JP4983149B2

JP4983149B2 - 光送信器

Info

Publication number: JP4983149B2
Application number: JP2006224210A
Authority: JP
Inventors: 傑秋山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-08-21
Also published as: JP2008046546A

Description

本発明は、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の電子デバイス間を光学的に接続して信号の送受信を行う光インターコネクションに用いられる光送信器に関し、特に伝送容量が大きい光インターコネクションに適用できる光送信器に関する。

コンピュータ等の情報処理装置内では、同一のプリント基板上又は異なるプリント基板上に搭載された電子デバイス（ＬＳＩ等）間で信号の送受信を行っている。このような電子デバイス間のインターコネクションにおいて、将来は１０Ｔｂ／ｓ（テラバイト／秒）にも及ぶ大きな伝送容量（伝送帯域）が必要となることが予想されている。このような伝送容量の大容量化に伴い、従来から一般的に用いられているＣｕ（銅）等の金属配線による電気的なインターコネクションに替えて、光によるインターコネクションを用いることが検討されている。

光インターコネクションを実現するためには、電気信号を光信号に変換するＥ／Ｏ（電気／光）変換素子を備えた光送信器と、光信号を電気信号に変換するＯ／Ｅ（光／電気）変換素子を備えた光受信器とが必要となる。Ｅ／Ｏ変換素子としては、例えば低コストで消費電力が小さいという特徴を有する面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：以下、「ＶＣＳＥＬ」という）を用いることが検討されている。また、Ｏ／Ｅ変換素子としては、フォトダイオード等を用いることができる。

非特許文献１には、図１に示す構造の光インターコネクション用光送信器が記載されている。この光送信器は、プリント基板１０上に搭載されたＬＳＩ１１、複数個のＶＣＳＥＬ１２及び光導波路アレイ１３により構成されている。この光送信器では、複数個のＶＣＳＥＬ１２がプリント基板１０の幅方向に配列（一次元配列）されている。各ＶＣＳＥＬ１２には、ＬＳＩ１１から個別に電気信号が供給され、各ＶＣＳＥＬ１２からは電気信号に応じた光信号（変調光）が出力される。

これらのＶＣＳＥＬ１２から出力される光信号は、光導波路アレイ１３を通って例えば同一のプリント基板１０上又は他のプリント基板上に搭載された光受信器に入力され、電気信号に変換される。この非特許文献１には、１０Ｇｂ／ｓ（ギガバイト／秒）駆動のＶＣＳＥＬを３２個使用し、合計で３２０Ｇｂ／ｓの伝送容量を確保できる光送信器が記載されている。

非特許文献２には、ＶＣＳＥＬを二次元配列して伝送容量を大きくした光送信器が記載されている。この非特許文献２の光送信器では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、プリント基板２０上に搭載されたＬＳＩ２１の上に（Ｍ×Ｎ）個のＶＣＳＥＬ２２を二次元配列している。ここで、Ｍは図２（ｂ）のＹ方向に並んだＶＣＳＥＬ２２の数であり、ＮはＸ方向に並んだＶＣＳＥＬ２２の数である。これらのＶＣＳＥＬ２２からは、ＬＳＩ２１から供給される電気信号に応じた光信号（変調光）が出力される。

ＶＣＳＥＬ２２の上方には、各ＶＣＳＥＬ２２にそれぞれ対応する（Ｍ×Ｎ）個のマイクロレンズを二次元配列して構成されたマイクロレンズアレイ２３と、マイクロレンズアレイ２３を透過した光信号をプリント基板２０に平行な方向に反射する４５度ミラー２４とが設けられている。この非特許文献２に記載された光送信器の構成を用いれば、将来的には、例えば１０Ｇｂ／ｓ駆動のＶＣＳＥＬ２２を１０００個使用することにより、１０Ｔｂ／ｓの伝送容量を実現することも原理的に可能と考えられる。

非特許文献３には、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）伝送技術を用いた光送信器が記載されている。この非特許文献３の光送信器においても、図３（ａ），（ｂ）に示すようにプリント基板３０上に搭載されたＬＳＩ３１の上に（Ｍ×Ｎ）個のＶＣＳＥＬ３２を二次元配列している。ここで、Ｍは図３（ｂ）のＹ方向に並んだＶＣＳＥＬ３２の数であり、ＮはＸ方向に並んだＶＣＳＥＬ３２の数である。これらのＶＣＳＥＬ３２は、ＬＳＩ３１から供給される電気信号に応じた光信号（変調光）を出力する。この非特許文献３の光送信器では、Ｘ方向に並んだＮ個のＶＣＳＥＬ３２から放出される光の波長が相互に異なっている。

