(57)【要約】【課題】  非常に小さな変調電圧によって光搬送波をフルに変調することができる光変調器を実現する。  【解決手段】  ビーム・スプリッタ、第１および第２平行光ブランチ、およびビーム・コンバイナを有する干渉計と、各々が対面にそれぞれｐ型およびｎ型平面半導体層を有し、前記各々の光ブランチ内の前記レーザ・ビームの伝搬方向と平行な面に配置される真性半導体結晶平面層、前記真性半導体層に配置される複数の量子ドット平面アレー層、前記ｐ型およびｎ型層の両端に接続される直流逆バイアス電圧源、および前記直流逆バイアス電圧源の両端に接続され、前記ｐ型およびｎ型層両端の逆バイアス電圧を変調信号で変調するための１対の変調源ターミナルを備え、前記第１および第２平行光ブランチ内にそれぞれ配置される第１および第２光移相器とを備える光変調器。【選択図】          図１
2004151729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ・ビームを変調信号で変調するための光変調器であって、
ビーム・スプリッタ、該スプリッタからレーザ・ビームの供給を受ける第１および第２平行光ブランチ、および該ブランチからレーザ・ビームの供給を受けるビーム・コンバイナを有する干渉計と、
各々が
（ａ）対面にそれぞれｐ型およびｎ型平面半導体層を有し、前記各々の光ブランチ内の前記レーザ・ビームの伝搬方向と平行な面に配置される真性半導体結晶平面層、
（ｂ）前記真性半導体層に配置される複数の量子ドット平面アレー層、
（ｃ）前記ｐ型およびｎ型層の両端に接続される直流逆バイアス電圧源、および
（ｄ）前記直流逆バイアス電圧源の両端に接続され、前記ｐ型およびｎ型層両端の逆バイアス電圧を変調信号で変調するための１対の変調源ターミナル
を有し、前記第１および第２平行光ブランチ内にそれぞれ配置される第１および第２光移相器と
を備えることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記第１および第２光移相器の前記変調源ターミナルが、共通の変調源にそれぞれ逆極性に接続されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記真性層が、該真性層の１／４波長偏位電圧まで変調信号が増加するのに応じて、１／４波長位相をシフトするのに充分な屈折率の変化を遂げることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記真性層の量子ドットが、前記逆バイアス電圧の増加に伴いエネルギー準位の低下が起きる、励起子光吸収線スペクトルを規定する量子閉じ込め励起子状態を促進することを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記変調信号がゼロから１／４波長偏位電圧まで変化するのに応じ、前記第１および第２移相器間の位相差によって、前記レーザの波長がゼロから半波長変化することを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記第１および第２光移相器が、該各々の光移相器が１／４波長シフトすることにより、前記第１および第２光移相器間に半波長の位相シフトが生じるプッシュプル・モードで動作し、前記逆バイアス電圧が１／４波長偏位電圧まで増加する度に、前記各々の光移相器が１／４波長位相をシフトすることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記ｐ型およびｎ型層によって、前記レーザ・ビームの大部分が前記真性層に閉じ込められることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記ｐ型および真性層が前記レーザ・ビームの光子エネルギーより大きいバンドギャップを有する半導体材料から成り、前記量子ドットが該ドット近傍に生成される励起子を強力に閉じ込めることができる規模を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記量子ドットが、対象とする光搬送周波数に見合うエネルギーにおいて、光学的遷移エネルギー・スペクトルを形成するのに充分なエネルギーによって、励起電子・ホール対を捕縛することができる電位井戸を形成するのに充分な直径、高さ、および層間間隔を有することを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項１０】
前記遷移エネルギー・スペクトルが、前記逆バイアス電圧の増加に応じて、前記真性層に対応する屈折率の変化が伴う、シュタルク効果による下方シフトを遂げ、前記逆バイアス電圧が前記真性層の１／４波長偏位電圧に達する度に、前記真性層の前記レーザ波長の位相を１／４波長シフトするのに充分な屈折率の変化を遂げることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
