(57)【要約】【課題】簡素な構成により比較的高速・低消費電力でかつ外乱の影響を受けにくい光送信装置を提供する。【解決手段】３端子の２波長発光素子１０３と、定電圧供給手段１０５と、変調電流供給手段１０７と、定電流手段１０６を備え、前記変調電流供給手段の出力が、入力信号１００に応じて変調される構成により、従来になく簡素な構成で比較的高速、低消費電力でかつ外乱の影響を受けにくい光送信装置を提供する。【選択図】  図１
2004297308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相補的に強度変調された２波長の光信号を用いる光伝送システムの光送信器であり、第１発光素子と第２発光素子とを備え、さらに前記第１発光素子の第１極性の端子に接続された定電圧供給手段と、前記第２発光素子の第１極性の端子に接続された変調電流供給手段と、前記第１発光素子の第２極性の端子および前記第２発光素子の第２極性の端子に接続された定電流手段とを備え、前記変調電流供給手段の出力が、入力信号に応じて変調される光送信装置。
【請求項２】
相補的に強度変調された２波長の光信号を用いる光伝送システムの光送信器であり、第１発光素子と第２発光素子とを備え、さらに前記第１発光素子の第１極性の端子に接続された第１の変調電流供給手段と、前記第２発光素子の第１極性の端子に接続された第２の変調電流供給手段と、前記第１発光素子の第２極性の端子および前記第２発光素子の第２極性の端子に接続された定電流手段とを備え、前記第１の変調電流供給手段と前記第２の変調電流供給手段が、入力信号に応じて互いに相補的に変調された電流を発生する光送信装置。
【請求項３】
第１発光素子と第２発光素子が集積され、第１極性の第１端子と第２極性の第２端子と第１極性の第３端子の３端子を備える単一の２波長発光素子により構成される請求項１あるいは請求項２に記載の光送信装置。
【請求項４】
入力信号に応じて変調される変調電流供給手段の出力が、入力信号に応じて変調された電圧出力であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の光送信装置。
【請求項５】
３端子を備える２波長半導体発光素子であって、第１発光素子と第２発光素子が同一基板上に縦方向に集積され、前記基板上に第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第２の半導体層と、第１導電型の第３の半導体層と、光出射面をこの順に有し、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられる第１の活性層と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前記第１の活性層に比較して禁制帯幅の大きな第２の活性層とを備え、
かつ前記第２の活性層あるいは前記第２の半導体層の一部が露出し、前記露出した第２の活性層あるいは第２の半導体層上に共通電極を備え、前記共通電極の下部領域に絶縁領域ないし第２導電型領域で構成された電流ブロック領域を備える半導体発光素子。
【請求項６】
第２の半導体層の膜厚が１００ｎｍ以下であり、かつ前記第２の半導体層がｎ型であり、かつ前記第２の半導体層と第１の活性層および第２の活性層の間の導電帯下端のエネルギー差が１２ｍｅＶ以下であり、また前記第２の半導体層と第１の活性層および第２の活性層の間の価電子帯上端のエネルギー差が１００ｍｅＶ以上である請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
３端子を備える２波長発光素子として請求項５に記載の半導体発光素子を備える請求項３に記載の光送信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光伝送装置に関し、特に空間を介して光を伝播させる光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の空間伝送による光通信の代表的な規格としては、ＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｄａｔａ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）規格がある。
【０００３】
