JP2009163164A - マッハツェンダ干渉式光信号変調器およびその制御方法、ならびに受信・送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気光学定数γが比較的小さいシリコンで光導波路を形成した場合であっても、特段の空冷ファンや放熱部材を用いることなく温度変動に対する補償を可能にする。
【解決手段】分岐された２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂを含む光導波路２１を半導体材料、例えばシリコンによって半導体チップ上に形成した構成を採るマッハツェンダ干渉（ＭＺＩ）式光信号変調器１０において、光導波路２１が形成された半導体チップと同一のチップ内に温度調整素子１６を形成し、当該温度調整素子１６を制御する自動温度制御（ＡＴＣ）を、バイアス電圧Ｖｂを制御する自動バイアス制御（ＡＢＣ）と併用することで、電気光学定数γが比較的小さい半導体材料によって光導波路２１を形成した場合であっても、特段の空冷ファンや放熱部材を用いることなく温度変動に対する補償を行うことができるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号変調器およびその制御方法、ならびに送受信装置に関し、特にマッハツェンダ干渉（Mach-Zehnder Interferometer;ＭＺＩ）式光信号変調器および当該光信号変調器の制御方法、ならびに当該光信号変調器を有する受信・送信装置に関する。

光ファイバ通信などの光通信分野で用いられる光信号変調器として、電気光学効果が大きく、光の伝播ロスが少ない等の特長を持つマッハツェンダ干渉式光信号変調器がある。このマッハツェンダ干渉式光信号変調器は、１つの光源から出射された光を２つに分け、当該２つの光を２本の光導波路を通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせる変調器である。

先ず、マッハツェンダ干渉式光信号変調器の原理について、図７の波形図を用いて説明する。図７の波形図では、入出力波形を実線で、２本の光導波路の内の一方の光導波路の波形を二点鎖線で、他方の光導波路の波形を破線でそれぞれ示している。

（ＭＺＩの原理）
光導波路の進行方向Ｘに伝播中の電界Ｅ（ｔ，Ｘ）は、次式（１）で与えられる。
Ｅ（ｔ，Ｘ）＝Ｅin・cos(ωｔ＋φ） ……（１）
Ｅin；長さＬの光導波路の入口の光波電界
φ；位相オフセット

位相オフセットφは、次式（２）で与えられる。
φ＝（２πＸ/λ）・（Ｎｅ−（１/２）Ｎｅ^3・γＶin /Ｄ） ……（２）
Ｄ；光導波路の厚さ
Ｖin；光導波路の厚さＤ方向に掛ける電圧
λ；伝播光の波長
Ｎｅ；光導波路の実効屈折率
γ；光導波路の電気光学定数

光導波路の厚さＤ方向に掛ける電圧Ｖinは、次式（３）で与えられる。
Ｖin＝Ｖｍ＋Ｖｂ ……（３）
Ｖｍ；変調信号電圧
Ｖｂ；バイアス電圧

式（３）を式（２）に代入すると、
φ＝２πＮｅＸ/λ−（π/λ）Ｎｅ^3・γ（Ｘ/Ｄ)(Ｖｍ＋Ｖｂ） ……（４）
となる。

式（４）を式（１）に代入し、さらにＸ＝Ｌとすると、Ｘ＝Ｌの光導波路出口の光波電界Ｅout は、次式（５）で与えられる。
Ｅout ＝Ｅin・cos(ωｔ−（π/λ）Ｎｅ^3
・γ（Ｌ/Ｄ)(Ｖｍ＋Ｖｂ）＋２πＮｅＬ/λ） ……（５）
つまり、Ｖｍ＋Ｖｂに比例して位相シフトする。

ところが、温度をＴ、熱膨張率をβとすると、Ｌｏｒｅｎｔｚ方程式より、
ｄＮｅ/ｄＴ＝（Ｎｅ^2−１)( Ｎｅ^2＋２)/６Ｎｅ・β ……（６）
となる。つまり、温度Ｔが上昇すると、光導波路の実効屈折率Ｎｅが増大、変調信号電圧Ｖｍに比例の位相オフセット（図７の１２０°）、バイアス電圧Ｖｂに比例の差動重畳位相（図７の±１７°）が増大し、バランスが崩れる。

ここで、光導波路の電気光学定数γが大きいときには、ペルチェ効果による温度モニタによってバイアス電圧Ｖｂに帰還を掛けることで温度Ｔの変動を補正することができ、光導波路の電気光学定数γが小さいときには、空冷ファンなどによって温度変動自体を無くすことができる。

（従来技術）
図８に、従来例に係るマッハツェンダ干渉式光信号変調器の構成の概略を示す。従来例に係る光信号変調器１００は、自動バイアス制御(Auto Bias Control)部１０１と、バイアス電圧部１０２と、ＣＰＵおよびＲＯＭを含むシステム制御部１０３と、光量モニタ部１０４とを含む光外部変調方式の変調器である。

従来例に係るマッハツェンダ干渉式光信号変調器１００では、バイアス電圧Ｖｂに変動が生じた場合、式（５）から判るように、バイアス電圧Ｖｂの変動は、光導波路１１１を伝播するシングルモードの光波面の位相遅延の変動へ、さらに２本の光導波路１１１Ａ，１１１Ｂの位相が干渉した光振幅、即ち光量の変動へと連鎖する。そして、この光量の変動を光量モニタ部１０４で検出の上、自動バイアス制御部１０１でバイアス電圧Ｖｂに対して補償・相殺する帰還を掛けている。

