JP2011209371A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを低減できる光変調器を得る。
【解決手段】マッハツェンダ型光変調器３は、入力光の強度又は位相を変調させる。マッハツェンダ型光変調器３の出力に出力光導波路４が接続されている。マッハツェンダ型光変調器３から出力された変調光は出力光導波路４を伝播する。出力光導波路４に近接して受光部５，６が配置されている。受光部５，６は、出力光導波路４からの漏洩光を検知する。これらのマッハツェンダ型光変調器３、出力光導波路４、及び受光部５，６は、１つのｎ型ＩｎＰ基板１上にモノリシックに集積されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信に使用する半導体マッハツェンダ型光変調器に関する。

近年、マッハツェンダ型光変調器が光ファイバ通信に使用されている（例えば、特許文献１参照）。このマッハツェンダ型光変調器は、マッハツェンダ型光変調器により変調された光を通す光導波路と１つの基板上にモノリシックに集積される。従来、光変調器の駆動状態を監視する受光素子は、光導波路の出力端に近接して光変調器の外部に配置されていた。

特開２００８−６４９１５号公報

しかし、変調器と受光素子を別々の基板に形成していたため、両者の光学的な位置調整を精度良く行う必要があった。従って、製造工程が複雑になり、装置が高価になるという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は製造コストを低減できる光変調器を得るものである。

本発明は、入力光の強度又は位相を変調させるマッハツェンダ型光変調器と、前記マッハツェンダ型光変調器の出力に接続され、前記マッハツェンダ型光変調器から出力された変調光が伝播する出力光導波路と、前記出力光導波路に近接して配置され、前記出力光導波路からの漏洩光を検知する受光部とを備え、前記マッハツェンダ型光変調器、前記出力光導波路、及び前記受光部は、１つの基板上にモノリシックに集積されていることを特徴とする光変調器である。

本発明により、製造コストを低減できる。

実施の形態１に係る光変調器を示す平面図である。 図１の半導体レーザを示す断面図である。 図１の出力光導波路及び受光部を示す断面図である。 実施の形態１に係る光変調器の光出力の強度とＤＣバイアス電圧との関係を示す図である。 実施の形態１に係る光変調器の光出力の周波数２×ｆ成分の強度とＤＣバイアス電圧との関係を示す図である。 実施の形態２に係る光変調器を示す平面図である。 実施の形態３に係る光変調器を示す平面図である。 実施の形態４に係る光変調器の出力光導波路を示す断面図である。 実施の形態４に係る光変調器の出力光導波路を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る光変調器について図面を参照して説明する。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光変調器を示す平面図である。１つのｎ型ＩｎＰ基板１（基板）上に、半導体レーザ２、マッハツェンダ型光変調器３、出力光導波路４、及び受光部５，６がモノリシックに集積されている。

半導体レーザ２がレーザ光を発生させる。マッハツェンダ型光変調器３は、そのレーザ光（入力光）の強度又は位相を変調させる。出力光導波路４は、マッハツェンダ型光変調器３の出力に接続されている。マッハツェンダ型光変調器３から出力された変調光は、出力光導波路４を伝播する。受光部５，６は、出力光導波路４に近接して配置され、出力光導波路４からの漏洩光を検知する。

受光部５，６の検知感度を向上させ、かつ受光部５，６と出力光導波路４の光吸収層がエバネッセント結合して光出力が低下するのを防ぐため、受光部５，６と出力光導波路４との距離は２μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。

マッハツェンダ型光変調器３は、入力光を２つの光に分波する分波器７と、２つの光を合波する合波器８と、分波器７と合波器８の間に設けられた２つの光導波路９，１０とを有する。制御部１１は、２つの光導波路９，１０に電圧を加えて光導波路９，１０中の光の位相を変化させ、干渉状態を制御する。これにより、制御部１１はマッハツェンダ型光変調器３を制御する。演算部１２は変調光の波長を求める。制御部１１及び演算部１２の機能については後に詳細に説明する。

図２は、図１の半導体レーザ２を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１３、ｎ型ＩｎＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸の活性層１５、ｐ型ＩｎＰ層１６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１７、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８が順次形成されている。これらの両側は、ｐ型ＩｎＰ埋込層１９、ｎ型ＩｎＰ埋込層２０、及びｐ型ＩｎＰ埋込層２１により埋め込まれている。ｐ型ＩｎＰクラッド層１８及びｐ型ＩｎＰ埋込層２１上にｐ型ＩｎＰクラッド層２２及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２３が順次形成されている。

