JP4006159B2

JP4006159B2 - 半導体電界吸収光変調器集積型発光素子、発光素子モジュール、及び光伝送システム

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Publication number: JP4006159B2
Application number: JP2000038038A
Authority: JP
Inventors: 和彦直江; 和久魚見; 雅博青木; 実藤田
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: JP2001221985A

Description

【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、複数の異なる伝送特性を有するＥＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；電界吸収型）変調器集積化光源（発光素子）に係り、光伝送用発光素子モジュール、光送信器、および光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
関連する技術について、以下、第１の関連技術から第３の関連技術について述べる。
【０００３】
第１の関連技術について、発光素子として、発光部にレーザを用いた半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ；分布帰還形）レーザの構造を図１〜４を用いて説明する。
【０００４】
図１に伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ、２０ｋｍ光伝送用である、波長１．５μｍ帯半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを示す。本図では、発光素子構造説明のため、発光素子ストライプの一部断面を示している。本発光素子は、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１００上に選択成長用酸化膜マスクを形成した後、第１回目の結晶成長として、周知の選択成長法によりn型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層１０１、アンドープＩｎＧａＡｓＰ井戸層と組成波長１．１５μｍであるアンドープＩｎＧａＡｓＰの障壁層８周期からなる歪多重量子井戸構造１０２、アンドープＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層の２層からなる上側光ガイド層１０３を１００ｎｍ等で形成されている。選択成長を用いることにより、ＥＡ変調器部１０８における多重量子井戸構造総厚がレーザ部１０９における総厚より薄く形成される。したがって、ＥＡ変調器部における歪多重量子井戸構造吸収波長がレーザ部１０９のそれに比べて小さくなる。さらに回折格子形成、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４を形成、メサ形成、Ｆｅ−ＩｎＰ層１０５によるメサの両側を埋め込み再成長、電極１０７の形成を経て図１に示す半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが作製される。ＥＡ変調器部導波路に電流を注入する長さである変調器長は、発光素子の帯域を決める変調器部分の容量、および消光比を考慮して１５７μｍとし、ＥＡ変調器側である前端面には無反射コーティング１１０、後端面には反射コーティングを施してある。
【０００５】
さらに、図２に、上記発光素子を搭載した発光素子モジュールを示す。図２に示す２０１は上記発光素子が搭載されたチップキャリアであり、高周波のストリップラインがパターニングされ、チップコンデンサ、および終端抵抗等が発光素子モジュールに内蔵されている。さらに、本発光素子モジュールには、サーミスタ２０２、アイソレータ２０３、レンズ２０５、高周波信号中継基板２０６、モニタＰＤ搭載ステム２０９、および、冷却用ステム２０８が組み込まれている。２０７は電気信号用の高周波コネクタである。
【０００６】
本発光素子モジュールで、シングルモードファイバ等の通常のファイバ２０ｋｍ（分散値：４００ｐｓ／ｎｍ）での伝送が可能である。しかし、通常のファイバ２０ｋｍ以上、たとえば４０ｋｍ（分散値：８００ｐｓ／ｎｍ）においては伝送困難となる。
【０００７】
この理由は、光伝送距離をチャーピングが制限しているためである。通常、光ファイバ伝送において、伝送距離を制限している要因は主にチャーピングと光出力強度の２つが考えられる。後者の光出力強度による制限は、光アンプ等である程度増幅できるため問題とならない。ここで主に問題になるのは前者のチャーピングによる伝送距離の制限である。チャーピングとは、変調をかけた半導体レーザからの出射光の波長スペクトルの広がりである。チャーピングが伝送距離を制限する理由については、次の通りである。
【０００８】
チャーピングとは次の２つの現象に起因している。第一に、発光素子におけるＯＮ／ＯＦＦ変調時に、発光素子内部での屈折率変化と吸収係数変化により波長のチャーピングが生じる。第二番目は、発光素子から出た光がファイバ内を伝播する際に、波長分散が生じ、チャーピングが生じる現象である。したがって、ファイバ伝送路の距離が大きくなるほど、後者に起因したチャーピングが生じることになる。さらに過剰なチャーピングが生じると、光信号波形が歪み、伝送ペナルティが大きくなるため、伝送距離が制限されることになる。
【０００９】
このチャーピングを引き起こす原因の一つである、発光素子のＯＮ／ＯＦＦ変調時の屈折率変化と吸収係数変化との比がαパラメータであり、αが低いほど変調時のチャープ量が少なく、ファイバーにおける分散耐力があるといえる。したがってαパラメータが小さいほど、分散の影響を受けることなく伝送距離を伸ばすことが可能である。
