(57)【要約】  増幅器や温度調整機構が不要で、光通信用途として十分な１０ｄＢ以上の消光比を得ることのできる、低コストで小型の変調器集積化光源を提供する。半導体レーザおよび変調器が高抵抗半導体基板１上に集積されてなる変調器集積化光源であって、上記電界吸収型光変調器は、高抵抗半導体基板１の一方の面側に配置された、所定のバイアス電圧が印加されるＰ電極１４およびＮ電極３２を有しており、当該電界吸収型光変調器の長さをＬ、動作周波数をＢとするとき、    Ｌ×Ｂ≧２０００μｍ・Ｇｂ／ｓの条件を満たすように構成されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザおよび電界吸収型光変調器が高抵抗半導体基板上に集積されてなる変調器集積化光源であって、
前記電界吸収型光変調器は、前記高抵抗半導体基板の一方の面側に配置された、所定のバイアス電圧が印加される１対の電極を有しており、当該電界吸収型光変調器の長さをＬ、動作周波数をＢとするとき、
Ｌ×Ｂ≧２０００μｍ・Ｇｂ／ｓ
の条件を満たすように構成されている変調器集積化光源。
【請求項２】
前記電界吸収型光変調器の吸収ピーク波長が前記半導体レーザの発振波長より短く、室温において、前記発振波長と前記吸収ピーク波長の差であるデチューニング量のエネルギー換算値ΔＸが、
４０ｍｅＶ≦ΔＸ≦１００ｍｅＶ
の条件を満たすように構成されている、請求項１に記載の変調器集積化光源。
【請求項３】
最低動作温度において印加される前記所定のバイアス電圧が１Ｖ以下である、請求項２に記載の変調器集積化光源。
【請求項４】
前記一対の電極がＰ型電極とＮ型電極であり、前記Ｐ型電極が進行波電極である、請求項１または２に記載の変調器集積化光源。
【請求項５】
前記電界吸収型光変調器の活性層はアンドープ層を有し、該アンドープ層の厚さが、前記半導体レーザからの発振光の進行方向に向かって徐々に薄くなっている、請求項４に記載の変調器集積化光源。
【請求項６】
前記半導体レーザおよび電界吸収型光変調器の活性層が、半導体または誘電体による埋め込み層よりなる、請求項１または２に記載の変調器集積化光源。
【請求項７】
前記埋め込み層がアンドープ層である、請求項６に記載の変調器集積化光源。
【請求項８】
前記半導体レーザの活性層の量子井戸と前記電界吸収型光変調器の活性層の量子井戸がバットジョイント結合されている、請求項１または２に記載の変調器集積化光源。
【請求項９】
前記電界吸収型光変調器の量子井戸は、井戸の導電帯のエネルギーレベルがバリアの導電帯のエネルギーレベルよりも高く、かつ、井戸の価電子帯のエネルギーレベルがバリアの価電子帯のエネルギーレベルよりも高い構造である、請求項８に記載の変調器集積化光源。
【請求項１０】
前記電界吸収型光変調器の活性層の組成にアルミニウムを含む、請求項１または２に記載の変調器集積化光源。
【請求項１１】
半導体レーザおよび電界吸収型光変調器が高抵抗半導体基板上に集積されてなる変調器集積化光源の製造方法であって、
前記半導体レーザおよび電界吸収型光変調器の活性層を含む領域に第１のバンドギャップを有する活性層を成長する第１の工程と、
前記第１の工程で形成した活性層の、前記電界吸収型光変調器の活性層の領域に対応する部分を削除して前記半導体レーザの活性層とする第２の工程と、
前記第２の工程で削除された領域に、前記電界吸収型光変調器の活性層として、前記第１のバンドギャップとは異なる第２のバンドギャップを有する活性層を成長する第３の工程を含む変調器集積化光源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザと電界吸収型光変調器を同一基板上に集積化した変調器集積化光源に関し、特に、光ファイバ通信において用いられる１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯において低電圧および広温度範囲で動作する変調器集積化光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信用光源として、分布帰還型半導体レーザ（Distributed  Feedback  Laser：ＤＦＢ−ＬＤ）と電界吸収型変調器（Electro-Absorption  Modulator：ＥＡ変調器）とを同一半導体基板上に集積化した変調器集積化光源の実用化が進展している。この変調器集積化光源は、変調時の波長変動が小さいため、主に中長距離大容量光ファイバの通信用光源として使われている。【０００３】
変調器集積化光源では、通常、多重量子井戸（Multi  Quantum  Well：ＭＱＷ）構造のＥＡ変調器が用いられる。ＭＱＷ構造のＥＡ変調器では、逆バイアス電圧を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum  Confined  Stark  Effect）によりエキシトン（励起子）の吸収端が長波長側（低エネルギー側）にシフトし、その結果、分布帰還型半導体レーザからの連続発振光（ＣＷ（Continuous  Wave）光）が吸収（消光）される（第１の文献（特開２００３−６０２８５号公報、第７頁、図８等）参照）。【０００４】
図１に、従来の変調器集積化光源の標準的な構造例を模式的に示す。図１を参照すると、変調器集積化光源は、レーザ部と変調器部を同一のｎ−ＩｎＰ基板３１上に形成したものである。ｎ−ＩｎＰ基板３１上には、導波層５およびｎ−ＩｎＰクラッド層７が導波方向にわたって形成されており、一方の端面には高反射コート１６が、他方の端面には低反射コート１７がそれぞれ形成されている。ｎ−ＩｎＰ基板３１と導波層５の境界面の一部に、λ／４位相シフト構造４を備えた回折格子３を有する。導波層５とｎ−ＩｎＰクラッド層７の間には、導波方向に隣接して形成されたレーザ部の活性層（量子井戸）６と変調器部の活性層（量子井戸）１１を有する。ｎ−ＩｎＰクラッド層７上には、キャップ層８を介してＰ電極９が、キャップ層１３を介してＰ電極１４がそれぞれ形成されている。キャップ層８およびＰ電極９はレーザ部を構成するものであり、キャップ層１３およびＰ電極１４は変調部を構成するものであり、これらは電極分離部１５にて分離されている。ｎ−ＩｎＰ基板３１の裏面には、Ｐ電極９、１４と対向するＮ電極３２が形成されている。【０００５】
