JPH11211924A

JPH11211924A - 波長多重通信用光回路

Info

Publication number: JPH11211924A
Application number: JP10009755A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitagawa; 毅北川; Yasubumi Yamada; 泰文山田; Akira Himeno; 明姫野; Katsunari Okamoto; 勝就岡本; Masahiro Yanagisawa; 雅弘柳澤; Toshikazu Hashimoto; 俊和橋本; Fumihiro Ebisawa; 文博海老澤; Yuji Akahori; 裕二赤堀; Koushi Fukutoku; 光師福徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】熱クロストークやモードホッピングを低減
し、発振波長が安定した多波長レーザ光源を提供する。
また、バルクの光学部品を用いることなく、半導体レー
ザチップを平面石英系光導波路にハイブリッド集積した
小型の波長多重通信用光回路を提供する。【解決手段】テラス部２とエッチング部３を有するシ
リコン基板１を用いて、テラス部２には、複数の単一縦
モード分布帰還型半導体レーザチップ２０を搭載し、エ
ッチング部３には、スポットサイズ変換器１５０と電界
吸収型半導体光変調器１６０を内蔵した複数の単一縦モ
ード半導体レーザチップ２０ｂからの出射光を伝播させ
る複数のコア５と、多モード干渉型光合流器２００と、
１以上の出力用石英系光導波路２２０と、を備えてい
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、波長多重通信用光
回路に関し、特に、石英系光導波路や石英系光結合器を
有する光集積回路基板上に、半導体レーザチップを搭載
したハイブリッド光回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、１本の光ファイバで複数の異なる
波長の光信号を伝送する波長多重通信を行うため、モノ
リシック集積技術やハイブリッド集積技術を適宜応用し
た多波長光送信器が開発されてきた。

【０００３】モノリシック集積技術を応用したものに
は、たとえば、インジウムリン等の化合物半導体基板上
に多数の分布帰還型半導体レーザをアレイ化した多波長
光送信器がある。この分布帰還型半導体レーザアレイで
は、各半導体レーザのガイド層のグレーティング周期を
変化させるだけで、レーザ発振波長を変化させることが
できる。また、分布帰還型半導体レーザアレイは、活性
層の長さが数百μｍと短かく、構造も簡単であるので、
多波長光送信器を小型化できる。

【０００４】一方、ハイブリッド集積技術を応用したも
のには、石英系光導波路を形成したシリコン基板上に、
半導体レーザチップを搭載した波長多重通信用光回路が
ある。図１１は従来の波長多重通信用光回路の斜視図
である（１９９６年電子情報通信学会エレクトロニクス
ソサイエティ大会講演予稿集３０３項：Ｃ−３０３：石
英系導波路に作製したＵＶ誘起グレーティングとスポッ
トサイズ変換ＬＤを用いたハイブリッド集積レーザ）。
図１１を参照すると、シリコン基板を部分的にエッチン
グして成るエッチング部に、１本の石英系光導波路が、
火炎加水分解堆積法を基本として形成されている。さら
に、石英系光導波路には、紫外光の干渉露光により光誘
起グレーティング反射器が形成されている。また、上記
エッチング部以外のテラス部には１個のファブリ・ペロ
ー半導体レーザチップが搭載されている。そして、光誘
起グレーティング反射器は、ファブリ・ペロー型半導体
レーザチップの外部共振器として機能している。なお、
このようなシステムにおいては、レーザ発振波長は光誘
起グレーティング反射器のグレーティング周期によって
定まる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したモノ
リシック型半導体レーザアレイの場合、半導体レーザの
発熱のため、隣接する半導体レーザのガイド層の屈折率
が変化し、熱光学効果により、発振波長が長波長側にシ
フトする。このような熱クロストークに起因する波長変
動や電気的クロストークに起因する信号／雑音比の劣化
のため、通信の波長多重度を上げるには限界があった。

【０００６】また、図１１に示したハイブリッド波長多
重通信用光回路の場合、ファブリ・ペロー型半導体レー
ザチップ２０ｆ及び光誘起グレーティング反射器７のそ
れぞれの屈折率温度係数が異なるため、レーザ発振波長
が不連続に変化するモードホッピングが発生しやすい欠
点があった。

【０００７】また、図１１に示したハイブリッド波長多
重通信用光回路では、光合流器や光合波器等の光結合器
を備えていなかったために、光結合器を外付けしなけれ
ばならず、そのための光軸調整等に手間がかかり、また
装置全体が大型になっていた。

