(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、
第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、
前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、
前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、
前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に電圧を印加する電極と、
前記第１の光カプラーの第１の入力ポートにレーザ光を入射する第１のレーザ部と、前記第１の光カプラーの第２の入力ポートにレーザ光を入射する第２のレーザ部と
をモノリシックに一体化したことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
請求項１記載の光半導体素子において、
前記電極は、前記第１の光導波路に電圧を印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加する第２の電極とを有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光半導体素子において、
前記第１のレーザ部は、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射するレーザ光を結合する光カプラーとを有し、
前記第２のレーザ部は、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射するレーザ光を結合する光カプラーとを有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項４】
第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、
第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、
前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、
前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、
前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に電圧を印加する電極と、
前記第１の光カプラーの第１の入力ポートにレーザ光を入射する第１のレーザ部と、前記第１の光カプラーの第２の入力ポートにレーザ光を入射する第２のレーザ部と
を有する光半導体素子の変調方法であって、
前記電極により前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に変調信号電圧を印加することにより、前記第１の光カプラーの第１の入力ポート又は第２の入力ポートに入射するレーザ光を変調し、前記第２の光カプラーの出力ポートから出射する
ことを特徴とする光半導体素子の変調方法。
【請求項５】
第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路に電圧を印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加する第２の電極と、前記第１の光カプラーの第１の入力ポートにレーザ光を入射する第１のレーザ部と、前記第１の光カプラーの第２の入力ポートにレーザ光を入射する第２のレーザ部とを有する光半導体素子の変調方法であって、
前記第１の電極により前記第１の光導波路にバイアス電圧を印加し、前記第２の電極により前記第２の光導波路に変調信号を印加することにより、前記第１の光カプラーの第１の入力ポート又は第２の入力ポートに入射するレーザ光を変調し、前記第２の光カプラーの出力ポートから出射する
ことを特徴とする光半導体素子の変調方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調機能を有する光半導体素子及び光半導体素子の変調方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光変調機能を有する半導体レーザは、小型の光送信素子として幹線系光通信において必要不可欠なデバイスとなりつつある。その用途としては、例えば、高速光ファイバ通信の送信器部などが挙げられる。このような光半導体素子は、光源となる半導体レーザとともに変調器がモノリシック集積されているものである。
【０００３】
現在、半導体レーザと集積する変調器としては、電界吸収型の変調器が主流となっている。その一方で、近年の光通信における伝送速度の高速化に伴い、光の変調時の波長変動を制御できるという利点から、マッハ・ツェンダ（Mach-Zehnder）型変調器が注目されている。
【０００４】
また、幹線系光通信の方式として、波長多重（ＷＤＭ；Wavelength Division Multiplexing）技術が広く採用されるようになっている。ＷＤＭ技術は、１本の光ファイバで各種の信号伝送や双方向光伝送を行うために、異なる信号を乗せた複数の波長の光を１本の光ファイバで伝送するものである。このため、半導体レーザと光変調器とを集積した素子に対して、光源である半導体レーザの波長を変化することが要請されている。このような要請に応えるためには、波長の異なる複数の半導体レーザを集積してそれぞれを変調器に接続し、それらの半導体レーザのうち所望の波長を有する一つを選択して駆動する方法が有力なものとなっている。
【０００５】
従来、マッハ・ツェンダ型変調器に複数の半導体レーザを接続した光半導体素子として、特開平７−１５４３７１号公報に開示されているものがある。図１６は、この従来の光半導体素子の構造を示す平面図である。
【０００６】
図１６に示すように、基板１０２の一端側に、複数の半導体レーザ１００ａ〜１００ｈが設けられている。基板１０２中央に、マッハ・ツェンダ型変調器１０６が設けられている。更に、基板１０２の他端側には、半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplifier）１０８が設けられている。半導体レーザ１００ａ〜１００ｈとマッハ・ツェンダ型変調器１０６の間の基板１０２には光カプラー１０４が設けられている。各半導体レーザ１００ａ〜１００ｈは光カプラー１０４の各入力ポートに接続され、各半導体レーザ１００ａ〜１００ｈから出射されたレーザ光が結合されて出力ポートから出射される。光カプラー１０４の出力ポートには、レーザ光の変調を行うマッハ・ツェンダ型変調器１０６が接続されている。マッハ・ツェンダ型変調器１０６の出力ポートには、マッハ・ツェンダ型変調器１０６からの変調光を増幅する半導体光増幅器１０８が接続されている。
【０００７】
複数の半導体レーザ１００ａ〜１００ｈのいずれかから出射されたレーザ光は、光カプラー１０４を介してマッハ・ツェンダ型変調器１０６に入射され変調される。マッハ・ツェンダ型変調器１０６によって変調されたレーザ光は、半導体光増幅器１０８により増幅され出射される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１６に示す従来の光半導体素子には、大きな光出力を得ることが困難であるという問題があった。この原因としては、以下のような点があげられる。
【０００９】
第一に、複数の半導体レーザから出射されたレーザ光を、光カプラー１０４により結合して一つの光導波路に入射する際に、大きな光損失が生じる点である。この損失は、マッハ・ツェンダ型変調器１０６を用いる場合に限られたものではない。半導体レーザから出射されたレーザ光が、光カプラー１０４を介して１つの光導波路に入射されるまでに、半導体レーザが２つの場合には３ｄＢ（１／２）、４つの場合には６ｄＢ（１／４）、８つの場合には９ｄＢ（１／８）の原理的な光損失が発生する。実際の光カプラーでは、このような原理的な損失に加えて、更に光導波路の曲がりによる光損失や、光カプラーの過剰損失が生じることとなる。
【００１０】
第二に、マッハ・ツェンダ型変調器１０６自身の光損失が大きい点である。これは、マッハ・ツェンダ型変調器１０６の素子長が少なくとも１ｍｍ程度と比較的長いこと、その構造に曲がり及び分岐光導波路が含まれることに起因するものである。従来、マッハ・ツェンダ型変調器１０６自身に起因して、最良の値でも４〜５ｄＢの光損失が生じてしまうことが報告されている。
【００１１】
ここで、例えば、２つの半導体レーザを集積した上述の従来の光半導体素子を、伝送用光ファイバに接続した場合の光損失について考える。伝送用光ファイバとの結合効率を−２ｄＢと高い値に仮定し、半導体光増幅器により変調光は増幅しないものとする。すると、半導体レーザから出射されたレーザ光が伝送用光ファイバへ入射するまでの光損失は、２×１光カプラー及びマッハ・ツェンダ型変調器による光損失と伝送用光ファイバとの結合効率とを考慮すると、少なくとも９ｄＢ以上となる。更に、８つの半導体レーザを集積した場合には、少なくとも１５ｄＢ以上とかなり大きな値の光損失が生じてしまう。
【００１２】
このような光損失は、マッハ・ツェンダ型変調器１０６に本質的な問題である。従って、光変調器として、マッハ・ツェンダ型のものを用いる限り、このような光損失を回避することは困難である。
【００１３】
上述した光損失については、図１６に示すように、半導体光増幅器１０８を集積することによってその一部を補償することが可能である。しかしながら、半導体光増幅器１０８は、光出力の飽和特性を有するため、光出力の上限が存在している。
【００１４】
特に、図１６に示すように、変調光を半導体光増幅器１０８によって増幅する場合、大きな光出力を得ようとすると、半導体光増幅器１０８内部での光強度が変動する。この結果、半導体光増幅器１０８内部のキャリア密度が変動し、パターン効果が生じてしまうという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、光損失を低減し、大きな光出力を得ることが可能な光半導体素子及び光半導体素子の変調方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に電圧を印加する電極と、前記第１の光カプラーの第１の入力ポートにレーザ光を入射する第１のレーザ部と、前記第１の光カプラーの第２の入力ポートにレーザ光を入射する第２のレーザ部とをモノリシックに一体化したことを特徴とする光半導体素子により達成される。
【００１７】
また、上記の光半導体素子において、前記電極は、前記第１の光導波路に電圧を印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加する第２の電極とを有するようにしてもよい。
【００１８】
また、上記の光半導体素子において、前記第１のレーザ部は、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射するレーザ光を結合する光カプラーとを有し、前記第２のレーザ部は、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射するレーザ光を結合する光カプラーとを有するようにしてもよい。
【００１９】
また、上記目的は、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に電圧を印加する電極と、前記第１の光カプラーの第１の入力ポートにレーザ光を入射する第１のレーザ部と、前記第１の光カプラーの第２の入力ポートにレーザ光を入射する第２のレーザ部とを有する光半導体素子の変調方法であって、前記電極により前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に変調信号電圧を印加することにより、前記第１の光カプラーの第１の入力ポート又は第２の入力ポートに入射するレーザ光を変調し、前記第２の光カプラーの出力ポートから出射することを特徴とする光半導体素子の変調方法により達成される。
