(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界吸収型光変調器を備えた光集積デバイスであって、
所定の波長域を相互に異なる複数個の波長範囲に分割し、各波長範囲をそれぞれ変調可能波長範囲として一つの電界吸収型光変調器に分担させてなる複数個の電界吸収型光変調器と、
複数個の電界吸収型光変調器の入力側に接続され、入力光を分波して各電界吸収型光変調器に入力する分波用ＭＭＩカプラとを備え、入力光の波長域の少なくとも一部をそれぞれ変調可能波長範囲とする１個ないし２個以上の電界吸収型光変調器を複数個の電界吸収型光変調器から選択して駆動し、選択された１個ないし２個以上の電界吸収型光変調器で入力光の全波長域をそれぞれ分担して入力光を変調するようにし、
電界吸収型光変調器の上流又は下流に電気的に又は機械的にオン／オフ動作してオフ状態で光を遮断する光遮断器を設け、選択されなかった電界吸収型光変調器に導光された入力光を遮断するようにしたことを特徴とする光集積デバイス。
【請求項２】
複数個の電界吸収型光変調器の出力側が、合波用ＭＭＩカプラを介して光出力導波路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光集積デバイス。
【請求項３】
半導体光増幅器が、各電界吸収型光変調器の出力側と合波用ＭＭＩカプラとの間に設けられ、選択された電界吸収型光変調器の出力側と合波用ＭＭＩカプラとの間に設けられた半導体光増幅器には電流を流し、選択されなかった電界吸収型光変調器の出力側と合波用ＭＭＩカプラとの間に設けられた半導体光増幅器には電流を流さないようにすることを特徴とする請求項２に記載の光集積デバイス。
【請求項４】
半導体光増幅器が、分波用ＭＭＩカプラと各電界吸収型光変調器の入力側との間に設けられ、分波用ＭＭＩカプラと選択された電界吸収型光変調器の入力側との間に設けられた半導体光増幅器には電流を流し、分波用ＭＭＩカプラと選択されなかった電界吸収型光変調器の入力側との間に設けられた半導体光増幅器には電流を流さないようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界吸収型光変調器を備えた光集積デバイス、及びその作製方法に関し、更に詳細には、従来の電界吸収型光変調器に比べて変調可能な波長範囲が著しく広い電界吸収型光変調機能を備え、光データ伝送、光通信等の分野に最適な高速光変調機能を有する光集積デバイス、及びその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の吸収スペクトルは、バンドギャップ・エネルギーに相当する光の波長（吸収端）を境にそれから短波長側で急激に増大する。吸収端の位置は、半導体に電界を印加することによって長波長側にシフトする。化合物半導体多重量子井戸構造におけるこの現象は、量子閉じ込めシュタルク効果と呼ばれている。
電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）は、吸収端近傍でのある固定した波長の吸収係数が電界印加によって大きく変化するという量子閉じ込めシュタルク効果を利用した光強度変調器である。
ＥＡ変調器は、低電圧で高速光変調が可能であり、しかも多重量子井戸材料を適当に選択することにより、所望の波長を変調できる光変調器を作製することができる等の理由から、高速光通信用のキーデバイスとして注目されている。
【０００３】
ＥＡ変調器１０は、基本的には、図３（ａ）に示すように、例えばｎ−ＩｎＰ基板１２上に、ｎ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層１４、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ・ＭＱＷ活性層１６、ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層１８、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０を備えたメサ型導波路構造を備え、コンタクト層２０上にｐ側電極２２、基板裏面にｎ側電極２４とを有する。
また、ＥＡ変調器１０は、図３（ｂ）に示すように、入力側が光入力導波路２６に、出力側が光出力導波路２８に接続され、光入力導波路から入力側に入力された光を変調して出力側から光出力導波路に変調光を出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＥＡ変調器は、変調可能な波長範囲が狭いという問題があった。通常、一つのＥＡ変調器の変調可能な波長範囲は、〜１０ｎｍ程度である。このため、１０ｎｍ以上の広い波長範囲の入力光を一つのＥＡ変調器で変調することは、極めて難しかった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、波長範囲の広い入力光を電界吸収効果により変調する変調機能を備えた光集積デバイスを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＥＡ変調器の変調可能な波長範囲を１０ｎｍ以上に広くすることは技術的に言って極めて難しいことに鑑み、変調可能波長範囲が相互に異なる複数個のＥＡ変調器をアレイ状に配置し、入力光を分波用ＭＭＩカプラにより分波して変調可能波長範囲が相互に異なる複数個のＥＡ変調器にそれぞれ導光し、各ＥＡ変調器で変調可能波長範囲の入力光の光変調を行うことを着想し、実験により確かめて、本発明を発明するに到った。
