JP5667514B2 - Phase shifter on semiconductor substrate, polarization separator and polarization synthesizer using the same - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板上の位相シフタ並びにそれを用いた偏波分離器及び偏波合成器に関する。 The present invention relates to a phase shifter on a semiconductor substrate, and a polarization separator and a polarization synthesizer using the phase shifter.
インターネット等により通信トラフィックの大容量化が求められている。そのため、波長分割多重(WDM)システムにおいて、1チャネル当たりの伝送速度の増加や波長数の増加が求められている。具体的には、WDMシステムの伝送には40Gbit/sや100Gbit/sといった高い伝送速度が求められている。 There is a demand for an increase in communication traffic volume via the Internet and the like. Therefore, in a wavelength division multiplexing (WDM) system, an increase in transmission speed per channel and an increase in the number of wavelengths are required. Specifically, high transmission rates such as 40 Gbit / s and 100 Gbit / s are required for transmission in the WDM system.
ところが、高速化のために変調シンボルレートを高くすると、分散耐性が急激に劣化し、伝送距離が縮小してしまうという問題等があり、シンボルレートを上げずにビットレートを大きくする多値化技術や多重化技術の必要性が高まっている。マッハツェンダ型光変調器を複数並列に配置したDQPSK(Differential Quadrature Phasa Shift Keying)光変調器やDP(Dual Polarization)−QPSK光変調器等、様々なフォーマットが開発されているが、こうしたアドバンスドフォーマットでは偏波多重化技術が標準的になってきている。 However, when the modulation symbol rate is increased for higher speed, there is a problem that the dispersion tolerance is rapidly deteriorated and the transmission distance is shortened. A multilevel technology for increasing the bit rate without increasing the symbol rate. And the need for multiplexing technology is increasing. Various formats have been developed such as DQPSK (Differential Quadrature Shift Keying) optical modulators and DP (Dual Polarization) -QPSK optical modulators in which multiple Mach-Zehnder optical modulators are arranged in parallel. Wave multiplexing techniques are becoming standard.
偏波多重技術において光送信器に必要な機能は、直交する偏光成分それぞれに異なる変調信号を載せることである。形にする方法として2つ考えられている。1つは、1偏波の光をそれぞれ変調し、どちらか一方の偏光を90°回転させた後に偏波ビームコンバイナ(Polarization Beam Combiner)により合波する方法(非特許文献1参照)であり、もう1つは、光変調器に光が入射される時点で2つの偏光成分を持たせ、入射後、偏光ビームスプリッタ(Polarization Beam Splitter)により直交する成分に分離して直交成分をそれぞれ変調する方法(非特許文献2参照)である。 In the polarization multiplexing technique, a function necessary for the optical transmitter is to place different modulation signals on the orthogonal polarization components. There are two possible ways to shape it. One is a method (see Non-Patent Document 1) in which one polarization light is modulated, and one of the polarizations is rotated by 90 ° and then combined by a polarization beam combiner (Polarization Beam Combiner). The other is a method in which two polarization components are provided at the time when light enters the optical modulator, and after the incidence, they are separated into orthogonal components by a polarization beam splitter, and the orthogonal components are respectively modulated. (See Non-Patent Document 2).
現在、これらの技術はLiNbO3(ニオブ酸リチウム;LN)で構成されたLN変調器を用いて実現されているが、100Gbit/sのDP−QPSKが今後普及してくると、LN変調器ではサイズが大きくなってしまう。また、半波長電圧が比較的高く、高い電圧出力を有するドライバーを使用する必要もあり、ドライバーでの消費電力が高くなる問題に直面する。現在の通信では、消費電力を下げながら、かつ小型化していくことが求められており、今後はLN変調器だけで上記問題を解決していくことに限りがある。 At present, these technologies are realized by using an LN modulator composed of LiNbO 3 (lithium niobate; LN). When 100-Gbit / s DP-QPSK becomes popular in the future, The size will increase. In addition, it is necessary to use a driver having a relatively high half-wave voltage and a high voltage output, and thus the power consumption of the driver is increased. In the current communication, it is required to reduce the power consumption while reducing the size, and in the future, there is a limit to solving the above problem using only the LN modulator.
そこで、これらの要求に応える1つの手段として、半導体素子に電界を与えることで屈折率を変化させ、入力電気信号を光の位相変化に変換するマッハツェンダ型の半導体変調器が注目されている。半導体変調器は、LN変調器に比べて、構成する光導波路の比屈折率差が大きく、曲げ半径を小さくできるため、小型な回路レイアウトが可能となる。また、駆動電圧もLN変調器に比べて小さくすることが可能であるため、低消費電力の観点からも注目されている。すでに、これらの半導体変調器においても、LN変調器と同じく、DQPSKなどの多値伝送フォーマットに対応した高速変調器が報告されている。 Therefore, as one means for meeting these requirements, a Mach-Zehnder type semiconductor modulator that changes the refractive index by applying an electric field to a semiconductor element and converts an input electric signal into a phase change of light has attracted attention. The semiconductor modulator has a larger relative refractive index difference between the optical waveguides to be configured and a smaller bending radius than the LN modulator, so that a small circuit layout is possible. In addition, since the drive voltage can be made smaller than that of the LN modulator, it has been attracting attention from the viewpoint of low power consumption. In these semiconductor modulators, as with the LN modulator, a high-speed modulator corresponding to a multilevel transmission format such as DQPSK has already been reported.
