JP2002520821A - フォトニック集積デバイスでの光パワー測定 - Google Patents
フォトニック集積デバイスでの光パワー測定Info
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-
- G—PHYSICS
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Abstract
(57)【要約】
フォトニック集積デバイス（１）は、半導体材料の導波路（１４、１６）及び導波路（１４、１６）に沿って移動する光の光パワーを測定するためのディテクタ（２６）を含む。デバイス中にモノリシックに集積されたディテクタは、２光子吸収によって導波路中で生成された光電流を電極（２６）上で測定する。
Description
【０００１】 本発明は、フォトニック集積回路(photonic integrated circuit)又はオプト
エレクトロニック集積回路(optoelectronic integrated circuit)とも称される
フォトニック集積デバイス(photonic integrated device)に関し、より詳しくは
、そのようなデバイスで光パワー(optical power)を測定することに関する。
エレクトロニック集積回路(optoelectronic integrated circuit)とも称される
フォトニック集積デバイス(photonic integrated device)に関し、より詳しくは
、そのようなデバイスで光パワー(optical power)を測定することに関する。
【０００２】 フォトニック集積デバイスは、それによって生成され、それを通過し、又はそ
れによって吸収される光の特性に識別できる変化を引き起こす。そのような回路
は、例えば、光遠隔通信システム(optical telecommunications system)での使
用のためのオプティカル・トランスミッタ又はレシーバ・モジュールにおけるよ
うに、電気を光に、又はその逆に変換することができる。他には、それは、チュ
ーニング可能かどうかにかかわらず、光学変調子又はスプリッタ又はカプラにお
けるように、光のパワーレベルを変化させることがある。デバイスは、光の位相
又は周波数のような、その光に特有の特性を変化させることがある。フォトニッ
ク集積デバイスは、モノリシックの形態で構成される単一のデバイスを含むこと
ができ、また、モノリシックに統合され、フォトニック集積回路という用語に該
当するような２つ又はそれ以上のデバイスを含むことができる。特定のフォトニ
クス(photonics)では、集積デバイスは、例えば、干渉計、フォトダイオード、
移相器、変調子、カプリング(coupling)、回折格子(grating)及びフィルタを集
積することができる。
れによって吸収される光の特性に識別できる変化を引き起こす。そのような回路
は、例えば、光遠隔通信システム(optical telecommunications system)での使
用のためのオプティカル・トランスミッタ又はレシーバ・モジュールにおけるよ
うに、電気を光に、又はその逆に変換することができる。他には、それは、チュ
ーニング可能かどうかにかかわらず、光学変調子又はスプリッタ又はカプラにお
けるように、光のパワーレベルを変化させることがある。デバイスは、光の位相
又は周波数のような、その光に特有の特性を変化させることがある。フォトニッ
ク集積デバイスは、モノリシックの形態で構成される単一のデバイスを含むこと
ができ、また、モノリシックに統合され、フォトニック集積回路という用語に該
当するような２つ又はそれ以上のデバイスを含むことができる。特定のフォトニ
クス(photonics)では、集積デバイスは、例えば、干渉計、フォトダイオード、
移相器、変調子、カプリング(coupling)、回折格子(grating)及びフィルタを集
積することができる。
【０００３】 動作中のフォトニック集積回路の光パワーのモニタリングは、最適な性能を維
持するために重要である。光パワーレベルは、ファイバ増幅器についてのポンピ
ングレーザ(pump laser)の場合のように数百mWまで可能であるが、光遠隔通信で
は、数mWの光パワーレベルが典型的である。パッケージに入れられたレーザ・モ
ジュールでは、光パワーを測定するために、バック・フェーセット(back-facet)
PINフォトダイオードを使用することが知られており、これは通常ハイブリッド
技術を使用して統合される。しかし、電気工学変調子のような非吸収導波路(non
-absorbing waveguide)のみを含むフォトニック集積デバイスについては、それ
は高い一次関数的な吸収(linear absorption)を有する材料を基礎としているた
め、フォトダイオードをモノリシックに集積することは難しい。そのようなデバ
イスを組込むためには、吸収PINフォトダイオード(absorbing PIN photodiode)
を形成するための再成長技術が必要である。そのような技術は、多くの時間を必
要とし、高価である。更に、従来のフォトダイオードは、そこに入射する光のほ
ぼ１００％を吸収するため、それらは、導波路を移動する光パワーの経路(path)
中に直接配置してはならない。そのため、光スプリッタが、導波路から光パワー
のある部分を取り出すために使用される。これによって、複雑さ及びデバイスを
製作するコストが増大する。
