JP2011069911A - 変調光を生成する方法、マッハツェンダ型光変調半導体素子、及び、光変調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チャーピングを低減可能な、変調光を生成する方法、マッハツェンダ型光変調半導体素子、及び、光変調装置を提供する。
【解決手段】入射光Ｌ０を分波して第１及び第２の分岐光（Ｌ１、Ｌ２）を生成しそれぞれを第１及び第２の導波路（３、４）に提供し、第１及び第２の導波路に第１及び第２の信号電圧をそれぞれ印加して第３及び第４の分岐光（Ｌ３、Ｌ４）を生成し、第３及び第４の分岐光を合成して変調光Ｌ５を生成し、当該素子２０への印加電圧の範囲は、第１及び第２の電圧範囲を含み、第２の電圧範囲は、第１電圧範囲とゼロ電圧との間にあり、第１の信号電圧は第１の電圧範囲内にあり、第２の信号電圧は第１の信号電圧と同位相であり且つ第２の電圧範囲内にあり、第１及び第２の導波路の活性層３２の屈折率の電圧依存性は、第１の電圧範囲では負の傾きを有すると共に、第２の電圧範囲では正の傾きを有することを特徴とする方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、変調光を生成する方法、マッハツェンダ型光変調半導体素子、及び、光変調装置に関する。

特許文献１には、半導体マッハツェンダ変調器を用いて信号光を生成する方法が記載されている。この方法では、入射光を２つの分岐光に分岐した後に、各分岐光を第１及び第２の導波路にそれぞれ導波させる。第１及び第２の導波路上にはそれぞれ第１及び第２の電極が設けられており、第１の電極には信号源が接続され、第２の電極は接地されている。第１の導波路には、第１の電極を介して、光オフするためにゼロでない電圧が印加されると共に、光オンするためにゼロ電圧が印加される。第２の導波路には電圧が印加されない。そして、２つの導波路を伝播した光を合成して、信号光を生成している。

特開平９−９０３０１号公報

上記の方法によれば、第１の導波路には電圧が印加され、第２の導波路には電圧が印加されない。このため、第１の導波路の屈折率は変化し、第２の導波路の屈折率は変化しない。その結果、第１の導波路を伝播する分岐光の位相は変化し、第２の導波路を伝播する分岐光の位相は変化しない。そして、位相が変化した分岐光と位相が変化していない分岐光とを合成することによって、信号光が生成される。

このような方法では、第１の導波路を伝播する分岐光のみに位相の変化が生じるので、生成される信号光は、波長の変動、いわゆるチャーピングを有するものとなり、当該信号光の伝送距離が短く制限されてしまう。

そこで、本発明は、チャーピングを低減可能な、変調光を生成する方法、マッハツェンダ型光変調半導体素子、及び、光変調装置を提供することを目的とする。

本発明に係る変調光を生成する方法は、マッハツェンダ型光変調半導体素子を用いて変調光を生成する方法であって、マッハツェンダ型光変調半導体素子は、分波器と、合波器と、分波器に接続された一端と合波器に接続された他端とを有する第１及び第２の導波路と、該第１及び第２の導波路上にそれぞれ設けられた第１及び第２の電極と、を有しており、分波器を用いて入射光を分波して第１及び第２の分岐光を生成し該第１及び第２の分岐光をそれぞれ第１及び第２の導波路に提供するステップと、第１及び第２の電極を介して第１及び第２の導波路に第１及び第２の信号電圧をそれぞれ印加して第３及び第４の分岐光を生成するステップと、合波器を用いて第３及び第４の分岐光を合波して変調光を生成するステップと、を備え、マッハツェンダ型光変調半導体素子への印加電圧の範囲は、第１の電圧範囲と第２の電圧範囲とを含み、第２の電圧範囲は、第１電圧範囲とゼロ電圧との間の範囲であり、第１の信号電圧は、第１の電圧範囲内にあり、第２の信号電圧は、第１の信号電圧と同位相であり、且つ、第２の電圧範囲内にあり、第１及び第２の導波路の各々は導波路半導体層を含み、導波路半導体層の屈折率は電圧依存性を有し、導波路半導体層の屈折率の電圧依存性は、第１の電圧範囲においては正及び負の傾きのうちの一方の傾きを有すると共に、第２の電圧範囲においては正及び負の傾きのうちの他方の傾きを有し、第３の分岐光は、第１の分岐光の位相が変化した光であり、第４の分岐光は、第２の分岐光の位相が変化した光である、ことを特徴とする。

この方法によれば、第１の導波路の導波路半導体層には、屈折率の電圧依存性が正及び負の傾きのうちの一方の傾きを有する第１の電圧範囲内の第１の信号電圧が印加される。このとき、第２の導波路の導波路半導体層には、屈折率の電圧依存性が正及び負の傾きのうちの他方の傾きを有する第２の電圧範囲内であり、且つ、第１の信号電圧と同位相である第２の信号電圧が印加される。このため、第１の導波路の導波路半導体層の屈折率と第２の導波路の導波路半導体層の屈折率とは、各信号電圧の電圧値の上下に伴って、互いに逆方向に変化する。このため、第１の導波路を伝播する第１の分岐光の位相と第２の導波路を伝播する第２の分岐光の位相とは、互いに逆方向に変化する。その結果、第１及び第２の分岐光の位相が変化してそれぞれ生成される第３及び第４の分岐光が合成されて生成される変調光においては、各分岐光の位相の変化の少なくとも一部が打ち消される。したがって、この方法によれば、変調光におけるチャーピングを低減することができる。

