(57)【要約】【課題】従来のＥＡ／ＤＦＢレーザはＥＡ部、ＤＦＢ部それぞれの動作波長の温度依存性が大きく異なるため、安定動作できる温度範囲が狭い。このため、前記ＥＡ／ＤＦＢレーザを発光装置とする場合、アンクールド動作は不可能であった。温度調整機構が不要なＥＡ／ＤＦＢレーザを提案すること。【解決手段】ＥＡ変調器の光吸収層に、井戸層がＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓのいずれからなり，障壁層がＩｎＧａＡｌＡｓ，あるいはＩｎＡｌＡｓのいずれからなる量子井戸構造を用い、かつ２５℃における離調量および光吸収層に用いる量子井戸構造における障壁層の組成波長を適切に設定することで、−５℃から８５℃の広い温度範囲にわたり、挿入損の抑制、消光比の確保、およびチャーピングの抑制を同時に実現する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光波長λｓｉｇｎａｌが２５℃において１５５０ｎｍの半導体レーザと、該レーザの出力光を加えられる、井戸層がＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓのいずれかであり，障壁層がＩｎＧａＡｌＡｓ，あるいはＩｎＡｌＡｓのいずれかである量子井戸構造からなる利得ピーク波長λＥＡの電界吸収効果型光変調器とを有する半導体光集積素子において、前記レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡとの差（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）が、４０ｍｅＶ以上７０ｍｅＶ以下であることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項２】
前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌが１４５０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下であり、前記電界吸収効果型光変調器の利得ピーク波長λＥＡを、信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡとの差（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）が４０ｍｅＶ以上７０ｍｅＶ以下となるように設定したものである請求項１に記載の半導体光集積素子。
【請求項３】
前記電界吸収効果型光変調器が量子井戸構造を有し、該量子井戸構造の２５℃における障壁層の組成波長λｂａｒｒｉｅｒに相当するエネルギーＥｂａｒｒｉｅｒが、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡと、前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌとを用いて、
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅＶ）
に設定されたものである請求項１に記載の半導体光集積素子。
【請求項４】
前記電界吸収効果型光変調器が量子井戸構造を有し、該量子井戸構造の２５℃における障壁層の組成波長λｂａｒｒｉｅｒに相当するエネルギーＥｂａｒｒｉｅｒが、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡと、前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌとを用いて、
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅＶ）
に設定されたものである請求項２に記載の半導体光集積素子。
【請求項５】
半導体レーザと、該半導体レーザの発生する光を通過させる光導波路と、該光導波路を通過した光を与えられる電圧信号により変調する電界吸収効果型光変調器とから構成され、半導体基板上にカスケードに配置された半導体光集積素子であって、前記半導体レーザは２５℃における発光波長が１５５０ｎｍである量子井戸構造、前記光導波路層はＩｎＧａＡｓＰ，あるいはＩｎＧａＡｌＡｓから構成される光導波路層、前記電界吸収効果型光変調器は２５℃における発光波長が１４７０ｎｍである量子井戸構造、をそれぞれ備えて、互いに隣接して配置されるとともに、前記半導体発光装置の多重量子井戸活性層、前記導波路コアおよび前記変調器の光変調器コア層が、それぞれ、実質的に同一の面に位置するように形成され、且つ、各要素はそれぞれの最上層の上にリッジを形成されていることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項６】
前記レーザが分布帰還型半導体レーザである請求項５に記載の半導体光集積素子。
【請求項７】
前記レーザが分布反射型半導体レーザである請求項５に記載の半導体光集積素子。
【請求項８】
前記レーザが波長可変機能を有する波長可変型半導体レーザである請求項５に記載の半導体光集積素子。
【請求項９】
前記電界吸収効果型光変調器の光出射端面側に前記変調器の平均的な屈折率より小さい屈折率を有する半導体が埋め込まれた光出射窓構造が形成されている請求項５に記載の半導体光集積素子。
【請求項１０】
前記レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡとの差（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）が、４０ｍｅＶ以上７０ｍｅＶ以下である請求項５に記載の半導体光集積素子。
【請求項１１】
前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌが１４５０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下であり、前記電界吸収効果型光変調器の利得ピーク波長λＥＡを、信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡとの差（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）が４０ｍｅＶ以上７０ｍｅＶ以下となるように設定したものである請求項１０に記載の半導体光集積素子。
【請求項１２】
前記電界吸収効果型光変調器が量子井戸構造を有し、該量子井戸構造の２５℃における障壁層の組成波長λｂａｒｒｉｅｒに相当するエネルギーＥｂａｒｒｉｅｒが、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡと、前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌとを用いて、
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅＶ）
に設定されたものである請求項１０に記載の半導体光集積素子。
【請求項１３】
前記電界吸収効果型光変調器が量子井戸構造を有し、該量子井戸構造の２５℃における障壁層の組成波長λｂａｒｒｉｅｒに相当するエネルギーＥｂａｒｒｉｅｒが、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡと、前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌとを用いて、
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅＶ）
に設定されたものである請求項１１に記載の半導体光集積素子。
【請求項１４】