ＶＣＳＥＬ３２の上方には、Ｘ方向に並んだＮ個のＶＣＳＥＬ３２から出力された光信号を多重化し、ＷＤＭ光信号として出力する光マルチプレクサ３４が配置されている。この光マルチプレクサ３４の下面側には、各ＶＣＳＥＬ３２に対向するように配置された（Ｍ×Ｎ）個のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイ３４ａが設けられている。また、光マルチプレクサ３４の上面側には、光マルチプレクサ３４から出力されるＷＤＭ光信号を集光するＭ個のマイクロレンズ３４ｂがＹ方向に並んで配置されている。更に、これらのマイクロレンズ３４ｂの上方には、それぞれ光ファイバ３５がその端面（入光面）をマイクロレンズ３４ｂに向けて配置されている。

このように構成された非特許文献３の光送信器において、（Ｍ×Ｎ）個のＶＣＳＥＬ３２から出力された光信号は、マイクロレンズアレイ３４ａを通って光マルチプレクサ３４に入力される。光マルチプレクサ３４は、Ｘ方向に並んだＮ個のＶＣＳＥＬ３２の放出光をそれぞれ多重化してＭチャネル分のＷＤＭ光信号を生成し、それらのＷＤＭ光信号（空間パラレルＷＤＭ光信号）を上方に出力する。光マルチプレクサ３４から出力されたＭチャネル分のＷＤＭ光信号は、それぞれマイクロレンズ３４ｂを介して対応する光ファイバ３５内に進入する。そして、それらの光ファイバ３５を通って同一のプリント基板３０上又は他のプリント基板上に搭載された光受信器に伝送される。

このように、非特許文献３の光送信器では、光マルチプレクサ３４を用いてＭチャネル分のＷＤＭ光信号を生成し、それらのＷＤＭ光信号をＭ本の光ファイバにより伝送することで、合計２５０Ｇｂ／ｓの伝送容量を実現している。

その他、本発明に関係すると思われる従来技術として、特許文献１，２及び非特許文献４〜７がある。特許文献１には、導波路型光変調器の構造が記載されている。また、特許文献２には、波長選択性を持った発光機能又は受光機能を有する微小タイル状素子を、薄膜トランジスタ回路に電気的に接続した波長多重ＴＦＴ回路間光インターコネクション回路が記載されている。更に、非特許文献４，５には光カプラの構造が記載されており、非特許文献６，７には複数のリング状光導波路により構成される変調器が記載されている。
特開２００４−１０９４５７号公報特開２００４−１９３１４４号公報 2003年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会C-3-123 Electronic Components and Technology Conference、231page, 2000年 IEEE Photonics Technology Letters, vol.17, No.1, 220-222page, 2005年 IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, page1032-1035, 1992年 IEEE Photonics Technology Letters, vol. 1, page241-243, 1989年 IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 24, page2146-2155, 2006年 Journal of Applied Physics, vol. 96, page6008-6015, 2004年

本願発明者等は、上述した非特許文献１〜３に記載された光送信器には以下に示す問題点があると考えている。すなわち、非特許文献１に記載された技術では、１０Ｇｂ／ｓ駆動のＶＣＳＥＬを使用して１０Ｔｂ／ｓの伝送容量を確保しようとすると、１０００個のＶＣＳＥＬを用意する必要がある。しかしながら、１０００個ものＶＣＳＥＬの信頼性を同時に確保することは極めて困難である。また、１０００個のＶＣＳＥＬを一方向に配列させるためには大きなスペースが必要となり、実装密度の観点から実現困難であると考えられる。

非特許文献２に記載された光送信器においても、１０Ｇｂ／ｓのＶＣＳＥＬを使用して１０Ｔｂ／ｓの伝送容量を確保するためには、１０００個のＶＣＳＥＬを用意する必要がある。非特許文献２の光送信器ではＶＣＳＥＬを二次元配列するためスペース的には許容できるものの、非特許文献１の光送信器と同様に１０００個ものＶＣＳＥＬの信頼性を同時に確保することは極めて困難であるという問題点がある。また、１０００個のＶＣＳＥＬと１０００個のマイクロレンズとの光軸を合わせるという煩雑な作業が必要となるという問題点もある。

更に、非特許文献２の光送信器ではＶＣＳＥＬから出力された光信号を基板面に平行な方向に伝送するために４５度ミラーが必要となる。このため、プリント基板の上方に４５度ミラーを配置するためのスペースが必要となり、装置の小型化が阻害されるという問題点もある。

非特許文献３の光送信器においても、１０Ｇｂ／ｓのＶＣＳＥＬを使用して１０Ｔｂ／ｓの伝送容量を確保するためには１０００個のＶＣＳＥＬを用意する必要があり、これらのＶＣＳＥＬの信頼性を同時に確保することが困難であるという問題点がある。また、１０００個のＶＣＳＥＬと１０００個のマイクロレンズとの光軸を合わせるという煩雑な作業が必要となる。

