(57)【要約】  分布帰還形半導体レーザ（２）、電界吸収型半導体光変調器（３）、および半導体光増幅器（４）が、この順に光学的に結合されて、同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子（１）を搭載した半導体光送信器において、分布帰還形半導体レーザ（２）と半導体光増幅器（４）とに、同一の給電端子（１９）から直流が給電されており、給電端子（１９）から分布帰還形半導体レーザ（２）までの抵抗値が、給電端子（１９）から半導体光増幅器（４）までの抵抗値より大きい。
2019102604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分布帰還形半導体レーザ、電界吸収型半導体光変調器、および半導体光増幅器が、この順に光学的に結合されて、同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子を搭載した半導体光送信器において、
前記分布帰還形半導体レーザと前記半導体光増幅器とに、同一の給電端子から直流が給電されており、前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの抵抗値が、前記給電端子から前記半導体光増幅器までの配線の抵抗値より大きいことを特徴とする半導体光送信器。
【請求項２】
前記半導体光増幅器に印加される電圧が前記分布帰還形半導体レーザに印加される電圧よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体光送信器。
【請求項３】
前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの配線に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光送信器。
【請求項４】
前記抵抗が前記同一基板上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体光送信器。
【請求項５】
前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの配線の抵抗値が、前記給電端子から前記半導体光増幅器までの配線の抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光送信器。
【請求項６】
分布帰還形半導体レーザ、電界吸収型半導体光変調器、および半導体光増幅器が、この順に光学的に結合されて、同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子を搭載した半導体光送信器において、
前記半導体光増幅器は、前記電界吸収型半導体光変調器側に配置された入射側半導体光増幅器と、この入射側半導体光増幅器とは高抵抗の結合部で電気的に分離されるとともに光学的に結合され、前記半導体光集積素子の出射側に配置された出射側半導体光増幅器とを備え、
前記分布帰還形半導体レーザと前記入射側半導体光増幅器と前記出射側半導体光増幅器とに、同一の給電端子から直流が給電されており、前記給電端子から前記入射側半導体光増幅器までの抵抗値は前記給電端子から前記出射側半導体光増幅器までの抵抗値よりも大きく、前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの抵抗値は前記給電端子から前記出射側半導体光増幅器までの抵抗値よりも大きいことを特徴とする半導体光送信器。
【請求項７】
前記出射側半導体光増幅器に印加される電圧が、前記分布帰還形半導体レーザに印加される電圧および前記入射側半導体光増幅器に印加される電圧よりも高いことを特徴とする請求項６に記載の半導体光送信器。
【請求項８】
前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの配線に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体光送信器。
【請求項９】
前記抵抗が前記同一基板上に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の半導体光送信器。
【請求項１０】
前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの配線の抵抗値が、前記給電端子から前記出射側半導体光増幅器までの配線の抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項６または７に記載の半導体光送信器。
【請求項１１】
前記入射側半導体光増幅器および前記出射側半導体光増幅器は、活性層の幅が光伝搬方向に沿って増大する構成であることを特徴とする請求項６から１０のいずれか１項に記載の半導体光送信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子を集積した半導体光集積素子を搭載した半導体光送信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
