(57)【要約】【課題】偏波依存性が抑制され、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を提供すること。【解決手段】入射光の入力と出射光の出力とを行う光入出力部と、前記光入出力部から入力された前記入射光を互いに偏光モードの異なる第１偏光の第１偏光モード光と第２偏光の第２偏光モード光とに分離する偏光分離部と、前記第１偏光モード光の偏光モードを第２偏光に変換して、第１入力光として出力し、前記第２偏光モード光を第２入力光として出力する偏光変換部と、変調信号が印加されて、前記第１入力光と前記第２入力光とを、変調および増幅する半導体光変調増幅部と、前記半導体光変調増幅部に前記変調信号を印加する変調信号印加部と、を備え、前記半導体光変調増幅部は、前記第２偏光の増幅利得が、前記第１偏光の増幅利得より大きい半導体光変調器。【選択図】図１
2014149323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の入力と出射光の出力とを行う光入出力部と、
前記光入出力部から入力された前記入射光を互いに偏光モードの異なる第１偏光の第１偏光モード光と第２偏光の第２偏光モード光とに分離する偏光分離部と、
前記第１偏光モード光の偏光モードを第２偏光に変換して、第１入力光として出力し、前記第２偏光モード光を第２入力光として出力する偏光変換部と、
変調信号が印加されて、前記第１入力光と前記第２入力光とを、変調および増幅する半導体光変調増幅部と、
前記半導体光変調増幅部に前記変調信号を印加する変調信号印加部と、を備え、
前記半導体光変調増幅部は、前記第２偏光の増幅利得が、前記第１偏光の増幅利得より大きいことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
前記半導体光変調増幅部は、片端部に第１入出力部を有し、他方の片端部に第２入出力部を有する導波路構造を備え、
前記第１入力光は、前記第１入出力部から入力され、前記導波路を通過しながら変調および増幅され、前記第２入出力部から出力され、
前記第２入力光は、前記第２入出力部から入力され、前記導波路を通過しながら変調および増幅され、前記第１入出力部から出力されることを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調器。
【請求項３】
前記半導体光変調増幅部は、前記第１入出力部と前記第２入出力部との入出力方向が、略平行方向であることを特徴とする請求項２に記載の半導体光変調器。
【請求項４】
前記偏光変換部から出力された前記第１入出力部と前記第２入出力部とを合波させて前記半導体光変調増幅部に出射する光合波部を備え、
前記半導体光変調増幅部は、片端部に光入出力部を有し、他方の端部に光反射部を有する導波路構造を備え、
前記半導体光変調増幅部は、前記光合波部から前記光入出力部へ入力された信号光を、前記導波路構造を通過させながら変調および増幅し、前記光反射部によって反射し、前記光入出力部より出力することを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調器。
【請求項５】
前記変調信号印加部は、５Ｇｂ／ｓ以上の変調信号を印加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体光変調器。
【請求項６】
前記変調信号印加部は、１０Ｇｂ／ｓ以上の変調信号を印加することを特徴とする請求項５に記載の半導体光変調器。
【請求項７】
前記変調信号印加部は、ＲＺ変調信号を印加することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体光変調器。
【請求項８】
前記変調信号印加部は、ＮＲＺ変調信号を印加することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体光変調器。
【請求項９】
前記半導体光変調増幅部は、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体光変調器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一つに記載の半導体光変調器を備えることを特徴とする光ネットワークユニット。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光ネットワークユニットを備えることを特徴とするパッシブ光ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅機能を備えた半導体光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光増幅器等の中継器を用いないようなＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  Ｔｏ  Ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ）等の短距離のアクセスネットワークでは、波長分割多重方式パッシブ光ネットワーク（ＷＤＭ−ＰＯＮ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）方式が注目されている。この方式では、基地局、つまり光ラインターミナル（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ）から送信されてきた種光を端末側、すなわち光ネットワークユニット（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）側で光変調して基地局側に送り返すような光変調器が求められる。さらに、この光変調器は、光ファイバや各光部品での損失により、減衰した種光を増幅する光増幅器機能、つまり、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の機能を兼ね備えていることが望ましい。
