(57)【要約】      （修正有）【課題】素子の劣化を防止し、光出力特性の波長依存を抑制する光変調器を提供する。【解決手段】光変調器１０は、基板１２と、基板１２の上に形成され、コア層１３を有する光導波路１４と、光導波路１４に沿って形成され、コア層１３の温度を制御するヒーター電極１７とを備え、入力光の波長に応じてヒーター電極１７の印加電圧Ｖを可変することにより駆動電圧を波長に依存しない低い電圧で動作させる。【選択図】図６
2013254112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成され、コア層を有する光導波路と、
前記光導波路に沿って形成され、前記コア層の温度を制御するヒーター電極と
を備えたことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記コア層は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、または、ＩｎＧａＡｌＡｓで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記光変調器として、電界吸収型光変調器を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記光変調器として、マッハツェンダ型光変調器を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、光の強度や位相を変調する光変調器に関するものである。
【０００２】
光通信用の1550nm帯で動作する光変調器として、例えば、誘電体材料であるニオブ酸リチウム（LiNbO3）、半導体材料であるヒ化ガリウム（GaAs）、リン化インジウム（InP）を用いた素子が知られている。LiNbO3光変調器は、安定した動作が可能なことから広く用いられているが、サイズが比較的大きく、さらには、動作電圧が高いという問題があった。また、GaAs光変調器も、サイズが大きく、動作電圧が高いという問題があった。
【０００３】
InP光変調器は、小型で低駆動の電圧動作が可能な素子が実現できる可能性があり、さらには、光変調器を形成するInPが光通信用の半導体レーザで用いられる材料と同じであるため、半導体レーザとの集積化が可能であるとともに、小型な光源が実現できることから、将来の変調器として多くの研究機関で検討が進められている。
【０００４】
InP基板上に形成したInGaAsPやInGaAs、InGaAlAsの材料は、組成比を制御することでバンド端波長を1200nm〜1600nmの広い波長範囲に設定することが可能である。電界印加によるバンド端波長シフト（量子閉じ込めシュタルク効果、フランツケルディッシュ効果）を原理として、バンド端波長を動作波長近傍に設定した電界吸収型変調器が実現されている。
【０００５】
一般的な電界吸収型のInP光変調器の構成について図１を参照して説明する。図１は、一般的な電界吸収型のInP光変調器１００の構成を示す図であって、（ａ）はInP光変調器１００の斜視図、（ｂ）はInP光変調器１００の上面図を示している。
【０００６】
図１（ａ）に示すように、光変調器１００は、InP基板１０２上に、InGaAsP、InGaAsまたはInGaAlAsにより形成されたコア層（光吸収層）１０３を有する光導波路１０４が形成されている。そして、光導波路１０４の両側は、光閉じ込めおよび効率的な電界印加を行うための埋め込み層１０５を形成した構造となっている。図１において、電極１０１はn型電極であり、基板１０２の下に形成されている。また、電極１０６は変調電圧印加用のｐ型電極であり、光導波路１０４の上に形成されている。
【０００７】
次に、コア層１０３の吸収端波長が1480nmとなるようにInGaAlAsの組成を制御する電界吸収型光変調器において、入力光が1520nm〜1560nmとなる場合の光出力特性について図２を参照して説明する。図２は、一般的な電界吸収型光変調器において、入力光の波長が1520nm〜1560nmとなる場合の光出力特性を示す図である。
【０００８】
例えば、電極１０６の印加電圧Ｖが０Ｖから大きくなるほど、規格化光出力Ｐは、バンド端波長の長波長化による光吸収係数の増加によって、０ｄＢから減少していく。この場合、入力光の波長が長波長側になればなるほど、すなわち、λ１→λ２→λ３→λ４→λ５の順に、光出力の低減に必要となる印加電圧Ｖが高くなる。すなわち、印加電圧Ｖの値が最小となるのは、入力光の波長が最も短波長側となるλ１＝1520nmの場合となり、印加電圧Ｖの値が最大となるのは、入力光の波長が最も長波長側となるλ５＝1560nmの場合となる。つまり、印加電圧Ｖは、入力光の波長λ１〜λ５に依存して変化する。
