(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に制御可能な吸収性を有する、圧縮歪み多重量子井戸層である半導体層を備えた電気吸収変調器であって、２５℃よりも実質的に高い該変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-y（ｘ＝０．１４、ｙ＝０．５２）を含む材料組成を該半導体層が有している、電気吸収変調器。
【請求項２】
前記半導体層は多重量子井戸層を含む、請求項１に記載の電気吸収変調器。
【請求項３】
前記半導体層はバルク半導体層を含む、請求項１に記載の電気吸収変調器。
【請求項４】
前記半導体層を伝播する光の波長は実質的に１３１０ｎｍである、請求項１に記載の電気吸収変調器。
【請求項５】
前記半導体層を伝播する光の波長は実質的に１５５０ｎｍである、請求項１に記載の電気吸収変調器。
【請求項６】
３５℃よりも実質的に高い前記電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が前記半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-yを含む材料組成を該半導体層が有している、請求項１に記載の電気吸収変調器。
【請求項７】
４５℃よりも実質的に高い前記電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が前記半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-yを含む材料組成を該半導体層が有している、請求項１に記載の電気吸収変調器。
【請求項８】
前記電気吸収変調器または前記光を生成するレーザのうちの一方の最大動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が前記半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-yを含む材料組成を該半導体層が有している、請求項１に記載の電気吸収変調器。
【請求項９】
前記電気吸収変調器の変調入力に電気的に結合された出力を有する電子データ変調器をさらに備え、該電子データ変調器は、前記半導体層の吸収端を変更する最高最低電圧振幅を有するＡＣ電気変調信号を生成することにより、該電気吸収変調器の光透過特性を変更する、請求項１に記載の電気吸収変調器。
【請求項１０】
前記電気吸収変調器の前記半導体層、および前記光を生成するレーザのうちの少なくとも１つと熱伝導を行う熱センサをさらに備える、請求項９に記載の電気吸収変調器。
【請求項１１】
前記熱センサに電気的に結合された入力、および前記電子データ変調器のＤＣバイアス電圧制御入力に電気的に結合された出力を有する温度駆動コントローラをさらに備え、該温度駆動コントローラは、該電子データ変調器に前記ＡＣ電気変調信号のＤＣバイアス電圧を変更させる信号を生成する、請求項１０に記載の電気吸収変調器。
【請求項１２】
前記温度駆動コントローラは、前記ＤＣバイアス電圧を決定するためにルックアップテーブルを用いるプロセッサを備える、請求項１１に記載の電気吸収変調器。
【請求項１３】
電気吸収変調レーザであって、
ａ）出力において光を生成するレーザと、
ｂ）該レーザの出力に光学的に結合された半導体層を含む電気吸収変調器であって、該半導体層は、圧縮歪み多重量子井戸層であり、電気的に制御可能な吸収性を有し、かつ、２５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-y（ｘ＝０．１４、ｙ＝０．５２）を含む材料組成を有している、電気吸収変調器と
を備える、電気吸収変調レーザ。
【請求項１４】
前記電気吸収変調器の半導体層は多重量子井戸層を含む、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項１５】
前記レーザは分布フィードバック半導体レーザを含む、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項１６】
前記レーザおよび前記電気吸収変調器は単一の基板上に集積される、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項１７】
前記レーザおよび前記電気吸収変調器は、光学的に結合された物理的に別のデバイスである、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項１８】
前記レーザと熱伝導を行う熱電子冷却器をさらに備える、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項１９】
前記熱電子冷却器は、前記レーザにより生成される光の波長を変更するように、該レーザの温度を調整する、請求項１８に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項２０】
前記レーザにより生成される光の波長は実質的に１３１０ｎｍである、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項２１】
前記レーザにより生成される光の波長は実質的に１５５０ｎｍである、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項２２】
前記電気吸収変調器の波長に対する電圧感度は、前記レーザの波長に対する電圧感度と実質的に同じである、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項２３】
３５℃よりも実質的に高い前記電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が前記半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-yを含む材料組成を該半導体層が有している、請求項１３に記載の電気吸収変調レーザ。
【請求項２４】
光通信システム用の伝送器であって、
該伝送器は、
ａ）出力において光を生成するレーザと、
ｂ）電気的に制御可能な吸収性を有する電気吸収変調器であって、該電気吸収変調器は、該レーザの出力に光学的に結合された半導体層を含み、該半導体層は、圧縮歪み多重量子井戸層であり、２５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-y（ｘ＝０．１４、ｙ＝０．５２）を含む材料組成を該半導体が有している、電気吸収変調器と、
ｃ）該電気吸収変調器の変調入力に電気的に結合された出力を有する電子データ変調器であって、該電子データ変調器は、該半導体層の吸収端を変更する最高最低電圧振幅を有するＡＣ電気変調信号を生成することにより、該電気吸収変調器の光透過特性を変更し、該レーザにより生成された光を変調する、電子データ変調器と、
ｄ）該電気吸収変調器の該半導体層および該レーザのうちの少なくとも１つと熱伝導を行う熱センサと、
ｅ）該熱センサに電気的に結合された入力、および該電子データ変調器のＤＣバイアス制御入力に電気的に結合された出力を有する温度駆動コントローラと
を備え、
該温度駆動コントローラは、該電子データ変調器に該ＡＣ電気変調信号のＤＣバイアス電圧を変更させる信号を生成する、光通信システム用の伝送器。
【請求項２５】
前記レーザにより生成される光の波長は実質的に１３１０ｎｍである、請求項２４に記載の伝送器。
【請求項２６】
前記レーザにより生成される光の波長は実質的に１５５０ｎｍである、請求項２４に記載の伝送器。
【請求項２７】
前記電気吸収変調器の波長に対する電圧感度は、前記レーザの波長に対する電圧感度と実質的に同じである、請求項２４に記載の伝送器。
【請求項２８】
