(57)【要約】【課題】  プッシュプル構成を用いて変調電圧を低減する結合量子井戸マッハ・ツェンダー変調器を提供する。【解決手段】  マッハ・ツェンダー変調器は、第１のＰＩＮ半導体デバイスを有する第１のアームと、第２のＰＩＮ半導体デバイスを有する第２のアームとを含む。ＰＩＮデバイスの真性層は、異なるＤＣバイアス電圧に対して逆の屈折率変化を与えるための結合量子井戸構造を含む。光ビームを変調するために用いられるＲＦ信号が同相で２つのアームに加えられても、２つのＰＩＮデバイスの真性層の屈折率が逆方向に変化するので、１８０°位相が異なるＲＦ駆動信号を必要とすることなく、プッシュプルタイプの駆動を達成できるようになる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＦ信号で光信号を変調するための半導体ＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、Ｐ型層と、真性層と、Ｎ型層とを含む第１のＰＩＮデバイスであって、前記真性層は結合量子井戸構造を含む、第１のＰＩＮデバイスと、
前記基板上に形成され、Ｐ型層と、真性層と、Ｎ型層とを含む第２のＰＩＮデバイスであって、該第２のＰＩＮデバイスの前記真性層は結合量子井戸構造を含む、第２のＰＩＮデバイスと、
第１の光学経路と第２の光学経路とを含むマッハ・ツェンダー干渉計であって、前記第１のＰＩＮデバイスの前記真性層は前記第１の光学経路内に配置され、前記第２のＰＩＮデバイスの前記真性層は前記第２の光学経路内に配置される、マッハ・ツェンダー干渉計と、
前記第１のＰＩＮデバイスの前記真性層に第１のＤＣバイアス信号を印加する第１のＤＣバイアス源と、前記第２のＰＩＮデバイスの前記真性層に第２のＤＣバイアス信号を印加する第２のＤＣバイアス源と、前記第１および前記第２のＰＩＮデバイスの前記真性層に同相でＲＦ信号を供給するＲＦ信号源とを含むバイアスシステムとを備え、ある特定の時点において、前記第１のＤＣバイアス信号によって前記第１のＰＩＮデバイスは、前記ＲＦ信号により前記第１のＰＩＮデバイスの前記真性層の屈折率が１つの方向に変化される領域において動作し、前記第２のＤＣバイアス信号によって前記第２のＰＩＮデバイスは、前記ＲＦ信号により前記第２のＰＩＮデバイスの前記真性層の屈折率が逆の方向に変化される領域において動作し、それにより前記変調器はプッシュプル態様で動作する、半導体ＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の変調器において、前記第１および前記第２のＰＩＮデバイスの前記結合量子井戸構造はそれぞれ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓからなるグループから選択される井戸／障壁構造を有する、変調器。
【請求項３】
請求項１に記載の変調器において、前記変調器は、前記ＲＦ信号の振幅で前記光信号を強度変調するアナログ変調器である変調器。
【請求項４】
請求項１に記載の変調器において、前記第１および前記第２のＤＣバイアス信号は異なる変調器。
【請求項５】
ＲＦ信号で光信号を変調するための半導体ＰＩＮ変調器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、Ｐ型層と、真性層と、Ｎ型層とを含む第１のＰＩＮデバイスであって、前記真性層は結合量子井戸構造を含む第１のＰＩＮデバイスと、
を備えた半導体ＰＩＮ変調器。
【請求項６】
請求項５に記載の変調器において、前記基板上に形成され、Ｐ型層と、真性層と、Ｎ型層とを含む第２のＰＩＮデバイスをさらに含み、前記第２のＰＩＮデバイスの前記真性層は結合量子井戸構造を含み、前記第１のＰＩＮデバイスはマッハ・ツェンダー干渉計の第１のアーム内に配置され、前記第２のＰＩＮデバイスは前記マッハ・ツェンダー干渉計の第２のアーム内に配置される、変調器。
【請求項７】
請求項６に記載の変調器において、バイアスシステムをさらに含み、前記バイアスシステムは、前記第１のＰＩＮデバイスの前記真性層に第１のＤＣバイアス信号を印加する第１のＤＣバイアス源と、前記第２のＰＩＮデバイスの前記真性層に第２のＤＣバイアス信号を印加する第２のＤＣバイアス源と、前記第１および前記第２のＰＩＮデバイスの前記真性層に同相で前記ＲＦ信号を供給するＲＦ信号源とを含む、変調器。