【０００９】
ここで、InP、InGaAsP、InGaAs、InGaAlAsは、閃亜鉛鉱構造を有する圧電性結晶であり、１次の電気光学効果であるポッケルス効果により印加電圧に比例した屈折率制御が可能である。この電界印加による屈折率制御を利用として、図３に示すようなマッハツェンダ変調器２００が形成される。図３は、一般的なマッハツェンダ変調器２００の構成を示す図である。
【００１０】
図３に示すマッハツェンダ変調器２００は、InP基板２０１上に、InGaAsPまたはInGaAsをコア材料とした構成例が示されている。図３において、光入力導波路２０２，２０３に入力されたＤＣ光は、光分波器２０４により等分に分配され、位相制御光導波路２０５，２０６に導かれる。そして、位相制御光導波路２０５，２０６を伝搬したＤＣ光は、光合波器２０９で再び合波され、光出力導波路２１０，２１１へ導かれる。
【００１１】
マッハツェンダ変調器２００では、電極２０７，２０８への電圧印加によって、位相制御光導波路２０５，２０６の屈折率を制御可能とした構造となっているので、印加電圧を高くしたり低くしたりすることによって、光出力導波路２１０，２１１の出力光の強度を制御する。
【００１２】
光入力導波路２０２にＤＣ光が入力した場合において、光出力導波路２１１の出力光の強度は、電極２０７に印加される電圧に応じて、図４に示すような値をとる。図４は、一般的なマッハツェンダ変調器２００における印加電圧と規格化光強度との関係を示す図である。
【００１３】
図４において、規格化光強度は、電圧Ｖに対しcos2(V)に比例した値となる。Ｖπは規格化光強度が最大となる印加電圧と、最小になる印加電圧との差である半波長電圧を表している。Ｖπは一般的に、マッハツェンダ変調器２００の特性を表す指針となるパラメターとして用いられる。
【００１４】
マッハツェンダ変調器２００では、屈折率制御に用いる光導波路のコア層を形成する材料のバンド端波長は、動作波長から150ｎｍ程度短波に設定して、バンド端効果の影響を低減している。しかし、半波長電圧Ｖπは、入力光の波長λに依存するから、バンド短波長はバンド端効果を完全に除去することができない。
【００１５】
図５は、一般的なマッハツェンダ変調器２００における入力光の波長λと半波長電圧Ｖπとの関係を示す図である。
【００１６】
入力光の波長λが1520ｎｍ〜1560ｎｍの場合、半波長電圧Ｖπは、図５に示すように、波長λが長波長になるほど値が大きくなる。
【００１７】
このように、InPを用いた電界吸収型光変調器１００は、電界印加によるバンド端波長シフトを利用するため、図２に示したように、光変調器１００における光出力特性が入力光の波長に依存して変化するものとなる。また、InPを用いたマッハツェンダ変調器２００では、屈折率制御を行うための半導体材料のバンド端波長が動作波長（1550nm）と十分に異なるものとならないため、バンド端効果による屈折率の変動によって、マッハツェンダ変調器２００における動作特性が入力光の波長に依存してしまう。
【００１８】
そこで、上述した波長の依存性を抑制するために、例えば非特許文献１では、位相変調用の光導波路に印加するDC電圧を調整している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】N. Kikuchi、IEEE Photonics Technology Letters, vol. 21, no. 12, 2009, pp. 787-789
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、非特許文献１の変調器では、光導波路に電圧を印加する電極に過大なDC電圧が加えられることによって、素子が劣化しやすくなる。
【００２１】
そこで本発明は、素子の劣化を防止し、光出力特性の波長依存を抑制する光変調器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】
【００２２】
上記の目的を達成するための光変調器は、基板と、前記基板の上に形成され、コア層を有する光導波路と、前記光導波路に沿って形成され、前記コア層の温度を制御するヒーター電極とを備えたものである。
【００２３】
ここで、前記コア層は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、または、ＩｎＧａＡｌＡｓで形成されるようにしてもよい。
【００２４】
