JP2004157203A - 光変調装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速、かつ低駆動電圧で高消光比な光変調装置を提供する。
【解決手段】光入力信号ａを２つに分岐して出力する光２分波器１１と、光２分波器１１の出力側の一方に接続され、光信号の光強度を変調するＬＮ−ＭＺＭ１と、光２分波器１１の出力側の他方に接続された光導波路１２と、ＬＮ−ＭＺＭ１の出力側と光導波路１２の出力側とが接続され、２つの光信号ｃ１、ｃ２を合波して出力する光合波器１５とを有し、光合波器１５に入力される２つの光信号ｃ１、ｃ２の位相差を半波長にする光位相調整手段として、光信号の位相を調整する電極１３を光導波路１２に設けた光変調装置。
【選択図】 図１
【解決手段】光入力信号ａを２つに分岐して出力する光２分波器１１と、光２分波器１１の出力側の一方に接続され、光信号の光強度を変調するＬＮ−ＭＺＭ１と、光２分波器１１の出力側の他方に接続された光導波路１２と、ＬＮ−ＭＺＭ１の出力側と光導波路１２の出力側とが接続され、２つの光信号ｃ１、ｃ２を合波して出力する光合波器１５とを有し、光合波器１５に入力される２つの光信号ｃ１、ｃ２の位相差を半波長にする光位相調整手段として、光信号の位相を調整する電極１３を光導波路１２に設けた光変調装置。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の光強度を変調する光変調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムでは、基本部品の光ゲート素子として、小型で安定な電気−光（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ）素子であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を材料とし、これを用いた光位相変調器とマッハツェンダー干渉計とを組み合わせた光強度変調器（ＬＮ−ＭＺＭ：Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ Ｍａｃｈｚｈｅｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などが用いられている。将来の超高速光通信システムの実現には、この光強度変調器の高速化とともに、低駆動電圧化、高消光比化が求められている。
【０００３】
従来の光変調装置の一例として、ＬＮ−ＭＺＭの構成を図６に示す（非特許文献１参照）。
【０００４】
ＬＮ−ＭＺＭ１は、光信号を２つに分岐して出力する３ｄＢ光２分波部３と、２つに分岐された光信号を１つに合波して出力する光合波部９と、光２分波部３と光合波部９との間に並列に接続される２本の光導波路４、５とを有している。一方の光導波路５の近傍には、光導波路５を伝搬する光信号の位相を変調させる進行波電極６が設けられており、光導波路５及び進行波電極６により光位相変調部７を構成する。進行波電極６には、各々電気入力用、電気出力用となる２つの引き出し電極８ａ、８ｂが接続されており、電気出力用となる引き出し電極８ｂの外部には終端抵抗が接続されている。これらは、全てニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板２上に形成されている。
【０００５】
光導波路４、５の長さは、同じ長さに設定されており、全体としてマッハツェンダー干渉計となる。つまり、ＬＮ−ＭＺＭ１は、光位相変調部７とマッハツェンダー干渉計とを組み合わせることで光強度変調器として機能することとなる。
【０００６】
次に、従来の光変調装置の一例であるＬＮ−ＭＺＭ１の動作について、図６を用いて説明する。
【０００７】
光入力信号ａは、光２分波部３によって２分岐され、同位相で光導波路４、光位相変調部７にそれぞれ入力される。進行波電極６に電圧が印可されない場合、光位相変調部７からの出力光ｂ１（光合波部９への一方の入力光）の位相と、光導波路４からの出力光ｂ２（光合波部９への他方の入力光）の位相とは同位相であるため、光合波部９で出力光ｂ１と出力光ｂ２が合波されると、干渉により強め合って光出力信号ｅが出力され、オン状態となる。一方、出力光ｂ１と出力光ｂ２との位相差が半波長となるように、進行波電極６に印加される電圧（電気制御信号ｆ）を設定すると、光合波部９を通過する際に出力光ｂ１と出力光ｂ２が干渉により打ち消しあい、出力信号光ｅは完全に消光され、オフ状態となる。上記オン状態、オフ状態を制御することにより、ＬＮ−ＭＺＭ１を光ゲート素子として用いている。
【０００８】
【非特許文献１】
齋藤 富士郎著「超高速光デバイス」共立出版株式会社、１９９８年６月１５日、ｐ．１２２−１２８
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光変調装置であるＬＮ−ＭＺＭは、位相変調に用いている電気−光学効果が小さく、高い消光比を得るためには、駆動電圧が高くなるという問題があった。又、高い消光比を維持したまま低駆動電圧化を図るためには、位相変調部を長くしなければならず、素子（装置）サイズが大きくなるとともに、進行波電極も長くなるため、高周波電気信号の損失が大きくなり、高速化が困難になるという問題もあった。
【００１０】
つまり、従来の光変調装置では、消光比と駆動電圧及び消光比と高速性がトレードオフの関係にあり、高速性と低駆動電圧と高消光比とを同時に達成することは困難であった。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、高速、かつ低駆動電圧で高消光比な光変調装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る光変調装置は、光信号を２つに分岐して出力する光分波器と、前記光分波器の出力側の一方に接続され、光信号の光強度を変調する光強度変調器と、前記光分波器の出力側の他方に接続された光導波路と、前記光強度変調器の出力側と前記光導波路の出力側とが接続され、２つの光信号を合波して出力する光合波器と、前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差を半波長にする光位相調整手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る光変調装置は、前記光位相調整手段として、前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差を半波長にするように、前記光導波路の長さを設定したことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る光変調装置は、前記光位相調整手段として、光信号の位相を調整する電極を前記光導波路に設けたことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る光変調装置は、前記光位相調整手段として、光信号の位相を調整する電極を有する光導波路を、前記光分波器と前記光強度変調器との間、又は前記光強度変調器と前記光合波器との間に設けたことを特徴とする
【００１６】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る光変調装置は、前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差が半波長となるように、前記電極に印可される電圧を設定したことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する本発明の請求項６に係る光変調装置は、前記光合波器に入力される２つの光信号の光強度が同じになるように、前記光強度変調器を設定することで、当該光変調装置をオフ状態とし、前記光合波器に入力される２つの光信号の内、前記光強度変調器からの光信号が十分小さくなるように、前記光強度変調器を設定することで、当該光変調装置をオン状態としたことを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する本発明の請求項７に係る光変調装置は、前記光強度変調器が、マッハツェンダー型光強度変調器又は半導体を用いた電界吸収型光変調器であることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光変調装置は、従来の光強度変調器に、光信号の位相を調整する光位相調整手段を設けて、低駆動電圧で高速性及び高消光比を両立させるものである。これを実現する本発明に係る実施形態の具体例を以下に示し、図面を用いて詳細に説明する。なお、図面において、同等の機能を有するものには、同一の符号を付す。
