(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
前記半導体レーザの直流出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、
前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が、前記第１の電界吸収型光変調器によって、前記強度変調信号が過渡的に遷移するタイミングで受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器
を備えることを特徴とする電界吸収型光変調器付き半導体レーザ。
【請求項２】
前記電界吸収型光変調器が有する印加電界の極性に対して前記電界印加によって発生する屈折率変化の極性の関係が、前記第１電界吸収型光変調器と前記第２の電界吸収型光変調器とにおいて同一であることを特徴とする前記請求項１記載の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ。
【請求項３】
前記電界吸収型光変調器が有する印加電界の極性に対して前記電界によって発生する屈折率変化の極性の関係が、前記第１電界吸収型光変調器と前記第２の電界吸収型光変調器とにおいて異なることを特徴とする前記請求項１記載の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ。
【請求項４】
半導体レーザと、前記半導体レーザの直流出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が前記第１の電界吸収型光変調器によって前記強度変調信号が過渡的に遷移するタイミングで受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器を備える電界吸収型光変調器付き半導体レーザの駆動回路であって、
前記半導体レーザの発振条件を制御する手段と、
前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号を発生する手段と、
前記第２の電界吸収型光変調器の駆動信号を前記第１の電界吸収型光変調器の駆動タイミングに対して前記半導体レーザ出力光が前記第１の電界吸収型光変調器を走行する時間だけタイミングを遅延させて発生する手段
を備えることを特徴とする電界吸収型光変調器付き半導体レーザの駆動回路。
【請求項５】
半導体レーザと、前記半導体レーザの直流出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が前記第１の電界吸収型光変調器によって前記強度変調信号が過渡的に遷移するタイミングで受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器を備える電界吸収型光変調器付き半導体レーザと、
前記半導体レーザの発振条件を制御する手段と、
前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号を発生する手段と、
前記第２の電界吸収型光変調器の駆動信号を前記第１の電界吸収型光変調器の駆動タイミングに対して前記半導体レーザ出力光が前記第１の電界吸収型光変調器を走行する時間だけタイミングを遅延させて発生する手段
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
半導体レーザと、
前記半導体レーザの出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、
電界吸収型光変調器が有する印加電界の極性に対して前記電界印加によって発生する屈折率変化の極性の関係が前記第１電界吸収型光変調器と同一であって、前記第１の電界吸収型光変調器によって前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器と、
前記半導体レーザの発振条件を制御する手段と、
前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号を発生する手段と、
前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号とは位相が逆相である前記第２の電界吸収型光変調器の駆動信号を前記第１の電界吸収型光変調器の駆動タイミングに対して前記半導体レーザ出力光が前記第１の電界吸収型光変調器を走行する時間だけタイミングを遅延させて発生し、前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号の振幅より減衰させて出力する手段
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
半導体レーザと、
前記半導体レーザの出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、
電界吸収型光変調器が有する印加電界の極性に対して前記電界印加によって発生する屈折率変化の極性の関係が前記第１電界吸収型光変調器と異なり、前記第１の電界吸収型光変調器によって前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器と、
前記半導体レーザの発振条件を制御する手段と、
