JPWO2012165656A1 - 光導波路デバイス、光干渉計及び光導波路デバイスの制御方法 - Google Patents
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Abstract
光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御するために、光導波路デバイスは、２つの信号がそれぞれ印加される２つの電極を備える光導波路と、前記２つの信号により前記光導波路に生じる位相変化及び損失変化が所定の値となるような前記２つの信号を制御する制御手段と、を備える。
Description
本発明は、光導波路デバイス、光干渉計及び光導波路デバイスの制御方法に関する。
光通信システムにおいて、高速化や波長多重による大容量化が進んでいる。特に幹線系光通信システムでは波長多重通信が広く用いられている。波長多重通信では波長チャネル間隔が定められており、光ファイバアンプの帯域内における波長チャネル間隔が５０ＧＨｚであれば、約１００チャネルを利用することができる。
ここで、チャネル間隔をΔｆ［Ｈｚ］、伝送速度をＢ［ｂｉｔ／ｓ］とすると、Ｂ／Δｆ［ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ］を、周波数利用効率という。例えば、Δｆ＝５０ＧＨｚでありチャネル毎の伝送速度が１００Ｇｂｉｔ／ｓであれば、周波数利用効率は、２ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚとなる。
光ファイバアンプの増幅帯域が限られているため、一定の帯域内でより多くの情報を伝送するためには、周波数利用効率を高めることが必要である。一方、周波数利用効率を高くするために単純に信号のビットレートを高くすると、チャネル間のクロストークが問題となる。そこで、次世代の光通信方式として、光多値変調や光直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が検討されている。
光多値変調は、光の振幅や位相を、「０」及び「１」の２値だけではなく、多値化することによって、周波数利用帯域を拡大させることなく情報量を増大させる。また、光ＯＦＤＭでは、電気信号によってＯＦＤＭ信号を生成して光変調し、光サブキャリア間を直交状態にして多重化する。そのため、光ＯＦＤＭは、クロストークに起因する問題を低減し、周波数利用効率を高めることができる。
このような電気信号を主とした処理によって、変調されるディジタルデータは多値化及び多重化されて伝送される。伝送された光信号は、受信側で電気信号に復調される。
光送信器の光変調回路には、電気信号であるディジタルデータを、光アナログ信号波形に変換するため、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器と光変調器とが必要となる。
以上のような複雑な光変調を行う際に用いられる光変調器として、マッハツェンダー干渉計がある。マッハツェンダー干渉計は、例えば材料としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いた光導波路として実現される。材料としてニオブ酸リチウムを用いたマッハツェンダー干渉計で構成された変調器を、以下、「ＬＮ変調器」という。
図１２に、本発明に関連するＬＮ変調器の構成図を示す。光は、ＬＮ変調器３００の光入力ポート２から光分岐器３へ入力され、第１の光導波路４及び第２の光導波路５に出力される。第１の光導波路４及び第２の光導波路５の一部には、電極が形成されている。そして、電極に電圧を印加することにより、光導波路を透過する光の位相を変化させることができる。以下、それぞれを、第１の位相変調器１７及び第２の位相変調器２７と呼ぶ。
第１の光導波路４及び第２の光導波路５から出力された光は、光結合器８に入力され、光結合器８から、第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１に出力される。
ＬＮ変調器３００は、第１の位相変調器１７または第２の位相変調器２７に電圧を印加して導波路を透過する光の位相を変化させる。そして、光結合器８における光の干渉効果によって、第１及び第２の光出力ポート３０、３１からの光出力の強度を変化させることができる。
一方、図１２に示したＬＮ変調器３００と同様な光変調機能は、半導体材料によって構成された光導波路を用いても実現することができる。光変調器を実現するための半導体材料として、リン化インジウム（ＩｎＰ）及びヒ素リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）系材料、またはヒ素化ガリウム（ＧａＡｓ）及びヒ素化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）系材料が提案されている。そして、これらの半導体材料によってマッハツェンダー干渉計を構成した光変調器も提案されている。半導体材料を用いた光変調器は、ＬＮ変調器と比較して一般的には動作電圧を数分の一にすることができ、さらに、サイズを十分の一以下にすることができる。これは、半導体材料の電圧に対する屈折率の変化係数が、ニオブ酸リチウムのそれに比べて数十倍以上大きいためである。
光導波路で構成された光変調器には、最適な動作条件を設定するために、光導波路を透過する光をモニタし、変調器の駆動条件にフィードバックする機能を備えているものがある。特許文献１〜３は、外部に配置したフォトダイオード（ＰＤ）で光信号の一部をモニタする構成を開示している。これにより、光変調器の動作中の特性劣化を抑制している。
また、特許文献４は、サブマッハツェンダー導波路から出力される光信号の強度を調整可能な光ＦＳＫ／ＳＳＢ変調器の構成を開示している。さらに、特許文献５は、強度調整のためのマッハツェンダー導波路を備えた光変調器の構成を開示している。
光導波路を透過する光をモニタするためのＰＤは、一般的には光変調器外部に配置されるか、あるいは、特許文献３にあるように、光変調器の内部にモノリシック集積されている。集積される場合でも、マッハツェンダー干渉計の結果として出力される信号（光結合器より出力側の部分）がモニタされる必要がある。
また、図１２に示したＬＮ変調器３００において、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過した光強度を知るために導波路の端部から放射される光をモニタする構成では、光導波路内部の光強度を直接知ることができない。このため、図１２に示したＬＮ変調器３００には、伝搬する光の状況を正確に把握することは困難であるという課題もあった。
例えば、特許文献３に記載された光変調器は、光強度を検出するためのＰＤが、光変調器の内部にモノリシック集積されている。しかしながら、特許文献３に記載された構成であっても、光強度は光結合器より出力側の部分でモニタされる。このため、特許文献３に記載された構成では、光結合器に入力される光の強度を正確に知ることができないという課題がある。
ここで、チャネル間隔をΔｆ［Ｈｚ］、伝送速度をＢ［ｂｉｔ／ｓ］とすると、Ｂ／Δｆ［ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ］を、周波数利用効率という。例えば、Δｆ＝５０ＧＨｚでありチャネル毎の伝送速度が１００Ｇｂｉｔ／ｓであれば、周波数利用効率は、２ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚとなる。
光ファイバアンプの増幅帯域が限られているため、一定の帯域内でより多くの情報を伝送するためには、周波数利用効率を高めることが必要である。一方、周波数利用効率を高くするために単純に信号のビットレートを高くすると、チャネル間のクロストークが問題となる。そこで、次世代の光通信方式として、光多値変調や光直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が検討されている。
光多値変調は、光の振幅や位相を、「０」及び「１」の２値だけではなく、多値化することによって、周波数利用帯域を拡大させることなく情報量を増大させる。また、光ＯＦＤＭでは、電気信号によってＯＦＤＭ信号を生成して光変調し、光サブキャリア間を直交状態にして多重化する。そのため、光ＯＦＤＭは、クロストークに起因する問題を低減し、周波数利用効率を高めることができる。
このような電気信号を主とした処理によって、変調されるディジタルデータは多値化及び多重化されて伝送される。伝送された光信号は、受信側で電気信号に復調される。
光送信器の光変調回路には、電気信号であるディジタルデータを、光アナログ信号波形に変換するため、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器と光変調器とが必要となる。
以上のような複雑な光変調を行う際に用いられる光変調器として、マッハツェンダー干渉計がある。マッハツェンダー干渉計は、例えば材料としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いた光導波路として実現される。材料としてニオブ酸リチウムを用いたマッハツェンダー干渉計で構成された変調器を、以下、「ＬＮ変調器」という。
図１２に、本発明に関連するＬＮ変調器の構成図を示す。光は、ＬＮ変調器３００の光入力ポート２から光分岐器３へ入力され、第１の光導波路４及び第２の光導波路５に出力される。第１の光導波路４及び第２の光導波路５の一部には、電極が形成されている。そして、電極に電圧を印加することにより、光導波路を透過する光の位相を変化させることができる。以下、それぞれを、第１の位相変調器１７及び第２の位相変調器２７と呼ぶ。
第１の光導波路４及び第２の光導波路５から出力された光は、光結合器８に入力され、光結合器８から、第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１に出力される。
ＬＮ変調器３００は、第１の位相変調器１７または第２の位相変調器２７に電圧を印加して導波路を透過する光の位相を変化させる。そして、光結合器８における光の干渉効果によって、第１及び第２の光出力ポート３０、３１からの光出力の強度を変化させることができる。
一方、図１２に示したＬＮ変調器３００と同様な光変調機能は、半導体材料によって構成された光導波路を用いても実現することができる。光変調器を実現するための半導体材料として、リン化インジウム（ＩｎＰ）及びヒ素リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）系材料、またはヒ素化ガリウム（ＧａＡｓ）及びヒ素化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）系材料が提案されている。そして、これらの半導体材料によってマッハツェンダー干渉計を構成した光変調器も提案されている。半導体材料を用いた光変調器は、ＬＮ変調器と比較して一般的には動作電圧を数分の一にすることができ、さらに、サイズを十分の一以下にすることができる。これは、半導体材料の電圧に対する屈折率の変化係数が、ニオブ酸リチウムのそれに比べて数十倍以上大きいためである。
光導波路で構成された光変調器には、最適な動作条件を設定するために、光導波路を透過する光をモニタし、変調器の駆動条件にフィードバックする機能を備えているものがある。特許文献１〜３は、外部に配置したフォトダイオード（ＰＤ）で光信号の一部をモニタする構成を開示している。これにより、光変調器の動作中の特性劣化を抑制している。
また、特許文献４は、サブマッハツェンダー導波路から出力される光信号の強度を調整可能な光ＦＳＫ／ＳＳＢ変調器の構成を開示している。さらに、特許文献５は、強度調整のためのマッハツェンダー導波路を備えた光変調器の構成を開示している。
光導波路を透過する光をモニタするためのＰＤは、一般的には光変調器外部に配置されるか、あるいは、特許文献３にあるように、光変調器の内部にモノリシック集積されている。集積される場合でも、マッハツェンダー干渉計の結果として出力される信号（光結合器より出力側の部分）がモニタされる必要がある。
また、図１２に示したＬＮ変調器３００において、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過した光強度を知るために導波路の端部から放射される光をモニタする構成では、光導波路内部の光強度を直接知ることができない。このため、図１２に示したＬＮ変調器３００には、伝搬する光の状況を正確に把握することは困難であるという課題もあった。
例えば、特許文献３に記載された光変調器は、光強度を検出するためのＰＤが、光変調器の内部にモノリシック集積されている。しかしながら、特許文献３に記載された構成であっても、光強度は光結合器より出力側の部分でモニタされる。このため、特許文献３に記載された構成では、光結合器に入力される光の強度を正確に知ることができないという課題がある。
