JP5732002B2

JP5732002B2 - 半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置

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Publication number: JP5732002B2
Application number: JP2012077342A
Authority: JP
Inventors: 英一山田; 柴田　泰夫; 泰夫柴田; 菊池　順裕; 順裕菊池
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2032-03-29
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Description

本発明は、光ファイバ通信において使用するマッハツェンダ光変調器の動作点の制御を行う半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置に関する。

光ファイバ通信においては、光を符号変調する外部変調器としてマッハツェンダ型の光強度変調器が用いられている。従来、干渉計を構成する光導波路としてニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の誘電体を用いたマッハツェンダ変調器が用いられていたが、近年、光導波路にＩｎＰやＧａＡｓ等の半導体材料を用いたマッハツェンダ光変調器の使用が進められている。半導体マッハツェンダ光変調器は、ＬＮを用いた光変調器に比べて小型であるという特長を有しており、光送信装置の小型化を実現するために有望な技術である。

誘電体や半導体は、電圧を印加することにより、ポッケルス効果、半導体バルク導波路におけるシュタルク効果、半導体多重量子井戸構造導波路における量子閉じ込めシュタルク効果などの電気光学効果による屈折率変化が生じ、これにより誘電体や半導体で構成される光導波路の出力光の位相が変化する。

マッハツェンダ光変調器においては、マッハツェンダ干渉計を構成する２つのアーム間に位相差が生じると、その位相差に応じた干渉の結果、出力される光強度が変化する。したがって、アームを構成する光導波路への電圧を印加することにより位相差を生じさせ、それにより透過光強度を変化させることで、マッハツェンダ型光変調器を実現できる。

また、光通信においては、光信号にチャープと呼ばれる周波数変動が生じると伝送特性が変化することが知られており、チャープの無い、あるいはチャープ量を制御した光信号を発生することが必要となる。マッハツェンダ光変調器を用いてチャープの無い変調信号を発生させるためには、２つのアームに対して、プッシュプル動作と呼ばれる絶対値が等しく符号が反対の位相変化（反対称の位相変化）を生じさせる必要がある。

マッハツェンダ変調器を用いたチャープの無いＮＲＺ変調は、アーム間の位相差がπ／２あるいは−π／２となる動作点を中心にして、２つのアームの変調電極のそれぞれに位相変化が−π／４〜＋π／４となるように等しい電圧振幅で反対称に電圧を印加し、プッシュプル駆動を行うことによって実現できる。また、マッハツェンダ変調器を用いたチャープの無いＢＰＳＫ（ＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）変調は、アーム間の位相差がπとなる動作点を中心にして、２つのアームの変調電極のそれぞれに位相変化が−π／２〜＋π／２となるように等しい電圧振幅で反対称に電圧を印加し、プッシュプル駆動を行うことによって実現できる。

マッハツェンダ変調器を用いてチャープの無い良好な変調信号を得るためには、動作点を上記のような所望の位相差となるように調整し、かつ、２つのアームのそれぞれの変調時の位相変化が反対称になるようにしなければならない。

動作点が所望の位相差になるように調整するためには、２つのアームのいずれか、あるいは、両方に異なる固定的な位相変化を生じさせることにより実現する。

一方、半導体マッハツェンダ変調器において、位相変化を生じさせる半導体バルク光導波路におけるシュタルク効果や半導体多重量子井戸構造光導波路における量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化は、印加電圧依存性があることが知られており、動作点のバイアス電圧に依存して変調効率が電圧によって変化する。この特性のために、２つの変調電極に異なるバイアス電圧を印加した状態では、等しい電圧振幅で反対称に信号電圧を印加しても、等しい大きさの反対称の位相変化が生じない。

よって、チャープの無い良好な変調信号を得るためには、等しい電圧振幅で反対称に駆動する信号電圧だけでなく、半導体マッハツェンダ変調器においては、２つの変調電極に等しいバイアス電圧を印加する必要がある。

以上のことより、半導体マッハツェンダ変調器において、チャープの無い良好な変調信号を得るためには、変調電極のバイアス電圧を変えることにより動作点を調整することができないため、動作点が所望の位相差になるように調整するための位相差調整電極を別途設ける必要がある。

そのために、電流を注入することによるプラズマ効果の屈折率変化を利用して、動作点が所望の位相差になるように調整するために、２つのアーム上に変調用電極とは別にそれぞれ動作点調整用の位相差調整電極を設ける方法がある（非特許文献１）。

また、電圧を印加することによる電気光学効果の屈折率変化を利用して動作点が所望の位相差になるように調整するために、２つのアーム上に変調用電極とは別にそれぞれ動作点調整用の位相差調整電極を設ける方法がある（非特許文献２、特許文献１参照）。

