JP6169725B2 - 集積マッハツェンダ変調器を有する調整可能ｕレーザ送信機 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１３年１月２日に出願された米国仮特許出願番号６１／７４８，４１５の利益を主張し、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

今日の光ファイバベースのネットワークは、電子と光の信号間のインターフェースとしての送受信機を使用する。光信号は光ファイバ上を伝搬し、ネットワークの他端では、情報が電子形式と光形式の間で変換される。送受信機の２つの重要なサブシステムは、光送信機と光受信機である。光送信機から出射される光の波長（場合によっては、光受信機において使用される光の波長）は、光ファイバリンク、伝送システムおよびネットワークを設計し、構築し、かつ動作させる上で重要なパラメータである。今日の光ファイバ送信機やある種ののコヒーレント光受信機は、基本的に、一定の波長の光を出射するレーザを使用する。電子制御の信号または信号の組の制御下で、出射光波長を調整する能力のあるレーザを採用することにより、固定波長の送信機や受信機を使用するリンクやネットワークが今日有している問題の多くが解決する。さらに、広い波長範囲にわたって調整できる広範囲調整可能波長半導体レーザは、今日および将来の光通信システムやネットワークの設計、構築、動作、維持のコストを低減する上で、さらには、この種のリンクやネットワークの柔軟性を高める上で、重要な要素である。固定波長レーザに対して広く調整可能なレーザを使用することには、多くの利点がある。たとえば、多くの波長を使用するネットワークを構築する際に、または、それぞれの波長用に予備としてレーザを保管する代わりに、現場において、多くの異なる波長のレーザの１つを置き換える際に、１つのレーザを、部品表から単一の部品番号として採用することができる。広範囲調整可能性とは、典型的には、Δλ／λができるだけ大きくなるように、動作波長λに対して調整範囲Δλが大きいことをいう。例えば、λ＝１５５０ｎｍ通信システムにおいて、Δλを約２０ｎｍから１００ｎｍ以上まで調整できることは、今日の適用領域では広範囲に調整可能であるといってよい。調整可能レーザは、また、ネットワーク配備の計画段階および構築段階におけるコストを潜在的に低下させるような送信または光ネットワークシステムを設計する際に、高い柔軟性を提供する。調整可能レーザや調整可能光送信機において、そのコスト、電力、大きさまたは密度を効率の良いものとするためには、調整可能レーザのモノリシック集積化や、半導体などのモノリシック基板を使用する関連する送信機または受信機の一部またはすべての要素のモノリシック集積化が、必要であるとともに、性能および信頼性の改善をもたらすものであって、いずれも、今日の光ファイバ通信システムおよびネットワークにとって重要な因子である。

集積広範囲調整可能レーザは、典型的には、ゲインセクションと、調整可能位相セクションと、調整可能鏡セクションとを概して備える複数のセクションから構成され、いくつかの設計では調整可能フィルタセクションも内蔵されている。これらのセクションの物理的パラメータを調整することは、レーザ素子の屈折率または他の特性を変更し、出力レーザ波長の調整をもたらす、電子制御信号、熱調整またはいくつかの他の機構を用いて、達成される。波長調整に関連付けられた重要な機能を実行するためにレーザを用いて追加の要素を集積することが望ましく、追加の要素は、例えば、波長が調整される光電力ゲイン制御ループを用いて、信号電力を高めるための、かつ一定の電力を維持するための電力モニタおよび光アンプであり、調整可能な波長（または周波数）を、所望の安定性および正確性にまたは予め設定された標準周波数グリッドに固定するための要素を制御するための要素である。調整可能レーザの１つのクラスは、（波長または光周波数における周期的な）周期的な反射ピークを有する鏡を使用し、そこでは、２つの鏡の反射期間は、同じ周期で離間されておらず、調整が達成される。このとき、バーニア効果として知られているそれぞれの鏡のピークの１つが重複し、レーザ光出射が鏡の反射ピークが重複する波長で周期的に発生する。レーザ空洞内の光ゲインは、所望の波長での出射を確実にするために、鏡面反射率ピークおよび重複調整波長の位置に適切に整合されていることも、必要である。ゲインおよび鏡を測定し、特徴付け、監視し、および制御するための技術は、低コストで製造され得る実用的な調整可能レーザおよび送信機を実現する上で、重要である。バーニア効果は、出力光波長の品質の点で優れた性能特性を提供しており、抽出格子反射器、結合型リング共振器などを含む様々な鏡構造を用いて達成され得る。波長分割多重アプリケーションおよび高容量リンクにおいて重要である性能特性は、単一の周波数（波長）モード動作を含む。ここで、単一周波数の品質は、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）のようなパラメータによってかつ、コヒーレント送信が採用される場合にレーザ出力の線幅によって、画定される。広範囲に調整可能なレーザでは、レーザは、波長多重ファイバリンク、例えば、Ｃ帯域を設計しかつ動作させるのに使用される伝送帯域を覆うために、１０代のナノメートル範囲を超えて、例えば、３０−４０ナノメートルで、調整されねばならず、他の場合では、４０から１００ｎｍのかつ１００ｎｍを超える調整が望ましい。当該技術分野の以前の状態では、調整可能レーザは、一般的に、最大電力が、追加の要素および光ファイバに接続されたレーザ鏡の１つ、主出力鏡から抽出され得るように、設計されている。例えば、送信機において、これらの追加要素は、光増幅器、光変調器、光導波路、モニタフォトダイオード、波長固定光学系、および光ファイバを備える。受信機において、調整可能レーザの主出力に結合されたこれらの要素は、光増幅器、光混合器、フォトダイオードおよび光ファイバを備えることができる。従来技術では、変調器、光ファイバまたは他の要素内で電力を最大化するために、鏡の１つから最大の光電力を抽出するための要件は、鏡の設計と全体的なレーザ調整設計およびレーザ特性におけるトレードオフをもたらす。例えば、主鏡から出る最大電力は、主出力鏡のピーク鏡面反射率における低下を必要とする。これは、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）における減少と、波長調整選択性および波長安定性およびおそらくレーザ線幅における減少と、を含むレーザ性能のトレードオフをもたらす。周期的な波長の反射ピークの平坦性（またはスローロールオフ）は、広い範囲の維持可能性を達成するのに重要である別の重要なパラメータである。これらのパラメータ、ならびに他のパラメータを最適化することは、低コスト、低電力、小型かつ高信頼性の調整可能レーザおよび送信機を提供しながら、光リンクおよびネットワークの性能要件を満たすために、重要である。

通信用途では、調整可能レーザを光データ変調器と集積することによって、調整可能光送信機と呼ばれるより高いレベルの部品を作ることが望ましい。異なる種類の光データ変調器が、性能および用途に応じて使用され、一般に、非コヒーレントおよびコヒーレントのカテゴリに分類される。潜在的に他の成分とのこれらの２つの成分の集積は、コスト、サイズ、ウエハ当たりの生産量、送信機の電力損失における減少と、送信出力電力だけでなく、他の所望の光透過特性における増加と、をもたらす。光データ変調器との広範囲調整可能レーザのモノリシック集積は、リン化インジウムまたはシリコンのような同一の共通の半導体基板上に実現され得る。他の種類のレーザ変調器の集積は、ハイブリッド集積技術を利用し、ここで、レーザ、光増幅器、およびデータ変調器は、ガラス、シリコン、または窒化シリカのような適切な材料からなる共通導波路通信基板またはインターポーザー上に配置される。

コヒーレント光通信システムを構築するときに、また、光受信機内に調整可能レーザを集積し、可能な場合にはコヒーレント光送信機および受信機を互いに集積することが、望ましい。

調整可能レーザの設計および光データ変調器の設計の両方の選択は、調整可能な送信機および受信機の製造および特性決定プロセスにおいて、かつ、結果として生じる波長調整可能送信機が、光ファイバリンクまたはネットワークでどのように動作するかと、レーザおよび変調器が、信頼性を犠牲とすることなく、必要なシステム性能を維持しながら、コスト、電力、大きさを小さくするために、どのように集積され得るかとを、決定する上で、重要である。さらに、調整可能レーザの設計の選択は、コヒーレント光受信機の集積と、調整可能な光送信機および受信機の一緒の集積とにおいて、重要である。

より成功したモノリシック集積の広範囲調整可能レーザは、前鏡および後鏡、ゲインセクション、位相調整セクション、および電力測定電極の直線的配置を利用する。他の設計は、共通の出力導波路、同様の鏡、ゲインセクションおよび位相セクション−調整要素を有するＹ分岐で、鏡を配置する。Ｙ分岐構成は、Ｙの単一アーム部分に位置する主な光出射出力でのレーザのＹセクションにおける鏡および広帯域調整不能反射鏡として、線形設計またはリング共振器のような抽出格子鏡を利用している。両方の設計は、調整可能でもあり得る追加の光フィルタ要素を備えることができる。

データ変調器のために、半導体マッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）が、変調器を、調整可能レーザ、光データ変調特性、低電子駆動電圧要件、小型の大きさおよびプログラム可能な伝送特性と集積する能力のため、好適な変調器の設計である。従来技術では、集積送信機は、主レーザ出力鏡（単一の導波路を介した変調入力への高出力電力鏡）からの光を結合することによって製造される。ＭＺＭの場合には、変調器の入力は、（アームと呼ばれる）２つの光導波路に分割され、その後、共通データ変調出力導波路と、光監視のために使用され得る第２導波路とに結合される。データは、電子電極または相互接続を介して、ＭＺＭ導波路の物理的特性に影響を与える電子データ信号を用いて、ＭＺＭ経路（アーム）の一方または両方を駆動することにより、調整可能レーザ出力に変調される。技術のアプローチのこの前の状態は、そこでＭＺＭへの入力は電力が分割されることを必要とし、性能のトレードオフ、設計のトレードオフ、および製造および環境変動に対する増加した感受性を招く。必要とされ、かつ、トレードオフを招く送信特性の例は、広範囲のレーザ波長調整範囲にわたる動作および必要な温度の範囲および環境条件、レーザチャープ、変調器駆動電圧および光データ消光比、出力電力および信号対雑音比を含む。

単一の主鏡出力および集積レーザＭＺＭ送信機を利用する以前の調整可能レーザには、複数の問題がある。レーザの場合、これらの問題は、例えば、光周波数出力品質、製造環境における鏡およびレーザの出力特性を計測する上での困難性、高価で複雑なレーザ出力特性評価およびプログラミング方法、および信頼性および試験における増大するコストおよび複雑さを含む。レーザおよび変調器が集積される場合、直接にまたは他の光学素子を介してＭＺＭに接続された単一の主出力鏡を利用する以前の調整可能レーザに関連する問題は、製造公差、温度または他の環境、または製造ばらつきにより、電力分割器のような要素で発生する非平衡型電力分割を含む。

したがって、製造可能な方法で、特性評価、試験および較正を簡素化する調整可能レーザであって、集積光データ変調器と組み合わされて動作し、最小限の設計、動作、および信頼性のトレードオフのもとで最適な動作および伝送性能を達成することができる、調整可能レーザが必要とされている。