図１２に示したＬＮ変調器３００においては、光結合器８に入力される２本の光導波路４及び５からの光の強度が完全に等しい割合で結合されれば、第１の光出力ポート３０または第２の光出力ポート３１から出力された光の強度の最小値は完全に０となる。すなわち、この場合には消光比（光信号のＯＮ／ＯＦＦ比）は無限大となる。
ところが実際には、光導波路から出力された光の消光比は無限大とならず、有限の値となってしまう場合がある。以下にその原因を説明する。
第１の原因は、光導波路の製造誤差や波長依存性により、光分岐回路３の光強度の分岐比が厳密に１：１とならない場合があることである。
第２の原因は、位相変調の際に第１の光導波路４及び第２の光導波路５に印加されるバイアス電圧が異なっていることにより、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の光導波路損失も異なってしまうことである。すなわち、位相変調を行う際には、第１の位相変調器１７と第２の位相変調器２７とのバイアス電圧は、一般的には異なっている。このため、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失に違いが発生する。また、光導波路の特性の経時的な変化により、第１の光導波路４と第２の光導波路５との損失が次第に異なってくる場合もある。
第３に、上述した第１及び第２の理由に加え、さらに、第１及び第２の光導波路の製造誤差により、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過後の光強度比にずれが生じることが挙げられる。
以上の第１〜第３の理由による光結合器８への入力の非対称性により、第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１から出力される光の消光比が悪化する場合がある。
光消光比の悪化は、光の伝送特性の劣化を招く。このため、光変調器の動作中に光導波路を透過する光をモニタし、モニタした光の状況を位相変調器の駆動回路にフィードバックすることにより、光結合器８から出力される光の消光比を改善できることが望ましい。
第１及び第２の光導波路４、５の損失差を調整することは、光導波路上に設けた電極に印加する電圧を調整することにより可能である。ところが、たとえ所望の損失差を実現できたとしても、半導体材料の特性上、同時に、両導波路を透過する光の間に意図しない位相差が生じる。その結果、一般的な光変調器には、バイアス電圧を調整するとマッハツェンダー型光変調器の変調特性が悪化してしまう場合があるという問題があった。
また、特許文献５は、光強度を調整するために変調用とは別に光強度を調整するためのマッハツェンダー干渉計を配置し、光結合器の前段で光を分岐してモニタする構成を開示している。特許文献５は、分岐した光をＰＤでモニタし、フィードバック制御を行うことで光強度を調整している。しかし、半導体材料で構成された光変調器では、光導波路に設けた電極に電圧を印加することにより位相と損失とが同時に変化する。したがって、特許文献５のような強度変調用のマッハツェンダー干渉計を用いて損失のみを調整することはできない。また、特許文献５に記載された光変調器は、強度変調用のマッハツェンダー干渉計を配置しているため、構成が複雑になるという課題もある。
そして、特許文献１〜４に記載された技術も、半導体材料で構成された２本の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御するための構成を開示していない。
［発明の目的］
本発明は、第１及び第２の光導波路を備える光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする技術を提供することを目的とする。
ところが実際には、光導波路から出力された光の消光比は無限大とならず、有限の値となってしまう場合がある。以下にその原因を説明する。
第１の原因は、光導波路の製造誤差や波長依存性により、光分岐回路３の光強度の分岐比が厳密に１：１とならない場合があることである。
第２の原因は、位相変調の際に第１の光導波路４及び第２の光導波路５に印加されるバイアス電圧が異なっていることにより、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の光導波路損失も異なってしまうことである。すなわち、位相変調を行う際には、第１の位相変調器１７と第２の位相変調器２７とのバイアス電圧は、一般的には異なっている。このため、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失に違いが発生する。また、光導波路の特性の経時的な変化により、第１の光導波路４と第２の光導波路５との損失が次第に異なってくる場合もある。
第３に、上述した第１及び第２の理由に加え、さらに、第１及び第２の光導波路の製造誤差により、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過後の光強度比にずれが生じることが挙げられる。
以上の第１〜第３の理由による光結合器８への入力の非対称性により、第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１から出力される光の消光比が悪化する場合がある。
光消光比の悪化は、光の伝送特性の劣化を招く。このため、光変調器の動作中に光導波路を透過する光をモニタし、モニタした光の状況を位相変調器の駆動回路にフィードバックすることにより、光結合器８から出力される光の消光比を改善できることが望ましい。
第１及び第２の光導波路４、５の損失差を調整することは、光導波路上に設けた電極に印加する電圧を調整することにより可能である。ところが、たとえ所望の損失差を実現できたとしても、半導体材料の特性上、同時に、両導波路を透過する光の間に意図しない位相差が生じる。その結果、一般的な光変調器には、バイアス電圧を調整するとマッハツェンダー型光変調器の変調特性が悪化してしまう場合があるという問題があった。
また、特許文献５は、光強度を調整するために変調用とは別に光強度を調整するためのマッハツェンダー干渉計を配置し、光結合器の前段で光を分岐してモニタする構成を開示している。特許文献５は、分岐した光をＰＤでモニタし、フィードバック制御を行うことで光強度を調整している。しかし、半導体材料で構成された光変調器では、光導波路に設けた電極に電圧を印加することにより位相と損失とが同時に変化する。したがって、特許文献５のような強度変調用のマッハツェンダー干渉計を用いて損失のみを調整することはできない。また、特許文献５に記載された光変調器は、強度変調用のマッハツェンダー干渉計を配置しているため、構成が複雑になるという課題もある。
そして、特許文献１〜４に記載された技術も、半導体材料で構成された２本の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御するための構成を開示していない。
［発明の目的］
本発明は、第１及び第２の光導波路を備える光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする技術を提供することを目的とする。
本発明の光導波路デバイスは、２つの信号がそれぞれ印加される２つの電極を備える光導波路と、２つの信号により光導波路を透過する光に生じる位相変化及び損失変化が所定の値となるように２つの信号を制御する制御手段と、を備える。
本発明の光導波路デバイスの制御方法は、２つの電極を備える光導波路にそれぞれ印加する２つの信号によって光導波路を透過する光に所定の位相変化及び損失変化が生じるように制御する。
本発明の光導波路デバイスの制御方法は、２つの電極を備える光導波路にそれぞれ印加する２つの信号によって光導波路を透過する光に所定の位相変化及び損失変化が生じるように制御する。
本発明は、複数の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態では、半導体マッハツェンダー型光変調器の第１の光導波路と第２の光導波路との間で、所望の位相差を与えつつ、光強度を均等にバランスさせる光導波路デバイスの構成を提案する。
第１の実施形態では、変調を受ける光の進行方向に対し、光結合器よりも前の位置で導波路を透過する光強度をモニタし、モニタした光強度に基づいて第１及び第２の光導波路の電極に設けた電圧を制御する。具体的な構成例を図１に示す。
図１は、本願発明の第１の実施形態の光導波路デバイスの構成を示す図である。第１の実施形態の光導波路デバイスは、マッハツェンダー型干渉計（ＭＺＩ、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を基本的な構成とした、光変調器１を構成する。図１において、光入力ポート２から入力した光は、光分岐器３を透過する。光分岐器３は、光の強度を約１：１の比に分割して、第１の光導波路４及び第２の光導波路５へ出力する。
ここで、光分岐器３として、例えば２×２の多モード干渉型（ＭＭＩ、Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）分岐器を用いてもよい。光分岐器３としてＭＭＩを用いた場合には、第１の光導波路４と第２の光導波路５とに出力される光の位相は９０度異なって出力される。一方、光分岐器３が例えばＹ分岐回路であれば、第１の光導波路４と第２の光導波路５とに出力される光は、同じ位相で出力される。第１の実施形態においては、光分岐器３の構成は特に限定されない。
第１の光導波路４及び第２の光導波路５は、それぞれ、電極１０〜１５及び電極２０〜２５が付加されている。これらの電極のうち、電極１０〜１２及び電極２０〜２２は、光変調に用いられる。これらの電極に電圧を印加することによって、電極が形成された光導波路の屈折率を変化させることができる。そして、光導波路の屈折率変化により、透過する光の位相を変化させることができる。
第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過した光は、それぞれ、光結合器８に入力される。そして、光結合器８から第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１に出力される。この時、第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１に出力される光の強度比は、第１の光導波路４及び第２の光導波路５から光結合器８に入力される光の位相差によって決定される。
例えば、光分岐器３および光結合器８がＭＭＩである場合には、前述の通り、光分岐器３および光結合器８において９０度ずつの位相差が与えられる。そのため、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からの光結合器８に入力される光の強度が等しく、光導波路４および５で発生する位相差が０度であれば、光導波路３１に全ての光が出力される。なぜならば、光入力ポート２から光出力ポート３１への経路長が、光導波路４および光導波路５どちらを経由しても、位相差を含め、等しくなるためである。また、上述の構成において、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からの光の強度が等しく、光導波路４および５で発生する位相差が９０度であれば、第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１には、１：１の光強度比で光が出力される。さらに、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からの光の強度が等しく、第１の光導波路４および第２の光導波路５で発生する位相差が１８０度であれば、光出力ポート３０に全ての光が出力される。
すなわち、光結合器８に入力される光の強度が等しい場合、それらの間の位相差を制御することにより、第１の光出力ポート３０と第２の光出力ポート３１へ分岐される光強度を変えることができる。
ところが、上述のとおり、光導波路の特性のばらつきにより、光結合器８に正確に強度が等しい光が入力されるように光強度を設定することは難しい。
そこで、第１の実施形態においては、図１に示すように、光変調器１は、複数に分割された電極１０〜１５、及び電極２０〜２５を備える。そして、分割した電極の一部は第１の光導波路４及び第２の光導波路５の特性制御のために用いられる。
第１の実施形態では、第１の光導波路４及び第２の光導波路５から光結合器８に入力されるそれぞれの光強度をモニタするために、電極１５及び電極２５はモニタ用電極として用いられる。
電極１５及び電極２５に逆バイアス電圧をかけることにより、電極はその近傍の光導波路を透過する光を吸収し、光吸収電流を発生させる。光吸収電流の大きさは透過している光の光強度に依存するので、光吸収電流の大きさから、光導波路内を透過する光強度をモニタすることができる。以下、光吸収電流を発生させるための電極を「モニタ電極」という。
