JP2010092904A

JP2010092904A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2010092904A
Application number: JP2008258420A
Authority: JP
Inventors: Hirohito Tanaka; 博仁田中
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2010-04-22
Also published as: US8145017B2; US20100086261A1

Abstract

【課題】光モジュールにおいて、低結合損失の状態で、より高い強度の光信号を安定して出力できるようにする。
【解決手段】導波路ユニット１０１には、シリコンコアよりなるよく知られた高屈折率差導波路から構成された平面光回路 (ＰＬＣ)が形成され、この上には、シリコンコアよりなる導波路として、入力導波路１１１，円形導波路より構成されたリング共振器１０３，出力導波路１１２，および分岐導波路１１３を備えている。このように構成された各導波路において、まず、入力導波路１１１の入力ポートの側には、半導体レーザ１０２が接続されている。一方、リング共振器１０３を介した出力導波路１１２の出力側（ドロップポート）には、半導体マッハツェンダー型変調器１０６が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを光源として波長ロッカーおよび変調器を有する光モジュールに関するものである。

近年の技術の発展に伴い、半導体レーザとともに変調器や波長ロッカーが集積された、光源となる光モジュールが実用化されている（特許文献１，２、非特許文献１，２参照）。例えば、特許文献１に記載されている光半導体モジュールでは、半導体光変調器を内蔵し、また、光結合のために３枚のレンズを用いる用にしている。また、特許文献２に記載されている光モジュールでは、エタロンフィルターを内蔵してＬＤ素子の出力波長を制御し、また、光結合のための光学系にはレンズを使用している。

しかしながら、いずれの光モジュールにおいても、レーザと半導体変調器とをレンズによって光結合させていたため、光学系が大きくかつ結合損失が大きい。これらに対し、導波管を用い、レーザソースと内蔵している光フィルターや光変調器とを光結合させる技術がある（特許文献３参照）。

特開２００７−１１５９３３号公報特開２００５−０８５９０４号公報特表２００７−５３２９８０号公報特開２０００−２３１０４１号公報特開平０７−２３５５６６号公報 Daniel Mahgerefteh, et al., "Tunable Chirp Managed Laser",IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.20, NO.2,pp.108-110, 2008. Raj Batra, et al., "Integrable Tunable Transmitter Assembly White Paper",OIF .

ところで、特許文献３の技術では、レーザソースより放出された光より、リング発振器（共振器）で取り出した波長の光の強度を光検出器で検出している。このため、レーザソースの発振波長を制御する場合、光検出器で検出される信号強度が最大となるようにするため、変調器に出力される光信号の強度を大きくしにくいという問題がある。また、特許文献３の技術では、レーザソースより放出される光の出力が、発振波長を制御するための温度制御により変化するという問題もある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光モジュールにおいて、低結合損失の状態で、より高い強度の光信号を安定して出力できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光モジュールは、入力導波路，円形導波路，出力導波路，および，入力導波路の入力端より分岐する分岐導波路を有し、入力導波路，円形導波路，および出力導波路によりリング共振器構造の波長フィルターを構成している導波路ユニットと、入力導波路の入力端に接続して導波路ユニットの上に実装された半導体レーザと、出力導波路の出力端に接続して導波路ユニットの上に実装された半導体マッハツェンダー型変調器と、分岐導波路の出力端に接続して導波路ユニットの上に実装された第１フォトダイオードと、入力導波路のスルーポートに接続して導波路ユニットの上に実装された第２フォトダイオードと、導波路ユニットの温度を調整する温調部と、第１フォトダイオードの出力信号により半導体レーザの出力を制御するレーザ出力制御手段と、第２フォトダイオードの出力信号により温調部の温度調節動作を制御す温度調整制御手段とを少なくとも備える。

