JP2014178480A - 光変調器および光変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のシングル駆動型ＭＺ変調器に比べ、駆動振幅が半分で、帯域劣化のないＭＺ変調器を提供する。
【解決手段】差動ドライバ２０９を用いて、導線２１０ａ，２１０ｂ、入力信号調整領域２１１ａ，２１１ｂを通り、第２の位相変調器２０４ｂと第３の位相変調器２０５ａに逆相の電気信号を入力する。今、差動ドライバ２０９から電圧Ｖπの電気信号が入力されるとすると、第２の位相変調器２０４ｂには電圧Ｖπが第３の位相変調器２０５ａには−Ｖπの電圧が印加される。第２の位相変調器２０４ｂに印加される電圧Ｖπにより、シングル駆動する前段の位相変調器２０４ａと２０４ｂにおいて、πの位相変化が、さらに第３の位相変調器２０５ａに印加される電圧−Ｖπにより、後段の位相変調器２０５ａと２０５ｂにおいて、πの位相変化が起こる。合計で２πの位相変化となり、出力光の位相が０→πと変化し、ＢＰＳＫを実現できる
【選択図】図２

Description

本発明は、電気信号を光信号に変換する光変調器および光変調方法に関する。

増大する通信トラフィック需要に対応するために波長多重（ＷＤＭ）技術の開発が進み、現在では、ファイバで伝送可能な帯域は枯渇してきている状況であり、周波数利用効率向上が課題となっている。周波数利用効率向上とさらなる通信システムの大容量化の実現には、１波長あたりの伝送レートを上げることが有用である。ここで、変調方式を変えることなく光伝送路に送出するシンボルレートを上げた場合には、許容残留分散量がシンボルレートの２乗に反比例するので、光伝送路の波長分散耐力が低下するという問題点があった。また、電気信号処理を高速に実行することが必要となり、アナログ電気部品のコストが増加するという問題点もあった。

そこで、近年では信号多重度を上げる研究が盛んに行われている。具体的な信号多重度を上げる方式として、１シンボルに２値（多重度２）を割り当てることで伝送容量を２倍にする４値位相変調方式（ＱＰＳＫ）や、１シンボルに４値（多重度４）を割り当てることで伝送容量を４倍にする１６値直交振幅変調方式（１６ＱＡＭ）、１６値振幅位相変調方式（１６ＡＰＳＫ）等の多値変調方式が知られている。また、偏波多重により伝送容量を２倍にする方法も研究等も進められている。

通常、これらの多値変調を実行する場合には、光変調器としてＩ／Ｑ変調器が用いられる。Ｉ／Ｑ変調器は別名直交変調器とも呼ばれ、直交する光電界成分（Ｉチャンネル、Ｑチャンネル）を独立して生成可能な変調器であり、マッハツェンダー（ＭＺ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）変調器を並列接続した特殊な構成をとるものである（例えば、下記特許文献１参照）。

一般的なＭＺ変調器の構成としては、大きく分けて２つの構成が知られている。シングル駆動型の電極構成のものとデュアル駆動型の電極構成のものである。前者は信号電極が１つしかないものであり、後者は２本のアーム光導波路のそれぞれの上に信号電極が配置される。また、ＭＺ変調器の上下のアーム光導波路が２つとも位相変調器となっている場合に、位相変調を互いに逆相としたものをプッシュプル動作といい、一般的にチャープ低減のためにこの動作方式が用いられている。

図５（ａ）に、シングル駆動型の電極構成でプッシュプル動作するもの（シングルエンドプッシュプル駆動）を示し、図５（ｂ）に、デュアル駆動型の電極構成でプッシュプル駆動（差動駆動）するものを示す。

図５（ａ）において、５０１はＭＺ変調器を構成する光導波路、５０２は接地電極、５０３は信号電極をそれぞれ示している。信号電極は１つしかないが、図５（ａ）に示す電気力線より、２つの光導波路の感じる電場の向きが互いに逆向きとなる。つまり、電極が１つのシングル駆動型電極であるが、上下の位相変調部分がプッシュプル動作する。

