JP2015191068A - 光変調器の出力モニター方法および出力モニター装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マッハ・ツェンダー型光変調器において出力される光の消光特性を、ノイズ等を発生させることなく、高い精度でモニターすることを可能とする光変調器の出力モニター方法を提供する。
【解決手段】マッハ・ツェンダー型の光変調器１１０の出力モニター方法であって、光変調器１１０を構成する２つの導波路１１１Ａ、１１１Ｂを、それぞれ、光が入力される一方の側において光分岐部１１３に接続し、光が出力される他方の側において光結合部１１５に接続し、光源１２０からの光を光分岐部１１３において分岐させ、各導波路を経由して、位相変調された光同士を光結合部１１５において合流させ、両者の出力の一部の差分あるいは比率を検出部において検出し、検出した光の動作点を設定した上で、前記動作点を一定に保つように、導波路１１１Ａ、１１１Ｂを伝搬する後続の光の位相変調を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器の出力モニター方法および出力モニター装置に関する。

家庭用光ファイバおよびローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ：ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）などの様々なシステムにおいて、１３１０ｎｍあるいは１５５０ｎｍの光ファイバ通信波長で機能するデバイスとして、シリコンベース光通信デバイスが用いられている。シリコンベース光通信デバイスは、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を利用して、光機能素子および電子回路をシリコンプラットフォーム上に集積化可能とする非常に有望なデバイスである。

近年、シリコンベースの導波路、光結合器、および波長フィルタなどの受動デバイスが、広く研究されている。また、このような受動デバイス用の光信号を操作可能とする重要な技術として、シリコンベースの光変調器や光スイッチなどの能動素子が挙げられ、非常に注目されている。しかしながら、シリコンの熱光学効果は、応答速度が熱伝導で律速されるため、これを利用して屈折率を変化させる光変調器や光スイッチにおける光の位相変調の周波数は、最大でも１Ｍｂｐｓ程度である。従って、より多くの光通信システムに要求される高い変調周波数を実現するためには、高速動作を可能とする電気光学効果を利用した光変調器や光スイッチなどの電気光学素子が求められている。

純シリコンは、線形電気光学効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ効果）を示さず、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化は非常に小さい。そのため、現在提案されている電気光学素子の多くは、キャリアプラズマ効果を利用して、シリコン層中の自由キャリア密度を変化させることにより、屈折率の実数部と虚数部を変化させ、シリコン層を伝搬する光の位相や強度を変化させる。

このような自由キャリア吸収を利用した変調器では、シリコン層内を伝播する光の吸収率の変化により、出力光の強度が直接変調される。また、屈折率変化を利用した構造としては、マッハ・ツェンダー型の光変調器を利用したものが一般的である。導波路型のマッハ・ツェンダー型の光変調器では、屈折率変化によって２本の導波路（アーム）を伝播する一方または両方の光に位相差を与え、これらの光を干渉させることにより、光の強度変調信号が得られる。

マッハ・ツェンダー型の光変調器を構成する導波路は、シリコン等の半導体で構成されているため、各導波路（アーム）を伝搬する光の位相差が、入力電圧の増加に対して非線形に増加していき、その傾きは入力電圧が高くなるほど急峻になる。入力電圧に対するこうした非線形な位相差特性に起因して、光変調器から出力される光信号の振幅（強度）が所定値からずれてしまうことが問題となっている。また、導波路を伝搬する光の位相差は、周囲の温度条件の影響を受けたり、干渉計自体が経時劣化したりすることによって変化してしまうことも問題となっている。

一般に、光変調器は、安定した振幅、位相の光信号を出力することが求められるものである。そのため、光変調器から出力する光の消光特性（変調特性）を常に一定に保つことが必要とされている。上記の問題に対応して、出力される光の消光曲線をモニターし、デバイスの動作点（光強度の最大値と光強度の最小値との中間の値）を制御する手段を備えた自動バイアス制御器が、特許文献１に開示されている。特許文献１の自動バイアス制御器は、出力側で干渉させた光の消光特性に基づいて、デバイスの動作点のずれをなくすように、変調器に対するバイアス条件にフィードバックすることを可能としている。

一方、出力される光のモニターを行う前に、２つの導波路を伝搬した光同士を干渉させた場合、両者が互いに逆位相となったときに干渉して弱め合い、出力される強度が低下する。低下した分の光は基板内に放出されることが確認されている（特許文献２）。

