JP5348317B2 - 光変調装置、光変調装置の駆動方法、及び光変調装置の製造方法 - Google Patents

光変調装置、光変調装置の駆動方法、及び光変調装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、マッハ・ツェンダ型の光導波路を備えた光変調装置、その駆動方法、及びその製造方法に関する。
大容量の光通信が可能であるＷＤＭシステムの通信用光源として強く求められている、広い波長範囲で高速に動作する光変調装置として、いわゆるマッハ・ツェンダ（Mach-Zehnder）型変調器を用いた光変調装置が注目されている。現在、長距離及び大容量の光通信システムにおいては、例えば非線形光学結晶ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ３,ＬＮ)中の電気光学効果を利用したマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器（以下、単にＬＮ−ＭＺ型光変調器と称する。）と半導体レーザとを備えた光送信機が用いられている。また近年では、小型化が可能な半導体マッハ・ツェンダ（ＭＺ）型光変調器（以下、単に半導体ＭＺ型光変調器と称する。）及び半導体ＭＺ型光変調器集積型の半導体レーザの開発が進められている。
半導体ＭＺ型光変調器の一例を図１９に示す。
この半導体ＭＺ型変調器は、半導体導波路で形成される第１の光カプラ１０１、アーム１０２ａ，１０２ｂ、第２の光カプラ１０４及び変調電極１０３ａ，１０３ｂを備えて構成される。
第１の光カプラ１０１は、入力ポート１０１ａを有しており、入射光を２つに分岐する入力カプラである。アーム１０２ａ，１０２ｂは、２本の分岐された光が伝播する導波路である。変調電極１０３ａ，１０３ｂは、アーム１０２ａ，１０２ｂの導波路上に形成されており、アーム１０２ａ，１０２ｂにそれぞれ変調信号を印加するための電極である。第２の光カプラ１０４は、出力ポート１０４ａを有しており、アーム１０２ａ，１０２ｂを伝播した光を合波（結合）する出力カプラである。
２本のアーム１０２ａ，１０２ｂは、それぞれ一端が第１の光カプラ１０１と、他端が第２の光カプラ１０４と接続されている。入力ポート１０１ａから第１の光カプラ１０１に入射した光は、アーム１０２ａ，１０２ｂで分岐し、それぞれアーム１０２ａ，１０２ｂを通過した後に、第２の光カプラ１０４で合波されて出力ポート１０４ａから出力する。この合波時における光の干渉状態により、出力光のオン／オフが切り替えられる。アーム１０２ａ，１０２ｂを通過した光が第２の光カプラ１０４の出力ポート１０４aにおいて再び結合する際の位相差が０（又は２Ｎπ，Ｎは整数）の場合には、互いに強め合う干渉状態となるため、出力ポート１０４aから光が出力されるオン状態となる。一方、アーム１０２ａ，１０２ｂを通過した光が第２の光カプラ１０４の出力ポート１０４aにおいて再び結合する際の位相差がπ（又は(２Ｎ＋１)π）の場合には、互いに弱め合う干渉状態となるため、出力ポート１０４aから光が出力されないオフ状態となる。
アーム１０２ａ，１０２ｂを通過する光の位相の調整方法としては、例えば、アーム１０２ａ，１０２ｂに電界を印加したときに生じる屈折率変化を利用して位相を調整する方法等がある。従って、変調電極１０３ａ，１０３ｂによりアーム１０２ａ，１０２ｂに変調電圧信号を印加すれば、変調電圧信号に応じてアーム１０２ａ，１０２ｂで位相の変化が起こり、結果として出力される光の強度が変調される。良好な光変調を行うためには、先ず、アーム１０２ａ，１０２ｂに印加する変調信号が、位相差をπだけ変化させるのに十分大きな振幅を持つ必要がある。それに加えて、変調電圧信号のオフレベルにおいて位相差がπとなり、オンレベルにおいて位相差が０となるように、アーム１０２ａ，１０２ｂを通過した光の位相差を制御することが必要である。アーム１０２ａ，１０２ｂを通過する光の位相差は、製造誤差等に依存して各々の変調器素子ごとに異なるため、変調器素子ごとに位相を調整する必要がある。
アーム１０２ａ，１０２ｂ間の位相差を制御する方法としては、変調電極１０３ａ，１０３ｂとは別に位相制御用の電極を少なくとも一方のアームに形成し、この位相制御用の電極に印加する電圧を調整して少なくともどちらか一方のアームの屈折率を変化させ、位相を変える方法がある。アーム１０２ａ，１０２ｂ間の位相差を制御する別の方法としては、変調電極１０３ａ，１０３ｂに印加するＤＣバイアスに差をつける方法がある。一般的に半導体ＭＺ型変調器では、数Ｖ程度のＤＣバイアスを印加して変調動作を行うが、このＤＣバイアスをアーム１０２ａ，１０２ｂ間で差を付けることによって、アーム１０２ａ，１０２ｂ間の位相差を調整することができる。
一方、ＭＺ型光変調器では、変調時に出力光の波長が変動する、いわゆる波長チャープという現象が生じる。この波長チャープは、光ファイバ伝送後の光変調波形が劣化する要因となる。そのため、ＭＺ型光変調器において十分な変調特性を得るためには、波長チャープを精密に制御する必要がある。波長チャープの制御技術としては、波長チャープの量を極力小さくするゼロチャープ動作の技術、伝送後の光波形に改善が見られるような波長チャープを意図的に付加する負チャープ動作の技術がある。これらのチャープ制御技術は、変調電圧信号を印加した場合に、アーム１０２ａ，１０２ｂにおいて発生する光の位相変化の振幅の比率を調整することによって実現される。ゼロチャープ動作では、高周波電圧である変調信号を印加した場合にアーム１０２ａ，１０２ｂにおいて発生する光の位相変化の振幅の比率を１：１に固定することが望ましい。負チャープ動作では、一方のアームと他方のアームとにおいて発生する光の位相変化の振幅の比率を、例えば０．８５：０．１５程度に固定することが望ましい。
上記の比率は、例えば、アーム１０２ａ，１０２ｂに印加される電圧信号の振幅の比率を調整することにより実現される。ゼロチャープ動作を実現するには、アーム１０２ａ，１０２ｂに振幅が同じで且つ方向が逆となるような変調信号を印加し、アーム１０２ａ，１０２ｂで発生する位相変化の量が同じで且つ方向が逆になるようにする。負チャープ動作を実現するには、例えば、アーム１０２ａ，１０２ｂで振幅の大きさが異なり、且つ方向が逆となる変調信号を印加し、アーム１０２ａ，１０２ｂのうちで片方の位相変化量が多くなるようにする。
以上のように、ＭＺ型光変調装置では、良好な変調特性を得るためには、アーム１０２ａ，１０２ｂ間における位相差の制御及びアーム間の位相変化の振幅の比率の制御の双方を適切に行うことが要求される。
特表２００７−５３１０２２号公報
近年、上記のような半導体ＭＺ変調器を搭載した光送受信機モジュールの小型化が強く求められている。
上記のような光送受信機モジュールの小型化には、変調器自身が小さいことが先ず必要である。また、変調器の小型化だけではなく、変調器を含む変調器モジュールの小型化、簡素化が重要となる。この場合、前述した位相の制御方法のうち、変調電極とは別に位相制御用の電極を用いる方法では、変調器モジュールにおける接続用の電極ピンの数が増えることになり、小型化には不向きである。また、位相制御用の電極の付加に伴って変調器の制御パラメータが１つ増えることになるため、制御回路の構成が複雑になるという問題もある。
ＤＣバイアスを変調電極に印加する位相の調整方法について考察する。この場合、半導体ＭＺ型光変調器のパッケージの小型化等には適しているが、以下に説明するように、波長チャープの制御が困難であるという半導体ＭＺ型変調器に特有の問題がある。
半導体ＭＺ型光変調器では、一般的に、光導波路に逆電圧の変調信号を印加して屈折率を変化させて変調動作を実現する。ここで逆電圧の変調信号の印加とは、半導体ＭＺ型光変調器のｐ側電極に負のバイアスを、ｎ側電極に正のバイアスをそれぞれ印加することを意味する。以降、光導波路に逆電圧を印加することを、単に電圧を印加すると記載する。
変調器の光導波路に変調信号を印加した場合の位相変化の様子を図２０Ａに示す。図示のように、光導波路では、変調信号に対してほぼ二次関数の関係で位相変化が生じる。換言すれば、印加するＤＣバイアスにほぼ比例して、位相変化の効率が高くなる。即ち、同じ振幅の変調電圧信号を光導波路に印加した場合でも、印加されているＤＣバイアスに依存して発生する位相変化量が変化する。
変調器において、ＤＣバイアスにより位相差を調整する場合には、光導波路である２本のアームの変調電極に印加するＤＣバイアスをずらして調整するが、ＤＣバイアスをずらすと上記のような理由で２本のアームの間で位相変化の効率の関係が変化する。
図１９のような、変調電極１０３ａ，１０３ｂの長さが同じである変調器の場合では、アーム１０２ａ，１０２ｂに印加した電圧と位相変化の関係は同じである。必要な位相差の調整量、即ち必要なＤＣバイアスの差は、製造誤差等により各々の半導体ＭＺ光変調器で異なる。例えば図２０Ａのように、ある変調器では必要な位相差の調整量がΔφであるとする。このとき、アーム１０２ａ，１０２ｂに印加するＤＣバイアスがＶＤＣ１，ＶＤＣ２のときに位相差が適切な値になる。これに対して、別の変調器では、必要な位相差の調整量がΔφ’であり、ＶＤＣ１，ＶＤＣ２’のときに位相差が適切な値になる。
その結果、図２０Ｂに示すように、アーム１０２ａ，１０２ｂ間における位相変化の効率の関係は、変調器ごとで異なるものとなる。図２０Ｂにおいて、位相変化の効率とは、図２０Ａにおける位相のＤＣバイアスに対する変化率（微分値）である。
背景技術において示したように、波長チャープの制御には２つのアーム（導波路）で発生する位相変化量の比率を精密に調整する必要がある。上記のようにＤＣバイアスで位相制御を行った場合には、２つのアーム間の電圧信号に対する位相変化の効率にずれが生じ、ＭＺ光変調器ごとにアーム間の位相変化の振幅の比率が変わってしまう。そのため、２つのアームで発生する位相変化量の比率を精密に調整することができず、良好なチャープ特性を得ることができなくなる。
位相変化の効率の変化分について、変調信号の大きさの比率を変えることにより、位相変化量を調整することも考えられる。しかしながらこの場合、２種の変調電圧信号を発生し、且つ２種の変調電圧信号の振幅を独立に任意に調整できるような複雑な駆動回路が必要となるが、このような回路は実現困難である。特に、小型光送受信機に搭載できるような駆動回路の実現はほぼ不可能である。このように、ＤＣバイアスによる位相制御では、波長チャープを精密に制御することは難しい。
従って現状では、半導体ＭＺ光変調器において、小型で簡素な素子構造で、且つ複雑な制御回路を用いずに、位相制御及び波長チャープの双方を適切に調節することは困難である。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、半導体ＭＺ型変調器において第１及び第２の光導波路間の位相差の最適な制御と、精密な波長チャープ特性の制御とを、簡素な素子構造で実現することを可能とし、装置サイズが小型で且つ良好な特性を持つ光変調を実現する光変調装置、光変調装置の制御方法、及び光変調装置の製造方法を提供することを目的とする。
光変調装置の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置であって、前記半導体マッハ・ツェンダ変調器は、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極とを含み、前記第１の電極の長さと前記第２の電極の長さとが異なっており、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つように、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスが印加される。
