JP5823920B2 - 半導体光集積素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光集積素子及び半導体光集積素子を集積した光送信モジュールに関する。

光通信の普及に伴い、都市間の中継局を結ぶメトロ系光通信網では、１０Ｇｂｉｔ／ｓの通信速度への高速化が進んでいる。このメトロ系光通信網では、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）４０〜８０ｋｍの長距離伝送が求められ、光送信モジュールの小型化及び低消費電力化が重要な課題となっている。

一般に、変調速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光信号を４０ｋｍ以上伝送するためには、チャーピングの小さい外部変調方式が用いられる。なかでも、電界吸収効果を利用した電界吸収型（ＥＡ：Electroabsorption）変調器は、小型、低消費電力及び半導体レーザに対する集積性などの観点から優れた特長を有する。特に、ＥＡ変調器と単一波長性に優れる分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback Laser）レーザとを１つの半導体基板上にモノリシックに集積した半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用発光装置として広く用いられている。また、このような長距離伝送のときの信号光波長としては、光ファイバの伝播損失が小さい１５５０ｎｍ帯が主に用いられる。

ＥＡ−ＤＦＢレーザを駆動するためには、ＤＦＢレーザへの電流Ｉ_opの注入、ＥＡ変調器へのＤＣバイアスＶ_bの印加及びＥＡ変調器への高周波バイアスＶ_ppの印加を必要とする。ＤＣバイアスＶ_bに負の電圧をかけ、そしてその絶対値を大きくしていくと、変調光が有するチャープ値β_cが減少し、長距離伝送における変調光の波形劣化を抑えることができる。

図１は、光信号の光波形と伝送距離との関係についてのチャープ値β_c依存性を示す。図１（ａ）はチャープ値β_c＝１のときの光波形と伝送距離との関係を示し、図１（ｂ）はチャープ値β_c＝−０．７のときの光波形と伝送距離との関係を示す。図１（ａ）に示されるように、チャープ値β_cが正値（例えばβ_c＝１）である場合は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送後における光波形が大きく劣化している。それに対して、図１（ｂ）に示されるように、チャープ値β_cが負値（例えばβ_c＝−０．７）である場合は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送後における光波形の劣化を抑えることができている。

図１に示されるように、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザでは、ＥＡ−ＤＦＢレーザから出射される変調光の光波形の形状は、チャーピングに起因して伝送距離が長距離になるにつれて劣化する。そのため、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザでは、ＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスＶ_bに負の電圧をかけ、そしてその絶対値を大きくしチャープ値β_cを負値にして伝送を行っていた。しかしながら、ＤＣバイアスＶ_bの絶対値を大きくすることによりＥＡ変調器の損失が増加し、ＤＦＢレーザから出力される光の光強度が大きく損失してしまうため、長距離伝送に十分な光強度を得ることが困難であった。

このように、ＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスＶ_bは、大きな光出力を得るためにはその絶対値が小さいほうがよく、長距離伝送可能な光波形を得るためにはその絶対値が大きいほうがよいというトレードオフの関係を有する。このトレードオフを打破するために、非特許文献１に、ＥＡ変調器の出力端に半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積する方法が報告されている。非特許文献１に記載の構成においては、ＥＡ変調器の出力端に集積されたＳＯＡに電流注入を行うことにより、ＥＡ変調器から出力された変調光が有する正のチャープ値がＳＯＡを伝搬するときにチャープ値変換されて負値チャープとなるため、長距離伝送に適した状態を実現することができる。

Toshio Watanabe, Norio Sakaida, Hiroshi Yasaka, Masafumi Koga, "Chirp Control of an Optical Signal Using Phase Modulation in a Semiconductor Optical Amplifier", Photonics Technology Letters, １９９８年７月, vol.10, No.7, p.1027-1029.

