JP2013156352A - 光変調器及び光送信モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】合波損失が従来よりも小さな、光強度のモニタが可能な光変調器及び光送信モジュールを提供する。
【解決手段】SG−DBRレーザ109から出力される光を導波する中継光導波路102と、中継光導波路102から出力される光を分波する分波器103と、分波器103で分波された光を導波する、出力される光の位相差が制御可能であるMZ光導波路104及びMZ光導波路105と、信号光が出力可能な光導波路を任意に設定可能である、MZ光導波路104及びMZ光導波路105のそれぞれから出力される光を合波する合波器106と、信号光が出力可能な光導波路として設定される、合波器106で合波された光が信号光として出力される出力光導波路107と、入力される光の強度を検出する光検出器117と、を含み、光検出器117は、信号光が出力可能な光導波路として設定される光導波路の光軸上から離して配置されている。
【選択図】図6A

Description

本発明は、光変調器及び光送信モジュールに関する。
インターネットの利用拡大により通信トラフィックは年率1.4倍の速さで拡大しており、それに対応した光通信ネットワークの大容量化が必須である。現状の光通信ネットワークは、波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing:WDM)技術が実用化されている。WDM技術による通信では、システムの保守管理の観点から全ての波長のバックアップ送受信器が必要であるが、全ての波長に1台で対応できる波長可変送受信器はバックアップ送受信器数を大幅に削減できるためネットワーク運用の低コスト化に寄与する。WDMネットワークにおいて、Cバンド帯(波長1530〜1570nm)やLバンド帯(波長1570〜1610nm)で全域動作する波長可変送受信器はキーコンポーネントの一つとなる。また、最近は光通信インターフェースの密度を高める要求が強まっており、現在普及している300pin−LFF (Large Form Factor)、300pin−SFF (Small Form Factor)モジュールに代わって、体積比約1/15と小型であるXFPモジュールへ収納可能な波長可変送受信器の実用化が進められている。
Proceedings of 2006 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials、 Page(s): 352−355.
小型で、広い波長範囲で動作するモジュールの実現のために、波長可変レーザと半導体MZ(Mach Zehnder)変調器が用いられることが多い。このようなモジュールでは、波長可変レーザからある波長の連続光が発せられ、半導体MZ変調器で電気信号に従って高速に光が変調される方式が用いられる。ここで、モジュールから出される光の強度は、規格により決められているため、モジュールで光強度をモニタして、一定に保つ必要がある。
以下、従来用いられてきた、半導体MZ変調器での光強度モニタ方法を説明する(例えば、非特許文献1参照)。図9は、従来例の、波長可変レーザが集積された光強度モニタ付半導体MZ変調器500の概略的な構成を示す概略平面図である。MZ変調器は、n型InP基板501上に半導体層、電極が積層されることで形成される。光の入力側(図9左側)から出力側(図9右側)の順に、SG−DBR(Sampled−Grating Distributed Bragg Reflector)レーザ509、1×2MMI(Multi Mode Interferometer)分波器503、MZ光導波路電極551、552が設置されたMZ光導波路504、505、2×2MMI合波器506、出力光導波路507及び光検出器電極512が積層されたモニタ光導波路508と、が接続されている。モニタ光導波路508には、光検出器が組み込まれている。
SG−DBRレーザ509から出た光は、光導波路502を通り、1×2MMI分波器503によりMZ光導波路504とMZ光導波路505に2分岐され、2×2MMI合波器506に入力する。1×2MMI分波器503、2×2MMI合波器506は、略直方体形状である。1×2MMI分波器503の、光の進行方向に沿った長さ(以下、長さLと呼ぶ。)と、光の進行方向に対する略垂直方向の長さ(以下、幅Wと呼ぶ。)との関係は、L[μm]=n×W[μm]^2/λ[μm]/2との数式で表される。一方、2×2MMI合波器506の、長さLと幅Wとの関係は、L[μm]=n×W[μm]^2/λ[μm]/3×2との数式で表される。なお、これらの数式における、λは入出力される光の波長を表し、nは光導波路の屈折率を表している。1×2MMI分波器503は、具体的には、例えば、長さLが40μm、幅Wが6μmである。2×2MMI合波器506は、具体的には、例えば、長さLが117μm、幅Wが9μmである。また、1×2MMI分波器503の光の進行方向に沿った中心軸(分波器503に接続される光導波路の光軸方向に沿った中心軸)から1×2MMI分波器503に接続されるMZ光導波路504の中心軸までの距離、1×2MMI分波器503の光の進行方向に沿った中心軸から1×2MMI分波器503に接続されるMZ光導波路505の中心軸までの距離は、それぞれ、(1/4)×Wである。2×2MMI合波器506の光の進行方向に沿った中心軸(合波器506に接続される光導波路の光軸方向に沿った中心軸)から2×2MMI合波器506に接続されるMZ光導波路504の中心軸までの距離、2×2MMI合波器506の光の進行方向に沿った中心軸から2×2MMI合波器506に接続されるMZ光導波路505の中心軸までの距離は、それぞれ、(1/6)×Wである。