持するために重要である。光パワーレベルは、ファイバ増幅器についてのポンピ
ングレーザ(pump laser)の場合のように数百mWまで可能であるが、光遠隔通信で
は、数mWの光パワーレベルが典型的である。パッケージに入れられたレーザ・モ
ジュールでは、光パワーを測定するために、バック・フェーセット(back-facet)
PINフォトダイオードを使用することが知られており、これは通常ハイブリッド
技術を使用して統合される。しかし、電気工学変調子のような非吸収導波路(non
-absorbing waveguide)のみを含むフォトニック集積デバイスについては、それ
は高い一次関数的な吸収(linear absorption)を有する材料を基礎としているた
め、フォトダイオードをモノリシックに集積することは難しい。そのようなデバ
イスを組込むためには、吸収PINフォトダイオード(absorbing PIN photodiode)
を形成するための再成長技術が必要である。そのような技術は、多くの時間を必
要とし、高価である。更に、従来のフォトダイオードは、そこに入射する光のほ
ぼ１００％を吸収するため、それらは、導波路を移動する光パワーの経路(path)
中に直接配置してはならない。そのため、光スプリッタが、導波路から光パワー
のある部分を取り出すために使用される。これによって、複雑さ及びデバイスを
製作するコストが増大する。
【０００４】 既知の構成の制限を少なくとも部分的に克服するフォトニクスデバイス中の光
パワーを測定するための方法又は装置の必要性が存在する。
パワーを測定するための方法又は装置の必要性が存在する。
【０００５】 本発明によると、半導体材料の導波路、及びその導波路に沿って移動する光の
光パワーを測定するディテクタを含み、当該ディテクタは、２光子吸収によって
導波路中に生成される光電流を測定し、及び当該ディテクタは、デバイス中にモ
ノリシックに集積されていることを特徴とするフォトニック集積デバイスが提供
される。
光パワーを測定するディテクタを含み、当該ディテクタは、２光子吸収によって
導波路中に生成される光電流を測定し、及び当該ディテクタは、デバイス中にモ
ノリシックに集積されていることを特徴とするフォトニック集積デバイスが提供
される。
【０００６】 ２光子吸収(two photon absorption, TPA)は、非同調で(non-resonant)、非線
形の、半導体のバンド幅Egより小さいが、バンド幅Eg/2より大きいエネルギーを
有する光子について、半導体材料中で発生する光学プロセスである。第１の光子
を吸収することによって、電子が価電子帯から、価電子帯と伝導帯の間の中間仮
想状態(intermediate virtual state)に励起され、第２の光子を吸収することに
よって、その中間仮想状態から伝導帯に励起されるときに、このプロセスは起こ
る。関連する状態の間のエネルギー差が最も小さいとき、すなわち中間状態が価
電子帯の上部又は伝導帯の下部に最も近いところにあるときに、遷移確率は最も
高いが、中間仮想状態は、任意のバンド中の任意の状態でよい。TPAを使用する
ことの特別な利点は、光の少ない部分だけが吸収されるため、光スプリッタ及び
別個のディテクタの必要性がなくなるということである。更に、ディテクタは、
非吸収の半導体材料の導波路を有するデバイス中に、簡単にモノリシックに集積
することができる。「ザ・トゥ・フォトン・アブソープション・セミコンダクタ
・ウェーブガイド・オートコリレータ(The Two-Photon Absorption Semiconduct
or Waveguide Autocorrelator)」、IEEE ジャーナル・オブ・クォンタム・エレ
クトロニクス(IEEE Journal of Quantum Electronics)、第３０巻(volume 30)、
第３号(number 3)、及び「オートコリレーション・メジャーメンツ・オブ・モー
ドロックトNd:YLFレーザ・パルシズ・ユージング・トゥ・フォトン・アブソープ
ション・ウェーブガイド・オートコリレータ(Autocorrelation Measurements of
Modelocked Nd:YLF Laser Pulses Using Two-Photon Absorption Waveguide Au
tocorrelator)」、IEEEフォトニクス・テクノロジー・レターズ(IEEE Photonics
Technology Letters)、第９巻(volume 9)、第５号(number 5)に記載されている
ように、パルス幅を測定するために自己相関器(autocorrelator)中でTPAを使用
することが提案されたが、一般的に、TPAは寄生効果(parasitic effect)と考え
られている。
形の、半導体のバンド幅Egより小さいが、バンド幅Eg/2より大きいエネルギーを
有する光子について、半導体材料中で発生する光学プロセスである。第１の光子
を吸収することによって、電子が価電子帯から、価電子帯と伝導帯の間の中間仮
想状態(intermediate virtual state)に励起され、第２の光子を吸収することに
よって、その中間仮想状態から伝導帯に励起されるときに、このプロセスは起こ
る。関連する状態の間のエネルギー差が最も小さいとき、すなわち中間状態が価
電子帯の上部又は伝導帯の下部に最も近いところにあるときに、遷移確率は最も
高いが、中間仮想状態は、任意のバンド中の任意の状態でよい。TPAを使用する
