JP6817912B2 - 半導体光集積素子 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体光集積素子に関し、より詳細には、半導体レーザと変調器と増幅器とがモノリシックに一体化された半導体光集積素子に関する。
分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）レーザは、単一波長性に優れており、単一の基板上に電界吸収型（ＥＡ: Electroabsorption）変調器とモノリシックに一体化された半導体光集積素子が知られている。このような半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用の光送信モジュールとして用いられている。この光送信モジュールの信号光波長は、光ファイバの伝播損失が小さい１５５０ｎｍ帯が用いられるが、光ファイバに生じる波長分散の影響を受けにくい１３００ｎｍ帯も用いられ、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速光信号を伝送する。
ＥＡ−ＤＦＢレーザにおいて高出力を得るためには、ＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスの絶対値は小さいほうがよい一方、長距離伝送が可能な光波形を得るためには、ＤＣバイアスの絶対値は大きいほうがよいというトレードオフの関係がある。このトレードオフの関係を打ち消すために、非特許文献１では、ＥＡ変調器の出力端に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）をさらに集積することが開示されている。非特許文献１によれば、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のチャープ値が変換されて、長距離伝送を実現している。
図１に、従来の半導体光集積素子の制御方法を示す。半導体光集積素子１００は、光導波方向に対して順に、ＤＦＢレーザ１０１、ＥＡ変調器１０２、およびＳＯＡ１０３を備えており、これらの構成要素は、単一の半導体基板上に、一体的にモノシリック積層されている（例えば、特許文献１参照）。ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３とは、同一の制御端子１０４から注入される電流値ＩOPによって制御される。このとき、ＤＦＢレーザ１０１への注入電流をＩDFBとし、ＳＯＡ１０３への注入電流をＩSOAとすると、電流値ＩOPは、
ＩOP＝ＩDFB＋ＩSOA
で与えられる。
ＩOP＝ＩDFB＋ＩSOA
で与えられる。
一般に、ＥＡ−ＤＦＢレーザを搭載した光送信モジュールで許容されるＩOPの値は６０〜８０ｍＡである。ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３の光導波方向の長さの比を調整することにより、所定の電流注入量ＩOPに対してＩDFBとＩSOAの割合を調整することができる。
Toshio Watanabe, 外３名, "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、同一の制御端子１０４からＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３に電流を注入するので、ＤＦＢレーザ１０１の電極とＳＯＡ１０３の電極とが短絡されることになる。このため、モノシリック積層されているＤＦＢレーザ１０１とＥＡ変調器１０２の間の分離抵抗、およびＥＡ変調器１０２とＳＯＡ１０３との間の分離抵抗が、実効的に低下してしまい、ＥＡ変調器１０２に供給する変調信号が、ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３に漏洩するという問題があった。変調信号の漏洩は、ＥＡ変調器１０２の変調効率が劣化するとともに、ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３のそれぞれの出力光のパワーが変動してしまう。
本発明の目的は、ＥＡ変調器の変調信号の漏洩による影響を抑制することができる半導体光集積素子を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一の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レーザおよび前記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半導体光集積素子において、前記制御端子から前記ＤＦＢレーザに至る電流供給経路に挿入された第１のインダクタと、前記制御端子から前記ＳＯＡに至る電流供給経路に挿入された第２のインダクタとを備え、前記ＥＡ変調器に印加される変調信号の一部が分岐されて、前記変調信号とは位相が反転し、所望のパワーの相殺信号が前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの電極にそれぞれ加えられることを特徴とする。
