JP4578989B2 - 光集積デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野の光変調機能付き光源として最適な光集積デバイスに関するものである。

従来の光通信用光源は、直流駆動の半導体レーザ素子から出力されたＤＣ（直流）光を、光変調器に通し、変調電気信号の印加により、光変調器からの出射光が光変調される形態である（非特許文献１参照）。

このときの駆動形態の従来の回路図を図６に示す。光変調器１への光変調器部電気信号Ｖｅａ（この光変調器部電気信号Ｖｅａは、変調電気信号Ｖｄと直流バイアス電圧Ｖｅａ＿ｂｉａｓを重畳した電気信号である）は、通常特性インピーダンス５０オームの線路を介して印加されるため、光変調器端での光変調器部電気信号Ｖｅａの電気反射を抑えるために、５０オーム終端されている。
また、光変調器１とＤＦＢレーザ２とが光結合される状態で配置される構造体となっている。即ち、ＤＦＢレーザ２から出射された出射光が、光変調器１への入射光Ｐｉｎとなり、この入射光Ｐｉｎが光変調器１にて光変調され、光変調器１から光変調された出射光Ｐｏｕｔが出力されるようになっている。

次に、光変調の様子を図７に模式的に示す。今、簡単のために、１００％のデジタル変調を考え、デジタル信号のマーク率を１／２とする。光出力（出射光Ｐｏｕｔ）がＯＦＦ状態では、入射光Ｐｉｎはすべて光変調器１内で吸収されており、このときの吸収により発生する吸収電流の大きさをＩｐｈ、光変調器部電気信号Ｖｅａの駆動電圧振幅値をＶｐｐとすると、光変調器１におけるＲＦ成分の平均ジュール熱は、Ｖｐｐ×Ｉｐｈ／２となる。また、半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザ２）は直流駆動のため、電圧及び電流をそれぞれＶｌｄ、Ｉｌｄとすると、Ｖｌｄ×Ｉｌｄの電力消費がある。

「低チャープ 10 Gbit/s用電界吸収型変調器集積化ＤＦＢレーザ」，NTT Ｒ＆Ｄ Vol.49, No.8, pp.450-457, 2000.

このように、従来の光変調デバイスでは、光変調器が１００％その機能（光変調の機能）を担っているため、光を十分に消光させるために大きな駆動電圧振幅（Ｖｐｐ）が必要であり、消光に伴って発生する吸収電流によるジュール熱により素子温度が上がる。この温度上昇を防ぐために大容量のペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う大きな電力消費があり、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、光変調器の駆動電圧、および光変調器での吸収電流が小さく、光変調器および半導体レーザでの消費電力が小さい光集積デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明は、光変調素子と半導体レーザ素子とが電気的に並列接続され、前記半導体レーザ素子側の直流動作状態における抵抗値が、変調電気信号を発生する単一変調信号源の特性インピーダンスにほぼ等しくなるように調整されると共に、
前記半導体レーザ素子から出射された光が前記光変調素子に入射されるように、前記半導体レーザ素子と前記光変調素子とが光結合された構造体になっており、
前記光変調素子と前記半導体レーザ素子に、前記単一変調信号源が発生した単一の変調電気信号が同時に入力されて前記光変調素子と前記半導体レーザ素子が同時に動作することを特徴とする。

また、第２の発明は、前記光集積デバイスにおいて、前記特性インピーダンスが５０オームであることを特徴とする。

また、第３の発明は、光変調素子と半導体レーザ素子とが電気的に並列接続され、前記半導体レーザ素子側の動作状態におけるインピーダンス値が、変調電気信号を発生する単一変調信号源の特性インピーダンスにほぼ等しくなるように調整されると共に、
前記半導体レーザ素子から出射された光が前記光変調素子に入射されるように、前記半導体レーザ素子と前記光変調素子とが光結合された構造体になっており、
前記光変調素子と前記半導体レーザ素子に、前記単一変調信号源が発生した単一の変調電気信号が同時に入力されて前記光変調素子と前記半導体レーザ素子が同時に動作することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１〜第３の光集積デバイスが、同一半導体基板上にモノリシック集積されて構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、光変調素子と半導体レーザ素子が電気的に並列接続され、半導体レーザ素子側の直流動作状態における抵抗値が、単一変調信号源の特性インピーダンスにほぼ等しくなるように調整され、それぞれが光結合された構造において、光変調素子と半導体レーザ素子が同時に単一変調信号源により動作されることにより、半導体レーザ素子自体からの出射光が一部で変調されており、その光を光変調素子により必要とされる消光比まで、追加の形で変調することになっている。

