(57)【要約】【課題】実装上等の種々の要因により複数の光伝送路に損失偏差がある場合でも、装置サイズの増大を抑制し、消費電力を抑えた電力効率の良い光半導体装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】光半導体装置は、複数の光伝送路１ａ〜１ｄと、光伝送路１ａ〜１ｄに配置された半導体光増幅器２と、光伝送路１ａ〜１ｄからの出力光又はその一部を検知するモニタ部５と、モニタ部５と接続され、半導体光増幅器２の利得を制御する制御部７とを含み、半導体光増幅器２は、複数の光伝送路のそれぞれの光伝送路において、複数に分割された電流注入用の電極３，４を有しており、制御部７は、２種の電圧Ｖ1，Ｖ2を出力する電圧供給器１２と、電圧供給器１２と接続されており、モニタ部５からの信号に基づいて、電圧Ｖ1，Ｖ2のうちの１種を選択的に電極４に印加するスイッチ制御回路１２を備える。【選択図】図１Ａ
2018125432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光伝送路と、
前記光伝送路に配置された半導体光増幅器と、
前記光伝送路からの出力光又は前記出力光の一部を検知するモニタ部と、
前記モニタ部と接続され、前記半導体光増幅器の利得を制御する制御部と
を含み、
前記半導体光増幅器は、前記複数の光伝送路のそれぞれの光伝送路において、２つ以上に分割された電流注入用の電極を有しており、
前記制御部は、
２種以上の電圧を出力する電圧供給器と、
前記電圧供給器と接続されており、前記モニタ部からの信号に基づいて、２種以上の前記電圧のうちの１種を選択的に前記電極に印加するスイッチ制御回路と
を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記電圧供給器は、前記電圧として、前記半導体光増幅器が利得を有する電流密度を与える第１電圧と、前記半導体光増幅器のモード利得と内部損失との差分が所定範囲内となる電流密度を与える第２電圧とを出力することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記半導体光増幅器は、前記電極として、前記第１電圧が印加される第１電極と、前記第１電圧又は前記第２電圧が選択的に印加される少なくとも１つの第２電極とを有することを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記第１電極は、前記第２電極よりも電極長が大きいことを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記第１電極は複数の前記光伝送路に共通に設けられており、前記第２電極は前記光伝送路ごとに設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の光半導体装置。
【請求項６】
複数の光伝送路と、
前記光伝送路に配置された半導体光増幅器と、
前記光伝送路からの出力光又は前記出力光の一部を検知するモニタ部と、
前記モニタ部と接続され、前記半導体光増幅器の利得を制御する制御部と
を含み、
前記半導体光増幅器は、前記複数の光伝送路のそれぞれの光伝送路において、２つ以上に分割された電流注入用の電極を有しており、
前記制御部は、
２種以上の電圧を出力する電圧供給器と、
前記電圧供給器と接続されており、前記モニタ部からの信号に基づいて、２種以上の前記電圧のうちの１種を選択的に前記電極に印加するスイッチ制御回路と
を備えた光半導体装置の制御方法であって、
前記電極のうちの第１電極には前記電圧のうちの第１電圧を、前記電極のうちの前記第１電極以外の第２電極には前記電圧のうちの第２電圧を印加する第１ステップと、
前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定する第２ステップと、
前記第２ステップで前記基準値を満たしていないと判定された場合に、前記スイッチ制御回路の切り替えにより少なくとも１つの前記第２電極に前記第１電圧を印加した後、前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定する第３ステップと
を含むことを特徴とする光半導体装置の制御方法。
【請求項７】
前記第３ステップでは、前記基準値を満たすと判定されるまで、前記スイッチ制御回路の切り替えにより次の前記第２電極に前記第１電圧を印加した後、前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定する動作を順次繰り返して行うことを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置の制御方法。
【請求項８】
前記第１電圧は前記半導体光増幅器が利得を有する電流密度を与える電圧であり、前記第２電圧は前記半導体光増幅器のモード利得と内部損失との差分が所定範囲内となる電流密度を与える電圧であることを特徴とする請求項６又は７に記載の光半導体装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、安価で大規模集積が可能なシリコン電子回路製造技術を利用したシリコン基板上の光機能素子が注目を集めている。高性能サーバやスーパーコンピュータ等では要求される演算能力の増大に対し、ＣＰＵのマルチコア化等により高性能化が図られている。一方、チップ間やボード間の通信においては、高速化する演算能力に対して電気信号による通信は物理的な距離の問題から限界を迎えつつある。低損失且つ小型なシリコン細線導波路をベースとしたシリコン基板上に形成された光通信素子、所謂シリコンフォトニクスはこのような高速化する情報処理機器の通信容量不足の問題を解決する技術として期待されている。その中でも、通信用途として実用化されている波長多重（Wavelength Division Multiplexer :ＷＤＭ）技術のシリコンフォトニクスへの応用は伝送容量の高密度化や光ケーブルの削減の効果が見込まれ、広く研究開発が進められている。
