光変調器

本発明は、入力される光信号を変調して出力するための光変調器に関する。

近年のインターネットトラフィックの増大に応えるために、デジタルコヒーレント通信の導入が長距離の光通信において開始されており、長距離通信の大容量化が進行している。さらに、デジタルコヒーレント通信を中近距離の光通信に適用することが検討されている。特に中近距離の光通信に用いられる光送受信モジュールでは、使用可能な設置スペースの制約がある。中近距離の光通信に導入することが検討されているCFP2規格では、約80mm×40mmの大きさに光送受信モジュールの部品を収める必要がある。また、さらに小型のCFP4規格等も検討されている。従来長距離の光通信に用いられている約130mm×100mm〜約180mm×130mmの規格に対して、光送受信モジュールの大幅な小型化が必要となる。そのため、光送受信モジュールに用いられる部品である光変調器の小型化が強く求められている。

従来、デジタルコヒーレント通信用の光送受信モジュール内の光変調器としては、LN(ニオブ酸リチウム)光変調器が広く用いられてきている。しかしながら、LN光変調器は小型化が難しいため、より小型化が可能なInP(インジウムリンまたはリン化インジウム)等の半導体を用いる半導体光変調器を用いることが考案された。非特許文献1には、InPを用いる半導体光変調器の構成が記載されている。

特開2012−98472号公報

E. Yamada et al., ”112-Gb/s InP DP-QPSK Modulator Integrated with a Silica-PLC Polarization Multiplexing Circuit”, OFC/NFOEC Postdeadline Papers, 2012, PDP5A.9

杉山昌樹ら, ”小型ゼロチャープ10Gb/s LiNbO3変調器”, 信学技報, 2005, Vol. 104, No. 607, OPE2004-202, pp. 51-54

デジタルコヒーレント通信用の光送受信モジュールにおいて、単にLN光変調器の代わりに半導体光変調器を用いるだけでは、CFP2規格またはさらに小さい規格の大きさに収納するためには不十分な場合がある。光変調器をさらに小型化するために、光変調器に含まれる光導波路の配置を工夫することが考えられる。特許文献1に記載の技術においては、光変調器に含まれる光導波路をU字状に配置することによって、光変調器の小型化が図られている。また、非特許文献2に記載の技術においては、光変調器に含まれる光導波路をS字状に配置することによって、光変調器の小型化が図られている。

しかしながら、特許文献1および非特許文献2に記載の技術では、光変調器のチップ上における光導波路の配置は改善されるが、電気配線の配置については考慮されていない。LN光変調器の代わりに半導体光変調器を用いることによって、光導波路の小型化が可能となるが、変調を制御するための電気配線の大きさは変わらない。そのため、相対的に電気配線がチップの大きな面積を占めることになり、光変調器の小型化のためには電気配線の大きさは無視できないものとなる。電気配線は、特性インピーダンスを50Ωに保ったまま配置される必要があるため、電気配線の構造や幅には制約がある。また、電気配線において信号線の隣にはグランド線が配置されるのが一般的であり、クロストーク低減のためにグランド線はある程度の太さを有している必要がある。したがって、光変調器全体の小型化のためには、光導波路に加えて電気配線についても考慮する必要がある。

本発明は、上述の問題に鑑みて行われたものであって、光導波路および電気配線を併せて従来よりも小型化が可能な光変調器を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、光変調器であって、基板と、前記基板上に設けられ、前記光を導波する光導波路と、前記光導波路の一部によって構成され、前記光を変調する変調部と、前記基板上に設けられ、前記変調部に高周波電気信号を供給する電気配線と、を備え、前記光導波路の一方の端部と他方の端部とが前記基板の第1の端面上に設けられ、前記電気配線の一方の端部が前記第1の端面に沿って設けられ、前記電気配線の他方の端部が前記基板の前記第1の端面とは異なる第2の端面に沿って設けられることを特徴とする。

本発明に係る光変調器によれば、基板の第1の端面に光導波路の両方の端部が設けられるとともに、該第1の端面に電気配線の一方の端部が設けられ、該第1の端面とは異なる第2の端面に電気配線の他方の端部が設けられている。そのため、入力側の電気配線と終端側の電気配線とが基板上の異なる領域に配置されるため、電気配線の太さや間隔を確保しつつ光変調器の小型化が可能となる。