このため、光変調器での吸収が必要な光信号部分は、半導体レーザ素子自体からの出射の時点で小さくなっているため、追加の形で光変調すればよく、変調に必要な駆動電圧が小さくなると共に、光吸収電流も小さくなるため、光変調器における発生ジュール熱も小さくなる。
これらにより、光変調器及び半導体レーザの温度上昇を防ぐためのペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う電力消費が小さくて済み、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力を大幅に低減できる。

本発明を実施するための最良の形態を図１に、このときの光変調の様子を示す信号パタンを図２に模式的に示す。

上述のように、本実施の形態では、光変調素子（光変調器）と、半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザ）が電気的に並列接続され、半導体レーザ素子側の直流動作状態における抵抗値が、単一変調信号源の特性インピーダンスにほぼ等しくなるように調整され、光変調素子と半導体レーザ素子とが光結合された構造体となっている。そして、光変調素子と半導体レーザ素子が同時に単一変調信号源により動作されることにより、半導体レーザ素子自体からの出射光が一部で変調されており、その光（一部が変調された光）を光変調素子により必要とされる消光比まで、追加の形で変調することになっている。

吸収が必要な光信号部分は、半導体レーザ素子自体からの出射の時点で、小さくなっているため、追加の形で光変調すればよく、変調に必要な駆動電圧が小さくなる（Ｖｐｐ′＜Ｖｐｐ）と共に、光吸収電流も小さくなる（Ｉｐｈ′＜Ｉｐｈ）。

このため、光変調器における発生ジュール熱も小さくなる。また、半導体レーザ自体の消費電力もＤＣ光状態に比べ、変調された状態の方が不要な発光を削減した分だけ小さくて済む。
これらにより、光変調器および半導体レーザの温度上昇を防ぐためのペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う電力消費が小さくて済み、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力を大幅に低減できる。

次に、本発明の実施例１を、図１を参照して詳細に説明する。

実施例１に係る光集積デバイスでは、電界吸収型の光変調器１０と、半導体レーザ素子であるＤＦＢレーザ２０が、図１に示すように、電気的に並列接続されている。即ち、光変調器１０のｐ側とＤＦＢレーザ２０のｐ側は、コンデンサを介して電気的に接続されると共に、光変調器１０のｎ側とＤＦＢレーザ２０のｎ側は接地されている。
また、光変調器１０とＤＦＢレーザ２０とが光結合される状態で配置される構造体となっている。即ち、ＤＦＢレーザ２０から出射された出射光が、光変調器１０への入射光Ｐｉｎとなり、この入射光Ｐｉｎが光変調器１０にて光変調され、光変調器１０から光変調された出射光Ｐｏｕｔが出力されるようになっている。
更に、光変調器１０とＤＦＢレーザ２０には、単一変調信号源から変調電気信号Ｖｄ′が同時に入力され、光変調器１０とＤＦＢレーザ２０は、同時に入力された変調電気信号Ｖｄ′により動作するようになっている。なお、ＤＦＢレーザ２０には、直流電圧Ｖｌｄも重畳して印加され、直流電流Ｉｌｄ′も流れるようになっている。

ＤＦＢレーザ２０の直流動作状態における抵抗値は、発振しきい値以上では、ほぼ一定の値にクランプされる。本実施例の場合、ＤＦＢレーザ２０の直流動作状態における抵抗値は約５Ωであったので、このＤＦＢレーザ２０に直列に４５Ωの抵抗Ｒｏを接続し、その総和が、駆動系の特性インピーダンス５０Ωに等しくなるようにして、ＤＦＢレーザ２０側の直流動作状態における抵抗値を調整している。これによりインピーダンス整合が図られ、変調電気信号Ｖｄ′は、素子側での反射を低く抑えられている。

