JPH03203268A - コヒーレント光受信器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、コヒーレント光通信システムに用いるコヒー
レント光受信器に係わり、特に局部発振用半導体レーザ
と受光素子の集積化を可能としたコヒーレント光受信器
に関する。

（従来の技術） 近年、長距離大容量の光通信システムとして、コヒーレ
ント光通信の研究が盛んとなっている。

この方式における受信方法は、信号光と局部発振光とを
受光素子を用いて混合するものである。

さらに、局部発振光のノイズを低減するために、第５図
に示すようなバランスドレシーバ型の受信器が盛んに研
究されている。

第５図において、信号光と局部発振用１ノ−ザ５１から
の局部発振光との合波にはファイバカプラ５２を、合波
された光と受光素子５４との結合には光ファイバ５３の
先に球レンズ等を設けて行っている。そして、２つの受
光素子５４で受けた電気信号を差動合成することにより
、局発光ノイズを打ち消している。

しかしながら、このように光学素子を多数用いる複雑な
構成ではモジュール化の際の光軸合わせが難しい、長期
にわたる安定性に欠けるといった問題点があった。また
、局部発振光とファイバとの結合効率が悪く、局部発振
光の一部分しか受光素子に到達しないため受信感度も余
り良くなかった。

このような問題を解決する手段として、局部発振用レー
ザと受光素子を同一基板上に集積化する試みが行われて
いる。しかしながらこれは、従来の光学素子を用いて行
われている第５図の構成をそのまま基板上に形成しただ
けのものであるため、構成が複雑であるという点に変り
はなく集積化が極めて困難であった。１−かも、ファイ
バの代わりとして技術的に難しい低損失先導波路を基板
内に作り付けなければならないという、新たな問題も生
じてしまう。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の光学素子を用いてモジュール化した
場合、光軸合わせが難しく、さらに長期にわたる安定性
に欠けるという問題点があった。また従来の構成をその
まま同一基板上に集積化した受信器では構成が複雑であ
り、低損失導波路の形成が困難であることもあって、集
積化に多くの困難を伴った。さらに、局部発振光を十分
生かしきれていないために、受信感度も良くなかった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、光軸合わせが簡単で簡易な構成で実
現でき、且つ長期安定性及び受信感度に優れた集積型の
コヒーレント光受信器を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、同一基板上に回折格子を有する局部発
振用半導体レーザと受光素子とを集積化し、特別な合波
器を用いることなく受光素子上で局部発振光と信号光と
を混合することにある。

即ち本発明（請求項１）は、信号光と局部発振光とを混
合して受光素子で検出するコヒーレント光受信器におい
て、半導体基板上に１次の回折格子を有する局部発振用
半導体レーザを設けると共に、この半導体レーザの導波
方向に沿って１次の回折格子の延長線上に少なくとも１
箇所の位相シフトを有する２次の回折格子を設け、さら
にこの２次の回折格子の位相シフト位置に対向する表面
に少なくとも１個の受光素子を設け、受光素子を挟んで
半導体レーザと反対側の端面から信号光を入力させ、該
入力した信号光と半導体レーザからの局部発振光とを受
光素子部で混合するようにしたものである。

また本発明（請求項２）は、信号光と局部発振光とを混
合して受光素子で検出するコヒーレント光受信器におい
て、半導体基板上に回折格子を有する局部発振用半導体
レーザを設けると共に、この半導体レーザの導波方向に
沿った延長線上に受光素子を設け、回折格子における互
いに向きの異なる進行波に対する結合係数を異ならせる
ことにより、又は回折格子の共振器中央からずれた位置
に位相シフト構造を形成することにより、半導体レーザ
の共振器内での光強度分布を受光素子側で大きくなるよ
うに設定し、半導体レーザに対し受光素子と反対側の端
面から信号光を入射させ、該人力した信号光と半導体レ
ーザからの局部発振光とを受光素子部で混合するように
したものである。

（作用） 本発明（請求項１）によれば、半導体レーザからの局部
発振光と受光素子に対し半導体レーザと反対側から入射
した信号光とが、主に位相シフト位置で表面方向に取り
出されて混合され、この混合光が受光素子で検出される
ことになる。

従って、従来の複雑な構成を用いることなく、局部発振
用半導体レーザと高次の位相シフト回折格子と、その上
に形成された受光素子といった簡単な構造からなる集積
化コヒーレント光受信器を実現することができる。しか
も、局部発振光及び信号光は高次の回折格子に設けられ
た位相シフト部分で表面方向に取り出されるため高効率
な受信が可能である。