前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号を発生する手段と、
前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号と位相が同相である前記第２の電界吸収型光変調器の駆動信号を前記第１の電界吸収型光変調器の駆動タイミングに対して前記半導体レーザ出力光が前記第１の電界吸収型光変調器を走行する時間だけタイミングを遅延させて発生し出力する手段
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記電界吸収型光変調器が有する電界光吸収効果が、フランツ・ケルディッシュ効果であることを特徴とする前記請求項１乃至３のいずれかに記載の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ。
【請求項９】
前記電界吸収型光変調器が有する電界光吸収効果が、量子閉じこめシュタルク効果（ＱＣＳＥ）であることを特徴とする前記請求項１乃至３のいずれかに記載の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ。
【請求項１０】
前記半導体レーザと前記第１の電界吸収型光変調器と前記第２の電界吸収型光変調器がモノリシック集積されていることを特徴とする前記請求項１乃至３及び８乃至９のいずれかに記載の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ。
【請求項１１】
前記半導体レーザと前記第１の電界吸収型光変調器と前記第２の電界吸収型光変調器がハイブリッド集積されていることを特徴とする前記請求項１乃至３及び８乃至９のいずれかに記載の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
電界吸収型外部光変調器付き半導体レーザ及びその駆動回路並びにレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの駆動電流を直接変調する光送信方法は、緩和振動による光波形の変形を生じやすく、また、光の立ち上がり、立ち下がりにおいて、送信波長の揺らぎ（チャーピング）を生じ、光ファイバのもつ波長分散特性を介して光パルス波形の広がりを招くため、高速で長距離の光伝送を困難にすることから、半導体レーザは直流駆動し、外部変調器によって変調する方法が採られてきている。ここで多く用いられる変調器は、変調時に光の位相変化を生じない、導波路型マハツェンダー光変調器である。けれども、この変調器は強誘電体材料の電気光学効果を多く用いるため、半導体レーザとは一体集積し難く、また電気光学効果自体効果が小さいため、素子サイズも大きいという難点がある。
【０００３】
これに対して、半導体の電界光吸収効果を使った光変調器は、半導体レーザと一体集積が可能で素子駆動電力も小さいという特徴があるが、従来の構成では、やはりチャーピングを起こす難点がある。図９に一般的な電界吸収型光変調器付き半導体レーザ１７及びその動作特性を、図１０にその駆動回路を示す。図９において、分布帰還型半導体レーザ６（ＤＦＢ−ＬＤ）と一体集積された電界吸収型光変調器７は、ｉ層を電界光吸収層とするｐ−ｉ−ｎ構造であり、ｎ側電極１０を半導体レーザと共通にして接地し（図９（ａ））、それぞれのｐ側電極が図１０に示すＬＤ駆動回路１９、電界吸収型光変調器駆動回路１８に接続されている。
図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、ｐ側電極が０Ｖのとき光は吸収を受けずに変調器を透過し、負極性の電圧が印加されると電界光吸収効果によって入射光は吸収遮断されて、光のパルス変調が行われる（図９（ｃ））。電界光吸収効果に付随して同時に素子内に屈折率変化も生ずるため、光の立ち上がり立ち下がりにおいて透過光に周波数の揺らぎが生じる（図９（ｄ））。このため、長距離光伝送時において光ファイバの群速度の波長分散を介して光波形劣化を引き起こしていた。
【０００４】
この課題を解決する方法として、特開平１１−２９５６７３号公報の「光変調器」に、２つの方法が開示されている。
第１の方法は、図１１に示すような構成であって、半導体レーザ２０１に電界吸収型光変調器２０２と電気光学光変調器２０３とを一体集積している。この構成によるチャープ抑圧の原理は、電界吸収型光変調器２０２に電圧パルスを印加したとき、電界吸収型光変調器２０２の光導波路に発生する屈折率の上昇を、次段の電気光学光変調器２０３に印加する電圧パルスによって補償しようというものである。
第２の方法は、図１２に示すような構成であって、半導体レーザ３０１に電界吸収型光変調器３０２とキャリア注入型光変調器３０３とを一体集積している。この構成によるチャープ抑圧の原理は、電界吸収型光変調器３０２に電圧パルスを印加したとき、電界吸収型光変調器３０２の光導波路に発生する屈折率の上昇を、次段のキャリア注入型光変調器３０３に印加する電流パルスによって補償しようというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上で述べた従来の屈折率補償用光変調器を付加するチャープ抑圧方法には難点がある。
第１のチャープ補償用光変調器に電気光学変調器を用いる方法では、一般に電気光学係数がｐｍ／Ｖのオーダーであるため、電界吸収型光変調器で発生する屈折率変化を補償するためには、素子長や印加電圧が実現不可能な大きさになる。