上記の変調器集積化光源において、変調器部は、電界による吸収係数の変化によって生じる電界吸収効果を適用したＥＡ変調器であり、レーザ部は分布帰還型半導体レーザである。変調器部では、Ｐ電極１４とＮ電極３２の間に逆バイアス電圧を印加すると、上記の量子閉じ込めシュタルク効果により、分布帰還型半導体レーザからのＣＷ光が吸収（消光）される。この吸収動作を利用して光変調が行われる。【０００６】
ところで、変調器集積化光源に求められる重要な性能の一つに変調速度がある。変調速度を制限する主な要因は、変調器部における活性層および電極パッドの静電容量である。そこで、例えば１０Ｇｂ／ｓ（ギガビット／秒）や４０Ｇｂ／ｓという変調速度を実現する場合は、活性層の静電容量をできるだけ削減するために、通常は、変調器長Ｌを短くして変調器の面積を小さする、といったことが行われる。具体的には、１０Ｇｂ／ｓであれば、変調器長Ｌは１６０μｍとされ、４０Ｇｂ／ｓであれば、変調器長Ｌはその１／４である４０μｍとされる。なお、変調器長を短くした場合は、十分な消光比（ＯＮ／ＯＦＦ比）を得るために、変調器に大きな電圧をかける必要があり、そのための構成としてドライバ回路が必須となる。【０００７】
第２の文献（特許２５４０９６４号公報、第５頁および図２）には、静電容量をさらに低減した集積型光変調器が記載されている。この集積型光変調器では、通常のＮまたはＰ型の導電性基板に代えて高抵抗基板が用いられ、Ｐ電極とＮ電極のパッドが対向しない構造になっている。この構造によれば、電極パッド部分の静電容量を低減できるため、残留静電容量は活性層部分のみとなる。したがって、大幅に静電容量Ｃが削減されることになり、ＣＲ時定数によって決定される変調帯域が飛躍的に向上する。【０００８】
また、変調器集積化光源に求められる性能として、変調速度と並んで重要なものに消光比がある。通常、変調器は、印加電圧が０Ｖのときに吸収が無く、有電界時に吸収が生じるように構成されており、良好な吸収が得られるように、変調器の吸収層（ＭＱＷ）のエネルギーバンドギャップと分布帰還型半導体レーザの発振波長が設定される。分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長をλ、光変調器の利得ピーク波長をλ０とするとき、その波長差であるデチューニング量Δλ（＝λ―λ０）が、吸収特性を決定する重要なパラメータとされる。【０００９】
第１の文献１には、デチューニング量Δλと光吸収スペクトルとの関係が開示されている。デチューニング量の設定において、動作電圧の高低と挿入損失の大小とは、トレードオフの関係にある。従来は、デチューニング量は５０〜７０ｎｍに設定されており、この設定において最も消光比が高くなることが知られている。消光比が高いほど、変調電圧に対する光の変調度が高くなる。これは、低電圧駆動に向いていることを意味する。ただし、光通信用途に十分な１０デシベル以上の消光比を得るためには、変調器の駆動電圧振幅を２Ｖ〜３Ｖとする必要があり、そのため、通常は、周辺ロジック回路の電圧振幅（１Ｖ以下）を増幅するためのドライバが必要である。【００１０】
また、デチューニングを設定するにあたっては、変調器集積化光源の想定動作温度も重要である。一般に、動作温度が高くなるほど、変調器の吸収ピーク波長が分布帰還型半導体レーザの発振波長に近づく。このように動作温度が高くなるとデチューニング量が小さくなるため、通常は、常に消光比が最大となるように、ペルチェ素子等を用いて温度を一定に保つことで一定のデチューニング量を維持している。【００１１】
なお、デチューニング量は、波長差（ｎｍ）とエネルギー換算値（ｍｅＶ）のいずれで記載してもよい。波長差からエネルギー差への変換式は、
エネルギー（ｅＶ）＝１．２４／波長（μｍ）
である。この変換式によれば、消光比が最大となるデチューニング量として、例えば１．５５μｍ帯で波長差５０〜７０ｎｍが設定されている場合は、そのエネルギー換算値は２７〜３８ｍｅＶになる。【００１２】
エネルギー換算値（ｍｅＶ）で記載した場合は、波長帯によらない普遍的な値として表すことができる。ただし、異なる波長帯においては、同じ波長差のデチューニング量（ｎｍ）であってもそれぞれのエネルギー換算値は異なる。例えば、１．５５μｍ帯において、波長差で５０ｎｍのデチューニング量はエネルギー差で２７ｍｅＶとなるが、１．３μｍ帯においては、波長差で５０ｎｍのデチューニング量は、エネルギー差で３８ｍｅＶとなる。物理学的には、デチューニング量がエネルギー換算値で等しい場合、波長帯によらず特性が等しくなる。以降の説明では、便宜上、デチューニング量は全てエネルギー換算値で記載する。【００１３】
また、第３の文献（ミリンド・Ｒ・ゴックホール（Ｍｉｌｉｎｄ  Ｒ．Ｇｏｋｈａｌｅ）著「Ｕｎｃｏｏｌｅｄ、１０Ｇｂ／ｓ  １３１０  ｎｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｌａｓｅｒ」（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ２００３）、２００３年３月、  ポストデッドラインペーパー、ＰＤ−４２  （第１頁、図３））には、非温調動作を実現した変調器集積化光源が記載されている。この変調器集積化光源は、温度によってデチューニング量が変化しても、それに応じて光変調器のＯｆｆｓｅｔ電圧を変化させていくことにより、消光特性を維持するものである。ここで、Ｏｆｆｓｅｔ電圧は、変調器にかけている変調電圧信号の中心電圧であって、一般に、３デシベル分の光が変調器で吸収されるときの印加電圧で規定されることが多い。この第３の文献に記載の構造によれば、特に低温側では、デチューニング量が大きくなるため、消光に必要な変調器のＯｆｆｓｅｔ電圧は４Ｖ以上にまで高くなる。
【発明の開示】
