JP2019008180A

JP2019008180A - 光パルス発生器

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Publication number: JP2019008180A
Application number: JP2017124599A
Authority: JP
Inventors: 福田　浩; Hiroshi Fukuda; 浩福田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-06-26
Also published as: JP6802761B2

Abstract

【課題】光送信機の構成部品として高価な高周波線路を用いる必要が無く、低コストで高速な光送信機を実現するという課題を有する。【解決手段】本発明の光パルス発生器は、連続光を出射する可変波長光源２３と、入射される連続光を変調し、低速な入力光パルスを発する低速光変調器２４（低速電気波形発生装置２５からの信号で駆動される）と、低速な入力光パルスを伝送する入力側のシリコン細線導波路２１１と、低速な入力光パルスを高速な光パルスに変換するリング共振器２２と、高速な光パルスが伝達する出力側のシリコン細線導波路２１２とで構成される。変調された光パルスの波長は、前記リング共振器の通過波長よりも短波側に設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は光通信技術に関し、特に光送信機に供する光パルス発生器の技術に関する。

光通信装置において、光信号が伝播する光導波路のコア材料としてシリコンを用い、クラッド材料として酸化シリコンを用いるシリコンフォトニクスの実用化が進んでいる。シリコンフォトニクスは安価なシリコン系材料を主原料とするだけでなく、ＬＳＩ製造で培われた優れた製造技術を利用してデバイス作製が出来ることから、フォトニクスデバイスの飛躍的な量産化・経済化技術として注目度が高い。特許文献１には、電極の断面構造を蛇腹状にすることにより、電極表面積を増大させ、電極の電極抵抗を低減させたシリコン光変調器が開示されている。また、特許文献２には、製造時間を増大させることなく、かつ、電圧が印加されていない状態での空乏領域を最小限に抑えて高い変調効率を実現するために、リブ導波路が、凸部の中央付近のｐ型不純物とｎ型不純物の双方が打ち込まれているオーバーラップ領域を有するシリコン光変調器が開示されている。

特開２０１７-０４５０１２号公報特開２０１７-０４５００９号公報

一方で、光通信装置はその高速化・大容量化が必須である。光通信装置を高速化するためには、高速動作する光送信機と光受信機を組み合わせる必要があるが、特に光送信機については、これまでは主にその中心的デバイスである光変調器の動作を高速化することで光送信機の高速化を推し進めてきた。しかし、シリコンで光変調器を作製したとしても、電気の高速信号源から光変調器までの距離は、高周波でも伝搬損失が少ない高周波線路で接続する必要がある。一般に、高周波線路はセラミック上の金属配線として形成されるが、部材単価が高く、光送信機のコストの中で大きな割合を占める。結果、シリコンフォトニクス技術で光変調器のコストを低減させたとしても、光送信機コストの低減は困難であり抜本的な経済化が遅々として進まない現状がある。

本発明はこのような課題を解決するものであり、高周波線路を必要としない光送信機、より詳しくは、光パルス発生器を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明に係る光パルス発生器は、シリコンコアと酸化シリコンクラッドからなるシリコンフォトニクスの基本構造を持ち、低速な光信号から高速な光パルスを発生させる構造を持つ。

シリコンを含む半導体の光物性値の一つに屈折率がある。一般に屈折率は周波数(波長)の関数であるが、光強度(電場強度)密度には依存しない線形成分と、光強度(電場強度)に依存する非線形成分から構成される。一般に線形成分は非線形成分よりも十分に大きい。そのため、大出力が必須な長距離伝送における光ファイバ以外では、非線形成分を考慮することは稀である。しかし、シリコンフォトニクスの基本デバイスであるシリコン細線導波路は、コアとクラッドの屈折率差が大きいので従来の石英系導波路と比較して光強度密度が著しく大きいという特長があり、非線形屈折率を発現しやすい。これはシリコン細線導波路内では光パワーに応じてコアの屈折率が変化しやすいということを示している。

コア屈折率の変化に敏感な光デバイスとして干渉デバイスがある。中でもリング共振器は、単純な構造を持ちながら、急峻な透過波長特性を有する。加えて、光パワーをリング内のコアに蓄積するため、その光強度密度が光導波路と比して大きくなる。光強度の増大により(非線形)屈折率が変化しやすいため、透過波長特性が光強度に大きく依存することになる。

