(57)【要約】【課題】電流源のオフセットの影響が抑制され、特性が向上される半導体光機能素子、光モジュール、及びその制御方法の提供。【解決手段】注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部を有する半導体光機能素子の制御方法であって、前記屈折率変化部に、前記順方向電流を供給する電流源を接続して、第１の閉回路を形成し、前記屈折率変化部に、制御抵抗と電圧源とを直列に接続して、第２の閉回路を形成し、前記電圧源は、前記順方向電流の方向とは逆方向の電圧又は０Ｖの電圧を供給し、前記電流源が供給する電流を制御して、前記屈折率変化部の屈折率を制御し、前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、ことを特徴とする。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部に、前記順方向電流を供給する電流源を接続して、第１の閉回路を形成し、
前記屈折率変化部に、制御抵抗と電圧源とを直列に接続して、第２の閉回路を形成し、
前記電圧源は、前記順方向電流の方向とは逆方向の電圧又は０Ｖの電圧を供給し、
前記電流源が供給する電流を制御して、前記屈折率変化部の屈折率を制御し、
前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、
ことを特徴とする、前記屈折率変化部を有する半導体光機能素子の制御方法。
【請求項２】
注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部に、前記順方向電流を供給する電流源を接続して、第１の閉回路を形成し、
前記屈折率変化部に、制御抵抗を接続して、第２の閉回路を形成し、
前記電流源が供給する電流を制御して、前記屈折率変化部の屈折率を制御し、
前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、
ことを特徴とする、前記屈折率変化部を有する半導体光機能素子の制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体光機能素子の制御方法において、
前記屈折率変化部は、前記逆方向の電圧が印加される場合に、該電圧に応じて正の屈折率変化が生じる、
ことを特徴とする、半導体光機能素子の制御方法。
【請求項４】
注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部を有する、半導体光機能素子、を備え、
前記屈折率変化部は、電流源に接続して第１の閉回路を形成するとともに、制御抵抗と電圧源とに直列に接続して第２の閉回路を形成し、
前記電圧源は、前記順方向電流の方向とは逆方向の電圧又は０Ｖの電圧を供給し、
前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、
ことを特徴とする、光モジュール。
【請求項５】
注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部を有する、半導体光機能素子、を備え、
前記屈折率変化部は、電流源に接続して第１の閉回路を形成するとともに、制御抵抗に接続して第２の閉回路を形成し、
前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、
ことを特徴とする、光モジュール。
【請求項６】
請求項４に記載の光モジュールにおいて、
前記屈折率変化部は、前記順方向電流と逆方向の電圧が印加される場合に、該電圧に応じて正の屈折率変化が生じる、
ことを特徴とする、光モジュール。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれかに記載の光モジュールにおいて、
前記半導体光機能素子は、
前記屈折率変化部を含む半導体多層の上側に形成される、前記電流源と接続されるための第１の電極と、
前記電圧源と接続されるための第２の電極と、をさらに備え、
前記制御抵抗は、前記半導体光機能素子上の、前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成される、
ことを特徴とする、光モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の光モジュールにおいて、
前記第２の電極は、前記半導体多層の上側であって、前記第１の電極の側方に形成され、
前記制御抵抗は、前記半導体光機能素子の前記第１の電極と前記第２の電極の間に位置する半導体のバルク抵抗である、
ことを特徴とする、光モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載の光モジュールにおいて、
前記制御抵抗は、前記第１の電極と前記第２の電極の間隔、及び、前記半導体のキャリア濃度によって決定される、
ことを特徴とする、光モジュール。
【請求項１０】
請求項４乃至６のいずれかに記載の光モジュールにおいて、
前記半導体光機能素子を搭載する、保持台を、さらに備え、
前記保持台は、前記電流源と接続されるための第１の電極と、前記電圧源と接続されるための第２の電極と、を備え、
前記制御抵抗は、前記保持台上の、前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成され、
前記第１の電極は、前記半導体光機能素子の前記屈折率変化部に接続される、
ことを特徴とする、光モジュール。
【請求項１１】
注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部と、
前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、制御抵抗と、
を備え、
前記屈折率変化部は、電流源に接続して第１の閉回路を形成するとともに、前記制御抵抗と電圧源とに直列に接続して第２の閉回路を形成し、
前記電圧源は、前記順方向電流の方向とは逆方向の電圧又は０Ｖの電圧を供給する、
ことを特徴とする、半導体光機能素子。
【請求項１２】
注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部と、
前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、制御抵抗と、
を備え、
前記屈折率変化部は、電流源に接続して第１の閉回路を形成するとともに、前記制御抵抗に接続して第２の閉回路を形成する、
ことを特徴とする、半導体光機能素子。
【請求項１３】
請求項１１に記載の半導体光機能素子において、
前記屈折率変化部は、前記順方向電流と逆方向の電圧が印加される場合に、該電圧に応じて正の屈折率変化が生じる、
ことを特徴とする、半導体光機能素子。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれかに記載の半導体光機能素子において、
前記電流源と接続されるための第１の電極と、前記電圧源と接続されるための第２の電極と、をさらに備え、
前記第１の電極は、前記屈折率変化部を含む半導体多層の上側に形成され、
前記制御抵抗は、前記半導体光機能素子上の、前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成される、
ことを特徴とする、半導体光機能素子。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体光機能素子において、
前記第２の電極は、前記半導体多層の上側であって、前記第１の電極の側方に形成され、
前記制御抵抗は、前記半導体光機能素子の前記第１の電極と前記第２の電極の間隔に位置する半導体のバルク抵抗である、
ことを特徴とする、半導体光機能素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光機能素子及びそれを備える光モジュールに関し、特に、注入電流によって屈折率を制御する半導体光機能素子の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体材料に電流注入をすることにより当該半導体材料の屈折率変化を利用する半導体光機能素子が用いられている。電流注入による屈折率変化は主にプラズマ効果とバンドフィリングの２つの影響がある。後者は材料組成波長（λｇ）と光波長が近いときに影響が大きくなり、光吸収損失が過大になるという欠点がある。そこで、一般的にはプラズマ効果による屈折率変化を利用する場合が多い。プラズマ効果を用いた屈折率変化では、電流注入によって屈折率が低下することが知られている。