また光通信用発光素子としては発光ダイオード素子が携帯端末間の空間光通信に安価で高信頼性の発光源として広く使用され、また近距離光ファイバ通信用素子としても期待されている。しかし発光ダイオード素子は高速通信を行うには応答速度が遅く変調周波数の上限が低い問題があった。発光素子の応答を改善する従来技術としては微分回路を用いた電荷注入により素子の充電遅延を相殺する駆動手法（特許文献１）や電圧駆動により高速化する手法がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−５４８００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術である発光素子の微分電流による駆動や電圧駆動の手法では、微分動作に伴う消費電力の増大、電源供給による制限、発光素子の非線形な応答特性による調整の困難さ、および素子動作電圧のばらつきや変動の影響を受けやすくなる、といった課題があり、その適用には限界があった。
【０００６】
また光通信、特に空間伝送の光通信においては、外乱光や電磁ノイズ、気象条件・遮蔽物等による伝送経路の状態変化による信号劣化の影響を受けやすいという課題がある。原理的には相補的に変調した２波長の光を同時に送信し、受信側でその差分を検出することにより上記の経路状態変動やノイズの影響を低減し信頼性の高い通信が実現できるが、その実現には２波長の発光素子を同時に相補的に駆動する必要がある。これには送信装置における消費電力がさらに増大し、２つの信号経路における位相差を修正する遅延調整が必要となる。また２個の発光素子の実装・光軸調整によっても送信装置のコストが増大する問題があった。
【０００７】
本発明は前記従来技術の課題を軽減し、簡素な構成により比較的高速・低消費電力でかつ外乱の影響を受けにくい光送信装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第１の光送信装置は、相補的に強度変調された２波長の光信号を用いる光伝送システムの光送信器であり、第１発光素子と第２発光素子とを備え、さらに前記第１発光素子の第１極性の端子に接続された定電圧供給手段と、前記第２発光素子の第１極性の端子に接続された変調電流供給手段と、前記第１発光素子の第２極性の端子および前記第２発光素子の第２極性の端子に接続された定電流手段とを備え、前記変調電流供給手段の出力が、入力信号に応じて変調されるという特徴を備えたものである。
【０００９】
また本発明の第２の光送信装置は、相補的に強度変調された２波長の光信号を用いる光伝送システムの光送信器であり、第１発光素子と第２発光素子とを備え、さらに前記第１発光素子の第１極性の端子に接続された第１の変調電流供給手段と、前記第２発光素子の第１極性の端子に接続された第２の変調電流供給手段と、前記第１発光素子の第２極性の端子および前記第２発光素子の第２極性の端子に接続された定電流手段とを備え、前記第１の変調電流供給手段と前記第２の変調電流供給手段が、入力信号に応じて互いに相補的に変調された電流を発生するという特徴を備えたものである。
【００１０】
また本発明の半導体発光素子は、３端子を備える２波長半導体発光素子であって、第１発光素子と第２発光素子が同一基板上に縦方向に集積され、前記基板上に第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第２の半導体層と、第１導電型の第３の半導体層と、光出射面をこの順に有し、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられる第１の活性層と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前記第１の活性層に比較して禁制帯幅の大きな第２の活性層とを備え、
かつ前記第２の活性層あるいは前記第２の半導体層の一部が露出し、前記露出した第２の活性層あるいは第２の半導体層上に共通電極を備え、前記共通電極の下部領域に絶縁領域ないし第２導電型領域で構成された電流ブロック領域を備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は上記構成を備えることにより、簡素な構成により比較的高速・低消費電力でかつ外乱の影響を受けにくい光送信装置を提供する。
【００１２】
本発明の半導体発光素子を構成する半導体としては、ＧａＡｓ，  ＡｌＡｓ，  ＩｎＡｓ，  ＧａＰ，  ＡｌＰ，  ＩｎＰ，  ＧａＮ，  ＡｌＮ，  ＩｎＮ等の３−５族化合物半導体材料、ＺｎＳｅ，  ＣｄＳｅ，  ＭｇＳｅ，  ＺｎＳ，  ＣｄＳ，  ＺｎＴｅ，  ＣｄＴｅ，  ＺｎＯ，  ＣｄＯ，  ＭｇＯ等の２−６族化合物半導体材料、およびＡｌＧａＡｓ，  ＧａＩｎＰ，  ＡｌＧａＩｎＰ，  ＩｎＧａＡｓＰ，  ＡｌＧａＮ，  ＩｎＧａＮ，  ＺｎＣｄＳｅ，  ＭｇＺｎＯ等の前記化合物半導体の混晶材料を用いることができる。
【００１３】
また本発明の半導体発光素子の基板として、上記化合物半導体等の半導体により構成された第１導電形の半導体基板を用いることにより基板裏面に一方の電極を形成でき素子作製の工程が簡素化される。
【００１４】