図１０に、半導体マッハツェンダ光変調器を用いた従来の光変調装置のバイアス制御装置の構成のブロック図を示す。半導体のＰＮ接合のＰ側電極に負の電圧を印加することにより、電気光学効果の屈折率変化を利用して動作点を調整する位相差調整電極１１、１２を変調電極１３、１４とは別途設けた構成である。半導体マッハツェンダ変調器１０の２つのアームは半導体光導波路で構成されている。半導体のＰＮ接合に逆バイアスを印加することにより、ＰＮ接合に挟まれた半導体光導波路のコア層に電界を加え、屈折率を変化させる。ＰＮ接合を用いているため、順バイアスにすると半導体光導波路に電界が加わらないという特性を有する。

したがって、位相差調整電極１１、１２には、ＰＮ接合のＰ側電極に負電圧の可変直流電源１７、１８が接続されており、これにより干渉計の位相差を調整し、動作点を制御する。

チャープの無い良好な変調信号を得るためには、変調電極１３、１４に直流電源１６から等しい直流逆バイアス電圧を印加し、差動高周波信号源１５を用いて、変調電極１３、１４を等しい電圧振幅で反対称の高周波信号で駆動し、動作点を中心にしてプッシュプル駆動し、光変調動作を行う。

図１０に示す光変調装置では、ＰＮ接合のＰ側電極に負の電圧を印加する半導体光導波路でマッハツェンダ変調器が構成されていると考えたが、層構造を上下逆にし、上側をＮとしたＰＮ接合のＮ側電極に正の電圧を印加する半導体光導波路でマッハツェンダ変調器が構成されていても動作し、符号を反転して考えれば良く、動作は同じである。一方、ＬＮマッハツェンダ変調器は、変調効率が電圧によって変化しないため、変調電極にバイアス電圧を印加する必要が無い。また、半導体ＰＮ接合を用いていないため、位相差調整電極に正負どちらの電圧も印加し、動作点を調整することができる。但し、半導体ＰＮ接合を用いていないため、電流注入によるプラズマ効果を利用することはできない。

図１１に、半導体マッハツェンダ変調器の電圧印加による位相差調整電極の消光特性の模式的な特性図を示す。位相差調整電極１２を０Ｖにし、位相差調整電極１１に負の電圧を変化させた特性図を位相差調整電極１１の消光特性Ａとして示し、位相差調整電極１１を０Ｖにし、位相差調整電極１２に負の電圧を変化させた特性図を位相差調整電極１２の消光特性Ｂとして示している。また、ＮＲＺ変調を行う場合の動作点ａ、ｂ、ｃを図示している。

半導体マッハツェンダ変調器の動作点を調整する方法としては、変調電極１３、１４に電圧を印加して動作点を制御している方法があるが（特許文献２参照）、ここでは、位相差調整電極１１、１２に電圧を印加するとして説明すると、可変直流電源１７、１８を用いて位相差調整電極１１、１２の一方をスイープ（小刻みなステップで電圧を変化）させ、出力光パワーを測定し、図１１のような消光特性を得て、所望の動作点となるよう位相差調整電極１１、１２に印加する電圧を決定し、その決定した電圧を位相差調整電極１１、１２に印加する。

図１１の消光特性Ａにおいて、位相差調整電極１１の消光特性において右下がり（上側のアームの位相が下側のアームに比べて−π／２）の動作点にしたい場合には、位相差調整電極１２を０Ｖにし、位相差調整電極１１に消光特性から導出した負の電圧を印加することにより、動作点を所望の状態（動作点ａ）に調整する。

半導体光導波路はＰＮ接合の逆バイアス特性を用いて半導体光導波路のコア層に電圧を印加しているため、Ｐ側電極に負の電圧を印加できるが、正の電圧を印加することができない。したがって、図１０の上側のアームの位相が下側のアームに比べて＋π／２の動作点にしたい場合には、位相差調整電極１１の消光特性Ａにおける右上がり（動作点ｂ）、または、これと等価な位相差調整電極１２の消光特性Ｂにおける右下がりの動作点（動作点ｃ）に調整する必要がある。また、なるべく小さい絶対値の電圧で制御することが消費電力の点で望ましいので、この場合は、位相差調整電極１１を０Ｖにし、位相差調整電極１２に消光特性から得られた負の電圧を印加することにより、動作点を所望の状態（動作点ｃ）に制御する。このような制御により、半導体マッハツェンダ変調器の位相差調整電極１１、１２を制御して、動作点を制御できる。

半導体マッハツェンダ変調器では、このようにして位相差調整電極１１、１２を制御して、ＬＮマッハツェンダ変調器とは異なった方法で動作点を制御する。ＬＮマッハツェンダ変調器では、正の電圧を印加できるので、例えば、図１０の上側のアームの位相が下側のアームに比べて＋π／２の動作点にしたい場合は、正の電圧を印加し、図１１における消光特性Ａを正電圧まで延長し、右上がりの動作点に調整することができる。

