(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ひとつのＩｎＰ半導体基板上に形成され た、（１）ＩｎＧａＡｓの吸収層と該吸収層を挟むＮ型ＩｎＧａＡｓ半導体層とＰ型ＩｎＰ半導体とを備える光変調器と、（２）Ｎ型ＩｎＧａＡｓ半導体層とＰ 型ＩｎＧａＡｓ半導体層とをもった光増幅器と、どちらも同じ感光性ガラスあるいは低融点ガラス層に形成された（３）狭帯域フィルタと（４）帯域制限フィルタとを、備える集積型光逓倍変調装置で、
ｎを予め決められた１以上の整数とするとき、（５）予め決められた周波数の光を変調して、その第ｎ次側帯波群を得る構成と、（６）該第ｎ次側帯波群を変調して第ｎ+１次側帯波群を得る構成と、（７）該第ｎ+１次側帯波群の少なくとも一部の側帯波を選択する構成と、（８）その光路は、反射手段によって折り返されている構成と、（９）その変調手段には、次数の異なる側帯波群が入力される構成と、を、備え、
（１０）狭帯域フィルタ は、変調を受ける前の上記の予め決められた周波数の光を通過させ、その他の周波数の光については反射する特性を持ち、（１１）帯域制限フィルタは、変調を受ける前の上記の予め決められた周波数の光を反射する特性を持ち、
（１２）上記の狭帯域フィルタと帯域制限フィルタの裏面には、それぞれの温度調整装置が設けられていることを特徴とする集積型光逓倍変調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光を高周波信号で変調して、その高周波信号の整数倍の高周波信号で変調したものと等価な光信号を得る光逓倍変調装置に関 しており、特に、小型化することによりフィルタと変調器間の距離が小さくできるため高周波信号のオン・オフ時や変調時に応答速度を向上させることのできる集積型光逓倍変調装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
光を高周波信号で変調するには、光変調器に光搬送波と高周波電気信号を入れて、強度変調、位相変調、等を行なうことが一般に行われている。この方法では、与えられた高周波電気信号以上の周波数を持った側帯波を得る場合、大振幅の高周波電気信号を光変調器に入力し、光変調器の非線形性による高調波成分を取り出していた。一般に大振幅の高い周波数の電気信号を発生させることが困難であることが知られており、増幅器などの電気回路部分が高調波発生の効率を制限していた。このため、これを超える構成が求められていた。
【０００３】
与えられた高周波電気信号以上の周波数を持った側帯波を得る試みとして、これまでに、変調指数を高く取った位相変調の例が報告されている。例えば文献１（小林哲郎、「ドメイン反転外部位相変調器を用いた超短光パルスの発生」、応用物理、第６７巻、第９号（1998）、1056-1060頁）には、LiTaO3の電気光学結晶を導波路とし、その上にストリップ線路共振器をつけた光変調器に16.26ＧＨｚの高周波電気信号を印加し、変調指数が８７ラジアンのとき、そのスペクトル幅が約2.9ＴＨｚになった旨、報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の変調指数を高く取った位相変調の構成では、高い変調指数を得る必要があり、このために、高周波電気信号の振幅を大きくするために、ストリップ線路共振器 を変調器の電極として用いており、変調周波数を変えることが困難になっている。また、高周波電気信号を増幅することにより、共振器を変調器の電極として用 いることを避け、従って、変調周波数を容易に変える構成とすることは容易に想像されるが、この増幅装置が、高周波電気信号の上限を決めてしまうことは良く知られている。
【０００５】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、上記の文献１に記載された変調指数を高く取った位相変調の構成に比べて、振幅の小さい高周波電気信号でも高次の側帯波を容易に得られる光逓倍変調装置で、特に、小型化することによりフィルタと変調器間の距離が小さくできるため高周波信号のオン・オフ時や変調時に応答速度を向上させることのできる集積型光逓倍変調装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、集積型光逓倍変調装置に関しており、ｎを予め決められた１以上の整数とするとき、予め決められた周波数の光を変調して、その第ｎ次側帯波群を得る構成と、該第ｎ次側帯波群を変調して第ｎ+１次側帯波群を得る構成と、該第ｎ+１次側帯波群の少なくとも一部の側帯波を選択する構成と、その光路は、反射手段によって折り