(57)【要約】【課題】  半導体光増幅器を集積化すると共に、パターン効果を伴わず、且つ、大きな光出力を得ることができる半導体光変調器を提供する。【解決手段】  入力光２を第１光線２ａと第２光線２ｂに分波する分波器３と、第１光線２ａを導波する第１導波路９、１０と、第２光線２ｂを導波する第２導波路１１、１２と、第１導波路９、１０を通過した第１光線２ａと第２導波路１１、１２を通過した第２光線２ｂとを合波する合波器８と、第１導波路９、１０及び第２導波路１１、１２の双方に、該導波路の屈折率を変調する光位相変調器４、５を設けると共に、第１光線２ａ及び第２光線２ｂを増幅する半導体光増幅器６、７を設けた半導体光変調器。【選択図】  図１
2006171369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光を第１光線と第２光線に分波する光分波手段と、
前記第１光線を導波する第１導波路と、
前記第２光線を導波する第２導波路と、
前記第１導波路を通過した前記第１光線と前記第２導波路を通過した前記第２光線とを合波する光合波手段とを備え、
前記第１導波路、前記第２導波路の少なくとも一方に、該導波路の屈折率を変調する屈折率変調手段を設けると共に、
前記第１導波路及び前記第２導波路の双方に、前記第１光線及び前記第２光線を増幅する光増幅手段を設けたことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光変調器において、
前記光増幅手段を、前記第１導波路及び前記第２導波路の長手方向の中心より、前記光合波手段に近い位置に配置したことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体光変調器において、
前記光増幅手段を、前記屈折率変調手段と前記光合波手段との間に配置したことを特徴とする半導体光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅器機能を備えた半導体光変調器に関し、主に、光通信システムや光情報処理システムに用いられるものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信では、半導体レーザを変調（0N/0FF）することにより、光に信号を載せて受信側に送信する。この様な信号光の発生方法は、直接変調と呼ばれている。この方法は、一つの光素子で光信号を発生させることができ、システム構成が簡素であるため、光通信に広く用いられている。しかし、変調信号に対するレーザの応答速度に限界があるため、高速の光伝送には不向きである。
【０００３】
これに対して、高速光伝送では、半導体レーザで直流光を発生し、別の光素子でこの直流光を変調する外部変調方式が採用されている。外部変調器としては、ＬｉＮｂＯ3結晶を材料としたマッハツェンダ型光変調器（以後、ＬＮ変調器と呼ぶ。）が一般的であり、この素子によって１０ＧＨｚの光伝送が実用化されている。
【０００４】
しかしながら、この素子には、駆動電圧が高い（５〜７Ｖ）という欠点がある。一般に、変調速度が上がるに従って、変調信号を生成する電気回路の出力は低下していく。このため、ＬＮ変調器は、ｌ０ＧＨｚ以上の高速変調には適していない。
【０００５】
これに対して、半導体によって構成されたマッハツェンダ型光変調器（以降、ＭＺ変調器と呼ぶ。）は、駆動電圧が低く（２Ｖ）、４０ＧＨｚ以上の高速変調にも適用できる（非特許文献１）。
【０００６】
【非特許文献１】K. Tsuzuki et. al., "40 Gbit/s n-i-n InP Mach-Zehnder modulator with a πvoltage of 2.2V" ELECTRONICS LETTERS Vol. 39 No. 20 pp. 1464-1466, 2001.10.2
