JP6168265B1

JP6168265B1 - 光デバイス

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Publication number: JP6168265B1
Application number: JP2017519724A
Authority: JP
Inventors: 雄大今井; 岡田　規男; 規男岡田; 金子　進一; 進一金子
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: CN109983639B; US20200059065A1; JPWO2018100634A1; US10855052B2; WO2018100634A1; CN109983639A

Abstract

半導体レーザ（１）がレーザ光を出射し、そのレーザ光を電界吸収型光変調器（２）が変調する。電界吸収型光変調器（２）は消光特性の異なる複数の電界吸収領域（２ａ，２ｂ，２ｃ）を有するため、光デバイスの消光比曲線を駆動条件に適した複数の段差を有する形状に制御することができる。

Description

本発明は、レーザ光を出射する半導体レーザと、レーザ光を変調する電界吸収型光変調器とを備えた光デバイスに関する。

光デバイスとして、半導体レーザと電界吸収型光変調器が単一の半導体基板に形成された電界吸収型光変調器集積レーザが用いられている。従来の光デバイスでは、１つの半導体レーザに対して１つの電界吸収領域が設けられている（例えば、特許文献１（第１図）参照）。

日本特開２０１６−９２１２４号公報

従来の光デバイスの消光比曲線は、１つの電界吸収領域の消光特性によって決まってしまうため、光デバイスを駆動する際の駆動条件に適したものにできなかった。このため、光デバイスを用いた通信の総合的な通信品質の劣化が起こるという問題があった。特に、４値パルス振幅変調方式で駆動する光デバイスを用いた大容量光通信では、信号が２値から４値になることでＳＮ比が劣化し、その影響で通信品質の劣化が起こる。また、信号の４値化により、駆動電圧に対する感度が上がり通信品質の安定化も難しい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は消光比曲線を駆動条件に適した形状に制御することができる光デバイスを得るものである。

本発明に係る光デバイスは、レーザ光を出射する半導体レーザと、前記レーザ光を変調する電界吸収型光変調器とを備え、前記電界吸収型光変調器は、消光特性の異なる複数の電界吸収領域を有し、前記電界吸収型光変調器の消光比曲線は複数の段差を有することを特徴とする。

本発明では、電界吸収型光変調器が消光特性の異なる複数の電界吸収領域を有するため、光デバイスの消光比曲線を駆動条件に適した複数の段差を有する形状に制御することができる。

本発明の実施の形態１に係る光デバイスを示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る光デバイスを示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る光モジュールを示すブロック図である。４値パルス振幅変調方式（ＰＡＭ４）の変調電圧を示す図である。一般的な電界吸収型光変調器の消光特性と光出力波形を示す図である。本発明の実施の形態１に係る３つの電界吸収領域の消光特性を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電界吸収型光変調器の消光特性と光出力波形を示す図である。本発明の実施の形態２に係る光デバイスを示すブロック図である。本発明の実施の形態２に係る３つの電界吸収領域の消光特性を示す図である。本発明の実施の形態３に係る光デバイスを示すブロック図である。２値パルス変調方式（ＮＲＺ方式）の変調電圧を示す図である。本発明の実施の形態３に係る光デバイスの変形例を示すブロック図である。本発明の実施の形態４に係る電界吸収領域の一部を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る光デバイスについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光デバイスを示す斜視図である。この光デバイスは、半導体レーザ１と電界吸収型光変調器２が単一のｎ型ＩｎＰ基板３に形成された電界吸収型光変調器集積レーザである。裏面のｎ電極４と表面の電極５に電圧が印加されることにより半導体レーザ１はレーザ光を出射する。ｎ電極４とｐ電極６に変調電圧が印加されることにより電界吸収型光変調器２はレーザ光を変調する。

電界吸収型光変調器２は、ｎ型ＩｎＰ基板３上に順に形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層７、光吸収層８、ｐ型ＩｎＰクラッド層９、ｐ型コンタクト層１０、ｐ電極６を有する。光吸収層８は、組成比を変えたｉ−ＩｎＧａＡｓＰ又はｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓをバリア層とウェル層として交互に複数層積み重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）層を有する。ここで、ｉ−はアンドープ層を意味する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る光デバイスを示すブロック図である。電界吸収型光変調器２は、消光特性の異なる３つの電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃを有する。電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃは直列に接続されてレーザ光を順に変調する。電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃの消光特性は、製造時の光吸収層の多重量子井戸のパラメータ、例えばウェル層とバリア層の層数又は厚みによって制御可能である。１つの共通端子１１を介して３つの電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃに変調電圧が印加される。