４５℃よりも実質的に高い前記電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が前記半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-yを含む材料組成を該半導体層が有している、請求項２４に記載の伝送器。
【請求項２９】
光を変調する方法であって、
該方法は、
ａ）電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層にＤＣ逆バイアス電圧を印加することと、
ｂ）電気的に制御可能な吸収性を有する、圧縮歪み多重量子井戸層である半導体層を通して該光を伝播させることであって、２５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-y（ｘ＝０．１４、ｙ＝０．５２）を含む材料組成を該半導体層が有している、ことと、
ｃ）最高最低電圧振幅を有するＡＣ電気変調信号を該半導体層に印加することであって、該変調信号は、該半導体層の吸収端を変更することにより、該光を変調する、ことと
を包含する、方法。
【請求項３０】
ａ）前記半導体層および前記光を生成するレーザのうちの少なくとも１つの温度を測定することと、
ｂ）該測定された温度に応じて、該半導体層に印加される前記ＤＣ逆バイアス電圧を変更することとをさらに包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
ａ）前記半導体層および前記光を生成するレーザのうちの少なくとも１つの温度を測定することと、
ｂ）該測定された温度に応じて、該光を生成するレーザを駆動するバイアス電流を変更することとをさらに包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
電気吸収変調器の温度を半導体レーザの温度まで追跡する方法であって、
該方法は、
ａ）半導体レーザを用いて光を生成することと、
ｂ）電気的に制御可能な吸収性を有する、圧縮歪み多重量子井戸層である半導体層を含む電気吸収変調器を通して該光を伝播させることであって、２５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように、印加される電圧の関数としての該変調器の透過応答が該変調器の動作温度の増大とともにシフトするという結果を生じさせるＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-y（ｘ＝０．１４、ｙ＝０．５２）を含む材料組成を該半導体層が有している、ことと、
ｃ）ＤＣ逆バイアス電圧および最高最低電圧振幅を有するＡＣ電気変調信号を該半導体層に印加することであって、該変調信号は、該半導体層の吸収端を変更することにより、該電気吸収変調器の光透過特性を変更し、該レーザにより生成される該光を変調する、ことと、
ｄ）該光を生成する該半導体レーザの温度を測定することと、
ｅ）該測定された温度に応じて、該ＡＣ電気的変調信号のＤＣ逆バイアス電圧および該最高最低電圧振幅のうちの少なくとも１つと該レーザを通るバイアス電流とを変更することと
を包含する、方法。
【請求項３３】
前記多重量子井戸層は、圧縮ひずみを含む、請求項２に記載の電気吸収変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、光変調器および変調レーザに関する。特に、本発明は、電気吸収変調器を用いて光を変調するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気吸収変調器（ＥＡＭ）および電気吸収変調レーザ（ＥＭＬ）は、電気通信システムまたはデータ通信システムでの情報の伝送に有用である。ＥＭＬは、他の変調ソースに対していくつかの利点を有する。例えば、ＥＭＬは、比較的に大きく、高価であるために望ましくない外部フィルタを使用することなく、比較的に低いビットエラーレートで通信信号を直接生成することができる。外部フィルタはまた、伝送電子機器ボード上の貴重なスペースを占める。さらに、ＥＭＬは、通信信号解析器上で見た場合、比較的に「クリーンな」アイパターンを有する伝送特性を直接生成する。このようなアイパターンは、デジタル「１」とデジタル「０」との間の許容可能な区別を示し、よって、比較的にエラーがない（すなわち、１０-9よりも少ないビットエラーレート）情報伝送を示す。
【０００３】
ＥＭＬの別の利点は、それらが安定した高出力の変調光ビームを生成することができることである。ＥＭＬのまた別の利点は、それらが比較的に高いデータレートで変調される光信号を生成することができることである。さらに、ＥＭＬは、多くの市販されている駆動電圧源とインピーダンス整合され得る業界基準入力インピーダンスを備えたパッケージへの取付けが比較的容易であるため、その使用は好都合である。ＥＭＬはまた、比較的に安価である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在入手可能なＥＭＬに共通の欠点は、それらが多くの実用的な用途のために外部熱コントローラを必要とすることである。例えば、ＥＭＬは、周囲温度が比較的に広範囲にわたって（例えば、同期光通信ネットワーク（ＳＯＮＥＴ）により規格化された動作温度範囲全体にわたって）変化したとしても、データ伝送が比較的にエラーがなく行われ得るように、ＥＭＬを実質的に一定の動作温度に維持するために、熱電子冷却器（ＴＥＣ）等の外部熱コントローラを必要とする。一般に、外部熱電子冷却器は、電力集約型であり、比較的に大きく、かつ比較的に高価なデバイスであるため望ましくない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層を備えた電気吸収変調器は、該半導体層の材料組成が、２５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択され、これにより上記目的を達成する。
【０００６】
前記半導体層は多重量子井戸層を含んでもよい。
【０００７】
前記半導体層はバルク半導体層を含んでもよい。
【０００８】
前記半導体層を伝播する光の波長は実質的に１３１０ｎｍであってもよい。
【０００９】
前記半導体層を伝播する光の波長は実質的に１５５０ｎｍであってもよい。
【００１０】
前記半導体層の材料組成は、３５℃よりも実質的に高い前記電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択されてもよい。
【００１１】
前記半導体層の材料組成は、４５℃よりも実質的に高い前記電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択されてもよい。
【００１２】
前記半導体層の材料組成は、前記電気吸収変調器または前記光を生成するレーザのうちの一方の最大動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する該光を実質的に透過するように選択されてもよい。
【００１３】
前記電気吸収変調器の変調入力に電気的に結合された出力を有する電子データ変調器をさらに備え、該電子データ変調器は、前記半導体層の吸収端を変更する最高最低電圧振幅を有する電気ＡＣ変調信号を生成することにより、該電気吸収変調器の光透過特性を変更してもよい。
【００１４】
前記電気吸収変調器の前記半導体層、および前記光を生成するレーザのうちの少なくとも１つと熱伝導を行う熱センサをさらに備えてもよい。
【００１５】
前記熱センサに電気的に結合された入力、および前記電子データ変調器のＤＣバイアス電圧制御入力に電気的に結合された出力を有する温度駆動コントローラをさらに備え、該温度駆動コントローラは、該電子データ変調器に前記電気ＡＣ変調信号のＤＣバイアス電圧を変更させる信号を生成してもよい。
