JP2010032856A - 光信号変調方法および光信号変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】広い環境温度範囲にわたって信号品質が劣化しない光信号伝送を実現する。
【解決手段】ある波長域に光強度のピークを有するレーザダイオード１１からの光に対し、この光に共鳴することによって光の特性を変化させる共鳴型光変調器を用い、送信したい電気信号の１パルスあたり共鳴型光変調器の共鳴作用を複数回行わせることによって共鳴型光変調器から出力される複数の信号光をもって、１つの信号を伝送する。共鳴型光変調器は、リング型共振器１３と、リング型共振器１３に近接して配置され、光源光を受光する直線導波路１２と、リング型共振器１３に近接して配置された電極１４とを備え、電極１４に印加される制御信号によりリング型共振器の共鳴波長が制御される。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、光配線ＬＳＩにおいて用いられるような、低消費電力で高速の光信号伝送を、小型の光変調器を用いて、半導体オンチップレベルのスケールで実現させるための光信号変調方法および光信号変調器に関するものである。

トランジスターの小型化に伴い、半導体集積回路の集積度は向上し、電気信号の処理速度も向上し続けている。ここで、半導体集積回路における電気配線による信号伝送においては、特にチップ内においても比較的長距離な配線であるグローバル配線では、配線遅延や信号のスキュー、ジッター等の問題が発生しつつある。また、隣接する電気配線間のクロストークによる信号劣化や、半導体集積回路周辺からの電磁ノイズによる影響も受ける問題がある。

これらの課題の解決の一手法として、半導体集積回路の電気配線の一部を、光による配線構造に置き換える技術が立ち上がりつつある。一つの具体的な形成例としては、電気配線層の上に、半導体集積回路とは別の基板上に形成した光配線層を貼り合わせで作製する手法が提案されている。光配線層には、光信号を導波する光導波路と、半導体集積回路からの電気信号を光信号へと変換する光変調素子、また伝搬してきた光信号を電気信号へと変換する受光素子等が搭載されている。光変調素子への信号は、半導体集積回路を含む半導体層から電気的に伝搬され、また受光素子からの電気信号は、電気的な接続を通して半導体層へ伝搬される。これらの技術は、例えば非特許文献１に開示されている。

光信号の伝送においては、通常、光源からの光の強度や位相を変調させ、それを検出器で検出することによって電気的な信号を一度光の信号に変えて検知している。この一連の動作の中で、半導体オンチップレベルの微小領域において光信号伝送を行う場合に、消費電力と信号遅延のリミットを決める最大の要因は、光変調器関連であり、共鳴型（共振型）の光変調器構造が消費電力と信号遅延に対して有利であることも、上記の非特許文献１に開示されている。

つまり、光変調器の高速化、低消費電力化については、光変調器の動作を、例えば光源光の波長と、光変調器の共鳴波長の関係を制御し、共鳴と非共鳴での差異を利用した変調方式が一般に有利であることが知られている。
オンチップ光伝送への適用の可能性がある共鳴型光変調器については、例えば非特許文献２、特許文献１、特許文献２においても開示されている。

特開平０８−０７６０７０号公報 特表２００６−５０４１４５号公報 大橋 啓之，「ＬＳＩチップ光配線技術」，半導体ＭＩＲＡＩプロジェクト成果報告会２００６，２００７，２００６年１２月、２００７年１２月 Qianfan Xu1，Bradley Schmidt1，Sameer Pradhan1 and Michal Lipson1，「Micrometre-scale silicon electro-optic modulator」，Nature Vol.435,(19 May 2005),pp.325-327

上記のような光変調器を用いた光信号の伝送では、共鳴状態と非共鳴状態が実現できている状況では非常に小さい消費電力と遅延での光信号伝送が可能であるが、一方、周辺の環境温度が変化した場合や、光源光の波長がシフトした場合には、共鳴、非共鳴がはっきりしなくなり、基本的に全て非共鳴状態に近くなる場合がある。その場合には、ゼロ点がシフトしたり、またオン状態での信号強度が減少したりして、伝送される信号自体の品質が劣化してしまうという問題点があった。

以下、共鳴型光変調器を用いる光信号伝送における問題点を図を用いて説明する。図１２は本発明に関連する共鳴型光変調器の構成を示す平面図である。図１２において、１１は光源となるレーザダイオード（ＬＤ）、１２は直線導波路、１３はリング型共振器、１４は電極、１５は入力ポート、１６は出力ポートである。

