(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光信号を２つに分岐する分岐部と、
この分岐部によって分岐された第１の光信号を伝搬する第１の光導波路と、
前記分岐部によって分岐された第２の光信号を伝搬する第２の光導波路と、
前記第１の光導波路に設けられ、前記第１の光信号の位相をシフトする第１の位相変調部と、
前記第２の光導波路に設けられ、前記第２の光信号の位相をシフトする第２の位相変調部と、
前記第１の光導波路を伝搬した前記第１の光信号と前記第２の光導波路を伝搬した前記第２の光信号とを合波して出射する結合部と
を備え、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の少なくとも１つは、当該光導波路の光伝搬損失を調整する損失調整部を備え、前記第１の位相変調部による前記第１の光信号の位相のシフトに依存しない前記第１の光導波路の光伝搬損失と、前記第２の位相変調部による前記第２の光信号の位相のシフトに依存しない前記第２の光導波路の光伝搬損失とが互いに異なり、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ半導体からなるコアを有し、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の前記損失調整部による伝搬損失変化Δα1,adjust およびΔα2,adjust は、下記の式（２）によって求められる前記第１の光導波路および前記第２の光導波路のキャリアプラズマ分散効果による伝搬損失変化Δα1,plasma およびΔα2,plasma と、
Δα1,adjust ＋Δα2,adjust ＝Δα1,plasma ＋Δα2,plasma 
となるように設定され、
前記第１の位相変調部および前記第２の位相変調部は、それぞれ前記コアに注入されるキャリアの供給源となるｎ型半導体およびｐ型半導体の少なくとも一つと、前記コアへのキャリアの注入を制御する電極とを備え、キャリアプラズマ分散効果により光信号の位相をシフトする
ことを特徴とする光位相変調器。
【数１】
0005795500.tif 000007
ただし、Δαはキャリアプラズマ分散効果による吸収率変化、ΔＮeは電子キャリア密度変化、ΔＮhは正孔キャリア密度変化。
【請求項２】
請求項１に記載された光位相変調器において、
前記損失調整部は、
前記第１の光導波路または前記第２の光導波路の部分であって、光信号の伝搬方向に垂直な当該光導波路の断面の面積および形状の少なくとも一つが前記伝搬方向に沿って変化する部分である
ことを特徴とする光位相変調器。
【請求項３】
請求項１に記載された光位相変調器において、
前記損失調整部は、
前記第１の光導波路または前記第２の光導波路の一部に形成され、当該光導波路を所定の曲率半径で屈曲させた屈曲部である
ことを特徴とする光位相変調器。
【請求項４】
請求項１に記載された光位相変調器において、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、シリコンからなるコアを有し、
前記損失調整部は、
前記第１の光導波路または前記第２の光導波路の前記コアの少なくとも一部に不純物が導入された不純物導入部である
ことを特徴とする光位相変調器。
【請求項５】
請求項１に記載された光位相変調器において、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の光信号の伝搬方向に垂直な断面の面積および形状の少なくとも一つは、互いに異なる
ことを特徴とする光位相変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光位相変調器に関し、特にマッハツェンダ干渉型の光位相変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超長距離光通信において、更なる伝送容量拡大や周波数利用効率向上に向けて様々な変調フォーマットが研究開発の対象とされている。
位相変調を組み合わせた変調フォーマットは、多値化やコヒーレント検波化を可能にして、伝送の容量と品質の双方に対して大きな変革をもたらすことが期待されており、現実に従来から使用されてきた強度変調から位相変調へシフトがすでに始まっている。
【０００３】
従来の光位相変調器の一例として、図６にマッハツェンダ干渉型位相変調器の構成例を示す。光位相変調器６００は、２本の変調器アーム６３０、６４０と、入力導波路６１０から入力される光を分岐して２本の変調器アーム６３０、６４０に入力する分岐器６２０と、これら２本の変調器アーム６３０、６４０から入力される光を合波して出力導波路６６０に出力する結合器６５０とから構成される。第１の変調器アーム（以下、「上側アーム」ということがある。）６３０は、直列に接続された導波路６３１と、位相シフタ６３２と、導波路６３３とからなる。同様に、第２の変調器アーム（以下、「下側アーム」ということがある。）６４０は、直列に接続された導波路６４１と、位相シフタ６４２と、導波路６４３とからなる。
【０００４】
この位相変調器６００では、入力導波路６１０に入射された光は分岐器６２０で２本の光に等分されて２本の変調器アームに入力される。上側アーム６３０に入力された光は、導波路６３１を伝搬し、位相シフタ６３２で屈折率変化を受けたのち、導波路６３３を伝搬して結合器６５０に入射される。同様に、下側アーム６４０に入力された光は、導波路６４１を伝搬し、位相シフタ６４２で屈折率変化を受けたのち、導波路６４３を伝搬して結合器６５０に入射される。
