WO2023214469A1 - Ｉｑ光変調器 - Google Patents

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WO2023214469A1
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phase adjuster
optical modulator
modulator
demultiplexer
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泰彰 橋詰
義弘 小木曽
常祐 尾崎
光映 石川
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/025—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction in an optical waveguide structure

Definitions

  • the present invention relates to an IQ optical modulator that can operate at high speed and in a wide wavelength band.
  • multilevel optical modulators using digital coherent technology are playing a major role in realizing large-capacity transceivers exceeding 100 Gbps.
  • the multilevel optical modulator is composed of a Mach-Zehnder interference type optical waveguide (MZ optical waveguide) that splits optical input into two arms, combines the signals after phase shifting, and outputs the interference output, and is capable of zero-chirp drive.
  • Optical modulators (MZM) are built in multiple stages in parallel. With such a configuration, it is possible to add independent signals to the amplitude and phase of light.
  • a typical polarization multiplexing type IQ optical modulator which is currently becoming popular in communication networks, has a so-called nested structure in which each arm of a parent MZM is composed of a child MZM.
  • Two child MZMs are provided in parallel corresponding to each of the X and Y polarization channels, forming an MZM (Quad-parallel MZM) having a total of four child MZMs.
  • Two arms of each child MZM are provided with traveling wave electrodes into which an RF modulated electric signal for modulating an optical signal propagating in the optical waveguide is input.
  • one of the two child MZMs forming a pair corresponds to the I channel and the other corresponds to the Q channel.
  • Such a polarization multiplexing type IQ optical modulator generates an electro-optic effect by inputting an RF modulated electric signal to one end of a modulation electrode provided along the arm optical waveguide of the child MZM, thereby changing the optical waveguide of the child MZM. Phase modulation is applied to two optical signals propagating inside (Patent Document 1).
  • FIG. 1 shows an example of a conventional polarization multiplexing type IQ optical modulator.
  • an MZM101X for an X polarization channel and an MZM101Y for a Y polarization channel are formed on a semiconductor chip, and MZM101XI, 101YI for an I channel and MZM101YI for a Q channel are formed on a semiconductor chip. It has a nested structure including MZM101XQ and 101YQ.
  • An input optical waveguide 102 formed from the center of one side of the semiconductor chip passes between the MZMs 101X and 101Y and is connected to an optical demultiplexer 103.
  • Optical demultiplexers 104X and 104Y are connected to the output of the optical demultiplexer 103, and MZMs 101XI and 101XQ and MZMs 101YI and 101YQ are connected to the outputs thereof, respectively.
  • the MZM101X for the X polarization channel is provided with an MZM101XI and a phase adjuster 106XI for the I channel, and an MZM101XQ and a phase adjuster 106XQ for the Q channel, between the optical demultiplexer 104X and the optical multiplexer 105X. ing. Further, in the I-channel MZM 101XI, MZ optical waveguides 109XIa, 109XIb and phase adjusters 110XIa, 110XIb are provided between the optical demultiplexer 107XI and the optical multiplexer 108XI.
  • Traveling wave electrodes formed on the MZ optical waveguides 109XIa and 109XIb are connected to RF signal lines 111XIa and 111XIb formed from the other side of the semiconductor chip, and are supplied with RF modulation signals.
  • the configuration for the Q channel is also the same, so the explanation will be omitted. Further, since the MZM 101Y for the Y polarization channel has the same structure as the MZM 101X for the X polarization channel, a description thereof will be omitted.
  • Input light 121 passes through input optical waveguide 102 and is branched by optical demultiplexer 103, and each channel light of X and Y polarization is optically modulated by an RF modulation signal in MZM101X and MZM101Y, and is distributed to one side of the semiconductor chip. are output as modulated output lights 122X and 122Y.
  • the waveguide structure is symmetrical between the IQ channels, so the characteristic error between channels is small with respect to temperature fluctuations and temperature distribution within the chip.
  • the line length L1 of the RF signal lines 111XIa and 111XIb that input the RF modulated signal becomes longer, there is a concern that the high frequency characteristics may deteriorate.