図３は、本発明の実施の形態１に係る光モジュールを示すブロック図である。光モジュール１２は半導体レーザ１、電界吸収型光変調器２、レンズ１３及びコネクタ１４を有する。ＬＤ電源１５が半導体レーザ１に電力を供給する。ドライバ１６は、４値パルス振幅変調方式のパルス信号を発生し、電界吸収型光変調器２を４値パルス振幅変調方式により駆動するＰＡＭ４―パルス発生回路である。電界吸収型光変調器２の出力光は、レンズ１３で集光されて、コネクタ１４に接続された光ファイバに入射される。

図４は、４値パルス振幅変調方式（ＰＡＭ４）の変調電圧を示す図である。４値パルス振幅変調は、「０」と「１」から成るビット列を４つの電圧レベル（例えば、「００」「０１」「１０」「１１」の４値）のパルス信号として変調して伝送する方式である。

続いて、本実施の形態に係る電界吸収型光変調器２の製造方法を説明する。まず、通常の電界吸収型光変調器集積レーザの製造方法により電界吸収領域２ａを形成する。次に、電界吸収領域２ｂの形成予定領域をエッチングにより除去した後、電界吸収領域２ｂをエピ成長する。次に、電界吸収領域２ｃの形成予定領域をエッチングにより除去した後、電界吸収領域２ｃをエピ成長する。

続いて、本実施の形態に係る電界吸収型光変調器の消光特性を一般的な構成と比較して説明する。図５は、一般的な電界吸収型光変調器の消光特性と光出力波形を示す図である。電界吸収型光変調器に逆バイアスを印加すると出射されるレーザ光が減少する。逆バイアスを印加した時のレーザ光と逆バイアスがゼロの時のレーザ光の強度比を消光比と呼ぶ。

図６は、本発明の実施の形態１に係る３つの電界吸収領域の消光特性を示す図である。図７は、本発明の実施の形態１に係る電界吸収型光変調器の消光特性と光出力波形を示す図である。図６に示す３つの電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃの消光特性を合成することで、電界吸収領域が１つの構造では実現することが極めて難しい図７に示すような複数の変極点、即ち複数の段差を有する消光特性を得ることができる。

電界吸収型光変調器２から出力される光出力波形のハイ電圧とロー電圧の遷移、即ち立ち上がりと立ち下がりは消光特性の傾きに大きな影響を受ける。一般的な消光特性を持つ電界吸収型変調器をＰＡＭ４変調方式で駆動した場合は図５の右図のような光出力波形になる。一方、本実施の形態の電界吸収型光変調器２は使用領域において極端な消光特性を持つため、図７の右図のような光出力波形となる。これにより、３段重なった波形のそれぞれのアイ開口度（マスクマージン）が確保できる。

以上説明したように、本実施の形態では、電界吸収型光変調器２が消光特性の異なる複数の電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃを有するため、光デバイスの消光比曲線を駆動条件に適した複数の段差を有する形状に制御することができる。

また、複数の電界吸収領域の数が３であれば、消光比曲線を図７の左図に示すように４値パルス振幅変調方式に適した形状に制御することができる。従って、通信品質を改善し、通信品質の安定化を図ることができる。この結果、信号の多値化による大容量通信に適した光デバイスを提供することができる。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る光デバイスを示すブロック図である。１つの半導体レーザ１に対して３つの電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃが並列に接続されている。電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃはそれぞれレーザ光を変調し、電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃの出力が合成される。１つの共通端子１１を介して３つの電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃに変調電圧が印加される。