このとき、位相シフタ６３２は屈折率増加、位相シフタ６４２は屈折率が減少するように電圧を印加すると（このような動作は「プッシュプル動作」と呼ばれる。）、２つの変調器アーム６３０、６４０から、強度は一定で、位相が互いにπ（１８０°）異なる出力光を出力することができる。このように位相が互いに逆方向に変化する２つの光は、結合器６５０において干渉し、出力導波路６６０から光信号として出力される。
【０００５】
図７は、上述したマッハツェンダ干渉型位相変調器の光信号出力が信号“０”（７０３）と信号“１”（７０４）との間で遷移している間の、各変調器アームから結合器６５０に入射される光の強度と位相の変化をＩＱ平面に表したビット遷移図である。
光信号出力が信号“０”と信号“１”間で遷移している間の各変調器アームにおける光の位相の変化は、第１の変調器アーム１１１において位相シフトされる光の位相は時計回りに進み、第２の変調器アーム１１２において位相シフトされる光の位相は反時計回りに進むようにする。すなわち、位相シフタ６３２によって変調される光信号の軌跡７０１は反時計回りに０度から１８０度変化し、位相シフタ６４２によって変調される光信号の軌跡７０２は時計回りに０度から１８０度変化する。
【０００６】
例えば、一般的にＬｉＮｂＯ3 変調器などで利用される電気光学効果（ポッケルス効果）を使用した場合、２つの変調器アームの損失は互いに等しいので、位相変調された光信号における信号“０”（７０３）と信号“１”（７０４）間の遷移はＩ軸上のみにおいて行われる。したがって、このようなマッハツェンダ干渉型位相変調器では、ビット遷移時の周波数チャープを抑制できる。
なお、周波数チャープに関する先行技術文献としては、非特許文献１、非特許文献２等がある。
【０００７】
上述した位相変調は、伝送の容量と品質の双方に対して大きな変革をもたらすことが期待される一方で、同時に、高度な変調フォーマットに対応した送受信器がデバイスやシステムの大型化や複雑化、高コスト化につながるおそれがあり、新しい変調フォーマットの実用化へ向けて大きな懸念事項となっている。
【０００８】
そこで、シリコンに代表されるＩＶ族半導体材料を用いた光・電子デバイスの大規模モノリシック集積技術が注目されている。この技術は、大量生産が可能で、かつ小型化が容易であるなど、優れた利点を有することから、チップ間光インターコネクションに代表される極短距離光通信から中・長距離光通信まで幅広い応用が期待されている。
【０００９】
例えば、シリコン材料を用いて上述したようなマッハツェンダ干渉型光位相変調器を構成することによって、光位相変調器の小型化を図ることが可能となる。
シリコン材料からマッハツェンダ干渉型光位相変調器を構成する場合、位相シフタ６３２、６４２は、軸線方向に沿ってＰＮ接合が形成されたシリコン細線導波路と、このシリコン細線導波路の近傍に設けられ、ＰＮ接合にバイアスを与える電極とから構成される。この電極に外部から制御電圧を印加して導波路中のキャリア密度を変化させると、キャリアプラズマ分散効果によって、シリコン細線導波路の屈折率が変化し、通過する光の位相をシフトさせることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】A. H. Gnauck, P. J. Winzer, Journal of Lightwave Technology, Vol.23, No.1, pp.115-130 (2005)
【非特許文献２】F. Koyama, K. Iga, Journal of Lightwave Technology, Vol.6, No.1, pp. 87-93 (1988)
【非特許文献３】David J. Lockwood, Lorenzo Pavesi (Eds.), Silicon Photonics II -Components and Integration-, Springer (2010)
【非特許文献４】G. T. Reed, G. Mashanovich, F. Y. Gardes & D. J. Thomson” Silicon optical modulators ” Nature Photonics, August 2010, Volume 4, No 8, pp518 - 526
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、キャリア密度を変調すると、キャリアプラズマ分散効果によって屈折率変化と吸収率変化とが同時に変調されてしまう。
例えば、シリコン光変調器では、波長１．５５  μｍにおけるキャリアプラズマ分散効果による屈折率変化と吸収率変化は、キャリア密度の変化に対する屈折率変化と吸収率変化として、経験的に次の式（１）と式（２）でそれぞれ表される（非特許文献４参照）。
【００１２】
【数１】
0005795500.tif 000002
【００１３】
ただし、Δｎは屈折率変化、Δαは吸収率変化、ΔＮeは電子キャリア密度変化、ΔＮhは正孔キャリア密度変化である。
【００１４】
一方、屈折率変化Δｎに伴う位相シフトΔφは次の式（３）によって表される。
【００１５】
【数２】
0005795500.tif 000003
【００１６】
ただし、Ｌは位相シフタの導波路長、λは波長である。
【００１７】
一方、吸収率変化は、光伝搬損失変化となって表れる（以下、本明細書においては、「光伝搬損失」および「光伝搬損失変化」をそれぞれ「伝搬損失」および「伝搬損失変化」という。）。
