JP5171538B2 - Optical modulator and tunable laser module - Google Patents

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本発明は、レーザ光を強度変調する光変調器および波長可変レーザーモジュールに関する。   The present invention relates to an optical modulator that modulates the intensity of laser light and a wavelength tunable laser module.

長距離光通信システムでは、伝送媒体である光ファイバの波長分散による光信号の波形劣化が中継距離の長短を左右し、システムコストに大きな影響を与える。特に大容量の高速通信システムでは、この影響は深刻であり、光信号に含まれる波長の変動、所謂チャーピングが少ない外部変調方式を採用して、波形の劣化を抑制している。外部変調方式に使用できるデバイスとしては、1)電界印加による光吸収の増大を利用した多重量子井戸(MQW)構造を有する吸収型半導体光変調器、2)電気光学効果を利用したマッハツェンダ干渉系型LN変調器が実用化されている。   In a long-distance optical communication system, waveform deterioration of an optical signal due to wavelength dispersion of an optical fiber that is a transmission medium affects the length of the relay distance and greatly affects the system cost. In particular, in a high-capacity high-speed communication system, this influence is serious, and an external modulation method with less fluctuation of the wavelength included in the optical signal, so-called chirping, is employed to suppress waveform deterioration. The devices that can be used for the external modulation system are as follows: 1) an absorption semiconductor optical modulator having a multiple quantum well (MQW) structure that utilizes an increase in light absorption by applying an electric field, and 2) a Mach-Zehnder interference system that utilizes an electro-optic effect. LN modulators have been put into practical use.

一方で、光通信システムの更なる大容量化のために、波長多重(WDM)通信方式が導入されている。WDM通信システムの光源としては、レーザー光の波長を制御して変えることが可能な波長可変レーザーが好適である。近年の技術開発の成果として、波長可変レーザーの実用化が現実のものとなり、実用システムへの導入が開始されようとしている。   On the other hand, a wavelength division multiplexing (WDM) communication system has been introduced to further increase the capacity of an optical communication system. As a light source of the WDM communication system, a wavelength tunable laser capable of controlling and changing the wavelength of laser light is suitable. As a result of technological development in recent years, practical application of wavelength tunable lasers has become a reality, and introduction into practical systems is about to begin.

前述の外部変調器の内、吸収型半導体光変調器は、その動作原理に起因して変調可能な波長帯域が限られるため、このような波長可変光源に対応するための変調器として適用することは不可能である。そこで、マッハツェンダ干渉系型LN変調器が有望視されているが、このデバイスはサイズが大きく小型トランシーバモジュールに搭載することができないという問題がある。   Among the above-described external modulators, the absorption semiconductor optical modulator is limited in the wavelength band that can be modulated due to its operating principle, and therefore should be applied as a modulator for dealing with such a wavelength tunable light source. Is impossible. Therefore, a Mach-Zehnder interferometric LN modulator is considered promising, but this device has a problem that it is too large to be mounted on a small transceiver module.

特許文献1には、電気光学効果による屈折率変化を利用したチャープの少ない光変調器が開示されている。従来の光吸収を電界で制御して変調を行う吸収型半導体光変調器と異なり、この光変調器においては、動作可能な波長帯域が制限されることはない。したがって、波長可変レーザーの変調器として使用でき、また小型化も可能と考えられる。また、特許文献2には、シリコンを材料とするマッハツェンダ干渉系型光変調器が開示されている。このデバイスは、製造コストを安くできるシリコンを材料とする光変調器として注目されている。   Patent Document 1 discloses an optical modulator with less chirp using a change in refractive index due to an electro-optic effect. Unlike the conventional absorption-type semiconductor optical modulator that modulates light absorption by controlling the optical absorption with an electric field, the operable wavelength band is not limited in this optical modulator. Therefore, it can be used as a modulator of a wavelength tunable laser and can be miniaturized. Patent Document 2 discloses a Mach-Zehnder interference type optical modulator using silicon as a material. This device has attracted attention as an optical modulator made of silicon, which can reduce the manufacturing cost.

特開2003−233040号公報JP 2003-233040 A WO2004/088394WO2004 / 088394

しかしながら、上記の特許文献1に開示された光変調器は、従来の吸収型半導体光変調器に比べてチャープが少ない変調器であるが、10Gbps以上の長距離高速通信システムに使用する光変調器としては不十分である。また、特許文献2に記載された光変調器は、マッハツェンダ干渉系型であることから、デバイスサイズが大きいという問題を解決するものではない。   However, the optical modulator disclosed in Patent Document 1 is a modulator with less chirp than a conventional absorption semiconductor optical modulator, but is used for a long-distance high-speed communication system of 10 Gbps or more. Is insufficient. Moreover, since the optical modulator described in Patent Document 2 is a Mach-Zehnder interference type, it does not solve the problem of a large device size.

そこで、本発明は、上記の問題に鑑みて、動作可能波長帯域が広く、光ファイバによる分散に対しても波形劣化がすくない、小型の光変調器を実現することを目的としている。   In view of the above problems, an object of the present invention is to realize a small-sized optical modulator that has a wide operable wavelength band and that does not undergo waveform deterioration even with respect to dispersion by an optical fiber.

上記課題を解決するために、本発明に係る光変調器は、レーザー光に信号を重畳する光変調器であって、レーザー光を導波するための光導波層と、光導波層を間に挟んで設けられ、光導波層より屈折率が小さい第1クラッド層および第2クラッド層と、光導波層を伝搬するレーザー光を多重反射させるために、対向して設けられた2つの反射器と、2つの反射器の間に配置されて、光導波層の屈折率を変化させるための変調信号が印加される電極と、を備え、電極は、変調信号によって前記光導波層の屈折率が相対的に高くなるにしたがい、前記対向して設けられた2つの反射器の外側に出力される信号光の強度が高くなるようにバイアスされることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an optical modulator according to the present invention is an optical modulator that superimposes a signal on laser light, and an optical waveguide layer for guiding laser light and an optical waveguide layer interposed therebetween. A first clad layer and a second clad layer which are provided between the optical waveguide layers and have a refractive index smaller than that of the optical waveguide layer; and two reflectors which are provided to face each other in order to multiply reflect the laser light propagating through the optical waveguide layer, , is disposed between two reflectors, comprising an electrode modulation signal for changing the refractive index of the optical waveguide layer is applied, the electrode, the refractive index of said optical waveguide layer by modulation signal follow the relatively higher, and wherein said arc opposed to the intensity of the two signal light output to the outside of the reflector provided is biased so that a high.

本発明に係る光変調器は、光導波路の両端に反射器を設けてレーザー光を多重反射させるファブリペロー干渉計構造を有する。この光変調器に変調信号を加えて動作させる場合において、変調信号により導波路の屈折率が高くなる方向に変化するに従い、外部に出力される変調されたレーザー光の強度が高くなるように動作条件を設定する。これにより、光ファイバで伝送した後において信号波形の劣化が少なくなる、チャープ特性を制御した変調光を得ることができる。   The optical modulator according to the present invention has a Fabry-Perot interferometer structure in which reflectors are provided at both ends of an optical waveguide to multiplexly reflect laser light. When operating this optical modulator by adding a modulation signal, the intensity of the modulated laser beam output to the outside increases as the modulation signal changes in the direction of increasing the refractive index of the waveguide. Set conditions. As a result, it is possible to obtain modulated light with controlled chirp characteristics in which signal waveform deterioration is reduced after transmission through an optical fiber.

本発明に係る光変調器において、2つの反射器は、光導波層の端部に形成されたヘキ開面、またはヘキ開面に反射率を調整するためのコーティングが施されたミラー面で構成されることを特徴とする。これにより、光変調器のサイズを小さくすることができ、光学系の構成を簡単にすることができる。   In the optical modulator according to the present invention, the two reflectors are constituted by a cleaved surface formed at the end of the optical waveguide layer or a mirror surface on which a coating for adjusting the reflectance is applied to the cleaved surface. It is characterized by being. Thereby, the size of the optical modulator can be reduced, and the configuration of the optical system can be simplified.

また、本発明に係る光変調器において、2つの反射器は、光導波層を伝搬するレーザー光と干渉する回折格子を有するブラッグ反射器であること特徴とする。さらに、本発明に係る光変調器は、光導波層の両端面に設けられたヘキ開面に、レーザー光の反射を防止する反射防止膜を有すること特徴とする。   In the optical modulator according to the present invention, the two reflectors are Bragg reflectors having a diffraction grating that interferes with laser light propagating through the optical waveguide layer. Furthermore, the optical modulator according to the present invention has an antireflection film for preventing reflection of laser light on the cleaved surface provided on both end faces of the optical waveguide layer.

本発明に係る光変調器において、第1クラッド層は、光導波層を伝搬するレーザー光に対して透明であるInPを含むInGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなり、第2クラッド層は、InPを含むInGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなり、光導波層は、InGaAsP混晶系から選択された化合物半導体層を含むことを特徴とする。   In the optical modulator according to the present invention, the first cladding layer is made of a compound semiconductor crystal selected from an InGaAsP mixed crystal system containing InP that is transparent to laser light propagating through the optical waveguide layer, and the second cladding layer Is made of a compound semiconductor crystal selected from an InGaAsP mixed crystal system containing InP, and the optical waveguide layer includes a compound semiconductor layer selected from an InGaAsP mixed crystal system.

さらに、本発明に係る光変調器において、光導波層は、InPを含むInGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなる障壁層と、InGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなる井戸層と、を積層した多重量子井戸(MQW)構造を有することを特徴とする。   Furthermore, in the optical modulator according to the present invention, the optical waveguide layer includes a barrier layer made of a compound semiconductor crystal selected from an InGaAsP mixed crystal system containing InP, and a well made of a compound semiconductor crystal selected from an InGaAsP mixed crystal system. And a multiple quantum well (MQW) structure in which layers are stacked.

また、本発明に係る光変調器において、光導波層は、光導波層を伝搬するレーザー光に対して透明であるAlGaInAs混晶系から選択された化合物半導体結晶からなる障壁層と、InGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなる井戸層と、を積層した多重量子井戸(MQW)構造を有することを特徴とする。   In the optical modulator according to the present invention, the optical waveguide layer includes a barrier layer made of a compound semiconductor crystal selected from an AlGaInAs mixed crystal system that is transparent to laser light propagating through the optical waveguide layer, and an InGaAsP mixed crystal. It has a multiple quantum well (MQW) structure in which a well layer made of a compound semiconductor crystal selected from the system is stacked.

本発明の光変調器の材料となる上記のInGaAsP混晶系およびAlGaInAs混晶系の化合物半導体は、InPと格子整合する混晶系であるので、MOCVD法などの結晶成長法により市販のInP基板上に転移など結晶欠陥の少ない良質の結晶を形成することができる。また、光ファイバ通信に使用される1.5μmの波長帯に対して透明となる結晶組成を有する。したがって、本発明の光変調器の材料として好適である。   The above-described InGaAsP mixed crystal system compound and AlGaInAs mixed crystal system compound semiconductor, which are materials for the optical modulator of the present invention, are mixed crystal systems that lattice match with InP. Therefore, a commercially available InP substrate can be formed by a crystal growth method such as MOCVD. A high-quality crystal with few crystal defects such as dislocations can be formed thereon. In addition, it has a crystal composition that is transparent to a wavelength band of 1.5 μm used for optical fiber communication. Therefore, it is suitable as a material for the optical modulator of the present invention.