信号光は、MZ光導波路504を通る光とMZ光導波路505を通る光との干渉条件により、出力光導波路507、及び、モニタ光導波路508に結合する。位相条件は、MZ光導波路電極551とMZ光導波路電極552に印加される電圧によりMZ光導波路504とMZ光導波路505の屈折率を変化することにより制御される。光検出器電極512は、光検出器で検出した光強度を電流信号として出力する。出力光導波路507に結合した光は、光ファイバを通して外部に出力される。このことを、図10A、図10B、図10C、及び、図10Dを用いて説明する。図10Aは、図9に示す光強度モニタ付半導体MZ変調器500での光強度のモニタに関する計算モデルを示す平面図である。図10Aでは、光導波路502(図10Aにおける入力光導波路)、1×2MMI分波器503、MZ光導波路504、505、2×2MMI合波器506、モニタ光導波路508、出力光導波路507が接続されている。ある位相条件では、光の多くが出力光導波路507に伝播する(図10B)。また、別のある位相条件では、光の多くがモニタ光導波路508に伝播する(図10C)。
図10Dに、出力光導波路507、及び、モニタ光導波路508に結合する光強度の位相差依存性を示す。図10Dの例では、モニタ光導波路508に結合する、ピークにおける光の強さを表す値は、出力光導波路507に結合する、ピークにおける光の強さを表す値に所定の比率(0以上1未満)を乗じた値よりも大きい。図10Dの例では、出力光導波路507に結合する、ピークにおける光の強さと、モニタ光導波路508に結合する、ピークにおける光の強さは同程度である。出力光導波路507、及び、モニタ光導波路508に結合する光強度は、相補的に変化するため、高周波電気信号で変調したときの平均光強度は同じになる。このため、光検出器電極512で検出される光強度をモニタすることにより、外部に出力される光の強度がモニタできることになる。
しかし、2×2MMI合波器506はCバンド帯で動作させると、合波損失が約0.7dBと大きかった。そのため、図9に示す光強度モニタ付半導体MZ変調器500では、光強度をモニタすることができるが、合波損失が大きいという問題があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的の1つは、合波損失が従来よりも小さな、光強度のモニタが可能な光変調器及び光送信モジュールを提供することにある。
(1)上記課題を解決するために、本発明に係る光変調器は、レーザから出力される光を導波する第1の光導波路と、前記光導波路から出力される光を分波する分波器と、前記分波器で分波された光を導波する、出力される光の位相差が制御可能である第2及び第3の光導波路と、信号光が出力可能な光導波路を任意に設定可能である、前記第2及び第3の光導波路のそれぞれから出力される光を合波する合波器と、前記信号光が出力可能な光導波路として設定される、前記合波器で合波された光が信号光として出力される第4の光導波路と、入力される光の強度を検出する光検出器と、を含み、前記光検出器は、前記信号光が出力可能な光導波路として設定される光導波路の光軸上から離して配置されている、ことを特徴とする。
(2)上記(1)に記載の光変調器であって、前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面に、前記信号光が出力可能な光導波路としては設定されない光導波路である第5の光導波路が接続されており、前記光検出器は、前記第5の光導波路で導波される光の強度を検出してもよい。
(3)上記(1)に記載の光変調器であって、前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面の、前記第4の光導波路の光軸を基準として、前記光検出器が配置されている位置の反対側に切り欠きが形成されていてもよい。
(4)上記(1)に記載の光変調器であって、前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面に、前記信号光が出力可能な光導波路としては設定されない光導波路である第5の光導波路が接続されており、前記合波器における前記第4及び第5の光導波路が接続されている面の、前記第4の光導波路の光軸を基準として、前記第5の光導波路の反対側に切り欠きが形成されており、前記光検出器は、前記第5の光導波路で導波される光の強度を検出してもよい。
(5)上記(1)に記載の光変調器であって、前記第1の光導波路で導波される光を出力されるレーザ、をさらに含んでいてもよい。
(6)本発明に係る光送信モジュールは、上記(5)に記載の光変調器と、前記光検出器で検出される光の強度の変化に応じて、前記レーザから出力される光を制御する手段と、を含むことを特徴とする。
(7)本発明に係る別の光変調器は、レーザから出力される光を導波する第1の光導波路と、前記光導波路から出力される光を分波する分波器と、前記分波器で分波された光を導波する、印加される電圧に応じて光路長が変化する第2及び第3の光導波路と、前記第2及び第3の光導波路のそれぞれから出力される光を合波する合波器と、前記合波器で合波された光を出力する第4の光導波路と、入力される光の強度を検出する光検出器と、を含み、前記合波器は、略直方体形状であり、前記合波器における光の進行方向に沿った長さが、当該方向と略垂直な方向に沿った長さの二乗と光導波路の屈折率の積の半分を、入出力される光の波長で割った値により表される長さであり、前記合波器における光の進行方向に沿った略中心軸上で、前記合波器が前記第4の光導波路と接続されており、前記光検出器は、前記第4の光導波路の光軸上から離して配置されている、ことを特徴とする。
(8)上記(7)に記載の光変調器であって、前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面に、第5の光導波路が接続されており、前記光検出器は、前記第5の光導波路で導波される光の強度を検出してもよい。
(9)上記(7)に記載の光変調器であって、前記合波器における前記第4及び第5の光導波路が接続されている面の、前記第4の光導波路の光軸を基準として、前記光検出器が配置されている位置の反対側に切り欠きが形成されていてもよい。
