JP2009204884A - 光変調装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】単一のデバイスで負チャープ特性及びゼロチャープ特性のいずれでも動作させることが可能なＭＺ変調装置を提供する。
【解決手段】ＭＺ変調器１０は、強度の等しい２つの分岐光をそれぞれ第１及び第２の変調電圧信号の印加によって光位相変調を行う第１及び第２導波路２０ａ、２０ｂを有し、当該第１及び第２の導波路の上記変調電界が印加されるコア層の厚さは互いに異なり、第１及び第２の変調電圧信号は互いに逆相のプッシュ・プル信号であって、中心電圧が互いに異なる。
【選択図】図１
【解決手段】ＭＺ変調器１０は、強度の等しい２つの分岐光をそれぞれ第１及び第２の変調電圧信号の印加によって光位相変調を行う第１及び第２導波路２０ａ、２０ｂを有し、当該第１及び第２の導波路の上記変調電界が印加されるコア層の厚さは互いに異なり、第１及び第２の変調電圧信号は互いに逆相のプッシュ・プル信号であって、中心電圧が互いに異なる。
【選択図】図１
Description
本発明は、光通信や光情報処理システム等に用いられるマッハツェンダ光変調器を有する光変調装置、特に、波長チャープ特性の制御に関するものである。
光通信システムの光源としてマッハツェンダ型の光変調器（以下、ＭＺ光変調器ともいう。）が広く用いられている。マッハツェンダ型の光変調器は、光を一旦２つに分岐させて再び合波させるときの干渉条件によって光のオン・オフを行う光強度変調器で、分岐した２つの光の導波路上に設けた電極に変調用の電圧を印加することで、合波するときの干渉条件を変えるようにしている。
このようなマッハツェンダ型の光変調器を駆動する方法には、２つのアーム導波路の内の一方のみを変調する単一アーム駆動と、両方のアーム導波路をプッシュ・プルで駆動する両相アーム駆動（プッシュ・プル駆動）がある。
単一アーム駆動による光変調では、光強度がオフからオンに切り替わるときに光の周波数が低くなる（波長が長くなる）という負チャープ特性を呈するので、長距離光通信に適している。しかし、一方のアーム導波路のみを駆動して光変調を行うので、高い変調電圧が必要となる。
また、プッシュ・プル駆動による光変調は、駆動電圧（変調電圧）を低減することができるので広く使用されている。しかしながら、光変調器をプッシュ・プル駆動した場合では、光強度がオフからオンに移り変わる瞬間に、出射光の波長が低周波側に変化する正チャープ特性を呈し、逆に光強度がオンからオフに移り変わる瞬間には、波長が高周波側に変化する負チャープ特性を呈する。また、従来のプッシュ・プル駆動において、負チャープ特性が得られてもチャープ量の絶対値が小さいという問題があった。例えば、当該チャープ特性における変化量を示すαパラメータ（αパラメータについては後述する）の値は−０．２程度である。
この問題を解決するために、入射側光分波器から２つの変調アームに入射する入射光の強度を、例えば、４対６や３対７になるように分波器の分岐比を不等分とする（１対１からずらす）ことによってチャープ量を制御し、プッシュ・プル駆動でも好ましい負チャープ特性（αパラメータが、−０．７程度）が得られることが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記した従来技術においては、分岐比を再現性良く（４対６や３対７などに）大きく不等分にすることが非常に難しく、製造歩留りが悪いという問題があった。また、分岐比を１対１からずらした場合では消光比が低下するため、それによって伝送後のオン／オフの識別が困難になってしまうという問題があった。また、高速・長距離伝送に必要な消光比を得るためには変調電圧を高くする必要があるという問題があった。
また、光通信システムによっては負チャープ特性のみならず、ゼロチャープ特性が求められることがある。例えば、メトロポリタン光通信網においては、１０Gbpsの伝送レートで４０km または８０km程度の距離を無中継でファイバ伝送することが求められる。このような場合には、光送信機の光源には負チャープ特性が求められる（例えば、非特許文献１を参照）。