光変調装置の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置であって、前記半導体マッハ・ツェンダ変調器は、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極とを含み、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：４〜１：５の一定値に保つように、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスが印加される。
光変調装置の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置であって、前記半導体マッハ・ツェンダ変調器は、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加するための、前記第２の電極とは別に形成された第３の電極とを含み、前記第１の電極及び前記第２の電極は、その長さが同一に形成されており、前記第２の電極と前記第３の電極がインダクタを介して接続されており、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つように、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスが印加される。
光変調装置の駆動方法の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の駆動方法であって、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極とを含む光変調装置について、前記第１の電極の長さと前記第２の電極の長さとが異なっており、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つように、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを印加する。
光変調装置の駆動方法の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の駆動方法であって、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極とを含む光変調装置について、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：４〜１：５の一定値に保つように、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを印加する。
光変調装置の駆動方法の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の駆動方法であって、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加するための、前記第２の電極とは別に形成された第３の電極とを含み、前記第１の電極及び前記第２の電極は、その長さが同一に形成されており、前記第２の電極と前記第３の電極がインダクタを介して接続された光変調装置について、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つように、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを印加する。
光変調装置の製造方法の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の製造方法であって、前記半導体マッハ・ツェンダ変調器を作製する際に、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路を形成する工程と、前記第１の光導波路上に、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加するための第１の電極と、前記第２の光導波路上に、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加するための第２の電極とを形成する工程とを含み、更に、前記第１の電極の長さと前記第２の電極の長さとが異なっており、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つ、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを決定する工程を含む。
光変調装置の製造方法の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の製造方法であって、前記半導体マッハ・ツェンダ変調器を作製する際に、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路を形成する工程と、前記第１の光導波路上に、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加するための第１の電極と、前記第２の光導波路上に、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加するための第２の電極とを形成する工程とを含み、更に、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：４〜１：５の一定値に保つ、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを決定する工程を含む。
光変調装置の製造方法の一態様は、入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の製造方法であって、前記半導体マッハ・ツェンダ変調器を作製する際に、分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路を形成する工程と、前記第１の光導波路上に、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加するための第１の電極と、前記第２の光導波路上に、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加するための第２の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加するための、前記第２の電極とは別に形成された第３の電極とを形成する工程とを含み、更に、前記第１の電極及び前記第２の電極は、その長さが同一に形成されており、前記第２の電極と前記第３の電極がインダクタを介して接続されており、前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つ、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを決定する工程を含む。
上記の各態様によれば、第１及び第２の光導波路間の位相差の最適な制御と、精密な波長チャープ特性の制御とを、簡素な素子構成で実現することが可能となり、装置サイズが小型で且つ良好な特性を持つ光変調が実現する。
図１は、第１の実施形態による光変調装置に用いる半導体ＭＺ変調器を示す概略平面図である。 図２Ａは、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝１：１の場合における印加電圧に対する位相を示す特性図である。 図２Ｂは、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝１：１の場合における印加電圧に対する位相変化の効率を示す特性図である。 図３Ａは、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ｌ２：Ｌ１の場合における印加電圧に対する位相を示す特性図である。 図３Ｂは、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ｌ２：Ｌ１の場合における印加電圧に対する位相変化の効率を示す特性図である。 図４Ａは、第１の実施形態による光変調装置に用いる半導体ＭＺ変調器を示す概略平面図である。 図４Ｂは、第１の実施形態による光変調装置に用いる半導体ＭＺ変調器を示す概略断面図である。 図５は、図４Ａ及び図４Ｂの半導体ＭＺ変調器を搭載した変調器モジュールを示す概略平面図である。 図６は、図５の変調器モジュールを搭載した光変調装置を示す概略平面図である。 図７は、第１の実施形態による光変調装置の他の例を示す概略平面図である。 図８は、第１の実施形態による光変調装置の製造方法を工程順に示すフロー図である。 図９は、第１の実施形態において、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ａ：Ｂ＝１：１の場合における位相及び位相変化の効率を示す特性図である。 図１０は、第１の実施形態において、位相差を調整する際に用いる消光カーブを示す特性図である。 図１１は、第１の本実施形態によるＭＺ型光変調装置の駆動方法を示すフロー図である。 図１２は、第２の実施形態において、位相差を調整する際に用いる消光カーブを示す特性図である。 図１３は、第３の実施形態において、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝２．５：１の場合における位相及び位相変化の効率を示す特性図である。 図１４は、第３の実施形態において、位相差を調整する際に用いる消光カーブを示す特性図である。 図１５は、第４の実施形態による光変調装置に用いる半導体マッハ・ツェンダ変調器を示す概略平面図である。 図１６は、図１５の半導体マッハ・ツェンダ変調器を搭載した変調器モジュールを示す概略平面図である。 図１７は、図１６の変調器モジュールを搭載した光変調装置を示す概略平面図である。 図１８は、第４の実施形態による光変調装置の他の例を示す概略平面図である。 図１９は、従来の光変調装置に用いる半導体マッハ・ツェンダ変調器の一例を示す概略平面図である。 図２０Ａは、変調器素子の光導波路に印加した電圧に対する位相の関係を示す特性図である。 図２０Ｂは、変調器素子の光導波路に印加した電圧に対する位相変化の効率の関係を示す特性図である。
−半導体マッハ・ツェンダ変調器の基本構成−
図１は、本実施形態における光変調装置に用いる半導体マッハ・ツェンダ変調器を示す概略平面図である。
この半導体ＭＺ型変調器１０は、第１の光カプラ１、アーム２ａ，２ｂ、第２の光カプラ４を構成する半導体光導波路と、変調電極３ａ，３ｂとを備えて構成される。
第１の光カプラ１は、入力ポート１ａを有しており、入射光を２つに分岐する入力カプラである。アーム２ａ，２ｂは、２本の分岐された光が伝播する導波路である。変調電極３ａ，３ｂは、アーム２ａ，２ｂにそれぞれ変調信号を印加するための電極である。変調電極３ａと変調電極３ｂとでは、後述するように、相異なる長さに形成されている。第２の光カプラ４は、出力ポート４ａを有しており、アーム２ａ，２ｂを伝播した光を合波（結合）する出力カプラである。