ＬＤ１１で発光したレーザ光は、共鳴型光変調器の直線導波路１２に導入される。直線導波路１２に近接してリング型共振器１３が形成され、さらにリング型共振器１３に近接して電極１４が形成されている。直線導波路１２とリング型共振器１３との近接部や、リング型共振器１３と電極１４との近接部は、方向性結合器やＭＭＩで形成され、直線導波路１２とリング型共振器１３の導波光は、ある結合係数でカップリングする。リング型共振器１３が電気光学材料で形成されている場合、電極１４に印加される電圧により、リング型共振器１３の屈折率が変化し、共鳴波長は変化する。

図１３〜図１９を用いて図１２の共鳴型光変調器の動作を説明する。ここでは、環境温度をＴ０とする。直線導波路１２の入力ポート１５に入射したＬＤ１１からのレーザ光は、図１３（Ａ）に示すように波長がλ０であり、図１３（Ｂ）に示すように出力光量がＰの連続光である。

電極１４に電圧Ｖ０が印加されたときのリング型共振器１３の共鳴波長は、図１４（Ａ）に示すＬＤ１１のレーザ光の波長と同じλ０であり、リング型共振器１３の透過スペクトルは、図１４（Ｂ）に示すように波長λ０で極小値をとる。このため、出力ポート１６における光量は、図１４（Ｃ）に示すように小さくなる。

一方、電極１４に電圧Ｖ１が印加されたときのリング型共振器１３の共鳴波長は、図１５（Ａ）に示すＬＤ１１のレーザ光の波長λ０からずれるため、リング型共振器１３の透過スペクトルは、図１５（Ｂ）に示すように波長λ０とは異なる波長で極小値をとる。このため、出力ポート１６における光量は、図１５（Ｃ）に示すように大きくなる。

以上の動作から明らかなように、電極１４に図１６（Ａ）に示すような変調信号電圧を印加した場合、出力ポート１６から出射される光の変調信号は、図１６（Ｂ）に示すように変調信号電圧に応じて光量が変化するものとなる。こうして、強度変調された光信号を得ることができる。

次に、動作環境温度が変化した場合について説明する。ここでは、環境温度がＴ０からＴ１に変化したとする。環境温度がＴ０からＴ１に変化したことで、リング型共振器１３の共鳴波長は変化し、電極１４に電圧Ｖ０が印加されたときのリング型共振器１３の共鳴波長は、図１７（Ａ）に示すＬＤ１１のレーザ光の波長λ０からずれてしまうため、リング型共振器１３の透過スペクトルは、図１７（Ｂ）に示すように波長λ０とは異なる波長で極小値をとる。このため、出力ポート１６における光量は、図１７（Ｃ）に示すように大きくなる。

また、環境温度Ｔ１において電極１４に電圧Ｖ１が印加されたときのリング型共振器１３の共鳴波長も、図１８（Ａ）に示すＬＤ１１のレーザ光の波長λ０からずれるため、リング型共振器１３の透過スペクトルは、図１８（Ｂ）に示すように波長λ０とは異なる波長で極小値をとる。このため、出力ポート１６における光量は、図１８（Ｃ）に示すように大きくなる。

以上の動作から明らかなように、環境温度Ｔ１において電極１４に図１９（Ａ）に示すような変調信号電圧を印加した場合、出力ポート１６から出射される光量は、図１９（Ｂ）に示すように一定で変化せず、光変調器として動作していないことになる。このように、図１２に示した共鳴型光変調器では、環境温度が変化すると、光信号伝送を実現できなくなる。

広い環境温度にわたって光信号伝送を実現するためには、光変調器や光源の光の波長などの温度依存性を無視できるほどまで低減させるか、環境温度変化がないように、光源もＬＳＩ光配線も厳密に一定の環境温度下に管理するか、または環境温度に関係なく常に光信号がオンオフされるように、別途モニター素子および回路を設けて、光源の光の波長と変調器の共振波長との関係を、一番高い光オンオフ比がとれるようにアクティブに制御する必要があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、広い環境温度範囲にわたって信号品質が劣化しない光信号伝送を実現することができる光信号変調方法および光信号変調器を提供することを目的とする。

本発明の光信号変調方法は、ある波長域に光強度のピークを有する光源からの光に対し、この光源光に共鳴することによって光の特性を変化させる共鳴型光変調器を用い、送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を複数回行わせることによって前記共鳴型光変調器から出力される複数の信号光をもって、１つの信号を伝送することを特徴とするものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例は、送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を偶数回行わせることを特徴とするものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例は、送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を２回行わせることを特徴とするものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記共鳴型光変調器の共鳴作用は、ある特定の波長領域に対する光の透過率を変化させることにより、光強度を変化させるものである。

