JP6713843B2 - 光送信機及び光送信機の制御信号生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、光送信機及び光送信機の制御信号生成方法に関する。より詳細には本発明は、電界吸収型光変調器を有する光送信機及び光送信機の制御信号生成方法に関する。

光通信システムで用いられる光送信機（光送信モジュール）の変調器として、電界吸収型光変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡ変調器）もしくは半導体レーザとＥＡ変調器がモノリシックもしくはハイブリッドに集積された変調器集積型半導体レーザ素子（ＥＡ変調器集積型ＬＤ）が用いられている。ＥＡ変調器は、一般的に半導体からなる量子井戸構造をｐ型及びｎ型の導体で挟んだ構造で構成される。ＥＡ変調器は、量子井戸に印加される電圧に応じて光の吸収端波長が長波長側へシフトする現象を用いて入射光強度の吸収量を変化させることによって、出力光強度を制御できる。ＥＡ変調器を有する光送信機はたとえば下記特許文献１，２などで提案されている。

光通信の光信号の仕様の一つに、ＯＮ状態の光強度とＯＦＦ状態の光強度の比、すなわち消光比がある。またＡＣ信号である光信号の平均的な光出力（強度）の仕様もある。通信状態を維持するためには両者の値は所望の値に維持される必要がある。そのため、光送信機の駆動時は、なんらかの方法で消光比・光出力強度を一定に保つ制御が行わることが一般的である。

また近年光通信システムにおける情報伝送の大容量化及び伝送速度の高速化が求められるため、４値パルス振幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＡＭ４）などの多値変調技術が盛んに研究されている。ＰＡＭ４では送信信号の光強度を４段階に分けることで２ｂｉｔ/ｂａｕｄが実現されるので、各信号レベル間の光強度比、つまり消光比を同程度にすることが望まれる。

そのためＰＡＭ４の信号生成のために使われるＥＡ変調器は、従来の変調技術（１ｂｉｔ/ｂａｕｄ）よりも高精度な消光比制御が求められる。具体的には、ＥＡ変調器の動作温度などの外部環境が動作中に変化しても、ＥＡ変調の消光比及び光出力強度は、通信状態を維持するために一定に保たれる必要がある。

特開２００１−２２１９８５号公報 特開２００５−３５２２１９号公報

消光比はＥＡ変調器に印加する電圧値に依存しているため、消光比を一定に保つための制御パラメータとしてＥＡ変調器に印加する電圧値を用いることが多い。ここでいう電圧値とは、ＥＡ変調器に印加されるＡＣ電気信号の中心電圧（Ｖ_ｍｉｄ）、および振幅（Ｖ_ｍｏｄ）である。もちろん他の電圧値、例えばＨｉｇｈレベルの電圧（Ｖ_ＯＨ）やＬｏｗレベルの電圧（Ｖ_ＯＬ）を制御パラメータとしても構わない。さらには、ＡＣ電気信号のクロスポイントを制御する場合もある。いずれにしても、何らかの理由で消光比が変化した場合は、ＥＡ変調器に印加する電圧値を変更することで消光比を一定に保つ制御が行われている。しかし消光比を直接的に測定するためには大型な測定装置（測定回路）を必要とするために、消光比を直接的に測定しないで別の方法で制御されることが多い。

その一つの方法として、光送信機の製造過程において、例えば温度のような外的要因に対する消光比の変化を予め測定し、所望の消光比となる電圧値を求め、その値をメモリに格納しておき、実駆動時は温度をモニタしながらメモリに格納された電圧値をＥＡ変調器に印加するようなフィードフォワード（ＦＦ）制御をする方法がある。しかしＦＦ制御は、個体毎の調整・測定が必要になることが多く、大量生産が必要とされる場面ではコスト的に不利となる場合がある。さらには、他の予め想定していた外的要因以外（例えば経年劣化など）による消光比の変化には対応できない場合がある。

しかも将来的には多値変調技術において低コスト化及び低消費電力化が求められることが予想される。低コスト化を実現するための最も単純な方法は使用部品の削減である。たとえばペルチェ素子などの温度調整器を使用しないことは使用部品の削減のみならず、低消費電力化の点からも効果的である。つまり、次世代の多値変調では無温度調整動作が求められることが予測される。無温度調整動作においては、製造過程における事前の測定も多く、結果的に製造コストが増大するというデメリットがある。

もう一つの仕様である光出力強度は、一般的には光出力をモニタフォトダイオードなどで直接的に検知し、その値が一定になるように制御することが多い。検知する光出力は、半導体レーザ（ＬＤ）のような光源の出力光強度を測定する場合と、ＥＡ変調器を透過後の光出力強度を検知する場合のいずれかの方法を採用することが多い。制御パラメータとしてはＬＤの駆動電流が一般的である。なお、ＬＤの光出力強度が変わった場合に、ＥＡ変調器に印加する電圧を変えない場合は、実効的にＥＡ部に印加される電圧値が変化するために消光比が変化する。そのため、上記のＦＦ制御を採用する場合は、ＬＤの駆動電流ごとにも事前に制御用の値を測定しておく必要があり、製造コストを押し上げる一因となっている。

上記を鑑み、本発明の目的は、低コストで消光比を精度よく制御でき、又は、光出力強度を取得できるＥＡ変調器を用いた光送信機及び光送信機の制御信号生成方法を供することである。

（１）本発明の光送信機は、光源と、前記光源と光学的に結合する第１電界吸収部と、前記光源と光学的に結合する第２電界吸収部と、前記第１電界吸収部に電圧を印加する第１電圧印加部と、前記第２電界吸収部に電圧を印加する第２電圧印加部と、前記第１電界吸収部に流れる電流を検出する第１電流検出手段と、前記第２電界吸収部に流れる電流を検出する第２電流検出手段と、前記第１電流検出手段及び前記第２電流検出手段が検出する２つの電流から前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部の吸収係数に対応する制御信号を生成する制御用ＩＣを備え、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部は、光の伝播方向の長さ又は入力される光の強度の少なくとも一方が異なり、かつ共通の組成、組成比、及び前記光の伝播方向に垂直な断面における構造を有する。

