JP2016212151A - 光変調器の駆動電圧設定方法及び駆動電圧を設定した光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】変調振幅電圧の振幅が変動している場合にも光電力の損失変動を小さくして、光電力の損失を最小にする半導体光位相変調器の駆動電圧導出法を提供する。【解決手段】本発明は、基板上の半導体をコアにもつ２本のアーム導波路と、２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相変調電極であって、それぞれには、同じ値のバイアス電圧と、互いに逆相となる交流成分とを持つ変調振幅電圧とが合成された変調電圧が印加される位相変調電極とを備える光変調器における駆動電圧導出方法であって、変調振幅電圧の振幅を基準の値に設定するステップと、基準の値に所望の値を増減させた値及び増減させた値における光電力の損失差を求めるステップと、バイアス電圧を変動させながら損失の差の絶対値を算出し、損失差が最小になるバイアス電圧の値を導出するステップと、位相変調電極に印加する変調電圧のバイアス電圧を、導出したバイアス電圧の値に設定するステップとを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、光変調器の駆動電圧設定方法及び駆動電圧を設定した光変調器に関し、より詳細には、ＩｎＰ系化合物半導体からなる光導波路を用いたＩＱ光変調器の位相変調電極に印加される変調電圧を調整して、光電力の損失を減少させるように駆動電圧を設定する方法及び光変調器に関する。

大容量光通信向けの光変調器として、ＩｎＰ系化合物半導体からなる光導波路を用いたＩＱ光変調器が盛んに研究開発されている（例えば非特許文献１）。図１は、一般的なＩＱ光変調器の構成を示す上面図である。図１のＩＱ光変調器１００は、２つの子マッハツェンダ干渉計（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＺＩ）をアーム導波路にとして有する親ＭＺＩとして構成される。具体的には、ＩＱ光変調器１００は、入力導波路１０１と、入力導波路１０１に入力が接続された１×２多モード干渉計（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＭＩ）１０２と、１×２ＭＭＩ１０２の出力にそれぞれ光導波路１０３及び１０４を介して接続された子ＭＺＩ１１０及び１２０とを備える。また、ＩＱ光変調器１００は、子ＭＺＩ１１０及び１２０のそれぞれの出力に光導波路１０５及び１０６を介して入力が接続された２×２ＭＭＩ１０７と、２×２ＭＭＩ１０７の出力に接続された出力導波路１０８および１０９とを備える。２つの子ＭＺＩは、一方がＩチャネル用ＭＺＩ１１０であり、他方がＱチャネル用ＭＺＩ１２０である。

Ｉチャネル用ＭＺＩ１１０は、入力に接続された１×２ＭＭＩ１１１と、１×２ＭＭＩ１１１のそれぞれの出力に接続されたアーム導波路１１２及び１１３と、アーム導波路１１２及び１１３のそれぞれの出力に接続された２×１ＭＭＩ１１４とを備える。Ｑチャネル用ＭＺＩ１２０は、入力に接続された１×２ＭＭＩ１２１と、１×２ＭＭＩ１２１のそれぞれの出力に接続されたアーム導波路１２２及び１２３と、アーム導波路１２２及び１２３のそれぞれの出力に接続された２×１ＭＭＩ１２４とを備える。アーム導波路１１２の上面には位相変調電極１１５及び位相調整電極１１７が、アーム導波路１１３の上面には位相変調電極１１６及び位相調整電極１１８が形成されている。また、アーム導波路１２２の上面には位相変調電極１２５及び位相調整電極１２７が、アーム導波路１２３の上面には位相変調電極１２６及び位相調整電極１２８が形成されている。導波路１０５及び１０６の上面には、それぞれπ／２位相調整電極１３１及び１３２が形成される。

次に、ＩｎＰ系化合物半導体からなるＩＱ光変調器の動作原理を説明する。アーム導波路１１２の上面に形成された位相変調電極１１５及び位相調整電極１１７は、アーム導波路１１２の光導波層へ電界を印加する。アーム導波路１１３の上面に形成された位相変調電極１１６及び位相調整電極１１８、アーム導波路１２２の上面に形成された位相変調電極１２５及び位相調整電極１２７、並びにアーム導波路１２３の上面に形成された位相変調電極１２６及び位相調整電極１２８も、それぞれアーム導波路１１３、１２２及び１２３の光導波層へ電界を印加する。位相変調電極１１５及び１１６、並びに位相調整電極１１７及び１１８に電圧を与えることによって、ポッケルス効果および量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を介して、アーム導波路内の屈折率が変化する。アーム導波路内の屈折率の変化を用いて、Ｉチャネル用ＭＺＩ１１０及びＱチャネル用ＭＺＩ１２０から、それぞれ０とπの位相状態を生成する。ＩＱ光変調器１００の後段の２×２ＭＭＩ１０７は、Ｉチャネル用ＭＺＩ１１０及びＱチャネル用ＭＺＩ１２０において生成した二つの位相状態（０及びπ）を直交状態で合成する。具体的には、一方の光信号に９０度の位相差をあたえて合成することによって、４つの位相状態（０、π／２、π及び３π／２）を生成することができる。