返されている構成と、その変調手段には、次数の異なる側帯波群が入力される構成と、変調を受ける前の上記の予め決められた周波数の光を通過させ、その他の周波数の光については反射する第１の反射手段と、予め決められた１以上の整数であるｎについて、第ｎ+１の側帯波を通過させ、その他の光については反射する第２の反射手段と、を有する構成と、上記の、第１の反射手段と、光変調器と、第２の反射手段とは、同一の基板上に形成され、前記の基板について、第１の反射手段の裏面と、第２の反射手段の裏面とにそれぞれの温度調整装置が設けられていることを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず本発明の原理を図１を用いて、説明する。図１の入力光は単一の周波数ｆ0を持った光であり、狭帯域フィルタは、周波数ｆ0の入力光には透過であるが、その周波数から僅かにずれた光は反射する、という特性をもったフィルタである。また、光変調器は、左向きあるいは右向き、どちら向きの光についても変調周波数ｆmの同じ特性で変調することができる光強度変調器である。また、帯域制限フィルタは、ｎ次、例えば３次、の側帯波までは反射するが、それ以外の光には透過である。
【０００８】
以上の構成の時、狭帯域フィルタを通して入力された周波数ｆ0の光は、変調されて、図１(ｂ)に示す側帯波が生じるが、簡単のため線形の変調が行なわれるものとし、従って、搬送波と第１次両側帯波のみが発生するものとする。この光は、帯域制限フィルタによって、再び光強度変調器を通過し、この際、搬送波と両側帯波とが変調を受け、図１（ｃ）に示すスペクトルとなる。これらの光のうち、搬送波は狭帯域フィルタを通過してしまうので、図１（ｄ）の様に側帯波のみが反射され、さらに変調を受け図１（e）のスペクトルとなる。この変調により、第１次と３次の側帯波が発生するが、図１（ｇ）に示す第３次の側帯波は、帯域制限フィルタを通過し、図１（ｆ）に示す第１次の側帯波は反射される。この様に、帯域制限フィルタからは、第３次の側帯波が出力される。
【０００９】
上記の説明においては光変調器は強度変調器としたが、位相変調器であっても同様の効果が得られることは容易に理解できる。また、本発明の用途に使える変調器としては、共振型の変調器と、進行波型の変調器がある。特に進行波型の変調器においては、両端の電極から、変調信号を入力することによって、どちら向きの光についても同じ特性で変調することができる。
【００１０】
図２は本発明の原理を実証するための実験の構成を示す図である。ファイバグレーティング（ＦＢＧ）１とファイバグレーティング（ＦＢＧ）２での反射により、光変調器に入力光を複数回、通過させ、高次の側帯波を得るものである。レーザ光源は波長1550nm、出力10mWの半導体レーザであり、アイソレータは市販のNewport社製である。また、ファイバグレーティングは市販の3M社製であり、例えば文献２（井上亨、「ファイバーグレーティング技術の開発動向」、C-3-67、2000年電子情報通信学会総合大会、246-247頁）に記載されている。光変調器は、市販の住友大阪セメント社製の進行波型光位相変調器であり、周波数40GHz以下の高周波電気信号入力で動作可能である。この構成で周波数30GHz、出力27.8dBmの変調信号を入力したところ、搬送波から210GHz離れた側帯波を-32dBmの出力で得ることができた。
【００１１】
図３は、本発明の第１の実施形態を示す図である。図４にその断面図（ａ）と平面図（ｂ）を示す。半導体基板１上に形成された狭帯域フィルタと光増幅器を用いた光変調器と帯域制限フィルタとからなっており、この光増幅器を用いた光変調器には、外部から周波数ｆmの変調変調信号が印加され、狭帯域フィルタには、周波数ｆ0の光が入力される。この光は、図１に示したように、多重変調され、ｆ0±３ｆmの光が出力される。この装置の特徴は、その簡単な構造にあるが、十分に増幅することも必要であるので、下記の物に比べて、光変調器のサイズは大きいので、変調についての周波数特性が犠牲になっている。
【００１２】
また、上記の実施形態では、その変調についての周波数特性を犠牲にすることなく、出力光の強度を得られる構成を図５に示す。図５の構成では、半導体基板１上に形成された狭帯域フィルタと電気吸収型光変調器と半導体光増幅器と帯域制限フィルタとからなっており、電気吸収型光変調器には、外部から周波数ｆmの変調変調信号が印加され、この変調器によって減衰した光信号を半導体光増幅器が増幅して、その減衰による出力の低下を防止している。
【００１３】
