JP2596186B2 - 集積型半導体光変調器 - Google Patents
集積型半導体光変調器Info
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- JP2596186B2 JP2596186B2 JP2164406A JP16440690A JP2596186B2 JP 2596186 B2 JP2596186 B2 JP 2596186B2 JP 2164406 A JP2164406 A JP 2164406A JP 16440690 A JP16440690 A JP 16440690A JP 2596186 B2 JP2596186 B2 JP 2596186B2
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
- H01S5/0265—Intensity modulators
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、分布帰還型半導体レーザと半導体光変調器
を集積化した集積型半導体光変調器に関する。
を集積化した集積型半導体光変調器に関する。
（従来の技術） 分布帰還型半導体レーザ（DFB LD）等の単一軸モード
レーザと電界吸収型の半導体光変調器とを集積化した光
源は、単一の波長を光を発するレーザ領域と変調領域と
が分離されているため、変調時の波長変動（波長チャー
ピング）が従来のDFB LDを直接変調する方式に比べ小さ
くなるという特長を有している。波長チャーピングが小
さな光源を用いると、光ファイバの波長分散の影響を受
けることがなく、波形劣化の少ない光伝送が可能になる
ため、集積型光変調器は将来の超距離・大容量光ファイ
バ通信用の光源として期待され、研究開発も盛んに行わ
れている。従来の集積型光源として古津らの報告による
もの（1989年電子情報通信学会秋季全国大会講演予稿
集、Ｃ−179）がある。この素子では寄生容量を低減し
て変調速度の高速化を図るために、レーザ領域の活性層
を含むメサストライプ及び変調領域の光吸収層を含むメ
サストライプがともに側面を高抵抗半導体によって埋め
込まれた構造となっている。レーザ側の発振しきい値電
流は20mA、光出力は17mWである。変調器側では印加電圧
5Vに対して消光比8dBを得ている。また変調器の素子容
量は0.55pFであり、変調帯域として10GHzが得られてい
る。
レーザと電界吸収型の半導体光変調器とを集積化した光
源は、単一の波長を光を発するレーザ領域と変調領域と
が分離されているため、変調時の波長変動（波長チャー
ピング）が従来のDFB LDを直接変調する方式に比べ小さ
くなるという特長を有している。波長チャーピングが小
さな光源を用いると、光ファイバの波長分散の影響を受
けることがなく、波形劣化の少ない光伝送が可能になる
ため、集積型光変調器は将来の超距離・大容量光ファイ
バ通信用の光源として期待され、研究開発も盛んに行わ
れている。従来の集積型光源として古津らの報告による
もの（1989年電子情報通信学会秋季全国大会講演予稿
集、Ｃ−179）がある。この素子では寄生容量を低減し
て変調速度の高速化を図るために、レーザ領域の活性層
を含むメサストライプ及び変調領域の光吸収層を含むメ
サストライプがともに側面を高抵抗半導体によって埋め
込まれた構造となっている。レーザ側の発振しきい値電
流は20mA、光出力は17mWである。変調器側では印加電圧
5Vに対して消光比8dBを得ている。また変調器の素子容
量は0.55pFであり、変調帯域として10GHzが得られてい
る。
（発明が解決しようとする課題） 集積型光変調器では変調器側端面からの反射光がある
と、変調時にレーザ側に戻る反射光の位相が変化するた
めにレーザの発振波長が変動し、チャーピグが生じてし
まう。これを防ぐために変調器端面には光の反射防止用
の無反射コーティング膜が形成されている。コーティグ
膜が形成された端面の反射率は通常１％〜２％程度であ
る。しかしながら、無反射コーティングによる反射抑制
はチャーピングを抑制するのに必ずしも十分では無い。
例えば佐藤等による報告（佐藤 他、1990年電子情報通
信学会春季全国大会講演予稿集、Ｃ−157）では、無反