一方、４０km程度の分散補償ファイバを中継器で接続して何周期も繰り返すことにより数100 km 〜数1000 kmの伝送を行うような長距離伝送システムの場合は、その光源にはゼロチャープ特性が求められる。
従来、負チャープ特性及びゼロチャープ特性を有する光変調器はそれぞれ別々のデバイスで別々の設計を施して実現していたが、単一のデバイスで負チャープ特性及びゼロチャープ特性のどちらでも実現できることが望ましい。
米国特許第５５２４０７６号
F.Koyama & K.Iga "Frequency chirping in external modulators",IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.6, No.1, p.87, 1988
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、製造が容易で、かつ長距離伝送に適した所望の負チャープ特性が安定して得られるマッハツェンダ型の光変調装置（ＭＺ変調装置）を提供することを目的としている。また、単一のデバイスで負チャープ特性及びゼロチャープ特性のいずれでも動作させることが可能なＭＺ変調装置を提供することを目的としている。
本発明は、２つの分岐光をそれぞれ第１及び第２の変調電圧信号による変調電界の印加によって光位相変調を行う第１及び第２導波路を有するマッハツェンダ光変調器と、上記第１及び第２の変調電圧信号を生成するドライバ回路と、を備えた光変調装置であって、当該２つの分岐光の強度は等しいとともに、第１及び第２の導波路の上記変調電界が印加されるコア層の厚さは互いに異なり、第１及び第２の変調電圧信号は互いに逆相のプッシュ・プル信号であって、中心電圧が互いに異なることを特徴としている。
本発明によれば、ＭＺ光変調器において光位相変調を行う２つの導波路のコア層厚を異ならせることによって当該変調を行う２つの導波路の構成を非対称性とし、当該２つの変調導波路への変調電圧（中心電圧）の大小関係を変化させることによって負チャープ動作及びゼロチャープ動作のいずれも実現できる。従って、単一の装置で変調条件を変えることにより、負チャープとゼロチャープのいずれも実現することができ、種々の異なるシステムの要求に柔軟に対応可能な光変調装置を提供することが可能である。
さらに、安定して再現性良く負チャープ特性及びゼロチャープ特性を実現することができるうえに、消光比の低下を招くこともなく、長距離伝送をより安定に実現させることが可能となる。
図１は、本発明の実施例１である光変調装置５の構成を示す図である。光変調装置５は、マッハツェンダ光変調器（ＭＺ光変調器）１０及びＭＺ光変調器１０の駆動回路（ドライバ回路）３０から構成されている。図１においては、ＭＺ光変調器１０の平面図が示されている。また、図２は、ＭＺ光変調器１０のＡ−Ａ’線（図１）についての断面図である。
［光変調装置の構成］
光変調装置５のドライバ回路３０は、後述するＭＺ光変調器１０の共通電極１７、第１及び第２変調電極１６ａ，１６ｂに接続されている。また、ドライバ回路３０にはデータ信号ＳＤが供給される。ドライバ回路３０は、当該受信データ信号ＳＤに基づいて変調電圧Ｖａ，Ｖｂを生成し、第１及び第２変調電極１６ａ，１６ｂにそれぞれ変調電圧Ｖａ，Ｖｂを印加するように構成されている。なお、ドライバ回路３０の動作については後に詳細に説明する。
［光変調装置の構成］
光変調装置５のドライバ回路３０は、後述するＭＺ光変調器１０の共通電極１７、第１及び第２変調電極１６ａ，１６ｂに接続されている。また、ドライバ回路３０にはデータ信号ＳＤが供給される。ドライバ回路３０は、当該受信データ信号ＳＤに基づいて変調電圧Ｖａ，Ｖｂを生成し、第１及び第２変調電極１６ａ，１６ｂにそれぞれ変調電圧Ｖａ，Ｖｂを印加するように構成されている。なお、ドライバ回路３０の動作については後に詳細に説明する。
