(57)【要約】【課題】小型かつ簡素な、光導波路を導波する光の位相を変調する光位相変調器を提供する。【解決手段】光位相変調器であって、直線光導波路と該当光導波路に隣接した電界吸収型光強度変調器からなる方向性結合器型の導波路構造に関して、電界吸収型光強度変調器が光を透過するように電界吸収型光強度変調器に電圧を印加した際の方向性結合器からの光出力の位相と、逆に電界吸収型光強度変調器が光を吸収するように電界吸収型光強度変調器に電圧を印加した際の方向性結合器からの光出力の位相との差がπであることを特徴とする。【選択図】図５
2014191087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力導波路Ｉと、
前記入力導波路Ｉに接続された直線導波路ＷＧと、
前記直線導波路ＷＧに接続された出力導波路Ｏと、
前記入力導波路Ｉと前記直線導波路ＷＧと前記出力導波路Ｏとの上部に設置された、  外部から電気信号を印加できる電極と、
前記入力導波路Ｉと前記直線導波路ＷＧと前記出力導波路Ｏと平行して設置された、伝搬する光を外部からの電気信号に従って透過・吸収を制御できる光強度変調器Ｍと
を有する方向性結合器型光位相変調器であって、
前記光強度変調器Ｍに電気信号を印加せず前記光強度変調器Ｍが光を吸収しない状態にした際に、前記入力導波路Ｉへ入力された光が前記直線導波路ＷＧから前記光強度変調器Ｍへ移行し、再び前記直線導波路ＷＧへ光が戻り、前記出力導波路Ｏへ光が出力された際の光の位相と、
前記光強度変調器Ｍに電気信号を印加して前記光強度変調器Ｍが光を吸収する状態にした際に、前記入力導波路Ｉへ入力された光が前記直線導波路ＷＧから前記光強度変調器Ｍへ移行せず、前記直線導波路ＷＧを直進し、前記出力導波路Ｏから光が出力された際の光の位相とがπ異なることを特徴とする方向性結合器型光位相変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の方向性結合器型光位相変調器において、
方向性結合器の結合長の２倍の長さが、前記直線導波路ＷＧと前記光強度変調器Ｍの間隔が定まった時に、前記直線導波路ＷＧへ入射された光が前記光強度変調器Ｍへ移行し、再び前記直線導波路ＷＧへ戻ってくる長さに等しいことを特徴とする方向性結合器型光位相変調器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方向性結合器型光位相変調器において、
基板と、
前記基板上に下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上にコア層と、
前記コア層上に前記光強度変調器Ｍの上部クラッド層と、
前記コア層上に、前記光強度変調器Ｍの前記上部クラッド層と平行して設置された前記直線導波路ＷＧの上部クラッド層と
を有することを特徴とする方向性結合器型光位相変調器。
【請求項４】
請求項１または２に記載の方向性結合器型光位相変調器において、
基板と、
前記基板上に下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に下部コア層と、
前記下部コア層上にクラッド層と、
前記クラッド層上に上部コア層と、
前記上部コア層上に上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に第１の電極と、
前記下部コア層上に第２の電極と
を有することを特徴とする方向性結合器型光位相変調器。
【請求項５】