図５（ｂ）において、５０１はＭＺ変調器を構成する光導波路、５０２は接地電極、５０３は信号電極をそれぞれ示している。デュアル駆動型電極では、図５（ｂ）に示すように、２つの信号電極により駆動しており、２つの信号電極に互いに逆相の電気信号を与えることで、２つの光導波路の感じる電場の向きが互いに逆向きとなり、プッシュプル駆動する。また、２つの信号電極に差動信号を与え駆動することができ、駆動電圧はシングル駆動型に比べ約半分とすることができる。

このようなＭＺ変調器には、ＬｉＮｂＯ_３に代表されるような誘電体材料を用いたもの（例えば特許文献２参照）やＩｎＰ系の化合物半導体材料（例えば特許文献３参照）を用いたもの等がある。

ここで、図６（ａ）に、ＭＺ変調器の構成を示した模式図を示し、ＭＺ変調器を用いたＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調動作について説明する。なお、図６（ａ）において、６０１は入力導波路、６０２は光分岐回路、６０３ａ，６０３ｂは前段の接続導波路、６０４ａ，６０４ｂは位相変調器、６０５ａ，６０５ｂは後段の接続導波路、６０６は光合流回路、６０７は出力導波路をそれぞれ示している。図６(ｂ)、（ｃ）はＭＺ変調器のコンスタレーションを説明する図である。

信号光はまず、入力導波路６０１から入射し、光分岐回路６０２により分岐比１：１で２分岐され接続導波路６０３ａ、６０３ｂを介して、位相変調器６０４ａ，６０４ｂに導かれ、位相変調を受け、接続導波路を介して光合流回路６０６で合流され、出力導波路６０７より出力される。位相変調器６０４ａ，６０４ｂには、それぞれ信号電極と接地電極が設けられる。信号電極と接地電極との間に電圧を与えると、発生した電界が光導波路の屈折率を変化させ、２本の光導波路に位相差が生じる。ここで位相変調器の通過前と通過後で光の位相が０→πと変化するのに要する電圧を半波長電圧Ｖπという。

電圧が印加されなければ、出力光は位相差が０の状態（図６（ｂ））であり、次に２つの位相変調器に適当な電圧が印加されたとすると、一方の接続導波路で伝搬光の位相が０→π、もう一方の接続導波路で伝搬光の位相が０→−πと変化し、光合流回路６０６で合流され出力導波路６０７より出力される光の位相が０→π（図６（ｃ））となる。これがＭＺ変調器を用いたＢＰＳＫ動作である。この適当な電圧は、電極構造により異なるため、電極構造の設計が重要となる。

ここで、ＭＺ変調器が図５（ａ）に示すシングル駆動型であった場合の駆動電圧について考えると、信号電極は１つしかなく、信号電極に印加された電圧が位相変調器６０４ａ，６０４ｂに分割されて印加されるので、この位相変調動作の場合には合計２πの位相変調を行っているため、２Ｖπの駆動電圧が必要であることがわかる。例えば、半波長電圧Ｖπが３Ｖｐｐであるとすれば、ＢＰＳＫ動作をさせるためには６Ｖｐｐの電圧が必要である。つまり６Ｖｐｐのドライバが必要となる。

次に、ＭＺ変調器が図５（ｂ）に示すデュアル駆動型であるとすると、信号電極が２つあるため、互いに逆相の信号を入力することが可能である。つまり、２つの信号電極に差動ドライバを用いて差動信号を与えるとすれば、Ｖπと−Ｖπの２つの信号を入力することができるため、合計２πの位相変調を行うのに、シングル駆動型の半分の電圧であるＶπで駆動することができる。例えば、半波長電圧Ｖπが３Ｖｐｐであるとすれば、ＢＰＳＫ動作をさせるのに必要な電圧はシングル駆動型の半分の３Ｖｐｐで済む。

