(57)【要約】【課題】  ＲＦ駆動電圧を半減する半導体ＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器を提供する。【解決手段】  単一電極プッシュ・プル半導体ＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器（１０）は、第１および第２ＰＩＮデバイス（１２、１４）を基板（１６）上に含む。デバイス（１２、１４）の真性層が、マッハ・ツェンダー干渉計の２本のアーム（５０、５２）の活性領域となる。外側電極（３８）が、第１ＰＩＮデバイス（１２）のＮ型層（２４）に接続され、中央電極（４０）が、第１ＰＩＮデバイス（１２）のＰ型層（２０）に接続される。外側電極（４２）が、第２ＰＩＮデバイス（１４）のＰ型層（２６）に接続され、中央層（４０）が第２ＰＩＮデバイス（１４）のＮ型層（３０）に接続される。ＲＦ変調信号が、ＰＩＮデバイス（１２、１４）を逆方向にバイアスし、真性層（２２、２８）の屈折率を逆方向に変化させて、プッシュ・プル変調効果を得る。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プッシュ・プル半導体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１ＰＩＮ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２ＰＩＮデバイスと、
前記基板上に形成され、前記第１ＰＩＮデバイスのＮ型層に電気的に結合される第１電極と、
前記基板上に形成され、前記第１ＰＩＮデバイスのＰ型層および前記第２ＰＩＮデバイスのＮ型層に結合される第２電極と、
前記基板上に形成され、前記第２ＰＩＮデバイスのＰ型層に電気的に結合される第３電極と、
第１光路および第２光路を含むマッハ・ツェンダー干渉計であって、前記第１ＰＩＮデバイスの真性層が前記第１光路内に位置し、前記第２ＰＩＮデバイスの真性層が前記第２光路内に位置し、前記真性層は、電界の印加に応答して変化する光屈折率を有し、前記第１、第２および第３電極はＲＦ変調信号に応答して、前記第１ＰＩＮデバイスの真性層の屈折率および前記第２ＰＩＮデバイスの真性層の屈折率が、前記変調信号に応答して逆方向に変化し、前記第１および第２経路を逆方向に伝搬する光波に作用するようにした、マッハ・ツェンダー干渉計と、
を備えた変調器。
【請求項２】
請求項１記載の変調器において、更に、バイアス・ネットワークを備えており、該バイアス・ネットワークはＤＣバイアス電圧を前記電極に供給し、前記第１および第２ＰＩＮデバイスをバイアスする、変調器。
【請求項３】
請求項２記載の変調器において、前記ＤＣバイアス電圧は、前記第１および第２ＰＩＮデバイスを逆バイアスする変調器。
【請求項４】
請求項２記載の変調器において、前記第２電極はＤＣ接地であり、前記第１および第３電極は、ＤＣバイアス電圧を前記ＰＩＮデバイスに供給する変調器。
【請求項５】
請求項２記載の変調器において、前記バイアス・ネットワークは、前記第１、第２および第３電極に、前記ＲＦ変調信号を前記ＤＣバイアス電圧と組み合わせて印加するＲＦ信号源を含む変調器。
【請求項６】
請求項５記載の変調器において、前記第１および第３電極はＲＦ接地であり、前記第２電極は前記ＲＦ信号を供給する変調器。
【請求項７】
プッシュ・プル半導体ＰＩＮ変調器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、Ｎ型層と、真性層と、Ｐ型層とを含む第１ＰＩＮデバイスと、
前記基板上に形成され、Ｎ型層と、真性層と、Ｐ型層とを含む第２ＰＩＮデバイスと、
前記基板上に形成された第１電極であって、前記第１ＰＩＮデバイスのＮ型層および前記第２ＰＩＮデバイスのＰ型層に電気的に結合されている、第１電極と、
バイアス・システムであって、ＲＦ信号を前記第１電極に供給して、前記第１ＰＩＮデバイスの真性層の屈折率を一方向に変化させ、前記第２ＰＩＮデバイスの真性層の屈折率を逆方向に変化させることにより、プッシュ・プル効果を得る、バイアス・システムと、
を備えた変調器。
【請求項８】