さらに、温度Ｔの変動、特に温度上昇が生じた場合、式（６）から判るように、温度Ｔの変動は、実効屈折率Ｎｅの変動へ、次いで光導波路１１１を伝播するシングルモードの光波面の位相遅延の変動へ、さらに２本の光導波路１１１Ａ，１１１Ｂの位相が干渉した光振幅、即ち光量の変動へと連鎖する。そして、この光量の変動を光量モニタ部１０４で検出の上、自動バイアス制御部１０１でバイアス電圧Ｖｂに対して補償・相殺する帰還を掛けている。

但し、先述した式（５），式（６）から判るように、温度Ｔでの光導波路１１１の実効屈折率Ｎｅの変動による位相遅延（π/λ）Ｎｅ^3・γ（Ｌ/Ｄ)(Ｖｍ＋Ｖｂ）をバイアス電圧Ｖｂで補償・相殺するには、光導波路１１１の部材の電気光学定数γが十分大きくなければならない。

一般に、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）など、比較的大きい電気光学定数γ（例えば、γ＝３０ｐｍ／Ｖ程度）の部材からなる光導波路１１１を用いたマッハツェンダ干渉式光信号変調器では、図８に示すように、筐体を兼ねた放熱部材１１２によって温度Ｔの変動を少しでも抑制し、さらに、ペルチェ効果などによる温度モニタ部１１３まで設置して、自動バイアス制御部１０１によって温度変動の補償を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４１７０５号公報

ところが、半導体材料、例えばシリコンによって光導波路１１１を形成したマッハツェンダ干渉式光信号変調器では、シリコンの電気光学定数γが比較的小さく（例えば、γ＝３ｐｍ／Ｖ程度）、電気によって光波面がずれにくく、自動バイアス制御部１０１による温度変動の補償が追いつかないため、空冷ファンを設置するなどして温度変動自体を無くすようにしている。

ここで、半導体材料を光導波路１１１の形成に用いる目的は、一般にシリコンフォトニクスと言われている技術領域で、光導波路１１１を半導体チップ上に低コストにて小型集積化することにある。しかしながら、温度変動を抑えるために空冷ファンや放熱部材を用いたのでは、半導体材料を用いる本来の目的、即ち低コスト・小型集積化に反することになる。

そこで、本発明は、電気光学定数γが比較的小さい半導体材料によって光導波路を形成した場合であっても、特段の空冷ファンや放熱部材を用いることなく温度変動に対する補償を行うことが可能なマッハツェンダ干渉式光信号変調器および当該光信号変調器の制御方法、ならびに当該光信号変調器を有する受信・送信装置を提供することを目的とする。

本発明によるマッハツェンダ干渉式光信号変調器は、
分岐された２本の光導波路を含む光導波路を半導体材料によって半導体チップ上に形成した構成のマッハツェンダ干渉式光信号変調器であって、
前記光導波路に対して直流バイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、
出力光量を検出する光量モニタ部と、
前記光量モニタ部の検出光量を基に前記直流バイアス電圧を制御する自動バイアス制御部と、
前記光導波路が形成された半導体チップと同一のチップ内に形成され、前記光導波路の温度を調整する温度調整素子と、
前記光量モニタ部の検出光量を基に前記温度調整素子を制御する自動温度制御部とを備え、
前記自動バイアス制御部による制御と前記自動温度制御系による制御とを選択的に行う
ことを特徴としている。

光導波路を半導体材料によって半導体チップ上に形成した構成のマッハツェンダ干渉式光信号変調器において、光導波路が形成された半導体チップと同一のチップ内に温度調整素子を形成し、当該温度調整素子を制御する自動温度制御部を、直流バイアス電圧を制御する自動バイアス制御部と併用することにより、自動温度制御部による直流バイアス電圧の制御のみならず、自動温度制御部による温度調整素子の制御によっても光導波路の温度を制御することができる。そして、本発明によるマッハツェンダ干渉式光信号変調器は、光ファイバ通信システムにおいて、光源から発せられる光を光ファイバに伝えたり、光ファイバからの光を受信したりする受信・送信装置の光信号変調器として用いられる。

本発明によれば、光導波路が形成された半導体チップと同一のチップ内に温度調整素子の制御によって光導波路の温度を制御することができるために、電気光学定数γが比較的小さい半導体材料によって光導波路を形成した場合であっても、特段の空冷ファンや放熱部材を用いることなく温度変動に対する補償を行うことが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［システム構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るマッハツェンダ干渉式光信号変調器の構成の概略を示すシステム構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係るマッハツェンダ干渉式光信号変調器１０は、低コスト・小型集積化を目的として、半導体材料、例えばシリコンによって光導波路を半導体チップ上に形成するシステム構成を前提とし、自動バイアス制御部１１と、バイアス電圧部１２と、ＣＰＵおよびＲＯＭを含むシステム制御部１３と、光量モニタ部１４とに加えて、自動温度制御(Auto Thermal Control)部１５と、温度調整素子１６と、制御情報格納用メモリ部１７とを有している。システム制御部１３は、自動バイアス制御部１１と自動温度制御部１５との選択発動を行うアルゴリズムを持っている。

本実施形態に係るマッハツェンダ干渉式光信号変調器１０は、半導体チップ上に形成された光導波路２１に入射する光、例えばシングルモードレーザ光を２つに分け、当該２つの光を異なる２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂを通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせる。そして、光量モニタ部１４→自動バイアス制御部１１→バイアス電圧部１２の制御ループと、光量モニタ部１４→自動温度制御部１５→温度調整素子１６の制御ループとで位相制御系を構成することで、本光信号変調器１０で変調される光波面の位相の自動帰還型制御を行なう。

