JP6603571B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電気信号により光信号を変調するための光変調器に関し、より詳細には、作製誤差に起因する光波形歪みが補償された光変調器に関する。

通信需要の急速な増大を背景として、通信網の大容量化に向けた光通信技術の検討が精力的に行われている。光通信において使用される従来の光変調フォーマットは、光の１チャネルに対して１チャネルの高周波電気信号を割り当てる振幅変調（ＡＳＫ：Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式が主流であった。しかし、ＡＳＫ方式はある周波数帯域に１ビットの信号しか付与できない。そのため、近年ではある周波数帯域に１ビット以上の信号を付与できる四位相偏移変調（ＱＰＳＫ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ ＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）方式、及び直交振幅変調（ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式等の変調方式が盛んに研究開発されており、実用化に至っている。ＱＰＳＫ方式においてＱＰＳＫ信号を生成するために、及びＱＡＭ方式においてＱＡＭ信号を生成するためには、通常は光を複素表記したときの実軸と虚軸を個別にマッハツェンダ変調器を用いて振幅変調するＩＱ変調器の形態がとられる（例えば非特許文献１参照）。１つのマッハツェンダ変調器に１ビットの信号を入力することによりＱＰＳＫ信号が生成され、１つのマッハツェンダ変調器に２ビット以上の信号を入力することによりＱＡＭ信号が生成される。このような多値変調を用いて通信容量の大容量化が達成される。

特開２０１４−６３８９号公報

S. Kanazawa, et al., "112-Gb/s InP DP-QPSK modulator integrated with a silica-PLC polarization multiplexing circuit", OFC 2012, PDP5A.9, (2012)

図１は、従来の光変調器であるマッハツェンダ変調器１００の構成を示す図で、図１（ａ）はマッハツェンダ変調器１００の上面図を示し、図１（ｂ）はマッハツェンダ変調器１００のＡ−Ａ´における断面図を示す。図１のマッハツェンダ変調器１００は、基板１０１上に設けられた、入力用光ポート１０２と、入力用光ポート１０２に接続された１×２光カプラ１０３と、１×２光カプラ１０３の一方の出力に接続された第１のアーム導波路１０４と、１×２光カプラ１０３の他方の出力に接続された第２のアーム導波路１０５とを備える。また、マッハツェンダ変調器１００は、第１のアーム導波路１０４が一方の入力及び第２のアーム導波路１０５の他方の入力に接続された２×１光カプラ１０６と、２×１光カプラ１０６の出力と接続された出力用光ポート１０７とを備える。

また、マッハツェンダ変調器１００は、マッハツェンダ干渉計により構成される位相変調領域を備えている。位相変調領域において、第１のアーム導波路１０４は、基板中心側がｎドープ領域１０４−１により形成され、基板縁側がｐドープ領域１０４−２により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路の光の進行方向中心がｎドープ領域１０４−１とｐドープ領域１０４−２とのｐｎ接合部となる。また、第２のアーム導波路１０５は、基板中心側がｎドープ領域１０５−１により形成され、基板縁側がｐドープ領域１０５−２により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がｎドープ領域１０５−１とｐドープ領域１０５−２とのｐｎ接合部となる。またｐドープ領域１０４−２の上には第１のアーム電極１０８が形成され、ｐドープ領域１０５−２の上には第２のアーム電極１０９が形成され、ｎドープ領域１０４−１及び１０５−１の上には、バイアス電極１１０が形成される。

図１（ｂ）はマッハツェンダ変調器１００の位相変調部分の断面図であり、図１（ｂ）に示されるように、マッハツェンダ変調器１００の位相変調領域は、基板１０１上に形成されたクラッド層１１２と、クラッド層１１２上に形成されたコア層１１１と、コア層１１１上に形成されたクラッド層１１３とから構成されている。コア層１１１は、２つのリブ形のアーム導波路３０４及び３０５を形成し、ｎドープ領域１０４−１及び１０５−１と、ｐドープ領域１０４−２及び１０５−２から構成されている。

第１のアーム電極１０８と第２のアーム電極１０９に差動の高周波信号が入力されると、第１のアーム電極１０８及び第２のアーム電極１０９とバイアス電極１１０との電位差が高周波信号により変化する。この電位差の変化により、ｐｎ接合部の空乏層領域の大きさが変化するため、いわゆるキャリアプラズマ効果により導波路の屈折率を変化させて光の位相変化が起こり、マッハツェンダ変調器１００がプッシュ―プル動作をする。