請求項７記載の変調器において、前記バイアス・システムは、ＤＣバイアス電圧を前記第１電極に供給するＤＣバイアス・ネットワークを含む変調器。
【請求項９】
請求項８記載の変調器において、前記ＤＣバイアス電圧は、前記第１および第２ＰＩＮデバイスを逆バイアスする変調器。
【請求項１０】
請求項７記載の変調器であって、更に、前記基板上に形成され、前記第１ＰＩＮデバイスのＰ型層に電気的に結合される第２電極と、基板上に形成され、前記第２ＰＩＮデバイスのＮ型層に電気的に結合される第３電極とを備えている変調器。
【請求項１１】
請求項７記載の変調器であって、更に、前記ＲＦ信号によって変調される光信号に応答するマッハ・ツェンダー干渉計を備えている変調器。
【請求項１２】
請求項１１記載の変調器であって、前記第１ＰＩＮデバイスの真性層は、前記マッハ・ツェンダー干渉計の第１光アームの活性領域であり、前記第２ＰＩＮデバイスの真性層は、前記マッハ・ツェンダー干渉計の第２光アームの活性領域である変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、半導体ＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器に関し、更に特定すれば、単一電極プッシュ・プル構成を採用した半導体ＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気信号を用いて光信号を周波数変調し、その上に情報を重畳する光変調器は、当技術分野では公知である。低い変調電圧で動作するこの種の光変調器は、リンク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用途に必要とされている。低変調電圧で動作する変調器の部類に属する１つに、ＰＩＮ半導体デバイスを用いた半導体変調器があり、この場合、光波は、デバイス内の真性層内に含まれるアクティブ（活性）領域を含む光導波路を伝搬して行く。デバイスのＰ型およびＮ型層と接触している電極にＲＦ信号を印加して、真性層間に変調電圧を供給する。ここで、電極はＲＦ伝送線路を規定する。
【０００３】
ＰＩＮ半導体デバイスを用いる光変調器の一種に、マッハ・ツェンダー変調器（ＭＺＭ）がある。ＭＺＭは、マッハ・ツェンダー干渉計を用い、変調する光波を第１および第２導波路に分割し、導波路の一方は、第１ＰＩＮ半導体デバイスの真性層を通って延び、他方の導波路は第２ＰＩＮ半導体デバイスの真性層を通って延びる。第１および第２ＰＩＮデバイスの別個のＮ型およびＰ型層には、別個の電極が接続され、その中を伝搬する光波を変調する。従来の半導体ＰＩＮ  ＭＺＭは、単一電極デバイスのみを使用し、干渉計の第２アームは受動光導波路となっている。
【０００４】
ニオブ酸リチウムまたはポリマＭＺＭのような別の種類のＭＺＭでは、当業者には公知のプッシュ・プル動作モードを採用する利点が実証されている。プッシュ・プル構成では、通例、第１アームに送られるＲＦ電力は、第２アームに送られるＲＦ電力に対して、１８０゜位相ずれで印加される。この場合、２本のアームにおける位相の変化は等しく逆方向であり、光学フィールド(optical field)の振幅変調を増加させ、チャープをなくすという効果がある。
【０００５】
公知のプッシュ・プルＭＺＭを実現するには、通例、１８０゜ハイブリッド電力スプリッタを用いて入力ＲＦ電力を分割し、次いで２つのＲＦ出力を変調器の２本のアームに印加する。しかしながら、この技法には、ブロードバンド電力スプリッタが必要であり、そのために対象となる周波数帯域全域において厳しい位相制御を維持しなければならないという欠点がある。これらのデバイスは電力分割を用いるので、変調電圧の低減に関する実際の改善は、単一アーム駆動変調器に対してわずか√２倍に過ぎない。他のプッシュ・プルＭＺＭの設計においても、単一の共面（コプレーナ）導波路（ＣＰＷ：coplanar waveguide）電極設計を用いて、２本の能動アーム(active arm)において等しく逆方向の光位相シフトを実行する。これらの電極設計は、ニオブ酸リチウムおよびポリマ系ＭＺＭ双方において実施されている。