JPH1073791A - 半導体マッハツェンダ型光変調器、光変調器モジュールおよび光伝送装置 - Google Patents

半導体マッハツェンダ型光変調器、光変調器モジュールおよび光伝送装置

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JPH1073791A
JPH1073791A JP22999496A JP22999496A JPH1073791A JP H1073791 A JPH1073791 A JP H1073791A JP 22999496 A JP22999496 A JP 22999496A JP 22999496 A JP22999496 A JP 22999496A JP H1073791 A JPH1073791 A JP H1073791A
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light
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optical
optical modulator
mode filter
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JP22999496A
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Tatsumi Ido
立身 井戸
Hirohisa Sano
博久 佐野
Hiroyuki Gomyo
博之 五明
Kazuhiko Naoe
和彦 直江
Kazuo Hagimoto
和男 萩本
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Hitachi Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Hitachi Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光結合系に位置ずれが生じても動作点、消光
特性を安定にする。 【解決手段】 基板20上に光導波路11、Y分岐12
1、122、モードフィルタ1を形成し、光導波路11
の幅wを2.0μm、モードフィルタ1の幅wfを4.
0μm、モードフィルタ1の長さLfを34μmとす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光伝送装置等で使用
される半導体マッハツェンダ型光変調器、光変調器モジ
ュールおよび光伝送装置に関するものである。
【0002】
【将来の技術】半導体の電界屈折率変化を利用して光変
調を行なう半導体マッハツェンダ型光変調器は高速変調
が可能であり、また動作電圧も比較的小さいことから、
長距離・超高速光伝送システムの光源に適している。
【0003】図9は従来の半導体マッハツェンダ型光変
調器を示す平面図である。図に示すように、光導波路1
1に入射した光はY分岐121にて2等分され、それぞ
れ位相変調器12を通過したのち、再度Y分岐122で
干渉・合波されて出力される。そして、Y分岐121で
分岐された光の位相差を位相変調器電極131、132
を有する位相変調器12により変化させることによって
光変調を行なう。この場合、光導波路11のコア層に電
界屈折率変化の大きい半導体多重量子井戸(Multiple-Q
uantum-Well:MQW)を用いれば、より変調効率の高
い変調器が実現できる。これについては、例えば、光フ
ァイバ通信に関する国際会議(OpticalFiber Communica
tion:OFC)1992年ThG4に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
マッハツェンダ型光変調器を光ファイバと結合すると、
その変調特性が光軸ずれによって大きく変化するという
問題がある。図10は図9に示した半導体マッハツェン
ダ型光変調器の印加電圧と光出力との関係を示すグラフ
であり、曲線(a)は先球ファイバを用いて挿入損失が最
小になるように光結合を行なった時(最適結合時)の変
調特性(一方の位相変調器12を接地し、他方の位相変
調器12にのみ電圧を与えた場合)を示し、曲線(b)は
最適結合の状態から入射側または出射側の光ファイバに
僅か(サブμm)な位置ずれ(光軸ずれ)を横方向に与
えた時の変調特性を示す。このグラフから明らかなよう
に、僅かな光軸ずれによって、動作点がずれたり、消光
特性が大きく劣化する。このような微小な光軸ずれは半
導体マッハツェンダ型光変調器をパッケージ化したのち
にも生じる。したがって、従来の半導体マッハツェンダ
型光変調器のパッケージを用いた光伝送装置では、変調
特性の変化のために、長期的に光出力波形が劣化して伝
送特性が劣化するという問題がある。
【0005】つぎに、従来の半導体マッハツェンダ型光
変調器において変調特性が僅かな光軸ずれによって不安
定になる理由について説明する。図11はマッハツェン
ダ型光変調器の消光状態の出力側のY分岐122の光の
伝搬の様子(電界の横方向分布)を示す図である。図に
示すように、消光状態では両位相変調器12を通過した
光が逆位相で干渉するので、干渉後の光は光軸に対して
非対称なモードすなわち高次モードとなる。そして、図
