(57)【要約】【課題】  チャーピングを低減可能な発光モジュールを提供する。【解決手段】  本発明の実施の形態に係る発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体変調素子と、半導体発光素子に駆動電流を供給する第１の駆動回路と、半導体変調素子に駆動電圧を印加する第２の駆動回路と、第１の駆動回路及び第２の駆動回路を制御する制御回路とを備える。駆動電流は、第１のレベルの電流と該第１のレベルより低レベルの第２のレベルの電流とを含んでいる。駆動電圧は、第３のレベルの逆方向電圧と当該第３のレベルより高レベルの第４のレベルの逆方向電圧とを含んでいる。制御回路は、第１のレベルの電流供給時に第３のレベルの電圧が供給され、第２のレベルの電流供給時に第４のレベルの電圧が供給されるように、第１の駆動回路及び第２の駆動回路を制御する。【選択図】  図１
2007019418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子と光学的に結合された電界吸収型の半導体変調素子と、
前記半導体発光素子に駆動電流を供給する第１の駆動回路と、
前記半導体変調素子に駆動電圧を印加する第２の駆動回路と、
前記第１の駆動回路及び前記第２の駆動回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記駆動電流は、第１のレベルの電流と該第１のレベルより低レベルの第２のレベルの電流とを含んでおり、
前記駆動電圧は、第３のレベルの絶対値の逆方向電圧と当該第３のレベルの絶対値より高レベルの絶対値である第４のレベルの絶対値の逆方向電圧とを含んでおり、
前記制御回路は、前記第１のレベルの電流の前記半導体発光素子への供給時に前記第３のレベルの電圧が前記半導体変調素子に印加され、前記第２のレベルの電流の前記半導体発光素子への供給時に前記第４のレベルの電圧が前記半導体変調素子に印加されるように、前記第１の駆動回路及び前記第２の駆動回路を制御する、
発光モジュール。
【請求項２】
前記第２のレベルの電流が前記半導体発光素子の閾値電流より大きい、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項３】
前記駆動電圧は、負の直流バイアス電圧を含む、
請求項１または２記載の発光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光モジュールには、直接変調方式の発光モジュールと、外部変調方式の発光モジュールとがある。前者、即ち直接変調方式の発光モジュールでは、半導体レーザの駆動電流を増減させることによって、半導体発光素子から変調光が出力される。一方、後者の発光モジュールは、半導体レーザと電界吸収型（Electro−Absorption)半導体変調素子（以下、「ＥＡ素子」という。）を備えている。この発光モジュールでは、半導体レーザは直流電流によって一定のパワー光を出力し、ＥＡ素子が当該光の変調を行なう。以上の変調方式については、下記非特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】KoichiWakita, 「Semiconductor Optical Modulations」, Kluwer Academic Publishers, 1998, P42, P84
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
直接変調方式の発光モジュールでは、変調光の消光比を大きくするために、消光時に半導体レーザへの駆動電流を、閾値電流の近傍のレベルに抑える必要がある。かかる駆動電流は、発光と消光との切換の際に、半導体レーザの緩和振動と呼ばれる光出力やキャリア密度の変動を生じさせる。その結果、半導体レーザの出力変調光の波長変動、所謂チャーピングが生じる。
【０００４】
一方、外部変調方式の発光モジュールでは、ＥＡ素子によるチャーピングが生じる。これは、光吸収によるＥＡ素子の屈折率変化に起因するものである。また、消光比を大きくするために、ＥＡ素子への印加電圧を大きくすると、チャーピング特性（αパラメータ）が変動するという問題がある。さらに、消光比を大きくするためには消光時の光吸収を大きくする必要がある。その結果、放出時間の長い正孔が印加電圧を打ち消す方向に作用し、変調特性を劣化させるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、チャーピングを低減可能な発光モジュールを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子と光学的に結合された電界吸収型の半導体変調素子と、半導体発光素子に駆動電流を供給する第１の駆動回路と、半導体変調素子に駆動電圧を印加する第２の駆動回路と、第１の駆動回路及び第２の駆動回路を制御する制御回路とを備える。駆動電流は、第１のレベルの電流と該第１のレベルより低レベルの第２のレベルの電流とを含んでいる。駆動電圧は、第３のレベルの絶対値の逆方向電圧と当該第３のレベルの絶対値より高レベルの絶対値である第４のレベルの絶対値の逆方向電圧とを含んでいる。制御回路は、第１のレベルの電流の半導体発光素子への供給時に第３のレベルの電圧が半導体変調素子に印加され、第２のレベルの電流の半導体発光素子への供給時に第４のレベルの電圧が半導体変調素子に印加されるように、第１の駆動回路及び第２の駆動回路を制御する。
