(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調機能を有する光送信機において、
第１の基板上に構成され、
前記第１の基板の基板面に平行な方向に光を出射するレーザ共振器と、
前記レーザ共振器からの発振光を伝搬する第１の光導波路と、
前記第１の光導波路からの伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第１の傾斜ミラーと
を含む第１の光素子と、
前記第１の基板とは異なる第２の基板上に構成され、
前記第２の基板の基板面に平行な方向に光を伝搬する第２の光導波路と、
前記第１の光素子の前記第１の傾斜ミラーから入射した光の進行方向を、前記第２の基板の前記第２の光導波路に沿った方向に変換する第２の傾斜ミラーと
を含む第２の光素子と
を備え、
前記第１の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記第１の光導波路、および、前記第２の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記第２の光導波路が、互いに直交する関係となるよう構成され、
前記第１の光素子から出射した光が、前記第２の光素子上の前記互いに垂直な関係となるよう構成された光導波路へ進行方向が変換されるとき、ＴＥモードおよびＴＭモードの間のモード変換がされることを特徴とする光送信機。
【請求項２】
前記第１の基板上に、複数のレーザ共振器、当該レーザ共振器の各々からの対応する発振光を伝搬する複数の光導波路、および、当該複数の光導波路の各々に対応する複数の傾斜ミラーが構成され、
前記第２の基板上に、複数の光導波路および当該複数の光導波路の各々に対応する複数の傾斜ミラーが構成されており、
前記第１の基板上の前記複数の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記複数の光導波路の内の一部の光導波路と、前記第２の基板上の前記複数の傾斜ミラーによって反射された光が伝搬する前記複数の光導波路の内の一部の光導波路とが、互いに直交する関係となるよう構成されたチャネルと、
前記第１の基板上の前記複数の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記複数の光導波路の内の他の一部の光導波路と、前記第２の基板上の前記複数の傾斜ミラーによって反射された光が伝搬する前記複数の光導波路の内の他の一部の光導波路とが、互いに平行な関係となるよう構成されたチャネルと
を有することを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
【請求項３】
前記第１の基板および前記第２の基板は、同一の半導体基板材料によって構成され、
前記第２の基板に構成された前記第２の光導波路上に、電界吸収型変調器が構成され、
前記電界吸収型変調器によって変調された光を、再び前記第１の基板へ戻す１つ以上の第３の傾斜ミラーを前記第２の基板上にさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
【請求項４】
前記第１の基板および前記第２の基板は、同一の半導体基板材料によって構成され、
前記第２の基板に構成された前記複数の光導波路上に、それぞれ、電界吸収型変調器が構成され、
前記電界吸収型変調器によって変調された光を、再び前記第１の基板へ戻す１つ以上の第３の傾斜ミラーを前記第２の基板上にさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の光送信機。
【請求項５】
変調機能を有する光送信機において、
第１の基板上に構成され、
前記第１の基板の基板面に平行な方向に光を出射するレーザ共振器と、
前記レーザ共振器の一方の端からの発振光を変調する第１の電界吸収型変調器と、
前記レーザ共振器の他方の端からの発振光を変調する第２の電界吸収型変調器と、
前記第１の電界吸収型変調器からの変調光を伝搬する第１の光導波路と、
前記第２の電界吸収型変調器からの変調光を伝搬する第２の光導波路と、
前記第１の光導波路の伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第１の傾斜ミラーと、
前記第２の光導波路の伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第２の傾斜ミラーと
を含む第１の光素子と、
前記第１の基板とは異なる第２の基板上に構成され、
前記第２の基板の基板面に平行な方向に光を伝搬する複数の光導波路と、
各々が、前記第１の光素子の前記第１の傾斜ミラーまたは前記第２の傾斜ミラーのいずれかから入射した光の進行方向を、前記第２の基板の前記複数の光導波路の内の対応する１つの光導波路に沿った方向に変換する複数の傾斜ミラーと
を含む第２の光素子と
を備え、
前記第１の傾斜ミラーに入射する前記変調光が伝搬する前記第１の光導波路、および、前記第２の基板の前記複数の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記複数の光導波路の一部の導波路が、互いに直交する関係となるよう構成され、
前記第２の傾斜ミラーに入射する前記変調光が伝搬する前記第２の光導波路、および、前記第２の基板の前記複数の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記複数の光導波路の他の一部の導波路が、互いに平行な関係となるよう構成され、
前記第１の光素子から出射した光が、前記第２の光素子上の前記互いに垂直な関係となるよう構成された光導波路へ進行方向が変換されるとき、ＴＥモードおよびＴＭモードの間のモード変換がされることを特徴とする光送信機。
【請求項６】
前記第１の基板上の傾斜ミラーおよび前記第２の基板上の傾斜ミラーが、各々の前記基板面に垂直な共通の軸上で光学的に結合するよう、前記第１の光素子および前記第２の光素子が構成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光送信機。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、２以上の基板上に作製されたレーザ素子および光導波路を含む光送信機に関する。より詳細には、少なくともレーザ共振器を含む第１の基板と、光導波路回路を少なくとも含む第２の基板を組み合わせて構成される光送信機に関する。
【０００２】
高精細な動画配信サービスや移動体通信の普及などにより、ネットワークを流れるトラフィック量は膨大なものとなっており、年々さらに増加を続けている。このようなトラフィック需要に応え得る高速・大容量光ネットワークの構築に向け、各ノードにおいて使用される高速動作が可能な基本デバイスの開発が精力的に行われている。ノードにおける光源として、広帯域なベースバンド信号を伝送可能な大容量の光送信機は、重要な基本デバイスの１つである。
大容量の光送信機を実現するにあたっては、複数の信号光を多重化する技術が不可欠なものの１つである。複数の信号光の多重化のため、信号光を出力する複数の半導体レーザ素子と、複数の信号光を低損失に合波可能な石英系平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Light wave Circuit）による合波素子とを組み合わせた光送信機が用いられる。この光送信機においては、２つの異なる種類の基板材料である半導体基板と石英系基板を組み合わせたハイブリッド実装技術が広く採用されている。
【０００３】