特表２００８−５１０１７４号公報 特開平５−５３０８６号公報

特許文献１に開示されている自動バイアス制御器では、出力された光の強度が、シングルエンド方式で接続された光検出器によって検出される。この場合、グラウンド電位のばらつきや、ケーブル、外部環境によるノイズ発生の影響が加わることにより、出力される光の消光特性を高い精度でモニターすることが難しい。

特許文献２で確認されている放出された光は、ノイズとして他の素子や回路等に悪影響を及ぼすことになる。光変調器を動作させる上で、こうした放射光に起因したノイズの発生を抑える必要がある。

本発明は、上述の課題を解決する光変調器の出力モニター方法を提供することを目的とする。

本発明の光変調器の出力モニター方法は、基板上において、前記基板と反対方向に突出するリブ導波路構造を有する第１導電型半導体層、誘電体層、第２導電型半導体層の順に積層され、前記リブ導波路構造が前記誘電体層を介して前記第２導電型半導体層と接合されてなる構造体を導波路として有する、マッハ・ツェンダー型の光変調器の出力モニター方法であって、前記光変調器を構成する２つの導波路を、それぞれ、光が入力される一方の側において光分岐部に接続し、光が出力される他方の側において光結合部に接続し、光源からの光を前記光分岐部において分岐させ、各導波路を経由して、位相変調された光同士を前記光結合部において合流させ、両者の出力の一部の差分あるいは比率を検出部において検出し、検出した光の動作点を設定した上で、前記動作点を一定に保つように、前記導波路を伝搬する後続の光の位相変調を制御することを特徴とする。

本発明の光変調器の出力モニター装置は、マッハ・ツェンダー型の光変調器と、前記光変調器を構成する２つの導波路に入力する光の光源と、２つの前記導波路を経由した光の出力の一部同士の差分または比率を検出する検出部と、を少なくとも備えていることを特徴とする。

本発明の光変調器の出力モニター方法によれば、マッハ・ツェンダー型の光変調器において出力される光の消光特性を、ノイズ等を発生させることなく、高い精度でモニターすることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る光変調器の出力モニター装置の構成図である。 本発明の第１実施形態に係る光変調器の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る光変調器の製造工程を説明する図であり、（ａ）〜（ｇ）は断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光変調器の出力モニター装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。また、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る光変調器の出力モニター装置について、図１を用いて説明する。図１は、光変調器の出力モニター装置１００の構成を模式的に示す図である。出力モニター装置１００は、マッハ・ツェンダー型の光変調器１１０と、光源１２０と、検出部１３０と、メモリー部１４０と、フィードバック部１５０と、テスト光源１６０と、を備えている。

光変調器１１０は、シリコンで構成される２つの導波路（アーム）１１１Ａ、１１１Ｂを備えた光変調部（電気光学素子）１１２と、入力させる光を２つの導波路１１１Ａ、１１１Ｂに分岐する光分岐部１１３と、導波路１１１Ａに光変調用の駆動電圧を印加する駆動部１１４Ａと、導波路１１１Ｂに光変調用の駆動電圧を印加する駆動部１１４Ｂと、導波路１１１Ａ、１１１Ｂから出力される光を結合する光結合（合波）部１１５と、を備えている。駆動部１１４Ａ、１１４Ｂは、差動ＲＦ駆動回路をなしている。これにより、シングルエンド方式の駆動回路を用いた場合の２倍の位相変調を行うことができ、かつ、外部からノイズの影響が及ぶのを防ぐことができる。

さらに、光変調器１１０は、既知のモードの光を入力させるテスト用ポートが、光分岐部１１３を介して２つの導波路１１１Ａ、１１１Ｂの入力側に接続されている。また、光変調器１１０は、２つの前記導波路１１１Ａ、１１１Ｂの出力側と光結合部１１５との間に付設され、光結合部１１５における光の結合率を校正するＤＣバランス制御・ばらつき補正用位相調整器１１７を備えている。

駆動部１１４Ａ、１１４Ｂは、それぞれ導波路１１１Ａ、１１１Ｂに対して駆動電圧を印加することにより、各導波路１１１Ａ、１１１Ｂを伝搬する光の位相を変調する。印加する駆動電圧は、導波路１１１Ａ、１１１Ｂの構造によって異なるが、典型的には、ＳｉＧｅバイポーラトランジスタ構造である場合には１．５Ｖ程度、ＣＭＯＳトランジスタ構造である場合には１．０Ｖ以下とすることが好ましい。