２本のアーム２ａ，２ｂは、それぞれ一端が第１の光カプラ１と、他端が第２の光カプラ４と接続されている。入力ポート１ａから第１の光カプラ１に入射した光は、アーム２ａ，２ｂで分岐し、それぞれアーム２ａ，２ｂを通過した後に、第２の光カプラ４で合波されて出力ポート４ａから出力する。この合波時における光の干渉状態により、出力光のオン／オフが切り替えられる。アーム２ａ，２ｂを通過した光が出力ポート４ａにおいて合波される際の位相差が０（又は２Ｎπ，Ｎは整数）の場合には、互いに強め合う干渉状態となるため、出力ポート４aから光が出力されるオン状態となる。一方、アーム２ａ，２ｂを通過した光が出力ポート４aにおいて合波される際の位相差がπ（又は(２Ｎ＋１)π）の場合には、互いに弱め合う干渉状態となるため、出力ポート４ａから光が出力されないオフ状態となる。このように、入力ポート１ａから入射された光は、アーム２ａ，２ｂの位相差に応じて強度を変えて出力ポート４ａから出力する。
アーム２ａ，２ｂを通過する光の位相を調整するには、アーム２ａには変調電極３ａから第１のＤＣバイアス及び第１の変調信号を、アーム２ｂには変調電極３ｂから第２のＤＣバイアス及び第２の変調信号をそれぞれ印加する。
アーム２ａ，２ｂには、変調電極３ａの長さと第１のＤＣバイアスとの積と、変調電極３ｂの長さと第２のＤＣバイアスとの積との比率が一定値に保たれるように、第１のＤＣバイアス及び第２のＤＣバイアスが印加される。ここで、ＤＣバイアスとは、変調信号のオン／オフの中間点における直流バイアス値、即ちセンターバイアスのことを言う。
半導体光導波路における光の位相変化は、印加する電圧の２乗にほぼ比例するため、電圧変化に対する位相変化の効率はＤＣバイアスＶＤＣにほぼ比例して高くなる。また、位相変化の効率は、変調電極の長さＬにも比例して高くなる。即ち、位相変化の効率ηは、以下のように、ＤＣバイアスＶＤＣと変調電極の長さＬとの積に比例する。
η＝αＶＤＣＬ α：比例係数 ・・・（１）
アーム２ａ，２ｂの変調電極３ａ，３ｂの長さをそれぞれＬ１，Ｌ２とし、変調電極３ａ，３ｂに印加するＤＣバイアスをＶＤＣ１，ＶＤＣ２とすると、アーム２ａ，２ｂの位相変化の効率η１，η２は、以下のようになる。ここで、「変調電極の長さ」とは、当該変調電極が、アームを形成する導波路と電気的に接続されている部分の、当該アームの長手方向に沿った長さを言う。以下の諸実施形態でも同様である。
η１＝αＬ１ＶＤＣ１ ・・・（２）
η２＝αＬ２ＶＤＣ２ ・・・（３）
ここで、ＶＤＣ１とＶＤＣ２を一定の比率、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ａ：Ｂに固定した場合、η１とη２の比率は以下のようになる。
η１：η２＝ＡＬ１：ＢＬ２ ・・・（４）
変調電極３ａ，３ｂの長さは、変調器素子１０の作製時に決定するため、Ｌ１，Ｌ２は固定の値である。従って、２つのアーム間のＤＣバイアスの比率を固定した場合には、η１とη２との比率、即ち、長さＬ１と第１のＤＣバイアスＶＤＣ１との積と、長さＬ２と第２のＤＣバイアスＶＤＣ２との積との比率は一定値に固定される。
上記のように、第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２の比率を固定した状態で、アーム２ａ，２ｂに印加するＶＤＣ１，ＶＤＣ２を増減させると、Ａ：Ｂ＝Ｌ２ １／２：Ｌ１ １／２となる場合を除いて、アーム２ａ，２ｂ間の位相差を変化させることができる。
具体例として、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ａ：Ｂ＝１：１の場合における位相及び位相変化の効率を図２Ａ、図２Ｂに、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ａ：Ｂ＝Ｌ２：Ｌ１の場合における位相及び位相変化の効率を図３Ａ、図３Ｂにそれぞれ示す。センターバイアスに対する位相の値を図２Ａ、図３Ａに、センターバイアスに対する位相変化の効率を図２Ｂ、図３Ｂにそれぞれ示す。位相変化の効率とは、図２Ａ及び図３Ａにおける位相のＤＣバイアスに対する変化率（微分値）である。
図２Ａ，図３Ａに示すように、アーム２ａ，２ｂに印加するＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２の比率を固定した場合、ＶＤＣ１，ＶＤＣ２をその関係を保ったまま大きくすることにより、アーム２ａ，２ｂ間の位相差を大きくすることができる。
即ち、図２Ａでは、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝１：１の関係を保持してＤＣバイアスをＶＤＣ１（＝ＶＤＣ２）からＶＤＣ１’（＝ＶＤＣ２）に増加させた場合、アーム２ａ，２ｂ間の位相差は、ΔφからΔφ’に増加する。
図３Ａでは、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ｌ２：Ｌ１の関係を保持してＤＣバイアスＶＤＣ１をＶＤＣ１’に、ＤＣバイアスＶＤＣ２をＶＤＣ２’に増加させた場合、アーム２ａ，２ｂ間の位相差は、ΔφからΔφ’に増加する。
位相変化の効率について考察する。
変調器素子１０において、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝１：１とした場合について考える。このとき、アーム２ａ，２ｂで発生する位相変化の効率の比率η１：η２は、式（４）から変調電極３ａ，３ｂの長さの比率Ｌ１：Ｌ２で固定される。即ち、図２Ｂに示すように、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝１：１の関係を保持してＤＣバイアスをＶＤＣ１（＝ＶＤＣ２）からＶＤＣ１’（＝ＶＤＣ２）に増加させた場合でも、位相変化の効率の比率は、η１：η２＝η１’：η２’＝Ｌ１：Ｌ２と不変である。
従って、先ず、変調電極３ａ，３ｂを、その長さＬ１，Ｌ２が最適なチャープ特性を得るのに適した位相変化量（位相変化の効率）の比率となるように形成する。この条件で、変調電極３ａ，３ｂによりアーム２ａ，２ｂに同じ振幅の第１の変調信号及び第２の変調信号を印加することにより、適切なチャープ特性を得ることができる。特に、比率Ｌ１：Ｌ２を１：４〜１：５程度となるように変調電極３ａ，３ｂを形成すれば、ＬＮ−ＭＺ型光変調装置における負チャープ動作のチャープ特性と同等のチャープ特性（αパラメータ＝−０．７）を得ることができる。
変調器素子１０において、変調電極３ａ，３ｂに印加するＤＣバイアスの比率を、変調電極３ａ，３ｂの長さの比率とは逆、即ち、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ｌ２：Ｌ１とした場合について考える。このとき、アーム２ａ，２ｂ間で位相変化の効率の比率η１：η２を１：１とすることができる。即ち、図３Ｂに示すように、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ｌ２：Ｌ１の関係を保持してＤＣバイアスＶＤＣ１をＶＤＣ１’に、ＤＣバイアスＶＤＣ２をＶＤＣ２’に増加させた場合でも、位相変化の効率の比率は、式（４）からη１：η２＝η１’：η２’＝１：１と不変である。
この条件で、変調電極３ａ，３ｂに同じ振幅の変調電極３ａ，３ｂによりアーム２ａ，２ｂに同じ振幅の第１及び第２の変調信号を印加する。これにより、波長チャープが殆ど発生しないチャープ特性（αパラメータ≒０）のゼロチャープ動作を実現することができる。
変調電極３ａ，３ｂに印加する第１及び第２の変調信号の振幅を同じ値にして、最適なチャープ特性を得ることができるため、簡素な駆動回路を用いることが可能となる。
以上のように、本実施形態による半導体マッハ・ツェンダ変調器を用いた光変調装置では、アーム２ａ，２ｂ間の位相変化の効率の比率を一定に固定した状態で、アーム２ａ，２ｂ間の位相差を調整することが可能である。その結果、アーム２ａ，２ｂ間の位相差の調整とチャープ特性の精密な制御とを両立して行うことができる。また、この光変調装置を駆動する際には、位相差を調整するときに変調電極３ａ，３ｂに印加するＤＣバイアスを調整するだけで良い。そのため、位相制御用の電極を別途に設ける必要がなく、変調器及び変調器モジュールの小型化が実現する。
−具体的な諸実施形態−
以下、具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図４Ａ及び図４Ｂは、第１の実施形態における光変調装置に用いる半導体マッハ・ツェンダ変調器を示す概略図であり、図４Ａが平面図、図４Ｂが図４Ａにおける破線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
図５は、図４の半導体マッハ・ツェンダ変調器を搭載した変調器モジュールを示す概略平面図である。
図６は、図５の変調器モジュールを搭載した光変調装置を示す概略平面図である。
本実施形態による光変調装置（光送信器）に用いる半導体マッハ・ツェンダ変調器２０は、図４Ａに示すように、第１の光カプラ１１、アーム１２ａ，１２ｂ、第２の光カプラ１４を構成する半導体導波路、及び変調電極１３ａ，１３ｂ、を備えて構成される。
第１の光カプラ１１は、入力ポート１１ａを有しており、入射光を２つに分岐する、いわゆる２×２ＭＭＩカプラである。アーム１２ａ，１２ｂは、２本の分岐された光が伝播する光導波路である。変調電極１３ａ，１３ｂは、アーム１２ａ，１２ｂの光導波路上に形成されており、アーム１２ａ，１２ｂに第１の変調信号及び第２の変調信号を印加するための電極である。変調電極１３ａ，１３ｂは、変調信号が入力される部位と出力される部位とを有する、いわゆる進行波型のマイクロストリップライン構造に形成される。変調電極１３ａと変調電極１３ｂとでは、後述するように、相異なる長さに形成されている。第２の光カプラ１４は、出力ポート１４ａを有しており、アーム１２ａ，１２ｂを伝播した光を合波（結合）する２×２ＭＭＩカプラである。
なお、変調電極１３ａ，１３ｂとしては、マイクロストリップライン構造に限定されるものではない。例えば、上面に、変調電極と平行にグランド電極を形成したコプレーナ電極構造、集中定数型の電極等を用いても良い。
２本のアーム１２ａ，１２ｂは、それぞれ一端が第１の光カプラ１１と、他端が第２の光カプラ１４と接続されている。入力ポート１１ａから第１の光カプラ１１に入射した光は、アーム１２ａ，１２ｂで分岐し、それぞれアーム１２ａ，１２ｂを通過した後に、第２の光カプラ１４で合波されて出力ポート１４ａから出力する。この合波時における光の干渉状態により、出力光のオン／オフが切り替えられる。アーム１２ａ，１２ｂを通過した光が出力ポート１４aで合波する際の位相差が０（又は２Ｎπ，Ｎは整数）の場合には、互いに強め合う干渉状態となるため、出力ポート１４aから光が出力されるオン状態となる。一方、アーム１２ａ，２ｂを通過した光が出力ポート１４aで合波する際の位相差がπ（又は(２Ｎ＋１)π）の場合には、互いに弱め合う干渉状態となるため、出力ポート１４aから光が出力されないオフ状態となる。このように入力ポート１１ａから入射された光は、アーム１２ａ，１２ｂの位相差に応じて強度を変えて出力ポート１４ａから出力する。