【０００３】
ここで、ＳＯＡについては、高飽和出力、低雑音指数のＳＯＡが報告されている（例えば非特許文献１など）。ＳＯＡの増幅利得は、一般的に入射光の偏波方向によって異なり、ＳＯＡの半導体積層面に平行なＴＥ偏光モードに対する増幅利得が、ＳＯＡの半導体積層方向に垂直なＴＭ偏光モードに対する増幅利得よりも大きい。この偏波依存利得（ＰＤＧ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｇａｉｎ）により、ＳＯＡから出力される信号光強度が一定でないと、通信エラーが発生する原因となる。そのため、ＰＤＧによる出力信号光強度のばらつきを抑制する偏波無依存化技術が提案されている（例えば特許文献１，２、非特許文献２など）。
【０００４】
また、従来技術におけるＳＯＡを偏波無依存化する方式として、バルクの半導体活性層に伸張歪を印加する方式、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の量子井戸に伸張歪を印加する方式等があった。これは、活性層構造および導波路構造（ＭＱＷ構造であれば、ウエル／バリア厚および歪量、導波路幅）を最適化することにより、ＴＥ偏光モードと、ＴＥ偏光モードと直交するＴＭ偏光モードの増幅利得が等しくなる設計とするものである（例えば非特許文献２など）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−６４９０４号公報
【特許文献２】特開２００８−２５００２１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｋ．  Ｍｏｒｉｔｏ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｔａｎａｋａ，  “Ｒｅｃｏｒｄ  Ｈｉｇｈ  Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  （＋２２ｄＢｍ）  ａｎｄ  Ｌｏｗ  Ｎｏｉｓｅ  Ｆｉｇｕｒｅ  （５．７ｄＢ）  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ＳＯＡ  Ｍｏｄｕｌｅ”，  ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  １７，  ６，  １２９８−１３００，  （２００５）
【非特許文献２】Ｍ．  Ｉｔｏｈ，  Ｙ．  Ｓｈｉｂａｔａ，  Ｔ．  Ｋａｋｉｔｓｕｋａ，  Ｙ．  Ｋａｄｏｔａ，  ａｎｄ  Ｙ．  Ｔｏｈｍｏｒｉ，  “Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ＳＯＡ  Ｗｉｔｈ  ａ  Ｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｂｕｌｋ”，  ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  １４，  ６，  ７６５−７６７，  （２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に開示された方式では、ＴＥおよびＴＭ偏光モードの増幅利得の総和に上限があるため、ＴＥおよびＴＭ偏光モードの増幅利得が等しくなる設計とした場合、ＴＭ偏光モードの利得が増加した分、ＴＥ偏光モードの利得が低下する。そして、ＴＥ偏光モードに対する微分利得係数が低下し、さらに、微分利得係数が低下すると、緩和振動周波数が低下する。したがって、このような緩和振動周波数の低いＳＯＡを用いて、光増幅機能を備えた半導体光変調器を構成した場合、高速な光変調を行うことができないという新たな課題が生じることとなる。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、偏波依存性が抑制され、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体光変調器は、入射光の入力と出射光の出力とを行う光入出力部と、前記光入出力部から入力された前記入射光を互いに偏光モードの異なる第１偏光の第１偏光モード光と第２偏光の第２偏光モード光とに分離する偏光分離部と、前記第１偏光モード光の偏光モードを第２偏光に変換して、第１入力光として出力し、前記第２偏光モード光を第２入力光として出力する偏光変換部と、変調信号が印加されて、前記第１入力光と前記第２入力光とを、変調および増幅する半導体光変調増幅部と、前記半導体光変調増幅部に前記変調信号を印加する変調信号印加部と、を備え、前記半導体光変調増幅部は、前記第２偏光の増幅利得が、前記第１偏光の増幅利得より大きいことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記半導体光変調増幅部は、片端部に第１入出力部を有し、他方の片端部に第２入出力部を有する導波路構造を備え、前記第１入力光は、前記第１入出力部から入力され、前記導波路を通過しながら変調および増幅され、前記第２入出力部から出力され、前記第２入力光は、前記第２入出力部から入力され、前記導波路を通過しながら変調および増幅され、前記第１入出力部から出力されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記半導体光変調増幅部は、前記第１入出力部と前記第２入出力部との入出力方向が、略平行方向であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記偏光変換部から出力された前記第１入出力部と前記第２入出力部とを合波させて前記半導体光変調増幅部に出射する光合波部を備え、前記半導体光変調増幅部は、片端部に光入出力部を有し、他方の端部に光反射部を有する導波路構造を備え、前記半導体光変調増幅部は、前記光合波部から前記光入出力部へ入力された信号