信号光波長λｓｉｇｎａｌが２５℃において１５５０ｎｍの半導体レーザと、該レーザの出力光を加えられる、井戸層がＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓのいずれかであり，障壁層がＩｎＧａＡｌＡｓ，あるいはＩｎＡｌＡｓのいずれかである量子井戸構造からなる利得ピーク波長λＥＡの電界吸収効果型光変調器とを有する半導体光集積素子において、前記レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡとの差（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）が、４０ｍｅＶ以上７０ｍｅＶ以下とされた半導体光集積素子であるとともに、該半導体光集積素子の配置された周辺の温度を検出するための感温素子および前記半導体レーザの背面における後方光出力を検出するモニタ用受光素子を備え、前記感温素子の出力信号に応じてλｓｉｇｎａｌ-λＥＡが設定されている最高動作温度における特性となるように前記電界吸収効果型光変調器に加える電圧を制御し、前記モニタ用受光素子の出力信号に応じて前記半導体レーザが設定されている２５℃における特性となるように前記半導体レーザに加える電圧を制御することを特徴とする半導体光集積デバイス。
【請求項１５】
前記レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡとの差（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）が、４０ｍｅＶ以上７０ｍｅＶ以下である請求項１４に記載の半導体光集積デバイス。
【請求項１６】
前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌが１４５０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下であり、前記電界吸収効果型光変調器の利得ピーク波長λＥＡを、信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡとの差（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）が４０ｍｅＶ以上７０ｍｅＶ以下となるように設定したものである請求項１４に記載の半導体光集積デバイス。
【請求項１７】
前記電界吸収効果型光変調器が量子井戸構造を有し、該量子井戸構造の２５℃における障壁層の組成波長λｂａｒｒｉｅｒに相当するエネルギーＥｂａｒｒｉｅｒが、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡと、前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌとを用いて、
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅＶ）
に設定されたものである請求項１４に記載の半導体光集積デバイス。
【請求項１８】
前記電界吸収効果型光変調器が量子井戸構造を有し、該量子井戸構造の２５℃における障壁層の組成波長λｂａｒｒｉｅｒに相当するエネルギーＥｂａｒｒｉｅｒが、前記電界吸収効果型光変調器の２５℃における利得ピーク波長λＥＡに相当するエネルギーＥＥＡと、前記半導体レーザの２５℃における信号光波長λｓｉｇｎａｌに相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌとを用いて、
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅＶ）
に設定されたものである請求項１７に記載の半導体光集積デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光変調装置およびそれらを集積した集積型半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブロードバンドネットワークの普及に伴い、都市／中継局間を結ぶメトロ系光通信網では通信速度を１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上へ高速化する動きが活発化している。前記メトロ系光通信網では、ファイバ伝送距離４０ｋｍから８０ｋｍの長距離伝送が求められる。前記メトロ系光通信網向けの光通信システムでは、光送受信モジュールの小型化・低消費電力化が重要な課題となっている。
【０００３】
光送受信モジュールの小型化・低消費電力化には、発光装置の温度調整用機構を必要としない、いわゆるアンクールド化が有効である。半導体レーザに直接電気信号を印加し、光信号を生成する直接変調方式では、温度変化に強い材料の選択や、素子構造における放熱性の向上などにより、例えば、非特許文献１（Optical Fiber Communication Conference 2003、 PD40）のように動作温度１００℃以上での１０Ｇｂｉｔ／ｓというアンクールド高速動作が実現されている。
【０００４】
しかしながら、前記直接変調方式では、例えば変調速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速変調動作時では信号光波長の時間変動（以下チャーピングと言う）が大きい。このため、信号光波長帯としては光ファイバの分散が小さい１３００ｎｍ帯が主に用いられる。しかしながら信号光波長１３００ｎｍ帯では光ファイバ中の伝播損失が大きく、３０ｋｍ以上の長距離伝送には適さない。
【０００５】
一般に、変調速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光信号を４０ｋｍ以上伝送するためには、チャーピングの小さい外部変調方式が用いられる。なかでも、電界吸収効果を利用した半導体電界吸収型（ＥＡ：Electro absorption）変調素子は、小型、低消費電力、半導体レーザとの集積性などの観点から優れた特長を持つ。特に前記ＥＡ変調素子と、単一波長性に優れる分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）半導体レーザとを一つの半導体基板上にモノリシックに集積した半導体光集積素子（以下ＥＡ／ＤＦＢレーザと言う）は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用発光装置として広く用いられている。また、このときの信号光波長としては、光ファイバの伝播損失が小さい１５５０ｎｍ帯が主に用いられる。
【０００６】
前述のメトロ系光通信網向け光通信用モジュールの小型・低消費電力化のためには、前記直接変調方式と同様にＥＡ／ＤＦＢレーザもアンクールド化することが望まれる。しかしながら、従来のＥＡ／ＤＦＢレーザは正常動作のためには温度調整が必須であり、アンクールド動作は不可能であった。その理由を、ＥＡ変調素子の動作原理とともに説明する。
【０００７】
ＥＡ／ＤＦＢレーザの正常動作には、レーザの信号光波長λｓｉｇｎａｌとＥＡ変調素子の利得ピーク波長λＥＡの差で定義される離調量（λｓｉｇｎａｌ−λＥＡ）の適切な設定が重要である。ＥＡ変調素子に電圧が印加されない状態では、ＥＡ変調素子の光吸収端波長は信号光波長から十分離れており、光の吸収は起こらない。つまり、ＥＡ変調素子は信号光に対して透明である。このとき、信号光はＥＡ変調素子を透過し、光出力としてはオンの状態になる。一方、ＥＡ変調素子に電圧を印加すると、フランツケルディッシュ効果、あるいは量子閉じ込めシュタルク効果によりＥＡ変調素子の吸収端が長波長側に移動し、信号光波長と重なる。このとき、信号光はＥＡ変調素子に吸収され、光出力としてはオフの状態になる。
【０００８】
ＥＡ変調素子を通過して外部に出てくる信号光の、オン状態、オフ状態の光強度の比を消光比と呼び、消光比が大きいほど、誤りの無い信号伝送のためには好ましい。このＥＡ変調素子に印加する電圧を高速に変調することにより、高速な光信号を生成することができる。
【０００９】
前述のＥＡ変調素子の動作原理において、前記離調量が小さくなりすぎると、ＥＡ変調素子の吸収端が常に信号光波長に重なってしまう。この結果、基礎吸収の増加により挿入損が増加し、光信号オン時に十分な光出力が得られず、伝送後の信号誤り率が増加する。一方、前記離調量が大きくなりすぎると、ＥＡ変調素子の吸収端が信号光波長に重なるまでに要する印加電圧が大きくなり、低消費電力動作に適さない。また、ＥＡ変調素子に印加する電圧が大きすぎると、キャリヤの波動関数が量子井戸から漏れ出し、消光比が劣化するという問題も生じる。
【００１０】
