JP2018085378A - 光増幅モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数を減らし、精度良く対称な光学系を構築することができる光増幅モジュールを提供する。
【解決手段】光増幅モジュールは、入射光を二つの偏光成分に分離し各偏光の向きを平行にして出力する偏光分離素子と、二本の利得導波路を有する導波路基板と、前記二本の利得導波路からの出射光の偏光方向を直交させて多重する偏光合波素子と、前記偏光分離素子の出力を前記利得導波路に結合する第１の光学系と、前記利得導波路の出力を前記偏光合波素子に結合する第２の光学系と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体を用いた光増幅モジュールに関する。

光通信システム等で用いられる半導体光増幅器では、光利得が入力信号光の偏波状態に依らずに一定であることが望ましい。

図１２は、偏波依存性を低減した一般的な半導体増幅器モジュールの構成を示す。この構成では、光軸方向の両端に低反射構造２０２を有する半導体利得導波路基板２０１ａ、２０１ｂが、互いに直交する偏光パスの各々に配置されている。光ファイバ２０３から入力される入射光は、結合レンズ２０４によってコリメートされ、偏光分離素子２０５で直交する偏光成分に分離される。２つの偏光は、１／２波長板２０６ａによって偏光面が揃えられる。その後、アイソレータ２０７ａ、２０７ｂで一方向に透過され、結合レンズ２０４ａ、２０４ｂによって集光されて、それぞれ対応する利得導波路に結合する。半導体利得導波路で偏光状態を維持したまま増幅され、結合レンズ２０４ｃ、２０４ｄでコリメートされ、アイソレータ２０７ｃ、２０７ｄを透過し、光合波器２０８で合波されて出力される。入射偏光状態が変動しても、対称な光学系が構築され半導体利得導波路が線形の入出力特性を持てば、光出力強度は一定となる。

なお、シリコンベンチに実装されたＵ字導波路型のＳＯＡ（半導体光増幅）チップにおいて、光増幅部に入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が所定値以下であるＳＯＡを用いることで偏波依存利得を低減する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）

特開２０１３−５８６２８号公報

しかしながら、図１２に示す従来の技術には以下に示す問題点がある。
（１）個別の部品を配置するため、二つの光路の損失と光路長を等しくして精度良く対称な光学系を構築することが困難であり、偏光依存性を十分に解消することが出来ない。
（２）個別の部品を配置するため、部品点数が増え、モジュールが大型になる。
（３）異なる基板の半導体利得導波路の特性をそろえることが難しく、精度良く対称な光学系を構築することが困難であるため、偏光依存性を十分に解消することが出来ない。
（４）一般に半導体利得導波路は非線形な入出力特性を持つので、精度良く対称な光学系を構築しても、入射光の偏光状態が変動すると出力光の強度が変動する。
また、特許文献１の構成では、上記（４）の問題点の他に高価な光サーキュレータを利用し、複雑な構成となる問題がある。

上記の問題点に鑑みて、本発明は、部品点数を減らし、精度の良い対称な光学系を有する光増幅モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様では、光増幅モジュールは、
入射光を二つの偏光成分に分離し各偏光の向きを平行にして出力する偏光分離素子と、
二本の利得導波路を有する導波路基板と、
前記二本の利得導波路からの出射光の偏光方向を直交させて多重する偏光合波素子と、
前記偏光分離素子の出力を前記利得導波路に結合する第１の光学系と、
前記利得導波路の出力を前記偏光合波素子に結合する第２の光学系と、
を有する。

上記の構成により、光増幅モジュールにおいて部品点数を減らし、精度良く対称な光学系を構築することができる。同一基板上で近接した利得導波路を利用するので、半導体利得導波路の特性をそろえることができる。

