JP2006287144A - 光集積デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電力の小さい光集積デバイスを実現する。
【解決手段】 光変調器１０とＤＦＢレーザ２０とが光結合する構造となっており、ＤＦＢレーザ２０から出射された光が光変調器１０への入射光Ｐｉｎとなり、光変調器１０からは光変調された出射光Ｐｏｕｔが出力される。ＤＦＢレーザ２０には変調電気信号Ｑが入力され、光変調器１０には反転変調電気信号Ｑ′が入力される。このため、ＤＦＢレーザ２０から出力され光変調器１０に入力される入射光Ｐｉｎはある程度変調がされており、光変調器１０では反転変調電気信号Ｑ′により不足分の変調を行うだけで済む。このため、光変調器１０での変調負担が減り、全体として消費電力が低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信分野の光変調機能付き光源として最適な光集積デバイスに関するものである。

従来の光通信用光源は、直流駆動の半導体レーザ素子から出射されたＤＣ（直流）光を光変調器に通し、光変調器への変調電気信号の印加により、光変調器から出射される出射光が光変調される形態である（非特許文献１参照）。

このときの駆動形態の従来の回路図を図６に示す。光変調器１への光変調器部電気信号Ｖｅａ（この光変調器部電気信号Ｖｅａは、変調電気信号Ｖｄと直流バイアス電圧Ｖｅａ＿ｂｉａｓを重畳した電気信号である）は、通常特性インピーダンス５０オームの線路を介して印加されるため、光変調器端での光変調器部電気信号Ｖｅａの電気反射を抑えるために、５０オーム終端されている。
また、光変調器１とＤＦＢレーザ２とが光結合される状態で配置される構造体となっている。即ち、ＤＦＢレーザ２から出射された出射光が、光変調器１への入射光Ｐｉｎとなり、この入射光Ｐｉｎが光変調器１にて光変調され、光変調器１から光変調された出射光Ｐｏｕｔが出力されるようになっている。

次に、光変調の様子を図７に模式的に示す。今、簡単のために、１００％のデータ変調を考え、データ信号のマーク率を１／２とする。光出力（出射光Ｐｏｕｔ）がＯＦＦ状態では、入射光Ｐｉｎはすべて光変調器１内で吸収されており、このときの吸収により発生する吸収電流の大きさをＩｐｈ、光変調器部電気信号Ｖｅａの駆動電圧振幅値をＶｐｐとすると、光変調器１におけるＲＦ成分の平均ジュール熱は、Ｖｐｐ×Ｉｐｈ／２となる。また、半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザ２）は直流駆動のため、電圧及び電流をそれぞれＶｌｄ、Ｉｌｄとすると、Ｖｌｄ×Ｉｌｄの電力消費がある。

「低チャープ 10 Gbit/s用電界吸収型変調器集積化ＤＦＢレーザ」，NTT Ｒ＆Ｄ Vol.49, No.8, pp.450-457, 2000.

このように、従来の光変調デバイスは、光変調器が１００％その機能（光変調の機能）を担っているため、光を十分に消光させるために大きな駆動電圧振幅（Ｖｐｐ）が必要であり、消光に伴って発生する吸収電流によるジュール熱により素子温度が上がる。この温度上昇を防ぐために大容量のペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う大きな電力消費があり、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、光変調器の駆動電圧、および、光変調器での吸収電流が小さく、光変調器および半導体レーザでの消費電力が小さい光集積デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明は、
電気信号が入力されるとこの電気信号の波形に応じた光波形となっている光を出射する半導体レーザ素子と、光が入射されると共に電気信号が入力されると電気信号の波形に応じて光を変調し変調した光を出射する光変調素子とを有し、
前記半導体レーザ素子から出射された光が前記光変調素子に入射されるように、前記半導体レーザ素子と前記光変調素子とが光結合された構造体になっており、
前記半導体レーザ素子にはデータ信号である変調電気信号が入力され、前記光変調素子には前記変調電気信号の信号波形を反転した信号波形となっている反転変調電気信号が入力される構成になっていることを特徴とする。

また、第２の発明は、前記第１の発明の光集積デバイスの前記半導体レーザ素子と前記光変調素子が、同一半導体基板上にモノリシック集積されて構成されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、前記第２の発明の光集積デバイスにおいて、光変調素子及び半導体レーザの表面側導電性がそれぞれ異なることを特徴とする。

