JPH1187853A

JPH1187853A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH1187853A
Application number: JP24145997A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kurosaki; 武志黒崎; Hiroyuki Ishii; 啓之石井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 1999-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】活性導波路領域と光導波路領域とを集積した
半導体光集積素子を構成要素とする光半導体装置におい
て、発振光における強度雑音レベルの増大を極力抑えな
がら、反射戻り光によって誘起される発振光の強度雑音
の増加を抑制すること。【解決手段】活性導波路１３を含む活性導波路領域１
１に信号電流発生装置２１より信号電流を加えて信号光
を発生させるとともに、該信号光に対して透明な光導波
路１４を含む光導波路領域１２に装置２２より該光導波
路領域１２の屈折率を変動させるための変調電流または
変調電圧を加えることにより、半導体光集積素子１０へ
の反射戻り光によって誘起される発振光の強度雑音の増
加を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光機能を有する
半導体光集積素子を構成要素とする光半導体装置におい
て、半導体光集積素子の出射端面の近端もしくは遠端か
らの反射戻り光や光集積素子内部での反射戻り光により
誘起される発振光の強度雑音増加を抑制する機能を備え
た光半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信や光ディスク、レーザプ
リンタ等に用いる光源として半導体レーザが広く使用さ
れているが、この半導体レーザを使用する際に問題とな
るのが、光ファイバの入射端面や光ファイバ同士を接続
するためのコネクタの端面または光ディスクの表面等か
らの反射戻り光である。半導体レーザへの反射戻り光
は、素子から放出される発振光の強度雑音を増加させる
ため、実用に際しては反射戻り光そのものを抑制する
か、もしくは反射戻り光により誘起される戻り光誘起雑
音の増加を抑制することが求められている。

【０００３】従来、半導体レーザの発振光の放出端面よ
り十分離れたところから反射して戻ってくる遠端反射光
に対しては、一般に光アイソレータ（光を一方向にしか
通さない装置）を用いることにより反射戻り光の抑制が
図られており、出射光強度の６０ｄＢ以下までの反射戻
り光の抑制が実現されている。

【０００４】一方、半導体レーザの発振光の放出端面よ
り数ｃｍ以内のところから反射して戻ってくる近端反射
光に対しては、上記のようなアイソレータを用いること
はできないため、反射戻り光そのものを抑制することは
できない。この場合、半導体レーザの発振光の出射端面
の反射率を高くする方法があるが、半導体レーザからの
光出力が小さくなってしまうという短所がある（例え
ば、M.Kume 他 "Reduction of feedback-induced noise
by high-reflectivity facet coating in single long
itudinal mode semiconductor lasers", Applied Physi
cs Letters, Vol.45, No.12, pp.1260-1262, 1984参
照）。

【０００５】また、光ファイバの端面または半導体レー
ザを斜めに傾けて反射光が素子に戻らないようにする方
法があるが、この場合も半導体レーザから出射された光
が光ファイバに結合する割合（結合効率）が小さくなっ
てしまうという短所がある（例えば、O.Mitomi 他 "Ins
tability of Coherence in Semiconductor Laser dueto
Extermal Feedback in Hybrid-integrated Optical Wa
veguide Components", Journal of Lightwave Technolo
gy, Vol.8, No.6, pp.953-961, 1990参照）。

【０００６】さらに、半導体レーザが光導波路や変調
器、半導体光増幅器、フォトダイオード、光スイッチ等
の他の光素子が同一半導体基板上に作製された、いわゆ
るモノリシック集積素子においては、素子内部からの反
射戻り光を抑制することは困難であった。

【０００７】そこで、デジタル変調方式で半導体レーザ
を変調動作させる場合においては、レーザに入力される
変調信号に対し、変調信号よりも周波数が十分に高い高
周波（数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ）を重畳させることによ
り、半導体レーザの発振光のスペクトラムを安定な多モ
ード発振状態にし、発振光が有するコヒーレンシー（発
振光の可干渉性）を低減させて、反射戻り光により誘起
される強度雑音の増大を抑制する手法等が用いられてい
る（例えば、佐藤他「半導体レーザを用いたマルチモ
ードファイバアナログ伝送系の検討」電子通信学会技術
研究報告、Vol.80、No.7、CS80-2、pp.7-12、1980、ま
たは、A.Ohishi 他 "Noise Characteristics of High-f
requency Superposed Laser Diodes for Optical Disc
Systems", Electronics Letters, Vol.20, No.20, pp.8
21-822, 1984参照）。

【０００８】図１は、半導体レーザに前述した高周波重
畳による反射戻り光誘起雑音の抑制法（以下、高周波重
畳法と称す。）を適用した従来の光半導体装置の一例を
示すものである。図中、１は半導体レーザ、２は半導体
レーザ１の活性導波路、３，４は電極、５はコイル、６
はコンデンサ、７は高周波発生回路であり、電極３，４
間にバイアス電流または電圧がコイル５を介して加えら
れるとともに、高周波発生回路７からの高周波信号がコ
ンデンサ６を介して加えられ、発振光が活性導波路２か
ら出力される如くなっている。