また、光変調器では帯域幅と駆動電圧が大切なパラメータとなる。帯域幅と駆動電圧は独立ではなく、半波長電圧Ｖπと変調帯域はそれぞれ電極長Ｌに反比例する。そのため、駆動電圧を低くするためには電極長Ｌを長くする方が良く、変調帯域を広くするには、電極長Ｌを短くするのがよい。このため、電極の設計を工夫することにより、低駆動電圧化や広帯域化を図ることが重要となる。

特表２００４−５１６７４３号公報 特開平１０−２２８００６号公報 特開２０１０−２７１７４２号公報

このように、デュアル駆動型を採用できずにシングル駆動型を採用すると、デュアル駆動型に比べ大振幅のドライバが必要となり、大振幅のドライバは一般的に高価であるという課題がある。また、大振幅のドライバを用いないためには、低駆動電圧化が必要であるが、低駆動電圧化のために電極長を長くすると、帯域が劣化するという課題がある。

以上のことから、本発明は、従来のシングル駆動型ＭＺ変調器に比べ、駆動振幅が半分で、帯域劣化のないＭＺ変調器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、入力された電気信号を光信号に変換する光変調器であって、入射された信号光を分岐させる光分岐手段と、
分岐された信号光を合流させる光合流手段と、前記光分岐手段と光合流手段とを結びマッハツェンダー干渉計を構成する２本のアーム光導波路と、２つの位相変調器が前記２本のアーム光導波路上にそれぞれ設置された第１の位相変調手段と、２つの位相変調器が前記２本のアーム光導波路上にそれぞれ設置され、前記第１の位相変調手段に縦続接続された第２の位相変調手段と、前記第１および第２の位相変調手段を駆動する差動差動ドライバと、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光変調器において、前記第１および第２の位相変調手段は、それぞれ前記２つの位相変調器に対しシングル駆動型の電極を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光変調器において、前記第１および第２の位相変調手段は、それぞれ前記２つの位相変調器がプッシュプル動作することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、前記信号光が前記第１位相変調手段に入射するのと同時に、前記差動ドライバからの電気信号が前記第１位相変調手段に入力され、前記信号光が前記第２位相変調手段に入射するのと同時に、前記差動ドライバからの電気信号が前記第２位相変調手段に入力されるように調整する手段を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、少なくとも１本の前記アーム光導波路上に、前記信号光の位相を調整する位相調整手段が設置されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、入力された電気信号を光信号に変換する光変調方法であって、差動ドライバで生成された第１の差動信号で、マッハツェンダー干渉計を構成する２本のアーム光導波路上にそれぞれ設置された２つの位相変調器からなる位相変調手段を駆動し、前記第１の位相変調手段入射した信号光を変調する第１の変調ステップと、前記第１の差動信号に対して逆相の前記差動ドライバで生成された第２の差動信号で、前記２本のアーム光導波路上にそれぞれ設置された２つの位相変調器からなり、前記第１の位相変調手段に縦続接続された第２の位相変調手段を駆動し、前記第２の位相変調手段に入射した信号光を変調する第２の変調ステップと、を有することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光変調方法において、前記第１および第２の位相変調手段は、それぞれ前記２つの位相変調器に対しシングル駆動型の電極を備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の光変調方法において、前記第１および第２の変調ステップは、それぞれ前記２つの位相変調器をプッシュプル動作させることを特徴とする。

本発明によれば、駆動振幅が従来の半分で、帯域劣化のないシングル駆動型ＭＺ変調器を提供することができる。また、同様の構成で、電極長を調整することで、従来の駆動電圧のままで、帯域を従来の倍となるＭＺ変調器を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る光変調器の構成を示した模式図である。 本発明の実施形態１に係る光変調器の動作を説明するための模式図である。 本発明の実施形態２に係る光変調器の構成を示した模式図である。 本発明の実施形態３に係る光変調器の構成を示した模式図である。 ＭＺ変調器の電極構成について説明するための模式図である。 ＭＺ変調器を用いたＢＰＳＫ変調動作について説明するための模式図である。

