JP2006515110A - 戻り反射光無感応電気光学インターフェイスおよびそれを導波路に結合する方法 - Google Patents

Abstract

電気信号源に接続するのに相応しい電気接続構造（２０２）を有するパッケージ基部（２００）を備える電気光学インターフェイス。半導体光信号源（２０８）は、上記基部（２００）に取り付けられ、キャビティ内に２次または高次のグレーティングを有している。信号源（２０８）は、パッケージ基部（２００）に機能した状態で接続されており、それによって、電気信号が光信号に変換される。導波路（２１６）は、信号源（２０８）に近接配置されており、その結果、光信号が導波路（２１６）に結合される。キャビティは、キャビティに対する放射電磁界がモード区別メカニズムでないような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、かつ、配置されており、キャビティへのいかなる戻り反射光も、出力信号の品質に大きな悪影響を及ぼすことなしに、放射電磁界の結合係数に影響を及ぼすようになっている。

Description

本発明は、おおむね電気通信の分野に関し、特に、光学信号に基づく電気通信に関する。更に、詳細には、この発明は、半導体レーザ光信号源を、光ファイバやそれと同類の物のような光信号送信導波路に接続するための電気光学アセンブリに関する。

光信号に基づく電気通信システムに対してキャリア信号を生成するのに使用される様々な光信号源がある。信号源のひとつのタイプは、リーズナブルなコストで大量に製造することが容易であることに利点を有する半導体レーザである。様々な異なるタイプのそのような半導体レーザ信号源があり、それには、端出射半導体レーザ、垂直キャビティ面出射レーザおよび最近では水平キャビティ面出射レーザが含まれる。

低コスト信号源は、長距離主力リング部分から、ユーザに近いローカルノードまでの光ネットワークを拡張するために差し迫って必要とされており、後者（ローカルノード）は、いわゆるネットワークのメトロ部分となっている。

長く高価な信号源は、長距離主力部分は、正当であるが、同じことを、メトロエリアでの内部ネットワークノードの全てに対して言うことはできない。ネットワークを構築すること、すなわち、光信号を末端のユーザのより近くに運ぶことは、低コストで高品質な信号源を大量に供給できる状態であり、その結果、ネットワークのメトロ部分に必要とされる莫大な量の要求されるキャリア信号源を供給することができる。今日まで、そのような信号源を供給するために多大なる努力がなされてきた。しかしながら、従来技術の信号源は、多大な不利益に悩まされ、それで広範囲には配置されなかった。

たとえどのような形式の光信号エミッタが選択されようと、信号光出力を、光ファイバ等の光導波路に結合させることが必要である。多大な努力が、ファイバやそれと同種のものに効果的および効率的に結合できるのに十分な出力および信号品質を有する出力信号を生成する信号源すなわちエミッタをデザインすることに捧げられている。それで、技術は、ファイバに容易かつ効率的に結合できるガウス形状の遠視野信号を生成することが要求される半導体の様々なデザインを教えている。

電気工学インターフェイスは、電気通信ネットワークで大事な部分であると考えられることができ、そこで電気信号がある方向の光信号に変換され、かつ、光信号が他の方向の電気信号に変換させる。光ネットワークのメトロネットワークのための適切な信号源を発展させるにあたって大きな懸念は、信号源のコストである。というのも、電気通信バンドの各光チャンネルのための分離した信号源を必要とすると共に、ネットワークでの各電気光学インターフェイスにおいて分離した信号源を必要とするからである。それゆえに、もし、そのような光信号源の一般的な配置を行うのであれば、低コストデザインは、必要となるであろう。信号源のコストは、二つの主要な要素に分離されることができる。第１は、光信号源そのものの主要なコストであり、第２は、信号源を、信号源をファイバ等の導波路に結合させるのに必要になるかもしれない他の構成要素と一緒にパッケージ化するときのパッケージコストである。

光学フィードバックは、レーザ信号源の能力に劇的な作用を有するよく知られた現象である。いわゆる外部キャビティ配置を通じて光信号出力を改善にするのに、この性質を、使用することができる。例えば、仮にレーザの縦モードの選択がグレーティング反射器のような他の手段によって行われたならば、外部フィードバックは、レーザ出射周波数を変えるために使用されるかもしれず、重要なラインの幅を狭めるために使用されるかもしれない。制御された外部反射すなわちフィードバックを画定する外部キャビティは、また信号チャープを軽減するのに有益であるかもしれない。それで、従来技術のデザインは、幾つかのケースで信号特性を改良するために、制御されたフィードバックを利用している。通常、そのようなフィードバックは、より小さなチャープおよびより狭いラインを導くけれども、また、より小さなハンド幅を生み出す結果になり、このことにより、レーザを高度に調整することが難しくなる。

