CN111033918B - 半导体光学集成元件 - Google Patents

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Abstract

使单片集成有DFB激光器、EA调制部以及SOA的半导体光学集成元件的输出光强度保持固定。半导体光学集成元件在同一基板上具有：DFB激光器；EA调制器，连接于DFB激光器；SOA，与DFB激光器和EA调制器单片集成于同一基板上，连接于EA调制器的出射端；以及受光器，配置于SOA的出射端侧，具有与SOA相同的组成，对受光器施加正向偏置电压或正向偏置电流，受光器构成为对向DFB激光器和SOA的驱动电流进行反馈控制，监控与向该受光器的输入光强度相应的检测值的变化。

Description

半导体光学集成元件
技术领域
本发明涉及分布反馈型(DFB：Distributed FeedBack)的半导体光学集成元件，特别是涉及监控光强度的半导体光学集成元件。
背景技术
分布反馈型(DFB：Distributed FeedBack)激光器的单一波长性优良，已知有将电场吸收型(EA：Electroabsorption)调制器单片地一体化在单个的基板上而构成的形态。该形态的半导体光学集成元件(EA-DFB激光器)能够作为传输距离40km以上的长距离传输用光发送器使用。EA-DFB激光器的信号光波长主要使用光纤的传播损失小的1.55μm带，或者使用不易受到产生于光纤的波长分散的影响的1.3μm带。
一般来说，理想的是光纤传输用的EA-DFB激光器将光信号的光强度保持固定(恒定)。因此，监控EA-DFB激光器的输出光的光强度，以使被监控的光强度固定的方式对注入DFB激光器的电流进行控制。将其称为APC(自动功率控制)。
以往，公开了一种以具备DFB激光器和EA调制器的多重光发送器模块为前提，作为为了APC而监控DFB激光器的光强度的构成，在与DFB激光器的出射端对置的面具备受光器的元件(例如，参照专利文献1的图6)。
以往，构成为设于与DFB激光器的出射端对置的面的受光器监控光强度。但是，有时，在光发送器中，除了EA-DFB激光器(DFB激光器与EA调制器)以外，还将SOA(Semiconductor Optical Amplifier：半导体光放大器)单片地集成于同一基板，由此实现长距离传输(例如，参照专利文献2)。在这样的构成中，如以下说明的那样，即使在以以往的构成为前提的受光器的位置，即，在与DFB激光器的出射端对置的面监控光强度，也不能进行使光强度保持固定的反馈控制。
以以往的构成为前提的受光器设于与DFB激光器的出射端对置的面，仅监控DFB激光器的光强度。因此，即使由于SOA的劣化使SOA的放大率降低，也不能够检测出光强度的变化。即使SOA的放大率下降也不能检测出，因此没有实施反馈控制，结果是DFB激光器的光强度降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016－180779号公报
专利文献2：日本专利第5823920号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体光学集成元件，其在单片集成有DFB激光器、EA调制器以及SOA的光发送器中，能够进行使DFB激光器的光强度保持固定的反馈控制。
为达成上述的目的，本发明具备：DFB激光器；EA调制器，连接于所述DFB激光器；SOA，与所述DFB激光器和所述EA调制器单片集成于同一基板上，连接于所述EA调制器的出射端；以及受光器，配置于所述SOA的出射端侧，具有与所述SOA相同的组成，向所述受光器施加正向偏置电压或正向偏置电流，所述受光器构成为对向所述DFB激光器和所述SOA的驱动电流进行反馈控制，监控与向该受光器的输入光强度相应的检测值的变化。
在此，也可以是，所述DFB激光器和所述SOA分别连接于同一控制端子，所述同一的控制端子构成为将所述驱动电流分别注入所述DFB激光器和所述SOA。
附图说明
图1是用于说明本发明的实施方式的半导体光学集成元件的控制的概略的图。
图2是用于说明在实施方式的半导体光学集成元件中Iop与IDFB与ISOA的关系的图。
图3是表示实施方式的半导体光学集成元件的构成例的图。