【００２０】
（実施例１）
図１は、本発明に係る実施形態の一例を示す実施例１の光変調装置の構成図である。
【００２１】
本実施例の光変調装置は、光信号を２つに分岐して出力する光２分波器１１と、２つの光信号を１つに合波して出力する光合波器１５と、光２分波器１１の出力側と光合波器１５の入力側との間の一方側を接続する光強度変調器であるＬＮ−ＭＺＭ１と、他方側を接続する光導波路１２とを有している。つまり、光２分波器１１と光合波器１５との間に、ＬＮ−ＭＺＭ１と光導波路１２が並列に接続されている構成である。光導波路１２の近傍には、光導波路１２を伝搬する光信号の位相を調整する電極１３が設けられており、電極１３には外部への引き出し電極１４が接続されている。つまり、光位相調整手段となる光導波路１２及び電極１３は、電極１３に電圧を印可することによって、光導波路１２内を伝搬する光信号の位相を変化させることができる。なお、図１では、電極１３と対となる電極は省略した。
【００２２】
ＬＮ−ＭＺＭ１は光信号の光強度を変調する光強度変調器として機能し、その構成は、図６に示した従来の光変調装置と同等である。即ち、ＬＮ−ＭＺＭ１は、光信号を２つに分岐して出力する光２分波部３と、２つの光信号を１つに合波して出力する光合波部９と、光２分波部３と光合波部９との間に並列に接続される２本の光導波路４、５とを有しており、一方の光導波路５の近傍に、光導波路５を伝搬する光信号の位相を変調させる進行波電極６を設けることで、光導波路５及び進行波電極６による光位相変調部７を構成し、進行波電極６に電気入力用、電気出力用となる２つの引き出し電極８ａ、８ｂが接続されているものである。このＬＮ−ＭＺＭ１の入力側が光２分波器１１の出力側の一つに接続され、ＬＮ−ＭＺＭ１の出力側が光合波器１５入力側の一つに接続されて、光変調装置を構成している。
【００２３】
つまり、本実施例の光変調装置は、従来の光変調装置であるＬＮ−ＭＺＭ１に、光信号の位相を調整する光導波路１２、電極１３を並列に設け、それらに入出力する光信号を、光２分波器１１と光合波器１５により、各々分波、合波するようにした構成と言える。
【００２４】
本実施例の光変調装置を構成するものは、全てニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板２上にモノリシック集積されており、ＬＮ−ＭＺＭ１の他、光２分波器１１、光導波路１３、光合波器１５もニオブ酸リチウムを材料として形成されている。これは、後述する実施例２の光変調装置でも同様である。
【００２５】
次に、本実施例の光変調装置の動作について、図１を用いて説明する。
光入力信号ａは光２分波器１１によって２分岐され、同位相でＬＮ−ＭＺＭ１、光導波路１２にそれぞれ入力される。ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１（光合波器１５への一方の入力光）と、光導波路１２からの出力光ｃ２（光合波器１５への他方の入力光）とが光合波器１５で合波する際に、出力光ｃ１、出力光ｃ２の位相差が半波長となるように、電極１３に電圧を印可しておき、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１の光強度が、光導波路１２からの出力光ｃ２の光強度と同じになるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器１５を通過する際に出力光ｃ１と出力光ｃ２が干渉により打ち消しあい、出力信号光ｅは完全に消光され、本光変調装置はオフ状態となる。
【００２６】
一方、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１の光強度が、光導波路１２からの出力光ｃ２の光強度よりも十分小さくなるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器１５を通過する際に光導波路１２からの出力光ｃ２の光強度が半分になるものの、光出力信号ｅとして外部に出力され、本光変調装置はオン状態となる。つまり、出力光ｃ１と出力光ｃ２は、位相差が半波長あるため、光合波器１５を通過する際に干渉により打ち消しあおうとするが、出力光ｃ１の光強度が十分に小さいため、出力光ｃ２の光強度が半分になって出力信号光ｅとして出力される。なお、出力信号光ｅが小さくなる場合には、光増幅器にて増幅すればよい。
【００２７】
ここで、光入力信号ａの光強度をＰｉｎ、印可する電圧によって変化するＬＮ−ＭＺＭ１の可変透過損をＬＯＳＳとすると、光出力信号ｅの光強度Ｐｏｕｔは、以下の数式で表される。
Ｐｏｕｔ＝（１−ＬＯＳＳ）２／４×Ｐｉｎ ・・・ （１）
なお、上記数式（１）を簡単にするため、光２分波器１１、光合波器１５の分岐比をそれぞれ１：１とし、光２分波器１１、光導波路１２、光合波器１５のそれぞれの透過損と、電気制御信号ｆの電圧をＬＮ−ＭＺＭ１の最大透過状態に設定した際のＬＮ−ＭＺＭ１の透過損は無視している。
【００２８】
図２は、数式（１）から計算された本光変調装置の透過損とＬＮ−ＭＺＭ１の可変透過損との関係を示すグラフである。
【００２９】
図２に示すように、本実施例の光変調装置は、透過状態で原理的に６ｄＢの透過損を有する。しかしながら、消光状態（光強度変調器ＬＮ−ＭＺＭ１の可変透過損が０ｄＢの場合）では、光変調装置全体の透過損は無限大となる。又、例えば、ＬＮ−ＭＺＭ１の消光比（透過損）が小さく５ｄＢ程度である場合、光変調装置全体の原理的透過損は９ｄＢ程度と大きくなるものの、この場合でも消光状態での消光比（透過損）は無限大である。つまり、本実施例の光変調装置を構成する光強度変調器として、高速ではあるが消光比の低いＬＮ−ＭＺＭを用いた場合でも、光変調装置全体としては、高速性を維持したまま高い消光比を実現できることとなる。又、駆動電圧を低くして消光比が低い状態でＬＮ−ＭＺＭ１を用いた場合でも、光変調装置全体としては、高い消光比を実現できることとなる。したがって、上記構成とすることで、高速性、低駆動電圧、高消光比を同時に達成する光変調装置を実現できることとなる。
【００３０】
実際の素子（光変調装置）では、光導波路１２の透過損と、印可される電圧を最大透過状態に設定した際のＬＮ−ＭＺＭ１の透過損は有限の値を持っているため、ＬＮ−ＭＺＭ１に印可される電圧をＬＮ−ＭＺＭ１の最大透過状態に設定した際、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１と光導波路１２からの出力光ｃ２の光強度が同じになるように、光２分波器１１の分岐比を設定するか、もしくは、光合波器１５で合波される際に出力光ｃ１及び出力光ｃ２が同じ強度となるように、光合波器１５の分岐比を設定するのが望ましい。
【００３１】
なお、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１と光導波路１２からの出力光ｃ２が光合波器１５で合波される際に、その位相差が半波長となるように、光導波路１２の長さを設定することで、電極１３、引き出し電極１４を省略することができる。つまり、出力光ｃ１と出力光ｃ２との位相差が半波長となるような長さを有する光導波路１２自体が、光位相調整手段となる。
【００３２】
但し、実際の作製において、作製誤差により、位相差が半波長となるように光導波路１２の長さを設定できない場合には、電極１３、引き出し電極１４を省略することはできない。しかし、電極１３に与える電圧は、作製誤差を吸収するために必要な電圧でよいため、光導波路１２の長さを位相差が半波長となるように設定していない場合と比較して、電極１３に与える電圧を低い電圧にすることができる。
