(57)【要約】【課題】本発明は、光インターリーブフィルタを使用せずに、容易にスペクトル間隔を動作周波数ωの倍の２ωにするとともに、汎用性・拡張性に優れた光周波数コム発生器を提供する。【解決手段】本発明に係る光周波数コム発生器は、半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光を入力し、当該入力したレーザ光を変調することにより偏波変調レーザ光を出力する半導体偏波制御素子と、前記半導体偏波制御素子から前記偏波変調レーザ光を入力し、前記偏波変調レーザ光におけるＴＥ直線偏光とＴＭ直線偏光とを分離して、当該分離した直線偏光のうちの少なくとも一方を光周波数コムとして出力する偏光素子とを備えたことを特徴とする。【選択図】図４
2015161740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
前記半導体レーザから出力されたレーザ光を入力し、当該入力したレーザ光を変調することにより偏波変調レーザ光を出力する半導体偏波制御素子と、
前記半導体偏波制御素子から前記偏波変調レーザ光を入力し、前記偏波変調レーザ光におけるＴＥ直線偏光とＴＭ直線偏光とを分離して、当該分離した直線偏光のうちの少なくとも一方を光周波数コムとして出力する偏光素子と
を備えたことを特徴とする光周波数コム発生器。
【請求項２】
前記半導体偏波制御素子は、
（１１０）面方位基板と、
前記（１１０）面方位基板上の［−１１０］ストライプ方向に積層され、閃亜鉛鉱型半導体結晶で構成されたハイメサ導波路構造であって、下部クラッド層、コア層、及び上部クラッド層、を含み、前記コア層が前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とにより挟まれて構成されたハイメサ導波路構造と、
前記導波路構造上に形成され、前記コア層に［１１０］方向の電界を印加する信号電極と、
前記下部クラッド層上に形成された接地電極と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光周波数コム発生器。
【請求項３】
前記半導体偏波制御素子は、前記コア層の材料と前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の材料との屈折率差が４％以下であることを特徴とする請求項２に記載の光周波数コム発生器
【請求項４】
前記半導体偏波制御素子は、前記コア層と前記下部クラッド層との間及び前記コア層と前記上部クラッド層との間にそれぞれ設けられた電子障壁層をさらに備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載の光周波数コム発生器。
【請求項５】
前記半導体偏波制御素子が同一直線導波路上に少なくとも２つ以上直列に集積されており、前記電子障壁層の各々はｐ型層であり、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層はｎ型層であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の光周波数コム発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コム発生器に関し、より詳細には、小型・高速かつ汎用性・拡張性に優れた高速・広波長帯域動作可能な光周波数コム発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光周波数コムは、周波数軸上に等間隔に並んだ成分からなる櫛（コム）形のスペクトルを有する光信号であるが、時間軸上では超短光パルス列である。それゆえ、光周波数コムは、非線形変換効率がよいため、様々な分野に応用されてきた。
【０００３】
例えば光通信分野の大容量化に伴い、５０ＧＨｚ間隔や１００ＧＨｚ間隔といった波長多重信号光が使われるようになっているが、光周波数コム発生器は各波長の信号光を所望のグリッド（波長間隔）に正確に合わせるために使用される。また、光周波数標準の研究においては、光周波コム発生器が光時計の研究を促進し、秒の再定義や物理定数恒常性の検証が大きく前進した。光周波数コムの長さ標準への応用では、光周波数コム発生器がヨウ素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザに取って代わって長さの国家標準となった。光周波数コム発生器は周波数計測だけではなく、レーザ周波数制御のツールでもあり、冷却原子や量子情報などの実験でも欠かせない存在となりつつある。
