JP2007158204A

JP2007158204A - 光集積デバイス

Info

Publication number: JP2007158204A
Application number: JP2005354336A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fukano; 秀樹深野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】変調器付き光源の光出力のモニタのための光検出強度の可変性確保、部品点数の削減と、実装工数の削減および実装スペースの低減とそれらによるモジュールコストの低減を図ることのできる光集積デバイスを提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１２の両端に、それぞれ光変調素子１１と、光出力モニタ用素子１３とをモノリシック集積かつ光結合し、光出力モニタ用素子１３の層構造が、光変調素子１１と同構造を有するとともに、光出力モニタ用素子１３の電極１０７ｃが、光の進行方向に沿って少なくとも二以上に分割され、且つ、隣り合う電極１０７ｃが相互に間隙を有する光集積デバイスの構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光集積デバイスに関し、詳しくは光通信分野の光出力モニタ機能を有する光変調器付き光源に関する。

従来の光通信変調器付き光源の光モニタは、図４に示すように、変調器付き光源用キャリア０５上に変調器０１が集積された半導体レーザ素子０２が実装されている。そして、半導体レーザ素子０２の出射端面側には、光学結合がとれる形で光出力モニタ用のフォトダイオード（ＰＤ）０３がハイブリッド実装されている。フォトダイオード０３は、ＰＤキャリア０４に実装されている。このフォトダイオード０３の吸収電流を測定することにより、光出力のモニタを行っている（その他、非特許文献１、図１２．１２参照）。

また、例えば特許文献１には、半導体レーザと光出力モニタ用の受光器が、同一基板上に溝を介して集積されたデバイスが示されている。

特公平７−１０５５５５号公報伊藤良一、中村道治著、「半導体レーザ」、培風館、p.277

図４に示した従来の変調器付き光源モジュールにおいては、光源の光出力のモニタのために、ＰＤキャリア０４上のフォトダイオード０３を、半導体レーザ素子０２と光学的結合がとれる形でハイブリッド実装する必要がある。このために、フォトダイオード０３のＰＤキャリア０４上への実装とともに、ＰＤキャリア０４の変調器付き光源用キャリア０５への実装が必要である。従って、部品点数が多く、また、実装のための大変な手間と、そのための広い実装スペースが必要であるという問題があった。

さらには、半導体レーザ素子０２の出射光０６は、図４に示すように出射端面から大きく広がってしまうため、モニタ用のフォトダイオード０３には、受光面積の大きなチップサイズの素子が必要である。これにより、製造歩留まりの低下およびチップ単価の上昇を招き、最終的に変調器付き光源モジュールの価格上昇につながるという問題があった。

また、特許文献１に示される、半導体レーザと光検出器とが溝を介して集積されたデバイスでは、光検出器への導入光強度を溝部分の物理的距離や形状を通じてしか調整できないため、デバイス製作後に、用途に応じて検出光電流を最適な状態に可変することができず、また、製作工程が増えてしまうという問題があった。

このようなことから本発明は、変調器付き光源の光出力のモニタのための光検出強度の可変性確保、部品点数の削減と、実装工数の削減および実装スペースの低減とそれらによるモジュールコストの低減を図ることのできる光集積デバイスを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の請求項１に係る光集積デバイスは、半導体レーザ素子の両端に、それぞれ光変調素子と、光出力モニタ用素子とをモノリシック集積し、光結合した光集積デバイスにおいて、前記光出力モニタ用素子が光変調素子であるとともに、前記光出力モニタ用素子の電極が、光の進行方向に沿って少なくとも二以上に分割され、且つ、隣り合う前記電極は相互に間隙を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明の請求項２に係る光集積デバイスは、半導体レーザ素子の両端に、それぞれ光変調素子と、光出力モニタ用素子とをモノリシック集積し、光結合した光集積デバイスにおいて、前記光出力モニタ用素子が受光素子であるとともに、前記光出力モニタ用素子の電極が、光の進行方向に沿って少なくとも二以上に分割され、且つ、隣り合う前記電極は相互に間隙を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明の請求項３に係る光集積デバイスは、請求項１又は請求項２記載の光集積デバイスにおいて、前記電極の前記半導体レーザ素子に近い部分に対応する前記光出力モニタ用素子を減衰器として用いることを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明の請求項４に係る光集積デバイスは、請求項３記載の光集積デバイスにおいて、前記光出力モニタ素子の前記半導体レーザ素子に近い部分の電極の個数によって前記減衰器の減衰量を調整することを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明の請求項５に係る光集積デバイスは、請求項３又は請求項４記載の光集積デバイスにおいて、前記光出力モニタ素子の前記半導体レーザ素子に近い部分の電極の印加電圧を調整して前記減衰器の減衰量を制御することを特徴とする。