【００１６】
前記温度駆動コントローラは、前記ＤＣバイアス電圧を決定するためにルックアップテーブルを用いるプロセッサを備えてもよい。
【００１７】
本発明の電気吸収変調レーザは、ａ）出力に光を生成するレーザと、ｂ）該レーザの出力に光学的に結合された半導体層を含む電気吸収変調器であって、該半導体層は電気的に制御可能な吸収性を有し、該半導体層の材料組成が、２５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される電気吸収変調器とを備え、これにより上記目的を達成する。
【００１８】
前記電気吸収変調器の半導体層は多重量子井戸層を含んでもよい。
【００１９】
前記レーザは分布フィードバック半導体レーザを含んでもよい。
【００２０】
前記レーザおよび前記電気吸収変調器は単一の基板上に集積されてもよい。
【００２１】
前記レーザおよび前記電気吸収変調器は、光学的に結合された物理的に別のデバイスであってもよい。
【００２２】
前記レーザと熱伝導を行う熱電子冷却器をさらに備えてもよい。
【００２３】
前記熱電子冷却器は、前記レーザにより生成される光の波長を変更するために、該レーザの温度を調整してもよい。
【００２４】
前記レーザにより生成される光の波長は実質的に１３１０ｎｍであってもよい。
【００２５】
前記レーザにより生成される光の波長は実質的に１５５０ｎｍであってもよい。
【００２６】
前記電気吸収変調器の波長に対する電圧感度は、前記レーザの波長に対する電圧感度と実質的に同じであってもよい。
【００２７】
前記電気吸収変調器の前記半導体層の材料組成は、３５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択されてもよい。
【００２８】
本発明の光通信システム用の伝送器は、ａ）出力に光を生成するレーザと、ｂ）電気的に制御可能な吸収性を有する電気吸収変調器であって、該電気吸収変調器は、該レーザの出力に光学的に結合された半導体層を含み、該半導体層の材料組成が、２５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される、電気吸収変調器と、ｃ）該電気吸収変調器の変調入力に電気的に結合された出力を有する電子データ変調器であって、該電子データ変調器は、該半導体層の吸収端を変更する最高最低電圧振幅を有する電気ＡＣ変調信号を生成することにより、該電気吸収変調器の光透過特性を変更し、該レーザにより生成された光を変調する、電子データ変調器と、ｄ）該電気吸収変調器の該半導体層および該レーザのうちの少なくとも１つと熱伝導を行う熱センサと、ｅ）該熱センサに電気的に結合された入力、および該電子データ変調器のＤＣバイアス電圧制御入力に電気的に結合された出力を有する温度駆動コントローラであって、該温度駆動コントローラは、該電子データ変調器に該電気ＡＣ変調信号のＤＣバイアス電圧を変更させる信号を生成する、温度駆動コントローラとを備え、これにより上記目的を達成する。
【００２９】
前記レーザにより生成される光の波長は実質的に１３１０ｎｍであってもよい。
【００３０】
前記レーザにより生成される光の波長は実質的に１５５０ｎｍであってもよい。
【００３１】
前記電気吸収変調器の波長に対する電圧感度は、前記レーザの波長に対する電圧感度と実質的に同じであってもよい。
【００３２】
前記電気吸収変調器の前記半導体層の材料組成は、４５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択されてもよい。
【００３３】
本発明によるデータ変調光を生成する方法は、ａ）光を生成する工程と、ｂ）電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層に該光を伝播させる工程であって、該半導体層の材料組成は、２５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される、工程と、ｃ）該半導体層の温度を２５℃よりも上に上昇させる工程と、ｄ）ＤＣ逆バイアス電圧を該半導体層全体に印加する工程と、ｅ）最高最低電圧振幅を有する電気ＡＣ変調信号を該半導体層全体に印加する工程であって、該変調信号は、該半導体層の吸収端を変更することにより、該光を変調する工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。
【００３４】
前記方法は、ａ）前記半導体層および前記光を生成するレーザのうちの少なくとも１つの温度を測定する工程と、）該測定された温度に応じて、該半導体層全体に印加される前記ＤＣ逆バイアス電圧を変更する工程とをさらに包含してもよい。
【００３５】
前記方法は、ａ）前記半導体層および前記光を生成するレーザのうちの少なくとも１つの温度を測定する工程と、ｂ）該測定された温度に応じて、該光を生成するレーザを駆動するバイアス電流を変更する工程とをさらに包含してもよい。
【００３６】
本発明による電気吸収変調器の温度を半導体レーザの温度まで追跡する方法は、ａ）半導体レーザを用いて光を生成する工程と、ｂ）電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層を含む電気吸収変調器に該光を伝播させる工程であって、該半導体層の材料組成は、２５℃よりも実質的に高い該電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が該半導体層全体に印加されるときに、該半導体層が該半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される、工程と、ｃ）ＤＣ逆バイアス電圧および最高最低電圧振幅を有するＡＣ電気変調信号を該半導体層全体に印加する工程であって、該変調信号は、該半導体層の吸収端を変更することにより、該電気吸収変調器の光透過特性を変更し、該レーザにより生成される該光を変調する、工程と、ｄ）該光を生成する該半導体レーザの温度を測定する工程と、ｅ）該測定された温度に応じて、該ＡＣ電気的変調信号のＤＣ逆バイアス電圧および該最高最低電圧振幅のうちの少なくとも１つ、および該レーザを通るバイアス電流を変更する工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。
【００３７】
本発明は、高い動作温度許容差を有する電気吸収変調器（ＥＡＭ）および電気吸収変調レーザ（ＥＭＬ）に関する。本発明によるＥＡＭおよびＥＭＬは、ＴＥＣ等の外部熱コントローラなしで動作できるため、公知のＥＡＭおよびＥＭＬほど電力およびスペースを必要とし得ない。しかしながら、本発明の方法および装置は、外部温度制御の有無に関わらず実践され得る。
【００３８】
従って、本発明は、電気的に制御可能な光吸収性を有する半導体層を備えたＥＡＭを特徴とする。１つの実施形態では、半導体層は、多重量子井戸層である。別の実施形態では、半導体層は、バルク半導体層である。半導体層の材料組成は、２５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される。半導体層の材料組成は、実質的に１３１０ｎｍ、または実質的に１５５０ｎｍである光を変調するように選択され得る。
【００３９】
別の実施形態では、材料組成は、３５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される。別の実施形態では、材料組成は、４５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される。
【００４０】
さらに別の実施形態では、材料組成は、電気吸収変調器の最大動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される。
【００４１】