また、第２の補償用光変調器にキャリア注入型光変調器を用いる方法では、導波路中の注入したキャリアの寿命が長いため、１０Ｇｂｐｓさらにはそれ以上の高ビットレートの伝送信号には補償が追随できない。
このように、従来の電界吸収型光変調器付き半導体レーザでは、チャープを抑圧するには不十分であって、高い分散値を持ったファイバでの長距離伝送において、ニオブ酸リチウム光強度変調器に比べて受信器での光波形劣化による感度劣化が大きく使用することができなかった。
本発明はこのような従来の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの持つ難点に鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、チャープ抑圧用の別なる電界吸収型光変調器部を従来の電界吸収型光変調器付き半導体レーザに追加して、高速変調時であってもチャープ（光周波数の変動）を低減できる素子の構成及びその駆動回路並びに半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わる発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザは、半導体レーザと、前記半導体レーザの直流出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が前記第１の電界吸収型光変調器によって前記強度変調信号が過渡的に遷移するタイミングで受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器を備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係わる発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザは、前記請求項１に係わる発明記載の前記電界吸収型光変調器が有する印加電界の極性に対して前記電界印加によって発生する屈折率変化の極性の関係が、前記第１電界吸収型光変調器と前記第２の電界吸収型光変調器とにおいて同一であることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に係わる発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザは、前記請求項１に係わる発明記載の前記電界吸収型光変調器が有する印加電界の極性に対して前記電界によって発生する屈折率変化の極性の関係が、前記第１電界吸収型光変調器と前記第２の電界吸収型光変調器とにおいて異なることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に係わる発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの駆動回路は、半導体レーザと前記半導体レーザの直流出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が前記第１の電界吸収型光変調器によって前記強度変調信号が過渡的に遷移するタイミングで受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器を備える電界吸収型光変調器付き半導体レーザの駆動回路であって、前記半導体レーザの発振条件を制御する手段と、前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号を発生する手段と、前記第２の電界吸収型光変調器の駆動信号を前記第１の電界吸収型光変調器の駆動タイミングに対して前記半導体レーザ出力光が前記第１の電界吸収型光変調器を走行する時間だけタイミングを遅延させて発生する手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項５に係わる発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザと前記半導体レーザの直流出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が前記第１の電界吸収型光変調器によって前記強度変調信号が過渡的に遷移するタイミングで受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器を備える電界吸収型光変調器付き半導体レーザと、前記半導体レーザの発振条件を制御する手段と、前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号を発生する手段と、前記第２の電界吸収型光変調器の駆動信号を前記第１の電界吸収型光変調器の駆動タイミングに対して前記半導体レーザ出力光が前記第１の電界吸収型光変調器を走行する時間だけタイミングを遅延させて発生する手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項６に係わる発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザと、前記半導体レーザの出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