半導体マッハ・ツェンダ変調器２０では、図４Ａ、図４Ｂに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２１の表面に第１の光カプラ１１、アーム１２ａ，１２ｂ、及び第２の光カプラ１４を構成する光導波路が形成され、光導波路の側面を覆うように絶縁層２２が形成される。アーム１２ａ，１２ｂ上には、変調電極１３ａ，１３ｂが形成される。ｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面には共通のグランド電極２３が形成される。
アーム１２ａ，１２ｂは、図４Ｂに示すように、メサ構造の半導体光導波路として形成される。ここでは、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２Ａ、ｉ−ＩｎＰ層１２Ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）コア層１２Ｃ、ｉ−ＩｎＰ層１２Ｄ、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２Ｅ、及びＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２Ｆが順次積層されて形成される。ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷコア層１２Ｃは、例えばＩｎＧａＡｓＰ層とＩｎＰ層とが互いに複数積層されてなるものである。
絶縁層２２は、ｎ−ＩｎＰ基板２１上からアーム１２ａ，１２ｂの側面にかけて形成されたＳｉＯ２膜２２ａと、ＳｉＯ２膜２２ａ上に形成された低誘電体樹脂膜２２ｂと、低誘電体樹脂膜２２ｂ上に形成されたＳｉＯ２膜２２ｃとを有している。ＳｉＯ２膜２２ａ，２２ｂはパシベーション膜として機能する。低誘電体樹脂膜２２ｂは、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等を材料として形成される。
半導体マッハ・ツェンダ変調器の作製工程の概要を以下に示す。
先ず、図４Ｂに示されるような１２Ａ〜１２Ｆの半導体の各層を、例えば一般的なＭＯＣＶＤ法を用いてｎ−ＩｎＰ基板２１上に堆積させる。その後、レジストを用いた一般的なリソグラフィー技術及びドライエッチングにより、第１の光カプラ１１、アーム１２ａ，１２ｂ、及び第２の光カプラ１４および入力ポート１１a、出力ポート１４aを形成する部位のみを覆うＳｉＯ２等のマスクを形成する。このマスクを用いて各層１２Ａ〜１２Ｆをドライエッチングする。これにより、メサ構造のアーム１２ａ，１２ｂ等が形成される。
続いて、マスクを除去した後、ＣＶＤ法等により、全面に絶縁層２２を形成する。そして、レジストを用いた一般的なリソグラフィー技術及びドライエッチングにより、アーム１２ａ，１２ｂ上のみの絶縁層２２を除去し、開口を形成する。
しかる後、例えばＴｉ/Ｐｔ/Ａｕの蒸着及び金メッキを行い、開口内でアーム１２ａ，１２ｂと接続される変調電極１３ａ，１３ｂを形成する。
なお、本実施形態では、光導波路コア層としてＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷコア層１２Ｃを用いているが、これに限定されず、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷコア層等の他の半導体ＭＱＷコア層を用いて良い。
以上のような構成の半導体マッハ・ツェンダ変調器において、アーム１２ａ，１２ｂを通過する光の位相を調整するには、アーム１２ａには変調電極１３ａから第１のＤＣバイアス及び第１の変調信号を、アーム１２ｂには変調電極１３ｂから第２のＤＣバイアス及び第２の変調信号をそれぞれ印加する。
アーム１２ａ，１２ｂには、変調電極１３ａの長さと第１のＤＣバイアスとの積と、変調電極１３ｂの長さと第２のＤＣバイアスとの積との比率が一定値に保たれた状態で、第１のＤＣバイアス及び第２のＤＣバイアスが印加される。
本実施形態では、変調電極１３ａ，１３ｂに、同値のＤＣバイアス（センターバイアス）と、同振幅で電圧の変化が互いに逆になる第１の変調信号及び第２の変調信号とを印加する。この条件では、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相変化の効率の比率は、変調電極１３ａ，１３ｂの長さの比率で固定される。従って、変調電極長の比率を適切に設定することによって、２つのアーム間の位相変化量の比率を適切に調整し、良好な負チャープ動作を実現することができる。
詳細には、以下のようになる。変調電極１３ａが長さＬ１＝１．５ｍｍに、変調電極１３ｂが長さＬ２＝０．３ｍｍにそれぞれ形成される。ＶＤＣ１：ＶＤＣ２を１：１に固定する。従って、アーム２ａ，２ｂにおける位相変化の効率の比率η１：η２は、以下の値に固定される。
η１：η２＝Ｌ１ＶＤＣ１：Ｌ２ＶＤＣ２＝Ｌ１：Ｌ２＝１．５：０．３＝５：１
上述のように（図２Ａ、図２Ｂで示したように）、変調電極１３ａ，１３ｂのＤＣバイアスを一致させたままアーム１２ａ，１２ｂ共にＤＣバイアスを増減させることにより、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を変化させて調整することができる。
図５に示すように、上記のように構成された半導体マッハ・ツェンダ変調器２０を用いて光変調器モジュール３０が構成される。
半導体マッハ・ツェンダ変調器２０は、キャリア３１上にボンディングされる。半導体マッハ・ツェンダ変調器２０を搭載したキャリア３１は、温度調整用の素子、例えばペルチェ素子３２上に配置される。キャリア３１を搭載したペルチェ素子３２は、モジュールパッケージ３３の中に実装され、光変調器モジュール３０が構成される。
キャリア３１には、電極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄがパターニングされ、変調器素子２０の温度モニタ用のサーミスタ３８が設けられる。電極３１ａは変調電極１３ａの一端と、電極３１ｂは変調電極１３ａの他端とそれぞれ例えばワイヤボンディングされる。電極３１ｂには、キャリア３１と接続される例えば５０Ωの終端抵抗３９が配される。電極３１ｃは変調電極１３ｂの一端と、電極３１ｄは変調電極１３ｂの他端とそれぞれ例えばワイヤボンディングされる。電極３１ｄには、キャリア３１と接続される終端抵抗３９が配される。
半導体マッハ・ツェンダ変調器２０の前後には、それぞれコリメートレンズ３５が配される。モジュールパッケージ３３には、コリメートレンズ３５によって平行光となった光を集光するためのレンズ付きの光ファイバ３４ａ，３４ｂが配されている。光ファイバ３４ａから出力された光を、変調器素子２０に結合し、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０を通って出力された光を光ファイバ３４ｂに結合する。或いは、逆に、３４ｂから出力された光を、変調器素子２０に結合し、変調器素子２０を通ってから出力された光を光ファイバ３４ａに結合するようにしても良い。
モジュールパッケージ３３には、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０を駆動するための電極ピン３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄが設けられる。電極ピン３６ａは電極３１ａとワイヤボンディングされる。電極ピン３６ａは、キャリア３１上の電極３１ａを介して変調電極１３ａの一端と電気的に接続される。電極ピン３６ｂは、キャリア３１のグランドパターンとワイヤボンディングされてグランド電極として機能する。電極ピン３６ｃと電極ピン３６ｄとは、サーミスタ３８とキャリア３１のグランドパターンとにそれぞれワイヤボンディングされる。電極ピン３７ａは電極３１ｃとワイヤボンディングされる。電極ピン３７ａは、キャリア３１上の電極３１ｃを介して変調電極１３ｂの一端と電気的に接続される。電極ピン３７ｂは、キャリア３１のグランドパターンとワイヤボンディングされてグランド電極として機能する。電極ピン３７c，３７ｄはペルチェ素子３２とワイヤボンディングされてそれぞれ正極、負極となる。
図６に示すように、上記のように構成された光変調器モジュール３０を用い光変調装置４０が構成される。
電極ピン３６ａ，３６ｂには、ＤＣ電源４１ａ及び高周波信号源４２が接続される。電極ピン３７ａ，３７ｂには、ＤＣ電源４１ｂ及び高周波信号源４２が接続される。電極ピン３６ｃ，３６ｄ，３７ｃ，３７ｄには、温度コントローラ４３が接続される。そして、後述する駆動条件テーブル４５の各条件に従って、ＤＣ電源４１ａ，４１ｂ、高周波信号源４２及び温度コントローラ４３を制御する制御回路４４が設けられて、ＭＺ型光変調装置４０が構成される。駆動条件テーブル４５は、ＭＺ型光変調装置の製造段階で作成されて所定のメモリ等に格納される。
ＤＣ電源４１ａは、制御回路４４の制御により、駆動条件テーブル４５に記載された第１のＤＣバイアスＶＤＣ１を電極ピン３６ａ，３６ｂ間に印加する。高周波信号源４２は、制御回路４４の制御により、駆動条件テーブル４５に記載された振幅Ｖｐｐの高周波信号である第１の変調信号を電極ピン３６ａ，３６ｂ間に印加する。
ＤＣ電源４１ｂは、制御回路４４の制御により、駆動条件テーブル４５に記載された第２のＤＣバイアスＶＤＣ２を電極ピン３７ａ，３７ｂ間に印加する。高周波信号源４２は、制御回路４４の制御により、駆動条件テーブル４５に記載された振幅Ｖｐｐの高周波信号である第２の変調信号を電極ピン３７ａ，３７ｂ間に印加する。
ＤＣ電源４１ａ，４１ｂ及び高周波信号源４２により、変調電極１３ａには第１のＤＣバイアスＶＤＣ１及び第１の変調信号が、変調電極１３ｂには第２のＤＣバイアスＶＤＣ２及び第２の変調信号がそれぞれ印加される。第１の変調信号及び第２の変調信号は、同振幅で電圧の変化が互いに逆となる変調信号である。
温度コントローラ４３は、サーミスタ３８の抵抗を測定して変調器素子２０の温度を観測し、その観測した温度を元に、ペルチェ素子３２に注入される電流を調整して変調器素子２０の温度を調整する。温度コントローラ４３は、制御回路４４の制御により、変調器素子２０が駆動条件テーブル４５に記載された駆動温度Ｔに調節する。
本実施形態では、駆動条件テーブル４５に基づいた制御回路４４の制御により、第１のＤＣバイアスＶＤＣ１と第２のＤＣバイアスＶＤＣ２とが同値とされる。そこで、図７に示すように、ＤＣ電源４１ｂを省略し、ＤＣ電源４１ａのみを設けるようにしても良い。この場合、電極ピン３６ａ，３６ｂ及び電極ピン３７ａ，３７ｂにＤＣ電源４１ａが接続される。ＤＣ電源４１ａは、制御回路４４の制御により、駆動条件テーブル４５に記載されたＤＣバイアスＶＤＣを電極ピン３６ａ，３６ｂ間及び電極ピン３７ａ，３７ｂ間に印加する。このとき、変調電極１３ａ，１３ｂには共に同値のＤＣバイアスＶＤＣが印加される。
以下、光変調装置４０の製造方法について説明する。図８は、ＭＺ型光変調装置４０の製造方法を工程順に示すフロー図である。
まず、変調器素子の作製を行う（ステップ１）。ステップ１の工程は、先に示した通りであり、ここでは省略する。
次に、駆動条件テーブル４５を作成するための半導体マッハ・ツェンダ変調器の特性評価を行い、駆動条件テーブル４５を作成する（ステップＳ２）。
駆動条件テーブル４５には、変調器素子２０の駆動温度Ｔ、第１のＤＣバイアスＶＤＣ１、第２のＤＣバイアスＶＤＣ２（本実施形態ではＶＤＣ１＝ＶＤＣ２）、高周波信号の振幅Ｖｐｐが記載される。ＶＤＣ１，ＶＤＣ２，Ｖｐｐは、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０を駆動温度Ｔに調節した状態において良好な変調動作を行うことができる値である。