本発明の一実施形態に係る光変調器の上面図である。

本発明の一実施形態に係るマッハツェンダ干渉計の上面図および断面図である。

本発明の一実施形態に係る光変調器の入力電極および終端電極を含む領域を拡大した上面図である。

本発明の一実施形態に係る光変調器の上面図である。

本発明の一実施形態に係る半導体光増幅器の断面図である。

本発明の一実施形態に係る光変調器の上面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

(第1の実施形態) 図1は本実施形態に係る光変調器100の上面図である。光変調器100は矩形の基板190を備え、光変調器100の外部に設けられたレーザ発振部からシード光L1を受信し、変調後の信号光L2a、L2bを出力する機能を有する。基板190は、第1の端面190aと、第1の端面190aに対向する第2の端面190bと、第1の端面190aおよび第2の端面190bを結ぶ第3の端面190cおよび第4の端面190dとにより囲まれる平面状の構造を有する。本実施形態では、基板190としてInPを含む基板を用いる。基板190として、内部または表面に光導波路を形成可能な任意の基板を用いてもよい。

基板190上には、光導波路120が設けられる。光導波路120は、基板190の表面に沿って延在するように、基板190の内部または表面に形成される。光導波路120の一方の端部は、基板190の第1の端面190a上において、シード光L1を入力するためのポートである光入力部110を形成している。光導波路120の他方の端部は、基板190の第1の端面190a上において、変調後の信号光L2aおよびL2bを出力するためのポートである信号光出力部140を形成している。

変調部130は、光導波路120が複数の光カプラによって分岐および合流されることで形成される4つのマッハツェンダ干渉計131(MZI)を備える。各MZI131の構成については後述する。変調部130の入力側(すなわち、光入力部110側)の光導波路120は、2段の光カプラによって4つに分岐され、4つのMZI131の入力側に接続される。4つのMZI131のうち、2つのMZI131の出力側には不図示の90度位相シフタが接続される。そして、90度位相シフタが接続されているMZI131と、90度位相シフタが接続されていないMZI131とがペアとして光カプラに接続され、1本の光導波路120に合流される。これにより合計2本の光導波路120が形成され、それぞれ異なる信号光出力部140に接続される。このような構成により、変調部130によって所望の変調が行われた信号光は、信号光出力部140から出力される。また、MZI131と信号光出力部140との間には追加の光カプラまたは光スプリッタが設けられており、信号光の一部が該光カプラまたは光スプリッタにより分岐され、動作監視用のモニタ光として第1の端面190a上のモニタ光出力部140aから出力される。

基板190上には、変調部130(MZI131)に高周波電気信号を供給するための電気配線が設けられており、該電気配線は高周波電気信号の入力側の入力電気配線170bと、高周波電気信号の終端側の終端電気配線180bとから構成される。なお、ここでいう高周波とは、例えば周波数が1GHz以上である。入力電気配線170bの端部は、第2の端面190bの近傍において、第2の端面190bに沿って設けられる入力電極170aを形成している。終端電気配線180bの端部は、第1の端面190aの近傍であって、光入力部110と信号光出力部140との間において、第1の端面190aに沿って設けられる終端電極180aを形成している。換言すると、変調部130に高周波電気信号を供給するための電気配線の終端側の端部は、光導波路120の両端が設けられている第1の端面190aに沿って設けられているとともに、該電気配線の入力側の端部は、第1の端面190aとは異なる第2の端面190bに沿って設けられる。なお、視認性のために図1には入力電気配線170bおよび終端電気配線180bの一部のみが示されているが、実際には変調部130に含まれるそれぞれのMZI131は電気配線170b、180bを介して電極170a、180aに接続されている。入力電極170a、入力電気配線170b、終端電極180aおよび終端電気配線180bは、金、銅、アルミ等の任意の導体を用いて形成される。