本発明に係る光変調器において、第1クラッド層は、第1の導電性を有し、第2クラッド層は、第2の導電性を有し、第1クラッド層と第2クラッド層に各々に接続された2つの電極に逆バイアスとなる変調信号を印加することにより、光導波層の屈折率を変化させることを特徴とする。   In the optical modulator according to the present invention, the first cladding layer has a first conductivity, the second cladding layer has a second conductivity, and each of the first cladding layer and the second cladding layer has a second conductivity. The refractive index of the optical waveguide layer is changed by applying a modulation signal having a reverse bias to the two electrodes connected to.

本発明によれば、第1クラッド層と第2クラッド層の間に位置するPN接合に逆バイアスとなる変調信号が印加され、光導波層に変調された電界が印加される。これにより、電気光学効果に起因する屈折率の変化が生じ、ファブリペロー干渉計の境界条件が変化して出力光の強度が変化する。その結果、出力光が変調信号に対応した強度変調を受けることとなり、光変調器としての動作が得られる。   According to the present invention, a modulation signal having a reverse bias is applied to the PN junction located between the first cladding layer and the second cladding layer, and a modulated electric field is applied to the optical waveguide layer. As a result, the refractive index changes due to the electro-optic effect, the boundary conditions of the Fabry-Perot interferometer change, and the intensity of the output light changes. As a result, the output light is subjected to intensity modulation corresponding to the modulation signal, and an operation as an optical modulator is obtained.

また、本発明に係る光変調器において、第1クラッド層および第2クラッド層は、光導波層を伝搬するレーザー光に対して透明である誘電体層からなり、光導波層は、第1クラッド層および第2クラッド層の間に設けられ、P型シリコン層と、誘電体層と、N型シリコン層とが積層された構成を有し、変調信号を印加する2つの電極が、P型シリコン層およびN型シリコン層に各々接続されていることを特徴とする。   In the optical modulator according to the present invention, the first cladding layer and the second cladding layer are made of a dielectric layer that is transparent to the laser light propagating through the optical waveguide layer, and the optical waveguide layer includes the first cladding layer. Provided between the first and second cladding layers and having a configuration in which a P-type silicon layer, a dielectric layer, and an N-type silicon layer are stacked, and two electrodes for applying a modulation signal are P-type silicon It is characterized by being connected to each of the layer and the N-type silicon layer.

本発明に係る光変調器においては、2つの電極に変調信号が印加されると、光導波層に設けられた誘電体膜と、P型シリコン層およびN型シリコン層の界面における正孔および電子の濃度が変化する。すなわち、N型シリコンを接地してアース電位とし、P型シリコンにプラス電圧が印加されると、P型シリコン側の界面には正孔が蓄積され、N型シリコン側の界面には電子が蓄積され、誘電体膜近傍のキャリア濃度が高くなる。一方、P型シリコンにマイナス電圧が印加されると、P型、N型双方の界面においてキャリアが払い出された空乏領域が形成される。変調信号の印加により誘電体膜の界面においてキャリアの蓄積と払い出しが交互に発生し、キャリア濃度の変化に対応して光導波層の屈折率が変化する。これにより、ファブリペロー干渉計の境界条件が変化して出力光の強度が変調され、光変調器として動作する。誘電体層に用いられる材料としては、例えば、シリコン酸化膜(SiO)が使用できる。 In the optical modulator according to the present invention, when a modulation signal is applied to two electrodes, holes and electrons at the interface between the dielectric film provided on the optical waveguide layer and the P-type silicon layer and the N-type silicon layer Concentration changes. That is, when N-type silicon is grounded to an earth potential and a positive voltage is applied to P-type silicon, holes are accumulated at the interface on the P-type silicon side, and electrons are accumulated at the interface on the N-type silicon side. As a result, the carrier concentration in the vicinity of the dielectric film increases. On the other hand, when a negative voltage is applied to the P-type silicon, a depletion region in which carriers are discharged is formed at both the P-type and N-type interfaces. By applying a modulation signal, accumulation and discharge of carriers alternately occur at the interface of the dielectric film, and the refractive index of the optical waveguide layer changes corresponding to the change in carrier concentration. As a result, the boundary conditions of the Fabry-Perot interferometer change, the intensity of the output light is modulated, and the optical modulator operates. As a material used for the dielectric layer, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) can be used.

さらに、本発明に係る光変調器において、2つの反射器は、対向した反射器における共振周波数の隣接した間隔である自由スペクトル領域(free spectral range:FSR)が、所定の間隔に一致することを特徴とする。   Furthermore, in the optical modulator according to the present invention, the two reflectors are configured such that a free spectral range (FSR), which is an interval between adjacent resonance frequencies of the opposing reflectors, matches a predetermined interval. Features.

ファブリペロー干渉計型光変調器においては、対向して配置された反射器における共振周波数に一致する周波数を有する光の透過率が最大となる。その結果、本発明に係る光変調器は、隣接した共振周波数の間隔であるFSRだけ離れた所定の周波数を有する光のみを透過する性質を備えることになる。一方、WDM光通信システムにおいては、一定の周波数間隔を有する複数のレーザー光源が用いられる。したがって、光変調器のFSRと、WDM光通信に用いられるレーザー光源の周波数間隔を一致させておくと、システムに用いられるすべてのレーザー光源の光を変調することができる光変調器を実現することができる。例えば、国際的な標準規格であるITUグリッド間隔(International Telecommunication Union grid spacing)にFSRを一致させておけば、極めて有用な光変調器を実現することができる。   In the Fabry-Perot interferometer-type optical modulator, the transmittance of light having a frequency that matches the resonance frequency of the reflectors arranged opposite to each other is maximized. As a result, the optical modulator according to the present invention has a property of transmitting only light having a predetermined frequency separated by an FSR that is an interval between adjacent resonance frequencies. On the other hand, in a WDM optical communication system, a plurality of laser light sources having a constant frequency interval are used. Therefore, an optical modulator capable of modulating the light of all the laser light sources used in the system by matching the FSR of the optical modulator with the frequency interval of the laser light source used for WDM optical communication is realized. Can do. For example, an extremely useful optical modulator can be realized if the FSR is matched with an ITU grid interval (International Telecommunication Union grid spacing) which is an international standard.

また、本発明に係る波長可変レーザーモジュールは、出力光の波長を変えることができる波長可変レーザーと、上記の光変調器と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る波長可変レーザーモジュールは、波長可変レーザーと、光変調器との間に、波長可変レーザーへの戻り光を減衰させるための光アイソレータを備えることを特徴とする。   In addition, a wavelength tunable laser module according to the present invention includes a wavelength tunable laser capable of changing the wavelength of output light, and the optical modulator described above. Furthermore, the wavelength tunable laser module according to the present invention includes an optical isolator for attenuating light returning to the wavelength tunable laser between the wavelength tunable laser and the optical modulator.

本発明のレーザーモジュールは、上記の光変調器と波長可変レーザーを備えることにより、複数の波長の変調光を出力することができる。これにより、WDM光通信システムの光源として使用する場合の自由度の高い、有用なレーザーモジュールを実現することができる。また、波長可変レーザーと光変調器の間に光アイソレータを配置することにより、光変調器の反射ミラーで反射されて波長可変レーザーに戻る戻り光を遮断することができる。これにより、波長可変レーザーの安定した動作を確保することができる。   The laser module of the present invention can output modulated light having a plurality of wavelengths by including the optical modulator and the wavelength tunable laser. Thereby, a useful laser module with a high degree of freedom when used as a light source of a WDM optical communication system can be realized. Also, by arranging an optical isolator between the wavelength tunable laser and the optical modulator, it is possible to block the return light reflected by the reflection mirror of the optical modulator and returning to the wavelength tunable laser. Thereby, the stable operation | movement of a wavelength variable laser is securable.

本発明に係る光変調器によれば、動作可能波長帯域が広く、光ファイバによる分散に対しても波形劣化がすくない、小型の光変調器を実現することができる。   According to the optical modulator of the present invention, it is possible to realize a small-sized optical modulator that has a wide operable wavelength band and does not undergo waveform deterioration even with respect to dispersion caused by an optical fiber.

以下、本発明に係る好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明に係る光変調器1を模式的に示した図である。片側の端面から入力したレーザー光を、他方の端面へ導波して外部へ出力するための光導波層4と、光導波層4を間に挟む第1クラッド層であるN型クラッド層2と、第2クラッド層であるP型クラッド層3と、を積層した構造を有している。光導波層4は導電性を有する半導体層であり、入力するレーザー光に対して光吸収の無い透明な材料を用いる。N型クラッド層2とP型クラッド層3は、それぞれN型およびP型の導電性を有する半導体層であり、レーザー光に対して透明な材料が用いられる。さらに、光導波層4にレーザー光を閉じ込めて導波するために、N型クラッド層2とP型クラッド層3は、光導波層4より屈折率が小さい材料を用いて構成する。   FIG. 1 is a diagram schematically showing an optical modulator 1 according to the present invention. An optical waveguide layer 4 for guiding laser light input from one end face to the other end face and outputting it to the outside; an N-type clad layer 2 as a first clad layer sandwiching the optical waveguide layer 4; And a P-type cladding layer 3 as a second cladding layer. The optical waveguide layer 4 is a conductive semiconductor layer, and a transparent material that does not absorb light with respect to the input laser beam is used. The N-type cladding layer 2 and the P-type cladding layer 3 are semiconductor layers having N-type and P-type conductivity, respectively, and a material that is transparent to laser light is used. Further, the N-type cladding layer 2 and the P-type cladding layer 3 are made of a material having a refractive index smaller than that of the optical waveguide layer 4 in order to confine the laser beam in the optical waveguide layer 4 and guide it.

光導波層4はP型またはN型のいずれの導電性を有しても良い。後述するように、N型クラッド層2またはP型クラッド層3と光導波層4の界面に位置するPN接合に逆バイアスを印加して光変調器1を動作させる場合に、光導波層4の全体に高い電界が加わる構成とすることが好ましい。このためには、光導波層4のキャリア濃度を低くする必要があり、高抵抗の所謂I層としてPIN構造のダイオードとすることが好適である。   The optical waveguide layer 4 may have either P-type or N-type conductivity. As will be described later, when the optical modulator 1 is operated by applying a reverse bias to the PN junction located at the interface between the N-type cladding layer 2 or the P-type cladding layer 3 and the optical waveguide layer 4, A configuration in which a high electric field is applied to the whole is preferable. For this purpose, it is necessary to lower the carrier concentration of the optical waveguide layer 4, and it is preferable to use a PIN structure diode as a so-called I layer having a high resistance.

光変調器1の両端面には、所定の反射率に設定された反射ミラー5が設けられる。光導波層4に沿って導波されるレーザー光は、光変調器1の両端面に対向して設けられた一対の反射ミラー5の間で多重反射された後に、外部へ出力される。また、一対の反射ミラー5の間には、光変調器1に変調信号を印加するためのP電極6およびN電極7が設けられる。P電極6はPクラッド層3にオーミック接続し、N電極7はNクラッド層2にオーミック接続する。   Reflecting mirrors 5 set to a predetermined reflectance are provided on both end faces of the optical modulator 1. The laser light guided along the optical waveguide layer 4 is multiple-reflected between a pair of reflecting mirrors 5 provided opposite to both end faces of the optical modulator 1, and then output to the outside. A P electrode 6 and an N electrode 7 for applying a modulation signal to the optical modulator 1 are provided between the pair of reflection mirrors 5. The P electrode 6 is ohmically connected to the P cladding layer 3, and the N electrode 7 is ohmically connected to the N cladding layer 2.