また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記共鳴型光変調器は、リング型共振器と、このリング型共振器に近接して配置され、前記光源光を受光する直線導波路と、前記リング型共振器に近接して配置された電極とを備え、前記電極に印加される制御信号により前記リング型共振器の共鳴波長が制御されることを特徴とするものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記共鳴型光変調器は、前記直線導波路の一端の入力ポートから前記光源光が導入され、前記直線導波路の他端の出力ポートから前記信号光を出力するか、あるいは前記直線導波路の一端の入力ポートから前記光源光が導入され、前記リング型共振器に近接して配置された別の直線導波路の一端の出力ポートから前記信号光を出力することを特徴とするものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記共鳴型光変調器の電極に印加される制御信号は、前記共鳴型光変調器の共鳴作用が最大となる電圧値を含む電圧範囲の中で電圧が連続的に変化するものであり、送信したい電気信号の１パルスあたり前記電圧の連続的な変化が複数回生じるものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記共鳴型光変調器の電極に印加される制御信号は、送信したい電気信号の１パルスに対応して、前記電圧範囲の中で電圧が単調に増加した後に前記電圧範囲の中で電圧が単調に減少するものである。

また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記共鳴型光変調器とこの共鳴型光変調器から出力される信号光を伝搬させる導波路との少なくとも一部は、半導体基板上に形成され、前記半導体基板の環境温度範囲において、前記制御信号の電圧変化に対する前記共鳴型光変調器の共鳴波長の変化範囲の中に前記光源光の波長域が常に含まれるように前記制御信号の電圧範囲が設定されることを特徴とするものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記共鳴型光変調器は、シリコン基板上に、シリコンを含む材料からなる導波路構造と集積されてなることを特徴とするものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記光源光の波長は、使用される環境温度の変化に対する前記共鳴型光変調器の共鳴波長の変化に追従するように制御されることを特徴とするものである。
また、本発明の光信号変調方法の１構成例において、前記光源は、その構成要素の屈折率によって前記光源光の波長が決定されるものであり、前記光源の環境温度と、前記共鳴型光変調器および導波路が形成されている半導体基板の環境温度がほぼ同一になるよう制御されることを特徴とするものである。

また、本発明の光信号変調器は、ある波長域に光強度のピークを有する光源と、光源光に共鳴することによって光の特性を変化させる共鳴型光変調器と、送信したい電気信号に応じて前記共鳴型光変調器の共鳴作用を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を複数回行わせることによって前記共鳴型光変調器から出力される複数の信号光をもって、１つの信号を伝送することを特徴とするものである。

本発明によれば、光源光に共鳴することによって光の特性を変化させる共鳴型光変調器を用い、送信したい電気信号の１パルスあたり共鳴型光変調器の共鳴作用を複数回行わせることによって共鳴型光変調器から出力される複数の信号光をもって、１つの信号を伝送することにより、広い環境温度範囲にわたって信号品質が劣化しない光信号伝送を実現することができる。本発明では、素子の温度無依存化を厳密に実現できていなくても使用可能で、かつ環境温度の厳密な制御や、アクティブなフィードバックによる波長制御等なしで使用可能な光信号伝送を実現することができる。

［発明の原理］
本発明は、特に共鳴型の光変調器を用いる場合に顕著となる上記の課題を解決するために、素子ベースではなく、光変調器を用いた伝送手法の改善によって、上記課題を解決するようにする。
具体的には、電圧が連続的に変化する制御信号を光変調器に付与し、使用する環境温度範囲において、制御信号の電圧変化に対する光変調器の共鳴波長の変化範囲の中に光源光の波長域が常に含まれるように制御信号の電圧範囲を設定しておく。これにより、環境温度にかかわらず光源光の波長と光変調器の共鳴波長とが一致する電圧が必ず存在することになるので、光源光の強度がオンからオフへ、あるいはオフからオンへと必ず変化することになる。しかも、本発明では、送信したい電気信号の１パルスあたり、制御信号の電圧の連続的な変化を複数回生じさせることにより、１つの電気信号を複数の信号光へと変換する。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態に係る共鳴型光変調器の構成は図１２と同様であるので、図１２の符号を用いて説明する。
図１（Ａ）、図２（Ａ）、図３（Ａ）は本実施の形態の共鳴型光変調器における光源であるＬＤ１１の波長を示す図、図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）はそれぞれ電極１４に電圧Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が印加された場合のリング型共振器１３の透過スペクトルを示す図、図１（Ｃ）、図２（Ｃ）、図３（Ｃ）はそれぞれ電極１４に電圧Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が印加された場合の出力ポート１６の出力光量を示す図である。図１〜図３において、ＳＰ０は環境温度がＴ０のときのリング型共振器１３の透過スペクトルを示し、ＳＰ１は環境温度がＴ１のときのリング型共振器１３の透過スペクトルを示している。