なお、本明細書においては、特に断らない限り、「伝搬損失」および「伝搬損失変化」とは、それぞれ単位長さ当たりの伝搬損失および単位長さ当たりの伝搬損失変化を意味するものとする。
【００１８】
上述したように、電気光学効果を利用する従来のマッハツェンダ干渉型光位相変調器においては、ビット遷移時においても２つの変調器アームの伝搬損失は等しい。しかしながら、キャリアプラズマ分散効果を利用するマッハツェンダ干渉型光位相変調器においては、プッシュプル動作を行うべく、一方の位相シフタを順バイアスとし他方の位相シフタを逆バイアスとすると、２つの位相シフタにおけるキャリア密度の変化は、その符号が互いに逆となり、かつその値も不等となる。したがって、ビット遷移時には、式（１）および式（２）に示すように、屈折率変化Δｎのみならず伝搬損失変化Δαplasmaまでもが同時に変調されてしまい、しかも、このときの上側アームの伝搬損失変化Δα1,plasmaの変化の方向と、下側アームの伝搬損失変化Δα2,plasmaの変化の方向とは、式（４）および式（５）に表されるように、互いに逆向きとなる。
【００１９】
【数３】
0005795500.tif 000004
【００２０】
ただし、α1 は上側アームの全伝搬損失、α2 は下側アームの全伝搬損失、α1,prop はキャリアプラズマ分散効果の影響を受けていない状態での上側アームの伝搬損失変化、α2,prop はキャリアプラズマ分散効果の影響を受けていない状態での下側アームの伝搬損失変化、Δα1,plasma は上側アームのキャリアプラズマ分散効果による伝搬損失変化、Δα2,plasma は下側アームのキャリアプラズマ分散効果による伝搬損失変化をそれぞれ示す。
【００２１】
なお、一般的には上側アームと下側アームとは対称に形成されるので、キャリアプラズマ分散効果の影響を受けていない状態での伝搬損失α1,prop 、α2,prop は、上側アームと下側アームとの間で等しくなり、α1,prop ＝ α2,prop ＝  αprop と表すことができる。
【００２２】
２つの位相シフタを有するマッハツェンダ干渉型光位相変調器の出力光の複素電界振幅は次の式（６）で表される。
【００２３】
【数４】
0005795500.tif 000005
【００２４】
ただし、Ｅout は出力複素電界振幅、ａは入力光分岐比率、b は出力光結合比率、Ａは入力光電界振幅、Δφ1(t) は上側アームによる位相シフト（第１の位相シフタによる位相シフト）、Δφ2(t) は下側アームによる位相シフト（第２の位相シフタによる位相シフト）、α1(t) は上側アームの伝搬損失、α2(t) は下側アームの伝搬損失、t は時間、Ｌ は導波路長である。
なお、キャリアプラズマ分散効果の影響を受けて変化する位相シフトΔφ1(t) 、Δφ2(t) 、および伝搬損失α1(t) 、α2(t) は、時間の関数となるが、本明細書においては、簡単のため、Δφ1 、Δφ2 、α1 、α2 と表す。 
【００２５】
ここで、キャリアプラズマ分散効果を利用するマッハツェンダ干渉型位相変調器について、ビット遷移時に各変調器アームからそれぞれ出力される光信号の強度および位相の変化をＩＱ平面におけるビット遷移図を図８Ａに示す。すると、位相シフタ６３２によって変調され第１の変調器アーム６３０から出力される光信号の位相が、軌跡８０１に示すように、反時計回りに０度から１８０度変化し、位相シフタ６４２によって変調され第２の変調器アーム６４０から出力される光信号の位相が、軌跡８０２に示すように、時計回りに０度から１８０度変化するようにしても、式（２）ならびに式（４）および式（５）からもわかるように、位相シフタ６３２では伝搬損失α1 が減少するために第１の変調器アーム６３０から出力される光信号の振幅は大きくなり（軌跡８０１）、位相シフタ６４２では伝搬損失α2 が増加するために第２の変調器アーム６４０から出力される光信号の振幅は小さくなる（軌跡８０２）。
【００２６】
したがって、位相変調された光信号における信号“０”（８０３）と信号“１”（８０４）間の遷移はＩ軸とＱ軸の双方にまたがることがわかる。図８Ｂに示す数値計算結果も、ビット遷移時にＱ軸成分が生じることを示している。
このように、キャリアプラズマ分散効果を利用して光位相変調を行えば、光位相変調器の光信号出力の信号“０”（８０３）と信号“１”（８０４）との間のビット遷移時に周波数変化が連続的に発生する。その結果、この周波数変化がいわゆる周波数チャープとして残存し、特に長距離伝送時においては位相変調特性の劣化の原因となる。
【００２７】
そこで、本発明は、光位相変調器においてビット遷移時に発生する周波数チャープを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上述した目的を達成するために、本発明に係る光位相変調器は、入射された光信号を２つに分岐する分岐部と、この分岐部によって分岐された第１の光信号を伝搬する第１の光導波路と、前記分岐部によって分岐された第２の光信号を伝搬する第２の光導波路と、前記第１の光導波路に設けられ、前記第１の光信号の位相をシフトする第１の位相変調部と、前記第２の光導波路に設けられ、前記第２の光信号の位相をシフトする第２の位相変調部と、前記第１の光導波路を伝搬した前記第１の光信号と前記第２の光導波路を伝搬した前記第２の光信号とを合波して出射する結合部とを備え、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の少なくとも１つは、当該光導波路の光伝搬損失を調整する損失調整部を備え、前記第１の位相変調部による前記第１の光信号の位相のシフトに依存しない前記第１の光導波路の伝搬損失と、前記第２の位相変調部による前記第２の光信号の位相のシフトに依存しない前記第２の光導波路の伝搬損失とが互いに異なり、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ半導体からなるコアを有し、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の前記損失調整部による伝搬損失変化Δα1,adjust およびΔα2,adjust は、上記の式（２）によって求められる前記第１の光導波路および前記第２の光導波路のキャリアプラズマ分散効果による伝搬損失変化Δα1,plasma およびΔα2,plasma と、