従来技術では、マッハツェンダ型の半導体変調器における偏波多重化を実現する方法として、マイクロオプティクスを利用した偏波制御が主流である。しかしながら、半導体を利用しているため変調器は小さく作製できるのに、偏波制御する箇所でのサイズがマイクロオプティクスといえども大きく、素子全体のサイズが大きくなり、半導体を利用しているメリットを小さくしてしまっている。また、アライメントが煩雑であり、時間がかかるので製造コストがかかる。 In the prior art, polarization control using micro-optics is the mainstream as a method of realizing polarization multiplexing in a Mach-Zehnder type semiconductor modulator. However, the modulator can be made small because of the use of semiconductors, but the size at the location where polarization control is performed is large even for micro-optics, and the overall size of the device is increased. It has become smaller. In addition, since the alignment is complicated and takes time, the manufacturing cost is high.
したがって、半導体基板上にPBCやPBSをモノリシック集積することが求められている。そうすればアライメントを要さず、半導体変調器における偏波制御を小型に実現可能である。 Therefore, it is required to monolithically integrate PBC and PBS on a semiconductor substrate. Then, alignment is not required, and polarization control in the semiconductor modulator can be realized in a small size.
そこで、マッハツェンダ型光回路を導波路幅の異なるアーム導波路で構成すると、TE偏光とTM偏光の屈折率差である複屈折率が上下のアーム導波路で異なることを利用することが考えられる。導波路幅により複屈折率を制御することにより、マッハツェンダ型光回路の出力において、TE偏光とTM偏光との間に半波長の位相差を与えることができる。このため、無偏光光を入射すると、偏波で出力が異なる回路、つまりPBSが実現でき、相反性から反対に、TE偏光およびTM偏光をそれぞれ入力とすると合波されて1つの導波路に出力されるPBCが実現できる(非特許文献3参照)。 Therefore, when the Mach-Zehnder type optical circuit is composed of arm waveguides having different waveguide widths, it can be considered that the birefringence, which is the difference in refractive index between TE polarized light and TM polarized light, is different between the upper and lower arm waveguides. By controlling the birefringence by the waveguide width, at the output of the Mach-Zehnder type optical circuit, as possible out to give a phase difference of a half wavelength between the TE and TM polarizations. For this reason, when non-polarized light is incident, it is possible to realize a circuit with different outputs depending on the polarization, that is, PBS. On the contrary, when TE polarized light and TM polarized light are input, they are combined and output to one waveguide. PBC can be realized (see Non-Patent Document 3).
しかしながら、そのようなマッハツェンダ型光回路を設計通りに再現良く製造することは非常に難しい。特に、半導体光導波路は、導波路幅がわずかに設計からずれても、その導波路の実効屈折率が大きく変化してしまう。そこで、製造したマッハツェンダ型光回路の複屈折率に対する調整機構が必要となる。 However, it is very difficult to manufacture such a Mach-Zehnder type optical circuit with good reproducibility as designed. In particular, even if the waveguide width is slightly deviated from the design of the semiconductor optical waveguide, the effective refractive index of the waveguide greatly changes. Therefore, an adjustment mechanism for the birefringence of the manufactured Mach-Zehnder optical circuit is required.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、精度の高い複屈折率調整が可能な半導体基板上の位相シフタを提供すること、並びにそれを用いた偏波分離器及び偏波合成器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a phase shifter on a semiconductor substrate capable of adjusting the birefringence with high accuracy, and also to a polarization using the phase shifter. It is to provide a separator and a polarization synthesizer.
このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、第1の複屈折率調整部と、前記第1の複屈折率調整部に接続された第2の複屈折率調整部とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備え、前記第1の複屈折率調整部は、第1のアーム導波路が有する第1の幅の第1の導波路部と、前記第1のアーム導波路と並列に配置された第2のアーム導波路が有する第2の幅の第2の導波路部と、前記第1の導波路部上の第1の電極と、前記第2の導波路部上の第2の電極とで構成され、前記第1の幅は前記第2の幅よりも大きく、前記第2の複屈折率調整部は、前記第1のアーム導波路が有する、前記第1の導波路部から傾斜して配置された第3の導波路部と、前記第2のアーム導波路が有する、前記第2の導波路部から傾斜して前記第3の導波路部と平行に配置された第4の導波路部と、前記第3の導波路部の上の第3の電極と、前記第4の導波路部の上の第4の電極とで構成され、前記第1及び第2のアーム導波路は、前記閃亜鉛鉱型構造を有する半導体により形成されており、前記半導体基板の主面方位は(100)であり、前記第1及び第2の導波路部は、01−1方向または0−11方向に配置されており、前記第3及び第4の導波路部は、010方向、00−1方向、0−10方向、及び001方向のいずれかから±5°以内の方向に配置されていることを特徴とする位相シフタである。 In order to achieve such an object, a first aspect of the present invention includes a first birefringence adjusting unit and a second birefringence adjusting unit connected to the first birefringence adjusting unit. On a semiconductor substrate having a zinc blende structure, and the first birefringence adjusting unit includes a first waveguide unit having a first width included in a first arm waveguide, and the first birefringence adjusting unit. A second waveguide portion having a second width of a second arm waveguide disposed in parallel with the arm waveguide, a first electrode on the first waveguide portion, and the second electrode is composed of a second electrode on the waveguide portion, said first width being greater than said second width, the second birefringence adjustment portion, said first arm waveguide has, The third waveguide section disposed to be inclined from the first waveguide section and the third arm waveguide have the third waveguide section inclined from the second waveguide section. A fourth waveguide section arranged in parallel with the waveguide section, a third electrode on the third waveguide section, and a fourth electrode on the fourth waveguide section The first and second arm waveguides are formed of a semiconductor having the zincblende structure, the principal plane orientation of the semiconductor substrate is (100), and the first and second The waveguide portion is arranged in the 01-1 direction or the 0-11 direction, and the third and fourth waveguide portions are any of the 010 direction, the 00-1 direction, the 0-10 direction, and the 001 direction. The phase shifter is arranged in a direction within ± 5 ° from the above.