光変調器1に入力したレーザー光が対向する1対の反射ミラー5の間で多重反射して、光変調器1から外部へ出力される光強度Iは、次式で表される。

Figure 0005171538
ここで、Iは入力光の強度であり、T1、T2は、それぞれ入力側、出力側の反射ミラー5の透過率、R1、R2は、それぞれ入力側、出力側の反射ミラー5の反射率を示している。また、nは、光導波層4の屈折率であり、Lは対向する反射ミラー5の間隔、所謂共振器長である。λは、レーザー光の真空中の波長である。 The light intensity I output from the light modulator 1 to the outside by multiple reflection between the pair of reflecting mirrors 5 facing the laser light input to the light modulator 1 is expressed by the following equation.
Figure 0005171538
Here, I 0 is the intensity of the input light, T1 and T2 are the transmittances of the reflection mirror 5 on the input side and the output side, respectively, and R1 and R2 are the reflectances of the reflection mirror 5 on the input side and the output side, respectively. Is shown. Further, n is the refractive index of the optical waveguide layer 4, and L is the distance between the opposing reflecting mirrors 5, so-called resonator length. λ 0 is the wavelength of the laser light in vacuum.

図2および3は、光変調器1の出力光の入力光に対する相対的強度(|I|/|I|)、すなわち変調器1の光透過特性を、光周波数(c/λ:cは真空中の光速)に対して示した模式図である。光変調器の透過率は、光導波路4内における光の半波長λ/2(=λ/2n)の整数倍がLに等しいときに最大となる。また、λ/2の整数倍がLに等しいときの光周波数は、前述した共振周波数であり、図中に示した変調器透過率のピーク間の間隔がFSRである。 2 and 3 show the relative intensity (| I | / | I 0 |) of the output light of the optical modulator 1 with respect to the input light, that is, the light transmission characteristics of the modulator 1, and the optical frequency (c 0 / λ 0 : c 0 is a schematic diagram shown with respect to light speed in a vacuum). The transmittance of the optical modulator is maximized when an integral multiple of a half wavelength λ / 2 (= λ 0 / 2n) of light in the optical waveguide 4 is equal to L. The optical frequency when the integral multiple of λ / 2 is equal to L is the above-described resonance frequency, and the interval between the peaks of the modulator transmittance shown in the figure is FSR.

図2中に実線で示した光変調器の光透過特性10において、図中に示した入力光に対する光変調器1の透過率は最も小さくなっている。光変調器1に逆バイアスを加えると、電気光学効果により光導波層4の屈折率が大きくなり、光透過特性10は図中の矢印方向にシフトする。この時、図中に破線で示す光透過特性11までシフトした場合には、入力光の周波数と共振周波数が一致し、入力光に対する透過率が最大となる。すなわち、光透過特性10を示すバイアス点から光透過特性11へシフトする大きさの逆バイアスを印加することにより、出力光をOFFからONへ変調することができる。一方、逆バイアスを下げて元のバイアス点に戻した場合に、出力光がONからOFFへ変調されることは明らかである。   In the light transmission characteristic 10 of the light modulator indicated by a solid line in FIG. 2, the transmittance of the light modulator 1 with respect to the input light shown in the figure is the smallest. When a reverse bias is applied to the optical modulator 1, the refractive index of the optical waveguide layer 4 increases due to the electrooptic effect, and the light transmission characteristic 10 shifts in the direction of the arrow in the figure. At this time, when shifting to the light transmission characteristic 11 shown by a broken line in the figure, the frequency of the input light coincides with the resonance frequency, and the transmittance for the input light is maximized. That is, the output light can be modulated from OFF to ON by applying a reverse bias having a magnitude that shifts from the bias point indicating the light transmission characteristic 10 to the light transmission characteristic 11. On the other hand, when the reverse bias is lowered and returned to the original bias point, it is clear that the output light is modulated from ON to OFF.

図3は、図2に示した場合と異なり、光透過特性10のバイアス点において入力光の周波数は共振周波数と一致しており、入力光に対する透過率が最大となっている。光変調器1に逆バイアスが加えられ、光導波層4の屈折率が高くなると光透過特性10は、図中の矢印方向へシフトする。破線で示した光透過特性11までシフトすると、入力光に対する透過率は最小となり、出力光はONからOFFへと変調されることになる。すなわち、図2に示した場合と異なり、光変調器1に逆バイアスを加えることにより、出力光はONからOFFへと変調を受ける。以下の説明では、逆バイアスを印加した場合にOFFからONへ変調される図2に示す場合を順相とし、図3に示すONからOFFへと変調を受ける場合を逆相とする。   In FIG. 3, unlike the case shown in FIG. 2, the frequency of the input light coincides with the resonance frequency at the bias point of the light transmission characteristic 10, and the transmittance with respect to the input light is maximized. When a reverse bias is applied to the optical modulator 1 and the refractive index of the optical waveguide layer 4 increases, the light transmission characteristic 10 shifts in the direction of the arrow in the figure. When shifting to the light transmission characteristic 11 shown by the broken line, the transmittance with respect to the input light is minimized, and the output light is modulated from ON to OFF. That is, unlike the case shown in FIG. 2, by applying a reverse bias to the optical modulator 1, the output light is modulated from ON to OFF. In the following description, the case shown in FIG. 2 that is modulated from OFF to ON when a reverse bias is applied is assumed to be the normal phase, and the case where the modulation is applied from ON to OFF shown in FIG.

従来の吸収型半導体光変調器は、原理的に逆相のモードで動作する。また、特許文献1に記載されている光変調器においても、動作は逆相モードである。すなわち、半導体光変調器は、逆相モードで動作させることが周知であり技術常識となっていた。しかしながら、本発明に係る光変調器1は、順相モードで動作させた場合において、従来の光変調器に見られない顕著な動作特性を示すことが見出された。   A conventional absorption semiconductor optical modulator operates in a reverse-phase mode in principle. Also in the optical modulator described in Patent Document 1, the operation is in the reverse phase mode. That is, the semiconductor optical modulator is known to operate in the reverse phase mode and has become common technical knowledge. However, it has been found that the optical modulator 1 according to the present invention exhibits remarkable operating characteristics not found in conventional optical modulators when operated in the normal phase mode.

図4は、順相モードで動作させた場合において、光変調器1から出力される光の入力光に対する強度比(相対光強度)を逆バイアスに対して示している。0バイアスにおいて強度比は最少となり、−2Vを印加した場合に強度比は最大となっている。すなわち、光変調器1では、振幅が2Vの逆バイアスを与える変調信号を印加することにより約14dBの消光比が得られることがわかる。ここで、光変調器1の反射ミラーの反射率R(=R1=R2)は0.75、また、透過率T(=T1=T2)は0.25、共振器長Lは150μmである。   FIG. 4 shows the intensity ratio (relative light intensity) of the light output from the optical modulator 1 to the input light with respect to the reverse bias when operated in the normal phase mode. The intensity ratio is minimum at 0 bias, and the intensity ratio is maximum when −2 V is applied. That is, in the optical modulator 1, it can be seen that an extinction ratio of about 14 dB can be obtained by applying a modulation signal that gives a reverse bias with an amplitude of 2V. Here, the reflectance R (= R1 = R2) of the reflecting mirror of the optical modulator 1 is 0.75, the transmittance T (= T1 = T2) is 0.25, and the resonator length L is 150 μm.

上記のとおり、変調信号として振幅−2Vのパルス信号が印加された場合、図4に示す光変調器1は約14dBの消光比を有する光パルスを出力する。図5の上段は、一定の強度のレーザー光が入力され、電極に印加された変調信号によりパルス変調を受けた場合に、光変調器1から出力される光の波形を示している。一方、このようにレーザー光が光パルスに変調された場合、光導波層4に屈折率の変化があるとレーザー光の周波数に変動が生じる。所謂チャーピングと呼ばれる現象である。チャーピングによる周波数の変動分Δωは、次の式で表わされる。

Figure 0005171538
ここで、Φは、レーザー光の位相であり、nは光導波層の屈折率である。上式から分かるように、周波数変動Δωは屈折率の変化に逆比例する。 As described above, when a pulse signal having an amplitude of −2 V is applied as the modulation signal, the optical modulator 1 shown in FIG. 4 outputs an optical pulse having an extinction ratio of about 14 dB. The upper part of FIG. 5 shows a waveform of light output from the optical modulator 1 when a laser beam having a constant intensity is input and subjected to pulse modulation by a modulation signal applied to the electrode. On the other hand, when the laser light is modulated into an optical pulse in this way, if the refractive index changes in the optical waveguide layer 4, the frequency of the laser light varies. This is a so-called chirping phenomenon. The frequency variation Δω due to chirping is expressed by the following equation.
Figure 0005171538
Here, Φ is the phase of the laser beam, and n is the refractive index of the optical waveguide layer. As can be seen from the above equation, the frequency variation Δω is inversely proportional to the change in refractive index.

図5の下段は、上段に示した光パルス波形に対応する周波数変動Δωを示している。前述したように、図5において光変調器1は、順相モードで動作している。すなわち、光パルスの立ち上がりにおいて、変調信号のパルスは−2Vの電圧が印加されるように立ち上がっており、光導波層4の屈折率は増える方向に変化している。この時、図5の下段に示すように、周波数変動Δωはマイナス側となっている。一方、光パルスの立ち下がりにおいては、変調信号のパルスも0となる方向に立ち下がっており、光導波層4の屈折率は減少する。したがって、周波数変動Δωは、プラス側に変動する。   The lower part of FIG. 5 shows the frequency fluctuation Δω corresponding to the optical pulse waveform shown in the upper part. As described above, the optical modulator 1 in FIG. 5 operates in the normal phase mode. That is, at the rise of the optical pulse, the pulse of the modulation signal rises so that a voltage of −2 V is applied, and the refractive index of the optical waveguide layer 4 changes in the increasing direction. At this time, as shown in the lower part of FIG. 5, the frequency fluctuation Δω is on the negative side. On the other hand, at the trailing edge of the optical pulse, the modulation signal pulse also falls in the direction of 0, and the refractive index of the optical waveguide layer 4 decreases. Therefore, the frequency variation Δω varies to the plus side.

図6は、光変調器1を逆相モードで動作させた場合の、光パルス波形と周波数変動の関係を示している。この場合には、光パルスの立ち下がりにおいて逆バイアスの変調パルスが立ちあがり光導波層4の屈折率が増加する。したがって、図中に示すように、光パルスの立ち下がりにおいて、周波数変動Δωはマイナス側となり、光パルスの立ち上がりにおいてプラス側となる。   FIG. 6 shows the relationship between the optical pulse waveform and the frequency fluctuation when the optical modulator 1 is operated in the reverse phase mode. In this case, the reverse bias modulation pulse rises at the fall of the optical pulse, and the refractive index of the optical waveguide layer 4 increases. Therefore, as shown in the figure, the frequency fluctuation Δω is on the negative side at the falling edge of the optical pulse, and is on the positive side at the rising edge of the optical pulse.