より具体的には、図６にその一部の配置を示す。図６は、同一のＮ型ＩｎＰ半導体基板上に形成された電気吸収型光変調器２０と半導体光増幅器１０とを示している。電気吸収型光変調器２０には、金属電極３と半導体基板１との間に電圧が印加される。印加される電圧極性は、半導体基板１に対して、電極３の電位は正である。印加された電圧は、ＩｎＧａＡｓＰで形成された吸収層２２（厚さ0.4〜0.6ミクロン、バンドギャップ0.84ｅＶ）を挟むＮ型ＩｎＧａＡｓＰ半導体層２１（厚さ0.4〜0.6ミクロン、バンドギャップ0.84ｅＶ）およびＰ型ＩｎＰ半導体層２３を通じて、高抵抗のＩｎＧａＡｓＰ半導体層でつくられた吸収層２２に印加される。この際、吸収層２２を光が通過すると良く知られたフランツ−ケルディッシュ効果が引き起こされ、特定の波長の光については、吸収層２２に印加される電圧に応じて異なる吸収率で吸収される。従って、電極３に印加する電圧を変化させることによって、光の強度を変調することができる。電気吸収型光変調器２０の光路長を１００ミクロン程度にすることによって、変調度を０．２程度にすることは容易である。
【００１４】
ここで変調された光は、半導体光増幅器１０によって増幅される。半導体光増幅器１０は、Ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１２（厚さ0.１ミクロン、バンドギャップ0.95ｅＶ）およびＰ型ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１３（厚さ0.１ミクロン、バンドギャップ0.8ｅＶ）で構成される量子井戸に電圧を印加することによって、波長1550nmの光の増幅が行なわれるものである。この、半導体光増幅器１０の光路長を６００ミクロン程度にすることによって、１０ｄB程度の利得を得ることは容易である。
【００１５】
図６の電気吸収型光変調器２０と半導体光増幅器１０とは、断面図を図７に示す様に厚さ２ミクロンの感光性ガラス（ゲルマニウムをドープしたＳｉＯ２）９によって覆われる。このガラス層には、シリコン半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィーによりクロムの遮光マスクが形成されている。図７に示す状態でその上方から紫外線を照射することにより、感光性ガラス９には、図８に断面図と平面図を示すように、パターンが形成される。このパターンを上記のＦＢＧの周期とすることによって、図４に示した狭帯域フィルタと帯域制限フィルタとが形成される。また、上記の感光性ガラスの代わりに、通常の低融点ガラスを用いて、それにフォトレジストによるイオン注入マスクを形成してボロン等のイオン注入などによっても、同様の効果を実現することができる。
【００１６】
上記の遮光マスク、あるいはイオン注入マスクは、必ずしも除去する必要はないが、出力の低下を防止するためには、除去することが望ましい。また、この目的で用いる事のできる遮光マスの材料としては、アルミニウム、金、チタンあるいはタングステンなど、また、イオン注入マスクとしては、これらの金属材料の他にシリコン酸化物やアモルファスシリコンやポリシリコン等が既にしられており、これらの材料を用いても上記と同様の形状を実現できることは容易に理解できる。
【００１７】
集積化しない場合の光逓倍変調装置のサイズは、縦、横、高さのサイズはそれぞれ、３００ｍｍ×５００ｍｍ×２０ｍｍであり、光路長から決まる応答特性は、２５．２ｎｓであったが、上記の様に集積化した場合には、そのサイズは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍとなり、その応答時間特性は、ファイバグレーティング（ＦＢＧ）１とファイバグレーティング（ＦＢＧ）２間の距離に反比例するので０．１ｎｓ以下となり、２５０倍以上改善された。
【００１８】
次に、半導体光増幅器１を用いて光変調を行ない、それに加えて、半導体光増幅器２を用いて光信号を増幅して比較的大きな出力光を得る構成を図９に示す。図９の構成では、半導体基板１上に形成された狭帯域フィルタと半導体光増幅器１と半導体光増幅器２と帯域制限フィルタとからなっており、半導体光増幅器１には、外部から周波数ｆmの変調変調信号が印加され、この信号にしたがって増幅度が変化することにより、光が変調される。この光信号を半導体光増幅器が増幅して、その減衰による出力の低下を防止している。この構成の利点は、半導体光増幅器を用いて光変調を行なうため、増幅のみに用いる半導体光増幅器と同じ断面構造とすることができ、集積化し易いことである。
【００１９】