  • FIG. 2 shows another example of a conventional polarization multiplexing type IQ optical modulator.
  • the polarization multiplexing type IQ optical modulator 200 an MZM201X for an X polarization channel and an MZM201Y for a Y polarization channel are formed on a semiconductor chip, and MZM201XI, 201YI for an I channel and an MZM201YI for a Q channel are formed on a semiconductor chip. It has a nested structure including MZM201XQ and 201YQ.
  • An input optical waveguide 202 formed from the center of one side of the semiconductor chip passes between the MZMs 201X and 201Y and is connected to an optical demultiplexer 203.
  • Optical demultiplexers 204X and 204Y are connected to the output of the optical demultiplexer 203, and the optical waveguides on the output side thereof are turned back by 180 degrees and connected to MZMs 201XI and 201XQ and MZMs 201YI and 201YQ, respectively.
  • MZM201X and MZM201Y are the same as MZM101X and MZM101Y, except for the folded structure, so the explanation will be omitted.
  • the input light 221 passes through the input optical waveguide 202 and is branched by the optical demultiplexer 203, and each channel light of X and Y polarization is optically modulated by an RF modulation signal in MZM201X and MZM201Y, and is distributed to one side of the semiconductor chip. are output as modulated output lights 222X and 222Y.
  • the line length L2 of the RF signal lines 211XIa and 211XIb that input the RF modulation signal can be shortened, and deterioration of high frequency characteristics can be suppressed.
  • the waveguide structure between the IQ channels in the MZM201X and MZM201Y becomes asymmetric, the characteristic error between the IQ channels increases with respect to temperature fluctuations and temperature distribution within the semiconductor chip.
  • the phase adjuster in the above example is a phase adjuster that utilizes a thermo-optic effect.
  • a phase adjustment electrode made of a metal material (heater) loaded above the optical waveguide By energizing a phase adjustment electrode made of a metal material (heater) loaded above the optical waveguide, the optical waveguide is heated and the phase of the optical signal propagating within the optical waveguide is changed.
  • the length of the heater is determined by the shortest possible length from the viewpoint of reliability, which has been an issue in miniaturizing IQ optical modulators.
  • the power supply capacity for driving the heater and the power to be applied to the heater are determined by the device in which the IQ optical modulator is mounted and the conditions of use.
  • the maximum voltage of the power supply is 5V
  • the maximum power to be applied to the heater is determined to be 100mW.
  • the heater resistance is designed to be 250 ⁇ , and for example, the length of the heater is 500 ⁇ m and the width is 10 ⁇ m.
  • one method to meet the demand for using a low voltage power supply with a maximum voltage of 3.3V is to lower the resistance.
  • the heater resistance is 108.9 ⁇ , a power of 100 mW can be applied at a voltage of 3.3V.
  • reliability decreases due to film stress of the heater.
  • the length of the heater is shortened, this will lead to a decrease in reliability as described above. Therefore, there has been a problem in that it is difficult to downsize the heater as a phase adjuster while ensuring reliability associated with lower resistance.
  • An object of the present invention is to provide an IQ optical modulator that can suppress deterioration of high frequency characteristics and simultaneously reduce the size and improve the reliability of the phase adjuster.
  • the present invention provides an IQ optical modulator having a first optical modulator for an I channel and a second optical modulator for a Q channel, the semiconductor A first optical waveguide connected to an input optical waveguide formed from one side of the chip, provided between the first and second optical modulators, and configured to branch the input light to the first and second optical modulators.
  • a first optical multiplexer that multiplexes output lights from the first and second optical modulators and outputs the output lights from the one side of the semiconductor chip; and the first optical demultiplexer.
  • a phase adjuster inserted between the output of the first optical modulator and the first optical multiplexer, and a phase adjuster inserted between the output of the first optical modulator and the first optical multiplexer.
  • phase adjuster to which driving power is supplied; a phase adjuster inserted between the input of the first optical demultiplexer and the second optical modulator; and an output of the second optical modulator. and a second phase adjuster to which driving power is supplied in parallel to the phase adjuster inserted between the optical multiplexer and the first optical multiplexer.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a conventional polarization multiplexing type IQ optical modulator.