ことの特別な利点は、光の少ない部分だけが吸収されるため、光スプリッタ及び
別個のディテクタの必要性がなくなるということである。更に、ディテクタは、
非吸収の半導体材料の導波路を有するデバイス中に、簡単にモノリシックに集積
することができる。「ザ・トゥ・フォトン・アブソープション・セミコンダクタ
・ウェーブガイド・オートコリレータ(The Two-Photon Absorption Semiconduct
or Waveguide Autocorrelator)」、IEEE ジャーナル・オブ・クォンタム・エレ
クトロニクス(IEEE Journal of Quantum Electronics)、第３０巻(volume 30)、
第３号(number 3)、及び「オートコリレーション・メジャーメンツ・オブ・モー
ドロックトNd:YLFレーザ・パルシズ・ユージング・トゥ・フォトン・アブソープ
ション・ウェーブガイド・オートコリレータ(Autocorrelation Measurements of
Modelocked Nd:YLF Laser Pulses Using Two-Photon Absorption Waveguide Au
tocorrelator)」、IEEEフォトニクス・テクノロジー・レターズ(IEEE Photonics
Technology Letters)、第９巻(volume 9)、第５号(number 5)に記載されている
ように、パルス幅を測定するために自己相関器(autocorrelator)中でTPAを使用
することが提案されたが、一般的に、TPAは寄生効果(parasitic effect)と考え
られている。
【０００７】 ディテクタが、光のすべてを伝播する導波路でそれの光パワーの測定を実行す
ることが、それの分岐で測定を実行するよりも好適である。すなわち、ディテク
タは、後続の動作で使用されることになる導波路を通過する光を導波路の途中で
検出するインラインデバイス(in-line device)であることが好適である。そのた
め、ディテクタは、導波路を移動する光の小さい部分を取り出すパワータップと
しての役をする。「小さい量」は、２０％未満を意味する。導波路の材料、波長
、及び光の光パワーに依存して、それは、１０％、５％、また更に１％未満くら
い小さい量だけ取り出す。ディテクタは、２００nmから４０００nmの範囲、特に
８００nmから１６００nmの下位の範囲の光を検出するために使用できる。最も好
適には、それは、１３００nmから１５５０nmの領域の光を検出するために使用さ
れる。
ることが、それの分岐で測定を実行するよりも好適である。すなわち、ディテク
タは、後続の動作で使用されることになる導波路を通過する光を導波路の途中で
検出するインラインデバイス(in-line device)であることが好適である。そのた
め、ディテクタは、導波路を移動する光の小さい部分を取り出すパワータップと
しての役をする。「小さい量」は、２０％未満を意味する。導波路の材料、波長
、及び光の光パワーに依存して、それは、１０％、５％、また更に１％未満くら
い小さい量だけ取り出す。ディテクタは、２００nmから４０００nmの範囲、特に
８００nmから１６００nmの下位の範囲の光を検出するために使用できる。最も好
適には、それは、１３００nmから１５５０nmの領域の光を検出するために使用さ
れる。
【０００８】 最も好適には、ディテクタは、導波路上に備えられた１つ又はそれ以上の電極
を含む。有利なことに、その電極又はそれぞれの電極は、導波路材料と、ショッ
トキー接触を形成する。電極、及び／又はデバイス中にあり得る他の任意の電極
の間の電気的絶縁は、電極材料を選択的に除去し、それによって、オーム接触の
ためには必要とされる、導波路の選択的なエッチングの必要性をなくすことによ
って、簡単に達成できるということが、ショットキー接触を形成する電極を使用
することに特有の利点である。ショットキー接触は、高電流に耐えることはでき
ないが、それは、比較的小さいTPA電流を測定するためには理想的に適している
。
を含む。有利なことに、その電極又はそれぞれの電極は、導波路材料と、ショッ
トキー接触を形成する。電極、及び／又はデバイス中にあり得る他の任意の電極
の間の電気的絶縁は、電極材料を選択的に除去し、それによって、オーム接触の
ためには必要とされる、導波路の選択的なエッチングの必要性をなくすことによ
って、簡単に達成できるということが、ショットキー接触を形成する電極を使用
することに特有の利点である。ショットキー接触は、高電流に耐えることはでき
ないが、それは、比較的小さいTPA電流を測定するためには理想的に適している
。
【０００９】 最も好適には、その電極又はそれぞれの電極は、金属アルミニウムを含む。デ
バイスの好適な製作では、半導体導波路材料は、ガリウム砒素(gallium arsenid
e)及びガリウムアルミニウム砒素(gallium aluminium arsenide)を含む。
バイスの好適な製作では、半導体導波路材料は、ガリウム砒素(gallium arsenid
e)及びガリウムアルミニウム砒素(gallium aluminium arsenide)を含む。
【００１０】 デバイスは、１つ又はそれ以上の光入力及び１つ又はそれ以上の光出力を有す
ることができ、干渉計、フォトダイオード、移相器、変調子、カプラ、回折格子
及びフィルタを含むデバイスのグループから選択することができる。