通過する特定の波長を有する光ビームと相互作用することができる光移相器であって、
対面にそれぞれｐ型およびｎ型平面半導体層を有し、各々の光ブランチ内の前記光ビームの伝搬方向と平行な面に配置される真性半導体結晶平面層、
前記真性半導体層に配置される複数の量子ドット平面アレー層、
前記ｐ型およびｎ型層の両端に接続される直流逆バイアス電圧源、および
前記直流逆バイアス電圧源の両端に接続され、前記ｐ型およびｎ型層両端の逆バイアス電圧を変調信号で変調するための１対の変調源ターミナル
を有することを特徴とする光移相器。
【請求項１２】
前記真性層が、該真性層の１／４波長偏位電圧まで変調信号が増加するのに応じて、１／４波長位相をシフトするのに充分な屈折率の変化を遂げることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記真性層の量子ドットが、前記逆バイアス電圧が増加するとエネルギー準位が低下する、励起子光吸収線スペクトルを規定する量子閉じ込め励起子状態を支え、該励起子状態の１つの励起子吸収スペクトルが、前記光ビームの波長から離間していることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記逆バイアス電圧が、前記真性層の１／４波長偏位電圧まで増加する度に、１／４波長位相をシフトすることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記ｐ型およびｎ型層によって、前記光ビームの大部分が前記真性層に閉じ込められることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
前記ｐ型層、ｎ型層、および真性層が、少なくとも前記光ビームの波長と略等しいバンドギャップを有する半導体材料から成ることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１７】
前記量子ドットが、光学的遷移エネルギー・スペクトルを形成するのに充分なエネルギーによって、励起電子・ホール対を捕縛することができる電位井戸を形成するのに充分な直径、高さ、および層間間隔を有することを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
レーザ・ビームを変調信号で変調するための光変調器であって、
ビーム・スプリッタ、該スプリッタからレーザ・ビームの供給を受ける第１および第２平行光ブランチ、および該ブランチからレーザ・ビームの供給を受けるビーム・コンバイナを有する干渉計と、
各々が
（ａ）対面にそれぞれｐ型およびｎ型平面半導体層を有し、前記各々の光ブランチ内の前記レーザ・ビームの伝搬方向と平行な面に配置される真性半導体結晶平面層、
（ｂ）光学的遷移エネルギー・スペクトルを形成するのに充分な捕縛エネルギーによって、励起電子・ホール対を捕縛することができる電位井戸を形成するのに充分な直径、高さ、および層間間隔を有し、前記真性半導体層に配置される複数の量子ドット平面アレー層、
（ｃ）前記ｐ型およびｎ型層の両端に接続される直流逆バイアス電圧源、および
（ｄ）前記直流逆バイアス電圧源の両端に接続され、前記ｐ型およびｎ型層両端の逆バイアス電圧を変調信号で変調するための１対の変調源ターミナル
を有し、前記第１および第２平行光ブランチ内にそれぞれ配置される第１および第２光移相器と
を備え、
前記遷移エネルギー・スペクトルが、前記逆バイアス電圧の増加に応じて、前記真性層に対応する屈折率の変化が伴う、シュタルク効果による長波長側へのシフトを遂げ、前記逆バイアス電圧が前記真性層の１／４波長偏位電圧に達する度に、前記真性層の前記レーザ・ビームの位相を１／４波長シフトするのに充分な屈折率の変化を遂げることを特徴とする光変調器。
【請求項１９】
前記第１および第２光移相器の前記変調源ターミナルが、共通の変調源にそれぞれ逆極性（１８０°の位相差）に接続されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２０】
前記真性層が、該真性層の１／４波長偏位電圧まで変調信号が増加するのに応じて、１／４波長位相をシフトするのに充分な屈折率の変化を遂げることを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記真性層の量子ドットが、前記逆バイアス電圧の増加に伴いエネルギー準位の低下が起きる、励起子光吸収線スペクトルを規定する量子閉じ込め励起子状態を促進することを特徴とする請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
