JP2012156336A

JP2012156336A - 光集積回路

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Publication number: JP2012156336A
Application number: JP2011014531A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Watanabe; 啓渡辺; Nobuhiro Nunotani; 伸浩布谷; Kazuo Kasatani; 和生笠谷; Yusuke Nasu; 悠介那須
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: JP5542071B2

Abstract

【課題】半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器とを集積した光集積回路において、小型化および低消費電力化を図ること。
【解決手段】波長可変ＤＦＢレーザアレイの一端に第１の光導波路、他端に第２の光導波路が接続され、第１の光導波路に第１の半導体マッハツェンダ変調器、第２の光導波路に第２の半導体マッハツェンダ変調器が接続されている。半導体レーザのメサ構造の配置方向は、メサ構造の側面への再成長に最適な方向であり、半導体マッハツェンダ型変調器が有する２本のアーム導波路の配置方向は、２本のアーム導波路に対するポッケルス効果が最大となる方向とする。加えて、本実施形態に係る光集積回路では、半導体レーザの共振器構造を、その両端における光出力が等しくなるように対称に構成し、一方からの光出力を破棄することなく、ともに半導体マッハツェンダ変調器に入力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光集積回路に関し、より詳細には、半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器とを集積した光集積回路に関する。

近年の光通信網の普及に伴い、４０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ（ギガビット毎秒）を超える伝送容量を有する基幹系光通信システムへの適応が盛んに進められるようになった。これらの超高速光通信システムでは、従来の光通信システムで適用されてきたＮＲＺ（ＮｏｎＲｅｔｕｒｎｔｏＺｅｒｏ）変調方式と比べて、周波数利用効率が高く、また光信号対雑音比（ＯｐｔｉｃａｌＳｉｇｎａｌ−ｔｏ−ＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ：ＯＳＮＲ）耐力および非線形性耐力等の優れた様々な光変調方式の採用が相次いでいる。このような背景の中、１シンボル時間で多ビット情報を送信する方式が最も有力な手段として考えられている。

例えば、変調された４つの位相に各２ビットのデータを割り当て可能な方式である差動四相位相偏移変調（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｑｕａｄｒａｔｕｒｅｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇ：ＤＱＰＳＫ）の場合、送信器としては、少なくとも４つの高速位相変調器を集積したデバイス構成が必要となる。現在これらの高速位相変調器には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）で構成されたＬＮ導波路上にＬＮ変調器を設けたものが広く用いられている（以下、ＬＮ変調器が設けられたＬＮ導波路全体を「ＬＮ導波路」という。）。ＬＮ導波路を用いることで、低損失にこれらの光変調器を実現することができるメリットがある。しかしながら、より複雑な情報伝送フォーマットにＬＮ導波路を用いて対応する場合、デバイスサイズが大きくなるというデメリットを生ずる。例えば、１００Ｇｂｉｔ／ｓｅｃを実現するために、各位相に偏波多重を含めた４ビットのデータを割り当てるＤＰ-ＱＰＳＫ（ＤｕａｌＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）を採用した場合、送信器は、偏波毎にＤＱＰＳＫの構成を備えた形となる。これをＬＮ導波路を用いて形成した場合、必要なカップラーの個数も増える上、位相変調器の個数が少なくとも８個とＤＱＰＳＫの２倍になるため、素子サイズが非常に大きくなる問題がある。今後、さらにＤＰ-ＱＰＳＫ以上に複雑な情報伝送フォーマットに対応しようとすると、ＬＮ導波路ではデバイスサイズが非常に大きくなってしまう。

また、ＬＮ導波路を収めたモジュール内では、半導体レーザ等の光源が別に用意され、それらをファイバーで接続する形が取られる。そのため、光源およびファイバーの分だけ必然的にモジュールサイズが大きくなってしまうだけでなく、余長ファイバーの格納にもスペースを要する。これらを解決する手法としては、光源とＬＮ導波路を同じパッケージ内に収めることが考えられるが、ＬＮ導波路と光源では構成する材料が異なるため、熱膨張係数の違い等から必ずしも容易ではない。

ＤＰ-ＱＰＳＫを例とすると、両偏波用のマッハツェンダ干渉計に同一波長で、かつ位相がランダムでない光を入力する必要があり、通常は、ＬＮ導波路に入力される半導体単一モード発振レーザからの出力光が、ＬＮ導波路上に設けられたパワースプリッタにて二等分され、各マッハツェンダ干渉計に入射されることになる。

