JP2014170903A - 波長安定化装置を内蔵した波長可変分布ブラッグ反射（ｄｂｒ）型半導体光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ＤＢＲの反射波長を常時安定化するための信号を検出する波長可変分布ブラッグ反射型半導体光デバイスを高信頼化と共に低コスト化のもとに提供する。
【解決手段】電流注入による屈折率変化により波長可変特性を持つ分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１、２と、光導波路上にはない位置でかつＤＢＲからの自然放出光を受光できる位置にｐｎ接合領域を持つ自然放出光検出器４と、を有する波長可変分布ブラッグ反射型半導体光デバイスであって、ＤＢＲは外部信号光の波長帯より短波長のバンドギャップエネルギを持つ半導体材料からなり、ｐｎ接合領域はＤＢＲを構成する半導体材料と同じバンドギャップエネルギを持つ半導体材料からなり、ｐｎ接合領域でＤＢＲからの自然放出光強度を常時検知することによってＤＢＲのキャリア密度をモニターし、キャリア密度を一定に保つようにＤＢＲへの注入電流を制御することによりＤＢＲの発振波長を一定に保持する。
【選択図】図４

Description

本発明はＷＤＭ通信システム等に用いることを可能にする波長可変型半導体光デバイスのうち、波長安定化装置を持ったＤＢＲ反射器を有する半導体光デバイスに関する。

近年の通信システムの高速大容量化に対応する方策のひとつとして、一本の光ファイバに複数の波長の異なる光信号を重畳させて同時に伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）方式の研究が盛んに進められ、すでに実用化も始まり、今日のインターネットに代表される大容量通信網の進展に寄与している。さらなる高速大容量化のため、光信号のまま信号のルーティングを行う光波ネットワークの研究も進められ、ルーティングのポイント（ノード）における信号の識別と切り替えに、光の波長情報を用いることが検討されている。このようなシステムにおいては光の波長が信号の識別として用いられるため、その安定性や制御性が重要である。特に注入電流によるキャリア密度制御によって屈折率を制御する半導体ＤＢＲレーザのような波長制御素子の場合、キャリア密度変動による屈折率変化がそのままブラッグ波長を変化させてしまうため、長期にわたる安定性が要求される通信システムにおいては、その動作条件に応じて信頼性を考慮する必要がある(非特許文献１)。
このような課題に対処するための方策の一例として、現在実用化されている波長制御光源には、半導体チップとは別に、波長を間接的に常時モニターしながら波長を安定化制御するための、波長ロッカーと呼ばれる個別部品が用いられている(非特許文献２)。これは、半導体レーザから出力される信号光の一部を分岐し、エタロンフィルターを通過させることで光の位相信号を強度信号に変換し、この強度信号をフォトダイオードで検知することで、光の位相のずれを検知する。このフォトダイオードで検知される強度信号を一定に保持するように、半導体レーザの動作電流を制御することで、非常に高精度な波長安定性を実現している。しかし、この波長の高安定制御を実現するためには、半導体レーザチップとは別に、光分岐やエタロンフィルター、フォトダイオードといった個別部品から構成される波長ロッカーを必要とし、さらにエタロンフィルターの温度安定性が波長制御の安定性に大きく影響を与えるため、半導体レーザチップとは別に独立した温度制御が必要となっている。

馬渡ほか"Lasing Wavelength Changes Due to Degradation in Buried Heterostructure DBR Laser", Journal of Lightwave Technology, v.17, no.5. pp. 918-923, 1999 大橋ほか"Widely Tunable DFB Laser Array (TLA)", in proc. The 5th international conference on optical internet (COIN2006), TuB1-2, pp. 286-288, 2006.

光通信システムの普及、特にアクセス網への展開には、高信頼化と共に低コスト化が重要となる。このような低コスト化の方策の一つとして部品点数の削減が有効である。本発明では、従来行われている波長ロッカーやその温度制御素子といった部品を用いることなく、半導体ＤＢＲから構成される半導体素子内に、ブラッグ波長を一定にするための信号取出し部分を形成し、この信号を利用して波長を安定化することで、個別部品を必要とすることなく、高信頼化と共に低コスト化を実現するものである。

半導体ＤＢＲは、ｐｎ接合に順方向電流を印加することによってキャリアを注入し、このキャリア密度によって屈折率を制御し、制御された屈折率によってブラッグ波長が決まり、選択される波長が決まる。従ってブラッグ波長は、注入されたキャリア密度に依存することになる。この特徴を用いることで、注入されたキャリアの密度が一定になるように制御することで、ブラッグ反射条件を満たす波長を直接測定する代わりに、反射波長を安定化させることが可能になる。