上述した本発明に係る光集積デバイスは、変調器付き光源である半導体レーザ素子の後方出射端面側に光出力モニタ用の光変調素子または受光素子がモノリシックに集積された構造となっており、さらに上記光出力モニタ用の光変調素子または受光素子の電極が、２個以上に分割された構成となっているため、分割されたそれぞれの電極を所望の形態で用いることにより、検出光電流を可変とすることができる。従って、検出光電流を用途に応じて最適な状態に調整することができる。

なお、光出力モニタ用の素子として、光変調素子を半導体レーザ素子とモノリシックに集積した構造では、光変調素子を高い逆バイアス状態で、フォトダイオードとして作用させることにより、光出力のモニタが可能となる。

このように、本発明に係る光集積デバイスによれば、光集積デバイス内に光出力用モニタ素子が内蔵されており、光減衰量をデバイス製作後に可変設定しながら光検出できるため、従来のような、個別のモニタ用フォトダイオードが不要となり、そのための実装工程および実装のためのスペースが不要となるとともに、用途に応じて検出光電流を最適な状態に容易に調整することができる。従って、変調器付き光源の光出力のモニタのための光検出強度の可変性確保、部品点数の削減と、実装工数の削減および実装スペースの低減、およびモジュールコストの低減が可能となる。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態は、光変調素子および半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）がモノリシックに集積され、光結合された光集積デバイスにおいて、光変調素子領域とは反対の半導体レーザ領域の端部に、光出力モニタ用の光変調素子又は受光素子（以下、光出力モニタ用素子という）をモノリシックに集積するものである。そして、光出力モニタ用素子の電極を、光の進行方向に対して多段に複数個形成し、これらの電極が相互に間隔を有する構成とする。

上述した本実施形態に係る光集積デバイスによれば、単にデバイス内に光出力モニタ用素子を内蔵しただけではなく、光出力モニタ用素子の電極を、光の進行方向に対して多段に複数個形成することにより、多段の電極の前半部（半導体レーザ素子に近い部分）によって光減衰量を調整することが可能となるため、用途に応じて検出光電流を最適な状態にすることが可能となる。これにより、変調器付き光源モジュール（光集積デバイス）の低コスト化が可能となる。

次に、本発明の第一の実施例について図１および図２を参照して説明する。図１は本実施例に係る光集積デバイスの概略構造を示す断面図、図２は１００μｍ長の光変調器の消光特性を示すグラフである。

図１に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、電界吸収型光変調素子１１と、半導体レーザ素子である分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ（以下、半導体レーザ素子という）１２がモノリシック集積され、さらに、半導体レーザ素子１２の出射端面側に、光出力モニタ用の光変調素子（以下、光出力モニタ用素子という）１３がモノリシック集積されている。なお、半導体レーザ素子１２と、電界吸収型光変調素子１１、光出力モニタ用素子１３との間には、それぞれ分離領域１４が設けられている。

電界吸収型光変調素子１１は、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に積層された、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１０２、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層構造１０４、およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１０３から構成される。ＭＱＷ活性層構造１０４は、光変調層を構成する活性層の両側を分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層によって挟まれた構造となっている。さらに上下には、電流注入を行うためにそれぞれｐ電極１０７ａおよびｎ電極１０８が形成されている。ｐ電極１０７ａとｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１０３の間には、ｐ−コンタクト層１０９ａが設けられている。