１０Ｇｂ／ｓの光変調器部電気信号Ｖｅａ´（この光変調器部電気信号Ｖｅａ´は、変調電気信号Ｖｄ′と直流バイアス電圧Ｖｅａ＿ｂｉａｓを重畳した電気信号である）の振幅Ｖｐｐ´が１Ｖで駆動したとき、ＤＦＢレーザ２０からの出射光（つまり光変調器１０への入射光Ｐｉｎ）は、図２に模式的に示したように、オンオフ比が約５ｄＢの光信号となっている。これは、ＤＦＢレーザ２０にも変調電気信号Ｖｄ′が入力されているからであり、この変調電気信号Ｖｄ′の変化に応じて、入射光Ｐｉｎの振幅が変調されて変化するからである。なお、当然ながら、ここで用いているＤＦＢレーザ２０は、１０Ｇｂ／ｓの直接変調が可能な素子を用いている。

この一部変調されたＤＦＢレーザ２０からの出射光（つまり光変調器１０への入射光Ｐｉｎ）が、ＤＦＢレーザ２０に光結合された電界吸収型の光変調器１０に入射されている。

１０Ｇｂ／ｓの変調電気信号Ｖｄ′は、ＤＦＢレーザ２０に印加されると同時に、電界吸収型の光変調器１０にも印加されているので、入射光Ｐｉｎは、光変調器１０にて光変調を受ける。このとき、ＤＦＢレーザ２０自体からの出射光（入射光Ｐｉｎ）はすでに５ｄＢの光変調をされている。このため、光変調器１０では、その光（入射光Ｐｉｎ）を一般的に要求される消光比１０ｄＢまで、追加の形で変調すればよく、残りの５ｄＢを光変調器１０で消光させればよい。

光変調器の消光特性は図３のようになっており、０から−１Ｖまでの１Ｖ変化幅で５ｄＢ以上の消光比がとれる。本実施例１の場合、変調電気信号Ｖｄ′の振幅Ｖｐｐ´が１Ｖで、出射光Ｐｏｕｔの消光比は、１０ｄＢ以上取れている。

なお、光の速度は、変調電気信号Ｖｄ′の速度より圧倒的に早いため、ＤＦＢレーザ２０と光変調器１０に同時に変調電気信号Ｖｄ′が印加されてもその時間差はほとんど問題にならないように構成できる。
無論、より高速な動作においては、厳密を期すために、光変調器１０への変調電気信号Ｖｄ′の印加タイミングとしては、ＤＦＢレーザ２０の発光遅れ時間や光変調器１０までの光の到達時間分の遅延を考慮に入れた構造にした方がよい。

従来方法では、ＤＦＢレーザからはＤＣ光を出力し、光変調器のみで１０ｄＢの変調を行うため、図３よりわかるように、変調電気信号の振幅Ｖｐｐが２Ｖ以上必要である。
一方、本実施例１の場合、光変調器１０での吸収が必要な光信号部分は、ＤＦＢレーザ２０自体からの出射の時点で、小さくなっているため、追加の形で変調に必要な変調電気信号Ｖｄ′が上述のように小さくなると共に、光吸収電流も小さくなるため、光変調器１０における発生ジュール熱も小さくなる。また、ＤＦＢレーザ２０自体の消費電力も、ＤＣ光状態に比べ、変調された状態の方が不要な発光を削減した分だけ小さくて済む。

これらにより、光変調器１０およびＤＦＢレーザ２０の温度上昇を防ぐためのペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う電力消費が小さくて済み、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力を大幅に低減できた。

次に、本発明の実施例２に係る光集積デバイスについて図４を参照して詳細に説明する。
ＤＦＢレーザ２０は、ｎ−ＩｎＰ基板５１のＤＦＢレーザ領域５１ａ上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層５２、両側がＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層で挟まれたＭＱＷ活性層構造５３、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子５４、回折格子５４上のｐ−ＩｎＰ上部クラッド層５５、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５６の積層構造よりなる。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５６上にはｐ電極５７が、ｎ−ＩｎＰ基板５１の裏面には共通のｎ電極５８が形成されている。