また本発明の半導体発光素子の基板として、上記化合物半導体により構成された半絶縁性の半導体基板やＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２等の絶縁体基板を用いることにより素子の静電容量が低減するので高周波特性が向上し、また複数の素子を形成する際に各素子を絶縁できるので集積化が容易となる。
【００１５】
また本発明の半導体発光素子において、各層の伝導型の組み合わせはｐｎｐ型、ｎｐｎ型のどちらの構成を用いることもできる。なおここでｐｎｐ型の構成とすることにより、共通電極から注入される多数キャリアが、ホールに比較して移動度の高い電子となるので、横方向の電荷注入における注入抵抗が低減し、好ましい。またここで横方向電流の少数キャリアが寿命の短い正孔となるので少数キャリアのリークによる非発光電流を抑制できる効果もある
まず、ここで従来例を挙げて説明する。
（従来例）
本発明の目的である２波長光を用いた光伝送の原理を図２に示す。波長の異なる２個の発光素子（２０１と２０２）を備える光送信装置２０３は入力信号１００に基づいて互いに相補的に強度変調された波長の異なる２個の信号光（１０１と１０２）を放射し、受信装置２０４は各々の信号強度を比較してその差分から元信号の復元を行う。これにより、特に空間光伝送において特に顕著な外乱光（２０５）や電磁ノイズ、雨粒や人体等の遮蔽物の通過や霧による信号光散乱など伝送経路の変動による影響を相殺することができ、通信状態が安定化されて信頼性の高い光伝送を実現できる。
【００１６】
上記の相補的に変調された２波長光信号を発生する光送信装置を、従来技術の組み合わせによって構成した形態を図３に示す。光送信装置２０３は、反転信号を発生する第１の信号分岐部３０１と、２個の発光素子（２０１および２０２）、さらに２個の電流変調回路（３０２および３０３）により構成される。
【００１７】
発光素子として発光ダイオードを用いると低コストで長寿命・高信頼の動作が可能となるが、素子応答の限界により、通常の電流変調は１００Ｍｂｐｓを超える通信は困難となる。そこで比較的高速な信号伝送を得るために、デジタル入力信号に対して微分成分を加えて立ち上がり特性を改善する操作（図４）が行われる。
【００１８】
ここで素子の遅延時間で決まる応答速度に対して変調速度をｎ倍に高速するには、原理的に微分電流のピーク値Ｉｍａｘを通常の動作電流Ｉ０の少なくともｎ倍にする必要がある。したがって、より高速の応答を得るには大容量の電源が必要となる。なおピーク電流で注入される電荷量は素子の容量成分を充電（もしくは放電）するのに使用され発光には寄与しない。また高電圧の電源を利用するとピーク電流の供給は容易となるが、回路の消費電流（動作電流×電圧成分）は増大する。
【００１９】
なお、反転信号発生の精度や各駆動装置の微分量の設定、分岐以降の信号経路長の影響により、発生する光信号で位相差が生じる可能性がある。第１のＬＥＤ２０１の立ち上がり時刻ｔ１と第２のＬＥＤ２０２の立ち下がり時刻ｔ１’にずれが生じると、信号再生が困難となるので、さらに遅延手段を設けて調整を行う必要がある。
【００２０】
また上記のように注入電流のピーク値を大きくすることで素子の立ち上がり速度は高速化できるが、素子を駆動する電流変調回路（３０２および３０３）は電荷を引き抜く機能を持たないので、このままではＯＦＦ時の消光速度は、電荷寿命、すなわち素子の本来の応答速度で規定される。結果として全体の変調速度はほとんど高速化できない。図４のように消光時（２０１のｔ２、２０２のｔ１’）にも負のピーク電流を発生させ消光を高速化するには従来技術文献（特開平１１−５４８００等）に記載されるように、素子からの電荷を引き抜く電荷放出回路（３０４および３０５）を設ける必要がある。
【００２１】
電荷の引き抜きのピークを大きくするには、電荷放出回路の電流量を大きくする必要があるが、これは電荷注入時の損失を増大させ、また立ち上がり時の電荷注入効率を低下させる。これを防ぐには、図３に示すように、信号線をさらに分岐させ（３０６および３０７）、電荷放出回路（３０４および３０５）の動作をスイッチングする必要がある。結果として回路構成および信号経路が非常に複雑となり、位相・タイミングの同期もさらに困難なものとなる。
【００２２】
また発光時の電荷注入では電源からの電圧供給によりピーク電流を増加できるのに対し、消光時には、素子の端子間電圧だけで電荷が放出され、しかも端子間電圧は電荷放出に伴って低下する。引き抜き電流のピークを大きくするには、素子に逆バイアスを印加する必要があり、これには負電源が必要となるので、回路構成がさらに複雑化し、消費電力も増大する。
【００２３】