【０００４】
図１は、従来の光周波数コム発生器の簡略化した構成例を示す。図１には、半導体レーザ（ＬＤ）１と、マッハ・ツェンダ（ＭＺ）型光変調器１０とを備えた従来の光周波数コム発生器が示されている。ＭＺ型光変調器１０は、入力導波路１１と、１入力２出力カプラ１２と、２本のアーム導波路１３及び１４と、２本のアーム導波路上にそれぞれ設けられた位相変調器１５及び１６と、２入力１出力カプラ１７と、出力導波路１８とを含む。図１に示される従来の光周波数コム発生器の詳細は、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
図１に示すように、ＬＤ１から出力された波長λ0の単一波長光は、ＭＺ型光変調器１０に入力される。ＭＺ型光変調器１０に入力された波長λ0の単一波長光は１入力２出力カプラ１２で分岐され、２本のアーム導波路１３及び１４に入力される。波長λ0の単一波長光に対し、一方のアーム導波路１３ではＡ１ｓｉｎωｔの位相変調が加えられ、他方のアーム導波路１４ではＡ２ｓｉｎωｔの位相変調が加えられる。２本のアーム導波路１３及び１４で位相変調された各変調光は、２入力１出力カプラ１７にそれぞれ入力されて結合され、出力導波路１８に入力される。出力導波路１８からは波長λ0を中心として、周波数間隔ωで等間隔に並ぶ櫛（コム）形のスペクトルが得られる。
【０００６】
ここで重要なことは、図１に示される従来の光周波数コム発生器では、周波数間隔ωを得るためにはｓｉｎωｔの変調が必要になり、周波数コム発生器のスペクトル間隔がＭＺ型変調器の動作帯域と同じに制限される点である。すなわち、２５ＧＨｚ間隔の光周波数コムを得るためには２５ＧＨｚの変調が必要であり、５０ＧＨｚ間隔の光周波数コムを得るためには５０ＧＨｚの高速変調が必要になる。
【０００７】
しかしながら、ＭＺ型光変調器の実用的な変調速度は高々５０ＧＨｚ程度であるので、図１に示される構成においては１００ＧＨｚ以上の光周波数コムは現実的ではない。また、強誘電体材料を用いた光変調素子を使用した場合、素子が長尺化してしまい、モジュールサイズの小型化が困難である。
【０００８】
図２は、従来の光周波数コム発生器の簡略化した更なる構成を示す。図２に示される従来の光周波数コム発生器は、図１に示される構成に光インターリーブフィルタ（例えば非特許文献２参照）２０を追加して構成されている。ラティス型の光インターリーブフィルタは、Ｎ段の遅延線と、Ｎ＋１個のカプラとで構成することができる。図２に示されるラティス型の光インターリーブフィルタ２０は、３段の遅延線２１１−３と、４個のカプラ２２１−４と、出力導波路２３及び２４とを含む。遅延線２１１の遅延量はΔＬであり、遅延線２１２及び２１３の遅延量は２ΔＬである。
【０００９】
遅延線２１は、理論的には段数が増えれば増えるほどより理想的なフィルタ特性が得られる。しかしながら、現実的には回路サイズ等の観点から最適化を計る必要があり、図２に示される光インターリーブフィルタ２０では３段のラティスフィルタ構成をとっている。
【００１０】
図２に示される光インターリーブフィルタ２０において、波長λ0を１５４５ｎｍ（＝１９４．１０ＴＨｚ）、ω＝５０ＧＨｚとする。ここで、初段のカプラ２２１の結合率を５０％に設定し、その他のカプラ２２２−４の結合率及び遅延線２１１−３における光の位相を最適なバンド幅及びリップル量が得られるように設定すると、５０ＧＨｚの光インターリーブフィルタを得ることができる。
【００１１】
図３は、光インターリーブフィルタの特性を示す。図３には、波長λ0を１５４５ｎｍ（＝１９４．１０ＴＨｚ）、ω＝５０ＧＨｚとした場合における、図２に示される光インターリーブフィルタ２０の出力導波路２３及び２４の透過スペクトルが示されている。図３に示されるように、出力導波路２３及び２４の透過スペクトルは、５０ＧＨｚ間隔で互い違いになる。つまり、１つの出力導波路（例えば出力導波路２３）だけを取り出して考えると、１００ＧＨｚ間隔で透過／遮断をすることができる。結果として、ω＝５０ＧＨｚの変調から、倍の２ω＝１００ＧＨｚの周波数間隔の光周波数コム発生器が実現できる。
【００１２】