更に、非特許文献３の光送信器においても、ＶＣＳＥＬから出力された光信号をプリント基板の表面に平行な方向に伝送するためには光ファイバを直角に曲げる必要があり、非特許文献２の光送信器と同様にプリント基板の上方にスペースが必要となって、装置の小型化が阻害されるという問題点がある。

本発明の目的は、ＶＣＳＥＬ等の発光素子の個数が少なくても大きな伝送容量を確保することができるとともに、装置の小型化が容易な光インターコネクション用光送信器を提供することにある。

本発明の一観点によれば、Ｍ本（但し、Ｍは２以上の整数）の光導波路と、前記Ｍ本の光導波路にそれぞれ連続光を供給する連続光供給部と、前記Ｍ本の光導波路のそれぞれにＮ個（但し、Ｎは２以上の整数）づつ直列に接続され、外部から供給される電気信号に応じて前記光導波路を通る光に対し変調を行う変調器と、前記Ｍ本の光導波路毎に前記Ｎ個の変調器により変調された光を出力する光信号出力部とを有し、１本の光導波路に直列接続された前記Ｎ個の変調器は、変調可能な光の波長がそれぞれ異なることを特徴とする光送信器が提供される。

本発明の光送信器においては、Ｍ本の光導波路と、それらの光導波路に連続光を供給する連続光供給部とが設けられている。また、各光導波路にはそれぞれＮ個の変調器が直列に接続されている。従って、本発明の光導波路では、多重度ＮのＷＤＭ光信号がＭチャネル分生成される。これらの光信号は、光信号出力部を介して支持基板の表面に平行な方向に出力される。

連続光供給部は、例えば相互に異なる波長の連続光を発生するＮ個の発光素子と、それらの発光素子から出射された連続光を多重化してＭ本の光導波路にそれぞれ供給する光カプラとにより構成される。このような構成とすることにより、少ない発光素子で大きな伝送容量を確保することができる。また、部品の数が少なくてすみ、装置のより一層の小型化が可能になる。更に、光結合する箇所が少なくなるので、組み立てが容易になるとともに、信頼性が向上する。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図４は本発明の第１の実施形態に係るインターコネクション用光送信器を示す斜視図であり、図５は同じくその光送信器の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、本実施形態に係る光送信器は、プリント基板（支持基板）１１０と、このプリント基板１１０上に搭載されたＮ個の発光素子（光源）１１１、変調器集積素子１１２及び光導波路アレイ（光信号出力部）１１３と、変調器集積素子１１２の上にフリップチップ接合されるＬＳＩ１１４とにより構成されている。変調器集積素子１１２の上面には、ＬＳＩ１１４とフリップチップ接合するための電極１１５が設けられている。

また、変調器集積素子１１２は、図５に示すように、光カプラ１１５と変調器アレイ部１１６とにより構成されており、変調器アレイ部１１６は、波長選択機能を有する（Ｍ×Ｎ）個の変調器１２１により構成されている。ここで、Ｍは図５のＹ方向に並んだ変調器１２１の数であり、ＮはＸ方向に並んだ変調器１２１の数である。図５においては、Ｍ＝Ｎ＝４としているが、Ｍ及びＮの値は必要とされる総伝送容量及び各素子の性能などに基づいて決定される。

Ｎ個の発光素子１１１は、発光素子１１１毎に異なる波長の連続光（すなわち、変調されていない光）を発生する。図５では４個の発光素子１１１が設けられており、それらの発光素子１１１で発生する光の波長がλ１，λ２，λ３，λ４であるとしている。本実施形態ではこれらの発光素子１１１として、発振波長単一性が優れているＤＦＢ（Distributed Feed-Back：分布帰還型）レーザを使用するものとする。各発光素子１１１は、図５に示すように、変調器集積素子１１２の光カプラ１１５と光結合している。

光カプラ１１５は、Ｎ個の発光素子１１１から出力された波長が相互に異なる光を混合（多重化）して、波長多重連続光を生成する。この波長多重連続光は、Ｍ本（図５では４本）の光導波路１１７にそれぞれ出力され、変調器アレイ部１１６に伝達される。

変調器アレイ部１１６では、図５に示すように、１本の光導波路１１７に対しＮ個（図５では４個）の変調器１２１が直列に接続されている。これらＮ個の変調器１２１は、ＬＳＩ１１４から供給される電気信号に応じて、それぞれ異なる波長の光に対し変調を行う。ここでは、光カプラ１１５に近い変調器１２１から順に、波長λ１，λ２，λ３，λ４の光に対し変調を行うものとする。

