JP2005521079A

JP2005521079A - 広い光帯域幅を有する電界吸収型変調器

Info

Publication number: JP2005521079A
Application number: JP2003577047A
Authority: JP
Inventors: ジョン，ヘイグマーシュ，
Original assignee: インテンスフォトニクスリミテッド
Priority date: 2002-03-16
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2005-07-14
Also published as: RU2004130500A; GB0206226D0; US20050206989A1; AU2003216812A1; GB2401690A; US20090147352A1; CA2479397A1; GB0421265D0; EP1485751A1; WO2003079100A1; CN1332241C; CN1653375A; RU2317575C2; GB2401690B

Abstract

電界吸収型変調器は、複数のセクション（２０１〜２０５）を含む導波構造を有し、各セクションは異なるバンドギャップと電気的なバイアスを前記セクションに印加するための少なくとも１つの電極とを有する。別々にアドレス可能なセクションを利用して、変調信号を前記セクションの１つ以上に印加してパラメータチャープと変調度と挿入損失のいずれか１つ以上の所定の水準を達成するような方式で、前記セクションの１つ以上をバイアス電圧で電気的にバイアスすることによって、導波構造を通過する光信号は変調することができる。

Description

本発明は、電界吸収型変調器（ＥＡＭ）に関する。

導波路電界吸収型変調器（ＥＡＭ）は、１０Ｇｂ／ｓ以上のデータ速度で光を変調するのに適した非常に小型の装置である。現在５０ｋｍであるが近い将来には１００〜１２０ｋｍに拡大するであろう典型的な到達距離を有する光通信網において、この変調器は利用されている。最適化された装置は、より長到達距離のシステムにおいてでも適用されるであろう。

これらの小型化（典型的には、数百μｍの導波路長を有する）、低い稼動電圧（典型的には５Ｖ未満）、及びモードサイズに関しての半導体レーザとの適合性が、この変調器を、外部変調器として利用するのに理想的にさせる。この変調器は、有利には、半導体レーザと同じモジュール内に実装する又は半導体レーザとともにチップ上に組み込むことが可能である。

ＥＡＭの作動原理は、半導体量子井戸（ＱＷ）デバイスにおける量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）に基づく。ＱＷ構造において、ＱＷの基本材料のバンドギャップと、電子及び正孔準位の量子化エネルギーとによって、有効バンドギャップが決定する。電場をこのデバイスに、井戸と垂直に印加する時、有効バンドギャップは減少し、吸収スペクトルは変化する。これにより、デバイスを通過した光の振幅を変調することが可能になる。吸収スペクトルが変化する時、前記構造の屈折率において随伴する変化がある（クラーマス−クローニヒの関係式）。屈折率の変化は光路長において変化を生じ、次には透過光の波長における動的な変化を引き起こす。透過光パルスの波長におけるこれらの変化は、チャープとして知られている。チャープは、ファイバー分散により光ファイバーに沿ってデータが伝達できる範囲を修正する効果を有する。

チャープと、挿入損失と、変調度との間にトレードオフの関係があり、これはデバイスの作動波長範囲が制限されていることを意味する。

先行技術における従来のＥＡＭは、単一のバンドギャップを有する。これが、デバイスが作動する波長の範囲を制限する。電界屈折変調器は、印加した電圧から生じる導波路断面における屈折率変化を利用して、幅広い波長範囲にわたり動作するだろう。このデバイスは、集積干渉計（例えば、マッハ−ツェンダ）又はニオブ酸リチウムを含む材料若しくはＧａＡｓおよびＩｎＰ系構造を含む半導体で構成される方向性結合器構造の形態を採ることができる。そのようなデバイスはとても長く―長さにして数ｃｍ―、空間が貴重である通信システムにおいては大いに不利である。

本発明の目的は、少なくとも先行技術デバイスに関する不利のいくつかを克服する電界吸収型変調器を提供することである。

一側面において本発明は、低チャープ、低挿入損失及び高変調度（＞１０ｄＢ）で広範囲の光帯域幅（＞４０ｎｍ）をカバーすることが可能なマルチバンドギャップ電界吸収型変調器を提供する。

他の側面において本発明は、所望の水準のチャープ、変調度および挿入損失を達成するように導波路を通る光信号を変調する方法を提供する。

ここに記載されているＥＡＭは広範な動作波長範囲を有するが、電界屈折型デバイスと比べて小型である。

ここに記載されているＥＡＭは、レーザ光源と一体化されてもよい。

一側面によると、本発明は、複数のセクションを含む導波構造を有し、各セクションは異なるバンドギャップと電気的なバイアスを前記セクションに印加するための少なくとも１つの電極とを有する電界吸収型変調器を提供する。