ＥＡ／ＤＦＢレーザにおける離調量は、電界を印加しないオン状態では信号光を吸収せず、また信号光を吸収するオフ状態では実用的な電圧範囲内で十分な消光が出来るように設定する必要がある。
【００１１】
一方、前記メトロ系光通信網向けの小型・低消費電力光通信用モジュールに用いられる発光装置は、動作温度−５℃以上８５℃以下の間で正常動作することが求められる。しかしながら、ＥＡ変調素子の離調量は動作温度によって大きく変化してしまう。この様子を、図１を用いて説明する。
【００１２】
図１に、従来のＥＡ変調素子の利得ピーク波長λＥＡの温度依存性を破線で、ＤＦＢレーザの発振波長λｓｉｇｎａｌの温度依存性を実線で示す。λＥＡの温度依存性は半導体バンドギャップの温度依存性によるものであり、約＋０．６５ｎｍ／℃である。一方λｓｉｇｎａｌの温度依存性は、回折格子の温度依存性であり、約＋０．１ｎｍ／℃である。したがって両者の差である離調量変化の温度依存性は約＋０．５５ｎｍ／℃となり、−５℃から８５℃の温度変化では、離調量が５０ｎｍ程度変化することになる。従来のＥＡ／ＤＦＢレーザでは、正常動作が可能な離調量の変動範囲は±５ｎｍ程度であり，例えば、２５℃で所定の特性が出るように温度制御がなされる。
【００１３】
前述のＥＡ／ＤＦＢレーザの離調量が５０ｎｍ程度も変化するため、正常動作可能な離調量の変動範囲である±５ｎｍを大きく超えたものとなり、高温では光の損失が大きくなり、長距離伝送に十分な光強度の確保が困難になる。
【００１４】
前述の、離調量の温度変化という問題を解決し、ＥＡ／ＤＦＢレーザのアンクールド化を実現するためには、想定される最高使用温度、例えば、８５℃において離調量が適切な値になるように、図１に一点鎖線λ’ＥＡで示すように、ＥＡ変調素子を設定する。そして、想定される最高使用温度より低い使用温度においては、温度変化に応じたオフセットバイアスＶＯＨをＥＡ変調素子に印加することにより、ＥＡ変調素子の吸収端を移動させ、使用温度が変化しても常に適切な離調量を保つように制御する方法をとることができる。この手法を用いたアンクールドＥＡ／ＤＦＢの公知例として、例えば、非特許文献２（Optical Fiber Communication Conference 2003、 PD42）、あるいは、非特許文献３（30th ECOC 2004、 Mo4.4.7）がある。
【００１５】
非特許文献２，３では、信号光波長１３００ｎｍ帯が使用されている。信号光波長１３００ｎｍ帯では光ファイバ伝搬中の光損失が大きく、２０ｋｍ以上の長距離伝送には適さない。前記メトロ系光通信網で必要な４０ｋｍ以上の長距離伝送のためには、ファイバ伝播中の光損失が少ない信号光波長１５５０ｎｍ帯での動作できるものであることが望ましい。長距離通信に好適な１５５０ｎｍ帯でのアンクールドＥＡ／ＤＦＢの公知例としては、例えば非特許文献４（Electronics Letters、 2003、 Vol.39 No.25９、あるいは、非特許文献５（Optical Fiber Communication Conference 2004、 ThD4）がある。
【００１６】
非特許文献４においては、離調量あるいは光吸収層となる半導体量子井戸構造の具体的な記述は無い。また、非特許文献５が開示するのは２５℃における離調量が５５ｎｍである。これは、従来のＥＡ／ＤＦＢレーザとほぼ同じ値であり、本発明で提案する長距離通信に好適な１５５０ｎｍ帯に好適な離調量とは対応しない。
【００１７】
【非特許文献１】：Optical Fiber Communication Conference 2003、 PD40
【非特許文献２】：Optical Fiber Communication Conference 2003、 PD42
【非特許文献３】：30th ECOC 2004、 Mo4.4.7
【非特許文献４】：Electronics Letters、 2003、 Vol.39 No.25
【非特許文献５】：Optical Fiber Communication Conference 2004、 ThD4
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、４０ｋｍ以上の長距離光通信に好適な１５５０ｎｍ帯における最適な離調量および量子井戸構造を備えるＥＡ変調器を用いた発光装置を提案し、これにより安価な光源を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
信号光波長１５５０ｎｍ帯におけるＥＡ／ＤＦＢレーザの動作には、チャーピングと消光比のトレードオフを考慮する必要がある。これは、信号光波長１３００ｎｍ帯ではファイバ伝播中の分散量が実質ゼロになるのに対し、１５５０ｎｍ帯ではファイバ分散が約２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍと大きいためである。アンクールド動作を想定した離調量の設定では、低温になり離調量が大きくなるほど、適切な離調量への調整に大きな電圧を必要とする。このときバンドの傾きが大きくなり、量子井戸内におけるキャリヤの閉じ込め効果が減少する。この結果、電子と正孔の波動関数の空間的な重なりが減少し、消光比が劣化してしまう。
【００２０】
アンクールド動作時の消光比確保のためには、有効質量の小さい電子を量子井戸内に強く閉じ込める必要がある。これには例えば、量子井戸の井戸幅を小さくし量子効果を高める手法や、量子井戸層と障壁層の組成波長の差を大きくし、両者の間のエネルギー不連続量を大きくすることが有効である。しかしながらこれらの手法は、チャーピングを大きくすることと同義であり、信号光波長１５５０ｎｍ帯での動作には好適でない。
【００２１】
従来のＥＡ／ＤＦＢレーザでは光吸収層として、一般的に、少なくともＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐからなる多重量子井戸が用いられている。前記ＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸では、前述のようなチャ−ピングと消光比のトレードオフが厳しく、アンクールド動作による４０ｋｍ以上の長距離伝送の実現は困難であった。これは、前記ＩｎＧａＡｓＰ材料系のバンド構造において、量子井戸層と障壁層間のエネルギー不連続量が、伝導帯側が小さく、価電子帯側が大きいという特徴による。これに対し、井戸層がＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓのいずれからなり，障壁層がＩｎＧａＡｌＡｓ，あるいはＩｎＡｌＡｓのいずれからなる量子井戸構造は、以下に記すような優れた特長を持ち、アンクールド動作を目的としたＥＡ変調素子の光吸収層として好適と言える。
（１）量子井戸構造における伝導帯側のバンド不連続量が大きく、波動関数の量子井戸外への漏れが小さい。このため、電子、正孔の波動関数の空間的な重なりが大きく消光比が向上する。
（２）量子井戸と障壁層間のエネルギー不連続量は、伝導帯側に比べ価電子帯側が小さく、量子井戸内に正孔が蓄積されにくい。このため高速変調動作に適しており、変調時のチャーピングが抑制されるので、長距離伝送に有利である。
【００２２】
本願の発明者らは、アンクールド動作を目的としたＥＡ／ＤＦＢレーザにおいてＩｎＧａＡｌＡｓ系材料をＥＡ変調素子に適用し、かつ適切な離調量を設定することにより、アンクールド動作による変調速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの４０ｋｍファイバ伝送が可能であることを実験的に証明した。
【００２３】
前述のように、ＥＡ／ＤＦＢレーザの正常動作のためには、適切な離調量の設定が重要である。図２を用いて、前記アンクールドＥＡ／ＤＦＢレーザに好適な離調量の設定について説明する。
【００２４】