中継局とユーザ間の光通信システムであるアクセス系では、従来は低速変調に適した直接変調型半導体レーザ送信器（ＤＭＬ：Directly Modulated Laser）が用いられることが多かったが、１０Ｇｂ／ｓやそれ以上の高速通信を行う場合には、高速変調に適した電界吸収型半導体光変調器（ＥＡＭ：Electro-absorption Modulator）と分布帰還形半導体レーザ（ＤＦＢ-ＬＤ：Distributed Feedback Laser Diode）を集積した半導体レーザ送信器であるＥＭＬ（Electro-absorption Modulator integrated Laser）が適している。アクセス系では、複数のユーザに対して光信号を分岐させるため信号光強度が減衰する。そのため、分岐前において、半導体レーザ送信器（半導体光送信器とも称する）の高出力化が課題となっている。【０００３】
外部変調器であるＥＡＭには挿入損失が伴うため、ＥＭＬを高出力化するには、ＤＦＢ-ＬＤの駆動電流を大きくして光出力を増加させることが必要である。しかし、ＤＦＢ-ＬＤの光出力増には限度があること、ＤＦＢ-ＬＤや温調素子の消費電力が増大すること、ＥＡＭの消光特性がＥＡＭへの光入力の増大に伴い劣化すること、などの問題があるため、高出力化は容易でない。この問題に対し、特許文献１では、ＤＦＢ−ＬＤとＥＡＭを集積した素子のＥＡＭ出射側に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を同一基板にモノリシック集積することにより、高出力化が図られている。また、ＤＦＢ−ＬＤとＳＯＡを１端子で給電する構造とすることにより、ＳＯＡを集積しない構造の素子に対すると同等の給電方法が維持されるため、素子変更に伴う半導体光送信器の駆動回路への影響を小さくできる。【０００４】
定電流で駆動されるＳＯＡでは、入力光を増倍する際に、活性層内のキャリア密度が再結合により消費されて減少し、利得が変動する。キャリア密度変動は、光強度が大きくなるＳＯＡ出射側ほど、またＳＯＡが長尺化するほど顕著となる。このように、ＳＯＡに入射する変調信号光強度とその波形パターンに応じてキャリア密度変動が生じ、利得の変動を通して波形の劣化、すなわちパターン効果が生じる。パターン効果は、信号光の変調速度が大きくなるほど顕著になり、ＳＯＡを集積した半導体光送信器の場合、変調速度が１０Ｇｂ／ｓ以上の場合に影響がある。ＳＯＡの応答速度は、活性層のキャリア密度回復速度であり、ＳＯＡの駆動電流により影響を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２５８３３６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ, ＶＯＬ．１７，（２００５）ｐ．２５６２.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されているように、ＤＦＢ−ＬＤとＥＡＭとＳＯＡをこの順で集積した半導体光送信器において、ＤＦＢ-ＬＤとＳＯＡを同一端子で接続して駆動する場合、ＤＦＢ-ＬＤとＳＯＡは共通の駆動電圧が印加され、全駆動電流がＤＦＢ-ＬＤとＳＯＡの長さの比に比例した内部抵抗比で分割され給電される。この構成では、ＳＯＡのキャリア密度はＤＦＢ-ＬＤの光出力と独立でなく、ＳＯＡのパターン効果を抑制するためにＳＯＡの駆動電流を増加させた場合でも、同時にＤＦＢ-ＬＤの出力が増加し、ＳＯＡ出射光も増加するため、ＳＯＡのパターン効果が抑制されず、波形が劣化する問題があった。【０００８】
また、特許文献１の構成でＤＦＢ-ＬＤとＳＯＡへの全供給電流を大きくして高出力化を図る場合、たとえば非特許文献１の図２に示されているように、ＥＡＭへの入射光強度を増大させるとＥＡＭの消光比が徐々に低下し波形が劣化する傾向がある。このため、ＤＦＢ-ＬＤとＳＯＡへの全供給電流を同時に大きくすることによって高出力化を図るには、ＳＯＡのパターン効果のみならずＥＡＭの特性においても波形の劣化の問題があった。【０００９】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、高出力かつ波形良好で、ＳＯＡを集積しない構造の素子に対すると同等の給電方法により簡便に駆動可能な、半導体光送信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】
【００１０】
この発明に係わる半導体光送信器は、分布帰還形半導体レーザ、電界吸収型半導体光変調器、および半導体光増幅器が、この順に光学的に結合されて、同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子を搭載した半導体光送信器において、分布帰還形半導体レーザと半導体光増幅器とに、同一の給電端子から直流が給電されており、給電端子から分布帰還形半導体レーザまでの抵抗値が、給電端子から半導体光増幅器までの配線の抵抗値より大きいものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、給電端子からＤＦＢ-ＬＤまでの抵抗値を、給電端子からＳＯＡまでの配線の抵抗値よりも大きくしたので、ＳＯＡに印加される電圧がＤＦＢ-ＬＤに印加される電圧に比べ高くできる。その結果、ＳＯＡに別の給電端子を使用することなく、ＳＯＡの応答速度が増大し、変調信号光をＳＯＡで増倍した場合の出力光の波形が改善できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体光送信器の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図２Ａは半導体光集積素子の構成を示す平面図、図２Ｂは半導体光集積素子の構成を示す、図２ＡのＡ−Ａ位置での断面図、図２Ｃは半導体光集積素子の構成を示す、図２ＡのＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図３】図３Ａは半導体光集積素子の第一の製造工程を説明するための平面図、図３Ｂは半導体光集積素子の第一の製造工程を説明するための、図３ＡのＡ−Ａ位置での断面図である。