しかしながら、光インターリーブフィルタは、必要な周波数間隔に対して厳密な設計及び制御が必要になる。つまり、光インターリーブフィルタを使用する場合、将来的に波長グリッドが変化したり、ＭＺ型変調器の変調速度が変わったりしたときは、別の光インターリーブフィルタに置き換える必要があり、拡張性に劣るという欠点があった。また、光インターリーブフィルタが温度依存性を有する場合には温度制御も必要であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Takahide Sakamoto, Tetsuya Kawanishi, and Masayuki Izutsu,  “Optimization of Electro-Optic Comb Generation Using Conventional Mach-Zehnder Modulator”, 2007 IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics, ２００７年、pp.50-53
【非特許文献２】井上靖之 他、「石英系ＰＬＣ型インターリーブフィルタ」、信学技報、電子情報通信学会、２００３年、OPE2003-20（2003-05）、pp. 27-32
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、温度制御を要する光インターリーブフィルタを使用せずに、光周波数コム発生器のスペクトル間隔を容易に動作周波数ωの倍の２ωにするとともに、汎用性・拡張性に優れた光周波数コム発生器を提供することを目的とする。
【００１５】
さらに、本発明によると、レーザ素子と偏光制御素子を同じ化合物半導体材料で作製することにより、多機能集積化によるモジュールサイズの小型化・低コスト化が期待できることに加えて、偏波制御素子の高速・低電圧駆動化を両立させることで低消費電力化が可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の光周波数コム発生器は、半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光を入力し、当該入力したレーザ光を変調することにより偏波変調レーザ光を出力する半導体偏波制御素子と、前記半導体偏波制御素子から前記偏波変調レーザ光を入力し、前記偏波変調レーザ光におけるＴＥ直線偏光とＴＭ直線偏光とを分離して、当該分離した直線偏光のうちの少なくとも一方を光周波数コムとして出力する偏光素子とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の光周波数コム発生器は、請求項１に記載の光周波数コム発生器であって、前記半導体偏波制御素子は、（１１０）面方位基板と、前記（１１０）面方位基板上の［−１１０］ストライプ方向に積層され、閃亜鉛鉱型半導体結晶で構成されたハイメサ導波路構造であって、下部クラッド層、コア層、及び上部クラッド層、を含み、前記コア層が前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とにより挟まれて構成されたハイメサ導波路構造と、前記導波路構造上に形成され、前記コア層に［１１０］方向の電界を印加する信号電極と、前記下部クラッド層上に形成された接地電極と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の光周波数コム発生器は、請求項２に記載の光周波数コム発生器であって、前記半導体偏波制御素子は、前記コア層の材料と前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の材料との屈折率差が４％以下であることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の光周波数コム発生器は、請求項２又は３に記載の光周波数コム発生器であって、前記半導体偏波制御素子は、前記コア層と前記下部クラッド層との間及び前記コア層と前記上部クラッド層との間にそれぞれ設けられた電子障壁層をさらに備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の光周波数コム発生器は、請求項２乃至４のいずれかに記載の光周波数コム発生器であって、前記半導体偏波制御素子が同一直線導波路上に少なくとも２つ以上直列に集積されており、前記電子障壁層の各々はｐ型層であり、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層はｎ型層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、温度依存性がほとんどなく温度制御が不要な偏波制御素子を使用し、偏波制御素子が特定の偏光（例えばＴＥ直線偏光）を取り出すことにより光周波数コムを得ることができるため、厳密な設計や制御が不要であることに加え、周波数間隔を動作周波数ωの倍の２ωにすることができる。