JP6761390B2

JP6761390B2 - 半導体光集積素子

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Publication number: JP6761390B2
Application number: JP2017179540A
Authority: JP
Inventors: 隆彦進藤; 小林　亘; 亘小林; 藤原　直樹; 直樹藤原; 慈金澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: JP2019057539A

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）変調器とモノシリ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発光装置として用いられ、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、このようなＥＡ−ＤＦＢレーザでも、光信号の光強度を一定に保つことが望ましい。そこで、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ＤＦＢレーザの光強度をモニタする構成として、ＤＦＢレーザの前段に受光器を備えるものが開示されている（特許文献１の図６）。

特開２０１６−１８０７７９号公報特許第５８２３９２０号公報

従来は、ＤＦＢレーザの前段で受光器が光強度をモニタする構成になっている。しかし、ＥＡ−ＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器とに加えて、さらにＳＯＡ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。この構成は、特許文献２に記載されている。

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レーザの前段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レーザの前段に設けられており、ＤＦＢレーザの光強度しかモニタしておらず、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検出することができない。

この場合の問題として、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。

本発明は、上記の状況下においてなされたものであり、ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノシリック集積した構成において、ＳＯＡの劣化を検出し、出力光の強度を一定に保つようなフィードバック制御が可能な半導体光集積素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一実施態様の半導体光集積素子は、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、を含み、前記ＳＯＡの光導波路は、前記ＤＦＢレーザの出射光の光軸に対して光が斜めに伝搬するように配置され、前記ＳＯＡは、前記光導波路と同一の組成を有し、当該ＳＯＡの後段に設けられたコリメートレンズで前記光が反射した戻り光の強度をモニタする第１のモニタ部を有することを特徴とする。

上記半導体光集積素子において、前記ＳＯＡはさらに、前記半導体光集積素子の出力光の波長のずれにより変化する前記戻り光の強度をモニタする第２のモニタ部を有するようにしても良い。

上記半導体光集積素子において、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に接続される前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの各駆動電流は、前記第１のモニタ部のモニタ結果に応じてフィードバック制御されるようにしても良い。

本発明によると、ＤＦＢレーザとＥＡ変調部とＳＯＡとをモノシリック集積した構成において、ＳＯＡの劣化を検出し、出力光の強度を一定に保つようなフィードバック制御が可能である。

本発明の第１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である。第１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である。第１実施形態の半導体光集積素子の構成例を示す上面図である。第１実施形態の半導体光集積素子において、光導波路を伝搬する光の伝搬方向におけるＤＦＢレーザからＳＯＡまでの断面を説明するための図である。図４のＡ−ＢにおけるＳＯＡの概略断面を説明するための模式図である。受光器の特性を説明するための図である。第２実施形態の半導体光集積素子の一例を示す上面図である。第３実施形態の半導体光集積素子の一例を示す上面図である。図８のＡ−ＢにおけるＳＯＡの概略断面を説明するための模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１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。）１００について説明する。この実施形態の光集積素子は、ＥＡ−ＤＦＢレーザである。

［光集積素子１００の制御概略］
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。

図１に示すように、光集積素子１００は、光の伝搬方向に対して順に、ＤＦＢレーザ１１、ＥＡ変調器１２、およびＳＯＡ１３を備えており、これらの構成要素１１〜１３は、単一の半導体基板上に、一体的にモノシリック積層されている。そして、ＳＯＡ１３には、モニタ用受光器（モニタ部）１４を含む。後述するように、この実施形態の光集積素子１００では、受光器１４が、戻り光ｄをモニタすることにより、光集積素子１００の出力光の強度を一定に保つようなフィードバック制御が実現される。

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との関係は、後述する図２において、詳細に示してある。図２は、かかる関係を説明するための図である。図２では、一般的な長さである４５０μｍのＤＦＢレーザ１１が使用される。

図２に示すように、例えば、ＳＯＡ長が５０μｍの場合、ＳＯＡ長はＤＦＢレーザの長さ（４５０μｍ）に対して１／９となるため、電流値Ｉ_opの大部分はＤＦＢレーザに注入される。