前記変調信号がゼロから１／４波長偏位電圧まで変化するのに応じ、前記第１および第２移相器間の位相差によって、前記レーザがゼロから半波長変化することを特徴とする請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
前記第１および第２光移相器が、該各々の光移相器が１／４波長シフトすることにより、前記第１および第２光移相器間に半波長の位相シフトが生じるプッシュプル・モードで動作し、前記逆バイアス電圧が１／４波長偏位電圧まで増加する度に、前記各々の光移相器が１／４波長位相をシフトすることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２４】
前記ｐ型およびｎ型層によって、前記レーザ・ビームの大部分が前記真性層に閉じ込められることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２５】
前記ｐ型層、ｎ型層、および真性層が、前記レーザ・ビームの光子エネルギーから離間した位置に、該ビームの光子エネルギーに相当するバンドギャップを有する半導体材料から成ることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２６】
半導体基板上に半導体集積結晶構造体として、前記干渉計および光移相器と一体的に形成され、前記ビーム・スプリッタにレーザ・ビームを供給するためのレーザを更に備えることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器に関するものであり、具体的には量子閉じ込めシュタルク効果量子ドット光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在最もスピードの速い、あるいは最も帯域幅の広いデジタル通信においては、一般に非常に広い変調帯域幅を可能にするテラヘルツ帯の光搬送波としてレーザ・ビームが用いられている。前記光搬送波信号は、ＲＦ情報信号（例えば、コンピュータのデータ・ストリームやビデオ信号等）、あるはそれぞれの副搬送波によって変調された多くの情報信号によって変調される。一般的な変調方式では、マッハ・ツェンダー干渉計のような干渉計の２つのブランチに相補型電気応答式光移相器を備える光変調器が使用される。前記光変調器（相補型光移相器を備える干渉計）は光搬送波源（レーザ）と通信チャンネル（例えば、光ファイバー・ケーブル）との間に挿入される。
【０００３】
電気応答式光移相器は、一般に、印加電圧に比例して光搬送波信号の位相をシフトする電気光学素子から成る。前記印加電圧は情報信号（あるいは情報信号から得られる信号）である。光搬送波をフルに変調するためには、前記印加電圧の振幅範囲（振幅偏位）が充分大きく、干渉計の２つのブランチの電気応答式光移相器が、それぞれ反対方向に１／４波長、位相をシフトする必要がある（２つのブランチ間の正味最大位相シフトが半波長となる必要がある）。本明細書において、前記最大位相シフトを実現するために必要な電圧偏位を１／４波長偏位電圧と呼ぶ。増幅器を用いて、ピーク変調電圧を必要な振幅にすることができる。一般に、１／４波長偏位電圧（即ち、各々の移相器が、１／４波長の位相シフトをするために必要な印加電圧の最大偏位）は約１Ｖ以上である。
【非特許文献１】Sheng et al., “Enhanced intraband transitions with strong electric-field asymmetry in stacked InAs/GaAs self-assembled quantum dots”, Physical Review B, Volume 64, 153302-4 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
情報信号に要求される帯域幅要件は増大の一途をたどっており、かかる要求を満足するためには変調周波数を高くする必要がある。残念ながら、非常に高い変調周波数（例えば、４０ＧＨｚ以上）において、変調電圧を必要なレベルにまで増幅することは困難である。従って、情報信号帯域幅は、各々の光移相器が望ましい１／４波長の位相シフトをするのに必要な変調電圧偏位によって制限される。前記問題を回避する１つの方法は、何等かの方法で、光移相器が１／４波長の位相シフトをするのに必要な電圧偏位を小さくすることである。例えば、一部の電気応答式移相器では、移相器の長さを長くすれば、光搬送波を１／４波長位相シフトするのに必要な電圧偏位が小さくなる。残念ながら、前記のように移相器のサイズを大きくすると、半導体光移相器の実効静電容量が大きくなり、望ましい高変調周波数で駆動することが困難になる。従って、これまで、標準的な光変調器が比較的大きな電圧偏位を必要とすることによって、情報信号帯域幅が制限されると考えられてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、非常に小さな変調電圧によって光搬送波をフルに変調することができる光変調器として具体化することができる。