シリコンで構成される導波路１１１Ａ、１１１Ｂとしては、印加される駆動電圧に対して、光の位相変調が線形かつ緩やかに増加するものが好ましい。駆動電圧に対する位相変調量が小さければ、精密な制御を行うことができる。また、駆動電圧に対する位相変調が線形性を有することにより、駆動電圧と位相変調量とが１対１で対応するため、制御性が高く、素子の複雑化を避けることができる。なお、駆動電圧に対して、位相変調が非線形かつ緩やかに増加する場合には、動作点（光強度の最大値と光強度の最小値との中間の値）のずれが大きくなるため、好ましくはない。

駆動電圧に対する位相変調が線形かつ緩やかに増加する導波路としては、ＳＩＳ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）接合型の構造体が好ましい。以下では、光変調部１１２が、ＳＩＳ接合型の導波路を備えたシリコンベース電気光学素子である場合を、例に挙げて説明する。

図２は、図１の光変調部１１２を、Ａ−Ａ面に沿って切断した際の断面の構成を模式的に示した図である。光変調部１１２は、ＳＯＩ基板１１の上に、ＳＯＩ基板１１と反対側に矩形状に突出するリブ導波路構造１２ａを有する第１導電型の半導体層（シリコン層）１２と、リブ導波路構造１２ａの上に積層された誘電体層１３と、誘電体層１３上に積層された第２導電型の半導体層（シリコン層）１４とを有する。ここでは、シリコンからなる支持基板１１ａと、その積層面側に形成されたシリコン酸化膜１１ｂで構成されている基板を、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１１と呼んでいる。

第１導電型の半導体層１２は、第１導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第１コンタクト部１２ｂを介して、第１電極配線１６に接続する。また、第２導電型の半導体層１４は、第２導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第２コンタクト部１４ａを介して、第２電極配線１８に接続する。

さらに第１コンタクト部１２ｂは、第１の導電型の半導体層１２に対して突出している。また、半導体層１２、１４、誘電体層１３を覆う他の部分は、酸化物からなるクラッド層１９であり、光の伝搬が制限されている。なお、本実施形態では、光変調部１１２を構成する支持基板としてＳＯＩ基板を用いる例を示しているが、基板はシリコンベースのものであればよい。

ここでの光変調部１１２は、電気光学効果（自由キャリアプラズマ効果）を利用するものである。以下に、半導体層がシリコンからなる場合を例にして、光変調部１１２の動作原理、すなわち、シリコン内における光の位相変調のメカニズムについて説明する。

上述したように、純粋な電気光学効果はシリコン内では得られない、または得られにくいため、自由キャリアプラズマ効果と熱光学効果だけが光変調動作に利用できる。さらに、本発明が目的とする高速動作（Ｇｂ／秒以上）を得るためには、自由キャリアプラズマ効果だけが有効であることを、以下の式（１）、（２）を用いて説明することができる。

式（１）のΔｎおよび式（２）のΔｋは、それぞれ、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表している。ｅは電荷、λは光の波長、ε_０は真空中の誘電率、ｎはシリコン層の屈折率、ｍ_ｅは電子キャリアの有効質量、ｍ_ｈはホールキャリアの有効質量、μ_ｅは電子キャリアの移動度、μ_ｈはホールキャリアの移動度、ΔＮ_ｅは電子キャリアの濃度変化、ΔＮ_ｈはホールキャリアの濃度変化を表している。

シリコン層の電気光学効果に関する実験的な評価が行われており、光通信システムに使用する１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの波長でのキャリア密度に対する屈折率変化は、Ｄｒｕｄｅの式と良く一致することが分かっている。また、これを利用した電気光学素子においては、位相変化量Δθが以下の式（３）で定義される。

式（３）のＬは、導波路１１１Ａ、１１１Ｂ中の光伝播方向に沿ったアクティブ層（有効変調領域）の長さである。Δｎ_ｅｆｆは、ΔｎおよびΔｋから得ることができる実効屈折率の変化である。式（３）から分かるように、実効屈折率の変化Δｎ_ｅｆｆが大きければ、アクティブ長さＬが短くても、大きな位相変化を生み出すことができる。

ＳＩＳ接合型の光変調部１１２は、リブ構造の導波路（リブ導波路）１２ａを有する。そのため、光導波部と屈折率が変化する領域とが重なり、ＳＩＳ接合型の光変調部１１２の駆動電圧に対する光の変調効率が高くなる。すなわち、光変調のアクティブ層の長さを短くすることができ、光変調部１１２の寸法を小さくすることができる。なお、ここでのリブ構造は、基板１１と反対方向に突出する構造を意味している。