(10)上記(7)に記載の光変調器であって、前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面に、第5の光導波路が接続されており、前記合波器における前記第4及び第5の光導波路が接続されている面の、前記第4の光導波路の光軸を基準として、前記第5の光導波路の反対側に切り欠きが形成されており、前記光検出器は、前記第5の光導波路で導波される光の強度を検出してもよい。
(11)上記(7)に記載の光変調器であって、前記第1の光導波路で導波される光を出力されるレーザ、をさらに含んでいてもよい。
(12)本発明に係る別の光送信モジュールは、上記(11)に記載の光変調器と、前記光検出器で検出される光の強度の変化に応じて、前記レーザから出力される光を制御する回路と、を含むことを特徴とする。
本発明により、合波損失が従来よりも小さな、光強度のモニタが可能な光変調器及び光送信モジュールが提供されることとなる。
本発明の一実施形態である第1実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略的な構成を示す概略平面図である。 図1Aに示す1B−1B線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略断面図である。 図1Aに示す1C−1C線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略拡大断面図である。 図1Aに示す1D−1D線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略拡大断面図である。 図1Aに示す1E−1E線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略拡大断面図である。 図1A中の破線部内の領域を拡大した部分拡大図の一例を示す図である。 第1実施形態の変形例における部分拡大図の一例を示す図である。 第1実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器が含まれる光送信モジュールの概略構成図である。 第1実施形態に係る光検出器での光強度のモニタに関する計算モデルを示す平面図である。 光の多くが出力光導波路に伝播する場合の光強度分布の計算結果の一例を示す図である。 光の多くが出力光導波路に伝播しない場合の光強度分布の計算結果の一例を示す図である。 出力光導波路及び光検出器に結合する光強度の位相変化依存性の計算結果の一例を示す図である。 図3Dに示す計算結果の一部を拡大した図である。 本発明の別の一実施形態である第2実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略的な構成を示す概略平面図である。 図4Aに示す4B−4B線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略断面図である。 第2実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器の2×1MMI合波器付近の部分拡大図である。 第2実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器の変形例における2×1MMI合波器付近の部分拡大図である。 第2実施形態に係る光検出器での光強度のモニタに関する計算モデルを示す平面図である。 光の多くが出力光導波路に伝播する場合の光強度分布の計算結果の一例を示す図である。 光の多くが出力光導波路に伝播しない場合の光強度分布の計算結果の一例を示す図である。 出力光導波路及びモニタ光導波路に結合する光強度の位相変化依存性の計算結果の一例を示す図である。 図5Dに示す計算結果の一部を拡大した図である。 本発明のさらに別の一実施形態である第3実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略的な構成を示す概略平面図である。 第3実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器の2×1MMI合波器付近の部分拡大図である。 第3実施形態に係る光検出器での光強度のモニタに関する計算モデルを示す平面図である。 光の多くが出力光導波路に伝播する場合の光強度分布の計算結果の一例を示す図である。 光の多くが出力光導波路に伝播しない場合の光強度分布の計算結果の一例を示す図である。 出力光導波路及びモニタ光導波路に結合する光強度の位相変化依存性の計算結果の一例を示す図である。 図7Dに示す計算結果の一部を拡大した図である。 本発明のさらに別の一実施形態である第4実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器の概略的な構成を示す概略平面図である。 第4実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器の2×1MMI合波器付近の部分拡大図である。 従来例の光強度モニタ付半導体MZ変調器の概略的な構成を示す概略平面図である。 従来例に係る光検出器での光強度のモニタに関する計算モデルを示す平面図である。 光の多くが出力光導波路に伝播する場合の光強度分布の計算結果の一例を示す図である。 光の多くが出力光導波路に伝播しない場合の光強度分布の計算結果の一例を示す図である。 出力光導波路及びモニタ光導波路に結合する光強度の位相変化依存性の計算結果の一例を示す図である。
[第1実施形態]
以下、本発明の一実施形態である第1実施形態について、図1A、図1B、図1C、図1D、図1E、図1F、図1G、図2、図3A、図3B、図3C、図3D、及び、図3Eを用いて説明する。