電子データ変調器は、電気吸収変調器に電気的に結合され得る。電子データ変調器の出力は、電気吸収変調器の変調入力に電気的に結合される。電子データ変調器は、半導体層の吸収端を変更する最高最低電圧振幅を有する電気変調信号を生成することにより、電気吸収変調器の光伝送特性を変更する。
【００４２】
変調信号は、印加された逆バイアス電圧を用いて、ＥＡＭを光学的透過から光学的不透過へと変換する。変調信号の所望の最高最低電圧振幅（約１〜２．５ボルト）は、ＥＡＭ吸収が温度の関数として変化するときに、温度とともに変化する。変調信号の最高最低電圧振幅は、所望の吸光特性に依存する。例えば、約１３ｄＢの吸光率を達成するために、室温で１〜２．５ボルトの最高最低振幅が、いくつかの公知の材料に対して必要とされる。
【００４３】
１つの実施形態では、温度駆動コントローラが用いられる。温度センサが、電気吸収変調器の半導体層、またはＥＡＭの半導体層を伝播する光を生成する半導体レーザの活性層と熱伝達を行うように配置される。この温度駆動コントローラは、熱センサに電気的に結合される入力、および電子データ変調器のＤＣバイアス制御入力に電気的に結合される出力を有する。
【００４４】
温度駆動コントローラは、電子データ変調器により生成された電気変調信号のＤＣバイアスを変更する信号を生成する。温度駆動コントローラは、特定の温度に対する半導体層全体の所望のＤＣバイアス電圧等の種々のパラメータを決定するために用いられるルックアップテーブルを備えるプロセッサを備え得る。
【００４５】
本発明はまた、出力に光を生成するレーザを備えた電気吸収変調レーザ（ＥＭＬ）を特徴とする。１つの実施形態では、このレーザは、分布フィードバック半導体レーザである。１つの実施形態では、熱電子冷却器がレーザと熱伝達を行うように配置される。この熱電子冷却器は、レーザにより生成された光の波長を変更するために用いられ得る。１つの実施形態では、レーザにより生成された光の波長は、実質的に１３１０ｎｍ、または実質的に１５５０ｎｍである。
【００４６】
電気吸収変調レーザはまた、レーザにより生成された光を変調する電気吸収変調器を備える。レーザおよび電気吸収変調器は、単一の基板上に集積され得るか、
または物理的に別のデバイスであり得る。
【００４７】
電気吸収変調器は、電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層を備える。半導体層は、多重量子井戸層、またはバルク半導体層であり得る。半導体層の材料組成は、２５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される。半導体層の材料組成は、実質的に１３１０ｎｍ、または実質的に１５５０ｎｍである光を変調するように選択され得る。
【００４８】
１つの実施形態では、電気吸収変調器の材料組成は、電気吸収変調器の最大動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される。
【００４９】
本発明はまた、光通信システムのための伝送器、または伝送器を備えるトランスポンダーを特徴とする。１つの実施形態では、伝送器は、実質的に１３１０ｎｍ、または実質的に１５５０ｎｍである波長を有する光信号を生成する。別の実施形態では、伝送器は、光ファイバーを介するか、または空気中を介する伝送のための任意の所望の通信波長で光信号を生成する。
【００５０】
伝送器は、出力に光を生成するレーザを備える。伝送器はまた、電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層を備えた電気吸収変調器を備える。半導体層の材料組成は、２５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される。
【００５１】
電子データ変調器は、レーザにより生成された光を変調する。電子データ変調器は、電気吸収変調器の変調入力に電気的に結合された出力を有する。電子データ変調器は、半導体層の吸収端を変更する最高最低電圧振幅を有する電気変調信号を生成することにより、電気吸収変調器の光伝送特性を変更する。
【００５２】
温度センサは、半導体レーザ、および電気吸収変調器の半導体層のうちの少なくとも１つと熱伝導を行うように配置される。伝送器は、熱センサに電気的に結合された入力、および電子データ変調器のＤＣバイアス制御入力に電気的に結合された出力を有する、温度駆動コントローラを備える。
【００５３】
温度駆動コントローラは、電子データ変調器により生成された電気変調信号のＤＣバイアスを変更する信号を生成する。温度駆動コントローラは、特定の温度に対する半導体層全体の所望のＤＣバイアス電圧等の種々のパラメータを決定するために用いられるルックアップテーブルを備えるプロセッサを備え得る。
【００５４】
本発明はまた、データ変調光を生成する方法を特徴とする。本方法は、光を生成し、次いで、電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層を介して光を伝播させる工程を包含する。半導体層は、２５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される材料組成を有する。
【００５５】
本方法はまた、半導体層の温度を２５℃よりも上に上昇させる工程を包含する。ＤＣ逆バイアス電圧が、半導体層全体に印加される。電圧を有する変調信号が、半導体層全体に印加される。この変調信号は、半導体層の吸収端を変更することにより、光を変調する。
【００５６】
１つの実施形態では、半導体層または光を生成するレーザの温度が測定され、半導体層全体に印加されるＤＣバイアス電圧が、測定された温度に応じて変更される。別の実施形態では、半導体層または光を生成するレーザの温度が測定され、光を生成するレーザを駆動するバイアス電流が、測定された温度に応じて変更される。
【００５７】
本発明はまた、電気吸収変調器の温度を半導体レーザの温度まで追跡する方法を特徴とする。本方法は、半導体レーザを用いて光を生成する工程を包含する。この光は、電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層を備えた電気吸収変調器を介して伝播する。半導体層は、２５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される材料組成を有する。
【００５８】
例えば、１．０〜２．５ボルトの最高最低電圧振幅を有する変調信号が、半導体層全体に印加される。この変調信号が半導体層の吸収端を変更することにより、電気吸収変調器の光伝送特性が変更され、レーザにより生成された光が変調される。光を生成するレーザの温度が測定され、測定された温度に応じて、電気変調信号の最高最低電圧振幅が変更され、その結果、透過光の所望の吸光率が得られる。吸光率とは：
−１０ｌｏｇ［Ｉout／Ｉin］
を意味し、ここで、ＩOUTはＥＡＭを通過する強度であり、Ｉinは、入射ＥＡＭ強度である。
【００５９】
【発明の実施の形態】
本特許出願は、２００１年７月１１日に出願された仮特許出願番号第６０／３０４，４９６号の優先権を主張し、その開示の全てを本明細書中において参考として援用する。
【００６０】
本発明は、下記の説明において詳述される。本発明の上記利点およびさらなる利点は、添付の図面とともに下記の説明を参照することでより理解され得る。各図面において、同様の参照番号は同様の構成要素および特徴を示す。図面は、本発明の原理を示すために強調されており、縮尺は特に必要としていない。
【００６１】
