JPWO2019059066A1 - 半導体光集積素子 - Google Patents

Abstract

ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノリシック集積した半導体光集積素子の出力光強度を一定に保つ。半導体光集積素子は、ＤＦＢレーザと、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器と、ＤＦＢレーザおよびＥＡ変調器と同一基板上にモノリシック集積され、ＥＡ変調器の出射端に接続されたＳＯＡと、ＳＯＡの出射端側に配置され、ＳＯＡと同一の組成を有する受光器とを備え、受光器には、順バイアス電圧または順バイアス電流が与えられ、受光器は、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡへの駆動電流がフィードバック制御されるよう、当該受光器への入力光強度に応じた検出値の変化をモニタするように構成される。

Description

本発明は、分布帰還型（ＤＦＢ:Distributed FeedBack）の半導体光集積素子に関し、特に、光強度をモニタする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して構成される形態が知られている。この形態の半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用光送信器として用いられている。ＥＡ−ＤＦＢレーザの信号光波長としては、主として、光ファイバの伝播損失が小さい１．５５μｍ帯、または、光ファイバに生じる波長分散の影響を受けにくい１．３μｍ帯が用いられている。

一般に、光ファイバ伝送用のＥＡ−ＤＦＢレーザは、光信号の光強度を一定に保つことが望ましい。そこで、ＥＡ−ＤＦＢレーザの出力光の光強度をモニタし、モニタされる光強度が一定になるようにＤＦＢレーザに注入する電流を制御することが行われてきた。これをＡＰＣ（オートパワーコントロール）と称す。

従来、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器とを備える多重光送信器モジュールを前提として、ＡＰＣのためにＤＦＢレーザの光強度をモニタする構成として、ＤＦＢレーザの出射端と対向する面に受光器を備えるものが開示されている（例えば、特許文献１の図６参照）。

従来、ＤＦＢレーザの出射端と対向する面に設けられた受光器が光強度をモニタする構成になっている。しかし、光送信器には、ＥＡ−ＤＦＢレーザ（ＤＦＢレーザとＥＡ変調器）に加えて、さらにＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）を同一基板上にモノリシック集積することによって、長距離伝送を実現するものがある（例えば、特許文献２参照）。このような構成では、以下に説明するように、従来の構成が前提としている受光器の位置、すなわち、ＤＦＢレーザの出射端と対向する面で光強度をモニタしたとしても、光強度を一定に保つようなフィードバック制御を行えない。

従来の構成が前提としている受光器は、ＤＦＢレーザの出射端と対向する面に設けられており、ＤＦＢレーザの光強度しかモニタしていない。このため、ＳＯＡの劣化によってＳＯＡの増幅率が下がったとしても、光強度の変化を検出することができない。ＳＯＡの増幅率が下がったとしても検出することができないために、フィードバック制御が実施されず、結果としてＤＦＢレーザの光強度は低下する。

特開２０１６−１８０７７９号公報 特許第５８２３９２０号公報

本発明の目的は、ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノリシック集積した光送信器において、ＤＦＢレーザの光強度を一定に保つようなフィードバック制御を行うことができる半導体光集積素子を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明は、ＤＦＢレーザと、前記ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器と、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＥＡ変調器と同一基板上にモノリシック集積され、前記ＥＡ変調器の出射端に接続されたＳＯＡと、前記ＳＯＡの出射端側に配置され、前記ＳＯＡと同一の組成を有する受光器とを備え、前記受光器には、順バイアス電圧または順バイアス電流が与えられ、前記受光器は、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡへの駆動電流がフィードバック制御されるよう、当該受光器への入力光強度に応じた検出値の変化をモニタするように構成される。

ここで、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの各々は、同一の制御端子に接続され、前記同一の制御端子は、前記駆動電流を前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの各々に注入するように構成されるようにしてもよい。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体光集積素子の制御の概略を説明するための図、 図２は、実施形態の半導体光集積素子において、Ｉ_ｏｐとＩ_ＤＦＢとＩ_ＳＯＡとの関係を説明するための図、 図３は、実施形態の半導体光集積素子の構成例を示す図、 図４Ａは、電圧駆動の受光器のモニタ方法を説明するための図、 図４Ｂは、電流駆動の受光器のモニタ方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態である半導体光集積素子（以下、単に「光集積素子」という。）について説明する。この実施形態の光集積素子は、ＥＡ−ＤＦＢレーザとＳＯＡとが集積されている。