本発明の第１の実施例の光増幅モジュールの概略構成を示す上面図である。 第１の実施例で用いる偏光分離素子の構成例を示す図である。 偏光分離素子の出力導波路の端部のテーパ構造を説明する図である。 第１の実施例で用いる半導体利得導波路基板の概略構成を示す断面図である。 半導体利得導波路基板に形成された半導体利得導波路を説明する図である。 第１の実施例の光増幅モジュールのレンズ設計の概要を示す図である。 テーパ構造の出力端のモードフィールドと、半導体利得導波路の入力端のモードフィールドを示す図である。 第２の実施例の半導体利得導波路基板の構成例を示す図である。 第３の実施例の偏光合波素子の構成例を示す図である。 第４の実施例の偏光分離素子の構成例を示す図である。 第４の実施例の偏光分離素子の端部の構造を示す図である。 一般的な半導体増幅器の構成例を示す図である。

実施形態では、偏光分離および偏光合波の光学系を集積し、モジュールの部品点数を減らし、精度良く対称な光学系を構築する。また、同一基板上で近接した利得導波路を利用して、半導体利得導波路の特性がそろった対称な光学系を構築する。伝搬光の光強度を測定する手段と、伝搬光の光強度によって利得導波路への注入電流を制御する回路を設ける構成例では、入射光の変動による出力光強度の変動を抑圧する。以下で具体的な構成を説明する。

図１は、本発明の第１の実施例の光増幅モジュール１００の概略図である。光軸方向をｘ方向、紙面内でｘ軸と直交する方向をｙ方向、紙面と垂直な高さ方向をｚ方向とする。光増幅モジュール１００は、偏光分離素子１０１と、利得導波路基板１０７と、偏光合波素子１１０を有する。偏光分離素子１０１と利得導波路基板１０７の間に、第１のレンズ１０３、光アイソレータ１０４−１、及び第２のレンズ１０５が配置されている。利得導波路基板１０７と偏光合波素子１１０の間に、第３のレンズ１０８、光アイソレータ１０４−２、及び第４のレンズ１０９が配置されている。

偏光分離素子１０１は石英導波路基板１５１で形成された素子であり、入力ファイバ１０２から入射する光の偏光成分を分離し、偏光方向を同じ向きに揃えて出力する。偏光分離素子１０１の出力端での偏光の向きは、後段の利得導波路の利得が大きくなる向きであり、一例として、電界の振動方向が基板面内となるＴＥ偏光とする。

偏光分離素子１０１から出力された光は、第１のレンズ１０３によりほぼ平行光に変換され、光アイソレータ１０４で一方向のみに導かれる。光アイソレータ１０４−１に、利得の波長依存性を減らす利得平坦化フィルタを付加してもよい。光アイソレータ１０４−１と利得平坦化フィルタは、それぞれ光波制御素子として機能する。光アイソレータ１０４−１を通過した光は、第２のレンズ１０５で集光されて、同一の利得導波路基板１０７の上に形成された半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂに結合する。

半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂからの出射光は、第３のレンズ１０８によってほぼ平行光に変換され、光アイソレータ１０４−２を通って、第４のレンズ１０９により、偏光合波素子１１０に結合される。光アイソレータ１０４−２の機能は光アイソレータ１０４−１と同じである。偏光合波素子１１０は石英導波路基板１５５で構成される素子であり、偏光分離素子１０１と同様の構成を有する。ただし、偏光分離素子１０１と逆の方向から接続されており、偏光合波器として機能する。偏光分離素子１０１も偏光合波素子１１０もフォトリソグラフィ工程で正確に作製することができるので、高い対称性を有する。偏光合波素子１１０の出力光は、出力ファイバ１１１に入射する。

図２は、偏光分離素子１０１の構成例を示す。偏光分離素子１０１は、石英導波路基板１５１の上に形成された石英光導波路１１２、１：２光分岐回路１１３、及び２：２光合分波回路１１４を有する。１：２光分岐回路１１３は、多モード干渉分岐素子、Ｙ型導波路分岐素子、方向性結合素子など公知の構成を有し、入射光を強度の等しい２つの出力光に分離する。２：２光合分波回路１１４は、多モード干渉分岐素子、方向性結合素子など公知の構成を有し、各入力導波路からの入射光を等しい強度に分離する。

