(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと光吸収型光変調器とがモノリシック集積されているか又はハイブリッド集積されており、前記半導体レーザの出力光が前記光吸収型光変調器に入力されて変調されるように構成され、前記半導体レーザの温度を所定値に調整することによりそのレーザの発振波長を所定値に調整するための温度調整手段を有し、
前記温度調整手段による前記レーザ温度の昇降と同時に前記光吸収型光変調器の温度は昇降するように前記レーザと前記変調器とは実装されており、
前記光変調器への印加電圧と消光比との特性カーブの温度依存性を補償するように、終端抵抗Rtまたは電圧調整用薄膜抵抗Rdの少なくとも一方の抵抗値が所要の温度依存性を有し、
(イ)前記光変調器へ印加される電圧をVdrvとし、
前記電圧Vdrvを印加する電源があるとき、前記電源と前記光変調器の電極との間に前記電圧調整用薄膜抵抗Rdの両端が接続され、前記光変調器の電極とグランドとの間に前記終端抵抗Rtの両端が接続され、
この回路のDC状態での前記光変調器部への印加電圧は
Vea = Vdrv/ (1+ Rd/ Rt)で表され、前記終端抵抗Rtは負性抵抗であるか、
(ロ)又は前記終端抵抗には温度依存性の無いものを用い、かつ、前記電圧調整用薄膜抵抗Rdに温度上昇に伴い抵抗値が上昇して、
Rd (T) = Ro (1 + (k(T- T0))  （ここで、kは温度係数であり、R0は基準温度(=25℃)での抵抗値である。）とその特性を表せるリニア抵抗を用いることを特徴とする光送信装置。
【請求項２】
前記レーザと前記変調器の動作温度は同一の前記温度調整手段により制御されることを特徴とする請求項１記載の光送信装置。
【請求項３】
前記レーザは波長多重通信用途のものであり、前記レーザを所定の温度に調整することにより波長を固定するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の光送信装置。
【請求項４】
前記所定の温度は0℃〜50℃の間の温度であることを特徴とする請求項３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係り、特に、半導体レーザの出力光を外部変調する光学部品または上記光学部品の光出力を伝送光ファイバに結合する出力部をもつ光伝送装置に関連し、特に毎秒ギガビット程度以上の高速光通信システムに適した光送信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に用いられる、光強度変調器は動作原理から光干渉型と光吸収型に大別される。この内、光吸収型光変調器は半導体の吸収端近傍の波長で動作するため、一般に光干渉型変調器に比べ素子サイズが小型であることに加え、低駆動電圧で必要な光強度変調が実現できる。しかしながら、光吸収型光変調器は光吸収層への電界印加による吸収端の長波長シフトを動作原理としているため、外部温度が変化した場合に特性が大きく変動するという本質的問題がある。図１に、光吸収型光変調器の代表特性である消光カーブの温度依存性の一例を示す。なお、本データは、光源となる分布帰還型半導体レーザがモノリシック集積された、現在広く実用に供されている光変調器に対するものである。図に示すように、±5℃程度のごく僅かな温度変動が生じると消光カーブは大きく変動してしまう。例えば、2V印加時の消光比に着目すると、15℃から35℃の20℃のわずかな温度範囲で5dBもの消光比変動が生じてしまう。実際、再現性良く吸収型光変調器が動作する温度範囲は±5℃程度である。このように、光変調器の温度制御なしでは高品質な高速信号生成ができないのが現状である。
【０００３】
吸収型光変調器の温度依存性が大きい理由は、信号となる光波のエネルギーが光変調器の光吸収端エネルギーに非常に近い値であるからである。一般に、吸収型光変調器の特性は、信号光エネルギーと光変調器の光吸収端エネルギーとの差である離調量に大きく依存する。吸収型光変調器では、離調量は20〜40meVに設定し高効率変調を実現している。しかしながら、この値は逆に室温でのボルツマンエネルギーkT(26meV)とほぼ同程度の値であるため、わずかな温度変化でも離調量が大きく変動してしまう。従来吸収型光変調器の大半は、光源となるレーザと一体集積化されたいわゆるレーザ集積型光変調器の構成で使用されてきた。この場合、レーザ波長の安定化のためにペルチェ素子などの温度調整装置を用いるため、固定波長の用途に対しては吸収型光変調器の大きな温度依存性は本質的問題とはならなかった。しかし、高密度波長多重通信用途にこの種の光源を用いる場合、温度制御によりレーザ発振波長を所望のグリッド波長に合わせ込む際に大きな問題となる。半導体レーザ自身の動作温度範囲は比較的広く、例えば10〜40℃の範囲で所定の性能が得られる。この場合、波長調整範囲は約3nmであり、これは50GHz(約0.4nm)間隔の国際標準であるいわゆるITU波長グリッドを8チャンネル程度含む値である。しかし、前述のように吸収型光変調器が集積化された場合は動作する温度範囲は±5℃程度であり、カバーできるITU波長グリッドは3チャンネル程度と非常に狭くなってしまう。