ここで光導波部とは、光の導波する半導体層の部分を意味する。具体的には、ＳＩＳ接合型の光変調部１１２を構成する、第１導電型の半導体層１２（主に、リブ導波路１２ａ）、誘電体層１３、第２導電型の半導体層１４が、それに相当する。また、屈折率が変化する領域は、キャリア密度が変化する領域であり、第１導電型の半導体層１２、第２導電型の半導体層１４のうち、誘電体層２２との接合界面付近の領域を意味している。

また、リブ導波路（リブ構造）１２ａを有することにより、高濃度でドーピングした領域と、光フィールドとの重なりを低減することもできる。ここで、高濃度でドーピングした領域とは、図１の第１コンタクト部１２ｂおよび第２コンタクト部１４ａ・・・第２コンタクト部、であり、この領域に光が伝播すると、ドーパントによる光吸収が生じてしまう。導波路にリブ構造をもたせることにより、高濃度でドーピングした領域での光吸収による損失を低減することができる。

ここで、キャリア密度が変化する領域の厚み（最大空乏層厚）Ｗは、熱平衡状態では下記の数式（４）で与えられる。

ε_ｓは、半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎ_ｃはキャリア密度、ｎ_ｉは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。例えば、Ｎ_ｃが１０^１７ｃｍ^−３の時、最大空乏層厚は０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに伴い、空乏層厚、すなわちキャリア密度の変調が生じる領域の厚みは薄くなる。

そのため、リブ導波路１２ａの基板１１からの高さは、Ｗ以上であることが好ましい。リブ導波路１２ａの高さがＷ以上であれば、キャリア密度が変調する領域をリブ導波路１２ａ内とすることができ、光導波部との重なりを高く維持することができる。

また、第１導電型の半導体層１２は、第１導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第１コンタクト部１２ｂにおいて、第１電極配線１６に接続されている。同様に、第２導電型の半導体層１４は、第２導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第２コンタクト部２６において、第２電極配線１８に接続されている。高濃度ドープを行うことにより、半導体層１２と第１電極配線１６の界面、半導体層１４と第２電極配線１８の界面における接触抵抗を低減することができる。その結果として、直列抵抗成分が小さくなり、ＲＣ時定数が小さくなるため、光変調動作の速度を向上させることができる。

さらに、第１コンタクト部１２ｂは、第１導電型の半導体層１２に対して突出する形状をなしている。そのため、第１コンタクト部１２ｂ内のドーピング密度を、より上昇させることができ、半導体と導電体との界面の接触抵抗をより低減することができる。すなわち、ＲＣ時定数が小さく、より光変調動作の速度が高くすることができる。

また第１コンタクト部１２ｂを突出させてリブ構造１２ｂを形成することにより、半導体層１２のうち、リブ構造１２ａ、１２ｂを除いた突出していない部分（以下、スラブ部という）１２ｃの幅を短くすることができる。スラブ部１２ｃは、高濃度でドーピングした領域と、光導波部との重なりを低減するために、約０．１μｍと薄くする必要がある。しかしながら、スラブ部１２ｃを広範囲に渡って、均一に薄く形成することは難しい。

そこで、第１コンタクト部１２ｂを突出させ、十分な厚みを有する部分（リブ構造１２ｂ）を設けることにより、スラブ部１２ｃを形成する領域を狭めることができる。これにより、スラブ部１２ｃを形成する際の困難性を軽減することができ、その結果として、ＳＩＳ接合型の導波路を有する光変調部１１２を容易に作製することができる。

第１導電型の半導体層１２および第２導電型の半導体層１４は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘからなる群から選択される少なくとも１層からなることが好ましい。

（光変調部の製造方法）
図２に示した光変調部１１２の製造方法について、図３（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、厚さが１００〜１０００ｎｍ程度の埋め込み酸化膜１１ａが内部に形成されたＳＯＩ基板１１を準備する。ＳＯＩ基板１１は、少なくとも埋め込み酸化膜１１ａより積層面に近い側の部分が、ｐ型、ｎ型のいずれかの導電型を有しているものとする。

ＳＯＩ基板１１のうち、積層面に近い側の半導体層（ＳＯＩ層）１２に対するホウ素、リン、ヒ素等の不純物ドープ（イオン注入）は、ＳＯＩ基板１１を製造する前に行ってもよいし、後に行ってもよい。