１つの実施の形態において、前記光変調器は、１対のブランチおよび相補型電気応答式光移相器を有する半導体光導波路として基板上に形成され、ＲＦ変調源によってプッシュプル式に駆動される干渉計を備えている。前記光移相器は、前記基板上に形成される導波路内に集積される半導体である。各々の光移相器は量子閉じ込めシュタルク効果を用いて、非常に低い（即ち、従来のデバイスと比較して、１桁、あるいは２桁低い）変調電圧で、１／４波長光位相シフトを実現している。各々の移相器は、逆バイアスを掛けた電気光学結晶構造体材料から成るＰ-Ｉ-Ｎ積層構造体であり、ＰＩＮ構造体の真性層が、光誘起励起子の形成を促進する量子ドット・アレーを有している。各々のブランチの相補型光移相器の直流バイアス電圧に情報信号電圧をプッシュプル式に重畳すると、励起子エネルギー準位に開きが生じ、それに応じて（前記２つの移相器において、それぞれ反対方向に）シフトし、情報信号の振幅に応じて、互いに反対方向に屈折率（従って、位相シフト）が変化する。各々の光移相器において、１／４波長位相シフトを実現するために必要なバイアス電圧偏位は、従来の光変調器と比べて１桁小さいので、現在の技術水準より１桁大きい情報信号帯域幅を得ることができ、これは本技術分野における革命的な進歩である。
【０００６】
屈折率が最も大きく変化する領域の値を用いて、バイアス電圧の直流補正が行われる。前記により、各々の光移相器が１／４波長の位相シフトを実現するのに必要なバイアス電圧偏位が最も小さくなる（例えば、４５ｍＶ）。大きな電気−屈折効果の別の利点は、特定の変調電圧に対し、１／４波長の位相シフトを実現するのに必要な電気光学結晶体の長さを短くできることである。電気光学結晶体の長さが短いと挿入損失が小さくなる。変調信号のＲＦ周波数は、幾つかのパラメータによって制限を受けるが、最終的には変調器の長さに比例する変調器の容量性リアクタンスによって制限される。変調周波数が高くなるにつれ、変調器の容量性リアクタンスが低下する。変調器の容量性リアクタンスが負荷抵抗と等しくなると、変調器の能率が５０％に低下する。従って、カットオフ周波数は、変調器の容量性リアクタンスが負荷抵抗（５０Ω）と同じ値になる周波数と定義される。各々の光移相器の静電容量は、例えば、電気光学ＰＩＮ構造体の真性層の厚さなど、各種のパラメータを変更することによって、調整することができる。１つの実施の形態において、量子閉じ込めシュタルク効果光変調器は、ビーム・スプリッタ、前記ビーム・スプリッタからレーザ・ビームの供給を受ける第１および第２平行光ブランチ、前記第１および第２平行光ブランチからレーザ・ビームの供給を受けるビーム・コンバイナ、および前記ビーム・スプリッタにレーザ・ビームを供給するレーザを備える。前記第１および第２平行光ブランチに、それぞれ第１および第２光移相器が備えられる。各々の光移相器は、それぞれの光ブランチにおける、レーザ・ビームの伝搬方向と平行な平面に配置される真性半導体結晶平面層、および真性半導体結晶平面層の対面に、それぞれｐ型およびｎ型平面半導体層を備える。前記真性層は、複数の量子ドット平面アレー層を有している。逆バイアス用の直流電圧源が、前記ｐ型およびｎ型層の両端に接続される。変調源ターミナルが前記逆バイアス用直流電圧源の両端に接続され、前記ｐ型およびｎ型層両端の逆バイアス電圧が変調信号によって変調される。
【０００７】
第１および第２光移相器の変調源ターミナルは、それぞれデュアル出力変調源に逆極性（即ち、プシュプル式）に接続される。ＲＦ変調信号に応じて、真性層が屈折率を充分大きく変化させ、光信号を１／４波長位相シフトする。
【０００８】
真性層の量子ドットが、励起子（電子・ホール対）光吸収線スペクトルを規定する量子閉じ込め励起子状態を支える。量子閉じ込め状態において、逆バイアス電圧が増加すると、エネルギー準位が低下する。
【０００９】
各々の光移相器は、１／４波長偏位電圧によって、逆バイアス電圧がプシュプル式にシフトする度に、１／４波長位相をシフトする。第１および第２光移相器がプシュプル・モードで動作し、各々の光移相器において１／４波長位相がシフトすることにより、第１および第２光移相器間に正味半波長の位相シフトが実現する。
【００１０】