光を、前記導波路構造を通過させながら変調および増幅し、前記光反射部によって反射し、前記光入出力部より出力することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記変調信号印加部は、５Ｇｂ／ｓ以上の変調信号を印加することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記変調信号印加部は、１０Ｇｂ／ｓ以上の変調信号を印加することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記変調信号印加部は、ＲＺ変調信号を印加することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記変調信号印加部は、ＮＲＺ変調信号を印加することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る半導体光変調器は、上記発明において、前記半導体光変調増幅部は、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る光ネットワークユニットは、上記発明の半導体光変調器を備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る波長分割多重方式パッシブ光ネットワークは、上記発明の光ネットワークユニットを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、偏波依存性が抑制され、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器の具体的構成を示す図である。
【図２】図２は、変調信号印加部により印加される変調電流の電流プロファイルの一例を表す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部の平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のＢＨ−ＳＯＡのＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図５は、本発明に係る半導体光変調器を用いた光通信システムを表す模式図である。
【図６】図６は、図５に示す光通信システムに実施の形態１に係る半導体光変調器を適用した場合における信号光の受信強度と誤り率との関係を表す図である。
【図７】図７は、本発明の変形例に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部の平面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器の具体的構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体光変調器の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００２３】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器の具体的構成を示す図である。図１に示すとおり、半導体光変調器１００は、例えば光ファイバによって入射される入射光を、光軸を調整して入出力する光入出力部１０と、平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎｎｅｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）素子２０として一体として形成された偏光分離部３０と偏光変換部４０と、埋め込みヘテロ構造（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ＢＨ）ＳＯＡ５５（以下、ＢＨ−ＳＯＡ５５とする）を有する半導体光変調増幅部５０と、変調信号印加部６０とからなる。
【００２４】
光入出力部１０は、ＰＬＣ素子２０として構成された偏光分離部３０の入力光導波路３１に接続されている。これにより、光入出力部１０は、光ファイバで入射される入射光の光軸を調整し、光ファイバと入力光導波路３１との結合損失を、極小とする構成である。
【００２５】
ＰＬＣ素子２０は、偏光分離部３０と偏光変換部４０とからなる。ＰＬＣ素子２０は、シリコン基板上に積層された石英系ガラスからなるクラッド層内に、クラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する石英系ガラスからなるコア部で構成された各種の光導波路が形成されたものである。具体的には、ＰＬＣ素子２０は、偏光分離部３０を構成する入力光導波路３１、光導波路型方向性結合器からなる３ｄＢカプラ３２、２つのアーム光導波路３３、３４、および光導波路型方向性結合器からなる３ｄＢカプラ３５と、偏光変換部４０を構成する出力光導波路４１、４２とが順次接続されて、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）型の偏波分離／合成素子として構成されている。偏光変換部４０の出力光導波路４１には１／２波長板４３が挿入されている。アーム光導波路３３、３４の上方のクラッド層の表面には、ヒータ３６、３７がそれぞれ形成されている。ヒータ３６、３７は、アーム光導波路３３、３４を局所加熱して実効屈折率を変化させることによって、ＰＬＣ素子２０の偏波分離／合成素子としての特性を、導波路構造形成後に調整するためのものである。ヒータ３６、３７はたとえば金属薄膜で形成される。
【００２６】
半導体光変調増幅部５０は、ＩｎＰ基板上に積層されたＩｎＰ半導体積層構造内に、第１入出力部５１、第２入出力部５２から、曲げ半径を有するＲ部５３、５４を経由して、埋め込み型の光増幅導波路であるＢＨ−ＳＯＡ５５へと光導波路が接続された構造を有する。また、Ｒ部５３、５４は、曲げ損失の影響を避けるため、曲げ半径１２５μｍ以上に設定されていることが望ましい。
