(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に設けられた光変調器と、
前記基板に設けられ、一端が前記光変調器の光出射側に接続され、他端が前記基板の端部にある光導波路と、
前記光導波路の経路上に設けられた、前記光導波路を導波する光の位相を調整する位相調整部と、
前記光導波路の経路上に設けられた、前記光導波路を導波する光のパワーを増幅する光増幅部と、を備え、
前記位相調整部の位相調整により、前記光導波路の前記一端と前記他端の間で生じる光の多重反射に起因し周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルの極小値又は極大値が、前記光変調器に入力する光の波長と一致し、エラーベクトル振幅が最小化された光半導体素子。
【請求項２】
前記光変調器の周波数応答特性は、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたず、
前記位相調整部の位相調整により、前記極小値と、前記光変調器に入力する光の波長とを一致させた、請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記光変調器の周波数応答特性は、０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもち、
前記位相調整部の位相調整により、前記極大値と、前記光変調器に入力する光の波長とを一致させた、請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項４】
光分岐部を備え、
前記光変調器、前記光導波路、前記位相調整部及び前記光増幅部を有する単位構造が複数並列に設けられ、
前記光分岐部で分岐された光が、複数の前記単位構造にそれぞれ入力され、
複数の前記単位構造のそれぞれに属する前記位相調整部は、独立に位相調整する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記光導波路の前記一端から前記他端までの距離が、前記透過率スペクトルのリップルの共振周波数間隔が前記光変調器に入力される通信信号の変調ボーレートの０．５倍から１．２５倍の間に略一致するように設定された請求項２に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記光変調器の周波数応答特性は、入力される通信信号の変調ボーレートの０．５倍から１．２５倍の間に略一致する周波成分に、ＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもち、
前記光導波路の前記一端から前記他端までの距離が、前記透過率スペクトルのリップルの共振周波数間隔が前記光変調器に入力される通信信号の変調ボーレートの０．５倍から１．２５倍の間に略一致するように設定された請求項３に記載の光半導体素子。
【請求項７】
請求項２に記載の光半導体素子と、
前記光導波路の前記他端から前記光半導体素子の外部に出射される変調光のパワーの一部を分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分岐された光を光パワーに応じた受光電流に変換する光受光部と、
前記受光電流を検知して、前記位相調整部に向かって位相調整信号を出力する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記位相調整信号として、直流成分である位相調整量に加え、前記位相調整量の１／１０程度の振幅であり、かつ前記光受光部が応答可能な低速な周波数のディザ信号を印加し、前記受光電流の交流成分および直流成分が最も小さくなるように、前記位相調整信号の直流成分の値を決定する、光制御装置。
【請求項８】
請求項３に記載の光半導体素子と、
前記光導波路の前記他端から前記光半導体素子の外部に出射される変調光のパワーの一部を分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分岐された光を光パワーに応じた受光電流に変換する光受光部と、
前記受光電流を検知して、前記位相調整部に向かって位相調整信号を出力する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記位相調整信号として、直流成分である位相調整量に加え、前記位相調整量の１／１０程度の振幅であり、かつ前記光受光部が応答可能な低速な周波数のディザ信号を印加し、前記受光電流の交流成分が最小となり、直流成分が最大となるように、前記位相調整信号の直流成分の値を決定する、光制御装置。
【請求項９】
請求項１に記載の前記光変調器、前記光導波路、前記位相調整部及び前記光増幅部を有する単位構造が２つ並列に設けられたことで提供された、第１単位構造及び第２単位構造と、
光のパワーを２つに等分割して、一方を前記第１単位構造の前記光変調器に入射させ、他方を前記第２単位構造の前記光変調器に入射させる光分岐部と、  
前記第１単位構造から出射された第１変調光と、前記第２単位構造から出射された第２変調光のうち、一方の偏波を回転し、他方の偏波を回転せず、これらを合波する偏波回転合波器と、
前記偏波回転合波器によって偏波多重された変調光のパワーの一部を分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分岐された光を光パワーに応じた受光電流に変換する光受光部と、
前記受光電流を検知して、前記第１単位構造の前記位相調整部と前記第２単位構造の前記位相調整部に向かって、２つの位相調整信号を出力する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記２つの位相調整信号として、直流成分である位相調整量に加え、前記位相調整量の１／１０程度の振幅であり、かつ前記光受光部が応答可能な低速な周波数であって、電気的に分離可能な程度に離れた異なる２つの周波数のディザ信号を印加し、前記受光電流の異なる２つの周波数の交流成分が最小となるように、かつ直流成分が最大又は最小となるように、前記２つの位相調整信号の直流成分の値を決定し、
前記制御部は、
前記光変調器の周波数応答特性が、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたないとき、前記受光電流の直流成分を最小に調整し、