図６は変調器１２１の動作の概念を示す模式図である。図６では、波長λ４の光に対し変調を行う変調器を示している。この図６に示すように、光導波路１１７を通る光は、入力部１２１ａにおいて波長λ４の光とそれ以外の波長λ１，λ２，λ３の光とに分離される。変調部１２１ｂは、入力部１２１ａにより分離された波長λ４の光に対し、ＬＳＩ１１４から供給される電気信号に応じた変調を行う。一方、入力部１２１ａで分離された波長λ１，λ２，λ３の光は出力部１２１ｃに伝達される。出力部１２１ｃは、変調部１２１ｂで変調された波長λ４の光と、入力部１２１ａから伝達された波長λ１，λ２，λ３の光とを混合（多重化）して、出力側光導波路１１７に出力する。このように、変調器１２１は、光導波路１１７を通る光のうち所定の波長の光のみを変調し、他の波長の光は入力時と同じ状態で出力する。

光導波路アレイ１１３はＭ本（図５では４本）の光導波路１１３ａにより構成されている。これらの光導波路１１３ａは、変調器集積素子１１２のＭ本の光導波路１１７と１：１に光結合している。この光導波路アレイ１１３を介して、同一プリント基板１１０上又は他のプリント基板上に搭載された光受信器にＷＤＭ光信号が伝達される。

以下、変調器集積素子１１２を構成する光導波路１１７、光カプラ１１５及び変調器１２１の具体的な構造について説明する。これらの光導波路１１７、光カプラ１１５及び変調器１２１は、いずれもシリコン基板（半導体基板）の上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層を基本的な要素として構成されている。また、これらの光導波路１１７、光カプラ１１５及び変調器１２１は、一般的な成膜法（例えば、ＣＶＤ法）と、フォトリソグラフィ法及びエッチング法とを用いて同一シリコン基板上に一体的に形成される。

図７（ａ）は変調器集積素子１１２の光導波路１１７の構造を示す断面図、図７（ｂ）は同じくその光導波路１１７の各部の大きさを説明するための図である。図７（ａ）に示すように、シリコン基板１３０上には、下部クラッド層としてＳｉＯ₂層１３１が形成されている。このＳｉＯ₂層１３１の厚さｔ１（図７（ｂ）参照）は例えば３．０μｍである。

ＳｉＯ₂層１３１の上には、コア層を構成するＳｉ層１３２が形成されている。Ｓｉ層１３２のうち光導波路となるリブ状の部分（以下、「コア１３２ａ」という）の厚さｔ２（図７（ｂ）参照）は例えば２５０ｎｍ、それ以外部分のＳｉ層１３２の厚さｔ３（図７（ｂ）参照）は例えば５０ｎｍである。また、コア１３２ａの幅ｗ１（図７（ｂ）参照）は例えば４５０ｎｍである。本実施形態では、図７（ａ）に示すように、光導波路となる部分以外のＳｉＯ₂層１３１の上にもＳｉ層１３２が薄く（厚さｔ３）形成されている。以下、この薄く形成されたＳｉ層１３２を、Ｓｉ薄膜１３２ｂと呼ぶ。

Ｓｉ層１３２の上には上部クラッド層としてＳｉＯ₂層１３３が形成されており、コア１３２ａの周囲はＳｉＯ₂層１３１，１３３により覆われている。

このように構成された光導波路１１７において、コア１３２ａの屈折率はその周囲を覆うＳｉＯ₂層１３１，１３３の屈折率よりも高いため、コア１３２ａを通る光はＳｉＯ₂層１３１，１３３との界面で全反射する。これにより、光はコア１３２ａ内に閉じ込められる。

図８（ａ）は、光カプラ１１５の構成を示す上面図、図８（ｂ）は同じくその光カプラ１１５の各部の大きさを説明するための図である。また、図９は、図８（ｂ）に破線Ａで囲んだ部分を拡大して示す図である。なお、この種の光カプラの構造は、前述の非特許文献４，５に記載されている。

図８（ａ）に示すように、光カプラ１１５は、Ｎ本の光導波路１４１ａにより構成される入力ポート側光導波路アレイ１４１と、スラブ導波路部１４２と、Ｍ本の光導波路１４３ａにより構成される出力ポート側光導波路アレイ１４３と、ダミーの光導波路１４１ｂ，１４３ｂとにより構成されている。これらの光導波路１４１ａ，１４１ｂ，１４３ａ，１４３ｂ及びスラブ導波路部１４２はコア層により構成され、その周囲にはクラッド層が配置されている。