【００１４】
しかしながら、上述した従来の変調器集積化光源には、以下のような問題がある。
【００１５】
第１、第２の文献に記載の変調器集積化光源においては、変調器の動作電圧が高いため、その動作電圧を得るための増幅器（ドライバ）が必要となる。例えば、一般に用いられている、変調器長が１００μｍ〜２００μｍ程度の変調器集積化光源（例えば１０Ｇｂ／ｓ用）においては、変調器に印加する電圧は２Ｖ以上になり、ピーク値で２Ｖ以上の電圧を作り出すことのできる増幅器が必要となる。このように増幅器を設ける必要があるため、コストや小型化の面で不利なものとなっていた。なお、変調器長を長くすることで動作電圧を低減することができるが、この場合は、変調器の活性層部の静電容量Ｃが大きくなるため、高速動作を行うことができなくなる。
【００１６】
また、常に最大消光比を得るためには、変調器集積化光源を一定温度に保つ必要があり、そのための構成として、ペルチェ素子を搭載し、外部にその温度制御機構を付帯させる必要がある。このようなペルチェ素子等の付加は、コストや小型化の面で不利になる他、装置全体の消費電力も著しく増大することになる。
【００１７】
第３の文献に開示された変調器集積化光源においても、変調器の動作電圧が高いため、上記と同様、コストや小型化の面で不利になる。
【００１８】
また、半導体埋め込み構造ではなく、光を変調器吸収層に十分閉じ込めることができないリッジ構造であるため、吸収効率が低く、消光特性も悪い。通常、変調器集積化光源には１０デシベル以上の消光比が求められているが、第３の文献に記載のものでは、変調器の消光比は６デシベルと低く、１０デシベル以上の消光比を実現することは困難である。
【００１９】
本発明の目的は、上記問題を解決し、増幅器（ドライバ）や温度調整機構が不要で、光通信用途として十分な１０ｄＢ以上の消光比を得ることのできる、低コストで小型の変調器集積化光源およびその製造方法を提供することにある。
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明の変調器集積化光源は、半導体レーザおよび電界吸収型光変調器が高抵抗半導体基板上に集積されてなる変調器集積化光源であって、
前記電界吸収型光変調器は、前記高抵抗半導体基板の一方の面側に配置された、所定のバイアス電圧が印加される１対の電極を有しており、当該電界吸収型光変調器の長さをＬ、動作周波数をＢとするとき、
Ｌ×Ｂ≧２０００μｍ・Ｇｂ／ｓ
の条件を満たすように構成されていることを特徴とする。
【００２１】
上記のように、電界吸収型光変調器が高抵抗半導体基板上に集積され、一対の電極（Ｐ電極およびＮ電極）がともに同じ基板面側に位置するように構成された場合、電界吸収型光変調器の静電容量は、その活性層の静電容量のみとみなすことができるので、変調速度Ｂ（Ｇｂ／ｓ）と変調器長Ｌ（μｍ）は反比例の関係になる。このような構造の場合、変調速度を高くするために、通常は、変調器長Ｌを短くするが、本発明では、変調器長Ｌを長くする、といった通常とは反対の構造をとる。具体的には、変調速度が１０Ｇｂ／ｓの場合、従来は変調器長Ｌを２００μｍ未満に設定していたのに対して、本発明では、変調器長Ｌを２００μｍ以上に設定する。このように変調器長Ｌを長くすることで、変調器を通過する光をより多く吸収することができるようになるので、１０ｄＢ以上の消光比を得られるとともに、増幅器（ドライバ）が不要な構成、すなわち動作電圧が１Ｖ以下の低電圧動作が可能となる。
【００２２】
変調器長Ｌを長くすると必ず変調帯域が下がるため、上記の本発明の構造は通常では考えられない構造である。例えば、第１、第２の文献の構造では、変調帯域向上が課題であったため、変調器長を長くすることは示唆されていない。このように、本発明は、従来からは容易に想到することのできない構造である。
【００２３】
上述した本発明の変調器集積化光源において、前記電界吸収型光変調器の吸収ピーク波長が前記半導体レーザの発振波長より短く、室温において、前記発振波長と前記吸収ピーク波長の差であるデチューニング量のエネルギー換算値ΔＸが、
４０ｍｅＶ≦ΔＸ≦１００ｍｅＶ
の条件を満たすように構成してもよい。この構成によれば、以下のような作用を有する。
【００２４】
従来は、室温におけるデチューニング量（ｍｅＶ）を２７〜３８ｍｅＶ程度に設定していたため、変調器は室温付近でしか動作しなかった。これに対して、本発明では、室温におけるデチューニング量（ｍｅＶ）は４０ｍｅＶ以上とされる。具体的には、室温２０℃におけるデチューニング量（ｍｅＶ）は、従来の３０ｍｅＶよりも大きな４３ｍｅＶに設定される。このような設定によれば、例えば８５℃といった高温環境においては、デチューニング量は約３０ｍｅＶ程度となり、変調器の動作にとって最適状態となる。一方、０℃といった低温環境においては、デチューニング量は５０ｍｅＶとなる。この場合は、オフセット電圧を増加させることで良好な消光を得ることができる。このように、本発明によれば、温調不要の構造を提供することが可能である。なお、低温時における、増加したバイアス電圧の値を１Ｖ以下となるように変調器長を設定すれば、上述した低電圧動作を損なうことはない。
【００２５】
本発明の変調器集積化光源の製造方法は、半導体レーザおよび電界吸収型光変調器が高抵抗半導体基板上に集積されてなる変調器集積化光源の製造方法であって、
前記半導体レーザおよび電界吸収型光変調器の活性層を含む領域に第１のバンドギャップを有する活性層を成長する第１の工程と、
前記第１の工程で形成した活性層の、前記電界吸収型光変調器の活性層の領域に対応する部分を削除して前記半導体レーザの活性層とする第２の工程と、
前記第２の工程で削除された領域に、前記電界吸収型光変調器の活性層として、前記第１のバンドギャップとは異なる第２のバンドギャップを有する活性層を成長する第３の工程を含むことを特徴とする。
【００２６】
上記の製造方法によれば、半導体レーザおよび電界吸収型光変調器の活性層を別々の工程で形成することができるので、それぞれの活性層の組成、量子井戸数およびバンドギャップを最適化することができ、上述した本発明の変調器集積化光源を容易に形成することができる。
