WO2018174083A1 - Ｉｑ光変調器 - Google Patents

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optical waveguide
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義弘 小木曽
常祐 尾崎
悠太 上田
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to optical modulation, and more particularly to an IQ optical modulator capable of operating at a high speed and a wide wavelength band.
  • MZM Mach-Zehnder interference type
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a typical polarization multiplexing type IQ optical modulator that is now widely used in communication networks.
  • the polarization multiplexing type IQ optical modulator shown in FIG. 1 has a configuration in which an electrode for phase modulation is provided in the optical waveguide structure shown in FIG.
  • the optical waveguide structure is configured by an MZM (Quad-Parallel MZM) having a structure in which two MZMs each having a so-called nested structure in which each arm of the parent MZM 57 is configured by a child MZM 56 are arranged in parallel.
  • MZM Quad-Parallel MZM
  • the child MZM 56 is provided with a traveling wave type electrode 62 to which an RF signal for modulating an optical signal propagating in the optical waveguide is inputted, and a DC electrode 63 to which a DC voltage for phase adjustment is inputted.
  • a DC electrode 64 to which a DC voltage for phase adjustment is input is also provided at a subsequent stage of the child MZM 56 of each arm of the parent MZM 57.
  • Such a polarization multiplexing type IQ optical modulator generates an electro-optic effect by inputting an RF signal to a modulation electrode provided along a child MZM 56 of an optical waveguide made of a dielectric material such as LiNbO 3.
  • the polarization multiplexing type IQ optical modulator is one of the IQ optical modulators, but the optical signal used as the IQ optical modulator is not limited to two polarization optical signals, and a single polarization optical signal is used. Things are also known. In the case of single polarization, one MZM with a nested structure is formed.
  • the optical input / output and the optical waveguide provided with the modulation electrode are all formed in the same direction, and the high-frequency line for inputting (outputting) the RF signal is the optical input / output direction.
  • a configuration is adopted in which power is externally fed from the orthogonal direction, and is bent approximately 90 degrees in the lead-out line and fed to the modulation region. This is because LiNbO3 constituting the optical waveguide is weak in light confinement, and therefore, when the optical input and the high-frequency line are orthogonal, it is selected to bend the high-frequency extraction line rather than bend the optical waveguide. .
  • optical transmitters such as optical modulators are required to have both higher capacity (“higher speed”), “low power consumption” and downsizing, as shown in Non-Patent Document 1.
  • Standardization activities are also active for the next 400G system.
  • semiconductor materials such as InP have attracted attention from the viewpoint of miniaturization and speedup in place of LiNbO3.
  • a traveling wave type electrode distributed constant circuit as shown in FIG. 1 is generally used.
  • a traveling wave type electrode in order to improve (speed up) the modulation speed, mainly (1) characteristic impedance matching, (2) speed matching between light wave and microwave, (3) resistance of traveling wave line itself ( Loss) needs to be optimized.
  • the increase in resistance of (3) is considered as a main factor for degrading the modulation band, and reduction of these losses is required.
  • the loss (resistance) of the line itself is mainly divided into resistance caused by the semiconductor material constituting the dopant layer of the waveguide pattern portion and resistance of the metal electrode wiring itself.
  • the first is (i) maximizing the electro-optic effect.
  • the second is (ii) adopting a modulation drive system with high energy efficiency.
  • Regarding the maximum use of the electro-optic effect of (i) it is conceivable to strengthen the optical confinement (increase the electric field density) and optimize the energy band structure. It has been advanced. However, these optimizations require sophisticated manufacturing equipment and have been studied for many years, so the amount of power reduction can be said to be close to the limit.
  • Non-Patent Document 2 As in FIG. 1, the input / output direction of light and the waveguide stripe (stretching) direction of the modulation region are the same, and a high-frequency input signal is fed from the side surface of the modulation element.
  • a configuration is adopted in which power is supplied to the modulation region by bending at an angle of approximately 90 degrees above.
  • the main problem of this configuration is that a differential signal propagates the above-described bending, causing a skew that is a propagation length shift between the differential lines, thereby generating an in-phase signal component.
  • Non-Patent Document 2 and FIG. 1 has a problem in realizing a higher frequency (high speed) modulation operation by differential driving.
  • FIG. 3 there is an optical modulator configured as shown in FIG. This configuration employs a structure in which the optical input is bent by 90 degrees by configuring the optical waveguide with a semiconductor substrate, thereby enabling transmission of the RF signal input without bending.
  • the configuration of FIG. 3 also has some problems in terms of the electrical loss of the modulator described above.
  • the high-frequency transmission line is formed almost linearly, the length of the RF lead-out line 65 required to feed electricity to the modulation region is required to be at least 1.5 mm. In this transmission line having a long millimeter order, the RF propagation loss cannot be ignored when driving at the high baud rate described above, so that the modulation band is greatly deteriorated.
  • the line length becomes longer is that the length of the optical demultiplexer itself and the area of the length of the bending waveguide are required as an optical circuit.
  • the bend radius is about 150 to 300 ⁇ m, but one optical waveguide is branched, and the distance between the waveguides to a desired channel distance, which is usually several hundred ⁇ m to 1 mm.
  • a circuit area of approximately 500 ⁇ m or more is required in the longitudinal direction between the channels including the MMI optical coupler and the S-shaped waveguide.
  • the polarization multiplexing type IQ optical modulator at least three optical demultiplexers are integrated in series, so how to reduce the area and shorten the RF lead line length realizes high speed. It becomes a problem above.