次に、図３（ｂ）で示すように、フォトリソグラフィ法を用いて、リブ導波路１２ａと第１コンタクト部１２ｂとの間の部分を選択的にエッチングし、スラブ部１２ｃを形成する。これにより、リブ導波路構造１２ａ、第１コンタクト部１２ｂに相当する部分が、他の部分に対して突出した形状となる。

ここで行うエッチングは、ウェットエッチング、ドライエッチングの何れであってもよい。ただし、スラブ部１２ｃに相当する部分が完全に除去されてしまわないように、エッチング条件を調整する必要がある。エッチング条件の調整は、温度等を変えることによって行うことができる。スラブ部１２ｃの厚さは、５０ｎｍ〜１５０ｎｍとするのが好ましい。

次に、図３（ｃ）で示すように、第１コンタクト部１２ｂに相当する部分に対して、イオン注入法により、第１導電型の不純物をドーピングし、第１コンタクト部１２ｂを形成する。これにより、第１コンタクト部１２ｂは、第１導電型の不純物が他の部分より高濃度でドープされた状態となる。続いて、第１導電型の半導体１２の矩形状に突出したリブ導波路構造１２ａ上に、誘電体層１３を積層する。

次に、プラズマＣＶＤ法などの成膜法により、半導体層１２、誘電体層１３上を覆うように酸化膜クラッド層１９を一旦形成する。そして、図３（ｄ）で示すように、下層に位置する半導体層１２、誘電体層１３の形状に伴って、酸化膜クラッド層１９の突出した部分をＣＭＰ法によって除去することにより、平坦化する。

次に、図３（ｅ）に示すように、多結晶半導体層を０．１μｍ〜０．３μｍの厚みで積層し、第２導電型をイオン注入することにより、第２導電型の半導体層１４を形成する。不純物の注入は、成膜中に行っても良い。さらに、第２導電型の半導体層１４の両端に、第２導電型の不純物のイオン注入を行い、当該不純物が他の部分より高濃度でドープされた第２コンタクト部１４ａを形成する。

次に、図３（ｆ）に示すように、再度、酸化膜クラッド層１９をプラズマＣＶＤ法などにより積層し、反応性エッチングによりコンタクトホールＣＨを形成する。そして、図３（ｇ）に示すように、スパッタ法やＣＶＤ法によりコンタクトホールＣＨを埋めるようにＴｉ／ＴｉＮ／Ａｌ（Ｃｕ）あるいはＴｉ／ＴｉＮ／Ｗなどの金属層を形成し、コンタクトホールＣＨの外部に延びる金属層に対して、反応性エッチングによるパターニングを行い、電極配線１６、１８を形成することにより、本発明の光変調部１１２を得ることができる。なお、電極配線１６、１８の形成により、駆動回路との電気的な接続が可能になる。

（出力モニター方法）
図１に示す出力モニター装置１００を用いて、光変調器１１０の出力をモニターする方法について説明する。まず、レーザーダイオードなどの光源１２０からの光を、光分岐部１１３において２方向に分岐し、各々異なる導波路１１１Ａ、１１１Ｂに誘導して内部を伝搬させる。光分岐部１１３としては、例えばマルチモード干渉（ＭＭＩ：ｍｕｌｔｉ ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラを用いることができる。

導波路１１１Ａ、１１１Ｂのうち、一方もしくは両方に対して変調電圧を印加し、内部を伝搬する光の位相を変調させる。変調電圧の印加は、具体的には、各導波路１１１Ａ、１１１Ｂを含む電気光学素子の第１電極配線１６と第２電極配線１８との間で行われる。変調電圧の印加によって、導波路１１１Ａ、１１１Ｂを伝搬する光同士の間で相対的な位相差が生じる。

このように導波路１１１Ａ、１１１Ｂを経由した位相の異なる２つの光を、光結合部（位相干渉器）１１５において合流させ、位相干渉させる。光結合部１１５としては、光分岐部１１３と同様にマルチモード干渉カプラを用いる。

光結合部１１５は、２つの入力ポート１１５ａ、１１５ｂと２つの出力ポート１１５ｃ、１１５ｄを備えている。導波路１１１Ａから出力された光が一方の入力ポート１１５ａに、導波路１１１Ｂから出力された光が他方の入力ポート１１５ｂに、それぞれ入力される。光結合部１１５に入力した２つの光が同位相の場合には、互いに強め合うように干渉し、出力ポート１１５ｃ、１１５ｄのそれぞれにおいて、等しい強度の光が出力される。光結合部１１５に入力した２つの光が逆位相の場合には、互いに弱め合うように干渉し、二つの出力ポート１１５ｃ、１１５ｄのうち、いずれか一方より出力される。