また、次に説明するＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）３４の信号処理結果に基づいて第１の光導波路４及び第２の光導波路５に電圧を印加する電極１３、１４、２３、２４を、以下「制御電極」という。
ここで、実際に光を変調するのに用いられる電極１０〜１２及び２０〜２２と、光導波路特性の制御用の電極１３〜１５及び２３〜２５とは、同一の基本的な構造を備えていてもよい。例えば、光変調器を製造する際の、変調のために用いられる電極と光導波路の特性制御のために用いられる電極との構造上の相違は電極のパターン程度であってもよい。変調用の電極と、特性制御用の電極とが互いに類似する構造を備えるようにすることで光変調器１の製造が容易になる。
モニタ電極である電極１５及び電極２５には、トランスインピーダンスアンプ（ｔｒａｎｓ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、以下、ＴＩＡという。）１６、及び２６がそれぞれ電気的に接続されている。ＴＩＡは光吸収電流を増幅して電圧に変換し、差動増幅器３２へ出力する。差動増幅器３２は、ＴＩＡ１６及び２６が出力する電圧の差に対応する電圧信号を生成し、Ａ／Ｄ変換器３３へ出力する。Ａ／Ｄ変換器３３は、差動増幅器３２から出力される電圧信号をＤＳＰ３４に出力する。
ＴＩＡ１６、ＴＩＡ２６、差動増幅器３２、及びＡ／Ｄ変換器３３は、光導波路を透過する光強度の時間的な平均値を処理できればよい。従って、ＴＩＡ１６、ＴＩＡ２６、差動増幅器３２、及びＡ／Ｄ変換器３３には、信号速度と同等あるいはそれに近い高速な動作は必要とされない。これは、光変調器は、初期トレーニングによって適切な動作条件が設定されていれば短期的には比較的安定に動作するので、光導波路の特性制御は動作環境の長期的な変化に対して行われればよいからである。
Ａ／Ｄ変換器３３が出力する信号は、ＤＳＰ３４に入力されて、信号処理される。ＤＳＰ３４は、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からそれぞれ光結合器８へ入力される光強度が均等になるように、制御電極である電極１３、１４、２３及び２４へ印加する電圧値を決定する。
図２及び図３は、半導体光変調器へ電圧を印加した際の、屈折率変化及び損失変化の例をそれぞれ示す。図２及び図３に示されるように、半導体光変調器へ印加される逆バイアス電圧が高いほど、屈折率及び損失が増加する。ここで、屈折率変化も損失変化も印加される電圧変化に対して線形ではない。そして、その屈折率変化と損失変化の比も、印加される電圧に対して線形ではない。
第１の実施形態の光変調器１においては、複数の電極へ異なる電圧を印加することによって、光導波路の屈折率変化及び損失変化を独立に制御する。以下に、電極に印加する電圧を制御する手順の例を示す。
図２において、屈折率変化をΔｎ（Ｖ）、図３において損失変化をΔα（Ｖ）とする。ここで、（Ｖ）はΔｎ、Δα等の変数が電極への印加電圧Ｖの関数であることを示す。光が長さＬの光導波路を透過する間に、Δｎ（Ｖ）、Δα（Ｖ）の屈折率及び損失変化を受けると、光の複素位相変化量Δφ（Ｖ）は、下式で表される。
Δφ（Ｖ）＝（４×π×Δｎ（Ｖ）／λ−ｊ×Δα（Ｖ）／２）×Ｌ ・・・（１）
式（１）において、実部が位相変化を示し、虚部が損失変化を示す。λは光の波長である。式（１）を用いて実際の計算を行う際には、長さの次元を持つλ及びＬと、長さの逆数の次元を持つΔα（Ｖ）については、Δφ（Ｖ）が無次元であるラジアンとなるように、適宜単位変換が行われる。
図４は、第１の実施の形態における、制御電極の配置図である。図４に示すように、第１の光導波路４及び第２の光導波路５において、電極１３及び電極１４、電極２３及び電極２４を制御電極とし、それぞれに印加する制御用電圧を順に、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２とする。そして、第１の光導波路４及び第２の光導波路５が、電極１３、１４、２３及び２４への電圧印加により受ける屈折率変化Δｎ及び損失変化Δαを、それぞれ順に「Δｎ１１、Δα１１」、「Δｎ１２、Δα１２」、「Δｎ２１、Δα２１」、「Δｎ２２、Δα２２」とする。
図５は、導波路で直列に接続された２つの電極に印加される電圧をそれぞれ横軸と縦軸にとり、それらの電極により生じるΔｎの合計（位相変化量の合計）が一定であるような等値線を示している。例えば、電極１３及び電極１４が直列に接続されているので、図５の等値線は、第１の光導波路４全体として、Δｎ１１＋Δｎ１２が一定となるＶ１１及びＶ１２の軌跡を示す。また、電極２３及び電極２４も直列に接続されているので、図５に示された等値線は、第２の光導波路５全体として、Δｎ２１＋Δｎ２２が一定となるＶ２１及びＶ２２の軌跡を示す。
すなわち、図５は、等値線に沿って一方の電極に印加する電圧を上昇させ、他方の電極に印加する電圧を下げることで、光導波路を透過する光に対するΔｎの合計（位相変化量の合計）が変化しないように制御できることを示している。この関係を利用することにより、第１の光導波路４と第２の光導波路５との位相差を一定に保ったまま損失変化を与え、光導波路を透過する光の強度を制御することができる。
図６は、導波路で直列に接続された２つの電極に印加される電圧をそれぞれ横軸と縦軸にとり、それらの電極により生じるΔαの合計（損失変化量の合計）が一定であるような等値線を示す図である。例えば、電極１３及び電極１４が直列に接続されているので、図６の等値線上では、Δα１１＋Δα１２が一定となる。また、電極２３及び電極２４も直列に接続されているので、図６の等値線は、Δα２１＋Δα２２が一定となる等値線をも示している。
すなわち、図６は、等値線に沿って一方の電極に印加する電圧を上昇させ、他方の電極に印加する電圧を下げることで、第１の光導波路４と第２の光導波路５との損失が変化しないように光導波路を透過する光の位相を制御することが可能であることを示している。
図７は、図５と図６とを重ね合わせた図である。図７において、実線ＮはΔｎの合計が一定である等値線であり、破線はΔαが一定である等値線である。図７の実線Ｎに沿って制御電極に印加する電圧を変化させると、その軌跡はΔαが一定である破線Ｐ、Ｑを横切って動く。すなわち、図７の実線Ｎ上では位相が一定に保たれたまま損失が変化する。
このような制御が可能である理由は、電極へ印加された電圧の変化に対するΔｎとΔαとの変化量がそれぞれ異なっているからである。
図７に示した点Ａ、Ｂは、第１の光導波路４と第２の光導波路５との間で、光の位相差が一定としたまま損失差を１ｃｍ−１と設定する場合の、電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２の設定値の例を示す。点Ａは、電圧Ｖ１１及びＶ１２の設定電圧を示し、点Ｂは電圧Ｖ２１及びＶ２２の設定電圧を示す。
具体的には、第１の光導波路４及び第２の光導波路５に１ｃｍ−１の損失差を与える場合には、実線Ｎ上の点Ａ及び点Ｂの位置をΔαの合計値の差が１ｃｍ−１となる破線Ｐ、Ｑ上に来るように電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２を設定すればよい。
図７においては、点Ａ、Ｂの電圧値は以下のようになる。
Ｖ１１＝３．６Ｖ、Ｖ１２＝４．６Ｖ（点Ａ）
Ｖ２１＝４．０Ｖ、Ｖ２２＝４．０Ｖ（点Ｂ）
ここで、Δｎの合計値は、図２におけるＶ２１＝４Ｖの値を２倍して約８×１０−４である。この値は実線Ｎ上では一定である。しかし、Δｎの合計値はこの値に限られるものではない。Δαの合計値の差が１ｃｍ−１である異なる破線Ｐ、Ｑと実線Ｎとの交点の電圧を電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２として設定してもよい。この場合、図７とは異なる位相差を保ちながら第１の光導波路４と第２の光導波路５との間の損失差を設定することができる。
ＤＳＰ３４は、図７に相当するデータを記憶している。そして、ＤＳＰ３４は、以上のように、第１の光導波路４と第２の光導波路５との間で位相を一定に保ちながら所定の損失差を生じるように、制御電極へ印加する電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２を決定する。この際、ＤＳＰ３４は、電極１５及び電極２５において発生する光吸収電流の差に基づいて、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からそれぞれ光結合器８へ入力される光強度が所望の比（たとえば同一）になるように、制御電極へ印加する電圧を演算により求める。すなわち、ＤＳＰ３４は、第１の光導波路４及び第２の光導波路５にそれぞれ加えられる位相変化の差が一定となる条件の下で、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失を制御する。なお、ＤＳＰ３４と各電極との間には印加電圧を増幅するためのドライバ３５を設けてもよい。
また、第１の光導波路４の電極１０〜１２または第２の光導波路５の電極２０〜２２が設けられた部分の損失は、これらの電極が長期間にわたって光変調に用いられることにより増加する場合がある。そして、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失増加量が異なっていると、第１の光導波路４及び第２の光導波路５から光結合器８へ入力される光強度が変動する。このような場合においても、ＤＳＰ３４は、電極１５及び電極２５において発生する光吸収電流の差に基づいて、光結合器８へ入力される光の強度が所望の値になるような電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２を求め、制御電極に印加するようにしてもよい。その結果、第１の実施形態の光変調器１は、第１の光導波路４または第２の光導波路５の損失が経時的に変化した場合でも、光結合器８へ入力される光強度を所定の比となるように制御することができる。なお、光分岐器３の分岐比が経時的に変動し、第１の光導波路４及び第２の光導波路５から光結合器８へ入力される光強度が変動した場合も同様に光結合器８へ入力される光強度を所定の比となるように制御することができる。
以上のように、第１の実施形態の光変調器１は、第１の光導波路４と第２の光導波路５とを透過する光の強度をモニタし、その比が所望の値となるように電極１３、１４、２３及び２４に印加する電圧を制御する。例えば、ＴＩＡ１６及び２６が、等しい光強度に対して等しい電圧を出力する場合には、ＤＳＰ３４は、差動増幅器３２から出力される電圧がゼロとなるようにΔｎの合計が一定である等値線に沿って制御電極に印加する電圧を計算して出力する。その結果、第１の実施形態の光変調器１において、位相の変化を伴うことなく第１の光導波路と第２の光導波路とを透過する光の強度を等しくすることができる。
ここで、電極１５及び電極２５における光吸収率が異なっていると、光導波路内の光強度に対する光吸収電流の大きさが電極により異なることになる。これは、光導波路の特性制御の誤差の原因となる場合がある。このため、あらかじめ光導波路内の光強度に対する光吸収電流の大きさを測定してＤＳＰ３４に補正データとして与えておいてもよい。そして、ＤＳＰ３４における演算処理の際に、補正データに基づいて電極間の光吸収率のばらつきを補正することで、光導波路内の光強度をより正確に制御することができる。
また、第１の実施形態においては、Δｎの合計（位相変化）を一定とし、Δαの合計（損失変化）を制御する例を示した。さらに、逆に、Δαの合計（損失変化量）を一定とし、Δｎの合計（位相変化量）を制御することも可能である。その実施形態については、第３の実施形態の項で述べる。
以上、第１の実施形態の光変調器１における光導波路の特性制御に関して説明した。光変調用の電極１０〜１２及び２０〜２２における光変調手順は広く知られているので詳細な説明は省略する。先に説明したように、光変調用の電極１０〜１２及び電極２０〜２２は、電極１３〜１５及び電極２３〜２５と基本的に同一の構造を備えている。そして、電極１０〜１２及び電極２０〜２２に印加する電圧を発生する制御回路は、変調回路３６及びドライバ３７として集積されている。このような構成により、第１の実施形態の光変調器１は、光変調器と制御回路を含めた、コンパクトな光変調回路を実現することができる。
また、本実施形態においては、光導波路は、一般的な化合物半導体の他には、屈折率変化とともに吸収が変化する材料、例えば、シリコンや、ゲルマニウム等といった材料を用いることができる。
このように、第１の実施形態の光導波路デバイスは、半導体材料で構成されたマッハツェンダー型光変調器が備える光導波路を透過する光に所望の位相差を与えつつ、光結合器への光入力強度を均等にバランスさせることが可能である。その結果、第１の実施形態の光導波路デバイスは、光変調器が出力する光の消光比を改善することが可能である。