【０００３】
電流注入による屈折率変化を利用する半導体光機能素子には、波長可変フィルタ、波長可変レーザ、光スイッチ、光合分波器などがある。波長可変フィルタの例として、例えば、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）フィルタがある。ＤＢＲフィルタを用いた波長可変フィルタが、非特許文献１に開示されている。非特許文献１に開示の波長可変フィルタとして、ＤＢＲフィルタに加えて、ＬＧＬＣ（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｇｒａｔｉｎｇ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｃｏ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｕｐｌｅｒ）波長可変フィルタが、レーザ利得媒体とモノリシックに集積した小型波長可変レーザである。電流注入により、屈折率が低下し、波長可変フィルタを透過する光の波長が短波長側にシフトする。すなわち、波長変化Δλは負の値となる。また、光スイッチの例が、非特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８８５２４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ２０１１，  ＯＷＤ７，  ２０１１
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．２，  Ｎｏ．３，  ｐ．２１４−２１５，  １９９０
【非特許文献３】ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．１２，  Ｎｏ．３，  ｐ．２４２−２４４，  ２０００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１４Ａは、半導体光機能素子を制御する回路の参考例の等価回路である。半導体光機能素子の屈折率変化部１はダイオードで表され、半導体光機能素子の内部抵抗（バルク抵抗）が抵抗２で表され、屈折率変化部１と抵抗２は直列接続されている。屈折率変化部１と抵抗２の両端に電流源４が接続されている。電流源４から屈折率変化部１に電流（順方向電流）が注入されると、屈折率変化部１に自由電子が蓄積され、プラズマ周波数が高くなることにより、屈折率が低下する（負の屈折率変化が生じる）。
【０００７】
実際に、半導体光機能素子を駆動する場合、電流源４（電源回路）のオフセットによって、最小の駆動電流を０ｍＡにすることは難しい。図２に示す曲線Ｐ１が、図１４Ａに示す参考例の場合の波長変化特性を表している。図２に示す通り、電流源の電流ＩＳが０から正へ増加するに伴って、屈折率は低下し、それに伴い、波長変化Δλは負の値となり、その絶対値は増大する。電流源４のオフセットに起因して、図に領域Ａと示す電流範囲の電流ＩＳを駆動することが出来ない。それゆえ、駆動可能な電流範囲は、図に領域Ｂと示す電流範囲に限定され、かかる電流範囲に対応した屈折率変化の範囲しか利用することが出来ず、波長変化Δλの範囲は領域Ｒ０に限定される。電流ＩＳが大きくなると、キャリア密度が高くなるので、屈折率変化の効果が小さくなり、熱による正方向への屈折率変化の影響もあり、屈折率変化は飽和してしまう。すなわち、波長変化Δλの絶対値の増加分も小さい。電流ＩＳが領域Ａの電流範囲にあるとき、電流ＩＳの増加分に対する屈折率変化は大きいので、電流源４のオフセットによって、かかる電流領域に対応した屈折率変化が利用出来ないことの影響は非常に大きい。
【０００８】
本発明は、かかる課題を鑑みてなされてものであり、本発明の目的は、電流源のオフセットの影響が抑制され、特性が向上される半導体光機能素子、光モジュール、及びその制御方法の提供とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光機能素子の制御方法は、注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部に、前記順方向電流を供給する電流源を接続して、第１の閉回路を形成し、前記屈折率変化部に、制御抵抗と電圧源とを直列に接続して、第２の閉回路を形成し、前記電圧源は、前記順方向電流の方向とは逆方向の電圧又は０Ｖの電圧を供給し、前記電流源が供給する電流を制御して、前記屈折率変化部の屈折率を制御し、前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、ことを特徴とする、前記屈折率変化部を有する半導体光機能素子の制御方法とする。
【００１０】
（２）また、本発明に係る半導体光機能素子の制御方法は、注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部に、前記順方向電流を供給する電流源を接続して、第１の閉回路を形成し、前記屈折率変化部に、制御抵抗を接続して、第２の閉回路を形成し、前記電流源が供給する電流を制御して、前記屈折率変化部の屈折率を制御し、前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、ことを特徴とする、前記屈折率変化部を有する半導体光機能素子の制御方法であってもよい。
【００１１】
（３）上記（１）に記載の半導体光機能素子の制御方法において、前記屈折率変化部は、前記逆方向の電圧が印加される場合に、該電圧に応じて正の屈折率変化が生じてもよい。
【００１２】
（４）本発明に係る光モジュールは、注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部を有する、半導体光機能素子、を備え、前記屈折率変化部は、電流源に接続して第１の閉回路を形成するとともに、制御抵抗と電圧源とに直列に接続して第２の閉回路を形成し、前記電圧源は、前記順方向電流の方向とは逆方向の電圧又は０Ｖの電圧を供給し、前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きくてもよい。
【００１３】
（５）本発明に係る光モジュールは、注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部を有する、半導体光機能素子、を備え、前記屈折率変化部は、電流源に接続して第１の閉回路を形成するとともに、制御抵抗に接続して第２の閉回路を形成し、前記制御抵抗は、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きくてもよい。
【００１４】
（６）上記（４）に記載の光モジュールにおいて、前記屈折率変化部は、前記順方向電流と逆方向の電圧が印加される場合に、該電圧に応じて正の屈折率変化が生じてもよい。
【００１５】
（７）上記（４）乃至（６）のいずれかに記載の光モジュールにおいて、前記半導体光機能素子は、前記屈折率変化部を含む半導体多層の上側に形成される、前記電流源と接続されるための第１の電極と、前記電圧源と接続されるための第２の電極と、をさらに備え、前記制御抵抗は、前記半導体光機能素子上の、前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成されてもよい。
【００１６】
（８）上記（７）に記載の光モジュールにおいて、前記第２の電極は、前記半導体多層の上側であって、前記第１の電極の側方に形成され、前記制御抵抗は、前記半導体光機能素子の前記第１の電極と前記第２の電極の間に位置する半導体のバルク抵抗であってもよい。
【００１７】
（９）上記（８）に記載の光モジュールにおいて、前記制御抵抗は、前記第１の電極と前記第２の電極の間隔、及び、前記半導体のキャリア濃度によって決定されてもよい。
【００１８】