周波数変動Δωがマイナスとなる場合、光パルスに含まれる光の波長が長くなることを意味し、プラスとなる場合は、光波長が短くなることを意味する。したがって、図5に示すように順相モードで動作している場合には、光パルスの立ち上がり部分において相対的に波長の長い光が含まれ、立ち下がりにおいて波長の短い光が含まれることとなる。一方、図6に示す逆相モードの動作においては、光パルスの立ち上がりにおいて相対的に波長の短い光が含まれ、立ち下がりにおいて波長の長い光が含まれることになる。   When the frequency variation Δω is negative, it means that the wavelength of the light included in the optical pulse is long, and when it is positive, it means that the light wavelength is short. Therefore, when operating in the normal phase mode as shown in FIG. 5, light having a relatively long wavelength is included in the rising portion of the optical pulse, and light having a short wavelength is included in the falling portion. . On the other hand, in the operation in the anti-phase mode shown in FIG. 6, light having a relatively short wavelength is included at the rising edge of the optical pulse, and light having a long wavelength is included at the falling edge.

図7は、上記の光パルスが、光ファイバを通して伝送された場合に生じるパルス波形の変化を模式的に示している。図7(a)は、変調後の光パルス波形を示し、図7(b)は、順相モードで変調された光パルスを、光ファイバで伝送した後の波形を概念的に示している。また、図7(d)は、逆相モードで変調された光パルスを、光ファイバで伝送した後の波形を示している。図7(c)は、チャーピングが生じない場合の比較例として、立ち上がり部分および立ち下がり部分において波長の異なる光を含まない光パルスを、光ファイバで伝送した後のパルス波形を示したものである。   FIG. 7 schematically shows a change in pulse waveform that occurs when the above-described optical pulse is transmitted through an optical fiber. FIG. 7A shows an optical pulse waveform after modulation, and FIG. 7B conceptually shows a waveform after an optical pulse modulated in the normal phase mode is transmitted through an optical fiber. FIG. 7D shows a waveform after the optical pulse modulated in the reverse phase mode is transmitted through the optical fiber. FIG. 7C shows a pulse waveform after transmitting an optical pulse that does not include light having different wavelengths at the rising and falling portions as a comparative example when chirping does not occur. is there.

光ファイバは、光通信に使用される1.5μmの波長帯において波長分散を有し、光波長が長いほど伝送速度が遅くなる性質を有している。このため、光パルスの立ち上がり部分において波長の長い光成分を有し、立ち下がり部分において波長の短い光成分を含む順相モードで変調された光パルスは、立ち上がり部分の波長の長い光が相対的に遅延して後の部分に包含され、立ち下がり部分の波長の短い光が前の部分に追いついて包含される光波形となる。その結果、図7(b)、(c)に示すように、順相モードで変調された光パルスは、伝送後のパルス幅がチャーピングの無い光パルスの伝送後の波形より狭くなる。一方、逆相モードで変調された光パルスの場合は、立ち上がり部分に含まれる波長の短い光が先に進み、立ち下がり部分に含まれる波長の長い光が遅延することになり、図7(d)に示すように、パルス幅が広くなってしまう。   The optical fiber has chromatic dispersion in a wavelength band of 1.5 μm used for optical communication, and has a property that the transmission speed becomes slower as the optical wavelength is longer. For this reason, light having a long wavelength at the rising portion of the light pulse and modulated in a normal phase mode including a light component having a short wavelength at the falling portion is relatively light with a long wavelength at the rising portion. The light waveform is included in the later portion with a delay, and the light having a short wavelength in the falling portion catches up with the previous portion and is included. As a result, as shown in FIGS. 7B and 7C, the optical pulse modulated in the normal phase mode has a narrower pulse width after transmission than the waveform after transmission of the optical pulse without chirping. On the other hand, in the case of an optical pulse modulated in the anti-phase mode, light having a short wavelength contained in the rising portion proceeds first, and light having a long wavelength contained in the falling portion is delayed, and FIG. ), The pulse width becomes wide.

上記の光ファイバ伝送後のパルス幅の違い、すなわち信号波形の劣化の程度は、高速光通信システムにおける伝送特性を左右する大きな問題となる。高速光通信においては、光信号のビットレートが高いので、光パルス間の間隔が狭い。したがって、信号波形が劣化し光パルスの幅が広くなると、光パルスが相互に干渉して信号を識別できなくなるからである。   The difference in pulse width after the above-described optical fiber transmission, that is, the degree of deterioration of the signal waveform is a big problem that affects transmission characteristics in a high-speed optical communication system. In high-speed optical communication, since the bit rate of optical signals is high, the interval between optical pulses is narrow. Therefore, if the signal waveform is deteriorated and the width of the optical pulse is widened, the optical pulses interfere with each other and the signal cannot be identified.

図8は、光変調器1で変調された10Gbpsの信号光によるアイパターンを示している。また、図9および図10は、10Gbpsの信号光を光ファイバで伝送した後のアイパターンを示している。伝送路の光ファイバは、長さ80km、1600ps/nmの波長分散を有する通常のシングルモードファイバである。   FIG. 8 shows an eye pattern with 10 Gbps signal light modulated by the optical modulator 1. 9 and 10 show eye patterns after 10 Gbps signal light is transmitted through an optical fiber. The optical fiber of the transmission line is a normal single mode fiber having a wavelength dispersion of 80 km in length and 1600 ps / nm.

図9は、順相モードで変調した光パルスを伝送した場合のアイパターンを示している。縦軸に示した相対光強度の範囲が0.1〜0.9の間において、明確なアイ開口が観測されており、エラーフリーの識別点を設定できることが分かる。一方、図10は、逆相モードで変調した光パルスの伝送後のアイパターンである。アイパターンの下半分が完全につぶれており、アイ開口が認識できない状態となっている。   FIG. 9 shows an eye pattern when an optical pulse modulated in the normal phase mode is transmitted. It can be seen that a clear eye opening is observed when the relative light intensity range shown on the vertical axis is between 0.1 and 0.9, and an error-free identification point can be set. On the other hand, FIG. 10 shows an eye pattern after transmission of an optical pulse modulated in the reverse phase mode. The lower half of the eye pattern is completely crushed, and the eye opening cannot be recognized.

図9および10のアイパターンを比較して分かるように、光変調器1を順相モードで変調した場合には、10Gbpsの光信号を80km離れた地点に伝送することができるが、逆相モードで変調した場合は、全く伝送できないという顕著な違いが生じている。前述したように、光変調器1の動作条件を順相モードに設定することにより、チャーピングを利用して光パルス波形の劣化を防止することができる。これにより、光信号の長距離伝送を可能とすることができるのである。   As can be seen by comparing the eye patterns in FIGS. 9 and 10, when the optical modulator 1 is modulated in the normal phase mode, an optical signal of 10 Gbps can be transmitted to a point 80 km away. In the case of modulation with, there is a remarkable difference that transmission is not possible at all. As described above, by setting the operating condition of the optical modulator 1 to the normal phase mode, deterioration of the optical pulse waveform can be prevented by using chirping. Thereby, it is possible to transmit the optical signal over a long distance.

光変調器1の動作モードの設定方法としては、光透過率が最少となるようにオフセット電圧を印加しておき、そこから逆バイアスに変調信号を振り込む方法が考えられる。また、光導波層の屈折率は温度を変えて変化させることもできるので、光変調器1の動作時の温度をペルチェクーラー装置等の電子温調装置にて制御し、ゼロバイアスにおいて光透過率を最小に設定しておく方法、さらにオフセット電圧の印加と組み合わせる方法が考えられる。   As a method for setting the operation mode of the optical modulator 1, a method is conceivable in which an offset voltage is applied so that the light transmittance is minimized, and then the modulation signal is transferred to the reverse bias. Further, since the refractive index of the optical waveguide layer can be changed by changing the temperature, the temperature during operation of the optical modulator 1 is controlled by an electronic temperature control device such as a Peltier cooler device, and the light transmittance at zero bias. It is conceivable to set the value to a minimum, and to combine with the application of an offset voltage.

本発明に係る光変調器は、PN接合に逆バイアスとなる変調信号を印加して屈折率を変える光変調器に限られるものではなく、電極に印加された変調信号によって光導波層の屈折率を変化させ、屈折率が相対的に高くなる場合に対向して設けられた2つの反射器の外側に出力される信号光の強度を高くするように動作条件を設定することができる光変調器を包含するものである。   The optical modulator according to the present invention is not limited to an optical modulator that changes a refractive index by applying a reverse bias modulation signal to the PN junction, but the refractive index of the optical waveguide layer is determined by the modulation signal applied to the electrode. Modulator that can set operating conditions so as to increase the intensity of the signal light output to the outside of the two reflectors provided opposite to each other when the refractive index is relatively high Is included.

図11は、本発明の第1実施例に係る光変調器20を模式的に示す斜視図である。光変調器20は、InP基板21上にMOCVD法によりエピタキシャル成長されたInPを含むInGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶を材料としている。   FIG. 11 is a perspective view schematically showing the optical modulator 20 according to the first embodiment of the present invention. The optical modulator 20 is made of a compound semiconductor crystal selected from an InGaAsP mixed crystal system containing InP epitaxially grown on the InP substrate 21 by MOCVD.

第1の導電性であるN型のInP基板21上に、第1クラッド層であるN型InP層22、および光導波層であるN型InGaAsP層23、第2クラッド層であるP型InP層24、コンタクト層28を順次成長する。N型InGaAsP層23は、InPに格子整合して吸収端波長が1.3μmとなる組成を選択する(以下に述べるInGaAsP混晶は、InPと格子整合する結晶である)。コンタクト層28は、P電極25との間でオーミック接合を得るために形成する層であり、吸収端波長が1.1μmのP型InGaAsP層である。   On the N-type InP substrate 21 which is the first conductivity, the N-type InP layer 22 which is the first cladding layer, the N-type InGaAsP layer 23 which is the optical waveguide layer, and the P-type InP layer which is the second cladding layer 24, contact layer 28 is grown sequentially. The N-type InGaAsP layer 23 is selected to have a composition that lattice matches with InP and has an absorption edge wavelength of 1.3 μm (the InGaAsP mixed crystal described below is a crystal that lattice matches with InP). The contact layer 28 is a layer formed to obtain an ohmic junction with the P electrode 25 and is a P-type InGaAsP layer having an absorption edge wavelength of 1.1 μm.