このＭＺ光変調器１０は、図１に示すように、例えば、半導体を基板として形成される。ＭＺ光変調器１０は、例えば、ｎ導電型不純物がドーピングされたＩｎＰからなる基板１１の表面に形成されている。ＭＺ光変調器１０には、被変調光が入射される第１及び第２の入射導波路１２ａ，１２ｂが設けられている。入射導波路１２ａ，１２ｂは光分波器１３に接続され、この光分波器１３によって入射光（被変調光）が２分岐されて光分波器１３の２つの出力ポートから出力されるように構成されている。被変調光として、例えば連続光（ＣＷ：Continuous Wave）が入射される。
光分波器１３の２つの出力ポートには、それぞれ第１アーム導波路２０ａと第２アーム導波路２０ｂの入力ポートが接続され、これらの第１アーム導波路２０ａと第２アーム導波路２０ｂの出力ポートが光合波器１４に接続されている。
光合波器１４は、第１アーム導波路２０ａと第２アーム導波路２０ｂから与えられる光を合波し、第１及び第２の出射導波路１５ａ，１５ｂに出力するものである。更に、第１アーム導波路２０ａと第２アーム導波路２０ｂの表面には、それぞれ第１変調電極１６ａと第２変調電極１６ｂが形成されている。
第１アーム導波路２０ａと第２アーム導波路２０ｂは、図２にその断面を示すように、基板１１の表面に形成された下側ＳＣＨ(Separate Confinement Heterostructure:光閉じ込め）層２１ａ，２１ｂを有している。これらの下側ＳＣＨ層２１ａ，２１ｂは、例えば、不純物がドーピングされていないノンドープ半導体（例えば、ＩｎＧａＡｓＰ）で形成されている。
第１アーム導波路２０ａは、下側ＳＣＨ層２１ａの上に、例えば、２５層の多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）層を有するＭＱＷ導波路層２２ａと、上側ＳＣＨ層２３ａと、クラッド層２４ａと、キャップ層２５ａと、が順次形成されて構成されている。そして、キャップ層２５ａの上には第１変調電極１６ａが形成されている。これに対して、第２アーム導波路２０ｂは、下側ＳＣＨ層２１ｂの上に、例えば、１８層のＭＱＷ層を有するＭＱＷ導波路層２２ｂと、上側ＳＣＨ層２３ｂと、クラッド層２４ｂと、キャップ層２５ｂと、が順次形成されて構成されている。そして、このキャップ層２５ｂの上に第２変調電極１６ｂが形成されている。すなわち、第２アーム導波路２０ｂは、第１アーム導波路２０ａに比べてＭＱＷ導波路を構成する層数が少ない。なお、第２アーム導波路２０ｂには上側ＳＣＨ層２３ｂを設けない構成としてもよい。
より詳細には、ＭＱＷ導波路層２２ａ，２２ｂはバリア層及び量子井戸層を交互に積層して形成され、ＭＱＷ導波路層２２ａではバリア層に挟まれる量子井戸層が２５層、ＭＱＷ導波路層２２ｂではバリア層に挟まれる量子井戸層が１８層となっている。ここで、当該バリア層及び量子井戸層は、ＩｎＰ系半導体により形成されている。具体的には、バリア層はノンドープＩｎＰ半導体により、量子井戸層はノンドープＩｎＧａＡｓＰ半導体によって形成されている。例えば、厚さ１０ｎｍ程度のＩｎＰによるバリア層と、厚さ１０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓＰによる量子井戸層とを交互に積層し、それぞれ２５層及び１８層のＭＱＷ導波路層２２ａ，２２ｂが形成されている。
しかしながら、バリア層及び量子井戸層は、４元混晶（ＩｎＧａＡｓＰ）又は３元混晶（ＩｎＧａＡｓ）により形成されていてもよい。あるいは、ノンドープ層に限らず、不純物（ｎ型、ｐ型ドーパント）がドープされていてもよい。さらに、バリア層及び量子井戸層はＩｎＰに格子整合した層に限らない。例えば、ＭＱＷ導波路層２２ａ，２２ｂが、いわゆる歪ＭＱＷ（strained MQW）として構成されていてもよい。なお、バリア層及び量子井戸層の厚さは、それぞれの結晶組成や量子準位、被変調光の波長等に応じて適宜決定される。