【００２７】
以上のとおり、本発明によれば、消光比が１０ｄＢ以上で、増幅器（ドライバ）が不要な構成を実現することができるので、従来のものに比べて、省電力化、小型化および低コスト化を図ることができる。
【００２８】
また、本発明によれば、動作温度の範囲（例えば、０℃から８５℃）が従来のものより広く、温調制御機構が不要であるので、その分、消費電力を小さくすることができるとともに、小型化および低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の変調器集積化光源の標準的な構造例を示す図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態である変調器集積化光源の上面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＡ−Ａ線における断面図である。
【図２Ｃ】図２ＡのＢ−Ｂ線における断面図である。
【図３】変調速度を１０Ｇｂ／ｓとした場合の変調器長とオフセットバイアス電圧との関係を示す図である。
【図４】分布帰還型半導体レーザの発振波長と変調器の吸収ピーク波長との波長差であるデチューニング量と無電界時における変調器の透過率との関係を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施形態である変調器集積化光源の上面図である。
【図５Ｂ】図５ＡのＡ−Ａ線における断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態である変調器集積型光源の断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  高抵抗半導体基板
１ａ  分布帰還型レーザ部
１ｂ  光変調器部
２  メタライズ層
３  回折格子
４  λ／４位相シフト構造
５  導波層
６、１１  活性層（量子井戸）
７  ｎ−ＩｎＰクラッド層
８、１３  キャップ層
９、１４  Ｐ電極
１５  電極分離部
１６  高反射コート
１７  低反射コート
１８  ｎ+−ＩｎＰバッファ層
１９  バットジョイント部
２０、２１  電流ブロック層
２２  進行波電極
２３  アンドープ層
２４  ＳｉＯ2膜
２５、２９、３０  パッド
２６〜２８  コンタクト窓
３１  ｎ−ＩｎＰ基板
３２  Ｎ電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。【００３２】
（実施形態１）
図２Ａは、本発明の第１の実施形態である変調器集積型光源の上面図、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ線における断面図、図２Ｃは、図２ＡのＢ−Ｂ線における断面図である。【００３３】
図２Ａ〜図２Ｃを参照すると、分布帰還型レーザ部１ａと光変調器部１ｂが同一の高抵抗半導体基板１上に形成されている。高抵抗半導体基板１は、例えば高抵抗ＩｎＰ基板、より具体的には鉄（Ｆｅ）をドーパントしたＩｎＰ基板である。高抵抗半導体基板１上に導波層（光ガイド層）５、ｎ+−ＩｎＰバッファ層１８、量子井戸よりなる活性層部、ｎ−ＩｎＰクラッド層７の積層構造が導波方向にわたって形成されており、その両端に劈開面を有する。一方の劈開面に高反射コート１６が、他方の劈開面には低反射コート１７がそれぞれ形成されている。【００３４】
高抵抗半導体基板１と導波層５の境界面の一部に、λ／４位相シフト構造４を備えた回折格子３を有する。λ／４位相シフト構造４は、位相シフト位置が対称のものであっても、非対称のものであってもよい。また、このようなλ／４位相シフト構造４を設けない構造としてもよい。【００３５】
活性層部は、分布帰還型レーザ部１ａの活性層（量子井戸）６と光変調器部１ｂの活性層（量子井戸）１１とからなる。活性層６は回折格子３上に位置する。これら活性層６、１１はいずれも周知の多重量子井戸構造のものであるが、バンドギャップの大きさが異なる。ここでは、活性層１１の量子井戸のバンドギャップが、活性層６の量子井戸のバンドギャップよりも大きくなるように形成されている。【００３６】
ｎ−ＩｎＰクラッド層７上の分布帰還型レーザ部１ａの領域にキャップ層８が、光変調器部１ｂの領域にキャップ層１３がそれぞれ形成されている。これらキャップ層８、１３はＳｉＯ2膜２４で覆われている。キャップ層８上のＳｉＯ2膜２４の領域の中央付近にはコンタクト窓２６が形成されており、このコンタクト窓２６を覆うようにＰ電極９が形成されている。これと同様に、キャップ層１３上のＳｉＯ2膜２４の領域の中央付近にはコンタクト窓２７が形成されており、このコンタクト窓２７を覆うようにＰ電極１４が形成されている。Ｐ電極９とＰ電極１４は電極分離部１５にて分離されている。Ｐ電極１４の一部には、光変調器電極ワイヤ用のパッド２５が形成されている。【００３７】
ｎ+−ＩｎＰバッファ層１８上に形成された、活性層６、１１、ｎ−ＩｎＰクラッド層７、およびキャップ層８、１３の部分は、メサ形状になっている。メサ部の、活性層６、１１の両側部に位置する部分には、電流ブロック構造２０、２１を有する。メサ部の端部はＳｉＯ2膜２４で覆われている。ｎ+−ＩｎＰバッファ層１８上のＳｉＯ2膜２４の領域の中央付近にはコンタクト窓２８が形成されており、コンタクト窓２８を覆うようにＮ電極３２が形成されている。Ｎ電極３２とＰ電極９およびＰ電極１４とは、ともに同じ素子面上に形成されており、対向しない配置とされている。ｎ−ＩｎＰ基板３１の裏面には、Ｐ電極９、１４およびＮ電極３２と対向するメタライズ層２が形成されている。【００３８】