また、ＬＮマッハツェンダ変調器では、動作点の自動制御を行う自動制御装置がこれまでに考案されている（特許文献３参照）。

特開２０１１−２４７９２６号公報特開２０１０−０１５０４１号公報特許２６４２４９９号公報

I． Betty， et al， "Zero Chirp 10 Gb/s MQW InP Mach-Zehnder Transmitter with Full-Band Tunability"， OFC2007， OWH6， 2007 E． Yamada， et al， "Full C-band 40-Gbit/s DPSK Tunable Transmitter Module Developed by Hybrid Integration of Tunable Laser and InP n-p-i-n Mach-Zehnder Modulator"， OFC2010， OWU4， 2010

ＬＮマッハツェンダ変調器で動作点を調整する場合は、ただ１つの位相差調整電極に正負の別なく電圧をスイープして消光特性を得て、所望の動作点になるように電圧を印加することができた。しかしながら、図１０に示す光変調装置では、より小さい電圧印加で動作点を制御しようとすると、位相差調整電極１１、１２の一方に電圧を印加し、他方に０Ｖを印加するという場合分けが必要であり、どちらの電極にどれだけの電圧を印加するべきかという判断を必要とするという課題があった。

また、ＬＮのマッハツェンダ変調器を前提とした従来の自動動作点制御装置は、自動動作点制御を行うために、ただ１つの電極に正負の区別なく電圧を印加する。したがって、例えば負電圧の電圧を印加する位相差調整電極を備えた半導体マッハツェンダ変調器に従来の自動動作点制御装置を用いると、従来の自動動作点制御装置は、初期状態によっては、自動制御動作により位相差調整電極に正電圧の電圧を印加しようと制御する場合がある。しかしながら、負の電圧を印加する位相差調整電極を備えた半導体マッハツェンダ変調器には正の電圧を印加できないので、初期状態によっては、自動動作点制御が動作しないという課題があった。

同様に、正電圧の電圧を印加する位相差調整電極を備えた半導体マッハツェンダ変調器に従来の自動動作点制御装置を用いると、従来の自動動作点制御装置は、初期状態によっては、自動制御動作により位相差調整電極に負電圧の電圧を印加しようと制御する場合がある。しかしながら、正電圧の電圧を印加する位相差調整電極を備えた半導体マッハツェンダ変調器には負の電圧を印加できないので、初期状態によっては、自動動作点制御が動作しないという課題があった。

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、１つの入力端子に正負にかかわらず電圧を印加することで、２つの位相差調整電極に適切にバイアス電圧を印加できる半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ変調電極とは別に動作点を調整する動作点調整電極を備えた半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置であって、出力端が一方の前記動作点調整電極に接続された非反転半波整流回路と、出力端が他方の前記動作点調整電極に接続された反転半波整流回路とを備え、前記非反転半波整流回路および前記反転半波整流回路の入力端は前記動作点制御装置の１つの入力端に並列接続され、前記動作点調整電極が負の電圧を印加することによって動作点を調整するものである場合、前記非反転半波整流回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは入力電圧をそのまま出力し、入力電圧が正のときは０Ｖを出力し、前記反転半波整流回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは０Ｖを出力し、入力電圧が正のときは、入力電圧と絶対値が等しく極性を反転した電圧を出力し、前記動作点調整電極が正の電圧を印加することによって動作点を調整するものである場合、前記非反転半波整流回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が正のときは入力電圧をそのまま出力し、入力電圧が負のときは０Ｖを出力し、前記反転半波整流回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が正のときは０Ｖを出力し、入力電圧が負のときは、入力電圧と絶対値が等しく極性を反転した電圧を出力することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ変調電極とは別に動作点を調整する動作点調整電極を備えた半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置であって、出力端が一方の前記動作点調整電極に接続された第１の電気回路と、出力端が他方の前記動作点調整電極に接続された第２の電気回路とを備え、前記第１および第２の電気回路の入力端は前記動作点制御装置の１つの入力端に並列接続され、前記動作点調整電極は正の電流を注入することによって動作点を調整するものである場合、前記第１の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは入力電圧に比例関係にあり、かつ、符号を反転した電流を出力し、入力電圧が正のときは電流を出力しない特性を示し、前記第２の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは電流を出力せず、入力電圧が正のときは入力電圧に比例関係にある電流を出力する特性を示すものであり、前記動作点調整電極は負の電流を注入することによって動作点を調整するものである場合、前記第１の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が正のときは入力電圧に比例関係にあり、かつ、符号を反転した電流を出力し、入力電圧が負のときは電流を出力しない特性を示し、前記第２の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が正のときは電流を出力せず、入力電圧が負のときは入力電圧に比例関係にある電流を出力する特性を示すものであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ動作点を調整する動作点調整用ヒータを備えた半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置であって、出力端が一方の前記動作点調整用ヒータに接続された第１の電気回路と、出力端が他方の前記動作点調整用ヒータに接続された第２の電気回路とを備え、前記第１および第２の電気回路の入力端は前記動作点制御装置の１つの入力端に並列接続され、前記第１の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは入力電圧の絶対値に比例関係にある絶対値の電流を出力し、入力電圧が正のときは電流を出力しない特性を示し、前記第２の電気回路は、動作点制御装置への入力電圧が負のときは電流を出力せず、入力電圧が正のときは入力電圧に比例関係にある絶対値の電流を出力する特性を示すものであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置において、前記第１の電気回路は、非反転半波整流回路と電圧電流変換回路とからなり、前記第２の電気回路は、反転半波整流回路と電圧電流変換回路とからなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１又は４に記載の半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置において、前記非反転半波整流回路は、オペアンプを用いた非反転理想ダイオード回路であり、前記反転半波整流回路は、オペアンプを用いた反転理想ダイオード回路であることを特徴とする。

