JP2017111338A - Optical modulator - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical modulator that compensates for degradation of optical signal characteristic attributable to a fabrication error.SOLUTION: The present invention is an optical modulator comprising: an optical coupler for branching input light into two, and formed on a substrate; first and second arm waveguides for guiding branched lights from the optical coupler, and formed on the substrate and having a pn junction along the waveguide direction of light; and an optical coupler for combining light from the first arm waveguide and light from the second arm waveguide, and formed on the substrate. The light input side of light of the first and second arm waveguides is a first phase modulation region, and the light output side of light of the first and second arm waveguides is a second phase modulation region, a p-doped region and an n-doped region of the first arm waveguide in the first phase modulation region and the first arm waveguide in the second phase modulation region being at inverse positions, the p-doped region and the n-doped region of the second arm waveguide in the first phase modulation region and the second arm waveguide in the second phase modulation region being at inverse positions.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、高周波電気信号により光信号を変調するための光変調器に関し、より詳細には、作製誤差に起因する光波形歪みが補償された光変調器に関する。   The present invention relates to an optical modulator for modulating an optical signal with a high-frequency electrical signal, and more particularly to an optical modulator in which optical waveform distortion caused by a manufacturing error is compensated.

通信需要の急速な増大を背景として、通信網の大容量化に向けた光通信技術の検討が精力的に行われている。光通信において使用される従来の光変調フォーマットは、光の1チャネルに対して1チャネルの高周波電気信号を割り当てる振幅変調(ASK:Amplitude Shift Keying)方式が主流であった。しかし、ASK方式はある周波数帯域に1ビットの信号しか付与できない。そのため、近年ではある周波数帯域に1ビット以上の信号を付与できる四位相偏移変調(QPSK:Quadrature Phase ShiftKeying)方式、及び直交振幅変調(QAM:Quadrature Amplitude Modulation)方式等の変調方式が盛んに研究開発されており、実用化に至っている。QPSK方式においてQPSK信号を生成するために、及びQAM方式においてQAM信号を生成するためには、通常は光を複素表記したときの実軸と虚軸を個別にマッハツェンダ変調器を用いて振幅変調するIQ変調器の形態がとられる(例えば非特許文献1参照)。1つのマッハツェンダ変調器に1ビットの信号を入力することによりQPSK信号が生成され、1つのマッハツェンダ変調器に2ビット以上の信号を入力することによりQAM信号が生成される。このような多値変調を用いて通信容量の大容量化が達成される。   With the rapid increase in communication demand, optical communication technology for increasing the capacity of communication networks has been energetically studied. A conventional optical modulation format used in optical communication is mainly an amplitude shift keying (ASK) method in which one channel of a high-frequency electric signal is assigned to one channel of light. However, the ASK method can only give a 1-bit signal to a certain frequency band. Therefore, in recent years, modulation methods such as a quadrature phase shift keying (QPSK) method and a quadrature amplitude modulation (QAM) method that can give a signal of 1 bit or more to a certain frequency band have been actively researched. It has been developed and put to practical use. In order to generate a QPSK signal in the QPSK system and to generate a QAM signal in the QAM system, normally, the real axis and the imaginary axis when light is complexly expressed are individually amplitude-modulated using a Mach-Zehnder modulator. An IQ modulator is used (see, for example, Non-Patent Document 1). A QPSK signal is generated by inputting a 1-bit signal to one Mach-Zehnder modulator, and a QAM signal is generated by inputting a 2-bit or more signal to one Mach-Zehnder modulator. Using such multi-level modulation, an increase in communication capacity is achieved.

特開2014−6389号公報JP 2014-6389 A

S. Kanazawa, et al., "112-Gb/s InP DP-QPSK modulator integrated with a silica-PLC polarization multiplexing circuit", OFC 2012, PDP5A.9, (2012)S. Kanazawa, et al., "112-Gb / s InP DP-QPSK modulator integrated with a silica-PLC polarization multiplexing circuit", OFC 2012, PDP5A.9, (2012)

図1は、従来の光変調器であるマッハツェンダ変調器100の構成を示す図で、図1(a)はマッハツェンダ変調器100の上面図を示し、図1(b)はマッハツェンダ変調器100のA−A´における断面図を示す。図1のマッハツェンダ変調器100は、基板101上に設けられた、入力用光ポート102と、入力用光ポート102に接続された1×2光カプラ103と、1×2光カプラ103の一方の出力に接続された第1のアーム導波路104と、1×2光カプラ103の他方の出力に接続された第2のアーム導波路105とを備える。また、マッハツェンダ変調器100は、第1のアーム導波路104が一方の入力及び第2のアーム導波路105の他方の入力に接続された2×1光カプラ106と、2×1光カプラ106の出力と接続された出力用光ポート107とを備える。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a Mach-Zehnder modulator 100 that is a conventional optical modulator. FIG. 1A shows a top view of the Mach-Zehnder modulator 100, and FIG. Sectional drawing in -A 'is shown. The Mach-Zehnder modulator 100 of FIG. 1 includes one of an input optical port 102, a 1 × 2 optical coupler 103 connected to the input optical port 102, and a 1 × 2 optical coupler 103 provided on a substrate 101. A first arm waveguide 104 connected to the output and a second arm waveguide 105 connected to the other output of the 1 × 2 optical coupler 103 are provided. The Mach-Zehnder modulator 100 includes a 2 × 1 optical coupler 106 in which the first arm waveguide 104 is connected to one input and the other input of the second arm waveguide 105, and a 2 × 1 optical coupler 106. And an output optical port 107 connected to the output.

また、マッハツェンダ変調器100は、マッハツェンダ干渉計により構成される位相変調領域を備えている。位相変調領域において、第1のアーム導波路104は、基板中心側がnドープ領域104−1により形成され、基板縁側がpドープ領域104−2により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路の光の進行方向中心がnドープ領域104−1とpドープ領域104−2とのpn接合部となる。また、第2のアーム導波路105は、基板中心側がnドープ領域105−1により形成され、基板縁側がpドープ領域105−2により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がnドープ領域105−1とpドープ領域105−2とのpn接合部となる。またpドープ領域104−2の上には第1のアーム電極108が形成され、pドープ領域105−2の上には第2のアーム電極109が形成され、nドープ領域104−1及び105−1の上には、バイアス電極110が形成される。   The Mach-Zehnder modulator 100 includes a phase modulation region configured by a Mach-Zehnder interferometer. In the phase modulation region, the first arm waveguide 104 is a rib-shaped optical waveguide formed on the substrate center side by the n-doped region 104-1 and on the substrate edge side by the p-doped region 104-2. The center of the light traveling direction is a pn junction between the n-doped region 104-1 and the p-doped region 104-2. The second arm waveguide 105 is a rib-shaped optical waveguide in which the substrate center side is formed by the n-doped region 105-1 and the substrate edge side is formed by the p-doped region 105-2, and the waveguide center is n. It becomes a pn junction between doped region 105-1 and p-doped region 105-2. A first arm electrode 108 is formed on the p-doped region 104-2, a second arm electrode 109 is formed on the p-doped region 105-2, and the n-doped regions 104-1 and 105- are formed. On 1, a bias electrode 110 is formed.

図1(b)はマッハツェンダ変調器100の位相変調部分の断面図であり、図1(b)に示されるように、マッハツェンダ変調器100の位相変調領域は、基板101上に形成されたクラッド層112と、クラッド層112上に形成されたコア層111と、コア層111上に形成されたクラッド層113とから構成されている。コア層111は、2つのリブ形のアーム導波路304及び305を形成し、nドープ領域104−1及び105−1と、pドープ領域104−2及び105−2から構成されている。   FIG. 1B is a cross-sectional view of the phase modulation portion of the Mach-Zehnder modulator 100. As shown in FIG. 1B, the phase modulation region of the Mach-Zehnder modulator 100 is a clad layer formed on the substrate 101. 112, a core layer 111 formed on the cladding layer 112, and a cladding layer 113 formed on the core layer 111. The core layer 111 forms two rib-shaped arm waveguides 304 and 305, and is composed of n-doped regions 104-1 and 105-1 and p-doped regions 104-2 and 105-2.

第1のアーム電極108と第2のアーム電極109に差動の高周波信号が入力されると、第1のアーム電極108及び第2のアーム電極109とバイアス電極110との電位差が高周波信号により変化する。この電位差の変化により、pn接合部の空乏層領域の大きさが変化するため、いわゆるキャリアプラズマ効果により導波路の屈折率を変化させて光の位相変化が起こり、マッハツェンダ変調器100がプッシュ―プル動作をする。   When a differential high-frequency signal is input to the first arm electrode 108 and the second arm electrode 109, the potential difference between the first arm electrode 108, the second arm electrode 109, and the bias electrode 110 is changed by the high-frequency signal. To do. This potential difference changes the size of the depletion layer region of the pn junction, so that the so-called carrier plasma effect changes the refractive index of the waveguide to cause a light phase change, and the Mach-Zehnder modulator 100 is pushed-pull. To work.