図１は、従来技術による電気吸収変調レーザ（ＥＭＬ）１０を示す。ＥＭＬ１０は、レーザダイオード１２セクション、および電気吸収変調器（ＥＡＭ）１４セクションを備える。レーザダイオード１２セクションは、通常、分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザである。ＥＡＭ１４は、通常、多重量子井戸半導体層等の半導体層を備えるデバイスである。この半導体層は、通常、変調される光の光子エネルギーよりもわずかに大きなバンドギャップを有する。レーザダイオード１２セクションは、ＥＡＭ１４セクションに光学的に結合される。レーザダイオード１２セクション、およびＥＡＭセクション１４は、通常、単一の基板上に集積されるが、物理的に別のデバイスであり得る。
【００６２】
電子レーザ駆動回路１６は、レーザダイオード１２のバイアス入力１８に電気的に結合される。電子レーザ駆動回路１６は、レーザダイオード１２を駆動する持続波（ＣＷ）電流を生成することにより、レーザダイオード１２に所定の波長を有する実質的に単色光を発光させる。電子データ変調回路２０は、ＥＡＭ１４の変調入力２２に電気的に結合される。
【００６３】
電子データ変調回路２０は、半導体層全体に逆バイアス電界を生じる多重量子井戸半導体層全体に電圧を生成する。逆バイアス電界は、半導体層の吸収端をより長い波長へと逆にして移動させる（すなわち、逆バイアス電界が吸収端を下げる）。吸収端のシフトにより、半導体層が、半導体層を伝播する、レーザダイオード１２セクションにより生成された光を吸収する。
【００６４】
多重量子井戸半導体層全体の電圧を低減することにより、逆バイアス電界が取り除かれるか、または低減され、それにより、半導体層が、レーザダイオード１２により生成された光に半導体層を透過させる。それゆえ、ＥＡＭ１４に伝播するレーザダイオード１２が発光した光が、層にレーザダイオード１２が発光する光を実質的に不透過にさせる半導体層全体の十分な逆バイアス電圧と、層にレーザダイオード１２が発光する光を実質的に透過させる、実質的にゼロまたは十分に正のバイアス電圧との間の多重量子井戸半導体層全体の電圧を変調することにより変調され得る。
【００６５】
結果得られた変調光は、ＥＭＬ１０の光出力２４で発光される。光出力２４は、光ファイバー等の光学伝達媒体（図示せず）に直接結合され得るか、またはレンズ伝達システムを介して、光学伝達媒体に結合され得る。変調光の波長は、電子レーザ駆動回路１６により生成され、レーザダイオード１２に印加されるＣＷ電流の振幅を調整することにより制御され得る。変調光の波長はまた、レーザダイオード１２の温度を調整することにより制御され得る。
【００６６】
一般的な従来技術によるＥＭＬ１０デバイスは、レーザダイオード１２およびＥＡＭ１４の温度を制御する熱電子冷却器（ＴＥＣ）２６を備える。ＥＭＬ１０の温度は、熱センサ２８およびフィードバック回路３０を用いて安定化され得る。熱センサ２８は、レーザダイオード１２に熱的に結合され、入力３２でフィードバック回路３０に電気的に結合される。フィードバック回路３０は、入力３４でＴＥＣ２６に電気的に結合される。フィードバック回路３０は、熱センサ２８から、レーザダイオード１２の測定温度に関連する信号を入力３２で受信し、測定温度に応じて、出力３６に信号を生成する。フィードバック回路３０により生成された信号は、周囲温度に関係なく、レーザダイオード１２を所定の動作温度に維持するために、ＴＥＣ２６の熱特性（よって、所望の波長で発光した光のスペクトルエネルギーの主要部分）を制御する。
【００６７】
図２は、室温で動作するように最適化されたＥＭＬの従来技術によるＥＡＭセクションに対する印加電圧を関数とした、ＥＭＬに対する光の特定の波長での正規化光透過応答５０を示す。室温とは、約２５℃の周囲室温を意味する。印加電圧は、ＥＡＭの半導体層全体に印加される逆バイアス電界を生成する逆バイアス電圧である。逆バイアス電界は、半導体材料の吸収端をより長い波長（すなわち、より低い吸収端）へとシフトさせる。吸収端のシフトにより、半導体層はレーザダイオードから透過された光の少なくとも一部を吸収する。逆バイアス電圧の全てまたは大部分を取り除くか、またはキャンセルすることにより、吸収端は再度より短い波長へとシフトする。
【００６８】
正規化光透過応答５０は、実質的にゼロバイアスで（すなわち、ＥＡＭの半導体層全体に印加されるバイアス電圧は存在しない）、ＥＡＭを有するレーザダイオードにより発光される光を実質的に透過するように設計されたＥＡＭ半導体構造のためのものである。逆バイアスが半導体層全体に印加されると、ＥＡＭ半導体層の吸収端は、より長い波長へとシフトされ、結果的に、ＥＡＭは、レーザダイオードから透過された光の一部を吸収し始める。図２は、逆バイアスの絶対値が約２ボルトである場合、ＥＡＭ半導体層が、実質的に全ての光を吸収し、本質的にＥＭＬから透過される光はないことを示す。
【００６９】
図３は、従来技術による電気吸収変調器に対する印加電圧を関数とした、正規化光透過応答６０の理論族を示す。正規化透過応答６０は、−１０℃〜＋４５℃の範囲の５つの温度について示される。この温度範囲は、３００ピンの１０ＧｂトランスポンダーについてのＭｕｌｔｉ−Ｓｏｕｒｃｅ  Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ（ＭＳＡ）Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｏｃｕｍｅｎｔで見られる０〜６５℃の場合の温度範囲仕様の一部を表わす。正規化透過応答６０の理論族は、特定の正規化透過レベルを達成するために、半導体層全体に必要な逆バイアス電圧の絶対値が周囲温度が上昇するにつれて減少することを示す。
【００７０】
高温（約３５℃以上）で、正規化透過応答６０の理論族は、室温（約２５℃）で動作するように最適化された従来技術によるＥＡＭが、ＥＡＭに光を吸収させるために、正の電圧を必要とすることを示す。しかしながら、一般に、半導体ＥＡＭは、（実質的に０．５ボルトよりも大きい）正の電圧では確実に動作することができない。半導体ＥＡＭは、通常、吸収端をより長い波長へと移動させ、それによりＥＡＭにレーザダイオードから発光された光を吸収させるために、半導体層全体に逆バイアス電圧を必要とする。それゆえ、正規化透過応答６０の理論族は、従来技術によるＥＡＭが室温より実質的に高い温度で適切に機能（すなわち、吸光）しないことを示す。
【００７１】
本出願人は、半導体層全体に印加された実質的にゼロ（ゼロ、または例えば、＋０．５ボルトのわずかに正の電圧を意味する）または逆バイアス電圧が、比較的に高い動作温度またはＥＡＭの最大動作温度で、レーザダイオードから伝播する実質的に全ての光がＥＡＭを透過するように、ＥＡＭの半導体層を設計することにより、広範な動作温度範囲を達成するようにＥＡＭが構成され得ることを見出した。これは、１つの実施形態では、半導体層が比較的に高い動作温度（例えば、ＭＳＡ用途では７０℃）、または特殊な用途ではより高い温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層を伝播する光を実質的に透過するように半導体層を作製することにより達成される。
【００７２】
多くの用途で外部冷却なしで動作され得るため、このようなＥＡＭは望ましい。よって、このようなＥＭＬ、または個別のレーザおよびＥＡＭは比較的に安価であり、公知のＥＭＬおよび個別のＥＡＭと比較して、電力消費量および必要とするスペースが少ない。しかしながら、必要とはされないが、本発明によるＥＡＭは、所望であれば、外部冷却とともに用いられ得る。
【００７３】
図４Ａは、本発明によるＥＭＬの分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザダイオードセクションのエッチングおよび再成長前の半導体層材料構造１００の図である。半導体層材料構造１００は、多重量子井戸構造を含む。多重量子井戸構造は、高利得、ならびに、結果として、低い閾値電流および高い放出力を提供するため、半導体レーザダイオード領域でしばしば用いられる。１つの実施形態では、量子井戸厚さ、および量子井戸成分が、利得のピークが所望の動作波長であるか、またはそれに近接して選択され、その下にある構造の周期性が、レーザ発光が所望の波長であるように選択される。