従来のマッハツェンダ変調器においては、ＱＡＭ信号は複素平面（コンスタレーションマップ）上のシンボル点の間隔が狭くなるため、マッハツェンダ変調器の非対称性及びチャープなどの不完全性による波形劣化がビットエラーレートに与える影響が大きいという課題がある（特許文献１参照）。例えば、ｐｎ接合の位置精度は、作製プロセス中のフォトマスクの位置合わせ精度により決まるため、ｐｎ接合位置は設計値に対して数１０ｎｍから数１００ｎｍ程度ずれることがあり、マッハツェンダ変調器の位相変調部の光導波路が非対称となってしまう場合がある。

図２は、アーム導波路１０４及び１０５のｐｎ接合位置が対称な場合と非対称な場合について説明する図である。ここで、図２（ａ）はアーム導波路１０４及び１０５のｐｎ接合位置が対称な場合のアーム導波路１０４及び１０５の光の進行方向の断面図、図２（ｂ）はｐｎ接合位置が図２（ａ）の場合のｐｎ接合に印加する電圧に対する光の位相変化量の関係を示す図、図２（ｃ）はｐｎ接合位置が図２（ａ）の場合の４値振幅位相変調時の信号特性を示すコンスタレーションマップを表す図である。また、図２（ｄ）はアーム導波路１０４及び１０５のｐｎ接合位置が非対称な場合のアーム導波路１０４及び１０５の光の進行方向の断面図、図２（ｅ）はｐｎ接合位置が図２（ｄ）の場合のｐｎ接合に印加する電圧に対する光の位相変化量の関係を示す図、図２（ｆ）はｐｎ接合位置が図２（ｄ）の場合の４値振幅位相変調時の信号特性を示すコンスタレーションマップを表す図である。

ｐｎ接合位置が図２（ａ）の場合は、位相変化量の電圧依存性の特性が第１のアームと第２のアームで一致しており（図２（ｂ））、４値振幅位相変調時のコンスタレーションは直線状に等間隔で並んでいて特性の良い信号が生成できていることがわかる（図２（ｃ））。

一方で、例えばｎドープ領域が作製プロセス上の作製誤差により断面図上で下側にズレてしまった場合、ｐｎ接合位置は図２（ｄ）のようになる。このような場合、位相変化量の電圧依存性の特性に第１のアームと第２のアームで乖離が生じ（（図２（ｅ））、４値振幅位相変調時のコンスタレーションは弓なり状に歪んでいて信号特性が劣化していることがわかる（図２（ｆ））。

上述の通り、従来のマッハツェンダ変調器は、作製プロセス中の作製誤差によりマッハツェンダ変調器のアーム間にｐｎ接合位置の非対称性が生じた場合に、変調信号特性が劣化してしまうという課題があった。

本発明は、上述のような従来技術に鑑みてなされたもので、その目的は、作製誤差による信号特性劣化が補償された光変調器を提供することである。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板上に形成された、入力光を２分岐する光カプラと、前記基板上に形成され、光の導波方向に沿ってｐｎ接合部を有し、前記光カプラから分岐光の一方を導波する第１のアーム導波路と、前記基板上に形成され、光の導波方向に沿ってｐｎ接合部を有し、前記光カプラから分岐光の他方を導波する第２のアーム導波路と、前記基板上に形成され、前記第１のアーム導波路からの光と前記第２のアーム導波路からの光を合波する光カプラとを備える光変調器であって、前記第１及び前記第２のアーム導波路の光の入力側は第１の位相変調領域であり、前記第１及び前記第２のアーム導波路の光の出力側は第２の位相変調領域であり、前記第１及び前記第２の位相変調領域のいずれか一方の位相変調領域における前記第１及び前記第２のアーム導波路は、前記基板の縁側がｐドープ領域であり、当該一方の位相変調領域は、前記第１のアーム導波路と前記第２のアーム導波路との間に形成された第１のバイアス電極と、前記第１のアーム導波路の前記基板の縁側と前記第２のアーム導波路の前記基板の縁側とに形成されたＲＦ信号を印加する第１及び第２のアーム電極とを含み、前記第１及び前記第２の位相変調領域のいずれか他方の位相変調領域における前記第１及び前記第２のアーム導波路は、前記基板の縁側がｎドープ領域であり、当該他方の位相変調領域は、前記第１のアーム導波路と前記第２のアーム導波路との間に形成された２本のＲＦ信号を印加する前記第１及び前記第２のアーム電極と、前記第１のアーム導波路の前記基板の縁側と前記第２のアーム導波路の前記基板の縁側とに形成された第２及び第３のバイアス電極とを含み、前記第１、前記第２及び前記第３のバイアス電極は、ブリッジ電極により接続され、前記第１の位相変調領域の長さは、前記第１の位相変調領域の長さと前記第２の位相変調領域の長さとの合計の３０％以上５０％未満であることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の光変調器であって、前記第１、前記第２及び前記第３のバイアス電極のそれぞれの長さは、前記第１及び前記第２の位相変調領域の長さの合計と同一であることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１及び第２の態様の光変調器であって、前記基板は、単一の基板であることを特徴とする。

