JP2018092100A - Optical transmitter - Google Patents
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Description
本発明は、電気信号を光信号に変換する半導体マッハツェンダ変調器を用いた光送信器に関する。 The present invention relates to an optical transmitter using a semiconductor Mach-Zehnder modulator that converts an electrical signal into an optical signal.
近年の爆発的なデータ通信量の増大に伴い光通信システムの大容量化が求められており、使われる光部品が集積化、複雑化、信号の高速化が進められている。そういった光部品の中には、例えば、光変調器が挙げられる。最近では、伝送容量を増大するため、QPSKや16QAMなどの多値変調に対応するマッハツェンダ(MZ:Mach−Zehnder)変調器をベースとした光I/Q変調器(例えば、特許文献1)が2つの光偏波用に2個集積された偏波多重光I/Q変調器(都合4つのマッハツェンダ変調器が集積された構成)が用いられるようになってきている。 With the recent explosive increase in data communication volume, an increase in capacity of an optical communication system has been demanded, and the optical components used have been integrated, complicated, and signal speeded up. Examples of such optical components include an optical modulator. Recently, in order to increase transmission capacity, two optical I / Q modulators (for example, Patent Document 1) based on Mach-Zehnder (MZ) modulators that support multilevel modulation such as QPSK and 16QAM are used. Two polarization multiplexed optical I / Q modulators (a configuration in which four Mach-Zehnder modulators are integrated for convenience) that are integrated for two optical polarizations have come to be used.
MZ変調器の代表的なものとしてはLiNbO3(LN)を用いたLN変調器が広く用いられている。これは、LNに印加される電界に応じて媒質の屈折率が変化する電気光学効果を用いて動作する。しかしながら、材料の物理定数からLN変調器は素子長が比較的長い。近年光送信器モジュールの小型化や低駆動電圧化が課題となっており、光変調器の小型化や低駆動電圧化が必要不可欠な課題となっている。 As a typical MZ modulator, an LN modulator using LiNbO 3 (LN) is widely used. This operates using an electro-optic effect in which the refractive index of the medium changes according to the electric field applied to the LN. However, the LN modulator has a relatively long element length due to the physical constant of the material. In recent years, miniaturization and low drive voltage of optical transmitter modules have become issues, and miniaturization and low drive voltage of optical modulators are indispensable issues.
こういった要求に対応するために、小型で低駆動電圧化が可能な半導体MZ変調器の研究が精力的に進められている。図1(a)は、従来構造の半導体MZ変調器100の外観を示しており、図1(b)は一方のアーム導波路周辺の断面を示している(例えば、非特許文献1または非特許文献2)。
In order to meet these demands, research on a semiconductor MZ modulator that is small and can be driven at a low driving voltage has been actively conducted. 1A shows the appearance of a
図1(a)、(b)に示す一般的な半導体MZ変調器100の構成(差動駆動型)と動作原理について説明する。半導体MZ変調器100に入射された信号光は、光導波路110を伝搬し、光分波器120により2分岐され、2つのアーム導波路に導かれる。アーム導波路の周囲には進行波型電極140が形成されており、信号電極141と接地電極142との間に電位差を与えることによりアーム導波路に電界が誘起される。
The configuration (differential drive type) and operation principle of the general
図1(b)に示すように、アーム導波路は、半絶縁性(SI)InP基板101上にn型InP層102、半導体コア層103、p型InP層104が積層されたメサストライプからなり、その両側には誘電体埋め込み層105が形成されている。p型InP層104および誘電体埋め込み層105上に信号電極141が形成され、n型InP層102上の誘電体埋め込み層105の外側に接地電極142が形成されている。
As shown in FIG. 1B, the arm waveguide is formed of a mesa stripe in which an n-
信号電極141と接地電極142との間に電圧を印加して半導体コア層103に電界が印加されると、電気光学効果により半導体コア層103の屈折率が変化し、その結果、半導体コア層103を伝搬する光の位相が変化する。このように屈折率を制御された2つのアーム導波路を伝搬する光の位相差により光合波器130により合波され出力される出力光強度が変化する。これが半導体MZ変調器の動作原理である。
When an electric field is applied to the
進行波型電極140は逆バイアス電圧を印加をされるため、接地電極142が0Vであることから、半導体コア層103に電界を印加するためには信号電極141にマイナス電位を印加する必要がある。
Since the traveling-
ドライバICと半導体MZ変調器の組み合わせを考えた場合に、ドライバICが差動駆動であることもあり、一般的にシングルエンド駆動型に比べ、差動駆動型の方が消費電力の観点で有利である。また、オープンコレクタ型は、従来のバックターミネーション型に比べ、バックターミネーションが不要になり電流量を半減できるため、低消費電力化が可能である。そのため最近では、オープンコレクタ(ドレイン)型のドライバICと半導体MZ変調器の組み合わせによる低消費電力化の検討が盛んに行われている(例えば非特許文献3参照)。 When considering a combination of a driver IC and a semiconductor MZ modulator, the driver IC may be differentially driven. In general, the differential drive type is more advantageous in terms of power consumption than the single-end drive type. It is. In addition, the open collector type can reduce power consumption because the back termination is not required and the amount of current can be halved compared to the conventional back termination type. Therefore, recently, studies have been actively conducted to reduce power consumption by combining an open collector (drain) type driver IC and a semiconductor MZ modulator (see, for example, Non-Patent Document 3).