また、本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記第3及び第4の導波路部が、前記第2の複屈折率調整部において、TE偏光およびTM偏光に対する単位電圧当たりの屈折率変化率の偏波面依存性が抑制される方向に配置されていることを特徴とする。 Further, according to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the third and fourth waveguide portions may be arranged in the second birefringence adjusting unit in units of unit voltages for TE polarized light and TM polarized light. It is arranged in a direction in which the polarization plane dependency of the refractive index change rate is suppressed.
また、本発明の第3の態様は、第1の光カプラと、前記第1の光カプラに接続された、第1または第2の態様の位相シフタと、前記位相シフタに接続された第2の光カプラとを備えることを特徴とする偏波分離器である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a first optical coupler, a phase shifter of the first or second aspect connected to the first optical coupler, and a second connected to the phase shifter. A polarization separator comprising: an optical coupler.
また、本発明の第4の態様は、第1の光カプラと、前記第1の光カプラに接続された、第1または第2の態様の位相シフタと、前記位相シフタに接続された第2の光カプラとを備えることを特徴とする偏波合成器である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first optical coupler, a phase shifter according to the first or second aspect connected to the first optical coupler, and a second connected to the phase shifter. A polarization beam combiner.
本発明によれば、第1の複屈折率調整部と、第1の複屈折率調整部に接続された第2の複屈折率調整部とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備える位相シフタであって、第1の複屈折率調整部を構成する上下のアーム導波路と、第2の複屈折率調整部を構成する上下のアーム導波路とを傾斜させていることにより、精度の高い複屈折率調整が可能な半導体基板上の位相シフタを提供することができる。 According to the present invention, a first birefringence adjusting unit and a second birefringence adjusting unit connected to the first birefringence adjusting unit are provided on a semiconductor substrate having a zinc blende structure. It is a phase shifter, and the upper and lower arm waveguides that constitute the first birefringence adjusting unit and the upper and lower arm waveguides that constitute the second birefringence adjusting unit are inclined, thereby providing accuracy. It is possible to provide a phase shifter on a semiconductor substrate capable of adjusting a high birefringence.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1に、本発明の第1の実施形態に係るPBSを示す。PBSとして説明するが、PBCとしても機能することは上述の通りである。PBS100は、第1の光カプラ110と、第1の光カプラ110に接続された第1の複屈折率調整部120と、第1の複屈折率調整部120に接続された第2の複屈折率調整部130と、第2の複屈折率調整部130に接続された第2の光カプラ140とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板101上に備える。第1の複屈折率調整部120及び第2の複屈折率調整部130が位相シフタとして機能する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a PBS according to the first embodiment of the present invention. Although described as a PBS, it also functions as a PBC as described above. The
第1の複屈折率調整部120は、第1のカプラ110に接続された第1のアーム導波路102が有する第1の幅の第1の導波路部102Aと、第1のカプラ110に第1のアーム導波路102と並列に接続された第2のアーム導波路103が有する第2の幅の第2の導波路部103Aと、第1の導波路部102A上の第1の電極102Bと、第2の導波路部103A上の第2の電極103Bとで構成され、ここで、第1の幅は第2の幅よりも大きい。
The first
第2の複屈折率調整部130は、第1のアーム導波路102が有する、第1の導波路部102Aから傾斜して配置された第3の導波路部102Cと、第2のアーム導波路103が有する、第2の導波路部103Bから傾斜して第3の導波路部102Cと平行に配置された第4の導波路部103Cと、第3の導波路部102Cの上の第3の電極102Dと、第4の導波路部103Cの上の第4の電極103Dとで構成される。第3の導波路部102C及び第4の導波路部103Cの傾斜角は、角度がついていればよく、たとえば、30°とすることができる。
The second
図1では、上下のアーム導波路の長さが等しくなるように2度曲げているが、2度曲げることは必ずしも必要でない。しかし、2度曲げにより上下のアーム導波路を等長に近づけることができ、帯域が広くできるので好ましい。 In FIG. 1, the upper and lower arm waveguides are bent twice so that the lengths of the upper and lower arm waveguides are equal. However, it is preferable because the upper and lower arm waveguides can be made approximately equal by bending twice and the band can be widened.
本実施形態に係るPBS100は、GaAs、InP等の閃亜鉛鉱型構造を有する化合物半導体に形成された光導波路において、電圧を印加した際の屈折率変化に対する偏波面依存性および結晶方位依存性が存在することを利用する。一般に、半導体光導波路は偏波面依存性を有するが、閃亜鉛鉱型構造を有する化合物半導体では、TE偏光に対する屈折率変化に光導波路に平行な結晶方位が大きく影響する。第1の複屈折率調整部120と第2の複屈折率調整部130を構成する光導波路の方向を変えることにより、単位電圧当たりの屈折率変化率が異なる2種類の複屈折率調整機構が得られる。これらの複屈折率調整機構を以下のように用いることで、高精度の複屈折率調整をすることができる。
The
まず、光源としてASE光を用いて、第1の光カプラ110に導く。たとえば、先球ファイバを用いて第1の光カプラ110の入力導波路端面から入力を行う。次いで、第1の複屈折率調整部120において、第1の電極102B又は第2の電極103Bに電圧を印加し、偏波消光比がどこかの観測波長内で最大になるように調整を行う。このとき、最大偏波消光比が得られる波長は、動作波長と一致しなくてもよい。出力の観測は、偏波保持の先球ファイバを用いて第2の光カプラ140の出力導波路端面からの出力を集め、ファイバーインライン型のPBSを介して各偏波の出力をスペクトルアナライザに導入し、スペクトルを見ながら調整を実施する。この状態で、第2の複屈折率調整部130の第3の電極102C又は第4の電極103Dに電圧を加える。スペクトルが変化するので、動作波長と最大偏波消光比が得られる波長が一致する方向に印加電圧を微調整する。目的波長に近くなるとともに、偏波消光比がやや劣化する。そこで、再度偏波消光比を改善するように第1の複屈折率調整部120の電圧を調整し、偏波消光比を改善する。第1の複屈折率調整部120における偏波消光比の調整と、第2の複屈折率調整部130での波長の調整とを繰り返し実施し、目的の動作波長で目的の偏波消光比を最終的に得る。調整は複数回の繰り返しが必要で多少手間と時間はかかるが、所望の特性を有する位相シフタを得ることが可能である。
First, ASE light is used as a light source and guided to the first
なお、スペクトルアナライザを用いた調整方法を説明したが、これに限らない。波長可変レーザー、偏光子と光パワーメーターなどを組み合わせて用いて測定しても調整は可能である。 In addition, although the adjustment method using a spectrum analyzer was demonstrated, it is not restricted to this. Adjustment is possible even if measurement is performed using a combination of a wavelength tunable laser, a polarizer, and an optical power meter.
