JP4157736B2 - 光送信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レ−ザを用いた光信号送信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを用いた光通信用の光送信装置においては、送信光源として半導体レーザが用いられている。その光変調の１方式として、半導体レーザに流れる電流を増減させることによりレーザ光強度を変調する直接変調の方式が広く用いられている。この直接変調方式の半導体レーザ送信装置には大容量化要求に伴う光通信速度の高速化が求められている。高速化には主に下記項目が重要である。
（１）半導体レーザの緩和振動周波数の向上
（２）駆動回路の高速化
（３）寄生容量の低減
そして、それぞれの開発状況は次の通りである。上記（１）の課題については、半導体レーザの分野で積極的な研究開発が進められてきた。上記（２）の課題は、ｎｐｎバイポーラトランジスタの微細化及び構造最適化や従来のＳｉに替わるＳｉＧｅ系材料の適用により、１０Ｇｂ／ｓでの高速動作が実現されている。上記（３）の課題は、半導体レーザ、駆動回路及びそれらに付随する回路のすべてに共通する課題である。
【０００３】
特に、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速動作では、上記（１）、（２）の観点だけではなく、（３）の対策が極めて重要である。寄生容量の問題点を明らかにするために、図２に示す半導体レーザと駆動回路を接続した模式的な回路図を考察する。図２は半導体レーザ素子１に差動増幅回路部が接続された代表的な回路例である。符号１は半導体レーザ素子、符号２、３は差動増幅回路のトランジスタ、符号４はトランジスタ３の負荷となる定電流トランジスタ、符号５は差動増幅回路用の定電流トランジスタ、符号６は半導体レーザ１にバイアスを加えるための定電流回路、符号７は抵抗である。図２において、符号８、９は差動増幅回路の入力信号端子で、通常はＩＣで一体化されている前段の回路が接続される。
【０００４】
図３は、半導体レーザ素子の注入電流と光出力との関係及び当該半導体レーザ素子を用いた場合の信号電流の波形とこれに応ずる光出力の波形の関係を示した。図３の入力波形を考えた時、半導体レーザ素子は、注入電流値がしきい電流値以上で光出力が出るような光出力-電流特性を有するため、バイアス点までバイアス電流の付加が必要となる。図３の例では定電流回路６によってこのバイアス電流を供給している。即ち、定電流のトランジスタ（定電流回路６）で、バイアス点まで電流を注入しておき、差動増幅トランジスタ２により、振幅波形に相当する矩形電流をさらに注入する。この矩形電流の注入により光出力波形がレーザの発光端から出射される。以上が、当該半導体レーザ素子の駆動の骨子である。尚、図３では８５℃の半導体レーザの光出力-電流特性の一例を示している。
【０００５】
こうした回路構成において、寄生容量は主に半導体レーザ素子やトランジスタに並列に付加され、回路動作の高速化を阻害する。例えば、トランジスタは図４に例示するように等価的にコレクタＣとエミッタＥ間に寄生容量ＣCEが存在する。
【０００６】
更に、本例の駆動回路におけるトランジスタ２、３は、図２では原理を示す為、１つのトランジスタの記号で示されている。しかし、具体的に実際の装置を構成する場合、この１つの記号で表されるトランジスタは、複数のトランジスタを並列接続して最大出力電流を増加する形にしている。この例を図５に示す。これは５段の並列接続の例である。図５において、１０１〜１０５はそれぞれのトランジスタのコレクタ、２０１〜２０５はベース、３０１〜３０５はエミッタでありここでは５つのトランジスタが並列化される。そして、全体としてコレクタ１００、ベース２００、エミッタ３００で構成された大電流を流せるトランジスタとして機能する。特に、１０Ｇｂ／ｓ以上で半導体レーザを動作させるためには、図３に示すように、振幅５０ｍＡ程度の大電流を必要とするため、トランジスタ２、３に対しては、図５のようなトランジスタの並列化が必須である。従って、多数の個別トランジスタを有するため、全体として、当該回路に対する寄生容量も大きくなる。
【０００７】
更に、図２において、半導体レーザ素子１に流すバイアス用トランジスタ６も、通例同様に並列構成が用いられる。この並列段数は前記トランジスタ２、３とほぼ同じである。従って、このトランジスタ回路に対する寄生容量も大きい。即ち、バイアス用トランジスタ６の並列段数及び寄生容量が大きくなることの具体的な例を示すと次の通りである。バイアス用トランジスタ６が供給するバイアス電流は例えば２５ｍＡ程度でトランジスタ２、３の半分である。しかし、バイアス電流が定電流であるのに対して、差動増幅回路のトランジスタ２、３は振幅５０ｍＡで最小電流０ｍＡの矩形波で高周波動作しているため、平均化すると２５ｍＡとなる。従って、トランジスタ２、３とバイアス用トランジスタ６における並列段数はほぼ同数となるのが通例である。
【０００８】
尚、トランジスタの並列段数と最大出力電流は、トランジスタの発熱量で決まることを付け加えておく。バイアス用トランジスタ６には抵抗７が直列接続されており、この抵抗値を非常に大きくすればトランジスタ６の寄生容量の影響は小さくなるはずである。しかし、抵抗７の値は−５.２Ｖのような低い電源電圧では大きくすることが出来ないため、トランジスタ６の寄生容量により高速化が阻害されているのが実情である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光通信用送信装置において、回路内に存在する寄生容量を低減して容易に高速な動作を可能とする送信装置を提供することにある。更には、本発明は、半導体レーザ装置の駆動電流を高速に直接変調を可能とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、送信用の第１の半導体レーザ素子が半導体レーザ駆動回路の出力に接続され、この第１の半導体レーザ素子のバイアス電流に相当する光エネルギーを第１の半導体レーザ素子の活性層領域に供給する発光素子が設けられた半導体レーザ装置を具備する光送信装置である。更には、こうした光送信装置を実用的に可能とする半導体レーザ装置を提供する。