図1Aは、第1実施形態に係る光変調器(SG−DBRレーザ集積MZ変調器100)の概略的な構成を示す概略平面図である。図1Bは、図1Aに示す1B−1B線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の概略断面図である。図1Cは、図1Aに示す1C−1C線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の概略拡大断面図である。図1Dは、図1Aに示す1D−1D線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の概略拡大断面図である。図1Eは、図1Aに示す1E−1E線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の概略拡大断面図である。図1Fは、図1A中の破線部内の領域を拡大した部分拡大図の一例を示す図である。図1Gは、第1実施形態の変形例における部分拡大図の一例を示す図である。図2は、第1実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器100が含まれる光送信モジュール200の概略構成図である。
第1実施形態に係る光送信モジュール200には、n型InP基板上に1.55μm帯の波長可変SG−DBRレーザ109とMZ変調器が集積されている。第1実施形態に係る光変調器に含まれる合波器106は2×1MMIであり、信号光が出力可能な光導波路を任意に設定可能である。また、モニタ用光検出器117は、信号光が出力可能な光導波路として設定される出力光導波路107の光軸上から離して配置されている。
第1実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器100は、左端の無反射コーティング132と右端の無反射コーティング133との間に挟まれた半導体積層体で構成されている。そして、左端から、DBR領域の電極113、位相調整領域の電極114、ゲイン領域の電極115、DBR領域の電極116が配置されているSG−DBRレーザ109と、中継光導波路102と、この1本の中継光導波路102が入力で2本の中継光導波路が出力である1×2MMI導波路で構成された分波器103と、分波器103の出力である2本の中継光導波路中にあるMZ光導波路104及びMZ光導波路105と、2本の中継光導波路(MZ光導波路104の後、及び、MZ光導波路105の後の中継光導波路)が入力で、1本の中継光導波路が出力である2×1MMIの合波器106と、合波器106の出力である1本の中継光導波路が接続された出力光導波路107、及び、出力光導波路107の光軸上から離して、出力光107の光軸の垂直上方向に配置された光検出器117、が並べられている。1本の出力光導波路107は、2×1MMIの合波器106と、2×1MMIの合波器106の縦方向についての中央付近(2×1MMIの合波器106の光の進行方向に沿った略中心軸上)で接続している。光検出器117は、出力光導波路107の光軸から1.5μm離れて配置されている。また、光検出器117は、2×1MMI合波器106の右端から1.5μm離れて配置されている。1×2MMI分波器103、2×1MMI合波器106は、略直方体形状であり、光の進行方向に沿った長さ(以下、長さLと呼ぶ。)と、光の進行方向に対する略垂直方向の長さ(以下、幅Wと呼ぶ。)との関係は、L[μm]=n×W[μm]^2/λ[μm]/2との数式で表される。なお、当該数式における、λは入出力される光の波長を表し、nは光導波路の屈折率を表している。第1実施形態に係る1×2MMI分波器103、2×1MMI合波器106については、具体的には、例えば、長さLが40μmであり、幅Wが6μmである。1×2MMI分波器103や2×1MMIの合波器106に関して、光の進行方向に沿った中心軸(合波器106に接続される光導波路の光軸方向に沿った中心軸)から、2×1MMI合波器106に接続されるMZ光導波路104の中心軸までの距離も、2×1MMI合波器106に接続されるMZ光導波路105の中心軸までの距離も、(1/4)×Wである。
図1Bに示すように、SG−DBRレーザ109は、共通電極148が裏面全面にあるn型InP基板101上に、ゲイン層142、位相調整層141、回折格子145、p型InPクラッド147、p型InGaAsコンタクト層144及び電極113、114、115、116が順に積層されている構造である。SG−DBRレーザ109は、InP基板101表面の電極113、114、115、116とInP基板101裏面の共通電極148との間に、それぞれ電流を流すことで、Cバンド帯の様々な波長でレーザ発振する。
MZ領域は、共通電極148が裏面全面にあるInP基板101上に、活性層143、低損失導波路コア層146、p型InPクラッド147、p型InGaAsコンタクト層144、MZ電極151、152が順に積層されている構造である。MZ領域は、MZ電極151、152を通して逆位相の電圧を印加することで、変調動作するようになっている。
図1Cに示すように、光検出器117は、共通電極148が裏面全面にあるInP基板101上に、低損失導波路コア層146、光吸収層InGaAs162、p型InPクラッド147、p型InGaAsコンタクト層144、光検出器電極112が順に積層されている。InP基板101の表面側に電極が無い部分はSiO2パッシベーション膜150に覆われている。また、ポリイミド161で平坦化されている。光検出器117は、光吸収層InGaAs162で吸収された光強度を電流により検出している。
ここで、光検出器117での光強度のモニタについて、図3A、図3B、図3C、図3D、及び、図3Eを用いて示す。
図3Aは、第1実施形態に係る光検出器117での光強度のモニタに関する計算モデルを示す平面図である。図3Aでは、中継光導波路102(図3Aにおける入力光導波路)、1×2MMI分波器103、MZ光導波路104、105、2×1MMI合波器106、及び、出力光導波路107が接続されている。光検出器117は、出力光導波路107の光軸から垂直上方向に1.5μm離れている。また2×1MMI合波器106の右辺から1.5μm離れている。ある位相条件では、光はすべて出力光導波路107に伝播する(図3B)。また、別のある位相条件では、光は出力光導波路107に伝播せず、その両側に光出力のピークができる。しかし、光出力のピークができる場所には導波路がないため、光が拡散する。その一部が光検出器117に結合する(図3C)。