【００３３】
（実施例２）
図３は、本発明に係る実施形態の一例を示す実施例２の光変調装置の構成図である。
【００３４】
本実施例の光変調装置も、従来の光強度変調器に、光信号の位相を調整する光位相制御手段を設けた構成であり、図１において示した実施例１の光変調装置と同等のものから構成されている。相違点としては、図１における光導波路１２での電極１３、引き出し電極１４を無くし、光強度変調器であるＬＮ−ＭＺＭ１と光２分波器１１との間に、光位相制御手段となる光導波路１６、電極１７及び引き出し電極１８を設けたことである。つまり、実施例１では、光信号の位相調整を出力光ｃ２に対して行なっていたが、本実施例では、ＬＮ−ＭＺＭ１と位相調整部（光導波路１６、電極１７）とを直列に接続することで、光信号の位相調整を出力光ｃ１に対して行うようにしたものである。なお、ＬＮ−ＭＺＭ１と位相調整部（光導波路１６、電極１７）との接続順を逆にしてもよい。
【００３５】
次に、本実施例の光変調装置の動作について、図３を用いて説明する。
光入力信号ａは光２分波器１１によって２分岐され、同位相で光導波路１６、光導波路１２にそれぞれ入力される。出力光ｃ１と出力光ｃ２とが光合波器１５で合波する際に、位相差が半波長となるように、電極１７に電圧を印可しておき、出力光ｃ１の光強度が、出力光ｃ２の光強度と同じになるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器１５を通過する際に出力光ｃ１と出力光ｃ２が干渉により打ち消しあい、出力信号光ｅは完全に消光され、本光変調装置はオフ状態となる。
【００３６】
一方、出力光ｃ１の光強度が、出力光ｃ２の光強度よりも十分小さくなるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器１５を通過する際に出力光ｃ２の光強度が半分になるものの、光出力信号ｅとして外部に出力され、本光変調装置はオン状態となる。なお、出力信号光ｅが小さくなる場合には、光増幅器にて増幅すればよい。
【００３７】
このような構成とすることで、高速性、低駆動電圧、高消光比を同時に達成する光変調装置を実現できるとともに、全ての引き出し電極８ａ、８ｂ、１８を、素子（光変調装置）の片側に集めることができ、モジュール化する際に電気実装を容易にすることができる。
【００３８】
なお、実施例１と同様に、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１と光導波路１２からの出力光ｃ２が光合波器１５で合波する際に、その位相差が半波長となるように、光導波路１２の長さを設定することで、電極１７、引き出し電極１８を省略することができる。つまり、出力光ｃ１と出力光ｃ２との位相差が半波長となるような長さを有する光導波路１２自体が、光位相調整手段となる。
【００３９】
但し、実際の作製において、作製誤差により、位相差が半波長となるように光導波路１２の長さを設定できない場合には、電極１７、引き出し電極１８を省略することはできない。しかし、電極１７に与える電圧は、作製誤差を吸収するために必要な電圧でよいため、光導波路１２の長さを位相差が半波長となるように設定していない場合と比較して、電極１７に与える電圧を低い電圧にすることができる。
【００４０】
上記実施例１及び実施例２の光変調装置では、従来のＬＮ−ＭＺＭの作製プロセスと同じプロセスを用いることができ、マスクレイアウトの変更のみで容易に実現することができる。
【００４１】
又、上記実施例１及び実施例２の光変調装置では、光強度変調器としてＬＮ−ＭＺＭを用いたが、その他の公知のＭＺＭ（マッハツェンダー）型光強度変調器を用いてもよい。その場合、平面基板としては、用いる光強度変調器が形成できる基板とすることが望ましく、光２分波器、光導波路、光合波器としては、その基板上に形成できるものを用いることが望ましい。
【００４２】
（実施例３）
図４は、本発明に係る実施形態の一例を示す実施例３の光変調装置の構成図である。
【００４３】
本実施例の光変調装置も、従来の光強度変調器に、光信号の位相を調整する光位相制御手段を設けた構成である。但し、光強度変調器として、実施例１、実施例２で用いたＬＮ−ＭＺＭではなく、半導体の電界吸収型光変調器（ＥＡＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いた。したがって、光回路としての構成は、光強度変調器の部分を除いて、実施例２に示した光変調装置と同等の構成ではあるが、基板２０を含め、その上に形成される光２分波器２１、光導波路、２２、２６、２９、３１、光合波器２５等が半導体で形成されている。
【００４４】
具体的には、図４に示すように、本実施例の光変調装置は、光信号を２つに分岐して出力する光２分波器２１と、２つの光信号を１つに合波して出力する光合波器２５と、光２分波器２１の出力側と光合波器２５の入力側との間の一方側を接続するＥＡＭ３０及び位相調整部（光導波路２６及び電極２７）と、他方側を接続する光導波路２２とを有している。光２分波器２１と光合波器２５との間に、直列に接続されたＥＡＭ３０及び光位相制御手段となる位相調整部（光導波路２６及び電極２７）と、光導波路２２とが並列に接続されている構成である。なお、ＥＡＭ３０と位相調整部（光導波路２６、電極２７）との接続順を逆にしてもよい。
【００４５】
光２分波器２１側に、可変光位相調整用の光導波路２６、電極２７及び引き出し電極２８が設けられており、光導波路２９を介して、光強度変調器であるＥＡＭ３０を構成する光導波路３１、電極３２及び引き出し電極３３が設けられている。このような配置とすることで、本実施例では、ＥＡＭ３０からの出力光ｄ１に対して、光信号の位相調整を行うようにした。電極２７、３２は、各々光導波路２６、３１の近傍に設けられ、各々光導波路２６、３１を伝搬する光信号の位相を変調させるものである。又、電極２７、３２には外部への引き出し電極２８、３３が接続されており、電極２７、３２に電圧を印可できるようになっている。なお、図４では、ＥＡＭ３０に必要な電源回路や電極２７、３２と対となる電極は省略した。
【００４６】
光導波路２６、３１は、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸吸収層をコアとしＩｎＰをクラッドとした光導波路である。又、光２分波器２１、光導波路２２、２９、光合波器２５は、各々再成長にて形成したＩｎＰをクラッドとし、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした光導波路を用いて形成されている。本実施例の光変調装置を構成するこれらのものは、全てＩｎＰ基板２０上にモノリシック集積されている。
【００４７】
次に、本実施例の光変調装置の動作について、図４を用いて説明する。
光入力信号ａは光２分波器２１によって２分岐され、同位相で光導波路２２、２６にそれぞれ入力される。位相調整用の光導波路２６、光導波路２９及びＥＡＭ３０を構成する光導波路３１を通過した出力光ｄ１（光合波器２５への一方の入力光）と、光導波路２２からの出力光ｄ２（光合波器２５への他方の入力光）とを、光合波器２５で合波する際に、その位相差が半波長となるように、電極２７に電圧を印可しておき、ＥＡＭ３０を構成する光導波路３１からの出力光ｄ１の光強度と、光導波路２２からの出力光ｄ２の光強度とを同じにするように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、出力信号光ｅは完全に消光され、光変調装置装置はオフ状態となる。なお、光導波路２２の長さは、電極２７、３２に電圧が印可されていない場合の出力光ｄ１と、出力光ｄ２とを、光合波器２５で合波する際に、その位相差が半波長となるように設定してある。
【００４８】
一方、ＥＡＭ３０を構成する光導波路３１からの出力光ｄ１の光強度が、光導波路２２からの出力光ｄ２の光強度よりも十分小さくなるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器２５を通過する際に光導波路２２からの出力光ｄ２の光強度が半分になるものの、光出力信号ｅとして外部に出力され、本光変調装置はオン状態となる。なお、出力信号光ｅが小さくなる場合には、光増幅器にて増幅すればよい。