なお、ＬＥＤの応答を改善するもう一つの方法として、素子を電圧駆動する手法がある。しかし、ＬＥＤを流れる電流は微小な素子電圧の変動によって急激に変動する。また素子の動作電圧（所期の発光量（電流）が得られる端子間電圧）は素子によってばらつき、また動作温度や長期の使用によるエージングによっても変動する。このため、電圧制御では安定した出力が得られず、場合によっては過大電流により素子を破壊する危険もある。
【００２４】
また発光ダイオード素子の接合部の抵抗および容量成分は電流量に応じて変化し、非線形な特性であることも素子駆動の高速化を困難とする原因になっている。線形な素子であれば、容量と抵抗を組み合わせた微分回路により発光時の立ち上がりと消光時の立下りの遅延を同時に相殺できるような電荷注入・引き抜きが可能である。しかし非線形な素子では両者の特性が異なり、非対称であるため、例えば一方の特性に最適化した微分量が他方の特性に対して過少あるいは過多となり、逆に素子応答を劣化させたり信号復元に悪影響を及ぼしたりする。
（第１の実施の形態）
上記の問題点を解決する第１の実施の形態に係る光送信装置を以下、説明する。
【００２５】
図１に本発明の第１の実施の形態に係る光送信装置の構成図を示す。図１において、１００は送信装置に入力されるデジタル変調信号、１０４は光送信装置、１０３は２個のアノード端子と１個カソード端子を有するｐｎｐ型の３端子２波長発光ダイオード素子、１０５は３端子発光素子１０３の一方のｐ型端子に接続された定電圧源（定電圧供給手段）、１０６は３端子発光素子１０３のｎ型端子に接続された定電流回路（定電流手段）、１０７は３端子発光素子１０３の他方のｐ型端子に接続された変調回路（変調電流供給手段）である。変調回路１０７は入力信号１００に応じて変調され、デジタル入力信号１００のＨｉ／Ｌｏ値に対応して２値の電圧値ＶＨ／ＶＬを出力する。ここで定電圧源１０５の出力電圧ＶＣと変調回路１０７の出力電圧ＶＨ／ＶＬは、発光素子の一方のｐ型端子とｎ型端子の間に定常動作電流Ｉ０を流した際の端子間電圧ＶＤおよび定電流回路１０６にＩ０を流すのに必要な最低電圧Ｖｍｉｎに対して、少なくともＶＣＣ（電源電圧）≧ＶＨ≧ＶＣ＋ＶＤ、ＶＣ≧ＶＤ＋Ｖｍｉｎ、ＶＣ−ＶＤ≧ＶＬ≧０の関係を満たすよう設定されている。またさらにＶｒ（発光素子の逆方向耐圧）＞ＶＨ−ＶＣ−ＶＤ＞０．１Ｖ、Ｖｒ＞ＶＣ−ＶＤ−ＶＬ＞０．１Ｖであることが後述する理由により望ましい。本実施例では、ＶＤ＝１．５Ｖ、Ｖｍｉｎ＝０．６ＶであるのでＶＬ＝０．４Ｖ、ＶＣ＝２．２Ｖ、ＶＨ＝４．０Ｖとした。
【００２６】
ここで定電圧源１０５および定電流回路１０６には通常のトランジスタと抵抗あるいはゼナー素子を用いた回路、またはオペアンプ回路等を用いることができる。変調回路１０７は、２値の信号入力に応じて電圧出力を規定する通常の電圧変調部および、発光ダイオード素子の注入／引抜き電流を供給する緩衝部により構成される。緩衝部は入力電圧に応じた低インピーダンスの電圧出力を有し、正負の電流を供給する機能を持つ。これは例えばｎｐｎ型トランジスタとｐｎｐ型トランジスタのエミッタ同士およびゲート同士を接合した構成の緩衝回路によって構成することができる。図１の構成では信号線が１系統となり、図３の従来技術の組み合わせによる送信装置の構成に比較して簡潔な構成となる。
【００２７】
上記構成により、変調回路１０７の出力電圧がＶＬの時には定電圧源１０５に接続されたｐｎ接合部に電流が供給され、変調回路１０７に接続されたｐｎ接合部には電流が注入されず、ΔＶ１＝ＶＣ−ＶＤ−ＶＬに対応する逆電圧が印加される。
逆に変調回路１０７の出力電圧がＶＨの時には変調回路１０７に接続されたｐｎ接合部に電流が供給され、定電圧源１０５に接続されたｐｎ接合部には電流が注入されず、ΔＶ２＝ＶＨ−ＶＣ−ＶＤに対応する逆電圧が印加される。
【００２８】
また、変調回路１０７の出力電圧がＶＬからＶＨに切り替わる際には、変調回路１０７に接続されたｐｎ接合に瞬間的にＶＨ＋ＶＤ−ＶＣ＝２ＶＤ＋ΔＶ２に対応する高電圧が印加され、図４に示されるピーク電流が発生し、微分回路を用いることなく迅速な電荷注入が可能となる。注入された過剰電流は定電圧源１０５に接続されたｐｎ接合に逆注入（充電電荷の引き抜き）するので、同時にこのｐｎ接合の発光を立ち下げる。本実施形態では負電源を必要としないが、定電流回路１０６には常に電流が供給されているので、非発光側のｐｎ接合には逆バイアス電圧が印加される。すなわち負電源を用いない従来技術（特開平１１−５４８００等）による駆動に比較して迅速な電荷引き抜きが可能となる。
【００２９】
また発光側のｐｎ接合の電荷注入と消光側のｐｎ接合の電荷引き抜きの動作が同時に起こるので、遅延回路等による位相調整を行うことなく、図４のｔ１とｔ１’（およびｔ２とｔ２‘）を一致させることができる。
【００３０】