Δα1,adjust ＋Δα2,adjust ＝Δα1,plasma ＋Δα2,plasma 
となるように設定され、前記第１の位相変調部および前記第２の位相変調部は、それぞれ前記コアに注入されるキャリアの供給源となるｎ型半導体およびｐ型半導体の少なくとも一つと、前記コアへのキャリアの注入を制御する電極とを備え、キャリアプラズマ分散効果により光信号の位相をシフトすることを特徴とする。
【００２９】
本発明において、第１の位相変調部による第１の光信号の位相のシフトに依存しない第１の光導波路の伝搬損失と、第２の位相変調部による第２の光信号の位相のシフトに依存しない第２の光導波路の伝搬損失とを互いに異ならせるにあたっては、例えば、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の光信号の伝搬方向に垂直な断面の面積および形状の少なくとも１つを、互いに異なるようにしてもよい。
【００３０】
ここで損失調整部を設ける場合は、損失調整部は、例えば、前記第１の光導波路または前記第２の光導波路の部分であって、光信号の伝搬方向に垂直な当該光導波路の断面の面積および形状の少なくとも１つが前記伝搬方向に沿って変化する部分としてもよいし、また、前記第１の光導波路または前記第２の光導波路の一部に形成され、当該光導波路を所定の曲率半径で屈曲させた屈曲部としてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、第１の位相変調部における位相のシフトに依存しない第１の光導波路の伝搬損失と、第２の位相変調部における位相のシフトに依存しない第２の光導波路の伝搬損失とが互いに異なるように損失調整を行うことによって、第１、第２の位相変調部によって位相シフトされる各光導波路の光信号の軌跡を独立に調整できるので、第１の位相変調部において第１の光信号の位相を第１の方向にシフトすることによって生じる光伝搬損失の変化と、第２の位相変調部において第２の光信号の位相を第２の方向にシフトすることによって生じる光伝搬損失の変化とが互いに異なっても、ビット間遷移時の周波数チャープを緩和することができる。
すなわち、第１の光導波路の伝搬損失のうちの第１の位相変調部における位相のシフトに依存しない伝搬損失と、第２の光導波路の伝搬損失のうちの第２の位相変調部における位相のシフトに依存しない伝搬損失とを互いに異ならせることによって、位相変調に伴う吸収率変化（伝搬損失変化）の影響を相殺して、光位相変調における信号“０”と信号“１”との間のビット遷移時に発生する周波数チャープを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光位相変調器の構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る光位相変調器の位相シフタの構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る光位相変調器の損失調整部の構成を示す平面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る光位相変調器の損失調整部の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、シリコン導波路のコア幅の変化に対する伝搬損失の依存性を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光位相変調器による周波数チャープ抑制時のＩＱ平面におけるビット遷移図（概要）である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る光位相変調器による周波数チャープ抑制時のＩＱ平面におけるビット遷移図（数値計算結果）である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る光位相変調器の構成を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る光位相変調器の損失調整部の構成を示す平面図である。
【図５】図５は、シリコン導波路の曲げ半径に対する挿入損失の依存性を示す図である。
【図６】図６は、従来のマッハツェンダ干渉型光位相変調器の構成例を示す図である。
【図７】図７は、周波数チャープ抑制時のＩＱ平面におけるビット遷移図である。
【図８Ａ】図８Ａは、周波数チャープ未抑制時のＩＱ平面におけるビット遷移図（概要）である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、数値計算による周波数チャープ未抑制時のＩＱ平面におけるビット遷移図（数値計算結果）である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る光位相変調器は、マッハツェンダ干渉型光位相変調器であって、変調器アームの伝搬損失を調整する手段として、導波路の断面構造または形状を調整して、２つの変調器アーム間に非対称性を設けるものである。