また、本実施形態に係るPBSは、図2に示すように、第1の複屈折率調整部120と第2の複屈折率調整部130の配置順序を入れ替えても同様に機能することに留意されたい。
Note that the PBS according to the present embodiment functions similarly even if the arrangement order of the first
また、第2の実施形態における説明から分かることであるが、半導体基板101の主面方位が(100)である場合、第1の導波路部102A及び第2の導波路部103Aと、第3の導波路部102C及び第4の導波路部103Cを、011方向に対称軸を有しないように配置することが必要である。この場合には、第1の複屈折率調整部120と第2の複屈折率調整部130の屈折率変化率が同じになり、2種類の複屈折率調整機構を設けることができないからである。
Further, as can be understood from the description in the second embodiment, when the main surface orientation of the
製造方法
図3を参照して、本実施形態に係るPBSの製造方法を説明する。はじめに、図3(a)に示すように、半絶縁性(SI(semi−insulating))−InP基板50上に第1のn型電極層51(n+−InP)を成長し、その上に第1のn型クラッド層52(n−InP)を形成し、第1のn型クラッド層52上には、第1の中間層53(i−InGaAsP)、多重量子井戸(MQW)コア層54、第2の中間層55(i−InGaAsP)が形成されている。
Manufacturing Method A PBS manufacturing method according to this embodiment will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 3 (a), a first n-type electrode layer 51 (n + -InP) is grown on a semi-insulating (SI) -
第2の中間層55(i−InGaAsP)の上に第1の低濃度クラッド56(i−InP)を形成した後、第1の低濃度クラッド56(i−InP)の上には、電子バリアとして機能するp型クラッド層57(p−InP)が形成される。p型クラッド層57の上には、第2のn型クラッド層58(n−InP)が形成され、さらにその上に、第2のn型電極層59(n+−InP)が順に積層されている。
After the first low-concentration cladding 56 (i-InP) is formed on the second intermediate layer 55 (i-InGaAsP), an electron barrier is formed on the first low-concentration cladding 56 (i-InP). As a result, a p-type cladding layer 57 (p-InP) is formed. A second n-type cladding layer 58 (n-InP) is formed on the p-
ここで、多重量子井戸コア層54は、動作光波長で電気光学効果が有効に働くように構成され、例えば、1.5μm帯のデバイスであれば、InGaAlAsのGa/Al組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層と量子バリア層にした多重量子井戸構造とすることができる。また、第1の中間層53は、光吸収で発生したキャリアをヘテロ界面でトラップされないようにするための接続層として機能する。
Here, the multiple quantum
本実施形態に係るPBSを製造するには、まず、上下のアーム導波路を電気的に分離するために、アーム導波路間に分離溝を形成する。なお、変調電極と位相調整電極が分かれているマッハツェンダ構造の場合は、その間にも分離溝を設けて電気的分離を行う。これは、電気的分離がなされていないと、片方のアーム導波路に変調のため印加した電圧が他方のアーム導波路の変調に影響を及ぼすためである。分離溝は、第2のn型電極層59から電子バリアとして機能するp型クラッド層57までの一部を標準的なフォトリソグラフィー、パターニングしウエットエッチング技術を用いて、アーム導波路の何処かに幅数ミクロンの溝として取り除くことにより形成する。
To manufacture the PBS according to this embodiment, first, a separation groove is formed between the arm waveguides in order to electrically separate the upper and lower arm waveguides. In the case of a Mach-Zehnder structure in which the modulation electrode and the phase adjustment electrode are separated, a separation groove is provided between them to perform electrical separation. This is because the voltage applied to one arm waveguide for modulation affects the modulation of the other arm waveguide if electrical isolation is not performed. The separation groove is formed in a part of the arm waveguide by using a standard photolithography and patterning part from the second n-
なお、本実施形態においては、分離溝により電気的分離を行ったが、電極が接触する変調部周辺以外を石英のハードマスクを用いて第2のn型電極層59から電子バリアとして機能するp型クラッド層57までを除去した後、半絶縁性のInPで再度成長し置き換えを実施して電気的分離を行ってもよい。
In the present embodiment, the electrical separation is performed by the separation groove. However, the portion other than the periphery of the modulation portion in contact with the electrode functions as an electron barrier from the second n-
次に、図3(b)に示すように、ドライエッチング技術を用いて第2のn型電極層59(n+−InP)から第1のn型クラッド層中間52までの層をエッチングすることにより、ハイメサ型の導波路構造を形成する。そして、第1のn型クラッド層52をエッチングすることにより、第1のn型電極層51を露出させる。
Next, as shown in FIG. 3B, the layers from the second n-type electrode layer 59 (n + -InP) to the first n-type cladding layer intermediate 52 are etched using a dry etching technique. A high-mesa waveguide structure is formed. Then, the first n-
最後に、図3(c)に示すように、変調電極、位相調整電極となる第1のn型電極60を第2のn型電極層59上に、接地電極となる第2のn型電極61を第1のn型電極層51上にそれぞれ形成する。なお、必要に応じて、パッシベーション膜を堆積し、メサ表面を保護するようにしてもよいし、ポリマーなどを利用してハイメサ構造を保護してもよい。
Finally, as shown in FIG. 3 (c), the first n-
マッハツェンダ型光変調器の実装方法
本実施形態に係るPBS100は、第1の電極102B、第2の電極103B、第3の電極102D及び第4の電極103Dに変調信号を入力することにより、変調機能を持たせて光変調器として機能させることができる。その実装方法を説明する。
Mounting Method of Mach-Zehnder Type Optical
まず、後の行うへき開が実施できる程度まで基板裏面に研磨を実施する。裏面に固定半田が接着するように金属膜を蒸着した後、各チップにへき開し、入出力導波路がある端面に無反射コートを実施する。 First, the back surface of the substrate is polished to such an extent that subsequent cleavage can be performed. After depositing a metal film so that the fixed solder adheres to the back surface, it is cleaved into each chip, and a non-reflective coating is performed on the end face where the input / output waveguide is located.
