JP2010182999A - 半導体レーザ、光送信デバイス、光送受信装置、光送信デバイスの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路基板と直接接合可能で効率的に熱チャープを補正可能な半導体レーザ、及びこれを用いた光送信デバイス、光送受信装置光送信デバイスの駆動方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザ２は、発振用の駆動電流を流す半導体レーザｐ側電極８とは絶縁された薄膜ヒータ１１が、光閉じ込め領域２１を挟んで対称に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱チャープの影響を抑制した半導体レーザ、光送信デバイス、光送受信装置、光送信デバイスの駆動方法に関する。

近年の光送信技術の進展に伴い、低消費電力化や長距離伝送特性に有利なＦＭＡＭ（Frequency Modulation−Amplitude Modulation）変換型の光送信デバイスが開発されている。ＦＭＡＭ変換型の光送信デバイスは、周波数変調成分を光フィルタの波長依存スロープによって強度変調に変換する機能を有する。

しかしながら、これまでのＦＭＡＭ変換型の光送信デバイスでは、半導体レーザ変調時に発生する熱チャープの影響で通常の強度変調型の光送信デバイスと比較して強度ノイズが大きくなるという課題があった。

半導体レーザの直接変調による周波数変調を光フィルタの波長依存スロープによって強度変調する光送信デバイスにおいては、半導体レーザのキャリアプラズマ効果による周波数変調効果、いわゆる「アディアバティックチャープ」を活用している。しかし、これを活用する場合には、アディアバティックチャープよりも３桁程度時定数の長い熱チャープが、アディアバティックチャープを打ち消す方向に存在し、低周波数領域において意図しない強度変調に変換されることで、強度ノイズが生じてしまうという問題がある。

半導体レーザにおいて意図しない熱チャープが問題となる例としては、特許文献１に開示される発明のように、波長可変レーザの波長切り替え速度が制限されるという事例があり、波長可変用の電流注入領域（ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）領域）の近傍に熱保証用の電流注入領域を設けて、トータルの注入電流が一定となるように制御することで熱チャープを補償している。

特開２００８−２１８９４７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるような構造では、それぞれの電極が数十マイクロメートル程度に近接しており、この電極側を光導波路基板にフリップチップ実装する必要がある構造では、二つの電極間のショートを安定的に回避することは困難になる。

また、ショートを回避するために、電極間隔を拡大すると、半導体レーザ構造で最も大きい電流注入部分の放熱が悪化し、光信号特性や消費電力特性が劣化するという問題が生じる。

熱補償用の電極だけを遠ざける場合は、左右非対称の構造になり、フリップチップ実装時に半導体レーザへ応力が偏ってかかる懸念がある。

このように、光導波路基板と半導体レーザとが直接結合する形で集積した構造の光送信デバイスにおいて、効果的に熱チャープを補正することはできなかった。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、光導波路基板と直接接合可能で効率的に熱チャープを補正可能な半導体レーザ、及びこれを用いた光送信デバイス、光送受信装置、光送信デバイスの駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、発振用の駆動電流を流す駆動電極とは絶縁された薄膜ヒータが、光閉じ込め領域を挟んで対称に配置された半導体レーザを提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、上記本発明の第１の態様に係る半導体レーザを用いた光送信デバイスであって、半導体レーザは、周波数変調光を強度変調光に変換する光フィルタが形成された光導波路基板にフリップチップ実装され、薄膜ヒータには、半導体レーザの駆動電流とは反転した符号の電流が供給されることを特徴とする光送信デバイスを提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、上記本発明の第２の態様に係る光送信デバイスと、光受信デバイスと、光送信デバイスが発する光信号を伝送路へ出力し、該伝送路を介して送信されてきた光信号を受信デバイスへ入力する手段とを有することを特徴とする光送受信装置を提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第４の態様として、発振用の駆動電流を流す駆動電極とは絶縁された薄膜ヒータが光閉じ込め領域を挟んで対称に配置された半導体レーザを、周波数変調光を強度変調光に変換する光フィルタが形成された光導波路基板にフリップチップ実装して形成された光送信デバイスの薄膜ヒータに、半導体レーザの駆動電流とは反転した符号の電流を供給することを特徴とする光送信デバイスの駆動方法を提供するものである。