非特許文献3のように容量装荷型電極構造では、容易にオープンコレクタ型ドライバICと接続可能である。 As in Non-Patent Document 3, the capacitively loaded electrode structure can be easily connected to an open collector driver IC.
しかしながら、上記のような一般的な差動駆動型の半導体MZ変調器とオープンコレクタ型ドライバICとは、通常の駆動方法では接続することが出来ない。これは、上記の差動駆動型の半導体MZ変調器の駆動方法では、信号電極に半導体MZ変調器を駆動するための逆バイアス電圧を印加する必要がある一方で、オープンコレクタ(ドレイン)型のドライバと接続する場合には、半導体MZ変調器側の信号電極部を通してドライバに駆動電圧を印加する必要があるためである。つまり、信号電極に対し、2種類の電圧を同時に印加する必要が生じるためである。 However, the general differential driving type semiconductor MZ modulator as described above and the open collector type driver IC cannot be connected by a normal driving method. In the driving method of the differential drive type semiconductor MZ modulator, it is necessary to apply a reverse bias voltage for driving the semiconductor MZ modulator to the signal electrode, while the open collector (drain) type is used. This is because when connecting to the driver, it is necessary to apply a driving voltage to the driver through the signal electrode section on the semiconductor MZ modulator side. That is, it is necessary to apply two kinds of voltages to the signal electrode at the same time.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、一般的な差動駆動型の半導体MZ変調器をオープンコレクタ型ドライバICで駆動可能とすることで、低消費電力の光送信器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to enable driving of a general differential drive type semiconductor MZ modulator by an open collector type driver IC. It is to provide an optical transmitter with power consumption.
上記の課題を解決するために、本発明は、光送信器であって、信号電極および基準電極を有する差動駆動型の半導体マッハツェンダ変調器と、シグナルパッドおよびグランドパッドからなる入出力パッドを有する前記半導体マッハツェンダ変調器を駆動するオープンコレクタ型のドライバICと、を備え、前記ドライバICは、前記グランドパッドが接地され、前記シグナルパッドが前記信号電極に接続されて前記信号電極に印加された第1の電源によって駆動され、前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記基準電極が前記グランドパッドと異なる電位を持つよう第2の電源に接続されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is an optical transmitter having a differential drive type semiconductor Mach-Zehnder modulator having a signal electrode and a reference electrode, and an input / output pad comprising a signal pad and a ground pad An open collector type driver IC for driving the semiconductor Mach-Zehnder modulator, wherein the driver IC has a ground pad connected to the ground, the signal pad connected to the signal electrode, and applied to the signal electrode. The semiconductor Mach-Zehnder modulator is driven by one power source, and is connected to a second power source so that the reference electrode has a potential different from that of the ground pad.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光送信器において、前記シグナルパッドは、前記信号電極の一端に接続され、前記第1の電源は前記信号電極の他端に接続されていることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the optical transmitter according to claim 1, wherein the signal pad is connected to one end of the signal electrode, and the first power source is connected to the other end of the signal electrode. It is characterized by being.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の光送信器において、前記第1および第2の電源は、前記半導体マッハツェンダ変調器に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical transmitter according to the first or second aspect, the first and second power supplies apply a reverse bias voltage to the semiconductor Mach-Zehnder modulator.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光送信器において、前記信号電極と前記第1の電源とは、前記半導体マッハツェンダ変調器のインピーダンスに合わせた終端抵抗を介して接続されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical transmitter according to any one of the first to third aspects, the signal electrode and the first power source have a termination resistor that matches the impedance of the semiconductor Mach-Zehnder modulator. It is characterized by being connected via.