【００１０】
また、αパラメータについては、大信号を発光素子に入力して測定する方法、小信号を発光素子に入力してファイバーレスポンスピーク法にて測定する方法等、いくつかの評価方法があるが、本明細書においては小信号を発光素子に入力し分散補償ファイバーを使用するファイバーレスポンスピーク法による評価の値にて定義する（Ｆ．Ｄｅｖａｕｘｅｔａｌ．，"ＳｉｍｐｌｅＭＥＡｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＦｉｂｅｒＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｎｄＣｈｉｒｐＰａｒａｍｅｔｅｒｏｆＩｎｔｅｎｓｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｅｒ" Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．１１，ｐｐ．１９３７−１９４０．，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９９３）。αパラメータは、（屈折率変化量）／（吸収係数変化量）であるため、材料、およびＭＱＷ（ＭｕｌｔｉＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ；多重量子井戸型）構造に依存し、発光素子変調器部分に印加する電圧に伴い変化するが、ある仕様条件により作製された発光素子について若干のばらつきがあるが、概略、固有の値である。
【００１１】
本関連技術により作製された発光素子の典型的なαパラメータのＥＡ変調器印加電圧依存性（以下、αカーブ）を図３の（ａ）に示す。図３の（ａ）において、ＥＡ変調器に印加する電圧が、ＥＡ変調器の変調振幅Ｖ_ｍｏｄ、ハイレベルＶ_ＯＨとした場合の振幅中心、すなわち、Ｖ_ＯＨ―Ｖ_ｍｏｄ／２における、αパラメータ値は０．１〜１．０の値を示す。このα値の場合、本関連技術の発光素子モジュールにおける光ファイバ伝送評価では、２０ｋｍ（分散値：４００ｐｓ／ｎｍ）を伝送させた場合には所望の伝送ペナルティ値の基準を満たすことが可能である。しかし、通常のファイバ２０ｋｍ以上、たとえば４０ｋｍ（分散値：８００ｐｓ／ｎｍ）において光伝送を行った場合、伝送ペナルティが基準を超えるため実用困難となる。したがって、本関連技術に示すＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、光ファイバーによる光の周波数分散を２０ｋｍ毎に補償する光伝送系を有するシステムに使用され、２０ｋｍ版ＥＡ変調器集積化ＤＦＢレーザであるといえる。
【００１２】
この発光素子モジュールを用いた光送信器を使用した光伝送システムの構成例を図４に示す。本関連技術による光送信器４０１のあとに、光前段増幅器４０２、２０ｋｍ（分散値４００ｐｓ／ｎｍ）の光ファイバ４０３、約２０ｋｍ毎に分散補償ファイバ４０４、光後段増幅器４０５、および光受信器４０６で構成されている。
【００１３】
次に、第２の関連技術について、その構造を図１、図３、図４を用いて説明する。本説明は、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ、４０ｋｍ光伝送用である、波長１．５μｍ帯半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザに適用した例である。
【００１４】
上述の第１の関連技術における発光素子作製工程と異なる点は、第１回目の結晶成長にて形成する半導体活性層部分である。図１を用いて説明すると、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層１０１を５８ｎｍ、アンドープ多重量子井戸構造１０２、およびアンドープ上側光ガイド層１０３厚を６０ｎｍを選択成長法にて積層する。このとき、多重量子井戸構造１０２における障壁層ＩｎＧａＡｓＰの組波長を１．３μｍとし井戸層数が７層となるように多重量子井戸構造を作製する。また、ＥＡ変調器における電流中入長を第１の関連技術では１５７μｍであったのを１７７μｍとなるように発光素子寸法を設計し、それ以外は第１の関連技術と同等の条件にて作製する。さらに発光素子モジュールに搭載後の静特性、および高周波特性は第１の関連技術の発光素子を搭載した発光素子モジュールとほぼ同等であるが、αパラメータは図３の（ｂ）に示すとおり、第１の関連技術の発光素子におけるαより低い値を示し、ＥＡ変調器に電圧をＶ_ＯＨ―Ｖ_ｍｏｄ／２程度印加した時点でαの符号が負に変わっている。本関連技術で示す発光素子を搭載した発光素子モジュールにおける光ファイバ伝送評価では、第１の関連技術と異なり、通常のファイバ４０ｋｍ（分散値：８００ｐｓ／ｎｍ）を伝送させた場合、所望の伝送ペナルティ値の基準を満たすことができる。これはαが低いために発光素子をＯＮ／ＯＦＦ変調した時のチャープ量が少なくなり、この結果として光ファイバ伝送距離を長くしてもチャープ量が許容範囲に納まるためである。
【００１５】
本発光素子モジュールを搭載した光送信器を使用した光伝送システムの構成を図４を用いて説明する。本関連技術による光送信器を４０１とすると、光前段増幅器４０２、４０ｋｍ（分散値８００ｐｓ／ｎｍ）の光ファイバ４０３、光後段増幅器４０５、および光受信器４０６で構成されることになる。つまり、４０ｋｍの距離において、第１の関連技術の場合に必要であった分散補償ファイバ４０４が不要となる。一方、本関連技術による光送信器を、分散補償ファイバ４０４を入れた図４に示した光伝送システムに使用した場合、伝送路中に分散補償ファイバが入っているため、過剰にチャープを補償してしまう。このため過剰分散がおこり、伝送ペナルティが基準を超えてしまうため、実用困難となる。したがって、本関連技術における発光素子は、４０ｋｍまで光の周波数分散が無補償である光伝送系を有するシステムに使用され、４０ｋｍ版ＥＡ変調器集積化ＤＦＢレーザであるといえる。