本発明によれば、第１光出射および第２光出射を有する集積二重出射レーザを備えるモノリシック集積レーザが提供される。集積二重出射レーザの第１光出射と第２光出射の両方は、変調器または他の光学デバイスと光通信する。集積二重出射レーザは、光湾曲セクションで形成され、たとえば、Ｕ字形状の導波路、一組の全内部反射（ＴＩＲ）鏡、または２つ以上のレーザゲインセクションを有する集積二重出射レーザで、形成される。

好ましくは、集積二重出射レーザの第１光出射および第２光出射は、単一出力レーザに比べて、生成された光出射をより効率的に利用するものであって、変調器または他の光学デバイスは、マルチモード干渉電力分割器／結合器または他の分割器／合成器を使用しない、。

他の好ましい実施形態において、変調器は、２つのアーム経路を有し、集積二重出射レーザからの波長距離差によって、２つのアーム経路間に差動位相偏移が導入されるという利点が得られる。

別の好ましい実施形態では、集積二重出射レーザは、一組の全内部反射（ＴＩＲ）鏡を備える光湾曲セクションで形成され、両方の鏡の反射特性は、変調器出力の出力で測定可能である。

別の好ましい実施形態では、集積二重出射レーザは、光出射面での反射を最小化して、光出射出力での反射防止コーティングの要件を低減するための傾斜した導波路を有する。また好ましくは、集積二重出射レーザは、調整可能共振リングレーザ、Ｙレーザ、または振幅および位相が固定された２つの調整可能レーザ、のいずれかである。

別の実施形態によれば、２つの変調器の間にネスト型モノリシック集積レーザが提供される。本実施形態によれば、第１光出射および第２光出射を有する集積二重出射レーザが提供され、集積二重出射レーザの第１光出射は、第１変調器と光通信し、第１変調器は、第１出力と通信する。集積二重出射レーザの第２光出射は、第２変調器と光通信し、第２変調器は、第２出力と通信する。好ましい実施形態では、第１変調器または第２変調器の１つは、ネスト型コヒーレント変調器である。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、明細書の以下の記載、添付の特許請求の範囲、および添付の図面からより理解されるようになるであろう。

主鏡出力から導かれた光を用いるマルチセクションモノリシック集積調整可能レーザを有する例示的な従来技術のデバイスの概略図である。 ＭＺＭ光変調器を用いた調整可能レーザの集積を有する例示的な従来技術のデバイスの概略図である。 本発明の一実施形態に係る調整可能Ｕレーザおよび変調器の概略図である。 本発明に係るＵレーザの両方のレーザ面からの平衡光出射に対する周期的な鏡面反射設計を示すグラフである。 本発明の別の実施形態に係る、Ｕレーザにおける曲がり導波路Ｕ曲がりを示す、図３に示される調整可能Ｕレーザおよび変調器の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る、Ｕレーザの上部および下部セクションの両方におけるレーザゲインセクションを示す、図３および図５に示される調整可能Ｕレーザおよび変調器の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る、ＵレーザにおけるＴＩＲ鏡Ｕ曲がりを示す、図３に示される調整可能Ｕレーザおよび変調器の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る、Ｕレーザとしての調整可能共振リングレーザを示す、図３に示される調整可能Ｕレーザおよび変調器の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る、ＵレーザとしてのＹレーザを示す、図３に示される調整可能Ｕレーザおよび変調器の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る、Ｕレーザとしての２つの別々の振幅と位相を固定した調整可能レーザを示す、図３に示される調整可能Ｕレーザおよび変調器の概略図である。 本発明の他の実施形態に係る調整可能Ｕレーザを製造するために使用されるマスクレイアウトの概略図である。 図７に示されるように、ＵレーザにおいてＵターンとして使用される一組のＴＩＲ鏡の拡大画像である。 図７に示される実施形態に示されるように製造された低損失のＴＩＲ鏡の走査型電子顕微鏡写真画像である。 図７に示される実施形態に示されるように製造されたＵレーザの画像である。 図５および図６に示される実施形態に示されるように、リッジ導波路に遷移する、製造された低損失１８０度曲げの深くエッチングされた導波路Ｕターンの拡大画像である。 曲がり導波路Ｕターンおよび導波路の遷移領域を示す、製造されたＵレーザの画像である。 本発明に係るＵレーザからのメインピークと、高い結果としてのサイドモード抑圧とを示す波長の関数としての電力を示すＵレーザ出力からの測定された出力光出射スペクトルのプロットである。 別の鏡調整電流に対する様々な波長でのレーザ出力を示すＵレーザ鏡の例示的な波長調整のプロットである。 他の鏡アームがオフされかつスペクトル分析器が変調器出力に接続されて、その鏡に接続された出力ブースター増幅器を用いて測定されたＵレーザの鏡の１つの温度の関数としての測定された反射スペクトルを示すプロットである。 図１４Ａと図１４Ｂは、本発明の別の実施形態に係る、ネスト型光データ変調器に接続されたＵレーザに基づくコヒーレント調整可能送信機の別の実施形態の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る調整可能Ｕレーザおよびネスト型コヒーレント変調器を備える、二重出力平衡の広範囲調整可能コヒーレント光データ送信機の概略図である。 本発明の別の実施形態に係るＵレーザおよびネスト型コヒーレント変調器を備える、広範囲調整可能コヒーレント光データ送信機の概略図である。

本発明の様々な特徴の実施形態を実施する方法およびデバイスが、図面を参照しながら説明される。図面および関連する説明は、本発明の実施形態を例示するために、かつ、本発明の範囲を限定しないように、設けられている。「一実施形態」または「実施形態」に対する明細書における参照は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも本発明の実施形態に含まれることを示すことを、意図する。本明細書の様々な箇所における「一実施形態では」または「実施形態」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すものではない。

単純な強度変調または高度な変調フォーマットを用いて光信号を生成できる広範囲調整可能光送信機を可能にするシステムおよび方法は、光伝送システムおよびネットワークにおいて有益であろう。本明細書に記載される例示的な実施形態は、いくつかの特徴を持っており、それらの特徴のいずれも、不可欠であるか、またはその望ましい属性に対して単独で責任を負わない。特許請求の範囲を限定することなく、有利な特徴のいくつかが、これから要約されるだろう。

本明細書に記載された集積光送信機を形成するための他の制御要素および監視要素に加えて、Ｕレーザと、光データ変調器と、その２つの組み合わせとの様々な実施形態は、集積のための共通基板を備えるが、例えば、ＩＩＩ−Ｖ複合半導体、シリコンを利用するシリコンフォトニクスプラットフォーム、またはシリコンおよびＩＩＩ−Ｖ材料の組み合わせ、またはガラスおよびシリコン窒化物を利用する他の共通の基板プラットフォームに限定されない。リン化インジウムおよび１以上のエピタキシャル層のようなＩＩＩ−Ｖ材料、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓを備える様々な実施形態は、エピタキシャル構造における共通基板上に形成されたＵレーザと、複数のアームまたは分岐を備える１以上の変調器構造と、共通基板上に形成された少なくとも２つの複数の電極とを、備える。１以上の変調器構造は、Ｕレーザの出力から出射された光放射の強度、振幅、位相、または振幅および位相の両方を変調するように構成され得る。様々な実施形態、例えば、マッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）では、変調器構造は、光干渉の原理に基づいて光を変調できる。いくつかの実施形態では、変調器構造は、レーザ空洞の外部に配置され得るし、かつ、レーザ光出射出力に光学的に接続される。様々な実施形態では、導波路、フォトニック部品、分割器等のような光送信機の様々な部品は、レーザおよび変調器が形成されたエピタキシャル構造と同じエピタキシャル構造に形成され得る。いくつかの実施形態では、導波路、バルクフォトニック部品、光学アイソレータ、検出器、分割器、波長固定器、電力モニタ等のような光送信機の部品は、１以上のエピタキシャル構造に形成され得る。その１以上のエピタキシャル構造は、レーザがその上に形成される、または、共通基板上にモノリシックに集積されたレーザおよび変調器に接続されたバルク光学素子を用いる、エピタキシャル構造とは異なる。

本開示で使用されるように、文脈が他の意味に解される必要がある場合を除き、用語「備える」と、「備えている」、「備える」および「備えられた」のような用語「備える」の変形とは、他の添加物、部品、整数または工程を排除することを意図していない。

以下の明細書では、具体的な詳細が、実施形態の完全な理解を提供するために与えられる。しかしながら、実施形態はこれらの特定の詳細なしに実施され得ることが当業者によって理解されるであろう。周知の回路、構造および技術は、実施形態を不明瞭にしないために、詳細に示され得ない。例えば、回路は、不必要な詳細で実施形態を不明瞭にしないために、ブロック図で示され得る。

以下の説明では、具体的な詳細が、Ｕレーザおよび変調器である本発明に関して与えられている。各本発明は、他と共に使用され得るし、他の変調器および／またはレーザは、対応する本発明と共に用いられ得る。本明細書に記載の様々な実施形態は、従来段階の技術を超える縮小されたダイサイズおよびアスペクト比を有する小型の光送信機と、改善されたレーザ性能と、レーザの属性を測定し、特徴付けかつ監視する改善された方法と、製造されたレーザのパラメータを制限する改善された方法と、広範囲調整可能レーザおよび変調器および送信機を較正する改善された方法と、変調器を送信機に集合させた調整可能レーザのバーン−ｎおよび信頼性試験を実施する改善された方法と、従来段階の技術で可能であったものを超えた、製造可能な環境におけるコストを低減しかつ生産量を増加させる改善された方法と、を含む。

［Ｕレーザ］
レーザは、米国特許第６，６２８，６９０号および第７，６３３，９８８号に記載されるように当該技術分野でよく知られており、その全体が本明細書中に参照によって組み込まれている。図１は、主鏡出力から導かれた光を用いたマルチセクションモノリシック集積調整可能レーザにおける、従来段階の技術の一例を示している。セクションは、レーザを用いて直線上に配置され、レーザは、調整可能後鏡、ゲインセクション、調整可能位相セクション、および調整可能前鏡を備え、各セクションは、光導波路によって接続され、金属電極が、そのセクションを調整するように各セクションの上部に接続されている。調整可能後鏡は、高反射性があるように設計され、典型的には、レーザに戻る反射を最小化するために後鏡からの光も吸収する電力モニタに、導波路によって接続されている。前鏡は、レーザ出力から最大電力を抽出するために、後鏡よりも少ない反射となるように設計され、光増幅器に導波路によって接続され、かつ、その後に変調器またはオフチップに光をもたらす導波路に接続され得る。図１に示されるように、光をオフチップにもたらす場合には、傾斜した導波路は、チップ面における反射を最小化し、かつ、チップの光出力における反射防止コーティング上の要件を低減するために使用される。従来技術の他の既知の欠点は、唯一のレーザ出力が、計装を試験するのに工学的に利用可能であるので、製造可能な環境における前鏡および後鏡の両方に関連する光学的パラメータの特性評価および測定が、困難かつ法外であるということである。例えば、所望の設計要件に対する前鏡および後鏡の反射スペクトルの測定と、２つの鏡のスペクトルの調整の測定と、温度、経年劣化、バーンイン、および、ゲインおよび位相セクションの変化のような他の要因を伴う前鏡および後鏡のスペクトルにおける変化の測定とは、従来技術のデバイスでは困難である。