【０００９】図２は、反射戻り光がある場合の半導体レ
ーザの発振光を広帯域の受光装置によって電気信号に変
換した後、ＲＦスペクトラム・アナライザを用いて観測
した際の強度雑音スペクトルの一例を示すものである。
反射点までの距離に対応した周波数間隔で、強度雑音が
大幅に増加していることが分かる。

【００１０】ここで、図２に示されるスペクトルの縦軸
の相対雑音強度（Relative Intensity Noise：RIN）
は、発振光に含まれる光出力強度揺らぎを平均光出力と
測定に用いたＲＦスペクトラム・アナライザの測定帯域
幅で規格化したものであり、相対雑音強度（ｄＢ／Ｈｚ）＝［（光出力における揺ら
ぎ）／（平均光出力）］／（測定帯域幅）で定義される。

【００１１】また、図３は、反射戻り光がある場合に、
図１に示したような高周波重畳法を行った時の半導体レ
ーザの発振光の強度雑音スペクトルを示すもので、図
中、８は前記高周波重畳法を行った時の発振光の強度雑
音スペクトル、また、９は比較のために示した、反射戻
り光が無い場合の発振光の強度雑音スペクトルである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】高周波重畳法を行った
場合、図２に見られるような半導体レーザの発振光にお
ける強度雑音の大幅な増大は抑制される。しかし、反射
戻り光が無い場合に比べると、１０ｄＢ程度の強度雑音
レベルの増大が生じている。これは、レーザの活性領域
を直接高周波で変調することにより、レーザの発振光が
有する反射戻り光との間のコヒーレンシー（可干渉性）
を大幅に低減できる反面、レーザ光を発生させている利
得媒質の利得が変動することにより、光出力強度の揺ら
ぎが生じてしまうためである。

【００１３】本発明の目的は、活性導波路領域と光導波
路領域とを集積した半導体光集積素子を構成要素とする
光半導体装置において、発振光における強度雑音レベル
の増大を極力抑えながら、反射戻り光によって誘起され
る発振光の強度雑音の増加を抑制できる光半導体装置を
提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、活性導波路領
域と光導波路領域とを集積した半導体光集積素子を構成
要素とする光半導体装置において、入力電気信号に対応
した光信号の変調は発光部である活性導波路領域におい
てのみ行い、発振光の波長に対して利得や吸収特性を持
たない光導波路領域には、導波路の屈折率を変動させる
ことを目的として、任意の周波数で変調された電流を注
入または任意の周波数で変調された電圧を印加すること
によって、反射戻り光によって誘起される発振光の強度
雑音増加を抑制することを最も主要な特徴とする。

【００１５】従来の技術である高周波重畳法を用いた装
置とは、信号光を発生させる活性導波路領域に信号成分
以外の揺らぎを与えることなく、反射戻り光によって誘
起される発振光の強度雑音増加の抑制を図る点が異な
る。

【００１６】また、従来より、活性導波路領域と光導波
路領域とが集積された半導体光集積素子の光導波路領域
に、変調された電流を注入または変調された電圧を印加
して用いる場合があるが、これらは活性導波路領域で発
生された光に入力電気信号に応じた変調を施すためのも
のであり、本発明の光半導体装置のように、反射戻り光
により誘起される強度雑音増加を抑制するためのもので
はない。

【００１７】本発明では、入力電気信号に応じた変調は
半導体光集積素子の活性導波路領域で行い、光導波路領
域に注入される変調電流または印加される変調電圧は光
半導体装置が出す光信号には寄与せず、反射戻り光によ
って誘起される光信号における強度雑音増加の抑制にの
み寄与している点が異なる。

【００１８】また、光導波路領域に注入される変調電流
または印加される変調電圧の周波数は、活性導波路領域
に注入される電気信号の周波数とは無関係であり、任意
の周波数を選ぶことができる点でも異なっている。

【００１９】例えば、分布反射型レーザ（ＤＢＲレー
ザ）の光導波路領域に変調された電流を注入して周波数
変調を行う場合（例えば、S.Murata 他 "Spectral Char
acteristics for a 1.5μm DBR Laser with Frequency-
Tuning Region", Journal of Lightwave Technology, V
ol.QE-23, No.6, pp.835-838, 1987参照）や、分布帰還
型レーザ（ＤＦＢレーザ）に変調器を集積した、いわゆ
る変調器集積化光源において、変調器部に変調された電
圧を印加して強度変調を行う場合（例えば、K.Sato 他
"Strained-InGaAsP MQW Electroabsorption Modulator
Integrated DFB Laser", Electronics Letters, Vol.2
9, No.12, pp.1087-1088, 1993参照）があるが、これら
はいずれも活性導波路領域には直流電流が注入されて、
光導波路領域に注入される変調電流または印加される変
調電圧によって光信号を発生する装置であり、本発明の
装置のように、反射戻り光によって誘起される光信号の
強度雑音増加を抑制する機能を有したものではない。