しかしながら、半導体基板上に作製される半導体レーザを伝搬する光のモードフィールド径は、石英系基板上のＰＬＣを伝搬する光のモードフィールド径と大きく異なる。これら異種材料の基板上に構成されたデバイス間で損失無く光結合させるためには、デバイス間で、レンズを用いてモードフィールド径を変換する必要がある。例えば、レンズ集積型の半導体レーザは、基板水平方向に共振器をもつ半導体レーザの出力光の出射方向を傾斜ミラーによって変換し、さらにＩｎＰによって基板表面に形成されたレンズを透過させて半導体基板から出力する。ＩｎＰレンズによって所望のスポットサイズに変換されたレーザ出力光を、別個の外部レンズを用いることなく、低損失で他の光素子に結合させることが可能となる。
【０００４】
一般的なレンズ集積型の半導体レーザでは、出力光を傾斜ミラーによって基板裏面側に反射させ、裏面に形成されたレンズにより所望のスポットサイズに変換して出力する。例えば非特許文献１のＦｉｇ．１には、フリップチップ実装で表面の電極とコンタクトを取ったレンズ集積型の半導体レーザが開示されている。これに対して、例えば非特許文献２では、レーザからの光出力を傾斜ミラーによって基板表（おもて）面に跳ね上げることで、基板表面から光出力を得る表面出射型半導体レーザ素子の構造も提案されている。
【０００５】
図１は、従来技術による表面出射型半導体レーザ素子の構造を示す図である。レーザ素子１００は、半導体基板の内部に構成されたＤＦＢ（Distributed FeedBack Laser）グレーティングを持つ活性領域１０１を持っており、基板の表面側にはＰ型電極、裏面側にはｎ型電極が構成されている。活性領域１０１の両端では、基板端面を加工して４５度ミラー１０５、１０４がさらに構成されている。レーザ出力光は、一方の４５度ミラー１０４を反射して、基板面に垂直に上方（表面側に）に出射される。尚、レーザ出力光の出射する基板面上には、図１には明示的に描かれてはいないが、反射防止膜１０６も形成される。
【０００６】
図２は、従来技術のレンズを集積化した表面出射型半導体レーザ素子の構造を示す図である。レーザ素子２００は、ＩｎＰ基板内に光導波路２０９が形成されており、活性層２０４、その上下のＳＣＨ層２０３ａ、２０３ｂ、光導波路上の回折格子２０５がレーザ共振器２０１を構成している。さらに、基板端面には傾斜ミラー２０７が、レーザ共振器２０１の上方には電極２０６がそれぞれ形成されている。ＩｎＰ基板の表面から光出力を得る図２の半導体レーザ素子では、ＩｎＰ基板表面にＩｎＰレンズ２０８を集積することで、出力光を所望のスポットサイズに変換することが可能になる。図２の構成では、傾斜ミラー２０７およびＩｎＰレンズ２０８の間の位置合わせ、その作製プロセスを、半導体基板表面で行うことができる。このため、一般的な利用されるステッパプロセスによって高い位置決め精度でレンズを集積することが可能である。尚、非特許文献１のように基板の裏面にレンズを構成するのではなく、図２のように半導体基板の表（おもて）面にレンズを集積する場合、チップの作製プロセス上、裏面を加工する特殊なプロセスを必要としないメリットがある。図２に示したようなレンズを集積化した表面出射型半導体レーザ素子に、光合波素子を組み合わせると、複数の信号光を多重化することのできる光送信機が構成できる。
【０００７】
図３は、表面出射型半導体レーザアレイとＰＬＣ合波素子とを組み合わせた光送信機の構成を示す概観図である。光送信機３００では、例えばＩｎＰ基板３０２上に構成された発振波長の異なる複数の半導体レーザ共振器３０３からの各出力光を、ＩｎＰ基板上に集積された複数のレンズ３０５によって、石英基板３０１上に構成されたＰＬＣに光結合する。光送信機３００は、複数のレーザ出力光をＰＬＣ上のレンズ／ミラー部３０６によって光結合し、さらにＡＷＧ３０８によって波長分割多重を行い、マルチチャネル光３０９を出力するよう動作する。
【０００８】
図４は、図３の光送信機において１つのチャネルの半導体レーザ光とＰＬＣとの光結合の様子をより詳細に示した図である。ＩｎＰ基板３０２内に構成されたレーザ共振器３０３からのレーザ出力光は、ＩｎＰ３０２基板内に作製された光導波路３０４によって基板端部へ伝搬される。光導波路３０４は、ＩｎＰレンズ３０５の直下に作製された傾斜ミラー３１０に接続しており、レーザ出力光の伝搬方向は傾斜ミラー３１０によって基板面に垂直な方向に変換される。レーザ出力光は、基板表面に設けられたＩｎＰレンズ３０５によって、さらに所望のスポットサイズの光またはコリメート光に変換される。ＩｎＰレンズ３０５からの出力光は、石英基板３０１で形成されたＰＬＣ素子の表面に達し、石英系基板３０１の表面に形成されたレンズ３１２を通してＰＬＣ光導波路３０７に適したスポットサイズに変換される。レンズ３１２を通過したレーザ出力光は、続いて石英系基板３０１上に作製された傾斜ミラー３１１によって伝搬方向を基板面に平行な基板水平方向に変換された後、ＰＬＣ光導波路３０７に結合される。
【０００９】
したがって、従来技術の代表的な光送信機は、異なる２つの基板第１の基板上に作製された基板水平方向のレーザ共振器と、レーザ共振器からの出力光の出射方向を変換する傾斜ミラーを備えた表面出射型レーザ素子と、第１の基板とは異なる第２の基板上に作製され、基板面に平行な水平方向に光を伝搬する導波路と、基板表面から入射した光の進行方向を変換する傾斜ミラーを備えた光素子とからなっていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】K. Adachi et al., “A 1.3-μm Lens-Integrated Horizontal-Cavity Surface-Emitting Laser with Direct and Highly Efficient Coupling to Optical Fibers,” Optical Fiber Communication Conf./National Fiber Optic Engineers Conf., San Diego, CA, Paper jThA31, Mar. 22-26, 2009
【非特許文献２】M. Mohrle, A. Sigmund, A. Dounia, and L.Morl,“1300-nm Horizontal-cavity surface-emitting BH-DFB lasers for uncooled operation,”IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 18, No. 8, 2006年4月
【非特許文献３】T. Ohyama, A. Ohki, K. Takahata, T. Ito, N. Nunoya, T. Fujisawa, S. Kanazawa, R. Iga, H. Sanjoh, “Compact 100Gb/s Ethernet Transmitter Optical Sub-Assembly Using Polarization Beam Combiner,”IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 25, No. 24, 2013年12月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
大容量の光送信機の実現のためには、異なる複数の情報を同時に搬送波である光波に多重化する技術がキーとなり、多重化の１つとして偏波多重方式がある。偏波多重方式だけには限られないが、精度良く光信号の多重化を行うためには、信号光の偏波状態の制御が不可欠な技術である。偏波多重方式では、直交する２つのモード、すなわち基板面に水平な方向に電界方向を持つＴＥモードと、基板面に垂直方向に電界方向を有するＴＭモードとを多重化することで、伝送容量を増やすことが可能となる。搬送波の光波にＴＭモードを用いるそのほかのメリットとして、電界吸収型の半導体光変調器を用いる場合に、高い消光特性が得られることも挙げられる。これは、電界吸収型の光変調器で一般的に用いられるＴＥモードに対して、ＴＭモードのほうが印加電圧に対して急峻な光吸収特性を示すためである。ＴＭモード光を用いることで光変調器における高い消光比が得られ、光変調器のさらなる小型化・高速化も可能となる。