【図４】図４Ａは半導体光集積素子の第二の製造工程を説明するための平面図、図４Ｂは半導体光集積素子の第二の製造工程を説明するための、図４ＡのＡ−Ａ位置での断面図である。
【図５】図５Ａは半導体光集積素子の第三の製造工程を説明するための平面図、図５Ｂは半導体光集積素子の第三の製造工程を説明するための、図５ＡのＡ−Ａ位置での断面図である。
【図６】図６Ａは半導体光集積素子の第四の製造工程を説明するための平面図、図６Ｂは半導体光集積素子の第四の製造工程を説明するための、図６ＡのＡ−Ａ位置での断面図である。
【図７】図７Ａは半導体光集積素子の第五の製造工程を説明するための平面図、図７Ｂは半導体光集積素子の第五の製造工程を説明するための、図７ＡのＡ−Ａ位置での断面図である。
【図８】図８Ａは半導体光集積素子の第六の製造工程を説明するための平面図、図８Ｂは半導体光集積素子の第六の製造工程を説明するための、図８ＡのＡ−Ａ位置での断面図、図８Ｃは半導体光集積素子の第六の製造工程を説明するための、図８ＡのＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図９】図９Ａは半導体光集積素子の第七の製造工程を説明するための平面図、図９Ｂは半導体光集積素子の第七の製造工程を説明するための、図９ＡのＡ−Ａ位置での断面図、図９Ｃは半導体光集積素子の第七の製造工程を説明するための、図９ＡのＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図１０】図１０Ａは半導体光集積素子の第八の製造工程を説明するための平面図、図１０Ｂは半導体光集積素子の第八の製造工程を説明するための、図１０ＡのＡ−Ａ位置での断面図、図１０Ｃは半導体光集積素子の第八の製造工程を説明するための、図１０ＡのＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図１１】図１１Ａは半導体光集積素子の第九の製造工程を説明するための平面図、図１１Ｂは半導体光集積素子の第九の製造工程を説明するための、図１１ＡのＡ−Ａ位置での断面図、図１１Ｃは半導体光集積素子の第九の製造工程を説明するための、図１１ＡのＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図１２】図１２Ａは半導体光集積素子の第十の製造工程を説明するための平面図、図１２Ｂは半導体光集積素子の第十の製造工程を説明するための、図１２ＡのＡ−Ａ位置での断面図、図１２Ｃは半導体光集積素子の第十の製造工程を説明するための、図１２ＡのＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図１３】図１３Ａは半導体光集積素子の第十一の製造工程を説明するための平面図、図１３Ｂは半導体光集積素子の第十一の製造工程を説明するための、図１３ＡのＡ−Ａ位置での断面図、図１３Ｃは半導体光集積素子の第十一の製造工程を説明するための、図１３ＡのＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図１４】図１４Ａは半導体光増幅器の動作を説明するための第一の線図、図１４Ｂは半導体光増幅器の動作を説明するための第二の線図である。
【図１５】図１５Ａは半導体光増幅器の動作を説明するための別の第一の線図、図１５Ｂは半導体光増幅器の動作を説明するための別の第二の線図である。
【図１６】半導体光増幅器の動作を説明するためのさらに別の線図である。
【図１７】図１７Ａは本発明の実施の形態１による半導体光送信器の抵抗の一例を示す図、図１７Ｂは抵抗の別の例を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態２による半導体光送信器の構成を模式的に示す平面図である。
【図１９】本発明の実施の形態２による半導体光送信器の別の構成を模式的に示す平面図である。
【図２０】本発明の実施の形態３による半導体光送信器の構成を模式的に示す平面図である。
【図２１】本発明の実施の形態３による半導体光送信器の別の構成を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による半導体光送信器の構成を模式的に示す平面図である。図１において、半導体光集積素子１は、ウエハプロセスにより、ＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還形半導体レーザ）２、ＥＡＭ（電界吸収型半導体光変調器）３、ＳＯＡ（半導体光増幅器）４を同一の基板にモノリシック集積して作製されている。ＤＦＢ−ＬＤ２とＥＡＭ３は、高抵抗の結合部５により光学的に結合され電気的に分離されている。ＥＡＭ３とＳＯＡ４も同様に、高抵抗の結合部６により光学的に結合され電気的に分離されている。半導体光集積素子１の出射部８はＳＯＡ４の終端部であり、端面が低反射コートされている。ＳＯＡ４の終端部は、導波路を素子端面に対して傾斜させたり、窓構造を設けたりするなどの公知の反射低減構造を付加しても良い。
【００１４】
