JP2005064051A - 光モジュールおよび光通信システム - Google Patents

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Abstract

【課題】光伝送路に対する挿入損失を低減すること。
【解決手段】光ファイバ３０１と光ファイバ３０２との間に挿入され、半導体光増幅部４１０、光素子４３０、レンズ３０３、レンズ３０４、光ファイバ３０１の端部および光ファイバ３０２の端部から構成された光モジュール４００であり、半導体光増幅部４１０は、半導体で構成され、入射側に設けられた光ファイバ３０１より入射された光を増幅し、光素子４３０は、半導体で構成され、半導体光増幅部４１０により増幅された光を伝搬させた後、出射側に設けられた光ファイバ３０２へ出射させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に用いて好適な光モジュールおよび光通信システムに関するものであり、特に、光伝送路に対する挿入損失を低減することができる光モジュールおよび光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２０は、従来の光モジュール３００の実装状態を示す図である。同図において、光モジュール３００は、光ファイバ３０１と光ファイバ３０２との間に挿入されている。光モジュール３００は、レンズ３０３、レンズ３０４、光素子３０５、光ファイバ３０１の端部および光ファイバ３０２の端部から構成されている。光素子３０５は、光導波路を有する光変調器、光スイッチ、方向性光結合器等である。
【０００３】
光ファイバ３０１は、光素子３０５の入射側に設けられており、内部伝搬している光を光素子３０５へ導く。この光ファイバ３０１の出射面３０１ａは、レンズ３０３を介して、光素子３０５の入射面３００ａと光学的に結合される。
【０００４】
一方、光ファイバ３０２は、光素子３０５の出射側に設けられており、光素子３０５から出射された光を内部伝搬させる。この光ファイバ３０２の入射面３０２ａは、レンズ３０４を介して、光素子３０５の出射面３００ｂと光学的に結合される。
【０００５】
上記構成において、光ファイバ３０１の出射面３０１ａから出射された光は、レンズ３０３により集光され、光素子３０５の入射面３００ａに入射し、光素子３０５の光導波路（図示略）を伝搬する。
【０００６】
そして、光素子３０５の出射面３００ｂから出射された光は、レンズ３０４により集光され、光ファイバ３０２の入射面３０２ａに入射し、光ファイバ３０２を伝搬する。
【０００７】
ここで、光ファイバ３０１と光ファイバ３０２との間に光モジュール３００を挿入した場合の挿入損失は、つぎの（１）式で表される。
挿入損失＝（結合損失）＋（光素子内損失）・・・（１）
【０００８】
（１）式において、結合損失は、光ファイバ３０１の出射面３０１ａと光素子３０５の入射面３００ａとの間の光結合に伴う損失と、光素子３０５の出射面３００ｂと光ファイバ３０２の入射面３０２ａとの間の光結合に伴う損失との和である。光素子内損失は、光が光素子３０５を伝搬する際の損失である。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００３−１６３４０６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来においては、図２０に示した光素子３０５の材料として、リチウムナイオベートが用いられている。リチウムナイオベートは、半導体に比べて光素子３０５のサイズが大きくなるが、結合損失が約０．５ｄＢと比較的低いという利点を備えている。
【００１１】
ここで、リチウムナイオベートの光素子３０５の挿入損失は、結合損失（約０．５ｄｂ）と光素子内損失（約０．５ｄＢ）との和であり、約１．０ｄＢである。
【００１２】
近年では、光モジュール３００（光素子３０５）の小型化、薄型化に関する要請を受けて、従前のリチウムナイオベートに代えて、半導体が光素子３０５の材料として用いられている。
【００１３】
半導体は、リチウムナイオベートに比べて、光素子３０５（光モジュール３００）を小型、薄型にできるという利点を備えているが、結合損失が約５．０ｄＢにも達するという欠点がある。なお、光素子３０５が半導体である場合には、光モジュール３００の挿入損失は、結合損失（約５．０ｄＢ）と光素子内損失（約０．５ｄＢ）との和であり、約５．５ｄＢにも達する。
【００１４】
すなわち、光素子３０５を半導体で構成した場合には、小型化に引き替え、リチウムナイオベートの場合に比べて、挿入損失が約５．０ｄＢも大きいという問題があった。これは、半導体の場合にサイズの小型化に伴って光素子３０５の光導波路での光モードサイズも、リチウムナイオベートの場合よりも小さくなるため、光結合時の損失が大きくなるからである。
【００１５】
なお、光モードサイズとは、光導波路（光ファイバも含む）における光の電界分布がガウシアンであると仮定した場合、電界が最大値の１／ｅになるときの幅の１／２をいう。
【００１６】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、光伝送路に対する挿入損失を低減することができる光モジュールおよび光通信システムを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、光伝送路に挿入される光モジュールにおいて、半導体で構成され、入射側に設けられた光伝送路より入射された光を増幅する光増幅部と、半導体で構成され、前記光増幅部により増幅された光を伝搬させた後、出射側に設けられた光伝送路へ出射させる光素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、上記発明の光モジュールを有することを特徴とする光通信システムである。
【００１９】