つまり、本発明は、将来的に波長グリッドが変化したり、変調速度を変えたりしたときにもそのまま使用することができ、拡張性・汎用性に優れている。さらに、本発明によると、偏波制御素子を（１１０）面基板上のハイメサ導波路上に形成することで、素子の小型・高速・低駆動電圧化が可能となるため、光周波数コム発生器全体の小型・低消費電力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の光周波数コム発生器の簡略化した構成例を示す図である。
【図２】従来の光周波数コム発生器の簡略化した更なる構成例を示す図である。
【図３】光インターリーブフィルタの特性を示す図である。
【図４】本発明に係る光周波数コム発生器の構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る半導体偏波制御素子の断面図である。
【図６】本発明の実施例２に係る半導体偏波制御素子の断面図である。
【図７】本発明の実施例３に係る半導体偏波制御素子の断面図である。
【図８】本発明の実施例４に係る半導体偏波制御素子の断面図である。
【図９】本発明の実施例５に係る半導体偏波制御素子の断面図である。
【図１０】閃亜鉛鉱型結晶において（１１０）面方位基板上の所定のストライプ方向に導波路を形成した場合における、［１１０］方向の電界の印加の有無による屈折率楕円体の変化を示す図である。
【図１１】コア／クラッド比屈折率差の違いによる複屈折Δｎ（ＴＥ−ＴＭ）の導波路幅依存性を示す図である。
【図１２】作製加工トレランスの導波路屈折率差依存性と光閉じ込め係数の導波路屈折率依存性とを示す図である。
【図１３】電極反転位相整合により変換効率が増大することを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
添付の図面を参照して本発明の実施例について説明する。以下に説明する実施例は本発明を例示するものであり、本発明は、以下の実施例に示す構成に制限されるものではない。
【００２４】
図４は、本発明に係る光周波数コム発生装置を示す。図４には、ＬＤ１１０と、半導体偏波制御素子１２０と、１入力２出力の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３０とを備えた光周波数コム発生装置１００が示されている。
【００２５】
ＬＤ１１０は、１．５５μｍ帯（波長１５３０〜１５６０ｎｍ）の中で、単一モード発振をする。ＬＤ１１０は、一例として、入力波長λ0＝１５４５ｎｍ、光強度２０ｍＷ程度のレーザ光を出力することができる。ＬＤ１１０から出力されたレーザ光は、半導体偏波制御素子１２０に入力される。半導体偏波制御素子１２０は、印加される電気信号に従って、レーザ光を偏波変調する。
【００２６】
図４に示されるように、半導体偏波制御素子１２０には、Ａｓｉｎωｔ（Ｖ）の電気信号が印加される。ここで、Ａは電気信号の振幅を示し、通常の光変調動作では２（Ｖ）程度の値になるが、光周波数コム生成として駆動する場合には約１０（Ｖ）程度となる。ωは動作周波数（又は周波数間隔）であり、例えば２５ＧＨｚとすることができる。半導体偏波制御素子１２０は、レーザ光をＡｓｉｎωｔの電気信号によって偏波変調し、変調されたレーザ光の偏光はＴＥ直線偏光⇒円偏光⇒ＴＭ直線偏光⇒円偏光と変化する。半導体偏波制御素子１２０は、入力波長λ0＝１５４５ｎｍ、動作周波数ω＝２５ＧＨｚであれば、周波数間隔２５ＧＨｚ（＝ω）でＴＥ直線偏光とＴＭ直線偏光とが等間隔に交互に配置された光周波数コム形のスペクトルを有する変調レーザ光が出力される。
【００２７】