すなわち、直流バイアス電圧Ｖｂ（以下、単に「バイアス電圧Ｖｂ」と記述する）に変動が生じた場合、先述した式（５）から判るように、バイアス電圧Ｖｂの変動は、光導波路２１を伝播するシングルモードの光波面の位相遅延（π/λ）Ｎｅ^3・γ（Ｌ/Ｄ)(Ｖｍ＋Ｖｂ）の変動へ、さらに２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂの位相が干渉した光振幅、即ち光量の変動へと連鎖する。そして、この光量の変動をフォとダイオード等からなる光量モニタ部１４で検出の上、自動バイアス制御部１０１によってバイアス電圧部１２に帰還を掛けることによってバイアス電圧Ｖｂの変動を補償・相殺する。

さらに、温度Ｔの変動、特に温度上昇が生じた場合に、先述した式（６）から判るように、温度Ｔの変動は、光導波路２１の実効屈折率Ｎｅの変動へ、次いで光導波路２１を伝播するシングルモードの光波面の位相遅延（π/λ）Ｎｅ^3・γ（Ｌ/Ｄ)(Ｖｍ＋Ｖｂ）の変動へ、さらに２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂの位相が干渉した光振幅、即ち光量の変動へと連鎖する。

そして、この光量の変動を光量モニタ部１０４で検出の上、自動バイアス制御部１と自動温度制御部１５との選択発動を行うアルゴリズムを持ったシステム制御部１３による制御情報格納用メモリ部１７の格納情報に基づく制御の下、自動バイアス制御部１０１によってバイアス電圧部１２に帰還を掛けることによって温度Ｔの変動を補償・相殺する、或いは、自動温度制御部１５によって温度調整素子１６に帰還を掛けることによって温度Ｔの変動を補償・相殺する。

なお、図１において、光導波路２１の入力側および出力側のレーザ光の波形を実線で、２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂの内の一方の光導波路２１Ａを通過するレーザ光の波形を二点鎖線で、他方の光導波路２１Ｂを通過するレーザ光の波形を破線でそれぞれ示している。

（光導波路）
光導波路２１（２１Ａ，２１Ｂを含む）が形成された半導体チップは、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板となっている。すなわち、図２に示すように、光導波路２１は、ＳｉＯ２等の絶縁基板３１上に単結晶シリコンによって形成されている。この光導波路２１と同じ層に当該光導波路２１を挟んで、バイアス回路部１２を形成するためのＰ層３２とＮ層３３とが形成されている。そして、光導波路２１、Ｐ層３２およびＮ層３３の上にＳｉＯ２等によって絶縁層３４が形成されている。

（温度調整素子）
図２に示すように、温度調整素子１６は、光導波路２１と同じ半導体材料、即ちシリコンによって光導波路２１上に絶縁層３４を介して形成された吸熱層（または、放熱層）４１と、この吸熱層（または、放熱層）４１上に形成されたＰＮ接合層４２，４３と、このＰＮ接合層４２，４３の上にＳｉＯ２等によって形成された絶縁層４４と、図１の自動温度制御部１５から与えられる温度制御信号をＰＮ接合層４２，４３に伝えるために絶縁層４４上に設けられた電極４５，４６とから構成されている。

図２から明らかなように、バイアス電圧部１２について、２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂのそれぞれに対応してバイアス電圧部１２Ａ，１２Ｂが設けられているのと同様に、温度調整素子１６についても、２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂのそれぞれに対応して温度調整素子１６Ａ，１６Ｂが設けられている。

このように、温度調整素子１６を光導波路２１が形成された半導体チップと同一のチップ内に形成し、自動温度制御部１５から与えられる温度制御信号を、電極４５，４６を通してＰＮ接合層４２，４３に伝えることによって自動温度制御の帰還系を構成することで、半導体チップ、特に半導体チップ内の光導波路２１が発する熱が吸熱層（または、放熱層）４１に吸収され、当該吸熱層４１から絶縁層４４を通してチップ外に放熱されるため、光導波路２１の温度調整を行うことが可能になる。

ここでは、吸熱層（または、放熱層）４１によって光導波路２１の熱を吸熱・放熱するとしたが、原理的には、ＰＮ接合層４２，４３に対して吸熱・放熱の場合と逆極性の温度制御信号を与えることで、光導波路２１を加熱することによって当該光導波路２１の温度調整を行うことも可能である。

ここで、光導波路２１が形成された半導体チップと同一のチップ内に温度調整素子１６を構成するに当たっては、例えば図３に示すように、シリコンによって光導波路２１が形成されたＳＯＩ基板（半導体チップ）３０に対して、吸熱層（または、放熱層）４１とＰＮ接合層４２，４３とからなる基板４０を貼り合わせ、その上に絶縁層４４を成膜するようにすればよい。

ただし、この形成方法は一例に過ぎず、これに限られるものではない。例えば、光導波路２１が形成されたＳＯＩ基板（半導体チップ）３０上に、エピタキシャル成長によって吸熱層（または、放熱層）４１とＰＮ接合層４２，４３とを形成するようにすることも可能である。