  • optical modulation circuit design it is necessary to pay attention mainly to (1) optical circuit isometric design, (2) channel-to-channel (electrical) skew, (3) high-frequency line length, and (4) chip area. .
  • the present inventors have examined a configuration to be adopted based on these viewpoints. First, as described above, since the 90 degree bend line is included in the RF lead line as described above, the skew between the differential lines is generated and the length of the RF lead line between the channels is different. There is concern about channel dependence of modulation characteristics. Therefore, this configuration in which the RF line must be bent cannot be adopted.
  • FIG. 3 is a method having the highest compatibility with the configuration of FIG. 1 as a method of feeding an input signal linearly without bending the RF line.
  • this configuration satisfies the requirements of (1) optical circuit isometric design and (2) channel-to-channel skew, the area of the optical multiplexer / demultiplexer including the S-shaped waveguide is increased. (4) Chip area In addition to the increase, this also leads to unnecessary (3) lengthening of the high-frequency line length, so this configuration cannot be employed.
  • the present inventors paid attention to the optical demultiplexer on the input side in order to perform the shortest design of the RF lead line length. That is, the fact that the duplexer is formed in the same direction as the stripe direction of the optical waveguide constituting the child MZM in which the modulation part is formed, as shown in FIG. 3, the RF lead line length becomes unnecessarily long. I thought that it might cause. Therefore, it is considered that the length of the RF extraction line can be suppressed by forming all of these optical demultiplexers perpendicularly to the waveguide stripe direction of the modulation section. However, as can be seen from FIG.
  • An object of the present invention is to provide an IQ optical modulator capable of operating at a high speed and a wide wavelength band.
  • the invention described in one embodiment is provided in each of a parent Mach-Zehnder type (MZM) optical waveguide and two arms constituting the parent MZM optical waveguide.
  • the first and second electrodes are connected to the two electrode lines, respectively, and an RF extraction line for inputting the modulation signal to be applied to the two electrode lines, and two arms of the parent MZM optical waveguide.
  • First light A stripe direction of the RF extraction line, and a stripe direction of the second optical demultiplexer with respect to a stripe direction of the child MZM optical waveguide provided with the two electrode lines,
  • the IQ optical modulator is characterized in that the stripe direction of the first optical multiplexer is the same and the stripe direction of the first optical demultiplexer is orthogonal.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of the polarization multiplexing type IQ optical modulator of the present embodiment
  • FIG. 7 is a diagram showing an extracted configuration of the optical waveguide portion of the polarization multiplexing type IQ optical modulator of FIG. It is.
  • the polarization multiplexing type IQ optical modulator 1 of the present embodiment includes an RF extraction line 21, a phase modulation electrode line 22, a phase adjustment first electrode 23, and a phase adjustment on an optical waveguide 10.
  • the second electrode 24 is configured.
  • the optical waveguide 10 includes an XY polarization separating optical demultiplexer 11 that separates an input optical signal into an X polarization and a Y polarization, and outputs each separately, an optical waveguide through which the X polarization propagates, and Y
  • a first optical demultiplexer 12 (12a, 12b) is provided in each of the optical waveguides through which the polarization propagates, and further divides these polarizations into two.
  • the second optical demultiplexer 13 (13a, 13b, 13c, 13d) branching into two and the demultiplexers 12, 13 are conversely combined with light propagating through two adjacent optical waveguides.
  • the first multiplexer 14 (14a, 14b, 14c, 14d) and the second multiplexer for further multiplexing the light propagating through the adjacent optical waveguides combined by the first multiplexer 14. 15 (15a, 15b).
  • a region sandwiched between the second optical demultiplexer 13 and the first optical multiplexer 14 is a child MZM (Mach-Zehnder interference type) optical waveguide 31.
  • MZM Machine-Zehnder interference type
  • the optical waveguide 10 can be formed, for example, in an InP-based compound semiconductor having a bending radius of approximately 200 ⁇ m.
  • the optical waveguide 10 may be provided on a substrate using another material exhibiting an electro-optic effect such as GaAs, Si, LiNbO 3 or the like.
  • the electrode configuration of the phase modulation electrode line 22 may be a distributed constant traveling wave electrode such as a coplanar strip line.
  • the traveling wave electrode can use a capacitively loaded electrode structure (see, for example, Patent Document 2) in order to realize a higher-speed modulation operation.
  • it is important to use a differential signal and it does not matter whether the differential signals are differentially coupled to each other.
  • a coplanar line such as GSG may be used.
  • the electrode line 22 and the RF lead-out line 21 connected to the electrode line 22 are configured by a differential coupling line (coupled differential line) so that a differential signal can be applied. .
  • the stripe (stretching) direction of the RF lead-out line 21 connected to the electrode line 22 for phase modulation is optical
  • the stripe direction of the first optical demultiplexer 12 is perpendicular to the stripe direction of the child MZM optical waveguide 31
  • the third The stripe direction of the second optical demultiplexer 13 and the stripe direction of the first optical multiplexer 14 are configured to be the same as the stripe direction of the child MZM optical waveguide 31.
  • a signal line that outputs an RF signal is also provided on the opposite side of the electrode line 22 from the RF lead line 21.
  • the configuration is arbitrary as long as the signal can be output to the outside. Is omitted.
  • the stripe direction of the RF lead-out line 21 and the stripe direction of the phase modulation electrode line 22 must be the same as shown in FIG. It is desirable to form it linearly.