（２）上記（１）の光送信機において、前記光源と光学的に結合し、かつ前記制御信号に応じて変調光を発生する第３電界吸収部をさらに備え、前記制御用ＩＣは、前記制御信号に応じて前記第３電界吸収部に印加する電圧を制御し、前記第３電界吸収部は、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部と共通の組成、組成比、及び前記光の伝播方向に垂直な断面における構造を有してもよい。

（３）上記（１）の光送信機において、前記制御用ＩＣは、前記制御信号に応じて前記第２電界吸収部が発生する変調光を制御することを特徴としてもよい。

（４）上記（１）乃至（３）のうちいずれかに記載の光送信機において、前記第１及び第２電圧印加部は、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部へ同一の大きさの電圧を印加してもよい。

（５）上記（１）乃至（４）のうちいずれかに記載の光送信機において、前記制御用ＩＣは、前記第１電界吸収部に流れる電流と前記第２電界吸収部に流れる電流との比を算出することによって前記信号を生成してもよい。

（６）上記（１）乃至（５）のうちいずれかに記載の光送信機において、前記光源から前記第１電界吸収部へ入射する光出力が、前記第１電界吸収部に流れる電流と前記吸収係数に基づいて制御されてよい。

（７）上記（１）乃至（６）のうちいずれかに記載の光送信機において、前記光源に電流注入するための直流電源をさらに有し、前記直流電源は、前記制御ＩＣと接続されており、前記制御用ＩＣは、前記第１電流検出手段及び前記第２電流検出手段が検出する２つの電流から前記直流電源を制御するための制御信号を生成してよい。

（８）本発明の光送信機の制御信号生成方法は、光源と、該光源と光学的に結合する第１電界吸収部と、前記光源と光学的に結合する第２電界吸収部を備え、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部はそれぞれ異なる光の伝播方向の長さを有し、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部は、共通の組成、組成比、及び前記光の伝播方向に垂直な断面における構造を有する、光送信機の制御信号生成方法であって、前記第１電界吸収部に電圧を印加する段階と、前記第２電界吸収部に電圧を印加する段階と、前記第１電界吸収部に流れる電流を検出する段階と、前記第２電界吸収部に流れる電流を検出する段階と、前記第１及び第２電界吸収部に流れる電流から前記第１電界吸収部並びに前記第２電界吸収部の吸収係数に対応する信号を生成する段階、を有する。

本発明の第１実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子の上面図である。 本発明の第１実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子のブロック図である。 ＥＡ部に印加されたＤＣ電圧に対する消光比の変化を示している。 ＥＡ部に印加されたＡＣ電圧に対して出力される光変調信号を図３の消光比曲線に重ねて示している。 ２つの異なる動作温度での消光比曲線を示している。 本発明の第１実施形態に係る吸収係数と光電流の比との関係を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る吸収係数と光電流の比との関係を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子の上面図である。 本発明の第３実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子の上面図である。 本発明の第４実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子の上面図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

［第１実施形態］
図１（ａ）は第１実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子の上面を示す。変調器集積型半導体レーザ素子（ＥＡ変調器集積型ＬＤ）は、変調器（ここではＥＡ変調器）と半導体レーザがモノリシックに集積された半導体素子である。なお、以降の説明では集積型を用いて説明するが、これに限定されずＥＡ変調器と半導体レーザが別体の場合であっても本願発明の効果は得られる。図１（ｂ）は第１実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子１００の光のＡＡでの断面を示す。図１（ｃ）は第１実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子１００の光のＢＢでの断面を示す。

当該レーザ素子１００は、半導体基板１０８と、該半導体基板１０８の一の面上に形成されて該半導体基板１０８の一の端部から他の端部まで延伸するメサストライプ１０２と、該メサストライプの両側に形成された埋め込み層１１５と、該メサストライプ１０２と埋め込み層１１５にかかり、かつメサストライプが延伸する方向で互いに離間するｐ型上部電極１１０，１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃと、該半導体基板１０８の他の面を覆うように形成されるｎ型下部電極１２１を有する。

半導体基板１０８はＩｎＰ基板であることが好ましい。メサストライプ１０２は、Ｆｅ又はＲｕがドーピングされた半絶縁性ＩｎＰで埋め込まれているが、埋め込まれていないリッジ型でもよい。ｐ型上部電極１１０，１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃはＡｕを含む金属膜で構成されることが好ましい。ｎ型電極１２１はＡｕを含む金属膜で構成されることが好ましい。

メサストライプ１０２内には、光源１０３と、該光源１０３と光導波路１０７ａを介して光学的に結合される第１電界吸収（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）部１０４と、該第１ＥＡ部１０４と光導波路１０７ｂを介して光学的に結合される第２ＥＡ部１０５と、該第２ＥＡ部１０５と光導波路１０７ｃを介して光学的に結合される第３ＥＡ部１０６を有する。光源１０３と、第１ＥＡ部１０４と、第２ＥＡ部１０５と、第３ＥＡ部１０６と、光導波路１０７が形成されている。

光源側ｐ型上部電極１１０は光源１０３上に位置する。ＥＡ側第１ｐ型上部電極１０９ａは第１ＥＡ部１０４上に位置する。ＥＡ側第２ｐ型上部電極１０９ｂは第２ＥＡ部１０５上に位置する。ＥＡ側第３ｐ型上部電極１０９ｃは第３ＥＡ部１０６上に位置する。