本発明は、１つの入力端子に正負にかかわらず電圧を印加することで、２つの位相差調整電極に適切にバイアス電圧を印加できるので半導体マッハツェンダ変調器の制御が容易になるという効果を奏する。また、ＬＮマッハツェンダ変調器に使われているものと同じ単一の電極に正負の区別なく電圧を印加する自動バイアス制御回路を使うことができるという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る半波整流回路を用いた半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置２０の構成のブロック図である。（ａ）は、本発明の実施形態１に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１１の電圧の関係を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態１に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１２の電圧の関係を示す図である。動作点制御装置の入力端子への入力電圧と光出力の関係を示す図である。本発明の実施形態１に係る半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置の具体的構成のブロック図である。本発明の実施形態２に係る半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置３０の構成のブロック図である。（ａ）は、本発明の実施形態２に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１１の電流の関係を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態２に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１２の電流の関係を示す図である。本発明の実施形態２に係る半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置の具体的構成のブロック図である。本発明の実施形態３に係る半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置の構成のブロック図である。（ａ）は、本発明の実施形態３に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１１の電流の絶対値の関係を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態３に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１２の電流の絶対値の関係を示す図である。半導体マッハツェンダ光変調器を用いた従来の光変調装置のバイアス制御装置の構成のブロック図である。半導体マッハツェンダ変調器の電圧印加による位相差調整電極の消光特性の模式的な特性図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る半波整流回路を用いた半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置２０の構成のブロック図を示す。図１には、動作点制御装置２０により制御される半導体マッハツェンダ変調器１０も便宜上図示している。

半導体マッハツェンダ変調器１０は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ変調電極１３、１４とは別に、動作点を調整する動作点調整電極（位相差調整電極）１１、１２を備えており、動作点調整電極１１、１２は負の電圧を印加することによって動作点を調整するものである。

動作点制御装置２０は、入力電圧が負のときは入力電圧をそのまま出力し、入力電圧が正のときは０Ｖを出力する非反転半波整流回路２１と、入力電圧が負のときは０Ｖを出力し、入力電圧が正のときは、入力電圧と絶対値が等しく極性を反転した電圧を出力する反転半波整流回路２２とから構成されている。半導体マッハツェンダ変調器１０の片方の位相差調整電極１１には、非反転半波整流回路２１が接続され、もう一方の位相差調整電極１２には、反転半波整流回路２２が接続されている。また、非反転半波整流回路２１と反転半波整流回路２２の入力端子は並列接続されており、動作点制御装置２０の１つの共通入力端に接続されている。

図２（ａ）に、本発明の実施形態１に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１１の電圧の関係を示し、図２（ｂ）に、本発明の実施形態１に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１２の電圧の関係を示す。

動作点制御装置の共通の入力端子の電圧がマイナス電圧のとき、位相差調整電極１１の電圧は入力電圧に等しく、位相差調整電極１２の電圧は０である。逆に、動作点制御装置の入力端子の電圧がプラス電圧のとき、位相差調整電極１１の電圧は０であり、位相差調整電極１２の電圧は入力電圧の符号を反転した電圧になる。

このように構成することにより、位相差調整電極１１、１２の消光特性が、図１１のような特性であるとき、動作点制御装置の入力端子への入力電圧と光出力の関係は図３のようになる。本実施形態の動作点制御装置２０を用いた場合の動作点も書き込んでいる。入力端子への入力電圧が正であっても負であっても消光特性を示し、また０Ｖにおいて負電圧から正電圧へ変わっても、消光特性は連続的に変化している。入力端子に加えられる電圧が正であるか、負であるかによって、位相差調整電極１１、１２に印加される電圧が自動的に決められるので、判断ロジックを必要としない。