一方、図２に示すように、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の各長さを調整することで、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、例えばＤＢＲレーザ１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。

このように、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で、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および図４を参照して説明する。図３は、光集積素子１００の構成例を示す上面図である。図４は、光集積素子１００において、光導波路５を伝搬する光の伝搬方向におけるＤＦＢレーザ１１からＳＯＡ１３までの断面を説明するための図である。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に示すように、光集積素子１００は、ＤＦＢレーザ１１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１２と、ＥＡ変調器１２の出射端に接続されたＳＯＡ１３とを含む。そして、ＳＯＡ１３には、受光器１４が備えられる。

ＤＦＢレーザ１１およびＥＡ変調器１２では、光導波路５は、ＤＦＢレーザ１１の出射光の光軸ｚの方向に沿って形成される。一方、ＳＯＡ１３では、光導波路５は、上述の光軸ｚの方向に対して光が斜めに伝搬するように形成される。図３の例では、ＳＯＡ１３の光導波路５は、光軸ｚの方向に対して、θ（例えば、３０°）傾斜して形成される。

ＳＯＡ１３の出射端面１３Ａ、すなわち光集積素子１００の出射端面１３Ａには、ＡＲ（Anti-Reflection）膜が形成される。

この出射端面１３Ａにおいて、ＳＯＡ１３の光導波路５を伝搬する光が反射し、その戻り光ｄが、ＳＯＡ１３の受光器１４に入射する。これにより、受光器１４は、戻り光ｄの光強度をモニタする。戻り光ｄの光強度は、光集積素子１００（ＳＯＡ１３）の出力光ｓの強度と相関関係があるので、光集積素子１００では、上記モニタの結果に応じて、図１に示した電流値Ｉ_opの値をフィードバック制御して、光集積素子１００の出力光ｓの強度を一定に保つことが可能になる。なお、図３に示したＡ−ＢにおけるＳＯＡ１３の断面は、後述する図５において、概略的な模式図を示してある。

図４において、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。

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。そして、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。

図５は、図４のＡ−ＢにおけるＳＯＡ１３の概略断面を説明するための模式図である。

この実施形態の光集積素子１００は、図５に示すように、ＥＡ変調器１２からの光を増幅するためのＳＯＡ１３と、上述した戻り光ｄをモニタするための受光器１４とを含む。

ＳＯＡ１３では、活性層１３１は、クラッド層１０３，１０６の間に形成され、ｐ型電極１３３は、コンタクト層１３４を介して、クラッド層１０６上に形成される。

受光器１４は、ＳＯＡ１３と同一の組成で形成される。すなわち、受光器１４でも、活性層１４１は、活性層１３１と同一の組成で形成され、クラッド層１０３，１０６の間に形成される。ｐ型電極１４３は、コンタクト層１４２を介して、クラッド層１０６上に形成される。電極１４３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。

［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。

まず、受光器１４の特性に関連して、図６を参照して説明する。

図６（ａ）は、受光器１４の電流Ｉと電圧Ｖとの関係を説明するための図である。

この受光器１４では、順バイアス電圧（正のバイアス信号）が印加され、受光器１４への入力光強度に応じた電圧値をモニタする。そして、この実施形態の光集積素子１００では、このモニタの結果、電圧値（検出値）の変化に応じて、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ｓ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の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、光集積素子１００の出力光の強度のほかに、ＳＯＡ１３の経時変化もモニタされる。

ここで、本実施形態の光集積素子１００では、受光器１４は、順バイアス電圧（ビルトイン電圧Ｖ_b以上）が印加される。これは、ＤＦＢレーザの前段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に印加される順バイアス電圧は、図４（ａ）に示した受講部１４のビルトイン電圧Ｖ_b以上の電圧とする。これは、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、しきい値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、上記順バイアス電圧とは別に、受光器１４に、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、透明電流Ｉ_tp以上の電流が与える。