【００２０】図４は、前述した高周波重畳法を説明する
ための模式図である。説明を簡単にするため、ここでは
半導体レーザに入力電気信号に対応した変調を施さない
場合について述べる。

【００２１】この方法では、半導体レーザの光出力−注
入電流特性における発振しきい値電流付近にバイアスし
て変調信号を主信号に重畳することにより、発振光にお
けるスペクトルは図５に示すような安定な多モード状態
となる。

【００２２】光通信に用いられる１．３μｍ帯及び１．
５５μｍ帯の波長を有する長波長帯ファブリ・ぺロー・
レーザにおいては、本来、発振光のスペクトルは図５と
同じ多モード状態であるが、出射端面の近端からの反射
戻り光により、図６に示すような不安定な単一モード発
振もしくは図７に示すようなモード選択性のある不安定
な多モード発振となることがある。この場合において
も、高周波重畳法を用いることにより発振光におけるス
ペクトルを安定な多モード発振とすることができる。

【００２３】しかし、この方法ではしきい値付近で変調
するために、半導体レーザの光出力波形において、図４
に示すようなパルス状の発振（パルセーション）が生じ
るようになるとともに、光出力自体も大きく揺らぐこと
になる。従って、この方法では図３に示したような半導
体レーザの発振光における強度雑音レベルの増大は免れ
ない。

【００２４】図８は、本発明の光半導体装置の概要を示
すもので、活性導波路領域と光導波路領域とを集積した
半導体光集積素子１０と、信号光を発生させるための信
号電流発生装置２１と、前記光導波路領域の屈折率を変
動させるための変調電流または変調電圧を発生する装置
２２とから構成されている。

【００２５】半導体光集積素子１０は、半導体レーザと
同じ構造を有する活性導波路領域１１と、該活性導波路
領域１１で発光した光に対しては透明な半導体材料（バ
ンドギャップ波長が活性導波路領域のものよりも短い半
導体）から成る光導波路領域１２とが接合された構造を
有する。なお、１３は活性導波路領域１１に含まれる活
性導波路、１４は光導波路領域１２に含まれる光導波
路、１５，１６，１７は電極、１８は電極１５，１６を
分離する溝である。

【００２６】ここで、活性導波路１３での光の屈折率を
Ｎａ、光導波路１４での屈折率をＮｇとし、活性導波路
１３及び光導波路１４の光軸方向の長さをそれぞれＬａ
及びＬｇとすると、光集積素子１０内の導波光に対する
レーザ共振器の実効的な長さＬｃは、Ｌｃ＝Ｎａ×Ｌａ＋Ｎｇ×Ｌｇ（１）で表される。

【００２７】図９は、この光集積素子の発振光のスペク
トルを模式的に表したものであり、各発振モードの間隔
Δλｍは、近似的に Δλｍ＝λｐ²／２Ｌｃ（２）で表される。ここで、λｐは発振光のスペクトルにおけ
るピークモード３１の波長である。

【００２８】次に、図８の半導体光集積素子において、
活性導波路領域１１に直流電流を注入し、光導波路領域
１２に変調電流を注入した場合について説明する。ここ
で、半導体光集積素子から出力される光は、主として活
性導波路１３に注入される電流によって決まり、光導波
路１４に注入される電流はレーザ発振には寄与しないも
のとなる。しかし、光導波路１４の屈折率Ｎｇは、光導
波路領域１２に注入された電流に依存して変化する。従
って、光導波路領域１２に注入される電流を変調するこ
とにより、前記（１）、（２）の関係から、発振光のス
ペクトルにおける各発振モードの間隔Δλｍを定常的に
変化させることができる。

【００２９】図９において、実線３２は光導波路領域に
変調電流を注入しない場合の発振光のスペクトル、点線
３３は光導波路領域に変調電流を注入した場合の発振光
のスペクトルである。

【００３０】このように、光導波路領域に変調電流を注
入することによって、半導体光集積素子からの光出力強
度に揺らぎをほとんど与えずに反射戻り光に対する各発
振モードのコヒーレンシー（可干渉性）の低減を行うこ
とができ、反射戻り光に対して安定な多モード発振を実
現することができる。この場合、活性導波路領域に注入
される電流に高周波重畳を行った場合に比べて強度雑音
レベルの値を小さく保ったまま、反射戻り光により誘起
される強度雑音増加の抑制が可能な光半導体装置の実現
が期待できる。

【００３１】また、図８の半導体光集積素子における光
導波路領域に変調電流を注入する代わりに、活性導波路
領域に注入される電流とは逆方向の極性に電圧を印加し
ても屈折率を変動させることができる。但し、この場合
は電流を注入する場合に比べて屈折率を変動させる効果
が小さくなる可能性がある（例えば、水戸他「波長可
変半導体レーザとコヒーレント光通信への応用」応用物
理、第５９巻、第９号、pp.1136-1153、１９９０参
照）。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００３３】