本発明によれば、ＤＦＢレーザとＳＯＡの出力光のパワー変動を等しくし、互いに相殺することにより、ＥＡ変調器に供給された変調信号の漏洩による影響を抑制することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２に、本発明の一実施形態にかかる半導体光集積素子を示す。半導体光集積素子２００は、光導波方向に対して順に、ＤＦＢレーザ２０１、ＥＡ変調器２０２、およびＳＯＡ２０３がモノリシックに集積されており、これらの構成要素は、ｎ−ＩｎＰ基板２１１上のｎ−ＩｎＰクラッド層２１２の上に形成されている。
ＤＦＢレーザ２０１は、クラッド層２１２の上に活性層２１３と、回折格子２１５が形成されたガイド層２１４とを備え、ＤＦＢレーザ部の中心部分には、発振波長の単一モードを実現するために、回折格子を四分の一波長だけ位相シフトした四分の一波長位相シフト２１６が設けられている。
ＥＡ変調器２０２は、クラッド層２１２の上に吸収層２１７を備え、ＳＯＡ２０３は、クラッド層２１２の上に活性層２１８およびガイド層２１９を備える。ＳＯＡ２０３の活性層およびガイド層は、ＤＦＢレーザ２０１の活性層およびガイド層と同じ層構造とすることもできる。
これらの構成要素の上には、さらにｐ−ＩｎＰクラッド層２２０が形成され、その上にＤＦＢレーザ電極２２１、ＥＡ変調器電極２２２、ＳＯＡ電極２２３のそれぞれが形成されている。また、基板２１１に下面には、ｎ電極２２４が形成されている。
このような構成により、同一の電流源２３１から駆動電流としてＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３に電流ＩOPが供給される。ここで、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３の光導波方向の長さの比（ＤＦＢレーザ電極２２１とＳＯＡ電極２２３の光導波方向の長さの比に同じ）が調整されており、同一の制御端子から供給される電流ＩOPが、ＤＦＢレーザ２０１への電流ＩDFBと、ＳＯＡ２０３への電流ＩSOAとに分流されて供給される。
ＥＡ変調器２０３には、バイアスＴを介して、直流電圧源２３３からのバイアス電圧Ｖbiasに、高周波（ＲＦ）信号源２３２からのＲＦ信号電圧ＶRFが重畳されて、ＥＡ変調器電極２２２に印加される。
図３に、半導体光集積素子に電源を供給する方法を示す。従来、図３（ａ）に示したように、半導体光集積素子２００が実装された光送信モジュールには、高周波配線基板３０１が配置されている。高周波配線基板３０１には、ＤＦＢレーザ電極２２１とＳＯＡ電極２２３に電流を供給する配線３０２と、ＥＡ変調器電極２２２に電圧を供給する高周波配線３０３とが形成され、半導体光集積素子２００の各々の電極と配線との間を、ボンディング・ワイヤで接続している。
図３（ｂ）は、このような構成にかかる等価回路である。モノシリック積層されているＤＦＢレーザ２０１とＥＡ変調器２０２の間には分離抵抗Ｒ１が存在し、ＥＡ変調器２０２とＳＯＡ２０３との間には分離抵抗Ｒ２が存在する。ＤＦＢレーザ電極２２１とＳＯＡ電極２２３とが短絡されると、分離抵抗Ｒ１，Ｒ２が実効的に低下し、ＥＡ変調器２０２に供給する変調信号が、分離抵抗Ｒ１，Ｒ２を介してＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３に漏洩する。
（第１の実施形態）
図４に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。図４（ｂ）に示したように、高周波配線基板４０１上の配線４０２とＤＦＢレーザ電極２２１との間にインダクタＬ１、配線４０２とＳＯＡ電極２２３との間にインダクタＬ２を実装する。具体的には、図４（ａ）に示したように、配線と電極とを接続するボンディング・ワイヤの有するインダクタンス成分を利用して、ワイヤの長さを調整することによりインダクタを形成する。
図４に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。図４（ｂ）に示したように、高周波配線基板４０１上の配線４０２とＤＦＢレーザ電極２２１との間にインダクタＬ１、配線４０２とＳＯＡ電極２２３との間にインダクタＬ２を実装する。具体的には、図４（ａ）に示したように、配線と電極とを接続するボンディング・ワイヤの有するインダクタンス成分を利用して、ワイヤの長さを調整することによりインダクタを形成する。
ＥＡ変調器２０２をノイズ源とし、同一の制御端子Ａに接続される電流源の出力インピーダンスが０と仮定すると、ノイズ源とＤＦＢレーザ２０１の間にＲ１，Ｌ１からなるハイパスフィルタ（ＨＰＦ）が、ノイズ源とＳＯＡ２０３の間にＲ２，Ｌ２からなるＨＰＦが挿入されることになる。ここで、分離抵抗Ｒ１，Ｒ２に応じて、インダクタＬ１，Ｌ２の値を設定（ボンディング・ワイヤの長さを調整）すれば、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３のそれぞれの出力光のパワー変動を等しくし、位相が反転するように設定することができる。