請求項１または２に記載の方向性結合器型光位相変調器を同一材料の基板上に２つ以上集積したことを特徴とする集積型光位相変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光デバイスに関し、より詳しくは光の位相を変調する光位相変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信の伝送速度の更なる高速化の要求に対して、従来の光強度のオン・オフによる光強度変調だけでなく光の位相に情報を乗せる位相変調が導入されてきている。例えば四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）と言われる変調方式では、一つの光パルスにπ／４、３π／４、５π／４、７π／４といった様に異なる四つの位相を付与して、これに対して００、０１、１０、１１のビット列を対応させる。従って一つの光パルスで２ビットの光信号を送る事、すなわち多値化ができるので光パルス生成の速度を上げることなく、伝送速度を２ 倍に高速化する事が可能である。
【０００３】
ここでは例として典型的な位相変調であるＱＰＳＫを得るための光回路について述べるが、その前にＱＰＳＫ変調器を構成するための基本的な要素である、マッハツェンダー干渉計型変調器（ＭＺＭ）による二位相偏移変調（ＢＰＳＫ）の変調器について述べる。図１にＢＰＳＫ変調器の構造の模式図を示す。ＭＺＭによるＢＰＳＫ変調の原理について簡単に説明すると、ＭＺＭとは図１に示す通り光を３ｄＢカプラＣ１−１により２分岐した後に、独立した二つの導波路に光を導波させ、その後再び３ｄＢカプラＣ１−２によって合波する構成となっている。独立した二つの導波路には電極Ｍ１−１とＭ１−２が設けられており、これらの電極に外部電圧源からの電圧信号を印加する事で導波路の屈折率を変化させ、Ｍ１−１、Ｍ１−２を透過する光の位相を制御する。Ｍ１−１とＭ１−２による光の位相変化を反映して出力光の位相が変化してＢＰＳＫ変調器として機能する。ここで重要な事はＭ１−１とＭ１−２に対して、透過する光の位相変化の絶対値が等しく、向きが逆になるように電圧を印加する事である。
【０００４】
これを複素平面上にて模式的に表現すると図２の様になる。図２（ａ）は電極Ｍ１−１とＭ１−２、いずれにも電圧を印加していない場合、（ｂ）はＭ１−１、Ｍ１−２を透過する光の位相がそれぞれπ／４と−π／４変化するように電極Ｍ１−１とＭ１−２に電圧を印加した場合、（ｃ）はＭ１−１、Ｍ１−２を透過する光の位相がそれぞれπと−π変化するように電極Ｍ１−１とＭ１−２に電圧を印加した場合である。すなわち二つの導波路を導波する光の電界を表わすベクトルが逆方向に回転する事で、この二つのベクトルの合成ベクトルの位相は、二つの導波路の電極へ印加する電圧に対してデジタル的に０からπへと変化する。従ってこの印加電圧に対する位相のデジタル的な変化により、電圧を印加する電気回路へ厳密な電界印加量を要求することなく光の位相変調を実現する事ができる。
【０００５】
このＢＰＳＫ変調器を二つ集積する事でＱＰＳＫ変調器を得る事ができる。図３に示すように３ｄＢカプラＣ３−５によって２分岐させた光に対してそれぞれ図１に示したＢＰＳＫ変調器を二つ接続し、その後再び３ｄＢカプラＣ３−６により合波させる構成となる。二つのＢＰＳＫ回路、ＢＰＳＫ３−１またはＢＰＳＫ３−２のいずれか一つに対してはその前段、または後段に位相をπ／２変化させる位相付与部Ｐ３−１が直列接続されている。図３ではＢＰＳＫ３−２の後段に位相付与部Ｐ３−１が直列接続されている。従って、二つのＢＰＳＫ変調器の内、位相付与部のないＢＰＳＫ３−１については０とπの位相変化が出力されて、一方で位相付与部が直列接続されたＢＰＳＫ３−２からの位相変化はπ／２と３π／２となる。
【０００６】
図４に、図３に示したＱＰＳＫ回路の特性を複素平面上にて示す。ＱＰＳＫ回路からの光出力の電界の位相は二つのＢＰＳＫ変調器からの出力の合成となるので、光出力の電界の位相はそれぞれπ／４（図４（ａ））、３π／４（図４（ｂ））、５π／４（図４（ｃ））、７π／４（図４（ｄ））となる事が分かる。以上がＱＰＳＫ変調器の原理となる。
【０００７】
ＱＰＳＫ変調器以外にも図１に示したＢＰＳＫ変調器の数と組み合わせ方を変化させる事で直角位相振幅変調（ＱＡＭ）などの更に高度な光変調が実現される。
【０００８】