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体光素子の屈折率は、光ファイバの構成材料ＳｉＯ2と大きく異なるため、光ファイバからの入力光が素子内に効率良く入らないという問題（結合損失）や、半導体光素子から出射した光が光ファイバに効率よく入らないという問題（結合損失）がある。
【０００８】
図５は、ＭＺ光変調器１０１を用いた光通信システムの送信側の概略図である。
半導体により構成されるＭＺ変調器１０１は、半導体レーザ等の外部光源１０４が射出する一定強度の光を変調する。外部変調器としてＭＺ変調器１０１を用いると、入力側の光ファイバ１０２及び出力側の光ファイバ１０３との双方の間で無視できない結合損失を生じる。更に、ＭＺ変調器１０１を構成する半導体導波路自体の光損失が小さくないため、ＭＺ変調器１０１自体によっても、数ｄＢ程度の光伝播損失が発生する。これらの損失を合計したものは、挿入損失と呼ばれている。即ち、ＭＺ変調器１０１には、挿入損失が大きいという問題がある。
【０００９】
この挿入損失を補償する対策としては、ＭＺ変調器１０１の出力側に半導体光増幅器を集積化して、入力側の光ファイバ１０２との結合損失とＭＺ変調器１０１内部での光の伝播損失によって弱くなった光信号を増幅することが考えられる。しかし、半導体光増幅器には１ＧＨｚ以上の高速変調光を入射すると、増幅後の信号波形が変形されてしまうという問題（パターン効果）がある。また、半導体光増幅器には、出力パワーが飽和しやすく、大きな出力が得にくいと言う問題もある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、半導体光増幅器を集積化すると共に、パターン効果を伴わず、且つ、大きな光出力を得ることができる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】
【００１１】
上記課題を解決する第１の発明に係る半導体光変調器は、
入力光を第１光線と第２光線に分波する光分波手段と、
前記第１光線を導波する第１導波路と、
前記第２光線を導波する第２導波路と、
前記第１導波路を通過した前記第１光線と前記第２導波路を通過した前記第２光線とを合波する光合波手段とを備え、
前記第１導波路、前記第２導波路の少なくとも一方に、該導波路の屈折率を変調する屈折率変調手段を設けると共に、
前記第１導波路及び前記第２導波路の双方に、前記第１光線及び前記第２光線を増幅する光増幅手段を設けたことを特徴とする。
なお、光増幅手段は、各導波路に複数設けるようにしてもよい。又、屈折率変調手段に対して、光分波手段側の導波路又は光合波手段側の導波路に、光増幅手段を設けるようにしてもよいし、光分波手段側及び光合波手段側の双方の導波路に、光増幅手段を設けるようにしてもよい。
【００１２】
上記課題を解決する第２の発明に係る半導体光変調器は、
第１の発明に記載の半導体光変調器において、
前記光増幅手段を、前記第１導波路及び前記第２導波路の長手方向の中心より、前記光合波手段に近い位置に配置したことを特徴とする。
望ましくは、できるだけ光合波手段に近い位置に光増幅手段を配置する。
【００１３】
上記課題を解決する第３の発明に係る半導体光変調器は、
第１又は第２の発明に記載の半導体光変調器において、
前記光増幅手段を、前記屈折率変調手段と前記光合波手段との間に配置したことを特徴とする。
望ましくは、屈折率変調手段に対して、光合波手段側の導波路に光増幅手段を配置する。この構成により、屈折率変調手段により位相が変調された直流光の第１光線、第２光線が、光増幅手段により増幅されて、光合波手段へ入力されることとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光信号（第１光線、第２光線）が光合波手段にて合波される前に、直流光の状態で光増幅を行うので、パターン効果が発生することがない。しかも、半導体光変調器の内部の各導波路に各々光増幅手段を設けたので、半導体光変調器の出力側に半導体光増幅器を設けた構成と比較して、約二倍強い光を出力することができる。更に、半導体光変調器の内部に光増幅手段を設けたので、半導体光増幅器が集積化された半導体光変調器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る半導体光変調器は、半導体光変調器を構成する一対の導波路内に、光増幅手段を集積することで、変調される前の直流光を増幅できるので、パターン効果を伴わず、かつ、大きな光出力を得ることができるものである。