また本発明（請求項２）によれば、半導体レーザに対し
受光素子と反対側から入射した信号光と該レーザによる
局部発振光とが、レーザ共振器内を通り受光素子部にて
混合され、この混合光が受光素子で検出されることにな
る。そしてこの場合、レーザ共振器内での光強度分布が
受光素子側で嫡くなるようにしているため信号光と局部
発振光とを効率よく混合でき、さらに信号光が共振器内
で増幅されるため受信感度を高めたコヒーレント光受信
器を実現することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わるコヒーレント光
受信器の概略構成を示す断面図である。図中１１はｎ型
１ｎＰ基板であり、このＩｎＰ基板１１上の一部には１
次の回折格子１２が、他の部分には２次の回折格子１３
が形成されている。これらの回折格子１２．１３は、２
光束干渉露光法により周期２４００λ及び４８００Åの
レジストストライプを形成した後、リアクティブイオン
エツチング（ＲＩＥ）法によりエツチングして形成され
る。また、２次の回折格子１３上には、位相シフト部１
４が形成されている。

回折格子１２．１３上にはＩｎＧａＡｓＰ光導波層１５
が形成され、１次の回折格子１２上に位置する先導波層
１５上には、１ｎＧａＡｓＰ活性層１６及びｐ型！ｎＰ
クラッド層１７が形成されている。これにより、基板１
１上に局部発振用半導体レーザ（ＬＤ）が設けられてい
る。

一方、２次の回折格子１３上に位置する先導波層１５上
には、半絶縁性のＩｎＰｎ土層が活性層１６及びクラッ
ド層１７の側部を埋め込むように形成され、その表面に
ｎ型ＩｎＰ層１つ。

ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０及びｐ型１ｎＰクラッド層２
１が形成されている。これにより、基板１１上に受光素
子（ＰＤ）が設けられている。

また、図中右側の端面、即ち受光素子を挟んで局部発振
用レーザと反対側の端面には無反射膜２２がコーティン
グされている。そして、この無反射膜２２を通して信号
光が入力されるものとなっている。

なお、局部発振用半導体レーザの発振波長及び信号光の
波長は共に１，５５μｍ程度（同じではない）であり、
これらの周波数の差は約ＩＧＩｌｚである。また、上記
レーザ及び受光素子の実際の製造に関しては、まず回折
格子１２．ユ３上に、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層１５．Ｉ
ｎＧａＡｓＰ活性層１６及びｐ型１ｎＰクラッド層１７
を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成し、続
いて素子の一部（右側）のクラッド層１７及び活性層１
６を順次選択的にエツチングした後、エツチング部を半
絶縁性のＩｎＰｎ土層で埋め込み、ＩｎＰｎ土層の表面
にｎ型ＩｎＰ層１９゜Ｉ　ｎＧａＡｓ光吸Ａｓ光０及び
ｐ型１ｎＰクラッド層２１を形成する。そして、最後に
図中右側の端面に無反射膜２２をコーティングすること
により得られる。

このように本実施例は、構成が極めて単純であるため従
来レーザの作成に用いたのとほぼ同様な簡単な技術で作
成が可能である。こうして０ 作成したコヒーレント光受信器にフロントエンドアンプ
、バンドパスフィルタ等の信号処理回路を接続したのち
、１００ｍＡの電流を流し局部発振用のレーザを発振さ
せた。そして、毎秒１５０Ｍメガビットで周波数変調し
た信号光を、図中矢印の如く入射した。このとき、信号
光の反射は殆どなかった。

その結果、誤り率１０−９で受信感度−５８ｄＢｍとい
う、従来のモジュール化素子を用いた場合に比べ数ｄＢ
１Ｍ感度の高い優れた受信特性が得られた。

さらに、長期にわたる安定性試験を行ったところ、１万
時間を越えても劣化は全く認められなかった。これは、
集積化しであるために光軸ずれの原因が最初からないこ
とと、本集積化素子の構成が非常に簡単な構成であるこ
とに加え、位相シフト部分で集中的に光を表面方向に取
り出せたためである。

第２図は本発明の第２の実施例に係わるコヒーレント光
受信器の概略構成を示す断面図である。なお、第１図と
同一部分には同一符号を付１ してその詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した第１の実施例と異なる点は、
２次の回折格子１３に２箇所に位相シフト１４１．１４
□を設け、それぞれに対応した場所に２つの受光素子（
Ｐ　Ｉ）＋　、　　Ｐ　Ｄ２　）を設けたことにある。

