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発明の名称 半導体光分散補償器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−216467
公開日 平成6年(1994)8月5日
出願番号 特願平5−6419
出願日 平成5年(1993)1月19日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 井戸 立身 / 佐野 博久
要約 目的
分散補償波長、分散補償強度を調整できる光分散補償器を提供し、これを光伝送システムに適応することにより伝送システムの長距離化、大容量化をはかる。

構成
回折格子を打刻した半導体基板1上に、異なる半導体を積層し、エッチングすることにより作製した回折格子付き半導体光導波路に光信号を入射し、反射もしくは透過させることによって分散補償を行う。該光導波路に取り付けた電極5,6によって光導波路に電界印加やキャリア注入を行うことができ、これによって分散補償波長や分散補償強度を調整できる。
特許請求の範囲
【請求項1】回折格子を打刻した半導体基板上に屈折率の異なる半導体を2種類以上積層し、該半導体層の一部又は全層を所定幅にエッチングすることにより作製した回折格子付き半導体光導波路に、光信号を入射して、反射、もしくは透過させることを特徴とする光分散補償器。
【請求項2】請求項1記載の光分散補償器において、回折格子の打刻周期もしくは光導波路の構造を光導波方向に変化させたことを特徴とする光分散補償器。
【請求項3】請求項1または2記載の光分散補償器において、光導波路の入出力端面に光の透過率を制御するコーティングを施したことを特徴とする光分散補償器。
【請求項4】請求項1ないし3のいずれかに記載の光分散補償器において、光導波路を構成するいずれかまたは複数の半導体層に多重量子井戸構造を使用したことを特徴とする光分散補償器。
【請求項5】請求項1ないし4のいずれかに記載の光分散補償器において、該半導体光導波路に取付けた電極によって、光導波路に電界印加もしくはキャリア注入を行うことにより分散機能を調整することを特徴とする光分散補償器。
【請求項6】請求項1ないし5のいずれかに記載の光分散補償器において、該光導波路近傍に取り付けた抵抗加熱体によって光導波路の温度を変化させたり、該光分散補償器を取り付けた温度調整器によって該分散補償器全体の温度を変化させることにより分散補償機能を調整することを特徴とする光分散補償器。
【請求項7】請求項5または6記載の光分散補償器のうちで特に、光導波路方向に不均一な電界、キャリア密度、温度を与えることにより分散補償機能を調整することを特徴とする光分散補償器。
【請求項8】請求項1ないし7のいずれかに記載の光分散補償器を送信器、受信器、中継器のいずれかもしくは複数箇所に使用したことを特徴とする光伝送システム。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光伝送システムに適用することにより、その伝送距離や伝送容量を飛躍的に増大できる半導体光分散補償器に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバは屈折率分散を持つために、波長広がりを持つ光信号パルスを伝送すると光信号が劣化する。ファイバの分散による光信号の劣化は、光伝送システムの伝送距離や伝送容量を制限する大きな要因である。半導体レーザの単一モード化、動的波長シフト低減化、及び、動的波長シフトの小さい外部変調方式の採用等により光源自身の持つ波長広がりを抑圧することができても、光波を高速強度変調する際に発生する側波帯に伴う光信号の波長の広がり(Δλ0)はいかなる変調方式を採っても低減できない。Δλ0は光信号のビットレートに比例するので10Gbit/secを上回る次世代超高速光伝送システムにおいては、この不可避な波長広がりによって伝送距離が大きく制限されることになる。