【００１１】
以下により、具体的な本発明の形態を説明する。その代表的な形態は、電源電圧側に送信用の第１のレーザ素子のｐ型側が接続され、ｎ型側は当該半導体レーザ素子の駆動電流を変調するための駆動回路の出力及び第１の定電流回路の一端に接続される。そして、当該半導体レーザ素子のバイアス電流相当の光エネルギーを当該半導体レーザ素子の活性層領域に供給する発光素子及びこの発光素子を発光せしめる第２の定電流回路が設けられる。
【００１２】
且つ、前記第１の定電流回路が出力する電流よりも前記第２の定電流回路が出力する電流のほうが大きいことが有用である。本発明による光エネルギーの供給により第１の定電流回路による電気的な供給が当然減少する。
【００１３】
更に、前記第１の定電流回路が有する寄生容量が、前記駆動回路の半導体レーザ素子側に接続されている寄生容量より小さいことが肝要である。
【００１４】
光エネルギーの供給方法は、前記発光素子の励起光が当該半導体レーザ素子の発振光の光軸に対して垂直の方向から当該半導体レーザ素子の活性層に入射される形態が代表的な形態である。即ち、レーザの光共振器の側面あるいは上面から供給される形態である。こうした形態の代表例は、半導体光集積回路装置によって提供される。
【００１５】
基板に、レーザ発振の為の活性層領域と光閉じ込め用のクラッド層領域とを有し且つ当該活性層領域における光の進行方向を長手方向となした第１の半導体積層体と、レーザ発振の為の活性層領域と光閉じ込め用のクラッド層領域とを有する第２の半導体積層体とが形成される。第２の半導体積層体の１つの側面は第１の半導体積層体の長手方向に平行な側面に対向し且つこの側面の当該第２の半導体積層体の活性層領域が第１の半導体積層体の活性層領域の側面に対向させる。そして、各半導体レーザ素子の特性は、前記第２の半導体積層体によるレーザ発光光が前記第１の半導体積層体によるレーザ発振のためのバイアス電流相当の光エネルギーを供給可能とする。各半導体レーザ素子自体の基本構成は、通例のものを用いて十分である。即ち、ファブリペロー型、分布帰還型、分布反射型、及び面発光型などを、その要請に応じて用いることが出来る。
【００１６】
又、前記発光素子の励起光の波長が当該半導体レーザ素子の発振光の波長よりも短いことが実際的である。この関係は、励起光による雑音防止並びに光エネルギー供給の観点から好ましい。
【００１７】
又、発光素子をビームスポット拡大レーザ素子として構成しても良い。通例の半導体層によるビーム拡大手段を用いて十分である。ビームが拡大され、両半導体レーザ素子の光結合を確実なのもとする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
本発明に関する、１.３μｍ帯の光通信用送信装置に適用した実施例の回路図を図１に示す。図１の右側は光励起用の半導体レーザ素子の領域、左側は光送信用の半導体レーザ素子の領域及びこの半導体レーザ素子の駆動回路の例を示す。そして、点線で囲われた領域１００は、通例、化合物半導体材料などになる光集積回路装置で構成される。その具体的構成は後述される。他の回路、例えば差動増幅回路、各定電流回路などは通例のシリコン材料系の回路で構成される。
【００１９】
光励起用半導体レーザ１０は、半導体レーザ１０を駆動するための定電流回路１１が、抵抗１２を介して接続されている。素子構造的には、半導体レーザ素子１０から出たレーザ光は、効率良く、光送信用半導体レーザ素子１の活性層領域に達するように設計されている。この光により光送信用半導体レーザ素子１は、電流ではなく光によって、バイアス状態となされる。前述の図３におけるバイアス点Ａまでバイアスされた状態と等価となす。この状態で、光送信用半導体レーザ１に駆動回路から図に例示される矩形状の振幅電流が入力されると、図３に例示される波形の光出力を得ることが出来る。
【００２０】
駆動回路自体は通例のもので十分であり、例えば、前述した図２のものと同様である。尚、定電流トランジスタ６については後述する。
【００２１】
トランジスタ２、３は差動増幅回路を構成している。差動増幅回路用トランジスタ２のコレクタには半導体レーザ素子１が接続され、一方、差動増幅回路用トランジスタ３の負荷には定電流トランジスタ４が接続される。符号５は差動増幅回路用の定電流トランジスタ、符号６は半導体レーザ素子１にバイアスを加えるための定電流回路、符号７は抵抗である。
【００２２】
定電流トランジスタ６の使用について説明する。図１に示す例においても、バイアス用の定電流トランジスタ６を設けている。これは差動増幅回路の出力トランジスタ２の出力電流が０ｍＡ、即ち、カットオフ状態になっても、半導体レーザ１と出力トランジスタ２の接続線の電位が不安定にならないようにするためである。従って、必要な電流は０.０１ｍＡ〜０.１ｍＡと、従来の１/２５０から１/２５００の大きさである。この為、トランジスタ６には寄生容量の小さなトランジスタを使用することができる。こうして、従来の半導体レーザ素子のバイアス回路による高速性の劣化が極めて少ない光通信用送信装置を実現することが出来た。
【００２３】
本発明では、半導体レーザ素子部の構造として、光励起用半導体レーザ１０からの光を効率良く駆動用の半導体レーザ１に注入することが重要となる。駆動用半導体レーザの活性層全体に光を注入するため、基本的には駆動用半導体レーザの光出射方向に垂直な方向、即ち、側面あるいは上面から注入することが好ましい。