（１０）上記（４）乃至（６）のいずれかに記載の光モジュールにおいて、前記半導体光機能素子を搭載する、保持台を、さらに備え、前記保持台は、前記電流源と接続されるための第１の電極と、前記電圧源と接続されるための第２の電極と、を備え、前記制御抵抗は、前記保持台上の、前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成され、前記第１の電極は、前記半導体光機能素子の前記屈折率変化部に接続されてもよい。
【００１９】
（１１）本発明に係る半導体光機能素子は、注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部と、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、制御抵抗と、を備え、前記屈折率変化部は、電流源に接続して第１の閉回路を形成するとともに、前記制御抵抗と電圧源とに直列に接続して第２の閉回路を形成し、前記電圧源は、前記順方向電流の方向とは逆方向の電圧又は０Ｖの電圧を供給してもよい。
【００２０】
（１２）本発明に係る半導体光機能素子は、注入される順方向電流に応じて負の屈折率変化が生じる屈折率変化部と、前記屈折率変化部の内部抵抗より大きい、制御抵抗と、を備え、前記屈折率変化部は、電流源に接続して第１の閉回路を形成するとともに、前記制御抵抗に接続して第２の閉回路を形成してもよい。
【００２１】
（１３）上記（１１）に記載の半導体光機能素子において、前記屈折率変化部は、前記順方向電流と逆方向の電圧が印加される場合に、該電圧に応じて正の屈折率変化が生じてもよい。
【００２２】
（１４）上記（１１）乃至（１３）のいずれかに記載の半導体光機能素子において、前記電流源と接続されるための第１の電極と、前記電圧源と接続されるための第２の電極と、をさらに備え、前記第１の電極は、前記屈折率変化部を含む半導体多層の上側に形成され、前記制御抵抗は、前記半導体光機能素子上の、前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成されてもよい。
【００２３】
（１５）上記（１４）に記載の半導体光機能素子において、前記第２の電極は、前記半導体多層の上側であって、前記第１の電極の側方に形成され、前記制御抵抗は、前記半導体光機能素子の前記第１の電極と前記第２の電極の間隔に位置する半導体のバルク抵抗であってもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、電流源のオフセットの影響が抑制され、特性が向上される半導体光機能素子、光モジュール、及びその制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る半導体光機能素子を制御する回路の等価回路である。
【図１Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る半導体光機能素子を制御する回路の等価回路である。
【図２】電流源が供給する電流に対する半導体光機能素子の波長変化特性を示す図である。
【図３】参考例に係る制御回路の計算結果を示す図である。
【図４Ａ】電流源が供給する電流に対する屈折率変化部の電流の計算結果を表す図である。
【図４Ｂ】電流源が供給する電流に対する屈折率変化部の電圧の計算結果を表す図である。
【図５Ａ】電流源が供給する電流に対する屈折率変化部の電流の計算結果の他の例を表す図である。
【図５Ｂ】電流源が供給する電流に対する屈折率変化部の電圧の計算結果の他の例を表す図である。
【図６Ａ】参考例に係るＬＧＬＣフィルタの注入電流に対する波長特性の計算結果を示す図である。
【図６Ｂ】他の参考例に係るＬＧＬＣフィルタの注入電流に対する波長特性の計算結果を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る半導体光機能素子の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る光モジュールの構造を示す上面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係るＤＢＲフィルタの構造を示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係るＬＧＬＣ型波長可変レーザの構造を示す図である。
【図１１】参考例となるＬＧＬＣフィルタの波長可変特性を示す図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係るＬＧＬＣフィルタの屈折率変化特性の計算結果を示す図であり、
【図１３】本発明の第５の実施形態に係るＬＧＬＣフィルタの波長可変特性の計算結果を示す図である。
【図１４Ａ】半導体光機能素子を制御する回路の参考例の等価回路である。
【図１４Ｂ】半導体光機能素子を制御する回路の参考例の等価回路である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００２７】
［第１の実施形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る半導体光機能素子を制御する回路の等価回路である。図１４Ａと同様に、半導体光機能素子の屈折率変化部１はダイオードで表され、半導体光機能素子の内部抵抗が抵抗２で表され、屈折率変化部１と抵抗２は直列接続されている。直列接続される屈折率変化部１と抵抗２の両端に、電流源４が接続されて、図の左側に第１の閉回路を形成している。抵抗２は半導体光機能素子の内部抵抗なので、実際には、半導体光機能素子の屈折率変化部１に電流源が接続され、第１の閉回路が形成されている。電流源４は屈折率変化部１に注入する順方向電流を供給する。また、屈折率変化部１と抵抗２の両端に、制御抵抗となる抵抗３が接続されて、図の右側に第２の閉回路を形成している。同様に、実際には、半導体光機能素子の屈折率変化部１に抵抗３が接続され、第２の閉回路が形成されている。電流源４が供給する電流を制御して、屈折率変化部１の屈折率を制御する。ここで、電流源４と抵抗３は、直列接続される屈折率変化部１と抵抗２の両端に対して、並列に接続されている。ここで、抵抗３は、抵抗２よりも大きな抵抗である。なお、閉回路とは、複数の素子が直列に導線を介して接続されることにより、１つの閉じたループとなる回路を形成していることをいう。
【００２８】
ダイオードで表される屈折率変化部１は、アノード（陽極）がカソード（陰極）に対して、閾値電圧以上の正電圧となるとき、順方向電流が流れる。すなわち、閾値電圧に達するまでは、正電圧であっても電流はほとんど流れない。よって、電流源４が供給する電流ＩＳを０から正へ増加させていくとき、当初電流ＩＳのほとんどが抵抗３へ流れる。抵抗３に電流が流れると抵抗３の抵抗値に応じて電位差が生じるので、電流ＩＳの増加に伴って、抵抗３の両端間の電位差は増加し、屈折率変化部１にかかる正電圧が増加する。そして、屈折率変化部１にかかる電圧が閾値電圧以上の正電圧となると、屈折率変化部１に電流が流れる。電流源４から供給する電流ＩＳをさらに増加させると、屈折率変化部１に流れる電流はさらに増加するが、抵抗３は抵抗２より大きい抵抗であるので、抵抗３に流れる電流は屈折率変化部１に流れる電流と比較して小さい。
【００２９】
図２は、電流源が供給する電流に対する半導体光機能素子の波長変化特性を示す図である。前述の通り、曲線Ｐ１が図１４Ａに示す制御回路の参考例の波長変化特性を示しており、曲線Ｅ１が図１Ａに示す当該実施形態に係る制御回路の波長変化特性を示している。なお、曲線Ｅ２は、後述する通り、図１Ｂに示す第２の実施形態に係る制御回路の波長変化特性を示している。
【００３０】
図１４Ａに示す制御回路の参考例の場合、電流源４が供給する電流ＩＳがすべて屈折率変化部１へ流れる。それゆえ、電流ＩＳが０近傍の微小量であっても、その電流のすべてが屈折率変化部１へ流れ、屈折率変化を生じさせる。これに対して、図１Ａに示す当該実施形態に係る制御回路では、電流ＩＳが０近傍の微小量であるとき、その電流のほとんどが抵抗３へ流れ、屈折率変化部１にかかる電圧が閾値電圧に達するまでは、屈折率変化部１にはほとんど屈折率変化が生じない。よって、図１４Ａに示す制御回路の参考例と比較して、図１Ａに示す当該実施形態に係る制御回路では、電流源４が供給する電流ＩＳの増加に対して、遅れて屈折率変化が始まり、遅れて波長変化が始まることとなる。
【００３１】