【０００７】
この発光モジュールによれば、半導体発光素子および半導体変調素子の双方が変調されている。したがって、直接変調方式の発光モジュールに比べて半導体発光素子の駆動電流の振幅を小さくし、当該駆動電流におけるバイアス電流を大きくすることができる。その結果、光出力やキャリア密度の緩和振動が低減され、半導体発光素子の出力変調光のチャーピングが低減される。
【０００８】
また、この発光モジュールによれば、半導体発光素子および半導体変調素子の双方によって光出力が変調されるので、従来の外部変調方式の発光モジュールに比べて半導体変調素子の変調電圧の絶対値を小さくすることができる。したがって、印加電圧に対する半導体変調素子のチャーピング特性の変動が低減される。また、半導体変調素子の光吸収量が低減され、放出時間の長い正孔の残留量が低減されるので、半導体変調素子の変調特性の劣化が低減される。
【０００９】
第２のレベルの電流は半導体発光素子の閾値電流より大きいことが好ましい。これによって、半導体発光素子の緩和振動に伴うオーバーシュートやアンダーシュートが低減されるので、半導体発光素子の出力変調光のチャーピングが低減される。
【００１０】
半導体変調素子への駆動電圧は、負の直流バイアス電圧を含むことが好ましい。半導体変調素子にある負の電圧レベルの逆方向電圧を印加すると、半導体変調素子によるチャーピングが半導体発光素子によるチャーピングに対して逆方向となるようにできる。したがって、半導体発光素子によるチャーピングが半導体変調素子によるチャーピングを打ち消して、発光モジュールの光出力のチャーピングを低減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、チャーピングを低減可能な発光モジュールが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る発光モジュールの構成を概略的に示す図である。図１に示す発光モジュールシステム１０は、半導体発光素子１２、半導体変調素子１４、第１の駆動回路１６、第２の駆動回路１８、および、制御回路２０を備える。
【００１４】
半導体発光素子１２は、半導体レーザである。半導体レーザ１２は、基板２２と活性層１３を有している。活性層１３は、例えば、組成の異なるＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層からなる多重量子井戸構造を有することができる。なお、基板２２は、半導体変調素子１４に共有されている。すなわち、半導体レーザ１２と半導体変調素子１４とは、モノリシックに形成されている。
【００１５】
半導体レーザ１２は、活性層１３に対して基板２２と反対側の面１２ａに電極２４を有している。また、半導体レーザ１２は、基板２２の他方の主面２２ａに、電極２６を有している。この電極２６も半導体変調素子１４と共有されている。
【００１６】
これら電極２４と２６との間には、第１の駆動回路１６から駆動電流が供給される。半導体レーザ１２は、駆動電流が供給されると、活性層１３における電子と正孔との再結合によって光を発生する。この半導体レーザ１２の一端面１２ｂは、半導体変調素子１４の一端面１４ｂと光学的に結合されている。
【００１７】
半導体変調素子１４は、電界吸収型（Electro−Absorption)半導体変調素子（以下、「ＥＡ素子」という。）である。ＥＡ素子１４は、基板２２と光吸収層（活性層）１５を有している。
【００１８】
光吸収層１５は半導体レーザ１２の活性層１３と光学的に結合されている。光吸収層１５は、例えば、組成の異なるＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層とからなる多重量子井戸構造の光吸収層である。この光吸収層１５に対して基板２２と反対側の面１４ａには、電極２８が設けられている。
【００１９】
電極２８と電極２６との間には、ｐｎ接合構造に対して逆方向の駆動電圧が第２の駆動回路１８から供給される。ＥＡ素子１４は、逆方向の駆動電圧についてレベル（電圧の絶対値）が大きいほど、光吸収層１５において半導体レーザ１２からの光を多く吸収する。この光吸収層１５を通過した光は、ＥＡ素子１４の他端面１４ｄから出力変調光として出力される。
【００２０】
第１の駆動回路１６が出力する駆動電流は、制御回路２０からの変調信号によって変調されている。また、第２の駆動回路１８が出力する駆動電圧は、制御回路２０からの変調信号によって変調されている。