本実施形態の変調器集積型光源においては、Ｐ電極１４とＮ電極３２が同じ素子面側に位置し、かつ、基板として高抵抗半導体基板１を用いる。この構成によれば、変調器の静電容量は、活性層１１の静電容量のみとみなすことができるため、変調速度Ｂ（Ｇｂ／ｓ）と変調器長Ｌ（μｍ）は反比例の関係になる。このような構造の場合、変調速度を高くするためには、通常は、変調器長を短くすることになるが、本実施形態では、変調器を通過する光をより多く吸収することができるように変調器長Ｌを長くするといった、通常とは反対の技術思想に基づく構造を採用することで、増幅器（ドライバ）が不要な構成、すなわち動作電圧が１Ｖ以下の低電圧動作が可能な構成を実現している。ここで、変調器長Ｌとは、活性層１１の、分布帰還型レーザ部１ａからの発振光を実質的に吸収する領域の導波方向における長さをいう。【００３９】
図３に、変調速度を１０Ｇｂ／ｓとした場合の変調器長とオフセットバイアス電圧（以下、単にオフセット電圧という）との関係を示す。図３中、横軸は変調器長（μｍ）、縦軸はオフセット電圧（Ｖ）である。曲線ａが、本実施形態の変調器集積型光源に関するものであり、曲線ｂが、高抵抗基板を用いていない従来のものに関するものである。【００４０】
曲線ｂでは、変調器長を長くしても、オフセット電圧は１Ｖ以下になることはない。これに対して、曲線ａでは、変調器長が２００μｍ以上で、オフセット電圧は１Ｖ以下となる。すなわち、変調器長を２００μｍ以上とすれば、１Ｖ以下の低電圧動作が可能となり、増幅器（ドライバ）が不要な構成を実現することができる。本実施形態では、この知見に基づき、変調器長を２００μｍ以上にすることで低電圧動作を実現する。具体的には、変調器長Ｌと変調周波数Ｂとの関係が反比例にあることを考慮して、
Ｌ×Ｂ≧２０００μｍ・Ｇｂ／ｓ                （式１）
の条件を満たすように変調器を構成する。この構成によれば、オフセット電圧は必ず１Ｖ以下になるので、増幅器は不要である。【００４１】
上記式１において、増幅器を不要とする構成を実現するという観点から、下限値が重要な意味を持つ。なお、「Ｌ×Ｂ」の上限値は、特に限定するものではなく、製造手法や設計上の条件によって適宜決定される。例えば、変調器長Ｌが長くなりすぎると静電容量Ｃが増大することから、ＣＲリミットから「Ｌ×Ｂ」の上限値を決定するようにしてもよい。例えば、変調周波数Ｂが２．５Ｇｂ／ｓ、素子抵抗Ｒが２Ω（オーム）、変調器長Ｌが２０００μｍ、アンドープ層の厚さが０．２μｍである場合、ＣＲ時定数は２．５（ピコ秒）となる。余裕度を高めるために、そのＣＲ時定数の１０倍の時間が１ビットのパルスに必要であるとすると、２５ピコ秒、すなわち４０Ｇｂ／ｓがＣＲリミットとされる。このＣＲリミットから、上記式１において、「Ｌ×Ｂ」の上限として「２０００μｍ×４０Ｇｂ／ｓ」の上限が存在することが分かる。よって、この上限を考慮すると、
２０００μｍ・Ｇｂ／ｓ≦Ｌ×Ｂ≦８００００μｍ・Ｇｂ／ｓ          （式２）
の条件を満たすように構成することがより望ましい。【００４２】
なお、変調器長を２００μｍ以上とする場合、変調器長が長くなることによる静電容量の増大、すなわち帯域劣化を生じるが、本実施形態では、高抵抗半導体基板を用いることでそのような帯域劣化を抑制する構造となっている。【００４３】
また、変調器を長くした場合、変調器の動作のための電圧振幅も図３に示したオフセット電圧の減少傾向と同様な傾向を示すことになる。オフセット電圧は、通常、光を１／２の強度に減少させることのできる電圧とされる。これは、光をデジタル変調（オン／オフ変調）する際に、通常は電気信号に対して変調器の応答が遅れるために、デジタルのオン、オフの信号が少しなめらかに追従することによる。変調器からの出力の信号波形は、１／２強度の値となる電圧を中心として、オン、オフの側に振幅されることから、その中心電圧がオフセット電圧である。変調動作のための電圧振幅は、例えば光をオフにするには１／１０や１／２０の強度にまで消光（オフ）するのに必要な電圧により定義される。ここで、変調器長を長くしてオフセット電圧を低減すると、同様に、光をオフにする電圧も低減されることになる。したがって、その減少傾向は、図３のオフセット電圧と同様に変調器長に対して減少傾向になる。【００４４】
上述した低電圧動作に加えて、本実施形態の変調器集積型光源は、動作温度の範囲が広く、温調制御機構が不要な構成となっている。以下に、その具体的な構成について説明する。【００４５】
動作温度が低くなると、変調器の吸収ピーク波長が分布帰還型半導体レーザの発振波長よりも短波長側に大きくシフトして消光比を劣化させることになる。この場合、良好な消光を得るためには、大きなバイアス電圧を印加する必要がある。一方、動作温度が高くなると、変調器の吸収ピーク波長が分布帰還型半導体レーザの発振波長に近づくこととなり、無電界時の変調器部の吸収が大きくなって消光比を劣化させることになる。このようなデチューニングの温度特性を考慮して、本実施形態では、低温時において、大きなバイアス電圧を必要としないように、変調器長が上述した式１したがって予め設定されるとともに、高温時において、変調器部の吸収が大きくならないように、室温時におけるデチューニング量（エネルギー換算値）が予め設定されている。【００４６】
図４に、分布帰還型半導体レーザの発振波長と変調器の吸収ピーク波長との波長差であるデチューニング量（エネルギー換算値）と無電界時における変調器の透過率との関係を示す。図４において、横軸はデチューニング量（ｍｅＶ）であり、縦軸は変調器の透過率（％）である。矢印Ａで示された範囲が、従来のものにおけるデチューニング量の設定範囲で、矢印Ｂで示された範囲が、本実施形態のものにおけるデチューニング量の設定範囲である。【００４７】
従来例のものにおいては、室温におけるデチューニング量（ｍｅＶ）は、２７〜３８ｍｅＶ程度に設定されるため、変調器は室温付近でしか動作しなかった。これに対して、本実施形態のものでは、室温におけるデチューニング量（ｍｅＶ）は４０ｍｅＶ以上とされている。具体的には、室温２０℃におけるデチューニング量を、従来の３０ｍｅＶよりも大きな４３ｍｅＶに設定している。この場合、デチューニングの温度特性から、例えば８５℃といった高温環境においては、デチューニング量は約３０ｍｅＶ程度となる。このデチューニング量が３０ｍｅＶ程度の状態は、変調器の動作にとっては最適な状態である。一方、０℃といった低温環境においては、デチューニング量は５０ｍｅＶとなる。この場合は、オフセット電圧を増加させることで良好な消光を得ることができる。この低温時における、増加したバイアス電圧の値が１Ｖ以下となるように変調器長を設定すれば、上述した低電圧動作を損なうことはない。【００４８】
