(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を備え、バースト期間中に光信号を放射するように構成されたバーストモードレーザであって、前記バーストモードレーザの温度変化が前記光信号の波長をシフトさせる、バーストモードレーザと、
前記活性層に熱的に結合され、前記バースト期間のタイミングに基づいて前記活性層に熱を加えることによって、前記バースト期間中の前記光信号の波長シフトを低減するように構成されたヒータと、
電流を生成するための、前記ヒータに結合された駆動回路とを備え、
前記ヒータが、熱を生成するための前記電流を受け取るようにさらに構成され、前記電流が、前記バースト期間の開始前の第1の期間の間に最大レベルに達し、前記電流が減少して、前記バースト期間の開始後の第2の期間の間に中間レベルで維持され、前記電流が、前記第2の期間後の第3の期間中にゼロまでさらに減少する、装置。
【請求項２】
前記ヒータが、前記バーストモードレーザの温度が前記バースト期間中に実質的に安定化されるように、前記バースト期間の開始前に前記活性層に前記熱を加えるように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記バースト期間の持続時間が、約125マイクロ秒であり、前記バーストモードレーザの前記温度の変化が、前記バースト期間中に摂氏約0.2度以下であり、前記光信号の前記波長シフトが、前記バースト期間中に約0.02ナノメートル以下である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ヒータが、前記バースト期間の開始時に前記活性層に前記熱を加えるように構成され、前記電流が、前記光信号の放出の開始までに最大レベルに達し、次いで、前記最大レベルから減少する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
前記電流が、約2ナノ秒以下でゼロから前記最大レベルに達し、前記電流が、1マイクロ秒以下の間、前記最大レベルにとどまり、次いで中間レベルまで減少し、前記電流が、約10μs以下の間、前記中間レベルにとどまり、次いで、前記バースト期間の残りの間、ゼロまでさらに減少する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
ヒータに熱的に結合されたバーストモードレーザの動作中の温度補償のための方法であって、
バーストモードの開始を示すバースト許可信号を受信するステップと、
バースト期間中に少なくとも1つの波長を有する光信号を放射するステップと、
少なくとも前記バーストモードレーザに加えられる熱を生成するために前記ヒータに電流を供給するステップと、
前記光信号の波長シフトを低減するために、前記光信号の放射中を通して、前記バーストモードレーザの温度を実質的に維持するステップと
を備え、前記温度を実質的に維持するステップが、前記ヒータを使用して、前記バースト許可信号に基づいて前記バーストモードレーザに熱を加えるステップを備え、
前記電流が、前記バースト期間の開始前の第1の期間の間に最大レベルに達し、前記電流が減少して、前記バースト期間の開始後の第2の期間の間に中間レベルで維持され、前記電流が、前記第2の期間後の第3の期間中にゼロまでさらに減少する、方法。
【請求項７】
前記熱が、前記バースト期間の開始前に前記バーストモードレーザに加えられ、前記熱が、前記バースト期間の少なくとも後半部分の間に前記バーストモードレーザに加えられない、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記電流が、前記バースト期間の前記開始前に少なくとも約4マイクロ秒で前記最大レベルに達し、前記電流が、前記バースト期間の前記後半部分の間にオフにされるまで、前記電流が、前記バースト期間の第1の部分の間に中間レベルまで減少する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記電流および前記バースト許可信号が、前記バースト期間の開始時に同時に受信される、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
バーストモードレーザのための電極パッドとして機能する金属層を備えるバーストモードレーザと、
前記バーストモードレーザの上に位置し、
前記金属層の上の第1のチタン層と、
第1のチタン層の上の二酸化シリコン層と、
二酸化シリコン層の上の第2のチタン層と、
第2のチタン層の上のプラチナ層と
を備え、前記第2のチタン層および前記プラチナ層が、電気ヒータのための加熱パッドとして機能する、電気ヒータと、
電流を生成するための、前記電気ヒータに結合された駆動回路であって、前記電流が、バースト期間の開始前の第1の期間の間に最大レベルに達し、前記電流が減少して、前記バースト期間の開始後の第2の期間の間に中間レベルで維持され、前記電流が、前記第2の期間後の第3の期間中にゼロまでさらに減少する、駆動回路と
を備えるレーザシステムであって、
前記二酸化シリコン層が、300ナノメートル以下の厚さを有し、前記二酸化シリコン層が、前記電気ヒータから前記バーストモードレーザへの効率的な熱伝達を可能にし、前記二酸化シリコン層が、前記加熱パッドから前記電極パッドへの電流注入を阻止する、レーザシステム。
【請求項１１】
前記二酸化シリコン層の厚さが、約100ナノメートル以上であり、前記第1のチタン層が、約4nm〜約10nmの間の厚さを有し、前記第2のチタン層が、約280nm〜約320nmの間の厚さを有する、請求項１０に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記バーストモードレーザが、
活性層と、
前記活性層の上にあり、p型インジウムリンを備えるクラッド層と、
高濃度にドープされたp型砒化インジウムガリウムを備え、前記クラッド層の上、かつ前記金属層の下のオーミック接触層と
をさらに備え、
前記活性層が、バースト許可電圧が前記電極パッドに印加されたとき、光波を生成するように構成され、