本発明によれば、光変調素子と半導体レーザ素子が光結合された構造において、光変調素子と半導体レーザ素子がそれぞれ、高速データ信号である変調電気信号Ｑと、この変調電気信号Ｑの信号波形を反転させた信号波形となっている反転変調電気信号Ｑ′により駆動されることにより、半導体レーザ素子自体からの出射光が一部で変調されており、半導体レーザ素子からの出射光を光変調素子により必要とされる消光比まで、追加の形で変調することになっている。

このため、光変調素子での吸収が必要な光信号部分は、半導体レーザ素子自体からの出射の時点で小さくなっているため、光変調素子にて追加の形で光変調すればよく、変調に必要な駆動電圧が小さくなると共に、光吸収電流も小さくなるため、光変調器における発生ジュール熱も小さくなる。
これらにより、光変調素子及び半導体レーザ素子の温度上昇を防ぐためのペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う電力消費が小さくて済み、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力を大幅に低減できる。

本発明を実施するための最良の形態を図１に、このときの光変調の様子を示す信号パタンを図２に模式的に示す。

一般的に電気信号の高速化のための多重化回路からは、高速データ信号である変調電気信号Ｑと、変調電気信号Ｑの信号波形を反転した信号波形となっている反転変調電気信号Ｑ′が出力される。

上述のように、本実施の形態では、光変調素子（光変調器）と半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザ）が光結合された構造体において、光変調素子と半導体レーザ素子がそれぞれ、変調電気信号Ｑと反転変調電気信号Ｑ′により駆動されることにより、半導体レーザ素子自体からの出射光が一部で変調されており、その光（一部が変調された光）を光変調素子により必要とされる消光比まで、追加の形で変調することになっている。

吸収が必要な光信号部分は、半導体レーザ素子自体からの出射の時点で、小さくなっているため、光変調素子にて追加の形で光変調すればよく、変調に必要な駆動電圧が小さくなる（Ｖｐｐ′＜Ｖｐｐ）と共に、光吸収電流も小さくなる（Ｉｐｈ′＜Ｉｐｈ）。

このため、光変調器における発生ジュール熱も小さくなる。また、半導体レーザ自体の消費電力もＤＣ光状態に比べ、変調された状態の方が不要な発光を削減した分だけ小さくて済む。

これらにより、光変調器および半導体レーザの温度上昇を防ぐためのペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う電力消費が小さくて済み、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力を大幅に低減できる。

次に、本発明の実施例１を、図１を参照して詳細に説明する。

実施例１に係る光集積デバイスでは、光変調素子である電界吸収型の光変調器１０と、半導体レーザ素子であるＤＦＢレーザ２０が図１のように電気接続され、光結合されている。

一般的に電気信号の高速化のための多重化回路からは、高速データ信号である変調電気信号Ｑとその反転変調電気信号Ｑ′が出力される。そこで、半導体レーザ素子であるＤＦＢレーザ２０には、高速データ信号である変調電気信号Ｑを入力する。そうすると、ＤＦＢレーザ２０は、この変調電気信号Ｑの波形に応じた光波形となっている光（光変調器１０への入射光Ｐｉｎ）を出射する。
また光変調素子である光変調器１０には、入射光Ｐｉｎを入射させると共に、変調電気信号Ｑの信号波形を反転した信号波形となっている反転変調電気信号Ｑ′を入力する。そうすると、光変調器１０は、反転変調電気信号Ｑ′の波形に応じて、入射光Ｐｉｎ変調し、変調した出射光Ｐｏｕｔを出射する。

本実施例１の光集積デバイスでは、光変調器１０とＤＦＢレーザ２０が光結合される状態で配置される構造体となっている。即ち、ＤＦＢレーザ２０から出射された出射光が、光変調器１０への入射光Ｐｉｎとなり、この入射光Ｐｉｎが光変調器１０にて光変調され、光変調器１０から光変調された出射光Ｐｏｕｔが出力されるようになっている。