【０００８】そこで、本発明は、上述した熱クロストー
クやモードホッピングを低減し、発振波長が安定した多
波長レーザ光源を提供することを課題としている。ま
た、本発明は、バルクの光学部品を用いることなく、半
導体レーザチップを平面石英系光導波路にハイブリッド
集積した小型の波長多重通信用光回路を提供することを
課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１の波長多重通信用光回路は、テラス部とエ
ッチング部を有するシリコン基板上に形成した波長多重
通信用光回路であって、前記テラス部には、複数の単一
縦モード半導体レーザチップを備え、前記エッチング部
には、前記複数の単一縦モード半導体レーザチップから
の出射光を伝播させる複数の入力用石英系光導波路を備
えている。

【００１０】また、請求項２の波長多重通信用光回路
は、その単一縦モード半導体レーザチップとして、分布
帰還型半導体レーザチップを搭載している。また、請求
項３の波長多重通信用光回路はその単一縦モード半導
体レーザチップの活性層にスポットサイズ変換器を内蔵
している。

【００１１】また、請求項４の波長多重通信用光回路
は、その単一縦モード半導体レーザチップに電界吸収型
変調器を内蔵している。また、請求項５の波長多重通信
用光回路においては、単一縦モード半導体レーザチップ
配設位置における前記シリコン基板の前記テラス部の厚
さを、隣接する単一縦モード半導体レーザチップの活性
層間の距離以下にしてある。

【００１２】また、請求項６の波長多重通信用光回路に
おいては、シリコン基板のエッチング部に、前記複数の
入力用石英系光導波路からの出射光を結合させる石英系
光結合器と前記石英系光結合器の出射光を伝播させる１
以上の出力用石英系光導波路と、を備えている。

【００１３】また、請求項７の波長多重通信用光回路
は、その石英系光結合器として多モード干渉型光合流器
を備えている。また、請求項８の波長多重通信用光回路
は、その石英系光結合器としてスラブ導波路スターカプ
ラ型光合流器を備えている。

【００１４】また、請求項９の波長多重通信用光回路
は、その石英系光結合器としてアレイ導波路格子光合波
器を備えている。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図面を参
照しつつ説明する。まず、図１は本発明の波長多重通信
用光回路の分解斜視図である。

【００１６】本発明の波長多重通信用光回路は、シリコ
ン基板１のエッチング部３に下部クラッド層４とコア５
と上部クラッド層６からなる光回路を形成し、さらに、
シリコン基板１のエッチング部３以外の部分であるテラ
ス部２の複数のレーザ搭載部３０に、それぞれ半導体レ
ーザチップ２０を搭載している。また、それぞれの半導
体レーザチップ２０の図示しない電極は、それぞれのレ
ーザ搭載部３０に設けた外部電極１０，１２，及び必要
な場合は１４に電気接続される。さらに、シリコン基板
１を冷却器６０により冷却することにより、複数の半導
体レーザチップ２０を冷却している。このような構成に
より、各々発振波長の異なる複数の半導体レーザチップ
２０からの出射光は、各々独立のチャンネルとして電気
信号で強度変調され、各々の入力用石英系光導波路７０
中のコア５をそれぞれ伝播して、図示しない石英系光結
合器（光合流器または光合波器）で結合され、図示しな
い出力用石英系光導波路を介して、出力用石英系光導波
路の図示しない出射端から、図示しない光ファイバに向
けて、１本のビームとなって入射する。

【００１７】そこで、以下、図１に示す本発明の各構成
要素について説明する。シリコン基板１のエッチング部
３には光回路が形成されている。このようにエッチング
部３に光回路を設けると、光回路のコア５の高さを調節
することができるため、半導体レーザチップ２０の活性
層との位置合わせが容易となる。

【００１８】光回路の下部クラッド層４とコア５と上部
クラッド層６は酸化シリコン−酸化ゲルマニウム系等の
ガラスを火炎加水分解堆積法で積層したものである。そ
して、コア５を反応性イオンエッチングを中心としたフ
ォトリソグラフィ工程で微細加工して、入力用石英系光
導波路７０、図示しない出力用石英系光導波路、および
図示しない石英系光結合器（光合流器または光合波器）
を形成する。なお、図１には、入力用光導波路７０の入
射端面のみが図示されている。

【００１９】光回路の内の入力用石英系光導波路７０の
入射端面はレーザ光軸に対して斜めになるようエッチン
グが施されている。このエッチング角度は、入射用石英
系光導波路の端面で屈折するレーザ光の屈折方向が入射
用石英系光導波路の光軸に一致する角度とする。同様
に、出力用石英系光導波路の図示しない出射端には斜め
研磨が施されている。これらの斜めエッチングおよび斜
め研磨により、半導体レーザチップへの戻り光をなくす
るようにしている。

