JP4974973B2

JP4974973B2 - 半導体光変調器制御装置及びその制御方法

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Publication number: JP4974973B2
Application number: JP2008175930A
Authority: JP
Inventors: 光映石川; 泰夫柴田; 順裕菊池
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: JP2010015041A

Description

本発明は、半導体光変調器制御装置及びその制御方法に関し、より詳細には、光ファイバ通信に使用する超高速の半導体光変調器制御装置及びその制御方法に関する。

長距離波長多重光通信システムにおいて使用される光信号は、ファイバ分散効果の影響を抑えるため、波長チャープが小さいことが要求される。このような光信号は、通常、レーザダイオード光源と外部変調器を組み合わせた構成で発生される。この種の典型的な外部変調器は、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）導波路で製作されたＬＮ変調器である。ＬＮ変調器の動作原理は、光導波路と電気導波路を結合させて、その電気導波路に電気信号を入力することによって電気光学効果に基づく屈折率変化を誘起し、光導波路を伝播する光信号に位相変化を与えることによるものである。このようなＬＮ変調器には、単純な光位相変調器の他に、マッハ・ツェンダ干渉計を構成した光強度変調器、あるいは多数の導波路を結合させてより高機能の光強度／位相変調器として動作するデバイスなどがある（非特許文献２参照）。

また、ＬＮ変調器と同様の動作原理を用いた半導体光変調器も存在する。例えば、半絶縁性のＧａＡｓにショットキー電極を配置し、光電子導波路としたＧａＡｓ光変調器や、ヘテロｐｎ接合を用いて、光の閉じ込めと共に導波路のコア部分に効果的に電圧が印加されるようにしたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器などがある。

特開２００５−０９９３８７号公報齋藤冨士郎外、「超高速デバイス」、共立出版、１９９８年、第６章、ｐ．１２４−１２８都築健外、「ｎ−ｉ−ｎ構造マッハ・ツェンダ光変調器の開発」、電子情報通信学会論文誌、２００５年、Ｖｏｌ．Ｊ８８−Ｃ、Ｎｏ．２、ｐｐ．８３−９０Ｔ．Ｋｕｒｏｓａｋｉｅｔａｌ．、"２００−ｋｍ１０−Ｇｂｉｔ／ｓＯＰＴＩＣＡＬＤＵＯＢＩＮＡＲＹＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮＵＳＩＮＧＡＮｎ−ｉ−ｎＩｎＰＭＡＣＨ−ＺＥＨＮＤＥＲＭＯＤＵＬＡＴＯＲ，" ＩＰＲＭ２００７，ＷｅＢ１−３，ｐｐ．３６１−３６４

しかしながら、半導体光変調器は小型・高効率である利点を持つ反面、入射光の波長や変調器素子の温度によって変調を行うのに必要となる電圧が変化するという問題を有している。これは、半導体光変調器における位相変調に、ポッケルス効果だけでなく、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱｕａｎｔｕｍＣｏｎｆｉｎｅｄＳｔａｒｋＥｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）を利用しているためである。

図１に、無電界時、電界印加時の光吸収係数と波長の関係を表すＱＣＳＥを説明するための模式図を示す。図１では、入射光について、無電界時、電界印加時の光吸収係数の波長依存性を示している。入射光は、十分な透過率が得られる程度、すなわち吸収端波長よりも長波長側に配置されている。電界を印加すると、量子井戸層の光吸収の吸収端波長は長波長側にシフトする。このため、同一波長で見たときの光吸収係数が、無電界時よりも電界印加時の方が大きくなる。この電界により光吸収係数が変化する現象をＱＣＳＥと呼ぶ。光吸収係数は光の複素屈折率の虚部に相当し、複素屈折率の実部に相当する屈折率とはクラマース・クローニッヒの関係により結び付けられる。そのため、ＱＣＳＥによる光吸収変化は、同時に屈折率変化を引き起こし、電界印加による位相変調が実現される。

前述のとおり、ＱＣＳＥ屈折率変化は光吸収係数変化に起因しており、入射光波長と吸収端波長との波長間隔に大きく依存する。図２に示すように、一般に、長波長の光に比べて短波長の光は、電界による光吸収係数の変化が大きいことから屈折率の変化も大きく、入射光波長依存性を生み出す。

また、変調器の温度が高くなるにつれて、半導体のバンドギャップが低エネルギー化し、吸収端波長が長波長側にシフトする。入射光波長が吸収短波長に近づくことで、電界印加時の光吸収係数変化が増大し、屈折率変化も大きくなる。