【００３５】
＜基本的な考え方＞
本発明の実施の形態に係る光位相変調器は、２つの変調器アームの伝搬損失のうち、光信号の位相のシフトに依存しない伝搬損失、すなわち、屈折率と吸収率（伝搬損失）間におけるＫｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ関係とは独立した、導波路の構造に由来する伝搬損失を調整し、２つの変調器アーム間に非対称性を設けるものである。
【００３６】
このとき、２つの変調器アームの伝搬損失は、式（４）および式（５）においてキャリアプラズマ分散効果の影響による伝搬損失変化を補正するために新たな損失調整項をそれぞれ加えた式（７）および式（８）のように表すことができる。
【００３７】
【数５】
0005795500.tif 000006
【００３８】
ただし、α1 は上側アームの全伝搬損失、α2 は下側アームの全伝搬損失、αprop（＝α1,prop ＝α2,prop） はキャリアプラズマ分散効果の影響を受けていない状態での上側アームおよび下側アームの伝搬損失、Δα1,plasma は上側アームのキャリアプラズマ分散効果による伝搬損失変化、Δα2,plasma は下側アームのキャリアプラズマ分散効果による伝搬損失変化、Δα1,adjust は上側アームの構造調整による伝搬損失変化、Δα2,adjust は下側アームの構造調整による伝搬損失変化を示す。
【００３９】
＜光位相変調器の構成＞
図１Ａ乃至図１Ｄに本実施の形態に係る光位相変調器の構成を示す。光位相変調器１００は、入力導波路１１０より入射された光信号を２つに分岐する分岐部（分波器）１２０と、分岐部１２０によって分岐された第１の光信号を伝搬する第１の光導波路（以下、「第１の変調器アーム」または「上側アーム」という。）１３０と、分岐部１２０によって分岐された第２の光信号を伝搬する第２の光導波路（以下、「第２の変調器アーム」または「下側アーム」という。）１４０と、上側アーム１３０を伝搬した第１の光信号と下側アーム１４０を伝搬した第２の光信号とを合波して出力導波路１６０に出射する結合部（合波器）１５０とから構成されている。これらは、ＳＯＩ基板上に形成されたシリコン導波路である。このうち、上側アーム１３０と下側アーム１４０の光路長は等しくなるように形成されている。また、上側アーム１３０と下側アーム１４０の光導波路コアの光信号の伝搬方向に垂直な断面の形状および大きさも、後述する損失調整部１４１’の部分を除き、互いに等しく形成されている。
【００４０】
上側アーム１３０には、上側アーム１３０を伝搬する第１の光信号の位相をシフトする第１の位相シフタ（第１の位相変調部）１３２が設けられている。この位相シフタ１３２は、光導波路１３１および光導波路１３３を介して、分岐部１２０および結合部１５０にそれぞれ接続されている。同様に、下側アーム１４０には、下側アーム１４０を伝搬する第２の光信号の位相をシフトする第２の位相シフタ（第２の位相変調部）１４２が設けられている。この位相変調部１４２は、光導波路１４１および光導波路１４３を介して、分岐部１２０および結合部１５０にそれぞれ接続されている。
以下、第１の位相シフタ１３２および第２の位相シフタ１４２を単に「位相シフタ」と総称することがある。
【００４１】
図１Ｂに、第１の位相シフタ１３２のＩ−Ｉ線（図１Ａ参照。）における断面図を示す。第１の位相シフタ１３２は、シリコン層１７１および酸化シリコン層１７２からなるＳＯＩ基板上に形成されたシリコン導波路コア１７５と、このコア１７５に注入されるキャリアの供給源となるキャリア供給源となる不純物領域１７３ａ、１７３ｂと、これらの不純物領域１７３ａ、１７３ｂにそれぞれ電気的に接続された第１の電極１７６および第２の電極１７７を備えている。
【００４２】
シリコン導波路コア１７５は、酸化シリコン層１７２上に形成されたシリコン層１７３の厚さをステップ状に変化させることによって形成され、このシリコン導波路コア１７５を含むシリコン層１７３は、酸化シリコンからなるオーバークラッド層１７４に覆われている。
【００４３】
また、キャリア供給源となる不純物領域１７３ａ、１７３ｂは、シリコン導波路コア１７５の近傍のシリコン層１７３内に形成されている。本実施の形態においては、シリコン導波路コア１７５の一方の片側にｎ＋型領域１７３ａが、他方の片側にｐ＋型領域１７３ｂが形成されている。クラッド層１７４に形成されたビアホールが形成され、そのビアホール内に形成された第１の電極１７６および第２の電極１７７が、それぞれｎ＋領域１７３ａおよびｐ＋領域１７３ｂにそれぞれ電気的に接続されている。
位相シフタ１４２もまた、位相シフタ１３２と同様に構成されている。
【００４４】
位相シフタ１３２、１４２は、第１、第２の電極間に外部から制御バイアスを加えることによって、シリコン導波路コア１７５内のキャリア濃度を変調し、光信号の位相をシフトさせることができる。本実施の形態において、シリコン導波路コア１７５にキャリアを注入する際には、位相シフタ１３２と位相シフタ１４２とはそれぞれは順バイアスと逆バイアスとなるよに制御電圧が印加される。
【００４５】