前記電気ヒータが、前記活性層の温度がバースト期間中に実質的に安定化されるように、前記バースト許可電圧に基づいて前記活性層に熱を加えるように構成された、請求項１０に記載のレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が再現されているかのように本明細書に組み込まれる、Xuejin Yanによって2014年10月8日に出願された、「Thermal Compensation for Burst-Mode Laser Wavelength Drift」と題する米国非仮特許出願第14/509,662号の優先権を主張するものである。
【０００２】
連邦政府の助成による研究または開発に関する陳述
該当なし。
【０００３】
マイクロフィッシュ付録の参照
該当なし。
【背景技術】
【０００４】
受動光ネットワーク(PON:Passive optical network)は、互いに通信するユーザまたは顧客側デバイスと、オペレータ側デバイスとを有する。PONは、時分割多重化を使用し得、時分割多重化では、エンドユーザは、アップストリームリンクを介してオペレータ側(たとえば、光回線終端(OLT:optical line termination))と通信するために、異なる時間期間に波長を共有する。したがって、光ネットワークユニット(ONU:optical network unit)内のものなどの、ユーザまたは顧客側のいくつかの送信機は、バーストモードで動作するレーザを有し得る。バーストモードでは、ONU送信機は、短い時間期間を割り当てられ得、それ自体の時間期間内でのみアップストリーム信号を送り得る。他の時には、ONU送信機は、そのしきい値電流値(たとえば、ゼロバイアス電流)未満のバイアス電流(または電圧)を有し得、したがって、不活性なままであり得る。
【０００５】
バーストモードレーザが有効にされると、バーストモードレーザは、無線周波数(RF)信号が加えられ得る光信号を放射または送信し得る。放出中、レーザチップの温度は、ゆっくりと上昇し得、光波長をドリフトまたはシフトさせる。時間と波長の両方を共有する時間および波長分割多重(TWDM:time- and wavelength-division multiplexing)PONシステムでは、複数の波長が、ダウンストリーム方向とアップストリーム方向の両方で使用され得る。アップストリーム方向では、たとえば、デマルチプレクサ(DeMUX)が、複数のONUから送られた異なる波長を分離するために使用され得る。DeMUXにおける各出力チャネルは、フィルタと同様に、平坦な形状またはガウス形状などの様々な形状の通過帯域を有し得る。バースト期間中の光信号の波長シフトは、フィルタにおいて問題を引き起こし得る。たとえば、光信号のピーク強度波長がフィルタ通過帯域の端に近い場合、波長シフト後、シフトされた波長が通過帯域から外れるので、光信号の一部が除去され得る。光信号は、その結果、電力が変動し得、これは、データエラーの問題を引き起こし得る。したがって、バーストモードレーザの波長シフトは、解決されるべき問題である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、本開示は、活性層を備え、バースト期間中に光信号を放射するように構成されたバーストモードレーザであって、バーストモードレーザの温度変化が光信号の波長をシフトさせる、バーストモードレーザと、活性層に熱的に結合され、バースト期間のタイミングに基づいて活性層に熱を加えることによって、バースト期間中の光信号の波長シフトを低減するように構成されたヒータとを備える装置を含む。
【０００７】
別の実施形態では、本開示は、ヒータに熱的に結合されたバーストモードレーザの動作中の温度補償のための方法を含み、方法は、バーストモードの開始を示すバースト許可信号を受信するステップと、バースト期間中に少なくとも1つの波長を有する光信号を放射するステップと、光信号の波長シフトを低減するために、光信号の放射中を通して、バーストモードレーザの温度を実質的に維持するステップとを備え、温度を実質的に維持するステップは、ヒータを使用して、バースト許可信号に基づいてバーストモードレーザに熱を加えるステップを備える。
【０００８】
さらに別の実施形態では、本開示は、バーストモードレーザのための電極パッドとして機能する金属層を備えるバーストモードレーザと、バーストモードレーザの上に位置し、金属層の上の第1のチタン(Ti)層と、第1のチタン層の上の二酸化シリコン(SiO2)層と、二酸化シリコン層の上の第2のTi層と、第2のチタン層の上のプラチナ(Pt)層とを備える電気ヒータとを備えるレーザシステムを含み、第2のTi層およびPt層は、電気ヒータのための加熱パッドとして機能し、SiO2層は、電気ヒータからバーストモードレーザへの効率的な熱伝達を可能にし、加熱パッドから電極パッドへの電流注入を阻止するために、300ナノメートル以下の厚さを有する。
【０００９】
これらおよび他の特徴は、添付図面および特許請求の範囲と合わせられた以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。
【００１０】
本開示のより完全な理解のために、ここで、添付図面および詳細な説明と合わせて、以下の簡単な説明に対して参照がなされ、同様の参照番号は、同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】ヒータによる温度補償なしの1つのバースト時間期間内の分布帰還型(DFB:distributed feedback)レーザに関する温度増加の例示的なシミュレーション結果を示す図である。
【図１Ｂ】ヒータによる温度補償なしの1つのバースト時間期間内の分布帰還型(DFB)レーザに関する波長シフトの例示的なシミュレーション結果を示す図である。
【図２Ａ】シミュレーションで使用される加熱電流の例示的なプロファイルを示す図である。
【図２Ｂ】図2Aと同じシミュレーションで使用されるレーザ許可電圧の例示的なプロファイルを示す図である。