【００１６】
したがって、第１および第２の関連技術に示すように、αカーブの異なるＥＡ変調器集積化ＤＦＢレーザを作製して、異なる光伝送システムを構築している。つまり、光ファイバーの分散値ごとにＥＡ変調器集積化ＤＦＢレーザを使い分けて使用していることになる。
【００１７】
さらに、第３の関連する技術について、以下の通り説明する。
【００１８】
ＤＦＢレーザに変調器が直列に２つ形成されたデバイス構造は、例えば、Ｋ．Ｓａｔｏ．ｅｔａｌ．，Ｔｅｃｈ．ＤｉｇｅｓｔｏｆＥＣＯＣ．，（１９９３），ＷｅＣ７，２．"ＡＭｕｌｔｉ−ＳｅｃｔｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｏｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＤＦＢＬａｓｅｒｆｏｒＯｐｔｉｃａｌＰｕｌｓｅＧｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ" がある。この構造の場合、ＤＦＢレーザに直列に形成された２つの変調器１と変調器２は、結晶構造や変調器長を含む変調器の構造が全く同一であり、同一のαパラメータを有する。したがって、この発光素子にて光伝送を行う場合、変調器１を駆動させた場合と変調器２を駆動させた場合とで、αパラメータはほぼ同じ値を有するため、伝送特性は同一となる。さらに、本関連の技術に記載されている発光素子の使用方法は、２つの変調器のうちの変調器１をＲＦパルスの発生に使用し、変調器２をエンコーダーとして使用している。これは、光伝送方式の１つである時分割多重光伝送を使用目的とした発光素子である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、上記関連技術では、異なる光伝送路において異なるシステムごとに、ＥＡ変調器集積化ＤＦＢレーザを設計する必要がある。
【００２０】
このように、各システム（例えば２０ｋｍ伝送用と４０ｋｍ伝送用）に対して２種類以上の発光素子、および、発光素子モジュールを作製することは、今後要求されていく低コスト化において、重大なデメリットとなる。また、発光素子、あるいは発光素子モジュールを使用する側にしても、システムごとに互換性がないため、使用に不都合が生じ、低コスト化、工程短縮化の妨げとなる。
【００２１】
例えば、ある都市であるサイトＡから別の都市であるサイトＢへ光伝送システムを設計する場合、サイトＡＢ間距離の光ファイバーの分散と、光送信器光源のαパラメータを考慮して、適当な所に分散補償ファイバを導入する等を行い、全体の伝送路の分散を設計する。ところが、その後、仮にサイトＡからの通信先が、ＡとＢとの間に位置する新たな都市であるサイトＣへ切り替わった場合、伝送距離が変わるため、光ファイバの分散値が変わることになる。このとき、上記関連技術では、光送信器光源のα値が固定されているため、光伝送システム全体の光ファイバーの分散値を新たな都市であるＣのサイトの光受信器側に分散補償ファイバを敷設して調整する必要が生じる。
【００２２】
これらの問題は、１つのＥＡ変調器集積化ＤＦＢレーザが、ある１つの固有のαパラメータのみを有し、それが不可変であることに起因する。
【００２３】
本発明の目的は、１つの発光素子にて、複数種類の光伝送システムを構築可能とし、設計や製造の短縮、並びに、コストの低減を図ることにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
然るに、上記課題を解決するために、１つの変調器集積化発光素子に、複数のαパラメータ特性を持たせることと特徴とする。
【００２５】
したがって、例えば、２つの特性を有する第１の変調器と第２の変調器で発光素子を構成すれば、サイトＡからサイトＢへ光伝送する際には、変調器１を使用し、サイトＡからの通信先が、ＡとＢとの間に位置するサイトＣへ切り替わった場合、変調器２を使用する、というように、１つの発光素子、あるいは発光素子モジュールにて２つのシステムに対応することが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、第１から第７の実施例について説明する。
本発明の第１の実施例について図３、図５〜図１０を用いて説明する。本実施例は、１０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用である、波長１．５μｍ帯半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザに適用した例である。
【００２７】
図５に本発明による発光素子として、発光部にレーザ異を用いた、半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザとなる層構成示す。
関連の技術で説明したＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、レーザ部とＥＡ変調器部の２つの部分から構成されているのに対し、本発明による発光素子としてのＥＡ変調器集積光源は、図５に示すように、レーザ部とＥＡ変調器１、およびＥＡ変調器２の合計３つの部分から構成されている。したがって、レーザ部、ＥＡ変調器１、およびＥＡ変調器２をそれぞれの多重量子井戸層構造部分の総膜厚がこの順序で厚く形成されるようなパターンの選択成長用酸化膜マスクを形成した後、第２の関連技術で述べたように、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層５０１、アンドープＩｎＧａＡｓＰ井戸層と組成波長１．３μｍであるアンドープＩｎＧａＡｓＰの障壁層７周期からなる歪多重量子井戸構造５０２、アンドープＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層５０３を６０ｎｍ順次形成する。この時、図５に示すように、多重量子井戸構造総厚がレーザ部、ＥＡ変調器１、ＥＡ変調器２の順で厚く形成される。したがって、ＥＡ変調器１あるいはＥＡ変調器２における歪多重量子井戸構造吸収波長がレーザ部吸収波長に比べて小さくなり、さらにＥＡ変調器２における多重量子井戸構造吸収端波長がＥＡ変調器１におけるものより３から５ｎｍほど小さくなっている。