注入されたキャリアは、ｐｎ接合に反転分布状態を作り出し、これによって発光再結合が生じて、自然放出光が発生する。自然放出光のスペクトルは、半導体ＤＢＲを構成する半導体の状態密度を反映するため、半導体の組成で決まるバンドギャップ波長を中心とした形状を持つ（図１）。この注入キャリア密度を反映する自然放出光スペクトルの強度を測定することによって、注入キャリア密度を相対的に評価することが可能である。

ここで、自然放出光強度の検出器として機能するｐｎ接合構造を、半導体ＤＢＲと同じバンドギャップ波長をもつ組成からなる半導体で形成すると、このバンドギャップ波長を吸収端とした短波側の光を吸収することができる（図２）。したがって、このｐｎ接合構造によって、半導体ＤＢＲからの自然放出光を検知することが可能となる。通常、半導体ＤＢＲの半導体組成は、外部からの信号光に対する吸収損失が生じないように、信号光に対してバンドギャップ波長が短い半導体材料により形成される。したがって、信号光からの漏れ光等は、半導体ＤＢＲからの自然放出光検出部分のバンドギャップ波長より長波長側に位置するため、自然放出光検出部分によって検知されることはない（図３）。このように外部から入力される光の波長に対して、短いバンドギャップ波長をもつ半導体材料によって形成されることで、外部からの入力光の散乱等によって生じる放射光強度を検知せず、半導体ＤＢＲからの自然放出光のみを検知することが可能になる。この信号強度を一定に保持することによって、ＤＢＲ内部のキャリア密度は一定となり、したがって屈折率も一定となるため、ＤＢＲ波長を一定に維持することが可能となる。

これにより、波長ロッカーといった別体の光学部品を用いることなく、半導体ＤＢＲの反射波長を制御することが可能になる。この方法によれば、光学部品やそのアセンブリに必要となるコストを削減することが可能であり、光モジュールとしての低コスト化を図ることが出来る。

本発明を用いることで、光出力信号の分岐等の部品および機構を用いることなく、半導体ＤＢＲの反射波長を常時安定化するための信号を検出することが可能となるため、半導体ＤＢＲの高信頼化および低コスト化に有効となる。

自然放出光スペクトルの例を示すグラフである。 半導体の光吸収特性と入力光波長との関係を示す模式図である。 半導体ＤＢＲレーザのスペクトルの例を示すグラフである。 本発明の実施例１に係るＤＢＲ型半導体光デバイスの半導体レーザと自然放出光検出部分の模式図であり、図４（ａ）は上面模式図、（ｂ）は（ａ）のＩＶＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＩＶＣにおける断面模式図である。 本発明の実施例２に係るＤＢＲ型半導体光デバイスの半導体レーザと自然放出光検出部分の模式図であり、図５（ａ）は上面模式図、（ｂ）は（ａ）のＶＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＶＣにおける断面模式図である。 本発明の実施例３に係るＤＢＲ型半導体光デバイスの半導体フィルタと自然放出光検出部分の模式図であり、図６（ａ）は上面模式図、（ｂ）は（ａ）のＶＩＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＶＩＣにおける断面模式図である。

［実施例１（両側ＤＢＲレーザ）］
以下に本発明の実施例１として、２つの半導体ＤＢＲを反射器としたレーザダイオードと、その光導波路上およびその延長線上に位置しない自然放出光検出器（モニターフォトダイオード：ＭＰＤ）とを、モノリシック集積した素子について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は本実施例に係るＤＢＲ型半導体光デバイスの上面模式図、（ｂ）は（ａ）のＩＶＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＩＶＣにおける断面模式図である。

外部からの信号光より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなるＤＢＲ１、２を両端に持ち、その間に発振波長帯にバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなる利得領域３を位置することで、半導体ＤＢＲで選択される波長によって発振する半導体ＤＢＲレーザダイオードが構成される。

半導体ＤＢＲ領域は、屈折率制御のために注入電流が制御されるが、この電流注入によって半導体ＤＢＲのバンドギャップエネルギーに基づいた自然放出光が放射される。この自然放出光は方向性を持たないため、あらゆる方向に放射されている。また、この自然放出光の波長は、ＤＢＲを構成する半導体バンドギャップエネルギーが利得領域を構成する半導体バンドギャップエネルギーより大きいため、レーザ発振している波長より短波側に位置する。