本発明に係るマッハツェンダ型光変調半導体素子は、マッハツェンダ型光変調半導体素子であって、入力導波路からの入射光を分波し第１及び第２の分岐光を生成する分波器と、分波器に接続された一端を有し第１の分岐光を伝播する第１の導波路と、分波器に接続された一端を有し第２の分岐光を伝播する第２の導波路と、第１の導波路上に設けられており、第１の導波路に第１の信号電圧を印加するための第１の電極と、第２の導波路上に設けられており、第２の導波路に第２の信号電圧を印加するための第２の電極と、第１及び第２の導波路の他端に接続されており、第１及び第２の導波路からの光を合波して変調光を生成する合波器と、を備え、第１及び第２の導波路は導波路半導体層を含み、導波路半導体層の屈折率は電圧依存性を有し、導波路半導体層の屈折率の電圧依存性は、第１の電圧範囲においては正及び負の傾きのうちの一方の傾きを有すると共に、第１の電圧範囲とゼロ電圧との間の第２の電圧範囲においては正及び負の傾きのうちの他方の傾きを有する、ことを特徴とする。

このマッハツェンダ型光変調半導体素子によれば、第１の信号電圧を、第１の導波路の導波路半導体層の電圧依存性が正及び負の傾きのうちの一方の傾きを有する第１の電圧範囲内の信号電圧とし、第２の信号電圧を、第２の導波路の導波路半導体層の電圧依存性が正及び負の傾きのうちの他方の傾きを有する第２の電圧範囲内の電圧値であり、且つ、第１の信号電圧と同位相の信号電圧とすることによって、第１の導波路の導波路半導体層の屈折率と第２の導波路の導波路半導体層の屈折率とを、各信号電圧の電圧値の上下に伴って、互いに逆方向に変化させることができる。このとき、第１の導波路を伝播する第１の分岐光の位相と第２の導波路を伝播する第２の分岐光の位相とは、互いに逆方向に変化する。その結果、第１の導波路からの光と第２の導波路からの光とを合波して生成される変調光においては、各光の位相の変化の少なくとも一部が打ち消される。したがって、このマッハツェンダ型光変調半導体素子によれば、変調光におけるチャーピングを低減することができる。

本発明に係るマッハツェンダ型光変調半導体素子では、導波路半導体層は、第１及び第２の量子井戸層と、該第１の量子井戸層と該第２の量子井戸層とを隔てる量子障壁層と、を含む多重量子井戸構造を有する、ことが好ましい。

この場合、第１及び第２の量子井戸層の厚さを適切に設定することにより、特定の電圧でエキシトン吸収を増加させることができる。このような多重量子井戸構造では、屈折率の電圧依存性がピークを持つので、第１の信号電圧が第１の電圧範囲内である場合には正及び負の傾きのうちの一方の傾きを有すると共に、第２の信号電圧が第２の電圧範囲内である場合には正及び負の傾きのうちの他方の傾きを有するような、屈折率の電圧依存性を備える導波路半導体層を、確実に実現することができる。

本発明に係る光変調装置は、上記のマッハツェンダ型光変調半導体素子と、第２の電極とグランドとの間に接続された第１の抵抗素子と、第１の電極に第１の信号電圧を供給する電圧源と、を備え、マッハツェンダ型光変調半導体素子は第１の電極と第２の電極との間に接続された第２の抵抗素子を更に有する、ことを特徴とする。

或いは、本発明に係る光変調装置は、上記のマッハツェンダ型光変調器と、第２の電極とグランドとの間に接続された第１の抵抗素子と、第１の電極と第２の電極との間に接続された第２の抵抗素子と、第１の電極に第１の信号電圧を供給する電圧源と、を備える、ことを特徴とする。

これらの光変調装置においては、第２の電極とグランドとの間に第１の抵抗素子が接続されると共に、第１の電極と第２の電極との間に第２の抵抗素子が接続されている。このため、第１の電極に対して第１の信号電圧を供給すれば、第１及び第２の抵抗素子によって分圧された信号電圧が第２の信号電圧として第２の電極に供給されることとなる。したがって、単一の電圧源によって各電極に信号電圧を供給することができる。そして、第１の信号電圧が第１の電圧領域に属するようにすると共に、第２の信号電圧が第２の電圧領域に属するように、第１及び第２の抵抗素子の各抵抗値を決定することによって、上述したように、合成光におけるチャーピングを低減することができる。

チャーピングを低減可能な、変調光を生成する方法、マッハツェンダ型光変調半導体素子、及び、光変調装置を提供することができる。

本実施形態に係る光変調装置の構成を概略的に示す平面図である。 図１のＩ−Ｉ線に沿ってとられたマッハツェンダ型光変調半導体素子の断面図である。 図１に示されるマッハツェンダ型光変調半導体素子の特性を示す図である。 図１に示されるマッハツェンダ型光変調半導体素子を用いて変調光を生成する方法の主要なステップを示す図である。 図１に示されるマッハツェンダ型光変調半導体素子を用いて変調光を生成する方法の主要なステップを示す図である。 図１に示されるマッハツェンダ型光変調半導体素子を用いて変調光を生成する方法の主要なステップを示す図である。 他の実施形態に係る光変調装置の構成を概略的に示す平面図である。 実施例に係るマッハツェンダ型光変調半導体素子の活性層の構造を示す図である。 図８に示される活性層の屈折率の電圧依存性を示すグラフである。 変調光の特性を測定した結果を示すグラフである。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施形態に係る光変調装置の構成を概略的に示す平面図である。図１には、直交座標系Ｓが示されている。図１に示されるように、光変調装置１００は、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０、電圧源Ｖ_ｐｈ，Ｖ_ｓｉｇ及び第１の抵抗素子Ｒを備えている。