従来のマッハツェンダ変調器においては、QAM信号は複素平面(コンスタレーションマップ)上のシンボル点の間隔が狭くなるため、マッハツェンダ変調器の非対称性及びチャープなどの不完全性による波形劣化がビットエラーレートに与える影響が大きいという課題がある(特許文献1参照)。例えば、pn接合の位置精度は、作製プロセス中のフォトマスクの位置合わせ精度により決まるため、pn接合位置は設計値に対して数10nmから数100nm程度ずれることがあり、マッハツェンダ変調器の位相変調部の光導波路が非対称となってしまう場合がある。   In the conventional Mach-Zehnder modulator, since the interval between symbol points on the complex plane (constellation map) of the QAM signal is narrowed, waveform degradation due to the asymmetry of the Mach-Zehnder modulator and imperfections such as chirp becomes the bit error rate. There is a problem that the influence is large (see Patent Document 1). For example, since the position accuracy of the pn junction is determined by the alignment accuracy of the photomask during the manufacturing process, the pn junction position may deviate from about several tens nm to several hundreds nm with respect to the design value. The optical waveguide may become asymmetric.

図2は、アーム導波路104及び105のpn接合位置が対称な場合と非対称な場合について説明する図である。ここで、図2(a)はアーム導波路104及び105のpn接合位置が対称な場合のアーム導波路104及び105の光の進行方向の断面図、図2(b)はpn接合位置が図2(a)の場合のpn接合に印加する電圧に対する光の位相変化量の関係を示す図、図2(c)はpn接合位置が図2(a)の場合の4値振幅位相変調時の信号特性を示すコンスタレーションマップを表す図である。また、図2(d)はアーム導波路104及び105のpn接合位置が非対称な場合のアーム導波路104及び105の光の進行方向の断面図、図2(e)はpn接合位置が図2(d)の場合のpn接合に印加する電圧に対する光の位相変化量の関係を示す図、図2(f)はpn接合位置が図2(d)の場合の4値振幅位相変調時の信号特性を示すコンスタレーションマップを表す図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating a case where the pn junction positions of the arm waveguides 104 and 105 are symmetric and asymmetric. Here, FIG. 2A is a sectional view in the light traveling direction of the arm waveguides 104 and 105 when the pn junction positions of the arm waveguides 104 and 105 are symmetric, and FIG. 2B is a diagram showing the pn junction position. FIG. 2C is a diagram showing the relationship between the amount of phase change of light with respect to the voltage applied to the pn junction in the case of 2 (a), and FIG. 2C is the case of quaternary amplitude phase modulation when the pn junction position is in FIG. It is a figure showing the constellation map which shows a signal characteristic. 2D is a cross-sectional view of the light propagation directions of the arm waveguides 104 and 105 when the pn junction positions of the arm waveguides 104 and 105 are asymmetric, and FIG. The figure which shows the relationship of the light phase change amount with respect to the voltage applied to a pn junction in the case of (d), FIG.2 (f) is a signal at the time of quaternary amplitude phase modulation in case a pn junction position is FIG.2 (d). It is a figure showing the constellation map which shows a characteristic.

pn接合位置が図2(a)の場合は、位相変化量の電圧依存性の特性が第1のアームと第2のアームで一致しており(図2(b))、4値振幅位相変調時のコンスタレーションは直線状に等間隔で並んでいて特性の良い信号が生成できていることがわかる(図2(c))。   When the pn junction position is shown in FIG. 2A, the voltage dependency characteristics of the phase change amount are the same between the first arm and the second arm (FIG. 2B), and quaternary amplitude phase modulation is performed. It can be seen that the constellations at the time are arranged in a straight line at equal intervals, and a signal with good characteristics can be generated (FIG. 2C).

一方で、例えばnドープ領域が作製プロセス上の作製誤差により断面図上で下側にズレてしまった場合、pn接合位置は図2(d)のようになる。このような場合、位相変化量の電圧依存性の特性に第1のアームと第2のアームで乖離が生じ((図2(e))、4値振幅位相変調時のコンスタレーションは弓なり状に歪んでいて信号特性が劣化していることがわかる(図2(f))。   On the other hand, for example, when the n-doped region is shifted downward on the cross-sectional view due to a manufacturing error in the manufacturing process, the pn junction position is as shown in FIG. In such a case, the first arm and the second arm have a difference in the voltage-dependent characteristics of the phase change amount ((FIG. 2 (e)), and the constellation during quaternary amplitude phase modulation has a bow shape. It can be seen that the signal characteristics are distorted and deteriorated (FIG. 2 (f)).

上述の通り、従来のマッハツェンダ変調器は、作製プロセス中の作製誤差によりマッハツェンダ変調器のアーム間にpn接合位置の非対称性が生じた場合に、変調信号特性が劣化してしまうという課題があった。   As described above, the conventional Mach-Zehnder modulator has a problem that the modulation signal characteristic is deteriorated when the asymmetry of the pn junction position occurs between the arms of the Mach-Zehnder modulator due to a manufacturing error during the manufacturing process. .

本発明は、上述のような従来技術に鑑みてなされたもので、その目的は、作製誤差による信号特性劣化が補償された光変調器を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described prior art, and an object thereof is to provide an optical modulator in which signal characteristic deterioration due to a manufacturing error is compensated.

このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、基板上に形成された、入力光を2分岐する光カプラと、前記基板上に形成され、光の導波方向に沿ってpn接合部を有し、前記光カプラから分岐光の一方を導波する第1のアーム導波路と、前記基板上に形成され、光の導波方向に沿ってpn接合部を有し、前記光カプラから分岐光の他方を導波する第2のアーム導波路と、前記基板上に形成され、前記第1のアーム導波路からの光と前記第2のアーム導波路からの光を合波する光カプラとを備える光変調器であって、前記第1及び前記第2のアーム導波路の光の入力側は第1の位相変調領域であり、前記第1及び前記第2のアーム導波路の光の出力側は第2の位相変調領域であり、前記第1の位相変調領域における前記第1のアーム導波路と、前記第2の位相変調領域における前記第1のアーム導波路とは、pドープ領域とnドープ領域とが反対の位置にあり、前記第1の位相変調領域における前記第2のアーム導波路と、前記第2の位相変調領域における前記第2のアーム導波路とは、pドープ領域とnドープ領域とが反対の位置にあることを特徴とする。   In order to achieve such an object, according to a first aspect of the present invention, there is provided an optical coupler formed on a substrate for branching input light into two, and formed on the substrate along a light guiding direction. A first arm waveguide for guiding one of the branched lights from the optical coupler, and a pn junction formed along the light guiding direction, A second arm waveguide that guides the other of the branched light from the optical coupler; and a light that is formed on the substrate and that combines the light from the first arm waveguide and the light from the second arm waveguide. An optical modulator including a wave coupler, wherein light input sides of the first and second arm waveguides are first phase modulation regions, and the first and second arm guides are provided. The light output side of the waveguide is a second phase modulation region, and the first arc in the first phase modulation region is the second phase modulation region. The waveguide and the first arm waveguide in the second phase modulation region are in positions where the p-doped region and the n-doped region are opposite to each other, and the second arm in the first phase modulation region In the waveguide and the second arm waveguide in the second phase modulation region, the p-doped region and the n-doped region are in opposite positions.

また、本発明の第2の態様は、第1の態様の光変調器であって、前記第1の位相変調領域及び前記第1の位相変調領域のいずれか一方の位相変調領域における前記第1及び前記第2のアーム導波路は、前記基板縁側がpドープ領域であり、前記第1の位相変調領域及び前記第1の位相変調領域のいずれか他方の位相変調領域における前記第1及び前記第2のアーム導波路は、前記基板の縁側がnドープ領域であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the optical modulator according to the first aspect, wherein the first phase modulation region is one of the first phase modulation region and the first phase modulation region. And the second arm waveguide has a p-doped region on the substrate edge side, and the first and second phase modulation regions in the other one of the first phase modulation region and the first phase modulation region. The second arm waveguide is characterized in that an edge side of the substrate is an n-doped region.