すなわち、第１の実施形態の光導波路デバイスは、複数の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする。
なお、第１の実施形態においては、モニタ用の電極１５は電極１４と光結合器８との間に配置した。しかし、モニタ用の電極の位置は同一の導波路上にあればよい。光結合器８へ入力される光強度をより正確にモニタするために、電極１５は、光結合器８に近い位置にあることが望ましい。しかし、モニタ用電極１５と光結合器８との間の導波路損失を校正した上で電極に印加する電圧を算出することにより、他の位置の電極をモニタ用電極として用いることもできる。電極２５の位置に関しても電極１５と同様である。
また、図２、図３、図５〜７においては、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の特性が同一である場合について説明した。しかし、第１の光導波路４と第２の光導波路５との特性が異なっている場合には、ＤＳＰ３４はそれぞれの特性データを記憶し、それぞれの特性データに基づいて電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２を算出してもよい。
また、ＤＳＰ３４により電圧を印加される電極の位置も、印加電圧と光結合器８へ入力される光強度との関係を把握することができれば、自由に設定してよい。
なお、本実施形態においては、光変調用の電極は電極１０から１２及び電極２０から２２としたが、光変調のために用いる電極の数も、これに限られない。
さらに、第１の実施形態においては、光導波路デバイスをマッハツェンダー型光変調器に適用した例を示したが、第１の実施形態で説明した光変調器の適用形態は、これに限らない。第１の実施形態の光導波路デバイスの構成は、２つの半導体光導波路間で、位相変化と損失変化を独立に制御したい光導波路デバイスに対して、一般的に適用することができる。
［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の光導波路デバイスは、図１に示した第１の実施形態の光導波路デバイスにおいて、光導波路４及び５に設けた制御電極の形状を変更したものである。
図８及び図９に、第２の実施形態の光導波路デバイスの電極の形状を示す。図８及び図９は、図１において第１及び第２の光導波路４、５に設けられた電極１３、１４及び２３、２４に代えて電極４１〜４６のみを記載している。電極１３、１４及び２３、２４に代えて電極４１〜４６を設けた以外では第２の実施形態の光導波路デバイスの構成は、第１の実施形態の光導波路デバイスと同様である。
図８においては、第１の光導波路４は、ほぼ同じ長さの電極４１、４２を備えている。一方、第２の光導波路５は、光の進行方向の長さが異なる電極４３、４４を備えている。
電極４４の長さを大きくすることにより、例えば、電極４４の領域に、大きな損失変化を与えたい場合にも印加電圧を大きくする必要がないという利点がある。このように、電極４１〜４４の長さは同一である必要はない。
また、電極の長さを適切に設定することにより、電極に印加する電圧を制御する制御回路の負荷を低減し、制御回路の消費電力を低減することができる。
また、図９は、第１の光導波路５が、制御電極として３個の電極４３、４５、４６を備える構成を示す。Ｖ２３は、電極４６に印加される電圧である。電極の数を増加させた構成においても、例えば電極４５と電極４６とを接続し、両方の電極に同一の制御電圧を印加することで、実質的には、電極４５と電極４６とは、これらの長さを合計した長さの制御電極として動作する。従って、図９に示した構成の光導波路デバイスも、図８に示した光導波路デバイスと同様の損失制御が可能である。
すなわち、第２の実施形態の光導波路デバイスは、第１の実施形態の光導波路デバイスと同様に、複数の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする。
なお、図８に示した光導波路デバイスの第１の光導波路５において電極の長さは自由に設定できるのと同様に、図９に示した光導波路デバイスの第１の光導波路５においても、電極の数は３個に限られない。以上のように、電極の長さや数は、図８及び図９の記載に限定されない。また、光導波路が複数の電極を備えている場合に、光導波路毎に２個以上の電極に電圧を印加することができれば、電極の組み合わせには制限がない。
また、第２の実施形態の光導波路デバイスにおいて、第１の実施形態で説明した光吸収電流を発生するモニタ部や、電極４１〜４６に電圧を印加する制御回路を組み合わせて光変調器として構成することも可能である。
［第３の実施形態］
次に、この装置を適用した第３の実施形態として、複数の光導波路の損失の差を一定にしつつ、透過する光の位相変化量を制御する構成について説明する。
図１０は、第３の実施形態の光導波路デバイスの構成を示す図である。図１０に示す光導波路デバイスは、マッハツェンダー型光変調器を２台並列に接続した、Ｉ／Ｑ（ｉｎｐｈａｓｅ／ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）変調器５０である。Ｉ／Ｑ変調器は、光信号のＩ成分（実軸）と、Ｑ成分（虚軸）とを独立に変調し、複素平面上で振幅と位相に情報を乗せて、多値変調を行う。
図１０において、Ｉ／Ｑ変調器５０は、光分岐器５１、Ｉ変調器５２、Ｑ変調器５３及び光結合器５５を備える。Ｉ変調器５２及びＱ変調器５３は、それぞれマッハツェンダー型光変調器を構成している。Ｉ変調器５２及びＱ変調器５３の出力と光結合器５５との間には、電極５４１〜５４６が設けられている。
第１の分岐器５１によって、ほぼ均等に分けられた光は、Ｉ変調器５２、Ｑ変調器５３に入力される。Ｉ変調器５２、Ｑ変調器５３は、入力された光をそれぞれ独立に変調する。
ここで、Ｉ変調器５２、Ｑ変調器５３及び光結合器５５を組み合わせてＩ／Ｑ変調器５０として動作させるためには、Ｉ変調器５２及びＱ変調器５３で変調されたそれぞれの信号の位相差を、光結合器５５の入力において９０°とする必要がある。このため、一般的には、Ｉ変調器５２及びＱ変調器のどちらか一方と光結合器５５との間に、９０°の位相シフトを与える位相シフタを配置する。
しかしながら、半導体光導波路で構成された位相シフタを用いて変調信号の一方に位相シフトを与えようとすると、位相シフトを与えた変調信号に損失変化も同時に発生する。その結果、変調信号の光結合器５５への入力光強度に差が生じる。
このため、Ｉ／Ｑ変調器５０は、Ｉ変調器５２の出力及びＱ変調器５３の出力と光結合器５５の入力でとの間に電極５４１〜５４６を備えている。そして、Ｉ／Ｑ変調器５０は、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力とを光結合器５５で結合させる前に、電極５４１〜５４６を用いて光の損失及び位相を制御する。電極５４１、５４２、５４４、５４５はそれぞれ図１の電極１３、１４、２３、２４に相当する、制御電極である。
第１及び第２の実施形態においては、光導波路間の位相変化量を一定に保ったまま、損失変化量を所望の値とする制御について説明した。第３の実施形態では、損失変化量の合計を一定とした上で、光導波路間で所望の位相差が得られるような制御が行われる。
図７において、Δαの合計が一定である等値線に沿って電圧を変化させると、その軌跡はΔｎが一定である等値線を横切って動く。これは、損失が一定に保たれたまま位相を変化させる制御である。すなわち、Δαの合計を一定に保ったまま、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力との位相差が９０°となるように電極５４１、５４２、５４４、５４５への印加電圧を制御することができる。このような制御により、Ｉ／Ｑ変調器５０は、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力との間で損失の差を発生させず、かつ９０°の位相変化を与えることができる。その結果、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力との光結合器５５への入力光強度を等しく保ったまま、両者の位相差を９０°とすることができる。
このように、本発明の第３の実施形態の光導波路デバイスは、ＩとＱの間の位相差９０°を保ちつつ、Ｉ／Ｑを結合する際に発生する損失を最小化することが可能なＩ／Ｑ変調器を構成することができる。
すなわち、第３の実施形態の光導波路デバイスは、第１及び第２の実施形態の光導波路デバイスと同様に、複数の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする。
なお、電極５４３及び５４６はそれぞれ図１の電極１５及び２５に相当する、モニタ電極である。電極５４３及び電極５４６において生じる光吸収電流をモニタすることで、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力との光結合器５５への入力光強度が等しく保たれているかどうかを知ることができる。そして、光結合器５５への入力光強度にばらつきがある場合には、ＩとＱの間の位相差９０°を保ちつつ、光結合器５５への入力光強度のばらつきを解消するように電極５４１、５４２、５４４、５４５に印加する電圧を制御してもよい。
さらには、本発明の第３の実施形態の光導波路デバイスは、電極に印加する電圧を制御するための回路を光変調器を駆動するドライバに集積することにより、素子の占める面積を増大させずに実現することができる。
また、図１０の構成において、Ｉ変調器５２あるいはＱ変調器５３それぞれの内部にも、本発明の光導波路デバイスを付加してもよい。このような構成により、Ｉ変調器５２あるいはＱ変調器５３がそれぞれ備える光結合器の入力における損失または位相を所定の値となるように制御することができる。具体的な制御手順は第１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。
［第４の実施形態］
図１１は、本発明の第４の実施形態の光導波路デバイスの構成を示す図である。光導波路デバイス１００は、第１の光導波路４、第２の光導波路５、及び制御回路１１０を備える。
第１の光導波路４及び第２の光導波路５は、それぞれ電極１３〜１５及び電極２３〜２５を備える。電極１５及び電極２５は、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の強度に対応した光吸収電流を出力する。
制御回路１１０は、電極１３、１４に印加される電圧によって第１の光導波路４を透過する光に生じる第１の損失変化及び第１の位相変化を制御する。また制御回路１１０は、電極１３、１４に印加される電圧によって第２の光導波路５を透過する光に生じる第２の損失変化及び第２の位相変化を制御する。
そして、制御回路１１０は、第１の位相変化及び第２の位相変化が所定の関係となるように電極１３、１４、２３及び２４に印加する電圧を制御する。あるいは、制御回路１１０は、第１の損失変化及び第２の損失変化が所定の関係となるように電極１３、１４、２３及び２４に印加する電圧を制御する。
このような構成を備えることにより、光導波路デバイス１００は、第１の実施形態で説明した手順により、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の位相差を一定に保ったまま、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失を制御することが可能である。また、光導波路デバイス１００は、第３の実施形態で説明した手順により、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の損失を一定に保ったまま、第１の光導波路４と第２の光導波路５との間で生じる位相差を制御することも可能である。
また、制御回路１１０は、電極１５及び電極２５が出力した光吸収電流を比較し、その結果に基づいて電極１３、１４、２３及び２４に印加する電圧値を計算してその電圧を電極１３、１４、２３及び２４へ出力してもよい。すなわち、光導波路デバイス１００においても、第１の実施形態と同様に、光吸収電流に基づいて第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の強度を検出することが可能である。そして、検出された光強度に基づいて、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の強度が所定の関係となるように、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失を制御してもよい。損失の制御は、電極１３、１４、２３及び２４に出力される電圧により行われる。