また、絶縁層４４上には、温度制御信号をＰＮ接合層４２，４３に伝えるための電極４５，４６以外に、図１の自動バイアス制御部１１から与えられるバイアス制御信号をＰ層３２およびＮ層３３に伝えるための電極３５，３５も設けられている。

なお、本例では、半導体チップ内の光導波路２１の上位（図２の上側）に吸熱層（または、放熱層）４１を形成するとしたが、図４に示すように、半導体チップ内の光導波路２１の下位（図４の下側）に吸熱層（または、放熱層）４１を形成することによっても、光導波路２１の温度調整を行うことができる。

（制御情報格納用メモリ部）
制御情報格納用メモリ部１７は、４つのメモリ（＃０）１７−０〜メモリ（＃３）１７−３を有し、ＣＰＵおよびＲＯＭを含むシステム制御部１３による制御の下に、自動バイアス制御部１１によるバイアス電圧部１２の制御や、自動温度制御部１５による温度調整素子１６の制御を行なう自動帰還制御の際に用いる各種の制御情報を記憶する。メモリ（＃０）１７−０〜メモリ（＃３）１７−３に記憶する各種の制御情報について以下に説明する。

メモリ（＃０）１７−０は、光量モニタ部１４の数値、具体的には本光信号変調器１０で変調される波面の位相の初期設定の光量を制御情報として記憶する。そして、自動帰還制御では、メモリ（＃０）１７−０に記憶された値と光量モニタ部１４の値との随時比較から、初期設定の光量を維持する制御を行なうことで、本光信号変調器１０で変調される波面の位相の補償を行う。

メモリ（＃１）１７−１は、光量モニタ部１４の数値、具体的にはメモリ（＃０）１７−０の初期設定の光量と不一致の際の光量を制御情報として記憶する。そして、自動帰還制御では、メモリ（＃１）１７−１に記憶された値と光量モニタ部１４の値との随時比較から、２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂの内の何れかの自動帰還制御の有効性を判断することで、本光信号変調器１０で変調される波面の位相の補償を行う。

メモリ（＃２）１７−２は、２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂの内の何れか一方を示すコード、具体的には光量モニタ部１４の値の安定化に有効な光導波路２１Ａ／２１Ｂを示すコードを制御情報として記憶する。そして、自動帰還制御では、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す光導波路２１Ａ／２１Ｂに帰還制御を掛けることで、本光信号変調器１０で変調される波面の位相の補償を行う。

メモリ（＃３）１７−３は、２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂの内の何れか一方を示すコード、具体的にはメモリ（＃２）１７−２と逆の光導波路２１Ｂ／２１Ａのコードを制御情報として記憶する。そして、自動帰還制御では、メモリ（＃３）１７−３に記憶されたコードが示す光導波路２１Ｂ／２１Ａに逆相の帰還制御を掛けることで、本光信号変調器１０で変調される波面の位相の補償を行う。

（自動帰還制御のアルゴリズム）
次に、システム制御部１３によって実行される、自動帰還制御のアルゴリズムについて説明する。

自動帰還制御のアルゴリズムは、自動バイアス制御部１１からのバイアス制御信号に基づくバイアス電圧部１２のバイアス電圧Ｖｂの制御と、バイアス電圧Ｖｂに対する制御可能範囲の限界（以下、「バイアスリミット」と記述する）の設定と、バイアス電圧Ｖｂがバイアスリミットに達したか否かの判定の各処理フローからなる自動バイアス制御の限界判定機能を有し、当該限界判定機能によって自動バイアス制御（ＡＢＣ）と自動温度制御（ＡＴＣ）との選択発動を行う。

先述した式（５）、式（６）から判るように、温度Ｔでの実効屈折率Ｎｅの変動による位相遅延（π/λ）Ｎｅ^3・γ（Ｌ/Ｄ)(Ｖｍ＋Ｖｂ）をバイアス電圧Ｖｂで補償・相殺するには、光導波路２１の部材の電気光学定数γが十分に大きくなければならない。ところが、先述したように、半導体材料、例えばシリコンなど比較的小さい（例えば、γ＝３ｐｍ／Ｖ程度）のマッハツェンダ干渉式光信号変調器では、自動バイアス制御による温度変動の補償が追いつかない。

そこで、本実施形態に係るマッハツェンダ干渉式光信号変調器１０では、光導波路２１が形成された半導体チップと同一のチップ内に形成された温度調整素子１６を制御する自動温度制御を自動バイアス制御と併用し、当該自動温度制御の選択発動を行うようにしている。

因みに、温度Ｔでの実効屈折率Ｎｅの変動による位相遅延（π/λ）Ｎｅ^3・γ（Ｌ/Ｄ)(Ｖｍ＋Ｖｂ）において、光導波路の厚さＤとは、図２における光導波路２１のＰ層３２およびＮ層３３の方向（図２の左右方向）の厚みを言う。

（自動帰還制御のアルゴリズムの制御手順）
自動帰還制御のアルゴリズムの具体的な制御手順について、図５および図６のフローチャートを用いて説明する。

電源オンにより、先ず、本光信号変調器（以下、「ＭＺＩ」と略記する）の出力光量（出力振幅）を最大にする（ステップＳ１１）。出力光量を最大にすることで、両翼の光導波路２１Ａ，２１Ｂの波面の位相差が０°になる。以降、光導波路２１Ａ，２１Ｂのいずれか一方を片翼“Ａ”，“Ｂ”と呼ぶこととする。次いで、ＭＺＩの出力光量を最大から−３ｄＢ（即ち、１／２振幅）にする（ステップＳ１２）。出力振幅を１／２にすることで、両翼“Ａ”，“Ｂ”の波面の位相差が１２０°になる。