前記光変調器として、電界吸収型光変調器を用いてもよいし、マッハツェンダ型光変調器を用いるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、素子の劣化を防止し、光出力特性の波長依存を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一般的な電界吸収型のInP光変調器の構成を示す図である。
【図２】一般的な電界吸収型光変調器において、入力光の波長が1520nm〜1560nmとなる場合の光出力特性を示す図である。
【図３】一般的なマッハツェンダ変調器の構成を示す図である。
【図４】一般的なマッハツェンダ変調器における印加電圧と規格化光強度との関係を示す図である。
【図５】一般的なマッハツェンダ変調器における入力光の波長と半波長電圧との関係を示す図である。
【図６】第１実施形態における光変調器の構成例を説明するための図である。
【図７】コア層の温度が上昇する場合において、規格化光出力を低減させるのに必要な電極の印加電圧の一例について説明するための図である。
【図８】ヒーター電極の印加電圧と光導波路のコア温度上昇との関係の一例を示す図である。
【図９】入力光の波長に応じてヒーター電極の印加電圧を可変した場合の規格化光出力の一例を示す図である。
【図１０】第２実施形態における光変調器の構成例を説明するための図である。
【図１１】素子温度と半波長電圧との関係の一例について説明するための図である。
【図１２】入力光の波長に応じてヒーター電極の印加電圧を可変した場合の半波長電圧の一例を示す図である。
【図１３】図１２と同一の例において、入力光の波長に応じたヒーター電極の各印加電圧の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の光変調器の第１実施形態について説明する。実施形態に係る光変調器１０は、例えば電界吸収型光変調器である。
【００２８】
[光変調器の構成]
本発明の第１実施形態における光変調器１０について図６を参照して説明する。図６は、本実施形態における光変調器１０の構成例を説明するための図であって、（ａ）光変調器１０の斜視図、（ｂ）光変調器１０の上面図を示している。
【００２９】
図６（ａ）に示すように、光半導体素子１０は、InP基板１２を有し、この基板１２上には、光導波路１４およびｐ型電極１６が積層されている。また、基板１２の下には、ｎ型電極１１が形成されている。
【００３０】
図６（ａ）において、光導波路１４の両側には、埋め込み層１５が形成されている。埋め込み層１５によって、光閉じ込め、および、効率的な電界印加を行うことが可能となっている。
【００３１】
光導波路１４は、例えばInGaAlAsにより形成された光吸収層、すなわちコア層１３を有する。
【００３２】
電極１６は、光導波路１４全体を覆うようになっているため、電極１６に電圧が印加されると、電極１６の下の光導波路１４内全体にわたって電界が生じ、光導波路１４を伝播する光の位相が変化する。これにより、光導波路１４内の共振波長が変化するので、共振波長を調整可能とすることができる。なお、上述した電極１６として、図６に示した構成に限らず、当業者に知られた他の構成を適用することもできる。
【００３３】
また、図６（ａ）に示すように、光変調器１０には、ヒーター電極１７が形成されている。この実施形態では、ヒーター電極１７は、図６（ｂ）に示すように、光導波路１４から所定の間隔を隔てて、光導波路１４に沿って形成されている。
【００３４】
ヒーター電極１７には、電圧が印加されることになるが、この電圧印加によって、ヒーター電極１７に電流が流れて熱が発生し、コア層１３では、熱に応じて温度が上昇する。つまり、ヒーター電極１７は、コア層１３の温度を制御可能になっている。そして、光変調器１０の光出力特性が、入力光の波長によって変動しないように、入力光の波長が長波長側へシフトされる。この点について以下説明する。
【００３５】
一般に、光変調器１０において、コア層１３の温度が上昇するほど光出力を低減させるのに必要な電極１６の印加電圧が小さくなる。
【００３６】
図７は、コア層１３の温度が上昇する場合において、規格化光出力Ｐを低減させるのに必要な電極１６の印加電圧Ｖの一例について説明するための図である。
【００３７】
図７に示す入力光の波長λは、例えば1550nmに設定される。この例では、規格化光出力Ｐを低減させるのに必要となる印加電圧Ｖは、コア層１３の温度上昇に伴って小さくなっている。
【００３８】
一方、図２に示したように、規格化光出力Ｐを低減させるのに必要となる電極１６の印加電圧Ｖは、入力光の波長が長波長側へシフトするほど大きくなる。図２の例では、λ１→λ２→λ３→λ４→λ５の順にＶの値が大きくなる。
【００３９】