11(a)に示すように、光導波路11がシングルモード
の場合には、干渉後の光は完全に放射して、半導体マッ
ハツェンダ型光変調器は安定な消光状態を持ち、不安定
性は生じない。ところが、実際の半導体マッハツェンダ
型光変調器においては、変調効率、プロセスの制限、挿
入損失の観点から、光導波路11の幅を縮小して光導波
路11をシングルモードにすることが難しく、横方向に
対してマルチモードな光導波路11を使用している。そ
して、図11(b)に示すように、光導波路11がシング
ルモードでなくマルチモードの場合には、消光時にも高
次モード光が半導体マッハツェンダ型光変調器の端面ま
で伝搬し、出射する。この場合、光導波路11と結合さ
せる光ファイバの光軸と光導波路11の光軸が完全に一
致した状態では、高次モード光は光ファイバの基本モー
ドと結合しないから、高次モード光が変調特性に影響を
及ぼさないが、光ファイバの光軸と光導波路11の光軸
とが軸ずれした場合には、高次モード光がシングルモー
ドの光ファイバの(基本)モードと結合し、消光比劣化
や動作点シフトが生じる。また、図12にマッハツェン
ダ型光変調器の消光状態の入力側のY分岐121の光の
伝搬の様子(電界の横方向分布)を示す。図12(a)に
示すように、光導波路11がシングルモードの場合に
は、入射側の光ファイバの光軸と光導波路11の光軸と
が軸ずれし、光導波路11に高次モード光が伝播したと
しても、その高次モード光は放射によって消失し、Y分
岐121までは到達しない。これに対して、図12(b)
に示すように、光導波路11がシングルモードでなくマ
ルチモードの場合には、入射側の光ファイバの光軸と光
導波路11の光軸とが軸ずれすると、両位相変調器12
を通過する光の位相が逆位相となるから、両位相変調器
12を通過する光の光パワーに差が発生し、消光比や動
作点が不安定になる。
【0006】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、光結合系に位置ずれが生じても動作点、消
光特性が安定な半導体マッハツェンダ型光変調器、長期
に渡って安定に動作する光変調器モジュール、光伝送装
置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明においては、半導体マッハツェンダ型光変調
器において、光導波路の少なくとも一部に基本モード光
を透過しかつ高次モード光の伝搬を阻止するモードフィ
ルタを設ける。
【0008】この場合、上記モードフィルタの幅を上記
光導波路の幅に比べて大きくする。
【0009】この場合、上記モードフィルタの幅を上記
光導波路の幅の1.5〜4倍とする。
【0010】また、上記モードフィルタの幅を1.5〜
10μmとする。
【0011】また、上記光導波路の幅を1〜10μmと
する。
【0012】また、上記モードフィルタの積層構造を上
記光導波路の積層構造と同一とする。
【0013】また、光変調器モジュールにおいて、上記
の半導体マッハツェンダ型光変調器を使用する。
【0014】また、光伝送装置において、上記の半導体
マッハツェンダ型光変調器または上記の光変調器モジュ
ールを使用する。
【0015】
【発明の実施の形態】図1(a)は本発明に係る半導体マ
ッハツェンダ型光変調器を示す平面図、図1(b)は図1
(a)のA−A断面図、図2は図1に示した半導体マッハ
ツェンダ型光変調器の一部を示す図である。図に示すよ
うに、n−InP基板20上にn−In0.53Al0.47
sバッファ層21、In0.53Ga0.47As(6nm)/
In0.53Al0.47As(5nm)多重量子井戸層22
(λg=1.45μm、井戸数30)、p−In0.53
0.47Asクラッド層23(1.5μm)、p+−In
0.53Ga0.47Asコンタクト層24がMBE(分子線エ
ピタキシー)より設けられている。また、SiO2マス
ク(図示せず)を用いてドライエッチングを行なうこと
により、光導波路11、Y分岐121、122、モード
フィルタ1が形成されている。そして、光導波路11の
幅wは2.0μm、モードフィルタ1の幅wfは4.0
μm、モードフィルタ1の長さLfは34μmである。
また、ポリイミド25により平坦化が行なわれ、p電極
(位相変調器電極)261、262(長さ800μm)
およびn電極27が設けられている。なお、半導体マッ
ハツェンダ型光変調器は劈開により切り出され、両端面
に反射防止膜(図示せず)が設けられている。
【0016】図3(a)、(b)はモードフィルタ1に左か
ら基本モード光、高次モード(1次モード)光が入射し
た場合に、光強度分布がどのように変化しながら伝搬す
るかを示す図である。図に示すように、光導波路11よ
り幅の広いモードフィルタ1に入射した光は伝搬するに
つれて両側に広がり、さらに伝搬すると再び中央に収束
して、入射波形とほぼ等しい強度分布を再生する。すな
わち、モードフィルタ1に入射した光は周期的に形を変
える。この周期は基本モード光と高次モード光とで異な
り、高次モード光の方が周期が短い。したがって、モー
ドフィルタ1の長さLfを基本モード光の周期に設定し
た場合には、図3(a)に示すように、基本モード光はモ
ードフィルタ1の出口ではほぼモードフィルタ1の入口
と同じ強度分布を持ち、低損失で出力側の光導波路11