半導体光集積素子１は、サブマウント１１上に実装される。サブマウント１１は、アルミナや窒化アルミニウムのようなセラミック基板上に配線としての電極パターンを設けている。ＥＡＭ３は、半導体光集積素子側の信号パッド３１とサブマウント側の信号パッド３３が、金ワイヤ３２で結線され、信号入力部１８から入力される高周波電気信号により駆動される。ＤＦＢ−ＬＤ２とＳＯＡ４は、共通の給電パッド１９（給電端子１９とも称する）から電極パターン１２を介して供給される直流電流で駆動される。半導体光集積素子側のＤＦＢ−ＬＤ給電パッド２１とサブマウント側のＤＦＢ−ＬＤ給電パッド２３が金ワイヤ２２で、半導体光集積素子側のＳＯＡ給電パッド４１とサブマウント側のＳＯＡ給電パッド４３が金ワイヤ４２で、それぞれ結線される。ＤＦＢ−ＬＤ２側には、ＤＦＢ−ＬＤ２と直列に接続される抵抗１３が設けられている。
【００１５】
本発明に係る半導体光集積素子は、特許文献１に開示された半導体光集積素子と同様に、制御端子数の増加を防ぐために、同一の給電端子１９からＤＦＢ-ＬＤ２及びＳＯＡ４へ直流を給電してそれぞれの電流注入を行う。特許文献１では、ＳＯＡ長の設計を変化させることにより、同一端子を用いて注入した電流量に対してＤＦＢ-ＬＤ及びＳＯＡにそれぞれ印加する電流量が所望の割合となるように電流量を割り振るようにしている。本発明では、たとえばＤＦＢ-ＬＤ２への配線にＤＦＢ−ＬＤ２と直列に接続される抵抗１３を設けることで、ＤＦＢ-ＬＤ２の内部抵抗値と抵抗１３の抵抗値の和の抵抗値と、ＳＯＡ４の内部抵抗値の比により、ＤＦＢ-ＬＤ２及びＳＯＡ４にそれぞれ印加する電流量が所望の割合となるように電流量を割り振る点が異なる。特許文献１では、ＤＦＢ-ＬＤとＳＯＡに同じ電圧が印加されるが、本発明では抵抗１３による電圧降下だけ、ＤＦＢ-ＬＤ２よりＳＯＡ４の方に高い電圧が印加され、ＳＯＡ４の活性層キャリア密度が特許文献１の構成の場合より大きくできる。
【００１６】
また、特許文献１ではＳＯＡ長を５０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲に限定した場合に、ＤＦＢ-ＬＤ及びＳＯＡそれぞれに供給される電流量について、８０ｋｍ伝送に対応可能な駆動条件を開示している。しかし、ＳＯＡ長を１５０μｍ以下の範囲に設定する場合、ＳＯＡの駆動電流を大きく出来たとしても、ＳＯＡの利得が利得飽和により制限されるため、たとえば１０ｄＢｍ以上といった大きな光出力を得ることが難しくなる。光出力を大きくするためにＳＯＡ長を増大させた場合には、１０Ｇｂ／ｓ以上の変調信号に対してＳＯＡのパターン効果による波形の劣化が生じやすくなる。本発明では、ＳＯＡ４の活性層キャリア密度を抵抗１３により調節し波形劣化を抑制する。すなわち、本発明では、ＤＦＢ-ＬＤ２の光出力がＥＡＭ３の特性劣化を生じさせない適切な光強度となるようにＤＦＢ-ＬＤ２に給電し、ＳＯＡ４は、高出力化に適した利得の大きい構造であっても、パターン効果による波形劣化が生じないようなＤＦＢ-ＬＤ２よりも高いキャリア密度で駆動する。
【００１７】
ここで、一般的な半導体光集積素子の詳細構造、および製造工程について説明する。ただし、本発明に適用される半導体光集積素子の詳細構造、および製造工程は、以下に限定されるものではない。図２Ａ〜図２Ｃは半導体光集積素子の詳細構造を示す図であり、図２Ａは平面図、図２Ｂは図２ＡのＡ−Ａ位置、すなわちＤＦＢ−ＬＤ部分の断面図、図２Ｃは図２ＡのＢ−Ｂ位置での、すなわちＥＡＭ部分の断面図である。各素子の寸法としては、例えば、ＤＦＢ−ＬＤ長は、ＬDFB＝300μm、ＳＯＡ長は、ＬSOA＝150μm、ＥＡＭ長はＬEA＝200μmである。半導体光集積素子は、n-InP基板１０１上に、ＤＦＢ−ＬＤ、ＥＡＭ、およびＳＯＡが集積されている。すなわち、図１に示したＤＦＢ−ＬＤ２、ＥＡＭ３、およびＳＯＡ４は同一基板１０１上にモノリシック集積されている。
【００１８】
ＤＦＢ−ＬＤは、図２Ｂの断面図に示すように、活性層１０３、p-InPクラッド層１０７、p-InP層１１２、n-InP層１１３、p-InP層１１４、p-InPクラッド層１１５、p-InGaAs層１１６、絶縁膜１２１、コンタクト電極１１８により構成されている。ＳＯＡの断面構造も、ＤＦＢ−ＬＤの断面構造と同一である。また、ＥＡＭは、図２Ｃに示すように、変調器吸収層１０９、p-InPクラッド層１１０、p-InP層１１２、n-InP層１１３、p-InP層１１４、p-InPクラッド層１１５、p-InGaAs層１１６、絶縁膜１２１、コンタクト電極１１８により構成されている。
【００１９】
半導体光集積素子においては、ＤＦＢ−ＬＤから出射される光が、ＥＡＭに入力される。ＥＡＭにおいてはＭＱＷ（Multi Quantum Well）に逆方向に印加される電界により光の吸収量が変化する。ＥＡＭに無印加時に光が透過し、電界印加時に光が吸収されて透過しないようにしておくと、光出力を変調することが出来る。ＥＡＭを透過した光は、ＳＯＡに入力される。ＳＯＡに注入される電流値に応じて光が増幅されて出力される。
【００２０】
半導体光集積素子の製造方法は以下のようである。図３Ａの平面図、図３ＡのＡ−Ａ位置断面図である図３Ｂに示すように、n-InP基板１０１にn-InPクラッド層１０２、活性層１０３、p-InPクラッド層１０４、回折格子層１０５、p-InPキャップ層１０６を全面に成長する。
【００２１】