アーム導波路１１２の上面に形成された位相変調電極１１５及びアーム導波路１１３の上面に形成された位相変調電極１１６は、高周波の電圧を与えるための電極である。位相変調電極１１５及び１１６には、位相変調を行うための変調振幅電圧（交流成分）と、変調振幅電圧を減少するためのバイアス電圧（直流電圧）が合成された変調電圧が与えられており、位相変調電極１１５及び１１６それぞれに与えられる変調振幅電圧は互いに逆相となっている。一方、アーム導波路１１２の上面に形成された位相調整電極１１７及びアーム導波路１１３の上面に形成された位相調整電極１１８は、位相調整を行うための直流電圧を与えるための電極である。位相調整電極１１７及び１１８は、電圧無印加時に損失が最小となるように（Ｎｕｌｌ点）、いずれか一方の位相調整電極に直流電圧を印加している。

ここで、Ｉチャネル用ＭＺＩ１１０へ入力する光信号の電界成分をＥ_inとし、出力光信号の電界成分をＥ_outとし、ＭＺＩの光出力方程式を使用してこれらの値を算出する。Ｅ_in及びＥ_outは、ＭＺＩの光出力方程式により、

と表される。ここで、ＭＭＩ_inは１×２ＭＭＩの伝達マトリクス、ＭＭＩ_outは２×１ＭＭＩの伝達マトリクス、Ａｒｍはアーム導波路の伝達マトリクスであり、それぞれ、

で表される。ここで、θは結合器の結合角度（ラジアン）、φ^rf（Ｖ_up）は位相変調電極１１５にＶ_upの電圧を印加した際の位相変化量を示し、

は位相調整電極１１７による位相変化量を示し、φ^rf（Ｖ_dn）は位相変調電極１１６にＶ_dnの電圧を印加した際の位相変化量を示し、

は位相調整電極１１８による位相変化量を示し、β^rf（Ｖ_up）は位相変調電極１１５にＶ_upの電圧を印加した際の吸収係数を示し、

は位相調整電極１１７による吸収係数を示し、β^rf（Ｖ_dn）は位相変調電極１１６にＶ_dnの電圧を印加した際の吸収係数を示し、

は位相調整電極１１８による吸収係数を示す。ＭＺＩの干渉条件が同相となるとき、損失は最小となりＮｕｌｌ点となるので、位相調整電極１１７及び１１８の位相変化量は、

もしくは、

とすればよい。また、変調電圧は、バイアス電圧（直流成分）と変調振幅電圧（交流成分）を合成した電圧であり、各位相変調電極に印加される変調振幅電圧はそれぞれ逆相となるため、
Ｖ_up＝Ｖ_b＋ΔＶ （７）
Ｖ_dn＝Ｖ_b−ΔＶ （８）
となる。ここで、Ｖ_bがバイアス電圧、ΔＶが変調振幅電圧を示す。

次に、光電力（Ｉ_out）を算出する。光電力は、電界（Ｅ_out）と複素共役との積であり、式（４）、式（５）、式（７）、式（８）を用いれば、光電力が計算できる。以下では、説明のため光電力を簡略化して説明する。値はわずかに変わるが、半導体光変調器の動作原理を説明するのに支障はない。

一般的に、ＩｎＰ系化合物半導体からなる光導波路を用いたＩＱ光変調器のバイアス電圧（Ｖ_b）は５〜２０Ｖ、変調振幅電圧の振幅（変調振幅電圧の絶対値の最大値）が１Ｖ程度であり、変調振幅電圧による吸収損失の変化が無視できると仮定すれば、

となる。また、位相変調電極に比べ位相調整電極による吸収損失がはるかに小さいことを仮定すれば、

が成立する。さらに、１×２ＭＭＩの結合率を理想的に５０％として仮定すれば、θ＝π／４となる。以上を用いて、式（１）〜（４）を整理すると、

が得られる。式（１２）の位相変化量φおよび吸収係数βは電圧（Ｖ）によって変化し、下式で表すことができる（非特許文献２参照）。

ここで、Ｖは電圧、φ^rf（Ｖ）の単位はラジアン、α（Ｖ）の単位はデシベル（ｄＢ）である。また、ｐ１、ｐ２、ａ１、ａ２は、エピタキシャルウエハの層構造、電圧印加領域の導波路構造に依存し、実験的に決定されるパラメータである。ここで、Ｖ_b＞＞ΔＶ、式（７）、（１３）より、

となる。ここで、φ（Ｖ_b）はバイアス電圧（直流電圧）による直流成分の位相変化量であり、Δφ^rfは交流電圧によって高速に位相変化するものある。同様に、Ｖ_b＞＞ΔＶ、（８）、（１３）より、