ＤＦＢレーザ２０の直流動作状態における抵抗値は、発振しきい値以上では、ほぼ一定の値にクランプされる。本実施例の場合、ＤＦＢレーザ２０の直流動作状態における抵抗値は約５Ωであったので、このＤＦＢレーザ２０に直列に４５Ωの抵抗Ｒｏを接続し、その総和が、駆動系の特性インピーダンス５０Ωに等しくなるようにして、ＤＦＢレーザ２０側の直流動作状態における抵抗値を調整している。これによりインピーダンス整合が図られ、変調電気信号Ｑは、素子側での反射を低く抑えられている。

１０Ｇｂ／ｓの光変調器部電気信号Ｖｅａ′の振幅Ｖｐｐ′が１Ｖで駆動したとき、一部変調されたＤＦＢレーザ２０からの出射光は、光結合され、電界吸収型の光変調器１０に入射光Ｐｉｎとして入射されている。このＤＦＢレーザ２０からの出射光で光変調器１０への入射光Ｐｉｎは、図２に模式的に示したように、オンオフ比が約５ｄＢの光信号となっている。なお、当然ながら、ここで用いられているＤＦＢレーザ２０は、１０Ｇｂ／ｓの直接変調が可能な素子を用いている。

１０Ｇｂ／ｓの反転変調電気信号Ｑ′は同時に電界吸収型の光変調器１０に印加されているので、入射光Ｐｉｎは、光変調器１０にて光変調を受ける。このとき、ＤＦＢレーザ２０自体からの出射光（入射光Ｐｉｎ）はすでに５ｄＢの光変調をされている。このため光変調器１０では、その光（入射光Ｐｉｎ）を一般的に要求される消光比１０ｄＢまで、追加の形で変調すればよく、残りの５ｄＢを光変調器１０で消光させればよい。

光変調器１０の消光特性は図３のようになっており、０から−１Ｖまでの１Ｖ変化幅で５ｄＢ以上の消光比がとれる。本実施例１の場合、変調信号振幅（Ｖｐｐ）が１Ｖで、出力光の消光比Ｐｏｕｔは、１０ｄＢ以上取れている。

なお、光の速度は、変調電気信号Ｑ，Ｑ′の速度より圧倒的に早いため、ＤＦＢレーザ２０と光変調器１０に同時に変調電気信号Ｑ，Ｑ′が印加されてもその時間差はほとんど問題にならないように構成できる。
無論、より高速な動作においては、厳密を期すために、光変調器１０への反転変調電気信号Ｑ′の印加タイミングとしては、ＤＦＢレーザ２０の発光遅れ時間や光変調器１０までの光の到達時間分の遅延を考慮に入れた構造にした方がよい。

従来方法では、ＤＦＢレーザからはＤＣ光を出力し、光変調器のみで１０ｄＢの変調を行うため、図３よりわかるように、変調信号振幅（Ｖｐｐ）が２Ｖ以上必要である。一般的に、多重化回路からの高速データ信号（変調電気信号）Ｑとその反転データ信号（反転変調電気信号）Ｑ′は、電圧振幅が１Ｖ程度以下であるため、２Ｖ以上の振幅を得るために別途増幅器を挿入する必要があり、これによるさらなる消費電力増大が起きてしまう。

また、本実施例の場合、光変調器１０での吸収が必要な光信号部分は、ＤＦＢレーザ２０自体からの出射の時点で、小さくなっているため、追加の形で変調に必要な駆動電圧が上述のように小さくなると共に、光吸収電流も小さくなるため、光変調器１０における発生ジュール熱も小さくなる。また、ＤＦＢレーザ２０自体の消費電力もＤＣ光状態に比べ、変調された状態の方が不要な発光を削減した分だけ小さくて済む。

これらにより、光変調器１０およびＤＦＢレーザ２０の温度上昇を防ぐためのペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う電力消費が小さくて済み、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力を大幅に低減できた。

次に、本発明の実施例２に係る光集積デバイスについて、光導波路構造のリッジストライプに沿っての断面構造模式図である図４を参照して詳細に説明する。

図４に示すように、ＤＦＢレーザ２０は、ｐ−ＩｎＰ基板５１のＤＦＢレーザ領域５１ａ上に、ｐ−ＩｎＰ下部クラッド層５２、両側がＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層で挟まれたＭＱＷ活性層構造５３、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子５４、回折格子５４上のｎ−ＩｎＰ上部クラッド層５５、及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５６の積層構造よりなる。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５６上にはｎ電極５７が、ｐ−ＩｎＰ基板５１の裏面には共通のｐ電極５８が形成されている。