図3D、及び、図3Eに、出力光導波路107、及び、光検出器117に結合する光強度の位相変化依存性を示す。図3D、及び、図3Eでは、横軸がMZ光導波路104及びMZ光導波路105から出力される光の位相差、縦軸が出力光導波路107及び光検出器117に結合する光の強度を表している。なお、図3D、及び、図3Eでは、出力光導波路107に結合する光の強度は実線で表されており、光検出器117に結合する光の強度は、破線で表されている。第1実施形態では、出力光導波路107に結合する光の1/100程度の強度の光が光検出器117に結合する。出力光導波路107、及び、光検出器117に結合する光強度は、相補的に変化するため、光検出器117に結合する平均光強度は出力光導波路107の平均光強度に比例する。このため、光検出器電極112で検出される光強度をモニタすることにより、外部に出力される光の強度がモニタできることになる。
図2に示すように、第1実施形態に係る光送信モジュールの光送信モジュール筐体204内には、ペルチェ素子241と、SG−DBRレーザ集積MZ変調器100と、温度計201と、レーザ駆動回路212と、MZ変調器駆動回路209と、光検出回路225と、温度調整回路245と、終端抵抗203、208と、光ファイバ206が収納されている。レーザ電極(電極113、114、115、116)はレーザ駆動回路端子213、214、215、216とワイヤ217、218、219、220で接続され、MZ電極151、152はMZ駆動回路端子210、211及び終端抵抗203、208とワイヤ205、221、222、223で接続され、光検出器電極は光検出回路225上の光検出回路端子224とワイヤ226で接続される。温度調整回路245上の温度調整回路端子243、244は、温度計201及びペルチェ素子241と、ワイヤ242、246で接続される。温度調整回路245は温度計201の信号をもとにペルチェ素子241を駆動し、温度を一定に保つ。光検出回路225は、光検出器117からの電流信号を検出し、レーザ駆動回路212を制御することにより、所望の光出力の信号を得ることができる。実際に光送信モジュール200を作製したところ、光出力が+1dBmのときの初期のモニタ電流は0.03mAであり、モニタ電流を一定に保つことにより、動作時間中の光出力を一定に保つことができた。
最後に中継光導波路102の構造について述べる。図1Dに示すように、MZ領域は活性層143が切断された、いわゆるハイメサ構造である。図1Eに示すように、SG−DBRレーザはゲイン層142が切断されていない、いわゆるローメサ構造である。これらの異なる導波路を、光損失が少なくなるよう接続するために、第1実施形態は、図1Fのような構造とした。この構造の目的は、ハイメサ構造のメサ幅をローメサ構造のメサ幅より広くすることにより、両構造の横方向の光のモードを一致させることである。中継光導波路102は、ゲイン層171が途切れる手前の距離d1(例えば、0.5μm)の位置で、メサ幅が2μmから3.5μmに不連続に変化している。その後、中継光導波路102は、モードを安定化させるため、ゲイン層171が途切れる手前の距離d1(例えば、0.5μm)の位置からの距離が50μmとなるまでの範囲については、メサ幅を3.5μmに保った(ハイメサ導波路172)。その後、中継光導波路102の幅は、MZ光導波路104、105の幅である1.5μmまで狭くなるようにした(ハイメサ導波路173)。その後、中継光導波路102は、メサ幅を1.5μmに保ち、1×2MMI分波器103に接続されるようにした(ハイメサ導波路174)。
ここで、ゲイン層171が途切れる部分での光の反射が、光出力波形に悪影響を与える場合がある。これを避けるためには、図1Gに示すように、ゲイン層171と中継光導波路102とがなす角度θを5度〜45度にするとよい。
[第2実施形態]
以下、本発明の別の一実施形態である第2実施形態について、図4A、図4B、図4C、図4D、図5A、図5B、図5C、図5D、及び、図5Eを用いて説明する。なお、第2実施形態の構成は、以下に説明する点を除いて、第1実施形態の構成と共通する。
図4Aは、第2実施形態に係る光変調器(SG−DBRレーザ集積MZ変調器100)の概略的な構成を示す概略平面図である。図4Bは、図4Aに示す4B−4B線を切断面とするSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の概略拡大断面図である。図4Cは、第2実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の2×1MMI合波器106付近の部分拡大図、図4Dは第2実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の変形例における2×1MMI合波器106付近の部分拡大図である。
第2実施形態に係る光送信モジュール200でも、1.55μm帯の波長可変SG−DBRレーザ109とMZ変調器が集積されている。
第1実施形態では、モニタ用光検出器と2×1MMI合波器とが、導波路で接続していなかったが、第2実施形態では、モニタ用光検出器と2×1MMI合波器とが、出力光導波路107の上側に設けられた導波路で接続されている。すなわち、略直方体形状である合波器106における、出力光導波路107が接続されている面に、導波路が接続されており、この導波路で導波される光の強度を光検出器117が検出することとなる。これによりモニタ用光検出器の光電流がより大きくなり、精度よく光出力を制御することができる。
図4Aに示すように、第2実施形態では、2×1MMI合波器106にモニタ光導波路301が接続している。出力光導波路は、2×1MMIの合波器106と、2×1MMIの合波器106の縦方向の中央付近(2×1MMIの合波器106の光の進行方向に沿った略中心軸上)で接続している。図4Bに示すように、光検出器117は、共通電極148が裏面全面にあるInP基板101上に、低損失導波路コア層146、光吸収層InGaAs162、p型InPクラッド147、p型InGaAsコンタクト層144、光検出器電極112が順に積層されている。InP基板101の表面側に電極が無い部分は、SiO2パッシベーション膜150に覆われている。光検出器117は、光吸収層InGaAs162で吸収された光強度を電流により検出している。