図２の横軸は２５℃における離調量を表す。左側の縦軸は想定動作温度の上限である８５℃における基礎吸収に基づく挿入損を表し、右側の縦軸は動作温度の下限である−５℃における消光比を表す。２５℃における離調量が小さくなるに従い、動作温度の上限の８５℃における基礎吸収に基づく挿入損が増加する。これは、８５℃における離調量が小さくなるためである（図１参照）。２５℃における離調量が８０ｎｍ以下になると、８５℃における基礎吸収に基づく挿入損が５ｄＢを超える。ＥＡ変調素子は原理的に、この挿入損とは別に変調時の損失である変調損を有するとともに、この変調損を４ｄＢ以下に抑えることは困難である。８５℃における前記挿入損と変調損の和が９ｄＢ以上になると、４０ｋｍ以上の長距離伝送を無中継で行うために必要な変調時光出力を得るためには、ＤＦＢレーザに大きな電流を必要とすることになり、低消費電力動作に好適でない。よってアンクールドＥＡ／ＤＦＢレーザの２５℃における離調量は８０ｎｍ以上とするのが望ましい。
【００２５】
一方、動作温度の下限である−５℃における消光比に着目すると、２５℃におけるＥＡ／ＤＦＢレーザの離調量が大きくなるに従い、−５℃における消光比は減少する。これは、−５℃における離調量が大きくなりすぎるためである（図１参照）。２５℃における離調量が１２０ｎｍを超えると、−５℃での消光比が１０ｄＢを下回る。一般的に、信号誤りのない信号伝送のためには高速変調時の消光比である動的消光比としては、１０ｄＢ以上が必要である。このため、低温での消光比確保を考慮した場合、２５℃における離調量は１２０ｎｍ以下とするのが望ましい。
【００２６】
以上の実験的考察から、ＥＡ／ＤＦＢレーザのアンクールド動作に好適な２５℃における離調量の設定として、８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下となることが望ましい。より普遍的には、２５℃における信号光波長に相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと２５℃におけるＥＡ変調素子の利得ピーク波長に相当するエネルギーＥＥＡとを用いて、
４０ｍｅＶ＜（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）＜７０ｍｅＶ
となることが望ましい。
【００２７】
室温（２５℃）における信号光波長が１５５０ｎｍの場合について、本発明が提案する最適な離調量の範囲を図３に示す。室温における信号光波長が１５５０ｎｍであれば、本発明の提案による最適なＥＡ変調素子の利得ピーク波長は１４３０ｎｍから１４７０ｎｍの間に存在する。これは、図中の斜線で示した領域に相当する。なお、信号光波長は１５５０ｎｍに限らず、信号光波長が１４５０ｎｍから１６３０ｎｍの間のいずれかの値からなる場合でも、離調量の設定に関し、同様の関係が成り立つ。この場合、最適な離調量を考慮して、ＥＡ変調素子の利得ピーク波長を１３４０ｎｍから１５５０ｎｍとすれば良い。
【００２８】
続いて、高温における光損失とチャーピングとのトレードオフから、アンクールドＥＡ／ＤＦＢレーザのＥＡ変調素子の吸収層として用いられる量子井戸構造における障壁層の２５℃における好適な組成波長の範囲についても検討した。図４は、横軸が２５℃における障壁層の組成波長を表す。なお、図４は、信号光波長１５５０ｎｍ、２５℃におけるＥＡ変調素子の利得ピーク波長１４７０ｎｍのＥＡ／ＤＦＢレーザによる実験データである。左側の縦軸は８５℃における障壁層の光吸収に基づく挿入損への寄与分を表し、右側の縦軸は、量子井戸と障壁層の間の価電子帯側エネルギー不連続量（以下ΔＥｖとする）である。
【００２９】
図４に示すように、２５℃における障壁層の組成波長が長くなると、８５℃における障壁層の光吸収効果による挿入損への寄与分が増加する。これは、温度上昇に伴うバンドギャップの減少により、８５℃における障壁層組成波長が、２５℃における障壁層組成波長より長くなり、信号光波長に近づくためである。図４に示すように、２５℃における障壁層組成波長が１３５０ｎｍを超えると、８５℃における障壁層の光吸収に基づく挿入損への寄与分が３ｄＢを超える。このとき、ＥＡ変調素子における前記挿入損と前記変調損の和を９ｄＢ以下に抑えることが困難になる。この結果、４０ｋｍ以上の長距離伝送を無中継で行うために必要な変調時光出力を得るためには、ＤＦＢレーザに大きな電流を必要とすることになり、低消費電力動作に好適でない。このため、２５℃における前記障壁層組成波長は、１３５０ｎｍ以下とすることが望ましい。より普遍的には、信号光波長に相当するエネルギーＥｓｉｇｎａｌと障壁層組成波長に相当するエネルギーＥｂａｒｒｉｅｒを用いて、
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ
と表記される。
【００３０】
一方、２５℃における障壁層組成波長を短くすると、ΔＥｖが増加する。ΔＥｖが大きくなると、価電子帯側の量子井戸内に複数の量子準位が形成され、キャリヤ密度の変動に対する屈折率変動の割合が大きくなる。この結果、チャーピングが大きくなり４０ｋｍ以上の長距離伝送に好適でない。このため、チャーピング抑制のためには、ΔＥｖを出来るかぎり小さくすることが望ましい。一定の温度に制御された状態では１０Ｇｂｉｔ／ｓ、４０ｋｍの長距離伝送用を実現しているＩｎＧａＡｓＰ系材料よりなる量子井戸を光吸収層として用いるＥＡ変調素子では、前記ΔＥｖは１２０ｍｅＶ程度である。ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなる量子井戸構造において、ΔＥｖを１２０ｍｅＶにすると、２５℃におけるＥＡ変調素子利得ピーク波長１４７０ｎｍに対して、２５℃における障壁層組成波長は１０５０ｎｍとなる。このため、ＩｎＧａＡｌＡｓ系量子井戸を光吸収層として用いるＥＡ変調素子では、２５℃におけるＥＡ変調素子利得ピーク波長１４７０ｎｍのとき、障壁層組成波長を１０５０ｎｍ以上にすることが望ましい。より普遍的には、２５℃におけるＥＡ変調素子の利得ピーク波長に相当するエネルギーＥＥＡと、２５℃におけるバリヤ組成波長に相当するエネルギーＥｂａｒｒｉｅｒを用いて、
Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅｖ）
と表記される。
【００３１】
以上の考察から、４０ｋｍ以上の長距離伝送を目的としたＥＡ／ＤＦＢレーザのアンクールド動作に好適な量子井戸障壁層の設定として、
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅｖ）
となることが望ましい。なお、信号光波長は１５５０ｎｍに限らず、信号光波長が１４５０ｎｍから１６３０ｎｍの間のいずれかの値からなる場合でも、ＥＡ／ＤＦＢレーザのアンクールド動作に好適なＥＡ変調素子の量子井戸構造における障壁層組成波長の設定として、同様の関係が成り立つことは容易に推測できる。
【００３２】
上述の実験的検討では、ＥＡ変調素子に信号光を供給する光源として、ＤＦＢレーザを用いているが、これは必ずしもＤＦＢレーザである必要は無く、分布帰還型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）レーザでも同様の効果が得られる。また、必ずしもＥＡ変調素子と信号光を供給する光源がモノリシックに集積されている必要はない。何らかの手段を用いて信号光がＥＡ変調素子に集光するように構成された外部光源を使用した場合でも、信号光波長と離調量の関係および信号光と障壁層組成波長との関係は本質的に変わるものではない。
【００３３】
また、上述の議論では、ＥＡ／ＤＦＢレーザのアンクールド動作に着目したが、信号光を供給する光源として、何らかの手段により信号光波長を変化させることが可能な波長可変光源を用いた場合においても、信号光波長と離調量の関係および信号光波長と障壁層組成波長との関係は本質的に変わるものではない。
【００３４】
アンクールド動作では、温度変化に伴う離調量の変化が問題であったが、信号光を供給する光源に波長可変レーザを用いた場合、ＥＡ変調素子の利得ピーク波長は変わらず、信号光波長が変化することによって、離調量が変化する。前記波長可変レーザの最長発振波長をλｓｉｇｎａｌとし、使用温度におけるＥＡ変調素子の利得ピーク波長をλＥＡとすれば、前記波長可変レーザの最短波長動作時における挿入損と、最長波長動作時における消光比とのトレードオフから、アンクールド動作時と同様、
４０ｍｅＶ＜（ＥＥＡ−Ｅｓｉｇｎａｌ）＜７０ｍｅＶ
（Ｅｓｉｇｎａｌ＋１２０ｍｅＶ）＜Ｅｂａｒｒｉｅｒ＜（ＥＥＡ＋３５０ｍｅｖ）