【００２１】
より具体的には、制御回路２０は、半導体レーザ１２に供給される駆動電流とＥＡ素子１４に供給される駆動電圧とが所定の位相関係を有するように、第１の駆動回路１６及び第２の駆動回路１８に変調信号を供給する。以下、本実施の形態では、駆動電流と駆動電圧とが逆位相であるものとするが、本発明の目的が達成できれば駆動電流と駆動電圧との位相が逆位相から一定量だけずれていてもよい。
【００２２】
図２は、半導体レーザ１２の駆動電流−光出力特性と共に、ＥＡ素子１４の駆動電圧（絶対値）−光吸収特性を示す図である。図２には、これら特性と共に、半導体レーザ１２の駆動電流波形Ａ、ＥＡ素子１４の駆動電圧波形（絶対値）Ｂ、半導体レーザ１２の光出力波形Ｃ、および、ＥＡ素子１４の光出力波形Ｄが示されている。
【００２３】
第１の駆動回路１６は、制御回路２０からの変調信号に基づき、駆動電流波形Ａに示されるように変調された駆動電流を半導体レーザ１２に供給する。この駆動電流は、期間ｔ１では第１のレベルの電流値Ｉ１となり、期間ｔ２では第２のレベルの電流値Ｉ２となるように変調されている。電流値Ｉ２は、半導体レーザ１２の閾値電流値Ｉｔｈに比べて十分に大きい。一般に、半導体レーザ１２の閾値電流値は約５ｍＡ〜２０ｍＡである。したがって、本実施形態では、駆動電流のバイアス電流値Ｉｂを約５０ｍＡとし、駆動電流の変調電流値ΔＩｍを約２０ｍＡ〜３０ｍＡとしている。このとき、電流値Ｉ１は（Ｉｂ＋ΔＩｍ）であり、電流値Ｉ２は（Ｉｂ−ΔＩｍ）である。
【００２４】
第２の駆動回路１８は、制御回路２０からの変調信号に基づき、駆動電圧波形Ｂに示されるように変調された駆動電圧を、ＥＡ素子１４のｐｎ接合構造に対して逆方向となるように、ＥＡ素子１４に供給する。本実施形態では、第２の駆動回路１８は、駆動電圧波形Ｂのような負のバイアス電圧を含む駆動電圧をＥＡ素子１４に供給する。この駆動電圧の絶対値は、期間ｔ１では第３のレベルの電圧値Ｖ１となり、期間ｔ２では第４のレベルの電圧値Ｖ２となるように変調されている。本実施形態では、駆動電圧のバイアス電圧の絶対値Ｖｂを約０Ｖ〜２Ｖとしており、駆動電圧の変調電圧の絶対値ΔＶｍを約０Ｖ〜３Ｖとしている。このとき、第３のレベルの電圧の絶対値Ｖ１はＶｂであり、第４のレベルの電圧の絶対値Ｖ２は（Ｖｂ＋ΔＶｍ）である。
【００２５】
駆動電圧の変調周波数は、駆動電流の変調周波数と同一である。一般に、光通信システムがとりうる信号のビットレートは２．５Ｇｂｐｓ〜４０Ｇｂｐｓであるので、例えばＮＲＺ方式を用いた光通信システムにおける駆動電流および駆動電圧の変調周波数は、１．２５ＧＨｚ〜２０ＧＨｚである。
【００２６】
以上の説明の如く、制御回路２０は、期間ｔ１では駆動電流値がＩ１となり且つ駆動電圧の絶対値がＶ１となるように、第１の駆動回路１６および第２の駆動回路１８を制御し、期間ｔ２では駆動電流値がＩ２となり且つ駆動電圧の絶対値がＶ２となるように、第１の駆動回路１６および第２の駆動回路１８を制御する。
【００２７】
以下、発光モジュール１０システムの動作および作用効果を説明する。第１の駆動回路１６が、制御回路２０に制御されて、駆動電流波形Ａに示されるように変調された駆動電流を、半導体レーザ１２に供給する。また、第２の駆動回路１８が、制御回路２０に制御されて、駆動電圧波形Ｂに示されるように変調された負のバイアスレベルの駆動電圧を、ＥＡ素子１４に逆方向に供給する。
【００２８】
半導体レーザ１２は、供給された駆動電流に応じて、光出力波形Ｃに示されるように変調された光をＥＡ素子１４へ出力する。ＥＡ素子１４は、半導体レーザ１２からの光を受けて、一周期中の期間ｔ１ではこの光を通過させ、一周期中の期間ｔ２では当該光を吸収する。このようにして、発光モジュール１０から光出力波形Ｄに示すように変調された光が出力される。
【００２９】
このように、本実施形態では、半導体レーザ１２およびＥＡ素子１４が変調されている。したがって、直接変調方式の発光モジュールに比べて半導体レーザ１２の変調電流の振幅ΔＩｍを小さくすることができる。また、外部変調方式の発光モジュールに比べてＥＡ素子１４の変調電圧の絶対値を小さくすることができる。半導体レーザ１２に値Ｉ２のローレベルの駆動電流が供給されているときに、ＥＡ素子１４には絶対値Ｖ２のハイレベルの逆方向の駆動電圧が印加されているので、半導体レーザ１２の変調電流の振幅ΔＩｍ、および、ＥＡ素子１４の変調電圧の絶対値が小さくても、半導体レーザ１２のローレベルの光がＥＡ素子１４によって選択的に吸収される。したがって、本実施形態では、直接変調方式および外部変調方式の発光モジュールと同等の消光比を得ることができる。
【００３０】
また、半導体レーザ１２の変調電流の振幅ΔＩｍを小さくすることができるので、半導体レーザ１２の変調電流値Ｉ２を半導体レーザ１２の閾値電流値Ｉｔｈまで小さくする必要がない。したがって、光出力やキャリア密度の緩和振動が低減され、半導体レーザ１２によるチャーピングが低減される。