［光集積素子１００の制御の概略］
図１は、本実施形態に係る光集積素子１００の制御の概略を説明するための図である。光集積素子１００は、光導波方向に対して順に、ＤＦＢレーザ１１、ＥＡ変調器１２、およびＳＯＡ１３を備えている。これらの構成要素１１〜１３は、単一の半導体基板上に、一体的にモノリシック積層されている。光集積素子１００はさらに、ＳＯＡ１３の出射端側に配置されたモニタ用受光器１４を含む。

図１において、ＤＦＢレーザ１１とＳＯＡ１３とは、同一の制御端子１５から注入される電流値Ｉ_ｏｐによって制御される。このとき、ＤＦＢレーザ１１への注入電流をＩ_ＤＦＢとし、ＳＯＡ１３への注入電流をＩ_ＳＯＡとすると、電流値Ｉ_ｏｐは、Ｉ_ｏｐ＝Ｉ_ＤＦＢ＋Ｉ_ＳＯＡ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Ｉ_ｏｐの値は６０〜８０ｍＡである。この観点から、本実施形態の光集積素子１００でも、Ｉ_ｏｐの上限値は、例えば８０ｍＡに設定されるのが好ましい。

上述したＩ_ｏｐとＩ_ＤＦＢとＩ_ＳＯＡとの関係を、図２を参照して説明する。横軸がＩ_ｏｐ、縦軸がＩ_ＤＦＢとＩ_ＳＯＡの電流値である。図２では、光導波方向の長さが４５０μｍのＤＦＢレーザ１１が使用される。図２に示すように、例えば、ＳＯＡ１３の長さが５０μｍの場合、ＳＯＡ長はＤＦＢレーザ１１の長さ（４５０μｍ）に対して１／９となるため、電流値Ｉ_ｏｐの大部分はＤＦＢレーザ１１に注入される。一方、ＳＯＡ長が１５０μｍの場合、ＳＯＡ長はＤＦＢレーザの長さに対して１／３となるため、Ｉ_ｏｐ＝８０ｍＡのときは６０ｍＡ程度のＩ_ＤＦＢがＤＦＢレーザに注入され、２０ｍＡ程度のＩ_ＳＯＡがＳＯＡに注入される。

このように、ＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３の各々の長さを調整することにより、それらに注入される電流Ｉ_ＤＦＢ，Ｉ_ＳＯＡを調整することができる。例えば、ＤＦＢレーザ１１の長さが４５０μｍの場合、ＤＦＢレーザ１１の駆動で閾値電流およびＳＭＳＲ（Sub-Mode Suppression Ratio）を得るためのＩ_ｏｐは、最低でも６０ｍＡが必要となる。このため、光導波方向におけるＳＯＡ長は、１５０μｍ以下とすることが好ましい。また、ＤＢＲレーザ１１の長さを３００μｍに設定する場合は、必要なＳＭＳＲを得るためのＩ_ｏｐは、４０ｍＡ程度まで小さくすることができる。このため、ＳＯＡ１３を長くしてＳＯＡ１３への電流Ｉ_ＳＯＡを増やすことも可能となる。ＤＦＢレーザ１１とＳＯＡ１３の長さのバランス（比率）に応じて、所定の長さのＤＦＢレーザ１１に最低限必要な電流を投入できるようにＳＯＡ１３の長さを変更することにより、安定的な単一モード動作と光出力の増幅の両立が実現できる。

［光集積素子１００の構成］
次に、上述した光集積素子１００の構成について、図３を参照して説明する。なお、この光集積素子１００の構成の説明に関連して例示する材料は一例であり、自在に変更することができる。