ここで動作点制御装置２０を用いた制御方法について説明する。まず、動作点制御装置２０の共通入力端子に正負の電圧を発生できる可変直流電源を接続し、入力電圧をスイープ（小刻みなステップで電圧を変化）させ、出力光パワーを測定して消光特性を得る。次に、ＮＲＺ変調の場合は、π／２あるいは−π／２となる動作点を決定し、消光特性から導出した電圧を印加することにより、動作点を所望の状態に調整する。本発明では、動作点制御装置２０の１つの入力端子に正負にかかわらず電圧を印加すれば２つの位相差調整電極１１、１２に適切にバイアス電圧を印加できるので制御が容易になる。

また、図１では、従来のＬＮマッハツェンダ変調器に使われているものと同じ自動バイアス制御回路（特許文献３参照）を使用して、その自動バイアス制御回路からの出力を動作点制御装置２０の入力端子に入力することにより、右下がりか右上がりかの自動バイアス制御回路の設定にしたがって自動バイアス制御が実現できる。

また、図１において、非反転半波整流回路２１が位相差調整電極１１に、反転半波整流回路２２が位相差調整電極１２に接続しているが、非反転半波整流回路２１を位相差調整電極１２に、反転半波整流回路２２を位相差調整電極１１に接続しても、入力電圧と光出力の関係において入力電圧の符号が反転するだけで同様に動作する。

図４に、本発明の実施形態１に係る半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置の具体的構成のブロック図を示す。動作点制御装置２５では、非反転半波整流回路は、オペアンプを用いた非反転理想ダイオード回路２３で実現されている。また、反転半波整流回路は、オペアンプを用いた反転理想ダイオード回路２４で実現されている。

まず、非反転理想ダイオード回路２３の動作について説明する。動作点制御装置２５の入力端子の電圧がマイナス電圧のとき、非反転理想ダイオード回路の基本は非反転増幅回路なので、オペアンプの出力はマイナスの電圧となり、出力電圧はイマジナリショートにより入力電圧に等しくなる。動作点制御装置２５の入力端子の電圧がプラス電圧のときは、オペアンプの出力は０Ｖとなる。

次に、反転理想ダイオード回路２４について説明する。動作点制御装置２５の入力端子の電圧がマイナス電圧のときを、出力は０Ｖとなる。動作点制御装置２５の入力端子の電圧がプラス電圧の場合は、Ｒ_f＝Ｒ_iと置くと１倍の増幅器となり、出力には極性を反転した入力電圧が現れることになる。

したがって、動作点制御装置２５は、図２で示した動作が実現できる。ＮＲＺ変調を行う場合は、図３に示しているような動作点になるように入力電圧を制御する。

また、非反転理想ダイオード回路２３が位相差調整電極１１に、反転理想ダイオード回路２４が位相差調整電極１２に接続しているが、反転理想ダイオード回路２４を位相差調整電極１２に、非反転理想ダイオード回路２３を位相差調整電極１１に接続しても、入力電圧と光出力の関係において入力電圧の符号が反転するだけで同様に動作する。

ここでは、図４では非反転半波整流回路の例として、非反転理想ダイオード回路を挙げ、回路例を示したが、反転半波整流回路は、図２（ａ）のような特性を示す回路であれば、図４に示した回路に限定されるものでは無い。同様に、反転半波整流回路の例として、反転理想ダイオード回路を挙げ、回路例を示したが、図２（ｂ）のような特性を示す回路であれば、図４に示した回路に限定されるものでは無い。

また、ここでは、ＰＮ接合のＰ側電極に負の電圧を印加する半導体光導波路でマッハツェンダ変調器１０が構成されていると考えたが、層構造を上下逆にし、上側をＮとしたＰＮ接合のＮ側電極に正の電圧を印加する半導体光導波路でマッハツェンダ変調器１０が構成されていても、符号が反転する以外は同様に動作する。

（実施形態２）
実施形態１では位相差調整電極１１、１２に逆バイアスを印加し、電気光学効果により位相差を制御していた。しかし、位相差の制御方法には、電流注入によるプラズマ効果により屈折率を変化させて、位相差を調整する方法もある。

図５に、本発明の実施形態２に係る半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置３０の構成のブロック図を示す。図５には、動作点制御装置３０により制御される半導体マッハツェンダ変調器１０も便宜上図示している。

半導体マッハツェンダ変調器１０は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ変調電極１３、１４とは別に、動作点を調整する動作点調整電極１１、動作点調整電極１２を備えている。

動作点制御装置３０は、非反転半波整流回路２１および反転半波整流回路２２の後にそれぞれ電圧電流変換回路３１、３２を設け、電圧電流変換回路３１、３２をそれぞれ動作点調整電極１１、１２に接続している。電圧電流変換回路３１、３２が動作点調整電極１１、１２に順方向に電流注入することにより半導体光導波路の屈折率を変化させることで、動作点を制御する構成である。