上側ＳＣＨ層２３ａは、下側ＳＣＨ層２１ａと同様にノンドープＩｎＧａＡｓＰ半導体で形成され、下側ＳＣＨ層２１ａと共に、第１アーム導波路２０ａを伝搬する光の大部分をＭＱＷ導波路層２２ａ内に閉じ込めるためのものである。
なお、図２に示すように、第１アーム導波路２０ａ及び第２アーム導波路２０ｂは、メサ構造として形成されるが、第１及び第２アーム導波路２０ｂの幅は、伝搬する光を適切に導波するような適切な値（例えば、２μｍ）であるように確定されている。
また、クラッド層２４ａ，２４ｂは、ｐ型不純物がドーピングされたＩｎＰで構成され、キャップ層２５ａ，２５ｂは、ｐ型不純物がドーピングされたＩｎＧａＡｓで構成されている。更に、基板１１の裏面には共通電極１７が形成され、この共通電極１７と第１変調電極１６ａとの間、及び共通電極１７と第２変調電極１６ｂとの間に変調用の電圧が印加されるようになっている。そして、第１アーム導波路２０ａ及び第２アーム導波路２０ｂの一部であり、当該変調電界が印加される電界印加領域（第１変調電極１６ａ及び第２変調電極１６ｂの形成領域）において当該印加電界の大きさに応じた光位相変調がなされる。
上記したように、本実施例においては、第１アーム導波路２０ａ及び第２アーム導波路２０ｂを構成する多重量子井戸 (ＭＱＷ) 導波路の量子井戸層数を異ならせている。これにより、第１アーム導波路２０ａ及び第２アーム導波路２０ｂにおいて、当該変調電圧による変調電界が印加されるコア層（以下、変調層ともいう。）の厚さ（電界の印加方向）、すなわち、変調電界が印加されて光位相変調がなされる導波路の部分の厚さが互いに異なっている。しかしながら、量子井戸層数を異ならせることに限らず、他の層の厚さを異ならせること等によって変調電界が印加されるコア層（変調層）の厚さを互いに異ならせるように構成することもできる。より具体的には、第１アーム導波路２０ａのコア層（第１変調層）２７ａは下側ＳＣＨ層２１ａ、ＭＱＷ導波路層２２ａ及び上側ＳＣＨ層２３ａからなり、第２アーム導波路２０ｂのコア層（第２変調層）２７ｂは、下側ＳＣＨ層２１ｂ、ＭＱＷ導波路層２２ｂ及び上側ＳＣＨ層２３ｂからなり、これらの層のいずれかの厚さを異ならせることによって第１アーム導波路２０ａ及び第２アーム導波路２０ｂのコア層２７ａ，２７ｂの厚さを互いに異ならせるようにしてもよい。
［光変調装置の動作］
次に、ＭＺ光変調器１０及びドライバ回路３０の動作について説明する。例えば、入射光ＩＮを第１の入射導波路１２ａから入力し、第１の出射導波路１５ａから出力される出射光ＯＵＴを用いる場合、第１アーム導波路２０ａにおける電気−光相互作用長（第１変調電極１６ａの長さにほぼ一致）と等価屈折率をそれぞれＬａ，ＮＥａとし、第２アーム導波路２０ｂにおける電気−光相互作用長（第２変調電極１６ｂの長さにほぼ一致）と等価屈折率をそれぞれＬｂ，ＮＥｂとすると、出射光ＯＵＴの状態（オフ状態及びオン状態）は次のようになる。但し、λは光の波長、ｎは任意の整数である。
［光変調装置の動作］
次に、ＭＺ光変調器１０及びドライバ回路３０の動作について説明する。例えば、入射光ＩＮを第１の入射導波路１２ａから入力し、第１の出射導波路１５ａから出力される出射光ＯＵＴを用いる場合、第１アーム導波路２０ａにおける電気−光相互作用長（第１変調電極１６ａの長さにほぼ一致）と等価屈折率をそれぞれＬａ，ＮＥａとし、第２アーム導波路２０ｂにおける電気−光相互作用長（第２変調電極１６ｂの長さにほぼ一致）と等価屈折率をそれぞれＬｂ，ＮＥｂとすると、出射光ＯＵＴの状態（オフ状態及びオン状態）は次のようになる。但し、λは光の波長、ｎは任意の整数である。
（Ｌａ×ＮＥａ）−（Ｌｂ×ＮＥｂ）＝２ｎ×λ／２ のときオフ状態
（Ｌａ×ＮＥａ）−（Ｌｂ×ＮＥｂ）＝（２ｎ＋１）×λ／２ のときオン状態
ここで、第１変調電極１６ａと第２変調電極１６ｂのいずれか一方または両方に電圧を印加すると、印加された電圧に応じて等価屈折率ＮＥａ，ＮＥｂが変化し、出射光ＯＵＴがオン状態とオフ状態の間で切り替わる。
（Ｌａ×ＮＥａ）−（Ｌｂ×ＮＥｂ）＝（２ｎ＋１）×λ／２ のときオン状態