この観点から、本実施形態の光変調器１０では、ヒーター電極１７に電圧を印加することで、コア層１３の温度上昇が規格化光出力Ｐに与える影響を無視できるように光出力特性を調整することが可能となっている。具体的には、ヒーター電極１７に電圧を印加することによって、ヒーター電極１７に電流が流れて熱が発生する。そして、コア層１３の温度が上昇する。これにより、コア層１３を形成するInGaAlAsのバンド短波長、すなわち入力光の波長が長波長側へシフトし、規格化光出力Ｐを低減させるのに必要となる電極１６の印加電圧Ｖは、大きくなる（図２）。
【００４０】
ここで、ヒーター電極１７の印加電圧Ｖｈと光導波路１４のコア温度上昇との関係について図８を参照して説明する。
【００４１】
図８は、ヒーター電極１７の印加電圧Ｖｈと光導波路１４のコア温度上昇ΔＴとの関係の一例を示す図である。
【００４２】
図８に示す光導波路１４のコア温度上昇ΔＴは、印加電圧Ｖｈの値の２乗に比例した値をとる。例えば、Ｖｈ＝１０となる印加電圧が与えられた場合、コア温度上昇ΔＴは、ΔＴ＝８０となる。
【００４３】
次に、入力光の波長に応じてヒーター電極１７の印加電圧Ｖｈを可変した場合の光変調器１０の光出力特性について図９を参照して説明する。
【００４４】
図９は、入力光の波長に応じてヒーター電極１７の印加電圧Ｖを可変した場合の規格化光出力Ｐの一例を示す図である。
【００４５】
図９に示す入力光の波長λは、例えば、λ＝1520nm，1530nm，1540nm，1550nm，1560nmに設定される。この例では、ヒーター電極１７の印加電圧Ｖは、入力光の波長λに応じて、図９に示すような値（Ｖ＝0.0Ｖ，5.0V，7.1V，8.7V，10.0V）をとるため、規格化光出力Ｐの特性は、波長λにかかわらず一定の値となっている。
【００４６】
以上説明したように、本発明の光変調器１０によれば、ヒーター電極１７によって、入力光の波長に応じて、コア層１３の温度が制御される。すなわち、コア層１３では、温度が上昇して、コア層１３を形成する半導体材料（例えばInGaAlAs）のバンド短波長が長波長側へシフトする。これにより、規格化光出力Ｐの特性は、波長λにかかわらず一定の値となっている。したがって、光出力特性の波長依存が抑制される。
【００４７】
また、光変調器１０の電極１６に過大な電圧を印加することにもならないため、素子の劣化を防止することができる。
【００４８】
＜第２実施形態＞
次に、光変調器の一実施形態として、２つのアームに加える電圧に応じて、光の強度を変化させるマッハツェンダ型光変調器について説明する。
【００４９】
[マッハツェンダ変調器２０の構成]
第２実施形態のマッハツェンダ型光変調器２０（以下、光変調器２０と略す。）の構成について図１０を参照して説明する。図１０は、本実施形態におけるマッハツェンダ型変調器２０の構成例を説明するための図である。
【００５０】
図１０に示すように、この光変調器２０は、InP基板２１上に、光入力導波路２２，２３と、光入力導波路２２，２３からの各光を等分に分配する光分波器２４と、光分波器２４からの光を入力する位相制御光導波路２５，２６と、電極２７，２８とを備える。位相制御光導波路２５，２６のコア層の材料として、例えばInGaAsPを用いる。
【００５１】
このマッハツェンダ変調器２０はさらに、位相制御光導波路２５，２６からの各光を再び合波する光合波器２９と、光合波器２９からの光を入力する光出力導波路３０，３１とを備える。
【００５２】
光変調器２０では、電極２７，２８に電圧が印加され、位相制御光導波路２５，２６内の屈折率が変化する。これにより、位相制御光導波路２５，２６を伝播する光の位相を変化させ、光合波器２９における合波後の光の強度を変化させるようになっている。
【００５３】
また、図１０に示すように、光変調器２０には、２つのヒーター電極３２，３３が形成されている。ヒーター電極３２は、位相制御光導波路２６から所定の間隔を隔てて、位相制御光導波路２６に沿って形成されている。ヒーター電極３３は、位相制御光導波路２５から所定の間隔を隔てて、位相制御光導波路２５に沿って形成されている。
【００５４】
ヒーター電極３２，３３には、それぞれ電圧が印加されることになるが、電圧印加によって、ヒーター電極３２，３３に電流が流れて熱が発生し、位相制御光導波路２５，２６の各コア層では、熱に応じて温度が上昇する。そして、マッハツェンダ変調器２０の光出力特性が、入力光の波長によって変動しないように、マッハツェンダ変調器２０における半波長電圧Ｖπが低下させるようになっている。この点について以下説明する。
【００５５】
一般に、光変調器２０において、コア層の温度（以下、素子温度ともいう。）が上昇するほど半波長電圧Ｖπが高くなる。
【００５６】
図１１は、素子温度Ｔと半波長電圧Ｖπとの関係の一例について説明するための図である。
【００５７】