入力ポート側光導波路アレイ１４１を構成するＮ本の光導波路１４１ａは、それぞれ対応する発光素子１１１に光結合される。入力側端面における光導波路１４１ａの幅は例えば４５０ｎｍ（図７の光導波路１１７の幅と同じ）であり、入力側端面における光導波路１４１ａのピッチｐ１（図８（ｂ）参照）は例えば３００μｍである。また、図９に示すように、光導波路１４１ａのうちスラブ導波路部１４２から５０μｍの範囲ではスラブ導波路部１４２に近づくほど光導波路１４１ａの幅が広くなっており、スラブ導波路部１４２との接続部分の幅ｗ２は例えば０．８μｍ、ピッチｐ２は例えば１．０μｍに設定されている。

出力ポート側光導波路アレイ１４３を構成するＭ本の光導波路１４３ａも、光導波路１４１ａと同様に、出力側端面における幅が例えば４５０ｎｍ、ピッチが例えば３００μｍに設定されている。また、光導波路１４３ａのうちスラブ導波路部１４２から５０μｍの範囲では、スラブ導波路部１４２に近づくほど光導波路１４３ａの幅が広くなっており、スラブ導波路部１４２との接続部分における光導波路１４３ａの幅は例えば０．８μｍ、ピッチは例えば１．０μｍに設定されている。

スラブ導波路部１４２の入力側及び出力側の面の形状は、図８（ｂ）に示すように、半径Ｒが例えば１５０μｍの円によって規定されている。また、スラブ導波路部１４２の入力側のＹ方向の両側部及び出力側のＹ方向の両側部には、各光導波路１４３ａに分配される波長多重連続光の均一性を確保するために、それぞれ複数のダミーの光導波路１４１ｂ，１４３ｂが設けられている。

図１０は、変調器１２１の構成を示す上面図である。ここでは、変調器１２１としてリング状共振型光変調器を用いている。なお、この種のリング状共振型光変調器の構造は、前述の非特許文献６，７に記載されている。

変調器１２１は、図１０に示すように、リング状の３つの光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃと、ドロップポート１５２とにより構成されている。リング状光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃは、光導波路１１７とドロップポート１５２との間にＹ方向に並んで配置されている。光導波路１１７とリング状光導波路１５１ａ、リング状光導波路１５１ａとリング状光導波路１５１ｂ、リング状光導波路１５１ｂとリング状光導波路１５１ｃ、リング状光導波路１５１ｃとドロップポート１５２は、それぞれ方向性結合器を構成している。ドロップポート１５２は光導波路により構成されており、リング状光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃにより構成された方向性結合器を介して光導波路１１７から移送されてきた光を両方の端面から放散するという機能を備えている。

リング状光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃの大きさは変調する光の波長に応じて設定される。例えば波長が１．５５μｍの光を変調する変調器の場合、リング状光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃの半径は８μｍに設定される。また、光導波路１１７とリング状光導波路１５１ａとにより構成される方向性結合器、及びリング状光導波路１５１ｃとドロップポート１５２とにより構成される方向性結合器は、いずれも結合係数が０．１３７、パワー移行率が１．９％に設定され、リング状光導波路１５１ａ，１５１ｂにより構成される方向性結合器、及びリング状光導波路１５１ｂ，１５１ｃにより構成される方向性結合器は、いずれも結合係数が０．００７４６、パワー移行率が０．００５６％に設定される。

図１１は、リング状光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃの断面を示す図である。この図１１に示すように、リング状光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃの基本的な構造は図７（ａ）に示す光導波路１１７と同じであるが、コア１３２ａの上方には導電性不純物を導入したポリシリコンからなる電極１５３が設けられている。また、Ｓｉ薄膜１３２ｂのうちコア１３２ａから若干離れた部分には導電性不純物が導入されており、その導電性不純物が導入された部分がコモン電極（接地電極）１５４となっている。これらの電極１５３，１５４は、変調器１２１の上方（変調器集積素子１１２の上面）に設けられたフリップチップ接続用電極（図４の電極１１５）に電気的に接続されている。それらの接続用電極の上には、ＬＳＩ１１４がフリップチップ接続される。

このように構成された変調器１２１において、電極１５３に電圧が印加されていないときには、光導波路１１７を通るλ１，λ２，λ３，λ４の波長の光はそのまま入力ポート（入力部）からスルーポート（出力部）に伝送される。電極１５３に電圧を印加すると、特定の波長の光（例えば波長λ１の光）のみがリング状光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃを介してドロップポート１５２に移送され、他の波長の光（例えば、波長λ２，λ３，λ４の光）はスルーポートに伝送される。ドロップポート１５２に移送された光は、ドロップポート１５２の端部から放射されて散逸する。