ることができ、干渉計、フォトダイオード、移相器、変調子、カプラ、回折格子
及びフィルタを含むデバイスのグループから選択することができる。
【００１１】 本発明の第２の態様に従うと、半導体材料の導波路を有する種類のフォトニク
ス集積回路内の光パワーを測定する方法であって、２光子吸収によって導波路中
に生成された光電流を測定するステップを含む方法が提供される。
ス集積回路内の光パワーを測定する方法であって、２光子吸収によって導波路中
に生成された光電流を測定するステップを含む方法が提供される。
【００１２】 有利なことには、測定される光パワーは、デバイスの動作を制御又はモニタす
るために使用される。測定された光パワーは、例えば、フィードバック機構を使
用することによってデバイスの動作を制御するために使用することができる。他
には、測定された光パワーは、光の中に存在するデータ信号を検出し、そのデー
タ信号に応答してデバイスの動作を変化させるために使用することができる。
るために使用される。測定された光パワーは、例えば、フィードバック機構を使
用することによってデバイスの動作を制御するために使用することができる。他
には、測定された光パワーは、光の中に存在するデータ信号を検出し、そのデー
タ信号に応答してデバイスの動作を変化させるために使用することができる。
【００１３】 本発明の実施形態を、添付の図面にのみ関する例として、これから説明してい
く。
く。
【００１４】 図１を参照すると、変調信号Vmodに関して、レーザ・ソース４によって提供さ
れるレーザ光２を変調するために使用されるマッハ・ツェンダー GaAs/AlGaAs光
変調子１が示される。レーザ光２は、３dBマルチモード干渉(multi-mode interf
erence (MMI))カプラ６を使用して分割され、光導波路８及び１０の中に送られ
る。レーザ光は、個別の導波路１４、１６に沿って移動する別個の光出力（チャ
ネル）１８及び２０を形成するためにそのレーザ光２が再結合されるところであ
る第２のMMIカプラ１２に、それぞれの導波路８、１０に沿って移動する。
れるレーザ光２を変調するために使用されるマッハ・ツェンダー GaAs/AlGaAs光
変調子１が示される。レーザ光２は、３dBマルチモード干渉(multi-mode interf
erence (MMI))カプラ６を使用して分割され、光導波路８及び１０の中に送られ
る。レーザ光は、個別の導波路１４、１６に沿って移動する別個の光出力（チャ
ネル）１８及び２０を形成するためにそのレーザ光２が再結合されるところであ
る第２のMMIカプラ１２に、それぞれの導波路８、１０に沿って移動する。
【００１５】 変調電極２２及びバイアス制御電極２４が導波路８、１０上に提供され、パワ
ーモニタリング電極２６が導波路１４、１６上に提供される。導波路８の断面が
、それの光導波路構造２８を示す図２に示される。その導波路構造２８は、導波
路８、１０、１４及び１６のそれぞれについて同一であり、また、３．１μｍの
厚さを有するAl0.09Ga0.91Asのクラッド(cladding)層３２、１．９５μｍの厚さ
を有するGaAsの光導波路層３４、及び０．８５μｍの厚さを有するAl0.15Ga0.85 Asの更なるクラッド層３６を次に支える半絶縁性GaAs基板３０を含む。クラッド
層３６は、２５nmの厚さを有するGaAsキャップ(cap)３８を支える。クラッド層
３２及び３６は、光導波路層３４の屈折率より比較的低い屈折率を有しているた
め、これによって、光は、ほぼ光導波路層３４の内側に垂直方向に閉じ込められ
る。
ーモニタリング電極２６が導波路１４、１６上に提供される。導波路８の断面が
、それの光導波路構造２８を示す図２に示される。その導波路構造２８は、導波
路８、１０、１４及び１６のそれぞれについて同一であり、また、３．１μｍの
厚さを有するAl0.09Ga0.91Asのクラッド(cladding)層３２、１．９５μｍの厚さ
を有するGaAsの光導波路層３４、及び０．８５μｍの厚さを有するAl0.15Ga0.85 Asの更なるクラッド層３６を次に支える半絶縁性GaAs基板３０を含む。クラッド
層３６は、２５nmの厚さを有するGaAsキャップ(cap)３８を支える。クラッド層
３２及び３６は、光導波路層３４の屈折率より比較的低い屈折率を有しているた
め、これによって、光は、ほぼ光導波路層３４の内側に垂直方向に閉じ込められ
る。
【００１６】 光導波路層３４の上部領域３９、クラッド層３６、及びキャップ３８は、一緒
になって、誘電体ロード効果(dielectric loading effect)を通じて、点線４２
により境界が定められた領域によって示されるように、光を光導波路層３４内に
横方向に閉じ込める隆起構造(ridge structure)４０を形成する。GaAs層２８は
、このように光導波路としての役をする。隆起構造４０は、広い基部と狭い最上
部とを有する先細の形状をしている。それは、その基部で幅が５μｍである。そ
れは、１．２から１．３μｍの高さである。先細の形状の隆起構造４０を説明し
たが、一方では、それは垂直の側壁を有することもできる。形態(configuration
)は、隆起構造４０を画定するために使用されるエッチング工程で決定される。
になって、誘電体ロード効果(dielectric loading effect)を通じて、点線４２
により境界が定められた領域によって示されるように、光を光導波路層３４内に
