(57)【要約】【課題】入力波長の揺らぎまたは、環境温度変動に対する消光特性の変動を緩和し、安定した変調特性を実現することができる光変調器、光源装置及び前記光変調器の駆動方法を提供する。【解決手段】本発明の光変調器は、入力された光波を変調して光波信号として出力する光変調器において、縦列接続された、共振波長が互いに異なる第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６と、第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６の光学損失または屈折率を同期させて互いに逆向きに変調させる変調装置１５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光波を変調して光波信号として出力する光変調器において、
縦列接続された、共振波長が互いに異なる２つの光共振器と、
前記２つの光共振器の光学損失または屈折率を同期させて互いに逆向きに変調させる変調手段と、を有する光変調器。
【請求項２】
前記２つの光共振器の導波路の長さが互いに異なる、請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記変調手段による変調がなされていない状態での前記２つの光共振器の屈折率が互いに異なる、請求項１に記載の光変調器。
【請求項４】
前記２つの光共振器に隣接してヒータ電極が配置されている、請求項２に記載の光変調器。
【請求項５】
前記２つの光共振器は、リング型光導波路と、前記リング型光導波路に光学的に結合した少なくとも１つの直線光導波路とを有し、前記２つの光共振器は、前記光波が入力される入力光導波路と、前記光波信号を出力する出力導波路との間にて縦列接続されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項６】
前記２つの光共振器は、互いに光学的に連結され、両端面が反射面である直線光導波路からなる、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項７】
前記２つの光共振器は、半導体材料からなるＰＩＮ接合構造を有しており、
前記変調手段は、前記ＰＩＮ接合構造に逆バイアスの電圧を印加する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項８】
前記ＰＩＮ接合構造の内部に、半導体多重量子井戸構造を含んでいる、請求項７に記載の光変調器。
【請求項９】
前記２つの光共振器は、半導体材料からなるＰＩＮ接合構造またはＰＮ接合構造を有しており、
前記変調手段は、前記ＰＩＮ接合構造またはＰＮ接合構造に順バイアスの電圧を印加する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１０】
前記２つの光共振器は、強誘電体材料を含んでおり、
前記変調手段は、前記強誘電体材料を含む前記２つの光共振器に電圧を印加する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１１】
前記２つの光共振器の共振波長の周期は、波長多重伝送のチャンネル間隔に一致させている、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光変調器と、光源とを有し、
前記光源から出射される光波の波長は可変であり、前記光波の波長の周期と前記光共振器の共振波長の間隔とを一致させている光源装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光変調器の駆動方法であって、
縦列接続された、共振波長が互いに異なる２つの光共振器の光学損失または屈折率を、前記変調手段により同期させて互いに逆向きに変調させる光変調器の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光情報処理及び光インターコネクション等に用いられる電気信号を光波信号に変換する光変調器、光源装置及び前記光変調器の駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気信号を光波信号に変換する光変調器は、近年の光通信市場におけるトラフィックの急速な増大において、極めて重要な役割を果たしてきた基幹部品である。光変調器としては、化合物半導体材料を用いた電界吸収型変調器やＬｉＮｂＯ3材料を用いたマッハツェンダー変調器が実用化されている。化合物半導体材料による電界吸収型変調器の例としては、ＩｎＰ材料による変調器集積化光源が非特許文献１に発表されており、長距離光通信用光源として実用化されている。また、ＬｉＮｂＯ3材料によるマッハツェンダー変調器の例としては、非特許文献２に特に小型化されたものが報告されている。
【０００３】
しかしながら、前者は、ウェハ材料や製造コストの点から低コスト化に難点があり、後者も小型化されたものの１ｃｍ以上の素子サイズを有しており、低コスト化に限界がある。光変調器は、光情報処理や光インターコネクションにおいても重要な光部品であるが、光通信分野に比べて著しい部品コストの低減が求められており、現状ではその適用が極めて困難な状況にある。
【０００４】