なお、室温におけるデチューニング量の上限は、半導体材料のＱＣＳＥシフトが発生する限界によって決まる。具体的には、その限界はデチューニングのエネルギー換算値で１００ｍｅＶである。よって、本実施形態では、分布帰還型レーザ部１ａの発振波長と光変調器部１ｂの吸収ピーク波長との波長差であるデチューニング量のエネルギー換算値ΔＸが、
４０ｍｅＶ≦ΔＸ≦１００ｍｅＶ        （式３）
の条件を満たすように設定されている。【００４９】
以上のように、本実施形態のものによれば、式１（または式２）および式３の条件をそれぞれ満たすことで、上述した低電圧動作に加えて、変調器の温度を一定に保つための温度制御機構を必要としない非温調動作を実現することができる。想定最低動作温度を例えば０℃以下とすることができ、また、想定最高動作温度を例えば５０℃以上とすることができる。なお、室温におけるデチューニング量が、変調器の動作にとって最適な状態となる３０ｍｅＶ程度に設定される従来のものにおいては、室温より高い温度では良好な消光を得られないため、温度制御機構が必要となる。【００５０】
次に、図２Ａ〜図２Ｃに示した変調器集積型光源の製造手順を簡単に説明する。【００５１】
まず、干渉露光法や電子ビーム露光法等を用いた周知のフォトリソグラフィー法により、λ／４位相シフト構造４を含む回折格子３を高抵抗半導体基板１上に形成する。この回折格子３を形成する領域は、分布帰還型レーザとして動作する領域のみである。【００５２】
次いで、全面に、ＩｎＧａＡｓＰよりなる導波層５およびｎ+−ＩｎＰバッファ層１８を順次成膜した後、その上に、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸よりなる活性層６およびＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸よりなる活性層１１を形成する。ここで、ＩｎＧａＡｓＰに代えてＩｎＧａＡｌＡｓを用いることもできる。これら活性層６、１１は、周知の選択成長法により、互いのバンドギャップの大きさが異なるように同時に形成する。選択成長法によれば、ＳｉＯ2マスクを用いて成長減量の到達量を調整することにより、基板面内で異なる量の原料供給を可能とし、異なる厚さの量子井戸を形成することができる。これにより、量子井戸のバンドギャップ波長を、基板面内で制御することできるので、分布帰還型レーザ部１ａと変調器部１ｂで異なるバンドギャップ波長となるように活性層を形成することができる。活性層６、１１は、その電気伝導特性がアンドープ（高抵抗）となるように形成する。【００５３】
次いで、電流ブロック層２０、２１を成長した後、全面に、Ｐ−ＩｎＰクラッド層７およびＰ−ＩｎＧａＡｓよりなるキャップ層８、１３を順次成長する。その後、周知のウェットエッチング法またはドライエッチング法により、活性層６、１１の近傍をエッチングし、ｎ+−ＩｎＰバッファ層１８の一部を露出させる。【００５４】
次いで、全面にＳｉＯ2膜２４を堆積させ、コンタクト窓２６〜２８をエッチングにより形成する。そして、Ｐ電極９、１４、ｎ電極３２を形成する。このとき、パッド２５も同時に形成する。【００５５】
最後に、高抵抗半導体基板１の裏面を研磨して素子の厚さを１００μｍ程度とした後、研磨した面に金属を蒸着することでメタライズ層２を形成する。【００５６】
上記の製造工程では、活性層６、１１を選択成長法により形成したが、本発明はこれに限定されるものではない。活性層６、１１は、バットジョイント法で形成することもできる。バットジョイント法では、まず、全面（活性層６、１１の領域を含む）に第１のバンドギャップを有する活性層を成長する。その後、周知のウェットエッチング法またはドライエッチング法により、活性層１１の領域の部分を削除して活性層６を得る。次に、その削除した部分にのみ、第１のバンドギャップとは異なる第２のバンドギャップを有する活性層を成長して活性層１１を得る。このバットジョイント法によれば、活性層６、１１をそれぞれ異なる工程で形成することができるので、各活性層６、１１の組成、量子井戸数およびバンドギャップをそれぞれ独立に設定することができ、容易に最適化を行うことができる。【００５７】
上記のバットジョイント法を用いることにより、分布帰還型レーザ部１ａと変調器部１ｂの活性層構造を独立に制御可能となるため、変調器の量子井戸にタイプＩＩの構造を適用することができる。タイプＩＩの構造について以下に簡単に説明する。【００５８】
量子井戸の構造としてタイプＩ、ＩＩの２つの構造が知られている。タイプＩの量子井戸は、井戸の導電帯のエネルギーレベルが、バリアの導電帯のエネルギーレベルよりも高く、かつ、井戸の価電子帯のエネルギーレベルが、バリアの価電子帯のエネルギーレベルよりも低い構造のものをいい、通常は、電子、正孔がともに井戸内に閉じ込められている。一方、タイプＩＩの量子井戸は、導電帯のエネルギーレベルの関係はタイプＩの構造と同じであるが、井戸の価電子帯のエネルギーレベルが、バリアの価電子帯のエネルギーレベルよりも高い。【００５９】
タイプＩＩの量子井戸では、正孔は井戸内に閉じ込められるが、電子は井戸内に閉じ込められることはないために、通常は、量子井戸は光を吸収できない構造となっている。タイプＩＩの量子井戸に逆バイアス電圧を印加すると、エネルギー準位が傾いて、バリアに閉じ込められている電子が作用することで、光を吸収できるようになる。このタイプＩＩの量子井戸の、逆バイアス電圧を印加する前と印加した後における光の消光比（オン／オフ比）は、タイプＩの量子井戸のもより大きい。したがって、変調器の活性層にこのタイプＩＩの量子井戸の構造を適用することで、より大きな消光比を得ることができる。【００６０】