横方向に閉じ込める隆起構造(ridge structure)４０を形成する。GaAs層２８は
、このように光導波路としての役をする。隆起構造４０は、広い基部と狭い最上
部とを有する先細の形状をしている。それは、その基部で幅が５μｍである。そ
れは、１．２から１．３μｍの高さである。先細の形状の隆起構造４０を説明し
たが、一方では、それは垂直の側壁を有することもできる。形態(configuration
)は、隆起構造４０を画定するために使用されるエッチング工程で決定される。
【００１７】 隆起構造４０の最上部に金属アルミニウム(Al)コンタクト電極４４がかぶせら
れる。キャップ３８への良好な接着を確実にするためにチタニウム(Ti)の薄い層
の上に堆積させられたコンタクト電極４４は、GaAsキャップ３８とのショットキ
ー接触を形成する。ちょっと図１を参照すると、変調電極２２、バイアス制御電
極２４及びパワーモニタリング電極２６が、Ti:Alコンタクト電極を、隆起構造
の上部表面の全体を覆うように堆積させ、そして個々の電極を画定するために金
属層を選択的に除去することによって提供される。電極層は、金属アルミニウム
から作られ、ショットキー接触を形成するため、金属を除去することによって、
電極の間の絶縁が提供される。所望の電気的絶縁を提供するためにGaAsキャップ
３８のエッチングが次に必要となるような構成であるが、電極は、オーム接触と
して形成することができる。
れる。キャップ３８への良好な接着を確実にするためにチタニウム(Ti)の薄い層
の上に堆積させられたコンタクト電極４４は、GaAsキャップ３８とのショットキ
ー接触を形成する。ちょっと図１を参照すると、変調電極２２、バイアス制御電
極２４及びパワーモニタリング電極２６が、Ti:Alコンタクト電極を、隆起構造
の上部表面の全体を覆うように堆積させ、そして個々の電極を画定するために金
属層を選択的に除去することによって提供される。電極層は、金属アルミニウム
から作られ、ショットキー接触を形成するため、金属を除去することによって、
電極の間の絶縁が提供される。所望の電気的絶縁を提供するためにGaAsキャップ
３８のエッチングが次に必要となるような構成であるが、電極は、オーム接触と
して形成することができる。
【００１８】 知られた方法では、導波路８及び１０を通過する光に異なる位相シフト(diffe
rential phase shift)を起こし、それによって光２がカプラ１２によって再結合
されるときに光２が変調されるように、変調子１は、変調信号Vmodを変調電極２
２の両端にかけられて動作させられる。バイアス制御電極２４によって、デバイ
ス１は、通常動作の間、２つの光出力１８及び２０が均衡した直角位相(balance
d quadrature)になるような所定の動作点にプリバイアス(pre-bias)される。こ
の出力状態は変調子１からの最少の第２高調波に対応するため、この出力状態が
選択される。
rential phase shift)を起こし、それによって光２がカプラ１２によって再結合
されるときに光２が変調されるように、変調子１は、変調信号Vmodを変調電極２
２の両端にかけられて動作させられる。バイアス制御電極２４によって、デバイ
ス１は、通常動作の間、２つの光出力１８及び２０が均衡した直角位相(balance
d quadrature)になるような所定の動作点にプリバイアス(pre-bias)される。こ
の出力状態は変調子１からの最少の第２高調波に対応するため、この出力状態が
選択される。
【００１９】 光出力が確実に均衡した直角位相になるように変調子を制御するために使用さ
れる、それぞれの光出力１８、２０によって生成される光電流を測定するために
、パワーモニタ電極２６が提供される。説明したように、導波路１４、１６は、
GaAs層３４を含み、またこれは、８７０nmの波長を有する光の光子エネルギーに
対応する、室温で１．４２４eVのバンドギャップを有する。このように、TPAは
、好適な光通信波長である１３００nmから１５５０nmの間で、GaAs層３４中で発
生する。パワーモニタリング電極２６があるため、導波路の案内領域中に伸びる
空乏領域が発生する。これによって、導波路は、フォトダイオードとして使用す
ることができる。しかし、TPAは導波路の全長に亘って発生し、従って、光電流
は、変調電極２２又はバイアス電極２４を通じて検出することができるが、バイ
アスVbias又は変調電圧Vmodが個々の電極にかけられるとき、これを検出するこ
とは難しいことが理解されるであろう。
れる、それぞれの光出力１８、２０によって生成される光電流を測定するために
、パワーモニタ電極２６が提供される。説明したように、導波路１４、１６は、
GaAs層３４を含み、またこれは、８７０nmの波長を有する光の光子エネルギーに
対応する、室温で１．４２４eVのバンドギャップを有する。このように、TPAは
、好適な光通信波長である１３００nmから１５５０nmの間で、GaAs層３４中で発
生する。パワーモニタリング電極２６があるため、導波路の案内領域中に伸びる
空乏領域が発生する。これによって、導波路は、フォトダイオードとして使用す
ることができる。しかし、TPAは導波路の全長に亘って発生し、従って、光電流
は、変調電極２２又はバイアス電極２４を通じて検出することができるが、バイ
アスVbias又は変調電圧Vmodが個々の電極にかけられるとき、これを検出するこ
とは難しいことが理解されるであろう。