これに対して、最近、安価に製造できるＳｉ半導体を用いた光変調器が、非特許文献３に開示されている。Ｓｉ半導体のメリットは、成熟したプロセス技術を利用できること以外に、ＣＭＯＳ  ＬＳＩ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor   Large Scale Integration）との親和性からＳｉウェハによるＯＥＩＣ（Optoelectronic Integrated Circuit：光集積回路）の可能性を示唆している点にある。発表された光変調器は、光の受動導波路部だけでなく能動導波路部をもＳｉウェハ上に形成した点が画期的であった。しかしながら、素子構造としては、ＰＮ接合近傍の電界印加による屈折率変化を単純なマッハツェンダー干渉系により光強度に変換しているだけであり、１ｃｍ以上の素子サイズが必要となっている。センチメートルオーダの素子サイズでは、ウェハ一枚あたりから得られる収量の点から低コスト化に限界があるばかりでなく、ＣＭＯＳ  ＬＳＩ等の集積化の観点からもＯＥＩＣ化が困難であり、Ｓｉ半導体材料をもちいる利点を十分に生かせないという問題点を抱えている。
【０００５】
これに対して、Ｓｉリング光導波路の波長共振特性を利用した光変調器が非特許文献４に開示されており、素子サイズ数十ミクロンのものが実現している。しかしながら、リング光導波路のような共振特性を利用した場合には、入力光波長を共振波長近傍に設定しなければならず、高精度な波長制御機構が必要になる。このことは、環境温度に起因するわずかな共振波長の変動により、消光特性（変調動特性）が大きく変化してしまうという問題を引き起こす。特に、光インターコネクションにおいては、アサーマル特性は、コストの点から必須の条件であり、共振波長の温度特性を緩和する為の何らかの施策が必要となる。また、伝送容量を拡大するために導入される波長多重伝送（ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex））では、チャンネル毎に波長特性の適した光変調器を準備するのでは、システムのコスト増大につながるために、特性がチャンネル波長に依存しない光変調器も必要となる。
【非特許文献１】M.ISHIZAKA et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS 1997, VOL.9, NO.10, p.1406
【非特許文献２】M.SUGIYAMA et al., 30th Eouropean Conference On Optical Communication、 2004, Post-Deadline Session3、Th4.3.5
【非特許文献３】Ansheng Liu et al., NATURE, VOL.427 12 FEBRUARY, 2004, p.615
【非特許文献４】Quianfan Xu et al., NATURE, VOL.435, 19 MAY 2005, p.325
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光通信技術の進展と共に高性能化と低コストが進んだ光変調器などの光部品は、光情報処理や光インターコネクションなどに代表されるような、より使用数量の多い分野への適用が検討され始めている。この分野では通信分野に比べておよそ２桁以上の価格低減が求められており、材料ならびに素子構造を含めてより進んだコストの低減が必要になる。この意味でＳｉ材料を用いた変調器は重要であるが、その電気光学効果が小さい為に、リング型導波路のような共振構造を利用してサイズを小さくする必要があった。
【０００７】
しかしながら、共振特性を利用した場合には、環境温度変化に起因する共振波長のわずかな変化により、消光特性（変調動特性）が大きく変化してしまうと課題があった。
【０００８】
図１０は、従来の単一の光共振器を用いた光変調器の作用の一例を示す模式的なグラフである。従来の光変調器では、共振ピーク波長近傍に入力光波長λ0を設定し、電圧印加により共振ピークをシフトさせることにより透過光強度を変調させており、波長揺らぎに対して波長スペクトルの傾斜に比例した消光特性の変動が発生することになる。
【０００９】
また、図１１は、従来の単一リング共振器の一例による変調器を用いた場合の具体的動作を説明するグラフである。
【００１０】
図１１（ａ）は、電圧印加０Ｖに対する単一リング共振器のパワー透過率スペクトル６０を示す。電圧印加により図１１（ｂ）に示すように点線で示されるパワー透過率スペクトル６０が実線で示されるパワー透過率スペクトル６１へとシフトし、共振ピークもシフトすることになる。入力光波長を図６（ａ）における共振ピークに設定した場合には、電圧印加により光強度が増加するような消光特性が得られる。
【００１１】
図１２は、従来の単一リング共振器において、入力光波長が設定中心に対して幅０．０６ｎｍの波長変動を生じた場合の消光特性の違いを示すグラフである。単一リング共振器の場合、波長の揺らぎが生じることで、消光特性が符号７０で示す特性となったり、あるいは符号７１で示す特性となったりする場合があり、所定の消光特性を得ることができない。
【００１２】
そこで本発明は、入力波長の揺らぎまたは、環境温度変動に対する消光特性の変動を緩和し、安定した変調特性を実現することができる光変調器、光源装置及び前記光変調器の駆動方法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】
【００１３】
上記目的を達成するため本発明の光変調器は、入力された光波を変調して光波信号として出力する光変調器において、縦列接続された、共振波長が互いに異なる２つの光共振器と、２つの光共振器の光学損失または屈折率を同期させて互いに逆向きに変調させる変調手段と、を有する。
【００１４】