その結果、電流源４のオフセットに起因して、電流源４が供給する電流ＩＳを駆動することが出来ない電流範囲（領域Ａ）における屈折率変化を抑制することが出来、駆動可能な電流範囲（領域Ｂ）に対応する屈折率変化の範囲がより広くなり、波長変化Δλの領域はより大きくなり（領域Ｒ１）、半導体光機能素子の特性を向上することが出来る。
【００３２】
当該実施形態に係る制御回路では、抵抗３を追加したのみであり、消費電力を必要とする素子を追加しておらず、消費電力の増加を抑制しつつ、半導体光機能素子の特性を向上する制御方法が実現出来ている。
【００３３】
［第２の実施形態］
図１Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る半導体光機能素子を制御する回路の等価回路である。図１Ａに示す第１の実施形態に係る制御回路とは、直列接続される屈折率変化部１と抵抗２の両端に、抵抗３と逆電圧源５とが直列に接続されているものが接続されている点で相違している。すなわち、屈折率変化部１に、抵抗３を介して逆電圧源５と接続されており、屈折率変化部１及び抵抗２と、抵抗３及び逆電圧源５で、第２の閉回路を形成している。第１の実施形態と同様に、抵抗２は半導体光素子の内部抵抗なので、実際には、半導体光機能素子の屈折率変化部１に、抵抗３と逆電圧源５とが直列に接続されて、第２の閉回路が形成されている。電流源４が供給する電流を制御して、屈折率変化部１の屈折率を制御する。逆電圧源５は、第２の閉回路において、順方向電流の方向とは逆方向となる電圧を供給する電圧源である。なお、第１の実施形態と同様に、抵抗３は、抵抗２よりも大きな抵抗である。
【００３４】
図１４Ｂは、半導体光機能素子を制御する回路の参考例の等価回路である。図１４Ａと同様に、半導体光機能素子の屈折率変化部１はダイオードで表され、半導体光機能素子の内部抵抗（バルク抵抗）が抵抗２で表され、屈折率変化部１と抵抗２は直列接続されている。そして、屈折率変化部１と抵抗２の直列接続の両端に逆電圧源５が接続されていることにより、屈折率変化部１に逆方向電圧（負電圧）が印加されている。すなわち、カソードの電位がアノードの電位より高い。かかる場合に、屈折率変化部１の屈折率は該逆方向電圧に応じて増加する（正の屈折率変化が生じる）。逆電圧源５の逆方向電圧の絶対値を増加させると、それに応じて、屈折率はさらに増加する。一般に、半導体材料に負電圧を印加することによって屈折率が増加する効果をＱＣＳＥ（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ）と言う。
【００３５】
半導体材料の屈折率を増加させる方法として、ＱＣＳＥを利用することの他、半導体材料の温度を上昇させる方法がある。しかし、温度を上昇させるためには大きな消費電力を要することに加えて、半導体光機能素子とともに用いられる素子が温度制御される場合はとくに、当該素子の特性にも影響を与えることとなり望ましくない。ＱＣＳＥによる屈折率変化の絶対値は、プラズマ効果による屈折率変化の絶対値よりも小さいものの、消費電力が小さく、ともに用いられる素子への影響も抑制されるので、ＱＣＳＥを利用するのが望ましい。よって、半導体光機能素子の屈折率変化部１は、逆方向電圧が印加されると、逆方向電圧の絶対値に応じて正の屈折率変化が生じ、当該実施形態に係る制御回路では、逆電圧源５を設けることにより、ＱＣＳＥを利用している。
【００３６】
当該実施形態に係る制御回路では、電流源４が供給する電流ＩＳが０近傍の微小量であるとき、屈折率変化部１には逆方向電圧がかかり、ＱＣＳＥにより正の屈折率変化が得られる。電流源４が供給する電流ＩＳがさらに増加すると、屈折率変化部１の正方向に電流が流れ、プラズマ効果により負の屈折率変化が得られる。
【００３７】
図１Ｂに示す当該実施形態に係る制御回路について説明する。電流源４が供給する電流ＩＳが０のとき、屈折率変化部１には逆方向電圧が印加されており、屈折率変化部１には電流が流れていない。また、ＱＣＳＥにより、屈折率変化部１の屈折率は正方向に変化しており、電流ＩＳ＝０における屈折率変化は正であり、図２に示す曲線Ｅ２において、波長変化Δλは正となっている。
【００３８】
電流源４が供給する電流ＩＳを０から正へ増加させていくとき、電流ＩＳのほとんどが抵抗３へ流れる。電流ＩＳの増加に伴って、抵抗３の両端間の電位差が増加し、屈折率変化部１に印加される逆方向電圧は減少する。逆方向電圧の減少に伴い、ＱＣＳＥによる屈折率の増加分も小さくなり、電流ＩＳが０から正へ増加するのに伴って、図２に示す曲線Ｅ２において、波長変化Δλは減少し０に至る。
【００３９】
電流ＩＳがさらに増加するのに伴って、抵抗３の両端間の電位差がさらに増加し、屈折率変化部１に印加される電圧は順方向電圧（正電圧）となり、順方向電圧が増加していく。そして、電流ＩＳがさらに増加し、屈折率変化部１に印加される電圧が閾値電圧以上の順方向電圧となると、屈折率変化部１に電流が流れる。電流源４が供給する電流ＩＳをさらに増加させると、屈折率変化部１に流れる電流はさらに増加するが、抵抗３は抵抗２より大きい抵抗であるので、抵抗３に流れる電流は屈折率変化部１に流れる電流と比較して小さい。
【００４０】
図１Ｂに示す当該実施形態に係る制御回路では、逆電圧源５をさらに設けることにより、図１Ａに示す第１の実施形態に係る制御回路と比較して、図１Ｂに示す当該実施形態に係る制御回路では、電流源４が供給する電流ＩＳの増加に対して、さらに遅れて屈折率変化が始まることとなる。それに加えて、図１Ｂに示す当該実施形態に係る制御回路では、電流ＩＳが０近傍の微小量であるとき、屈折率変化部１に印加される逆方向電圧により屈折率変化が正に変化している。
【００４１】
その結果、電流源４のオフセットに起因して、電流源４が供給する電流ＩＳを駆動することが出来ない電流範囲（領域Ａ）における屈折率の減少をさらに抑制することが出来、駆動可能な電流範囲（領域Ｂ）に対応する屈折率変化がより広くなり、よって駆動可能な電流範囲（領域Ｂ）に対応する波長変化Δλが広くなり（領域Ｒ２）、半導体光機能素子の特性を向上することが出来る。また、電流ＩＳを駆動することが出来ない電流範囲（領域Ａ）がさらに小さい場合には、ＱＣＳＥによる正の屈折率変化をも利用することが出来、駆動可能な電流範囲（領域Ｂ）に対応する屈折率変化がより広くなり、よって駆動可能な電流範囲（領域Ｂ）に対応する波長変化Δλがより広くなり、半導体光機能素子の特性をさらに向上することが出来る。
【００４２】
なお、図１Ｂに示す当該実施形態に係る制御回路において、逆電圧源５が供給する逆方向電圧Ｖは０Ｖであってもよい。この場合、図１Ａに示す第１の実施形態に係る制御回路と等価である。すなわち、図１Ａに示す短絡線（導線）が、０Ｖを供給する逆電圧源５であるとしてもよく、「０Ｖを供給する電圧源」と短絡線を定義すると、第１の実施形態に係る制御回路においても、屈折率変化部に制御抵抗と電圧源（短絡線）とが直列に接続されて、第２の閉回路が形成されている。
【００４３】
特許文献１に、正方向電流源と負方向電圧源とをスイッチで切り替えることができる波長可変レーザ装置が開示されている。正方向電流源に接続されるときには、プラズマ効果による負の屈折率変化を、負方向電圧源に接続されるときには、ＱＣＳＥによる正の屈折率変化を、それぞれ生じさせることができる。その結果、より広い範囲での屈折率変化を利用することが可能となる。かかる波長可変レーザ装置では、正方向電流源のオフセットに起因するスイッチ切り替え時の屈折率制御に不連続となり、利用出来ない屈折率領域が生じてしまう。
【００４４】
図３は、参考例に係る制御回路の計算結果を示す図である。当該制御回路では、電流源４と逆電圧源５と配置して、図１４Ａの制御回路と、図１４Ｂの制御回路とを、スイッチによって切り替えることにより、選択的に実現させている。図３は、当該制御回路について、屈折率変化部に注入する電流や印加する逆方向電圧に対する屈折率変化を計算し、それによって生じる波長変化Δλを計算したものである。図の横軸は、正の値については、電流源４が供給する電流Ｉ（ｍＡ）を、負の値については、逆電圧源５が印加する逆方向電圧Ｖ（Ｖ）を、それぞれ表している。図の破線は、スイッチを電流源４に接続した時の波長変化Δλを、図の実線は、スイッチを逆電圧源５に接続した時の波長変化Δλを、それぞれ表している。図に矢印で示される通り、前述の通り、電流源４のオフセットに起因して、波長変化Δλが不連続となり、波長調整出来ない領域が生じている。ここでは、電流源４に１ｍＡのオフセットが発生した場合について示されており、この場合、波長変化量が０〜−１２ｎｍの領域は波長調整が不可能となっている。これに対して、図２の曲線Ｅ２に示す通り、当該実施形態に係る制御回路では、電流源４が供給する電流ＩＳに対して、連続的な波長制御（屈折率制御）が可能となっており、当該実施形態は顕著な効果を奏している。