半導体偏波制御素子１２０で偏波変調された変調レーザ光は、ＰＢＳ１３０に入力される。ＰＢＳ１３０は、入力した変調レーザ光の偏光成分によって変調レーザ光を分離する。具体的には、ＰＢＳ１３０は、変調レーザ光のＴＥ直線偏光を一方の出力ポートから出力し、変調レーザ光のＴＭ直線偏光を他方の出力ポートから出力する。この結果、ＴＥ直線偏光とＴＭ直線偏光とが周波数間隔２５ＧＨｚで交互にスペクトル配置された光周波数コムにおいて、ＴＥ直線偏光とＴＭ直線偏光とがＰＢＳ１３０の異なる出力ポートから出力されることになり、結果として各出力ポートから周波数間隔５０ＧＨｚの光周波数コムをそれぞれ出力することができる。すなわち、動作周波数ω＝２５ＧＨｚの変調速度を有する半導体偏波制御素子から、倍の２ω＝５０ＧＨｚの光周波数コムを発生する光周波数コム発生器を得ることができ、広帯域化が可能になる。
【００２８】
本発明に係る光周波数コム発生装置によると、厳密な設計や制御が必要な光インターリーブフィルタを使用せず、ＰＢＳなどの偏光素子によって光周波数コムから特定の直線偏光のみを取り出すため、将来的に波長グリッドが変化したり、変調速度を変えたりしたときにもそのまま使用することができ、拡張性・汎用性に優れている。また、偏光素子は温度依存性がほとんどないため、温度制御も不要になる。さらに、ＰＢＳなどの偏光素子を多段に集積することで偏波間クロストークを更に改善することもできる。
【００２９】
なお、図４に示される構成では、１入力２出力の偏光ビームスプリッタを用いた構成について説明したが、２入力２出力の偏光素子でも問題はなく、また、ＴＥ直線偏光とＴＭ直線偏光とうちの一方の直線偏光のみを取り出す１入力１出力の偏光子（ポラライザ）でも同様の効果を得ることができる。
【００３０】
（実施例１）
図５は、本発明の実施例１に係る半導体偏波制御素子の断面図である。図５には、（１１０）面方位の基板結晶で構成された基板２０１と、基板２０１上に積層されたｎ−クラッド層２０２と、ｎ−クラッド層２０２上に積層されたｉ−コア層２０３と、ｎ−クラッド層２０２上でｉ−コア層２０３の両脇に形成された２つの接地電極２０４と、ｉ−コア層２０３上に積層されたｐ−クラッド層２０５と、ｐ−クラッド層２０５上に積層されたｐ−コンタクト層２０６と、ｐ−コンタクト層２０６上に形成された信号電極２０７とを備えた半導体偏波制御素子１２１が示されている。
【００３１】
図５に示されるように、ｎ−クラッド層２０２、ｉ−コア層２０３、ｐ−クラッド層２０５及びｐ−コンタクト層２０６により、閃亜鉛鉱型半導体結晶を用いたハイメサ導波路構造が構成されている。実施例１に係る半導体偏波制御素子１２１では、導波路構造として、（１１０）面方位の基板２０１上の
【００３２】
【数１】
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【００３３】
ストライプ方向（以下、［−１１０］ストライプ方向とする）にコア導波路となるｉ−コア層２０３を形成し、ｉ−コア層２０３が少なくともｎ−クラッド層２０２及びｐ−クラッド層２０５によって上下方向から挟まれた、閃亜鉛鉱型半導体結晶で構成されたハイメサ導波路構造を採用し、信号電極２０７より基板垂直方向の［１１０］方向に電界印加するように構成されている。
【００３４】
結晶成長は、結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって行うことができる。光変調領域におけるｉ−コア層２０３は、ノンドープ層であり、動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないように、バンドギャップ波長や構造を決定することができる。
【００３５】
また、後述するように、ｉ−コア層２０３と上下クラッド層２０２及び２０５との屈折率差が４％以下となるように、ｉ−コア層２０３と上下クラッド層２０２及び２０５とを構成する半導体材料を選択することができる。例えば１．５５μｍ帯のデバイスとする場合には、コア層にはバンドギャップ波長が１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰを用い、上下クラッド層にはＩｎＰ材料を用いることができる。本実施例では、ｉ−コア層２０３を構成する材料としてＩｎＧａＡｓＰを用い、上下クラッド層２０２及び２０５を構成する材料としてＩｎＰを用いた。また、本実施例では、基板２０１を構成する材料としてＳｉ−ＩｎＰを用い、ｐ−コンタクト層２０６を構成する材料としてＩｎＧａＡｓＰを用いた。