【０００３】
その一方で、シリコンフォトニクスを用いた光送信機、光受信機や光スイッチ、光ルータ等では、その光源や光増幅器、光損失補償器等には、ＧａＡｓ系やＩｎＰ系等のＩＩＩ−Ｖ族光半導体を用いることが考えられている。これは、シリコンが間接遷移半導体であることから、光通信用装置等で広く用いられてきたＩＩＩ−Ｖ族光半導体が好適であるからである。
【０００４】
シリコンとこれらＩＩＩ−Ｖ族半導体とは、格子定数の違いから、同一基板上へのモノリシック集積は難しく、現状ではシリコン光導波路を含むシリコンプラットフォーム上へ、光半導体素子を搭載・集積させる、所謂ハイブリッド集積型の実装構造が主流である。ハイブリッド集積としては、ＩＩＩ−Ｖ族の光半導体素子の光導波路と、シリコンプラットフォーム上に形成された光導波路とを端面同士で結合する実装構造が提案されている。また、ＩＩＩ−Ｖ族の光半導体素子の利得媒質をシリコンプラットフォーム上のシリコン光導波路に近接配置させてエヴァネッセント結合する構造も好ましい。前者については特許文献１等に、後者については非特許文献１等に詳しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２８６３４０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／１６５６５６号
【特許文献３】特開２００８−１９７６３９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S. Stankovic et al., "Hybrid III-V/Si Distributed-Feedback Laser Based on Adhesive Bonding", IEEE Photonics Tech. Lett., Vol. 24, No. 23, Dec. 1, 2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
シリコンプラットフォーム上への光半導体素子の実装においては、低結合損失でシリコン光導波路と光半導体素子の光導波路とを結合させることが求められる。エヴァネッセント結合型は結合界面の不完全性等に起因した損失が大きく、十分な特性が得られていない。端面結合型は、エッチングにより光半導体素子の光導波路端面が露出された端面と、光半導体素子の光導波路端面とを向かい合わせ、光導波路を位置合わせすることで光学的に結合させるものである。この方法では、光導波路の同士縦・横・高さ方向の位置合わせが結合損失を決める要因の一つになる。
【０００８】
ここで、例えば図１１に示すように、複数の光伝送路上に半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）を備えた光送受信系を考える。レーザ１０１から出力された連続光信号は光変調器１０２に入力され、電気信号により強度変調を受けて光送信機から出力される。光送信機から出力された光信号は光ファイバ伝送路（コネクタ１０３ａ〜コネクタ１０３ｂ）を経由して光受信機へと入力される。光受信機に入力された光信号はＳＯＡ１０４により損失補償され、フォトディテクタ(Photo Detector：ＰＤ)１０５へと入力され、電気信号として出力される。
【０００９】
このような光送受信系において一般的には、ＰＤ１０５が必要とする光信号強度はある上限と下限で規定される。基本的にはこの範囲内に光信号強度が収まっていれば良いが、消費電力の観点からは光送受信系が通信できる必要最小限の電力でＳＯＡ１０４を駆動することが望ましい。この場合、レーザ１０１や光変調器１０２等の素子特性や、光送信機及び光受信機とコネクタ１０３ａ，１０３ｂとの間の結合損失は、半導体プロセスの製造工程やファイバ実装工程の不完全性によりバラつきが発生する。そのため、ＳＯＡ１０４へ入力される信号光強度もバラつきが発生する。
【００１０】
また、ＳＯＡ１０４も前述のように、シリコンプラットフォーム上への実装工程において位置合わせ精度等の不完全性により入力側、出力側双方で光導波路との結合損失にバラつきが発生する。そのため、ＳＯＡ１０４は自身の結合損失のバラつきも含めて、各光伝送路に発生した損失偏差を補償するのに必要最低限な利得が得られる条件で駆動することが消費電力の観点から望まれる。このような駆動をするには、ＳＯＡ１０４の後段、例えば各伝送線路のＰＤ１０５の近傍にモニタ用ＰＤを設置する、或いは各ＰＤ１０５からの出力電気信号をそのまま用いて各ＰＤ１０５への到達信号光強度を検知し、信号光強度情報をフィードバックして、各ＳＯＡ１０４の駆動条件を調整する方法が考えられる。
【００１１】
このような制御には、例えば図１２に示すようなＳＯＡ制御系を用いることが考えられる。このＳＯＡ制御系は、光伝送路２０１ａ〜２０１ｄごとに配されたＳＯＡ２０２及びモニタ２０３、制御部２０４、及びＤＡＣ電源部２０５を備えて構成されている。制御部２０４は、ＡＤＣ（Analog-to-Digital Convertor）回路２１１と、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）回路２１２とを有している。ＡＤＣ回路２１１は、モニタ２０３からのモニタ信号をデジタル化するアナログデジタル変換回路である。ＰＩＤ回路２１２は、デジタル化されたモニタ信号を目標値に追従させるための処理を行う制御回路である。ＤＡＣ電源部２０５は、ＰＩＤ回路２１２から出力される信号に従ってＳＯＡ２０２の駆動電流を出力する複数（光伝送路２０１ａ〜２０１ｄに対応した４つ）のＤＡＣ（Digital-to-Analog Convertor）回路２１３を有している。
