JPH1152151A

JPH1152151A - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JPH1152151A
Application number: JP21214797A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Kitamura; 光弘北村; Naoya Henmi; 直也逸見
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 1999-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な構成の光導波路デバイスで、波長多重
信号光を高速かつ高感度に受信する。【解決手段】入力された波長多重信号光をそれぞれの
波長光信号に分離するＡＷＧ３の入力側には入力光導波
路２が接続され、ＡＷＧ３の出力側にはＡＷＧ３で分離
された光信号と同数の出力光導波路４が接続されてい
る。各出力光導波路４は、ＡＷＧ３で分離された各光信
号の一つの光信号を選択して通過させる光ゲート５に接
続されている。光ゲート５は光コンバイナ６の入力側に
接続され、さらに、光コンバイナ６の出力側には受光素
子７が接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長多重光通信を
利用した光通信方式に用いられる光導波路デバイスに関
する。

【０００２】

【従来の技術】マルチメディア社会の到来に伴い、情報
伝送容量拡大の要求が急激に高まっており、その手段と
して、波長多重（ＷＤＭ）を利用した光通信方式が注目
され、多くの機関で開発が進められている。特に、ＷＤ
Ｍ方式を光通信のネットワークの中で採用し、トータル
の情報伝送スループットを大幅に拡大しようとする試み
もなされている。

【０００３】そのような中で、最も重要なコンポーネン
トとなるのが、特定の波長の光信号を受信する受信器で
あり、特に、ナノ秒単位の高速度で特定波長の光信号を
フィルタリングするためのフィルタリング機能を有する
受信器が求められている。その一例として、図５に示す
ような光導波路デバイスが提案されている。

【０００４】図５は、従来の光導波路デバイスを示す平
面図である。

【０００５】図５に示すように、従来の光導波路デバイ
スによれば、入力光導波路１０１から入力されたＷＤＭ
信号光（波長多重信号光）は、波長分波デバイスである
ＡＷＧ（アレイ導波路格子）１０２によってそれぞれの
波長光信号に分離される。分離された各光信号は、複数
の光ファイバからなる光導波路１０３によって導波さ
れ、各受光素子１０４に受信されて電気信号に変換され
る。なお、本光導波路デバイスには、分離される信号と
同数の受光素子１０４が設けられている。各信号は、各
受光素子１０４が接続された切り替えスイッチ１０５に
伝送され、切り替えスイッチ１０５に接続された受信ア
ンプ１０６によって増幅される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光導波路デバイスでは、波長多重された信号数と同数の
受光素子が必要となり、構成が複雑となってしまうとい
う欠点がある。例えば、１６波長多重の場合には、１６
個の受光素子が必要となる。

【０００７】それに対して、１つの受光素子のみを用い
て１６波長多重の信号を受信しようとするには、例えば
１６本あるＡＷＧの出力ポートにファイバ型の１６×１
スターカップラを接続し、そのスターカップラの出力ポ
ートに受光素子を接続する構成とすればよい。しかし、
１段の２×１カップラ毎に３ｄＢの原理的な結合損失が
生じるため、上記の１６×１スターカップラでは４段の
２×１カップラが設けられていることから１２ｄＢの原
理損失が発生してしまう。この損失は、受光素子での受
信感度のマージンを直接に減少させるため、感度劣化を
招いてしまうこととなる。

【０００８】そこで本発明は、簡易な構成からなり、波
長多重信号光を高速かつ高感度に受信することができる
光導波路デバイスを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光導波路デバイスは、入力光導波路から入
力された波長多重信号光を各波長ごとの光信号に分離し
て出力光導波路に出力する波長分波デバイスと、前記出
力光導波路に接続され、前記波長分波デバイスで分離さ
れた光信号のうちの一つの光信号を選択して通過させる
光ゲートと、前記光ゲートを通過した光信号が入力され
る単一モード光導波路と前記単一モード光導波路に入力
された光信号を出力する多モード光導波路とを備えた光
コンバイナと、前記光コンバイナから出力された前記光
信号を受信するための受光素子とを有する。

【００１０】上記のように構成された本発明の光導波路
デバイスによれば、入力光導波路から入力された波長多
重信号光は、波長分波デバイスによってそれぞれの波長
光信号に分離されて、出力光導波路に出力される。波長
分波デバイスで分離された各光信号は、光ゲートによっ
てそのうちの一つの光信号が選択されて通過される。光
ゲートを通過した光信号は、光コンバイナを通り、受光
素子で受信される。途中の光導波路等を通って減衰した
光信号は光ゲートによって増幅され、また、光コンバイ
ナによる損失もきわめて小さいことから、高い受信感度
で光信号が受信される。さらに、ナノ秒単位の高速応答
が実現される。

