JP7243545B2 - 光増幅器及び光増幅器の試験方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光増幅器及び光増幅器の試験方法に関する。
一般に、光通信システムに用いられる光通信装置には、高い送信光出力及び高い受信感度が求められており、これらを実現する手段として、光増幅器を用いて送信光及び受信光を増幅する方法がある。光増幅器が用いられる場合、光通信装置の小型化の観点から、チップサイズが小さい半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)が用いられることがある。
図7は、SOAチップを用いた光増幅器10の構成例を示す図である。図7上図は光増幅器10の平面図であり、図7下図は光増幅器10の側面図である。図7に示すように、ベース基板11には、凹部形状のテラス部11aが形成されており、テラス部11aにSOAチップ12が配置される。このとき、SOAチップ12は、ベース基板11に形成された導波路11bの端面とSOAチップ12のコア層12aの端面とが対向し光結合するように位置合わせされ、バンプ13によってテラス部11aに固定される。
テラス部11aは、SOAチップ12のチップ長のばらつきを考慮して、最大のチップ長のSOAチップ12が配置可能な幅を有する。このため、テラス部11aにSOAチップ12が配置されると、導波路11bの端面とコア層12aの端面との間には、それぞれ幅d1、d2のギャップが生じることがある。幅d1、d2が大きくなると、これらのギャップにおける光結合損失が大きくなり、光増幅器10の増幅特性が劣化する。
そこで、例えば図8に示すように、Uターン型SOAチップを用いる光増幅器20が考えられている。図8は、Uターン型SOAチップを用いた光増幅器20の構成例を示す図である。図8上図は光増幅器20の平面図であり、図8下図は光増幅器20の側面図である。
図8に示すように、ベース基板21には、凹部形状のテラス部21aが形成されており、テラス部21aにSOAチップ22が配置される。SOAチップ22では、2つのSOA22aがUターン導波路22bによって接続されている。したがって、2つのSOA22aの端面は、SOAチップ22の同一の側面において露出しており、SOAチップ22の1つの側面に入出力が配置される。SOAチップ22は、ベース基板21に形成された導波路21bの端面とSOAチップ22のSOA22aの端面とが対向し光結合するように位置合わせされ、バンプ23によってテラス部21aに固定される。
Uターン導波路22bは、コア層が半導体材料によって埋め込まれないハイメサ構造の導波路であり、光の閉じ込めを強くし、導波路の折り返しの曲率半径を小さくすることができる。結果として、SOAチップ22を小型化することが可能である。また、SOAチップ22の入出力が同一の側面に配置されているため、2つの導波路21bの端面と2つのSOA22aの端面とを近接させることが可能であり、ギャップの幅d3を微小にすることができる。結果として、光結合損失を抑制し、光増幅器20の増幅特性を向上することができる。
米国特許第4794346号明細書 特開2012-4441号公報
ところで、SOAチップがベース基板に実装される前には、SOAチップが正常に光増幅するか否かが試験されるのが一般的である。具体的には、SOAの一方の端面に光ファイバが近づけられて光結合され、光ファイバからSOAへ光が入力される。そして、SOAの他方の端面にも光ファイバが近づけられて光結合され、SOAから出力される光の強度が測定されることにより、SOAの特性が評価される。
しかしながら、上記のUターン型SOAチップは、SOAの端面が同一側面において露出するため、SOAの試験及び評価が困難であるという問題がある。すなわち、例えば図8に示したSOAチップ22においては、チップサイズを極力小型化するためにUターン導波路22bの曲率半径が小さくなっており、2つのSOA22aが近接する。このため、2つのSOA22aの端面に光ファイバを近づけるのが困難である。
具体的には、2つのSOA22aは、例えば200μm程度離間して配置されるため、SOAチップ22の側面で露出する2つのSOA22aの端面の間の距離も200μm程度である。これに対して、一般的な光ファイバの直径は250μmであるため、SOAチップ22の同一の側面において露出する2つのSOA22aの端面に、同時に2本の光ファイバを近づけて光結合させるのは困難である。また、例えば直径が125μmの細い光ファイバを用いる場合でも、近接する2つのSOA22aの端面の位置に合わせて2本の光ファイバを保持するのは容易ではなく、SOAチップ22の特性評価の効率が低下する。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、光増幅チップを効率良く評価し、良好な光増幅特性を担保することができる光増幅器及び光増幅器の試験方法を提供することを目的とする。