本発明は、光変調器において作製誤差に起因する光信号特性の劣化を補償する効果を奏する。

従来の光変調器であるマッハツェンダ変調器の構成を示す図で、（ａ）はマッハツェンダ変調器の上面図であり、（ｂ）はマッハツェンダ変調器のＡ−Ａ´における断面図である。 図１のマッハツェンダ変調器の２つのアーム導波路のｐｎ接合位置が対称な場合と非対称な場合について説明する図である。（ａ）は２つのアーム導波路のｐｎ接合位置が対称な場合のアーム導波路の光の進行方向の断面図、（ｂ）はｐｎ接合位置が（ａ）の場合のｐｎ接合に印加する電圧に対する光の位相変化量の関係を示す図、（ｃ）はｐｎ接合位置が（ａ）の場合の４値振幅位相変調時の信号特性を示すコンスタレーションマップを表す図であり、（ｄ）は２つのアーム導波路のｐｎ接合位置が非対称な場合のアーム導波路の光の進行方向の断面図、（ｅ）はｐｎ接合位置が（ｄ）の場合のｐｎ接合に印加する電圧に対する光の位相変化量の関係を示す図、（ｆ）はｐｎ接合位置が（ｄ）の場合の４値振幅位相変調時の信号特性を示すコンスタレーションマップを表す図である。 本発明の第１の実勢形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器の構成を示す図で、（ａ）はマッハツェンダ変調器の上面図であり、（ｂ）はマッハツェンダ変調器のＡ−Ａ´における断面図であり、（ｃ）はＢ−Ｂ´における断面図であり、（ｄ）はＣ−Ｃ´における断面図である。 従来の光変調器と第１の実施形態に係る光変調器とを比較するための図で、（ａ）は図１の従来のマッハツェンダ変調器のコンスタレーションマップであり、（ｂ）は図３のマッハツェンダ変調器のコンスタレーションマップである。 本発明の第１の実施形態の実施例に係るマッハツェンダ変調器を示す上面図である。 従来の光変調器と本実施例に係る光変調器とを比較するための図で、（ａ）は従来のマッハツェンダ変調器のコンスタレーションマップであり、（ｂ）はマッハツェンダ変調器のコンスタレーションマップである。 本発明の第２の実施形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器の構成を示す上面図である。 本発明の第２の実施形態においてマッハツェンダ変調器の全長に対する前半領域長の割合とＥＶＭの関係を示す図であり、（ａ）は位相変調領域全長に対する前半領域長の割合によってＥＶＭが変化する様子を示し、（ｂ）は、シンボルレートで規格化した３ｄＢ帯域と全長に対する前半領域長の割合の最適点の関係を示している。 本発明の第３の実施形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器の構成を示す図で、（ａ）はマッハツェンダ変調器の上面図であり、（ｂ）はマッハツェンダ変調器のＡ−Ａ´における断面図であり、（ｃ）はＢ−Ｂ´における断面図である。

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。なお、以下の説明で用いる形態は例であり、その他の形態による本発明の実施を排除する意図はない。

［第１の実施形態］
図３は、本発明の第１の実勢形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器３００の構成を示す図で、図３（ａ）はマッハツェンダ変調器３００の上面図であり、図３（ｂ）はマッハツェンダ変調器３００のＡ−Ａ´における断面図であり、図３（ｃ）はＢ−Ｂ´における断面図であり、図３（ｄ）はＣ−Ｃ´における断面図である。

図３のマッハツェンダ変調器３００は、基板３０１上に設けられた、入力用光ポート３０２と、入力用光ポート３０２に接続された１×２光カプラ３０３と、１×２光カプラ３０３の一方の出力に接続された第１のアーム導波路３０４と、１×２光カプラ３０３の他方の出力に接続された第２のアーム導波路３０５とを備える。また、マッハツェンダ変調器３００は、第１のアーム導波路３０４が一方の入力及び第２のアーム導波路３０５の他方の入力に接続された２×１光カプラ３０６と、２×１光カプラ３０６の出力と接続された出力用光ポート３０７とを備える。また、マッハツェンダ変調器３００は、マッハツェンダ干渉計により構成される２つの位相変調領域を備えており、光の入射側を第１の位相変調領域３５１とし、光の出射側を第２の位相変調領域３５２としている。

