JP4244671B2

JP4244671B2 - 光送信装置

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Publication number: JP4244671B2
Application number: JP2003079343A
Authority: JP
Inventors: 雅博青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004287116A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光伝送装置に係り、特に、半導体レーザの出力光を外部変調する光学部品または上記光学部品の光出力を伝送光ファイバに結合する出力部をもつ光伝送装置に関連し、特に毎秒ギガビット程度以上の高速光通信システムに適した光送信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信システムにおける伝送情報の大容量化、中継距離の長距離化の基本ニーズに応えるためには、送信光源の高速化と低チャープ化が不可欠である。この結果、特に長距離幹線系ではレーザダイオードの直接変調方式に代り本質的に低チャープ化に有利な外部変調方式が主に採用されている。この外部変調方式で採用される光変調器としてLiNbO3材料を用いたマッハツェンダー（MZ）変調器（図１）と半導体材料を用いた電界吸収（EA）変調器（図２）の2通りが主流である。この他、GaAsやInP系量子井戸を用いた半導体MZ変調器（図３）がある。この内、EA変調器は分布帰還（DFB；Distributed FeedBack）型レーザダイオードとモノリシック集積ができ、小型で低消費電力な光送信装置の実現に有利である。これは、電気光学係数の大きな吸収係数の変化を用いているためである。一方、MZ変調器は吸収係数の変化に比べ電気光学係数が桁で小さい屈折率変化を動作原理としているため、素子長が大きく且つ動作電圧も高いという本質的問題がある。動作電圧を3〜5Vに低減できる進行波型光変調器はLiNbO3やGaAs材料を用いたMZ変調器の基本構造となっているが、素子長が数十mmと大きい。また、InP系量子井戸を用いた半導体MZ変調器は、小型ではあるものの10Gbit/s動作で4V程度以上の駆動電圧が必要である。このように、MZ変調器はEA変調器に比べ、駆動電圧・変調帯域の比で決まる、性能指数が大きく劣っているのが現状である。しかし、MZ変調器には特にチャーピングを人為制御できるというEA変調器にはない特長を有する。例えば、いわゆるプッシュプル駆動を行えば、チャーピングをゼロに設定できる。また、位相電圧を調整すれば負チャーピング動作も実現できる。しかしながら、プッシュプル駆動や位相電圧調整はこのこのチャーピング制御を用いるため、性能指数を犠牲にしながらもMZ変調器は仕様されているのが現状である。
【０００３】
尚、LiNbO3材料を用いたMZ変調器に関する公知文献として、Kawano, K.; Kitoh, T.; Jumonji, H.; Nozawa, T.; Yanagibashi, M.; Suzuki, T.; "Spectral-domain analysis of coplanar waveguide traveling-wave electrodes and their applications to Ti:LiNbO3 Mach-Zehnder optical modulators" Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on , Volume: 39 Issue: 9 , Sep. 1991, Page(s): 1595 1601が揚げられる。また、半導体バルク材料、量子閉じ込めシュタルク効果を用いたMZ変調器の公知文献として、それぞれWalker, R.G., "High-speed III-V semiconductor intensity modulators" Quantum Electronics, IEEE Journal of , Volume: 27 Issue: 3 , March 1991, Page(s): 654 -667、Adams, D.M., Rolland, C et al., "1.55 μm transmission at 2.5 Gbit/s over 1102 km of NDSF using discrete and monolithically integrated InGaAsP-InP Mach-Zehnder modulator and DFB laser", Electronics Letters , Volume: 34 Issue: 8 , 16 April 1998, Page(s): 771 -773が揚げられる。