【００４９】
ここで、光入力信号ａの光強度をＰｉｎ、印可する電圧によって変化するＥＡＭ３０を構成する光導波路３１の可変透過損をＬＯＳＳとすると、光出力信号ｅの光強度Ｐｏｕｔは、前述の数式（１）と同様に表される。なお、数式（１）を簡単にするため、光２分波器２１、光合波器２５の分岐比をそれぞれ１：１とし、光２分波器２１、光導波路２２、２９、光合波器２５のそれぞれの透過損と、電気制御信号ｆの電圧を、ＥＡＭ３０を構成する光導波路３１の最大透過状態に設定した際の光導波路３１の透過損は無視している。
【００５０】
数式（１）から計算された本光変調装置の透過損と、光導波路３１の可変透過損との関係は、実施例１の場合と同様に図２のグラフの関係となる。本光変調装置も透過状態で原理的に６ｄＢの透過損を有しているが、消光状態では透過損は無限大となる。又、例えば、光導波路３１、電極３２、引き出し電極３３で構成されるＥＡＭ３０の消光比が小さく５ｄＢ程度である場合、光変調装置全体の原理的透過損は９ｄｂ程度と大きくなるものの、消光状態での消光比は無限大である。
【００５１】
ＥＡＭ単体も、前述のＬＮ−ＭＺＭと同様に、消光比と駆動電圧及び消光比と高速性がトレードオフの関係にあり、高速性と低駆動電圧と高消光比とを同時に達成することは困難であった。しかしながら、上記構成とすることで、本実施例の光変調装置を構成する光強度変調器として、高速ではあるが消光比の低いＥＡＭを用いた場合でも、光変調装置全体としては、高速性を維持したまま高い消光比を実現できることとなる。又、駆動電圧を低くして消光比が低い状態でＥＡＭを用いた場合でも、光変調装置全体としては、高い消光比を実現できることとなる。
【００５２】
実際の素子（光変調装置）では、光導波路２２の透過損、印可される電圧を最大透過状態に設定した際のＥＡＭ３０を構成する光導波路３１の透過損及び光導波路２９の透過損は有限の値を持っているため、光導波路３１に印可される電圧を光導波路３１の最大透過状態に設定した際、光導波路３１の出力光ｄ１と、光導波路２２の出力光ｄ２の光強度が同じになるように、光２分波器２１の分岐比を設定するか、もしくは、光合波器２５で合波される際に、出力光ｄ１及びｄ２が同じ強度となるように光合波器１５の分岐比を設定するのが望ましい。
【００５３】
このような構成とすることで、高速性、低駆動電圧、高消光比を同時に達成する光変調装置を実現できるとともに、実施例２の光変調装置と比較して、素子サイズを小さくすることができる。
【００５４】
本実施例では、光変調装置内の光強度変調器としてＥＡＭ３０を用いているため、出力信号光ｅがオン状態となる（ＥＡＭ３０がオフ状態となる）バイアス条件では、同時にＥＡＭ３０内で位相変化が発生し、出力光ｄ１の位相を変化させてしまう。しかし、この位相変化は出力光ｄ１と出力光ｄ２との位相差を少なくするように働くため、出力光ｄ１と出力光ｄ２が光合波器２５で合波する際に、その一部が有効に合波されることとなり、バイアス条件下でＥＡＭ３０内に位相変化がない場合の損失の理論限界３ｄＢよりも、光合波器２５における損失が小さくなる。その結果、オン状態における光変調装置全体の透過損失が低減されることとなる。
【００５５】
（実施例４）
図５は、本発明に係る実施形態の一例を示す実施例４の光変調装置の構成図である。
【００５６】
本実施例の光変調装置も、従来の光強度変調器（ＥＡＭ３０）に、光信号の位相を調整する光位相制御手段を設けた構成であり、図４において示した実施例３の光変調装置の光導波路２６、２９、３１を、１つの光導波路３４としたことを除いて、実施例３の光変調装置と同等の構成である。
【００５７】
本実施例の光変調装置は、光信号を２つに分岐して出力する光２分波器２１と、２つの光信号を１つに合波して出力する光合波器２５と、光２分波器２１の出力側と光合波器２５の入力側との間に並列に接続された光導波路２２と光導波路３４とを有しており、光２分波器２１と光合波器２５との間の一方側の光導波路３４に、位相調整部を構成する電極２７とＥＡＭ３０とを直列に設けた構成である。なお、ＥＡＭ３０と位相調整部を構成する電極２７との接続位置を逆にしてもよい。この様な構成することで、実施例３の光変調装置の光導波路２６、２９、３１間に必要であったバットジョイントを排することができ、損失を小さくすることができる。
【００５８】
上記実施例３及び実施例４では、吸収層にＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層を用いた半導体のＥＡＭを用いているが、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ等の多重量子井戸吸収層を有するＥＡＭや、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰバルク吸収層を有する半導体のＥＡＭであっても良い。その場合、平面基板としては、用いるＥＡＭが形成できる基板とすることが望ましく、光２分波器、光導波路、光合波器としては、その基板上に形成できるものを用いることが望ましい。
【００５９】
又、上記全ての実施例において、光２分波器及び光合波器として、Ｙ字分岐型光２分波器及びＹ字合波型光合波器を用いたが、方向性結合器型や多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）型の分波／合波器などのその他の公知の光２分波器及び光合波器であっても良い。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係る光変調装置によれば、従来の光変調器の問題を解決し、高速性、低駆動電圧、高消光比を同時に達成する光変調装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の一例を示す実施例１の光変調装置の構成図である。
【図２】本発明に係る光変調装置の透過損と内蔵する光強度変調器の可変透過損との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る実施形態の一例を示す実施例２の光変調装置の構成図である。
【図４】本発明に係る実施形態の一例を示す実施例３の光変調装置の構成図である。
【図５】本発明に係る実施形態の一例を示す実施例４の光変調装置の構成図である。
【図６】従来の光変調装置の構成図である。
【符号の説明】
１ ＬＮ−ＭＺＭ
２ ＬｉＮｂＯ３基板
３ 光２分波部
４、５ 光導波路
６ 進行波電極
７ 光位相変調部
８ａ、８ｂ 引き出し電極
９ 光合波部
１１ 光２分波器
１２ 光導波路
１３ 電極
１４ 引き出し電極
１５ 光合波器
１６ 光導波路
１７ 電極
１８ 引き出し電極
２０ ＩｎＰ基板
２１ 光２分波器
２２ 光導波路
２５ 光合波器
２６ 光導波路
２７ 電極
２８ 引き出し電極
２９ 光導波路
３０ ＥＡＭ
３１ 光導波路
３２ 電極
３３ 引きだし電極
３４ 光導波路
ａ 光入力信号
ｂ１ 光導波路５の出力光（光合波部９の一方の入力光）
ｂ２ 光導波路４の出力光（光合波部９の他方の入力光）
ｃ１ ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光（光合波器１５の一方の入力光）
ｃ２ 光導波路１２の出力光（光合波器１５の他方の入力光）
ｄ１ ＥＡＭ３０からの出力光（光合波器２５の一方の入力光）
ｄ２ 光導波路２２の出力光（光合波器２５の他方の入力）
ｅ 光出力信号