第１の位相変調領域３５１において、第１のアーム導波路３０４は、基板中心側がｎドープ領域３０４−１により形成され、基板縁側がｐドープ領域３０４−２により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がｎドープ領域３０４−１とｐドープ領域３０４−２とのｐｎ接合部となる。また、第２のアーム導波路３０５は、基板中心側がｎドープ領域３０５−１により形成され、基板縁側がｐドープ領域３０５−２により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がｎドープ領域３０５−１とｐドープ領域３０５−２とのｐｎ接合部となる。またｐドープ領域３０４−２の上には第１のアーム電極３０８が形成され、ｐドープ領域３０５−２の上には第２のアーム電極３０９が形成され、ｎドープ領域３０４−１及び３０５−１の上には、第１のバイアス電極３１０が形成される。

第２の位相変調領域３５２において、第１のアーム導波路３０４は、基板縁側がｎドープ領域３０４−３により形成され、基板中心側がｐドープ領域３０４−２により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がｎドープ領域３０４−３とｐドープ領域３０４−２とのｐｎ接合部となる。また、第２のアーム導波路３０５は、基板縁側がｎドープ領域３０５−３により形成され、基板縁中心側がｐドープ領域３０５−２により形成されたリブ形の光導波路であり、導波路中心がｎドープ領域３０５−３とｐドープ領域３０５−２とのｐｎ接合部となる。またｐドープ領域３０４−２の上には第１のアーム電極３０８が形成され、ｐドープ領域３０５−２の上には第２のアーム電極３０９が形成され、ｎドープ領域３０４−３には第２のバイアス電極３１４が形成され、ｎドープ領域３０５−３の上には、第３のバイアス電極３１５が形成される。

第１のバイアス電極３１０、第２のバイアス電極３１４及び第３のバイアス電極３１５は、第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２との間において、ブリッジ電極３１６により接続されている。

図３（ｂ）はマッハツェンダ変調器３００の第１の位相変調領域３５１内のＡ−Ａ´部分の断面図であり、図３（ｂ）に示されるように、マッハツェンダ変調器３００の第１の位相変調領域３５１は、基板３０１上に形成されたクラッド層３１２と、クラッド層３１２上に形成されたコア層３１１と、コア層３１１上に形成されたクラッド層３１３とから構成されている。コア層３１１は、２つのリブ形のアーム導波路３０４及び３０５を形成し、ｎドープ領域３０４−１及び３０５−１と、ｎドープ領域３０４−１及び３０５−１の外側に形成されたｐドープ領域３０４−２及び３０５−２とから構成されている。

図３（ｃ）は、マッハツェンダ変調器３００の第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２との間の領域であるＢ−Ｂ´部分の断面図である。図３（ｃ）に示されるように、マッハツェンダ変調器３００の第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２との間の領域は、基板３０１上に形成されたクラッド層３１２と、クラッド層３１２上に形成されたコア層３１１と、コア層３１１上に形成されたクラッド層３１３とから構成されている。第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２との間の領域の第１のアーム導波路３０４は、ｎドープ領域３０４−１とｐドープ領域３０４−２とのｐｎ接合部と、ｎドープ領域３０４−３とｐドープ領域３０４−２とのｐｎ接合部とを接続している。また、第２のアーム導波路３０５は、ｎドープ領域３０５−１とｐドープ領域３０５−２とのｐｎ接合部を、ｎドープ領域３０４−１とｐドープ領域３０４−２とのｐｎ接合部とを接続している。ブリッジ電極３１６は、マッハツェンダ変調器３００の第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２との間の領域に、基板３０１の幅方向に形成されている。

図３（ｄ）はマッハツェンダ変調器３００の第２の位相変調領域３５２内のＣ−Ｃ´部分の断面図であり、図３（ｄ）に示されるように、マッハツェンダ変調器３００の第２の位相変調領域３５２は、基板３０１上に形成されたクラッド層３１２と、クラッド層３１２上に形成されたコア層３１１と、コア層３１１上に形成されたクラッド層３１３とから構成されている。コア層３１１は、２つのリブ形のアーム導波路３０４及び３０５を形成し、ｐドープ領域３０４−２及び３０５−２と、ｐドープ領域３０４−２及び３０５−２の外側に形成されたｎドープ領域３０４−３及び３０５−３とから構成されている。