なお、本実施の形態において、位相シフタ１３２、１４２は、いわゆるＰＩＮ構造を有するものとして説明したが、本発明において、位相変調部の構成は、シリコン導波路コア１７５内にキャリアを注入できれば、ＰＩＮ構造に限定されるものではなく、例えば、ＰＮ接合を形成してもよいし、シリコン導波路コア１７５近傍にｎ型シリコン領域またはｐ型シリコン領域の少なくともいずれか一方を形成してもよい。特にチャープ抑制が重要となる位相変調部の構成は、高速動作が可能なＰＮ接合構造（逆バイアスを掛けキャリアを引き抜く空乏型）であり、例えば、Ｐ＋型/Ｐ型/Ｎ型/Ｎ＋型のような構造である。
また、位相シフタの構成例については、非特許文献４にも開示されている。
【００４６】
本実施の形態に係るマッハツェンダ干渉型光位相変調器１００においては、下側アーム１４０に、下側アーム１４０の伝搬損失を調整する損失調整部１４１’が設けられている。図１Ｃおよび図１Ｄは、それぞれ損失調整部１４１’を拡大した平面図および断面図である。図１Ｃに示すように、損失調整部１４１’は、下側アーム１４０のシリコン導波路１４１のコア幅を部分的に広くしたものである。このとき、導波路コア断面積の急激な変化は光の反射や散乱を招くため、図１Ｃに示すように、損失調整部１４１’の導波路コアの幅は、連続的（断面の屈折率変化を可能な限り抑えるよう）に変化するものとする。
【００４７】
上述したような損失調整部１４１’は、シリコン導波路に代表される高屈折率差構造による強閉じ込め系であるゆえ、断面形状や寸法の調整により精密かつ再現性良く伝搬損失を調整することが可能である。
例えば、電子線露光または紫外線露光を用いることにより、分解能が１０ｎｍ以下の導波路コアの幅の調整は可能であり、その再現性についても確認されている。
【００４８】
図１Ｄに示すような構造を有する光導波路は、ＳＯＩ層を公知のエッチング手法を用いて選択的にエッチングしてシリコンコアを形成すればよい。更にシリコンコアの上に酸化シリコン層を製膜することでオーバークラッドを形成してもよい。また、ＳＯＩ基板上の酸化シリコン層（ＢＯＸ層）をアンダークラッドとしてもよい。
なお、本実施の形態においては、シリコン導波路１４１のコアの高さは、その長さ方向にわたって一定である。
【００４９】
図２は、シリコン導波路コア高さを２００ｎｍと固定したときの、コア幅（Ｃｏｒｅ  ｗｉｄｔｈ）に対する伝搬損失（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｌｏｓｓ）の依存性を示す図であり、非特許文献３から引用したものである。図２からもわかるように、コア幅が大きくなると、伝搬損失は減少する。
【００５０】
この特徴を活用すれば、変調器アームの片方または両方の導波路コア断面積を縮小または拡大することによって伝搬損失を調整し、２つの変調器アームの伝搬損失に非対称性を与えることができる。本実施の形態に係る光位相変調器は、一方のアームの導波路コアの断面積を一部拡大することで伝搬損失を調整し、周波数チャープの発生を抑制するものである。すなわち、損失調整部１４１’としてシリコン導波路１４１のコア幅を部分的に広く形成することによって、下側アーム１４０の伝搬損失は上側アーム１３０の伝搬損失よりも小さくなり、上側アーム１３０と下側アーム１４０との間に伝搬損失の非対称性を与えることとなる。
【００５１】
本実施の形態では、構造の簡略化を図ることに加えて、過剰損失を防ぐために導波路コア断面積の縮小を行わず、下側アーム１４０において導波路幅調整によるコア断面積の拡大のみ行っている。これは、式（７）におけるΔα1,adjust を０とし、式（８）におけるΔα2,adjust のみを追加するものである。
【００５２】
＜光位相変調器の動作＞
次に、本実施の形態に係る光位相変調器１００の動作について説明する。
この位相変調器１００では、入力導波路１１０に入射された光は分岐器１２０で２本の光に等分される。上側アーム１３０において、光は導波路１３１を伝搬して位相シフタ１３２に入射し、導波路１３３を伝搬して結合部１５０に至る。一方、下側アーム１４０においては、導波路１４１の損失調整領域１４１’を経て位相シフタ１４２によって屈折率変化による位相シフトを受けたのち、導波路１４３を伝搬して結合部１５０に至る。このようにして上側の変調アーム１３０から入射された光信号と下側の変調アーム１４０から入射された光信号とは、結合部１５０内で干渉し、光信号出力として出力導波路１６０を介して出力される。
【００５３】
このようなマッハツェンダ干渉型光位相変調器において、光信号出力の信号“０”と信号“１”との間を遷移する際には、プッシュプル動作により、一方の位相シフタ１３２を順バイアスとし、他方の位相シフタ１４２を逆バイアスとすると、式（１）および式（２）に示すように、キャリアプラズマ分散効果によって屈折率変化Δｎと伝搬損失変化Δαplasma が同時に変調され、このときの上側アームの伝搬損失変化Δα1,plasmaの変化の方向と、下側アームの伝搬損失変化Δα2,plasmaの変化の方向とは、式（７）および式（８）に示すように、互いに逆向きとなる。しかしながら、導波路１４１に損失調整部１４１’を設けたことによって、下側アーム１４０の伝搬損失α2 は、上側アーム１３０の伝搬損失α1 よりも低減されている。
【００５４】
このときのＩＱ平面におけるビット遷移図を図３Ａおよび図３Ｂに示す。
例えば、光位相変調器１００の光信号出力が信号“０”（３０３）から信号“１”（３０４）に遷移する場合に、上側アーム１３０を伝搬する光信号の位相は位相シフタ１３２によって変調されて反時計回りに０度から１８０度変化する（軌跡３０１）一方、下側アーム１４０を伝搬する光信号の位相は位相シフタ１４２によって変調されて、時計回りに０度から１８０度変化する（軌跡３０２）。
【００５５】