ここで、ＭＭＩ（Multi Mode Interferometer ）カプラとは、複数の光を一つの光に合波する光合波素子、又は一つの光を複数の光に分波する光分波素子のことであって、屈折率の大きな媒質を屈折率の小さな媒質で囲った光導波路構造を有し、例えば光合波素子の場合には、複数個の入力用光導波路と、入力用光導波路を一体化した光合波部（多光波干渉部）と、光合波部から分岐した複数の出力用光導波路とから構成されている。
【０００７】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る光集積デバイスは、電界吸収型光変調器を備えた光集積デバイスであって、所定の波長域を相互に異なる複数個の波長範囲に分割し、各波長範囲をそれぞれ変調可能波長範囲として一つの電界吸収型光変調器に分担させてなる複数個の電界吸収型光変調器と、複数個の電界吸収型光変調器の入力側に接続され、入力光を分波して各電界吸収型光変調器に入力する分波用ＭＭＩカプラとを備え、入力光の波長域の少なくとも一部をそれぞれ変調可能波長範囲とする１個ないし２個以上の電界吸収型光変調器を複数個の電界吸収型光変調器から選択して駆動し、選択された１個ないし２個以上の電界吸収型光変調器で入力光の全波長域をそれぞれ分担して入力光を変調するようにし、電界吸収型光変調器の上流又は下流に電気的に又は機械的にオン／オフ動作してオフ状態で光を遮断する光遮断器を設け、選択されなかった電界吸収型光変調器に導光された入力光を遮断するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
所定の波長域とは、一つの光集積デバイスで変調することが予定されている波長域であって、例えば１．５μｍから１．６μｍの波長域である。本発明に係る光集積デバイスでは、変調可能波長範囲が入力光の波長範囲の少なくとも一部とそれぞれ合致する１個ないし２個以上の電界吸収型光変調器を複数個の電界吸収型光変調器から選択し、選択した電界吸収型光変調器を駆動して、入力光の全波長域を分担して変調する。また、光遮断器は、選択されなかった電界吸収型光変調器に導光される、又は導光された入力光を遮断して、変調されなかった入力光が出力されないようにする。
【０００９】
本発明では、選択された電界吸収型光変調器のみが動作し、選択されなかった電界吸収型光変調器は、動作せず、単なる光導波路として機能する。電界吸収型光変調器の上流又は下流に半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier 、ＳＯＡ）を設け、選択されなかった電界吸収型光変調器の上流又は下流に設けた半導体光増幅器には電流を流さない状態で保持し、分波用ＭＭＩカプラから選択されなかった電界吸収型光変調器に導光された入力光を吸収、減衰させるようにしてもよい。つまり、半導体光増幅器は、選択されなかった電界吸収型光変調器に導光される、又は導光された入力光を吸収して、変調されなかった入力光が出力されないようにする。
【００１０】
これにより、分波用ＭＭＩカプラが入力光を分波して各電界吸収型光変調器に導光し、入力光の波長範囲の少なくとも一部と合致する変調可能波長範囲を有する電界吸収型光変調器が動作して入力光を変調し、変調光を光出力導波路に出力する。
以上の構成により、本発明に係るの光集積デバイスでは、入力光の変調可能な波長範囲が従来のＥＡ変調器に比べて著しく広くなる。
【００１１】
好適には、合波用ＭＭＩカプラを介して複数個の電界吸収型光変調器の出力側が光出力導波路に接続されている。
本実施態様では、選択され、動作する電界吸収型光変調器からそれぞれ出力された変調光を合波用ＭＭＩカプラにより合波して出力することができる。
【００１２】
更に好適には、電界吸収型光変調器の出力側と合波用ＭＭＩカプラとの間に半導体光増幅器が設けられている。
入力光は、分波用ＭＭＩカプラにより複数個の電界吸収型光変調器に分波され、光量が少なくなって電界吸収型光変調器に入力される。そこで、本実施態様では、選択され、動作する電界吸収型光変調器に接続された半導体光増幅器を動作させ、変調された入力光を半導体光増幅器によって増幅することにより、元の入力光の光量に戻して出力することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
光集積デバイスの実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る光集積デバイスの実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の光集積デバイスの構成を示すブロックである。