【００２４】
本実施例では、図６に示すような同一基板上に、二つの半導体レーザが集積化されたものを用いた。図６のように、ＩｎＰ基板１７に、光励起用半導体レーザ１５と駆動用半導体レーザ１３とが、その発光領域及び活性層とが対向して配置されている。この場合、両半導体レーザ素子の間隔は光結合の観点からは狭い方が好ましい。通例、半導体層への保護層のカバレッジやホトレジストを用いての加工に際しての解像度などの観点から、１μｍより１０μｍ程度の範囲で設計される。
【００２５】
波長１.３０μｍで発振する駆動用半導体レーザ１３の共振器長は、１００μｍで、駆動用半導体レーザ１３の活性層１４は、ＩｎＧａＡｌＡｓを用いた通例の多重歪量子井戸層から構成される。又、１５は光励起用半導体レーザ１５の共振器長は２００μｍである。光励起用半導体レーザの活性層１６は、駆動用半導体レーザ１３を励起するため、光励起用半導体レーザの発振波長が駆動用半導体レーザ１３の発振波長、即ち、駆動用半導体レーザ１３の活性層領域の波長組成より少し短波長に作製されることが好ましい。ここでは選択成長法により、同一結晶成長で波長１.２９μｍの発振波長の活性層を成長した。
【００２６】
これらの波長の差は、エネルギー差に換算して３００ｍｅＶ以下が良い。このエネルギー差は、１．３μｍ帯のレーザでは０．３１１μｍ以下、１．５５μｍ帯のレーザでは０．４２３μｍ以下に相当する。
【００２７】
ＩｎＰ基板に設けられた光励起用半導体レーザ１５と駆動用半導体レーザ１３の発光端面１９、及び１８は、鏡面な端面に高反射コーティングが施されている。尚、鏡面１８、１９は、通例のドライエッチ法により作製される。
【００２８】
図６の如く集積化されたレーザ素子の駆動用半導体レーザ１３のしきい電流は、２５℃で５ｍＡ、８５℃で１４ｍＡであった。又、励起光用半導体レーザ１５のしきい電流は２５℃で１２ｍＡ、８５℃で２４ｍＡであった。２５℃で１８ｍＡ、８５℃で３６ｍＡを１５の光励起用半導体レーザに注入すると駆動用半導体レーザ１３のレーザは発振した。又、適切なバイアス条件は励起用半導体レーザに２５℃で２４ｍＡ、８５℃で４６ｍＡの条件であった。
【００２９】
本集積化レーザを使い図１の回路に基づいて作製された１.３μｍ帯光通信用送信装置は２５℃において３８ｍＡ、８５℃において４８ｍＡの振幅電流で２０Ｇｂ／ｓの速度で良好なアイ開口を得ることができた。即ち、本例では、０℃〜８５℃において良好な動作を得ることができた。
【００３０】
次に、駆動用半導体レーザ素子の光出射方向の上面から、光エネルギーを注入する例を、図７を用いて説明する。駆動用半導体レーザ素子１３の上面に励起用半導体レーザ素子１５は配置される。図７の例では、各々の半導体レーザ素子は、ディスクリート即ち個別の製造される。下部の駆動用半導体レーザ素子１３の構成は次の通りで、通例の方法で製造することが出来る。ｎ型ＩｎＰ基板２２上に多重量子井戸活性層２１が形成され、この領域は通例のメサ型のストライプ形状となされている。このストライプ形状の両側部に、いわゆる埋め込み層が形成される。即ち、これらは、ｐ型電流ブロック層２４、ｎ型電流ブロック層２５、ｐ型電流ブロック層２６である。そして、こうして準備された基体の上部に、ｐ型ＩｎＰ層２７及びオーミックコンタクト層としてＩｎＧａＡｓ層２８が形成される。ＩｎＧａＡｓ層２８は活性層２１の上部が取り除かれており、上部から光入射が可能なようになっている。ｎ型ＩｎＰ基板２２の裏面にｎ側のオーミック電極２３が、一方、ＩｎＧａＡｓ層２８上にｐ側のオーミック電極２９が形成されている。
【００３１】
励起用半導体レーザ素子１５はＩｎＰ基板１７と活性層領域１６を模式的に示したが、通例の電流狭窄構造のもので十分であるので、詳細説明は省略する。
＜実施例２＞
本発明を１.３μｍ帯の光通信用送信装置に適用した第２の実施例について述べる。使用した回路は実施例１と同様である。集積化した半導体レーザは図８のような構造を用いた。図８において１３は駆動用半導体レーザで１４はその活性層、１５は励起用半導体レーザで１６はその活性層、１７はｎ型ＩｎＰ基板、１８はドライエッチ端面、５１、５２はＦｅがドーピングされたＩｎＰから成る半導体電流ブロック層、５３、５４はへき開によって作られた光励起用レーザの端面であり、励起用半導体レーザの共振器の中に駆動用半導体レーザが挟みこまれた構造を有する。尚、図８は可視化のために電極やコーティング膜は省いて描いてある。また、駆動用半導体レーザには実施例１のファブリペロー型のレーザではなく、単一波長で発振する分布帰還型半導体レーザを使用した。図８のＡ−Ａ'断面、すなわち、駆動用レーザの断面を図９に示す。
【００３２】
図９において励起用半導体レーザは活性層１４の上部にλ／４シフトを有するＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子６４を設けて単一モードで発振するようにした。７０がλ／４シフトの境界である。ドライエッチングにより形成された端面１８のコーティング膜６１は０.６％の低反射コーティングとした。また、６３、６２は光ガイド層、６５はクラッド層で６６はＩｎＧａＡｓのコンタクト層で６７の上部電極とのオーミックコンタクトを取るためにある。６９は下部電極である。６８は後端面のコーティング膜で反射率は９０％である。発振波長は１.３０５μｍであった。デバイス寸法はさらなる高速化を目的として６０μｍに共振器長を短くした。励起用半導体レーザの共振器長は４００μｍとした。励起用半導体レーザは特に単一モードにする必要がなく外部に光を出射する必要がないので両端面共に９５％の反射コーティングを施したファブリペロー型の半導体レーザを作製した。