图4A是用于说明电压驱动的受光器的监控方法的图。
图4B是用于说明电流驱动的受光器的监控方法的图。
具体实施方式
以下，对作为本发明的实施方式的半导体光学集成元件(以下仅称为“光学集成元件”。)加以说明。本实施方式的光学集成元件集成有EA-DFB激光器和SOA。
[光学集成元件100的控制的概略]
图1是用于说明本实施方式的光学集成元件100的控制的概略的图。光学集成元件100相对于光波导方向依次具备：DFB激光器11、EA调制器12以及SOA13。这些构成要素11～13一体化地单片(monolithic)层叠于单个的半导体基板上。光学集成元件100还包括配置于SOA13的出射端侧的监控用受光器14。
在图1中，DFB激光器11和SOA13通过从同一控制端子15注入的电流值Iop控制。这时，如果将向DFB激光器11的注入电流设为IDFB，将向SOA13的注入电流设为ISOA，则电流值Iop以Iop＝IDFB+ISOA施加。一般而言，在搭载有EA－DFB激光器的光发送模块中容许的Iop的值是60～80mA。从该观点来看，在本实施方式的光学集成元件100中，也优选Iop的上限值设定为例如80mA。
参照图2说明上述Iop与IDFB与ISOA的关系。横轴是Iop，纵轴是IDFB与ISOA的电流值。在图2中，使用光波导方向的长度为450μm的DFB激光器11。如图2所示，例如，在SOA13的长度为50μm的情况下，SOA长度相对于DFB激光器11的长度(450μm)为1/9，因此电流值Iop的大部分被注入DFB激光器11。另一方面，在SOA长为150μm的情况下，SOA长度相对于DFB激光器的长度为1/3，因此当Iop＝80mA时，60mA左右的IDFB被注入DFB激光器，20mA左右的ISOA被注入SOA。
像这样，通过调整DFB激光器11和SOA13各自的长度，能够调整注入它们的电流IDFB、ISOA。例如，在DFB激光器11的长度为450μm的情况下，用于在DFB激光器11的驱动中得到阈值电流和SMSR(Sub-Mode Suppression Ratio：子模抑制比)的Iop最低也需要60mA。因此，优选光波导方向的SOA长度为150μm以下。此外，在将DBR激光器11的长度设定为300μm的情况下，能使用于得到所需的SMSR的Iop小到40mA左右。因此，能延长SOA13，来增加向SOA13的电流ISOA。根据DFB激光器11与SOA13的长度的平衡(比率)，以能够向规定的长度的DFB激光器11投入所需最低限度的电流的方式变更SOA13的长度，由此能够同时实现稳定的单模工作和光输出的放大。
[光学集成元件100的构成]
接着，参照图3对上述的光学集成元件100的构成加以说明。需要说明的是，与该光学集成元件100的构成的说明关联地例示的材料是一例，能够自由地变更。
图3是表示光学集成元件100的构成例的图。光学集成元件100具备n型InP基板102，在该基板102上，相对于光波导方向依次形成有：DFB激光器11、EA调制器12、SOA13以及受光器14。此外，在基板102的背面具备n型电极101。例如，在受光器14的输入侧形成有与SOA13连接的波导15，在输出侧形成有波导16。需要说明的是，也可以与图3所示的结构不同，SOA13与受光器14之间不形成波导15，而是对未图示的接触层进行蚀刻等来进行电分离。此外，也能够不在受光器14的输出侧形成波导16。
DFB激光器11具有层叠于n-InP包层103上的活性层104和引导层105。引导层105包含λ/4相移105A和衍射光栅105B。活性层104由InGaAlAs类或InGaAsP类的材料形成。在引导层105上形成有p-InP包层106，在该包层106上设有p型电极107。对该电极107注入图1所示的电流IDFB。
EA调制器12具有层叠于包层103上的吸收层108、包层106以及p型电极109。经由偏置器(bais)T200对电极109施加用于驱动EA调制器12的偏置电压Vbi和高频电压RF。由此，在EA调制器12中，能对来自DFB激光器11的光进行调制。吸收层108由InGaAlAs类或InGaAsP类的材料形成，具有量子阱结构。