以上のように、ＱＣＳＥによる屈折率変化、すなわち位相変化は、入射光波長及び素子温度依存性を持つこととなる。

図３に、従来の電圧駆動型の半導体光変調器素子の模式図を示す。半導体基板１上に、光導波路２、変調信号入力電極３、変調用電極４を作製している。この従来例において半導体光変調器は、マッハ・ツェンダ型干渉計を構成した光強度変調器となっている。光導波路２に導入された光は、途中で２分岐される。２分岐された光導波路上に作製された変調用電極４は、光導波路２下にあるグランド層との間に変調信号に応じた電界を発生させ、電気−光学効果により位相変調を行う。分岐して位相変調された光は再び１つの導波路に合波され、干渉効果により位相変調から強度変調に変換される。

図４に、図３ＩＩＩで示した位相変調領域の断面図を示す。半導体基板１上に、ｎ型半導体６、真性半導体７、量子井戸８、真性半導体７、ｐ型半導体９の順に積層し、その上に上部電極すなわち変調用電極４を形成している。真性半導体７及び量子井戸８の層は、ドーピングを行っていない真性領域（ｉ層）であり、ｐ−ｉ−ｎ構造を成す。

この構造は、ｐ層の電気抵抗が高い、光損失が大きい、また、ｉ層厚に対する制約も大きく電気インピーダンス整合が困難であるという問題を有している。そのため、長い位相変調領域を設けることが出来ない。短い位相変調領域で必要な位相変化を得るために、吸収端波長を入射光に近づけて、ＱＣＳＥを活用する設計となっている。その結果、変調器が大きな波長依存性、温度依存性を持つこととなった。

これら大きな波長依存性、温度依存性をもつ変調器を用いて所望の光変調波形（アイ波形）を得るために、波長チャネル毎にＤＣバイアス及び変調振幅電圧を調整する必要がある。その一例として図５（ａ）に、ＤＣバイアス電圧と波長の関係を示す。この例では、簡潔とするため、半導体光変調器の温度は一定で動作させているが、図５（ｂ）に示す変調振幅電圧と波長の関係からも、ＤＣバイアス電圧だけでなく、変調振幅電圧も変化させる必要があることが分かる。

