JP6145035B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、より詳細には、光ファイバ通信において使用する光変調器であって、特にマッハツェンダ型光変調器に関する。

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変調器が用いられている。従来、マッハツェンダ型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光変調器が用いられていた。近年、光導波路にＩｎＰ等の半導体材料を用いたマッハツェンダ型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型光変調器は、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。

図１に、従来の差動駆動型の半導体マッハツェンダ型光変調器を示す。入力光を導波する入力光導波路１００と、入力光を第１の光位相変調部１０１−１と第２の光位相変調部１０１−２とに分波する分波器１０２（光分波手段）と、それぞれの光位相変調部で変調された光を合波する光合波器１０３（光合波手段）と、合波した光を導波して出力する出力光導波路１０４とから構成される。光位相変調部１０１−１、１０１−２の位相差により、光出力の位相及び強度が変化する。

光位相変調部１０１−１、１０１−２は、それぞれ光導波路１０５−１、１０５−２と変調電極１０６−１、１０６−２とから構成されている。光位相変調部１０１−１、１０１−２は、変調電極１０６−１、１０６−２に印加された電圧に基づいて光導波路１０５−１、１０５−２の屈折率を変化させ、光導波路を伝播する光の位相を変調する。変調電極１０６−１、１０６−２は、ＣＲ時定数による帯域制限を防ぐために、電極が伝送線路を形成したいわゆる進行波型電極になっている。入力端１０６−１ａ、１０６−２ａから高周波信号（ＲＦ）が入力され、出力端１０６−１ｂ、１０６−２ｂで終端される。変調動作時には、変調用の高速データ信号である差動の高周波信号に、バイアスＴ１０７−１、１０７−２から直流のバイアス電圧が重畳されて、光導波路を伝播する光信号を変調する。

半導体で構成された光位相変調器（図１に示した位相変調部の１つを抜き出した構成）は、電極に印加される電圧に対して生じた位相変化が非線形に増加する特性を有している。そこで、この特性に起因する半導体マッハツェンダ光変調器特有の特性を説明する。

図２に、従来の光位相変調器における変調電極の電圧と出力光の位相差との関係を示す。半導体で構成された光位相変調器では、電圧を印加するために半導体ＰＮ接合に対して逆バイアス電圧を印加する。光導波路を構成する半導体のＰＮ接合の向きによって負電圧を印加することもある。印加電圧の極性について混乱を招くので、本願の説明においては、印加電圧の絶対値を用いて統一的に説明する。図２において、横軸は、変調電極の電圧、縦軸は出力光の位相差である。このように、変調電圧と位相差の関係が直線ではないことがわかる。電圧が大きくなるにしたがって、非線形の度合いが増加する。また、電圧を大きくすることにより、単位電圧あたりの位相差が大きくなり、すなわち変調効率が向上することを示している。

C.Rolland, R.S.Moore, F.Shepherd, G.Hillier, "10Gbit/s, 1.56μm MULTI QUANTUM WELL InP/InGaAsP MACH‐ZEHNDER OPTICAL MODULATOR", ELECTRONICS LETTERS, 1993.3.4, Vol.29, No.5, p.471-472

上述したように、従来の光位相変調器においては、変調電圧に応じて変調特性が変化するので、変調信号強度に応じてバイアス電圧を最適化する必要があった。しかしながら、進行波型電極である変調電極においては、変調電極の出力端の電圧振幅は、伝搬損失によって、入力端の電圧振幅に比べて減少する。したがって、変調信号強度に応じてバイアス電圧を最適化しようとしても、バイアス電圧は、進行波型電極のすべての位置において最適値とはならず、出力光の変調特性が劣化するという問題があった。

本発明の目的は、光変調器の進行波型電極において、光の伝搬方向の各位置でのバイアス電圧を最適化した光変調器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様は、光導波路に電圧を印加して屈折率を変化させ、前記光導波路を伝播する光の位相を変調する光変調器であって、前記光導波路の屈折率変化が電圧に対して非線形に変化する光変調器において、前記光導波路の光の伝播方向に沿って配置され、変調のための高周波信号に直流のバイアス電圧を重畳して印加する進行波電極を備え、前記進行波電極は、前記光の伝播方向に沿って複数に分割され、前記バイアス電圧を遮断するが前記高周波信号を通過させる第１の接続路により縦続に接続され、分割されたそれぞれの電極は、前記高周波信号を遮断するが前記バイアス電圧を通過させる第２の接続路にそれぞれ接続されており、前記分割されたそれぞれの電極には、第２の接続路を介して、前記進行波電極における前記高周波信号の伝搬損失による振幅低下に対応して、それぞれ異なるバイアス電圧が印加されていることを特徴とする。