【００２０】シリコン基板１のエッチング部３以外の部
分であるテラス部２には、それぞれ半導体レーザチップ
２０を搭載するレーザ搭載部３０が複数設けられてい
る。これらのレーザ搭載部３０は、テラス部２の表面の
酸化シリコン層をエッチングして形成されており、その
表面にシリコン層を露出させている。これは、半導体レ
ーザチップ２０の底面をシリコン基板１に接触させるこ
とにより、シリコンの高熱伝導性を利用して、半導体レ
ーザチップ２０からの放熱を向上させるためである。

【００２１】さらに、レーザ搭載部３０の底面には、半
導体レーザチップ２０の図示しない基板側電極にワイア
ボンディングされる外部電極１０および半導体レーザチ
ップ２０の図示しない電流注入電極に接続される外部電
極１２と，必要な場合には、半導体レーザチップ２０の
図示しない電界吸収型半導体光変調器用電極に接続され
る外部電極１４が形成されている。外部電極１０の材料
には、たとえば、金等が好適である。また、外部電極１
２，１４の材料は、たとえば、半導体レーザチップ２０
の図示しない電流注入電極や図示しない電界吸収型半導
体光変調器用電極が金であるときは、金より融点が低
く、電流注入電極材料である金と合金化しやすい金錫ハ
ンダ等が好適である。

【００２２】なお、これらの電気配線は、数Ｇｂ／ｓ以
上の高速データ通信の場合には、マイクロ波を効率的に
印加できるように、電極長を短くし、マイクロ波損失の
小さいコプレーナ線路やマイクロストリップ線路とす
る。

【００２３】半導体レーザチップ２０をレーザ搭載部３
０に搭載するには、レーザ搭載部３０上にフォトエッチ
ングで作成したマーカ１９ａと、半導体レーザチップ２
０の底面の図示しないマーカとを、赤外線カメラで透視
しつつ位置合わせした後、シリコン基板１を加熱して外
部電極１２，１４をリフローさせ、半導体レーザチップ
２０をシリコン基板１に固定する。なお、半導体レーザ
チップ２０の図示しない基板側電極は、図示しない金線
で外部電極１０にワイアボンディングされる。

【００２４】複数の半導体レーザチップ２０を搭載した
シリコン基板１の背面はペルチェ冷却器等の冷却器６０
で冷却する。本発明では、シリコン基板のテラス部の厚
さを隣接する半導体レーザチップの活性層間の距離以下
にして、強制的に、シリコン基板の板厚方向に温度勾配
を作っている。従って、シリコン基板１の基板面方向の
熱流が抑制される。なお、シリコン基板１が薄ければ薄
い程、基板面方向の熱流を抑制する効果が大きい。

【００２５】以上、図１を参照して本発明の各構成要素
について説明した。次に、図２乃至図３を参照して本発
明に好適な半導体レーザチップについて説明する。な
お、以下説明する半導体レーザチップはすべて単一縦モ
ードの半導体レーザチップである。すなわち、波長多重
方式で光通信を行うためには、多モード発振レーザのよ
うに発振波長分布幅が広がっていてはならず、所定の単
一波長のみで発振する単一縦モードの半導体レーザを採
用する必要があるからである。

【００２６】図２はスポットサイズ変換器１５０を内蔵
した単一縦モード半導体レーザチップ２０ａの断面図で
ある。本発明に好適なレーザには、分布帰還型レーザ、
ブラッグ反射器付きレーザ、超構造グレーティングレー
ザ等がある。この中でも、分布帰還型レーザは、活性層
１５の長さが数百μｍと短く、構造が簡単であるため、
ハイブリッド集積するのに好適である。

【００２７】なお、これらのレーザの発振波長は、それ
ぞれのグレーティングにより決定される。図２を参照す
ると、シリコン基板のエッチング部３上に下部クラッド
層４とコア５と上部クラッド層６からなる入力用光導波
路７０が形成されている。また、シリコン基板のテラス
部２に半導体レーザチップ２０ａが搭載されている。そ
して、半導体レーザチップ２０ａの基板側電極１１が外
部電極１０にワイアボンディングされ、半導体レーザチ
ップ２０ａの電流注入電極１６が金錫ハンダの外部電極
１２にリフロー接着されている。なお、マーカパターン
１９ａ、１９ｂは、半導体レーザチップ２０ａの位置合
わせ・光軸合わせのために用いている。