【第１の実施の形態】図１０は、本発明の光半導体装置
の第１の実施の形態を示すもので、以下、その構造につ
いて簡単に説明する。

【００３４】半導体光集積素子４０はｎ型ＩｎＰ基板を
用いて作製されたもの（なお、図１０では一部切り欠い
た状態を示している。）であり、ｎ型ＩｎＰ基板４１上
にＩｎＧａＡｓＰ活性層（組成１．５５μｍ波長）４２
とＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（組成１．３μｍ波長）４
３とが成長されており、これら２種類の導波路はバッテ
ィング接合（バットジョン卜）されている。また、これ
らの導波路はメサ状に加工された後、図１１の断面図に
も示すように、その両脇をｐ型ＩｎＰ電流ブロック層４
４とｎ型ＩｎＰ電流ブロック層４５とを交互に成長する
ことにより埋め込まれた構造、いわゆるＰＮ埋め込み構
造（ＰＮ−ＢＨ構造）をなしている。ここで、メサの幅
は約１．５μｍであり、基板４１から活性層４２及び光
導波路層４３までの高さは約１．５μｍである。また、
活性層４２及び光導波路層４３の厚さは約０．２μｍで
ある。

【００３５】前記形成されたメサ及びＰＮ埋め込み層の
上部には厚さ約２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層４６と厚
さ約０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層
４７とが成長されている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電
極コンタクト層４７の上部には金を主成分とする金属膜
が蒸着されており、これが活性層４２と光導波路層４３
との境に対応する部位において幅約２０μｍ、深さ約１
μｍの溝４８で分離され、電気的に独立した電極４９，
５０を構成する如くなっている。なお、５１は活性層４
２又は光導波路層４３以外の部分を絶縁するためのＳｉ
Ｏ₂絶縁膜である。

【００３６】また、ｎ型ＩｎＰ基板４１の下部にも前記
同様な金属膜による電極５２が形成されており、前記電
極４９及び５２で挟まれる部分が活性導波路領域５３を
構成し、電極５０及び５２で挟まれる部分が光導波路領
域５４を構成する如くなっている。

【００３７】本素子４０の両端面はへき開により形成さ
れており、素子長は６００μｍで、活性導波路領域５３
及び光導波路領域５４の長さはそれぞれ３００μｍ、ま
た、素子の幅は４００μｍである。

【００３８】活性導波路領域５３に対応した電極４９に
は、外部からの入力電気信号に対応して半導体光集積素
子を駆動するための信号電流発生装置２１が接続されて
おり、これは変調電流の振幅を制御する回路と、変調の
際のバイアス電流となる直流電流を発生させる回路とか
ら構成されている。また、光導波路領域５４に対応した
電極５０には活性導波路４２に接続された信号電流発生
装置２１が動作している間、一定の周波数で正弦波状に
変調された電流を発生する変調電流発生装置２２が接続
されており、これは変調電流の振幅を制御する回路と、
変調の際のバイアス電流となる直流電流を発生させる回
路及び一定の周波数の信号を発生させる発振器とから構
成されている。なお、共通の電極５２は接地されてい
る。

【００３９】なお、ここで用いられている回路は、主に
ＧａＡｓからなる化合物半導体で作製された集積回路
（ＩＣ）で構成されている。

【００４０】図１２は前述した光半導体装置を用いて、
遠端からの反射戻り光誘起雑音の抑制効果を確認するた
めの実験を行った時の測定系を示すものである。

【００４１】光集積素子の光導波路領域側の端面からの
出射光は、先端球面（先球）加工された光ファイバ６１
と結合されるようにした。この先球加工された光ファイ
バ６１の端面には無反射（ＡＲ）コーティングが施され
ている。光ファイバ６１は途中、３ｄＢ光ファイバカプ
ラ６２を通して分岐されており、分岐された一方の光フ
ァイバは可変光減衰器６３を通して全反射ミラー６４で
終端されている。また、もう一方の光ファイバは、６０
ｄＢ光アイソレータ６５を通してフォトダイオード６６
に接続されており、フォトダイオード６６で光信号を電
気信号に変換し、増幅器６７によって増幅した後、ＲＦ
スペクトラム・アナライザ６８によって強度雑音スペク
トルが観測できるようになっている。

【００４２】まず、最初に、本発明の光半導体装置より
半導体光集積素子４０を取り出して活性導波路領域５３
にのみ３０ｍＡの直流電流を注入し、素子への反射戻り
光がほとんど無い状態で強度雑音スペクトルを観測し
た。次に、全反射ミラー６４から素子４０に戻る戻り光
量が０．１〜１％になるように設定した場合の強度雑音
スペクトルを観測した。さらに、従来の高周波重畳法と
の比較を行うために、同じく０．１〜１％の反射戻り光
がある状態で、活性導波路領域５３に２０ｍＡのバイア
ス電流を流し、そのバイアス電流を中心値として振幅が
２０ｍＡ、変調周波数が５００ＭＨｚの正弦波状の電流
を注入した場合の強度雑音スペクトルも観測した。