ここで、第１変調電極１６ａと第２変調電極１６ｂのいずれか一方または両方に電圧を印加すると、印加された電圧に応じて等価屈折率ＮＥａ，ＮＥｂが変化し、出射光ＯＵＴがオン状態とオフ状態の間で切り替わる。
このとき、印加した電圧に応じて出射光ＯＵＴの強度が変調されると同時に、導波路の等価屈折率が変化する影響を受けて、この出射光ＯＵＴの波長も変化する。この現象をチャーピングと呼び、その大きさは次の（１）式で示されるαパラメータで表される。
α＝Ｅ（ｄφ／ｄｔ）／（ｄＥ／ｄｔ） ・・（１）
ここで、Ｅは出射光ＯＵＴの電界強度、φは位相であり、これらのＥとφの関係は、一般的に次の（２）式で表すことができる。
ここで、Ｅは出射光ＯＵＴの電界強度、φは位相であり、これらのＥとφの関係は、一般的に次の（２）式で表すことができる。
但し、Ｅ０は定数、Ｒは２つのアーム導波路２０ａ，２０ｂに入射する光強度の分岐比（Ｐａ／Ｐｂ）の平方根、Γａ，Γｂはそれぞれアーム導波路２０ａ，２０ｂにおける光閉じ込め係数、Ｖｉは（ｉはａまたはｂ）は第１または第２アーム導波路２０ａ，２０ｂで実際に変調用の電界が印加されるノンドープ半導体によるコア層（下側ＳＣＨ層２１、ＭＱＷ導波路層２２及び上側ＳＣＨ層２３からなる層）に印加される変調電圧、ｄｉ（ｉはａまたはｂ）は第１または第２アーム導波路２０ａ，２０ｂのコア層の厚さである。
また、Δα（Ｖｉ／ｄｉ）は第１または第２アーム導波路２０ａ，２０ｂを構成する量子井戸１層当たりの損失変化量、Δβ（Ｖｉ／ｄｉ）は第１または第２アーム導波路２０ａ，２０ｂを構成する量子井戸１層当たりの伝搬定数変化量、Ｌは第１及び第２アーム導波路２０ａ，２０ｂにおける電気−光相互作用長（第１及び第２変調電極１６ａ，１６ｂの長さにほぼ一致する）、φ０は第１及び第２変調電極１６ａ，１６ｂに電圧を印加しない条件で第１及び第２アーム導波路２０ａ，２０ｂを伝搬する光の間に元々存在している初期位相差である。
この（２）式の第１項は第１アーム導波路２０ａを通過した後の光電界、第２項は第２アーム導波路２０ｂを通過した後の光電界をそれぞれ表しており、これらの２つの光電界に分岐比Ｒの重み付けをして足し合わせることにより、出射光ＯＵＴの全体の光電界が表されていることがわかる。この（２）式から求められるＥとφを（１）式に導入することにより、αパラメータを求めることができる。また、プッシュ・プル型両相アーム駆動の場合、Ｖａ，Ｖｂは次式の条件を満足することになる。
｜ΔＶａ｜＝｜ΔＶｂ｜ かつ Ｖａ＋Ｖｂ＝一定
但し、ここで、ΔＶｉ（ｉはａまたはｂ）は、Ｖｉの最大値と最小値の差を意味する。
但し、ここで、ΔＶｉ（ｉはａまたはｂ）は、Ｖｉの最大値と最小値の差を意味する。
本実施例では、光分波器１３による入射光（被変調光）の分岐比は１（Ｐａ：Ｐｂ＝１：１）であり、入射光（被変調光）は２等分される。すなわち、アーム導波路２０ａ，２０ｂにより導波される光の強度Ｐａ，Ｐｂを等しくし（Ｐａ＝Ｐｂ）、第１及び第２アーム導波路２０ａ，２０ｂの構造を互いに異ならせているので、（２）式は、次の（３）式のように書き表される。
従って、第１及び第２アーム導波路２０ａ，２０ｂに関して、それぞれの光閉じ込め係数Γａ，Γｂや、コア層の厚さｄａ，ｄｂ等を適切に設定することにより、αパラメータを所望の値に制御することができる。
図３は、ＭＺ光変調器１０を単一アーム駆動した場合のＤＣ消光曲線の例を模式的に示したものである。本実施例においては、この図に示されるように、ＭＺ光変調器１０への印加電圧の絶対値を大きくしたときに出射光が大きくなる（オンとなる）ように構成されている。当該消光曲線は一方の導波路の変調電極のみを変調した場合、例えば、第１入射導波路１２ａから光を入射し、第１変調電極１６ａのみを変調電圧で駆動して第１アーム導波路２０ａにのみ電界を印加した場合に得られる。すなわち、図３は、第１出射導波路１５ａから出射される出射光ＯＵＴの光強度を示しており、変調電圧Ｖexを第１変調電極１６ａに印加した場合に所定の消光比ＥＲ（＝Ｐoff／Ｐon）が得られる。