以上に述べてきた通り、図１に示したＭＺＭによるＢＰＳＫ光位相変調器は高度な位相変調を構成するための重要な構成要素である。しかしながら、ＭＺＭによるＢＰＳＫ位相変調器はレーザーダイオードへの直接変調や、電界吸収型光強度変調器（ＥＡＭ）などの光強度変調が数百μｍの長さである事を考えると、２つの３ｄＢカプラが必要な事や、一般に光の位相を変化させるための電極が１ｍｍ以上と長い事など、光強度変調器と比較するとサイズが大きいという問題がある。また高周波信号が印加される電極の数に関しても、図１に示したように基本的には二つの電極が必要である。これは図４にて示したようにＭＺＭによるＢＰＳＫ変調器を集積する事でＱＰＳＫ変調器など高度な位相変調器を構成すると変調器全体の電極数が飛躍的に増加して、変調器の高周波設計の自由度を奪うことになる。半導体ではなく、ニオブ酸リチウムによるＭＺＭについては材料の結晶方向と電極構造の工夫により一つの電極のＢＰＳＫ変調器を実現できるが、一般にニオブ酸リチウムによるＭＺＭは素子サイズがｃｍオーダーと半導体のＭＺＭと比較しても大きく、送信モジュールの小型化が難しいといった問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Wataru Kobayashi, Masakazu Arai, Takayuki Yamanaka, Naoki Fujiwara, Takeshi  Fujisawa, Takashi Tadokoro, Ken Tsuzuki, Yasuhiro Kondo, and Fumiyoshi Kano,“Design and Fabrication of 10-/40-Gb/s, Uncooled Electroabsorption Modulator  Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure”, J. Ligtw. Technol., vol.28, p.164, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこの問題を解決するために提案されるものである。すなわちニオブ酸リチウムのような強誘電体材料と比較して小型な素子が実現できる半導体において、従来の半導体ＭＺＭのような２電極構造を用いずに位相変調の基本となるＢＰＳＫ光位相変調器を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題の克服のために、ＭＺＭではなく方向性結合器の導波路構造をＢＰＳＫ変調器として用いる。更にこの方向性結合器の一部は光の減衰係数を制御可能な光強度変調器により構成される。
【００１２】
すなわち請求項１記載のように入力導波路Ｉと、入力導波路Ｉに接続された直線導波路ＷＧと、直線導波路ＷＧに接続された出力導波路Ｏと、入力導波路Ｉと直線導波路ＷＧと出力導波路Ｏとの上部に設置された、外部から電気信号を印加できる電極と、入力導波路Ｉと直線導波路ＷＧと出力導波路Ｏと平行して設置された、伝搬する光を外部からの電気信号に従って透過・吸収を制御できる光強度変調器Ｍとを有する方向性結合器型光位相変調器であって、光強度変調器Ｍに電気信号を印加せず光強度変調器Ｍが光を吸収しない状態にした際に、入力導波路Ｉへ入力された光が直線導波路ＷＧから光強度変調器Ｍへ移行し、再び直線導波路ＷＧへ光が戻り、出力導波路Ｏへ光が出力された際の光の位相と、光強度変調器Ｍに電気信号を印加して光強度変調器Ｍが光を吸収する状態にした際に、入力導波路Ｉへ入力された光が直線導波路ＷＧから光強度変調器Ｍへ移行せず、直線導波路ＷＧを直進し、出力導波路Ｏから光が出力された際の光の位相とがπ異なることを特徴とする方向性結合器型光位相変調器である。
【００１３】
また、請求項２記載のように、請求項１記載の方向性結合器型光位相変調器に関して、方向性結合器の結合長の２倍の長さが、直線導波路ＷＧと光強度変調器Ｍの間隔が定まった時に、直線導波路ＷＧへ入射された光が光強度変調器Ｍへ移行し、再び直線導波路ＷＧへ戻ってくる長さに等しいことを特徴とする方向性結合器型光位相変調器である。