が望ましいことは容易に推測できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、アンクールド動作に好適な半導体光変調素子を実現できる。また、本発明による光変調素子を用いれば、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザなどの単一モードレーザとの集積により、素子温度調整機構を必要としない、４０ｋｍ以上の長距離伝送に好適な発光装置を安価に製造することが可能となる。また、波長可変光源との集積により、広い波長可変幅に対応した光変調素子集積光デバイスを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（実施例１）ＲＷＧ−ＥＡ／ＤＦＢ（ＤＢＲ）
本発明を適用した半導体光集積素子の実施例１の製作過程を、図５、図６を用いて説明する。ただし図は飽くまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００３７】
まずｎ型ＩｎＰ基板１上へ、ＭＯＣＶＤ法により電界吸収型光変調器となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造２を形成する（図５（ａ））。このとき、量子井戸構造２の２５℃における発光波長は約１４７０ｎｍである。例えば、厚さ６ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．５４，０．３８，０．０８とした量子井戸層と、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌの組成比をそれぞれ０．５２，０．３３，０．１５とした障壁層を積層することにより、所望の発光波長を得ることができる。また、量子井戸構造としては、量子井戸と障壁層を１０層程度、交互に積層することにより、消光に十分な光閉じ込め構造を形成できる。続いて、所望の長さの電界吸収型光変調器を残しｎ型ＩｎＰ基板１の表面までエッチングを行う（図５（ｂ））。また、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓを有する半導体層のエッチング技術については、例えば特開２００５−１５０１８１に詳しく記述されている。
【００３８】
次に、半導体レーザ部となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造３を形成する（図５（ｃ））。量子井戸構造３の２５℃における発光波長は約１５４０ｎｍである。例えば、厚さ４ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．６５，０．３，０．０５とした量子井戸と、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．５５，０．３３，０．１２とした障壁層を積層することにより、所望の発光波長を得ることができる。
【００３９】
また、量子井戸と障壁層を８層程度交互に積層することにより、レーザ発振に好適な光閉じ込め構造を形成できる。ここで、図示は省略するが、上記量子井戸構造３を、厚さ１００ｎｍ程度、Ｉｎ，Ａｌの組成比を０．５２，０．４８としたＩｎＡｌＡｓバルク成長層で挟むことにより、レーザ発振に好適なキャリヤ閉じ込め構造を形成できる。
【００４０】
続いて、上述の電界吸収型光変調器部に影響を与えないようにして、所望の長さの半導体レーザ部を残しｎ型ＩｎＰ基板１の表面までエッチングを行う。また、エッチング技術に関しては、上述の通り、特開２００５−１５０１８１に詳しく述べられている。
【００４１】
次にＩｎＧａＡｓＰ系からなる光導波路層４を上述の電界吸収型光変調器部と半導体レーザ部との間に形成する（図５（ｄ））。光導波路層４の詳細な構造としては、例えば厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層に続いて厚さ２００ｎｍ、組成波長１３００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ成長層を積層し、さらに厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層を積層した構造が望ましい。前記構造により、光損失の小さい光導波路層が形成できる。
【００４２】
次に、上述の半導体レーザ部となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造３の上方に、エッチングにより回折格子５を形成する（図５（ｅ））。回折格子層としてはＩｎＰより屈折率の高い半導体が望ましい。例えば、厚さ３０ｎｍの組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ成長層などが好適である。回折格子の形成には、公知の技術である干渉露光法や電子ビーム描画法によるレジストへのパターン形成と、湿式、あるいは乾式エッチング工程を組み合わせればよい。具体的なレジストパターンとしては、メサと垂直な方向に、およそ２４０ｎｍ間隔のストライプを形成すればよい。これにより、光通信に好適な安定した縦シングルモード発振が得られる。
【００４３】
次に、上述の電界吸収型光変調器となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造２の光出射端側の一部を、ｎ型ＩｎＰ基板１に達するまでエッチングし、窓構造６を形成する（図５（ｆ））。
【００４４】
引き続き、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰ層７を形成する（図６（ａ））。その後、リッジ型導波路となる部分を除き、電界吸収型光変調器となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造２および半導体レーザ部となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造３および光導波路層４の表面まで、ｐ型ＩｎＰ層７をエッチングすることによりリッジ型導波路構造１３を形成する（図６（ｂ））。このとき、リッジ幅を２μｍ程度にすると、光通信に好適な安定した横シングルモード発振が得られる。
【００４５】
続いて熱ＣＶＤ法により全面に酸化シリコン膜８を形成（図６（ｃ））した後、半導体発光装置と電界吸収型光変調器部のリッジ部１３の頂面のみ、酸化シリコン膜８の除去を行う。ここで本実施例ではシリコン酸化膜を用いているが、代わりにシリコン窒化膜等を用いてもよい。次にポリイミド樹脂９により、酸化シリコン膜８を除去したリッジ部１３の頂面に合わせて、ウエハを平坦化し、続いて、光変調器部ｐ電極１０と半導体レーザ部ｐ電極１１を形成する。電極材料としては公知のＴｉ、Ａｕを順次積層すればよい。
【００４６】
続いて、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にｎ電極１２を形成する。電極材料としては同じく公知のＡｕＧｅ、Ｔｉ、Ａｕを順次積層すればよい（図６（ｄ））。
【００４７】
電極形成後、劈開により素子を切り出し、後端面に反射率９０％の反射膜、前端面に反射率１％以下の低反射膜をスパッタリング法により形成する。
【００４８】
以上の手法によれば、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部が同一基板上に集積されたリッジ導波路型半導体光集積デバイスを作成できる。なお、ＥＡ変調部、導波路部およびＤＦＢレーザ部の結晶成長の順番はこれに限るものではない。例えば、ＤＦＢレーザ部が最初に形成されても得られるデバイス構造は変わるものではない。電界吸収型光変調器の材料としては，井戸層がＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓのいずれからなり，障壁層がＩｎＧａＡｌＡｓ，あるいはＩｎＡｌＡｓのいずれからなる量子井戸構造であればよい。また半導体レーザ部の材料として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の替わりにＩｎＧａＡｓＰ系を、光導波路の材料としてＩｎＧａＡｓＰ系の替わりにＩｎＧａＡｌＡｓ系を使用してもよい。
【００４９】