【図３】(1)ヒータのみ、(2)レーザのみ、および(3)ヒータとレーザの両方がオンにされる、の3つの異なる条件下でのバーストモードレーザの温度変化の例示的なシミュレーション結果を示す図である。
【図４Ａ】加熱電流の別の例示的なプロファイルを示す図である。
【図４Ｂ】図4Aと同じシミュレーションで使用されるレーザ許可電圧の例示的なプロファイルを示す図である。
【図５】(1)ヒータのみ、(2)レーザのみ、および(3)ヒータとレーザの両方がオンにされる、の3つの異なる条件下でのバーストモードレーザの温度変化の別の例示的なシミュレーション結果を示す図である。
【図６】レーザシステムの一実施形態の斜視図である。
【図７Ａ】A-A線に沿った図6のレーザシステムの断面図である。
【図７Ｂ】B-B線に沿った図6のレーザシステムの斜視断面図である。
【図７Ｃ】埋込みヘテロ構造DFBレーザの斜視断面図である。
【図８Ａ】ヒータに流れ込む加熱電流を生成するための駆動回路の実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】ヒータに流れ込む加熱電流を生成するための駆動回路の実施形態を示す図である。
【図８Ｃ】ヒータに流れ込む加熱電流を生成するための駆動回路の実施形態を示す図である。
【図８Ｄ】ヒータに流れ込む加熱電流を生成するための駆動回路の実施形態を示す図である。
【図９】バーストモードレーザの動作中の温度補償のための方法の一実施形態のフローチャートである。
【図１０】PONの一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
最初に、1つまたは複数の例示的な実施形態の例示的な実施態様が以下に示されているが、開示されるシステムおよび/または方法が、現在知られているかまたは存在しているかにかかわらず、任意の数の技法を使用して実施され得ることは理解されるべきである。本開示は、本明細書に示され、説明される例示的な設計および実施態様を含む、以下に示す例示的な実施態様、図面、および技法に決して限定されるべきではなく、それらの等価物の全範囲とともに添付の特許請求の範囲内で変更され得る。図面は、必ずしも縮尺通りではない。実施形態の特定の特徴は、縮尺が誇張されて、またはいくらか概略的な形で示されており、従来の要素のいくつかの詳細は、明瞭さおよび簡潔さのために示されていないことがある。
【００１３】
本開示は、光信号の放射中にレーザの温度を安定化することによって、バースト期間内のバーストモードレーザの波長シフトを低減する例示的な実施形態を教示する。一実施形態では、レーザアノード表面を加熱するために、電気ヒータがレーザの活性層の近くに配置される。活性領域の温度を急速に上昇させるために、バースト期間の前に、またはバースト期間の開始時に熱がレーザに加えられ得る。次いで、レーザがバースト期間の開始のすぐ後に光信号を放射し始めると、加えられる熱の量は、低減され得、レーザ温度を短い期間、たとえば約10マイクロ秒(μs)間にわたって、ゆっくりと低下させる。バースト期間の後半部分の間は、温度をさらに低下させるために、熱は、完全にオフにされ得る。実際には、光信号を放射することによって引き起こされる温度上昇は、レーザに加えられる熱の減少によって引き起こされる温度低下によって平衡または補償される。したがって、レーザの全体的な温度は、安定化され得、それが今度はバースト期間における波長シフトを低減する。開示される実施形態は、アップストリーム波長ドリフトを低減し得、受信機入力光パワーをほぼ一定に保ち得、それによって、TWDM-PONシステムの性能および品質を改善する。本質的にTWDM-PONシステム構成要素の設計においてより多くの選択を可能にするガウス形状通過帯域DeMUXが使用され得る。
【００１４】
光信号は、本明細書では、少なくとも1つの光波長を有し、任意のタイプの信号(たとえば、RF信号)を搬送する少なくとも1つの光波として定義される。たとえば、参照目的のための、RF信号が全くない光波が放射されるときでも、光波の波長情報および/またはパワーは、依然として信号のタイプと見なされ得る。本明細書で開示される実施形態は、DFBレーザと分布ブラッグ反射器(DBR:distributed Bragg reflector)レーザとを含む任意の適切なタイプのバーストモードレーザに適用され得る。さらに、本明細書で開示されるバーストモードレーザは、どこにでも配置され得、任意の適切なシステム内で使用され得る。たとえば、バーストモードレーザは、PONシステムのユーザ側(たとえば、ONU内)またはオペレータ側(たとえば、OLT内)の送信機内に存在し得る。本開示では、熱補償の機能が最初に論じられ、その後にヒータの構造および製造の詳細が続く。
【００１５】
注入電流がレーザに光信号を放出させるとき、レーザは、オーミック接触抵抗を有するので、電流はまた、レーザを加熱する。加熱は、レーザの温度を上昇させる。いくつかのバーストモードレーザチップの温度は、熱電気制御(TEC:thermal electric control)を介して調整され得、その場合、数百マイクロ秒後に、安定した温度勾配が形成され得る。それにもかかわらず、レーザチップ温度は、印加される電流および光信号によって、依然として変化し得る。
【００１６】
図1Aおよび図1Bは、それぞれ、ヒータによる温度補償なしの125μsのバースト時間期間内のDFBレーザに関する温度増加および波長シフトの例示的なシミュレーション結果である。具体的には、図1Aは、バースト期間中のDFBレーザの活性領域内の経時的な温度上昇を示し、x軸が時間であり、y軸がレーザ活性領域温度である。図1Bは、バースト期間中にDFBレーザによって放射される光信号の波長増加(すなわち、赤色ドリフト)を示し、x軸が時間であり、y軸がレーザ波長ドリフトの量である。レーザ光閉じ込め領域に関する平均温度上昇は、約125μsのバースト期間にわたって約1ケルビン(K)〜1.5Kであり得、温度上昇はまた、レーザの平均出力光パワーに依存し得る。図1Aは、バースト期間の始めでは、温度変化は、相対的により速く、バーストモード期間の後半部分に向かって、温度変化は、ほぼ飽和領域に入り得、より遅い傾斜で変化し得ることをさらに示す。レーザ温度変化は、光波長シフトをもたらす。図1Bに示すように、摂氏約30度(℃)(または303K)の動作周囲温度付近では、レーザ温度の上昇における1Kは、光波長を約0.105ナノメートル(nm)シフトさせ得る。したがって、シミュレーションから実験式が推論され得、