【０００４】
報告例は少ないが、半導体材料を用いた光干渉型変調器で特に、インジウム燐上の量子井戸構造を用い、バンド端近傍の屈折率変化を利用した場合は、上記と同様の現象が起き、動作温度範囲は極めて狭いことが知られている。
【０００５】
一方、上記の半導体レーザ自身も温度特性を有する事から、これを何らかの手法で解消することは理想的課題である。
【０００６】
尚、これら従来型の半導体進行波型電極光素子を記載した文献としてアイイーイーエレクトロニクスレタース、第１８号、第３３冊、頁１５８０、１９９７年８月２８日やインジウム燐国際会議論文番号WeA1-3、予稿集頁３８５、１９９８年が挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って発明の主な目的は、高速光通信システムに適した、構造が簡単で、経済的な光送信装置を実現することであり、特に光変調器や半導体レーザ等光部品の温度依存性の向上を容易な手法で実現することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では光素子と温度依存性を有する抵抗体を結線した複合実装することにより、光素子自身は温度依存性を有しても、上記複合実装体外部から見た場合の素子特性の温度依存性が低減されるような構成を発案した。また、抵抗体を生産性良く実装基板上に作製する手法として、負の温度係数を有する薄膜抵抗作製する手法とこれを光送信装置に適用する手法を考案した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図２は本発明による光送信装置主要部の構成を示す斜視図である。同図 (a)は、実装基板、同図(b)は、半導体素子等を搭載した後のものである。具体的には、吸収型光変調器と光源となる1.55μｍ波長帯の分布帰還型レーザのモノリシック集積光源とその実装構造を示している。同図(b)に示すように、光送信装置主要部は、高周波線路を形成した高周波実装基板101上にモノリシック集積光源108を実装し、ワイヤリング109、110により電気接続を実現している。
【００１０】
高周波実装基板101は窒化アルミニウム材料からなり、その上に高周波線路102、抵抗値15Ωの電圧調整用薄膜抵抗106、接地用電極パタン104、接地用ビアホール103がそれぞれ形成される。高周波線路102は、Ti、Mo、Ni、Auの多層薄膜で形成され、その総厚は5μmである。接地用電極パタン104上には後にモノリシック集積光源108やチップ終端抵抗111を実装・固着する際に用いる金錫半田107が形成されている。チップ型終端抵抗108はMn、Coを含む金属材料を高温で燒結させて作製した、いわゆる燒結セラミックス材料で構成され、温度上昇に伴いその電気抵抗値が減少するいわゆる負性抵抗である。抵抗値の絶対温度依存性は次式で与えられる。
Rt(T)=R0exp[B(1/T-1/T0)]                                  (1)
ここで、R0は基準温度T0(=25℃)での抵抗値であり50Ωとした。Bは温度勾配を表す係数であり、ここでは4,000Kである。ワイヤリングによる結線は図示の通りであるが、実装形態の光変調器周辺の回路表記を図３に示す。図３において、Rd(T)は電圧調整用薄膜抵抗106、Rtはチップ終端抵抗111、L1、L2はワイヤリングのインダクタンス、Rm、Cmはそれぞれ光変調器部の内部抵抗、寄生容量にそれぞれ相当する。本回路において、DC状態での、変調器部印加電圧Veaは次式で与えられる。
Vea = Vdrv*Rt/(Rt+Rd) = Vdrv/(1+Rd/Rt)                            (2)
(2)式から判るように、Rd/Rt値に温度依存性を持たせることにより、実際に変調器部に印加される電圧を自動調整することができる。
【００１１】