【００４５】
次に、当該実施形態に係る制御回路における屈折率変化部１の電流及び電圧特性について考察する。図４Ａ及び図４Ｂは、電流源４が供給する電流ＩＳに対する屈折率変化部１の電流Ｉｎ及び電圧Ｖｎの計算結果を、それぞれ表す図である。両図には、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖが、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖである場合についての特性が、参考例として、図１４Ａに示す制御回路（ｏｐｅｎ）の特性と共に、示されている。ここで、抵抗２及び抵抗３の抵抗値をそれぞれ２０Ω及び１ｋΩと、屈折率変化部１の閾値電圧（ビルトイン電圧）を０．８Ｖとしている。なお、前述の通り、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖが０Ｖである場合の図１Ｂに示す制御回路は、図１Ａに示す制御回路と等価であり、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、Ｖが０Ｖであるとは、その両方を示している。
【００４６】
図１４Ａに示す制御回路（ｏｐｅｎ）の場合、電流源４が供給する電流ＩＳがすべて屈折率変化部１に流れるので、ＩＳ＝Ｉｎとなる（図４Ａ）。同様に、屈折率変化部１に印加される電圧が、閾値電圧より大きい順方向電圧となるときに、屈折率変化部１に電流が流れるので、図１４Ａに示す制御回路（ｏｐｅｎ）の場合、電流源４が共有する電流Ｉｓが０よりわずかに増加する領域で、屈折率変化部１に印加される電圧が０から閾値電圧（＝０．８Ｖ）に達し、その後、電流ＩＳの増加とともに、わずかに増加する（図４Ｂ）。
【００４７】
これに対して、図４Ａに示す通り、図１Ａ及び図１Ｂに示す制御回路の場合、電流源４が供給する電流ＩＳが０より増加しても、電流ＩＳが小さい領域においては、屈折率変化部１に流れる電流Ｉｎは０で維持される。電流ＩＳがさらに増加して、所定の閾値を越えると、屈折率変化部１に電流が流れ始め、電流Ｉｎは増加する。当該所定の閾値は、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖの絶対値が０から増加するのに伴って、増加している。
【００４８】
図４Ｂに示す通り、電流源４が供給する電流ＩＳが０から当該所定の閾値までの領域において、屈折率変化部１の電圧Ｖｎは、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖから増加して、閾値電圧（ビルトイン電圧）まで増加している。電流源４が供給するＩＳが当該所定の閾値を越えると、図１４Ａに示す制御回路とほぼ同様に、電流ＩＳの増加とともに、わずかに増加する。
【００４９】
図４Ａ及び図４Ｂが示す通り、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖの値によって、屈折率変化部１に電流が流れ始める電流ＩＳの閾値を制御することが出来るので、電流源４のオフセットに応じて、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖを決定すればよい。さらに、電流源４のオフセットに起因して駆動することが出来ない電流範囲が十分に小さい場合であっても、屈折率変化部１の電圧Ｖｎが負の値をとるときには、屈折率変化部１において正の屈折率変化を得ることが出来るので、正の波長変化Δλを含んで、制御可能な波長範囲をさらに広げることが出来る。
【００５０】
また、第１及び第２の実施形態において、抵抗３と抵抗２の関係も重要であり、抵抗３が抵抗２に対して所定の範囲であるのが望ましい。図５Ａ及び図５Ｂは、電流源４が供給する電流ＩＳに対する屈折率変化部１の電流Ｉｎ及び電圧Ｖｎの計算結果の他の例を、それぞれ表す図である。ここで、抵抗３の抵抗値を１００ｋΩとしている点が、図４Ａ及び図４Ｂと異なっているが、それ以外は同じである。
【００５１】
図５Ａ及び図５Ｂに示す通り、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖを０〜−２Ｖで可変させた場合でも、すべての条件下で、屈折率変化部１の電流Ｉｎ及び電圧Ｖｎの特性が、図１４Ａに示す制御回路（ｏｐｅｎ）とおおよそ一致しており、本発明の効果は低減されてしまう。すなわち、抵抗２の抵抗値が２０Ωであるのに対して、抵抗３の抵抗値が１００ｋΩである場合、抵抗３の抵抗が大きすぎるために、屈折率変化部１に電流が流れ始める電流ＩＳの閾値が小さくなってしまい、電流源４のオフセットに対応出来なくなることに加えて、屈折率変化部１に所望の逆方向電圧を印加することが困難となる。
【００５２】
よって、屈折率変化部１の電流Ｉｎ及び電圧Ｖｎが所望の特性となるためには、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖに加えて、抵抗３の抵抗値が所定の範囲となるのが望ましい。屈折率変化部１に電流が流れる場合に、消費電力の抑制の観点から、抵抗３に流れる電流を抑制するのが望ましく、抵抗３は抵抗２の１０倍以上が望ましい。また、屈折率変化部１に電流が流れ始める電流ＩＳの閾値の観点から、抵抗３は抵抗２の１０００倍以下が望ましい。すなわち、抵抗３の抵抗値が、抵抗２の１０倍以上１０００倍以下の範囲にあるのが望ましい。
【００５３】
以上、第１及び第２の実施形態に係る制御回路について、電流源のオフセットの影響が抑制され、素子の特性が向上されるという効果について説明したが、さらに、素子の作製プロセス精度の観点からも、本発明は効果を奏している。以下、本発明のさらなる効果について説明する。なお、ここでは、電流源４のオフセットは十分に小さいものとする。
【００５４】
例えば、ＬＧＬＣ波長可変フィルタの透過波長は、光導波路の屈折率と長周期回折格子の周期で決まる。さらに、光導波路の屈折率は、コア層の組成、厚さ、ストライプ幅で決定される。長周期回折格子の周期や初期の屈折率は、プロセス工程における作製精度に依存している。図１４Ａに示す制御回路の場合、仮にプロセス工程の作製ばらつきによって、波長設定範囲よりも短波長側に初期波長が設定されてしまったとしても、電流注入による屈折率変化を利用するしかできず、長波長側へ波長調整することは出来ない。すなわち、初期の段階で波長設定範囲を下回った場合は、電流注入による屈折率制御では全設定波長範囲をカバーすることが出来ない。
【００５５】
図６Ａは、参考例に係るＬＧＬＣフィルタの注入電流に対する波長特性の計算結果を示す図である。図の縦軸はＬＧＬＣフィルタの選択波長λ（ｎｍ）を、図の横軸は電流源が供給する電流ＩＳ（ｍＡ）を、それぞれ表している。ここで、波長設定範囲を１５３０−１５７０ｎｍとした場合、図１４Ａに示す制御回路では長波長側へ波長調整することは出来ないので、電流０ｍＡで波長１５７０ｎｍに設定できることが好ましく、曲線Ｄ１がこのように初期設定波長を設計した場合を示している。しかしながら、上記誤差に起因してプロセス工程における波長ばらつきが例えば±１０ｎｍで発生すると仮定すると、曲線Ｄ２が短波長側にシフトした場合を、曲線Ｄ３が長波長側にシフトした場合を、それぞれ示している。長波長側にシフトした場合（曲線Ｄ３）、電流０ｍＡで波長１５８０ｎｍとなっており、波長設定範囲の下限である１５３０ｎｍまで波長を変化させるための電流量が増加する。一方で、短波長側にシフトした場合（曲線Ｄ２）、電流０ｍＡで波長１５６０ｎｍとなっており、図１４に示す制御回路では、長波長側へ波長調整することが出来ないので、不良素子となり、歩留まりが低下する。
【００５６】