また、結晶成長手法は必ずしもＭＯＣＶＤ法に限らず、ＭＢＥ法などで形成してもよい。また、選択成長手法を用いてＥＡ変調部、導波路部、ＤＦＢレーザ部を一回の結晶成長工程により形成してもよい。また、窓構造に代えて曲がり導波路構造を用いてもよい。また，ポリイミドによる平坦化は必ずしも必要ではない。
【００５０】
以上の手順から、ＤＦＢレーザ部がＤＢＲレーザ、ＳＯＡなど他の光機能を有する構造に置き換わった場合の素子製作方法も容易に類推できよう。
【００５１】
次に実施例１のリッジ導波路型半導体光集積デバイスの動作方法について記す。半導体レーザ部ｐ電極１１に順方向バイアスを印加することにより、レーザ発振が得られる。このとき、回折格子５により光は周期的な帰還を受けるため、発振スペクトルはシングルモードとなる。また、発振波長は１５５０ｎｍとなる。レーザ光は光導波路４を通過して電界吸収型光変調部２に入射する。光変調器部ｐ電極１０に逆方向バイアスを印加することにより、レーザ光を吸収する。これにより光のオン・オフができる。電界吸収型光変調部２を通過したレーザ光は窓構造６を通過してデバイス外部に出射する。これにより、光ファイバとの光結合が容易となり、結合損失を３ｄＢ以下に抑えることが可能となる。半導体レーザ部の動作電流は−５℃〜８５℃において７０〜１５０ｍＡの範囲であった。また変調用電極１０へ印加する電圧を、実施例１のリッジ導波路型半導体光集積デバイスの周囲温度に応じて最適に調節することにより、変調速度１０Ｇｂｐｓ動作時に、動的消光比１０ｄＢ以上を得た。これにより、−５℃〜８５℃において温度調節の必要なくビットレート１０Ｇｂｐｓにおいて、伝送距離４０ｋｍ以上で良好なアイ開口を得ることが可能となった。
【００５２】
（実施例２）ＢＨ−ＥＡ／ＤＦＢ（ＤＢＲ）
本発明を適用した半導体光集積デバイスの他の実施例による構成の斜視図を図７（ａ）に、中央部で切断した断面を示す斜視図を図７（ｂ）に示す。ここでは、実施例１の図５、図６に示した工程の図は省略する。ただし図は飽くまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００５３】
まずｎ型ＩｎＰ基板１上へ、ＭＯＣＶＤ法により電界吸収型光変調器となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造２を形成する。このとき、量子井戸構造２の２５℃における発光波長は約１４７０ｎｍである。例えば、厚さ６ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．５４，０．３８，０．０８とした量子井戸層と、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．５２，０．３３，０．１５とした障壁層を積層することにより、所望の発光波長を得ることができる。また、量子井戸構造としては、量子井戸と障壁層を１０層程度、交互に積層することにより、消光に十分な光閉じ込め構造を形成できる。続いて、所望の長さの電界吸収型光変調器を残しｎ型ＩｎＰ基板１の表面までエッチングを行う。この工程は、図５（a）、（ｂ）に示す状態と同様である。
【００５４】
次に、半導体レーザ部となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造３を形成する。量子井戸構造３の２５℃における発光波長は約１５４０ｎｍである。例えば、厚さ４ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．６５，０．３，０．０５とした量子井戸と、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．５５，０．３３，０．１２とした障壁層を積層することにより、所望の発光波長を得ることができる。また、量子井戸と障壁層を８層程度交互に積層することにより、レーザ発振に好適な光閉じ込め構造を形成できる。ここで、図示は省略するが、上記量子井戸構造３を、厚さ１００ｎｍ程度、Ｉｎ，Ａｌの組成比を０．５２，０．４８としたＩｎＡｌＡｓバルク成長層で挟むことにより、レーザ発振に好適なキャリヤ閉じ込め構造を形成できる。
【００５５】
続いて、上述の電界吸収型光変調器部に影響を与えないようにして、所望の長さの半導体レーザ部を残しｎ型ＩｎＰ基板１の表面までエッチングを行う。この工程は、図５（ｃ）、（ｄ）に示す状態と同様である。
【００５６】
次に、上述の電界吸収型光変調器部と半導体レーザ部との間にＩｎＧａＡｓＰ系からなる光導波路層４を形成する。光導波路層の詳細な構造としては、例えば厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層に続いて厚さ２００ｎｍ、組成波長１３００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ成長層を積層し、さらに厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層を積層した構造などが望ましい。前記構造により、光損失の小さい光導波路層が形成できる。この工程は、図５（ｄ）に示す状態と同様である。
【００５７】
次に、上述の半導体レーザ部となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造３の上方に、エッチングにより回折格子５を形成する。回折格子層としてはＩｎＰより屈折率の高い半導体が望ましい。例えば、厚さ３０ｎｍの組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ成長層などが好適である。回折格子の形成には、公知の技術である干渉露光法や電子ビーム描画法によるレジストへのパターン形成と、湿式、あるいは乾式エッチング工程を組み合わせればよい。具体的なレジストパターンとしては、メサと垂直な方向に、およそ２４０ｎｍ間隔のストライプを形成すればよい。これにより、光通信に好適な安定した縦シングルモード発振が得られる。この工程は、図５（ｅ）に示す状態と同様である。
【００５８】
次に、上述の電界吸収型光変調器となるＩｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ系からなる量子井戸構造２の一部をｎ型ＩｎＰ基板１に達するまでエッチングし、窓構造６を形成する。この工程は、図５（ｆ）に示す状態と同様である。
【００５９】
引き続き、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰ層７を全面に形成する。この工程は、図６（ａ）に示す状態と同様である。続いて、ｎ型ＩｎＰ基板１に達するまでエッチングを行い、リッジ部（ハイメサ構造）１３を形成する。この状態は図６（ｂ）と同様であるが、実施例２では、ｎ型ＩｎＰ基板１に達するまでエッチングされているため、リッジ部１３が基板１の上に直立し、リッジ部１３の基部にのみ窓構造６、量子井戸構造２、光導波路層４および回折格子５が上方に形成された量子井戸構造３が形成された構成となる点において、図６（ｂ）と異なる。このとき、リッジ幅を２μｍ程度にすると、光通信に好適な安定した横シングルモード発振が得られる。
【００６０】
続いて、ＭＯＣＶＤ法によりリッジ部１３の両側に半絶縁性ＩｎＰ層１４を形成する。
【００６１】
続いて、熱ＣＶＤ法により全面に酸化シリコン膜８を形成し、半導体発光装置と電界吸収型光変調器部のリッジ部１３および光変調器部ｐ電極１０と半導体レーザ部ｐ電極１１を形成する領域のみ、酸化シリコン膜８の除去を行う。ここで実施例２ではシリコン酸化膜を用いているが、代わりにシリコン窒化膜等を用いてもよい。
【００６２】
続いて、光変調器部ｐ電極１０と半導体レーザ部ｐ電極１１を形成する。電極材料としては公知のＴｉ，Ａｕを順次積層すればよい。続いて、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にｎ電極１２を形成する。電極材料としては同じく公知のＡｕＧｅ，Ｔｉ，Ａｕを順次積層すればよい。
【００６３】
電極形成後、劈開により素子を切り出し、後端面に反射率９０％の反射膜、前端面に反射率１％以下の低反射膜をスパッタリング法により形成する。
【００６４】