また、本発明の第3の態様は、第2の態様の光変調器であって、前記基板の縁側がpドープ領域である前記第1及び前記第2のアーム導波路を有する位相変調領域は、前記第1のアーム導波路と前記第2のアーム導波路との間に形成された1のバイアス電極と、前記第1のアーム導波路の前記基板縁側と前記第2のアーム導波路の前記基板縁側とに形成されたRF信号を印加するアーム電極とを備え、前記基板の縁側がnドープ領域である前記第1及び前記第2のアーム導波路を有する位相変調領域は、前記第1のアーム導波路と前記第2のアーム導波路との間に形成された2本のRF信号を印加するアーム電極と、前記第1のアーム導波路の前記基板縁側と前記第2のアーム導波路の前記基板縁側とに形成されたバイアス電極とを備えることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the optical modulator according to the second aspect, wherein the phase modulation region having the first and second arm waveguides wherein the edge side of the substrate is a p-doped region. , One bias electrode formed between the first arm waveguide and the second arm waveguide, the substrate edge side of the first arm waveguide, and the second arm waveguide A phase modulation region having the first and the second arm waveguides, wherein the edge side of the substrate is an n-doped region. An arm electrode for applying two RF signals formed between the arm waveguide and the second arm waveguide; the substrate edge side of the first arm waveguide; and the second arm waveguide. A bias electrode formed on the substrate edge side. The features.

また、本発明の第4の態様は、第3の態様の光変調器であって、前記基板の縁側がpドープ領域である前記第1及び前記第2のアーム導波路を有する位相変調領域の前記バイアス電極と、前記基板の縁側がnドープ領域である前記第1及び前記第2のアーム導波路を有する位相変調領域の前記バイアス電極とは、ブリッジ電極により接続されることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the optical modulator according to the third aspect, wherein the edge side of the substrate is a p-doped region and includes the first and second arm waveguides. The bias electrode is connected to the bias electrode in the phase modulation region having the first and second arm waveguides in which the edge side of the substrate is an n-doped region by a bridge electrode.

また、本発明の第5の態様は、第1乃至4のいずれか1つの態様の光変調器であって、前記第1の位相変調領域の長さは、前記第1の位相変調領域の長さと前記第2の位相変調領域の長さとの合計の30乃至50%であることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the optical modulator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the length of the first phase modulation region is the length of the first phase modulation region. And 30 to 50% of the total of the length of the second phase modulation region.

また、本発明の第6の態様は、第3又は4の態様の光変調器であって、前記バイアス電極は、前記第1及び第2の位相変調領域の長さの合計と同一の長さを有することを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the optical modulator according to the third or fourth aspect, wherein the bias electrode has the same length as a total length of the first and second phase modulation regions. It is characterized by having.

また、本発明の第7の態様は、第1乃至第6のいずれか1つの態様の光変調器であって、前記基板は、単一の基板であることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the optical modulator according to any one of the first to sixth aspects, wherein the substrate is a single substrate.

本発明は、光変調器において作製誤差に起因する光信号特性の劣化を補償する効果を奏する。   The present invention has an effect of compensating for deterioration in optical signal characteristics caused by manufacturing errors in an optical modulator.

従来の光変調器であるマッハツェンダ変調器の構成を示す図で、(a)はマッハツェンダ変調器の上面図であり、(b)はマッハツェンダ変調器のA−A´における断面図である。It is a figure which shows the structure of the Mach-Zehnder modulator which is the conventional optical modulator, (a) is a top view of a Mach-Zehnder modulator, (b) is sectional drawing in AA 'of a Mach-Zehnder modulator. 図1のマッハツェンダ変調器の2つのアーム導波路のpn接合位置が対称な場合と非対称な場合について説明する図である。(a)は2つのアーム導波路のpn接合位置が対称な場合のアーム導波路の光の進行方向の断面図、(b)はpn接合位置が(a)の場合のpn接合に印加する電圧に対する光の位相変化量の関係を示す図、(c)はpn接合位置が(a)の場合の4値振幅位相変調時の信号特性を示すコンスタレーションマップを表す図であり、(d)は2つのアーム導波路のpn接合位置が非対称な場合のアーム導波路の光の進行方向の断面図、(e)はpn接合位置が(d)の場合のpn接合に印加する電圧に対する光の位相変化量の関係を示す図、(f)はpn接合位置が(d)の場合の4値振幅位相変調時の信号特性を示すコンスタレーションマップを表す図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a case where pn junction positions of two arm waveguides of the Mach-Zehnder modulator of FIG. 1 are symmetric and asymmetric. (A) is a sectional view of the light propagation direction of the arm waveguide when the pn junction positions of the two arm waveguides are symmetric, and (b) is a voltage applied to the pn junction when the pn junction position is (a). FIG. 6C is a diagram showing a constellation map showing signal characteristics at the time of quaternary amplitude phase modulation when the pn junction position is (a), and FIG. Sectional drawing of the light advancing direction of an arm waveguide when the pn junction position of two arm waveguides is asymmetrical, (e) is the phase of the light with respect to the voltage applied to a pn junction when a pn junction position is (d). The figure which shows the relationship of a variation | change_quantity, (f) is a figure showing the constellation map which shows the signal characteristic at the time of quaternary amplitude phase modulation in case a pn junction position is (d). 本発明の第1の実勢形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器の構成を示す図で、(a)はマッハツェンダ変調器の上面図であり、(b)はマッハツェンダ変調器のA−A´における断面図であり、(c)はB−B´における断面図であり、(d)はC−C´における断面図である。1A and 1B are diagrams illustrating a configuration of a Mach-Zehnder modulator that is an optical modulator according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a top view of the Mach-Zehnder modulator, and FIG. (C) is sectional drawing in BB ', (d) is sectional drawing in CC'. 従来の光変調器と第1の実施形態に係る光変調器とを比較するための図で、(a)は図1の従来のマッハツェンダ変調器のコンスタレーションマップであり、(b)は図3のマッハツェンダ変調器のコンスタレーションマップである。FIGS. 3A and 3B are diagrams for comparing the conventional optical modulator and the optical modulator according to the first embodiment, in which FIG. 3A is a constellation map of the conventional Mach-Zehnder modulator in FIG. 1, and FIG. 2 is a constellation map of the Mach-Zehnder modulator. 本発明の第1の実施形態の実施例に係るマッハツェンダ変調器を示す上面図である。It is a top view which shows the Mach-Zehnder modulator which concerns on the Example of the 1st Embodiment of this invention. 従来の光変調器と本実施例に係る光変調器とを比較するための図で、(a)は従来のマッハツェンダ変調器のコンスタレーションマップであり、(b)はマッハツェンダ変調器のコンスタレーションマップである。FIG. 6 is a diagram for comparing a conventional optical modulator and the optical modulator according to the present embodiment, in which (a) is a constellation map of a conventional Mach-Zehnder modulator, and (b) is a constellation map of the Mach-Zehnder modulator. It is. 本発明の第2の実施形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器の構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the Mach-Zehnder modulator which is an optical modulator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態においてマッハツェンダ変調器の全長に対する前半領域長の割合とEVMの関係を示す図であり、(a)は位相変調領域全長に対する前半領域長の割合によってEVMが変化する様子を示し、(b)は、シンボルレートで規格化した3dB帯域と全長に対する前半領域長の割合の最適点の関係を示している。It is a figure which shows the ratio of the front half area length with respect to the full length of a Mach-Zehnder modulator, and EVM in the 2nd Embodiment of this invention, (a) is a mode that EVM changes with the ratio of the front half area length with respect to the phase modulation area full length. (B) shows the relationship between the 3 dB band normalized by the symbol rate and the optimum point of the ratio of the first half region length to the total length. 本発明の第3の実施形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器の構成を示す図で、(a)はマッハツェンダ変調器の上面図であり、(b)はマッハツェンダ変調器のA−A´における断面図であり、(c)はB−B´における断面図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a Mach-Zehnder modulator that is an optical modulator according to a third embodiment of the present invention, where (a) is a top view of the Mach-Zehnder modulator, and (b) is an AA ′ of the Mach-Zehnder modulator. (C) is sectional drawing in BB '.

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。なお、以下の説明で用いる形態は例であり、その他の形態による本発明の実施を排除する意図はない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the form used in the following description is an example, and there is no intention to exclude implementation of the present invention in other forms.

[第1の実施形態]
図3は、本発明の第1の実勢形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器300の構成を示す図で、図3(a)はマッハツェンダ変調器300の上面図であり、図3(b)はマッハツェンダ変調器300のA−A´における断面図であり、図3(c)はB−B´における断面図であり、図3(d)はC−C´における断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a Mach-Zehnder modulator 300 that is an optical modulator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3A is a top view of the Mach-Zehnder modulator 300, and FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the Mach-Zehnder modulator 300, FIG. 3C is a cross-sectional view taken along the line BB ′, and FIG. 3D is a cross-sectional view taken along the line CC ′.