かかる発明によれば、入射側に設けられた光伝送路より入射された光を半導体で構成された光増幅部で増幅し、増幅された光を伝搬させた後、出射側に設けられた光伝送路へ光素子より出射させることとしたので、光伝送路に対する挿入損失を低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明にかかる光モジュールおよび光通信システムの実施の形態１および２について詳細に説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明にかかる実施の形態１の構成を示す図である。この図において、図２０の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。図１においては、図２０に示した光モジュール３００に代えて、光モジュール４００が設けられている。
【００２２】
光モジュール４００は、光ファイバ３０１と光ファイバ３０２との間に挿入されている。この光モジュール４００は、半導体光増幅部４１０、光素子４３０、レンズ３０３、レンズ３０４、光ファイバ３０１の端部および光ファイバ３０２の端部から構成されている。半導体光増幅部４１０は、光モジュール４００の入射側に設けられており、光ファイバ３０１の出射面３０１ａからレンズ３０３を介して入射面４１０ａに入射された光を増幅する。半導体光増幅部４１０は、例えば、０〜１５ｄＢまでの間で利得を可変することができる。例えば、半導体光増幅部４１０の利得を約５．５ｄＢとした場合には、光モジュール４００の挿入損失（約５．５ｄＢ）が相殺される。
【００２３】
図２は、図１に示した半導体光増幅部４１０の構成を示す斜視図である。同図に示した半導体光増幅部４１０において、ＩｎＰ（ｎ＋）の基板４１１の上には、ＩｎＰ（ｎ）の下部クラッド層４１２が形成されている。
【００２４】
この下部クラッド層４１２の上には、略矩形断面形状の活性層４１３が形成されている。また、半導体光増幅部４１０は、活性層４１３を覆うように形成された、ＩｎＰ（ｐ）の上部クラッド層４１４、コンタクト層４１５、ＩｎＰ（ｐ）の埋め込み層４１６およびＩｎＰ（ｎ）の埋め込み層４１７からなる積層体構造を有している。
【００２５】
積層体４１８の上面には、上面電極４１９が形成されている。一方、積層体４１８の下面には、下面電極４２０が形成されている。直流制御部４２１は、上面電極４１９および下面電極４２０に接続されており、順方向の直流電流Ｉを上面電極４１９から注入する。
【００２６】
図１に戻り、光素子４３０は、光導波路を有する光変調器、光スイッチ、方向性光結合器等であり、光モジュール４００の出射側に設けられている。この光素子４３０には、半導体光増幅部４１０により増幅された光が入射される。また、光素子４３０の出射面４３０ａから出射された光は、レンズ３０４を介して、光ファイバ３０２の入射面３０２ａに入射される。
【００２７】
半導体光増幅部４１０および光素子４３０は、いずれも半導体からなり、光モジュール４００を構成している。
【００２８】
上記構成において、光ファイバ３０１の出射面３０１ａから出射された光は、レンズ３０３により集光され、半導体光増幅部４１０の入射面４１０ａに入射する。これにより、図２に示した直流制御部４２１から順方向の直流電流が注入されているため、入射面４１０ａに入射した光は、半導体光増幅部４１０の活性層４１３を伝搬する間に増幅され、図１に示した光素子４３０に入射される。
【００２９】
なお、実施の形態１においては、直流制御部４２１により逆方向の直流電流Ｉ（または順方向であって所定値以下の直流電流Ｉ）を注入し、活性層４１３を伝搬する光を減衰させ、オプティカルシャッタの構成としてもよい。
【００３０】
そして、光は、光素子４３０の光導波路（図示略）を伝搬し、出射面４３０ａから出射した後、レンズ３０４により集光され、光ファイバ３０２の入射面３０２ａに入射し、光ファイバ３０２を伝搬する。
【００３１】
ここで、光ファイバ３０１と光ファイバ３０２との間に光モジュール４００を挿入した場合の挿入損失は、つぎの（２）式で表される。
挿入損失＝（結合損失）＋（光素子内損失）−（利得）・・・（２）
【００３２】
（２）式において、結合損失は、光ファイバ３０１の出射面３０１ａと半導体光増幅部４１０の入射面４１０ａとの間の光結合に伴う損失と、光素子４３０の出射面４３０ａとの間の光結合に伴う損失との和であり、約５．０ｄＢである。
光素子内損失は、光が光素子４３０を伝搬する際の損失であり、約０．５ｄＢである。利得は、半導体光増幅部４１０における光増幅利得であり、０〜１５ｄＢの範囲で可変される。
【００３３】
ここで、半導体光増幅部４１０の利得を５．５ｄＢとした場合、実施の形態１における挿入損失は、約０．５ｄＢ（（約５．０ｄＢ）＋（約０．５ｄＢ）−（約５．５ｄＢ））であり、０ｄＢとされ、完全に相殺される。また、半導体光増幅部４１０の利得を５．５ｄＢより高くすることにより、光モジュール４００のトータルで数ｄＢ以上の利得が得られる。
【００３４】
つぎに、図１に示した光素子４３０の具体例について、図３〜図１６を参照しつつ説明する。
【００３５】
図３は、図１に示した光素子４３０の具体例としてのΔβ反転方向性結合器型変調器２の構成を示す平面図である。Δβ反転方向性結合器型変調器２において、光導波路１８には、半導体光増幅部４１０で増幅された入射光が入射される。
【００３６】
このΔβ反転方向性結合器型変調器２は、Δβ交換方向性結合のために十分接近している平行制御電極１２、１３、１４、１５を備えた１対の光導波路１０、１１を含んでいる。このようなデバイスを動作させるために、信号源１６、１７からの反対符号の電気的変調信号を必要とする。ここに、Δβ＝β１−β２であり、β１及びβ２はそれぞれ光導波路１０及び１１を伝播する光の伝播定数である。伝播定数差Δβは、位相不整合とも称されている。
【００３７】
Δβ反転方向性結合器型変調器２の全体の結合領域長（相互作用長）Ｌが、結合長ｌ＝π／（２κ）より長く該結合長の３倍より短いの場合には、クロス状態およびバー状態がそれぞれ、特定印加電圧のとき得られる。ここにκは、結合係数である。電圧ＶｃおよびＶｂは、結合領域長Ｌ、結合長ｌ及び位相不整合Δβにより定り、Ｖｃ＜Ｖｂである。
【００３８】