【００２７】
ＢＨ−ＳＯＡ５５は、たとえばＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料、またはＡｌＧａＩｎＡｓ半導体材料からなる活性層を含んでおり、１．５５μｍ帯の波長の光を増幅することができるようにその組成が設定されている。また、ＩｎＰ基板の裏面およびＩｎＰ半導体積層構造の表面にはそれぞれｎ側電極、ｐ側電極が形成されている。なお、図１では、電極のうちｐ側電極５６ｂのみ図示している。また、ＢＨ−ＳＯＡ５５の具体的構成については後述する。また、上記の半導体材料は例示であり、使用される半導体材料は、使用される光の波長に応じて適宜選択することができる。
【００２８】
半導体光変調増幅部５０の第１入出力部５１、第２入出力部５２と、ＰＬＣ素子２０の出力光導波路４１、４２との接合面は、曲げ導波路となっている。これによって、接合面で反射された光が各導波路に再び結合することが防止されている。また、半導体光変調増幅部５０の第１入出力部５１、第２入出力部５２と、ＰＬＣ素子２０の出力光導波路４１、４２との接合面には、反射防止膜が形成されていることが望ましい。
【００２９】
変調信号印加部６０は、例えば５Ｇｂ／ｓ以上、好ましくは１０Ｇｂ／ｓ以上の高周波の信号で変調した変調電流を生成する高周波回路６２と、高周波回路６２が生成した変調電流を半導体光変調増幅部５０の電極に印加する変調信号入力部６１とからなる。
【００３０】
次に、半導体光変調器１００の動作の一例について説明する。まず、光ファイバから入力された入射光Ｌ１１を光入出力部１０によって、入力光導波路３１に入射させる。光入出力部１０に入射される入射光Ｌ１１は、任意の偏波状態を有する１．５５μｍ帯の信号光である。偏光分離部３０は、入力光導波路３１から入射光Ｌ１１が入力されると、入射光Ｌ１１を第１偏光であるＴＭ偏光モード（ＰＬＣ素子２０の基板面に垂直方向の偏波）の第１偏光モード光Ｌ３１と第２偏光であるＴＥ偏光モード（ＰＬＣ素子２０の基板面に平行な偏波）の第２偏光モード光Ｌ３２に偏波分離し、それぞれを出力光導波路４１、４２に出力する。
【００３１】
偏光変換部４０の１／２波長板４３は、第１偏光モード光Ｌ３１が入力されるとその偏波方向を９０度回転し、ＴＥ偏光モードの第１入力光Ｌ４１として出力し、半導体光変調増幅部５０の第１入出力部５１に入力させる。一方、第２偏光モード光Ｌ３２はＴＥ偏光モードのまま第２入力光Ｌ４２として第２入出力部５２に入力する。
【００３２】
ここで、半導体光変調増幅部５０は、変調信号印加部６０により生成された変調電流を、電極のｎ側電極およびｐ側電極間に印加されている。変調電流は、強度変調の一種であるＯＯＫ（Ｏｎ−Ｏｆｆ  Ｋｅｙｉｎｇ）におけるＮＲＺ（Ｎｏｎ  Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）方式、またはＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）方式に相当する。変調電流プロファイルの一例として、図２（ａ）にＮＲＺ方式の変調電流プロファイルを、図２（ｂ）にＲＺ方式の変調電流プロファイルを示す。図２のＴｂｉｔは印加電流における１ｂｉｔ当たりの時間幅を表す。
【００３３】
変調電流により、電流が供給され、活性層を含むＢＨ−ＳＯＡ５５が光増幅作用を有する状態となっているとき、光が入射されると光は増幅される。一方、変調電流により、電流が供給されていないとき、光が入射すると、ＢＨ−ＳＯＡ５５の活性層により、光は吸収される。
【００３４】
そこで、ＢＨ−ＳＯＡ５５は、印加された変調電流によって入力された第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２を光変調および増幅しながら導波し、それぞれ入力された側の一端とは反対側の一端から出力する。このとき、第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２は、いずれもＴＥ偏光モードとしてＢＨ−ＳＯＡ５５を導波し、変調および増幅されるので、半導体光変調増幅部５０が有するＰＤＧの影響を受けずに光変調および増幅を受ける。なお、第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２を同じタイミングで変調するために、第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２の光路長が等しく、ＢＨ−ＳＯＡ５５は、Ｕターン部の中央に配置され、第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２は等しい光路長を導波した後に、ＢＨ−ＳＯＡ５５に入射することが望ましい。
【００３５】
その後、光増幅された第１入力光Ｌ４１は、ＴＥ偏光モードで出力光導波路４２に入力される。一方、光増幅された第２入力光Ｌ４２は、ＴＥ偏光モードで出力光導波路４１に入力され、１／２波長板４３によってＴＭ偏光モードとされる。その後、偏光分離部３０は、第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２を偏波合成したものを、増幅された出射光Ｌ１２として、入力光導波路３１から光入出力部１０に出力する。
【００３６】
ここで、ＳＯＡの変調特性について述べる。一般的に半導体レーザおよびＳＯＡの変調帯域は、緩和振動周波数、または、素子の寄生容量および微分抵抗により制限される。特に、ＳＯＡの場合、１０ＧＨｚまでの変調帯域においては、前者の緩和振動周波数によって、変調帯域が制限される。
【００３７】
まず、緩和振動角周波数をωｒ、群速度をνｇ、キャリアに対する微分利得係数をａ、フォトンに対する微分利得係数をａｐ、閉じ込め係数をΓ、光子密度をＮｐ、微分キャリア寿命をτΔＮ、光子寿命をτｐとすると、緩和振動角周波数ωｒは下記の（１）式の関係を満たす。
【数１】
2014149323.tif 000003