制御された光のフィードバックは、上述のように有益であるかもしれないけれども、制御されていない光のフィードバックは、反対の効果を有することになる。制御されない光のフィードバックは、戻り光反射として言及されるが、光ネットワークでのインターフェイスまたは散乱中心（scattering center）で生じることが可能である。弊害をもたらすフィードバックの一般的な源は、単純なインターフェイスまたは光ネットワークでのファイバピグテール接続に関係する部分的な反射面である。戻り反射光は光路または導波路に沿って進むことができ、信号源の周辺で発生するとは限らない。戻り反射信号光がレーザキャビティ内に戻ったとき、共振条件の変動は、レーザ出力の大きな変化をしばしば引き起こす。レーザキャビティ戻り反射光は、オリジナルよりもたくさんのモードを有する２番目のキャビティを配置したものとして考えられることができる。信号品質への有害な効果は、出力信号の出力における不安定性、モードホッピング、波長シフト、増大するノイズ、数十ギガヘルツまで増大したスペクトル線幅を、含んでいる。これらの不安定性は、「コヒーレンス崩壊」として言及され、戻り反射光がレーザキャビティ内に入ってレーザの現象に有害な影響を及ぼすときに発生する。

戻り反射光の制御不能の効果を回避するため、光アイソレータが、アプリケーションが供給されない場合以外の全てで要求される。光アイソレータは、光が一つの方向のみに通過することを可能にする要素として定義され、典型的には戻り光が通過してキャビティ内に入って、レーザの安定性をかき乱すのを防止しながら、出て行く信号光が通過できるように配置されている。アイソレータは、通常は、信号源と、光ファイバすなわち導波路との間に配置されている。典型的には、レンズは、アイソレータを通過する光信号源からの光出力を平行にするためにアイソレータよりも前に置かれ、２番目のレンズは、光を光ファイバすなわち導波路に接続するのに使用される。アイソレータは、弊害を引き起こす戻り反射光がレーザキャビティに入ることを妨げるように配置されなければならない。というのも、そのような戻り反射光は、キャビティ特性に望まれない変化を引き起こし、上述の信号品質の劣化を引き起こすからである。

説明されたような光アイソレータの必要性は、複数の望まれない結果を有する。第１に、信号源が光接続されるファイバの端から遠ざけられれば遠ざけられる程、必要とされる介在要素の位置合わせがいっそう困難になりかつ精密にしなければならなくなる。位置合わせが困難になればなるほど、パッケージ化がいっそう困難になり、それで、生産出来高が低くなり、パッケージの費用も増大する。

位置合わせの複雑性は、各要素における位置合わせ誤差が全体の配置に対して累積するに従って必要になる要素の数を非線形に増加させる。最後には、ゆうまでもなく、多くの場合には、信号源よりももっとコストがかかるときさえあるアイソレータおよび必要とされたレンズのような追加要素のコストが必要になる。

図１に、従来技術に従うファイバ導波路１２に結合されるレーザ半導体チップの形式の典型的な低密度波長多重（ＣＷＤＭ）光信号源１０を示す。レーザチップ１０は、端出射型であり、レンズ１４の背後に取り付けられ、その後にアイソレータ１６が続いている。また、出力信号（信号はチップの両端から出射されるので）の出力を監視するためのバックファセット検出器１８が示されている。集束されて分離された出力、または、チップ１０からのキャリア信号を受けるために取り付けられたファイバ１２が示されている。信号をファイバ１２に接続させるために、スタンド２０および２２を、チップ１０に対して相対配置することが必要であることを注意する必要があるだろう。また、電気コネクタ２４が示されている。

図２は、従来技術のファイバ導波路３２に結合された典型的な高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）端出射信号源３０を示している。おおまかな配置は、図１に示されているものと同様であり、非常に安定な信号出力波長を保証するための追加された要素と一緒に示されている。ここで、熱電クーラ（ＴＥＣ）３４は、信号源の温度を正確に制御するために備えられる。バックファセット検出器３６が、レンズおよびアイソレータアセンブリ３８と同様に備えられている。このケースでは、二つのボールレンズ４２,４４は、出力信号をファイバ４６に接続するのに使用されている。理解されることができるように、もうすでに十分小さく未来においては更に小さくなるだろうこれらの構成要素の配置は、かなりのパッケージの変化と、支出とをもたらすことになる。

必要とされることは、一方では、位置合わせの懸念およびパッケージコストを低減でき、他方では、光ネットワークで信号キャリア波の使用に相応しい安定な出力を生成する光半導体信号源のパッケージ配置である。

発明の概要

この発明は、半導体信号源を、光ファイバのような光導波路に接続する新しいパッケージ配置に関する。この発明は、ある側面では、本質的に、信号源と、光導波路すなわち信号を運ぶファイバとの間の必要とされる光要素の数を減らすことによって、位置合わせ問題を軽減できるパッケージ配置を含む。このように、この発明は、電気光学インターフェイスに組み込まれた信号源のためのより費用効率が高いパッケージ配置を提供することである。