【００１４】
また、請求項３記載のように、請求項１または２記載の方向性結合器型光位相変調器に関して、基板と、基板上に下部クラッド層と、下部クラッド層上にコア層と、コア層上に前記光強度変調器Ｍの上部クラッド層と、コア層上に、光強度変調器Ｍの上部クラッド層と平行して設置された直線導波路ＷＧの上部クラッド層とを有することを特徴とする方向性結合器型光位相変調器である。
【００１５】
また、請求項４記載のように、請求項１または２記載の方向性結合器型光位相変調器に関して、基板と、基板上に下部クラッド層と、下部クラッド層上に下部コア層と、下部コア層上にクラッド層と、クラッド層上に上部コア層と、上部コア層上に上部クラッド層と、上部クラッド層上に第１の電極と、下部コア層上に第２の電極とを有することを特徴とする方向性結合器型光位相変調器である。
【００１６】
また、請求項５記載のように、請求項１または２記載の方向性結合器型光位相変調器を同一材料の基板上に２つ以上集積したことを特徴とする集積型光位相変調器である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の方向性結合器型光位相変調器は既存の光位相変調器の電極数と電極長の低減が可能であり、光通信の更なる普及に大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の技術で用いる、ＢＰＳＫ変調器の構造の模式図である。
【図２】従来の技術で用いる、ＢＰＳＫ変調器の出力光を複素平面表示した図である。
【図３】従来の技術で用いる、ＭＺＭと従来のＢＰＳＫ変調器を用いたＱＰＳＫ変調器の構造の模式図である。
【図４】従来の技術で用いる、ＭＺＭと従来のＢＰＳＫ変調器を用いたＱＰＳＫ変調器の出力光を複素平面表示した図である。
【図５】実施例１で用いる、発明素子の構造の模式図である。
【図６】実施例１で用いる、発明素子を構成する導波路の断面構造である。
【図７】実施例１で用いる、発明素子における光伝搬の様子を示す図である。
【図８】実施例１で用いる、計算による発明素子における固有モードの電界分布である。
【図９】実施例１で用いる、計算による発明素子における、光強度変調器M の増加に伴う等価屈折率の変化と、その説明のための導波路断面図である。
【図１０】実施例１で用いる、発明素子の透過率と位相変化特性の数値計算例である。
【図１１】実施例１で用いる、発明素子の導波路間隔の変化に対する素子長と動作に必要な光強度変調器Ｍに求められる減衰係数の数値計算例である。
【図１２】実施例２で用いる、発明素子をエピタキシャル成長により垂直方向に形成した際の素子断面の模式図である。
【図１３】実施例３で用いる、発明素子と二つの３ｄＢカプラを用いたＱＰＳＫ変調器の構造の模式図である。
【図１４】実施例３で用いる、図１３の素子に光源を集積した模式図である。
【図１５】実施例３で用いる、Ｎ個の図１４に示した素子と波長カプラを集積した多波長ＱＰＳＫ変調光源の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［実施例１］
実施例１として本発明の方向性結合器型光位相変調器(以下、発明素子)の素子構造、作製方法、計算による被変調光の出力特性を示す。本実施例に係る発明素子の模式的な構造を図５に示す。本実施例に係る発明素子は、入力導波路Ｉ、出力導波路Ｏ、直線導波路ＷＧ、および光強度変調器Ｍとからなる。また具体的な光強度変調器Ｍの導波路の構造を図６に示す。図６には光強度変調器Ｍの導波路の構造のみを示しており、本発明素子は、のちに図９に示すように、コア層の上部に光強度変調器Ｍのクラッド層、および入力導波路Ｉ、出力導波路Ｏ、直線導波路ＷＧが設置されている構造となっている。