次に、光変調器モジュール３０を作製する（ステップＳ３）。
図６のように、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０をキャリア３１上にボンディングし、キャリア３１をペルチェ素子３２上に配置し、ペルチェ素子３２をモジュールパッケージ３３の中に実装する。
なお、駆動条件テーブル４５を作成するステップＳ２は、このステップＳ３で光変調器モジュール３０を作製した後に、実行しても良い。
しかる後、ＭＺ型光変調装置４０を作製する（ステップＳ４）。
図７のように、光変調器モジュール３０に、ＤＣ電源４１ａ，４１ｂ、高周波信号源４２、温度コントローラ４３をそれぞれ接続し、制御回路４４を接続する。制御回路４４には、駆動条件テーブル４５が格納されたメモリが接続される。
以下、駆動条件テーブル４５を作成するステップＳ２について詳述する。
本実施形態のように、アーム１２ａ，１２ｂの変調電極１３ａ，１３ｂに、互いに電圧の変化が逆になるような第１及び第２の変調信号を印加する場合について考える。このとき、消光比が高く取れる良好な変調動作を行うためには、アーム１と２の間の位相差を適切に調整する必要がある。即ち、変調電極１３ａに印加する第１の変調信号がオンレベル（高い方の電圧レベル）であり、且つ変調電極１３ｂに印加する第２の変調信号がオフレベル（低い方の電圧レベル）にある場合に、光の信号レベルがオンレベルになるようにする。逆に、第１の変調信号がオフレベルで第２の変調信号がオンレベルの場合に、光の信号レベルがオフレベルになるようにする。
本実施形態のような半導体マッハ・ツェンダ変調器では、例えば、光の入力ポートを上側の１１ａとし、出力ポートを下側の１４ａとした場合、アーム１２ａ，１２ｂを通過した光が出力ポート１４ａにおいて合波した際の位相差が、０（又は２Ｎπ、Ｎは整数）の場合に、光は下側の出力ポート１４ａから出力される。そのため、光の信号レベルがオンレベルになる。アーム１２ａ，１２ｂを通過した光が出力ポート１４ａにおいて合波した際の位相差がπ（又は(２Ｎ＋１)π）の場合には、上側の出力ポートから光が出力され、下側の出力ポートからは殆ど出力されない。そのため、光の信号レベルがオフになる。
従って、第１の変調信号がオンレベルであり、第２の変調信号がオフレベルである場合に、位相差が２Ｎπとなるように、アーム１２ａ，１２ｂ間で位相差を調整する必要がある。換言すれば、第１の変調信号がオフレベルであり、第２の変調信号がオンレベルである場合に、位相差が(２Ｎ＋１)πとなるようする必要があるとも言える。また、第１及び第２の変調信号のオンレベルとオフレベルの中央値であるセンターバイアスにおいて、位相差がほぼ(２Ｎ＋０．５)πとなるようにする必要があると言い換えることもできる。
本実施形態のような２×２のＭＭＩを入出力のカプラとして用いた半導体マッハ・ツェンダ変調器２０が理想的に作製された場合には、入力ポートを上側の１１ａとし、出力ポートを下側の１４ａとすれば、変調電極１３ａ，１３ｂに電圧を印加していない状態では、アーム１２ａ，１２ｂを通過した光の位相差は０となる。
しかしながら実際には、作製誤差等により、位相差は正確に０ではなく、有限の値Δθを持つことになる。このΔθは作製誤差等により生じるものであるため、同じ仕様の半導体マッハ・ツェンダ変調器２０を作製したとしても、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０の各々で異なる値を持つ。従って、ＤＣバイアス（センターバイアス）を用いてアーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を(２Ｎ＋０．５)πとするためには、この作製誤差による初期的なアーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を考慮に入れることを要する。即ち、ＤＣバイアスを印加することにより発生するアーム１２ａ，１２ｂ間の位相差の量を、(２Ｎ＋０．５)π−Δθとする必要がある。
ＤＣバイアスを増減させることにより位相差を調整する駆動方法を説明するために、図２を書き換えたものを図９に示す。
本実施形態では、ＤＣバイアスをアーム１２ａ，１２ｂで一致させた状態でＤＣバイアスを増減させるが、変調電極１３ａ，１３ｂの長さが異なるため、同じ電圧を印加しても、アーム１２ａ，１２ｂで発生する位相変化量は異なる。その結果として、アーム１２ａ，１２ｂの位相差もセンターバイアスの値を増減させることにより変化する。両アームのＤＣバイアスを大きくしてゆくほど、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差が大きくなってゆく。そのため、位相差が例えば０．５π−ΔθとなるＶまで、変調電極１３ａ，１３ｂにＤＣバイアスを印加すれば、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を適切に合わせることが可能となる。また、例えば別の変調器素子２０において初期位相差がΔθ’であれば、位相差が０．５π-Δθ’の値となるようにアーム１２ａ，１２ｂのＤＣバイアスを図９のＶ’に設定すれば良い。
上述したように、Δθの値は半導体マッハ・ツェンダ変調器２０ごとに異なる値を持つため、変調器素子２０ごとに必要なＤＣバイアスの値は異なる。本実施形態のように、ＤＣバイアスを変調電極１３ａ，１３ｂで一致させた場合には、ＤＣバイアスの値によらず、アーム１２ａ，１２ｂで発生する位相変化量の比率を固定できる。そのため、波長チャープの特性は殆ど変わらない。その結果、適切なアーム１２ａ，１２ｂ間の位相差の制御と、精密な波長チャープの制御を両立することが可能となり、変調器素子２０において良好な変調特性を得ることができるようになる。
本実施形態のＤＣバイアスによる位相差の調整は、原理的には以上のように考えることができるが、実際に調整する場合にはそれぞれのアームの位相の変化を直接観察することは難しい。そこで本実施形態では、ステップＳ１において、以下のような手順で位相差を調整し、ＤＣバイアスの駆動条件テーブルを作成する。
変調電極１３ａ，１３ｂに印加する第１のＤＣバイアス及び第２のＤＣバイアスを一致させた状態で、第１のＤＣバイアス（又は第２のＤＣバイアス）を０Ｖから数Ｖまで変化（スイープ）させる。このとき、出力ポート（この場合は、出力ポート１４ａ）から出力される光の強度を観測すると、例えば図１０のようないわゆる消光カーブが得られる。この消光カーブは、アーム間の位相差により干渉の状態が変わって出力光強度が変化する様子を表しており、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差が、極大の部分で２Ｎπ、極小の部分で（２Ｎ＋１）πとなっている。アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差が、(２Ｎ＋０．５)πとなるのは、極大と極小の中点となるセンターバイアスＶｃｂを印加した場合である。従って、このセンターバイアスＶｃｂに、アーム１２ａに印加する第１のＤＣバイアスを合わせることにより、上述した位相調整がなされることになる。本実施形態では、アーム１２ａに印加する第１のＤＣバイアスとアーム１２ｂに印加する第２のＤＣバイアスとは同値であるため、アーム１２ｂに印加する第２のＤＣバイアスもセンターバイアスＶｃｂとすれば良い。
なお、この消光カーブは、本実施形態のような半導体マッハ・ツェンダ変調器２０が理想的に作製されたとすれば、アーム１２ａ，１２ｂ間の初期位相差が０である場合に、図１０の実線のように、消光カーブがバイアス０のところで極大値となる。変調器素子２０に作製誤差があり、それによって発生する初期位相差がある場合には、図１０の破線のように、消光カーブが横軸方向にずれ、消光カーブがバイアス０以外のところでピークを持つようになる。
従って、実線のように半導体マッハ・ツェンダ変調器２０が理想的に作製された場合には、アーム１２ａに印加するＤＣバイアスを図１０のセンターバイアスＶｃｂの値とすれば良い。破線のようにアーム１２ａ，１２ｂ間に初期位相差が存在する場合には、アーム１２ａに印加する第１のＤＣバイアスＶＤＣ１を図１０のセンターバイアスＶｃｂ’の値とすれば良い。このように、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０の製造ばらつきに依存して発生する初期位相差により、極大と極小の中点となるセンターバイアスが変わるため、位相が適切に調整されているＤＣバイアスも半導体マッハ・ツェンダ変調器２０ごとに異なる。
上記のような、消光カーブの評価による位相差の調整は、実際に変調動作を行いながら調整を行うのは困難である。従って、本実施形態では、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０（又は変調器素子モジュール３０）の製造段階で、図１０のような消光カーブの評価を行い、第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２（本実施形態ではＶＤＣ１＝ＶＤＣ２）を、駆動温度Ｔ下で予め決定する。そして、決定されたＶＤＣ１，ＶＤＣ２を駆動温度Ｔと共に駆動条件テーブル４５に記載する。
一般的に、半導体光導波路では、電圧を印加した場合の導波路の位相変化は経時劣化がきわめて少ない。そのため、製造段階で上記のように駆動条件テーブルを作成し、これに基づいて半導体マッハ・ツェンダ変調器２０を駆動すれば、半永久的に良好な変調動作を保つことが可能である。
一般的に、ＭＺ型光変調器では、例えば通信波長帯のC-band帯全域で動作可能であることが望ましい。ＭＺ型光変調器では、半導体光導波路に電圧を印加した場合の位相変化量の波長依存性に起因して、波長ごとに特性が異なる。その結果、上記のような最適に位相が合ったＤＣバイアスの条件は、波長ごとに異なる。従って、基本的に波長ごとに別途にＤＣバイアスの条件を評価する必要がある。位相の合うＤＣバイアスは比較的波長に対して単純な関係を持っているため、数波長で消光カーブの評価を行ってＤＣバイアスの最適値を求め、その結果を元に、評価を行った波長の間の波長については補完してＤＣバイアスを求めれば良い。例えば、C-bandの短波側、長波側の端及び中心における波長の３波長において、上記のような消光カーブの評価によるＤＣバイアスの調整を行えば良い。調整を行った波長間の波長におけるＤＣバイアスについては、線形補完、又はＤＣバイアスと波長の関係を二次関数でフィッティングした関係を用いて補完する等して、全ての波長におけるＤＣバイアスの条件を求めれば良い。
ステップＳ１では、以上のようにして各波長で求めたセンターバイアスＶｂｃに第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２を設定した条件において、十分な消光比がとれるような第１及び第２の変調信号の振幅（Ｖｐｐ）を予め決定する。そして、決定されたＶｐｐを駆動条件テーブル４５に記載する。
第１及び第２の変調信号の振幅の調整は、例えば変調波形のアイパターンを観察して、十分な消光比が確保できる程度に大きいＶｐｐを決定すれば良い。Ｖｐｐに関しても、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０では波長ごとに最適値が異なる。この場合、第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２の決定と同じように、数波長で最適なＶｐｐを実験的に求めておき、間の波長を単純な関係で補完すれば良い。