【００２８】この半導体レーザチップ２０ａは、膜厚方
向にテーパ状をなす導波路であるスポットサイズ変換器
１５０を活性層１５にバット・ジョイントした構造を有
している。このスポットサイズ変換器１５０を用いれ
ば、レーザ光のスポットサイズが、水平方向に４μｍ程
度、垂直方向に３μｍ程度となるので、入力用石英系光
導波路７０に５０％以上の高効率で光ビームを入射する
ことができる。

【００２９】また、図３はスポットサイズ変換器１５０
と電界吸収型半導体光変調器１６０とを内蔵した単一縦
モード半導体レーザチップ２０ｂの断面図である。この
半導体レーザチップ２０ｂは、電界吸収型半導体光変調
器１６０を内蔵した点を除けば、図２に示した半導体レ
ーザチップ2 ０a と同じである。

【００３０】図３を参照すると、シリコン基板のエッチ
ング部３上に下部クラッド層４とコア５と上部クラッド
層６からなる入力用光導波路７０が形成されている。そ
して、シリコン基板のテラス部２に半導体レーザチップ
２０ｂが搭載され、半導体レーザチップ２０ｂの基板側
電極１１が外部電極１０にワイアボンディングされ、半
導体レーザチップ２０ｂの電流注入電極１６が金錫の外
部電極１２にリフロー接着されている。さらに、半導体
レーザチップ２０ｂの電界吸収型半導体光変調器用電極
１７が外部電極１４にリフロー接着されている。なお、
マーカパターン１９ａ、１９ｂは、半導体レーザチップ
２０ｂの位置合わせ・光軸合わせのために用いている。

【００３１】この半導体レーザチップ２０ｂは、膜厚方
向にテーパ状をなす導波路であるスポットサイズ変換器
１５０を活性層１５にバット・ジョイントした構造を有
し、さらに、光吸収層１６０を有している。

【００３２】電界吸収型半導体光変調器１６０は光吸収
層であり、電極１７に印加する電圧に応じて吸収端波長
が長波長側にシフトすることを利用してレーザ光を変調
するものである。

【００３３】単一縦モード分布帰還型レーザの緩和周波
数は、通常３ＧＨｚ程度であるため注入電流を直接変調
してもこれ以上の高周波を変調することはできない。し
かし、電界吸収型半導体光変調器１６０を用いれば、緩
和周波数以上の高周波を変調することができ、１０ＧＨ
ｚ以上の高速変調が可能になる。

【００３４】次に、図４乃至図６を参照して、本発明に
好適な光回路について説明する。図４は、多モード干渉
型光合流器２００を有する光回路のコア５の斜視図であ
る。この光回路では、複数の入力用石英系光導波路７０
中のコア５からの各波長のレーザビームは多モード干渉
型光合流器２００中で合流し出力用石英系光導波路２２
０から１本のビームとなって出射するようになってい
る。

【００３５】ここに、多モード干渉型光合流器２００
は、コア５をフォトエッチングして、矩形に形成したも
のである。多モード干渉型光合流器２００は、矩形のス
ラブ領域において、複数の導波モード間の干渉による多
重イメージ投影を利用して光を合流させている。

【００３６】この多モード干渉型光合流器２００は、波
長依存性を持たず、寸法誤差等の許容度が大きいので、
作製が容易である。しかし、入力用石英系光導波路２１
０のチャンネル数がＮの時、合流損のため光信号強度が
１／Ｎに減衰するために、比較的チャンネル数の少ない
波長多重通信に適する。

【００３７】なお、多モード干渉型光合流器２００に入
射した光の一部は放射モードとなって、クラッド層を伝
播する。そこで、出力用石英系光導波路２２０には曲が
り導波路を採用することにより、この放射モードの光が
図示しない光ファイバに入射しないようにして、図示し
ない光ファイバの光軸調整を容易にしている。

【００３８】図５はスラブ導波路スターカプラ型光合流
器３００を有する光回路のコア５の斜視図である。この
光回路では、複数の入力用石英系光導波路７０中のコア
５からの各波長のレーザビームは、スラブ導波路スター
カプラ型光合流器３００中で合流し、出力用石英系光導
波路から１本のビームとなって出射するようになってい
る。

【００３９】ここに、スラブ導波路スターカプラ型光合
流器３００は、コア５をフォトエッチングして、レーザ
光入射側３００ａとレーザ光出射側３００ｂを凸面に形
成したものである。