その結果、第４の実施形態の光導波路デバイスも、第１〜第３の実施形態の光導波路デバイスと同様に、光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とするという効果を奏する。
なお、第４の実施形態の変形例として、図１１において、光導波路デバイス１００は、第１の光導波路４及び制御回路１１０のみを備える構成としてもよい。そして、第１の光導波路４は、電極１３、１４のみを備えていてもよい。そして、制御回路１１０は、第１の光導波路４に所定の位相変化及び損失変化を生じさせるように電極１３、１４に印加する電圧値を計算してその電圧の信号を電極１３、１４へ出力する。
光導波路デバイス１００が第４の実施形態の変形例のような構成を備える場合においても、電極１３及び１４に出力される電圧により第１の光導波路４の損失及び位相の制御を行うことができる。この場合、第１の実施形態の図５〜図７で説明した手順により、第１の光導波路４を透過する光の位相変化を一定に保ったまま、第１の光導波路４の損失を制御することが可能である。また、第３の実施形態で説明した手順により、第１の光導波路４を透過する光の損失を一定に保ったまま、第１の光導波路４の位相変化を制御することも可能である。
従って、第４の実施形態の変形例も、光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とするという効果を奏する。
以上説明した第１から第４の実施形態及びその変形例においては、２つの導波路間の位相差あるいは損失差を一定とする制御について主に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれらに限られるものではない。第１〜第４の実施形態で説明した光導波路デバイスは、位相及び損失の両者を同時に独立に変化させることが可能であり、位相及び損失をそれぞれ所望の値に設定するように制御することが可能である。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１１年６月１日に出願された日本出願特願２０１１−１２３２０４を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
（付記１）
２つの信号がそれぞれ印加される２つの電極を備える光導波路と、
前記２つの信号により前記光導波路を透過する光に生じる位相変化及び損失変化が所定の値となるように前記２つの信号を制御する制御手段と、
を備える光導波路デバイス。
（付記２）
前記光導波路を透過する光の強度に対応するモニタ信号を出力するモニタ手段をさらに備え、
前記制御手段は、さらに、前記モニタ信号に基づいて前記２つの信号を制御する、付記１に記載された光導波路デバイス。
（付記３）
入力される第１の光の位相及び損失を制御する第１の信号及び第２の信号がそれぞれ印加される第１の電極及び第２の電極を備える第１の光導波路と、
入力される第２の光の位相及び損失を制御する第４の信号及び第５の信号がそれぞれ印加される第４の電極及び第５の電極を備える第２の光導波路と、
前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の損失変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の損失変化と、前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の位相変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の位相変化と、のいずれか一方が所定の関係となるように前記第１、第２、第４及び第５の信号を生成する制御手段と、
を備える光導波路デバイス。
（付記４）
前記制御手段は、前記第１の損失変化と前記第２の損失変化、及び、前記第１の位相変化と前記第２の位相変化、のいずれか一方が等しくなるように、前記第１、第２、第４及び第５の信号を生成する、付記３に記載された光導波路デバイス。
（付記５）
前記第１及び第２の光導波路を透過する光の強度にそれぞれ対応する第３の信号及び第６の信号を出力するモニタ手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１及び第２の損失変化を前記第３の信号及び第６の信号に基づいて制御する、付記３又は４のいずれかに記載された光導波路デバイス。
（付記６）
前記制御手段は、前記第１及び第２の光導波路を透過する光のそれぞれの強度が等しくなるように前記第１及び第２の損失変化を制御する、付記５に記載された光導波路デバイス。
（付記７）
前記第１及び第２のモニタ手段は、それぞれ前記第１及び第２の光導波路を透過する光を吸収することで前記第３及び第６の信号を発生させる第３の電極及び第６の電極をそれぞれ備える、付記５又は６に記載された光導波路デバイス。
（付記８）
前記制御手段は、
前記第１の信号の電圧及び前記第２の信号の電圧と前記第１の光導波路を透過する光の位相変化及び損失変化との関係を示す第１の特性データを記憶する第１の記憶手段と、
前記第４の信号の電圧及び前記第５の信号の電圧と前記第２の光導波路を透過する光の位相変化及び損失変化との関係を示す第２の特性データを記憶する第２の記憶手段と、
前記第１及び第２の特性データに基づいて、前記第１の損失変化及び前記第１の位相変化を生じさせ、前記第２の損失変化及び前記第２の位相変化を生じさせるように、前記第１、第２、第４及び第５の信号のそれぞれの電圧を算出する演算手段と、を備える、
付記３乃至７のいずれかに記載された、光導波路デバイス。
（付記９）
入力光を第１の光及び第２の光に分岐する分岐手段と、
前記第１の光及び前記第２の光が入力される付記３乃至８のいずれかに記載の光導波路デバイスと、
前記光導波路デバイスから出力される光を結合して出力する結合手段と、
を備える光干渉計。
（付記１０）
第１の信号及び第２の信号がそれぞれ印加される第１の電極及び第２の電極を備える第１の光導波路と、第４の信号及び第５の信号がそれぞれ印加される第４の電極及び第５の電極を備える第２の光導波路と、を備える光導波路デバイスに、
前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の損失変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の損失変化と、前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の位相変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の位相変化と、のいずれか一方が所定の関係となるように前記第１、第２、第４及び第５の信号を出力する、
光導波路デバイスの制御回路。
（付記１１）
２つの電極を備える光導波路にそれぞれ印加する２つの信号によって前記光導波路を透過する光に所定の位相変化及び損失変化が生じるように制御する、光導波路デバイスの制御方法。
（付記１２）
入力光を入力する入力光導波路と、第１の光干渉計と、第２の光干渉計と、前記入力光を分岐して、前記第１の光干渉計及び前記第２の光干渉計に出力する分岐する分岐器と、
前記第１の光干渉計と前記第２の光干渉計とから出力される光信号を結合して出力する光結合器と、
付記３乃至８のいずれかに記載された光導波路デバイスと、を備え、
前記光導波路デバイスの第１の光導波路及び第２の光導波路は、前記第１の光干渉計及び第２の光干渉計とそれぞれ直列に接続されている、
光干渉計。
（付記１３）
前記第１の光干渉計と前記第２の光干渉計は、さらに、並列に配置された２本の光導波路及び付記１乃至４のいずれかに記載された光導波路デバイスをそれぞれ備え、
前記第１の光干渉計及び前記第２の光干渉計が備える前記光導波路デバイスの第１の光導波路及び第２の光導波路が、前記並列に配置された２本の光導波路とそれぞれ直列に接続されている、
付記１２に記載された光干渉計。
［第１の実施形態］
第１の実施形態では、半導体マッハツェンダー型光変調器の第１の光導波路と第２の光導波路との間で、所望の位相差を与えつつ、光強度を均等にバランスさせる光導波路デバイスの構成を提案する。
第１の実施形態では、変調を受ける光の進行方向に対し、光結合器よりも前の位置で導波路を透過する光強度をモニタし、モニタした光強度に基づいて第１及び第２の光導波路の電極に設けた電圧を制御する。具体的な構成例を図１に示す。
図１は、本願発明の第１の実施形態の光導波路デバイスの構成を示す図である。第１の実施形態の光導波路デバイスは、マッハツェンダー型干渉計（ＭＺＩ、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を基本的な構成とした、光変調器１を構成する。図１において、光入力ポート２から入力した光は、光分岐器３を透過する。光分岐器３は、光の強度を約１：１の比に分割して、第１の光導波路４及び第２の光導波路５へ出力する。
ここで、光分岐器３として、例えば２×２の多モード干渉型（ＭＭＩ、Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）分岐器を用いてもよい。光分岐器３としてＭＭＩを用いた場合には、第１の光導波路４と第２の光導波路５とに出力される光の位相は９０度異なって出力される。一方、光分岐器３が例えばＹ分岐回路であれば、第１の光導波路４と第２の光導波路５とに出力される光は、同じ位相で出力される。第１の実施形態においては、光分岐器３の構成は特に限定されない。
第１の光導波路４及び第２の光導波路５は、それぞれ、電極１０〜１５及び電極２０〜２５が付加されている。これらの電極のうち、電極１０〜１２及び電極２０〜２２は、光変調に用いられる。これらの電極に電圧を印加することによって、電極が形成された光導波路の屈折率を変化させることができる。そして、光導波路の屈折率変化により、透過する光の位相を変化させることができる。
第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過した光は、それぞれ、光結合器８に入力される。そして、光結合器８から第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１に出力される。この時、第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１に出力される光の強度比は、第１の光導波路４及び第２の光導波路５から光結合器８に入力される光の位相差によって決定される。
例えば、光分岐器３および光結合器８がＭＭＩである場合には、前述の通り、光分岐器３および光結合器８において９０度ずつの位相差が与えられる。そのため、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からの光結合器８に入力される光の強度が等しく、光導波路４および５で発生する位相差が０度であれば、光導波路３１に全ての光が出力される。なぜならば、光入力ポート２から光出力ポート３１への経路長が、光導波路４および光導波路５どちらを経由しても、位相差を含め、等しくなるためである。また、上述の構成において、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からの光の強度が等しく、光導波路４および５で発生する位相差が９０度であれば、第１の光出力ポート３０及び第２の光出力ポート３１には、１：１の光強度比で光が出力される。さらに、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からの光の強度が等しく、第１の光導波路４および第２の光導波路５で発生する位相差が１８０度であれば、光出力ポート３０に全ての光が出力される。
すなわち、光結合器８に入力される光の強度が等しい場合、それらの間の位相差を制御することにより、第１の光出力ポート３０と第２の光出力ポート３１へ分岐される光強度を変えることができる。
ところが、上述のとおり、光導波路の特性のばらつきにより、光結合器８に正確に強度が等しい光が入力されるように光強度を設定することは難しい。
そこで、第１の実施形態においては、図１に示すように、光変調器１は、複数に分割された電極１０〜１５、及び電極２０〜２５を備える。そして、分割した電極の一部は第１の光導波路４及び第２の光導波路５の特性制御のために用いられる。
第１の実施形態では、第１の光導波路４及び第２の光導波路５から光結合器８に入力されるそれぞれの光強度をモニタするために、電極１５及び電極２５はモニタ用電極として用いられる。
電極１５及び電極２５に逆バイアス電圧をかけることにより、電極はその近傍の光導波路を透過する光を吸収し、光吸収電流を発生させる。光吸収電流の大きさは透過している光の光強度に依存するので、光吸収電流の大きさから、光導波路内を透過する光強度をモニタすることができる。以下、光吸収電流を発生させるための電極を「モニタ電極」という。