【００３３】
本実施例の駆動用半導体レーザ１３のしきい電流は２５℃で３.８ｍＡ、 ７０℃で９.５ｍＡであった。また、励起光用半導体レーザ１５のしきい電流は２５℃で４ｍＡ、７０℃で８ｍＡであり、２５℃で８.９ｍＡ、７０℃で２１ｍＡを１５の光励起用半導体レーザに注入すると駆動用半導体レーザ１３のレーザは発振した。また、適切なバイアス条件は励起用半導体レーザに２５℃で１４ｍＡ、７０℃で３０ｍＡの条件であった。尚、バイアス用の定電流トランジスタ１１からの電流は０.０５ｍＡで極めて小さく、１１の寄生容量は極めて小さい値であった。本集積化レーザを使い図１の回路に基づいて作製された１.３μｍ帯光通信用送信装置は寄生容量が小さいことを反映してバイアス２５℃において５０ｍＡ、７０℃において６０ｍＡの振幅電流で４０Ｇｂ／ｓの速度で良好なアイ開口を得ることができ、０℃〜７０℃において４０Ｇｂ／ｓ良好な動作を得ることができた。
【００３４】
尚、本実施例で駆動用半導体レーザは分布帰還型半導体レーザを用いたが、分布反射型半導体レーザ或いは面発光レーザを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに、５２の半導体ブロック層はＦｅがドーピングされたＩｎＰを使用したが、ＲｕがドーピングされたＩｎＰやｐｎｐが積層されたＩｎＰ層、あるいはＩｎＡｌＡｓとＦｅ−ＩｎＰが積層さらた半導体ブロック層でも同様の効果が得られることは言うまでもない。また、本実施例では励起用素子として半導体レーザを用いたが発光ダイオードを用いても励起可能であることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明では、直接変調方式で半導体レーザを駆動する光通信用送信装置内の半導体レーザ駆動回路と半導体レーザ間の寄生容量低減に対して効果ある。これは即ち変調速度の向上に対して効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例を表す回路図である。
【図２】図２は従来の回路図である。
【図３】図３は本発明の効果を説明する為の図である。
【図４】図４は回路を詳細に説明する図である。
【図５】図５は回路を詳細に説明する図である。
【図６】図６は本発明の実施例を示す斜視図である。
【図７】図７は励起光を上部から入射する例を示す断面図である。
【図８】図８は第２の実施例の示す斜視図である。
【図９】図９は図８の例のＡ−Ａ‘断面図である。
【符号の説明】
１：半導体レーザ、２、３：差動増幅回路の出力トランジスタ、４：負荷用定電流トランジスタ、５：差動増幅回路の定電流トランジスタ、６：バイアス用の定電流トランジスタ、７：抵抗、８、９：差動増幅回路用入力信号端子、１０：光励起用半導体レーザ、１１：光励起用半導体レーザ用の定電流トランジスタ、１２：抵抗、１３：駆動用半導体レーザ、１４：駆動用半導体レーザの活性層、１５：光励起用半導体レーザ、１６：光励起用半導体レーザの活性層、１７：ＩｎＰ基板、１８、１９：ドライエッチ端面、１００：並列化されたトランジスタのコレクタ端子、１０１〜１０５：トランジスタのコレクタ、２００：並列化されたトランジスタのベース端子、２０１〜２０５：トランジスタのベース、３００：並列化されたトランジスタのエミッタ端子、３０１〜３０５：トランジスタのエミッタ、５１、５２：半導体電流ブロック層、５３、５４：へき開端面、６１：コーティング膜、６２：下側ガイド層、６３：上側ガイド層、６４：回折格子層、６５：クラッド層、６６：コンタクト層、６７：上部電極、６８：下部電極、６９：コーティング膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レ−ザを用いた光信号送信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを用いた光通信用の光送信装置においては、送信光源として半導体レーザが用いられている。その光変調の１方式として、半導体レーザに流れる電流を増減させることによりレーザ光強度を変調する直接変調の方式が広く用いられている。この直接変調方式の半導体レーザ送信装置には大容量化要求に伴う光通信速度の高速化が求められている。高速化には主に下記項目が重要である。
（１）半導体レーザの緩和振動周波数の向上
（２）駆動回路の高速化
（３）寄生容量の低減
そして、それぞれの開発状況は次の通りである。上記（１）の課題については、半導体レーザの分野で積極的な研究開発が進められてきた。上記（２）の課題は、ｎｐｎバイポーラトランジスタの微細化及び構造最適化や従来のＳｉに替わるＳｉＧｅ系材料の適用により、１０Ｇｂ／ｓでの高速動作が実現されている。上記（３）の課題は、半導体レーザ、駆動回路及びそれらに付随する回路のすべてに共通する課題である。
【０００３】
特に、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速動作では、上記（１）、（２）の観点だけではなく、（３）の対策が極めて重要である。寄生容量の問題点を明らかにするために、図２に示す半導体レーザと駆動回路を接続した模式的な回路図を考察する。図２は半導体レーザ素子１に差動増幅回路部が接続された代表的な回路例である。符号１は半導体レーザ素子、符号２、３は差動増幅回路のトランジスタ、符号４はトランジスタ３の負荷となる定電流トランジスタ、符号５は差動増幅回路用の定電流トランジスタ、符号６は半導体レーザ１にバイアスを加えるための定電流回路、符号７は抵抗である。図２において、符号８、９は差動増幅回路の入力信号端子で、通常はＩＣで一体化されている前段の回路が接続される。
【０００４】