【０００４】
一方、EA変調器の性能指数を倍増する手法としてダブルパスEA変調器が知られている（図４）。通常のEA変調器では、信号光が変調器導波路内を一方向のみに進行する。ダブルパス構造では、従来の変調器出射端面に、高反射膜を施しここで信号光を全反射させることにより、同一の変調器導波路内を信号光が二度通過する。この結果、半分の導波路長で同じ変調コントラストが得られるため、変調器の性能指数が倍増する原理である。しかしながら、本構造では光の入力導波路、出力導波路が同一であるため、入出力光の分離が容易でない。これを解決するために、光サーキュレータを用いる手法が提案されているが、光サーキュレータ自体が大型で高価である問題がある。また、光吸収する変調器活性層の体積が減った分、変調可能な上限光出力は低減する。本質的には性能指数が倍増すれば、最大光出力は半減する。このため、ダブルパスEA変調器は概念提案に留まっているのが現状である。
【０００５】
尚、ダブルパスEA変調器に関する公知文献としてKoji Yamada, Koji Nakamura, and Hideaki Horikawa, "Design of Double-Pass Electroabsorption Modulators with Low-Voltage, High-Speed Properties for 40 Gb/s Modulation"., JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 12, DECEMBER 1997, pp.2287-2293が揚げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、半導体を用いたMZ変調器の性能指数を倍増することにある。特に、多重量子井戸導波路のダブルパス構成を用いた集中定数型MZ変調器に関し、簡単な構成で性能指数を倍増することができる。この際、従来ダブルパスEA変調器の最大の問題であった、入出力分離を実現することが解決課題である。また、プッシュプル駆動を簡単な手法で実現する光送信装置の構成を提供することをさらなる目的としている。加えて、変調器の入出力部にペア光部品を組み合わせることにより、複雑な光学実装を容易にすることを目的としている。
【０００７】
以上に様に、本発明は半導体集中定数型MZ変調器の新規な素子構造およびその電気的・光学的実装手法を提供することを目的とし、これらの光素子を搭載した低コストで高性能動作可能な光モジュールを提供する課題の解決を図るものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、MZ変調器の合分波器に入出力導波路が２×２構成の多モード干渉導波路を用いたダブルパス構造を考案した。これにより、入出力光の位置的分離とダブルパス構造による変調器の性能指数倍増が同時に達成できる。
【０００９】
また、このダブルパスMZ変調器と正補の差動出力対を有する変調器ドライバICを組み合わせ、ドライバICの出力段とMZ変調器の駆動電極を対称配置することにより、容易な手法でプッシュプル駆動に最適な実装構造・手法を提供する。さらに、光信号の入出力に用いる集光光学レンズ、光アイソレータ、光を外部に導く光ファイバ等の光学部品が並列接続されたペア光学部品を用いて発明の光変調器を簡単に光学実装できる実装構造・手法を提供する。
【００１０】
本発明の好ましい実施態様は、基板上に２×２MMI（多モード干渉導波路）型合分波器が設けられ、
前記合分波器の第１の端面には入力光導波路と出力光導波路のそれぞれ第１の端面が接続され、前記第１の端面に対向する第２の端面には第１および第２の光導波路のそれぞれ第１の端面が接続され、
