JP4805204B2

JP4805204B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP4805204B2
Application number: JP2007091623A
Authority: JP
Inventors: 淳一長谷川; 一孝奈良
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008250021A

Description

本発明は、平面光波回路上の光導波路と半導体チップ上の半導体導波路をハイブリッド集積した光モジュールに関する。

スイッチング速度がｎｓ（ナノ秒）以下の超高速動作が可能な光スイッチは、次世代超高速フォトニックネットワークを支える部品の一つとして位置づけられている。かねてより、光スイッチに関する研究開発はなされており、石英系平面光波回路（PLC: Planar Lightwave Circuit）、光半導体導波回路、LN等の電気光学結晶を使用したデバイスが各種提案されている。

例えば、（１）非特許文献１には、光半導体導波路で形成された1xM-AWG，MxN-AWG，Nx1-MMIコンバイナ及びSOAをモノリシック集積し、WDMチャンネルセレクターを形成した技術が開示されている。（２）また、非特許文献２には、熱光学効果を用いた16x16のノンブロッキング型マトリックス光スイッチが開示されている。
N.Kikuchi et al., "Monolithically integrated 64-channel WDM channel selector with novel configuration", Electronics Letter, Vol.38, pp.331-332, 2002. Takashi Goh et al., "Low loss and high extinction ratio strictly nonblocking 16x16 thermooptic matrix switch on 6-in wafer using silica-based planar lightwave circuit technology", Journal of Lightwave Technology,Vol.19, No.3, March 2001.

ところで、上記非特許文献１に開示された従来技術のような、光半導体導波路，電気光学結晶を使用したものは、高速動作は可能なものの偏波依存損失（PDL）に関して十分な議論が成されておらず、実際の幹線系への適用にはまだ時間がかかると思われる。例えば、非特許文献１に開示された従来技術のものでは、スイッチング速度は1.5nsと高速だが、PDLはMMIコンバイナ部分で数dB，SOA部分で1dB程度ある。

一方、上記非特許文献２に開示された従来技術では、石英系PLCのものは材料系自体が等方体であるためPDL特性に対しては実用上十分な特性が得られているが、スイッチング速度に関しては熱光学効果を利用するため、msオーダーの速度が限界である。
ゆえに、実用的な偏波無依存かつ高速光スイッチが要望されている。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、偏波無依存でかつ高速動作可能な高速光スイッチを実現可能な光モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光モジュールは、PLCチップ上の平面光波回路と、半導体チップ上の半導体導波路をハイブリッド集積した光モジュールであって、前記半導体チップの前記半導体導波路には、入射光をオン、オフさせて出射する半導体光スイッチ手段が設けられており、前記平面光波回路は、入射光をTE成分とTM成分に偏波分離する偏波スプリッタと、偏波分離されたTE成分をそのまま前記半導体光スイッチ手段へ入射させる第１の入力側光導波路と、偏波分離されたTM成分をTE成分に変換する1/2波長板が導波路中に挿入され、変換されたTE成分を前記半導体光スイッチ手段へ入射させる第２の入力側光導波路と、前記TE成分とTM成分を合波して出力する偏波コンバイナと、前記半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の一方を前記偏波コンバイナへ入射させる第１の出力側光導波路と、前記半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の他方をTM成分に変換する前記1/2波長板が導波路中に挿入され、変換されたTM成分を前記偏波コンバイナへ入射させる第２の出力側光導波路と、を備え、前記半導体チップは、サブマウント上に半導体基板が搭載されてなり、前記半導体基板に前記半導体導波路が設けられており、前記半導体導波路と前記平面光波回路とがバットジョイント構造により集積されていることを特徴とする。

この態様によれば、まず入射した光は、偏波スプリッタによって、TE成分とTM成分に偏波分離される。続いて、偏波分離されたTE成分はそのまま半導体導波路の半導体光スイッチ手段へ入射され、一方、偏波分離されたTM成分は1/2波長板によって一度TE成分に変換されて、半導体導波路の半導体光スイッチ手段へ入射される。