  • FIG. 2 is a diagram showing another example of a conventional polarization multiplexing type IQ optical modulator.
  • FIG. 3 is a diagram showing an IQ optical modulator according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the phase adjuster of the IQ optical modulator according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an IQ optical modulator according to Example 2 of the present invention.
  • FIG. 3 shows an IQ optical modulator according to Example 1 of the present invention.
  • the IQ optical modulator 300 is a single-polarized IQ optical modulator, and consists of an I-channel optical modulator (MZM) 301I and a Q-channel optical modulator (MZM) 301Q on a semiconductor chip. It has a nested structure.
  • An input optical waveguide 302 formed from one side of the semiconductor chip is connected to an optical demultiplexer 303 (first optical demultiplexer) provided between MZMs 301I and 301Q via an optical cross waveguide 312. .
  • an optical demultiplexer 303 first optical demultiplexer
  • the IQ optical modulator 300 includes a phase adjuster 304I, an MZM301I for the I channel, and a phase adjuster 306I, a phase adjuster 304Q, an MZM301Q for the Q channel, and a phase adjuster 306I between the optical demultiplexer 303 and the optical multiplexer 305.
  • a phase adjuster 306Q is provided.
  • the MZM301I for I channel is provided with an optical demultiplexer 307I (second optical demultiplexer) and phase adjusters 310Ia and 310Ib between the MZM301I and 301Q, and the optical waveguide on the output side is folded 180 degrees.
  • MZ optical waveguides 309Ia and 309Ib Mach-Zehnder interference type arm optical waveguides 309Ia and 309Ib. That is, the light propagation direction of the optical demultiplexer 307I and the light propagation direction of the MZ optical waveguides 309Ia and 309Ib are opposite directions. Note that a bent portion is provided in the optical waveguide inside the folded portion so that the lengths of the optical waveguides from the phase adjusters 310Ia, 310Ib to the MZ optical waveguides 309Ia, 309Ib are equal.
  • the outputs of the MZ optical waveguides 309Ia and 309Ib are multiplexed by an optical multiplexer 308I (second optical multiplexer) and input to a phase adjuster 306I.
  • the traveling wave electrodes formed on the MZ optical waveguides 309Ia and 309Ib are connected to RF signal lines 311Ia and 311Ib formed from the other side of the semiconductor chip, and are supplied with an RF modulation signal.
  • the configuration on the MZM301Q side for Q channel is also the same, so the explanation will be omitted.
  • Input light 321 passes through input optical waveguide 302, is optically modulated by an RF modulation signal in MZM301I and MZM301Q, is multiplexed by optical multiplexer 305 (first optical multiplexer), and is output as a modulated output from one side of the semiconductor chip. It is output as light 322.
  • the waveguide structure is symmetrical between the IQ channels, the characteristic error between the channels is small with respect to temperature fluctuations and temperature distribution within the chip. Furthermore, since the phase adjusters 310Ia and 310Ib are provided between the MZMs 301I and 301Q, the line lengths of the RF signal lines 311Ia and 311Ib can be shortened, and the IQ optical modulator 300 can also be shortened. .
  • the optical crossing waveguide 312 is composed of two 1 ⁇ 1 MMI couplers arranged in a cross shape, where the intersection of the two optical waveguides is orthogonal to each other in the propagation direction of light.
  • the two 1 ⁇ 1 MMI couplers have a cross-shaped planar shape and are formed with the same core-clad structure, so that two lights whose propagation directions are perpendicular to each other intersect on the same plane.
  • a 1 ⁇ 1 MMI coupler many modes propagate independently, but each mode has a different propagation speed. Therefore, at a certain propagation length, light condenses as a result of interference between these modes. have By setting the center of the intersection of the two MMI couplers as the focal point, it is possible to function as a low-loss optical crossing waveguide.