次に、両翼“Ａ”，“Ｂ”に差動変調電圧を印加し（ステップＳ１３）、次いで、ＭＺＩの出力光量を制御情報格納用メモリ部１７のメモリ（＃０）１７−０へ初期の出力光量として記憶する（ステップＳ１４）。そして、最新のＭＺＩの出力光量がメモリ（＃０）１７−０に記憶されている光量と一致するか否かを判断し（ステップＳ１５）、一致していれば（Ｙｅｓ）、ＭＺＩの出力光量が安定している訳であるから、ステップＳ１３に戻ってステップＳ１３〜Ｓ１５の各処理を繰り返す。

ステップＳ１５において、最新のＭＺＩの出力光量がメモリ（＃０）１７−０に記憶されている光量に対してずれている（変動している）と判断した場合は、当該出力光量をメモリ（＃１）１７−１に記憶し（ステップＳ１６）、次いで、メモリ（＃１）１７−１に記憶されている光量が、メモリ（＃０）１７−０に記憶されている光量よりも少ないか否か、即ち最新の出力光量が初期設定の出力光量よりも減ったか否かを判断する（ステップＳ１７）。

＜ＭＺＩの出力光量が減った場合＞
ステップＳ１７において、ＭＺＩの出力光量が初期設定の出力光量よりも減ったと判断した場合は、任意の片翼“Ａ”（光導波路２１Ａ／２１Ｂ）のバイアス電圧Ｖｂを下げ（ステップＳ１８）、次いで、ＭＺＩの出力光量がメモリ（＃１）１７−１に記憶されている光量よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１９）。

そして、大きい（Ｙｅｓ）と判断した場合は、片翼“Ａ”（光導波路２１Ａ／２１Ｂ）を示すコードをメモリ（＃２）１７−２に記憶し（ステップＳ２１）、小さい（Ｎｏ）と判断した場合は、逆翼“Ｂ”（光導波路２１Ｂ／２１Ａ）を示すコードをメモリ（＃２）１７−２に記憶する（ステップＳ２１）。

すなわち、ここでは、２本の翼“Ａ”，“Ｂ”（光導波路２１Ａ，２１Ｂ）の内の何れか一方の翼（光導波路）に対する制御の有効性の判断が行われる。具体的には、任意の片翼“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを下げた結果、ＭＺＩの出力光量がメモリ（＃１）１７−１に記憶されている光量よりも増えた場合は、片翼“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを下げる制御が有効であることになるため、メモリ（＃２）１７−２には片翼“Ａ”を示すコードが制御対象の翼を示すコードとして記憶される訳である。

一方、任意の片翼“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを下げた結果、ＭＺＩの出力光量がメモリ（＃１）１７−１に記憶されている光量よりも減った場合は、片翼“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを下げる制御よりも、逆翼“Ｂ”のバイアス電圧Ｖｂを上げる制御の方が有効であることになるため、メモリ（＃２）１７−２には逆翼“Ｂ”を示すコードが制御対象の翼を示すコードとして記憶される訳である。

続いて、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す片翼“Ａ”／“Ｂ”のバイアス電圧Ｖｂを下げ（ステップＳ２２）、次いで、最新のＭＺＩの出力光量がメモリ（＃０）１７−０に記憶されている初期設定の光量よりも少ないか否かを判断する（ステップＳ２３）。ここで、最新の出力光量が初期設定の光量に達したのであれば、ＭＺＩの出力光量の変動（ドリフト）が解消されたと判断し、ステップＳ１３に戻る。

最新の出力光量が初期設定の光量よりも少なければ、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す片翼“Ａ”／“Ｂ”のバイアス電圧Ｖｂがバイアスリミット（下限）よりも大きいか否かを判断し（ステップＳ２４）、バイアスリミットに達していなければステップＳ２０に戻ってバイアスリミットに達するまでステップＳ２０〜Ｓ２４の処理を繰り返す。

そして、片翼“Ａ”／“Ｂ”のバイアス電圧Ｖｂがバイアスリミットに達したと判断したら、メモリ（＃２）１７−２に記憶された片翼“Ａ”／“Ｂ”の逆翼“Ｂ”／“Ａ”を示すコードをメモリ（＃３）１７−３に記憶し（ステップＳ２５）、次いで、メモリ（＃３）１７−３に記憶されたコードが示す逆翼“Ｂ”／“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを上げる（ステップＳ２６）。

続いて、最新のＭＺＩの出力光量がメモリ（＃０）１７−０に記憶されている初期設定の光量よりも少ないか否かを判断する（ステップＳ２７）。ここで、最新の出力光量が初期設定の光量に達したのであれば、ＭＺＩの出力光量のドリフトが解消されたと判断し、ステップＳ１３に戻る。

最新の出力光量が初期設定の光量よりも少なければ、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す逆翼“Ｂ”／“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂがバイアスリミット（上限）よりも小さいか否かを判断し（ステップＳ２８）、バイアスリミットに達していなければステップＳ２６に戻ってバイアスリミットに達するまでステップＳ２６〜Ｓ２８の処理を繰り返す。

・ＡＢＣからＡＴＣへの切り替え
そして、逆翼“Ｂ”／“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂがバイアスリミットに達したと判断したら、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す逆翼“Ｂ”／“Ａ”の温度調整素子１６Ｂ／１６Ａに対して自動バイアス制御部１５から、Ｐ層４２を負（−）とし、Ｎ層４３を正（＋）とする温度バイアス（温度制御信号）を与える（ステップＳ２９）。