電極１４への印加電圧が第１の電圧Ｖ２の場合、環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合においてもリング型共振器１３の透過スペクトルの極小値は、図１（Ａ）に示すＬＤ１１のレーザ光の波長λ０よりも小さい（図１（Ｂ））。このため、出力ポート１６における出力光量は、環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合においてもＰという大きな値をとる（図１（Ｃ））。

電極１４への印加電圧が第２の電圧Ｖ３（Ｖ２＜Ｖ３）の場合、環境温度がＴ０の場合は、リング型共振器１３の透過スペクトルは、図２（Ａ）に示すＬＤ１１のレーザ光の波長λ０で極小値をとる（図２（Ｂ））。このため、環境温度がＴ０の場合、出力ポート１６における光量は、図２（Ｃ）のＰＴ０で示すように小さくなる。一方、印加電圧がＶ３で、環境温度がＴ１の場合は、リング型共振器１３の透過スペクトルの極小値は、ＬＤ１１のレーザ光の波長λ０よりも小さい（図２（Ｂ））。このため、環境温度がＴ１の場合、出力ポート１６における光量は、図２（Ｃ）のＰＴ１で示すようにＰという大きな値をとる。

電極１４への印加電圧が第３の電圧Ｖ４（Ｖ３＜Ｖ４）の場合、環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合においてもリング型共振器１３の透過スペクトルの極小値は、図３（Ａ）に示すＬＤ１１のレーザ光の波長λ０よりも大きい（図３（Ｂ））。このため、出力ポート１６における出力光量は、環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合においてもＰという大きな値をとる（図３（Ｃ））。

図１〜図３から明らかなように、電極１４への印加電圧がＶ２からＶ４に連続で変化した場合、環境温度にかかわらずＬＤ１１の波長とリング型共振器１３の共鳴波長とが一致する電圧が必ず存在することになる。

環境温度がＴ０の場合、図４（Ａ）に示すように変調信号電圧（制御信号）として電圧がＶ２からＶ４に連続して変化する信号電圧（例えば三角波）を電極１４に加えると、出力ポート１６から出射される光信号は、図４（Ｂ）に示すように電圧の上昇時に１回光量が減少し、さらに電圧の下降時に１回光量が減少することが分かる。

一方、環境温度がＴ１の場合も、図５（Ａ）に示すように変調信号電圧として電圧がＶ２からＶ４に連続して変化する信号電圧を電極１４に加えると、出力ポート１６から出射される光信号は、図５（Ｂ）に示すように電圧の上昇時に１回光量が減少し、さらに電圧の下降時に１回光量が減少する。ただし、光量に極小値が生じる電圧値は環境温度Ｔ０の場合と異なる。

環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合も、出力ポート１６から出射される光信号には、１つの三角波パルスあたり、２回の光量の極小値が生じ、この２つの極小値の中間点は、変調信号電圧の極大値に対応している。したがって、光信号のこの２つの極小値を１つの信号として扱うことで、信号伝達が可能となる。
以上により、本実施の形態によれば、環境温度の変動に強い光信号変調方法が可能となる。

光信号の送受信についてより詳細に説明すると、送信側では、図示しない制御部を用いて、共鳴型光変調器の電極１４に制御信号を印加する。
制御部は、送信したい電気信号の１パルスあたり、制御信号の電圧の連続的な変化が複数回生じるようにする。上記の例では、Ｖ２からＶ４への変化と、Ｖ４からＶ２への変化の計２回変化させるために、制御信号として三角波を用いている。このとき、使用する環境温度範囲において、制御信号の電圧変化に対する共鳴型光変調器の共鳴波長の変化範囲の中にＬＤ１１の波長域が常に含まれるように、制御信号の電圧範囲（本実施の形態ではＶ２からＶ４）を設定しておく。これにより、送信したい電気信号の１パルスあたり複数の信号光が共鳴型光変調器から出力される。

