JP6570418B2 - 多波長変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ通信等において光信号を強度変調する半導体変調器に関し、特に、多波長光源からの入力光を波長ごとに独立して変調することが可能な、多波長変調器に関する。

光ファイバ通信等で用いられる従来の光変調器、特にシリコン基板上に平面型導波路回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）として実装可能な光変調器として、例えば特許文献１に開示されている光変調器がある。この光変調器は、半導体マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を利用して入力光の強度変調を行っている。

図５は、マッハツェンダ変調器１００の概略構成を示す図である。図５において、１０１、１０２は３ｄＢ結合器であり、マッハツェンダ干渉計を構成する２本のアーム導波路１０３、１０４をカップリングする。１０５、１０６は位相シフタであり、アーム導波路１０３、１０４に部分的に電圧を印加することによって、導波路を伝搬する光の位相変調を行うものである。位相シフタ１０５、１０６への印加電圧を調整して、２本のアーム導波路を伝搬する光の位相差がπ（または（２ｎ＋１）π：ｎは任意の整数）となるようにすると、３ｄＢ結合器１０２で合波された出力光は０となる。一方、光の位相差を０（または２πｎ：ｎは任意の整数）とすると、強い出力光が得られる。このように、位相シフタ１０５、１０６に印加する電圧を調整することにより、光の強度変調を行うことができる。

波長多重伝送において図５に示すマッハツェンダ変調器１００を用いる場合は、通常、複数の波長に対して同時に強度変調を行っている。一方、波長ごとに分離して光信号変調を行うことを考えると、多波長光源からの光を個別の波長チャンネルに分割するための分波器と、波長チャンネル数と同数のマッハツェンダ変調器が必要となる。従って、波長チャンネル数の増加に伴ってチップサイズが拡大し、コストが増加するため、波長ごとの強度変調が可能な、平面型導波路回路による多波長変調器は未だ実現されてはいない。

図６は、図５のマッハツェンダ変調器を用いて多波長変調器を構成する場合のイメージ図である。図６において、１０７ａ、１０７ｂ・・・は入力導波路１０８または出力導波路１０９に沿って配置された複数のリング共振器であり、それぞれ特定の波長と選択的に結合して分離する。即ち、リング共振器１０７ａ、１０７ｂ・・・は分波器として機能する。入力導波路１０８を伝搬する波長多重信号は、リング共振器１０７ａ、１０７ｂによってそれぞれの波長チャンネルに分離され、波長チャンネルごとに設けたマッハツェンダ変調器１００ａ、１００ｂ・・・によって強度変調され、リング共振器１０７ａ、１０７ｂを介して出力導波路１０９に出力される。

図６に示すように、多波長変調器を、マッハツェンダ変調器を用いて構成しようとすると、１個のマッハツェンダ変調器自体がかなりのチップ面積を必要とするため、チャンネル数の増加に伴ってチップ面積が増大し、コスト増の要因となって、その実現には多くの困難が伴う。

従って、小さいチップ面積で、波長多重信号を波長ごとに個別に変調することが可能な、半導体多波長変調器が求められている。

特開２０１４−１０１８９号公報

本発明は、波長多重伝送において波長チャンネルごとの信号変調が可能で、且つ、平面型導波路として実装が可能な、新規な構造の多波長変調器を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、第１および第２の半導体光導波路と、前記第１および第２の半導体光導波路に入力光を分岐し、当該第１および第２の半導体光導波路からの光を合波して出力する３ｄＢ結合器と、それぞれが位相シフタを備え一端をループミラーに接続した、第３および第４の半導体光導波路と、前記第３の半導体光導波路の他端と前記第１の半導体光導波路間、および前記第４の半導体光導波路の他端と前記第２の半導体光導波路間にそれぞれ設けられた、同一の波長選択性を有する一対の分波器と、を備え、前記位相シフタを備える前記第３および第４の半導体光導波路および前記一対の分波器は、複数の異なる波長チャンネルに対応して複数組が設けられている、多波長変調器を提供する。

前述の態様に係る多波長変調器において、前記一対の分波器のそれぞれをリング共振器で構成しても良い。

前述の態様に係る多波長変調器において、前記３ｄＢ結合器の入力側端子には多波長光源を接続しても良い。

前述の態様に係る多波長変調器において、前記位相シフタには高速の変調信号を印加しても良い。

前述の態様に係る多波長変調器において、前記位相シフタは、ｉ型シリコンで形成される前記第３または第４の導波路の一部と、その両側に形成されるｐ型シリコン層およびｎ型シリコン層とによって形成されるＰＩＮ型位相シフタとしても良い。

前述の態様に係る多波長変調器において、前記ループミラーを、ＭＭＩ結合器を介して前記第３または第４の導波路に接続しても良い。

本発明の多波長変調器によれば、多重波長の入力光を波長チャンネルごとに光変調が可能な、半導体導波路型の多波長変調器を得ることが可能である。この場合、反射を利用して、変調に必用な位相シフト量を得るための位相シフタの長さを大幅に短縮することができるので、小さなチップ面積で本多波長変調器を実現することができ、製造コストが削減される。