そのような結合配置において必要とされる要素数の削減は、パッケージ化のコストを低減する。というのも、２,３の要素のみが必要とされ（低いキャピタルコスト）、かつ、適切な配置および適切な結合効率を達成するために要素を一緒にパッケージ化するのに２,３のステップのみが必要とされ（低い労働コスト）るだけだからである。製造におけるそのような容易さは、そのような電気光学インターフェイスとして意図されたパッケージ化された信号源のコストに大きな影響を有する。

この発明は、更に、コヒーレンス崩壊、モードホッピング等を回避して信号品質特性を維持しながら前述のものを達成することを含む。特に、この発明は、高価なアイソレータを使用しないで信号源キャビティへの戻り反射光の有害な効果に打ち勝つことができる低コストで、効率的で、有効な解決法に向けられる。この発明は、上述の削減されたコストの製造過程を備えながら、予言可能であると共に、質の高い信号源のネットワークの要求を兼ね備えた高品質の信号源からの安定的な出力を備えることを含む。

この発明は、適切または所望であれば、導波路に信号出力を結合させるのを助けるレンズの使用を含む。

この発明は、導波路に接続された低コストで高品質な信号生成器を提供する対象を備える信号源を導波路に結合する方法を更に含む。

それゆえに、一つの側面によれば、この発明は、電気光学インターフェイスを備え、上記インターフェイスは、
電気信号の発信源へ接続するためのパッケージ基部を備え、
また、上記基部に取り付けられると共に、キャビティと、そのキャビティに関係する２次またはそれより高次のグレーティング（a second or higher order grating）とを有する半導体光信号源を備え、上記光信号源は、それによって上記パッケージ基部に機能している状態で接続されており、上記電気信号は上記信号源がエネルギーを与えられた時、面出射光信号に変換され、
また、上記光信号源に機能している状態で近接配置された導波路を備え、上記面出射は、上記導波路に結合されており、
上記キャビティは、放射電磁界がモード区別メカニズムでなく、かつ、上記キャビティが受けるいかなる戻り反射光も、出力信号の品質に大きな悪影響を及ぼすことなしに、上記放射電磁界の結合係数に影響を及ぼすような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、かつ、配置されており、
信号源の上記面出射は、介在する光学アイソレータが無くて、導波路に結合している。一つの側面では、キャビティは、１／４位相シフトグレーティングを利用することによって構成され、その結果、放射電磁界（radiation field）は、モード区別メカニズム（mode discrimination mechanism）でなくなる。

この発明の他の側面では、光信号源を導波路に結合させる方法を提供し、その方法は、
２次またはそれより高次グレーティングと、キャビティとを有する半導体レーザを用意する工程を備え、上記キャビティは電気通信バンド内の信号を生成するような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、上記グレーティングは、面出射を生成するような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、
また、上記半導体レーザを導波路に機能している状態で、近接配置する工程を備え、
また、介在する光アイソレータなしに面出射を導波路に結合する工程を備えている。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

この記載では、次の用語は、次の意味を有するものとする。導波路（導波管）連結軸は、導波路に連結するために伝搬している信号が沿って進む軸を意味する。これは、この明細書では、垂直軸として言及されている。振動軸（発信軸）は、キャビティ（共振器）内でレーザの振動（発信）が起こる方向の軸であり、ここでは、水平軸として言及される。しかしながら、上記用語水平および用語垂直は、単に相対用語であることを意図したものであり、この発明は、空間中における装置の実際の幾何学的配置は、問題ではなく、また、その位置が、この明細書の説明に従う発明の性能に影響を及ぼすこともない。導波路は、ファイバ、または、導波路構造に基づくチップのような、出力キャリア信号を導くのに使用するいかなる構造も意味する。レーザキャビティは、レーザ振動が起こる構造を意味する。連結空間は、導波路が信号エミッタからの放射に結合するように配置されるかもしれない空間を意味する。機能している状態における結合は、構成部品が所望のように機能する結合を可能にする機能的な方法での結合を意味する。この記述における増幅は、特定の配置での光信号出力の利得または損失を意味する。