【００３６】
なお、ｉ−コア層２０３と上下クラッド層２０２及び２０５の半導体材料は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰに限定されず、例えばＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓなどを用いてもよいことは明らかである。また、基板材料は、ＩｎＰ以外にも同構造を有する、例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅを用いた場合においてもその有用性は変わらないことは明らかである。
【００３７】
ノンドープ層であるｉ−コア層２０３で効率良く電圧降下が生じるように、ｎ−クラッド層２０２及びｐ−クラッド層２０５のドーピング濃度を５×１０１７ｃｍ−３以上とすることが望ましい。また、十分なオーミック接触が得られるように、信号電極２０７のコンタクト用のｐ−コンタクト層２０６のドーピング濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上とすることが望ましい。例えば、本実施例では、ｎ−クラッド層２０２及びｐ−クラッド層２０５のドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ−３とし、ｐ−コンタクト層２０６のドーピング濃度を２×１０１９ｃｍ−３とした。
【００３８】
上記ｐ−ｉ−ｎ層を堆積後、偏波制御素子を光導波路として機能させるべく、［−１１０］ストライプ方向に導波路形状が模られた例えばＳｉＯ２マスクを用いて、ドライエッチングによりｎ−クラッド層２０２が露出するまで加工し、ハイメサ構造を作製する。ＳｉＯ２マスクを除去後、図５に示すように、ｐ−コンタクト層２０６及びｎ−クラッド層２０２上に例えばＴｉを介してＡｕを形成することにより、接地電極２０４及び信号電極２０７を形成する。なお、ｎ−クラッド層２０２と接地電極２０４との間にｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を設けてもよい。
【００３９】
上記では、１．５５μｍ波長帯に用いる周波数コム発生器を説明したが、１．３μｍ波長帯に対応するものを用いてもよい。半導体偏波制御素子として例えばＧａＡｓ基板を用いれば、０．６〜１．３μｍ波長帯にも対応することができる。
【００４０】
また、電極コンタクト層は十分な伝導性が確保できれば問題ないため、ｐ型の不純物がドーピングされる半導体はＩｎＧａＡｓに限定されず、例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどを用いてもよい。また、信号電極２０７は進行波型電極構造であることが望ましいが、この他にも例えば集中定数型及び共振型の電極構造でもよい。
【００４１】
本発明における半導体偏波制御素子について、図１０〜１２を用いてより詳しく説明する。閃亜鉛鉱型結晶において、（１１０）面方位の基板の［−１１０］ストライプ方向に導波路を形成した場合、当該導波路断面の屈折率楕円体は図１０に示すようになる。図１０（ａ）に示すように、外部から導波路に電圧印加等を行わなければ、閃亜鉛鉱型結晶は等方性結晶であることが知られている。
【００４２】
一方で、導波路に電界を［１１０］方向に印加した場合には、図１０（ｂ）に示すように屈折率楕円体の主軸が４５度傾いて歪むことも知られている。すなわち、この主軸傾きを活用することにより、例えば光電界が基板水平方向に偏光したＴＥモード光を、半波長板と同様の原理で基板垂直方向のＴＭモード光に変換することができる。以下の３式は、ＴＥ偏光入射に対してＴＭモードに偏波変換される割合をモード結合理論に基づいて表した式である。
【００４３】
【数２】
2015161740.tif 000004
【００４４】
【数３】
2015161740.tif 000005
【００４５】
【数４】
2015161740.tif 000006
【００４６】
ここで、κは電界強度によって定まる結合係数であり、ＴＥモードとＴＭモードとの間のパワー移行のしやすさを表している。また、Ｐ０は全光出力パワーであり、ＰＴＭはＴＭモードの光出力パワーであり、Δｎ（ＴＥ−ＴＭ）は、ＴＥモード−ＴＭモード間の実効屈折率差（複屈折）であり、ｚは伝搬方向の変数であり、αは光と電界の重なり合い（１≧α≧０）によって定まる係数であり、ｒはポッケルス定数であり、ｎｏは媒質屈折率であり、Ｅは電界強度である。