【0003】光ファイバの有する分散と逆の分散を持つ光学系即ち光分散補償器を光伝送路に挿入し光ファイバの有する分散を打消してやれば、ファイバの分散のため劣化した光信号波形は完全に修復でき、上記の制限を超える長距離超高速光伝送が可能となる。回折格子付き光導波路を用いて分散補償器を実現する方法としては、特開昭55−161201号公報、特開昭56−1001号公報、特開昭57−40207号公報、特開昭57−66403号公報等に記載の方法が挙げられる。しかし、これらの方法は半導体レーザが多モード発振しているために生じる非常に大きな波形劣化を抑圧することを目的としたものであるので、分散補償は各モード波長に対して離散的に行われるのみであり、光パルスを構成する波長幅に渡って連続的な分散補償を行うことができない。連続的な分散補償を可能とする方法として、特開昭57−129036号公報記載のものが挙げられる。この方法は、周期間隔が漸減する回折格子、すなわち、チャープトグレーティングを用いることによって原理的に分散補償が可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した特開昭57−129036号公報記載の分散補償器においては、回折格子の打刻幅や光導波路の構造等により分散補償可能な波長領域、分散補償強度等が一義的に決定され、それらの調整機能をなんら有していない。実際の光伝送システムにおいて使用される半導体レーザーの発振波長は、素子依存性や、温度変化、経時変化等のために数nmの広範囲に渡ってばらつく。これは、光信号パルスの波長広がり、すなわち分散補償を必要とする波長幅に比べて10倍以上大きい。もし、数nmにも及ぶ分散補償を行うとすると、補償器長は10倍以上大きなものになり、作製に困難を伴うと共に分散補償器における損失が増大する。また、必要な分散補償の大きさは、光ファイバ長やファイバ分散のばらつきに大きく依存する。これらの理由により、分散補償器が伝送システムに実際適応されるためには、その分散補償波長や分散補償の大きさが作製後もある程度調整できることが必要不可欠である。
【0005】本発明の目的は、分散補償波長や、分散補償強度が電気的、熱的に調整できる光分散補償器を提供することにあり、また、本発明のその他の目的は、その光分散補償器を光伝送システムに適応することにより、光伝送システムの長距離化、大容量化をはかることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、(1)回折格子を打刻した半導体基板上に屈折率の異なる半導体を2種類以上積層し、該半導体層の一部又は全層を所定幅にエッチングすることにより作製した回折格子付き半導体光導波路に、光信号を入射して、反射、もしくは透過させることを特徴とする光分散補償器、(2)上記1記載の光分散補償器において、回折格子の打刻周期もしくは光導波路の構造を光導波方向に変化させたことを特徴とする光分散補償器、(3)上記1または2記載の光分散補償器において、光導波路の入出力端面に光の透過率を制御するコーティングを施したことを特徴とする光分散補償器、(4)上記1ないし3いずれかに記載の光分散補償器において、光導波路を構成するいずれかまたは複数の半導体層に多重量子井戸構造を使用したことを特徴とする光分散補償器、(5)上記1ないし4いずれかに記載の光分散補償器において、該半導体光導波路に取付けた電極によって、光導波路に電界印加もしくはキャリア注入を行うことにより分散機能を調整することを特徴とする光分散補償器、(6)請求項1ないし5いずれかに記載の光分散補償器において、該光導波路近傍に取り付けた抵抗加熱体によって光導波路の温度を変化させたり、該光分散補償器を取り付けた温度調整器により該分散補償器全体の温度を変化させることにより分散補償機能を調整することを特徴とする光分散補償器、(7)上記5または6記載の光分散補償器のうちで特に、光導波路方向に不均一な電界、キャリア密度、温度を与えることにより分散補償機能を調整することを特徴とする光分散補償器によって達成される。また上記その他の目的は、(8)上記1ないし7いずれかに記載の光分散補償器を送信器、受信器、中継器のいずれかもしくは複数箇所に使用したことを特徴とする光伝送システムによって達成される。
【0007】
【作用】以下、図面を用いて本発明による半導体光分散補償器の動作原理について説明する。