図１２（ａ），（ｂ）は変調器１２１の特性を示す図である。図１２（ａ）は電極１５３に電圧を印加していないとき（光導波路の屈折率変化Δｎ＝０のとき）の特性を示し、図１２（ｂ）は電極１５３に電圧を印加したときの特性を示している。なお、ここでは、波長が１．５５μｍの光に対し変調を行う変調器の特性を示している。また、図１２（ａ），（ｂ）において縦軸はスルーポート（出力部）への透過率（単位：ｄＢ）であり、変調器の入力ポート（入力部）に入力された光の強度とスルーポートに出力された光の強度との比の対数値である。ここでは、電圧を印加することにより、光導波路の７×１０^-4の屈折率変化（Δｎ＝７×１０^-4）が生じるものとしている。

図１２（ａ）に示すように、電極１５３に電圧が印加されていないときには、変調器の遮断帯域は１．５５μｍよりも上側（波長が長いほう）に位置している。このため、光導波路１１７を通る波長１．５５μｍの光は、変調器で減衰されることなくスルーポートに出力される。一方、電極１５３に電圧を印加すると、図１２（ｂ）に示すように変調器の遮断帯域の中心が１．５５μｍの位置に移動する。このため、光導波路１１７を通る波長１．５５μｍの光は、リング状光導波路１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃを介してドロップポート１５２に移送され、ドロップポート１５２の両端部から放散される。

電極１５３に印加する電圧を時間的に変化させることにより、光導波路１１７を通る波長１．５５μｍの光が変調される。このようにして、光カプラ１１５から光導波路１１７に出力された波長多重連続光は、光導波路１１７に沿って配置されたＮ個の変調器１２１により変調され、その結果変調器アレイ部１１６からＷＤＭ光信号（変調光）が出力される。

本実施形態において、変調器集積素子１１２における光導波路１１７の配設ピッチは光カプラ１１５の出力ポート側の光導波路１４３ａの配設ピッチと同じであり、例えば３００μｍである。一方、変調器１２１のサイズは数１０μｍ程度であるので、各光導波路１１７間の領域に変調素子１２１を配置することができる。

なお、これらの光導波路１１７、光カプラ１１５及び変調器１２１は、その表面上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）及び結晶状シリコン膜が形成されたＳＯＩ（Silicon On Insulation）基板を用いて形成される。ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜が下部クラッド層となり、結晶状シリコン膜がコア層となる。

以下、本発明を総伝送容量が１０Ｔｂ／ｓの光送信器に適用する場合について説明する。１０Ｔｂ／ｓの伝送容量を実現するために、本実施形態では、発光素子１１１として連続発振が可能な３２個の端面出射型ＤＦＢレーザを使用する。これらのＤＦＢレーザから出射される光の波長は、１．５５μｍを中心として５０ＧＨｚ間隔（約０．４ｎｍ間隔）であるとものとする。

光カプラ１１５は、これら３２個のＤＦＢレーザから出射された相互に異なる波長の光を多重化して波長多重連続光を生成し、その波長多重連続光を３２本の光導波路１１７に出力する。これらの３２本の光導波路１１７には、それぞれ変調する光の波長が相互に異なる３２個の変調器１２１が直列に接続されている。これらの変調器１２１は、ＬＳＩ１１４から送られてくる電気信号により１０Ｇｂ／ｓの速度で駆動され、それぞれ所定の波長の光に対し変調を行う。これらの変調器１２１により変調された３２個のＷＤＭ光信号は、光導波路アレイ１１３に設けられた３２本の光導波路１１３ａを通って同一プリント基板１１０上又は他のプリント基板上に搭載された光受信器に送られる。

このような光送信器において、総伝送容量は１０．２４Ｔｂ／ｓ（＝３２（ＷＤＭ光信号の多重度）×３２（光導波路の数）×１０Ｇｂ／ｓ（変調器の変調速度））となる。本実施形態の光送信器において、１０Ｔｂ／ｓの伝送容量を実現するのに必要な発光素子１１１の個数は３２個と少ない。また、変調器集積素子１１２内の光導波路１１７の数も３２本と少なく、小型化が容易なリング状共振型光変調器を使用していることと相俟って、光送信器の小型化が容易である。例えば、総伝送容量が１０Ｔｂ／ｓの光送信器の場合、駆動用のＬＳＩと同等又はそれ以下のサイズ（例えば１ｃｍ角）とすることができる。

更に、本実施形態の光送信器は、半導体製造技術を用いて比較的容易に製造できるので、製造コストが低く、信頼性が高いという利点もある。また、本実施形態では発光素子で変調光を生成するのではないため、発光素子１１１として連続発光するものを使用することができる。

更にまた、本実施形態の光送信器は、光カプラ１１５及び変調器アレイ１１６がシリコン基板１３０上の下部クラッド層、コア層、上部クラッド層により一体的に形成されているので、光結合すべき部分は、発光素子１１１と変調器集積素子１２１との間、及び変調器集積素子１２１と光導波路アレイ１１３との間だけでよく、組立作業が容易である。