マイケルソン干渉計を利用した光変調器の動作原理を示す図。 本発明の一実施形態に係る多波長変調器の概略構成を示す図。 位相シフタの他の実施形態を示す図。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る多波長変調器を組み込んだ、ＬＳＩチップ間通信のための光配線基板を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図。 マッハツェンダ変調器の構成を示す図。 マッハツェンダ変調器を用いて、多波長変調器を構成する場合のイメージ図。

本発明では、光の強度変調を行うために、マイケルソン干渉計を利用する。図１は、マイケルソン干渉計を用いた光の強度変調を説明するための図である。入力導波路は３ｄＢ結合器１によって２本のアーム導波路２、３に分岐されるが、それぞれのアーム導波路の終端には反射器としてのループミラー４、５が設けられている。そのため、ループミラー４、５で反射された伝搬光は、再びアーム導波路２、３を伝搬し３ｄＢ結合器１で合波されて出力される。６、７は、アーム導波路２、３を伝搬する光に対して位相変調を行うための位相シフタである。光の強度変調は、アーム導波路２から３ｄＢ結合器１に向かう光の位相と、アーム導波路３からの光の位相とが、位相差０あるいは位相差πとなるように、位相シフタ６、７を制御することによって実現される。

図１に示すように、マッハツェンダ干渉計を利用した光変調器では、ループミラー４、５で反射された光が再び位相シフタ６、７を通過するので、位相シフタ６、７による位相シフト効果は増大する。そのため、必要な位相シフト量を得るための位相シフタの長さをマッハツェンダ変調器の場合と比べて短くすることができる。

図２は、マイケルソン干渉計を利用して構成した、本発明の一実施形態に係る半導体導波路型多波長変調器の概略構成を示す図である。以下に示す実施形態において、単に導波路とのみ言及するが、これらは、例えばシリコン基板上に実装した平面型光導波路で構成され得るものである。図１において、１０は３ｄＢ結合器であって、入力用光導波路１１を伝搬する光を第１、第２の光導波路１２、１３に分岐して伝搬させ、且つ、第１、第２の光導波路１２、１３からの光を合波して出力用導波路１８に出力する機能を有する。

１６ａ１−１６ａ４は、第１の導波路１２に沿って配置された分波器を構成するリング共振器であり、波長λ１−λ４の光と選択的に結合し分離する機能を有する。１６ｂ１−１６ｂ４は、リング共振器１６ａ１−１６ａ４と同様に、波長λ１−λ４の光と選択的に結合し分離する機能を有する。なお、図示の例では、リング共振器１６ａ１と１６ｂ１は４対設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、チャンネル数に応じて必要数が設けられる。また、第１、第２の光導波路１２、１３の他端は、狭テーパなどの無反射終端構造とされている。

１４ａ１、１４ｂ１は、リング共振器対１６ａ１、１６ｂ１に光接続される一対のアーム導波路であり、図１のマイケルソン干渉計におけるアーム導波路２、３に対応する。それぞれのリング共振器対に対して、一対のアーム導波路１４ａ２、１４ｂ２・・・１４ａ４、１４ｂ４が設けられている。また、それぞれのアーム導波路の他端には、ループミラー１５ａ１、１５ｂ１・・・１５ａ４、１５ｂ４が接続されている。さらに、それぞれのアーム導波路は、位相シフタ１７ａ１、１７ｂ１・・・１７ａ４、１７ｂ４を備えている。

図２の多波長変調器を図１のマイケルソン干渉計と比較することから明らかなように、本実施形態の多波長変調器は、終端に反射器を接続した一対のアーム導波路を、波長チャンネル数に対応する個数だけ並列に配置し、それぞれのアーム導波路を３ｄＢ結合器１０によってカップリングさせることにより、マイケルソン干渉計として動作させるようにしたものである。光の強度変調は、一対の位相シフタ１７ａ１−１７ａ４、１７ｂ１−１７ｂ４への電圧印加を調整することにより行われる。実際には、波長λ１、λ２・・・λ４に対応した各位相シフタ対に、個別の高周波変調信号を印加することにより、波長チャンネルごとの光変調が行われる。個別に変調された波長λ１、λ２・・・λ４の光は、３ｄＢ結合器１０によって波長多重されて出力導波路１８より出力される。

以上の様に、本発明の一実施形態に係る多波長変調器では、反射器としてのループミラーを用いてアーム導波路を伝搬する光を往復させるようにしているので、必要な位相差を形成するための位相シフタ１７ａ１−１７ａ４と１７ｂ１−ｂ４の長さを充分に短くすることができる。さらに、入出力導波路を１個の３ｄＢ結合器１０で結合してマイケルソン干渉計とする構成であるため、チップ面積が小さくなり、平面導波路型回路として構成することが可能となる。また、チップ面積の縮小化によって、製造コストも低下する。

