JP5795500B2 - 光位相変調器 - Google Patents
光位相変調器 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5795500B2 JP5795500B2 JP2011131993A JP2011131993A JP5795500B2 JP 5795500 B2 JP5795500 B2 JP 5795500B2 JP 2011131993 A JP2011131993 A JP 2011131993A JP 2011131993 A JP2011131993 A JP 2011131993A JP 5795500 B2 JP5795500 B2 JP 5795500B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical
- optical waveguide
- phase
- waveguide
- loss
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Description
位相変調を組み合わせた変調フォーマットは、多値化やコヒーレント検波化を可能にして、伝送の容量と品質の双方に対して大きな変革をもたらすことが期待されており、現実に従来から使用されてきた強度変調から位相変調へシフトがすでに始まっている。
このとき、位相シフタ632は屈折率増加、位相シフタ642は屈折率が減少するように電圧を印加すると(このような動作は「プッシュプル動作」と呼ばれる。)、2つの変調器アーム630、640から、強度は一定で、位相が互いにπ(180°)異なる出力光を出力することができる。このように位相が互いに逆方向に変化する2つの光は、結合器650において干渉し、出力導波路660から光信号として出力される。
光信号出力が信号“0”と信号“1”間で遷移している間の各変調器アームにおける光の位相の変化は、第1の変調器アーム111において位相シフトされる光の位相は時計回りに進み、第2の変調器アーム112において位相シフトされる光の位相は反時計回りに進むようにする。すなわち、位相シフタ632によって変調される光信号の軌跡701は反時計回りに0度から180度変化し、位相シフタ642によって変調される光信号の軌跡702は時計回りに0度から180度変化する。
なお、周波数チャープに関する先行技術文献としては、非特許文献1、非特許文献2等がある。
シリコン材料からマッハツェンダ干渉型光位相変調器を構成する場合、位相シフタ632、642は、軸線方向に沿ってPN接合が形成されたシリコン細線導波路と、このシリコン細線導波路の近傍に設けられ、PN接合にバイアスを与える電極とから構成される。この電極に外部から制御電圧を印加して導波路中のキャリア密度を変化させると、キャリアプラズマ分散効果によって、シリコン細線導波路の屈折率が変化し、通過する光の位相をシフトさせることができる。
例えば、シリコン光変調器では、波長1.55 μmにおけるキャリアプラズマ分散効果による屈折率変化と吸収率変化は、キャリア密度の変化に対する屈折率変化と吸収率変化として、経験的に次の式(1)と式(2)でそれぞれ表される(非特許文献4参照)。
なお、本明細書においては、特に断らない限り、「伝搬損失」および「伝搬損失変化」とは、それぞれ単位長さ当たりの伝搬損失および単位長さ当たりの伝搬損失変化を意味するものとする。
なお、キャリアプラズマ分散効果の影響を受けて変化する位相シフトΔφ1(t) 、Δφ2(t) 、および伝搬損失α1(t) 、α2(t) は、時間の関数となるが、本明細書においては、簡単のため、Δφ1 、Δφ2 、α1 、α2 と表す。
このように、キャリアプラズマ分散効果を利用して光位相変調を行えば、光位相変調器の光信号出力の信号“0”(803)と信号“1”(804)との間のビット遷移時に周波数変化が連続的に発生する。その結果、この周波数変化がいわゆる周波数チャープとして残存し、特に長距離伝送時においては位相変調特性の劣化の原因となる。
Δα 1,adjust +Δα 2,adjust =Δα 1,plasma +Δα 2,plasma
となるように設定され、前記第1の位相変調部および前記第2の位相変調部は、それぞれ前記コアに注入されるキャリアの供給源となるn型半導体およびp型半導体の少なくとも一つと、前記コアへのキャリアの注入を制御する電極とを備え、キャリアプラズマ分散効果により光信号の位相をシフトすることを特徴とする。
すなわち、第1の光導波路の伝搬損失のうちの第1の位相変調部における位相のシフトに依存しない伝搬損失と、第2の光導波路の伝搬損失のうちの第2の位相変調部における位相のシフトに依存しない伝搬損失とを互いに異ならせることによって、位相変調に伴う吸収率変化(伝搬損失変化)の影響を相殺して、光位相変調における信号“0”と信号“1”との間のビット遷移時に発生する周波数チャープを抑制することができる。
<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態に係る光位相変調器は、マッハツェンダ干渉型光位相変調器であって、変調器アームの伝搬損失を調整する手段として、導波路の断面構造または形状を調整して、2つの変調器アーム間に非対称性を設けるものである。
本発明の実施の形態に係る光位相変調器は、2つの変調器アームの伝搬損失のうち、光信号の位相のシフトに依存しない伝搬損失、すなわち、屈折率と吸収率(伝搬損失)間におけるKramers−Kronig関係とは独立した、導波路の構造に由来する伝搬損失を調整し、2つの変調器アーム間に非対称性を設けるものである。