この発明に従う好適な信号源は、モノシリック構造で容易く形成されるかもしれない半導体レーザである。そのようなレーザの典型的な構造は、基板と、活性層と、活性層を取り囲むクラッド層と、外面と、電極とを有する半導体構造を備え、上記電極によって、半導体構造を横切る電圧を印加することができる。また、信号を出射することを可能にするために開口または窓が表面に提供されると共に、レーザキャビティ内に２次または高次のグレーティング（a second or higher order grating）が提供される。グレーティングは、所定の周期を有する交互特性を有する要素（利得または指数）から形成されている。この発明は、交互利得のグレーティング要素の作用を含み、それらは、いわゆる利得結合グレーティング（gain coupled grating）または損失結合グレーティング（loss coupled grating）と呼ばれ、それは、単なる指数結合グレーティング（index coupled grating）と同様に交互インデックスのグレーティング（いわゆる複合結合グレーティング）を含む。下記に示すように、モード区別機構（mode discrimination mechanism）を有する放射電磁界（radiation field）を持つ指数結合グレーティングレーザは、この発明に含まれない。放射電磁界がモード区別機構でないレーザ構造が説明される。それで、例えば、１／４位相シフトの指数結合グレーティングがこの発明に含まれる。他の戦略としては、十分に安定な状態になるのに所望の高い物質的利益を必要とすることのような、他の欠点を有するかもしれないが、複合結合グレーティングのデューティサイクル（duty cycle）に対する特別の注意を含む。

この発明の好適な半導体レーザは、導波路に結合するのにふさわしい一つの極大の大きな場を有する輻射パターンを持つ高出力面出射半導体レーザである。最も好ましくは、高出力は、十分な効率性を達成し、信号の品質は、電気通信システムで使用されることができるような品質である。ここで、位相シフト構造が使用された場合には、それは、最も好ましくは、大きな場のパターンを、形状においていっそうガウス型に近づけるのを助けるだろう。また、モードパターンを改良するための技術である他の方法がこの発明に含まれる。

この発明に従う好適な信号源は、一般的には図３に１００で描かれているものである。好適な光信号源は、上で説明されたようなレーザの表面すなわち外面の略法線方向に面出射する半導体レーザである。光信号源１００は、レーザキャビティ１０４に関連するグレーティング１０２を備える。図に示すように、面出射ＤＦＢレーザ１００の発信条件は、水平キャビティの境界条件によって得られ、垂直方向には発信がない。１０８で示される信号逆反射がある垂直方向には振動がない。２次またはそれより高次のグレーティングは、面出射としての出力信号の生成を促進する。示されているような水平キャビティを有しているせいで、両端１１６,１１８からのフィードバックの効果は、従来例と同じである。この効果は、意図したキャビティに加えて外部キャビティを有するレーザをモデルしているものと考えられることができ、それで、端１１６,１１８から水平方向へのフィードバックは、正確なキャリア信号の生成に必要とされる意図したレーザ発信を混乱させるような不利な効果をもたらすだろう。

この発明は、レーザから導波路まで面出射を連結させることを含む。それで、レーザ１００は、垂直方向すなわち導波路連結方向にはいかなる振動（発信）もしないことが理解されるだろう。フィードバックの効果すなわちキャビティ内に戻る導波路連結軸に沿った逆反射１０８は、逆反射がレーザキャビティ１０４における振動軸（発信軸）と同じ軸に沿ってキャビティに入る端出射の場合と同様な効果を有さないだろう。図４は、第２オーダＤＦＢ面出射レーザ１２０を示している。ここで示されているように、キャビティは、二つのコヒーレントな互いに逆に走る＋ｚ方向および−ｚ方向への導波１２２および１２４を示している。これらの波１２２,１２４は、良く知られた方法でクラッド層によってレーザキャビティ内に完璧に閉じ込められ、２次の回折を介してお互いに相互作用するものである。互いに逆に走る導波１２２および１２４の相互作用およびグレーティングのおかげで、面出射放射電磁界ｒは、示されているように、レーザ１００の先端１２３から底１２５まで生成される。

図５は、２次のグレーティングの基本的な相互作用メカニズムおよび上記記載のレーザキャビティでの発信を示す図である。示されているように、正または負の方向に進む導波１２２,１２４は、１２６,１２８で一次回折を経てグレーティングで相互作用し、放射電磁界ｒを生成する。放射電磁界ｒは、次に、正および負に進む導波の両方と１次の回折を介して１３０,１３２で相互作用する。最終的に、２次の回折を介して、正および負に進む導波は、互いに１２９,１３０で直接的にカップルする。共振状態では、これらの相互作用は、自己矛盾を有さず、安定したものになっている。

これまでに述べたように、垂直軸すなわちこの発明の導波路結合軸に沿った振動（発信）はない。２次のグレーティングは、放射結合係数を通じて導波の間の付加的な結合メカニズムを提起する。図６では、正および負の波１２２,１２４は、２および−２で示す結合係数を通じて直接的にカップルしている。正または負の波の全ての間接的な結合は、（１,１）、（−１,−１）、（−１,１）および（１,−１）とラベルされた放射結合係数を通じて示されている。ここで留意するのは、これらのラベルでは、１および２の記号表示は、夫々１次および２次の回折を言及しているということであり、放射結合係数が１次の回折のペアーからなっているということである。というのも、進行波へ放射電磁界が一次に結合すると共に、放射電磁界への進行波の結合が一次で実現されているからである。それで、図６は、逆反射を有する２次の共振グレーティングをモデル化したものである。