図３は、本発明の他の実施形態を示す図であって、ループミラー１５がＭＭＩカプラ２０を介してアーム導波路１４に接続された状態を示す。本実施形態では、位相シフタは、アーム導波路１４を挟んで形成されたｐ型層２１とｎ型層２２とで形成されている。ｐ型層２１、ｎ型層２２は、ｉ型シリコンで構成されたアーム導波路１４を挟んで、ＰＩＮ構造を形成する。このＰＩＮ型位相シフタは、光学シフタの一種であり、ｐ層、ｎ層間に電圧を印加することによって発生するキャリア分散効果により、アーム導波路１４の屈折率を変化させる。

図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る多波長変調器を用いて、ＬＳＩチップ間通信を、波長多重の広帯域な光配線で実現する回路を示す図である。図４（ａ）において、３０は、ＬＳＩチップＡとＬＳＩチップＢ間を光通信する平面型導波路回路基板を示す。３２はＤＦＢレーザアレイなどの多波長光源を示す。なお、図４（ａ）では、光源３２はオンチップ集積素子として示してあるが、オフチップ集積素子からの一括入力がコストと製作容易性からは現実的である。３４は、多波長光源３２からの光を本発明の一実施形態に係る多波長変調器３６、３８に搬送するための半導体導波路を示す。多波長変調器３６、３６・・・は、ＬＳＩチップＡからの高周波変調信号を受信し、多波長変調器３８、３８・・・はＬＳＩチップＢからの高周波変調信号を受信する。

多波長変調器３６、３８のそれぞれの構成を図４（ｂ）に示す。多波長変調器の構成、動作は、図２に示す多波長変調器の構成、動作と同様である。

図４（ａ）において、４０は多波長変調器３６の出力部を構成する受光器であり、波長分波機能を備えている。受光器４０は、受光信号をＬＳＩチップＢに送信する。４２は多波長変調器３８の出力部を構成する受光器であり、受光器４０と同様に波長分波機能を備えているが、受光信号をＬＳＩチップＡに送信する。

図４の回路では、ＬＳＩチップＡから多重信号をＬＳＩチップＢに送信する場合、多波長変調器３６、３６・・・に複数チャンネルの変調信号を送信して、波長多重光源３２からの多重光をチャンネルごとに変調し、変調後の多重信号光を、受光器４０、４０・・・を介してＬＳＩチップＢに送信する。反対に、ＬＳＩチップＢから多重信号をＬＳＩチップＡに送信する場合、多波長変調器３８、３８・・・に複数チャンネルの変調信号を送信して、波長多重光源３２からの多重光をチャンネルごとに変調し、変調後の多重信号光を、受光器４２、４２・・・介してＬＳＩチップＡに送信する。これによって、ＬＳＩチップ間通信を波長多重の広帯域な光配線によって実現することができる。

１０ ３ｄＢ結合器
１１ 入力用導波路
１２ 分岐導波路
１３ 分岐導波路
１４ａ１、１４ａ２・・・ アーム導波路
１４ｂ１、１４ｂ２・・・ アーム導波路
１５ａ１、１５ａ２・・・ ループミラー
１５ｂ１、１５ｂ２・・・ ループミラー
１６ａ１、１６ａ２・・・ リング共振器
１６ｂ１、１６ｂ２・・・ リング共振器
１７ａ１、１７ａ２・・・ 位相シフタ
１７ｂ１、１７ｂ２・・・ 位相シフタ
１８ 出力用導波路

Claims (6)

1. 第１および第２の半導体光導波路と、
   前記第１および第２の半導体光導波路に入力光を分岐し、当該第１および第２の半導体光導波路からの光を合波して出力する３ｄＢ結合器と、
   それぞれが位相シフタを備え一端をループミラーに接続した、第３および第４の半導体光導波路と、
   前記第３の半導体光導波路の他端と前記第１の半導体光導波路間、および前記第４の半導体光導波路の他端と前記第２の半導体光導波路間にそれぞれ設けられた、同一の波長選択性を有する一対の分波器と、を備え、
   前記位相シフタを備える前記第３および第４の半導体光導波路および前記一対の分波器は、複数の異なる波長チャンネルに対応して複数組が設けられている、多波長変調器。
2. 請求項１に記載の多波長変調器において、前記一対の分波器のそれぞれはリング共振器で構成されている、多波長変調器。
3. 請求項１または２に記載の多波長変調器において、前記３ｄＢ結合器の入力側端子には多波長光源が接続されている、多波長変調器。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の多波長変調器において、前記位相シフタには高速の変調信号が印加される、多波長変調器。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の多波長変調器において、前記位相シフタは、ｉ型シリコンで形成される前記第３または第４の導波路の一部と、その両側に形成されるｐ型シリコン層およびｎ型シリコン層とによって形成されるＰＩＮ型位相シフタである、多波長変調器。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の多波長変調器において、前記ループミラーは、ＭＭＩ結合器を介して前記第３または第４の導波路に接続されている、多波長変調器。

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