図1A乃至図1Dに本実施の形態に係る光位相変調器の構成を示す。光位相変調器100は、入力導波路110より入射された光信号を2つに分岐する分岐部(分波器)120と、分岐部120によって分岐された第1の光信号を伝搬する第1の光導波路(以下、「第1の変調器アーム」または「上側アーム」という。)130と、分岐部120によって分岐された第2の光信号を伝搬する第2の光導波路(以下、「第2の変調器アーム」または「下側アーム」という。)140と、上側アーム130を伝搬した第1の光信号と下側アーム140を伝搬した第2の光信号とを合波して出力導波路160に出射する結合部(合波器)150とから構成されている。これらは、SOI基板上に形成されたシリコン導波路である。このうち、上側アーム130と下側アーム140の光路長は等しくなるように形成されている。また、上側アーム130と下側アーム140の光導波路コアの光信号の伝搬方向に垂直な断面の形状および大きさも、後述する損失調整部141’の部分を除き、互いに等しく形成されている。
以下、第1の位相シフタ132および第2の位相シフタ142を単に「位相シフタ」と総称することがある。
位相シフタ142もまた、位相シフタ132と同様に構成されている。
また、位相シフタの構成例については、非特許文献4にも開示されている。
例えば、電子線露光または紫外線露光を用いることにより、分解能が10nm以下の導波路コアの幅の調整は可能であり、その再現性についても確認されている。
なお、本実施の形態においては、シリコン導波路141のコアの高さは、その長さ方向にわたって一定である。
次に、本実施の形態に係る光位相変調器100の動作について説明する。
この位相変調器100では、入力導波路110に入射された光は分岐器120で2本の光に等分される。上側アーム130において、光は導波路131を伝搬して位相シフタ132に入射し、導波路133を伝搬して結合部150に至る。一方、下側アーム140においては、導波路141の損失調整領域141’を経て位相シフタ142によって屈折率変化による位相シフトを受けたのち、導波路143を伝搬して結合部150に至る。このようにして上側の変調アーム130から入射された光信号と下側の変調アーム140から入射された光信号とは、結合部150内で干渉し、光信号出力として出力導波路160を介して出力される。
例えば、光位相変調器100の光信号出力が信号“0”(303)から信号“1”(304)に遷移する場合に、上側アーム130を伝搬する光信号の位相は位相シフタ132によって変調されて反時計回りに0度から180度変化する(軌跡301)一方、下側アーム140を伝搬する光信号の位相は位相シフタ142によって変調されて、時計回りに0度から180度変化する(軌跡302)。
ここでは、入力分岐比率a=(0.5)1/2、出力分岐比率b=(0.5)1/2、波長λ=1.550nm、位相シフタの導波路長L=10mmのとき、下側アームの構造調整による伝搬損失変化Δα2,adjust=0.6dB/cmとすることで、図3Bに示すように、周波数チャープはほぼI軸上を遷移した。この結果、周波数チャープを持った光強度は1/6以下に抑えることができることが理解される。
なお、正孔キャリアではなく電子キャリア密度変化を利用した変調器、もしくは、両キャリア密度変化を利用した変調器では、式(1)と式(2)の関係により更に顕著なチャープ抑制効果が予想される。
すなわち、一方の変調器アーム(下側アーム)140に、そのシリコン導波路の一部のコア幅を変化させることによって損失調整部141’を設け、キャリアプラズマ分散効果の影響により変調される下側アーム140の変調器142の伝搬損失変化Δα2,plasmaの影響を相対的に低減することによって、ビット遷移の際の下側アームから結合部150に入射される光信号のIQ平面上での軌跡は、図3Aに示すように下方に膨らむので、上側アーム130から結合部150に入射される光信号と下側アーム140から結合部150に入射される光信号とが干渉することによって得られる光信号出力のビット遷移時の周波数チャープを抑制できる。
次に、本発明の第2の実施の形態について、図4A、図4B、図5を参照して説明する。なお、上述した第1の実施の形態と共通する構成要素については、同一の名称および同一の参照符号を用い、その説明は省略する。
第2の実施の形態に係る光位相変調器は、損失調整を行う手段として、マッハツェンダ干渉型位相変調器の変調器アームのシリコン導波路に屈曲部を設けたものである。すなわち、伝搬損失変化Δαadjust の調整は、シリコン導波路の曲げ半径を調整し、曲げ損失を増加または減少させることによって実現される。
このうち、第2の変調器アーム240を構成するシリコン導波路コア241には、損失調整部として屈曲部Bが設けられている。
なお、本実施の形態においては、伝搬損失の調整に用いる曲げ損失が、その構造上、シリコン導波路の屈曲部において生じるものであるため、上述した式(7)、式(8)との整合をとるため、伝搬損失変化Δα2,adjust は、屈曲部の曲げ半径を調整することによって生じる損失変化を変調器の導波路の長さLによって平均化された値とする。
なお、上側アーム130と下側アーム240の光路長は等しくなるように形成されている。また、シリコン導波路コアの断面形状は上述した第1の実施の形態と同一である。
本実施の形態に係る位相変調器200では、入力導波路110に入射された光は分岐器120で2本の光に等分される。上側アーム130において、光信号は導波路131を伝搬し、位相シフタ132によって屈折率変化による位相シフトを受けたのち、導波路133を伝搬し、結合部150に入射する。一方、下側アーム240では、光信号は、曲げ損失を付与した導波路コア241を伝搬し、位相シフタ142で位相シフトを受けたのち、導波路143を伝搬して、結合部150に入射する。
第2の変調器アーム240の損失α2 は、屈曲部の曲げ損失を調整したことによって生じた伝搬損失変化Δα2,adjust を含む。したがって、屈曲部の導波路曲げ損失を曲げ半径の縮小と拡大によって調整して、キャリアプラズマ分散効果の影響により変調される下側アーム240の変調器142の伝搬損失変化Δα2,plasmaの影響を相対的に低減することによって、ビット遷移時の周波数チャープの発生を抑制することができる。