第２の実施態様は、マッハツェンダ型干渉計を構成する２本の光導波路に電圧を印加して屈折率を変化させ、前記光導波路を伝播する光の位相を変調するマッハツェンダ型の光変調器であって、前記光導波路の屈折率変化が電圧に対して非線形に変化する光変調器において、前記２本の光導波路の少なくとも一方の光導波路の光の伝播方向に沿って配置され、変調のための高周波信号に直流のバイアス電圧を重畳して印加する進行波電極を備え、前記進行波電極は、前記光の伝播方向に沿って複数に分割され、前記バイアス電圧を遮断するが前記高周波信号を通過させる第１の接続路により縦続に接続され、分割されたそれぞれの電極は、前記高周波信号を遮断するが前記バイアス電圧を通過させる第２の接続路にそれぞれ接続されており、前記分割されたそれぞれの電極には、第２の接続路を介して、前記進行波電極における前記高周波信号の伝搬損失による振幅低下に対応して、それぞれ異なるバイアス電圧が印加されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、進行波型電極が光の伝播方向に沿って複数に分割され、高周波信号を通過させ、分割されたそれぞれの電極には、異なるバイアス電圧を印加することができるので、光変調器の進行波型電極において、光の伝搬方向の各位置でのバイアス電圧を最適化することが可能となる。

従来の差動駆動型の半導体マッハツェンダ型光変調器を示す図である。 従来の光位相変調器における変調電極の電圧と出力光の位相差との関係を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光位相変調器の構成を示す図である。 光位相変調器の層構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる光変調器の構成を示す図である。

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３に、本発明の第１の実施形態にかかる光位相変調器の構成を示す。図１に示した半導体マッハツェンダ型光変調器の光位相変調部の１つを抜き出した構成に相当する。光位相変調器は、光導波路２０５と進行波型変調電極２０６−１、２０６−２、２０６−３とから構成されている。光位相変調器は、光導波路２０５に電圧を印加して屈折率を変化させ、光導波路を伝播する光の位相を変調する。図３において、進行波型変調電極は、光導波路２０５の光の伝搬方向に３分割されているが、複数Ｎ（Ｎ＞＝２）分割されていればよい。分割された進行波型変調電極は、直流成分を遮断するが高周波信号を通過させる接続路２０９−１、２０９−２により縦続に接続されている。直流成分を遮断するが高周波信号を通過させる接続路は、具体的には、チップ型のキャパシタを実装することにより実現できる。入力端２０６ａから高周波信号（ＲＦ）が入力され、出力端２０６ｂで終端される。

分割されたそれぞれの進行波型変調電極のうち、出力端２０６ｂで終端されていない進行波型変調電極に対して、直流成分を通過させるが高周波信号を遮断する接続路２０８−１、２０８−２を接続する。接続路２０８−１、２０８−２およびバイアスＴ２０７によって、分割された進行波型変調電極のそれぞれに、異なった直流のバイアス電圧１〜３を印加することができる。これにより、光導波路の光の伝播方向に沿って、変調のための高周波信号に、異なる直流のバイアス電圧１〜３をそれぞれ重畳して、印加することができる。

直流成分を通過させるが高周波信号を遮断する接続路は、具体的には、インダクタを接続する、または終端抵抗に比べて十分に大きい抵抗（例えば、５０Ωの終端抵抗に対して１ｋΩ程度）を接続することにより実現できる。進行波型変調電極は、ＣＲ時定数による帯域制限を防ぐために、電極が伝送線路を形成しており、入力端２０６ａから高周波信号（ＲＦ）が入力され、出力端２０６ｂで終端される。

入力端２０６ａから入力された高周波変調信号が、進行波型変調電極において、伝搬損失により減衰して、出力端２０６ｂに伝搬する。上述した構成によると、分割された変調電極の各電極２０６−１、２０６−２、２０６−３において、高周波変調信号が異なった振幅になったとしても、それぞれの電極に異なったバイアス電圧を印加することにより、各電極において最適なバイアス条件で動作させることができる。