信号光は、光導波路などを介して受信側に伝送される。受信側では、フォトダイオードなどの受光素子で信号光を受光する。受光素子は、信号光を電気信号に変換する。
そして、受信側の復調部は、受光素子から出力された受信信号に同一強度の連続したパルスが所定数（本実施の形態の例では２つ）存在する場合には、例えば「１」を出力し、受信信号にパルスが存在しないかあるいはパルスの数が所定数に達しない場合には、例えば「０」を出力する。このとき、復調部は、受信信号を所定の閾値と比較し、極小値の強度が閾値以下のパルスが連続する場合には、同一強度のパルスが連続して存在すると判断すればよい。こうして、複数の信号光を１つの信号として認識することができ、送信側から送られた信号を復調することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係る共鳴型光変調器の構成を示す平面図である。図６において、２１は光源となるＬＤ、２２，２６は直線導波路、２３はリング型共振器、２４は電極、２５は入力ポート、２７は出力ポートである。

ＬＤ２１で発光したレーザ光は、共鳴型光変調器の直線導波路２２に導入される。直線導波路２２には、入力ポート２５が存在する。直線導波路２２に近接してリング型共振器２３が形成され、さらにリング型共振器２３に近接して電極２４が形成されている。直線導波路２２とリング型共振器２３との近接部や、リング型共振器２３と電極２４との近接部は、方向性結合器やＭＭＩで形成され、直線導波路２２とリング型共振器２３の導波光は、ある結合係数でカップリングする。リング型共振器２３が電気光学材料で形成されている場合、電極２４に印加される電圧により、リング型共振器２３の屈折率が変化し、共鳴波長は変化する。さらに、リング型共振器２３を挟んで直線導波路２２と対称な位置に直線導波路２６が、リング型共振器２３と近接して形成されている。直線導波路２６には、出力ポート２７が存在する。

図７（Ａ）、図８（Ａ）、図９（Ａ）は本実施の形態の共鳴型光変調器における光源であるＬＤ２１の波長を示す図、図７（Ｂ）、図８（Ｂ）、図９（Ｂ）はそれぞれ電極２４に電圧Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が印加された場合のリング型共振器２３の透過スペクトルを示す図、図７（Ｃ）、図８（Ｃ）、図９（Ｃ）はそれぞれ電極２４に電圧Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が印加された場合の出力ポート２７の出力光量を示す図である。図７〜図９において、ＳＰ０は環境温度がＴ０のときのリング型共振器２３の透過スペクトルを示し、ＳＰ１は環境温度がＴ１のときのリング型共振器２３の透過スペクトルを示している。

電極２４への印加電圧が第１の電圧Ｖ２の場合、環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合においてもリング型共振器２３の透過スペクトルの極小値は、図７（Ａ）に示すＬＤ２１のレーザ光の波長λ０よりも小さい（図７（Ｂ））。このため、直線導波路２２からリング型共振器２３を介して直線導波路２６側に伝搬される光量が小さいので、出力ポート２７における出力光量は、環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合においても小さな値をとる（図７（Ｃ））。

電極２４への印加電圧が第２の電圧Ｖ３（Ｖ２＜Ｖ３）の場合、環境温度がＴ０の場合は、リング型共振器２３の透過スペクトルは、図８（Ａ）に示すＬＤ２１のレーザ光の波長λ０で極小値をとる（図８（Ｂ））。このため、直線導波路２２からリング型共振器２３を介して直線導波路２６側に伝搬される光量が大きくなるので、出力ポート２７における光量は、図８（Ｃ）のＰＴ０で示すようにＰという大きな値をとる。一方、印加電圧がＶ３で、環境温度がＴ１の場合は、リング型共振器２３の透過スペクトルの極小値は、ＬＤ２１のレーザ光の波長λ０よりも小さい（図８（Ｂ））。このため、直線導波路２２からリング型共振器２３を介して直線導波路２６側に伝搬される光量が小さいので、出力ポート２７における光量は、図８（Ｃ）のＰＴ１で示すように小さくなる。

電極２４への印加電圧が第３の電圧Ｖ４（Ｖ３＜Ｖ４）の場合、環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合においてもリング型共振器２３の透過スペクトルの極小値は、図９（Ａ）に示すＬＤ２１のレーザ光の波長λ０よりも大きい（図９（Ｂ））。このため、直線導波路２２からリング型共振器２３を介して直線導波路２６側に伝搬される光量が小さいので、出力ポート２７における出力光量は、環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合においても小さな値をとる（図９（Ｃ））。