光源１０３は、上から順に、光源側ｐ型クラッド層１１１、光源側上部光閉じ込め層１１２、光源側活性層１１３、及び光源側下部光閉じ込め層１１４を有する。なお、上部および下部もしくはどちらか一方の光閉じ込め層は無くても構わない。

光源１０３は分布帰還型レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＤＦＢ−ＬＤ）であるがこれに限定されない。ｐ型クラッド層１１１はｐ型ＩｎＰであることが好ましいがこれに限定されない。上部光閉じ込め層１１２と下部光閉じ込め層１１４は１層のＩｎＧａＡｓＰを有することが好ましい。活性層１１３はＩｎＧａＡｓＰで構成される量子井戸（ＭＱＷ）構造を有することが好ましいがこれに限定されない。活性層１１３はたとえば、量子細線（２次元量子井戸）又は量子ドット（３次元量子井戸）を有してもよいし、あるいは、量子井戸構造ではないバルク構造を有してもよい。光導波路１０７は１層のＩｎＧａＡｓＰを有することが好ましい。

第１ＥＡ部１０４、第２ＥＡ部１０５、及び第３ＥＡ部１０６はそれぞれ、上から順に、ＥＡ側ｐ型クラッド層１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ、ＥＡ側上部光閉じ込め層１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ、ＥＡ側活性層１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ、及びＥＡ側下部光閉じ込め層１１９ａ，１１９ｂ，１１９ｃを有する。ｐ型クラッド層１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃと、上部光閉じ込め層１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃと、活性層１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃと、下部光閉じ込め層１１９ａ，１１９ｂ，１１９ｃはそれぞれ、共通する一の層を構成する。なお、上部および下部もしくはどちらか一方の光閉じ込め層は無くても構わない。ｐ型クラッド層１１６はｐ型ＩｎＰであることが好ましいがこれに限定されない。上部光閉じ込め層１１７と下部光閉じ込め層１１９は１層のＩｎＧａＡｓＰを有することが好ましい。活性層１１８はＩｎＧａＡｓＰで構成される量子井戸構造を有する。量子井戸構造とはたとえば、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造又は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造であってよい。また光源側ｐ型クラッド層１１１とｐ型クラッド層１１６は共通する一の層であっても構わない。

「背景技術」で説明したように、各ＥＡ部は、電界吸収効果と呼ばれる変調信号（電界）の印加による量子井戸構造の光の吸収量の変化を利用してＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えることができる。より詳細には、量子井戸構造に電圧が印加されることで、量子井戸構造のポテンシャルが変化し、その結果伝導帯の量子準位は相対的に低下し、価電子帯の量子準位は相対的に上昇する。つまり印加電界によって、実効的なエネルギーギャップが減少することで、光の吸収量が変化する。印加される電圧が大きくなれば、吸収される光の量も増大する。このような量子井戸構造に電界を印加したときの吸収特性の変化は量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）として知られている。

当業者に知られているように、各ＥＡ部の吸収係数α（１／ｃｍ）は構成する半導体の組成・組成比、及び構造で決定される。第１ＥＡ部１０４、第２ＥＡ部１０５、及び第３ＥＡ部１０６の吸収係数αを同一にするため、第１ＥＡ部１０４、第２ＥＡ部１０５、及び第３ＥＡ部１０６は同一の組成、組成比、及び構造を有する。ここで、「組成」とはＥＡ部を構成する物質層に含まれる原子の種類を意味し、「組成比」とはＥＡ部を構成する物質層に含まれる原子の化合比を意味する。そして「構造」とは、少なくとも各層の厚みや幅を意味し、光の伝播方向の長さは含まないものとする。

前述したように、各ＥＡ部は変調器長を除いて同一の組成、組成比、及び構造を有するので、各ＥＡ部は同一の吸収係数α（１／ｃｍ）を有する。吸収係数とはある物質中での単位長さあたりでの光の吸収の度合いを表すので、同一の吸収係数αを有する各ＥＡ部に同一の大きさの電圧（例えば、Ｖ_ｍｉｄ、Ｖ_ＯＨ，そしてＶ_ＯＬなど）が印加される場合、変調器長（より正確には活性層の長さ）の長いＥＡ部は、変調器長の短いＥＡ部よりも多くの光を吸収する。

上述したようにＥＡ部に印加される電圧が増加することで、そのＥＡ部の吸収係数は増大する。変調器長ＬのＥＡ部の吸収係数をα、ＥＡ部に入力される光出力強度Ｐ_１、ＥＡ部を透過後の光出力強度Ｐ_２とすると、その関係は式（１）で表される。消光比とはＥＡ部透過前後の光出力強度の比、つまりＰ_２／Ｐ_１であるから、ｅｘｐ（−αＬ）で表される。

図２は、本発明の第一の実施形態に係る光送信機のブロック図を示す。当該素子は変調器集積型半導体レーザ素子１００と制御部１３０で構成される。変調器集積型半導体レーザ素子１００は、光源１０３、第１ＥＡ部１０４、第２ＥＡ部１０５、及び第３ＥＡ部１０６を有する。制御部１３０は、直流電源１２２、第１電流検出手段１２３、第２電流検出手段１２４、制御用ＩＣ１２６、電圧印加部１２９、及び駆動部１２５、を有する。

第１電流検出手段１２３が第１スイッチ１２７を介して第１ＥＡ部１０４に接続される。第２電流検出手段１２４は第２スイッチ１２８を介して第２ＥＡ部１０５に接続される。電圧印加部１２９は、第１ＥＡ部１０４及び第２ＥＡ部１０５の両者に接続され、各々に電圧を印加する。なお、本実施形態では共通の一つの電圧印加部としたが、第１ＥＡ部１０４及び第２ＥＡ部１０５各々に単独に接続する二つの電圧印加部としても構わない。駆動部１２５は第３ＥＡ部１０６に接続される。制御用ＩＣ１２６は、光源１０３に電力を供給する直流電源１２２、電圧印加部１２９、駆動部１２５、第１電流検出手段１２３、及び第２電流検出手段１２４に接続される。

