(57)【要約】【課題】ヒーターを用いることなく、変調用高周波信号と共に印加するＤＣ電圧のみを用いて、光変調器の動作点の調整及び変調効率の改善を行うことが可能な光変調器を提供する。【解決手段】本発明の光変調器１００は、光分岐器２と光結合器３の間に並行して延びる２つの光導波路５、６の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、位相変調部は、光導波路に沿って設けられた進行波電極７、８を含み、進行波電極の一端は、第１バイアスティー回路１０１を介して高周波信号源ＲＦに接続し、進行波電極の他端は、第２バイアスティー回路１０２を介して高周波終端抵抗Ｒに接続する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光分岐器と光結合器の間に並行して延びる２つの光導波路の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、
前記位相変調部は、前記光導波路に沿って設けられた進行波電極を含み、前記進行波電極の一端は、第１バイアスティー回路を介して高周波信号源に接続し、前記進行波電極の他端は、第２バイアスティー回路を介して高周波終端抵抗に接続する、光変調器。
【請求項２】
前記第１バイアスティー回路は第１直流電圧源に接続し、前記第２バイアスティー回路は第２直流電圧源に接続する、請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記第１バイアスティー回路は、前記進行波電極の一端に第１バイアス電圧を印加し、前記第２バイアスティー回路は、前記進行波電極の他端に第１バイアス電圧より大きな第２バイアス電圧を印加する、請求項１または２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記進行波電極は、前記光導波路の両側に位置する一組の信号電極と接地電極とを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項５】
前記光変調器は、マッハツェンダ(ＭＺ)型光変調器を構成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項６】
前記光導波路は、ＰＮ接合を含むシリコンリブ型光導波路を含む、請求項５に記載の光変調器。
【請求項７】
光変調器の制御方法であって、
前記光変調器は、光分岐器と光結合器の間に並行して延びる２つの光導波路の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、前記位相変調部は、前記光導波路に沿って設けられた進行波電極を含み、
前記進行波電極の一端に第１直流バイアス電圧を印加するステップと、
前記進行波電極の一端に変調用の高周波信号を印加するステップと、
前記進行波電極の他端に第１バイアス電圧より大きな第２直流バイアス電圧を印加するステップと、を含む制御方法。
【請求項８】
前記光変調器の動作点は、前記第１直流バイアス電圧と前記第２直流バイアス電圧の差分によって設定される、請求項７に記載の制御方法。
【請求項９】
前記第２直流バイアス電圧は、前記光変調器の光伝搬方向での変調効率が向上するように設定される、請求項７または８に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器に関し、より具体的には、マッハツェンダ(ＭＺ)型の光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
広帯域でかつ高い消光特性を持つマッハツェンダ干渉計(ＭＺＩ)は、光変調器の位相変調部の構成として広く使用されている。特許文献１は、従来のニオブ酸リチウムの光学基板を用いたＭＺ型光変調器を開示する。特許文献１の図１には、２つのアーム導波路上の電極の一端に、変調させるための高周波信号源と、変調器の動作点を設定するためのＤＣ電圧を供給するバイアス回路とを接続し、その他端に終端抵抗を接続する構成が開示されている。さらに、特許文献１の図３には、変調器の動作点の設定を、アーム導波路上に設けたヒーターの加熱による熱光学効果を利用して行う構成も開示されている。
【０００３】
また、非特許文献１は、シリコン光導波路を用いたＭＺ型光変調器を開示する。非特許文献１のＭＺ型光変調器では、両アームのリブ形光導波路に横形ｐｎ接合を形成し、ｐｎ接合に接続するコプレーナ形の進行波電極に変調電気信号と共に直流逆バイアスを入力して、キャリア密度の変化により導波光の位相を変調して高速光変調を行う。
【０００４】