前記入力光導波路、前記出力光導波路、前記第１および第２の光導波路は前記基板上の設けられ、
前記入力光導波路および前記出力光導波路のそれぞれの前記第１の端面と反対側の端面である第２の端面には無反射コート膜が設けられ、
前記入力光導波路の第２の端面からアイソレータを介して入力光が入射されるものであり、前記アイソレータは前記入力光の伝播方向には光を透過しやすく、かつ、それとは逆方向の光の伝播を阻止するように配置され、
前記第１および第２の光導波路のそれぞれの前記第１の端面と反対側の端面である第２の端面には一対の位相変調導波路の第１の端面がそれぞれ接続され、前記一対の位相変調導波路の前記第１の端面と反対側の端面である第２の端面にはそれぞれ高反射膜が設けられ、
前記一対の位相変調導波路は前記基板上に設けられ、
前記一対の位相変調導波路には電極を介して変調電圧信号が印加可能に構成され、
前記一対の位相変調導波路が変調されていないときには、前記入力光導波路の第２の端面から入射した前記入力光は前記合分波器および前記一対の位相変調導波路を伝播し、前記一対の位相変調導波路の前記第２の端面で反射して前記合分波器を介して前記出力光導波路に出力されるように構成され、前記一対の位相変調導波路間の位相差がπとなるように前記変調電圧信号が前記一対の位相変調導波路に印加されたときには、前記入力光導波路の第２の端面から入射した前記入力光は前記合分波器および前記一対の位相変調導波路を伝播し、前記一対の位相変調導波路の前記第２の端面で反射して前記合分波器を介して前記入力光導波路に出力されるように構成されていることを特徴とする光送信装置である。
【００１１】
前記２×２MMI型合分波器は前記第１の端面に結合された第１、第２の導波路と、前記第２の端面の結合された第３、第４の導波路を有し、前記第１、第２の導波路は互いに離間して設けられ、前記第３、第４の導波路は互いに離間して設けられ、
前記第１の導波路の前記第１の端面での結合部と前記第3の導波路の前記第２の端面での結合部との直線距離は前記第１の導波路の前記第１の端面での結合部と前記第４の導波路の前記第２の端面での結合部との直線距離よりも小さく、
前記第２の導波路の前記第１の端面での結合部と前記第４の導波路の前記第２の端面での結合部との直線距離は前記第２の導波路の前記第１の端面での結合部と前記第３の導波路の前記第２の端面での結合部との直線距離よりも小さく、
前記第１の導波路からの入力光は前記第４の導波路に出力され、前記第２の導波路からの入力光は前記第２の導波路に出力されるように前記２×２MMI型合分波器は構成されていることが好ましい。
【００１２】
この２×２MMI型合分波器は、その導波路の進行波の伝播方向に垂直方向の高さ、伝播方向の長さ、導波路を構成する材料等を適切に選択することにより入力光の出力先を定めることが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図５〜図１２を用いて説明する。
＜実施の形態１＞
図５は本発明のＭＺ光変調器の動作原理（同図（ａ））と素子構造（同図（ｂ））を表わす。同図（ａ）はそれぞれ一対の入出力端を有するＭＺ光変調器の上面図である。２×２の多モード干渉導波路（MMI）を合分波器に用いている。合分波器間には、対称構造を有する一対の位相変調導波路が配されており、共に上部に変調電圧信号を印加するための電極を有する。また、素子の両端面は共に無反射コート（AR）膜が形成されている。本構成では図中の＃１ポートへの入力光が無変調状態ではクロスポートとなる＃４端へ出力される。また、一対の位相導波路電極のどちらかまたは両者に変調電圧信号を印加し、位相変調導波路間の位相差がπとなるように設定すると、入力光はバーポートとなる＃３端へ出力され、＃４端はオフ状態となる。この結果、入力光は、＃３ポートまたは＃４ポートへスイッチング変調されることになる。
【００１４】