このように、従来の半導体光変調器を使用する光トランシーバでは調整用回路が必要になり、検査・調整工程においては調整パラメータ増加に伴う調整工数増加の要因ともなりうる。また、特に、変調振幅電圧の調整は、高周波信号波形の劣化を招く要因となり、品質劣化の原因ともなりうる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、変調振幅電圧を一定とすることで、回路、調整のコストを低減し、波形品質も一定に保つことを可能とする半導体光変調器及びその制御方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体光変調器の制御方法であって、電圧変化による屈折率変化を用い、波長可変光源の出力光の変調を行う半導体光変調器において、前記半導体光変調器に、ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧Ｖ_ｍを有する高周波信号であって、前記高周波信号の振幅の全幅がＶ_ｍである高周波信号を印加するステップと、Ｖ_ｍが一定となるようにＤＣバイアス電圧を制御するステップとを有し、前記ＤＣバイアス電圧を制御するステップは、前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させて前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するステップと、前記出力光強度特性の位相情報をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２に基づいて解析するステップとを含み、前記出力光強度特性を測定するステップは、前記波長可変光源の少なくとも２波長に対して前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させて前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力強度特性を測定するステップを含み、前記解析するステップは、前記出力光強度特性をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２を位相項として持つ正弦波関数にカーブフィッティングを行い、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を求めるステップを含み、前記ＤＣバイアス電圧を制御するステップは、所望の固定の変調振幅電圧Ｖ _ｍ及び、変調方式で決まる変調振幅全幅での位相変化αに対して、（α／Ｖ _ｍ −ｃ _１）／２ｃ _２となるＤＣバイアス電圧を設定するステップを含むことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、半導体光変調器の制御方法であって、半導体光変調器の制御方法であって、電圧変化による屈折率変化を用い、波長可変光源の出力光の変調を行う半導体光変調器において、前記半導体光変調器に、ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧Ｖ _ｍを有する高周波信号であって、前記高周波信号の振幅の全幅がＶ _ｍである高周波信号を印加するステップと、Ｖ _ｍが一定となるようにＤＣバイアス電圧を制御するステップとを有し、前記ＤＣバイアス電圧を制御するステップは、前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させて前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するステップと、前記出力光強度特性の位相情報をＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ_０＋ｃ_１×Ｖ_Ｄａｔａ＋ｃ_２×Ｖ_Ｄａｔａ ^２に基づいて解析するステップとを含み、前記出力光強度特性を測定するステップは、前記半導体光変調器が差動の入力端子を備え、前記波長可変光源の少なくとも２波長に対して、差動の入力Ｄａｔａ及びＤａｔａＢａｒ端子それぞれのＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａ及びＶ _Ｂａｒに対する前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するステップを含み、前記解析するステップは、前記出力光強度特性をＤＣバイアス電圧の２次までの係数を用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２ −（ｃ _１ ×Ｖ _Ｂａｒ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｂａｒ ^２）にカーブフィッティングを行い、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を求めるステップを含み、前記ＤＣバイアス電圧を制御するステップは、Ｄａｔａ端子に加える所望の固定の変調振幅電圧Ｖ _ｍ、ＤａｔａＢａｒ端子に加える変調振幅電圧を所望の定数ｒ倍のＶ _ｍとするとき、変調方式で決まる変調振幅全幅での位相変化αに対して、α／Ｖ _ｍ＝（１＋ｒ）×ｃ _１＋２ｃ _２ ×（Ｖ _Ｄａｔａ＋ｒ×Ｖ _Ｂａｒ）を満足するＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａ、Ｖ _Ｂａｒを設定するステップを含むことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の半導体光変調器の制御方法において、前記解析するステップは、前記波長可変光源の一部波長において、係数ｃ_０、ｃ_１及びｃ_２を、近接する波長の消光特性の測定及びカーブフィッティングにより得られた係数ｃ_０、ｃ_１及びｃ_２の補間から求めるステップを含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、半導体光変調器制御装置であって、複数の波長光を出力する波長可変光源と、前記波長可変光源の出力光を入力光として光変調を行う半導体光変調器と、前記半導体光変調器にＤＣバイアス電圧を印加するＤＣ電圧源と、前記半導体光変調器に前記ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧Ｖ_ｍを有する高周波信号であって、前記高周波信号の振幅の全幅がＶ_ｍである高周波信号を印加する高周波信号源と、前記半導体光変調器の出力光の少なくとも一部を受光し、光強度を測定するパワーモニタと、Ｖ_ｍが一定となるように前記ＤＣ電圧源のＤＣバイアス電圧を制御する制御演算装置とを備え、前記制御演算装置は、前記ＤＣ電圧源が前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させ、前記パワーモニタが前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するように制御し、前記出力光強度特性の位相情報をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２に基づいて解析し、前記制御演算装置は、前記波長可変光源の少なくとも２波長に対して前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させて前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力強度特性を測定し、前記出力光強度特性をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２を位相項として持つ正弦波関数にカーブフィッティングを行い、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を求め、所望の固定の変調振幅電圧Ｖ _ｍ及び、変調方式で決まる変調振幅全幅での位相変化αに対して、（α／Ｖ _ｍ −ｃ _１）／２ｃ _２となるＤＣバイアス電圧を前記ＤＣ電圧源に設定することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、半導体光変調器制御装置であって、複数の波長光を出力する波長可変光源と、前記波長可変光源の出力光を入力光として光変調を行う半導体光変調器と、前記半導体光変調器にＤＣバイアス電圧を印加するＤＣ電圧源と、前記半導体光変調器に前記ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧Ｖ _ｍを有する高周波信号であって、前記高周波信号の振幅の全幅がＶ _ｍである高周波信号を印加する高周波信号源と、前記半導体光変調器の出力光の少なくとも一部を受光し、光強度を測定するパワーモニタと、Ｖ _ｍが一定となるように前記ＤＣ電圧源のＤＣバイアス電圧を制御する制御演算装置とを備え、前記制御演算装置は、前記ＤＣ電圧源が前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させ、前記パワーモニタが前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するように制御し、前記出力光強度特性の位相情報をＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ_０＋ｃ_１×Ｖ_Ｄａｔａ＋ｃ_２×Ｖ_Ｄａｔａ ^２に基づいて解析し、前記波長可変光源は、複数の波長光を出力する差動の入力Ｄａｔａ及びＤａｔａＢａｒ端子を有し、前記制御演算装置は、前記波長可変光源の少なくとも２波長に対して、前記差動の入力Ｄａｔａ及びＤａｔａＢａｒ端子それぞれのＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａ及びＶ _Ｂａｒに対する前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定し、前記出力光強度特性をＤＣバイアス電圧の２次までの係数を用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２ −（ｃ _１ ×Ｖ _Ｂａｒ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｂａｒ ^２）にカーブフィッティングを行い、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を求め、Ｄａｔａ端子に加える所望の固定の変調振幅電圧Ｖ _ｍ、ＤａｔａＢａｒ端子に加える変調振幅電圧を所望の定数ｒ倍のＶ _ｍとするとき、変調方式で決まる変調振幅全幅での位相変化αに対して、α／Ｖ _ｍ＝（１＋ｒ）×ｃ _１＋２ｃ _２ ×（Ｖ _Ｄａｔａ＋ｒ×Ｖ _Ｂａｒ）を満足するＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａ、Ｖ _Ｂａｒを前記ＤＣ電圧源に設定することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の半導体光変調器制御装置において、前記制御演算装置は、前記波長可変光源の一部波長において、係数ｃ_０、ｃ_１及びｃ_２を、近接する波長の消光特性の測定及びカーブフィッティングにより得られた係数ｃ_０、ｃ_１及びｃ_２の補間から求めることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の半導体光変調器制御装置において、前記半導体光変調器の位相変調領域の層構造が、ｎ−ｉ−ｎ型半導体、及び、ｎ−ｐ−ｉ−ｎ型半導体のいずれかの接合により形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、回路、調整のコストを低減し、波長可変光源が出力する波長領域の全域において固定した変調振幅で変調を行う光半導体変調装置及びその制御方法が可能になる。