射コーティングが施された上述と同様の素子において、
変調時に約３Åの波長変動が生じている。これらの波長
変動は、Gb/s帯の（特に、2Gb/sを越える）超高速、長
距離光ファイバ伝送においては、やはり伝送エラーの原
因になり得る。従って、チャーピングを一層抑制するた
めの素子構造の改良が必要である。
と、変調時にレーザ側に戻る反射光の位相が変化するた
めにレーザの発振波長が変動し、チャーピグが生じてし
まう。これを防ぐために変調器端面には光の反射防止用
の無反射コーティング膜が形成されている。コーティグ
膜が形成された端面の反射率は通常１％〜２％程度であ
る。しかしながら、無反射コーティングによる反射抑制
はチャーピングを抑制するのに必ずしも十分では無い。
例えば佐藤等による報告（佐藤 他、1990年電子情報通
信学会春季全国大会講演予稿集、Ｃ−157）では、無反
射コーティングが施された上述と同様の素子において、
変調時に約３Åの波長変動が生じている。これらの波長
変動は、Gb/s帯の（特に、2Gb/sを越える）超高速、長
距離光ファイバ伝送においては、やはり伝送エラーの原
因になり得る。従って、チャーピングを一層抑制するた
めの素子構造の改良が必要である。
本発明の目的は、変調器端面からの僅かな反射戻り光
があっても、波長チャーピングが十分小さく抑制され、
それにより、少なくとも次期大容量光ファイバ通信シス
テムである2.4Gb/s−50〜100kmの伝送システムにおい
て、伝送パワーペナルティ無しでの光伝送が可能な集積
型半導体光変調器を提供することにある。
があっても、波長チャーピングが十分小さく抑制され、
それにより、少なくとも次期大容量光ファイバ通信シス
テムである2.4Gb/s−50〜100kmの伝送システムにおい
て、伝送パワーペナルティ無しでの光伝送が可能な集積
型半導体光変調器を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明による集積型半導体光変調器の特徴は、回折格
子を有する分布帰還型半導体レーザと、電圧印加により
光の吸収特性が変化する電界吸収型半導体光変調器とが
同一半導体基板上に集積化され、前記半導体レーザの共
振器長が600μｍ以上であることである。また、前記分
布帰還型半導体レーザは、回折格子の位相が素子中央に
おいてシフトした位相シフト型であってもよく、そうす
ることにより波長チャーピングは一層抑制される。更
に、前記分布帰還型半導体レーザの活性層が多重量子井
戸構造であってもよく、この構造の採用により波長チャ
ーピングは更に抑制される。
子を有する分布帰還型半導体レーザと、電圧印加により
光の吸収特性が変化する電界吸収型半導体光変調器とが
同一半導体基板上に集積化され、前記半導体レーザの共
振器長が600μｍ以上であることである。また、前記分
布帰還型半導体レーザは、回折格子の位相が素子中央に
おいてシフトした位相シフト型であってもよく、そうす
ることにより波長チャーピングは一層抑制される。更
に、前記分布帰還型半導体レーザの活性層が多重量子井
戸構造であってもよく、この構造の採用により波長チャ
ーピングは更に抑制される。
（作用） 集積型光変調器の変調時の波長チャーピングは、変調
器端面からの反射光により、レーザの等価的なミラーロ
スが変調され、その結果活性層内部のキャリア密度が変
化することにより生じる。反射戻り光があると、レーザ
の規格化発振しきい値利得２αthL（２αthはミラーロ
ス、Ｌは共振器長）の変動をもたらすが、レーザの共振
器長を長くすることにより、一定の反射光量に対するミ
ラーロスの変化は小さくなっていく。従って、レーザ部
の長共振器化はチャーピング抑制に有効である。第２図
に集積型光変調器により光強度変調した時の、最大波長
チャーピング幅のレーザ部共振器長依存性についての計
算結果を示す。計算において、変調器端面の反射率を１
％、DFBレーザの規格化結合係数（κＬ）を最も単一モ
ード発振の確立が高くなるκＬ＝2.0一定、またDFBレー
ザの活性層がバルク半導体からなるものと仮定した。図
中の実線は均一回折格子を有するDFBレーザの場合（DFB
側端面の反射率は30％）、点線は回折格子の位相を素子