【0008】図1に本発明による反射型分散補償器の一例についての光導波路方向断面図を記す。半導体コア層2の屈折率は半導体基板1や半導体クラッド層3の屈折率より大きく選ぶことで光導波路が形成されている。また、基板とコア層のヘテロ接合面に凹凸を設けることにより回折格子4が作られている。該回折格子は、その打刻周期(w)が距離(x)に対して変化したチャープトグレーティングであり、xにおける回折格子のブラッグ散乱波長(λB)は、光導波路の等価屈折率(n)を用いて【0009】
【数1】
λB(x)=2・n・w(x) …(数1)
で与えられる。光信号は該分散補償器に反射防止膜7を通じて入射され、形成された光導波路をチャープトグレーティング4と相互作用しながら進む。各位置において光信号の内でブラック散乱波長を満たす波長成分が選択反射され、再度反射防止膜7を通じて本素子より取り出される。ブラッグ反射される位置が波長によって異なるために波長間で光路差、すなわち遅延差が生じる。その遅延差を光ファイバによる遅延差を打ち消す様に与えることで分散補償が可能となる。
【0010】例えば、−20psec/nm/kmの波長分散を有する光ファイバーを用いて、中心波長1550.0nm、波長広がり0.2nmの光信号を100km伝送する場合を考える。伝送後1550.1nmの光成分は1549.9nmの光成分に対して400psecの分散遅延を生じることになる。400psecの遅延は、該光導波路(n=3.5とする)中では34.3mmの長さに相当する。従って、素子長を17.2mm以上とし、距離x(mm)においてブラッグ反射波長が【0011】
【数2】
λB(x)=1550.1−x・0.01170(nm) …(数2)
を満たすようにすれば、すべての波長に対する遅延時間は補償される。これは、(1)式より、【0012】
【数3】
w(x)=221.44−x・0.00167 (nm) …(数3)
を満たすように、チャープトグレーティング4を形成すれば原理的に分散補償ができる。しかし、実際の伝送システムにおける光信号の中心波長のばらつきや、導波路の有効屈折率nの制御性を考えると、(3)式を満たすチャープトグレーティングを形成し補償器を作製しても、分散補償が生じる波長が光信号波長と一致せず、光信号に有効な分散補償はなされない。そこで、該光分散補償素子では電極5、6により半導体コア層に電界を印加することによってnを増加させたり、キャリアを注入したりすることによりnを減少させることができるようになっている。これにより、該分散補償素子では分散補償が生じる波長を数nmの範囲で調整し、光信号波長に一致させることができる。また、nは大きな温度依存性を持つので、抵抗加熱体9によって光導波路の温度を変えることによっても分散補償波長を調整できる。反射防止膜7は該分散補償器の挿入損失を減らすために、また、高反射膜8は補償波長が信号波長からずれた場合も出力光が消失しないためにそれぞれ施してある。
【0013】図2に本発明による反射型分散補償器のその他の一例についての導波路方向断面図を記す。該分散補償器は、半導体コア層の厚さがx方向に変化していること、及び、グレーティング9の打刻間隔がxに依らず一定である点を除いては図1と同じである。一般に光導波路の有効屈折率(n)は光導波路の構造に大きく依存するので、一様なグレーティングを用いても光導波路の構造を導波路方向に変化させればブラッグ散乱波長(λB)が光導波路方向に変化した実効的なチャープトグレーティング付き光導波路を実現できる。図2に示す光導波路においては、コア層3が薄いところではnが小さくなるためにλBが小さくなり、厚いところではnは大きくλBが大きくなることを用いて、図1におけるチャープトグレーティング4と等価な回折格子付き光導波路を実現している。これによって、図1と同様の原理によって分散補償ができる。また、半導体コア層3に電界を加えたりキャリアを注入することにより生じる有効屈折率の変化Δnは、コア層厚の変化のためにx依存性をもつ。これは、電界印加やキャリア注入によりブラッグ波長のx微分(dλB/dx)が変えられること、即ち、分散補償量を電気的に変化できることを意味する。これと、抵抗加熱体9による光導波路の温度制御を併せれば、分散補償波長と分散補償強度の両方を電気的に制御できる。
