JP2017142487A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な回路構成で光導波路アームにそれぞれ入力される電気信号の振幅差を小さくすることが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】光変調器は、入射された連続光を分波させる光分波器１２０と、分波された連続光が伝搬する光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０と、光にπの位相差を付加する光位相πシフタ１４０と、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０の後段に配置され、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０を伝搬する連続光を合波させる光合波器１３０と、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ電気信号を入力する信号電極１５０および信号電極１６０と、信号電極１５０および信号電極１６０の少なくとも一方に、シャントに接続された接合容量１９０と、接合容量１９０に直流電圧を印加する直流電圧源２００とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器を制御する技術に関し、特にマッハツェンダー型光変調器に適用可能な技術に関するものである。

近年、データ通信量の急激な増大に対応して、光通信システムの大容量化が進められている。光通信システムのキーデバイスとして、半導体レーザが広く利用されており、光信号の伝送距離に応じて強度変調または位相変調を行っている。メトロネットワーク（都市内通信）またはＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）ネットワークなどの１００ｋｍ以下の中・短距離光伝送システムでは小型なデバイスが求められており、強度変調レーザが広く利用されている。一方、コアネットワーク（都市間通信）などの１００ｋｍ以上の長距離光伝送システムでは、高速動作と長距離伝送を両立する位相変調レーザの利用が始まっている。

位相変調レーザとして、マッハツェンダー型光変調器（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、以下「ＭＺＭ」と称す）が広く利用されている。位相変調ＭＺＭは、電気のデジタル信号を光のデジタル信号に変換するデバイスであり、半導体レーザからの連続（ＣＷ）光の出力を電気信号により量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）の屈折率を変化させることで位相変調を行っている。

ＭＺＭにおいて良好な光特性を得るには、Ｙ分岐後の２本の光導波路アームに入力する電気信号の振幅差を小さくするのが良い。なぜならば、振幅差が大きい場合、光出力の低下、消光比の低下およびノイズの増大が問題となるからである。また、光導波路アームにそれぞれ入力される電気信号の位相差も小さくすることで、伝送後の信号判定エラーを低減することができる。

ただし、素子のチップレイアウトの制約上、信号電極の入力端から光導波路アームに電気信号が入力するまでの電極パターンは光導波路アーム毎に異なる。そのため、光導波路アームに入力される電気信号の振幅および位相は光導波路アーム毎に異なる事態を招来する。

電気信号の位相差については、ＭＺＭ素子を実装するモジュール基板において電気長を調整することにより容易に小さくすることができる。しかし一方で、電気信号の振幅差については、前記モジュール基板のパターン変更による調整が難しい。なぜならば、電気信号の損失を小さくするために、低損失なモジュール基板が広く利用されているからである。したがって、ＭＺＭ素子において電気信号の振幅差が小さくなるように素子の構成を工夫する必要がある。

そこで、電気信号の振幅差を小さくするために、例えば特許文献１に記載の技術では、入力信号調整領域を設け、２本の光導波路アームにそれぞれ入力する電気信号の振幅が等しくなるように調整している。

特開２０１４−１７８４８０号公報

しかしながら、特許文献１には、入力信号調整領域の具体的な構造および調整方法については開示されていない。

そこで、本発明は、簡易な回路構成で光導波路アームにそれぞれ入力される電気信号の振幅差を小さくすることが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る光変調器は、半導体レーザから入射された連続光に対して、電気信号により第１および第２の光導波路アームの量子井戸の屈折率を変化させることで位相変調を行うマッハツェンダー型の光変調器であって、前記入射された連続光を分波させる光分波器と、前記分波された連続光が伝搬する前記第１および第２の光導波路アームと、前記第１および第２の光導波路アーム上の少なくとも一方に配置され、光にπの位相差を付加する光位相シフタと、前記第１および第２の光導波路アームの後段に配置され、前記第１および第２の光導波路アームを伝搬する連続光を合波させる光合波器と、前記第１および第２の光導波路アームにそれぞれ電気信号を入力する第１および第２の信号電極と、前記第１および第２の信号電極の少なくとも一方に、シャントに接続された接合容量と、前記接合容量に直流電圧を印加する直流電圧源とを備えたものである。

本発明によれば、直流電圧源が接合容量に直流電圧を印加し接合容量の値を制御することで、第１の光導波路アームおよび第２の光導波路アームの少なくとも一方に入力される電気信号の振幅値が制御されるため、簡易な回路構成で第１および第２の光導波路アームにそれぞれ入力される電気信号の振幅差を小さくすることができる。