【００３１】
また、駆動電流値Ｉ２を閾値Ｉｔｈに比べて十分大きくすることができるので、半導体レーザ１２の緩和振動に伴うオーバーシュートやアンダーシュートが低減され、半導体レーザ１２によるチャーピングが低減される。
【００３２】
また、半導体レーザ１２を高いバイアス電流値Ｉｂで駆動することができるので、半導体レーザ１２の緩和振動周波数が高くなる。したがって、発光モジュール１０は、高い周波数で変調する光通信システムに適用されることが好適である。また、半導体レーザ１２によるノイズが低減されるので、低ノイズである発光モジュール１０が提供される。
【００３３】
また、ＥＡ素子１４の変調電圧の絶対値を小さくすることができるので、印加電圧に対するＥＡ素子１４のチャーピング特性の変動が低減される。また、ＥＡ素子１４の光吸収量が低減され、放出時間の長い正孔の残留量が低減されるので、ＥＡ素子１４の変調特性の劣化が低減される。
【００３４】
また、本実施形態では、ＥＡ素子１４に負のバイアス電圧を含む逆方向電圧を印加しているので、ある負のバイアス電圧においてＥＡ素子１４によるチャーピングが半導体レーザ１２によるチャーピングに対して逆の特性のものにすることができる。したがって、半導体レーザ１２によるチャーピングがＥＡ素子１４によるチャーピングを打ち消し、発光モジュール１０の光出力のチャーピングが低減される。
【００３５】
図３は、ＥＡ素子１４、半導体レーザ１２、および、発光モジュール１０によるチャーピング特性を示す図である。図３における（ａ）〜（ｃ）には、駆動電圧のバイアス電圧値Ｖｂをそれぞれ０Ｖ、−１．０Ｖ、−１．５ＶとしたときのＥＡ素子１４によるチャープ量（波長変動）が示されている。図３における（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、ＥＡ素子１４のチャーピング特性は駆動電圧のバイアス電圧値Ｖｂに依存する。
【００３６】
図３における（ｄ）には、半導体レーザ１２によるチャープ量（波長変動）が示されている。図３における（ａ）〜（ｄ）を参照すれば、駆動電圧のバイアス電圧値Ｖｂをある適当な負の電圧としたときのＥＡ素子１４のチャーピング特性が、半導体レーザ１２によるチャーピング特性に対して逆の特性となることがわかる。
【００３７】
図３における（ｅ）には、駆動電圧のバイアス電圧値Ｖｂを−１．５ＶとしたときのＥＡ素子１４と半導体レーザ１２とを用いた発光モジュール１０の光出力のチャープ量が示されている。また、図３における（ｆ）には、この発光モジュール１０の光出力が示されている。図３における（ｅ）および（ｆ）を参照すれば、半導体レーザ１２によるチャーピングがＥＡ素子１４によるチャーピングを打ち消し、発光モジュール１０の光出力のチャーピングが低減されることがわかる。
【００３８】
図４は、従来の直接変調方式による発光モジュールの光出力特性を示す図である。図４における（ａ）には、直接変調方式の光出力波形が示されており、（ｂ）にはチャーピング特性が示されている。従来の直接変調方式の半導体レーザでは、消光のための駆動電流を半導体レーザの閾値電流レベルにする必要があるため、図４に示すように光出力に大きなチャーピング（波長変動）が生じている。一方、本実施の形態の発光モジュール１０によれば、前述のようにチャーピングが低減され、光出力のオーバーシュートおよびアンダーシュートの低減によって光出力波形が改善される。
【００３９】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、半導体レーザ１２とＥＡ素子１４とが同一の基板２２上に形成されているが、これらが異なる基板上に形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る発光モジュールの構成を概略的に示す図である。
【図２】半導体レーザの駆動電流−光出力特性と共に、ＥＡ素子の駆動電圧（絶対値）−光吸収特性を示す図である。
【図３】ＥＡ素子、半導体レーザ、および、発光モジュールによるチャーピング特性を示す図である。
【図４】従来の直接変調方式による発光モジュールの光出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…発光モジュール、１２…半導体発光素子（半導体レーザ）、１３…活性層、１４…半導体変調素子（ＥＡ素子）、１５…光吸収層、１６…第１の駆動回路、１８…第２の駆動回路、２０…制御回路、２２…基板、２４、２６、２８…電極。
【図１】
2007019418.tif 000003
【図２】
2007019418.tif 000004
【図３】
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【図４】
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