ｐ型およびｎ型層が、レーザ・ビームの大半を真性層に閉じ込める。前記ｐ型層、ｎ型層、および真性層は、レーザ・ビームの波長において、公称伝導性（低損失）を呈するバンドギャップを有する半導体材料で形成される。量子ドットは、原子的遷移エネルギー・スペクトルを形成するのに充分なエネルギーによって、励起電子・ホール対を捕縛することができる電位井戸を形成するのに充分な直径、高さ、および層間間隔を有している。前記遷移エネルギー・スペクトルは、逆バイアス電圧の増加に伴い、シュタルク効果によって下方にシフトし、それに応じて真性層の屈折率が変化する。前記屈折率は、逆バイアス電圧が増加して真性層の１／４波長偏位電圧に達する度に、真性層のレーザ・ビームの位相を１／４波長シフトするのに充分な変化を遂げる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１の簡略ブロック図、および対応する図２の斜視図において、光通信システムの一部に、レーザ１１０、光変調器１１５、光ファイバー１２０（光ファイバー・ネットワークの一部）、および情報信号源１２５が含まれている。光変調器１１５は、レーザ１１０と光ファイバー１２０との間に接続され、情報信号源１２５からの情報信号によってコントロールされる。光変調器１１５は、レーザ１１０からのレーザ・ビームを２つのビームに分割するビーム・スプリッタ１３５を有するマッハ・ツェンダー干渉計のような干渉計１３０、前記各々のビームが伝搬する１対のブランチ１４０ａ、１４０ｂ、および前記２つのビームを１つのビームに再結合して光ファイバー１２０に供給するビーム・コンバイナ１４５を備えている。各々のブランチ１４０ａ、１４０ｂに、情報信号源１２５からの情報信号によってコントロールされる電気応答式光移相器１５０ａ、１５０ｂがそれぞれ備えられている。所定の情報信号電圧偏位に対し、光移相器１５０ａ、１５０ｂは、それぞれの干渉計ブランチ１４０ａ、１４０ｂを伝搬する分割されたレーザ・ビームに対し、等量かつ反対方向に位相をシフトする。情報信号電圧偏位が大きいほど、対向する位相シフトが大きくなる。情報信号電圧の予め定められた最大偏位に対し、光移相器１５０ａ、１５０ｂは、それぞれ反対方向に１／４波長位相をシフトする。各々のブランチ１４０ａ、１４０ｂの位相シフトが互いに反対方向であるため、前記２つのブランチ間の位相シフトを合わせた最大位相シフトは半波長となる。位相が半波長シフトすると、ビーム・コンバイナ１４５の出力光強度が最小（またはゼロ）になり、位相シフトがゼロの場合には、前記出力光強度が最大になる。従来の光移相器と異なり、光移相器１５０ａ、１５０ｂは、量子閉じ込めシュタルク効果を利用しているので、２つのブランチ１４０ａ、１４０ｂ間の位相を半波長シフトするのに要する電圧偏位が、以下に説明するように、ミリボルト単位と非常に小さい。
【００１２】
各々の光移相器１５０ａ、１５０ｂは、図１、図２Ａ、および図２Ｂの分解図に詳細に示すように、積層半導体ＰＩＮ構造体として形成される。光移相器１５０ａ、１５０ｂのＰＩＮ構造は同じであり、ｐ型伝導性（即ち、アクセプタ添加不純物を含む）を有する上部半導体層２１０、ｎ型伝導性（即ち、ドナー添加不純物を含む）を有する下部半導体層２１５、および前記ｐ型とｎ型ドープ層２１０と２１５との間の非ドープ、即ち、真性半導体中間層２２０から成る。半導体材料は、価電子帯−伝導帯エネルギー・ギャップがレーザ・ビームの光子エネルギーより大きい材料から選択される。波長約１．３μｍのレーザ・ビームに対し、Ａｌ(0.3)Ｇａ(0.7)Ａｓが、前記３つの層２１０、２１５、２２０の半導体材料として使用でき、ＡｌＧａＡｓ結晶体にｐ型不純物を添加したものが上部層２１０、不純物を添加しないものが中間層２２０、そしてｎ型不純物を添加したものが下部層２１５である。図２Ｃにおいて、中間層、即ち真性層２２０は、量子ドット２３０のアレーである平行平面層２２５を有している。かかる量子ドットは、例えば、非特許文献１のような多くの出版物に記載されている。層２１０、２１５、２２０の厚みは、レーザ・ビームが真性層２２０を中心として、かつ主として真性層２２０内に閉じ込められるようにして、ＰＩＮ構造体が、レーザ・ビームの光導波路として機能するような値が選択される。波長１．３μｍのレーザ・ビームに対し、ｐ型層２１０およびｎ型層２１５の厚みは約１μｍ、真性層２２０の厚みは約０．５μｍであり、導波路全体の断面積は約３ｘ３μｍ２である。量子ドット２３０は、量子ドット内において、エネルギー的にレーザ・ビーム波長に近い、密結合した励起子（電子とホール）の基底状態が得られるような構造が選択される。  例えば、量子ドットの半径１０ｎｍ（ナノメータ）、高さ４ｎｍ、真性層の量子ドット層の数１０、隣接量子ドット層間のセパレーション４０ｎｍ、量子ドットの平面密度５ｘ１０１１/ｃｍ２の量子ドット構造、および材料を選択することにより、１．２４μｍの量子ドット内に、１．３μｍのレーザ・ビームのエネルギーより僅かに高い励起子基底状態が得られる。
【００１３】
前記ＰＩＮ構造体は直流バイアス電圧によって逆バイアスされている。そのため、図２Ｂに示すように、ｐ型オーミック金属接点層２５０が、従来の方法でｐ型層２１０の上面に形成される。前記に加え、かなりの量の不純物を添加したｎ型ＧａＡｓ接点層２５５がｎ型層２１５の底面に形成される。前記直流逆バイアス電圧は、前記２つの接点層２５０と２５５との間に印加される。