以下に、本発明に係る半導体光変調器の実施形態を示して、その詳細を説明する。
【実施例１】
【００１６】
（構成）
図１に、本発明に係る半導体光変調器の実施形態の一例となる平面図を示し、その構成について説明する。
本発明に係る半導体光変調器は、半導体から構成されるマッハツェンダ型の光変調器（以降、ＭＺ変調器と呼ぶ。）１である。ＭＺ変調器１は、入力された入力光２を２分割に分波する分波器３（光分波手段）と、印加された電圧に基づいて導波路の屈折率を変調して、２分割された光２ａ（第１光線）、光２ｂ（第２光線）の位相をそれぞれ変調する光位相変調器４、５（屈折率変調手段）と、光位相変調器４、５によりそれぞれ変調された光を増幅する半導体光増幅器６、７（光増幅手段）と、半導体光増幅器６、７によって増幅された位相変調光を合波する合波器８（光合波手段）とを有しており、これらは、半導体基板６０上に形成される。なお、分波器３、合波器８には、例えば、マルチモード干渉結合器（ＭＭＩカプラ）を用いる。
【００１７】
分波器３と光位相変調器４とは導波路９により光学的に接続され、光位相変調器４と半導体光増幅器６とは直接光学的に接続され、半導体光増幅器６と合波器８とは導波路１０により光学的に接続されている。なお、導波路９、光位相変調器４の導波路部分、半導体光増幅器６の導波路部分、導波路１０により第１導波路を構成している。同様に、分波器３と光位相変調器５とは導波路１１により光学的に接続され、光位相変調器５と半導体光増幅器７とは直接光学的に接続され、半導体光増幅器７と合波器８とは導波路１２により光学的に接続されている。なお、導波路１１、光位相変調器５の導波路部分、半導体光増幅器７の導波路部分、導波路１２により第２導波路を構成している。
【００１８】
（動作原理及び使用方法）
次に、本発明の動作原理及び本発明に係るＭＺ変調器の使用方法について説明する。
第１導波路を構成する導波路９、光位相変調器４、導波路１０及び第２導波路を構成する導波路１１、光位相変調器５、導波路１２では、光の伝播に伴って数ｄＢの光損失が発生する。この損失を補って合波器８に出力される光をなるべく強くするためには、半導体光増幅器６をなるべく出力側、すなわち合波器８に近い位置に配置することが効果的である。
【００１９】
合波器８への出力光強度に半導体光増幅器６の位置が与える影響は、増幅光が飽和している場合を例にとると分かり易い。この場合、増幅後の光出力は飽和しているので、どこに半導体光増幅器６を配置しようと一定である。一方、半導体光増幅器６を出射した後の光の減衰は、合波器８までの距離が短いほど小さい。程度の差はあるが、同じ効果は半導体光増幅器６の利得が飽和する前でも得られる。従って、半導体光増幅器６をなるべく合波器８に近い位置に配置するほど、合波器８への出力光強度は大きくなる。
【００２０】
上記構成において、入力光２は、分波器３により均等の強度を有する光２ａ、２ｂに分波され、導波路９、ｌ１にそれぞれ出力される。その後、導波路９に入力された光２ａは光位相変調器４により位相変調され、必要な場合には導波路１１に入力された光２ｂも光位相変調器５により位相変調される。
【００２１】
ここで光位相変調器４、５は、後述する図３に示すように、基板６０側からｎ−ＩｎＰクラッド層６１、光導波層６２、ＳＩ（Semi-Insulate：半絶縁性）−ＩｎＰクラッド層６３、ｎ−ＩｎＰクラッド層６４、金属電極１３ａ、１３ｂが順次積層された構造を有している。
【００２２】