  • FIG. 4 shows the structure of the phase adjuster of the IQ optical modulator according to the first embodiment. 4 is a sectional view taken along IV-IV' shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 In the phase adjuster 306I, an n-InP layer 402, a lower semiconductor cladding layer 403, a semiconductor core layer 404, and an upper semiconductor cladding layer 405 are laminated in this order on an SI-InP layer 401 that is a substrate. From the lower semiconductor cladding layer 403 to the upper semiconductor cladding layer 405, a desired mesa structure is formed by dry etching and functions as one optical waveguide.
  • the optical waveguide is covered with an organic material 406 and made flat, and a metal electrode serving as a heater 407 is formed on the organic material 406.
  • the optical waveguide width (mesa width) is 2 ⁇ m
  • the heater width is 2 ⁇ m
  • the length is 435 ⁇ m.
  • phase adjusters 304I and 306I of the same length are placed before and after the MZM 301I for the I channel.
  • Wiring for supplying power to the two heaters is connected to a grounding electrode pad 331 and a driving electrode pad 332, and the power source of the heater supplies driving power to the two heaters in parallel.
  • the resistance of the heater is 217.5 ⁇ when the width is 2 ⁇ m and the length is 435 ⁇ m. Since these two heaters are connected in parallel, the combined resistance is 108.75 ⁇ .
  • the output voltage required for the power source of the heater is 3.29 V, and it can be driven with a general-purpose 3.3 V power source.
  • the resistance of the heater changes over time, and the resistance change allowed by the device is determined.
  • the time until the resistance changes by 5% is defined as the heater life.
  • the heater life depends on the temperature at which the heater generates heat, which in turn depends on the electric power applied to the heater.
  • the necessary power to be applied to the heater is determined by the design of the device (for example, 100 mW). From the above, as the heater length becomes longer, the power consumed per unit length (heater temperature per unit length) becomes smaller, and thus the heater life becomes longer. Conversely, if the heater length is shortened, the heater life will be shortened. In other words, once the heater life is determined, the minimum required length of the heater is determined.
  • the heater length needs to be 500 ⁇ m or more from the viewpoint of heater life.
  • the heater width In order to use a platinum heater as a phase adjuster, use a power source with a power supply voltage of 3.3 V, and satisfy the heater length of 500 ⁇ m, the heater width must be approximately 4.5 ⁇ m. However, if the heater width is 3 ⁇ m or more, the film tends to peel off due to the stress of the heater film, so the heater width needs to be less than 3 ⁇ m.
  • the two heaters of the phase adjusters 304I and 306I are arranged separately on the input and output sides of the MZMs 301I and 301Q.
  • the heater By arranging the heater in parallel in the extra length of the waveguide on the input optical waveguide 302 side, it is possible to reduce the resistance of the heater without increasing the length of the IQ optical modulator 300. .
  • FIG. 5 shows a polarization multiplexed IQ optical modulator according to a second embodiment of the present invention.
  • the polarization multiplexing type IQ optical modulator 600 has two IQ optical modulators 300 of the first embodiment shown in FIG. 3 integrated in parallel on a semiconductor chip, one for an X polarization channel and one for a Y polarization channel. It has a nested structure.
  • An input optical waveguide 502 formed from the center of one side of the semiconductor chip is connected to an optical demultiplexer 510, and its output is input to an MZM 501X for the X polarization channel and an MZM 501Y for the Y polarization channel.
  • Optical demultiplexers 503X and 503Y are connected to the output of the optical demultiplexer 510 via optical crossing waveguides 512X and 512Y.
  • a phase adjuster 504XI, an MZM501XI for the I channel, a phase adjuster 506XI, a phase adjuster 504XQ, an MZM501XQ for the Q channel, and a phase adjuster 506XQ are provided between the optical demultiplexer 503X and the optical multiplexer 505X. It is being The configuration between the optical demultiplexer 503Y and the optical multiplexer 505Y is also the same.
  • the configurations of MZM501XI, XQ and MZM501YI, YQ are the same as MZM301I, 301Q.
  • the input light 521 passes through the input optical waveguide 502 and is branched by the optical demultiplexer 503, and each channel light of X and Y polarization is optically modulated by an RF modulation signal in MZM501X and MZM501Y, and is distributed to one side of the semiconductor chip. are output as modulated output lights 522X and 522Y.