光位相変調器は、変調電極の電圧と出力光の位相差との関係が線形であることが望ましいが、図２に示したように、半導体で構成された光位相変調器においては、電圧−位相特性は非線形性を有していた。非線形性を低下させるために、非線形性が顕著に現れないような低いバイアス電圧を設定すると、変調効率が低下してしまうため、やむを得ず非線形性を有する状態で使用していた。一方、本実施形態の構成を用いることにより、変調信号の振幅が大きい領域では、低いバイアス電圧を印加し、伝搬損失により振幅が低下した領域では、高いバイアス電圧を印加することにより、変調信号強度に応じてバイアス電圧を最適化することができ、非線形性の度合いを低くしたまま、より高効率な変調動作を実現することができる。

図４に、光位相変調器の層構成を示す。図３のＩＶ−ＩＶ間の断面を示している。ｎ−ＩｎＰ基板５０２の下面には、ＡｕＧｅＮｉのｎ電極５０１が形成され、上面には、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層５０３、ｎ−ＩｎＰ層５０４が順に形成されている。ｎ−ＩｎＰ層５０４の上面には、メサ型の多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造が形成されており、多重量子井戸コア層５０５、ｐ−ＩｎＰ層５０７、ｐ−ＩｎＧａＡｓ層５０８が順に形成されている。多重量子井戸コア層５０５は、ＩｎＧａＡｓＰ層とＩｎＰ層を複数回、交互に積層して構成する。ｐ−ＩｎＧａＡｓ層５０８の上面には、進行波型変調電極となるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕのｐ電極５０９が形成されている。

ｎ−ＩｎＰ層５０４の厚さは２．１ミクロン、ｐ−ＩｎＰ層５０７の厚さは２．０ミクロン、メサ幅は２．０ミクロンである。ＭＱＷ構造の多重量子井戸コア層５０５のバンドギャップ波長は１．４０ミクロンである。変調電極が形成されている光導波路の長さは、３０００ミクロンである。

図５に、本発明の第２の実施形態にかかる光変調器の構成を示す。光位相変調器は、マッハツェンダ型干渉計により構成され、入力光を導波する入力光導波路３００と、入力光を第１の光位相変調部３０１−１と第２の光位相変調部３０１−２とに分波する分波器３０２（光分波手段）と、それぞれの光位相変調部で変調された光を合波する光合波器３０３（光合波手段）と、合波した光を導波して出力する出力光導波路３０４とから構成される。光位相変調部３０１−１、３０１−２の位相差により、光出力の位相及び強度が変化する。

光位相変調部３０１−１、３０１−２は、それぞれ光導波路３０５−１、３０５−２と進行波型変調電極３０６−１１〜１３、３０６−２１〜２３とから構成されている。進行波型変調電極３０６−１１〜１３、３０６−２１〜２３は、光導波路２０５の伝搬方向に、それぞれ３分割されている。分割された進行波型変調電極は、直流成分を遮断するが高周波信号を通過させる接続路３０９−１１〜１２、３０９−２１〜２２により縦続に接続されている。直流成分を遮断するが高周波信号を通過させる接続路は、具体的には、チップ型のキャパシタを実装することにより実現できる。入力端３０６−１ａ、３０６−２ａから高周波信号（ＲＦ）が入力され、出力端３０６−１ｂ、３０６−２ｂで終端される。

分割されたそれぞれの進行波型変調電極のうち、出力端３０６−１ｂ、３０６−２ｂで終端されていない進行波型変調電極に対して、直流成分を通過させるが高周波信号を遮断する接続路３０８−１１〜１２、３０８−２１〜２２を接続する。接続路３０８−１１〜１２、３０８−２１〜２２およびバイアスＴ３０７−１、３０７−２によって、分割された進行波型変調電極のそれぞれに、異なった直流のバイアス電圧１１〜１３、２１〜２３を印加することができる。直流成分を通過させるが高周波信号を遮断する接続路は、具体的には、インダクタを接続する、または終端抵抗に比べて十分に大きい抵抗（例えば、５０Ωの終端抵抗に対して１ｋΩ程度）を接続することにより実現できる。これにより、光導波路の光の伝播方向に沿って、変調のための高周波信号に、異なる直流のバイアス電圧１１〜１３、２１〜２３をそれぞれ重畳して、印加することができる。

光位相変調部３０１−１、３０１−２は、進行波型変調電極３０６−１１〜１３、３０６−２１〜２３に印加された電圧に基づいて光導波路３０５−１、３０５−２の屈折率を変化させ、光の位相を変調する。進行波型変調電極３０６−１１〜１３、３０６−２１〜２３は、ＣＲ時定数による帯域制限を防ぐために、電極が伝送線路を形成したいわゆる進行波型電極になっている。入力端３０６−１ａ、３０６−２ａから高周波信号（ＲＦ）が入力され、出力端３０６−１ｂ、３０６−２ｂで終端される。変調動作時には、変調用の高速データ信号である差動の高周波信号に、接続路３０８−１１〜１２、３０８−２１〜２２およびバイアスＴ３０７−１、３０７−２から異なる直流のバイアス電圧１１〜１３、２１〜２３が重畳されて、光導波路を伝播する光信号を変調する。