本発明の光変調器は、変調手段により２つの光共振器の光学損失または屈折率を同期させて互いに逆向きに変調させることで、所定の特定の波長範囲において波長依存度の小さい強度変調を実現することが可能であり、入力波長のトレランスを増大させることができる。すわなち、本発明の光変調器によれば、入力波長の揺らぎ、または環境温度変動に対する消光特性の変動を緩和し、安定した変調特性を実現することができる。
【００１５】
また、本発明の光変調器は、２つの光共振器の共振波長を異ならしめるために、２つの光共振器の導波路の長さが互いに異なるものであってもよい。
【００１６】
あるいは、本発明の光変調器は、２つの光共振器の共振波長を異ならしめるために、変調手段による変調がなされていない状態での２つの光共振器の屈折率が互いに異なるものであってもよい。
【００１７】
さらに、本発明の光変調器は、２つの光共振器の共振波長を異ならしめるために、２つの光共振器に隣接してヒータ電極が配置されているものであってもよい。
【００１８】
また、本発明の光変調器は、２つの光共振器が、リング型光導波路と、リング型光導波路に光学的に結合した少なくとも１つの直線光導波路とを有し、これら２つの光共振器は、光波が入力される入力光導波路と、光波信号を出力する出力導波路との間にて縦列接続されているものであってもよい。この場合、光共振器として半導体のリング型光導波路を用いた場合には、その素子サイズを小型化することができるとともに、変調速度を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明の光変調器は、２つの光共振器が、両端面が反射面である直線光導波路からなるものであってもよい。
【００２０】
また、本発明の光変調器は、２つの光共振器が半導体材料からなるＰＩＮ接合構造を有しており、変調手段がＰＩＮ接合構造に逆バイアスの電圧を印加するものであってもよい。
【００２１】
また、本発明の光変調器は、ＰＩＮ接合構造の内部に、半導体多重量子井戸構造を含んでいるものであってもよい。
【００２２】
また、本発明の光変調器は、２つの光共振器が、半導体材料からなるＰＩＮ接合構造またはＰＮ接合構造を有しており、変調手段がＰＩＮ接合構造またはＰＮ接合構造に順バイアスの電圧を印加するものであってもよい。
【００２３】
また、本発明の光変調器は、２つの光共振器は強誘電体材料を含んでおり、変調手段が強誘電体材料を含む２つの光共振器に電圧を印加するものであってもよい。
【００２４】
また、本発明の光変調器は、２つの光共振器の共振波長の周期が、波長多重伝送のチャンネル間隔に一致させているものであってもよい。これにより、波長多重伝送のどのチャンネルにおいても、均一な消光特性を実現することができる。
【００２５】
また、本発明の光源装置は本発明の光変調器と、光源とを有し、光源から出射される光波の波長は可変であり、光波の波長の周期と光共振器の共振波長の間隔とを一致させている。
【００２６】
本発明の光変調器の駆動方法は、本発明の光変調器を駆動する方法であって、縦列接続された、共振波長が互いに異なる２つの光共振器の光学損失または屈折率を、変調手段により同期させて互いに逆向きに変調させる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の光変調器は、変調手段により２つの光共振器の光学損失または屈折率を同期させて互いに逆向きに変調させることで、所定の特定の波長範囲において波長依存度の小さい強度変調を実現することが可能であり、入力波長のトレランスを増大させることができる。すわなち、本発明の光変調器によれば、入力波長の揺らぎ、または環境温度変動に対する消光特性の変動を緩和し、安定した変調特性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の光変調器は、縦列接続された２つの光共振器の共振ピーク波長を外部変調電圧によって同期させて互いに逆向きにシフトさせることにより、ある特定範囲の透過スペクトル強度を変化させて、電気信号を光強度信号に変換するものである。
【００２９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の光変調器を含む光源装置の構成の概略を示す模式図である。また、図２は、図１におけるＡ１−Ａ２線における模式的な断面図である。
【００３０】
Ｎ型シリコン層４とその上部に形成されたシリコン酸化膜２からなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板上部の同一平面上に直線光導波路２２と、第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８とが形成されている。直線光導波路２２と、第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８とは互いに近接するように配置されている。このように互いに近接して配置された直線光導波路２２と第１のリング型光導波路２６は第１の光共振器３５を構成し、また、直線光導波路２２と第２のリング型光導波路２６は第２の光共振器３６を構成している。これら２つの縦列接続された第１の光共振器３５と第２の光共振器３６とによって共振部３７を構成している。
【００３１】
第１の光共振器３５と第２の光共振器３６とは、互いに共振波長が異なるものとなるようにするため、導波路の全長が互いに異なる。また、第１の光共振器３５と第２の光共振器３６とは、互いに共振波長が異なるものとなるようにするため、電圧が印加されていない状態において屈折率が互いに異なるものを用いてもよい。なお、第１の光共振器３５と第２の光共振器３６との共振波長の周期は、波長多重伝送のチャンネル間隔に一致させるようにしてもよい。そして、これら第１の光共振器３５と第２の光共振器３６とは、縦列接続された構成となっている。