１：２光分岐回路１１３と２：２光合分波回路１１４の間を接続する２本の導波路１１５と１１６の長さは等しい。導波路１１５と１１６の途中に、各導波路１１５、１１６に対して斜めに形成された溝（スリット）が形成されており、溝内に薄膜波長板１１７、１１８が、それぞれ挿入されている。反射光を低減し、損失の増加をできる限り抑えるために、溝の法線方向はｘ方向に対して８°程度の角度で傾いている。薄膜波長板１１７、１１８としては、ポリイミドなど異方性の大きい薄膜や、フォトニック結晶波長板を用いることが出来る。

偏光を分離するためには、導波路１１５と導波路１１６を伝搬するＴＥ偏光とＴＭ偏光に対して適切な位相差を生じるように、薄膜波長板１１７と１１８のリタデーションと挿入方向を定める必要がある。１：２光分岐回路１１３が多モード干渉分岐素子あるいはＹ型導波路分岐素子の場合、１：２光分岐回路１１３の出力端においてＴＥ偏光とＴＭ偏光の位相は等しい。この場合は、薄膜波長板１１７と１１８を１／４波長板とし、薄膜波長板１１７の遅軸をｙ方向に合わせ、薄膜波長板１１８の遅軸をｚ方向に合わせる。これにより、２：２光合分波回路１１４の入射直前に、導波路１１５を伝搬するＴＥ偏光は導波路１１６を伝搬するＴＥ偏光に対して１／２波長位相が遅れる。また、２：２光合分波回路１１４の入射直前に、導波路１１５を伝搬するＴＭ偏光は導波路１１６を伝搬するＴＭ偏光に対して１／２波長位相が進む。その結果、ＴＥ偏光は出力導波路１１９に結合し、ＴＭ偏光は出力導波路１２０に結合する。出力導波路１１９と１２０には１／２波長板１２１と１２２がそれぞれ挿入されている。ＴＥ偏光のみを出力する場合は、１／２波長板１２２の遅軸はｙ方向に対して４５°あるいは−４５°の角度に配置され、１／２波長板１２１の遅軸は、ｙ方向かあるいはｚ方向に配置される。ＴＥ偏光は１／２波長板１２１を透過して変化しないが、ＴＭ偏光は１／２波長板１２２を透過して９０°偏光面が回転してＴＥ偏光に変換される。

出力導波路１１９と１２０の出力端はテーパ構造１２３を有し、導波路がｘ軸に対してθ₁の角度になるように曲げられている。また、出力導波路１１９と１２０の端面は、ｙ軸に対してθ₂の角度を成す。別の言い方をすると、石英導波路基板１５１の出力側の端面１５２は、ｙ軸に対してθ₂の角度で切断されている。

図３は、図２のテーパ構造の拡大図である。石英導波路構造の有効屈折率をｎ_g、外部の屈折率をｎ_aとするとき、ｘ方向（矢印の向き）に光が放射されるように式（１）が満たされるようにする。

また、石英導波路基板１５１の出力端面には、反射を低減するための低反射コーティング層が形成されている。

一般に、偏光分離部を１：２分岐素子、２本の導波路、及び２：２合波素子で構成し、各導波路に挿入する波長板の遅軸を９０°異ならせる場合、たとえば薄膜波長板１１７の遅軸をｙ方向、薄膜波長板１１８の遅軸をｚ方向、あるいは、薄膜波長板１１７の遅軸をｚ方向、薄膜波長板１１８の遅軸をｙ方向とする場合、薄膜波長板１１７と１１８のリタデーションをそれぞれｄ_Ａ、d_Ｂとすると、式（２）を満たさなければならない。

図４は、利得導波路基板１０７の断面構造を示す。半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂは、半導体レーザと同様の構造であり、例えば、上部Ａｕ電極１２４、ＡｕＺｎＮｉ合金層１２５、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）絶縁層１２６、ＳｉＯ₂絶縁層１２７、高ドープｐ型ＡｌＧａＡｓ層１２８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１２９、量子ドット活性層１３０、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１３１、ｎ型ＧａＡｓ基板１３２、ＡｕＧｅＮｉ合金層１３３、Ａｕ電極１３４から構成される。量子ドットはＩｎＡｓである。半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂは、伝搬光が結合しないように、１０μｍ以上の距離を離して配置されている。この構成例では、波長１．１ミクロン前後で利得を持つＩｎＡｓの量子ドット活性層１３０を用いているが、その他の半導体利得導波路、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ等のバルク活性層や多重量子井戸活性層などの半導体利得導波路にも適用できることは言うまでもない。