  • the waveguide structure is symmetric between the XY polarization and between the IQ channels, the characteristic error between channels is small with respect to temperature fluctuations and temperature distribution within the chip. Further, as in the first embodiment, it is possible to shorten the IQ optical modulator 500 by shortening the RF signal line. Furthermore, by arranging the phase adjusters between the IQ channels before and after the MZM 501, it is possible to reduce the resistance of the heater without increasing the length of the IQ optical modulator 300.

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Abstract

高周波特性の劣化を抑制するとともに、位相調整器の小型化と信頼性向上とを同時に図ることができるＩＱ光変調器を提供する。Ｉチャネル用の第１光変調器とＱチャネル用の第２光変調器とを有するＩＱ光変調器であって、第１光分波器と前記第１光変調器の入力との間に挿入された位相調整器と、前記第１光変調器の出力と第１光合波器との間に挿入された位相調整器とに並列に駆動電力が供給される第１位相調整器と、前記第１光分波器と前記第２光変調器の入力との間に挿入された位相調整器と、前記第２光変調器の出力と前記第１光合波器との間に挿入された位相調整器とに並列に駆動電力が供給される第２位相調整器とを備えた。

Description

ＩＱ光変調器
　本発明は、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。多値光変調器は、光入力を２つのアームに分波し、移相後に合波して干渉出力するマッハ・ツェンダー干渉型の光導波路（ＭＺ光導波路）で構成された、ゼロチャープ駆動が可能な光変調器（ＭＺＭ）が並列多段に内蔵されている。このような構成により、光の振幅及び位相に、それぞれ独立の信号を付加させることができる。
　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光変調器は、親ＭＺＭの各アームのそれぞれが子ＭＺＭで構成された、いわゆる入れ子構造を有する。Ｘ、Ｙの偏波チャネルのそれぞれに対応して子ＭＺＭが２つ並列に設けられ、計４つの子ＭＺＭを有するＭＺＭ（Quad-parallel MZM）が構成されている。各々の子ＭＺＭの２つのアームには、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変調電気信号が入力される進行波型電極が設けられている。各偏波チャネルにおいて、このような対をなす２つの子ＭＺＭの一方がＩチャネル、他方がＱチャネルにあたる。
　かかる偏波多重型のＩＱ光変調器は、子ＭＺＭのアーム光導波路に沿って設けられた変調電極の一端にＲＦ変調電気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ＭＺＭの光導波路内を伝搬する２つの光信号に位相変調を施している（特許文献１）。