【００２０】
また、上記目的は、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路に電圧を印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加する第２の電極と、前記第１の光カプラーの第１の入力ポートにレーザ光を入射する第１のレーザ部と、前記第１の光カプラーの第２の入力ポートにレーザ光を入射する第２のレーザ部とを有する光半導体素子の変調方法であって、前記第１の電極により前記第１の光導波路にバイアス電圧を印加し、前記第２の電極により前記第２の光導波路に変調信号を印加することにより、前記第１の光カプラーの第１の入力ポート又は第２の入力ポートに入射するレーザ光を変調し、前記第２の光カプラーの出力ポートから出射することを特徴とする光半導体素子の変調方法により達成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光半導体素子及び光半導体素子の変調方法について図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態による光半導体素子の構造を示す平面図、図２及び図３は、光半導体素子の変調方法を示すタイムチャート、図４は、複数のレーザダイオードを並列に接続して用いたときの構造を示す平面図、図５は、複数のレーザダイオードを直列に接続して用いたときの構造を示す平面図である。なお、本実施形態では、光源として２つのレーザダイオードを用いる場合について説明する。
【００２２】
まず、本実施形態による光半導体素子の構造について図１を用いて説明する。
【００２３】
本実施形態による光半導体素子では、図１に示すように、基板１０の一端側に、光源であるレーザダイオード１２ａ、１２ｂが設けられている。基板１０の中央には、レーザダイオード１２ａ、１２ｂからのレーザ光を変調するマッハ・ツェンダ型変調器１４が設けられている。
【００２４】
マッハ・ツェンダ型変調器１４は、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する２×２光カプラー１６と、２×２光カプラー１６の２つの出力ポートにそれぞれ接続された光導波路１８ａ、１８ｂと、光導波路１８ａ、１８ｂにそれぞれ設けられた電極２０ａ、２０ｂと、光導波路１８ａ、１８ｂがそれぞれ接続された２つの入力ポートと一つの出力ポートとを有する２×１光カプラー２２とから構成されている。
【００２５】
２×２光カプラー１６の２つの入力ポートには、光導波路２４ａ、２４ｂを介してレーザダイオード１２ａ、１２ｂがそれぞれ接続され、レーザダイオード１２ａ、１２ｂから出射されたレーザ光が、マッハ・ツェンダ型変調器１４に入射される。
【００２６】
２×１光カプラー２２の出力ポートには、素子端部まで設けられた光導波路２６が接続され、光導波路２６の素子端部側から、マッハ・ツェンダ型変調器１４による変調光が出射される。
【００２７】
次に、本実施形態による光半導体素子の各構成部分について図１を用いて詳述する。
【００２８】
レーザダイオード１２ａ、１２ｂは、本実施形態による光半導体素子の光源として機能するものであり、例えば、λ／４シフトＤＦＢ（Distributed FeedBack、分布帰還型）レーザや、利得結合ＤＦＢレーザ、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector、分布反射型）レーザ等の半導体レーザである。通常、レーザダイオード１２ａ、１２ｂの発振波長は互いに異なるものとし、所望の波長の光を得るべく、どちらか一方を駆動する。また、レーザダイオード１２ａ、１２ｂの発振波長を同一のものとし、一方を予備の光源としてもよい。
【００２９】
レーザダイオード１２ａ又はレーザダイオード１２ｂより出射されたレーザ光は、光導波路２４ａ又は光導波路２４ｂを介して２×２光カプラー１６に入射される。
【００３０】
２×２光カプラー１６は、レーザダイオード１２ａ又はレーザダイオード１２ｂから出射されたレーザ光を１：１の割合で分岐し光導波路１８ａ、１８ｂへと入射する。
【００３１】
このように、マッハ・ツェンダ型変調器１４の入射側に２×２光カプラー１６を設けることにより、従来技術では必要であった２×１光カプラーを用いることなく２つのレーザダイオード１２ａ、１２ｂを接続することができる。これにより、光損失を原理的に３ｄＢ低減することができる。更に、２×２光カプラー１６によって、レーザダイオード１２ａ又はレーザダイオード１２ｂから出射されたレーザ光を半減することなく、マッハ・ツェンダ型変調器１４に入射することが可能となる。これにより、２×１光カプラーを使用した従来のものに比べて、ほぼ２倍の光強度を有する変調光を得ることが可能となる。
【００３２】
また、レーザダイオード１２ａ、１２ｂとマッハ・ツェンダ型変調器１４とを同一の基板１０２に設けているので、レーザダイオード１２ａ、１２ｂから２×２光カプラー１６までの光導波路等における光伝送の際に生じる光損失を最小限に抑えることが可能となる。
【００３３】
マッハ・ツェンダ型変調器１４は、電極２０ａ及び／又は電極２０ｂに電圧を印加し光導波路１８ａ、１８ｂの屈折率を変化することにより、レーザダイオード１２ａ、１２ｂから出射されたレーザ光を変調するものである。変調方法の詳細については後述する。
【００３４】
２×１光カプラー２２は、マッハ・ツェンダ型変調器１４の光導波路２０ａ、２０ｂを通過したレーザ光を結合し、光導波路２６へと出射するものである。
【００３５】
次に、本実施形態による光半導体素子の変調方法にについて図１乃至図３を用いて説明する。尚、図１に示す光半導体素子では、マッハ・ツェンダ型変調器１４に電圧を印加しない場合、レーザダイオード１２ａを駆動したときには、２つの光導波路の光路長差が無くレーザ光が光導波路２６端部から出射されるオン状態となり、レーザダイオード１２ｂを駆動したときには、２つの光導波路の光路長差が存在してレーザ光が光導波路２６端部から出射されないオフ状態となるように構成されているものとする。
【００３６】
まず、レーザダイオード１２ａを駆動する場合について説明する。図１では、マッハ・ツェンダ型変調器１４に電圧を印加しない場合は、２つの光導波路の光路長差が無く、レーザ光が光導波路２６端部から出射される。そこで、電極２０ａには、図２（ａ）に示すように、０のバイアス電圧のみを印加する。一方、電極２０ｂには、図２（ｂ）に示すように、直流バイアスが−１／２Ｖπ、振幅Ｖπの変調信号を印加する。これにより、マッハ・ツェンダ型変調器１４による変調光は、図２（ｃ）に示すような変調波形となる。
【００３７】
一方、レーザダイオード１２ｂを、上記のレーザダイオード１２ａの場合と同一のマッハ・ツェンダ型変調器１４の変調条件の下で駆動すると、変調光は、図２（ｄ）に示すように、レーザダイオード１２ａを駆動した場合の変調波を反転した波形パターンとなる。
【００３８】
上述のような変調光の相補性は、レーザダイオード１２ａを駆動した場合と、レーザダイオード１２ｂを駆動した場合とで、２つの光導波路の光路長差が異なるためである。即ち、レーザダイオード１２ａを駆動した場合、図１では、マッハ・ツェンダ型変調器１４に電圧を印加しないと、光路長差が無いためレーザ光が干渉せずに光導波路２６端部より出射され、電圧を印加すると、光路長差が生じるためレーザ光が干渉して光導波路２６端部より出射されない。一方、レーザダイオード１２ｂを駆動した場合、図１では、マッハ・ツェンダ型変調器１４に電圧を印加しないと、光路長差が存在するためレーザ光が干渉して光導波路２６端部より出射されず、電圧を印加すると、光路長差が無くなるためレーザ光が干渉せずに光導波路２６端部より出射される。
【００３９】
なお、厳密には、レーザダイオード１２ａとレーザダイオード１２ｂとの発振波長が大きく異なると、マッハ・ツェンダ型変調器１４の光路長差が変化し干渉点がずれるため、変調光は、完全に反転した波形パターンとはならなくなる。
【００４０】
レーザダイオード１２ｂを駆動するときに、変調光の波形パターンがレーザダイオード１２ａを駆動した場合に対し反転しないようにするためには、図３（ａ）に示すように、電極２０ａに−Ｖπのバイアス電圧を印加する。一方、電極２０ｂには、図３（ｂ）に示すように、レーザダイオード１２ａの場合と同様、直流バイアスが−１／２Ｖπ、振幅Ｖπの変調信号を印加する。こうして、図３（ｃ）に示すように、図２のレーザダイオード１２ａを駆動した場合と同じ波形パターンの変調光が得られる。なお、上記のレーザダイオード１２ｂと同一の条件でレーザダイオード１２ａを駆動すると、変調光は、図３（ｄ）に示すように、レーザダイオード１２ｂを駆動した場合と反転した波形パターンとなる。
【００４１】
上述のように、マッハ・ツェンダ型変調器１４の電極１２ａに印加する電圧を切り替えることにより、レーザダイオード１２ａ、１２ｂのどちらを駆動しても、波形パターンを反転することなく変調光を得ることができる。
【００４２】
こうして、マッハ・ツェンダ型変調器１４の光導波路２０ａ、２０ｂを通過し変調された光は、２×１光カプラー２２により結合され、光導波路２６の素子端部側より出射される。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、複数の半導体レーザを２入力２出力構成の光カプラーを介してマッハ・ツェンダ型変調器に接続するので、光損失を低減し、大きな光出力を得ることができる。
【００４４】
また、複数の半導体レーザとマッハ・ツェンダ型変調器とが同一基板上に一体化されているので、半導体レーザから光カプラーまでの光導波路等における光伝送の際に生じる光損失を最小限に抑えることができる。また、システムの全体構成を小型化することができ、低コスト化を図ることができる。
【００４５】
なお、光源として用いるレーザダイオードの数は、上記のように２つに限定されるものではなく、更に多くの数のレーザダイオードを光源として用いてもよい。例えば、図４に示すように、８つのレーザダイオードを並列に接続して用いることもできる。この場合、８つのレーザダイオードレーザダイオード２８ａ〜２８ｈのうち半分のレーザダイオード２８ａ〜２８ｄが、４×１光カプラー３０ａを介して光導波路２４ａに接続されている。残り半分のレーザダイオード２８ｅ〜２８ｈが、４×１光カプラー３０ｂを介して光導波路２４ｂに接続されている。
【００４６】
図４に示す光半導体素子の構造では、レーザダイオード２８ａ〜２８ｈと光導波路２４ａ、２４ｂとの間に設けられた４×１光カプラー３０ａ、３０ｂによる損失を回避することはできない。しかし、従来技術により８つのレーザダイオードを接続する場合と比較すると、マッハ・ツェンダ型変調器１４の入射側に２×２光カプラー１６を用いているため、２×１光カプラーが１つ不要となる。このため、レーザダイオードを２つ用いた場合と同様に、光損失を原理的に３ｄＢ低減することができる。また、４×１光カプラー３０ａ、３０ｂとマッハ・ツェンダ型変調器１４との間の光導波路２４ａ、２４ｂに半導体光増幅器を設けて、レーザ光を増幅してからマッハ・ツェンダ型変調器１４に入射するようにしてもよい。
【００４７】
また、図５に示すように、例えば６つのレーザダイオードを３つずつ直列に接続して用いてもよい。この場合、光導波路２４ａには、直列に設けられたレーザダイオード３２ａ〜３２ｃが接続されている。レーザダイオード３２ａ〜３２ｃの発振波長を決定する回折格子の周期はそれぞれ異なっている。光導波路２４ｂには、直列に設けられたレーザダイオード３２ｄ〜３２ｆが接続されている。レーザダイオード３２ｄ〜３２ｆの発振波長を決定する回折格子の周期はそれぞれ異なっている。
【００４８】
図５に示す光半導体素子の構造では、直列に設けられたレーザダイオードのうち、マッハ・ツェンダ型変調器１４から離れた位置に設けられたレーザダイオードより出射されたレーザ光が、マッハ・ツェンダ型変調器１４に近い位置に設けられたレーザダイオードの回折格子の影響を受けないように、レーザダイオードそれぞれの発振波長を設定する必要がある。即ち、後方のレーザダイオードより出射されたレーザ光が、前方のレーザダイオードの回折格子の反射帯域に入らないように設定する必要がある。