光源として用いられる半導体単一モード発振レーザは、代表的には、発振スペクトルの線幅が狭い分布帰還型レーザ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄＢａｃｋｌａｓｅｒ：ＤＦＢレーザ）が多く用いられる。特に、λ/４シフトＤＦＢレーザが用いられることが多い。原理上、λ/４シフトを共振器構造の中央に配置した場合は、無反射構造のレーザ両端に出力される光強度が等しくなる。通常λ/４シフトの位置をややずらすことにより、共振器構造内での光強度が非対称化し、前方からの光出力が強くなるように調整される。しかしながら、λ/４シフトの位置を調整して得られる非対称性は小さい。つまり、共振器構造の中央付近に配置した場合を考えると、ほぼ半分にあたる後方の光出力を捨てる構造なのである。

図１に、ＬＮ導波路を用いたＤＰ-ＱＰＳＫにおける光パワー出力の概算を模式的に示す。現実的にはあり得ないが、ＬＮ導波路上での損失、および各光部品を接続する接続損失がゼロであると仮定する。ＴＥ偏波用およびＴＭ偏波用のＬＮ導波路の出力に３ｄＢｍが必要だったとすると、ＬＮ導波路に入射する光強度は、６ｄＢｍ必要ということになる。そして半導体レーザの出力も結合損失がゼロと仮定すると同じだけ必要となる。しかしながら、ＤＦＢレーザ等のレーザ光源を想定すると、後方に破棄される光出力がそれと同様に６ｄＢｍ程度存在するので、エネルギーの利用効率が低い。実際は５ｄＢ程度のＬＮ変調器の挿入損失、１．５ｄＢ程度のレーザとファイバーの結合損失などが加わるため、さらに高出力が求められることになり、それに付随して後方への破棄分も増加することになる。

なお、図１ではＬＮ導波路から出た光を両偏波用の出力として示しているが、実際は片方の偏波のみがＬＮ導波路内で導波しており、同じ偏波である。このうち一方を半波長板を通過させ偏波を回転させてから、偏波合波し出力する。

ＬＮ導波路で構成した変調器のサイズが大きいという問題を回避するために、半導体で光導波路を構成し、電界を半導体素子に与えたときに主としてポッケルス効果で生じる屈折率変化を利用して入力電気信号を光の位相変化に変換する、マッハツェンダ型光変調器（以下「半導体マッハツェンダ変調器」という。）が注目されている。半導体マッハツェンダ変調器は、ＬＮ導波路に比べて導波路を構成する材料の比屈折率差が大きいため、曲げ半径を小さくでき、小型な回路レイアウトが可能となる。すでに、ＤＱＰＳＫ等の多値伝送フォーマットに対応した高速変調器が報告されている（非特許文献１参照）。

また、半導体マッハツェンダ変調器のさらなる利点は、レーザ光源と１つのチップ上に集積が可能という点がある。集積することで、半導体レーザ・半導体マッハツェンダ変調器間の接続損失が低減できるだけでなく、余長ファイバー処理が不要で、小型というメリットが得られる。

半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器とを集積した光集積回路の具体例として、ＩｎＰ基板を用いた例でより詳細に説明する。なお、以下の説明はＩｎＰも属する閃亜鉛鉱型結晶全般に言えることであり、同じ結晶系であるＧａＡｓ等でも同様になる。（１００）面を有するＩｎＰ基板上に半導体レーザを作製する場合、一般には［０１１］方向に半導体レーザの活性層導波路を作製するのが望ましい。様々なレーザ構造があるが、低閾値かつ高出力を可能とする埋め込み型半導体レーザを作製する場合には、活性層を有するメサ構造を［０１１］方向に作製しないと再成長による埋め込みが困難である。一方、ポッケルス効果による屈折率変化と量子閉じ込めシュタルク効果（ＱｕａｎｔｕｍＣｏｎｆｉｎｅｄＳｔａｒｋＥｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）による屈折率変化とを併せて用いる、活性領域に多重量子井戸層（ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ：ＭＱＷ）をもつ半導体マッハツェンダ変調器は、［０１−１］方向に作製すると電界を印加したときのポッケルス効果による屈折率変化がＱＣＳＥによる屈折率変化を強めるように変化し、一方で［０１１］方向に作製すると弱めるように変化する。よって、半導体マッハツェンダ変調器は、［０１−１］方向に作製した方が変調効率がよくなり、その分だけ電界強度を下げたり変調器の素子長を短くしたりできるため、高速変調動作に有利になる。つまり、半導体レーザに適した面方位と、半導体マッハツェンダ変調器に適した面方位がそれぞれあり、集積化は面方位をも考慮した設計が必要となる。

そこで、半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器とを集積した光集積回路において、半導体レーザが有するメサ構造の配置方向を、半導体マッハツェンダ変調器が有する２本のアーム導波路の配置方向とは異なる方向にすることが考えられている（特許文献１参照）。たとえば、半導体基板としてＩｎＰ基板を用いる場合には、半導体レーザのメサ構造の配置方向を［０１１］方向に、半導体マッハツェンダ変調器のアーム導波路の配置方向を［０１−１］方向とする。これにより、半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器が直線的に配置されていた場合と比較して、優れた変調特性を有する光集積回路が得られる。