中央でシフトさせた位相シフト型DFBレーザの場合の計
算結果である。チャーピング幅は位相シフト型の方が小
さく、どちらの場合も共振器長を長くするほど減少する
傾向にある。出願者らの計算及び実験によれば、2.4Gb/
sのビットレート（DFBレーザ直接変調方式において、伝
送後の受信感度にパワーペナルティが生じ始めるビット
レート）において、パワーペナルティの無い数10〜100k
mの光伝送を実現するためには、チャーピング幅は２Å
以下でなくてはならないことが予測されている。従っ
て、図より集積型光変調器のレーザの共振器長を600μ
ｍ以上に設定すれば、均一回折格子型のDFBレーザであ
っても、2.4Gb/sにおいてパワーペナルティの無い長距
離伝送が可能である。位相シフト型のものでは更にその
約1/2に波長チャーピングは抑制される。
器端面からの反射光により、レーザの等価的なミラーロ
スが変調され、その結果活性層内部のキャリア密度が変
化することにより生じる。反射戻り光があると、レーザ
の規格化発振しきい値利得２αthL（２αthはミラーロ
ス、Ｌは共振器長）の変動をもたらすが、レーザの共振
器長を長くすることにより、一定の反射光量に対するミ
ラーロスの変化は小さくなっていく。従って、レーザ部
の長共振器化はチャーピング抑制に有効である。第２図
に集積型光変調器により光強度変調した時の、最大波長
チャーピング幅のレーザ部共振器長依存性についての計
算結果を示す。計算において、変調器端面の反射率を１
％、DFBレーザの規格化結合係数（κＬ）を最も単一モ
ード発振の確立が高くなるκＬ＝2.0一定、またDFBレー
ザの活性層がバルク半導体からなるものと仮定した。図
中の実線は均一回折格子を有するDFBレーザの場合（DFB
側端面の反射率は30％）、点線は回折格子の位相を素子
中央でシフトさせた位相シフト型DFBレーザの場合の計
算結果である。チャーピング幅は位相シフト型の方が小
さく、どちらの場合も共振器長を長くするほど減少する
傾向にある。出願者らの計算及び実験によれば、2.4Gb/
sのビットレート（DFBレーザ直接変調方式において、伝
送後の受信感度にパワーペナルティが生じ始めるビット
レート）において、パワーペナルティの無い数10〜100k
mの光伝送を実現するためには、チャーピング幅は２Å
以下でなくてはならないことが予測されている。従っ
て、図より集積型光変調器のレーザの共振器長を600μ
ｍ以上に設定すれば、均一回折格子型のDFBレーザであ
っても、2.4Gb/sにおいてパワーペナルティの無い長距
離伝送が可能である。位相シフト型のものでは更にその
約1/2に波長チャーピングは抑制される。
また、DFBレーザの活性層に多重量子井戸構造を用い
ると、αパラメータ（活性層内のキャリア密度変化に対
する屈折率の変化の割合を相対的に表すパラメータ）が
小さくなるため、波長チャーピングは一層小さくなる。
多重量子井戸構造の採用も、波長チャーピング抑制に効
果的である。
ると、αパラメータ（活性層内のキャリア密度変化に対
する屈折率の変化の割合を相対的に表すパラメータ）が
小さくなるため、波長チャーピングは一層小さくなる。
多重量子井戸構造の採用も、波長チャーピング抑制に効
果的である。
（実施例） 以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。
る。
第１図（ａ）に本発明による集積型光変調器の光の進
路に沿った断面構造図を示す。ｎ−InP半導体基板１の
表面のレーザ領域に相当する部分に周期2400Åの回折格
子２を有している。回折格子２はレーザ領域の中央に位
相シフト部３を有する位相シフト型回折格子である。半
導体基板１の上には、バンドギャップ波長1.15μｍのIn
GaAsP光ガイド層４（厚さ0.1μｍ）が形成されており、
さらにその上のレーザ領域にはハンドギャップ波長1.55
μｍのInGaAa/InGaAsP多重量子井戸活性層５（井戸層の
数は４）が、変調器領域にはバンドギャップ波長1.40μ
ｍのInGaAsP光吸収層６（厚さ0.3μｍ）が選択的に形成
されている。活性層５及び吸収層６の上にはｐ−InPク
ラッド層７（厚さ１μｍ）とp+−InGaAsキャップ層８
（厚さ0.3μｍ）が形成されている。キャップ層８はレ