【００４３】これらの測定終了後、半導体光集積素子４
０を元の光半導体装置に戻し、同じく０．１〜１％の反
射戻り光がある状態で、活性導波路領域５３には３０ｍ
Ａの直流電流を注入し、光導波路領域５４には振幅が１
０ｍＡ、最小値及び最大値がそれぞれ０ｍＡ及び１０ｍ
Ａとなるような変調周波数５００ＭＨｚの正弦波状の電
流を注入した場合の強度雑音スペクトルを観測した。

【００４４】図１３はこれらの結果をまとめたもので、
７１は反射戻り光が無い場合の発振光の強度雑音スペク
トル、７２は反射戻り光により増大した発振光の強度雑
音スペクトル、７３は高周波重畳法を行った場合の発振
光の強度雑音スペクトル、７４は本発明の光半導体装置
を用いた場合の発振光の強度雑音スペクトルである。

【００４５】この結果から、光導波路領域に変調電流を
注入する本発明の光半導体装置を用いた場合には、強度
雑音スペクトル上に周期的に現われたピーク状の雑音
（７２）は抑圧され、さらに、強度雑音レベルも、戻り
光が無い場合（７１）と比べてほとんど増加しておらず
（７４）、高周波重畳法の場合（７３）と比べて小さく
抑えられていることが確認できた。

【００４６】次に、図１０の光半導体装置の活性導波路
領域に振幅が３０ｍＡでバイアス電流値１ｍＡのランダ
ムパターンからなるＮＲＺ（Non-return-to-zero）デジ
タル変調信号電流（変調速度：５０Ｍbit/s）を注入し
た場合の光出力波形について調べた。測定は、図１２の
測定系において全反射ミラーから素子に戻る戻り光量が
０．１〜１％になるように設定して行い、また、光出力
波形を観測するために、ＲＦスペクトラム・アナライザ
の代わりにディジタル・オシロスコープを用いた。

【００４７】まず、比較のために図１０の光半導体装置
より半導体光集積素子４０のみを取り出し、その活性導
波路領域５３に前記ＮＲＺデジタル信号電流のみを注入
した場合の光出力波形を調べたところ、図１４に示す結
果を得た。次に、半導体光集積素子４０の活性導波路領
域５３に注入される前記ＮＲＺデジタル信号電流に振幅
が２０ｍＡ、変調周波数が５００ＭＨｚの正弦波状の電
流を重畳した場合の光出力波形を調べたところ、図１５
に示す結果を得た。最後に、半導体光集積素子を光半導
体装置に戻し、光導波路領域５４に振幅が１０ｍＡ、最
小値及び最大値がそれぞれ０ｍＡ及び１０ｍＡとなるよ
うな変調周波数が５００ＭＨｚの正弦波状の電流を注入
した状態で、前記ＮＲＺデジタル信号電流を活性導波路
領域５３に注入した場合の光出力波形を調べたところ、
図１６に示す結果を得た。

【００４８】従来、用いられてきた高周波重畳法では、
反射戻り光により誘起されるランダムな周波数成分を持
つ雑音は抑制されるが、重畳された周波数やレーザが持
つ固有の緩和振動周波数等に相当するパルス状の揺らぎ
が現われる（図１４、図１５参照）。

【００４９】一方、本発明の光半導体装置によれば、光
出力波形において反射戻り光により誘起されるランダム
な周波数成分を持つ雑音を抑制できると同時に、活性導
波路領域に高周波重畳を行った場合のようなパルス状の
揺らぎも現れていないことが確認された（図１６参
照）。

【００５０】

【第２の実施の形態】図１７は本発明の光半導体装置の
第２の実施の形態を示すもので、ここでは第１の実施の
形態において半導体光集積素子の光導波路領域における
光導波路の厚さを変化させた例を示す。即ち、図中、５
５はテーパー状光導波路であり、その厚さは活性導波路
４２との接続部から出射端面に向けてテーパー状に薄く
なっている。而して、このテーパー状光導波路５５を要
素として含むテーパー状光導波路領域５６により、本半
導体光集積素子４０ａは出射端面から出力される光のス
ポットサイズを拡大する機能を有するスポットサイズ変
換レーザを構成する如くなっている。

【００５１】なお、その他の構成・作用は第１の実施の
形態の場合と同じである（但し、テーパー状光導波路５
５の厚さの変化を分かり易くするため、活性導波路４２
の厚さは図１０の場合より厚く表している。）。