例えば図６（ｂ）は、受光器１４の電流Ｉと光強度Ｌとの関係として、上述した透明電流Ｉ_tpを例示している。

このように、受光器１４では、順バイアス電圧または電流が与えられ、受光器１４への光強度に応じた電流値をモニタする。これにより、そのモニタの結果、電圧値の変化に応じて、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ｓの強度が一定になるように調整されることになる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の光集積素子１００Ａは、第１実施形態の光集積素子１００と同様に戻り光ｄをモニタするものであるが、受光器でモニタされる値（戻り光の強度）を大きくするため、コヒーレントレンズ２０１からの戻り光ｄをモニタするように構成される。

図７は、光集積素子１００Ａの構成例を示す上面図である。なお、本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第１実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図７において、受光器１４Ａは、図３に示した受光器１４Ａよりも、ｙ方向の長さが広く構成される。なお、それ以外の構成については、本実施形態の光集積素子１００Ａの構成は、図１〜図６に示したものと同一である。

このように構成することにより、光集積素子１００Ａでも、第１実施形態の光集積素子１００と同様に、受光器１４Ａによるモニタの結果、検出された電圧値の変化に応じて、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ｓの強度が一定になるように調整されることになる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の光集積素子１００Ｂは、第２実施形態の光集積素子１００Ａと同様にコヒーレントレンズ２０１からの戻り光ｄの強度をモニタする。さらに、光集積素子１００Ｂは、光集積素子１００Ｂの出力光の波長のずれもモニタするように構成される。

図８は、光集積素子１００Ｂの構成例を示す上面図である。なお、本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第２実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図８において、光集積素子１００Ｂでは、戻り光ｄの強度をモニタする受光器１４と、出力光の波長のずれもモニタするための受光器１５とを備える。

ここで、光集積素子１００Ｂの出射端面１３Ａに形成されるＡＲ膜は、波長依存性を有するため、仮に光集積素子１００Ｂの出力光の波長がずれた場合、受光器１５でモニタされる戻り光ｄの強度は、そのずれにより変化し得る。受光器１５は、このような変化を検出することにより、光集積素子１００Ｂの出力光の波長のずれをモニタするようになっている。これにより、出力光の波長のずれが検出されたときに、例えばスペクトラムアナライザなどによって、その波長のずれをなくすように補正することも可能になる。

なお、光集積素子１００Ｂの出力光の波長にずれが生じない場合は、受光器１４によるモニタ結果によって、図１に示した電流値Ｉ_opがフィードバックされて光集積素子１００Ｂの出力光ｓの強度が一定になるように調整されるので、受光器１５でモニタされる強度は変わらない。

次に、上記各実施形態の光集積素子１００，１００Ａ，１００Ｂの変形例について説明する。

（変更例１）
上記各実施形態では、光集積素子１００，１００Ａ，１００Ｂ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）
以上では、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）
以上では、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。

１１ＤＦＢレーザ
１２ＥＡ変調器
１３ＳＯＡ
１４，１５モニタ用受光器
１５制御端子
１００，１００Ａ，１００Ｂ半導体光集積素子
１０１ｐ型電極
１０２基板
１０３，１０６，１１１，１１４クラッド層
１０４活性層
１０５ガイド層

Claims

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、
を含み、
前記ＳＯＡの光導波路は、前記ＤＦＢレーザの出射光の光軸に対して光が斜めに伝搬するように配置され、
前記ＳＯＡは、前記光導波路と同一の組成を有し、当該ＳＯＡの後段に設けられたコリメートレンズで前記光が反射した戻り光の強度をモニタする第１のモニタ部を有する
ことを特徴とする半導体光集積素子。
前記ＳＯＡはさらに、前記半導体光集積素子の出力光の波長のずれにより変化する前記戻り光の強度をモニタする第２のモニタ部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
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に接続される前記ＤＦＢレーザおよび前記ＳＯＡの各駆動電流は、前記第１のモニタ部のモニタ結果に応じてフィードバック制御される
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。