【００１２】
しかしながら、一般的な半導体レーザは、基板よりも大きい格子定数を持つ結晶を利用し、圧縮歪を持つ量子井戸層を活性層として有している。このために、半導体レーザは、より利得の高いＴＥモードで発振する。ＴＭモード光を得るためには、半導体レーザからの出力光をＴＥモードからＴＭモードに変換する機構を光送信機内に備える必要がある。このモード変換のために、光送信機内に個別の光学部品からなるモード変換機構を備える必要があったため、結果として、偏波多重方式の光送信機が大型化し、構成が複雑化することが課題となっていた。例えば、非特許文献３に開示された偏波多重合波素子を用いた光送信機モジュールでは、Ｆｉｇ１に示したように、半導体チップ外部の複数のレンズやミラーなどの個別の光学部品によってＴＥモードからＴＭモードに変換する必要がある。これらの光学部品のために光送信機の構成が必然的に大型化し、組み立て工程も複雑となって、光送信機のコスト増加の要因となっていた。
【００１３】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであってその目的とするところは、個別の光学部品を利用しない簡単な構成によって、半導体レーザからのＴＥモードの出力光からＴＭモードの光を利用することができる光送信機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、変調機能を有する光送信機において、第１の基板上に構成され、前記第１の基板の基板面に平行な方向に光を出射するレーザ共振器と、前記レーザ共振器からの発振光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路からの伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第１の傾斜ミラーとを含む第１の光素子と、前記第１の基板とは異なる第２の基板上に構成され、前記第２の基板の基板面に平行な方向に光を伝搬する第２の光導波路と、前記第１の光素子の前記第１の傾斜ミラーから入射した光の進行方向を、前記第２の基板の前記第２の光導波路に沿った方向に変換する第２の傾斜ミラーとを含む第２の光素子とを備え、前記第１の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記第１の光導波路、および、前記第２の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記第２の光導波路が、互いに直交する関係となるよう構成され、前記第１の光素子から出射した光が、前記第２の光素子上の前記互いに垂直な関係となるよう構成された光導波路へ進行方向が変換されるとき、ＴＥモードおよびＴＭモードの間のモード変換がされることを特徴とする光送信機である。好ましくは、第１の基板は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの半導体基板であり、第２の基板は石英系基板とすることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１の光送信機であって、前記第１の基板上に、複数のレーザ共振器、当該レーザ共振器の各々からの対応する発振光を伝搬する複数の光導波路、および、当該複数の光導波路の各々に対応する複数の傾斜ミラーが構成され、前記第２の基板上に、複数の光導波路および当該複数の光導波路の各々に対応する複数の傾斜ミラーが構成されており、前記第１の基板上の前記複数の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記複数の光導波路の内の一部の光導波路と、前記第２の基板上の前記複数の傾斜ミラーによって反射された光が伝搬する前記複数の光導波路の内の一部の光導波路とが、互いに直交する関係となるよう構成されたチャネルと、前記第１の基板上の前記複数の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記複数の光導波路の内の他の一部の光導波路と、前記第２の基板上の前記複数の傾斜ミラーによって反射された光が伝搬する前記複数の光導波路の内の他の一部の光導波路とが、互いに平行な関係となるよう構成されたチャネルとを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１の光送信機であって、前記第１の基板および前記第２の基板は、同一の半導体基板材料によって構成され、前記第２の基板に構成された前記第２の光導波路上に、電界吸収型変調器が構成され、前記電界吸収型変調器によって変調された光を、再び前記第１の基板へ戻す１つ以上の第３の傾斜ミラーを前記第２の基板上にさらに備えたことを特徴とする。好ましくは、前記第１の基板および前記第２の基板は、同一の半導体基板材料はＩｎＰ基板とすることができる。また、請求項４に記載の発明は、請求項２の光送信機であって、前記第１の基板および前記第２の基板は、同一の半導体基板材料によって構成され、前記第２の基板に構成された前記複数の光導波路上に、それぞれ、電界吸収型変調器が構成され、前記電界吸収型変調器によって変調された光を、再び前記第１の基板へ戻す１つ以上の第３の傾斜ミラーを前記第２の基板上にさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、変調機能を有する光送信機において、第１の基板上に構成され、前記第１の基板の基板面に平行な方向に光を出射するレーザ共振器と、前記レーザ共振器の一方の端からの発振光を変調する第１の電界吸収型変調器と、前記レーザ共振器の他方の端からの発振光を変調する第２の電界吸収型変調器と、前記第１の電界吸収型変調器からの変調光を伝搬する第１の光導波路と、前記第２の電界吸収型変調器からの変調光を伝搬する第２の光導波路と、前記第１の光導波路の伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第１の傾斜ミラーと、前記第２の光導波路の伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第２の傾斜ミラーとを含む第１の光素子と、前記第１の基板とは異なる第２の基板上に構成され、前記第２の基板の基板面に平行な方向に光を伝搬する複数の光導波路と、各々が、前記第１の光素子の前記第１の傾斜ミラーまたは前記第２の傾斜ミラーのいずれかから入射した光の進行方向を、前記第２の基板の前記複数の光導波路の内の対応する１つの光導波路に沿った方向に変換する複数の傾斜ミラーとを含む第２の光素子とを備え、前記第１の傾斜ミラーに入射する前記変調光が伝搬する前記第１の光導波路、および、前記第２の基板の前記複数の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記複数の光導波路の一部の導波路が、互いに直交する関係となるよう構成され、前記第２の傾斜ミラーに入射する前記変調光が伝搬する前記第２の光導波路、および、前記第２の基板の前記複数の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記複数の光導波路の他の一部の導波路が、互いに平行な関係となるよう構成され、前記第１の光素子から出射した光が、前記第２の光素子上の前記互いに垂直な関係となるよう構成された光導波路へ進行方向が変換されるとき、ＴＥモードおよびＴＭモードの間のモード変換がされることを特徴とする光送信機である。この光送信機は実施例２の構成に対応し、好ましくは、第１の基板はＩｎＰ基板であってＥＡ変調器集積半導体レーザアレイ素子を構成し、前記レーザ共振器の両端から同数の発振光がＩｎＰ基板から、石英系基板からなる第２の基板のＰＬＣ合波素子へ供給される。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの光送信機であって、前記第１の基板上の傾斜ミラーおよび前記第２の基板上の傾斜ミラーが、各々の前記基板面に垂直な共通の軸上で光学的に結合するよう、前記第１の光素子および前記第２の光素子が構成されていることを特徴とする。  