実施の形態１に係る光変調器の構成図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図１のＢ−Ｂ’線断面図である。 出射光の出力と位相との関係図である。 接合容量の値と逆バイアスとの関係図である。 接合容量の断面図である。 ２本の光導波路アームに入力される電気信号の振幅差Ａ_Ｃと周波数との関係図である。 ２本の光導波路アームに入力される電気信号の位相差θ_Ｃと周波数との関係図である。 実施の形態１に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。 実施の形態１に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。 接合容量の他の構成を示す断面図である。 接合容量の他の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る光変調器の構成図である。 実施の形態２に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。 実施の形態２に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。 実施の形態２に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。 実施の形態３に係る光変調器の構成図である。 実施の形態３に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。 実施の形態３に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。 実施の形態３に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る光変調器の構成図である。

図１に示すように、実施の形態１に係る光変調器は、マッハツェンダー型光変調器（ＭＺＭ）であり、入射端子１７０と、光分波器１２０と、光導波路アーム１００，１１０と、光位相πシフタ１４０と、光合波器１３０と、出射端子１８０と、信号電極１５０，１６０と、接合容量１９０と、直流電圧源２００とを備えている。

入射端子１７０は、半導体レーザからの連続光が入射される。光分波器１２０は、半導体レーザから入射された連続光を分波させる。光分波器１２０により分波された連続光は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０を伝搬する。光位相πシフタ１４０（光位相シフタ）は、光導波路アーム１００（第２の光導波路アーム）上の終端側に配置され、光にπの位相差を付加することで光の位相をπ反転させる。光合波器１３０は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０の後段、より具体的には、光位相πシフタ１４０の後段に配置され、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０（第１の光導波路アーム）を伝搬する連続光を合波させる。出射端子１８０は、光合波器１３０により合波された連続光を出射する。

信号電極１５０（第２の信号電極）および信号電極１６０（第１の信号電極）は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ電気信号を入力する。接合容量１９０は、信号電極１６０に対してシャントに接続されている。直流電圧源２００は、接合容量１９０に直流電圧を印加し接合容量１９０の値を制御する。なお、光位相πシフタ１４０は、光導波路アーム１００上の終端側の代わりに、光導波路アーム１１０上の終端側に配置されてもよい。

次に、実施の形態１に係る光変調器の動作について説明する。光変調器は、半導体レーザから入射された連続光に対して、電気信号により光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０の量子井戸の屈折率を変化させることで位相変調を行う。

以下、光変調器の動作について詳細に説明する。半導体レーザから入射端子１７０に入射された連続光は、光分波器１２０により同相で２分波され、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０をそれぞれ伝搬する。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図であり、すなわち、端面Ａ−Ａ’の断面構造を示す図である。図２に示すように、半絶縁性基板１０５上にｎ型半導体層１０３、活性層１０２およびｐ型半導体層１０１が順に積層され、これらを覆うように絶縁膜１０４が形成されている。光導波路アーム１００は、ｐ型半導体層１０１、活性層１０２およびｎ型半導体層１０３の３層構造である。光導波路アーム１１０は、ｐ型半導体層１１１、活性層１１２およびｎ型半導体層１０３の３層構造である。光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０を伝搬する光は、それぞれ活性層１０２および活性層１１２中を伝搬する。

信号電極１５０および信号電極１６０には差動の電気信号が入力され、信号電極１５０および信号電極１６０の特性インピーダンスと同じ抵抗値で終端される。信号電極１５０はシグナル（Ｓｉｇｎａｌ）電極１５１とグランド（ＧＮＤ）電極１５２で構成され、信号電極１６０はシグナル電極１６１とグランド電極１６２で構成される。

光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０を伝搬する光は、図１に示した端面Ｂ−Ｂ’から端面Ｃ−Ｃ’までの間において、電気信号に基づいて変調される。図３は、図１のＢ−Ｂ’線断面図であり、すなわち、端面Ｂ−Ｂ’の断面構造を示す図である。図３に示すように、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０と信号電極１５０および信号電極１６０は、端面Ｂ−Ｂ’から端面Ｃ−Ｃ’までの間においてのみ接続される。そして、電気信号に基づいて、活性層１０２および活性層１１２内に形成した量子井戸の屈折率を変化させることで、光の位相を変化させる。尚、端面Ｂ−Ｂ’から端面Ｃ−Ｃ’までの断面構造は図３に示した断面構造と同じである。

具体的には、変調前の端面Ｂ−Ｂ’における光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０を伝搬する光の位相は同相であるが、変調後の端面Ｃ−Ｃ’における光の位相が逆相となるように制御する。このとき、端面Ｃ−Ｃ’における光導波路アーム１００における光の位相は（０、π）、光導波路アーム１１０における光の位相は（π、０）となる。

さらに、光位相πシフタ１４０により、光導波路アーム１００を伝搬する光の位相をπ反転させる。そして、光合波器１３０により、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０をそれぞれ伝搬する光を合波することで、位相が（０、π）に変調された光が出射端子１８０から出射する。このようにして、電気信号はＭＺＭから出射される光の位相として現れることにより、電気−光変換が行われる。