【００１４】
図２Ａに示すように、光変調器全体が結晶半導体基板３１０の上に形成される。ビーム・スプリッタ、２つのブランチ１４０ａ、１４０ｂ、およびビーム・コンバイナ１４５は基板３１０の上に形成される結晶構造体である。各々のブランチ１４０ａ、１４０ｂは、約３μｍｘ３μｍの導波領域を有する光導波路である。波長約１．３μｍのレーザ・ビームに対し、各々の光移相器１５０ａ、１５０ｂの長さは約５０μｍであり、干渉計全体の長さ（ビーム・スプリッタ１１０の入力端からビーム・コンバイナの出力端までの長さ）は約１００〜２００μｍである。レーザ１１０は半導体ダイオード・レーザであり、光変調器と一体化して基板３１０上に形成することができる。
【００１５】
ＰＩＮ構造体に逆バイアスが掛かるように、直流バイアス電圧源３２０、３２５が、光移相器１５０ａ、１５０ｂの接点２５０と２５５との間に接続される。光移相器１５０ａ、１５０ｂはプシュプル・モードで動作する。従って、情報信号によって２つの光移相器の負バイアス電圧が逆方向に変調されるように、図１および２Ａに示すように、情報信号源の両端に逆極性に接続される。このようにして、情報信号振幅に所定の変化が生じると、１つの光移相器において位相の遅延が小さくなり、別の光移相器において大きくなる。前記機能により、光移相器１５０ａと１５０ｂとの間（従って、２つの干渉計ブランチ１４０ａと１４０ｂとの間）に半波長の位相差が生じるのに必要な情報信号電圧偏位（ＲＦ変調）が半分に減る。２つのブランチ１４０ａと１４０ｂとの間に半波長の位相シフトが生じると、２つのブランチのレーザ・ビームに相殺的干渉が生じ、コンバイナ１４５の光出力強度が最小（例えばゼロ）になり、前記位相シフトがゼロの場合には、建設的干渉が生じ、前記光出力強度が最大になる。情報信号の偏位幅は、幅の上端および下端が（２つのブランチ１４０ａ、１４０ｂ間において）ゼロから半波長の位相シフト域に対応するよう調整される。移相器１５０ａ、１５０ｂにおいて、互いに反対方向に１／４波長位相をシフトするのに要する情報信号電圧の変化を、本明細書において、１／４波長偏位電圧と呼ぶ。各々の移相器１５０ａ、１５０ｂの１／４波長偏位電圧は非常に小さい（１例では約４５ｍＶ）。
【００１６】
図３Ａ〜３Ｈは前記プシュプル動作を詳細に説明する図である。ＲＦ変調と呼ぶことができる、正弦波情報信号が図３Ａに示してある。第１光移相器１５０ａにおける逆バイアス電圧の変調結果が図３Ｂに示してある。図３Ｂにおいて、例えば、逆バイアス電圧は約−０．１Ｖの直流補正が施されている。変調信号の最大偏位は、光移相器の１／４波長偏位電圧に略等しく、本例では約４５ｍＶである。光移相器１５０ａによる位相シフト結果が図３Ｃに示してあり、ゼロから１／４波長の範囲に及んでいる。図３Ｄは第２光移相器１５０ｂに印加されるＲＦ変調を示す図であり、図３ＡのＲＦ変調と逆である。第２光移相器１５０ｂにおける逆バイアス電圧の変調結果が図３Ｅに示してある。第１光移相器同様、第２移相器の１／４波長偏位電圧は約４５ｍＶである。光移相器１５０ｂによる位相シフト結果が図３Ｆに示してある。図３Ｃと３Ｆとを比較すると、印加されるＲＦ変調信号が互いに逆であるため（図３Ａおよび３Ｄ）、２つの移相器１５０ａ、１５０ｂにおける位相は（ゼロ位相に対し）互いに反対方向に移動することが分かる。２つの移相器１５０ａ、１５０ｂ間の位相差は、図３Ｃおよび３Ｆの曲線を加算することによって得られ、加算結果が図３Ｇに、対応するビーム・コンバイナの光出力強度が図３Ｈにそれぞれ示してある。
【００１７】
逆バイアス電圧の変化に応じて、光移相器の結晶真性層２２０の屈折率が量子閉じ込めシュタルク効果によって変化するので、各々の移相器１５０ａ、１５０ｂによる位相シフトは、逆バイアス電圧の変化に応じて変化する。図４Ａは、量子ドットを有する真性層２２０領域の両端にバイアス電圧が掛かっていないときの、伝導帯および価電子帯のエネルギーを示す図である。前記量子ドットは、励起子のホール状態を捕縛する井戸４１５を価電子帯に形成し、励起子の電子状態を捕縛する井戸４１０を伝導帯に形成する。励起子状態のエネルギー準位は非常はっきりしており、原子構造の光学的遷移特性を有する。真性層２２０で形成された励起電子−ホール対は、量子ドットによって形成された電位井戸４１０、４１５によって捕縛される。励起子エネルギー準位が明確であるのは、量子ドット２３０によって形成される電位井戸の深さによるものである。量子力学によれば、励起子状態を閉じ込めている電位井戸が深いほど、自然崩壊する確率が低くなり、その分寿命が長くなるのでエネルギーがより明確になる。例えば、前記のような励起エネルギー状態の１つの例が、図５Ａのグラフに示す鋭い吸収線である。図５Ａの曲線は、移相器１５０ａの吸収線である。