【００３２】
第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８の円周内部には、電圧印加のための陽極電極９がそれぞれ形成されている。各陽極電極９には陽極パッド電極２０、２１が接続された状態で配置されている。一方、第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８の円周外部には陰極電極（グランド電極）１１が形成されている。また、第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８の上部には、ヒータ８が配置されている。ヒータ８は、第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８を加熱することで互いの共振波長が異なるようにするためのものである。
【００３３】
なお、本実施形態の第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８は、半径１０ミクロン程度の微小リング型光導波路を用いている。このため、変調部位の面積を小さくすることができ、変調部の電気容量を低減することが可能である。すわなち、リング型光導波路２６、２８によれば、光変調器の変調速度は、電気容量に反比例することから変調速度を向上させることができる。また、素子サイズは主に光変調器を構成する光共振器の大きさで決定されるため、第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６として半導体の微小リングを用いた場合には、その素子サイズが数十ミクロン程度にまで小型化できる。さらに、第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８は、安価なＳｉ半導体によって構成されているので、Ｓｉウェハ上に多数の光変調器を形成することが可能となり、１素子当りの製作コストを低減することができる。
【００３４】
また、第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６の共振波長周期は、波長多重（ＷＤＭ）伝送の波長間隔に一致させておくのが好ましい。この場合、波長多重（ＷＤＭ）伝送において、変調時における消光特性のチャンネル波長依存性を低減し、チャンネル間の特性差をなくすことができ、波長多重（ＷＤＭ）伝送のどのチャンネルにおいても、均一な消光特性を実現することができる。
【００３５】
陽極パッド電極２０、２１には変調装置１５が電気的に接続されている。変調装置１５は、第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６の光学損失または屈折率を同期させて互いに逆向きに変調させるため、陽極パッド電極２０、２１に対して相互に同期した逆相の変調電圧を印加するものである。
【００３６】
光源１００は、直線光導波路２２の入力端３０に対して光波を出射する。光源１００は、出射する光波の波長を可変できる機能を有する。
【００３７】
次に、本実施形態の光変調器の断面構造について説明する。
【００３８】
本実施形態の光変調器は、上述したように、Ｎ型シリコン層４上にシリコン酸化膜２が形成されている。そして、シリコン酸化膜２上に第２のリング型光導波路２８がリッジ型光導波路として形成されている。第２のリング型光導波路２８の両側にはＰ型シリコン層３、５が配置されている。Ｎ型シリコン層４及びＰ型シリコン層３、５は不純物ドーピングにより形成されており、これらＮ型シリコン層４、Ｐ型シリコン層３、５、及び第１及び第２のリング型光導波路２６、２８によってＰＩＮ接合が構成されている。ＰＩＮ接合構造の内部には、多重量子井戸構造が含まれている。
【００３９】
Ｐ型シリコン層３及びＮ型シリコン層４の上部には、それぞれ陰極電極１１と陽極電極９が積層されている。陰極電極１１及び陽極電極９を除く、Ｐ型シリコン層３上には、シリコン酸化膜６が形成されている。シリコン酸化膜６は、保護膜および導波路クラッド層の役割を目的として形成されたものである。シリコン酸化膜６の上部には、第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８の共振ピーク波長を調整する役割を果たすヒータ８が設けられている。
【００４０】
次に、本実施形態の光変調器の動作機構について詳細に説明する。
【００４１】
光源１００から出射された光波は直線光導波路２２の入力端３０から入力される。なお、光源１００は、出射する光波の波長を可変できる機能を有する。
【００４２】
直線光導波路２２に入力された光波は、第１のリング型光導波路２６に光学的に部分結合して共振する。これにより、光波はリング導波路損失によってそのパワーを減衰させる。パワーが減衰した光波は、続いて、第２のリング型光導波路２８においても共振し、さらにそのパワーを減衰させて出力端３１から光波信号として出力される。
【００４３】
入力される光波と第１および第２のリング型光導波路２６、２８との共振の強弱は、陽極パッド電極２０、２１と陰極電極１１との間に変調装置１５によって電圧を印加することで変化する。
【００４４】
これは以下の原理によるものである。
【００４５】