また定電圧源１０５に接続されたｐｎ接合が逆バイアスΔＶ２によって逆充電された時点で過剰電流は０となる。すなわち過剰電流による電荷供給量は、ｐｎ接合が順方向および逆方向バイアスされる間に充電される電荷量の和に等しい。このため変調動作が電圧制御であるにも関わらず過剰電流過多による素子破損の危険が無い。
【００３１】
ここでピーク電流の最大値および素子応答速度はΔＶ１およびΔＶ２によって容易に制御でき、Ｖｒ（発光素子の逆方向耐圧）＞ＶＨ−ＶＣ−ＶＤ＞０．１Ｖ、Ｖｒ＞ＶＣ−ＶＤ−ＶＬ＞０．１Ｖとすることにより素子を損傷することなく高速な応答が得られる。なお一般に発光素子の逆方向耐圧は電荷引き抜きに必要な逆バイアス電圧に比較して十分高い。
【００３２】
ここでは変調回路１０７の出力電圧がＶＬからＶＨに切り替わる際について説明したが、ＶＨからＶＬに切り替わる際にも上記と同様の電荷注入と引抜きにより迅速に発光波長を切り替えることができる。
【００３３】
上記構成では微分回路を用いないので、変調回路が簡潔な構成となり、微分電流過多によるオーバーシュートも発生しない。また過剰電流を除く定常電流は定電流回路１０６により規定されるので、電圧変調であるにもかかわらず電流過多による素子破損の危険が無く、光出力の再現性も高い。
【００３４】
なお、本実施形態では、過剰電流の経路に対して発光ダイオードの接合部が互いに逆方向に接合されているので、変調回路から見て電荷注入時と電荷引き抜き時の電気的応答がほぼ等しくなる。すなわち電荷注入と引き抜きの応答の非対称性が無く、周辺回路の設計が容易となる利点もある。
【００３５】
本実施の形態では変調電流供給手段１０７として、入力信号に応じて変調された電圧出力を供給する変調装置を示したが、これに換えて入力信号に応じて変調された電流出力を供給し、かつ前記電流出力が入力信号の微分成分を含むピーク電流を供給する装置とすることもできる。これによりピーク電流の最大値を発光素子の電気特性に依存せずに規定することが可能となる。ただしこの際には微分成分の調整が必要であったり、電流引き抜き用回路を設けて分岐した信号によりスイッチングさせる信号経路が必要となったりすることがあり、装置構成としては上述の例に比較して複雑となる。
【００３６】
図５に、本発明の実施形態の変例として３端子２波長発光素子に替えて通常の２端子発光ダイオード素子を用いた光送信装置５００の構成を示す。本構成においても上述の動作機構により簡潔な回路構成で高速かつ安定した２波長信号の発生を行うことができる。２個のＬＥＤによる本変例（図５）の利点としては、複雑な膜構成の３端子２波長発光素子を作製する必要が無い点がある。しかし、３端子２波長素子による第１の実施形態（図１）に比較して通信速度や実装コストの点においては劣る。
【００３７】
図６に２端子ＬＥＤによる構成（左側）と３端子２波長発光素子（右側）の過剰電流の経路を比較して示す。発光ダイオード素子２０１は、基板側の電極が十分大面積で低抵抗であるのに対し、光取り出し効率を高めるため、発光側に設けられた電極の面積が小さく、電極抵抗が高い（２０１−ｒ）という特性を持つ。３端子２波長発光素子（１０３）では、発光側電極の電極抵抗（１０３−ｒ１）が通常のＬＥＤの端子抵抗と同程度であると共に、共通電極の電極抵抗（１０３−ｒ２）も高い。
【００３８】
しかし本実施形態の構成では、共通電極（カソード）には定電流回路１０６が接続されており、共通電極を流れる電流量は常に一定である。変調動作により変動するのは２つのアノードから注入される電流量であり、特に駆動速度を決める過剰電流の経路は上記２つのアノード間を流れる。過剰電流量は端子間電圧および端子抵抗の和によって決まり、端子間電圧は電源、変調回路等の性能および素子の逆方向耐電圧により規定される。
【００３９】
ここで過剰電流の経路に着目すると、２個のＬＥＤによる構成では２つの端子抵抗（２０１−ｒおよび２０２−ｒ）を介して電流が流れるのに対し、３端子発光素子では１個の端子抵抗（１０３−ｒ１）しかない。この結果、同じ性能の回路構成を用いた場合、３端子発光素子を流れる過剰電流の量は２個のＬＥＤによる構成に比較してほぼ２倍となり、高速な応答が可能となる。
【００４０】
この他、３端子２波長素子を用いる実施形態（図１）の利点としては、２個のＬＥＤチップを同時に並列に実装する作業に比較して、単一の２波長素子チップの実装作業が容易となり、実装コストを削減できる点がある。また１チップ化により電極間寄生成分のばらつきをなくし、配線設計が容易となる利点もある。
【００４１】
図７に本実施形態に係る３端子２波長発光素子１０３の断面構造の一例を示す。ここではｐｎｐ型のＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ系素子を例として説明する。ｐ型ＧａＡｓ基板７０１上に、第１導電型の第１の半導体層としてｐ型ＧａＩｎＰ層７０３と、ｎ型障壁層（第２導電型の第２の半導体層）としてＡｌＧａＡｓ層７０５と、第１導電型の第３の半導体層としてｐ型ＧａＩｎＰ層７０７と、光出射面７１２がこの順に設けられている。