ｆ 電気制御信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の光強度を変調する光変調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムでは、基本部品の光ゲート素子として、小型で安定な電気−光（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ）素子であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を材料とし、これを用いた光位相変調器とマッハツェンダー干渉計とを組み合わせた光強度変調器（ＬＮ−ＭＺＭ：Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ Ｍａｃｈｚｈｅｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などが用いられている。将来の超高速光通信システムの実現には、この光強度変調器の高速化とともに、低駆動電圧化、高消光比化が求められている。
【０００３】
従来の光変調装置の一例として、ＬＮ−ＭＺＭの構成を図６に示す（非特許文献１参照）。
【０００４】
ＬＮ−ＭＺＭ１は、光信号を２つに分岐して出力する３ｄＢ光２分波部３と、２つに分岐された光信号を１つに合波して出力する光合波部９と、光２分波部３と光合波部９との間に並列に接続される２本の光導波路４、５とを有している。一方の光導波路５の近傍には、光導波路５を伝搬する光信号の位相を変調させる進行波電極６が設けられており、光導波路５及び進行波電極６により光位相変調部７を構成する。進行波電極６には、各々電気入力用、電気出力用となる２つの引き出し電極８ａ、８ｂが接続されており、電気出力用となる引き出し電極８ｂの外部には終端抵抗が接続されている。これらは、全てニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板２上に形成されている。
【０００５】
光導波路４、５の長さは、同じ長さに設定されており、全体としてマッハツェンダー干渉計となる。つまり、ＬＮ−ＭＺＭ１は、光位相変調部７とマッハツェンダー干渉計とを組み合わせることで光強度変調器として機能することとなる。
【０００６】
次に、従来の光変調装置の一例であるＬＮ−ＭＺＭ１の動作について、図６を用いて説明する。
【０００７】
光入力信号ａは、光２分波部３によって２分岐され、同位相で光導波路４、光位相変調部７にそれぞれ入力される。進行波電極６に電圧が印可されない場合、光位相変調部７からの出力光ｂ１（光合波部９への一方の入力光）の位相と、光導波路４からの出力光ｂ２（光合波部９への他方の入力光）の位相とは同位相であるため、光合波部９で出力光ｂ１と出力光ｂ２が合波されると、干渉により強め合って光出力信号ｅが出力され、オン状態となる。一方、出力光ｂ１と出力光ｂ２との位相差が半波長となるように、進行波電極６に印加される電圧（電気制御信号ｆ）を設定すると、光合波部９を通過する際に出力光ｂ１と出力光ｂ２が干渉により打ち消しあい、出力信号光ｅは完全に消光され、オフ状態となる。上記オン状態、オフ状態を制御することにより、ＬＮ−ＭＺＭ１を光ゲート素子として用いている。
【０００８】
【非特許文献１】
齋藤 富士郎著「超高速光デバイス」共立出版株式会社、１９９８年６月１５日、ｐ．１２２−１２８
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光変調装置であるＬＮ−ＭＺＭは、位相変調に用いている電気−光学効果が小さく、高い消光比を得るためには、駆動電圧が高くなるという問題があった。又、高い消光比を維持したまま低駆動電圧化を図るためには、位相変調部を長くしなければならず、素子（装置）サイズが大きくなるとともに、進行波電極も長くなるため、高周波電気信号の損失が大きくなり、高速化が困難になるという問題もあった。
【００１０】
つまり、従来の光変調装置では、消光比と駆動電圧及び消光比と高速性がトレードオフの関係にあり、高速性と低駆動電圧と高消光比とを同時に達成することは困難であった。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、高速、かつ低駆動電圧で高消光比な光変調装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る光変調装置は、光信号を２つに分岐して出力する光分波器と、前記光分波器の出力側の一方に接続され、光信号の光強度を変調する光強度変調器と、前記光分波器の出力側の他方に接続された光導波路と、前記光強度変調器の出力側と前記光導波路の出力側とが接続され、２つの光信号を合波して出力する光合波器と、前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差を半波長にする光位相調整手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る光変調装置は、前記光位相調整手段として、前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差を半波長にするように、前記光導波路の長さを設定したことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る光変調装置は、前記光位相調整手段として、光信号の位相を調整する電極を前記光導波路に設けたことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る光変調装置は、前記光位相調整手段として、光信号の位相を調整する電極を有する光導波路を、前記光分波器と前記光強度変調器との間、又は前記光強度変調器と前記光合波器との間に設けたことを特徴とする
【００１６】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る光変調装置は、前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差が半波長となるように、前記電極に印可される電圧を設定したことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する本発明の請求項６に係る光変調装置は、前記光合波器に入力される２つの光信号の光強度が同じになるように、前記光強度変調器を設定することで、当該光変調装置をオフ状態とし、前記光合波器に入力される２つの光信号の内、前記光強度変調器からの光信号が十分小さくなるように、前記光強度変調器を設定することで、当該光変調装置をオン状態としたことを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する本発明の請求項７に係る光変調装置は、前記光強度変調器が、マッハツェンダー型光強度変調器又は半導体を用いた電界吸収型光変調器であることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光変調装置は、従来の光強度変調器に、光信号の位相を調整する光位相調整手段を設けて、低駆動電圧で高速性及び高消光比を両立させるものである。これを実現する本発明に係る実施形態の具体例を以下に示し、図面を用いて詳細に説明する。なお、図面において、同等の機能を有するものには、同一の符号を付す。
【００２０】
（実施例１）
図１は、本発明に係る実施形態の一例を示す実施例１の光変調装置の構成図である。
【００２１】
本実施例の光変調装置は、光信号を２つに分岐して出力する光２分波器１１と、２つの光信号を１つに合波して出力する光合波器１５と、光２分波器１１の出力側と光合波器１５の入力側との間の一方側を接続する光強度変調器であるＬＮ−ＭＺＭ１と、他方側を接続する光導波路１２とを有している。つまり、光２分波器１１と光合波器１５との間に、ＬＮ−ＭＺＭ１と光導波路１２が並列に接続されている構成である。光導波路１２の近傍には、光導波路１２を伝搬する光信号の位相を調整する電極１３が設けられており、電極１３には外部への引き出し電極１４が接続されている。つまり、光位相調整手段となる光導波路１２及び電極１３は、電極１３に電圧を印可することによって、光導波路１２内を伝搬する光信号の位相を変化させることができる。なお、図１では、電極１３と対となる電極は省略した。
【００２２】