これより図２を参照すると、ＭＺＭ光変調器を有する従来技術の集積調整可能レーザの例が示されている。図１におけるように、調整可能レーザの後鏡は、高反射性があるように、かつ、電力モニタに直線導波路を介して接続されるように、設計されている。調整可能レーザの前方の、主レーザ出力は、レーザから変調器への最大光を通信するために、低い反射率となるように設計されている。主レーザ出力は、光増幅器に直線導波路を介して接続され、直線導波路は、ＭＺＭ光データ変調器の入力に接続する。ＭＺＭ入力において、光電力分割器は、ＭＺＭの２つのアームに光を等しく分割するように、使用される。この第１要素での等しい電力分割は、高い消光比（ＥＲ）を含む最適な変調器の動作のために重要である。電子データは、調整可能レーザ出射にデータを記憶させるために、かつ、変調器の他の側面を制御するために使用され、しばしば、非反転データのための上アームＲＦ接続と、反転データ（データ＿バー）のための下アームＲＦ接続と、同じ２つの変調器アームにおいて整合されるように位相および電力を調整するための個別ＤＣバイアスと、を用いる。変調器データおよびデータ＿バーは、変調器のみの単一アームを駆動するよりも低い全駆動電圧をもたらす電子データを用いて変調器を差動的に駆動するように使用される。また、変調器の上アームおよび下アームは、変調器の速度および他の所望の属性を最適化するために独立した電圧バイアスオフセットを有することができる。個別ＤＣバイアス制御は、２つの変調器アームにおける電力を平衡させるために使用され、いくつかの設計は、電力および位相を個別に調整することを可能にする第２位相制御を採用する。電子データ変調接続後、２つの変調器アームは、（図示しない）傾斜した導波路を用いてチップの出力に導かれるＭＺＭ変調信号を生成するために、電力合成器、しばしば２×２を使用して合成される。２次変調器出力は、しばしば、変調されたレーザ出力電力を監視するために使用され、レーザに戻る反射を減少させる。この設計の１つの主な欠点は、入力電力分割器の長さ、入力電力分割器に関連するｓ曲がり、変調器アームおよび電力合成器のため、集積デバイスの長さが長いことである。高消光比（光オフに対する光オン）を生成する変調器の能力は、電力分割器出力における製造ばらつきおよびレーザ出力波長の関数としての変動によって、制限される。ＭＺＭ入力での不均等な電力分割比の増加された長さおよび影響は、ウエハ上のデバイスの数における減少、増大した破壊および減少した生産量を招く高アスペクト比の送信機、および減少した変調器性能を招く、大きなウエハ面積を消費する集積送信機を招く。負の周波数チャープを用いて変調器が動作することを必要とする光ファイバリンクもある。この光ファイバリンクは、半導体変調器において、非対称となるように変調器を設計することによって達成され、ここで、アーム間に半波長の位相遷移を導入するように、一方のアームが他方のアームよりも長い。この非対称性は、他方のアームよりも長い一方のアームを作ることによって、または他方のアームに対する一方のアームにおける導波路の幅を変更することによって、達成される。両方の場合において、この非対称性は、変調器における消光比の低減および他の性能パラメータの劣化の低減を招く、不均一な電力平衡を導入する。図１における調整可能レーザの場合と同様に、これらの先行技術のデバイスで説明されたモノリシック集積レーザおよび変調器は、１つのみの出力が利用可能であり、かつ、レーザが前鏡からの最大電力を出射するように設計されているので、製造方法において実行することが困難な、前鏡および後鏡の反射率スペクトルのように、レーザの重要なパラメータを特徴付ける。

これより図３を参照すると、本明細書では広範囲調整可能Ｕレーザとも呼ばれるモノリシック集積レーザ１０２を備える光学デバイス１００が設けられ、モノリシック集積レーザ１０２は、第１光出射１０４および第２光出射１０６を有し、モノリシック集積レーザ１０２の第１光出射１０４および第２光出射１０６の両方は、変調器１０８または他のデバイスと光通信する。レーザ出力の出射された光放射は、約２０ｎｍから約１００ｎｍまでの広い波長範囲にわたって広範囲に調整可能である。広い波長範囲はΔλ／λで表され、比Δｎ／ｎよりも大きくなるように構成され、ここで、λは、光放射の波長を表し（ここに記載される実施形態では、λは１５５０ｎｍであるが、本発明はこの波長帯域に限定されない）、Δλは、レーザ出力の光放射の波長の変化を表し、ｎは、鏡および位相の調整セクションの屈折率を表し、Δｎは、本実施形態における鏡調整セクションにおける格子の変調された屈折率における変化を示す。後述される他の実施形態において、ｎおよびΔｎは、共振リング等のような他の構造の指標における変化を表し得る。このような広範囲調整可能な送信機は、今日の電子通信およびデータ通信の用途において使用されている。単一のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）上でのレーザおよび変調器の集積は、光ファイバの多種多様な用途のために、低コスト、低電力消費、高密度の光インターフェースを構築するために重要である。

図３に示されるように、２つの出力光出射１０４、１０６を有する集積レーザ１０２は、導波路に接続された第１導波路および第２導波路を介して、第１位相調整セクション１１４および第２位相調整セクション１１６を有する各出力出射ポート１１０、１１２と、第１および第２光ゲインセクション１２０と、に通信する。集積レーザ１０２は、光データ変調器への入力に対して両方のレーザ面１０４、１０６からの出力光（本明細書では、光省略または光出力とも呼ばれる）の制御を提供し、光データ変調器１０８は、両方のレーザ面１０４、１０６に接続するように構成されている。変調器１０８は、光出力および電力モニタ１２４と通信する。本明細書で使用される用語Ｕレーザは、２つの光出射または光出力（すなわち、集積二重出射レーザ１０２）を有するモノリシック集積レーザ１０２に関するが、当業者によって理解され、かつ、本明細書でさらに記載されるように、「Ｕレーザ」は、調整可能リングレーザ、Ｙレーザ、および振幅および位相の固定された２つの調整可能レーザを含む様々な実施形態を有し、本発明に係る第１光出射および第２光出射を有するように構成されている。

本発明に係るモノリシック集積二重出射レーザ１０２（例えば、Ｕレーザ）は、従来技術の欠点を克服する。レーザ１０２は、各レーザ出力の後に他の独立した光学要素が配置されることも可能にしながら、干渉光データ変調器のような２ポートデバイスに結合され得る。レーザ１０２は、比較的等しい電力が、各鏡から送信され、従来技術の欠点を克服するように、平衡された２つの光出力を有する。２つの光出射１０４、１０６は、ＭＺＭ光データ変調器１０８の２つのアームに直接に接続され、変調器の長さを低減し、かつ入力電力分割器を除去し、従来段階の技術の調整可能なＭＺＭ送信機の欠点を克服する。ＵレーザとＭＺＭとの間に配置され得る光学要素の例が含まれているが、位相調整セクション（Ｐ）１１１４、１１６、および光増幅器のゲインセクション（Ｇ）１１８、１２０に、限定されない。

本発明は、各面からの電力が、他の性能、コストおよび大きさの利点を有する高品質の変調信号を生成するために、ほぼ等しくなるように設計されているので、電力が、両方のレーザ面から抽出され、かつ変調に使用されることを可能にする。従来技術に比べての１つの利点は、本発明におけるほぼ等しい鏡面反射率は、改善されたＳＭＳＲを招く高いフィネスを持つ２つの鏡間の幅において平衡が取れているレーザ反射ピークをもたらすことである。

これより図４を参照すると、集積二重出射レーザ１０２で使用される平衡鏡に対する相対出射反射率スペクトルの一例が、図４に示されている。図４に示されるように、二重レーザは、平衡電力を有する。本発明の平衡鏡出力は、鏡が平衡されておらず、かつ、１つの鏡が高反射である従来技術設計と、変調器内のレーザ出力電力を最大化する主出力の低反射とを超えた利点がある。調整可能レーザに対するこの不平衡設計は、他方の鏡の反射率ピークよりも広い主出力鏡の反射率ピークをもたらし、ＳＭＳＲの低減および他の光劣化だけでなく、製造可能な環境でのレーザの光学特性を完全に測定しかつ特徴付けることの不能を招く。

本発明は、各レーザ面からの電力がほぼ等しくなるように設計されているので、電力が両方のレーザ面から抽出されることを可能にする。従来技術を超える利点は、ピークにおけるほぼ等しい鏡面反射率の結果であり、このピークは、両方の鏡に対する狭いピークのために、改善されたＳＭＳＲを招く高いフィネスを有する２つの鏡間の幅において平衡されている。これは、出力電力を最大化するように、１つの鏡が高反射であり、かつ、他の鏡が低反射である設計を超えた利点があり、その結果、主出力鏡の反射率ピークは、他の鏡の反射率ピークよりも広く、ＳＭＳＲの減少を招く。当業者に知られている他の利点は、帯域幅において平衡される鏡設計を含むことであり、その結果、両方の鏡に対するピークのロールオフは、よりゆっくりと発生し、レーザの調整範囲を高める。

これより図５を参照すると、図３に示される集積二重出射レーザ１０２の一実施形態が示されている。導波路１１０、１１２は、第１鏡Ｍ１（１２６）および第２鏡Ｍ２（１２８）に接続され、レーザ１０２の上アームにおいて、レーザゲインＧ部（１３０）に接続され、その後、遷移領域１３２を介した接続の後、導波路１１０は、例えば、図５に示されるＵ字形状のような、または他の形状のような光湾曲部１３４に形成され、両方のレーザ出射１０４、１０６が、複数のデバイス、マルチポート接続デバイスまたは同じ光チップ出力面と通信するようになっている。光湾曲セクション１３４は、好ましくは、周波数調整範囲にわたって、光信号１０４、１０６に対する最小損失を提供するように構成され、光レーザゲインが、できるだけ最高のスロープ効率および広い調整範囲にわたって可能な最高の出力電力を用いて、好ましくは可能な限り最小の閾値電流で、レーザ発振を可能にする損失を上回ることができるようになっている。図５のＵレーザの場合、直線セクションのための低損失リッジ導波路と、Ｕターンのための深くエッチングされた導波路との間に遷移領域が採用され１３６、導波路１１２と、上ゲインセクションに接続された第１遷移セクションと、図５においてレーザの低位置で位相調整セクション１３８に接続された第２遷移セクションとを介して、光湾曲部１３４と接続されている。調整可能な送信機の場合には、２つのレーザ面は、図３および図５に示されるように、マッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）１０８の２つの入力ポートと同じ方向を介して、レーザ出力を表す。ＭＺＭと集積された従来のレーザを超えた本発明の重要な利点は、調整可能レーザの両面が、マッハツェンダ変調器のアームのそれぞれに接続されているので、入力ＭＺＭ電力分割器が必要ではないことということに、注意せよ。変調器は、ＤＣバイアス１４０、電力合成器１４２、および１以上のデータ変調器１４４、１４６を備えるさらなる部品を有することができる。ＭＺＭは、単純な強度変調フォーマットに対して、または、本明細書でさらに説明されるようなネスト型ＭＺＭ設計を利用する、より複雑なコヒーレント変調に対して、設計され得る。調整可能レーザの両面が、マッハツェンダ変調器１０８のアームのそれぞれに接続されているので、従来のＭＺＭ入力電力分割器が必要とされないことに注意せよ。他の要素も、ＭＺＭ入力の前で各鏡出力に配置され得るし、電力モニタ電極、位相変調器電極、光増幅器および光アイソレータを備えるが、これらに限定されるものではない。