【００７４】
１つの実施形態では、半導体層材料構造１００が、歪み層（ＳＬ）多重量子井戸構造である。歪み層は、価電子サブバンドの分裂を生じる、二軸歪みを有する。詳細には、等方歪みの軸成分が、重いホール（ｈｈ）状態および軽いホール（ｌｈ）状態を、引張り歪み（ＴＳ）多重量子井戸、および圧縮歪み（ＣＳ）多重量子井戸の両方に対する、ｋ＝０点付近で分裂させる。歪み層は、最上位の価電子サブバンドの実効質量を低減する。
【００７５】
歪み多重量子井戸層は、歪みのない多重量子井戸層に対して多くの利点を有する。例えば、歪み多重量子井戸層の使用により、レーザの閾値電流を低減する、より良いキャリア閉じ込めを生じる。歪み多重量子井戸層はまた、歪みのない多重量子井戸層と比較して、比較的に高い差動利得を生じる。さらに、歪み多重量子井戸層は、効率を改善する比較的に低いオージェ再結合を有する。さらに、歪み多重量子井戸層は、光学キャビティ内により高い飽和光出力レベルを生じる得る、より小さな充填因子（ｆｉｌｌ−ｉｎ−ｆａｃｔｏｒ）を有する。より高い飽和光出力レベルは、いくつかの電気通信用途で所望される高い電力動作を緩和するためにレーザを最適化する。
【００７６】
市販されるＥＭＬは、通常、波長分割多重化（ＷＤＭ）光通信システム等の光ファイバー通信システムでの使用のために最適化されている。これらのＥＭＬの性能は、ＥＭＬのＥＡＭセクションからＥＭＬのレーザダイオードセクションへのフィードバックにより著しく影響され得る。このフィードバックは、レイジング波長にチャープを生じ得る。このフィードバックは、光学的、電気的、または光学的フィードバックおよび電気的フィードバックの組み合わせであり得る。
【００７７】
本発明の１つの実施形態では、ＥＭＬのレーザダイオードセクションとＥＡＭセクションとの間の光学分離が、ＥＡＭセクションの発光面からＥＭＬのレーザダイオードセクションまでのフィードバックを最小化するほど十分に高い。例えば、ＥＭＬのレーザダイオードセクションとＥＡＭセクションとの間の光学的絶縁は、３０ｄＢよりも大きくあり得る。１つの実施形態では、回折格子分離セクションが、光学分離を改善するために用いられる。別の実施形態では、減衰セクションが、光学分離を改善するために用いられる。回折格子分離セクションおよび減衰絶縁セクションは、一般に、ＥＭＬから発せられた光出力を低減する光学損失を加える。１つの実施形態では、回折格子分離セクションおよび減衰セクションは、損失を最小化するように設計される。
【００７８】
１つの実施形態では、ＤＦＢレーザが、ファブリ−ペロキャビティレーザと比較して、比較的に狭い発光スペクトルで発光するように設計される。より狭い発光スペクトルは、ＤＦＢ回折格子に対して適切なパラメータを選択することにより達成され得る。１つの実施形態では、回折格子は、発光波長の安定性を改善するために、光導波路に対してある角度に位置する。このような構造は、比較的に狭い線幅を有する高出力レーザとなり得る。
【００７９】
１つの実施形態では、半導体層材料構造１００が、多段階金属有機化学的気相（ＭＯＣＶＤ）成長法を用いて成長させられる。しかしながら、結晶成長の他の公知の方法が、材料構造１００を成長させるために用いられ得る。１つの実施形態では、半導体層材料構造１００が、リン化インジウム（ＩｎＰ）基板１０２上に成長する。ＤＦＢ回折格子は、初期成長の前に、基板１０２上に製造され得るか、または最初の再成長後に上面に製造され得る。
【００８０】
詳細には、図４Ａは、ＩｎＰ基板１０２上に成長するｎドープＩｎＰ１０３クラッド層を備える、材料構造１００を示す。材料構造１００はまた、１つの実施形態で、ＩｎＰ基板１０２と格子整合する、１．１μｍのバンドギャップのｎドープＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．１４、ｙ＝０．３３）四元系層を有する、下部導波路層１０４を含む。１つの実施形態では、下部導波路層１０４が、１．１０μｍのバンドギャップを有するｎドープＩｎＧａＡｓＰ層１０４である。
【００８１】
さらに、材料構造１００は、圧縮歪み多重量子井戸（ＣＳＭＱＷ）層を含む活性層１０６を含む。例えば、１．４２μｍの材料バンドギャップを有する歪みＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．１４、ｙ＝０．５２）層が、量子井戸として用いられ得る。例えば、７．５ｍｍの厚さの歪み量子井戸は、実質的に３５℃よりも高い温度で、１．３１μｍの波長で、安定した光出力対電流特性を提供する。
【００８２】
材料構造１００はまた、１つの実施形態で、ＩｎＰ基板１０２と格子整合する、１．１μｍのバンドギャップのｐドープＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．１４、ｙ＝０．３３）四元系層である、上部導波路層１０８を含む。１つの実施形態では、上部導波路層１０８は、下部導波路層１０４と実質的に同じバンドギャップを有する。材料構造１００はまた、ｐドープＩｎＰ１０９クラッド層を含む。
【００８３】
図４Ｂは、本発明によるＥＭＬの分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザダイオードセクションのエッチングおよび再成長後の半導体層材料構造１００の１つの実施形態の図を示す。狭いメサが、当業者に周知のエッチング技術を用いてエッチングされる。材料構造１００は、次いで、ＬＰ−ＭＯＣＶＤ再成長のために調整される。第１の再成長層は、メサの両側に成長する電流閉じ込め層を含む。電流閉じ込め層１１０、１１２および１１４は、注入された電流の大部分が、多重量子井戸層１０６（図４Ａ）を介して流れるように、横方向電流閉じ込めを提供する。１つの実施形態では、電流閉じ込め層が、ｎドープＩｎＰ層１１０、ｐドープＩＮＧａＡｓＰ層１１２、およびｎドープＩｎＰ層１１４を含む。
【００８４】
第１の再成長層はまた、電流閉じ込め層１１０の上に成長するＩｎＧａＡｓＰ層１１２を含む。１つの実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰ層１１２は、約１．２μｍのバンドギャップ波長を有する。ＩｎＧａＡｓＰ層１１２は、安定した単一モード動作に適した横方向光屈折率を提供する。
【００８５】
図４Ｂに示すように、次いで、第２の再成長が実施される。１つの実施形態では、第２の再成長層が、ｐドープＩｎＰ層１１６、およびｐドープＩｎＧａＡｓ層１１８を含む。第２の再成長層は、第１の再成長後、半導体材料構造１２０を平坦化する。また、第２の再成長層は、低抵抗電気接触の広い領域を提供する。さらに、第２の再成長層は、良好な熱接触を提供する。
【００８６】
１つの実施形態では、四元系層１０４（図４Ａ）、１０８（図４Ａ）、および１１２（図４Ｂ）が、低圧金属有機化学的気相成長法（ＬＰ−ＭＯＣＶＤ）により成長する。ＭＯＣＶＤ成長中の界面全体の相互拡散は、活性層１０６（図４Ａ）の量子井戸およびバリア層が同じ元素を含むため、著しく低減される。これらの層が比較的に低い温度（例えば、約５５０℃〜６００℃）で成長する場合、相互拡散はさらに低減される。１つの実施形態では、組成の変更は、ガス状のＶ族化合物の流量を調整することにより達成される。
【００８７】
１つの実施形態では、ＥＭＬのＥＡＭセクションの材料構造は、図４Ａおよび４Ｂに関連して説明された材料構造１００と同様である。しかしながら、ＥＡＭセクションの多重量子井戸構造は、材料のバンドギャップエネルギーが、ＤＦＢレーザのレージング波長よりも短い波長に相当するように設計される。多重量子井戸領域での吸収は、主に、バルク半導体層と比較して、比較的に急峻な吸収端を生じる励起子効果によるものである。結果として、バルク半導体層と比較して、狭い波長範囲に対し、より大きな電界効果が生じ、これにより、波長とともに、ＥＡＭの温度感度が上がる。