本実施形態例の光集積デバイス３０は、図１に示すように、複数個（図１では４個のみ図示）の電界吸収型光変調器（以下、ＥＡ変調器と言う）３２Ａ〜Ｄと、ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄの入力側に接続され、各ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄに入力光を分波する分波用ＭＭＩカプラ３４と、各ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄの出力側にそれぞれ接続された４個の半導体光増幅器３６Ａ〜Ｄと、半導体光増幅器３６Ａ〜Ｄの出力側に接続された合波用ＭＭＩカプラ３８とを備えている。
【００１７】
各ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄは、所定の波長域、例えば１．５μｍから１．６μｍの波長域を相互に異なる変調可能な複数個の波長範囲に分割し、各波長範囲の入力光をそれぞれ一つのＥＡ変調器で分担して変調する。
各ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄは、図１に示すように、それぞれ、光導波路を介して分波用ＭＭＩカプラ３４及び半導体光増幅器３６Ａ〜Ｄに接続され、同様に、半導体光増幅器３６Ａ〜Ｄは、光導波路を介して合波用ＭＭＩカプラ３８に接続されている。
分波用ＭＭＩカプラ３４の入力側は光入力導波路４０に接続され、合波用ＭＭＩカプラ３８の出力側は光出力導波路４２に接続されている。
【００１８】
本実施形態例の光集積デバイス３０では、先ず、入力光の波長域の少なくとも一部と合致する変調可能波長範囲をそれぞれ有する１個ないし２個以上のＥＡ変調器３２をＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄから選択し、動作させる。入力光の波長域に応じて、例えばＥＡ変調器３２Ａ、Ｂを選択しても良い。
光入力導波路４０から合波用ＭＭＩカプラに入力した入力光は、分波用ＭＭＩカプラ３４によって分波され、各ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄに入力される。
分波され光は、選択され、動作するＥＡ変調器３２で変調され、変調光となって対応する半導体光増幅器３６に入る。変調光は半導体光増幅器３６で増幅され、次いで合波用ＭＭＩカプラ３８を経て、光出力導波路４２に出力される。つまり、本実施形態例の光集積デバイス３０では、各ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄが、広い波長域の入力光をそれぞれの変調可能波長範囲に応じて分担して変調する。
【００１９】
尚、選択されなかったＥＡ変調器３２、例えばＥＡ変調器３２Ｃ、Ｄの下流の半導体光増幅器３６Ｃ、Ｄには、電流を流さないようにする。これにより、半導体光増幅器３６Ｃ、Ｄは、選択されなかったＥＡ変調器３２Ｃ、Ｄを通過した入力光を吸収して、変調されなかった入力光が出力されないようにする。
また、電気的に又は機械的にオン／オフ動作してオフ状態で光を遮断する光遮断器をＥＡ変調器３２の上流又は下流に設け、選択されなかったＥＡ変調器３２Ｃ、Ｄに導光される、又は導光された入力光を遮断して、変調されなかった入力光が出力されないようにしても良い。
以上の構成により、本実施形態例の光集積デバイス３０では、変調可能な波長範囲が従来のＥＡ変調器に比べて著しく広くなっている。
【００２０】
光集積デバイスの作製方法の実施形態例
本実施形態例は、上述の光集積デバイス３０の作製に本発明に係る光集積デバイスの作製方法を適用した実施形態の一例であって、図２は本実施形態例の光集積デバイスの作製方法に使用する選択成長用のマスクである。
まず、バンドギャップ波長が１．３μｍの４元混晶の化合物半導体層の積層構造からなる導波路構造（図示せず）を基板上に成長させる。
次いで、導波路構造上にＳｉＮ膜を成膜し、フォトリソグラフィ処理により図２に示すようなマスクパターンを有する選択成長マスク５０を形成する。
【００２１】
選択成長マスク５０は、ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄの形成領域を開口した開口パターン５２Ａ〜Ｄと、半導体光増幅器３６Ａ〜Ｄの形成領域を開口した開口パターン５４Ａ〜Ｄとを有する。
開口パターン５２Ａ〜Ｄは、吸収波長が順次異なる吸収構造のＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄを作製できるように、マスク幅が順次狭くなっている。
一方、開口パターン５４Ａ〜Ｄは、半導体光増幅器３６Ａ〜Ｄの構造が全て同じであるから、同じ開口寸法である。
【００２２】
次いで、導波路構造を構成する積層構造のうち開口パターン５２Ａ〜Ｄ及び開口パターン５４Ａ〜Ｄから露出した領域の積層構造をドライエッチング法によりを除去して、基板面を露出させる。
続いて、露出した基板上に化合物半導体層を再成長させて、ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄを構成する積層構造及び半導体光増幅器３６Ａ〜Ｄを構成する積層構造を形成する。
積層構造を形成する際、選択成長マスク５０の開口パターン５２のマスク幅の違いにより組成変調が生じ、波長の異なる光吸収層を備えたＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄの積層構造を形成することができる。