【００４７】
上記３式より、ＴＭモード変換効率を高めるためには、Δｎ（ＴＥ−ＴＭ）を小さくするか、又はκを大きくする必要があることが理解される。κを大きくするためには、光と相互作用する電界強度Ｅを大きくすることが有効である。電界強度Ｅを大きくするためには印加電圧を大きくすることも考えられるが、運用上、印加電圧はできる限り低く抑えることが要請されているため、印加電圧を大きくしていくことはできない。
【００４８】
電界強度Ｅを大きくする最も有効な手段の１つは、ｐｎ接合により光導波路を形成することが挙げられる。さらに、電界強度Ｅを大きくするためには、電界降下領域をできる限り狭くすることが望ましいが、導波路形状は一般にアスペクト比が大きく横長形状となっていることから、基板水平方向から電圧を印加するよりも基板積層方向から電圧を印加させた方が、電圧降下領域が狭いため、低印加電圧でも高いκを得ることができる。この点において、本発明では、ｐｎ接合及び基板積層方向電圧印加のハイメサ導波路構造を採用しているため、偏波制御素子として優位な構成となっている。
【００４９】
一方で、Δｎ（ＴＥ−ＴＭ）を小さくするためには、導波路コア形状のアスペクト比を調整することが直接的である。しかし、図１１に示すように、コア／クラッド比屈折率差の違いによってΔｎ（ＴＥ−ＴＭ）が小さくなる導波路幅の範囲が異なることが計算から導き出される。図１１は、コア／クラッド比屈折率差の違いによる複屈折Δｎ（ＴＥ−ＴＭ）の導波路幅依存性を示す。図１１に示されるように、コア／クラッド比屈折率差２．５％Δの場合のほうが４％Δの場合よりも許容される加工誤差が大きい。
【００５０】
ここで、実際に偏波制御素子を作製した場合には、作製誤差によって導波路幅もばらつくことが想定される。そのため、より作製誤差の影響が小さい素子を作製しようとする場合には、コア／クラッド比屈折率差が小さい導波路を形成する必要がある。例えば、上記３式より、素子長３ｍｍ（ｚ＝３ｍｍ）において変換効率８５％以上を得るためには、Δｎ（ＴＥ−ＴＭ）が０．０００１以下である必要がある。
【００５１】
コア／クラッド比屈折率差を２．５％Δに設定した場合には、図１１に示されるようにΔｎ（ＴＥ−ＴＭ）が０．０００１以下で±０．１μｍ以上の加工誤差が許容されるため、ステッパ露光精度（±０．０５μｍ）を駆使することで十分に歩留り高く作製できることを示している。コア／クラッド比屈折率差を４％Δに設定した場合には、図６に示されるようにΔｎ（ＴＥ−ＴＭ）が０．０００１以下で±０．０５μｍの加工誤差が許容される。この加工誤差はステッパ露光精度（±０．０５μｍ）の限界である。
【００５２】
図１２は、図１１から見積もられた作製加工トレランスの導波路屈折率差依存性と、光閉じ込め係数の導波路屈折率依存性とを重ねてプロットしたものである。図１２に示されるように、両者にはトレードオフの関係があることがわかる。高い変調効率（光−電気の相互作用）の観点から、光閉じ込め係数は８０％以上あることが望ましく、製造トレランス（ステッパ露光精度限界）の観点から、導波路幅の製造トレランスは５０ｎｍ以上あることが望ましい。すなわち、図１２に示すように、ｉ−コア層の材料と下部クラッド層及び上部クラッド層の材料との屈折率差Δとしては４％以下、より具体的には２〜４％の範囲において高効率且つ製造トレランスの広い素子を作製することができる。
【００５３】
（実施例２）
図６は、実施例２に係る半導体偏波制御素子の断面図である。図５に示す半導体偏波制御素子１２１では、ｉ−コア層２０３の上層及び下層にそれぞれｐ−クラッド層２０５及びｎ−クラッド層２０２を設けているが、図６に示す半導体偏波制御素子１２２のように、ｉ−コア層２０３の上層及び下層にそれぞれｎ−クラッド層２０２及びｐ−クラッド層１０５が設けられ、ｎ−クラッド層２０２上にｎ−コンタクト層２０８が積層された構成となったとしても問題はない。以下の各実施例でも同様である。
【００５４】
（実施例３）