第１電流検出手段１２３は、第１ＥＡ部１０４が光を吸収することで発生する電流を検出する。第２電流検出手段１２４は、第２ＥＡ部１０５が光を吸収することで発生する電流を検出する。第１電流検出手段１２３及び第２電流検出手段１２４は、電流を直接検出してよいし、あるいは、電流を電圧に変換して検出してもよい。

制御用ＩＣ１２６は、第１電流検出手段１２３と第２電流検出手段１２４がそれぞれ検出した電流値を受け取る。制御用ＩＣ１２６は、受け取った電流値に基づいて、所望の消光比となるように、第１ＥＡ部１０４、第２ＥＡ部１０５、及び第３ＥＡ部１０６に印加される電圧を制御する。また制御用ＩＣ１２６は、受け取った電流値に基づいて、光出力を一定に保つように、光源１０３の直流電源１２２をも制御する。制御用ＩＣ１２６は、たとえばマイコンＩＣであってよい。

さらに図２を参照しながら、制御用ＩＣ１２６の具体的な消光比及び光出力の制御について説明する。直流電源１２２が接続された光源１０３から出力されるＤＣ光出力が第１ＥＡ部１０４で吸収されることで、光電流Ｉ_ｐｈ１が流れる。同様にして、第１ＥＡ部１０４を通過した光が第２ＥＡ部１０５で吸収されることで、光電流Ｉ_ｐｈ２が流れる。そのＩ_ｐｈ１、Ｉ_ｐｈ２がそれぞれ第１電流検出手段１２３と第２電流検出手段１２４によって検出され、Ｉ_ｐｈ１とＩ_ｐｈ２との比と、既知である変調器長Ｌ_１，Ｌ_２から吸収係数αが求められる。

制御用ＩＣ１２６は、求められたαから任意の消光比を得るように第３ＥＡ部１０６を動作させるため、駆動部１２５に動作条件をフィードバックする。ここで、第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５にはＤＣ電圧が印加され、第３ＥＡ部１０６には、変調信号に応じて電圧が切り替わる駆動信号（ＡＣ電圧信号）が、駆動部１２５から供給される。駆動部１２５はドライバＩＣであってよい。第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５にはＤＣ電圧が印加されることが好ましいが、ＡＣ電圧が印加されてもよい。

前述したようにαはＥＡ部に印加される電圧に依存するので、同一の組成、組成比、及び構造を有する第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５に同一のαを与えるためには、同一の大きさの電圧を第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５に印加することが必要である。したがって、第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５にそれぞれ接続される第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂには同時に同一の電圧が印加される。ここで電圧に対する消光比が、第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５に流れるＩ_ｐｈ１、Ｉ_ｐｈ２から後述する計算方法により求められる。求められた電圧に対する消光比に基づいて、第３ＥＡ部１０６を駆動する電圧がフィードバック制御される。また、消光比とＩ_ｐｈから半導体レーザ素子１００の光出力強度が求められるため、光出力強度を一定に保つように、光源１０３の直流電源１２２がフィードバック制御される。また消光比調整を行わない場合などは、スイッチ１２７，１２８をＯＦＦにすることによって変調器集積型半導体レーザ素子の光損失を低減することができる。

次に消光比及び光出力強度の算出方法について説明する。第１ＥＡ部１０４の長さ（変調器長）をＬ_１とし、第２ＥＡ部１０５の長さをＬ_２とする（ここで、変調器長は光の伝播方向での長さで定義される）。光源１０３から出射して第１ＥＡ部１０４へ入射する光の光出力強度をＰ_１、第１ＥＡ部１０４から出射して第２ＥＡ部１０５へ入射する光の光出力強度をＰ_２、第１ＥＡ部１０４が光を吸収することで発生させる電流をＩ_ｐｈ１、及び、第２ＥＡ部１０５が光を吸収することで発生させる電流をＩ_ｐｈ２とする。Ｉ_ｐｈ１はＰ_１を用いて式（２）のように表される。

ここで、ｑは電気素量、ｈはプランク定数、νは光の振動数である。同様にＩ_ｐｈ２はＰ_２を用いて式（３）のように表される。

光は第１ＥＡ部１０４によって部分的に吸収されるので、Ｐ_２はＰ_１を用いて式（４）のように表される。

式（２）、（３）、（４）から光電流の比Ｉ_ｐｈ２／Ｉ_ｐｈ１は式（５）のようにして求められる。

式（５）から分かるように、各ＥＡ部に流れるＩ_ｐｈの比は光源の光出力強度Ｐ_１に依存せず、各ＥＡ部の長さ及びαで決まる。つまり、各ＥＡ部の長さＬ_１，Ｌ_２は既知であるので、αはＩ_ｐｈの比から求められる。つまり、各ＥＡ部の消光比と第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５のＩ_ｐｈの比の関係が分かれば、制御用ＩＣによってＩ_ｐｈの比を用いて消光比を計算し、所望の消光比となるように第３ＥＡ部の電圧を設定できることを意味する。式（５）の代わりに、αとＩ_ｐｈの比との関係を規定する所定のテーブルが用いられてもよい。

また、式（２）、式（３）から分かるようにαとＩ_ｐｈが分かれば、各ＥＡ部の光出力強度を知ることができる。詳細については後述する。

図３は、ＥＡ部に印加されたＤＣ電圧（単位［Ｖ］）に対する消光比（単位［ｄＢ］）の変化（消光比曲線）を示している。図中、電圧が印加されていないときの消光比は０である。これは、ＥＡ部に電圧が印加されていない場合、そのＥＡ部に入射した光は、減衰することなく出力されることを意味する（透過損失は除く）。図からわかるように、印加電圧の大きさが増加することで、消光比も大きくなる。このような消光比特性を利用して、ＥＡ部は動作する。具体的には、ＥＡ部は、電圧を印加する／しないを繰り返すことによって、ＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換える。