更にまた、本実施形態の光送信器においては、発光素子１１１から出射された光をプリント基板１１０の表面に平行な方向に移動させながら変調を行うので、図２，図３に示すようにプリント基板面に垂直な方向に出射される光信号の進行方向を変化させるミラーや光ファイバを配置するためのスペースを確保する必要がなく、装置の小型化が容易に達成される。

（第２の実施形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態のインターコネクション用光送信器を示す斜視図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は発光素子１１１の搭載方法が異なることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様であるので、図１３において図４と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、図１３に示すように変調器集積素子１１２の入力側（図１３では左側）にテラス部（段差部）１１２ａが設けられており、このテラス部１１２ａの上に発光素子１１１が搭載されている。テラス部１１２ａには発光素子１１１との位置合わせ用マーク（図示せず）が設けられており、それらのマークを用いて発光素子１１１を所定の位置に配置することにより、発光素子１１１と変調器集積素子１１２の光導波路とを光結合することができる。

前述の第１の実施形態では、プリント基板１１０の上に発光素子１１１と変調器集積素子１１２とを個別に搭載するため、発光素子１１１と変調器集積素子１１２との位置合わせが難しく、量産性が悪いことが考えられる。一方、本実施形態では、変調器集積素子１１２のテラス部１１２ａに予め位置合わせマークを設けておき、それらの位置合わせマークを用いて変調器集積素子１１２の所定の位置に発光素子１１１を搭載すればよいので、第１の実施形態に比べて量産性が優れているという利点がある。

なお、上記第１及び第２の実施形態では、光導波路１１７、光カプラ１１５及び変調器１２１がシリコン基板上に成膜されたシリコン材料からなる膜（Ｓｉ膜及びＳｉＯ₂膜）により形成されているものとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＩｎＰ基板又はＧａＡｓ基板と、その基板に格子整合する材料からなる膜とにより光導波路１１７、光カプラ１１５及び変調器１２１を形成してもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態では、図１０に示す構造の波長選択機能を有するリング状共振型光変調器を用いる場合について説明したが、波長選択機能を有する素子と変調素子とが個別に形成されていてもよい。

更に、上記第１及び第２の実施形態では発光素子１１１として端面出射型ＤＦＢレーザを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、発光素子１１１として、面発光レーザや多波長同時発振の光源を使用してもよい。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）連続光が入力される光導波路と、
前記光導波路に沿って配置され、外部から供給される電気信号に応じて前記光導波路を通る光に対し変調を行う複数の変調器と、
前記複数の変調器により変調された光を出力する光信号出力部とを有し、
前記複数の変調器は変調可能な光の波長がそれぞれ異なることを特徴とする光送信器。

（付記２）更に、相互に異なる波長の連続光を発生する複数の発光素子と、
前記複数の発光素子から出射される連続光を多重化して前記光導波路に供給する光カプラとを有することを特徴とする付記１に記載の光送信器。

（付記３）前記光信号出力部は、前記複数の変調器により変調された光を支持基板の表面に平行な方向に出力することを特徴とする付記１に記載の光送信器。

（付記４）Ｍ本（但し、Ｍは２以上の整数）の光導波路と、
前記Ｍ本の光導波路にそれぞれ連続光を供給する連続光供給部と、
前記Ｍ本の光導波路のそれぞれにＮ個（但し、Ｎは２以上の整数）づつ直列に接続され、外部から供給される電気信号に応じて前記光導波路を通る光に対し変調を行う変調器と、
前記Ｍ本の光導波路毎に前記Ｎ個の変調器により変調された光を出力する光信号出力部とを有し、
１本の光導波路に直列接続された前記Ｎ個の変調器は、変調可能な光の波長がそれぞれ異なることを特徴とする光送信器。

（付記５）前記連続光供給部が、相互に異なる波長の連続光を発生するＮ個の発光素子と、前記Ｎ個の発光素子から出射された連続光を多重化して前記Ｍ本の光導波路にそれぞれ供給する光カプラとにより構成されていることを特徴とする付記４に記載の光送信器。

（付記６）前記発光素子が、いずれもＤＦＢ（Distributed Feed-Back：分布帰還型）レーザであることを特徴とする付記５に記載の光送信器。

（付記７）前記光導波路と、前記変調器と、前記光カプラとが一体的に形成されていることを特徴とする付記５に記載の光送信器。

（付記８）前記光導波路、前記変調器及び前記光カプラが、同一半導体基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層により構成されていることを特徴とする付記５に記載の光送信器。

（付記９）前記発光素子が、前記半導体基板上に搭載されていることを特徴とする付記８に記載の光送信器。

（付記１０）前記光導波路、前記変調器及び前記光カプラが、いずれもシリコン又はシリコン化合物により形成されていることを特徴とする付記５に記載の光送信器。

（付記１１）前記光導波路、前記変調器及び前記光カプラが、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成されていることを特徴とする付記５に記載の光送信器。