印加電圧がＶｃのときのクロス状態では、上側（図面上で上側）の光導波路１８の入射光は、第１方向性結合器における上側の光導波路１０および下側（図面上で下側）の光導波路１１の終端で、各々入力電力の５０％ずつに分配されている。その後、Δβ反転方向性結合器型変調器の相反性（時間を逆にした動作も真であるという性質）によって、出射光は、第２方向性結合器の光導波路１９の終端だけから現れる。
【００３９】
印加電圧がＶｂのときのバー状態では、上側の光導波路１８の入射光は、第２方向性結合器の上側の光導波路２０の終端にのみ伝播する。従って、構造パラメータの広い公差にもかかわらず、信号電圧により、クロス状態およびバー状態の両方を制御することができる。
【００４０】
図４は、図１に示した光素子４３０の具体例としてのΔβ反転方向性結合器型変調器４の構成を示す図である。同図において、変調信号は、１つの信号発生器２１により供給され、負荷２２で終端している。
【００４１】
第１方向性結合器２３および第２方向性結合器２４に反対符号の信号を印加するために、同図に示すように中央部５で進行波電極２５、２６を曲げて交差させている。また、伝播定数差Δβを効率的に得るために、第１および第２方向性結合器が電気的に完全に分離される。
【００４２】
図５は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１００を示す平面図である。図６は、図５の３Ａ−３Ａ線に沿った縦断面図である。
【００４３】
この方向性結合器型変調器１００は、一対の光導波路３２、３３の第１部と第２部とを用いた第１方向性結合器２７および第２方向性結合器２９と、光導波路３２、３３における第１方向性結合器２７と第２方向性結合器２９との間の部分である交差導波路２８とを備えている。
【００４４】
第１方向性結合器２７および第２方向性結合器２９は互いに同一構成であり、光導波路と、該光導波路に沿って配置され該光導波路のコア層に電界を印加してＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）波に対し屈折率を変化させる制御電極とを備えている。図５中の３９及び４０は、第１方向性結合器２７の制御電極であり、４１及び４２は、第２方向性結合器２９の制御電極である。
【００４５】
各光導波路は、Ｐ層とＮ層の間にＩ層が挟まれたＰＩＮ構造であり、コア層であるＩ層の屈折率は、クラッド層であるＰ層及びＮ層のそれよりも大きい。制御電極３９〜４２は、該Ｐ層の上に堆積されている。
【００４６】
交差導波路２８は、立体交差路のように、光導波路４３と光導波路４４とが上下に離間して交差している。第１方向性結合器２７の、４５の位置にある上側の出力ポートは、光導波路４３を介し第２方向性結合器２９の、４８の位置にある下側の入力ポートに接続されている。同様に、第１方向性結合器２７の、４９の位置にある下側の出力ポートは、光導波路４４を介し第２方向性結合器２９の、５１の位置にある上側の入力ポートに接続されている。図５は一律の縮尺ではなく、交差導波路２８の長さが結合長に比し充分短くて、交差導波路２８は方向性結合器として働かない（光結合が無視できる）。
【００４７】
光導波路３２、３３のうち、第１方向性結合器２７の入力側の光導波路（部分）３４と３３の間、及び、第２方向性結合器２９の出力側の光導波路（部分）３５と３６の間との間は、光結合を避けるため方向性結合器の部分よりも離れている。
【００４８】
光導波路３２、３３の両側に、曲ったり交差したりしていない進行波電極３０、３１が形成されている。進行波電極３０、３１の終端には、進行波の反射が生じないように終端抵抗３８が接続されている。
【００４９】
制御電極３９及び４１はそれぞれエアブリッジ６３及び１６３を介して進行波電極３０に電気的に接続され、制御電極４０及び４２はそれぞれエアブリッジ６４及び１６４を介して進行波電極３１に電気的に接続されている。進行波電極３０、３１、エアブリッジ６３、１６３、６４、１６４及び制御電極３９〜４２は、例えば金で形成されている。
【００５０】
制御電極３９と制御電極４２との間を実質的に絶縁するために、例えば、光導波路４３のＰ層の上部がエッチングにより削られ、又は、該Ｐ層の上部に鉄イオンが打ち込まれて、高抵抗化されている。制御電極４０と制御電極４１との間の光導波路４４のＰ層についても同様である。なお、削られる前の該Ｐ層が充分薄くて実質的に該絶縁がなされていれば、このような処理は不要である。
【００５１】
第１方向性結合器２７と第２方向性結合器２９との長さの合計は、結合長π／（２κ）より大きくて該結合長の３倍より短い。
【００５２】
このような方向性結合器型変調器１００は、Δβ反転方向性結合器型変調器２（図３参照）のように、入力電圧信号によりクロス状態及びバー状態の両方を制御することができる。注目すべき点は、反対極性の２入力信号を使用する必要がなく、１つの入力信号駆動および不交差進行波電極構成を可能にする点である。
【００５３】
方向性結合器型変調器１００の動作は以下のとおりである。以下において、光導波路３２に入射した光が全て同一側の光導波路３５から出射する場合をバー状態、光導波路３２に入射した光が全て反対側の光導波路３６から出射する場合をクロス状態と称する。このため、図３で説明したバー状態及びクロス状態を得るための電圧Ｖｂ及びＶｃと、本実施の形態でバー状態及びクロス状態を得るための電圧Ｖｂ’及びＶｃ’とは、Ｖｂ＝Ｖｃ’、Ｖｃ＝Ｖｂ’の関係にある。
【００５４】
Δβ動作モードを達成するために、１組のエアブリッジ６３、６４、１６３、１６４を通って、方向性結合器導波路上の制御電極３９、４０、４１、４２に電圧信号が印加される。この印加状態では、第１方向性結合器２７と第２方向性結合器２９の極性は同じである（この点はΔβ反転方向性結合器型変調器２（図３参照）と異なる）。
【００５５】