【００４２】
また第１の半導体層７０３と障壁層７０５との間には、第２導電型の第１の活性層としてｎ型ＡｌＧａＡｓ活性層７０４が設けられ、第３の半導体層７０７と障壁層７０５との間には、第２導電型の第２の活性層としてＧａＡｓ活性層７０６が設けられている。
【００４３】
ここで、第１の活性層７０４の禁制帯幅は第２の活性層７０６の禁制帯幅に比較して小さく、第１の活性層７０４の発光波長は前記第２の活性層７０６の発光波長に比較して長い。
【００４４】
本実施形態では第２の活性層７０６あるいは障壁層（第２の半導体層）７０５の一部が露出しており、第２電極としてｎ型電極（カソード）７１０が設けられている。ここで前記第２電極の下部領域に電流ブロック領域７１３が設けられている。電流ブロック領域としては、イオン注入もしくは選択酸化により作製した絶縁領域ないし第２導電型領域を用いることができる。上記電流ブロック領域が設けられていることにより、基板下部から回り込んだ電流の一部が、発光に寄与することなく直接第２電極にリークすることを防ぐことができ、より高効率の発光を得ることができる。
【００４５】
また本実施形態ではｎ型障壁層７０５の膜厚が１００ｎｍ以下であり、かつ障壁層７０５と第１の活性層７０４および第２の活性層７０６の間の導電帯下端のエネルギー差が１２ｍｅＶ以下である。これにより室温（２５ｍｅＶ）における電子移動が容易となり、波長切り替え時に迅速な電子の再配置が可能となる。
【００４６】
また障壁層７０５と第１の活性層７０４および第２の活性層７０６の間の価電子帯上端のエネルギー差が１００ｍｅＶ以上であることにより、室温における正孔の通過を禁止でき、リーク電流による消費電力の増大を防ぐことができる。
【００４７】
上記構成により、発光時の電子は比較的自由に第１の活性層７０４と第２の活性層７０６の間を移動できるのに対し、正孔は障壁層７０５によってその移動を制限される。すなわち障壁層７０５の存在により外部からの電界によって第１の活性層７０４と第２の活性層７０６の間に電位差を設けることができる。この結果、第１の活性層７０４からの発光と第２の活性層７０６からの発光を切り替えることができるが、このとき電子は速やかにその分布を変化させることができるので、従来の多波長発光素子に比較して高速に発光波長を変化させることができる。
【００４８】
上述のように本発明の構成を用いることにより、従来に比較して高速に発光波長を変調することが可能な多波長発光素子を実現できる。
【００４９】
また本実施の形態では基板７０１と、第１導電型の第１の半導体層７０３の間に、反射層７０２が設けられており、活性層からの発光が基板に吸収されることを防いでいる。
【００５０】
以上のように本発明の構成を用いることにより、簡素な構成により比較的高速・低消費電力でかつ外乱の影響を受けにくい光送信装置が実現できる。
【００５１】
なお本実施形態においてはＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ系の材料系による構成の例をあげたが、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＩｎＰ系，  ＩｎＧａＡｓＰ系，  ＺｎＣｄＳｅ系等、他の材料系あるいは異なる材料系の組み合わせによる半導体発光素子に適用することも可能である。
（第２の実施の形態）
図８に本発明の第２の実施の形態に係る光送信装置の構成図を示す。図８において、１００は送信装置に入力されるデジタル変調信号、８００は光送信器、１０３は２個のアノード端子と１個カソード端子を有するｐｎｐ型の３端子２波長発光ダイオード素子、８０２は３端子発光素子１０３の一方のｐ型端子に接続された第１の変調装置（第１の変調電流供給手段）、１０６は３端子発光素子１０３のｎ型端子に接続された定電流回路（定電流手段）、８０３は３端子発光素子１０３の他方のｐ型端子に接続された第２の変調回路（第２の変調電流供給手段）である。
【００５２】
第１の変調回路８０２および第２の変調回路８０３は入力信号１００に応じて互いに相補的に変調され、デジタル入力信号１００のＨｉ／Ｌｏ値に対応して２値の電圧値：それぞれＶＨ／ＶＬおよびＶＬ／ＶＨを出力する。ここで発光素子の一方のｐ型端子とｎ型端子の間に定常動作電流Ｉ０を流した際の端子間電圧ＶＤおよび定電流回路１０６にＩ０を流すのに必要な最低電圧Ｖｍｉｎに対して、少なくともＶＣＣ（電源電圧）≧ＶＨ≧Ｖｍｉｎ＋ＶＤ、ＶＨ−ＶＤ≧ＶＬ≧０の関係を満たすよう設定されている。またさらにＶｒ（発光素子の逆方向耐圧）＞ＶＨ−ＶＤ−ＶＬ＞０．１Ｖであることが後述する理由により望ましい。本実施例では、ＶＤ＝１．５Ｖ、Ｖｍｉｎ＝０．６ＶであるのでＶＬ＝０．５Ｖ、ＶＨ＝２．５Ｖとした。