上記モデルで理解できるように、放射電磁界に起因するカップリング係数は、キャビティ内での振動方向（発信方向）ではなくて、垂直方向、すなわち、導波路カップリング方向に境界条件を適用することによって得られる。それゆえに、キャビティ内へのいかなる逆反射も、放射結合係数のみに影響を及ぼす。このことは、以下に更に詳細に説明する。

垂直方向におけるキャビティの両端に反射物を有する２次のＤＦＢレーザが、キャビティ内への逆反射の効果を消滅させて良質の信号出力状態にするために、考慮されることができる。この目的を達成するために、図７に示すように、垂直方向での吸収境界条件を有する２次の２−Ｄモデルを考えることは、卓越したことである。この構造では、関数Ａ（ｚ）ｅ^{（−ｊ（２π／Λ）ｚ）}Ｆ（ｘ）で定義される完全に閉じ込められた＋ｚに進行する波１２２は、２次の回折を通じてΛの周期のグレーティングと相互作用し、コヒーレントで−ｚに進行する波１２４Ｂ（ｚ）ｅ^{（ｊ（２π／Λ）ｚ）}Ｆ（ｘ）を生成する。上記波１２４は、ｘ方向にも閉じ込められている。Ｆ（ｘ）は、ｘ方向におけるガイドモデルの横方向のプロフィール（transverse profile）である。対称性によって、−ｚ方向への進行波は、また、グレーティングと相互作用し、＋ｚ進行波と反応する。この案内モデルの間の相互作用は、結合係数ｋによって記述されている。導波に加えて、導波のグレーティングに対する１次の回折を通じた相互作用の結果として放射電磁界ｒが生成される。導波を放射電磁界のソースとして取り扱うことにより、放射電磁界を、次の方程式を満たすグリーン関数を求めることによって導波から獲得することができる。

［１］：

（１）
ここで、ｎ（ｘ）は、グレーティングが存在しない状態、すなわち、いかなる利得や損失もない導波路の非摂動幾何形状の屈折インデックスプロフィールであり、ｋ_０は、レーザ波長における波数である。ｘ方向に沿う境界条件は、グリーン関数を得るための鍵である。例えば、図７に示す構造においては、グリーン関数は、同次微分方程式の解となる。

（２）

ｘ方向には境界条件が存在しないので、（２）の解は、ｘおよびｘ’方向で進行する波の性質を有し、ｘ＝ｘ’においてのみ境界条件が適用されている。放射電磁界は、次にグレーティングと相互作用して導波と反応する。放射電磁界は、そもそも案内モデルによって生成されているので、この反応は、これら二つの案内モデルの間のｋ’で示される更なる結合係数によって記述されることができる。共振状態においては、２次のグレーティングｋおよびｋ’は、ＤＦＢレーザの縦方向のモードを記述する鍵となるパラメータである。もっと正確には、ＤＦＢレーザの縦方向のモードは、以下の一対の微分方程式によって支配されている。

（３）

（４）

２次のグレーティングを有するＤＦＢレーザを扱う際には、垂直方向における反射物の存在のみが放射電磁界に起因する結合係数に影響を及ぼすことを注意するべきである。もっと厳密にいえば、垂直方向において両側に反射物１４０,１４２を有する図８に示されている２次のＤＦＢレーザにおいては、グリーン関数は、図９に示される境界条件を有する同次微分方程式（２）の解である。事実、図７に示されている場合と異なり、ｘ１＜ｘ＜ｘ２での解は、定常波型の解になり、ｘ＜ｘ１およびｘ＞ｘ２においては進行する。いうまでもなく、新しい境界条件は、放射電磁界に依存する結合係数を変化させ、それ故に、縦方向モデルにおけるパラメータの一つを変化させる。いかなる相転移もなしで指数グレーティングを有する２次のＤＦＢレーザに関し、放射電磁界に関する結合係数はモードの選択に関与するキーパラメータであり、構造を戻り反射光に敏感に反応するものにし、アイソレータを必要とする。

それゆえに、いかなる反射もレーザのモードまたはサイドモード抑制比（suppression rate）に影響を及ぼすかもしれない。例えば、二つの全反射ミラーがｘ＝ｘ１およびｘ＝ｘ２に置かれていたならば、放射電磁界は全てキャビティ内にフィードバックされて、モード分類に関与する放射損失がなくなるだろう。それゆえに、レーザは、指数結合されたものとして振る舞い、モードホッピングが起こるだろう。この現象は、放射電磁界に対するカップリングが弱いという事実にも拘わらず起こっていることに注意すべきである。一方、位相シフトが２次のレーザでは、放射電磁界は、モード区別メカニズムではない。放射電磁界の全てがキャビティ内にかえってきたときでさえ、レーザは、位相シフトを有する純粋な指数結合レーザルとして振る舞い、それはいかなるモードホッピングもなしにブラッグ波長のレーザとして使用されるだろう。