図４(a)はRd/Rt値が温度特性を持たない従来の実装法における光変調器の消光カーブの温度依存性である。前述のように消光カーブは大きく動作温度に依存しており、温度が上昇した場合に、消光カーブは急峻化している。一方、同図(b)は同一素子を本発明の実装を施し、同様に消光カーブを測定した結果である。消光カーブの温度依存性は殆ど見られないことがわかる。これは、温度上昇に伴い(2)式のRd/Rt項が増大するため実際に変調器に印可される電圧値Veaが自動的に減少するためである。実際には、消光カーブの温度勾配に合わせ適切なB係数を選ぶことが必要となる。本素子を実際2.5Gbit/sで高速変調した場合に、15〜45℃の温度範囲で、2.2Vpp一定の電圧で駆動したところ、変調波形には殆ど変化が現れなかった。この結果、変調器特性の変化させることなく、約3nmの範囲に渡りモノリシック集積光源の発振波長を温度チューニングすることができる。本手法は高密度波長多重通信用途で、光変調器が集積された分布帰還型レーザの発振波長をある特定の値に合わせ込む必要がある場合、従来の手法比べ温度による波長可変域が大きく拡大される。
＜実施の形態２＞
図５(a)、(b)は本発明により、実施の形態１と類似した新たな光送信装置の構成を示す斜視図である。具体的には、吸収型光変調器と光源となる1.55μｍ波長帯の分布帰還型レーザのモノリシック集積光源とその実装構造において、温度依存性を有する終端抵抗205を薄膜型とし、実装の簡素化に伴う生産性の向上や、終端抵抗の放熱性・高速性の改善を図ったものである。実施の形態１と同様に、光送信装置主要部は、高周波線路を形成した高周波実装基板201上にモノリシック集積光源208を実装し、ワイヤリング209、210により電気接続を実現している。
【００１２】
高周波実装基板201は窒化アルミニウム材料からなり、その上に高周波線路202、抵抗値15Ωの電圧調整用薄膜抵抗206、接地用電極パタン204、接地用ビアホール203がそれぞれ形成される。高周波線路202は、Ti、Mo、Ni、Auの多層薄膜で形成され、その総厚は5μmである。接地用電極パタン204上には後にモノリシック集積光源208を実装・固着する際に用いる金錫半田207が形成されている。薄膜型終端抵抗205はMn、Coを含む金属材料を高温で燒結させて作製した、いわゆる燒結セラミックス材料で構成され、実施の形態１とほぼ同じ温度依存性を有する。本実施の形態では、初めに窒化アルミニウム材料からなる高周波実装基板201を温度約1,600℃で形成する。続いて、粉末状に加工した前述の金属材料を所定量だけ基板上の所定の位置にパターニングした後、実装基板の形成温度より低い約1,100〜1,300℃で燒結形成する。この結果、図５(a)に示す薄膜型終端抵抗有する実装基板が作製される。モノリシック集積光源208を実装し、ワイヤリング結線を施した後、静・動特性を評価したところ、図４(b)に示す、消光特性の温度依存性が再現される事を確認した。また、本素子を実際10Gbit/sで高速変調した場合に、15〜45℃の温度範囲で、2.2Vpp一定の電圧で駆動したところ、変調波形には殆ど変化が現れなかった。この結果、変調器特性の変化させることなく、約3nmの範囲に渡りモノリシック集積光源の発振波長を温度チューニングすることができる。本手法は高密度波長多重通信用途で、光変調器が集積された分布帰還型レーザの発振波長をある特定の値に合わせ込む必要がある場合、従来の手法比べ温度による波長可変域が大きく拡大される。
【００１３】
以上実施の形態１および２を用いて、電気抵抗値が温度と共に減少する負性抵抗を終端抵抗に用いて、吸収型光変調器の温度依存性を大幅に緩和する手法について説明した。本例では、負性抵抗をMn、Coを含む金属材料の高温燒結セラミックで構成した場合について説明したが、他の手法で類似の温度特性を有する抵抗体を作製し、用いた場合においても、本発明の原理が適用できる事は自明である。また、吸収型の光変調器のみならず、半導体を用いた干渉型光変調器や、その他の電気光学効果を用いた半導体素子にも適用できることは同業者には自明であろう。
＜実施の形態３＞
図６(a)、(b)は実施の形態１、２と類似した新たな光送信装置の構成を示す斜視図である。具体的には、吸収型光変調器と光源となる1.55μｍ波長帯の分布帰還型レーザのモノリシック集積光源とその実装構造において、電圧調整用薄膜抵抗306に温度依存性を持たせることにより、変調器特性の温度特性の補償を図ったものである。
【００１４】
高周波実装基板301の構成は実施の形態２とほぼ同様である。差異は、終端抵抗305の温度依存性を無くした替わりに、電圧調整用薄膜抵抗306に温度上昇に伴い抵抗値が上昇するリニア抵抗を採用した点である。実施の形態２と同様、電圧調整用薄膜抵抗306は酸化亜鉛を主原料とするバリスタ材料からなり薄膜抵抗の構成としている。本抵抗の電気抵抗値は温度にほぼ線形に依存し、次式で与えられる。kは温度係数で、ここではk=60,000 ppm/℃に設定した。R0は基準温度T0(=25℃)での抵抗値であり15Ωとした。