となる。式（１２）、（１６）、（１７）より、

が得られる。出力される光の電界（Ｅ_out）の位相成分は偏角に等しく、０＜Δφ^rf＜π／２で位相は、

となり、−π／２＜Δφ^rf＜０で位相

となる。つまり、変調振幅電圧(ΔＶ)を変えることによって、出力される光電界（Ｅ_out）はπの位相変化が得られ、ＭＺＩを用いて位相変調することができる。ここで、二本のアーム導波路間における位相差の絶対値（｜２Δφ^rf｜）がとなる、二本のアーム導波路の電圧差の絶対値（｜２ΔＶ｜）を、Ｖ_π電圧と定義する。

R. A. Griffin et al., "InP Mach-Zehnder Modulator Platform for 10/40/100/200-Gb/s Operation", J. of selected topics in quantum electronics, Vol.19, No. 6, Nov. 2013. I. Betty et al., "An empirical model for high yield manufacturing of 10Gb/s negative chirp InP Mach-Zehnder modulators", in proc., OFC’2005, OWE5, Anaheim, California.

ＩＱ光変調器等の半導体光変調器を駆動するための電圧は、位相変調電極に印加されるバイアス電圧、変調振幅電圧、そして、位相調整電極に印加される調整電圧の３種類がある。ＩＱ光変調器から出力される光電力の損失を最小にするためには、この、バイアス電圧、変調振幅電圧、及び調整電圧の駆動電圧をそれぞれ調整しなければならない。調整電圧は、電圧無印加時に損失が最小となるように、いずれか一方の位相調整電極に直流電圧を印加することにより調整することは上述した。一方で、ここで、バイアス電圧及び変調振幅電圧については、位相変調電極に印加される変調振幅電圧の振幅を一定値に固定し、バイアス電圧を変化させて、Ｉチャネル（Ｑチャネル）ＭＺＩからの光電力が最大（つまり光電力の損失が最小）となるように調整する手法が一般的に使用される（損失最小化法）。しかし、損失最小化法を使用して導出したバイアス電圧及び変調振幅電圧により駆動電圧を調整した場合、変調振幅電圧の振幅が微小量だけ変動すると、光電力の損失についても変動してしまう。そのため、光電力の損失が最小とすることができないという問題が生じる。この問題について数式を用いて説明する。

ＭＺＩからの出力の光電界（Ｅ_out）は、式（１７）、（１８）より、

である。光電力（Ｉ_out）は、電界と複素共役との積であり、さらに、Ｉ_outをｄＢ表記にすると、

となる。式（２０）より、光電力（Ｉ_out）は、バイアス電圧（Ｖ_b）と変調振幅電圧（ΔＶ）により求めことができる。損失最小化法においては、変調振幅電圧の振幅ΔＶを一定にして、Ｉ_outの損失最小となるバイアス電圧Ｖ_bを設定することにより、最適なバイアス電圧Ｖ_bを決定していたが、この方法によれば、決定したＶ_bを代入した上で変調振幅電圧の振幅ΔＶを変動させると、光電力の損失も変動してしまう。以下、その様子を図において示す。

図２は、変調振幅電圧（ΔＶ）の振幅を一定とした場合の損失のバイアス電圧（Ｖ_b）依存性を示す図である。図３は、図２において損失が最小のときのバイアス電圧（Ｖ_b）における変調振幅電圧（ΔＶ）の光電圧（Ｉ_out）依存性である。たとえば、波長を１５５０ｎｍ、変調振幅電圧の振幅ΔＶ＝１Ｖとして固定して、損失のバイアス電圧（Ｖ_b）依存性を調べる。ΔＶ＝１Ｖと固定した場合には、損失は、バイアス電圧Ｖ_b＝９Ｖの時に最小となり、この値（９Ｖ）を最適なバイアス電圧と決定していた。このとき、図３において、バイアス電圧Ｖ_b＝９Ｖとして、変調振幅電圧（ΔＶ）の光電圧（Ｉ_out）依存性を調べる。バイアス電圧Ｖ_b＝９Ｖとしたときには、図２において固定した変調振幅電圧ΔＶにおいて、損失は極小値になっていない。つまり、バイアス電圧の最適値を用いるために固定した変調振幅電圧（ΔＶ）に対して、損失は最小とはならず、また、二本のアーム導波路の電圧の差の絶対値（｜２ΔＶ｜）もＶ_π電圧とはなっていない。