本発明によれば、光導波路基板と直接接合可能で効率的に熱チャープを補正可能な半導体レーザ、及びこれを用いた光送信デバイス、光送受信装置、光送信デバイスの駆動方法を提供できる。

本発明の好適な実施の形態に係る光送信モジュールの構成を示す図である。 本発明の好適な実施の形態に係る光送信モジュールに適用される半導体レーザの断面構成を示す図である。 本発明の好適な実施の形態に係る光送信モジュールに適用される半導体レーザの構造を上面視で示す図である。 半導体レーザの光強度及び光周波数変動と時間との関係を示す図である。 本発明の好適な実施の形態に係る光送信モジュールの半導体レーザの駆動電流及び薄膜ヒータの駆動電流と時間との関係を示す図である。 本発明の好適な実施の形態に係る光送信モジュールを用いた光送受信装置の構成を示す図である。

本発明の好適な実施の形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る光送信デバイスの構成を示す。光送信デバイス１は、光導波路型フィルタ１３を形成した光導波路基板３に、半導体レーザ２をフリップチップ実装し、半導体レーザ２と光導波路１２とを直接結合する構成である。

光送信デバイス１は、半導体レーザ２の注入電流変調によって生じる周波数変調成分を光フィルタの波長依存スロープによって強度変調するＦＭＡＭ変換機能を有するように、光導波路型フィルタ１３を形成した光導波路基板３と半導体レーザ２とが直接結合する形で集積した構造である。光送信デバイス１は、半導体レーザ２の光閉じ込め領域２１となるストライプの両脇に薄膜ヒータ１１が形成されており、薄膜ヒータ１１は絶縁膜２２、２３によって半導体レーザｐ側電極８とは絶縁されている。
半導体レーザｐ側電極８と薄膜ヒータ電極９、１０とは、フリップチップ実装において安定してショートを避けるのに十分な間隔を空けるとともに、半導体レーザ２の光閉じ込め領域２１をストライプに対して（光軸に対して）左右対称となるように形成されている。フリップチップ実装において安定してショートを避けるのに必要な間隔の目安は概ね１００μｍである。
左右対称に配置された薄膜ヒータ１１が、半導体レーザ２の注入電流と反転した符号で変調されることで、半導体レーザ２の電流変調時に生じる熱的な波長変動が抑制され、光送信デバイス１の強度ノイズが低減されて信号品質を向上する。

半導体レーザ２は、結晶成長面に形成した半導体レーザｐ側電極８を光導波路基板３上に実装する、いわゆる「ジャンクションダウン」の構成となっているため、半導体レーザ電極８側から光閉じ込め領域２１までの高さを精密に制御可能であり、高さを精密に制御することによって光導波路基板３上の光導波路１２との光結合が実現されている。半導体レーザ２の実装時の高さ調整のために、光導波路基板３上には台座１５が形成されている。

光導波路層１６には光導波路型フィルタ１３が形成されており、光出力ポート１４から半導体レーザの変調光が出力される。ここでは光導波路型フィルタ１３としてリング共振器フィルタを示し、いわゆる「ドロップポート」を出力ポートとしているが、波長依存スロープが得られるフィルタであるならば、リング共振器フィルタのスルーポートを用いても良い。また、その他のマッハツェンダ型フィルタなどのフィルタを用いることも可能である。

また、光導波路基板３上には、半導体レーザ２を実装するための電流調整用電極４、熱補償用電極５、ＧＮＤ電極６及びＧＮＤ電極７が形成されている。なお、半導体レーザ２のｎ側電極２０とＧＮＤ電極６、７とはワイヤボンディングによって接合される。

図２に、本実施形態に係る光送信デバイス１の半導体レーザ２の断面構造を示す。また、図３に、本実施形態に係る光送信デバイス１の半導体レーザ２の構造を上面視で示す。
半導体レーザ２は単一軸モードレーザが望ましく、例えばＤＦＢ（Distributed Feed Back）レーザを適用可能である。また、光通信で一般的に使用されている１５５０ｎｍの波長帯で動作する構造とする場合には、半導体レーザ２はＩｎＰ基板上に形成されることが望ましい。ここでは、ｎ−ＩｎＰ基板２５上にＩｎＧａＡｓＰ層等の多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）層からなる光閉じ込め領域２１を形成し、これをｐ−ＩｎＰ層２４に埋め込んだ構成を示している。