次いで、当該チップをチッカアルミで構成されたサブマウントに、標準的なチップボンダーで搭載したのちに加熱固定し、続いて終端抵抗、コンデンサ、サーミスタ(抵抗変化として温度検出する温度センサ)、高速信号を伝送するための配線板を同じくチップボンダーで搭載し、リフロ―により固定を実施する。 Next, the chip is mounted on a submount made of ticker aluminum with a standard chip bonder, and then fixed by heating, followed by a terminating resistor, capacitor, thermistor (temperature sensor that detects temperature as a resistance change), and high-speed signal. A wiring board for transmission is also mounted with a chip bonder and fixed by reflow.
素子固定されたサブマウント上の配線や素子、およびチップの電極をワイヤーボンディングにより結線した後、CuWからなるマウントにサブマウントを再度負リフロ―固定し、YAGレーザーを用いて入出力導波路の先に、入出力光をコリメートするレンズを固定する。これらのCuWマウントに搭載されたものを両端にファイバ固定ができるようになった気密パッケージ内に実装し、レンズ付きの入出力ファイバをYAG固定し、パッケージに設けられた高周波の差動信号入力端子にRF入力コネクタとしてGPPOコネクタを装着しモジュールの形にする。ここでは、レンズの固定はYAGレーザーを用いて行ったが、この限りではない。また、RF入力コネクタとしてGPPOを用いたが、これもその他の所望周波数の信号が入力できるRF入力用端子であれば問題ない。 After wiring and elements on the fixed submount and the electrodes of the chip and the electrode of the chip are connected by wire bonding, the submount is again negatively fixed to the mount made of CuW, and the tip of the input / output waveguide using YAG laser The lens that collimates the input / output light is fixed. The one mounted on these CuW mounts is mounted in an airtight package that can be fixed to both ends, and the I / O fiber with lens is fixed to YAG, and the high-frequency differential signal input terminal provided on the package A GPPO connector is attached as an RF input connector to form a module. Here, the lens is fixed using a YAG laser, but this is not restrictive. In addition, although GPPO is used as the RF input connector, there is no problem as long as this is an RF input terminal that can input signals of other desired frequencies.
(第2の実施形態)
図4に、第2の実施形態に係るPBSを示す。PBS400は、第1の実施形態に係るPBS100と傾斜角θを除いて同一である。第2の実施形態に係るPBS400では、傾斜角θを適切に選択して、第2の複屈折率調整部130において、TE偏光およびTM偏光に対する単位電圧当たりの屈折率変化率が等しくなる方向に第3の導波路部102C及び第4の導波路部103Cを配置している。換言すると、屈折率変化率の偏波面依存性が抑制されるように傾斜角θを選択している。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a PBS according to the second embodiment. The
2種類の複屈折率調整機構を用いて高精度の複屈折率調整を行う方法も、第1の実施形態に係るPBSと同様であるが、第2の複屈折率調整部130の屈折率変化率が偏波無依存であるため、調整が簡単になる。具体的には、第1の複屈折率調整部120により、偏波消光比が最大になるように調整を行い、第2の複屈折率調整部130により、偏波消光比の劣化を抑えて最大偏波消光比が得られる波長だけをシフトすることが可能となる。偏波消光比の劣化がほとんどないため、再度第1の複屈折率調整部120の電圧を微調することで、動作波長で最大偏波消光比を得ることができ、調整時間を短縮することができる。
A method of performing birefringence adjustment with high accuracy using two types of birefringence adjustment mechanisms is the same as that of the PBS according to the first embodiment, but the refractive index change of the second
半導体基板101の主面方位が(100)である場合、第1の導波路部102A及び第2の導波路部103Aを、01−1方向に配置し、第3の導波路部102C及び第4の導波路部103Cを、010方向に配置し、傾斜角θを45°とすると、第2の複屈折率調整部130における屈折率変化率の偏波面依存性を抑制することができる。以下、傾斜角θ=45°が適切な理由を説明する。
When the main surface orientation of the
半導体導波路におけるポッケルス効果およびQCSEの説明
第1の実施形態において説明したように、コア層に多重量子井戸層(MQW:multiple quantum wells)を持つ半導体導波路に電圧を印加すると、ポッケルス効果に加えて、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE: quantum−confined Stark effect)による屈折率変化を生じる。
Description of Pockels Effect and QCSE in Semiconductor Waveguide As described in the first embodiment, when a voltage is applied to a semiconductor waveguide having a multiple quantum well layer (MQW) in the core layer, in addition to the Pockels effect Thus, a refractive index change is caused by a quantum confined Stark effect (QCSE).