【００１２】
このようなＳＯＡ制御系を用いた場合、制御部２０４はモニタ２０３に到達した各伝送路の信号光強度をモニタする。信号光強度に不足があればＳＯＡ２０２の利得を増加させる方向に働き、過剰な信号光強度であればＳＯＡ２０２の駆動電流を低減することで、ＳＯＡ制御系全体の消費電力を抑えることができる。しかしながら、ＳＯＡ２０２の駆動電流を出力する最終段であるＤＡＣ回路２１３は、一般にその電力効率が５０％〜６０％程度と低い。また、ＳＯＡ２０２の消費電力は、光送受信系の仕様や構成、各光素子の特性等にもよるが全体の２０％〜３０％程度を占めることもあり、その駆動電力の効率は非常に重要である。このように、出力段にＤＡＣ回路２１３を用いたＳＯＡ制御系は電力効率の観点から、光送受信系の損失を補償するためにＳＯＡ２０２を駆動するのには適していない。
【００１３】
その一方で、電力効率の高い電源として、直流直流（DC-to-DC：ＤＣ−ＤＣ）コンバータを用いる方法が考えられる。図１３に、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いたＳＯＡ制御系の一例を示す。このＳＯＡ制御系は、光伝送路３０１ａ〜３０１ｄに共通に配されたＳＯＡ３０２、光伝送路３０１ａ〜３０１ｄごとに配されたモニタ３０３、制御部３０４、及びＤＣ−ＤＣコンバータ電源部３０５を備えて構成されている。制御部３０４は、モニタ３０３からのモニタ信号をデジタル化するＡＤＣ回路３１１と、デジタル化されたモニタ信号を目標値に追従させるための処理を行うＰＩＤ回路３１２を有している。ＤＣ−ＤＣコンバータ電源部３０５は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路３１３と及びチョッピング回路３１４を有している。ＰＷＭ回路３１３は、ＰＩＤ回路３１２から出力される信号に従って出力を制御するパルス幅変調回路である。チョッピング回路３１４は、ＰＷＭ回路３１３からの信号により出力をチョッピングする回路である。また、チョッピング回路３１４の出力段には、適切なサイズのインダクタ３１５及びキャパシタ３１６が接続されている。
【００１４】
外部電源に接続されたチョッピング回路３１４は、ＰＷＭ回路３１３からの信号により外部電源からの出力電流をチョッピングしてパルス化する。パルス化された出力電流は、外部に接続されたインダクタ３１５及びキャパシタ３１６のフィルタ効果により平滑化され、接続された負荷に入力される。ＰＷＭ回路３１３は、このパルス幅を制御することで出力電流の大きさを制御するものである。このようなＤＣ−ＤＣコンバータを用いた制御回路は、電力効率が９０％程度と高く、比較的大きな電力を消費する回路・素子の電源回路として広く用いられている。
【００１５】
上述のように、ＤＣ−ＤＣコンバータ電源部３０５の出力段には、出力の平滑化のためにインダクタ３１５及びキャパシタ３１６を要する。インダクタ３１５及びキャパシタ３１６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ電源部３０５の仕様や要求電源の仕様等により若干異なるが、数ｍｍ角程度と大きなサイズを有する。このサイズの問題は、特に例示したような複数の伝送線路を持つ光送受信系においては実装上の大きな制約となる。
【００１６】
図１３のように、ＤＣ−ＤＣコンバータ電源部３０５の高い電力効率を活かし、ＳＯＡ３０２の駆動電極を全て並列に接続して電圧を印加することで、ＳＯＡ３０２を一括して駆動する方法が考えられる。この場合、ＳＯＡ制御系では、インダクタ３１５及びキャパシタ３１６を一組設けるだけで良い。しかしながら、このＳＯＡ制御系では、当然のことながらＳＯＡ３０２を光伝送路ごとに個別に駆動することはできない。利得制御の方法としては、全ての伝送線路のモニタ信号のうちで最小の信号強度となっている伝送線路、即ち様々な要因により損失のバラつきが発生している伝送線路から得られるモニタ信号が所定の信号光強度を満たすようなＳＯＡ３０２の利得制御を要する。
【００１７】
このとき、当然ながら他の伝送線路は所定値以上の信号光強度となっており、余計な電力を消費していることになる。この無効な消費電力は上述の通り、過剰損失が最大の伝送線路とそれ以外の伝送線路との過剰損失の偏差の大きさで決まる。換言すれば、素子特性、結合損失等のバラつきが大きい光送受信系では、このような一括駆動での利得制御は電力的な無駄が大きく適していないということである。このような伝送線路間の特性バラつきは、光送受信系が有する伝送線路が多ければ多いほど大きい。即ち、この点でも、ＤＣ−ＤＣコンバータは、複数の伝送線路を持つ光送受信系で用いるＳＯＡの電源回路としては適していない。
【００１８】
本発明は、製造上、実装上等の種々の要因により複数の光伝送路に損失偏差がある場合でも、装置サイズの増大を抑制し、光伝送路の損失を効率良く補償する、消費電力を抑えた電力効率の良い光半導体装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
１つの態様では、光半導体装置は、複数の光伝送路と、前記光伝送路に配置された半導体光増幅器と、前記光伝送路からの出力光又は前記出力光の一部を検知するモニタ部と、前記モニタ部と接続され、前記半導体光増幅器の利得を制御する制御部とを含み、前記半導体光増幅器は、前記複数の光伝送路のそれぞれの光伝送路において、２つ以上に分割された電流注入用の電極を有しており、前記制御部は、２種以上の電圧を出力する電圧供給器と、前記電圧供給器と接続されており、前記モニタ部からの信号に基づいて、２種以上の前記電圧のうちの１種を選択的に前記電極に印加するスイッチ制御回路とを備える。
【００２０】