ＬＮ−ＭＺＭ１は光信号の光強度を変調する光強度変調器として機能し、その構成は、図６に示した従来の光変調装置と同等である。即ち、ＬＮ−ＭＺＭ１は、光信号を２つに分岐して出力する光２分波部３と、２つの光信号を１つに合波して出力する光合波部９と、光２分波部３と光合波部９との間に並列に接続される２本の光導波路４、５とを有しており、一方の光導波路５の近傍に、光導波路５を伝搬する光信号の位相を変調させる進行波電極６を設けることで、光導波路５及び進行波電極６による光位相変調部７を構成し、進行波電極６に電気入力用、電気出力用となる２つの引き出し電極８ａ、８ｂが接続されているものである。このＬＮ−ＭＺＭ１の入力側が光２分波器１１の出力側の一つに接続され、ＬＮ−ＭＺＭ１の出力側が光合波器１５入力側の一つに接続されて、光変調装置を構成している。
【００２３】
つまり、本実施例の光変調装置は、従来の光変調装置であるＬＮ−ＭＺＭ１に、光信号の位相を調整する光導波路１２、電極１３を並列に設け、それらに入出力する光信号を、光２分波器１１と光合波器１５により、各々分波、合波するようにした構成と言える。
【００２４】
本実施例の光変調装置を構成するものは、全てニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板２上にモノリシック集積されており、ＬＮ−ＭＺＭ１の他、光２分波器１１、光導波路１３、光合波器１５もニオブ酸リチウムを材料として形成されている。これは、後述する実施例２の光変調装置でも同様である。
【００２５】
次に、本実施例の光変調装置の動作について、図１を用いて説明する。
光入力信号ａは光２分波器１１によって２分岐され、同位相でＬＮ−ＭＺＭ１、光導波路１２にそれぞれ入力される。ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１（光合波器１５への一方の入力光）と、光導波路１２からの出力光ｃ２（光合波器１５への他方の入力光）とが光合波器１５で合波する際に、出力光ｃ１、出力光ｃ２の位相差が半波長となるように、電極１３に電圧を印可しておき、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１の光強度が、光導波路１２からの出力光ｃ２の光強度と同じになるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器１５を通過する際に出力光ｃ１と出力光ｃ２が干渉により打ち消しあい、出力信号光ｅは完全に消光され、本光変調装置はオフ状態となる。
【００２６】
一方、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１の光強度が、光導波路１２からの出力光ｃ２の光強度よりも十分小さくなるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器１５を通過する際に光導波路１２からの出力光ｃ２の光強度が半分になるものの、光出力信号ｅとして外部に出力され、本光変調装置はオン状態となる。つまり、出力光ｃ１と出力光ｃ２は、位相差が半波長あるため、光合波器１５を通過する際に干渉により打ち消しあおうとするが、出力光ｃ１の光強度が十分に小さいため、出力光ｃ２の光強度が半分になって出力信号光ｅとして出力される。なお、出力信号光ｅが小さくなる場合には、光増幅器にて増幅すればよい。
【００２７】
ここで、光入力信号ａの光強度をＰｉｎ、印可する電圧によって変化するＬＮ−ＭＺＭ１の可変透過損をＬＯＳＳとすると、光出力信号ｅの光強度Ｐｏｕｔは、以下の数式で表される。
Ｐｏｕｔ＝（１−ＬＯＳＳ）２／４×Ｐｉｎ ・・・ （１）
なお、上記数式（１）を簡単にするため、光２分波器１１、光合波器１５の分岐比をそれぞれ１：１とし、光２分波器１１、光導波路１２、光合波器１５のそれぞれの透過損と、電気制御信号ｆの電圧をＬＮ−ＭＺＭ１の最大透過状態に設定した際のＬＮ−ＭＺＭ１の透過損は無視している。
【００２８】
図２は、数式（１）から計算された本光変調装置の透過損とＬＮ−ＭＺＭ１の可変透過損との関係を示すグラフである。
【００２９】
図２に示すように、本実施例の光変調装置は、透過状態で原理的に６ｄＢの透過損を有する。しかしながら、消光状態（光強度変調器ＬＮ−ＭＺＭ１の可変透過損が０ｄＢの場合）では、光変調装置全体の透過損は無限大となる。又、例えば、ＬＮ−ＭＺＭ１の消光比（透過損）が小さく５ｄＢ程度である場合、光変調装置全体の原理的透過損は９ｄＢ程度と大きくなるものの、この場合でも消光状態での消光比（透過損）は無限大である。つまり、本実施例の光変調装置を構成する光強度変調器として、高速ではあるが消光比の低いＬＮ−ＭＺＭを用いた場合でも、光変調装置全体としては、高速性を維持したまま高い消光比を実現できることとなる。又、駆動電圧を低くして消光比が低い状態でＬＮ−ＭＺＭ１を用いた場合でも、光変調装置全体としては、高い消光比を実現できることとなる。したがって、上記構成とすることで、高速性、低駆動電圧、高消光比を同時に達成する光変調装置を実現できることとなる。
【００３０】
実際の素子（光変調装置）では、光導波路１２の透過損と、印可される電圧を最大透過状態に設定した際のＬＮ−ＭＺＭ１の透過損は有限の値を持っているため、ＬＮ−ＭＺＭ１に印可される電圧をＬＮ−ＭＺＭ１の最大透過状態に設定した際、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１と光導波路１２からの出力光ｃ２の光強度が同じになるように、光２分波器１１の分岐比を設定するか、もしくは、光合波器１５で合波される際に出力光ｃ１及び出力光ｃ２が同じ強度となるように、光合波器１５の分岐比を設定するのが望ましい。
【００３１】
なお、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１と光導波路１２からの出力光ｃ２が光合波器１５で合波される際に、その位相差が半波長となるように、光導波路１２の長さを設定することで、電極１３、引き出し電極１４を省略することができる。つまり、出力光ｃ１と出力光ｃ２との位相差が半波長となるような長さを有する光導波路１２自体が、光位相調整手段となる。
【００３２】
但し、実際の作製において、作製誤差により、位相差が半波長となるように光導波路１２の長さを設定できない場合には、電極１３、引き出し電極１４を省略することはできない。しかし、電極１３に与える電圧は、作製誤差を吸収するために必要な電圧でよいため、光導波路１２の長さを位相差が半波長となるように設定していない場合と比較して、電極１３に与える電圧を低い電圧にすることができる。
【００３３】
（実施例２）
図３は、本発明に係る実施形態の一例を示す実施例２の光変調装置の構成図である。
【００３４】
本実施例の光変調装置も、従来の光強度変調器に、光信号の位相を調整する光位相制御手段を設けた構成であり、図１において示した実施例１の光変調装置と同等のものから構成されている。相違点としては、図１における光導波路１２での電極１３、引き出し電極１４を無くし、光強度変調器であるＬＮ−ＭＺＭ１と光２分波器１１との間に、光位相制御手段となる光導波路１６、電極１７及び引き出し電極１８を設けたことである。つまり、実施例１では、光信号の位相調整を出力光ｃ２に対して行なっていたが、本実施例では、ＬＮ−ＭＺＭ１と位相調整部（光導波路１６、電極１７）とを直列に接続することで、光信号の位相調整を出力光ｃ１に対して行うようにしたものである。なお、ＬＮ−ＭＺＭ１と位相調整部（光導波路１６、電極１７）との接続順を逆にしてもよい。
【００３５】
次に、本実施例の光変調装置の動作について、図３を用いて説明する。
光入力信号ａは光２分波器１１によって２分岐され、同位相で光導波路１６、光導波路１２にそれぞれ入力される。出力光ｃ１と出力光ｃ２とが光合波器１５で合波する際に、位相差が半波長となるように、電極１７に電圧を印可しておき、出力光ｃ１の光強度が、出力光ｃ２の光強度と同じになるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器１５を通過する際に出力光ｃ１と出力光ｃ２が干渉により打ち消しあい、出力信号光ｅは完全に消光され、本光変調装置はオフ状態となる。
【００３６】