しかしながら、非特許文献１に記載の構成のように、ＥＡ変調器の出力端にＳＯＡを単純に集積しただけでは、ＳＭＦ長距離伝送に対して十分なチャープ変換値を得ることができなかった。また、非特許文献１に記載の構成では、ＳＯＡを加えたことによりＳＯＡに電流を印加するための制御用端子が別途必要であり、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザと比較して制御端子数が増加するため消費電力量が増大することに加え、ＤＦＢレーザとＳＯＡとをそれぞれ別途制御しているため、その制御が複雑であるという問題があった。

本発明は、８０ｋｍ伝送可能な変調光波形を有する光信号を発生させることができ、かつ光強度の損失を抑制することができる半導体光集積素子及びこの半導体光集積素子を搭載した光送信モジュールを、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザに比べて制御端子数及び消費電力を増加させることなく提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に記載の半導体光集積素子は、ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子であって、光導波方向に対して、前記ＤＦＢレーザ、前記ＥＡ変調器、前記ＳＯＡの順に集積され、前記ＤＦＢレーザ及び前記ＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入されることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の半導体光集積素子は、請求項１に記載の半導体光集積素子であって、前記ＳＯＡの光導波方向についての長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の光送信モジュールは、請求項１又は２に記載の半導体光集積素子を搭載したことを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の方法は、ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子であって、光導波方向に対して、前記ＤＦＢレーザ、前記ＥＡ変調器、前記ＳＯＡの順に集積された半導体光集積素子において光を変調するための方法であって、前記ＤＦＢレーザが、順方向バイアスを印加されることにより生成したレーザ光を前記ＥＡ変調器に出射するステップと、前記ＥＡ変調器が、逆方向バイアスを印加されることにより、入射したレーザ光を吸収・変調し、正のチャープ値を有する変調光を前記ＳＯＡに出射するステップと、前記ＳＯＡが、順方向バイアスを印加されることにより、入射した変調光をチャープ値変換して負のチャープ値を有する変調光を出射するステップとを備え、前記ＤＦＢレーザ及び前記ＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入されることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の方法は、請求項４に記載の方法であって、前記ＳＯＡの光導波方向についての長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係る半導体光集積素子は、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザに比べて高い光出力で８０ｋｍ伝送可能な変調光波形を有する光信号を発生させることができ、かつ従来のＥＡ−ＤＦＢレーザに比べて制御端子数及び消費電力を増加させず、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザと同じ簡便な制御方法で動作が可能である。

光信号の光波形と伝送距離との関係についてのチャープ値β_c依存性を示す図である。 ＳＯＡへの入力光強度とＳＯＡ出力光波形が有するチャープ値とのＳＯＡ長依存性を示す図である。 チャープ値が負値又は正値のそれぞれの場合における変調光波形を示す図である。 本発明に係る半導体光集積素子の制御について説明するための図である。 ＥＡ−ＤＦＢ−ＳＯＡレーザにおけるＩ_opとＩ_DFB及びＩ_SOAとの関係を示す図である。 本発明の実施例に係る半導体光集積素子の製作過程を説明するための図である。 本発明の実施例に係る半導体光集積素子１００を搭載した光送信モジュールの模式図である。

本発明に係る半導体光集積素子は、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの動作制御と比較して制御端子数の増加を防ぐために、同一端子を用いてＤＦＢレーザ及びＳＯＡへのそれぞれの電流注入を行う。また、ＳＯＡ長の設計を変化させることにより、同一端子を用いて注入した電流量に対してＤＦＢレーザ及びＳＯＡにそれぞれ印加する電流量が所望の割合となるように電流量を割り振ることが可能となる。加えて、ＳＯＡ長を５０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲に設定することにより、ＤＦＢレーザ及びＳＯＡそれぞれに供給される電流量について、ＤＦＢレーザ及びＳＯＡのぞれぞれの駆動条件を満たすという観点と、ＤＦＢレーザ及びＳＯＡの消費電力の増加を防ぐという観点との両立することが可能となる。以下、添付の図面を用いて本発明の原理について説明する。

ＳＯＡ中を伝搬する光波形のチャープ変換は、変調光がＳＯＡ内部を伝搬する際、ＳＯＡ内部のキャリア密度の変化が起き、そのキャリア密度の変化によってＳＯＡ内部の屈折率変化が生じ、当該屈折率の変化から変調光に位相変化を生じることで起こる。位相変化量Δφは、非特許文献１に示されるように、屈折率変化Δｎ及びＳＯＡ長Ｌを用いて、