半導体レーザ素子１２は、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に積層された、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１０２、ＭＱＷ活性層構造１０５、およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１０３から構成される。そして、ＭＱＷ活性層構造１０５の上部には回折格子１１０が形成されている。さらに上下には、電流注入を行うためにそれぞれｐ電極１０７ｂおよびｎ電極１０８が形成されている。ｐ電極１０７ｂとｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１０３の間には、ｐ−コンタクト層１０９ｂが設けられている。

光出力モニタ用素子１３は電界吸収型光変調素子１１と同様の層構造を有しており、ＭＱＷ活性層構造１０６は、光出力モニタ用素子を構成する活性層の両側をＳＣＨ層で挟まれた構造となっている。上下には、電流注入を行うためにそれぞれｐ電極１０７ｃおよびｎ電極１０８が形成されている。ｐ電極１０７ｃは、光の進行方向に対して、２個以上（図１では７個）に分割され、相互に間隙を有している（以下、ｐ電極１０７ｃを多段電極１０７ｃという）。多段電極１０７ｃとｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１０３の間には、ｐ−コンタクト層１０９ｃが設けられている。なお、この光出力モニタ用素子１３は、電界吸収型光変調素子１１と同じ層構造であるため、特別な再成長の必要なく、製作マスクパタンの改良で作製できる。

分離領域１４は、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１０２、導波路層１１１、およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１０３が積層された構成となっている。導波路層１１１は、光変調層と同じ層、又は光吸収のない半導体層で構成されている。

なお、ｐ電極１０７ｂは、分離溝１１２によってそれぞれｐ電極１０７ａ，１０７ｃとの間に間隙を有している。

以下、本実施例の作用について説明する。本実施例によれば、半導体レーザ素子１２の出射端面側に光出力モニタ用素子１３がモノリシックに集積された構造となっている。そして、光出力モニタ用素子１３に設けられた多段電極１０７ｃが２個以上（本実施例では７個）に分離されて構成されている。光変調素子と同じ層構造を有する光出力モニタ用素子１３は、高い逆バイアス状態で、フォトダイオードとして作用させることにより、光出力のモニタが可能となる。

本実施例では、光出力モニタ用素子１３の多段電極１０７ｃが７個に分離されて構成されており、それぞれの多段電極１０７ｃを所望の形態で用いることにより、検出光電流を可変とし、用途に応じて最適な状態に調整することができる。たとえば、半導体レーザ素子１２側の多段電極１０７ｃに逆バイアス電圧を外部から可変印加することにより、所望の光減衰量が設定でき、その後段の多段電極１０７ｃで減衰された光の強度を光電流としてモニタできる。

このように、光集積デバイス内に光出力モニタ用素子１３が内蔵されており、デバイス製作後に光減衰量を可変設定しながら光検出できるため、従来例として図４に示したような、個別のモニタ用フォトダイオード０３が不要となる。そのため、実装工程および実装のためのスペースが不要となるとともに、検出光電流を可変とすることができ、用途に応じて容易に検出光電流を最適な状態に調整することができる。

図２に示すように、１００μｍ長の光変調器は、逆バイアス−３Ｖで、１１ｄＢ以上の消光比が得られる。従って、光変調器と同一構造より成る光出力モニタ用素子１３が、電極分離され、長さＬ₁が１０μｍの多段電極１０７ｃによって構成されるとき、一個あたりの消光特性は、図２の１００μｍ長の特性に対して１／１０倍になるため、逆バイアス−３Ｖで、１ｄＢ程度の消光比が得られる。このため、光出力モニタ用素子１３を逆バイアス−３Ｖ一定の状態で用いることにより、光出力の２０％以上を吸収し、光強度をモニタするフォトダイオードとして動作させることができる。