１つの態様では、光半導体装置の制御方法は、上記の光半導体装置の制御方法であって、前記電極のうちの第１電極には前記電圧のうちの第１電圧を、前記電極のうちの前記第１電極以外の第２電極には前記電圧のうちの第２電圧を印加する第１ステップと、前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定する第２ステップと、前記第２ステップで前記基準値を満たしていないと判定された場合に、前記スイッチ制御回路の切り替えにより少なくとも１つの前記第２電極に前記第１電圧を印加した後、前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定する第３ステップとを含む。
【発明の効果】
【００２１】
１つの側面として、製造上、実装上等の種々の要因により複数の光伝送路に損失偏差がある場合でも、装置サイズの増大を抑制し、光伝送路の損失を効率良く補償する、消費電力を抑えた電力効率の良い光半導体装置及びその制御方法が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】本実施形態による光半導体装置の概略構成を示す模式図である。
【図１Ｂ】本実施形態による光半導体装置の概略構成の他の例を示す模式図である。
【図２】本実施形態による光半導体装置の制御方法を示すフロー図である。
【図３】横軸が過剰損失αe、縦軸がその過剰損失の発生頻度(確率)を示す特性図である。
【図４】本実施形態に基づいた効果の試算例を示す特性図である。
【図５】ＳＯＡが実装される前のシリコン光半導体素子を示す概略平面図である。
【図６】図５の破線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。
【図７】ＳＯＡを示す概略平面図である。
【図８】図７の破線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。
【図９】ＳＯＡが実装されてなるシリコン光半導体素子を示す概略平面図である。
【図１０】図９の破線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。
【図１１】複数の光伝送路上にＳＯＡを備えた光送受信系を示す模式図である。
【図１２】ＤＡＣ回路を用いたＳＯＡ制御系を示す模式図である。
【図１３】ＤＣ−ＤＣコンバータを用いたＳＯＡ制御系の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、光半導体装置及びその制御方法の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
（光半導体装置の概略構成）
図１Ａは、本実施形態による光半導体装置の概略構成を示す模式図である。
この光半導体装置は、複数、ここでは４本の並行した光伝送路１ａ〜１ｄ、光伝送路１ａ〜１ｄに配された半導体光増幅器であるＳＯＡ２、光伝送路１ａ〜１ｄにそれぞれ設けられたモニタ用ＰＤ５及び受信用ＰＤ６、及び制御部７を備えて構成されている。
【００２５】
ＳＯＡ２は、電流注入用の電極が分割されており、メイン電極３と、複数のサブ電極４とを有している。メイン電極３は、電極長がＬ1であり、光伝送路１ａ〜１ｄに対して共通に設けられている。なお、図１Ｂに示すように、メイン電極を共通電極とせずに分割し、光伝送路１ａ〜１ｄの各々に対してメイン電極３ａを設けるようにしても良い。サブ電極４は、電極長がＬ1よりも小さいＬ2（Ｌ1＞Ｌ2）であり、光伝送路１ａ〜１ｄの各々に対して複数、ここでは３個ずつ設けられている。
モニタ用ＰＤ５は、光伝送路１ａ〜１ｄからの出力光のモニタ部であり、光伝送路１ａ〜１ｄからの出力光の一部を検知するものである。
【００２６】
制御部７は、ＳＯＡ２の利得を制御するものであり、フィードバック制御回路１１、電圧供給器であるマルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータ１２、及びスイッチ制御回路１３を有している。
フィードバック制御回路１１は、モニタ用ＰＤ５からのモニタ信号を予め規定された基準値と比較し、モニタ信号が当該基準値を満たしているか否か、即ち当該モニタ用ＰＤ５が設けられた光伝送路の信号光が所定強度を満たしているか否かを判定する。
【００２７】
マルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、２種以上の電圧、ここではＳＯＡの材料利得がｇ1となる電圧Ｖ1と、ＳＯＡの材料利得がｇ2となる電圧Ｖ2とを出力することができる。
【００２８】
スイッチ制御回路１３は、フィードバック制御回路１１及びマルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と電気的に接続され、フィードバック制御回路１１からの信号に基づいて、電圧Ｖ1，Ｖ2のいずれかを選択的にＳＯＡ２の電極に印加する。具体的には、メイン電極３は、マルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、インダクタ１２ａ及びキャパシタ１２ｂを介して、電圧Ｖ1が出力される端子１４ａに接続されている。一方、各サブ電極４は、マルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、インダクタ１２ｃ及びキャパシタ１２ｄにスイッチ制御回路１３を介して接続されている。各サブ電極４は、スイッチ１３ａの切り換えにより、電圧Ｖ1が出力される端子１４ａ又は電圧Ｖ2が出力される端子１４ｂに選択的に接続される。
【００２９】
（光半導体装置の制御方法）
図２は、本実施形態による光半導体装置の制御方法を示すフロー図である。