このとき、下側アーム１４０に損失調整部１４１’を設けて、−Δα2,adjustを追加したので（式（８）参照。）、Δα2,plasmaがΔα2,ADJUST によって相殺されて、下側アームの全伝搬損失α2 に対するΔα2,plasmaの影響を相対的に小さくなるので、下側アーム１４０を伝搬する光信号の強度と位相の軌跡３０２は、Ｑ軸方向（図３Ａの下側方向）に膨らむ。その結果、上側アーム１３０から結合部１５０に入射される光信号と下側アーム１４０から結合部１５０に入射される光信号とが干渉することによって得られる光信号出力の信号“０”（３０３）と信号“１”（３０４）との間のビット遷移時において、光信号出力のＩ軸からＱ軸に沿って離れる成分を小さくすることができる。
【００５６】
例えば、α1 ＝α2 とすればよく、式（７）および式（８）より、上側アームの伝搬損失変化や下側アーム１４０の損失調整部１４１’による伝搬損失変化を望ましくは、Δα1,adjust ＋Δα2,adjust ＝Δα1,plasma ＋Δα2,plasma と設定することで、ビット遷移における光信号出力の軌跡は、ほぼＩ軸上のみと見なすことが可能である。ただし、キャリア密度やその他条件によっては、位相が０とπにおける電界振幅比が大きく異なる場合もあるため、伝搬損失変化は、それらの条件も考慮し、設定されるべきである。
【００５７】
より具体的な例として、正孔キャリアを用いたシリコン変調器の伝搬損失制御によるチャープ抑制方法の数値解析結果を図３Ｂおよび図８Ｂに示す。なお、図８Ｂは損失調整部の付与前、図３Ｂは損失付与後にそれぞれ対応する。
ここでは、入力分岐比率ａ＝（０．５）１／２、出力分岐比率ｂ＝（０．５）１／２、波長λ＝１．５５０ｎｍ、位相シフタの導波路長Ｌ＝１０ｍｍのとき、下側アームの構造調整による伝搬損失変化Δα2,adjust＝０．６ｄＢ／ｃｍとすることで、図３Ｂに示すように、周波数チャープはほぼＩ軸上を遷移した。この結果、周波数チャープを持った光強度は１／６以下に抑えることができることが理解される。
なお、正孔キャリアではなく電子キャリア密度変化を利用した変調器、もしくは、両キャリア密度変化を利用した変調器では、式（１）と式（２）の関係により更に顕著なチャープ抑制効果が予想される。
【００５８】
以上のように、本実施の形態に係る光位相変調器によれば、一方の変調器アームのみ導波路断面積を増やす構造とし、各変調器アームの軌跡を独立に調整することで、変調器の挿入損失が低減することから過剰損失を増加させることなく周波数チャープが抑制できる。
すなわち、一方の変調器アーム（下側アーム）１４０に、そのシリコン導波路の一部のコア幅を変化させることによって損失調整部１４１’を設け、キャリアプラズマ分散効果の影響により変調される下側アーム１４０の変調器１４２の伝搬損失変化Δα2,plasmaの影響を相対的に低減することによって、ビット遷移の際の下側アームから結合部１５０に入射される光信号のＩＱ平面上での軌跡は、図３Ａに示すように下方に膨らむので、上側アーム１３０から結合部１５０に入射される光信号と下側アーム１４０から結合部１５０に入射される光信号とが干渉することによって得られる光信号出力のビット遷移時の周波数チャープを抑制できる。
【００５９】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について、図４Ａ、図４Ｂ、図５を参照して説明する。なお、上述した第１の実施の形態と共通する構成要素については、同一の名称および同一の参照符号を用い、その説明は省略する。
【００６０】
＜光位相変調器の構成＞
第２の実施の形態に係る光位相変調器は、損失調整を行う手段として、マッハツェンダ干渉型位相変調器の変調器アームのシリコン導波路に屈曲部を設けたものである。すなわち、伝搬損失変化Δαadjust の調整は、シリコン導波路の曲げ半径を調整し、曲げ損失を増加または減少させることによって実現される。
【００６１】
図４Ａは、本実施の形態に係る非対称マッハツェンダ干渉型シリコン位相変調器の概要を示す図である。光位相変調器２００は、入力導波路１１０より入射された光信号を２つに分岐する分岐部１２０と、分岐部１２０によって分岐された第１の光信号を伝搬する第１の変調器アーム（または上側アーム）１３０と、分岐部１２０によって分岐された第２の光信号を伝搬する第２の変調器アーム（または下側アーム）２４０と、上側アーム１３０を伝搬した第１の光信号と下側アーム２４０を伝搬した第２の光信号とを合波して出力導波路１６０に出射する結合部１５０とから構成されている。これらは、ＳＯＩ基板上に形成されたシリコン導波路である。
このうち、第２の変調器アーム２４０を構成するシリコン導波路コア２４１には、損失調整部として屈曲部Ｂが設けられている。
【００６２】
図４Ｂは、屈曲部Ｂの拡大図である。図４Ｂに示すように、屈曲部Ｂでは、導波路コア２４１に数μｍオーダーの曲げ半径ｒが付与されて略９０°屈曲されている。
【００６３】
図５は、シリコン導波路の曲げ半径に対する挿入損失の依存性を示す図であり、非特許文献３より引用した。図５によれば、シリコン導波路の曲げ半径が小さくなればなるほど損失が大きくなることが理解される。この特徴を活用し、２本の変調器アームのうち、一方または両方のアームの導波路曲げ損失を曲げ半径の縮小または拡大によって調整し、周波数チャープの発生を抑制することができる。
【００６４】
シリコン導波路を電子線露光もしくは紫外線露光を用いて作製することにより、１００ｎｍより小さい分解能で曲げ半径ｒを調整することが現実的に可能である。したがって、シリコン導波路は高屈折率差構造による強閉じ込め系であるゆえ、曲げ半径ｒを変化させることにより、精密かつ再現性良く損失を調整することが可能である。