マッハツェンダ型光変調半導体素子２０は、入力導波路１、分波器２、第１の導波路３、第２の導波路４、位相制御電極５、第１の電極６、第２の電極７、第２の抵抗素子８、合波器９及び出力導波路１０を備えている。

入力導波路１は、後述する半導体基板１１上に設けられている。本実施形態では、入力導波路１の一端１ａは、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０の一端面２０ａに達している。入力導波路１の一端１ａは、例えば、光ファイバや他の半導体光素子に接続することができる。入力導波路１の他端１ｂは、分波器２に接続されている。入力導波路１は、入射光を一端１ａから入射し、当該入射光を伝播して他端１ｂから分波器２に提供する。

分波器２は、半導体基板１１上に設けられている。分波器２は、入力導波路１から提供される入射光を分波（分岐）し第１及び第２の分岐光を生成し、当該第１及び第２の分岐光をそれぞれ第１の導波路３及び第２の導波路４に提供する。分波器２は、多モード干渉型のものとすることができる。

第１の導波路３は、一端３ａと他端３ｂとを含む。第１の導波路３の一端３ａは、分波器２に接続されている。第１の導波路３の他端３ｂは、合波器９に接続されている。第１の導波路３は、分波器２から合波器９へ向かう軸（ｘ軸）の方向に沿って延びている。第１の導波路３は、ｘ軸の方向に沿って配列された第１の領域３ｃと第２の領域３ｄとを有する。第１の領域３ｃは、一端１ａと第２の領域３ｄとの間に位置する短尺状の領域である。第２の領域３ｄは、他端３ｂと第１の領域３ｃとの間に位置する長尺状の領域である。第１の導波路３は、分波器２から提供される第１の分岐光を一端３ａから他端３ｂへ向けて伝播させる。

第２の導波路４は、一端４ａと他端４ｂとを含む。第２の導波路４の一端４ａは、分波器２に接続されている。第２の導波路４の他端４ｂは、合波器９に接続されている。第２の導波路４は、ｘ軸の方向に沿って延びている。第１の導波路３と第２の導波路４とは、例えば、略平行である。第２の導波路４は、第１の領域４ｃを有する。第１の領域４ｃは、長尺状の領域である。第２の導波路４の第１の領域４ｃは、例えば、第１の導波路３の第２の領域３ｄと略平行であり、また、例えば、第１の導波路３の第２の領域３ｄと略同一の長さを有する。また、第２の導波路４は、例えば、ｘ軸方向について第１の導波路３の第２の領域３ｄと略同一の位置に配置されている。第２の導波路４は、分波器２から提供される第２の分岐光を一端４ａから他端４ｂへ向けて伝播させる。

位相制御電極５は、半導体基板１１及び第１の導波路３の第１の領域３ｃ上に設けられている。位相制御電極５は、ストライプ部５ａとパッド部５ｂとを含む。ストライプ部５ａは、第１の導波路３の第１の領域３ｃの上面を覆うように形成されている。位相制御電極５は、パッド部５ｂを介して電圧源Ｖ_ｐｈに接続されている。位相制御電極５は、電圧源Ｖ_ｐｈより供給される電圧を第１の導波路３の第１の領域３ｃに印加するための電極である。電圧源Ｖ_ｐｈは、位相制御電極５とグランドとの間に接続されている。

第１の電極６は、半導体基板１１及び第１の導波路３の第２の領域３ｄ上に設けられている。第１の電極６は、ストライプ部６ａとパッド部６ｂと引出部６ｃとを含む。ストライプ部６ａは、第１の導波路３の延在方向に延びる長尺矩形状を成している。ストライプ部６ａは、第１の導波路３の第２の領域３ｄを覆うように形成されている。引出部６ｃは、第１の導波路３から第２の導波路４へ向かう軸（ｙ軸）の方向に沿ってストライプ部６ａから延在して形成されている。第１の電極６は、パッド部６ｂを介して電圧源Ｖ_ｓｉｇに接続されている。第１の電極６は、電圧源Ｖ_ｓｉｇから供給される第１の信号電圧を、第１の導波路３の第２の領域３ｄに印加するためのものである。電圧源Ｖ_ｓｉｇは、第１の電極６とグランドとの間に接続されている。

第２の電極７は、半導体基板１１及び第２の導波路４の第１の領域４ｃ上に設けられている。第２の電極７は、ストライプ部７ａとパッド部７ｂと引出部７ｃとを含む。ストライプ部７ａは、第２の導波路４の延在方向に延びる長尺矩形状を成している。ストライプ部７ａは、第２の導波路４の第１の領域４ｃを覆うように形成されている。第２の電極７のストライプ部７ａは、例えば、第１の電極６のストライプ部６ａと略平行であり、また、例えば、第１の電極６のストライプ部６ａと略同一の長さを有する。また、第２の電極７のストライプ部７ａは、ｘ軸方向について第１の電極６のストライプ部６ａと略同一の位置に配置されている。引出部７ｃは、第２の導波路４から第１の導波路３へ向かう方向にストライプ部７ａから延在して形成されている。第２の電極７は、パッド部７ｂを介して第１の抵抗素子Ｒに接続されている。第２の電極７は、第２の導波路４の第１の領域４ｃに第２の信号電圧を印加するためのものである。第１の抵抗素子Ｒは、第２の電極７とグランドとの間に接続されている。第１の電極６及び第２の電極７は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕより構成することができる。

第２の抵抗素子８は、半導体基板１１上に設けられている。第２の抵抗素子８は、第１の電極６と第２の電極７との間に配置されており、第１の電極６の引出部６ｃと第２の電極７の引出部７ｃとに接続されている。第２の抵抗素子８は、例えば、ＮｉＣｒより構成することができる。