以上説明したように、本発明によれば、導波路ユニット上に形成された導波路によるリング共振器構造の波長フィルターに、半導体レーザおよび半導体マッハツェンダー型変調器を接続して光モジュールとしたので、低結合損失の状態で、より高い強度の光信号を安定して出力できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光モジュールの構成を示す平面図である。この光モジュールは、導波路ユニット１０１、半導体レーザ１０２、リング共振器１０３、フォトダイオード（第１フォトダイオード）１０４、フォトダイオード（第２フォトダイオード）１０５、半導体マッハツェンダー型変調器１０６、温調部１０７、レーザ出力制御部１０８、温度調整制御部１０９、入力導波路１１１、出力導波路１１２、および分岐導波路１１３を備えている。

導波路ユニット１０１には、シリコンコアよりなるよく知られた高屈折率差導波路から構成された平面光回路 (Planar lightwave circuit：ＰＬＣ)が形成されている。これは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から構成されたものであり、ＳＯＩ層を加工することで、上述したシリコンコアが形成できる。また、ＳＯＩ層の下層となる埋め込み絶縁層が下部クラッド層となる。導波路ユニット１０１の上には、上述したように形成されたシリコンコアよりなる導波路（ＰＬＣ）として、入力導波路１１１，円形導波路より構成されたリング共振器１０３，出力導波路１１２，および分岐導波路１１３を備えている。

このように構成された各導波路において、まず、入力導波路１１１の入力ポートの側には、半導体レーザ１０２が接続されている。半導体レーザ１０２は、導波路型の共振器構造を備える端面発光レーザであり、例えば、ＤＦＢレーザおよびＤＢＲレーザなどである。一方、リング共振器１０３を介した出力導波路１１２の出力側（ドロップポート）には、半導体マッハツェンダー型変調器１０６が接続されている。半導体マッハツェンダー型変調器１０６は、半導体レーザ１０２と同様の、例えば化合物半導体を積層することで形成した導波路構造を備えて形成されたものである。

半導体レーザ１０２には、入力導波路１１１の入力ポートが接続しているとともに、分岐導波路１１３が接続している。入力導波路１１１および出力導波路１１２の分岐している部分において、方向性結合器が構成されている。また、分岐導波路１１３の出力端には、フォトダイオード１０４が接続され、入力導波路１１１のスルーポートには、フォトダイオード１０５が接続されている。また、導波路ユニット１０１は、温調部１０７の上に配置されている。

なお、レーザ出力制御部１０８は、フォトダイオード１０４からの出力信号により、半導体レーザ１０２の出力を制御する。また、温度調整制御部１０９は、フォトダイオード１０５からの出力信号により、温調部１０７の温度調整動作を制御する。

次に、本実施の形態における光モジュールの動作例について説明する。まず、半導体レーザ１０２より出射された光信号（レーザ光）は、方向性結合器によって一定の割合が入力導波路１１１に入射する。入力導波路１１１に入射した光信号の中で、リング共振器１０３に共振する波長がリング共振器１０３を透過して出力導波路１１２に結合されてここを導波し、半導体マッハツェンダー型変調器１０６に入力する。リング共振器１０３は、エタロンフィルターと同様に、透過と非透過に周期的な波長依存性を備え、波長ロッカーとして機能する。

一方、方向性結合器によって分岐した分岐導波路１１３に入射した光信号は、分岐導波路１１３を導波してフォトダイオード１０４に入射する。この結果、フォトダイオード１０４からは、入射した光信号に対応する電気信号が出力される。フォトダイオード１０４に入射した光信号は、半導体レーザ１０２より出力される光信号の変化を反映している。従って、上述したようにフォトダイオード１０４より出力される電気信号も、半導体レーザ１０２より出力される光信号の変化を反映したものとなっている。このようにしてフォトダイオード１０４から電気信号が出力されている中で、レーザ出力制御部１０８が、出力されている電気信号が一定になるように、半導体レーザ１０２のレーザ出力を制御する。