本願が開示する光増幅器は、1つの態様において、線状の2つのSOAと、前記2つのSOAを接続するU字形状の導波路と、前記2つのSOAそれぞれに対応し互いに分離する2つの電極とを有する光増幅チップと、前記2つの電極に共通して接続する金属配線を備え、前記光増幅チップを搭載するベース基板とを有する。
本願が開示する光増幅器及び光増幅器の試験方法の1つの態様によれば、光増幅チップを効率良く評価し、良好な光増幅特性を担保することができるという効果を奏する。
図1は、一実施の形態に係る光増幅器の構成を示す図である。 図2は、ベース基板の構成を示す図である。 図3は、光増幅チップの構成を示す図である。 図4は、図1のI-I線断面を示す模式図である。 図5は、図1のII-II線断面を示す模式図である。 図6は、一実施の形態に係る光増幅チップ試験方法を説明する図である。 図7は、光増幅器の構成例を示す図である。 図8は、光増幅器の他の構成例を示す図である。
以下、本願が開示する光増幅器及び光増幅器の試験方法の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図1は、一実施の形態に係る光増幅器100の構成を示す図である。図1上図は光増幅器100の平面図であり、図1下図は光増幅器100の側面図である。
光増幅器100は、ベース基板110に光増幅チップ120が実装された構成を採る。すなわち、ベース基板110には、凹部形状のテラス部110aが形成されており、テラス部110aに光増幅チップ120が配置される。
ベース基板110は、例えばシリコン及び二酸化ケイ素(SiO2)などを材料として形成されており、光増幅チップ120へ光を入出力する導波路111a、111bを有する。ベース基板110のテラス部110aの底面には、金属配線112が形成されており、金属配線112上に形成されたバンプ150によって光増幅チップ120が接続固定される。なお、図1においては図示を省略したが、導波路111a、111bの光増幅チップ120に接続しない端部(図中右方の端部)は、例えば光変調器又は光ファイバなどの他の光部品に接続しても良い。
光増幅チップ120は、化合物半導体材料を用いて形成されており、2つのSOA121a、121bとこれらを接続するUターン導波路122とを有する。なお、図1においては、SOA活性層をSOA121、121a、121bとして図示しており、Uターン導波路コア層をUターン導波路122として図示している。このため、以下では、「SOA活性層121a、121b」や「Uターン導波路コア層122」ということがある。2つのSOA121a、121bの端面は、光増幅チップ120の同一の側面から露出し、ベース基板110に形成された導波路111a、111bの端面と対向し光結合する。光増幅チップ120のベース基板110と反対側の面(以下「上面」という)には、SOA121a、121b及びUターン導波路122を覆う共通のカソード電極123が配置される。また、後述するように、光増幅チップ120のベース基板110側の面(以下「下面」という)には、SOA121a、121bにそれぞれ対応する2つの独立したアノード電極124が配置される。2つのアノード電極124は、それぞれバンプ150を介して1つの金属配線112に電気的に接続する。
図2は、ベース基板110の構成を示す図である。図2上図はベース基板110の平面図であり、図2下図はベース基板110の側面図である。
ベース基板110は、例えばSOI(Silicon-on-insulator)基板にシリコンの細線導波路が形成されたものである。すなわち、図2に示すように、ベース基板110は、シリコン層110b、絶縁性のSiO2層110c、シリコンの導波路111及び絶縁性のSiO2層110dが積層された積層構造を有し、このうちシリコン層110bより上部を切り欠いてテラス部110aが形成されている。テラス部110aの底面には、例えばTi/Pt/Au膜からなるU字型の金属配線112が形成される。なお、ベース基板110上に搭載されるSOA121a、121bのサイズによっては、SOA121a、121bの導波路と導波路111a、111bとの高さを合わせるために、テラス部110aにおいてシリコン層110bがさらに切削されても良い。
U型の金属配線112を形成する2つの平行な平行部112a、112b上には、例えばAuSn(金錫)を材料とするバンプ150が形成され、それぞれのバンプ150を介して光増幅チップ120の下面のアノード電極124が接続する。平行部112a、112bは、接続部112cによって接続されており、金属配線112は、全体としてU型の1つの金属配線となっている。ベース基板110に光増幅チップ120が実装された場合でも、接続部112cの一部は光増幅チップ120に覆われずに露出し、この露出する部分に外部の配線を接続することができる。この結果、それぞれ異なるアノード電極124に接続する平行部112a、112bに共通の電圧を接続部112cを介して印加することができ、光増幅チップ120の制御を簡素にすることができる。