【００２０】 図３は、光パワーに対する、導波路１４又は１６中で生成され、（パワーモニ
タリング電極２６を通じて測定されたときの）測定された光電流のプロットを示
す。図３の重要な特徴は、それは、光電流と光パワーとの間の２乗検波の関係(s
quare law relationship)を示すことである。これは、２つの光子がTPAプロセス
に関連するという事実、すなわち半導体導波路中で吸収されたそれぞれの２光子
に対して、ただ１つの電子−ホール対が生成されるという事実から生じることで
ある。関連する２光子の結果として、TPAフォトダイオードの内部量子効率は、
同様の吸収パワーに対して、普通の線形フォトダイオード(linear photodiode)
の内部量子効率の半分である。
タリング電極２６を通じて測定されたときの）測定された光電流のプロットを示
す。図３の重要な特徴は、それは、光電流と光パワーとの間の２乗検波の関係(s
quare law relationship)を示すことである。これは、２つの光子がTPAプロセス
に関連するという事実、すなわち半導体導波路中で吸収されたそれぞれの２光子
に対して、ただ１つの電子−ホール対が生成されるという事実から生じることで
ある。関連する２光子の結果として、TPAフォトダイオードの内部量子効率は、
同様の吸収パワーに対して、普通の線形フォトダイオード(linear photodiode)
の内部量子効率の半分である。
【００２１】 光通信は、一般的に、約１０mWまでのパワーを有する案内された光を使用する
。この値まで、TPAはかなり非効率的であり、そのため案内された光のパワーは
、それのパワーの小さい部分の損失のみで簡単にモニタすることができる。２mW
の出力パワーを提供する０．５dB/cmの線形損失を有する導波路は、図３による
と、光の０．７％のみを吸収し、６．５μAの光電流を生成するであろう。TPAの
非線形特性のために、このパーセンテージは、案内された光パワーに比例して変
化するであろう。
。この値まで、TPAはかなり非効率的であり、そのため案内された光のパワーは
、それのパワーの小さい部分の損失のみで簡単にモニタすることができる。２mW
の出力パワーを提供する０．５dB/cmの線形損失を有する導波路は、図３による
と、光の０．７％のみを吸収し、６．５μAの光電流を生成するであろう。TPAの
非線形特性のために、このパーセンテージは、案内された光パワーに比例して変
化するであろう。
【００２２】 そのプロットから特筆すべき更なる特徴は、２mWだけのチャネルあたりの出力
パワーに対して、電子フィードバック機構を使用してデバイスの能動的制御のた
めに簡単に使用できる、６．５μAの光電流が生成されることである。
パワーに対して、電子フィードバック機構を使用してデバイスの能動的制御のた
めに簡単に使用できる、６．５μAの光電流が生成されることである。
【００２３】 能動的制御によって、変調子１のマニュアルでのプリセットが不要になる。そ
れは、温度変動のような影響による、正しいバイアス電圧の変化を補償すること
ができる。フィードバック電子機器の適切な構成が提供されると、２つの出力チ
ャネルを均衡した直角位相に自動的に設定して維持するために、パワーモニタ電
極２６からの信号をバイアス制御電極２４にかけることができる。
れは、温度変動のような影響による、正しいバイアス電圧の変化を補償すること
ができる。フィードバック電子機器の適切な構成が提供されると、２つの出力チ
ャネルを均衡した直角位相に自動的に設定して維持するために、パワーモニタ電
極２６からの信号をバイアス制御電極２４にかけることができる。
【００２４】 図４は、この目的のための電子フィードバック機構６０のブロック図を示す。
パワーモニタ電極２６からの光電流(imon1)６２及び(imon2)６４は、トランスイ
ンピーダンス(transimpedance)増幅器７０及び７２を使用して、電圧信号(Vmon1 )６６及び(Vmon2)６８に変換される。電圧信号６６及び６８の間の差は、差動増
幅器７４中で増幅され、２つのバイアス制御電極２４を駆動するために使用され
る。これらの電極は、相反ベース(antagonistic basis)でインバータ７６で動作
し、単に−１の利得を有する増幅器であるインバータ７６は、２つの極性の出力
Vbias、−Vbiasを提供するために使用される。また、電圧信号６６及び６８を加
算増幅器７８中で増幅することによって、変調子１の合計の平均パワー出力をモ
ニタすることができる。次にこれを、光パワー出力(optical light power outpu
t)安定化させるように、レーザソース４を制御する制御電極にフィードバックす
ることができる。制御電極中の寄生振動を最少にするために、モニタ信号６２及
び６４は、何らかの方法で、例えばトランスインピーダンス増幅器７０及び７２
中のRCフィードバックネットワークを使用することよって、ローパスフィルタを
通すべきである。
パワーモニタ電極２６からの光電流(imon1)６２及び(imon2)６４は、トランスイ
ンピーダンス(transimpedance)増幅器７０及び７２を使用して、電圧信号(Vmon1 )６６及び(Vmon2)６８に変換される。電圧信号６６及び６８の間の差は、差動増
幅器７４中で増幅され、２つのバイアス制御電極２４を駆動するために使用され
る。これらの電極は、相反ベース(antagonistic basis)でインバータ７６で動作
し、単に−１の利得を有する増幅器であるインバータ７６は、２つの極性の出力