図３は、半導体レーザ素子の注入電流と光出力との関係及び当該半導体レーザ素子を用いた場合の信号電流の波形とこれに応ずる光出力の波形の関係を示した。図３の入力波形を考えた時、半導体レーザ素子は、注入電流値がしきい電流値以上で光出力が出るような光出力-電流特性を有するため、バイアス点までバイアス電流の付加が必要となる。図３の例では定電流回路６によってこのバイアス電流を供給している。即ち、定電流のトランジスタ（定電流回路６）で、バイアス点まで電流を注入しておき、差動増幅トランジスタ２により、振幅波形に相当する矩形電流をさらに注入する。この矩形電流の注入により光出力波形がレーザの発光端から出射される。以上が、当該半導体レーザ素子の駆動の骨子である。尚、図３では８５℃の半導体レーザの光出力-電流特性の一例を示している。
【０００５】
こうした回路構成において、寄生容量は主に半導体レーザ素子やトランジスタに並列に付加され、回路動作の高速化を阻害する。例えば、トランジスタは図４に例示するように等価的にコレクタＣとエミッタＥ間に寄生容量ＣCEが存在する。
【０００６】
更に、本例の駆動回路におけるトランジスタ２、３は、図２では原理を示す為、１つのトランジスタの記号で示されている。しかし、具体的に実際の装置を構成する場合、この１つの記号で表されるトランジスタは、複数のトランジスタを並列接続して最大出力電流を増加する形にしている。この例を図５に示す。これは５段の並列接続の例である。図５において、１０１〜１０５はそれぞれのトランジスタのコレクタ、２０１〜２０５はベース、３０１〜３０５はエミッタでありここでは５つのトランジスタが並列化される。そして、全体としてコレクタ１００、ベース２００、エミッタ３００で構成された大電流を流せるトランジスタとして機能する。特に、１０Ｇｂ／ｓ以上で半導体レーザを動作させるためには、図３に示すように、振幅５０ｍＡ程度の大電流を必要とするため、トランジスタ２、３に対しては、図５のようなトランジスタの並列化が必須である。従って、多数の個別トランジスタを有するため、全体として、当該回路に対する寄生容量も大きくなる。
【０００７】
更に、図２において、半導体レーザ素子１に流すバイアス用トランジスタ６も、通例同様に並列構成が用いられる。この並列段数は前記トランジスタ２、３とほぼ同じである。従って、このトランジスタ回路に対する寄生容量も大きい。即ち、バイアス用トランジスタ６の並列段数及び寄生容量が大きくなることの具体的な例を示すと次の通りである。バイアス用トランジスタ６が供給するバイアス電流は例えば２５ｍＡ程度でトランジスタ２、３の半分である。しかし、バイアス電流が定電流であるのに対して、差動増幅回路のトランジスタ２、３は振幅５０ｍＡで最小電流０ｍＡの矩形波で高周波動作しているため、平均化すると２５ｍＡとなる。従って、トランジスタ２、３とバイアス用トランジスタ６における並列段数はほぼ同数となるのが通例である。
【０００８】
尚、トランジスタの並列段数と最大出力電流は、トランジスタの発熱量で決まることを付け加えておく。バイアス用トランジスタ６には抵抗７が直列接続されており、この抵抗値を非常に大きくすればトランジスタ６の寄生容量の影響は小さくなるはずである。しかし、抵抗７の値は−５.２Ｖのような低い電源電圧では大きくすることが出来ないため、トランジスタ６の寄生容量により高速化が阻害されているのが実情である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光通信用送信装置において、回路内に存在する寄生容量を低減して容易に高速な動作を可能とする送信装置を提供することにある。更には、本発明は、半導体レーザ装置の駆動電流を高速に直接変調を可能とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、送信用の第１の半導体レーザ素子が半導体レーザ駆動回路の出力に接続され、この第１の半導体レーザ素子のバイアス電流に相当する光エネルギーを第１の半導体レーザ素子の活性層領域に供給する発光素子が設けられた半導体レーザ装置を具備する光送信装置である。更には、こうした光送信装置を実用的に可能とする半導体レーザ装置を提供する。
【００１１】
以下により、具体的な本発明の形態を説明する。その代表的な形態は、電源電圧側に送信用の第１のレーザ素子のｐ型側が接続され、ｎ型側は当該半導体レーザ素子の駆動電流を変調するための駆動回路の出力及び第１の定電流回路の一端に接続される。そして、当該半導体レーザ素子のバイアス電流相当の光エネルギーを当該半導体レーザ素子の活性層領域に供給する発光素子及びこの発光素子を発光せしめる第２の定電流回路が設けられる。
【００１２】
且つ、前記第１の定電流回路が出力する電流よりも前記第２の定電流回路が出力する電流のほうが大きいことが有用である。本発明による光エネルギーの供給により第１の定電流回路による電気的な供給が当然減少する。
【００１３】
更に、前記第１の定電流回路が有する寄生容量が、前記駆動回路の半導体レーザ素子側に接続されている寄生容量より小さいことが肝要である。
【００１４】
光エネルギーの供給方法は、前記発光素子の励起光が当該半導体レーザ素子の発振光の光軸に対して垂直の方向から当該半導体レーザ素子の活性層に入射される形態が代表的な形態である。即ち、レーザの光共振器の側面あるいは上面から供給される形態である。こうした形態の代表例は、半導体光集積回路装置によって提供される。
【００１５】
基板に、レーザ発振の為の活性層領域と光閉じ込め用のクラッド層領域とを有し且つ当該活性層領域における光の進行方向を長手方向となした第１の半導体積層体と、レーザ発振の為の活性層領域と光閉じ込め用のクラッド層領域とを有する第２の半導体積層体とが形成される。第２の半導体積層体の１つの側面は第１の半導体積層体の長手方向に平行な側面に対向し且つこの側面の当該第２の半導体積層体の活性層領域が第１の半導体積層体の活性層領域の側面に対向させる。そして、各半導体レーザ素子の特性は、前記第２の半導体積層体によるレーザ発光光が前記第１の半導体積層体によるレーザ発振のためのバイアス電流相当の光エネルギーを供給可能とする。各半導体レーザ素子自体の基本構成は、通例のものを用いて十分である。即ち、ファブリペロー型、分布帰還型、分布反射型、及び面発光型などを、その要請に応じて用いることが出来る。