一方、出力光ｃ１の光強度が、出力光ｃ２の光強度よりも十分小さくなるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器１５を通過する際に出力光ｃ２の光強度が半分になるものの、光出力信号ｅとして外部に出力され、本光変調装置はオン状態となる。なお、出力信号光ｅが小さくなる場合には、光増幅器にて増幅すればよい。
【００３７】
このような構成とすることで、高速性、低駆動電圧、高消光比を同時に達成する光変調装置を実現できるとともに、全ての引き出し電極８ａ、８ｂ、１８を、素子（光変調装置）の片側に集めることができ、モジュール化する際に電気実装を容易にすることができる。
【００３８】
なお、実施例１と同様に、ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光ｃ１と光導波路１２からの出力光ｃ２が光合波器１５で合波する際に、その位相差が半波長となるように、光導波路１２の長さを設定することで、電極１７、引き出し電極１８を省略することができる。つまり、出力光ｃ１と出力光ｃ２との位相差が半波長となるような長さを有する光導波路１２自体が、光位相調整手段となる。
【００３９】
但し、実際の作製において、作製誤差により、位相差が半波長となるように光導波路１２の長さを設定できない場合には、電極１７、引き出し電極１８を省略することはできない。しかし、電極１７に与える電圧は、作製誤差を吸収するために必要な電圧でよいため、光導波路１２の長さを位相差が半波長となるように設定していない場合と比較して、電極１７に与える電圧を低い電圧にすることができる。
【００４０】
上記実施例１及び実施例２の光変調装置では、従来のＬＮ−ＭＺＭの作製プロセスと同じプロセスを用いることができ、マスクレイアウトの変更のみで容易に実現することができる。
【００４１】
又、上記実施例１及び実施例２の光変調装置では、光強度変調器としてＬＮ−ＭＺＭを用いたが、その他の公知のＭＺＭ（マッハツェンダー）型光強度変調器を用いてもよい。その場合、平面基板としては、用いる光強度変調器が形成できる基板とすることが望ましく、光２分波器、光導波路、光合波器としては、その基板上に形成できるものを用いることが望ましい。
【００４２】
（実施例３）
図４は、本発明に係る実施形態の一例を示す実施例３の光変調装置の構成図である。
【００４３】
本実施例の光変調装置も、従来の光強度変調器に、光信号の位相を調整する光位相制御手段を設けた構成である。但し、光強度変調器として、実施例１、実施例２で用いたＬＮ−ＭＺＭではなく、半導体の電界吸収型光変調器（ＥＡＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いた。したがって、光回路としての構成は、光強度変調器の部分を除いて、実施例２に示した光変調装置と同等の構成ではあるが、基板２０を含め、その上に形成される光２分波器２１、光導波路、２２、２６、２９、３１、光合波器２５等が半導体で形成されている。
【００４４】
具体的には、図４に示すように、本実施例の光変調装置は、光信号を２つに分岐して出力する光２分波器２１と、２つの光信号を１つに合波して出力する光合波器２５と、光２分波器２１の出力側と光合波器２５の入力側との間の一方側を接続するＥＡＭ３０及び位相調整部（光導波路２６及び電極２７）と、他方側を接続する光導波路２２とを有している。光２分波器２１と光合波器２５との間に、直列に接続されたＥＡＭ３０及び光位相制御手段となる位相調整部（光導波路２６及び電極２７）と、光導波路２２とが並列に接続されている構成である。なお、ＥＡＭ３０と位相調整部（光導波路２６、電極２７）との接続順を逆にしてもよい。
【００４５】
光２分波器２１側に、可変光位相調整用の光導波路２６、電極２７及び引き出し電極２８が設けられており、光導波路２９を介して、光強度変調器であるＥＡＭ３０を構成する光導波路３１、電極３２及び引き出し電極３３が設けられている。このような配置とすることで、本実施例では、ＥＡＭ３０からの出力光ｄ１に対して、光信号の位相調整を行うようにした。電極２７、３２は、各々光導波路２６、３１の近傍に設けられ、各々光導波路２６、３１を伝搬する光信号の位相を変調させるものである。又、電極２７、３２には外部への引き出し電極２８、３３が接続されており、電極２７、３２に電圧を印可できるようになっている。なお、図４では、ＥＡＭ３０に必要な電源回路や電極２７、３２と対となる電極は省略した。
【００４６】
光導波路２６、３１は、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸吸収層をコアとしＩｎＰをクラッドとした光導波路である。又、光２分波器２１、光導波路２２、２９、光合波器２５は、各々再成長にて形成したＩｎＰをクラッドとし、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした光導波路を用いて形成されている。本実施例の光変調装置を構成するこれらのものは、全てＩｎＰ基板２０上にモノリシック集積されている。
【００４７】
次に、本実施例の光変調装置の動作について、図４を用いて説明する。
光入力信号ａは光２分波器２１によって２分岐され、同位相で光導波路２２、２６にそれぞれ入力される。位相調整用の光導波路２６、光導波路２９及びＥＡＭ３０を構成する光導波路３１を通過した出力光ｄ１（光合波器２５への一方の入力光）と、光導波路２２からの出力光ｄ２（光合波器２５への他方の入力光）とを、光合波器２５で合波する際に、その位相差が半波長となるように、電極２７に電圧を印可しておき、ＥＡＭ３０を構成する光導波路３１からの出力光ｄ１の光強度と、光導波路２２からの出力光ｄ２の光強度とを同じにするように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、出力信号光ｅは完全に消光され、光変調装置装置はオフ状態となる。なお、光導波路２２の長さは、電極２７、３２に電圧が印可されていない場合の出力光ｄ１と、出力光ｄ２とを、光合波器２５で合波する際に、その位相差が半波長となるように設定してある。
【００４８】
一方、ＥＡＭ３０を構成する光導波路３１からの出力光ｄ１の光強度が、光導波路２２からの出力光ｄ２の光強度よりも十分小さくなるように、電気制御信号ｆの電圧を設定すると、光合波器２５を通過する際に光導波路２２からの出力光ｄ２の光強度が半分になるものの、光出力信号ｅとして外部に出力され、本光変調装置はオン状態となる。なお、出力信号光ｅが小さくなる場合には、光増幅器にて増幅すればよい。
【００４９】
ここで、光入力信号ａの光強度をＰｉｎ、印可する電圧によって変化するＥＡＭ３０を構成する光導波路３１の可変透過損をＬＯＳＳとすると、光出力信号ｅの光強度Ｐｏｕｔは、前述の数式（１）と同様に表される。なお、数式（１）を簡単にするため、光２分波器２１、光合波器２５の分岐比をそれぞれ１：１とし、光２分波器２１、光導波路２２、２９、光合波器２５のそれぞれの透過損と、電気制御信号ｆの電圧を、ＥＡＭ３０を構成する光導波路３１の最大透過状態に設定した際の光導波路３１の透過損は無視している。
【００５０】
数式（１）から計算された本光変調装置の透過損と、光導波路３１の可変透過損との関係は、実施例１の場合と同様に図２のグラフの関係となる。本光変調装置も透過状態で原理的に６ｄＢの透過損を有しているが、消光状態では透過損は無限大となる。又、例えば、光導波路３１、電極３２、引き出し電極３３で構成されるＥＡＭ３０の消光比が小さく５ｄＢ程度である場合、光変調装置全体の原理的透過損は９ｄｂ程度と大きくなるものの、消光状態での消光比は無限大である。
【００５１】
ＥＡＭ単体も、前述のＬＮ−ＭＺＭと同様に、消光比と駆動電圧及び消光比と高速性がトレードオフの関係にあり、高速性と低駆動電圧と高消光比とを同時に達成することは困難であった。しかしながら、上記構成とすることで、本実施例の光変調装置を構成する光強度変調器として、高速ではあるが消光比の低いＥＡＭを用いた場合でも、光変調装置全体としては、高速性を維持したまま高い消光比を実現できることとなる。又、駆動電圧を低くして消光比が低い状態でＥＡＭを用いた場合でも、光変調装置全体としては、高い消光比を実現できることとなる。