移相器１５０ａの真性層２２０、および量子ドット２３０は、バイアス電圧がゼロのとき、前記吸収線波長（図５Ａ）がレーザ・ビーム波長に近く、青色方向にシフトした波長となるような構造が選択される。かかる量子閉じ込め励起子状態におけるシュタルク効果は以下のようにして生じる。逆バイアス電圧がゼロから有限の値に増加されるに従い、前記バンド構造が（図４Ａから４Ｂに）シフトする。また、逆バイアス電圧の増加により、励起子エネルギー状態が、低エネルギーにシフトするので、励起子のホール状態および電子状態のエネルギー準位の間隔が小さくなる。前記により、基底状態吸収線が低エネルギー（長波長側に）、即ちレーザ・ビームの波長に向かってシフトする（図５Ｂの曲線）。逆バイアス電圧が更に増加すると、前記バンド構造が更に大きく変化し（図４Ｃ）、励起子エネルギー準位間隔が更に圧縮されるので、基底状態吸収線が更にレーザ・ビームの波長に近づく（図５Ｃの曲線）。前記の明らかな励起子エネルギーの損失が、結晶性真性層２２０の屈折率を変化させる実質的なエネルギーとなる。レーザ・ビームは主に真性層２２０に閉じ込められているので、前記屈折率の変化により、レーザ・ビームの位相が変化する。
【００１８】
波長を関数とする屈折率は、吸収スペクトルのヒルベルト変換であり、図５Ａ〜５Ｃの曲線で示す吸収スペクトルの変化により、それぞれ図６Ａ〜６Ｃに示す屈折率の変化が生じる。本実施の形態の例では、レーザ・ビームの１．３μｍの波長線が、図６Ａ〜６Ｃの屈折率曲線の急峻、あるいは明確に規定される領域上にあるので、図６Ａ〜６Ｃに示す瞬時電界の小さな変化によって、吸収線から充分離間している前記レーザ・ビーム波長において、屈折率が大きく変化する。図７は２つの屈折率曲線を示す図であり、１つの曲線は図５Ａの変調器にバイアスを掛けた状態に相当し、別の曲線（破線）は瞬時電圧（図５Ｂまたは５Ｃ）を印加したときの曲線である。図８は、本実施の形態の例において、逆バイアス電圧を変化させたときの、屈折率（電子的屈折）の変化を示す図である。特定のバイアス電圧において屈折率が最も大きく変化する。本例において、具体的には、−０．１Ｖ、−０．４Ｖ、および−０．７Ｖである。前記最適動作点の１つに直流逆バイアス電圧を設定すれば、１／４波長偏位電圧が大幅に小さくなる。
【００１９】
前記のように、２つの移相器１５０ａ、１５０ｂはプシュプル・モードで動作するので、各々のバイアス電圧は、それぞれ情報信号および逆情報信号によって変調される。
【００２０】
（前記のように）逆バイアス電圧を最適動作点に設定することにより、また光移相器１５０をレーザ・ビームの伝搬方向に沿って長くすることにより、１／４波長偏位電圧（１／４波長位相シフトを実現するのに必要なバイアス電圧の振動幅）を小さくすることができる。しかし、前記のようにして光移相器を長くすれば、挿入損失が増大する。図９は本実施の形態の例において、種々の逆バイアス電圧における、波長１．３μｍのレーザ・ビームに対し１／４波長位相シフトを実現するのに必要な移相器の長さを示す図である。図９は移相器の長さが最も短くなる直流バイアス電圧が、屈折率が最も大きく変化する図８の最適バイアス電圧と一致していることを示している。図９から、移相器の長さは、理想的な動作点（−０．１、−０．４、および−０．７Ｖのバイアス電圧）において、８０〜１００μｍまで短縮することが可能であり、これにより挿入損失を最小限に抑えることができる。
【００２１】
前に説明したように、光移相器１５０ａ、１５０ｂは、僅かな電圧（僅かな１／４波長偏位電圧）により、互いに反対方向に１／４波長位相をシフトする。前記により、ＲＦ変調の振幅を小さくすることができるので、情報信号（ＲＦ変調）の帯域幅を広くすることができる。例えば、１／４波長偏位電圧を４５ｍＶまで小さくすることができる。図１０は光移相器の長さが１／４波長偏位電圧に与える影響を示す図である。光移相器の長さを１００μｍを超える値にすれば、ＲＦ変調（即ち、１／４波長偏位電圧）が約０．０９Ｖ、即ち、２つの相補型光移相器１５０ａ、１５０ｂ各々の１／４波長偏位電圧が４５ｍＶまで小さくなる。その反面、図１１に示すように、光変調器の長さをそれ以上長くすると、挿入損失が著しく増加する。図１１は半波長偏位電圧を小さくしたとき、従って、光移相器の長さを長くしたときの挿入損失の増加を示す図である。０．０９Ｖの半波長偏位電圧（即ち、相補型光移相器１５０ａ、１５０ｂペアの各々に対し４５ｍＶ）において、挿入損失は容認可能な３ｄＢである。図１２は、１／４波長偏位電圧の増加に伴う、５０Ω負荷インピーダンス時のＲＦ変調周波数の増大を示す図である。図１２から、５０Ω負荷インピーダンスにおいて、最大変調周波数３０ＧＨｚの半波長偏位電圧を０．０９Ｖまで（即ち、相補型光移相器１５０ａ、１５０ｂの各々に対し４５ｍＶまで）小さくできることが分かる。従って、量子閉じ込めシュタルク効果光変調器１５０ａ、１５０ｂは、１／４波長偏位電圧が非常に小さいと共に、挿入損失が極僅かであり、５０Ω負荷インピーダンスにおいて、ＲＦ変調周波数を高くすることができる。