図５におけるＵレーザは、上アームおよび下アームから構成され、上アームにレーザゲインセクションおよび鏡１を有する。鏡１は、変調器への光出射の１つのポートを提供し、調整可能である。ゲインセクションは、光導波路を介して、一方の側に鏡１に接続し、他方の側に１８０度曲がり光導波路に光導波路を介して接続されている。導波路の選択は、集積プラットフォームに依存する。図５は、光の方向の低損失１８０度旋回のために最適化された異なる導波路に遷移するゲインセクション導波路を示している。Ｕレーザの下アームは、一方の側に１８０度旋回と、光導波路を介した調整可能鏡２とに接続された調整可能位相セクションを備える。調整可能な位相セクションだけでなく、鏡を接続する他の導波路にゲインブロックを接続する直線導波路および曲がり導波路の損失と、鏡自体の損失とは、可能な限り低く保たれなければならない。その結果、利用可能なゲインが、適用のために必要とされる各レーザ出力から、レーザ発振を起こしかつ十分に高い光出射電力を提供するように、損失を超えることができるようになる。調整可能鏡１および２からの２つの発光出力は、波長が調整されるときに、環境条件やその他の要因における変化を伴って経年劣化が起こるときに、変調器への入力を平衡させる制御を提供するために、図５において光導波路を介して、位相調整セクションおよびゲインセクションに接続される。特定の用途にとって、送信機の複雑さは、中間位相またはゲインブロックを使用しないことにより低減され得る。図５に示される変調器、およびＭＺＭ干渉変調器は、従来段階の技術で使用されているような入力光分割器を有しないが、変調器により変調されるレーザＳＭＳＲおよびその他のパラメータの品質と同様に、変調器の長さおよび電力平衡における重要な利点がある。変調器は、標準的な部品で構成され、データ（デジタルＲＦ）変調および各変調器アームのバイアスだけでなく、他方のアームに対する一方のアームのＤＣバイアスを可能にするように制御する。１つのＤＣバイアス電極が示されているが、設計は、この構成のみに限定されない。ＵレーザおよびＭＺＭを接続する位相およびゲインブロックは、波長および動作条件の関数としての入力を平衡させるために、かつ、バイアスおよび変調器駆動信号または上下の変調器アームの各種設定のための、変調信号の消光比、チャープおよび信号対雑音比を最適化するために、使用され得る。変調器の出力、この例ではＭＺＭは、チップ上またはオフチップに光学的に位置するバルク上の他の光学要素、との接続用の出力ポートを提供するだけでなく、電力干渉計機能を提供する電力合成器から由来し、他の光学要素は、例えば、コリメートレンズ、光アイソレータの波長固定光学および回路、ならびにファイバ集束素子である。電力モニタは、検出器からの吸収によりレーザに戻る反射を低減させるためだけでなく、電力バランスおよび一定のゲインのようなレーザの制御のためのフィードバック信号を提供するために、未使用の出力アームに配置され得る。

これより図６を参照すると、図５に示される集積二重出射レーザ１０２が示され、レーザ１０２の下アームに追加のレーザゲインセクション１４８を有する。本発明のこの態様は、レーザ１０２の全長を低減し、送信機の面積を低減し、かつ、唯一のファブリペローピークが、整列した調整可能鏡の共振ごとに発生する単一モード動作のための重要な条件を確保するために、利用される。レーザ空洞が長くなると、ファブリペロー共振が近くなり、レーザが長すぎる場合、２つ以上のレーザ発振の共振は、１つのアライメント鏡ピークの下で適合する。したがって、レーザの長さが最大長に制限され、ファブリペローピーク間隔、ｃ／２ｎＬが、調整可能な鏡面反射率ピーク間の間隔よりも大きい。ここで、ｎは、導波路モードの群指標であり、Ｌは、（調整可能な鏡内部反射位置に基づく）レーザ長さである。ゲインが、上アームにおいて２つのセクションに、下アームにおいて１つのセクションに分割された、図６における実施形態は、レーザが、図５におけるレーザと比べて、より短い空洞として、配置され得る。

したがって、図６における実施形態が好ましく、この設計は、本発明の態様において、２つの部分へのゲインセクションの分割であり、Ｕレーザの各分岐に１つがある。本発明が包含する従来技術の他の限界を克服する２つの分岐にゲインを分割することから他の利点があることが、以下で説明されるだろう。Ｕレーザの各アームは、個別の電流または熱調整回路を使用して、または一緒に１つの電流または熱制御回路を使用して、そのゲインを独立して調整できる。トレードオフは、レーザの動作、調整および試験における柔軟性を伴う制御回路の複雑さにある。電流または温度の使用は、レーザがＩｎＰ集積プラットフォームに基づく場合に、レーザを調整する方法の１つである。本発明を構成するために使用され得る他のプラットフォームは、調整のために電圧、電流または熱、またはそれらの組み合わせを使用できる。後述するように、上アームおよび下アームにゲインセクションを分割する別の重要な利点は、鏡の特性、さらには調整可能波長制御信号プログラムマップが、一方を無効にすることによって、他方が測定されている間に、得られ得るということである。これは、調整可能レーザの完全な特性が、変調器の出力ポートでのみ信号を観測することによって、かつ、鏡調整電流、温度およびその他のパラメータだけでなく、上アームおよび下アームにおける様々なゲインおよび増幅器セクションの組み合わせを制御することによって、測定され得るという点で、現在の技術水準を超える重要な利点である。低閾値電流、高レーザスロープ効率および高い光出力電力を有するために、十分３ｄＢ以下で、理論的なかつ実際的な値に近い損失を伴うＵ帯域セクションを製造することが望ましい。全損失は、直線導波路、遷移領域およびＵターン導波路によって与えられる。

集積二重出射レーザ１０２は、光旋回要素または光湾曲要素１３４を有し、二重出力出射レーザを形成するようにフォトニックチップ上に集積されている。これは、レーザの様々な要素間の通信を可能にし、様々な要素は、ゲインセクション、位相調整セクション、調整可能鏡セクションを含むが、これらに限定されるものではない。光旋回要素または光湾曲要素１３４は、Ｕレーザが、両方のレーザ鏡に接続されたレーザの同じ側に接続されたデバイスと通信することを可能にする。

様々な光集積素子は、光湾曲セクション１３４のために使用され得る。図５および図６に示されるように、導波路は、Ｕ字状に形成され得るが、他の構成も可能である。導波路は、全内部反射（ＴＩＲ）鏡、曲がり導波路、および自由空間のエッチングされた隙間鏡を含むが、これらに限定されない。これらの反射技術は、一般に当該分野における通常の知識を有する者に知られている。リン化インジウムのＰＩＣにＴＩＲ鏡および深いエッチングおよび部分的にエッチングされた屈曲を設計しかつ製造するための技術は、Ｓｕｍｍｅｒｓらの「高製造公差のためのリン化インジウムにおける凹面低損失全反射鏡」、会議論文、レーザおよび電子光学、ボルチモア、メリーランド州、２００７年５月６日、集積光学（ＣＴｕＨ）と、Ｎｉｃｈｏｌｅｓらの「８×８ＩｎＰモノリシック調整可能光ルータ（ＭＯＴＯＲ）パケット転送チップ」、光波技術誌、Ｖｏｌ．２８、４号、６４１−６５０頁（２０１０）と、で見いだされ得る。

これより図７を参照すると、図６に示される集積二重出射レーザ１０２が示され、光湾曲セクション１３４のための、一対の全内部反射（ＴＩＲ）鏡１５０、１５２を有する。本発明では、両方のレーザ鏡からの出力電力は、レーザからの使用可能な出力接続に向けられ得るか、または、上述のように同じチップ上に集積されたさらなるデバイスに向けられ得る。両方の鏡からの電力が利用されるＵ字状のデバイスを用いて、２つのレーザ鏡は、低いレーザ閾値電流を保ち、かつ、調整範囲にわたって高いサイドモード抑圧比および電力を伴う広い調整範囲を維持しながら、出力電力を最大化するように選択されるほぼ等しい反射率を有するように設計され得る。対称鏡レーザを設計するこの能力は、出力および変調のための唯一のレーザ鏡を採用する従来の設計を超えた、複数の重要な性能および特性評価および測定の利点を、提供する。低閾値電流、高レーザスロープ効率および高い光出力電力を有するために、十分損失１ｄＢ以下で、鏡あたり０．２５ｄＢ以下の理論的なかつ実際的な値に近いよい損失を伴うＴＩＲ鏡を製造することが望ましい。ここで、全損失は、Ｕターンセクションを構成する鏡だけでなく水平方向および垂直方向の導波路によって与えられる。

これより図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃを参照すると、集積二重出射レーザ１０２の様々な実施形態が示されている。図８Ａに示されるように、レーザ１０２は、異なる直径の共振リングを有する調整可能共振リングレーザであり、各共振リングは、波長調整のための位相調整要素を伴うバーニア効果を生成するように、鏡として機能し、電圧、電流または温度を用いて調整される。１以上のゲイン要素は、共振リングへの結合バスとして機能するＵ曲がり導波路の直線部に配置され、その２つの出力は、干渉の、ＭＺＭまたは他の二重ポート変調入力に通信する２つの出射出力を形成する。図８Ａに示されるレーザ１０２は、Ｕを形成するレーザゲインセクション１３０と接続する導波路１１０を有する。２つの位相調整リング１５４、１５６は、二重出力１０４、１０６を提供するように、導波路１１０に接続する。

これより図８Ｂを参照すると、レーザ１０２は、導波路１１０、１１２に接続された第１鏡１２６および第２鏡１２４と、レーザゲインセクション１３０と接続された電力合成器／分割器１６０と、位相調整セクション１３８と、第３鏡１５８とを有する調整可能Ｙレーザである。Ｙブランド内の鏡は、上述された抽出格子反射器、上述されたリング結合型共振器、または他のバーニア型反射器を備えるいくつかの公知の技術の１つを使用して構築され得る。バーニア型反射器は、電圧、電流または温度のような外部制御信号を用いて調整され得る。

これより図８Ｃを参照すると、レーザ１０２は、振幅および位相が固定された２つの調整可能レーザであり、各調整可能レーザは、第１鏡１２６ａ、１２６ｂおよび第２鏡１２４ａ、１２４ｂを有し、２つの調整可能レーザは、導波路１１０、１１２に接続され、導波路１１０、１１２は、位相調整セクション１３８ａ、１３８ｂ、レーザゲインセクション１３０ａ、１３０ｂ、および位相固定器１６２ａ、１６２ｂに接続されている。調整セクションは、材料システムおよび設計に応じて、加えられる電圧、電流または温度を用いて、調整され得る。

