(57)【要約】    【課題】活性導波路領域と光導波路領域とを集積した半導体光集積素子を構成要素とする光半導体装置において、発振光における強度雑音レベルの増大を極力抑えながら、反射戻り光によって誘起される発振光の強度雑音の増加を抑制すること。    【解決手段】活性導波路１３を含む活性導波路領域１１に信号電流発生装置２１より信号電流を加えて信号光を発生させるとともに、該信号光に対して透明な光導波路１４を含む光導波路領域１２に装置２２より該光導波路領域１２の屈折率を変動させるための変調電流または変調電圧を加えることにより、半導体光集積素子１０への反射戻り光によって誘起される発振光の強度雑音の増加を抑制する。【選択図】図８
2005260280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のバンドギャップ波長を有する分布帰還型レーザから成り、注入される電流によって光を出力する活性導波路領域と、該活性導波路領域に光学的に結合され、該活性導波路領域よりも短いバンドギャップ波長を有し、該活性導波路領域から出力される光に対して利得や吸収特性を持たない透明な半導体材料から成る光導波路領域と、導波路型フォトダイオードから成る受信器と、分岐の一方が前記光導波路領域に光学的に結合され、分岐の他方が前記受信器に光学的に結合され、二つの分岐の反対側に光の入出射端面を有するＹ分岐半導体光導波路と、が同一基板上にモノリシック集積され、かつ前記活性導波路領域と前記光導波路領域とに各々独立に電流を注入または電圧を印加できる構造を有する半導体光集積素子と、
前記活性導波路領域で信号光を発生させるための信号電流発生装置と、
前記半導体光集積素子内での反射戻り光の可干渉性を低減するように前記光導波路領域の屈折率を変動させるための変調電流または変調電圧を発生する装置と、
を具備したことを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光機能を有する半導体光集積素子を構成要素とする光半導体装置において、半導体光集積素子の出射端面の近端もしくは遠端からの反射戻り光や光集積素子内部での反射戻り光により誘起される発振光の強度雑音増加を抑制する機能を備えた光半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信や光ディスク、レーザプリンタ等に用いる光源として半導体レーザが広く使用されているが、この半導体レーザを使用する際に問題となるのが、光ファイバの入射端面や光ファイバ同士を接続するためのコネクタの端面または光ディスクの表面等からの反射戻り光である。半導体レーザへの反射戻り光は、素子から放出される発振光の強度雑音を増加させるため、実用に際しては反射戻り光そのものを抑制するか、もしくは反射戻り光により誘起される戻り光誘起雑音の増加を抑制することが求められている。
【０００３】
従来、半導体レーザの発振光の放出端面より十分離れたところから反射して戻ってくる遠端反射光に対しては、一般に光アイソレータ（光を一方向にしか通さない装置）を用いることにより反射戻り光の抑制が図られており、出射光強度の６０ｄＢ以下までの反射戻り光の抑制が実現されている。
【０００４】
一方、半導体レーザの発振光の放出端面より数ｃｍ以内のところから反射して戻ってくる近端反射光に対しては、上記のようなアイソレータを用いることはできないため、反射戻り光そのものを抑制することはできない。この場合、半導体レーザの発振光の出射端面の反射率を高くする方法があるが、半導体レーザからの光出力が小さくなってしまうという短所がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、光ファイバの端面または半導体レーザを斜めに傾けて反射光が素子に戻らないようにする方法があるが、この場合も半導体レーザから出射された光が光ファイバに結合する割合（結合効率）が小さくなってしまうという短所がある（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、半導体レーザが光導波路や変調器、半導体光増幅器、フォトダイオード、光スイッチ等の他の光素子が同一半導体基板上に作製された、いわゆるモノリシック集積素子においては、素子内部からの反射戻り光を抑制することは困難であった。
【０００７】
そこで、デジタル変調方式で半導体レーザを変調動作させる場合においては、レーザに入力される変調信号に対し、変調信号よりも周波数が十分に高い高周波（数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ）を重畳させることにより、半導体レーザの発振光のスペクトラムを安定な多モード発振状態にし、発振光が有するコヒーレンシー（発振光の可干渉性）を低減させて、反射戻り光により誘起される強度雑音の増大を抑制する手法等が用いられている（例えば、非特許文献３、または非特許文献４参照）。
【０００８】