【００２８】
変調器の吸収端波長とは、変調器励起子吸収ピーク波長で定義する。この時、励起子とはクーロン力と量子閉じ込め効果により量子井戸内に存在する電子、正孔対であり、この励起子の基底状態のエネルギーが励起子吸収ピークエネルギーEに相当する。したがって、励起子吸収ピーク波長λはλ＝ｈｃ／Ｅで与えられる。（ここで、ｈはプランク定数、ｃは真空での光速度）
続いて関連技術と同様に回折格子形成、クラッド層成長、メサ形成、およびＦｅ−ＩｎＰ埋め込み成長を行う。
【００２９】
次に、図６を用いて、簡単にＥＡ変調器集積化ＤＦＢレーザの発光素子作製工程を以下に説明する。
【００３０】
この時、関連技術と異なり、ＤＦＢレーザの前に２個の変調器を集積するため、メサストライプの光軸方向の長さは、８００μｍと長くなっている。次にＤＦＢレーザ（１０９）と変調器１（６０１）、および変調器１（６０１）と変調器２（６０２）の間にそれぞれ分離溝６０３を形成する。また、このアイソレーション確保のためには、パッシベーション膜形成後に、ＤＦＢレーザ（１０９）と変調器１（６０１）の間、および変調器１（６０１）と変調器２（６０２）の間にそれぞれプロトン等の高抵抗のイオンをイオン注入することもできる。続いてパッシベーション膜１０６の形成、ｐ側電極１０７を形成する。変調器長については、ＥＡ変調器１、およびＥＡ変調器２とも１７７μｍとし、ＥＡ変調器の電極パットは変調器１とＥＡ変調器２で、メサ型導波路を挟んで両側に配置した。これ以降は、関連技術と同様に作製できる。
【００３１】
続いて、図７に本発光素子をチップキャリアに搭載した図を示す。
チップキャリア７０１において、２つ高周波線路７０６が方向性結合器にならないようにＥＡ変調器搭載部分を挟んで配置している。チップキャリア７０１に、本素子としてのＥＡ変調器集積化ＤＦＢレーザ７０２とチップコンデンサ７０４を搭載後、レーザ部分とＥＡ変調器１およびＥＡ変調器２にそれぞれＡｕワイヤー７０５によりワイヤーボンディングを行う。このとき各々のＥＡ変調器のＡｕワイヤーに関して、高周波のクロストーク、リークの問題が懸念されるが、ＥＡ変調器パット部分がメサ型導波路を挟んで配置されているため各々のＡｕワイヤー間に十分な距離が保たれることにより、問題がない設計になっている。また、高周波線路ＥＡ変調器は電気反射を抑制するために薄膜抵抗７０３で終端されている。
【００３２】
さらに、図８に本素子を発光素子モジュールに搭載した図を示す。なお、このモジュール化によって気密封止されるが、図では省略している。図８に示すように、高周波入力がチップキャリアの両側に各１つづつあるため、発光素子モジュールにおいても、左右両側（図８においては上下）に高周波入力端子が来る２入力型となる以外は、第１の関連技術での説明と同様である。
【００３３】
本ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを搭載した発光素子モジュールの光出力特性は、ＥＡ変調器が２個集積化されているため関連技術で説明したＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを搭載した発光素子モジュールより約３ｄＢ程度減少するが、実用上大きな問題は生じない。また、高周波特性である帯域、および電気信号反射においては、ＥＡ変調器１あるいはＥＡ変調器２を駆動させた場合で若干ことなるが、実用上問題の無いレベルに制御することが可能である。次に、消光比特性、およびαパラメータにおいては、ＥＡ変調器１を駆動させた場合と、ＥＡ変調器２を駆動させた場合とで異なる特性を示す。図３を用いて説明すると、変調器１、および変調器２を駆動させた場合のそれぞれのαパラメータは図３における（ｂ）と（ａ）に対応するような特性になる。したがって、ＥＡ変調器１を駆動させる場合は４０ｋｍ伝送システム、ＥＡ変調器２を駆動させる場合は２０ｋｍ伝送にそれぞれ対応させることが可能となる。本発光素子モジュールにおける高周波の入力が２入力であるため、光送信器に配置する際に若干スペースをとるが、前述の様に、高周波信号のクロストーク、方向性結合等の問題が生じにくいというメリットがある。
【００３４】
図８の発光素子モジュールを光送信器に搭載したブロック図を図９、および図１０に示す。
【００３５】
図９の光送信器は、変調器駆動ドライバー９０１、本発明の発光素子９０２、発光素子モジュール９０４、およびドライバー電源９０５で構成されている。ドライバー電源９０５は、電源供給の切り替えスイッチ、および、電源供給しない変調器側へのバイアスを０Ｖにする機能を有する。この光送信器の場合、変調器１を使用する場合の信号入力は図中の電気信号入力１、変調器２を使用する場合の信号入力は図中の電気信号入力２とし、ドライバー電源９０５を切り替えることにより、異なる２種類のαパラメータ、つまり異なる２種類の伝送特性を有することが可能となる。
【００３６】
一方、図１０の光送信器は変調器駆動ドライバー９０１、本発明の発光素子９０２、本発明による発光素子モジュール９０４、および高周波切り替えスイッチ１００１で構成されている。この場合、電気信号の入力は１つであり、高周波切り替えスイッチ１００１を切り替えることにより、変調器１と変調器２とを切り替え、異なる２種類のαパラメータ、つまり、異なる２種類の伝送特性を有することが可能となる。
【００３７】
本実施例の発光素子作製の説明では、第一回目の結晶成長において、選択成長技術を使用することにより、ＥＡ変調器１、およびＥＡ変調器２の活性層を同時に形成している。このため、作製工程が容易である。
【００３８】