前記光変調器の周波数応答特性が、０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつとき、前記受光電流の直流成分を最大に調整する、光制御装置。
【請求項１０】
前記光導波路の経路のうち、前記位相調整部と前記光増幅部より前記光変調器側の部分に設けられた第１回折格子を備えた請求項２又は３に記載の光半導体素子。
【請求項１１】
前記光導波路の経路のうち、前記位相調整部と前記光増幅部より前記基板の端部側に設けられた第２回折格子を備えた請求項１０に記載の光半導体素子。
【請求項１２】
前記光導波路の経路のうち、前記位相調整部と前記光増幅部より前記光変調器側の部分において、導波する光のモードの有効屈折率が変化する第１屈折率変化部が設けられた請求項２又は３に記載の光半導体素子。
【請求項１３】
前記光導波路の経路のうち、前記位相調整部と前記光増幅部より前記基板の端部側において、導波する光のモードの有効屈折率が変化する第２屈折率変化部が設けられた請求項１２に記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この開示は、光半導体素子と光制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  光通信では、光変調信号を生成するために、レーザダイオードに注入する電流量を制御することで、光出射パワーの大小に信号を載せる直接変調方式や、印加した電圧に応じて光を吸収するＥＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器や、印加電圧に応じて位相を変化させ、干渉によって光を消光するＭＺ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）変調器などを外部に配置し、レーザダイオードから出射される連続光を吸収させることで光出射パワーや光の位相に信号を載せる外部変調方式などが用いられている。これらの外部変調方式に用いられる変調器は、近年の半導体集積技術の成熟に伴い、光源であるレーザダイオードと集積することが多くなってきている。また、出射光パワーを増大するため、変調器にＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などの光増幅部を集積するような光半導体素子の構造も提案されてきている。【０００３】  しかし一般的に、これら異なる機能どうしの境界面で、光が通る光導波路のモードを完全に一致させることは困難であり、多少なりとも光の反射が発生することになる。また、光半導体素子の出射端面において、界面で光が反射して内部に戻ることを防止するため、光半導体素子の光の出射端面にはＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートを形成したり、端面に対して光導波路を斜めに形成するなどの構造を設けたりすることが一般的である。しかし、これも異なる機能どうしの境界面と同様に、光の反射を完全に抑制することは困難である。複数の反射点が存在する場合、それらの間で光が多重反射することで、ファブリーペローエタロンとしてはたらき、その透過率スペクトルは光の周波数に対して周期的に変動する特性をもつことになる。変調光は変調速度に応じた幅のスペクトルとなるため、複数の反射点を透過した後の変調工スペクトルが歪み、結果として変調信号の品質が劣化する。【０００４】  通常であればこれらの反射率は非常に低く抑えられるため、光半導体素子の変調特性を劣化させるほどの影響は生じないが、複数の反射境界の間にＳＯＡが形成される場合、反射戻り光も増幅され、結果として無視できない程度の特性劣化が発生する。【０００５】  前述の課題を解決するための技術として、ＳＯＡが集積されたＭＺ型の半導体変調器において、受動導波路と光増幅領域との界面に傾斜を形成することで、光増幅領域内への反射戻り光を抑制する技術が開示されている（非特許文献１）。この手法では、界面に傾斜を形成することで、界面で発生した反射光が光導波路に結合することを防ぎ、結果として光増幅領域内への反射戻り光を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１８／１３１２２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  特許文献１では、導波路と光増幅領域の界面に起因する反射による光増幅領域内の反射戻り光を抑制する構造が開示されているが、他の反射点、例えばＭＺ型の半導体変調器の出口部分に形成される光合波部からの反射などは考慮されておらず、また、製造ばらつきなども考えると、傾斜界面における完全に反射戻り光を抑制することも困難である。特に、ＳＯＡの光増幅利得が大きい場合、残留するのがわずかな反射であっても、透過率スペクトルは大きく変動することになる。【０００８】  本開示は上述の問題を解決するためになされたものであり、素子内の反射点から光増幅領域への反射戻り光を完全に抑制できずとも、信号光のスペクトルおよび時間波形への悪影響を抑制する光半導体素子と光制御装置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】
【０００９】  本願の開示にかかる光半導体素子は、基板と、該基板に設けられた光変調器と、該基板に設けられ、一端が該光変調器の光出射側に接続され、他端が該基板の端部にある光導波路と、該光導波路の経路上に設けられた、該導波路を導波する光の位相を調整する位相調整部と、該光導波路の経路上に設けられた、該導波路を導波する光のパワーを増幅する光増幅部と、を備え、該位相調整部の位相調整により、該光導波路の該一端と該他端の間で生じる光の多重反射に起因し周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルの極小値又は極大値が、該光変調器に入力する光の波長と一致し、エラーベクトル振幅が最小化される。【００１０】  本開示のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【００１１】  この開示によれば、位相調整部の位相調整により、光導波路の一端と他端の間で生じる光の多重反射に起因し周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルの極小値又は極大値を、該光変調器に入力する光の波長と一致させるので、信号光のスペクトルおよび時間波形への悪影響を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】光半導体素子の構成例を示す図である。