さらに、２つの受光素子は電気的に差動合成されるよう
配線接続した。

このコヒーレント光受信器に毎秒１５０Ｍビットで周波
数変調した信号光を、図中矢印の如く入射した。その結
果、この場合は誤り率１０−９で受信感度−８０ｄＢｎ
という優れた受信特性が得られた。これはバランスドレ
シーバ構成のため、局発光ノイズが打ち消されたためで
ある。また、この場合にも長期の信頼性が確認された。

このように第１及び第２の実施例によれば、信号光は無
反射膜側から入射され、主に位相シフト位置で表面方向
に取り出された局部発振光と混合され、この混合光が受
光素子で検出されることになる。従って、光軸合わせの
少ない集積化したコヒー１／ント光受信器を非常に簡単
な２ 構成で実現することができる。しかも、２次の回折格子
の位相シフト部分で集中的に信号光及び局部発振光を表
面方向に取り出せるため受信感度も高い。その結果、高
性能のコヒーレント光受信器を低コストで得られるのみ
ならず、その特性も長期にわたって安定である。

第３図は本発明の第３の実施例に係わるコヒーレント光
受信器の概略構成及び光強度分布を示す図である。

図中３１はｎ型１ｎＰ基板であり、この基板３１上の一
部に回折格子３２が形成されている。

この回折格子３２の形成には、２光束干渉露光法により
周期２４００大のレジストストライプを形成した後、Ｒ
ＩＥ法により回折格子形状が非対称になるよう基板を傾
けてエツチングすればよい。回折格子３２上には、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ光導波層３３，１ｎＧａＡｓＰ活性層３４及
びｐ型ＩｎＰクラッド層３５がＭＯＣＶＤ法で成長され
、さらに電流注入用の電極３６が形成されている。これ
により、局部発振用半導体レーザ３ （ＬＤ）が形成されている。

一方、回折格子３２の形成されていない部分には、Ｉ　
ｎＧａＡｓ光吸収層３７．ｐ型１ｎＰクラッド層３８及
び光電流取り出し用の電極３つが形成され、これにより
受光素子（ＰＤ）が形成されている。なお、実際の作成
に際しては、回折格子３２を有する基板３１上に、先導
波層３３．活性層３４及びクラッド層３５を形成した後
、回折格子３２上を除いてクラッド層３５、活性層３４
及び光導波層３３を順次選択的にエツチングし、このエ
ツチング部に光吸収層３７．クラッド層３８を成長形成
すればよい。

なお、図には示さないが、信号光の入射する端面には無
反射コートを施してもよい。

このように本実施例では構成が単純であるため、従来レ
ーザの作成に用いたのとほぼ同様な簡単な技術で作成が
可能であった。こうして作成したコヒーレント光受信器
の光電流取り出し用電極３つにフロントエンドアンプ、
バンドパスフィルタ等の信号処理回路を接続した後、電
４ 流注入用電極３６にはｌｏＯｍＡの電流を流し局部発振
用のレーザを発振させ、毎秒１５０Ｍビットで周波数変
調した信号光を図中矢印の如く入射した。

その結果、誤り率１Ｏ−９で受信感度−５８ｄＢｍとい
う、従来のモジュール化素子を用いた場合に比べ数ｄＢ
Ｉ１１感度の高い優れた受信特性が得られた。

これは、回折格子３２の形状が非対称なため、右向きと
左向きの進行波の結合係数が異なり、第３図下部に示す
ように受光素子側で光強度が大きくなり十分な局発光強
度が得られたためである。また、微弱な信号光がレーザ
共振器内で増幅されたことも一因である。さらｌｅ、長
期にわたる安定性試験を行ったところ、１万時間を越え
ても劣化は全く認められなかった。これは、集積化しで
あるために光軸ずれの原因が最初からないことと、本集
積化素子の構成が非常に簡単な構成であるためである。

第４図は本発明の第４の実施例に係わるコヒーレント光
受信器の概略構成及び光強度分布を５ 示す図である。なお、第３図と同一部分には同一符号を
付して、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した第３の実施例と異なる点は、
共振器内での光強度分布を変える手段として、互いに向
きの異なる進行波に対する結合係数を異ならせるのでは
なく、回折格子の位相シフト構造を共振器中央からずれ
た位置に形成することにある。ｎ型ＩｎＰ基板３１上の
一部に回折格子４２が形成されている。この回折格子４
２は２光束干渉露光法により形成するが、このとき干渉
露光系の光路の片側に位相シフトマスクを挿入すること
により、回折格子の位相を特定の場所４１で４分の１波
長分だけシフトした。シフト位置４１は局部発振用レー
ザの中央部分から受光素子側にずらした位置に形成した
。これ以外の構成は、第３の実施例と同様である。