【００２２】
図１の光変調器は１対の相補型光移相器１５０ａ、１５０ｂをそれぞれの干渉計ブランチ１４０ａ、１４０ｂに備えているが、そのうちの１つを除去し、１つのブランチのみに光変調器を備えることができる。しかし、前記のような構成にすれば、干渉計の光出力をフルに変調するためには、２倍のＲＦ変調偏位電圧が必要になる。従って、前記の例において、１つの光移相器を用いた場合、１／４波長偏位電圧は４５ｍＶではなく９０ｍＶになる。
【００２３】
要約すれば、本発明の光変調器は、光導波路がＰＩＮ構造体である光移相器を用いており、ＰＩＮ構造体は、真性層が大部分の励起子状態を閉じ込めるのに充分な量子ドットを有している。ｐ-ｉ-ｎ構造体の逆バイアス電圧が変化すると位相がシフトする。屈折率が逆バイアス電圧の変化に対して極めて敏感であるため、１／４波長位相シフトを実現するためのバイアス偏位電圧が極めて小さい。
【００２４】
好ましい実施の形態を通して、本発明を詳細に説明してきたが、本発明の真の意図および範囲を逸脱することなく、本発明に各種変更および改良を加えることができることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を具体化した光変調器のブロック図。
【図２Ａ】図１の光変調器の斜視図。
【図２Ｂ】図１の光変調器の光移相器の断面図。
【図２Ｃ】図２Ｂの光移相器の量子ドットを充満した真性層の断面図。
【図３】図１の光変調器の相補型光移相器のプシュプル動作を示すタイミング図。
【図４】０ボルトから始まる３つの逆バイアス電圧レベルにおける、真性層の価電子−伝導エネルギー帯構造を示す図。
【図５】図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃにそれぞれ対応する、励起子状態光吸収線スペクトルを示す図。
【図６】図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃにそれぞれ対応する波長を関数とする屈折率を示す図。
【図７】図６Ｂおよび６Ｃに対応する２つの屈折率を重ね合わせた図。
【図８】逆バイアス電圧を関数とする屈折率の変化を示す図。
【図９】逆バイアス電圧を関数とする、１／４波長位相シフトを実現するために必要な移相器の長さを示す図。
【図１０】電圧を関数とする、１／４波長位相シフトを実現するために必要な移相器の長さを示す図。
【図１１】１／４波長偏位電圧を関数とする挿入損失を示す図。
【図１２】１／４波長偏位電圧を関数とする、５０Ω負荷インピーダンス時のＲＦ変調周波数を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１１０                レーザ
１１５                光変調器
１２０                光ファイバー
１２５                情報信号源
１３０                干渉計
１３５                ビーム・スプリッタ
１４０ａ、１４０ｂ     １対のブランチ
１４５                ビーム・コンバイナ
１５０ａ、１５０ｂ     光移相器
２１０                ｐ型半導体層
２１５                ｎ型半導体層
２２０                真性半導体層
２２５                平行平面量子ドット・アレー層
２３０                量子ドット
２５０                ｐ型オーミック金属接点層
２５５                ｎ型ＧａＡｓ接点層
３１０                結晶半導体基板
３２０、３２５        直流バイアス電圧源
【図１】
2004151729.tif 000003
【図２Ａ】
2004151729.tif 000004
【図２Ｂ】
2004151729.tif 000005
【図２Ｃ】
2004151729.tif 000006
【図３−１】
2004151729.tif 000007
【図３−２】
2004151729.tif 000008
【図３−３】
2004151729.tif 000009
【図４】
2004151729.tif 000010
【図５】
2004151729.tif 000011
【図６】
2004151729.tif 000012
【図７】
2004151729.tif 000013
【図８】
2004151729.tif 000014
【図９】
2004151729.tif 000015
【図１０】
2004151729.tif 000016
【図１１】
2004151729.tif 000017
【図１２】
2004151729.tif 000018