また、入力導波路１１１に入射してリング共振器１０３を透過しない光信号は、スルーポートの側に導波し、この出力端よりフォトダイオード１０５に入射する。この結果、フォトダイオード１０４からは、入射した光信号に対応する電気信号が出力される。フォトダイオード１０５には、光モジュールより出力しようとしている波長以外の光信号が入射する。従って、フォトダイオード１０５より出力される電気信号は、半導体レーザ１０２より出力される光信号の中の、所望とする波長以外の成分の光強度を反映したものとなっている。

このようにしてフォトダイオード１０５から電気信号が出力されている中で、温度調整制御部１０９が、出力されている電気信号が一定となるように温調部１０７の温度調整動作を制御する。例えば、出力されている電気信号が、常に最小となるように制御する。半導体レーザ１０２の出力波長は温度により変動するが、上述したように制御された温調部１０７の温度調整により温度が制御された半導体レーザ１０２の出力波長は、所望の値に一定に制御されるようになる。

以上のようにすることで、出力強度および波長が制御された状態の信号光は、リング共振器１０３を通過した後、半導体マッハツェンダー型変調器１０６で光強度が変調されて出力される。

上述した本実施の形態における光モジュールでは、まず、半導体レーザ１０２より出力される光信号は、入力導波路１１１に直接結合している。また、リンク共振器１０３を経て出力導波路１１２の出力側より出力する光信号は、半導体マッハツェンダー型変調器１０６に直接結合している。この結果、レンズ系を用いる場合に比較して、結合損失を少なくすることができる。

また、リング共振器１０３においては、半導体マッハツェンダー型変調器１０６より変調されて出力される光信号の周波数の光信号を選択的に透過するようにした。このため、フォトダイオード１０５で検出する光信号強度が最大となる状態に制御する必要が無く、リング共振器１０３を透過させる光信号の強度をより大きくすることができる。

また、本実施の形態における光モジュールでは、半導体レーザ１０２の発振波長制御のために、導波路ユニット１０１の全体を温調部１０７に温度制御するために、温度制御の状態が、半導体マッハツェンダー型変調器１０６にも影響することになる。しかしながら、半導体マッハツェンダー型変調器１０６は、ＤＣバイアス制御などにより特性の変動を補正することができるため、上述した温度制御による温度変動があっても、所望とする変調動作を行うことが可能である。ところで、半導体レーザ１０２の代わりに、アレイ型レーザ素子を用いるようにすることで、波長の可変範囲を拡大することが可能となる。

次に、光モジュールのより詳細な構成例について説明する。光モジュールは、図２に示すように、導波路ユニット１０１が、金属製の台座２０１を介してペルチェモジュール２０７の上に固定されている。台座２０１は、例えば、ＣｕＴａ合金やコバールなどから構成されていればよい。なお、ペルチェモジュール２０７は、よく知られたペルチェ素子より構成されたものであり、温調部１０７に対応している。

また、ペルチェモジュール２０７，台座２０１，および導波路ユニット１０１は、密閉されたパッケージ２０３の中に収容（実装）されている。また、導波路ユニット１０１において、半導体マッハツェンダー型変調器１０６の光信号出力側には、集光用のレンズ２０２が配置され、パッケージ２０３の外部に取り出されている光ファイバー２０４に、光信号が結合可能とされている。なお、レーザ出力制御部１０８および温度調整制御部１０９は、パッケージ２０３に収容されていてもよく、また、パッケージ２０３の外部に設けるようにしてもよい。

次に、本実施の形態における光モジュールの製造方法について簡単に説明する。まず、図３に示すように、導波路ユニット１０１に、上述した各導波路、およびリング共振器１０３を形成する。このとき、位置合わせ用のパターン３０１，３０２も形成しておく。パターン３０１は、半導体レーザ１０２を、高い位置精度で設置（実装）するための合わせマークである。また、パターン３０２は、半導体マッハツェンダー型変調器を、高い位置精度で設置するための合わせマークである。