その結果、変調振幅電圧の振幅が変動すると、光電力の損失にも変動が生じてしまい、光電力の損失が最小とならないという問題があり、位相変調時の信号品質を劣化させる。

本発明は、このような問題に対処するために、変調振幅電圧の振幅が変動している場合にも光電力の損失変動を小さくして、光電力の損失を最小にする半導体光位相変調器の駆動電圧導出法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板上の半導体をコアにもつ２本のアーム導波路と、前記２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相変調電極であって、それぞれには、同じ値のバイアス電圧と、互いに逆相となる交流成分とを持つ変調振幅電圧とが合成された変調電圧が印加される位相変調電極とを備える光変調器における駆動電圧設定方法であって、前記変調振幅電圧の振幅を基準の値に設定するステップと、前記基準の値に所望の値を増加させた値及び減少させた値における光電力の損失差を求めるステップと、前記バイアス電圧を変動させながらさらに前記損失差を求め、前記損失差が最小になるバイアス電圧の値を導出するステップと、前記位相変調電極に印加する前記バイアス電圧を、前記損失差が最小になるバイアス電圧の値に設定するステップとを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の光変調器の駆動設定導出方法であって、前記変調振幅電圧の振幅を前記基準の値に設定するステップは、前記基準の値における光電力の損失が最小となるように、前記バイアス電圧を仮決めするステップを備え、前記光電力の損失差を求めるステップは、前記仮決めしたバイアス電圧において、前記基準の値を所望の値だけ増加させて光電力の損失を算出するステップと、前記仮決めしたバイアス電圧において、前記基準の値から所望の値だけ減少させて光電力の損失を算出するステップと、前記基準の値を所望の値だけ増加させて算出した光電力の損失と、前記基準の値から所望の値だけ減少させて算出した光電力の損失との差の絶対値を求めて前記光電力の損失差とするステップとを備え、前記損失差が最小になるバイアス電圧の値を導出するステップは、前記バイアス電圧を一定値変動させ、前記光電力の損失差を求めるステップを繰り返すことを含むことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の光変調器の駆動電圧設定方法であって、前記光変調器は、前記２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相調整電極であって、電圧無印加時に損失が最小となるように、いずれか一方に直流電圧が印加される位相調整電極をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、基板上の半導体をコアにもつ２本のアーム導波路と、前記２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相変調電極であって、それぞれには、同じ値のバイアス電圧と、互いに逆相となる交流成分とを持つ変調振幅電圧とが合成された変調電圧が印加される位相変調電極とを備える光変調器であって、前記バイアス電圧は、前記変調振幅電圧の振幅の基準の値に所望の値を増加させた値と減少させた値とにおける光電力の損失差が最小になるように設定されていることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第４の態様の光変調器であって、前記基準の値における損失が最小となるように、前記バイアス電圧を仮決めして前記基準の値を求め、前記仮決めしたバイアス電圧において、前記基準の値を所望の値だけ増加させて光電力の損失を算出し、前記仮決めしたバイアス電圧において、前記基準の値から所望の値だけ減少させて光電力の損失を算出し、前記基準の値を所望の値だけ増加させて算出した光電力の損失と、前記基準の値から所望の値だけ減少させて算出した光電力の損失との差の絶対値を求めて損失差とし、
前記バイアス電圧を一定値変動させ、前記光電力の損失差を求めるステップを繰り返して前記損失差が最小になるバイアス電圧の値を導出することを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第４又は第５の態様の光変調器であって、前記２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相調整電極であって、電圧無印加時に損失が最小となるように、いずれか一方に直流電圧が印加される位相調整電極をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＩＱ光変調器の位相変調電極に印加される変調振幅電圧の振幅が変動している場合に、光電力の損失変動を小さくして、光電力の損失を最小にすることが可能となる。

一般的なＩＱ光変調器の構成を示す上面図である。 変調振幅電圧の振幅を一定とした場合の光電力の損失のバイアス電圧依存性を示す図である。 図２において損失が最小のときのバイアス電圧における変調振幅電圧の光電力の損失依存性を示す図である。 本発明の１実施形態にかかるＩＱ光変調器の構成を示す上面図である。 図１のＩＱ光変調器のＡ−Ａ´部分における光導波路の断面図を示す。 図１のＩＱ光変調器のＢ−Ｂ´部分における光導波路の断面図を示す。 本実施形態の駆動電圧設定法におけるバイアス電圧導出法のフローを示す図である。 本発明の１実施例における、変調振幅電圧の振幅を基準値から一定範囲だけ変化させた場合の光電力の損失差のバイアス電圧依存性を示す図である。 図８において損失差が最小のときのバイアス電圧における変調振幅電圧の光電力の損失依存性である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［ＩＱ光変調器の構成］
図４は、本発明の１実施形態にかかるＩＱ光変調器の構成を示す上面図である。図４のＩＱ光変調器４００は、ＩｎＰ系化合物半導体からなる光導波路を用いたＩＱ光変調器であり、２つの子ＭＺＩをアーム導波路として有する親ＭＺＩとして構成される。具体的には、ＩＱ光変調器４００は、入力導波路４０１と、入力導波路４０１に入力が接続された１×２ＭＭＩ４０２と、１×２ＭＭＩ４０２の出力にそれぞれ光導波路４０３及び４０４を介して接続された子ＭＺＩ４１０及び４２０とを備える。また、ＩＱ光変調器４００は、子ＭＺＩ４１０及び４２０のそれぞれの出力に光導波路４０５及び４０６を介して入力が接続された２×２ＭＭＩ４０７と、２×２ＭＭＩ４０７の出力に接続された出力導波路４０８および４０９とを備える。２つの子ＭＺＩは、一方がＩチャネル用ＭＺＩ４１０であり、他方がＱチャネル用ＭＺＩ４２０である。

