換えると、実施の形態１の光送信デバイス６０は、導波路の突き合わせ接続においてある値（許容下限値）以上の光結合効率を得るために必要な、半導体変調器アレー４０の要求実装位置精度を緩和することができる。
【００２９】
なお、図５では、互いに対向する半導体レーザアレー３０及び半導体変調器アレー４０の両方が、互いに対向する導波路１２、１３の端面側に半導体レーザアレー３０が生成したレーザ光のスポットサイズを変更するスポットサイズ変換部３３、４３を有する例を示した。しかし、半導体レーザアレー３０が生成したレーザ光のスポットサイズを変更するスポットサイズ変換部は、互いに対向する半導体レーザアレー３０及び半導体変調器アレー４０のいずれか一方が有していてもよい。すなわち、実施の形態１の光送信デバイス６０は、互いに対向する半導体レーザアレー３０及び半導体変調器アレー４０のいずれか一方である半導体レーザアレー３０が、導波路１２の端面側に半導体レーザアレー３０が生成したレーザ光のスポットサイズを変更するスポットサイズ変換部３３を有する場合でもよい。また、実施の形態１の光送信デバイス６０は、互いに対向する半導体レーザアレー３０及び半導体変調器アレー４０のいずれか一方である半導体変調器アレー４０が、導波路１３の端面側に半導体レーザアレー３０が生成したレーザ光のスポットサイズを変更するスポットサイズ変換部４３を有する場合でもよい。
【００３０】
なお、光送信デバイス６０は、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２がサブマウント基板１１の基板端面１８に面一になっている光送信デバイスでもよい。つまり、光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０のレーザ端面３２に対する変調器端面４２を含む平面及び基板端面１８を含む平面が一致した光送信デバイス（第一例）でもよい。
【００３１】
図６は実施の形態１に係る他の光送信デバイスを示す平面図であり、図７は図６の他の光送信デバイスの断面図である。図７は、図６におけるＣ−Ｃの断面を示している。図６、図７に示した実施の形態１の他の光送信デバイス６０は、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２がサブマウント基板１１の基板端面１８に面一になっている点で、図１、図３に示した光送信デバイス６０と異なる。図６、図７に示した実施の形態１の他の光送信デバイス６０は、前述した第一例である。図６、図７に示した実施の形態１の他の光送信デバイス６０の第一例は、半導体導波路チップ６２のサブマウント基板１１に対する要求実装位置精度が図１、図３に示した光送信デバイス６０よりも厳しくなる。しかし、図６、図７に示した実施の形態１の他の光送信デバイス６０の第一例は、半導体導波路チップ６２のサブマウント基板１１に対する要求実装位置精度の緩和効果以外は、図１、図３に示した光送信デバイス６０と同様な効果を奏する。
【００３２】
光送信デバイス６０は、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２がサブマウント基板１１の基板端面１８よりもレーザ端面３２に近づいている場合と、半導体変調器アレー４０の変調器端面４２がサブマウント基板１１の基板端面１８に面一になっている場合とを含んでいる。したがって、光送信デバイス６０は、半導体導波路チップ６２が、変調器導波路（導波路１３）の端面を含む変調器端面４２が、サブマウント基板１１の半導体レーザアレー３０側の端面である基板端面１８よりもレーザ導波路（導波路１２）の端面を含むレーザ端面３２から離れないように配置されていると表現することもできる。
【００３３】
実施の形態１の光送信デバイス６０は、第一の半導体基板（ｎ−ＩｎＰ基板１）に形成された複数の分布帰還型の半導体レーザ３１を有する半導体レーザアレー３０と、第二の半導体基板（Ｓｉ基板２１）に形成されると共に半導体レーザ３１と同数の半導体変調器４１を有する半導体変調器アレー４０と、を備えた光送信デバイスであって、半導体レーザアレー３０が形成された半導体レーザチップ６１と、半導体変調器アレー４０が形成された半導体導波路チップ６２と、を備えている。実施の形態１の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０のそれぞれの半導体レーザ３１における半導体変調器アレー側の導波路１２であるレーザ導波路の端面と、半導体変調器アレー４０のそれぞれの半導体変調器４１における半導体レーザアレー側の導波路１３である変調器導波路の端面との距離が１０μｍ以内になるように、レーザ導波路（導波路１２）と変調器導波路（導波路１３）とが突き合わせて接続されている。実施の形態１の光送信デバイス６０は、このような構成により、互いに対向する半導体レーザアレー３０のレーザ導波路（導波路１２）の端面と半導体変調器アレー４０の変調器導波路（導波路１３）の端面との距離が１０μｍ以内になるようにレーザ導波路（導波路１２）と変調器導波路（導波路１３）とが突き合わされて接続されているので、構造が単純で高いレーザ効率が得られる。