国際公開第２００９／０２２９６９号

Nobuhiro Kikuchi, Yasuo Shibata, Ken Tsuzuki, Hiroaki Sanjoh, Tomonari Sato, Eiichi Yamada, Tadao Ishibashi, and Hiroshi Yasaka,"80-Gb/s Low-Driving-Voltage InP DQPSK Modulator With an n-p-i-n Structure," IEEE Photonics Technology Letters, 2009, Vol. 21, No. 12, pp. 787 - 789 H. Oohashi, Y. Shibata, H. Ishii, Y. Kawaguchi, Y. Kondo, Y. Yoshikuni, and Y. Tohmori, "46.9-nm Wavelength-Selectable Arrayed DFB lasers with Integrated MMI Coupler and SOA," 2001 Intemational Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM 2001) Conference Proceedings, 2001, pp. 575-578 Hiroyuki Ishii, Hiromi Oohashi, Kazuo Kasaya, Ken Tsuzuki, and Yuichi Tohmori, "High-power (40 mW) L-band tunable DFB laser array module using current tuning," 2005 Optical Fiber Communication Conference （OFC/NFOEC） Technical Digest, 2005, Vol. 2 伊賀健一、「応用物理学シリーズ半導体レーザ」、オーム社、1994年 N. Nunoya, H. Ishii, Y. Kawaguchi, Y. Kondo and H. Oohashi, "Wideband tuning of tunable distributed amplification distributed feedback laser array," ELECTRONICS LETTERS, 2008, Vol. 44, No. 3, pp. 205-207

半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器とを集積した光集積回路は、集積化の面で有望であるが、一層の性能改善が望まれる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器とを集積した光集積回路において、小型化および低消費電力化を図ることにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、半導体レーザと半導体マッハツェンダ型変調器とを閃亜鉛鉱型構造の半導体基板上に集積した光集積回路において、メサ構造を有する半導体レーザと、前記半導体レーザの一端と第１の光導波路で接続された第１の半導体マッハツェンダ変調器であって、入力側の分波器と、前記分波器により分波された光信号に対して位相変調を行うための２本のアーム導波路と、前記２本のアーム導波路に接続された合波器とを有する第１の半導体マッハツェンダ変調器と、前記半導体レーザの他端と第２の光導波路で接続された第２の半導体マッハツェンダ変調器であって、入力側の分波器と、前記分波器により分波された光信号に対して位相変調を行うための２本のアーム導波路と、前記２本のアーム導波路に接続された合波器とを有する第２の半導体マッハツェンダ変調器とを備え、前記半導体レーザの前記メサ構造の配置方向が、前記メサ構造の側面への再成長に最適な方向であり、前記第１及び第２の半導体マッハツェンダ型変調器が有する前記２本のアーム導波路の活性層が多重量子井戸構造であり、前記第１及び第２の半導体マッハツェンダ型変調器が有する前記２本のアーム導波路の配置方向が、前記２本のアーム導波路に光変調のための電界を印加したときに、ポッケルス効果による屈折率変化が量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化を強める方向であることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記半導体基板がＩｎＰ基板であり、前記半導体レーザ及び前記半導体マッハツェンダ変調器が、前記ＩｎＰ基板の（１００）面上に集積され、前記半導体レーザの前記メサ構造の配置方向が、前記ＩｎＰ基板の［０１１］方向であり、前記マッハツェンダ型変調器が有する前記２本のアーム導波路の配置方向が、前記ＩｎＰ基板の［０１−１］方向であることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記半導体レーザがＤＦＢレーザであり、前記ＤＦＢレーザの中央にλ/４シフトが配置されて、前記ＤＦＢレーザの両端からの光出力が等しいことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１又は第２の態様において、前記半導体レーザが波長可変ＤＦＢレーザアレイであり、前記波長可変ＤＦＢレーザアレイの中央にλ/４シフトが配置されて、前記波長可変ＤＦＢレーザアレイの両端からの光出力が等しいことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記波長可変ＤＦＢレーザアレイ内の合波器が、Ｎ×Ｍのファネル合波器またはモード干渉計合波器（Ｎは出力側のチャンネル数で２以上、ＭはＤＦＢレーザの個数であり２以上）であることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様において、前記第１の半導体マッハツェンダ変調器の出力に接続された、半導体導波路で構成された偏波ローテーターをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記偏波ローテーターの出力と、前記第２の半導体マッハツェンダ変調器の出力とに接続された、半導体導波路で構成された偏波合波器をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の第８の態様は、第１から第５のいずれかの態様において、前記第１の半導体マッハツェンダ変調器の出力に、レンズを介して光学的に結合されたキューブミラーと、前記キューブミラーの一面に張り合わされた半波長板と、前記半波長板と、前記キューブミラーと対向する面で張り合わされた偏波合波器とをさらに備え、前記第１の半導体マッハツェンダ変調器から出力される光信号は、前記キューブミラーで前記半波長板の方向に光路が９０度変換されて、前記半波長板を通過して前記偏波合波器に導入され、前記第２の半導体マッハツェンダ変調器から出力される光信号と、前記偏波合波器内で合波されることを特徴とする。