以上の手法によればＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部が同一基板上に集積されたヘテロ埋め込み型半導体光集積デバイスを作成できる。尚、ＥＡ変調部と導波路部、ＤＦＢレーザ部の結晶成長の順番はこれに限るものではない。例えば、ＤＦＢレーザ部が最初に形成されても得られるデバイス構造は変わるものではない。電界吸収型光変調器の材料としては，井戸層がＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓのいずれからなり，障壁層がＩｎＧａＡｌＡｓ，あるいはＩｎＡｌＡｓのいずれからなる量子井戸構造であればよい。また半導体レーザ部の材料として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の替わりにＩｎＧａＡｓＰ系を、光導波路の材料としてＩｎＧａＡｓＰ系の替わりにＩｎＧａＡｌＡｓ系を使用してもよい。また、結晶成長手法は必ずしもＭＯＣＶＤ法に限らず、ＭＢＥ法などで形成してもよい。また、選択成長手法を用いてＥＡ変調部、導波路部、ＤＦＢレーザ部を一回の結晶成長工程により形成してもよい。また、窓構造の変わりに曲がり導波路構造を用いてもよい。
【００６５】
以上の手順から、ＤＦＢレーザ部がＤＢＲレーザ、ＳＯＡなどに置き換わった場合の素子製作方法も容易に類推できよう。
【００６６】
実施例２による半導体光集積デバイスの動作方法については、実施例１と同様である。
【００６７】
（実施例３）ＲＷＧ−ＥＡ／波長可変ＬＤ
本発明を適用して波長可変ＬＤとした半導体光集積デバイスの実施例による構成の斜視図を図８（ａ）に、中央部で切断した断面を示す斜視図を図８（ｂ）に示す。ここでも、実施例１の図５、図６に示した工程の図は省略する。ただし図は飽くまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００６８】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上へ、ＭＯＣＶＤ法により電界吸収型光変調器となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造２を形成する。このとき、量子井戸構造２の２５℃における発光波長は約１４７０ｎｍである。例えば、厚さ６ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．５４，０．３８，０．０８とした量子井戸層と、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．５２，０．３３，０．１５とした障壁層を積層することにより、所望の発光波長を得ることができる。また、量子井戸構造２としては、量子井戸と障壁層を１０層程度、交互に積層することにより、消光に十分な光閉じ込め構造を形成できる。続いて、所望の長さの電界吸収型光変調器を残しｎ型ＩｎＰ基板１の表面までエッチングを行う。この工程は、図５（a）、（ｂ）に示す状態と同様である。
【００６９】
次に、半導体レーザ部となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造３を形成する。量子井戸構造３の２５℃における発光波長は約１５４０ｎｍである。例えば、厚さ４ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．６５，０．３，０．０５とした量子井戸と、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比をそれぞれ０．５５，０．３３，０．１２とした障壁層を積層することにより、所望の発光波長を得ることができる。また、量子井戸と障壁層を７層程度交互に積層することにより、レーザ発振に好適な光閉じ込め構造を形成できる。ここで、図示は省略するが、上記量子井戸構造３を、厚さ１００ｎｍ程度、Ｉｎ，Ａｌの組成比を０．５２，０．４８としたＩｎＡｌＡｓバルク成長層で挟むことにより、レーザ発振に好適なキャリヤ閉じ込め構造を形成できる。
【００７０】
続いて、上述の電界吸収型光変調器部に影響を与えないようにして、上述の電界吸収型光変調器部と量子井戸構造３による所望の長さの活性領域１５および位相調整領域１６を残しｎ型ＩｎＰ基板１の表面までエッチングを行う。この工程は、図５（ｃ）、（ｄ）に示す状態と同様であるが、波長可変ＬＤでは、電界吸収型光変調器部の反対側の量子井戸構造３による所望の長さの位相調整領域１６側に光導波路層４を形成するので、量子井戸構造３の電界吸収型光変調器部の反対側部分も所定の長さだけｎ型ＩｎＰ基板１の表面までエッチングを行う。
【００７１】
次に、電界吸収型光変調器部と量子井戸構造３による所望の長さの活性領域１４との間および量子井戸構造３による所望の長さの位相調整領域１６に隣接する領域にＩｎＧａＡｓＰ系からなる光導波路層４を形成する。光導波路層４の詳細な構造としては、例えば厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層に続いて厚さ２００ｎｍ、組成波長１３００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ成長層を積層し、さらに厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層を積層した構造などが望ましい。前記構造により、光損失の小さい光導波路層が形成できる。
【００７２】
次に、位相調整領域１５に隣接した領域のＩｎＧａＡｓＰ系からなる光導波路層４の所望の領域に、エッチングにより回折格子５を形成し、分布反射型領域１７を形成する。回折格子の形成には、公知の技術である干渉露光法や電子ビーム描画法によるレジストへのパターン形成と、湿式、あるいは乾式エッチング工程を組み合わせればよい。
【００７３】
次に、上述の電界吸収型光変調器となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造２の光出射端側の一部を、ｎ型ＩｎＰ基板１に達するまでエッチングし、窓構造６を形成する。この工程は、図５（ｆ）に示す状態と同様である。
【００７４】
引き続き、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰ層７を形成する。この工程は、図６（ａ）に示す状態と同様である。その後、リッジ型導波路となる部分を除き、電界吸収型光変調器となるＩｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ系からなる量子井戸構造２および半導体レーザ部となるＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる量子井戸構造３および光導波路層４の表面まで、ｐ型ＩｎＰ層７をエッチングすることによりリッジ型導波路構造１３を形成する。この工程は、図６（ｂ）に示す状態と同様である。このとき、リッジ幅を約２μｍにすると、光通信に好適な安定した横シングルモード発振が得られる。
【００７５】
続いて熱ＣＶＤ法により全面に酸化シリコン膜８を形成する。この工程は、図６（ｃ）に示す状態と同様である。次いで、後述する電極１０，１８，１９および２０に対応する位置のリッジ部１３の酸化シリコン膜８の除去を行う。ここで、実施例３ではシリコン酸化膜を用いているが、代わりにシリコン窒化膜等を用いてもよい。
【００７６】
次にポリイミド樹脂９により、酸化シリコン膜８を除去したリッジ１３の頂面の高さにウエハを平坦化する。続いて、光変調器部ｐ電極１０と活性領域ｐ電極１７、位相調整領域ｐ電極１８、分布反射型領域ｐ電極１９を形成する。電極材料としては公知のＴｉ，Ａｕを順次積層すればよい。続いて、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にｎ電極１２を形成する。電極材料としては同じく公知のＡｕＧｅ，Ｔｉ，Ａｕを順次積層すればよい。
【００７７】
電極形成後、劈開により素子を切り出し、後端面に反射率９０％の反射膜、前端面に反射率１％以下の低反射膜をスパッタリング法により形成する。
【００７８】