【００３４】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る光送信デバイスを示す平面図であり、図９は図８の光送信デバイスの断面図である。図９は、図８におけるＤ−Ｄの断面を示している。実施の形態２の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０が、半導体変調器アレー４０と突き合わせ接続する側の端面（レーザ端面３２）において、サブマウント基板１０の基板端面１９よりも半導体変調器アレー４０側に飛び出して実装されている点（異なる構成）で、図１、図３に示した実施の形態１の光送信デバイス６０と異なる。実施の形態２の光送信デバイス６０における異なる構成以外の他の構造は、図１〜図５に示した実施の形態１の光送信デバイス６０と同じである。レーザ端面３２がサブマウント基板１０の基板端面１９よりも半導体変調器アレー４０側に飛び出しており、変調器端面４２がサブマウント基板１１の基板端面１８よりも半導体レーザアレー３０側に飛び出しているので、実施の形態２の光送信デバイス６０は、導波路１２と導波路１３との隙間を狭くでき、光結合損失を減らすことが可能である。実施の形態２の光送信デバイス６０は、実施の形態１の光送信デバイス６０と同様に、互いに対向する半導体レーザアレー３０のレーザ導波路（導波路１２）の端面と半導体変調器アレー４０の変調器導波路（導波路１３）の端面との距離が１０μｍ以内になるようにレーザ導波路（導波路１２）と変調器導波路（導波路１３）とが突き合わされて接続されているので、構造が単純で高いレーザ効率が得られる。
【００３５】
実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る光送信デバイスを示す平面図である。実施の形態３の光送信デバイス６０は、光合波器５０を備えている点で、実施の形態１及び実施の形態２の光送信デバイス６０と異なる。図１０では、図１に示した実施の形態１の光送信デバイス６０を変更した例を示した。実施の形態３の光送信デバイス６０は、半導体レーザアレー３０が形成された半導体レーザチップ６１と半導体変調器アレー４０及び光合波器５０が形成された半導体導波路チップ６２とをハイブリッド集積した光送信デバイス、すなわちハイブリッド集積送信デバイスである。半導体変調器アレー４０及び光合波器５０は、Ｓｉ基板２１上にモノリシック集積されている。半導体導波路チップ６２は、半導体変調器アレー４０のそれぞれの半導体変調器４１から出射された複数の出射光を１つの出射光に合波する光合波器５０を有している。半導体レーザアレー３０の構造、半導体変調器アレー４０の出射側導波路１６の形状以外の半導体変調器アレー４０の構造は、実施の形態１と同じである。実施の形態１の光送信デバイス６０と異なる部分を主に説明する。
【００３６】
半導体レーザアレー３０には１６個の分布帰還型の半導体レーザ３１があり、半導体変調器アレー４０には１６個のマッハツェンダー変調器である半導体変調器４１がある。光合波器５０は、アレー導波路回折格子（ＡＷＧ:  Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）である。図１０において、半導体導波路チップ６２の破線７２ａから左側が半導体変調器アレー４０であり、半導体導波路チップ６２の破線７２ａから右側が光合波器５０である。半導体変調器アレー４０の１６本の導波路１３における出射側の出射側導波路１６が光合波器５０に接続されている。光合波器５０は、１６本の入射側導波路５１と、入射スラブ導波路５２と、１６本の導波路５４を有するアレー導波路部５３と、出射スラブ導波路５５と、１本の出射側導波路５６とを備えている。
【００３７】
光合波器５０の出射側導波路５６には、出射端近傍にスポットサイズ変換部５８が形成されている。出射側導波路５６は、出射端から離れた領域の伝送部５７と、出射端側のスポットサイズ変換部５８とを備えている。図１０の破線７２ｃから破線７２ｄまでが伝送部５７であり、破線７２ｄから破線７２ｅまでがスポットサイズ変換部５８である。光合波器５０の出射端は、図１０において半導体導波路チップ６２の右側端である。光合波器５０における入射側導波路５１、導波路５４、出射側導波路５６の導波路構造は、Ｓｉ基板２１の表面（サブマウント基板１１側の面）にＳｉО２の第一絶縁層２２、Ｓｉ層２３、ＳｉО２の第二絶縁層２４が順次形成されている（図４参照）。Ｓｉ層２３は、メサストライプ状になっており、このメサストライプ状のＳｉ層２３が、導波路のコアとなる。