【００５２】本素子４０ａは、テーパー状の光導波路か
らの出力光をレンズ等を用いることなく、平面カットさ
れた光ファイバと高い割合で結合できるという利点を持
っているが、一方で平面カットファイバの端面等の近端
からの反射戻り光の影響も受けやすい可能性がある（例
えば、Y.Tohmori 他 "High temperature operation wit
h low-loss coupling to fibre for narrow-beam 1.3
μm lasers with butt-jointed selective grown spot-
size converter ", Electronics Letters, Vol.31, No.
21, pp.1838-1839, 1995参照）。

【００５３】そこで、図１７の光半導体装置を用いて、
近端からの反射戻り光誘起雑音の抑制効果を確認するた
めの実験を行った。この時の測定系を図１８に示す。こ
こでは半導体光集積素子に反射光を戻すため、無反射
（ＡＲ）コーティングを施していない平面カットファイ
バ（端面の反射率：約３％）６９を半導体光集積素子の
出射端面に約２０μｍの距離まで近づけて相対強度雑音
の測定を行った。なお、６５は６０ｄＢ光アイソレー
タ、６６はフォトダイオード、６７は増幅器、６８はＲ
Ｆスペクトラム・アナライザである。

【００５４】図１９は測定結果を示すもので、図中、７
５は本発明の光半導体装置を用いて、半導体光集積素子
４０ａの活性導波路領域に３０ｍＡの直流電流を注入し
た場合に観測された発振光の強度雑音スペクトル、７６
は光半導体装置から半導体光集積素子を取り出して、そ
の活性導波路領域に従来の高周波重畳法を用いた場合に
観測された発振光の強度雑音スペクトル、７７は本発明
の光半導体装置を用いた場合の発振光の強度雑音スペク
トルであり、７１は比較のために示した素子への反射戻
り光がほとんど無い場合に観測された強度雑音スペクト
ルである。なお、ここでの装置並びに素子の動作条件は
第１の実施の形態の場合と同じにした。

【００５５】本発明の光半導体装置を用いた場合（７
７）には、従来の高周波重畳法を用いた場合（７６）よ
りも、反射戻り光による相対強度雑音の増加をより低い
強度雑音レベルに抑制できることが確認された。

【００５６】

【第３の実施の形態】図２０は本発明の光半導体装置の
第３の実施の形態、ここでは光源である分布帰還型レー
ザ（ＤＦＢレーザ）と、受信器である導波路型フォトダ
イオードと、Ｙ分岐半導体光導波路とを同一のＩｎＰ基
板上にモノリシックに集積した半導体光集積素子を構成
要素とする光半導体装置を示すもので、以下、その構造
について簡単に説明する。

【００５７】半導体光集積素子８０はｎ型ＩｎＰ基板を
用いて作製されたものであり、ｎ型ＩｎＰ基板８１上に
厚さ０．３μｍの第１のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（組
成１．３μｍ波長）８２が成長されており、Ｙ分岐半導
体光導波路部８０ａはその上に幅約１．５μｍ、高さ約
２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層８３をメサ状に形成し
た、いわゆるリッジ構造の光導波路となっている。

【００５８】ＤＦＢレーザ部８０ｂ及びフォトダイオー
ド部８０ｃは、第１のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層８２の
上に、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層（組成
１．５５μｍ波長）８４、厚さ０．１μｍの第２のＩｎ
ＧａＡｓＰ光導波路層（組成１．３μｍ波長）８５、厚
さ約１．８μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層８６が順次成長
されており、これら２種類の素子の活性層は第１の光導
波路層８２とは装荷型と呼ばれる形で接合している。

【００５９】ここで、集積されたＤＦＢレーザ部８０ｂ
の長さは３００μｍ、フォトダイオード部８０ｃの長さ
は１００μｍで、幅はどちらも１．５μｍである。ま
た、ＤＦＢレーザ部８０ｂの第２のＩｎＧａＡｓＰ光導
波路層８５の上には深さ約５０ｎｍの回折格子８７が形
成されており、回折格子８７の周期（ピッチ）はＤＦＢ
レーザ部８０ｂの発振波長が１．５５μｍになるように
決められている。さらに、ＤＦＢレーザ部８０ｂとフォ
トダイオード部８０ｃのｐ型ＩｎＰクラッド層８６の上
には、厚さ約０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コン
タクト層８８が成長されている。

【００６０】また、ＤＦＢレーザ部８０ｂと接合された
光導波路部には長さ２００μｍの電流注入導波路領域８
０ｄが設けられており、導波路上のｐ型ＩｎＰクラッド
層８３に厚さ約０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コ
ンタクト層８８が成長されている。さらに、ＤＦＢレー
ザ部８０ｂと電流注入導波路領域８０ｄとの間には、幅
約２０μｍ、深さ約１μｍの溝８９が形成されている。