  • “Linear” and “same direction” do not require geometrically strict straight line / identity, but require straight line / identity for the input high frequency signal (microwave) wavelength. Means. Therefore, for example, even if a slight bending (approximately 30 degrees or less bending angle) waveguide is added to the RF lead-out line 21, it may be in a range where the influence of the skew between the differential lines can be ignored as viewed from the microwave. .
  • the stripe direction of the second optical demultiplexer 13 and the stripe direction of the first optical multiplexer 14 are the same as the stripe direction of the child MZM optical waveguide 31
  • the waveguide arm length becomes longer than necessary for the optical modulation, which is caused by a manufacturing process or a long-term external environment variation. This is because the modulation characteristics deteriorate. For example, there is a concern that a higher-order propagation mode is likely to be induced and the unbalance between arms is lost.
  • the child MZM optical waveguide 31 and the front and rear optical demultiplexers 13 and 14 are formed in the same stripe direction, the child MZM 31 with a narrow arm interval is formed. Since the optical demultiplexer 13 and the optical multiplexer 14 can be manufactured in a small size, an increase in the length of the RF lead-out line can be suppressed.
  • the stripe direction of the first optical demultiplexer 12 is changed to the stripe direction of the child MZM optical waveguide 31.
  • the second optical multiplexer 15 is formed perpendicular to the stripe direction of the second MUXM optical waveguide 31 as shown in FIGS.
  • Equal length can be realized in a small size.
  • a delay optical circuit 35 or the like is provided in the parent MZM optical waveguide 32 to make the MZ arm length of the parent MZM 32 equal, so that the RF lead line 21 is not lengthened.
  • the stripe direction of the second optical multiplexer 15 can be formed to be the same as the stripe direction of the child MZM optical waveguide 31. However, from the viewpoint of the chip area and the like, it is desirable to form the stripe direction of the second optical multiplexer 15 perpendicular to the stripe direction of the child MZM optical waveguide 31 as shown in FIGS.
  • the XY polarization separating optical demultiplexer 11 provided at the light input end is not limited in the stripe direction, and may be formed in any direction according to the circuit configuration of the entire polarization multiplexing type IQ optical modulator 1.
  • the length of the RF lead-out line 21 is not affected, and the influence on the equalization of light, interference conditions, and the like is small.
  • light may be input from the end face along the short direction of the element.
  • the light output may be performed from the side surface along the longitudinal direction of the element as shown in FIG. 9 without outputting light from the end face along the lateral direction of the element. Good.
  • the utility of the present invention is not lost even if a single polarization only IQ modulator configuration in which two are integrated in parallel is adopted.
  • the arrangement of a plurality of optical multiplexers / demultiplexers provided in multiple stages is optimized, and in addition, the input direction of the high-frequency signal and the waveguide direction of the optical modulation region are matched. By doing so, the differential input signal can be fed to the modulation electrode with low loss and low skew, and thus the modulation speed can be increased.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration example in which the polarization multiplexing type IQ optical modulator 1 and the differential output driver amplifier 2 of this embodiment are directly connected and integrated.
  • the polarization multiplexing type IQ optical modulator 1 of the present embodiment includes a differential output driver amplifier 2 for inputting a differential signal for driving the modulator integrated in an integrated package.
  • a differential output driver amplifier 2 for inputting a differential signal for driving the modulator integrated in an integrated package.
  • There are two main advantages of integrating the differential output driver amplifier with the optical modulator in an integrated package For one thing, high frequency wiring can be shortened. This is because wiring between packages can be deleted, and a great improvement in line loss can be expected.
  • the characteristic impedance on the driver output side can be specified arbitrarily. Since the interface between the packages normally requires a differential 100 ⁇ (single 50 ⁇ ) RF connector, the characteristic impedance of the driver output must be set to 100 ⁇ differential. On the other hand, when the differential output driver amplifier is integrated with the modulator, the driver can be designed in accordance with the characteristic impedance of the modulator because no interface connector is provided. Normally, when the optical modulator has a wider bandwidth, the characteristic impedance is lower than the differential 100 ⁇ , so that it is a great merit that the characteristic impedance on the driver output side can be matched with the reduced characteristic impedance.
  • the termination resistor may be omitted. This can be expected to further improve energy efficiency (lower power consumption).
  • the termination resistor can be omitted only in the case of being integrated with the modulator. This means that it has no resistance to electrical reflection from the heavy IQ optical modulator 1 side.
  • the RF lead-out line 21 can be configured to a minimum, and therefore the polarization multiplexing type IQ optical modulator 1 and the differential output driver amplifier 2.