【００４９】
また、直列に設けられたレーザダイオードのうち、駆動するレーザダイオードよりもマッハ・ツェンダ型変調器１４に近い位置に設けられたレーザダイオードには、レーザ光の吸収が起こらないように多少電流を流す必要がある。
【００５０】
このように、複数のレーザダイオードを直列に設けた場合は、駆動するレーザダイオードを切り替えるとともに、駆動したレーザダイオードよりもマッハ・ツェンダ型変調器１４に近い位置に設けられたレーザダイオードの電流値も制御する。こうして、光カプラーによる損失を減らして、複数のレーザダイオードを光源として用いることが可能となる。
【００５１】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光半導体素子及び光半導体素子の変調方法について図６及び図７を用いて説明する。図６は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す平面図、図７は、光半導体素子の変調方法を示すタイムチャートである。なお、第１実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略又は簡潔にする。
【００５２】
本実施形態による光半導体素子は、第１実施形態による光半導体素子に半導体光増幅器を設けて光出力の向上を図ったものである。
【００５３】
本実施形態による光半導体素子の構造は第１実施形態によるものとほぼ同一である。図６に示すように、第１実施形態による光半導体素子の構造に加えて、マッハ・ツェンダ型変調器１４による変調光を増幅する半導体光増幅器３４が光導波路２６に設けられている。光導波路２６が設けられた素子端部側には、半導体光増幅器３４によって増幅された光のうちから所望の波長成分のみを濾波する波長フィルタ３６が配置されている。また、レーザダイオード１２ａ、１２ｂの発振波長は、互いに異なる値に設定されている。
【００５４】
本実施形態による光半導体素子では、異なる発振波長のレーザダイオード１２ａ、１２ｂを同時に駆動しマッハ・ツェンダ型変調器１４による変調を行い、半導体光増幅器３４におけるパターン効果を回避することに特徴がある。以下、本実施形態による光半導体素子の変調方法について図６及び図７を用いて説明する。ここで、レーザダイオード１２ａ、１２ｂの発振波長をそれぞれλ1、λ2とし、波長フィルタ３６の透過波長をλ1に設定するものとする。
【００５５】
まず、レーザダイオード１２ａ、１２ｂを同時に駆動し、波長λ1のレーザ光と波長λ2のレーザ光とを出射する。続いて、マッハ・ツェンダ型変調器１４によってレーザダイオード１２ａ、１２ｂから出射された波長λ1のレーザ光と波長λ2のレーザ光とを同時に変調する。
【００５６】
図７（ａ）は、レーザダイオード１２ａより出射された波長λ1のレーザ光の変調光を示したものである。図７（ｂ）は、レーザダイオード１２ｂより出射された波長λ2のレーザ光の変調光を示したものである。図７（ａ）及び図７（ｂ）から明らかなように、第１実施形態において述べたマッハ・ツェンダ型変調器１４の変調特性により、波長λ1のレーザ光と波長λ2のレーザ光とは、互いに反転した波形パターンで変調されることとなる。即ち、波長λ1の変調光と波長λ2の変調光は、一方がオンの時には他方はオフとなる相補的な関係になっている。このような状態で、波長λ1のレーザ光と波長λ2のレーザ光の変調光は、同時に半導体光増幅器３４に入射されて増幅されることとなる。
【００５７】
上記のレーザダイオード１２ａ、１２ｂより出射されたレーザ光の変調光の相補的な関係により、半導体光増幅器３４に入射してその内部を伝搬する全光強度は、図７（ｃ）に示すように、多少の揺らぎは生じるものの、ほぼオンレベルで一定となる。この結果、半導体光増幅器３４内でのキャリア密度変動が生じることがなく、半導体光増幅器３４への入射光のパターンによる利得変動、即ちパターン効果を抑制することが可能となる。
【００５８】
最後に、パターン効果を生じることなく半導体光増幅器３４によって増幅されたレーザ光から、波長λ1のレーザ光の波長成分を、波長フィルタ３６によって濾波する。この結果、図７（ｄ）に示すように、レーザダイオード１２ａより出射されたレーザ光の変調光を増幅したものが得られる。こうして、パターン効果を伴わずに増幅された変調光を得ることが可能となる。
【００５９】
なお、相補的な波形パターンを有し、異なる波長の光を入射して半導体光増幅器のパターン効果を抑制する技術が特開平１０−３３６１７号公報に開示されている。この従来技術は、２つの強度変調器を用いて、半導体光増幅器に入射する２つの相補的な信号をつくりだすものである。
【００６０】
一方、本実施形態による光半導体素子は、１つのマッハ・ツェンダ型変調器により相補的な波形パターンを有する信号を同時につくりだすことができるという利点を有し、上記の従来技術とは大きく異なっている。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、複数の半導体レーザを２入力２出力構成の光カプラーを介してマッハ・ツェンダ型変調器に接続するので、光損失を低減し、大きな光出力を得ることができる。また、異なる発振波長のレーザダイオードを同時に駆動し、それらの出射光をマッハ・ツェンダ型変調器により同時に変調して半導体光増幅器に入射するので、パターン効果を生じることなく半導体光増幅器によって変調光を増幅することができる。
【００６２】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光半導体素子及び光半導体素子の変調方法について図８乃至図１２を用いて説明する。図８は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す図、図９及び図１０は、光半導体素子のプッシュプル動作による変調方法を示すタイムチャート、図１１及び図１２は、光半導体素子の製造方法を示す工程図である。
【００６３】
本実施形態による光半導体素子は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料により構成され、光源として２つのλ／４シフトＤＦＢレーザを用いたものである。
【００６４】
まず、本実施形態による光半導体素子の構造について図８を用いて説明する。図８（ａ）は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のａ−ａ′線断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のｂ−ｂ′線断面図である。
【００６５】
本実施形態による光半導体素子では、図８（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３８の一端側に、２つのλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが設けられている。ｎ型ＩｎＰ基板３８の中央には、マッハ・ツェンダ型変調器４２が設けられている。
【００６６】
マッハ・ツェンダ型変調器４２は、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する２×２ＭＭＩ（Multi-Mode Interference）光カプラー４４と、２×２ＭＭＩ光カプラー４４の２つの出力ポートにそれぞれ接続された光導波路４６ａ、４６ｂと、光導波路４６ａ、４６ｂ上にそれぞれ設けられたｐ側電極４８ａ、４８ｂと、光導波路４６ａ、４６ｂがそれぞれ接続された２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する２×２ＭＭＩ光カプラー５０とから構成されている。
【００６７】
ＭＭＩ光カプラーは、幅広の光導波路で構成されており、その入力ポートから入射した光は、高次モードが励起されて伝搬する。各モードは干渉し、周期的に焦点を結ぶポイントがある。例えば焦点の数が２となる位置にＭＭＩ光カプラーの長さを合わせ、各焦点の位置に出力ポートを配置するすることにより、３ｄＢ光カプラーとなる。
【００６８】
２×２ＭＭＩ光カプラー４４の２つの入力ポートには、光導波路５２ａ、５２ｂを介してλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂがそれぞれ接続され、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂから出射されたレーザ光が、マッハ・ツェンダ型変調器４２に入射される。
【００６９】
２×２ＭＭＩ光カプラー５０の２つの出力ポートには、素子端部まで設けられた光導波路５４ａ、５４ｂがそれぞれ接続されている。光導波路５４ａ、５４ｂの素子端部側から、マッハ・ツェンダ型変調器４２によって変調されたレーザ光が出射される。
【００７０】
このように構成された光半導体素子には、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ側の端面と、光導波路５４ａ、５４ｂ側の端面に、無反射コート膜５６ａ、５６ｂが形成されている。
【００７１】
上記の光導波路構造は、図８（ａ）の平面図では便宜的に表したものである。以下に、各構成部分の断面構造について説明する。
【００７２】
まず、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが設けられている部分の断面構造について図８（ｂ）を用いて説明する。
【００７３】
図８（ｂ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３８上に、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８が設けられている。ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８は、例えば、０．１μｍ厚のｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層（バンドギャップ波長１．２μｍ）と、０．１μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ（Separate Confinement Herterostructure）層（バンドギャップ波長１．３μｍ）と、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ障壁層（バンドギャップ波長１．３μｍ）と、６ｎｍ厚の１％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ井戸層７層とが順次形成されたものである（図示せず）。なお、ｎ型ＩｎＰ基板３８とＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８との間に、ｎ型ＩｎＰバッファ層が形成されているようにしてもよい。
【００７４】
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８のｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層と接するｎ型ＩｎＰ基板３８の表面のλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが設けられる領域には、λ／４の位相シフトを設けた回折格子（図示せず）が形成されている。それらの回折格子の周期は互いに異なっており、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂの発振波長は互いに異なったものに設定されている。
【００７５】