その後、図４Ａの平面図、図４ＡのＡ−Ａ位置断面図である図４Ｂに示すように、回折格子層１０５、p-InPキャップ層１０６を周期的にエッチングして回折格子を形成し、さらに図５Ａの平面図、図５ＡのＡ−Ａ位置断面図である図５Ｂに示すように、p-InPクラッド層１０７を成長して、回折格子層１０５を埋め込む。次に、図６Ａの平面図、図６ＡのＡ−Ａ位置断面図である図６Ｂに示すように、ＤＦＢ−ＬＤ部、ＳＯＡ部を絶縁膜１０８でマスクをしてエッチングを行い、図７Ａの平面図、図７ＡのＡ−Ａ位置断面図である図７Ｂに示すように、変調器吸収層１０９、p-InPクラッド層１１０を選択成長する。
【００２２】
次に、図８Ａの平面図、図８ＡのＡ−Ａ位置断面図である図８Ｂ、図８ＡのＢ−Ｂ位置断面図である図８Ｃに示すように、導波路リッジをドライエッチングで形成し、図９Ａの平面図、図９ＡのＡ−Ａ位置断面図である図９Ｂ、図９ＡのＢ−Ｂ位置断面図である図９Ｃに示すように、導波路リッジの両脇にp-InP層１１２、n-InP層１１３、p-InP層１１４の埋め込み成長を行う。その後、図１０Ａの平面図、図１０ＡのＡ−Ａ位置断面図である図１０Ｂ、図１０ＡのＢ−Ｂ位置断面図である図１０Ｃに示すように、絶縁膜１２０を除去し、全面にp-InPクラッド層１１５、p-InGaAs層１１６の電極コンタクト層を成長する。その後、図１１Ａの平面図、図１１ＡのＡ−Ａ位置断面図である図１１Ｂ、図１１ＡのＢ−Ｂ位置断面図である図１１Ｃに示すように、電極下部以外のp-InGaAs層１１６を選択的に除去する。
【００２３】
次に、図１２Ａの平面図、図１２ＡのＡ−Ａ位置断面図である図１２Ｂ、図１２ＡのＢ−Ｂ位置断面図である図１２Ｃに示すように、ＤＦＢ−ＬＤ部、ＳＯＡ部及びＥＡＭ部の側面に基板に到達するまでエッチングで溝を形成し、図１３Ａの平面図、図１３ＡのＡ−Ａ位置断面図である図１３Ｂ、図１３ＡのＢ−Ｂ位置断面図である図１３Ｃに示すように、全面に絶縁膜１２１を形成してから電極コンタクト部分において絶縁膜の開口１３０を形成した後、図２Ａの平面図、図２ＡのＡ−Ａ位置断面図である図２Ｂ、図２ＡのＢ−Ｂ位置断面図である図２Ｃに示すように、コンタクト電極１１８を形成する。最後にウエハ全体を100μm厚程度に研磨し、ウエハ裏面に電極を形成する。
【００２４】
次に、半導体光集積素子１の動作について説明する。ＳＯＡの活性層のキャリア再結合速度Ｒは、Ｎをキャリア密度、Ａを非発光再結合係数、Ｂを発光再結合係数、Ｃ をオージェ再結合係数として、
【数１】
2019102604.tif 000003
により近似できる。Ｒ（Ｎ）は、場所および時間に依存する。（１）式から、キャリア密度Ｎ を増大するほどキャリア再結合速度Ｒが増加することが判る。
【００２５】
キャリア密度の時間変化は、注入電流密度をＩ、導波光の光閉じ込め係数をΓ、導波光の光子密度をＰ、活性層体積をＶ、導波光の伝搬速度をvｇ、ＳＯＡの利得をｇとして、
【数２】
2019102604.tif 000004
と表される。ここで右辺第１項は，駆動電流による注入キャリア密度増加である。
【００２６】
Ｐ、ｇなど（２）式すべての変数は、場所および時間により変動する量である。ｇは利得、ｇ'は微分利得であり、
【数３】
2019102604.tif 000005
と表される。Ｎtrは、導波光の波長において活性層が透明化する時のキャリア密度である。局所的な光子密度Ｐの増加は、その場所の利得ｇに比例する。
【００２７】
（２）式から、注入電流が大きいほどキャリア密度の時間変化、すなわちキャリア密度の回復速度が大きくなることがわかる。（１）式、（３）式から、キャリア密度が増大するとキャリア密度を減少させる（２）式右辺第２項が増大し、注入電流を増大させても、キャリア密度増が鈍化する。ＳＯＡ内を伝搬して光強度が増大すると、光強度が大きい位置、時刻においては（２）式右辺第３項の寄与によりキャリア密度の減少が顕著になる。活性層の体積が同じ場合で、特にキャリア密度が大きくない場合は、注入電流密度が大きいほどキャリア密度Ｎが増大し、キャリア再結合速度が増加、すなわちＳＯＡの応答速度が増大する。
【００２８】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、ＳＯＡ条件が異なる場合のＳＯＡ活性層のキャリア密度回復時間の違いを示す計算結果である。図１４Ａは、ＳＯＡ長400μｍ、駆動電流７５．２ｍＡ、図１４ＢはＳＯＡ長70μｍ、駆動電流148ｍＡの場合で、パルス幅0.01nsの短パルス光を時間０の時点で入射し活性層中のキャリアを減少させたときのキャリア密度の時間変化を示す。縦軸は、それぞれＳＯＡの中央におけるキャリア密度である。駆動電流はＳＯＡの利得が同じになるように設定している。（１）〜（３）式で説明したように、注入キャリア密度の大きい図１４Ｂの方が顕著にキャリア回復が高速化している。
【００２９】
図１４Ａのようにキャリア密度が大きくない場合は、キャリア再結合速度は、発光再結合による寄与が支配的となり、III-Ｖ化合物半導体の活性層においては1/100 ps-1 程度の値になりやすい。この時、１０Ｇｂｐｓ以上の変調速度の強度変調信号光が入射すると、キャリア密度の回復が間に合わずに入射光のビットパターンに応じて活性層キャリア密度の減少が生じ、利得が低下して出力光強度の低下、すなわちパターン効果による波形の劣化が生じる。これは変調速度が増大するほど顕著になる。
【００３０】