次に、図４に示すように、導波路ユニット１０１の上に、半導体レーザ１０２および半導体マッハツェンダー型変調器１０６を実装する。この実装において、まず、半導体レーザ１０２は、パターン３０１を基準に位置合わせをする。例えば、半導体レーザ１０２に形成されている合わせマーク（図示せず）を、パターン３０１の位置に合わせるように、半導体レーザ１０２を実装する。また、半導体マッハツェンダー型変調器１０６は、パターン３０２を基準に位置合わせをする。例えば、半導体マッハツェンダー型変調器１０６に形成されている合わせマーク（図示せず）を、パターン３０２の位置に合わせるように、半導体マッハツェンダー型変調器１０６を実装する。この位置合わせによる実装では、例えば、よく知られた画像認識法を用いるようにすればよい（特許文献４参照）。また、位置決め台を用いた自己整合的な位置合わせにより、高い位置精度で実装することもできる（特許文献５参照）。

次に、図５に示すように、分岐導波路１１３の出力端に接続するフォトダイオード１０４、および入力導波路１１１のスルーポートの出力端に接続するフォトダイオード１０５を、導波路ユニット１０１の上に実装する。フォトダイオード１０４およびフォトダイオード１０５においては、高い実装位置精度を必要としないため、前述したような合わせマークを用いた位置合わせは不要である。

以上のようにして、導波路ユニット１０１を完成させた後、図２に示すように、導波路ユニット１０１をレンズ２０２とともに台座２０１の上に固定し、さらに、これらをペルチェモジュール２０７の上に搭載し、パッケージ２０３に実装する。

本発明に係る光モジュールは、例えば、ＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/drop multiplexer）システムなどに用いる光送信モジュールに適用させることができる。

本発明の実施の形態における光モジュールの構成例を示す平面図である。本発明の実施の形態における光モジュールの構成例を示す構成図である。本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法例を示す工程図である。本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法例を示す工程図である。本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法例を示す工程図である。

符号の説明

１０１…導波路ユニット、１０２…半導体レーザ、１０３…リング共振器、１０４…フォトダイオード（第１フォトダイオード）、１０５…フォトダイオード（第２フォトダイオード）、１０６…半導体マッハツェンダー型変調器、１０７…温調部、１０８…レーザ出力制御部、１０９…温度調整制御部、１１１…入力導波路、１１２…出力導波路、１１３…分岐導波路。

Claims

入力導波路，円形導波路，出力導波路，および，前記入力導波路の入力端より分岐する分岐導波路を有し、前記入力導波路，前記円形導波路，および前記出力導波路によりリング共振器構造の波長フィルターを構成している導波路ユニットと、
前記入力導波路の入力端に接続して前記導波路ユニットの上に実装された半導体レーザと、
前記出力導波路の出力端に接続して前記導波路ユニットの上に実装された半導体マッハツェンダー型変調器と、
前記分岐導波路の出力端に接続して前記導波路ユニットの上に実装された第１フォトダイオードと、
前記入力導波路のスルーポートに接続して前記導波路ユニットの上に実装された第２フォトダイオードと、
前記導波路ユニットの温度を調整する温調部と、
前記第１フォトダイオードの出力信号により前記半導体レーザの出力を制御するレーザ出力制御手段と、
前記第２フォトダイオードの出力信号により前記温調部の温度調節動作を制御す温度調整制御手段と
を少なくとも備えることを特徴とする光モジュール。
請求項１記載の光モジュールにおいて、前記入力導波路，前記円形導波路，前記出力導波路，および前記分岐導波路は、シリコンコアより構成されている
ことを特徴とする光モジュール。
請求項１または２記載の光モジュールにおいて、
前記温調部はペルチェ素子から構成され、
前記導波路ユニットは、金属材料から構成された台座を介して前記温調部の上に配置されている
ことを特徴とする光モジュール。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュールにおいて、
前記半導体レーザおよび前記半導体マッハツェンダー型変調器は、前記導波路ユニットの上に形成された合わせマークに位置合わせして実装されている
ことを特徴とする光モジュール。