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Abstract

高速・広波長帯域動作可能な偏波多重型ＩＱ光変調器を提供すること。親となるマッハ・ツェンダー型（ＭＺＭ）光導波路と、前記親のＭＺＭ光導波路を構成する２つのアームそれぞれに設けられた子となるＭＺＭ光導波路と、前記子のＭＺＭ光導波路を構成する２つのアームに沿ってそれぞれ設けられ、変調信号が印加されることによりＭＺＭを伝搬する光信号を位相変調する２つの電極線路と、前記２つの電極線路にそれぞれ接続され、前記２つの電極線路に対し印加する前記変調信号を入力するためのＲＦ引出線路と、前記親のＭＺＭ光導波路の２つのアームに光を分波する第１の光分波器と、前記子のＭＺＭ光導波路の２つのアームに光を分波する第２の光分波器と、前記子のＭＺＭ光導波路の２つのアームからの光を合波する第１の光合波器とを備え、前記２つの電極線路が設けられた前記子のＭＺＭ光導波路のストライプ方向に対して、前記ＲＦ引出線路のストライプ方向と、前記第２の光分波器のストライプ方向と、前記第１の光合波器のストライプ方向とが同一であり、かつ前記第１の光分波器のストライプ方向は直交関係であることを特徴とするＩＱ光変調器。

Description

ＩＱ光変調器
　本発明は光変調に関し、より詳しくは高速かつ広波長帯域動作可能なＩＱ光変調器に関する。
　光通信システムの大容量化に伴い、高度な光変調方式に対応した高速光変調器が求められている。特にデジタルコヒーレント技術を用いた多値光変調器は１００Ｇｂｐｓを超える大容量トランシーバ実現に大きな役割を果たしている。これら多値光変調器では光の振幅及び位相にそれぞれ独立の信号を付加させるべく、マッハ・ツェンダー干渉型（以下ＭＺＭ）のゼロチャープ駆動が可能な光変調器が並列多段に内蔵されている。
　図１は現在通信網への普及が進んでいる代表的な偏波多重型のＩＱ光変調器の概略構成図である。図１に示す偏波多重型のＩＱ光変調器は、図２に示す光導波路構造に位相変調用の電極が設けられた構成となっている。図２に示すように光導波路構造は、親ＭＺＭ５７の各アームそれぞれが子ＭＺＭ５６で構成されたいわゆる入れ子構造のＭＺＭが２つ並列した構造のＭＺＭ（Ｑｕａｄ－ｐａｒａｌｌｅｌ　ＭＺＭ）で構成されている。子ＭＺＭ５６には光導波路内を伝搬する光信号に変調動作を行うためのＲＦ信号が入力される進行波型電極６２と位相調整用のＤＣ電圧が入力されるＤＣ電極６３とが設けられており、親ＭＺＭ５７の各アームの子ＭＺＭ５６の後段部位にも位相調整用のＤＣ電圧が入力されるＤＣ電極６４が設けられている。かかる偏波多重型のＩＱ光変調器は、ＬｉＮｂＯ３などの誘電体材料で構成された光導波路の子ＭＺＭ５６に沿って設けられた変調電極にＲＦ信号を入力することにより、電気光学効果を生じさせて子ＭＺＭ５６の光導波路内を伝搬する２つの偏波光信号に位相変調を施している。また、偏波多重型のＩＱ光変調器はＩＱ光変調器の一つであるが、ＩＱ光変調器としては用いる光信号が２つの偏波光信号に限らず、単一の偏波光信号を用いたものも知られている。単一偏波の場合は、入れ子構造のＭＺＭが１つで構成される。
　これまで報告されたＩＱ光変調器の多くは、光入出力及び変調電極が設けられた光導波路は全て同一方向に形成され、ＲＦ信号を入力（出力）する高周波線路は光入出力方向とは直交する方向から外部給電され、引出線路内で大よそ９０度の曲げが加えられて変調領域へと給電される構成を採用する。これは、光導波路を構成するＬｉＮｂＯ３は光の閉じ込めが弱いために、光入力と高周波線路とを直交させる場合に、光導波路を曲げるというよりも高周波引き出し線路を曲げることが選択されるからである。
　光変調器をはじめとした光送信器は今後、更なる大容量化（「高速化」）と「低消費電力化」及び小型化の両立が求められており、非特許文献１に示すように、次期４００Ｇシステムに向けて標準化活動も活発化している。特に近年はＬｉＮｂＯ３に代わって小型・高速化の観点でＩｎＰをはじめとした半導体材料が注目を集めている。
　近年高速化された半導体ＭＺＭでは、図１に示すような進行波型電極（分布定数回路）を用いるのが一般的である。このような進行波型電極において、変調速度を向上（高速化）させるためには主として（１）特性インピーダンス整合、（２）光波とマイクロ波の速度整合、（３）進行波線路自体の抵抗（損失）を最適化する必要がある。ここで、５０ギガボーレートを超えるような現在の変調方式においては、（３）の抵抗増大が変調帯域を劣化させる主要因として考えられており、これらの損失低減が求められている。線路自体の損失（抵抗）は主として導波路パターン部分のドーパント層を構成する半導体材料に起因した抵抗と、金属電極配線自体の抵抗とに分けられる。
　低消費電力化の観点では、主として２つのアプローチがある。一つ目は（ｉ）電気光学効果を最大限に活用する。二つ目は（ｉｉ）エネルギー効率の高い変調駆動方式を採用することである。（ｉ）の電気光学効果を最大限に活用することに関しては、光閉じ込めを強くする（電界密度を高める）ことと、エネルギーバンド構造を最適化すること等が考えられ、従来から数多くの研究が進められてきた。しかし、これら最適化するには高度な製造設備が求められる他、長年研究されてきたこともあり、電力削減量は頭打ちに近い状況といえる。
　一方、近年は（ｉｉ）のエネルギー効率の高い変調駆動方式に注目した研究開発が盛んに進められており、中でも光送信器の中で電力消費の大きい高周波増幅器（ＲＦドライバ）に関して、よりエネルギー効率の高い差動出力型ＲＦドライバを同一パッケージ内に搭載することで大幅な電力削減を達成したという報告もある（例えば特許文献１、非特許文献２）。
　以上のように、ＩＱ変調器の更なる高速化、低消費電力化を実現するためには、変調器材料の電気的損失低減と差動ＲＦドライバの活用が最も有効であるといえる。
米国特許第９３１０６６３号明細書 特許第４２３５１５４号
