JPWO2014034074A1 - 光送信回路及び光送信方法 - Google Patents

Abstract

小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能な光送信回路を提供するために、光送信回路は、第１のデータ信号により第１の逆バイアス電圧が変化する第１の半導体電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と、第２のデータ信号により第２の逆バイアス電圧が変化する第２のＥＡ変調器と、第１のＥＡ変調器によって変調される被変調光を第１のＥＡ変調器に入力する第１の光伝送路と、第１のＥＡ変調器の出力に接続され、第１のデータ信号で変調された光信号を伝送する第２の光伝送路と、第２のＥＡ変調器の出力に接続された第３の光伝送路と、を備える。

Description

本発明は光送信回路及び光送信方法に関する。

光通信システムあるいは光インターコネクションにおいて、半導体レーザ直接変調方式のチャーピングおよび信頼性の問題を改善するために、外部変調方式が用いられる。外部変調方式では、半導体レーザとは別の光変調器を用いて変調が行われる。半導体を用いた光変調器としては、印加電圧によって光の吸収波長が長波長側へシフトすることを利用して、光強度変調を行う電界吸収型（electro absorption、以下「ＥＡ」という。）光変調器が知られている。ＥＡ変調器は、バルク半導体にけるフランツ・ケルディッシュ効果や多重量子井戸構造における量子閉じ込めシュタルク効果を利用して、光の吸収率を変化させる。フランツ・ケルディッシュ効果及び量子閉じ込めシュタルク効果とは、いずれも電界の印加により半導体の光の吸収率が変化する現象である。特許文献１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＥＡ変調器について記載している。

また近年、Ｓｉ−ＣＭＯＳ（silicon - complementary metal oxide semiconductor）回路のプロセス技術を用いて光集積回路を作製することにより、高性能かつ安価な光インターコネクト装置を実現することが期待されている。このＳｉ光集積回路においては、製造プロセス整合性、コスト、歩留まりなどの観点から、Ｓｉ導波路とモノリシック集積可能なＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ≦１）を用いたＥＡ変調器が提案されている。Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘはシリコンゲルマニウムとも呼ばれる半導体材料であり、以下「ＳｉＧｅ」と記載する。

例えば非特許文献１には、ＳｉＧｅのフランツ・ケルディッシュ効果を用いたＥＡ変調器が開示されている。Ｓｉ導波路からの光がバット結合によりＳｉＧｅ光吸収層に導かれることで、ＥＡ変調器が実現される。また非特許文献２には、Ｇｅ／ＳｉＧｅ多重量子井戸の量子閉じ込めシュタルク効果を用いたＥＡ変調器が開示されている。これらのＥＡ変調器は比較的長さが短い素子で変調を行うことができ、小型な光送信回路を構成できる。

上述した特許文献１及び非特許文献１、２に記載されたＥＡ変調器は、半導体の光吸収係数の変化を利用して強度変調を行う。このため、ＥＡ変調器の光出力は強度変調されたシングルエンド信号になる。

図１３は、本発明に関連する光伝送システムの構成を示す図である。データ信号列８は、ドライバ回路９によって入力電気信号１０に変換され、ＥＡ変調器２に入力される。光源１から出力された入力光は、ＥＡ変調器２において電気信号１０によって変調される。変調された入力光は、変調光信号５として出力される。変調光信号５は光伝送路６を介して伝送され、受光器７によって電気信号に変換される。ここで、変調の際にＥＡ変調器３は光吸収電流１１を生じさせる。

さらに、本願発明に関連して、特許文献２は、２台のＥＡ変調器を用いて正相及び逆相の光信号（差動光信号）を伝搬させる光送信器の構成を記載している。特許文献３は、入力された差動光信号からデータ信号を再生する構成を記載している。光信号を差動信号として伝送することで、光受信回路からの出力信号を差動電気信号とする必要がある場合にも、受光器におけるシングル−差動変換回路が不要になる。

また、光伝送路には、通信とは無関係の外部からの光（迷光）や他の光伝送路から漏れ出した光（クロストーク光）が入射する場合がある。このような迷光やクロストーク光は、変調光信号の信号対雑音比を悪化させ、伝送品質の低下の原因となる。差動光送信器を用いた伝送方式では、差動光受光器を用いることで、迷光やクロストーク光による伝送品質への影響を低減させることができる。

特許公報第３００９０３７号 特開２００９−０６３８３５号公報 特開２０１０−２１９６５１号公報

Jifeng Liu et al., Waveguide-integrated, ultralow-energy GeSi electro-absorption modulators, Nature Photonics 2, pp.433 - 437 (2008) (Fig.1). Yu-Hsuan Kuo et al., Quantum-Confined Stark Effect in Ge/SiGe Quantum Wells on Si for Optical Modulators, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics 12, pp.1503-1513 (2006) (Fig.1).