特許文献１の図３に例示されるようなヒーターを用いた光変調器の動作点の設定では、ヒーター及びその加熱回路を追加的に設ける必要があり、そのためのスペースが必要となることから光変調器の小型化の妨げになる。特にシリコン光導波路を用いた微小なＭＺ型光変調器に適用する場合、その問題が顕著になる。また、その分製造コストも増加してしまう。
【０００５】
特許文献１の図１、あるいは非特許文献１に例示されるような変調電気信号(高周波信号)と共に印加するＤＣ電圧(逆バイアス)を用いた光変調器の動作点の設定では、変調器の光伝搬方向に対して一様な直流バイアス電圧しか与えられないため、変調器の進行方向に対しての変調効率を調整することができない。すなわち、変調電気信号(高周波信号)はその伝搬と共に減衰するため、従来の光変調器では位相変調領域全体に渡って一様な変調を光に与えることができず、変調効率や高周波特性が劣化してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１０／０６４４１７
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】小川憲介、電子情報通信学会誌、Vol.96、No.3、pp.195-199、2013年3月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、ヒーターを用いることなく、変調用高周波信号と共に印加するＤＣ電圧のみを用いて、光変調器の動作点の調整及び変調効率の改善を行うことが可能な光変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は光変調器を提供する。その光変調器は、光分岐器と光結合器の間に並行して延びる２つの光導波路の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、位相変調部は、光導波路に沿って設けられた進行波電極を含み、進行波電極の一端は、第１バイアスティー回路を介して高周波信号源に接続し、進行波電極の他端は、第２バイアスティー回路を介して高周波終端抵抗に接続する。
【００１０】
本発明は光変調器の制御方法を提供する。その制御方法において、光変調器は、光分岐器と光結合器の間に並行して延びる２つの光導波路の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、位相変調部は、光導波路に沿って設けられた進行波電極を含み、(ａ)進行波電極の一端に第１直流バイアス電圧を印加するステップと、(ｂ)進行波電極の一端に変調用の高周波信号を印加するステップと、(ｃ)進行波電極の他端に第１直流バイアス電圧より大きな第２直流バイアス電圧を印加するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、進行波電極の両端に印加する２つの直流バイアス電圧のみでヒーターを用いた場合と同様な光変調器の動作点調整を行うことができる。その結果、光変調器の小型化及び製造コストの低減を図ることができる。同時に、その直流バイアス電圧の制御により、光変調器の光伝搬方向での変調効率(変調光出力)の低下を防ぎその均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の光変調器の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の一実施形態の光導波路の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の位相変調部の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の一実施形態の光変調器の動作点制御の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の光変調器の変調効率を説明するための図である。
【図６】従来の光変調器の変調効率を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態の光変調器の制御フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態の光変調器の構成を示す平面図である。図１の光変調器１００は、マッハツェンダ干渉計(ＭＺＩ)を用いた光変調器の一例である。光変調器１００は、入力ポート１に接続する光分岐器２と出力ポート４に接続する光結合器３との間に並行して伸びる２つの光導波路５、６を含む。光導波路５、６はアームとも呼ばれる。この２本のアーム５、６の長さは、等長または非等長のいずれでもよい。入力ポート１にはＣＷ(Continuous Wave)光が入力し、変調後の変調光が出力ポート４から出力する。ＣＷ光は、振幅の時間依存性がない光を意味し、例えば連続発振するレーザ光(Continuous Wave laser)によって供給される。