【0014】図3に本発明による反射型分散補償器のその他の一例における導波路方向断面図を記す。該分散補償器は、電極12が分割化されていること、回折格子9の打刻間隔がxに依らず一定であること、及び、半導体コア層に変わって多重量子井戸層15と上ガイド層14と下ガイド層16を使用した点を除いては図1と同じである。該分散補償器は分割された多電極12に各々電流電圧を与えることにより各分割領域における有効屈折率をそれぞれ独立に制御して、実効的に様々なチャープトグレーティングを電気的に実現できるので分散補償の自由度が大きい。例えば、他電極に加える電圧を距離xに比例する形で与えれば、図1と同様にブラッグ散乱波長がxに比例して変化するチャープトグレーティングを実効的に実現でき分散補償が可能となる。この時、他電極に加える電圧の平均値で分散補償波長を、xに対する傾きで分散補償強度を調整することができる。また、該分散補償器では多重量子井戸層14を用いているために電界印加時にバルクに比べて大きな有効屈折率変化が得られるので、それだけ分散補償波長や分散補償強度の調整範囲が大きい。
【0015】図4に本発明による透過型分散補償器の一例における軸方向断面図を示す。該分散補償器においては、チャープトグレーティング16は中央のλ/4位相シフトに対して、対称に作られていること、及び、透過型のため両端面に反射防止膜が形成されている点以外は図1同じである。本素子に入射される光信号は、対称なチャープトグレーティングのブラッグ反射によって形成される一種の光共振器を介して反対の端面から取りだされる。チャープトグレーティング使用しているために、各波長にたいして実効的な共振器長が変化し、これによって分散補償が可能となる。また本素子においても、図1ないし3の方法により分散補償波長、分散補償強度の電気的調整が可能である。
【0016】
【実施例】次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【0017】(実施例1)図5(a)は本実施例1における反射型光分散補償器の平面図、図1は図5のA−A’断面図、図5(b)は図5(a)のB−B’断面図である。機械打線により回折格子ホトマスクを作製し、ホトマスクの密着露光とウエットエッチングにより打刻間隔が(3)式を満たすチャープトグレーティング4をn−InP基板1に作製した。次にMOCVD法を用いて、厚さ0.2〜0.5μmのノンドープInGaAsP(バンドギャップ波長 1.3μm)光コア層2、及び、厚さ2〜3μmのp−InPクラッド層3を成長した。エッチングにより幅1〜3μm程度のストライプを形成後、SiO2保護膜16、p電極5、白金抵抗加熱体9、n電極6を形成する。最後に、基板を5×20mmに壁開し入射端面にはSiNx反射防止膜7を、もう一方の面にはa−Si/SiO2高反射膜8を施した。
【0018】図6は実験に用いた伝送装置を示す。DFBレーザー19(発振波長1.550μm)、光変調器20、及び、光増幅器211からなる光源18に20Gbit/secのNRZ擬似ランダム信号を与えて光信号を発生させる。この光信号を全長100kmの1.3μm零分散ファイバ22を伝送させた後、光増幅器213および受光素子27からなる受信機24で受信し、受信波形をサンプリングオシロスコープに依り観測した。この時、ファイバの途中に増幅器212を有する光中継器23を挿入し伝送損失を補った。分散補償器を使用しないで光増幅器213と受光素子27を直結した状態では受信波形は波形劣化が著しく、良好な受光波形が得られなかった。しかし、図1に示す反射型分散補償器26を光サーキュレータ25を用いて、光増幅器213と受光素子27の間に挿入し、補償器の電極5、6に与える電圧電流を調整したところ、十分なアイ開口を持つ良好な受信波形が得られた。ただし、この際、分散補償器の光導波路ではTEモード光だけが存在するように、補償器の入射光の偏光を調整した。つぎに、送信器のDFBレーザー19の発振波長を±3nmの範囲内で変化させたが、電極5、6に与える電流電圧を再度調整することにより、いずれの波長においても良好な受信波形が得られた。電極5、6に与える電圧電流を調整する代わりに、白金抵抗加熱体9に流す電流を調整したり、補償器全体の温度を調整することによっても良好な受信波形が得られた。また、光サーキュレータ25と分散補償器26を送信機の光変調器20の直後にいれても、光中継器の光増幅器212の直後にいれても、いずれの場合にも同様の調整を行うことにより良好な受信波形が得られた。