dλ=0.105nm/k*dT  (1)
ここで、dλは、波長シフトを示し、dTは、温度変化を示す。しかしながら、温度上昇および波長シフトはまた、レーザの出力パワーレベルなどのより多くの要因にも依存し得るので、これらの値は、例としてのみ意図される。
【００１７】
レーザがバーストモードで動作するときの波長ドリフトを低減し、したがって、波長を安定化するために、レーザの活性領域温度は、温度変化を低減するために安定化され得る。一実施形態では、バーストモードレーザのためのアノード電極パッドの上部にヒータが製作され得る。したがって、ヒータは、レーザ活性領域を急速かつ効率的に加熱し得るように、レーザ活性領域の真上に存在する。たとえば、(以下でさらに説明する)図3に示すように、熱の適用により、レーザ温度は、約1μs以内に1℃上昇し得る。
【００１８】
バースト許可信号に基づく動的な熱適用の様々な実施形態が、本明細書で開示される。第1の実施形態では、バースト許可信号(たとえば、ONU送信機許可信号)および加熱電流が、同時に適用される。言い換えれば、ヒータは、レーザ許可信号がオンになると、加熱を開始する。バースト許可信号は、任意の適切な信号(たとえば、電圧または電流)として実現され得る。バースト許可信号は、バースト期間のタイミングを制御し、バースト期間の開始を示す。バーストモードレーザは、バースト許可信号が論理ローから論理ハイに転じたすぐ(たとえば、1μs)後、光信号を放出し始め得る。ヒータのための加熱電流は、任意の適切なプロファイルを有するように設計され得る。図2Aは、シミュレーションで使用される加熱電流の例示的なプロファイルを示し、図2Bは、同じシミュレーションで使用されるレーザ許可電圧の例示的なプロファイルを示す。
【００１９】
図2Aに示すように、加熱電流プロファイルは、3つの異なるステップに関連する3つの時間的部分を有する。第1のステップは、バースト期間の開始から約1μsまでであり、電流は、最大レベル(たとえば、約56ミリアンペア(mA))に設定される。第2のステップは、約1μsから約10μsまでであり、電流は、中間またはより低いレベル(たとえば、約18.8mA)に低減される。第3の最後のステップは、約10μsからバースト期間の終了までであり、ヒータは、ゼロ電流でオフにされる。図2Bに示すように、バースト許可信号は、バースト期間を通してハイにとどまり、バースト期間を終了するために約125μsでローになる。レーザは、バースト許可信号がハイになった(レーザが暖まった)すぐ(たとえば、1μs)後、少なくとも1つの波長で光信号を放出し始め得る。
【００２０】
図3は、3つの異なる条件下でのバーストモードレーザの温度変化の例示的なシミュレーション結果を示す。正方形のマーカで表される条件(1)は、図2Aに示す電流プロファイルでヒータをオンにし、レーザをオフにした。三角形のマーカで表される条件(2)は、図2Bに示すバースト許可電圧プロファイルでレーザをオンにし、ヒータをオフにした。ひし形のマーカで示される条件(3)は、それぞれ、図2Aおよび図2Bに示すプロファイルに従ってヒータとレーザの両方をオンにした。図2Aに示すように、加熱電流は、最初に、短い期間(たとえば、約1μs)の間、最大レベルに設定される。図3の条件(1)について示すように、最大の加熱電流は、レーザ活性領域を急速に加熱し、最初の1マイクロ秒間に平均温度を摂氏約1度(たとえば、約303Kから約304.1Kまで)上昇させる。最初の1マイクロ秒後、加熱電流は、レーザ温度が上昇し続けるのを止めるために減少する。図2Aに示すように、加熱電流は、別の短い期間(たとえば、約10μs)の間、(たとえば、約56mAから約18.8mAまで)低減され得る。図3の条件(1)について示すように、より低い電流は、レーザチップ温度をこの期間にわたって(たとえば、約303.8Kと約304.2Kとの間で)変化または変動させる。約10μs後、加熱電流は、オフにされ、レーザ温度は、バースト期間の残りの間に(たとえば、約303.9Kから約303.1Kまで)自然に低下し得る。
【００２１】
図3の条件(2)は、図1Bと同様であり、レーザ温度は、そのバイアスおよび変調電流の結果として上昇する。図3の条件(3)に対して条件(1)と(2)を組み合わせると、ヒータの低下する温度がレーザの上昇する温度を補償し得、大きく安定した温度プロファイルをもたらすことは明らかである。条件(3)の下で、ヒータ電流およびレーザ許可信号は、同時にオンにされ、バースト期間を通して、レーザ温度を約303.9Kと約304.2Kとの間にとどまらせる。温度変化が約1Kから約0.3K未満まで低減するにつれて、波長シフトは、それに応じて低減する。式(1)、dλ=0.105nm*dTを適用し、0.3Kの温度変化dTを仮定すると、波長シフトは、約0.0315nm以内のシフト範囲で実質的に安定する。対応する周波数シフトは、5ギガヘルツ(GHz)の範囲内である。より具体的には、バースト期間の持続時間が約125マイクロ秒であるとき、バーストモードレーザの温度は、約±0.2℃以上変化しないように制御され得、光信号の波長シフトは、約±0.02nm未満であり得る。
【００２２】