【００５３】
ここで定電流回路１０６には通常のトランジスタと抵抗あるいはゼナー素子を用いた回路、またはオペアンプ回路等を用いることができる。第１の変調回路８０２および第２の変調回路８０３は、２値の信号入力に応じて電圧出力を規定する通常の電圧変調部および、発光ダイオード素子の注入／引抜き電流を供給する緩衝部により構成される。
【００５４】
緩衝部は入力電圧に応じた低インピーダンスの電圧出力を有し、正負の電流を供給する機能を持つ。これは例えばｎｐｎ型トランジスタとｐｎｐ型トランジスタのエミッタ同士およびゲート同士を接合した構成の緩衝回路によって構成することができる。図８の構成では信号線が２系統となり、第１の実施形態（図１）に比較すれば複雑となるが、図３の従来技術の組み合わせによる送信装置の構成に比較すると簡潔な構成となる。
【００５５】
上記構成により、第１の変調回路８０２の出力電圧がＶＬでかつ第２の変調回路８０３の出力電圧がＶＨの時には、第２の変調回路８０３に接続されたｐｎ接合部に電流が供給され、第１の変調回路８０２に接続されたｐｎ接合部には電流が注入されず、ΔＶ＝ＶＨ−ＶＤ−ＶＬに対応する逆電圧が印加される。
【００５６】
逆に第１の変調回路８０２の出力電圧がＶＨでかつ第２の変調回路８０３の出力電圧がＶＬの時には、第１の変調回路８０２に接続されたｐｎ接合部に電流が供給され、第２の変調回路８０３に接続されたｐｎ接合部には電流が注入されず、ΔＶ２に対応する逆電圧が印加される。
【００５７】
また、第１の変調回路８０２の出力電圧がＶＬからＶＨに、第２の変調回路８０３の出力電圧がＶＨからＶＬ切り替わる際には、第１の変調回路８０２に接続されたｐｎ接合に瞬間的にＶＨ＋ＶＤ−ＶＬ＝２ＶＤ＋ΔＶに対応する高電圧が印加され、図４に示されるピーク電流が発生し、微分回路を用いることなく迅速な電荷注入が可能となる。注入された過剰電流は第２の変調回路８０３に接続されたｐｎ接合に逆注入（充電電荷の引き抜き）するので、同時にこのｐｎ接合の発光を立ち下げる。
【００５８】
本実施形態では負電源を必要としないが、定電流回路１０６には常に電流が供給されているので、非発光側のｐｎ接合には逆バイアス電圧が印加される。すなわち負電源を用いない従来技術（特開平１１−５４８００等）による駆動に比較して迅速な電荷引き抜きが可能となる。
【００５９】
また第２の変調回路８０３に接続されたｐｎ接合が逆バイアスΔＶによって逆充電された時点で過剰電流は０となる。すなわち過剰電流による電荷供給量は、ｐｎ接合が順方向および逆方向バイアスされる間に充電される電荷量の和に等しい。このため変調動作が電圧制御であるにも関わらず過剰電流過多による素子破損の危険が無い。
【００６０】
ここでピーク電流の最大値および素子応答速度はΔＶによって容易に制御でき、Ｖｒ（発光素子の逆方向耐圧）＞ＶＨ−ＶＤ−ＶＬ＞０．１Ｖとすることにより素子を損傷することなく高速な応答が得られる。なお一般に発光素子の逆方向耐圧は電荷引き抜きに必要な逆バイアス電圧に比較して十分高い。
【００６１】
上述のように本実施の形態では２個の変調回路（８０２および８０３）と、同期した２系統の信号線を必要とするが、変調回路の出力としては第１の実施形態に比較してより低電圧で同様の効果を得ることができる。この結果、低電圧電源を利用することができ、第１の実施形態に比較して消費電力を低減できるという利点がある。
【００６２】
ここでは第１の変調回路８０２の出力電圧がＶＬからＶＨに切り替わる際について説明したが、ＶＨからＶＬに切り替わる際にも上記と同様の電荷注入と引抜きにより迅速に発光波長を切り替えることができる。
【００６３】
上記構成では微分回路を用いないので、変調回路が簡潔な構成となり、微分電流過多によるオーバーシュートも発生しない。また過剰電流を除く定常電流は定電流回路１０６により規定されるので、電圧変調であるにもかかわらず電流過多による素子破損の危険が無く、光出力の再現性も高い。
【００６４】
なお本実施子形態では３端子２波長発光素子を用いる例を示したが、第１の実施形態における変例と同様に、通常の２端子発光ダイオード素子を用いて同様の構成を得ることもできる。
【００６５】
本実施の形態においても３端子２波長発光素子を用いることで高速応答、実装コストの削減等の利点を得ることができ、逆に２個のＬＥＤによる構成では、複雑な膜構成の発光素子を作製する必要が無いという利点がある。
【００６６】
本実施の形態においても第１の実施形態で示された図７の３端子２波長発光素子を用いることができる。またこの他、同一基板上に形成されたｐｎｐ型あるいはｎｐｎ型の発光素子を用いることができる。