図１は、半導体レーザに前述した高周波重畳による反射戻り光誘起雑音の抑制法（以下、高周波重畳法と称す。）を適用した従来の光半導体装置の一例を示すものである。図中、１は半導体レーザ、２は半導体レーザ１の活性導波路、３，４は電極、５はコイル、６はコンデンサ、７は高周波発生回路であり、電極３，４間にバイアス電流または電圧がコイル５を介して加えられるとともに、高周波発生回路７からの高周波信号がコンデンサ６を介して加えられ、発振光が活性導波路２から出力される如くなっている。
【０００９】
図２は、反射戻り光がある場合の半導体レーザの発振光を広帯域の受光装置によって電気信号に変換した後、ＲＦスペクトラム・アナライザを用いて観測した際の強度雑音スペクトルの一例を示すものである。反射点までの距離に対応した周波数間隔で、強度雑音が大幅に増加していることが分かる。
【００１０】
ここで、図２に示されるスペクトルの縦軸の相対雑音強度（Relative Intensity Noise：RIN）は、発振光に含まれる光出力強度揺らぎを平均光出力と測定に用いたＲＦスペクトラム・アナライザの測定帯域幅で規格化したものであり、
相対雑音強度（ｄＢ／Ｈｚ）
＝［（光出力における揺らぎ）／（平均光出力）］／（測定帯域幅）
で定義される。
【００１１】
また、図３は、反射戻り光がある場合に、図１に示したような高周波重畳法を行った時の半導体レーザの発振光の強度雑音スペクトルを示すもので、図中、８は前記高周波重畳法を行った時の発振光の強度雑音スペクトル、また、９は比較のために示した、反射戻り光が無い場合の発振光の強度雑音スペクトルである。
【非特許文献１】M.Kume 他 "Reduction of feedback-induced noise by high-reflectivity facet coating in single longitudinal mode semiconductor lasers", Applied Physics Letters, Vol.45, No.12, pp.1260-1262, 1984
【非特許文献２】O.Mitomi 他 "Instability of Coherence in Semiconductor Laser due to Extermal Feedback in Hybrid-integrated Optical Waveguide Components", Journal of Lightwave Technology, Vol.8, No.6, pp.953-961, 1990
【非特許文献３】佐藤  他「半導体レーザを用いたマルチモードファイバアナログ伝送系の検討」電子通信学会技術研究報告、Vol.80、No.7、CS80-2、pp.7-12、1980、
【非特許文献４】A.Ohishi 他 "Noise Characteristics of High-frequency Superposed Laser Diodes for Optical Disc Systems", Electronics Letters, Vol.20, No.20, pp.821-822, 1984
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
高周波重畳法を行った場合、図２に見られるような半導体レーザの発振光における強度雑音の大幅な増大は抑制される。しかし、反射戻り光が無い場合に比べると、１０ｄＢ程度の強度雑音レベルの増大が生じている。これは、レーザの活性領域を直接高周波で変調することにより、レーザの発振光が有する反射戻り光との間のコヒーレンシー（可干渉性）を大幅に低減できる反面、レーザ光を発生させている利得媒質の利得が変動することにより、光出力強度の揺らぎが生じてしまうためである。
【００１３】
本発明の目的は、活性導波路領域と光導波路領域とを集積した半導体光集積素子を構成要素とする光半導体装置において、発振光における強度雑音レベルの増大を極力抑えながら、反射戻り光によって誘起される発振光の強度雑音の増加を抑制できる光半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、活性導波路領域と光導波路領域とを集積した半導体光集積素子を構成要素とする光半導体装置において、入力電気信号に対応した光信号の変調は発光部である活性導波路領域においてのみ行い、発振光の波長に対して利得や吸収特性を持たない光導波路領域には、導波路の屈折率を変動させることを目的として、任意の周波数で変調された電流を注入または任意の周波数で変調された電圧を印加することによって、反射戻り光によって誘起される発振光の強度雑音増加を抑制することを最も主要な特徴とする。
【００１５】
従来の技術である高周波重畳法を用いた装置とは、信号光を発生させる活性導波路領域に信号成分以外の揺らぎを与えることなく、反射戻り光によって誘起される発振光の強度雑音増加の抑制を図る点が異なる。
【００１６】
また、従来より、活性導波路領域と光導波路領域とが集積された半導体光集積素子の光導波路領域に、変調された電流を注入または変調された電圧を印加して用いる場合があるが、これらは活性導波路領域で発生された光に入力電気信号に応じた変調を施すためのものであり、本発明の光半導体装置のように、反射戻り光により誘起される強度雑音増加を抑制するためのものではない。