Optical internetworking forum"Technology Options for 400G Implementation" Sophie Lange et.al,"Low Power InP-Based Monolithic DFB-Laser IQ Modulator With SiGe Differential Driver for 32-GBd QPSK Modulation" JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 34, NO. 8, APRIL 15, 2016 N.Wolf et.al,"Electro-Optical Co-Design to Minimize Power Consumption of a 32GBd Optical IQ-Transmitter Using InP MZ-Modulators" Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 2015 IEEE
　しかし、上記損失低減と差動駆動の両立を５０ギガボーレート超の領域で実現するためにはこれまで報告されている構成においてはいくつかの問題が生じる。例えば非特許文献２では、図１と同様に、光の入出力方向と変調領域の導波路ストライプ（延伸）方向が同一で、高周波の入力信号を変調素子の側面から給電し、素子の引出配線上で大よそ９０度の角度で曲げて変調領域に給電する構成を採用している。この構成の主な問題は、差動信号が上記曲げを伝搬することで差動線路間に伝搬長ズレであるスキューが生じ、同相信号成分を生成してしまうことである。この同相信号成分は周波数応答特性を劣化させるのみでなく、ＩＱチャネル間のクロストークに影響を与える為、差動信号で変調器を駆動させる上において伝送線路のスキューは限りなくゼロが望ましい。即ち、上記伝送線路は直線状に設計することが求められる。この点において、非特許文献２や図１に示した従来の構成ではより周波数の高い（高速な）変調動作を差動駆動で実現する上で問題が残る。
　一方、上記問題を克服した報告として図３に示す構成の光変調器がある。この構成は光導波路を半導体基板で構成することにより、光入力を９０度曲げる構造を採用して、ＲＦ信号の入力を曲げることなく伝送することを可能としている。しかし、図３の構成でも上述した変調器の電気的損失という観点ではいくつかの問題がある。例えば、高周波の伝送線路は大よそ直線的に形成されてはいるものの、変調領域へ電気を給電させるまでのＲＦ引出線路６５の長さが少なくとも１．５ｍｍ以上必要となる。このミリメータオーダーの長い伝送線路では上述した高ボーレート駆動の際に、ＲＦ伝搬損失が無視できなくなるため、変調帯域を大きく劣化させてしまう。
　この線路長が長尺化してしまう理由は、光回路として光分波器自体の長さや、曲げ導波路の長さ分の面積が必要となるためである。例えば化合物半導体光変調器の場合は曲げ半径が大よそ１５０～３００μｍとなるが、１本の光導波路を分岐して通常、数百μｍ～１ｍｍである所望のチャネル間隔まで互いの導波路の間隔を拡げる為には、ＭＭＩ光カプラとＳ字曲線導波路を含むチャネル間の長手方向に大よそ５００μｍ以上の長さ分の回路面積が必要となる。偏波多重型のＩＱ光変調器においては少なくても光分波器が３つ直列に集積されるためその面積を如何に縮小させ、ＲＦ引出線路長を短尺化させるかが、高速化を実現する上で課題となる。
　一方、光変調回路設計においては主に、（１）光回路等長設計、（２）チャネル間（電気的）スキュー、（３）高周波線路長、（４）チップ面積等を留意する必要がある。本発明者らは、これらの観点に基づいて採用すべき構成について検討した。先ず、図１に示した構成については、前述の通り、ＲＦ引出線路内に90度曲げ線路が含まれるため差動線路間スキューが生じてしまう他、チャネル間のＲＦ引出線路長が異なるため、変調特性のチャネル依存性が懸念される。よって、ＲＦ線路を曲げざるを得ない本構成は採用できない。
　ＲＦ線路を曲げずに直線的に入力信号を給電させる方法として最も図１の構成と互換性が高いものに図３が挙げられる。しかし、この構成は上記（１）光回路等長設計、（２）チャネル間スキューの要件を満たすものの、Ｓ字曲線導波路を含む光合分波器の面積が増大するため、（４）チップ面積増大の他、不要な（３）高周波線路長の長尺化にも繋がるため、この構成も採用できない。
　さらにそこで、本発明者らは、ＲＦ引出線路長の最短設計を行うべく、入力側の光分波器に着目した。即ち変調部分が形成される子ＭＺＭを構成する光導波路のストライプ方向と同一方向に分波器が形成されることが、図３から分かる通り、ＲＦ引出線路長が不要に長くなってしまうという問題を引き起こすのではないかと考えた。そこで、これら光分波器を全て変調部の導波路ストライプ方向と垂直に形成すればＲＦ引出線路長の長尺化は抑制できると考えた。しかし、図４から解るように、全ての光分波器を子ＭＺＭの光導波路のストライプ方向と垂直方向に形成した場合、かえってチャネル間スキュー特性、チップ面積増大等を招いてしまうことが判った。また、ＲＦ引出線路の入力方向のみを光導波路のストライプ方向と一致させる図５のような構成でもＲＦ引出線路の最短設計とは言い難い。
　本発明者らは、上記のような鋭意検討の結果、ＩＱ光変調器において、光回路の機能ブロック配置を最適化させ、入力側の高周波伝送線路ストライプ方向と光変調器の導波路ストライプ方向を同一にすることで、差動入力信号を低スキュー且つ低損失に光変調部に給電させ、以て変調速度の高速化を図ることができることを見出し、本発明に至った。本発明の課題は、高速・広波長帯域動作可能なＩＱ光変調器を提供することにある。
　上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、親となるマッハ・ツェンダー型（ＭＺＭ）光導波路と、前記親のＭＺＭ光導波路を構成する２つのアームそれぞれに設けられた子となるＭＺＭ光導波路と、前記子のＭＺＭ光導波路を構成する２つのアームに沿ってそれぞれ設けられ、変調信号が印加されることによりＭＺＭを伝搬する光信号を位相変調する２つの電極線路と、前記２つの電極線路にそれぞれ接続され、前記２つの電極線路に対し印加する前記変調信号を入力するためのＲＦ引出線路と、前記親のＭＺＭ光導波路の２つのアームに光を分波する第１の光分波器と、前記子のＭＺＭ光導波路の２つのアームに光を分波する第２の光分波器と、前記子のＭＺＭ光導波路の２つのアームからの光を合波する第１の光合波器とを備え、前記２つの電極線路が設けられた前記子のＭＺＭ光導波路のストライプ方向に対して、前記ＲＦ引出線路のストライプ方向と、前記第２の光分波器のストライプ方向と、前記第１の光合波器のストライプ方向とが同一であり、かつ前記第１の光分波器のストライプ方向は直交関係であることを特徴とするＩＱ光変調器である。