つまり、光結合部１１５としてマルチモード干渉カプラを用いることにより、導波路１１１Ａ、１１１Ｂを経由した２つの光が互いに逆位相であっても、干渉して基板内や外部に放射されることはない。したがって、光変調器１１０を動作させる上で、他の素子や回路等に悪影響を及ぼすノイズの発生を抑えることができる。

光結合部１１５の出力ポート１１５ｃ、１１５ｄから、方向性結合器（不図示）などを用いて任意の割合で取り出された一部の干渉光は、検出部１３０において検出される。検出部１３０としては、例えば、２つのフォトダイオード１３１、１３２で構成されるもの、すなわち、差動型フォトダイオードを用いることができる。フォトダイオード１３１、１３２としては、例えば、Ｓｉ基板上にＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ層またはＩｎＧａＡｓ層が積層されてなるものを用いることができる。また、フォトダイオード１３１、１３２としては、例えば、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させてモノリシック集積したもの、異種基板として貼り合わされたものなどを用いることができる。

この場合、２つのフォトダイオード１３１、１３２を、光結合部１１５から延びる２本の出力ポート１１５ｃ、１１５ｄ間を結ぶように、電気的に直列に接続する。すなわち、光結合部１１５の一方の出力ポート１１５ｃには、フォトダイオード１３１のカソード電極１３１ａが接続され、他方の出力ポート１１５ｄには、フォトダイオード１３２のアノード電極１３２ｂが接続されている。そして、フォトダイオード１３１のアノード電極１３１ｂとフォトダイオード１３２のカソード電極１３２ａとが電気的に接続されている。

２つのフォトダイオード１３１、１３２がこのように接続されていることによって、光変調器１１０から出力された光を検出部１３０で受けた際に、フォトダイオード１３１のカソード電極１３１ａ、フォトダイオード１３２のアノード電極１３２ｂにおいて、互いに逆バイアスの電圧を発生させることができる。

したがって、２つのフォトダイオード１３１、１３２における周波数特性および受光感度を一致させることが可能となり、良好な差動出力波形が得られる。その結果として、変調器などの他の光アクティブデバイスと集積化した際の同相ノイズ成分や、グラウンド電位のばらつき、ケーブル、外部環境によるノイズ発生などの影響が低減されるため、高集積化が可能となる。

検出部１３０においては、光結合部１１５の２つの出力ポート１１５ｃ、１１５ｄから任意の割合で取り出された一部の光の出力の差分を検出（モニター）する。具体的には、検出する光の出力を、フォトダイオード１３１における電流の出力と、フォトダイオード１３２における電流の出力との差分あるいは比率を差動として検出する。つまり、フォトダイオード１３１のアノード電極１３１ｂとフォトダイオード１３２のカソード電極１３２ａとの間の配線部１３３における電流値を検出する。

この電流値は、光の結合部１１５から出力される光の強度のうち、出力ポート１１５ｃに分配される割合と、出力ポート１１５ｄに分配される割合との比に依存する。例えば、出力ポート１１５ｃに分配される割合と、出力ポート１１５ｄに分配される割合とが等しい場合、すなわち、出力ポート１１５ｃから出力される光と出力ポート１１５ｄから出力される光とが同相である場合、当該電流値はゼロとなる。

次に、検出された電流値を、光変調器から出力された光の動作点として設定した上で、設定した動作点に関する情報を、駆動回路などのメモリー部１４０に保存する。

そして、設定した動作点を一定に保つように、ＤＣバランス制御・ばらつき補正用位相調整器１１５を用いて補正を行いながら、フィードバック部１５０を介して、２つの導波路１１１Ａ、１１１Ｂを伝搬する後続の光の位相変調を制御する。

以上のように、第１実施形態の出力モニター方法によれば、検出部１３０における検出は差動方式で行われるため、グラウンド電位のばらつきや、ケーブル、外部環境によるノイズ発生の影響は打ち消されることになる。そのため、それらが加わることによる影響を考慮する必要がなく、出力される光の消光特性を高い精度でモニターすることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る光変調器の出力モニター装置２００について、図４を用いて説明する。図４は、光変調器の出力モニター装置２００の構成を模式的に示す図である。光変調器の出力モニター装置２００でも、検出部２３０が２つのフォトダイオード２３１、２３２で構成されている。フォトダイオードとしては、例えば、Ｓｉ基板上にＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ層またはＩｎＧａＡｓ層が積層されてなるものを用いることができる。また、フォトダイオード２３１、２３２としては、例えば、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させてモノリシック集積したもの、異種基板として貼り合わされたものなどを用いることができる。