InP基板21は、キャリア濃度2〜3x1018cm−3の導電性基板である。また、N型InP層22の厚さは約3μm、キャリア濃度は2〜3x1017cm−3である。光導波層23は、厚さ0.2μm、キャリア濃度は2〜3x1015cm−3である。光導波層23は、キャリア濃度は1x1014cm−3以下のI型層であることが好ましいが、MOCVD法による結晶成長では形成することが困難である。しかし、厚さが0.2μmと薄いことから、上記のキャリア濃度であっても十分な変調特性を持って動作させることができる。第2クラッド層であるP型InP層24は、厚さ2μm、キャリア濃度は3〜5x1017cm−3である。第2クラッド層の厚さは、光導波層23を伝搬するレーザー光がP電極25による吸収、反射等の影響を受けない厚さに設定する。光導波層23の屈折率とクラッド層であるInP層22、24の屈折率で決まる光閉じ込め係数を考慮して決められている。コンタクト層28は、厚さ0.2μm、キャリア濃度は1〜2x1018cm−3である。 The InP substrate 21 is a conductive substrate having a carrier concentration of 2 to 3 × 10 18 cm −3 . The N-type InP layer 22 has a thickness of about 3 μm and a carrier concentration of 2 to 3 × 10 17 cm −3 . The optical waveguide layer 23 has a thickness of 0.2 μm and a carrier concentration of 2 to 3 × 10 15 cm −3 . The optical waveguide layer 23 is preferably an I-type layer having a carrier concentration of 1 × 10 14 cm −3 or less, but is difficult to form by crystal growth by MOCVD. However, since the thickness is as thin as 0.2 μm, even the above carrier concentration can be operated with sufficient modulation characteristics. The P-type InP layer 24 that is the second cladding layer has a thickness of 2 μm and a carrier concentration of 3 to 5 × 10 17 cm −3 . The thickness of the second cladding layer is set to a thickness at which the laser light propagating through the optical waveguide layer 23 is not affected by absorption or reflection by the P electrode 25. It is determined in consideration of the optical confinement coefficient determined by the refractive index of the optical waveguide layer 23 and the refractive indexes of the InP layers 22 and 24 as the cladding layers. The contact layer 28 has a thickness of 0.2 μm and a carrier concentration of 1 to 2 × 10 18 cm −3 .

InP基板21上に成長された上記のInP/InGaAsP(λ=1.3μm)/InP/InGaAsP(λ=1.1μm)ヘテロエピタキシャル層は、光導波路とするために、約2μm幅のメサストライプにエッチングする。エッチングは、シリコン酸化膜をマスクとして、通常のウエットエッチング法を用いて行う。また、塩素系反応ガスを用いる通常のプラズマドライエッチング法を使用しても良い。さらに、メサストライプの側面を、高抵抗のInP層29の再成長により選択的に埋め込んで光導波路が完成する。選択成長のマスクとしては、ウエットエッチングのマスクとして使用したシリコン酸化膜を用いる。   The InP / InGaAsP (λ = 1.3 μm) / InP / InGaAsP (λ = 1.1 μm) heteroepitaxial layer grown on the InP substrate 21 is formed into a mesa stripe having a width of about 2 μm in order to form an optical waveguide. Etch. Etching is performed using a normal wet etching method with the silicon oxide film as a mask. Further, a normal plasma dry etching method using a chlorine-based reactive gas may be used. Further, the side surface of the mesa stripe is selectively buried by regrowth of the high resistance InP layer 29 to complete the optical waveguide. As the selective growth mask, a silicon oxide film used as a wet etching mask is used.

上記のエピタキシャル成長において、N型のドーパントとしては、シリコン(Si)を用いる。また、P型のドーパントは亜鉛(Zn)、高抵抗InP層29は、キャリアキラーとして働く鉄(Fe)をそれぞれ使用する。また、第1および第2のクラッド層は、上記のInP層22、24に変えてInGaAsP層を用いることができる。ただし、光導波層23の屈折率をクラッド層の屈折率より高くすること、さらに、前述したP電極の影響、入力光との結合等を考慮して光導波路23の光閉じ込め係数を決定した上で、InGaAsP層の組成が決定されることは言うまでもない。   In the above epitaxial growth, silicon (Si) is used as the N-type dopant. The P-type dopant uses zinc (Zn), and the high resistance InP layer 29 uses iron (Fe) that functions as a carrier killer. The first and second cladding layers may be InGaAsP layers instead of the InP layers 22 and 24 described above. However, after determining the optical confinement factor of the optical waveguide 23 in consideration of making the refractive index of the optical waveguide layer 23 higher than the refractive index of the clad layer, and the influence of the P electrode, the coupling with the input light, etc. Needless to say, the composition of the InGaAsP layer is determined.

高抵抗InP層29の再成長により光導波路が完成した後、エピタキシャル層の表面に表面保護膜27が形成される。表面保護膜27は、シリコン酸化膜(SiO)が用いられ、P電極25に使用されるメタルの半導体結晶層へのマイグレーション防止の機能も有する。さらに、光導波路となるメサストライプの頂上面において、表面保護膜27にコンタクトホールか形成され、P電極25がコンタクト層28に接続して形成される。P電極25は、メタルを積層したチタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)の3構造を用いる。コンタクト層28には、Ti層が接触してオーミック接続が得られる。また、Au層は金ワイヤをボンディングするために設けられる。Pt層は、メタル相互の拡散を防止するために挿入されている。 After the optical waveguide is completed by the regrowth of the high resistance InP layer 29, the surface protective film 27 is formed on the surface of the epitaxial layer. The surface protective film 27 is made of a silicon oxide film (SiO 2 ) and has a function of preventing migration of metal used for the P electrode 25 to the semiconductor crystal layer. Further, a contact hole is formed in the surface protective film 27 on the top surface of the mesa stripe that becomes an optical waveguide, and a P electrode 25 is formed in connection with the contact layer 28. The P electrode 25 uses a three-layer structure of titanium (Ti) / platinum (Pt) / gold (Au) in which metals are stacked. The contact layer 28 is in contact with the Ti layer to obtain an ohmic connection. The Au layer is provided for bonding a gold wire. The Pt layer is inserted to prevent diffusion between metals.

P電極25は、光導波層23に変調信号を印加するためにメサストライプに沿って設けられた部分と金ワイヤをボンディングするために設けられたボンディングパッド25bを有している。ボンディングパッド25bは、浮遊容量を小さくするために高抵抗InP層29上に設けられている。これにより、高速変調信号の印加が可能となる。一方、InP基板21の裏面には、N電極26が形成されている。N電極26は、金(Au)とゲルマニュム(Ge)の合金が用いられる。InP基板21は、ウエハプロセスの段階で不要な部分が研削され、厚さ100μm程度に調整される。変調器20としてチップに切り出すことを容易にするためである。N電極26は、研削後に裏面に真空蒸着される。   The P electrode 25 has a portion provided along the mesa stripe for applying a modulation signal to the optical waveguide layer 23 and a bonding pad 25b provided for bonding a gold wire. The bonding pad 25b is provided on the high resistance InP layer 29 in order to reduce the stray capacitance. Thereby, it is possible to apply a high-speed modulation signal. On the other hand, an N electrode 26 is formed on the back surface of the InP substrate 21. For the N electrode 26, an alloy of gold (Au) and germanium (Ge) is used. An unnecessary portion of the InP substrate 21 is ground at the stage of the wafer process, and the thickness is adjusted to about 100 μm. This is because the modulator 20 can be easily cut into chips. The N electrode 26 is vacuum-deposited on the back surface after grinding.

さらに、ウエハから変調器20のチップが切り出される段階において、チップのメサストライプ方向の長さが、所定の共振器長Lとなるように切り出される。前述した共振周波数の間隔FSRは共振器長Lの長さで決まるので、Lは精度良く加工される必要があるが、後述するように、変調器20の動作温度を制御してFSRを調整することが可能であるため、通常の半導体レーザー等の共振器の加工精度を持って製作することが可能である。本実施例において共振器長Lは150μmである。また、チップ端面に反射率を調整するコーティングが施される。   Furthermore, at the stage where the chip of the modulator 20 is cut out from the wafer, the chip is cut out so that the length in the mesa stripe direction becomes a predetermined resonator length L. Since the resonance frequency interval FSR described above is determined by the length of the resonator length L, it is necessary to process L with high accuracy. However, as will be described later, the operating temperature of the modulator 20 is controlled to adjust the FSR. Therefore, it is possible to manufacture with a processing accuracy of a resonator such as a normal semiconductor laser. In this embodiment, the resonator length L is 150 μm. In addition, a coating for adjusting the reflectance is applied to the chip end face.

図12は、変調器20のA−A断面(図11参照)を示す模式図である。InP基板21上に第1クラッド層であるN型InP層22および光導波層23、第2クラッド層であるP型InP層、コンタクト層28が形成されて光導波路が構成されている。コンタクト層28上には、P電極25が形成されている。P電極25は、光導波路の両端部を除くほぼ全領域でコンタクト層28に接触し、光導波層23に逆バイアスとなる変調信号を印加する。前述したように、InP基板21およびN型InP層22、P型InP層24、コンタクト層28のいずれもが高濃度にドーピングされているので、P型InP層24と光導波層23の界面に位置するPN接合に印加される逆バイアスのほとんどは、光導波層23に印加される。これにより、2V程度の低い電圧が印加された場合であっても、約1x10V/cmの高電界が光導波層23に加わり電気光学効果が生じることになる。 FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an AA cross section (see FIG. 11) of the modulator 20. An N-type InP layer 22 and an optical waveguide layer 23 that are first cladding layers, a P-type InP layer that is a second cladding layer, and a contact layer 28 are formed on an InP substrate 21 to form an optical waveguide. A P electrode 25 is formed on the contact layer 28. The P electrode 25 is in contact with the contact layer 28 in almost the entire region except for both ends of the optical waveguide, and applies a modulation signal to be reverse biased to the optical waveguide layer 23. As described above, since all of the InP substrate 21, the N-type InP layer 22, the P-type InP layer 24, and the contact layer 28 are doped at a high concentration, the interface between the P-type InP layer 24 and the optical waveguide layer 23 is present. Most of the reverse bias applied to the located PN junction is applied to the optical waveguide layer 23. As a result, even when a low voltage of about 2 V is applied, a high electric field of about 1 × 10 5 V / cm is applied to the optical waveguide layer 23, resulting in an electro-optic effect.

光導波路の端面である光変調器20の両端面は、ヘキ開によりウエハから切り出された面であり、反射ミラーとして機能する。InPおよびInGaAsP混晶系の結晶の場合、コーティングを施さない切り出されたままのヘキ開面の反射率は、約60%である。したがって、コーティングを施して反射率を調整しない状態であっても、光変調器の対向する2つの反射器として機能する。しかしながら、光変調器の変調特性を最適にするためには、所定の反射率に調整する必要がある。本実施例においては、光変調器20の両端面にコーティング膜30を形成して反射率が75%となるように調整した。コーティング膜30は、シリコン酸化膜(SiO)とアモルファスシリコン(α−Si)の多層膜である。各層の膜厚はλ/4(λはレーザー光の波長)とし、プラズマCVD法を用いて形成している。 Both end surfaces of the optical modulator 20 that are end surfaces of the optical waveguide are surfaces cut out from the wafer by cleaving and function as reflection mirrors. In the case of InP and InGaAsP mixed crystal, the reflectivity of the uncut cleavable surface without coating is about 60%. Therefore, even if the reflectance is not adjusted by applying a coating, it functions as two opposing reflectors of the light modulator. However, in order to optimize the modulation characteristics of the optical modulator, it is necessary to adjust to a predetermined reflectance. In this embodiment, the coating film 30 is formed on both end faces of the optical modulator 20 and the reflectance is adjusted to 75%. The coating film 30 is a multilayer film of a silicon oxide film (SiO 2 ) and amorphous silicon (α-Si). The thickness of each layer is λ / 4 (λ is the wavelength of the laser beam) and is formed by plasma CVD.