【００１６】
又、前記発光素子の励起光の波長が当該半導体レーザ素子の発振光の波長よりも短いことが実際的である。この関係は、励起光による雑音防止並びに光エネルギー供給の観点から好ましい。
【００１７】
又、発光素子をビームスポット拡大レーザ素子として構成しても良い。通例の半導体層によるビーム拡大手段を用いて十分である。ビームが拡大され、両半導体レーザ素子の光結合を確実なのもとする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
本発明に関する、１.３μｍ帯の光通信用送信装置に適用した実施例の回路図を図１に示す。図１の右側は光励起用の半導体レーザ素子の領域、左側は光送信用の半導体レーザ素子の領域及びこの半導体レーザ素子の駆動回路の例を示す。そして、点線で囲われた領域１００は、通例、化合物半導体材料などになる光集積回路装置で構成される。その具体的構成は後述される。他の回路、例えば差動増幅回路、各定電流回路などは通例のシリコン材料系の回路で構成される。
【００１９】
光励起用半導体レーザ１０は、半導体レーザ１０を駆動するための定電流回路１１が、抵抗１２を介して接続されている。素子構造的には、半導体レーザ素子１０から出たレーザ光は、効率良く、光送信用半導体レーザ素子１の活性層領域に達するように設計されている。この光により光送信用半導体レーザ素子１は、電流ではなく光によって、バイアス状態となされる。前述の図３におけるバイアス点Ａまでバイアスされた状態と等価となす。この状態で、光送信用半導体レーザ１に駆動回路から図に例示される矩形状の振幅電流が入力されると、図３に例示される波形の光出力を得ることが出来る。
【００２０】
駆動回路自体は通例のもので十分であり、例えば、前述した図２のものと同様である。尚、定電流トランジスタ６については後述する。
【００２１】
トランジスタ２、３は差動増幅回路を構成している。差動増幅回路用トランジスタ２のコレクタには半導体レーザ素子１が接続され、一方、差動増幅回路用トランジスタ３の負荷には定電流トランジスタ４が接続される。符号５は差動増幅回路用の定電流トランジスタ、符号６は半導体レーザ素子１にバイアスを加えるための定電流回路、符号７は抵抗である。
【００２２】
定電流トランジスタ６の使用について説明する。図１に示す例においても、バイアス用の定電流トランジスタ６を設けている。これは差動増幅回路の出力トランジスタ２の出力電流が０ｍＡ、即ち、カットオフ状態になっても、半導体レーザ１と出力トランジスタ２の接続線の電位が不安定にならないようにするためである。従って、必要な電流は０.０１ｍＡ〜０.１ｍＡと、従来の１/２５０から１/２５００の大きさである。この為、トランジスタ６には寄生容量の小さなトランジスタを使用することができる。こうして、従来の半導体レーザ素子のバイアス回路による高速性の劣化が極めて少ない光通信用送信装置を実現することが出来た。
【００２３】
本発明では、半導体レーザ素子部の構造として、光励起用半導体レーザ１０からの光を効率良く駆動用の半導体レーザ１に注入することが重要となる。駆動用半導体レーザの活性層全体に光を注入するため、基本的には駆動用半導体レーザの光出射方向に垂直な方向、即ち、側面あるいは上面から注入することが好ましい。
【００２４】
本実施例では、図６に示すような同一基板上に、二つの半導体レーザが集積化されたものを用いた。図６のように、ＩｎＰ基板１７に、光励起用半導体レーザ１５と駆動用半導体レーザ１３とが、その発光領域及び活性層とが対向して配置されている。この場合、両半導体レーザ素子の間隔は光結合の観点からは狭い方が好ましい。通例、半導体層への保護層のカバレッジやホトレジストを用いての加工に際しての解像度などの観点から、１μｍより１０μｍ程度の範囲で設計される。
【００２５】
波長１.３０μｍで発振する駆動用半導体レーザ１３の共振器長は、１００μｍで、駆動用半導体レーザ１３の活性層１４は、ＩｎＧａＡｌＡｓを用いた通例の多重歪量子井戸層から構成される。又、１５は光励起用半導体レーザ１５の共振器長は２００μｍである。光励起用半導体レーザの活性層１６は、駆動用半導体レーザ１３を励起するため、光励起用半導体レーザの発振波長が駆動用半導体レーザ１３の発振波長、即ち、駆動用半導体レーザ１３の活性層領域の波長組成より少し短波長に作製されることが好ましい。ここでは選択成長法により、同一結晶成長で波長１.２９μｍの発振波長の活性層を成長した。
【００２６】
これらの波長の差は、エネルギー差に換算して３００ｍｅＶ以下が良い。このエネルギー差は、１．３μｍ帯のレーザでは０．３１１μｍ以下、１．５５μｍ帯のレーザでは０．４２３μｍ以下に相当する。
【００２７】
ＩｎＰ基板に設けられた光励起用半導体レーザ１５と駆動用半導体レーザ１３の発光端面１９、及び１８は、鏡面な端面に高反射コーティングが施されている。尚、鏡面１８、１９は、通例のドライエッチ法により作製される。
【００２８】
図６の如く集積化されたレーザ素子の駆動用半導体レーザ１３のしきい電流は、２５℃で５ｍＡ、８５℃で１４ｍＡであった。又、励起光用半導体レーザ１５のしきい電流は２５℃で１２ｍＡ、８５℃で２４ｍＡであった。２５℃で１８ｍＡ、８５℃で３６ｍＡを１５の光励起用半導体レーザに注入すると駆動用半導体レーザ１３のレーザは発振した。又、適切なバイアス条件は励起用半導体レーザに２５℃で２４ｍＡ、８５℃で４６ｍＡの条件であった。