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８上には、２μｍ厚のｐ型ＩｎＰクラッド層６０と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２とが順次形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層６０とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２とには、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが設けられる領域に、幅２μｍのリッジ構造がそれぞれ形成されている。これらリッジ構造の両側溝部及びリッジ構造に形成されていないｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２上には酸化シリコン薄膜６４が形成されている。更に、リッジ構造の両側溝部には、ポリイミド層６６が充填されている。リッジ構造のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２上には、ｐ側電極６８ａ、６８ｂが形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板３８の他方の面にはｎ側電極７０が形成されている。こうして、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが形成されている。λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂは、例えば長さ３００μｍであり、２つのレーザの間隔は、２０μｍとなっている。
【００７６】
上述したλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ以外のマッハ・ツェンダ型変調器４２、光導波路５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂは、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２の有無を除き、同一の断面構造を有している。これらの断面構造について、マッハ・ツェンダ型変調器４２が設けられている部分の断面構造を例に図８（ｃ）を用いて説明する。
【００７７】
図８（ｃ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３８上に、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層７２が形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層７２は、例えば１０ｎｍ厚のＩｎＰ障壁層と１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ井戸層とを２０周期積層したＰＬ（フォトルミネセンス）ピーク波長を１．４５μｍとしたものである（図示せず）。
【００７８】
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層７２上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２が順次形成されている。
【００７９】
ｎ型ＩｎＰ基板３８、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層７２、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２は、例えば幅２μｍで、通常のメサ構造と比べて高い、高さ３μｍの２つのハイメサ構造を有するように形成され、それぞれが光導波路４６ａ、４６ｂを構成している。光導波路４６ａ、４６ｂの間隔は、例えば２０μｍとなっている。
【００８０】
上述のハイメサ構造の側面及びｎ型ＩｎＰ基板３８上に、酸化シリコン薄膜６４が形成されている。更に、ハイメサ構造の両側には、ポリイミド層６６が充填されている。ハイメサ構造及びポリイミド層６６上には、ハイメサ構造上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７６と接するようにｐ側電極４８ａ、４８ｂが形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板３８の他方の面にはｎ側電極７０が形成されている。
【００８１】
２×２ＭＭＩ光カプラー４４、５０は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２が設けられていない点を除いて、上述したハイメサ構造と同様の断面構造を有している。２×２ＭＭＩ光カプラー４４、５０の大きさは、例えば幅１５μｍ、長さ４２０μｍであり、接続されている光導波路の間隔は５μｍとなっている。
【００８２】
以上のように構成されている光半導体素子の大きさは、例えば幅３００μｍ、長さ２００μｍとなっている。
【００８３】
上述のように、本実施形態による光半導体素子は、モノリシックに一体化されているので、システムの全体構成を小型化することができ、低コスト化が可能である。
【００８４】
次に、本実施形態による光半導体素子の変調方法について説明する。ここでは、マッハ・ツェンダ型変調器４２の２つの光導波路４６ａ、４６ｂ間には光路長差が全くないものと仮定する。本実施形態による光半導体素子は、第１実施形態による光半導体素子と同様にして変調することができる。
【００８５】
λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａを駆動する場合には、例えばｐ側電極４８ａに対して０Ｖのバイアス電圧のみ印加し、ｐ側電極４８ｂにのみ直流バイアスが約−１．２５Ｖ、振幅約２．５Ｖ（オンレベルが０Ｖ、オフレベルが−２．５Ｖ）の変調信号を印加する。
【００８６】
これに対し、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ｂを駆動する場合には、ｐ側電極４８ａに印加するバイアス電圧を−２．５Ｖに切り替える。一方、ｐ側電極４８ｂには、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａを駆動する場合と同様に、直流バイアスが約−１．２５Ｖ、振幅約２．５Ｖの変調信号を印加する。こうすることにより、上述の条件でλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａを駆動する場合と同じ波形パターンの変調光を得ることができる。
【００８７】
また、本実施形態による光半導体素子は、プッシュプル（push-pull）動作により変調することができる。プッシュプル動作とは、マッハ・ツェンダ型変調器４２のｐ側電極４８ａ、４８ｂに対して互いに逆相の変調信号を加えることにより、光出力の増大化・安定化を図るものである。これにより、ｐ側電極４８ａ、４８ｂに印加する電圧を低減することが可能である。
【００８８】
上述のようなプッシュプル動作を行う場合についても、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａを駆動した場合の変調光の波形パターンと、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ｂを駆動した場合の変調光の波形パターンとを、反転することなく同一にすることが可能である。プッシュプル動作において同一の波形パターンの変調光を得る変調方法について図９及び図１０を用いて説明する。
【００８９】
例えば、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａを駆動する場合には、ｐ側電極４８ａに、図９（ａ）に示す直流バイアス約−０．６Ｖ、振幅約１．２５Ｖの変調信号を印加する。ｐ側電極４８ｂには、図９（ｂ）に示す直流バイアス約−１．９Ｖ、振幅約１．２５Ｖの変調信号を印加する。これにより、図９（ｃ）に示すような波形パターンの変調光が得られる。
【００９０】
これに対し、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ｂを駆動する場合には、ｐ側電極４８ａに、図１０（ａ）に示す直流バイアス約−１．９Ｖ、振幅約１．２５Ｖの変調信号を印加する。ｐ側電極４８ｂには、図１０（ｂ）に示すように、直流バイアス電圧約−０．６Ｖ、振幅約１．２５Ｖの変調信号を印加する。これにより、図１０（ｃ）に示すような、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａを駆動する場合と同一の波形パターンの変調光が得られる。
【００９１】
上述のように、ｐ側電極４８ａ、４８ｂに印加する変調信号のバイアス電圧を切り替えることにより、プッシュプル動作の場合においても、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂのどちらを駆動した場合でも、反転することなく同一の波形パターンの変調光を得ることが可能となる。
【００９２】
また、マッハ・ツェンダ型変調器４２の光導波路４６ａ、４６ｂに光路長差が存在する場合や、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ共に上記の場合と反転した波形パターンの変調光が得られるように駆動する場合についても、上述のようにバイアス電圧を切り替えることにより、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、を駆動した場合の変調光とλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ｂを駆動した場合の変調光とを、反転することなく同一の波形パターンとすることができる。
【００９３】
なお、マッハ・ツェンダ型変調器４２による変調条件を同一とした場合には、第１実施形態と同様、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａを駆動した場合と、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ｂを駆動した場合とでは、互いに反転した波形パターンの変調光が得られる。
【００９４】
次に、本実施形態による光半導体素子の製造方法について図１１及び図１２を用いて説明する。図１１（ａ１）乃至図１１（ｅ１）及び図１２（ａ１）乃至図１２（ｄ１）は、光半導体素子の製造方法を示す平面図、図１１（ａ２）乃至図１１（ｅ２）は、それぞれ図１１（ａ１）乃至図１１（ｅ１）のａ−ａ′線断面図、図１２（ａ２）乃至図１２（ｄ２）は、それぞれ図１２（ａ１）乃至図１２（ｄ１）のｂ−ｂ′線断面図、図１２（ａ３）乃至図１２（ｄ３）は、それぞれ図１２（ａ１）乃至図１２（ｄ１）のｃ−ｃ′線断面図である。
【００９５】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板３８上にレジストを塗布する。次いで、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを形成する領域上のレジストに電子ビーム露光法等を用いてλ／４シフトを有する回折格子パターンを形成する。それらの回折格子の周期を互いに異なったものとし、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂの発振波長を互いに異なったものとなるようにする。
【００９６】
続いて、例えばエタンをエッチングガスとする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Ethcing）等のドライエッチングにより、上述の回折格子パターンをｎ型ＩｎＰ基板３８上に転写してλ／４シフト領域７４ａ、７４ｂを形成した後、レジストを除去する（図１１（ａ１）、図１１（ａ２））。
【００９７】