以下、上記のように作成した駆動条件テーブルに基づいて、本実施形態による光変調装置の駆動方法について説明する。図１１は、第１の本実施形態による光変調装置の駆動方法を示すフロー図である。
先ず、制御回路４４は、駆動条件テーブル４５から半導体マッハ・ツェンダ変調器２０の駆動温度Ｔを読み込む（ステップＳ１１）。
次に、温度コントローラ４３は、制御回路４４の制御により、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０の温度を一定の駆動温度Ｔ（例えば２５℃）に調整する（ステップＳ１２）。
次に、制御回路４４は、駆動条件テーブル４５からアーム１２ａ，１２ｂに印加する第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２を読み込む（ステップＳ１３）。
次に、ＤＣ電源４１ａ，４１ｂは、制御回路４４の制御により、電極ピン３６a、３６ｂ及び電極ピン３７ａ、３７ｂを介して、アーム１２ａ，１２ｂの変調電極１３ａ，１３ｂに、読み込んだ第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２を印加する（ステップＳ１４）。
次に、制御回路４４は、駆動条件テーブル４５から高周波信号の振幅Ｖｐｐを読み込む（ステップＳ１５）。
次に、高周波信号源４２は、制御回路４４の制御により、アーム１２ａ，１２ｂの変調電極１３ａ，１３ｂに、電極ピン３６a、３６ｂ及び電極ピン３７ａ、３７ｂを介して、読み込んだ振幅Ｖｐｐで、互いに電圧の変化が逆となる高周波信号である第１及び第２の変調信号を印加する（ステップＳ１６）。
以上の手順により、変調器素子２０において良好な変調動作を行うことが可能となる。
本実施形態では、半導体マッハ・ツェンダ変調器２０の構造として、入力側及び出力側の光カプラとして２×２ＭＭＩカプラを用いる場合を説明したが、この構造に限られるものではない。
入力側の光カプラとしては、入力光を２つに分岐できるものであれば良く、出力側の光カプラとしては、２本のアームから入射した光を結合するものであれば良い。例えば、１×２ＭＭＩカプラ、Ｙ分岐カプラ、又は方向性結合器を用いた光カプラ等でも同様に効果が得ることができる。但し、用いる光カプラの組合せによっては、ＤＣバイアスを全く印加していない場合に発生する理想的な位相差が異なるため、これに応じてＤＣバイアスを調整する必要がある。例えば、１×２ＭＭＩカプラを入力側に、２×２ＭＭＩカプラを出力側に用いた場合には、変調電極に電圧を印加していない場合のアーム間での位相差は理想的には０．５πとなる。そのため、必要な位相調整量は、製造誤差等により発生する初期位相差分のみであると考えれば良い。
以上説明したように、本実施形態によれば、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差の最適な制御と、精密な波長チャープ特性の制御とを、簡素な素子構成で実現することが可能となり、装置サイズが小型で且つ良好な特性を持つ光変調が実現する。
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、半導体マッハ・ツェンダ変調器を用いた光変調装置を対象とするが、その変調態様が異なる点で相違する。
本実施形態による光変調装置では、半導体マッハ・ツェンダ変調器、光変調器モジュール、及び光変調装置の構成は第１の実施形態とほぼ同様である。そのため本実施形態でも、第１の実施形態の図面及び符号を適宜用いて説明する。
アーム１２ａ，１２ｂを通過する光の位相を変化させて変調動作を行うには、アーム１２ａには変調電極１３ａから第１のＤＣバイアス及び第１の変調信号を、アーム１２ｂには変調電極１３ｂから第２のＤＣバイアス及び第２の変調信号をそれぞれ印加する。
アーム１２ａ，１２ｂには、変調電極１３ａの長さと第１のＤＣバイアスとの積と、変調電極１３ｂの長さと第２のＤＣバイアスとの積との比率が一定値に保たれるように、第１のＤＣバイアス及び第２のＤＣバイアスが印加される。
本実施形態では、変調電極１３ａに印加する第１のＤＣバイアスＶＤＣ１と変調電極１３ｂに印加する第２のＤＣバイアスＶＤＣ２とで、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝Ｌ２：Ｌ１に固定する。この条件で、変調電極１３ａ，１３ｂに、同振幅で電圧の変化の方向が互いに逆になる第１の変調信号及び第２の変調信号を印加する。これにより、変調動作時においてアーム１２ａ，１２ｂで互いに逆の方向にほぼ同じ量だけ位相変化が発生し、良好なゼロチャープ動作を実現することができる。
詳細には、以下のようになる。変調電極１３ａが長さＬ１＝１．５ｍｍに、変調電極１３ｂが長さＬ２＝０．５ｍｍにそれぞれ形成される。ＶＤＣ１：ＶＤＣ２を１：３に固定する。従って、アーム１２ａ，１２ｂにおける位相変化の効率の比率η１：η２は、以下の値に固定される。
η１：η２＝Ｌ１ＶＤＣ１：Ｌ２ＶＤＣ２＝１．５×１：０．５×３＝１：１
即ち、アーム１２ａ，１２ｂにおける位相変化の効率が同値となる。
第１の実施形態と同様に、第１のＤＣバイアスＶＤＣ１：第２のＤＣバイアスＶＤＣ２の関係を１：３に固定したまま、アーム１２ａ，１２ｂに第１及び第２のＤＣバイアスを増減させることで、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を変化させて調整することができる。
第１の実施形態と同様に、第１及び第２のＤＣバイアスを大きくしてゆくと、位相差が大きくなるため、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を最適に調整することができる。
本実施形態では、第１の実施形態の図８のステップＳ２において駆動条件テーブルを作成する際に、以下のような手順で位相差を調整する。
変調電極１３ａ，１３ｂに印加する第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２の関係を１：３に固定した状態で、第１のＤＣバイアスを０Ｖから数Ｖまで変化させる。このとき、出力ポート（この場合は、出力ポート１４ａ）から出力される光の強度を観測すると、例えば図１２のような消光カーブが得られる。第１の実施形態と同様に、図１２のセンターバイアスＶｃｂに、アーム１２ａに印加する第１のＤＣバイアスを合わせることにより、上述した位相調整がなされることになる。本実施形態では、変調電極１３ａ，１３ｂに印加する第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２の関係が１：３で固定されているため、アーム１２ｂに印加する第２のＤＣバイアスはＶｃｂ×３の値とすれば良い。
なお、この消光カーブは、変調器素子２０が理想的に作製されたとすれば、アーム１２ａ，１２ｂ間の初期位相差が０である場合に、図１２の実線のように、消光カーブが０のところで極大値となる。変調器素子２０に作製誤差があり、それによって発生する初期位相差がある場合には、図１２の破線のように、消光カーブが横軸方向にずれ、消光カーブが０以外のところでピークを持つようになる。
従って、実線のように変調器素子２０が理想的に作製された場合には、アーム１２ａに印加する第１のＤＣバイアスを図１２のセンターバイアスＶｃｂの値とすれば良い。破線のようにアーム１２ａ，１２ｂ間に初期位相差が存在する場合には、アーム１２ａに印加する第１のＤＣバイアスＶＤＣ１を図１２のセンターバイアスＶｃｂ’の値とすれば良い。このように、変調器素子２０の製造ばらつきに依存して発生する初期位相差により、極大と極小の中点となるセンターバイアスが変わるため、位相が適切に調整されているＤＣバイアスも変調器素子２０ごとに異なる。
上記のように決定した第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２（本実施形態ではＶＤＣ２＝３ＶＤＣ１）を、第１及び第２の変調信号の振幅Ｖｐｐ及び駆動温度Ｔと共に駆動条件テーブルに記載する。
本実施形態による光変調装置の駆動方法としては、第１の実施形態の図１１と同様である。即ち、ステップＳ１１〜Ｓ１４により、駆動条件テーブルから、駆動温度Ｔを読み込んで温度調節し、ＶＤＣ１，ＶＤＣ２を読み込んで変調電極１３ａ，１３ｂに印加し、振幅Ｖｐｐを読み込んで互いに電圧の変化が逆となる高周波信号を印加する。
以上説明したように、本実施形態によれば、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差の最適な制御と、精密な波長チャープ特性の制御とを、簡素な素子構成で実現することが可能となり、装置サイズが小型で且つ良好な特性を持つ光変調が実現する。
（第３の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、半導体マッハ・ツェンダ変調器を用いた光変調装置を対象とするが、その変調態様が異なる点で相違する。
本実施形態による光変調装置では、半導体マッハ・ツェンダ変調器、光変調器モジュール、及び光変調装置の構成は第１の実施形態とほぼ同様である。そのため本実施形態でも、第１の実施形態の図面及び符号を適宜用いて説明する。
アーム１２ａ，１２ｂを通過する光の位相を変化させて変調動作を行うには、アーム１２ａには変調電極１３ａから第１のＤＣバイアス及び第１の変調信号を、アーム１２ｂには変調電極１３ｂから第２のＤＣバイアス及び第２の変調信号をそれぞれ印加する。
アーム１２ａ，１２ｂには、変調電極１３ａの長さと第１のＤＣバイアスとの積と、変調電極１３ｂの長さと第２のＤＣバイアスとの積との比率が一定値に保たれるように、第１のＤＣバイアス及び第２のＤＣバイアスが印加される。本実施形態では、所望の負チャープログラム動作を実現すべく、第１の及び第２の変調信号における上記の比率を例えば５：１に保持する。
本実施形態では、変調電極１３ａの長さＬ１と変調電極１３ｂの長さＬ２との比率が２：１となるように、変調電極１３ａ，１３ｂを形成する。具体的には、変調電極１３ａが長さＬ１＝１．５ｍｍに、変調電極１３ｂが長さＬ２＝０．７５ｍｍにそれぞれ形成される。変調電極１３ａに印加する第１のＤＣバイアスＶＤＣ１と変調電極１３ｂに印加する第２のＤＣバイアスＶＤＣ２とで、ＶＤＣ１：ＶＤＣ２＝２．５：１に固定する。この条件で、変調電極１３ａ，１３ｂに、同振幅で電圧の変化の方向が互いに逆になる第１の変調信号及び第２の変調信号を印加する。
アーム１２ａ，１２ｂにおける位相変化の効率の比率η１：η２は、以下の値に固定される。
η１：η２＝Ｌ１ＶＤＣ１：Ｌ２ＶＤＣ２＝１．５×２．５：０．７５×１＝５：１
これにより、アーム１２ａ，１２ｂで互いに逆の方向に５：１の位相変化が発生し、良好な負チャープ動作を実現することができる。
図１３に示すように、第１のＤＣバイアスＶＤＣ１：第２のＤＣバイアスＶＤＣ２の関係を２．５：１に固定したまま、アーム１２ａ，１２ｂに第１及び第２のＤＣバイアスを増減させることで、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を変化させて調整することができる。図１３では、第１及び第２のＤＣバイアスがＶＤＣ１，ＶＤＣ２のときにアーム１２ａ，１２ｂ間の位相差がΔφとなり、ＶＤＣ１’，ＶＤＣ２’のときに位相差がΔφ’となる。