入力端３０６−１ａ、３０６−２ａから入力された高周波変調信号が、進行波型変調電極において、伝搬損失により減衰して、出力端３０６−１ｂ、３０６−２ｂに伝搬する。上述した構成によると、分割された進行波型変調電極の各電極３０６−１１〜１３、３０６−２１〜２３において、高周波変調信号が異なった振幅になったとしても、それぞれの電極に異なったバイアス電圧を印加することにより、各電極において最適なバイアス条件で動作させることができる。

第２の実施形態では、マッハツェンダの２つの光位相変調部３０１−１、３０１−２の双方に高周波変調信号を印加している。代替的に、差動駆動型の半導体マッハツェンダ型光変調器とすることもできる。すなわち、一方の光位相変調部３０１−１にデータ信号を印加した場合、他方の光位相変調部３０１−２には、データ信号を反転したデーターバー信号を印加する。しかし、本実施形態は、差動信号に限定されるものではなく、いずれか一方の光位相変調部にのみ高周波信号を印加することもでき、いずれの構成であっても、上述の作用効果を奏することができる。

第２の実施形態において、光位相変調部の層構成は、図４に同じである。なお、入力光導波路３００から出力光導波路３０４までを含む素子長は５ｍｍである。

１００，３００ 入力光導波路
１０１．３０１ 光位相変調部
１０２，３０２ 光分波器
１０３，３０３ 光合波器
１０４，３０４ 出力光導波路
１０５，２０５，３０５ 光導波路
１０６，２０６，３０６ 変調電極
１０７，２０７，３０７ バイアスＴ
２０８，３０８ 接続路（インダクタ）
２０９，３０９ 接続路（キャパシタ）

Claims (6)

1. 光導波路に電圧を印加して屈折率を変化させ、前記光導波路を伝播する光の位相を変調する光変調器であって、前記光導波路の屈折率変化が電圧に対して非線形に変化する光変調器において、
   前記光導波路の光の伝播方向に沿って配置され、変調のための高周波信号に直流のバイアス電圧を重畳して印加する進行波電極を備え、
   前記進行波電極は、前記光の伝播方向に沿って複数に分割され、前記バイアス電圧を遮断するが前記高周波信号を通過させる第１の接続路により縦続に接続され、分割されたそれぞれの電極は、前記高周波信号を遮断するが前記バイアス電圧を通過させる第２の接続路にそれぞれ接続されており、
   前記分割されたそれぞれの電極には、第２の接続路を介して、前記進行波電極における前記高周波信号の伝搬損失による振幅低下に対応して、それぞれ異なるバイアス電圧が印加されていることを特徴とする光変調器。
2. マッハツェンダ型干渉計を構成する２本の光導波路に電圧を印加して屈折率を変化させ、前記光導波路を伝播する光の位相を変調するマッハツェンダ型の光変調器であって、前記光導波路の屈折率変化が電圧に対して非線形に変化する光変調器において、
   前記２本の光導波路の少なくとも一方の光導波路の光の伝播方向に沿って配置され、変調のための高周波信号に直流のバイアス電圧を重畳して印加する進行波電極を備え、
   前記進行波電極は、前記光の伝播方向に沿って複数に分割され、前記バイアス電圧を遮断するが前記高周波信号を通過させる第１の接続路により縦続に接続され、分割されたそれぞれの電極は、前記高周波信号を遮断するが前記バイアス電圧を通過させる第２の接続路にそれぞれ接続されており、
   前記分割されたそれぞれの電極には、第２の接続路を介して、前記進行波電極における前記高周波信号の伝搬損失による振幅低下に対応して、それぞれ異なるバイアス電圧が印加されていることを特徴とする光変調器。
3. 前記２本の光導波路の双方に前記進行波電極をそれぞれ備え、２つの進行波電極に対して差動の高周波信号を印加することを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
4. 前記第１の接続路は、キャパシタであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光変調器。
5. 前記第２の接続路は、インダクタであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光変調器。
6. 前記第２の接続路は、前記進行波電極の終端抵抗に比べて十分に大きい抵抗であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光変調器。

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