【図２】光半導体素子の構成例を示す図である。
【図３】変調光スペクトルの一例を示す図である。
【図４】透過率スペクトルの一例を示す図である。
【図５】透過率スペクトルの一例を示す図である。
【図６】透過率スペクトルの一例を示す図である。
【図７】透過率スペクトルの一例を示す図である。
【図８】変調光のコンステレーションの計算結果を示す。
【図９】変調光のコンステレーションの計算結果を示す。
【図１０】変調光のコンステレーションの計算結果を示す。
【図１１】変調光のコンステレーションの計算結果を示す。
【図１２】ＥＶＭの計算結果を示す図である。
【図１３】ＥＶＭの計算結果を示す図である。
【図１４】光制御装置の構成例を示す図である。
【図１５】位相調整信号の時間応答波形の例を示す図である。
【図１６】透過率スペクトルの一例を示す図である。
【図１７】位相調整信号の時間応答波形の例を示す図である。
【図１８】透過率スペクトルの一例を示す図である。
【図１９】位相調整信号の時間応答波形の例を示す図である。
【図２０】透過率スペクトルの一例を示す図である。
【図２１】位相調整信号の時間応答波形の例を示す図である。
【図２２】光制御装置の構成例を示す図である。
【図２３】光半導体素子の構成例を示す図である。
【図２４】光半導体素子の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】  実施の形態に係る光半導体素子と光制御装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１４】実施の形態１．  図１は、実施の形態１に係る光半導体素子１の構成例を示す平面図である。この光半導体素子１の各機能部分は１つの基板に形成されている。光半導体素子１は、基板に設けられた光変調器２を備えている。光変調器２の周波数応答特性は、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたない。光変調器２には、基板に設けられた光導波路３が接続されている。光導波路３の一端は光変調器２の光出射側に接続され、他端は基板の端部にある。光変調器２と光導波路３との界面は第１界面３１である。基板の端部と光導波路３との界面は第２界面３２である。第２界面３２は、光半導体素子１の端部と光導波路３との界面であるということもできる。この第２界面３２は、光導波路３を導波してきた光が光半導体素子１の外部に出射するポートである。光変調器２から出射する光は光導波路３によって導波され、外部に出射される。
【００１５】  光導波路３の経路上には、光導波路３を導波する光の位相を調整する位相調整部４と、光導波路３を導波する光のパワーを増幅する光増幅部５と、が設けられている。言いかえると、第１界面３１と第２界面３２の間の光導波路３上には、位相調整部４と光増幅部５が設けられる。位相調整部４は、注入電流、印加電圧又は熱などによって、導波する光の位相を調整できる。光増幅部５は、注入電流によって導波する光のパワーを増幅できる。
【００１６】  第１界面３１と第２界面３２との間で生じる光の多重反射に起因して、光の周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルが生じる。言いかえると、光導波路３の一端と他端の間で生じる光の多重反射に起因し周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルが生じる。実施の形態１では、位相調整部４の位相調整により、この透過率スペクトルの極小値と、光変調器に入力する光の波長とを一致させた。
【００１７】  ２つの光反射点があると、多重反射により透過率スペクトルはファブリーペローエタロンと同じ周期的なリップルを有する。変調光は変調速度に応じた一定のスペクトル幅をもつため、この光フィルタを透過すると、スペクトルが歪んで信号特性に影響を受け得る。しかし、前述のように光半導体素子１を構成し位相調整することで、複数の反射点を透過した後の変調光の信号品質を改善することが可能になる。
【００１８】  以下では、上記構造及び調整方法の効果について説明する。図２は、検討に用いた光半導体素子の構造を示す図である。光半導体素子１はインジウムリン材料をベースとした基板を有する。光変調器２として、偏波多重の多値強度位相変調に適した入れ子構造のＭＺ変調器を採用している。この光半導体素子１は、光の入力導波路６と、入力導波路６から入力した光を２つにパワー分岐する光分岐部７を備えている。光分岐部７は、例えばＹ分岐導波路又はＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ  Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）などで構成される。
【００１９】  光分岐部７で分岐された光は、それぞれ多値強度位相変調する入れ子のＭＺ変調器である光変調器２ａ、２ｂに入力される。光変調器２ａ、２ｂの出力に、それぞれ光導波路３ａ、３ｂが接続されている。光導波路３ａの経路上には、位相調整部４ａと光増幅部５ａが設けられている。光導波路３ｂの経路上には、位相調整部４ｂと光増幅部５ｂが設けられている。これらの各要素は、対応する図１の各要素と同様の機能を有する。位相調整部４ａ、４ｂはそれぞれ独立に、図１と同様に位相調整する。位相調整とは位相調整量の調整ということができる。
【００２０】  図３は、図２の光変調器２ａ、２ｂを用いて６５．７Ｇｂａｕｄの１６−ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調をした時の変調光のスペクトルの一例を示す。ここでは、光変調器２ａ、２ｂの周波数応答特性として、以下の文献の特性を想定した。  F. Hirose et al,“Compact InP MZM Optical Sub-Assembly with Built-in Electrical Filters by Three-Dimensional Packaging Technique,” WD2-3, Proc. OECC2019, 2019.