【００２９】
本集積化レーザを使い図１の回路に基づいて作製された１.３μｍ帯光通信用送信装置は２５℃において３８ｍＡ、８５℃において４８ｍＡの振幅電流で２０Ｇｂ／ｓの速度で良好なアイ開口を得ることができた。即ち、本例では、０℃〜８５℃において良好な動作を得ることができた。
【００３０】
次に、駆動用半導体レーザ素子の光出射方向の上面から、光エネルギーを注入する例を、図７を用いて説明する。駆動用半導体レーザ素子１３の上面に励起用半導体レーザ素子１５は配置される。図７の例では、各々の半導体レーザ素子は、ディスクリート即ち個別の製造される。下部の駆動用半導体レーザ素子１３の構成は次の通りで、通例の方法で製造することが出来る。ｎ型ＩｎＰ基板２２上に多重量子井戸活性層２１が形成され、この領域は通例のメサ型のストライプ形状となされている。このストライプ形状の両側部に、いわゆる埋め込み層が形成される。即ち、これらは、ｐ型電流ブロック層２４、ｎ型電流ブロック層２５、ｐ型電流ブロック層２６である。そして、こうして準備された基体の上部に、ｐ型ＩｎＰ層２７及びオーミックコンタクト層としてＩｎＧａＡｓ層２８が形成される。ＩｎＧａＡｓ層２８は活性層２１の上部が取り除かれており、上部から光入射が可能なようになっている。ｎ型ＩｎＰ基板２２の裏面にｎ側のオーミック電極２３が、一方、ＩｎＧａＡｓ層２８上にｐ側のオーミック電極２９が形成されている。
【００３１】
励起用半導体レーザ素子１５はＩｎＰ基板１７と活性層領域１６を模式的に示したが、通例の電流狭窄構造のもので十分であるので、詳細説明は省略する。
＜実施例２＞
本発明を１.３μｍ帯の光通信用送信装置に適用した第２の実施例について述べる。使用した回路は実施例１と同様である。集積化した半導体レーザは図８のような構造を用いた。図８において１３は駆動用半導体レーザで１４はその活性層、１５は励起用半導体レーザで１６はその活性層、１７はｎ型ＩｎＰ基板、１８はドライエッチ端面、５１、５２はＦｅがドーピングされたＩｎＰから成る半導体電流ブロック層、５３、５４はへき開によって作られた光励起用レーザの端面であり、励起用半導体レーザの共振器の中に駆動用半導体レーザが挟みこまれた構造を有する。尚、図８は可視化のために電極やコーティング膜は省いて描いてある。また、駆動用半導体レーザには実施例１のファブリペロー型のレーザではなく、単一波長で発振する分布帰還型半導体レーザを使用した。図８のＡ−Ａ'断面、すなわち、駆動用レーザの断面を図９に示す。
【００３２】
図９において励起用半導体レーザは活性層１４の上部にλ／４シフトを有するＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子６４を設けて単一モードで発振するようにした。７０がλ／４シフトの境界である。ドライエッチングにより形成された端面１８のコーティング膜６１は０.６％の低反射コーティングとした。また、６３、６２は光ガイド層、６５はクラッド層で６６はＩｎＧａＡｓのコンタクト層で６７の上部電極とのオーミックコンタクトを取るためにある。６９は下部電極である。６８は後端面のコーティング膜で反射率は９０％である。発振波長は１.３０５μｍであった。デバイス寸法はさらなる高速化を目的として６０μｍに共振器長を短くした。励起用半導体レーザの共振器長は４００μｍとした。励起用半導体レーザは特に単一モードにする必要がなく外部に光を出射する必要がないので両端面共に９５％の反射コーティングを施したファブリペロー型の半導体レーザを作製した。
【００３３】
本実施例の駆動用半導体レーザ１３のしきい電流は２５℃で３.８ｍＡ、 ７０℃で９.５ｍＡであった。また、励起光用半導体レーザ１５のしきい電流は２５℃で４ｍＡ、７０℃で８ｍＡであり、２５℃で８.９ｍＡ、７０℃で２１ｍＡを１５の光励起用半導体レーザに注入すると駆動用半導体レーザ１３のレーザは発振した。また、適切なバイアス条件は励起用半導体レーザに２５℃で１４ｍＡ、７０℃で３０ｍＡの条件であった。尚、バイアス用の定電流トランジスタ１１からの電流は０.０５ｍＡで極めて小さく、１１の寄生容量は極めて小さい値であった。本集積化レーザを使い図１の回路に基づいて作製された１.３μｍ帯光通信用送信装置は寄生容量が小さいことを反映してバイアス２５℃において５０ｍＡ、７０℃において６０ｍＡの振幅電流で４０Ｇｂ／ｓの速度で良好なアイ開口を得ることができ、０℃〜７０℃において４０Ｇｂ／ｓ良好な動作を得ることができた。
【００３４】
尚、本実施例で駆動用半導体レーザは分布帰還型半導体レーザを用いたが、分布反射型半導体レーザ或いは面発光レーザを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに、５２の半導体ブロック層はＦｅがドーピングされたＩｎＰを使用したが、ＲｕがドーピングされたＩｎＰやｐｎｐが積層されたＩｎＰ層、あるいはＩｎＡｌＡｓとＦｅ−ＩｎＰが積層さらた半導体ブロック層でも同様の効果が得られることは言うまでもない。また、本実施例では励起用素子として半導体レーザを用いたが発光ダイオードを用いても励起可能であることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明では、直接変調方式で半導体レーザを駆動する光通信用送信装置内の半導体レーザ駆動回路と半導体レーザ間の寄生容量低減に対して効果ある。これは即ち変調速度の向上に対して効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例を表す回路図である。
【図２】図２は従来の回路図である。
【図３】図３は本発明の効果を説明する為の図である。
【図４】図４は回路を詳細に説明する図である。