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、第１の基板上に構成された半導体レーザからのＴＥモードの出力光を、ＴＥモードまたはＴＭモードの任意の偏波方向で、第２の基板上に構成された光導波路に結合させることができる。従来技術のように複数のレンズやミラーなどの個別の光学部品によってＴＥモードからＴＭモードに変換する複雑な機構を用いることなく、簡単な構成によって省サイズかつ低損失な光送信機を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、従来技術の表面出射型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【図２】図２は、従来技術のレンズを集積化した表面出射型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【図３】図３は、表面出射型半導体レーザアレイとＰＬＣ合波素子とを組み合わせた従来技術の光送信機の構成を示す概観図である。
【図４】図４は、図３の光送信機において１つのチャネルの半導体レーザ光とＰＬＣとの光結合の様子をより詳細に示した図である。
【図５】図５は、本発明の光送信機における２つの基板間の光結合の様子を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の実施例１の光送信機の光導波路に着目した構成を示す概念図である。
【図７】図７は、本発明の実施例２の電界吸収型変調レーザを用いた光送信機の構成を示す斜視図である。
【図８】図８は、実施例２の光送信機の２つの素子の基板面を見た上面図を示す。
【図９】図９は、実施例２の光送信機の半導体レーザ素子の断面を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例３のＥＡ変調レーザを用いた光送信機の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、ＥＡ変調器におけるＴＥモードとＴＭモードの間の消光特性の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の光送信機は、第１の基板上に作製された表面出射型レーザと、第１の基板とは異なる第２の基板上に作製された光回路とを、表面入出力型の光素子を用いて光結合し、基板間の簡単な配置構成に基づいて偏波状態を制御して、大容量の光送信機を実現する。すなわち、表面出射型レーザの共振器から傾斜ミラーへ光を導く第１の基板内に構成される光導波路と、表面入出力型の光素子の傾斜ミラーから光を取り出す第２の基板内に構成される光導波路とが、互いに直交する関係になるように配置することで、レーザからの光出力をＴＥモードからＴＭモードに変換する。従来技術の偏波多重方式の光送信機で必要とされていた、半導体レーザ出力光をＴＥモードからＴＭモードに変換するための個別の光学部品が不要となる。以下、図面を参照しながら、本発明の光送信機の構成および動作について説明する。
【００２３】
図５は、本発明の光送信機における２つの基板間の光結合の様子を説明する図である。第１の基板であるＩｎＰ基板５０２上に作製された表面出射型半導体レーザと、第１の基板とは異なる第２の基板である石英系基板５０１上に作製された表面入出力型光素子の合波素子との間で光結合する例を説明する。従来技術の場合と、本発明の場合とを比較しながら説明する。
【００２４】
図５の（ａ）では、従来技術の光送信機の場合の２つの基板の間の光結合の様子を示している。図の上側には、２枚の基板の配置関係が描かれている。ＩｎＰ基板５０２上に作製された半導体レーザ５０３からの出力光は、光導波路５０４を介して、ＩｎＰレンズ５０５の下部にある図示してない傾斜ミラーに導かれる。ＩｎＰレンズ５０５と、石英系基板上のレンズ５１２との間で光結合した出力光は、石英系基板５０１上の光導波路５０７によって伝搬光として取り出される。ここで、第１の基板上の光導波路５０４と、第２の基板上の光導波路５０７は、平行となっている。すなわち、ＩｎＰ基板５０２上の傾斜ミラーに入射する直前の光の進行方向と、石英系基板５０１上の傾斜ミラーを反射した直後の光の進行方向は平行となっている。
【００２５】
図５の（ａ）の下側には、石英系基板５０１の傾斜ミラーを通り光導波路５０７に平行な線（Ｙ軸）を含む光導波路断面を見た図を示す。このとき、半導体レーザ５０３からの出力光はＩｎＰ基板５０２の基板面に水平な方向（Ｘ軸方向）の電界ベクトルを持つＴＥモードで半導体の光導波路５０４を伝搬し、石英系基板５０１上の光導波路５０７においても同じ方向（Ｘ軸方向）の電界ベクトルを持つＴＥモードで結合される。
【００２６】
図５の（ｂ）は、本発明の光送信機の場合の２つの基板の間の光結合の様子を示している。図の上側には、２枚の基板の配置関係が描かれている。（ａ）の場合と同様に、第１の基板であるＩｎＰ基板５０２上に作製された半導体レーザ５０３からの出力光は、光導波路５０４を介して、ＩｎＰレンズ５０５の下部にある傾斜ミラーに導かれる。ＩｎＰレンズ５０５と、石英系レンズ５１２との間で光結合した出力光は、第２の基板である石英系基板５０１上の光導波路５０７を介して伝搬光として取り出される。本発明の光送信機では、第１の基板上の光導波路５０４と、第２の基板上の光導波路５０７は、互いに直交する関係となるように配置される。すなわち、半導体レーザ５０３からの出力光を半導体基板５０２上の傾斜ミラーに導く光導波路５０４（Ｙ軸方向）と、石英系基板５０１上の傾斜ミラーから伝搬光を取り出す光導波路５０７（Ｘ軸方向）とは、互いに直交する関係となるように配置される。
【００２７】
図５の（ｂ）の下側には、石英系基板５０１の傾斜ミラーを通り光導波路５０７に平行な線（Ｘ軸）を含む光導波路断面を見た図を示す。すなわち、ＩｎＰ基板５０２上の傾斜ミラーに入射する直前の光の進行方向（Ｙ軸方向）と、石英系基板５０１上の傾斜ミラーを反射した直後の光の進行方向（Ｚ軸方向）とは、互いに直交する関係にある。したがって、半導体レーザ５０３からのＴＥモードの出力光は、石英系基板５０１上の傾斜ミラーに入射した際に、ＴＥモードからＴＭモードに変換され反射されて、石英系素子の光導波路５０７に結合される。このように、第１の基板（ＩｎＰ基板）上に作製された表面出射型レーザと、第２の基板（石英系基板）上に作製された表面入出力型光素子の合波素子において、それぞれの傾斜ミラーおよび光導波路が直交する位置関係になるように配置設計を行うことで、簡単にＴＥモードからのＴＭモード変換が可能となる。
【００２８】
したがって本発明は、変調機能を有する光送信機において、第１の基板５０２上に構成され、前記第１の基板の基板面に平行な方向に光を出射するレーザ共振器５０３と、前記レーザ共振器からの発振光を伝搬する第１の光導波路５０４と、前記第１の光導波路からの伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第１の傾斜ミラーとを含む第１の光素子と、前記第１の基板とは異なる第２の基板５０１上に構成され、前記第２の基板の基板面に平行な方向に光を伝搬する第２の光導波路５０７と、前記第１の光素子の前記第１の傾斜ミラーから入射した光の進行方向を、前記第２の基板の前記第２の光導波路に沿った方向に変換する第２の傾斜ミラーとを含む第２の光素子とを備え、前記第１の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記第１の光導波路５０４、および、前記第２の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記第２の光導波路５０７が、互いに直交する関係となるよう構成されていることを特徴とする光送信機として実施できる。