この効果を制御することで低速な光信号から高速な光パルスを発生させることが可能である。

図１を用いて、この方法について簡単に説明する。実線の矢印は、光導波路１２中の光が伝達する方向を示し、破線の矢印は、光導波路１２中において光が伝達しないことを示している。まず、低速な電気信号から低速な光変調器を駆動し、低速な入力光パルス１１を得る（図１（ａ）参照）。図１（ｂ）に示すように、この光パルスを光導波路１２を通じリング共振器１３に入力するが、この際、光パルスを構成する光の波長は、リング共振器の透過波長よりもわずかに短波側に設定してある。このとき、光パルスの裾の部分ではリング共振器１３の透過波長と光パルスの波長は異なるため、光パルスがリング共振器１３を透過する成分は少ない。後に、光パルスの中腹部に差し掛かると、光強度が大きくなり、リング共振器１３のコアで非線形屈折率が発現する。具体的には２光子吸収によりキャリアが発生する為、キャリアプラズマ効果によりリング共振器１３のコア屈折率が小さくなる。これによりリング共振器１３の透過波長が短波側にシフトして、光パルス１１はリング共振器１３を透過する。図１（ｃ）に示すように、光パルスが透過する状態ではリング共振器１３の内部の光強度１４密度が著しく大きくなる為、２光子吸収によるキャリア発生がより強調され、リング共振器１３の透過波長が更に短波側にシフトするが、この状態では光パルスのリング共振器１３での透過率は急速に小さくなる。上記の理由により、光パルスの一部のみはリング共振器１３を透過することになり、結果として入力した光パルス１１よりも時間幅が狭い光パルスが出力パルスとしてリング共振器１３から出力されるため、低速な光変調器とパッシブな光回路であるリング共振器で、高速な光パルスを生成することが可能となる。

本発明の光パルス発生器の一様態は、
連続光を出射する可変波長光源と、
低速光変調器を駆動するための信号を前記低速光変調器に送信する低速電気波形発生装置と、
前記連続光を変調し、低速な入力光パルスを発する前記低速光変調器と、
前記低速な入力光パルスが伝達する入力側のシリコン細線導波路と、
前記低速な入力光パルスを高速な光パルスに変換するリング共振器と、
前記高速な光パルスが伝達する出力側のシリコン細線導波路と、を有し、
前記低速な入力光パルスの波長は、前記リング共振器の通過波長よりも短波側に設定されていることを特徴とする。

前記低速な入力光パルスのパルス幅は、前記高速な光パルスのパルス幅よりも大きいことを特徴とする。

前記光パルス発生器は、さらに、
基板と、
前記基板上に形成されたアンダークラッドとを有し、
前記入力側のシリコン細線導波路、前記出力側のシリコン細線導波路、及び前記リング共振器は、ノンドープ半導体領域を含み、
前記入力側のシリコン細線導波路のノンドープ半導体領域の一方の側面は、ｐ型半導体領域と接し、前記ｐ型半導体領域は、ｐ型電極と接続し、
前記入力側のシリコン細線導波路のノンドープ半導体領域の他方の側面は、ｎ型半導体領域と接続することを特徴とする。

前記ノンドープ半導体領域は、ノンドープのシリコンを含む。

前記アンダークラッドは、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜である。

前記低速光変調器は、
光分岐素子と、
光合波素子と、
を有し、
前記入力側のシリコン細線導波路は、二つの経路に分割され、
前記光合波素子は、それぞれの導波路を導波する光を合波する素子であることを特徴とする。

前記リング共振器は、ノンドープ半導体領域を含み、
前記ノンドープ半導体領域の一方の側面は、ｐ型半導体領域と接し、前記ｐ型半導体領域は、ｐ型電極と接続し、
前記ノンドープ半導体領域の他方の側面は、ｎ型半導体領域と接続し、前記ｎ型半導体領域は、ｎ型電極と接続することを特徴とする。

前記ｐ型半導体領域はホウ素をドープしたシリコンを含み、前記ｎ型半導体領域はリンをドープしたシリコンを含むことを特徴とする。

本発明によれば、低速な電気信号から高速な光信号を生成出来るため、光送信機の構成部品として高価な高周波線路を用いる必要が無く、低コストで高速な光送信機を実現可能である。