以下、本発明に係る光変調器を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係る光変調器について説明する。本実施形態に係る光変調器は、従来のシングル駆動型ＭＺ変調器をベースに電極構成を変えることで、駆動振幅が従来の半分で、帯域劣化することなく光変調を実現するものである。

図１に、本実施形態に係る光変調器の構成の模式図を示す。図１中においては、１０１は入力導波路、１０２は光分岐回路、１０３ａ，１０３ｂは接続導波路、１０４ａ，１０４ｂは第１及び第２の位相変調器、１０５ａ，１０５ｂは第３及び第４の位相変調器、１０６ａ，１０６ｂは接続導波路、１０７は光合流回路、１０８は出力導波路をそれぞれ示している。

信号光は、まず入力導波路１０１から入射し、光分岐回路１０２により２分岐され接続導波路１０３ａ及び接続導波路１０３ｂを介して第１の位相変調器１０４ａ及び第２の位相変調器１０４ｂに導かれる。第１の位相変調器１０４ａと第２の位相変調器１０４ｂを１つの変調部分、第３の位相変調器１０５ａと第４の位相変調器１０５ｂを別の１つの変調部分というように捉えると、２つの変調部分が存在していることになる。また、第１の位相変調器１０４ａと第２の位相変調器１０４ｂ、第３の位相変調器１０５ａと第４の位相変調器１０５ｂはそれぞれシングル駆動され、性能等については、任意のものとすることができる。

ここで、本実施形態に係る光変調器のＢＰＳＫ変調動作について説明する。

従来のシングル駆動型ＭＺ変調器との比較のため、前段の位相変調器１０４ａ，１０４ｂ、後段の位相変調器１０５ａ，１０５ｂはすべて、図５に示す位相変調器５０４ａ、５０４ｂと同じ設計の電極を用いるとし、その半波長電圧がＶπとする。なお、本発明の光変調器に用いる電極としては、集中定数型電極、進行波型電極などでも良い。

光分岐回路１０２の光分岐比が１：１、光合流回路１０７の光合流比が１：１とする。各位相変調器に電圧が印加されていない状態では、前段の位相変調器１０４ａと１０４ｂ、後段の位相変調器１０５ａと１０５ｂにおいて、位相変化がないため、接続導波路１０６ａ，１０６ｂ、光合流回路１０７、出力導波路１０８を通り、図６（ｂ）に示すような位相が０の光が出力される。

次に各位相変調器に電圧が印加された状態について考える。ＢＰＳＫ変調動作を実現するためには、電圧を印加することで出力光の位相が０→πと変化する必要があるので、図６（ｃ）に示すような合計で２πの伝搬光の位相変化が必要である。伝搬光にシングル駆動する前段の位相変調器１０４ａと１０４ｂでπの位相変化を、さらにシングル駆動する後段の位相変調器１０５ａと１０５ｂでπの位相変化を与えることで、合計で２πの位相変化となりＢＰＳＫを実現できる。

この駆動には差動出力のドライバがあればよく、その動作について図を用いて説明する。

図２に、実施形態１に係る光変調器及びドライバの構成の模式図を示す。図２中においては、２０１は入力導波路、２０２は光分岐回路、２０３ａ，２０３ｂは接続導波路、２０４ａ，２０４ｂは第１の位相変調器、２０５ａ，２０５ｂは第２の位相変調器、２０６ａ，２０６ｂは接続導波路、２０７は光合流回路、２０８は出力導波路、２０９は差動ドライバ、２１０ａ，２１０ｂは導線、２１１ａ，２１１ｂは入力信号調整領域をそれぞれ示している。

例えば、図２に示すように差動ドライバ２０９を用いて、導線２１０ａ，２１０ｂ、入力信号調整領域２１１ａ，２１１ｂを通り、第２の位相変調器２０４ｂと第３の位相変調器２０５ａに逆相の電気信号を入力する。今、差動ドライバ２０９から電圧Ｖπの電気信号が入力されるとすると、第２の位相変調器２０４ｂには電圧Ｖπが第３の位相変調器２０５ａには−Ｖπの電圧が印加される。第２の位相変調器２０４ｂに印加される電圧Ｖπにより、シングル駆動する前段の位相変調器２０４ａと２０４ｂにおいて、πの位相変化が、さらに第３の位相変調器２０５ａに印加される電圧−Ｖπにより、後段の位相変調器２０５ａと２０５ｂにおいて、πの位相変化が起こる。合計で２πの位相変化となり、出力光の位相が０→πと変化し、ＢＰＳＫを実現できる（図６（ｂ）、（ｃ）参照）。