図１３で説明した、１台のＥＡ変調器２のみを用いた光送信器（以下、「シングル光送信器」という。）には、光伝送路６において外部から侵入する迷光や近傍の光伝送路からのクロストークノイズ光の影響を受けやすいという課題があった。なぜならば、迷光や近傍の光伝送路からのクロストーク光によるノイズは、そのまま受光器７に入力され、光信号の信号対雑音比の悪化の原因となるからである。特に、複数のＥＡ変調器をアレイ状に集積した構成を備える光送信器においては、光クロストークノイズが問題となりやすい。

また、光送信回路への入力信号が差動電気信号であり、受光器における出力信号も差動電気信号であることが望ましい場合には、光送信器としてシングル光送信器を用いると、受信回路にシングル−差動変換の変換回路が必要になる。このため、受光器においては回路構成が複雑になり受光器が大型化するという課題がある。

一方、２台のＥＡ変調器を用いて差動光信号を送信する差動光送信器では、光源から入力された光を２分岐して２台のＥＡ変調器に入力する必要がある。このため、差動光送信器の光出力は、同一の光源を使用したシングル光送信器の光出力と比較して約２分の１となる。その結果、差動光送信器には、伝送距離がシングル光送信器よりも短くなるという課題がある。

（発明の目的）
本発明の目的は、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能な光送信回路及び光送信方法を提供することにある。

本発明の光送信回路は、第１のデータ信号により逆バイアス電圧が変化する第１の半導体電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と、第２のデータ信号により逆バイアス電圧が変化する第２のＥＡ変調器と、前記第１のＥＡ変調器によって変調される被変調光を前記第１のＥＡ変調器に入力する第１の光伝送路と、前記第１のＥＡ変調器の出力に接続され、前記第１のデータ信号で変調された光信号を伝送する第２の光伝送路と、前記第２のＥＡ変調器の出力に接続された第３の光伝送路と、を備える。

本発明の光送信方法は、第１のデータ信号により第１の半導体電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）の逆バイアス電圧を変化させ、第２のデータ信号により第２のＥＡ変調器の逆バイアス電圧を変化させ、前記第１のＥＡ変調器によって変調される被変調光を第１の光伝送路から前記第１のＥＡ変調器に入力し、前記第１のＥＡ変調器の出力に第２の光伝送路を接続し、前記第２のＥＡ変調器の出力に第３の光伝送路を接続する、ことを特徴とする。

本発明の光送信回路は、簡単な構成で長距離伝送を可能とし、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減できるという効果を奏する。

第１の実施形態の光送信回路の構成を示す図である。 第１の実施形態における最小構成の光送信回路の構成を示す図である。 第２の実施形態の光送信回路の構成を示す図である。 第３の実施形態の光送信回路の構成を示す図である。 第４の実施形態の光送信回路の構成を示す図である。 第５の実施形態の光送信回路の構成を示す図である。 第６の実施形態のＥＡ変調ユニットの平面図である。 第６の実施形態のＥＡ変調ユニットの断面図である。 第７の実施形態の光伝送システムの構成を示す図である。 第８の実施形態の光伝送システムの構成を示す図である。 第９の実施形態の光伝送システムの構成を示す図である。 第１０の実施形態の光送信回路の断面図を示す図である。 本発明に関連する光伝送システムの構成を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の光送信回路の構成を示す図である。光送信回路１００は、光源１、ＥＡ変調器２、ダミーＥＡ変調器３、ドライバ回路４、光伝送路６ａ〜６ｃを備える。光源１は、ＥＡ変調器２で変調される連続光を生成し、生成された連続光を出力する。光源１から出力された連続光は、光伝送路６ａを伝搬し、ＥＡ変調器２に導かれる。一方、図示されないロジック回路等から出力されたデータ信号列８は、ドライバ回路４に入力される。ドライバ回路４は、データ信号列８に対応する差動電気信号１６を生成してＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３に入力する。差動電気信号１６は、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３に印加される逆バイアス電圧を変化させる。ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３に入力される差動電気信号の論理は、互いに逆である。このとき、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３には、差動電気信号１６に加えてさらに直流バイアス電圧が印加されてもよい。また、ドライバ回路４は、差動電気信号１６に直流バイアス電圧を重畳させて出力してもよい。

図１に示されるように、光源１からの連続光は光伝送路６ａによってＥＡ変調器２へのみ入力され、ダミーＥＡ変調器３には光源１からの光は入力されない。従って、差動電気信号１６による光源からの連続光の変調は、ＥＡ変調器２でのみ行われる。そして、変調された変調光信号５は、光伝送路６ｂにのみ出力される。

光伝送路６ｂ及び６ｃは、図示されない受光器と接続されている。従って、ＥＡ変調器２で生成された変調光信号は、光伝送路６ｂによって受光器に向けて伝送される。しかし、ダミーＥＡ変調器３には光源１からの光は入力されないため、受光器は、光伝送路６ｃからは変調光信号５を受信しない。