図3のマッハツェンダ変調器300は、基板301上に設けられた、入力用光ポート302と、入力用光ポート302に接続された1×2光カプラ303と、1×2光カプラ303の一方の出力に接続された第1のアーム導波路304と、1×2光カプラ303の他方の出力に接続された第2のアーム導波路305とを備える。また、マッハツェンダ変調器300は、第1のアーム導波路304が一方の入力及び第2のアーム導波路305の他方の入力に接続された2×1光カプラ306と、2×1光カプラ306の出力と接続された出力用光ポート307とを備える。また、マッハツェンダ変調器300は、マッハツェンダ干渉計により構成される2つの位相変調領域を備えており、光の入射側を第1の位相変調領域351とし、光の出射側を第2の位相変調領域352としている。   The Mach-Zehnder modulator 300 of FIG. 3 includes one of an input optical port 302, a 1 × 2 optical coupler 303 connected to the input optical port 302, and a 1 × 2 optical coupler 303 provided on a substrate 301. A first arm waveguide 304 connected to the output and a second arm waveguide 305 connected to the other output of the 1 × 2 optical coupler 303 are provided. The Mach-Zehnder modulator 300 includes a 2 × 1 optical coupler 306 in which the first arm waveguide 304 is connected to one input and the other input of the second arm waveguide 305, and a 2 × 1 optical coupler 306. And an output optical port 307 connected to the output. Further, the Mach-Zehnder modulator 300 includes two phase modulation regions constituted by a Mach-Zehnder interferometer. The light incident side is a first phase modulation region 351 and the light emission side is a second phase modulation region. 352.

第1の位相変調領域351において、第1のアーム導波路304は、基板中心側がnドープ領域304−1により形成され、基板縁側がpドープ領域304−2により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がnドープ領域304−1とpドープ領域304−2とのpn接合部となる。また、第2のアーム導波路305は、基板中心側がnドープ領域305−1により形成され、基板縁側がpドープ領域305−2により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がnドープ領域305−1とpドープ領域305−2とのpn接合部となる。またpドープ領域304−2の上には第1のアーム電極308が形成され、pドープ領域305−2の上には第2のアーム電極309が形成され、nドープ領域304−1及び305−1の上には、第1のバイアス電極310が形成される。   In the first phase modulation region 351, the first arm waveguide 304 is a rib-shaped optical waveguide in which the substrate center side is formed by the n-doped region 304-1 and the substrate edge side is formed by the p-doped region 304-2. The center of the waveguide is the pn junction between the n-doped region 304-1 and the p-doped region 304-2. The second arm waveguide 305 is a rib-shaped optical waveguide in which the substrate center side is formed by the n-doped region 305-1 and the substrate edge side is formed by the p-doped region 305-2, and the waveguide center is n. It becomes a pn junction between doped region 305-1 and p-doped region 305-2. Further, a first arm electrode 308 is formed on the p-doped region 304-2, a second arm electrode 309 is formed on the p-doped region 305-2, and the n-doped regions 304-1 and 305- are formed. A first bias electrode 310 is formed on 1.

第2の位相変調領域352において、第1のアーム導波路304は、基板縁側がnドープ領域304−3により形成され、基板中心側がpドープ領域304−2により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がnドープ領域304−3とpドープ領域304−2とのpn接合部となる。また、第2のアーム導波路305は、基板縁側がnドープ領域305−3により形成され、基板縁中心側がpドープ領域305−2により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がnドープ領域305−3とpドープ領域305−2とのpn接合部となる。またpドープ領域304−2の上には第1のアーム電極308が形成され、pドープ領域305−2の上には第2のアーム電極309が形成され、nドープ領域304−3には第2のバイアス電極314が形成され、nドープ領域305−3の上には、第3のバイアス電極315が形成される。   In the second phase modulation region 352, the first arm waveguide 304 is a rib-shaped optical waveguide formed on the substrate edge side by the n-doped region 304-3 and on the substrate center side by the p-doped region 304-2. The waveguide center is the pn junction between the n-doped region 304-3 and the p-doped region 304-2. The second arm waveguide 305 is a rib-shaped optical waveguide in which the substrate edge side is formed by the n-doped region 305-3 and the substrate edge center side is formed by the p-doped region 305-2. It becomes a pn junction between n-doped region 305-3 and p-doped region 305-2. A first arm electrode 308 is formed on the p-doped region 304-2, a second arm electrode 309 is formed on the p-doped region 305-2, and a first arm electrode 308 is formed on the n-doped region 304-3. The second bias electrode 314 is formed, and the third bias electrode 315 is formed on the n-doped region 305-3.

第1のバイアス電極310、第2のバイアス電極314及び第3のバイアス電極315は、第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352との間において、ブリッジ電極316により接続されている。   The first bias electrode 310, the second bias electrode 314, and the third bias electrode 315 are connected by the bridge electrode 316 between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352. .

図3(b)はマッハツェンダ変調器300の第1の位相変調領域351内のA−A´部分の断面図であり、図3(b)に示されるように、マッハツェンダ変調器300の第1の位相変調領域351は、基板301上に形成されたクラッド層312と、クラッド層312上に形成されたコア層311と、コア層311上に形成されたクラッド層313とから構成されている。コア層311は、2つのリブ形のアーム導波路304及び305を形成し、nドープ領域304−1及び305−1と、nドープ領域304−1及び305−1の外側に形成されたpドープ領域304−2及び305−2とから構成されている。   FIG. 3B is a cross-sectional view of the AA ′ portion in the first phase modulation region 351 of the Mach-Zehnder modulator 300, and as shown in FIG. The phase modulation region 351 includes a clad layer 312 formed on the substrate 301, a core layer 311 formed on the clad layer 312, and a clad layer 313 formed on the core layer 311. The core layer 311 forms two rib-shaped arm waveguides 304 and 305. The n-doped regions 304-1 and 305-1 and the p-doped formed outside the n-doped regions 304-1 and 305-1. It consists of regions 304-2 and 305-2.

図3(c)は、マッハツェンダ変調器300の第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352との間の領域であるB−B´部分の断面図である。図3(c)に示されるように、マッハツェンダ変調器300の第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352との間の領域は、基板301上に形成されたクラッド層312と、クラッド層312上に形成されたコア層311と、コア層311上に形成されたクラッド層313とから構成されている。第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352との間の領域の第1のアーム導波路304は、nドープ領域304−1とpドープ領域304−2とのpn接合部と、nドープ領域304−3とpドープ領域304−2とのpn接合部とを接続している。また、第2のアーム導波路305は、nドープ領域305−1とpドープ領域305−2とのpn接合部を、nドープ領域304−1とpドープ領域304−2とのpn接合部とを接続している。ブリッジ電極316は、マッハツェンダ変調器300の第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352との間の領域に、基板301の幅方向に形成されている。   FIG. 3C is a cross-sectional view of a BB ′ portion that is a region between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352 of the Mach-Zehnder modulator 300. As shown in FIG. 3C, a region between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352 of the Mach-Zehnder modulator 300 includes a clad layer 312 formed on the substrate 301, A core layer 311 formed on the cladding layer 312 and a cladding layer 313 formed on the core layer 311 are configured. The first arm waveguide 304 in the region between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352 includes a pn junction between the n-doped region 304-1 and the p-doped region 304-2, The n-doped region 304-3 and the p-doped region 304-2 are connected to the pn junction. The second arm waveguide 305 includes a pn junction between the n-doped region 305-1 and the p-doped region 305-2, and a pn junction between the n-doped region 304-1 and the p-doped region 304-2. Is connected. The bridge electrode 316 is formed in the width direction of the substrate 301 in a region between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352 of the Mach-Zehnder modulator 300.

図3(d)はマッハツェンダ変調器300の第2の位相変調領域352内のC−C´部分の断面図であり、図3(d)に示されるように、マッハツェンダ変調器300の第2の位相変調領域352は、基板301上に形成されたクラッド層312と、クラッド層312上に形成されたコア層311と、コア層311上に形成されたクラッド層313とから構成されている。コア層311は、2つのリブ形のアーム導波路304及び305を形成し、pドープ領域304−2及び305−2と、pドープ領域304−2及び305−2の外側に形成されたnドープ領域304−3及び305−3とから構成されている。   FIG. 3D is a cross-sectional view of a CC ′ portion in the second phase modulation region 352 of the Mach-Zehnder modulator 300. As shown in FIG. The phase modulation region 352 includes a cladding layer 312 formed on the substrate 301, a core layer 311 formed on the cladding layer 312, and a cladding layer 313 formed on the core layer 311. The core layer 311 forms two rib-shaped arm waveguides 304 and 305, and p-doped regions 304-2 and 305-2 and n-doped formed outside the p-doped regions 304-2 and 305-2. It consists of areas 304-3 and 305-3.