図７〜図９から明らかなように、電極２４への印加電圧がＶ２からＶ４に連続で変化した場合、環境温度にかかわらずＬＤ２１の波長とリング型共振器２３の共鳴波長とが一致する電圧が必ず存在し、ＬＤ２１の波長とリング型共振器２３の共鳴波長とが一致したときに大きな出力光量が得られることになる。

環境温度がＴ０の場合、図１０（Ａ）に示すように変調信号電圧として電圧がＶ２からＶ４に連続して変化する信号電圧（例えば三角波）を電極２４に加えると、出力ポート２７から出射される光信号は、図４（Ｂ）に示すように電圧の上昇時に１回光量が増加し、さらに電圧の下降時に１回光量が増加することが分かる。

一方、環境温度がＴ１の場合も、図１１（Ａ）に示すように変調信号電圧として電圧がＶ２からＶ４に連続して変化する信号電圧を電極２４に加えると、出力ポート２７から出射される光信号は、図１１（Ｂ）に示すように電圧の上昇時に１回光量が増加し、さらに電圧の下降時に１回光量が増加する。ただし、光量に極大値が生じる電圧値は環境温度Ｔ０の場合と異なる。

環境温度がＴ０，Ｔ１のいずれの場合も、出力ポート２７から出射される光信号には、１つの三角波パルスあたり、２回の光量の極大値が生じ、この２つの極大値の中間点は、変調信号電圧の極大値に対応している。したがって、光信号のこの２つの極大値を１つの信号として扱うことで、信号伝達が可能となる。
以上により、本実施の形態によれば、環境温度の変動に強い光信号変調方法が可能となる。

光信号の送受信方法は第１の実施の形態と同様である。ただし、第１の実施の形態では、制御信号の電圧の連続的な変化に対して光信号に極小値が生じたのに対して、本実施の形態では光信号に極大値が生じる。そこで、受信側の復調部は、受信信号を所定の閾値と比較し、極大値の強度が閾値以上のパルスが連続する場合には、同一強度のパルスが連続して存在すると判断すればよい。

なお、第１、第２の実施の形態では、制御信号の増加と減少で一度ずつ光信号が発生するが、印加電圧の上限を高めることにより、電圧の増加と減少でそれぞれ複数回ずつ光信号を発生させ、それを１つの伝送信号とすることも可能である。

また、第１、第２の実施の形態に示したように、共鳴型光変調器と、この共鳴型光変調器から出力される信号光を伝搬させる導波路とは、その少なくとも一部が半導体基板上に形成される。半導体基板の材料としてはシリコンが最も使用しやすく、シリコンを使用すれば、導波路構造の形成も容易である。

つまり、共鳴型光変調器と導波路とは、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜などの絶縁膜（クラッド）の上に形成される。直線導波路１２，２２，２６の材料としてはシリコンが使用され、また電極の材料としてもシリコンが使用される。また、リング型共振器１３，２３の材料としては、例えばＰＬＺＴやニオブ酸リチウムなどの電気光学材料が使用される。

また、第１、第２の実施の形態において、光源光の波長を、使用される環境温度の変化に対する共鳴型光変調器の共鳴波長の変化に追従するように制御する波長調整手段を設けるようにしてもよい。前記のとおり、制御信号の電圧範囲の中には、環境温度にかかわらず光源光の波長と共鳴型光変調器の共鳴波長とが一致する電圧が存在するが、共鳴型光変調器の共鳴波長は環境温度によって変化するので、環境温度の変化を考慮して制御信号の電圧範囲を広めに設定しておく必要がある。

これに対して、波長調整手段を設けることにより、環境温度の変化に対する共鳴型光変調器の共鳴波長の変化に追従するように光源光の波長を制御することができるので、制御信号の電圧値を小さくすることが可能となる。

また、第１、第２の実施の形態において、光源は、例えばレーザダイオードのように、光源構成要素の屈折率によって光源光の波長が決定されるものである。そして、光源と、共鳴型光変調器および導波路が形成される半導体基板とは、環境温度がほぼ同一になるように制御されることが好ましい。この制御のために、環境温度を管理する環境温度管理手段を設けるようにしてもよい。これにより、制御信号の電圧値を小さくすることが可能となる。