先ず、制御部は、光半導体装置の光受信機（Receiver：Ｒｘ）に電源を投入し、所定の初期化動作を行う（ステップＳ１）。この初期化動作には、メイン電極に電圧Ｖ1を与える動作と、Ｒｘのスイッチ制御回路における全スイッチを電圧Ｖ2側に設定して、複数（ここでは、光伝送路ごとに３個で計１２個）のサブ電極の全てに電圧Ｖ2を与える動作も含まれる。
【００３０】
続いて、光送信機（Transmitter：Ｔｘ）から所定の強度を有する信号光（所定の強度範囲内の出力）をＲｘに入力する（ステップＳ２）。所定の強度とは、一般的にＴｘ側の種々のバラつきを考慮してある一定の幅をもって与えられる。
【００３１】
続いて、第１番目の光伝送路のモニタＰＤで信号光強度を検知し、制御部は、モニタ信号をフィードバック制御回路に入力する（ステップＳ３）。フィードバック制御回路は、モニタ信号と所定のメモリ等に格納されている基準値との比較を行う（ステップＳ４）。基準値との比較の結果、モニタ信号値が当該基準値を上回っていると判定された場合（ステップＳ５）、当該光伝送路のＳＯＡのスイッチ制御は完了する（ステップＳ６）。基準値との比較の結果、モニタ信号値が所定値を下回っていると判定された場合（ステップＳ５）、その結果をスイッチ制御回路に出力する。
【００３２】
スイッチ制御回路は、現在の自身のステータスを参照してスイッチを制御する。所定の値を満たしていない場合、サブ電極のうち、少なくとも１つ、例えばメイン電極の１つ右隣りのサブ電極に接続されているスイッチを切り替えて、当該サブ電極に電圧Ｖ1を印加し、再度モニタ信号を検知し、所定の基準値を満たしているか否かを判定する。再度の判定でも基準値が得られなかった場合、更にもう１つ、例えばメイン電極の２つ右隣りのサブ電極に接続されているスイッチを切り替えて、当該サブ電極に電圧Ｖ1を印加する。この動作を繰り返し行い、ＳＯＡに接続されている全スイッチを所定の状態に設定する。
【００３３】
具体的には、ＳＷx-NにおいてＮ＝１とし（ステップＳ８）、Ｎ＝１のスイッチを電圧Ｖ1側に切り替え（ステップＳ９）、再度モニタ信号値をチェックする（ステップＳ１０）。再度モニタ信号値と基準値とを比較した結果、モニタ信号値が基準値を上回っていれば当該光伝送路のＳＯＡのスイッチ制御は完了する（ステップＳ６）。モニタ信号値が基準値を下回っている場合、Ｎに１を加えて（ステップＳ１１）、基準値とモニタ信号値との比較を繰り返す。ここで、ＳＷx-Nは、各光伝送路及び各光伝送路に実装されたＳＯＡのサブ電極に接続されたスイッチを特定するパラメータであり、Ｎはサブ電極に割り当てられた指数である。ここではメイン電極の１つ右隣りのサブ電極がＮ＝１であり、そこから右側に２，３・・・となる。また、ｘは、各光伝送路に対応した指数であり、図１の例で言えば光伝送路１ａ〜１ｄに対応して１〜４となる。
【００３４】
第１番目の光伝送路におけるスイッチ制御が完了した後、光伝送路の指数ｘに１を加え（ステップＳ１２）、同制御を繰り返し、光伝送路の指数が光伝送路の数に達したところで（ステップＳ７）、ＳＯＡのスイッチ設定制御が全て完了となる。
【００３５】
以下、本実施形態による光半導体装置について、ＳＯＡで補償する光伝送路の損失と、電圧Ｖ1，Ｖ2、電極長Ｌ1，Ｌ2、単位長さあたりの利得ｇ1，ｇ2等との関係について説明する。上述したように、光伝送路は、それを構成する様々な要因により損失偏差を有する。ＳＯＡはこの損失偏差に対して、なるべく最適な利得を与えて損失補償することが望ましく、損失の偏差及び歩留りから、ＳＯＡや制御系を設計する。光伝送路の全損失αtotalは、原理的な損失や設計限界で決まる決定的な損失αiと、デバイスプロセスや素子実装、ファイバ実装等の製造上のバラつきにより決まるランダムな過剰損失αeの和で表現される。決定的な損失のうち原理的な損失は、例えば光変調器の強度変調による損失がそれであり、設計限界による損失は、例えばレーザやＳＯＡと光導波路間の結合、光導波路とファイバ間の結合における、モードミスマッチに起因した損失である。これ対して、ランダムな損失は前述の通り様々な要因からなり、その分布も要因により異なるが、統計学上では簡単のために正規分布として扱う場合が多い。
【００３６】
ここで、例えば光伝送路の過剰損失αeの確率分布を図３に示す。製品設計段階における十分な事前検討により、このような製造能力で決定される過剰損失の分布を予め取得しておく。次に、取得した過剰損失の分布のデータと、仕様、コスト等の観点とから歩留りを設定する。ここでは、例えば９０％の歩留りを考える。図３では、横軸が過剰損失αe、縦軸がその過剰損失の発生頻度(確率)を示している。歩留りを９０％と設定したとき、全体のうち、過剰損失が小さい上位９０％が合格、下位１０％が不合格となる。図３では、上位９０％の限界となるαe1より大きい過剰損失となっている光伝送路を有する光半導体装置は、検査段階で不良品として扱う。このように、ＳＯＡは幅を持った過剰損失のある光伝送路に対して、合格品の範囲内であれば何れの損失に対しても必要最低限の光出力が得られるよう利得を制御する必要がある。
【００３７】
本実施形態によるＳＯＡは上述の通り、メイン電極には電圧Ｖ1が、サブ電極には電圧Ｖ1又はＶ2電圧を選択的に印加することができる。ここで先ず、検査基準内で最大の過剰損失、図３におけるαe1が発生している光伝送路について考える。この場合、ＳＯＡは電極長Ｌ1のメイン電極、電極長Ｌ2のサブ電極含め全て電圧Ｖ1で駆動する。ここで、電圧Ｖ1はＳＯＡに材料利得ｇ1を与える電圧である。材料利得ｇ1は、光伝送路の過剰損失がαe1の時に、以下の式を満たす
Ｇ1＝ｅｘｐ｛（Γg1−αSOA）Ｌtotal｝＝ｅｘｐ｛（Γg1−αSOA）（Ｌ1+３Ｌ2）｝
・・・（１）
【００３８】
ここで、Ｇ1は光伝送路の過剰損失αe1に対して、モニタが所定の信号光強度を満たすネット利得、ＬtotalはＳＯＡの全電極長、即ちＬtotal＝Ｌ1＋３Ｌ2、ΓはＳＯＡの利得導波路の光閉じ込め係数、αSOAはＳＯＡの内部損失を表す。即ち、基準内で最大の損失を持つ光伝送路に対しては、メイン電極、サブ電極含め全て電圧Ｖ1で駆動し、ＳＯＡ全域に単位長さあたり利得Γg1−αSOAの利得を与える。