図3に示すマッハツェンダ変調器300は、第1の位相変調領域351においては第1のアーム導波路304と第2のアーム導波路305からなるマッハツェンダ干渉計の外側にpドープ領域(304−2及び305−2)が、内側にnドープ領域(304−1及び305−1)が設けられている。一方で第2の位相変調領域352においてはマッハツェンダ干渉計の外側にnドープ領域(304−3及び305−3)が、内側にpドープ領域(304−2及び305−2)が設けられている。このようなpドープ領域とnドープ領域の位置関係にすることで、作製誤差により生じるpn接合位置のズレを第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352とにおいて互いにキャンセルすることができる。   The Mach-Zehnder modulator 300 shown in FIG. 3 includes a p-doped region (304-2 and 304-2) outside the Mach-Zehnder interferometer including the first arm waveguide 304 and the second arm waveguide 305 in the first phase modulation region 351. 305-2) is provided with n-doped regions (304-1 and 305-1) inside. On the other hand, in the second phase modulation region 352, n-doped regions (304-3 and 305-3) are provided outside the Mach-Zehnder interferometer, and p-doped regions (304-2 and 305-2) are provided inside. . By adopting such a positional relationship between the p-doped region and the n-doped region, the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352 cancel each other in the pn junction position caused by a manufacturing error. it can.

例えば、nドープ領域(304−1及び305−1)が図3(a)の紙面下側にズレた場合、第1のアーム導波路304の第1の位相変調領域351のpn接合位置はpドープ領域304―2が大きくなるようにズレるが、第1のアーム導波路304の第2の位相変調領域352のpn接合位置はnドープ領域304−3が大きくなるようにズレる。同様に、第2のアーム導波路305の第1の位相変調領域351のpn接合位置はnドープ領域305−1が大きくなるようにずれるが、第2のアーム導波路305の第2の位相変調領域352のpn接合位置はpドープ領域305−2が大きくなるようにズレる。このように、第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352でのpn接合位置のずれ方を逆転させておくことで、第1のアーム導波路304の位相変化量と第2のアーム導波路305の位相変化量は対称性が保たれる。   For example, when the n-doped regions (304-1 and 305-1) are shifted to the lower side in FIG. 3A, the pn junction position of the first phase modulation region 351 of the first arm waveguide 304 is p. The doped region 304-2 is shifted so as to increase, but the pn junction position of the second phase modulation region 352 of the first arm waveguide 304 is shifted so that the n-doped region 304-3 is increased. Similarly, the pn junction position of the first phase modulation region 351 of the second arm waveguide 305 is shifted so that the n-doped region 305-1 becomes larger, but the second phase modulation of the second arm waveguide 305 is increased. The pn junction position of the region 352 is shifted so that the p-doped region 305-2 becomes larger. As described above, by reversing the shift of the pn junction position between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352, the phase change amount of the first arm waveguide 304 and the second phase modulation region 352 can be reduced. The phase change amount of the arm waveguide 305 is kept symmetrical.

以下では数式を用いて説明する。ある作製誤差によるPN接合位置のズレが生じた場合の、第1のアーム導波路304の第1の位相変調領域、第1のアーム導波路304の第2の位相変調領域、第2のアーム導波路305の第1の位相変調領域、第2のアーム導波路305の第2の位相変調領域、のそれぞれにおける電圧に対する位相変化量の応答特性をφu1(V),φu2(V),φl1(V),φl2(V)とすると、本発明の第1の実施形態に係るマッハツェンダ変調器300の第1のアーム導波路304及び第2のアーム導波路305の出力電界Eu(V)及びEl(V)は、 Below, it demonstrates using numerical formula. When a deviation of the PN junction position due to a manufacturing error occurs, the first phase modulation region of the first arm waveguide 304, the second phase modulation region of the first arm waveguide 304, and the second arm guide Response characteristics of the phase change amount with respect to the voltage in each of the first phase modulation region of the waveguide 305 and the second phase modulation region of the second arm waveguide 305 are φ u1 (V), φ u2 (V), φ Assuming that l1 (V) and φ l2 (V), the output electric fields E u (V) of the first arm waveguide 304 and the second arm waveguide 305 of the Mach-Zehnder modulator 300 according to the first embodiment of the present invention. ) And E l (V) are

と表せる。図3におけるpドープ領域とnドープ領域の位置関係から、 It can be expressed. From the positional relationship between the p-doped region and the n-doped region in FIG.

である。ここで It is. here

とおくと、数式1および数式2は、 Then, Equation 1 and Equation 2 are

となる。数式6および数式7から、上アーム導波路304と下アーム導波路305の出力電界が対称的であり、作製誤差によりpn接合位置のズレによる電圧に対する位相変化量のアーム間非対称性を補償できていることがわかる。 It becomes. From Equation 6 and Equation 7, the output electric fields of the upper arm waveguide 304 and the lower arm waveguide 305 are symmetrical, and the asymmetry between arms of the phase change amount with respect to the voltage due to the deviation of the pn junction position can be compensated by the manufacturing error. I understand that.

図4は、従来の光変調器と第1の実施形態に係る光変調器とを比較するための図で、図4(a)は図1の従来のマッハツェンダ変調器100のコンスタレーションマップを示し、図4(b)は図3のマッハツェンダ変調器300のコンスタレーションマップを示している。2つのコンスタレーションマップはともに4値の振幅位相変調を行った結果の光変調信号の特性である。図4(a)の従来のマッハツェンダ変調器100は作製誤差によりpn接合位置がnドープ領域の方向に設計値から60nmずれた場合である。従来のマッハツェンダ変調器100ではアーム間非対称の影響で4つのシンボル点が弓なりに歪んで並んでおり、値が低いほど信号特性が良いことを示すエラーベクトル振幅(Error Vector Magnitude:EVM)は4.5%であった。一方、第1の実施形態に係るマッハツェンダ変調器300のコンスタレーションマップでは4つのシンボル点が直線的に理想に近い状態で並んでおり、EVMは2.1%と、従来の光変調器と比較して改善が見られていることがわかる。   FIG. 4 is a diagram for comparing the conventional optical modulator and the optical modulator according to the first embodiment, and FIG. 4A shows a constellation map of the conventional Mach-Zehnder modulator 100 of FIG. FIG. 4B shows a constellation map of the Mach-Zehnder modulator 300 of FIG. Both of the two constellation maps are the characteristics of the optical modulation signal as a result of performing quaternary amplitude phase modulation. The conventional Mach-Zehnder modulator 100 of FIG. 4A is a case where the pn junction position is shifted by 60 nm from the design value in the direction of the n-doped region due to manufacturing errors. In the conventional Mach-Zehnder modulator 100, four symbol points are distorted in a bow shape due to the effect of asymmetry between arms, and the lower the value, the better the error vector amplitude (EVM) indicating that the signal characteristics are better. It was 5%. On the other hand, in the constellation map of the Mach-Zehnder modulator 300 according to the first embodiment, the four symbol points are linearly arranged in an almost ideal state, and the EVM is 2.1%, which is compared with the conventional optical modulator. It can be seen that improvement has been seen.

[実施例]
図5は、本発明の第1の実施形態の実施例に係るマッハツェンダ変調器500を示す上面図である。図5のマッハツェンダ変調器500は、セラミック製のパッケージ501に実装されている。光の入出力は入力用光コネクタ502及び出力用光コネクタ503で行う。また、アーム電極521へのRF信号の入力はRFコネクタ504−1により、アーム電極523へのRF信号の入力はRFコネクタ504−2により、アーム電極524へのRF信号の入力はRFコネクタ504−3により、アーム電極525へのRF信号の入力はRFコネクタ504−4により行う。また、マッハツェンダ干渉計の位相調整用のアーム電極521、522、524、525とバイアス電極523、526、527〜530に与える電圧は、DCピン505から入力できるように接続した。入力用光コネクタ502から入力された連続発振光(Continuous Wave Light:CW光)は、光ファイバ506を透過しファイバブロック507により変調器チップ508に入力される。入力されたCW光は変調器チップ508内で変調され光変調信号として出力用光コネクタ503から出力される。
[Example]
FIG. 5 is a top view showing a Mach-Zehnder modulator 500 according to an example of the first embodiment of the present invention. The Mach-Zehnder modulator 500 of FIG. 5 is mounted on a ceramic package 501. Light input / output is performed by the input optical connector 502 and the output optical connector 503. Also, the RF signal input to the arm electrode 521 is input by the RF connector 504-1, the RF signal input to the arm electrode 523 is input by the RF connector 504-2, and the RF signal input to the arm electrode 524 is input by the RF connector 504-. 3, the RF signal is input to the arm electrode 525 through the RF connector 504-4. Further, the voltages applied to the phase adjusting arm electrodes 521, 522, 524, and 525 and the bias electrodes 523, 526, and 527 to 530 of the Mach-Zehnder interferometer were connected so as to be input from the DC pin 505. Continuous wave light (continuous wave light: CW light) input from the input optical connector 502 passes through the optical fiber 506 and is input to the modulator chip 508 by the fiber block 507. The input CW light is modulated in the modulator chip 508 and output from the output optical connector 503 as an optical modulation signal.