【００１４】
位相変調部において、一方の光導波路５は、進行波電極を構成する１組の電極、すなわち、信号が印加される電極Ｓ(７)とグランドＧ(８)によって挟まれる態様を成す。同様に、光導波路６は、進行波電極を構成する１組の電極Ｓ(９)及びグランドＧ(８)によって挟まれる態様を成す。図１では、グランドＧ(８)が共通の１つのグランドとして２つの光導波路５、６の間に配置される構成(上からＳ／Ｇ／Ｓ)を示しているが、例えば２つの別個のグランドとして配置する構成(上からＳ／Ｇ／Ｇ／Ｓ)、あるいは電極Ｓ(７、９)と入れ替えた構成(上からＧ／Ｓ／Ｓ／Ｇ)とすることもできる。その電極配置は、光変調器の仕様(スペース、配線等)に応じて任意に設定することができる。
【００１５】
進行波電極の少なくとも一方、具体的には例えば図１の電極Ｓ(７)の一端には、高周波(ＲＦ)入力と直流(ＤＣ)バイアス１を印加するための回路１０が接続され、その他端には直流(ＤＣ)バイアス２の印加及び終端する回路１１が接続される。なお、配線は図示されていないが、回路１０、１１は回路の性質上グランド電極Ｇ(８)にも電気的に接続されている。もう一方の進行波電極をなす電極Ｓ(９)に回路１０、１１と同様な回路を設けることもできる。回路１０、１１の内容についてはさらに後述する。
【００１６】
図２は、本発明の一実施形態の光導波路６の構成(図１のａ−ａ´断面)を示す断面図である。光導波路５の構成も同様である。図２は、ＰＮ接合を含むシリコンリブ型光導波路を用いる場合の一例である。図２において、ＳＯＩ基板の所定領域の埋め込み酸化膜(ＢＯＸ層)上のシリコン層(ＳＯＩ層)１２中に、横型のｐｎ接合を形成するようにｐ型(ｐ＋)領域とｎ型(ｎ＋)領域が形成されている。ＢＯＸ層は、位相変調部の第１クラッド(下側クラッド)として機能し、ＳＯＩ層１２はコア(その一部)として機能する。ｐ＋領域の端部にはドーパント濃度が高いｐ＋＋領域が設けられ、その上の電極Ｇ(８)と抵抗性接合している。同様に、ｎ＋領域の端部にはドーパント濃度が高いｎ＋＋領域が設けられ、その上の電極Ｓ(９)と抵抗性接合している。電極Ｓ(９)には図１の回路１０、１１が接続する。
【００１７】
表面が平坦なＳＯＩ層の中央部にはＰＮ接合を含むリブ１４が設けられている。リブ１４はコア(その一部)として機能する。リブ１４及びＳＯＩ層１２はシリコンとは異なる材料からなる第２クラッド(上側クラッド)１３で覆われている。第２クラッド１３は、例えば酸化シリコン(ＳｉＯ２)、あるいはＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＮのような材料を用いることもできる。
【００１８】
コアを成すＳＯＩ層１２及びリブ１４の屈折率ｎ１と、コアを包含する第１及び第２のクラッドの屈折率ｎ２との関係は、基本的に従来からの光導波路のコアとクラッドに求められる屈折率の関係と同じであって、少なくともｎ１＞ｎ２が成り立つ必要がある。図２の例では、ＳＯＩ層１２のＳｉの屈折率は約３.５であり、第１及び第２のクラッドの一例である酸化シリコン(ＳｉＯ２)の屈折率は約１.４であり、これらは上記した屈折率の関係ｎ１＞ｎ２を満たしている。
【００１９】
図１及び図２で例示される本発明の一実施形態の基本的な変調動作は従来と同様に以下の様になる。シリコン光導波路を用いたＭＺＩ型光変調器では、ＭＺ干渉計を成す各アーム５、６を構成するシリコン光導波路１２、１４中にｐｎ接合が形成されている。そのｐｎ接合と接続するようにコプレーナ型の進行波電極Ｓ、Ｇが配置されている。ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加することにより空乏層の幅が変化する。その結果、光導波路内のキャリア密度が変化して、電気光学効果(屈折率変化)により伝搬する光の位相を変化させることができる。
【００２０】
このような光の位相シフトを与える部分を位相シフタとも呼ぶ。この原理を用いてＭＺ干渉計を構築し、その片アーム、あるいは両方のアームの進行波電極に高周波電気信号を入力すると、光分岐器２で分岐した入力ポート１からのＣＷ入力光の位相が変化し、ＭＺ干渉計出口側の光結合器３における両アームからの光の干渉条件が変化して、出力ポート４からの出力光に振幅変調や位相変調を与えることができる。
【００２１】