図６Ｂは、他の参考例に係るＬＧＬＣフィルタの注入電流に対する波長特性の計算結果を示す図である。図の縦軸と横軸は、図６Ａと同様である。図６Ｂに示すＬＧＬＣフィルタは、プロセス工程の作製ばらつきを考慮して、波長設定範囲の上限よりさらに長波長側に初期設定波長を設計している。プロセス工程における波長ばらつきが例えば±１０ｎｍで発生すると仮定すると、電流０ｍＡで波長１５８０ｎｍに設定することにより、短波長側にシフトした場合の歩留まり低下を解決することが出来る。曲線Ｄ１がこのように初期設定波長を設計した場合を示している。この場合、プロセス工程において、短波長側へシフトした場合（曲線Ｄ２）であっても、電流０ｍＡでの波長が１５７０ｎｍになるので、歩留まりが改善する。しかし、その一方で、必要な注入電流量が増大する。とくに、プロセス工程において、長波長側へシフトした場合（曲線Ｄ３）は、必要な注入電流量の増大はより顕著となる。よって、消費電力の増加に繋がってしまう。すなわち、プロセス工程における波長ばらつきを過少に考慮すると歩留まりが低下し、過大に考慮すると消費電力が増加してしまう。
【００５７】
これに対して、図１Ｂに示す当該実施形態に係る制御回路においては、正の波長変化を含んで、かつ、連続的に、広い波長調整範囲が実現できているので、プロセス工程における波長ばらつきに対応して、素子の波長制御を行うことが出来ている。プロセス工程において、初期波長が短波長側にシフトした場合は、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖの絶対値を増大させることにより、長波長側への波長調整が可能である。また、初期波長が長波長側にシフトした場合は、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖの絶対値を減少させる（又は、０Ｖとする）ことにより、消費電力の増大を抑制することが可能である。
【００５８】
［第３の実施形態］
本発明に係る半導体光機能素子の構造について説明する。本発明の第３の実施形態に係る半導体光機能素子は、図１Ａ及び図１Ｂに係る制御回路を実現するための構造を有している。図７は、当該実施形態に係る半導体光機能素子の構造を示す断面図であり、半導体光機能素子１０の光導波路を貫く断面を表している。ここで、光通信波長帯（１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯）の光デバイスに用いられるＩｎＰ材料が用いられている。ｎ型ＩｎＰ基板１１上に屈折率変化部１となるｉ型のコア層１２とｐ型ＩｎＰ層１３が順に積層されている。コア層１２はＩｎＧａＡｓＰなど化合物半導体で形成され、バルク構造もしくは多重量子井戸構造が一般的である。ｐ型ＩｎＰ層１３の上にはＩｎＧａＡｓコンタクト層１４が積層され、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４の上にはｐ型電極１５が、ｎ型ＩｎＰ基板１１の下にはｎ型電極１６が、それぞれ蒸着されている。ここで、ｐ型電極１５は、２個の電極１５Ａ，１５Ｂからなり、電極１５Ａが電流源４（順方向電流源１７）と接続されるための第１の電極であり、電極１５Ｂが逆電圧源５（逆方向電圧源１８）と接続されるための第２の電極である。ここで、図１Ａ及び図１Ｂに示す屈折率変化部１は、光導波路に形成されるコア層１２のうち、電極１５Ａとｎ型電極１６とが対向している領域に含まれる部分である。さらに厳密に言えば、ｐ型電極１５Ａからｎ型電極１６へ、該領域に加えて、図７の左右（光の出射側とその反対側）にやや広がって電流が流れるので、屈折率変化部１はかかる電流が流れる領域に含まれる部分である。屈折率変化部１の抵抗２とは、電極１５Ａとｎ型電極１６との間に存在する内部抵抗（バルク抵抗）である。図１Ａ及び図１Ｂに示す抵抗２は、屈折率変化部１の上側に配置されているが、実際には、屈折率変化部１であるコア層１２の上下それぞれに存在する内部抵抗を足し合わせたものを、抵抗２として、図１Ａ及び図１Ｂに示している。ｐ型電極１５（電極１５Ａ，１５Ｂ）は、図７に示す通り、屈折率変化部１を含む半導体多層の上側に形成されており、電極１５Ａと電極１５Ｂは、光導波路に沿って、並んで配置されている。
【００５９】
抵抗３（制御抵抗）は半導体光機能素子上に形成されており、電極１５Ａと電極１５Ｂとの間に抵抗３に形成されていればよく、抵抗３が電極１５Ａと電極１５Ｂとを接続している。抵抗３は所定の抵抗体を電極１５Ａと電極１５Ｂに接続してもよいが、ここでは、半導体多層を抵抗３として利用しており、新たな抵抗体を形成しなくてもよい。図７に示す通り、２個の電極１５Ａと電極１５Ｂの間の領域に位置するＩｎＧａＡｓコンタクト層１４が除去されている。よって、電極１５Ａと電極１５Ｂはｐ型ＩｎＰ層１３のみを介して電気的に接続されており、電極１５Ａと電極１５Ｂとの間は、高抵抗となっており、かかる部分が抵抗３に対応している。すなわち、抵抗３は、電極１５Ａと電極１５Ｂとの間の領域の下側に位置するｐ型ＩｎＰ層１３（半導体）の部分のバルク抵抗である。抵抗３の抵抗値は、主にｐ型ＩｎＰ層１３のドーピング濃度（キャリア濃度）や電極１５Ａと電極１５Ｂの間隔の長さにより決定される。よって、ドーピング濃度や当該間隔を調整することにより、抵抗３を所望の抵抗値とすることができる。一般的なｐ型ＩｎＰ層１３の場合、電極１５Ａと電極１５Ｂの間隔を数十μｍとすることで、電極１５Ａと電極１５Ｂとの間を、１ｋΩ程度の抵抗を得ることが出来る。なお、ｎ型電極１６は共通であり、接地されている。
【００６０】
以上をまとめると、当該実施形態に係る半導体光機能素子の特徴は、同一の導波路構造上に２つの電極が配置され、一方が順方向電流源１７に接続するための第１の電極であり、他方が逆方向電圧源１８に接続するための第２の電極であり、第１の電極と第２の電極の間に位置する半導体のバルク抵抗を制御抵抗としている。主に、ｐ型ＩｎＰのドーピング濃度及び電極間の間隔によって制御抵抗の抵抗値が決定される。当該実施形態で用いた半導体材料はあくまで一例であり、一般的な半導体光導波路デバイスに用いられる材料や多層構造、光閉じ込め構造を、本発明の半導体光機能素子に適用しても何ら問題はない。また、当該実施形態に係る光モジュールは、当該実施形態に係る半導体光機能素子を備える光モジュールであり、光モジュールは当該実施形態に係る半導体光機能素子を備えることにより、当該実施形態に係る効果を奏する。
【００６１】
［第４の実施形態］
本発明に係る光モジュールの構造の他の例について説明する。本発明の第４の実施形態に係る光モジュールは、第３の実施形態に係る半導体光機能素子及び光モジュールと同様に、図１Ａ及び図１Ｂに係る制御回路を実現するための構造を有している。しかし、第３の実施形態に係る半導体光機能素子とは異なり、当該実施形態に係る半導体光機能素子１０は一般的な半導体光機能素子でよく、当該実施形態に係る光モジュールの特徴は、制御抵抗となる抵抗３が、半導体光機能素子の外に形成されていることにより、図１Ａ及び図１Ｂに係る制御回路を実現している点にある。
【００６２】
図８は、当該実施形態に係る光モジュールの構造を示す上面図である。図８に示す通り、当該実施形態に係る光モジュールは、半導体光機能素子１０を搭載する保持台を備えている。ここで、保持台はたとえばサブマウント２１であり、サブマウント２１上であって半導体光機能素子１０の側方にある領域に、２個の電極パッドと抵抗３とが形成されている。２個の電極パッド２２は、電流源４（順方向電流源１７）と接続させるための第１の電極と、逆電圧源５（逆方向電圧源１８）と接続されるための第２の電極であり、２個の電極パッド２２の間に形成される抵抗３が制御抵抗である。
【００６３】
半導体光機能素子１０はチップ状であり、通常、サブマウント２１と呼ばれるセラミック基板上（例えばＡｌＮなど）に実装される。サブマウント２１上の電極パッド２２は、金属膜（例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなど）によって形成されている。半導体光機能素子１０の光導波路１９の上側には、ｐ型電極１５が形成されており、半導体光機能素子１０のｐ型電極１５と、第１の電極となる電極パッド２２との間が、ワイヤ２３で接続されている。
【００６４】
これにより、第１の電極となる電極パッド２２は、半導体光機能素子１０の屈折率変化部と接続される。そして、電源（順方向電流源１７や逆方向電圧源１８）を電極パッド２２に接続することで、ワイヤ２３を通じて半導体光機能素子１０の屈折率変化部に、所望の電流や電圧を供給することができる。