【００２９】
以下、図面を参照しながら本発明のさらに具体的な実施例について詳細に説明する。以下の種々の実施例の説明において提示される具体的な数値例は、本発明を実施する上での例示的なものに過ぎず、本発明の範囲はこれらの具体的な数値例のものだけに限定されない。一般性を失うことなしに別の数値においても実施することもできるし、様々な変形例や組み合わせ例も可能であることは言うまでもない。最初に、直接変調レーザ型の光送信機の実施例によって、本発明で偏波多重変調方式の光送信機を実現する構成について説明する。
【００３０】
以下の説明では、１つの基板上に少なくとも光導波路が構成され、光導波路上の光信号の伝搬を含む何らかの光信号処理を実施できる光回路を、単に「素子」または「光素子」と呼ぶ。光素子は、半導体基板上にも構成できるし、石英系基板またはその他の材料の基板上に構成することもできる。
【実施例１】
【００３１】
図６は、本発明の実施例１の光送信機の光導波路に着目した構成を示す概念図である。光送信機６００は、第１の基板上に作製された半導体レーザ素子（第１の光素子）、および、第２の基板上に作製された石英系合波素子（第２の光素子）を含み、図６は、それぞれの光導波路の方向とレーザ共振器の配置関係がわかるように図示した。構成をより分かりやすくするため、図上でレーザ素子と石英系光素子（以下ＰＬＣ素子と言う）とが重ならないように図示しているが、実際には図面に垂直な方向の共通軸上で、石英系基板６０１上のレンズ６０６と半導体基板６０２上のレンズ６０５とが重なるように配置される。すなわち、図６上の２つの基板間の点線で結ばれたレンズ群が、図面に垂直な方向の同一軸上で重なる。
【００３２】
また、図６ではすべての光導波路やレンズが見えるものとして図示しているが、実際にはＩｎＰ基板６０２と石英系基板６０１のそれぞれの回路素子が作製される表（おもて）面同士が向い合わせになる。例えば、レンズ６０５、６０６が互いに向い合わせとなるように配置される。したがって、図６に示した石英系基板６０１上の各要素は、光回路が構成される表（おもて）面の反対側（裏側）から透視した状態で描かれている点に留意されたい。図６に示したように、２つの基板上の各レンズが基板面に垂直な共通の軸上で向かい合って配置され光結合する構成は、２枚レンズ系構成とも呼ばれる。
【００３３】
図６に戻ると、半導体レーザ６０３ａ、６０３ｂは、それぞれ４チャネル毎に１つのグループを構成し、２つのグループで、合計８チャネルの直接変調型半導体レーザからなる半導体レーザアレイである。それぞれの半導体レーザ素子は、ＩｎＰ基板６０２面に平行な水平方向に形成されたレーザ共振器と、共振器に連続して同方向に形成された光導波路６０４ａ、６０４ｂと、図示していない傾斜ミラーと、ＩｎＰ基板６０２の表（おもて）面の光軸上に形成されたＩｎＰレンズ６０５からなる。本実施例の半導体レーザ６０３ａ、６０３ｂは従来技術のものと変わりがないため、図２も参照しながら簡単にその構造について述べる。
【００３４】
素子作製にはｎ−ＩｎＰ基板２０２上に、下部ＳＣＨ（Separated Confinement Heterostructure）層２０３ａ、多重量子井戸層の活性層２０４、上部ＳＣＨ層２０３ｂを順次成長した初期基板を用いる。初めに、光導波路となる部分を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長によって光導波路部分を形成する。続いて、レーザ共振器部に１．３μｍ帯を発振波長として動作するように調節された回折格子２０５を形成する。その後、再成長によって回折格子２０５を埋め込み、ｐ−ＩｎＰクラッド層を形成する。クラッド層の厚さは一般的な半導体レーザで用いられる１．５μｍとした。次に、メサ構造をエッチングによって形成し、再び埋め込み再成長によってメサの両脇にＦｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層を形成した。したがって、本実施例の半導体レーザ素子は、共振器の垂直方向については、多重量子井戸層の活性層２０４と上下のＳＣＨ層２０３ａ、２０３ｂからなるコア層（層厚の合計２００ｎｍ）と、コア層を上下から挟み込むＩｎＰクラッド層からなる積層構造を持っている。水平方向については、メサ両脇にＩｎＰ層が形成された埋め込みヘテロ構造を持っている。また、共振器長を２００μｍ、ストライプ幅を１．５μｍとし、共振器内に形成した回折格子に起因するＤＦＢモードで動作する。
【００３５】
続いて、ステッパプロセスおよびエッチングによって光導波路の直上の半導体基板の表面上にＩｎＰレンズ２０８を形成する。このときＩｎＰレンズ２０８は、後述する対向する石英系基板上のレンズとコリメート光で繋ぐように設計した曲率を有する。次に、光導波路部分の終端にＩｎＰ基板表面となす角４５°を設計値としてエッチングを施して、傾斜ミラー２０７を形成する。この際のエッチングは、光導波路部分が完全に露出し、さらに光導波路を越えた下部を２μｍ程度露出する深さまで行った。最後にｎ側の電極、ｐ側の電極を形成した。
【００３６】
図６に示した２つのグループの半導体レーザ６０３ａ、６０３ｂは、ＬＤ１〜ＬＤ８からなり、それぞれのグループの対応する２つのＬＤが同じ波長で発振する。ＬＤ１〜ＬＤ８は共振器内部に形成された回折格子によって発振波長が制御され、ＬＤ１およびＬＤ５がλ１（１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ）で、ＬＤ２およびＬＤ６がλ２（１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ）で、ＬＤ３およびＬＤ７がλ３（１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ）で、ＬＤ４およびＬＤ８がλ４（１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍ）で、それぞれ動作するように調整されている。
【００３７】
図６に戻ると、石英系基板６０１上にもＬＤ１〜ＬＤ８の各チャネルの信号光に対して、石英系基板６０１の表（おもて）面に形成され、石英系基板上の光導波路６０７ａ、６０７ｂに最適なモードフィールドにコリメート光を集光するレンズ６０６が構成される。石英系基板６０１上には、さらに、信号光の進行方向を石英系基板６０１に平行な水平方向に変換する図示しない傾斜ミラーと、信号光を石英系基板６０１面に平行な水平方向に伝搬する上述の光導波路６０７ａ、６０７ｂとを備える。また、各光導波路は、前述のＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長λ１〜λ４の波長間隔で、各レーザ出力光を合波するＡＷＧ６０９ａ、６０９ｂに接続される。
【００３８】
レーザ共振器からの発振光の流れを再度追うと、以下のようになる。各半導体レーザにより変調された信号光（出力光）はレーザ共振器から出力し、レーザ共振器から連続して形成された光導波路６０４ａ、６０４ｂを伝搬し、さらに傾斜ミラーへ入射する。傾斜ミラーにおいて、レーザ出力光の伝搬方向は基板面に垂直な方向に変換され、ＩｎＰ基板６０２表面のレンズ６０５に達する。レーザからの出力光は、半導体レーザ素子のＩｎＰ基板６０２（第１の基板）から出射すると同時に、ＩｎＰレンズ６０５によってコリメート光に変換される。続いてＩｎＰ基板からの出射光は、石英系基板６０１（第２の基板）表面に形成されたレンズ６０６に到達し、レンズ６０６によってＰＬＣ光導波路に最適なスポットサイズに集光されながら石英系基板６０１上に形成された傾斜ミラーに達する。傾斜ミラーにより基板面に平行な水平方向に伝搬方向を変換された出力光はＰＬＣ光導波路６０７ａ、６０７ｂに結合される。