低い伝播定数差Δβ（理想的には０）のための電圧Ｖｂ’を信号発生器３７から進行波電極３０、３１間に印加すると、上側（図面上で上側）の光導波路３４の入射光は、第１方向性結合器２７の終端４５、４９において、各々入力電力の５０％になる。終端４５、４９の光はそれぞれ交差導波路２８でクロスし、第２方向性結合器２９の始端４８、５１に至る。次いで上記相反性により、第２方向性結合器２９の終端では、上側の光導波路のみに光が存在し、これが光導波路３５から出射する。
【００５６】
印加電圧がＶｃ’である場合、上側の光導波路３４の入射光は、大きな伝播定数差Δβのために、第１方向性結合器２７の上側の光導波路のみ通る。次いで、交差導波路の中を光が伝播した後に、第２方向性結合器２９の下側の光導波路のみ伝播する。
【００５７】
本実施の形態によれば、交差導波路２８の採用によって、第１方向性結合器２７、第２方向性結合器２９の制御電極に印加する電圧の極性を、同じにすることができる。これにより、直線の進行波電極を用いて、交差するＲＦ信号を無くし、ＲＦ性能を改善することができ、高周波動作が可能となる。
【００５８】
また、構造パラメータの製造公差を広くしつつ、より高周波の信号電圧でバー状態及びクロス状態の両方を完全に制御することが可能となる。
【００５９】
図５の構成では、電気信号波長に比し長い制御電極が進行波特性に大きく影響して、伝送損失を引き起こすので、適切に動作させるためには、図５に示す各制御電極３９、４０、４１、４２の長さを、進行波電極３０、３１を通る電気信号の波長より短くなければならない。
【００６０】
図７は、このような問題点を解消する構造を有する方向性結合器型変調器１０２を示す平面図である。この方向性結合器型変調器１０２は、図１に示した光素子４３０の具体例である。
【００６１】
図５の各方向性結合器の制御電極が分割され、図７に示されるように、２組の３つの部分４３、４４および４５になっている。各制御電極片は、別々にエアブリッジ６３、６４を通って、外側の進行波電極４７、４８に接続されている。
【００６２】
信号発生器４９からの電気的駆動信号は、進行波電極４７、４８の各々の入力ポートに印加され、次いでそれぞれ進行波電極４７、４８を通り、エアブリッジ６３、６４を通って、各制御電極４３、４４、４５、４６に伝播する。進行波電極４７、４８の終端には、５０Ωの終端抵抗が接続されている。
【００６３】
光導波路のトポロジーは、図５のものと同一である。第１方向性結合器５１、交差導波路領域５２および第２方向性結合器５３は、カスケード接続されている。
【００６４】
したがって、入力導波路５４に入射した光は、入力信号電圧によって出力導波路５５あるいは５６に切替えられる。
【００６５】
変調器が信号波長に比し長いこの構成は、低損失の電気的伝送をもたらす。同様の構成に基いて、より長い変調器に対しても入力インピーダンスを目標値（典型的には５０Ω）に維持することができる。
【００６６】
図８は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１０４を示す縦断面図（図９の例えば断面５−５の位置に相当する）である。
【００６７】
この構成では、リッジ導波路構造を採用している。Ｎ型クラッド層５７、Ｉ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）コア層５８、および制御電極に接するＰ型クラッド層５９がＧａＡｓ又はＩｎＰなどの半絶縁性閃亜鉛鉱型結晶の基板６０上に配置されている（この点は、他の実施の形態についても同様）。電気信号は、進行波電極３０、３１からエアブリッジ６３、６４を通ってＰ型クラッド層５９に供給される。エアブリッジを介して印加した電圧は、Ｉコア層５８内によく閉じ込められた電界を生成するので、駆動電圧を最小にすることを可能にする。また、Ｎ型クラッド層５７は、両方の外側の進行波電極３０、３１から完全にフローティング状態に維持され、好ましい。
【００６８】
エアブリッジ６３、６４の下側のエアの代りに絶縁層を使用することができるかもしれないが、その厚さを、選ばれた半導体製造プロセスに適するものよりもはるかに大きくする必要があるだろう。この理由のため、エアブリッジ構造は好ましい。
【００６９】
領域６５で表される光ビームは、Ｉコア層５８とＮ型クラッド層５７の屈折率差が小さく設定されているので、Ｉコア層５８からＮ型クラッド層５７内にはみ出し、Ｎ型クラッド層５７を介して隣り合う光導波路に結合することができる。
【００７０】
エアブリッジ６３、６４で供給された進行波電極３０、３１からのマイクロ波信号は、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造により、各光導波路のＩコア層５８のみに電界を集中させる。したがって、Ｉコア層５８において、光強度とマイクロ波信号強度のオーバラップが増加し、結合領域長が調節されるにつれて駆動電圧が減少する。
【００７１】
図１０は、図８の構造の変形例であって、リッジ構造がない方向性結合器型変調器１０５を示す縦断面図である。
【００７２】
この構造は、共通のＩコア層５８を含んでおり、この層は共通のＮ型クラッド層５７上に広がっている。ブリッジ間のＩコア層５８の部分の除去は必要ではない。更に、光結合が、このＩコア層５８で直接生じる。２つの光導波路間の結合強度は、該２つの光導波路間の距離を規定することにより特定されるという点に留意すべきである。Ｉコア層５８の中の光閉込は、かなり大きくしておくことができる。
【００７３】
図１１は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１０６の、一方の方向性結合器の位置での縦断面図を示す。
【００７４】
この実施の形態では、埋込ヘテロ構造（ＢＨ）の光導波路構造を用いている。
基板６０上には、Ｎ型クラッド（伝導）層６６、一対のＩコア層６７およびＰクラッド層６８が堆積されている。一対のＩコア層６７の各々の両側部は、半絶縁性クラッド層７０で完全に埋め込まれている。電気信号は、進行波電極７１、７２からエアブリッジ７３、７４を通って供給される。領域７５で表される光ビームは、半絶縁性クラッド層７０より高い屈折率のＩコア層６７内に閉じ込められ、また、該光ビームは半絶縁性クラッド層７０を通って隣接導波路に結合することができる。
【００７５】