タイプＩＩの量子井戸は、井戸の組成を価電子帯のエネルギーレベルが高くなるような組成を用いることで容易に形成することができる。タイプＩＩの量子井戸として、例えば、特許３００１３６５号に記載されているような、ＩｎＡｌＡｓよりなる井戸にＩｎＰバリアを含むタイプＩＩの量子井戸を用いることができる。【００６１】
（実施形態２）
第１の実施形態の変調器集積型光源において、光変調器の電極を進行波電極構造とすることもできる。ここでは、そのような進行波電極構造を有する変調器集積型光源について説明する。【００６２】
図５Ａは、本発明の第２の実施形態である変調器集積型光源の上面図、図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ線における断面図である。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、図２Ａ〜図２Ｃに示したものと同じものには同じ符号を付してある。ここでは、説明の重複を避けるために、特徴部についてのみ説明する。【００６３】
本実施形態の変調器集積型光源は、図２Ａ〜図２Ｃに示した変調器集積型光源において、変調器部１ｂのＰ電極１４を進行波電極２２で置き換え、さらに、活性層６、１１上にアンドープＩｎＰ層２３を設けた構成になっている。本実施形態においても、前述した式１（または式２）および式３の条件をそれぞれ満たすことで、増幅器および温度制御機構を必要としない構成とされている。【００６４】
進行波電極２２は、供給される変調電気信号が、電極分離部１５側の第１の端部からその反対の側に位置する第２の端部に向かって進行するような電極構造になっている。進行波電極２２の第１の端部側には、進行波電極ワイヤ用のパッド２９が、第２の端部側には、進行波電極ワイヤ用のパッド３０がそれぞれ形成されている。この電極構造によれば、変調電気信号が光の進行方向と同じ方向に進むことになるために、活性層１１の容量に依存せずに、変調器信号を光に対してより有効に作用させることができ、変調効率を向上させることができる。【００６５】
アンドープＩｎＰ層２３は、活性層６上の領域においては、その膜厚が同じになるように形成されており、活性層１１上の領域、すなわち進行波電極２２の下に位置する領域においては、その膜厚が低反射コート１７側にいくにしたがって徐々に薄くなるように形成されている。【００６６】
変調器において、ｎ型半導体とｐ型半導体に挟まれたアンドープＩｎＰ層２３の厚さは、変調器の特性に大きく影響する。通常、変調器は、ｐ−ｎダイオードに逆バイアス電圧を印加することにより消光するようになっている。逆バイアス電圧によって、アンドープ（高抵抗）である変調器部の活性層に電界がかかるが、その電界が大きいほど、より多く消光することができる。進行波電極２２は、理想的には、変調のための電磁波が電極を進行するにつれて電界強度は変化せずに進むと考えられるが、現実には、進行波電極２２とそれまでの伝送線路との間にインピーダンス不整合が生じているために、変調電磁波が進行電極を進むにつれて、変調電磁波の電界強度は減衰してしまう。このために、変調器の前半部よりも後半部の方が、消光特性の劣化が大きい。この後半部における消光特性の劣化を低減するためには、電磁波の電圧が減少しても、変調器部の活性層にかかる電界強度が減衰しないようにする必要がある。【００６７】
電磁波の電圧とアンドープＩｎＰ層２３の総厚の関係は、
Ｅ＝Ｖ／ｄ        （式４）
で与えられる。ここで、ＥはアンドープＩｎＰ層２３にかかる電界、Ｖは電磁波の電圧、ｄはアンドープＩｎＰ層２３の厚さである。式４によれば、電圧Ｖが減少しても、厚さｄを薄くすることで、電界Ｅを一定に保つことが可能となる。進行波電極２２とそれまでの伝送線路との間にインピーダンス不整合が生じている場合は、電気信号が進行波電極２２を進行するにつれて電圧が減衰するが、活性層にかかる電界が減衰しないことから、本実施形態では、アンドープＩｎＰ層２３の厚さを進行方向に対して薄くすることにより、電界を一定に保ち、消光特性を増大させるようになっている。【００６８】
本実施形態の変調器集積型光源によれば、光変調器の電極を進行波電極としているので、変調器の吸収層ＭＱＷの静電容量を理想的にはほとんど取り除くことができ、動作変調帯域が上昇するという相乗的な効果を奏する。進行波電極２２としては、例えば、特許２９９６２８７号に記載されているような進行波型電極を用いることができる。【００６９】
また、本実施形態においては、図５Ｂに示したように、変調器部におけるアンドープＩｎＰ層２３の厚さを、発振光の進行方向に対して徐々に薄くするようになっている。これにより、進行するに従って減少する電圧を補償することができ、変調器の消光特性の劣化を防止する効果を奏する。なお、変調器部におけるアンドープＩｎＰ層２３の厚さを変化させる構造は、ｐ型ドーパントである亜鉛の拡散量を、導波路方向において調節することにより実現することができる。【００７０】
以上説明した各実施形態の変調器集積型光源において、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。例えば、高抵抗半導体基板上に集積される分布帰還型レーザは、他の半導体レーザであってもよい。【００７１】
また、素子の信頼性向上および変調器部の動作電圧をより低減するために、前述の第３の文献に記載されているようなリッジ導波路構造ではなく、半導体または誘電体を用いた埋め込み構造で活性層を形成してもよい。加えて、埋め込み構造をアンドープ層（高抵抗層）としてもよい。このような埋め込み構造は、選択成長法により実現することができる。【００７２】