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。

図６に、本発明の実施形態１に係る半導体光変調器制御装置の構成を示す。変調器内蔵波長可変光源１０は、ペルチェ素子１１上に、半導体波長可変レーザ１２、半導体光変調器１４、パワーモニタＰＤ１６、及びこれらを光学的に結合するレンズ１３、１５を搭載する。ペルチェ素子１１は温度制御器１７により、半導体波長可変レーザ１２はレーザ電流源１８により、半導体光変調器１４のＤＣバイアス電圧は変調器ＤＣ電圧源１９によりそれぞれ制御される。これら温度制御器１７、レーザ電流源１８、変調器ＤＣ電圧源１９の装置は、制御演算装置２１で目標値設定の高次な制御を受ける。また、パワーモニタＰＤ１６のモニタ電流値はＰＤ用電源２０により読み出され、その結果は制御演算装置２１に収録される。半導体光変調器１４に加えられる高周波信号は、変調器用高周波信号源２２で発生される。本実施形態１では、変調器内蔵波長可変光源１０からの出力光の一部を光分波器２３で分岐して光パワーメータ２４で光強度を測定し、制御演算装置２１に送ることも可能なシステムとなっている。

図７に、本実施形態１において用いた半導体光変調器１４の構成を示す。２つの変調用電極４を持ち、それぞれに独立して信号を伝えるために２対の変調信号入出力電極３を備えている。また、高周波信号源２２からの変調信号（振幅電圧Ｖ_ｍ）と変調器ＤＣ電圧源１９からのＤＣバイアス（Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒ）はコンデンサとコイルから成るバイアスティを用いて、変調信号入出力電極３に加えている。これにより、変調信号入出力電極３に印加される電圧の時間平均値（ＤＣバイアス電圧）が変調器ＤＣ電圧源１９の出力電圧に一致する。

図８に、ＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒと変調振幅電圧Ｖ_ｍの関係を示す。このように、ＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒを印加して、このＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒが振幅の中心となるように変調振幅電圧Ｖ_ｍで変調する。このとき、
変調器の消光特性は次式で与えられる。

ここで、Ｐ_ｍｅａｓは測定される消光特性、Ｐ_ａｖｅ、Ｐ_ａはそれぞれ平均パワー、パワー振幅に対応する係数であり、式２は、正弦波関数の位相項（ｃ_０、ｃ_１、ｃ_２は位相の電圧に対する係数）である。

（実施形態１）
ここで、本発明の実施形態１に係る半導体光変調器制御装置における半導体光変調器の単一駆動時の制御方法について説明する。Ｄａｔａ側の端子を用いて単一駆動する場合の瞬時の高周波信号電圧値をＶ_ｓとすると、その位相項は、

と表される。バイアス点における位相の電圧変化率は、

ここで、ＮＲＺ（Ｎｏｎ−ｒｅｔｕｒｎｔｏＺｅｒｏ）変調形式で１００％変調を行う場合、必要な位相変化はπであるため、変調振幅電圧Ｖ_ｍに対して下記の関係を満たす必要がある。

このことからＤＣバイアス電圧を次式の通り設定すればよいことになる。

また、ＮＲＺ変調を行うためには、ＤＣバイアス点における位相が０もしくはπである必要があるため、ｎを整数として次式を満足する必要がある。（ｎは通常０とする。算出されるＤＣバイアス電圧値や伝送特性を考慮し、±１、±２…を使用する場合もある。）

尚、以上の説明では、正弦波関数としてサイン関数を用いたが、コサイン関数や、複素の指数関数を用いて表記した場合にもｃ_０、Ｐ_ａ値が異なるものの同様の関係式が得られる。

以下、単一駆動の場合の具体的な制御手順を図１０（ａ）に示しながら説明する。まず、制御演算装置２１は、温度制御器１７を介した温度制御とレーザ電流源１８を介したレーザ電流制御により、半導体波長可変レーザ１２が所望の波長の光を出力するよう制御を行う（Ｓ１０１１）。

次に、変調器ＤＣ電圧源１９を用いてＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａをスイープ（小刻みなステップで電圧を変化）させ、半導体光変調器１４を通って出力される光パワーをパワーモニタＰＤ１６、もしくは、光パワーメータ２４にて測定し、出力光パワーのＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ依存性を測定する（Ｓ１０１２）。この時、Ｖ_Ｂａｒは０Ｖに固定している。その結果得られた消光特性の例を図９に示す。消光カーブの極大と極小を与える電圧の差が半波長電圧Ｖ_πである。