【００２１】  図３から、変調速度又は変調器の周波数応答帯域に従って、変調光スペクトルは一定の幅を有することがわかる。特にＱＡＭなどの位相変調の場合、図中相対周波数０ＧＨｚに相当する、光変調器２に入力する光の波長の輝線が消失し、ブロードなスペクトルとなる。
【００２２】  図４から図７は、多重反射による透過率スペクトルの一例を示す図である。これらのスペクトルは、界面３１と界面３２の間の距離は１．８２ ｍｍ、光導波路３の実効屈折率は３．３、界面３１と界面３２の光の反射率をそれぞれ５．７５％相当とし、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ:共振周波数間隔）が約２５ＧＨｚ、リップルの振幅が約１ｄＢとなる条件で得られた。実際には光の反射率はこれよりも十分に小さく、その代わりにＳＯＡによる光の増幅効果が加味されることになるが、界面３１と界面３２の光の反射率は、ＳＯＡの効果を反射率に含めた実効的な値であることに注意されたい。図４から図７は、位相調整部４の調整量を変化させた時の変化も表している。位相調整部４の位相調整量を変化させることで、透過率スペクトルを周波数方向にシフトさせることができる。光変調器２に入力する光の波長、すなわち相対周波数０ＧＨｚが透過率スペクトルのリップルの極大値と一致する場合を０度、極小値と一致する場合を１８０度と定義したとき、図４が０度、図５が６０度、図６が１２０度、図７が１８０度シフトしたときの透過率スペクトルである。
【００２３】  図８から図１１に、位相調整部４の位相調整量を変化させた時の光半導体素子１から出射される変調光のコンステレーションの計算結果を示す。図中丸で示されているのがシンボル判定時間における変調光の複素振幅であり、図中薄色の線が変調光の複素振幅の遷移の軌跡をそれぞれ示す。位相調整量は、図８が０度、図９が６０度、図１０が１２０度、図１１が１８０度である。
【００２４】  各位相調整量に対して、理想的なシンボル位置における複素振幅から、実際のシンボル判定時間における変調光の複素振幅の差を示す指標として一般的に用いられる変調精度（Ｅｒｒｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ, ＥＶＭ）を計算した結果を図１２に示す。図１２において、丸が計算結果を示し、点線が近似曲線を示す。
【００２５】  図１２より、位相調整量が１８０度、すなわち、光変調器２に入力する光の波長が透過率スペクトルのリップルの極小値と一致するように調整する場合に、最もＥＶＭが小さく、信号品質が良好な変調光となる。つまり、エラーベクトル振幅を最小化できる。前述の条件の場合、複数の反射点を透過した後の変調光スペクトルは、ＤＣから低周波成分が抑圧され、高周波成分が持ち上げられるため、イコライジングと同様の効果が得られることになっている。
【００２６】  図２のように、光変調器、光導波路、位相調整部及び光増幅部を有する単位構造が複数並列に設けられた構成においても、複数の単位構造のそれぞれに属する位相調整部を、独立に位相調整することで、ＥＶＭを小さくすることができる。
【００２７】  なお、最もＥＶＭが大きくなる位相調整量が０度、すなわち、光変調器２に入力する光の波長が透過率スペクトルのリップルの極大値と一致するように調整する場合、複数の反射点を透過した後の変調光スペクトルは、高周波成分が抑圧されるため、変調帯域が劣化するのと同様の現象となっている。
【００２８】  光半導体素子１、光変調器２、光導波路３、位相調整部４及び光増幅部５の形状、素材、位置関係は、上述のものに限定されず、様々な変形が可能である。例えば、位相調整部４と光増幅部５の位置を入れ替えてもよいし、光増幅部５を光半導体素子１の端面に接するように配置してもよい。この場合、光半導体素子１のサイズを小型化できるメリットがある。また、光変調器２は入れ子型のＭＺ変調器である必要はなく、単体のＭＺ変調器でも、ＥＡ変調器でもよい。また、光半導体素子１には、入力光を導入する入力導波路６ではなく、光源となるレーザダイオードそのものを集積してもよい。
【００２９】  以下の実施の形態においては、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００３０】実施の形態２．  実施の形態２に係る光半導体素子は実施の形態１の光半導体素子と類似するが、実施の形態２の光変調器２の周波数応答特性は、０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつ。さらに、実施の形態２では、位相調整部４の位相調整により、透過率スペクトルの極大値と、光変調器２に入力する光の波長とを一致させた。すなわち、界面３１と界面３２との間の光の多重反射に起因して光の周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルの極大値が、光変調器２に入力する光の波長と一致するように、位相調整部４の位相調整量を調整する。
【００３１】  実施の形態１においては、元々の光変調器２ａ、２ｂの周波数応答特性が、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたないような形状であるため、光の周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルの極小値が、光変調器２に入力する光の波長と一致するように位相調整部４の位相調整量を調整した。これにより、ＤＣから低周波成分を抑圧し、高周波成分を持ち上げるときに最も効果的になった。