図３に示すマッハツェンダ変調器３００は、第１の位相変調領域３５１においては第１のアーム導波路３０４と第２のアーム導波路３０５からなるマッハツェンダ干渉計の外側にｐドープ領域（３０４−２及び３０５−２）が、内側にｎドープ領域（３０４−１及び３０５−１）が設けられている。一方で第２の位相変調領域３５２においてはマッハツェンダ干渉計の外側にｎドープ領域（３０４−３及び３０５−３）が、内側にｐドープ領域（３０４−２及び３０５−２）が設けられている。このようなｐドープ領域とｎドープ領域の位置関係にすることで、作製誤差により生じるｐｎ接合位置のズレを第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２とにおいて互いにキャンセルすることができる。

例えば、ｎドープ領域（３０４−１及び３０５−１）が図３（ａ）の紙面下側にズレた場合、第１のアーム導波路３０４の第１の位相変調領域３５１のｐｎ接合位置はｐドープ領域３０４―２が大きくなるようにズレるが、第１のアーム導波路３０４の第２の位相変調領域３５２のｐｎ接合位置はｎドープ領域３０４−３が大きくなるようにズレる。同様に、第２のアーム導波路３０５の第１の位相変調領域３５１のｐｎ接合位置はｎドープ領域３０５−１が大きくなるようにずれるが、第２のアーム導波路３０５の第２の位相変調領域３５２のｐｎ接合位置はｐドープ領域３０５−２が大きくなるようにズレる。このように、第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２でのｐｎ接合位置のずれ方を逆転させておくことで、第１のアーム導波路３０４の位相変化量と第２のアーム導波路３０５の位相変化量は対称性が保たれる。

以下では数式を用いて説明する。ある作製誤差によるＰＮ接合位置のズレが生じた場合の、第１のアーム導波路３０４の第１の位相変調領域、第１のアーム導波路３０４の第２の位相変調領域、第２のアーム導波路３０５の第１の位相変調領域、第２のアーム導波路３０５の第２の位相変調領域、のそれぞれにおける電圧に対する位相変化量の応答特性をφ_u1（Ｖ），φ_u2（Ｖ），φ_l1（Ｖ），φ_l2（Ｖ）とすると、本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダ変調器３００の第１のアーム導波路３０４及び第２のアーム導波路３０５の出力電界Ｅ_u（Ｖ）及びＥ_l（Ｖ）は、

と表せる。図３におけるｐドープ領域とｎドープ領域の位置関係から、

である。ここで

とおくと、数式１および数式２は、

となる。数式６および数式７から、上アーム導波路３０４と下アーム導波路３０５の出力電界が対称的であり、作製誤差によりｐｎ接合位置のズレによる電圧に対する位相変化量のアーム間非対称性を補償できていることがわかる。

図４は、従来の光変調器と第１の実施形態に係る光変調器とを比較するための図で、図４（ａ）は図１の従来のマッハツェンダ変調器１００のコンスタレーションマップを示し、図４（ｂ）は図３のマッハツェンダ変調器３００のコンスタレーションマップを示している。２つのコンスタレーションマップはともに４値の振幅位相変調を行った結果の光変調信号の特性である。図４（ａ）の従来のマッハツェンダ変調器１００は作製誤差によりｐｎ接合位置がｎドープ領域の方向に設計値から６０ｎｍずれた場合である。従来のマッハツェンダ変調器１００ではアーム間非対称の影響で４つのシンボル点が弓なりに歪んで並んでおり、値が低いほど信号特性が良いことを示すエラーベクトル振幅（Ｅｒｒｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ：ＥＶＭ）は４．５％であった。一方、第１の実施形態に係るマッハツェンダ変調器３００のコンスタレーションマップでは４つのシンボル点が直線的に理想に近い状態で並んでおり、ＥＶＭは２．１％と、従来の光変調器と比較して改善が見られていることがわかる。

［実施例］
図５は、本発明の第１の実施形態の実施例に係るマッハツェンダ変調器５００を示す上面図である。図５のマッハツェンダ変調器５００は、セラミック製のパッケージ５０１に実装されている。光の入出力は入力用光コネクタ５０２及び出力用光コネクタ５０３で行う。また、アーム電極５２１へのＲＦ信号の入力はＲＦコネクタ５０４−１により、アーム電極５２３へのＲＦ信号の入力はＲＦコネクタ５０４−２により、アーム電極５２４へのＲＦ信号の入力はＲＦコネクタ５０４−３により、アーム電極５２５へのＲＦ信号の入力はＲＦコネクタ５０４−４により行う。また、マッハツェンダ干渉計の位相調整用のアーム電極５２１、５２２、５２４、５２５とバイアス電極５２３、５２６、５２７〜５３０に与える電圧は、ＤＣピン５０５から入力できるように接続した。入力用光コネクタ５０２から入力された連続発振光（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ Ｌｉｇｈｔ：ＣＷ光）は、光ファイバ５０６を透過しファイバブロック５０７により変調器チップ５０８に入力される。入力されたＣＷ光は変調器チップ５０８内で変調され光変調信号として出力用光コネクタ５０３から出力される。