【００１７】
本発明では、入力電気信号に応じた変調は半導体光集積素子の活性導波路領域で行い、光導波路領域に注入される変調電流または印加される変調電圧は光半導体装置が出す光信号には寄与せず、反射戻り光によって誘起される光信号における強度雑音増加の抑制にのみ寄与している点が異なる。
【００１８】
また、光導波路領域に注入される変調電流または印加される変調電圧の周波数は、活性導波路領域に注入される電気信号の周波数とは無関係であり、任意の周波数を選ぶことができる点でも異なっている。
【００１９】
例えば、分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）の光導波路領域に変調された電流を注入して周波数変調を行う場合（例えば、S.Murata 他 "Spectral Characteristics for a 1.5μm DBR Laser with Frequency-Tuning Region", Journal of Lightwave Technology, Vol.QE-23, No.6, pp.835-838, 1987参照）や、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）に変調器を集積した、いわゆる変調器集積化光源において、変調器部に変調された電圧を印加して強度変調を行う場合（例えば、K.Sato 他 "Strained-InGaAsP MQW Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser", Electronics Letters, Vol.29, No.12, pp.1087-1088, 1993参照）があるが、これらはいずれも活性導波路領域には直流電流が注入されて、光導波路領域に注入される変調電流または印加される変調電圧によって光信号を発生する装置であり、本発明の装置のように、反射戻り光によって誘起される光信号の強度雑音増加を抑制する機能を有したものではない。
【００２０】
図４は、前述した高周波重畳法を説明するための模式図である。説明を簡単にするため、ここでは半導体レーザに入力電気信号に対応した変調を施さない場合について述べる。
【００２１】
この方法では、半導体レーザの光出力−注入電流特性における発振しきい値電流付近にバイアスして変調信号を主信号に重畳することにより、発振光におけるスペクトルは図５に示すような安定な多モード状態となる。
【００２２】
光通信に用いられる１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯の波長を有する長波長帯ファブリ・ぺロー・レーザにおいては、本来、発振光のスペクトルは図５と同じ多モード状態であるが、出射端面の近端からの反射戻り光により、図６に示すような不安定な単一モード発振もしくは図７に示すようなモード選択性のある不安定な多モード発振となることがある。この場合においても、高周波重畳法を用いることにより発振光におけるスペクトルを安定な多モード発振とすることができる。
【００２３】
しかし、この方法ではしきい値付近で変調するために、半導体レーザの光出力波形において、図４に示すようなパルス状の発振（パルセーション）が生じるようになるとともに、光出力自体も大きく揺らぐことになる。従って、この方法では図３に示したような半導体レーザの発振光における強度雑音レベルの増大は免れない。
【００２４】
図８は、本発明の光半導体装置の概要を示すもので、活性導波路領域と光導波路領域とを集積した半導体光集積素子１０と、信号光を発生させるための信号電流発生装置２１と、前記光導波路領域の屈折率を変動させるための変調電流または変調電圧を発生する装置２２とから構成されている。
【００２５】
半導体光集積素子１０は、半導体レーザと同じ構造を有する活性導波路領域１１と、該活性導波路領域１１で発光した光に対しては透明な半導体材料（バンドギャップ波長が活性導波路領域のものよりも短い半導体）から成る光導波路領域１２とが接合された構造を有する。なお、１３は活性導波路領域１１に含まれる活性導波路、１４は光導波路領域１２に含まれる光導波路、１５，１６，１７は電極、１８は電極１５，１６を分離する溝である。
【００２６】
ここで、活性導波路１３での光の屈折率をＮａ、光導波路１４での屈折率をＮｇとし、活性導波路１３及び光導波路１４の光軸方向の長さをそれぞれＬａ及びＬｇとすると、光集積素子１０内の導波光に対するレーザ共振器の実効的な長さＬｃは、
Ｌｃ＝Ｎａ×Ｌａ＋Ｎｇ×Ｌｇ                              （１）
で表される。
【００２７】
図９は、この光集積素子の発振光のスペクトルを模式的に表したものであり、各発振モードの間隔Δλｍは、近似的に
Δλｍ＝λｐ2／２Ｌｃ                                     （２）