【００６５】
サブマウント２１がこのような構造をしていることにより、第３の実施形態と異なり、半導体光機能素子１０の半導体多層の上側に形成される電極は２個形成する必要はなく、１個の電極でよい。よって、上述の通り、本発明を一般的な半導体光機能素子に広く適用することを可能としつつ、本発明の効果を奏している。当該実施形態に係る光モジュールでは、サブマウント２１上に抵抗３が形成されているが、順方向電流源１７と逆方向電圧源１８との間にであれば、光モジュールのどの位置に抵抗３が形成されていてもよい。さらに、光モジュールの外側に抵抗３が配置されてもよい。
【００６６】
［第５の実施形態］
本発明に係る半導体光機能素子は、注入電流に応じて生じる屈折率変化を利用する半導体光機能素子に広く適用することができ、例えば、波長可変フィルタ、波長可変レーザ、光スイッチ、光合分波器などがある。本発明の第５の実施形態に係る半導体光機能素子の一例は、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）フィルタであり、半導体を用いた導波路型の波長可変フィルタとして、一般に用いられている。
【００６７】
図９は、当該実施形態に係るＤＢＲフィルタの構造を示す図であり、図の上側にＤＢＲフィルタの上面図が、図の下側にＤＢＲフィルタの光導波路１９を貫く断面の断面図が、それぞれ示されている。ＤＢＲフィルタの構造は、図７に示す半導体光機能素子の構造と比較して、コア層１２の上方にＩｎＧａＡｓＰなどＩｎＰよりも屈折率の高い組成の層が周期的に形成されている回折格子層３０が形成されている点で相違している。回折格子の周期は選択（フィルタリング）する光の波長から決定され、波長１５５０ｎｍの光に対しては約２４０ｎｍ周期にすることが多い。ＤＢＲフィルタへ外部より入射する光のうち、回折格子層の周期と位相が整合する波長の光だけが反射するが、位相が整合しない波長の光は透過する。コア層１２に電流を注入することで、コア層１２の屈折率が変化し、反射する波長を変化させることができる。ＤＢＲフィルタは反射型のフィルタとして利用されるため、波長可変レーザ等の共振器ミラーとしてよく用いられる。
【００６８】
当該実施形態に係る半導体光機能素子の他の一例はＬＧＬＣ型波長可変レーザであり、ＤＢＲフィルタとＬＧＬＣフィルタが同一基板上に形成され、両フィルタを利用することでレーザ発振する波長を可変させることができる。フィルタの動作原理の説明は割愛する（非特許文献１参照）が、ＤＢＲフィルタ及びＬＧＬＣフィルタは、ともにコア層への電流注入によって波長を制御するため、例えば、ＤＢＲフィルタとＬＧＬＣフィルタの両方に、本発明を適用することが出来る。
【００６９】
図１０は、当該実施形態に係るＬＧＬＣ型波長可変レーザの構造を示す図であり、図の上側にＬＧＬＣ型波長可変レーザの上面図が、図の下側にＬＧＬＣ型波長可変レーザの光導波路１９Ａ（高屈折率光導波路）を貫く断面の断面図が、それぞれ示されている。当該実施形態に係るＬＧＬＣ型波長可変レーザは、光の出射側から順に、ＤＢＲ部４１、光を発生する利得部４２、光の位相を調整する位相調整部４３、ＬＧＬＣ部４４が配置されている。図１０の上面図に、２本の光導波路１９Ａ，１９Ｂが模式的に示されている。光導波路１９Ａが高屈折率導波路であり、横方向に延伸しているが、後方の端面付近で、屈曲して端面に及んでいる。光導波路１９Ｂが低屈折率導波路であり、後方の端面より位相調整部４３へ横方向に延伸しているが、境界付近において屈曲して端部に及んでいる。
【００７０】
当該実施形態に係るＬＧＬＣ型波長可変レーザのＤＢＲ部４１とＬＧＬＣ部４４は、本発明に係る半導体光機能素子の構造をしている。利得部４２及び位相調整部４３において、半導体多層の上側に、それぞれ１個のｐ型電極１５が形成されているが、ＤＢＲ部４１とＬＧＬＣ部４４において、半導体多層の上側に、それぞれ、２個の電極１５Ａ，１５Ｂからなるｐ型電極１５が形成されている。ＤＢＲ部４１において、第２の電極である電極１５Ｂが、第１の電極である電極１５Ａより、光の出射側に配置されているのに対して、ＬＧＬＣ部４４において、電極１５Ａが電極１５Ｂより、光の出射側に配置されている。図１０の上面図に示す通り、４個の順方向電流源１７と、２個の逆方向電圧源１８とが、ＬＧＬＣ型波長可変レーザに接続される。なお、ＤＢＲ部４１は反射型フィルタなので、電極１５Ｂが電極１５Ａより光の出射側に配置されているのが望ましい。同様に、ＬＧＬＣ部４４も、図に示す通り、電極１５Ｂが電極１５Ａより端面側（光の出射側とは反対側の端面）に配置されているのが望ましい。端面付近において、ＬＧＬＣ部４４で選択される波長の光は、端面付近において、電極と電気的に遮断されている光導波路１９Ｂに多くが遷移しており、電極と電気的に接続されている光導波路１９Ａにはほとんど伝搬しておらず、特性劣化が抑制されるからである。
【００７１】
図１０の断面図に、低屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層３１と高屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層３２を含む半導体多層構造が模式的に示されている。ここで、高屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層３２の屈折率は、低屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層３１の屈折率より高くなっている。図に示す通り、低屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層３１は、ＬＧＬＣ型波長可変レーザの後方の端面から前方の端面に亘って延伸している。これに対して、光導波路１９Ａ（高屈折率導波路）は、利得部４２ではＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３３が、それ以外の部位では、すなわち、後方の端面から位相調整部４３に亘って、また、ＤＢＲ部４１から前方の端面に亘って、高屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層３２が延伸している。光は、高屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層３２に主に閉じ込められ、高屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層３２への電流注入によって主に屈折率が制御される。
【００７２】
当該実施形態に係るＬＧＬＣ型波長可変レーザが、このような構造を有していることにより、ＤＢＲ部４１における波長可変反射型フィルタにおいても、ＬＧＬＣ部４４における波長可変透過型フィルタにおいても、第１及び第２の実施形態において説明した通り、波長調整範囲がより広くなるという本発明の効果を奏するので、ＬＧＬＣ型波長可変レーザの特性が顕著に向上される。
【００７３】
図１１は、参考例となるＬＧＬＣフィルタの波長可変特性を示す図である。ＬＧＬＣフィルタの参考例は、従来のＬＧＬＣフィルタを図１４Ａに示す制御回路で駆動した場合である。図の横軸は、電流源４が供給する電流ＩＳ（ｍＡ）で、図の縦軸が波長変化Δλ（ｎｍ）である。図１１に示すプロットは、試作したＬＧＬＣフィルタの測定結果であり、実線がフィッティングカーブである。注入電流量ＩＳが２０ｍＡで約６４ｎｍの波長可変Δλが得られている。
【００７４】
図１２は、当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタの屈折率変化特性の計算結果を示す図であり、図１３は、当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタの波長可変特性の計算結果を示す図である。図１３の縦軸及び横軸と、図１２の横軸は、図１１と同様であるが、図１２の縦軸は屈折率変化Δｎである。ここで、当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタ（ＬＧＬＣ部４４）の２個の電極１５Ａ，１５Ｂの間に存在する抵抗３を１ｋΩとし、図４Ａ及び図４Ｂで示す、電流Ｉｎ及び電圧Ｖｎの計算結果と同じ特性を仮定している。図１２及び図１３には、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖが−１Ｖである場合についての特性が破線で、参考例（ｏｐｅｎ）の特性が実線で、それぞれ示されている。