ここでＤＢＲを構成する半導体と同じバンドギャップエネルギーを持つ半導体からなるｐｎ接合構造によって構成される自然放出光検出器（ＭＰＤ）４を、ＤＢＲ領域の近傍で光導波路上およびその延長線上にはない位置に形成することで、発振波長の光やその散乱光に影響されることなく、ＤＢＲ領域からの自然放出光強度の測定が可能になる。本実施例においては２つのＭＰＤを用いており、これら２つのＭＰＤのそれぞれを２つのＤＢＲ領域のそれぞれからの自然放出光強度を測定できる位置に配置している。

本実施例に係るＤＢＲ型半導体光デバイスの断面模式図を図４（ｂ）および図４（ｃ）に示す。利得領域３と、ＤＢＲ１ならびに自然放出光検出器（ＭＰＤ）４とは、ｎ側電極５、ｎ−ＩｎＰ基板６、ｎ―クラッド層７、ＤＢＲコア層８、ＭＰＤ吸収層９、ｐ―クラッド層１０、ｐ側電極１１から成る。半導体ＤＢＲ部分と、ＭＰＤ部分とは、同じ組成からなる半導体ｐｎ接合構造で形成することが可能なため、ＤＢＲ部分を含む光導波路構造をエッチング加工によって形成する際に、ＭＰＤ部分の作製のための追加加工等を必要とすることなく、同時に形成することが可能である。このＭＰＤ部分からの検出信号を取り出すための電極構造も同様で、ＤＢＲレーザダイオード作製の際の電極構造形成時に、同時に作製することが可能である。したがって、このＭＰＤ部分を持つＤＢＲレーザを作製する場合でも、通常のＤＢＲレーザ作製時と同じ工程で、同時に形成することが可能である。

このようにして作製したＭＰＤからの出力電気信号は、ＤＢＲレーザによる発振波長の光強度とは無関係に半導体ＤＢＲ内部のキャリア密度を反映するため、これを一定に保持することによって半導体ＤＢＲの屈折率を一定に保持することが可能となり、ＤＢＲレーザの発振波長を安定化することが可能となる。

また、出力光信号を分岐したりその一部を検出したりする部品および機構を持たないため、素子構造が簡易化され、高信頼化および低コスト化への効果が大きい。

［実施例２（片側ＤＢＲレーザ）］
以下に本発明の実施例２として、１つの半導体ＤＢＲと素子端とを反射器とした共振器構造からなるレーザダイオードと、その光導波路上およびその延長線上に位置しない自然放出光検出器（モニターフォトダイオード：ＭＰＤ）とを、モノリシック集積した素子について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は本実施例に係るＤＢＲ型半導体光デバイスの上面模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＶＣにおける断面模式図である。

外部からの信号光より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなるＤＢＲ１を片端に持ち、他端は素子端部１２とし、その間に発振波長帯にバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなる利得領域３を位置することで、半導体ＤＢＲで選択される波長によって発振する半導体ＤＢＲレーザダイオードが構成される。ここで、素子端部を反射器とした場合は、素子端部側では反射波長の選択性は無いが、ＤＢＲ側では選択された波長の光のみが導波路内に反射されるため、結果としてＤＢＲによって選択された波長の光のみに対して共振器構造となり、この選択された波長の光が誘導放出されることでレーザ発振状態となる。

以下、半導体ＤＢＲ領域への電流注入と自然放出光強度、およびその検知される機能については、実施例１と同様である。

このようにして作製したＭＰＤからの出力電気信号は、ＤＢＲレーザによる発振波長の光強度とは無関係に半導体ＤＢＲ内部のキャリア密度を反映するため、これを一定に保持することによって半導体ＤＢＲの屈折率を一定に保持することが可能となり、ＤＢＲレーザの発振波長を安定化することが可能となる。

また、出力光信号を分岐したりその一部を検出したりする部品および機構を持たないため、素子構造が簡易化され、高信頼化および低コスト化への効果が大きい。

［実施例３（ＤＢＲフィルタ）］
以下に本発明の実施例３として、半導体ＤＢＲフィルタと、その光導波路上およびその延長線上に位置しない自然放出光検出器（モニターフォトダイオード：ＭＰＤ）とを、モノリシック集積した素子について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は本実施例に係るＤＢＲ型半導体光デバイスの上面模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＩＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＶＩＣにおける断面模式図である。

外部からの信号光発振波長帯より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなるＤＢＲは、信号光を吸収することなく、信号光波長がブラッグ波長と一致する場合のみ選択的に反射することを可能とする波長選択反射器として動作する。このブラッグ波長はＤＢＲ領域への注入電流によって誘起される注入キャリア密度によって決まる屈折率に依存する。したがって、注入電流によって反射させる信号光波長を選択することが可能である。以下、半導体ＤＢＲ領域への電流注入と自然放出光強度、およびその検知される機能については、実施例１と同様である。