上記記載によって理解されることができるように、驚くべき結果は、キャビティのサイズ、形状、配置を支配することによって、戻り反射光に無感応なレーザ信号源を提供できるということである。無感応性は、戻り反射光が、レーザ振動の基本モードのいずれよりもむしろ、放射電磁界の結合係数にみに影響する場所で発生する。それで、もし、レーザキャビティが、放射電磁界がモード区別メカニズムでないならば、無感応性が得られるだろう。この意味では、レーザキャビティの配置は、キャビティ振動からの戻り反射光を孤立させ、信号源と、それに関係する導波路との間の経路に介在するいかなる特別のアイソレータ構造も必要とすることなしに、信号エミッタ能力を、戻り反射光に略無感応にする。

この発明は、位相シフトまたはそれと同種のものを取り入れた半導体レーザと同様に、そのような戻り反射光無感応性、これは利得結合グレーティング構造および損失結合グレーティング構造を含んでいるけれども、が表れる半導体レーザの全ての形式を含む。更に、無感応性の限定ではないけれど、この発明は、キャビティ内に完璧に閉じ込められて案内された波の振動軸が、導波路の結合軸と異なるもの、好ましくは直交するものを含む。この意味では、無感応性は、信号品質（特に、波長、出力およびサイドモード抑制比）が、キャビティ内へのランダムな戻り反射光の存在または欠如によって大きく影響しないことを意味する。この意味では、無感応なという言葉は、相対的であり、非常に高い（すなわち、約５０％を越える）戻り反射光は、ある場合には、幾つかの信号品質パラメータで目立つ変化を引き起こすだろうが、レーザは、依然として動作パラメータ内に存在するだろう。

今、更に理解されることができるように、この発明は、導波路を信号エミッタに隣接するように機能的に（有効的に）配置することによって、放射された信号が導波路に結合することを可能にする光学エミッタをファイバ導波路に直接結合させることができる電気光学インターフェイスを含む。適切なサイズ、形状および配置のキャビティでは、導波路への結合を、いかなる介在するアイソレータもなしに実現することができ、更に、戻り反射光に起因する信号品質の受け入れがたい低下なしに実現することができる。それで、この発明は、アイソレータを必要としない電気光学結合を導く。アイソレータを必要としないので、資源コストおよび労働コストの両方を削減することができて、この発明がいっそう市場に受け入れ易くなる。

図１０は、この発明に従うＣＷＤＭ電気光学アセンブリを示す。電気コネクタ２０２を有する土台２００がある。レーザチップ２０８が機能している状態で接続されている基板２０６がある。接続キャビティ２１０は、ブーツ壁２１２によって画定されている。ファイバアセンブリ２１４は、ファイバ２１６を取り囲み、結合キャビティ２１０に適合する大きさおよび形状になっている。ブーツ２１８は、ファイバ自体のファイバアセンブリへの機械接合を完結させる。示されている光学ロッドレンズ２１９およびボールレンズ２２０は、ファイバ２１６に信号出力を結合するのを助ける。

上記記載から理解されるように、この発明は、従来技術で実現されているものよりも、信号源のずっと安価なパッケージ化を提供する。非常に単純には、好適な実施形態において、面出射がファイバに直接導かれるようにしたままで、アイソレータ１６の必要性が排除される。この発明は、所望であるならば、信号をファイバに結合させるのを助けるための、また信号出力の形式に依存するかもしれないけれども、ファイバにいっそう容易に結合させるための適合性を助けるためのレンズ２２０または複数のレンズの使用を含む。この方法では、この発明は、単純なプラグを含み、電気光学インターフェイスの現場接合を実現し、ファイバは、信号源にいっそう近接配置されることができ、それで、従来技術と比較して、信号はいっそう容易くかつ信頼性が高くそれに結合する。

図１１は、この発明に従うＤＷＤＭ接合を示す。この実施形態では、パッケージベース２５０は、例えば、１４ピンバタフライ型基部であるかもしれない。この発明は、また他の型のパッケージ基部および１４ピンバタフライが、ほんの一例として提供されることを含む。本質的には、基部２５０は、電気信号が半導体レーザチップ２５２を介して電気信号が光信号に変換されるのを可能にするような方法で、電気信号を電気光学インターフェイスに操作的に結合させるべく機能する。

パッケージ基部２５０に接続されているのは、ＴＥＣ（thermoelectric cooler）２５１である。このＴＥＣ２５１は、余分な熱エネルギーを吸収および処理することができ、そのようにしなければ、出力信号の波長または信号品質に影響がでるかもしれない。ヒートシンク２５４は、ＴＥＣ２５１に取り付けられ、基板２５５は、レーザチップ２５２とヒートシンク２５４との間に取り付けられている。チップ２５５は、上記記載の型の表面エミッタとして示されている。基板は、技術に精通している人には理解されるだろうよく知られた方法で、入力電気信号をレーザチップに機能している状態で結合させる。レーザチップ２５２のすぐ近傍には、ファイバを、金属で被覆されたファイバアセンブリ２６２と一緒に所定位置に保持できるファイバチップ２６０がある。ファイバ２６４は、結合キャビティ２６８中にブーツ２６６を通じて延在している。取り外し可能なフタ２７０は、結合キャビティ２６８を閉鎖するために備えられる。