図３は、光集積素子１００の構成例を示す図である。光集積素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板１０２を備え、この基板１０２上には、光導波方向に対して順に、ＤＦＢレーザ１１と、ＥＡ変調器１２と、ＳＯＡ１３と、受光器１４とが形成される。また、基板１０２の裏面には、ｎ型電極１０１を備える。受光器１４の入力側には、例えば、ＳＯＡ１３と接続される導波路１５が形成され、出力側には、導波路１６が形成される。なお、図３に示した構成とは別に、ＳＯＡ１３と受光器１４との間は、導波路１５を形成するのではなく、不図示のコンタクト層をエッチングするなどして電気的に分離するようにしてもよい。また、受光器１４の出力側は、導波路１６を形成しないようにすることもできる。

ＤＦＢレーザ１１は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０３上に積層された活性層１０４とガイド層１０５とを有する。ガイド層１０５には、λ／４位相シフト１０５Ａおよび回折格子１０５Ｂを含む。活性層１０４は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系またはＩｎＧａＡｓＰ系の材料で形成される。ガイド層１０５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６が形成され、このクラッド層１０６上にｐ型電極１０７が設けられる。この電極１０７には、図１に示した電流Ｉ_ＤＦＢが注入される。

ＥＡ変調器１２は、クラッド層１０３上に積層された吸収層１０８とクラッド層１０６とｐ型電極１０９とを有する。電極１０９には、ＥＡ変調器１２を駆動させるためのバイアス電圧Ｖ_ｂｉと高周波電圧ＲＦとが、バイアスＴ２００を介して印加される。これにより、ＥＡ変調器１２では、ＤＦＢレーザ１１からの光を変調することが可能になる。吸収層１０８は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系またはＩｎＧａＡｓＰ系の材料で形成され、量子井戸構造を有する。

ＳＯＡ１３は、前述のクラッド層１０３上に積層された活性層１３１とガイド層１３２とクラッド層１０６とｐ型電極１３３とを有する。活性層１３１は、ＤＦＢレーザ１１の活性層１０４と同一の組成を有し、ガイド層１３２は、ＤＦＢレーザ１１のガイド層１０５と同一の組成を有する。この実施形態では、ＳＯＡ１３の電極１３３には、図１に示した電流Ｉ_ＳＯＡが注入される。この実施形態では、例えば、２５℃におけるＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３での発光波長は約１．５５μｍとする。

受光器１４は、前述のクラッド層１０３上に積層された受光層１１３とガイド層１１４と上部クラッド層１１５とｐ型電極１１６とを有する。電極１１６には、後述するビルトイン電圧Ｖ_ｂ以上の電圧、またはＳＯＡ１３の透明電流Ｉ_ｔｐ以上の電流が与えられる。この実施形態の受光器１４は、ＳＯＡ１３と同一組成の導波路を有する。すなわち、受光器１４の受光層１１３は、ＳＯＡ１３の活性層１３１と同一の組成を有し、ガイド層１１４は、ＳＯＡ１３のガイド層１３２と同一の組成を有する。また、受光器１４の上部クラッド層１１５は、ＳＯＡ１３のクラッド層１０６と同一の組成を有する。そして、ＳＯＡ１３および受光器１４はともに、クラッド１０３を有する。

各導波路１５，１６は、コア層１１０とノンドープＩｎＰ層１１１とを有する。各導波路１５，１６のコア層１１０は、受光器１４の受光層１１３と同じ組成を有する。

［受光器１４のモニタ方法］
以下、上述した光集積素子１００の受光器１４のモニタ方法について説明する。受光器１４には、順方向のバイアス電圧またはバイアス電流が印加され、受光器１４への入力光強度に応じた電圧値または電流値をモニタする。本実施形態の光集積素子１００では、このモニタの結果、電圧値（電流値）の変化に応じて、電流値Ｉ_ｏｐにフィードバックされて受光器１４の出力光（光集積素子１００の出力光）の強度が一定になるように調整される。

一般に、ＳＯＡは、経時変化により劣化して増幅率の低下することが知られている。本実施形態の光集積素子１００において、ＳＯＡ１３は、経時変化により劣化して増幅率が低下することになるが、受光器１４は、ＳＯＡ１３と同一の組成で形成される。これは、受光器１４において、ＳＯＡ１３と同様の経時変化により劣化して低下する増幅率の変化をモニタするためである。換言すると、ＤＦＢレーザ１１の出力光のほかに、ＳＯＡ１３の経時変化もモニタされる。