本実施例に係る発明素子の光強度変調器Ｍの導波路は、ｎ型のＩｎＰ基板Ｓ６、ＩｎＰ下部クラッドＣＬ６−１、ＩｎＧａＡｌＡｓベースとした多重量子井戸構造のコア層ＣＯ６、ｐ型のＩｎＰ上部クラッド層ＣＬ６−２、及び、空気クラッドＡ６からなる。ここでコア層ＣＯ６はＩｎＧａＡｌＡｓのＡｌ系の４元混晶としているが、ＩｎＧａＡｓＰのＰ系の４元混晶でも構わない。また、電気信号を印加させる光強度変調器Ｍと異なり光を伝搬させる事のみを目的とした入力導波路Ｉ、出力導波路Ｏ、直線導波路ＷＧについては光強度変調器Ｍと異なる半導体材料や層構造となっていても構わない。例えば、入力導波路Ｉ、出力導波路Ｏ、直線導波路ＷＧのコア層に対してはＩｎＧａＡｓＰを用いたバルク型の層として、光強度変調器Ｍのコア層ＣＯ５に対してはＩｎＧａＡｌＡｓベースとした多重量子井戸構造であってもよい。また、空気クラッドＡ６はコア層ＣＯ６よりも屈折率が低い材料であるならば、必ずしも空気によるクラッドでなくてもよい。コア層ＣＯ６の多重量子井戸の井戸層はフォトルミネッセンスピーク波長で１．２５μｍ付近の光を発光するような組成となっている。
【００２０】
本実施例に係る発明素子の製造方法としては、まずｎ型のＩｎＰ基板Ｓ６の上に、ＩｎＰ下部クラッドＣＬ６−１、コア層ＣＯ６、上部クラッド層Ｓ６−２を順次成長させる。次にフォトリソグラフィーにより、図５に示した導波路パターンを形成し、ドライエッチングによりＩｎＰ上部クラッド層ＣＬ６−２まで図６のようにエッチングをすることで、いわゆるリッジ導波路構造を形成する。その後、電極加熱型の蒸着装置により半導体表面に金属を蒸着して電極ＥＬ６を形成する事で光強度変調器Ｍを得る。
【００２１】
以下に、本実施例に係る発明素子の特性を数値計算する手順を述べる。本計算において、以下のパラメータを用いた。入力光として波長が１．３μｍである光を計算に用いた。今回は１．３μｍの波長を選んだが、例えば光ファイバにおいて損失が最小となる波長が１．５５μｍ付近の光についても本発明の効果は同様である。導波路の幅については、シングルモード条件を考えてここでは入力導波路Ｉ、出力導波路Ｏ、方向性結合器を構成する二つの直線導波路ＷＧ、光強度変調器Ｍの幅を１．５μｍとした。直線導波路ＷＧと光強度変調器Ｍの間隔ｄは０．６μｍとした。直線導波路ＷＧと光強度変調器Ｍより構成される方向性結合器の長さＬは入力導波路Ｉに入力された光が出力導波路Ｏに最も出力されるように設定し、今回は３４０μｍとした。この時の方向性結合器の長さはいわゆる方向性結合器の結合長と呼ばれる長さの２倍の長さである。
【００２２】
ビーム伝搬法によって、発明素子について光強度変調器Ｍに電界を印加しない場合と印加する場合の光の伝搬の様子を図７に示す。図７（ａ）は計算に用いた導波路の屈折率分布を示す図である。図５の発明素子の模式図においては光強度変調器Ｍは直線であったが、本計算では光強度変調器Ｍと直線導波路ＷＧをなめらかに結合・分離させるために光強度変調器Ｍの前端と後端を曲げ導波路Ｉ’、Ｏ’として徐々に直線導波路ＷＧから離した構成となっている。通常の光強度変調器においては、電圧を印加して光強度変調器自身の減衰係数を変化させると、同時に光強度変調器自身の屈折率も変化するが、今回は理想的な状態としてこの屈折率変化は考慮に入れなかった。図７（ｂ）は、光強度変調器Ｍに電界を印加せず光強度変調器Ｍが光を吸収しない場合の発明素子における光伝搬の様子の模式図である。発明素子は通常の方向性結合器として機能し、上述の通り光出力が出力導波路Ｏに最大に出力されるように素子が設計されているため光は出力導波路Ｏより出力される。一方で図７（ｃ）は光強度変調器Ｍが光を吸収する際の光の伝搬の様子の模式図であり、この時には光強度変調器Ｍには光は移行せずに直線導波路ＷＧのみを導波する。これは発明素子について複素屈折率を考慮した固有モード解析を行うと明らかになる。
【００２３】