一方、光伝送路６ｂ、６ｃには、外部からの迷光や他の光伝送路から漏れ出したクロストーク光が入射する場合がある。このような迷光やクロストーク光は、変調光信号の信号対雑音比を悪化させる。

受光器では、ダミーＥＡ変調器３に接続された光伝送路６ｃからは変調光信号５は受信されない。しかし、光伝送路６ｃには、光伝送路６ｂと同様に迷光やクロストーク光が入射する。このため、受光器において、迷光やクロストーク光によるノイズは、光伝送路６ｂ及び６ｃから共通して検出される。従って、光伝送路６ｂ及び６ｃの出力の差分を受光器で検出することで迷光やクロストーク光によるノイズ成分を抑圧し、受光器の受信感度を向上させることができる。

すなわち、ダミーＥＡ変調器３を用いた光送信回路１００は、図１３で説明したシングル光送信器を用いた場合、すなわち受光器において光伝送路６ｃから受信した変調光信号５のみを受信する場合と比較して、受光器の受信感度を向上させることができる。

また、光送信回路１００は、光伝送路６ｂ及び６ｃから出力された光の強度の差分を受光器において検出するため、受光器にシングル−差動変換のための回路を必要としない。

さらに、光送信回路１００は、ダミーＥＡ変調器３には光源からの光を入力する必要がない。従って、差動光送信器と比較して、光送信回路１００では、光源から入力された光をＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３へ２分岐する分岐回路が不要となる。このため、第１の実施形態の光送信回路１００は、差動光送信器と比較して、光送信回路の小型化が可能であるとともにＥＡ変調器１台ごとの光出力が約２倍に上昇する。その結果、光送信回路１００は、差動光送信器と同様に迷光やクロストーク光によるノイズ成分を抑圧することが可能であるという効果を奏する。さらに、光送信回路１００は、小型であり、差動光送信器と比較して約２倍の光出力電力で変調光信号５を送信することで、より長距離伝送が可能となるという効果も奏する。

このように、第１の実施形態の光送信回路１００は、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能という効果を奏する。

ところで、ドライバ回路４から出力される差動電気信号１６をＥＡ変調器２にのみ供給すると、ドライバ回路４において、ＥＡ変調器２側の負荷と、ダミーＥＡ変調器３側の負荷との対称性が失われる。このような場合には、ドライバ回路４の差動回路が適切な条件で動作できなくなる結果、ドライバ回路４で発生する電気的なノイズがドライバ回路４で相殺されなくなる恐れがある。

これに対して、光送信回路１００は、ドライバ回路４から出力される差動電気信号１６を、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３の双方に入力する。このため、光送信回路１００ではドライバ回路４の負荷の対称性が保たれる。その結果、ドライバ回路４の差動動作により、ドライバ回路４のノイズが低減される。

光送信回路１００を実現するにあたっては、光源１、ＥＡ変調器２、ダミーＥＡ変調器３、ドライバ回路４、光伝送路６ａ〜６ｃ等の構成要素の実装形態、集積形態あるいは材料は特に限定されない。例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板やＩｎＰ（インジウム−燐）またはＧａＡｓ（ガリウム−ヒ素）等のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板上にこれらの構成要素を集積することで、光送信回路１００をさらに小型化できる。

光送信回路１００において、光源１はＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３と同一チップ上に集積されていてもよい。あるいは、光送信回路１００は、光源１がチップの外部に設置され、光源１から出力された光が光ファイバやポリマー導波路等を介して、グレーティング結合器やスポットサイズコンバータ等によりチップ上の光伝送路に導入される構造でもよい。

ＥＡ変調器２やダミーＥＡ変調器３をＳＯＩ基板上に形成する場合、Ｓｉ上にエピタキシャル成長させたＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ≦１）が吸収層として用られてもよい。Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ光吸収層における組成比ｘは、入射光波長および駆動方法を鑑みて適宜選択される。例えば、消光比が大きくなるように組成比ｘが決定されてもよい。また、ＳＯＩ基板上に貼り合わせたＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を用いてＥＡ変調器が形成されてもよい。

さらに、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３は、バルク半導体のフランツ・ケルディッシュ効果を用いたＥＡ変調器であってもよいし、多重量子井戸の量子閉じ込めシュタルク効果を用いたＥＡ変調器であってもよい。

図１では、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３のグラウンドは共通である。しかし、ＥＡ変調器の構成はこれに限定されるわけではなく、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３はそれぞれ異なるグラウンドに接続されてもよい。

また、ＥＡ変調器の特性のばらつきにより、消光比もＥＡ変調器ごとにばらつきがある。しかし、ＥＡ変調器２に印加するバイアス電圧を調整することで、最適な消光比を得ることができる。

