JP5817273B2

JP5817273B2 - 光デバイス

Info

Publication number: JP5817273B2
Application number: JP2011154213A
Authority: JP
Inventors: 和久高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: US20130016939A1; US8724933B2; JP2013020149A

Description

本発明は、光ファイバ通信の送信器に適用される光デバイスに関し、特にＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase Shift Keying）用マッハツェンダ光変調器を備えた光デバイスに関する。

光ファイバ通信の送信器にマッハツェンダ光変調器が用いられる。マッハツェンダ光変調器は、光を２つに分離して、異なる２つの光導波路を通した後に再び合波する。光導波路上には位相変調電極が設けられている。この位相変調電極は、光導波路に変調電圧を印加して、光導波路中の光の位相を変化させる。位相変調電極に変調電圧を供給するために、位相変調電極の両端にそれぞれ給電線路と終端線路が接続されている。

デジタル信号の変調方式の１つとして、変調された４つの位相にそれぞれ２ビットのデータを割り当てるＤＱＰＳＫがある。ＤＱＰＳＫ用の光変調器は２つのマッハツェンダ光変調器を備えるため、合計で４つの光導波路を有する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２２９５９２号公報特開２０１０−２８６７７０号公報

従来のＤＱＰＳＫ用の光変調器では、２つのマッハツェンダ光変調器の位相変調電極は、光導波路の延在方向に対して垂直な方向から見て互いに重なっている。このため、給電線路や終端線路を基板の周辺部に引き出す際に、給電線路や終端線路が最大で３つの光導波路を跨ぐ必要がある。従って、素子内の給電線路や終端線路の引き回しが長くなり、給電線路や終端線路と半導体層との間の絶縁膜に大きな寄生容量が生じる。この結果、周波数特性が劣化するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は周波数特性の劣化を防ぐことができる光デバイスを得るものである。

本発明に係る光デバイスは、第１の面と前記第１の面に対向する第２の面を有する半導体基板と、前記第１の面に設けられたカソード電極と、前記第２の面上に設けられ、入力光を第１及び第２の入力光に分波する光分波器と、前記第２の面上に設けられ、前記第１及び第２の入力光をそれぞれ変調する第１及び第２のマッハツェンダ光変調器と、前記第２の面上に設けられ、前記第１及び第２のマッハツェンダ光変調器により変調された光を合波する光合波器とを備え、前記第１のマッハツェンダ光変調器は、２つの第１の光導波路と、前記第１の光導波路に変調電圧を印加して前記第１の光導波路中の光の位相を変化させる第１の位相変調電極と、前記第１の位相変調電極の両端にそれぞれ接続され前記第１の位相変調電極に前記変調電圧を供給する第１の給電線路及び第１の終端線路とを有し、前記第２のマッハツェンダ光変調器は、２つの第２の光導波路と、前記第２の光導波路に変調電圧を印加して前記第２の光導波路中の光の位相を変化させる第２の位相変調電極と、前記第２の位相変調電極の両端にそれぞれ接続され前記第２の位相変調電極に前記変調電圧を供給する第２の給電線路及び第２の終端線路とを有し、前記第１及び第２の給電線路と前記第１及び第２の終端線路は、それぞれ前記半導体基板の周辺部に引き出され、前記第１及び第２の給電線路及び前記第１及び第２の終端線路と前記半導体基板の前記第２の面との間に絶縁膜が設けられ、前記第１の位相変調電極と前記第２の位相変調電極は、前記第１及び第２の光導波路の延在方向に対して垂直な方向から見て互いに重ならない。

本発明により、周波数特性の劣化を防ぐことができる。

本発明の実施の形態１に係る光デバイスを示す上面図である。図１のＩ−ＩＩに沿った面図である。比較例に係る光デバイスを示す上面図である。本発明の実施の形態２に係る光デバイスを示す上面図である。本発明の実施の形態３に係る光デバイスを示す上面図である。本発明の実施の形態４に係る光デバイスを示す上面図である。本発明の実施の形態５に係る光デバイスを示す上面図である。

本発明の実施の形態に係る光デバイスについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光デバイスを示す上面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、光分波器２、マッハツェンダ光変調器３，４、及び光合波器５が設けられている。光分波器２は入力光を第１及び第２の入力光に分波する。マッハツェンダ光変調器３，４は、第１及び第２の入力光をそれぞれ変調する。光合波器５は、マッハツェンダ光変調器３，４により変調された光を合波する。

マッハツェンダ光変調器３は、光分波器５、２つの光導波路６ａ，６ｂ、光合波器７を有する。位相変調電極８ａ，８ｂがそれぞれ光導波路６ａ，６ｂに変調電圧を印加して光導波路６ａ，６ｂ中の光の位相を変化させる。給電線路９ａ及び終端線路１０ａが位相変調電極８ａの両端にそれぞれ接続され、位相変調電極８ａに変調電圧を供給する。給電線路９ｂ及び終端線路１０ｂが位相変調電極８ｂの両端にそれぞれ接続され、位相変調電極８ｂに変調電圧を供給する。