従来の偏波多重型のＩＱ光変調器の一例を示す図である。 図１の偏波多重型のＩＱ光変調器の光導波路構造を示す図である。 従来の偏波多重型ＩＱ光変調器の他の一例を示す図である。 従来の偏波多重型ＩＱ光変調器の他の一例を示す図である。 従来の偏波多重型ＩＱ光変調器の他の一例を示す図である。 本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器の一例を示す図である。 図６の偏波多重型のＩＱ光変調器の光導波路構造を示す図である。 本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器の他の一例を示す図である。 本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器の他の一例を示す図である。 本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器に差動出力ドライバアンプを一体集積した構成例を示す図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一または対応する構成を示すものとする。
　図６は本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器の構成例を示す図であり、図７は、図６の偏波多重型のＩＱ光変調器の光導波路部分の構成を抜き出して示す図である。本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器１は、光導波路１０上に、ＲＦ引出線路２１と、位相変調用の電極線路２２と、位相調整用の第１の電極２３と、位相調整用の第２の電極２４とを備えて構成される。
　光導波路１０は、入力された光信号をＸ偏波とＹ偏波に分離してそれぞれを別々に出力するＸＹ偏波分離用光分波器１１と、Ｘ偏波が伝搬する光導波路とＹ偏波が伝搬する光導波路のそれぞれに設けられ、これらの偏波をさらに２つに分岐する第１の光分波器１２（１２ａ、１２ｂ）と、２つに分岐された偏波をさらに２つに分岐する第２の光分波器１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）と、これらの分波器１２、１３とは逆に、２つの隣接する光導波路を伝搬する光を合波する第１の合波器１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）と、第１の合波器１４で合波された、隣接する光導波路を伝搬する光をさらに合波する第２の合波器１５（１５ａ、１５ｂ）とを備えている。
　本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器は、第２の光分波器１３と第１の光合波器１４とに挟まれた領域が子ＭＺＭ（マッハ・ツェンダー干渉型）光導波路３１であり、第１の光分波器１２と第２の光合波器１５とに挟まれた領域が親ＭＺＭ光導波路３２である、いわゆる入れ子型のＭＺＭ光導波路構造を備えている。
　本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器において、光導波路１０は、例えば曲げ半径が大よそ２００μｍ前後となるＩｎＰ系化合物半導体に形成することができる。しかしながら、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＬｉＮｂＯ３などの電気光学効果を奏する他の材料を用いた基板上に光導波路１０を設けてもよい。
　位相変調用の電極線路２２の電極構成は例えばコプレーナ・ストリップ線路のような分布定数型の進行波電極とすることができる。例えば、より高速な変調動作を実現させるべく進行波電極は容量装荷型の電極構造（例えば特許文献２参照）を用いることができる。なお、本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器においては、差動信号を用いることが重要であり、互いの差動信号同士が差動結合しているか否かは問わない。また、コプレーナ・ストリップ線路以外にも例えばＧＳＧなどのコプレーナ線路を用いてもよい。位相変調用の電極線路２２は、差動信号を印加できるように、電極線路２２とそれに接続されたＲＦ引出線路２１とは差動結合線路（結合差動線路）で構成されていることが好ましい。
　本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器では、図６、７に示すように、（１）位相変調用の電極線路２２に接続されたＲＦ引出線路２１のストライプ（延伸）方向が、光変調部分である子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向と同一であり、（２）第１の光分波器１２のストライプ方向が、子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向と垂直であり、（３）第２の光分波器１３のストライプ方向及び第１の光合波器１４のストライプ方向が、子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向と同一であるように構成されている。本実施形態の構成を採用することで、図３に示す従来構成と比べて、曲げ半径を２００μｍと仮定すると引出線路長を大よそ１ｍｍ以上削減できる見通しを算出した。かかる構成についてさらに説明する。