図４は、ＥＡ部に印加されたＡＣ電圧（任意単位）に対して出力される光変調信号（任意単位）を図３の消光比曲線に重ねて示している。図中、Ｖ_ＯＨはＯＦＦ状態での電圧を表し、Ｖ_ＯＬはＯＮ状態での電圧を表し、Ｖ_ｍｉｄはＶ_ＯＨとＶ_ＯＬの平均値を表し、かつ、Ｖ_ｍｏｄはＶ_ＯＨとＶ_ＯＬの差を表す。図から、ＥＡ部が出力する光信号の挙動は、ＥＡ部に印加される電気信号の挙動に対応することがわかる。

図５は、２つの異なる動作温度での消光比曲線を示している。図から、動作温度が変化すことによって、消光比曲線が変化しているのがわかる。従って、動作温度が変化した場合に、Ｖ_ＯＨとＶ_ＯＬにそれぞれ対応する消光比も変化する。実駆動時の消光比は、Ｖ_ＯＨとＶ_ＯＬにそれぞれ対応する消光比の差となるため、動作温度の変化に関わらずＶ_ＯＨとＶ_ＯＬが一定である場合は、消光比は変化しない。

消光比を一定に制御するためには、上述した式（５）に基づいて、第１ＥＡ部１０４にＤＣ電圧を印加することによって発生するＩ_ｐｈ１と第２ＥＡ部１０５にＤＣ電圧を印加することによって発生するＩ_ｐｈ２との比Ｉ_ｐｈ２／Ｉ_ｐｈ１が制御される。例として該ＤＣ電圧がＶ_ｍｉｄである場合について説明する。初期状態（安定状態）としてＶ_ｍｉｄが印加されたときに第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５に流れるＩ_ｐｈ１とＩ_ｐｈ２の値はそれぞれ、ＥＡ変調器の温度変化に伴って変化する。なぜなら式（２）、（３）から分かるようにＩ_ｐｈ１とＩ_ｐｈ２はαの関数であり、αは温度により変化するからである。そこで、変化したＩ_ｐｈ１とＩ_ｐｈ２の比が初期状態のＩ_ｐｈ１とＩ_ｐｈ２の比と同じ値になるようにＶ_ｍｉｄを変化させる。上記のようにＶ_ｍｉｄを変化させることでＩ_ｐｈ１とＩ_ｐｈ２の比が初期状態での比と同じ値になったときには、式（５）から分かるように、αの値も初期状態と同じ値になる。この際にＶ_ｍｏｄを初期状態と同じ値にしておけば、Ｖ_ＯＨやＶ_ＯＬのそれぞれ対応する消光比も初期状態と同じ値になっている。従って、実駆動時の消光比（Ｖ_ＯＨの消光比とＶ_ＯＬの消光比の差）は初期状態と同じ値であり、消光比を一定に制御することができる。

これまでの説明では、所望の消光比（吸収係数）を得るためにＶ_ｍｉｄが制御されているが、Ｖ_ＯＨやＶ_ＯＬが制御されてもよい。この場合は、Ｖ_ＯＨのときのＩ_ｐｈの比を一定に保つようにＶ_ＯＨを制御することと、Ｖ_ＯLのときのＩ_ｐｈの比を一定に保つようにＶ_ＯLを制御することとの両方を行う必要があり、場合によっては、Ｖ_ｍｏｄは初期状態から変化する。ただし、本制御の方はＶ_ｍｉｄで制御するよりは精度良く消光比を一定に保つことができる。

次に光出力強度の制御について説明する。ここで言う光出力強度は、第３ＥＡ部１０６から出力される光の所望の値に制御された強度である。一般的には、光出力強度の制御と消光比の制御の両方が行われる。つまり、光強度のみ制御して消光比を制御しないということはあまり行われない。そこで、まずは消光比も制御しつつ光出力強度を制御する手順について説明する。

ここでは動作温度が上昇した場合を例に説明する。まず上述したようにＩ_ｐｈ１、Ｉ_ｐｈ２の測定より消光比を制御して所望の値とする。このとき、第１ＥＡ部１０４、第２ＥＡ部１０５、そして第３ＥＡ部１０６における光損失量は、動作温度が上昇する前とほぼ同等の値となっている。しかし、動作温度の上昇に伴い光源１０３の光出力強度は低下している。そのため、第３ＥＡ部１０６から出力される光出力強度Ｐ_ｏｕｔは動作温度上昇前と比べて低下している。この状態において、光源１０３から出力される光の強度を初期値に戻せば、動作温度上昇前と同等のＰ_ｏｕｔになるといえる。光源１０３から出力される光の強度は、第１ＥＡ部１０４に入射される光出力強度Ｐ_１と実質的に同等である。従って、Ｐ_１が所望の値（ここでは動作温度上昇前の値）となるように制御すればよいことになる。

Ｐ_１の値は以下のようにして求めることができる。（ｉ）まず、上述したようにＩ_ｐｈ１、Ｉ_ｐｈ２の測定値及び既知のＬ_１、Ｌ_２を用いて式（５）よりαを求める。（ｉｉ）次に、Ｉ_ｐｈ１の測定値及び既知のＬ_１と（ｉ）で得られたαを用いて式（２）よりＰ_１を求める。動作温度が上昇する場合、Ｐ_１は所望の値より小さくなっているはずである。そのため、Ｐ_１が所望の値となるまで光源１０３に注入する電流を増加させる必要がある。Ｐ_１が所望の値となれば、以降の３つのＥＡ部での光損失量は初期の量となっているため、Ｐ_ｏｕｔは所望の値（温度上昇前の値）と同等となっている。