図８は図７（ａ）の破線Ｘ−Ｘ’断面における固有モードを示している。図８（ａ）に示す光強度変調器Ｍが光を吸収しない場合は発明素子は通常の方向性結合器であり、この系には対称な電界分布を持つ、偶モードと半対称な奇モードが０次モード・１次モードとして励振されている事が分かる。一方で図８（ｂ）は光強度変調器Ｍが光を吸収する場合、すなわち光強度変調器Ｍの複素屈折率の虚部が大きい場合の固有モードの電界分布である。光強度変調器Ｍの側には光は存在する事ができないために、直線導波路ＷＧ側に多くの光が存在している事が分かる。従って図８（ｂ）の場合には発明素子は等価的に直線導波路ＷＧのみの素子であるとみなすことができる。
【００２４】
図９（ａ）は光強度変調器Ｍの吸収係数を増加させていった際の発明素子の等価屈折率の変化を示している。また、図９（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ発明素子において光強度変調器Ｍが光を吸収しない時、する時の導波路構造の断面図である。更に図９（ｄ）は発明素子において光強度変調器Ｍの幅が無限に広い場合の導波路の断面図である。図９（ａ）において吸収係数の小さな時は、発明素子は図９（ｂ）に示すような方向性結合器であるので０次モード（偶モード）、１次モード（奇モード）の等価屈折率が存在する。吸収係数の増加に伴って二つの伝搬定数が漸近していき、吸収係数が十分に大きくなると発明素子は図９（ｃ）に示す系となり、等価屈折率が近い値に収束していく様子が見て取れる。等価屈折率が近い値となる事は図８にて示した光強度変調器Ｍの吸収係数を増加させていった際の二つの伝搬モードの形状が、互いに近くなっている事からも予想できる。方向性結合器において二つのモードの透過屈折率が近いという事は、その結合長が長くなることを意味しており、従って発明素子の長さがその結合長よりも十分に短い場合は、発明素子は単純な直線導波路とみなす事ができる。また、図９（ａ）の破線は、図９（ｄ）にて示した、直線導波路ＷＧに隣接して、吸収係数の大きな領域が無限の長さ存在する系、すなわち直線導波路ＷＧのみ孤立している系の際の等価屈折率を示している。発明素子の０次モード・１次モードがこの孤立系の等価屈折率へ漸近している事からも、発明素子が光強度変調器Ｍの吸収係数増加に伴って方向性結合器から直線導波路へと変化する事が分かる。
【００２５】
ここで図７（ｂ）、（ｃ）の二つの状態における出力導波路Ｏにおける光出力の位相について考える。図７において、光は状態（ｂ）と（ｃ）とで異なった光路長を伝搬している事が分かる。従って光路長の違いを反映し出力導波路Ｏより出力される位相も異なる。
【００２６】
図１０は計算による、発明素子に対して光強度変調器Ｍの吸収係数を変化させた際の出力導波路Ｏからの光出力強度と位相変化を示したものである。図１０を見ると、光強度変調器Ｍの吸収係数が小さい場合は通常の方向性結合器として作用するために光出力の多くは出力導波路Ｏより出力され、出力光の位相変化も小さい事が分かる。光強度変調器Ｍの吸収係数が１０００ｃｍ−１付近では直線導波路ＷＧの光が光強度変調器Mへ遷移しつつ、光強度変調器Ｍにて減衰されるので出力導波路Ｏからの光出力は小さい値となっている。更に光強度変調器Ｍの吸収係数を十分大きくすると図にて示したように、光強度変調器Ｍに光が存在する固有モードが存在しなくなるために、発明素子は直線導波路ＷＧとして機能するために出力導波路Ｏからの光出力は再び増加する。この際には図７の（ｂ）と（ｃ）の比較で述べたように発明素子における光路量が異なるために光強度変調器Ｍの吸収係数が小さい時と大きい時とを比較すると、光の位相がπ変化している事が分かる。従って発明素子は単一電極によりＢＰＳＫ変調器を構成できる事が分かる。
【００２７】
以上の現象を数式で考えると、次の様に考えられる。今、直線導波路ＷＧが独立している際の伝搬定数がβと表されるとする。すなわちこの系は図９（ｄ）にて示した系であり、光の進行方向をｚとした際の直線導波路ＷＧの電界を表す式ＥＷＧ（ｚ）は
【００２８】
【数１】
2014191087.tif 000003
【００２９】
となる。
【００３０】