これらの積層構造はメサ形状にエッチングされている。その両側はＳｉＮパッシベーション膜２４で覆われている。ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２３上にＴｉ／Ａｕ電極２５及びＡｕめっき層２６が順次形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にＴｉ／Ａｕ電極２７及びＡｕめっき層２８が順次形成されている。

図３は、図１の出力光導波路４及び受光部５，６を示す断面図である。出力光導波路４は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順次形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２９、及びｐ型ＩｎＰクラッド層１８を有する。

受光部５は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順次形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層１４、光吸収層３０、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８、及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２３を有する。受光部５のｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２３上に、Ｔｉ／Ａｕ電極２５及びＡｕめっき層２６が順次形成されている。受光部６は、受光部５の光吸収層３０が光吸収層３１に置き換わった構造である。

出力光導波路４及び受光部５，６は、それぞれメサ形状にエッチングされている。出力光導波路４の側面を覆うＳｉＮパッシベーション膜２４は光の一部を透過する。出力光導波路４から漏れた光の一部は、受光部５，６の光吸収層３０，３１に到達して電気信号に変換される。

受光部５の光吸収層３０は、半導体レーザ２の活性層１５の一部と同じ構造を有する。一方、受光部６の光吸収層３１は、マッハツェンダ型光変調器３の活性層の一部と同じ構造を有する。そして、半導体レーザ２の活性層１５とマッハツェンダ型光変調器３の活性層は波長感度特性が互いに異なる。従って、受光部５，６の波長感度特性は異なる。

制御部１１は、ＤＣバイアス電圧Ｖｂと、変調信号と、正弦波の電気信号とを重畳した信号をマッハツェンダ型光変調器３に印加する。正弦波の周波数ｆは変調信号の周波数より小さく、その振幅ΔＶは小さい。

図４は、実施の形態１に係る光変調器の光出力の強度とＤＣバイアス電圧との関係を示す図である。ＤＣバイアス電圧Ｖｂが最適バイアス電圧Ｖｏｐｔの場合に光出力は最小になる。

図５は、実施の形態１に係る光変調器の光出力の周波数２×ｆ成分の強度とＤＣバイアス電圧との関係を示す図である。ＤＣバイアス電圧ＶｂがＶｏｐｔからΔＶ以内の範囲となった場合に、光出力の周波数２×ｆで変動する成分が発生する。この原理について説明する。ＤＣバイアス電圧ＶｂがＶｏｐｔからΔＶ以上離れると、光出力の変動周波数はｆのみである。一方、ＤＣバイアス電圧ＶｂがＶｏｐｔからΔＶの範囲内に調整されると、Ｖｏｐｔは消光カーブ上の折り返し位置に相当するため、周波数ｆの電気信号が逓倍される。従って、光出力の周波数２×ｆで変動する成分が発生する。

制御部１１は、受光部５，６で検知した光の周波数２×ｆで変動する成分が大きくなるようにＤＣバイアス電圧Ｖｂをフィードバック制御する。これにより、Ｃバイアス電圧ＶｂをＶｏｐｔに調整することができる。

マッハツェンダ型光変調器３から出力された光の全てが出力光導波路４の内部を伝搬するわけではなく、その一部は出力光導波路４の近傍に漏洩する。その漏洩光は、光合波器８で合波されなかった非変調成分を含んでいる。この非変調成分は、出力光導波路４の近傍に配置された受光部５，６により、出力端に達するのを妨げられる。よって、非変調成分を低減できるので、変調効率が改善される。

また、上述のように受光部５，６の波長感度特性は異なる。演算部１２は、これらの受光部５，６によりそれぞれ測定した変調光の受信強度の比又は変調光の受信強度の時間平均の比から変調光の波長を求める。

以上説明したように、本実施の形態では、半導体レーザ２、マッハツェンダ型光変調器３、出力光導波路４、及び受光部５，６は、１つのｎ型ＩｎＰ基板１（基板）上にモノリシックに集積されている。このため、従来のように変調器と受光素子を別々の基板に形成した場合に比べて、製造工程を簡素化できるため、製造コストを低減できる。

なお、実施の形態１では２つの受光部５，６が出力光導波路４に近接して配置されているが、受光部は１つでよし、３つ以上でもよい。

また、基板上にエピタキシャル成長された積層構造から出力光導波路４のメサ形状をエッチングにより形成する際に、同時に受光部５，６のメサ形状も形成することが好ましい。これにより、パターン精度が向上する。