Vbias、−Vbiasを提供するために使用される。また、電圧信号６６及び６８を加
算増幅器７８中で増幅することによって、変調子１の合計の平均パワー出力をモ
ニタすることができる。次にこれを、光パワー出力(optical light power outpu
t)安定化させるように、レーザソース４を制御する制御電極にフィードバックす
ることができる。制御電極中の寄生振動を最少にするために、モニタ信号６２及
び６４は、何らかの方法で、例えばトランスインピーダンス増幅器７０及び７２
中のRCフィードバックネットワークを使用することよって、ローパスフィルタを
通すべきである。
【００２５】 制御目的で光パワーを測定するためにTPAを使用することだけでなく、非破壊
欠陥テストのような他の目的のために更に使用することができることは理解され
るであろう。例えば、フォトニクス集積デバイスでは、TPAは、それの光の経路
長全体を通して発生し、そのため、例えば、記述された変調子のバイアス制御電
極２４又は変調電極２２のような適切な電極を有する回路中のどこでも光電流を
検出することができる。そのため、TPA光電流を検出することができる電極を、
それが存在し、損失の多い位置又は領域を決定するために使用することができる
、回路中のどの場所においても、案内されたパワーをモニタするために使用する
ことができる。１つ又はそれ以上の位置又は全体において重大な光の損失が発生
するときを検出し、また、そのような損失が発生したとき、例えば操作者が見る
ことができて回路の交換のような改善の処置をとることができるような欠陥警告
信号を作り出すために、測定される光電流を使用することができる。デバイスが
動作していないとき、すなわち、例えば、情報を運ばないテスト信号をデバイス
を通して送ることによって、通過する光信号の特性を変化させるためにそれが使
用されていないときに、これを実施することができる。
欠陥テストのような他の目的のために更に使用することができることは理解され
るであろう。例えば、フォトニクス集積デバイスでは、TPAは、それの光の経路
長全体を通して発生し、そのため、例えば、記述された変調子のバイアス制御電
極２４又は変調電極２２のような適切な電極を有する回路中のどこでも光電流を
検出することができる。そのため、TPA光電流を検出することができる電極を、
それが存在し、損失の多い位置又は領域を決定するために使用することができる
、回路中のどの場所においても、案内されたパワーをモニタするために使用する
ことができる。１つ又はそれ以上の位置又は全体において重大な光の損失が発生
するときを検出し、また、そのような損失が発生したとき、例えば操作者が見る
ことができて回路の交換のような改善の処置をとることができるような欠陥警告
信号を作り出すために、測定される光電流を使用することができる。デバイスが
動作していないとき、すなわち、例えば、情報を運ばないテスト信号をデバイス
を通して送ることによって、通過する光信号の特性を変化させるためにそれが使
用されていないときに、これを実施することができる。
【００２６】 本発明は、説明した特定の実施形態に制限されないこと、及び本発明の範囲内
の変更をすることができることは、理解されるであろう。例えば、説明した特定
の実施形態は、マッハ・ツェンダー型の光変調子であったが、本発明は、通常単
一の導波路のみを含む、電子吸収(electro-absorption)又は位相変調型の変調子
のような他のタイプの光変調子に適用することができることが理解されるであろ
う。更に、本発明は、例えば、フェーズド・アレイ・アンテナのためのビーム形
成手段(beam former)、マルチセクション・レーザ(multisection laser)、光ア
ッド−ドロップ・マルチプレクサ(optical add-drop multiplexer (ADMUX))、光
クロス・コネクション、又は意図する動作波長でTPAを示すが無視できるほど低
い線形バンド間吸収を好適には有する半導体材料の導波路を有する任意の光デバ
イスのような、他の形態の光デバイスに適合させられることは理解されるであろ
う。
の変更をすることができることは、理解されるであろう。例えば、説明した特定
の実施形態は、マッハ・ツェンダー型の光変調子であったが、本発明は、通常単
一の導波路のみを含む、電子吸収(electro-absorption)又は位相変調型の変調子
のような他のタイプの光変調子に適用することができることが理解されるであろ
う。更に、本発明は、例えば、フェーズド・アレイ・アンテナのためのビーム形
成手段(beam former)、マルチセクション・レーザ(multisection laser)、光ア
ッド−ドロップ・マルチプレクサ(optical add-drop multiplexer (ADMUX))、光
クロス・コネクション、又は意図する動作波長でTPAを示すが無視できるほど低
い線形バンド間吸収を好適には有する半導体材料の導波路を有する任意の光デバ
イスのような、他の形態の光デバイスに適合させられることは理解されるであろ
う。
【００２７】 本発明は、半導体導波路内の光パワーを測定するために２光子吸収(TPA)を使
用することに存在する。そのような構成は、例えば、導波路上に電極を備えるこ
とによって、簡単にモノリシックに光デバイス中に集積することができ、再成長
プロセス又は光スプリッタの必要性をなくすことができる。