次いで、最新のＭＺＩの出力光量がメモリ（＃０）１７−０に記憶されている初期設定の光量よりも少ないか否かを判断し（ステップＳ３０）、最新の出力光量が初期設定の光量よりも少なければ、ステップＳ２９に戻って最新の出力光量が初期設定の光量に達するまでステップＳ２９，Ｓ３０の処理を繰り返す。そして、最新の出力光量が初期設定の光量に達したのであれば、ＭＺＩの出力光量のドリフトが解消されたと判断し、ステップＳ１３に戻る。

＜ＭＺＩの出力光量が増えた場合＞
ステップＳ１７において、ＭＺＩの出力光量が初期設定の出力光量よりも増えたと判断した場合は、任意の片翼“Ａ”（光導波路２１Ａ／２１Ｂ）のバイアス電圧Ｖｂを上げ（ステップＳ３１）、次いで、ＭＺＩの出力光量がメモリ（＃１）１７−１に記憶されている光量よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ３２）。

そして、小さい（Ｙｅｓ）と判断した場合は、片翼“Ａ”（光導波路２１Ａ／２１Ｂ）を示すコードをメモリ（＃２）１７−２に記憶し（ステップＳ３３）、大きい（Ｎｏ）と判断した場合は、逆翼“Ｂ”（光導波路２１Ｂ／２１Ａ）を示すコードをメモリ（＃２）１７−２に記憶する（ステップＳ２４）。

すなわち、ここでは、２本の翼“Ａ”，“Ｂ”（光導波路２１Ａ，２１Ｂ）の内の何れか一方の翼（光導波路）に対する制御の有効性の判断が行われる。具体的には、任意の片翼“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを上げた結果、ＭＺＩの出力光量がメモリ（＃１）１７−１に記憶されている光量よりも減った場合は、片翼“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを上げる制御が有効であることになるため、メモリ（＃２）１７−２には片翼“Ａ”を示すコードが制御対象の翼を示すコードとして記憶される訳である。

一方、任意の片翼“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを上げた結果、ＭＺＩの出力光量がメモリ（＃１）１７−１に記憶されている光量よりも増えた場合は、片翼“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを上げる制御よりも、逆翼“Ｂ”のバイアス電圧Ｖｂを下げる制御の方が有効であることになるため、メモリ（＃２）１７−２には逆翼“Ｂ”を示すコードが制御対象の翼を示すコードとして記憶される訳である。

続いて、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す片翼“Ａ”／“Ｂ”のバイアス電圧Ｖｂを上げ（ステップＳ３５）、次いで、最新のＭＺＩの出力光量がメモリ（＃０）１７−０に記憶されている初期設定の光量よりも多いか否かを判断する（ステップＳ３６）。ここで、最新の出力光量が初期設定の光量に達したのであれば、ＭＺＩの出力光量のドリフトが解消されたと判断し、ステップＳ１３に戻る。

最新の出力光量が初期設定の光量よりも多ければ、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す片翼“Ａ”／“Ｂ”のバイアス電圧Ｖｂがバイアスリミット（上限）よりも小さいか否かを判断し（ステップＳ３７）、バイアスリミットに達していなければステップＳ３５に戻ってバイアスリミットに達するまでステップＳ３５〜Ｓ３７の処理を繰り返す。

そして、片翼“Ａ”／“Ｂ”のバイアス電圧Ｖｂがバイアスリミットに達したと判断したら、メモリ（＃２）１７−２に記憶された片翼“Ａ”／“Ｂ”の逆翼“Ｂ”／“Ａ”を示すコードをメモリ（＃３）１７−３に記憶し（ステップＳ３８）、次いで、メモリ（＃３）１７−３に記憶されたコードが示す逆翼“Ｂ”／“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂを下げる（ステップＳ３９）。

続いて、最新のＭＺＩの出力光量がメモリ（＃０）１７−０に記憶されている初期設定の光量よりも多いか否かを判断する（ステップＳ４０）。ここで、最新の出力光量が初期設定の光量に達したのであれば、ＭＺＩの出力光量のドリフトが解消されたと判断し、ステップＳ１３に戻る。

最新の出力光量が初期設定の光量よりも多ければ、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す逆翼“Ｂ”／“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂがバイアスリミット（下限）よりも大きいか否かを判断し（ステップＳ４１）、バイアスリミットに達していなければステップＳ３９に戻ってバイアスリミットに達するまでステップＳ３９〜Ｓ４１の処理を繰り返す。

・ＡＢＣからＡＴＣへの切り替え
そして、逆翼“Ｂ”／“Ａ”のバイアス電圧Ｖｂがバイアスリミットに達したと判断したら、メモリ（＃２）１７−２に記憶されたコードが示す逆翼“Ｂ”／“Ａ”の温度調整素子１６Ｂ／１６Ａに対して自動バイアス制御部１５から、Ｐ層４２を正（＋）とし、Ｎ層４３を負（−）とする温度バイアス（温度制御信号）を与える（ステップＳ４２）。

次いで、最新のＭＺＩの出力光量がメモリ（＃０）１７−０に記憶されている初期設定の光量よりも多いか否かを判断し（ステップＳ４３）、最新の出力光量が初期設定の光量よりも多ければ、ステップＳ４２に戻って最新の出力光量が初期設定の光量に達するまでステップＳ４２，Ｓ４３の処理を繰り返す。そして、最新の出力光量が初期設定の光量に達したのであれば、ＭＺＩの出力光量のドリフトが解消されたと判断し、ステップＳ１３に戻る。