より具体的には、図１０に断面図と平面図を示すように、半導体光増幅器１は高周波特性を満たし、また半導体光増幅器２では十分な利得を得ることができるようにするために、半導体光増幅器１は半導体光増幅器２より小さく形成され、特にこの部分を図示すると図１１のようになる。図１０のＦＢＧを形成する方法は、上記の実施形態における図８の場合と同様である。
【００２０】
また、図１２は、光集積回路の温度を制御する構成を示す。半導体基板の背面に設けられたペルチェ冷却器により冷却することで、変調器と光増幅器の発熱による温度変動を安定化させ、ＦＢＧの熱膨張によるフィルタ特性の変動を防止するものである。このような冷却器は、図１３のように、変調器用のものと増幅器用のものとをそれぞれ独立して調整できるようにすることにより、より精度の高い調整ができるようになる。
【００２１】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００２２】
この発明では、短い光路の集積型光逓倍変調装置となったため、従来の物に比べて、その応答速度を２５０倍以上に改善することができた。
【００２３】
また、この発明では、簡単な構成で集積型光逓倍変調装置を構成できるようになった。
【００２４】
また、この発明では、簡単な製造プロセスで光変調器と光増幅器とを作り込むことができるようになり、製造コストを低減できるようになった。
【００２５】
さらに、この発明では、高速動作特性が良好な電界吸収光変調器を用いたので、より高い周波数の信号で変調できるようになった。
【００２６】
さらに、この発明では、集積型光逓倍変調装置に用いられる濾波器の周波数特性のドリフトが無くなり、安定に動作するようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】集積型光逓倍変調装置の基本原理を示すブロック図である。
【図２】集積型光逓倍変調装置の原理を実証する実験のブロック図である。
【図３】集積型光逓倍変調装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】集積型光逓倍変調装置の第１の実施の形態の断面図（ａ）と平面図（ｂ）を示す模式図である。
【図５】集積型光逓倍変調装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図６】集積型光逓倍変調装置の第２の実施の形態の一部の構成を示す模式図である。
【図７】ＦＢＧを基板上に形成する場合のフォトマスクの配置を示す模式的断面図である。
【図８】集積型光逓倍変調装置の第２の実施の形態の断面図（ａ）と平面図（ｂ）を示す模式図である。
【図９】集積型光逓倍変調装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【図１０】集積型光逓倍変調装置の第３の実施の形態の断面図（ａ）と平面図（ｂ）を示す模式図である。
【図１１】集積型光逓倍変調装置の第３の実施の形態の一部の構成を示す模式図である。
【図１２】第１の温度調整器を附加した集積型光逓倍変調装置の模式図である。
【図１３】第２の温度調整器を附加した集積型光逓倍変調装置の模式図である。
【符号の説明】
１  半導体基板（ＩｎＰ）
２  ＳｉＯ２
３  電極
４  半絶縁性電流ブロック層
５  Ｎ型ＩｎＰ層
６  Ｐ型ＩｎＰ層
７  狭帯域フィルタ
８  帯域正弦フィルタ
９  シリコン酸化膜層
１０  半導体光増幅器
１１  Ｎ型ＩｎＰ層
１２  Ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層（バンドギャップ＝0.９５ｅＶ）
１３  Ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層（バンドギャップ＝0.８０ｅＶ）
１４  Ｐ型ＩｎＰ層
１５  遮光マスク
１６  放熱板
２０  電気吸収型光変調器
２１  Ｎ型ＩｎＰ層
２２  吸収層（ＩｎＧａＡｓＰ層（バンドギャップ＝0.８４ｅＶ））
２３  Ｐ型ＩｎＰ層
【図１】
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【図２】
0003577508.tif 000003
【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】
0003577508.tif 000008
【図８】
0003577508.tif 000009
【図９】
0003577508.tif 000010
【図１０】
0003577508.tif 000011
【図１１】
0003577508.tif 000012
【図１２】
0003577508.tif 000013
【図１３】
0003577508.tif 000014