また、次に説明するＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）３４の信号処理結果に基づいて第１の光導波路４及び第２の光導波路５に電圧を印加する電極１３、１４、２３、２４を、以下「制御電極」という。
ここで、実際に光を変調するのに用いられる電極１０〜１２及び２０〜２２と、光導波路特性の制御用の電極１３〜１５及び２３〜２５とは、同一の基本的な構造を備えていてもよい。例えば、光変調器を製造する際の、変調のために用いられる電極と光導波路の特性制御のために用いられる電極との構造上の相違は電極のパターン程度であってもよい。変調用の電極と、特性制御用の電極とが互いに類似する構造を備えるようにすることで光変調器１の製造が容易になる。
モニタ電極である電極１５及び電極２５には、トランスインピーダンスアンプ（ｔｒａｎｓ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、以下、ＴＩＡという。）１６、及び２６がそれぞれ電気的に接続されている。ＴＩＡは光吸収電流を増幅して電圧に変換し、差動増幅器３２へ出力する。差動増幅器３２は、ＴＩＡ１６及び２６が出力する電圧の差に対応する電圧信号を生成し、Ａ／Ｄ変換器３３へ出力する。Ａ／Ｄ変換器３３は、差動増幅器３２から出力される電圧信号をＤＳＰ３４に出力する。
ＴＩＡ１６、ＴＩＡ２６、差動増幅器３２、及びＡ／Ｄ変換器３３は、光導波路を透過する光強度の時間的な平均値を処理できればよい。従って、ＴＩＡ１６、ＴＩＡ２６、差動増幅器３２、及びＡ／Ｄ変換器３３には、信号速度と同等あるいはそれに近い高速な動作は必要とされない。これは、光変調器は、初期トレーニングによって適切な動作条件が設定されていれば短期的には比較的安定に動作するので、光導波路の特性制御は動作環境の長期的な変化に対して行われればよいからである。
Ａ／Ｄ変換器３３が出力する信号は、ＤＳＰ３４に入力されて、信号処理される。ＤＳＰ３４は、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からそれぞれ光結合器８へ入力される光強度が均等になるように、制御電極である電極１３、１４、２３及び２４へ印加する電圧値を決定する。
図２及び図３は、半導体光変調器へ電圧を印加した際の、屈折率変化及び損失変化の例をそれぞれ示す。図２及び図３に示されるように、半導体光変調器へ印加される逆バイアス電圧が高いほど、屈折率及び損失が増加する。ここで、屈折率変化も損失変化も印加される電圧変化に対して線形ではない。そして、その屈折率変化と損失変化の比も、印加される電圧に対して線形ではない。
第１の実施形態の光変調器１においては、複数の電極へ異なる電圧を印加することによって、光導波路の屈折率変化及び損失変化を独立に制御する。以下に、電極に印加する電圧を制御する手順の例を示す。
図２において、屈折率変化をΔｎ（Ｖ）、図３において損失変化をΔα（Ｖ）とする。ここで、（Ｖ）はΔｎ、Δα等の変数が電極への印加電圧Ｖの関数であることを示す。光が長さＬの光導波路を透過する間に、Δｎ（Ｖ）、Δα（Ｖ）の屈折率及び損失変化を受けると、光の複素位相変化量Δφ（Ｖ）は、下式で表される。
Δφ（Ｖ）＝（４×π×Δｎ（Ｖ）／λ−ｊ×Δα（Ｖ）／２）×Ｌ ・・・（１）
式（１）において、実部が位相変化を示し、虚部が損失変化を示す。λは光の波長である。式（１）を用いて実際の計算を行う際には、長さの次元を持つλ及びＬと、長さの逆数の次元を持つΔα（Ｖ）については、Δφ（Ｖ）が無次元であるラジアンとなるように、適宜単位変換が行われる。
図４は、第１の実施の形態における、制御電極の配置図である。図４に示すように、第１の光導波路４及び第２の光導波路５において、電極１３及び電極１４、電極２３及び電極２４を制御電極とし、それぞれに印加する制御用電圧を順に、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２とする。そして、第１の光導波路４及び第２の光導波路５が、電極１３、１４、２３及び２４への電圧印加により受ける屈折率変化Δｎ及び損失変化Δαを、それぞれ順に「Δｎ１１、Δα１１」、「Δｎ１２、Δα１２」、「Δｎ２１、Δα２１」、「Δｎ２２、Δα２２」とする。
図５は、導波路で直列に接続された２つの電極に印加される電圧をそれぞれ横軸と縦軸にとり、それらの電極により生じるΔｎの合計（位相変化量の合計）が一定であるような等値線を示している。例えば、電極１３及び電極１４が直列に接続されているので、図５の等値線は、第１の光導波路４全体として、Δｎ１１＋Δｎ１２が一定となるＶ１１及びＶ１２の軌跡を示す。また、電極２３及び電極２４も直列に接続されているので、図５に示された等値線は、第２の光導波路５全体として、Δｎ２１＋Δｎ２２が一定となるＶ２１及びＶ２２の軌跡を示す。
すなわち、図５は、等値線に沿って一方の電極に印加する電圧を上昇させ、他方の電極に印加する電圧を下げることで、光導波路を透過する光に対するΔｎの合計（位相変化量の合計）が変化しないように制御できることを示している。この関係を利用することにより、第１の光導波路４と第２の光導波路５との位相差を一定に保ったまま損失変化を与え、光導波路を透過する光の強度を制御することができる。
図６は、導波路で直列に接続された２つの電極に印加される電圧をそれぞれ横軸と縦軸にとり、それらの電極により生じるΔαの合計（損失変化量の合計）が一定であるような等値線を示す図である。例えば、電極１３及び電極１４が直列に接続されているので、図６の等値線上では、Δα１１＋Δα１２が一定となる。また、電極２３及び電極２４も直列に接続されているので、図６の等値線は、Δα２１＋Δα２２が一定となる等値線をも示している。
すなわち、図６は、等値線に沿って一方の電極に印加する電圧を上昇させ、他方の電極に印加する電圧を下げることで、第１の光導波路４と第２の光導波路５との損失が変化しないように光導波路を透過する光の位相を制御することが可能であることを示している。
図７は、図５と図６とを重ね合わせた図である。図７において、実線ＮはΔｎの合計が一定である等値線であり、破線はΔαが一定である等値線である。図７の実線Ｎに沿って制御電極に印加する電圧を変化させると、その軌跡はΔαが一定である破線Ｐ、Ｑを横切って動く。すなわち、図７の実線Ｎ上では位相が一定に保たれたまま損失が変化する。
このような制御が可能である理由は、電極へ印加された電圧の変化に対するΔｎとΔαとの変化量がそれぞれ異なっているからである。
図７に示した点Ａ、Ｂは、第１の光導波路４と第２の光導波路５との間で、光の位相差が一定としたまま損失差を１ｃｍ−１と設定する場合の、電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２の設定値の例を示す。点Ａは、電圧Ｖ１１及びＶ１２の設定電圧を示し、点Ｂは電圧Ｖ２１及びＶ２２の設定電圧を示す。
具体的には、第１の光導波路４及び第２の光導波路５に１ｃｍ−１の損失差を与える場合には、実線Ｎ上の点Ａ及び点Ｂの位置をΔαの合計値の差が１ｃｍ−１となる破線Ｐ、Ｑ上に来るように電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２を設定すればよい。
図７においては、点Ａ、Ｂの電圧値は以下のようになる。
Ｖ１１＝３．６Ｖ、Ｖ１２＝４．６Ｖ（点Ａ）
Ｖ２１＝４．０Ｖ、Ｖ２２＝４．０Ｖ（点Ｂ）
ここで、Δｎの合計値は、図２におけるＶ２１＝４Ｖの値を２倍して約８×１０−４である。この値は実線Ｎ上では一定である。しかし、Δｎの合計値はこの値に限られるものではない。Δαの合計値の差が１ｃｍ−１である異なる破線Ｐ、Ｑと実線Ｎとの交点の電圧を電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２として設定してもよい。この場合、図７とは異なる位相差を保ちながら第１の光導波路４と第２の光導波路５との間の損失差を設定することができる。
ＤＳＰ３４は、図７に相当するデータを記憶している。そして、ＤＳＰ３４は、以上のように、第１の光導波路４と第２の光導波路５との間で位相を一定に保ちながら所定の損失差を生じるように、制御電極へ印加する電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２を決定する。この際、ＤＳＰ３４は、電極１５及び電極２５において発生する光吸収電流の差に基づいて、第１の光導波路４及び第２の光導波路５からそれぞれ光結合器８へ入力される光強度が所望の比（たとえば同一）になるように、制御電極へ印加する電圧を演算により求める。すなわち、ＤＳＰ３４は、第１の光導波路４及び第２の光導波路５にそれぞれ加えられる位相変化の差が一定となる条件の下で、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失を制御する。なお、ＤＳＰ３４と各電極との間には印加電圧を増幅するためのドライバ３５を設けてもよい。
また、第１の光導波路４の電極１０〜１２または第２の光導波路５の電極２０〜２２が設けられた部分の損失は、これらの電極が長期間にわたって光変調に用いられることにより増加する場合がある。そして、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失増加量が異なっていると、第１の光導波路４及び第２の光導波路５から光結合器８へ入力される光強度が変動する。このような場合においても、ＤＳＰ３４は、電極１５及び電極２５において発生する光吸収電流の差に基づいて、光結合器８へ入力される光の強度が所望の値になるような電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２を求め、制御電極に印加するようにしてもよい。その結果、第１の実施形態の光変調器１は、第１の光導波路４または第２の光導波路５の損失が経時的に変化した場合でも、光結合器８へ入力される光強度を所定の比となるように制御することができる。なお、光分岐器３の分岐比が経時的に変動し、第１の光導波路４及び第２の光導波路５から光結合器８へ入力される光強度が変動した場合も同様に光結合器８へ入力される光強度を所定の比となるように制御することができる。
以上のように、第１の実施形態の光変調器１は、第１の光導波路４と第２の光導波路５とを透過する光の強度をモニタし、その比が所望の値となるように電極１３、１４、２３及び２４に印加する電圧を制御する。例えば、ＴＩＡ１６及び２６が、等しい光強度に対して等しい電圧を出力する場合には、ＤＳＰ３４は、差動増幅器３２から出力される電圧がゼロとなるようにΔｎの合計が一定である等値線に沿って制御電極に印加する電圧を計算して出力する。その結果、第１の実施形態の光変調器１において、位相の変化を伴うことなく第１の光導波路と第２の光導波路とを透過する光の強度を等しくすることができる。
ここで、電極１５及び電極２５における光吸収率が異なっていると、光導波路内の光強度に対する光吸収電流の大きさが電極により異なることになる。これは、光導波路の特性制御の誤差の原因となる場合がある。このため、あらかじめ光導波路内の光強度に対する光吸収電流の大きさを測定してＤＳＰ３４に補正データとして与えておいてもよい。そして、ＤＳＰ３４における演算処理の際に、補正データに基づいて電極間の光吸収率のばらつきを補正することで、光導波路内の光強度をより正確に制御することができる。
また、第１の実施形態においては、Δｎの合計（位相変化）を一定とし、Δαの合計（損失変化）を制御する例を示した。さらに、逆に、Δαの合計（損失変化量）を一定とし、Δｎの合計（位相変化量）を制御することも可能である。その実施形態については、第３の実施形態の項で述べる。
以上、第１の実施形態の光変調器１における光導波路の特性制御に関して説明した。光変調用の電極１０〜１２及び２０〜２２における光変調手順は広く知られているので詳細な説明は省略する。先に説明したように、光変調用の電極１０〜１２及び電極２０〜２２は、電極１３〜１５及び電極２３〜２５と基本的に同一の構造を備えている。そして、電極１０〜１２及び電極２０〜２２に印加する電圧を発生する制御回路は、変調回路３６及びドライバ３７として集積されている。このような構成により、第１の実施形態の光変調器１は、光変調器と制御回路を含めた、コンパクトな光変調回路を実現することができる。
また、本実施形態においては、光導波路は、一般的な化合物半導体の他には、屈折率変化とともに吸収が変化する材料、例えば、シリコンや、ゲルマニウム等といった材料を用いることができる。
このように、第１の実施形態の光導波路デバイスは、半導体材料で構成されたマッハツェンダー型光変調器が備える光導波路を透過する光に所望の位相差を与えつつ、光結合器への光入力強度を均等にバランスさせることが可能である。その結果、第１の実施形態の光導波路デバイスは、光変調器が出力する光の消光比を改善することが可能である。
すなわち、第１の実施形態の光導波路デバイスは、複数の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする。