で示すことができる。（式１）に示されるように、位相変化量ΔφはＳＯＡ長Ｌに比例する。

図２は、ＳＯＡへの入力光強度とＳＯＡ出力光波形が有するチャープ値とのＳＯＡ長依存性を示す。光の導波方向についてのＳＯＡ長Ｌ＝１０μｍの場合は位相変化量が小さいため、チャープ値が０より小さい負値を実現するためには大きな入力光強度が必要となる。図２に示されるように、ＥＡ変調器からの出力光強度、すなわちＳＯＡへの入力光強度として一般的な値０ｄＢｍにおいて、負のチャープ値を実現するためには、光導波方向についてのＳＯＡ長として５０μｍ以上必要である。

図３は、チャープ値が負値又は正値のそれぞれの場合における変調光波形を示す。図３（ａ）はＥＡ変調器から出力される変調光波形を示す。８０ｋｍ伝送を実現するためにチャープ値を負値にする必要があり、ＤＣバイアスＶ_bの絶対値は大きな値に設定されている。図３（ｂ）はＥＡ変調器出力端にＳＯＡが接続されていない場合の８０ｋｍ伝送後の変調光波形を示し、図３（ｃ）はＥＡ変調器出力端にＳＯＡが接続されている場合のＳＭＦ８０ｋｍ伝送後の変調光波形を示す。

同一のＤＣバイアスＶ_b値条件下において、図３（ｂ）に示されるＥＡ変調器出力端にＳＯＡが接続されていない場合に比べて、図３（ｃ）に示されるＥＡ変調器出力端にＳＯＡが接続されている場合は、変調光波形の劣化を抑えることができており、長距離伝送に優れた特性を示している。ＥＡ変調器出力端にＳＯＡが接続されている場合は、ＥＡ変調器出力端にＳＯＡが接続されていない場合と同等の光波形が得られるまでＤＣバイアスＶ_bの絶対値を小さくしていくことが可能であり、その結果光出力の増加を実現することができる。

図４を用いて、本発明に係る半導体光集積素子の制御について説明する。図４に示されるように、本発明に係る半導体光集積素子においては、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの制御と同等の簡便な駆動を実現するため、同一基板上にモノリシック集積したＳＯＡとＤＦＢレーザとを同一の制御端子で制御する。当該同一の制御端子から注入する電流値Ｉ_opは、ＤＦＢレーザ及びＳＯＡに注入する電流をそれぞれＩ_DFB及びＩ_SOAとすると、
Ｉ_op＝Ｉ_DFB＋Ｉ_SOA （式２）
となる。

一般に、ＥＡ−ＤＦＢレーザを搭載した光送信モジュールにおいて許容されるＩ_op値は６０〜８０ｍＡである。本発明に係る半導体光集積素子を用いた光送信モジュールにおいても、ＥＡ−ＤＦＢレーザの改良を目指すために、Ｉ_opの値は８０ｍＡを上限値としなくてはならない。

図５は、本発明の半導体光集積素子のようなＥＡ−ＤＦＢレーザ−ＳＯＡ素子におけるＩ_opとＩ_DFB及びＩ_SOAとの関係を示す。図５においては、一般的な長さである４５０μｍのＤＦＢレーザを使用した。図５に示されるように、ＳＯＡ長が５０μｍである場合、ＳＯＡ長はＤＦＢレーザの長さ（４５０μｍ）に対して１／９であるため、注入した電流のほとんどはＤＦＢレーザに流れる。

一方、図５に示されるように、ＳＯＡ長が１５０μｍである場合、ＳＯＡ長はＤＦＢレーザの長さに対して１／３であるため、Ｉ_op＝８０ｍＡのとき、Ｉ_DFB＝６０ｍＡ程度がＤＦＢレーザに注入され、Ｉ_SOA＝２０ｍＡ程度がＳＯＡに注入される。

このように、ＤＦＢレーザ及びＳＯＡを同一端子で接続し、ＳＯＡ長を調整することにより、所定の電流注入量Ｉ_opに対してＤＦＢレーザ部及びＳＯＡ部への各電流注入量Ｉ_DFB及びＩ_SOAが所望の割合となるように電流量を割り振ることができ、それによりＩ_DFB及びＩ_SOAを調整することができる。このため、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザに対して消費電力が大きく増加することなく、ＳＯＡに電流注入することができ、さらにＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスＶ_bの絶対値を小さくすることができる分、消費電力を削減できることになる。ここで、ＤＦＢレーザの駆動には、閾値電流及びＳＭＳＲを得るために６０ｍＡは必要であるため、光導波方向に関するＳＯＡ長は１５０μｍ以下とすることが望ましい。