一方、進行波電極７１、７２からエアブリッジ７３、７４を介し供給されたマイクロ波信号により生成される電界は、Ｐ−Ｉ−ＮかつＩコア層埋込の構造であることにより、各光導波路のＩコア層６７に集中する。したがって、Ｉコア層内の光強度とマイクロ波信号強度の間のオーバラップが増加し、一対の光導波路間の距離を設定して結合長が調節されている限りは、駆動電圧が低減する。
【００７６】
リッジ導波路構造と比較して、ＢＨ光導波路構造は、より複雑であるが、きつい光閉込めにより、より低い光学的挿入損を示す。
【００７７】
図１２は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１０８を示す図である。同図においては、光交差導波路として、実際に交差した光導波路の代りにクロス状態方向性結合器７６が使用されている。図中の矢印は、クロス状態であることを示している。クロス状態方向性結合器７６は、クロス状態の方向性結合が生ずるように互いに平行に接近して配置された一対の光導波路で構成されている。
【００７８】
注目すべき点は、クロス状態方向性結合器７６の一対の光導波路間の距離が、第１または第２方向性結合器領域のそれらと比較して短いことである。この構造により結合長がより短くなり、よりコンパクトな変調器を提供することができる。
【００７９】
クロス状態方向性結合器７６以外の部分は、上記又は後述の実施の形態のいずれの構造であってもよい。
【００８０】
この方向性結合器型変調器１０８によれば、クロス状態方向性結合器７６の光導波路がその前後の光導波路と同じ層に連続的に形成されており、立体的に交差していないので、製造が容易で実用的である。
【００８１】
図１３は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１０を示す図である。同図においては、光交差導波路として、２つの入力ポート１２１、１２２および２つの出力ポート１２３、１２４を備えた２×２マルチモード干渉（ＭＭＩ）結合器７７が採用されている。２×２ＭＭＩ結合器７７の幅Ｗおよび長さＬを適当に選ぶことによって、Ｌ．Ｂ．ソルダーノ博士らによって述べられているように（”Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｅｌｆ−Ｉｍａｇｉｎｇ： Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． １３， Ｎｏ． ４， ｐｐ． ６１５−６２７， Ａｐｒｉｌ １９９５．）、反対側の光導波路の位置に鏡像を得ることができる。
【００８２】
光交差導波路としてこのような同層構造の方向性結合器を使用することにより、光交差導波路をチップに容易に形成することができる。
【００８３】
４つの制御電極間は、２×２ＭＭＩ結合器７７のＰＩＮ構造のＰ層につき高抵抗化処理により、又は処理前に、実質的に絶縁されている。
【００８４】
２×２ＭＭＩ結合器７７以外の部分は、上記又は後述の実施の形態のいずれの構造であってもよい。
【００８５】
図１４は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１２を示す図である。
【００８６】
ここでは、光交差導波路として、簡単なＸ型交差導波路８０およびその前後の屈曲導波路８１、８２が用いられている。
【００８７】
この構成では、図１２のクロス状態方向性結合器７６や図１３の２×２ＭＭＩ結合器７７に対して要求される導波路構造パラメータを正確に調整する必要がないので、比較的単純な構造を用いた波長無依存の光交差導波路が得られる。
【００８８】
４つの制御電極間は、Ｘ形交差導波路８０のＰＩＮ構造のＰ層につき高抵抗化処理により、又は処理前に、実質的に絶縁されている。
【００８９】
光交差導波路以外の部分は、上記又は後述の実施の形態のいずれの構造であってもよい。
【００９０】
図１５は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１４の一部の斜視図（一律の縮尺ではない）を示す。該一部は、例えば図７の一方の方向性結合器の一部に相当しており、光導波路の長手方向に関し分割された制御電極を備えている。
【００９１】
進行波伝送は、周波数が高くなるにつれ、光導波路上の長手方向制御電極間の電気的相互作用に影響される。よい進行波伝送特性を維持するためには、該相互作用を除去した方がよい。該長手方向制御電極間の絶縁が十分でない場合、後方への伝送が容易に引き起こされて、電気的反射損失が増加する。
【００９２】
図１５を参照すれば、Ｐ型クラッド層８３、８４は、制御電極１３１、１３２、１３３、１３４の下でのみ配置されている。すなわち、リッジ構造の光導波路上の制御電極間のＰ型クラッド層が除去されている。したがって、制御電極１３１と１３２の間及び１３３と１３４の間の電流はかなり抑えられる。その結果、そうでなければそのような漏電流で引き起こされた相互作用は、回避される。
【００９３】
一方、Ｉコア層８５および８６、ならびに基板６０上のＮ型クラッド層６６の中の光ビームは、この領域で、大きな光損失なく伝播することができる。リッジ構造の光導波路では、図８に示すようにコア層から下側のクラッド層へ光が大きく侵入しており、上側のクラッド層への光の侵入を無視できるので、このような上側の制御電極間クラッド層の除去は問題ない。
【００９４】
図ｌ６は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１６を示す。
【００９５】
Δβ切換方向性結合器として動作するために、２つの方向性結合器８７、８８を備える必要がある。方向性結合器８７と８８とでは、光導波路の屈折率変化の大きさが同じで極性が逆になるように、所望の屈折率変化を得るように電気光学Ｉ層（不図示）の電界の変化を制御すべきである。図１６では、この目的を達成するためにＤＣバイアス電極が設けられている。
【００９６】