なお、第１の実施形態においては、モニタ用の電極１５は電極１４と光結合器８との間に配置した。しかし、モニタ用の電極の位置は同一の導波路上にあればよい。光結合器８へ入力される光強度をより正確にモニタするために、電極１５は、光結合器８に近い位置にあることが望ましい。しかし、モニタ用電極１５と光結合器８との間の導波路損失を校正した上で電極に印加する電圧を算出することにより、他の位置の電極をモニタ用電極として用いることもできる。電極２５の位置に関しても電極１５と同様である。
また、図２、図３、図５〜７においては、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の特性が同一である場合について説明した。しかし、第１の光導波路４と第２の光導波路５との特性が異なっている場合には、ＤＳＰ３４はそれぞれの特性データを記憶し、それぞれの特性データに基づいて電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１及びＶ２２を算出してもよい。
また、ＤＳＰ３４により電圧を印加される電極の位置も、印加電圧と光結合器８へ入力される光強度との関係を把握することができれば、自由に設定してよい。
なお、本実施形態においては、光変調用の電極は電極１０から１２及び電極２０から２２としたが、光変調のために用いる電極の数も、これに限られない。
さらに、第１の実施形態においては、光導波路デバイスをマッハツェンダー型光変調器に適用した例を示したが、第１の実施形態で説明した光変調器の適用形態は、これに限らない。第１の実施形態の光導波路デバイスの構成は、２つの半導体光導波路間で、位相変化と損失変化を独立に制御したい光導波路デバイスに対して、一般的に適用することができる。
［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の光導波路デバイスは、図１に示した第１の実施形態の光導波路デバイスにおいて、光導波路４及び５に設けた制御電極の形状を変更したものである。
図８及び図９に、第２の実施形態の光導波路デバイスの電極の形状を示す。図８及び図９は、図１において第１及び第２の光導波路４、５に設けられた電極１３、１４及び２３、２４に代えて電極４１〜４６のみを記載している。電極１３、１４及び２３、２４に代えて電極４１〜４６を設けた以外では第２の実施形態の光導波路デバイスの構成は、第１の実施形態の光導波路デバイスと同様である。
図８においては、第１の光導波路４は、ほぼ同じ長さの電極４１、４２を備えている。一方、第２の光導波路５は、光の進行方向の長さが異なる電極４３、４４を備えている。
電極４４の長さを大きくすることにより、例えば、電極４４の領域に、大きな損失変化を与えたい場合にも印加電圧を大きくする必要がないという利点がある。このように、電極４１〜４４の長さは同一である必要はない。
また、電極の長さを適切に設定することにより、電極に印加する電圧を制御する制御回路の負荷を低減し、制御回路の消費電力を低減することができる。
また、図９は、第１の光導波路５が、制御電極として３個の電極４３、４５、４６を備える構成を示す。Ｖ２３は、電極４６に印加される電圧である。電極の数を増加させた構成においても、例えば電極４５と電極４６とを接続し、両方の電極に同一の制御電圧を印加することで、実質的には、電極４５と電極４６とは、これらの長さを合計した長さの制御電極として動作する。従って、図９に示した構成の光導波路デバイスも、図８に示した光導波路デバイスと同様の損失制御が可能である。
すなわち、第２の実施形態の光導波路デバイスは、第１の実施形態の光導波路デバイスと同様に、複数の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする。
なお、図８に示した光導波路デバイスの第１の光導波路５において電極の長さは自由に設定できるのと同様に、図９に示した光導波路デバイスの第１の光導波路５においても、電極の数は３個に限られない。以上のように、電極の長さや数は、図８及び図９の記載に限定されない。また、光導波路が複数の電極を備えている場合に、光導波路毎に２個以上の電極に電圧を印加することができれば、電極の組み合わせには制限がない。
また、第２の実施形態の光導波路デバイスにおいて、第１の実施形態で説明した光吸収電流を発生するモニタ部や、電極４１〜４６に電圧を印加する制御回路を組み合わせて光変調器として構成することも可能である。
［第３の実施形態］
次に、この装置を適用した第３の実施形態として、複数の光導波路の損失の差を一定にしつつ、透過する光の位相変化量を制御する構成について説明する。
図１０は、第３の実施形態の光導波路デバイスの構成を示す図である。図１０に示す光導波路デバイスは、マッハツェンダー型光変調器を２台並列に接続した、Ｉ／Ｑ（ｉｎｐｈａｓｅ／ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）変調器５０である。Ｉ／Ｑ変調器は、光信号のＩ成分（実軸）と、Ｑ成分（虚軸）とを独立に変調し、複素平面上で振幅と位相に情報を乗せて、多値変調を行う。
図１０において、Ｉ／Ｑ変調器５０は、光分岐器５１、Ｉ変調器５２、Ｑ変調器５３及び光結合器５５を備える。Ｉ変調器５２及びＱ変調器５３は、それぞれマッハツェンダー型光変調器を構成している。Ｉ変調器５２及びＱ変調器５３の出力と光結合器５５との間には、電極５４１〜５４６が設けられている。
第１の分岐器５１によって、ほぼ均等に分けられた光は、Ｉ変調器５２、Ｑ変調器５３に入力される。Ｉ変調器５２、Ｑ変調器５３は、入力された光をそれぞれ独立に変調する。
ここで、Ｉ変調器５２、Ｑ変調器５３及び光結合器５５を組み合わせてＩ／Ｑ変調器５０として動作させるためには、Ｉ変調器５２及びＱ変調器５３で変調されたそれぞれの信号の位相差を、光結合器５５の入力において９０°とする必要がある。このため、一般的には、Ｉ変調器５２及びＱ変調器のどちらか一方と光結合器５５との間に、９０°の位相シフトを与える位相シフタを配置する。
しかしながら、半導体光導波路で構成された位相シフタを用いて変調信号の一方に位相シフトを与えようとすると、位相シフトを与えた変調信号に損失変化も同時に発生する。その結果、変調信号の光結合器５５への入力光強度に差が生じる。
このため、Ｉ／Ｑ変調器５０は、Ｉ変調器５２の出力及びＱ変調器５３の出力と光結合器５５の入力でとの間に電極５４１〜５４６を備えている。そして、Ｉ／Ｑ変調器５０は、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力とを光結合器５５で結合させる前に、電極５４１〜５４６を用いて光の損失及び位相を制御する。電極５４１、５４２、５４４、５４５はそれぞれ図１の電極１３、１４、２３、２４に相当する、制御電極である。
第１及び第２の実施形態においては、光導波路間の位相変化量を一定に保ったまま、損失変化量を所望の値とする制御について説明した。第３の実施形態では、損失変化量の合計を一定とした上で、光導波路間で所望の位相差が得られるような制御が行われる。
図７において、Δαの合計が一定である等値線に沿って電圧を変化させると、その軌跡はΔｎが一定である等値線を横切って動く。これは、損失が一定に保たれたまま位相を変化させる制御である。すなわち、Δαの合計を一定に保ったまま、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力との位相差が９０°となるように電極５４１、５４２、５４４、５４５への印加電圧を制御することができる。このような制御により、Ｉ／Ｑ変調器５０は、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力との間で損失の差を発生させず、かつ９０°の位相変化を与えることができる。その結果、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力との光結合器５５への入力光強度を等しく保ったまま、両者の位相差を９０°とすることができる。
このように、本発明の第３の実施形態の光導波路デバイスは、ＩとＱの間の位相差９０°を保ちつつ、Ｉ／Ｑを結合する際に発生する損失を最小化することが可能なＩ／Ｑ変調器を構成することができる。
すなわち、第３の実施形態の光導波路デバイスは、第１及び第２の実施形態の光導波路デバイスと同様に、複数の光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とする。
なお、電極５４３及び５４６はそれぞれ図１の電極１５及び２５に相当する、モニタ電極である。電極５４３及び電極５４６において生じる光吸収電流をモニタすることで、Ｉ変調器５２の出力とＱ変調器５３の出力との光結合器５５への入力光強度が等しく保たれているかどうかを知ることができる。そして、光結合器５５への入力光強度にばらつきがある場合には、ＩとＱの間の位相差９０°を保ちつつ、光結合器５５への入力光強度のばらつきを解消するように電極５４１、５４２、５４４、５４５に印加する電圧を制御してもよい。
さらには、本発明の第３の実施形態の光導波路デバイスは、電極に印加する電圧を制御するための回路を光変調器を駆動するドライバに集積することにより、素子の占める面積を増大させずに実現することができる。
また、図１０の構成において、Ｉ変調器５２あるいはＱ変調器５３それぞれの内部にも、本発明の光導波路デバイスを付加してもよい。このような構成により、Ｉ変調器５２あるいはＱ変調器５３がそれぞれ備える光結合器の入力における損失または位相を所定の値となるように制御することができる。具体的な制御手順は第１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。
［第４の実施形態］
図１１は、本発明の第４の実施形態の光導波路デバイスの構成を示す図である。光導波路デバイス１００は、第１の光導波路４、第２の光導波路５、及び制御回路１１０を備える。
第１の光導波路４及び第２の光導波路５は、それぞれ電極１３〜１５及び電極２３〜２５を備える。電極１５及び電極２５は、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の強度に対応した光吸収電流を出力する。
制御回路１１０は、電極１３、１４に印加される電圧によって第１の光導波路４を透過する光に生じる第１の損失変化及び第１の位相変化を制御する。また制御回路１１０は、電極１３、１４に印加される電圧によって第２の光導波路５を透過する光に生じる第２の損失変化及び第２の位相変化を制御する。
そして、制御回路１１０は、第１の位相変化及び第２の位相変化が所定の関係となるように電極１３、１４、２３及び２４に印加する電圧を制御する。あるいは、制御回路１１０は、第１の損失変化及び第２の損失変化が所定の関係となるように電極１３、１４、２３及び２４に印加する電圧を制御する。
このような構成を備えることにより、光導波路デバイス１００は、第１の実施形態で説明した手順により、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の位相差を一定に保ったまま、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失を制御することが可能である。また、光導波路デバイス１００は、第３の実施形態で説明した手順により、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の損失を一定に保ったまま、第１の光導波路４と第２の光導波路５との間で生じる位相差を制御することも可能である。
また、制御回路１１０は、電極１５及び電極２５が出力した光吸収電流を比較し、その結果に基づいて電極１３、１４、２３及び２４に印加する電圧値を計算してその電圧を電極１３、１４、２３及び２４へ出力してもよい。すなわち、光導波路デバイス１００においても、第１の実施形態と同様に、光吸収電流に基づいて第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の強度を検出することが可能である。そして、検出された光強度に基づいて、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を透過する光の強度が所定の関係となるように、第１の光導波路４及び第２の光導波路５の損失を制御してもよい。損失の制御は、電極１３、１４、２３及び２４に出力される電圧により行われる。
その結果、第４の実施形態の光導波路デバイスも、第１〜第３の実施形態の光導波路デバイスと同様に、光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とするという効果を奏する。
なお、第４の実施形態の変形例として、図１１において、光導波路デバイス１００は、第１の光導波路４及び制御回路１１０のみを備える構成としてもよい。そして、第１の光導波路４は、電極１３、１４のみを備えていてもよい。そして、制御回路１１０は、第１の光導波路４に所定の位相変化及び損失変化を生じさせるように電極１３、１４に印加する電圧値を計算してその電圧の信号を電極１３、１４へ出力する。