図1に示すように、光変調器100に含まれる光導波路120の両端は第1の端面190a上に設けられており、光導波路120は変調部130を介してU字形状になるように配置されている。換言すると、光導波路120は、光入力部110から第1の端面190aに垂直な方向に沿って延在する第1の部分と、信号光出力部140から第1の端面190aに垂直な方向に沿って延在する第2の部分と、第1の部分と第2の部分との間で第1の端面190aに平行な方向に沿って延在する第3の部分とを有する。変調部130は、U字形状の湾曲部、すなわち第1の端面190aに平行な方向に沿って延在する第3の部分に設けられる。

光変調器において精度良く変調を行うためには、特に入力側の電気配線におけるノイズの低減が必要となるが、従来の光変調器では電気配線の配置については考慮されていなかった。それに対して、本実施形態では変調部130がU字形状の湾曲部に設けられるため、入力電極170aが設けられている第2の端面190bの近くに変調部130を配置して入力電気配線170bの長さを短くすることができるため、電気信号へのノイズの混入を低減することが可能である。また、電気配線が短いことにより、高周波の損失が小さい効果もある。また、終端電極180aおよび終端電気配線180bがU字形状の光導波路120の両端の間に設けられるため、基板190上で何も配置されない無駄なスペースを低減することができる。さらに、入力電極170aと終端電極180aとが基板190の異なる端面190a、190bに設けられるため、入力電気配線170bと終端電気配線180bとを基板190上の異なる領域に配置することが可能である。これによって、入力電極170a間、入力電気配線170b間、終端電極180a間、および終端電気配線180b間の間隔を確保し、隣接する電極間および電気配線間の干渉により生じるノイズを低減することができる。

図2(a)は、本実施形態に係るMZI131の上面図である。MZI131は、入力側カプラ132と出力側カプラ133とを備える。入力側カプラ132と出力側カプラ133との間には、光導波路120が分岐されることにより2本のアーム導波路134が形成される。MZI131に用いられる各カプラとしては任意の構成を用いてよく、例えば方向性結合器、Y分岐等を用いることができる。

各アーム導波路134には高周波電力を印加するための高周波電極135が設けられ、隣り合うアーム導波路134の間には接地するためのグランド電極136が設けられる。高周波電極135は、入力電極170aおよび入力電気配線170bを介して高周波電源に接続されるとともに、終端電極180aおよび終端電気配線180bを介して終端基板に接続される。

さらに、各MZI131の入力側には、該MZI131の干渉特性を調整するように定電圧を印加するための直流電極137が設けられている。直流電極137は不図示の電気配線を介して直流電源に接続される。

図2(b)は、図2(a)の線B−Bから見たMZI131の断面図である。MZI131は、InP基板131a上に、n−InPからなる下部クラッド層131bと、AlGaInAs/AlInAsからなる多重量子井戸構造(MQW)を有する活性層131cと、p−InPからなる上部クラッド層131dと、p−InGaAsからなるコンタクト層131eとが順次積層した構造を有している。上部クラッド層131dから下部クラッド層131bの一部に至るまでは、活性層131cを貫通するようにメサ形状を形成したハイメサ構造を構成している。ハイメサ構造の両側は絶縁性樹脂131fおよび不図示のSiNxからなる保護膜で覆われている。なお、活性層131cが導波路構造におけるコア層となっており、活性層131cの幅は長さ方向にわたってほぼ一定である。また、コンタクト層131e上には高周波電極135が形成されており、活性層131cの側方における下部クラッド層131b上にグランド電極136が形成されている。

高周波電極135に高周波電力を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)によって、多重量子井戸構造を有する活性層131cの屈折率が変化する。そうすると、2本のアーム導波路134の活性層131cを通過する光の位相差が変化し、MZI131の出力側カプラ133における干渉が変化する。このような構成において、高周波電極135への高周波電力の印加を制御することによって、MZI131からの光の出力の有無を切り替え、光の変調を行うことができる。

図2(a)、(b)に示すMZI131の構成は一例であり、MZI131としては電圧印加により光信号を変調可能な任意の構成を用いてよい。

本実施形態では、図1に示すように、4つのMZI131の入力側の位置は揃っているが、2つのMZI131と残り2つのMZI131とで長さは異なっている。図2(a)に示すように、直流電極137はMZI131の入力側に設けられるため、長さの等しい複数のMZI131を並列に配置すると、高周波電極135およびグランド電極136からの入力電気配線170bを配置するために直流電極137が邪魔になる場合がある。それに対して、本実施形態では複数のMZI131の入力側の位置を揃えると同時に長さを異ならせているため、MZI131の入力側に配置される直流電極137と高周波電極135およびグランド電極136との間の領域を広げ、入力電気配線170bの配置を容易にしている。