以下は、制御演算装置２１での処理となる。この消光特性を式１及び式２にＶ_Ｂａｒ＝０を代入して得られる次式に対してカーブフィッティングを行う。

フィッティングにより得られた１次と２次の係数ｃ_１、ｃ_２、所望とする変調振幅電圧Ｖ_ｍ、及び式６から設定すべきＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａが求められる（Ｓ１０１３、Ｓ１０１４）。

次に、これらの値を用いて、式７からＶ_Ｂａｒを求める（Ｓ１０１５）。これらＳ１０１１〜Ｓ１０１５の操作を半導体波長可変レーザ１２が出力する全波長に対して行い半導体光変調器１４に求めたＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒを印加することで、全波長領域で一定変調振幅電圧Ｖ_ｍでの変調が実現される（Ｓ１０１６）。

参考として、変調振幅電圧Ｖ_ｍは、半波長電圧Ｖ_πの定数倍として使用する（定数は変調方式により決められ、単一駆動のＮＲＺ変調（変調度１００％）の場合は定数α＝π）。従って、上記の操作は、全波長領域において半波長電圧を一定とすることと等価となる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る半導体光変調器制御装置における半導体光変調器の差動動作時の制御方法について説明する。図７の半導体光変調器が持つ２つの位相変調領域に印加するＤＣバイアス電圧値をＤａｔａ、ＤａｔａＢａｒ端子それぞれに対してＶ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒとし、瞬時の高周波信号電圧値をそれぞれＶ_ｓ、及び定数ｒ倍のＶ_ｓとすると、式１の位相項は次式で与えられる。

バイアス点における、位相の電圧変化率は、

となり、ＮＲＺ変調で１００％変調を行う場合は式５を満たす必要があるため、ＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒは次式も満たす必要がある。

また、バイアス点では位相が０かπとなる必要があるため、式７も満たす必要がある。

また、光デュオバイナリ変調を行う際には、変調振幅電圧Ｖ_ｍでの位相変化を２π、バイアス点での位相が−π／２となるよう条件を与えることで、同様にＶ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒの値を求めることができる（非特許文献３参照）。

尚、本明細書では、ＮＲＺ変調形式、光デュオバイナリ変調形式に関して説明したが、本発明はさまざまな変調フォーマットに対応が可能であって、ＲＺ変調形式についても適用することができる。

以下で差動動作の場合における、具体的な制御手順を図１０（ｂ）に示しながら説明する。まず、制御演算装置２１は、温度制御器１７を介した温度制御と、レーザ電流源１８を介したレーザ電流制御により、半導体波長可変レーザ１２が所望の波長の光を出力するよう制御を行う（Ｓ１０２１）。

次に、ＤＣ電圧源１９を用いてＶ_Ｂａｒを０Ｖとし、電圧Ｖ_Ｄａｔａをスイープさせた時に変調器を通って出力される光パワーをパワーモニタＰＤ１６、もしくは、光パワーメータにてＤａｔａ端子の消光特性を測定する（Ｓ１０２２）。次に、ＤＣ電圧源１９を用いてＶ_Ｄａｔａを０Ｖとし、電圧Ｖ_Ｂａｒをスイープさせた時に変調器を通って出力される光パワーをパワーモニタＰＤ１６、もしくは、光パワーメータにてＤａｔａＢａｒ端子の消光特性を測定する（Ｓ１０２４）。制御演算装置２１を用いて、Ｄａｔａ端子、及び、ＤａｔａＢａｒ端子、それぞれの消光特性に対して、式１、２のフィッティングを行い、係数ｃ_０、ｃ_１、ｃ_２を求める（Ｓ１０２３、Ｓ１０２５）。このようにして求めた２組のｃ_０〜ｃ_２の平均値及び、所望の変調振幅電圧値Ｖ_ｍを式１１、７に代入して方程式を解くことでＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒを算出する（Ｓ１０２６、Ａ１０２７）。

これらＳ１０２１〜Ｓ１０２７の操作を半導体波長可変レーザ１２が出力する全波長に対して行うことで、全波長領域で一定変調振幅電圧Ｖ_ｍでの変調が実現される。

尚、この場合、Ｖ_Ｄａｔａに関する消光特性時にＶ_Ｂａｒを０Ｖとしたが、０Ｖ以外に固定することも可能である。また、差動対の位相変調領域は同一特性と考えられるため、どちらか一方に対してフィッティングを行い、その結果得られた係数ｃ_０、ｃ_１、ｃ_２を用いてＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒの算出を行うことも可能である。