上記の実施例において、光導波層23は、InGaAsP層(吸収端波長1.3μm)の単層としたが、多層量子井戸(MQW)構造とすることもできる。例えば、N型InP層22上に、障壁層として厚さ10nmのInGaAsP層(吸収端波長1.1μm)と厚さ5nmのInGaAsP層(吸収端波長1.3μm)からなる井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造の光導波層を成長する。井戸層は3層として、4層の障壁層で挟んだ構造とする。さらに、P型InP層24を積層し、以下、上記の実施例と同様の工程にて、MQW構造の光導波層23を有する光変調器を製作することができる。   In the above embodiment, the optical waveguide layer 23 is a single layer of an InGaAsP layer (absorption edge wavelength 1.3 μm), but may be a multilayer quantum well (MQW) structure. For example, a well layer composed of an InGaAsP layer (absorption edge wavelength 1.1 μm) having a thickness of 10 nm and an InGaAsP layer (absorption edge wavelength 1.3 μm) having a thickness of 5 nm is alternately laminated on the N-type InP layer 22. An optical waveguide layer having a multiple quantum well structure is grown. The well layer has three layers and is sandwiched between four barrier layers. Further, a P-type InP layer 24 is laminated, and an optical modulator having an MQW-structured optical waveguide layer 23 can be manufactured by the same process as in the above embodiment.

InGaAsP層(吸収端波長1.3μm)の単層からなる光導波層23の場合には、フランツ−ケルディシュ効果と呼ばれる電気光学効果によって屈折率の変化が引き起こされるが、MQW構造の光導波層にした場合には、シュタルク効果と呼ばれる電気光学効果が主体となる。光導波層に印加される電界が同じであるとすると、屈折率の変化はシュタルク効果の方が大きい。したがって、光導波層をMQW構造とすることによって、変調信号を低電圧にすることができる。光通信システムのビットレートが高くなるに従い、変調信号を発生する変調回路のIC出力は低下する傾向にあるので、光導波層をMQW構造として低い変調信号で動作できる光変調器とすることは有効である。   In the case of the optical waveguide layer 23 composed of a single layer of InGaAsP layer (absorption edge wavelength 1.3 μm), the refractive index is changed by an electro-optic effect called Franz-Keldish effect. In this case, the electro-optic effect called the Stark effect is the main component. Assuming that the electric field applied to the optical waveguide layer is the same, the Stark effect is larger in the change in the refractive index. Therefore, the modulation signal can be set to a low voltage by using the MQW structure for the optical waveguide layer. As the bit rate of the optical communication system increases, the IC output of the modulation circuit that generates the modulation signal tends to decrease. Therefore, it is effective to use an optical waveguide layer with an MQW structure and to operate with a low modulation signal. It is.

MQW構造を構成する材料として、AlGaInAs系混晶を使用することも可能である。具体的には、障壁層としてAlGaInAs層(吸収端波長1.0μm)を使用する。障壁層の厚さは、上記の場合と同様に10nmとし、InGaAsP層(吸収端波長1.3μm)の井戸層と交互に積層してMQW構造とすることができる。   As a material constituting the MQW structure, an AlGaInAs-based mixed crystal can be used. Specifically, an AlGaInAs layer (absorption edge wavelength: 1.0 μm) is used as the barrier layer. The thickness of the barrier layer is 10 nm as in the above case, and an MQW structure can be formed by alternately stacking well layers of InGaAsP layers (absorption edge wavelength 1.3 μm).

光導波層に使用できるMQW構造は、上記の実施例に限定されるものではなく、InPを含むInGaAsP混晶系の任意の組成、およびAlInGaAs混晶系の任意の組成の結晶を組み合わせることにより実現することができる。また、MOCVD法等の結晶成長も特殊な条件が求められることはなく、半導体レーザー等の化合物半導体デバイスの製造に用いられている標準的な成長装置を使用することが可能である。   The MQW structure that can be used for the optical waveguide layer is not limited to the above-described embodiments, and is realized by combining crystals of an InGaAsP mixed crystal system including InP and an AlInGaAs mixed crystal of an arbitrary composition. can do. Also, there is no requirement for special conditions for crystal growth such as MOCVD, and it is possible to use a standard growth apparatus used for manufacturing compound semiconductor devices such as semiconductor lasers.

図13は、本発明の第2の実施例に係る光変調器40を示す模式図である。光変調器40は、InP基板21上にMOCVD法により形成されるInGaAsP混晶系の化合物半導体を材料とする点において、実施例1に示した光変調器20と同じであり、図11に示す構成を共有する。ただし、光変調器の両端に設けられる反射器が、ブラッグ反射器である点で相違している。図13(a)および(b)、(c)は、ブラッグ反射器の製作工程を模式的に説明した図である。   FIG. 13 is a schematic diagram showing an optical modulator 40 according to the second embodiment of the present invention. The optical modulator 40 is the same as the optical modulator 20 shown in Example 1 in that an InGaAsP mixed crystal compound semiconductor formed on the InP substrate 21 by MOCVD is used as a material, and is shown in FIG. Share the configuration. However, the difference is that the reflectors provided at both ends of the optical modulator are Bragg reflectors. FIGS. 13A, 13B, and 13C are diagrams schematically illustrating a manufacturing process of the Bragg reflector.

図13(a)は、InP基板21上に形成されたN型InP層22上に、回折格子31が形成された状態を示している。本実施例においては、N型InP層22の上に回折格子31となる厚さ0.2μmのInGaAsP層(吸収端波長1.1μm)を形成した後、電子ビーム露光により回折格子のレジストパターンを形成する。さらに、レジストパターンをマスクとして、塩素系の反応ガスを用いたドライエッチング法によりInGaAsP層をエッチングして回折格子31を形成する。回折格子31は、光導波層23を伝搬するレーザー光の半波長の周期をもって配列された細線状のInGaAsPで構成されている。   FIG. 13A shows a state in which the diffraction grating 31 is formed on the N-type InP layer 22 formed on the InP substrate 21. In this embodiment, a 0.2 μm-thick InGaAsP layer (absorption edge wavelength: 1.1 μm) that becomes the diffraction grating 31 is formed on the N-type InP layer 22, and then the resist pattern of the diffraction grating is formed by electron beam exposure. Form. Further, using the resist pattern as a mask, the InGaAsP layer is etched by a dry etching method using a chlorine-based reaction gas to form the diffraction grating 31. The diffraction grating 31 is composed of thin InGaAsP arranged with a half-wavelength period of laser light propagating through the optical waveguide layer 23.

図13(b)は、光変調器40の化合物半導体結晶層の全てが成長された状態を示している。N型InP層22上に、さらにN型InP層32を形成して、回折格子31がN型InP層中に埋め込まれた状態となっている。N型InP層32上には、光導波層23、P型InP層およびコンタクト層28が形成されている。   FIG. 13B shows a state in which all of the compound semiconductor crystal layer of the optical modulator 40 has been grown. An N-type InP layer 32 is further formed on the N-type InP layer 22, and the diffraction grating 31 is embedded in the N-type InP layer. On the N-type InP layer 32, an optical waveguide layer 23, a P-type InP layer, and a contact layer 28 are formed.

図13(c)は、完成した光変調器40のA−A断面を模式的に示している。コンタクト層28上には、表面保護膜27とP電極25が形成され、InP基板の裏面にはN電極26が形成されている。回折格子31は光導波層23の両端に位置し、一対のブラッグ反射器を構成している。ブラッグ反射器は、N型InP層22、32中に埋め込まれた回折格子31に起因する周期的な屈折率変化により、光導波層23を伝搬するレーザー光を反射する。さらに、変調器の両端面には、反射防止膜33が施されており、ブラッグ反射器と、ヘキ開面の反射ミラーとが、レーザー光に重畳して作用することを防いでいる。反射防止膜33は、厚さがλ/4(λはレーザー光の波長)の誘電体膜をコーティングすることにより設けられる。誘電体膜としては、プラズマCVD法で形成するシリコン窒化膜(Si)を使用することができる。 FIG. 13C schematically shows an AA cross section of the completed optical modulator 40. A surface protective film 27 and a P electrode 25 are formed on the contact layer 28, and an N electrode 26 is formed on the back surface of the InP substrate. The diffraction grating 31 is located at both ends of the optical waveguide layer 23 and constitutes a pair of Bragg reflectors. The Bragg reflector reflects the laser light propagating through the optical waveguide layer 23 due to a periodic refractive index change caused by the diffraction grating 31 embedded in the N-type InP layers 22 and 32. Further, antireflection films 33 are provided on both end faces of the modulator to prevent the Bragg reflector and the reflecting mirror on the open surface from acting on the laser beam in an overlapping manner. The antireflection film 33 is provided by coating a dielectric film having a thickness of λ / 4 (λ is the wavelength of laser light). As the dielectric film, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) formed by a plasma CVD method can be used.

光変調器40は、実施例1に示した光変調器20と同じように、P電極27とN電極26の間に逆バイアスとなる変調信号を印加することにより、光導波層23を伝搬するレーザー光を変調して出力する。前述したように、光導波層23は、単層のInGaAsP層であっても良いし、MQW構造としても良い。   The optical modulator 40 propagates through the optical waveguide layer 23 by applying a reverse-biased modulation signal between the P electrode 27 and the N electrode 26 in the same manner as the optical modulator 20 shown in the first embodiment. Modulates and outputs laser light. As described above, the optical waveguide layer 23 may be a single InGaAsP layer or an MQW structure.

図14は、本発明の第3の実施例に係る光変調器50を示している。光変調器50は、シリコン基板49上に設けられたシリコンの光導波層とシリコン酸化膜によって構成されており、外部から加えられる変調信号によって光導波層のキャリア濃度を変えることにより屈折率を変化させて動作する。   FIG. 14 shows an optical modulator 50 according to a third embodiment of the present invention. The optical modulator 50 includes a silicon optical waveguide layer and a silicon oxide film provided on a silicon substrate 49. The refractive index is changed by changing the carrier concentration of the optical waveguide layer according to a modulation signal applied from the outside. Let it work.

光変調器50は、シリコン基板49上にシリコン酸化膜42とN型シリコン層43が設けられたSOI(Silicon on Insulator)構造を用いて製作される。シリコン酸化膜42上のN型シリコン層43は、光の導波方向にストライプ状に加工され、さらに、ゲート誘電体膜44が形成される。本実施例においてゲート誘電体膜44は、シリコンの熱酸化膜である。次にゲート誘電体膜44およびシリコン酸化膜42の上に、P型シリコン層が形成される。P型シリコン層は、熱CVD法で形成された多結晶シリコンである。P型シリコン層もまた光の導波方向にストライプ状に加工され、さらにゲート誘電体層44の露出部分がエッチングにより除去されて、図14中に示すN型シリコン43/ゲート誘電体44/P型シリコン層45の積層構造からなる光導波路が形成される。さらに、シリコン酸化膜46が熱CVD法により形成される。光導波路を挟んで配置されるシリコン酸化膜42および46は、それぞれ第1クラッド層および第2クラッド層として機能する。また、シリコン酸化膜46には、コンタクトホールが形成されてP電極48とN電極47が、それぞれP型シリコン層45およびN型シリコン層43に接続される。また、光変調器50の端面49(ヘキ開面)には、反射率を調整する多層のコーティング膜が形成されている(図12参照)。   The optical modulator 50 is manufactured using an SOI (Silicon on Insulator) structure in which a silicon oxide film 42 and an N-type silicon layer 43 are provided on a silicon substrate 49. The N-type silicon layer 43 on the silicon oxide film 42 is processed into a stripe shape in the light guiding direction, and a gate dielectric film 44 is further formed. In this embodiment, the gate dielectric film 44 is a silicon thermal oxide film. Next, a P-type silicon layer is formed on the gate dielectric film 44 and the silicon oxide film 42. The P-type silicon layer is polycrystalline silicon formed by a thermal CVD method. The P-type silicon layer is also processed into a stripe shape in the light guiding direction, and the exposed portion of the gate dielectric layer 44 is removed by etching, so that the N-type silicon 43 / gate dielectric 44 / P shown in FIG. An optical waveguide having a laminated structure of the mold silicon layer 45 is formed. Further, a silicon oxide film 46 is formed by a thermal CVD method. The silicon oxide films 42 and 46 disposed with the optical waveguide interposed therebetween function as a first cladding layer and a second cladding layer, respectively. Further, a contact hole is formed in the silicon oxide film 46, and the P electrode 48 and the N electrode 47 are connected to the P type silicon layer 45 and the N type silicon layer 43, respectively. Further, a multilayer coating film for adjusting the reflectance is formed on the end face 49 (open surface) of the optical modulator 50 (see FIG. 12).