変調器チップ508はシリコン基板上に形成された光導波路と電極から構成される。光導波路はリブ型シリコンをコアとして石英系ガラスをクラッドとして用いた。コア断面の高さは250μm、幅は600μmとし、スラブ部の厚さは100μmとした。pドープ領域はボロンを注入して形成し、nドープ領域はリンを注入して形成した。変調器チップ508上には本発明の第1の実施形態に係るマッハツェンダ変調器300を並列に2個搭載し、入力された光を1×2光カプラにより分岐して2個のマッハツェンダ変調器それぞれに入力し、2個のマッハツェンダ変調器それぞれからの出力を2×1光カプラにより合波して出力している。2個のマッハツェンダ変調器のそれぞれの一方のアームには位相調整ヒータ509−1及び509−2を設け、変調器チップ508にいわゆるIQ変調器としての機能を持たせた。変調器チップ508上の電極とパッケージ501との電気的な接続はワイヤボンディングにより行った。また、アーム電極521の終端は抵抗値50Ωのチップ抵抗510−1を接続し、アーム電極522の終端は抵抗値50Ωのチップ抵抗510−2を接続し、アーム電極524の終端は抵抗値50Ωのチップ抵抗510−3を接続し、アーム電極525の終端は抵抗値50Ωのチップ抵抗510−4を接続している。アーム電極521、522、524及び525はチップ抵抗510−1〜4とワイヤボンディングにより接続され、アーム電極及びバイアス電極の電極材料はアルミニウムを用いた。チップ抵抗510−1〜510−4は、パッケージ501上に実装された終端基板511に搭載されている。   The modulator chip 508 is composed of an optical waveguide and an electrode formed on a silicon substrate. For the optical waveguide, rib-type silicon was used as a core and quartz glass was used as a cladding. The height of the core cross section was 250 μm, the width was 600 μm, and the thickness of the slab part was 100 μm. The p-doped region was formed by implanting boron, and the n-doped region was formed by implanting phosphorus. On the modulator chip 508, two Mach-Zehnder modulators 300 according to the first embodiment of the present invention are mounted in parallel, and the input light is branched by a 1 × 2 optical coupler, and each of the two Mach-Zehnder modulators is split. The outputs from the two Mach-Zehnder modulators are combined by a 2 × 1 optical coupler and output. Phase adjustment heaters 509-1 and 509-2 are provided on one arm of each of the two Mach-Zehnder modulators, and the modulator chip 508 has a function as a so-called IQ modulator. Electrical connection between the electrode on the modulator chip 508 and the package 501 was performed by wire bonding. The end of the arm electrode 521 is connected to a chip resistor 510-1 having a resistance value of 50Ω, the end of the arm electrode 522 is connected to a chip resistor 510-2 having a resistance value of 50Ω, and the end of the arm electrode 524 is connected to a resistor having a resistance value of 50Ω. The chip resistor 510-3 is connected, and the end of the arm electrode 525 is connected to the chip resistor 510-4 having a resistance value of 50Ω. The arm electrodes 521, 522, 524, and 525 were connected to the chip resistors 510-1 to 510-4 by wire bonding, and aluminum was used as an electrode material for the arm electrode and the bias electrode. Chip resistors 510-1 to 510-4 are mounted on a termination substrate 511 mounted on the package 501.

図6は、従来の光変調器と本実施例に係る光変調器とを比較するための図で、図6(a)は従来のマッハツェンダ変調器100のコンスタレーションマップを示し、図6(b)は図5のマッハツェンダ変調器500のコンスタレーションマップを示している。2個のコンスタレーションマップはどちらも16QAM信号を生成したときの結果である。従来のマッハツェンダ変調器100は作製誤差によりpn接合位置がnドープ領域の方向に設計値から60nmずれた場合である。図6(a)の従来のマッハツェンダ変調器100のコンスタレーションマップはpn接合位置の作製誤差の影響でシンボル点の並びが歪んでおり、EVMは6.3%だった。一方、図6(b)の図5のマッハツェンダ変調器500の出力光信号のコンスタレーションマップではシンボル点が直線状に整列しており、EVMは2.8%とpn接合位置の作製誤差の影響による信号品質劣化が補償できていることがわかる。マッハツェンダ変調器500の駆動時は、各マッハツェンダ変調器は光が最小透過となる位相状態になるように位相調整ヒータに電圧を与え、2個のマッハツェンダ変調器の出力光の位相に90度の位相差を与えた。また、入力したRF信号の振幅は3Vppdとし、パターンは9段の擬似ランダムパルス信号とした。   FIG. 6 is a diagram for comparing the conventional optical modulator and the optical modulator according to the present embodiment. FIG. 6A shows a constellation map of the conventional Mach-Zehnder modulator 100, and FIG. ) Shows a constellation map of the Mach-Zehnder modulator 500 of FIG. Both of the two constellation maps are the results when a 16QAM signal is generated. In the conventional Mach-Zehnder modulator 100, the pn junction position is shifted by 60 nm from the design value in the direction of the n-doped region due to a manufacturing error. In the constellation map of the conventional Mach-Zehnder modulator 100 shown in FIG. 6A, the arrangement of the symbol points is distorted due to the production error of the pn junction position, and the EVM is 6.3%. On the other hand, in the constellation map of the output optical signal of the Mach-Zehnder modulator 500 of FIG. 5 in FIG. 6B, the symbol points are aligned in a straight line, and EVM is 2.8%, which is the influence of the production error of the pn junction position. It can be seen that the signal quality deterioration due to can be compensated. When the Mach-Zehnder modulator 500 is driven, each Mach-Zehnder modulator applies a voltage to the phase adjustment heater so that light is in a phase state where light is transmitted through a minimum, and the phase of the output light of the two Mach-Zehnder modulators is about 90 degrees. A phase difference was given. The amplitude of the input RF signal was 3 Vppd, and the pattern was a 9-stage pseudo random pulse signal.

図3のマッハツェンダ変調器300においてはpドープ領域とnドープ領域の位置を一意に固定したが、本発明に係るマッハツェンダ変調器はこの例に限定されるものではなく、pドープ領域とnドープ領域を反転させても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 300 of FIG. 3, the positions of the p-doped region and the n-doped region are uniquely fixed. However, the Mach-Zehnder modulator according to the present invention is not limited to this example. May be reversed.

図3のマッハツェンダ変調器300においては第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352との位置関係は、入力用光ポートに近い側を第1の位相変調領域351としたが、本発明に係るマッハツェンダ変調器はこの例に限定されるものではなく、上記説明の第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352の位置関係が逆転した構成であっても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 300 of FIG. 3, the positional relationship between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352 is the first phase modulation region 351 on the side close to the input optical port. The Mach-Zehnder modulator according to the invention is not limited to this example, and may have a configuration in which the positional relationship between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352 described above is reversed.

図3のマッハツェンダ変調器300においては1×2光カプラ303または2×1光カプラ306として1×2マルチモード干渉計(Multi Mode Interfermeter,MMI)を用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、Y分岐の導波路であっても構わないし、2×2MMIであっても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 300 of FIG. 3, a 1 × 2 multimode interferometer (Multi Mode Interferometer, MMI) is used as the 1 × 2 optical coupler 303 or the 2 × 1 optical coupler 306. However, the optical modulator according to the present invention is The present invention is not limited to this example, and may be a Y-branch waveguide or a 2 × 2 MMI.

図5のマッハツェンダ変調器500においてはRF電極の終端抵抗として50Ωのチップ抵抗を用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えば25Ωのチップ抵抗であってもよいし、50Ωの基板上に作製された抵抗素子でもよい。   In the Mach-Zehnder modulator 500 of FIG. 5, a 50Ω chip resistor is used as the termination resistance of the RF electrode. However, the optical modulator according to the present invention is not limited to this example, for example, a 25Ω chip resistor. Alternatively, a resistive element manufactured on a 50Ω substrate may be used.