第２の位相変調器２０４ｂに−Ｖπを、第３の位相変調器２０５ａにＶπを印加した場合、あるいは第１の位相変調器２０４ａにＶπを、第４の位相変調器２０５ｂに−Ｖπの電圧を印加した場合、あるいは第１の位相変調器２０４ａに−Ｖπを、第４の位相変調器２０５ｂにＶπを印加した場合でも同様の動作をする。

上述のように、図５（ａ）のような従来のシングル駆動型のＭＺ変調器において、ＢＰＳＫ変調動作させるためには駆動電圧として２Ｖπが必要である。一方、本構成のＭＺ変調器を用いると、差動ドライバを用いることで駆動電圧がＶπで済み、従来のシングル駆動型のＭＺ変調器に比べ半分の駆動振幅とすることができる。つまり、それぞれに印加する電圧は従来のシングル駆動型のＭＺ変調器に比べ半分であるが、トータルで同じ位相変化量を実現することができる。Ｖπ＝３Ｖｐｐであるとすれば、従来のシングル駆動型のＭＺ変調器では６Ｖｐｐの駆動電圧が必要であったが、本構成を用いることでこれを半分の３Ｖｐｐとすることができる。

本構成の駆動には差動出力のドライバがあればよく、従来のシングル駆動型のＭＺ変調器に比べ振幅が半分と低いので、比較的安価なＥＡドライバを使って駆動することができる。

ここで、入力信号調整領域２１１ａ，２１１ｂの動作について説明する。変調を行うためには、各位相変調器に入力される光と、差動ドライバ２０９から導線２１０ａ、２１０ｂを通り位相変調器に入力される電気信号とが同時に位相変調器に入力される必要がある。入力調整信号調整領域２１１ａ、２１１ｂを設けることで、電気信号の入力タイミングの調整を行うことができる。

本実施形態に係る光変調器において用いる光分岐回路１０２及び光合流回路１０７については、特にその構成を限定するものではなく、Ｙ字型光分岐（合流）回路、方向性結合器、ファネル型カプラ、多モード導波路の干渉効果を用いた多モード干渉型（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラ等、どのような構成のものを用いても同様な効果を得ることが可能である。

なお、本実施形態に係る光変調器の構成においても、用いるＭＺ変調器の構造及び材料に関しては、特に制約を設けるものではなく、ＬｉＮｂＯ_３に代表されるような誘電体材料、ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系に代表されるような化合物半導体材料、Ｓｉ等の半導体材料、ポリマー系材料等、通常変調器として使用可能なすべての材料系について本実施形態に係る光変調器の構成をとることにより、同様な効果を得ることができる。

また、導波路構造に関しても、特に制約を設けるものではなく、埋め込み構造、リッジ構造、ハイメサ構造等を信号光が伝搬可能な導波構造であれば、本実施形態に係る光変調器の構成をとることにより同様な効果を得ることができる。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２に係る光変調器及び光変調方法について説明する。本実施形態に係る光変調器は、従来のシングル駆動型ＭＺ変調器をベースに電極構成を変えることで、駆動振幅は同じで、帯域が従来の２倍の光変調を実現するものである。

図３に、本実施形態に係る光変調器の構成の模式図を示す。図３中においては、３０１は入力導波路、３０２は光分岐回路、３０３ａ，３０３ｂは接続導波路、３０４ａ，３０４ｂは第１及び第２の位相変調器、３０５ａ，３０５ｂは第３及び第４の位相変調器、３０６ａ，３０６ｂは接続導波路、３０７は光合流回路、３０８は出力導波路をそれぞれ示している。