上述した実施の形態においては、シリコン導波路からなるマッハツェンダ干渉型位相変調器を例に説明したが、本発明では、屈折率と独立して損失を調整できる機構であれば、位相変調器の材料と干渉構造に依存しない。
例えば、損失調整部として、少なくとも一方のシリコン導波路コアの少なくとも一部に、不純物をドーピングした不純物導入部を形成してもよい。シリコンは不純物濃度に応じて光吸収を調整することができるので、このような不純物導入部を設けることによって、変調器アームの伝搬損失を調整することができる。このような不純物導入部は、位相シフタ(位相変調部)を形成するプロセスにおいて、シリコン層の所定の領域に不純物を導入した後にシリコン導波路コアを形成することによって、同時に作製することができる。
Claims (5)
- 入射された光信号を2つに分岐する分岐部と、
この分岐部によって分岐された第1の光信号を伝搬する第1の光導波路と、
前記分岐部によって分岐された第2の光信号を伝搬する第2の光導波路と、
前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光信号の位相をシフトする第1の位相変調部と、
前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光信号の位相をシフトする第2の位相変調部と、
前記第1の光導波路を伝搬した前記第1の光信号と前記第2の光導波路を伝搬した前記第2の光信号とを合波して出射する結合部と
を備え、
前記第1の光導波路および前記第2の光導波路の少なくとも1つは、当該光導波路の光伝搬損失を調整する損失調整部を備え、前記第1の位相変調部による前記第1の光信号の位相のシフトに依存しない前記第1の光導波路の光伝搬損失と、前記第2の位相変調部による前記第2の光信号の位相のシフトに依存しない前記第2の光導波路の光伝搬損失とが互いに異なり、
前記第1の光導波路および前記第2の光導波路は、それぞれ半導体からなるコアを有し、
前記第1の光導波路および前記第2の光導波路の前記損失調整部による伝搬損失変化Δα 1,adjust およびΔα 2,adjust は、下記の式(2)によって求められる前記第1の光導波路および前記第2の光導波路のキャリアプラズマ分散効果による伝搬損失変化Δα 1,plasma およびΔα 2,plasma と、
Δα 1,adjust +Δα 2,adjust =Δα 1,plasma +Δα 2,plasma
となるように設定され、
前記第1の位相変調部および前記第2の位相変調部は、それぞれ前記コアに注入されるキャリアの供給源となるn型半導体およびp型半導体の少なくとも一つと、前記コアへのキャリアの注入を制御する電極とを備え、キャリアプラズマ分散効果により光信号の位相をシフトする
ことを特徴とする光位相変調器。
- 請求項1に記載された光位相変調器において、
前記損失調整部は、
前記第1の光導波路または前記第2の光導波路の部分であって、光信号の伝搬方向に垂直な当該光導波路の断面の面積および形状の少なくとも一つが前記伝搬方向に沿って変化する部分である
ことを特徴とする光位相変調器。 - 請求項1に記載された光位相変調器において、
前記損失調整部は、
前記第1の光導波路または前記第2の光導波路の一部に形成され、当該光導波路を所定の曲率半径で屈曲させた屈曲部である
ことを特徴とする光位相変調器。 - 請求項1に記載された光位相変調器において、
前記第1の光導波路および前記第2の光導波路は、シリコンからなるコアを有し、
前記損失調整部は、
前記第1の光導波路または前記第2の光導波路の前記コアの少なくとも一部に不純物が導入された不純物導入部である
ことを特徴とする光位相変調器。 - 請求項1に記載された光位相変調器において、
前記第1の光導波路および前記第2の光導波路の光信号の伝搬方向に垂直な断面の面積および形状の少なくとも一つは、互いに異なる
ことを特徴とする光位相変調器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011131993A JP5795500B2 (ja) | 2011-06-14 | 2011-06-14 | 光位相変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011131993A JP5795500B2 (ja) | 2011-06-14 | 2011-06-14 | 光位相変調器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013003236A JP2013003236A (ja) | 2013-01-07 |
JP5795500B2 true JP5795500B2 (ja) | 2015-10-14 |
Family
ID=47671898
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011131993A Active JP5795500B2 (ja) | 2011-06-14 | 2011-06-14 | 光位相変調器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5795500B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SG11201401800PA (en) | 2011-10-26 | 2014-09-26 | Fujikura Ltd | Optical element and mach-zehnder optical waveguide element |
US9310185B2 (en) * | 2013-06-12 | 2016-04-12 | Medlumics, S.L. | Electro-optical silicon-based phase modulator with null residual amplitude modulation |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006039037A (ja) * | 2004-07-23 | 2006-02-09 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体光遅延干渉器 |