【００３２】  しかし、例えば緩和振動周波数又はワイヤのインダクタンス成分に起因するピーキングが大きく、光変調器２が０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつような周波数応答特性を有する場合、実施の形態１とは反対の対応が必要となる。つまり、光変調器２に入力する光の波長が透過率スペクトルのリップルの極大値と一致するように調整することで、複数の反射点を透過した後の変調光スペクトルで高周波成分を抑圧できるため、信号品質が良好な変調光に整形することが可能となる。
【００３３】  実施の形態２においても図２のように、光変調器以降の構成を複数並列に備えたタイプの光半導体素子を採用し得る。
【００３４】実施の形態３．  実施の形態３に係る光半導体素子は、実施の形態１と同様、光変調器２の周波数応答特性が、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたない。さらに、位相調整部４の位相調整により、透過率スペクトルの極小値と、光変調器２に入力する光の波長とを一致させた。
【００３５】  実施の形態３では、光導波路３の一端から他端までの距離、つまり界面３１から界面３２までの距離が、前述した透過率ペクトルのリップルの共振周波数間隔（ＦＳＲ）が光変調器に入力される通信信号の変調ボーレートの０．５倍から１．２５倍の間に略一致するように設定されている。言いかえると、光の周波数に対して周期的に変動する透過率スペクトルのリップルの共振周波数間隔（ＦＳＲ）が、光変調器２の変調ボーレートの０．５倍から１．２５倍の間に略一致するように光導波路３の長さを設定した。
【００３６】  本実施の形態による効果を説明する。図１３は、実施の形態１と同様の方法を用いて、位相調整部４の調整量を変化させた時の光半導体素子１から出射する変調光のコンステレーションからＥＶＭを算出した結果を示す図である。図１３では、界面３１と界面３２との間で生じる光の多重反射に起因する、透過率スペクトルのリップルの共振周波数間隔（ＦＳＲ）をそれぞれ２５ＧＨｚ、３２．９ＧＨｚ、４９．３ＧＨｚ、６５．７ＧＨｚ、８２．１ＧＨｚ、９８．６ＧＨｚ、１３１．４ＧＨｚに設定している。一例として、ＥＶＭ＜１３％を基準とすると、ＦＳＲが３２．９ＧＨｚ、４９．３ＧＨｚ、６５．７ＧＨｚ、８２．１ＧＨｚの場合に、信号品質の改善効果が大きくなることがわかる。これは、本実施の形態では、ボーレートの１／２の基本周波数付近の周波数応答特性が強調される効果が得られることで、シンボル判定タイミングでの複素振幅のばらつきが強く抑圧されることに起因する。
【００３７】実施の形態４． 実施の形態４に係る光半導体素子は実施の形態３の光半導体素子に類似するが、光変調器２の周波数応答特性は、入力される通信信号の変調ボーレートの０．５倍から１．２５倍の間に略一致する周波成分に、ＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつ。実施の形態４における光導波路３の一端から他端までの距離は、実施の形態３と同様、透過率スペクトルのリップルの共振周波数間隔が光変調器に入力される通信信号の変調ボーレートの０．５倍から１．２５倍の間に略一致するように設定されている。
【００３８】  さらに、位相調整部４の位相調整により、透過率スペクトルの極大値と、光変調器２に入力する光の波長とを一致させた。
【００３９】  実施の形態３においては、元々の光変調器２ａ、２ｂの周波数応答特性が、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたないような形状であるため、光の周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルの極小値が光変調器２に入力する光の波長と一致するように、位相調整部４の位相調整量を調整するときに最も効果的になった。
【００４０】  しかし、例えば緩和振動周波数又はワイヤのインダクタンス成分に起因するピーキングが大きく、光変調器２が、変調ボーレートの０．５倍から１．２５倍の間に略一致する周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつ周波数応答特性を有する場合がある。この場合、実施の形態３とは反対に、光変調器２に入力する光の波長が透過率スペクトルのリップルの極大値と一致するように位相調整することで、複数の反射点を透過した後の変調光スペクトルで高周波成分を抑圧できるため、信号品質が良好な変調光に成型することが可能となる。
【００４１】実施の形態５．  図１４は、実施の形態５に係る光制御装置の構成例を示す図である。実施の形態５に係る光制御装置は実施の形態１の変形例である。実施の形態５に係る光変調器２の周波数応答特性は、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたない。光導波路３の他端である半導体素子の第２界面３２から出射する変調光１６のパワーの一部はビームスプリッタ１７で分岐される。ビームスプリッタ１７で分岐された光は、光受光部８によって、光パワーに応じた受光電流に変換される。光受光部８は例えば半導体フォトダイオードである。この受光電流は制御部１０によって検知される。制御部１０は、受光電流を検知し、位相調整部４に向かって位相調整信号１１を出力する。