図７は、実施例３に係る半導体偏波制御素子の断面図である。図７に示す半導体偏波制御素子１２３は、図６に示す半導体偏波制御素子１２２のｉ−コア層２０３とｎ−クラッド層２０２との間にｐ−電子障壁層２０９が形成された構成となっている。ｐ−電子障壁層２０９は、例えばＩｎＡｌＡｓで構成することができる。図７に示す半導体偏波制御素子１２３のように、上層から順にｎ−ｐ−ｉ−ｐ型と積層されていたとしてもｉ−コア層２０３のコア導波路に電界を印加することができるため、有用性は失われないことは明らかである。また、図６に示す半導体偏波制御素子１２２のｉ−コア層２０３とｐ−クラッド層２０５との間にｐ−電子障壁層２０９を設けた構成として、ｎ−ｉ−ｐ−ｐ型の半導体偏波制御素子としてもよい。
【００５５】
（実施例４）
図８は、実施例３に係る半導体偏波制御素子の断面図である。実施例４に係る半導体偏波制御素子１２４のハイメサ導波路構造は、ｐ−下部電子障壁層２０８及びｐ−上部電子障壁層２０９をｉ−コア層２０３の上下に設けたｎ−ｐ−ｉ−ｐ−ｎ構造を有している。
【００５６】
図８に示される半導体偏波制御素子１２４では、ｉ−コア層２０３に電圧降下が生じさせるために、ｉ−コア層２０３の上下部にｐ−電子障壁層２０９をそれぞれ設けている。それにより、後述する図９に示す実施例５に係る電極反転型偏波制御素子において、隣接する偏波制御素子に対して、各々の信号電極から互いに符号反転させた正電圧又は負電圧を印加することができる。
【００５７】
実施例４に係る半導体偏波制御素子１２４では、ｎ−ｐ−ｉ−ｐ−ｎ構造を使用することが望ましいが、ｐ−ｎ−ｉ−ｎ−ｐ構造を使用してもよく、ｉ−コア層２０３の上下に設けられた層の導電型が、ｉ−コア層２０３を中心に上下対称となればよい。
【００５８】
（実施例５）
図９は、実施例５に係る半導体偏波制御素子１２５を示す。図９に示すように、半導体偏波制御素子を直列に配置することにより、電極反転型偏波制御素子を構成することもできる。図９では、実施例４に係る半導体偏波制御素子１２４を直列に配置した電極反転型偏波制御素子を例示している。
【００５９】
導波路構造の僅かな異方性に起因してΔｎ（ＴＥ−ＴＭ）が生じた場合には、偏波変換効率が低下する恐れがある。また、Δｎ（ＴＥ−ＴＭ）を完全に０とすることは作製技術上容易ではない。このような偏波変換効率の低下を抑制してより高効率に偏波を変換させたい場合には、図９に示す電極反転型偏波制御素子のように、偏波制御素子を直列に配置して、各信号電極を介して各々の隣接する偏波制御素子に符号反転させた電圧を印加すればよい。この場合には、各々の信号電極に正電圧又は負電圧を印加する必要があるため、電圧の極性に依らずにコア層に電圧降下が生じる（電流が流れない）構造が求められる。
【００６０】
このように、半導体偏波制御素子を直列に配置する場合、各偏波制御素子間の電気的分離が必要となるため、各素子間の電圧印加に寄与しない領域の上層クラッドをエッチング加工により除去後、抵抗率の高い半絶縁性又はノンドープのクラッド層で埋め戻す必要がある。図９に示すように、実施例５に係る半導体偏波制御素子１２５では、例えばＦｅ（密度５×１０１６ｃｍ−３）をドーパントとした半絶縁抵抗のＳＩ−クラッド層２１０により、素子間の電気分離を行った。ＳＩ−クラッド層２１０は、例えばＩｎＰで構成することができる。
【００６１】
図１３は、電極反転位相整合により変換効率が増大することを示す図である。図９に示す電極反転型偏波制御素子１２５を構成することにより、図１３に示すように疑似的にＴＥ−ＴＭ間の位相を整合させることで変換効率を１００％にすることができる。この疑似位相整合技術は、従来から方向性光結合器の高効率化を行う際に用いられてきた手法と原理は同じである。
【符号の説明】
【００６２】
半導体レーザ（ＬＤ）  １、１１０
マッハ・ツェンダ（ＭＺ）型光変調器  １０
入力導波路  １１
１入力２出力カプラ  １２
アーム導波路  １３、１４
位相変調器  １５、１６
２入力１出力カプラ  １７
出力導波路  １８、２３、２４
光インターリーブフィルタ  ２０
遅延線  ２１１〜２１３
カプラ  ２２１〜２２４
光周波数コム発生装置  １００
半導体偏波制御素子  １２０
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）  １３０
【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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