【００１１】また、前記波長分波デバイス、前記光コン
バイナ、および各前記光導波路は石英系材料で形成さ
れ、前記光ゲートおよび前記受光素子は半導体材料で形
成されている構成としてもよい。

【００１２】さらに、前記波長分波デバイス、前記光コ
ンバイナ、各前記光導波路、前記光ゲート、および前記
受光素子は半導体材料で形成されている構成としてもよ
い。さらには、前記波長分波デバイスと、前記光ゲート
と、前記光コンバイナと、各前記光導波路と、前記受光
素子とが一枚の半導体基板上に形成されている構成とす
ることにより、光導波路デバイスの波長分波デバイス、
光コンバイナ、および各光導波路は石英系材料で形成さ
れ、光ゲートおよび受光素子は半導体材料で形成されて
いる場合には各エレメントがハイブリッドに集積された
光導波路デバイスが構成され、光導波路デバイスの波長
分波デバイス、光コンバイナ、各光導波路、光ゲート、
および受光素子が半導体材料で形成されている場合には
各エレメントがモノリシックに集積された光導波路デバ
イスが構成される。

【００１３】また、前記半導体基板はＳｉ基板またはＩ
ｎＰ基板である構成としてもよい。さらに、前記波長分
波デバイスはアレイ導波路格子である構成としてもよ
い。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１５】図１は、本発明の光導波路デバイスの一実
施形態を示す平面図である。

【００１６】図１に示すように、本実施形態の光導波路
デバイスは、Ｓｉからなる基板１上に、入力光導波路２
と、波長分波デバイスであり１入力多出力型の光導波路
からなるＡＷＧ（アレイ導波路格子）３と、出力光導波
路４と、光ゲート５と、光コンバイナ６と、受光素子７
とが集積された構成となっている。

【００１７】ＡＷＧ３は、入力されたＷＤＭ信号光（波
長多重信号光）をそれぞれの波長光信号に分離する機能
を有するものである。本実施形態の光導波路デバイスで
は、１入力１６出力型のＡＷＧが採用されている。な
お、ＡＷＧ３の波長間隔は０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）
であり、クロストークは−３０ｄＢ以下の特性が得られ
ている。また、光ゲート５は、ＡＷＧ３で分離された各
光信号の一つの光信号を選択して通過させる機能を有す
るものである。

【００１８】ＡＷＧ３の入力側には入力光導波路２が接
続され、ＡＷＧ３の出力側にはＡＷＧ３で分離された波
長光信号と同数の出力光導波路４が接続されている。各
出力光導波路４は光ゲート５に接続され、光ゲート５は
光コンバイナ６の入力側に接続されている。さらに、光
コンバイナ６の出力側には受光素子７が接続され、受光
素子７には受信アンプ８が接続されている。

【００１９】基板１上に形成される光導波路としては、
石英系光導波路が代表的な例として挙げられる。以下
に、石英系光導波路の断面構造について、図２を参照し
て説明する。

【００２０】Ｓｉからなる基板１上には、ＰＳＧ（リン
をドープした石英ガラス）からなる下部グラッド層９が
形成され、その上に、ＰＳＧに半導体材料であるＧｅを
加えたＧＰＳＧからなるコア層１０が、光導波路の形状
にパターニングされて形成されている。そして、コア層
１０が形成された下部グラッド層９の上に、下部グラッ
ド層９と同じ組成からなる上部グラッド層１１が形成さ
れ、これによりコア層１０が覆われている。

【００２１】光ゲート５には、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導
体光アンプが用いられている。この光ゲートと石英系光
導波路との光結合部の構造について、図３を参照して説
明する。上述したように、石英系光導波路は、下部グラ
ッド層９と上部グラッド層１１とに挟まれたコア層１０
で構成される。光ゲート５は活性層１２を有し、この活
性層１２がコア層１０の端面と同じ高さになるように埋
め込まれている。活性層１２とコア層１０との高さ方向
の位置合わせは、光ゲート５を固定する半田バンプ１３
によって行われる。