以上の工程を経て、光導波路を介してバットジョイント方式により相互に結合したＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄ及び半導体光増幅器３６Ａ〜Ｄを形成することができる。
【００２３】
選択成長マスク５０を除去した後、再びＳｉＮ膜を成膜し、光入力導波路４０、分波用ＭＭＩカプラ３４、合波用ＭＭＩカプラ３８、及び光出力導波路４２の開口パターンを有するマスク（図示せず）を形成する。
続いて、ドライエッチング法によりメサを形成し、ＦｅドープＩｎＰ層の埋め込み成長を行い、電流ブロック構造を形成する。
ＳｉＮマスクを除去した後、上部クラッド層を成長させ、更に、電極形成、パッシベーション、分離溝等を形成し、複数個のＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄ、半導体光増幅器３４Ａ〜Ｄ、分波用及び合波用ＭＭＩカプラ３４、３８を集積し、光入力導波路４０及び光出力導波路４２に接続された光集積デバイス３０を作製することができる。
【００２４】
作製した本実施形態例の光集積デバイス３０の変調特性の評価試験を以下のようにして行った。
先ず、一つのＥＡ変調器３２Ａと、ＥＡ変調器３２Ａに接続されている半導体光増幅器３６Ａのみを動作させ、ＥＡ変調器３２Ａの変調可能波長範囲に合致する波長域の入力光を分波用ＭＭＩカプラ３４を介して入力させたところ、ＥＡ変調器３２Ａにより所定通り変調され、半導体光増幅器３６Ａにより変調信号光は増幅され、所望の光強度の光出力が得られた。
尚、分波用ＭＭＩカプラ３４より分波されて、他のポートを介してＥＡ変調器３２Ｂ〜Ｄに導波された光は、オフ状態のＥＡ変調器３２Ｂ〜Ｄ及び半導体光増幅器３６Ｂ〜Ｄで吸収されるため、変調光出力には影響しない。
入力光の波長範囲に応じて、ＥＡ変調器３２Ａ〜Ｄを切り替えて測定を行い、１０ＧＨｚでの変調動作を確認した。変調可能波長範囲は４０ｎｍ以上に達し、従来に比べて大幅な増加が得られた。
【００２５】
本実施形態例の光集積デバイスの作製方法によれば、選択成長法を適用することにより、ＥＡ変調器３２及び半導体光増幅器３６を備える光集積デバイス３０を少ないプロセス工程数で作製することができる。
【００２６】
また、本実施形態例の光集積デバイスに、更に波長可変レーザなどを集積しても良い。また、ＭＭＩカプラに代えて、ＭＥＭＳ素子等を用いてＥＡ変調器に対する導光を切り替えるといった形態を適用しても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、所定の波長範囲を相互に異なる変調可能な複数個の波長範囲に分割し、各波長範囲をそれぞれ一つの電界吸収型光変調器に分担させてなる複数個の電界吸収型光変調器と、複数個の電界吸収型光変調器の入力側に接続され、入力光を分波して各電界吸収型光変調器に入力する分波用ＭＭＩカプラとを備える光集積デバイスを構成している。
そして、入力光の波長域の少なくとも一部をそれぞれ変調可能波長範囲とする１個ないし複数個の電界吸収型光変調器を複数個の電界吸収型光変調器から選択して駆動し、選択された１個ないし２個以上の電界吸収型光変調器で入力光の全波長域をそれぞれ分担して入力光を変調することにより、電界吸収型光変調器の変調可能な波長域を従来に比べて大幅に拡大することができる。
また、電界吸収型光変調器に続いて半導体光増幅器を設けることにより、変調光出力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の光集積デバイスの構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態例の光集積デバイスの作製方法で使用する選択成長用マスクの平面図である。
【図３】図３（ａ）はＥＡ変調器の構成を示す斜視図、図３（ｂ）はＥＡ変調器の接続状態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０  ＥＡ変調器
１２  ｎ−ＩｎＰ基板
１４  ｎ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層
１６  ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ・ＭＱＷ活性層
１８  ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層
２０  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２２  ｐ側電極
２４  ｎ側電極
２６  光入力導波路
２８  光出力導波路
３０  実施形態例の光集積デバイス
３２  ＥＡ変調器
３４  分波用ＭＭＩカプラ
３６  半導体光増幅器
３８  合波用ＭＭＩカプラ
４０  光入力導波路
４２  光出力導波路
５０  選択成長マスク
５２  ＥＡ変調器の形成領域を開口した開口パターン
５４  半導体光増幅器の形成領域を開口した開口パターン
【図１】
0004728530.tif 000002
【図２】
0004728530.tif 000003
【図３】
0004728530.tif 000004