すなわち、バイアス電圧印加用のパッド９１は、図１６に示すように、Ｎ＋型電極層９２の上に堆積している。このＮ＋型電極層９２は、全体の光導波路と基板の間に配置されている。すなわち、Ｎ＋型電極層９２の上にＰＩＮ光導波路のＮ層が堆積している。Ｎ＋型電極層９２は、全体の光導波路に沿って形成され、中間部は広幅の一直線になっている。
【００９７】
外側の進行波電極８９、９０に接続された制御電極３９、４０、４１、４２は、コア層の電界強度変化を引起すことができるが、本発明の方向性結合器型変調器１１６はＰ−Ｉ−Ｎ半導体構造に基いているので、ダイオード特性を有する。
【００９８】
パッド９１には、変調モード中に、全ての光導波路をダイオード特性の負バイアス（逆バイアス）状態にさせるＤＣ電圧が印加される。この電圧は、信号発生器９３のＲＦ出力信号の最大値の半分である。例えば、バー状態及びクロス状態にするときのＲＦ出力信号がそれぞれ０Ｖ及び１Ｖで、ＤＣバイアス電圧が０．５Ｖである。なお、９４は終端抵抗である。
【００９９】
図ｌ７は、図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１７を示す平面図である。
【０１００】
この方向性結合器型変調器１１７は、図１６の構成にさらに、出力段に方向性結合器型光減衰器２００を備えている。
【０１０１】
方向性結合器型光減衰器２００は、光導波路３４の出力側を延設した光導波路２０１と、光導波路２０１と方向性結合が生ずるように平行に接近して配置された光導波路２０２と、ＰＩＮ構造の光導波路２０２のＰ層（不図示）上に接合された制御電極２０３と、２０１及び２０２の下方まで延設されたＮ＋型電極層９２とを備え、制御電極２０３には、可変ＤＣ電源２０５の出力電位が印加される。光導波路２０２の長さは、結合長π／（２κ）の偶数倍、例えば２倍の長さである。
【０１０２】
Ｎ＋型電極層９２と制御電極２０３との間の電圧Ｖが０である場合、光導波路２０１に入った光は全て光導波路２０１の出口から出射する。この電圧Ｖが０でないとき、電圧値Ｖに応じて、光導波路２０１に入った光の一部が光導波路２０２の出口から出射するので、結果として、光導波路２０１の出口から出射する光は減衰された光となり、方向性結合器型光減衰器２００が可変光減衰器として機能する。
【０１０３】
光減衰量、すなわちＤＣ電圧Ｖは、光導波路２０１に接続される不図示の光通信システムが要求する光入力のパワーにより定められる。
【０１０４】
光導波路２０１から離れた光導波路２０２上に制御電極２０３が備えられているので、制御電極２０３は制御電極４１に影響を与えず、方向性結合器型変調器１１７の変調性能が確保される。
【０１０５】
なお、光導波路２０２の長さを結合長の奇数倍にし、光導波路２０２の出口を方向性結合器型変調器１１７の出力ポートとしてもよい。また、光導波路２０２及びこの上に接合された制御電極２０３の位置は、光導波路２０１に対し図１７の場合の反対側であってもよい。すなわち、光導波路２０２は、光導波路２０１と方向性結合が生ずるように平行に接近して配置されていればよい。さらに、電圧Ｖにより減衰量を調整できるので、光導波路２０２の長さは、結合長の整数倍でなくてもよい。
【０１０６】
同様に、光導波路２０２の替わりに、光導波路３３を延設した光導波路２０４（光導波路２０４は、光導波路２０１と光結合が生じないように離れている。）と方向性結合が生ずるように平行に接近して光導波路を配置し、この光導波路又は光導波路２０４の出口を方向性結合器型変調器１１７の出力ポートとしてもよい。
【０１０７】
また、方向性結合器型光減衰器２００を、図１６の構成の入力段に備えてもよい。
【０１０８】
以上説明したように、実施の形態１によれば、入射側に設けられた光ファイバ３０１より入射された光を半導体光増幅部４１０で増幅し、増幅された光を伝搬させた後、出射側に設けられた光ファイバ３０２へ光素子４３０より出射させることとしたので、光伝送路（光ファイバ）に対する挿入損失を低減することができる。
【０１０９】
また、実施の形態１によれば、直流制御部４２１（図２参照）により、逆方向の直流電流または順方向であって所定値以下の直流電流を注入させ、光減衰を制御することとしたので、オプティカルシャッタとしても機能させることができる。
【０１１０】
（実施の形態２）
図１８は、本発明にかかる実施の形態２の構成を示す図である。この図において、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。図１８においては、図１に示した光モジュール４００に代えて、光モジュール５００が設けられている。
【０１１１】
光モジュール５００においては、半導体光増幅部４１０と光素子４３０との間に電気的絶縁部５１０が新たに設けられている。電気的絶縁部５１０は、半導体光増幅部４１０と光素子４３０とを電気的に絶縁する一方、光学的に結合させる機能を備えている。
【０１１２】
図１９は、図１８に示した電気的絶縁部５１０の構成を示す平面図である。電気的絶縁部５１０は、平行配置された１対の光導波路５１１および光導波路５１２を備えている。また、電気的絶縁部５１０において、クロス状態の方向性結合が生ずるように互いに平行に接近して配置された光導波路部分は、クロス状態方向性結合部５１０ａとされている。
【０１１３】
半導体光増幅部４１０で増幅された光は、光導波路５１１の入射端５１１ａに入射された後、光導波路５１１を伝搬し、クロス状態方向性結合部５１０ａでクロスし、光導波路５１２を伝搬する。そして、光導波路５１２の出射端５１２ａより出射された光は、光素子４３０に入射される。
【０１１４】
以上説明したように、実施の形態２によれば、半導体光増幅部４１０と光素子４３０とを電気的に絶縁する一方、光学的に結合させる電気的絶縁部５１０を備えたこととしたので、半導体光増幅部４１０および光素子４３０に対して独立的に安定した制御を行うことができる。
【０１１５】
以上本発明にかかる実施の形態１および２について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成例はこれらの実施の形態１および２に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【０１１６】