SOA13具有：层叠于前述的包层103上的活性层131、引导层132、包层106以及p型电极133。活性层131具有与DFB激光器11的活性层104相同的组成，引导层132具有与DFB激光器11的引导层105相同的组成。在该实施方式中，对SOA13的电极133注入图1所示的电流ISOA。在该实施方式中，例如，25℃时的DFB激光器11和SOA13的发光波长为约1.55μm。
受光器14具有层叠于前述的包层103上的受光层113、引导层114、上部包层115以及p型电极116。对电极116施加后述的内建电压Vb以上的电压，或SOA13的透明电流Itp以上的电流。该实施方式的受光器14具有与SOA13相同组成的波导。即，受光器14的受光层113具有与SOA13的活性层131相同的组成，引导层114具有与SOA13的引导层132相同的组成。此外，受光器14的上部包层115具有与SOA13的包层106相同的组成。并且，SOA13和受光器14一同具有包覆103。
各波导15和16具有芯层110和非掺杂InP层111。各波导15、16的芯层110具有与受光器14的受光层113相同的组成。
[受光器14的监控方法]
以下，对上述的光学集成元件100的受光器14的监控方法加以说明。对受光器14施加正方向的偏置电压或偏置电流，监控与向受光器14的输入光强度相应的电压值或电流值。在本实施方式的光学集成元件100中，根据该监控的结果、电压值(电流值)的变化，而反馈至电流值Iop并将其调整为受光器14的输出光(光学集成元件100的输出光)的强度成为固定。
已知SOA一般会因经时变化引起劣化，而放大率降低。在本实施方式的光学集成元件100中，SOA13会因经时变化引起劣化，而放大率降低，但受光器14由与SOA13相同的组成形成。这是为了在受光器14中监控因与SOA13同样的经时变化引起劣化而所降低的放大率的变化。换言之，除了DFB激光器11的输出光之外，也会监控SOA13的经时变化。
在对受光器14施加正向偏置来驱动的情况下，需要考虑受光器14自身的经时变化。为了维持受光器14监控DFB激光器11和SOA13的光强度的功能，需要与DFB激光器11和SOA13相比劣化速度慢、经时变化小的工作条件。一般而言，在施加正向偏置来驱动的光元件中，会由于工作时的载流子密度而加速劣化。因此，理想的是，受光器14的载流子密度比SOA13和DFB激光器11小。不过，DFB激光器的载流子密度被阈值载流子密度钳制(clamp)，是与驱动电流无关而大致固定的值。与此相对，在SOA中载流子密度根据驱动电流上升，因此一般而言，SOA的载流子密度比DFB激光器的载流子密度高。因此，在此可以仅考虑SOA13的载流子密度来决定受光器14的工作条件。
从该观点来看，在进行使施加电压固定而监控电流变化的电压驱动的情况下，对受光器14施加作为正向偏置电压的比内建电压Vb大的电压。这不同于对在与DFB激光器的出射端对置的面所具备的一般的监控用受光器施加的负向偏置电压(－3V)。这是由于为了检测受光器14即SOA13的经时变化导致的劣化，而需要是带来透明载流子密度电流的电压。此外，在受光器14为电压驱动的情况下，需要将施加于受光器14的正向偏置电压Vmonitor相对于SOA13的驱动电压VSOA设为Vmonitor＜VSOA。
在进行使施加电流固定而监控电压变化的电流驱动的情况下，也可以对受光器14注入正向偏置电流。在该情况下，为了检测受光器14即SOA13的经时变化导致的劣化，对受光器14施加SOA13的透明电流Itp以上的电流。此外，在受光器14为电流驱动的情况，且SOA13和受光器14为相同的波导宽度W的情况下，各自的载流子密度与SOA13的光轴方向的长度LSOA和受光器14的光轴方向的长度Lmonitor成比例。因此，需要将施加于受光器14的正向偏置电流Imonitor相对于SOA13的驱动电流ISOA设为Imonitor/Lmonitor＜ISOA/LSOA。
图4A是用于说明电压驱动的受光器的监控方法的图。叙述向受光器14入射的光强度发生了变化的情况下的控制方法。在光向受光器14入射的情况下，由光吸收而产生正方向的光电动势。另一方面，在由SOA13等的劣化导致入射的光强度降低的情况下，光电动势也变小。这时，在对受光器14进行电压驱动的情况下，即当Vmonitor固定时，为了维持受光器14的驱动电压Vmonitor，受光器14的施加电流增加(图4A的ΔI)。因此，根据该电流增加而对电流值Iop进行反馈控制，将光学集成元件100的光输出强度调整为固定。