また、本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記第２の半導体マッハツェンダ変調器の出力に遅延線が接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、半導体レーザの一端に第１の光導波路、他端に第２の光導波路を接続し、第１の光導波路に第１の半導体マッハツェンダ変調器、第２の光導波路に第２の半導体マッハツェンダ変調器を接続することにより、一方からの光出力を破棄することなく、ともに半導体マッハツェンダ変調器に入力して利用するため、低消費電力化を図ることができるとともに、半導体レーザと第１及び第２の半導体マッハツェンダ変調器の配置方向を別々に定めるため、光集積回路の小型化を図ることができる。

ＬＮ導波路を用いたＤＰ-ＱＰＳＫにおける光パワー出力の概算を模式的に示す図である。本発明の第１の実施形態による光集積回路の概略図である。本発明の第１の実施形態による光集積回路の作製方法を説明するための図である。（ａ）は、図３のａ−ａ線に沿ったＤＦＢレーザの断面図であり、（ｂ）は、図３のｂ−ｂ線に沿った半導体マッハツェンダ変調器の断面図である。本発明の第１の実施形態による光集積回路の作製方法を説明するための図である。図２のうち、第２の実施形態において置き換える部分を点線で示した図である。第３の実施形態に係る光集積回路を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態による光集積回路の概略図である。本実施形態では、半導体レーザとして、波長可変ＤＦＢレーザアレイを例に説明する。波長可変ＤＦＢレーザアレイの一端に第１の光導波路、他端に第２の光導波路が接続され、第１の光導波路に第１の半導体マッハツェンダ変調器、第２の光導波路に第２の半導体マッハツェンダ変調器が接続されている。ここで、第１及び第２の半導体マッハツェンダ型変調器が有する前記２本のアーム導波路の活性層は、多重量子井戸構造となっている。図２の例では、各半導体マッハツェンダ変調器は、２段のマッハツェンダ型光変調器からなるＤＱＰＳＫ光変調器である。この構成は、ＤＰ-ＱＰＳＫ変調器と波長可変ＤＦＢレーザアレイ（ＴＬＡ）を集積したものである。

半導体レーザのメサ構造の配置方向は、メサ構造の側面への再成長に最適な方向であり、半導体マッハツェンダ型変調器が有する２本のアーム導波路の配置方向は、２本のアーム導波路に光変調のための電界を印加したときに、ポッケルス効果による屈折率変化がＱＣＳＥによる屈折率変化を強める方向とする。加えて、本実施形態に係る光集積回路では、半導体レーザの共振器構造を、その両端における光出力が等しくなるように対称に構成し、一方からの光出力を破棄することなく、ともに半導体マッハツェンダ変調器に入力する。ＤＦＢレーザを使用する場合には、λ/４シフトを共振器構造の中央に配置すれば両端に出力される光強度が等しくなる。ここで「共振器構造を対称に構成する」とは、より具体的には、共振器構造を、その両端面に関する対称軸を有するように構成することを意味する。

背景技術に関連して説明したが、波長固定のＤＦＢレーザや、波長可変ＤＦＢレーザアレイは、前方に光出力が大きくなるように多くの工夫がなされているが（非特許文献４参照）、かなりの光強度（半分程度）が後方にも出ている。この後方に出る光は、半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器とを集積した従来の光集積回路では、レーザ動作を不安定にするものであり、無反射構造を形成したり吸収させたりすることによって破棄していた。あるいは、後方の光の光強度に前方の光の光強度と相関があることを利用して、半導体レーザのパワーをモニターするのに使用される程度でしかなかった。本発明の第１の実施形態では、後方に出る光も利用することにより、エネルギーの利用効率を上げ、光集積回路の低消費電力化を図る。従来構造（図１参照）で後方に破棄されていた光強度が、前方に出る光強度と同じだとすると、従来構造に比べて、２倍エネルギー利用が高い。つまり、同じ光出力を５０％の駆動エネルギーで達成できることを意味し、半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器とを集積した光集積回路の消費電力をその分だけ低減可能となる。この光集積回路の低消費電力化は、光集積回路の低発熱化をももたらす。そのため、光集積回路の波長精度を担保するために回路直近に設けられることが多いＴＥＣ（ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、一般にはペルチェ素子による温度コントローラを指す。）の負担が減り、ＴＥＣの消費電力をも低減する事が可能となる。

加えて、非対称型のＤＦＢレーザでは、非対称とすることにより単一モード性が悪化するという問題があったが、ＤＦＢレーザを積極的に対称型に構成すると、原理上この問題は発生しなくなり、単一モード性に優れた光出力を得ることができる。