例えば、実施の形態１および２においては、図２を参照して、半導体光増幅部４１０の一構成例について説明したが、図２の構成例に限定されることなく、光増幅（光減衰）の機能を有するものであれば、他の構成例であっても本発明に含まれる。
【０１１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入射側に設けられた光伝送路より入射された光を半導体で構成された光増幅部で増幅し、増幅された光を伝搬させた後、出射側に設けられた光伝送路へ光素子より出射させることとしたので、光伝送路に対する挿入損失を低減することができる。
【０１１８】
また、本発明によれば、直流制御部により、逆方向の直流電流または順方向であって所定値以下の直流電流を注入させ、光減衰を制御することとしたので、オプティカルシャッタとしても機能させることができる。
【０１１９】
また、本発明によれば、光素子において第１光導波路と第２光導波路とを光学的な交差が生じる位置関係で配置することとしたので、１対の第１制御電極（１対の第２制御電極）に印加される制御電圧の極性を同じにすることができ、これにより、互いに交差しない第１リード電極及び第２リード電極を配置することができ、構造パラメータの製造公差を広くしつつＲＦ性能が改善されてより高周波の変調動作が可能になり、光通信システムの高速化に寄与することができるという効果を奏する。
【０１２０】
また、本発明によれば、交差の部分として、２ｘ２マルチモード干渉結合器、Ｘ形交差導波路、又は、互いに略平行に接近した状態で配置された第１光導波路および第２光導波路を用いれば、前後の光導波路と同層に交差の部分を形成することができ、立体交差路を備える必要がないので、製造が容易であるという効果を奏する。
【０１２１】
また、本発明によれば、交差の部分として、互いに略平行に接近した状態で配置された第１光導波路および第２光導波路を用いた場合にはさらに、交差の部分における第１光導波路と第２光導波路との間隔を、他部分における第１光導波路と第２光導波路の間隔よりも狭くすることにより、コンパクトな構成とすることができるという効果を奏する。
【０１２２】
また、本発明によれば、第１及び第２制御電極について、長手方向に関し複数に分割された制御電極片を有することとしたので、制御電極片間の漏電流が抑えられ、該漏電流で引き起こされる相互作用を回避することができる。
【０１２３】
また、本発明によれば、第３光導波路、第４光導波路および該第４光導波路のコア層に電界をかけて該コア層の屈折率を変化させるための第３制御電極を設けることとしたので、屈折率の変化により光を減衰させる可変光減衰器として機能させることができる。
【０１２４】
また、本発明によれば、光増幅部とモジュール部とを電気的に絶縁する一方、光学的に結合させる電気的絶縁部を備えたこととしたので、光増幅部および光素子に対して独立的に安定した制御を行うことができる。
【０１２５】
また、本発明によれば、光通信システムにおいて、光伝送路に対する光モジュールの挿入損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる実施の形態１の構成を示す図である。
【図２】図１に示した半導体光増幅部４１０の構成を示す図である。
【図３】図１に示した光素子４３０の具体例としてのΔβ反転方向性結合器型変調器２の構成を示す平面図である。
【図４】図１に示した光素子４３０の具体例としてのΔβ反転方向性結合器型変調器４の構成を示す図である。
【図５】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１００を示す平面図である。
【図６】図５の３Ａ−３Ａ線に沿った縦断面図である。
【図７】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１０２の構成を示す平面図である。
【図８】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１０４の構成を示す縦断面図である。
【図９】図８に示した方向性結合器型変調器１０４の平面図である。
【図１０】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１０５の構成を示す縦断面図である。
【図１１】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１０６の構成を示す縦断面図である。
【図１２】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１０８の構成を示す縦断面図である。
【図１３】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１０の構成を示す平面図である。
【図１４】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１２の構成を示す平面図である。
【図１５】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１４の一部構成を示す斜視図である。
【図１６】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１６の構成を示す平面図である。
【図１７】図１に示した光素子４３０の具体例としての方向性結合器型変調器１１７の構成を示す平面図である。
【図１８】本発明にかかる実施の形態２の構成を示す図である。
【図１９】図１８に示した電気的絶縁部５１０の構成を示す平面図である。
【図２０】従来の光モジュール３００の実装状態を示す図である。
【符号の説明】
２７、５１、８７ 第１方向性結合器
２９、５３、８８ 第２方向性結合器
２８、５２ 交差導波路
３０、３１、４７，４８、７１、７２、８９、９０ 進行波電極
３２、３３ 光導波路
３９〜４６、１３１〜１３４ 制御電極
３７、４９、９３ 信号発生器
３８ 終端抵抗
５７、６６ Ｎ型クラッド層