本実施形態に係る光変調器の動作原理は、第１の実施形態と同様であり、信号光は、まず入力導波路３０１から入射し、光分岐回路３０２により２分岐され接続導波路３０３ａ及び接続導波路３０３ｂを介して第１の位相変調器３０４ａ及び第２の位相変調器３０４ｂに導かれる。差動ドライバ３０９を用いて、導線２１０ａ，２１０ｂ、入力信号調整領域２１１ａ，２１１ｂを通り、第２の位相変調器３０４ｂと第３の位相変調器３０５ａに電気信号を入力することで、シングル駆動する前段の位相変調器３０４ａと３０４ｂ、後段の位相変調器３０４ａと３０４ｂに互いに逆相の電気信号を入力することで、位相が変化し、出力光の位相が０→πとなりＢＰＳＫ変調動作する（図６（ｂ）、（ｃ）参照）。

実施形態２に係る変調器において、シングル駆動する前段の位相変調器３０４ａ、３０４ｂ及び後段の位相変調器３０５ａ、３０５ｂの電極長が全てＬ／２であって、同じ電極構成であるとし、電極長がＬの時の半波長電圧をＶπであるとする。この場合、帯域は長さに反比例することから、電極長が半分となったことで、帯域は２倍とすることができ、広帯域化が可能である。

次にこの場合の駆動電圧について考えると、ＢＰＳＫ変調動作させるためには、前段の位相変調器３０４ａと３０４ｂにおいてπの位相変化を、後段の位相変調器３０４ａと３０４ｂにおいてπの位相変化の合計２πの位相変化が必要である。今、前段の位相変調器３０４ａと３０４ｂにおいてπの位相変化を行うことを考えると、駆動電圧は電極長に反比例するので、電極長がＬ／２の場合、πの位相変化を実現するために必要な電圧は２Ｖπとなる。つまり、第２の位相変調器３０４ｂに電圧２Ｖπを、第３の位相変調器３０５ａに電圧−２Ｖπを印加することでＢＰＳＫ変調動作を実現できる。

第２の位相変調器３０４ｂに−２Ｖπを、第３の位相変調器３０５ａに２Ｖπを印加した場合、あるいは第１の位相変調器３０４ａに２Ｖπを、第４の位相変調器３０５ｂに−２Ｖπの電圧を印加した場合、あるいは第１の位相変調器３０４ａに−２Ｖπを、第４の位相変調器３０５ｂに２Ｖπを印加した場合でも同様の動作をする。

上述のように、図５（ａ）のような従来のシングル駆動型のＭＺ変調器において、ＢＰＳＫ変調動作させるためには駆動電圧として２Ｖπが必要であり、本実施形態に係る変調器と同じ駆動電圧である。しかし、帯域については、電極長に反比例するため、本構成を用いることで、帯域を２倍とすることができる。

本実施形態に係る光変調器において用いる光分岐回路３０２及び光合流回路３０７については、特にその構成を限定するものではなく、Ｙ字型光分岐（合流）回路、方向性結合器、ファネル型カプラ、多モード導波路の干渉効果を用いたＭＭＩカプラ等、どのような構成のものを用いても同様な効果を得ることが可能である。

なお、本実施形態に係る光変調器の構成においても、用いるＭＺ変調器の構造及び材料に関しては、特に制約を設けるものではなく、ＬｉＮｂＯ_３に代表されるような誘電体材料、ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系に代表されるような化合物半導体材料、Ｓｉ等の半導体材料、ポリマー系材料等、通常変調器として使用可能なすべての材料系について本実施形態に係る光変調器の構成をとることにより、同様な効果を得ることができる。

また、導波路構造に関しても、特に制約を設けるものではなく、埋め込み構造、リッジ構造、ハイメサ構造等を信号光が伝搬可能な導波構造であれば、本実施形態に係る光変調器の構成をとることにより同様な効果を得ることができる。