【００３９】
ここで、半導体レーザの第１のグループ６０３ａのＬＤ１、ＬＤ２、ＬＤ３、ＬＤ４は、ＴＥモードの光を供給する。２つの基板上の傾斜ミラーに接続される光導波路６０４ａ、光導波路６０７ａは、それぞれＩｎＰ基板６０２上の傾斜ミラーへ光導波路６０４ａを通じて光が入射する際の光の進行方向と、石英系基板６０１上の傾斜ミラーから光導波路６０７ａへ光が出射する際の光の進行方向が平行になるように配置されている。前述のように、半導体レーザの第１のグループ６０３ａからの光は、レーザ共振器からの出射光と同じくＴＥモード、すなわち基板面に対して平行な水平方向の電界方向を有した状態でＰＬＣ光導波路６０７ａへ結合される。
【００４０】
一方、半導体レーザの第２のグループ６０３ｂのＬＤ５、ＬＤ６、ＬＤ７、ＬＤ８は、ＴＭモードの光を供給する。２つの基板上の傾斜ミラーに接続される光導波路６０４ｂ、光導波路６０７ｂは、それぞれＩｎＰ基板６０２上の傾斜ミラーへ光導波路６０４ｂを通じて光が入射する際の光の進行方向と、石英系基板６０１上の傾斜ミラーから光導波路６０７ｂへ光が出射する際の光の進行方向が、相互に直交する関係となるように配置されている。前述のように、半導体レーザの第２のグループ６０３ｂからの光はレーザ共振器からの出射光とは異なりＴＭモード、すなわち基板面に対して垂直方向の電界方向を有した状態でＰＬＣ光導波路６０７ｂへ結合される。ＬＤ５〜ＬＤ８からの出力光が結合されるＰＬＣ光導波路６０７ｂは、それぞれ互いが交差しないように配置されている。また、本実施例では２つの基板表面にそれぞれレンズを形成しているが、後述する本発明特有の効果であるＴＥモードからＴＭモードへの変換に関してレンズは必須ではない。
【００４１】
続いて、ＴＥモードで結合されたＬＤ１〜ＬＤ４からの出力光、並びに、ＴＭモードで結合されたＬＤ５〜ＬＤ８からの出力光は、それぞれ合波素子であるＡＷＧ６０９ａおよびＡＷＧ６０９ｂによって合波され、それぞれＰＬＣ光導波路６１０ａおよびＰＬＣ光導波路６１０ｂに結合される。さらにＰＬＣ光導波路６１０ａおよびＰＬＣ光導波路６１０ｂから偏波ビームスプリッタ６１１に入射された出力光は、１つの光導波路６１２に結合され、石英系基板６０１の端面から出射される。
【００４２】
試作した本実施例の光送信機において半導体レーザ素子グループ６０４ａ、６０４ｂの各々とＰＬＣ素子との光結合損失を見積もったところ、ＬＤ１〜ＬＤ８の８素子の平均で３．０ｄＢとなった。この結果、外部レンズ等を用いることなく基板上にレンズの集積もしていない表面出射型半導体レーザ素子と比較して、各チャネルで約１０ｄＢの損失改善が得られた。また、各ＬＤを単体で動作させて、ＰＬＣ素子の偏波ビームスプリッタ６１１からの出力レベルを評価することで光送信機全体の挿入損失を評価した。すべてのチャネルにおいて、挿入損失が５ｄＢ以下という良好な特性を得た。さらに、ＬＤ１〜ＬＤ８の半導体レーザを直接変調することによる伝送実験を実施した。ここではＬＤ１〜ＬＤ８の各々を５０Ｇｂ／ｓのデータレートで直接変調動作させ、ＰＬＣ素子からの多重化された信号光を光送信機から出力させた。ここで光受信機回路として、ＡＷＧ６０９ａ、６０９ｂおよび偏波ビームスプリッタ６１１と同一構造をもつＰＬＣ素子を用いて、各ＬＤからの信号光を分光および検出することで伝送実験を実施した。各ＬＤは、データレート５０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号形式で、３１段の擬似ランダム信号（ＰＲＢＳ ２31−１）で直接変調され、変調振幅バイアス(Ｖｐ−ｐ) は３．５ Ｖである。その結果、すべてのチャネルにおいて良好なアイ開口を確認し、偏波多重ＷＤＭ光送信機の動作が実現された。
【００４３】
上述の実施例では、直接変調レーザにおいて偏波多重変調を実現する光送信機の例を示したが、次に電界吸収型（ＥＡ：Electro Absorption）変調レーザにおいて、偏波多重変調方式を実現する構成例を示す。
【実施例２】
【００４４】
図７は、本発明の実施例２の電界吸収型変調レーザを用いた光送信機の構成を示す図である。本実施例の光送信機７００は、ＥＡ変調器集積半導体レーザアレイ素子７０２およびＰＬＣ合波素子７０１からなり、図７では２つの光素子の空間的な配置がわかるよう立体的に示した斜視図で示している。
【００４５】
図８は、実施例２の光送信機７００の２つの光素子のより詳細なチップ内構成がわかるように基板面を垂直に見た上面図を示す。ＥＡ変調器集積半導体レーザアレイ素子（第１の光素子）７０２はＩｎＰ基板上に作製されており、ＰＬＣ合波素子７０１（第２の光素子）は、石英系基板上に作製されている。本実施例における２つの光素子上のＩｎＰレンズおよび傾斜ミラーは、前述の実施例１のものと同一構造であり、各チャネルからの光出力は、半導体レーザアレイ素子７０２上のレンズ７０５ａ、７０５ｂと、ＰＬＣ合波素子７０１上のレンズ７０６ａ、７０６ｂとの間を、それぞれコリメート光で結合する２枚レンズ系となっている。
【００４６】
図７を再び参照すると、ＩｎＰ基板上に作製された半導体レーザアレイ素子７０２上の４つの半導体レーザ素子７０３（ＬＤ１〜ＬＤ４）は、それぞれ共振器内の回折格子によって、λ１（１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ）で、λ２（１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ）で、λ３（１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ）で、λ４（１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍ）の各波長で動作するように設計された分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack Laser）レーザである。また４つの半導体レーザ素子７０３は、λ／４位相シフトを共振器中央に配置した回折格子を持っており、各共振器の前側および後側からは、それぞれ同一強度の発振光が得られる。
【００４７】
図９は、実施例２の光送信機における半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。図９は、４つの半導体レーザ素子７０３の内の１つの半導体レーザ素子７２０の断面を示している。レーザ共振器７２６の前後の両側（図９ではチップ断面の左右両端）には、レーザ共振器７２６から連続して光導波路７２１ａ、７２１ｂが構成され、レーザ共振器７２６からの光出力をそれぞれ伝搬する。光導波路７２１ａ、７２１ｂには、ＥＡ変調器７０４ａ、７０４ｂがさらに連続して構成されている。すなわち本実施例の光送信機における半導体レーザ素子７２０には２つのＥＡ変調器７０４ａ、７０４ｂが集積されており、光導波路７２１ａ、７２１ｂを伝搬してきたレーザ共振器７２６からの各出力光をそれぞれ別個に強度変調して、２つの異なる信号光（変調光）として出力する。
【００４８】
ここで図７および図８を再び参照すると、４つの半導体レーザ素子７０３の前側にはＥＡ変調器７０４ａ（チャネル１〜４）が集積され、４つの半導体レーザ素子７０３の後側にはＥＡ変調器７０４ｂ（チャネル５〜８）が集積されている。すなわち本実施例の光送信機は、１つの半導体レーザ素子の前側と後側からの出力光をそれぞれ別のＥＡ変調器によって変調することで、２チャネル分の別個の信号光を得ることできる構成となっている。したがって、４つの半導体レーザ素子７０３に対して８つのＥＡ変調器７０４ａ、７０４ｂが集積され、半導体レーザアレイ素子７０２からは８チャネル分の信号光（変調光）が出力される。ただし、同一の半導体レーザ素子に集積されている２つのＥＡ変調器は、当然にそれぞれ同一波長の信号光を出力する。一般的な構成の８チャネルのＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子に対して、本実施例の構成によれば半導体レーザ素子における消費電力を大幅に削減できる。