図９（ｂ）にて示した様な直線導波路ＷＧと光を吸収しない状態の光強度変調器Ｍを近接させた結合系においては、０次モードである偶モードの伝搬定数βｅと１次モードである奇モードの伝搬定数β０ が存在する事になる。偶モードと奇モードが等しく励振されるとすれば図４の系を導波するz方向の光の電界変化ＥＤＣ（ｚ）は
【００３１】
【数２】
2014191087.tif 000004
【００３２】
となる。
【００３３】
入力導波路Ｉへ入力された出力導波路Ｏへ１００％出力される長さＬは偶モードと奇モードの位相差が２πの時なので、
【００３４】
【数３】
2014191087.tif 000005
【００３５】
となる。
【００３６】
従って、直線導波路ＷＧと光を吸収しない状態の光強度変調器Ｍによる方向性結合器の
ｚ＝Ｌにおける電界ＥＤＣ（Ｌ）は次の様になる。
【００３７】
【数４】
2014191087.tif 000006
【００３８】
一方で、光強度変調器Ｍが光を吸収する際には発明素子は式（１）で表される直線導波路ＷＧのみの系に収束するので、その時のｚ＝Ｌでの光出力は
【００３９】
【数５】
2014191087.tif 000007
【００４０】
以上より光強度変調器Ｍが光を吸収しないときと吸収する時の位相差Δθは式（４）と式（５）の位相差であるから
【００４１】
【数６】
2014191087.tif 000008
【００４２】
となる。
【００４３】
ここで水素分子モデル等で良く知られるように、二つの系の結合系の固有値εは独立している際の固有値ε０と微小量ε’を用いて、ε≒ε０±ε’と表される事を使うと、伝搬定数がβである２つの図９（ｄ）の導波路系が結合した図９（ｂ）の系の固有値である伝搬定数βeと奇モードの伝搬定数βoはそれぞれβe=β+β’とβo=β-β’と表現される。従って（６）よりΔθは
【００４４】
【数７】
2014191087.tif 000009
【００４５】
となり、確かに光強度変調器Ｍが光を透過する時と吸収する時とで発明素子の光出力の位相差がπである事が分かる。
【００４６】
本発明は光強度変調器Ｍの吸収係数を大きくした際に、光強度変調器Ｍに光が存在しない導波モードが存在する事が必要である。これは、直線導波路ＷＧと光強度変調器Ｍの距離ｄが離れているほど容易に達成できる。そこで、発明素子の最小長さを計算してみる。発明素子は方向性結合器型であるため直線導波路ＷＧと光強度変調器Ｍの距離ｄの距離が短いほど小型なＢＰＳＫ変調器が実現可能である。また素子を小型化する事は光強度変調器Ｍの長さが短くなる事を意味するので高周波配線の取り扱いが容易になるという利点がある。図１１は図６にて示した素子における距離ｄの変化における発明素子の長さと、発明素子の偶モードと奇モードを一つの固有モードに収束させる事が可能な光強度変調器Ｍに必要な光強度減衰係数を計算により示したものである。非特許文献１を参考にすると光強度変調器は電極長１５０ｍｍで−２５ｄＢ程度が実現できることから、光閉じ込め係数を０．２と仮定すると光強度変調器を構成する量子井戸２０００ｃｍ−１程度の光減衰係数が達成できる。従って、図１１よりｄは０．５から０．６μｍ程度まで狭める事が可能と考えられるので、発明素子の長さは３００μｍ程度まで小型化が可能であると考えられる。従って、同じく非特許文献１を参考にして光強度変調器の１００μｍあたりの長さの寄生容量を０．１ｐＦとすると５０Ω系での発明素子の遮断周波数は１０ＧＨｚとなる。
すなわち発明素子はボーレートが１０Ｇ程度までであるのならば進行波電極構造を用いずに、構造が簡便な集中定数型の電極構造によって実現される事を意味する。発明素子は典型的に１ｍｍ以上の電極長さが必要な従来のＭＺＭ型のＢＰＳＫ変調器と比較して小型であり、集積性や高周波の取り扱いといった面でも優れていると言える。
【００４７】
［実施例２］