変調器長は１７７μｍとしたが、本発光素子の帯域、変調器への電圧印加時の消光比等の仕様に伴い条件を変えても、同様の効果が得られる。
【００３９】
また、発光素子モジュールの実装では、上記の方法を取るほか、本素子評価結果から発光素子モジュールの段階で変調器１、あるいは変調器２のαカーブに仕様を決定して関連技術のＥＡ変調器が一つのみである発光素子と同様の実装形態とすることも可能である。ただし、この場合は発光素子モジュール搭載以降、αパラメータを選択することは不可能となる。
【００４０】
次に別の例を第２の実施例として、以下に説明する。
【００４１】
図１１に、第１の実施例に記載の発光素子で、２つのＥＡ変調器の電極パットが変調器１と変調器２で、メサ型導波路を基準に同一方向に電極パットを形成し、これを発光素子モジュールに組み立て後、光送信器に搭載した図を示す。発光素子、および、発光素子モジュールの作製については、前述の説明と発光素子の電極形成工程、および発光素子モジュール実装時における高周波入力部分の配置が異なるが、ほぼ同一なので、説明は省略する。
【００４２】
図１１の光送信器は変調器駆動ドライバー１１０１、発光素子メサ型導波路の同一方向に電極パットを形成した発光素子１１０２、発光素子モジュール１１０１、高周波切り替えスイッチ１１０３、および変調器駆動ドライバー１１０４で構成されている。この場合、電気信号の入力は１つであり、高周波切り替えスイッチ１１０３を切り替えることにより、変調器１と変調器２とを切り替え、異なる２種類のαパラメータ、つまり、異なる２種類の伝送特性を有することが可能となる。
【００４３】
さらに別の例として、第３の実施例について、図１２を用いて説明する。
図１２は、本発明による１０Ｇｂｉｔ／ｓ光送信器を用いた光伝送システムの構成である。
図１２（ａ）伝送路１の構成は、本発明による光送信器１２０１のあとに、光前段増幅器４０２、４０ｋｍ（分散値８００ｐｓ／ｎｍ）の光ファイバ１２０２、光後段増幅器４０５、および光受信器４０６で構成されている。
図１２（ｂ）伝送路２の構成は、本発明による光送信器１２０１のあとに、光前段増幅器４０２、２０ｋｍ（分散値４００ｐｓ／ｎｍ）の光ファイバ４０３、約２０ｋｍ毎に分散補償ファイバ４０４、光後段増幅器４０５、および光受信器４０６で構成されている。
したがって、本発明を用いることにより、伝送距離の異なるシステムに応じて、変調器を２種類の中から選択することができる。たとえば、図１２の（ａ）に示す伝送路の場合、すなわち通常の光ファイバ２０ｋｍ以上、たとえば４０ｋｍ（分散値：８００ｐｓ／ｎｍ）まで分散補償を行わない光伝送システムの場合は変調器１を使用、図１２の（ｂ）に示す伝送路のように２０ｋｍ毎にファイバーにおける光の周波数分散を補償するような光伝送系を有する光伝送システムにはＥＡ変調器２を使用することが可能となり、一つ送信器にて２つのシステムにそれぞれ対応することができる。
【００４４】
さらに別の例として、第４の実施例について、図６と図１３を用いて説明する。
【００４５】
関連技術と同様に、周知の選択成長法によりｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層１０２、アンドープＩｎＧａＡｓＰ井戸層と組成波長１．１５μｍであるアンドープＩｎＧａＡｓＰの障壁層８周期からなる歪多重量子井戸構造１０３、アンドープＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層の２層からなる上側光ガイド層１０４、ｐ型ＩｎＰキャップ層１０５を順次形成する。続いて選択成長にて膜厚が薄く形成されている領域の一部、つまり図１３に示す変調器２部が形成される部分を、ＳｉＮ膜をマスクとしてドライエッチングによりエッチングを施す。さらにウエットエッチングによる処理の後、前記ドライエッチングを施した領域に、図１３に示すように、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層１３０１、アンドープＩｎＧａＡｓＰ井戸層と組成波長１．３μｍであるアンドープＩｎＧａＡｓＰの障壁層７周期からなる歪多重量子井戸構造１３０２、アンドープＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層１３０３、ｐ型ＩｎＰキャップ層１０５をバットジョイント法により順次再成長させる。続いてＳｉＮ膜除去等の後、第１の実施例と同様に変調器が２個形成されるように発光素子を作製する。なお、こうして作製したＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは図６に示すものと外見上ほぼ同一のものになるので、詳細な完成図は省略する。
【００４６】
変調器１の部分と変調器２の部分では、下側光ガイド層、多重量子井戸構造、および上側光ガイド層の構造が異なるため、第１の実施例と同様に、ＥＡ変調器１、およびＥＡ変調器２を各々駆動させた場合、αパラメータ特性が異なる。またこれに加えて、以下の原因もαパラメータの違いの要因である。変調器１の部分と変調器２の上側光ガイド層において、変調器１はアンドープＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層の２層からなる上側光ガイド層１０４であるのに対し、変調器２はアンドープＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層１３０３であり、上側光ガイド層のドーピングレベルの違いにより、p型ＩｎＰクラッド層成長後のドーパント拡散の影響によりｐ型ＩｎＰ層ドーピング濃度が変調器１と変調器２で異なるプロファイルとなる。このｐ型ドーピング層のｐ型ドーピング濃度が異なることにも起因して、αパラメータ特性が異なった値となる。
【００４７】