従来、変調特性向上のために半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器の配置方向を別々に定める技術があったが、これは、半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器が直線的に配置されていた場合と比較して無駄な面積を取り、サイズが大型化してしまい、必ずしも好ましくない。

本発明では、２つの半導体マッハツェンダ変調器を有する変調器、つまりＩＱ変調器を光集積回路として実現することを念頭においた場合に、半導体レーザと半導体マッハツェンダ変調器の配置方向を別々に定めることにより、逆に小型化が図れる。

いずれでも構わないが、図２の例では第１の半導体マッハツェンダ変調器の出力が半導体導波路で構成された偏波ローテーターに接続されて、偏波がＴＥモードからＴＭモードに変換された後、他方の第２の半導体マッハツェンダ変調器のＴＥモードの出力と、偏波合波器（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａｍＣｏｍｂｉｎｅｒ：ＰＢＣ）を通過して合波される。偏波合波器は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）で構成されている。

図２に示したＤＰ-ＱＰＳＫ変調器と波長可変ＤＦＢレーザアレイとを集積した光集積回路は、非常にエネルギー利用効率が高い。図１を参照して説明したような従来の構造では、半導体レーザの一端から出力された光が、３ｄＢパワースプリッタで分岐されて、それぞれ半導体マッハツェンダ変調器であるＤＱＰＳＫ光変調器に入射されていた。しかし本実施形態の構造では、半導体レーザの両端からの光出力を共に利用することに加えて、３ｄＢパワースプリッタによる最初の分岐が不要である。波長可変ＤＦＢレーザからは、同一波長、同一パワーの光が２経路で供給されるので、それらをそのままＤＱＰＳＫ光変調器に入射すればよい。

波長可変ＤＦＢレーザアレイ（ＴＬＡ）は、複数のＤＦＢレーザと、多モード干渉（ＭＭＩ）型合波器と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を１チップ上に集積したデバイスである。詳しくは、非特許文献２及び３を参照されたい。集積するＤＦＢレーザの数は、可変波長範囲に合わせて適宜選べばよく、８個、１２個等とすることができる。図２では、ＳＯＡを半導体マッハツェンダ変調器のアーム導波路と平行方向に作製しているが、ＴＬＡと平行方向であってもよい。ＴＬＡと平行方向の場合は、ＴＬＡのメサ構造形成時にウェットエッチング法が利用でき、同時にＳＯＡの導波路メサ構造の作製も可能であり、簡便に作製することができる。ＳＯＡをアーム導波路と平行方向に作製する場合には、ＳＯＡを集積するために再成長工程が増える点で後述する作製方法が異なるが基本的には変わらない。

本実施形態の例では、波長可変光源として、ＳＯＡを集積した波長可変ＤＦＢレーザアレイを用いているが、波長可変ＤＦＢレーザアレイのみで十分な光強度が得られる場合は、ＳＯＡの集積は必要ない。この場合、再成長回数が減少できるためプロセス工程数の削減が可能であり、低コスト化を実現できる。

また、波長可変ＤＦＢレーザアレイに替えて単一波長で発信する単一モード半導体レーザを用い、合光器やＳＯＡがない構成でもよい。この場合、波長可変の機能は失うが、エネルギー利用効率が高く、小型化が可能であるというメリットは失わない。さらに、双方向に同一波長で発信する単一モード半導体波長可変レーザであれば、波長可変ＤＦＢレーザアレイに限るものではない。例えば、ＴＤＡ-ＤＦＢ（Ｔｕｎａｂｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ（非特許文献５参照）や、ＳＳＧ-ＤＢＲレーザ等が挙げられる。

また本実施形態の例では、ＤＰ-ＱＰＳＫ多値変調の送信器の場合の構成を説明したが、偏波多重ＤＰＳＫとして一段の半導体マッハツェンダ変調器を集積してもよい。また、他の伝送フォーマットに対応した送信器であっても、偏波多重する構成であれば同様の構成が考えられ、同様の効果が得られる。

なお、以下の説明においても面方位に言及した説明を行うが、これは代表的なものを用いているに過ぎず、結晶工学的に等価なものを包含することが意図されていることに留意されたい。

ここで、実施例の説明をする。

実施例
図３は、本発明の第１の実施形態による光集積回路の作製方法を説明するための図である。簡単のため、片方の半導体マッハツェンダ変調器のみを示している。ＩｎＰ基板の（１００）面上に、ＤＦＢレーザが［０１１］方向に配置され、半導体マッハツェンダ変調器が［０１−１］方向に配置され、両者が光導波路で接続されている。図４（ａ）は、図３のａ−ａ線に沿ったＤＦＢレーザの断面図であり、図４（ｂ）は、図３のｂ−ｂ線に沿った半導体マッハツェンダ変調器の断面図である。図５を参照して、作製方法の説明を行うが、当業者であれば前後の記載から容易に類推できるプロセスについては一部省略してある。

まず、ＤＦＢレーザの作製方法を説明する。ＳＩ（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）−ＩｎＰ基板の（１００）面上にｎ型ＩｎＰを成長し、その上に、ＰＬ波長１．１５μｍの無歪のＩｎＧａＡｌＡｓガイド層を成長する（図示せず）。その上に、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造を有する活性層を成長する。多重量子井戸構造は、ＰＬ波長１．５５μｍ、＋１．０％の圧縮歪で厚さ７ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓ井戸層と、ＰＬ波長１．２０μｍ、−０．４％の引張歪で厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層とを８周期繰り返した構造である。この活性層上に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を形成する（図５（ａ））。

次に、リソグラフィとエッチングを用いてｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層に回折格子を形成する（図５（ｂ））。回折格子の溝は、後述のプロセスでメサ構造を作製する［０１１］方向に垂直な方向、すなわち［０１−１］方向に平行になるように作製する。

そして、ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を順に結晶成長する（図５（ｃ））。

ここまでの工程で、ＤＦＢレーザ部分の層構造が完成する。これを利用し、バットジョイント技術を用いてＤＦＢレーザと結合した半導体マッハツェンダ変調器を作製していく。

最初に、図５（ｃ）の層構造上にＳｉＯ２マスクを付け、標準的なフォトリソグラフィとエッチングを用いてパターニングする。パターニングは、回折格子を作りこんだ領域の直上に幅が１５μｍ、長さが４５０μｍの島状のパターンが残るように行う。ここで、長さ方向は、回折格子の溝が並ぶ方向であり、具体的には［０１１］方向である。次に、エッチングにより、ＭＱＷによる活性層まで除去し、幅が１５μｍ、長さが４５０μｍの島状のメサ構造を形成する（図５（ｄ））。すなわち、幅１５μｍ、長さ４５０μｍの領域にのみ、ＭＱＷによる活性層を残した状態にする。なお、活性層とＩｎＰ基板に挟まれたｎ-ＩｎＰ層はＤＦＢレーザ部分と半導体マッハツェンダ変調器部分とで共有するため、島状メサ構造形成時に、エッチングにより誤って除去しないようにする。

次に、ＳｉＯ２マスクを用いて選択成長することで、ＤＦＢレーザ部分を埋め込むように半導体マッハツェンダ変調器の層構造を結晶成長する（図５（ｅ））。変調器部分として成長する構造は以下の通りである。最初に、厚さ０．４μｍのｎ型ＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓからなる多重量子井戸活性層を成長させ、続けて厚さ０．５μｍのｉ-ＩｎＰ、キャリアーブロック層となる厚さ０．０５μｍ、ホール濃度１×１０¹⁸のｐ-ＩｎＰ、ｎ−ＩｎＰオーバークラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を順に成長する。これにより、ｎｐｉｎ構造を有する変調器の層構造が形成されるのと同時に、ＤＦＢレーザ部分とバッドジョイントにより結合される。

次に、ＤＦＢレーザ部分のＳｉＯ２マスクをフッ酸で除去した後、再度ＳｉＯ２を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングによりＤＦＢレーザ部分の一部にストライプ状の開口部を２つ持ったマスクを新しく形成する。これをマスクにして反応性イオンエッチング（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）によりＤＦＢレーザ部分の活性層まで除去する。これにより、幅２μｍのハイメサ構造を形成する（図５（ｆ））。ハイメサ構造は、次の電流ブロック層の再成長が行いやすいように、［０１１］方向に平行な方向きに形成する。

次いで、ハイメサ構造の両側面に、先にエッチングした量に匹敵する厚さ分だけ、ＦｅドープのＩｎＰ層を結晶成長する（図５（ｇ））。このＩｎＰ層は、ＤＦＢレーザに対する電流ブロック層として機能する。

次に、先ほど用いたＳｉＯ２マスクをフッ酸により除去し、再度、ＳｉＯ２を成膜する。フォトリソグラフィとエッチングにより、ＤＦＢレーザと半導体マッハツェンダ変調器を形成する部分をマスクした後、ＲＩＥ法によりＤＦＢレーザと半導体マッハツェンダ変調器の形状のハイメサ導波路を残してＩｎＰ基板直上のｎ―ＩｎＰが露出するまでエッチングする（図５（ｈ））。半導体マッハツェンダ変調器は、一般のマッハツェンダ変調器と同様に、入力側の分波器と、分波器により分波された光信号に対して位相変調を行うための２本のアーム導波路と、２本のアーム導波路に接続された合波器とを備えるが、上記半導体マッハツェンダ変調器の両アーム導波路は、ポッケルス効果を最大化するために［０１−１］方向に平行となるように形成する。ここまでの工程で、ＤＦＢレーザと半導体マッハツェンダ変調器の構造が形成される。

その後、半導体マッハツェンダ変調器の両アーム導波路間およびＤＦＢレーザ・半導体マッハツェンダ変調器間の電気的な絶縁を行うために、分離溝を形成して各部でｎ−ＩｎＰコンタクト層が独立するようにする。次いで、ＤＦＢレーザの上面にｐ電極を、ＤＦＢレーザ及びマッハツェンダ変調器のｎ-ＩｎＰコンタクト層上にｎ電極を形成した。そして、ポリイミド、ＢＣＢ等の絶縁性有機膜を全面に塗布し、半導体マッハツェンダ変調器のメサ脇のみを残して有機膜を除去する。各種電極を形成し、その後、ＳＩ−ＩｎＰ基板を研磨した後にへき開を行う。

本実施例の説明にあたり、各種の材料や加工技術に言及したが、これらは、本発明の第１の実施形態による光集積回路の作製方法を十分に説明するためのものであり、本発明に係る光集積回路をこれらの材料や加工技術により作製されたものに限定する意図ではない。たとえば、半導体基板としてＩｎＰ基板を例に説明したが、閃亜鉛鉱型（ジンクブレンド型）構造の半導体基板を用いることができる。

このように作製した本実施例の光集積回路により、３ｄＢｍの光出力と、３ｄＢ帯域３０ＧＨｚの高速変調特性が得られることが確認された。これは、本実施例の構成により、高速変調器が実現できていることを示している。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の双方向光出力の波長可変ＤＦＢレーザアレイを集積した半導体マッハツェンダ変調器では、２つの１２×１のＭＭＩ型合波器を介して、双方向出力されていた。第２の実施形態は、この部分から、後段に続くＤＱＰＳＫのカップラーの一部を、Ｎ×Ｍのファネル導波路に置き換える。

図６は、図２のうち、第２の実施形態において置き換える部分を点線で示した図である。この場合は、Ｎは１２、Ｍは４となる。第１の実施形態の構成では、双方向光出力の波長可変ＤＦＢレーザアレイの双方の出力で、１２本のＤＦＢレーザが１２×１のＭＭＩ型合波器を通過した後、２等分され、さらにそれぞれが２等分される。駆動しているＤＦＢレーザの光強度は、このＭＭＩ型合波器を通過することで、１/１２になり、その後、ＳＯＡを通過し、ゲインを得る。さらに、続く２段のカップラーを通過することで４本のアーム導波路に分配されることになり、双方向で同じことが起こる。この構成は、ある意味で一度光を減衰させてから増幅するという形となっている。減衰が小さくできれば、無論増幅が小さくても良く、エネルギー消費が抑えられる。また、十分な光強度が得られるのであればＳＯＡが不要となる。加えてＳＯＡがいらない場合は、プロセスの簡略化ができ、製造コスト低減が可能となる。

そこで、この部分を１２×４のファネル合波器に置き換える。どちらにせよ４つに配分するので、図中点線で囲まれる箇所（図中では説明を簡潔にするため上部分だけ示しているが、下側の対称な個所も同じである。）を、１２×４のファネル合波器に置き換えれば、無駄に減衰させる割合が減少でき、１/１２に減衰させられていたのを、４/１２、つまり１/３までの減衰で済むようにできるようになり、双方向光出力の利用に加えて、さらにエネルギーの利用効率を高めることが可能となる。

ここで、１２×４のファネル合波器を本実施形態では利用したが、１２×４のＭＭＩを利用しても同様の効果が得られる。また、本実施形態では波長可変ＤＦＢレーザアレイを光源として用いているが、活性部がアレイを構成し、かつ、合波器を介して出力され、さらに双方向出力を利用できる波長可変であれば無論同じ効果が得られる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では、半導体マッハツェンダ変調器を通過した後、片方の偏波をＴＥモードからＴＭモードに変換した後、ＰＢＣを通過することにより他方のＤＱＰＳＫ光変調器の出力（ＴＥ）と合波される。集積デバイスでは、集積される要素デバイスの完成度、歩留りが高くなければ、デバイス全体で、性能を引き出せない、歩留りが著しく低くなるという問題がある。特に、第１の実施形態の中で半導体からなる偏波ローテーターは、製造が難しい。

そこで、本実施形態では、図６の点線より右の部分を、空間系のバルクマイクロ工学系を利用して構成する。

図７に、本実施形態に係る光集積回路を示す。それぞれの単一モード半導体波長可変レーザの双方向出力から出たＴＥ偏向の光が、半導体マッハツェンダ変調器を通過した後、レンズを通過することでコリメートされる。一方は、レンズを介してキューブミラーと光学的に結合し、キューブミラーを通過して光路を９０度変換する。その後、キューブミラーの一面に張り合わされた半波長板を通過し、ＴＭ偏向に偏波を回転させる。その後、半波長板と、キューブミラーと対向する面で張り合わされたＰＢＣを通過して、合波され出力される。実際は、図示していないが、アイソレーターを通過し再度レンズでファイバーにフォーカスされ出力される。本実施形態の例では１ｍｍ角のキューブミラー、ＰＢＣを利用し、ポリイミドからなる半波長板厚さ２０μｍを利用した。