図１５Ａと図１５Ｂは、ＳＯＡ条件が異なる場合に、ＮＲＺ（Non-return to Zero）強度変調信号光をＳＯＡに入射させた場合の出射光の光波形を示す。入射光は、変調速度２５ＧＨｚのＮＲＺ強度変調信号光で、平均光強度0dBm、消光比10dBである。図１５Ａは、ＳＯＡ長400μｍ、駆動電流７５．２ｍＡ、図１５ＢはＳＯＡ長70μｍ、駆動電流148ｍＡの場合で、図１４Ａおよび図１４Ｂで示した計算条件と同じである。ＳＯＡ利得は共に１０ｄＢである。
【００３１】
図１５Ａと図１５Ｂを比較すると、ＮＲＺのマーク側信号強度にばらつきがあり、図１５Ａの方がばらつきが大きいことがわかる。ばらつきは、前述のパターン効果によるものであり、キャリア回復が高速化している図１５Ｂの方がパターン効果が抑制され波形が改善されたことがわかる。
【００３２】
利得を一定にして、ＳＯＡ長と駆動電流を同時に変化させた場合の波形強度ばらつきの計算結果を図１６に示す。ＳＯＡ長を400μｍから70μｍにかけて変化させ、利得１０ｄＢとなる駆動電流を与える。駆動電流はＳＯＡ長が短いほど増加するが、ＳＯＡが短いと同じ利得を実現するには高いキャリア密度が必要となり、非輻射結合の寄与が増大する分、さらに駆動電流を大きくする必要があるためである。また、ＳＯＡ長が短い方が波形強度ばらつきを示すマーク側信号強度の標準偏差σが小さくなり波形が改善する。このように、ＳＯＡ４のキャリア密度を大きくすることにより波形が改善されるが、そのためにはＳＯＡ４に印加される電圧をＤＦＢ-ＬＤ２に印加される電圧よりも大きくできればよい。
【００３３】
次に、図１に示すように抵抗１３を設けるときのＳＯＡ４の駆動電流の調整の一例について説明する。ＤＦＢ-ＬＤ２やＳＯＡ４は、数10mAの順方向電流が注入されている条件では電流電圧特性が直線的になり、素子の微分抵抗Rdの大きさが数Ωになる。たとえばＳＯＡ４の微分抵抗RdSOA＝5Ωのとき、印加電圧が0.1V変化すると注入電流が20ｍA変化する。
【００３４】
ＤＦＢ-ＬＤ２の駆動電流をILD（固定値）、抵抗１３がないときのＳＯＡの駆動電流をISOA0、抵抗１３がないときに印加される電圧をVSOA0、抵抗１３の抵抗値をRLD、抵抗１３があるときのＳＯＡ４の駆動電流をISOA、ＳＯＡ４に印加される電圧をVSOAとすると、
ISOA＝ISOA0＋RLD×ILD／RdSOA
VSOA＝VSOA0+ RLD×ILD
となり、抵抗１３の抵抗値を増大し、かつVSOAをILDが変わらないように調整することで、ＳＯＡ４の駆動電流のみを増加させることが出来る。たとえば、ILD=80ｍA、RLD／RdSOA＝0.5となるようにRLDを調整すると、ＳＯＡ４の駆動電流が抵抗１３を設けない場合よりもRLD×ILD／RdSOA ＝40mA増加する。
【００３５】
上記で説明した条件は、一例であり、抵抗１３を設けて、給電端子１９からＤＦＢ−ＬＤ２までの抵抗値を、給電端子１９からＳＯＡ４までの配線の抵抗値より大きくすることにより、ＳＯＡ４に印加される電圧をＤＦＢ−ＬＤ２に印加される電圧よりも高くすることができる。このため、抵抗１３が無い場合、すなわちＤＦＢ−ＬＤ２に印加される電圧とＳＯＡ４に印加される電圧が同じときに比べて、ＳＯＡ４において、パターン効果が抑制され波形が改善される効果がある。
【００３６】
抵抗１３は、たとえば配線に直列に接続された外付けの固定抵抗を用いる、あるいはサブマウントの配線としての電極パターンの一部に所望の抵抗値を有する抵抗部として設けることができる。この抵抗部は、電極パターンの配線抵抗が大きくなるように、図１７Ａに示すように電極パターンに細い部分を設け、あるいは図１７Ｂに示すように、電極パターンとして長い配線となるようにすることで実現できる。すなわち、給電端子１９からＤＦＢ−ＬＤ２までの配線となる電極パターンの途中に細い部分を設け、あるいは電極パターンとして長い配線となるようにして、給電端子１９からＤＦＢ−ＬＤ２までの配線の抵抗値が、給電端子１９からＳＯＡ４までの配線の抵抗値よりも大きくなるように配線の電極パターンを作製すればよい。
【００３７】
以上説明したように、実施の形態１による半導体光送信器は、給電端子１９からＤＦＢ−ＬＤ２までの抵抗値を、給電端子１９からＳＯＡ４までの配線の抵抗値より大きくすることにより、ＳＯＡ４にＤＦＢ−ＬＤ２より高い電圧を印加でき、ＳＯＡ４の応答速度を増大させて、変調速度１０ＧＨｚ以上の変調信号に対しても、良好な波形を得ることが出来る。
【００３８】
実施の形態２．
図１８は、本発明の実施の形態２にかかる半導体光送信器の構成を模式的に示す平面図である。半導体光集積素子１は、実施の形態１と同様に、ＤＦＢ−ＬＤ２、ＥＡＭ３、およびＳＯＡを同一基板上にモノリシック集積して作製されている。本実施の形態２では、ＳＯＡが入射側ＳＯＡ４ａと、出射側ＳＯＡ４ｂの２つのＳＯＡから構成されている。入射側ＳＯＡ４ａと出射側ＳＯＡ４ｂは高抵抗の結合部７により電気的に分離され、光学的には結合されている。本実施の形態２における実施の形態１と同等の構成要素については、実施の形態１と同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
入射側ＳＯＡ４ａは、素子側の信号パッド４１ａとサブマウント側の信号パッド４３ａが、金ワイヤ４２ａで結線される。出射側ＳＯＡ４ｂは、素子側の信号パッド４１ｂとサブマウント側の信号パッド４３ｂが、金ワイヤ４２ｂで結線される。入射側ＳＯＡ４ａには、抵抗１４を設ける。入射側ＳＯＡに抵抗１４が設けられているので、入射側ＳＯＡと出射側ＳＯＡに異なる電圧を印加することが出来る。
【００４０】
入射側ＳＯＡ４ａの微分抵抗RdSOA_in、出射側ＳＯＡ４ｂの微分抵抗RdSOA_out、ＤＦＢ−ＬＤの駆動電流をILD（固定値）とし、