ーザ部と変調器部の間で分離されている。ここまでの結
晶成長はMO−VPE法により行われる。レーザ部と変調器
部の長さはそれぞれ600μｍ、250μｍである。レーザ部
と変調器部のそれぞれのキャップ層の上には電極９、10
が、また半導体板１の下には電極11が形成されている。
レーザ側及び変調器側の端面にはSiN膜による無反射コ
ーティグ12、13が施されている。端面反射率は約１％で
ある。第１図（ｂ）は本集積素子のレーザ領域における
横断面図である。横モード制御及び電流狭窄のために、
光導波構造を有するメサストライプ14をFeドープ高抵抗
InPブロック層15で両わきを埋め込んだ構造をなしてい
る。
路に沿った断面構造図を示す。ｎ−InP半導体基板１の
表面のレーザ領域に相当する部分に周期2400Åの回折格
子２を有している。回折格子２はレーザ領域の中央に位
相シフト部３を有する位相シフト型回折格子である。半
導体基板１の上には、バンドギャップ波長1.15μｍのIn
GaAsP光ガイド層４（厚さ0.1μｍ）が形成されており、
さらにその上のレーザ領域にはハンドギャップ波長1.55
μｍのInGaAa/InGaAsP多重量子井戸活性層５（井戸層の
数は４）が、変調器領域にはバンドギャップ波長1.40μ
ｍのInGaAsP光吸収層６（厚さ0.3μｍ）が選択的に形成
されている。活性層５及び吸収層６の上にはｐ−InPク
ラッド層７（厚さ１μｍ）とp+−InGaAsキャップ層８
（厚さ0.3μｍ）が形成されている。キャップ層８はレ
ーザ部と変調器部の間で分離されている。ここまでの結
晶成長はMO−VPE法により行われる。レーザ部と変調器
部の長さはそれぞれ600μｍ、250μｍである。レーザ部
と変調器部のそれぞれのキャップ層の上には電極９、10
が、また半導体板１の下には電極11が形成されている。
レーザ側及び変調器側の端面にはSiN膜による無反射コ
ーティグ12、13が施されている。端面反射率は約１％で
ある。第１図（ｂ）は本集積素子のレーザ領域における
横断面図である。横モード制御及び電流狭窄のために、
光導波構造を有するメサストライプ14をFeドープ高抵抗
InPブロック層15で両わきを埋め込んだ構造をなしてい
る。
この集積素子の発振波長は1.55μｍであり、発振しき
い値電流は約15mA、変調器側端面からの光出力は15mWで
あった。変調器側からの平均光出力が5mWの時、変調器
側を信号電圧5Vp-pにより2.4Gb/s高速変調（消光比は約
20dB）した時の波長チャーピング幅は0.5Åと狭く、100
km伝送時においてもパワーペナルティは観測されなかっ
た。同一の素子を5Gb/sで変調した時の波長チャーピン
グ幅も約0.8Aと狭く、パワーペナルティの無い50kmの光
伝送を実現できた。
い値電流は約15mA、変調器側端面からの光出力は15mWで
あった。変調器側からの平均光出力が5mWの時、変調器
側を信号電圧5Vp-pにより2.4Gb/s高速変調（消光比は約
20dB）した時の波長チャーピング幅は0.5Åと狭く、100
km伝送時においてもパワーペナルティは観測されなかっ
た。同一の素子を5Gb/sで変調した時の波長チャーピン
グ幅も約0.8Aと狭く、パワーペナルティの無い50kmの光
伝送を実現できた。
尚、本実施例ではDFBレーザの回折格子２に位相シフ
ト型回折格子を、また活性性層５に多重量子井戸構造を
用いたが、それらは均一回折格子及びバルク型活性層で
あってもよく、それらを2.4Gb/s−50km〜100kmの伝送に
用いても、伝送パワーペナルティは生じない。
ト型回折格子を、また活性性層５に多重量子井戸構造を
用いたが、それらは均一回折格子及びバルク型活性層で
あってもよく、それらを2.4Gb/s−50km〜100kmの伝送に
用いても、伝送パワーペナルティは生じない。
また、本実施例において、変調器側端面部にウィンド
構造を用いると、波長チャーピング幅をより効果的に小
さくできる。
構造を用いると、波長チャーピング幅をより効果的に小
さくできる。
（発明の効果） 本発明によれば、波長チャーピング幅が２Å以下と狭
く、パワーペナルティなしで超高速長距離光伝送可能な
集積型光変調器が得られる。
く、パワーペナルティなしで超高速長距離光伝送可能な