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の光送信器において、前記半導体マッハツェンダ変調器は、半導体基板上に、第1の導電性半導体クラッド層とノンドープ半導体コア層と第2の導電性半導体クラッド層とが順次積層して形成された光導波路からなる2つのアーム導波路を備えた光導波路でマッハツェンダ干渉計が形成され、前記基準電極は、前記第1の導電性半導体クラッド層上に形成され、前記信号電極は、前記第2の導電性半導体クラッド層上に形成されていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the optical transmitter according to any one of the first to fourth aspects, the semiconductor Mach-Zehnder modulator includes a first conductive semiconductor cladding layer and a non-doped semiconductor core layer on a semiconductor substrate. And a second conductive semiconductor clad layer are sequentially laminated to form a Mach-Zehnder interferometer with an optical waveguide having two arm waveguides made of an optical waveguide, and the reference electrode is formed of the first conductive layer. The signal electrode is formed on the second conductive semiconductor cladding layer. The signal electrode is formed on the conductive semiconductor cladding layer.
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の光送信器において、前記半導体マッハツェンダ変調器において、前記第1の導電性半導体クラッド層と前記第2の導電性半導体クラッド層のうち、どちらか一方がn型半導体で、もう一方がp型半導体であることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical transmitter according to the fifth aspect, in the semiconductor Mach-Zehnder modulator, which of the first conductive semiconductor clad layer and the second conductive semiconductor clad layer is selected. One of them is an n-type semiconductor, and the other is a p-type semiconductor.
請求項7に記載の発明は、請求項5又は6に記載の光送信器において、前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記第1の導電性半導体クラッド層と前記第2の導電性半導体クラッド層の両方がn型半導体で、前記ノンドープ半導体コア層と前記第1の導電性半導体クラッド層、あるいは、前記第2の導電性半導体クラッド層の少なくともどちらか一方との間にp型の第3の導電性半導体クラッド層が挿入されていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the optical transmitter according to the fifth or sixth aspect, the semiconductor Mach-Zehnder modulator includes both the first conductive semiconductor clad layer and the second conductive semiconductor clad layer. Is an n-type semiconductor, and a p-type third conductivity is provided between the non-doped semiconductor core layer and the first conductive semiconductor clad layer or at least one of the second conductive semiconductor clad layer. A semiconductor clad layer is inserted.
請求項8に記載の発明は、請求項5乃至7のいずれかに記載の光送信器において、前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記ノンドープ半導体コア層の少なくとも一部が多重量子井戸構造を有することを特徴とする。 The invention according to claim 8 is the optical transmitter according to any one of claims 5 to 7, wherein the semiconductor Mach-Zehnder modulator has at least a part of the non-doped semiconductor core layer having a multiple quantum well structure. Features.
本発明は、一般的な差動駆動型の半導体MZ変調器をオープンコレクタ型ドライバICで駆動可能とすることで、光送信器の低消費電力化を実現する。 The present invention realizes low power consumption of an optical transmitter by enabling a general differential drive type semiconductor MZ modulator to be driven by an open collector type driver IC.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図2に、本発明の一実施形態に係る光送信器の構成、接続方法を示す。本発明の光送信器は、GSGSG(GND−SIGNAL−GND−SIGNAL−GND)線路からなる半導体MZ変調器200、GSGSGの入出力PAD251、252をもつオープンコレクタ型(オープンドレイン型)ドライバIC250、GSGSGの出力PADをもつディジタル・アナログ・コンバータ(DAC)260とが接続されている。尚、変調信号のディジタル−アナログ変換をするDAC260は、本発明においては必須の構成ではなく、省くこともできる。
FIG. 2 shows the configuration and connection method of an optical transmitter according to an embodiment of the present invention. The optical transmitter according to the present invention includes a
図3に、本発明の一実施形態に係る半導体MZ変調器200の一方のアーム導波路周辺の断面を示す。半導体MZ変調器200は、SI−InP基板201上に、InPからなる導電性の下部クラッド層202、ノンドープの半導体コア層203、InPからなる導電性の上部クラッド層204が順次積層されたメサストライプの導波路を備える。半導体コア層203は、光導波層として機能し、たとえば、InGaAsPやInGaAlAsなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層や多重量子井戸層で構成したり、多重量子井戸層とその上下にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きく、かつ、上部クラッド層204、下部のクラッド層202よりも小さい値を持つ光閉じ込め層を有する構造を用いることもできる。
FIG. 3 shows a cross section around one arm waveguide of a
四元混晶のバルク層や多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。 The band gap wavelengths of the quaternary mixed crystal bulk layer and the multiple quantum well layer are set so that the electro-optic effect acts effectively and the light absorption does not become a problem at the light wavelength used.