【００４２】  制御部１０は、位相調整信号１１として、直流成分である位相調整量に加え、位相調整量の１／１０程度の振幅であり、かつ光受光部８が応答可能な低速な周波数のディザ信号を印加し、受光電流１９の交流成分および直流成分が最も小さくなるように、位相調整信号１１の直流成分の値を決定する。ここでディザ信号は例えば、１ｋＨｚ程度の矩形波状の交流成分である。このように、制御部１０は、直流成分である位相調整量に加え、例えば位相調整量の１／１０程度の十分に小さな振幅かつ光受光部８が応答可能な十分に低速なディザを印加し、光受光部８で生成された受光電流１９の交流成分および直流成分が最も小さくなるように、位相調整信号１１の直流成分の値を決定する、
【００４３】  本実施の形態による効果を説明する。図１５は、位相調整信号１１の時間応答波形を模式的に示したグラフである。直流成分に対して交流成分が重畳されている。この時、図１６に示すように、透過率スペクトルが周波数に対して交流成分に応じて揺れることになり、光に対する透過率スペクトルが変動する。その結果、光と透過率スペクトルの位相関係によって、受光電流１９の時間応答波形が変化する。
【００４４】  図１７は、図１６のように位相調整点が透過率スペクトルのリップルの途中にある場合で、受光電流１９は位相調整信号１１と類似の時間波形となる。図１８、１９は、位相調整部４の調整量が０度、すなわち光変調器２に入力する光の波長が透過率スペクトルのリップルの極大値と一致する場合の光と透過率スペクトルの位相関係および、受光電流１９の時間応答波形を示す。この場合、透過率スペクトルのリップルの極大点を中心に透過率が揺らぐことになるため、交流成分の振幅は図１７の状態よりも小さくなり、また、直流成分は最大となる。
【００４５】  図２０、２１は、位相調整部４の調整量が１８０度、すなわち光変調器２に入力する光の波長が透過率スペクトルのリップルの極小値と一致する場合の光と透過率スペクトルの位相関係および、受光電流１９の時間応答波形を示す。この場合、透過率スペクトルのリップルの極小点を中心に透過率が揺らぐことになるため、交流成分の振幅は図１７の状態よりも小さく図１９と同程度となり、直流成分は最小となる。
【００４６】  以上より、本実施の形態のように、光受光部８で生成された受光電流１９の交流成分および直流成分が最も小さくなるように、位相調整信号１１の直流成分の値を決定することで、自動的に所望の位相調整量に調整することが可能となる。
【００４７】実施の形態６．  実施の形態６に係る光制御装置は、図１４の光制御装置と同様の構成を有する。したがって、実施の形態６に係る光制御装置は、光導波路３の他端から光半導体素子１の外部に出射される変調光１６のパワーの一部を分岐するビームスプリッタ１７と、ビームスプリッタ１７で分岐された光を光パワーに応じた受光電流に変換する光受光部８と、受光電流１９を検知して位相調整部４に向かって位相調整信号１１を出力する制御部１０と、を備えている。
【００４８】  実施の形態６に係る光制御装置は、実施の形態２の変形例である。光変調器２の周波数応答特性は、０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつ。制御部１０は、位相調整信号として、直流成分である位相調整量に加え、位相調整量の１／１０程度の振幅であり、かつ光受光部８が応答可能な低速な周波数のディザ信号を印加し、受光電流の交流成分が最小となり、直流成分が最大となるように、位相調整信号の直流成分の値を決定する。ディザ信号は例えば１ｋＨｚ程度の矩形波状の交流成分である。このように、位相調整信号１１の直流成分は、直流成分である位相調整量に加え、例えば位相調整量の１／１０程度の十分に小さな振幅、かつ光受光部８が応答可能な十分に低速なディザを印加し、光受光部８で生成された受光電流１９の交流成分が最小となり直流成分が最も大きくなるように、決定する。
【００４９】  実施の形態５においては、元々の光変調器２ａ、２ｂの周波数応答特性が、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたない形状であった。そのため、光の周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルの極小値が光変調器２に入力する光の波長と一致するように、位相調整部４の位相調整量を調整するときに最も効果的になった。
【００５０】  しかし、例えば緩和振動周波数又はワイヤのインダクタンス成分に起因するピーキングが大きく、光変調器２が０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつ周波数応答特性を有する場合、実施の形態５とは反対に、光変調器２に入力する光の波長が透過率スペクトルのリップルの極大値と一致するように調整することで、複数の反射点を透過した後の変調光スペクトルで高周波成分を抑圧できる。これは、信号品質が良好な変調光に整形することを可能とする。
【００５１】  図１８、１９で示すように、位相調整部４の調整量が０度、すなわち光変調器２に入力する光の波長が透過率スペクトルのリップルの極大値と一致する場合、透過率スペクトルのリップルの極大点を中心に透過率が揺らぐことになる。そのため、交流成分の振幅は図１７の状態よりも小さくなり、直流成分は最大となる。以上より、本実施の形態のように、光受光部８で生成された受光電流１９の交流成分が最小となり、かつ直流成分が最も大きくなるように、位相調整信号１１の直流成分の値を決定することで、自動的に所望の位相調整量に調整することが可能となる。