【００６５】
本実施の形態では、構造を簡略化するため、下側アーム２４０において、シリコン導波路コア２４１に屈曲部を設け、曲げ半径調整による曲げ損失を付与した。すなわち、式（７）におけるΔα1,adjust を０とし、式（８）におけるΔα2,adjust を設定した。
なお、本実施の形態においては、伝搬損失の調整に用いる曲げ損失が、その構造上、シリコン導波路の屈曲部において生じるものであるため、上述した式（７）、式（８）との整合をとるため、伝搬損失変化Δα2,adjust は、屈曲部の曲げ半径を調整することによって生じる損失変化を変調器の導波路の長さＬによって平均化された値とする。
なお、上側アーム１３０と下側アーム２４０の光路長は等しくなるように形成されている。また、シリコン導波路コアの断面形状は上述した第１の実施の形態と同一である。
【００６６】
＜光位相変調器の動作＞
本実施の形態に係る位相変調器２００では、入力導波路１１０に入射された光は分岐器１２０で２本の光に等分される。上側アーム１３０において、光信号は導波路１３１を伝搬し、位相シフタ１３２によって屈折率変化による位相シフトを受けたのち、導波路１３３を伝搬し、結合部１５０に入射する。一方、下側アーム２４０では、光信号は、曲げ損失を付与した導波路コア２４１を伝搬し、位相シフタ１４２で位相シフトを受けたのち、導波路１４３を伝搬して、結合部１５０に入射する。
第２の変調器アーム２４０の損失α2 は、屈曲部の曲げ損失を調整したことによって生じた伝搬損失変化Δα2,adjust  を含む。したがって、屈曲部の導波路曲げ損失を曲げ半径の縮小と拡大によって調整して、キャリアプラズマ分散効果の影響により変調される下側アーム２４０の変調器１４２の伝搬損失変化Δα2,plasmaの影響を相対的に低減することによって、ビット遷移時の周波数チャープの発生を抑制することができる。
【００６７】
本実施の形態によれば、導波路コアの曲げ半径を制御することによって伝搬損失を調整するので、導波路コアの幅を制御する第１の実施の形態に較べると、作製プロセス上の精度が緩和されるという利点がある。
【００６８】
＜その他の実施の形態＞
上述した実施の形態においては、シリコン導波路からなるマッハツェンダ干渉型位相変調器を例に説明したが、本発明では、屈折率と独立して損失を調整できる機構であれば、位相変調器の材料と干渉構造に依存しない。
【００６９】
また、上述した２つの実施の形態では、それぞれシリコン導波路コアの幅を変えることや、シリコン導波路コアの曲げ半径を制御することによって、伝搬損失を調整するものとして説明したが、本発明における損失調整の手段は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
例えば、損失調整部として、少なくとも一方のシリコン導波路コアの少なくとも一部に、不純物をドーピングした不純物導入部を形成してもよい。シリコンは不純物濃度に応じて光吸収を調整することができるので、このような不純物導入部を設けることによって、変調器アームの伝搬損失を調整することができる。このような不純物導入部は、位相シフタ（位相変調部）を形成するプロセスにおいて、シリコン層の所定の領域に不純物を導入した後にシリコン導波路コアを形成することによって、同時に作製することができる。
【００７０】
更には、本発明では、第１の変調器アームにおける光信号の位相のシフトに依存しない伝搬損失と、第２の変調器アームにおける光信号の位相のシフトに依存しない伝搬損失とが互いに異なっていればよく、すなわち、２つの変調器アームの間で位相シフトに依存しない伝搬損失に非対称性を持たせることができればよい。したがって、上述した実施の形態のように、導波路の一部に損失調整部を設けてもよいし、２つの変調器アームの間で、導波路コアの形状またはサイズ（光信号の伝搬方向に垂直な断面の面積および形状の少なくとも１つ）に違いを持たせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、光通信および光通信デバイスの分野に利用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１１０…入力導波路、１２０…分岐部、１３０、１４０、２４０…変調器アーム、１３１、１３３、１４１、１４３、２４１…光導波路（コア）、１３２、１４２…位相シフタ、１４１’、２４１’…損失調整部、１５０…結合部、１６０…出力導波路。
【図１Ａ】
0005795500.tif 000008
【図１Ｂ】
0005795500.tif 000009
【図１Ｃ】
0005795500.tif 000010
【図１Ｄ】
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【図２】
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【図４Ａ】
0005795500.tif 000013
【図４Ｂ】
0005795500.tif 000014
【図５】
0005795500.tif 000015
【図６】
0005795500.tif 000016
【図３Ａ】
0005795500.tif 000017
【図３Ｂ】
0005795500.tif 000018
【図７】
0005795500.tif 000019
【図８Ａ】
0005795500.tif 000020
【図８Ｂ】
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