光導波路デバイス１００が第４の実施形態の変形例のような構成を備える場合においても、電極１３及び１４に出力される電圧により第１の光導波路４の損失及び位相の制御を行うことができる。この場合、第１の実施形態の図５〜図７で説明した手順により、第１の光導波路４を透過する光の位相変化を一定に保ったまま、第１の光導波路４の損失を制御することが可能である。また、第３の実施形態で説明した手順により、第１の光導波路４を透過する光の損失を一定に保ったまま、第１の光導波路４の位相変化を制御することも可能である。
従って、第４の実施形態の変形例も、光導波路デバイスを透過する光の位相差と損失とを簡便な構成で独立に制御することを可能とするという効果を奏する。
以上説明した第１から第４の実施形態及びその変形例においては、２つの導波路間の位相差あるいは損失差を一定とする制御について主に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれらに限られるものではない。第１〜第４の実施形態で説明した光導波路デバイスは、位相及び損失の両者を同時に独立に変化させることが可能であり、位相及び損失をそれぞれ所望の値に設定するように制御することが可能である。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１１年６月１日に出願された日本出願特願２０１１−１２３２０４を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
（付記１）
２つの信号がそれぞれ印加される２つの電極を備える光導波路と、
前記２つの信号により前記光導波路を透過する光に生じる位相変化及び損失変化が所定の値となるように前記２つの信号を制御する制御手段と、
を備える光導波路デバイス。
（付記２）
前記光導波路を透過する光の強度に対応するモニタ信号を出力するモニタ手段をさらに備え、
前記制御手段は、さらに、前記モニタ信号に基づいて前記２つの信号を制御する、付記１に記載された光導波路デバイス。
（付記３）
入力される第１の光の位相及び損失を制御する第１の信号及び第２の信号がそれぞれ印加される第１の電極及び第２の電極を備える第１の光導波路と、
入力される第２の光の位相及び損失を制御する第４の信号及び第５の信号がそれぞれ印加される第４の電極及び第５の電極を備える第２の光導波路と、
前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の損失変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の損失変化と、前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の位相変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の位相変化と、のいずれか一方が所定の関係となるように前記第１、第２、第４及び第５の信号を生成する制御手段と、
を備える光導波路デバイス。
（付記４）
前記制御手段は、前記第１の損失変化と前記第２の損失変化、及び、前記第１の位相変化と前記第２の位相変化、のいずれか一方が等しくなるように、前記第１、第２、第４及び第５の信号を生成する、付記３に記載された光導波路デバイス。
（付記５）
前記第１及び第２の光導波路を透過する光の強度にそれぞれ対応する第３の信号及び第６の信号を出力するモニタ手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１及び第２の損失変化を前記第３の信号及び第６の信号に基づいて制御する、付記３又は４のいずれかに記載された光導波路デバイス。
（付記６）
前記制御手段は、前記第１及び第２の光導波路を透過する光のそれぞれの強度が等しくなるように前記第１及び第２の損失変化を制御する、付記５に記載された光導波路デバイス。
（付記７）
前記第１及び第２のモニタ手段は、それぞれ前記第１及び第２の光導波路を透過する光を吸収することで前記第３及び第６の信号を発生させる第３の電極及び第６の電極をそれぞれ備える、付記５又は６に記載された光導波路デバイス。
（付記８）
前記制御手段は、
前記第１の信号の電圧及び前記第２の信号の電圧と前記第１の光導波路を透過する光の位相変化及び損失変化との関係を示す第１の特性データを記憶する第１の記憶手段と、
前記第４の信号の電圧及び前記第５の信号の電圧と前記第２の光導波路を透過する光の位相変化及び損失変化との関係を示す第２の特性データを記憶する第２の記憶手段と、
前記第１及び第２の特性データに基づいて、前記第１の損失変化及び前記第１の位相変化を生じさせ、前記第２の損失変化及び前記第２の位相変化を生じさせるように、前記第１、第２、第４及び第５の信号のそれぞれの電圧を算出する演算手段と、を備える、
付記３乃至７のいずれかに記載された、光導波路デバイス。
（付記９）
入力光を第１の光及び第２の光に分岐する分岐手段と、
前記第１の光及び前記第２の光が入力される付記３乃至８のいずれかに記載の光導波路デバイスと、
前記光導波路デバイスから出力される光を結合して出力する結合手段と、
を備える光干渉計。
（付記１０）
第１の信号及び第２の信号がそれぞれ印加される第１の電極及び第２の電極を備える第１の光導波路と、第４の信号及び第５の信号がそれぞれ印加される第４の電極及び第５の電極を備える第２の光導波路と、を備える光導波路デバイスに、
前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の損失変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の損失変化と、前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の位相変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の位相変化と、のいずれか一方が所定の関係となるように前記第１、第２、第４及び第５の信号を出力する、
光導波路デバイスの制御回路。
（付記１１）
２つの電極を備える光導波路にそれぞれ印加する２つの信号によって前記光導波路を透過する光に所定の位相変化及び損失変化が生じるように制御する、光導波路デバイスの制御方法。
（付記１２）
入力光を入力する入力光導波路と、第１の光干渉計と、第２の光干渉計と、前記入力光を分岐して、前記第１の光干渉計及び前記第２の光干渉計に出力する分岐する分岐器と、
前記第１の光干渉計と前記第２の光干渉計とから出力される光信号を結合して出力する光結合器と、
付記３乃至８のいずれかに記載された光導波路デバイスと、を備え、
前記光導波路デバイスの第１の光導波路及び第２の光導波路は、前記第１の光干渉計及び第２の光干渉計とそれぞれ直列に接続されている、
光干渉計。
（付記１３）
前記第１の光干渉計と前記第２の光干渉計は、さらに、並列に配置された２本の光導波路及び付記１乃至４のいずれかに記載された光導波路デバイスをそれぞれ備え、
前記第１の光干渉計及び前記第２の光干渉計が備える前記光導波路デバイスの第１の光導波路及び第２の光導波路が、前記並列に配置された２本の光導波路とそれぞれ直列に接続されている、
付記１２に記載された光干渉計。
１、１００、３００ 光変調器
２ 光入力ポート
３、５１ 光分岐器
４ 第１の光導波路
５ 第２の光導波路
８、５５ 光結合器
１０〜１５、２０〜２５、４１〜４６、５４１〜５４６ 電極
１６、２６ ＴＩＡ
３０ 第１の光出力ポート
３１ 第２の光出力ポート
３２ 差動増幅器
３３ Ａ／Ｄ変換器
３４ ＤＳＰ
３５、３７ ドライバ
３６ 変調回路
４１〜４６ 制御電極
５０ Ｉ／Ｑ変調器
５２ Ｉ変調器
５３ Ｑ変調器
１１０ 制御回路
２ 光入力ポート
３、５１ 光分岐器
４ 第１の光導波路
５ 第２の光導波路
８、５５ 光結合器
１０〜１５、２０〜２５、４１〜４６、５４１〜５４６ 電極
１６、２６ ＴＩＡ
３０ 第１の光出力ポート
３１ 第２の光出力ポート
３２ 差動増幅器
３３ Ａ／Ｄ変換器
３４ ＤＳＰ
３５、３７ ドライバ
３６ 変調回路
４１〜４６ 制御電極
５０ Ｉ／Ｑ変調器
５２ Ｉ変調器
５３ Ｑ変調器
１１０ 制御回路
Claims (10)
- ２つの信号がそれぞれ印加される２つの電極を備える光導波路と、
前記２つの信号により前記光導波路を透過する光に生じる位相変化及び損失変化が所定の値となるように前記２つの信号を制御する制御手段と、
を備える光導波路デバイス。 - 前記光導波路を透過する光の強度に対応するモニタ信号を出力するモニタ手段をさらに備え、
前記制御手段は、さらに、前記モニタ信号に基づいて前記２つの信号を制御する、請求項１に記載された光導波路デバイス。 - 入力される第１の光の位相及び損失を制御する第１の信号及び第２の信号がそれぞれ印加される第１の電極及び第２の電極を備える第１の光導波路と、
入力される第２の光の位相及び損失を制御する第４の信号及び第５の信号がそれぞれ印加される第４の電極及び第５の電極を備える第２の光導波路と、
前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の損失変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の損失変化と、前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の位相変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の位相変化と、のいずれか一方が所定の関係となるように前記第１、第２、第４及び第５の信号を生成する制御手段と、
を備える光導波路デバイス。 - 前記制御手段は、前記第１の損失変化及び前記第２の損失変化と、前記第１の位相変化及び前記第２の位相変化と、のいずれか一方が等しくなるように前記第１、第２、第４及び第５の信号を生成する、請求項３に記載された光導波路デバイス。
- 前記第１及び第２の光導波路を透過する光の強度にそれぞれ対応する第３の信号及び第６の信号を出力するモニタ手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１及び第２の損失変化を前記第３の信号及び第６の信号に基づいて制御する、請求項３又は４のいずれかに記載された光導波路デバイス。 - 前記第１及び第２のモニタ手段は、それぞれ前記第１及び第２の光導波路を透過する光を吸収することで前記第３及び第６の信号を発生させる第３の電極及び第６の電極をそれぞれ備える、請求項５に記載された光導波路デバイス。
- 前記制御手段は、
前記第１の信号の電圧及び前記第２の信号の電圧と前記第１の光導波路を透過する光の位相変化及び損失変化との関係を示す第１の特性データを記憶する第１の記憶手段と、
前記第４の信号の電圧及び前記第５の信号の電圧と前記第２の光導波路を透過する光の位相変化及び損失変化との関係を示す第２の特性データを記憶する第２の記憶手段と、
前記第１及び第２の特性データに基づいて、前記第１の損失変化、前記第１の位相変化、
前記第２の損失変化及び前記第２の位相変化を生じさせるように、前記第１、第２、第４及び第５の信号のそれぞれの電圧を算出する演算手段と、を備える、
請求項３乃至６のいずれかに記載された、光導波路デバイス。 - 入力光を第１の光及び第２の光に分岐する分岐手段と、
前記第１の光及び前記第２の光が入力される請求項３乃至７のいずれかに記載の光導波路デバイスと、
前記光導波路デバイスから出力される光を結合して出力する結合手段と、
を備える光干渉計。 - 第１の信号及び第２の信号がそれぞれ印加される第１の電極及び第２の電極を備える第１の光導波路と、第４の信号及び第５の信号がそれぞれ印加される第４の電極及び第５の電極を備える第２の光導波路と、を備える光導波路デバイスに、
前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の損失変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の損失変化と、前記第１及び第２の信号によって前記第１の光導波路を透過する光に生じる第１の位相変化及び前記第４及び第５の信号によって前記第２の光導波路を透過する光に生じる第２の位相変化と、のいずれか一方が所定の関係となるように前記第１、第２、第４及び第５の信号を出力する、
光導波路デバイスの制御回路。 - ２つの電極を備える光導波路にそれぞれ印加する２つの信号によって前記光導波路を透過する光に所定の位相変化及び損失変化が生じるように制御する、光導波路デバイスの制御方法。
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