【請求項８】
請求項７に記載の変調器において、前記第１および前記第２のＤＣバイアス信号は異なる変調器。
【請求項９】
請求項５に記載の変調器において、前記第１のＰＩＮデバイスの前記結合量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓからなるグループから選択される井戸／障壁構造を有する、変調器。
【請求項１０】
請求項５に記載の変調器において、前記変調器は、前記ＲＦ信号の振幅で前記光信号を強度変調するアナログ変調器である変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にはＲＦ信号で光ビームを変調するためのマッハ・ツェンダー変調器に関し、より詳細には、同相ＲＦ駆動式プッシュプル電極を用いて、光ビームをＲＦ信号で変調するための結合量子井戸（coupled quantum well）マッハ・ツェンダー変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光変調器は、光搬送波ビーム上に電気信号を重畳するために用いられることが多い。低変調電圧で動作するこのタイプの光変調器は、リンクの利得および雑音指数を改善するために、アナログ光リンクの応用形態において必要とされる。ディジタルの応用形態の場合、光ビームをオンおよびオフして、ビット０およびビット１を区別することにより変調される。アナログの応用形態の場合、光ビームは、その光ビームの強度がＲＦ信号の振幅に比例するように変調される。本発明はアナログ変調の応用形態を取り扱い、特に、ＲＦ信号を衛星に送信し、信号処理のための光学的相関を実現するために適用される。
【０００３】
低い変調電圧で動作する１つの種類の変調器は半導体変調器であり、それはＰＩＮ半導体デバイスを用いており、光波がそのデバイス内の真性層によって画定されるアクティブ（活性）領域に向かって伝搬する。そのデバイスのＰ層およびＮ層に接触している電極にＲＦ信号が加えられ、真性層に変調電圧が印加される。なお電極はＲＦ伝送線路を画定する。ＲＦ信号は真性層の屈折率を変更し、その作用によってその中を伝搬する光ビームの速度が変化し、ＲＦ信号の振幅に基づいて光ビームが変調されるようになる。
【０００４】
ＰＩＮ半導体デバイスを用いる１つのタイプの光変調器は、マッハ・ツェンダー変調器（ＭＺＭ）である。ＭＺＭはマッハ・ツェンダー干渉計を利用して、変調された光ビームを第１および第２の導波路アームに分割する。導波路アームの一方は第１のＰＩＮ半導体デバイスの真性層を通って延在し、他方の導波路は第２のＰＩＮ半導体デバイスの真性層を通って延在する。その後、２つのアームの中を伝搬する光ビームはリコンバイナ（再結合器）において再結合され、２つのビームはその相対的な位相によって、強め合うように干渉するか、あるいは弱め合うように干渉する。したがって、ＲＦ信号がＰＩＮデバイスの屈折率を変更する態様が、出力ビームの強度を決定する。
【０００５】
第１および第２のＰＩＮデバイスのＮ層およびＰ層には個別の電極が接続され、その中を伝搬する光ビームが変調される。従来の半導体ＰＩＮ  ＭＺＭは通常、単一電極駆動のみを用いており、干渉計の第２のアームはパッシブな（受動的）光導波路である。ニオブ酸リチウムあるいはポリマーＭＺＭのような、他のタイプのＭＺＭでは、当業者に知られているプッシュプル動作モードを用いる利点が実証されている。プッシュプル構成では、第１のアームに供給されるＲＦ電力は通常、第２のアームに供給されるＲＦ電力と１８０°だけ異なる位相で加えられる。言い換えると、２つのアーム内のＰＩＮデバイスに逆のＲＦ信号を加えることにより、ＲＦ信号はそのデバイスの真性層の屈折率に逆の影響を及ぼすので、実効的にＲＦ信号が倍増される。したがって、ある特定の屈折率の変化を得るために用いる必要があるＲＦ電力は少なくなる。この場合、２つのアーム内の位相の変化は等しく、かつ反対であり、それは光場（オプティカルフィールド：optical field）の振幅変調を大きくするとともに、チャープを除去する効果がある。
【０００６】