で表される。ここで、λｐは発振光のスペクトルにおけるピークモード３１の波長である。
【００２８】
次に、図８の半導体光集積素子において、活性導波路領域１１に直流電流を注入し、光導波路領域１２に変調電流を注入した場合について説明する。ここで、半導体光集積素子から出力される光は、主として活性導波路１３に注入される電流によって決まり、光導波路１４に注入される電流はレーザ発振には寄与しないものとなる。しかし、光導波路１４の屈折率Ｎｇは、光導波路領域１２に注入された電流に依存して変化する。従って、光導波路領域１２に注入される電流を変調することにより、前記（１）、（２）の関係から、発振光のスペクトルにおける各発振モードの間隔Δλｍを定常的に変化させることができる。
【００２９】
図９において、実線３２は光導波路領域に変調電流を注入しない場合の発振光のスペクトル、点線３３は光導波路領域に変調電流を注入した場合の発振光のスペクトルである。
【００３０】
このように、光導波路領域に変調電流を注入することによって、半導体光集積素子からの光出力強度に揺らぎをほとんど与えずに反射戻り光に対する各発振モードのコヒーレンシー（可干渉性）の低減を行うことができ、反射戻り光に対して安定な多モード発振を実現することができる。この場合、活性導波路領域に注入される電流に高周波重畳を行った場合に比べて強度雑音レベルの値を小さく保ったまま、反射戻り光により誘起される強度雑音増加の抑制が可能な光半導体装置の実現が期待できる。
【００３１】
また、図８の半導体光集積素子における光導波路領域に変調電流を注入する代わりに、活性導波路領域に注入される電流とは逆方向の極性に電圧を印加しても屈折率を変動させることができる。但し、この場合は電流を注入する場合に比べて屈折率を変動させる効果が小さくなる可能性がある（例えば、水戸  他「波長可変半導体レーザとコヒーレント光通信への応用」応用物理、第５９巻、第９号、pp.1136-1153、１９９０参照）。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明の光半導体装置によれば、その構成要素である半導体光集積素子の発振光における強度雑音レベルをほとんど増加させることなく、反射戻り光によって誘起される強度雑音の増大を抑制できる利点がある。また、半導体レーザと光導波路、変調器やアンプ、フォトダイオード、光スイッチ等の他の光素子が同一半導体基板上に作製された、いわゆるモノリシック半導体光集積素子を構成要素とした場合でも、素子内部からの反射戻り光によって誘起される強度雑音の増大を抑制できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３４】
＜参考例１＞
図１０は、本発明の光半導体装置の参考例１を示すもので、以下、その構造について簡単に説明する。
【００３５】
半導体光集積素子４０はｎ型ＩｎＰ基板を用いて作製されたもの（なお、図１０では一部切り欠いた状態を示している。）であり、ｎ型ＩｎＰ基板４１上にＩｎＧａＡｓＰ活性層（組成１．５５μｍ波長）４２とＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（組成１．３μｍ波長）４３とが成長されており、これら２種類の導波路はバッティング接合（バットジョン卜）されている。また、これらの導波路はメサ状に加工された後、図１１の断面図にも示すように、その両脇をｐ型ＩｎＰ電流ブロック層４４とｎ型ＩｎＰ電流ブロック層４５とを交互に成長することにより埋め込まれた構造、いわゆるＰＮ埋め込み構造（ＰＮ−ＢＨ構造）をなしている。ここで、メサの幅は約１．５μｍであり、基板４１から活性層４２及び光導波路層４３までの高さは約１．５μｍである。また、活性層４２及び光導波路層４３の厚さは約０．２μｍである。
【００３６】
前記形成されたメサ及びＰＮ埋め込み層の上部には厚さ約２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層４６と厚さ約０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層４７とが成長されている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層４７の上部には金を主成分とする金属膜が蒸着されており、これが活性層４２と光導波路層４３との境に対応する部位において幅約２０μｍ、深さ約１μｍの溝４８で分離され、電気的に独立した電極４９，５０を構成する如くなっている。なお、５１は活性層４２又は光導波路層４３以外の部分を絶縁するためのＳｉＯ2絶縁膜である。
【００３７】
また、ｎ型ＩｎＰ基板４１の下部にも前記同様な金属膜による電極５２が形成されており、前記電極４９及び５２で挟まれる部分が活性導波路領域５３を構成し、電極５０及び５２で挟まれる部分が光導波路領域５４を構成する如くなっている。
【００３８】