半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の一方は、そのまま第１の出力側光導波路を伝搬して偏波コンバイナへ入射され、一方、半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の他方は、1/2波長板によってもう一度TM成分に変換され、第２の出力側光導波路を伝搬して偏波コンバイナへ入射される。偏波コンバイナに入射されたTE成分とTM成分は合波されて出力される。

このように、半導体導波路の半導体光スイッチ手段には、TE成分のみを入射させているので、偏波依存損失（PDL）はほとんど発生せず偏波無依存かつ高速光スイッチ（スイッチング速度がnsオーダーのスイッチ)を実現することができる。

本発明の他の態様に係る光モジュールは、前記平面光波回路は２つの入力ポートと２つの出力ポートとを備え、前記偏波スプリッタおよび前記偏波コンバイナが前記２つの入力ポートおよび２つの出力ポートにそれぞれ対応して２つずつ設けられていることを特徴とする。

この態様によれば、2×2の偏波無依存高速光スイッチを実現することができる。

本発明の他の態様に係る光モジュールは、前記半導体光スイッチ手段は、前記半導体導波路に形成されたマッハツェンダー干渉計を含み、前記マッハツェンダー干渉計の２つのアーム導波路をそれぞれ伝搬する光の位相を変えることによってスイッチングを行うことを特徴とする。

この態様によれば、マッハツェンダー干渉計の２つのアーム導波路をそれぞれ伝搬する光の位相を変えることによって、高速スイッチングを行うことができる。

本発明の他の態様に係る光モジュールは、前記平面光波回路は、一つの前記PLCチップ上に形成されており、前記半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の一方および他方は、前記半導体チップ上で折り返された半導体導波路を介して、前記PLCチップ上の前記第１の出力側光導波路および第２の出力側光導波路にそれぞれ入射されることを特徴とする。

この態様によれば、半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の一方および他方は、前記半導体チップ上で折り返された半導体導波路を介して、同一のPLCチップ上の光導波路にそれぞれ入射されるので、PLCチップと半導体チップとのバットジョイント（突き合わせ接合）が一箇所となり、光モジュールの製造が容易になる。

本発明によれば、偏波スプリッタで分離したTM成分を1/2波長板でTE成分に変換して半導体導波路に入射させ、さらにそのTE成分を1/2波長板でTM成分に変換させ偏波コンバイナで合波することによって、従来困難であった偏波無依存でかつ高速動作可能な高速光スイッチを実現することができる。

次に、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
一実施形態に係る光モジュールを、図１および図２に基づいて説明する。

図１に2×2の偏波無依存高速光スイッチとして構成された一実施形態に係る光モジュール１０を示す。

この光モジュール１０は、PLCチップ２０の平面光波回路２１とSiサブマウント３０上の半導体導波路３１とのバットジョイント（突き合わせ）構造により、平面光波回路２１と半導体導波路３１がハイブリッド集積されている。

Siサブマウント３０には半導体基板３２が搭載されている。この半導体基板３２上には、半導体導波路３１と、この半導体導波路３１に設けられ、入射光をオン、オフさせて出射する半導体光スイッチ手段としての半導体光スイッチ３３，３４が設けられている。Siサブマウント３０と半導体基板３１により、半導体チップが構成されている。

半導体光スイッチ３３，３４はそれぞれ、２つの方向性結合器と、これら２つの方向性結合器間に接続された導波路長の異なる２つのアーム導波路とを備える非対称型マッハツェンダー干渉計（MZI）によって構成されている。半導体光スイッチ３３，３４は、各MZIの２つのアーム導波路を伝搬する光の位相を、外部から入力する電気信号により変えることによって、高速スイッチング(nsオーダーのスイッチング)が行われるようになっている。

平面光波回路２１には、入射光Ａ，ＢをTE成分とTM成分にそれぞれ偏波分離する２つの偏波スプリッタ４０，４１と、偏波分離されたTE成分をそのまま半導体光スイッチ３３の２つの入力側半導体導波路（入力側の方向性結合器の２つの入力端）へそれぞれ入射させる２組の第１の入力側光導波路２２_Ａ，２２_Ｂと、が形成されている。