したがって、本発光素子を発光素子モジュールに搭載し、送信光源とすることにより、システムに応じたαカーブが２種類の中から選択することができ、第１の実施例と同様の効果が得られる。さらに本実施例では、ＥＡ変調器２を作製する際に、バットジョイント技術を用いているため、第１の実施例と比較した場合、ＥＡ変調器２の多重量子井戸構造について設計の自由度が大きいという利点が上げられる。
【００４８】
本実施例の変調器長は１７７μｍとしたが、発光素子の帯域、変調器への電圧印加時の消光比等の仕様に伴い条件を変えても、同様の効果が得られる。
【００４９】
また、本実施例では、多重量子井戸構造における障壁層の組成波長、量子井戸周期数、および、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層厚が、それぞれ変調器１と変調器２で異なる。これは、αパラメータが、（屈折率変化量）／（吸収係数変化量）であるため、材料、およびＭＱＷ構造に依存するためである。したがって、αパラメータの設計するにあたっては、多重量子井戸構造における障壁層の組成波長、量子井戸周期数、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層厚、ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層ドーピング濃度等のパラメータを、調整して設計した場合においても同様の効果が得られる。さらに、本実施例では、バットジョイント法により再成長した部分を変調器２の部分として説明したが、変調器１部分、ＤＦＢレーザ部分、あるいはそのいずれかの組み合わせであっても同様の効果が得られる。本実施例の特徴は、第１の実施例と異なり、発光素子作製プロセスにおいては、変調器２領域の結晶成長の際にこれらのパラメータを自由に調整、設計することが可能であることである。このとき、ＥＡ変調器１における活性層吸収端がＥＡ変調器２における活性層吸収端に比べて同等、あるいは大きい量であれば、本実施例で述べた効果と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５０】
また、本実施例の発光素子を光伝送用発光素子モジュール、光送信器、および光伝送システムについては、実施例２、３に示したことと同様のことが考えられ、同じ効果がある。
【００５１】
本発明のさらに別の実施例として、第５の実施例について、図１４を用いて説明する。
【００５２】
本実施例は、１０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用である、波長１．５μｍ帯リッジ導波路型ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザに適用した例にである。
【００５３】
第１の実施例と同様の手法にて、第１回目の結晶選択成長を行った後、選択成長マスクを用いることにより、多重量子井戸層構造の総厚がレーザ部、ＥＡ変調器１、ＥＡ変調器２の順で厚く形成される。さらに第１の実施例の工程に従って、回折格子を形成した後、クラッド層成長を行う。続いて、臭化水素酸と燐酸の混合水溶液によるウェットエッチングを用いて、（１１１）Ａ面を側壁にもつ逆メサ断面形状のメサ型光導波路１４０１を図１４に示すように形成する。以降、リッジ導波路型レーザの通常の工程にて発光素子を作製する。
【００５４】
本実施例のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにおいても、第１の実施例と同様に、変調器１、および変調器２を有し、同様の効果があると言える。また、本実施例にて説明したリッジ導波路型構造は、第１の実施例、および第２の実施例と比較してＦｅ添加ＩｎＰの埋め込み再成長が無いため、発光素子作製が容易であるという利点がある。
【００５５】
本実施例においては、多重量子井戸層構造の総厚をレーザ部、ＥＡ変調器１、およびＥＡ変調器２で変えるために選択成長法を用いている。ところが、第４の実施例で説明したように、選択成長法とバットジョイント法を組み合わせて多重量子井戸層構造の総厚をレーザ部、ＥＡ変調器１、およびＥＡ変調器２で変えて発光素子を作製した場合も、同様の効果がある発光素子の作製が可能であすことは言うまでもない。
【００５６】
また、本実施例の発光素子を光伝送用発光素子モジュール、光送信器、および光伝送システムについては、第１の実施例、第２の実施例と同様のことが考えられ、同じ効果がある。
【００５７】
本発明のさらに別の実施例として、第６の実施例について、図１５を用いて説明する。
【００５８】
本実施例は、１０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザで、ＥＡ変調器をｎ個（ｎ≧２）直列に集積化した発光素子を用いた場合における、光伝送システムの実施例である。第１の実施例、第４の実施例、および第５の実施例において、２個のＥＡ変調器を集積した場合の素子作製方法について、記述したが、ｎ個のＥＡ変調器集積化についても、結晶選択成長法、およびバットジョイント法により同様に作製が可能である。また、ｎをいくつになるかは、レーザの光出力パワー、および発光素子モジュール実装時の高周波信号のクロストークなどの配慮が必要である。
【００５９】
第１から第５の実施例の技術により、ｎ個直列にＥＡ変調器を集積化した発光素子を用いて、光送信器を作製した場合における、光伝送システムの例を図１５に示す。
【００６０】
図１５は、ｎ個のＥＡ変調器を集積した発光素子が組み込まれた光送信器１５０１、１対ｎの光スイッチ１５０２、光ファイバ４０３、および光受信器６０６で構成された光伝送システムである。このとき光送信器から光受信器までの距離がそれぞれ異なるためチャーピングの制限により、距離に応じて異なるαパラメータの送信源にて光信号を送信する必要が生じる。本発明によるαパラメータの異なるｎ個のＥＡ変調器を集積した発光素子が組み込まれた光送信器を用いれば、光送信器から光受信器までの距離に応じて使用するＥＡ変調器を切り替え、１対ｎの光スイッチ１５０２と連動させて伝送路を切り替えることにより、伝送距離の異なる所望の場所へ、データを伝送することが可能である。ＥＡ変調器の切り替え方は、例えば１〜ｎ１までの受信部にはＥＡ変調器１を駆動させて対応、ｎ２〜ｎ３までは変調器２を駆動させる、等が考えられる。