陽極パッド電極２０、２１と陰極電極１１との間に電圧を印加すると、Ｎ型シリコン層４、Ｐ型シリコン層３、５との間のリッジ型光導波路である第１及び第２のリング型光導波路２６、２８に電流が流れる。つまり、ＰＩＮ構造に電流が流れることとなり、キャリアプラズマ効果によって第１および第２のリング型光導波路２６、２８の屈折率が変化する。そうすると、第１および第２のリング型光導波路２６、２８の共振ピーク波長がシフトして入力光波に対する共振の強弱が変化することとなる。この共振の強弱は、入力光波のパワーの強弱となる。
【００４６】
変調装置１５によって、第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６に同期させて互いに逆相の変調電圧を印加した場合の各パワー透過率スペクトルを図３（ａ）に、また、これら各パワー透過率スペクトルの合成波長スペクトルを図３（ｂ）に、それぞれ模式的に示す。
【００４７】
図３（ａ）に示すように、電圧印加に伴い、第１の光共振器３５のパワー透過率スペクトル２０１は高波長側へとシフトし、第２の光共振器３６のパワー透過率スペクトル２０２は低波長側へとシフトする。これらパワー透過率スペクトル２０１、２０２の合成波長スペクトル２０３は、図３（ｂ）に示すように特定波長λ0（２つの共振器の共振ピーク波長の中心）の近傍のある波長範囲で透過光強度が変化することになる。すなわち、この特定波長の光波を入力した場合には、ある波長範囲の揺らぎに対して一定の消光特性を保証することが可能となる。
【００４８】
以下、本実施形態の光変調器における透過スペクトル強度に関してより具体的に説明する。
【００４９】
図４は、電圧印加に伴う２つのリング型共振器のパワー透過スペクトルの変化を示したグラフである。
【００５０】
図４（ａ）は、陽極パッド電極２０、２１と陰極電極９との間に一定電圧を印加した状態における、第１の光共振器３５のパワー透過率スペクトル４０と、第２の光共振器３６のパワー透過率スペクトル４１と、これら２つの共振器３５、３６による合成されたパワー透過率４２を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態から陽極パッド電極２０、２１に印加する電圧を同期させて互いに逆向きに変化させた場合のパワー透過率の変化を示している。また、図４（ｃ）も陽極パッド電極２０、２１に印加する電圧を同期させて互いに逆向きに変化させた場合のパワー透過率の変化を示しているが、図４（ｂ）の状態からさらに印加電圧を高めた状態を示している。
【００５１】
電圧印加に伴い、第１の光共振器３５のパワー透過率スペクトルは高波長側へと順次シフトし（符号４０→符号４４→符号４７）、第２の光共振器３６のパワー透過率スペクトルは、低波長側へと順次シフトしている（符号４１→符号４３→符号４６）。そして、これらの合成されたパワー透過率スペクトルは、高波長側及び低波長側のいずれにもシフトすることなく、凹形状から凸形状に変化することになる（符号４２→符号４５→符号４８）。
【００５２】
従って、入力光の波長を、合成されたパワー透過率スペクトル４２の凹形状の中心に設定した場合、適当な範囲の波長揺らぎに対して所定の消光特性を確保することが可能となる。
【００５３】
図５は、本実施形態の光変調器において、入力光波長が設定波長の中心に対して変動した場合の消光特性（パワー透過率の印加電圧依存性）の違いを示したグラフである。なお、波長変動はＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）のチャンネル波長間隔の約１割程度に相当する０．０６ｎｍとしている。消光曲線５０と消光曲線５１の間には０．０６ｎｍの波長差があるが、概ね同一の消光特性を示している。
【００５４】
このように、２つの共振器からなる共振部３７を有する本実施形態の光変調器は、印加電圧を同期させて互いに逆向きに変化させる制御を行う。このため、本実施形態の光変調器は、従来の単一リング共振器による変調器（図１０、図１１）に比べて、ある特定の波長範囲において、一様な（波長依存度の小さい）強度変調を実現することが可能であり、入力光の波長トレランスを大幅に拡大することができる。
【００５５】
また、本実施形態の光変調器は、消光特性に対する環境温度のトレランスを拡大させることができる。すわなち、共振部３７の第１及び第２の光共振器３５、３６の共振ピーク波長を同期させて互いに逆向きにシフトさせるべく変調を行うために、ある特定の波長範囲において、一様な（波長依存度の小さい）強度変調を実現することが可能であり、環境温度の変化による共振ピーク波長の変動に対して一定の許容範囲を確保することができる。
【００５６】
また、本実施形態の光変調器は、第１及び第２の光共振器３５、３６の共振ピークのシフトにより強度変調を行う。このため、従来のマッハツェンダー光変調器のように、光波位相をπラジアンもシフトさせる必要がないために、変調駆動電圧の低減が可能である。
【００５７】
また、第１及び第２の光共振器３５、３６の共振波長周期をＷＤＭの波長間隔に一致させることにより、ＷＤＭのどのチャンネルにおいても、均一な消光特性を実現することができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６が半導体材料からなるＰＩＮ接合構造であり、これに逆バイアスの電圧印加がなされる例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すわなち、第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６は、半導体材料からなるＰＮ接合構造であってもよい。そして、変調装置１５により、ＰＩＮ接合構造またはＰＮ接合構造の第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６のそれぞれに、同期させて互いに逆向きの順バイアスの電圧を印加するものであってもよい。