【００８８】
１つの実施形態では、本発明によるＥＡＭの半導体層材料構造は、波長とともに、温度感度を低減する、多重量子井戸領域に引張り歪みを有する。引張り歪みは、価電子サブバンドの分裂、および重いホール質量の低減を引き起こす。例えば、１つの実施形態では、ＥＡＭは、実質的に１３１０ｎｍで動作するように設計され、ＥＡＭの半導体層が約１．２６μｍでゼロ電界吸収端を有する０．４％の引張り歪み量子井戸を含む。活性領域は、比較的に大きい光学キャビティ導波路を形成するために、２つのＩｎＧａＡｓＰ層によりクラッディングされる。１つの実施形態では、本発明のＥＡＭの半導体層はまた、波長に対して比較的に低い電圧感度を有するように設計される。
【００８９】
多くの他の半導体層材料構造が、本発明によるＥＡＭおよびＥＭＬとともに用いられ得る。さらに、多くの他のタイプの半導体レーザダイオード領域が、本発明のＥＭＬとともに用いられ得る。実際、所望の波長で発光する、任意のタイプのレーザが、本発明のＥＭＬおよびＥＡＭとともに用いられ得る。
【００９０】
本発明はまた、広範な温度範囲にわたって、ＥＡＭまたはＥＭＬの性能の固有温度ドリフトを補償する電子制御回路を特徴とする。制御回路は、ＥＭＬまたは個別のレーザ、およびＥＡＭに広範な動作温度範囲にわたって動作することを可能にするために、動作温度を関数として、ＥＡＭＤＣバイアス電圧、変調信号の最高最低電圧振幅、およびレーザバイアス電流のうちの少なくとも１つを変更する。
【００９１】
図５は、本発明の１つの局面による電気吸収変調レーザ（ＥＭＬ）２００および制御回路２０２の機能ブロック図を示す。ＥＭＬ２００は、レーザダイオード２０４セクション、および電気吸収変調器（ＥＡＭ）２０６セクションを含む。１つの実施形態では、レーザダイオード２０４は分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザであり、ＥＡＭ２０６は、図４Ａおよび図４Ｂに関連して説明した材料構造を含む多重量子井戸デバイスを備える。１つの実施形態では、レーザダイオード２０４およびＥＡＭ２０６は、単一の基板上に集積される。他の実施形態では、レーザダイオード２０４およびＥＡＭ２０６は、物理的に個別のデバイスである。
【００９２】
１つの実施形態では、ＥＭＬ２００は、レーザダイオード２０４と熱伝達を行う、熱電子冷却器２０５を備え得る。熱電子冷却器２０５を採用した場合には、この熱電子冷却器２０５を用いて、レーザダイオード２０４の温度を制御し、レーザダイオード２０４により生成された光の波長を変更することができる。例えば、典型的なＤＦＢレーザダイオード内での（例えば、室温からの）１０℃の温度上昇は、発光波長を約１ｎｍ増加させ得る。
【００９３】
制御回路２０２は、レーザダイオード２０４のバイアス入力２０８に電気的に結合される、電子レーザ駆動回路２０２’、すなわち、バイアス制御回路を備える。電子レーザ駆動回路２０２’は、レーザダイオード２０４を駆動し、光子を放つ持続波（ＣＷ）電流を生成する。制御回路２０２はまた、レーザ駆動回路２０２’に電気的に接続される振幅制御回路２０２’’を備える。振幅制御回路２０２’’は、レーザ駆動回路２０２’により生成されるＣＷ電流の振幅を制御する。
【００９４】
１つの実施形態では、温度センサ２０９は、レーザダイオード２０４と熱伝導を行うように配置される。温度センサ２０９の出力は、振幅制御回路２０２’’の入力２０９’に電気的に接続される。温度センサ２０９は、レーザ２０４の温度に関連する信号を出力に生成する。振幅制御回路２０２’’は、レーザ２０４の温度により作動される（ｓｌａｖｅｄ）。振幅制御回路２０２’’は、温度センサ２０９により生成された信号を入力２０９’で受信し、レーザダイオード２０４が発光した光の波長を制御するために、測定された温度に応じて、レーザダイオード２０４を駆動するＣＷ電流を変更するように、電子レーザ駆動回路２０２’に指示する信号を生成する。
【００９５】
１つの実施形態では、レーザダイオード２０４から発せられた光出力は、レーザダイオード２０４の後面２１２と光通信を行うように配置される光出力検出器２１０によりモニタされる。他の実施形態では、光出力検出器（図示せず）は、レーザダイオード２０４の前面２１２’と光通信を行う。光出力検出器２１０は、ＥＡＭ２０６に伝播するレーザダイオード２０４により発せられる光出力に関連する電気信号を生成する。振幅制御回路２０２’’は、光出力検出器２１０の出力に電気的に接続される入力２０３を有する。振幅制御回路２０２’’は、レーザダイオード２０４から発せられる光出力に応じて、所定の振幅を有するＣＷ電流を生成するようにレーザ駆動回路２０２’に指示する信号を生成する。
【００９６】
電子データ変調器回路２１４は、ＥＡＭ２０６の変調入力２１６に電気的に結合される。１つの実施形態では、電子データ変調回路２１４は、キャパシタ２１９によりＥＡＭ２０６の変調入力２１６に容量的に結合される。電子データ変調回路２１４は、ＥＡＭ２０６を逆バイアスし、ＥＡＭ２０６に光を透過させるか、またはＥＡＭ２０６内の光を吸収することにより、ＥＡＭ２０６に伝播するレーザダイオード２０４が発光した光をＥＡＭ２０６に変調させる変調信号を生成する。
【００９７】
制御回路２０２はまた、データ変調回路２１４の制御入力２１７に電気的に接続されたＥＡＭＤＣバイアス電圧制御回路２０２’’’を備える。１つの実施形態では、温度センサ２１８は、ＥＡＭ２０６と熱伝導を行うように配置される。温度センサ２１８は、ＥＡＭ２０６の温度に関連する信号を出力に生成する。ＥＡＭＤＣバイアス電圧制御回路２０２’’’は、温度センサ２１８の出力に電気的に結合される入力２２０を備える。本実施形態では、ＥＡＭＤＣバイアス電圧制御回路２０２’’’は、ＥＡＭ２０６の温度により作動される。ＥＡＭＤＣバイアス電圧制御回路２０２’’’は、温度センサ２１８により生成された信号を入力２２０で受信し、ＥＡＭ２０６の吸収端を制御するために、測定された温度に応じて、ＥＡＭ２０６に印加されるＤＣバイアス電圧を変更するように、データ変調回路２１４に指示する信号を生成する。
【００９８】
ＥＡＭ２０６により変調された光は、ＥＭＬ２００の光出力２２２で発せられる。光出力２２２は、光ファイバー、レンズ伝達システム、または自由空間等の光学伝達媒体（図示せず）に直接結合され得る。変調光の波長は、レーザ駆動回路２０２’により生成され、レーザダイオード２０４のバイアス入力２０８に印加されるＣＷ電流を調整することにより制御される。変調光の波長はまた、レーザダイオード２０４の温度を調整することにより制御され得る。
【００９９】
図６は、本発明によるＥＭＬ２５２の制御回路２５０の１つの実施形態の機能ブロック図を示す。制御回路２５０は、レーザダイオード駆動回路２５４、およびＥＡＭ駆動回路２５６を含む。ＥＡＭ駆動回路２５６は、ＥＭＬ２５２内のレーザダイオード２６０の温度を測定する熱センサ２５８を備える。熱センサ２５８は、レーザダイオード２６０の温度と比例する電圧を有する信号を生成する。増幅器２６２は、熱センサ２５８により生成された信号を、容易に処理され得る信号レベルに増幅する。ルックアップテーブルを含み得るプロセッサ２６４は、増幅器２６２からの増幅信号を入力２６６で受信する。
【０１００】
制御回路２５０は、ＥＡＭドライバ２６８を備える。このＥＡＭドライバ２６８は、ＤＣバイアス電圧（ＶDCBias）がＥＡＭドライバ２６８に印加され得るように、プロセッサ２６４の出力２７２に電気的に接続される入力２７０を有する。ＥＡＭドライバ２６８は、ＥＡＭ２６１に電気的に接続される出力２７４を有する。１つの実施形態では、プロセッサ２６４は、ルックアップテーブルを用いて、ＥＡＭ２６１に適切なＤＣバイアス電圧を決定する。プロセッサ２６４は、ＥＡＭドライバ２６８に適切なＤＣバイアス電圧を生成するように指示する信号を生成する。