图4B是用于说明电流驱动的受光器的监控方法的图。在对受光器14进行电流驱动的情况，即当Imonitor固定时，由于SOA13的经时变化导致光强度降低的情况下，为了维持受光器14的驱动电流Imonitor，受光器14的施加电压降低(图4B的ΔV)。因此，根据该电压降低而对电流值Iop进行反馈控制，将光学集成元件100的光输出强度调整为固定。
像这样，在受光器14中施加正向偏置电压或正向偏置电流，监控与向受光器14的光强度相应的电流值或电压值。由此，根据该监控的结果，对电流值Iop进行反馈来将光学集成元件100的输出光强度调整为固定。
如以上说明，在本实施方式的光学集成元件100中，DFB激光器11、EA调制器12以及SOA13单片集成于同一基板上，在SOA13的出射端侧配置有具有与SOA13相同组成的受光器14。在此，构成为对受光器14施加正向偏置(内建电压Vb以上的电压，或透明电流Itp以上的电流)，监控与输入光强度相应的检测值(电压值或电流值)的变化。
由此，即使假设SOA13的放大率下降，在受光器14监控的检测值变化，也可以根据该变化进行从同一端子15供给的电流值Iop的反馈控制。由此，能调整IDFB和ISOA的值，使光学集成元件100的输出光强度保持固定。
[变更例1]
接着，对本实施方式的光学集成元件100的变更例加以说明。在上述实施方式中，没有提到将光学集成元件100搭载于光发送模块的方案，但也可以构成这样的光发送模块。
[变更例2]
在上述实施方式中，参照图1，对从同一控制端子15向DFB激光器11和SOA13分别注入电流的情况进行了说明，但也可以从不同的控制端子向DFB激光器11和SOA13分别注入电流。在该情况下，从各个控制端子对DFB激光器以及SOA的各p型电极107、133注入电流IDFB、ISOA。
[变更例3]
在上述实施方式中，对以1.55μm波长震荡的情况进行了说明，但也能应用该波长以外的波长来得到与上述实施方式同等的效果。例如在以1.3μm带震荡的情况下，也能够变更光通信用的光学集成元件100的各构成要素11、12、13的结晶组成来进行应用。

Claims (3)

1.一种半导体光学集成元件，其特征在于，具备：
DFB激光器；
EA调制器，连接于所述DFB激光器；
SOA，与所述DFB激光器和所述EA调制器单片集成于同一基板上，连接于所述EA调制器的出射端；以及
受光器，配置于所述SOA的出射端侧，具有与所述SOA相同的组成，
向所述受光器施加固定的正向偏置电压Vmonitor，该正向偏置电压Vmonitor是当将所述受光器的内建电压设为Vb，将所述SOA的驱动电压设为VSOA时，满足Vb＜Vmonitor＜VSOA的正向偏置电压，所述受光器构成为在所述受光器的施加电流增加的情况下，根据电流增加进行向所述DFB激光器和所述SOA的驱动电流的反馈控制，监控与输入光强度相应的检测值的变化。
2.一种半导体光学集成元件，其特征在于，具备：
DFB激光器；
EA调制器，连接于所述DFB激光器；
SOA，与所述DFB激光器和所述EA调制器单片集成于同一基板上，连接于所述EA调制器的出射端；以及
受光器，配置于所述SOA的出射端侧，具有与所述SOA相同的组成，
向所述受光器施加固定的正向偏置电流Imonitor，该正向偏置电流Imonitor是所述SOA的透明电流值以上的电流，是当将所述SOA的驱动电流设为ISOA，将所述受光器的光轴方向的长度设为Lmonitor，将所述SOA的光轴方向的长度设为LSOA时，满足Imonitor/Lmonitor＜ISOA/LSOA的正向偏置电流，所述受光器构成为在所述受光器的施加电压降低的情况下，根据电压降低进行向所述DFB激光器和所述SOA的驱动电流的反馈控制，监控与输入光强度相应的检测值的变化。
3.根据权利要求1或2所述的半导体光学集成元件，其特征在于，
所述DFB激光器和所述SOA分别连接于同一控制端子，所述同一控制端子构成为将所述驱动电流分别注入所述DFB激光器和所述SOA。
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