（実施形態３）
以下、本発明の第３の実施形態に係る光変調器及び光変調方法について説明する。図４は、本実施形態に係る光変調器の構成を示した模式図である。図４中において、４０１は入力導波路、４０２は光分岐回路、４０３ａ，４０３ｂは接続導波路、４０４ａ，４０４ｂは位相変調器、４０５ａ，４０５ｂは位相変調器、４０６ａ，４０６ｂは接続導波路、４０７は光合流回路、４０８は出力導波路、４０９ａ，４０９ｂは位相調整領域をそれぞれ示している。

本実施形態に係る光変調器の動作原理は、位相調整領域４０９ａ，４０９ｂの動作に関する点を除けば、図１に示した実施形態１と同様であり、４０１〜４０８をそれぞれ１０１〜１０８と読み替えることにより、その動作を説明することができ、実施形態１、実施形態２と同様の動作をする。

ここで、位相調整領域４０９ａ、４０９ｂの働きについて説明する。素子が理想的に作成されれば、実施形態１において説明した構成で光多値変調用の変調器を実現することが可能である。しかしながら、実際に素子を作成した場合、接続導波路４０３ａ又は接続導波路４０３ｂから接続導波路４０６ａ又は接続導波路４０６ｂまででそれぞれ構成される。ＭＺ干渉計のアーム領域を構成する導波路のわずかな作製誤差が両アームの光路長差となり、位相変調器４０４ａと位相変調器４０４ｂを経由したそれぞれの信号光が光合流回路４０７において足し合わされる際に位相差が発生してしまう可能性がある。

本実施形態に係る光変調器においては、ＭＺ干渉計のアームに位相調整領域４０９ａ、４０９ｂを設けることにより、この位相差を調整可能として素子の作製トレランス、歩留まりを向上することが可能となる。

すなわち、本実施形態３に係る光変調器の構成によれば、作製誤差等によりＭＺ干渉計の複数のアーム間に相対的な光路長差が生じてしまった場合であっても、安定して多値変調動作を行うことができる。

位相調整領域４０９ａ及び位相調整領域４０９ｂの構造としては、特に制約を設けるものではない。位相変調器４０４ａ、４０４ｂ及び位相変調器４０５ａ、４０５ｂと同様であっても構わない。また、位相が変化する構造であれば、どのような構造であっても本実施形態に係る光変調器による効果を実現することが可能である。位相調整手段としては、電流注入、ヒーターによる局所的な温度調整、電界印加、光照射等のいずれかの手段を用いることが可能である。

また、原理上は、２つのアーム光導波路の一方に位相調整領域が設けられていれば、本実施形態に係る光変調器の動作には十分である。しかし、全ての位相変調手段にそれぞれ位相調整領域が接続された構成は、光回路の幾何学的な対称性が優れているため、ＭＺ干渉計の両アームに光路長差が生じにくく、波長特性に優れ、また、光回路を構成する各個別要素のレイアウトが容易で回路が配置しやすいという特徴がある。

さらに、位相変調手段と位相調整手段の配置順については、順番が入れ替わっても差し支えなく、全く同様な動作が可能である。また、その順序は、ＭＺ干渉計を構成するアーム全てについて同一の順序である必要もなく、それぞれが異なった順序で配置されていても構わない。

本実施形態３に係る光変調器において用いる光分岐回路４０２及び光合流回路４０７については、特にその構成を限定するものではなく、Ｙ字型光分岐（合流）回路、方向性結合器、ファネル型カプラ、多モード導波路の干渉効果を用いたＭＭＩカプラ等、どのような構成のものを用いても同様な効果を得ることが可能である。

なお、本実施形態に係る光変調器の構成においても、用いるＭＺ変調器の構造及び材料に関しては、特に制約を設けるものではなく、ＬｉＮｂＯ_３に代表されるような誘電体材料、ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系に代表されるような化合物半導体材料、Ｓｉ等の半導体材料、ポリマー系材料等、通常変調器として使用可能なすべての材料系について本実施形態に係る光変調器の構成をとることにより、同様な効果を得ることができる。