【００３９】
次に、過剰損失が小さい場合の駆動について考える。ここで、過剰損失は図３のように正規分布しているとすると、確率上での最小損失は０であるが極めて低い確率でしか現れない。このように極めて低い発生頻度の損失を系の最小損失として考えることは、マージン設計上望ましくない。ここでは例えば上位１０％の過剰損失αe0を最小として考える。αe1及びαe0を用いて、Δα＝αe1−αe0と定義する。設計上の損失最小の時は、メイン電極のみ電圧Ｖ1で駆動し、残りのサブ電極はスイッチを切り替えて電圧Ｖ2で駆動する。ここで、電圧Ｖ2はＳＯＡに材料利得ｇ2を与える電圧である。
Ｇ2＝ｅｘｐ｛（Γg1−αSOA）Ｌ1＋（Γg2−αSOA）３Ｌ2｝  ・・・（２）
【００４０】
ここで、材料利得ｇ2は、ＳＯＡの内部損失αSOAとモード利得Γg2の差分が所定の範囲内となる利得であり、（３）式を満たすものとする。
０≦Γg2−αSOA≦０．１αSOA  ・・・（３）
【００４１】
ここで、Ｇ2は、光伝送路の過剰損失αe0に対して、モニタが所定の信号光強度を満たすネット利得である。この式（２）と、予め取得した損失分布のαe0，αe1からｇ1とＬ1が求まり、Ｌ1が求まることでＬ2が求まる。なお、ＳＯＡの内部損失とモード利得が釣り合う透明化材料利得ｇ2は、ＳＯＡの活性層(利得導波路)の設計で決まる値であり、上記とは無関係に求まる。また、ｇ1，ｇ2が決まればＶ1，Ｖ2も決まる。
【００４２】
ここで、再び図３の光伝送線路の損失分布について考える。ここまで、光伝送路の過剰損失は最小αe0と最大αe1のみ考えてきたが、大半はこの間の過剰損失に収まる。これらのαe0以上αe1以下の光伝送線路の過剰損失に対しては、分割されたサブ電極の数に応じて光伝送路の過剰損失で分類し、その過剰損失に応じてサブ電極に印加する電圧を決定する。例えば今回の例のようにメイン電極と３つのサブ電極が与えられている時、印加する電圧は以下の表１のようになる。
【００４３】
【表１】
2018125432.tif 000003
【００４４】
このように、各光伝送路にＳＯＡが与える利得は、サブ電極の数に対応した光伝送路の過剰損失のクラス分けにより離散的に設定される。この過剰損失のクラス分けと設定電圧の対応付けは、予め検査段階でテーブルを作成しても良い。また、光半導体装置を立ち上げる際に、モニタＰＤからの信号をフィードバック制御回路に入力し、目標出力と現在の出力との差分を比較し、スイッチを制御して各サブ電極に印加する電圧を切り替えて再度比較する、という制御を行っても良い。
このようなＳＯＡを含む装置構成及び制御方法とすることにより、製造上の回避し得ない特性バラつきがある光伝送路に対して、電力の効率良くＳＯＡの利得を設定することができる。
【００４５】
図４は、本実施形態に基づいた効果の試算例である。ここでは、４系統の光伝送路を有する系を想定し、各光伝送路に備えられたＳＯＡはサブ電極を３つ有し、その全電極長は１２００μｍとした。また、過剰損失０ｄＢｍの時に必要なＳＯＡの利得を１０ｄＢ、ＳＯＡの後段に受信用ＰＤを有し、その要求受信強度を０ｄＢｍとした。横軸は各光伝送路の過剰損失の最大偏差、縦軸は全４系統のＳＯＡの消費電力になる。試算にあたっては、各光伝送路の伝送損失差が、最良の光伝送路から最悪の光伝送路まで最大偏差の１／４ずつ均等に差があるものとした。なお、ここでの過剰損失の最大偏差は正規分布における理論上無限大となる最大偏差ではなく、設定した歩留りに応じた光伝送路の最大損失、先の図３の例で言えばαe1である。
【００４６】
本実施形態の比較例として、図１２のＤＡＣ回路を用いた制御回路で駆動した場合、図１３のＤＣ−ＤＣコンバータを用いた制御回路で駆動した場合についても図４に示す。ＤＡＣ回路を用いた制御回路では、全光伝送路に対して個別に最適な利得量を与えるようにＳＯＡをフィードバック制御するという想定で電力を試算した。ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた制御回路では、最悪の過剰損失を有する光伝送路でも所望の信号光強度が得られるよう、全光伝送路に備えられたＳＯＡを一括駆動する想定で電力を試算した。
【００４７】
この試算では、光伝送路全体で８ｄＢの偏差がある場合として、例えば最良の光伝送路では２ｄＢ、最悪の光伝送路では１０ｄＢの損失補償が必要な系とする。この時、ＤＡＣ回路を用いた制御回路に対して２２％程度の消費電力を低減することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた制御回路に対しても、最大１７％程度の消費電力を低減できることが判る。なお、このように８ｄＢの損失偏差を見込む必要がある場合では、ＳＯＡのメイン電極の電極長は約７２０μｍ、サブ電極の電極長は約１６０μｍとなる。
【００４８】
（光半導体装置の実装方法）
図５は、ＳＯＡが実装される前のシリコン光半導体素子を示す概略平面図である。図６は、図５の破線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。図７は、ＳＯＡを示す概略平面図である。図８は、図７の破線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。図９は、ＳＯＡが実装されてなるシリコン光半導体素子を示す概略平面図である。図１０は、図９の破線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。なお、図９では、構造の理解のため、ＧＮＤ電極は図示していない。図５〜図１０において、図１に示した光半導体装置の構成部材と同じものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４９】