なお、本実施例においては、共通電極１７に対して負の電圧（逆方向電圧）を第１及び第２変調電極１６ａ，１６ｂに印加することによって光変調がなされる。
図４は、ＭＺ光変調器１０をプッシュ・プル駆動し、負チャープ特性を有する変調パルスを得る場合の変調電圧Ｖａ，Ｖｂを模式的に示している（図４上段）。なお、図４の下段には、当該変調電圧Ｖａ，Ｖｂを印加したときのＭＺ光変調器１０からの光出力波形（変調光信号）を模式的に示している。
本実施例において、ドライバ回路３０は、ＭＺ光変調器１０の共通電極１７と第１変調電極１６ａとの間に変調電圧信号Ｖａを印加し、共通電極１７と第２変調電極との間に変調電圧信号Ｖｂを印加する。なお、上記したように、ドライバ回路３０にはデータ信号ＳＤが供給され、ドライバ回路３０は当該データ信号ＳＤに基づいて変調電圧信号（以下、単に変調電圧ともいう。）Ｖａ，Ｖｂを生成する。すなわち、ドライバ回路３０は、当該データ信号ＳＤに応じて、所望の消光比ＥＲが得られる変調電圧信号Ｖａ，Ｖｂを生成する。
ドライバ回路３０は、互いに逆相のプッシュ・プル信号である第１及び第２変調電圧Ｖａ＝Ｖac，Ｖｂ＝Ｖbcを、それぞれ第１変調電極１６ａ、第２変調電極１６ｂに印加する。ここで、当該第１及び第２変調電圧Ｖａ，Ｖｂは共通電極１７に対して負の電圧（逆方向電圧）である。また、Ｖac（＜０），Ｖbc（＜０）は、それぞれ第１及び第２変調電圧の中心電圧値（以下、バイアス電圧ともいう。）であり、互いに異なっている（Ｖac≠Ｖbc）。なお、第１及び第２変調電圧信号Ｖａ，Ｖｂは、それぞれの振幅が一定の矩形波パルス信号である。
第１及び第２変調電圧Ｖａ，Ｖｂはその振幅が等しく（｜ΔＶａ｜＝｜ΔＶｂ｜）、その和が一定（Ｖａ＋Ｖｂ＝const）であることが好ましい。また、第１及び第２変調電圧の中心電圧Ｖac，Ｖbcの差の絶対値は、第１又は第２変調電圧の振幅に等しい（すなわち、｜Ｖac−Ｖbc｜＝｜ΔＶａ｜／２＝｜ΔＶｂ｜／２）。なお、図４は、かかる場合について模式的に示している。
図５は、上記した第１及び第２変調電圧Ｖａ，ＶｂによってＭＺ光変調器１０をプッシュ・プル駆動した場合における、（１）式で表されるαパラメータのシミュレーション結果を示している。横軸に光強度の相対値、縦軸にαパラメータを示している。
第２変調電極１６ｂに印加する第２変調電圧Ｖｂ（＜０）の中心電圧Ｖbcが第１変調電極１６ａに印加する第１変調電圧Ｖａの中心電圧（バイアス電圧）Ｖac（＜０）よりも小さい場合、すなわち、第２変調電圧Ｖｂの中心電圧Ｖbcの絶対値が第１変調電圧Ｖａの中心電圧Ｖacの絶対値よりも大きい（｜Ｖbc｜＞｜Ｖac｜）場合に、負チャープ動作となる（図５、破線で示す）。より詳細には、光強度の相対値が０．５であるときのαパラメータの値を光変調装置５のαパラメータと定義すると、αパラメータは約−０．７であり、最適な値が得られることを示している。
このように、変調電界が印加されるコア層（変調層）の厚さが薄い第２アーム導波路２０ｂに印加する第２変調電圧の中心電圧（バイアス電圧）Ｖbcをコア層の厚さが厚い第１アーム導波路２０ａに印加する第１変調電圧Ｖａの中心電圧Ｖacよりも小さく（絶対値を大きく）することによって、負チャープ動作であって絶対値の大きいαパラメータ（約−０．７）が得られる。
一方、図６は、ＭＺ光変調器１０をプッシュ・プル駆動し、ゼロチャープ特性を有する変調パルスを得る場合の変調電圧Ｖａ，Ｖｂを模式的に示している（図６上段）。なお、図６の下段には、当該変調電圧Ｖａ，Ｖｂを印加したときのＭＺ光変調器１０からの光出力波形（変調光信号）を模式的に示している。
つまり、上記した変調条件（図４）とは逆に、変調電界が印加されるコア層（変調層）の厚さが薄い第２アーム導波路２０ｂに印加する第２変調電圧の中心電圧Ｖbcをコア層の厚さが厚い第１アーム導波路２０ａに印加する第１変調電圧Ｖａの中心電圧Ｖacよりも大きく（絶対値を小さく）することによって（｜Ｖbc｜＜｜Ｖac｜）、ゼロチャープ動作が実現される。図５において実線で示すように、当該ゼロチャープ動作条件により、αパラメータがほぼゼロであることが分かる。