次に、本発明の半導体光変調器制御装置の半導体波長可変レーザ１２として、同一基板上に波長の異なる複数の分布帰還型（ＤＦＢ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザとそれらの出力光を合波する合波器とを備えた波長可変レーザアレイ（ＴＬＡ：ＴｕｎａｂｌｅＬａｓｅｒＡｒｒａｙ）を用いた場合の結果を示す。ＴＬＡでは、波長調整の粗調整は電流注入を行うＤＦＢレーザの選択で行い、微調整はレーザ温度で調整を行う。図１２（ａ）に、ＤＦＢレーザの設計波長を３．２ｎｍ間隔で配置したＴＬＡを光周波数間隔５０ＧＨｚ（波長間隔約０．４ｎｍ）で駆動させた時の各波長に対するレーザ温度を示す。縦方向に連続した点の並びが同一ＤＦＢレーザでの光出力を示し、１１本の並びが１１個のレーザを切り替えて光らせたことを示している。図６に示したとおり、半導体波長可変レーザ１２と半導体光変調器１４は同一のペルチェ素子で温度制御されるため、変調器もレーザと同じ温度環境で動作することになる。

以上、説明してきた手順で求めた、Ｖ_ｍ＝１．５Ｖｐｐ、ｒ＝１での差動動作時のＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒを図１２（ｂ）に示す。ここに示した条件でＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒを駆動することで、半導体光変調器の温度、入射波長が異なる条件に対しても均一な変調特性を得ることが出来る。

図１３（ａ）、（ｂ）に、図１２（ａ）の条件で駆動させた時の各波長に対するフィッティングパラメータｃ_１、ｃ_２を示す。図１３（ａ）に示すポッケルス効果を代表するｃ_１は、各波長における温度変化に対してほぼ一定であり、温度・波長依存性は小さい。一方、図１３（ｂ）に示すＱＣＳＥを代表するｃ_２は、各波長における温度変化に対して変化が大きく、温度・波長依存性は大きい。

全ての波長に対して消光特性を測定し、ｃ_０、ｃ_１、ｃ_２を計算することなく、一部の波長に対して実測、フィッティングを行い、その結果に対して補間を行うことでｃ_０、ｃ_１、ｃ_２を求めることも可能である。図１３のデータを直線近似でフィッティングした結果が図１４に「直線補間」として示した線であり、十分良い近似にとなっていることが分かる。これら、補間により求められたｃ_０、ｃ_１、ｃ_２を用いてＶ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒを上述の方法で算出することで所望の変調特性を得ることが出来る。

（実施形態３）
上述のように、従来の半導体光変調器の波長・温度依存性が大きい理由として、半導体光変調器の積層構造が位相変調領域を長くとれないｐ−ｉ−ｎ構造であることが挙げられる。そこで、この半導体光変調器の積層構造を波長・温度依存性の少ないものにすることで、調整のコストを低減することができる。

本発明の実施形態３に係る半導体光変調器１４は、図７ＸＩで示す位相変調領域の断面として、ｎ−ｉ−ｎ型半導体の積層構造（図１１（ａ））、もしくは、ｎ−ｐ−ｉ−ｎ型半導体の積層構造（図１１（ｂ））を使用しているところに特徴がある。ｎ−ｉ−ｎ型半導体では、下から、半導体基板１、ｎ型半導体層６、真性半導体層７、量子井戸層８、真性半導体層７、ｎ型半導体層６の順にエピタキシャル成長により半導体層を積層し、その上部に変調用電極４を作製している。また、ｎ−ｐ−ｉ−ｎ型では、ｎ−ｉ−ｎ型の上部真性半導体層７と上部ｎ型半導体層６の間に薄いｐ型半導体層９を設けることでキャリアストップ層としている。これらの構造の採用により、従来のｐ−ｉ−ｎ構造に比べて、光、電気の損失を低減し、またインピーダンス整合が容易であることから、長い位相変調領域が可能となっている（特許文献１参照）。長い位相変調領域を設けられることにより、ポッケルス効果による位相変調を主とした、波長・温度依存性の少ない変調特性が得られ、ＤＣバイアスを用いた変調振幅一定制御がより容易となる。もちろん、これらの利点は得られないものの、実施形態１、２では、従来例として示した図３、４で示す構造の変調器を使用することも可能である。

以上では、Ｃバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）をカバーする広域波長可変半導体レーザとの組み合わせ例を示したが、ＤＦＢレーザを温度制御により波長可変させる狭域の波長可変レーザと組み合わせた場合にも、同様にして半導体光変調器の制御を行うことが可能である。