ＥＡ変調器１０は、ｎ−ＩｎＰ基板５１のＥＡ変調器領域５１ｂ上に、ＤＦＢレーザ２０と共通のｎ−ＩｎＰ下部クラッド層５２、光変調層を構成する両側をＳＣＨ層で挟まれたＭＱＷ活性層構造５９、光変調層（ＭＱＷ活性層構造）５９上の、ＤＦＢレーザ２０と共通のｐ−ＩｎＰ上部クラッド層５５、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５６の積層構造よりなる。ＭＱＷ活性層構造５９は、バンドギャップ波長１．４９μｍの活性層を有する。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５６上にはｐ電極５１０が形成されている。

ＤＦＢレーザ２０のＭＱＷ活性層構造５３と、ＥＡ変調器１０のＭＱＷ活性層構造５９、および光導波路層５１２は、突き合わせ接合方式により結合されている。ＥＡ変調器１０とＤＦＢレーザ２０との間には、分離溝５１１が設けてあり、ＥＡ変調器１０とＤＦＢレーザ２０とをｐ−ＩｎＰ上部クラッド層５５部により発生する抵抗によって擬似的に分離している。

なお、ＤＦＢレーザ２０及びＥＡ変調器１０は、リッジストライプ（図示せず）に成形され、導波路を形成している。リッジストライプの両脇は、ポリイミドからなる高抵抗層（図示せず）で埋め込まれている。

ＥＡ変調素子１０とＤＦＢレーザ２０は、図１のように電気的に並列接続されている。ＤＦＢレーザ２０の直流動作状態における抵抗値は、発振しきい値以上では、ほぼ一定の値にクランプされる。本実施例２の場合、ＤＦＢレーザ２０の直流動作状態における抵抗値は約１０Ωであったので、このＤＦＢレーザ２０に直列に４０Ωの抵抗を接続し、その総和が、駆動系の特性インピーダンス５０Ωに等しくなるように調整している。これによりインピーダンス整合が図られ、変調電気信号Ｖｄ′は、素子側での反射を低く抑えられている。

１０Ｇｂ／ｓの変調電気信号Ｖｄ′の振幅Ｖｐｐ´が１Ｖで駆動したとき、ＤＦＢレーザ２０からの出射光は、図２に模式的に示したように、オンオフ比が約５ｄＢの光信号となっている。なお、当然ながら、ここで用いているＤＦＢレーザ２０は、１０Ｇｂ／ｓの直接変調が可能な帯域を有している。

この一部変調されたＤＦＢレーザ２０からの出射光が、光導波路５１２により光結合され、電界吸収型の光変調器１０に入射されている。

１０Ｇｂ／ｓの変調電気信号Ｖｄ′は、同時に電界吸収型の光変調器１０に印加されているので、入射光Ｐｉｎは、光変調を受ける。このとき、ＤＦＢレーザ２０自体からの出射光がすでに５ｄＢの光変調をされている。このため、光変調器１０では、その光を一般的に要求される消光比１０ｄＢまで、追加の形で変調すればよく、残りの５ｄＢを光変調器１０で消光させればよい。

実施例２における光変調器１０の消光特性は図５のようになっており、０から−１Ｖまでの１Ｖ変化幅で５ｄＢ以上の消光比がとれる。本実施例２の場合、変調電気信号Ｖｄ′の振幅Ｖｐｐ´が１Ｖで、出力光の消光比は、１０ｄＢ以上取れている。

なお、光の速度は、変調電気信号Ｖｄ′の速度より圧倒的に早いため、ＤＦＢレーザ２０と光変調器１０に同時に変調電気信号Ｖｄ′が印加されてもその時間差はほとんど問題にならないように構成できる。
無論、より高速な動作においては、厳密を期すために、光変調器１０への変調電気信号Ｖｄ′の印加タイミングとしては、ＤＦＢレーザ２０の発光遅れ時間や光変調器１０までの光の到達時間分の遅延を考慮に入れた構造にした方がよい。