【００４９】
各ＥＡ変調器により変調された信号光は、再び導波路７２２ａ、７２２ｂを伝搬し、傾斜ミラー７２３ａ、７２３ｂへ入射する。傾斜ミラー７２３ａ、７２３ｂにおいて信号光は、その伝搬方向がＩｎＰ基板の基板面に対して垂直な方向に変換され、ＩｎＰ基板表面のレンズ７０５ａ、７０５ｂに達する。ＩｎＰ基板表面からの出力光は、基板表面から出射すると同時にＩｎＰレンズ７０５ａ、７０５ｂによってコリメート光に変換される。続いてＩｎＰレンズ７０５ａ、７０５ｂからの出射光は、ＰＬＣ合波素子７０１の石英系基板表面に対向して形成されたレンズ７０６ａ、７０６ｂに到達する。これらのレンズによって石英系基板上のＰＬＣ光導波路に最適なスポットサイズに集光されながら石英系基板上に形成された図示しない傾斜ミラーに達する。傾斜ミラーによって石英系基板の基板面に平行な水平方向に伝搬方向を変換されたレーザ素子出力光（変調光）は、ＰＬＣ光導波路７０７ａ、７０７ｂに結合される。
【００５０】
図８において本実施例の光送信機の２つの基板上の各光導波路は、次のように構成されている。すなわち、ＥＡ変調器７０４ａからのチャネル１〜４の信号光が光導波路７０５ａからＩｎＰ基板上の傾斜ミラー７０５ａへ入射する際の光の進行方向と、石英系基板上の傾斜ミラー７０６ａからＰＬＣ光導波路７０７ａへ出射する際の光の進行方向とが、平行になるように光導波路７０５ａ、７０７ａが配置されている。したがって、２つの基板間を２つのレンズを介して結合するときの信号光は、レーザ共振器からの出射光と同じくＴＥモード、すなわち石英系基板に対して水平方向の電界方向を有した状態でＰＬＣ光導波路へ結合される。
【００５１】
一方、ＥＡ変調器７０４ｂからのチャネル５〜８の信号光は、光導波路７０５ｂからＩｎＰ基板上の傾斜ミラーへ入射する際の光の進行方向と、石英系基板上の傾斜ミラーから光導波路７０７ｂへ出射する際の光の進行方向とが互いに直交するように光導波路７０５ｂ、７０７ｂが配置されている。したがって２つの基板間を２つのレンズを介して結合するときの信号光は、レーザ共振器からの出射光とは異なりＴＭモード、すなわち石英系基板に対して垂直方向の電界方向を有した状態でＰＬＣ光導波路へ結合される。それぞれのＥＡ変調器からの信号光が結合されるＰＬＣ合波素子７０１上のＰＬＣ光導波路は、それぞれ互いに交差しないように配置されている。
【００５２】
続いて、ＴＥモードで結合されたチャネル１〜４の信号光およびＴＭモードで結合されたチャネル５〜８の信号光は、それぞれ合波素子ＡＷＧ７０８ａ、７０８ｂによって合波され、それぞれＰＬＣ光導波路７０９ａおよびＰＬＣ光導波路７０９ｂに結合される。さらにＰＬＣ光導波路７０９ａおよびＰＬＣ光導波路７０９ｂから偏波ビームスプリッタ７１０に入射されたチャネル１〜８の信号光は１つの光導波路７１１に結合され、偏波多重化された信号光が石英系基板の端面から出射される。
【００５３】
したがって、本発明の光送信機は、変調機能を有する光送信機において、第１の基板上に構成され、前記第１の基板の基板面に平行な方向に光を出射するレーザ共振器と、前記レーザ共振器の一方の端からの発振光を変調する第１の電界吸収型変調器と、前記レーザ共振器の他方の端からの発振光を変調する第２の電界吸収型変調器と、前記第１の電界吸収型変調器からの変調光を伝搬する第１の光導波路と、前記第２の電界吸収型変調器からの変調光を伝搬する第２の光導波路と、前記第１の光導波路の伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第１の傾斜ミラーと、前記第２の光導波路の伝搬光の進行方向を、前記第１の基板の前記基板面に垂直な方向に変換する第２の傾斜ミラーとを含む第１の光素子と、前記第１の基板とは異なる第２の基板上に構成され、前記第２の基板の基板面に平行な方向に光を伝搬する複数の光導波路と、各々が、前記第１の光素子の前記第１の傾斜ミラーまたは前記第２の傾斜ミラーのいずれかから入射した光の進行方向を、前記第２の基板の前記複数の光導波路の内の対応する１つの光導波路に沿った方向に変換する複数の傾斜ミラーとを含む第２の光素子とを備え、前記第１の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記第１の光導波路、および、前記第２の基板の前記複数の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記複数の光導波路の一部の導波路が、互いに直交する関係となるよう構成され、前記第１の傾斜ミラーに入射する前記発振光が伝搬する前記第２の光導波路、および、前記第２の基板の前記複数の傾斜ミラーによって前記進行方向が変換された光が伝搬する前記複数の光導波路の他の一部の導波路が、互いに平行な関係となるよう構成されていることを特徴とする光送信機として実施できる。
【００５４】
試作した本実施例の光送信機において、まずは各チャネルについて、半導体レーザアレイ素子７０２およびＰＬＣ合波素子７０１の光結合損失を見積もった。その結果、ＴＥモードで結合するチャネル１〜４およびＴＭモードで結合するチャネル５〜８の間で、結合損失の明確な差異は確認されず、いずれの場合も平均で３．０ｄＢの結合損失が確認された。したがって、個別の光学部品である外部レンズ等を用いず基板上にレンズの集積もしていない表面出射型半導体レーザ素子と比較すると、平均で約１０ｄＢの損失改善が得られた。
【００５５】
また、各ＬＤへ動作電流７０ｍＡを注入し、８つのＥＡ変調器７０４ａ、７０４ｂを同時に駆動させる伝送実験を実施した。その結果、各チャネルにおいて、ＮＲＺの信号形式でデータレート４０Ｇｂ／ｓ、３１段の擬似ランダム信号（ＰＲＢＳ ２31−１）で変調された光信号を受信して、明瞭なアイ開口が確認された。本実施例の光送信機によって、従来技術のように複数のレンズやミラーなどの個別の光学部品によるＴＥモードからＴＭモードに変換するための複雑な機構を用いることなく、簡単な構成で、省サイズかつ低損失な偏波多重方式の光送信機が実現された。さらに本実施例では、８チャネル分の信号光を得るのに半導体レーザ素子が４つで済むため、８つの半導体レーザ素子を利用する一般的な構成の８チャネル光送信機と比べて、駆動電流を１５％減らすこともできた。
【００５６】
上述の２つの実施例では、光送信機を構成する２つの基板が異なる材料の基板を使用する場合を示した。しかしながら、本発明の特徴は光送信機が同種材料からなる２つの基板から構成される場合にも発揮され、２つの基板材料の同異に関係なく適用できる。次の実施例では、ＴＭモードで変調を行うことのできるＥＡ変調レーザ光送信機の例を示す。
【実施例３】
【００５７】
図１０は、本発明の実施例３の電界吸収型（ＥＡ）変調レーザを用いた光送信機の構成を示す図である。光送信機１０００は、第１のＩｎＰ基板上に作製された半導体レーザアレイ１００１（以下レーザアレイチップ）と、第２のＩｎＰ基板上に作製された電界吸収型光変調器アレイ１００２（以下、ＥＡ変調器アレイチップ）から構成される。各ＩｎＰ基板上に作製された光導波路、ＩｎＰレンズおよび傾斜ミラーの構成は前述の実施例１の場合と同一である。レーザアレイチップ１００１上と、ＥＡ変調器チップ１００２上には、それぞれ４チャネル分の図示しない傾斜ミラーとＩｎＰレンズ１００４、１０１５、１００７、１００８を備えている。光送信機１０００は、向かい合う傾斜ミラーおよびＩｎＰレンズの２組を介して、コリメート光で２つの基板間が光学的に接続される２枚レンズ系で構成されている。図１０では、各要素が見えやすいように、２つのアレイがずらして描かれているが、２つのアレイチップ１００１、１００２は、点線で結ばれた各レンズの組が基板面に垂直な共通軸上で重なるように配置される。
【００５８】