また、光位相変調器４、５は、それぞれ同じ電圧でバイアスされており、どちらか一方のみ、又は双方の金属電極（１３ａ−１３ｂ間、１４ａ−１４ｂ間）に信号電圧が印加される。但し、双方の金属電極（１３ａ−１３ｂ間、１４ａ−１４ｂ間）に信号電圧を印加する場合、それぞれに印加する信号電圧は、位相が揃って且つ反対向きであるものとする。
【００２３】
このように信号電圧を印加すると、それぞれの光位相変調器４、５に入力された光２ａ、２ｂは異なる位相変調を受け、半導体光増幅器６、７によって増幅された後、合波器８により合波される。
【００２４】
このとき、変調器４、５で変調された後の光２ａ、２ｂの位相差が２ｎπ（ｎは整数）である場合、合波器８における干渉の結果、出力導波路１５からは両者が合波されて出力光１６が出力され、その強度は半導体光増幅器６、７の働きによって、ＭＺ変調器１に入力した時より増幅されて出力される。これに対して、光２ａ、２ｂの位相差が２（ｎ＋１）πである場合、干渉の結果、打ち消し合い、出力導波路１５には出力光１６が出力されない。即ち、ＭＺ変調器１では、光位相変調器４、５に印加した電圧によって、出力光１６の強度が変調且つ増幅される。
【００２５】
ここで、半導体光増幅器６、７の動作について説明する。
半導体光増幅器６、７に入射する光２ａ、２ｂは、位相変調は受けているが強度変調は受けていない。従って、その信号強度は、一定（直流光）である。入力光の強度が一定なので、半導体光増幅器６、７ではパターン効果は生ぜず、従って、光位相変調器４、５を高速変調しても、増幅後の光の強度は一定に保たれる。即ち、増幅器が集積化された本発明のＭＺ変調器１では、パターン効果による信号波形の変形は起こらない。
【００２６】
ＭＺ変調器１の最大出力は、半導体光増幅器６、７の利得を出力パワーが飽和するまで高めた場合に得られ、その値は、飽和パワーまで増幅された光２ａ、２ｂが合波されるので半導体光増幅器６、７の飽和パワーの二倍になる。一方、もし半導体光増幅器を出力導波路１５の後に設けるとすると、その最大値はその半導体光増幅器の飽和パワー以上にはならない。即ち、本発明では、光２ａ、２ｂを合波前にそれぞれ増幅しているので、それぞれのパワーを足し合わせることによって、最大で半導体光増幅器の飽和パワーの２倍の出力を得ることができる。
【００２７】
なお、半導体光増幅器は、光位相変調器４、５に対して、光の伝播方向となる合波器８側の導波路１０、１２だけでなく、分波器３側の導波路９、１１に設けてもよいし、導波路９、１０の双方及び導波路１１、１２の双方に設けてもよい。
【００２８】
次に、図２を用いて光位相変調器４、５及び半導体光増幅器６、７に接続される電気回路について説明する。
【００２９】
光位相変調器４、５の金属電極１３ａの一端にはバイアス電源４０のプラス側が、金属電極１３ｂにはバイアス電源４０のマイナス側が接続され、金属電極１３ａ及び１３ｂにはそれぞれ信号電源４１が容量４２を介して接続される。金属電極１３ａ、１３ｂの他の一端には、終端抵抗４５が接続されている。即ち、金属電極１３ａ及び１３ｂによって分布定数型の光位相変調器が構成される。信号電源４１から出力された変調波信号は金属電極１３ａを伝搬し、光位相変調器４内の光導波層を並列して伝搬する光２ａを変調する。従って、光位相変調器４内の光導波層に入力された光２ａは、光位相変調器４を通過することにより位相が変調される。又、光位相変調器５に入力された光２ｂも、上記と同様の構成により、同様に位相変調される。
【００３０】
又、半導体光増幅器６の電極２１及び２２には、直流電源５０が接続され、金属電極２１には直流電源５０のプラス側が、金属電極２２には直流電源５０のマイナス側が接続される。直流電流源５０からの電流によって、半導体光増幅器６の活性層にキャリヤが注入され、光利得が生じ、光位相変調器４で位相変調を受けた光が増幅される。又、半導体光増幅器７でも、上記と同様の構成により、光位相変調器５で位相変調を受けた光が同様に増幅される。
【００３１】
（素子構造）
図３は、本実施例における光位相変調器４を、光軸方向に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面図であり、図１におけるＡ−Ａ線矢視断面図に該当する。