このような構成のコヒーレント光受信器に対し、先の第
３の実施例と同様に、毎秒１５０Ｍビットで周波数変調
した信号光を図中矢印の如く６ 入射した。その結果、この場合も誤り率１０−９で受信
感度−５８ｄＢｍという優れた受信特性が得られた。こ
れは、回折格子４２内での位相シフト位置４１が中央よ
りも受光素子側にあるため、第４図の下部に示すように
受光素子側で光強度が大きくなり十分な局発光強度が得
られたためと、信号光が共振器内で増幅されたためであ
る。また、この場合にも長期の信頼性が確認された。

このように第３及び第４の実施例によれば、半導体レー
ザに対し受光素子と反対側から入射した信号光と該レー
ザによる局部発振光とが、レーザ共振器内を通り受光素
子部にて混合され、この混合光が受光素子で検出される
ことになる。

そしてこの場合、レーザ共振器内での光強度分布が受光
素子側で強くなるようにしているため信号光と局部発振
光とを効率よく混合でき、さらに信号光が共振器内で増
幅されるため受信感度を高めたコヒーレント光受信器を
実現することが可能となる。従って、光軸合わせの少な
い集積化したコヒーレント光受信器を非常に簡単７ な構成で実現することができる。その結果、高信頼性の
コヒーレント光受信器を低コストで得られるのみならず
、その特性も長期に渡って安定である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、局部発振用半導体レーザを、電極を複数
有する波長可変型のレーザにより構成すれば、周波数多
重した信号光を選択的に処理することができる。また、
信号光の入射する端面に形成した無反射膜は必ずしも必
要なく、省略することも可能である。さらに、実施例で
はヘテロダイン方式による例を示したが、ホモダイン方
式にも適用可能である。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明よれば、同一基板上に回折格
子を有する局部発振用半導体レーザと受光素子とを集積
化し、特別な合波器を用いることなく受光素子上で局部
発振光と信号光と８ を混合するようにしているので、光軸合わせが簡単で簡
易な構成で実現でき、且つ長期安定性及び受信感度に優
れた集積型のコヒーレント光受信器を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わるコヒーレント光
受信器の概略構成を示す断面図、第２図は本発明の第２
の実施例の概略構成を示す断面図、第３図は本発明の第
３の実施例に係わるコヒーレント光受信器の概略構成及
び光強度分布を示す図、第４図は本発明の第４の実施例
の概略構成及び光強度分布を示す図、第５図は従来のコ
ヒーレント光受信器を説明するための模式図である。 １１．３１・＝−ｎ型１ｎＰ２！板、 １２．３２．４２・・・１次の回折格子、１３・・・２
次の回折格子、 １４．４１・・・位相シフト部、 １５　、　３３−−−１　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ光導
波層、１６．３４＝ＩｎＧａＡｓＰ活性層、 １つ ７．３５−ｐ型１ｎＰクラッ ８・・・半絶縁性ＩｎＰ層、 ９・・・ｎ型１ｎＰ層、 ０　・＝−１ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ光吸収層、１．３８−
ｐ型１ｎＰクラッ ２・・・無反射膜、 ７・・・Ｉ　ｎＧａＡｓ光吸収層。 ド層、 ド層、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号光と局部発振光とを混合して受光素子で検出
   するコヒーレント光受信器において、 半導体基板上に設けられた１次の回折格子を有する局部
   発振用半導体レーザと、この半導体レーザの導波方向に
   沿って前記１次の回折格子の延長線上に設けられた少な
   くとも１箇所の位相シフトを有する２次の回折格子と、
   この２次の回折格子の位相シフト位置に対向する表面に
   形成された少なくとも１個の受光素子とを具備してなり
   、 前記受光素子を挟んで前記半導体レーザと反対側の端面
   から信号光を入力させることを特徴とするコヒーレント
   光受信器。
2. （２）信号光と局部発振光とを混合して受光素子で検出
   するコヒーレント光受信器において、 半導体基板上に設けられた回折格子を有する局部発振用
   半導体レーザと、この半導体レーザの導波方向に沿った
   延長線上に設けられた受光素子とを具備してなり、 前記回折格子における互いに向きの異なる進行波に対す
   る結合係数を異ならせることにより、又は前記回折格子
   の共振器中央からずれた位置に位相シフト構造を形成す
   ることにより、前記半導体レーザの共振器内での光強度
   分布を受光素子側で大きくなるように設定し、 前記半導体レーザに対し前記受光素子と反対側の端面か
   ら信号光を入射させることを特徴とするコヒーレント光
   受信器。