　図１に、従来の偏波多重型のＩＱ光変調器の一例を示す。偏波多重型のＩＱ光変調器１００は、半導体チップ上に、Ｘ偏波チャネル用のＭＺＭ１０１ＸとＹ偏波チャネル用のＭＺＭ１０１Ｙとが形成され、それぞれにＩチャネル用のＭＺＭ１０１ＸＩ，１０１ＹＩとＱチャネル用のＭＺＭ１０１ＸＱ，１０１ＹＱとを含む入れ子構造を有する。半導体チップの一方の辺の中央から形成された入力光導波路１０２は、ＭＺＭ１０１Ｘ、１０１Ｙの間を通り、光分波器１０３に接続される。光分波器１０３の出力に、光分波器１０４Ｘ，１０４Ｙが接続され、さらに、その出力にはＭＺＭ１０１ＸＩ，１０１ＸＱとＭＺＭ１０１ＹＩ，１０１ＹＱのそれぞれが接続される。
　Ｘ偏波チャネル用のＭＺＭ１０１Ｘは、光分波器１０４Ｘと光合波器１０５Ｘとの間に、Ｉチャネル用のＭＺＭ１０１ＸＩおよび位相調整器１０６ＸＩと、Ｑチャネル用のＭＺＭ１０１ＸＱおよび位相調整器１０６ＸＱとが設けられている。さらに、Ｉチャネル用のＭＺＭ１０１ＸＩは、光分波器１０７ＸＩと光合波器１０８ＸＩとの間に、ＭＺ光導波路１０９ＸＩａ，１０９ＸＩｂおよび位相調整器１１０ＸＩａ，１１０ＸＩｂが設けられている。ＭＺ光導波路１０９ＸＩａ，１０９ＸＩｂに形成された進行波型電極は、半導体チップの他方の辺から形成されたＲＦ信号線１１１ＸＩａ，１１１ＸＩｂに接続され、ＲＦ変調信号が供給される。Ｑチャネル用の構成も同じであるので説明は省略する。また、Ｙ偏波チャネル用のＭＺＭ１０１ＹもＸ偏波チャネル用のＭＺＭ１０１Ｘと同じ構造を有するので説明は省略する。
　入力光１２１は、入力光導波路１０２を経て光分波器１０３で分岐され、Ｘ，Ｙ偏波の各チャネル光は、ＭＺＭ１０１ＸとＭＺＭ１０１Ｙにおいて、ＲＦ変調信号によって光変調され、半導体チップの一方の辺から変調出力光１２２Ｘ、１２２Ｙとして出力される。
　この構成によれば、ＭＺＭ１０１Ｘ、１０１Ｙのそれぞれにおいて、ＩＱチャネル間で導波路構造が対称であるため、チップ内の温度変動・温度分布に対してチャネル間の特性誤差は小さい。一方、ＲＦ変調信号を入力するＲＦ信号線１１１ＸＩａ，１１１ＸＩｂの線路長Ｌ１が長くなるため、高周波特性の劣化が懸念される。
　図２に、従来の偏波多重型のＩＱ光変調器の他の例を示す。偏波多重型のＩＱ光変調器２００は、半導体チップ上に、Ｘ偏波チャネル用のＭＺＭ２０１ＸとＹ偏波チャネル用のＭＺＭ２０１Ｙとが形成され、それぞれにＩチャネル用のＭＺＭ２０１ＸＩ，２０１ＹＩとＱチャネル用のＭＺＭ２０１ＸＱ，２０１ＹＱとを含む入れ子構造を有する。半導体チップの一方の辺の中央から形成された入力光導波路２０２は、ＭＺＭ２０１Ｘ、２０１Ｙの間を通り、光分波器２０３に接続される。光分波器２０３の出力に、光分波器２０４Ｘ，２０４Ｙが接続され、さらに、その出力側の光導波路を１８０°折り返して、ＭＺＭ２０１ＸＩ，２０１ＸＱとＭＺＭ２０１ＹＩ，２０１ＹＱのそれぞれに接続している。
　ＭＺＭ２０１ＸとＭＺＭ２０１Ｙの構成は、折り返し構造を除いて、ＭＺＭ１０１ＸとＭＺＭ１０１Ｙと同じなので説明は省略する。
　入力光２２１は、入力光導波路２０２を経て光分波器２０３で分岐され、Ｘ，Ｙ偏波の各チャネル光は、ＭＺＭ２０１ＸとＭＺＭ２０１Ｙにおいて、ＲＦ変調信号によって光変調され、半導体チップの一方の辺から変調出力光２２２Ｘ、２２２Ｙとして出力される。
　この構成によれば、ＲＦ変調信号を入力するＲＦ信号線２１１ＸＩａ，２１１ＸＩｂの線路長Ｌ２を短尺化することができ、高周波特性の劣化を抑制することができる。一方、ＭＺＭ２０１ＸとＭＺＭ２０１ＹとにおけるＩＱチャネル間の導波路構造が非対称性になるので、半導体チップ内の温度変動・温度分布に対して、ＩＱチャネル間の特性誤差が大きくなってしまう。