バースト許可信号に基づいてレーザに熱を加える第2の実施形態では、熱は、バースト期間の開始前に加えられ得る。図4Aは、第2の実施形態のシミュレーションで使用される加熱電流の例示的なプロファイルを示し、図4Bは、同じシミュレーションで使用されるレーザ許可電圧の例示的なプロファイルを示し、図5は、3つの異なる条件下でのバーストモードレーザの温度変化の例示的なシミュレーション結果を示す。当業者は、図4Aと図2Aとの間の類似点と、図4Bと図2Bとの間の類似点と、図5と図3との間の類似点を理解するので、簡潔さのために、さらなる議論は、それらの間の相違に焦点を当てる。第2の実施形態では、バーストモードレーザは、その温度をバースト期間の開始前に約1K上昇させる最大レベル加熱電流でヒータによって予熱される。図4Aに示すように、レーザバースト許可信号がオンにされる前、第1の期間(たとえば、約5μs)の間、約30mAの最大電流がヒータに供給される。同じレーザについて最大電流が約56mAであった図2Aと比較すると、加熱の持続時間がここではより長いので、最大電流は、そのように高くされなくてもよい。バースト許可信号がオンにされると、加熱電流は、その温度を実質的に維持するために、または、約10〜15μsの間、非常にゆっくりとその温度を低下させるために、より低い値に低減される。その後、ヒータは、バースト期間の残りの間、オフにされ、レーザ温度を低下させる。上記で論じたように、オフにされたヒータによって引き起こされるレーザ温度低下は、バイアスおよび変調電流によって引き起こされるレーザ温度上昇を補償する。結果として、図4Aおよび図4Bで指定するように、レーザとヒータの両方がオンにされたとき、全体的な温度は、実質的に安定化され、図5に示すように、バースト期間を通して約303.9Kと約304.2Kとの間で変化する。
【００２３】
図2Aおよび図4Aに示すように、加熱電流が単純なステッププロファイルを有するとき、二次ピーク温度が観察され得る。たとえば、レーザ温度は、図3において約10μsで約304.2Kのピークに達し、図5において約20μsで約304.05Kの小さいピークに達する。第3の実施形態では、したがって、加熱電流プロファイルは、二次ピークを低減または回避するために変更され得る。一実施形態では、加熱電流は、急速に最大レベルに達し、次いである期間にわたって連続的に低減するように設定され得る。たとえば、抵抗-キャパシタ(RC)回路を使用して、指数関数的な連続減少が実現され得る。電流は、最大電流レベルおよび電流減少率などの要因に応じて、バースト期間の終わりまで持続し得るか、またはバーストの途中でオフにされ得る。加熱電流プロファイルを適切に設計することによって、レーザの全体的な温度は、さらにより安定化され得、光信号の波長シフトをさらに低減する。
【００２４】
図6は、バーストモードレーザ610と電気ヒータ620とを備え得るレーザシステム600の一実施形態の斜視図を示す。レーザシステム600は、単一のチップ(たとえば、すべての構成要素が同じチップの上にモノリシックに製造され得る)または複数のチップ(たとえば、いくつかの構成要素が別々に製造され、次いで互いに結合され得る)を使用して実装され得る。設計に応じて、ヒータ620は、レーザ610の一部と見なされ得、またはレーザ610に熱的に結合され得る。たとえば、レーザシステム600のすべての構成要素が同じチップ上にモノリシックに製造されるとき、レーザシステム600は、時には単にレーザと呼ばれることがある。図6に示すように、ヒータ620は、ヒータ620がレーザ610の活性層または活性領域の真上に位置するように、レーザ610のためのレーザアノード電極パッド612の上に集積され得る。ヒータは、活性層の近くにあるので、加熱電流が加熱パッドを介してヒータ620を通るとき、ヒータ620は、レーザ活性層の温度を急速に上昇させ得る(たとえば、約1μs以内の約1Kの上昇)。一実施形態では、ヒータは、チタン(Ti)およびプラチナ(Pt)の薄膜または層から作製され得、Tiは、レーザ注入電流およびヒータ電流を絶縁するために使用される二酸化シリコン(SiO2)層の上に堆積される。Pt層は、主加熱層として機能し得る。絶縁SiO2層のすぐ下に、レーザアノード電極は、Ti層、Pt層、および/または金(Au)層を備え得る。本明細書に示される、上部、底部、上、の上部に、下、すぐ下、垂直、水平などの方向を示す用語は、相対的なものであることを意味し、レーザシステムまたはその構成要素の配向にいかなる制限も課さないことを理解すべきである。
【００２５】
図7Aは、A-A線に沿った図6のレーザシステム600の断面図を示し、本質的には、レーザシステム600の詳細な垂直のレイアウトを示す。レーザシステム600は、層ごとに任意の適切な技術を用いて製造され得る。レーザの層は、下から上に、n型インジウムリン(n-InP)からなる基板710と、活性層720と、p型InPからなるクラッド層730と、高濃度にドープされた砒化インジウムガリウム(p+-InGaAs)からなるオーミック接触層740と、Ti/Pt/Au層などの金属からなる電極層750とを備える。電極層750は、レーザアノード電極パッドのために堆積され得る。ときには活性領域または活性エリアと呼ばれる活性層720は、光信号を生成するための空洞内に導波層を備え得る。
【００２６】
ヒータ層は、レーザ層の上に存在し、下から上に、第1のTi層760と、SiO2からなる絶縁体層770と、第2のTi層780と、Pt層790とを備える。第2のTi層780とPt層790の両方は、導電性であり、接続されるので、第2のTi層780およびPt層790は、ともに、ヒータのための加熱パッドとして機能し得る。製造中、電極層750のAu副層の上部にヒータを集積するために、約200nmの絶縁体層770が堆積される前に、約5〜10nmのTi層760が堆積され得る。2つのTi層760および780は、絶縁体層770中のSiO2を他の金属に結合するのを助け得る。絶縁体層770は、電気ヒータからバーストモードレーザへの効率的な熱伝達を可能にし得るように、厚すぎてはならず、加熱パッドから電極パッドへの電流注入を阻止し得るように、薄すぎてはならない。たとえば、絶縁体層770は、50〜200nmの間、100〜300nmの間、もしくは150〜250nmの間、または他の適切な範囲内の厚さを有し得る。
【００２７】