本発明は、図３−８を参照して本明細書に記載されるように、他のフォトニック回路素子および機能からの使用可能な出力導波路を、レーザ（または複数のレーザからの複数の面）の両方の鏡に接続するための手段に向けられ、その結果、多数の利点が１つのみの主レーザ出力を接続するよりも実現され得る。これらの利点は、以下を含むが、これらに限定されない。
レーザから最大光電力を抽出すること。
通常、非対称レーザ鏡の設計をもたらすトレードオフを低減させること。
レーザを、マルチポートデバイスに、例えば、他の実施例だけでなく干渉光データ変調器のための入力電力分割器に接続するために必要な、要素および要素のトレードオフの数を低減すること。
損失の増大を含む非対称ＭＺＭのような非対称デバイスを設計する通常のトレードオフなしに、光データ変調器のような２つの鏡から個別に、その後に接続された要素の２つの経路に、光位相のπ位相遷移（または他の量）の事前バイアスの利益を可能にすること。
追加の電力分割器を必要とせずに、光データ変調器のような接続要素の前に、レーザの後の電力平衡要素または電力監視要素または他の要素が配置されることを可能にすること。
鏡調整、鏡に隣接する部品の調整、チップ温度および鏡加熱、クロストーク、鏡の経年劣化および信頼性、ＳＯＡブースターゲインスペクトル、レーザの各アームのためのゲインスペクトルの関数として、各鏡の反射率スペクトルを独立して含む単一の変調器出力を使用して、すべてのレーザ部品の測定を可能にすること。

本発明は、また、調整可能レーザを較正しかつプログラムするために、かつ、レーザが調整されるように変調器の較正だけでなく、バーンインおよび経年劣化およびレーザ調整特性の信頼性試験を実行するために、変調器の出力を使用して、鏡面反射率の測定値を使用することを可能にする。単一のＭＺＭ出力を使用して、他の鏡またはゲインセクションからの干渉なしに、各鏡の反射率を測定するこの能力は、従来技術を超えた意義のある改善であり、組立体、試験、特性評価にかかる時間、およびコストまたは製造における劇的な低減を招く。

本発明に対する追加の利点は、半導体レーザの集積を含み、半導体レーザは、調整可能半導体レーザを備え、光データ変調器および他の集積光学素子を有する。この集積は、低コスト、低電力消費および電力消費、小さなレーザおよび送信機の大きさおよび面積、ウエハからの多くの送信機デバイス、高い生産量および調整可能光送信機における高性能を招く。本発明は、また、マッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）と容易に集積され得る。調整可能レーザに組み合わせられたＭＺＭの有用性および機能は、当技術分野で知られている。Ｕレーザレーザは、チップの長さに沿って少ないスペースを占めるので、ウエハ当たりより多くのデバイスが存在でき、各送信機は、従来技術よりも低いアスペクト比である。デバイスは、より「正方形」であり、より低いアスペクト比を有することを意味する。高アスペクト比を有するデバイスは、特にＩｎＰのデバイスにおいて、取り扱いにおいてより容易に損傷され得るので、低いアスペクト比を有すること、またはより正方形に近いことが、利点である。

正方形に近いデバイスは、マスクおよび製造中のレイアウトが容易であり、ウエハ上の使用可能な領域ごとにより適合する。電子デバイス／チップは、主に正方形である。本発明は、高アスペクト比（細長い）である従来技術もより正方形に近い送信機チップのフットプリントを可能にする。リン化インジウムおよび使用されている他の脆性材料について、より多くの正方形を有することは、従来技術の高アスペクト比（細長い）デバイスよりも、取り扱い中の破損の機会の減少およびより高い生産量を意味する。本発明のような正方形に近いデバイスを有することは、また、より高いアスペクトの従来技術よりもマスクおよびチップにより多くのデバイスが配置されることを可能にし、より正方形に近い形状因子は、ほとんどすべてのチップが正方形である半導体エレクトロニクス業界に準拠している。したがって、より高い収率、より少ない破損、ウエハ上のより多くのデバイスおよび電子加工への準拠は、本発明の利点である。ＵレーザおよびＭＺＭ変調器を用いて集積されたＵレーザの他の利点がある。

本発明の基礎を形成する半導体は、リン化インジウム（ＩｎＰ）、シリコン、および／またはガラスから成り得るが、これらに限定されない。本発明は、レーザ集積フォトニック回路に対する過度のレーザ設計と、レーザおよびマッハツェンダ変調器のためのリン化インジウム半導体ベースの導波路を使用するようなデバイスを実現するための主要な材料システムの今日の１つとを、説明する。リン化インジウムでマッハツェンダ変調器を製造することは、短い長さおよび小型の大きさおよび調整可能レーザおよび光増幅器との完全な準拠により望ましい。シリコンフォトニクスのような他のアプローチは、また、より高い体積の工業生産工場が採用されることを可能にする本発明を実現するために使用され得るが、今日のシリコンフォトニクスは、必要な光ゲインを可能にするために調整可能レーザおよび増幅器の様々な領域においてリン化インジウムが採用されることを必要とする。導波路の光データ変調器を設計する際に重要な考慮事項は、光を変調するためのこれらの導波路の電子調整であり、調整可能レーザの動作波長に近い変調器の半導体導波路の帯域ギャップを設計することによって、かつ、変調器にバイアスをかけかつ駆動させるための電子キャリアベースの効果および電場変調効果の両方を利用するために、変調器の半導体導波路をドープすることによって、もっとも効率的に達成される。このアプローチが、効率的な小型の光変調器をもたらす一方で、導波路の電子バイアスに依存する光信号の吸収損失と電子駆動信号の波長依存性とのトレードオフが存在する。全体損失は、光変調器と、信号をブーストするための光増幅器とを有するレーザを積分することによって低減され得る。光マッハツェンダ変調器を有する調整可能レーザを集積する他の重要な態様は、レーザ出力波長の関数としてのＭＺＭ電子駆動値を格納するルックアップテーブルまたは類似のアプローチを使用して取り扱われ得る電子変調駆動信号の波長依存性を含む。電子信号の波長調節も、バイアス、変調消光比、チャープおよび光信号の他のパラメータを調節するように調整され得る。

本発明の第１の態様は、生成された光をより効率的に使用する丁度１つのレーザ出力面の代わりに、１つのレーザまたは複数の固定調整可能レーザの２以上の出力レーザ面の使用である。

本発明の第２の態様は、両方のレーザ面が同一の集積回路上の後続のデバイスで使用されるように設計されたＵレーザであり、その同一の集積回路では、両方のレーザ面からの光が、同一方向に向けられ、かつ、マッハツェンダ変調器のような後続の２ポートデバイスに直接に結合されている。

本発明の第３の態様は、各レーザ鏡の後に配置された、電力監視要素、減衰要素、ゲイン要素、または他の調節要素を有する能力である。

本発明の第４の態様は、鏡面反射率の変化と通常トレードオフされるＳＭＳＲおよびその他の要因を最大化しながら、出力鏡のそれぞれが送信電力を最大化するように設計されることを可能にすることである。ＳＭＳＲおよびその他の要因は、ＳＭＳＲ、チャープ制御、自由スペクトル範囲、調整範囲およびレーザ線幅を含むが、これらに限定されない。

本発明の第５の態様は、変調アームの光データ変調器への両方のレーザ面の直接接続である。変調アームの光データ変調器は、第１電力分割器に対する必要性を排除し、分割器の後に通常必要とされる、導波路長さおよびｓ曲がりの減少または調整損失を介して、光データ変調器への電力入力を増加させ、干渉変調器の入力分割器として電力分割器を作成しかつ使用するときに存在する製造公差を除去する。Ｕレーザの実際の鏡は、鏡ベースの格子であり得るか、図３に示されるように、限定されないが、直列のリング共振器のような他の共振素子に基づく反射であり得る。

本発明の第６の態様は、例えば、半波長の位相遷移を伴って、出力導波路に沿って１つの鏡を他方の鏡に対して後退させることによって、一方のマッハツェンダアームを他方のアームに対してバイアスする能力である。その出力導波路は、異なる長さのＭＺＭアームの製造に関連する欠点なしに、より低い損失を伴う負のチャープ駆動を可能にするゼロバイアスマッハツェンダ変調器のような機能を可能にする。

本発明の第７の態様は、両方の鏡の反射特性が、同じ測定システムまたは結合型ファイバを用いた変調器出力で測定可能となることを可能にすることである。本発明は、同一の変調器出力で、測定される鏡に関連するブースター増幅器をオンにすることによって、ブースター増幅器の出射スペクトルが、他の鏡からの干渉なしに、測定される鏡で反射されるように、他のアームにおけるゲインセクションをオフにしながら（吸収させながら）、鏡が独立して測定され得るように、各鏡へのアクセスを提供する。ブースター増幅器は、レーザゲインセクションと同じチップ上にモノリシックに製造されるので、この測定は、ゲインピークおよび形状が、測定され、かつ鏡面反射ピークに対して特徴付けられ、両方における変化が、温度、鏡調整、増幅器ゲイン、経年劣化などの関数として測定され得て、各鏡が、他の鏡に切り替えることによって測定され、かつ上述された工程を実行するという利点を、有する。

本発明の第８の態様は、図６−７に示されるように、レーザ空洞内の複数のゲインセクションを利用することである。複数のゲインセクションを形成することは、有利である。というのは、複数のゲインセクションは、Ｕ字型のレーザ空洞が、できるだけ短く設計されることを可能にするためである。ここで、より短い空洞は、ファブリペローモード間隔を増大させ、それにより調整フィルタ波長と一致するファブリペローモードの数を低減させ、調整の解像度、精度および安定性を改善する。

本発明の第９の態様は、レーザ、変調器の電子制御要素および監視要素の他の制御が、外部のプログラム可能な電子制御システム、例えば、ＦＰＧＡ、および、アナログ／デジタルおよびＲＦインターフェースによって、レーザおよび変調器を、完全に、特徴付けし、プログラムし、マップ作成し、調整し、動作させるように、かつ、出力ファイバからの情報を介した通信と、製造、試験、品質保証、バーンイン、信頼性および顧客環境における電子接続とを達成するように、完全に制御されることを可能にすることである。このようにして、デバイスのすべての態様を精査する能力は、従来段階の技術を超えた大幅な改善である。

本発明の別の実施形態は、図９に示されている。これより図９を参照すると、図７に示された実施形態のＵレーザマスクレイアウトは、いくつかの共通設計上の点と考慮事項を説明するために、示されている。右側への水平光導波路または鏡は、調整可能な２つの発光出力を提供する。ゲインセクションの左側への水平光導波路は、一対のＴＩＲ鏡および垂直導波路を使用して１８０度旋回する。水平光導波路は、Ｕレーザの上半分および下半分の長さに及ぶ。長さにおいて２００マイクロメートルおよび３５０マイクロメートルの２つのゲインのセクションは、導波路損失、ＴＩＲ鏡および調整可能鏡の損失およびその他の損失機構を備えるレーザにおけるすべての損失を克服するようにバイアスされたときの全体のゲインを提供する。ゲインセクションにおける導波路にわたる台形形状は、ＩＩＩ−ＶのＩｎＰ半導体における活性ゲイン領域であり、そこでは、本実施形態のために、オフセット量子井戸がゲインを提供するために使用される。鏡セクションの下の導波路領域は、量子井戸なしに、鏡１および鏡２を形成するための導波路を横切る垂直線として見られる導波路内で部分的にエッチングされた格子バーストを有していた受動導波路である。位相セクションの下および覆われていない領域における導波路の残りの部分は、受動的である。すべてのセクションの上部および下部に対する大きな正方形構造は、波長を調整するためのゲイン電流注入または鏡または位相調整を提供するための、各セクションに電流を接続するための金属接触パッドである。