しかしながら、今日まで、半導体系ＭＺＭの設計と互換性のあるＣＰＷ構造で、ＲＦ駆動電圧の２Ｘ低減を実現するものは、提供されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、単一電極プッシュ・プル構成を用いて、単一アーム駆動変調器に対して、ＲＦ駆動電圧の真の２Ｘ低減を達成する半導体ＰＩＮ  ＭＺＭが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の教示によれば、単一電極プッシュ・プル構成を用い、必要な変調電圧を低減した半導体ＰＩＮ  ＭＺＭを開示する。この変調器は、第１ＰＩＮデバイスおよび第２ＰＩＮデバイスを含み、基板上に互いに離間して位置付けられる。第１ＰＩＮデバイスの真性（Ｉ）層が、マッハ・ツェンダー干渉計の第１アームの活性領域となり、第２ＰＩＮデバイスの真性層が、干渉計の第２アームの活性領域となる。これらの真性層は、バルクまたは量子井戸（ＱＷ：quantum-well）半導体材料で構成することができる。第１外側電極が、第１ＰＩＮデバイスのＮ型層に電気的に結合され、中央電極が、第１ＰＩＮデバイスのＰ型層に電気的に結合されている。第２外側電極が、第２ＰＩＮデバイスのＰ型層に電気的に結合され、中央電極が第２ＰＩＮデバイスのＮ型層に電気的に結合されている。ＲＦ変調信号を中央電極に印加し、一方第１および第２外側電極を接地電位に保持する。その結果、第１および第２ＰＩＮデバイスに対するバイアスが反対方向に変化し、真性層の屈折率が反対方向に変化して、プッシュ・プル変調効果が得られる。
【０００８】
本発明の更に別の目的、利点および特徴は、以下の説明および特許請求の範囲を、添付図面と関連付けて検討することによって明白となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態に関する以下の説明は、単一電極プッシュ・プル半導体ＰＩＮ  ＭＺＭを対象とするが、これはあくまで単なる一例に過ぎず、本発明あるいはその用途または使用を限定することは全く意図していない。
【００１０】
図１は、半導体ＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器１０の上面図であり、図２は、図２の線２−２に沿った断面図である。変調器１０は、互いに離間され、半絶縁基板１６上に形成された第１ＰＩＮデバイス１２および第２ＰＩＮデバイス１４を含む。ＰＩＮデバイス１２、１４は、従来からの半導体デバイスであり、基板１６およびＰＩＮデバイス１２、１４のデバイス層は、ＩｎＰのような、ここに記載する目的に適した半導体材料であればいずれでも可能である。ＰＩＮデバイス１２は、Ｐ型層２０、真性層２２、およびＮ型層２４を含み、ＰＩＮデバイス１４は、Ｐ型層２６、真性層２８、およびＮ型層３０を含む。真性層２２は、デバイス１２内部における導波路活性領域３２を規定し、真性層２８は、デバイス１４内部における導波路活性領域３４を規定する。
【００１１】
基板１６上には、第１外側金属電極３８が形成され、ＰＩＮデバイス１２のＮ型層２４と電気的に接触している。基板１６上には、中央金属電極４０が形成され、ＰＩＮデバイス１２のＰ型層２０およびＰＩＮデバイス１４のＮ型層３０と電気的に接触しているが、デバイス１２の真性層２２およびＮ型層２４からは電気的に分離（絶縁）されている。基板１６上には、第２外側金属電極４２が形成され、デバイス１４のＰ型層２６と電気的に接触しているが、ＰＩＮデバイス１４の真性層２８およびＮ型層３０からは電気的に絶縁されている。
【００１２】
変調される光信号は、入力導波路４６に印加され、スプリッタ４８によって、第１光アーム５０および第２光アーム５２に分割される。第１光アーム５０は、ＰＩＮデバイス１２の導波路領域３２を通過し、第２光アーム５２は、ＰＩＮデバイス１４の導波路領域３４を通過する。次いで、第１および第２光アーム５０、５２は、コンバイナ５４によって結合され、結合された光信号は出力導波路５６に導入される。入力導波路４６、スプリッタ４８、第１および第２アーム５０、５２、コンバイナ５４、および出力導波路５６の組み合わせによって、マッハ・ツェンダー干渉計を構成する。
【００１３】