【００６１】ＤＦＢレーザ部８０ｂ、フォトダイオード
部８０ｃ及び電流注入導波路領域８０ｄにおけるｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層８８の上部には金を主成
分とする金属膜が蒸着されており、ＤＦＢレーザ部８０
ｂ及び電流注入導波路領域８０ｄの上部に蒸着された金
属膜は溝８９を境に分離され、それぞれ電極９０、９１
及び９２を構成する如くなっている。また、ｎ型ＩｎＰ
基板８１の下部にも前記同様な金属膜による電極９３が
形成されている。なお、９４はＳｉＯ₂絶縁膜である。
この集積素子は、縦２ｍｍ、横２ｍｍの長さにへき開さ
れている。

【００６２】この半導体光集積素子の活性導波路領域で
あるＤＦＢレーザ部８０ｂには、外部からの入力電気信
号に応じて半導体光集積素子を駆動するための信号電流
発生装置２１が接続されており、ＤＦＢレーザ部８０ｂ
に接合された光導波路領域である電流注入導波路領域８
０ｄには変調電流発生装置２２が接続されている。ここ
で用いる信号電流発生装置及び変調電流発生装置は、第
１の実施の形態の場合と同じものである。

【００６３】この半導体光集積素子では、Ｙ分岐部並び
に出射端面からの反射戻り光がＤＦＢレーザ８０ｂの光
出力特性に影響を及ぼす場合がある。それを防止するた
め、通常、出射端面に無反射コーティングを施すが、こ
こでは本発明の効果を調べるためにコーティングを施さ
なかった。

【００６４】図２１は出射端面からの反射戻り光がＤＦ
Ｂレーザの光出力特性に及ぼす影響を確認するための実
験を行った結果を示すものである。図中、１０１は本発
明の光半導体装置から半導体光集積素子を取り出し、Ｄ
ＦＢレーザの電極に電流を注入した時の、注入電流と出
射端面からの光出力との間の関係（注入電流−光出力特
性）を示すもので、反射戻り光の影響による周期的なう
ねりが観測された。また、１０２は半導体光集積素子を
本発明の光半導体装置に戻し、同様の測定を行った際の
注入電流−光出力特性を示すもので、前述したような周
期的なうねりはほとんど見られなくなった。

【００６５】なお、ここで、電流注入導波路領域には振
幅が１０ｍＡ、最小値及び最大値がそれぞれ０ｍＡ及び
１０ｍＡとなるような変調周波数５００ＭＨｚの正弦波
状の電流が注入されるように信号電流発生装置２１の設
定を行い、ＤＦＢレーザ部には信号電流発生装置２１の
直流バイアス電流発生回路を通して直流バイアス電流を
０ｍＡ〜５０ｍＡの間で徐々に増加させて測定を行っ
た。

【００６６】以上、本発明の光半導体装置を、ＩｎＧａ
ＡｓＰ／ＩｎＰを用いた半導体光集積素子を構成要素と
した装置を例にとって説明したが、ＧａＡｓ等の他の材
料系からなる半導体光集積素子を構成要素とした場合で
も有効であり、また、ｎ型及びｐ型の導電型が逆転した
ｐ型基板上に作製された半導体光集積素子を構成要素と
した場合でも有効である。また、本実施の形態では、発
振光の波長が１．５５μｍ帯となる光集積素子を例にと
ったが、発振光の波長が１．３μｍ帯の素子もしくはそ
れ以外の波長で発振する素子を用いる場合でも有効であ
る。

【００６７】また、半導体光集積素子において電流注入
が可能な光導波路領域に、変調された電流を注入する代
わりに変調された電圧をバイアスする場合でも有効であ
る。さらに、電圧をバイアスする場合は、光導波路層の
ｐｎ接合に対して順方向にバイアスする場合でも逆方向
にバイアスする場合でも有効である。さらに、ここでは
活性導波路領域に接続された信号電流発生装置並びに光
導波路領域に接続された変調電流発生装置は、主にＧａ
Ａｓからなる化合物半導体で作製された集積回路（Ｉ
Ｃ）で構成されたものを用いたが、ＳｉやＩｎＰからな
る集積回路を用いても良いし、コンデンサやコイル、抵
抗、トランジスタ等を組み合わせて構成されたものを用
いても良い。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光半導体
装置によれば、その構成要素である半導体光集積素子の
発振光における強度雑音レベルをほとんど増加させるこ
となく、反射戻り光によって誘起される強度雑音の増大
を抑制できる利点がある。また、半導体レーザと光導波
路、変調器やアンプ、フォトダイオード、光スイッチ等
の他の光素子が同一半導体基板上に作製された、いわゆ
るモノリシック半導体光集積素子を構成要素とした場合
でも、素子内部からの反射戻り光によって誘起される強
度雑音の増大を抑制できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光半導体装置の一例を示す構成図