用することに存在する。そのような構成は、例えば、導波路上に電極を備えるこ
とによって、簡単にモノリシックに光デバイス中に集積することができ、再成長
プロセス又は光スプリッタの必要性をなくすことができる。
【図１】 本発明によるマッハ・ツェンダー光変調子の概略の表現を示す。
【図２】 図１の変調子の導波路を通した断面を示す。
【図３】 導波路中の光パワーに対する光電流のグラフを示す。
【図４】 図１の変調子を動作させるための電子フィードバック機構の概略の表現を示す
。
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カーター アンドリュー キャノン イギリス ノーザンプトンシャー エヌエ ヌ７ ３ビーゼット ブリスワース スト ーク ロード 32エイ Ｆターム(参考） 2H047 KA05 MA07 NA02 QA02 RA01 5F049 MA01 MB07 QA02 RA02 RA06 UA17
Claims (10)
- 【請求項１】 半導体材料の導波路（１４、１６）及び前記導波路（１４、
１６）に沿って移動する光の光パワーを測定するためのディテクタ（２６）を含
むフォトニック集積デバイス（１）において、前記ディテクタ（２６）は、前記
導波路（１４、１６）中で、２光子吸収によって生成される光電流（imod1、imo d2 ）を測定し、前記ディテクタ（２６）は、前記デバイス（１）中にモノリシッ
クに集積されることを特徴とするフォトニック集積デバイス（１）。 - 【請求項２】 前記ディテクタは、後続の動作で使用するために、前記導波
路（１４、１６）を通過する光を当該導波路の途中で検出するインラインデバイ
スであることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック集積デバイス。 - 【請求項３】 前記ディテクタは、前記導波路を通して移動する光の小さい
量を取り出すパワータップであることを特徴とする請求項２に記載のフォトニッ
ク集積デバイス。 - 【請求項４】 前記ディテクタは、前記導波路（１４、１６）上に備えられ
る１つ又はそれ以上の電極（２６）を含むことを特徴とする請求項１乃至３のい
ずれかに記載のフォトニック集積デバイス。 - 【請求項５】 前記電極又は前記電極のそれぞれは、前記導波路材料とショ
ットキー接触を形成することを特徴とする請求項４に記載のフォトニック集積デ
バイス。 - 【請求項６】 前記電極又は前記電極のそれぞれは、金属アルミニウム（４
４）を含むことを特徴とする請求項５に記載のフォトニック集積デバイス。 - 【請求項７】 導波路半導体材料は、ガリウム砒素（３４）及びガリウムア
ルミニウム砒素（３２、３６）を含むことを特徴とする請求項６に記載のフォト
ニック集積デバイス。 - 【請求項８】 マッハ・ツェンダー変調子を含むことを特徴とする請求項１
乃至７のいずれかに記載のフォトニック集積デバイス。 - 【請求項９】 半導体材料の導波路を有するタイプのフォトニクス集積デバ
イスにおいて光パワーを測定する方法であって、２光子吸収によって前記導波路
中で生成される光電流を測定するステップを有することを特徴とする方法。 - 【請求項１０】 前記デバイスの動作を制御するために測定される光パワー
を使用するステップを更に有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| GBGB9814252.4A GB9814252D0 (en) | 1998-07-02 | 1998-07-02 | Optical power detection |
| GB9814252.4 | 1998-07-02 | ||
| PCT/GB1999/002089 WO2000002260A1 (en) | 1998-07-02 | 1999-07-01 | Optical power measurement in photonic integrated devices |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=10834762
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000558564A Pending JP2002520821A (ja) | 1998-07-02 | 1999-07-01 | フォトニック集積デバイスでの光パワー測定 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1112596A1 (ja) |
| JP (1) | JP2002520821A (ja) |
| AU (1) | AU753837B2 (ja) |
| CA (1) | CA2336165A1 (ja) |
| GB (2) | GB9814252D0 (ja) |
| IL (1) | IL140373A0 (ja) |
| WO (1) | WO2000002260A1 (ja) |
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| JP2019074642A (ja) * | 2017-10-16 | 2019-05-16 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
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