第１の実施形態と同様に、第１及び第２のＤＣバイアスを大きくしてゆくと、位相差が大きくなるため、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を最適に調整することができる。
本実施形態では、第１の実施形態の図８のステップＳ２において駆動条件テーブルを作成する際に、以下のような手順で位相差を調整する。
変調電極１３ａ，１３ｂに印加する第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２の関係を２．５：１に固定した状態で、第２のＤＣバイアスを０Ｖから数Ｖまで変化させる。このとき、出力ポート（この場合は、出力ポート１４ａ）から出力される光の強度を観測すると、例えば図１４のような消光カーブが得られる。第１の実施形態と同様に、図１４のセンターバイアスＶｃｂに、アーム１２ｂに印加する第２のＤＣバイアスを合わせることにより、上述した位相調整がなされることになる。本実施形態では、変調電極１３ａ，１３ｂに印加する第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２の関係が２．５：１で固定されているため、アーム１２ａに印加する第１のＤＣバイアスはＶｃｂ×２．５の値とすれば良い。
なお、この消光カーブは、変調器素子２０が理想的に作製されたとすれば、アーム１２ａ，１２ｂ間の初期位相差が０である場合に、図１４の実線のように、消光カーブが０のところで極大値となる。変調器素子２０に作製誤差があり、それによって発生する初期位相差がある場合には、図１４の破線のように、消光カーブが横軸方向にずれ、消光カーブが０以外のところでピークを持つようになる。
従って、実線のように変調器素子２０が理想的に作製された場合には、アーム１２ｂに印加する第２のＤＣバイアスを図１２のセンターバイアスＶｃｂの値とすれば良い。破線のようにアーム１２ａ，１２ｂ間に初期位相差が存在する場合には、アーム１２ｂに印加する第２のＤＣバイアスＶＤＣ１を図１４のセンターバイアスＶｃｂ’の値とすれば良い。このように、変調器素子２０の製造ばらつきに依存して発生する初期位相差により、極大と極小の中点となるセンターバイアスが変わるため、位相が適切に調整されているＤＣバイアスも変調器素子２０ごとに異なる。
上記のように決定した第１及び第２のＤＣバイアスＶＤＣ１，ＶＤＣ２（本実施形態ではＶＤＣ１＝２．５ＶＤＣ２）を、第１及び第２の変調信号の振幅Ｖｐｐ及び駆動温度Ｔと共に駆動条件テーブルに記載する。
本実施形態によるＭＺ型光変調装置の駆動方法としては、第１の実施形態の図１１と同様である。即ち、ステップＳ１１〜Ｓ１４により、駆動条件テーブルから、駆動温度Ｔを読み込んで温度調節し、ＶＤＣ１，ＶＤＣ２を読み込んで変調電極１３ａ，１３ｂに印加し、振幅Ｖｐｐを読み込んで互いに電圧の変化が逆となる高周波信号を印加する。
以上説明したように、本実施形態によれば、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差の最適な制御と、精密な波長チャープ特性の制御とを、簡素な素子構成で実現することが可能となり、装置サイズが小型で且つ良好な特性を持つ光変調が実現する。
（第４の実施形態）
図１５は、第４の実施形態による光変調装置に用いる半導体マッハ・ツェンダ変調器を示す概略平面図である。
図１６は、図１５の半導体マッハ・ツェンダ変調器を搭載した変調器モジュールを示す概略平面図である。
図１７は、図１６の変調器モジュールを搭載した光変調装置を示す概略平面図である。
本実施形態による光変調装置（光送信器）に用いる半導体マッハ・ツェンダ変調器５０は、図１５に示すように、第１の光カプラ１１、アーム１２ａ，１２ｂ、第２の光カプラ１４を構成する半導体光導波路、及び変調電極１３ａ，１３ｂを備えて構成される。本実施形態では、第１の光カプラ１１、アーム１２ａ，１２ｂ、及び第２の光カプラ１４については、第１の実施形態の変調器素子２０のものと同様である。アーム１２ａ，１２ｂの断面構成についても、第１の実施形態の図４Ｂと同様である。
本実施形態では、変調電極１３ａ，１３ｂが同一の長さに形成される。更に、アーム１２ｂ上のみに付加電極５１が形成される。付加電極５１は、変調電極１３ａ，１３ｂと同時にパターニングされて形成される。
アーム１２ａ，１２ｂには、変調電極１３ａ，１３ｂからの第１の変調信号及び第２の変調信号が印加される。このとき、変調電極１３ａの長さＬ１と第１のＤＣバイアスＶＤＣ１との積と、変調電極１３ｂの長さＬ２に付加電極５１の長さＬ３を加えた長さ（Ｌ２＋Ｌ３）と第２のＤＣバイアスＶＤＣ２との積との比率が一定に保たれるようにする。ここで、「付加電極の長さ」とは、「変調電極の長さ」と同様に、当該付加電極のアームを構成する導波路と電気的に接続された部分の、当該アームの長手方向に沿った長さを言う。
図１５に示すように、上記のように構成された半導体マッハ・ツェンダ変調器５０を用いて光変調器モジュール６０が構成される。
光変調器モジュール６０は、半導体マッハ・ツェンダ変調器５０以外では第１の実施形態の図５の光変調器モジュール３０とほぼ同様に構成されるが、キャリア３１に電極３１ｅ及びインダクタ５２が付されている点で相違する。
電極３１ｅは、付加電極５１の一端とワイヤボンディングされる。インダクタ５２は、例えば１００μＨ程度のものであり、電極３１ｄと電極３１ｅとを電気的に接続するように設けられる。モジュールパッケージ３３には、付加電極５１に対して独立に電圧を印加するための電極ピンは設けられていない。そのため本実施形態では、付加電極５１を形成することにより電極ピン数の増加をもたらすことはない。
図１７に示すように、上記のように構成された光変調器モジュール６０を用いて光変調装置７０が構成される。
光変調装置７０は、光変調器モジュール６０以外では第１の実施形態の図６の光変調装置４０とほぼ同様に構成される。
光変調装置７０において、ＤＣ電源４１ａ，４１ｂ及び高周波信号源４２により、変調電極１３ａには第１のＤＣバイアス及び第１の変調信号を、変調電極１３ｂには第２のＤＣバイアス及び第２の変調信号をそれぞれ印加する。このとき、変調電極１３ｂ及び付加電極５１が設けられているアーム１２ｂでは、第２のＤＣバイアスは、変調電極１３ｂと及び付加電極５１の双方に印加される。一方、高周波信号である第２の変調信号は、インダクタ５２により付加電極５１には殆ど印加されない。
このことは、実効的に変調信号について見た場合、アーム１２ａ，１２ｂで同じ電極長の変調電極に各変調信号を印加しているのと等価になる。一方、実効的にＤＣバイアスについて見た場合、アーム１２ａ，１２ｂで異なる電極長の電極に各ＤＣバイアスを印加しているのと等価になる。
本実施形態では、変調電極１３ａ，１３ｂに印加する第１及び第２のＤＣバイアスをアーム１２ａ，１２ｂで一致させ、且つ、変調電極１３ａ，１３ｂに印加する第１及び第２の変調信号を、振幅が互いに等しく電圧変化の方向が逆となるようにする。この場合、実効的に各変調信号が印加される変調電極１３ａ，１３ｂの長さが等しいため、第１及び第２の変調信号に対する位相変化の効率は、アーム１２ａ，１２ｂで等しくなる。その結果、アーム１２ａ，１２ｂで位相変化量が等しくなるゼロチャープ動作が実現される。
また、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を決定する第１及び第２のＤＣバイアスの印加によるアーム間の位相差に関しては、実効的に異なる長さの電極に第１及び第２のバイアスを印加することになる。そのため、第１の実施形態と同様に、第１及び第２のＤＣバイアスを、同値に一致させたまま増減させることにより、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を調整することができる。
本実施形態では、ゼロチャープ動作を保ちつつ、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差を最適に調整することができる。更に、印加する第１及び第２の変調信号の振幅がアーム１２ａ，１２ｂで同じであり、且つ印加する第１及び第２のＤＣバイアスの大きさがアーム１２ａ，１２ｂで同じであるため、単純な制御を行うことができる。
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、駆動条件テーブル４５に基づいた制御回路４４の制御により、第１のＤＣバイアスＶＤＣ１と第２のＤＣバイアスＶＤＣ２とが同値とされる。そこで、図１８に示すように、ＤＣ電源４１ｂを省略し、ＤＣ電源４１ａのみを設けるようにしても良い。この場合、電極ピン３６ａ，３６ｂ間及び電極ピン３７ａ，３７ｂ間にＤＣ電源４１ａが接続される。ＤＣ電源４１ａは、制御回路４４の制御により、駆動条件テーブル４５に記載されたＤＣバイアスＶＤＣを電極ピン３６ａ，３６ｂ間及び電極ピン３７ａ，３７ｂ間に印加する。このとき、変調電極１３ａと変調電極１３ａ及び付加電極５１とには、共に同値のＤＣバイアスＶＤＣが印加される。
以上説明したように、本実施形態によれば、アーム１２ａ，１２ｂ間の位相差の最適な制御と、精密な波長チャープ特性の制御とを、簡素な素子構成で実現することが可能となり、装置サイズが小型で且つ良好な特性を持つ光変調が実現する。
なお、第１〜第４の実施形態では、第１のＤＣバイアスＶＤＣ１と第２のＤＣバイアスＶＤＣ２との比率を一定値とするに際して、単一の一定値となるＶＤＣ１，ＶＤＣ２を駆動条件テーブルに記載し、これに基づいて光変調装置に駆動を行う態様を示した。
これについて、他の態様を考えることができる。例えば駆動条件テーブルに、第１の実施形態による１：１となるＶＤＣ１，ＶＤＣ２と、第２の実施形態による１：３となるＶＤＣ１，ＶＤＣ２と、第３の実施形態による２．５：１となるＶＤＣ１，ＶＤＣ２とを記載する。そして、ＭＺ型光変調装置の使用状況に応じて、駆動条件テーブルから適切なＶＤＣ１，ＶＤＣ２を読み込み、所望の０チャープ動作又は負チャープ動作を得るようにしても良い。
本件によれば、第１及び第２の光導波路間の位相差の最適な制御と、精密な波長チャープ特性の制御とを、簡素な素子構成で実現することが可能となり、装置サイズが小型で且つ良好な特性を持つ光変調が実現する。

Claims (13)

  1. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置であって、
    前記半導体マッハ・ツェンダ変調器は、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、
    前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、
    前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極と
    を含み、
    前記第１の電極の長さと前記第２の電極の長さとが異なっており、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つように、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスが印加されることを特徴とする光変調装置。
  2. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置であって、