さらに、本実施例に係る光変調器においても、ブラッグ反射器を構成することが可能である。すなわち、第1クラッド層として機能するシリコン酸化膜42とシリコンの屈折率の差によりレーザー光を反射するブラッグ反射器を構成すれば良い。具体的には、シリコンの細線を周期的に配列した回折格子をシリコン酸化膜42上に形成し、さらに、シリコン酸化膜で埋め込む構成とする(図13(a)、(b)参照)。さらに、上記のN型シリコン43/ゲート誘電体44/P型シリコン層45の積層構造からなる光導波路を熱CVD法により形成することにより、ブラッグ反射器を有する光変調器を製作することができる。   Furthermore, the Bragg reflector can also be configured in the optical modulator according to the present embodiment. That is, a Bragg reflector that reflects the laser light may be configured by the difference in refractive index between the silicon oxide film 42 functioning as the first cladding layer and the silicon. Specifically, a diffraction grating in which thin silicon wires are periodically arranged is formed on the silicon oxide film 42 and further embedded with a silicon oxide film (see FIGS. 13A and 13B). Furthermore, an optical modulator having a Bragg reflector can be manufactured by forming an optical waveguide having a laminated structure of the N-type silicon 43 / gate dielectric 44 / P-type silicon layer 45 by a thermal CVD method. .

図15は、光変調器50のB−B断面を示す模式図である。コンタクトホール51を介してP電極48およびN電極47が、P型シリコン層45およびN型シリコン層43に接続している。N電極47をアース電位に接地した状態で、外部から印加される変調信号によりP電極48にプラス電圧が印加されると、ゲート誘電体44のPシリコン層45側の界面には正孔が蓄積され、Nシリコン側の界面には電子が蓄積される。一方、P電極48にマイナス電圧が印加されると、ゲート誘電体膜44の両方の界面において、キャリアが払い出された空乏領域が形成される。すなわち、P電極48に印加される電圧により、光導波路となるゲート誘電体膜44近傍のキャリア濃度が変化し、屈折率の変化が生じる。これにより、光変調器50の光透過率が変化し、入力光を変調することができる。   FIG. 15 is a schematic diagram showing a BB cross section of the optical modulator 50. P electrode 48 and N electrode 47 are connected to P type silicon layer 45 and N type silicon layer 43 through contact hole 51. When a positive voltage is applied to the P electrode 48 by a modulation signal applied from the outside while the N electrode 47 is grounded to the ground potential, holes accumulate at the interface on the P silicon layer 45 side of the gate dielectric 44. Electrons are accumulated at the interface on the N silicon side. On the other hand, when a negative voltage is applied to the P electrode 48, a depletion region where carriers are discharged is formed at both interfaces of the gate dielectric film 44. That is, the voltage applied to the P electrode 48 changes the carrier concentration in the vicinity of the gate dielectric film 44 serving as an optical waveguide, resulting in a change in refractive index. As a result, the light transmittance of the optical modulator 50 changes, and the input light can be modulated.

光変調器50においては、ゲート誘電体膜44の近傍に正孔および電子が蓄積された状態で屈折率が大きくなり、空乏領域が形成された状態で屈折率が小さくなる。したがって、N電極47をアース電位とし、P電極48にマイナス電圧を印加した状態において、光変調器50の光透過率が最少となるように動作温度を制御し、P電極48にプラス電極を印加した時に光透過率を最大とする設定にすれば、順相モードの動作が得られることになる。   In the optical modulator 50, the refractive index increases when holes and electrons are accumulated near the gate dielectric film 44, and the refractive index decreases when a depletion region is formed. Therefore, the operating temperature is controlled so that the light transmittance of the optical modulator 50 is minimized when the N electrode 47 is at the ground potential and the negative voltage is applied to the P electrode 48, and the positive electrode is applied to the P electrode 48. In this case, if the light transmittance is set to the maximum, normal phase mode operation can be obtained.

図16は、本発明に係る光変調器1を内蔵した波長可変レーザーモジュール60の構成を模式的に示したものである。メタルパッケージ61の内部に、レーザーチップ62および光アイソレータ63、光変調器1が配置されている。各デバイスは、ペルチェクーラー67を介してパッケージ61に接着された導電性のステージ66上に配置されている。また、ステージ66は、アース電位に設置されている。レーザーチップ71は、放熱を良くするためにヒートシンク71上にダイボンディングされている。レーザーチップのN電極は、ヒートシンク71を介してステージ66に電気的に接続され、アース電位となっている。一方、P電極側は外部の電流源69に接続され、レーザーチップ62は、CWモードでレーザー発振する。また、レーザーチップ62は、波長可変レーザーであり、図示しない外部からの制御を受けて、所定の波長でレーザー発振する。   FIG. 16 schematically shows the configuration of a wavelength tunable laser module 60 incorporating the optical modulator 1 according to the present invention. Inside the metal package 61, a laser chip 62, an optical isolator 63, and the optical modulator 1 are arranged. Each device is disposed on a conductive stage 66 bonded to the package 61 via a Peltier cooler 67. The stage 66 is installed at the ground potential. The laser chip 71 is die-bonded on the heat sink 71 in order to improve heat dissipation. The N electrode of the laser chip is electrically connected to the stage 66 via the heat sink 71 and is at ground potential. On the other hand, the P electrode side is connected to an external current source 69, and the laser chip 62 oscillates in the CW mode. The laser chip 62 is a wavelength tunable laser, and oscillates at a predetermined wavelength under external control (not shown).

レーザーチップ62から出射されたレーザー光は、光アイソレータ63を介して光変調器1に入力される。光アイソレータ63は、光変調器1の入射端面からの反射光、および光変調器1の内部で多重反射されたレーザー光を、レーザーチップ62に戻さないために配置されている。レーザーチップ62から出射された光が、レーザーチップ62内部に戻ると、レーザー発振が不安定となり波長の変動や出力の変動を生じるからである。本発明に係る光変調器1において、端面の反射ミラーおよび変調器内部での多重反射は不可欠な要素であり、光変調器の入力側からレーザーチップ62への戻り光は不可避である。したがって、レーザーチップ62と光変調器1の間の光アイソレータ63は、不可欠な構成要素である。   Laser light emitted from the laser chip 62 is input to the optical modulator 1 via the optical isolator 63. The optical isolator 63 is disposed so as not to return the reflected light from the incident end face of the optical modulator 1 and the laser light that is multiply reflected inside the optical modulator 1 to the laser chip 62. This is because when the light emitted from the laser chip 62 returns to the inside of the laser chip 62, the laser oscillation becomes unstable, resulting in fluctuations in wavelength and fluctuations in output. In the optical modulator 1 according to the present invention, the multiple reflection within the reflection mirror at the end face and inside the modulator is an indispensable element, and the return light from the input side of the optical modulator to the laser chip 62 is inevitable. Therefore, the optical isolator 63 between the laser chip 62 and the optical modulator 1 is an indispensable component.

光変調器1は、ヒートシンク72を介してステージ66に電気的に接続され、N電極がアース電位に設置されている。また、P電極は外部の変調回路に接続されており、変調信号8が印加される。光変調器1に入力されたレーザー光は、外部から印加される変調信号8により変調を受けて出力される。光変調器1から出力される信号光は、光ファイバ65に入力され受信側へ伝送される。   The optical modulator 1 is electrically connected to the stage 66 through the heat sink 72, and the N electrode is installed at the ground potential. Further, the P electrode is connected to an external modulation circuit, and a modulation signal 8 is applied. The laser beam input to the optical modulator 1 is modulated and output by a modulation signal 8 applied from the outside. The signal light output from the optical modulator 1 is input to the optical fiber 65 and transmitted to the receiving side.

各デバイスの間には、光結合を取るためのレンズ64が配置されている。また、前述したように光変調器1の動作時の温度は動作モードを設定するために重要であり、ペルチェクーラー67により精密に制御される。さらに、光変調器1の共振周波数の間隔であるFSRも、変調器の温度を変化させて調整することができる。   Between each device, a lens 64 for optical coupling is disposed. Further, as described above, the temperature during operation of the optical modulator 1 is important for setting the operation mode, and is precisely controlled by the Peltier cooler 67. Furthermore, the FSR, which is the interval between the resonance frequencies of the optical modulator 1, can also be adjusted by changing the temperature of the modulator.

図17は、ITUグリッドの規格に光変調器1のFSRを一致させた場合の、波長可変レーザーの発振周波数と光変調器1の透過率の関係を模式的に示した図である。波長多重(WDM)通信システムに使用する光波長については、国際的な標準規格であるITUグリッド間隔が定められており、光変調器1のFSRをこの規格に一致させることは極めて重要である。FSRをITUグリッド間隔に一致させるためには、光変調器1の共振周波数の間隔を決める共振器長Lを規格で定められた周波数間隔となるように設定する。例えば、L=c/2ω(ωはFSR)であるから、グリッド間隔が100GHzの場合は、L=1500μmとする。 FIG. 17 is a diagram schematically showing the relationship between the oscillation frequency of the wavelength tunable laser and the transmittance of the optical modulator 1 when the FSR of the optical modulator 1 is matched with the ITU grid standard. As for the optical wavelength used in the wavelength division multiplexing (WDM) communication system, an ITU grid interval which is an international standard is defined, and it is extremely important to match the FSR of the optical modulator 1 with this standard. In order to make the FSR coincide with the ITU grid interval, the resonator length L that determines the interval of the resonance frequency of the optical modulator 1 is set to be the frequency interval determined by the standard. For example, since L = c 0 / 2ω 00 is FSR), L = 1500 μm when the grid interval is 100 GHz.

前述したように、レーザー光の光周波数において光変調器1の透過率が最少となる動作点に設定することは、オフセット電圧を加える方法、光変調器の動作温度を調整する方法、または両方を組み合わせて実施することにより可能である。FSRがITUグリッドの規格に一致している場合には、1つの波長において光変調器1の動作点の設定がされいれば、ITUの規格で定められた全ての波長において動作点の設定ができていることになる。すなわち、波長可変レーザーの波長をITU規格に適合する別の波長に変更しても、光変調器1の動作点の設定を変える必要がないということを意味する。図17は、これを模式的に示している。これにより、光変調器1を備えた波長可変レーザーモジュール60の使い勝手を各段に向上させることが可能である。   As described above, setting the operating point at which the transmittance of the optical modulator 1 is minimized at the optical frequency of the laser light includes the method of applying an offset voltage, the method of adjusting the operating temperature of the optical modulator, or both. It is possible by carrying out in combination. When the FSR matches the ITU grid standard, if the operating point of the optical modulator 1 is set at one wavelength, the operating point can be set at all wavelengths defined by the ITU standard. Will be. That is, even if the wavelength of the wavelength tunable laser is changed to another wavelength that conforms to the ITU standard, it means that there is no need to change the setting of the operating point of the optical modulator 1. FIG. 17 schematically shows this. Thereby, the usability of the wavelength tunable laser module 60 including the optical modulator 1 can be improved in each stage.