【００７５】
図１２及び図１３で示す特性は、図２に示す曲線Ｅ２と同様である。図１２に示す通り、電流源４が供給する電流ＩＳの値が、０〜１．５ｍＡの範囲にあるときは、屈折率変化Δｎが正であり、参考例（ｏｐｅｎ）の特性では得られない本発明の効果が確認されている。電流ＩＳの値が１．５ｍＡ以上の範囲にあるときは、屈折率変化Δｎは負に変わっており、参考例（ｏｐｅｎ）と同程度の屈折率変化Δｎの範囲（屈折率変化量）が得られている。図１３に示す通り、電流源４の電流駆動範囲を０〜２０ｍＡと規定すると、参考例（ｏｐｅｎ）は、−６４〜０ｎｍの範囲で波長が変化し、波長変化量は６４ｎｍである。一方で、当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタにおいて、同じ電流駆動範囲で、逆方向電圧Ｖが−１Ｖのとき、−６０．５〜６．５ｎｍの範囲で波長が変化し、波長変化量は６７ｎｍである。当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタにより、波長変化範囲を正方向にシフトさせることだけでなく、適当な条件において、波長変化量はさらに増加することが可能となっている。
【００７６】
さらに、電流ＩＳが０近傍の微小量であるときは逆電圧源５をオン状態とすることにより正の屈折率変化Δｎ（正の波長変化Δλ）とし、電流ＩＳが所定の値以上では、逆電圧源５をオフ状態にすることにより、波長変動範囲を−６４〜６．５ｎｍにすることができる。この場合、波長変化量はさらに大きくなり、７０．５ｎｍまで拡大させることができる。また、逆電圧源５を可変電圧源として、電流源４が供給する電流量ＩＳに応じて、逆電圧源５の逆方向電圧Ｖを制御することにより、波長調整範囲をより広くすることが出来るとともに、より高精度の制御を実現することができる。
【００７７】
前述の通り、実際には、電流源４のオフセットに起因して、電流源４は０近傍の微小量の電流ＩＳを駆動することが出来ない。図１３に領域Ａと示す電流範囲は０〜２ｍＡであり、この電流範囲の電流ＩＳを駆動することが出来ないと仮定する。すなわち、電流ＩＳを駆動することが出来る範囲が、図１３に領域Ｂと示す電流範囲２〜２０ｍＡであるとき、参考例（ｏｐｅｎ）における波長変動範囲は、−６４〜−２１ｎｍ（領域Ｒ０）で、波長変化量はわずか４３ｎｍであった。これに対して、当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタにおいて、図１３に領域Ｂと示す電流駆動範囲で、逆方向電圧Ｖが−１Ｖのとき、波長変動範囲は−６０〜０ｎｍ（領域Ｒ）で、波長変化量は６０ｎｍと大きくなっている。
【００７８】
本発明は、光通信などで用いる半導体光機能素子に最適である。高精細な動画像の配信や新興国におけるインターネットの急速な普及に伴い、光通信の伝送容量は年々増大している。高速かつ大容量の伝送技術の確立は必要不可欠であり、近年は波長分割多重（ＷＤＭ）システムが実用化され始めている。ＷＤＭはＩＴＵ−Ｔ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｏｎ−Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｅｃｔｏｒ）によって標準化された波長間隔（たとえば、波長間隔０．８ｎｍ又は０．４ｎｍ）の波長信号光を多重して１本の光ファイバ内に同時に伝送するシステムであり、ファイバ１本辺りの伝送容量を増やすことが可能である。
【００７９】
このシステムを実現するためには波長の異なる多数の半導体レーザダイオード（以下、半導体レーザと記す）が必要である。一般的な半導体レーザの発振波長は固定されているため、異なる多数の半導体レーザを製造するには波長毎に結晶を作る必要があり、製造コストが高くなることにより、さらに在庫管理が煩雑となることにより、通信キャリアや装置ベンダーにとってはコストのかかるレーザモジュールとなっている。そこで、１種類のモジュールで波長を自由に変えられる波長可変レーザモジュールがあれば、必要なレーザは少数又は１種類になるため、製造コストの低減及び在庫管理の煩雑さも解消できる。このレーザモジュールの実現には、所望の波長範囲（たとえば、中長距離通信の一般的な波長帯であるＣ−ｂａｎｄやＬ−ｂａｎｄ）で発振波長が可変である波長可変レーザが必要である。仮にＣ−ｂａｎｄの波長帯域を４０ｎｍ、波長間隔０．４ｎｍとした場合、１００種類の異なる波長を１種類のレーザから切り換え発振させる必要がある。更に固定波長レーザの代替として考えると波長可変レーザには固定波長レーザ同等の特性、寸法及び消費電力が求められる。
【００８０】
固定波長レーザと同程度の寸法で波長可変レーザを実現するため、材料を大きく変更することは困難である。そのため、固定波長と同じ半導体の波長可変レーザの研究は古くから行われており、発振波長を決定する部位を如何に可変するかが命題とされている。例えば、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザの発振波長は回折格子ピッチと屈折率で決まっているため、そのどちらかを制御することで発振波長が可変できる。非特許文献３では回折格子ピッチを一定にして、材料の屈折率を温度によって変化させている。しかしながら、温度変化による屈折率変化は小さいため、ＤＦＢレーザを複数本並べることで発振波長を拡大させており、寸法が大きいこと、消費電力が大きいことが課題となっている。
【００８１】
その他には、レーザ共振器内に波長選択性を有するフィルタ構造を用いて発振波長を制御する方法があり、非特許文献１に開示されている波長可変レーザを実現している。前述の通り、フィルタの波長は電流注入によるプラズマ効果に起因した屈折率変化を用いている。プラズマ効果を使うことで比較的大きな屈折率変化を与えることができ、小型かつ低消費電力を両立することが可能となっている。よって、本発明を、ＤＢＲフィルタやＬＧＬＣフィルタに適用することにより、小型かつ省消費電力で、かつ、特性が向上された半導体光機能素子が実現する。
【００８２】
ＷＤＭシステムを実現するためにはそのほかにも光スイッチ、光合分波器、光増幅器、光等価器など様々な光デバイスが必要とされている。光ノードで使われるＷＳＳ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｓｅｌｅｃｔａｂｌｅ  Ｓｗｉｔｃｈ）装置では光スイッチや光合分波器を組み合わせることで波長毎に光を複数の方路に分岐することができる。これらの光デバイスはＩｎＰ等の半導体材料で作製することが可能であり、本発明はこれらの光デバイスにも最適である。本発明を波長可変フィルタや光スイッチに適用することにより、より省消費電力でより高性能なＷＤＭシステムが実現されるし、今後の省電力通信システムや装置を実現していく上で必要な光機能素子の小型化、低消費電力化が実現される。
【符号の説明】
【００８３】
１  屈折率変化部、２，３抵抗、４  電流源、５  逆電圧源、１０  半導体光機能素子、１１  ｎ型ＩｎＰ基板、１２  コア層、１３  ｐ型ＩｎＰ層、１４  ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１５  ｐ型電極、１５Ａ，１５Ｂ  電極、１６  ｎ型電極、１７  順方向電流源、１８  逆方向電圧源、１９，１９Ａ，１９Ｂ  光導波路、２１  サブマウント、２２  電極パッド、２３  ワイヤ、３０  回折格子層、３１  低屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層、３２  高屈折率ＩｎＧａＡｓＰ層、３３  ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層、４１  ＤＢＲ部、４２  利得部、４３  位相調整部，４４  ＬＧＬＣ部。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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