InPをはじめとする閃亜鉛鉱型構造(ジンクブレンド型構造)の化合物半導体に電界を印加した際のポッケルス効果による屈折率変化は、屈折率楕円体で記述することができる(非特許文献4参照)。 The refractive index change due to the Pockels effect when an electric field is applied to a compound semiconductor having a zinc blende structure (zinc blend structure) including InP can be described by a refractive index ellipsoid (see Non-Patent Document 4). ).
閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体の屈折率楕円体は、電圧印加前の屈折率をn0として以下のように示される。ここで、r41は、閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体の電気光学定数であり、Eは、光導波路に印加した電界の強度である。 The refractive index ellipsoid of a compound semiconductor having a zinc blende structure is shown as follows, where n0 is the refractive index before voltage application. Here, r 41 is the electro-optic constant of the compound semiconductor having the zinc blende structure, and E is the strength of the electric field applied to the optical waveguide.
この式は、xyを入れ替えても不変であるから、y=xで記述される直線に対して対称である楕円体を示すことが容易に分かる。そこで、x軸およびy軸からそれぞれ45°回転した軸を新たにx’軸およびy’軸とし、軸を変換することで以下の式を得る。 Since this equation does not change even if xy is replaced, it can be easily seen that the equation shows an ellipsoid that is symmetric with respect to a straight line described by y = x. Therefore, the following expressions are obtained by converting the axes rotated by 45 ° from the x-axis and the y-axis respectively to the x′-axis and the y′-axis and converting the axes.
短軸側の半径がa、長軸側の半径がbである屈折率楕円体が描ける。 A refractive index ellipsoid having a radius on the short axis side and a radius on the long axis side can be drawn.
図5は、z=0平面での切断面を示している。この楕円の半径は、図中のSベクトルの方向に光が伝搬した際に、電界EがZ軸方向に印加されている状態での屈折率を示している。実際のウェーハの向きから考えると、主面方位が(001)の基板を使用した場合において、01−1方向のオリエーテーションフラット(OF)に平行な方向に、電界強度がx’方向に振動するTE波として伝搬するとき、ポッケルス効果によりbの屈折率になり、変化量としてはb−n0となる。また、電界を印加しない場合の屈折率n0よりも大きい値を示す。逆に、OFに垂直な011方向に伝搬する場合は、n0より小さな値となることが分かる。いずれの場合も、y’方向に電界が振動するTM波として進行する場合は、屈折率楕円体のz方向はn0であり、外部電界によりポッケルス効果により変調されないことが分かる。また、OFに対して45°の010方向に伝搬する光では、図5の楕円と元の屈折率を示す円との交点を示すので、偏波状態によらずポッケルス効果による屈折率変化は起こらないことが分かる。 FIG. 5 shows a cut surface in the z = 0 plane. The radius of this ellipse indicates the refractive index when the electric field E is applied in the Z-axis direction when light propagates in the direction of the S vector in the figure. Considering the actual orientation of the wafer, when a substrate with a main surface orientation of (001) is used, the electric field strength vibrates in the x ′ direction in the direction parallel to the orientation flat (OF) in the 01-1 direction. When propagating as a TE wave, the refractive index is b due to the Pockels effect, and the amount of change is b−n0. Moreover, the value is larger than the refractive index n0 when no electric field is applied. Conversely, when propagating in the 011 direction perpendicular to the OF, the value is smaller than n0. In either case, when the electric field travels as a TM wave oscillating in the y 'direction, the z direction of the refractive index ellipsoid is n0, and it can be seen that it is not modulated by the Pockels effect by the external electric field. In addition, the light propagating in the 010 direction of 45 ° with respect to the OF indicates the intersection of the ellipse in FIG. 5 and the circle indicating the original refractive index, so that the refractive index change due to the Pockels effect does not occur regardless of the polarization state. I understand that there is no.
ここまでは、ポッケルス効果だけを考慮して考えてきたが、実際の素子のコアが多重量子井戸(MQW)からなる場合、ポッケルス効果に加えて、QCSEが足される形になる。しかし、QCSEは、第1次近似的には結晶方位に依存しない。n(QCSE)を、電界Eを印加した際のQCSEによる屈折率変化量とすると、ポッケルス効果の説明に用いたn0をn0’=n0+n(QCSE)とし、n0をn0’に置き換えた屈折率楕円体が描ける。 Up to this point, only the Pockels effect has been considered, but when the core of an actual device is composed of multiple quantum wells (MQW), QCSE is added in addition to the Pockels effect. However, QCSE does not depend on the crystal orientation in the first order approximation. Assuming that n (QCSE) is the amount of change in refractive index due to QCSE when the electric field E is applied, n0 ′ = n0 + n (QCSE) used for the explanation of the Pockels effect is n0 ′, and n0 ′ is replaced with n0 ′. I can draw my body.
以上のことから、外部電界Eを印加した際の屈折率変化量を、TE偏光およびTM偏光についてまとめると以下のようになる。ここで、ポッケルス効果による屈折率変化量をPと示し、QCSEによる変化量をQとしている。 From the above, the refractive index change when the external electric field E is applied is summarized as follows for TE polarized light and TM polarized light. Here, the amount of change in refractive index due to the Pockels effect is denoted as P, and the amount of change due to QCSE is denoted as Q.