【００３２】
図３を参照すると、光位相変調器４では、半絶縁性の半導体基板６０上に、ｎ型の不純物がドーピングされたクラッド層（ｎ型クラッド層６１）と光導波層６２が積層される。そして、光導波路層６２上には、半絶縁性（ＳＩ）のクラッド層（ＳＩクラッド層６３）、ｎ型の不純物がドーピングされたクラッド層（ｎ型クラッド層６４）が形成され、リッジ導波路６６が構成される。光導波路層６２は、ノンドープの半導体材料により形成され、例えば、０．５μｍの厚さとする。このようにｎ型クラッド層６１、６４間に半絶縁性の層を設けることで、ｎ型クラッド層６１、６４間を電気的に切り離す。なお、光導波路層６２には、電界光学効果の大きな半導体層を用いる。
【００３３】
また、ｎ型クラッド層６４上には金属電極１３ａが形成され、更に、ＳＩクラッド層６３及び光導波層６２を貫いて形成した溝６７を通してｎ型クラッド層６１に接触するように金属電極１３ｂが形成される。なお、金属電極１３ｂとＳＩ−ＩｎＰクラッド６３の間及び上記溝６７の側面には絶縁膜６５が形成され、これらとの間で電気的な接触が生じないように構成されている。
【００３４】
この構成において、２つの金属電極１３ａ、１３ｂ間に電圧を印加すると、ＳＩクラッド層６３の上面と光導波層６２の下面との間に電位差が生じ、光導波路層６２に電界が発生し、電界光学効果により光導波路層６２の屈折率が変化する。
【００３５】
なお、光分波器３、８及び光導波路９〜１２の層構造も、電極１３ａ、１３ｂが無い点を除いて、光位相変調器４と同じである。
【００３６】
次に、図４を参照して半導体光増幅器６の素子構造を説明する。
なお、図４は、本実施例における半導体光増幅器６を、光軸方向に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面図であり、図１におけるＢ−Ｂ線矢視断面図に該当する。
【００３７】
半導体光増幅器６では、半絶縁性の半導体基板６０上に、ｎ型の不純物がドーピングされたクラッド層（ｎ型クラッド層７１）と、活性層７２が形成される。そして、活性層７２上には、ｐ型の不純物がドーピングされたクラッド層（ｐ型クラッド層７３）が形成される。最後に、ｐ型クラッド層７３の上に、ｐ型の不純物が高濃度にドーピングされたコンタクト層７４を形成され、リッジ導波路７６が構成される。活性層７２は、ノンドープの半導体材料により形成され、光導波層６２と同じ厚さ且つ基板６０の上面に対して同じ高さに形成する。この様に構成すると、光位相変調器４及び半導体光増幅器６との間に光の結合損失は殆ど発生しない。
【００３８】
次に、コンタクト層７４上には金属電極２１が形成され、また、ｐ型クラッド層７３、活性層７２を貫いて形成した溝７７を通してｎ型クラッド層７１の上に金属電極２２が形成される。金属電極２２とｐ型クラッド層７３の間及び溝７７の側面には絶縁膜７５が形成され、これらとの間で電気的な接触が生じないように構成されている。
【００３９】
なお、図１には示していないが、半導体光増幅器６、７の形成された領域３０と、その他の領域の間には、ｐ型クラッド層７３に届く溝を形成し、他の領域との間で電気的に分離できるようにしている。
【００４０】
この構成において、２つの金属電極２１、２２に電圧を印加し、活性層７２に電流を注入すると、活性層７２にキャリアが蓄積し光利得が発生する。
【００４１】
ここで、半導体光増幅器６、７を形成する領域３０以外の部分は、以下の様に形成する。
上記構成において、半絶縁性の半導体基板６０としては、不純物として鉄がドーピングされたＩｎＰ基板を用いる。また、光導波層６２には、例えば、組成及び層厚の異なる２種類のＧａＩｎＡｓＰ四元混晶とを交互に積み重ねた量子井戸構造であって、バンド・ギャップ波長が１．３７μｍとなるものを形成する。なお、ＡｌＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとを用いた量子井戸構造を形成して、光導波層６２として用いてもよい。