次に本構成においてＭＺ光変調器の位相変調導波路のほぼ中央で素子を分割し、その片方の分割端面に反射率が95%程度以上の高反射膜を形成した図５（ｂ）のダブルパス構成を考える。本構成は、図５（a）構成の鏡対称構造であるため、上述と同じスイッチング変調動作が得られる。すなわち、図５（ｂ）の＃１ポートへの入力光は無変調状態ではクロスポートに相当する＃２端へ出力される。また、一対の位相導波路電極のどちらかまたは両者に変調電圧信号を印加し、位相変調導波路間の位相差がπとなるように設定すると、入力光はバーポートに相当する＃１端へ戻ってくる。このとき＃２端はオフ状態となる。従って、＃１ポートを光入力端、＃２ポートを光出力端とすれば、所望のMZ光変調動作が得られる。ここで、＃１ポートには光アイソレータを導入して、戻り光が光源部に戻らないようにすることが必要であるが、通常用いられている30dB程度のアイソレーション比のものを用いれば良い。この構成は従来型のMZ光変調器と同様である。従来のEA変調器のダブルパス構成では、入出力端が同一であるため、入出力光の分離のため光サーキュレータが必要であった。本構成では、より安価なアイソレータを使ったダブルパス構成が可能となった。当然のことながら、ダブルパス構成により位相変調導波路長は半分となっているため、位相変調導波路部の寄生容量も半減している。この結果、変調器の性能指数である変調帯域／電圧比はほぼ倍増することになる。また、MZ変調器では基本的に光吸収は発生しないため、変調器活性層の体積が減った分、変調可能な上限光出力は低減することは無いことも、ダブルパスEA変調器に比べた優位点であることを付記する。
＜実施の形態２＞
図６（ａ）は実施の形態１で説明したダブルパスMZ光変調器のより具体的な素子である。以下この作製手法とその特性に関し詳述する。
【００１５】
図６（ａ）に示すように、ｎ型(100)InP半導体基板601上に有機金属気相成長法によりｎ型InPバッファ層1.5μm652、ｎ型InGaAsP下側ガイド層0.03μm653、アンドープ多重量子井戸層（13nm厚の無歪InGaAsP（組成波長1.48μm）井戸層、5nm厚のInP障壁層、20周期）602、アンドープInGaAsP上側ガイド層0.03μm655、p型InP第一クラッド層0.05μm656、p型InAlAsエッチング停止層0.05μm657、p型InP第二クラッド層1.7μm658、ｐ型InGaAsP（組成波長1.3μm）キャップ層30nm、ｐ型InGaAs電極接触層0.2μm 659を順次成長する（図６挿絵）。続いて、図６（ａ）に示す導波路構造を形成する。ここで、導波路のパターニングにはメタンガスをによる反応性イオンエッチング（RIE）法を用いた。この場合、InAlAs材料はほとんど削られないため、エッチングはInAlAsエッチング停止層657上で停止し、図６（ａ）に示すリッジ導波路構造が自動形成される。ここで、多モード干渉導波路（MMI）は横幅12.0μm、長さ202μmとした。後に、位相変調器となる領域に狭ストライプ形状にp型電極605、606を形成し、基板側には裏面電極609を形成した。所望の位置でへき開した後、入出力端には反射率約0.1%の低反射膜607を位相変調器後端面には反射率約98%の高反射膜608をそれぞれ公知の手法により形成した。位相変調器長は400μm、入出力導波路の間隔は250μmとした。
【００１６】
作製したダブルパスMZ変調器の入力端に波長1.55μｍ帯のTE偏波信号光を入射し、単相駆動条件での変調特性を評価した。この評価には、ファイバ芯間隔が250μｍの標準ペアファイバを用いた。図６（ｂ）に、入力信号波長を1550nmとした場合の変調カーブを示す。半波長電圧V_πは約2.6Vであった。このV_πは同一ウェハ上に作製した従来型のＭＺ変調器（位相変調器長は800μm）の測定値と比べ約半分である。一方、変調帯域は約18GHzであり、毎秒10Gbit/s動作に十分な特性となった。
＜実施の形態３＞
本発明のMZ光変調器構成において、一対の位相変調器を差動動作（いわゆるプッシュプル動作）させると、駆動振幅電圧は更に半減すると共に変調器のゼロチャーピング動作を実現することができる。図７（ａ）に示す送信機の構成はその実施例の上面図である。また同図（ｂ）はその斜視図である。あらかじめ、高周波線路が形成された実装キャリア701を準備する。実装キャリア701上には、一対の信号線路709とそれらの間および両側のグランドライン710を有する。この実装キャリア上にダブルパスＭＺ変調器702と電圧駆動ＩＣ703を図示のようにダブルパスＭＺ変調器の後方端面側に実装する。