表1は、単位電界強度Eを印加した際の屈折率変化量を示すことになるが、導波路の縦方向に電界をかける行為は、平行平板からなるコンデンサに電界を印加するのと同じであり、電界強度は電圧に比例する。つまり、単位電圧当たりの屈折率変化量のP、Qの作用を示しているとしても差支えがない。 Table 1 shows the amount of change in refractive index when the unit electric field strength E is applied. The act of applying an electric field in the longitudinal direction of the waveguide is the same as applying an electric field to a capacitor composed of parallel plates. Yes, the electric field strength is proportional to the voltage. That is, there is no problem even if the effects of P and Q of the refractive index change amount per unit voltage are shown.
なお、上述の説明でOFに平行な方向を01−1方向としたが、0−11方向も等価である。また、OFに垂直な方向を011方向としたが、0−1−1方向も等価である。また、OFに対して45°の方向を010方向としたが、00−1方向、0−10方向、001方向も等価である。 In the above description, the direction parallel to the OF is the 01-1 direction, but the 0-11 direction is also equivalent. In addition, although the direction perpendicular to the OF is the 011 direction, the 0-1-1 direction is also equivalent. In addition, although the direction of 45 ° with respect to the OF is the 010 direction, the 00-1 direction, the 0-10 direction, and the 001 direction are also equivalent.
(第3の実施形態)
第3の実施形態に係るPBSは、図4に示した第2の実施形態に係るPBS400とほぼ同一であるが、傾斜角θが若干異なる。第3の導波路部102C及び第4の導波路部103Cを、010方向から若干ずらして配置している。
(Third embodiment)
The PBS according to the third embodiment is substantially the same as the
QCSEは、厳密には閉じ込め係数が異なるため、010方向に光導波路を配置してもTE偏光とTM偏光で同一とはならない。そこで、010方向からややずらすことで、QCSEに起因する屈折率変化率が偏波無依存になるようにする。 Strictly speaking, QCSE has a different confinement factor. Therefore, even if an optical waveguide is arranged in the 010 direction, TE polarization and TM polarization are not the same. Therefore, the refractive index change rate resulting from QCSE is made independent of polarization by shifting slightly from the 010 direction.
Q(TE)>Q(TM)の場合、傾斜角θが45°よりも高い角度に、つまり、OFの01−1方向に垂直な方向に近づくように第2の複屈折率調整部130の第3の導波路部102C及び第4の導波路部103Cを傾けることでポッケルス効果の係数が負に働き(表1参照)、QCSEに起因する屈折率変化率は変わらないが、ポッケルス効果の寄与により実効的にTE偏光とTM偏光で同じ屈折率変化率を実現できる角度が存在する。
In the case of Q (TE)> Q (TM), the inclination angle θ is higher than 45 °, that is, the second
逆にQ(TM)>Q(TE)の場合は、OFの01−1方向に水平な方向に傾けることで、ポッケルス係数が正の方向で働き、TE偏光とTM偏光で同じ屈折率変化率を実現できる角度が存在する。 On the contrary, when Q (TM)> Q (TE), the Pockels coefficient works in the positive direction by tilting in the horizontal direction in the 01-1 direction of OF, and the same refractive index change rate for TE polarized light and TM polarized light. There is an angle that can be realized.
発明者らが実験的に調べたところでは、01−1方向に垂直に近くなる方向に2°傾けることで、第2の複屈折率調整部130における調整の際に偏波消光比の劣化なく波長のみを個別に調整することができた。実際の製造では、ウェーハに設けられているOFの角度誤差等もあるので、第2の複屈折率調整部130の第3の導波路部102C及び第4の導波路部103Cを010方向から±5°の範囲傾ければよい。
As a result of experimental investigations by the inventors, the polarization extinction ratio is not deteriorated during the adjustment in the second
(第4の実施形態)
図6に、高速の光変調が可能なPBSを示す。PBS600は、第1の光カプラ610と、第1の複屈折率調整部620と、高速変調部650と、第2の光カプラ640とを半導体基板601上に備える。高速変調部650を構成する光導波路は、単位電圧当たりの屈折率変化率がTE偏光とTM偏光でほぼ等しくなるように、010方向に配置されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows a PBS capable of high-speed light modulation. The
図6のPBS600では、簡単のため、第1の複屈折率調整部620が設計通りに製造され、複屈折率の調整機構が不要な場合を考えている。第1から第3の実施形態で説明してきた本発明に係る位相シフタを用いる場合には、図7のような配置を採ることが考えられる。図6の構成は、RF信号を入れると、PBSでありながら高速の光変調が実現できる。用途としてRZカーバーとして使用することができる。第1の光カプラ710、第2の複屈折率調整部730、第1の複屈折率調整部720、高速変調部750、第2の光カプラ740がこの順に接続されている。
In the
通常、これをこれまでの方法で実現しようとすると、図8のように、それぞれの偏波用にRZカーバーとなるMZを配置しその後PBSを配置する構成となる。この場合は、TE用、TM用駆動用のMZとなるので、それぞれ異なるRF振幅で駆動する必要がある。つまり使用するユーザは、駆動ドライバーの設定を異なる設定にしなくてはならない。駆動振幅の違いよっては異なるドライバーを用意する必要が出てくる。または、MZの長さを変えて変調効率がTE偏光とTM偏光で同じになるようにする。異なるバイアス電圧で使用することで、RF振幅一定とする方法などがある。いずれにせよ、この構成では、RZカーバーとしてそれぞれの偏波用にドライバー、およびその周辺回路を用意しなくてはならない。 Normally, if this is to be realized by the conventional method, as shown in FIG. 8, an MZ that becomes an RZ carver is arranged for each polarization, and then a PBS is arranged. In this case, since it becomes MZ for driving for TE and TM, it is necessary to drive with different RF amplitudes. In other words, the user who uses the device must set the drive driver to a different setting. Depending on the drive amplitude, it is necessary to prepare different drivers. Alternatively, the length of MZ is changed so that the modulation efficiency is the same between TE polarized light and TM polarized light. There is a method of making the RF amplitude constant by using different bias voltages. In any case, in this configuration, a driver and its peripheral circuit must be prepared for each polarization as an RZ carver.