さらに、本実施形態では、図1に示すように、全ての入力電気配線170bは、長さが等しくなるように配置されている。入力電気配線170bの長さが等しいことは、配線長が厳密に一致することだけでなく、入力電気配線170bの配線長の差を最大で1mmとすることを含む。このような構成によって、各MZI131の高周波電極135に印加される高周波電力のタイミングを合わせることができ、変調の精度を向上させることができる。

図3は、光変調器100の入力電極170aおよび終端電極180aを含む領域を拡大した上面図である。光変調器100において精度良く変調を行うためには、特に入力電気配線170b同士の間隔を広くして干渉を低減することが望ましい。従来では入力電気配線170bと終端電気配線180bとを同じ領域に配置していたため配置の制約が強く、入力電気配線170b同士の間隔を広げて干渉を防ぐためには、基板190全体を大きくする必要があった。それに対して、本実施形態では、U字形状の光導波路120の両端部の間に終端電極180aおよび終端電気配線180bを配置し、U字形状の光導波路120の湾曲部側に入力電極170aを配置している。このような構成により、U字形状の光導波路120の湾曲部側には光導波路120の入出力部および終端電極180a、終端電気配線180bが配置されないため、基板190全体を大きくしなくとも入力電極170aおよび入力電気配線170bの配置領域を大きく確保することができる。そのため、入力電極170aの間隔を終端電極180aの間隔よりも大きくし、入力電気配線170bの間隔を広げることができる。具体的には、図3に示すように、入力電極170aおよび終端電極180aは、隣接する入力電極170aの中心間の距離S1が、隣接する終端電極180aの中心間の距離S2よりも大きいように配置されている。なお、隣接する入力電極170aの大きさ、および隣接する終端電極の大きさが異なっているのは、信号用の電極とグランド用の電極とを交互に配置しているためである。

本実施形態に係る光変調器100において、信号光L2a、L2bに加えて局所発振光L3(LO光)をさらに出力するように構成し、また基板190上に半導体光増幅器(SOA)をさらに設けることができる。図4はLO光を出力可能であり、SOAを備える光変調器100’の上面図である。図4には、基板190の[011]方向および[01−1]方向が矢印で示されている。光変調器100’について、以下に説明する部分以外の構成および機能は光変調器100と共通である。

光変調器100’において、基板190の第1の端面190a上に、変調後の信号光L2aおよびL2bを出力するためのポートである信号光出力部140に加えて、LO光L3を出力するためのポートであるLO光出力部150は設けられている。光入力部110から延びる光導波路120は分岐部120aによって2つに分岐され、一方は変調部130を介して信号光出力部140に接続され、他方はLO光出力部150に接続される。本実施形態では分岐部120aとして多モード干渉(MMI)カプラを用いているが、方向性結合器やY分岐等を用いてもよい。

基板190上において、分岐部120aと変調部130の入力側との間、および分岐部120aとLO光出力部150との間には、それぞれ入力された光を増幅して出力するSOA160が設けられている。このように信号光の経路とLO光の経路とに別々にSOA160に設けることによって、変調部130に入力する光に対する増幅とLO光に対する増幅を独立して制御できるという効果がある。また、変調部130の直前、およびLO光出力部150の直前でそれぞれ光の増幅をすることができるため、増幅後であって変調部130への入力前またはLO光出力部150からの出力前における光の減衰を抑えることができ、SOA160に注入する電流量を減らすことができる。