Ｉチャネル用ＭＺＩ４１０は、入力に接続された１×２ＭＭＩ４１１と、１×２ＭＭＩ４１１のそれぞれの出力に接続されたアーム導波路４１２及び４１３と、アーム導波路４１２及び４１３のそれぞれの出力に接続された２×１ＭＭＩ４１４とを備える。Ｑチャネル用ＭＺＩ４２０は、入力に接続された１×２ＭＭＩ４２１と、１×２ＭＭＩ４２１のそれぞれの出力に接続されたアーム導波路４２２及び４２３と、アーム導波路４２２及び４２３のそれぞれの出力に接続された２×１ＭＭＩ４２４とを備える。アーム導波路４１２の上面には位相変調電極４１５及び位相調整電極４１７が、アーム導波路４１３の上面には位相変調電極４１６及び位相調整電極４１８が形成されている。また、アーム導波路４２２の上面には位相変調電極４２５及び位相調整電極４２７が、アーム導波路４２３の上面には位相変調電極４２６及び位相調整電極４２８が形成されている。導波路４０５及び４０６の上面には、それぞれπ／２位相調整電極４３１及び４３２が形成される。

［ＩＱ光変調器の断面構造］
図５は、図１のＩＱ光変調器４００のＡ−Ａ´部分における光導波路の断面図を示す。光導波路のＡ−Ａ´部分は、位相変調電極による電界印加領域である。ＩＱ光変調器４００は、反絶縁性（ＳＩ）−ＩｎＰ基板５０１上に、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層５０２、ノンドープＩｎＰクラッド層５０３、多重量子井戸層（ＭＱＷコア層）５０４、ノンドープＩｎＰクラッド層５０５、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層５０６、ｎ型ＩｎＰ上部クラッド層５０７を積層したものである。導波構造は、コアの両脇をエッチングにより除去したハイメサ構造であり、ハイメサ構造の表面には保護膜としてのＳｉＯ₂膜５１１を堆積している。さらに、ＳｉＯ₂膜５１１を覆うように、ＢＣＢ５１２が形成され、ハイメサ構造の保護および表面の平坦化を行っている。光導波層となるＭＱＷコア層５０４へ電界を印加するため、ＳｉＯ₂膜５１１およびＢＣＢ５１２はハイメサの上部の一部が除去されている。また、ｎ−ＩｎＰクラッド層５０２の上部には接地電極５０９及び５１０が設けられている。

図６は、図１のＩＱ光変調器４００のＢ−Ｂ´部分における光導波路の断面図を示す。光導波路のＡ−Ａ´部分は、電界非印加領域である。ＩＱ光変調器４００は、反絶縁性（ＳＩ）−ＩｎＰ基板６０１上に、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層６０２、ノンドープのＩｎＰクラッド層６０３、多重量子井戸層（ＭＱＷコア層）６０４、ノンドープのＩｎＰクラッド層６０５、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層６０６、ｎ型ＩｎＰ上部クラッド層６０７を積層したものである。導波構造は、コアの両脇をエッチングにより除去したハイメサ構造であり、ハイメサ構造の表面には保護膜としてのＳｉＯ₂膜６１１を堆積している。さらに、それらを覆うように、ＢＣＢ６１２が形成され、ハイメサ構造の保護および表面の平坦化を行っている。図５の電界印加領域部分と類似しているが、電極をもたないため、ＳｉＯ₂膜６１１およびＢＣＢ６１２はハイメサ構造上部で除去されることなく、ハイメサ構造を覆うように形成されている。

［ＩＱ光変調器の動作原理］
次に、ＩｎＰ系化合物半導体からなるＩＱ光変調器の動作原理を説明する。入力導波路４０１から入射した光信号は、１×２ＭＭＩ４０２により２分岐される。分岐された一方の光信号は導波路４０３を介してＩチャネル用ＭＺＩ４１０に入射され、ＭＭＩ４１１により分岐される。分岐された他方の光信号は導波路４０４を介してＱチャネル用ＭＺＩ４２０に入射され、ＭＭＩ４２１により分岐される。ＭＭＩ４１１により２分岐された光信号は、アーム導波路４１２及び４１３に入射される。ＭＭＩ４２１により２分岐された光信号は、アーム導波路４２２及び４２３に入射される。

アーム導波路４１２の上面に形成された位相変調電極４１５及び位相調整電極４１７は、アーム導波路４１２の光導波層へ電界を印加する。アーム導波路４１３の上面に形成された位相変調電極４１６及び位相調整電極４１８、アーム導波路４２２の上面に形成された位相変調電極４２５及び位相調整電極４２７、並びにアーム導波路４２３の上面に形成された位相変調電極４２６及び位相調整電極４２８も、それぞれアーム導波路４１３、４２２及び４２３の光導波層へ電界を印加する。位相変調電極４１５及び４１６、並びに位相調整電極４１７及び４１８に電圧を与えることによって、ポッケルス効果および量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を介して、アーム導波路内の屈折率が変化する。アーム導波路内の屈折率の変化を用いて、Ｉチャネル用ＭＺＩ４１０及びＱチャネル用ＭＺＩ４２０から、それぞれ０とπの位相状態を生成する。ＩＱ光変調器４００の後段の２×２ＭＭＩ４０７は、Ｉチャネル用ＭＺＩ４１０及びＱチャネル用ＭＺＩ４２０において生成した二つの位相状態（０及びπ）を直交状態で合成する。具体的には、一方の光信号に９０度の位相差をあたえて合成することによって、４つの位相状態（０、π／２、π及び３π／２）を生成することができる。