なお、実際の動作としては消光比の制御と光出力強度の制御は交互に繰り返して所望の値となるように維持される。なぜなら、光源１０３に注入する電流を増加させた場合、変調器集積型半導体レーザ素子全体の温度が微増する場合がある。そのためαの値は、若干だがまた変化する。その結果消光比がずれることがある。このように消光比制御と光出力強度制御を繰り返し行うことで、所望の値に収束させていけば良い。また、ここでは第１ＥＡ部１０４を用いた手順について説明したが、これに限定されず第２ＥＡ部１０５、第３ＥＡ部１０６を用いても構わない。

次に、消光比制御とは別個に光出力強度を制御する手順について説明する。基本的な手順は、上述した手順と同じである。第３ＥＡ部１０６が光を吸収することで発生する電流をＩ_ｐｈ３とする。Ｉ_ｐｈ３はＰ_ｏｕｔを用いて式（６）のように表される。また第３ＥＡ部１０６の長さをＬ_３とする。

Ｉ_ｐｈ２，Ｉ_ｐｈ１の測定と式（５）よりαを知ることができる。そのαと、Ｉ_ｐｈ３の測定値より式（６）に基づいてＰ_ｏｕｔを知ることができる。従って、Ｐ_ｏｕｔが所望の値となるまで光源１０３に注入する電流を変化させればよい。なお、このとき、各ＥＡ部へ印加する電圧は変えていないために、消光比は所望の値となっていない場合がある。

以上のように、本発明によれば消光比および光出強度を所望の値に制御することができる。

図６は、様々な第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５の合計変調器長（Ｌ_１＋Ｌ_２）でのαに対するＩ_ｐｈの比を示している。具体的には、図５（ａ）−（ｃ）はそれぞれ、第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５の合計変調器長（Ｌ_１＋Ｌ_２）はそれぞれ１０μｍ,１００μｍ,２００μｍである。また図６（ａ）−（ｃ）の各図は、様々なＬ_１とＬ_２との比率でのαに対するＩ_ｐｈの比も示している。図中、α=２０（１／ｃｍ）におけるＩ_ｐｈの比が１と規格化されている。図７は、いくつかの合計変調器長におけるＩ_ｐｈのα依存性を示す。図７では、Ｌ_１とＬ_２は等しい。

これらの図から、合計変調器長が長くなるにつれてαに対するＩ_ｐｈ比の変化は大きくなることがわかる。吸収係数αに対するＩ_ｐｈの比については、Ｉ_ｐｈの比から消光比を高精度に制御するためには、αの変化に対するＩ_ｐｈの比が大きいことが求められるので、合計変調器長が長くなることで、αの変動に対するＩ_ｐｈ比の制御性が向上する。変調器長（Ｌ_１、Ｌ_２）とＩ_ｐｈの比との関係についての検討結果から、例えばＯＮレベルとＯＦＦレベルとの間で１０ｄＢ程度の消光比を得るには、変調器長が１３０μｍ程度の１.３μｍ帯ＥＡでは、αを２０から２００程度まで変化させる必要があることがわかった。

前述したようにαの変動に対するＩ_ｐｈ比の制御性を向上させるためには合計変調器長を長くすることが好ましい一方で、合計変調器長が長くなると、線形性は失われることが分かる。また、合計変調器長が短ければ、両変調器長の比率によらずＩ_ｐｈ比は同程度の値であるが、合計変調器長が長ければ、前方変調器長であるＬ_１が長いほどＩ_ｐｈ比が大きくなる。

また合計変調器長が長くなると主信号成分の損失も大きくなる。そのため光電流検出部である第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５の変調器長は、主信号成分を過大に減衰させないように選ばれる必要がある。例えば、αが１００(１／ｃｍ)である場合、第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５での損失を３ｄＢ以下に抑えるためには合計変調器長は２２μｍ以下にされなければならない。

以上よりαの変化に対する光電流比の感度の向上と主信号成分の低損失化はトレードオフの関係にあることがわかった。従ってＬ_１とＬ_２の長さは、吸収係数αに対するＩ_ｐｈの比及び主信号成分の損失を考慮して決定される必要がある。

「背景技術」で述べたとおり、ＥＡ変調器集積型ＬＤの消光比及び光出力強度は、通信状態を維持するために一定に保たれる必要がある。消光比及び光出力強度を一定に保つため、従来通信用のＥＡ変調器集積型ＬＤでは一般的に、低コスト化に有利と考えられているフィードフォワード（ＦＦ）制御が用いられる。しかしＦＦ制御は、たとえば温度のような外的要因に対する消光比や光出力の変化を予め測定し、適した補正値を設定する必要があるため、個体毎の調整が必要になることが多く、大量生産が必要とされる場面ではコスト的に不利となる場合がある。

しかも将来的にはこの多値変調技術において低コスト化及び低消費電力化が求められることが予想される。低コスト化を実現するための最も単純な方法は使用部品の削減である。たとえばペルチェ素子などの温度調整器を使用しないことは使用部品の削減のみならず、低消費電力化の点からも効果的である。つまり、次世代の多値変調では無温度調整動作が求められることが予測される。

以上のように無温度調整動作及び高精度な消光比制御が求められる多値変調を想定した場合、従来のＦＦ制御では高品質な光送信機の実現は困難さを極めると考えられる。

また変調器集積型半導体レーザ素子の光出力は、半導体レーザとは別に集積された光出力モニタ用のモニタフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＰＤ、モニタＰＤ）によって検出され、かつ、そのモニタＰＤによって検出された値に基づいて制御されている。しかしＬＤの光出力を検出する一般的な手法として用いられている光出力モニタＰＤなどの搭載は、サイズやコスト面で不利になる一因である。