集積型光変調器が得られる。
第１図（ａ）は本発明による集積型半導体光変調器の光
の進路に沿った断面構造図であり、１はｎ−InP基板、
２は回折格子、３は位相シフト部、４はｎ−InGaAsPガ
イド層、５はInGaAsP活性層、６はInGaAsP光吸収層、７
はｐ−InPクラッド層、８はp+−InGaAsPキャップ層、
９、10、11は電極、12、13は無反射コーティング膜であ
る。 第１図（ｂ）は上記集積型半導体光変調器のレーザ（活
性）領域における横断面図構造図である。14はメサスト
ライプ、15は高抵抗InPである。 第２図は本発明の原理を説明する図であり、波長チャー
ピング幅のレーザ部共振器長依存性を計算した結果を示
す。
の進路に沿った断面構造図であり、１はｎ−InP基板、
２は回折格子、３は位相シフト部、４はｎ−InGaAsPガ
イド層、５はInGaAsP活性層、６はInGaAsP光吸収層、７
はｐ−InPクラッド層、８はp+−InGaAsPキャップ層、
９、10、11は電極、12、13は無反射コーティング膜であ
る。 第１図（ｂ）は上記集積型半導体光変調器のレーザ（活
性）領域における横断面図構造図である。14はメサスト
ライプ、15は高抵抗InPである。 第２図は本発明の原理を説明する図であり、波長チャー
ピング幅のレーザ部共振器長依存性を計算した結果を示
す。
Claims (3)
- 【請求項１】素子内部に回折格子を有する分布帰還型半
導体レーザと、電圧印加により光の吸収特性が変化する
電界吸収型半導体光変調器とが同一半導体基板上に集積
化され、前記半導体レーザの共振器長が600μｍ以上で
あることを特徴とする集積型半導体光変調器。 - 【請求項２】分布帰還型半導体レーザは、回折格子の位
相が素子中央付近でシフトしている、位相シフト型の構
造であることを特徴とする請求項１記載の集積型半導体
光変調器。 - 【請求項３】分布帰還型半導体レーザの活性層は、多重
量子井戸構造であることを特徴とする請求項１または２
記載の集積型半導体光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2164406A JP2596186B2 (ja) | 1990-06-22 | 1990-06-22 | 集積型半導体光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2164406A JP2596186B2 (ja) | 1990-06-22 | 1990-06-22 | 集積型半導体光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0461186A JPH0461186A (ja) | 1992-02-27 |
| JP2596186B2 true JP2596186B2 (ja) | 1997-04-02 |
Family
ID=15792536
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2164406A Expired - Fee Related JP2596186B2 (ja) | 1990-06-22 | 1990-06-22 | 集積型半導体光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2596186B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07176827A (ja) * | 1993-08-20 | 1995-07-14 | Mitsubishi Electric Corp | 変調器付半導体レーザ装置の製造方法 |
-
1990
- 1990-06-22 JP JP2164406A patent/JP2596186B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0461186A (ja) | 1992-02-27 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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