図９は、本発明の実施の形態２に係る３つの電界吸収領域の消光特性を示す図である。それぞれの消光特性が合成されることで、１つの電界吸収領域では実現することが極めて難しい図７の消光特性を得ることができる。従って、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る光デバイスを示すブロック図である。本実施の形態では、直列に接続された３つの電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃにそれぞれ給電端子１１ａ，１１ｂ，１１ｃを設け、別々に給電する。この場合、１つの電界吸収領域に対して１つのドライバが必要になる。各電界吸収領域が個々にドライバにより駆動されることで個別に駆動条件を調整することができる。また、個々の変調方式として、現行のイーサネット（登録商標）技術であるＮＲＺ方式を用いることができる。

図１１は、２値パルス変調方式（ＮＲＺ方式）の変調電圧を示す図である。２値パルス変調方式は、「０」と「１」から成るビット列を２つの電圧レベル「ハイ電圧」と「ロー電圧」のパルス信号として変調して伝送する方式である。電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃをＮＲＺ方式で個別に駆動することで、個別に駆動条件の調整が可能な擬似的４値パルス振幅変調方式とすることができ、通信品質の向上が見込める。

図１２は、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの変形例を示すブロック図である。並列に接続された３つの電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃにそれぞれ給電端子１１ａ，１１ｂ，１１ｃを設け、別々に給電する。この場合でも上記の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４に係る３つの電界吸収領域を示す断面図である。本実施の形態では、通常の電界吸収型光変調器集積レーザの製造方法により光吸収層８を成長した後に、ｐ型ＩｎＰクラッド層９の代わりにｉ−ＩｎＰクラッド層１７を成長する。そして、フォトマスクとフォトレジストを使用したエッチングを２回行うことで、ｉ−ＩｎＰクラッド層１７の厚みを変化させる。ｉ−ＩｎＰクラッド層１７の厚みの異なる部分が３つの電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃに対応する。

このように本実施の形態では、光吸収層８のＭＱＷの層構成ではなく、光吸収層８上のｉ−ＩｎＰクラッド層１７の厚みを変化させることで電界吸収領域２ａ，２ｂ，２ｃの消光特性を制御する。従って、実施の形態１のように電界吸収領域ごとに層構成を変更するための複数回のエピタキシャル成長を行う必要はないため、ウエハ工程の負荷を大幅に軽減することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

上述の実施の形態１〜４では、電界吸収型光変調器２が３つの電界吸収領域を持つ例を示したが、電界吸収領域の数は２以上であればよい。電界吸収領域の数に合わせて、変調時の電圧レベルを４値パルス振幅変調の４から、他の数に変えることができる。また、電界吸収型光変調器集積レーザの例を示したが、単独の半導体レーザと別の基板に形成された電界吸収型光変調器を組合せてもよい。また、複数の電界吸収領域が単一の基板に形成される必要はなく、それぞれ別の基板に形成した複数の電界吸収型光変調器を接続して電界吸収型光変調器としてもよい。

１半導体レーザ、２電界吸収型光変調器、２ａ，２ｂ，２ｃ電界吸収領域、３ｎ型ＩｎＰ基板、８光吸収層、１７ｉ−ＩｎＰクラッド層

Claims

レーザ光を出射する半導体レーザと、
前記レーザ光を変調する電界吸収型光変調器とを備え、
前記電界吸収型光変調器は、消光特性の異なる複数の電界吸収領域を有し、
前記電界吸収型光変調器の消光比曲線は複数の段差を有することを特徴とする光デバイス。
前記複数の電界吸収領域は直列に接続されて前記レーザ光を順に変調することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記複数の電界吸収領域は並列に接続されてそれぞれ前記レーザ光を変調し、前記複数の電界吸収領域の出力が合成されることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記複数の電界吸収領域は個々に駆動されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光デバイス。
前記複数の電界吸収領域の光吸収層は多重量子井戸のパラメータが異なることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光デバイス。
前記複数の電界吸収領域の各々は、光吸収層と、前記光吸収層の上に形成されたアンドープ層を有し、
前記複数の電界吸収領域の前記アンドープ層は厚みが異なることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光デバイス。
前記複数の電界吸収領域の数は３であり、
前記電界吸収型光変調器は４値パルス振幅変調方式により駆動されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の光デバイス。
前記半導体レーザと前記電界吸収型光変調器が単一の半導体基板に形成された電界吸収型光変調器集積レーザであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の光デバイス。