半導体マッハツェンダ変調器１０の片方の位相差調整電極１１には、入力電圧が負のときは入力電圧に比例関係にあり、かつ、符号を反転した電流を出力し、入力電圧が正のときは電流が流れないような非反転半波整流回路２１と電圧電流変換回路３１からなる電気回路が接続されている。半導体マッハツェンダ変調器１０のもう一方の位相差調整電極１２には、入力電圧が正のときは入力電圧に比例関係にある電流を出力し、入力電圧が負のときは電流が流れないような反転半波整流回路２２と電圧電流変換回路３２からなる電気回路が接続されている。

このように、半導体マッハツェンダ変調器動作点制御装置３０は、非反転半波整流回路２１と電圧電流変換回路３１からなる電気回路および反転半波整流回路２２と電圧電流変換回路３２からなる電気回路で構成され、また、非反転半波整流回路２１と反転半波整流回路２２の入力端子は並列接続されており、動作点制御装置３０の１つの共通入力端に接続されている。

図６（ａ）に、本発明の実施形態２に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１１の電流の関係を示し、図６（ｂ）に、本発明の実施形態２に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１２の電流の関係を示す。

動作点制御装置３０の入力端子の電圧がマイナス電圧のとき、位相差調整電極１１には、入力端子の電圧と比例関係にあり、かつ、符号を反転した電流が流れ、位相差調整電極１２の電流は０である。動作点制御装置３０の入力端子の電圧がプラス電圧のとき、位相差調整電極１１の電流は０であり、位相差調整電極１２には、入力電圧と比例関係にある電流が流れる。電流注入によるプラズマ効果により屈折率が変化し、位相差を調整する。

これにより、入力端子への入力電圧が正であっても負であっても消光特性を示し、また０Ｖにおいて負電圧から正電圧へ変わっても消光特性は連続的に変化する。入力端子に加えられる電圧が正であるか、負であるかによって、位相差調整電極１１、１２に印加される電流が自動的に決められるので、判断ロジックを必要としない。

ここで動作点制御装置３０を用いた制御方法について説明する。まず、動作点制御装置３０の共通入力端子に正負の電圧を発生できる可変直流電源を接続し、入力電圧をスイープ（小刻みなステップで電圧を変化）させ、出力光パワーを測定して消光特性を得る。次に、ＮＲＺ変調の場合は、位相差がπ／２あるいは−π／２になるように動作点を決定し、消光特性から導出した電圧を印加することにより、動作点を所望の状態に調整する。本発明では、動作点制御装置３０の１つの入力端子に正負にかかわらず電圧を印加すれば２つの位相差調整電極１１、１２に適切にバイアス電圧を印加できるので制御が容易になる。

また、図５では、非反転半波整流回路２１と電圧電流変換回路３１からなる電気回路が位相差調整電極１１に、反転半波整流回路２２と電圧電流変換回路３２からなる電気回路が位相差調整電極１２に接続しているが、非反転半波整流回路２１と電圧電流変換回路３１からなる電気回路を位相差調整電極１２に、反転半波整流回路２２と電圧電流変換回路３２からなる電気回路を位相差調整電極１１に接続しても、入力電圧と光出力の関係において、入力電圧の符号が反転するだけで、同様に動作する。

図７に、本発明の実施形態２に係る半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置の具体的構成のブロック図を示す。動作点制御装置３５では、非反転半波整流回路はオペアンプを用いた非反転理想ダイオード回路２３で実現され、電圧電流変換回路はオペアンプを用いた電圧電流変換回路３３で実現されている。また、反転半波整流回路はオペアンプを用いた反転理想ダイオード回路２４で実現され、電圧電流変換回路はオペアンプを用いた電圧電流変換回路３４で実現されている。

まず、非反転理想ダイオード回路２３とオペアンプを用いた電圧電流変換回路３３からなる電気回路の動作について説明する。動作点制御装置３５の入力電圧がマイナス電圧のとき、非反転理想ダイオード回路２３の基本は非反転増幅回路なので、オペアンプの出力はマイナスの電圧となり、出力電圧はイマジナリショートにより入力電圧に等しくなる。続いて、オペアンプを用いた電圧電流変換回路３３により電流に変換されて、位相差調整電極１１にはプラスの電流が流れる。動作点制御装置３５の入力電圧がプラス電圧のときは、非反転理想ダイオード回路２３のオペアンプの出力は０Ｖとなり、オペアンプを用いた電圧電流変換回路３３の出力からは電流が出力されず、位相差調整電極１１には電流が流れない。

次に、反転理想ダイオード回路２４とオペアンプを用いた電圧電流変換回路３４からなる電気回路の動作について考える。動作点制御装置３５の入力電圧がマイナス電圧のときを、出力は０Ｖとなり、オペアンプを用いた電圧電流変換回路３４の出力からは電流が出力されず、位相差調整電極１２には電流が流れない。動作点制御装置３５の入力電圧がプラス電圧の場合は、Ｒ_f＝Ｒ_iと置くと１倍の増幅器となり、出力には極性を反転した入力電圧がそのまま現れることになる。続いて、オペアンプを用いた電圧電流変換回路３４により電流に変換されて、位相差調整電極１２にはプラスの電流が流れる。