具体的には、分離抵抗Ｒ１，Ｒ２は、ＤＦＢレーザ電極２２１とＥＡ変調器電極２２２との間の抵抗値、ＥＡ変調器電極２２２とＳＯＡ電極２２３との間の抵抗値として測定する。そして、ＥＡ変調器２０２からの漏洩信号の位相が反転するように、インダクタＬ１，Ｌ２を計算し、ボンディング・ワイヤの長さを決定する。
従来の構成では、ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３のそれぞれの出力光のパワーが変動するので、半導体光集積素子の出力光の変動幅がさらな大きくなってしまう。第１の実施形態によれば、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３の出力光のパワー変動が等しくなり、互いに相殺することになるので、半導体光集積素子の出力光の変動幅を抑制することができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、分離抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値をパラメータとして調整することができないので、インダクタＬ１，Ｌ２の調整、すなわちボンディング・ワイヤの長さの調整のみでは、漏洩信号の位相が反転するように調整できない場合もある。
第１の実施形態では、分離抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値をパラメータとして調整することができないので、インダクタＬ１，Ｌ２の調整、すなわちボンディング・ワイヤの長さの調整のみでは、漏洩信号の位相が反転するように調整できない場合もある。
このような場合には、ボンディング・ワイヤの長さのみならず、形状、材料を変えて、インダクタＬ１，Ｌ２が充分に大きな値になるようにする。このようにして、駆動電流を供給する経路において、漏洩信号（高周波信号）に対するインピーダンスを充分に高くして、ＤＦＢレーザ電極２２１とＳＯＡ電極２２３との間の経路が高周波信号に対して短絡されていないようにする。この上で、以下で説明する第３および第４の実施形態を併用することが望ましい。
（第３の実施形態）
図５に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。
第１の実施形態では、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３に漏洩する信号の位相を変えて、互いに相殺されるようにした。第３の実施形態では、ＥＡ変調器２０２から漏洩する変調信号を打ち消すような相殺信号を、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３のそれぞれに加える。
図５に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。
第１の実施形態では、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３に漏洩する信号の位相を変えて、互いに相殺されるようにした。第３の実施形態では、ＥＡ変調器２０２から漏洩する変調信号を打ち消すような相殺信号を、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３のそれぞれに加える。
高周波配線基板５０１上の高周波配線５０３に、方向性結合器５０４，５０５を形成して、ＲＦ信号の一部を分岐する。分岐されたＲＦ信号は、ＤＦＢレーザ電極２２１（インダクタＬ１とＤＦＢレーザ２０１との間）、およびＳＯＡ電極２２３（インダクタＬ２とＳＯＡ２０３との間）とに、相殺信号として加えられる。方向性結合器５０４，５０５において、高周波配線５０３と対向する配線とが近接する部分の間隔、長さを調整することにより、変調信号とは位相が反転し、所望のパワーの相殺信号を分岐することができる。
詳細には、相殺信号の強度は、方向性結合器５０４，５０５の結合率で調整し、位相は、方向性結合器５０４からＤＦＢレーザ電極２２１までの配線長さおよびボンディング・ワイヤの長さと、方向性結合器５０５からＳＯＡ電極２２３までの配線長さおよびボンディング・ワイヤの長さとを調整する。
第３の実施形態によれば、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３の入力においては、ＥＡ変調器２０２から漏洩する変調信号が打ち消されるので、半導体光集積素子の出力光の変動幅を抑制することができる。
（第４の実施形態）
図６に、本発明の第４の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。第３の実施形態においては、第３の実施形態の相殺信号を半導体光集積素子の外部で生成して、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３に加える。第４の実施形態では、高周波配線基板４０１の高周波配線４０３には、バイアスＴを介して、直流電圧源２３３とＲＦ信号源２３２とが、ＥＡ変調器電極２２２に接続されている。第４の実施形態においては、ＲＦ信号源２３２とバイアスＴとの間に、差動出力を有する高周波増幅器６０１を挿入し、正相信号出力を、バイアスＴを介して制御端子Ｂに接続する。