ＥＡ変調器（光変調器）１０は、ｐ−ＩｎＰ基板５１のＥＡ変調器領域５１ｂ上に、ＤＦＢレーザ２０とは反対の導電性のｎ−ＩｎＰ下部クラッド層５９、光変調層を構成する両側をＳＣＨ層で挟まれたＭＱＷ活性層構造５１０、光変調層（ＭＱＷ活性層構造）５１０上の、ＤＦＢレーザ２０とは反対の導電性のｐ−ＩｎＰ上部クラッド層５１１、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５１２の積層構造よりなる。ＭＱＷ活性層構造５１０は、バンドギャップ波長１．４９μｍの活性層を有する。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５１２上にはｐ電極５１３が形成されている。ｎ電極は、光導波路構造のストライプの脇部分において、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層５９上に設けている。

ＤＦＢレーザ２０のＭＱＷ活性層構造５３と、ＥＡ変調器１０のＭＱＷ活性層構造５１０、および光導波路層５１４は、突き合わせ接合方式により結合されている。ＥＡ変調器とＤＦＢレーザとの間には、分離溝５１６が設けてあり，ＥＡ変調器とＤＦＢレーザの上部クラッド層の間は、アンドープのＩｎＰクラッド層５１５により電気的に分離している。

なお、ＤＦＢレーザ２０及びＥＡ変調器１０は、リッジストライプ（図示せず）に成形され、導波路を形成している。リッジストライプの両脇は、ポリイミドからなる高抵抗層（図示せず）で埋め込まれている。

光変調器１０とＤＦＢレーザ２０は、図１のように電気接続され、光結合されている。一般的に電気信号の高速化のための多重化回路からは、高速データ信号Ｑとその反転信号Ｑ′が出力される。ＤＦＢレーザ２０の直流動作状態における抵抗値は、発振しきい値以上では、ほぼ一定の値にクランプされる。本実施例２の場合、ＤＦＢレーザ２０の直流動作状態における抵抗値が約１０Ωであったので、このＤＦＢレーザ２０に直列に４０Ωの抵抗を接続し、その総和が、駆動系の特性インピーダンス５０Ωに等しくなるように調整している。これによりインピーダンス整合が図られ、駆動変調信号Ｑは、素子側での反射を低く抑えられている。

１０Ｇｂ／ｓの変調信号振幅（Ｖｐｐ）が１Ｖで駆動したとき、ＤＦＢレーザ１０からの出射光は、オンオフ比が約５ｄＢの光信号となっている。なお、当然ながら、ここで用いているＤＦＢレーザ２０は、１０Ｇｂ／ｓの直接変調が可能な帯域を有している。

この一部変調されたＤＦＢレーザ２０からの出射光（光変調器１０への入射光Ｐｉｎ）が、光導波路５１４により光結合され、電界吸収型の光変調器１０に入射されている（図４参照）。変調電気信号Ｑの反転信号である１０Ｇｂ／ｓの反転変調電気信号Ｑ′は同時に電界吸収型の光変調器１０に印加されているので、入射光Ｐｉｎは、光変調を受けるが、ＤＦＢレーザ２０自体からの出射光Ｐｉｎがすでに５ｄＢの光変調をされているため、その光を一般的に要求される消光比１０ｄＢまで、追加の形で変調すればよく、残りの５ｄＢを光変調器１０で消光させればよい。

実施例２における光変調器１０の消光特性は図５のようになっており、０から−１Ｖまでの１Ｖ変化幅で５ｄＢ以上の消光比がとれる。本実施例２の場合、変調信号振幅（Ｖｐｐ）が１Ｖで、出力光の消光比は、１０ｄＢ以上取れている。

なお、光の速度は、変調信号の速度より圧倒的に早いため、ＤＦＢレーザ２０と光変調器１０に同時に変調信号が印加されてもその時間差はほとんど問題にならないように構成できる。
無論、より高速な動作においては、厳密を期すために、光変調器１０への変調信号の印加タイミングとしては、ＤＦＢレーザ２０の発光遅れ時間や光変調器１０までの光の到達時間分の遅延を考慮に入れた構造にした方がよい。