ここで、電圧駆動ＩＣ703は通常の差動出力端（図ではＰおよびＱ）を持ちそれぞれＤＣバイアス調整が可能である。差動出力端P、Qの差動電圧出力信号は、実装キャリア701上の高周波ライン709およびワイヤリング712を通ってダブルパスＭＺ変調器702の位相変調導波路に給電される。本構成では、図中の参照線に関し線対称の構造となっている。このため、差動出力端P、QからダブルパスＭＺ変調器の電極に至る高周波信号線の長さの総和は短く且つ両者は基本的に等価である。このため本構成はプッシュプル動作の最大の課題である、二種駆動信号の位相遅延を未然に防止された構造となっていることが最大の特徴である。これは、本MZ光変調器では折り返し構造であるため、ＭＺ変調器の後方端面側に電圧駆動ＩＣを近接して実装できることに起因している。本実施の形態の送信機により、プッシュプル電圧約1.3V_ppにて、10Gbit/sゼロチャーピング動作が実現できた。
＜実施の形態４＞
図８は本発明のMZ光変調器の光実装に関し更なる改良を加えた実施の形態を表す。本発明のMZ光変調器では、同一端面側に光の入出力端子を有する。このため、図８に示すように入出力用の光部品をペア構成とすることにより、部品点数の削減や光学調整などモジュール作製工程の簡素化が計れる。実施の形態３に示した光送信機において、光信号の入出力に用いるそれぞれ一対の光学レンズ、アイソレータ、ファイバを一体化したペア部品とする。ここで、これらの光学部品の光軸間隔は250μmとした。この値は、標準化の観点から選択した値であり、本質的な値ではない。アイソレータは図示のように、光進行方向が互いに逆のものが一体化されている。場合によって、光学レンズとアイソレータは一体となっても良い。これらのペア部品を用いると入出力どちらか一方の光路調整を施せば、他方は自動的に調芯されるため、光結合に伴なう作製工程が半減する効能がある。また、以上は光学調整を前提とした議論であったが、光学調整を伴なわないいわゆるパッシブアライメント法を適用した場合にも、同様の効能が期待できることを付記する。
＜実施の形態５＞
図９は以上の本発明形態を用いて作製した光モジュールの斜視図である。実施の形態３に示した電気実装と実施の形態４に示した光学実装を共に用いてMZ光変調器と電圧駆動ＩＣとが一体化されたキャリア501をモジュール筐体502内に配置した構成である。電気入力部には、高周波コネクタ504を配し、光学系には光学レンズとアイソレータが一体と成ったバルクレンズ503とペアファイバ（506、507）とを用いた。本構成によれば、ファイバ入出力がモジュールの同じ側に配置されているため、送信機のファイバ方向の長さを大きく短縮することができるため、光送信機の小型化に有効である。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の実施例に係る半導体発光素子よれば、MZ光変調器の性能指数を倍増できる。特に、多重量子井戸導波路のダブルパス構成を用いた集中定数型MZ変調器に関し、簡単な構成で性能指数を倍増することができる。この際、従来ダブルパスEA変調器の最大の問題であった入出力光の分離が可能となる。また、プッシュプル駆動を簡単な手法で実現する光送信装置が実現できる。加えて、変調器の入出力部にペア光部品を組み合わせることにより、複雑な光学実装を容易にできる。本発明を用いれば、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この素子を適用した光通信システムの低価格化、大容量化、長距離化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術を説明するための図である。
【図２】従来技術を説明するための図である。
【図３】従来技術を説明するための図である。
【図４】従来技術を説明するための図である。
【図５】本発明の実施例を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例を説明するための図である。
【図７】本発明の実施例を説明するための図である。
【図８】本発明の実施例を説明するための図である。
【図９】本発明の実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