低速な光信号から高速な光パルスを発生させる方法を示す図である。本発明に係る第１の実施の形態に係る光パルス発生器の一部の構成を示す図である。（ａ）本発明に係る第２の実施の形態に係る光パルス発生器の一部の構成を示す上面図である。（ｂ）本発明に係る第２の実施の形態に係る光パルス発生器の一部の構成を示すＡ-Ａ’面の断面図である。（ｃ）本発明に係る第２の実施の形態に係る光パルス発生器の一部の構成を示すＢ-Ｂ’面の断面図である。（ａ）本発明に係る第３の実施の形態に係る光パルス発生器の一部の構成を示す上面図である。（ｂ）本発明に係る第３の実施の形態に係る光パルス発生器の一部の構成を示すＣ-Ｃ’面の断面図である。（ａ）本発明の第４の実施の形態に係る光パルス発生器の一部の構成を示す上面図である。（ｂ）本発明に係る第４の実施の形態に係る光パルス発生器の一部の構成を示すＤ-Ｄ’面の断面図である。

以下、本発明の光パルス発生器の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図２は本発明に係る第１の実施の形態であり、光パルス発生器の構成である。本発明の光パルス発生器は、連続光を出射する可変波長光源２３と、入射される連続光を変調し、低速な入力光パルスを発する低速光変調器２４（低速電気波形発生装置２５からの信号で駆動される）と、低速な入力光パルスを伝送する入力側のシリコン細線導波路２１１と、低速な入力光パルスを高速な光パルスに変換するリング共振器２２と、高速な光パルスが伝達する出力側のシリコン細線導波路２１２とで構成される。低速光変調器２４で変調された入力光パルスの波長は、前記リング共振器の通過波長よりも短波側に設定されている。

可変波長光源２３から出射された連続光は、低速電気波形発生装置２５からの信号で駆動される低速光変調器２４で光変調を行い、光パルス発生器への入力光波形２８のようになる。これが入力側のシリコン細線導波路２１１を介し、リング共振器２２に入射されると、図１で述べた行程を経て高速な光パルスに変換される。出力側のシリコン細線導波路２１２を介し、光電気変換器２６で電気波形に変換され、電気波形表示装置２７で取得した波形は、光パルス発生器からの出力波形２９のようになる。光パルス発生器への入力光波形２８と光パルス発生器からの出力波形２９を比較すると、凡そ５０ナノ秒のパルス幅から、凡そ１０ナノ秒のパルス幅に変換されていることがわかる。本明細書において、高速な光パルスとは、時間幅（パルス幅）の短いパルスをいう。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明に係る第２の実施の形態である。図３(ａ)は、具体的な光パルス発生器の一部３００の構成例を示したものである。

光パルス発生器の一部３００は、電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１とリング共振器３０２から構成される。電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１は、図１の低速光変調器２４に対応する。

図３(ｂ)において、電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１のＡ-Ａ’面の断面図を用いて、その構造が説明される。

基板３１１とアンダークラッド３１２の上にリブ型導波路３１９が構成されるが、これは、ノンドープ半導体領域３１３と、その両面に接するｐ型半導体領域３１４とｎ型半導体領域３１５とからなる。リブ型導波路３１９はオーバクラッド３１６で埋め込まれている。また、ｐ型半導体領域３１４とｎ型半導体領域３１５は、ぞれぞれ、オーバクラッド３１６のコンタクトホールを介してｐ型電極３１７、ｎ型電極３１８に接続している。

図３(ｃ)において、リング共振器３０２のＢ-Ｂ’面の断面図を用いて、その構造が説明される。

基板３１１とアンダークラッド３１２の上にチャネル型導波路３２０が構成されるが、これは、ノンドープ半導体領域３１３からなる。チャネル型導波路３２０はオーバクラッド３１６で埋め込まれている。

次に、光パルス発生器の一部３００で動作手順が説明される。

電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１のｐ型電極３１７に接続されるｐ側電極パッド３３から、ｎ型電極３１８に接続されるｎ側電極パッド３４に電流を流すことで、電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１の中のリブ型導波路３１９を導波する光の強度を変調する。ここで、一般に電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１の動作速度は数百メガヘルツ程度の低速である。変調された光はリング共振器３０２に入射されるが、このとき、変調された光の波長を、リング共振器３０２の透過波長よりもわずかに短波側に設定しておけば、リング共振器３０２からの出力は高速な光パルスに変換される。