、電界吸収型光変調器が有する印加電界の極性に対して前記電界印加によって発生する屈折率変化の極性の関係が前記第１電界吸収型光変調器と同一であって、前記第１の電界吸収型光変調器によって前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器と、前記半導体レーザの発振条件を制御する手段と、前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号を発生する手段と、前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号とは位相が逆相である前記第２の電界吸収型光変調器の駆動信号を前記第１の電界吸収型光変調器の駆動タイミングに対して前記半導体レーザ出力光が前記第１の電界吸収型光変調器を走行する時間だけタイミングを遅延させて発生し、前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号の振幅より減衰させて出力する手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項７に係わる発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザと、前記半導体レーザの出力光を電界光吸収効果によって強度変調する第１の電界吸収型光変調器と、電界吸収型光変調器が有する印加電界の極性に対して前記電界印加によって発生する屈折率変化の極性の関係が前記第１電界吸収型光変調器と異なり、前記第１の電界吸収型光変調器によって前記第１の電界吸収型光変調器の出力光が受けた周波数チャーピングを抑制するための第２の電界吸収型光変調器と、前記半導体レーザの発振条件を制御する手段と、前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号を発生する手段と、前記第１の電界吸収型光変調器の駆動信号と位相が同相である前記第２の電界吸収型光変調器の駆動信号を前記第１の電界吸収型光変調器の駆動タイミングに対して前記半導体レーザ出力光が前記第１の電界吸収型光変調器を走行する時間だけタイミングを遅延させて発生し出力する手段を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
また、本発明の請求項８に係わる発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザは、前記請求項１乃至３のいずれかに係わる発明記載の前記電界吸収型光変調器が有する電界光吸収効果が、フランツ・ケルディッシュ効果であることを特徴とする。
また、本発明の請求項９に係わる発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザは、前記請求項１乃至３のいずれかに係わる発明記載の前記電界吸収型光変調器が有する電界光吸収効果が、量子閉じこめシュタルク効果（ＱＣＳＥ）であることを特徴とする。
また、本発明の請求項１０に係わる発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザは、前記請求項１乃至３及び８乃至９のいずれかに係わる発明記載の前記半導体レーザと前記第１の電界吸収型光変調器と前記第２の電界吸収型光変調器がモノリシック集積されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項１１に係わる発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザは、前記請求項１乃至３及び８乃至９のいずれかに係わる発明記載の前記半導体レーザと前記第１の電界吸収型光変調器と前記第２の電界吸収型光変調器がハイブリッド集積されていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図７は結晶に電界を印加したときの、基礎吸収端付近での光吸収係数α（図７（Ａ））と屈折率ｎ（図７（Ｂ））の変化を定性的に説明する図であり、α（ω、０）及びｎ（ω、０）は無電界時の吸収係数と屈折率を表し、α（ω、Ｅ）及びｎ（ω、Ｅ）は大きさＥの電界を印加した時の吸収係数と屈折率を表す。横軸はエネルギーで表した吸収端からの透過光の波長のずれを示し。Ｅｇはバンドギャップエネルギー、ωは光波の周波数、ｈはプランクの定数を表す。結晶に電界を印加すると、波線で表したように吸収端は長波長にシフト（レッドシフト）し、透過波長領域の屈折率は、吸収端近傍では光の吸収によるキャリアが生成され屈折率が低下する（キャリヤプラズマ効果）。
図８に、結晶が半導体であるＧａＡｓの場合について、定量的に計算された例を示す。図８（Ａ）は印加電界に対する吸収係数の変化を、図８（Ｂ）は屈折率変化を表している（工藤恵栄著「光物性の基礎」、オーム社、１９７７年７月刊、第３６５頁）。結晶に１×１０５  Ｖ／ｃｍ（１０Ｖ／μｍ）の電界を印加したとき、吸収端近傍の０．０１ｅＶ程度の長波長（図８中のａの矢印位置）の光に対しては、吸収係数は１０００ｃｍ−１（４３４０ｄＢ／ｃｍ）、すなわち１００μｍの長さで４３．４ｄＢの吸収係数の増大を与え、屈折率は０．００１程度低下する。