（付記１２）前記変調器の上方に、前記電気信号を供給する半導体装置に接続するための電極が配置されていることを特徴とする付記４に記載の光送信器。

（付記１３）前記変調器は、前記半導体装置とフリップチップ接合されることを特徴とする付記１２に記載の光送信器。

（付記１４）前記光信号出力部は、前記変調器により変調された光を支持基板の表面に平行な方向に出力することを特徴とする付記４に記載の光送信器。

（付記１５）前記変調器が、リング共振型光変調器であることを特徴とする付記４に記載の光送信器。

（付記１６）前記Ｎ個の変調器が、１．５５μｍを中心として５０ＧＨｚ間隔の波長の光を変調することを特徴とする付記４に記載の光送信器。

図１は、従来の光インターコネクション用光送信器（その１）を示す模式図である。図２（ａ）は従来の光インターコネクション用光送信器（その２）を示す模式図、図２（ｂ）は同じくその光送信器のＶＣＳＥＬの配置を示す図である。図３（ａ）は従来の光インターコネクション用光送信器（その３）を示す模式図、図３（ｂ）は同じくその光送信器のＶＣＳＥＬの配置を示す図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係るインターコネクション用光送信器を示す斜視図である。図５は、第１の実施形態の光送信器の構成を示すブロック図である。図６は、変調器の動作の概念を示す模式図である。図７（ａ）は変調器集積素子の光導波路の構造を示す断面図、図７（ｂ）は同じくその光導波路の各部の大きさを説明するための図である。図８（ａ）は光カプラの構成を示す上面図、図８（ｂ）は同じくその光カプラの各部の大きさを説明するための図である。図９は、図８（ｂ）に破線Ａで囲んだ部分を拡大して示す図である。図１０は、変調器の構成を示す上面図である。図１１は、変調器のリング状光導波路の断面図である。図１２（ａ），（ｂ）は変調器の特性を示す図であり、図１３は、本発明の第２の実施形態のインターコネクション用光送信器を示す斜視図である。

符号の説明

１０，２０，３０，１１０…プリント基板、
１１，２１，３１，１１４…ＬＳＩ、
１２，２２，３２…ＶＣＳＥＬ、
１３，１１３…光導波路アレイ、
２３，３４ａ…マイクロレンズアレイ、
２４…４５度ミラー、
３４…光マルチプレクサ、
３４ｂ…マイクロレンズ、
３５…光ファイバ、
１１１…発光素子、
１１２…変調集積素子、
１１２ａ…テラス部、
１１５…光カプラ、
１１６…変調器アレイ部、
１１７，１４１ａ，１４１ｂ，１４３ａ，１４３ｂ…光導波路、
１２１…変調器、
１３０…シリコン基板、
１３１，１３３…ＳｉＯ₂層、
１３２…Ｓｉ層、
１３２ａ…コア、
１３２ｂ…Ｓｉ薄膜、
１４１…入力ポート側光導波路アレイ、
１４２…スラブ導波路部、
１４３…出力ポート側光導波路アレイ、
１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ…リング状光導波路、
１５２…ドロップポート。

Claims

Ｍ本（但し、Ｍは２以上の整数）の光導波路と、
前記Ｍ本の光導波路にそれぞれ連続光を供給する連続光供給部と、
前記Ｍ本の光導波路のそれぞれにＮ個（但し、Ｎは２以上の整数）づつ直列に接続され、外部から供給される電気信号に応じて前記光導波路を通る光に対し変調を行う変調器と、
前記Ｍ本の光導波路毎に前記Ｎ個の変調器により変調された光を出力する光信号出力部とを有し、
１本の光導波路に直列接続された前記Ｎ個の変調器は、変調可能な光の波長がそれぞれ異なることを特徴とする光送信器。
前記連続光供給部が、相互に異なる波長の連続光を発生するＮ個の発光素子と、前記Ｎ個の発光素子から出射された連続光を多重化して前記Ｍ本の光導波路にそれぞれ供給する光カプラとにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
前記発光素子が、いずれもＤＦＢ（Distributed Feed-Back：分布帰還型）レーザであることを特徴とする請求項２に記載の光送信器。
前記光導波路、前記変調器及び前記光カプラが、同一半導体基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光送信器。
前記発光素子が、前記半導体基板上に搭載されていることを特徴とする請求項４に記載の光送信器。
前記変調器の上方に、前記電気信号を供給する半導体装置に接続するための電極が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
前記変調器は、前記半導体装置とフリップチップ接合されることを特徴とする請求項６に記載の光送信器。
前記光信号出力部は、前記変調器により変調された光を支持基板の表面に平行な方向に出力することを特徴とする請求項１に記載の光送信器。