光閉じ込め領域２１の両脇は、ｐ−ＩｎＰ層、ｎ−ＩｎＰ層から形成される電流ブロック層を形成したり、容量低減のためにＦｅドープやＲｕドープのＩｎＰ層を形成したりしてもよい。光閉じ込め領域２１周辺は、メサ形状（断面視略台形状）にエッチングし、電流注入領域を制限している。メサ上部だけを開口した絶縁膜２２、２３が形成されており、半導体レーザｐ側電極８とのコンタクト部分を形成している。さらに、メサ形状の脇の部分の絶縁膜２２、２３内部に薄膜ヒータ１１が形成されている。具体的には、絶縁膜２３を形成し、その後、薄膜ヒータ１１を形成し、さらに絶縁膜２２を形成し、コンタクト部分の開口を形成することによって、絶縁膜２２、２３の間に薄膜ヒータ１１が配置されている。

薄膜ヒータ１１は、図３に示すように光閉じ込め領域２１の両脇を囲むような配置とし、さらに、薄膜ヒータ電極９及び１０は、半導体レーザｐ側電極８と十分に間隔を空け、光閉じ込め領域２１のストライプに対して対称な配置としている。図示する構成では、薄膜ヒータ電極１０が光導波路基板３上のＧＮＤ電極７と接合し、薄膜ヒータ電極９が熱補償用電極５と接合する。

光送信デバイス１の駆動時の動作について説明する。
電流変調用電極４に対して、オフセットバイアスを含む変調電流（例えば、４０ｍＡと７０ｍＡ）を印加することによって半導体レーザ２は強度変調を含む、周波数変調光を発生させる。この光は、光導波路１２に結合した光導波路型フィルタ１３にて波長依存スロープを通過する際に、周波数変調が強度変調に変換され（いわゆるＦＭＡＭ変換）、光出力ポート１４から出力される。適切なＦＭＡＭ変換を実現する（換言すると、所定の周波数成分を所定の強度成分に変調する）ためには、半導体レーザ２の出力波長と光導波路型フィルタ１３の出力波長とが適切な関係に制御されている必要があるが、これは光導波路基板３の温度を制御することで実現できる。

なお、半導体レーザ２の周波数変調を光フィルタによって強度変調に変換する方式は、小さい変換電流で動作可能であるために消費電力が少ないというメリットや、光周波数変調成分を制御することで、波長分散耐力を向上させることが可能となるというメリットがある。例えば、１０ギガビット／秒の信号速度において、発振波長を１５５０ｎｍ帯として、シングルモードファイバにおいて２００ｋｍ程度の距離を分散補償することなく伝送を実現できる。

上記のように光送信デバイス１を駆動する際には、半導体レーザ２の電流変調時に熱チャープが生じる。例えば、１ＭＨｚ程度の矩形波で半導体レーザ２を変調した場合は、図４に示すように、強度信号は変調電流に対応した矩形波が得られるが、光周波数変動は時間と共に変動する。この熱チャープは、光導波路型フィルタ１３においてＦＭＡＭ変調されるので、この周波数変動分が距度ノイズとなり、信号が劣化することとなる。

本実施形態に係る光送信デバイス１の半導体レーザ２は、熱補償用電極５に対して、適切なバイアス電流と変調度とにて、反転した符号で変調することで、半導体レーザ２の光閉じ込め領域２１付近の温度をほぼ一定にすることが可能となり、熱チャープを抑制し、ＦＭＡＭ変換後の光出力波形の品質を向上させることが可能となる。

このように、本実施形態に係る光送信デバイスは、半導体レーザ２の光閉じ込め領域２１のストライプの両脇に薄膜ヒータ１１を形成し、半導体レーザ２の注入電流と反転した符号にて薄膜ヒータ１１を変調することで、半導体レーザ２への偏った応力の印加を避けるとともに、半導体レーザ２の適切な放熱特性を確保することができ、半導体レーザ２の電流変調時に生じる熱的な波長変動を抑制し、ＦＭＡＭ変換後の強度ノイズを低減することで信号品質を向上させることができる。