図4Cに示されている2×1MMI合波器106は、第1実施形態に係る合波器106と同様の仕様であり、幅Wが6μm、長さLが40μmである。出力光導波路107の、光の進行方向に対する略垂直方向の長さは1.5μm、モニタ光導波路301の、光の進行方向に対する略垂直方向の長さは1.5μmであり、モニタ光導波路301の左端と2×1MMI合波器106の右端は略一致している。図4Cの例では、出力光導波路107とモニタ光導波路301との間隔d2は0.75μmである。ここで、2つの光導波路の間隔d2が狭いと、導波路形成時にエッチングができない可能性がある。そこで図4Dに示すように、出力光導波路107とモニタ光導波路301との間隔d2を広げると(例えば1.5μm)、安定して導波路が形成可能になる。このとき、モニタ光導波路301の一部が2×1MMI合波器106からはみ出てしまうが、2×1MMI合波器106の右端からの距離がd3である位置(例えば、2×1MMI合波器106の右端からの距離が5μmである位置)から徐々に2×1MMI合波器106の幅Wを広げることにより、滑らかに導波路は接続される。ここで、距離d3は、後に図5B、図5Cで詳細に示すが、2×1MMI合波器106での干渉に影響が無い距離(例えば、5μm以下)に設定すれば、出力光に影響が無いこととなる。
ここで、光検出器117での光強度のモニタについて、図5A、図5B、図5C、図5D、及び、図5Eを用いて示す。
図5Aは、第2実施形態に係る光検出器117での光強度のモニタに関する計算モデルを示す平面図である。図5Aでは、中継光導波路102(図5Aにおける入力光導波路)、1×2MMI分波器103、MZ光導波路104、105、2×1MMI合波器106、出力光導波路107が接続されている。モニタ光導波路301は、出力光導波路107の光軸から垂直上方向に1.5μm離れている。ある位相条件では、光はすべて出力光導波路107に伝播する(図5B)。また、別のある位相条件では、光は出力光導波路107に伝播せず、その両側に光出力のピークができ、その一部がモニタ光導波路301に結合する(図5C)。
図5D、及び、図5Eに、出力光導波路107、及び、モニタ光導波路301に結合する光強度の位相変化依存性を示す。第2実施形態では、モニタ光導波路301に結合する、ピークにおける光の強さを表す値は、出力光導波路107に結合する、ピークにおける光の強さを表す値に所定の比率(0以上1未満)を乗じた値よりも小さい。第2実施形態では、具体的には、例えば、出力光導波路107に結合する光の1/20程度の強度の光がモニタ光導波路301に結合する。図5D、及び、図5Eでは、横軸がMZ光導波路104及びMZ光導波路105から出力される光の位相差、縦軸が出力光導波路107及びモニタ光導波路301に結合する光の強度を表している。出力光導波路107、及び、モニタ光導波路301に結合する光強度は、相補的に変化するため、モニタ光導波路301に結合する平均光強度は出力光導波路107の平均光強度に比例する。このため、光検出器電極112で検出される光強度をモニタすることにより、外部に出力される光の強度がモニタできることになる。
第2実施形態に係る光送信モジュール200の構成は、以上説明した点を除いては、図2と同様である。実際に光送信モジュール200を作製したところ、光出力が+1dBmのときの初期のモニタ電流は0.15mAであり、モニタ電流を一定に保つことにより、動作時間中の光出力を一定に保つことができた。
[第3実施形態]
以下、本発明のさらに別の一実施形態である第3実施形態について、図6A、図6B、図7A、図7B、図7C、図7D、及び、図7Eを用いて説明する。なお、第3実施形態の構成は、以下に説明する点を除いて、第2実施形態の構成と共通する。
図6Aは、第3実施形態に係る光変調器(SG−DBRレーザ集積MZ変調器100)の概略的な構成を示す概略平面図である。図6Bは、第3実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の2×1MMI合波器106付近の拡大図である。
第3実施形態に係る光送信モジュール200でも、1.55μm帯の波長可変SG−DBRレーザとMZ変調器が集積されている。
第2実施形態と相違する第3実施形態の特徴は、2×1MMI合波器の幅Wを変化させる(例えば、2×1MMI合波器における出力光導波路107及びモニタ光導波路301が接続されている面の、出力光導波路107の光軸を基準として、モニタ光導波路301の反対側に切り欠きを形成する)ことにより、モニタ用光検出器に結合する光強度を強くした点である。これによりモニタ用光検出器の光電流がより大きくなり、精度よく光出力を制御することができる。
図6Aに示すように、第3実施形態では、2×1MMI合波器106の幅Wが、MZ光導波路104、105から出力光導波路107に向かって、途中から狭くなっている。
図6Bで示す2×1MMI合波器106は、第1実施形態に係る合波器106と同様の仕様であり、幅Wが6μm、長さLが40μmである。ただし、出力光導波路107と2×1MMI合波器106が接続する位置からの距離がMZ光導波路104、105方向に向かってd4(例えば、16μm)である位置から幅Wが狭くなり、出力光導波路107と2×1MMI合波器106が接続する位置では幅Wが距離d5(例えば、1.6μm)だけ狭くなっている。この部分は、raised sin等で滑らかに接続するとよい。このような構造により、光検出器117に結合する光強度が強くなる。図6Bで示す2×1MMI合波器106及びモニタ光導波路301に関して、以上の点を除いては、図4Dに示すものと同様となっている。
ここで、光検出器117に結合する光強度が強くなる原理を、図7A、図7B、図7C、図7D、及び、図7Eを用いて示す。