図６に、本発明の第４の実施形態にかかる半導体光集積素子への電源供給方法を示す。第３の実施形態においては、第３の実施形態の相殺信号を半導体光集積素子の外部で生成して、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３に加える。第４の実施形態では、高周波配線基板４０１の高周波配線４０３には、バイアスＴを介して、直流電圧源２３３とＲＦ信号源２３２とが、ＥＡ変調器電極２２２に接続されている。第４の実施形態においては、ＲＦ信号源２３２とバイアスＴとの間に、差動出力を有する高周波増幅器６０１を挿入し、正相信号出力を、バイアスＴを介して制御端子Ｂに接続する。
一方、高周波増幅器６０１の逆相信号出力は、アッテネータ６０２を介して、制御端子Ｃから高周波配線４０４を介して、ＤＦＢレーザ電極２２１とＳＯＡ電極２２３とに、相殺信号として加えられる。第３の実施形態においても、ＤＦＢレーザ２０１とＳＯＡ２０３の入力においては、ＥＡ変調器２０２から漏洩する変調信号が打ち消されるので、半導体光集積素子の出力光の変動幅を抑制することができる。
１０１，２０１ ＤＦＢレーザ
１０２，２０２ ＥＡ変調器
１０３，２０３ ＳＯＡ
２００ 半導体光集積素子
２１１ 基板
２１２，２２０ クラッド層
２１３，２１８ 活性層
２１４，２１９ ガイド層
２１５ 回折格子
２１６ 四分の一波長位相シフト
２１７ 吸収層
２２１ ＤＦＢレーザ電極
２２２ ＥＡ変調器電極
２２３ ＳＯＡ電極
２３１ 電流源
２３２ ＲＦ信号源
２３３ 直流電圧源
３０１，４０１，５０１ 高周波配線基板
３０２，４０２，５０２ 配線
３０３，４０３，４０４，５０３ 高周波配線
５０４，５０５ 方向性結合器
６０１ 高周波増幅器
６０２ アッテネータ
１０２，２０２ ＥＡ変調器
１０３，２０３ ＳＯＡ
２００ 半導体光集積素子
２１１ 基板
２１２，２２０ クラッド層
２１３，２１８ 活性層
２１４，２１９ ガイド層
２１５ 回折格子
２１６ 四分の一波長位相シフト
２１７ 吸収層
２２１ ＤＦＢレーザ電極
２２２ ＥＡ変調器電極
２２３ ＳＯＡ電極
２３１ 電流源
２３２ ＲＦ信号源
２３３ 直流電圧源
３０１，４０１，５０１ 高周波配線基板
３０２，４０２，５０２ 配線
３０３，４０３，４０４，５０３ 高周波配線
５０４，５０５ 方向性結合器
６０１ 高周波増幅器
６０２ アッテネータ
Claims (1)
- ＤＦＢレーザと、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一の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レーザおよび前記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半導体光集積素子において、
前記制御端子から前記ＤＦＢレーザに至る電流供給経路に挿入された第１のインダクタと、
前記制御端子から前記ＳＯＡに至る電流供給経路に挿入された第２のインダクタとを備え、
前記ＥＡ変調器に印加される変調信号の一部が分岐されて、前記変調信号とは位相が反転し、所望のパワーの相殺信号が前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの電極にそれぞれ加えられることを特徴とする半導体光集積素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017160349A JP6817912B2 (ja) | 2017-08-23 | 2017-08-23 | 半導体光集積素子 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017160349A JP6817912B2 (ja) | 2017-08-23 | 2017-08-23 | 半導体光集積素子 |
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|---|---|
| JP2019040949A JP2019040949A (ja) | 2019-03-14 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2017160349A Active JP6817912B2 (ja) | 2017-08-23 | 2017-08-23 | 半導体光集積素子 |
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| Country | Link |
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