また、（１）式におけるＲ’ｓｐは、Ｒ’ｓｐ＝Γνｇｇｎｓｐ／Ｖで与えられる。このとき、ｇは材料利得、ｎｓｐは反転分布係数、Ｖは活性層の体積を示している。
【００３８】
次に、緩和振動周波数をｆｒと置くと、ωｒとの関係は、ωｒ＝２πｆｒである。さらに、上記の式（１）において、１０ＧＨｚまでの変調帯域においては、第１項が支配的となるため、ａがｆｒを決定する重要なパラメータとなる。ここで、微分利得係数であるａは、材料利得ｇとキャリア密度Ｎとによって、ａ＝ｄｇ／ｄＮで表現される。
【００３９】
従来技術において、ＰＤＧの影響を抑制するため、ＴＥおよびＴＭ偏光モードの増幅利得が等しくなる設計とした場合、ＴＥ偏光モードのｇは、約１／２程度小さくなる。つまり、式よりｆｒが１／√２となる計算となる。
【００４０】
したがって、例えば、ｆｒが１０ＧＨｚであったＳＯＡに対して、従来技術を用いて、ＴＥおよびＴＭ偏光モードの増幅利得が等しくなる設計とする場合、ｆｒは７．１ＧＨｚとなり、変調帯域が制限されることとなる。このように、従来技術において伸張歪み等によってＴＥおよびＴＭ偏光モードの増幅利得が等しくなる設計として偏波無依存化すると、ＰＤＧを抑制することはできるが、高速変調することができなくなる。
【００４１】
一方で、本実施の形態１に係る半導体光変調器１００は、上記従来技術のような、伸張歪みを印加する等してＴＥおよびＴＭ偏光モードの増幅利得が等しくなるような設計ではない。これにより、偏波無依存化することによる半導体活性層の微分利得係数の低下、すなわち、緩和振動周波数の低下を受けずに、偏波無依存化する方法を提案している。
【００４２】
本実施の形態１に係る半導体光変調器１００は、偏光分離部３０および偏光変換部４０によって偏波ダイバーシティ回路を構成しており、入射光Ｌ１１の偏光モードを半導体光変調増幅部の増幅利得が最大となるＴＥ偏光モードに揃えることによって、ＰＤＧを抑制している。このとき、伸張歪みは印加されていないので、ｆｒは１０ＧＨｚのままであり、高速変調が可能である。また、この偏波ダイバーシティ回路におけるＰＤＧは、ＳＯＡの利得の線形性に起因すると考えられており、線形性の良いＳＯＡチップを用いることが望ましい。
【００４３】
なお、本実施の形態１において、図２に示す印加電流における１ｂｉｔ当たりの時間幅Ｔｂｉｔを２００ｐｓ以下とすると、偏波ダイバーシティ回路を用いた偏波無依存型ＳＯＡにより、５Ｇｂ／ｓ以上の高速変調が実現できる。さらに、Ｔｂｉｔを１００ｐｓ以下とすると、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速変調が実現できる。
【００４４】
このように、本実施の形態１に係る半導体光変調器１００は、偏波依存性が抑制され、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器である。
【００４５】
次に、半導体光変調増幅部５０の具体的構成について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部の平面図である。第１入出力部５１、第２入出力部５２は、埋め込みヘテロ構造スポットサイズ変換器（ＢＨ−ＳＳＣ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−Ｓｐｏｔ  Ｓｉｚｅ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）部５１ａ、５２ａと、ハイメサパッシブ光導波路部５１ｂ、５２ｂとからなる。実施の形態１に係る半導体光変調器１００は、第１入力光Ｌ４１と第２入力光Ｌ４２とに対して、同じタイミングで変調をかけることが望ましい。そのため、第１入出力部５１、第２入出力部５２は、等しい光路長となるように形成されている。これにより、第１入力光Ｌ４１と第２入力光Ｌ４２とは等しい光路長を導波した後、ＢＨ−ＳＯＡ５５に入射する。
【００４６】
図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部のＢＨ−ＳＯＡのＡ−Ａ線断面図である。図４に示すように、ＢＨ−ＳＯＡ５５は、トレンチ付きＢＨ構造である。まず、シリコンベース５５ａ上に、裏面にｎ側電極５６ａを形成した基板５５ｂが形成されている。その上に、例えばｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５５ｃが形成され、さらに、下部３段ＳＣＨ層５５ｄ、活性層５５ｅ、上部３段ＳＣＨ層５５ｆ、例えばｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層５５ｇが形成されている。そして最上部にｐ側電極５６ｂが形成されている。さらにＢＨ−ＳＯＡ５５は、半導体層を保護するため、例えばＳｉＮからなるパッシベーション膜５５ｊが、電流を注入しない領域に形成されている。
【００４７】
さらに、ＢＨ−ＳＯＡ５５は、寄生容量を減らすため、トレンチ構造となっている。半導体層は図４のトレンチ部Ｔに示すようにエッチング等で削られている。また、トレンチ部Ｔの片側はｐ側電極５６ｂを形成するため、さらに、機械的強度を向上させるため、ポリイミド５５ｋが充填されている。
【００４８】
さらに、ＢＨ−ＳＯＡ５５は、入力された信号光と注入された電流とを効率よく相互作用させるため、埋め込みメサ構造としている。まず、埋め込みメサ構造でない場合、ｎ側電極５６ａとｐ側電極５６ｂとによって注入される電流は、図４のＷｔの幅で流れる。ここで、半導体層をエッチング等により、活性層５５ｅより深く削り取り、埋込層５５ｈおよび電流阻止層５５ｉを形成することによって、埋め込みメサ構造を形成することができる。このとき、埋込層５５ｈは下部クラッド層５５ｃと逆のｐ−ＩｎＰ、電流阻止層５５ｉは上部クラッド層５５ｇと逆のｎ−ＩｎＰとすることにより、ｎ側電極５６ａとｐ側電極５６ｂとに正方向の電流が印加されると、活性層５５ｅにキャリアが溜まる一方で埋込層５５ｈと電流阻止層５５ｉとの界面はキャリアが空乏化し、埋込層５５ｈおよび電流阻止層５５ｉは絶縁層として機能する。したがって、埋め込みメサ構造の場合、ｎ側電極５６ａとｐ側電極５６ｂとによって注入される電流は、図４のＷａｃｔに狭窄されて流れるため、入射光と注入電流とを効率よく相互作用させることができる。