図１０の実施形態と同様に、この実施形態は、信号エミッタまたはチップ２５２と、ファイバ２６４の端との間に介在する要素を必要としない。要求されることの全ては、ファイバをチップに近接されることであり、面出射をファイバに結合することを可能にすることである。これは、ファイバを信号エミッタに機能している状態で近接配置するものとしてみなされる。かさねて、この発明は、望まれているならば、レンズまたは複数のレンズの使用を含み、それは、予定のコストに加えて製造収益を増大させるかもしれない。

理解されることができるように、この発明は、また、多くの分離ステップを有する、光信号源を導波路に接合させる方法を含む。第１ステップは、２次またはそれより高次のグレーティングと、電気通信バンド内の信号を生成するような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、かつ、配置されているキャビティとを有する半導体レーザ源を用意することである。グレーティングは、次々に面出射を引き起こすためのものである。グレーティングは、また放射電磁界がモード区別メカニズムでないように設計されている。次のステップは、半導体レーザを導波路に近接するように機能している状態で位置合わせすることである。続いてラストステップは、レーザの面出射をいかなる介在のアイソレータもなしに導波路に結合することである。

上記記載は、様々な好適な実施形態に対して行われたけれども、様々変形および変更を、添付されたクレームの広範な範囲から逸脱することなしに行なうことができることは、技術に精通した人には理解できるだろう。変形のいくつかは、上で議論されたけれども、それ以外のものもまた明白であるだろう。例えば、重要なことは、キャビティに対する放射電磁界がモード区別メカニズムでないように、形状、大きさおよび配置によってキャビティを構造化することであり、その結果、キャビティへの戻り反射光が「コヒーレンス崩壊」を生じることがないようにすることである。キャビティは、指数結合（index coupled）であっても良いし、位相シフト（phase shift）を有していても良いし、利得結合（gain coupled）であっても良いし、要望通り損失結合（loss coupled）であっても良いし、放射電磁界がモード区別メカニズムでないように提供されても良い。

ＣＷＤＭ電気光学結合に対する典型的な従来技術接続を示している。 ＤＷＤＭ電気光学結合に対する典型的な従来技術接続を示している。 戻り反射光を伴う面出射レーザ信号源の側面図である。 本発明の２次のＤＦＢレーザ信号源の側面図である。 図４のレーザの相互作用の基本メカニズムを示す図である。 本発明の２次の共振グレーティングのモデルを示す図である。 垂直方向で吸収境界条件を有する２次のＤＦＢレーザ信号源を示す図である。 垂直方向に反射物を有する図７に示す図である。 図８の２次のレーザ信号源のグリーン関数を獲得するためのモデルである。 この発明の一実施形態の電気光学コネクションの例である。 この発明の第２実施形態の電気光学コネクションの例である。

Claims (21)