【００５２】実施の形態７．  実施の形態７の光制御装置は、実施の形態５, ６の変形例である。図２２は、実施の形態７に係る光制御装置の構成例を示す図である。この光制御装置は、入力した光を２つに等パワー分岐する機能をもつ光分岐部７を備えている。光分岐部７は例えばＹ分岐導波路又はＭＭＩである。
【００５３】  光変調器２ａ、光導波路３ａ、位相調整部４ａ及び光増幅部５ａを有する第１単位構造と、光変調器２ｂ、光導波路３ｂ、位相調整部４ｂ及び光増幅部５ｂを有する第２単位構造とが設けられている。第１単位構造と第２単位構造は、並列に設けられている。一例によれば、光変調器２ａ、２ｂは、それぞれ多値強度位相変調する入れ子のＭＺ変調器である。第１界面３１ａと第２界面３２ａの間に位相調整部４ａと光増幅部５ａがある。第１界面３１ｂと第２界面３２ｂの間に位相調整部４ｂと光増幅部５ｂがある。光分岐部７は、光のパワーを２つに等分割して、一方を第１単位構造の光変調器２ａに入射させ、他方を第２単位構造の光変調器２ｂに入射させる。
【００５４】  第１単位構造から出射された第１変調光３８ａと、第２単位構造から出射された第２変調光３８ｂのうち、一方の偏波を回転し、他方の偏波を回転せず、これらを合波する偏波回転合波器が提供される。偏波回転合波器の一例として、図２２には、光学プリズム群３９、４０が示されている。光学プリズム群３９、４０によって、第２界面３２ａ、３２ｂから出射する第１変調光８ａ、第２変調光８ｂの、一方の変調光の偏波が回転され、それらを合波する。
【００５５】  偏波回転合波器によって偏波多重された変調光のパワーの一部は、ビームスプリッタ１７によって分岐される。具体的には、光学プリズム群９、１０によって偏波多重された偏波多重変調光３８ｃのパワーの一部が、ビームスプリッタ１７によって分岐される。
【００５６】  光受光部１２は、ビームスプリッタ１７で分岐された光を光パワーに応じた受光電流に変換する。光受光部１２は例えば半導体フォトダイオードである。制御部１４は、光受光部１２で生成された受光電流１３を検知して、位相調整部４ａ、４ｂの位相調整信号１５ａ、１５ｂを出力する。
【００５７】  ２つの位相調整信号１５ａ、１５ｂについて説明する。制御部１４は、２つの位相調整信号１５ａ、１５ｂとして、直流成分である位相調整量に加え、例えば位相調整量の１／１０程度の振幅であり、かつ光受光部が応答可能な低速な周波数であって、電気的に分離可能な程度に離れた異なる２つの周波数のディザ信号を印加し、受光電流の異なる２つの周波数の交流成分が最小となるように、かつ直流成分が最大又は最小となるように、２つの位相調整信号の直流成分の値を決定する。ここで、「電気的に分離可能な程度に離れた異なる２つの周波数のディザ信号」は例えば、１ｋＨｚ程度と１００ｋＨｚ程度の矩形波状の交流成分であるディザである。
【００５８】  ここで、制御部１４は、  ・光変調器の周波数応答特性が、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたないとき、受光電流の直流成分を最小に調整し、  ・光変調器の周波数応答特性が、０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつとき、受光電流の直流成分を最大に調整する。
【００５９】  本実施の形態のように、位相調整部４ａ、４ｂに印加するディザの周波数を異なるものとすることで、２つの変調光３８ａ、３８ｂが偏波多重化された後の受光電流１３の交流成分を制御部１４で周波数分離することができる。その結果、１つの光を検出するだけで２つの異なる制御を実行することが可能となり、小型かつ低コストな光制御装置を実現することができる。なお、光制御装置の形状、素材及び位置関係は本実施の形態に限る必要はない。例えば、光学プリズム群３９、４０、ビームスプリッタ１７、光受光部１２などは、本実施の形態では空間光学系で形成しているが、例えばシリコン又はインジウムリンなどの半導体材料上に形成した同様の機能を有する平面光学系であってもよいし、ＰＬＣ（Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのようなガラス材料であってもよいし、それらを組み合わせたものであってもよい。
【００６０】実施の形態８．  図２３は、実施の形態８に係る光半導体素子の構成例を示す図である。実施の形態８に係る光半導体素子は、実施の形態１又は２の変形例であり、光導波路３の経路のうち、位相調整部４と光増幅部５より光変調器２側の部分に設けられた第１回折格子５０を備えている。第１回折格子５０は、光変調器２に入力する光の波長の光を一部反射する。一例によれば、第１回折格子５０に加えて第２回折格子５２を設けてもよい。第２回折格子５２は、光導波路３の経路のうち、位相調整部４と光増幅部５より基板の端部側に設けられている。第２回折格子５２は、光変調器２に入力する光の波長の光を一部反射する。
【００６１】  回折格子６０と光半導体素子１の端面間、又は回折格子５０、５２間で生じる光の多重反射に起因して、透過率スペクトルは、光の周波数に対して周期的に変動するリップルを有する。位相調整部４の位相調整により、透過率スペクトルの極小値又は極大値と、光変調器に入力する光の波長とを一致させた。