光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ入力される電気信号、つまり端面Ｂ−Ｂ’における電気信号に振幅差がない場合は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０を伝搬する光の位相は変調後の端面Ｃ−Ｃ’において逆相（位相差π）となる。しかしながら、電気信号に振幅差がある場合は、光の位相差はπ−δ（δは正）となり、逆相関係にはならない。その結果、光合波器１３０において同相で合波することができず、光の位相差δ分だけ出射光の出力が低下してしまう。

図４は、出射光の出力と位相との関係図である。図４に示すように、電気信号の振幅差がない場合は、出射光は位相（０、π）で出力が最大となる。しかし、電気信号に振幅差がある場合は、図１に示した端面Ｃ−Ｃ’における光の位相差がπ−δとなることから、出射光の位相は（δ／２、π−δ／２）となり、光出力が低下する。さらに、光出力の低下に伴い、消光比も低下する。また、光位相の変化量に対する光出力の変化量は小さい方がノイズの影響は小さく、図４より、光位相が（０、π）のときに最小となる。したがって、電気信号に振幅差がある場合はノイズの影響も大きくなる。以上、（１）光出力、（２）消光比および（３）ノイズ耐性の観点から、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される、つまり図１に示した端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくすることが重要である。

しかしながら、図１に示したように、素子のチップレイアウトの制約上、信号電極１５０および信号電極１６０の入力端から光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に電気信号が入力されるまでの電極パターンは光導波路アーム毎に異なる。そのため、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ入力される電気信号に振幅差が生じてしまう。

そこで、図１に示したように、直流電圧源２００から供給される電圧の大きさに応じて、入力側の信号電極１６０に対してシャントに接続された接合容量１９０の値を変化させる（制御する）ことで、光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅を制御する。

図５は、接合容量１９０の値と逆バイアスとの関係図である。図５に示すように、接合容量１９０の値は逆バイアスに対して非線形に変化する。したがって、直流電圧源２００から供給される電圧の値に基づいて、光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅を制御することで、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ入力される電気信号の振幅差を小さくすることができる。

次に、接合容量１９０の構造について説明する。図６は、接合容量１９０の断面図である。図６に示すように、接合容量１９０は、半絶縁性基板１０５、ｐ型半導体層１９１、ｎ型半導体層１９３、絶縁膜１９４およびＤＣ電極１９５を備え、ｐ型半導体層１９１とｎ型半導体層１９３とのｐ−ｎ接合を含む構造である。

接合容量１９０の動作について説明する。直流電圧源２００により、接合容量１９０に逆バイアスを印加することによりｐ−ｎ接合界面の空乏層領域を変化させることで、接合容量１９０の値が変化する（制御される）。したがって、直流電圧源２００から供給される電圧の大きさに基づいて、接合容量１９０の値を制御することができるため、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される、つまり図１に示した端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくことができる。

図７は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅差Ａ_Ｃと周波数との関係図である。ここでは、振幅差Ａ_Ｃを、振幅値Ａ_１１０（光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅値）−振幅値Ａ_１００（光導波路アーム１００に入力される電気信号の振幅値）と定義する。図中、実線が実施の形態１に係る光変調器におけるＡ_Ｃ、点線が従来の光変調器におけるＡ_Ｃを示す。

図７に示すように、従来の光変調器ではＡ_１１０＞Ａ_１００であることから、実施の形態１に係る光変調器では、信号電極１６０に対してシャントに接続された接合容量１９０により電気信号の損失量を制御する。その結果、直流電圧源２００から供給される電圧の値を最適に設定することで、実施の形態１に係る光変調器では、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ入力される電気信号の振幅差が改善することを確認できた。

図８は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の位相差θ_Ｃと周波数との関係図である。ここでは、位相差θ_Ｃを、位相θ_１１０（光導波路アーム１１０に入力される電気信号の位相）−位相θ_１００（光導波路アーム１００に入力される電気信号の位相）と定義する。図中、実線が実施の形態１に係る光変調器におけるθ_Ｃ、点線が従来の光変調器におけるθ_Ｃを示す。

図８に示すように、Ａ_１１０＞Ａ_１００、かつθ_１１０＞θ_１００の場合、信号電極１６０に対してシャントに接続された接合容量１９０により位相θ_１１０が遅れるため、従来の光変調器と比較して実施の形態１に係る光変調器では光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の位相差が改善することを確認できた。

なお、電気信号の位相差θ_Ｃについては、ＭＺＭ素子を実装するモジュール基板において電気長を調整することにより容易に小さくすることができる。しかし、予め素子での位相差θ_Ｃを小さくすることで、モジュール基板における電気長の調整量を低減することができ、その結果、モジュール基板のサイズを小さくすることができるという利点がある。