光伝送路６ａ〜６ｃは、チップ上に形成された光導波路あるいは個別に接続された光ファイバでもよく、あるいはそれらの組み合わせであってもよい。ＳＯＩ基板を用いた場合には、ＳｉをコアとするＳｉ導波路を用いることで、小型の光回路を形成できる。また、光伝送路６ａ〜６ｃは、Ｓｉ_ｙＧｅ_１−ｙ（０≦ｙ≦１）をコアとする導波路であってもよい。この場合、光伝送路６ａ〜６ｃは、バルクＳｉ基板上に形成されてもよい。また、ｙ＞ｘとして、光伝送路６ａ〜６ｃにおけるＳｉ組成比をＥＡ変調器におけるＳｉ組成比よりも大きくすることによって、導波路伝搬損失が少なく、光の伝送効率が高い光送信回路を実現できる。

ドライバ回路４は、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３と同一チップ上に集積されていてもよいし、別チップ上に形成されていてもよい。

また、光送信回路１００は、光伝送路６ｂから出力された変調光信号５の情報（例えば強度や位相）を、ＥＡ変調器２やダミーＥＡ変調器３へのバイアス電圧や、ドライバ回路４の出力電圧にフィードバックする構成を備えていてもよい。このようなフィードバックを行う構成により、光送信回路１００は、変調光信号５の状態に基づいて、差動電気信号１６の電圧やバイアス電圧を動的に制御することができる。

さらに、光送信回路１００を信号伝送部に用いた光通信デバイスを構成することもできる。あるいは、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板上に本発明の光送信回路を形成し、同一基板上にＬＳＩ（large scale integration、大規模集積回路）化された電子回路をモノリシックに集積して、光インターコネクションモジュールを構成することもできる。

なお、以上の光送信回路１００の説明では、ドライバ回路４は、互いに逆相である差動電気信号１６をＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３に入力する。しかしながら、ドライバ回路４からＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３に入力される信号は互いに逆相でなくともよい。この場合、ＥＡ変調器２は、ドライバ回路４から入力された信号に従って被変調光を変調して変調光信号５を生成する。そして、変調光信号５は光伝送路６ｂによって伝送されて受光器で受光される。一方、ドライバ回路４からダミーＥＡ変調器３に入力される信号の内容にかかわらず、ダミーＥＡ変調器３からは変調信号光が光伝送路６ｃへ出力されない。そして、このような場合でも、迷光やクロストーク光によるノイズは光伝送路６ｂ及び６ｃから共通して受光されるため、受光器において差分を検出することで迷光やクロストーク光によるノイズ成分を抑圧し、受光器の受信感度を向上させることができる。

従って、光送信回路１００は、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３に出力される信号が互いに逆相でない場合でも、小型で長距離伝送が可能である。そして、光送信回路１００は、光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能という効果を奏する。

ところで、第１の実施形態の光送信回路１００が奏する効果は、図２に示す光送信回路１０１によっても得られる。図２は、第１の実施形態における最小構成の光送信回路１０１の構成を示す図である。すなわち、光送信回路１０１は、ＥＡ変調器２と、ダミーＥＡ変調器３と、光伝送路６ａ〜６ｃとを備える。ＥＡ変調器２は、差動電気信号１６の一方により駆動される。ダミーＥＡ変調器３は、差動電気信号１６の他方により駆動される。ＥＡ変調器２によって変調される被変調光（連続光）は、光伝送路６ａによってＥＡ変調器２に入力される。光伝送路６ｂは、ＥＡ変調器２の出力に接続され、差動電気信号１６の一方で変調された変調光信号５を伝送する。光伝送路６ｃは、ダミーＥＡ変調器３の出力に接続される。

このような構成を備える光送信器１０１を使用して光信号の伝送を行う場合においても、受光器では迷光やクロストーク光によるノイズは光伝送路６ｂ及び６ｃから共通して検出される。従って、光送信器１０１は、光伝送路６ｂ及び６ｃの出力の差分を受光器で検出することで、迷光やクロストーク光によるノイズ成分を抑圧し、受光器の受信感度を改善させることができる。従って、光送信回路１０１も、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能という効果を奏する。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態の光送信回路２００の構成を示す図である。光送信回路２００は、光源１、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３、光伝送路６ａ〜６ｃ及びドライバ回路９を備える。なお、以下において、図面に記載された既出の要素には同一の参照番号を付して、重複する説明は省略する。

光送信回路２００は、シングルエンド信号である電気信号１０を出力するドライバ回路９を備えるとともに、ＥＡ変調器２とダミーＥＡ変調器３とが直列に接続されている点で、第１の実施形態の光送信回路１００と相違する。

光送信回路２００においては、ＥＡ変調器２の正極（カソード）はバイアス電源Ｖｂに接続され、ダミーＥＡ変調器３の負極（アノード）はグラウンドに接続される。ＥＡ変調器２のアノード及びダミーＥＡ変調器３のカソードは共通電極を介して電気的に接続されている。すなわち、ＥＡ変調器２の共通電極と反対側の電極（カソード）の電位は、バイアス電圧に固定されている。一方、ダミーＥＡ変調器３の共通電極と反対側の電極（アノード）の電位は、グラウンドレベルに固定されている。このため、共通電極にドライバ回路９からの電気信号１０が入力されることで、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３は互いに逆相の電気信号によって駆動される。ここで、ダミーＥＡ変調器３には光源１からの光は入力されない。その結果、電気信号１０によって変調された光信号は、第１の実施形態と同様に、光伝送路６ｂのみから出力される。