    前記半導体マッハ・ツェンダ変調器は、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、
    前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、
    前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極と
    を含み、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：４〜１：５の一定値に保つように、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスが印加されることを特徴とする光変調装置。
  3. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置であって、
    前記半導体マッハ・ツェンダ変調器は、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、
    前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、
    前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極と、
    前記第２の光導波路に電圧を印加するための、前記第２の電極とは別に形成された第３の電極と
    を含み、
    前記第１の電極及び前記第２の電極は、その長さが同一に形成されており、
    前記第２の電極と前記第３の電極がインダクタを介して接続されており、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つように、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスが印加されることを特徴とする光変調装置。
  4. 前記比率を一定値に保つように、予め規定された前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを記載するテーブルを記録したメモリを有し、
    前記第１の電極に接続された第１の電源と、
    前記第２の電極に接続された第２の電源と
    を更に含み、
    前記第１の電源及び前記第２の電源は、前記テーブルに記載された前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを、前記第１の電極及び前記第２の電極に印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光変調装置。
  5. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の駆動方法であって、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、
    前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、
    前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極と
    を含む光変調装置について、
    前記第１の電極の長さと前記第２の電極の長さとが異なっており、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つように、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを印加することを特徴とする光変調装置の駆動方法。
  6. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の駆動方法であって、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、
    前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、
    前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極と
    を含む光変調装置について、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：４〜１：５の一定値に保つように、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを印加することを特徴とする光変調装置の駆動方法。
  7. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の駆動方法であって、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路と、
    前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加する第１の電極と、
    前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加する第２の電極と、
    前記第２の光導波路に電圧を印加するための、前記第２の電極とは別に形成された第３の電極と
    を含み、
    前記第１の電極及び前記第２の電極は、その長さが同一に形成されており、
    前記第２の電極と前記第３の電極がインダクタを介して接続された光変調装置について、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つように、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを印加することを特徴とする光変調装置の駆動方法。
  8. 前記比率を一定値に保つように、予め規定された前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを記載するテーブルを用い、
    前記光変調装置は、
    前記第１の電極に接続された第１の電源と、
    前記第２の電極に接続された第２の電源と
    を更に含み、
    前記第１の電源及び前記第２の電源により、前記テーブルに記載された前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを、前記第１の電極及び前記第２の電極に印加することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の光変調装置の駆動方法。
  9. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の製造方法であって、
    前記半導体マッハ・ツェンダ変調器を作製する際に、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路を形成する工程と、
    前記第１の光導波路上に、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加するための第１の電極と、前記第２の光導波路上に、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加するための第２の電極とを形成する工程と
    を含み、更に、
    前記第１の電極の長さと前記第２の電極の長さとが異なっており、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つ、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを決定する工程を含むことを特徴とする光変調装置の製造方法。
  10. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の製造方法であって、
    前記半導体マッハ・ツェンダ変調器を作製する際に、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路を形成する工程と、
    前記第１の光導波路上に、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加するための第１の電極と、前記第２の光導波路上に、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加するための第２の電極とを形成する工程と
    を含み、更に、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：４〜１：５の一定値に保つ、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを決定する工程を含むことを特徴とする光変調装置の製造方法。
  11. 入力した光を分岐して伝搬し、伝搬した光を合波して出力する半導体マッハ・ツェンダ型変調器を用いた光変調装置の製造方法であって、
    前記半導体マッハ・ツェンダ変調器を作製する際に、
    分岐した光を伝搬する第１の光導波路及び第２の光導波路を形成する工程と、
    前記第１の光導波路上に、前記第１の光導波路に第１の変調信号及び第１のＤＣバイアスを印加するための第１の電極と、前記第２の光導波路上に、前記第２の光導波路に第２の変調信号及び第２のＤＣバイアスを印加するための第２の電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加するための、前記第２の電極とは別に形成された第３の電極とを形成する工程と
    を含み、更に、
    前記第１の電極及び前記第２の電極は、その長さが同一に形成されており、
    前記第２の電極と前記第３の電極がインダクタを介して接続されており、
    前記第１の電極の長さと前記第１のＤＣバイアスとの積と、前記第２の電極の長さと前記第２のＤＣバイアスとの積との比率を１：１の一定値に保つ、前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを決定する工程を含むことを特徴とする光変調装置の製造方法。
  12. 決定された前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを記載するテーブルを作成する工程を更に含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の光変調装置の製造方法。
  13. 前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを決定する工程において、
    前記比率を一定値に保持した状態で前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に印加する前記第１のＤＣバイアス及び前記第２のＤＣバイアスを変化させた場合に、出力される光の消光カーブを用いて、前記消光カーブの極大値及び極小値の中央値を、前記第１のＤＣバイアス又は前記第２のＤＣバイアスに決定することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の光変調装置の製造方法。
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