【００４２】
ｎ型クラッド層６１、６４には、例えば、ｎ型の不純物がドーピングされたＩｎＰを用いる。ここで、ｎ型の不純物としては珪素（Ｓｉ）を用いることができる。ｎ型クラッド層６１、６４間に形成する半絶縁のＳＩクラッド層６３には、例えば、鉄がドーピングされた半導体（例えば、ＩｎＰ）を用いる。但し、この半導体としては、膜厚が０．２μｍ以上であり、ドーピングされた鉄の濃度が、少なくてもｌ×１０16ｃｍ-3以上であるものを用いる。更に、金属電極１３ａ、１３ｂは、金メッキによる厚みを含んだ膜厚が５〜３０μｍであるものとする。なお、リッジ導波路６６の頂上部の幅は、例えば、３μｍであり、光位相変調器４、５の長さは、例えば、３ｍｍである。
【００４３】
一方、半導体光増幅器６、７を形成する領域３０は、以下の様に形成する。
活性層７２には、例えば、バンドギャップ波長が１．５８μｍのＧａＩｎＡｓＰ四元混晶を用いる。ｎ型クラッド層７１には、例えば、ｎ型の不純物がドーピングされたＩｎＰを用いる。ここで、ｎ型の不純物としては、例えば、ｌ×１０18ｃｍ-3の珪素を用いる。ｐ型クラッド層７３には、例えば、ｐ型の不純物がドーピングされたＩｎＰを用いる。ここで、Ｐ型の不純物としては、例えば、亜鉛を用いる。また、コンタクト層には、バンドギャップ波長が１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰ四元混晶を使用し、Ｐ型の不純物としては、例えば、亜鉛を用いる。なお、リッジ導波路７６の頂上部の幅は、例えば、３μｍであり、半導体光増幅器６、７の長さは、例えば、５００μｍである。
【００４４】
（製造方法）
以上の様な層構造の異なる領域を形成するためには、以下の様に行う。
まず、半絶縁性基板６０の上にｎ型クラッド層６１、光導波層６２、ＳＩクラッド層６３、ｎ型クラッド層６４を順次成長する。その後、半導体光増幅器６、７の形成される領域３０に成長した上記各層をエッチングにより除去する。その後、選択成長法により、ｎ型クラッド層７１、活性層７２、ｐ型クラッド層７３、ｐ型コンタクト層７４を順次成長する。この様にすることによって、層構造の異なる領域を同一基板上に形成することができる。
【００４５】
この様にして作成した層構造に対して、リソグラフィーとエッチング等を組み合わせた通常の半導体光素子プロセスを実行することによって、図３、図４に示した素子構造を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る半導体光変調器の実施形態の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示した光位相変調器及び半導体光増幅器に接続される電気回路について説明する図である。
【図３】図１に示した半導体光変調器のＡ−Ａ線矢視断面図に該当し、光位相変調器を光軸方向に対して垂直に切断した際の層構造を示すものである。
【図４】図１に示した半導体光変調器のＢ−Ｂ線矢視断面図に該当し、半導体光増幅器を光軸方向に対して垂直に切断した際の層構造を示すものである。
【図５】マッハツェンダ型光変調器を用いた従来の光通信システムの送信側の概略図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    半導体光変調器
２    入力光
３    分波器
４、５  光位相変調器
６、７  半導体光増幅器
８    合波器
９、１０、１１、１２  導波路
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ  金属電極
１５  出力導波路
１６  出力光
２１、２２  金属電極
【図１】
2006171369.tif 000003
【図２】
2006171369.tif 000004
【図３】
2006171369.tif 000005
【図４】
2006171369.tif 000006
【図５】
2006171369.tif 000007