抵抗１３と抵抗１４がないときの入射側ＳＯＡ４ａの駆動電流をISOA0_in、印加電圧をVSOA0_in、出射側ＳＯＡの駆動電流をISOA0_out、印加電圧をVSOA0_out、抵抗１３の大きさをRLD、抵抗１４の大きさをRSOA_inとし、
抵抗１３と抵抗１４があるときの入射側ＳＯＡ４ａの駆動電流をISOA_in、入射側ＳＯＡ４ａに印加される電圧をVSOA_in、出射側ＳＯＡ４ｂの駆動電流をISOA_out、出射側ＳＯＡ４ｂに印加される電圧をVSOA_outとすると、入射側ＳＯＡ４ａの駆動電流は
ISOA_in＝ISOA0_in＋（RLD-RSOA_in）×ILD／RdSOA_in
VSOA_in＝VSOA0_in+ （RLD-RSOA_in）×ILD
出射側ＳＯＡ４ｂの駆動電流は
ISOA_out＝ISOA0_out＋RLD×ILD／RdSOA_out
VSOA_out＝VSOA0_out＋RLD×ILD
と表わされ、抵抗１３と抵抗１４の値を調整することで、ＤＦＢ−ＬＤ２の駆動電流を固定した条件下で、出射側ＳＯＡ４ｂにより大きい駆動電流を供給することが出来る。
【００４１】
本実施の形態２では、配線の途中に抵抗１３および抵抗１４を挿入することにより、給電端子１９から出射側ＳＯＡ４ｂまでの配線の抵抗値よりも、給電端子１９からＤＦＢ−ＬＤ２までの抵抗値、および給電端子１９から入射側ＳＯＡ４ａまでの抵抗値を大きくした。また、実施の形態１において説明した図１７のように、給電端子１９からＤＦＢ−ＬＤ２までの配線となる電極パターン、および給電端子１９から入射側ＳＯＡ４ａまでの配線となる電極パターンの途中に細い部分を設け、あるいは電極パターンとして長い配線となるようにして、給電端子１９からＤＦＢ−ＬＤ２までの配線の抵抗値、および給電端子１９から入射側ＳＯＡ４ａまでの抵抗値が、給電端子１９からＳＯＡ４までの配線の抵抗値よりも大きくなるように配線の電極パターンを作製してもよい。これにより、光強度が大きく、パターン効果による波形劣化が生じやすい出射側ＳＯＡ４ｂにもっとも高い電圧を印加でき、良好な出射光波形を得ることが出来る。
【００４２】
また、図１９は本発明の実施の形態２による半導体光送信器の別の構成を模式的に示す平面図である。図１９に示す半導体光集積素子１では、入射側ＳＯＡ４ｃと出射側ＳＯＡ４ｄは、高抵抗の結合部７１で光学的に結合されており、ＳＯＡの導波路幅、すなわち活性層の幅が光伝搬方向に沿って増大する先広テーパ構造となっている。先広テーパ構造とすることにより、活性層中の光子密度が低減されるためパターン効果が抑制されることに加えて、配線の途中に抵抗１３と抵抗１４を挿入することにより、出射側ＳＯＡ４ｄに最も高い電圧を印加でき、出射側ＳＯＡ４ｄ中のキャリア回復時間が高速化するため、さらに良好な出力光波形を得ることが出来る。
【００４３】
実施の形態３．
図２０は、本発明の実施の形態３による半導体光送信器の構成を模式的に示す平面図である。図２０において、半導体光集積素子１は、ウエハプロセスにより、ＤＦＢ−ＬＤ２、ＥＡＭ３、ＳＯＡ４を同一基板上にモノリシック集積して作製されている。ＤＦＢ−ＬＤ２とＥＡＭ３は、高抵抗の結合部５により電気的に分離され、光学的には結合されている。ＥＡＭ３とＳＯＡ４も同様に、高抵抗の結合部６により電気的に分離され、光学的には結合されている。半導体光集積素子１の出射部８はＳＯＡ４の終端部であり、端面が低反射コートされている。ＳＯＡ４の終端部は、導波路を素子端面に対して傾斜させたり、窓構造を設けたりするなどの公知の反射低減構造を付加しても良い。本実施の形態３における実施の形態１と同等の構成要素については、実施の形態１と同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
本実施の形態３では、実施の形態１および２において、サブマウント上に設けた抵抗に代わり、半導体光集積素子１上、すなわちＤＦＢ−ＬＤ２、ＥＡＭ３、ＳＯＡ４が集積されている同一基板上に抵抗１３ａを設けることで、同様の出力光波形改善を実現している。また、半導体光集積素子１の基板上に配線としての電極パターンを設けることにより、金ワイヤによる接続を給電パッド４１からのみとできるため、実装工程を簡易化することができる。抵抗１３ａは、実施の形態１で説明したのと同様、固定抵抗を用いても、配線の電極パターンの配線抵抗が大きくなるように、図１７Ａに示すように電極パターンに細い部分を設け、あるいは図１７Ｂに示すように、電極パターンとして長い配線となるようにすることでも実現できる。
【００４５】
図２１は、本発明の実施の形態３による半導体光送信器の構成を模式的に示す平面図である。実施の形態２の図１８で説明した構成と同様に、ＳＯＡが入射側ＳＯＡ４ａと出射側ＳＯＡ４ｂから構成される。実施の形態２において、サブマウント上に設けた抵抗１３および抵抗１４に代わり、半導体光集積素子１上に抵抗１３ａおよび抵抗１４ａを設けることで、同様の出力光波形改善を実現できる。また、半導体光集積素子１の基板上に配線としての電極パターンを設けることにより、金ワイヤによる接続を給電パッド５１ａからのみとできるため、実装工程を簡易化することができる。
【００４６】
本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  半導体光集積素子、２  ＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還形半導体レーザ）、３  ＥＡＭ（電界吸収型半導体光変調器）、４  ＳＯＡ（半導体光増幅器）、４ａ、４ｃ  入射側ＳＯＡ、４ｂ、４ｄ  出射側ＳＯＡ、１３、１３ａ、１４、１４ａ  抵抗、１９  給電パッド（給電端子）