図7Aは、第3実施形態に係る光検出器117での光強度のモニタに関する計算モデルを示す平面図である。図7Aでは、中継光導波路102(図7Aにおける入力光導波路)、1×2MMI分波器103、MZ光導波路104、105、2×1MMI合波器106、出力光導波路107が接続されている。モニタ光導波路301は、出力光導波路107の光軸から垂直上方向に1.5μm離れている。上述の距離d5が1.6μmとなり、上述の距離d4が16μmとなるよう、2×1MMI合波器106の幅Wは、狭くなっている。ある位相条件では、光はすべて出力光導波路107に伝播する(図7B)。また、別のある位相条件では、光は出力光導波路107に伝播せず、その両側に光出力のピークができ、その一部がモニタ光導波路301に結合する(図7C)。このとき、出力光導波路107に対して、2×1MMI合波器106の幅Wが狭くなっている側(切り欠きが形成されている側。図7Cの例では下側。)と反対側(モニタ光導波路301が接続されている側。図7Cの例では上側。)の光強度が強くなる。
図7D、及び、図7Eに、出力光導波路107、及び、モニタ光導波路301に結合する光強度の位相変化依存性を示す。図7D、及び、図7Eでは、横軸がMZ光導波路104及びMZ光導波路105から出力される光の位相差、縦軸が出力光導波路107及び光検出器117に結合する光の強度を表している。なお、図7D、及び、図7Eでは、出力光導波路107に結合する光の強度は実線で表されており、光検出器117に結合する光の強度は、破線で表されている。第3実施形態では、モニタ光導波路301に結合する、ピークにおける光の強さを表す値は、出力光導波路107に結合する、ピークにおける光の強さを表す値に所定の比率(0以上1未満)を乗じた値よりも小さい。第3実施形態では、具体的には、例えば、出力光導波路107に結合する光の1/6程度の強度の光がモニタ光導波路301に結合する。出力光導波路107、及び、モニタ光導波路301に結合する光強度は、相補的に変化するため、モニタ光導波路301に結合する平均光強度は出力光導波路107の平均光強度に比例する。このため、光検出器電極112で検出される光強度をモニタすることにより、外部に出力される光の強度がモニタできることになる。
第3実施形態に係る光送信モジュール200の構成は、以上説明した点を除いては、図2と同様である。実際に光送信モジュール200を作製したところ、光出力が+1dBmのときの初期のモニタ電流は0.45mAであり、モニタ電流を一定に保つことにより、動作時間中の光出力を一定に保つことできた。
[第4実施形態]
以下、本発明のさらに別の一実施形態である第4実施形態について、図8A、及び、図8Bを用いて説明する。なお、第4実施形態の構成は、以下に説明する点を除いて、第3実施形態の構成と共通する。
図8Aは、第4実施形態に係る光変調器(SG−DBRレーザ集積MZ変調器100)の概略的な構成を示す概略平面図である。図8Bは、第4実施形態に係るSG−DBRレーザ集積MZ変調器100の2×1MMI合波器106付近の拡大図である。図8A及び図8Bに示すように、第4実施形態では、モニタ用光検出器117は、信号光が出力可能な光導波路として設定される出力光導波路107の光軸上から離して配置されており、モニタ用光検出器と2×1MMI合波器とが、出力光導波路107の上側に設けられた導波路で接続されていない。すなわち、第4実施形態では、合波器106と光検出器117との位置関係が、第1実施形態と同様となっている。そして、第4実施形態に係る2×1MMI合波器106は、幅Wが6μm、長さLが40μmである。また、第4実施形態に係る2×1MMI合波器106でも、2×1MMI合波器の幅Wが変化している(例えば、2×1MMI合波器における出力光導波路107が接続されている面の、出力光導波路107の光軸を基準として、モニタ用光検出器117の反対側に切り欠きが形成されている)。図8Bに示すように、第4実施形態では、出力光導波路107と2×1MMI合波器106が接続する位置からの距離がMZ光導波路104、105方向に向かってd4(例えば、16μm)である位置から幅Wが狭くなり、出力光導波路107と2×1MMI合波器106が接続する位置では幅Wが距離d5(例えば、1.6μm)だけ狭くなっている。このような構造により、光検出器117に結合する光強度が強くなる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態では、レーザとして、SG−DBRレーザの半導体積層体構造を採用してきたが、DFB(Distributed Feedback)レーザを採用しても構わない。また、ゲイン領域の出力が単一波長となればよいので、外部単一波長光源との組み合わせを前提として、ゲイン領域を光増幅器(SOA)に置き換えてもよい。また、外部単一波長光源との組み合わせを前提として、レーザやSOAが集積されていなくてもよい。
100 SG−DBRレーザ集積MZ変調器、101 n型InP基板、102 中継光導波路、103 分波器、104 MZ光導波路、105 MZ光導波路、106 合波器、107 出力光導波路、109 SG−DBRレーザ、112 光検出器電極、113 電極、114 電極、115 電極、116 電極、117 光検出器、132 無反射コーティング、133 無反射コーティング、141 位相調整層、142 ゲイン層、143 活性層、144 p型InGaAsコンタクト層、145 回折格子、146 低損失導波路コア層、147 p型InPクラッド、148 共通電極、150 SiO2パッシベーション膜、151 MZ電極、152 MZ電極、161 ポリイミド、162 光吸収層InGaAs、171 ゲイン層、172 ハイメサ導波路、173 ハイメサ導波路、174 ハイメサ導波路、200 光送信モジュール、201 温度計、203 終端抵抗、204 光送信モジュール筐体、205 ワイヤ、206 光ファイバ、208 終端抵抗、209 MZ変調器駆動回路、210 MZ駆動回路端子、211 MZ駆動回路端子、212 レーザ駆動回路、213 レーザ駆動回路端子、214 レーザ駆動回路端子、215 レーザ駆動回路端子、216 レーザ駆動回路端子、217 ワイヤ、218 ワイヤ、219 ワイヤ、220 ワイヤ、221 ワイヤ、222 ワイヤ、223 ワイヤ、224 光検出回路端子、225 光検出回路、226 ワイヤ、241 ペルチェ素子、242 ワイヤ、243 温度調整回路端子、244 温度調整回路端子、245 温度調整回路、246 ワイヤ、301 モニタ光導波路、500 光強度モニタ付半導体MZ変調器、501 n型InP基板、502 光導波路、503 分波器、504 MZ光導波路、505 MZ光導波路、506 合波器、507 出力光導波路、508 モニタ光導波路、509 SG−DBRレーザ、512 光検出器電極、551 MZ光導波路電極、552 MZ光導波路電極。