図３は、本発明の一実施形態の光変調器の位相変調部の構成を示す回路図である。進行波電極を構成する１組の電極Ｓ(７)及びグランドＧ(８)に回路１０、１１が接続されている。破線で囲まれたブロック１０３は、光導波路を図２で例示されるようなシリコン光導波路で形成した場合の等価回路である。等価回路１０３のダイオードＤはＰＮ接合での整流性を示し、抵抗ｒは電極Ｓ(７)の抵抗を示している。回路１０は、高周波信号源ＲＦと第１の直流のバイアス電圧源Ｖbias1とに接続する第１のバイアスティー回路１０１を含む。回路１１は、高周波終端抵抗Ｒと第２の直流のバイアス電圧源Ｖbias2とに接続する第２のバイアスティー回路１０２を含む。２つのバイアスティー回路１０１、１０２は、いずれも例えば従来からあるコンデンサＣ１、Ｃ２とインダクタＬ１、Ｌ２を含む構成からなる。
【００２２】
第１のバイアスティー回路１０１のコンデンサＣ１は、直流をカットし高周波信号源ＲＦからの高周波信号のみを電極Ｓ(７)に印加する。インダクタＬ１は、高周波信号をカットし第１の直流のバイアス電圧源Ｖbias1からの直流電圧のみを電極Ｓ(７)に印加する。第２のバイアスティー回路１０２のコンデンサＣ２は、直流をカットし電極Ｓ(７)からの高周波信号のみを終端抵抗Ｒに導く。インダクタＬ２は、高周波信号をカットし第２の直流のバイアス電圧源Ｖbias2からの直流電圧のみを電極Ｓ(７)に印加する。図３の構成において、電極Ｓ(７)の一端(入力側)のみならず他端(出力側)にもバイアスティー回路を設けるところが本発明の一つの特徴である。
【００２３】
次に、図４を参照しながら本発明の一実施形態の光変調器の動作点の制御、より具体的にはＭＺ干渉計の初期動作点の制御について説明する。光変調器の基本的な変調動作は上述した通りであるが、その変調に際して予め変調の動作点(ＭＺ干渉の交差点)を調整しておく必要がある。それは、製造上両アーム(シリコン光導波路)の寸法や組成に微妙なバラツキが生じてしまうので、そのバラツキ分の影響を吸収し位相変調出力(効率)の最適化を図る必要があるからである。
【００２４】
図４は、本発明の一実施形態の光変調器の動作点制御の例を示す図である。図４の(ａ)は本発明の例であり、参考として(ｂ)に従来のヒーターを用いた例を示す。いずれの場合もシリコン光変調器であり、位相変調部の長さは約２ｍｍの場合の例である。グラフ(ａ)の横軸のバイアス差(Ｖbias2-Ｖbias1)は、図３の回路１１の第２の直流のバイアス電圧源Ｖbias2によって供給される直流のバイアス電圧Ｖbias2と、回路１０の第１の直流のバイアス電圧源Ｖbias1によって供給される直流のバイアス電圧Vbias1との差分(ΔＶ)を意味する。グラフ(ｂ)の横軸はアーム加熱のためのヒーター(抵抗)に供給する電圧(Ｖ)を意味する。両グラフの縦軸は、光変調器の光結合器(出力ポート)から出る変調光出力(ｄＢｍ)を意味する。
【００２５】
図４(ａ)の本発明の場合において、バイアス差が約０.６Ｖ程度で得られるクロスポートＣＰ１としての光出力と、バーポートＢＰ１としての光出力との交差点Ａを光変調器の動作点として選択することができる。この動作点Ａは、(ｂ)の従来のヒーターを用いた場合のクロスポートＣＰ２の光出力とバーポートＢＰ２の光出力の交差点Ａ´を光変調器の動作点として選択する場合と比べて、ほぼ同様な大きさの光出力での動作点を得る事ができる。本発明を用いれば、従来技術のような個別ヒーターなしでヒーターを用いた場合と同様な光変調器の動作点(ＭＺ干渉計の初期動作点)の調整が可能となる。また、位相差πを与える電位差は１Ｖ以下となり、従来技術よりも低く、制御回路の構成が簡易になる。
【００２６】
進行波電極の電極Ｓの入力側と出力側にバイアス差があると、すなわち、異なる直流バイアス電圧(Ｖbias1＜Ｖbias2)を与えると、電極Ｓに直流電流を流すことができる。その場合、電極Ｓは大きな(Ｌ／Ｓ)比で決まる有限な電気抵抗を持っているため、一種のヒーターとして機能させることができ、これにより光変調器の動作点を調整することができる。このように、本発明を用いれば、光変調器の動作点調整用の個別ヒーターが不要となり、その製造コスト、および製造期間、開発期間を減らすことができる。また、ヒーターが不要なので光変調器の小型化が可能である。
【００２７】
次に、図５と図６を参照しながら本発明の一実施形態の光変調器の光伝搬方向での変調効率の調整(向上)について説明する。図５は、本発明の一実施形態の光変調器の位相変調部の長さ方向(光伝搬方向)での変調効率を説明するための図である。図６は、比較のために示した、従来の光変調器の長さ方向(光伝搬方向)での変調効率を説明するための図である。図５(ａ)は特に何も対策をしないと進行波電極の電極Ｓに印加される高周波信号の大きさ(ＲＦ電圧)が、位相変調部の光導波路の長さＬ(μｍ)に沿って減衰してしまう様子を示す。図６(ａ)も同様である。図５(ｂ)は、進行波電極の電極Ｓの入力側と出力側に異なる直流バイアス電圧(Ｖbias1＜Ｖbias2)を与えることにより、光変調器の長さ方向(光伝搬方向)に沿って直流バイアス電圧(Ｖ)を徐々に大きくすることを示す。