また、平面光波回路２１には、偏波分離されたTM成分をTE成分に変換する1/2波長板２３が導波路中に挿入され、変換されたTE成分を半導体光スイッチ３４に接続された２つの入力側半導体導波路へそれぞれ入射させる２組の第２の入力側光導波路２４_Ａ，２４_Ｂが形成されている。それら２つの入力側半導体導波路は、半導体光スイッチ３４の入力側の方向性結合器の２つの入力端にそれぞれ接続されている。

また、平面光波回路２１には、TE成分とTM成分を合波して出力する２つの偏波コンバイナ５０、５１と、半導体光スイッチ３３に接続された２つの出力側半導体導波路３５_Ａ，３５_Ｂからそれぞれ出射されるTE成分を偏波コンバイナ５０，５１へそれぞれ入射させる２組の第１の出力側光導波路２５_Ａ，２５_Ｂとが形成されている。２つの出力側半導体導波路３５_Ａ，３５_Ｂは、半導体光スイッチ３３の出力側の方向性結合器の２つの出力端にそれぞれ接続されている。

さらに、平面光波回路２１には、半導体光スイッチ３４の２つの出力側半導体導波路３６_Ａ，３６_Ｂからそれぞれ出射されるTE成分を偏波コンバイナ５０，５１へそれぞれ入射させる２組の第２の出力側光導波路２６_Ａ，２６_Ｂが形成されている。２つの出力側半導体導波路３６_Ａ，３６_Ｂは、半導体光スイッチ３４の出力側の方向性結合器の２つの出力端にそれぞれ接続されている。

偏波スプリッタ４０，４１は、図２に示すように、複屈折のコア幅依存性を用いており、高い偏波消光比を得るために、１段目のマッハツェンダー干渉計（MZI）６１と、２段目のMZI６２，６３とをそれぞれカスケード接続している。偏波コンバイナ５０，５１も偏波スプリッタ４０，４１と同様の構成を有する。

上記構成を有する光モジュール１０では、まず入力ポートAから入射した光（以下、光Aと呼ぶ。）は、偏波スプリッタ４０によって、TE成分とTM成分に偏波分離される。続いて、偏波分離されたTE成分はそのまま第１の入力側光導波路２２_Ａを伝搬して半導体光スイッチ３３の一方の入力端（入力側の方向性結合器の一方の入力端）へ入射される。

一方、偏波分離されたTM成分は1/2波長板２３によって一度TE成分に変換されて、第２の入力側光導波路２４_Ａを伝搬して半導体光スイッチ３４の一方の入力端（入力側の方向性結合器の一方の入力端）へ入射される。

半導体光スイッチ３３，３４が共にオンになると、各半導体光スイッチ３３，３４にそれぞれ接続された２つの出力側半導体導波路３５_Ａ，３６_Ａに光AのTE成分がそれぞれ入射し、各TE成分は、出力側半導体導波路３５_Ａ，３６_Ａを伝搬して、第１，第２の出力側光導波路２５_Ａ，２６_Ａにそれぞれ入射する。

第１の出力側光導波路２５_Ａに入射した光AのTE成分はそのまま偏波コンバイナ５０へ入射され、一方、第２の出力側光導波路２６_Ａに入射した光AのTE成分は1/2波長板２３でもう一度TM成分に変換されて偏波コンバイナ５０へ入射される。これにより、光AのTE成分とTM成分が偏波コンバイナ５０により合波されて、出力ポートCから光が出射される。

入力ポートBから入射した光（以下、光Bと呼ぶ。）は、光Aと同様に、半導体光スイッチ３３，３４が共にオンになると、各半導体光スイッチ３３，３４にそれぞれ接続された２つの出力側半導体導波路３５_Ｂ，３６_Ｂに光BのTE成分がそれぞれ入射し、各TE成分は、出力側半導体導波路３５_Ｂ，３６_Ｂを伝搬して、第１，第２の出力側光導波路２５_Ｂ，２６_Ｂにそれぞれ入射する。

第１の出力側光導波路２５_Ｂに入射した光BのTE成分はそのまま偏波コンバイナ５１へ入射され、一方、第２の出力側光導波路２６_Ｂに入射した光BのTE成分は1/2波長板２３でもう一度TM成分に変換されて偏波コンバイナ５１へ入射される。これにより、光BのTE成分とTM成分が偏波コンバイナ５１により合波されて、出力ポートDから光が出力される。