【００５９】
さらに、第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６は強誘電体材料を含んでいるものであってもよい。そして、変調装置１５により、強誘電体材料を含む第１の光共振器３５及び第２の光共振器３６に、同期させて互いに逆向きの電圧を印加するものであってもよい。
【００６０】
また、本実施形態では、共振部３７を１つのみ有する光共振器を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の共振部３７を有するものであってもよい。
【００６１】
また、本発明の素子構造は、使用する材料を制限するものではなく、Ｓｉ材料や化合物半導体材料及びＬｉＮｂＯ3材料にも適用できる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態として、環境温度の変化に対する消光特性の変動を抑制し、安定した変調特性を有する光変調器の例を以下に示す。
【００６２】
外部入力光の波長精度は、近年のマイクロプロセッサの進展により、ピコメートルオーダの波長制御が可能となっているが、光変調器の温度無依存化は必ずしも有効な技術が確立しているわけではない。特に、コンピュータ機器内外で使用される光インターコネクションにおいては、電気−光波信号変換部の温度無依存化は必須の条件である。本実施形態は、この課題を解決するために光変調器の温度無依存化の構成を提供するものである。
【００６３】
図６は、本実施形態のリッジ型光導波路近傍の構成を模式的に示す断面図である。
【００６４】
第１の実施形態の光変調器は、リッジ型光導波路である、第１のリング型光導波路２６及び第２のリング型光導波路２８の上部には、シリコン酸化膜６が保護膜およびクラッド層として積層されていた。これに対して、本実施形態の光変調器は、シリコン酸化膜６の代わりに、ＰｂＭｏＯ4膜からなるクラッド層８０が積層されている点で第１の実施形態と異なるが、それ以外の基本的構成は同一である。よって、同一の構成に関する説明は省略する。
【００６５】
以下に、本実施形態の消光特性の温度無依存化の機構について詳細に述べる。
【００６６】
リング型光共振器の共振ピーク波長の温度依存性は、リッジ型光導波路を構成するシリコンコア層８１とクラッド層８０の屈折率の温度依存性で決定される。ここで、シリコンコア層８１の屈折率の温度依存性を示す熱光学係数は、約１．８×１０-4［Ｋ-1］である。これに対して、クラッド層８０を形成するＰｂＭｏＯ4の熱光学係数は、−６×１０-5［Ｋ-1］であり、シリコンコア層８１とクラッド層８０の熱光学係数の符号が正負で逆になっている。
【００６７】
導波路を伝播する光波が影響を受ける実効的な屈折率は、およそ、シリコンコア層８１とクラッド層８０の屈折率をフィールド分布で重み平均したものである。よって、導波路サイズを適当に調整して実効的な熱光学係数をゼロ、すわなち、実効屈折率の温度依存性を消失させることができる。
【００６８】
図７は、導波路幅Ｗをパラメータとして、環境温度を０℃から１００℃まで変化させたときの導波路の実効屈折率の変化を計算した結果を示すグラフである。図７より、導波路幅Ｗを約０．２６ｕｍにすることにより、実効屈折率が温度依存性をなくすことが可能であることがわかる。
【００６９】
ところで、電子ビームによる露光技術を用いると、導波路幅Ｗの作成バラツキを３ｎｍ以下に抑えることが可能である。このバラツキから生じる屈折率変化を図７から見積もって、共振ピーク波長の変化として算出すると約０．０５ｎｍとなる。第１の実施形態で示したように、本発明の構成では、０．０６ｎｍの波長変動に対しても消光特性を不変にすることができるので、導波路幅Ｗの作成バラツキを考慮しても実効屈折率の温度依存性をなくした光変調器を構成することが可能である。
【００７０】
このように、本実施形態の光変調器は、環境温度が１００［Ｋ］変化しても消光特性が変化しない電気−光波信号変換が可能であり、特に、光インターコネクションに適した構成となっている。
（第３の実施形態）
上述した第１及び第２の実施形態は、リング型光導波路内部の伝播損失を利用してパワー透過率の共振スペクトルを作り出している。このため、光透過状態（光ＯＮ状態）であってもある程度の光学損失が生じることから、消光特性と光学損失のバランスから導波路内部の損失を調整する必要があった。本実施形態では、光学損失の低減が容易な構成の光変調器について以下に示す。
【００７１】
本実施形態の光変調器は、導波路内部の損失を利用しない構成であり、その模式図を図８に示す。
【００７２】
シリコン基板とその上部に形成されたシリコン酸化膜からなるＳＯＩ基板１０１上部の同一平面上に、３本の直線光導波路１０７、１０８、１１２が配置されている。
【００７３】
また、各直線光導波路１０７、１０８、１１２とそれぞれ２箇所で近接するように第１のリング型光導波路１１３及び第２のリング型光導波路１１４が形成されている。すわなち、直線光導波路１０８と直線光導波路１１２との間に第１のリング型光導波路１１３が形成されており、直線光導波路１０７と直線光導波路１０８との間に第２のリング型光導波路１１４が形成されている。
【００７４】