従来方式では、ＤＦＢレーザからＤＣ光を出力し、光変調器のみで１０ｄＢの変調を行うには、図５よりわかるように、変調信号振幅（Ｖｐｐ）が２Ｖ以上必要である。
一方、本実施例２の場合、光変調器１０での吸収が必要な光信号部分は、ＤＦＢレーザ２０自体からの出射の時点で、小さくなっているため、追加の形で変調に必要な変調電気信号Ｖｄ′が上述のように小さくなると共に、光吸収電流も小さくなるため、光変調器１０における発生ジュール熱も小さくなる。また、ＤＦＢレーザ２０自体の消費電力もＤＣ光状態に比べ、変調された状態の方が不要な発光を削減した分だけ小さくて済む。

これらにより、光変調器１０およびＤＦＢレーザ２０の温度上昇を防ぐためのペルチェ素子などによる素子温度制御に伴う電力消費が小さくて済み、これら全体で構成される光変調光源モジュールの消費電力を大幅に低減できた。

この実施例２では、基板としてｎ−ＩｎＰを用いているが、半絶縁性ＩｎＰ基板を用い、その上にｎ−ＩｎＰまたはｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を設け、これに同様にｎ電極を形成するような形態であっても、同様な特性が得られることは言うまでもない。

またこの実施例２では、基板としてｎ−ＩｎＰを用いているが、ｐ−ＩｎＰを用い、上述の実施例におけるｐとｎを交換する構成にしてもよい。
さらに、半絶縁性ＩｎＰ基板を用い、上述のｐ−ＩｎＰ基板の場合と同様に、その上にｐ−ＩｎＰまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を設け、これに同様にｐ電極を形成するような形態であっても、同様な特性が得られることは言うまでもない。

また、本実施例は、ＩｎＧａＡｓＰ材料系を用いた例であるが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮＡｓ系やＩｎＧａＡｓＳｂ系など、他の材料系でも同様に適用可能である。

本発明の実施例１に係わる光集積デバイスを示す概略構造図である。 本発明の光集積デバイスにおける光変調信号を示すパタン図である。 本発明の実施例１に係わる光変調素子の消光特性を示す特性図である。 本発明の実施例２に係わるモノリシック光集積デバイスを示す概略構造図である。 本発明の実施例２に係わる光変調素子の消光特性を示す特性図である。 従来の光集積デバイスを示す概略構造図である。 従来の光集積デバイスにおける光変調信号を示すパタン図である。

符号の説明

１，１０ 光変調器
２，２０ ＤＦＢレーザ
５１ ｎ−ＩｎＰ基板
５２ ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
５３ ＭＱＷ活性層構造
５４ 回折格子
５５ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
５６ コンタクト層
５７ ｐ電極
５８ ｎ電極
５９ ＭＱＷ活性層構造
５１０ ｐ電極
５１１ 分離溝
５１２ 光導波路層

Claims (4)

1. 光変調素子と半導体レーザ素子とが電気的に並列接続され、前記半導体レーザ素子側の直流動作状態における抵抗値が、変調電気信号を発生する単一変調信号源の特性インピーダンスにほぼ等しくなるように調整されると共に、
   前記半導体レーザ素子から出射された光が前記光変調素子に入射されるように、前記半導体レーザ素子と前記光変調素子とが光結合された構造体になっており、
   前記光変調素子と前記半導体レーザ素子に、前記単一変調信号源が発生した単一の変調電気信号が同時に入力されて前記光変調素子と前記半導体レーザ素子が同時に動作することを特徴とする光集積デバイス。
2. 請求項１の光集積デバイスにおいて、
   前記特性インピーダンスが５０オームであることを特徴とする光集積デバイス。
3. 光変調素子と半導体レーザ素子とが電気的に並列接続され、前記半導体レーザ素子側の動作状態におけるインピーダンス値が、変調電気信号を発生する単一変調信号源の特性インピーダンスにほぼ等しくなるように調整されると共に、
   前記半導体レーザ素子から出射された光が前記光変調素子に入射されるように、前記半導体レーザ素子と前記光変調素子とが光結合された構造体になっており、
   前記光変調素子と前記半導体レーザ素子に、前記単一変調信号源が発生した単一の変調電気信号が同時に入力されて前記光変調素子と前記半導体レーザ素子が同時に動作することを特徴とする光集積デバイス。
4. 請求項１または請求項２または請求項３のいずれか一項に記載の光集積デバイスが、同一半導体基板上にモノリシック集積されて構成されていることを特徴とする光集積デバイス。

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