このように、上記構成を有する光モジュール１０では、ポートA，Bから入射した光は、偏波スプリッタ４０，４１によって、TE成分とTM成分にそれぞれ偏波分離される。続いて、偏波分離されたTE成分はそのまま半導体導波路３１へ入射されるが、一方、TM成分は1/2波長板２３によって一度TE成分に変換されて、半導体導波路３１へ入射される。ここでは、半導体導波路３１に形成された各半導体光スイッチ３３，３４のMZIの位相を変えることによって、高速スイッチング(nsオーダーのスイッチング)が行われる。その後、偏波コンバイナ５０，５１に入射されるが、TM成分から変換されたTE成分は、1/2波長板２３によりもう一度TM成分に変換され、偏波コンバイナ５０，５１によってTE成分とTM成分が合波され、ポートC,Dからそれぞれ出射される。

以上のように構成された一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

○半導体導波路３１の半導体光スイッチ３３，３４には、TE成分のみを入射させているので、偏波依存損失（PDL）はほとんど発生せず偏波無依存かつ高速光スイッチ（スイッチング速度がnsオーダーのスイッチ)を実現することができる。

○平面光波回路２１は２つの入力ポートA,Bと２つの出力ポートC,Dとを備え、偏波スプリッタ４０，４１および偏波コンバイナ５０，５１が２つの入力ポートA,Bおよび２つの出力ポートC,Dにそれぞれ対応して２つずつ設けられている。これにより、2×2の偏波無依存高速光スイッチを実現することができる。

○半導体光スイッチ３３，３４の各MZIの２つのアーム導波路を伝搬する光の位相を、外部から入力する電気信号により変えることによって、高速スイッチング(nsオーダーのスイッチング)を行うことができる。

○平面光波回路２１は、一つのPLCチップ２０上に形成されており、各半導体光スイッチ３３，３４から出射されるTE成分は、半導体基板（半導体チップ）３２上で折り返された半導体導波路３１を介して、PLCチップ２０上の光導波路にそれぞれ入射されるようになっている。これにより、各半導体光スイッチ３３，３４から出射される２つのTE成分の一方および他方は、半導体基板３２上で折り返された半導体導波路３１を介して、同一のPLCチップ２０上の光導波路にそれぞれ入射されるので、PLCチップ２０と、半導体基板３２およびSiサブマウント３０からなる半導体チップとのバットジョイントが一箇所となり、光モジュールの製造が容易になる。

○TE成分をTM成分に変換する第１の1/2波長板とTM成分をもう一度TE成分に変換する第２の1/2波長板とを一つの1/2波長板２３で構成しているので、1/2波長板２３を対応する光導波路に挿入する作業が容易になる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。

・上記一実施形態では、各半導体光スイッチ３３，３４からそれぞれ出射される２つのTE成分は、半導体基板３２上で折り返された半導体導波路３１を介して、同一のPLCチップ２０上の光導波路にそれぞれ入射させるようにしているが、本発明はこれに限定されない。半導体導波路３１は折り返さなくてもよく、半導体導波路３１の両側にPLCがバットジョイントされる構成の光モジュールにも本発明は適用可能である。

・1/2波長板２３を挿入する位置は、偏波スプリッタおよび偏波コンバイナの配置により変化するのは言うまでもない。

・上記一実施形態では、半導体光スイッチ３３，３４はそれぞれ、２つの方向性結合器と、これら２つの方向性結合器間に接続された導波路長の異なる２つのアーム導波路とを備える非対称型マッハツェンダー干渉計（MZI）によって構成されているが、非対称型MZIに代えて、対称型MZIを用いても良い。

・MZIを半導体部分に形成させたが、それに限ることなく、少なくとも１つのDC部分をPLC部分に形成させ、半導体部分は高速位相シフタの機能(例えばSOAなど)を有していればよい。