　まず（１）位相変調用の電極線路２２に接続されたＲＦ引出線路２１のストライプ方向が、光変調部分である子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向と同一であることについて説明する。子ＭＺＭ光導波路上には、ＲＦ引出線路２１に接続された位相変調用の電極線路２２が設けられている。この各子ＭＺＭに設けられた電極線路２２に対し、ＲＦ引出線路２１から高周波信号を入力することにより、電気光学効果を引き起こし、光導波路内を伝搬する光信号が変調される。このＲＦ引出線路２１から入力する高周波信号を差動入力信号とすることによりエネルギー効率の高い光変調が可能である。ＲＦ引出線路２１のストライプ方向と子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向が同一であるので、差動信号にスキューが発生することを抑制することができる。なお、実際には、電極線路２２のＲＦ引出線路２１とは反対側にもＲＦ信号を出力する信号線路が設けられているが、信号を外部に出力できればよくその構成は任意であるので、ここでは省略している。
　上記（１）の構成において、図６に示した通りＲＦ引出線路２１のストライプ方向と位相変調用の電極線路２２のストライプ方向は同一である必要があり、望ましくは全チャネルの線路が並行して直線的に形成されるのが望ましい。なお、「直線状」「同一方向」というのは幾何学的に厳密な直線・同一性を要求するものでなく、入力する高周波信号（マイクロ波）波長に対して直線・同一性が求められることを意味している。それ故、例えばＲＦ引出線路２１内に僅かな曲げ（大よそ曲げ角が３０°以内）導波路が加えられていてもマイクロ波からみて差動線路間スキューの影響が無視できる範囲であればよい。
　次に（２）第１の光分波器１２のストライプ方向が、子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向と垂直（直交関係ともいう）であることについて説明する。第１の光分波器１２のストライプ方向が、子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向と同一である構成は例えば図５に示されているが、これらのストライプ方向を一致させることでＲＦ引出線路２１が長くなるため、スキューを抑制する観点から好ましくない。
　さらに（３）第２の光分波器１３のストライプ方向及び第１の光合波器１４のストライプ方向が、子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向と同一であることについて説明する。（３）の構成ではなく、子ＭＺＭ内に曲げ導波路を設ける構成によると、導波路アーム長が光変調に必要以上に長くなるため、作製加工プロセスや長期外部環境変動等に起因して生じる変調特性劣化が生じるからである。例えば、高次の伝搬モードを誘発しやすくなり、アーム間アンバランスが崩れるなどの事態が懸念される。その一方で、（３）の構成、即ち、子ＭＺＭ光導波路３１とその前後の光分波器１３、光合波器１４とを共に同一のストライプ方向に形成したとしても、アーム間隔が狭い子ＭＺＭ３１においては光分波器１３、光合波器１４を小型に作製できるためＲＦ引出線路の長尺化が抑えられる。
　また、ＭＺ干渉型光回路においては、両アーム間導波路の等長化が広帯域動作には不可欠であるため、第１の光分波器１２のストライプ方向を子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向に対して垂直に形成した場合には、図６、７のように第２の光合波器１５のストライプ方向も子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向に対して垂直に形成することで、親ＭＺＭ回路の等長化を小型に実現できる。しかしながら、例えば図８のように親ＭＺＭ光導波路３２内に遅延光回路３５等を設けて、親ＭＺＭ３２のＭＺアーム長を等長化させることで、ＲＦ引出線路２１の長尺化を招かずに、第２の光合波器１５のストライプ方向を子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向と同一に形成できる。ただし、チップ面積等の観点では図６、７のように第２の光合波器１５のストライプ方向も子ＭＺＭ光導波路３１のストライプ方向に対して垂直に形成するのが望ましい。
　光の入力端に設けられるＸＹ偏波分離用光分波器１１に関してはストライプ方向の制限はなく、偏波多重型のＩＱ光変調器１全体の回路構成に応じて任意の方向に形成しても、ＲＦ引出線路２１の長さに影響を与えず、光等長化や干渉条件等への影響も小さい。また、光導波路１０への光入出力方向に関しては特に制約はなく、図６、７に示すように偏波多重型のＩＱ光変調器１の素子長手方向に沿った端面から光入力する構成以外にも、素子短手方向に沿った端面から光入力してもよい。同様に、光出力も、図６、７に示すように素子短手方向に沿った端面から光出力させずに、図９に示すように素子の長手方向に沿った側面から光出力してもよい。
　以上の実施形態では、詳細に説明するために、親ＭＺＭを２並列すなわち子ＭＺＭを４並列に集積した偏波多重型光変調器の構成としたが、例えば、親ＭＺＭが１つ、すなわち子ＭＺＭが２並列に集積された単偏波のみのＩＱ変調器構成を採用したとしても本発明の有用性は失われない。
　本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器によれば、多段に設けられた複数の光合分波器の配置を最適化し、加えて高周波信号の入力方向と光変調領域の導波路方向を一致させることで、差動入力信号を低損失且つ低スキューで変調電極に給電することができ、以て変調速度の高速化を図ることができる。
　図１０は本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器１と差動出力ドライバアンプ２を直結して集積させた構成例を示す図である。本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器１は、図１０に示すように、変調器を駆動するための差動信号を入力する差動出力ドライバアンプ２が一体パッケージに集積されたものであることが好ましい。差動出力ドライバアンプを光変調器と一体パッケージに集積するメリットは主に２つある。１つには、高周波配線を短尺化できることである。これは、パッケージ間の配線を削除可能であり線路損失の大幅な改善が期待できる。