また、吸収端から０．０５ｅＶ程度離れた長波長（図８中のｂの矢印位置）の光に対しては、吸収係数は１００ｃｍ−１（４３４ｄＢ／ｃｍ）すなわち１００μｍの長さで４．３４ｄＢの吸収係数の増大を与え、屈折率は０．００１程度増大する。以上の電界光吸収効果に関する知見をふまえて、本発明の実施形態について説明する。
【０００８】
図１及び図２に、本発明の第一の実施形態の素子構成とこの素子を駆動するための回路の機能ブロック図を示す。
図１は、本発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ１１の構成図を示す。電界吸収型光変調器付き半導体レーザ１１は、ＣＷ光を発生するＤＦＢレーザ部１と、レーザ共振器外にあってＣＷ光を強度変調する導波路電界吸収型光変調器部２ａと、チャープを抑圧するための別なる導波路電界吸収型光変調器部２ｂとが一体（モノリシック）集積して設けられている。
ＤＦＢレーザ部１は、一例として、ｎ半導体結晶基板３に形成されたグレーティング４と、その上にｎ型クラッド層５、アンドープ活性層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型コンタクト層８を結晶成長させ、ｐ側電極９とｎ側電極１０とで挟んで構成した構造であり、前記ＣＷ光を単一縦モードで発振することができる。
導波路電界吸収型光変調器部２ａ、２ｂは、ここでは同一の構成とし、ＤＦＢレーザ１と同一のｎ半導体基板上にｎ型クラッド層１５、アンドープ光吸収層１６、ｐ型クラッド層１７、ｐ型コンタクト層１８を結晶成長させ、ｐ側電極１９、２０とｎ側電極１０とで構成した構造である。
ＤＦＢレーザ部１と導波路電界吸収型光変調器部２ａと導波路電界吸収型光変調器部２ｂとは、それぞれ電気的に分離されている。導波路電界吸収型光変調器部２ａがＣＷ光を変調するための光変調器として機能し、導波路電界吸収型光変調器部２ｂが導波路電界吸収型光変調器部２ａで発生するチャープを低減するための光変調器として機能する。
ＤＦＢレーザ部１のアンドープ活性層６と導波路電界吸収型光変調器部２ａ、２ｂのアンドープ光吸収層１６とは組成が異なり、バンドギャップエネルギーＥｇが異なる。ＤＦＢレーザ部１の発振波長は、導波路電界吸収型光変調器部２ａ、２ｂの吸収端波長より長波長に位置するように設定されている。
【０００９】
異なる組成の半導体結晶層を同一の基板上に成長し、機能の異なる素子をモノリシック集積する技術は、一例として、特開平６−１０２４７６号公報「半導体変調器、半導体検出器並びに集積化光源とその製造方法」に開示されている。
すなわち、例えばＤＦＢレーザ部１１の活性層６と導波路電界吸収型光変調器部２ａ、２ｂの光吸収層１６を結晶成長させる工程において、成長部の両側をＳｉＯ２  で覆い、覆うＳｉＯ２  マスクの幅を、活性層６を成長させる領域は広く、光吸収層１６を成長させる領域では狭く設けることによって、バンドギャップの異なる結晶層を成長させることができる。
本第一の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ１１は、導波路電界吸収型光変調器部２ａ、２ｂの持つ吸収端波長とＤＦＢレーザ部１の発振波長との関係が、両方の変調器とも前述図８のａまたはｂの条件の場合であり、以下の動作の説明では、電界を印加したとき透過光に対して屈折率が低下する図８のａの条件に組成を設定した場合について説明する。
【００１０】
図２は、本実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ１１を駆動するための回路構成を示す。駆動回路は、ＤＦＢレーザを制御するＬＤ−ＤＲＶ２５と、これに温度制御信号を送るＴＥＭＰ−ＣＮＴ２６と、電界吸収型光変調器部２ａ、２ｂを制御するＥＡ−ＤＲＶ２４を備えている。ＥＡ−ＤＲＶ２４は、正相出力（Ｑ）と逆相出力（Ｑバー）からなる差動データ出力を持っている。正相出力（Ｑ）は電界吸収型光変調器付き半導体レーザ１１の信号変調を行う電界吸収型光変調器部２ａの電極１９に接続し、逆相出力（Ｑバー）は、遅延回路１３と、減衰器１２を介して、電界吸収型光変調器付き半導体レーザ１１の電界吸収型光変調器部２ｂの電極２０に接続する。
【００１１】
図３を参照して本第一の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ１１の動作を説明する。
図３（Ａ）は、３つの集積素子を仮想的に分解して表したブロック図を示し、ＤＦＢレーザ部１の光出力をＰＬＤ、導波路電界吸収型光変調器部２ａの光出力をＰＭＯＤ  、駆動電圧をＶＭＯＤ  、導波路電界吸収型光変調器部２ｂの光出力をＰＰＨＣ  、駆動電圧をＶＰＨＣ  と表記した。図３（Ｂ）の（ａ）〜（ｉ）は各信号波形並びに物理パラメータの時間変化を示す。ここでΔｎは、導波路電界吸収型光変調器に電圧を印加したときに導波路内に生ずる屈折率の変化を、Δωは出力光の周波数変動を表す。また、ＥＡ−ＤＲＶ２４の正相出力（Ｑ）は（ｂ）の波形、逆相出力（Ｑバー）は（ｆ）の波形に対応する。
導波路電界吸収型光変調器部２ａに時間ｔ１で負、ｔ２で０、ｔ３で負のＶＭＯＤ  の大きさの正相信号の電圧が印加される（（ｂ））。負の電圧印加によって、光変調器の光吸収層には、光吸収が起こり同時に屈折率の低下が起こる（（ｃ））。導波路電界吸収型光変調器部２ａを出力する光の強度の時間変化は、時間ｔ１、ｔ３で消光を受け、時間スロットｔ２で光が透過出力する（（ｄ））。そして出力光波の周波数は屈折率の低下や増加する過渡時間に変動が起こる（（ｅ））。