（実施例）
以下、図６を用いて、本発明の実施例に係る半導体光集積素子の製作過程を説明する。ただし、図６はあくまで本実施例を説明するものであって、図６に示される構成要素の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

まず、図６（ａ）に示されるように、ｎ型ＩｎＰからなる基板１上に、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、量子井戸構造を有するＥＡ変調器部層２をＭＯＣＶＤ法により形成する。このとき、２５℃におけるＥＡ変調器部層２の発光波長は約１４７０ｎｍであり、ＥＡ変調器部層２の量子井戸構造は、例えば、量子井戸層厚６ｎｍ、障壁層厚１０ｎｍとし、量子井戸層と障壁層とを１０層程度、交互に積層している。これにより、消光に十分な光閉じ込め構造を形成することができる。続いて、図６（ｂ）に示されるように、ＥＡ変調器部層２を部分的に基板１上に残すように基板１の表面までエッチングを行うことにより、基板１上に所望の長さのＥＡ変調器を形成する。

次に、図６（ｃ）に示されるように、基板１上に、それぞれＩｎＧａＡｌＡｓ系材料からなり、量子井戸構造を有するＤＦＢレーザ部層３及びＳＯＡ部層４を形成する。２５℃におけるＤＦＢレーザ部層３及びＳＯＡ部層４の発光波長は約１５４０ｎｍであり、ＤＦＢレーザ部層３及びＳＯＡ部層４は、例えば、量子井戸層厚４ｎｍ、障壁層厚１０ｎｍとし、量子井戸層と障壁層とが６層程度、交互に積層されている。

次に、図６（ｄ）に示されるように、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる光導波路層５を、バッドジョイントプロセスを用いて光導波路層を各層に接続することにより、ＥＡ変調器部層２とＤＦＢレーザ部層３との間、ＥＡ変調器部層２とＳＯＡ部層４との間、及びＳＯＡ部層４と素子端面との間にそれぞれ形成する。光導波路層５の構造としては、例えば、厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層に続いて、厚さ２００ｎｍ、組成波長１３００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ成長層を積層し、さらに厚さ１００ｎｍ、組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバルク成長層を積層した構造が望ましい。前記構造により、光損失の小さい光導波路層５を形成することができる。

次に、図６（ｅ）に示されるように、ＤＦＢレーザ部層３上に、回折格子６を形成する。次に、図６（ｆ）に示されるように、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層７を、ＥＡ変調器部層２、ＤＦＢレーザ部層３、ＳＯＡ部層４及び光導波路層５上に形成する。次に、図６（ｇ）に示されるように、導波路構造がリッジ型導波路構造となるようにクラッド層７をエッチング処理する。リッジ型導波路構造のリッジ幅を２μｍ程度にすると、光通信に好適な安定した横シングルモード発振が得られる。

次に、図６（ｈ）に示されるように、ＥＡ変調器部層２、ＤＦＢレーザ部層３、ＳＯＡ部層４、光導波路層５及びクラッド層７上をそれぞれ覆うように、絶縁膜８を形成する。次に、図６（ｉ）に示されるように、絶縁膜８上にベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）９を形成し、ＢＣＢ９上にＥＡ変調器部層２に電流を印加するためのｐ型電極１０、ＤＦＢレーザ部層３に電流を印加するためのｐ型電極１１、ＳＯＡ部層５に電流を印加するためのｐ型電極１２をそれぞれ形成し、基板１において各ｐ型電極１０乃至１２が形成されている側の面に対して反対側の基板面上にｎ型電極１３を形成する。各電極１０乃至１３を形成した後、劈開により素子を切り出し、後端面に反射率９０％の反射膜、前端面に反射率１％以下の低反射膜をスパッタリング法により形成する。