本素子４０の両端面はへき開により形成されており、素子長は６００μｍで、活性導波路領域５３及び光導波路領域５４の長さはそれぞれ３００μｍ、また、素子の幅は４００μｍである。
【００３９】
活性導波路領域５３に対応した電極４９には、外部からの入力電気信号に対応して半導体光集積素子を駆動するための信号電流発生装置２１が接続されており、これは変調電流の振幅を制御する回路と、変調の際のバイアス電流となる直流電流を発生させる回路とから構成されている。また、光導波路領域５４に対応した電極５０には活性導波路４２に接続された信号電流発生装置２１が動作している間、一定の周波数で正弦波状に変調された電流を発生する変調電流発生装置２２が接続されており、これは変調電流の振幅を制御する回路と、変調の際のバイアス電流となる直流電流を発生させる回路及び一定の周波数の信号を発生させる発振器とから構成されている。なお、共通の電極５２は接地されている。
【００４０】
なお、ここで用いられている回路は、主にＧａＡｓからなる化合物半導体で作製された集積回路（ＩＣ）で構成されている。
【００４１】
図１２は前述した光半導体装置を用いて、遠端からの反射戻り光誘起雑音の抑制効果を確認するための実験を行った時の測定系を示すものである。
【００４２】
光集積素子の光導波路領域側の端面からの出射光は、先端球面（先球）加工された光ファイバ６１と結合されるようにした。この先球加工された光ファイバ６１の端面には無反射（ＡＲ）コーティングが施されている。光ファイバ６１は途中、３ｄＢ光ファイバカプラ６２を通して分岐されており、分岐された一方の光ファイバは可変光減衰器６３を通して全反射ミラー６４で終端されている。また、もう一方の光ファイバは、６０ｄＢ光アイソレータ６５を通してフォトダイオード６６に接続されており、フォトダイオード６６で光信号を電気信号に変換し、増幅器６７によって増幅した後、ＲＦスペクトラム・アナライザ６８によって強度雑音スペクトルが観測できるようになっている。
【００４３】
まず、最初に、本発明の光半導体装置より半導体光集積素子４０を取り出して活性導波路領域５３にのみ３０ｍＡの直流電流を注入し、素子への反射戻り光がほとんど無い状態で強度雑音スペクトルを観測した。次に、全反射ミラー６４から素子４０に戻る戻り光量が０．１〜１％になるように設定した場合の強度雑音スペクトルを観測した。さらに、従来の高周波重畳法との比較を行うために、同じく０．１〜１％の反射戻り光がある状態で、活性導波路領域５３に２０ｍＡのバイアス電流を流し、そのバイアス電流を中心値として振幅が２０ｍＡ、変調周波数が５００ＭＨｚの正弦波状の電流を注入した場合の強度雑音スペクトルも観測した。
【００４４】
これらの測定終了後、半導体光集積素子４０を元の光半導体装置に戻し、同じく０．１〜１％の反射戻り光がある状態で、活性導波路領域５３には３０ｍＡの直流電流を注入し、光導波路領域５４には振幅が１０ｍＡ、最小値及び最大値がそれぞれ０ｍＡ及び１０ｍＡとなるような変調周波数５００ＭＨｚの正弦波状の電流を注入した場合の強度雑音スペクトルを観測した。
【００４５】
図１３はこれらの結果をまとめたもので、７１は反射戻り光が無い場合の発振光の強度雑音スペクトル、７２は反射戻り光により増大した発振光の強度雑音スペクトル、７３は高周波重畳法を行った場合の発振光の強度雑音スペクトル、７４は本発明の光半導体装置を用いた場合の発振光の強度雑音スペクトルである。
【００４６】
この結果から、光導波路領域に変調電流を注入する本発明の光半導体装置を用いた場合には、強度雑音スペクトル上に周期的に現われたピーク状の雑音（７２）は抑圧され、さらに、強度雑音レベルも、戻り光が無い場合（７１）と比べてほとんど増加しておらず（７４）、高周波重畳法の場合（７３）と比べて小さく抑えられていることが確認できた。
【００４７】
次に、図１０の光半導体装置の活性導波路領域に振幅が３０ｍＡでバイアス電流値１ｍＡのランダムパターンからなるＮＲＺ（Non-return-to-zero）デジタル変調信号電流（変調速度：５０Ｍbit/s）を注入した場合の光出力波形について調べた。測定は、図１２の測定系において全反射ミラーから素子に戻る戻り光量が０．１〜１％になるように設定して行い、また、光出力波形を観測するために、ＲＦスペクトラム・アナライザの代わりにディジタル・オシロスコープを用いた。
【００４８】
まず、比較のために図１０の光半導体装置より半導体光集積素子４０のみを取り出し、その活性導波路領域５３に前記ＮＲＺデジタル信号電流のみを注入した場合の光出力波形を調べたところ、図１４に示す結果を得た。次に、半導体光集積素子４０の活性導波路領域５３に注入される前記ＮＲＺデジタル信号電流に振幅が２０ｍＡ、変調周波数が５００ＭＨｚの正弦波状の電流を重畳した場合の光出力波形を調べたところ、図１５に示す結果を得た。最後に、半導体光集積素子を光半導体装置に戻し、光導波路領域５４に振幅が１０ｍＡ、最小値及び最大値がそれぞれ０ｍＡ及び１０ｍＡとなるような変調周波数が５００ＭＨｚの正弦波状の電流を注入した状態で、前記ＮＲＺデジタル信号電流を活性導波路領域５３に注入した場合の光出力波形を調べたところ、図１６に示す結果を得た。