【００４９】
次に、活性層５５ｅは、例えば組成を変えたＧａＩｎＡｓＰからなり、幅６ｎｍの井戸層と幅１０ｎｍの障壁層とが、交互に８層積層されている。また、活性層５５ｅは、例えば組成を変えたＧａＩｎＡｓＰからなり、６／１２／６０μｍの３層からなる３段分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Ｓｅｐａｒａｔｅｄ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）である下部３段ＳＣＨ層５５ｄおよび上部３段ＳＣＨ層５５ｆを備えている。このとき、光の閉じ込め係数は９．１％となる。
【００５０】
次に、半導体光変調増幅部５０の動作について説明する。まず、偏光変換部４０の出力光導波路４１、４２から第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２は、それぞれ、第１入出力部５１、第２入出力部５２に入射される。すると、第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２は、ＢＨ−ＳＳＣ部５１ａ、５２ａの導波路のコア幅が、例えば０．５μｍから３μｍに拡大していることによって、そのスポットサイズが変換され、ハイメサパッシブ光導波路部５１ｂ、５２ｂに入力され、ハイメサパッシブ光導波路部５１ｂ、５２ｂを導波する。ハイメサパッシブ光導波路部５１ｂ、５２ｂでは、例えば導波路のコア幅が２μｍ程度とされる。Ｒ部５３、５４は、曲げ損失を抑制するため、１２５μｍ以上の曲げ半径に設定されていることが望ましい。そして、ハイメサパッシブ光導波路部５１ｂ、５２ｂの端部は、結合損失を抑制するため、例えばコア幅３μｍとされ、ＢＨ−ＳＯＡ５５に、第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２を入射させる。そして、ＢＨ−ＳＯＡ５５に入射された第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２は、光変調および増幅されながら導波し、それぞれ入力された側の一端とは反対側の一端から出力する。
【００５１】
ここで、この半導体光変調増幅部５０に、波長１．５５μｍの信号光を入射させる。変調電流のバイアス電流はＩｄｃ＝１００ｍＡ、変調電流の最大値はＩｍａｘ＝２００ｍＡとする。このとき、出力される信号光の強度をＰｏｕｔ＝１０ｄＢｍ（Ｉｍａｘにおいて）、入力する信号光の強度をＰｉｎ＝−１５ｄＢｍとすると、平均キャリア密度は２．２×１０１８ｃｍ−３となる。したがって、式（１）により緩和振動周波数を算出すると、緩和振動周波数は９．８５ＧＨｚとなる。
【００５２】
一方で、従来技術に係るＳＯＡにおいて、伸張歪み等によってＴＥおよびＴＭ偏光モードの増幅利得が等しくなる設計として偏波無依存化すると、緩和振動周波数は１／√２となる。したがって、従来技術に係るＳＯＡの緩和振動周波数は、６．９７ＧＨｚとなり、高速変調することができなくなる。
【００５３】
このように本実施の形態１に係る半導体光変調器によって、偏波依存性が抑制され、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。
【００５４】
ここで、図５は、本発明に係る半導体光変調器を用いた光通信システムを表す模式図である。図５に示すとおり、本発明に係る半導体光変調器は、ＷＤＭ−ＰＯＮにおけるＯＮＵの伝送器（Ｔｘ）として利用することができる。
【００５５】
ＷＤＭ−ＰＯＮ１０００は、事業者系であるＯＬＴ１００１と、伝送ファイバ１０１０と、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）波長合波器１０２０と、各加入者系であるＯＮＵ１０３０、１０４０、１０５０、１０６０とからなる。はじめに、ＯＬＴ１００１のＴｘ／Ｒｘ１００２、１００３、１００４、１００５において、それぞれ波長の異なる信号光が発振される。発振された信号光は、ＡＷＧ１００７によって合波される。さらに、合波された信号光は、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐａｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光を用いた広帯域光源１００６から出力されたＡＳＥ光とカプラ１００８において合波される。
【００５６】
次に、合波された信号光およびＡＳＥ光は、伝送ファイバ１０１０によって、事業者系から加入者系へと伝送される。そして、ＡＷＧ１０２０において、各加入者系であるＯＮＵ１０３０、１０４０、１０５０、１０６０に分波される。ここで、ＡＳＥ光はＡＷＧ１０２０によってフィルタされ、各加入者系毎に異なる波長帯域を有するＡＳＥ光とされる。各ＯＮＵでは、Ｔｘ／Ｒｘ１０３１、１０４１、１０５１によって、信号光が送受信される。なお、Ｔｘ／Ｒｘとは、具体的には、Ｔｘ／Ｒｘ１０６１のように、ＷＤＭフィルタ１０６１ａ、Ｒｘ１０６１ｂ、Ｔｘ１０６１ｃとで構成されている。ＷＤＭフィルタ１０６１ａは信号光とフィルタされたＡＳＥ光とを分波する。Ｒｘ１０６１ｂは信号光を受信してその信号光に含まれる情報を取り出す。Ｔｘ１０６１ｃは実施の形態１に係る半導体光変調器１００を備えており、ＷＤＭフィルタ１０６１ａによって分波されたＡＳＥ光を変調および増幅して、アップストリームの信号光として事業者系に送信する。
【００５７】