さらに、半導体レーザ２の放熱特性を維持しながら、半導体レーザｐ側電極８と薄膜ヒータ電極９、１０との間隔をフリップチップ実装に対して十分に広げる構造とし、かつ半導体レーザ２に対して対称な電極構造として半導体レーザ２に不要な歪が生じることを抑制している。このため、熱補償用の薄膜ヒータ１１を集積した構造にて、フリップチップ実装を可能にし、光導波路基板３と集積した形態の小型化可能な利点を持つＦＭＡＭ変換型光送信デバイス１を安定的に実現できる。

図６（ａ）に示すように、本実施形態に係る光送信デバイス１と、公知の光受信デバイス３１及び光合分波器３２と組み合わせることで、光ファイバを介して他の装置と情報を送受信する光送受信装置３０を形成可能である。なお、ここでは伝送路の途中に設置される構成を示しているが、図６（ｂ）に示すように伝送路の末端に設置される構成（換言すると、光ファイバが一方のみに接続される構成）であっても良いことは言うまでもない。図６（ａ）、（ｂ）に示す光送受信装置３０は、光送信デバイス１が熱チャープの影響を受けないため、光出力波形の高品質に維持できる。

なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることはない。
例えば、上記実施形態においては、薄膜ヒータ用電極を含めて左右対称な構造を例としたが、少なくとも薄膜ヒータが左右対称であれば良く、薄膜ヒータ用電極は対称に配置されていなくてもよい。
このように、本発明は様々な変形が可能である。

１ 光送信モジュール
２ 半導体レーザ
３ 光導波路基板
４ 電流変調用電極
５ 熱補償用電極５
６、７ ＧＮＤ電極
８ 半導体レーザｐ側電極
９、１０ 薄膜ヒータ電極
１１ 薄膜ヒータ
１２ 光導波路
１３ 光導波路型フィルタ
１４ 光出力ポート
１５ 台座
１６ 光導波路層
２０ 半導体レーザｎ側電極
２１ 光閉じ込め領域
２２、２３ 絶縁膜
２４ ｐ−ＩｎＰ層
２５ ｎ−ＩｎＰ基板
３０ 光送受信装置
３１ 光受信デバイス
３２ 光合分波器

Claims (9)

1. 発振用の駆動電流を流す駆動電極とは絶縁された薄膜ヒータが、光閉じ込め領域を挟んで対称に配置された半導体レーザ。
2. 前記薄膜ヒータへの通電用の薄膜ヒータ電極が、前記光閉じ込め領域に対して対称に配置されたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記薄膜ヒータが、絶縁膜内に設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ。
4. 前記薄膜ヒータが二つの絶縁膜に挟まれて形成されたことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
5. 前記薄膜ヒータ電極と前記駆動電極とが、フリップチップ実装時に短絡しない間隔を空けて形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の半導体レーザ。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の半導体レーザを用いた光送信デバイスであって、
   前記半導体レーザは、周波数変調光を強度変調光に変換する光フィルタが形成された光導波路基板にフリップチップ実装され、
   前記薄膜ヒータには、前記半導体レーザの駆動電流とは反転した符号の電流が供給されることを特徴とする光送信デバイス。
7. 前記半導体レーザの駆動電流が大きいほど、前記薄膜ヒータに供給される電流が大きいことを特徴とする請求項６記載の光送信デバイス。
8. 請求項６又は７記載の光送信デバイスと、光受信デバイスと、前記光送信デバイスが発する光信号を伝送路へ出力し、該伝送路を介して送信されてきた光信号を前記受信デバイスへ入力する手段とを有することを特徴とする光送受信装置。
9. 発振用の駆動電流を流す駆動電極とは絶縁された薄膜ヒータが光閉じ込め領域を挟んで対称に配置された半導体レーザを、周波数変調光を強度変調光に変換する光フィルタが形成された光導波路基板にフリップチップ実装して形成された光送信デバイスの前記薄膜ヒータに、前記半導体レーザの駆動電流とは反転した符号の電流を供給することを特徴とする光送信デバイスの駆動方法。

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