Rd(T)=R0[1+k(T-T0)]                                  (3)
図７(a)、(b)は本実施の形態による消光カーブの温度依存性の補償効果を表すものである。図７(a)に示す、従来の実装では前述のように消光カーブは大きく動作温度に依存しており、温度が上昇した場合に、消光カーブは急峻化している。一方、同図(b)は同一素子を本発明の実装を施し、同様に消光カーブを測定した結果である。消光カーブの温度依存性は殆ど見られないことがわかる。これは、温度上昇に伴い(2)式のRd/Rt項が増大するため実際に変調器に印可される電圧値Veaが自動的に減少するためである。実際には、消光カーブの温度勾配に合わせ適切なB係数を選ぶことが必要となる。本素子を実際10Gbit/sで高速変調した場合に、15〜45℃の温度範囲で、2.3Vpp一定の電圧で駆動したところ、変調波形には殆ど変化が現れなかった。この結果、変調器特性の変化させることなく、約3nmの範囲に渡りモノリシック集積光源の発振波長を温度チューニングすることができる。本手法は高密度波長多重通信用途で、光変調器が集積された分布帰還型レーザの発振波長をある特定の値に合わせ込む必要がある場合、従来の手法比べ温度による波長可変域が大きく拡大される。
【００１５】
以上実施の形態１〜３を用いて、電気抵抗値が温度と共に変化するする抵抗体を電圧調整用抵抗や終端抵抗に適用して、吸収型光変調器の温度依存性を大幅に緩和する手法について説明した。
＜実施の形態４＞
図８(a)、(b)は新たな光送信装置の構成を示す斜視図である。具体的には、光源となる直接変調型1.55μｍ波長帯の分布帰還型レーザとその実装構造において、電流調整用薄膜抵抗405に温度依存性を持たせることにより、レーザ発振特性の温度特性の補償を図ったものである。
【００１６】
同図(b)に示すように、光送信装置主要部は、高周波線路を形成した高周波実装基板401上に分布帰還型レーザ光源408を実装し、リボンワイヤリング409により電気接続を実現している。
【００１７】
高周波実装基板401は炭化シリコン材料からなり、その上に高周波線路402、抵抗値45Ωの終端抵抗406、レーザグランド用電極パタン404、接地用ビアホール403がそれぞれ形成される。高周波線路402は、Ti、Mo、Ni、Auの多層薄膜で形成され、その総厚は5μmである。レーザグランド用電極パタン404上には後に分布帰還型レーザ光源408を実装・固着する際に用いる金錫半田407が形成されている。電流調整用薄膜抵抗405は酸化亜鉛を主原料とするバリスタ材料からなり薄膜抵抗の構成としている。本抵抗の電気抵抗値は温度にほぼ線形に依存し、(3)式で与えられる。kは温度係数で、ここではk=60,000 ppm/℃とした。R0は基準温度T0(=25℃)での抵抗値であり200Ωとした。
【００１８】
実装形態の光変調器周辺の回路表記を図９に示す。同図において、Rd(T)は電圧調整用薄膜抵抗405、Rtはチップ終端抵抗406、Lはリボンワイヤリングのインダクタンス、RLD、CLDはそれぞれレーザ部の内部抵抗、寄生容量にそれぞれ相当する。本回路において、DC状態での、レーザ部印加電流ILDはRLDの寄与を無視すると次式で与えられる。
ILD = Idrv*Rd/(Rt+Rd) = Idrv/(1+Rt/Rd)                            (4)
(4)式から判るように、Rt/Rd値に温度依存性を持たせることにより、実際にレーザ部に印加される電流を自動調整することができる。
【００１９】
図１０(a)はRt/Rd値が温度特性を持たない従来の実装法における電流・光出力カーブの温度依存性である。前述のように電流・光出力カーブは大きく動作温度に依存しており、温度が上昇した場合に、電流・光出力カーブは劣化している。一方、同図(b)は同一素子を本発明の実装を施し、同様に電流・光出力カーブを測定した結果である。電流・光出力カーブの傾きであるスロープ効率の温度依存性が大きく低減していることがわかる。これは、温度上昇に伴い(2)式のRt/Rd項が減少するため実際にレーザ器に印可される電流値Ieaが自動的に増加するためである。実際には、電流・光出力カーブの温度勾配に合わせ適切なk係数を選ぶことが必要となる。本素子を実際2.5Gbit/sで高速変調した場合に、15〜45℃の温度範囲で、30mApp一定の電流で駆動したところ、変調波形には殆ど変化が現れなかった。この結果、変調器特性の変化させることなく、約3nmの範囲に渡りモノリシック集積光源の発振波長を温度チューニングすることができた。本手法は高密度波長多重通信用途で直接変調する分布帰還型レーザの発振波長をある特定の値に合わせ込む必要がある場合、従来の手法比べ温度による波長可変域が大きく拡大される。