【0019】(実施例2)本実施例2における反射型分散補償器の導波路方向断面を図2に示す。一様グレーティング11(打刻間隔221.4nm)は、He−Cdレーザーを用いた干渉露光法とウエットエッチングにより作製した。また、非平行なSiO2ストライプを用いたMOCVD領域選択成長により、導波路方向におよそ20%厚さが変化しているInGaAsP光コア層2を成長させた。その他の構造は、実施例1と同様であり、同様のプロセスにより分散補償器を作製した。
【0020】作製した分散補償素子を実施例1と同様の伝送装置(図6)により評価した。半導体レーザー発振波長1.550μmに対してファイバ全長100kmの伝送を行い、電極5、6に与える電流、電圧、及び、白金抵抗加熱体9に流す電流を調整したところ十分なアイ開口を持つ良好な受信波形が得られた。つぎに、ファイバの全長を50km、150kmと変えて同様の調整をしたところいずれの場合も良好な受信波形が得られた。また、光変調器20の直後に、もう一対の光サーキュレータと分散補償器を挿入し、2つの補償器にたいして同様の調整を行っても良好な受信波形が得られた。
【0021】(実施例3)本実施例における反射型分散補償器の導波路方向断面を図3に示す。実施例2と同一の一様グレーテイング11を形成したn−InP基板上に、厚さ0.1〜0.2μmのn−InGaAsP(バンドギャップ波長1.15μm)下ガイド層16、井戸層をInGaAsバリア層をInPとする多重量子井戸層15(バンドギャップ波長1.45μm、量子井戸数10)、厚さ0.1〜0.2μmのp−InGaAsP上ガイド層14、厚さ2〜3μmのp−InPクラッド層3をMOCVD法により成長した。クラッド層の一部はエッチングを行い、その後、FeドープInP13で埋め込んだ。その後ドライエッチングによって光導波路を形成し、SiO2保護膜を形成したの後、多電極12をつけた。その後は、実施例1同様なプロセスにより作製した。
【0022】作製した分散補償素子をを実施例1と同様の伝送装置(図6)により評価した。波長1.550μmの波長に対してファイバ全長100kmの伝送を行い、多電極12に与える電流電圧をそれぞれ調整したところ十分なアイ開口を持つ良好な受光波形が得られた。また、ファイバーの全長を50km、100kmと変えたり、レーザ発振波長を±3nmの範囲で変えても、再度、同様な調整を行うことにより良好な受信波形が得られた。
【0023】(実施例4)本実施例における透過型分散補償器の導波路方向断面図を図4に示す。機械打線により回折格子ホトマスクを作製し、密着露光とウエットエッチングにより、打刻間隔(w)が【0024】
【数4】
w(x)=221.43+|x|・0.00092(nm)…(数4)
を満たすλ/4シフト付きチャープトグレーティング17をn−InP基板1の表面に作製した。また、透過型とするために両端面に反射防止膜を施した。その他の構造は、実施例1と同様であり、同様のプロセスにより透過型分散補償器を作製した。
【0025】作製素子を実施例1と同様の伝送装置により評価した。ただし、本補償器は透過型であるため、光サーキュレータは使用せず光路に直接挿入した。波長1.550μmの波長に対してファイバ全長100kmの伝送を行い、多電極11に与える電流電圧及び抵抗加熱体9に流す電流を調整したところ十分なアイ開口を持つ良好な受信波形が得られた。また、送信波長を±3nmの範囲で変えても、同様な調整を行うことにより良好な受信波形が得られた。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、分散補償波長と分散補償強度を電気的に調整できる光分散補償器を実現することができる。また、本発明による分散補償器を、光伝送システムに適応することにより、その伝送距離や伝送容量を飛躍的に増大できる。




 

 


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