このように、光送信回路２００においては、ＥＡ変調器２とダミーＥＡ変調器３とが直列に接続された接続点にシングルエンド信号である電気信号１０が供給されることにより、ＥＡ変調器２とダミーＥＡ変調器３とは電気信号１０によって同時に駆動される。このため、光送信回路２００は、データ信号列８がシングルエンド信号である場合にもシングル−差動変換回路を必要とせず、回路構成が簡略化できるという効果を奏する。

なお、ＥＡ変調器２とダミーＥＡ変調器３とが直列に接続されている点を除いては、光送信回路２００の構成及び基本的な動作は、第１の実施形態の光送信回路１００と同様である。従って、光送信回路２００は、第１の実施形態の光送信回路１００と同様に、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能という効果を奏する。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態の光送信回路３００の構成を示す図である。光送信回路３００は、第１の実施形態で説明した光送信回路１００に加えて、さらにバイアスコントローラ１８を備える。

バイアスコントローラ１８は、ＥＡ変調器２からグラウンドへ流れる光吸収電流１１をモニタする。そして、バイアスコントローラ１８は、モニタした光吸収電流のＯＮ／ＯＦＦ比に基づいてドライバ回路４を制御する。具体的には、バイアスコントローラ１８は、ドライバ回路４が差動電気信号１６に重畳する直流バイアス電圧を、光吸収電流のＯＮ／ＯＦＦ比に基づいて動的に制御する。

ここで、ＥＡ変調器２から出力される光信号の消光比が低下すると光吸収電流１１のＯＮ／ＯＦＦ比も低下する。このため、光送信回路３００は、光吸収電流１１のＯＮ／ＯＦＦ比に基づいて直流バイアス電圧を適切に制御することで、ＥＡ変調器２から出力される光信号の消光比を好ましい状態に維持することができるという効果を奏する。

なお、光送信回路３００において、バイアスコントローラ１８以外の構成及び基本的な動作は、第１の実施形態の光送信回路１００と同様である。従って、光送信回路３００も、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能という第１の実施形態の光送信回路１００と同様の効果を奏する。

また、光送信回路３００では、光信号の消光比をモニタするために、光伝送路６ｂの中途に光分岐部や受光器を設ける必要がない。このため、光送信回路３００は、光伝送路６ｂにモニタ用の受光器を設けた構成と比較して、光伝送路６ｂの構成が単純であるとともに、受光器のための光分岐部による分岐損失が生じないという効果も奏する。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態の光送信回路４００を示す図である。第４の実施形態の光送信回路４００は、第１の実施形態で説明した光送信回路１００に、さらに温度コントローラ１９及び温度調整素子２０を加えて構成される。

光送信回路４００は、ＥＡ変調器２で生じる光吸収電流１１をモニタした信号を温度コントローラ１９に入力し、温度調整素子２０を介してＥＡ変調器２が形成された半導体素子の温度が最適になるように動的に制御する。

半導体素子のバンドギャップは温度変動によって変化するため、温度の変動に伴って光信号の消光比も変動する。ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３の周囲温度が変動する場合にも安定な動作を得るためには、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３の温度が一定に保たれることが望ましい。第４の実施形態の光送信回路４００は、第３の実施形態の光送信回路３００と同様に、光吸収電流１１をモニタする。そして光送信回路４００では、光吸収電流１１から求めた消光比の変化に基づいて、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３の温度が動的に制御される。温度調整素子２０としては、例えばペルチェ素子が用いられる。その結果、光送信回路４００は、周囲温度が変動した場合でも常に最適な消光比を得ることができるという効果を奏する。

なお、光送信回路４００において、温度コントローラ１９及び温度調整素子２０以外の部分の構成及び基本的な動作は、第１の実施形態の光送信回路１００と同様である。従って、光送信回路４００も、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能という第１の実施形態の光送信回路１００と同様の効果を奏する。

（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５の実施形態の光送信回路５００の構成を示す図である。第５の実施形態の光送信回路５００は、第１の実施形態で説明した光送信回路１００に、さらに出力コントローラ２２を加えて構成される。光送信回路５００のそれ以外の構成及び基本的な動作は、第１の実施形態の光送信回路１００と同様である。従って、光送信回路５００は、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能という第１の実施形態の光送信回路１００と同様の効果を奏する。

光送信回路５００は、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３から生じる光吸収電流１１をモニタし、モニタ信号を出力コントローラ２２に入力する。出力コントローラ２２はモニタした光吸収電流１１に基づいて光源１から出力される光パワーを動的に制御する。