非反転理想ダイオード回路２３とオペアンプを用いた電圧電流変換回路３３からなる電気回路を位相差調整電極１２に、反転理想ダイオード回路２４とオペアンプを用いた電圧電流変換回路３４からなる電気回路を位相差調整電極１１に接続しても、入力電圧と光出力の関係において入力電圧の符号が反転するだけで、同様に動作する。

ここでは、図７では非反転半波整流回路と電圧電流変換回路からなる電気回路の例として、非反転理想ダイオード回路とオペアンプを用いた電圧電流変換回路から構成される回路を挙げ、回路例を示したが、図６（ａ）のような特性を示す回路であれば、図７に示した回路に限定されるものでは無い。同様に、反転半波整流回路と電圧電流変換回路からなる電気回路の例として、反転理想ダイオード回路とオペアンプを用いた電圧電流変換回路から構成される回路を挙げ、回路例を示したが、図６（ｂ）のような特性を示す回路であれば、図７に示した回路に限定されるものでは無い。

また、上記では、ＰＮ接合のＰ側電極に正の電流を流す半導体光導波路でマッハツェンダ変調器が構成されていると考えたが、層構造を上下逆にし、上側をＮとしたＰＮ接合のＮ側電極に負の電流を流す半導体光導波路でマッハツェンダ変調器１０が構成されていても、符号が反転する以外は同様に動作する。

（実施形態３）
実施形態１、２の位相差の制御方法の他に、位相差調整電極をヒータとして動作するように抵抗値を高めた材料で構成し、その位相差調整電極で半導体導波路の温度を上昇させることによって屈折率を変化させ、位相差を調整する方法もある。

図８に、本発明の実施形態３に係る半導体マッハツェンダ変調器用の動作点制御装置の構成のブロック図を示す。図８には、動作点制御装置４０により制御される半導体マッハツェンダ変調器１０も便宜上図示している。

半導体マッハツェンダ変調器１０は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ変調電極１３、１４とは別に、動作点を調整する動作点調整電極１１、１２を備えている。

動作点制御装置４０は、半波整流回路４１、４２の後にそれぞれ電圧電流変換回路４３、４４を設け、動作点を調整する動作点調整電極１１、１２に電流を流し、位相差調整電極１１、１２がヒータとして発熱することにより半導体光導波路の屈折率を変化させ、動作点を制御する構成である。

半導体マッハツェンダ変調器１０の片方の位相差調整電極１１には、入力電圧が負のときは入力電圧に比例関係にある電流を出力し、入力電圧が正のときは電流が流れないような半波整流回路４１と電圧電流変換回路４３からなる電気回路が接続されている。もう一方の位相差調整電極１２には、入力電圧が正のときは入力電圧に比例関係にある電流を出力し、入力電圧が負のときは電流が流れないような半波整流回路４２と電圧電流変換回路４４からなる電気回路が接続されている。

このように、半導体マッハツェンダ変調器動作点制御装置４０は、半波整流回路４１と電圧電流変換回路４３からなる電気回路および半波整流回路４２と電圧電流変換回路４４からなる電気回路で構成され、また、半波整流回路４１と半波整流回路４２の入力端子は並列接続されており、動作点制御装置４０の１つの共通入力端に接続されている。

抵抗加熱による発熱量は電流の向きにはよらないので、半波整流回路４１および半波整流回路４２は、反転半波整流回路であっても、非反転半波整流回路であっても良い。

図９（ａ）に、本発明の実施形態３に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１１の電流の絶対値の関係を示し、図９（ｂ）に、本発明の実施形態３に係る動作点制御装置により実現される動作特性である動作点制御装置の入力電圧と位相差調整電極１２の電流の絶対値の関係を示す。

動作点制御装置４０の入力端子の電圧が負電圧のとき、位相差調整電極１１には、入力端子の電圧と比例関係にある電流が流れ、位相差調整電極１２の電流は０である。動作点制御装置４０の入力端子の電圧が正電圧のとき、位相差調整電極１１の電流は０であり、位相差調整電極１２には、入力電圧と比例関係にある電流が流れる。抵抗加熱による発熱量は電流の向きにはよらないので、電流の向きは正負どちらでも構わず、電流値の絶対値が比例関係にあれば良い。

さらには、発熱量は電流の二乗に比例するから、動作点制御装置４０の入力端子の電圧が負電圧のとき、位相差調整電極１１には、入力端子の電圧の平方根と比例関係にある絶対値の電流が流れ、位相差調整電極１２の電流は０であり、動作点制御装置４０の入力端子の電圧が正電圧のとき、位相差調整電極１１の電流は０であり、位相差調整電極１２には、入力電圧の平方根と比例関係にある絶対値の電流が流れる構成の方がより良い。