既知のプッシュプルＭＺＭは通常、１８０°ハイブリッドパワースプリッタ（電力分割器）を用いて入力ＲＦ電力を分割した後に、２つのＲＦ出力を変調器の２つのアームに加えることにより実施される。しかしながら、この技術は広帯域のパワースプリッタを必要とし、対象の周波数帯にわたって厳密な位相制御を保持しなければならないという欠点がある。これらの装置はパワー分割を用いるので、変調電圧の減少において実際に改善されるのは、単一アーム駆動変調器の√２倍にすぎない。
【０００７】
マッハ・ツェンダー変調器のＶπは、ＲＦ駆動電圧で変調器の両方のアームを駆動することにより、ＲＦパワー分割が必要とされるか否かによって、√２あるいはＸ２だけ減少させることができる。このＶπの改善は、変調器帯域幅を減少させる。これまで、ＰＩＮ半導体変調器上のプッシュプル電極は１８０°だけ異なる位相で駆動され、光学位相フロント（前縁）の遅延が一方のアームでは大きくされ、他方のアームでは小さくされるようにしてきた。ニオブ酸リチウム変調器は共面（コプレーナ）電極構造を用いて、単一電極のプッシュプル動作を可能にするが、ＰＩＮ半導体変調器はこのタイプの共面電極で実現されてこなかった。従来のＲＦ信号源が用いられるとき、１８０°だけ異なる位相のＲＦ信号を生成するために利用可能な方法が必ずしも広帯域ではないため、電極を１８０°だけ異なる位相で駆動することは高い周波数（ＧＨｚ）では容易なことではない。通常ＭＭＩＣ技術を用いる、デュアルＲＦ出力ドライバを利用して、従来のデュアル電極ＭＺＭプッシュプルを駆動するために必要とされる２つの１８０°位相が異なる信号を生成する。
【０００８】
ディジタル変調器は光信号をオンおよびオフするように設計されるので、大部分のマッハ・ツェンダー変調器の設計は電気屈折（electro-refraction）の量を最大にしようと試みる。一方、アナログＲＦ変調器の性能は、真性層の電気屈折ｄ（Δｎ）／ｄＶの勾配に依存する。通常の量子井戸変調器では、電気屈折率効果は量子閉込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ：quantum confined Stark effect）によって支配され、言い換えると、電気屈折は電圧の二次（二乗）に比例する関係にある。したがって、電気屈折の量が大きな構造（ディジタルの応用形態に適している）は、高い勾配（スロープ）の電気屈折を生成する量子井戸構造に非常によく似ている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＲＦ電圧を制限するようにプッシュプル動作を行い、変調器のアームに互いに１８０°位相が異なるＲＦ信号を加えることを必要としないＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器が必要とされる。従って、本発明の目的はそのようなマッハ・ツェンダー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】
【００１０】
本発明の教示によれば、プッシュプル電極を駆動するＲＦ信号を用いて変調電圧を低減する結合量子井戸マッハ・ツェンダー変調器が開示される。そのマッハ・ツェンダー変調器は、第１のＰＩＮ半導体デバイスを有する第１のアームと、第２のＰＩＮ半導体デバイスを有する第２のアームとを備える。ＰＩＮデバイスの真性層は結合量子井戸構造を含み、異なるＤＣバイアス電圧に対して反対の屈折率変化を与える。あるＤＣバイアスがＰＩＮデバイスのうちの１つに印加され、そのデバイスがその構造の電気屈折対電界曲線の下降勾配部分において動作するようにし、別のＤＣバイアス電圧が他のＰＩＮデバイスに印加され、そのデバイスがその構造の電気屈折対電界曲線の上昇勾配部分において動作するようにする。光ビームを変調するために用いられるＲＦ信号は同相で２つのアームに加えられ、それにより、２つのＰＩＮデバイスの真性層の屈折率が反対の方向に変化し、ＲＦ駆動信号の位相を変化させることなく、プッシュプルタイプの駆動を達成できるようにする。
【００１１】
本発明のさらに別の目的、特徴および利点は、添付の図面に関連して、以下に記載される説明および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
プッシュプル電極のＲＦ駆動を利用する結合量子井戸マッハ・ツェンダー変調器に関する好ましい実施形態の以下の説明は、本質的には単なる例示にすぎず、本発明あるいはその応用形態または用途を限定することを決して意図していない。