【００４０】また、スラブ導波路スターカプラ型光合流
器３００の入射側３００ａと出射側３００ｂに、ダミー
の石英系光導波路２３０ａ，２３０ｂをそれぞれ設けれ
ば、合流損失を抑制することができる。

【００４１】スラブ導波路スターカプラ型光合流器３０
０は、スラブ領域において、光の回折を利用して光の合
流を行わせ、入射用石英系光導波路７０中のコア５から
の各波長の光が等しい強度で出力用石英系光導波路２２
０に結合する。

【００４２】このスラブ導波路スターカプラ型光合流器
３００は、波長依存性を持たず、作成誤差の許容度が大
きいので、作製が容易である。しかし、入力用石英系光
導波路２１０のチャンネル数がＮの時、合流損のため光
信号強度が１／Ｎに減衰するために、比較的チャンネル
数の少ない波長多重通信に適する。

【００４３】なお、スラブ導波路スターカプラ型光合流
器３００に入射した光の一部は放射モードとなって、ク
ラッド層を伝播する。そこで、出力用石英系光導波路２
２０には曲がり導波路を採用することにより、この放射
モードの光が図示しない光ファイバに入射しないように
して、図示しない光ファイバの光軸調整を容易にしてい
る。

【００４４】図６はアレイ導波路格子光合波器４００を
有する光回路のコア５の斜視図である。この光回路で
は、複数の入力用石英系光導波路７０中のコア５からの
各波長のレーザビームは、第１スラブ領域４００ａに導
かれ光路長を所定量ずつ変化させたアレイ導波路格子２
４０を経て第２スラブ領域４００ｂに入り、出力用石英
系光導波路２２０から１本のビームとして出射されるよ
うになっている。

【００４５】ここに、第１スラブ領域４００ａと第２ス
ラブ領域４００ｂの形状は、入出射面を凸型とし、入射
凸面の弦長と出射凸面の弦長を、チャンネル数に応じて
設定するものである。たとえば図６では、第１スラブ領
域４００ａの入射凸面の弦長は出凸面の弦長より短くさ
れている。

【００４６】アレイ導波路格子光合波器４００は、導波
路長を一定量ずつ変化させたアレイ導波路格子２４０を
用い、多光束干渉を利用して光の合波を行うものであ
る。このアレイ導波路格子光合波器４００合波器は、原
理上合流損がないので、チャンネル数の大きい波長多重
通信に適している。ただし、レーザ光の波長が透過帯域
からずれると合波損失が大きくなるので、レーザ光の波
長を合波器の透過帯域に高い精度で合致させる必要があ
る。

【００４７】なお、アレイ導波路格子光合波器４００に
入射した光の一部は放射モードとなって、クラッド層を
伝播する。そこで、出力用石英系光導波路２２０には曲
がり導波路を採用して、この放射モードの光が図示しな
い光ファイバに入射しないようにすることにより、図示
しない光ファイバの光軸調整を容易にしている。

【００４８】以上、本発明の各構成要素、および、それ
らの機能について、説明した。なお、本発明の他の実施
の形態として、第１に、半導体レーザチップとして、同
一波長で発信する予備のレーザを対にして多波長光源を
構成してもよい。あるいは、多波長光源を２組搭載して
もよい。このようにしておけば、障害時の復旧が迅速か
つ容易となる。

【００４９】第２に、半導体レーザ光増幅器をシリコン
基板上にハイブリッド集積してもよい。この場合、半導
体レーザ光増幅器は石英系光結合器（光合流器または光
合波器）の出力側に搭載するのが望ましい。

【００５０】第３に、出力用石英系光導波路を２以上設
けてもよい。こうしておけば、伝送系路を複数にした
り、モニタ用出力を得る等のために好適である。第４
に、熱クロストークをさらに低減するため、各々のレー
ザ搭載部３０間に溝を設け、シリコン基板１のテラス部
２の面内方向の熱伝導を妨げるようにしてもよい。

【００５１】

【実施例】本発明を実証するため、８チャンネルの波長
多重通信を行った。レーザ波長は１５４６．１２ｎｍか
ら１５５７．３６ｎｍの範囲で８点に設定した。これら
の波長は光周波数１９３．１ＴＨｚを基準として２００
ＧＨｚ間隔の８個のグリッド点に対応させた。