図５及び図６のように、ＳＯＡが実装される前のシリコン光半導体素子３０においては、シリコン基板１０上に光伝送路１ａ〜１ｄが形成されている。光伝送路１ａ〜１ｄは、それぞれ、回折格子結合器２１、入力光導波路２２及び出力光導波路２３を有しており、出力光導波路２３には、受信用ＰＤ６と、方向性結合器８により分岐して配されたモニタＰＤ５とが設けられている。シリコン基板１０の表面には、エッチングにより段差状のＳＯＡ実装領域２４が形成されている。ＳＯＡ実装領域２４内には、基板側メイン電極３ａ及び複数（ここでは１２個）の基板側サブ電極４ａが形成されている。基板側メイン電極３ａ及び基板側サブ電極４ａは、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／ＡｕＳｎからなる。受信用ＰＤ６には、ＰＤ出力電子信号配線２５が形成されている。基板側メイン電極３ａとメイン電極外部接続端子３１との間には、メイン電極駆動用配線２６が形成されている。基板側サブ電極４ａとサブ電極外部接続端子３２との間には、サブ電極駆動用配線２７が形成されている。モニタＰＤ５とモニタ信号端子３３との間には、モニタ信号配線２８が形成されている。これら配線２５，２６，２７，２８は、例えばＡｌからなる。ＳＯＡ実装領域２４の近傍には、ＧＮＤ端子３４が形成されている。
【００５０】
図７及び図８のように、ＳＯＡ２は、例えばＩｎＰ系層１５に活性層９が形成されており、表面（ｐ側）にはメイン電極３及び複数（ここでは１２個）のサブ電極４が形成され、裏面（ｎ側）にはＧＮＤ電極２０が形成されている。メイン電極３及びサブ電極４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる。ＧＮＤ電極２０は、例えばＡｕＧｅ／Ａｕからなる。
【００５１】
図９及び図１０のように、ＳＯＡ２の表面（ｐ側）を下にして、ＳＯＡ２をシリコン光半導体素子３０上に例えばフリップチップボンダにより適宜加熱・加圧して実装する。これにより、基板側メイン電極３ａとメイン電極３、及び基板側サブ電極４ａとサブ電極４がそれぞれ対向して熱圧着されて接続される。ＳＯＡ２の裏面、実装後は上面に位置するＧＮＤ電極２０は、例えばボンディングワイヤ３５によりＧＮＤ端子３４と接続される。以上のようにして、シリコン光半導体素子３０が完成する。このシリコン光半導体素子３０を図１に示す制御部７と接続することで、本実施形態による光受信機である光半導体装置が完成する。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によれば、製造上、実装上等の種々の要因により複数の光伝送路に損失偏差がある場合でも、装置サイズの増大を抑制し、光伝送路の損失を効率良く補償する、消費電力を抑えた電力効率の良い光半導体装置及びその制御方法が実現する。
【００５３】
本実施形態では、光半導体装置の構成において、ＳＯＡの各光伝送路に設けるサブ電極の数として３つの場合を例示したが、これに限定されるものではない。サブ電極の数が多いほど、より細かい利得調整ができ、光伝送路の損失偏差に対してより効率良くＳＯＡを駆動することができる。
【００５４】
また、ＳＯＡのメイン電極を入力側に、サブ電極を出力側に配置しているが、逆でも良いし、メイン電極が内側にあり、サブ電極がその両側にある構成や、メイン電極が２つ以上に分割されていても良い。この場合、ＳＯＡに許容されるノイズフィギュアや飽和光出力等の関係から、適切にＳＯＡを設計することが求められる。
【００５５】
また、マルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータの各出力電圧は、固定値でなくても構わない。例えば、環境温度の変化による利得特性変化をマルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータの各出力電圧を調整することで補償しても良い。この際、モニタ信号とフィードバック制御回路からの信号を用いても良いし、予め温度に対する出力電圧テーブルを用意してその値を参照して出力を決定する方法でも良い。
【００５６】
マルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータは、ここでは２電圧レベル出力のものとして説明したが、３電圧レベル以上の出力レベルを有していても良い。例えば、メイン電極を駆動するＶ1に対して、サブ電極を駆動する電圧をＶ2，Ｖ3・・・としても良い。
【００５７】
また、ＳＯＡの後段の信号光強度を検知するためにモニタＰＤを配しているが、光受信機であれば、信号受信用ＰＤを用いて出力光強度を検知する構成でも良い。
また、光伝送路をレンズやその他個別の光学部品を組み合わせて構成しても良い。
【００５８】
本実施形態では、光半導体装置の実装方法において、シリコン光半導体素子上にＳＯＡを実装したが、例えば石英系の材料を用いた平面光波回路（Planar Light-wave Circuit：ＰＬＣ）で光伝送路を構成し、このＰＬＣ上にＳＯＡを実装しても良い。
【００５９】
また、シリコン光半導体素子上にＳＯＡを実装する際に、エッチングにより段差状のＳＯＡ実装領域を形成し、シリコン光半導体素子とＳＯＡの光導波路との高さを合わせて光学的に結合させている。この構成の代わりに、例えばシリコン光半導体素子とＳＯＡの光導波路とを、光路軸方向に平行に近接配置してエヴァネッセント結合させた実装構造としても良い。
【００６０】
本実施形態では、光半導体装置の制御方法において、各光伝送路や各サブ電極の制御についてシリアルに処理を進めているが、パラレルで処理を行うシーケンスとしても良い。
【００６１】