図3は、光増幅チップ120の下面の構成を示す図である。すなわち、図3に示す下面がベース基板110のテラス部110aの底面に対向する。図3に示すように、SOA121a、121bに対応する位置には、それぞれアノード電極124a、124bが配置されている。アノード電極124a、124bは、電気的に分離しており、互いに独立である。また、アノード電極124a、124bは、Uターン導波路122を覆わずに、それぞれSOA121a、121bを覆う位置に配置される。
このように、アノード電極124a、124bが互いに独立しているため、光増幅チップ120がベース基板110に実装される前は、SOA121a、121bにそれぞれ独立して電圧を印加することができる。したがって、光増幅チップ120がベース基板110に実装される前に、SOA121a、121bの特性を評価する試験を効率的に実施することが可能となる。そして、ベース基板110への実装前に光増幅チップ120の試験が実施されることにより、光増幅チップ120がベース基板110へ実装された構成の光増幅器100の良好な光増幅特性を担保することができる。なお、SOA121a、121bの試験方法については、後に詳述する。
光増幅チップ120がベース基板110に実装される際には、アノード電極124a、124bは、それぞれテラス部110aの金属配線112にバンプ150を介して接続される。すなわち、アノード電極124aは、バンプ150を介して平行部112aに接続し、アノード電極124bは、バンプ150を介して平行部112bに接続する。このため、光増幅チップ120がベース基板110に実装された後は、アノード電極124a、124bが金属配線112によって電気的にショートし、連続する1つの電極となる。このため、光増幅チップ120がベース基板110に実装された後は、SOA121a、121bを共通の電源を用いて駆動することができ、光増幅チップ120の制御を簡素にすることができる。
次に、光増幅器100の構成について、さらに図4、5を参照して説明する。図4は図1のI-I線断面を示す模式図であり、図5は図1のII-II線断面を示す模式図である。すなわち、図4は、Uターン導波路122の部分における断面を示し、図5は、SOA121a、121bの部分における断面を示す。
図4に示すように、光増幅チップ120の上面は、例えばAu(金)などの金属を材料とするカソード電極123が基板125に積層されて形成される。基板125は、例えばn型導電性のリン化インジウム(n-InP)を材料とする基板である。基板125のカソード電極123とは反対の面には、n型クラッド層126、Uターン導波路コア層122及びp型クラッド層127が形成されている。n型クラッド層126及びp型クラッド層127は、それぞれ例えばn-InP及びp-InPを材料とする。
Uターン導波路コア層122は、例えば1.55μm波長帯で吸収係数が小さくなるようにバンドギャップ波長が1.3μm程度に調整されたInGaAsP層を有する。Uターン導波路コア層122の上下面は、n型クラッド層126及びp型クラッド層127に接しているが、側面は半導体層によって埋め込まれていない。すなわち、Uターン導波路122は、ハイメサ構造の導波路である。
Uターン導波路122がハイメサ構造であるため、コア層への光閉じ込めを強くすることができ、導波路を急峻に折り曲げても光損失を抑制することができる。結果として、Uターン導波路122の曲率半径を小さくしてSOA121a、121bを近接させ、光増幅チップ120を小型化することができる。
Uターン導波路122の下方には、ベース基板110のシリコン層110bに形成された金属配線112の平行部112a、112bが形成されている。シリコン層110bの上面からUターン導波路122までの高さは、例えば3~4μm程度である。また、Uターン導波路122から基板125の上面までの高さは、例えば150μm程度である。このように基板125が比較的厚いため、基板125を上方にして光増幅チップ120をベース基板110に実装することにより、シリコン層110bの上面からSOA121a、121b、Uターン導波路122及び導波路111a、111bまでの高さを低くすることができる。結果として、ベース基板110の上面からテラス部110aの底面までの深さを浅くすることができる。
図5に示すように、SOA121a、121bの部分においても、光増幅チップ120の上面は、カソード電極123が基板125に積層されて形成される。基板125のカソード電極123とは反対の面には、n型クラッド層126、SOA活性層121a、121b、p型クラッド層127、n型電流ブロック層128及びコンタクト層129が形成されている。n型クラッド層126、p型クラッド層127、n型電流ブロック層128及びコンタクト層129は、それぞれ例えばn-InP及びp-InPを材料とする。
SOA活性層121a、121bは、例えば1.55μm波長帯に利得を持つように組成を調整されたInGaAsP系多重量子井戸構造の活性層である。SOA活性層121a、121bの側面は、例えばp-InPを材料とするP型電流ブロック層によって埋め込まれている。すなわち、SOA121a、121bは、埋め込み導波路型のSOAとなっている。