ただし、光結合部２１５から延びる出力ポート２１５ｃ、２１５ｄの間で、２つのフォトダイオード２３１、２３２が電気的に並列に接続されている点が、第１実施形態に係る光変調器の出力モニター装置１００と異なる。すなわち、２つの出力ポート２１５ｃ、２１５ｄのうち、一方の出力ポート２１５ｃにフォトダイオード２３１が接続され、他方の出力ポート２１５ｄにフォトダイオード２３２が接続されている。そして、フォトダイオード２３１、２３２のカソード電極同士、フォトダイオード２３１、２３２のアノード電極同士が、それぞれ電気的に接続されている。検出部２３０以外の構成は、第１実施形態に係る光変調器の出力モニター装置１００と同様である。すなわち、図４に示す光変調器２１０、光源２２０、メモリー部２４０、フィードバック部２５０、テスト光源２６０は、それぞれ、図１に示す光変調器１１０、光源１２０、メモリー部１４０、フィードバック部１５０、テスト光源１６０と同じ機能を有する。

２つのフォトダイオード２３１、２３２がこのように接続されていることによって、光変調器２１０から出力した光を受けた際に、各フォトダイオード２３１、２３２のカソード電極同士（２３１ａ、２３２ａ）、アノード電極同士（２３１ｂ、２３２ｂ）に、それぞれ共通の電圧が発生する。

したがって、２つのフォトダイオード２３１、２３２における周波数特性および受光感度を一致させることが可能となり、良好な差動出力波形が得られる。さらに、変調器などの他の光アクティブデバイスと集積化した際の同相ノイズ成分や、グラウンド電位のばらつき、ケーブル、外部環境によるノイズ発生などの影響が低減されるため、高集積化が可能となる。

検出部２３０においては、光結合部２１５の２つの出力ポート２１５ｃ、２１５ｄから、方向性結合器（不図示）などを用いて任意の割合で取り出された一部の光出力の差分を検出（モニター）する。具体的には、ＴＩＡ（ｔｒａｎｓ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）回路２７０などを用いて、光出力パワーの差分を電気信号として取り出す。

次に、検出された電気信号（電流値）を、光変調器から出力された光の動作点として設定した上で、設定した動作点に関する情報を、駆動回路などのメモリー部２４０に保存する。

そして、設定した動作点を一定に保つように、フィードバック部２５０を介して、２つの導波路２１１Ａ、２１１Ｂを伝搬する後続の光の位相変調を制御する。

以上のように、第２実施形態の出力モニター方法によっても、検出部２３０における検出は差動方式で行われるため、グラウンド電位のばらつきや、ケーブル、外部環境によるノイズ発生の影響は打ち消されることになる。そのため、それらが加わることによる影響を考慮する必要がなく、出力される光の消光特性を高い精度でモニターすることが可能となる。

以下、第１実施形態に該当する実施例１を用いて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明が適用可能な実施例は、実施例１に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す出力モニター装置１００において、入力側に配置された光分岐構造１１５により、入力光が導波路１１１Ａ、１１１Ｂに等しいパワーとなるように分岐した。ここで、導波路１１１Ａに対してプラスの電圧を印加することにより、薄い誘電体層１１３の両側にキャリアを蓄積させ、導波路１１１Ｂに対してマイナスの電圧を印加することにより、薄い誘電体層１１３の両側のキャリアを除去した。

これにより、キャリア蓄積モードでは、光変調器１１０における光信号電界が感じる屈折率が小さくなり、キャリア除去（空乏化）モードでは、光信号電界が感じる屈折率が大きくなり、結果として、導波路１１１Ａ、１１１Ｂでの光信号の位相差が最大となった。

続いて、導波路１１１Ａ、１１１Ｂを伝搬する光信号を出力側の光結合構造１１５により合波し、上述した検出部１３０、メモリー部１４０、フィードバック部１５０を経由して、マッハ・ツェンダー型の光変調器１１０における光の動作点を制御した。これにより、実用的な光通信システムと同程度の４０Ｇｂｐｓ以上での光信号の送信が可能であることを確認した。なお、図４に示す出力モニター装置２００においても、同じ条件での実施を行ったが、同様の結果が得られることを確認した。