ＥＡ変調器２から出力される光吸収電流１１の強度は、ＥＡ変調器２を通過する光の強度の増加とともに増大する。このため、出力コントローラ２２は、受光器において正常に信号の１／０判定を行うために必要なしきい値以上の光パワーが送信されるように、光源１の光強度に対するフィードバック制御を行うことができる。また、出力コントローラ２２は、必要以上の光パワーを光源１が出力することを防ぐこともできる。その結果、第５の実施形態の光送信回路５００は、第１の実施形態の光送信回路１００の効果に加えて、信号の受信に必要かつ充分な光パワーを供給することで、光源の消費電力を抑えることができるという効果を奏する。

なお、信号の正常な受信に必要となる変調光信号５の光パワーの値及びその際の光吸収電流１１の大きさは、光送信回路５００に設けられた記録領域に、あらかじめ保持されていてもよい。また、光送信回路５００は、対向する受光器から受信状態に関する通知を受信し、その通知内容に基づいて光源１のパワーを制御してもよい。受信状態に関する通知としては、例えばエラーの発生状況、信号対雑音比、あるいは必要な送信電力があるが、これらには限定されない。

（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６の実施形態のＥＡ変調ユニット６００の平面図である。ＥＡ変調ユニット６００は、図１、図４〜図６で説明した光送信回路１００、３００〜５００の光伝送路６ａ〜６ｃ、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３を含んで構成される。

図７において、図示されない光源１からの入力光は光伝送路６ａ中を伝搬し、ＥＡ変調器２のｎ電極２４の下部に入力される。入力光はＥＡ変調器２により変調され、変調光信号５が生成される。図７において、光伝送路６ａ〜６ｃはＳｉリブ導波路である。

図８は、ＥＡ変調ユニット６００の断面図である。ＥＡ変調器２は、ｎ^＋−Ｇｅ２５、ｉ−Ｇｅ２６、ｐ^＋−Ｓｉ２７、ｐ−Ｓｉ２８の半導体積層構造を有し、ｎ^＋−Ｇｅ２５と接続されたｎ電極２４、ｐ^＋−Ｓｉ２７と接続されたｐ電極２３を備える。ダミーＥＡ変調器３の構成も、ＥＡ変調器２と同様である。

光吸収層であるｉ−Ｇｅ２６はＳｉリブ導波路３１上に形成され、エバネッセント結合により、Ｓｉリブ導波路３１中を伝搬する光の一部がｉ−Ｇｅ２６に移動する。また、Ｓｉ基板３０上に形成された埋め込み酸化層２９は、Ｓｉリブ導波路３１の下部にありクラッドとして機能する。図８には２個のＥＡ変調器（ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３）の中央のｐ電極２３が共通化されたＥＡ変調ユニット６００が示されている。しかし、ｐ電極は、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３にそれぞれ独立して形成されてもよい。

また、ここでは、Ｇｅを吸収層に用いたデバイス構造が示されているが、本発明の差動ＥＡ変調器を形成するにあたって、材料は特に限定されるものではない。ＥＡ変調器のデバイス構造についても、図８では縦型のＰＩＮ（P-Intrinsic-N）構造の例が示されているが、ＥＡ変調器の構造は横型のＰＩＮ構造であってもよい。光伝送路６ｂとＥＡ変調器２、及び光伝送路６ｃとダミーＥＡ変調器３の結合構造についても限定されるものではなく、例えばバットジョイント（突き合わせによる結合）であってもよい。

（第７の実施形態）
図９は、本発明の第７の実施形態の光伝送システム７００の構成を示す図である。第７の実施形態の光伝送システム７００は、第１の実施形態の光送信回路１００と、差動受光器３２とを備える。差動受光器３２は、２本の光伝送路６ｂ、６ｃの終端に設置される。差動受光器３２によって、光伝送路６ｂ、６ｃから出力される光信号は差動電気信号に変換される。ここで、光伝送路６ｂからは変調光信号５に加えて迷光や光クロストークによるノイズが出力される。一方、光伝送路６ｃからは迷光や光クロストークによるノイズのみが出力される。そして、差動受光器３２は、迷光や光クロストークによるノイズの同相成分を除去する。

光伝送システム７００は、差動受光器３２を備えるため、電気信号のシングル−差動変換を行う必要がなく、設計及び小型化が容易である。さらに、光伝送システム７００は、差動受光器３２によって、光伝送路６ｂ、６ｃに共通して漏れ込む迷光や光クロストークによるノイズの同相成分が除去されるため、受信感度が向上するという効果も奏する。

すなわち、光伝送システム７００は、第１の実施形態の光送信回路１００と同様に、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能であるという効果を奏する。

さらに、光伝送システム７００においては、光伝送路６ｂ、６ｃとして長距離光ファイバを用いることで、差動受光器３２が遠地に配置された長距離光伝送システムを実現することも可能である。