【００６１】
従来は、電気信号によりｎ個の伝送路へ分配したのち、光信号へ変換して伝送する方式であり、伝送路ｎ個に対して、それぞれの伝送距離に応じた電気信号を光信号に変換する光送信器がｎ個必要であった。しかし本発明を用いると、１つの光送信器からの信号を光スイッチで分配して、伝送距離の異なる通信を行うシステム構成が可能になる。このシステムの場合、光送信器が１つで済むことになり、低コスト化、あるいはシステム構成が単純化され設計上のメリットは大きい。
【００６２】
本発明のさらに別の実施例として、第７の実施例について、図１６を用いて説明する。
【００６３】
本実施例は、１０Ｇｂｉｔ／ｓ光伝送用ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにおいて、ＥＡ変調器をｎ個（ｎ≧２）直列に集積化した発光素子を用いた場合における、光パスネットワークに応用した実施例である。
【００６４】
図１６は、ｎ個のＥＡ変調器を集積した発光素子が組み込まれた光送信器１５０１、１対１の光スイッチ１６０１、光ファイバ４０３、および光受信器６０６で構成された光伝送システムである。このとき光送信器から光受信器までの距離がそれぞれ異なるためチャーピングの制限により、距離に応じて異なるαパラメータの送信源にて光信号を送信する必要が生じる。本発明によるαパラメータの異なるｎ個のＥＡ変調器を集積した発光素子が組み込まれた光送信器を用いれば、光送信器から光受信器までの距離に応じて使用するＥＡ変調器を切り替え、光スイッチ１６０２と連動させて伝送路を切り替えることにより、伝送距離の異なる所望の場所へ、データを伝送することが可能である。ＥＡ変調器の切り替え方は、例えば１〜ｎ１までの受信部にはＥＡ変調器１を駆動させて対応、ｎ２〜ｎ３までは変調器２を駆動させる、幅広い伝送距離の光パスネットワークシステムについて、対応可能である。
【００６５】
【発明の効果】
本発明により、２つの異なる伝送特性を有するＥＡ変調器集積化光源が１つの発光素子で実現でき、さらに２つの異なる伝送システムに本発明発光素子を搭載した１つの発光素子モジュール、あるいは光送信器にて対応することが可能となる。また、１つの発光素子の特性にて、２つ以上のシステムが可能であることから、発光素子作製に時の低コスト化において重大なメリットとなる。発光素子モジュールおよび光送信器に関しても、システムごとにそれらを区別する必要がなくなり、光伝送回線設計において、低コスト化、システム調整の簡易化が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】関連する半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを示す。
【図２】関連する発光素子モジュールを示す。
【図３】関連する発光素子におけるαカーブ特性を示す。
【図４】関連する光伝送システムの構成を示す。
【図５】本発明による半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザとなる層構成を示す。
【図６】本発明による半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを示す。
【図７】本発明による半導体ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを搭載したチップキャリアを示す。
【図８】本発明による発光素子モジュールを示す。
【図９】本発明による光送信器を示す。
【図１０】本発明による光送信器を示す。
【図１１】本発明による光送信器を示す。
【図１２】本発明による光伝送システムの構成を示す。
【図１３】本発明による発光素子の作製工程説明図を示す。
【図１４】本発明による発光素子の作製工程説明図を示す。
【図１５】本発明による光伝送システムの構成を示す。
【図１６】本発明による光伝送システムの構成を示す。
【符号の説明】
１００…ｎ−ＩｎＰ基板、１０１…下側光ガイド層、１０２…歪多重量子井戸構造、１０３…上側光ガイド層、１０４…ｎ−ＩｎＰクラッド層、１０５…Ｆｅ−ＩｎＰ埋め込み層、１０６…パッシベーション膜、１０７…ｐ電極、１０８…ＥＡ変調器部、１０９…ＤＦＢレーザ部、１１０…ＡＲコート膜、２０１…従来構造のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが搭載されたチップキャリア、
２０２…サーミスタ、２０３…アイソレータ、２０４…光ファイバー、２０５…レンズ、２０６…高周波信号中継基板、２０７…高周波コネクタ、２０８…ペルチェ、
２０９…モニタＰＤ搭載ステム、２１０…ＰＩＮ端子、４０１…従来の技術１を用いた光送信器、
４０２…光前段増幅器、４０３…分散値４００ｐｓ／ｎｍ以下の光ファイバ、
４０４…分散補償ファイバ、４０５…光後段増幅器、
４０６…光受信器、５０１…下側光ガイド層、５０２…歪多重量子井戸活性層、
５０３…上側光ガイド層、６０１…変調器１、６０２…変調器２、６０３…分離溝、７０１…チップキャリア、７０２…従来構造のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ、７０３…薄膜抵抗、７０４…チップコンデンサ、７０５…Ａｕワイヤー、７０６…高周波線路、
８０１…本発明によるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを搭載したチップキャリア、
９０１…変調器駆動ドライバー、
９０２…本発明によるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ、
９０３…光ファイバ、
９０４…本発明による光素子モジュール、
９０５…ドライバー電源、