以上により、マッハ・ツェンダー型の光変調器は、検出部を構成するフォトダイオードを直列または並列に配置することによって、より高い転送レートを有する光変調器や、マトリック光スイッチなどへ応用可能であることが分かった。

１１・・・ＳＯＩ基板、
１１ａ・・・支持基板、
１１ｂ・・・埋め込み酸化膜、
１２、１４・・・半導体層、
１２ａ・・・リブ導波路構造、
１２ｂ・・・第１コンタクト部、
１２ｃ・・・スラブ部、
１３・・・誘電体層、
１４ａ・・・第２コンタクト部、
１６・・・第１電極配線、
１８・・・第２電極配線、
１９・・・クラッド層、
１００、２００・・・モニター装置、
１１０、２１０・・・光変調器、
１１１Ａ、１１１Ｂ、２１１Ａ、２１１Ｂ・・・導波路、
１１２、２１２・・・光変調部、
１１３、２１３・・・光分岐部、
１１４Ａ、１１４Ｂ、２１４Ａ、２１４Ｂ・・・駆動部、
１１５、２１５・・・光結合部、
１１５ａ、１１５ｂ、２１５ａ、２１５ｂ・・・入力ポート、
１１５ｃ、１１５ｄ、２１５ｃ、２１５ｄ・・・出力ポート、
１１７、２１７・・・ＤＣバランス制御・ばらつき補正用位相調整器、
１２０、２２０・・・光源、
１３０、２３０・・・検出部、
１３１、１３２、２３１、２３２・・・フォトダイオード、
１３１ａ、１３２ａ、２３１ａ、２３２ａ・・・カソード電極、
１３１ｂ、１３２ｂ、２３１ｂ、２３２ｂ・・・アノード電極、
１３３・・・配線部、
１４０、２４０・・・メモリー部、
１５０、２５０・・・フィードバック部、
１６０、２６０・・・テスト光源、
２７０・・・ＴＩＡ回路。

Claims (7)

1. 基板上において、前記基板と反対方向に突出するリブ導波路構造を有する第１導電型半導体層、誘電体層、第２導電型半導体層の順に積層され、前記リブ導波路構造が前記誘電体層を介して前記第２導電型半導体層と接合されてなる構造体を導波路として有する、マッハ・ツェンダー型の光変調器の出力モニター方法であって、
   前記光変調器を構成する２つの導波路を、それぞれ、光が入力される一方の側において光分岐部に接続し、光が出力される他方の側において光結合部に接続し、
   光源からの光を前記光分岐部において分岐させ、各導波路を経由して、位相変調された光同士を前記光結合部において合流させ、両者の出力の一部の差分あるいは比率を検出部において検出し、検出した光の動作点を設定した上で、前記動作点を一定に保つように、前記導波路を伝搬する後続の光の位相変調を制御することを特徴とする光変調器の出力モニター方法。
2. 前記検出部として、２つのフォトダイオードで構成されるものを用い、
   ２つの前記フォトダイオードを、前記光結合手段から延びる２本の出力ポート間を結ぶように、直列に接続することを特徴とする請求項１に記載の光変調器の出力モニター方法。
3. 前記検出部として、２つのフォトダイオードで構成されるものを用い、
   ２つの前記フォトダイオードを、それぞれ、前記光結合手段から延びる異なる出力ポートに並列に接続することを特徴とする請求項１に記載の光変調器の出力モニター方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光変調器の出力モニター装置であって、
   マッハ・ツェンダー型の光変調器と、
   前記光変調器を構成する２つの導波路に入力する光の光源と、
   ２つの前記導波路を経由した光の出力の一部同士の差分または比率を検出する検出部と、を少なくとも備えていることを特徴とするマッハ・ツェンダー型の光変調器の出力モニター装置。
5. ２つの前記導波路の出力側に付設され、
   光結合部における光の結合率を校正する機構を備えていることを特徴とする請求項４に記載の光変調器の出力モニター装置。
6. 既知のモードの光を入力させるテスト用ポートが、光結合部を介して２つの前記導波路の入力側に接続されていることを特徴とする請求項４または５に記載の光変調器の出力モニター装置。
7. 前記検出部は２つのフォトダイオードで構成されており、
   前記フォトダイオードは、Ｓｉ基板上にＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ層またはＩｎＧａＡｓ層が積層されてなることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の光変調器の出力モニター装置。

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