また本発明の半導体MZ変調器200は、InP系材料に限定されるものではなく、例えば、GaAs基板整合する材料系を用いても構わない。
Further, the
図2における上部クラッド層204、下部クラッド層202は、どちらか一方がn型半導体で、もう一方がp型半導体であって構わない。
One of the
一方、上部クラッド層204、下部クラッド層202の両方がn型半導体で、上部クラッド層204と半導体コア層203の間、もしくは下部クラッド層202と半導体コア層203の間に、第3のp型クラッド層が挿入されている構造を取ることもできる。
On the other hand, both the
半導体MZ変調器200は進行波型電極240を備えており、上部クラッド層204上には信号電極241が形成され、下部クラッド層202上には基準電極242が形成されている。また、信号電極241、基準電極242が形成されている領域の各アーム導波路のメサストライプの両側には、図1(b)に示す半導体MZ変調器100と同様に、誘電体埋め込み層を形成することもできる。
The
図1に示したように、従来の差動駆動型の半導体MZ変調器の一般的な駆動方法は、接地電極142を0Vに落とし、信号電極141にマイナス電圧(例えば−5V〜−15V程度)を印加することで駆動していた。しかし、オープンコレクタ型ドライバICは、半導体MZ変調器100の信号電極141を介して電圧VCC(VDD)を印加する必要があるため、半導体MZ変調器100の従来の駆動方法ではオープンコレクタ型ドライバICを使用することは不可能である。
As shown in FIG. 1, the general driving method of the conventional differential drive type semiconductor MZ modulator is to drop the
そのため、本発明の接続方法では、半導体MZ変調器200が上部クラッド層204をp型半導体とする構造又は上部クラッド層204と半導体コア層203の間に第3のp型クラッド層が挿入された構造をとる場合、従来0Vとしていた接地電極142の代わりに電源Vbiasから電圧(例えば+5V〜+20V程度)を印加して基準電極242とする。そして、ドライバIC250と半導体MZ変調器200とを信号電極241でのみ接続し、信号電極241には半導体MZ変調器200のインピーダンスに合わせた終端抵抗270を介して、ドライバIC250用の電圧を電源Vccから印加する。
Therefore, in the connection method of the present invention, the
この場合、基準電極242の電位が信号電極241の電位よりも高くなるように電源Vbiasの電圧を電源Vccの電圧よりも高くすることにより、半導体MZ変調器200に逆バイアス電圧を印加すると同時に、信号電極241からオープンコレクタ型のドライバIC250に駆動電圧を印加することを可能にしている。
In this case, by applying the reverse bias voltage to the
本発明では、ドライバIC250の接地電極と半導体MZ変調器200の基準電極242を繋いで共通電位としていないが、このように半導体MZ変調器200の基準電極242とドライバIC250のグランドパッドとを接続しなくても、特性上問題は発生しない。
In the present invention, the ground electrode of the
アーム間で調整できる動作が望まれる場合には、Vbias電位をアーム間で調整する必要がある。その場合には、半導体MZ変調器200の下部クラッド層202をアーム間で分離することで、別の電位を印加することも可能である。
When an operation that can be adjusted between the arms is desired, the Vbias potential needs to be adjusted between the arms. In that case, another potential can be applied by separating the
また、従来のバックターミネーション型のドライバICと異なり、オープンコレクタ型のドライバICの場合には、後段の半導体MZ変調器200の終端抵抗270は任意のインピーダンス(例えば差動40Ω〜100Ω)としてよい。半導体MZ変調器200自体の電気特性を考えると、差動インピーダンスが低いほうが望ましいが、消費電力の観点では、差動インピーダンスは高いほうが良い。
In addition, unlike a conventional back termination type driver IC, in the case of an open collector type driver IC, the
図2では簡略化しているため、単体の半導体MZ変調器200と1チャネルのドライバIC250のみとしているが、実際にはこの単体の半導体MZ変調器200を2つ並べたIQ変調器と2チャンネルのドライバICでの使用や、同様に4つ並べた偏波多重IQ変調器と4チャネルのドライバICでの使用についても、接続数が増加するだけで、同様の接続方法で実施することが可能である。
For simplification in FIG. 2, only a single
また、簡略化のため半導体MZ変調器200の入力側の線路が等長化していないが、差動線路であるため、実際にはコモンモードやスキュー等による特性劣化が懸念されるため、入力側の線路を等長化する必要がある。特性劣化の観点では、ドライバICと半導体MZ変調器200の接続部のワイヤ長は短いほど良く、また特性上は、ウェッジワイヤやリボンワイヤを使用することが望ましい。