Claims (12)

  1. レーザから出力される光を導波する第1の光導波路と、
    前記光導波路から出力される光を分波する分波器と、
    前記分波器で分波された光を導波する、出力される光の位相差が制御可能である第2及び第3の光導波路と、
    信号光が出力可能な光導波路を任意に設定可能である、前記第2及び第3の光導波路のそれぞれから出力される光を合波する合波器と、
    前記信号光が出力可能な光導波路として設定される、前記合波器で合波された光が信号光として出力される第4の光導波路と、
    入力される光の強度を検出する光検出器と、を含み、
    前記光検出器は、前記信号光が出力可能な光導波路として設定される光導波路の光軸上から離して配置されている、
    ことを特徴とする光変調器。
  2. 請求項1に記載の光変調器であって、
    前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面に、前記信号光が出力可能な光導波路としては設定されない光導波路である第5の光導波路が接続されており、
    前記光検出器は、前記第5の光導波路で導波される光の強度を検出する、
    ことを特徴とする光変調器。
  3. 請求項1に記載の光変調器であって、
    前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面の、前記第4の光導波路の光軸を基準として、前記光検出器が配置されている位置の反対側に切り欠きが形成されている、
    ことを特徴とする光変調器。
  4. 請求項1に記載の光変調器であって、
    前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面に、前記信号光が出力可能な光導波路としては設定されない光導波路である第5の光導波路が接続されており、
    前記合波器における前記第4及び第5の光導波路が接続されている面の、前記第4の光導波路の光軸を基準として、前記第5の光導波路の反対側に切り欠きが形成されており、
    前記光検出器は、前記第5の光導波路で導波される光の強度を検出する、
    ことを特徴とする光変調器。
  5. 請求項1に記載の光変調器であって、
    前記第1の光導波路で導波される光を出力されるレーザ、をさらに含む、
    ことを特徴とする光変調器。
  6. 請求項5に記載の光変調器と、
    前記光検出器で検出される光の強度の変化に応じて、前記レーザから出力される光を制御する手段と、
    を含むことを特徴とする光送信モジュール。
  7. レーザから出力される光を導波する第1の光導波路と、
    前記光導波路から出力される光を分波する分波器と、
    前記分波器で分波された光を導波する、印加される電圧に応じて光路長が変化する第2及び第3の光導波路と、
    前記第2及び第3の光導波路のそれぞれから出力される光を合波する合波器と、
    前記合波器で合波された光を出力する第4の光導波路と、
    入力される光の強度を検出する光検出器と、を含み、
    前記合波器は、略直方体形状であり、
    前記合波器における光の進行方向に沿った長さが、当該方向と略垂直な方向に沿った長さの二乗と光導波路の屈折率の積の半分を、入出力される光の波長で割った値により表される長さであり、
    前記合波器における光の進行方向に沿った略中心軸上で、前記合波器が前記第4の光導波路と接続されており、
    前記光検出器は、前記第4の光導波路の光軸上から離して配置されている、
    ことを特徴とする光変調器。
  8. 請求項7に記載の光変調器であって、
    前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面に、第5の光導波路が接続されており、
    前記光検出器は、前記第5の光導波路で導波される光の強度を検出する、
    ことを特徴とする光変調器。
  9. 請求項7に記載の光変調器であって、
    前記合波器における前記第4及び第5の光導波路が接続されている面の、前記第4の光導波路の光軸を基準として、前記光検出器が配置されている位置の反対側に切り欠きが形成されている、
    ことを特徴とする光変調器。
  10. 請求項7に記載の光変調器であって、
    前記合波器における前記第4の光導波路が接続されている面に、第5の光導波路が接続されており、
    前記合波器における前記第4及び第5の光導波路が接続されている面の、前記第4の光導波路の光軸を基準として、前記第5の光導波路の反対側に切り欠きが形成されており、
    前記光検出器は、前記第5の光導波路で導波される光の強度を検出する、
    ことを特徴とする光変調器。
  11. 請求項7に記載の光変調器であって、
    前記第1の光導波路で導波される光を出力されるレーザ、をさらに含む、
    ことを特徴とする光変調器。
  12. 請求項11に記載の光変調器と、
    前記光検出器で検出される光の強度の変化に応じて、前記レーザから出力される光を制御する回路と、
    を含むことを特徴とする光送信モジュール。
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