上述のリブ型導波路３１９において、ノンドープ半導体領域３１３は例えばノンドープのシリコンであれば良く、ｐ型半導体領域３１４は例えばホウ素をドープしたシリコンであれば良く、ｎ型半導体領域３１５は例えばリンをドープしたシリコンで良い。アンダークラッド３１２及びオーバクラッド３１６は、ノンドープ半導体領域３１３，ｐ型半導体領域３１４，ｎ型半導体領域３１５よりも屈折率の小さい電気絶縁物であれば良く、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜であれば良い。ｐ型電極３１７、ｎ型電極３１８はアルミニウムなどで良い。また、ｐ型電極３１７とｐ型半導体領域３１４の界面には、高濃度ｐ型半導体層が形成されていても良く、ｎ型電極３１８とｎ型半導体領域３１５の界面には、高濃度ｎ型半導体層が形成されていても良い。

本実施の形態によって、電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１から出力された低速な光信号から高速な光パルスを発生させることができる。

［第３の実施の形態］
図４は本発明に係る第３の実施の形態であり、光パルス発生器の一部４００の一部において、第２の実施の形態における電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１の代わりに、マッハツェンダ干渉計型光変調器４０１を用いた例である。マッハツェンダ干渉計型光変調器４０１は、図１の低速光変調器２４に対応する。

図４(ａ)において、マッハツェンダ干渉計型光変調器４０１に入力される連続光は、光分岐素子４０２で２つの経路に光強度が分割され、光導波路４０３と光導波路４０４に入射する。それぞれの導波路を導波する光は別々の光位相変調を受けた後に、光合波素子４０５で合波される。干渉計の構造を取るため、光合波素子４０５で合波されたのちには光強度変調になる。

図４(ｂ)において、基板３１１とアンダークラッド３１２の上に光導波路４０３,４０４が構成されるが、これは、ノンドープ半導体領域３１３と、ノンドープ半導体領域３１３の両側でノンドープ半導体領域３１３と接続するｐ型半導体領域３１４とｎ型半導体領域３１５とからなる。光導波路４０３,４０４はオーバクラッド３１６で埋め込まれている。また、ｐ型半導体領域３１４とｎ型半導体領域３１５は、ぞれぞれ、オーバクラッド３１６のコンタクトホール内のｐ型電極３１７、ｎ型電極３１８に接続している。

本実施の形態のリング共振器３０２の構成は第２の実施の形態と同じである。

動作手順は第２の実施の形態と同じであるが、本実施の形態ではマッハツェンダ干渉計での光位相変調を用いることが出来るため、対信号雑音耐性に優れる差動変調を用いることが出来るという効果がある。

本実施の形態によって、電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１より出力される速度よりも低速なマッハツェンダ干渉計型光変調器４０１から出力された光パルスであっても、高速な光パルスを発生させることができる。

［第４の実施の形態］
図５は本発明に係る第３の実施の形態であり、光パルス発生器の一部５００の一部において、第２の実施の形態におけるリング共振器３０２の代わりに、キャリア引き抜き型リング共振器３０３を用いた例である。

図５(ａ)の電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１の構成は第２の実施例と同じである。

図５(ｂ)におけるキャリア引き抜き型リング共振器３０３のＤ-Ｄ’面の断面図を用いてその構造を説明する。

基板３１１とアンダークラッド３１２の上にリブ型導波路５１０が構成されるが、これは、ノンドープ半導体領域３１３と、ノンドープ半導体領域３１３の両側でノンドープ半導体領域３１３と接続するｐ型半導体領域３１４とｎ型半導体領域３１５とからなる。リブ型導波路５１０はオーバクラッド３１６で埋め込まれている。また、ｐ型半導体領域３１４とｎ型半導体領域３１５は、ぞれぞれ、オーバクラッド３１６のコンタクトホール内のｐ型電極５１２、ｎ型電極５１１に接続している。

次に図５(ａ)の光パルス発生器の一部５００で動作手順が説明される。

電流注入型ｐｉｎ構造光変調器３０１から出射する低速光変調された光はキャリア引き抜き型リング共振器３０３に入射されるが、このとき、変調された入力光パルスの波長を、リング共振器３０３の透過波長よりもわずかに短波側に設定しておけば、リング共振器３０３からの出力は高速な光パルスに変換される。加えて、キャリア引き抜き型リング共振器３０３を構成するリブ型導波路５１０のｐ型半導体領域３１４に接続するｐ型電極５１２と、ｎ型半導体領域３１５に接続するｎ型電極５１１の間に逆バイアスを印加しておくと、キャリア引き抜き型リング共振器３０３を構成するリブ型導波路５１０内部に２光子吸収で生成されたキャリアを引き抜くことが出来るため、発生する高速な光パルスの立下り時間を急峻にすることが出来るという優れた効果が有る。