本発明は、光信号を伝送する技術に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、電極に第１の電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、電極に第２の電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、電極に第３の電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る共鳴型光変調器において環境温度がある値のときに電極に印加される変調信号電圧と出力ポートから出力される光信号との関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る共鳴型光変調器において環境温度が他の値に変化したときに電極に印加される変調信号電圧と出力ポートから出力される光信号との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共鳴型光変調器の構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、電極に第１の電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、電極に第２の電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、電極に第３の電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共鳴型光変調器において環境温度がある値のときに電極に印加される変調信号電圧と出力ポートから出力される光信号との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共鳴型光変調器において環境温度が他の値に変化したときに電極に印加される変調信号電圧と出力ポートから出力される光信号との関係を示す図である。 本発明に関連する共鳴型光変調器の構成を示す平面図である。 図１２の共鳴型光変調器で使用するレーザダイオードの波長および出力光量を示す図である。 図１２の共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、環境温度がある値のときに電極に電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 図１２の共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、環境温度がある値のときに電極に他の電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 図１２の共鳴型光変調器において環境温度がある値のときに電極に印加される変調信号電圧と出力ポートから出力される光信号との関係を示す図である。 図１２の共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、環境温度が他の値に変化したときに電極に電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 図１２の共鳴型光変調器におけるレーザダイオードの波長、環境温度が他の値に変化したときに電極に他の電圧が印加された場合のリング型共振器の透過スペクトルおよび出力ポートの出力光量を示す図である。 図１２の共鳴型光変調器において環境温度が他の値に変化したときに電極に印加される変調信号電圧と出力ポートから出力される光信号との関係を示す図である。

符号の説明

１１，２１…レーザダイオード、１２，２２，２６…直線導波路、１３，２３…リング型共振器、１４，２４…電極、１５，２５…入力ポート、１６，２７…出力ポート。

Claims (24)