また、導波路構造に関しても、特に制約を設けるものではなく、埋め込み構造、リッジ構造、ハイメサ構造等を信号光が伝搬可能な導波構造であれば、本実施形態に係る光変調器の構成をとることにより同様な効果を得ることができる。

１０１，２０１，３０１，４０１，６０１ 入力導波路
１０２，２０２，３０２，４０２，６０２ 光分岐回路
１０３ａ，１０３ｂ，１０６ａ，１０６ｂ，２０３ａ，２０３ｂ，２０６ａ，２０６ｂ，３０３ａ，３０３ｂ，３０６ａ，３０６ｂ，４０３ａ，４０３ｂ，４０６ａ，４０６ｂ，６０３ａ，６０３ｂ，６０５ａ，６０５ｂ 接続導波路
１０４ａ，２０４ａ，３０４ａ，４０４ａ，６０４ａ 第１の位相変調器
１０４ｂ，２０４ｂ，３０４ｂ，４０４ｂ，６０４ｂ 第２の位相変調器
１０５ａ，２０５ａ，３０５ａ，４０５ａ 第３の位相変調器
１０５ｂ，２０５ｂ，３０５ｂ，４０５ｂ 第４の位相変調器
１０７，２０７，３０７，４０７，６０６ 光合流回路
１０８，２０８，３０８，４０８，６０７ 出力導波路
２０９，３０９ 差動ドライバ
２１０ａ，２１０ｂ，３１０ａ，３１０ｂ 導線
２１１ａ，２１１ｂ，３１１ａ，３１１ｂ 入力信号調整領域
５０１ ＭＺ変調器を構成する光導波路
５０２ 接地電極
５０３ 信号電極

Claims (8)

1. 入力された電気信号を光信号に変換する光変調器であって、
   入射された信号光を分岐させる光分岐手段と、
   分岐された信号光を合流させる光合流手段と、
   前記光分岐手段と光合流手段とを結びマッハツェンダー干渉計を構成する２本のアーム光導波路と、
   ２つの位相変調器が前記２本のアーム光導波路上にそれぞれ設置された第１の位相変調手段と、
   ２つの位相変調器が前記２本のアーム光導波路上にそれぞれ設置され、前記第１の位相変調手段に縦続接続された第２の位相変調手段と、
   前記第１および第２の位相変調手段を駆動する差動差動ドライバと、
   を備えたことを特徴とする光変調器。
2. 前記第１および第２の位相変調手段は、それぞれ前記２つの位相変調器に対しシングル駆動型の電極を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第１および第２の位相変調手段は、それぞれ前記２つの位相変調器がプッシュプル動作することを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
4. 前記信号光が前記第１位相変調手段に入射するのと同時に、前記差動ドライバからの電気信号が前記第１位相変調手段に入力され、前記信号光が前記第２位相変調手段に入射するのと同時に、前記差動ドライバからの電気信号が前記第２位相変調手段に入力されるように調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器。
5. 少なくとも１本の前記アーム光導波路上に、前記信号光の位相を調整する位相調整手段が設置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器。
6. 入力された電気信号を光信号に変換する光変調方法であって、
   差動ドライバで生成された第１の差動信号で、マッハツェンダー干渉計を構成する２本のアーム光導波路上にそれぞれ設置された２つの位相変調器からなる位相変調手段を駆動し、前記第１の位相変調手段入射した信号光を変調する第１の変調ステップと、
   前記第１の差動信号に対して逆相の前記差動ドライバで生成された第２の差動信号で、前記２本のアーム光導波路上にそれぞれ設置された２つの位相変調器からなり、前記第１の位相変調手段に縦続接続された第２の位相変調手段を駆動し、前記第２の位相変調手段に入射した信号光を変調する第２の変調ステップと、
   を有することを特徴とする光変調方法。
7. 前記第１および第２の位相変調手段は、それぞれ前記２つの位相変調器に対しシングル駆動型の電極を備えたことを特徴とする請求項６に記載の光変調方法。
8. 前記第１および第２の変調ステップは、それぞれ前記２つの位相変調器をプッシュプル動作させることを特徴とする請求項６又は７に記載の光変調方法。

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