図7Bは、図7Aのものに対して垂直な方向からの、B-B線に沿った図6のレーザシステム600の斜視断面図を示す。レーザは、ヒータが上部に位置するリッジ導波路型DFBレーザであり得る。図7Bに示す実施形態によれば、活性層720は、約300nm厚であり、基板710の上部にあり得、クラッド層730は、約1.5μm厚であり、オーミック接触層740は、約100nm厚であり、電極層750は、Ti、Pt、およびAuのそれぞれの層について、約30nm厚、50nm厚、および500nm厚であり、第1のTi層760は、約5nm厚であり、絶縁体層770は、約200nm厚であり得、ともに加熱電極として機能する第2のTi層780およびPt層790は、それぞれ、100nm厚および300nm厚である。さらに、リッジ導波路を備える活性層720は、約2.5μm〜約4μmの間の幅を有し得る。中心で加熱パッドと平行に延びる2つのトレンチ782および784は、各々、約10μm〜約15μmの間の幅を有し得る。トレンチ領域では、上部SiO2層786は、約200nm厚であり得、下部SiO2層788は、約300nm厚であり得る。
【００２８】
図7Cは、活性領域791の上部に配置された加熱パッド796を有する埋込みヘテロ構造DFBレーザの斜視断面図を示す。本開示の目的のため、図7Cに関するヒータの設計および製造は、図7Bとほぼ同じであり、したがって、簡潔さのために、類似点についてはさらに論じない。リッジ導波路型レーザとは異なり、埋込みヘテロ構造DFBレーザは、複数のn-InP層792とp-InP層793との間に完全に埋設されたまたは「埋め込まれた」活性領域791を有する。さらに、2つのトレンチ794と795との間のメサ幅は、約8μm〜約12μmの間であり得、活性層791は、約1μm〜約2μmの幅を有し得る。
【００２９】
図8A〜図8Dは、各々が本明細書で開示されるヒータに流れ込む加熱電流を生成するための駆動回路800、830、860、および890の実施形態を示す。具体的には、図8Aに示すように、駆動回路800は、ヒータ(たとえば、図6のヒータ620)のための電流源として機能する。回路800は、3つの部分、すなわち、(1)DFBレーザの一部と見なされ得るヒータ802と、(2)トランジスタ812(Q2-1で示す)と、ダイオード814(LED2-1で示す)と、抵抗器816(R2-1で示す)とで形成された定電流源810と、(3)制御入力電圧(Vctrl)822と、トランジスタ(Q2-2)824と、抵抗器(R2-2)826とで形成された電流変調器820とを備え得る。構成要素のうちのいくつかについての例示的な値を図8Aに示す。
【００３０】
定電流源810では、LED2-1 814の順方向電圧は、1.5ボルト(V)であり得、Q2-1 812のエミッタ-ベース電圧(Veb)は、0.6Vであり得る。さらに、両方の電圧は、同様の電圧-温度曲線に従って温度とともに変化し得る。結果として、R2-1 816に印加され得る2つの電圧間の差は、周囲温度に鈍感(または、実質的に無関係)であり得る。したがって、R2-1 816は、駆動回路の周囲温度と実質的に無関係に定電流を生成することが可能であり得る。言い換えれば、電流は、温度が変化するときに比較的安定であり得る。さらに、R2-1 816の値は、電流が上記で論じたようにレーザを加熱するのに十分であるように選択され得る。
【００３１】
電流変調器820では、Vctrl822が低い値またはゼロに設定された場合、電流は、Q2-2 824を通って流れ得ない。この場合には、ヒータ802は、定電流源810によって供給されるすべての電流を受け入れ得る。そうでなければ、Vctrl822がより高く(たとえば、Q2-2 824のためのターンオンしきい値電圧よりも高く)設定された場合、定電流源810からの電流の少なくとも一部は、Q2-2 824およびR2-2 826を通って迂回し、それによって、ヒータ802を通って流れる電流を減少させる。したがって、Vctrl822の値を制御することによって、電流変調が達成され得る。電流変調器820の応答時間は、高速のスイッチングまたは変調を確実にするために、短く(たとえば、約1ナノ秒(ns))設計され得る。
【００３２】
当業者は、図8B〜図8Dに示す駆動回路830、860、および890が図8Aの駆動回路800とほぼ同じであることを認めるであろう。したがって、類似点についてはさらには議論しない。図8Bの駆動回路830は、電流プロファイルにおける各段階のタイミング(たとえば、電流が最大レベル、中間レベル、およびゼロにどれくらい長くとどまるか)を制御し得るタイミング回路832の出力を受信し得る。駆動回路830の出力電流は、電位差計834(RV3で示す)の値を調整することによって、特定の値に予め設定され得る。駆動回路830は、オン/オフモードで動作し得る。出力電流の立ち上がり/立ち下がり時間(たとえば、ゼロレベルから最大レベルに達する時間)は、数ns以下(たとえば、約1ns)であり得る。
【００３３】
図8Cの駆動回路860および図8Dの駆動回路890は、各々、12または16ビットの深さであり得るデジタル-アナログ(DA)変換器で正確に制御され得る。駆動回路860および890内のDA変換器の出力は、それぞれ、DA1およびDA2とラベル付けされている。スイッチングまたは変調の間、電流の立ち上がり/立ち下がり時間は、約1μsである。駆動回路860と駆動回路890との間の主な違いは、抵抗器の値である。駆動回路860では、抵抗器862(R1-1)は、約400オームであり得、抵抗器864(R1-2)は、約1000オームであり得る。駆動回路860は、位相制御レーザ866に適し得る約0〜2.5mAの間の比較的小さい出力電流を生成し得る。一方、駆動回路890では、抵抗器892(R2-1)は、約40オームであり得、抵抗器894(R2-2)は、約100オームであり得る。駆動回路890は、DBRレーザ896に適し得る約0〜20mAの間の比較的大きい出力電流を生成し得る。
【００３４】
図9は、バーストモードレーザの動作中の温度補償のための方法900の一実施形態のフローチャートである。レーザシステム(たとえば、レーザシステム600)では、バーストモードレーザは、次に駆動回路に結合されるヒータに熱的に結合されたDFBレーザであり得る。方法900は、ステップ910において、駆動回路がバーストモードレーザに加えられるべき熱を生成するためのヒータに電流を供給するときに開始する。一実施形態では、電気信号は、光信号の放射の開始までに最大レベルに達し、次いで、その後に最大レベルから減少する。ステップ920では、バーストモードレーザは、バースト期間の開始を示すバースト許可信号を受信し得る。ステップ910および920は、任意の順序で実施され得ることが理解されるべきである。たとえば、電気信号は、バースト期間の開始前、またはバースト期間の開始と同時のいずれかに、ヒータに供給され得る。