　上述した例における位相調整器は、熱光学効果を利用した位相調整器である。光導波路の上方に装荷された金属材料（ヒータ）からなる位相調整電極に通電することにより、光導波路を加熱し、光導波路内を伝搬する光信号の位相を変化させている。ヒータは、抵抗の経時変動を抑制するため、ヒータの単位長さあたりの温度上昇を所定の温度に抑える必要がある。つまり、ヒータの長さは、信頼性の観点から最短にできる長さが決定され、ＩＱ光変調器の小型化における課題であった。
　一方、ヒータへの要求として低抵抗化がある。ヒータを駆動する電源容量と、ヒータに印加すべき電力は、ＩＱ光変調器を実装するデバイス、使用する条件によって決まる。一例として、電源の最大電圧が５Ｖであり、ヒータに印加すべき電力は最大１００ｍＷと決められている。このとき、ヒータ抵抗は２５０Ωで設計され、例えば、ヒータの長さは５００μｍ、幅は１０μｍである。
　ここで、最大電圧３．３Ｖといった低電圧電源を使用したいという要求に応えるための一つの手法として、低抵抗化が考えられる。ヒータ抵抗を１０８．９Ωとすれば、３．３Ｖの電圧で１００ｍＷの電力を印加することができる。低抵抗化のためには、ヒータの幅を太くするか、ヒータの長さを短くする必要がある。しかしながら、ヒータの幅を太くした場合には、ヒータの膜応力によって信頼性が低下してしまう。また、ヒータの長さを短くした場合でも、上述したように信頼性の低下につながってしまう。従って、位相調整器としてのヒータの低抵抗化に伴う信頼性を確保した上で、小型化を図ることが困難であるという課題があった。
国際公開ＷＯ／２０１８／１７４０８３号公報
　本発明の目的は、高周波特性の劣化を抑制するとともに、位相調整器の小型化と信頼性向上とを同時に図ることができるＩＱ光変調器を提供することにある。
　本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、Ｉチャネル用の第１光変調器とＱチャネル用の第２光変調器とを有するＩＱ光変調器であって、半導体チップの一方の辺から形成された入力光導波路に接続され、前記第１および前記第２光変調器の間に設けられ、前記第１および前記第２光変調器に入力光を分波する第１光分波器と、前記第１および前記第２光変調器からの出力光を合波し、前記半導体チップの前記一方の辺から出力する第１光合波器と、前記第１光分波器と前記第１光変調器の入力との間に挿入された位相調整器と、前記第１光変調器の出力と前記第１光合波器との間に挿入された位相調整器とに並列に駆動電力が供給される第１位相調整器と、前記第１光分波器と前記第２光変調器の入力との間に挿入された位相調整器と、前記第２光変調器の出力と前記第１光合波器との間に挿入された位相調整器とに並列に駆動電力が供給される第２位相調整器とを備えたことを特徴とする。
図１は、従来の偏波多重型のＩＱ光変調器の一例を示す図、 図２は、従来の偏波多重型のＩＱ光変調器の他の例を示す図、 図３は、本発明の実施例１にかかるＩＱ光変調器を示す図 図４は、実施例１にかかるＩＱ光変調器の位相調整器の構造を示す断面図 図５は、本発明の実施例２にかかるＩＱ光変調器を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
　図３に、本発明の実施例１にかかるＩＱ光変調器を示す。ＩＱ光変調器３００は、単一偏波のＩＱ光変調器であって、半導体チップ上にＩチャネル用の光変調器（ＭＺＭ）３０１ＩとＱチャネル用の光変調器（ＭＺＭ）３０１Ｑとからなる入れ子構造を有する。半導体チップの一方の辺から形成された入力光導波路３０２は、光交差導波路３１２を介してＭＺＭ３０１Ｉ、３０１Ｑの間に設けられた光分波器３０３（第１光分波器）に接続される。