【００１３】
図１は、本発明による結合量子井戸ＰＩＮ半導体マッハ・ツェンダー変調器（ＭＺＭ）１０の斜視図である。ＭＺＭ１０は、互いに離隔して配置され、半導電性基板１６上に形成される第１のＰＩＮデバイス１２と第２のＰＩＮデバイス１４とを含む。変調されることになる光信号は、入力導波路２０に加えられ、スプリッタ２２によって第１の光学アーム２４と第２の光学アーム２６とに分割される。ＰＩＮデバイス１２は、図に示されるように、光学アーム２４内に配置され、またＰＩＮデバイス１４は光学アーム２６内に配置されており、その中を光が伝搬するようになる。第１および第２の光学アーム２４および２６の中を伝搬する光信号は光コンバイナ２８によって合成され、合成された光信号が出力導波路３０上に出力されるようになる。入力導波路２０、スプリッタ２２、第１および第２のアーム２４および２６、コンバイナ２８ならびに出力導波路３０の組み合わせがマッハ・ツェンダー干渉計を構成する。
【００１４】
以下に説明する電極は、ＰＩＮデバイス１２および１４にわたって電界をかけ、ＰＩＮデバイス１２および１４の真性層内のアクティブ領域の屈折率を変化させて、その中を伝搬する光信号の速度を増減するために用いられる。したがって、分割された光信号がコンバイナ２８において合成されるとき、それらは所望に応じて強め合うように、あるいは弱め合うように干渉し、強度変調を実現するであろう。これまで記載されてきたようなマッハ・ツェンダー変調器の動作は、当業者には容易に理解されよう。
【００１５】
図２は、基板１６上にあり、マッハ・ツェンダー変調器１０から分離されるＰＩＮデバイス１２の断面図である。ＰＩＮデバイス１２は、Ｐ型層３６と、真性層３８と、Ｎ型層４０とを含む。真性層３８は、デバイス１２内のアクティブ導波領域を画定する。ＰＩＮデバイス１２は従来の半導体デバイスであり、基板１６およびＰＩＮデバイス１２のデバイス層には、本明細書に記載される目的を果たすのに適した任意の半導体材料を用いることができる。しかしながら、本発明によれば、真性層３８はプッシュプル動作を提供するための結合量子井戸構造を含んでおり、それは以下の説明から明らかになるであろう。一実施形態では、真性層３８の井戸／障壁（バリア）構成には、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓを用いることができる。１つの特定の実施形態では、量子井戸構造は３０オングストロームのＩｎＧａＡｓ井戸、５０オングストロームのＩｎＰ障壁、および４０オングストロームのＩｎＧａＡｓ障壁である。他の半導体材料および厚みも用いることができる。
【００１６】
第１の金属電極４４が真性層３８と対向するＰ型層３６上に形成され、Ｐ型層と電気接触している。第２の金属電極４６は、図に示されるように、デバイス１２と反対側の基板１６上の表面に形成される。ＲＦ信号源５０からのＲＦ信号が電極４４および４６に加えられ、またＤＣバイアス電圧が、ＤＣバイアス源５２から電極４４および４６に印加される。
【００１７】
ＰＩＮデバイス１４はＰＩＮデバイス１２と同じ構成を含む。しかしながら、本発明の範囲内において、これらのデバイスを他の構成で実現することもできる。たとえば、Ｎ層およびＰ層が反転され、Ｎ層が上に配置され、Ｐ層が基板１６と接触するようにすることができる。さらに、電界が真性層３８にかけられる限り、電極は種々の態様で構成することができる。本発明によれば、異なるＤＣバイアスがＰＩＮデバイス１２および１４に印加され、同じＲＦ信号が互いに同相でＰＩＮデバイス１２および１４に加えられる。ＰＩＮデバイス１２および１４に印加されるＤＣバイアスは、そのデバイスのための設定動作電圧を与える。
【００１８】