【００３８】
実施の形態３の光送信デバイス６０では、半導体レーザアレー３０で生成された異なる波長を持つ１６個の出射光が、半導体変調器アレー４０でそれぞれ変調され、光合波器５０により１つの出射光に合波される。実施の形態３の光送信デバイス６０は、半導体変調器アレー４０及びアレー導波路回折格子である光合波器５０をＳｉ基板２１上にモノリシック集積することで、空間光学系光合波器を用いる場合又は、変調器アレーと光合波器とをレンズで光結合する場合に比べ、光送信デバイスを小型化でき、実装も容易にすることが可能になる。実施の形態３の光送信デバイス６０は、実施の形態１の光送信デバイス６０と同じ構成を備えているので、実施の形態１の光送信デバイス６０と同様の効果を奏する。なお、図１０では図１に示した実施の形態１の光送信デバイス６０を変更した例を示したが、実施の形態３の光送信デバイス６０の構成は、図６に示した実施の形態１の他の光送信デバイス６０、実施の形態２の光送信デバイス６０にも適用できる。
【００３９】
なお、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４０】
１…ｎ−ＩｎＰ基板（第一の半導体基板）、３…ＩｎＧａＡｓＰ活性層、９…台座、１０…サブマウント基板（レーザ用サブマウント基板）、１１…サブマウント基板、１２…導波路（レーザ導波路）、１３…導波路（変調器導波路）、１８…基板端面、１９…基板端面、２０…金属配線、２１…Ｓｉ基板（第二の半導体基板）、２６…カソード電極、２７…アノード電極、２９…半田バンプ（接続材）、３０…半導体レーザアレー、３１…半導体レーザ、３２…レーザ端面、３３…スポットサイズ変換部、４０…半導体変調器アレー、４１…半導体変調器、４２…変調器端面、４３…スポットサイズ変換部、５０…光合波器、６０…光送信デバイス、６１…半導体レーザチップ、６２…半導体導波路チップ
【図１】
2020012590.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年11月13日(2018.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の半導体基板に形成された複数の分布帰還型の半導体レーザを有する半導体レーザアレーと、第二の半導体基板に形成されると共に前記半導体レーザと同数の半導体変調器を有する半導体変調器アレーと、を備えた光送信デバイスであって、
前記半導体レーザアレーが形成された半導体レーザチップと、前記半導体変調器アレーが形成された半導体導波路チップと、を備え、
前記半導体レーザアレーのそれぞれの前記半導体レーザにおける前記半導体変調器アレー側の導波路であるレーザ導波路の端面と、前記半導体変調器アレーのそれぞれの前記半導体変調器における前記半導体レーザアレー側の導波路である変調器導波路の端面との距離が１０μｍ以内になるように、前記レーザ導波路と前記変調器導波路とが突き合わされて接続されており、
前記半導体レーザチップ及び前記半導体導波路チップは台座に搭載されており、
前記半導体レーザアレーは、前記半導体レーザの活性層を含む前記レーザ導波路が前記台座に対して前記第一の半導体基板よりも遠方になるように配置されており、
前記半導体変調器アレーは、前記半導体変調器の前記変調器導波路が前記第二の半導体基板よりも前記台座側になるように配置されており、
前記半導体変調器アレーの前記台座側の面から前記第二の半導体基板の前記台座側の面までの厚さは、前記第一の半導体基板の厚さよりも薄くなっている、光送信デバイス。
【請求項２】
前記半導体導波路チップと前記台座との間に、樹脂が介在されている、請求項１記載の光送信デバイス。
【請求項３】
前記半導体導波路チップはサブマウント基板に搭載されており、
前記半導体変調器アレーは、前記半導体変調器のアノード電極及びカソード電極が前記第二の半導体基板よりも前記台座側である前記変調器導波路側に形成されており、
前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記サブマウント基板に形成された金属配線に金属ワイヤと異なる接続材で接続されている、請求項１又は２に記載の光送信デバイス。
【請求項４】