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明に係る光変調器および波長可変レーザーモジュールは、上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the optical modulator and the wavelength tunable laser module according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and the present invention described in the claims. Various modifications and changes can be made within the scope of the present invention.

本発明に係る光変調器を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical modulator which concerns on this invention. 本発明に係る光変調器の光透過特性を光周波数に対して示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the light transmission characteristic of the optical modulator which concerns on this invention with respect to the optical frequency. 本発明に係る光変調器の光透過特性を光周波数に対して示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the light transmission characteristic of the optical modulator which concerns on this invention with respect to the optical frequency. 本発明に係る光変調器の入力光に対する出力光の強度比(相対光強度)を逆バイアスに対して示したグラフである。It is the graph which showed intensity ratio (relative light intensity) of output light to input light of a light modulator concerning the present invention to reverse bias. 本発明に係る光変調器の出力波形と対応する周波数変動Δωを示している。The output waveform of the optical modulator according to the present invention and the corresponding frequency fluctuation Δω are shown. 本発明に係る光変調器の出力波形と対応する周波数変動Δωを示している。The output waveform of the optical modulator according to the present invention and the corresponding frequency fluctuation Δω are shown. 本発明に係る光変調器から出力される光パルスの伝送後の波形の変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change of the waveform after transmission of the optical pulse output from the optical modulator which concerns on this invention. 本発明に係る光変調器で変調された10Gbpsの信号光のアイパターンを示している。3 shows an eye pattern of 10 Gbps signal light modulated by the optical modulator according to the present invention. 本発明に係る光変調器で変調された信号光の伝送後のアイパターンを示している。The eye pattern after transmission of the signal light modulated by the optical modulator according to the present invention is shown. 本発明に係る光変調器で変調された信号光の伝送後のアイパターンを示している。The eye pattern after transmission of the signal light modulated by the optical modulator according to the present invention is shown. 本発明の第1実施例に係る光変調器を示す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating an optical modulator according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施例に係る光変調器のA−A断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the AA cross section of the optical modulator which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施例に係る光変調器を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical modulator which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例に係る光変調器を示している。7 shows an optical modulator according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施例に係る光変調器50のB−B断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the BB cross section of the optical modulator 50 which concerns on the 3rd Example of this invention. 本発明に係る光変調器を内蔵した波長可変レーザーモジュールの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the wavelength tunable laser module incorporating the optical modulator which concerns on this invention. 本発明に係る光変調器のFSRをITUグリッドの規格に一致させた場合の波長可変レーザーの発振周波数と光変調器の透過率の関係を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the relationship between the oscillation frequency of a wavelength-tunable laser and the transmittance | permeability of an optical modulator at the time of making FSR of the optical modulator based on this invention correspond to the specification of ITU grid.

符号の説明Explanation of symbols

1 光変調器
2 N型クラッド層
3 P型クラッド層
4 光導波層
5 反射ミラー
6 P電極
7 N電極
22 N型InP層
23 光導波層
24 P型InP層
25 P電極
26 N電極
30 コーティング膜
31 回折格子
33 反射防止膜
42 シリコン酸化膜
43 N型シリコン層
44 ゲート誘電体膜
45 P型シリコン層
46 シリコン酸化膜
47 P電極
48 N電極
60 波長可変レーザーモジュール
62 レーザーチップ
63 光アイソレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical modulator 2 N type clad layer 3 P type clad layer 4 Optical waveguide layer 5 Reflective mirror 6 P electrode 7 N electrode 22 N type InP layer 23 Optical waveguide layer 24 P type InP layer 25 P electrode 26 N electrode 30 Coating film 31 Diffraction grating 33 Antireflection film 42 Silicon oxide film 43 N-type silicon layer 44 Gate dielectric film 45 P-type silicon layer 46 Silicon oxide film 47 P electrode 48 N electrode 60 Wavelength tunable laser module 62 Laser chip 63 Optical isolator

Claims (12)

レーザー光に信号を重畳する光変調器であって、
前記レーザー光を導波するための光導波層と、
前記光導波層を間に挟んで設けられ、前記光導波層より屈折率が小さい第1クラッド層および第2クラッド層と、
前記光導波層を伝搬する前記レーザー光を多重反射させるために、対向して設けられた2つの反射器と、
前記2つの反射器の間に配置されて、前記光導波層の屈折率を変化させるための変調信号が印加される電極と、を備え、
前記電極は、前記変調信号によって前記光導波層の屈折率が相対的に高くなるにしたがい、前記対向して設けられた2つの反射器の外側に出力される信号光の強度が高くなるようにバイアスされることを特徴とする光変調器。
An optical modulator for superimposing a signal on a laser beam,
An optical waveguide layer for guiding the laser light;
A first clad layer and a second clad layer which are provided with the optical waveguide layer interposed therebetween and have a refractive index smaller than that of the optical waveguide layer;
Two reflectors provided opposite to each other for multiple reflection of the laser light propagating through the optical waveguide layer;
An electrode disposed between the two reflectors to which a modulation signal for changing a refractive index of the optical waveguide layer is applied;
The electrodes, the the modulation signal following the refractive index of said optical waveguide layer is relatively high, the counter to two so that the strength is high in the signal light output to the outside of the reflector provided optical modulator, wherein that you are biased.
前記2つの反射器は、
前記光導波層の端部に形成されたヘキ開面、または該ヘキ開面に反射率を調整するためのコーティングが施されたミラー面で構成されることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
The two reflectors are:
The structure according to claim 1, comprising a cleaved surface formed at an end of the optical waveguide layer, or a mirror surface on which the cleaved surface is coated with a coating for adjusting reflectivity. Light modulator.
前記2つの反射器は、
前記光導波層を伝搬するレーザー光と干渉する回折格子を有するブラッグ反射器であることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
The two reflectors are:
The optical modulator according to claim 1, wherein the optical modulator is a Bragg reflector having a diffraction grating that interferes with laser light propagating through the optical waveguide layer.
前記光導波層の両端面に設けられたヘキ開面に、前記レーザー光の反射を防止する反射防止膜を有すること特徴とする請求項3に記載の光変調器。 The optical modulator according to claim 3, further comprising an antireflection film for preventing reflection of the laser light on a cleaved surface provided on both end faces of the optical waveguide layer. 前記第1クラッド層は、前記光導波層を伝搬するレーザー光に対して透明であるInPを含むInGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなり、
前記第2クラッド層は、前記InPを含むInGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなり、
前記光導波層は、
前記InGaAsP混晶系から選択された化合物半導体層を含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載された光変調器。
The first cladding layer is made of a compound semiconductor crystal selected from an InGaAsP mixed crystal system containing InP that is transparent to laser light propagating through the optical waveguide layer,
The second cladding layer is made of a compound semiconductor crystal selected from the InGaAsP mixed crystal system containing InP.
The optical waveguide layer is
5. The optical modulator according to claim 1, further comprising a compound semiconductor layer selected from the InGaAsP mixed crystal system.
前記光導波層は、
前記InPを含むInGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなる障壁層と、前記InGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなる井戸層と、を積層した多重量子井戸(MQW)構造を有することを特徴とする請求項5に記載の光変調器。
The optical waveguide layer is
A multiple quantum well (MQW) structure in which a barrier layer made of a compound semiconductor crystal selected from the InGaAsP mixed crystal system containing InP and a well layer made of the compound semiconductor crystal selected from the InGaAsP mixed crystal system are stacked. The optical modulator according to claim 5, further comprising:
前記光導波層は、
前記光導波層を伝搬するレーザー光に対して透明であるAlGaInAs混晶系から選択された化合物半導体結晶からなる障壁層と、前記InGaAsP混晶系から選択された化合物半導体結晶からなる井戸層と、を積層した多重量子井戸(MQW)構造を有することを特徴とする請求項5に記載の光変調器。
The optical waveguide layer is
A barrier layer made of a compound semiconductor crystal selected from an AlGaInAs mixed crystal system that is transparent to the laser light propagating through the optical waveguide layer, a well layer made of a compound semiconductor crystal selected from the InGaAsP mixed crystal system, The optical modulator according to claim 5, wherein the optical modulator has a multiple quantum well (MQW) structure in which a plurality of layers are stacked.
前記第1クラッド層は、第1の導電性を有し、
前記第2クラッド層は、第2の導電性を有し、
前記第1クラッド層と第2クラッド層に各々に接続された2つの電極に逆バイアスとなる変調信号を印加することにより、前記光導波層の屈折率を変化させることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の光変調器。
The first cladding layer has a first conductivity;
The second cladding layer has a second conductivity;
2. The refractive index of the optical waveguide layer is changed by applying a modulation signal having a reverse bias to two electrodes connected to the first cladding layer and the second cladding layer, respectively. 8. The optical modulator according to any one of 7 to 7.
前記第1クラッド層および第2クラッド層は、前記光導波層を伝搬するレーザー光に対して透明である誘電体層からなり、
前記光導波層は、前記第1クラッド層および第2クラッド層の間に設けられ、P型シリコン層と、誘電体層と、N型シリコン層とが積層された構成を有し、
前記変調信号を印加する2つの電極が、前記P型シリコン層およびN型シリコン層に各々接続されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の光変調器。
The first cladding layer and the second cladding layer are made of a dielectric layer that is transparent to laser light propagating through the optical waveguide layer,
The optical waveguide layer is provided between the first cladding layer and the second cladding layer, and has a configuration in which a P-type silicon layer, a dielectric layer, and an N-type silicon layer are stacked.
5. The optical modulator according to claim 1, wherein two electrodes to which the modulation signal is applied are connected to the P-type silicon layer and the N-type silicon layer, respectively.
前記2つの反射器は、
対向した反射器における共振周波数の隣接した間隔である自由スペクトル領域(free spectral range:FSR)が、所定の間隔に一致することを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の光変調器。
The two reflectors are:
10. The optical modulator according to claim 1, wherein a free spectral range (FSR), which is an interval between adjacent resonance frequencies of the opposing reflectors, coincides with a predetermined interval. .
出力光の波長を変えることができる波長可変レーザーと、
請求項1ないし10のいずれかに記載の光変調器と、
を備えることを特徴とする波長可変レーザーモジュール。
A tunable laser that can change the wavelength of the output light,
An optical modulator according to any one of claims 1 to 10,
A tunable laser module comprising:
前記波長可変レーザーと、前記光変調器との間に、前記波長可変レーザーへの戻り光を減衰させるための光アイソレータを備えることを特徴とする請求項11に記載の波長可変レーザーモジュール。

The wavelength tunable laser module according to claim 11, further comprising an optical isolator for attenuating return light to the wavelength tunable laser between the wavelength tunable laser and the optical modulator.

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