図5は、図4の線A−Aから見たSOA160の断面図である。SOA160は、InP基板160a上に、n−InPからなる下部クラッド層160bと、InGaAsPからなる多重量子井戸−分離閉じ込めヘテロ構造(MQW−SCH)を有する活性層160cと、p−InPからなる上部クラッド層160fと、p−InGaAsからなるコンタクト層160gとが順次積層した構造を有している。下部クラッド層160bの一部からコンタクト層160gまではメサ構造を構成しており、メサ構造の活性層160cの両側はp−InPからなる下部電流阻止層160dとn−InPからなる上部電流阻止層160eとからなる電流阻止層によって埋め込まれており、埋め込みメサ型導波路構造となっている。なお、活性層160cが導波路構造におけるコア層となっており、活性層160cの幅は長さ方向にわたってほぼ一定である。また、コンタクト層160g上にはp側電極160hが形成されており、活性層160cの側方における下部クラッド層160b上にn側電極160iが形成されている。

n側電極160iとp側電極160hとの間に電流を流し、SOA160を励起状態とした上で、SOA160の一方端から光が入力されると、SOA160は光を導波しながら増幅し、増幅された光はSOA160の他方端から出力される。

図5に示すSOA160の構成は一例であり、SOA160としては電力印加により光信号を増幅可能な任意の構成を用いてよい。

SOA160および変調部130とは、SOA160を構成する光導波路が延在する方向(メサ方向)と変調部130のMZI131を構成する光導波路が延在する方向(メサ方向)とが直交するように配置される。より具体的には、SOA160の活性層160cが延在する方向は、活性層160cの側方へ下部電流阻止層160dおよび上部電流阻止層160eの埋め込みが容易となる方向である、基板190の[011]方向に平行な方向とする。一方、変調部130のMZI131が延在する方向は、MZI131の屈折率変化を強めて変調効率を向上させる方向である、基板190の[01−1]方向に平行な方向とする。なお、基板190の[011]方向は[01−1]方向に垂直である。このように配置することによって、SOA160の生産性および変調部130の特性を同時に向上させることができる。本実施形態では、光導波路120がU字形状に配置されているため、このようなSOA160および変調部130の配置を特に容易に実現することが可能となっている。

光変調器100’では、変調部130とSOA160とがモノシリックに集積されている、すなわち同一の基板190上に設けられている。従来ではSOA160はレーザ光源3と共に設けられることが多かった。その場合には、レーザ光源3の波長調整のためにヒータ、クーラ等の温度調整手段が設けられるが、SOA160の温度は別途制御される必要があり、レーザ光源3のための温度調整手段とは別にSOA160のための温度調整手段を設けることが必要であった。それに対して、本実施形態では変調部130とSOA160とがモノシリックに集積されているため、SOA160を発熱源から遠ざけることができ、SOA160のための温度調整手段に必要な消費電力、コストおよび配置面積を削減することができる。

(第2の実施形態) 第1の実施形態ではレーザ光源は光変調器とは別に設けられているが、本実施形態ではレーザ光源を光変調器と同じ基板上にモノシリックに集積する。

図6は本実施形態に係る光変調器200の上面図である。本実施形態は、光入力部110の代わりにレーザ発振部210が設けられている点で第1の実施形態と異なる。その他の部分については、図1に示す光変調器100の構成と共通である。レーザ発振部210は基板190上に設けられており、光カプラ210aを介して光導波路120に接続される。レーザ発振部210としては、分布帰還型(DFB)レーザアレイ等の任意のレーザ発振部を用いてよい。レーザ発振部210の近傍には、レーザ発振部210の温度を調整するための温度調整部を設けることが望ましい。光カプラ210aとしては、MMIカプラ、アレイ導波路回折格子(AWG)カプラ、スターカプラ等の任意の光カプラを用いてよい。レーザ発振部210はシード光L1を出力し、シード光L1は第1の実施形態と同様に分岐部120aによって分岐され、所定の増幅、変調を受ける。

このような構成によれば、光変調器を備える光送信機および光送受信モジュールをより小型化することが可能になる。また、レーザ発振部210と変調部130との距離が近いため、シード光L1の減衰が小さくなり、レーザの強度および増幅率を抑えることができる。

発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

100、100’ 光変調器 110 光入力部 120 光導波路 120a 分岐部 130 変調部 131 マッハツェンダ干渉計(MZI) 140 信号光出力部 150 LO光出力部 160 半導体光増幅器(SOA) 170a 入力電極 170b 入力電気配線 180a 終端電極 180b 終端電気配線 190 基板 190a、190b、190c、190d 端面 210 レーザ発振部