本発明は、光通信技術、特に光送信機に供する光パルス発生器の技術に適用することができる。

１１入力光パルス
１２光導波路
１３, ２２リング共振器
１４光強度
２３可変波長光源
２４低速光変調器
２５低速電気波形発生装置
２６光電気変換器
２７電気波形表示装置
２８入力光波形
２９出力波形
３３ｐ側電極パッド
３４ｎ側電極パッド
２１１入力側のシリコン細線導波路
２１２出力側のシリコン細線導波路
３００光パルス発生器の一部
３０１電流注入型ｐｉｎ構造光変調器
３０２リング共振器
３０３キャリア引き抜き型リング共振器
３１１基板
３１２アンダークラッド
３１３ノンドープ半導体領域
３１４ｐ型半導体領域
３１５ｎ型半導体領域
３１６オーバクラッド
３１７ｐ型電極
３１８ｎ型電極
３１９リブ型導波路
３２０チャネル型導波路
４００光パルス発生器の一部
４０１マッハツェンダ干渉計型光変調器
４０２光分岐素子
４０３, ４０４光導波路
４０５光合波素子
５００光パルス発生器の一部
５１０リブ型導波路
５１２ｐ型電極
５１１ｎ型電極

Claims

連続光を出射する可変波長光源と、
低速光変調器を駆動するための信号を前記低速光変調器に送信する低速電気波形発生装置と、
前記連続光を変調し、低速な入力光パルスを発する前記低速光変調器と、
前記低速な入力光パルスが伝達する入力側のシリコン細線導波路と、
前記低速な入力光パルスを高速な光パルスに変換するリング共振器と、
前記高速な光パルスが伝達する出力側のシリコン細線導波路と、
を有し、
前記低速な入力光パルスの波長は、前記リング共振器の通過波長よりも短波側に設定されていることを特徴とする光パルス発生器。
請求項１に記載の光パルス発生器において、
前記低速な入力光パルス波形のパルス幅は、前記高速な光パルスのパルス幅よりも大きいことを特徴とする光パルス発生器。
請求項１に記載の光パルス発生器において、
基板と、
前記基板上に形成されたアンダークラッドとを有し、
前記入力側のシリコン細線導波路、前記出力側のシリコン細線導波路、及び前記リング共振器は、ノンドープ半導体領域を含み、
前記入力側のシリコン細線導波路のノンドープ半導体領域の一方の側面は、ｐ型半導体領域と接し、前記ｐ型半導体領域は、ｐ型電極と接続し、
前記入力側のシリコン細線導波路のノンドープ半導体領域の他方の側面は、ｎ型半導体領域と接続することを特徴とする光パルス発生器。
請求項３に記載の光パルス発生器において、
前記ノンドープ半導体領域は、ノンドープのシリコンを含むことを特徴とする光パルス発生器。
請求項３に記載の光パルス発生器において、
前記アンダークラッドは、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする光パルス発生器。
請求項１に記載の光パルス発生器において、
前記低速光変調器は、
光分岐素子と、
光合波素子と、
を有し、
前記入力側のシリコン細線導波路は、二つの経路に分割され、
前記光合波素子は、それぞれの導波路を導波する光を合波する素子であることを特徴とする光パルス発生器。
請求項１に記載の光パルス発生器において、
前記リング共振器は、ノンドープ半導体領域を含み、
前記ノンドープ半導体領域の一方の側面は、ｐ型半導体領域と接し、前記ｐ型半導体領域は、ｐ型電極と接続し、
前記ノンドープ半導体領域の他方の側面は、ｎ型半導体領域と接続し、前記ｎ型半導体領域は、ｎ型電極と接続することを特徴とする光パルス発生器。
請求項３又は請求項７に記載の光パルス発生器において、
前記ｐ型半導体領域はホウ素をドープしたシリコンを含み、前記ｎ型半導体領域はリンをドープしたシリコンを含むことを特徴とする光パルス発生器。