【００４９】
従来、用いられてきた高周波重畳法では、反射戻り光により誘起されるランダムな周波数成分を持つ雑音は抑制されるが、重畳された周波数やレーザが持つ固有の緩和振動周波数等に相当するパルス状の揺らぎが現われる（図１４、図１５参照）。
【００５０】
一方、本発明の光半導体装置によれば、光出力波形において反射戻り光により誘起されるランダムな周波数成分を持つ雑音を抑制できると同時に、活性導波路領域に高周波重畳を行った場合のようなパルス状の揺らぎも現れていないことが確認された（図１６参照）。
【００５１】
＜参考例２＞
図１７は本発明の光半導体装置の参考例２を示すもので、ここでは参考例１において半導体光集積素子の光導波路領域における光導波路の厚さを変化させた例を示す。即ち、図中、５５はテーパー状光導波路であり、その厚さは活性導波路４２との接続部から出射端面に向けてテーパー状に薄くなっている。而して、このテーパー状光導波路５５を要素として含むテーパー状光導波路領域５６により、本半導体光集積素子４０ａは出射端面から出力される光のスポットサイズを拡大する機能を有するスポットサイズ変換レーザを構成する如くなっている。
【００５２】
なお、その他の構成・作用は参考例１の場合と同じである（但し、テーパー状光導波路５５の厚さの変化を分かり易くするため、活性導波路４２の厚さは図１０の場合より厚く表している。）。
【００５３】
本素子４０ａは、テーパー状の光導波路からの出力光をレンズ等を用いることなく、平面カットされた光ファイバと高い割合で結合できるという利点を持っているが、一方で平面カットファイバの端面等の近端からの反射戻り光の影響も受けやすい可能性がある（例えば、Y.Tohmori 他 "High temperature operation with low-loss coupling to fibre for narrow-beam 1.3 μm lasers with butt-jointed selective grown spot-size converter ", Electronics Letters, Vol.31, No.21, pp.1838-1839, 1995参照）。
【００５４】
そこで、図１７の光半導体装置を用いて、近端からの反射戻り光誘起雑音の抑制効果を確認するための実験を行った。この時の測定系を図１８に示す。ここでは半導体光集積素子に反射光を戻すため、無反射（ＡＲ）コーティングを施していない平面カットファイバ（端面の反射率：約３％）６９を半導体光集積素子の出射端面に約２０μｍの距離まで近づけて相対強度雑音の測定を行った。なお、６５は６０ｄＢ光アイソレータ、６６はフォトダイオード、６７は増幅器、６８はＲＦスペクトラム・アナライザである。
【００５５】
図１９は測定結果を示すもので、図中、７５は本発明の光半導体装置を用いて、半導体光集積素子４０ａの活性導波路領域に３０ｍＡの直流電流を注入した場合に観測された発振光の強度雑音スペクトル、７６は光半導体装置から半導体光集積素子を取り出して、その活性導波路領域に従来の高周波重畳法を用いた場合に観測された発振光の強度雑音スペクトル、７７は本発明の光半導体装置を用いた場合の発振光の強度雑音スペクトルであり、７１は比較のために示した素子への反射戻り光がほとんど無い場合に観測された強度雑音スペクトルである。なお、ここでの装置並びに素子の動作条件は参考例１の場合と同じにした。
【００５６】
本発明の光半導体装置を用いた場合（７７）には、従来の高周波重畳法を用いた場合（７６）よりも、反射戻り光による相対強度雑音の増加をより低い強度雑音レベルに抑制できることが確認された。
【００５７】
＜第１の実施の形態＞
図２０は本発明の光半導体装置の第１の実施の形態、ここでは光源である分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）と、受信器である導波路型フォトダイオードと、Ｙ分岐半導体光導波路とを同一のＩｎＰ基板上にモノリシックに集積した半導体光集積素子を構成要素とする光半導体装置を示すもので、以下、その構造について簡単に説明する。
【００５８】
半導体光集積素子８０はｎ型ＩｎＰ基板を用いて作製されたものであり、ｎ型ＩｎＰ基板８１上に厚さ０．３μｍの第１のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（組成１．３μｍ波長）８２が成長されており、Ｙ分岐半導体光導波路部８０ａはその上に幅約１．５μｍ、高さ約２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層８３をメサ状に形成した、いわゆるリッジ構造の光導波路となっている。
【００５９】