１００１…高周波切り替えスイッチ、１１０１…本発明による光素子モジュール、１１０２…本発明によるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ、１１０３…高周波切り替えスイッチ、１１０４…変調器駆動ドライバー、１２０１…本発明による光送信器、１３０１…下側光ガイド層、１３０２…歪多重量子井戸構造、１３０３…上側光ガイド層、１４０１…リッジ型導波路、１５０１…ｎ個のＥＡ変調器を集積した素子が組み込まれた送信器、１５０２…１対ｎの光スイッチ、１６０１…１対１の光スイッチ。

Claims

半導体電界吸収変調器集積型発光素子を含む発光素子モジュールで構成された光送信器であって、
（１）前記半導体電界吸収変調器集積型発光素子は、
発光領域である活性層に井戸層と障壁層を有する半導体多重量子井戸構造を有し、単一縦モードで発振する発光部と、
上記発光部の出射側に配置され、井戸層と障壁層を有する半導体多重量子井戸構造と該半導体多重量子井戸構造をはさむ光ガイド層とで形成された電界吸収型光変調器が複数個で構成された変調器部を有する半導体電界吸収光変調器集積型発光素子であって、
上記発光部が有する半導体量子井戸構造の総膜厚は上記変調器部の有するそれよりも大きく、かつ、上記発光部の出射側に近い方の上記変調器が有する半導体多重量子井戸構造の総膜厚は他の上記変調器が有するそれよりも大きくすることによって、上記発光部が有する半導体多重量子井戸構造の無バイアス下における吸収端波長は上記変調器部が有するそれよりも長く、上記発光部の出射側に近い方の上記変調器が有する半導体多重量子井戸構造の無バイアス下における吸収端波長が、上記発光部の出射側から遠い方の上記変調器が有する上記吸収端波長より長くなるよう構成し、
隣接する２個の前記変調器の電極パッドが、各々、メサ型導波路を挟んで両側に配置されている半導体電界吸収変調器集積型発光素子を有し、
前記複数の変調器が、ファイバーレスポンスピーク法によるαパラメータ値が異なる値をそれぞれ有しており、
（２）前記発光素子モジュールは、
前記半導体電界吸収変調器集積型発光素子がチップキャリアに搭載され、
上記発光素子と上記チップキャリアとが、前記変調器部における前記変調器の数に応じた電気信号を伝える複数の信号配線で電気的に接続され、
上記複数の信号配線が、上記電気信号を伝え、上記変調器数に応じた複数の信号入力端子に接続され、
上記発光素子が上記電気信号を電気／光変換する信号光の光軸線上に、上記信号光を集光するレンズと上記信号光を偏光させるアイソレータと上記信号光を伝達させる光ファイバとが固定され、気密封止されたパッケージとなっており、
（３）前記光送信器は、
前記信号光として送信する電気信号を入力し駆動する駆動回路と、上記電気信号の経路を切り替え信号で切り替える切り替えスイッチとで構成された駆動回路部とで構成された光送信器であって、
上記切り替え信号によって、前記複数の変調器のいずれか１つの変調器を動作させることを特徴とする光送信器。
前記半導体多重量子井戸構造が歪量子井戸構造であり、隣接する２つの前記変調器の前記井戸層厚と前記障壁層厚とがそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体電界吸収変調器集積型発光素子。
隣接する２つの前記光ガイド層の厚さがそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体電界吸収変調器集積型発光素子。
隣接する２つの前記変調器の半導体歪多重量子井戸構造における前記障壁層の組成比がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体電界吸収変調器集積型発光素子。
隣接する２つの前記変調器の半導体歪多重量子井戸構造における前記井戸層の層数がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体電界吸収変調器集積型発光素子。
隣接する２つの前記変調器のｐ型ドーピング層におけるｐ型ドーピング濃度がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体電界吸収変調器集積型発光素子。
隣接する２つの前記変調器のＥＡ変調器長が異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体電界吸収変調器集積型発光素子。
前記信号光として送信する電気信号を入力し駆動する駆動回路と、上記電気信号の経路を切り替え信号で切り替える切り替えスイッチとで構成された駆動回路部と、
請求項１に記載の発光素子モジュールとで構成された光送信器であって、
上記切り替え信号によって、前記複数の変調器のいずれかの変調器を動作させることを特徴とする光送信器。
請求項１に記載の光送信器と、
上記光送信器が発出する信号光を入力とし、前記切り替え信号に応じて複数ある出力経路のうちいずれかの出力経路に切り替え出力する光スイッチと、
上記光スイッチ出力を入力とし、上記複数ある出力経路に対応した複数の光ファイバと、
上記光ファイバと伝送する上記信号光を受信する光受信器を有する光伝送システムであって、
上記切り替え信号に応じて、上記信号光の伝送経路を切り替えることを特徴とする光伝送システム。
それぞれ異なった波長で発光する複数の請求項９に記載の光送信器と、
上記複数の光送信器の信号光を多重し、波長多重信号光を出力する光合波器と、
上記波長多重信号光を入力とし、前記切り替え信号に応じて複数ある出力経路のうちいずれかの出力経路に切り替わ出力する光スイッチと、
上記光スイッチ出力を入力とし、上記複数ある出力経路に対応した複数の光ファイバと、
上記波長多重信号光を波長ごとのそれぞれの信号光に分離する光分波器と
上記複数の信号光を受信する光受信器を有する光伝送システムであって、
上記切り替え信号に応じて、上記信号光の伝送経路を切り替えることを特徴とする光波長多重伝送システム。