アーム導波路１１２の上面に形成された位相変調電極４１５及びアーム導波路４１３の上面に形成された位相変調電極４１６は、数十ＧＨｚの高周波信号を与えてで光信号を変調するための電極である。位相変調電極４１５及び４１６には、位相変調を行うための変調振幅電圧（交流成分）と、変調振幅電圧を減少するためのバイアス電圧（直流電圧）が合成された変調電圧が印加されており、位相変調電極４１５及び４１６それぞれに与えられる変調振幅電圧は互いに逆相となっている。一方、アーム導波路４１２の上面に形成された位相調整電極４１７及びアーム導波路４１３の上面に形成された位相調整電極４１８は、子ＭＺＩのアーム導波路間の位相ずれを補償するために位相調整を行う直流電圧を与える電極である。位相調整電極４１７及び４１８は、電圧無印加時に損失が最小となるように（光出力が光ＯＦＦ状態：Ｎｕｌｌ点）、いずれか一方の位相調整電極に直流電圧を印加している。

その結果、式（２０）に基づき、ＩチャネルＭＺＩ４１０からの光出力は光ＯＮ状態（光出力状態）となり、かつ、その位相は０とπを高速に切り替える（位相変調する）ことができる。さらに、ＩチャネルＭＺＩ４１０及びＱチャネルＭＺＩ４２０からの二つの光信号の位相差が９０度となるように、π／２位相調整電極４３１および４３２を駆動し、２×２ＭＭＩ４０７を用いて光信号を合成することで、４つの位相状態をもつ変調信号（ＱＰＳＫ信号）を生成することができる。

［ＩＱ光変調器の駆動電圧設定］
本発明の目的である、変調振幅電圧の振幅の変動に対して光電力の損失変動を小さくするＩＱ光変調器の駆動電圧設定法について説明する。ＭＺＩの光電力Ｉ_outは、式（２０）の通り近似的に記述できる。式（２０）は、第一項のＳｉｎの項と、第二項のバイアス電圧に伴った光電力の損失に関する項がある。光電力Ｉ_outは、変調振幅電圧を固定して損失が最小となるようにバイアス電圧を決定したとしても、光電力の損失を最小とすることができない。

そこで、本実施形態では、変調振幅電圧の振幅を基準値からわずかな値だけ変化させ、光電力の損失差を算出することによって、変調振幅電圧の振幅の変動に対して損失差が小さくなるように、バイアス電圧を設定する。以下、本実施形態のバイアス電圧の決定について説明する。

まず、変調振幅電圧の振幅の基準値を設定し、変調振幅電圧の振幅を、基準値から微小な値だけ前後に変化させ、変化させた変調振幅電圧における光電力の損失を比較して損失差を求める。この光電力の損失差について、バイアス電圧を変化させながら求め、光電力の損失差が最小となるバイアス電圧の値を導出する。導出されたバイアス電圧の値を、位相変調電極に印加されるバイアス電圧の最適値として設定される。

具体的なバイアス電圧導出法についてさらに説明する。図７は、本実施形態の駆動電圧設定法におけるバイアス電圧導出法のフローを示す図である。本方法は、まず、ステップ７０１において開始し、ステップ７０２において、変調振幅電圧の振幅ΔＶを一定値に固定し、バイアス電圧Ｖ_b（および位相調整電圧）を変化させて、Ｉチャネル用ＭＺＩ４１０（図４）からの光電力の損失が最小となるようなＶ_bの値を導出し、導出した値にバイアス電圧Ｖ_bを仮決めする。ステップ７０３において、仮決めしたバイアス電圧Ｖ_bの値において、変調振幅電圧の振幅ΔＶをわずかな値（αとする）上昇させた後、光電力の損失の値（Ｌ１）を記録する。ステップ７０４において、仮決めしたバイアス電圧Ｖ_bの値において、変調振幅電圧の振幅ΔＶをわずかな値（α）下降させた後、光電力の損失の値（Ｌ２）を記録する。ステップ７０５において、変調振幅電圧の振幅ΔＶを上下させた際の損失の値の差の絶対値（｜Ｌ２−Ｌ１｜）を、損失差ΔＬとして算出する。