【００２２】また、光コンバイナ６は、図４に示すよう
に多入力１出力型であり、入力側は単一モード光導波路
１４、出力側は多モード光導波路１５とし、それらが光
カップラ１６によって結合されている。また、単一モー
ド光導波路１４から光カップラ１６への入力部分は、光
スポットサイズを拡大するため、導波路幅を拡げた構造
としている。光コンバイナ６が１６入力１出力である場
合に、単一モード光導波路１４の幅を６μｍとし、多モ
ード光導波路１５の幅を５０μｍとすると、トータルの
損失は１．５ｄＢとなり、通常のカップラを組み合わせ
る方法での１２ｄＢの原理損失と比べて格段に低い損失
に抑えることができる。なお、光コンバイナ６は石英系
材料によって形成されている。

【００２３】受光素子７としては、ＩｎＧａＡｓ系の導
波路ＰＩＮ−ＰＤ等が用いられる。上記のように構成さ
れた光導波路デバイスでは、入力光導波路２から入力さ
れたＷＤＭ信号光（波長多重信号光）は、ＡＷＧ（アレ
イ導波路格子）３によってそれぞれの波長光信号に分離
されて、出力光導波路４に出力される。ＡＷＧ３で分離
された各光信号は、光ゲート５によってそのうちの一つ
の光信号が選択されて通過される。光ゲート５を通過し
た光信号は、光コンバイナ６を通り、受光素子７で受信
される。光信号は受光素子７で電気信号に変換され、受
光素子７に接続された受信アンプ８で増幅される。

【００２４】本実施形態の光導波路デバイスによれば、
途中の光導波路等を通って減衰した光信号は半導体光ア
ンプの光ゲート５によって増幅され、また、前述したよ
うに光コンバイナ６による損失もきわめて小さいことか
ら、高い受信感度で光信号を受信することができる。さ
らに、光ゲート５には半導体光アンプが用いられている
ので、ナノ秒単位の高速応答が可能である。

【００２５】また、本実施形態の光導波路デバイスで
は、一つの受光素子７のみによって光信号を受信するこ
とができるので、光導波路デバイスの構成を簡素化する
ことができる。さらに、入力光導波路２と、ＡＷＧ３
と、出力光導波路４と、光ゲート５と、光コンバイナ６
と、受光素子７とを１枚の基板１上に集積した構成とな
っているので、上述した機能を１チップで実現すること
ができる。

【００２６】なお、本実施形態では、石英系材料で形成
された入力光導波路２、ＡＷＧ３、出力光導波路４、お
よび光コンバイナ６と、半導体材料で形成された光ゲー
ト５および受光素子７とをＳｉからなる基板１上にハイ
ブリッドに集積する構成を例にして説明したが、入力光
導波路２、ＡＷＧ３、出力光導波路４、光ゲート５、光
コンバイナ６、および受光素子７を半導体材料で形成し
て基板１上にモノリシックに集積する構成としてもよ
い。また、基板１の材料はＳｉに限られず、例えばＩｎ
Ｐで形成された基板を用いてもよい。

【００２７】さらに、本実施形態では受信アンプ８が光
導波路デバイスの外部に備えられている構成を例に示し
たが、ＳｉないしＩｎＰからなる基板上に受信アンプを
フリップチップ実装する構成としてもよい。

【００２８】また、本実施形態では多入力１出力型の光
コンバイナ６を用いた例を示したが、出力側に複数の多
モード光導波路を形成した多入力多出力型の光コンバイ
ナを用いてもよい。さらに、受光素子７としては、ＰＩ
Ｎ−ＰＤの他にＡＰＤ等を用いてもよい。

【００２９】

【実施例】以下に、図１に示した光導波路デバイスの実
施例について説明する。

【００３０】基板１としてはＳｉ基板を用いた。また、
基板１上に形成される各種光導波路は、石英系光導波路
とした。

【００３１】本実施例での石英系光導波路の形成工程に
ついて、図２を参照して説明する。まず、基板１上に、
ＴＥＯＳ、オゾンを用いた常圧ＣＶＤ法によって、ＰＳ
Ｇからなる下部グラッド層９を厚さ１５μｍで積層し、
さらに、ＧＰＳＧ膜を厚さ６μｍで積層する。このＧＰ
ＳＧ膜を光導波路の形状にパターニングし、ＲＩＥ（反
応性イオンエッチング）法によるエッチングを行い、コ
ア層１０を形成する。コア層１０の幅は６μｍとし、ク
ラッド層との屈折率は０．３５％とした。さらにその上
に、ＰＳＧからなる上部グラッド層１１を厚さ１５μｍ
で積層し、これにより、基板１上に石英系の光導波路が
形成される。