合波器９は、半導体基板１１上に設けられている。合波器９は、第１の導波路３及び第２の導波路４をそれぞれ伝播した光を合成し変調光を生成して出力導波路１０に提供する。合波器９は、多モード干渉型のものとすることができる。

出力導波路１０は、半導体基板１１上に設けられている。出力導波路１０の一端１０ａは合波器９に接続されている。本実施形態では、出力導波路１０の他端１０ｂは、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０の他端面２０ｂに到達している。他端１０ｂは、例えば、光ファイバや他の半導体光素子に接続することができる。出力導波路１０は、合波器９から提供される変調光を伝播してマッハツェンダ型光変調半導体素子２０の外部（光ファイバや他の半導体光素子）に提供するために使われる。

次に、図２を参照して、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０について説明する。図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿ってとられたマッハツェンダ型光変調半導体素子２０の断面図である。図２には、直交座標系Ｓが示されている。

図２に示されるように、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０は、半導体基板１１を備える。半導体基板１１は、ｙ軸の方向に沿って順に配列されｘ軸の方向に沿って延びる第１の領域１１ａ、第２の領域１１ｂ、第３の領域１１ｃ、第４の領域１１ｄ及び第５の領域１１ｅを含む。半導体基板１１は、例えば、ｎ型の導電型を有する。半導体基板１１は、例えば、Ｓｎ−ＩｎＰにより構成することができる。

第１の導波路３は、下部クラッド層３１、活性層（導波路半導体層）３２、上部クラッド層３３及びコンタクト層３４を有する。下部クラッド層３１、活性層３２、上部クラッド層３３及びコンタクト層３４は、半導体基板１１の第２の領域１１ｂ上において、半導体基板１１の主面１１ｆの法線軸（ｚ軸）方向に順次積層されている。第２の導波路４は、下部クラッド層３１、活性層３２、上部クラッド層３３及びコンタクト層３４を有する。下部クラッド層３１、活性層３２、上部クラッド層３３及びコンタクト層３４は、半導体基板１１の第４の領域１１ｄ上において、ｚ軸の方向に沿って順次積層されている。第１の導波路３及び第２の導波路４は、ｘ軸方向に沿って延びるストライプメサ構造を有する。

下部クラッド層３１は、例えば、ｎ型の導電型を有する。下部クラッド層３１は、例えば、Ｓｉ−ＩｎＰにより構成することができる。下部クラッド層３１の厚さは、例えば、１μｍ程度である。上部クラッド層３３は、例えば、ｐ型の導電型を有する。上部クラッド層３３は、例えば、Ｚｎ−ＩｎＰにより構成することができる。上部クラッド層３３の厚さは、例えば、２μｍ程度である。コンタクト層３４は、例えば、Ｚｎ−ＧａＩｎＡｓより構成することができる。コンタクト層３４の厚さは、例えば、０．２μｍ程度とすることができる。第１の導波路３及び第２の導波路４は、下部クラッド層３１、活性層３２及び上部クラッド層３３をより成るｐｎ接合ダイオード構造を含む。

第１の導波路３のコンタクト層３４上には、第１の電極６（ストライプ部６ａ）が設けられている。第２の導波路４のコンタクト層３４上には、第２の電極７（ストライプ部７ａ）が設けられている。第１の電極６及び第２の電極７は、それぞれ第１の導波路３のコンタクト層３４及び第２の導波路４のコンタクト層３４と接触している。

半導体基板１１の第１の領域１１ａ、第３の領域１１ｃ及び第５の領域１１ｅ上の表面と、第１の導波路３及び第２の導波路４の側面上と、には、絶縁膜３５が形成されている。絶縁膜３５は、例えば、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２等）より構成することができる。

半導体基板１１の裏面１１ｇ上には、裏面電極３６が形成されている。裏面電極３６は、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｅより構成することができる。第１の導波路３及び第２の導波路４には、ｐｎ接合ダイオード構造が含まれるので、例えば、第１の電極６及び第２の電極７は、アノードであり、裏面電極３６はカソードであることができる。

活性層３２は、第１及び第２の量子井戸層と、該第１の量子井戸層と該第２の量子井戸層とを隔てる量子障壁層とを含む半導体層のセットを複数含む多重量子井戸構造を有する。第１の量子井戸層と第２の量子井戸層とは層厚が異なっている。このような構造を有する活性層に電圧を印加すると、特定の電圧においてエキシトン吸収が増大することが知られている。活性層の屈折率は、エキシトン吸収の変化に伴って、活性層の屈折率も変化するので、当該活性層３２の屈折率は、以下のような電圧依存性を有する。その電圧依存性は、例えば、図３（ａ）に示されるように、第１の電圧範囲Ａにおいては負の傾きを有すると共に、第１の電圧範囲とゼロ電圧との間の第２の電圧範囲Ｂにおいては正の傾きを有する。

図３（ｃ）は、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０の各部間の電気的な接続関係を模式的に示す回路図である。第１の導波路３には、電圧源Ｖ_ｓｉｇから第１の電極６を介して、図３（ｂ），（ｃ）に示されるように、第１の信号電圧（逆バイアス）ｖ_１が印加される。このとき、第２の導波路４には、第１の抵抗素子Ｒと第２の抵抗素子８とによって信号電圧ｖ_１から分圧された第２の信号電圧ｖ_２が印加されることとなる。この場合の信号電圧ｖ_１と信号電圧ｖ_２との関係は、第２の抵抗素子８及び第１の抵抗素子Ｒの抵抗値をそれぞれｒ_１及びｒ_２とすると、ｖ_２＝（ｒ_２／（ｒ_１＋ｒ_２））ｖ_１となる。したがって、抵抗体８及び抵抗素子Ｒの抵抗値を調整することによって、第１の導波路３に印加される電圧から任意の値降下した電圧を、第２の導波路４に印加することができる。これにより、第１の信号電圧ｖ_１を第１の電圧範囲Ａ内の電圧値とし、第２の信号電圧ｖ_２を第２の電圧範囲Ｂ内の電圧値とすることができる。