次いで、λ／４シフト領域７４ａ、７４ｂを設けたｎ型ＩｎＰ基板３８の全面に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ；Metal Organic Vapor Epitaxy）法を用いて、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層、１％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ井戸層７層を形成して、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪多重量子井戸層５８を形成する。続いて、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪多重量子井戸層５８上にｐ型ＩｎＰクラッド層６０の一部を形成する（図１１（ｂ１）、図１１（ｂ２））。
【００９８】
次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０上に酸化シリコン薄膜７６を形成する。続いて、フォトリソグラフィーにより、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを形成する領域以外の酸化シリコン薄膜７６を除去する。この酸化シリコン薄膜７６をマスクとして、マッハ・ツェンダ型変調器４２、光導波路５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂを形成する領域のｐ型ＩｎＰクラッド層６０及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪多重量子井戸層５８を、ウエットエッチングにより除去する（図１１（ｃ１）、図１１（ｃ２））。
【００９９】
次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪多重量子井戸層５８をウエットエッチングにより除去した領域のｎ型ＩｎＰ基板３８上に、ＭＯＶＰＥ法によりＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層７２、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０の一部を順次形成する（図１１（ｄ１）、図１１（ｄ２））。このとき、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを形成する領域のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層５８と、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層７２とがつき合わせたように接続するように成長条件を調整する。このとき、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層５８と、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層７２との接続面が、後に形成する光導波路５２ａ、５２ｂ端部に対して垂直になるようにしているが、接続面での反射を低減するために、光導波路５２ａ、５２ｂ端部に対して接続面を傾いているようにしてもよい。
【０１００】
次に、マスクとして用いた酸化シリコン薄膜７６を除去し、残りのｐ型ＩｎＰクラッド層６０、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２を全面に形成する（図１１（ｅ１）、図１１（ｅ２））。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２は、その後、ｐ側電極６８ａ、６８ｂ、４８ａ、４８ｂを形成する領域近傍を残して、ＩｎＰを選択的に溶かす溶液（例えば、硫酸、過酸化水素、水の混合液）でエッチングして除去する。
【０１０１】
次いで、上記の基板表面に光導波路パターンを窒化シリコン薄膜７８で形成する。この窒化シリコン薄膜７８をマスクとしてｐ型ＩｎＰクラッド層６０までエッチングし、リッジ構造を形成する（図１２（ａ１）、図１２（ａ２）、図１２（ａ３））。このエッチングには、例えば四塩化珪素をエッチングガスとするＲＩＥを用いる。
【０１０２】
続いて、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを形成する領域上に酸化シリコン等のマスク８０を形成して更にドライエッチングを行い、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを形成する領域のリッジ構造を保持しつつ、マッハ・ツェンダ型変調器４２、光導波路５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂを形成する光導波路パターンの領域をハイメサ構造に加工する（図１２（ｂ１）、図１２（ｂ２）、図１２（ｂ３））。
【０１０３】
上述のエッチング終了後、マスク８０及び窒化シリコン膜７８を除去し、全面を酸化シリコン膜６４で被覆する。続いて、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを形成する領域のリッジ構造の両側と、ハイメサ構造の両側にポリイミド層６６を充填する（図１２（ｃ１）、図１２（ｃ２）、図１２（ｃ３））。尚、図１２（ｃ１）の平面図では、便宜的に光導波路構造を示している。
【０１０４】
続いて、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ及びマッハ・ツェンダ型変調器４２のｐ側電極６８ａ、６８ｂ、４８ａ、４８ｂを形成する領域の酸化シリコン膜６４を除去し、各領域にｐ側電極６８ａ、６８ｂ、４８ａ、４８ｂを形成する。ｐ側電極としては、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いることができる。その後、ｎ型ＩｎＰ基板３８下部を研磨して１００μｍ程度の厚さにし、ｎ型ＩｎＰ基板３８下部にｎ側電極７０を形成する（図１２（ｄ１）、図１２（ｄ２）、図１２（ｄ３））。ｎ側電極としては、ＡｕＧｅ／Ａｕを用いることができる。尚、図１２（ｄ１）の平面図では、便宜的に光導波路構造を示している。
【０１０５】
最後に、上記のようにして形成された素子を劈開し、素子のλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ側端面と反対側端面に無反射コート膜５６ａ、５６ｂを形成する。なお、反射率低減の観点から、このときの素子の劈開面に対して光導波路５４ａ、５４ｂ端部が垂直になるのではなく、５〜７度程度垂直からずれるように形成することが望ましい。こうして、光半導体素子の製造を終了する。
【０１０６】
このように、本実施形態によれば、複数の半導体レーザを２入力２出力構成の光カプラーを介してマッハ・ツェンダ型変調器に接続するので、光損失を低減し、大きな光出力を得ることができる。
【０１０７】
また、複数の半導体レーザとマッハ・ツェンダ型変調器とが同一基板上に一体として集積化されているので、半導体レーザから光カプラーまでの光導波路等における光伝送の際に生じる光損失を最小限に抑えることができる。また、システムの全体構成を小型化することができ、低コスト化を図ることができる。
【０１０８】
なお、本実施形態では、２つのλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを光源として用いているが、光源の数は２つに限定されるものではない。第１実施形態による光半導体素子と同様に、複数のλ／４シフトＤＦＢレーザを並列或いは直列に設けて用いることが可能である。
【０１０９】
また、本実施形態では、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂの発振波長を異なる値に設定しているが、これらの発振波長を同一の値に設定してもよい。λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂの発振波長を同一の値に設定することにより得られる効果について以下に述べる。
【０１１０】
第１実施形態において述べた場合と同様に、マッハ・ツェンダ型変調器４２による変調条件を同一にすると、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａを駆動したときの変調光と、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ｂを駆動したときの変調光とは相補的な波形パターンとなる。一方、マッハ・ツェンダ型変調器４２では、電圧印加による光導波路の屈折率変化とともにマッハ・ツェンダ型変調器４２から光が出射されるオン状態から出射されないオフ状態になる場合には、光の波長成分の幅が広がる正のチャープが起こる。一方、光がオフ状態からオン状態になる場合には、光の波長成分の幅が小さくなる負のチャープが起こる。このため、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂのどちらを駆動するかによって、変調時のチャーピングの状態も変化する。従って、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂの発振波長を同一の値に設定することにより、同一波長の変調光で適切なチャーピングの状態のものを選択して出射することが可能となる。
【０１１１】
また、製造状況によっては、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂから出射されたレーザ光が伝搬する光導波路が完全に同一に作製されないことがある。この場合、光導波路間の位相差を完全に制御することができず、ばらつきが生じてしまう。このような場合には、マッハ・ツェンダ型変調器４２に電圧を印加しない状態で、同一波長のλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを駆動した場合の光出力の比を測定する。これにより、光導波路間の位相差のずれの程度を、変調をかけることなくある程度評価することが可能となる。
【０１１２】
また、作製した光半導体素子が設計からずれた場合には、マッハ・ツェンダ型変調器４２の電極４８ａ、４８ｂにバイアス電圧を印加することにより動作点を調整することとなる。このような場合、同一波長のλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂのうち最適動作点に近いものを選択することにより、動作点を調整するために印加する電圧を低減することが可能となる。
【０１１３】
また、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂの発振波長を同一の値に設定することにより、どちらか一方を予備の光源とすることができる。
【０１１４】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光半導体素子について図１３乃至図１５を用いて説明する。図１３は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す図、図１４及び図１５は、光半導体素子の製造方法を示す工程図である。なお、第３実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略又は簡潔にする。
【０１１５】
本実施形態による光半導体素子は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料により構成され、光源として２つのλ／４シフトＤＦＢレーザを用い、更に半導体光増幅器によって変調光の増幅を行うものである。
【０１１６】
まず、本実施形態による光半導体素子の構造について図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のａ−ａ′線断面図、図１３（ｃ）は図１３（ａ）のｂ−ｂ′線断面図、図１３（ｄ）は図１３（ａ）のｃ−ｃ′線断面図である。
【０１１７】
本実施形態による光半導体素子では、図１３（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３８の一端側に、２つのλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが設けられている。ｎ型ＩｎＰ基板３８の中央には、マッハ・ツェンダ型変調器４２が設けられている。