次に、実際に実施の形態１に係る半導体光変調器を製造し、信号光を伝送させた結果について説明する。図６は、図５に示す光通信システムに実施の形態１に係る半導体光変調器を適用した場合における信号光の受信強度と誤り率との関係を表す図である。図６は、ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ（図中ＢＢと略記）と２０ｋｍ伝送時とにおける、波長１５３０、１５４０、１５５０、１５６５ｎｍの信号光の受信信号光強度に対する誤り率（ＢＥＲ：Ｂｉｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ）である（ただし、縦軸の誤り率は対数で表記）。図６からわかるとおり同じ誤り率に対するｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋと２０ｋｍ伝送時との受信強度の差が小さい。これによって、エラーが少ない通信ができていることがわかる。以上説明したように、本発明に係る半導体光変調器は、ＷＤＭ−ＰＯＮのＯＮＵとして利用できる。
【００５８】
なお、実施の形態１に係る偏波ダイバーシティ回路における光増幅利得は、入射光Ｌ１１がＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対して４５°の傾きを有し、第１入出力部５１と第２入出力部とからＢＨ−ＳＯＡ５５に等しい強度の光を入射させる場合に最大となり、入射光Ｌ１１がＴＥ偏光およびＴＭ偏光であって、第１入出力部５１または第２入出力部のどちらか一方からＢＨ−ＳＯＡ５５に入射する場合に最小となる。このため、入射光Ｌ１１の偏光モードによって、出射光Ｌ１２の強度が変わることとなる。そこで、入射光Ｌ１１の偏光モードによる出力の差により、誤り率が１０−９を超えない構成とすることが好ましい。
【００５９】
ここで、入力光強度と利得との関係について考察する。まず、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値を、入力される光の強度が１ｄＢ上昇したときの利得の増加量と定義する。すなわち、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値は、入力光強度（ｄＢｍ）を横軸、利得（ｄＢ）を縦軸としたときの傾きとして表される。この入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下であると、入射光Ｌ１１の偏光モードによる出力の差異が０．５ｄＢ以下となることが近似的な計算によって求められる。さらに、出力の差異が０．５ｄＢ以下であると、誤り率が１０−９以下となることが、本発明の発明者らの実験により確認されている。
【００６０】
したがって、半導体光変調器１００に用いるＢＨ−ＳＯＡ５５は、入力される光の強度の範囲内において、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下であることが好ましい。入力される光の強度は、例えば−３０ｄＢｍ以上０ｄＢｍ以下である。
【００６１】
（変形例）
次に、本実施の形態１に係る変形例として、半導体光変調増幅部５０のＵ字部が、ハイメサ構造のＳＯＡからなる構成について説明する。図７は、本発明の変形例に係る半導体光変調器における半導体光変調増幅部の平面図である。本変形例の第１入出力部５１、第２入出力部５２は、ＢＨ−ＳＳＣ部５１ａ、５２ａからなる。そして、実施の形態１において、Ｒ部およびＢＨ−ＳＯＡによって構成されていたＵ字部は、本変形例においてＵ字部を有するハイメサ構造のハイメサＳＯＡ５５Ａとして形成されている。さらに、ハイメサＳＯＡ５５Ａは、半導体素子の機械的強度を向上させるため、ポリイミドに埋め込まれている。そして、その上にｐ側電極５６ｂが形成されている。Ｒ部５３、５４をＳＯＡ内に構成する場合、曲げ損失を増大させないため、導波路内により強く光を閉じ込める必要性があることから、埋め込み構造のＢＨ−ＳＯＡからハイメサ構造のハイメサＳＯＡに導波路の構造を変更した。Ｒ部５３、５４は、曲げ損失を抑制するため、１２５μｍ以上の曲げ半径に設定されることが望ましい。
【００６２】
次に、本変形例の動作について説明する。偏光変換部４０の出力光導波路４１、４２から入射される第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２は、それぞれ、ＢＨ−ＳＳＣ部５１ａ、５２ａからなる第１入出力部５１、第２入出力部５２に入射し、導波路のコア幅が、例えば０．５μｍから３μｍに変換される。さらに、端部が３μｍに広げられ、端部以外のコア幅が２μｍであるハイメサＳＯＡ５５Ａに入力される。ハイメサＳＯＡ５５Ａは、表面および裏面に形成された不図示のｐ型電極とｎ型電極から変調信号を印加され、ハイメサＳＯＡ５５Ａに入射された第１入力光Ｌ４１、第２入力光Ｌ４２を、光変調および増幅しながら導波させ、それぞれ入力された側の一端とは反対側の一端から出力する。
【００６３】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器２００について説明する。図８は、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器の具体的構成を示す図である。図８に示すとおり、本実施の形態２に係る半導体光変調器２００は、実施の形態１のＵ字型導波路を有する半導体光変調増幅部５０に両端から光を入射させる構成と異なり、偏光分離部３０から出射された光を光合波部２７０により合波させ、直線状の反射型の導波路を有する半導体光変調増幅部２５０に入射させる構成である。
【００６４】