ここで説明される実施形態は、ＵレーザおよびＭＺＭのＩＩＩ−ＶのＩｎＰベースの集積であるが、他の材料および集積システムが、本発明を実現するために使用され得る。図９の本マスクは、ＴＩＲ調整鏡と、バーニア効果に基づいて、位相セクションの調整と連携して波長を調整する鏡を有する２つの出力面とを使用して、Ｕレーザを製造する基本部品を示す。このマスクおよび以下の図に示される製造実験結果を用いて加工されるＩｎＰのＩＩＩ−Ｖ材料系の場合、ベースエピタキシャルウエハは、ｎドープ半導体ＩｎＰ基板に、続いて１．４ＱのＩｎＧａＡｓＰ導波路層、続いてＣ帯域における光ゲインを提供するように設計された７層のオフセット量子井戸構造に、続いてＰドープＩｎＰクラッド層に、その後、ＰドープＩｎＧａＡｓ金属接触層に成長した。鏡格子は、ｅビームリソグラフィを使用して、鏡の場所における受動リッジ導波路において画定された。リッジ導波路および深いエッチングＵ曲がりおよびＴＩＲ鏡は、ドライエッチングされ、ウェットエッチングを用いて、深いエッチングで保護されたリッジ導波路に浄化された。導波路およびフィールド領域が、窒化シリコンで覆われた。金属接点が、ゲインセクション、位相セクションおよび鏡セクション上に作られることが必要な場合には、ビアが、リッジ導波路の上にエッチングされ、キャップＩｎＰ層が、金属パッド堆積物に対してＩｎＧａＡｓ接触層を露出させるために除去された。最終的なウエハは、約１００ミクロンまで薄くされ、裏面金属層が堆積され、各セクションが順バイアスＰＮ接合として動作されることを可能にした。

モニタフォトダイオードは、金属接点で製造され、逆バイアスで実行される。ＭＺＭ変調器は、静電容量を減少させるために、金属接点の下にＢＣＢの層を追加することによって製造され、非常に狭く、約２．５ミクロン幅のリッジが、ＲＦ変調のために堆積された金属電極を有する変調器アームとして使用される。変調器マスクは、この図に示されておらず、レーザと変調器との間の外部位相セクションおよびゲインセクションを有するマスクの一部でもない。

これより図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを参照すると、ＴＩＲ鏡ベースのＵターンを有する、製造されたＵレーザの画像が示されている。図１０Ａは、図７に示されるゲインセクションの左側にＴＩＲ鏡Ｕターンの拡大光学顕微鏡画像を示す。図１０Ｂは、深いエッチング加工を用いて形成されたＴＩＲ鏡の反射面の走査型電子顕微鏡写真の画像である。図１０Ｃは、ＰＩＣの左手側にＵレーザベースのＴＩＲ鏡を有する、本発明の一実施形態に基づく、完成したフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を示す。

これより図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、図５および図６に示される実施形態に示されるようなレーザの画像が、示されている。図１１Ａは、１８０度の光湾曲セクション１３４として使用される、製造されたＵターンを示す。図１１Ｂは、導波路の遷移領域と、製造された光湾曲セクション１３４とが示された画像である。図１１Ａおよび図１１Ｂに示される実施形態によれば、導波路は、深くエッチングされ得るか、さもなければ、Ｕターンが、低損失、３ｄＢ未満の、好ましくは２ｄＢ未満の低損失を有すべきとの要件を有するレーザを製造するようにエッチングされ得る。その結果、ゲインセクションは、低電流を実行させることができ、レーザは、低閾値電流（好ましくは３０または２０ｍＡ未満）、かつ、すべての調整波長にわたる合計の５−１０ｄＢｍよりも大きな、両方の出射ポートまたは面からの高い光出力電力を、示すことができる。図１１（Ａ）に示されるように、レーザ１１０は、導波路１１０、１１２を形成するためにエッチングされたリッジであり、Ｕは、深くエッチングされた導波路で形成されている。しかし、レーザ１０２は、導波路の深いエッチング、または他の製造方法を用いて、すべてまたは部分的に製造され得ることが、当業者によって理解されるであろう。図１１Ｂは、ＰＩＣの左側のＵレーザを用いて深くエッチングされた曲線光導波路Ｕターンに基づく、完全に製造された送信機を示している。

Ｕレーザは、以下に開示される変調器と一緒に、または当技術分野で公知の任意の他の変調器と一緒に、使用され得る。

変調器
変調器は、米国特許第６，６２８，６９０号および第７，６３３，９８８号に記載されるように当該技術分野でよく知られており、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、広範囲調整可能半導体レーザを用いて光ファイバを介してデータを送信するための集積された解決策を提供するデバイス、手段および方法を提供する。ここで、出射波長は、レーザおよび集積データ変調器をプログラムすることによって決定され、集積データ変調器の機能は、干渉マッハツェンダ変調器を使用したレーザ出力波長上でのデータの変調であり、干渉マッハツェンダ変調器それ自体は、試験および較正データを用いて、プログラムされ得る。較正データは、調整可能波長送信と、波長および環境および動作条件および経年劣化と共に変化する望ましい送信変調特性とを支援するためのＦＰＧＡのような制御回路およびルックアップロジックと連携されている。

図５−８および１４−１６は、本発明に係る変調器のバージョンを示す。新しい変調器の設計は、従来のＭＺＭ設計に部分的に基づいており、従来設計の第１部分が、取り除かれ、主として入力分割器およびｓ曲がり導波路が、ＭＺＭまたは他の干渉構造と通常関連する。これより図５−８を参照すると、変調器は、直線導波路を用いて、またはレーザ設計によってまたは上述された導波路の旋回技術（例えば、ＴＩＲ鏡や導波管の湾曲）を用いて、同じ方向で利用可能に作られた両面を有する他のレーザ構造を用いて、Ｕレーザの両方の出射面に接続された２つの入力を備える。２つの変調器アームは、直接入力として機能し、以下の要素の１以上、光増幅器、光アイソレータ、光電力モニタ、光ＤＣ位相制御セクション、光ＲＦ変調セクション（集中しまたは分散しまたは進行する波）を備えることができる。ＭＺＭへの２つの入力のための導波路は、変調される光よりも理想的に大きな帯域ギャップを有する材料で製造されている。半導体送信機の場合、これは、正確な帯域ギャップを伴って設計された導波層、または（帯域端を遷移させるための）量子井戸の相互混合のような技術を用いて透過されるように作られた層を含む、エピタキシャルに成長された材料構造を使用することにより、達成される。入力導波路は、理想的には、強力な電子光学効果を有するべきである。換言すれば、屈折率が、変調器アームおよび変調電極をできるだけ短く保つために、加えられた電場または電流と一緒に強く変化するべきである。これは、高速変調のために、高強度位相変調を伴う吸収をできる限り低く保つために、かつ、所望の物理的効果がゼロチャープまたは負のチャープの送信（大部分の設置されたファイバにとって好ましいチャープパラメータ）に対して採用されることを保証するために、容量および抵抗を低く保つための重要な設計考慮事項である。

本発明に係る変調器は、好ましくは、従来技術の変調器で使用される電力分割部を取り除く。本発明に係る変調器は、トレードオフが電力分割器を除去によって低減されたという点で複数の利点を有する。電力分割器の不完全性および（環境および温度の変化のような）動作条件による性能低下を招く、電力不均衡、製造公差および他の要因は、本発明のデバイスにおいて大きく低減され、本発明のデバイスをよりロバストに製造する。第１電力分割器の除去は、また、ＭＺＭ要素に対して最適な位置にレーザ鏡を物理的に配置することによって、干渉計の各アームが調節されることを可能にする。ＭＺＭ変調器の長さは、入力分割器を使用する従来技術よりもずっと短く、従来技術で使用される後の分割器の曲がりおよび導波路長さによって生じる余分な損失だけでなく、入力分割器を使用することに典型的に関連する曲がり損失が除去され、すべてが、著しく低減された全変調器損失および高い送信出力電力を招くことに、注目されるべきである。非対称ＭＺＭ設計を使用する好適な従来技術の構成は、一方の変調器アームを他方よりも長く作るように使用されるｓ曲がりまたは他の要素のため、損失の増大をもたらす。負のチャープのような特定の好ましい性能特性をもたらすような、および他の特性の劣化をもたらすような、変調器を不均衡にする他の技術。本発明は、これらのトレードオフを大きく低減する。

特定の適用、特に、１００Ｇｂｐｓ、２００Ｇｂｐｓ、４００Ｇｂｐｓ、８００Ｇｂｐｓおよびそれより早い新しい高速の適用にとって、コヒーレント通信は、送信機当たりの容量を増加させ、送受信機および送信機のスペクトル効率および範囲を改善するための重要な方法である。コヒーレント通信は、位相、振幅、または両方が、送信機で変調された信号の伝送を必要とする。これらの高速コヒーレント送信機のコストは、比較的高いので、調整可能レーザを使用することは、波長制御によるリアルタイムのネットワーク構成だけでなく、部品点数の削減およびより簡単な倹約および交換を提供することによって、全体的な配備および運用および保守のコストダウンを維持するために、重要である。

これより図１４Ａおよび図１４Ｂを参照して、ほぼ等しい電力を放出するように設計された、第１光出射ポートおよび第２光出射ポートを有する、モノリシック広範囲調整可能集積レーザを備える光学デバイスであって、第１光出射ポートは、第１コヒーレント変調器と通信し、第２光出射ポートは、第２コヒーレント変調器と通信する。第１変調器および第２の変調器は、それぞれ、送信機の第１出力および第２出力、出力１および出力２と通信する。変調器は、レーザ出力出射ポートと各変調器との間の経路長および損失を平衡させるために、ＴＩＲ鏡のような旋回要素を採用する導波路を介して、接続されている。さらに、ゲイン要素は、電力を平衡させるためにレーザ出射ポートおよび変調器の間に配置され得る。送信機出力の容量を増大させるために、１つのアプローチは、同一の調整可能レーザからファイバに、独立して変調される偏光を組み合わせることである。これは、偏光の分割器、合成器および回転子を用いた集積チップ上で行われ、本発明に準拠する。または、図１４Ａおよび１４Ｂに示されるように、別の実施形態は、同じ偏光で２つの別々の変調データ出力を較正する外部バルク光学部品を使用し、その後、ＴＥとしての１つの出力およびＴＭ偏光としての第２出力を生成するために、１つのポートで光および外部偏光回転を較正するレンズを使用し、続いて偏光ビーム合成器およびファイバに入る合成光を集束させるレンズを使用することである。図１４Ａおよび１４Ｂに示される実施形態は、ビット周期ごとに、２つのコンステレーション位相／振幅点の間の変調を可能にするために、各アームの内側に２つのＭＺＭ変調器を提供するだけでなく、振幅および位相の両方で、光信号が、変調されることを可能にする、ネスト型マッハツェンダ変調器を示す。電力結合器および電力分割器のような２×２マルチモード干渉結合器の使用は、ネスト型ＭＺＭコヒーレント変調器に要求される、必要なπ位相遷移を提供するという追加の利点を有している。このように、例えば、各変調器は、ネスト型変調器当たり５０Ｇｂｐｓをもたらす２５Ｇｂｐｓで、動作され得る。２つの偏光状態を使用することは、１００Ｇｂｐｓをもたらす。図１４Ａおよび１４Ｂに示されるように、出力導波路は、コリメートレンズ、光アイソレータ、偏光回転子、分割器および合成器、波長固定器、ファイバ集束光学系などのような１つまたは２つの出力のための外部光学素子への通信に対応するために、十分に分離されている。これらのバルク外部部品は、典型的には幅が１ｍｍと２ｍｍとの間にある空間を占有する。というのは、出力における導波路が、これらの要素に対応するために分離される必要があるためである。本発明は、ウエハ上に大きなチップ面積を含めることなく、この適応を可能にし、しっかりと折り畳まれた構造を有する設計を可能にする。図１４Ａに示されるデバイスの別の利点は、長くかつ狭く、ウエハ上に配置され得るデバイスの数を最大にすることである。図１４Ｂは、Ｕレーザの２つの出力出射ポートが２つのネスト型ＭＺＭコヒーレントデータ変調器の入力ポートに直接に接続されている代替の実施形態を示し、図１４ａにおける実施形態に対して説明されたのと同様の動作をもたらす。