US8520984B2 (en) * | 2009-06-12 | 2013-08-27 | Cisco Technology, Inc. | Silicon-based optical modulator with improved efficiency and chirp control |
JP5390972B2 (ja) * | 2009-07-16 | 2014-01-15 | 古河電気工業株式会社 | 光位相変調器および光位相変調装置 |
-
2011
- 2011-06-14 JP JP2011131993A patent/JP5795500B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013003236A (ja) | 2013-01-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8824836B2 (en) | Optical waveguide, optical modulator and optical coupler | |
JP4696264B2 (ja) | 強度バランス機能を有する光fsk/ssb変調器 | |
US8149492B2 (en) | Optical modulator | |
CA2746369C (en) | Monolithic optoelectronic twe-component structure | |
JP4631006B2 (ja) | Fsk変調器の自動調整システム | |
US6721085B2 (en) | Optical modulator and design method therefor | |
US20160103281A1 (en) | Polarization beam splitter and optical device | |
US9217883B2 (en) | Optical modulator module, integrated circuit for driving optical modulator, and method for modulating optical signal | |
JP2019152732A (ja) | 光変調器、及びこれを用いた光トランシーバモジュール | |
CN112114446B (zh) | 硅光调制器、光发射装置及光信号的调制方法 | |
JP2010008763A (ja) | 光変調デバイス及び光半導体装置 | |
US9726822B1 (en) | Optical integrated circuit | |
US9377666B2 (en) | Light modulator | |
JP5081777B2 (ja) | マッハツェンダ干渉計型光機能素子 | |
JP6306939B2 (ja) | マッハツェンダ型光変調器の制御方法 | |
CN110149153B (zh) | 光调制器、调制方法及光调制系统 | |
JP5795500B2 (ja) | 光位相変調器 | |
US9298024B2 (en) | Semiconductor Mach-Zender modulator and method to drive the same | |
JP4686785B2 (ja) | 光電気発振器及び光電気発振方法 | |
JP2014191218A (ja) | 光変調器 | |
Sakamaki et al. | Low-loss Y-branch waveguides designed by wavefront matching method | |
JP2006267201A (ja) | 位相連続光fsk変調方法,位相連続光fsk変調器 | |
JP5945240B2 (ja) | 光位相変調器 | |
JP2013160789A (ja) | 非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器及び波長分割多重送信器 | |
Aihara et al. | 56-Gbit/s operations of Mach-Zehnder modulators using 300-µm-long membrane InGaAsP phase shifters and SiN waveguides on Si |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130729 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140319 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140624 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140821 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150127 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150811 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150813 |
|
R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Ref document number: 5795500 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |