JPH1073736A

JPH1073736A - 半導体光素子、ファイバ型光アンプおよび光伝送装置

Info

Publication number: JPH1073736A
Application number: JP8230008A
Authority: JP
Inventors: Tatsumi Ido; 立身井戸; Hirohisa Sano; 博久佐野; Hiroyuki Gomyo; 博之五明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-03-17
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: US6111998A; JP3833313B2

Abstract

(57)【要約】【課題】横方向についてマルチモードの光導波路を用
いたときにも、光結合や分岐比の安定性を良好にする。【解決手段】光導波路１にモードフィルタ２を設け、
モードフィルタ２の幅ｗ_fを光導波路１の幅ｗの１．５
〜４倍にし、幅ｗ_fを１〜１０μｍにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体からなる光導
波路を有する半導体レーザ、光変調器等の半導体光素
子、ファイバ型光アンプおよび光伝送装置に関するもの
である。

【０００２】

【将来の技術】半導体レーザを代表とする半導体光素子
は、光を閉じ込め伝搬する半導体からなる光導波路を有
している。この光導波路は屈折率の異なる複数の半導体
を積層し、幅数μｍにエッチングすることにより作製さ
れる。光導波路はクラッド層にドーピングを行なうこと
によってコア層に電流注入や電界印加をすることがで
き、これによってレーザ発振、光増幅、光変調、光スイ
ッチング等の機能が実現できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体光素子の光導波路においては、半導体の屈折率が
大きく、また層間の屈折率差も大きいから、単一モード
光化するためにはその寸法を極めて小さくしなければな
らない。そして、基板に垂直方向の積層構造はサブμｍ
の精度を持つ結晶成長で作製されるために、垂直方向の
単一モード化は比較的容易である。これに対して、横方
向の閉じ込め構造はフォトリソグラフィとエッチングと
により作製されるので、光導波路の幅ｗを小さくして横
方向の単一モード化を実現するのは難しい。また、幅ｗ
を小さくすることにより単一モード化を実現しても、伝
搬損失が大きくなったり、あるいは半導体光素子の抵抗
が大きくなるなどの問題を生じる。さらに、半導体レー
ザでは幅の小さい光導波路を用いると、光導波路の光強
度・キャリア密度・応力が大きくなり信頼性が悪くな
る。これらの理由により、実際の半導体光素子では横方
向についてマルチモードである光導波路を使わざるを得
ない場合が多い。ところが、マルチモードの光導波路を
使用した半導体レーザでは、高出力時に横モード不安定
性を生じて、実用上の問題を生じる。また、マルチモー
ドの光導波路を使用した光スイッチ、光変調器等では、
光結合や分岐比の安定性が欠けるなどの問題がある。

【０００４】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、横方向についてマルチモードの光導波路を
用いても、光結合や分岐比の安定性が良好である半導体
光素子、長時間安定に動作するファイバ型光アンプ、光
伝送装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明においては、半導体からなる光導波路を有す
る半導体光素子において、上記光導波路の少なくとも一
部に上記光導波路の基本モード光を透過しかつ高次モー
ド光の伝搬を阻止するモードフィルタを設け、上記モー
ドフィルタの幅が上記光導波路の幅に比べて大きくす
る。

【０００６】また、半導体からなる光導波路を有する半
導体光素子において、上記光導波路の少なくとも一部に
モードフィルタを設け、上記光導波路の基本モード光に
対して上記モードフィルタの入口の光の強度分布が上記
モードフィルタの出口の光強度分布とほぼ等しくなるよ
うに上記光導波路の幅、上記モードフィルタの幅および
長さを定める。

【０００７】これらの場合、上記モードフィルタの幅を
上記光導波路の幅の１．５〜４倍とする。

【０００８】また、上記モードフィルタの幅を１．５〜
１０μｍとする。

【０００９】また、上記光導波路の幅を１〜１０μｍと
する。

【００１０】また、上記モードフィルタの幅を光の進行
方向に対して変化させる。

【００１１】また、上記モードフィルタの積層構造を上
記光導波路の積層構造と同一とする。

【００１２】この場合、半導体基板上に一様な積層構造
を設け、上記積層構造を異なる幅でエッチングすること
により上記光導波路および上記モードフィルタを形成す
る。

【００１３】また、上記半導体光素子を半導体レーザ、
光変調器、光スイッチのいずれかとする。

【００１４】また、上記光導波路にＹ分岐を設ける。

【００１５】また、ファイバ型光アンプにおいて、上記
の半導体レーザを使用する。

【００１６】また、光伝送装置において、上記の光変調
器を使用する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る半導体光素子
を示す平面図である。図に示すように、光導波路１にモ
ードフィルタ２が設けられ、モードフィルタ２の幅ｗ_f
は光導波路１の幅ｗより大きくなっている。

【００１８】図２(ａ)、(ｂ)は図１に示した半導体光素
子のモードフィルタに紙面左から基本モード光、高次モ
ード（１次モード）光が入射した場合に、光強度分布が
どのように変化しながら伝搬するかを示した図である。
図に示すように、光導波路１より幅の広いモードフィル
タ２に入射した光は伝搬するにつれて両側に広がり、さ
らに伝搬すると再び中央に収束して、入射波形とほぼ等
しい強度分布を再生する。すなわち、モードフィルタ２
に入射した光は周期的に形を変える。この周期は基本モ
ード光と高次モード光とで異なり、高次モード光の方が
周期が短い。したがって、モードフィルタ２の長さＬ_f
を基本モード光の周期に設定した場合には、図２(ａ)に
示すように、基本モード光はモードフィルタ２出口では
ほぼ入口と同じ強度分布を持ち低損失で出力側の光導波
路１の基本モード光に変換・出力される。すなわち、光
導波路１の基本モード光に対してモードフィルタ２の入
口の光の強度分布がモードフィルタ２の出口の光強度分
布とほぼ等しくなる。これに対して、図２(ｂ)に示すよ
うに、高次モード光の光強度分布は出口で外側に集中し
ており、出力側の光導波路のモードにほとんど結合しな
い。このように、モードフィルタ２により高次モード光
のみに対して大きな損失を与えることができる。すなわ
ち、モードフィルタ２の光導波路１への挿入により、マ
ルチモードの光導波路１があたかもシングルモードの光
導波路のように振る舞うことが可能となる。

【００１９】そして、たとえば半導体レーザの光導波路
１にモードフィルタ２を設けた場合には、光導波路１が
横方向にマルチモードであっても、高次モード光に対す
る損失が大きいから、高次モード光の発振が抑えられ
る。したがって、光出力を増加してもモードの不安定に
よるビームスポットの変形が生じない。これにより、従
来よりも幅ｗの広い光導波路１の使用が可能となり、半
導体レーザの最大光出力、信頼性を向上することができ
る。また、パッシブな半導体光素子の光導波路１にモー
ドフィルタ２を設けたときには、光導波路１がマルチモ
ードであるために生じる光結合の不安定性を解消するこ
とができる。

【００２０】なお、モードフィルタ２の幅ｗ_fと光導波
路１の幅ｗとの差が小さいときには、モードフィルタ２
の出口において光導波路１の端に集中した光が出口側の
光導波路１にもれてしまい、高次モード光の損失が小さ
くなってしまう。したがって、モードフィルタ２の幅ｗ
_fを光導波路１の幅ｗの１．５倍以上にするのが望まし
い。また、図３は光の波長λが１．５５μｍであり、光
導波路１の基本モード光に対してモードフィルタ２の入
口の光の強度分布がモードフィルタ２の出口の光強度分
布とほぼ等しくなる場合のモードフィルタ２の長さＬ_f
と幅ｗ_fとの関係を示すグラフである。このグラフから
明らかなように、モードフィルタ２の長さＬ_fは幅ｗ_fに
対して指数関数的に大きくなるから、モードフィルタ２
の幅ｗ_fを不必要に大きくすると、モードフィルタ２の
長さＬ_fが極めて大きくなり、半導体光素子が大型とな
る。このため、モードフィルタ２の幅ｗ_fを光導波路１
の幅ｗの４倍以下にするのが望ましい。また、図３に示
したグラフから明らかなように、モードフィルタ２の長
さＬ_fを２００μｍ以下にするためには、モードフィル
タ２の幅ｗ_fを１０μｍ以下にする必要がある。また、
光導波路１の幅ｗを大きくしたときには、モードフィル
タ２の幅ｗ_fを大きくしなければならないから、結局モ
ードフィルタ２の長さＬ_fを極めて大きくしなければな
らないので、光導波路１の幅を１〜１０μｍとするのが
望ましい。

【００２１】また、モードフィルタの形状は必ずしも矩
形である必要はなく、たとえば図４(ａ)、(ｂ)に示すよ
うな幅が光の進行方向に対して変化する形状のモードフ
ィルタ２ａ、２ｂを設けてもよく、光導波路１の基本モ
ード光に対して入口の光の強度分布が出口の光強度分布
とほぼ等しくなるようにモードフィルタ２ａ、２ｂの長
さを設定することにより、図１に示したモードフィルタ
２と同様の機能が実現できる。

【００２２】図５(ａ)は本発明に係る０．８μｍ半導体
レーザを示す平面図、図５(ｂ)は図５(ａ)のＡ−Ａ断面
図、図５(ｃ)は図５(ａ)のＢ−Ｂ断面図である。図に示
すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ
_0.6Ａｓクラッド層１１（１．５μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ａｓガイド層１２（０．０５μｍ）、ＧａＡｓ活
性層１３（０．１５μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓガ
イド層１４（０．０５μｍ）、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ
クラッド層１５（１．５μｍ）、ｐ⁺−ＧａＡｓコンタ
クト層１６がＭＢＥ（分子線エピタキシー）より設けら
れ、ｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１６およびｐ−Ａｌ_0.4
Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層１５（１．５μｍ）の一部をエ
ッチングして光導波路１およびモードフィルタ２が形成
されている。また、光導波路１の幅ｗは３μｍ、モード
フィルタ２の幅ｗ_fは６μｍであり、モードフィルタ２
の長さＬ_fは約５０μｍである。また、パッシベーショ
ン膜であるＳｉＯ₂膜２０が設けられ、ｐ電極２１、ｎ
電極２２が蒸着により設けられている。なお、劈開によ
り半導体レーザが切り出され（素子長６００μｍ）、光
入出射端面に低反射膜２３および高反射膜２４が設けら
れている。

【００２３】図５に示したモードフィルタ２が設けられ
た半導体レーザおよびモードフィルタ２のない半導体レ
ーザの電流−光出力特性を評価した。両者は共にほぼ同
じ閾値電流、スロープ効率を示したが、図６に示すよう
に、モードフィルタ２のない半導体レーザ素子は１００
ｍＷ前後で電流−光出力特性がキンク（特性を示す線の
折れ曲がり）を生じたのに対し、モードフィルタ２が設
けられた半導体レーザでは２００ｍＷ以上までキンクは
観測されず、安定に動作した。また、モードフィルタ２
の積層構造を光導波路１の積層構造と同一としているか
ら、従来の半導体レーザと同様なプロセスで容易に製造
することができる。さらに、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上に
一様な積層構造を設け、積層構造を異なる幅でエッチン
グすることにより光導波路１およびモードフィルタ２を
形成しているから、半導体レーザを極めて容易に製造す
ることができる。

【００２４】図７(ａ)は本発明に係る０．９８μｍ半導
体レーザを示す平面図、図７(ｂ)は図７(ａ)のＣ−Ｃ断
面図、図７(ｃ)は図７(ａ)のＤ−Ｄ断面図である。図に
示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ−ＩｎＧａ
Ｐクラッド層３１（１．５μｍ）、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ
／ＧａＡｓ量子井戸層３２（周期数２周）、ｐ−ＩｎＧ
ａＰエッチストップ層３３、ＧａＡｓガイド層３４
（０．１０μｍ）、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層３５
（１．５μｍ）がＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法よ
り設けられ、ＳｉＯ₂マスク（図示せず）を用いてｐ−
ＩｎＧａＰクラッド層３５とＧａＡｓガイド層３４とを
エッチングすることにより、光導波路１、モードフィル
タ２が形成されている。また、光導波路１の幅ｗは４μ
ｍ、モードフィルタ２の幅ｗ_fは８μｍ、長さＬ_fは約６
０μｍである。また、ｎ−ＩｎＧａＰ３６が埋込成長に
より設けられ、ＳｉＯ₂マスクを除去してｐ−ＧａＡｓ
平坦化層３７（１μｍ）が設けられている。また、パッ
シベーション膜であるＳｉＯ₂膜２０が設けられ、ｐ電
極２１、ｎ電極２２が蒸着により形成されている。な
お、劈開により半導体レーザが切り出され（素子長６０
０μｍ）、光入出射端面に低反射膜２３および高反射膜
２４が設けられている。

【００２５】図７に示したモードフィルタ２が設けられ
た半導体レーザおよびモードフィルタ２のない半導体レ
ーザの電流−光出力特性を評価した。両者は共にほぼ同
じ閾値電流、スロープ効率を示したが、モードフィルタ
２のない半導体レーザ素子は１００ｍＷ前後で電流−光
出力特性がキンクが生じたのに対し、モードフィルタ２
が設けられた半導体レーザでは２００ｍＷ以上までキン
クは観測されず、安定に動作した。

【００２６】図８(ａ)は本発明に係る電界吸収型光変調
器を示す平面図、図８(ｂ)は図８(ａ)のＥ−Ｅ断面図、
図８(ｃ)は図８(ａ)のＦ−Ｆ断面図、図８(ｄ)は図８
(ａ)のＧ−Ｇ断面図である。図に示すように、ｎ−Ｉｎ
Ｐ基板４０上に、ｎ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層４１
（０．５μｍ）、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸
層４２（１０周期、バンドギャップ波長１．５０μ
ｍ）、ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層４３（２．０μ
ｍ）、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層４４がＭＢＥ法
より設けられ、後にｐ電極２１を形成する領域以外のエ
ピタキシャル層が選択エッチングにより除去され、除去
された領域にＩｎＰクラッド層４５（０．５μｍ）、Ｉ
ｎＧａＡｓＰコア層４６（０．２μｍ、バンドギャプ波
長１．１５μｍ）、ＩｎＰクラッド層４７（１．５μ
ｍ）がＭＯＶＰＥにより設けられ、エッチングにより光
導波路１、モードフィルタ２が形成され、ポリイミド４
８にて平坦化が行なわれ、ｐ電極２１、ｎ電極２２が形
成され、また両端面に反射防止膜４９が設けられてい
る。そして、光導波路１の幅ｗ、モードフィルタ２の幅
ｗ_f、長さＬ_fはそれぞれ４μｍ、７μｍ、約８０μｍで
ある。

【００２７】図８に示したモードフィルタ２が設けられ
た電界吸収型光変調器およびモードフィルタ２のない電
界吸収型光変調器について、両端を先球ファイバにて光
結合して特性を評価した。モードフィルタ２のない電界
吸収型光変調器では、入射側の光ファイバの位置が変化
すると出射側の光ファイバの最小挿入損失の位置も変化
するというマルチモード光導波路特有の不安定性が見ら
れた。これに対して、モードフィルタ２が設けられた電
界吸収型光変調器では、このような不安定性は観測され
なかった。

【００２８】図９(ａ)は本発明に係る１×２光スイッチ
を示す平面図、図９(ｂ)は図９(ａ)のＨ−Ｈ断面図、図
９(ｃ)は図９(ａ)のＩ−Ｉ断面図である。図に示すよう
に、ｎ−ＩｎＰ基板４０上にＩｎＧａＡｓＰガイド層５
１（０．２μｍ、バンドギャップ波長１．１５μｍ）、
ＩｎＧａＡｓＰ活性層５２（０．１５μｍ、バンドギャ
ップ波長１．５５μｍ）が形成され、ＬＤゲートとなる
領域以外のＩｎＧａＡｓＰ活性層５２が除去され、基板
全面にｐ−ＩｎＰクラッド層５３（２．０μｍ）、ｐ⁺
−ＩｎＧａＡｓコンタクト層４４が設けられ、ｐ⁺−Ｉ
ｎＧａＡｓコンタクト層４４とｐ−ＩｎＰクラッド層５
３の上部とをエッチングすることにより光導波路１、Ｙ
分岐３、モードフィルタ２（３箇所）が設けられてい
る。光導波路１の幅ｗ、モードフィルタ２の幅ｗ_f、長
さＬ_fはそれぞれ４μｍ、７μｍ、約８０μｍである。
そして、ＬＤゲートにＬＤゲート電極５５、５６が設け
られている。なお、劈開により光スイッチが切り出さ
れ、光スイッチの両端面に反射防止膜４９が設けられて
いる。

【００２９】この光スイッチにおいては、光導波路１１
に入射する光信号をＹ分岐３にて２等分し、それぞれを
ＬＤゲートでオンオフし出力することにより、光スイッ
チングを行なう。

【００３０】図９に示した光スイッチの入出力を先球フ
ァイバで結合して素子特性を評価した。この光スイッチ
に−１０ｄＢｍの光入力を与えて２つのＬＤゲート電極
５５、５６にそれぞれ５０ｍＡの電流を流したところ、
２つ出力からからほぼ等しい−１０ｄＢｍの光出力が得
られた。また、ＬＤゲート電極５５、５６の一方にのみ
電流を流し、スイッチ動作をさせたところ、それぞれ４
０ｄＢ以上のオンオフ比が得られた。さらに、入射側の
光ファイバに位置ずれを起こしても、２つの光出力は１
対１のままであった。これに対して、モードフィルタ２
のない光スイッチでは、光出力比は入射側の光ファイバ
の位置に依存して大きく変化した。

【００３１】また、図１０は図７に示した半導体レーザ
を用いたファイバ型光アンプを示す図である。図に示す
ように、光アイソレータ６２ａにＥＤＦＡ（Ｅｒをドー
プした光ファイバ）６０を介してＷＤＷカップラ６１が
接続され、ＷＤＷカップラ６１に光アイソレータ６２ｂ
が接続され、ＷＤＷカップラ６１に図７に示した半導体
レーザをモジュール化した半導体レーザモジュール６３
が接続されている。

【００３２】このファイバ型光アンプは、飽和出力＋１
５ｄＢｍの高出力が得られ、長時間安定に動作した。

【００３３】また、図１１は図８に示した電界吸収型光
変調器を用いた光伝送装置を示す図である。図に示すよ
うに、送信機においてＤＦＢレーザ７０に図８に示した
電界吸収型光変調器のパッケージ７１が接続され、パッ
ケージ７１が光ファイバ７２を介して受信機に接続され
ている。

【００３４】この光伝送装置においては、伝送レートを
１０Ｇbit／ｓ、光ファイバ７２の長さを８０ｋｍとし
たとき、エラーレートは１０^-11以下で、長期に渡り安
定に動作した。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係る半導体光素子においては、
幅が広く横方向にマルチモードの光導波路を用いても安
定に動作するから、特性、信頼性が向上する。

【００３６】また、モードフィルタの幅を光導波路の幅
の１．５〜４倍としたときには、高次モード光の損失が
小さくなることがなく、しかもモードフィルタの長さが
極めて大きくなることがないから、半導体光素子が大型
になることがない。

【００３７】また、モードフィルタの幅を１．５〜１０
μｍとしたときには、モードフィルタの長さが極めて大
きくなることがないから、半導体光素子が大型になるこ
とがない。

【００３８】また、光導波路の幅を１〜１０μｍとした
ときには、モードフィルタの長さが極めて大きくなるこ
とがないから、半導体光素子が大型になることがない。

【００３９】また、モードフィルタの積層構造を光導波
路の積層構造と同一としたときには、半導体光素子を容
易に製造することができる。

【００４０】この場合、半導体基板上に一様な積層構造
を設け、積層構造を異なる幅でエッチングすることによ
り光導波路およびモードフィルタを形成したときには、
半導体光素子を極めて容易に製造することができる。

【００４１】また、本発明に係るファイバ型光アンプ、
光伝送装置においては、長時間安定に動作する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体光素子を示す平面図であ
る。

【図２】図１に示した半導体光素子のモードフィルタの
光強度分布の伝搬状態を示す図である。

【図３】図１に示した半導体光素子のモードフィルタの
長さＬ_fと幅ｗ_fとの関係の例を示すグラフである。

【図４】本発明に係る他の半導体光素子のモードフィル
タを示す図である。

【図５】本発明に係る０．８μｍ半導体レーザを示す図
である。

【図６】図５に示した半導体レーザの駆動電流−光出力
特性図である。

【図７】本発明に係る０．９８μｍ半導体レーザを示す
図である。

【図８】本発明に係る電界吸収型光変調器を示す図であ
る。

【図９】本発明に係る１×２光スイッチを示す図であ
る。

【図１０】図７に示した半導体レーザを用いたファイバ
型光アンプを示す図である。

【図１１】図８に示した電界吸収型光変調器を用いた光
伝送装置を示す図である。

【符号の説明】

１…光導波路２…モードフィルタ２ａ…モードフィルタ２ｂ…モードフィルタ３…分岐点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体からなる光導波路を有する半導体光
素子において、上記光導波路の少なくとも一部に上記光
導波路の基本モード光を透過しかつ高次モード光の伝搬
を阻止するモードフィルタを有し、上記モードフィルタ
の幅が上記光導波路の幅に比べて大きいことを特徴とす
る半導体光素子。
【請求項２】半導体からなる光導波路を有する半導体光
素子において、上記光導波路の少なくとも一部にモード
フィルタを有し、上記光導波路の基本モード光に対して
上記モードフィルタの入口の光の強度分布が上記モード
フィルタの出口の光強度分布とほぼ等しくなるように上
記光導波路の幅、上記モードフィルタの幅および長さを
定めたことを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】上記モードフィルタの幅が上記光導波路の
幅の１．５〜４倍であることを特徴とする請求項１また
は２に記載の半導体光素子。
【請求項４】上記モードフィルタの幅が１．５〜１０μ
ｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の半
導体光素子。
【請求項５】上記光導波路の幅が１〜１０μｍであるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光素
子。
【請求項６】上記モードフィルタの幅が光の進行方向に
対して変化していることを特徴とする請求項１または２
に記載の半導体光素子。
【請求項７】上記モードフィルタの積層構造が上記光導
波路の積層構造と同一であることを特徴とする請求項１
または２に記載の半導体光素子。
【請求項８】半導体基板上に一様な積層構造を設け、上
記積層構造を異なる幅でエッチングすることにより上記
光導波路および上記モードフィルタを形成したことを特
徴とする請求項６に記載の半導体光素子。
【請求項９】上記半導体光素子が半導体レーザ、光変調
器、光スイッチのいずれかであることを特徴とする請求
項１〜７のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項１０】上記光導波路にＹ分岐が設けられたこと
を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体光
素子。
【請求項１１】請求項９に記載の半導体レーザを使用し
たことを特徴とするファイバ型光アンプ。
【請求項１２】請求項９に記載の光変調器を使用したこ
とを特徴とする光伝送装置。