コンタクト層129の下面には、SOA121a、121bそれぞれに対応する位置に、互いに電気的に独立したアノード電極124a、124bが形成されている。アノード電極124a、124bは、それぞれバンプ150を介して、ベース基板110のシリコン層110bに形成された金属配線112の平行部112a、112bに接続する。平行部112a、112bは、接続部112cによって接続されているため、光増幅チップ120がベース基板110に実装された状態では、アノード電極124a、124bは電気的にショートし、SOA121a、121bに共通の1つの電極となる。結果として、SOA121a、121bを1つの電源によって駆動することができ、光増幅チップ120の制御を簡素にすることができる。
次に、光増幅チップ120の特性を評価する試験方法について説明する。光増幅チップ120がベース基板110に実装される前は、SOA121a、121bに対応するアノード電極124a、124bは、互いに電気的に独立している。このため、アノード電極124a、124bにそれぞれ異なる電圧を印加することにより、SOA121a、121bの特性を評価することが可能である。
具体的には、例えば図6上図に示すように、アノード電極124bに正電圧を印加することにより、SOA121bのpn接合に順方向の電流を流し、SOA121bから自然放出光(ASE光)を出力させる。そして、アノード電極124aに負電圧を印加することにより、SOA121aのpn接合に逆バイアスを印加し、SOA121bからUターン導波路122を経由してSOA121aへ到達する光を吸収させる。これにより、SOA121aでは、SOA121bから出力されたASE光の強度に比例して光電流が発生する。そこで、SOA121aにおいて発生する光電流をアノード電極124aに接続された測定器によって測定することにより、SOA121bから出力されたASE光の強度を測定し、SOA121bの特性を評価することができる。
逆に、SOA121aの特性を評価する場合には、例えば図6下図に示すように、アノード電極124aに正電圧を印加することにより、SOA121aのpn接合に順方向の電流を流し、SOA121aからASE光を出力させる。そして、アノード電極124bに負電圧を印加することにより、SOA121bのpn接合に逆バイアスを印加し、SOA121aからUターン導波路122を経由してSOA121bへ到達する光を吸収させる。これにより、SOA121bでは、SOA121aから出力されたASE光の強度に比例して光電流が発生する。そこで、SOA121bにおいて発生する光電流をアノード電極124bに接続された測定器によって測定することにより、SOA121aから出力されたASE光の強度を測定し、SOA121aの特性を評価することができる。
このような試験方法によれば、SOA121a、121bの端面に光ファイバを近づける必要がないため、容易に光増幅チップ120の特性を評価することができる。
また、他の試験方法としては、SOA121a、121bの一方のみの端面に光ファイバを近づけて光結合させる方法がある。具体的には、上記の試験方法と同様に、SOA121a、121bのいずれか一方のpn接合に順方向電流を流し、いずれか他方のpn接合に逆バイアスを印加する。そして、順方向電流が流れる一方のSOAの端面から光ファイバなどにより光を入射し、逆バイアスが印加されてPD(Photo Diode)動作をする他方のSOAに発生する光電流を測定する。
この方法を用いる場合、PD動作をする他方のSOAに入力される光の強度は、光ファイバなどから一方のSOAへ入射した光がこのSOAによって増幅された光の強度である。このため、他方のSOAにおいて発生する光電流は、一方のSOAの増幅率に比例した大きさとなり、一方のSOAの利得を評価することが可能となる。
このような試験方法によれば、入力側の1つのSOAのみの端面に光ファイバを近づければ良いため、入出力双方のSOAの端面に光ファイバを近づけて光結合させる困難性はなく、容易にSOA121a、121bの利得を評価することができる。
上記のような試験方法により、ベース基板110へ実装される前の光増幅チップ120の特性を効率良く評価することが可能となる。そして、光増幅チップ120がベース基板110へ実装された構成の光増幅器100の良好な光増幅特性を担保することができる。