1. ある波長域に光強度のピークを有する光源からの光に対し、この光源光に共鳴することによって光の特性を変化させる共鳴型光変調器を用い、
   送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を複数回行わせることによって前記共鳴型光変調器から出力される複数の信号光をもって、１つの信号を伝送することを特徴とする光信号変調方法。
2. 請求項１記載の光信号変調方法において、
   送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を偶数回行わせることを特徴とする光信号変調方法。
3. 請求項２記載の光信号変調方法において、
   送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を２回行わせることを特徴とする光信号変調方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光信号変調方法において、
   前記共鳴型光変調器の共鳴作用は、ある特定の波長領域に対する光の透過率を変化させることにより、光強度を変化させるものであることを特徴とする光信号変調方法。
5. 請求項４記載の光信号変調方法において、
   前記共鳴型光変調器は、
   リング型共振器と、
   このリング型共振器に近接して配置され、前記光源光を受光する直線導波路と、
   前記リング型共振器に近接して配置された電極とを備え、
   前記電極に印加される制御信号により前記リング型共振器の共鳴波長が制御されることを特徴とする光信号変調方法。
6. 請求項５記載の光信号変調方法において、
   前記共鳴型光変調器は、前記直線導波路の一端の入力ポートから前記光源光が導入され、前記直線導波路の他端の出力ポートから前記信号光を出力するか、あるいは前記直線導波路の一端の入力ポートから前記光源光が導入され、前記リング型共振器に近接して配置された別の直線導波路の一端の出力ポートから前記信号光を出力することを特徴とする光信号変調方法。
7. 請求項５または６記載の光信号変調方法において、
   前記共鳴型光変調器の電極に印加される制御信号は、前記共鳴型光変調器の共鳴作用が最大となる電圧値を含む電圧範囲の中で電圧が連続的に変化するものであり、送信したい電気信号の１パルスあたり前記電圧の連続的な変化が複数回生じるものであることを特徴とする光信号変調方法。
8. 請求項７記載の光信号変調方法において、
   前記共鳴型光変調器の電極に印加される制御信号は、送信したい電気信号の１パルスに対応して、前記電圧範囲の中で電圧が単調に増加した後に前記電圧範囲の中で電圧が単調に減少するものであることを特徴とする光信号変調方法。
9. 請求項８記載の光信号変調方法において、
   前記共鳴型光変調器とこの共鳴型光変調器から出力される信号光を伝搬させる導波路との少なくとも一部は、半導体基板上に形成され、
   前記半導体基板の環境温度範囲において、前記制御信号の電圧変化に対する前記共鳴型光変調器の共鳴波長の変化範囲の中に前記光源光の波長域が常に含まれるように前記制御信号の電圧範囲が設定されることを特徴とする光信号変調方法。
10. 請求項９記載の光信号変調方法において、
    前記共鳴型光変調器は、シリコン基板上に、シリコンを含む材料からなる導波路構造と集積されてなることを特徴とする光信号変調方法。
11. 請求項１０記載の光信号変調方法において、
    前記光源光の波長は、使用される環境温度の変化に対する前記共鳴型光変調器の共鳴波長の変化に追従するように制御されることを特徴とする光信号変調方法。
12. 請求項１１記載の光信号変調方法において、
    前記光源は、その構成要素の屈折率によって前記光源光の波長が決定されるものであり、
    前記光源の環境温度と、前記共鳴型光変調器および導波路が形成されている半導体基板の環境温度がほぼ同一になるよう制御されることを特徴とする光信号変調方法。
13. ある波長域に光強度のピークを有する光源と、
    光源光に共鳴することによって光の特性を変化させる共鳴型光変調器と、
    送信したい電気信号に応じて前記共鳴型光変調器の共鳴作用を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を複数回行わせることによって前記共鳴型光変調器から出力される複数の信号光をもって、１つの信号を伝送することを特徴とする光信号変調器。
14. 請求項１３記載の光信号変調器において、
    前記制御手段は、送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を偶数回行わせることを特徴とする光信号変調器。
15. 請求項１４記載の光信号変調器において、
    前記制御手段は、送信したい電気信号の１パルスあたり前記共鳴型光変調器の共鳴作用を２回行わせることを特徴とする光信号変調器。
16. 請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の光信号変調器において、
    前記共鳴型光変調器の共鳴作用は、ある特定の波長領域に対する光の透過率を変化させることにより、光強度を変化させるものであることを特徴とする光信号変調器。
17. 請求項１６記載の光信号変調器において、
    前記共鳴型光変調器は、
    リング型共振器と、
    このリング型共振器に近接して配置され、前記光源光を受光する直線導波路と、
    前記リング型共振器に近接して配置された電極とを備え、
    前記制御手段から前記電極に印加される制御信号により前記リング型共振器の共鳴波長が制御されることを特徴とする光信号変調器。
18. 請求項１７記載の光信号変調器において、
    前記共鳴型光変調器は、前記直線導波路の一端の入力ポートから前記光源光が導入され、前記直線導波路の他端の出力ポートから前記信号光を出力するか、あるいは前記直線導波路の一端の入力ポートから前記光源光が導入され、前記リング型共振器に近接して配置された別の直線導波路の一端の出力ポートから前記信号光を出力することを特徴とする光信号変調器。
19. 請求項１７または１８記載の光信号変調器において、
    前記制御手段から前記共鳴型光変調器の電極に印加される制御信号は、前記共鳴型光変調器の共鳴作用が最大となる電圧値を含む電圧範囲の中で電圧が連続的に変化するものであり、送信したい電気信号の１パルスあたり前記電圧の連続的な変化が複数回生じるものであることを特徴とする光信号変調器。
20. 請求項１９記載の光信号変調器において、
    前記制御手段から前記共鳴型光変調器の電極に印加される制御信号は、送信したい電気信号の１パルスに対応して、前記電圧範囲の中で電圧が単調に増加した後に前記電圧範囲の中で電圧が単調に減少するものであることを特徴とする光信号変調器。
21. 請求項２０記載の光信号変調器において、
    前記共鳴型光変調器とこの共鳴型光変調器から出力される信号光を伝搬させる導波路との少なくとも一部は、半導体基板上に形成され、
    前記半導体基板の環境温度範囲において、前記制御信号の電圧変化に対する前記共鳴型光変調器の共鳴波長の変化範囲の中に前記光源光の波長域が常に含まれるように前記制御信号の電圧範囲が設定されることを特徴とする光信号変調器。
22. 請求項２１記載の光信号変調器において、
    前記共鳴型光変調器は、シリコン基板上に、シリコンを含む材料からなる導波路構造と集積されてなることを特徴とする光信号変調器。
23. 請求項２２記載の光信号変調器において、
    さらに、前記光源光の波長を、使用される環境温度の変化に対する前記共鳴型光変調器の共鳴波長の変化に追従するように制御する波長調整手段を備えることを特徴とする光信号変調器。
24. 請求項２３記載の光信号変調器において、
    前記光源は、その構成要素の屈折率によって前記光源光の波長が決定されるものであり、
    前記光源と、前記共鳴型光変調器および導波路が形成されている半導体基板とは、環境温度がほぼ同一になるように設けられることを特徴とする光信号変調器。

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