これより図１５を参照すると、ネスト型コヒーレント変調器のさらなる詳細を有する光学デバイスが示され、二重平衡出力レーザと、図１４Ａにおいて高い位置にそれぞれ示された出力１および出力２とに、接続されている。

これより図１６を参照すると、ネスト型コヒーレント変調器のさらなる詳細を有する光学デバイスの別の実施形態が示され、Ｕレーザと、図１４Ｂにおいてより高い位置にそれぞれ示された出力１および出力２とに、接続されている。

変調器と組み合わせたＵレーザ
ＭＺＭ光データ変調器および半導体光増幅器を有する共通の基板上への調整可能レーザの集積は、当該技術分野で周知である。マッハツェンダ変調器および半導体光増幅器を有する波長調整可能レーザの複数の実施形態があった。光データ変調器を有する調整可能レーザのモノリシック集積に加えて、毎秒１０ギガビットおよびそれより高い速度で、数百メートルよりも大きな送信距離にわたって、今日地中で支配的な型である標準的なシングルモード光ファイバを使用して、送信するために、典型的には、変調器で制御される必要がある送信された光データビットの特性がある。制御可能であるべきである重要な伝送特性は、変調された信号光チャープ、消光比、光信号対雑音比、ならびにファイバ結合型光電力を含む。これらのパラメータの制御は、送信機でファイバに入射された光データが、調整波長のすべてに対して、できるだけ少ない形状の歪み、できるだけ多くの信号、かつ、できるだけ少ない雑音を伴って受信端に到達することを、コスト効率よく保証することが不可欠である。さらに、これらの特性の温度依存性が、実環境での動作を可能にするために、最小化され、かつ、制御されなければならない。

図１０Ｃは、ＴＩＲ鏡ベースＵレーザと、ＤＣバイアスおよび変調器データおよびデータ＿バー電極を有するＭＺＭと、両方の出射出力および両方のＭＺＭ入力に接続された位相バイアスセクションおよびゲインセクションと、２つの出力導波路であって、一方がファイバを備える外部光部品への接続のためであり、他方が図７に示されるような電力モニタ電極を有する２つの出力導波路と、からなる完全に製造された送信機の画像である。ＭＺＭ変調器の長さが、入力分割器を使用する従来技術よりもはるかに短く、余分な導波路の長さだけでなく入力分割器に関連する曲げ損失が、全体の変調器損失を大きく低減することに、注目されるべきである。

チャープおよび消光比の制御を容易にするために、マッハツェンダのリン化インジウム変調器は、高い消光比を有する負のチャープ特性を向上するために、他方の変調アームに対して一方の変調器アームに位相オフセットを含んで設計された様々なパラメータを有する。干渉計バイアスおよび他の駆動条件の最適化が、知られている。

広範囲調整可能波長の抽出格子分布ブラッグ反射器レーザの集積も、報告されており、外部マッハツェンダ変調器を有する。

これより図１２Ａを参照すると、Ｕレーザを有し、かつ、レーザ出力からの主要ピークを示す完成した送信機からのデータが、示されている。図１２Ａに示されるように、レーザからの不要なピークは、主要ピークから低下した５５ｄＢよりも優れている。図１２Ｂを参照すると、様々な波長でのレーザ出力の調整が、示されている。この図は、非対称の鏡面反射率を使用する従来技術を超えた、平衡型調整可能鏡の設計に対する出力レーザ品質における改善を示している。

これより図１３を参照すると、波長および温度の関数としてのレーザ出力の出射スペクトルが、示されている。本発明の利点は、レーザのいずれかのアームが、いずれかのアーム上のゲインブロックをシャットダウンすることによって調整され得ることと、出力ポートからの反射率が、観察されおよび／または監視され得ることである。したがって、レーザは、単一出力レーザに対して非常に困難である方法で、調整されかつ監視され得る。本発明のこの利点は、各鏡に対する鏡面反射率スペクトルを独立して含む変調器出力、温度およびチップ上の他の部品の依存性、調整特性、意図した設計からの偏差、鏡の経年劣化および信頼性の問題を監視することにより、レーザの光学的特性を完全に特徴付ける能力を大きく改善する。この技術は、また、ゲインが単一ＭＺＭ出力で測定されることを可能にする。変調器出力に結びつけられた光診断ツールを用いてプログラム可能な電子システムからの変調器のレーザの制御は、従来技術よりも、集積調整可能送信機を、プログラムし、特徴付け、試験するためのはるかに強力かつ製造可能な方法を提供する。従来技術では、この機能は、生産ラインにおいて行うことがはるかに困難であるか、変調器およびレーザの設計のため、なされ得ない。

本発明の別の実施形態によれば、二重入力ＭＺ変調器を有するＵレーザ構成である。他のＵレーザバージョンは、鏡面反射率の振幅および／または位相を静的に変えるか、または、長さの関数として、鏡期間、バースト数および他の鏡パラメータのゲインセクションの数およびゲインセクションの長さ、およびＴＩＲ鏡の設計、公開文献で公開されている態様を、変えることができる。調整可能な鏡の後の受動セクションおよびＳＯＡは、電力を平衡させ、かつ、ＭＺＭおよびレーザに戻る反射を最小化するために採用された適切な光アイソレータ技術の前で、両方のアームにおける位相を遷移させるように使用され得る。集積プラットフォームは、各レーザおよびその後の導波路セクションにおけるモードの実効屈折率を一致させることによって達成され得るレーザに戻る反射を、最小限に抑えるべきである。

本発明は、データ変調のための両方のレーザ出力を利用することによって、変調器に両方の鏡を接続することによって、この制限を克服し、したがって、鏡は、ＳＭＳＲおよびレーザ線幅だけでなく所望の平衡された出力電力に対して設計された各鏡を用いて、より等しくなるように設計され得る。したがって、本発明の別の態様は、光変調器を有するレーザの集積である。

本発明は、新しいレーザおよび調整可能レーザの設計アプローチを説明する。広範囲調整可能半導体レーザは、新規なＵ形状に構成され、本発明は、そのとき、１を超えるレーザ出力面に接続されかつ駆動されるマッハツェンダ変調器を有する共通のリン化インジウム基板上にモノリシック集積することによって、さらに本発明の別の態様として実現される。変調器入力の１つに各レーザ面を接続することにより、Ｕ字型広範囲調整可能レーザを設計し、かつ、データ変調において両方のレーザ面を利用する利点は、調整可能レーザ鏡が、光電力の約５０％をそれぞれ反射するように設計されることを可能にし、鏡の１つが最大レーザ出力電力に対して低反射率であることを必要とすることなく、各面のＳＭＳＲが最大化されることを可能にし、かつ、各面から変調器への出力電力を結合させる。通常、マッハツェンダ変調器の中段セクションであるものに両方のレーザ出力ポートを直接に接続することによる、変調器を有するレーザのさらなる集積は、自明ではなく、以下により詳細に記載されるように、従来技術に対して複数の利点を有する。レーザの両面は、光変調器を介しての伝送のために使用されるので、両方の鏡は、最大電力送信のために設計され、ハイサイドモード抑圧比が高出力電力で達成されることを可能にする。

上述したように、多くの従来の設計の欠点は、１つの面からのレーザ出力を取るための２つの分割器またはマルチモード干渉（ＭＭＩ）結合器の使用であり、かつ、レーザと直列の導波路を介して、変調素子を含む光導波路の２つのアームに分割され、その後に、第２ＭＭＩを使用して出力を信号に組み合わせる。ＭＭＩおよび他の分割器構造の製造は、製造公差に非常に影響を受けやすく、Ｙ分岐分割器の出力は、正確に５０／５０に制御することが困難である。これらの不均衡は、側壁のエッチング、および他の加工ばらつきおよび温度における変化にわたって、ＭＭＩまたは結合領域のＹ分岐幅または長さに依存し得る。さらに、Ｓ帯域および導波路の長さまたは他の曲がり構造の増加に関連する追加の長さおよび損失が、直線導波路を介した調整可能Ｕレーザの２つの出力出射ポートへのその直接接続により、本発明を、より低い損失の光データ変調器にさせる。

本発明の第１の部分は、マッハツェンダ変調器を使用して調整可能レーザを変調するための手段、方法および装置である。ここで、変調器の２つの主要なアームは、マッハツェンダ変調器を１つのレーザ面に接続する従来技術の代わりに、２以上のレーザ面に接続されている。マッハツェンダ変調器の２以上の調整可能レーザ面への接続は、様々な調整可能レーザ構造に対して記載されている。本発明の第２の部分は、マッハツェンダ変調器への２つのレーザ面の直接接続を提供するＵレーザ構成において構成された調整可能レーザ構造のための手段、方法および装置を提供する。ここで、Ｕレーザは、１つの基板上のスタンドアロン半導体レーザ部品として実現され得る。または、好ましくは、Ｕレーザは、マッハツェンダ変調器として同じ基板上に集積され、完全な集積構造の利益を実現する。また、調整可能レーザおよびマッハツェンダ変調器と同じ基板上に半導体光増幅器を集積するための手段が、開示されている。

光ＭＺＭのバイアスおよび駆動電極構造は、低電圧駆動信号を使用する低電力設計に対して非常に重要であり、特に、ＣＭＯＳ駆動回路および低電力散逸の電子機器にとって一般的に重要である。もっとも一般的な構成は、２組の一連のプッシュプル電極として機能する４つのＲＦ電極、を、ＭＺＭアームごとに２つ、使用する。４つのプッシュプル構成は、非プッシュプルまたは単一アーム駆動構成を使用する場合に比べて、半分の駆動電圧において所定の帯域幅で変調器を駆動することを可能にする。

Ｕレーザおよびマッハツェンダ変調器の実装は、単にリン化インジウム材料系に限定されないことに、注目されるべきである。他の実施形態は、シリコンフォトニクス、リン化インジウムと組み合わせたシリコンフォトニクス、および、ガラスベースおよびシリコン窒化物ベースの導波路システムを有するこれらの半導体システムの組み合わせを含むことができる。