次に、バイアス電圧を変動させて、一定範囲のバイアス電圧における損失差ΔＬ算出するが、まず、ステップ７０６において、仮決めしたバイアス電圧Ｖ_bの値が、探索を必要とする範囲の値に達したかどうかを判断する。探索を必要とする範囲の値に達していない場合（図７中Ｎｏの場合）、ステップ７０７において、バイアス電圧Ｖ_bをわずかな値だけ増加（Ｖ_b＋β）又は減少（Ｖ_b−β）させ、増加又は減少させた値を新たなバイアス電圧Ｖｂの仮決め値として設定し、ステップ７０３に戻り、ステップ７０３〜７０５を繰り返す。一方で、バイアス電圧Ｖ_bの値が、初期値（ステップ７０６におけるＶ_b）から探索を必要とする範囲に達した場合（図７中Ｙｅｓの場合）、ステップ７０７において損失差ΔＬが最小となるＶ_bの値（Ｖ_bmin）を導出する。その後、ステップ７０８にて終了する。バイアス電圧Ｖｂをわずかな値だけ変動させながら、損失差が最小となるバイアス電圧（Ｖ_bmin）を導出することにより、導出したバイアス電圧Ｖ_bを最適駆動値として設定することができる。

［実施例］
図８は、本発明の１実施例における、変調振幅電圧（ΔＶ）の振幅を基準値から一定範囲だけ変化させた場合の光電力の損失差のバイアス電圧（Ｖ_b）依存性を示す図である。図９は、図８において損失差が最小のときのバイアス電圧（Ｖ_b）における変調振幅電圧（ΔＶ）の光電力（Ｉ_out）依存性を示す図である。

本実施例において、波長を１５５０ｎｍとし、変調振幅電圧の振幅の基準値を１Ｖとして、変調振幅電圧の振幅ΔＶを１Ｖから±０．２Ｖ変化させた場合の光電力の損失差（変調振幅電圧の振幅が０．８Ｖと１．２Ｖの時の光電力の損失差）の絶対値を、バイアス電圧Ｖ_b＝７．９Ｖから０．２Ｖずつ変化させながら記録している。本実施例においては、バイアス電圧が９．９Ｖの時、変調振幅電圧の振幅が０．８Ｖと１．２Ｖの時の光電力の損失差がゼロとなる。波長１５５０ｎｍ、バイアス電圧Ｖ_bmin＝９．９Ｖのとき、図９に示すように変調振幅電圧の振幅が１Ｖにおいて損失の極小値が得られている。また、これは、二本のアーム導波路の電圧の差の絶対値（｜２ΔＶ｜）がＶ_π電圧となっている、とも言える。従って、変調振幅電圧の振幅の変動に対して損失変動が小さくなる傾向をもつ。

［補足事項］
（保護膜の限定）
本実施形態において、例えば図５のように、半導体に密着する保護膜としてＳｉＯ₂膜５１１を用いた。ただし、本実施形態においては、ＳｉＯ₂膜に限らず、Ｓｉ_N膜やＳｉＯ_N膜といった他の絶縁膜であっても、水分の浸入を防ぐといったバリア性の向上が期待できれば保護膜として使用可能である。また、保護幕の膜厚が１μｍ以下であれば導波路層へ加える応力はわずかである。その場合は、ハイメサ構造内部にかかる応力はＢＣＢ５１２からの応力が主となるが、図５のように導波路上面のＢＣＢ５１２を除去すると、応力緩和の効果が得られる。また、保護膜を、ＳｉＯ₂膜ではなく光導波路と同種の材料である反絶縁性のＩｎＰ膜を側面に再成長させたものを用いても、このＩｎＰ保護膜による応力はわずかであるため同様な効果が期待できる。

また、ハイメサ構造を覆う保護膜および表面の平坦化のための材料として、ＢＣＢ５１２を用いているが、材料はＢＣＢに限らず、その他の有機系材料であってもＩｎＰよりも熱膨張係数が大きいものであれば、有機系材料からの応力が存在する。従って有機系材料による保護膜を除去すればため、ＢＣＢの場合と同様に、応力緩和の効果が得られる。

（上部クラッド再成長）
本実施形態の非電界印加領域の光導波層より上部の半導体層には、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層５０６およびｎ型ＩｎＰクラッド層５０７を含む。これらの層に導波光のモードフィールドが分布すると、光吸収となり損失増加要因となる。そこで、これらのｎ型もしくはｐ型ドープされた半導体層を除去し、ＳＩ型ＩｎＰ層を導波層の上部に再成長を行うことにより低損失な光導波路が可能となる。本実施形態においても、電界印加領域以外は前述のＳＩ型ＩｎＰ層を上部クラッドに用いてもよい。

（半導体断面構造の限定）
本実施例では、例えば図５のようにｎ−ｐ−ｉ―ｎ構造を有するＩＱ光変調器４００において効果を確認した。しかし、これに限らずたとえば、非特許文献４に示されるようなｐ−ｉ−ｎ構造を有する光変調器であっても、ハイメサ構造を覆う有機系材料の熱膨張係数がハイメサ構造を構成する半導体に比べ十分大きい場合には、同様な効果得られることを付記する。また、その際、Ｐ型の上部クラッド層を除去し、ノンドープＩｎＰ層を導波層の上部に再成長を行うことにより低損失な光導波路が可能となる。そこで、電界印加領域以外は前述のノンドープＩｎＰ層を上部クラッドに用いたものでもよい。