まず、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器２００の構造を説明する。光入出力部１０は、実施の形態１と同一の構造である。ＰＬＣ素子２２０は、偏光分離部３０と、偏光変換部２４０と、光合波部２７０からなる。偏光分離部３０は、実施の形態１と同一の構造である。偏光変換部２４０の出力光導波路２４１、出力光導波路２４２は、光合波部２７０へと接続される。光合波部２７０は、３ｄＢカプラ２７１からなり、ＴＥ偏光モードに揃えられた第１入力光Ｌ２４１と第２入力光Ｌ２４２とを合波させる。そして、光合波部２７０の出射端は、半導体光変調増幅部２５０の光入出力部２５１に接続されている。半導体光変調増幅部２５０は、片端部に直線上の光入出力部２５１を有し、他端部に光反射部５７を有し、さらに、実施の形態１と同一の構造のＢＨ−ＳＯＡ５５を有する。変調信号印加部６０は、実施の形態１と同一の構成である。
【００６５】
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器２００の動作について説明する。はじめに、実施の形態１と同様に、入射光Ｌ１１を、偏光分離部３０によって、偏波分離し、さらに、偏光変換部２４０によって、ＴＥ偏光モードに揃えられた第１入力光Ｌ２４１と第２入力光Ｌ２４２とする。そして、偏光変換部２４０から出力された第１入力光Ｌ２４１と第２入力光Ｌ２４２とを、光合波部２７０の３ｄＢカプラ２７１によって合波する。その後、半導体光変調増幅部２５０は、光合波部２７０から光入出力部２５１へ入力された信号光を、直線上の導波路構造を通過させながらＢＨ−ＳＯＡ５５によって変調および増幅する。このとき、ＢＨ−ＳＯＡ５５には、変調信号印加部６０によって変調電流が印加されており、この変調電流によって信号光を変調する。さらに、信号光は、光反射部５７によって反射され、光入出力部２５１から出射される。すると、ＰＬＣ素子２２０は、第１入力光Ｌ２４１、第２入力光Ｌ２４２を偏波合成したものを、変調および増幅された出射光Ｌ１２として、入力光導波路３１から光入出力部１０に出力する。
【００６６】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、偏波依存性が抑制され、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を提供することができる。
【００６７】
なお、本実施の形態においては、第１入力光と第２入力光とを均等に増幅するため、Ｕ字部の中央にＳＯＡを配置した。ここで、１０ＧＨｚにおいて、例えば屈折率１．５の媒質中を導波する場合、波長は２ｃｍである。一方、半導体光変調増幅部を構成する第１入出力部、第２入出力部、ＢＨ−ＳＯＡの導波路の距離は、数１００μｍ〜数ｍｍのオーダーである。したがって、ＳＯＡはＵ字部の略中心部に形成されていればよい。また、ＳＯＡが２つ以上形成され、一方のみに変調および増幅をかける構成であってもよい。また、変調および増幅のタイミングを調整することで、複数形成されたＳＯＡによって変調および増幅する構成であってもよい。
【００６８】
また、本実施の形態では、変調信号印加部において生成された強度変調電流を半導体光変調増幅部に印加した。しかしながら、本発明はこのような強度変調に限らず、位相変調や周波数変調など各種の光変調器に適用することができる。このような、光変調においても、偏波ダイバーシティ回路によって、信号光の偏波をＴＥ偏光モードに揃えることで、偏波依存性が抑制され、さらに、高速に光変調できる光増幅機能を備えた半導体光変調器を実現することができる。
【００６９】
また、本実施の形態では、偏光分離部において入射光をＴＭ偏光モードの第１偏光モード光とＴＥ偏光モードの第２偏光モード光とに分離し、偏光変換部において第１偏光モード光および第２偏光モード光をＴＥ偏光モードに揃えたが、本発明の偏波依存性を抑制しつつ光速光変調を実現する効果を発揮するためには、ＢＨ−ＳＯＡに入射する第１入力光および第２入力光が増幅利得がより大きい方の偏光モードであればよい。したがって、偏光分離部において、入射光を互いに異なる任意の２つの偏波方向を有する第１偏光モード光と第２偏光モード光とに分離し、偏光変換部において第１偏光モード光と第２偏光モード光との偏波方向を増幅利得がより大きい方の偏光モードに揃える構成であってもよい。
【００７０】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  光入出力部
２０、２２０  ＰＬＣ素子
３０  偏光分離部
３１  入力光導波路
３２、３５、２７１  ３ｄＢカプラ
３３、３４  アーム光導波路
３６、３７  ヒータ
４０、２４０  偏光変換部
４１、４２、２４１、２４２  出力光導波路
４３  １／２波長板
５０、２５０  半導体光変調増幅部
５１  第１入出力部
５１ａ、５２ａ  ＢＨ−ＳＳＣ部
５１ｂ、５２ｂ  ハイメサパッシブ光導波路部
５２  第２入出力部
５３、５４  Ｒ部
５５  ＢＨ−ＳＯＡ
５５ａ  シリコンベース
５５ｂ  基板
５５ｃ  下部クラッド層
５５ｄ  下部３段ＳＣＨ層
５５ｅ  活性層
５５ｆ  上部３段ＳＣＨ層
５５ｇ  上部クラッド層
５５ｈ  埋込層
５５ｉ  電流阻止層
５５ｊ  パッシベーション膜
５５ｋ  ポリイミド
５５Ａ  ハイメサＳＯＡ
５６ａ  ｎ側電極
５６ｂ  ｐ側電極
５７  光反射部
６０  変調信号印加部
６１  変調信号入力部
６２  高周波回路
２７０  光合波部
１００、２００  半導体光変調器
２５１  光入出力部
１０００  ＷＤＭ−ＰＯＮ
１００１  ＯＬＴ
１００２、１００３、１００４、１００５、１０３１、１０４１、１０５１、１０６１  Ｔｘ／Ｒｘ
１００６  広帯域光源
１００７、１０２０  ＡＷＧ
１００８  カプラ
１０１０  伝送ファイバ
１０３０、１０４０、１０５０、１０６０  ＯＮＵ
１０６１ａ  ＷＤＭフィルタ
１０６１ｂ  Ｒｘ
１０６１ｃ  Ｔｘ
Ｌ１１  入射光
Ｌ１２  出射光
Ｌ３１  第１偏光モード光
Ｌ３２  第２偏光モード光
Ｌ４１、Ｌ２４１  第１入力光
Ｌ４２、Ｌ２４２  第２入力光
Ｔ  トレンチ部
【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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