他の側面によると、本発明は、複数の別々にアドレス可能なセクションであって、各セクションが所定のバンドギャップと半導体基材をバイアスするための電極とを有する前記基材により形成される前記セクションを有する導波構造を通過する光信号を変調する方法であって、
パラメータチャープ、変調度及び挿入損失のいずれか１つ以上の所定の水準を達成するような方式で、前記セクションの１つ以上をバイアス電圧で電気的にバイアスする工程を備える方法を提供する。

本発明の実施の態様は実施例によって及び添付した図面を参照して、説明されるだろう。

ここでは、それぞれ異なるバンドギャップを有するセクションに分割され、各バンドギャップセクションが分離電極によってアドレスされている電界吸収型導波路変調器が記載されている。各バンドギャップセクションは、波長範囲にわたって、チャープと変調度とに関して、最適化された性能を与えるだろう。

データを表す１つ以上の電気変調信号をデバイスの１つ以上のセクションに印加して、変調器によって生成された光信号にデータを重畳する。電気的変調に加えて、また、電気的変調信号を印加する１つ以上のセクションは直流電圧で予めバイアスしてもよい。

変調信号の印加されていないデバイスの残りのセクションも同様に、又は代わりに、１つ以上の直流電圧でバイアスしてもよい。

直流バイアス電圧は、いかなる逆バイアス、ゼロバイアス、及び順バイアスを含んでよい。順バイアスを特定のセクションに印加することによって、そのセクションに付随する光損失は減少し、あるいは光学的に透明になる前記セクションをもたらすことも可能であり、あるいは光利得を有する前記セクションをもたらすことも可能である。また、デバイスの純損失或いは純利得を決定することと同様、データで変調された後に光が通過するセクションのバイアス条件は符号化パルスのチャープに影響を与えることができる。デバイスの変調度とチャープと挿入損失とが前記印加に要求される仕様の範囲内に収まるように調節されるべく、バイアスレベルを各作動波長毎に最適化する。

バイアスも変調信号もデバイスの特定のセクションに印加されていない場合には、そのセクションの電極を、ゼロ又は他の接地電圧を印加することなく「フロート」させてもよい。

この発明は、導波路変調器を含有する２つ以上の並列分岐を性能を最適化するために使用する場合を包含する。この場合、光は各々の導波路が１つを超える異なるバンドギャップのセクションを含有する複数の並列導波路に分割される。各導波路からの光はその後再合流する。

デバイスの異なるセクションにおけるバンドギャップは、好ましくは量子井戸混合により生成される。これにより確実に、異なる導波路セクションにおける光学モードは完全にセクション間の境界に配置され、その境界での光の反射は無視できるほど小さい。

有利には、デバイスはその入力及び出力において低損失導波路を有してよい。利点の中でもとりわけ、これらの導波路は、デバイスをそれが配置されている下台から張り出させることによって、デバイスへの光学的進入を向上するものである。これらの導波路はモードテーパー及び／又は光増幅器を含有可能である。

有利には、電圧が印加されるデバイスの異なるセクションは、複数本の受動的低損失導波路によって分離してよい。これら受動的導波路は異なる電気的に駆動するセクションの間の電気的分離を向上する。

有利には、電圧が印加されるデバイスの異なるセクションは、導波路長に沿ってバンドギャップで分けてよい。

デバイスは、変調器の高周波数応答を向上するために半絶縁性基板上に製造してもよいということは理解されるだろう。また、変調器は電気的及び光学的波動の速度を適合させる進行波装置であってもよいことも理解されるだろう。

図１は、量子閉じ込めシュタルク効果の原理を説明している。説明のために、ＱＷはＩｎＧａＡｓと、ＩｎＧａＡｓＰのバリアとからなると仮定する。ＱＷ構造において、実効的なバンドキャップは、ＱＷの基本的な材料のバンドギャップと電子及び正孔濃度の量子化エネルギーとによって決定される。実効的なバンドギャップＥ_g1を図１（ａ）に示す。電場がデバイスに、井戸に垂直に印加されると（図１（ｂ））、実効的なバンドギャップは減少し（Ｅ_g2）、吸収スペクトルは変化する（図１（ｃ））。吸収における変化は屈折率スペクトルにおける変化を惹起する。