For simplification, the line on the input side of the
また、ドライバIC250と半導体MZ変調器200を組み合わせて、より広帯域な変調器を実現するためには、ドライバIC250にて特定の周波数ピーキング(例えば32GBdに対しては15〜25GHz、64GBdに対しては30−40GHzが望ましい)を設ける必要がある。ドライバIC250にピーキングなく接続した場合には、単純にドライバIC250とワイヤでの損失分が変調帯域の劣化に寄与してしまい、低帯域化してしまうためである。このように、ドライバIC250と半導体MZ変調器200を組み合わせることで、より広帯域化することも可能である。
Further, in order to realize a wider-band modulator by combining the
100 半導体MZ変調器
101 SI−InP基板
102 n型InP層
103 半導体コア層
104 p型InP層
105 誘電体埋め込み層
110 光導波路
120 光分波器
130 光合波器
140 進行波型電極
141 信号電極
142 接地電極
200 半導体MZ変調器
201 SI−InP基板
202 n−InP層
203 下部クラッド層
204
205 上部クラッド層
206
210 光導波路
220 光分波器
230 光合波器
240 進行波型電極
241 信号電極
242 基準電極
250 オープンコレクタ型ドライバIC
260 DAC
270 終端抵抗
DESCRIPTION OF
205 Upper cladding layer 206
210
260 DAC
270 Terminating resistor
Claims (8)
シグナルパッドおよびグランドパッドからなる入出力パッドを有する前記半導体マッハツェンダ変調器を駆動するオープンコレクタ型のドライバICと、
を備え、
前記ドライバICは、前記グランドパッドが接地され、前記シグナルパッドが前記信号電極に接続されて前記信号電極に印加された第1の電源によって駆動され、
前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記基準電極が前記グランドパッドと異なる電位を持つよう第2の電源に接続されていることを特徴とする光送信器。 A differentially driven semiconductor Mach-Zehnder modulator having a signal electrode and a reference electrode;
An open collector type driver IC for driving the semiconductor Mach-Zehnder modulator having an input / output pad comprising a signal pad and a ground pad;
With
The driver IC is driven by a first power source applied to the signal electrode with the ground pad grounded, the signal pad connected to the signal electrode,
The optical transmitter, wherein the semiconductor Mach-Zehnder modulator is connected to a second power source so that the reference electrode has a potential different from that of the ground pad.
前記基準電極は、前記第1の導電性半導体クラッド層上に形成され、
前記信号電極は、前記第2の導電性半導体クラッド層上に形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の光送信器。 The semiconductor Mach-Zehnder modulator has two arms composed of an optical waveguide formed by sequentially laminating a first conductive semiconductor clad layer, a non-doped semiconductor core layer, and a second conductive semiconductor clad layer on a semiconductor substrate. A Mach-Zehnder interferometer is formed with an optical waveguide having a waveguide,
The reference electrode is formed on the first conductive semiconductor cladding layer,
The optical transmitter according to claim 1, wherein the signal electrode is formed on the second conductive semiconductor clad layer.
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