変調器チップ５０８はシリコン基板上に形成された光導波路と電極から構成される。光導波路はリブ型シリコンをコアとして石英系ガラスをクラッドとして用いた。コア断面の高さは２５０μｍ、幅は６００μｍとし、スラブ部の厚さは１００μｍとした。ｐドープ領域はボロンを注入して形成し、ｎドープ領域はリンを注入して形成した。変調器チップ５０８上には本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダ変調器３００を並列に２個搭載し、入力された光を１×２光カプラにより分岐して２個のマッハツェンダ変調器それぞれに入力し、２個のマッハツェンダ変調器それぞれからの出力を２×１光カプラにより合波して出力している。２個のマッハツェンダ変調器のそれぞれの一方のアームには位相調整ヒータ５０９−１及び５０９−２を設け、変調器チップ５０８にいわゆるＩＱ変調器としての機能を持たせた。変調器チップ５０８上の電極とパッケージ５０１との電気的な接続はワイヤボンディングにより行った。また、アーム電極５２１の終端は抵抗値５０Ωのチップ抵抗５１０−１を接続し、アーム電極５２２の終端は抵抗値５０Ωのチップ抵抗５１０−２を接続し、アーム電極５２４の終端は抵抗値５０Ωのチップ抵抗５１０−３を接続し、アーム電極５２５の終端は抵抗値５０Ωのチップ抵抗５１０−４を接続している。アーム電極５２１、５２２、５２４及び５２５はチップ抵抗５１０−１〜４とワイヤボンディングにより接続され、アーム電極及びバイアス電極の電極材料はアルミニウムを用いた。チップ抵抗５１０−１〜５１０−４は、パッケージ５０１上に実装された終端基板５１１に搭載されている。

図６は、従来の光変調器と本実施例に係る光変調器とを比較するための図で、図６（ａ）は従来のマッハツェンダ変調器１００のコンスタレーションマップを示し、図６（ｂ）は図５のマッハツェンダ変調器５００のコンスタレーションマップを示している。２個のコンスタレーションマップはどちらも１６ＱＡＭ信号を生成したときの結果である。従来のマッハツェンダ変調器１００は作製誤差によりｐｎ接合位置がｎドープ領域の方向に設計値から６０ｎｍずれた場合である。図６（ａ）の従来のマッハツェンダ変調器１００のコンスタレーションマップはｐｎ接合位置の作製誤差の影響でシンボル点の並びが歪んでおり、ＥＶＭは６．３％だった。一方、図６（ｂ）の図５のマッハツェンダ変調器５００の出力光信号のコンスタレーションマップではシンボル点が直線状に整列しており、ＥＶＭは２．８％とｐｎ接合位置の作製誤差の影響による信号品質劣化が補償できていることがわかる。マッハツェンダ変調器５００の駆動時は、各マッハツェンダ変調器は光が最小透過となる位相状態になるように位相調整ヒータに電圧を与え、２個のマッハツェンダ変調器の出力光の位相に９０度の位相差を与えた。また、入力したＲＦ信号の振幅は３Ｖｐｐｄとし、パターンは９段の擬似ランダムパルス信号とした。

図３のマッハツェンダ変調器３００においてはｐドープ領域とｎドープ領域の位置を一意に固定したが、本発明に係るマッハツェンダ変調器はこの例に限定されるものではなく、ｐドープ領域とｎドープ領域を反転させても構わない。

図３のマッハツェンダ変調器３００においては第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２との位置関係は、入力用光ポートに近い側を第１の位相変調領域３５１としたが、本発明に係るマッハツェンダ変調器はこの例に限定されるものではなく、上記説明の第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２の位置関係が逆転した構成であっても構わない。

図３のマッハツェンダ変調器３００においては１×２光カプラ３０３または２×１光カプラ３０６として１×２マルチモード干渉計（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｍｅｔｅｒ，ＭＭＩ）を用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、Ｙ分岐の導波路であっても構わないし、２×２ＭＭＩであっても構わない。

図５のマッハツェンダ変調器５００においてはＲＦ電極の終端抵抗として５０Ωのチップ抵抗を用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えば２５Ωのチップ抵抗であってもよいし、５０Ωの基板上に作製された抵抗素子でもよい。