【００３２】光ゲート５には、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導
体光アンプを用いた。光ゲート５の長さは５００μｍ、
チャンネル数は１６、左右方向のピッチは１２５μｍと
した。５０ｍＡの電流注入によって、信号利得として２
５ｄＢ以上の値を得ており、石英系光導波路との高効率
結合のため、入出力部分にスポットサイズ変換部を形成
し、結合損失として片側約５ｄＢ、トータルで１５ｄＢ
程度の利得を実現できた。また、光ゲート５と光導波路
との光結合部における光導波路の端面はＲＩＥ法によっ
て形成し、光ゲート５の活性層１２と光導波路との高さ
方向、及び横方向の位置合わせは、半田バンプ１３を用
いたパッシブアラインメントの手法を用いて行った。

【００３３】受光素子７としてはＩｎＧａＡｓ系の導波
路ＰＩＮ−ＰＤを用い、上記と同様に、半田バンプを用
いたパッシブアラインメントの手法によって基板１上に
実装した。

【００３４】このような光導波路デバイスを用いて、１
６チャンネルのＷＤＭ信号の受信評価を行ったところ、
２．５Ｇｂ／ｓの光信号に対して−２８ｄＢの受信感度
を得ることができたとともに、信号チャンネルの切り替
え速度として、３ｎｓ以下の高速動作を実現できた。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波路
デバイスは、波長多重信号光を各波長ごとの光信号に分
離して出力する波長分波デバイスと、分離された光信号
のうちの一つの光信号を選択して通過させる光ゲート
と、光ゲートを通過した光信号を受信素子に出力する光
コンバイナと、光コンバイナから出力された光信号を受
信するための受信素子とを有するので、ナノ秒単位の高
速応答が可能であるとともに、高い受信感度で光信号を
受信することができる。加えて、複数の受光素子を用い
なくてもよいので、光導波路デバイスの構成を簡素化す
ることができる。

【００３６】また、光導波路デバイスの各エレメントを
一枚の半導体基板上に形成することにより、本発明の光
導波路デバイスを１チップで実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波路デバイスの一実施形態を示す
平面図である。

【図２】石英系光導波路の断面構造を示す断面図であ
る。

【図３】光ゲートと石英系光導波路との光結合部構造を
示す断面図である。

【図４】光コンバイナの構成を示す平面図である。

【図５】従来の光導波路デバイスを示す平面図である。

【符号の説明】

１基板２入力光導波路３ＡＷＧ４出力光導波路５光ゲート６光コンバイナ７受光素子８受信アンプ９下部グラッド層１０コア層１１上部グラッド層１２活性層１３半田バンプ１４単一モード光導波路１５多モード光導波路１６光カップラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力光導波路から入力された波長多重信
号光を各波長ごとの光信号に分離して出力光導波路に出
力する波長分波デバイスと、前記出力光導波路に接続され、前記波長分波デバイスで
分離された光信号のうちの一つの光信号を選択して通過
させる光ゲートと、前記光ゲートを通過した光信号が入力される単一モード
光導波路と前記単一モード光導波路に入力された光信号
を出力する多モード光導波路とを備えた光コンバイナ
と、前記光コンバイナから出力された前記光信号を受信する
ための受光素子とを有する光導波路デバイス。
【請求項２】前記波長分波デバイス、前記光コンバイ
ナ、および各前記光導波路は石英系材料で形成され、前
記光ゲートおよび前記受光素子は半導体材料で形成され
ている請求項１に記載の光導波路デバイス。
【請求項３】前記波長分波デバイス、前記光コンバイ
ナ、各前記光導波路、前記光ゲート、および前記受光素
子は半導体材料で形成されている請求項１に記載の光導
波路デバイス。
【請求項４】前記波長分波デバイスと、前記光ゲート
と、前記光コンバイナと、各前記光導波路と、前記受光
素子とが一枚の半導体基板上に形成されている請求項１
から３のいずれか１項に記載の光導波路デバイス。
【請求項５】前記半導体基板はＳｉ基板またはＩｎＰ
基板である請求項４に記載の光導波路デバイス。
【請求項６】前記波長分波デバイスはアレイ導波路格
子である請求項１から５のいずれか１項に記載の光導波
路デバイス。