マッハツェンダ光変調器４は、光分波器１１、２つの光導波路１２ａ，１２ｂ、光合波器１３を有する。位相変調電極１４ａ，１４ｂがそれぞれ光導波路１２ａ，１２ｂに変調電圧を印加して光導波路１２ａ，１２ｂ中の光の位相を変化させる。給電線路１５ａ及び終端線路１６ａが位相変調電極１４ａの両端にそれぞれ接続され、位相変調電極１４ａに変調電圧を供給する。給電線路１５ｂ及び終端線路１６ｂが位相変調電極１４ｂの両端にそれぞれ接続され、位相変調電極１４ｂに変調電圧を供給する。給電線路９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂと終端線路１０ａ，１０ｂ，１６ａ，１６ｂは、それぞれｎ型ＩｎＰ基板１の周辺部に引き出される。

ここで、マッハツェンダ光変調器３とマッハツェンダ光変調器４は、光導波路６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂの延在方向にずれて配置されている。このため、位相変調電極８ａ，８ｂと位相変調電極１４ａ，１４ｂは、光導波路６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂの延在方向に対して垂直な方向から見て互いに重ならない。

光分波器２とマッハツェンダ光変調器３との間に光入力導波路１７が接続されている。マッハツェンダ光変調器４と光合波器５との間に光出力導波路１８が接続されている。位相調整電極１９は、光入力導波路１７に直流電圧を印加して光入力導波路１７中の光の位相を変化させる。位相調整電極２０は、光出力導波路１８に直流電圧を印加して光出力導波路１８中の光の位相を変化させる。同様に、光分波器５と位相変調電極８ａの間の光導波路に位相調整電極２１が設けられ、位相変調電極１４ｂと光合波器１３の間の光導波路に位相調整電極２２が設けられている。

図２は、図１のＩ−ＩＩに沿った面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２３、アンドープＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層２４、アンドープＩｎＰクラッド層２５、ｐ型ＩｎＰクラッド層２６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ−ＢＤＲ層２７、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２８が順番に積層されている。これらの半導体層をＳｉＮ絶縁膜２９が覆っている。ＳｉＮ絶縁膜２９は半導体層に形成されたリッジの頂上部に開口を有する。この開口を介してｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２８にアノード電極３０が接続されている。ｎ型ＩｎＰ基板１の下面にカソード電極３１が接続されている。ここでは、アノード電極３０は位相変調電極８ａである。

続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図３は、比較例に係る光デバイスを示す上面図である。比較例では、マッハツェンダ光変調器３とマッハツェンダ光変調器４が横に並んでいる。従って、位相変調電極８ａ，８ｂと位相変調電極１４ａ，１４ｂは、互いに併走し、光導波路６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂの延在方向に対して垂直な方向から見て互いに重なっている。このため、給電線路９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂと終端線路１０ａ，１０ｂ，１６ａ，１６ｂをｎ型ＩｎＰ基板１の周辺部に引き出す際に、給電線路９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂや終端線路１０ａ，１０ｂ，１６ａ，１６ｂが最大で３つの光導波路を跨ぐ必要がある。従って、素子内の給電線路９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂや終端線路１０ａ，１０ｂ，１６ａ，１６ｂの引き回しが長くなり、給電線路９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂや終端線路１０ａ，１０ｂ，１６ａ，１６ｂと半導体層間のＳｉＮ絶縁膜２９に大きな寄生容量が生じる。この結果、周波数特性が劣化する。

一方、本実施の形態では、位相変調電極８ａ，８ｂと位相変調電極１４ａ，１４ｂは、互いに併走せず、光導波路６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂの延在方向に対して垂直な方向から見て互いに重ならない。このため、一方のマッハツェンダ光変調器の給電線路や終端線路を、他方のマッハツェンダ光変調器の上を経由せずにｎ型ＩｎＰ基板１の周辺部に引き出すことができる。従って、給電線路９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂや終端線路１０ａ，１０ｂ，１６ａ，１６ｂの引き回しを短くすることができる。この結果、給電線路９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂや終端線路１０ａ，１０ｂ，１６ａ，１６ｂの寄生容量に起因する周波数特性の劣化を防ぐことができる。

また、素子内を併走する光導波路が比較例では最大４本であるが、本実施の形態では、最大３本に減少される。このため、素子の幅を狭くすることができ、素子の低コスト化及び省資源化が可能となる。

また、本実施の形態では、光分波器２とマッハツェンダ光変調器３との間の光入力導波路１７に位相調整電極１９を設け、マッハツェンダ光変調器４と光合波器５との間の光出力導波路１８に位相調整電極２０を設けている。これにより、位相調整電極１９，２０のために、別途導波路上のスペースを設ける必要がなくなるので、素子の長さを短くすることができる。