さらに、変調器の活性層に温度特性の良いアルミニウム系材料を用いてもよい。通常、半導体レーザおよび変調器には、ＩｎＧａＡｓＰ系材料が用いられる。これは、バリアの価電子帯のエネルギー準位と井戸の価電子帯のエネルギー準位のエネルギー差ΔＥｃが、小さい材料であるため、高温環境での動作時に、電子が井戸からオーバーフローし、光出力が低下することとなる。これを防止するため、例えばＩｎＧａＡｌＡｓやＩｎＡｌＡｓなどのＡｌ系材料を用いると、ΔＥｃがＩｎＧａＡｓＰ系のものに比べて２倍程度に改善されて、電子の井戸からのオーバーフローを抑制することができる。この結果、高温環境での動作時における光出力低下を抑制することができる。このように、アルミニウム系材料を用いることで、分布帰還型半導体レーザの温度特性を向上させるという相乗的な効果を奏し、動作温度をより高温にすることが可能となる。【００７３】
また、電流ブロック層の残留静電容量を低減するために、電流ブロック層を高抵抗埋め込み層により形成してもよい。この場合は、活性層を流れずにその周辺部を流れる電流の割合を低減することできるので、高温環境での動作時における半導体レーザの光出力の低下を抑制することができる。高抵抗埋め込み層としては、例えば特開２０００−３５３８４８号公報に記載されているような、高抵抗ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＰ層をＭＯＣＤＶ（metal  organic  chemical  vapor  deposition）法により連続して埋め込み成長させた高抵抗埋め込み層を用いることができる。【００７４】
また、図６に示すように、光変調器部１ｂの活性層１１と低反射コート１７とが接触しないように、それらの間に窓構造３３を設けてもよい。この構造によれば、活性層１１の端部から出射した光は窓構造３３において拡散することになるので、低反射コート１７にて反射されて活性層１１内に再び戻る光の量を大幅に低減することができる。なお、図６に示した窓構造は、第１の実施形態の構造に適用した例であるが、第２の実施形態の構造にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、幹線系、アクセス系などに使用される中長距離光源や、データコム系、エンドユーザ端末に使用される変調器集積化光源に適用することができる。
【図１】
2005081050.tif 000002
【図２Ａ】
2005081050.tif 000003
【図２Ｂ】
2005081050.tif 000004
【図２Ｃ】
2005081050.tif 000005
【図３】
2005081050.tif 000006
【図４】
2005081050.tif 000007
【図５Ａ】
2005081050.tif 000008
【図５Ｂ】
2005081050.tif 000009
【図６】
2005081050.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成17年7月27日(2005.7.27)
【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】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】  半導体レーザおよび電界吸収型光変調器が高抵抗半導体基板上に集積されてなる変調器集積化光源であって、
前記電界吸収型光変調器は、前記高抵抗半導体基板の一方の面側に配置された、所定のバイアス電圧が印加される１対の電極を有しており、当該電界吸収型光変調器の長さをＬ、動作周波数をＢとするとき、
Ｌ×Ｂ≧２０００μｍ・Ｇｂ／ｓ
の条件を満たし、前記電界吸収型光変調器の吸収ピーク波長が前記半導体レーザの発振波長より短く、室温において、前記発振波長と前記吸収ピーク波長の差であるデチューニング量のエネルギー換算値ΔＸが、
４０ｍｅＶ≦ΔＸ≦１００ｍｅＶ
の条件を満たすように構成されている変調器集積化光源。
【請求項２】（削除）
【請求項３】  最低動作温度において印加される前記所定のバイアス電圧が１Ｖ以下である、請求項１に記載の変調器集積化光源。
【請求項４】  前記一対の電極がＰ型電極とＮ型電極であり、前記Ｐ型電極が進行波電極である、請求項１に記載の変調器集積化光源。
【請求項５】  前記電界吸収型光変調器の活性層はアンドープ層を有し、該アンドープ層の厚さが、前記半導体レーザからの発振光の進行方向に向かって徐々に薄くなっている、請求項４に記載の変調器集積化光源。
【請求項６】  前記半導体レーザおよび電界吸収型光変調器の活性層が、半導体または誘電体による埋め込み層よりなる、請求項１に記載の変調器集積化光源。
【請求項７】  前記埋め込み層がアンドープ層である、請求項６に記載の変調器集積化光源。
【請求項８】  前記半導体レーザの活性層の量子井戸と前記電界吸収型光変調器の活性層の量子井戸がバットジョイント結合されている、請求項１に記載の変調器集積化光源。
【請求項９】  前記電界吸収型光変調器の量子井戸は、井戸の導電帯のエネルギーレベルがバリアの導電帯のエネルギーレベルよりも高く、かつ、井戸の価電子帯のエネルギーレベルがバリアの価電子帯のエネルギーレベルよりも高い構造である、請求項８に記載の変調器集積化光源。
【請求項１０】  前記電界吸収型光変調器の活性層の組成にアルミニウムを含む、請求項１に記載の変調器集積化光源。
【請求項１１】  半導体レーザおよび電界吸収型光変調器が高抵抗半導体基板上に集積されてなる変調器集積化光源の製造方法であって、
前記半導体レーザおよび電界吸収型光変調器の活性層を含む領域に第１のバンドギャップを有する活性層を成長する第１の工程と、
前記第１の工程で形成した活性層の、前記電界吸収型光変調器の活性層の領域に対応する部分を削除して前記半導体レーザの活性層とする第２の工程と、
前記第２の工程で削除された領域に、前記電界吸収型光変調器の活性層として、前記第１のバンドギャップとは異なる第２のバンドギャップを有する活性層を成長する第３の工程を含む変調器集積化光源の製造方法。
【国際調査報告】
2005081050.tif 000011
2005081050.tif 000012
2005081050.tif 000013
2005081050.tif 000014
2005081050.tif 000015
2005081050.tif 000016
2005081050.tif 000017