２つの直線光導波路１１２、１０８と第１リング型光導波路１１３は第１の光共振器１５０を構成している。同様に２つの直線光導波路１０８、１０７と第２リング型光導波路１１４は第２の光共振器１５１を構成している。このように、本実施形態の光変調器は、第１の光共振器１５０と第２の光共振器１５１とが縦列接続され、共振部１５２を構成している。
【００７５】
また、第１および第２のリング型光導波路１１３、１１４の円周内部には、電圧印加のための陽極電極１２５、１２９が形成されている。各陽極電極１２５、１２９には、それぞれ陽極パッド電極１０９、１０４が接続されている。また、第１および第２のリング型光導波路１１３、１１４の円周外部には陰極電極１１０が形成されている。さらに、第１および第２のリング型光導波路１１３、１１４の上部には、ヒータ１０２、１０３が配置された構成となっている。
【００７６】
陽極パッド電極１０４、１０９には変調装置１１５が電気的に接続されている。変調装置１１５は、第１の光共振器１５０及び第２の光共振器１５１の光学損失または屈折率を同期させて互いに逆向きに変調させるため、陽極パッド電極１０４、１０９に対して相互に同期した逆相の変調電圧を印加するものである。
【００７７】
以上のような構成の本実施形態の光変調器における動作機構について以下詳細に述べる。
【００７８】
光源３００から出射された光波は直線光導波路１１２の入力端１１１から入力される。入力された光波の一部は、第１のリング型光導波路１１３の導波モードと共振結合して直線光導波路１０８を伝播する。直線光導波路１０８を伝播した光波は、その後、第２のリング型光導波路１１４の導波モードと共振結合して直線光導波路１０７を伝播する。そして、直線光導波路１０７へと伝播した光波は直線光導波路１０７の出力端１０６から出力される。
【００７９】
なお、直線光導波路１１２を伝播する光波でリング型光導波路に共振結合しない成分は導波路端１３０から出力され、直線光導波路１０８でリング型光導波路１１３に共振結合しない成分は導波路端１３１から出力される。これら導波路端１３０、１３１から出力された成分は光学損失となる。
【００８０】
本実施形態の場合、リング型光導波路が無損失であっても、導波路端１３０、１３１から出力される成分が光学損失を発生させるため、直線光導波路１０８及び１０７を伝播する光波のパワースペクトルは、波長に対して凸状の共振曲線となる。
【００８１】
入力端１１１に対する出力端１０６のパワー透過スペクトルは、第１及び第２のリング型光導波路１１３、１１４の２つの凸状の共振スペクトルの重ね合わせで表される。よって、それぞれの共振ピーク波長を同期させて互いに逆向きにシフトさせることにより、第１の実施形態で示した消光特性と同等な特性を得ることができる。なお、２つの共振ピークを同期させて互いに逆向きにシフトさせるには、陽極パッド電極１０４、１０９に相互に逆相の変調電圧を印加することにより容易に実現することができる。
（第４の実施形態）
上述した第１ないし第３の実施形態における各光共振器は、リング型光共振器を用いたものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すわなち、光共振器として直線光導波路の両端面に適当な反射率を有する導波路型光共振器を用いても同様の効果が得られる。
【００８２】
図９に、２つの直線導波路型の光共振器を縦列接続した本実施形態の光変調器の構成概略を示す模式図を示す。
【００８３】
本実施形態の光変調器は、直線導波路型光共振器３０１と、直線導波路型光共振器３０２とが縦列接続されている。直線導波路型光共振器３０１は、直線型の導波路の両端面に反射端面３０１ａ、３０１ｂがそれぞれ設けられていることで光共振器を構成している。同様に、直線導波路型光共振器３０２の両端面にも反射端面３０２ａ、３０２ｂがそれぞれ設けられていることで光共振器を構成している。
【００８４】
これら直線導波路型光共振器３０１と直線導波路型光共振器３０２とは光学的に連結されている。すわなち、直線導波路型光共振器３０１の反射端面３０１ａから入力された光波は反射端面３０１ｂから出射されて直線導波路型光共振器３０２の反射端面３０２ａから入射し、反射端面３０２ｂから出力される。
【００８５】
このように、反射端面３０１ｂと反射端面３０２ａが向かい合うようにして縦列に配置された直線導波路型光共振器３０１と直線導波路型光共振器３０２とは光学的に連結され共振部３２０を構成している。
【００８６】
光波は、反射端面３０１ａ側に配置された光アイソレータ３１０を通過してから反射端面３０１ａへと入力される。なお、本実施形態の光変調器における他の基本的は構成は、上述した各実施形態の光変調器と同様であるため詳細の説明は省略する。
【００８７】
光アイソレータ３１０を通過した光波は、直線導波路型光共振器３０１及び直線導波路型光共振器３０２を順次伝搬する。この過程において、直線導波路型光共振器３０１及び直線導波路型光共振器３０２の屈折率または損失が同期されて互いに逆向きに変調されることにより、これら光共振器３０１、３０２を通過した光波は、第１ないし第３の実施形態と同様の効果・作用を伴って変調されることになる。
【００８８】
なお、図９の構成では、直線導波路型光共振器３０１は共振器を構成するとともに入力光導波路としても機能し、直線導波路型光共振器３０２は共振器を構成するとともに出力光導波路としても機能している。もっとも、本実施形態の光変調器は、直線導波路型光共振器３０１の前方に、光波が入力される入力光導波路を設け、直線導波路型光共振器３０２の後方に光波信号が出力される出力光導波路を設けた構成としてもよい。
【００８９】
以上、本実施形態の場合、強度変調に導波路内部の損失を利用していないので、リング導波路の損失調整は不要である。また、本実施形態の場合、光ＯＮ状態の光学損失も導波路の伝播損失を下げることにより、低減することが可能である。