図１１に示す入力光の波長λは、例えば1560nmに設定される。この例では、半波長電圧Ｖπは、素子温度の上昇に伴って低くなる。
【００５８】
一方、図５に示したように、半波長電圧Ｖπは、入力光の波長が長波長側へシフトするほど高くなる。図５の例では、1520ｎｍ→1530ｎｍ→1540ｎｍ→1550ｎｍ→1560ｎｍの順にＶπの値が大きくなる。
【００５９】
この観点から、本実施形態の光変調器２０では、ヒーター電極３２，３３に電圧を印加することで、素子温度の上昇が半波長電圧Ｖπに与える影響を無視できるように光出力特性を調整することが可能となっている。具体的には、ヒーター電極３２，３３に電圧を印加することによって、ヒーター電極３２，３３に電流が流れて熱が発生する。そして、素子温度が上昇する。これにより、コア層を形成するInGaAlAsのバンド短波長、すなわち入力光の波長が長波長側へシフトし、半波長電圧Ｖπは、高くなる（図５）。
【００６０】
次に、入力光の波長に応じてヒーター電極３２，３３の印加電圧を可変した場合のマッハツェンダ変調器２０の半波長電圧Ｖπについて図１２を参照して説明する。
【００６１】
図１２は、入力光の波長に応じてヒーター電極３２，３３の印加電圧を可変した場合の半波長電圧Ｖπの一例を示す図である。
【００６２】
図１２に示す入力光の波長λは、例えば、λ＝1520nm，1530nm，1540nm，1550nm，1560nmに設定される。この例では、入力光の波長λに応じて、ヒーター電極３２，３３の印加電圧を調整することで、半波長電圧Ｖπは、波長λにかかわらず一定の値となっている。
【００６３】
図１３は、図１２と同一の例において、入力光の波長λに応じたヒーター電極３２，３３の各印加電圧Ｖnの一例を示す図である。
【００６４】
図１３では、ヒーター電極３２，３３の各印加電圧Ｖnは、入力光の波長λに応じて、図１３に示すような値（図中、黒丸印で示してある。）をとるため、半波長電圧Ｖπは、は、図１２に示したように、波長λにかかわらず一定の値となっている。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態の光変調器２０によれば、ヒーター電極３２，３３によって、入力光の波長に応じて、コア層の温度が制御される。すなわち、コア層では、温度が上昇して、コア層を形成する半導体材料（例えばInGaAlAs）のバンド短波長が長波長側へシフトする。これにより、半波長電圧Ｖπは、波長λにかかわらず一定の値となる。したがって、光出力特性の波長依存が抑制される。
【００６６】
また、光変調器２０の電極２７，２８に過大な電圧を印加することにもならないため、素子の劣化を防止することができる。
【００６７】
以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は、各実施形態に限られるものではなく、変更するようにしてもよい。
【００６８】
例えば、各実施形態において、コア層の材料として、InGaAsPを例にとって説明したが、他の材料、例えばInGaAs、InGaAlAsを適用することもできる。
【００６９】
第１実施形態のヒーター電極１７は、コア層１３の温度制御が可能であれば、例えば、図６に例示した配置（導波路１４に対して左側の位置）とは異なる位置（例えば、図６に例示した導波路１４に対して右側の位置）に配置してもよい。
【００７０】
第２実施形態のヒーター電極３２，３３は、コア層の温度制御が可能であれば、例えば、図１０に例示した配置（位相制御光導波路２５，２６間の内側の位置）とは異なる位置（例えば、位相制御光導波路２５，２６の外側の位置）に配置してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０，２０  光変調器
１２    基板
１３    コア層
１４    光導波路
１７，３２，３３  ヒーター電極
【図１】
2013254112.tif 000003
【図２】
2013254112.tif 000004
【図３】
2013254112.tif 000005
【図４】
2013254112.tif 000006
【図５】
2013254112.tif 000007
【図６】
2013254112.tif 000008
【図７】
2013254112.tif 000009
【図８】
2013254112.tif 000010
【図９】
2013254112.tif 000011
【図１０】
2013254112.tif 000012
【図１１】
2013254112.tif 000013
【図１２】
2013254112.tif 000014
【図１３】
2013254112.tif 000015