ＤＦＢレーザ部８０ｂ及びフォトダイオード部８０ｃは、第１のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層８２の上に、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層（組成１．５５μｍ波長）８４、厚さ０．１μｍの第２のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（組成１．３μｍ波長）８５、厚さ約１．８μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層８６が順次成長されており、これら２種類の素子の活性層は第１の光導波路層８２とは装荷型と呼ばれる形で接合している。
【００６０】
ここで、集積されたＤＦＢレーザ部８０ｂの長さは３００μｍ、フォトダイオード部８０ｃの長さは１００μｍで、幅はどちらも１．５μｍである。また、ＤＦＢレーザ部８０ｂの第２のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層８５の上には深さ約５０ｎｍの回折格子８７が形成されており、回折格子８７の周期（ピッチ）はＤＦＢレーザ部８０ｂの発振波長が１．５５μｍになるように決められている。さらに、ＤＦＢレーザ部８０ｂとフォトダイオード部８０ｃのｐ型ＩｎＰクラッド層８６の上には、厚さ約０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層８８が成長されている。
【００６１】
また、ＤＦＢレーザ部８０ｂと接合された光導波路部には長さ２００μｍの電流注入導波路領域８０ｄが設けられており、導波路上のｐ型ＩｎＰクラッド層８３に厚さ約０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層８８が成長されている。さらに、ＤＦＢレーザ部８０ｂと電流注入導波路領域８０ｄとの間には、幅約２０μｍ、深さ約１μｍの溝８９が形成されている。
【００６２】
ＤＦＢレーザ部８０ｂ、フォトダイオード部８０ｃ及び電流注入導波路領域８０ｄにおけるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層８８の上部には金を主成分とする金属膜が蒸着されており、ＤＦＢレーザ部８０ｂ及び電流注入導波路領域８０ｄの上部に蒸着された金属膜は溝８９を境に分離され、それぞれ電極９０、９１及び９２を構成する如くなっている。また、ｎ型ＩｎＰ基板８１の下部にも前記同様な金属膜による電極９３が形成されている。なお、９４はＳｉＯ2絶縁膜である。この集積素子は、縦２ｍｍ、横２ｍｍの長さにへき開されている。
【００６３】
この半導体光集積素子の活性導波路領域であるＤＦＢレーザ部８０ｂには、外部からの入力電気信号に応じて半導体光集積素子を駆動するための信号電流発生装置２１が接続されており、ＤＦＢレーザ部８０ｂに接合された光導波路領域である電流注入導波路領域８０ｄには変調電流発生装置２２が接続されている。ここで用いる信号電流発生装置及び変調電流発生装置は、参考例１の場合と同じものである。
【００６４】
この半導体光集積素子では、Ｙ分岐部並びに出射端面からの反射戻り光がＤＦＢレーザ８０ｂの光出力特性に影響を及ぼす場合がある。それを防止するため、通常、出射端面に無反射コーティングを施すが、ここでは本発明の効果を調べるためにコーティングを施さなかった。
【００６５】
図２１は出射端面からの反射戻り光がＤＦＢレーザの光出力特性に及ぼす影響を確認するための実験を行った結果を示すものである。図中、１０１は本発明の光半導体装置から半導体光集積素子を取り出し、ＤＦＢレーザの電極に電流を注入した時の、注入電流と出射端面からの光出力との間の関係（注入電流−光出力特性）を示すもので、反射戻り光の影響による周期的なうねりが観測された。また、１０２は半導体光集積素子を本発明の光半導体装置に戻し、同様の測定を行った際の注入電流−光出力特性を示すもので、前述したような周期的なうねりはほとんど見られなくなった。
【００６６】
なお、ここで、電流注入導波路領域には振幅が１０ｍＡ、最小値及び最大値がそれぞれ０ｍＡ及び１０ｍＡとなるような変調周波数５００ＭＨｚの正弦波状の電流が注入されるように信号電流発生装置２１の設定を行い、ＤＦＢレーザ部には信号電流発生装置２１の直流バイアス電流発生回路を通して直流バイアス電流を０ｍＡ〜５０ｍＡの間で徐々に増加させて測定を行った。
【００６７】
以上、本発明の光半導体装置を、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰを用いた半導体光集積素子を構成要素とした装置を例にとって説明したが、ＧａＡｓ等の他の材料系からなる半導体光集積素子を構成要素とした場合でも有効であり、また、ｎ型及びｐ型の導電型が逆転したｐ型基板上に作製された半導体光集積素子を構成要素とした場合でも有効である。また、本実施の形態では、発振光の波長が１．５５μｍ帯となる光集積素子を例にとったが、発振光の波長が１．３μｍ帯の素子もしくはそれ以外の波長で発振する素子を用いる場合でも有効である。
【００６８】