続いて、図４〜６を参照して、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０を用いて変調光を生成する方法について説明する。図４〜６は、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０を用いて変調光を生成する方法の主要なステップを示す図である。

先ず、図４に示されるように、ステップＳ１０１では、分波器２を用いて入射光Ｌ０を分波（分岐）して第１の分岐光Ｌ１及び第２の分岐光Ｌ２を生成し該第１の分岐光Ｌ１及び第２の分岐光Ｌ２をそれぞれ第１の導波路３及び第２の導波路４に提供する。

続いて、図５に示されるように、ステップＳ１０２では、電圧源Ｖ_ｓｉｇを用いて、第１の電極６を介して第１の導波路３に第１の信号電圧ｖ_１を印加する。このとき、第１の抵抗素子Ｒ及び第２の抵抗素子８により分圧された第２の信号電圧ｖ_２が、第２の電極７を介して第２の導波路４に印加される。第１の信号電圧ｖ_１と第２の信号電圧ｖ_２とは、同位相の信号電圧である。

第１の信号電圧ｖ_１は、図中下部に示されるような矩形波の信号電圧である。第１の信号電圧ｖ_１は、あらかじめオフセット電圧ｖ_１０が付与されており、この電圧ｖ_１０を基準電圧として、ｖ_１Ｈとｖ_１Ｌとの間を振動する。第１信号電圧ｖ_１は、図中上部に示されるように、オフセット電圧ｖ_１０が付与されることによって、第１の導波路３の活性層３２の屈折率の電圧依存性が負の傾きを有する第１の電圧範囲Ａ内の電圧値とされている。したがって、矩形波である第１信号電圧ｖ_１が、高い側の電圧値ｖ_１Ｈに振れるときには、第１の導波路３の活性層３２の屈折率は低くなる。第１信号電圧ｖ_１が、低い側の電圧値ｖ_１Ｌに振れるときには、第１の導波路３の活性層３２の屈折率は高くなり所定値ｎ_０となる。

第２の信号電圧ｖ_２も、第１の信号電圧と同様に矩形波の信号電圧である。第２の信号電圧ｖ_２は、第１の抵抗素子Ｒ及び第２の抵抗素子８の抵抗値を適当な値に設定することによって、第２の導波路４の活性層３２の屈折率の電圧依存性が正の傾きを有する第２の電圧範囲Ｂ内の電圧値となるようにされている（第２の信号電圧ｖ_２の振動の基準電圧がｖ_２０とされている）。この第２の信号電圧ｖ_２が高い側の電圧値ｖ_２Ｈに振れるとき（第１の信号電圧ｖ_１が電圧値ｖ_１Ｈに振れるとき）には、第２の導波路４の活性層３２の屈折率は高くなる。第２の信号電圧ｖ_２が低い側の電圧値ｖ_２Ｌに振れるとき（第１の第１信号電圧ｖ_１が電圧値ｖ_１Ｌに振れるとき）には、第２の導波路４の活性層３２の屈折率は低くなり所定値ｎ_０となる。したがって、第１の信号電圧ｖ_１及び第２の信号電圧ｖ_２の各振動に伴って、第１の導波路３及び第２の導波路４の各活性層３２の屈折率は、互いに逆方向に変化することとなる。

このステップＳ１０２によって、第１の導波路３には第１の信号電圧ｖ_１が印加され、第２の導波路４には第２の信号電圧ｖ_２が印加される。このため、第１の導波路３及び第２の導波路４の各活性層３２の屈折率は、それぞれ変化する。その結果、第１の分岐光Ｌ１及び第２の分岐光Ｌ２は、それぞれ第１の導波路３及び第２の導波路４の活性層３２を伝播することによって、それぞれ位相が変化する。このようにして、第１の分岐光Ｌ１及び第２の分岐光Ｌ２の位相がそれぞれ変化した光である第３の分岐光Ｌ３と第４の分岐光Ｌ４が生成される。

第１の信号電圧ｖ_１及び第２の信号電圧ｖ_２が、低い側の電圧値にそれぞれ振れたときには、第１の導波路３及び第２の導波路４の活性層３２の屈折率がそれぞれｎ_０となり等しくなるので、第１の分岐光Ｌ１及び第２の分岐光Ｌ２の位相の変化は等しくなる。このため、第３の分岐光Ｌ３と第４の分岐光Ｌ４とを合成した変調光の強度は、入射光Ｌ０と等しくなる。つまり、光のオン状態が実現されることとなる。

一方、第１の信号電圧ｖ_１及び第２の信号電圧ｖ_２が、高い側の電圧値にそれぞれ振れたときには、第１の導波路３及び第２の導波路４の活性層３２の屈折率が互いに逆方向に変化するので、第１の分岐光Ｌ１及び第２の分岐光Ｌ２の位相の変化は、互いに逆方向の変化となる。このため、第３の分岐光Ｌ３と第４の分岐光Ｌ４とを合成した変調光の強度は、入射光Ｌ０に比べて弱くなる。つまり、光のオフ状態が出力されることとなる。

なお、上記の説明では、第１の信号電圧ｖ_１を、第１の導波路３の活性層３２の屈折率の電圧依存性が負の傾きを有する電圧範囲内のものとし、第２の信号電圧ｖ_２を第２の導波路４の活性層３２の屈折率の電圧依存性が正の傾きを有する電圧範囲内のものとしたが、各電極に印加されるバイアスの順逆を入れ替えることによって、それぞれ逆の電圧範囲内のものとすることができる。