【０１１８】
マッハ・ツェンダ型変調器４２は、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する２×２ＭＭＩ光カプラー４４と、２×２ＭＭＩ光カプラー４４の２つの出力ポートにそれぞれ接続された光導波路４６ａ、４６ｂと、光導波路４６ａ、４６ｂ上にそれぞれ設けられたｐ側電極４８ａ、４８ｂと、光導波路４６ａ、４６ｂがそれぞれ接続された２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する２×２ＭＭＩ光カプラー５０とから構成されている。
【０１１９】
２×２ＭＭＩ光カプラー４４の２つの入力ポートには、光導波路５２ａ、５２ｂを介してλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂがそれぞれ接続され、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂから出射されたレーザ光が、マッハ・ツェンダ型変調器４２に入射される。
【０１２０】
２×２ＭＭＩ光カプラー５０の２つの出力ポートには、素子端部まで設けられた光導波路５４ａ、５４ｂがそれぞれ接続されている。光導波路５４ａの終端には、吸収部８４が設けられており、光導波路５４ａからはレーザ光が出射されないようになっている。光導波路５４ｂの素子端部側から、マッハ・ツェンダ型変調器４２によって変調されたレーザ光が出射されるようになっている。光導波路５４ｂには、マッハ・ツェンダ型変調器４２によって変調されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器８２が設けられている。
【０１２１】
このように構成された光半導体素子には、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ側の端面と、光導波路５４ａ、５４ｂ側の端面に、無反射コート膜５６ａ、５６ｂが形成されている。
【０１２２】
上記の光導波路構造は、図１３（ａ）の平面図では便宜的に表したものである。以下に、各構成部分の断面構造について説明する。
【０１２３】
まず、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが設けられている部分の断面構造について図１３（ｂ）を用いて説明する。
【０１２４】
図１３（ｂ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３８上に、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８が設けられている。
【０１２５】
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８と接するｎ型ＩｎＰ基板３８の表面のλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが設けられる領域には、λ／４の位相シフトを設けた回折格子（図示せず）が形成されている。それらの回折格子の周期は互いに異なっており、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂの発振波長は互いに異なったものに設定されている。
【０１２６】
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８上には、２μｍ厚のｐ型ＩｎＰクラッド層６０と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２とが順次形成されている。
【０１２７】
ｎ型ＩｎＰ基板３８、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２は、２つのハイメサ構造を有するように形成されている。
【０１２８】
上述のハイメサ構造両側のｎ型ＩｎＰ基板３８上には、高抵抗ＩｎＰ層８６が形成されている。高抵抗ＩｎＰ層８６上には、酸化シリコン薄膜６４が形成されている。酸化シリコン薄膜６４上には、ハイメサ構造上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７６と接するようにｐ側電極６８ａ、６８ｂが形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板３８の他方の面にはｎ側電極７０が形成されている。こうして、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂが形成されている。
【０１２９】
上述したλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ以外のマッハ・ツェンダ型変調器４２、光導波路５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂは、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２の有無を除き、同一の断面構造を有している。これらの断面構造について、マッハ・ツェンダ型変調器４２が設けられている部分の断面構造を例に図８（ｃ）を用いて説明する。
【０１３０】
図８（ｃ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３８上に、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層７２が形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層７２上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２とが順次形成されている。
【０１３１】
ｎ型ＩｎＰ基板３８、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層７２、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２は、２つのハイメサ構造を有するように形成され、それぞれ光導波路４６ａ、４６ｂを構成している。
【０１３２】
上述のハイメサ構造両側のｎ型ＩｎＰ基板３８上には、高抵抗ＩｎＰ層８６が形成されている。高抵抗ＩｎＰ層８６上には、酸化シリコン薄膜６４が形成されている。酸化シリコン薄膜６４上には、ハイメサ構造上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２と接するようにｐ側電極４８ａ、４８ｂが形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板３８の他方の面にはｎ側電極７０が形成されている。こうして、マッハ・ツェンダ型変調器４２が形成されている。
【０１３３】
次に、半導体光増幅器８２及び吸収部８４の断面構造について図１３（ｄ）を用いて説明する。
【０１３４】
図１３（ｄ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３８上に、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８が形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層７２上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０が形成されている。
【０１３５】
半導体光増幅器８２となる部分は、ｎ型ＩｎＰ基板３８、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０がハイメサ構造となっている。ハイメサ構造となっているｐ型ＩｎＰクラッド層６０上には、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２が形成されている。なお、ｎ型ＩｎＰ基板３８の表面の半導体光増幅器８２が設けられる領域には、λ／４の位相シフトを設けた回折格子が形成されておらず、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂとなるハイメサ構造とは異なっている。このハイメサ構造両側のｎ型ＩｎＰ基板３８上には、高抵抗ＩｎＰ層８６が形成されている。
【０１３６】
吸収部８４となる部分は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層５８、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０が残されている。
【０１３７】
上述の構造の全面には、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２上を除き、酸化シリコン膜６４が形成されている。酸化シリコン膜６４上には、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２と接するようにｐ側電極８８が設けられている。ｎ型ＩｎＰ基板３８の他方の面にはｎ側電極７０が形成されている。こうして、半導体光増幅器８２及び吸収部８４が形成されている。
【０１３８】
上述のように、本実施形態による光半導体素子は、モノリシックに一体化されているので、システムの全体構成を小型化することができ、低コスト化が可能である。
【０１３９】
次に本実施形態による光半導体素子の変調方法について説明する。
【０１４０】
本実施形態による光半導体素子は、第３実施形態による光半導体素子と同様に変調することができる。また、本実施形態による光半導体素子では、光導波路５４ａに吸収部８４が設けられ、光導波路５４ｂ端部に半導体光増幅器８２が設けられている。
【０１４１】
第４実施形態による光半導体素子は、マッハ・ツェンダ型変調器４２がオンの時もオフの時も、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを駆動すると、光導波路５４ａ、５４ｂからレーザ光が出射され得るものであった。
【０１４２】
これに対し、本実施形態による光半導体素子は、半導体光増幅器８２及び吸収層８４により、オフ時のレーザ光が吸収され、また、光導波路内を伝搬するレーザ光が、光導波路の曲がり等によって散乱して生じる迷光も除去されるので、オン時にのみレーザ光が出射されるものとなっている。
【０１４３】
また、半導体光増幅器８２によって、マッハ・ツェンダ型変調器４２による変調光を増幅することが可能であり、更に高い光出力を得ることが可能である。
【０１４４】
しかし、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂのどちらか一方を駆動する通常の方法では、マッハ・ツェンダ型変調器４２によって変調されたレーザ光が半導体光増幅器８２に入射するためにパターン効果が生ずることとなる。このため、このような変調光をデータ伝送等の信号光として使用するためには、半導体光増幅器８２の出力限界であるＣＷ（Continuous Wave）光が入射した時の飽和出力から、マーク率による３ｄＢの低下も合わせて１０ｄＢ近く変調光の平均光出力を低減しなければならない。このように、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂのどちらか一方を駆動する通常の方法では、大きな光出力を得ることが困難であるという問題が生じる。
【０１４５】
上述の問題は、第２実施形態において述べた、変調光の波形パターンの相補的な関係を利用した変調方法を適用することにより解決することができる。
【０１４６】