導波路電界吸収型光変調器部２ｂには、大きさＶＰＨＣ  の逆相信号の電圧が印加される（（ｆ））。時間スロットｔ２の負の電圧印加によって、光変調器の光吸収層には、光吸収が起こり同時に屈折率の低下ΔｎＰＨＣ  が起こる（（ｇ））。導波路電界吸収型光変調器部２ａを透過して入射した光は、導波路電界吸収型光変調器部２ｂでも電圧過渡時間に周波数変動を受けるが、過渡時間における電圧変化の方向並びに発生する屈折率変化の方向が、導波路電界吸収型光変調器部２ａと導波路電界吸収型光変調器部２ｂとでは逆方向であり、導波路電界吸収型光変調器部２ｂで生ずる周波数変動の方向が導波路電界吸収型光変調器部２ａで受けた変動の方向が逆となるため打ち消されて、導波路電界吸収型光変調器部２ａで発生したチャープが低減される（（ｉ））。
すなわち、上記のような素子構成並びに駆動条件を採ることによって、電界吸収型光変調器部２ａと電界吸収型光変調器部２ｂにかかる電圧が逆相の関係となっているため、電界吸収型光変調器部２ａと電界吸収型光変調器部２ｂを合わせた全体での導波路の屈折率変化が抑えられる。
ただし、ＶＰＨＣ  ＝ＶＭＯＤ  の全く対称な電気信号をかけた場合、（ｈ）の光出力ＰＰＨＣ  が無くなり、変調器としての意味が無くなってしまう。そこで、減衰器２２をＥＡ−ＤＲＶ１４の逆相出力と電界吸収型光変調器部２ｂとの間に設け、電界吸収型光変調器部２ｂに掛かる電圧振幅を小さくする。これによってチャープの抑圧幅は小さくなるが本来の変調光出力を得ることが出来る。
また、電界吸収型光変調器部２ａと電界吸収型光変調器部２ｂ間の光の走行時間を補正するために、ＥＡ−ＤＲＶ２４と減衰器２２の間に遅延素子２３を挿入する。
【００１２】
以上のように、電界吸収型光変調器部２ａで生じたチャープを電界吸収型光変調器部２ｂで抑圧することが出来るので、光ファイバー伝送後の分散による波形劣化を低減するという効果がもたらされる。更に、電界吸収型光変調器部２ｂの電界光吸収層１６をさらに屈折率変化の大きい組成に選べば、効果を拡大することが出来る。
【００１３】
次に本発明の第二の実施形態について説明する。
本第二の実施形態の概要は、例えば図８のＧａＡｓの計算結果を参照すると、半導体レーザ部の発振波長が図８のａ付近の場合に対応する光導波路の組成を有する信号変調用電界吸収型光変調器とｂ付近の場合に対応する光導波路の組成を有するチャープ抑圧用電界吸収型光変調器を、直流発振している半導体レーザ部の光出射端に光透過方向に縦続に配設し、同相で駆動すれば、信号変調用電界吸収型光変調器は透過光に高い消光比の強度変調を与え、チャープ抑圧用電界吸収型光変調器は、信号変調用電界吸収型光変調器とは屈折率変化の極性が逆であることから、信号変調用電界吸収型光変調器で生じた屈折率変化による光の位相変化を補償でき、チャープを抑圧することができるという考え方に基づく。
【００１４】
図４及び図５に、本発明の第二の実施形態の素子構成とこの素子を駆動するための回路の機能ブロック図を示す。
図４は、電界吸収型光変調器付き半導体レーザ３０の構成図を示す。電界吸収型光変調器付き半導体レーザ３０は、ＣＷ光を発生するＤＦＢレーザ部３１と、レーザ共振器外にあってＣＷ光を強度変調する導波路電界吸収型光変調器部３２ａと、チャープを抑圧するための別なる導波路電界吸収型光変調器部３２ｂとが一体（モノリシック）集積して設けられている。
ＤＦＢレーザ部３１は、一例として、ｎ型半導体結晶基板３３に形成されたグレーティング３４と、その上にｎ型クラッド層３５、アンドープ活性層３６、ｐ型クラッド層３７、ｐ型コンタクト層３８を結晶成長させ、ｐ側電極３９とｎ側電極５０とで構成した構造であり、前記ＣＷ光を単一縦モードで発振することができる。
導波路電界吸収型光変調器部３２ａ、３２ｂは、ＤＦＢレーザ１と同一のｎ半導体基板上にｎ型クラッド層３２ａ−１５、ｎ型クラッド層３２ｂ−１５、アンドープ光吸収層３２ａ−１６、アンドープ光吸収層３２ｂ−１６、ｐ型クラッド層３２ａ−１７、ｐ型クラッド層３２ｂ−１７、ｐ型コンタクト層３２ａ−１８、ｐ型コンタクト層３２ｂ−１８を結晶成長させ、ｐ側電極４０−ａ、ｐ側電極４０−ｂとｎ側電極１０とで構成した構造である。
ＤＦＢレーザ部３１と導波路電界吸収型光変調器部３２ａと導波路電界吸収型光変調器部３２ｂとは、それぞれ電気的に分離されている。導波路電界吸収型光変調器部３２ａがＣＷ光を変調するための光変調器として機能し、導波路電界吸収型光変調器部３２ｂが導波路電界吸収型光変調器部２ａで発生するチャープを低減するための光変調器として機能する。
ＤＦＢレーザ部３１のアンドープ活性層３６は導波路電界吸収型光変調器部３２ａ、導波路電界吸収型光変調器部３２ｂのアンドープ光吸収層３２ａ−１６、３２ｂ−１６とは組成が異なり、バンドギャップエネルギーＥｇが異なる。また、導波路電界吸収型光変調器部３２ａ、３２ｂは、構造は同一であるが、備えるアンドープ光吸収層３２ａ−１６と３２ｂ−１６とは組成が異なり、バンドギャップエネルギーＥｇが互いに異なる。ＤＦＢレーザ部３１の発振波長は、導波路電界吸収型光変調器部３２ａ、３２ｂの吸収端波長より長波長に位置するように設定されている。