図２は、デバイスの導波路の軸長を通った断面図を示している。ＥＡＭは、各々異なるバンドギャップを有するセクション２０１，２０２，２０３，２０４，２０５に分割され、各バンドギャップセクションは分割電極によりアドレスされる。有利には、デバイスは入力及び出力において低損失導波路２１１及び２１２を有してもよい。有利には、電圧が印加されるデバイスの異なるセクションは複数本の受動低損失導波路２２０によって分離してよい。

図３は、デバイスを通り導波路に垂直な横断面を示している。層構造は鉛直方向において光を閉じ込める。図３は側面方向に光を閉じ込めるために使用されているリッジ機構を示しているが、埋め込み型へテロ構造や反共振横方向導波路を含む、光に閉じ込めを提供する他の方法が使用できることは十分理解されるだろう。

図４は、デバイスのレイアウト（明瞭に記載されていない接触部を有する）の平面図を示している。図４（ａ）は、単独の導波路に沿って順次に形成された一連の異なるバンドギャップ領域を有するデバイスを示している。図４（ｂ）は、導波路変調器を含有する２つの並列分岐を示している。この場合、光は各々の導波路が１つを超える異なるバンドギャップのセクションを含有する２つの並列導波路に分割される。各導波路からの光はその後再合流する。

意図するところでは、他の実施の態様は添付した請求項の範囲内にある。

図１（ａ）、１（ｂ）及び１（ｃ）は、量子閉じ込めシュタルク効果の原理の説明に有用な概略図である。図２は、本発明の実施の一態様によるデバイスの導波路の軸長に沿った横断面を示す。図３は、図２のデバイスを通る導波路軸に垂直な横断面を示す。図４（ａ）及び４（ｂ）は、それぞれ本発明による電界吸収型変調器の直列及び並列配置の概略平面図を示す。

Claims

複数のセクションを含む導波構造を有し、各セクションは異なるバンドギャップと電気的なバイアスを前記セクションに印加するための少なくとも１つの電極とを有する電界吸収型変調器。
前記導波構造の前記複数のセクションは直列配置に配列される、請求項１に記載の電界吸収型変調器。
前記導波構造の前記複数のセクションは並列配置に配列される、請求項１に記載の電界吸収型変調器。
前記導波構造の前記複数のセクションの少なくともいくつかは受動導波路によって分離される、請求項１に記載の電界吸収型変調器。
変調器の入力及び／又は出力に低損失導波路を更に含む請求項１に記載の電界吸収型変調器。
前記導波構造の中に組み込まれた１つの追加の光学活性デバイスを更に含む請求項１に記載の電界吸収型変調器。
前記導波構造中の前記追加の光学活性デバイスが光増幅器を有する、請求項６に記載の電界吸収型変調器。
前記受動導波路が量子井戸混合技術を利用して形成される、請求項４に記載の電界吸収型変調器。
前記導波構造の前記複数のセクションが前記導波路長に沿ってバンドギャップで分けられる、請求項１に記載の電界吸収型変調器。
複数の別々にアドレス可能なセクションであって、各セクションが所定のバンドギャップと半導体基材をバイアスするための電極とを有する前記基材により形成される前記セクションを有する導波構造を通過する光信号を変調する方法であって、
パラメータチャープ、変調度及び挿入損失のいずれか１以上の所定の水準を達成するような方式で、前記セクションの１以上をバイアス電圧で電気的にバイアスする工程を有する方法。
パラメータチャープ、変調度及び挿入損失のいずれか１以上の所定の水準を達成するような方式で、前記セクションの２以上をバイアス電圧で電気的にバイアスする工程を更に有する請求項１０に記載の方法。
パラメータチャープ、変調度、挿入損失のいずれか１以上の所定の水準を達成するような方式で、前記セクションの全てをバイアス電圧で電気的にバイアスする工程を更に有する請求項１０に記載の方法。
前記電気的にバイアスされたセクションのそれぞれに印加される電気的バイアスは、逆バイアス電圧、ゼロバイアス電圧及び順バイアス電圧の１つである、請求項１０、請求項１１又は請求項１２に記載の方法。
前記セクションのそれぞれに印加される電気的なバイアスはチャープを最小化するために決定される、請求項１０、請求項１１又は請求項１２に記載の方法。
変調信号を前記セクションの少なくとも１つに印加する工程を更に含む請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法。
変調信号を前記セクションの２つ以上に印加する工程を更に含む請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法。
変調信号を前記セクションのバイアスされたものに印加する工程を更に含む請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法。