また、一個当り１ｄＢの減衰器として利用できるため、前段の必要な段数を減衰器として作用させ、後段の部分を用いて光検出することができた。また、減衰器として作用させる部分の多段電極１０７ｃの印加電圧を調整することでも減衰量を任意に調整できた。さらに、半導体レーザ素子１２と、光出力モニタ用素子１３とがモノリシック集積されているため、半導体レーザ素子１２の出力を極めて高効率に光結合でき、光検出できる。

また、キャリアに実装するだけで光出力のモニタが可能となるため、図４に示した従来例のように、フォトダイオード０３のＰＤキャリア０４上への実装と、さらに、ＰＤキャリア０４の変調器付き光源用キャリア０５への実装が不要となり、工数が大幅に削減されるとともに、ＰＤキャリア０４の実装スペースも不要となり、モジュールの小型化が可能となる。

なお、多段電極１０７ｃ間の分離抵抗は、クラッド層の導電率や電極間隔で調整可能であり、また、プロトンインプラなどのイオン注入技術を用いても所望の値に設定できる。また、光出力モニタ用素子１３は、電界吸収型光変調素子１１と同様の層構造であれば製作上好適であるが、これに限らず、所望の光吸収特性が得られる層構造であればよい。さらに、多段電極１０７ｃの各々の長さ、隣り合う多段電極１０７ｃ間の間隔は、それぞれ相互に異なっても良い。

次に、本発明の第二の実施例について図３を参照して説明する。図３は本実施例に係る光集積デバイスの概略構造を示す断面図である。

図３に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、電界吸収型光変調素子２１と、半導体レーザ素子である分布帰還型レーザ（以下、半導体レーザ素子という）２２がモノリシック集積され、さらに、半導体レーザ素子２２の後方出射端面側に、ＩｎＧａＡｓＰバルク層よりなる光吸収層を有する光出力モニタ用の受光素子（以下、光出力モニタ用素子という）２３がモノリシック集積されている。なお、半導体レーザ素子２２と、電界吸収型光変調素子２１、光出力モニタ用素子２３との間には、それぞれ分離領域２４が設けられている。

電界吸収型光変調素子２１は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に積層された、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２、ＭＱＷ活性層構造２０４、およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０３から構成される。ＭＱＷ活性層構造２０４は、光変調層を構成する活性層の両側をＳＣＨ層で挟まれた構造となっている。さらに上下には、電流注入を行うためにそれぞれｐ電極２０７ａおよびｎ電極２０８が形成されている。ｐ電極２０７ａとｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０３の間には、ｐ−コンタクト層２０９ａが設けられている。

半導体レーザ素子２２は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に積層された、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２、ＭＱＷ活性層構造２０５、およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０３から構成される。そして、ＭＱＷ活性層構造２０５の上部には回折格子２１０が形成されている。さらに上下には、電流注入を行うためにそれぞれｐ電極２０７ｂおよびｎ電極２０８が形成されている。ｐ電極２０７ｂとｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０３の間には、ｐ−コンタクト層２０９ｂが設けられている。

光出力モニタ用素子２３は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に積層された、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層２０６、およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０３から構成される。さらに上下には、電流注入を行うためにそれぞれｐ電極２０７ｃおよびｎ電極２０８が形成されている。ｐ電極２０７ｃは、光の進行方向に対して、例えば等分に２個以上（図３では６個）に分割され、相互に間隙を有している（以下、ｐ電極２０７ｃを多段電極２０７ｃという）。多段電極２０７ｃとｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０３の間には、ｐ−コンタクト層２０９ｃが設けられている。

光出力モニタ用素子２３は、無バイアス状態で光吸収があり、電極分離された多段電極２０７ｃの長さＬ₂を２０μｍ、電極間隔Ｌ₃を３０μｍとしたものを１セットとし、１セットあたりの光吸収特性として４ｄＢ程度の光吸収が得られるように、光吸収層２０６の半導体組成と光閉じ込め量を調整している。