更に具体的には、図８の電界印加時の吸収係数α、屈折率変化Δｎを表す図において、導波路電界吸収型光変調器部３２ａのアンドープ光吸収層３２ａ−１６は、図８中のａ、すなわち電界を印加したときにＤＦＢレーザ部３１の発振波長の光がアンドープ光吸収層３２ａ−１６を透過するときに屈折率が低下するように、アンドープ光吸収層３２ａ−１６の組成が設定されている。また、導波路電界吸収型光変調器部３２ｂのアンドープ光吸収層３２ｂ−１６は、図８中のｂ、すなわち電界を印加したときにＤＦＢレーザ部３１の発振波長の光に対してアンドープ光吸収層３２ｂ−１６の屈折率が増加するように、アンドープ光吸収層３２ｂ−１６の組成が設定されている。
異なる組成の半導体結晶層を同一の基板上に成長し、機能の異なる素子をモノリシック集積する技術は、第一の実施形態におけると同様、一例として、特開平６−１０２４７６号公報「半導体変調器、半導体検出器並びに集積化光源とその製造方法」に開示されている。
すなわち、例えばＤＦＢレーザ部３１の活性層３６と導波路電界吸収型光変調器部３２ａ、３２ｂの光吸収層３２ａ−１６、３２ｂ−１６を結晶成長させる工程において、ＳｉＯ２  で成長部の両側の結晶面を覆い、覆うＳｉＯ２  マスクの幅を、活性層３６を成長させる領域は一番広く、光吸収層３２ａ−１６を成長させる領域は２番目に広く、光吸収層３２ｂ−１６を成長させる領域では一番狭く設けることによって、バンドギャップの異なる結晶層を３種類同一結晶基板上に切れ目無く成長させることができる。
【００１５】
図６は、本実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ３０を駆動するための回路構成を示す。駆動回路は、ＤＦＢレーザ部３１を制御するＬＤ−ＤＲＶ４５と、これに温度制御信号を送るＴＥＭＰ−ＣＮＴ４６と、電界吸収型光変調器部３２ａ、３２ｂを制御するＥＡ−ＤＲＶ４４を備えている。ＥＡ−ＤＲＶ２４の出力は電界吸収型光変調器付き半導体レーザ３０の信号変調を行う電界吸収型光変調器部３２ａと、遅延回路４３と、減衰器４２を介して、チャープ抑圧用電界吸収型光変調器部３２ｂに接続する。
【００１６】
図６参照して本第二の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザ３０の動作を説明する。
図６（Ａ）は、３つの集積素子を仮想的に分解して表したブロック図を示し、ＤＦＢレーザ部３１の光出力をＰＬＤ、導波路電界吸収型光変調器部３２ａの光出力をＰＭＯＤ  、駆動電圧をＶＭＯＤ  、導波路電界吸収型光変調器部３２ｂの光出力をＰＰＨＣ  、駆動電圧をＶＰＨＣ  と表記した。図６（Ｂ）の（ａ）〜（ｉ）は各信号波形並びに物理パラメータの時間変化を示す。ここでΔｎは、導波路電界吸収型光変調器に電圧を印加したときに導波路内に生ずる屈折率の変化を、Δωは出力光の周波数変動を表す。また、ＥＡ−ＤＲＶ４４からの導波路電界吸収型光変調器部３２ａに印加される電圧ＶＭＯＤ  は（ｂ）の波形、導波路電界吸収型光変調器部３２ｂに印加される電圧ＶＰＨＣ  は（ｆ）の波形に対応する。
導波路電界吸収型光変調器部３２ａに時間ｔ１で負、ｔ２で０、ｔ３で負の大きさＶＭＯＤ  の電圧が印加される（（ｂ））。負の電圧印加によって、光変調器の光吸収層には、光吸収が起こり同時に屈折率の低下が起こる（（ｃ））。導波路電界吸収型光変調器部２ａを出力する光の強度の時間変化は、印加電圧０の時間スロットｔ２で光が出力し（（ｄ））、そして出力光波の周波数は屈折率の低下や増加の過渡時間に変動が起こる（（ｅ））。
導波路電界吸収型光変調器部３２ａを透過し、導波路電界吸収型光変調器部３２ｂに入射した光は、時間ｔ１で負、ｔ２で０、ｔ３で負の大きさＶＰＨＣ  の導波路電界吸収型光変調器部３２ａに掛ける電圧波形と同相の電圧が印加される（（ｆ））。時間スロットｔ２の電圧印加０のとき、屈折率の上昇が起こる（（ｇ））。導波路電界吸収型光変調器部３２ａからの光は、印加電圧０の時間スロットｔ２で光が減衰を受けることなく出力する（（ｄ））。そして、導波路電界吸収型光変調器部３２ｂで生ずる屈折率変化の方向が、導波路電界吸収型光変調器部３２ａで生ずる屈折率変化の方向に対して逆方向であり、光に与える周波数変動の方向が、導波路電界吸収型光変調器部３２ａで受けた変動の方向とは逆方向となって打ち消されるため、導波路電界吸収型光変調器部３２ａで発生したチャープが、導波路電界吸収型光変調器部３２ｂにおいて相殺される（（ｅ））。
すなわち、この構成おいては、電界吸収型光変調器部３２ａと電界吸収型光変調器部３２ｂにかかる電圧は同相であるが、組成が異なり屈折率変化が逆符号の関係となっているため、電界吸収型光変調器部３２ａと電界吸収型光変調器部３２ｂを合わせた導波路全体での屈折率変化が抑えられる。また、本実施形態の場合、導波路電界吸収型光変調器部３２ａと導波路電界吸収型光変調器部３２ｂとで時間スロットｔ１及びｔ３における電界光吸収は加え合わさることになるため、素子長を短くまた個々の光変調器に掛ける電圧を小さくすることができる。
図５の駆動回路において、２つの電界吸収型光変調器部に印加する電圧を調整するため減衰器４２をＥＡ−ＤＲＶ４４と電界吸収型光変調器部３２ｂとの間に設けてある。また、電界吸収型光変調器部３２ａと電界吸収型光変調器部３２ｂ間の光の走行時間を補正するために、ＥＡ−ＤＲＶ４４と減衰器４２の間に遅延素子４３を挿入する。
【００１７】