また、電気信号の振幅の制御に接合容量１９０を用いることから、逆バイアス印加時の逆方向電流は小さく、消費電力の増大を抑制できるという利点がある。

以上のように、実施の形態１に係る光変調器では、直流電圧源２００が接合容量１９０に直流電圧を印加し接合容量１９０の値を制御することで、光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅値が制御されるため、簡易な回路構成で光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ入力される電気信号の振幅差を小さくすることができる。また、電気信号の振幅の制御に接合容量１９０を用いることから、逆バイアス印加時の逆方向電流は小さく、消費電力の増大を抑制できる。

接合容量１９０は、ｐ型半導体層１９１とｎ型半導体層１９３とのｐ−ｎ接合を含む構造であり、逆バイアス印加により接合容量１９０の値が制御されるため、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅差を小さくことができる。

次に、実施の形態１に係る光変調器の他の構成について説明する。図９は、実施の形態１に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。図９に示すように、接合容量１９０と直流電圧源２００との間に高周波において開放のインピーダンスを有する回路部品が配置されている。より具体的には、接合容量１９０と直流電圧源２００との間に前記回路部品であるインダクタ２０１が直列に接続されている。これにより、直流電圧源２００側のインピーダンスは高周波で開放となることから、直流電圧源２００の回路が高周波特性に及ぼす影響を小さくすることができ、高周波特性の劣化を抑制することができる。

図１０は、実施の形態１に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。図１０に示すように、接合容量１９０と直流電圧源２００との間に前記回路部品であるｋΩ以上の高抵抗２０２が直列に接続されている。これにより、直流電圧源２００側のインピーダンスは高周波で開放となることから、直流電圧源２００の回路が高周波特性に及ぼす影響を小さくすることができ、高周波特性の劣化を抑制することができる。さらに、インダクタ２０１の代わりに高抵抗２０２を用いることで、光変調器モジュールのサイズを小さくすることができる。

接合容量１９０と直流電圧源２００との間に、高周波において開放のインピーダンスを有する回路部品が配置されるため、直流電圧源の回路が高周波特性に及ぼす影響を小さくすることができ、高周波特性の劣化を抑制することができる。

次に、接合容量１９０の他の構成について説明する。図１１は、接合容量１９０の他の構成を示す断面図である。図１１に示すように、接合容量１９０は、半絶縁性基板１０５、ｎ型半導体層１９３、絶縁膜１９４およびＤＣ電極１９５を備え、信号電極であるシグナル電極１６１および信号電極であるグランド電極１６２とｎ型半導体層１９３とのショットキー接合を含む構造である。

直流電圧源２００により、接合容量１９０に逆バイアスを印加することでショットキー接合界面の空乏層領域を変化させることで、接合容量１９０の値が変化する。したがって、直流電圧源２００から供給される電圧の大きさにより、接合容量１９０の値を制御することができるため、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される、つまり図１に示した端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくことができる。

以上のように、接合容量１９０は、シグナル電極１６１およびグランド電極１６２とｎ型半導体層１９３とのショットキー接合を含む構造であり、逆バイアス印加により接合容量の値が制御されるため、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅差を小さくことができる。

図１２は、接合容量１９０の他の構成を示す断面図である。図１２に示すように、接合容量１９０は、半絶縁性基板１０５、ｐ型半導体層１９１、ｉ型活性層１９２、ｎ型半導体層１９３、絶縁膜１９４およびＤＣ電極１９５を備え、ｐ型半導体層１９１とｉ型活性層１９２とｎ型半導体層１９３とのｐ−ｉ−ｎ接合を含む構造である。直流電圧源２００により、接合容量１９０に逆バイアスを印加することでｐ−ｉ−ｎ接合界面の空乏層領域を変化させることで、接合容量１９０の値が変化する。したがって、直流電圧源２００から供給される電圧の大きさに基づいて、接合容量１９０の値を制御することができるため、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される、つまり図１に示した端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくことができる。

また、接合容量１９０は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０のエピタキシャル構造と同じ構造とすることで、素子の製造工程の増大を抑制することができる。

以上のように、接合容量１９０は、ｐ型半導体層１９１とｉ型活性層１９２とｎ型半導体層１９３とのｐ−ｉ−ｎ接合を含む構造であり、逆バイアス印加により接合容量１９０の値が制御されるため、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅差を小さくことができる。