各発明は、他で使用され得る。他の変調器および／またはレーザは、対応する本発明と共に使用され得る。例えば、Ｙ分岐調整可能レーザの２つの通常未使用の出力は、本変調器の設計で使用され得る。調整可能リング共振器ベースのレーザの２つの出力バスは、本変調器の設計に接続され得る。

または、Ｕレーザからの２つの出力は、直接にリング共振器ベースの変調器の２つのバスに、２つの独立した電界吸収型変調器（ＥＡＭ）に、接続され得る。

本発明は、以下の理由により、調整可能レーザおよびマッハツェンダ干渉変調器および／または半導体光増幅器を有する調整可能送信機に対する先行技術および関連技術の限界を克服する。

本発明の第１の態様は、生成された光をより効率的に使用する唯一のレーザ出力面の代わりに、１以上の調整可能レーザの２または複数の面を使用することである。

本発明の第２の態様は、マルチモード干渉電力分割器／結合器の使用または他の分割器／合成器の設計を最小化することであり、設計は、しばしば分割比における未知の加工誤差があり、消光比および信号対雑音比のような送信機性能の側面を低減させる。

本発明の第３の態様は、多種多様な調整可能レーザの設計、特に、同一の方向に２つ以上の容易にアクセス可能な出力ポートを本質的に有する設計を伴う、従来の第１分割器／合成器なしでの、マッハツェンダ変調器の集積である。

本発明の第４の態様は、本発明の変調器部分の要件とよく一致する新たな調整可能レーザの設計、Ｕレーザを提供することである。

本発明の第５の態様は、全内部反射または空気ギャップ鏡のような周知の反射技術を採用することにより、対向方向にある面に接続するようにマッハツェンダ変調器のアームを適合させる能力である。ここで、これらの鏡は、また、電力モニタタップのような他の有益な機能を果たすために採用され得る。

本発明の第６の態様は、変調のために量子閉じ込めシュタルク効果を採用する変調器に負の周波数チャープをもたらすために、アーム間に差動位相偏移を導入する既知の利点をもたらすために、２以上のレーザ面出力からの波長距離差を設計することによって、マッハツェンダ変調器における２つのアーム経路の１つの調節を可能にすることである。２以上のレーザ面からの２つのマッハツェンダアームの最初の分離は、制御されたチャープと、これらの構造で容易に採用されるコヒーレント変調技術に必要な位相制御とを可能にする。

本発明の第７の態様は、入力分割器を使用することに関連する曲げの損失の除去だけでなく、入力分割器を使用する先行技術のＭＺＭを超えたＭＺＭ変調器の長さの大きな低減である。本発明は、材料、導波路および後の分割器曲がりによる従来のＭＺＭにおける導波路の長さのほとんど３分の１を除去することにより、変調器の光損失を低減する。本発明は、大幅な全変調器損失の低減、よりよい消光比および信号対雑音比およびより高い送信機出力電力を招く。

変調器は、以下に開示されるように、Ｕレーザ、または、本変調器発明入力に対して２つの光出射出力または面を提示できる当技術分野で公知の任意の他のレーザを用いて使用され得る。

本発明の前述された明細書は、当業者が、そのベストモードとして現在考慮されているものを作成しかつ使用することを可能にし、当業者が、本明細書の特定の実施形態、方法および実施例の変形、組み合わせ、および等価物の存在を理解しかつ認識するであろう。したがって、本発明は、上述の実施形態、方法、および実施例によってではなく、本発明の範囲および精神内のすべての実施形態および方法によって、限定される。

Claims (21)

1. 第１光出射ポートおよび第２光出射ポートを有する、集積二重光出射ポートレーザを備え、
   前記第１光出射ポートと前記第２光出射ポートのいずれか一つから、他のポートに光を屈曲する内部光湾曲セクションであって、前記第１光出射ポートのレーザ出力は、前記第２光出射ポートと均衡がとれており、
   前記集積二重光出射ポートレーザの、前記第１及び第２光出射ポートの両方は、二つのアーム経路を有する変調器と光通信し、
   前記第１光出射ポートと前記第２光出射ポートは、入力スプリッタを使用することなく、前記変調器の前記二つのアーム経路とそれぞれ直接結合し、
   前記変調器の前記二つのアーム経路は、それぞれ位相セクションとゲインセクションを有し、
   前記集積二重光出射ポートレーザは、均衡のとれたパワー出力を有し、
   前記第１光出射ポートの出力の鏡は、π位相遷移により、前記第２光出射ポートの出力に対応して、オフセットされる、
   モノリシック集積レーザ。
2. 前記内部光湾曲セクションは、約１８０度の屈曲をもたらすように、Ｕ字状または類似形状の曲がり導波路からなる、請求項１に記載のレーザ。
3. 前記光湾曲セクションは、約１８０度の屈曲をもたらすように、水平方向および垂直方向に配向された導波路と組み合わせられた、一組の全内部反射（ＴＩＲ）鏡である、請求項１に記載のレーザ。
4. 前記集積二重光出射ポートレーザの前記第１及び第２光出射ポートは、ほぼ平衡にされた光出力を有するデバイスと通信する単一出力レーザに比べて、生成される光出射をより効率的に利用する、請求項１に記載のレーザ。
5. 第１光出射および第２光出射を有する前記集積二重光出射ポートレーザからの波長距離差によって、前記２つのアーム経路間に差動位相偏移がもたらされる、請求項１に記載のレーザ。
6. 前記集積二重光出射ポートレーザは、調整可能鏡で調整され、両方の鏡の反射特性は、前記変調器の出力から測定可能である、請求項１に記載のレーザ。
7. 傾斜した導波路の使用により、光出射ファセットでの反射が最小化して、光出射ポートにおける反射防止コーティングの要件が低減される、請求項１に記載のレーザ。
8. 前記集積二重光出射ポートレーザは、調整可能共振リングレーザからなる、請求項１に記載のレーザ。
9. 前記集積二重光出射ポートレーザは、Ｙレーザからなる、請求項１に記載のレーザ。
10. 前記集積二重出射レーザは、２つの振幅および位相が固定された、調整可能レーザからなる、請求項１に記載のレーザ。
11. 第１光出射ポートおよび第２光出射ポートを有する、集積二重光出射ポートレーザを備え、
    前記第１光出射ポートと前記第２光出射ポートのいずれか一つから、他のポートに光を屈曲する内部光湾曲セクションであって、前記第１光出射ポートのレーザ出力は、前記第２光出射ポートと均衡がとれており、
    第１のアーム経路上の第１の変調器と、第２のアーム経路上の第２の変調器であって、前記第１のアーム経路と前記第２のアーム経路のそれぞれが、位相セクションとゲインセクションを有し、
    前記第１及び第２の変調器は、入力スプリッタを使用することなく、前記第１光出射ポート及び前記第２光出射ポートとそれぞれ直接結合し、
    前記集積二重光出射ポートレーザは、均衡のとれたパワー出力を有し、
    前記第１光出射ポートの出力の鏡は、π位相遷移により、前記第２光出射ポートの出力に対応して、オフセットされる、
    コヒーレント送信機。
12. 第１光出射ポートおよび第２光出射ポートを有する、集積二重光出射ポートレーザと通信する複数のポートを有する変調器を備え、
    入力スプリッタを使用することなく、前記第１光出射ポートが、第１のアーム経路上の変調器と直接結合し、前記第２光出射ポートが、第２のアーム経路上の変調器と直接結合し、
    前記第１光出射ポートのレーザ出力は、前記第２光出射ポートと均衡がとれており、
    前記変調器の２つのアーム経路であって、それぞれが位相セクションとゲインセクションを有し、
    前記集積二重光出射ポートレーザは、均衡のとれたパワー出力を有し、
    前記第１光出射ポートの出力の鏡は、π位相遷移により、前記第２光出射ポートの出力に対応して、オフセットされる、
    モノリシック集積光送信機。
13. 前記複数のポート変調器の１つは、ネスト型コヒーレント変調器からなる、請求項１２記載のモノリシック集積光送信機。
14. 四相位相偏移変調（ＱＰＳＫ）された光変調信号を生成する、請求項１２記載のモノリシック集積光送信機。
15. 二重偏波の四相位相偏移変調（ＱＰＳＫ）で光学的に変調された信号を生成する、請求項１２記載のモノリシック集積光送信機。
16. 上位コヒーレント二重偏波または単一偏波の光変調信号を生成する、請求項１２に記載のモノリシック集積光送信機。
17. モノリシック集積レーザと、変調器と、単結晶基板上に位置し、監視および制御を支援する要素とを備え、前記単結晶基板は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、およびＳｉからなる群から選択される材料を含み、
    第１光出射ポートと第２光出射ポートと、第１、第２の変調器を含む変調器を含む、モノリシック集積レーザであって、
    当該モノリシック集積レーザは、更に、前記第１光出射ポートと前記第２光出射ポートのいずれか一つから出た光を、湾曲して他のポートに入れる光湾曲セクションを含み、
    前記第１光出射ポートのレーザ出力は、前記第２光出射ポートと均衡がとれており、
    前記第１光出射ポートと前記第２光出射ポートは、入力スプリッタを使用することなく、前記第１の変調器の、第１のアーム経路を介して前記第１の変調器と、前記第２の変調器の、第２のアーム経路を介して前記第２の変調器と、それぞれ直接結合し、
    前記変調器の前記二つのアーム経路は、それぞれ位相セクションとゲインセクションを有し、
    前記モノリシック集積レーザは、均衡のとれたパワー出力を有し、
    前記第１光出射ポートの出力の鏡は、π位相遷移により、前記第２光出射ポートの出力に対応して、オフセットされる、
    モノリシック集積光送信機。
18. 集積プラットフォームにおけるレーザ変調器と、監視および制御を支援する要素とのハイブリッド集積を備え、前記集積プラットフォームは、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＮ４、およびＳｉＯ２からなる群から選択される材料を含み、
    第１のアーム経路上の第１の変調器と、第２のアーム経路上の第２の変調器を含む前記レーザ変調器であって、前記第１のアーム経路と前記第２のアーム経路は、第１光出射ポートと第２光出射ポートを有する集積二重光出射ポートレーザと直接結合し、
    前記レーザ変調器の前記二つのアーム経路は、それぞれ位相セクションとゲインセクションを有し、
    前記レーザ変調器は、更に、前記第１光出射ポートと前記第２光出射ポートのいずれか一つから出た光を、湾曲して他のポートに入れる光湾曲セクションを含み、
    前記集積二重光出射ポートレーザは、均衡のとれたパワー出力を有し、
    前記第１光出射ポートの出力の鏡は、π位相遷移により、前記第２光出射ポートの出力に対応して、オフセットされる、
    光送信機。
19. 前記第１光出射ポートと前記第２光出射ポートの鏡が、反射した帯域幅の幅が当該鏡と同じになるように制御される、請求項１に記載のレーザ。
20. 前記π位相遷移が、位相調整素子によらず、あるいはＳ字曲げによらず、前記第２光出射ポートに対して、前記第１光出射ポートの波長の半分をシフトすることからなる、請求項１に記載のレーザ。
21. 前記変調器は、部分的にマッハツェンダ干渉（ＭＺＩ）変調器からなる、請求項１に記載のレーザ。