＜実施の形態５＞
図１１(a)、(b)は実施の形態３と類似した新たな光送信装置の構成を示す斜視図である。具体的には、実施の形態３に示した吸収型光変調器と光源となる1.55μｍ波長帯の分布帰還型レーザのモノリシック集積光源とその実装構造において、光変調器の電極を進行型とし広帯域化を図ったものである。本素子を実際40Gbit/sで高速変調した場合に、15〜45℃の温度範囲で、2.5Vpp一定の電圧で駆動したところ、変調波形には殆ど変化が現れなかった。この結果、変調器特性の変化させることなく、約3nmの範囲に渡りモノリシック集積光源の発振波長を温度チューニングすることができる。本手法は高密度波長多重通信用途で、光変調器が集積された分布帰還型レーザの発振波長をある特定の値に合わせ込む必要がある場合、従来の手法比べ温度による波長可変域が大きく拡大される。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の実施例によれば、高密度波長多重通信用途に用いる外部変調器集積レーザや直接変調型分布帰還型レーザの発振波長をある特定の値に合わせ込む必要がある場合、従来の手法比べ温度による波長可変域が大きく拡大できる。本発明の実施例は特に、高速の外部光変調器やこれを用いた高速光送信機の好適な構造・作製手法を提供している。本発明の実施例によれば、素子性能、歩留まりが向上するだけでなく、この素子を適用した光通信システムの低価格化、大容量化、長距離化を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来手法で実装した光吸収型光変調器の消光カーブの温度依存性の一例を示す。
【図２】本発明による光送信装置の一実施例の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明による光素子実装部の電気等価回路を示す上面図である。
【図４】本発明による光送信装置の温度依存性の補償効果を示す。
【図５】本発明による光送信装置の一実施例の構成を示す上面図である。
【図６】本発明による光受信装置の一実施例の構成を示す上面図である。
【図７】本発明による光送信装置の温度依存性の補償効果を示す。
【図８】本発明による光送信装置の一実施例の構成を示す上面図である。
【図９】本発明による光素子実装部の電気等価回路を示す上面図である。
【図１０】本発明による光送信装置の温度依存性の補償効果を示す。
【図１１】本発明による光送信装置の一実施例の構成を示す上面図である。
【符号の説明】
101…高周波実装基板、102…高周波線路、103…接地用ビアホール、104…接地用電極パタン、106…電圧調整用薄膜抵抗、107…金錫半田、108…モノリシック変調器集積化光源、109…ワイヤリング、110…ワイヤリング、111…チップ終端抵抗、
201…高周波実装基板、202…高周波線路、203…接地用ビアホール、204…接地用電極パタン、205…薄膜型終端抵抗、206…電圧調整用薄膜抵抗、207…金錫半田、208…モノリシック変調器集積化光源、209…ワイヤリング、210…ワイヤリング、
301…高周波実装基板、302…高周波線路、303…接地用ビアホール、304…接地用電極パタン、305…薄膜型終端抵抗、306…電圧調整用薄膜抵抗、307…金錫半田、308…モノリシック変調器集積化光源、309…ワイヤリング、310…ワイヤリング、
401…高周波実装基板、402…高周波線路、403…接地用ビアホール、404…レーザグランド用電極パタン、405…電流調整用薄膜抵抗、406…薄膜型終端抵抗、407…金錫半田、408…分布帰還型レーザ光源、409…リボンワイヤリング、
501…高周波実装基板、502…高周波線路、503…接地用ビアホール、504…接地用電極パタン、505…薄膜型終端抵抗、506…電圧調整用薄膜抵抗、507…金錫半田、508…モノリシック変調器集積化光源、509…ワイヤリング、510…ワイヤリング、511…リボンワイヤリング。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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