受光器１４に順バイアスを印加して駆動する場合、受光器１４自体の経時変化に考慮する必要がある。受光器１４がＤＦＢレーザ１１とＳＯＡ１３の光強度をモニタする機能を維持するためには、ＤＦＢレーザ１１とＳＯＡ１３よりも劣化速度が緩やかで経時変化が小さい動作条件が必要である。一般的に、順バイアスを印加して駆動する光素子においては、動作時のキャリア密度によって劣化が加速される。このことから、受光器１４のキャリア密度はＳＯＡ１３およびＤＦＢレーザ１１よりも小さいことが望ましい。ただし、ＤＦＢレーザのキャリア密度は、しきい値キャリア密度でクランプされ駆動電流によらずほぼ一定の値である。これに対して、ＳＯＡでは駆動電流に応じてキャリア密度も上昇するため、一般的にＳＯＡのキャリア密度のほうがＤＦＢレーザのキャリア密度より高い。従って、ここではＳＯＡ１３のキャリア密度のみを考慮して受光器１４の動作条件を決定すればよい。

この観点から、印加電圧を一定にして電流変化をモニタする電圧駆動の場合、受光器１４には、順バイアス電圧としてビルトイン電圧Ｖ_ｂより大きい電圧を印加することになる。これは、ＤＦＢレーザの出射端と対向する面に備えられる一般的なモニタ用受光器に印加される逆バイアス電圧（−３Ｖ）とは異なる。受光器１４、すなわちＳＯＡ１３の経時変化による劣化を検出するため、透明キャリア密度電流を与えるような電圧である必要があるからである。また、受光器１４が電圧駆動の場合、ＳＯＡ１３の駆動電圧Ｖ_ＳＯＡに対して、受光器１４に印加する順バイアス電圧Ｖ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}は、Ｖ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}＜Ｖ_ＳＯＡとする必要がある。

印加電流を一定にして電圧変化をモニタする電流駆動の場合、受光器１４に、順バイアス電流を注入するようにしてもよい。この場合でも、受光器１４、すなわちＳＯＡ１３の経時変化による劣化を検出するため、受光器１４には、ＳＯＡ１３の透明電流Ｉ_ｔｐ以上の電流を与える。また、受光器１４が電流駆動の場合、かつＳＯＡ１３と受光器１４が同一の導波路幅Ｗである場合、それぞれのキャリア密度はＳＯＡ１３の光軸方向の長さＬ_ＳＯＡと、受光器１４の光軸方向の長さＬ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}とに比例する。従って、受光器１４に印加する順バイアス電流Ｉ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}はＳＯＡ１３の駆動電流Ｉ_ＳＯＡに対して、Ｉ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}／Ｌ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}＜Ｉ_ＳＯＡ／Ｌ_ＳＯＡとする必要がある。

図４Ａは、電圧駆動の受光器のモニタ方法を説明するための図である。受光器１４への入射する光強度が変化した場合の制御方法について述べる。受光器１４へ光が入射する場合、光吸収によって順方向の光起電力が生じる。一方、ＳＯＡ１３などの劣化によって入射する光強度が低下する場合、光起電力も小さくなる。このとき、受光器１４を電圧駆動している場合、すなわちＶ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}一定のとき、受光器１４の駆動電圧Ｖ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}を維持するためには受光器１４の印加電流が増加する（図４ＡのΔＩ）。従って、その電流増加に応じて電流値Ｉ_ｏｐをフィードバック制御し、光集積素子１００の光出力強度が一定になるように調整する。

図４Ｂは、電流駆動の受光器のモニタ方法を説明するための図である。受光器１４を電流駆動している場合、すなわちＩ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}一定のとき、ＳＯＡ１３の経時変化で光強度が低下した場合、受光器１４の駆動電流Ｉ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}を維持するために受光器１４の印加電圧が低下する（図４ＢのΔＶ）。従って、その電圧低下に応じて電流値Ｉ_ｏｐをフィードバック制御し、光集積素子１００の光出力強度が一定になるように調整する。