また、半導体光集積素子において電流注入が可能な光導波路領域に、変調された電流を注入する代わりに変調された電圧をバイアスする場合でも有効である。さらに、電圧をバイアスする場合は、光導波路層のｐｎ接合に対して順方向にバイアスする場合でも逆方向にバイアスする場合でも有効である。さらに、ここでは活性導波路領域に接続された信号電流発生装置並びに光導波路領域に接続された変調電流発生装置は、主にＧａＡｓからなる化合物半導体で作製された集積回路（ＩＣ）で構成されたものを用いたが、ＳｉやＩｎＰからなる集積回路を用いても良いし、コンデンサやコイル、抵抗、トランジスタ等を組み合わせて構成されたものを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】従来の光半導体装置の一例を示す構成図
【図２】反射戻り光がある場合の発振光の強度雑音スペクトルの一例を示す図
【図３】反射戻り光がある場合に高周波重畳法を行った時の発振光の強度雑音スペクトルの一例を示す図
【図４】高周波重畳法を説明するための注入電流−光出力特性図
【図５】高周波重畳法を行った場合の半導体レーザの発振光のスペクトルの一例を示す図
【図６】長波長帯ファブリ・ペロー・レーザにおける近端からの反射戻り光による発振光のスペクトルの変化の一例（不安定な単一モード発振）を示す図
【図７】長波長帯ファブリ・ペロー・レーザにおける近端からの反射戻り光による発振光のスペクトルの変化の他の例（モード選択性のある不安定な多モード発振）を示す図
【図８】本発明の光半導体装置の概要を示す構成図
【図９】光導波路領域を変調したことによる発振光のスペクトルにおけるコヒーレンシーの低減のようすを示す図
【図１０】本発明の光半導体装置の参考例１を示す構成図
【図１１】図１０の要部断面図
【図１２】参考例１における効果を確認するための測定実験系を示す構成図
【図１３】参考例１における戻り光誘起雑音の抑制効果の確認結果を示す図
【図１４】ＮＲＺ変調時における反射戻り光により劣化した光出力の波形図
【図１５】ＮＲＺ変調時における高周波重畳法を用いた場合の光出力の波形図
【図１６】ＮＲＺ変調時における本発明の光半導体装置を用いた場合の光出力の波形図
【図１７】本発明の光半導体装置の参考例２を示す構成図
【図１８】参考例２における効果を確認するための測定実験系を示す構成図
【図１９】参考例２における戻り光誘起雑音の抑制効果の確認結果を示す図
【図２０】本発明の光半導体装置の第１の実施の形態を示す構成図
【図２１】第１の実施の形態における戻り光誘起雑音の抑制効果の確認結果を示す図
【符号の説明】
【００７０】
１０，４０，４０ａ，８０：半導体光集積素子、１１，５３：活性導波路領域、１２，５４：光導波路領域、１３：活性導波路、１４：光導波路、１５，１６，１７，４９，５０，５２，９０，９１，９２，９３：電極、１８，４８，８９：溝、２１：信号電流発生装置、２２：変調電流または変調電圧を発生する装置、３１：発振光のスペクトルにおけるピークモード、３２：光導波路領域に電流を注入しない場合の発振光のスペクトル、３３：光導波路領域に変調電流を注入した場合の発振光のスペクトル、４１，８１：ｎ型ＩｎＰ基板、４２，８４：ＩｎＧａＡｓＰ活性層、４３：ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層、４４：ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層、４５：ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層、４６，８３，８６：ｐ型ＩｎＰクラッド層、４７，８８：ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層、５１，９４：Ｓｉ０2絶縁膜、５５：テーパー状光導波路、５６：テーパー状光導波路領域、７１：反射戻り光が無い場合の発振光の強度雑音スペクトル、７２，７５：反射戻り光により増大した発振光の強度雑音スペクトル、７３，７６：高周波重畳法を行った場合の発振光の強度雑音スペクトル、７４，７７：本発明の装置を用いた場合の発振光の強度雑音スペクトル、８０ａ：Ｙ分岐半導体光導波路部、８０ｂ：ＤＦＢレーザ部、８０ｃ：フォトダイオード部、８０ｄ：電流注入導波路領域、８２：第１のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層、８５：第２のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層、８７：回折格子、１０１：出射端面からの反射戻り光がある場合の注入電流−光出力特性、１０２：本発明の装置を用いた場合の注入電流−光出力特性。
【図１】
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【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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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