このようにして、ＤＢＲの導波路側部に位置するＭＰＤによって検知される電気信号は、信号光強度とは無関係に半導体ＤＢＲ内部のキャリア密度を反映するため、これを一定に保持することによって半導体ＤＢＲの屈折率を一定に保持することが可能となり、ＤＢＲの反射波長を安定化することが可能となる。

また、出力光信号を分岐したりその一部を検出したりする部品および機構を持たないため、素子構造が簡易化され、高信頼化および低コスト化への効果が大きい。

１ 前方ＤＢＲ
２ 後方ＤＢＲ
３ 利得領域
４ 自然放出光検出器（ＭＰＤ）
５ ｎ側電極
６ ｎ−ＩｎＰ基板
７ ｎ―クラッド層
８ ＤＢＲコア層
９ ＭＰＤ吸収層
１０ ｐ―クラッド層
１１ ｐ側電極
１２ 素子端部（高反射膜）
１３ ＤＢＲ波長フィルタ

Claims (5)

1. 電流注入による屈折率変化によって波長可変特性を持つ分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、
   光導波路上にはない位置でかつ前記ＤＢＲからの自然放出光を受光できる位置に構成されフォトダイオードとして機能するｐｎ接合領域を有する波長安定化装置と
   を有する、波長可変分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型半導体光デバイスであって、
   前記ＤＢＲは外部からの信号光の波長帯より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなり、
   前記ｐｎ接合領域は前記ＤＢＲを構成する前記半導体材料と同じバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなり、
   前記ｐｎ接合領域で前記ＤＢＲからの自然放出光強度を常時検知することによって前記ＤＢＲのキャリア密度をモニターし、前記キャリア密度が一定に保たれるように前記ＤＢＲへの注入電流を制御することによって前記ＤＢＲの発振波長を一定に保持することを特徴とする波長可変分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型半導体光デバイス。
2. 第２の分布ブラッグ反射器（第２のＤＢＲ）と、
   第２のｐｎ接合領域と、
   前記ＤＢＲと前記第２のＤＢＲとの間に配置された利得領域と
   をさらに有し、
   前記利得領域は前記信号光の波長帯にバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなり、
   前記ｐｎ接合領域は前記ＤＢＲからの、前記第２のｐｎ接合領域は前記第２のＤＢＲからの自然放出光を受光できる位置に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型半導体光デバイス。
3. 反射器と、
   前記ＤＢＲと前記反射器との間に配置された利得領域と
   をさらに有し、
   前記利得領域は前記信号光の波長帯にバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の波長可変分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型半導体光デバイス。
4. 電流注入による屈折率変化によって波長可変特性を持つ分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、
   光導波路上にはない位置でかつ前記ＤＢＲからの自然放出光を受光できる位置に構成されフォトダイオードとして機能するｐｎ接合領域を有する波長安定化装置と
   を有する、波長可変分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型フィルタであって、
   前記ＤＢＲは外部からの信号光の波長帯より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなり、
   前記ｐｎ接合領域は前記ＤＢＲを構成する前記半導体材料と同じバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなり、
   前記ｐｎ接合領域で前記ＤＢＲからの自然放出光強度を常時検知することによって前記ＤＢＲのキャリア密度をモニターし、前記キャリア密度が一定に保たれるように前記ＤＢＲへの注入電流を制御することによって前記ＤＢＲの反射波長を一定に保持することを特徴とする波長可変分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型フィルタ。
5. 電流注入による屈折率変化によって波長可変特性を持つ分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の発振波長を一定に保持する方法であって、
   前記ＤＢＲに外部から信号光を入射するステップであって、前記ＤＢＲは前記外部からの信号光の波長帯より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなる、ステップと、
   光導波路上にはない位置でかつ前記ＤＢＲからの自然放出光を受光できる位置において構成されフォトダイオードとして機能するｐｎ接合領域によって前記自然放出光を受光するステップであって、前記ｐｎ接合領域は前記ＤＢＲを構成する前記半導体材料と同じバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなる、ステップと、
   前記ｐｎ接合領域で前記ＤＢＲからの自然放出光強度を常時検知することによって前記ＤＢＲのキャリア密度をモニターするステップと、
   前記キャリア密度が一定に保たれるように前記ＤＢＲへの注入電流を制御するステップと
   を備えたことを特徴とする方法。