図６に示した構成によって発明素子を作製すると、光強度変調器Ｍへ印加した電界は直線導波路ＷＧの側にも広がって発明素子が設計通りに動作しない可能性がある。そこで半導体エピタキシャル成長によって垂直方向に方向性結合器を作製する事でこの問題を解決できる。本実施例に係る発明素子の導波路は、基板Ｓ１２、下部クラッドＣＬ１２−１、下部コア層ＣＯ１２−１、クラッド層ＣＬ１２−２、上部コア層ＣＯ１２−２、上部クラッド層ＣＬ１２−３、空気クラッドＡ１２、電極ＥＬ１２−１および電極ＥＬ１２−２からなる。つまり図１２（ａ）に示すように、垂直方向に屈折率の高く光を導波させる事のできる半導体層ＣＯ１２−１とＣＯ１２−２の間に比較的屈折率の小さなクラッド層ＣＬ１２−２を挟んで成長する。そして図１２（ａ）に示すような構造に積層構造をエッチングする事で垂直型の方向性結合器が作製可能となる。ここであらかじめギャップ層であるクラッド層ＣＬ１２−２に対してドーピングを施して、ＣＬ１２−２の上に電極ＥＬ１２−２を設ければ、素子上部に設けた電極ＥＬ１２−１と通電させる事で上部のコア層ＣＯ１２−２のみに電圧を印加させる事が可能である。この場合は上部のコア層ＣＯ１２−２がいわゆるハイメサ型の光強度変調器Ｍとなる。そして下部のコア層ＣＯ１２−１がリッジ型の直線導波路ＷＧとなる。
【００４８】
図１２（ｂ）は光強度変調器Ｍが装荷されていない部分の導波路の断面であり、図１２（ｃ）は本実施例における発明素子の光進行方向の断面図となる。ただし電極ＥＬ１２−１及び電極ＥＬ１２−２と空気クラッドＡ１２は省略して描いてある。
【００４９】
本実施例においては、光強度変調器Ｍと直線導波路ＷＧ形状が異なるために、これら二つの伝搬定数を整合させる必要があるために、光強度変調器Ｍの幅やまたは直線導波路ＷＧや光強度変調器Ｍを構成する半導体のコア層ＣＯ１２−１やコア層ＣＯ１２−２の膜厚を制御して、二つの伝搬定数を等しくする必要がある。
【００５０】
図１２の構成の利点としては他にも、一般に方向背結合器の作製許容度の低さの要因となる導波路間隔ｄをｎｍオーダーのエピタキシャル成長の精度にて制御できるため方向性結合器の作製難易度を下げる事ができる。
【００５１】
［実施例３］
実施例１や２のＢＰＳＫ変調器を図３にて示した構成の光回路とする事で更に高度な光位相変調が実現できる。図１３は発明素子を３ｄＢカプラＣ１３−１、Ｃ１３−２にて発明素子を並列に接続した構成となっており本構成よりＱＰＳＫ信号が生成できる。図３と比較して分かる様に発明素子はＭＺＭの半分の電極にて位相変調を実現できるため本実施例のＱＰＳＫ変調器の様に多くの位相変調器を集積するほど電極数削減の利点がある。
【００５２】
［実施例４］
本発明素子は化合物系の半導体によって実現できるため同一半導体基板上において光源との集積も可能である。
【００５３】
図１４は光源と発明素子からなるＱＰＳＫ変調器を同一基板上へ集積した際の構成図となっており、光源ＬＤと集積化する事で発明素子へ光を入射する際の結合損失の低減や光送信モジュール全体の小型化などを達成できる。更に波長の異なる複数の光源に対してそれぞれ発明素子からなる位相変調器を集積化する事も可能である。
【００５４】
図１５は、光源１５−１から光源１５−ＮのＮ個の光源に対して発明素子により構成されるＮ個のＱＰＳＫ変調器ＱＰＳＫ１５−１からＱＰＳＫ１５−Ｎを同一基板上に集積し、更にそれぞれのＱＰＳＫ変調器からの出力を波長カプラＷＤＭ１５により合波した図となっている。
【００５５】
図１６にて示した構成により波長の異なるＱＰＳＫ変調された複数の光を同一基板上より得られるため、小型かつ大容量な光送信モジュールを実現する事ができる。
【符号の説明】
【００５６】
ＣＯ９−１  コア層
ＣＯ９−２  コア層の吸収係数の大きな領域
ＣＬ９−３、ＣＬ９−４  上部クラッド層
ＣＬ９−５  下部クラッド層
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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