本発明は、動作状態における消光比及び光出力強度を求めることによって、従来技術で用いられるＦＦ制御よりもＰＡＭ４の伝送に必要な各段階での光出力強度のフィードバック制御を可能にする。その結果、初期設定に要する時間を大幅に削減できるとともに温度などの外的要因による消光比及び光出力強度の変動を抑制することができる。特にＵｎ−Ｃｏｏｌｅｄ動作の場合、周辺環境温度に応じて光出力強度や消光比が変動するため、本発明のフィードバック動作は、光出力強度や消光比の変動量を一定範囲に収める有効な手段になる。Ｕｎ−Ｃｏｏｌｅｄ動作のみならずＣｏｏｌｅｄ動作の場合においても、本発明のフィードバック動作は、半導体レーザ素子の経年変化などによる光出力強度変動を補正できる有効な手段となりえる。

また本発明は、モニタＰＤを用いることなく光出力強度の制御を可能し、その結果、より小型で安価な光送信機を提供できる。近年では４値パルス振幅変調などの多値変調技術を用いてビットレートの向上が検討されていることを鑑みると、本発明は、多値変調技術においても優位性を持つことを意味する。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子２００を示す。第１実施形態に係る半導体レーザ素子１００とは異なり、半導体レーザ素子２００は第１ＥＡ部２０４と第２ＥＡ部２０５を有し、第１ＥＡ部２０４と第２ＥＡ部２０５には、それぞれ電極２０９ａ，２０９ｂを介して変調信号に相当するＡＣ電圧が印加される。

本実施形態は、第１ＥＡ部２０４と第２ＥＡ部２０５がそれぞれ発生させる光電流Ｉ_ｐｈ１、Ｉ_ｐｈ２の時間平均を検出し、その検出されたＩ_ｐｈ１、Ｉ_ｐｈ２に基づいて第２ＥＡ部２０５への変調信号のバイアス電圧を制御する。時間平均は、第２ＥＡ部２０５への変調信号のバイアス電圧の適切な制御を可能とするのに十分な長さである。

本実施形態は、ＥＡ変調器の温度特性が変化した際にＥＡ部の駆動中心バイアスにおける吸収係数αを維持するようにＥＡ部駆動中心バイアスをフィードバックすることで、消光比の変動を抑制することを可能にする。本実施形態は、第１実施形態と比較して半導体レーザ素子のサイズを小型化し、かつ、変調動作中に消光比及び光出力強度の検出を行うことができるため、光損失を最小化できる。

［第３実施形態］
図９は、第３実施形態に係る変調器集積型半導体レーザ素子３００の上面図を示す。本実施形態では、パッシブな光導波路３０７ａが２つの光導波路３０７ｂと３０７ｃに分岐している。一方の光導波路３０７ｂには第１ＥＡ部３０４と第２ＥＡ部３０５が直列接続され、他方の光導波路３０７ｃには第３ＥＡ部３０６が接続されている。

本実施形態では、第３ＥＡ部３０６が送信する光信号の変調器として使用され、第１ＥＡ部３０４と第２ＥＡ部３０５が、吸収係数αと光出力強度を求めるための検出部として用いられる。そのため、第１ＥＡ部３０４と第２ＥＡ部３０５にはそれぞれ電極３０９ａ，３０９ｂを介してＤＣ電圧が印加され、第３ＥＡ部３０６には電極３０９ｃを介して変調信号に相当するＡＣ電圧が印加される。第１ＥＡ部３０４と第２ＥＡ部３０５にはＤＣ電圧が印加されることが好ましいが、ＡＣ電圧が印加されてもよい。

図９では、光導波路３０７ａと光導波路３０７ｂが一の光導波路を構成し、その一の光導波路に光導波路３０７ｃが追加されている。しかし光導波路３０７ａと光導波路３０７ｂで構成される一の光導波路に、光導波路３０７ｃとさらなる光導波路が追加され、それぞれに第１ＥＡ部３０４と第２ＥＡ部３０５が接続されてもよい。

本実施形態は、第１実施形態と比較して、第１ＥＡ部３０４と第２ＥＡ部３０５に印加する電圧を変更しても、第３ＥＡ部３０６にて変調され送信される光信号に影響を与えないという有利な効果を奏する。そのため本実施形態は、第１ＥＡ部３０４と第２ＥＡ部３０５に印加する電圧を時間的に変化させ、例えばＰＡＭ４の０、１、２、３レベルに相当するそれぞれの電圧における消光比をモニタし、逐次第３ＥＡ部３０６の駆動電圧振幅にフィードバックすることが可能である。これにより、ＰＡＭ４で重要となる各信号レベル間の光振幅を一定に保つようにフィードバック制御することが可能となる。

［第４実施形態］
図１０は、本発明に係る変調器集積型半導体レーザ素子４００の上面図を示す。本実施形態では、光源４０３は、右側で光導波路４０７ｃを介して第３ＥＡ部４０６と接続し、かつ、左側で光導波路４０７ｂを介して第１ＥＡ部４０４及び第２ＥＡ部４０５と接続する。第１ＥＡ部４０４と第２ＥＡ部４０５は光導波路４０７ａを介して接続される。光源４０３と第３ＥＡ部４０６は一般的なＥＡ−ＤＦＢ ＬＤを構成する。本実施形態では、ＤＦＢ−ＬＤの左側に接続された光導波路４０７ａに第１ＥＡ部４０４と第２ＥＡ部４０５が直列に接続されている。しかしその光導波路４０７ａを分岐させ、それぞれに第１ＥＡ部１０４と第２ＥＡ部１０５を接続してもよい。