【００３５】
ステップ930では、バーストモードレーザは、バースト期間中、少なくとも1つの波長を有する光信号を放射し得る。レーザは、暖まるのにいくらかの時間がかかるので、光信号の放射は、バースト期間のすぐ(たとえば、約1μs)後に開始し得る。ステップ940では、レーザシステムは、光信号の波長シフトを低減するために、光信号の放射中を通して、バーストモードレーザの温度を実質的に維持し得る。本開示では、温度を実質的に維持するまたは安定させることは、摂氏±0.2度以内にドリフト範囲を制御することを意味し得る。温度を実質的に維持することは、バースト許可信号に基づいて、ヒータを使用してバーストモードレーザに熱を動的に加えることによって実現され得る。熱は、バースト期間の第1の部分の間だけ加えられ得、バースト期間の後半部分の間は加えられ得ない。
【００３６】
図10は、PON100の一実施形態の概略図である。PON100は、OLT110と、ONU120のセットと、OLT110およびONU120に結合され得るODN130とを備える。本明細書で開示されるレーザシステムは、OLT110とのそれらのアップストリーム通信のためのONU120の送信機内などのPON100内の様々な構成要素において実装され得る。PON100は、OLT110とONU120との間でデータを配信するためにどのような能動構成要素も必要としない通信ネットワークであり得る。代わりに、PON100は、OLT110とONU120との間でデータを配信するために、ODN130内の受動光学構成要素を使用し得る。一実施形態では、PON100は、ギガビットPON(GPON:Gigabit PON)、次世代アクセス(NGA:Next Generation Access)システム、イーサネット(登録商標)PON(EPON:Ethernet PON)、10ギガビットEPON、波長分割多重(WDM:wavelength division multiplexing)PON、TWDM PON、もしくは他のタイプのPON、またはそれらの組合せであり得る。
【００３７】
一実施形態では、OLT110は、ONU120および別のネットワーク(図示せず)と通信するように構成された任意のデバイスであり得る。具体的には、OLT110は、他のネットワークとONU120との間の仲介物として働き得る。たとえば、OLT110は、ネットワークから受信したデータをONU120に転送し得、ONU120から受信したデータを他のネットワーク上に転送し得る。OLT110の具体的な構成は、PON100のタイプに応じて異なり得るが、一実施形態では、OLT110は、送信機と受信機とを備え得る。他のネットワークが、PON100で使用されるPONプロトコルとは異なるイーサネット(登録商標)または同期光ネットワーキング/同期デジタル階層(SONET:Synchronous Optical Networking/SDH:Synchronous Digital Hierarchy)などのネットワークプロトコルを使用しているとき、OLT110は、ネットワークプロトコルをPONプロトコルに変換する変換器を備え得る。OLT110の変換器はまた、PONプロトコルをネットワークプロトコルに変換し得る。OLT110は、中央局などの中央位置に配置され得るが、同様に他の場所に配置され得る。
【００３８】
一実施形態では、ODN130は、光ファイバケーブル、カプラ、スプリッタ、分配器、および/または他の機器を備え得るデータ配信システムであり得る。一実施形態では、光ファイバケーブル、カプラ、スプリッタ、分配器、および/または他の機器は、受動光学構成要素であり得る。具体的には、光ファイバケーブル、カプラ、スプリッタ、分配器、および/または他の機器は、OLT110とONU120との間でデータ信号を配信するためにいかなる電力も必要としない構成要素であり得る。代替的に、ODN130は、光増幅器などの1つまたは複数の能動構成要素を備え得る。ODN130は、図10に示すように分岐構成でOLT110からONU120まで延び得るが、任意の他のポイントツーマルチポイント構成で代替的に構成され得る。
【００３９】
一実施形態では、ONU120は、OLT110および顧客またはユーザ(図示せず)と通信するように構成された任意のデバイスであり得る。具体的には、ONU120は、OLT110と顧客との間の仲介物として働き得る。たとえば、ONU120は、OLT110から受信したデータを顧客に転送し得、顧客から受信したデータをOLT110上に転送し得る。ONU120の具体的な構成は、PON100のタイプに応じて異なり得るが、一実施形態では、ONU120は、OLT110に光信号を送るように構成された光送信機と、OLT110から光信号を受信するように構成された光受信機とを備え得る。加えて、ONU120は、光信号を、イーサネット(登録商標)または非同期転送モード(ATM:asynchronous transfer mode)プロトコルにおける信号などの顧客のための電気信号に変換する変換器と、顧客デバイスに/から電気信号を送信および/または受信し得る第2の送信機および/または受信機とを備え得る。いくつかの実施形態では、ONU120および光ネットワーク端末(ONT:optical network terminal)は、同様であり、したがって、用語は、本明細書では互換的に使用される。ONU120は、典型的には、顧客宅内などの分散された場所に配置されるが、同様の他の場所に配置され得る。
【００４０】