分離領域２４は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２、導波路層２１１、およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０３が積層された構成となっている。導波路層２１１は、光変調層と同じ層、又は光吸収のない半導体層で構成されている。そして、ｐ電極２０７ｂは、分離溝２１２によってそれぞれｐ電極２０７ａ，２０７ｃとの間に間隙を有している。

以下、本実施例の作用効果について説明する。本実施例によれば、光出力モニタ用素子２３は無バイアスの状態でも残留光損失があり、多段電極２０７ｃの長さＬ₂を２０μｍ、電極間隔Ｌ₃を３０μｍとしたものを１セットとすると、それぞれのセットについて、光吸収特性として４ｄＢ程度の光吸収が得られる構成となっている。このため、多段電極２０７ｃの前段の必要な段数を減衰器として作用させ、後段の部分を用いて光検出することができた。すなわち、多段電極２０７ｃの前半の多数段の個数を選択することにより一定割合で光減衰量を選択でき、後段部分で、減衰された光の強度を光電流としてモニタできる。

さらに、光半導体レーザ素子２２と、光出力モニタ用素子２３がモノリシック集積されているため、半導体レーザ素子２２の出力を極めて高効率で光結合および光検出することが可能となる。

また、キャリアに実装するだけで、光出力のモニタが可能となるため、図４に示した従来の変調器付きＤＦＢレーザと比較して、フォトダイオード０３のＰＤキャリア０４上への実装と、さらに、そのＰＤキャリア０４の変調器付き光源用キャリア０５への実装が不要となり、工数が大幅に削減されるとともに、ＰＤキャリア０４の実装スペースも不要となり、モジュールの小型化が可能となる。

なお、隣り合う多段電極２０７ｃ間の分離抵抗は、クラッド層の導電率や電極間隔で調整可能であり、また、プロトンインプラなどのイオン注入技術を用いても所望の値に設定できる。また、多段電極２０７ｃの各々の長さ、隣り合う多段電極２０７ｃ間の間隔は、それぞれ相互に異なる長さとしても良い。

本発明は、光集積デバイスに適用可能であり、特に光通信分野の光出力モニタ機能を有する光変調器付き光源に適用して好適なものである。

本発明の実施例１に係る光集積デバイスの概略構造を示す断面図である。１００μｍ長の光変調器の消光特性を示すグラフである。本発明の実施例２に係る光集積デバイスの概略構造を示す断面図である。従来の光集積デバイスを示す概略構造図である。

符号の説明

１１，２１光変調素子
１２，２２半導体レーザ素子
１３，２３光出力モニタ用素子
１０７ｃ，２０７ｃ光出力モニタ用素子の電極

Claims

半導体レーザ素子の両端に、それぞれ光変調素子と、光出力モニタ用素子とをモノリシック集積し、光結合した光集積デバイスにおいて、前記光出力モニタ用素子が光変調素子であるとともに、前記光出力モニタ用素子の電極が、光の進行方向に沿って少なくとも二以上に分割され、且つ、隣り合う前記電極は相互に間隙を有することを特徴とする光集積デバイス。
半導体レーザ素子の両端に、それぞれ光変調素子と、光出力モニタ用素子とをモノリシック集積し、光結合した光集積デバイスにおいて、前記光出力モニタ用素子が受光素子であるとともに、前記光出力モニタ用素子の電極が、光の進行方向に沿って少なくとも二以上に分割され、且つ、隣り合う前記電極は相互に間隙を有することを特徴とする光集積デバイス。
前記電極の前記半導体レーザ素子に近い部分に対応する前記光出力モニタ用素子を減衰器として用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光集積デバイス。
前記光出力モニタ素子の前記半導体レーザ素子に近い部分の電極の個数によって前記減衰器の減衰量を調整することを特徴とする請求項３記載の光集積デバイス。
前記光出力モニタ素子の前記半導体レーザ素子に近い部分の電極の印加電圧を調整して前記減衰器の減衰量を制御することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の光集積デバイス。