例えば、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａの発振波長を１５５０．１２ｎｍとし、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ｂの発振波長を１５４８．５１ｎｍと設定する。これらのλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを同一出力で駆動し、マッハ・ツェンダ型変調器４２による変調を行う。λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂより出射されたレーザ光は、相補的な波形パターンで変調される。この結果、半導体光増幅器８２への全入射光は、ほぼ一定の光強度となり、半導体光増幅器８２におけるパターン効果が抑制される。
【０１４７】
続いて、半導体光増幅器８２により増幅され出射された光から、１５５０．１２ｎｍの波長成分を波長フィルタによって濾波する。これにより、ピーク強度１０ｍＷ以上の変調光が得られる。なお、このような波長フィルタは、予め光半導体素子自身に集積しておいてもよい。尚、半導体光増幅器を用いる場合には、半導体光増幅器自身の発光であるＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光を除去するためのフィルタが必要となるので、このフィルタを上記の用途に流用することもできる。
【０１４８】
次に、本実施形態による光半導体素子の製造方法について図１４及び図１５を用いて説明する。図１４（ａ１）乃至図１４（ｅ１）及び図１５（ａ１）乃至図１５（ｄ１）は、光半導体素子の製造方法を示す平面図、図１４（ａ２）乃至図１４（ｅ２）は、それぞれ図１４（ａ１）乃至図１４（ｅ１）のａ−ａ′線断面図、図１５（ａ２）乃至図１５（ｄ２）は、それぞれ図１５（ａ１）乃至図１５（ｄ１）のｂ−ｂ′線断面図、図１５（ａ３）乃至図１５（ｄ３）は、それぞれ図１４（ａ１）乃至図１４（ｄ１）のｃ−ｃ′線断面図である。
【０１４９】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板３８上にレジストを塗布する。次いで、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを形成する領域上のレジストに電子ビーム露光法等を用いてλ／４シフトを有する回折格子パターンを形成する。れらの回折格子の周期を互いに異なったものとし、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂの発振波長を互いに異なったものとなるようにする。
【０１５０】
続いて、例えばエタンをエッチングガスとするＲＩＥ等のドライエッチングにより、上述の回折格子パターンをｎ型ＩｎＰ基板３８上に転写してλ／４シフト領域７４ａ、７４ｂを形成した後、レジストを除去する（図１４（ａ１）、図１４（ａ２））。
【０１５１】
次いで、λ／４シフト領域７４ａ、７４ｂを設けたｎ型ＩｎＰ基板３８の全面に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＳＣＨ層、１％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ井戸層７層を形成して、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪多重量子井戸層５８を形成する。続いて、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪多重量子井戸層５８上にｐ型ＩｎＰクラッド層６０の一部を形成する（図１４（ｂ１）、図１４（ｂ２））。
【０１５２】
次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０上に酸化シリコン薄膜７６を形成する。続いて、フォトリソグラフィーにより、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ、半導体光増幅器８２、吸収部８４を形成する領域以外の酸化シリコン薄膜７６を除去する。この酸化シリコン薄膜７６をマスクとして、マッハ・ツェンダ型変調器４２、光導波路５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂを形成する領域のｐ型ＩｎＰクラッド層６０及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪多重量子井戸層５８を、ウエットエッチングにより除去する（図１４（ｃ１）、図１４（ｃ２））。
【０１５３】
次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪多重量子井戸層５８をウエットエッチングにより除去した領域のｎ型ＩｎＰ基板３８上に、ＭＯＶＰＥ法によりＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層７２、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０の一部を順次形成する（図１４（ｄ１）、図１４（ｄ２））。このとき、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ、半導体光増幅器８２、吸収部８４を形成する領域のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層５８と、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層７２とがつき合わせたように接続するように成長条件を調整する。
【０１５４】
次に、マスクとして用いた酸化シリコン薄膜７６を除去し、残りのｐ型ＩｎＰクラッド層６０、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２を全面に形成する（図１４（ｅ１）、図１４（ｅ２））。
【０１５５】
次いで、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２上に光導波路パターンを窒化シリコン薄膜７８で形成する。この窒化シリコン薄膜７８をマスクとしてｎ型ＩｎＰ基板３８までエッチングし、ハイメサ構造を形成する（図１５（ａ１）、図１５（ａ２）、図１５（ａ３））。このエッチングには、例えば四塩化珪素をエッチングガスとするＲＩＥを用いる。
【０１５６】
上述のエッチング終了後、窒化シリコン膜７８を選択成長マスクとして、ハイメサ構造を形成することにより露出したｎ型ＩｎＰ基板３８上に、高抵抗ＩｎＰ層８６を形成する（図１５（ｂ１）、図１５（ｂ２）、図１５（ｂ３））。
【０１５７】
続いて、窒化シリコン膜７８を除去し、全面に酸化シリコン膜６４を形成する（図１５（ｃ１）、図１５（ｃ２）、図１５（ｃ３））。尚、図１５（ｃ１）の平面図では、便宜的に光導波路構造を示している。
【０１５８】
続いて、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ、マッハ・ツェンダ型変調器４２、半導体光増幅器８２それぞれのｐ側電極６８ａ、６８ｂ、４８ａ、４８ｂ、８８を形成する領域の酸化シリコン膜６４を除去し、各領域にｐ側電極６８ａ、６８ｂ、４８ａ、４８ｂ、８８を形成する。ｐ側電極としては、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いることができる。その後、ｎ型ＩｎＰ基板３８下部を研磨して１００μｍ程度の厚さにし、ｎ型ＩｎＰ基板３８下部にｎ側電極７０を形成する（図１５（ｄ１）、図１５（ｄ２）、図１５（ｄ３））。ｎ側電極としては、ＡｕＧｅ／Ａｕを用いることができる。尚、図１５（ｄ１）の平面図では、便宜的に光導波路構造を示している。
【０１５９】
最後に、上記のようにして形成された素子を劈開し、素子のλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂ側端面と反対側端面に無反射コート膜５６ａ、５６ｂを形成する。こうして、光半導体素子の製造を終了する。
【０１６０】
このように、本実施形態によれば、複数の半導体レーザを２入力２出力構成の光カプラーを介してマッハ・ツェンダ型変調器に接続するので、光損失を低減し、大きな光出力を得ることができる。また、異なる発振波長のλ／４シフトＤＦＢレーザを同時に駆動し、それらの出射光をマッハ・ツェンダ型変調器により同時に変調して半導体光増幅器に入射するので、パターン効果を生じることなく半導体光増幅器によって変調光を増幅することができる。
【０１６１】
また、複数の半導体レーザとマッハ・ツェンダ型変調器とが同一基板上に一体として集積化されているので、半導体レーザから光カプラーまでの光導波路等における光伝送の際に生じる光損失を最小限に抑えることができる。また、システムの全体構成を小型化することができ、低コスト化を図ることができる。
【０１６２】
なお、本実施形態では、２つのλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを光源として用いているが、光源の数は２つに限定されるものではない。第１実施形態による光半導体素子と同様に、複数のλ／４シフトＤＦＢレーザを並列或いは直列に設けて用いることが可能である。
【０１６３】
［変形実施形態］
本発明の上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１６４】
第３及び第４実施形態では、光半導体素子の材料をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系のものとしたが、これに限定されるものではなく、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＰ系などの他の材料系を用いてもよい。また、各層の膜厚、組成等も適宜変更することができる。
【０１６５】
また、第３及び第４実施形態では、光源としてλ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂを用いているが、ＤＢＲレーザや利得結合ＤＦＢレーザ等の他の構造のものを用いてもよい。
【０１６６】
また、第３及び第４実施形態では、マッハ・ツェンダ型変調器４２の入射側及び出射側に２×２ＭＭＩ光カプラー４４、５０を用いているが、それらの代わりに、方向性結合器やＹ分岐等を光カプラーとして用いてもよい。
【０１６７】
また、第３及び第４実施形態では、λ／４シフトＤＦＢレーザ４０ａ、４０ｂやマッハ・ツェンダ型変調器４２等の光導波路構造として、ＳＩ−ＢＨ（Semi Insulating−Buried Heterostructure）構造或いはハイメサ構造としているが、これらに限定されるものではない。光導波路構造として、例えば、ＳＩ−ＰＢＨ（Semi Insulating−Planar Buried Heterostructure）構造や埋込リッジ構造等を用いてもよい。また、マッハ・ツェンダ型変調器４２をリッジ構造等の他の構造としてもよい。また、マッハ・ツェンダ型変調器４２による変調方法等に応じて、光導波路間に光路長差を設けてもよい。
【０１６８】
また、第３及び第４実施形態では、基板としてｎ型ＩｎＰ基板３８を用い、電極構造を集中定数型としているが、ｎ型ＩｎＰ基板３８の代わりにＦｅをドープしたＩｎＰ基板等の高抵抗基板を用いて電極構造を進行波型としてもよい。
【０１６９】
また、上記実施形態では、光源であるレーザダイオード又はλ／４シフトＤＦＢレーザと、マッハ・ツェンダ型変調器とを同一基板に形成したモノリシック型の光半導体素子となっているが、モノリシック型に限定されるものではない。例えば、レーザダイオード又はλ／４シフトＤＦＢレーザを、マッハ・ツェンダ型変調器を形成した基板とは別個の基板に形成し、それぞれを光学的に接続してよい。
【０１７０】
また、上記実施形態では、マッハ・ツェンダ型変調器の２つの光導波路の両方に電極を設けて変調しているが、駆動するレーザが接続されたマッハ・ツェンダ型変調器の入射側の光カプラーの入力ポートや、変調方法等に応じて、光導波路の一方だけに電極を設けたものであってもよい。
【０１７１】
［付記］