の基本モードに変換・出力される。これに対して、図3
(b)に示すように、高次モード光の光強度分布はモード
フィルタ1の出口で外側に集中しており、モードフィル
タ1の出力側の光導波路11のモードにほとんど結合し
ない。したがって、モードフィルタ1により高次モード
光のみに対して大きな損失を与えることができる。すな
わち、光導波路11へのモードフィルタ1の挿入によ
り、マルチモードの光導波路11があたかもシングルモ
ードの光導波路のように振る舞うことが可能となる。ま
た、モードフィルタ1の幅wfは光導波路11の幅wに
比べて大きく、作製・信頼性の面からも問題を生じな
い。
【0017】また、図4は図1に示したマッハツェンダ
型光変調器の消光状態の出力側のY分岐122の光の伝
搬の様子(電界の横方向分布)を示す図である。図4
(a)に示すように、光導波路11がシングルモードでな
くマルチモードの場合でも、モードフィルタ1により高
次モード光の伝搬が阻止されるから、出射側の光ファイ
バの光軸と光導波路11の光軸とが軸ずれした場合に
も、高次モード光が光ファイバの基本モードと結合する
ことがないから、消光比劣化や動作点シフトが生じるこ
とがない。また、光導波路11がシングルモードでなく
マルチモードであって、入射側の光ファイバの光軸と光
導波路11の光軸とが軸ずれして、光導波路11に高次
モード光が伝搬した時にも、図4(b)に示すように、モ
ードフィルタ1により高次モード光の伝搬が阻止される
から、両位相変調器12を通過する光の光パワーに差が
発生することがなく、消光比や動作点が不安定性になる
ことがない。
【0018】図5は図1に示した半導体マッハツェンダ
型光変調器の両端を先球ファイバで光結合した場合の印
加電圧と光出力との関係を示すグラフである。図5にお
いて、曲線(a)は光ファイバを挿入損失が最小になるよ
うにアライメントし、p電極261に逆バイアスを加え
た時の変調特性(p電極262は接地)を示す。半導体
マッハツェンダ型光変調器の挿入損失は13dB、動作
電圧Vπは3.5Vであった。また、曲線(b)は入射側
または出射側の光ファイバに光軸ずれを与えた時の変調
特性を示すが、光出力が低下するだけで、消光比劣化や
動作点シフトは観測されない。
【0019】なお、モードフィルタ1の幅wfと光導波
路11の幅wとの差が小さいときには、モードフィルタ
1の出口において光導波路11の端に集中した光が出口
側の光導波路11にもれてしまい、高次モード光の損失
が小さくなってしまう。したがって、モードフィルタ1
の幅wfを光導波路11の幅wの1.5倍以上にするの
が望ましい。また、図6は光の波長λが1.55μmで
あり、光導波路11の基本モード光に対してモードフィ
ルタ1の入口の光の強度分布がモードフィルタ1の出口
の光強度分布とほぼ等しくなる場合のモードフィルタ1
の長さLfと幅wfとの関係を示すグラフである。このグ
ラフから明らかなように、モードフィルタ1の長さLf
は幅wfに対して指数関数的に大きくなるから、モード
フィルタ1の幅wfを不必要に大きくすると、モードフ
ィルタ1の長さLfが極めて大きくなり、半導体マッハ
ツェンダ型光変調器が大型となる。このため、モードフ
ィルタ1の幅wfを幅wの4倍以下にするのが望まし
い。また、図6に示したグラフから明らかなように、モ
ードフィルタ1の長さLfを200μm以下にするため
には、モードフィルタ1の幅wfを10μm以下にする
必要がある。また、光導波路11の幅wを大きくしたと
きには、モードフィルタ1の幅wfを大きくしなければ
ならないから、結局モードフィルタ1の長さLfを極め
て大きくしなければならず、半導体マッハツェンダ型光
変調器が大型となるので、光導波路11の幅を1〜10
μmとするのが望ましい。
【0020】図7は図1に示したモードフィルタ付の半
導体マッハツェンダ型光変調器を有する光変調器モジュ
ールを示す図である。図に示すように、モジュール本体
41にペルチェ素子48が設けられ、ペルチェ素子48
上に半導体マッハツェンダ型光変調器40が設けられ、
高周波コネクタ43と半導体マッハツェンダ型光変調器
40のP電極261とがマイクロストリップ線路44を
介して接続され、マイクロストリップ線路44に終端抵
抗45が接続され、入出力端子49とP電極262とが
接続され、半導体マッハツェンダ型光変調器40と光フ
ァイバ42との間に非球面レンズ47が設けられてお
り、ペルチェ素子48は半導体マッハツェンダ型光変調
器40の温度を一定にする。この光変調器モジュールに
対して長期信頼性試験を行なったところ、変調特性の劣
化は観測されなかった。
【0021】図8は図7に示した光変調器モジュールを
使用した光伝送装置(伝送速度10Gbit/s)を示す
図である。図に示すように、送信器においては、DFB
レーザ62に半導体マッハツェンダ型光変調器モジュー
ル63が接続され、光変調器モジュール63にファイバ
型光アンプ64が接続され、光変調器モジュール63に
変調器駆動回路61が接続されている。この光伝送装置
は長期間に渡ってエラーフリーで安定に動作した。
【0022】なお、上述実施の形態においては、光導波
路11より幅の広いモードフィルタ1を用いた場合につ
いて説明したが、基本モード光を低損失で透過し、高次
モード光の伝播を阻止する作用を有するモードフィルタ