図５は、利得導波路基板１０７の上面図である。導波路端での反射光が導波路に戻らないように、半導体利得導波路１０６ａ、１０６は、チップ端面１５３の法線ｎに対してθ₃傾けられている。チップ端面１５３は、光軸が平行になるようにｙ軸に対してθ₄傾けられている。なお、ＧａＡｓ基板の場合、端面は劈開面である。

半導体利得導波路構造の有効屈折率をｎ_s、外部の屈折率をｎ_aとするとき、ｙ軸に平行な光線が導波路に結合するように式（３）を満たすように配置される。

また、利得導波路端面には低反射コーティング膜が堆積されている。

偏光合波素子１１０の構成は偏光分離素子１０１と同じであり、図２の構成を逆に接続した構成となるので、重複する説明は割愛する。

図６及び図７は、光増幅モジュール１００のレンズ設計の概要を示す。図７（Ａ）に示すように、偏光分離素子１０１のテーパ構造１２３の出射端面におけるｙ方向とｚ方向のモードフィールド直径をｒ_1y、ｒ_1zとする。図７（Ｂ）に示すように、利得導波路基板１０７の半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂのそれぞれのｙ方向とｚ方向のモードフィールド直径をｒ_2y、ｒ_2zとする。第１レンズ１０３と第２レンズ１０５によるレンズ系の倍率をｍとする。このとき、式（４）及び式（５）にできるだけ近くなるように設計すると、結合効率が高くなり望ましい。

上述のように、実施例１では、偏光分離素子１０１と偏光合波素子１１０のそれぞれを導波路基板上に集積された単一のチップで構成し、部品点数を減らすとともに精度良く対称な光学系を構築している。また、半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂを同一基板上に相互に光結合しない程度に近接させて配置することで利得導波路の特性を揃えている。これにより偏波依存性を十分に低減され線形の入出力特性を有する光増幅モジュールが実現する。

図８は、本発明の実施例２として、光増幅モジュール１００で用いられる利得導波路基板１０７の変形例としての利得導波路基板１０７Ａを示す。実施例２では、利得導波路基板１０７Ａに光検出部を設け、半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂを伝搬する光強度を測定可能とする。光強度の値に応じて、半導体利得導波路１０６ａ、１０６ｂへの注入電流を制御して、利得導波路の利得を制御し、出力光強度の変動を低減する。

半導体利得導波路１０６ａの電極（たとえば図４の上部金電極１２４）は、電極１２４ａｘと電極１２４ａｙの２つに分割されている。同様に半導体利得導波路１０６ｂの電極は、電極１２４ｂｘと電極１２４ｂｙの２つに分割されている。電極１２４ａｘと１２４ｂｘには、順方向の電圧が印加され、電流が注入されて半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂに利得を与える。電極１２４ａｙと電極１２４ｂｙには、逆方向の電圧が印加され、フォトダイオードとして機能する。電極１２４ａｙと電極１２４ｂで、伝搬光の一部が吸収され、光電流が流れる。適当な負荷抵抗（Ｒ）を用いてその両端の電圧降下を測定することにより、伝搬光の強度を測定することが出来る。吸収が過剰とならないように、半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂ上の電極１２４ａｙと１２４ｂｙの長さは、５０ミクロン以下とする。電極１２４ａｘと１２４ａｙ間、及び電極１２４ｂｘと１２４ｂｙ間の抵抗を高くするために、エッチングにより間隙１２５及び１２８を形成する。

利得導波路基板１０７に、各半導体利得導波路１０６ａ、１０６ｂを伝搬する光の強度を測定する手段を設け、伝搬光の強度に応じて注入電流を制御することで、入射光の変動による出力光強度の変動を抑制できる。