変調される光信号が入力導波路２０に入力され、スプリッタ２２によって分割される。光信号はＰＩＮデバイス１２および１４の真性層の中を伝搬し、コンバイナ２８によって再結合されて、出力導波路３０上に出力される。信号源５０からの光信号上に変調されることになるＲＦ信号が、電極４４および４６に加えられ、デバイス１２および１４内の真性層の屈折率を変化させる。ＲＦ信号による真性層の屈折率の変化によって、光ビームの速度が増減するようになり、マッハ・ツェンダー干渉計の他のアーム内の光信号に対してその位相が変化する。言い換えると、信号源５０からのＲＦ信号は、電極４４および４６に印加されるＤＣバイアスに影響を及ぼし、ＲＦ信号レベルを上昇させることにより、デバイス１２または１４内の真性層の屈折率をある方向に動かし、ＲＦ信号レベルを降下させることによりデバイス１２または１４内の真性層の屈折率を逆方向に動かすようにする。プッシュプルタイプＭＺＭでは、デバイス１２および１４の真性層の屈折率は同じＲＦ信号に対して逆方向に動くようにすることが望ましい。
【００１９】
図３は、縦軸が屈折率の変化であり、横軸が印加される電界である、障壁層の厚みが３０オングストローム、５０オングストロームおよび７０オングストロームである結合量子井戸構造の場合と、量子井戸カップリング（結合）のないある厚さの障壁の場合との電気屈折の関係を示すグラフである。このグラフは、論文「Refractive Index Modulation based on Excitonic Effects in GaInAs-InP Coupled Asymmetric Quantum Wells」（Carsten Thirstrup、IEEE J. Quantum Electron., Vol. 31、No. 6、June 1995、pp. 988-996）に見い出すことができる。グラフから明らかなように、適切な障壁厚の場合には、種々の電界がかけられた場合に得ることができる屈折率の変化は非線形である。ＰＩＮデバイス１２および１４の真性層内に、図３に示されるように電界に応答する結合量子井戸構造を設けることにより、デバイス１２および１４内の層に加えられるＲＦ信号を反転させることなく、プッシュプル動作を実現することができる。
【００２０】
ＰＩＮデバイスのうちの一方に適当なＤＣバイアス信号を印加し、そのデバイスが図３の線の下降スロープ（勾配）上で動作するようにし、他のＰＩＮデバイスに適当なＤＣバイアス信号を印加し、そのデバイスが同じ線の上昇勾配上で動作するようにすることにより、ＰＩＮデバイス１２および１４に加えられる同じＲＦ信号によって、真性層の屈折率が逆方向に変化できるようになる。これによってプッシュプル動作を実現する。たとえば、５０オングストロームの障壁厚の場合に、ＰＩＮデバイスの一方が約２０ｋＶ／ｃｍのＤＣ信号でバイアスをかけられ、他のＰＩＮデバイスが約５０ｋＶ／ｃｍのＤＣ信号でバイアスをかけられることになる。ＲＦ信号からのバイアス信号の変化によって、２０ｋＶ／ｃｍでバイアスをかけられたＰＩＮデバイスの屈折率は上昇するか、または下降できるようになり、同じＲＦ信号（同相）によって、５０ｋＶ／ｃｍでバイアスをかけられたＰＩＮデバイスの屈折率は逆方向に上昇するか、または下降できるようになるであろう。従って、ＲＦ信号がＰＩＮデバイス１２および１４に同時に到達するとき、ＰＩＮデバイス１２あるいは１４のうちの一方の屈折率は増加し、他方のＰＩＮデバイス１２あるいは１４の屈折率は減少するであろう。ＰＩＮデバイス１２および１４の真性層の屈折率のこの変化は具体的には、真性層の量子井戸構造、そのデバイスに印加される特定のＤＣバイアス、およびその時点でＲＦ信号が増加しつつあるか減少しつつあるかによって与えられる。
【００２１】
上記の説明は単に本発明の例示的な実施形態を開示し、記載しているにすぎない。当業者であれば、そのような説明、添付の図面および特許請求の範囲から、特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、修正および変形が可能であることは容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による、結合量子井戸マッハ・ツェンダー変調器の斜視図である。
【図２】図１に示されるマッハ・ツェンダー変調器の一部の断面図である。
【図３】縦軸が屈折率の変化であり、横軸が電界である、種々の厚みの障壁層を有する結合量子井戸構造についての算出された電気屈折曲線を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
2004318095.tif 000004
【図３】
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