【００５２】シリコン基板１のテラス部２に搭載した半
導体レーザチップチップ２０として、スポットサイズ変
換器１５０を内蔵した単一縦モード分布帰還型半導体レ
ーザチップ２０ａ、またはスポットサイズ変換器１５０
及び電界吸収型半導体光変調器１６０を内蔵した単一縦
モード分布帰還型半導体レーザチップ２０ｂ、を用い
た。なお、これらの半導体レーザチップは、インジウム
リン基板上に成長させたＩｎＧａＡｓＰ系歪量子井戸構
造を有するものを用いた。なお、入力用石英系光導波路
側の半導体レーザチップの端面には反射防止膜を形成
し、反対側の端面には高反射膜を形成した。

【００５３】このような８個の半導体レーザチップ２０
を、０．５ｍｍ間隔で、シリコン基板１（幅１０ｍｍ、
長さ３０ｍｍ、テラス部２の厚さ０．５ｍｍ）に搭載し
た。また、石英系光結合器としては、図４に示した多モ
ード干渉型光合流器２００、図５に示したスラブ導波路
スターカプラ型光合流器３００、図６に示したアレイ導
波路格子光合波器４００、を用いた。（実施例１）図７はスポットサイズ変換器１５０を内蔵
した単一縦モード分布帰還型半導体レーザチップ２０ａ
と、多モード干渉型光合流器２００とを用いた本発明の
波長多重通信用光回路のレイアウト図である。

【００５４】なお、ペルチェ素子によりシリコン基板１
を一定温度に保持し、各レーザに伝送速度２．５Ｇｂ／
ｓのＮＲＺ信号で変調した電流を外部電極１２から注入
してレーザを駆動し、レーザ発振特性を評価した。

【００５５】その結果、全チャンネルとも、グリッド点
の光周波数の変動は±４０ＧＨｚ以内であった。すなわ
ち、全レーザを駆動した場合と一つのレーザのみを駆動
した場合の光周波数の変化は±４０ＧＨｚ以内であり実
用上問題のない値が得られた。また、全チャンネルと
も、−１０ｄＢｍ以上の出力を有し、雑音やタイミング
ずれの小さな波長多重光信号が得られた。

【００５６】この波長多重光信号を低分散図示しない光
ファイバに入射し、波長多重伝送実験を行ったところ、
良好な誤り率特性を得た。（実施例２）図８はスポットサイズ変換器１５０及びを
電界吸収型半導体光変調器１６０を内蔵した単一縦モー
ド分布帰還型半導体レーザチップ２０ｂと、多モード干
渉型光合流器２００とを用いた本発明の波長多重通信用
光回路のレイアウト図である。これらのレーザを駆動す
るため、外部電極１２から一定電流を注入した。この
際、各半導体レーザチップに注入する電流は、各グリッ
ド点の光周波数に合致するよう各レーザごとに微調整し
た。そして、電界吸収型半導体光変調器を駆動するた
め、外部電極１４に伝送速度２．５Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信
号を印加した。その際、外部電極１２，１４を各レーザ
ごとに調節して、各波長における出力と変調度を等しく
なるようにした。

【００５７】また、ペルチェ素子によりシリコン基板１
を一定温度に保持し、各レーザに伝送速度２．５Ｇｂ／
ｓのＮＲＺ信号で変調し、レーザ発振特性を評価した。
その結果、全チャンネルとも、グリッド点の光周波数の
変動は±４０ＧＨｚ以内であった。すなわち、全レーザ
を駆動した場合と一つのレーザのみを駆動した場合の光
周波数の変化は±４０ＧＨｚ以内であり実用上問題のな
い値が得られた。また、全チャンネルとも、−５ｄＢｍ
以上の出力を有し、雑音やタイミングずれの小さな波長
多重光信号が得られた。

【００５８】この波長多重光信号を低分散図示しない光
ファイバに入射し、波長多重伝送実験を行ったところ、
良好な誤り率特性を得た。（実施例３）図９はスポットサイズ変換器１５０及び電
界吸収型半導体光変調器１６０を内蔵した単一縦モード
分布帰還型半導体レーザチップ２０ｂと、スラブ導波路
スターカプラ型光合流器３００とを用いた本発明の波長
多重通信用光回路のレイアウト図である。

【００５９】これらのレーザを駆動するため、外部電極
１２から一定電流を注入した。この際、各半導体レーザ
チップに注入する電流は、各グリッド点の光周波数に合
致するよう各レーザごとに微調整した。そして、電界吸
収型半導体光変調器を駆動するため、外部電極１４に伝
送速度２．５Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を印加した。その
際、外部電極１２，１４を各レーザごとに調節して、各
波長における出力と変調度を等しくなるようにした。