図５のマッハツェンダ変調器５００においてはマッハツェンダ変調器が１つの基板に集積されている光変調器を用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えば変調導波路部分のみ集積されていて１×２光カプラ等の機能素子は別個の部品で構成されていても構わない。

図５のマッハツェンダ変調器５００においてはマッハツェンダ変調器の材料はコアをシリコンとしクラッドを石英系ガラスとしたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えば窒化ガリウムなどの化合物半導体材料であってもよいし、ポリマーなどの有機物であっても構わない。

図５のマッハツェンダ変調器５００においては電極材料としてアルミを用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えば金や銅などの別の金属であっても構わない。

図３のマッハツェンダ変調器３００においては第１の位相変調領域３５１と第２の位相変調領域３５２の間で第１のアーム導波路３０４及び第２のアーム導波路３０５を曲げてｐドープ領域とｎドープ領域の位置関係を逆転させたが、本発明に係るマッハツェンダ変調器はこの例に限定されるものではなく、例えばアーム電極を曲げてｐドープ領域とｎドープ領域の位置関係を逆転させても構わない。

図５のマッハツェンダ変調器５００においてはドープ領域を作製するときの不純物としてリンとボロンを用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、例えばアンチモンやヒ素などであっても構わない。

図５のマッハツェンダ変調器５００においてはパッケージ材料としてセラミックを用いたが、本発明に係る光変調器はこの例に限定されるものではなく、銅タングステンなどの金属材料であっても構わないし、プラスチックなどの樹脂であっても構わない。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器７００の構成を示す上面図である。図７のマッハツェンダ変調器７００は、入力用光ポートに近い第１の位相変調領域の長さが、第１の位相変調領域７５１の長さと第２の位相変調領域７５２の長さとの合計の３０％乃至５０％の割合を占めていることを特徴としている。

以下の説明では、第１の位相変調領域７５１の長さと第２の位相変調領域７５２の長さの合計を単に全長と表し、入力用光ポートに近い側の変調領域の長さを前半領域長と表す。ＲＦ信号を印加するアーム電極は、基板材料のもつ比誘電率や導電率に依存する損失をもつ。第１の位相変調領域と第２の位相変調領域とで、製造誤差の影響を厳密にキャンセルするためには、各々の領域内でのＲＦ振幅の積分値が等しい必要があるため、入力に近い側の位相変調領域長は入力から遠い側の位相変調領域より短いほうがよい。

図８は、本発明の第２の実施形態においてマッハツェンダ変調器の全長に対する前半領域長の割合とＥＶＭの関係を示す図であり、図８（ａ）は位相変調領域全長に対する前半領域長の割合によってＥＶＭが変化する様子を示し、図８（ｂ）は、シンボルレートで規格化した３ｄＢ帯域と全長に対する前半領域長の割合の最適点の関係を示している。図８（ａ）において、シンボルレートで規格化した３ｄＢ帯域が０．１、０．２、０．６、１のときをプロットしている。シンボルレートで規格化した３ｄＢ帯域が０．１未満の場合は信号帯域に対して３ｄＢ帯域が極端に小さく現実的には使用不可能であるため除外した。図８（ａ）において、各々のカーブは全長に対する前半領域長の割合が特定の値のときにＥＶＭが最小値をとり、ＥＶＭが最小値をとる全長に対する前半領域長の割合（最適点）はシンボルレートで規格化した３ｄＢ帯域毎に異なる。図８（ｂ）において、全長に対する前半領域長の割合の最適点は、３ｄＢ帯域によって変化するが現実的な３ｄＢ帯域の範囲において０．３から０．５の範囲内にあることがわかる。このような構成であっても、本発明に係る光変調器の効果を奏する。

［第３の実施形態］
図９は、本発明の第３の実施形態に係る光変調器であるマッハツェンダ変調器９００の構成を示す図で、図９（ａ）はマッハツェンダ変調器９００の上面図であり、図９（ｂ）はマッハツェンダ変調器９００のＡ−Ａ´における断面図であり、図９（ｃ）はＢ−Ｂ´における断面図である。図９のマッハツェンダ変調器９００は、第１のバイアス電極９１０、第２のバイアス電極９１４及び第３のバイアス電極９１５が第１の位相変調領域９５１と第２の位相変調領域９５２との全長に渡って形成されている。ここで、図９（ｂ）の第１の位相変調領域９５１のＡ−Ａ’断面図に示されるように、第２のバイアス電極９１４はコア層９１１に接続しておらず、また第３のバイアス電極９１５もコア層９１１に接続していない。一方で、図９（ｃ）の第２の位相変調領域９５２のＢ−Ｂ’断面図に示されるように、第１のバイアス電極９１０はコア層９１１に接続していない。