本構成では、半導体チップを出てから、ふたつのブロックに挟まれた半波長板を通過する。図中上方の光経路は、下方を経由してくる光よりも光路長が長い。つまり偏波により大きく送信タイミングがずれることになる。スキュー（偏波間の送信タイミングのずれ）を解消するために、短い光路となる方の導波路に遅延線を設けてスキューを解消する構造としてある。遅延線の長さは、導波路の屈折率と、構成するキューブミラー、半波長板の屈折率厚さにより遅延量を適時決定すればよい。

また、必ずしもこの遅延線は必要ではなく、光変調に用いる高速電気信号を遅延することによってもスキューを回避することはできる。

本実施例によると、空間系部材と組み合わせることで、双方向出力を利用した低消費電力のＤＰ-ＱＰＳＫを歩留り良く作製できる。

Claims

半導体レーザと半導体マッハツェンダ型変調器とを閃亜鉛鉱型構造の半導体基板上に集積した光集積回路において、
メサ構造を有する半導体レーザと、
前記半導体レーザの一端と第１の光導波路で接続された第１の半導体マッハツェンダ変調器であって、入力側の分波器と、前記分波器により分波された光信号に対して位相変調を行うための２本のアーム導波路と、前記２本のアーム導波路に接続された合波器とを有する第１の半導体マッハツェンダ変調器と、
前記半導体レーザの他端と第２の光導波路で接続された第２の半導体マッハツェンダ変調器であって、入力側の分波器と、前記分波器により分波された光信号に対して位相変調を行うための２本のアーム導波路と、前記２本のアーム導波路に接続された合波器とを有する第２の半導体マッハツェンダ変調器と
を備え、
前記半導体レーザの前記メサ構造の配置方向が、前記メサ構造の側面への再成長に最適な方向であり、
前記第１及び第２の半導体マッハツェンダ型変調器が有する前記２本のアーム導波路の活性層が多重量子井戸構造であり、
前記第１及び第２の半導体マッハツェンダ型変調器が有する前記２本のアーム導波路の配置方向が、前記２本のアーム導波路に光変調のための電界を印加したときに、ポッケルス効果による屈折率変化が量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化を強める方向であることを特徴とする光集積回路。
前記半導体基板は、ＩｎＰ基板であり、
前記半導体レーザ及び前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記ＩｎＰ基板の（１００）面上に集積され、
前記半導体レーザの前記メサ構造の配置方向が、前記ＩｎＰ基板の［０１１］方向であり、前記マッハツェンダ型変調器が有する前記２本のアーム導波路の配置方向が、前記ＩｎＰ基板の［０１−１］方向であることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。
前記半導体レーザは、ＤＦＢレーザであり、
前記ＤＦＢレーザの中央にλ/４シフトが配置されて、前記ＤＦＢレーザの両端からの光出力が等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積回路。
前記半導体レーザは、波長可変ＤＦＢレーザアレイであり、
前記波長可変ＤＦＢレーザアレイの中央にλ/４シフトが配置されて、前記波長可変ＤＦＢレーザアレイの両端からの光出力が等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積回路。
前記波長可変ＤＦＢレーザアレイ内の合波器が、Ｎ×Ｍのファネル合波器またはモード干渉計合波器（Ｎは出力側のチャンネル数で２以上、ＭはＤＦＢレーザの個数であり２以上）であることを特徴とする請求項４に記載の光集積回路。
前記第１の半導体マッハツェンダ変調器の出力に接続された、半導体導波路で構成された偏波ローテーターをさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光集積回路。
前記偏波ローテーターの出力と、前記第２の半導体マッハツェンダ変調器の出力とに接続された、半導体導波路で構成された偏波合波器をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の光集積回路。
前記第１の半導体マッハツェンダ変調器の出力に、レンズを介して光学的に結合されたキューブミラーと、
前記キューブミラーの一面に張り合わされた半波長板と、
前記半波長板と、前記キューブミラーと対向する面で張り合わされた偏波合波器と
をさらに備え、
前記第１の半導体マッハツェンダ変調器から出力される光信号は、前記キューブミラーで前記半波長板の方向に光路が９０度変換されて、前記半波長板を通過して前記偏波合波器に導入され、前記第２の半導体マッハツェンダ変調器から出力される光信号と、前記偏波合波器内で合波されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光集積回路。
前記第２の半導体マッハツェンダ変調器の出力に遅延線が接続されていることを特徴とする請求項８に記載の光集積回路。