そして、図６に示されるように、ステップＳ１０３では、合波器９を用いて、第３の分岐光Ｌ３と第４の分岐光Ｌ４とを合波（合成）して変調光Ｌ５を生成する。

なお、電圧源Ｖ_ｐｈを用いて、位相制御電極５を介して第１の導波路３の第１の領域３ｃに定常電圧を印加し、第１の導波路３の第１の領域３ｃの活性層３２の屈折率を変化させることができる。これにより、第１の領域３ｃの活性層３２を通る第１の分岐光Ｌ１の位相を変化させて、第３の分岐光Ｌ３と第４の分岐光Ｌ４との位相のズレを制御することができる。

以上説明した方法によれば、第１の導波路３の第２の領域３ｄの活性層３２には、屈折率の電圧依存性が正及び負の傾きのうちの一方の傾きを有する第１の電圧範囲内の第１の信号電圧ｖ_１が印加される。このとき、第２の導波路４の第１の領域４ｃの活性層３２には、屈折率の電圧依存性が正及び負の傾きのうちの他方の傾きを有する第２の電圧範囲内であり、且つ、第１の信号電圧ｖ_１と同位相である第２の信号電圧ｖ_２が印加される。このため、第１の導波路３の活性層３２の屈折率と第２の導波路４の活性層３２の屈折率とは、各信号電圧の電圧値の変動に伴って、互いに逆方向に変化する。このため、第１の導波路３を伝播する第１の分岐光Ｌ１の位相と第２の導波路４を伝播する第２の分岐光Ｌ２の位相とは、互いに逆方向に変化する。その結果、第１の分岐光Ｌ１及び第２の分岐光Ｌ２の位相が変化してそれぞれ生成される第３の分岐光Ｌ３及び第４の分岐光Ｌ４が合波されて生成される変調光Ｌ５においては、各分岐光Ｌ３，Ｌ４の位相の変化の少なくとも一部が打ち消される。したがって、変調光Ｌ５におけるチャーピングを低減することができる。

また、光変調装置１００においては、第２の電極７とグランドとの間に第１の抵抗素子Ｒが接続されると共に、第１の電極６と第２の電極７との間に第２の抵抗素子８が接続されている。このため、第１の電極６に対して第１の信号電圧ｖ_１を供給すれば、第１の抵抗素子Ｒ及び第２の抵抗素子８によって分圧された信号電圧が、第２の信号電圧ｖ_２として第２の電極７に供給されることとなる。したがって、単一の電圧源によって各電極６，７に信号電圧を供給することができる。

本発明に係る光変調装置は、上記の実施形態に限られない。本発明に係る光変調装置の実施形態は、例えば、図７に示されるものとすることができる。図７は、本発明に係る光変調装置の他の実施形態の構成を概略的に示す平面図である。

図７に示されるように、光変調装置１００ａは、光変調装置１００のマッハツェンダ型光変調半導体素子２０に換えてマッハツェンダ型光変調半導体素子２０ａを備えると共に、第３の電圧源Ｖ_ｐｈ２と第２の抵抗素子Ｒ２とを更に備えている点で、光変調装置１００と異なっている。光変調装置１００ａの他の構成は光変調装置１００と同様である。

マッハツェンダ型光変調半導体素子２０ａは、第２の位相制御電極１２を更に備えると共に、第２の抵抗素子８を備えていない点でマッハツェンダ型光変調半導体素子２０と異なっている。マッハツェンダ型光変調半導体素子２０ａの他の構成は、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０と同様である。

第２の位相制御電極１２は、第２の導波路４の導波路上において、位相制御電極５と対応する位置に形成されている。第２の位相制御電極１２は、ストライプ部１２ａとパッド部１２ｂとを含む。ストライプ部１２ａは、第２の導波路４の一端４ａと第１の領域との間に位置する第２の領域４ｄの上面を覆うように形成されている。第２の位相制御電極１２は、パッド部１２ｂを介して電圧源Ｖ_ｐｈ２に接続されている。第２の位相制御電極１２は、電圧源Ｖ_ｐｈ２より供給される電圧を第２の導波路４の第２の領域４ｄに印加するための電極である。電圧源Ｖ_ｐｈ２は、第２の位相制御電極１２とグランドとの間に接続されている。第２の抵抗素子Ｒ２は、第１の電極６と第２の電極７との間に接続されている。

この光変調装置１００ａにおいては、第２の電極７とグランドとの間に第１の抵抗素子Ｒが接続されると共に、第１の電極６と第２の電極７との間に第２の抵抗素子Ｒ２が接続されている。このため、第１の電極６に対して第１の信号電圧ｖ_１を供給すれば、第１の抵抗素子Ｒ及び第２の抵抗素子Ｒ２によって分圧された信号電圧が、第２の信号電圧ｖ_２として第２の電極７に供給されることとなる。したがって、単一の電圧源によって各電極６，７に信号電圧を供給することができる。

また、マッハツェンダ型光変調半導体素子２０ａは、第２の導波路４上に第２の位相制御電極１２を備えているので、第２の導波路４を伝播する第２の分岐光の位相も制御することができる。

なお、第１の電極６と第２の電極７との間には、必ずしも抵抗素子を接続しなくてもよい。その場合、変調光の生成に際しては、第１の電極６と第２の電極７とに対して、それぞれ異なる電圧源から、第１の信号電圧ｖ_１及び第２の信号電圧ｖ_２をそれぞれ供給することとなる。