一方、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３と差動受光器３２とは、同一基板上に形成されてもよい。このような構成の光伝送システム７００は、ドライバ回路４と差動受光器３２との間が電気的に絶縁された光インターコネクションモジュールとして利用される。

差動受光器３２は、内部に２個の受光器を備える。これらの受光器は、以下の第８及び第９の実施形態で説明されるように、電気的に並列に接続されていてもよいし、直列に配置されていてもよい。また、差動受光器３２をＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３と同一基板上に形成する場合には、差動受光器３２を、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３と同じ半導体材料を用いて形成することで、製造プロセスの簡略化が可能である。

（第８の実施形態）
図１０は、本発明の第８の実施形態である光伝送システム８００の構成を示す。光伝送システム８００は、第７の実施形態の光伝送システム７００の差動受光器３２として並列差動受光器３３を備え、さらに、差動型トランスインピーダンスアンプ（transimpedance amplifier、以下「ＴＩＡ」という。）回路３４及び出力バッファ３９を備える。

光伝送システム８００では、２個の受光器が並列に配置された並列差動受光器３３によって差動光信号が差動電気信号に変換される。そして、後段に接続された差動型ＴＩＡ回路３４によって、並列差動受光器３３から入力された電流信号が電圧信号に変換されて増幅される。差動型ＴＩＡ回路３４は、電源３５、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ３６、定電流源３７、負帰還抵抗３８を備える。差動型ＴＩＡ回路３４から出力された信号は、出力バッファ３９を介して後段のロジック回路等に出力される。

このような構成を備える光伝送システム８００も、第７の実施形態の光伝送システム７００と同様の作用により、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能である。

差動型ＴＩＡ回路３４は、並列差動受光器３３と同一基板上にモノリシック集積されてもよい。あるいは、差動型ＴＩＡ回路３４を搭載した基板と並列差動受光器３３を搭載した基板とが別々に作製され、フリップチップ実装やＳｉ貫通ビアにより、差動型ＴＩＡ回路３４及び並列差動受光器３３が積層されてもよい。この場合、差動型ＴＩＡ回路３４はドライバ回路１５と同一のチップに形成されていてもよい。また、光源１、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３、並列差動受光器３３、差動型ＴＩＡ回路３４、ドライバ回路１５を複数集積することで、多チャンネル伝送が可能な光伝送システムを実現することもできる。

なお、図１０には差動増幅器を用いた回路の具体例が示されている。しかし、差動受光器からの信号を増幅する回路はこれに限定されるわけではなく、適宜最適な回路構成により差動信号増幅を行うことができる。

（第９の実施形態）
図１１は、本発明の第９の実施形態の光伝送システム９００を示す。光伝送システム９００の、第８の実施形態の光伝送システム８００との違いは、２個の受光器が直列に接続された直列差動受光器４０によって差動光信号が電気信号に変換され、後段のインバータ型ＴＩＡ回路４３によって信号増幅が行われる点である。

このような構成を備える光伝送システム９００も、第７及び第８の実施形態の光伝送システム７００、８００と同様の作用により、小型で長距離伝送が可能であり、かつ光伝送路における迷光や光クロストークノイズを低減することが可能である。

インバータ型ＴＩＡ回路４３からの信号は、参照電圧４１を用いて差動増幅回路４２により、差動信号に変換される。インバータを用いることで、大きなトランスインピーダンスゲインが得られるので、小型のＴＩＡ回路が実現される。また、直列差動受光器４０と同一の構造であるが光信号は入力されないダミーの直列差動受光器を用いて参照電圧を決定することもできる。

また、インバータとしてＣＭＯＳインバータを用いたインバータ型ＴＩＡ回路においては、インバータしきい値を中心とした入力信号振幅が得られない場合、リニアリティおよびゲインが悪化する。このため、立上り／立下り波形が非対称となりアイパターンに歪みが生じる場合がある。その結果、１個のＥＡ変調器と１個の受光器を用いるシングルエンド伝送を行う場合には、最小受信感度が劣化する場合があった。

第９の実施形態においては、直列差動受光器４０を用いているため、インバータ型ＴＩＡ回路には正相及び逆相の電流が入力され、インバータしきい値を中心とした入力振幅が得られる。その結果、インバータ型ＴＩＡ回路４３は、シングルエンド伝送と比較して、リニアリティおよびゲインが改善されるとともに、対称な立上り／立下り波形が得られるためにアイパターンの歪みが解消されるという効果を奏する。

（第１０の実施形態）
図１２は、本発明の第１０の実施形態の光伝送モジュール１０００の断面図を示す図である。図１２は、図９で説明した第７の実施形態の光伝送システム７００において、ＥＡ変調器２及びダミーＥＡ変調器３並びに差動受光器３２を同一半導体基板上に集積した場合の、入力光の経路に沿ったデバイス構造の断面を示す。入力光は、同一基板上に形成された差動受光器によって電気信号に変換される。