601…ｎ型(100)ＩｎＰ半導体基板、602…アンドープ多重量子井戸層、604…光合分波器、605…位相変調器電極、606…位相変調器電、607…低反射膜、608…高反射膜、652…ｎ型InPバッファ層1.5μm、653…ｎ型InGaAsP下側ガイド層、654…InGaAsP上側ガイド層、655…p型InP第一クラッド層、656…p型InAlAsエッチング停止層、657…p型InP第二クラッド層、658…ｐ型InGaAs電極接触層、
701…実装キャリア、702…ダブルパスＭＺ変調器、703…電圧駆動ＩＣ、709…高周波信号線、710…グランド線、711…終端抵抗、712…ワイヤリング、
801…ペア光学レンズ、802…ペアアイソレータ、803…ペアファイバ、
501…実装キャリア、502…モジュール筐体、503…光学レンズ付きペアアイソレータ、504…高周波コネクタ、505…フェルール、506…入力用ファイバ、507…出力用ファイバ。

Claims

実装キャリア上に２×２ＭＭＩ（多モード干渉導波路）型合分波器が設けられ、
前記合分波器の第１の端面には入力光導波路と出力光導波路のそれぞれ第１の端面が接続され、前記合分波器の第１の端面に対向する第２の端面には第１および第２の光導波路のそれぞれ第１の端面が接続され、
前記入力光導波路、前記出力光導波路、前記第１および第２の光導波路は前記実装キャリア上に設けられ、
前記入力光導波路および前記出力光導波路のそれぞれの前記第１の端面と反対側の端面である第２の端面には無反射コート膜が設けられ、
前記入力光導波路の第２の端面からアイソレータを介して入力光が入射されるものであり、前記アイソレータは前記入力光の伝播方向には光を透過しやすく、かつ、それとは逆方向の光の伝播を阻止するように設けられ、
前記第１および第２の光導波路のそれぞれの前記第１の端面と反対側の端面である第２の端面には一対の位相変調導波路の第１の端面がそれぞれ接続され、前記一対の位相変調導波路の前記第１の端面と反対側の端面である第２の端面にはそれぞれ高反射膜が設けられ、
前記一対の位相変調導波路は前記実装キャリア上に設けられ、
前記一対の位相変調導波路には電極を介して変調電圧信号が印加可能に構成され、
前記一対の位相変調導波路が変調されていないときには、前記入力光導波路の第２の端面から入射した前記入力光は前記合分波器および前記一対の位相変調導波路を伝播し、前記一対の位相変調導波路の前記第２の端面で反射して前記合分波器を介して前記出力光導波路に出力されるように構成され、前記一対の位相変調導波路間の位相差がπとなるように前記変調電圧信号が前記一対の位相変調導波路に印加されたときには、前記入力光導波路の第２の端面から入射した前記入力光は前記合分波器および前記一対の位相変調導波路を伝播し、前記一対の位相変調導波路の前記第２の端面で反射して前記合分波器を介して前記入力光導波路に出力されるように構成されたダブルパスＭＺ変調器が前記実装キャリア上に設けられ、
平面形状が四角形である電圧駆動ＩＣが前記実装キャリア上に設けられ、
前記電圧駆動ＩＣの一端面上に、グランド端子と、前記グランド端子の隣りに第１の差動出力端と、前記グランド端子の反対側の隣りに第２の差動出力端とが設けられ、
前記一対の位相変調導波路の線対称となる軸の延長上に、前記線対称となる軸に対してそれぞれ対称な形状をもつ前記グランド端子及び前記電圧駆動ＩＣが配置され、かつ、前記高反射膜のある前記第２の端面に対向して前記電圧駆動ＩＣの一端面が配置され、
前記グランド端子は接地され、
前記第１の差動出力端と前記第１の差動出力端に近い側の一方の前記位相変調導波路の電極との間が第１のワイヤリングを含む第１の高周波信号線を介して電気的に接続され、前記第２の差動出力端と前記第２の差動出力端に近い側の他方の前記位相変調導波路の電極との間が第２のワイヤリングを含む第２の高周波信号線を介して電気的に接続されており、
前記第１の差動出力端、前記第１のワイヤリングを含む第１の高周波信号線、及び前記第１の差動出力端に近い側の一方の前記位相変調導波路の電極と、前記第２の差動出力端、前記第２のワイヤリングを含む第２の高周波信号線、及び前記第２の差動出力端に近い側の他方の前記位相変調導波路の電極とは、前記線対称となる軸に関してそれぞれ対称となる構造を有し、かつそれぞれの長さが同等となっている光送信装置。