図９は、本発明の実施例３として、光増幅モジュール１００で用いられる偏光合波素子１１０の変形例としての偏光合波素子１１０Ａを示す。実施例３では、偏光合波素子１１０Ａにフォトダイオード（ＰＤ）１３６ａ、１３６ｂを設けることで、利得導波路基板１０７の半導体利得導波路１０６ａと１０６ｂを伝搬する光の強度を測定可能とする。偏光合波素子１１０Ａで測定された光強度の値に応じて、半導体利得導波路１０６ａ、１０６ｂへの注入電流を制御して、利得導波路の利得を制御し、出力光強度の変動を低減する。

偏光合波素子１１０Ａは、入力側のテーパ構造１３８ａと１／２波長板１４１の間に配置される１：２分岐回路１３５ａと、入力側のテーパ構造１３８ｂと１／２波長板１４２の間に配置される１：２分岐回路１３５ｂを有する。１：２分岐回路１３５ａで分岐された一部の光は、フォトダイオード１３６ａで検出される。１：２分岐回路１３５ｂで分岐された一部の光の、フォトダイオード１３６ｂで検出される。１：２分岐回路１３５ａと１３５ｂでは、伝搬光の０．５〜１０．０％程度の光を分岐して、フォトダイオード１３６ａと１３６ｂに入射する。

電源と負荷抵抗をフォトダイオード１３６ａ、１３６ｂに接続し（図８参照）、負荷抵抗両端の電圧降下を測定することにより、伝搬光強度を測定することが出来る。フォトダイオード１３６ａ、１３６ｂは、石英導波路基板１５５にボンディングして搭載することが可能である。また、分岐した光を光ファイバ等に接続して、モジュール外のフォトダイオードで光強度を測定してもよい。１：２分岐回路１３５ａ、１３５ｂの主要光成分は、１／２波長板１４１、１４２により、いずれか一方の導波路で偏光の方向が９０°回転されて、互いに直交するＴＥ偏光とＴＭ偏光に変換され２：２分岐回路１４４に入力される。２：２分岐回路１４４から出力されるＴＥ偏波とＴＭ偏波の位相は薄膜波長板１４７、１４８により揃えられ、２：１分岐回路１４９で合波されて出力される。

偏光合波素子１１０得導波路基板１０７に、前段の半導体利得導波路１０６ａ、１０６ｂを伝搬する光の強度を測定する手段を設け、伝搬光の強度に応じて注入電流を制御することで、入射光の変動による出力光強度の変動を抑制することができる。

図１０は、本発明の実施例４として、光増幅モジュール１００で用いられる偏光分離素子１０１の変形例として、偏光分離素子１０１Ａを示す。ここでは、テーバ構造１２３Ａはｘ軸に平行であり、石英導波路基板１６１の光出射側の端面１６２がｙｚ面に対してθ₅だけ傾くように研磨する。θ₅は空気中の場合、５度以上とする。これによって、端面１６２での反射戻り光を低減する。図１１に示すようにモジュールに組み立てるときに、石英導波路基板１６１の主面（上面）がｘｙ平面からθ₆だけ傾くように配置して、テーパ構造１２３Ａからの出射光の伝搬方向がレンズ光軸に平行になるようにする。なお、θ₅とθ₆は式（６）を満たす。

ここで、ｎ_ｇは石英導波路の有効屈折率、ｎ_ａは外部（空気）の屈折率である。偏光合波素子１１０についても、偏光分離素子１０１Ａと対称な配置となるだけで同様の変形が当てはまる。偏光合波素子１１０に実施例４の構成を適用する場合は、光入射側の端面がｙｚ面に対してθ₅だけ傾くように研磨する。偏光合波素子１１０をモジュールに組み立てるときに、偏光合波素子１１０の主面（上面）がｘｙ平面からθ₆だけ傾くように配置して、テーバ構造１３８への入射方向がレンズ光軸に平行になるようにする。