ＥＡ変調器２と受光器３２とは同一のデバイス構造で構成できるため、共通のプロセスで一括して容易に作製できる。図１２には図示されていないダミーＥＡ変調器３も、ＥＡ変調器２と同様のプロセスで作成されてもよい。また、同一の吸収層材料を用いても、ＥＡ変調器２と受光器３２に印加するバイアス電圧をそれぞれ最適化することで、ＥＡ変調器の消光比を大きくするとともに、受光器３２の吸収長を短くすることができる。例えばＳｉＧｅを吸収層として一括形成する際に、ＥＡ変調器と受光器の材料組成比や歪みなどを制御することで、高効率な光回路を形成することが可能である。

以上、第１〜第１０の実施形態を用い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るものではない。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。

例えば、図４〜図６で説明した光吸収電流を用いてフィードバックを行う構成を複数組み合わせた光送信回路も実現可能である。また、図４〜図６で説明した構成を図９〜図１１で説明した光通信システムに適用することも可能である。

この出願は、２０１２年８月２９日に出願された日本出願特願２０１２−１８８８３４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 光源
２ ＥＡ変調器
３ ダミーＥＡ変調器
４、９ ドライバ回路
５ 変調光信号
６、６ａ〜６ｃ 光伝送路
７ 受光器
８ データ信号列
１０ 電気信号
１１ 光吸収電流
１６ 差動電気信号
１８ バイアスコントローラ
１９ 温度コントローラ
２０ 温度調整素子
２３ ｐ電極
２４ ｎ電極
２５ ｎ^＋−Ｇｅ
２６ ｉ−Ｇｅ
２７ ｐ^＋−Ｓｉ
２８ ｐ−Ｓｉ
２９ 埋め込み酸化層
３０ Ｓｉ基板
３１ Ｓｉリブ導波路
３２ 差動受光器
３３ 並列差動受光器
３４ 差動型ＴＩＡ回路
３５ 電源
３６ Ｎ型ＭＯＳトランジスタ
３７ 定電流源
３８ 負帰還抵抗
３９ 出力バッファ
４０ 直列差動受光器
４１ 参照電圧
４２ 差動増幅回路
４３ インバータ型ＴＩＡ回路
１００、１０１、２００、３００、４００、５００ 光送信回路
６００ ＥＡ変調ユニット
７００、８００、９００ 光伝送システム
１０００ 光伝送モジュール

Claims (8)

1. 第１のデータ信号により第１の逆バイアス電圧が変化する第１の半導体電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と、
   第２のデータ信号により第２の逆バイアス電圧が変化する第２のＥＡ変調器と、
   前記第１のＥＡ変調器によって変調される被変調光を前記第１のＥＡ変調器に入力する第１の光伝送路と、
   前記第１のＥＡ変調器の出力に接続され、前記第１のデータ信号で変調された光信号を伝送する第２の光伝送路と、
   前記第２のＥＡ変調器の出力に接続された第３の光伝送路と、
   を備える光送信回路。
2. 前記第２のデータ信号が前記第１のデータ信号の逆相の信号であることを特徴とする、請求項１に記載された光送信回路。
3. 前記第１及び第２のＥＡ変調器が直列に接続され、
   前記第１及び第２のデータ信号は、前記第１及び第２のＥＡ変調器の接続点に入力された第３のデータ信号が、それぞれ前記第１及び第２のＥＡ変調器の方向に分岐された信号であることを特徴とする、請求項１又は２に記載された光送信回路。
4. 前記第１及び第２のＥＡ変調器の光吸収電流に基づいて、前記第１及び第２の逆バイアス電圧、前記第１及び第２のＥＡ変調器の温度、並びに、前記被変調光の光電力、の少なくとも１つを制御する制御部をさらに備える、請求項１乃至３のいずれかに記載された光送信回路。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された光送信回路と、
   前記第２及び第３の光伝送路から出力される光信号の振幅の差分を電気信号に変換する差動受光器と、
   を備える光伝送システム。
6. 前記第１及び第２のＥＡ変調器並びに前記差動受光器が同一基板上にそれぞれ複数個形成された、請求項５に記載された光伝送システム。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載された光送信回路と、
   前記光送信回路に前記被変調光を供給する光源と、
   前記第２及び第３の光伝送路から出力される光信号の振幅の差分を電気信号に変換する差動受光器と、
   前記差動受光器から出力される前記電気信号を増幅するトランスインピーダンスアンプ回路と、
   が同一の基板上に形成されている、光伝送システム。
8. 第１のデータ信号により第１の半導体電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）の逆バイアス電圧を変化させ、
   第２のデータ信号により第２のＥＡ変調器の逆バイアス電圧を変化させ、
   前記第１のＥＡ変調器によって変調される被変調光を第１の光伝送路から前記第１のＥＡ変調器に入力し、
   前記第１のＥＡ変調器の出力に第２の光伝送路を接続し、
   前記第２のＥＡ変調器の出力に第３の光伝送路を接続する、
   ことを特徴とする、光送信方法。

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