（実施例）続いて、本発明の実施例について説明する。本実施例に係るマッハツェンダ型光変調半導体素子２０の各層は、以下のような材料、厚さで構成される。
半導体基板１１：ｎ型Ｓｉ−ＩｎＰ
下部クラッド層３１：ｎ型Ｓｉ−ＩｎＰ，厚さ１．０μｍ
上部クラッド層３３：ｐ型Ｚｎ−ＩｎＰ，厚さ２．０μｍ
コンタクト層３４：Ｚｎ−ＧａＩｎＡｓ，厚さ０．２μｍ

また、第１の電極６及び第２の電極７はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕより構成され、裏面電極はＡｕＧｅ／Ｎｅにより構成されている。また、抵抗体８はＮｉＣｒ合金により構成されており、絶縁膜はＳｉＯ_２より構成されている。

ここで、図８を参照して、本実施例に係るマッハツェンダ型光変調半導体素子２０の活性層３２について詳細に説明する。図８（ａ）は活性層３２の概略断面図であり、図８（ｂ）は活性層３２におけるバンド構造を示す図である。

活性層３２は、下部クラッド層３１上に順次積層された第１の障壁層３２１、第１の井戸層３２２、第２の障壁層３２３、第２の井戸層３２４、第３の障壁層３２５及び第３の井戸層３２６を含む。活性層３２は、これらの各層３２１〜３２６から成るセットが１２セット積層されて構成されている。

図８（ｂ）に示されるように、各障壁層３２１，３２３，３２５はそれぞれ量子障壁Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３を形成し、各井戸層３２２，３２４，３２６はそれぞれ量子井戸Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３を形成している。このように、活性層３２は、各井戸層３２２，３２４，３２６と、これらの井戸層３２２，３２４，３２６同士を隔てる各障壁層３２１，３２３，３２５と、を含む多重量子井戸構造を有しており、この場合、特に、ＦＡＣＱＷ（Five-Layer Asymmetric Coupled Quantum Well）構造と呼ばれる構造を有している。

活性層３２の各層は、以下に示される材料、厚さで構成される。
第１の障壁層３２１：Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ，厚さ １０ｎｍ
第１の井戸層３２２：Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ，厚さ ４．４ｎｍ
第２の障壁層３２３：Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ，厚さ ０．８８ｎｍ
第２の井戸層３２４：Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ，厚さ １．１７ｎｍ
第３の障壁層３２５：Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ，厚さ ２．３５ｎｍ
第３の井戸層３２６：Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ，厚さ ５．５８ｎｍ

このように、活性層３２においては、層厚方向に沿って第１の井戸層３２２、第２の井戸層３２４、第３の井戸層３２６が順次配列されており、これらの厚さは、第３の井戸層３２６が最も厚く、第２の井戸層３２４が最も薄い。また、活性層３２においては、層厚方向に沿って、第１の障壁層３２１、第２の障壁層３２３、第３の障壁層３２５が順次配列されており、これらの厚さは、第１の障壁層３２１が最も厚く、第２の障壁層３２３が最も薄い。したがって、最も薄い井戸層である第２の井戸層３２４と第１の井戸層３２２とは、最も薄い障壁層である第２の障壁層３２３により隔てられている。そして、これら第１の井戸層３２２と第２の井戸層３２４との厚さを合計すると、概ね第３の井戸層３２６の厚さとなっている。

このようにして構成される活性層３２の屈折率は、図９に示されるような電圧依存性を有する。図９は、活性層３２の屈折率の電圧依存性を示すグラフである。図９に示されるグラフにおいて、横軸は活性層３２に印加される電圧（逆バイアス）を示し、縦軸は活性層３２の屈折率を示している。

図９に示されるように、活性層３２の屈折率は、２．２Ｖ付近までは単調に増加し、２．２Ｖ以上では単調に減少している。つまり、活性層３２の屈折率の電圧依存性は、２．２Ｖ〜３．５Ｖの電圧範囲では負の傾きを有しており、０Ｖ〜２．２Ｖの電圧範囲では正の傾きを有している。特に、活性層３２の屈折率は、２．５ボルト付近で大きな負の電圧依存性を有し、２．０Ｖ付近で大きな正の電圧依存性を有している。ここで、傾きとは、電圧の変化に対する屈折率の変化の割合であり、具体的には、屈折率の電圧による微分係数である。

以上説明したマッハツェンダ型光変調半導体素子２０を用いて、上記実施形態に記した方法により、変調光を生成した。その際、第１の信号電圧ｖ_１は、変動幅が０．１３Ｖの信号電圧ｖ_ｓに対して２．５４Ｖのオフセット電圧を付与したものとした。したがって、この第１の信号電圧ｖ_１は、活性層３２の屈折率の電圧依存性が負の傾きを有する第１の電圧範囲Ａ内のものとなっている。これに対して、第２の抵抗素子８及び第１の抵抗素子Ｒの抵抗値をそれぞれ１０．５Ω及び３９．５Ωとすることによって、第２の導波路４に印加される第２の信号電圧ｖ_２を、活性層３２の屈折率の電圧依存性が正の傾きを有する第２の電圧範囲Ｂ内になるようにした。

このような条件下において生成された変調光の特性を測定した。図１０は、変調光の特性を測定した結果を示すグラフである。図１０に示されるグラフの横軸は、信号電圧ｖ_ｓの電圧値（Ｖ）を示しており、左側の縦軸は変調光Ｌ５の光強度（任意単位）を示しており、右側の縦軸はαパラメータの値を示している。ここで、αパラメータとは、変調光に含まれるチャーピングの度合いを表すパラメータであって、αパラメータがゼロであるということは、変調光に含まれるチャーピングがゼロであることを意味する。同図において、変調光の光強度は実線により表されており、αパラメータは破線により表されている。