なお、ＭＺ光変調器１０の極性が上記した実施例と逆の場合、すなわち、ｐ型基板１１上に導波路２０ａ，２０ｂが形成され、クラッド層２４ａ，２４ｂ、及びキャップ層２５ａ，２５ｂがｎ型半導体で形成されている場合には、当該第１及び第２変調電圧の極性も上記した実施例と逆になる。すなわち、第１及び第２変調電圧Ｖａ，Ｖｂは正（Ｖａ＞０，Ｖｂ＞０）である。この場合、コア層の厚さが薄い第２アーム導波路２０ｂに印加する第２変調電圧Ｖｂの中心電圧Ｖbcの絶対値が第１変調電圧Ｖａの中心電圧Ｖacの絶対値よりも大きい場合に負チャープ動作となり、これと逆の場合にゼロチャープ動作となる点は同様である。
以上、説明したように、本発明によれば、ＭＺ光変調器において光位相変調を行う２つの導波路のコア層厚を異ならせることによって当該変調を行う２つの導波路の構成に非対称性を導入し、当該変調導波路への変調電圧（中心電圧の大小関係）を変化させることによって負チャープ動作及びゼロチャープ動作のいずれかの動作モードを選択できる。従って、単一の装置で変調条件を変えることにより、負チャープとゼロチャープのいずれも実現することができ、種々の異なるシステムの要求に柔軟に対応可能な光変調装置を提供することが可能である。
なお、上記したように、変調導波路の非対称性は、量子井戸数を異なる数にする以外にも、同じ量子井戸数でありながらＳＣＨ層等の他の層の厚さを異ならせることによって２つの導波路のコア層の厚さを非対称とするようにしてもよい。
また、光分波器の分岐比を１からずらした場合には、それに伴い消光比（光変調器からの光出力がオンである時とオフ時であるときの光強度の比）が小さくなってしまう。しかしながら、本実施例においては、光分波器１３による入射光（被変調光）の分岐比は１であり（Ｐａ／Ｐｂ＝１）、アーム導波路２０ａ，２０ｂにより導波される光の強度Ｐａ，Ｐｂ、すなわち、変調される光の強度は両導波路で等しい。
従って、さらに、本実施例によれば、安定して再現性良く負チャープ特性及びゼロチャープ特性を実現することができるうえに、消光比の低下を招くこともなく、長距離伝送をより安定に実現させることが可能となる。
上記した実施例においては、第１及び第２アーム導波路のコア厚（変調層厚）を非対称にしたＭＺ光変調器について説明した。本実施例においては、第１及び第２アーム導波路２０ａ，２０ｂの層構造は同一であり、コア層厚は等しく構成されている。しかし、光分波器１３の分岐比は１からずらされ、第１及び第２アーム導波路２０ａ，２０ｂにより導波される光の強度Ｐａ，Ｐｂは互いに異なる（Ｐａ≠Ｐｂ）。
以下では、第２アーム導波路２０ｂにより導波される光の強度（Ｐｂ）が第１アーム導波路２０ａにより導波される光の強度（Ｐａ）よりも大である場合（Ｐａ＜Ｐｂ）を例に説明する。
かかる場合においても、上記した実施例１と同様に変調することで負チャープ動作及びゼロチャープ動作のいずれも実現することができる。より具体的には、ドライバ回路３０は、互いに逆相のプッシュ・プル信号である第１及び第２変調電圧Ｖａ，Ｖｂを、それぞれ第１変調電極１６ａ、第２変調電極１６ｂに印加する。
この場合、導波される光の強度が大きい方の導波路（第２アーム導波路２０ｂ）に印加する変調電圧の中心電圧（バイアス電圧）の絶対値（｜Ｖbc｜）を他方の導波路（第１アーム導波路２０ａ）に印加する変調電圧の中心電圧の絶対値（｜Ｖac｜）よりも大きく（｜Ｖac｜＜｜Ｖbc｜）なるようにプッシュ・プル駆動すると負チャープ特性の変調動作が実現される。
逆に、導波される光の強度が大きい方の導波路（第２アーム導波路２０ｂ）に印加する変調電圧の中心電圧の絶対値（｜Ｖbc｜）を他方の導波路（第１アーム導波路２０ａ）に印加する変調電圧の中心電圧の絶対値（｜Ｖac｜）よりも小さく（｜Ｖac｜＞｜Ｖbc｜）なるようにプッシュ・プル駆動するとゼロチャープ特性の変調動作が実現される。