［本実施形態の作用効果］
上述したように、低コスト・小型集積化を目的として、分岐された２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂを含む光導波路２１を半導体材料、例えばシリコンによって半導体チップ上に形成した構成を採るマッハツェンダ干渉（ＭＺＩ）式光信号変調器１０において、光導波路２１が形成された半導体チップと同一のチップ内に温度調整素子１６を形成し、当該温度調整素子１６を制御する自動温度制御（ＡＴＣ）を、バイアス電圧Ｖｂを制御する自動バイアス制御（ＡＢＣ）と併用することにより、ＡＢＣによるバイアス電圧Ｖｂの制御のみならず、ＡＴＣによる温度調整素子１６の制御によっても光導波路２１の温度を制御することができるために、電気光学定数γが比較的小さい半導体材料によって光導波路２１を形成した場合であっても、特段の空冷ファンや放熱部材を用いることなく温度変動に対する補償を行うことが可能になる。

この制御の際、温度をモニタせずに、ＭＺＩ変調信号の光量をモニタするのみで、ＡＢＣとＡＴＣとの選択発動を行うアルゴリズムを持ったシステム制御部１３による制御の下に、時定数の短い（速い）電気的な自動帰還型制御を行なうＡＢＣと、時定数の長い（遅い）温度的な自動帰還型制御を行なうＡＴＣとを適宜選択するので、余計な時間をかけることなく、迅速なＮＺＩ補償を行うことができる。

特に、バイアス電圧Ｖｂの制御可能範囲内において、バイアス回路部１２（１２Ａ，１２Ｂ）のバイアス電圧Ｖｂを、自動バイアス制御部１１からのバイアス制御信号で制御し、通常は、ＡＢＣによる時定数の短い電気的な自動帰還型制御によって温度変動に対して、本光信号変調器１０の光導波路２１を伝播するシングルモードの光波面の位相遅延を補償することで、２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂの位相が干渉した光振幅、即ちＭＺＩ変調信号の光量と波形を補償し、温度変動分を相殺することができる。

また、バイアス電圧Ｖｂの制御可能範囲外では、温度調整素子１６の温度バイアスを、自動温度制御部１５からの温度制御信号で制御し、自動温度制御による時定数の遅い（長い）温度的な自動帰還型制御によって温度変動に対して、本光信号変調器１０の光導波路２１を伝播するシングルモードの光波面の位相遅延を補償することで、２本の光導波路２１Ａ，２１Ｂの位相が干渉した光振幅、即ちＭＺＩ変調信号の光量と波形を補償し、温度変動分を相殺することができる。

［応用例］
本発明によるマッハツェンダ干渉式光信号変調器１０は、光ファイバ通信システムにおいて、光源から発せられる光を光ファイバに伝えたり、光ファイバからの光を受信したりする受信・送信装置の光信号変調器として用いて好適なものである。そして、本発明によるマッハツェンダ干渉式光信号変調器１０は、大容量のテレビジョン情報を光ファイバにて高速に伝送するテレビジョン信号の伝送システムなど、光ファイバにて高速通信を行う通信システム全般で用いられる光信号変調器への適用が可能である。

本発明の一実施形態に係るマッハツェンダ干渉式光信号変調器の構成の概略を示すシステム構成図である。 光導波路および温度調整素子を内蔵する半導体チップの構造の一例を示す断面構造図である。 光導波路が形成された半導体チップと同一のチップ内に温度調整素子を構成する場合の形成方法の一例を示す工程図である。 光導波路および温度調整素子を内蔵する半導体チップの構造の他の例を示す断面構造図である。 自動帰還制御のアルゴリズムの具体的な制御手順の一例を示すフローチャート（その１）である。 自動帰還制御のアルゴリズムの具体的な制御手順の一例を示すフローチャート（その２）である。 ＭＺＩ原理の説明に供する波形図である。 従来例に係るマッハツェンダ干渉式光信号変調器の構成の概略を示すシステム構成図である。

符号の説明

１０…マッハツェンダ干渉式光信号変調器、１１…自動バイアス制御（ＡＢＣ）部、１２（１２Ａ，１２Ｂ）…バイアス電圧部、１３…システム制御部、１４…光量モニタ部、１５…自動温度制御（ＡＴＣ）部、１６（１６Ａ，１６Ｂ）…温度調整素子、１７…制御情報格納用メモリ部、２１（２１Ａ，２１Ｂ）…光導波路

Claims (14)