【００６０】また、ペルチェ素子によりシリコン基板１
を一定温度に保持し、各レーザに伝送速度２．５Ｇｂ／
ｓのＮＲＺ信号で変調し、レーザ発振特性を評価した。
その結果、全チャンネルとも、グリッド点の光周波数の
変動は±４０ＧＨｚ以内であった。すなわち、全レーザ
を駆動した場合と一つのレーザのみを駆動した場合の光
周波数の変化は±４０ＧＨｚ以内であり実用上問題のな
い値が得られた。また、全チャンネルとも、−５ｄＢｍ
以上の出力を有し、雑音やタイミングずれの小さな波長
多重光信号が得られた。

【００６１】この波長多重光信号を低分散図示しない光
ファイバに入射し、波長多重伝送実験を行ったところ、
良好な誤り率特性を得た。（実施例４）図１０はスポットサイズ変換器１５０及び
電界吸収型半導体光変調器１６０を内蔵した単一縦モー
ド分布帰還型半導体レーザチップ２０ｂと、アレイ導波
路格子光合波器４００とを用いた本発明の波長多重通信
用光回路のレイアウト図である。

【００６２】これらのレーザを駆動するため、外部電極
１２から一定電流を注入した。この際、各半導体レーザ
チップに注入する電流は、各グリッド点の光周波数に合
致するよう各レーザごとに微調整した。そして、電界吸
収型半導体光変調器を駆動するため、外部電極１４に伝
送速度２．５Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を印加した。その
際、電極１２，１４を各レーザごとに調節して、各波長
における出力と変調度を等しくなるようにした。

【００６３】また、ペルチェ素子によりシリコン基板１
を一定温度に保持し、各レーザに伝送速度２．５Ｇｂ／
ｓのＮＲＺ信号で変調し、レーザ発振特性を評価した。
その結果、全チャンネルとも、グリッド点の光周波数の
変動は±４０ＧＨｚ以内であった。すなわち、全レーザ
を駆動した場合と一つのレーザのみを駆動した場合の光
周波数の変化は±４０ＧＨｚ以内であり実用上問題のな
い値が得られた。また、全チャンネルとも、−５ｄＢｍ
以上の出力を有し、雑音やタイミングずれの小さな波長
多重光信号が得られた。

【００６４】この波長多重光信号を低分散図示しない光
ファイバに入射し、波長多重伝送実験を行ったところ、
良好な誤り率特性を得た。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱クロストークやモードホッピングを低減し、発振波長
が安定した多波長レーザ光源が得られる。また、バルク
の光学部品を用いることなく、半導体レーザチップを平
面石英系光導波路にハイブリッド集積した小型の波長多
重通信用光回路が得られる。

【００６６】特に、請求項１の発明によれば、シリコン
基板上に複数の単一縦モード半導体レーザチップを搭載
することにより、モードホッピングを低減し、安定な単
一モード発振のレーザ光が得られる。また、熱伝導性に
優れたシリコン基板のテラス部に複数の半導体レーザチ
ップを搭載するので、たとえばペルチエ冷却器でシリコ
ン基板裏面を冷却すれば、半導体レーザチップ間の熱ク
ロストークによるレーザ発振波長の変動は大幅に低減に
低減される。さらに、シリコンテラスを用いたハイブリ
ッド集積技術を利用することにより、多数の半導体レー
ザチップと波長多重通信用光回路の光結合がコンパク
ト、高精度かつ容易に実現できるので、多重通信用の多
波長レーザ光源の小型化、高出力化に適している。

【００６７】また、特に、請求項２の発明によれば、活
性層長が短く、構造が簡単な分布帰還型半導体レーザチ
ップの使用により、小型の波長多重通信用レーザ光源が
得られる。また、特に、請求項３の発明によれば、単
一縦モード半導体レーザチップにスポットサイズ変換器
を内蔵させているので、レーザ出力光のスポットサイズ
を石英系導波路のコア形状に整合させることにより、よ
り高い効率でレーザ光を石英系光導波路に結合すること
ができるとともに、レーザと石英系光導波路との光軸調
整の精度が緩和される。この結果、石英系光結合器の出
力が大きくできて、光伝送に有利である。

【００６８】また、特に、請求項４の発明によれば、単
一縦モード半導体レーザチップに電界吸収型半導体光変
調器を内蔵させ、レーザ光の強度変調を行うので、レー
ザ注入電流の直接変調では困難な１０Ｇｂ／ｓ以上の高
速光信号列を発生することが可能となる。