図5のマッハツェンダ変調器500においてはマッハツェンダ変調器が1つの基板に集積されている光変調器を用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えば変調導波路部分のみ集積されていて1×2光カプラ等の機能素子は別個の部品で構成されていても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 500 of FIG. 5, an optical modulator in which the Mach-Zehnder modulator is integrated on one substrate is used. However, the optical modulator according to the present invention is not limited to this example. Only the waveguide portion may be integrated, and the functional element such as a 1 × 2 optical coupler may be formed of separate components.

図5のマッハツェンダ変調器500においてはマッハツェンダ変調器の材料はコアをシリコンとしクラッドを石英系ガラスとしたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えば窒化ガリウムなどの化合物半導体材料であってもよいし、ポリマーなどの有機物であっても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 500 of FIG. 5, the material of the Mach-Zehnder modulator is silicon as the core and the clad is quartz-based glass. However, the optical modulator according to the present invention is not limited to this example. The compound semiconductor material may be an organic material such as a polymer.

図5のマッハツェンダ変調器500においては電極材料としてアルミを用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えば金や銅などの別の金属であっても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 500 of FIG. 5, aluminum is used as the electrode material. However, the optical modulator according to the present invention is not limited to this example, and may be another metal such as gold or copper. Absent.

図3のマッハツェンダ変調器300においては第1の位相変調領域351と第2の位相変調領域352の間で第1のアーム導波路304及び第2のアーム導波路305を曲げてpドープ領域とnドープ領域の位置関係を逆転させたが、本発明に係るマッハツェンダ変調器はこの例に限定されるものではなく、例えばアーム電極を曲げてpドープ領域とnドープ領域の位置関係を逆転させても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 300 of FIG. 3, the first arm waveguide 304 and the second arm waveguide 305 are bent between the first phase modulation region 351 and the second phase modulation region 352, and the p-doped region and n Although the positional relationship of the doped region is reversed, the Mach-Zehnder modulator according to the present invention is not limited to this example. For example, the positional relationship between the p-doped region and the n-doped region may be reversed by bending the arm electrode. I do not care.

図5のマッハツェンダ変調器500においてはドープ領域を作製するときの不純物としてリンとボロンを用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えばアンチモンやヒ素などであっても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 500 shown in FIG. 5, phosphorus and boron are used as impurities when forming the doped region. However, the optical modulator according to the present invention is not limited to this example. For example, antimony or arsenic is used. It does not matter.

図5のマッハツェンダ変調器500においてはパッケージ材料としてセラミックを用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、銅タングステンなどの金属材料であっても構わないし、プラスチックなどの樹脂であっても構わない。   In the Mach-Zehnder modulator 500 of FIG. 5, ceramic is used as the package material. However, the optical modulator according to the present invention is not limited to this example, and may be a metal material such as copper tungsten or plastic. It may be a resin such as

[第2の実施形態]
図7は、本発明の第2の実施形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器700の構成を示す上面図である。図7のマッハツェンダ変調器700は、入力用光ポートに近い第1の位相変調領域の長さが、第1の位相変調領域751の長さと第2の位相変調領域752の長さとの合計の30%乃至50%の割合を占めていることを特徴としている。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a top view showing a configuration of a Mach-Zehnder modulator 700 which is an optical modulator according to the second embodiment of the present invention. In the Mach-Zehnder modulator 700 of FIG. 7, the length of the first phase modulation region near the input optical port is 30 which is the sum of the length of the first phase modulation region 751 and the length of the second phase modulation region 752. It occupies a percentage of 50% to 50%.

以下の説明では、第1の位相変調領域751の長さと第2の位相変調領域752の長さの合計を単に全長と表し、入力用光ポートに近い側の変調領域の長さを前半領域長と表す。RF信号を印加するアーム電極は、基板材料のもつ比誘電率や導電率に依存する損失をもつ。第1の位相変調領域と第2の位相変調領域とで、製造誤差の影響を厳密にキャンセルするためには、各々の領域内でのRF振幅の積分値が等しい必要があるため、入力に近い側の位相変調領域長は入力から遠い側の位相変調領域より短いほうがよい。   In the following description, the sum of the length of the first phase modulation region 751 and the length of the second phase modulation region 752 is simply expressed as the total length, and the length of the modulation region closer to the input optical port is the first half region length. It expresses. The arm electrode to which the RF signal is applied has a loss depending on the relative permittivity and conductivity of the substrate material. In order to cancel the influence of the manufacturing error strictly in the first phase modulation region and the second phase modulation region, the integral value of the RF amplitude in each region needs to be equal, so that it is close to the input. The length of the phase modulation area on the side should be shorter than that on the side far from the input.

図8は、本発明の第2の実施形態においてマッハツェンダ変調器の全長に対する前半領域長の割合とEVMの関係を示す図であり、図8(a)は位相変調領域全長に対する前半領域長の割合によってEVMが変化する様子を示し、図8(b)は、シンボルレートで規格化した3dB帯域と全長に対する前半領域長の割合の最適点の関係を示している。図8(a)において、シンボルレートで規格化した3dB帯域が0.1、0.2、0.6、1のときをプロットしている。シンボルレートで規格化した3dB帯域が0.1未満の場合は信号帯域に対して3dB帯域が極端に小さく現実的には使用不可能であるため除外した。図8(a)において、各々のカーブは全長に対する前半領域長の割合が特定の値のときにEVMが最小値をとり、EVMが最小値をとる全長に対する前半領域長の割合(最適点)はシンボルレートで規格化した3dB帯域毎に異なる。図8(b)において、全長に対する前半領域長の割合の最適点は、3dB帯域によって変化するが現実的な3dB帯域の範囲において0.3から0.5の範囲内にあることがわかる。このような構成であっても、本発明に係る光変調器の効果を奏する。   FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the ratio of the first half area length to the total length of the Mach-Zehnder modulator and the EVM in the second embodiment of the present invention, and FIG. 8A shows the ratio of the first half area length to the total length of the phase modulation area. FIG. 8B shows the relationship between the 3 dB band normalized by the symbol rate and the optimum point of the ratio of the first half area length to the total length. In FIG. 8A, plots are made when the 3 dB band normalized by the symbol rate is 0.1, 0.2, 0.6, and 1. When the 3 dB band normalized by the symbol rate is less than 0.1, the 3 dB band is extremely small with respect to the signal band, so that it is practically impossible to use. In FIG. 8A, each curve has a minimum value when the ratio of the first half area length to the total length is a specific value, and the ratio (optimum point) of the first half area length to the total length where the EVM has the minimum value is Different for each 3 dB band normalized by the symbol rate. In FIG. 8B, it can be seen that the optimum point of the ratio of the first half region length to the total length varies depending on the 3 dB band, but is within the range of 0.3 to 0.5 in the realistic 3 dB band range. Even with such a configuration, the effect of the optical modulator according to the present invention is exhibited.

[第3の実施形態]
図9は、本発明の第3の実施形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器900の構成を示す図で、図9(a)はマッハツェンダ変調器900の上面図であり、図9(b)はマッハツェンダ変調器900のA−A´における断面図であり、図9(c)はB−B´における断面図である。図9のマッハツェンダ変調器900は、第1のバイアス電極910、第2のバイアス電極914及び第3のバイアス電極915が第1の位相変調領域951と第2の位相変調領域952との全長に渡って形成されている。ここで、図9(b)の第1の位相変調領域951のA−A’断面図に示されるように、第2のバイアス電極914はコア層911に接続しておらず、また第3のバイアス電極915もコア層911に接続していない。一方で、図9(c)の第2の位相変調領域952のB−B’断面図に示されるように、第1のバイアス電極910はコア層911に接続していない。
[Third Embodiment]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a Mach-Zehnder modulator 900 which is an optical modulator according to the third embodiment of the present invention. FIG. 9A is a top view of the Mach-Zehnder modulator 900, and FIG. ) Is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the Mach-Zehnder modulator 900, and FIG. 9C is a cross-sectional view taken along line BB ′. In the Mach-Zehnder modulator 900 of FIG. 9, the first bias electrode 910, the second bias electrode 914, and the third bias electrode 915 extend over the entire length of the first phase modulation region 951 and the second phase modulation region 952. Is formed. Here, as shown in the AA ′ cross-sectional view of the first phase modulation region 951 in FIG. 9B, the second bias electrode 914 is not connected to the core layer 911, and The bias electrode 915 is also not connected to the core layer 911. On the other hand, the first bias electrode 910 is not connected to the core layer 911 as shown in the BB ′ sectional view of the second phase modulation region 952 in FIG.