図１０の光送信機１０００において、第１のＩｎＰ基板上に作製された半導体レーザ１０１０（ＬＤ１〜ＬＤ４）は、それぞれ共振器内の回折格子によって、λ１（１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ）、λ２（１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ）、λ３（１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ）、λ４（１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍ）の各波長で動作するように設計されており、４チャネルのＤＦＢレーザアレイである。
【００５９】
レーザ共振器１０１０の各々から光導波路１００３が連続して形成されており、レーザ共振器からの出力光を伝搬する。さらに各光導波路１００３を伝搬された光は、図示していない傾斜ミラーに入射し、進行方向を垂直に変換して第１のＩｎＰ基板表面から出射し、同時にＩｎＰレンズ１００４によってコリメート光に変換される。続いて、第１のＩｎＰ基板から出射した各出力光は、ＥＡ変調器１００６が作製された第２のＩｎＰ基板表面に形成されたＩｎＰレンズ１００５に到達する。これらのＩｎＰレンズ１００５によって、再びＥＡ変調器アレイチップ１００２上の光導波路１０１１に最適なスポットサイズに集光されながら第２のＩｎＰ基板上に形成された図示しない傾斜ミラーに達する。傾斜ミラーにより基板面に平行な水平方向に伝搬方向を変換された出力光は、第２のＩｎＰ基板上の光導波路１０１１に結合される。各チャネルの光導波路１０１１はＥＡ変調器１００６に接続されており、各チャネルの光をＥＡ変調器１００６でそれぞれ変調して、４チャネル分の変調光を生成し、さらに光導波路１０１２を伝搬する。各チャネルの変調光は、光導波路１０１２から２つの基板上の図示しない傾斜ミラーとレンズ１００７、１００８を通して、再び元のレーザアレイチップ１００１上の光導波路１０１３に結合され、第１のＩｎＰ基板の端面から変調光１００９として出射する。
【００６０】
ここで、２つの基板間の光結合と、２つの基板上の光導波路の配置構成に着目する。各チャネルの光がレーザアレイチップ１００１からＥＡ変調器アレイチップ１００２へ結合される場合、２つの基板上の光導波路１００３、１０１１は、レーザアレイチップ１００１の傾斜ミラーへ入射する直前の光導波路１００３上の光の進行方向と、ＥＡ変調器アレイチップ１００２の傾斜ミラーで反射された直後の光導波路１０１１上の光の進行方向が、互いに直交する方向となるよう配置されている。また、各チャネルの光がＥＡ変調器アレイチップ１００２から再びレーザアレイチップ１００１へ結合される場合、２つの基板上の光導波路１０１２、１０１３は、ＥＡ変調器アレイチップ１００２の傾斜ミラーへ入射する直前の光導波路１０１２上の光の進行方向と、レーザアレイチップ１００１の傾斜ミラーで反射された直後の光導波路１０１３上の光の進行方向も、互いに直交する方向となるよう配置されている。
【００６１】
したがって、半導体レーザ１０１０から出力した各チャネルの光は、ＴＥモードでレーザアレイチップ１００１内を伝搬し、２つのレンズを介してＥＡ変調器アレイチップ１００２に結合されるときにＴＭモードに変換される。変換されたＴＭモード光がＥＡ変調器１００６によりそれぞれ変調され、再びレーザアレイチップ１００１に結合する際に再びＴＥモードに変換される。光送信機１０００の全体では、ＴＭモードで変調が可能なＥＡ変調器付きの光源として機能する。このように、本発明特有の２つの基板間における光導波路の配置構成によって、ＴＥモードからＴＭモードへの変換は、２つの基板がどちらもＩｎＰ基板であって同一種類の材料で構成される場合にも適用できる。２つの基板が石英系基板の場合であっても、同様に効果を発揮する。前述のように、ＥＡ変調器は、ＴＥモードよりもＴＭモードに対して高い吸収係数を有することが知られている。本実施例の光送信機では、次に述べるような効果を生じる。
【００６２】
図１１は、ＥＡ変調器におけるＴＥモードとＴＭモードの間の消光特性の比較を示す図である。図１１の縦軸に示された変調器の消光比は、一般にＴＥモードよりもＴＭモードの方が絶対値が大きい。したがって、本実施例のようにＴＭモードでＥＡ変調器を実現できれば、ＴＥモードで実現できる消光比を維持する条件で、ＴＭモードではＥＡ変調器の長さをより短くすることができる。電極の長さを短くできることで、結果的にＥＡ変調器の広帯域化が可能となる。本実施例ではＥＡ変調器１００６の長さを７５μmとしている。これは一般的な高速変調用のＥＡ変調器と比べて、約１／２の長さである。
【００６３】
図１０で示した本実施例の光送信機を用いて伝送実験を実施した。各チャネルの半導体レーザには電流８５ｍＡを注入している。各ＥＡ変調器において、データレートが５０Ｇｂ／ｓで信号形式がＮＲＺの、３１段の擬似ランダム信号（ＰＲＢＳ ２31−１）で変調された光信号１００９が、レーザアレイチップ１００１の出力側端面から出射される。各チャネルの変調信号のアイパターンを計測した結果、良好なアイ開口が得られた。また、各チャネルの動的消光比を評価したところ、平均で１０．０ｄＢの良好な特性を得た。さらに各チャネルの光出力レベルは、すべて概ね３．０ｄＢｍであることが確認された。本実施例の光送信機によれば、従来技術のように複数のレンズやミラーなどの個別の光学部品によるＴＥモードからＴＭモードに変換するための複雑な機構を用いずに、簡単な構成で、高い消光特性を得られるＴＭモードで動作するＥＡ変調器を備えた光送信機が実現される。
【００６４】
上述の実施例で、半導体レーザやＥＡ変調器を構成する基板としては、ＩｎＰの他に、ＧａＡｓ、ＧａＮなどが利用できる。また、光合波素子を構成する基板としては、石英系基板のほか、Ｓｉ基板、プラスチック基板などを利用できる。同一種類の基板を用いた光送信機の例としては、実施例３のＥＡ変調器による光送信機の外、マッハツェンダー変調器などがある。
【００６５】
上説明したように、本発明によればレーザ共振器を有する第１の基板上の光導波路および第２の基板上の光導波路が特定の配置関係となるように構成することで、半導体レーザからのＴＥモードの出力光をＴＥモードまたはＴＭモードの任意の偏波方向で第２の基板内の光導波路に結合させることができる。その結果、従来技術のように複数のレンズやミラーなどの個別の光学部品によるＴＥモードからＴＭモードに変換するための複雑な機構や、複雑な偏波回転素子などを用いることなく、簡単かつ省サイズかつ低損失な偏波多重方式を用いた光送信機を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光送信機に利用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１００、２００  レーザ素子
１０４、１０５、２０７  傾斜ミラー
２０１、３０３、５０３、６０３ａ、６０３ｂ、７０３  レーザ共振器
２０８、３０５、３０６、３０５、３１２、５０５、５１２、６０５、６０６、７０５ａ、７０５ｂ、７０６ａ、７０６ｂ、７２７ａ、７２７ｂ、１００４、１００７、１００８、１０１５  レンズ
３００、５００、６００、７００  光送信機
３０１、５０１  石英系基板
３０２、５０２  ＩｎＰ基板  
３０４、３０７、５０４、５０７、６０４ａ、６０４ｂ、６０７ａ、６０７ｂ、６１０ａ、６１０ｂ、６１２、７０７ａ、７０７ｂ、７０９ａ、７０９ｂ、１００３、１０１１、１０１２、１０１３  光導波路
６０９ａ、６０９ｂ、７０８ａ、７０８ｂ  ＡＷＧ  
７０４ａ、７０４ｂ、１００６  ＥＡ変調器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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