以下、光半導体装置及びその制御方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００６２】
（付記１）複数の光伝送路と、
前記光伝送路に配置された半導体光増幅器と、
前記光伝送路からの出力光又は前記出力光の一部を検知するモニタ部と、
前記モニタ部と接続され、前記半導体光増幅器の利得を制御する制御部と
を含み、
前記半導体光増幅器は、前記複数の光伝送路のそれぞれの光伝送路において、２つ以上に分割された電流注入用の電極を有しており、
前記制御部は、
２種以上の電圧を出力する電圧供給器と、
前記電圧供給器と接続されており、前記モニタ部からの信号に基づいて、２種以上の前記電圧のうちの１種を選択的に前記電極に印加するスイッチ制御回路と
を備えることを特徴とする光半導体装置。
【００６３】
（付記２）前記電圧供給器は、前記電圧として、前記半導体光増幅器が利得を有する電流密度を与える第１電圧と、前記半導体光増幅器のモード利得と内部損失との差分が所定範囲内となる電流密度を与える第２電圧とを出力することを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【００６４】
（付記３）前記半導体光増幅器は、前記電極として、前記第１電圧が印加される第１電極と、前記第１電圧又は前記第２電圧が選択的に印加される少なくとも１つの第２電極とを有することを特徴とする付記２に記載の光半導体装置。
【００６５】
（付記４）前記第１電極は、前記第２電極よりも電極長が大きいことを特徴とする付記３に記載の光半導体装置。
【００６６】
（付記５）前記第１電極は複数の前記光伝送路に共通に設けられており、前記第２電極は前記光伝送路ごとに設けられていることを特徴とする付記３又は４に記載の光半導体装置。
【００６７】
（付記６）前記制御部は、前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定するフィードバック制御回路を備えることを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【００６８】
（付記７）前記光伝送路がシリコン半導体素子に形成されていることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【００６９】
（付記８）前記光伝送路が石英ガラス系材料を用いた平面光波回路であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【００７０】
（付記９）付記１に記載の光半導体装置の制御方法であって、
前記電極のうちの第１電極には前記電圧のうちの第１電圧を、前記電極のうちの前記第１電極以外の第２電極には前記電圧のうちの第２電圧を印加する第１ステップと、
前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定する第２ステップと、
前記第２ステップで前記基準値を満たしていないと判定された場合に、前記スイッチ制御回路の切り替えにより少なくとも１つの前記第２電極に前記第１電圧を印加した後、前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定する第３ステップと
を含むことを特徴とする光半導体装置の制御方法。
【００７１】
（付記１０）前記第３ステップでは、前記基準値を満たすと判定されるまで、前記スイッチ制御回路の切り替えにより次の前記第２電極に前記第１電圧を印加した後、前記モニタ部からの信号の信号強度を基準値と比較し、前記信号強度が前記基準値を満たしているか否かを判定する動作を順次繰り返して行うことを特徴とする付記９に記載の光半導体装置の制御方法。
【００７２】
（付記１１）前記第１電圧は前記半導体光増幅器が利得を有する電流密度を与える電圧であり、前記第２電圧は前記半導体光増幅器のモード利得と内部損失との差分が所定範囲内となる電流密度を与える電圧であることを特徴とする付記９又は１０に記載の光半導体装置の制御方法。
【００７３】
（付記１２）前記第１電極は、前記第２電極よりも電極長が大きいことを特徴とする付記９〜１１のいずれか１項に記載の光半導体装置の制御方法。
【００７４】
（付記１３）前記第１電極は複数の前記光伝送路に共通に設けられており、前記第２電極は前記光伝送路ごとに設けられていることを特徴とする付記９〜１２のいずれか１項に記載の光半導体装置の制御方法。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ〜１ｄ  光伝送路
２  ＳＯＡ
３  メイン電極
３ａ  基板側メイン電極
４  サブ電極
４ａ  基板側サブ電極
５  モニタ用ＰＤ
６  受信用ＰＤ
７  制御部
１１  フィードバック制御回路
１２  マルチレベル出力ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３  スイッチ制御回路
１３ａ  スイッチ
１４ａ，１４ｂ  端子
【図１Ａ】
2018125432.tif 000004
【図１Ｂ】
2018125432.tif 000005
【図２】
2018125432.tif 000006
【図３】
2018125432.tif 000007
【図４】
2018125432.tif 000008
【図５】
2018125432.tif 000009
【図６】
2018125432.tif 000010
【図７】
2018125432.tif 000011
【図８】
2018125432.tif 000012
【図９】
2018125432.tif 000013
【図１０】
2018125432.tif 000014
【図１１】
2018125432.tif 000015
【図１２】
2018125432.tif 000016
【図１３】
2018125432.tif 000017