このように、コア層の厚さが同一であっても、導波路により導波される光の強度に非対称性を導入することによって非対称性を導入し、当該変調導波路への変調電圧（中心電圧）を変化させることによって負チャープ動作及びゼロチャープ動作のいずれかの動作モードを選択的に実行できる。従って、単一の装置で変調条件を変えることにより、負チャープとゼロチャープのいずれも実現することができ、種々の異なるシステムの要求に柔軟に対応可能な光変調装置を提供することが可能である。
１０ ＭＺ光変調器
１１ 基板
１２ａ，１２ｂ 第１及び第２の入射導波路
１３ 光分波器
１４ 光合波器
１５ａ，１５ｂ 出射導波路
１６ａ，１６ｂ 第１及び第２変調電極
１７ 共通電極
２０ａ，２０ｂ 第１及び第２アーム導波路
２１ａ，２１ｂ 下側ＳＣＨ層
２２ａ，２２ｂ ＭＱＷ層
２３ａ，２３ｂ 上側ＳＣＨ層
２４ａ，２４ｂ クラッド層
２７ａ，２７ｂ コア層
Ｖａ，Ｖｂ 変調電圧信号
Ｖac，Ｖbc 中心電圧
１１ 基板
１２ａ，１２ｂ 第１及び第２の入射導波路
１３ 光分波器
１４ 光合波器
１５ａ，１５ｂ 出射導波路
１６ａ，１６ｂ 第１及び第２変調電極
１７ 共通電極
２０ａ，２０ｂ 第１及び第２アーム導波路
２１ａ，２１ｂ 下側ＳＣＨ層
２２ａ，２２ｂ ＭＱＷ層
２３ａ，２３ｂ 上側ＳＣＨ層
２４ａ，２４ｂ クラッド層
２７ａ，２７ｂ コア層
Ｖａ，Ｖｂ 変調電圧信号
Ｖac，Ｖbc 中心電圧
Claims (6)
- 入射光を２つに分岐し、当該２つの分岐光を導波しつつ、それぞれ第１及び第２の変調電圧信号による変調電界の印加によって光位相変調を行う第１及び第２の導波路を有するマッハツェンダ光変調器と、データ信号に基づいて前記第１及び第２の変調電圧信号を生成するドライバ回路と、を備えた光変調装置であって、
前記２つの分岐光の強度は等しいとともに、前記第１及び第２の導波路の前記変調電界が印加されるコア層の厚さは互いに異なり、
前記第１及び第２の変調電圧信号は互いに逆相のプッシュ・プル信号であって、前記第１及び第２の変調電圧信号の中心電圧が異なることを特徴とする光変調装置。 - 前記前記第１の導波路のコア層は、下側光閉じ込め層と、上側光閉じ込め層と、前記下側及び上側光閉じ込め層で挟まれた複数層の多重量子井戸層で構成され、前記第２の導波路のコア層は、下側光閉じ込め層と、前記第１の導波路よりも層の数が少ない多重量子井戸層で構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
- 前記第１及び第２の導波路のコア層は、何れも、下側光閉じ込め層と、上側光閉じ込め
層と、前記下側及び上側光閉じ込め層で挟まれた同数の多重量子井戸層を有し、
前記第１の導波路の下側及び上側光閉じ込め層の厚さと、前記第２の導波路の下側及び上側光閉じ込め層の厚さが異なる厚さに形成されていることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。 - 入射光を２つに分岐し、当該２つの分岐光を導波しつつ、それぞれ第１及び第２の変調電圧信号による変調電界の印加によって光位相変調を行う第１及び第２の導波路を有するマッハツェンダ光変調器と、データ信号に基づいて前記第１及び第２の変調電圧信号を生成するドライバ回路と、を備えた光変調装置であって、
前記２つの分岐光の強度は異なるとともに、前記第１及び第２の導波路の前記変調電界が印加されるコア層の厚さは等しく、
前記第１及び第２の変調電圧信号は互いに逆相のプッシュ・プル信号であって、前記第１及び第２の変調電圧信号の中心電圧が異なることを特徴とする光変調装置。 - 前記第１及び第２の変調電圧信号の振幅が等しいことを特徴とする請求項１又は４記載の光変調装置。
- 前記第１及び第２の変調電圧信号の前記中心電圧の差の絶対値は、前記第１及び第２の変調電圧信号の振幅に等しいことを特徴とする請求項５記載の光変調装置。
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