【図２】反射戻り光がある場合の発振光の強度雑音スペ
クトルの一例を示す図

【図３】反射戻り光がある場合に高周波重畳法を行った
時の発振光の強度雑音スペクトルの一例を示す図

【図４】高周波重畳法を説明するための注入電流−光出
力特性図

【図５】高周波重畳法を行った場合の半導体レーザの発
振光のスペクトルの一例を示す図

【図６】長波長帯ファブリ・ペロー・レーザにおける近
端からの反射戻り光による発振光のスペクトルの変化の
一例（不安定な単一モード発振）を示す図

【図７】長波長帯ファブリ・ペロー・レーザにおける近
端からの反射戻り光による発振光のスペクトルの変化の
他の例（モード選択性のある不安定な多モード発振）を
示す図

【図８】本発明の光半導体装置の概要を示す構成図

【図９】光導波路領域を変調したことによる発振光のス
ペクトルにおけるコヒーレンシーの低減のようすを示す
図

【図１０】本発明の光半導体装置の第１の実施の形態を
示す構成図

【図１１】図１０の要部断面図

【図１２】第１の実施の形態における効果を確認するた
めの測定実験系を示す構成図

【図１３】第１の実施の形態における戻り光誘起雑音の
抑制効果の確認結果を示す図

【図１４】ＮＲＺ変調時における反射戻り光により劣化
した光出力の波形図

【図１５】ＮＲＺ変調時における高周波重畳法を用いた
場合の光出力の波形図

【図１６】ＮＲＺ変調時における本発明の光半導体装置
を用いた場合の光出力の波形図

【図１７】本発明の光半導体装置の第２の実施の形態を
示す構成図

【図１８】第２の実施の形態における効果を確認するた
めの測定実験系を示す構成図

【図１９】第２の実施の形態における戻り光誘起雑音の
抑制効果の確認結果を示す図

【図２０】本発明の光半導体装置の第３の実施の形態を
示す構成図

【図２１】第３の実施の形態における戻り光誘起雑音の
抑制効果の確認結果を示す図

【符号の説明】

１０，４０，４０ａ，８０：半導体光集積素子、１１，
５３：活性導波路領域、１２，５４：光導波路領域、１
３：活性導波路、１４：光導波路、１５，１６，１７，
４９，５０，５２，９０，９１，９２，９３：電極、１
８，４８，８９：溝、２１：信号電流発生装置、２２：
変調電流または変調電圧を発生する装置、３１：発振光
のスペクトルにおけるピークモード、３２：光導波路領
域に電流を注入しない場合の発振光のスペクトル、３
３：光導波路領域に変調電流を注入した場合の発振光の
スペクトル、４１，８１：ｎ型ＩｎＰ基板、４２，８
４：ＩｎＧａＡｓＰ活性層、４３：ＩｎＧａＡｓＰ光導
波路層、４４：ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層、４５：ｎ型
ＩｎＰ電流ブロック層、４６，８３，８６：ｐ型ＩｎＰ
クラッド層、４７，８８：ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極コン
タクト層、５１，９４：Ｓｉ０₂絶縁膜、７１：反射戻
り光が無い場合の発振光の強度雑音スペクトル、７２，
７５：反射戻り光により増大した発振光の強度雑音スペ
クトル、７３，７６：高周波重畳法を行った場合の発振
光の強度雑音スペクトル、７４，７７：本発明の装置を
用いた場合の発振光の強度雑音スペクトル、５５：テー
パー状光導波路、５６：テーパー状光導波路領域、８０
ａ：Ｙ分岐半導体光導波路部、８０ｂ：ＤＦＢレーザ
部、８０ｃ：フォトダイオード部、８０ｄ：電流注入導
波路領域、８２：第１のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層、８
５：第２のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層、８７：回折格
子、１０１：出射端面からの反射戻り光がある場合の注
入電流−光出力特性、１０２：本発明の装置を用いた場
合の注入電流−光出力特性。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のバンドギャップ波長を有する活性
導波路領域と、該活性導波路領域よりも短いバンドギャ
ップ波長を有する光導波路領域とが光学的に結合され、
かつ前記活性導波路領域と前記光導波路領域とに各々独
立に電流を注入できる構造を有する半導体光集積素子
と、前記活性導波路領域で信号光を発生させるための信号電
流発生装置と、前記光導波路領域の屈折率を変動させるための変調電流
または変調電圧を発生する装置とを具備し、前記信号電流発生装置を前記半導体光集積素子の活性導
波路領域の電極に接続し、また、前記変調電流または変
調電圧を発生する装置を前記半導体光集積素子の光導波
路領域の電極に接続することを特徴とする光半導体装
置。
【請求項２】活性導波路領域での信号光発生時に光導
波路領域に変調された電流を注入するまたは変調された
電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の光半導
体装置。
【請求項３】光導波路領域における光導波路の厚さを
活性導波路領域との接続部から光の出射端面に向けてテ
ーパー状に薄く形成することを特徴とする請求項１記載
の光半導体装置。
【請求項４】光の入射端面が活性導波路領域及び光導
波路領域における光の出射端面と同一面に形成された受
信器を一体的に有する半導体光集積素子を用いたことを
特徴とする請求項１記載の光半導体装置。