ＲＦ信号源６０からのＲＦ信号は、電極３８、４０、４２の各々に印加される。図３は、信号源６０を含む変調器１０のバイアス・システム６２の概略図であり、ＰＩＮデバイス１２、１４に対するＤＣバイアスの接続を示す。ダイオード６４は、ＰＩＮデバイス１２を表し、ダイオード６６はＰＩＮデバイス１４を表す。ＤＣバイアス・ネットワーク６８からのＤＣバイアスは電極３８、４０、４２に印加され、ＤＣバイアスをダイオード６４、６６に供給する。ここで、ダイオード６４、６６は両方共逆バイアスされる。出力ＲＦ負荷７０は、電極３８、４０、４２を終端する。
【００１４】
変調器１０は、単一電極プッシュ・プル構成を用いた、半導体ＰＩＮマッハ・ツェンダー変調器である。この構成では、真性層２２、２８の屈折率の変化は、電極３８、４０、４２に印加されるＲＦ信号レベルのプッシュ・プル動作の結果として、２倍になる効果を有する。即ち、ＲＦ信号源６０からのＲＦ信号が電極３８、４０、４２に印加され、ＲＦ信号は、互いに同相で電極３８、４０、４２を伝搬して行く。ＲＦ信号は、電極３８、４０、４２に印加されたＤＣバイアスを逆（反対）方向にシフトするので、ＲＦ信号レベルの上昇が真性層２２、２８の屈折率を一方向に移動（変化）させ、ＲＦ信号レベルの低下が真性層２２、２８の屈折率を逆方向に移動させる。
【００１５】
第１外側電極３８はＰＩＮデバイス１２のＮ型層２４に電気的に結合され、中央電極４０はＰＩＮデバイス１２のＰ型層に電気的に結合されているので、瞬時電圧の上昇または低下は、それに応じて真性層２２の屈折率を変化させる。同様に、中央電極４０はＰＩＮデバイス１４のＮ型層３０に電気的に結合され、第２外側電極４２はＰＩＮデバイス１４のＰ型層２６に電気的に結合されているので、瞬時電圧の上昇または低下は、それに応じて真性層２８の屈折率を変化させる。このように、同じＲＦ信号が電極３８、４０、４２の全てに同相で印加されるので、ＰＩＮデバイス１２、１４上の瞬時電圧は、ＲＦ変調電圧が変化すると、逆方向および同じ方向に変化し、変調器１０のプッシュ・プル動作が行われる。したがって、真性導波路３２、３４を伝搬する光信号に対する変調は、信号がコンバイナ５４によって結合されると２倍となり、その結果、所定量の変調を行うために必要なＲＦ信号電力が低減する。
【００１６】
ＰＩＮデバイス１２、１４の活性領域３２、３４は、中央電極４０および２つの外側電極３８、４２の間のコプレーナ導波路（ＣＰＷ）伝送線路のギャップ領域に存在する。ＰＩＮデバイス１２、１４は、逆極性で中央線路に取り付けられている。ＤＣバイアス・ネットワーク６８は、逆バイアス電圧を２つのＰＩＮデバイス１２、１４に供給する。ＣＰＷ伝送線路を構成する電極３８、４０、４２は、ＲＦ信号からＤＣ結合され、ＤＣ接地が中央電極４０となり、ＤＣバイアス電圧が外側電極３８、４２に印加されるようになっている。ＲＦの観点では、２つの外側電極３８、４２は接地であり、中央電極４０が信号となる。ＰＩＮデバイス１２、１４を逆極性で接続した結果、ＲＦサイクルの最初の半分の間、ＰＩＮデバイス１２または１４では、逆バイアスが増加し、光インデックス(optical index)の増加を招く。他方のＰＩＮデバイス１２または１４では、逆バイアスが減少し、光インデックスの減少を招く。したがって、この構成では、全屈折率変化は、同じ入力電力に対して、いずれの単一アーム駆動による変化でも２倍にすることができる。
【００１７】
以上の説明は、本発明の実施形態例を開示し説明したに過ぎない。このような説明ならびに添付図面および特許請求の範囲から、種々の変更、修正および改変が、特許請求の範囲に規定した本発明の精神および範囲から逸脱することなく可能であることを、当業者は容易理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、プッシュ・プル電極構成を用いた半導体ＰＩＮ  ＭＺＭの概略上面図である。
【図２】図２は、図１における線２−２に沿ったＰＩＮ  ＭＺＭの断面図である。
【図３】図３は、図１に示す変調器における、ＰＩＮデバイスへのＤＣバイアスの接続を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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