【０１０１】
レーザダイオード駆動回路２５４は、セットポイント電圧回路２７６、およびレーザダイオードドライバ２７８を備える。セットポイント電圧回路２７６は、電圧コンパレータであり得る。１つの実施形態では、光検出器２８０は、レーザダイオード２６０の後面または前面に光学的に結合される。光検出器２８０は、モニタ電流（Ｉｐｈ）を生成する。回路２８２は、光検出器２８０の出力に電気的に接続され、モニタ電流（Ｉｐｈ）を基準電圧に変換する。回路２８２の出力は、セットポイント電圧回路２７６の１つの入力に電気的に接続される。本実施形態では、セットポイント電圧回路２７６は、電圧コンパレータである。セットポイント電圧回路２７６は、基準電圧を、セットポイント電圧回路２７６の別の入力（および、特に、本実施形態では、コンパレータの非反転入力）に印加されたセットポイント電圧と比較し、２つの入力信号の比較の関数である制御信号を出力２８４に生成する。
【０１０２】
レーザダイオードドライバ２７８は、セットポイント電圧回路２７６の出力２８４に電気的に接続される。１つの実施形態では、レーザダイオードドライバ２７８は、オペアンプ（Ｕ１）、およびトランジスタ（Ｑ１）を備える。レーザダイオードドライバ２７８は、入力２８６で制御信号を受信し、レーザ駆動電流を生成する。セットポイント電圧は、ＥＭＬ２５２の電力出力要件を満たすために、レーザダイオード２６０の駆動電流を調整するように調整され得る。
【０１０３】
制御回路２５０は、ＥＭＬ２５２がＭＳＡ用途時には約０℃〜７０℃の温度動作範囲全体にわたって、または特殊な用途時にはより高い温度で、実質的に最適な伝送器アイパターンを有する光信号を生成するように、ＥＭＬ２５２を駆動するために用いられ得る。本発明の制御回路２５０は、多くの他の公知の構成で実施され得る。
【０１０４】
図７は、本発明によるＥＡＭの１つの実施形態に対する印加電圧を関数とした、ある温度範囲にわたる特定の動作波長での正規化透過応答３００の１つの族を示す。本実施形態のＥＡＭ材料構造は、本明細書中に記載されるように、ＭＳＡ用途では最大で７０℃の最大温度要件、または特殊な用途ではより高い温度までの動作温度範囲全体にわたって、印加された逆バイアス電圧を用いて動作するように設計される。
【０１０５】
本発明によるＥＡＭの透過応答３００は、約１３１０ｎｍの動作波長で、約０．５９ｎｍ／℃の波長シフトを示す。透過応答３００はまた、ＭＳＡ用途の７０℃の温度範囲にわたって、約４１．３ｎｍの波長シフトを示す。例えば、約０．０８ｎｍ／℃の波長シフトを有するＤＦＢレーザは、約０℃〜７０℃の７０℃動作温度範囲にわたって、約５．６ｎｍの合計波長シフトを示す。
【０１０６】
ＥＡＭおよびＤＦＢレーザダイオードが、同じ基板上に集積され、同じ材料構造で製造される、１つの実施形態では、両方のデバイスが、温度とともに正の波長シフトを経験する。それゆえ、ＥＡＭおよびＤＦＢレーザの両方を備える集積ＥＭＬに対する差動シフトは、７０℃動作温度範囲（約０℃〜７０℃）にわたって約３５．７ｎｍ（４１．３ｎｍ−５．６ｎｍ）である。データはまた、ＥＡＭが、印加された逆バイアス電圧２Ｖで２１ｎｍだけ調整され得ることを示す。それゆえ、０℃〜７０℃までの温度の範囲全体が、逆バイアスの約３．４ＶからＥＡＭまでの範囲、すなわち、約０ＤＶＣ〜約−３．４ＶＤＣを提供する電子制御回路により補償され得る。
【０１０７】
図８は、本発明によるＥＭＬに対するＥＡＭバイアス電圧および動作温度を関数とした、出力に関する実験データ３５０を示す。バイアス電圧は、いくつかの動作温度に対して、〜０Ｖ〜−２Ｖの範囲である。これらのデータは、本発明によるＥＭＬが、外部冷却デバイスを使用することなく、広範な温度範囲にわたって動作することができることを示す。
【０１０８】
本発明によるＥＭＬは、熱電子冷却器等の外部冷却素子を使用することなくＭＳＡ動作温度仕様内で動作し得る。外部冷却は、電流および空間要件を増し、デバイスのコストを上げるため、このようなＥＭＬは有用である。
【０１０９】
本発明による制御回路を用いる公知のＥＭＬは、−７℃〜４０℃の４７℃温度範囲（−７℃より低い温度は、テスト機器により制限された）にわたって、ＳＯＮＥＴ信号「アイ」要件を満たす性能を達成した。本発明に従って設計された材料構造を有し、かつ本発明による制御回路を用いるＥＭＬはまた、ＭＳＡ用途では０℃〜７０℃にわたって、あるいは特殊な用途ではより高い温度で、温度安定性を達成するために用いられ得る。
【０１１０】
（均等論）
本発明は、特定の好適な実施形態を参照して特に示され、説明されたが、形態および詳細の種々の変更が、本明細書中に規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく本明細書においてなされ得ることを当業者は理解すべきである。例えば、本発明によるＥＡＭは、あらゆるタイプのレーザとともに用いられ得、ＤＦＢ半導体レーザダイオードとの使用に限定されない。
【０１１１】
【発明の効果】
上述してきたように、電気的に制御可能な吸収性を有する半導体層を備える、電気吸収変調器および電気吸収変調レーザが記載される。半導体層の材料組成は、２５℃よりも実質的に高い電気吸収変調器の動作温度で、実質的にゼロまたは逆バイアスの電圧が半導体層全体に印加されるときに、半導体層が半導体層を伝播する光を実質的に透過するように選択される。これにより、外部コントローラを必要とすることなく、より高い温度範囲においても高い安定を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、典型的な従来技術による電気吸収変調レーザを示す。
【図２】図２は、室温で動作するように最適化されたＥＭＬの従来技術によるＥＡＭセクションに対する印加電圧を関数とした、光の特定の動作波長に対する正規化光透過応答を示す。
【図３】図３は、５つの異なる温度で、従来技術による電気吸収変調器に対する印加電圧を関数とした、正規化光透過応答の理論族を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明によるＥＭＬの典型的な分布フィードバックレーザダイオードセクションのエッチングおよび再成長前の半導体層材料構造の１つの実施形態の図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明によるＥＭＬの分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザダイオードセクションのエッチングおよび再成長後の半導体層材料構造１００の１つの実施形態の図である。
【図５】図５は、本発明による電気吸収変調レーザおよび制御回路の機能ブロック図を示す。
【図６】図６は、本発明による電気吸収変調レーザの制御回路の１つの実施形態の機能ブロック図を示す。
【図７】図７は、本発明による電気吸収変調器の１つの実施形態に対する、種々の動作温度での印加電圧を関数とした、１つの族の理論正規化光透過応答を示す。
【図８】図８は、本発明による電気吸収変調レーザの１つの実施形態に対する、種々の動作温度でのバイアス電圧を関数とした、出力の実験データを示す。
【符号の説明】
１１０、１１２、１１４電流閉じ込め層
１１６  ｐドープＩｎＰ層
１１８  ｐドープＩｎＧａＡｓ層
１２０  半導体材料構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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