以上の手法によれば、光導波方向に対して、ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器、ＳＯＡの順で、各層が同一基板上に集積されたリッジ導波路型の半導体光集積素子を作製することができる。なお、ＥＡ変調器部層２、ＤＦＢレーザ部層３、ＳＯＡ部層４及び光導波路部層５の結晶成長の順番はこれに限るものではない。例えば、ＤＦＢレーザ部層３およびＳＯＡ部層４が最初に形成されても得られるデバイス構造は変わるものではない。

図７は、本発明の実施例に係る半導体光集積素子１００を搭載した光送信モジュールの模式図を示す。図７に示されるように、レンズ１６を備えたＣＡＮ型のパッケージ１４に本発明の半導体光集積素子１００を搭載し、ＤＦＢレーザのｐ型電極１１及びＳＯＡのｐ型電極１２を同一の端子でワイヤにより結線した。ＥＡ変調器のｐ型電極１０は、パッケージリードピンから高周波配線板１５を介してワイヤが最短になるように、高周波配線板１５と結線した。

次に、上述のようにして作製した本発明の実施例に係る半導体光集積素子１００の動作について説明する。ＤＦＢレーザのｐ型電極１１及びＳＯＡのｐ型電極１２に同時に順方向バイアスを印加すると、ＤＦＢレーザ部層３において発生した光が回折格子６により周期的な帰還を受け、それにより発振スペクトルがシングルモードであり、発振波長が１５５０ｎｍのレーザ光が生成されてＤＦＢレーザ部層３から出射される。ＤＦＢレーザ部層３から出射されたレーザ光は光導波路層５を通過してＥＡ変調器部層２に入射する。ＥＡ変調器のｐ電極１０は逆方向バイアスを印加されているためＥＡ変調器部層２においてレーザ光が吸収・変調され、それによりレーザ光のオン・オフが可能となり、正のチャープ値を有する変調光としてＥＡ変調器部層２から出射される。ＥＡ変調器部層２を通過した正のチャープ値を有するレーザ光は、ＳＯＡ部４を通過することによりチャープ値変換されて負値チャープとなり、素子外部に出射する。これにより、従来と比べて０．１〜０．２Ｖ程度絶対値が小さいＤＣバイアスＶ_bでのＥＡ変調器動作を可能となる。

本発明の実施例に係る半導体光集積素子１００によると、絶対値が小さいＤＣバイアスＶ_bを反映して同一の制御端子から注入する電流値Ｉ_op＝８０ｍＡにおける８０ｋｍ伝送時の光出力強度として３ｄＢｍが得られ、動的消光比１０ｄＢ以上が得られるとともに、伝送距離８０ｋｍ以上で良好なアイ開口の光波形を得ることが可能となった。

１ 基板
２ ＥＡ変調器部層
３ ＤＦＢレーザ部層
４ ＳＯＡ部層
５ 光導波路層
６ 回折格子
７ クラッド層
８ 絶縁膜
９ ＢＣＢ
１０、１１、１２ ｐ型電極
１３ ｎ型電極
１４ パッケージ
１５ 高周波配線板
１６ レンズ
１００ 半導体光集積素子

Claims (5)

1. ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子であって、
   光導波方向に対して、前記ＤＦＢレーザ、前記ＥＡ変調器、前記ＳＯＡの順に集積され、
   前記ＤＦＢレーザ及び前記ＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入される
   ことを特徴とする半導体光集積素子。
2. 前記ＳＯＡの光導波方向についての長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体光集積素子を搭載したことを特徴とする光送信モジュール。
4. ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された半導体光集積素子であって、光導波方向に対して、前記ＤＦＢレーザ、前記ＥＡ変調器、前記ＳＯＡの順に集積された半導体光集積素子において光を変調するための方法であって、
   前記ＤＦＢレーザが、順方向バイアスを印加されることにより生成したレーザ光を前記ＥＡ変調器に出射するステップと、
   前記ＥＡ変調器が、逆方向バイアスを印加されることにより、入射したレーザ光を吸収・変調し、正のチャープ値を有する変調光を前記ＳＯＡに出射するステップと、
   前記ＳＯＡが、順方向バイアスを印加されることにより、入射した変調光をチャープ値変換して負のチャープ値を有する変調光を出射するステップと
   を備え、
   前記ＤＦＢレーザ及び前記ＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡの光導波方向についての長さの比に応じた電流が注入されることを特徴とする方法。
5. 前記ＳＯＡの光導波方向についての長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の方法。

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