また、接合容量１９０は、ｐ型半導体層１９１とｉ型活性層１９２とｎ型半導体層１９３とのｐ−ｉ−ｎ接合を含み、かつ光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０のエピタキシャル構造と同じ構造であり、逆バイアス印加により接合容量１９０の値が制御されるため、素子の製造工程の増大を抑制することができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る光変調器について説明する。図１３は、実施の形態２に係る光変調器の構成図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態１に係る光変調器は、接合容量１９０および直流電圧源２００を１つずつ備えていたが、実施の形態２に係る光変調器は、接合容量および直流電圧源を２つずつ備えている。具体的には、図１３に示すように、実施の形態２に係る光変調器は、接合容量１９０Ａ（第１の接合容量）および接合容量１９０Ｂ（第２の接合容量）と、直流電圧源２００Ａ（第１の直流電圧源）および直流電圧源２００Ｂ（第２の直流電圧源）とを備えている。接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂは、信号電極１６０および信号電極１５０に対してそれぞれシャントに接続された１つの接合容量１９０ａおよび接合容量１９０ｂからなる。直流電圧源２００Ａおよび直流電圧源２００Ｂは、接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂにそれぞれ直流電圧を印加し接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂの値をそれぞれ制御する１つの直流電圧源２００ａおよび直流電圧源２００ｂからなる。

次に、実施の形態２に係る光変調器の動作について説明する。直流電圧源２００ａから供給される電圧の大きさにより接合容量１９０ａの値を変化させることで光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅を制御し、直流電圧源２００ｂから供給される電圧の大きさにより接合容量１９０ｂの値を変化させることで光導波路アーム１００に入力される電気信号の振幅を制御する。実施の形態１に係る光変調器では、図１に示したように、信号電極１６０に対してシャントに接続した接合容量１９０のみで光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力する、つまり端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくするため、電気信号の振幅差に関する調整パラメータは１つとなる。

それに対し、実施の形態２に係る光変調器では、図１３に示すように、信号電極１６０に対してシャントに接続した接合容量１９０ａと、信号電極１５０に対してシャントに接続した接合容量１９０ｂにより光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力する、つまり端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくするため、電気信号の振幅差に関する調整パラメータは２つとなる。

したがって、実施の形態２に係る光変調器では、電気信号の振幅差に関する調整パラメータが多いことから、実施の形態１に係る光変調器と比較して、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力する、つまり端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差をさらに小さくすることができる。

以上のように、実施の形態２に係る光変調器では、直流電圧源２００Ａおよび直流電圧源２００Ｂが接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂにそれぞれ直流電圧を印加し接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂの値を制御することで、光導波路アーム１１０および光導波路アーム１００にそれぞれ入力される電気信号の振幅値が制御されるため、簡易な回路構成で光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ入力される電気信号の振幅差を小さくすることができる。また、電気信号の振幅の制御に接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂを用いることから、逆バイアス印加時の逆方向電流は小さく、消費電力の増大を抑制できる。

次に、実施の形態２に係る光変調器の他の構成について説明する。図１４は、実施の形態２に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。図１４に示すように、接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂは、信号電極１６０および信号電極１５０に対してそれぞれシャントに接続された複数（例えば２つ）の接合容量１９０ａ，１９０ｃおよび接合容量１９０ｂ，１９０ｄからなる。直流電圧源２００Ａおよび直流電圧源２００Ｂは、接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂの値をそれぞれ制御する複数（例えば２つ）の直流電圧源２００ａ，２０１ａおよび直流電圧源２００ｂ，２０１ｂからなる。このように、図１３の場合と比べて、電気信号の振幅差に関する調整パラメータが増えることで、電気信号の振幅差をさらに小さくすることができる。

図１５は、実施の形態２に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。図１５に示すように、接合容量１９０ａと直流電圧源２００ａとの間にインダクタ２０１ａが、接合容量１９０ｂと直流電圧源２００ｂとの間にインダクタ２０１ｂが直列に接続されている。なお、インダクタ２０１ａ，２０１ｂが高周波において開放のインピーダンスを有する回路部品である。これにより、直流電圧源２００ａおよび直流電圧源２００ｂ側のインピーダンスは高周波で開放となることから、直流電圧源２００ａおよび直流電圧源２００ｂの回路が高周波特性に及ぼす影響を小さくすることができ、高周波特性の劣化を抑制することができる。

図１６は、実施の形態２に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。図１６に示すように、接合容量１９０ａと直流電圧源２００ａとの間にｋΩ以上の高抵抗２０２ａが、接合容量１９０ｂと直流電圧源２００ｂとの間にｋΩ以上の高抵抗２０２ｂが直列に接続されている。なお、高抵抗２０２ａ，２０２ｂが高周波において開放のインピーダンスを有する回路部品である。これにより、直流電圧源２００ａおよび直流電圧源２００ｂ側のインピーダンスは高周波で開放となることから、直流電圧源２００ａおよび直流電圧源２００ｂの回路が高周波特性に及ぼす影響を小さくすることができ、高周波特性の劣化を抑制することができる。さらに、インダクタ２０１ａおよびインダクタ２０１ｂの代わりに高抵抗２０２ａおよび高抵抗２０２ｂを用いることで、光変調器モジュールのサイズを小さくすることができる。