・またTEとTM成分の位相ずれを考慮して、PLC回路上(例えば25A,25B,26A,26B上)にヒータを設け、位相を調整できる機能を付加してもよい。

・また、上記目的として、半導体回路にも、位相を調整できる機能を付加してもよい。

上記一実施形態では、ポートAから入射した光のTE成分と、そのTM成分から変換されたTE成分とが別の半導体光スイッチに入射され、ポートBから入射した光のTE成分と、そのTM成分から変換されたTE成分も別の半導体光スイッチに入射されるように構成されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ポートAから入射した光のTE成分と、そのTM成分から変換されたTE成分とが同じ半導体光スイッチ、例えば半導体光スイッチ３３に入射され、ポートBから入射した光のTE成分と、そのTM成分から変換されたTE成分とが同じ半導体光スイッチ、例えば半導体光スイッチ３４に入射されるように構成しても良い。このような構成の光モジュールでは、次の４状態が得られる。

（１）出力ポートC，D共に光出力が無い状態。
（２）出力ポートCのみから光Aが出力される状態。
（３）出力ポートDのみから光Bが出力される状態。
（４）出力ポートCから光Aが、出力ポートDから光Bがそれぞれ出力される状態。

・さらに、上記一実施形態で説明した2×2の偏波無依存高速光スイッチを基本構成とし、この基本構成を複数備えた光モジュールを作製することで、N×Nの偏波無依存高速光スイッチを実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光モジュールの概略構成を示す斜視図。図１に示す偏波スプリッタの拡大図。

符号の説明

１０：光モジュール
２０：PLCチップ
２１：平面光波回路
２２_Ａ，２２_Ｂ：第１の入力側光導波路
２３：1/2波長板
２４_Ａ，２４_Ｂ：第２の入力側光導波路
２５_Ａ，２５_Ｂ：第１の出力側光導波路
２６_Ａ，２６_Ｂ：第２の出力側光導波路
３０：Siサブマウント
３１：半導体導波路
３２：半導体基板
３３，３４：半導体光スイッチ
４０，４１：偏波スプリッタ
５０、５１：偏波コンバイナ

Claims

PLCチップ上の平面光波回路と、半導体チップ上の半導体導波路をハイブリッド集積した光モジュールであって、
前記半導体チップの前記半導体導波路には、入射光をオン、オフさせて出射する半導体光スイッチ手段が設けられており、
前記平面光波回路は、
入射光をTE成分とTM成分に偏波分離する偏波スプリッタと、
偏波分離されたTE成分をそのまま前記半導体光スイッチ手段へ入射させる第１の入力側光導波路と、
偏波分離されたTM成分をTE成分に変換する１／２波長板が導波路中に挿入され、変換されたTE成分を前記半導体光スイッチ手段へ入射させる第２の入力側光導波路と、
前記TE成分とTM成分を合波して出力する偏波コンバイナと、
前記半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の一方を前記偏波コンバイナへ入射させる第１の出力側光導波路と、
前記半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の他方をTM成分に変換する前記１／２波長板が導波路中に挿入され、変換されたTM成分を前記偏波コンバイナへ入射させる第２の出力側光導波路と、を備え、
前記半導体チップは、サブマウント上に半導体基板が搭載されてなり、前記半導体基板に前記半導体導波路が設けられており、
前記半導体導波路と前記平面光波回路とがバットジョイント構造により集積されている
ことを特徴とする光モジュール。
前記平面光波回路は２つの入力ポートと２つの出力ポートとを備え、前記偏波スプリッタおよび前記偏波コンバイナが前記２つの入力ポートおよび２つの出力ポートにそれぞれ対応して２つずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記半導体光スイッチ手段は、前記半導体導波路に形成されたマッハツェンダー干渉計を含み、前記マッハツェンダー干渉計の２つのアーム導波路をそれぞれ伝搬する光の位相を変えることによってスイッチングを行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
前記平面光波回路は、一つの前記PLCチップ上に形成されており、前記半導体光スイッチ手段から出射される２つのTE成分の一方および他方は、前記半導体チップ上で折り返された半導体導波路を介して、前記PLCチップ上の前記第１の出力側光導波路および第２の出力側光導波路にそれぞれ入射されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の光モジュール。