以上の実施形態の説明では、ＤＦＢレーザの活性層や電界吸収型光変調器部の光吸収層はバルク状の場合を例にとり、電界光吸収効果はフランツ・ケルディッシュ効果を用いる場合を述べたが、ＤＦＢレーザの活性層や電界吸収型光変調器部の光吸収層を量子井戸構造にすれば、電界光吸収効果は量子閉じこめシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を利用することができ、吸収端が急峻に立ち上がり、さらに吸収端にを透過光波長に近づけることができ、変調感度が向上する。
【００１８】
本発明の実施の形態の説明では、ＤＦＢレーザ部および電界吸収型光変調器部は、一体（モノリシック）集積する場合を述べたが、勿論ディスクリ−トな個々の素子で構成してもよく、また、それらをハイブリッドに集積してもよい。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電界吸収型光変調器付き半導体レーザは、チャープ抑圧用の別なる電界吸収型光変調器部を信号変調用の電界吸収型光変調器付き半導体レーザに追加して構成することによって、高速変調時であってもチャープ（光周波数の変動）を低減できる光通信用光送信素子及びその駆動回路並びに半導体レーザ装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの構造断面図を示す図である。
【図２】本発明の第一の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの駆動回路の構成を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの動作を説明する図である。
【図４】本発明の第二の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの構造断面図を示す図である。
【図５】本発明の第二の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの駆動回路の構成を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施形態の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの動作を説明する図である。
【図７】本発明の電界吸収型光変調器の電界光吸効果の定性的な原理を説明する図である。
【図８】本発明の電界吸収型光変調器の電界光吸効果の原理を定量的に説明するためにＧａＡｓの場合を例にとって説明する図である。
【図９】従来の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの動作を説明する図である。
【図１０】従来の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの駆動回路を説明する図である。
【図１１】別なる従来の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの構造を説明する図である。
【図１２】図１１とは異なる従来の電界吸収型光変調器付き半導体レーザの構造を説明する図である。
【符号の説明】
１    ＤＦＢレーザ部
２ａ    電界吸収型光変調器部
２ｂ    電界吸収型光変調器部
３    結晶基板
４    グレーティング
５    クラッド層
６    活性層
７    クラッド層
８    コンタクト層
９    電極
１０    電極
１１    電界吸収型光変調器付き半導体レーザ
１５    クラッド層
１６    光吸収層
１７    クラッド層
１８    コンタクト層
１９    電極
２０    電極
２２    減衰器
２３    遅延素子
２４    ＥＡ−ＤＲＶ
２５    ＬＤ−ＤＲＶ
２６    ＴＥＭＰ−ＣＮＴ
３０    電界吸収型光変調器付き半導体レーザ
３１    ＤＦＢレーザ部
３２ａ    電界吸収型光変調器部
３２ｂ    電界吸収型光変調器部
３３    結晶基板
３４    グレーティング
３５    クラッド層
３６    活性層
３７    クラッド層
３８    コンタクト層
３９    電極
４０−ａ    電極
４０−ｂ    電極
３２ａ−１５    クラッド層
３２ｂ−１５    クラッド層
３２ａ−１６    光吸収層
３２ｂ−１６    光吸収層
３２ａ−１７    クラッド層
３２ｂ−１７    クラッド層
３２ａ−１８    コンタクト層
３２ｂ−１８    コンタクト層
４０−ａ    電極
４０−ｂ    電極
４２    減衰器
４３    遅延素子
４４    ＥＡ−ＤＲＶ
４５    ＬＤ−ＤＲＶ
４６    ＴＥＭＰ−ＣＮＴ
２０１    半導体レーザ
２０２    電界吸収型光変調器
２０３    電気光学光変調器
３０１    半導体レーザ
３０２    電界吸収型光変調器
３０３    キャリア注入型光変調器
【図１】
0003591447.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003591447.tif 000008
【図８】
0003591447.tif 000009
【図９】
0003591447.tif 000010
【図１０】
0003591447.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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