1. 電気信号の発信源へ接続するのに適した接続配置を有するパッケージ基部を備え、
   また、上記基部に取り付けられると共に、キャビティと、そのキャビティに関係する２次またはそれより高次のグレーティングとを有する半導体光信号源を備え、上記光信号源は、それによって上記パッケージ基部に機能している状態で接続されており、上記電気信号は上記信号源がエネルギーを与えられた時、面出射光信号に変換され、
   また、上記光信号源に機能している状態で近接配置された導波路を備え、上記面出射は、上記導波路に結合されており、
   上記キャビティは、上記キャビティに関する放射電磁界がモード区別メカニズムでないような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、かつ、配置されており、上記キャビティに受け入れられるいかなる戻り反射光も、出力信号の品質に大きな悪影響を及ぼすことなしに、上記放射電磁界の結合係数に影響を及ぼすことを特徴とする電気光学インターフェイス。
2. 請求項１に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記光信号源は、利得結合信号源であることを特徴とする電気光学インターフェイス。
3. 請求項２に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記キャビティは、活性層に上記グレーティングを備えることを特徴とする電気光学インターフェイス。
4. 請求項１に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記光信号源は、損失結合光信号源であることを特徴とする電気光学インターフェイス。
5. 請求項４に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記キャビティは、電流阻止層に上記グレーティングを備えることを特徴とする電気光学インターフェイス。
6. 請求項１に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記キャビティは、上記出力信号からの戻り反射光を隔離するのに十分な位相シフトを有する指数結合グレーティングを備えることを特徴とする電気光学インターフェイス。
7. 請求項１に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記キャビティは、上記導波路への結合軸に沿わない方向に振動する二つの反対の波を高度に閉じ込めて案内するような、大きさに作られ、かつ、形づくられていることを特徴とする電気光学インターフェイス。
8. 請求項１に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記キャビティは、上記導波路への結合軸と略直角な方向に振動する二つの反対に走る波を閉じ込めて案内するような、大きさに作られ、かつ、形づくられていることを特徴とする電気光学インターフェイス。
9. 請求項１に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記キャビティは、面出射信号の品質が、上記レーザキャビティ内の戻り反射光の存在によって容認できないような影響を受けないような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、かつ、配置されていることを特徴とする電気光学インターフェイス。
10. 請求項１に記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記キャビティは、光学アイソレータが容認できる面出射品質を維持するために要求されないような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、かつ、配置されていることを特徴とする電気光学インターフェイス。
11. 請求項１,２および４のいずれか１つに記載の電気光学インターフェイスにおいて、上記信号源と上記導波路との間の光接続を容易にするために、上記信号源と上記導波路との間に配置された一またはそれ以上のレンズを更に備えることを特徴とする電気光学インターフェイス。
12. ２次またはそれより高次グレーティングと、キャビティとを有する半導体レーザを用意する工程を備え、上記キャビティは電気通信バンド内の信号を生成するような、大きさに作られ、かつ、形づくられており、上記グレーティングは、面出射を生じさせるような、大きさに作られ、かつ、形づくられており、
    また、上記半導体レーザを導波路に隣接するように機能している状態で配置する工程を備え、
    また、介在する光アイソレータなしに面出射を導波路に結合する工程を備えることを特徴とする光信号源を導波路に結合する方法。
13. 請求項１２に記載の光信号源を導波路に結合する方法において、上記結合工程は、結合効率を増強するために一またはそれより多いレンズを配置することを更に備えることを特徴とする光信号源を導波路に結合する方法。
14. 所定の品質の信号を出射するための面出射半導体光信号源を備え、上記信号源は、２次またはそれより高次のグレーティングとキャビティとを有し、上記キャビティに入る戻り反射光が出射信号の品質を容認できないくらい悪く変化させないことを特徴とする導波路に結合するためのパッケージ化された光信号源。
15. 活性層を含むキャビティを有する面出射半導体レーザと、
    上記レーザにエネルギーが与えられた時、電気通信バンド内の所定の面出射を生成するための上記半導体に関係する２次またはそれより高次の回折グレーティングと
    を備え、
    上記キャビティおよび上記回折グレーティングは、上記キャビティ内に入る戻り反射光が存在する状態で、相まって上記所定の面出射を生成するような、大きさに作られ、かつ、形づくられ、かつ、配置されていることを特徴とする導波路に接続するための光信号源。
16. 基部と、
    上記基部に取り付けられた基板と、
    上記基板に取り付けられた半導体レーザ信号源とを備え、上記半導体信号源は、上記面出射に垂直に配置された状態になっているレーザキャビティと一体になった２次のグレーティングを有する面出射半導体レーザを有し、
    また、上記導波路を上記半導体レーザと機能している関係に保持するために、接続空間内で導波路を位置決めするポジショナーを備え、
    上記接続空間内に挿入されると共に、上記信号源に近接する上記ポジショナーによって機能している状態で位置決めされたファイバ導波路を備え、上記信号源からの信号は、信号アイソレータが存在している状態で上記ファイバ導波路に結合されていることを特徴とする電気光学カプラ。
17. 請求項１６に記載の電気光学カプラにおいて、上記導波路への上記信号の結合を強化するひとつまたはそれより多いレンズを更に備えることを特徴とする電気光学カプラ。
18. 請求項１７に記載の電気光学カプラにおいて、上記レンズは、単純なロッドレンズおよび単純なボールレンズを備えることを特徴とする電気光学カプラ。
19. 請求項１７に記載の電気光学カプラにおいて、上記ポジショナーは、上記レーザ信号源のまわりの接続空間を画定する壁を備えることを特徴とする電気光学カプラ。
20. 請求項１９に記載の電気光学カプラにおいて、上記ポジショナーは、上記レーザ信号源に対して機能している位置に上記ファイバを保持するためのチップを備えることを特徴とする電気光学カプラ。
21. エネルギーを与えられた際に所定の品質の面出射光信号を生成するキャビティを有する２次またはそれより高次のＤＦＢ半導体レーザを備え、
    上記キャビティは、エネルギーを与えられた際、レーザに関しモード区別メカニズムでない放射電磁界を有し、上記レーザのキャビティは、面出射光信号の品質を保持するための光アイソレータの必要性を回避するために、キャビティ内に反射した光信号に十分に無感応であることを特徴とする電気通信ネットワークで使用するために導波路を結合させる光学信号源。
    

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