無電界時、電界印加時の光吸収係数と波長の関係を表すＱＣＳＥを説明するための模式図である。無電界時、電界印加時の光吸収係数の変化量の波長依存性を示す図である。従来の電圧駆動型の半導体光変調器素子の模式図である。図３Ａ−Ａ’で示した位相変調領域の断面図である。ＤＣバイアス電圧と波長の関係を示す図である。本発明の実施形態１に係る半導体光変調器制御装置の構成を示す図である。本実施形態１において用いた半導体光変調器１４の構成を示す図である。ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧の関係を示す図である。半導体光変調器の消光特性を表す出力光パワーとＤＣバイアス電圧の関係を示す図である。（ａ）は、本発明における単一駆動の場合の制御手順を示すフローチャートであり、（ｂ）は、本発明における差動動作の場合の制御手順を示すフローチャートである。（ａ）は、半導体光変調器のｎ−ｉ−ｎ型半導体の積層構造を示す図であり、（ｂ）は、半導体光変調器のｎ−ｐ−ｉ−ｎ型半導体の積層構造を示す図である。（ａ）は、各波長に対するＤＦＢレーザとＴＬＡを用いた場合のレーザ温度を示す図であり、（ｂ）は、各波長に対する差動動作時のＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａ、Ｖ_Ｂａｒを示す図である。（ａ）は、各波長に対するフィッティングパラメータｃ_１を示す図であり、（ｂ）は、各波長に対するフィッティングパラメータｃ_２を示す図である。（ａ）は、フィッティングパラメータｃ_１の直線近似を示す図であり、（ｂ）は、フィッティングパラメータｃ_２と波長の関係の直線近似を示す図である。

符号の説明

１半導体基板
２光導波路
３変調信号入（出）力電極
４変調用電極
５グランド電極
６ｎ型半導体層
７真性半導体層
８量子井戸層
９ｐ型半導体層
１０変調器内蔵波長可変光源
１１ペルチェ素子
１２半導体波長可変レーザ
１３レンズ
１４半導体光変調器
１５レンズ
１６パワーモニタＰＤ
１７温度制御器
１８レーザ電流源
１９変調器ＤＣ電圧源
２０ＰＤ用電源
２１制御演算装置
２２変調器高周波信号源
２３光分波器
２４光パワーメータ