【００５２】
実際の素子（光変調装置）では、光導波路２２の透過損、印可される電圧を最大透過状態に設定した際のＥＡＭ３０を構成する光導波路３１の透過損及び光導波路２９の透過損は有限の値を持っているため、光導波路３１に印可される電圧を光導波路３１の最大透過状態に設定した際、光導波路３１の出力光ｄ１と、光導波路２２の出力光ｄ２の光強度が同じになるように、光２分波器２１の分岐比を設定するか、もしくは、光合波器２５で合波される際に、出力光ｄ１及びｄ２が同じ強度となるように光合波器１５の分岐比を設定するのが望ましい。
【００５３】
このような構成とすることで、高速性、低駆動電圧、高消光比を同時に達成する光変調装置を実現できるとともに、実施例２の光変調装置と比較して、素子サイズを小さくすることができる。
【００５４】
本実施例では、光変調装置内の光強度変調器としてＥＡＭ３０を用いているため、出力信号光ｅがオン状態となる（ＥＡＭ３０がオフ状態となる）バイアス条件では、同時にＥＡＭ３０内で位相変化が発生し、出力光ｄ１の位相を変化させてしまう。しかし、この位相変化は出力光ｄ１と出力光ｄ２との位相差を少なくするように働くため、出力光ｄ１と出力光ｄ２が光合波器２５で合波する際に、その一部が有効に合波されることとなり、バイアス条件下でＥＡＭ３０内に位相変化がない場合の損失の理論限界３ｄＢよりも、光合波器２５における損失が小さくなる。その結果、オン状態における光変調装置全体の透過損失が低減されることとなる。
【００５５】
（実施例４）
図５は、本発明に係る実施形態の一例を示す実施例４の光変調装置の構成図である。
【００５６】
本実施例の光変調装置も、従来の光強度変調器（ＥＡＭ３０）に、光信号の位相を調整する光位相制御手段を設けた構成であり、図４において示した実施例３の光変調装置の光導波路２６、２９、３１を、１つの光導波路３４としたことを除いて、実施例３の光変調装置と同等の構成である。
【００５７】
本実施例の光変調装置は、光信号を２つに分岐して出力する光２分波器２１と、２つの光信号を１つに合波して出力する光合波器２５と、光２分波器２１の出力側と光合波器２５の入力側との間に並列に接続された光導波路２２と光導波路３４とを有しており、光２分波器２１と光合波器２５との間の一方側の光導波路３４に、位相調整部を構成する電極２７とＥＡＭ３０とを直列に設けた構成である。なお、ＥＡＭ３０と位相調整部を構成する電極２７との接続位置を逆にしてもよい。この様な構成することで、実施例３の光変調装置の光導波路２６、２９、３１間に必要であったバットジョイントを排することができ、損失を小さくすることができる。
【００５８】
上記実施例３及び実施例４では、吸収層にＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層を用いた半導体のＥＡＭを用いているが、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ等の多重量子井戸吸収層を有するＥＡＭや、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰバルク吸収層を有する半導体のＥＡＭであっても良い。その場合、平面基板としては、用いるＥＡＭが形成できる基板とすることが望ましく、光２分波器、光導波路、光合波器としては、その基板上に形成できるものを用いることが望ましい。
【００５９】
又、上記全ての実施例において、光２分波器及び光合波器として、Ｙ字分岐型光２分波器及びＹ字合波型光合波器を用いたが、方向性結合器型や多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）型の分波／合波器などのその他の公知の光２分波器及び光合波器であっても良い。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係る光変調装置によれば、従来の光変調器の問題を解決し、高速性、低駆動電圧、高消光比を同時に達成する光変調装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の一例を示す実施例１の光変調装置の構成図である。
【図２】本発明に係る光変調装置の透過損と内蔵する光強度変調器の可変透過損との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る実施形態の一例を示す実施例２の光変調装置の構成図である。
【図４】本発明に係る実施形態の一例を示す実施例３の光変調装置の構成図である。
【図５】本発明に係る実施形態の一例を示す実施例４の光変調装置の構成図である。
【図６】従来の光変調装置の構成図である。
【符号の説明】
１ ＬＮ−ＭＺＭ
２ ＬｉＮｂＯ３基板
３ 光２分波部
４、５ 光導波路
６ 進行波電極
７ 光位相変調部
８ａ、８ｂ 引き出し電極
９ 光合波部
１１ 光２分波器
１２ 光導波路
１３ 電極
１４ 引き出し電極
１５ 光合波器
１６ 光導波路
１７ 電極
１８ 引き出し電極
２０ ＩｎＰ基板
２１ 光２分波器
２２ 光導波路
２５ 光合波器
２６ 光導波路
２７ 電極
２８ 引き出し電極
２９ 光導波路
３０ ＥＡＭ
３１ 光導波路
３２ 電極
３３ 引きだし電極
３４ 光導波路
ａ 光入力信号
ｂ１ 光導波路５の出力光（光合波部９の一方の入力光）
ｂ２ 光導波路４の出力光（光合波部９の他方の入力光）
ｃ１ ＬＮ−ＭＺＭ１からの出力光（光合波器１５の一方の入力光）
ｃ２ 光導波路１２の出力光（光合波器１５の他方の入力光）
ｄ１ ＥＡＭ３０からの出力光（光合波器２５の一方の入力光）
ｄ２ 光導波路２２の出力光（光合波器２５の他方の入力）
ｅ 光出力信号
ｆ 電気制御信号
Claims (7)
- 光信号を２つに分岐して出力する光分波器と、前記光分波器の出力側の一方に接続され、光信号の光強度を変調する光強度変調器と、前記光分波器の出力側の他方に接続された光導波路と、前記光強度変調器の出力側と前記光導波路の出力側とが接続され、２つの光信号を合波して出力する光合波器と、前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差を半波長にする光位相調整手段とを有することを特徴とする光変調装置。
- 請求項１記載の光変調装置において、
前記光位相調整手段として、前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差を半波長にするように、前記光導波路の長さを設定したことを特徴とする光変調装置。 - 請求項１記載の光変調装置において、
前記光位相調整手段として、光信号の位相を調整する電極を前記光導波路に設けたことを特徴とする光変調装置。 - 請求項１記載の光変調装置において、
前記光位相調整手段として、光信号の位相を調整する電極を有する光導波路を、前記光分波器と前記光強度変調器との間、又は前記光強度変調器と前記光合波器との間に設けたことを特徴とする光変調装置。 - 請求項３又は請求項４記載の光変調装置において、
前記光合波器に入力される２つの光信号の位相差が半波長となるように、前記電極に印可される電圧を設定したことを特徴とする光変調装置。 - 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光変調装置において、
前記光合波器に入力される２つの光信号の光強度が同じになるように、前記光強度変調器を設定することで、当該光変調装置をオフ状態とし、前記光合波器に入力される２つの光信号の内、前記光強度変調器からの光信号が十分小さくなるように、前記光強度変調器を設定することで、当該光変調装置をオン状態としたことを特徴とする光変調装置。 - 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光変調装置において、
前記光強度変調器が、マッハツェンダー型光強度変調器又は半導体を用いた電界吸収型光変調器であることを特徴とする光変調装置。
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