【００９０】
以下に本発明の光変調器により得られる効果をまとめる。
【００９１】
本発明の光変調器における第１の効果は、消光特性に対する入力波長トレランスの拡大にある。すわなち、２つの光共振器の共振ピーク波長を同期させて互いに逆向きにシフトさせるべく変調を行うために、ある特定の波長範囲において、一様な（波長依存度の小さい）強度変調を実現することが可能であり、入力波長のトレランスを増大させることができる。
【００９２】
本発明の光変調器における第２の効果は、消光特性に対する度のトレランスを拡大させることにある。すわなち、２つの光共振器の共振ピーク波長を互いに逆向きにシフトさせるべく変調を行うために、ある特定の波長範囲において、一様な（波長依存度の小さい）強度変調を実現することが可能であり、環境温度の変化による共振ピーク波長の変動に対して一定の許容範囲を確保することができる。
【００９３】
本発明の光変調器の第３の効果は、駆動電圧の低減にある。すわなち、本発明の構成では、光共振器の共振ピークのシフトにより強度変調を行う。このため、従来のマッハツェンダー光変調器のように、光波位相をπラジアンもシフトさせる必要がなく、変調駆動電圧の低減が可能である。
【００９４】
本発明の光変調器の第４の効果は、波長多重（ＷＤＭ）伝送において、変調時における消光特性のチャンネル波長依存性を低減し、チャンネル間の特性差をなくすことにある。すわなち、本発明の構成では、光共振器の共振波長周期をＷＤＭの波長間隔に一致させることにより、ＷＤＭのどのチャンネルにおいても、均一な消光特性を実現することができる。
【００９５】
特に、第１ないし第３の実施形態においては、以下の効果をさらに有する。
【００９６】
本発明の光変調器における第５の効果は、その素子サイズの小型化にある。すわなち、素子サイズは主に光変調器を構成する光共振器の大きさで決定されるので、光共振器として半導体の微小リングを用いた場合には、その素子サイズとして数十ミクロン程度に小型化することができる。
【００９７】
本発明の光変調器の第６の効果は、変調速度の向上にある。すわなち、本発明の構成では、光共振器として半導体の微小リング型光導波路を用いることにより、変調部位の面積を小さくすることができ、変調部の電気容量を低減することが可能である。光変調器の変調速度は、電気容量に反比例するために、変調速度を向上させることができる。
【００９８】
本発明の光変調器の第７の効果は、素子コストの低減にある。すわなち、本発明の構成では、光共振器として安価なＳｉ半導体の微小リング型光導波路を用いることができるので、Ｓｉウェハ上に多数の光変調器を形成することが可能となり、１素子当りの製作コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の第１の実施形態の光変調器を含む光源装置の構成の概略を示す模式図である。
【図２】図１におけるＡ１−Ａ２線における模式的な断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の光変調器の作用の一例を示す模式的なグラフである。
【図４】電圧印加に伴う２つのリング型共振器のパワー透過スペクトルの変化を示したグラフである。
【図５】入力光波長が設定波長の中心に対して変動した場合の消光特性の違いを示したグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態のリッジ型光導波路近傍の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の光変調器において、導波路幅Ｗをパラメータとし、環境温度に対する導波路の実効屈折率の変化を計算した結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第３の実施形態の光変調器の構成概略を示す模式図である。
【図９】本発明の第４の実施形態の光変調器の構成概略を示す模式図である。
【図１０】従来の単一の光共振器を用いた光変調器の作用の一例を示す模式的なグラフである。
【図１１】従来の単一リング共振器の一例による変調器を用いた場合の具体的動作を説明するグラフである。
【図１２】従来の単一リング共振器において、導波路幅Ｗをパラメータとし、環境温度に対する導波路の実効屈折率の変化を計算した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１００】
２、６    シリコン酸化膜
３、５    Ｐ型シリコン層
４    Ｎ型シリコン層
８、１０２、１０３    ヒータ
９、１１、１１０    陰極電極
１５、１１５    変調装置
２０、１０４、１０９    陽極パッド電極
２２、１０７、１０８、１１２    直線光導波路
２６、１１４    第１のリング型光導波路
２８、１１３    第２のリング型光導波路
３０、１１１    入力端
３１、１０６    出力端
３５、１５０    第１の光共振器
３６、１５１    第２の光共振器
３７、１５２、３２０    共振部
１００、３００    光源
１０１    ＳＯＩ基板
【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】
2008268276.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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