少なくとも1つの例示的な実施形態が開示されており、当業者によってなされる例示的な実施形態および/または例示的な実施形態の特徴の変形形態、組合せ、および/または変更形態は、本開示の範囲内にある。例示的な実施形態の特徴を組み合わせた、統合した、および/または省略した結果生じる代替の実施形態も、本開示の範囲内にある。数値範囲または限定が明示的に述べられている場合、そのような範囲または限定は、明示的に述べられた範囲または限定内に入る同様の大きさの反復範囲または限定を含むように理解され得る(たとえば、約1から約10までは、2、3、4などを含み、0.10よりも大きいは、0.11、0.12、0.13などを含む)。たとえば、下限Rlと上限Ruとを有する数値範囲が開示されるときはいつも、範囲内に入る任意の数が具体的に開示される。具体的には、範囲内の以下の数、すなわち、R=Rl+k*(Ru-Rl)が具体的に開示され、ここで、kは、1パーセントの増分で1パーセントから100パーセントまでの範囲の変数であり、すなわち、kは、1パーセント、2パーセント、3パーセント、4パーセント、5パーセント、...、50パーセント、51パーセント、52パーセント、...、95パーセント、96パーセント、97パーセント、98パーセント、99パーセント、または100パーセントである。さらに、上記で定義した2つのR数によって定義される任意の数値範囲も、具体的に開示される。「約」という用語の使用は、特に指示のない限り、その次の数の±10%を意味する。特許請求の範囲の任意の要素に関する「オプションで」という用語の使用は、要素が必要とされること、または代替的に、要素が必要とされないことを意味し、両方の代替が特許請求の範囲内である。備える、含む、および有するなどのより広い用語の使用は、からなる、から本質的になる、およびから実質的に構成されたなどのより狭い用語に対して支援を行うように理解され得る。したがって、保護の範囲は、上記の説明によって限定されず、以下の特許請求の範囲によって定義され、その範囲は、特許請求の範囲の主題のすべての等価物を含む。各々のおよびすべての請求項は、さらなる開示として明細書に組み込まれ、特許請求の範囲は、本開示の例示的な実施形態である。本開示における参考文献、特に、本出願の優先日の後に公表日を有
する任意の参考文献の議論は、それが先行技術であることの承認ではない。本開示で引用するすべての特許、特許明細書、および刊行物の開示は、それらが本開示に例示的、手続き的、または他の詳細な補足的に提供する程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４１】
いくつかの例示的な実施形態が本開示で提供されているが、開示されるシステムおよび方法は、本開示の要旨または範囲から逸脱することなく、多くの他の特定の形態で具体化され得ることが理解されよう。本例は、例示的なものであり、限定的なものではないと見なされるべきであり、意図は、本明細書で与えた詳細に限定されないことである。たとえば、様々な要素または構成要素は、別のシステムでは結合もしくは統合され得、または、特定の特徴は、省略され得、もしくは実装されなくてもよい。
【００４２】
加えて、別々のまたは独立したものとして様々な例示的な実施形態で説明および例示した技法、システム、サブシステム、および方法は、本開示の要旨または範囲から逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技法、または方法と結合または統合され得る。互いに結合された、もしくは直接結合された、または通信するものとして示したまたは論じた他の項目は、電気的、機械的、または他の方法であるかどうかにかかわらず、なんらかのインターフェース、デバイス、または中間構成要素を介して、間接的に結合され得るか、または通信し得る。変更、置換、および改変の他の例は、当業者によって確認可能であり、本明細書で開示された要旨および範囲から逸脱することなくなされ得る。
【符号の説明】
【００４３】
100  PON
110  OLT
120  ONU
130  ODN
600  レーザシステム
610  バーストモードレーザ
612  レーザアノード電極パッド
620  電気ヒータ
710  基板
720  活性層
730  クラッド層
740  オーミック接触層
750  電極層
760  第1のTi層
770  絶縁体層
780  第2のTi層
782  トレンチ
784  トレンチ
786  上部SiO2層
788  下部SiO2層
790  Pt層
791  活性領域
792  n-InP層
793  p-InP層
794  トレンチ
795  トレンチ
796  加熱パッド
800  駆動回路
802  ヒータ
810  定電流源
812  トランジスタ
814  ダイオード
816  抵抗器
820  電流変調器
822  制御入力電圧
824  トランジスタ
826  抵抗器
830  駆動回路
832  タイミング回路
860  駆動回路
862  抵抗器
864  抵抗器
866  位相制御レーザ
890  駆動回路
892  抵抗器
894  抵抗器
896  DBRレーザ
【図１Ａ】
0006607581.tif 000002
【図１Ｂ】
0006607581.tif 000003
【図２Ａ】
0006607581.tif 000004
【図２Ｂ】
0006607581.tif 000005
【図３】
0006607581.tif 000006
【図４Ａ】
0006607581.tif 000007
【図４Ｂ】
0006607581.tif 000008
【図５】
0006607581.tif 000009
【図６】
0006607581.tif 000010
【図７Ａ】
0006607581.tif 000011
【図７Ｂ】
0006607581.tif 000012
【図７Ｃ】
0006607581.tif 000013
【図８Ａ】
0006607581.tif 000014
【図８Ｂ】
0006607581.tif 000015
【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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