また、接合容量１９０Ａ，１９０Ｂの構造は、実施の形態１で説明した図６、図１１または図１２の構造と同様であることから説明を省略するが、実施の形態２においても、図６、図１１または図１２の場合と同様の効果が得られる。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る光変調器について説明する。図１７は、実施の形態３に係る光変調器の構成図である。なお、実施の形態３において、実施の形態２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態２に係る光変調器では、光位相πシフタ１４０は光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０の少なくとも一方の後段に配置されていたが、実施の形態３に係る光変調器では、光位相πシフタ１４１および光位相πシフタ１４２は光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０の前段にそれぞれ配置されている。

実施の形態３に係る光変調器は、実施の形態２の場合と同様に、接合容量および直流電圧源を２つずつ備えている。具体的には、図１７に示すように、実施の形態３に係る光変調器は、接合容量１９０Ａ（第１の接合容量）および接合容量１９０Ｂ（第２の接合容量）と、直流電圧源２００Ａ（第１の直流電圧源）および直流電圧源２００Ｂ（第２の直流電圧源）とを備えている。接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂは、信号電極１６０および信号電極１５０に対してそれぞれシャントに接続された１つの接合容量１９０ａおよび接合容量１９０ｂからなる。直流電圧源２００Ａおよび直流電圧源２００Ｂは、接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂにそれぞれ直流電圧を印加し接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂの値をそれぞれ制御する１つの直流電圧源２００ａおよび直流電圧源２００ｂからなる。

次に、実施の形態３に係る光変調器の動作について説明する。直流電圧源２００ａから供給される電圧の大きさにより接合容量１９０ａの値を変化させることで光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅を制御する。直流電圧源２００ｂから供給される電圧の大きさにより接合容量１９０ｂの値を変化させることで光導波路アーム１００に入力される電気信号の振幅を制御する。実施の形態１に係る光変調器では、図１に示したように、信号電極１６０に対してシャントに接続された接合容量１９０のみで光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅差、つまり端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくするため、電気信号の振幅差に関する調整パラメータは１つとなる。

それに対し、実施の形態３に係る光変調器では、図１７に示すように、信号電極１６０に対してシャントに接続された接合容量１９０ａと、信号電極１５０に対してシャントに接続された接合容量１９０ｂにより光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅差、つまり端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくするため、電気信号の振幅差に関する調整パラメータは２つとなる。

したがって、実施の形態３に係る光変調器では、電気信号の振幅差に関する調整パラメータが多いことから、実施の形態１に係る光変調器と比較して、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力する電気信号の振幅差、つまり端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差をさらに小さくすることができる。

以上のように、実施の形態３に係る光変調器では、直流電圧源２００Ａおよび直流電圧源２００Ｂが接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂにそれぞれ直流電圧を印加し接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂの値をそれぞれ制御することで、光導波路アーム１１０および光導波路アーム１００にそれぞれ入力される電気信号の振幅値が制御される。したがって、簡易な回路構成で光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ入力される電気信号の振幅差を小さくすることができる。また、電気信号の振幅の制御に接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂを用いることから、逆バイアス印加時の逆方向電流は小さく、消費電力の増大を抑制できる。

次に、接合容量に印加される直流電圧の調整方法の例について説明する。素子に内在する電気信号の振幅差に加え、光送信モジュールとして実装する際の製造ばらつきに由来する電気信号の振幅差も含んで調整することを考える。光送信モジュールとして実装後には、電気信号の振幅差をモニタすることが難しくなる。このような場合、変調後の光出力を受信し、位相変調信号のコンステレーションが最適になる直流電圧、または伝送時のビットエラー率が最善となる直流電圧を接合容量に印加することで調整が可能になる。

また、接合容量１９０Ａおよび接合容量１９０Ｂの構造は、実施の形態１で説明した図６、図１１または図１２の構造と同様であることから説明を省略するが、実施の形態３においても、図６、図１１または図１２の場合と同様の効果が得られる。

なお、実施の形態３では、接合容量を実施の形態１の場合のように第１および第２の接合容量のうちの片方だけにすることが可能である。

次に、実施の形態３に係る光変調器の他の構成について説明する。図１８は、実施の形態３に係る光変調器の他の構成（以下、「構成２」ともいう）の構成図である。

図１７に示した実施の形態３に係る光変調器（以下、「構成１」ともいう）では、接合容量１９０Ａ（第１の接合容量）および接合容量１９０Ｂ（第２の接合容量）と、直流電圧源２００Ａ（第１の直流電圧源）および直流電圧源２００Ｂ（第２の直流電圧源）が信号電極１６０および信号電極１５０の入力側にそれぞれ配置された。