【００６７】
以上のように本発明の構成を用いることにより、簡素な構成により比較的高速・低消費電力でかつ外乱の影響を受けにくい光送信装置が実現できる。
【００６８】
なお本実施の形態１および２では発光ダイオード素子を用いた空間光伝送について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、光ファイバー、導波路、あるいはその他の媒体を用いた光伝送にも同様に適用できる。
【００６９】
また本実施の形態１および２では、ｐｎｐ型の３端子半導体発光素子や、カソードを結合した２個のＬＥＤを正の電源で駆動する例を挙げたが、ｎｐｎ型の３端子半導体発光素子やアノードを結合した２個のＬＥＤを用いたり、また電源の正負を逆転させて実質的に等価な構成としたりすることも可能である。
【００７０】
この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の光送信装置は、相補的に強度変調された２波長の光信号を用いる光伝送システムの光送信器であり、第１発光素子と第２発光素子とを備え、さらに前記第１発光素子の第１極性の端子に接続された定電圧供給手段と、前記第２発光素子の第１極性の端子に接続された変調電流供給手段と、前記第１発光素子の第２極性の端子および前記第２発光素子の第２極性の端子に接続された定電流手段とを備え、前記変調電流供給手段の出力が、入力信号に応じて変調されるという構成により、従来になく簡素な構成により比較的高速・低消費電力でかつ外乱の影響を受けにくい光送信装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光送信装置の構成図
【図２】２波長光を用いた光伝送の原理図
【図３】従来技術の組み合わせによって構成した光送信装置の構成図
【図４】従来技術の組み合わせおよび第１の実施形態に係る接合電流を示す図
【図５】第１の実施形態の変例に係る光送信装置の構成図
【図６】第１の実施形態および第１の実施形態の変例に係る接合部の比較を示す図
【図７】第１の実施形態に係る３端子２波長半導体発光素子の構造断面図
【図８】第２の実施形態に係る光送信装置の構成図
【符号の説明】
１００      入力信号（デジタル変調信号）
１０１      第１の信号光
１０２      第２の信号光
１０３      ３端子２波長発光素子
１０３−ｒ１  ３端子２波長発光素子の第１の端子抵抗（発光側電極の電極抵抗）
１０３−ｒ２  ３端子２波長発光素子の第２の端子抵抗（共通電極の電極抵抗）
１０４      第１の実施形態に係わる光送信装置
１０５      定電圧源（定電圧供給手段）
１０６      定電流回路（定電流手段）
１０７      変調回路（変調電流供給手段）
２０１      第１の発光素子
２０１−ｒ    第１の発光素子の端子抵抗（電極抵抗）
２０２      第２の発光素子
２０２−ｒ    第２の発光素子の端子抵抗（電極抵抗）
２０３      従来技術の組み合わせに係わる光送信装置
２０４      受信装置
２０５      外乱光
３０１      第１の信号分岐部
３０２      第１の電流変調回路
３０３      第２の電流変調回路
３０４      第１の電荷放出回路
３０５      第２の電荷放出回路
３０６      第２の信号分岐部
３０７      第３の信号分岐部
５００      第１の実施形態の変例に係わる光送信装置
７０１      基板
７０２      反射層
７０３      第１導電型の第１の半導体層
７０４      第１の活性層
７０５      障壁層（第１導電型の第２の半導体層）
７０６      第２の活性層
７０７      第１導電型の第３の半導体層
７０８      第１導電型コンタクト層
７０９      第１のアノード電極
７１０      カソード電極（共通電極）
７１１      第２のアノード電極
７１２      光出射面
７１３      電流ブロック領域
８００      第２の実施形態に係わる光送信装置
８０１      信号分岐部
８０２      第１の変調回路（第１の変調電流供給手段）
８０３      第２の変調回路（第２の変調電流供給手段）
【図１】
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【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】
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【図８】
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