なお、本実施の形態に係る光増幅チップ120は、2つのSOA121a、121bがUターン導波路122によって接続された構成であるため、複数のSOAが直線状に配置される構成と比較して、光電流を測定するSOAへ入力される迷光が少なくなる。このため、入力側のSOAの本来の特性を評価することができる。また、一般に、複数のSOAをモノリシックに集積する場合、SOAの間で微小なクロストークが発生する可能性があるが、本実施の形態ではSOA121a、121bの間に十分な長さのUターン導波路122が挟まれるため、電気的なクロストークを低減することができる。結果として、SOA121a、121bにおいて発生する光電流を正確に測定することができ、光増幅チップ120の特性を精度良く評価することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、2つのSOAをUターン導波路によって接続する構成の光増幅チップの各SOAに対応する位置に、電気的に独立した2つのアノード電極が形成されている。そして、2つのアノード電極に共通して接続する1つの金属配線を有するベース基板に光増幅チップを実装することにより、光増幅器を構成する。このため、光増幅チップがベース基板に実装される前は、光増幅チップのそれぞれのアノード電極に独立に電圧を印加し、一方のSOAから出力される光を他方のSOAで検出してSOAの特性を評価することができる。換言すれば、2つのSOAの近接する端面に同時に光ファイバなどを近づける必要がなく、光増幅チップを効率良く評価し、良好な光増幅特性を担保することができる。
また、光増幅チップがベース基板に実装された後は、ベース基板の金属配線を介して2つのアノード電極に共通の電圧を印加することができるため、光増幅器の稼働時には、光増幅チップの制御を簡素にすることができる。
なお、上記一実施の形態においては、ベース基板110の金属配線112がU字型であるものとしたが、金属配線112の形状はU字型でなくても良い。すなわち、光増幅チップ120のアノード電極124a、124bに共通して接続する1つの金属配線であれば、例えば長方形及び楕円形などの金属配線であっても良い。
また、上記一実施の形態においては、光増幅チップ120のUターン導波路122のコア層の側面が半導体層によって埋め込まれず、空隙が生じるものとして説明した。しかしながら、Uターン導波路122のコア層の側面やクラッド層の周囲には、絶縁体の例えば樹脂などが充填されても良い。Uターン導波路122の周囲の空隙に樹脂が充填されることにより、光増幅チップ120の強度を向上することができる。
なお、ベース基板110及び光増幅チップ120を形成する半導体及び導電体の材料は、上記一実施の形態に例示したものに限定されない。
110 ベース基板
110a テラス部
110b シリコン層
110c、110d SiO2
111、111a、111b 導波路
112 金属配線
120 光増幅チップ
121a、121b SOA
122 Uターン導波路
123 カソード電極
124、124a、124b アノード電極
125 基板
126 n型クラッド層
127 p型クラッド層
128 n型電流ブロック層
129 コンタクト層
150 バンプ

Claims (7)

  1. 2つの半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)と、前記2つのSOAを接続するU字形状の導波路と、前記2つのSOAそれぞれに対応し互いに分離する2つの電極とを有する光増幅チップと、
    前記2つの電極に共通して接続する金属配線を備え、前記光増幅チップを搭載するベース基板と
    を有することを特徴とする光増幅器。
  2. 前記ベース基板は、
    シリコン層と、
    前記シリコン層に積層された第1絶縁層と、
    前記第1絶縁層上に形成され、シリコンからなる導波路層と、
    前記導波路層を被覆する第2絶縁層と
    を有することを特徴とする請求項1記載の光増幅器。
  3. 前記ベース基板は、
    少なくとも前記第1絶縁層、前記導波路層及び前記第2絶縁層を切り欠いて形成されるテラス部を有し、
    前記光増幅チップは、
    前記テラス部に搭載される
    ことを特徴とする請求項2記載の光増幅器。
  4. 前記2つのSOAは、
    前記導波路層の端面と光結合する端面を有する
    ことを特徴とする請求項2記載の光増幅器。
  5. 前記2つのSOAは、
    前記2つの電極及び前記金属配線を介して1つの電源によって駆動される
    ことを特徴とする請求項1記載の光増幅器。
  6. 2つの半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)と、前記2つのSOAを接続するU字形状の導波路とを有する光増幅器の試験方法であって、
    前記2つのSOAそれぞれに対応し互いに分離する2つの電極のうち一方の電極を介して一方のSOAに順方向電流を注入し、
    前記2つの電極のうち他方の電極を介して他方のSOAに逆バイアスを印加し、
    前記他方のSOAに発生する光電流を測定する
    工程を有することを特徴とする光増幅器の試験方法。
  7. 前記一方のSOAの端面に所定の光を入射する
    工程をさらに有することを特徴とする請求項6記載の光増幅器の試験方法。
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