なお、本実施の形態では活性層をアンドープＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸で構成したが、これに限らず、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸、ＩｎＧａＡｓＰバルク、ＡｌＧａＩｎＡｓバルクなどで構成してもよい。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る光デバイスを示す上面図である。給電線路９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂと終端線路１０ａ，１０ｂ，１６ａ，１６ｂはそれぞれｎ型ＩｎＰ基板１の同じ側に引き出されている。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができ、かつ集積化により素子の低コスト化及び省資源化が可能となる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る光デバイスを示す上面図である。発光素子３２と光増幅器３３がｎ型ＩｎＰ基板１上に集積されている。発光素子３２はレーザダイオードアレイ３４と、それらの出力光を合波する光合波器３５とを有する。光増幅器３３は発光素子３２から出射された光を増幅して光分波器２に出力する。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができ、かつ集積化により素子の低コスト化及び省資源化が可能となる。なお、発光素子３２として単体のレーザダイオードを用いてもよい。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る光デバイスを示す上面図である。実施の形態３の構成に加えて、ＲＺ（Return to Zero）変調用マッハツェンダ光変調器３６がｎ型ＩｎＰ基板１上に集積されている。ＲＺ変調用マッハツェンダ光変調器３６は光合波器５の出力光を変調する。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができ、かつ集積化により素子の低コスト化及び省資源化が可能となる。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る光デバイスを示す上面図である。実施の形態４の構成に加えて、導波路内の光強度をモニタする受光部３７，３８がｎ型ＩｎＰ基板１上に集積されている。受光部３７は光合波器５の出力光の強度をモニタする。受光部３８はＲＺ変調用マッハツェンダ光変調器３６の出力光の強度をモニタする。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができ、かつ集積化により素子の低コスト化及び省資源化が可能となる。

１ｎ型ＩｎＰ基板
２光分波器
３マッハツェンダ光変調器（第１のマッハツェンダ光変調器）
４マッハツェンダ光変調器（第２のマッハツェンダ光変調器）
５光合波器
６ａ，６ｂ光導波路（第１の光導波路）
８ａ，８ｂ位相変調電極（第１の位相変調電極）
９ａ，９ｂ給電線路（第１の給電線路）
１０ａ，１０ｂ終端線路（第１の終端線路）
１２ａ，１２ｂ光導波路（第２の光導波路）
１４ａ，１４ｂ位相変調電極（第２の位相変調電極）
１５ａ，１５ｂ給電線路（第２の給電線路）
１６ａ，１６ｂ終端線路（第２の終端線路）
１７光入力導波路
１８光出力導波路
１９位相調整電極（第１の位相調整電極）
２０位相調整電極（第２の位相調整電極）
３２発光素子
３３光増幅器
３６ＲＺ変調用マッハツェンダ光変調器（光変調器）
３７，３８受光部

Claims

第１の面と前記第１の面に対向する第２の面を有する半導体基板と、
前記第１の面に設けられたカソード電極と、
前記第２の面上に設けられ、入力光を第１及び第２の入力光に分波する光分波器と、
前記第２の面上に設けられ、前記第１及び第２の入力光をそれぞれ変調する第１及び第２のマッハツェンダ光変調器と、
前記第２の面上に設けられ、前記第１及び第２のマッハツェンダ光変調器により変調された光を合波する光合波器とを備え、
前記第１のマッハツェンダ光変調器は、２つの第１の光導波路と、前記第１の光導波路に変調電圧を印加して前記第１の光導波路中の光の位相を変化させる第１の位相変調電極と、前記第１の位相変調電極の両端にそれぞれ接続され前記第１の位相変調電極に前記変調電圧を供給する第１の給電線路及び第１の終端線路とを有し、
前記第２のマッハツェンダ光変調器は、２つの第２の光導波路と、前記第２の光導波路に変調電圧を印加して前記第２の光導波路中の光の位相を変化させる第２の位相変調電極と、前記第２の位相変調電極の両端にそれぞれ接続され前記第２の位相変調電極に前記変調電圧を供給する第２の給電線路及び第２の終端線路とを有し、
前記第１及び第２の給電線路と前記第１及び第２の終端線路は、それぞれ前記半導体基板の周辺部に引き出され、
前記第１及び第２の給電線路及び前記第１及び第２の終端線路と前記半導体基板の前記第２の面との間に絶縁膜が設けられ、
前記第１の位相変調電極と前記第２の位相変調電極は、前記第１及び第２の光導波路の延在方向に対して垂直な方向から見て互いに重ならないことを特徴とする光デバイス。
前記光分波器と前記第１のマッハツェンダ光変調器との間に接続された光入力導波路と、
前記第２のマッハツェンダ光変調器と前記光合波器との間に接続された光出力導波路と、
前記光入力導波路に直流電圧を印加して前記光入力導波路中の光の位相を変化させる第１の位相調整電極と、
前記光出力導波路に直流電圧を印加して前記光出力導波路中の光の位相を変化させる第２の位相調整電極とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記第１及び第２の給電線路と前記第１及び第２の終端線路は、それぞれ前記半導体基板の同じ側に引き出されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
前記第２の面上に集積された発光素子と、
前記第２の面上に集積され、前記発光素子から出射された光を増幅して前記光分波器に出力する光増幅器とを更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光デバイス。
前記第２の面上に集積され、前記光合波器の出力光を変調する光変調器を更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光デバイス。
前記第２の面上に集積され、前記光合波器の出力光の強度をモニタする受光部を更に備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光デバイス。