以上述べたように、本発明では、偏光分離光学系と偏光合波光学系のそれぞれを集積化してモジュールの部品点数を減らし、精度良く対称な光学系を構築している。また、同一基板上で近接した半導体利得導波路１０６ａ、１０６ｂを利用するので、利得導波路の特性をそろえて精度良く対称な光学系を構築している。これにより、光増幅モジュールを小型かつ低コストで歩留まり良く製造することが出来る。

また、２つの偏光成分に対して、モジュール内の伝搬損失と伝搬距離の差を非常に小さく出来るので、入力偏波変動に対する利得変動、出力光強度変動を低減できる。超高速光通信においては、偏波依存遅延時間が大きくなると光信号が劣化するが、本発明の構成では、偏波依存遅延時間を低減できる。さらに、伝搬光の光強度を測定する手段と、伝搬光の光強度によって利得導波路への注入電流を制御する回路を具備して、入力偏波変動に対する利得変動、出力光強度変動をいっそう低減できる。

１０１：偏光分離素子、１０２：入力ファイバ、１０３：第１のレンズ、
１０４：光アイソレータ、利得平坦化フィルタ、１０５：第２のレンズ、
１０６a、１０６b半導体利得導波路、１０７：半導体利得導波路基板、
１０８：第３のレンズ、１０９：第４のレンズ、
１１０：偏光合波素子、１１１：出力ファイバ、１１２：石英光導波路、
１１３：１：２光分岐回路、１１４：２：２光合分波回路、
１１５、１１６：１１３と１１４を結ぶ等長の導波路、１１７、１１８：薄膜波長板、
１１９、１２０：出力導波路、１２１、１２２：１／２波長板、
１２３、１３８ａ、１３８ｂ：テーパ構造、
１２４：上部金電極
１２４ａｘ、１２４ａｙ、１２４ｂｘ、１２４ｂｙ：分割電極、
１２５：AuZnNi合金層、１２６：BCB（ベンゾシクロブテン）絶縁層、１２７：SiO₂絶縁層、１２８：高ドープp型AlGaAs層、１２９：p型AlGaAs層、１３０：量子ドット活性層、
１３１：n型AlGaAs層、１３２：n型GaAs基板、１３３：AuGeNi合金層、
１３４：下部金電極、１３５ａと、１３５ｂ：1:2分岐回路、
１３６ａ、１３６ｂ：フォトダイオード、
２０１a、２０１ｂ：半導体利得導波路基板、２０２：低反射構造、２０３：光ファイバ、２０４：結合レンズ、２０５：偏光分離素子、２０６：１／２波長板、
２０７：光アイソレータ、２０８：偏光合波素子。

Claims (6)

1. 入射光を二つの偏光成分に分離し各偏光の向きを平行にして出力する偏光分離素子と、
   二本の利得導波路を有する導波路基板と、
   前記二本の利得導波路からの出射光の偏光方向を直交させて多重する偏光合波素子と、
   前記偏光分離素子の出力を前記利得導波路に結合する第１の光学系と、
   前記利得導波路の出力を前記偏光合波素子に結合する第２の光学系と、
   を有する光増幅モジュール。
2. 前記利得導波路の各々を伝搬する伝搬光の強度を測定する手段と、
   前記伝搬光の強度に応じて、前記利得導波路の各々への注入電流を制御する手段と、
   を有する請求項１に記載の光増幅モジュール。
3. 前記偏光合波素子を伝搬する伝搬光の強度を測定する手段と、
   前記伝搬光の強度に応じて、前記利得導波路の各々への注入電流を制御する手段と、
   を有する請求項１に記載の光増幅モジュール。
4. 前記第１の光学系と前記第２の光学系の少なくとも一方は、光波の伝搬状態を制御する光波制御素子を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光増幅モジュール。
5. 前記光波制御素子は光アイソレータまたは利得平坦化フィルタであることを特徴とする請求項４に記載の光増幅モジュール。
6. 前記第１の光学系は、第１レンズと、第２レンズと、前記第１レンズと第２レンズの間に配置される第１の光波制御素子を含み、
   前記第２の光学系は、第３レンズと、第４レンズと、前記第３レンズと第３レンズの間に配置される第２の光波制御素子を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光増幅モジュール。

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