５８、８５、８６ Ｉコア層
５９、６８、８３、８４ Ｐ型クラッド層
７０ 半絶縁性クラッド層
６０ 基板
６３、６４、１６３、１６４、７３、７４ エアブリッジ
７６ クロス状態方向性結合器
７７ ２×２マルチモード干渉（ＭＭＩ）結合器
８０ Ｘ形交差導波路
８１、８２ 屈曲導波路
９１ パッド
９２ Ｎ＋型電極層
１００、１０２、１０４、１０８、１１０ 方向性結合器型変調器
４００ 光モジュール
４１０ 半導体光増幅部
４３０ 光素子
５００ 光モジュール
５１０ 電気的絶縁部

Claims (17)

  1. 光伝送路に挿入される光モジュールにおいて、
    半導体で構成され、入射側に設けられた光伝送路より入射された光を増幅する光増幅部と、
    半導体で構成され、前記光増幅部により増幅された光を伝搬させた後、出射側に設けられた光伝送路へ出射させる光素子と、を備えたことを特徴とする光モジュール。
  2. 前記光増幅部は、順方向の直流電流を注入させ光増幅を制御する直流制御部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
  3. 前記直流制御部は、逆方向の直流電流または順方向であって所定値以下の直流電流を注入させ、光減衰を制御することを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
  4. 前記光素子は、
    前記光増幅部からの光を伝播させる第１光導波路と、
    前記第１光導波路に対して光学的な交差が生じる位置関係で配置され、光を伝播させる第２光導波路と、
    前記第１及び第２光導波路に沿って配置された第１リード電極と、
    前記第１光導波路に沿いかつ前記交差の部分を挟んで対向配置され、前記第１リード電極を介して前記交差の状態を制御する制御電圧が印加される１対の第１制御電極と、
    前記第１リード電極と対向配置された第２リード電極と、
    前記第２光導波路に沿いかつ前記交差の部分を挟んで対向配置され、前記第２リード電極を介して前記制御電圧が印加される１対の第２制御電極と、から構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光モジュール。
  5. 前記第１リード電極と前記第２リード電極とは、前記第１及び第２光導波路を挟んで対向配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
  6. 前記第１リード電極と前記第２リード電極とは、略平行に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の光モジュール。
  7. 前記第１光導波路と前記第２光導波路とは、物理的に立体交差した状態で配置されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１つに記載の光モジュール。
  8. 前記交差の部分は、２ｘ２マルチモード干渉結合器を構成していることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１つに記載の光モジュール。
  9. 前記交差の部分は、Ｘ形交差導波路を構成していることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１つに記載の光モジュール。
  10. 前記第１光導波路と前記第２光導波路とは、前記交差の部分において互いに略平行に接近した状態で配置されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１つに記載の光モジュール。
  11. 前記交差の部分における前記第１光導波路と前記第２光導波路との間隔は、他部分における前記第１光導波路と前記第２光導波路の間隔よりも狭いことを特徴とする請求項１０に記載の光モジュール。
  12. 前記第１及び第２制御電極はいずれも、長手方向に関し複数に分割された制御電極片を有していることを特徴とする請求項４乃至１１のいずれか１つに記載の光モジュール。
  13. 前記第１及び第２光導波路はいずれも、長手方向に隣り合う前記制御電極片の間の真下以外は、クラッドであるＰ層とＮ層の間にコアであるＩ層が挟まれたＰＩＮ構造であり、該Ｐ層の上に、対応する該制御電極片が堆積され、該長手方向に隣り合う該制御電極片の間の真下の光導波路については、該ＰＩＮ構造からＰ層を除去した構造であり、該ＰＩＮ構造のＮ層は、該第１及び第２光導波路に共通の層であること、を特徴とする請求項１２に記載の光モジュール。
  14. 前記第１及び第２光導波路はいずれも、３層形又はＩ層埋込形のＰＩＮ構造であり、該３層形の場合には該第１及び第２光導波路のＰ層の上にそれぞれ該第１及び第２制御電極が堆積され、該Ｉ層埋込形の場合には該第１及び第２光導波路のＩ層の上にそれぞれ該第１及び第２制御電極が堆積され、該第１及び第２光導波路のＮ層が堆積され、ＤＣバイアス電圧が印加される共通のＮ＋層さらに有することを特徴とする請求項４乃至１３のいずれか１つに記載の光モジュール。
  15. 前記第１及び第２光導波路の少なくとも一方が延設された第３光導波路と、
    該第３光導波路と光結合が生ずるように該第３光導波路に平行に接近して配置された第４光導波路と、
    該第４光導波路のコア層に電界をかけて該コア層の屈折率を変化させるため、該第４光導波路に沿って配置された第３制御電極と、を備えた方向性結合器型光減衰器をさらに有することを特徴とする請求項４乃至１４のいずれか１つに記載の光モジュール。
  16. 前記光増幅部と前記光素子とを電気的に絶縁する一方、光学的に結合させる電気的絶縁部を備えたことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の光モジュール。
  17. 請求項１乃至１６のいずれか１つに記載の光モジュールを有することを特徴とする光通信システム。
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