であれば、いかなる形状のものであっても、半導体マッ
ハツェンダ型光変調器の消光比や動作点の不安定性を抑
止することができる。
【0023】
【発明の効果】本発明に係る半導体マッハツェンダ型光
変調器においては、光結合系に位置ずれが生じても動作
点、消光特性が安定である。
【0024】また、モードフィルタの幅を光導波路の幅
の1.5〜4倍としたときには、高次モード光の損失が
小さくなることがなく、しかもモードフィルタの長さが
極めて大きくなることがないから、半導体マッハツェン
ダ型光変調器が大型になることがない。
【0025】また、モードフィルタの幅を1.5〜10
μmとしたときには、モードフィルタの長さが極めて大
きくなることがないから、半導体マッハツェンダ型光変
調器が大型になることがない。
【0026】また、光導波路の幅を1〜10μmとした
ときには、モードフィルタの長さが極めて大きくなるこ
とがないから、半導体マッハツェンダ型光変調器が大型
になることがない。
【0027】また、モードフィルタの積層構造を光導波
路の積層構造と同一としたときには、半導体光素子を容
易に製造することができる。
【0028】また、本発明に係る光変調器モジュール、
光伝送装置においては、長期に渡って安定に動作する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体マッハツェンダ型光変調器
を示す図である。
【図2】図1に示した半導体マッハツェンダ型光変調器
の一部を示す図である。
【図3】図1に示した半導体マッハツェンダ型光変調器
のモードフィルタの光強度分布の伝搬状態を示す図であ
る。
【図4】図1に示したマッハツェンダ型光変調器の消光
状態の光の伝搬の様子を示す図である。
【図5】図1に示した半導体マッハツェンダ型光変調器
の印加電圧と光出力との関係を示すグラフである。
【図6】図1に示した半導体マッハツェンダ型光変調器
のモードフィルタの長さLfと幅wfとの関係の例を示す
グラフである。
【図7】図1に示した半導体マッハツェンダ型光変調器
を有する光変調器モジュールを示す図である。
【図8】図7に示した光変調器モジュールを使用した光
伝送装置を示す図である。
【図9】従来の半導体マッハツェンダ型光変調器を示す
平面図である。
【図10】図9に示した半導体マッハツェンダ型光変調
器の印加電圧と光出力との関係を示すグラフである。
【図11】図9に示したマッハツェンダ型光変調器の光
の伝搬の様子を示す図である。
【図12】図9に示したマッハツェンダ型光変調器の光
の伝搬の様子を示す図である。
【符号の説明】
1…モードフィルタ 11…光導波路 40…半導体マッハツェンダ型光変調器 63…半導体マッハツェンダ型光変調器モジュール
フロントページの続き (72)発明者 五明 博之 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株 式会社日立製作所情報通信事業部内 (72)発明者 直江 和彦 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株 式会社日立製作所情報通信事業部内 (72)発明者 萩本 和男 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光導波路の少なくとも一部に基本モード光
    を透過しかつ高次モード光の伝搬を阻止するモードフィ
    ルタを設けたことを特徴とする半導体マッハツェンダ型
    光変調器。
  2. 【請求項2】上記モードフィルタの幅が上記光導波路の
    幅に比べて大きいことを特徴とする請求項1に記載の半
    導体マッハツェンダ型光変調器。
  3. 【請求項3】上記モードフィルタの幅が上記光導波路の
    幅の1.5〜4倍であることを特徴とする請求項2に記
    載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
  4. 【請求項4】上記モードフィルタの幅が1.5〜10μ
    mであることを特徴とする請求項2に記載の半導体マッ
    ハツェンダ型光変調器。
  5. 【請求項5】上記光導波路の幅が1〜10μmであるこ
    とを特徴とする請求項2に記載の半導体マッハツェンダ
    型光変調器。
  6. 【請求項6】上記モードフィルタの積層構造が上記光導
    波路の積層構造と同一であることを特徴とする請求項2
    に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
  7. 【請求項7】請求項1〜6のいずれかに記載の半導体マ
    ッハツェンダ型光変調器を使用したことを特徴とする光
    変調器モジュール。
  8. 【請求項8】請求項1〜6のいずれかに記載の半導体マ
    ッハツェンダ型光変調器または請求項7に記載の光変調
    器モジュールを使用したことを特徴とする光伝送装置。
JP22999496A 1996-08-30 1996-08-30 半導体マッハツェンダ型光変調器、光変調器モジュールおよび光伝送装置 Pending JPH1073791A (ja)

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