本実施形態も第３実施形態の利点を享受する。また本実施形態は、第３実施形態の利点に加えて、光導波路の分岐がない場合には、作製が容易になる利点を享受する。

［第５実施形態］
式（２）から明らかなように、入力光強度が、光電流、吸収係数、及び変調器長から求められる。変調器長は既知であるので、本発明を用いればＩ_ｐｈの比と吸収係数の関係がわかる。つまり、上述のような消光比制御の過程において、入力光強度が求まる。したがって、出力光強度も自動的に求まる。このことは、光出力制御が可能であることを意味する。これは上記第１乃至第４実施形態のいずれにも適用される。

［第６実施形態］
上記第１乃至第５実施形態では、第１ＥＡ部１０４，２０４，３０４と第２ＥＡ部１０５，２０５，３０５の変調器長はそれぞれ異なっていて、かつ、第１ＥＡ部１０４，２０４，３０４と第２ＥＡ部１０５，２０５，３０５にはそれぞれ異なる強度の光が入射する。しかし式（５）からわかるように、第１ＥＡ部１０４，２０４，３０４と第２ＥＡ部１０５，２０５，３０５が直列接続されている場合には、両者の変調器長は同一であってもよい。また第１ＥＡ部１０４，２０４，３０４と第２ＥＡ部１０５，２０５，３０５が並列接続されている場合には、第１ＥＡ部１０４，２０４，３０４と第２ＥＡ部１０５，２０５，３０５には同一の強度の光が入射してもよい。

１００，２００，３００，４００ 変調器集積型半導体レーザ素子、１０２，２０２，３０２，４０２ メサストライプ、１０３，２０３，３０３，４０３ 光源、１０４，１０５，１０６，２０５，２０６，３０４，３０５，３０６，４０４，４０５，４０６ 電界吸収部、１０７，２０７，３０７，４０７ 光導波路、１０８，２０８，３０８，４０８ 半導体基板、１０９，１１０，２０９，２１０，３０９，３１０，４０９，４１０ ｐ型上部電極、１１１，１１６ ｐ型クラッド層、１１２，１１７ 上部光閉じ込め層、１１３，１１８ 活性層、１１４，１１９ 下部光閉じ込め層、１１５ 埋め込み層、１２１ ｎ型下部電極、１２２ 直流電源、１２３，１２４ 電流検出手段、１２５ 駆動部、１２６ 制御用ＩＣ、１２７，１２８ スイッチ、１２９ 電圧印加部、１３０ 制御部。

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源と光学的に結合する第１電界吸収部と、
   前記光源と光学的に結合する第２電界吸収部と、
   前記光源と光学的に結合する第３電界吸収部と、
   前記第１電界吸収部に電圧を印加する第１電圧印加部と、
   前記第２電界吸収部に電圧を印加する第２電圧印加部と、
   前記第１電界吸収部に流れる電流を検出する第１電流検出手段と、
   前記第２電界吸収部に流れる電流を検出する第２電流検出手段と、
   前記第１電流検出手段及び前記第２電流検出手段が検出する２つの電流から決定される前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部の吸収係数に基づいて制御信号を生成することで前記第３電界吸収部に印加される第３電圧を制御する制御用ＩＣを備え、
   前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部は、光の伝播方向の長さ又は入力される光の強度の少なくとも一方が異なり、かつ共通の組成、組成比、及び前記光の伝播方向に垂直な断面における構造を有する、
   光送信機。
2. 請求項１に記載の光送信機において、
   前記第３電界吸収部は、前記制御信号に応じて変調光を発生するように構成され、
   前記第３電界吸収部は、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部と共通の組成、組成比、及び前記光の伝播方向に垂直な断面における構造を有する光送信機。
3. 請求項１に記載の光送信機において、
   前記制御用ＩＣは、前記制御信号に応じて前記第２電界吸収部が発生する他の変調光を制御する光送信機。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の光送信機において、
   前記第１及び第２電圧印加部は、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部へ同一の大きさの電圧を印加する光送信機。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の光送信機において、
   前記制御用ＩＣは、前記第１電界吸収部に流れる電流と前記第２電界吸収部に流れる電流との比を算出することによって前記制御信号を生成する光送信機。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の光送信機において、
   前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部の吸収係数は、前記第１電流検出手段及び前記第２電流検出手段が検出する２つの電流に基づいて決定され、
   前記光源から前記第１電界吸収部へ入射する光出力が、前記第１電界吸収部に流れる電流と前記吸収係数に基づいて制御される、光送信機。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の光送信機において、
   前記光源に電流注入するための直流電源をさらに有し、
   前記直流電源は、前記制御用ＩＣと接続されており、
   前記制御用ＩＣは、前記第１電流検出手段及び前記第２電流検出手段が検出する２つの電流から前記直流電源を制御するための他の制御信号を生成し、
   前記他の制御信号は前記制御信号とは異なる、
   ことを特徴とする光送信機。
8. 光源と、該光源と光学的に結合する第１電界吸収部と、前記光源と光学的に結合する第２電界吸収部と、前記光源と光学的に結合する第３電界吸収部を備え、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部はそれぞれ異なる光の伝播方向の長さを有し、前記第１電界吸収部及び前記第２電界吸収部は、共通の組成、組成比、及び前記光の伝播方向に垂直な断面における構造を有する、光送信機の制御信号生成方法であって、
   前記第１電界吸収部に電圧を印加する段階と、
   前記第２電界吸収部に電圧を印加する段階と、
   前記第１電界吸収部に流れる電流を検出する段階と、
   前記第２電界吸収部に流れる電流を検出する段階と、
   前記第１及び第２電界吸収部に流れる電流から決定される前記第１電界吸収部並びに前記第２電界吸収部の吸収係数に基づいて信号を生成することで前記第３電界吸収部に印加される第３電圧を制御する段階、
   を有する光送信機の制御信号生成方法。

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