以上の手法によれば、ＥＡ変調器部と波長可変レーザ部が同一基板上に集積されたリッジ導波路型半導体光集積デバイスを作成できる。尚、ＥＡ変調部と導波路部、波長可変レーザ部の結晶成長の順番はこれに限るものではない。電界吸収型光変調器の材料としては，井戸層がＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓのいずれからなり，障壁層がＩｎＧａＡｌＡｓ，あるいはＩｎＡｌＡｓのいずれからなる量子井戸構造であればよい。また波長可変レーザ部の材料として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の替わりにＩｎＧａＡｓＰ系を、光導波路の材料としてＩｎＧａＡｓＰ系の替わりにＩｎＧａＡｌＡｓ系を使用してもよい。また、結晶成長手法は必ずしもＭＯＣＶＤ法に限らず、ＭＢＥ法などで形成してもよい。また、選択成長手法を用いてＥＡ変調部、導波路部、波長可変レーザ部を一回の結晶成長工程により形成してもよい。また、窓構造の変わりに曲がり導波路構造を用いてもよい。さらに、実施例１、２からヘテロ埋め込み型素子の製作方法も容易に類推できよう。また，ポリイミドによる平坦化は必ずしも必要ではない。
【００７９】
次に、実施例３の半導体光集積デバイスの動作方法について記す。活性領域ｐ電極１８に順方向バイアスを印加することにより、レーザ発振が得られる。このとき、分布反射領域１７により光は周期的な帰還を受けるため、発振スペクトルはシングルモードとなる。分布反射領域ｐ電極２０に電流を流すことによりブラッグ反射条件を変化させ、レーザ発振波長を変えることができる。また、位相調整領域ｐ電極１９に電流を流すことにより、モードホップのない連続的な波長可変が実現できる。
【００８０】
実施例１より、実施例３におけるレーザ光の変調法についても、容易に類推できよう。
【００８１】
（実施例４）ＥＡ／ＤＦＢを用いたモジュール
実施例１及び実施例２で説明した半導体光集積素子を用いた送受信モジュールの実施例を、図９を用いて構造の概要を、図１０を用いて制御系の概要を説明する。ただし図はあくまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００８２】
２１は小型光送信モジュールであり、内部基板２１'に、本発明によるアンクールド動作に対応したレーザ部３１と光変調器３２を集積化した半導体光集積素子２２を搭載する。モジュール２１の先端部にはレンズ２５がレンズ支持体２５’によって保持される。半導体光集積素子２２とレンズ２５はレーザ部３１の発生する光の光軸が一致するように配置される。内部基板２１'上の半導体光集積素子２２近傍には感温抵抗２３が配置されモジュール内の温度の信号を出力する。また、半導体光集積素子２２の後方にはモニタ用受光素子２４が配置され、レーザ部３１の後方への漏れによる光出力を検出する。モニタ用受光素子２４の出力は、レーザ部３１の動作温度信号として利用される。小型光送信モジュール２１と隣接して、制御装置２９が配置され、制御装置２９には、光変調器制御回路３３および光レーザ部制御回路３４が設けられる。小型光送信モジュール２１と制御装置２９との間にはリードライン２７が配置され、両者の間の必要な信号の授受を行う。なお、２８はワイヤでリードライン２７と各素子間の接続用である。また、２６は高周波線路で、光変調器制御回路３３の信号を光変調器３２に与える。モニタ用受光素子２４に入射した光強度に応じた電気信号がワイヤ２８、リード線２７を介して制御装置２９の光レーザ部制御回路３４に送られ、所望の光出力が得られるように、半導体光集積素子２２のレーザ部３１に流れる電流値に対してフィードバック制御がかけられる。
【００８３】
このように、感温抵抗２３により小型光送信モジュール２１内の温度を監視して光変調器３２を制御し、モニタ用受光素子２４によりレーザ部３１の動作温度を監視してレーザ部３１を制御することにより、図３に示す特性を実現できるように構成された半導体発光素子を，温度調整を必要としない光送信器として使用することができる。なお、図９では、制御回路とモジュールを構成する素子をワイヤとリード線を介して接続しているが、これらは同一チップ内にモノリシックに集積されていてもよい。本モジュールを用いれば小型・低消費電力かつ長距離伝送に好適な高速光信号を容易に作り出せる。また、図９、図１０では波長可変型の半導体光集積素子については、説明を省略した。
【００８４】
（実施例５）光通信システム
図１１は、図９、図１０で説明した本発明の光送信モジュールと、別に作成した光受信モジュールとを搭載した光送受信器パッケージにより光通信システムの端末を構成する模式図である。図において、３７は光送受信器パッケージ、３５は光送信モジュール、３８は光送信モジュール駆動回路、３６は光受信モジュール、３９は光受信モジュール駆動回路、４０，４１は、それぞれ光ファイバであり、光送信モジュール３５、光受信モジュール３６に対応して設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】ＥＡ変調素子の利得ピーク波長λＥＡとＤＦＢレーザの発振波長λｓｉｇｎａｌの温度依存性の例を示す図である。
【図２】ＥＡ／ＤＦＢレーザにおける動作温度の上限の８５℃における基礎吸収に基づく挿入損と、動作温度の下限である−５℃における消光比の離調量の依存性の例を示す図である。
【図３】本発明で提案するＤＦＢレーザの信号光波長に対応する最適なＥＡ変調素子の利得ピーク波長の範囲の例を示す図である。
【図４】ＥＡ／ＤＦＢレーザのＥＡ変調素子の吸収層として用いられる量子井戸構造の動作温度の上限の８５℃における障壁層の光吸収に基づく挿入損への寄与と、量子井戸と障壁層の間の価電子帯側エネルギー不連続量の２５℃における障壁層の組成波長の依存性の例を示す図である。
【図５】本発明の実施例１の半導体光集積素子の製作過程の前半部を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の半導体光集積素子の製作過程の後半部を示す図である。
【図７】（ａ）は本発明の実施例２のＢＨ構造とした半導体光集積デバイスの構成の斜視図、（ｂ）は中央部で切断した断面を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は本発明の実施例３の波長可変ＬＤとした半導体光集積デバイスの構成の斜視図、（ｂ）は中央部で切断した断面を示す斜視図である。
【図９】実施例１及び実施例２で説明した半導体光集積素子を用いた送受信モジュールの実施例の構造の概要を示す概観図である。
【図１０】実施例１及び実施例２で説明した半導体光集積素子を用いた送受信モジュールの実施例の制御系の概要を示す概観図である。本発明の第五の実施形態を示す概観図。
【図１１】図９、図１０で説明した本発明の光送信モジュールと、別に作成した光受信モジュールとを搭載した光送受信器パッケージにより光通信システムの端末を構成する模式図である。
【符号の説明】
【００８６】
１…ｎ型ＩｎＰ基板、２…ＩｎＧａＡｌＡｓ系量子井戸構造、３…ＩｎＧａＡｌＡｓ系量子井戸構造、４…光導波路層、５…回折格子、６…窓構造、７…ｐ型ＩｎＰ層、８…シリコン酸化膜、９…ポリイミド樹脂、１０…変調器部ｐ電極、１１…半導体レーザ部ｐ電極、１２…ｎ電極、１３…リッジ部、１４…半絶縁性ＩｎＰ層、１５…活性領域、１６…位相調整領域、１７…分布反射型領域、１８…活性領域ｐ電極、１９８…位相調整領域ｐ電極、２０…分布反射型領域ｐ電極、２１…小型光送信モジュール、２１’…モジュール基板、２２…半導体光集積素子、２３…感温抵抗、２４…モニタ用受光素子、２５…レンズ、２５’…レンズ支持体、２６…高周波線路、２７…リードライン、２８…ワイヤ、２９…制御装置、３１…レーザ部、３２…光変調器、３３…光変調器制御回路、３４…光レーザ部制御回路、３５…小型光送信モジュール、３６…小型光受信モジュール、３７…小型光送受信器パッケージ、３８…光送信モジュール駆動回路、３９…光受信モジュール駆動回路、４０…光ファイバ、４１…光ファイバ。
【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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