構成２では、構成１に加えて信号電極１６０および信号電極１５０の終端側である信号電極１８１および信号電極１７１にも接合容量１９０Ｄ（第３の接合容量）および接合容量１９０Ｃ（第４の接合容量）と、直流電圧源２００Ｄ（第３の直流電圧源）および直流電圧源２００Ｃ（第４の直流電圧源）がそれぞれ配置された。

具体的には、図１８に示すように、構成２では、接合容量１９０Ｃおよび接合容量１９０Ｄは、信号電極１７１（第４の信号電極）および信号電極１８１（第３の信号電極）に対してそれぞれシャントに接続された１つの接合容量１９０ｃおよび接合容量１９０ｄからなる。直流電圧源２００Ｃおよび直流電圧源２００Ｄは、接合容量１９０Ｃおよび接合容量１９０Ｄにそれぞれ直流電圧を印加し接合容量１９０Ｃおよび接合容量１９０Ｄの値をそれぞれ制御する１つの直流電圧源２００ｃおよび直流電圧源２００ｄからなる。信号電極１７１および信号電極１８１は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０にそれぞれ電気信号を入力する。

次に、構成２の動作について説明する。図１７に示した構成１では、直流電圧源２００ａから供給される電圧の大きさにより接合容量１９０ａの値を変化させることで光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅を制御する。直流電圧源２００ｂから供給される電圧の大きさにより接合容量１９０ｂの値を変化させることで光導波路アーム１００に入力される電気信号の振幅を制御する。

図１７に示すように、信号電極１６０に対してシャントに接続された接合容量１９０ａと、信号電極１５０に対してシャントに接続された接合容量１９０ｂにより光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０に入力される電気信号の振幅差、つまり端面Ｂ−Ｂ’における電気信号の振幅差を小さくしている。

図１８に示すように、構成２では、信号電極１５０および信号電極１６０の終端側、すなわち、信号電極１７１および信号電極１８１にそれぞれ設けられた接合容量１９０Ｃおよび接合容量１９０Ｄに加え、説明のため終端抵抗２１１および終端抵抗２１２も示した。通常、各終端抵抗の大きさは５０Ωである。なお、終端抵抗２１１および終端抵抗２１２は、他の実施の形態でも実際には配置されているが、高周波信号線に終端抵抗を設けることは公知であるため、図１８以外では図示を省略している。

図１７に示すように、構成１では、信号電極１５０と信号電極１６０との間で、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０上に設けられた部分から終端側の部分で信号線のパターンが異なっている。そのため、信号電極１５０および信号電極１６０から終端抵抗を視た場合のインピーダンスが、信号電極１５０および信号電極１６０のシグナル電極の間で異なっている。これにより、信号電極１５０および信号電極１６０のシグナル電極の高周波特性が異なりアンバランスになる。

図１８に示すように、構成２では、信号電極１５０および信号電極１６０の終端側に接合容量１９０Ｃおよび接合容量１９０Ｄが設けられた。したがって、信号電極１５０および信号電極１６０から終端抵抗を視た場合のインピーダンスの大きさの差が小さくなるように、直流電圧の印加により調整することができるため、信号電極１５０および信号電極１６０のシグナル電極の高周波特性の差を低減することができる。

また、接合容量１９０Ｃおよび接合容量１９０Ｄの構造は、実施の形態１で説明した図６、図１１または図１２の構造と同様であることから説明を省略するが、実施の形態３の構成２においても、図６、図１１または図１２の場合と同様の効果が得られる。

また、図１９に示すように、信号電極１５０および信号電極１６０と、信号電極１７１および信号電極１８１は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０における同じ側の側方に配置されることも可能である。図１９は、実施の形態３に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。この場合にも、図１８に示した構成２の場合と同様の効果が得られる。また、図２０に示すように、信号電極１５０および信号電極１６０の終端側に接合容量を設けない場合でも、信号電極１５０および信号電極１６０とこれらの終端側は、光導波路アーム１００および光導波路アーム１１０における同じ側の側方に配置されることも可能である。図２０は、実施の形態３に係る光変調器の他の構成を示す構成図である。この場合にも、図１９に示した構成の場合と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００，１１０ 光導波路アーム、１２０ 光分波器、１３０ 光合波器、１４０，１４１，１４２ 光位相πシフタ、１５０，１６０，１７１，１８１ 信号電極、１９０，１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃ，１９０Ｄ 接合容量、１９１ ｐ型半導体層、１９２ ｉ型活性層、１９３ ｎ型半導体層、２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００Ｄ 直流電圧源、２０１，２０１ａ，２０１ｂ インダクタ、２０２，２０２ａ，２０２ｂ 高抵抗。

Claims (16)