（変調振幅電圧の限定）
ＩＱ光変調器において、実際には位相変調電極に印加される変調振幅電圧は時間的に高速に変動する。その際、高速変調時の損失は平均化され、本実施形態における損失とは異なる値となる。しかし、それらは比例関係にあるため、同様な探索方法で最適電圧を見つけることができる。

１００、４００ ＭＺＩ
１０１、１０３、１０４、１０５、１０６、１０８、１０９、４０１、４０３、４０４、４０５、４０６、４０８、４０９ 導波路
１０２、１１１、１２１、４０２、４１１、４２１ １×２ＭＭＩ
１０７、４０７ ２×２ＭＭＩ
１１０、４１０ Ｉチャネル用ＭＺＩ
１１２、１１３、１２１、１２３、４１２、４１３、４２１、４２３ アーム導波路
１１４、１２４、４１４、４２４ ２×１ＭＭＩ
１１５、１１６、１２５、１２６、４１５、４１６、４２５、４２６ 位相変調電極
１１７、１１８、１２７、１２８、４１７、４１８、４２７、４２８ 位相調整電極
１２０、４２０ Ｑチャネル用ＭＺＩ
１３１、１３２、４３１、４３２ π／２位相調整電極
５０１、６０１ ＳＩ−ＩｎＰ基板
５０２、６０２ ｎ−ＩｎＰクラッド層
５０３、５０５、６０３、６０５ ノンドープＩｎＰクラッド層
５０４、６０４ 多重量子井戸層
５０６、６０６ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層
５０７、６０７ ｎ型ＩｎＰクラッド層
５０８ 変調電極
５０９、５１０ 設置電極
５１１、６１１ ＳｉＯ₂膜
５１２、６１２ ＢＣＢ

Claims (6)

1. 基板上の半導体をコアにもつ２本のアーム導波路と、
   前記２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相変調電極であって、それぞれには、同じ値のバイアス電圧と、互いに逆相となる交流成分とを持つ変調振幅電圧とが合成された変調電圧が印加される位相変調電極と
   を備える光変調器における駆動電圧設定方法であって、
   前記変調振幅電圧の振幅を基準の値に設定するステップと、
   前記基準の値に所望の値を増加させた値及び減少させた値における光電力の損失差を求めるステップと、
   前記バイアス電圧を変動させながらさらに前記損失差を求め、前記損失差が最小になるバイアス電圧の値を導出するステップと、
   前記位相変調電極に印加する前記バイアス電圧を、前記損失差が最小になるバイアス電圧の値に設定するステップと
   を備えることを特徴とする光変調器の駆動電圧設定方法。
2. 前記変調振幅電圧の振幅を前記基準の値に設定するステップは、
   前記基準の値における光電力の損失が最小となるように、前記バイアス電圧を仮決めするステップを備え、
   前記光電力の損失差を求めるステップは、
   前記仮決めしたバイアス電圧において、前記基準の値を所望の値だけ増加させて光電力の損失を算出するステップと、
   前記仮決めしたバイアス電圧において、前記基準の値から所望の値だけ減少させて光電力の損失を算出するステップと、
   前記基準の値を所望の値だけ増加させて算出した光電力の損失と、前記基準の値から所望の値だけ減少させて算出した光電力の損失との差の絶対値を求めて前記光電力の損失差とするステップと
   を備え、
   前記損失差が最小になるバイアス電圧の値を導出するステップは、前記バイアス電圧を一定値変動させ、前記光電力の損失差を求めるステップを繰り返すことを含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器の駆動電圧設定方法。
3. 前記光変調器は、前記２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相調整電極であって、電圧無印加時に損失が最小となるように、いずれか一方に直流電圧が印加される位相調整電極をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器の駆動電圧設定方法。
4. 基板上の半導体をコアにもつ２本のアーム導波路と、
   前記２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相変調電極であって、それぞれには、同じ値のバイアス電圧と、互いに逆相となる交流成分とを持つ変調振幅電圧とが合成された変調電圧が印加される位相変調電極と
   を備え、前記バイアス電圧は、前記変調振幅電圧の振幅の基準の値に所望の値を増加させた値と減少させた値とにおける光電力の損失差が最小になるように設定されていることを特徴とする光変調器。
5. 前記基準の値における損失が最小となるように、前記バイアス電圧を仮決めして前記基準の値を求め、
   前記仮決めしたバイアス電圧において、前記基準の値を所望の値だけ増加させて光電力の損失を算出し、前記仮決めしたバイアス電圧において、前記基準の値から所望の値だけ減少させて光電力の損失を算出し、前記基準の値を所望の値だけ増加させて算出した光電力の損失と、前記基準の値から所望の値だけ減少させて算出した光電力の損失との差の絶対値を求めて損失差とし、
   前記バイアス電圧を一定値変動させ、前記光電力の損失差を求めるステップを繰り返して前記損失差が最小になるバイアス電圧の値を導出する
   ことを特徴とする請求項４に記載の光変調器。
6. 前記２本のアーム導波路のそれぞれの上面に形成された位相調整電極であって、電圧無印加時に損失が最小となるように、いずれか一方に直流電圧が印加される位相調整電極をさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の光変調器。