【００６２】  ここで、透過率スペクトルの極小値と光変調器に入力する光の波長とを一致させるのは、光変調器２の周波数応答特性が、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたない場合である。他方、透過率スペクトルの極大値と光変調器に入力する光の波長とを一致させるのは、光変調器２の周波数応答特性が０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつ場合である。
【００６３】  実施の形態８に係る光半導体素子によれば、あらかじめ光の反射点を人工的に形成することで、透過率スペクトルにおける光の周波数に対して周期的に変動するリップルのＦＳＲ（共振周波数間隔）を所望の値に設定することができる。これは、光半導体素子１の製造ばらつきの影響を低減しつつ、複数の反射点を透過した後の変調光の信号品質改善を可能とする。製造ばらつきに対する制御性の観点では、回折格子は２か所に設けるほうが優れている。他方、回折格子を１か所にする場合は制御性には劣るが、デバイスをより小型に製造することができ、サイズと製造ばらつき耐性の両方を改善することができる。
【００６４】実施の形態９．  図２４は、実施の形態９に係る光半導体素子の構成例を示す図である。実施の形態９に係る光半導体素子は、実施の形態１又は２の変形例であり、基板の一部に屈折率変調領域７０を備えている。屈折率変調領域７０は、光変調器２と位相調整部４の間の位置から、光半導体素子１の端面まで、又は光変調器２と位相調整部４の間の位置から光増幅部５と光半導体素子１の端面との間まで設けられている。屈折率変調領域７０が提供されたことで、この領域は、光導波路３上を導波する光のモードの有効屈折率が他とは異なる。
【００６５】  屈折率変調領域７０が提供されたことで、光導波路３の経路のうち、位相調整部４と光増幅部５より光変調器２側の部分において、導波する光のモードの有効屈折率が変化する第１屈折率変化部が生じる。さらに、屈折率変調領域７０の端部が光増幅部５と光半導体素子１の端部との間にある場合には、光導波路の経路のうち、位相調整部４と光増幅部５より基板の端部側において、導波する光のモードの有効屈折率が変化する第２屈折率変化部が生じる。
【００６６】  屈折率変調領域７０とそれ以外の領域の界面間で生じる光の多重反射に起因して、透過率スペクトルには、光の周波数に対して周期的に変動するリップルが生じる。位相調整部４の位相調整量の調整により、透過率スペクトルの極小値又は極大値が、光変調器２に入力する光の波長と一致する。
【００６７】  ここで、透過率スペクトルの極小値と光変調器２に入力する光の波長とを一致させるのは、光変調器の周波数応答特性が、全周波数にわたってＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもたない場合である。他方、透過率スペクトルの極大値と光変調器２に入力する光の波長とを一致させるのは、光変調器の周波数応答特性が０ＧＨｚではない高周波成分にＤＣ成分に比して３ｄＢを超過するピークをもつ場合である。
【００６８】  光導波路３上を導波する光のモードの有効屈折率が、他とは異なる導波路構造をしている屈折率変調領域７０の具体的構造は、例えば光導波路直下にエアギャップを形成する構造、光導波路のクラッドとしてＢＣＢのように屈折率が異なる材料で埋め込んだ構造、光導波路３において光が主に閉じ込められるコア層の中心位置を等しく保ったまま幅をわずかに変化させる構造など、様々に考えることができる。
【００６９】  実施の形態９に係る光半導体素子によれば、実施の形態８と同様に、あらかじめ光の反射点を人工的に形成することで、透過率スペクトルにおける光の周波数に対して周期的に変動するリップルのＦＳＲを所望の値に設定することができる。これは、光半導体素子１の製造ばらつきの影響を低減しつつ、複数の反射点を透過した後の変調光の信号品質を改善することを可能とする。製造ばらつきに対する制御性の観点では、屈折率変調領域７０は、光変調器２と位相調整部４の間から、光増幅部５と光半導体素子１の端面との間まで設けるほうが優れている。一方、屈折率変調領域７０を、光変調器２と位相調整部４の間から光半導体素子１の端面まで設ける場合は、制御性には劣るが、デバイスをより小型に製造することができ、サイズと製造ばらつき耐性の両方を改善することができる。
【符号の説明】
【００７０】  ２  光変調器、  ３  光導波路、  ４  位相調整部、  ５  光増幅部、  ３１  第１界面、  ３２  第２界面
【要約】  基板と、該基板に設けられた光変調器（２）と、該基板に設けられ、一端が該光変調器（２）の光出射側に接続され、他端が該基板の端部にある光導波路（３）と、該光導波路（３）の経路上に設けられた、該光導波路（３）を導波する光の位相を調整する位相調整部（４）と、該光導波路（３）の経路上に設けられた、該光導波路（３）を導波する光のパワーを増幅する光増幅部（５）と、を備え、該位相調整部（４）の位相調整により、該光導波路（３）の該一端と該他端の間で生じる光の多重反射に起因し周波数に対して周期的に変動するリップルを有する透過率スペクトルの極小値又は極大値が、該光変調器（２）に入力する光の波長と一致し、エラーベクトル振幅が最小化される。【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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