このように、受光器１４では、順バイアス電圧または順バイアス電流が与えられ、受光器１４への光強度に応じた電流値または電圧値をモニタする。これにより、そのモニタの結果に応じて、電流値Ｉ_ｏｐがフィードバックされて光集積素子１００の出力光強度が一定になるように調整される。

以上説明したように、本実施形態の光集積素子１００では、ＤＦＢレーザ１１、ＥＡ変調器１２およびＳＯＡ１３は、同一基板上にモノリシック集積され、ＳＯＡ１３の出射端側には、ＳＯＡ１３と同一組成を有する受光器１４が配置される。ここで、受光器１４には、順バイアス（ビルトイン電圧Ｖ_ｂ以上の電圧、または透明電流Ｉ_ｔｐ以上の電流）が与えられ、入力光強度に応じた検出値（電圧値または電流値）の変化をモニタするように構成される。

これにより、仮にＳＯＡ１３の増幅率が下がったとしても、受光器１４でモニタされる検出値が変化することになり、その変化に応じて、同一端子１５から供給される電流値Ｉ_ｏｐのフィードバック制御を行うことが可能となる。これにより、Ｉ_ＤＦＢとＩ_ＳＯＡの値が調整され、光集積素子１００の出力光強度を一定に保つことができる。

［変更例１］
次に、本実施形態の光集積素子１００の変更例について説明する。上記実施形態では、光集積素子１００を光送信モジュールに搭載する態様について言及しなかったが、そのような光送信モジュールを構成するようにしてもよい。

［変更例２］
上記実施形態では、図１を参照して、同一の制御端子１５からＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３の各々に電流を注入する場合について説明したが、異なる制御端子から、ＤＦＢレーザ１１およびＳＯＡ１３の各々に電流を注入するようにしてもよい。この場合、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの各ｐ型電極１０７，１３３には、それぞれの制御端子から電流Ｉ_ＤＦＢ，Ｉ_ＳＯＡが注入される。

［変更例３］
上記実施形態では、１．５５μｍ波長で発振する場合について説明したが、それ以外の波長を適用しても上記実施形態と同等の効果を得ることができる。例えば１．３μｍ帯で発振する場合についても、光通信用の光集積素子１００の各構成要素１１，１２，１３の結晶組成を変更して適用することもできる。

Claims (4)

1. ＤＦＢレーザと、
   前記ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器と、
   前記ＤＦＢレーザおよび前記ＥＡ変調器と同一基板上にモノリシック集積され、前記ＥＡ変調器の出射端に接続されたＳＯＡと、
   前記ＳＯＡの出射端側に配置され、前記ＳＯＡと同一の組成を有する受光器とを備え、
   前記受光器には、順バイアス電圧または順バイアス電流が与えられ、前記受光器は、前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡへの駆動電流がフィードバック制御されるよう、当該受光器への入力光強度に応じた検出値の変化をモニタするように構成されることを特徴とする半導体光集積素子。
2. 前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの各々は、同一の制御端子に接続され、前記同一の制御端子は、前記駆動電流を前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの各々に注入するように構成され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. 前記順バイアス電圧Ｖ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}は、前記受光器のビルトイン電圧Ｖ_ｂ、前記ＳＯＡの駆動電圧Ｖ_ＳＯＡとしたとき、
   Ｖ_ｂ＜Ｖ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}＜Ｖ_ＳＯＡ
   を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光集積素子。
4. 前記順バイアス電流Ｉ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}は、前記ＳＯＡの透明電流値以上の電流であり、前記ＳＯＡの駆動電流Ｉ_ＳＯＡ、前記受光器の光軸方向の長さＬ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}、前記ＳＯＡの光軸方向の長さＬ_ＳＯＡとしたとき、
   Ｉ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}／Ｌ_{ｍｏｎｉｔｏｒ}＜Ｉ_ＳＯＡ／Ｌ_ＳＯＡ
   を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光集積素子。

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