前記接続材は、半田バンプである、請求項３記載の光送信デバイス。
【請求項５】
前記半導体導波路チップは、前記変調器導波路の端面を含む変調器端面が、前記サブマウント基板の前記半導体レーザアレー側の端面である基板端面よりも前記レーザ導波路の端面を含むレーザ端面に近付けて配置されている、請求項３又は４に記載の光送信デバイス。
【請求項６】
前記半導体導波路チップは、前記変調器導波路の端面を含む変調器端面が、前記サブマウント基板の前記半導体レーザアレー側の端面である基板端面よりも前記レーザ導波路の端面を含むレーザ端面から離れないように配置されている、請求項３又は４に記載の光送信デバイス。
【請求項７】
前記半導体レーザチップは、
レーザ用サブマウント基板に搭載されており、
かつ、前記レーザ導波路の端面を含むレーザ端面が、前記レーザ用サブマウント基板の前記半導体変調器アレー側の端面である基板端面よりも前記変調器導波路の端面を含む変調器端面に近付けて配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【請求項８】
前記半導体レーザチップは、
レーザ用サブマウント基板に搭載されており、
かつ、前記レーザ導波路の端面を含むレーザ端面が、前記レーザ用サブマウント基板の前記半導体変調器アレー側の端面である基板端面よりも前記変調器導波路の端面を含む変調器端面から離れないように配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【請求項９】
互いに対向する前記半導体レーザアレー及び前記半導体変調器アレーのいずれか一方又は両方は、互いに対向する前記導波路の端面側に前記半導体レーザアレーが生成したレーザ光のスポットサイズを変更するスポットサイズ変換部を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【請求項１０】
前記半導体導波路チップは、前記半導体変調器アレーのそれぞれの前記半導体変調器から出射された複数の出射光を１つの出射光に合波する光合波器を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【請求項１１】
前記光合波器は、アレー導波路回折格子である、請求項１０記載の光送信デバイス。
【請求項１２】
半導体変調器アレーのそれぞれの前記半導体変調器は、マッハツェンダー変調器である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本願明細書に開示される一例の光送信デバイスは、第一の半導体基板に形成された複数の分布帰還型の半導体レーザを有する半導体レーザアレーと、第二の半導体基板に形成されると共に半導体レーザと同数の半導体変調器を有する半導体変調器アレーと、を備えた光送信デバイスであって、半導体レーザアレーが形成された半導体レーザチップと、半導体変調器アレーが形成された半導体導波路チップと、を備えている。光送信デバイスは、半導体レーザアレーのそれぞれの半導体レーザにおける半導体変調器アレー側の導波路であるレーザ導波路の端面と、半導体変調器アレーのそれぞれの半導体変調器における半導体レーザアレー側の導波路である変調器導波路の端面との距離が１０μｍ以内になるように、レーザ導波路と変調器導波路とが突き合わされて接続されており、半導体レーザチップ及び半導体導波路チップは台座に搭載されている。半導体レーザアレーは半導体レーザの活性層を含むレーザ導波路が台座に対して第一の半導体基板よりも遠方になるように配置されており、半導体変調器アレーは半導体変調器の変調器導波路が第二の半導体基板よりも台座側になるように配置されており、半導体変調器アレーの台座側の面から第二の半導体基板の台座側の面までの厚さは、第一の半導体基板の厚さよりも薄くなっている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本願明細書に開示される一例の光送信デバイスは、互いに対向する半導体レーザアレーのレーザ導波路の端面と半導体変調器アレーの変調器導波路の端面との距離が１０μｍ以内になるようにレーザ導波路と変調器導波路とが突き合わされて接続されており、レーザ導波路が台座に対して第一の半導体基板よりも遠方になるように、かつ変調器導波路が第二の半導体基板よりも台座側になるように配置されており、半導体変調器アレーの台座側の面から第二の半導体基板の台座側の面までの厚さは、第一の半導体基板の厚さよりも薄くなっているので、構造が単純で高いレーザ効率が得られる。
【国際調査報告】
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