RF信号を印加するアーム電極は、周囲の電極との構造的な関係性で特性インピーダンスが決まるため、第1の位相変調領域と第2の位相変調領域とで電極構造を統一することにより、位相変調領域間の特性インピーダンスのミスマッチが小さく抑えられ、良好な変調特性を得ることができる。このような構成であっても、本発明に係る光変調器の効果を奏する。   The arm electrode to which the RF signal is applied has a characteristic impedance determined by the structural relationship with the surrounding electrodes. Therefore, by unifying the electrode structure in the first phase modulation region and the second phase modulation region, The mismatch of characteristic impedance between the modulation regions is suppressed to a small level, and good modulation characteristics can be obtained. Even with such a configuration, the effect of the optical modulator according to the present invention is exhibited.

101、301、701、901 基板
102、302、702、902 入力用光ポート
103、303、703、903 1×2光カプラ
104、105、304、305、704、705、904、905 アーム導波路
104−1、105−1、304−1、305−1、304−3、305−3、904−1、905−1、904−3、905−3 nドープ領域
104−2、105−2、304−2、305−2、904−2、905−2 pドープ領域
106、306、706、906 2×1光カプラ
107、307、707、907 出力用光ポート
108、109、308、309、521、522、524、525、708、709、908、909 アーム電極
110、310、314、315、523、526、527〜530、710、714、715、910、914、915 バイアス電極
111、311、711、911 コア層
112、113、312、313、712、713、912、913 クラッド層
316、716、916−1〜916−5 ブリッジ電極
351、751、951 第1の位相変調領域
352、752、952 第2の位相変調領域
501 パッケージ
502 入力用光コネクタ
503 出力用光コネクタ
504−1〜504−4 RFコネクタ
505 DCピン
506 光ファイバ
507 ファイバブロック
508 変調器チップ
509−1、509−2 位相調整ヒータ
510−1〜510−4 チップ抵抗
511 終端基板
101, 301, 701, 901 Substrate 102, 302, 702, 902 Input optical port 103, 303, 703, 903 1 × 2 optical coupler 104, 105, 304, 305, 704, 705, 904, 905 Arm waveguide 104 -1, 105-1, 304-1, 305-1, 304-3, 305-3, 904-1, 905-1, 904-3, 905-3 n-doped regions 104-2, 105-2, 304 -2, 305-2, 904-2, 905-2 p-doped regions 106, 306, 706, 906 2 × 1 optical couplers 107, 307, 707, 907 Output optical ports 108, 109, 308, 309, 521, 522, 524, 525, 708, 709, 908, 909 Arm electrodes 110, 310, 314, 315, 523, 526, 527-530 , 710, 714, 715, 910, 914, 915 Bias electrode 111, 311, 711, 911 Core layer 112, 113, 312, 313, 712, 713, 912, 913 Clad layer 316, 716, 916-1 to 916 5 Bridge electrodes 351, 751, 951 First phase modulation area 352, 752, 952 Second phase modulation area 501 Package 502 Input optical connector 503 Output optical connector 504-1 to 504-4 RF connector 505 DC pin 506 Optical fiber 507 Fiber block 508 Modulator chips 509-1 and 509-2 Phase adjusting heaters 510-1 to 510-4 Chip resistor 511 Termination substrate

Claims (7)

基板上に形成された、入力光を2分岐する光カプラと、
前記基板上に形成され、光の導波方向に沿ってpn接合部を有し、前記光カプラから分岐光の一方を導波する第1のアーム導波路と、
前記基板上に形成され、光の導波方向に沿ってpn接合部を有し、前記光カプラから分岐光の他方を導波する第2のアーム導波路と、
前記基板上に形成され、前記第1のアーム導波路からの光と前記第2のアーム導波路からの光を合波する光カプラと
を備える光変調器であって、
前記第1及び前記第2のアーム導波路の光の入力側は第1の位相変調領域であり、
前記第1及び前記第2のアーム導波路の光の出力側は第2の位相変調領域であり、
前記第1の位相変調領域における前記第1のアーム導波路と、前記第2の位相変調領域における前記第1のアーム導波路とは、pドープ領域とnドープ領域とが反対の位置にあり、
前記第1の位相変調領域における前記第2のアーム導波路と、前記第2の位相変調領域における前記第2のアーム導波路とは、pドープ領域とnドープ領域とが反対の位置にあることを特徴とする光変調器。
An optical coupler formed on the substrate for splitting the input light into two branches;
A first arm waveguide formed on the substrate, having a pn junction along a light guiding direction, and guiding one of the branched lights from the optical coupler;
A second arm waveguide formed on the substrate, having a pn junction along a light guiding direction, and guiding the other of the branched light from the optical coupler;
An optical modulator comprising: an optical coupler formed on the substrate and configured to multiplex light from the first arm waveguide and light from the second arm waveguide;
The light input sides of the first and second arm waveguides are first phase modulation regions,
The light output side of the first and second arm waveguides is a second phase modulation region,
In the first arm waveguide in the first phase modulation region and the first arm waveguide in the second phase modulation region, the p-doped region and the n-doped region are in opposite positions,
The second arm waveguide in the first phase modulation region and the second arm waveguide in the second phase modulation region have p-doped regions and n-doped regions in opposite positions. An optical modulator characterized by.
前記第1の位相変調領域及び前記第1の位相変調領域のいずれか一方の位相変調領域における前記第1及び前記第2のアーム導波路は、前記基板縁側がpドープ領域であり、前記第1の位相変調領域及び前記第1の位相変調領域のいずれか他方の位相変調領域における前記第1及び前記第2のアーム導波路は、前記基板の縁側がnドープ領域であることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。   The first and second arm waveguides in any one of the first phase modulation region and the first phase modulation region have a p-doped region on the substrate edge side, and The first and second arm waveguides in the other phase modulation region of the first phase modulation region and the first phase modulation region have an n-doped region on the edge side of the substrate. Item 4. The optical modulator according to Item 1. 前記基板の縁側がpドープ領域である前記第1及び前記第2のアーム導波路を有する位相変調領域は、前記第1のアーム導波路と前記第2のアーム導波路との間に形成された1のバイアス電極と、前記第1のアーム導波路の前記基板縁側と前記第2のアーム導波路の前記基板縁側とに形成されたRF信号を印加するアーム電極とを備え、
前記基板の縁側がnドープ領域である前記第1及び前記第2のアーム導波路を有する位相変調領域は、前記第1のアーム導波路と前記第2のアーム導波路との間に形成された2本のRF信号を印加するアーム電極と、前記第1のアーム導波路の前記基板縁側と前記第2のアーム導波路の前記基板縁側とに形成されたバイアス電極とを備えることを特徴とする請求項2に記載の光変調器。
The phase modulation region having the first and second arm waveguides in which the edge side of the substrate is a p-doped region is formed between the first arm waveguide and the second arm waveguide. 1 bias electrode, and an arm electrode for applying an RF signal formed on the substrate edge side of the first arm waveguide and the substrate edge side of the second arm waveguide,
The phase modulation region having the first and second arm waveguides whose edge side of the substrate is an n-doped region is formed between the first arm waveguide and the second arm waveguide. An arm electrode for applying two RF signals; and a bias electrode formed on the substrate edge side of the first arm waveguide and on the substrate edge side of the second arm waveguide. The optical modulator according to claim 2.
前記基板の縁側がpドープ領域である前記第1及び前記第2のアーム導波路を有する位相変調領域の前記バイアス電極と、前記基板の縁側がnドープ領域である前記第1及び前記第2のアーム導波路を有する位相変調領域の前記バイアス電極とは、ブリッジ電極により接続されることを特徴とする請求項3に記載の光変調器。   The bias electrode in the phase modulation region having the first and second arm waveguides where the edge side of the substrate is a p-doped region, and the first and second regions where the edge side of the substrate is an n-doped region The optical modulator according to claim 3, wherein the bias electrode in the phase modulation region having an arm waveguide is connected by a bridge electrode. 前記第1の位相変調領域の長さは、前記第1の位相変調領域の長さと前記第2の位相変調領域の長さとの合計の30乃至50%であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光変調器。   The length of the first phase modulation region is 30 to 50% of the total of the length of the first phase modulation region and the length of the second phase modulation region. 5. The optical modulator according to any one of 4 above. 前記バイアス電極は、前記第1及び第2の位相変調領域の長さの合計と同一の長さを有することを特徴とする請求項3又は4に記載の光変調器。   5. The optical modulator according to claim 3, wherein the bias electrode has a length equal to a total length of the first and second phase modulation regions. 前記基板は、単一の基板であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光変調器。   The optical modulator according to claim 1, wherein the substrate is a single substrate.
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