【００６９】また、特に、請求項５の発明によれば、シ
リコン基板のテラス部の厚さを隣接する半導体レーザチ
ップの活性層間の距離以下として、たとえばペルチエ冷
却器でシリコン基板裏面を冷却するので、温度勾配がシ
リコン基板の板厚方向に生じ、シリコン基板の基板面方
向の熱流が抑制される結果、半導体レーザチップ間の熱
クロストークは大幅に低減にされる。すなわち、本発明
では、熱クロストークを低減するために、インジウムリ
ン基板等より熱伝導率の大きいシリコン基板１を用いて
いる。そして、さらに、シリコン基板のテラス部の厚さ
を、隣接する半導体レーザチップ２０の活性層間の距離
以下にしている。従って、冷却器６０を作動させれば、
シリコンテラス部２の膜厚方向に強制的に温度勾配が生
じる結果、熱流はシリコンテラス部２の膜厚方向が支配
的となり、半導体レーザチップ２０同士は熱的に干渉せ
ず、熱クロストークは大幅に低減される。

【００７０】また、請求項６乃至９の発明によれば、平
面状の石英系石英系光導波路のコアをパターニングする
だけで、光合流器や光合波器等の石英系光結合器を、石
英系光導波路とともに同一シリコン基板上に集積するこ
とができるので、波長多重通信用波長多重通信用光回路
を小型にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長多重通信用光回路の分解斜視図で
ある。

【図２】スポットサイズ変換器を内蔵した半導体レーザ
チップの断面図である。

【図３】スポットサイズ変換器及び電界吸収型半導
体光変調器を内蔵した半導体レーザチップの断面図であ
る。

【図４】多モード干渉型光合流器のコア部の斜視図であ
る。

【図５】スターカプラー型光合流器のコア部の斜視図で
ある。

【図６】アレイ導波路格子光合波器のコア部の斜視図で
ある。

【図７】実施例１のレイアウト図である。

【図８】実施例２のレイアウト図である。

【図９】実施例３のレイアウト図である。

【図１０】実施例４のレイアウト図である。

【図１１】従来の波長多重通信用光回路の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１シリコン基板２テラス部３エッチング部４下部クラッド層５コア６上部クラッド層１５活性層１０、１２．１４外部電極１９ａ，１９ｂマーカ２０、２０ａ，２０ｂ半導体レーザチップ３０レーザ搭載部６０冷却器７０入力用石英系光導波路１５０スポットサイズ変換器１６０電界吸収型半導体光変調器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本勝就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 (72)発明者柳澤雅弘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 (72)発明者橋本俊和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 (72)発明者海老澤文博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 (72)発明者赤堀裕二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 (72)発明者福徳光師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

【特許請求の範囲】

【請求項１】テラス部とエッチング部を有するシリコ
ン基板上に形成した波長多重通信用光回路であって、前記テラス部には、複数の単一縦モード半導体レーザチ
ップを備え、前記エッチング部には、前記複数の単一縦モード半導体
レーザチップからの出射光を伝播させる複数の入力用石
英系光導波路を備えたことを特徴とする波長多重通信用
光回路。
【請求項２】前記単一縦モード半導体レーザチップ
は、分布帰還型半導体レーザチップであることを特徴と
する請求項１記載の波長多重通信用光回路。
【請求項３】前記単一縦モード半導体レーザチップ
は、スポットサイズ変換器を内蔵したことを特徴とする
請求項１または請求項２記載の波長多重通信用光回路。
【請求項４】前記単一縦モード半導体レーザチップ
は、電界吸収型半導体光変調器を内蔵したことを特徴と
する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の波長多重
通信用光回路。
【請求項５】前記単一縦モード半導体レーザチップ配
設位置における前記シリコン基板の前記テラス部の厚さ
が、隣接する２つの単一縦モード半導体レーザチップの
活性層間の距離以下であることを特徴とする請求項１乃
至請求項４のいずれかに記載の波長多重通信用光回路。
【請求項６】前記シリコン基板の前記エッチング部
に、前記複数の入力用石英系光導波路からの出射光を結
合させる石英系光結合器と前記石英系光結合器の出射光
を伝播させる１以上の出力用石英系光導波路と、を備え
たことを特徴とする請求項１記載の波長多重通信用光回
路。
【請求項７】前記石英系光結合器は、多モード干渉型
光合流器であることを特徴とする請求項６記載の波長多
重通信用光回路。
【請求項８】前記石英系光結合器は、スラブ導波路ス
ターカプラ型光合流器であることを特徴とする請求項６
記載の波長多重通信用光回路。
【請求項９】前記石英系光結合器は、アレイ導波路格
子光合波器であることを特徴とする請求項６記載の波長
多重通信用光回路。