（付記１）  第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、
第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、
前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、
前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、
前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に電圧を印加する電極と、
前記第１の光カプラーの第１の入力ポートにレーザ光を入射する第１のレーザ部と、
前記第１の光カプラーの第２の入力ポートにレーザ光を入射する第２のレーザ部と
をモノリシックに一体化したことを特徴とする光半導体素子。
【０１７２】
（付記２）  付記１記載の光半導体素子において、
前記電極は、前記第１の光導波路に電圧を印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加する第２の電極とを有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１７３】
（付記３）  付記１又は２記載の光半導体素子において、
前記第２の光カプラーは、他の出力ポートを更に有し、
前記第２の光カプラーの前記他の出力ポートから出射されるレーザ光を吸収する吸収部を更に有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１７４】
（付記４）  付記１乃至３のいずれかに記載の光半導体素子において、
前記第１のレーザ部は、発振波長の異なる複数の半導体レーザが直列に設けられており、
前記第２のレーザ部は、発振波長の異なる複数の半導体レーザが直列に設けられている
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１７５】
（付記５）  付記１乃至３のいずれかに記載の光半導体素子において、
前記第１のレーザ部は、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射するレーザ光を結合する光カプラーとを有し、
前記第２のレーザ部は、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射するレーザ光を結合する光カプラーとを有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１７６】
（付記６）  付記１乃至５のいずれかに記載の光半導体素子において、
前記第２の光カプラーの前記出力ポートから出射されるレーザ光を増幅する光増幅部を更に有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１７７】
（付記７）  付記６記載の光半導体素子と、
前記光半導体素子の前記光増幅部により増幅されたレーザ光のうち所定の波長成分を透過する波長フィルタと
を有することを特徴とする光変調装置。
【０１７８】
（付記８）  第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に電圧を印加する電極とを有する光半導体素子の変調方法であって、
前記電極により前記第１の光導波路及び／又は前記第２の光導波路に変調信号電圧を印加することにより、前記第１の光カプラーの第１の入力ポート又は第２の入力ポートに入射するレーザ光を変調し、前記第２の光カプラーの出力ポートから出射する
ことを特徴とする光半導体素子の変調方法。
【０１７９】
（付記９）  第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路に電圧を印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加する第２の電極とを有する光半導体素子の変調方法であって、
前記第１の電極により前記第１の光導波路にバイアス電圧を印加し、前記第２の電極により前記第２の光導波路に変調信号を印加することにより、前記第１の光カプラーの第１の入力ポート又は第２の入力ポートに入射するレーザ光を変調し、前記第２の光カプラーの出力ポートから出射する
ことを特徴とする光半導体素子の変調方法。
【０１８０】
（付記１０）  第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路に電圧を印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加する第２の電極とを有する光半導体素子の変調方法であって、
前記第１の電極により前記第１の光導波路に変調信号を印加し、前記第２の電極により前記第２の光導波路に前記変調信号の反転信号を印加することにより、前記第１の光カプラーの第１の入力ポート又は第２の入力ポートに入射するレーザ光を変調し、前記第２の光カプラーの出力ポートから出射する
ことを特徴とする光半導体素子の変調方法。
【０１８１】
（付記１１）  第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、前記第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、前記第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、前記第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路に電圧を印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加する第２の電極と、前記第２の光カプラーの前記出力ポートから出射されるレーザ光を増幅する光増幅部とを有する光半導体素子の変調方法であって、
前記第１の電極により前記第１の光導波路に変調信号電圧を印加することにより、前記第１の光カプラーの第１の入力ポートに入射する第１のレーザ光を変調して前記光増幅部に入射し、前記第２の電極により前記第２の光導波路に前記変調信号電圧の反転信号を印加することにより、前記第１の光カプラーの第２の入力ポートに入射する第２のレーザ光を変調して前記光増幅部に入射し、
前記光増幅器により増幅されたレーザ光から、前記第１のレーザ光又は前記第２のレーザ光の波長成分を波長フィルタにより濾波することにより、前記第１のレーザ光又は前記第２のレーザ光を変調する
ことを特徴とする光半導体素子の変調方法。
【０１８２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、第１の出力ポート及び第２の出力ポートとを有する第１の光カプラーと、第１の入力ポート及び第２の入力ポートと、出力ポートとを有する第２の光カプラーと、第１の光カプラーの第１の出力ポートに一端が接続され、第２の光カプラーの第１の入力ポートに他端が接続された第１の光導波路と、第１の光カプラーの第２の出力ポートに一端が接続され、第２の光カプラーの第２の入力ポートに他端が接続された第２の光導波路と、第１の光導波路及び／又は第２の光導波路に電圧を印加する電極と、第１の光カプラーの第１の入力ポートにレーザ光を入射する第１のレーザ部と、第１の光カプラーの第２の入力ポートにレーザ光を入射する第２のレーザ部とを有するので、光損失を低減し、大きな光出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による光半導体素子の構造を示す平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による光半導体素子の変調方法を示すタイムチャート（その１）である。
【図３】本発明の第１実施形態による光半導体素子の変調方法を示すタイムチャート（その２）である。
【図４】本発明の第１実施形態による光半導体素子においてレーザダイオードを８つ並列に設けた場合を示す平面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による光半導体素子においてレーザダイオードを３つずつ直列に設けた場合を示す平面図である。
【図６】本発明の第２実施形態による光半導体素子の構造を示す平面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による光半導体素子の変調方法を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態による光半導体素子の構造を示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態による光半導体素子のプッシュプル動作による変調方法を示すタイムチャート（その１）である。
【図１０】本発明の第３実施形態による光半導体素子のプッシュプル動作による変調方法を示すタイムチャート（その２）である。
【図１１】本発明の第３実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程図（その１）である。
【図１２】本発明の第３実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程図（その２）である。
【図１３】本発明の第４実施形態による光半導体素子の構造を示す図である。
【図１４】本発明の第４実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程図（その１）である。
【図１５】本発明の第４実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程図（その２）である。
【図１６】従来のマッハ・ツェンダ型変調器に複数の半導体レーザを接続した光半導体素子の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１０…基板
１２ａ、１２ｂ…レーザダイオード
１４…マッハ・ツェンダ型変調器
１６…２×２光カプラー
１８ａ、１８ｂ…光導波路
２０ａ、２０ｂ…電極
２２…２×１光カプラー
２４ａ、２４ｂ…光導波路
２６…光導波路
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆ、２８ｇ、２８ｈ…レーザダイオード
３０ａ、３０ｂ…４×１光カプラー
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ…レーザダイオード
３４…半導体光増幅器
３６…波長フィルタ
３８…ｎ型ＩｎＰ基板
４０ａ、４０ｂ…λ／４シフトＤＦＢレーザ
４２…マッハ・ツェンダ型変調器
４４…２×２ＭＭＩ光カプラー
４６ａ、４６ｂ…光導波路
４８ａ、４８ｂ…ｐ側電極
５０…２×２ＭＭＩ光カプラー
５２ａ、５２ｂ…光導波路
５４ａ、５４ｂ…光導波路
５６ａ、５６ｂ…無反射コート
５８…ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ歪多重量子井戸層
６０…ｐ型ＩｎＰクラッド層
６２…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
６４…酸化シリコン薄膜
６６…ポリイミド層
６８ａ、６８ｂ…ｐ側電極
７０…ｎ側電極
７２…ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸層
７４ａ、７４ｂ…λ／４シフト領域
７６…酸化シリコン膜
７８…窒化シリコン膜
８０…マスク
８２…半導体光増幅器
８４…吸収部
８６…高抵抗ＩｎＰ層
８８…ｐ側電極
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ…半導体レーザ
１０２…基板
１０４…光カプラー
１０６…マッハ・ツェンダ型変調器
１０８…半導体光増幅器
【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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