1. 分岐された２本の光導波路を含む光導波路を半導体材料によって半導体チップ上に形成した構成のマッハツェンダ干渉式光信号変調器であって、
   前記光導波路に対して直流バイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、
   出力光量を検出する光量モニタ部と、
   前記光量モニタ部の検出光量を基に前記直流バイアス電圧を制御する自動バイアス制御部と、
   前記光導波路が形成された半導体チップと同一のチップ内に形成され、前記光導波路の温度を調整する温度調整素子と、
   前記光量モニタ部の検出光量を基に前記温度調整素子を制御する自動温度制御部とを備え、
   前記自動バイアス制御部による制御と前記自動温度制御系による制御とを選択的に行う
   ことを特徴とするマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
2. 前記温度調整素子は、
   前記光導波路に対して吸熱（または、発熱）を行う吸熱層（または、発熱層）と、
   前記吸熱層（または、発熱層）に近接して設けられたＰＮ接合層と、
   前記ＰＮ接合層に対して前記自動温度制御部からの温度制御信号を伝えるための電極とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
3. 前記自動バイアス制御部による制御と、前記自動温度制御部による制御との切替え制御を行なうシステム制御部
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
4. 前記システム制御部は、
   前記直流バイアス電圧の制御可能範囲内では前記自動バイアス制御部による制御を行ない、
   前記直流バイアス電圧の制御可能範囲外では前記自動温度制御部による制御を行なう
   ことを特徴とする請求項３記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
5. 変調される波面の位相の初期設定の光量を記憶する第１メモリと、
   前記光量モニタ部で検出される出力光量が前記第１メモリに記憶されている光量と不一致の際の当該出力光量を記憶する第２メモリと、
   前記２本の光導波路の内、前記出力光量の安定化に有効な光導波路を示すコードを記憶する第３メモリと、
   前記有効な光導波路と別の光導波路を示すコードを記憶する第４メモリとを有するメモリ部を
   をさらに備えたことを特徴とする請求項３記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
6. 前記システム制御部は、前記光量モニタ部で検出される出力光量を前記第１メモリに記憶されている初期設定の光量と随時比較することで、前記出力光量が前記初期設定の光量になるように前記自動バイアス制御部による制御または前記自動温度制御部による制御を行なう
   ことを特徴とする請求項５記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
7. 前記システム制御部は、前記光量モニタ部で検出される出力光量が前記第１メモリに記憶されている初期設定の光量に対して変動していると判断したとき、前記光量モニタ部で検出される出力光量を前記第２メモリに記憶されている光量と随時比較することで、前記２本の光導波路の内の何れか一方の光導波路に対する制御の有効性を判断し、有効と判断した光導波路を示すコードを前記第３メモリに記憶し、当該有効と判断した光導波路に対して前記自動バイアス制御部による制御を行なう
   ことを特徴とする請求項６記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
8. 前記システム制御部は、前記第３メモリに記憶されたコードが示す光導波路に対して行う前記自動バイアス制御部による制御において、前記直流バイアス電圧を変化させたときに前記光量モニタ部で検出される出力光量が前記第１メモリに記憶されている初期設定の光量に対して不一致のときは、前記直流バイアス電圧が制御可能範囲の一方の限界に達するまで前記第３メモリに記憶されたコードが示す光導波路に対して制御を行なう
   ことを特徴とする請求項７記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
9. 前記システム制御部は、前記第３メモリに記憶されたコードが示す光導波路に対する制御において、前記直流バイアス電圧が制御可能範囲の一方の限界に達したときは、前記第４メモリに記憶されたコードが示す光導波路に対して前記直流バイアス電圧が制御可能範囲の他方の限界に達するまで制御を行なう
   ことを特徴とする請求項８記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
10. 前記システム制御部は、前記第４メモリに記憶されたコードが示す光導波路に対する制御において、前記直流バイアス電圧が制御可能範囲の他方の限界に達したときは、前記自動バイアス制御部による制御から前記自動温度制御部による制御に切り替える
    ことを特徴とする請求項９記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器。
11. 半導体材料によって半導体チップ上に形成された、分岐された２本の光導波路を含む光導波路に対して直流バイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、
    出力光量を検出する光量モニタ部と、
    前記光導波路が形成された半導体チップと同一のチップ内に形成され、前記光導波路の温度を調整する温度調整素子とを有するマッハツェンダ干渉式光信号変調器において、
    前記光導波路を伝播する光波面の位相の帰還制御を行なうマッハツェンダ干渉式光信号変調器の制御方法であって、
    前記光量モニタ部の検出光量を基に前記直流バイアス電圧を制御する自動バイアス制御系による制御と、
    前記光量モニタ部の検出光量を基に前記温度調整素子を制御する自動温度制御系による制御とを選択的に行う
    ことを特徴とするマッハツェンダ干渉式光信号変調器の制御方法。
12. 前記直流バイアス電圧の制御可能範囲内では前記自動バイアス制御系による制御を行ない、
    前記直流バイアス電圧の制御可能範囲外では前記自動温度制御系による制御を行なう
    ことを特徴とする請求項１１記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器の制御方法。
13. 前記自動バイアス制御系による制御において、前記直流バイアス電圧が制御可能範囲の限界に達したときに、前記自動バイアス制御系による制御から前記自動温度制御系による制御に切り替える
    ことを特徴とする請求項１２記載のマッハツェンダ干渉式光信号変調器の制御方法。
14. 分岐された２本の光導波路を含む光導波路を半導体材料によって半導体チップ上に形成した構成のマッハツェンダ干渉式光信号変調器を有する送受信装置であって、
    前記マッハツェンダ干渉式光信号変調器は、
    前記光導波路に対して直流バイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、
    出力光量を検出する光量モニタ部と、
    前記光量モニタ部の検出光量を基に前記直流バイアス電圧を制御する自動バイアス制御部と、
    前記光導波路が形成された半導体チップと同一のチップ内に形成され、前記光導波路の温度を調整する温度調整素子と、
    前記光量モニタ部の検出光量を基に前記温度調整素子を制御する自動温度制御部とを備え、
    前記自動バイアス制御部による制御と前記自動温度制御系による制御とを選択的に行う
    ことを特徴とする送受信装置。

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