ＲＦ信号を印加するアーム電極は、周囲の電極との構造的な関係性で特性インピーダンスが決まるため、第１の位相変調領域と第２の位相変調領域とで電極構造を統一することにより、位相変調領域間の特性インピーダンスのミスマッチが小さく抑えられ、良好な変調特性を得ることができる。このような構成であっても、本発明に係る光変調器の効果を奏する。

１０１、３０１、７０１、９０１ 基板
１０２、３０２、７０２、９０２ 入力用光ポート
１０３、３０３、７０３、９０３ １×２光カプラ
１０４、１０５、３０４、３０５、７０４、７０５、９０４、９０５ アーム導波路
１０４−１、１０５−１、３０４−１、３０５−１、３０４−３、３０５−３、９０４−１、９０５−１、９０４−３、９０５−３ ｎドープ領域
１０４−２、１０５−２、３０４−２、３０５−２、９０４−２、９０５−２ ｐドープ領域
１０６、３０６、７０６、９０６ ２×１光カプラ
１０７、３０７、７０７、９０７ 出力用光ポート
１０８、１０９、３０８、３０９、５２１、５２２、５２４、５２５、７０８、７０９、９０８、９０９ アーム電極
１１０、３１０、３１４、３１５、５２３、５２６、５２７〜５３０、７１０、７１４、７１５、９１０、９１４、９１５ バイアス電極
１１１、３１１、７１１、９１１ コア層
１１２、１１３、３１２、３１３、７１２、７１３、９１２、９１３ クラッド層
３１６、７１６、９１６−１〜９１６−５ ブリッジ電極
３５１、７５１、９５１ 第１の位相変調領域
３５２、７５２、９５２ 第２の位相変調領域
５０１ パッケージ
５０２ 入力用光コネクタ
５０３ 出力用光コネクタ
５０４−１〜５０４−４ ＲＦコネクタ
５０５ ＤＣピン
５０６ 光ファイバ
５０７ ファイバブロック
５０８ 変調器チップ
５０９−１、５０９−２ 位相調整ヒータ
５１０−１〜５１０−４ チップ抵抗
５１１ 終端基板

Claims (3)

1. 基板上に形成された、入力光を２分岐する光カプラと、
   前記基板上に形成され、光の導波方向に沿ってｐｎ接合部を有し、前記光カプラから分岐光の一方を導波する第１のアーム導波路と、
   前記基板上に形成され、光の導波方向に沿ってｐｎ接合部を有し、前記光カプラから分岐光の他方を導波する第２のアーム導波路と、
   前記基板上に形成され、前記第１のアーム導波路からの光と前記第２のアーム導波路からの光を合波する光カプラと
   を備える光変調器であって、
   前記第１及び前記第２のアーム導波路の光の入力側は第１の位相変調領域であり、
   前記第１及び前記第２のアーム導波路の光の出力側は第２の位相変調領域であり、
   前記第１及び前記第２の位相変調領域のいずれか一方の位相変調領域における前記第１及び前記第２のアーム導波路は、前記基板の縁側がｐドープ領域であり、当該一方の位相変調領域は、前記第１のアーム導波路と前記第２のアーム導波路との間に形成された第１のバイアス電極と、前記第１のアーム導波路の前記基板の縁側と前記第２のアーム導波路の前記基板の縁側とに形成されたＲＦ信号を印加する第１及び第２のアーム電極とを含み、
   前記第１及び前記第２の位相変調領域のいずれか他方の位相変調領域における前記第１及び前記第２のアーム導波路は、前記基板の縁側がｎドープ領域であり、当該他方の位相変調領域は、前記第１のアーム導波路と前記第２のアーム導波路との間に形成された２本のＲＦ信号を印加する前記第１及び前記第２のアーム電極と、前記第１のアーム導波路の前記基板の縁側と前記第２のアーム導波路の前記基板の縁側とに形成された第２及び第３のバイアス電極とを含み、
   前記第１、前記第２及び前記第３のバイアス電極は、ブリッジ電極により接続され、
   前記第１の位相変調領域の長さは、前記第１の位相変調領域の長さと前記第２の位相変調領域の長さとの合計の３０％以上５０％未満であることを特徴とする光変調器。
2. 前記第１、前記第２及び前記第３のバイアス電極のそれぞれの長さは、前記第１及び前記第２の位相変調領域の長さの合計と同一であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記基板は、単一の基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。