Claims

電圧変化による屈折率変化を用い、波長可変光源の出力光の変調を行う半導体光変調器において、
前記半導体光変調器に、ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧Ｖ_ｍを有する高周波信号であって、前記高周波信号の振幅の全幅がＶ_ｍである高周波信号を印加するステップと、
Ｖ_ｍが一定となるようにＤＣバイアス電圧を制御するステップと
を有し、
前記ＤＣバイアス電圧を制御するステップは、
前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させて前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するステップと、
前記出力光強度特性の位相情報をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２に基づいて解析するステップと
を含み、
前記出力光強度特性を測定するステップは、前記波長可変光源の少なくとも２波長に対して前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させて前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力強度特性を測定するステップを含み、
前記解析するステップは、前記出力光強度特性をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２を位相項として持つ正弦波関数にカーブフィッティングを行い、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を求めるステップを含み、
前記ＤＣバイアス電圧を制御するステップは、所望の固定の変調振幅電圧Ｖ _ｍ及び、変調方式で決まる変調振幅全幅での位相変化αに対して、（α／Ｖ _ｍ −ｃ _１）／２ｃ _２となるＤＣバイアス電圧を設定するステップを含むことを特徴とする半導体光変調器の制御方法。
電圧変化による屈折率変化を用い、波長可変光源の出力光の変調を行う半導体光変調器において、
前記半導体光変調器に、ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧Ｖ _ｍを有する高周波信号であって、前記高周波信号の振幅の全幅がＶ _ｍである高周波信号を印加するステップと、
Ｖ _ｍが一定となるようにＤＣバイアス電圧を制御するステップと
を有し、
前記ＤＣバイアス電圧を制御するステップは、
前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させて前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するステップと、
前記出力光強度特性の位相情報をＤＣバイアス電圧Ｖ_Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ_０＋ｃ_１×Ｖ_Ｄａｔａ＋ｃ_２×Ｖ_Ｄａｔａ ^２に基づいて解析するステップと
を含み、
前記出力光強度特性を測定するステップは、前記半導体光変調器が差動の入力端子を備え、前記波長可変光源の少なくとも２波長に対して、差動の入力Ｄａｔａ及びＤａｔａＢａｒ端子それぞれのＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａ及びＶ _Ｂａｒに対する前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するステップを含み、
前記解析するステップは、前記出力光強度特性をＤＣバイアス電圧の２次までの係数を用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２ −（ｃ _１ ×Ｖ _Ｂａｒ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｂａｒ ^２）にカーブフィッティングを行い、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を求めるステップを含み、
前記ＤＣバイアス電圧を制御するステップは、Ｄａｔａ端子に加える所望の固定の変調振幅電圧Ｖ _ｍ、ＤａｔａＢａｒ端子に加える変調振幅電圧を所望の定数ｒ倍のＶ _ｍとするとき、変調方式で決まる変調振幅全幅での位相変化αに対して、α／Ｖ _ｍ＝（１＋ｒ）×ｃ _１＋２ｃ _２ ×（Ｖ _Ｄａｔａ＋ｒ×Ｖ _Ｂａｒ）を満足するＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａ、Ｖ _Ｂａｒを設定するステップを含むことを特徴とする半導体光変調器の制御方法。
前記解析するステップは、前記波長可変光源の一部波長において、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を、近接する波長の消光特性の測定及びカーブフィッティングにより得られた係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２の補間から求めるステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光変調器の制御方法。
複数の波長光を出力する波長可変光源と、
前記波長可変光源の出力光を入力光として光変調を行う半導体光変調器と、
前記半導体光変調器にＤＣバイアス電圧を印加するＤＣ電圧源と、
前記半導体光変調器に前記ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧Ｖ_ｍを有する高周波信号であって、前記高周波信号の振幅の全幅がＶ_ｍである高周波信号を印加する高周波信号源と、
前記半導体光変調器の出力光の少なくとも一部を受光し、光強度を測定するパワーモニタと、
Ｖ_ｍが一定となるように前記ＤＣ電圧源のＤＣバイアス電圧を制御する制御演算装置と
を備え、
前記制御演算装置は、前記ＤＣ電圧源が前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させ、前記パワーモニタが前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するように制御し、前記出力光強度特性の位相情報をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２に基づいて解析し、
前記制御演算装置は、前記波長可変光源の少なくとも２波長に対して前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させて前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力強度特性を測定し、前記出力光強度特性をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２を位相項として持つ正弦波関数にカーブフィッティングを行い、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を求め、所望の固定の変調振幅電圧Ｖ _ｍ及び、変調方式で決まる変調振幅全幅での位相変化αに対して、（α／Ｖ _ｍ −ｃ _１）／２ｃ _２となるＤＣバイアス電圧を前記ＤＣ電圧源に設定することを特徴とする半導体光変調器制御装置。
複数の波長光を出力する波長可変光源と、
前記波長可変光源の出力光を入力光として光変調を行う半導体光変調器と、
前記半導体光変調器にＤＣバイアス電圧を印加するＤＣ電圧源と、
前記半導体光変調器に前記ＤＣバイアス電圧と変調振幅電圧Ｖ _ｍを有する高周波信号であって、前記高周波信号の振幅の全幅がＶ _ｍである高周波信号を印加する高周波信号源と、
前記半導体光変調器の出力光の少なくとも一部を受光し、光強度を測定するパワーモニタと、
Ｖ _ｍが一定となるように前記ＤＣ電圧源のＤＣバイアス電圧を制御する制御演算装置と
を備え、
前記制御演算装置は、前記ＤＣ電圧源が前記ＤＣバイアス電圧を逐次変化させ、前記パワーモニタが前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定するように制御し、前記出力光強度特性の位相情報をＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａの２次の係数までを用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２に基づいて解析し、
前記波長可変光源は、複数の波長光を出力する差動の入力Ｄａｔａ及びＤａｔａＢａｒ端子を有し、
前記制御演算装置は、前記波長可変光源の少なくとも２波長に対して、前記差動の入力Ｄａｔａ及びＤａｔａＢａｒ端子それぞれのＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａ及びＶ _Ｂａｒに対する前記半導体光変調器のＤＣバイアス電圧に対する出力光強度の関係を表す出力光強度特性を測定し、前記出力光強度特性をＤＣバイアス電圧の２次までの係数を用いた式ｃ _０＋ｃ _１ ×Ｖ _Ｄａｔａ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｄａｔａ ^２ −（ｃ _１ ×Ｖ _Ｂａｒ＋ｃ _２ ×Ｖ _Ｂａｒ ^２）にカーブフィッティングを行い、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を求め、Ｄａｔａ端子に加える所望の固定の変調振幅電圧Ｖ _ｍ、ＤａｔａＢａｒ端子に加える変調振幅電圧を所望の定数ｒ倍のＶ _ｍとするとき、変調方式で決まる変調振幅全幅での位相変化αに対して、α／Ｖ _ｍ＝（１＋ｒ）×ｃ _１＋２ｃ _２ ×（Ｖ _Ｄａｔａ＋ｒ×Ｖ _Ｂａｒ）を満足するＤＣバイアス電圧Ｖ _Ｄａｔａ、Ｖ _Ｂａｒを前記ＤＣ電圧源に設定することを特徴とする半導体光変調器制御装置。
前記制御演算装置は、前記波長可変光源の一部波長において、係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２を、近接する波長の消光特性の測定及びカーブフィッティングにより得られた係数ｃ _０、ｃ _１及びｃ _２の補間から求めることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体光変調器制御装置。
前記半導体光変調器の位相変調領域の層構造が、ｎ−ｉ−ｎ型半導体、及び、ｎ−ｐ−ｉ−ｎ型半導体のいずれかの接合により形成されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の半導体光変調器制御装置。