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年3月28日(2018.3.28)
【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】
分布帰還形半導体レーザ、電界吸収型半導体光変調器、および半導体光増幅器が、この順に光学的に結合されて、同一の半導体基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子を搭載した半導体光送信器において、
前記分布帰還形半導体レーザと前記半導体光増幅器とに、同一の給電端子から直流が給電されており、前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの抵抗値が、前記給電端子から前記半導体光増幅器までの配線の抵抗値より大きいことを特徴とする半導体光送信器。
【請求項２】
前記半導体光増幅器に印加される電圧が前記分布帰還形半導体レーザに印加される電圧よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体光送信器。
【請求項３】
前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの配線に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光送信器。
【請求項４】
前記抵抗が前記同一の半導体基板上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体光送信器。
【請求項５】
前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの配線の抵抗値が、前記給電端子から前記半導体光増幅器までの配線の抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光送信器。
【請求項６】
分布帰還形半導体レーザ、電界吸収型半導体光変調器、および半導体光増幅器が、この順に光学的に結合されて、同一の半導体基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子を搭載した半導体光送信器において、
前記半導体光増幅器は、前記電界吸収型半導体光変調器側に配置された入射側半導体光増幅器と、この入射側半導体光増幅器とは高抵抗の結合部で電気的に分離されるとともに光学的に結合され、前記半導体光集積素子の出射側に配置された出射側半導体光増幅器とを備え、
前記分布帰還形半導体レーザと前記入射側半導体光増幅器と前記出射側半導体光増幅器とに、同一の給電端子から直流が給電されており、前記給電端子から前記入射側半導体光増幅器までの抵抗値は前記給電端子から前記出射側半導体光増幅器までの抵抗値よりも大きく、前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの抵抗値は前記給電端子から前記出射側半導体光増幅器までの抵抗値よりも大きいことを特徴とする半導体光送信器。
【請求項７】
前記出射側半導体光増幅器に印加される電圧が、前記分布帰還形半導体レーザに印加される電圧および前記入射側半導体光増幅器に印加される電圧よりも高いことを特徴とする請求項６に記載の半導体光送信器。
【請求項８】
前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの配線に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体光送信器。
【請求項９】
前記抵抗が前記同一の半導体基板上に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の半導体光送信器。
【請求項１０】
前記給電端子から前記分布帰還形半導体レーザまでの配線の抵抗値が、前記給電端子から前記出射側半導体光増幅器までの配線の抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項６または７に記載の半導体光送信器。
【請求項１１】
前記入射側半導体光増幅器および前記出射側半導体光増幅器は、活性層の幅が光伝搬方向に沿って増大する構成であることを特徴とする請求項６から１０のいずれか１項に記載の半導体光送信器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
この発明に係わる半導体光送信器は、分布帰還形半導体レーザ、電界吸収型半導体光変調器、および半導体光増幅器が、この順に光学的に結合されて、同一の半導体基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子を搭載した半導体光送信器において、分布帰還形半導体レーザと半導体光増幅器とに、同一の給電端子から直流が給電されており、給電端子から分布帰還形半導体レーザまでの抵抗値が、給電端子から半導体光増幅器までの配線の抵抗値より大きいものである。
【国際調査報告】
2019102604.tif 000027
2019102604.tif 000028
2019102604.tif 000029
2019102604.tif 000030