従来方式のように、ＤＦＢレーザからＤＣ光を出力し、光変調器のみで１０ｄＢの変調を行うには、図５よりわかるように、変調信号振幅（Ｖｐｐ）が２Ｖ以上必要である。
一般的に、多重化回路からの高速データ信号Ｑとその反転信号Ｑ′は、電圧振幅が１Ｖ程度以下であるため、２Ｖ以上の振幅を得るために別途増幅器を挿入する必要があり、これによるさらなる消費電力増大が起きてしまう。

一方、本実施例２の場合、光変調器１０での吸収が必要な光信号部分は、ＤＦＢレーザ２０自体からの出射の時点で、小さくなっているため、追加の形で変調に必要な駆動電圧が上述のように小さくなると共に光吸収電流も小さくなるため、光変調器１０における発生ジュール熱も小さくなる。また、ＤＦＢレーザ２０自体の消費電力もＤＣ光状態に比べ、変調された状態の方が不要な発光を削減した分だけ小さくて済む。

これらにより、光変調器１０および半導体レーザ２０の温度上昇を防ぐためのペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う電力消費が小さくて済み、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力を大幅に低減できた。

この実施例２では、基板としてｐ−ＩｎＰを用いているが、半絶縁性ＩｎＰ基板を用い、その上のｐ−ＩｎＰ５２およびｎ−ＩｎＰ５９のそれぞれにｐ及びｎ電極を設けるような形態であっても、同様な特性が得られることは言うまでもない。

またこの実施例２では、基板としてｐ−ＩｎＰを用いているが、ｎ−ＩｎＰを用い、上述の実施例におけるｐとｎを交換する構成にしてもよい。
さらに、半絶縁性ＩｎＰ基板を用い、上述の半絶縁性ＩｎＰ基板の場合と同様に、その上にｐ−ＩｎＰおよびｎ−ＩｎＰ層にそれぞれｐ及びｎ電極を設けるような形態であっても、同様な特性が得られることは言うまでもない。

また、本実施例は、ＩｎＧａＡｓＰ材料系を用いた例であるが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮＡｓ系やＩｎＧａＡｓＳｂ系など、他の材料系でも同様に適用可能である。

本発明の実施例１に係わる光集積デバイスを示す概略構造図である。 本発明の光集積デバイスにおける光変調信号を示すパタン図である。 本発明の実施例１に係わる光変調素子の消光特性を示す特性図である。 本発明の実施例２に係わるモノリシック光集積デバイスを示す概略構造図である。 本発明の実施例２に係わる光変調素子の消光特性を示す特性図である。 従来の光集積デバイスの概略構造図である。 従来の光集積デバイスにおける光変調信号を示すパタン図である。

符号の説明

１，１０ 光変調器
２，２０ ＤＦＢレーザ
５１ ｐ−ＩｎＰ基板
５２ ｐ−ＩｎＰ下部クラッド層
５３ ＭＱＷ活性層構造
５４ 回折格子
５５ ｎ−ＩｎＰ上部クラッド層
５６ コンタクト層
５７ ｎ電極
５８ ｐ電極
５９ ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
５１０ 光変調層を構成する両側をＳＣＨ層で挟まれたＭＱＷ活性層構造
５１１ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
５１２ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
５１３ ｐ電極
５１４ 光導波路層
５１５ アンドープのＩｎＰクラッド層
５１６ 分離溝

Claims (3)

1. 電気信号が入力されるとこの電気信号の波形に応じた光波形となっている光を出射する半導体レーザ素子と、光が入射されると共に電気信号が入力されると電気信号の波形に応じて光を変調し変調した光を出射する光変調素子とを有し、
   前記半導体レーザ素子から出射された光が前記光変調素子に入射されるように、前記半導体レーザ素子と前記光変調素子とが光結合された構造体になっており、
   前記半導体レーザ素子にはデータ信号である変調電気信号が入力され、前記光変調素子には前記変調電気信号の信号波形を反転した信号波形となっている反転変調電気信号が入力される構成になっていることを特徴とする光集積デバイス。
2. 請求項１に記載の光集積デバイスにおいて、
   前記半導体レーザ素子と前記光変調素子が、同一半導体基板上にモノリシック集積されて構成されていることを特徴とする光集積デバイス。
3. 請求項２に記載の光集積デバイスにおいて、前記光変調素子及び前記半導体レーザ素子の表面側導電性がそれぞれ異なることを特徴とする光集積デバイス。

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