【図５】図５は回路を詳細に説明する図である。
【図６】図６は本発明の実施例を示す斜視図である。
【図７】図７は励起光を上部から入射する例を示す断面図である。
【図８】図８は第２の実施例の示す斜視図である。
【図９】図９は図８の例のＡ−Ａ‘断面図である。
【符号の説明】
１：半導体レーザ、２、３：差動増幅回路の出力トランジスタ、４：負荷用定電流トランジスタ、５：差動増幅回路の定電流トランジスタ、６：バイアス用の定電流トランジスタ、７：抵抗、８、９：差動増幅回路用入力信号端子、１０：光励起用半導体レーザ、１１：光励起用半導体レーザ用の定電流トランジスタ、１２：抵抗、１３：駆動用半導体レーザ、１４：駆動用半導体レーザの活性層、１５：光励起用半導体レーザ、１６：光励起用半導体レーザの活性層、１７：ＩｎＰ基板、１８、１９：ドライエッチ端面、１００：並列化されたトランジスタのコレクタ端子、１０１〜１０５：トランジスタのコレクタ、２００：並列化されたトランジスタのベース端子、２０１〜２０５：トランジスタのベース、３００：並列化されたトランジスタのエミッタ端子、３０１〜３０５：トランジスタのエミッタ、５１、５２：半導体電流ブロック層、５３、５４：へき開端面、６１：コーティング膜、６２：下側ガイド層、６３：上側ガイド層、６４：回折格子層、６５：クラッド層、６６：コンタクト層、６７：上部電極、６８：下部電極、６９：コーティング膜。
Claims (8)
- レーザ発振の為の活性層領域と光閉じ込め用のクラッド領域とを有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の前記活性層領域に光エネルギーを供給可能な発光素子と、当該半導体レーザ素子の駆動回路とを、少なくとも有し、且つ前記半導体レーザ素子のｐ型側が電源側に接続用であり、前記半導体レーザ素子のｎ型側が前記半導体レーザ素子の駆動回路の出力に接続され、前記発光素子が前記半導体レーザ素子のバイアス電流相当の光エネルギーを前記半導体レーザ素子の活性層領域に供給が可能な発光素子であり、且つ
前記半導体レーザ素子が第１の半導体レーザ素子であり、前記発光素子が第２の半導体レーザ素子であり、
前記第１の半導体レーザ素子の駆動回路は、一対のトランジスタを有して構成される差動増幅回路と、前記第１の半導体レーザ素子のｎ型側に接続される第１の定電流回路と、前記差動増幅回路に接続される第２の定電流回路と、前記差動増幅回路に対する負荷回路とを少なくとも有し、前記第１の半導体レーザ素子のｎ型側は前記駆動回路の出力端及び前記第１の定電流回路の一端とに接続され、且つ前記第２の半導体レーザ素子の一端に第３の定電流回路が接続され、前記第３の定電流回路の出力電流が前記第１の定電流回路の出力電流より大きいことを特徴とする光送信装置。 - 前記発光素子の励起光の波長が前記半導体レーザ素子の発振波長より短いことを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。
- 前記第２の半導体レーザ素子の発振波長が前記第１の半導体レーザ素子の発振波長より短いことを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。
- 前記第１及び第２の半導体レーザ装置の各々が、ファブリペロー型、分布帰還型、分布反射型、及び面発光型の群から選ばれた一者であることを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。
- 発光素子の励起光は、前記半導体レーザ素子の発振光の光軸に対して垂直の方向からレーザの活性層領域に入射されることを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。
- 光エネルギーを供給する為の前記バイアス電流は、当該半導体レーザ素子のしきい電流値以上であることを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。
- 前記第１の半導体レーザ素子及び前記第２の半導体レーザ素子として、基板に、レーザ発振の為の活性層領域と光閉じ込め用のクラッド層領域とを有し且つ当該活性層領域における光の進行方向を長手方向となした第１の半導体積層体と、レーザ発振の為の活性層領域と光閉じ込め用のクラッド層領域とを有する第２の半導体積層体とを有し、
前記第２の半導体積層体の１つの側面は前記第１の半導体積層体の長手方向に平行な側面に対向し且つこの側面の当該第２の半導体積層体の前記活性層領域が前記第１の半導体積層体の活性層領域の側面に対向し、前記第２の半導体積層体によるレーザ発光光が前記第１の半導体積層体によるレーザ発振のためのバイアス電流相当の光エネルギーを供給が可能であることを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。 - 基板上に、少なくとも、前記第１の半導体レーザ素子及び前記発光素子として、レーザ発振の為の活性層領域と光閉じ込め用のクラッド領域とを有する第１の半導体レーザ素子及び前記第１の半導体レーザ素子の前記活性層領域に光エネルギーを供給可能な発光素子、及び前記第１の半導体レーザ素子の駆動回路とが集積して形成され、且つ
前記第１の半導体レーザ素子のｐ型側は電源側に接続用であり、前記第１の半導体レーザ素子のｎ型側が前記第１の半導体レーザ素子の駆動回路の出力に接続され、
前記発光素子が、前記第１の半導体レーザ素子のバイアス電流相当の光エネルギーを前記第１の半導体レーザ素子の前記活性層領域に供給が可能な発光素子であることを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。
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