動作点制御装置４０の入力端子の電圧が負電圧のとき、位相差調整電極１１は入力端子の電圧と比例関係にある発熱をし、位相差調整電極１２の発熱は０であり、動作点制御装置４０の入力端子の電圧が正電圧のとき、位相差調整電極１１の発熱は０であり、位相差調整電極１２は入力電圧と比例関係にある発熱をするような関係であると考えても良い。

非反転半波整流回路と電圧電流変換回路からなる電気回路の具体例として、図７のような非反転理想ダイオード回路とオペアンプを用いた電圧電流変換回路から構成される回路が挙げられ、反転半波整流回路と電圧電流変換回路からなる電気回路の具体例として、図７のような反転理想ダイオード回路とオペアンプを用いた電圧電流変換回路から構成される回路が挙げられるが、図９のような特性を示す回路であれば、図７に示した回路に限定されるものでは無い。

１０半導体マッハツェンダ変調器
１１、１２位相差調整電極
１３、１４変調電極
２０、２５、３０、３５、４０動作点制御装置
２１非反転半波整流回路
２２反転半波整流回路
２３非反転理想ダイオード回路
２４反転理想ダイオード回路
３１、３２、３３、３４、４３、４４電圧電流変換回路
４１、４２半波整流回路

Claims

マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ変調電極とは別に動作点を調整する動作点調整電極を備えた半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置であって、
出力端が一方の前記動作点調整電極に接続された非反転半波整流回路と、
出力端が他方の前記動作点調整電極に接続された反転半波整流回路と
を備え、前記非反転半波整流回路および前記反転半波整流回路の入力端は前記動作点制御装置の１つの入力端に並列接続され、
前記動作点調整電極が負の電圧を印加することによって動作点を調整するものである場合、
前記非反転半波整流回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは入力電圧をそのまま出力し、入力電圧が正のときは０Ｖを出力し、
前記反転半波整流回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは０Ｖを出力し、入力電圧が正のときは、入力電圧と絶対値が等しく極性を反転した電圧を出力し、
前記動作点調整電極が正の電圧を印加することによって動作点を調整するものである場合、
前記非反転半波整流回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が正のときは入力電圧をそのまま出力し、入力電圧が負のときは０Ｖを出力し、
前記反転半波整流回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が正のときは０Ｖを出力し、入力電圧が負のときは、入力電圧と絶対値が等しく極性を反転した電圧を出力する
ことを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置。
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ変調電極とは別に動作点を調整する動作点調整電極を備えた半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置であって、
出力端が一方の前記動作点調整電極に接続された第１の電気回路と、
出力端が他方の前記動作点調整電極に接続された第２の電気回路と
を備え、前記第１および第２の電気回路の入力端は前記動作点制御装置の１つの入力端に並列接続され、
前記動作点調整電極は正の電流を注入することによって動作点を調整するものである場合、
前記第１の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは入力電圧に比例関係にあり、かつ、符号を反転した電流を出力し、入力電圧が正のときは電流を出力しない特性を示し、
前記第２の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは電流を出力せず、入力電圧が正のときは入力電圧に比例関係にある電流を出力する特性を示すものであり、
前記動作点調整電極は負の電流を注入することによって動作点を調整するものである場合、
前記第１の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が正のときは入力電圧に比例関係にあり、かつ、符号を反転した電流を出力し、入力電圧が負のときは電流を出力しない特性を示し、
前記第２の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が正のときは電流を出力せず、入力電圧が負のときは入力電圧に比例関係にある電流を出力する特性を示すものである
ことを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置。
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路が半導体で構成され、２つの光導波路にはそれぞれ動作点を調整する動作点調整用ヒータを備えた半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置であって、
出力端が一方の前記動作点調整用ヒータに接続された第１の電気回路と、
出力端が他方の前記動作点調整用ヒータに接続された第２の電気回路と
を備え、前記第１および第２の電気回路の入力端は前記動作点制御装置の１つの入力端に並列接続され、
前記第１の電気回路は、前記動作点制御装置への入力電圧が負のときは入力電圧の絶対値に比例関係にある絶対値の電流を出力し、入力電圧が正のときは電流を出力しない特性を示し、
前記第２の電気回路は、動作点制御装置への入力電圧が負のときは電流を出力せず、入力電圧が正のときは入力電圧に比例関係にある絶対値の電流を出力する特性を示すものである
ことを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置。
前記第１の電気回路は、非反転半波整流回路と電圧電流変換回路とからなり、
前記第２の電気回路は、反転半波整流回路と電圧電流変換回路とからなる
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置。
前記非反転半波整流回路は、オペアンプを用いた非反転理想ダイオード回路であり、
前記反転半波整流回路は、オペアンプを用いた反転理想ダイオード回路である
ことを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体マッハツェンダ光変調器用の動作点制御装置。