　もう１つのメリットは、ドライバ出力側の特性インピーダンスを任意に規定可能なことである。通常パッケージ間のインターフェースは差動１００Ω（シングル５０Ω）のＲＦコネクタが必須であるため、ドライバ出力の特性インピーダンスは差動１００Ωに設定する必要がある。一方、差動出力ドライバアンプを変調器と一体集積する場合には、インターフェースのコネクタを介さないため、変調器の特性インピーダンスに合わせたドライバ設計ができることとなる。通常、光変調器の広帯域化を行う場合、特性インピーダンスが差動１００Ωよりも低下してしまうため、低下した特性インピーダンスにドライバ出力側の特性インピーダンスを合わせることができるのは大きなメリットである。
　このように、本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器の高速化および低消費電力化の効果を最大限に活かすためには差動出力ドライバを同一パッケージ内に集積させることが望ましい。
　図１０に示すように本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器１と差動出力ドライバアンプ２とを直結して一体集積させた場合、通常はアンプ２内に内蔵する必要がある送端終端抵抗を省略してもよい。これにより更なるエネルギー効率改善（低消費電力化）が期待できる。これは非特許文献３に記載のように、変調器と一体集積の場合に限り終端抵抗を省略できることは知られているが、送端終端抵抗の省略は差動出力ドライバアンプ２が、偏波多重型のＩＱ光変調器１側からの電気反射に対して何ら耐性を持たなくなることを意味する。即ち、差動出力ドライバアンプ２出力後から偏波多重型のＩＱ光変調器１内の終端抵抗までの高周波信号線路間に反射点（例えば特性インピーダンスの不整合点）が存在した場合、ここでの反射信号は差動出力ドライバアンプ２内のドライバ回路へ大きく減衰することなく戻り、結果的にドライバの駆動力低下や増幅信号品質劣化を招く恐れがある。この問題を解決するには、ドライバ‐変調器終端間の反射点を無くせばよく、最も効果的な手段の一つに、図１０に示すようにドライバと変調器間に不要なセラミックなどの展開・中継基板を設けず、直接変調器と金ワイヤなので電気接続させることが挙げられる。また、本実施形態の偏波多重型のＩＱ光変調器１によれば、ＲＦ引出線路２１を最小限に構成することができるので、偏波多重型のＩＱ光変調器１と差動出力ドライバアンプ２を直接接続（直結）することで反射点の削減のみならず、線路短尺化による高周波線路損失の改善も同時に達成することができる。
　１　　偏波多重型のＩＱ光変調器
　２　　差動出力ドライバアンプ
　１０　光導波路
　１１　ＸＹ偏波分離用光分波器
　１２、１２ａ、１２ｂ　第１の光分波器
　１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ　第２の光分波器
　１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ　第１の合波器
　１５、１５ａ、１５ｂ　第２の合波器
　２１　ＲＦ引出線路
　２２　電極線路
　２３　第１の電極
　２４　第２の電極
　３１　子ＭＺＭ光導波路
　３２　親ＭＺＭ光導波路
　３５　遅延光回路
　５１　ＸＹ偏波分離用光分波器
　５２　第１の光分波器
　５３　第２の光分波器
　５４　第１の合波器
　５５　第２の合波器
　５６　子ＭＺＭ
　５７　親ＭＺＭ
　６２　進行波型電極
　６３　ＤＣ電極
　６４　ＤＣ電極
　６５　ＲＦ引出線路
　

Claims (5)

  1. 　親となるマッハ・ツェンダー型（ＭＺＭ）光導波路と、
    　前記親のＭＺＭ光導波路を構成する２つのアームそれぞれに設けられた子となるＭＺＭ光導波路と、
    　前記子のＭＺＭ光導波路を構成する２つのアームに沿ってそれぞれ設けられ、変調信号が印加されることによりＭＺＭを伝搬する光信号を位相変調する２つの電極線路と、
    　前記２つの電極線路にそれぞれ接続され、前記２つの電極線路に対し印加する前記変調信号を入力するためのＲＦ引出線路と、
    　前記親のＭＺＭ光導波路の２つのアームに光を分波する第１の光分波器と、
    　前記子のＭＺＭ光導波路の２つのアームに光を分波する第２の光分波器と、
    　前記子のＭＺＭ光導波路の２つのアームからの光を合波する第１の光合波器とを備え、
    　前記２つの電極線路が設けられた前記子のＭＺＭ光導波路のストライプ方向に対して、前記ＲＦ引出線路のストライプ方向と、前記第２の光分波器のストライプ方向と、前記第１の光合波器のストライプ方向とが同一であり、かつ前記第１の光分波器のストライプ方向は直交関係であることを特徴とするＩＱ光変調器。
  2. 　前記親のＭＺＭ光導波路の２つのアームからの光を合波する第２の光合波器をさらに備え、前記２つの電極線路が設けられた前記子のＭＺＭ光導波路のストライプ方向と、該第２の光合波器のストライプ方向が直交関係であることを特徴とする請求項１に記載のＩＱ光変調器。
  3. 　前記２つの電極線路と該電極線路に接続されたＲＦ引出線路とは差動結合線路で構成されており、前記ＲＦ引出線路から入力されて前記電極線路に印加される変調信号は差動信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＱ光変調器。
  4. 　前記親のＭＺＭ光導波路が同一半導体素子内に２つ並列して集積されおり、前記２つの親のＭＺＭ光導波路に入力する光信号をＸ偏波とＹ偏波とに分離して入力するＸＹ偏波分離用光分波器をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＩＱ光変調器。
  5. 　前記ＩＱ光変調器と同一パッケージ内に差動入出力型の高周波増幅器が搭載され、当該ＩＱ光変調器と高周波増幅器とが金ワイヤのみを介して直接電気接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＩＱ光変調器。
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