また、マッハツェンダ型光変調器３の活性層は、ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸構造又はＡｌＧａＩｎＡｓの多重量子井戸構造である。出力光導波路４の導波層は、ＩｎＧａＡｓＰに限らず、ＡｌＩｎＡｓやＡｌＧａＩｎＡｓなどの単層又はこれらの多層構造でもよい。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る光変調器を示す平面図である。ただし、制御部１１及び演算部１２は図示を省略している。実施の形態２では、実施の形態１の構成に加えて、マッハツェンダ型光変調器３と受光部５，６との間にメサ形状の遮蔽部３２，３３が配置されている。これにより、マッハツェンダ型光変調器３から漏洩した非変調光が受光部５，６に到達するのを防ぐことができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る光変調器を示す平面図である。ただし、制御部１１及び演算部１２は図示を省略している。実施の形態３では、実施の形態１の受光部５，６の代わりに、出力光導波路４の途中に形成された半導体光増幅器３４に逆方向電圧を印加して受光部として動作させる。これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図８及び図９は、実施の形態４に係る光変調器の出力光導波路４を示す断面図である。実施の形態１の出力光導波路４の上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰの光吸収層３６、ｎ型ＩｎＰクラッド層３７、及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３８が順次形成されている。ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３８上にＴｉ／Ａｕカソード電極３９及びめっき層４０が順次形成されている。これらの構成により受光部４１が構成される。即ち、実施の形態４では、実施の形態１の受光部５，６の代わりに、受光部４１が出力光導波路４の上部に配置されている。出力光導波路４からの漏洩光の一部が光吸収層３６で吸収され、電気信号に変換される。これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

１ ｎ型ＩｎＰ基板（基板）
２ 半導体レーザ
３ マッハツェンダ型光変調器
４ 出力光導波路
５ 受光部（第１の受光部）
６ 受光部（第２の受光部）
１１ 制御部
１２ 演算部
１５ 活性層
３０，３１ 光吸収層
３２，３３ 遮蔽部
３４ 半導体光増幅器
４１ 受光部

Claims (9)

1. 入力光の強度又は位相を変調させるマッハツェンダ型光変調器と、
   前記マッハツェンダ型光変調器の出力に接続され、前記マッハツェンダ型光変調器から出力された変調光が伝播する出力光導波路と、
   前記出力光導波路に近接して配置され、前記出力光導波路からの漏洩光を検知する受光部とを備え、
   前記マッハツェンダ型光変調器、前記出力光導波路、及び前記受光部は、１つの基板上にモノリシックに集積されていることを特徴とする光変調器。
2. 前記マッハツェンダ型光変調器を制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、ＤＣバイアス電圧と、変調信号と、周波数ｆの正弦波の電気信号とを重畳した信号を前記マッハツェンダ型光変調器に印加し、
   前記制御部は、前記受光部で検知した光の周波数２×ｆで変動する成分が大きくなるように前記ＤＣバイアス電圧をフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記受光部は、波長感度特性の異なる第１及び第２の受光部と、前記第１及び第２の受光部によりそれぞれ測定した前記変調光の受信強度の比又は前記変調光の受信強度の時間平均の比から前記変調光の波長を求める演算部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
4. 前記マッハツェンダ型光変調器と共に前記基板上にモノリシックに集積され、前記マッハツェンダ型光変調器に前記入力光を供給する半導体レーザを更に備え、
   前記受光部の光吸収層は、前記半導体レーザ部の活性層の一部と同じ構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
5. 前記受光部の光吸収層は、前記マッハツェンダ型光変調器の活性層の一部と同じ構造を有することを特徴とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
6. 前記マッハツェンダ型光変調器と共に前記基板上にモノリシックに集積され、前記マッハツェンダ型光変調器に前記入力光を供給する半導体レーザを更に備え、
   前記受光部は、第１及び第２の受光部を有し、
   前記第１の受光部の光吸収層は、前記半導体レーザ部の活性層の一部と同じ構造を有し、
   前記第２の受光部の光吸収層は、前記マッハツェンダ型光変調器の活性層の一部と同じ構造を有することを特徴とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
7. 前記マッハツェンダ型光変調器と前記受光部との間に配置された遮蔽部を更に備えることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の光変調器。
8. 前記受光部は、前記出力光導波路の途中に形成された半導体光増幅器に逆方向電圧を印加して受光部として動作させたものであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の光変調器。
9. 前記受光部は、前記出力光導波路の上部に配置されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の光変調器。

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