1. 半導体レーザから入射された連続光に対して、電気信号により第１および第２の光導波路アームの量子井戸の屈折率を変化させることで位相変調を行うマッハツェンダー型の光変調器であって、
   前記入射された連続光を分波させる光分波器と、
   前記分波された連続光が伝搬する前記第１および第２の光導波路アームと、
   前記第１および第２の光導波路アーム上の少なくとも一方に配置され、光にπの位相差を付加する光位相シフタと、
   前記第１および第２の光導波路アームの後段に配置され、前記第１および第２の光導波路アームを伝搬する連続光を合波させる光合波器と、
   前記第１および第２の光導波路アームにそれぞれ電気信号を入力する第１および第２の信号電極と、
   前記第１および第２の信号電極の少なくとも一方に、シャントに接続された接合容量と、
   前記接合容量に直流電圧を印加する直流電圧源と、
   を備えた、光変調器。
2. 前記第１および第２の光導波路アームに入力された電気信号をそれぞれ終端する第３および第４の信号電極と、
   前記第３および第４の信号電極に対してそれぞれシャントに接続された第３および第４の接合容量と、
   前記第３および第４の接合容量に直流電圧を印加する直流電圧源とをさらに備えた、請求項１記載の光変調器。
3. 前記光位相シフタは、前記第１および第２の光導波路アーム上のいずれか一方の終端側に配置され、
   前記接合容量は、前記第１の信号電極に対してシャントに接続され、
   前記直流電圧源が前記接合容量に直流電圧を印加し前記接合容量の値を制御することで、前記第１の光導波路アームに入力される前記電気信号の振幅値が制御される、請求項１記載の光変調器。
4. 前記光位相シフタは、前記第１および第２の光導波路アーム上のいずれか一方の終端側に配置され、
   前記接合容量は、前記第１および第２の信号電極に対してそれぞれシャントに接続された第１および第２の接合容量を有し、
   前記直流電圧源は、前記第１および第２の接合容量にそれぞれ直流電圧を印加する第１および第２の直流電圧源を有し、
   前記第１および第２の直流電圧源が前記第１および第２の接合容量にそれぞれ直流電圧を印加し前記第１および第２の接合容量の値をそれぞれ制御することで、前記第１および第２の光導波路アームにそれぞれ入力される前記電気信号の振幅値が制御される、請求項１記載の光変調器。
5. 前記接合容量と前記直流電圧源との間に、高周波において開放のインピーダンスを有する回路部品が配置される、請求項１記載の光変調器。
6. 前記第１および第２の接合容量と前記第１および第２の直流電圧源との間に、高周波において開放のインピーダンスを有する回路部品がそれぞれ配置される、請求項４記載の光変調器。
7. 前記接合容量は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐ−ｎ接合を含む構造であり、逆バイアス印加により前記接合容量の値が制御される、請求項１記載の光変調器。
8. 前記第１および第２の接合容量は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐ−ｎ接合を含む構造であり、逆バイアス印加により前記第１および第２の接合容量の値が制御される、請求項４記載の光変調器。
9. 前記接合容量は、前記信号電極とｎ型半導体層とのショットキー接合を含む構造であり、逆バイアス印加により前記接合容量の値が制御される、請求項１記載の光変調器。
10. 前記第１および第２の接合容量は、それぞれ前記第１および第２の信号電極とｎ型半導体層とのショットキー接合を含む構造であり、逆バイアス印加により前記第１および第２の接合容量の値が制御される、請求項４記載の光変調器。
11. 前記接合容量は、ｐ型半導体層とｉ型活性層とｎ型半導体層とのｐ−ｉ−ｎ接合を含む構造であり、逆バイアス印加により前記接合容量の値が制御される、請求項１記載の光変調器。
12. 前記第１および第２の接合容量は、ｐ型半導体層とｉ型活性層とｎ型半導体層とのｐ−ｉ−ｎ接合を含む構造であり、逆バイアス印加により前記第１および第２の接合容量の値が制御される、請求項４記載の光変調器。
13. 前記接合容量は、ｐ型半導体層とｉ型活性層とｎ型半導体層とのｐ−ｉ−ｎ接合を含み、かつ前記第１および第２の光導波路アームのエピタキシャル構造と同じ構造であり、逆バイアス印加により前記接合容量の値が制御される、請求項１記載の光変調器。
14. 前記第１および第２の接合容量は、ｐ型半導体層とｉ型活性層とｎ型半導体層とのｐ−ｉ−ｎ接合を含み、かつ前記第１および第２の光導波路アームのエピタキシャル構造と同じ構造であり、逆バイアス印加により前記第１および第２の接合容量の値が制御される、請求項４記載の光変調器。
15. 前記第１および第２の信号電極と、前記第３および第４の信号電極は、前記第１および第２の光導波路アームにおける同じ側の側方に配置された、請求項２記載の光変調器。
16. 前記第１および第２の信号電極と、前記第１および第２の信号電極の終端側は、前記第１および第２の光導波路アームにおける同じ側の側方に配置された、請求項１記載の光変調器。

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