図6の構造では、TE偏光とTM偏光の変調効率が同じなのでそれぞれの偏波用にRZカーバーを用意する必要性がない。1つのMZでPBSとRZカーバーを提供できる。同時に、ドライバーおよびその周辺回路の数も減少させることができ、消費電力低減、スペース低減、コスト低減の効果が得られる。 In the structure of FIG. 6, since the modulation efficiency of TE polarized light and TM polarized light is the same, there is no need to prepare an RZ carver for each polarized light. One MZ can provide PBS and RZ carver. At the same time, the number of drivers and their peripheral circuits can be reduced, and the effect of reducing power consumption, space and cost can be obtained.
また、無偏光または45°偏波を入力とした場合、この構成でRFを45°の電極に入力すると、ある出力から交互にTE波およびTM波が出力される偏波変調器も構成可能である(図9)。 In addition, when non-polarized light or 45 ° polarized light is input, a polarization modulator that alternately outputs TE waves and TM waves from a certain output when RF is input to a 45 ° electrode in this configuration can be configured. Yes (Figure 9).
100、400 PBS
101 半導体基板
102 第1のアーム導波路
102A 第1の導波路部
102B 第1の電極
102C 第3の導波路部
102D 第3の電極
103 第2のアーム導波路
103A 第2の導波路部
103B 第2の電極
103C 第4の導波路部
103D 第4の電極
110 第1の光カプラ
120 第1の複屈折率調整部
130 第2の複屈折率調整部
140 第2の光カプラ
600 PBS
610 第1の光カプラ
620 第1の複屈折率調整部
640 第2の光カプラ
650 高速変調部
700 PBS
710 第1の光カプラ
720 第1の複屈折率調整部
730 第2の複屈折率調整部
740 第2の光カプラ
750 高速変調部
θ 傾斜角
100, 400 PBS
DESCRIPTION OF
610 First
710 First
Claims (4)
前記第1の複屈折率調整部に接続された第2の複屈折率調整部と
を閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備え、
前記第1の複屈折率調整部は、
第1のアーム導波路が有する第1の幅の第1の導波路部と、
前記第1のアーム導波路と並列に配置された第2のアーム導波路が有する第2の幅の第2の導波路部と、
前記第1の導波路部上の第1の電極と、
前記第2の導波路部上の第2の電極と
で構成され、前記第1の幅は前記第2の幅よりも大きく、
前記第2の複屈折率調整部は、
前記第1のアーム導波路が有する、前記第1の導波路部から傾斜して配置された第3の導波路部と、
前記第2のアーム導波路が有する、前記第2の導波路部から傾斜して前記第3の導波路部と平行に配置された第4の導波路部と、
前記第3の導波路部の上の第3の電極と、
前記第4の導波路部の上の第4の電極と
で構成され、
前記第1及び第2のアーム導波路は、前記閃亜鉛鉱型構造を有する半導体により形成されており、
前記半導体基板の主面方位は(100)であり、
前記第1及び第2の導波路部は、01−1方向または0−11方向に配置されており、
前記第3及び第4の導波路部は、010方向、00−1方向、0−10方向、及び001方向のいずれかから±5°以内の方向に配置されていることを特徴とする位相シフタ。 A first birefringence adjusting unit;
A second birefringence adjusting unit connected to the first birefringence adjusting unit on a semiconductor substrate having a zinc blende structure;
The first birefringence adjusting unit is
A first waveguide section having a first width included in the first arm waveguide;
A second waveguide section having a second width which a second arm waveguide disposed in parallel with the first arm waveguide has;
A first electrode on the first waveguide section;
Is composed of a second electrode on the second waveguide portion, said first width being greater than said second width,
The second birefringence adjusting unit is
A third waveguide portion disposed at an angle from the first waveguide portion, the first arm waveguide having;
A fourth waveguide section that the second arm waveguide has, and that is inclined from the second waveguide section and is arranged in parallel with the third waveguide section;
A third electrode on the third waveguide portion;
A fourth electrode on the fourth waveguide portion , and
The first and second arm waveguides are formed of a semiconductor having the zincblende structure,
The principal plane orientation of the semiconductor substrate is (100),
The first and second waveguide portions are arranged in the 01-1 direction or the 0-11 direction,
The third and fourth waveguide portions are arranged in a direction within ± 5 ° from any one of the 010 direction, 00-1 direction, 0-10 direction, and 001 direction. .
前記第1の光カプラに接続された、請求項1または2に記載の位相シフタと、
前記位相シフタに接続された第2の光カプラと
を備えることを特徴とする偏波分離器。 A first optical coupler;
The phase shifter according to claim 1 or 2 , connected to the first optical coupler;
And a second optical coupler connected to the phase shifter.
前記第1の光カプラに接続された、請求項1または2に記載の位相シフタと、
前記位相シフタに接続された第2の光カプラと
を備えることを特徴とする偏波合成器。 A first optical coupler;
The phase shifter according to claim 1 or 2 , connected to the first optical coupler;
A polarization beam combiner comprising: a second optical coupler connected to the phase shifter.
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