図１０に示される測定結果によれば、信号電圧ｖ_ｓの変動幅全域にわたってαパラメータが小さく抑えられていることがわかる。特に、信号電圧ｖ_ｓが約−０．０５Ｖ〜約０．０５Ｖの範囲では、αパラメータが概ねゼロとなっている。これは、本実施例に係るマッハツェンダ型光変調半導体素子２０を用いて、特に、信号電圧ｖ_ｓを約−０．０５Ｖ〜約０．０５Ｖの範囲とすれば、チャーピングが概ねゼロである変調光を生成可能であることを示している。

以上、好適な実施形態及び実施例において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

１…入力導波路、２…分波器、３…第１の導波路、４…第２の導波路、５…位相制御電極、６…第１の電極、７…第２の電極、８，Ｒ２…第２の抵抗素子、９…合波器、１０…出力導波路、１１…半導体基板、１２…第２の位相制御電極、２０，２０ａ…マッハツェンダ型光変調半導体素子、３１…下部クラッド層、３２…活性層、３３…上部クラッド層、３４…コンタクト層、３５…絶縁膜、３６…裏面電極、１００，１００ａ…光変調装置、３２１…第１の障壁層、３２２…第１の井戸層、３２３…第２の障壁層、３２４…第２の井戸層、３２５…第３の障壁層、３２６…第３の井戸層、Ｖ_ｐｈ，Ｖ_ｐｈ２，Ｖ_ｓｉｇ…電圧源、Ｒ…抵抗素子、Ｌ０…入射光、Ｌ１…第１の分岐光、Ｌ２…第２の分岐光、Ｌ３…第３の分岐光、Ｌ４第４の分岐光、Ｌ５…変調光。

Claims (5)

1. マッハツェンダ型光変調半導体素子を用いて変調光を生成する方法であって、
   前記マッハツェンダ型光変調半導体素子は、分波器と、合波器と、前記分波器に接続された一端と前記合波器に接続された他端とを有する第１及び第２の導波路と、該第１及び第２の導波路上にそれぞれ設けられた第１及び第２の電極と、を有しており、
   前記分波器を用いて入射光を分波して第１及び第２の分岐光を生成し該第１及び第２の分岐光をそれぞれ前記第１及び第２の導波路に提供するステップと、
   前記第１及び第２の電極を介して前記第１及び第２の導波路に第１及び第２の信号電圧をそれぞれ印加して第３及び第４の分岐光を生成するステップと、
   前記合波器を用いて前記第３及び第４の分岐光を合波して変調光を生成するステップと、を備え、
   前記マッハツェンダ型光変調半導体素子への印加電圧の範囲は、第１の電圧範囲と第２の電圧範囲とを含み、
   前記第２の電圧範囲は、前記第１電圧範囲とゼロ電圧との間の範囲であり、
   前記第１の信号電圧は、前記第１の電圧範囲内にあり、
   前記第２の信号電圧は、前記第１の信号電圧と同位相であり、且つ、前記第２の電圧範囲内にあり、
   前記第１及び第２の導波路の各々は導波路半導体層を含み、
   前記導波路半導体層の屈折率は電圧依存性を有し、
   前記導波路半導体層の屈折率の前記電圧依存性は、前記第１の電圧範囲においては正及び負の傾きのうちの一方の傾きを有すると共に、前記第２の電圧範囲においては正及び負の傾きのうちの他方の傾きを有し、
   前記第３の分岐光は、前記第１の分岐光の位相が変化した光であり、
   前記第４の分岐光は、前記第２の分岐光の位相が変化した光である、ことを特徴とする方法。
2. マッハツェンダ型光変調半導体素子であって、
   入力導波路からの入射光を分波し第１及び第２の分岐光を生成する分波器と、
   前記分波器に接続された一端を有し前記第１の分岐光を伝播する第１の導波路と、
   前記分波器に接続された一端を有し前記第２の分岐光を伝播する第２の導波路と、
   前記第１の導波路上に設けられており、前記第１の導波路に第１の信号電圧を印加するための第１の電極と、
   前記第２の導波路上に設けられており、前記第２の導波路に第２の信号電圧を印加するための第２の電極と、
   前記第１及び第２の導波路の他端に接続されており、前記第１及び第２の導波路からの光を合波して変調光を生成する合波器と、を備え、
   前記第１及び第２の導波路は導波路半導体層を含み、
   前記導波路半導体層の屈折率は電圧依存性を有し、
   前記導波路半導体層の屈折率の前記電圧依存性は、第１の電圧範囲においては正及び負の傾きのうちの一方の傾きを有すると共に、前記第１の電圧範囲とゼロ電圧との間の第２の電圧範囲においては正及び負の傾きのうちの他方の傾きを有する、ことを特徴とするマッハツェンダ型光変調半導体素子。
3. 前記導波路半導体層は、第１及び第２の量子井戸層と、該第１の量子井戸層と該第２の量子井戸層とを隔てる量子障壁層と、を含む多重量子井戸構造を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のマッハツェンダ型光変調半導体素子。
4. 請求項２又は３に記載のマッハツェンダ型光変調半導体素子と、
   前記第２の電極とグランドとの間に接続された第１の抵抗素子と、
   前記第１の電極に前記第１の信号電圧を供給する電圧源と、を備え、
   前記マッハツェンダ型光変調半導体素子は前記第１の電極と前記第２の電極との間に接続された第２の抵抗素子を更に有する、ことを特徴とする光変調装置。
5. 請求項２又は３に記載のマッハツェンダ型光変調器と、
   前記第２の電極と、グランドと、の間に接続された第１の抵抗素子と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に接続された第２の抵抗素子と、
   前記第１の電極に前記第１の信号電圧を供給する電圧源と、を備えることを特徴とする光変調装置。
   
   
   
   
   

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