【００２８】
この場合、図示はしていないが、位相変調効率もそのバイアス電圧の増加に伴って上昇する。その結果、電極Ｓの入力側と出力側に適切な直流バイアス電圧差を与えることにより、図５(ｃ)に示すように、位相変調効率(radian/V・μｍ)を光導波路の長さＬ(μｍ)に沿って高めることができる。総光変調量(光位相シフト量)は図５(ｄ)に示すように、位相変調部の光導波路の長さＬ(μｍ)での高周波信号の大きさ(ＲＦ電圧(Ｖ))と位相変調効率(radian/V・μｍ)の乗積の積分値(面積１)として得ることができる。位相変調部の光導波路の長さＬ(μｍ)での総光変調量の向上を図ることができる。すなわち、変調効率(変調光出力振幅)の改善を図ることができる。
【００２９】
一方、図６の従来の光変調器では、(ｂ)に示すように進行波電極の電極Ｓの入力側と出力側に一定(同一)の直流バイアスを与えている。その結果、図６(ｃ)に示すように、位相変調効率(radian/V・μｍ)は光導波路の長さＬ(μｍ)に沿って一定のままとなる。この場合の総光変調量(光位相シフト量)は、図６(ｄ)の面積２に示すように、光導波路の長さＬ(μｍ)に沿って減少してしまう。すなわち、従来の光変調器では位相変調部の長さ方向(光伝搬方向)での変調効率(変調光出力振幅)の減少を防ぐことができない。
【００３０】
図７は、本発明の一実施形態の光変調器の制御フローを示す図である。図７の制御フローは、例えば上述した図１〜図３の構成を備えるＭＺＩ型光変調器において実行することができる。ステップＳ１において、直流バイアス電圧の設定をする。具体的には、上述した光変調器の動作点の制御及び光伝搬方向での変調効率の向上のために進行波電極の電極Ｓの入力側と出力側に印加する２つの直流バイアス電圧(第１及び第２)を設定する。
【００３１】
より具体的には、例えば図４(ａ)の直流バイアス電圧差と光出力の関係を予め位相変調部の条件(材質、長さ、ＰＮ接合部のドーピング濃度など)に対応したデータとして得て、コンピュータのメモリに保管しておく。コンピュータを用いて自動的に図４(ａ)のグラフから光変調器の動作点Ａの直流バイアス電圧差および対応する２つの直流バイアス電圧(第１及び第２)が選択されるようにする。その際に、電極Ｓの出力側の直流バイアス電圧(第２)の大きさは、図５(ｃ)の位相変調効率のデータをも用いて(参照して)を決めることができる。すなわち、第２直流バイアス電圧は、光変調器の動作点Ａの最適化と総光変調量の向上の双方ができるだけ同時に図れるように設定される。
【００３２】
ステップＳ２において、進行波電極の電極Ｓの入力側にステップＳ１で設定した第１直流バイアス電圧を印加する。この第１直流バイアス電圧は、上述したように例えば図３の第１の直流のバイアス電圧源Ｖbias1によって供給することができる。ステップＳ３において、進行波電極の電極Ｓに高周波信号を印加する。この高周波信号は、上述したように例えば図３の高周波信号源ＲＦによって供給することができる。ステップＳ４において、進行波電極の電極Ｓの出力側にステップＳ１で設定した第２直流バイアス電圧を印加する。
【００３３】
この第２直流バイアス電圧は、上述したように例えば図３の第２の直流バイアス電圧源Ｖbias2によって供給することができる。なお、図７において、ステップ３とステップ４を入れ替えて、ステップＳ３の高周波信号の印加の前にステップＳ４の第２直流バイアス電圧の印加を行ってもよい。あるいは、ステップＳ２において、最初に高周波信号の印加を行い、その後に(時系列的に連続して)第１直流バイアス電圧の印加と第２直流バイアス電圧の印加を行ってもよい。
【００３４】
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の光変調器は、光トランシーバー装置などの光通信用装置において使用される光変調器として、光回路、光集積回路等の一部として利用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１：入力ポート
２：光分岐器
３：光結合器
４：出力ポート
５、６：光導波路(アーム)
７、８、９：進行波電極
１０：高周波(ＲＦ)入力と直流(ＤＣ)バイアス１を印加する回路
１１：直流(ＤＣ)バイアス２の印加及び終端する回路
１２：シリコン層(ＳＯＩ層)
１３：第２クラッド(上側クラッド)
１４：リブ
１００：光変調器
１０１：第１のバイアスティー回路
１０２：第２のバイアスティー回路
１０３：光導波路の等価回路
【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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