　ＩＱ光変調器３００は、光分波器３０３と光合波器３０５との間に、位相調整器３０４Ｉ、Ｉチャネル用のＭＺＭ３０１Ｉおよび位相調整器３０６Ｉと、位相調整器３０４Ｑ、Ｑチャネル用のＭＺＭ３０１Ｑおよび位相調整器３０６Ｑとが設けられている。さらに、Ｉチャネル用のＭＺＭ３０１Ｉには、ＭＺＭ３０１Ｉ，３０１Ｑの間に光分波器３０７Ｉ（第２光分波器）および位相調整器３１０Ｉａ，３１０Ｉｂが設けられ、その出力側の光導波路を１８０°折り返して、マッハ・ツェンダー干渉型のアーム光導波路（ＭＺ光導波路）３０９Ｉａ，３０９Ｉｂに接続している。すなわち、光分波器３０７Ｉの光伝搬方向とＭＺ光導波路３０９Ｉａ，３０９Ｉｂの光伝搬方向が反対方向である。なお、位相調整器３１０Ｉａ，３１０ＩｂからＭＺ光導波路３０９Ｉａ，３０９Ｉｂまでの光導波路の長さが等しくなるように、折り返し部分の内側の光導波路には、折り曲げ部を設けている。
　ＭＺ光導波路３０９Ｉａ，３０９Ｉｂの出力は、光合波器３０８Ｉ（第２光合波器）で合波され、位相調整器３０６Ｉに入力される。ＭＺ光導波路３０９Ｉａ，３０９Ｉｂに形成された進行波型電極は、半導体チップの他方の辺から形成されたＲＦ信号線３１１Ｉａ，３１１Ｉｂに接続され、ＲＦ変調信号が供給される。Ｑチャネル用のＭＺＭ３０１Ｑ側の構成も同じであるので説明は省略する。
　入力光３２１は、入力光導波路３０２を経てＭＺＭ３０１ＩとＭＺＭ３０１Ｑにおいて、ＲＦ変調信号によって光変調され、光合波器３０５（第１光合波器）で合波されて、半導体チップの一方の辺から変調出力光３２２として出力される。
　この構成によれば、ＩＱチャネル間で導波路構造が対称であるため、チップ内の温度変動・温度分布に対してチャネル間の特性誤差は小さい。また、位相調整器３１０Ｉａ，３１０ＩｂをＭＺＭ３０１Ｉ，３０１Ｑの間に設けたので、ＲＦ信号線３１１Ｉａ，３１１Ｉｂの線路長を短尺化することができるとともに、ＩＱ光変調器３００の短尺化も図ることができる。
　光交差導波路３１２は、２つの光導波路の交差部が、光の伝搬方向が直交する十字型に配置された２つの１×１ＭＭＩカプラから構成されている。２つの１×１ＭＭＩカプラは、十字型の平面形状をなし、同一のコア・クラッド構造で形成されており、伝搬方向が直交する２つの光が同一平面で交差する構造になっている。１×１ＭＭＩカプラでは、多数のモードが独立して伝搬するが、それぞれのモードは異なる伝搬速度を有しているため、ある伝搬長において、それらのモードの干渉結果として光が集光する機能を有する。２つのＭＭＩカプラの交差部の中心を、この集光点とすることにより、低損失な光交差導波路として機能させることができる。
　図４に、実施例１にかかるＩＱ光変調器の位相調整器の構造を示す。図３に示したＩＶ－ＩＶ’における断面図である。位相調整器３０６Ｉは、基板であるＳＩ－ＩｎＰ層４０１上に、ｎ－ＩｎＰ層４０２、下部半導体クラッド層４０３、半導体コア層４０４、上部半導体クラッド層４０５が順に積層されている。下部半導体クラッド層４０３から上部半導体クラッド層４０５までは、ドライエッチングによって所望のメサ構造が形成され、１つの光導波路として機能する。光導波路は、有機材料４０６で覆われて平たん化されており、有機材料４０６の上にヒータ４０７となる金属電極が形成されている。光導波路幅（メサ幅）は２μｍ、ヒータの幅は２μｍであり、長さは４３５μｍである。
　実施例１において、ＩＱチャネル間の位相調整器は、Ｉチャネル用のＭＺＭ３０１Ｉの前後に、同じ長さの位相調整器３０４Ｉ，３０６Ｉが配置されている。２つのヒータに電力を供給する配線は、グラウンド用電極パッド３３１と駆動用電極パッド３３２とに接続され、ヒータの電源は、２つのヒータを並列に駆動電力を供給する。ヒータの抵抗は、幅２μｍ、長さ４３５μｍの場合２１７．５Ωである。この２つのヒータを並列接続しているため、合成抵抗は１０８．７５Ωとなる。上述したように、ヒータに印加すべき駆動電力を最大１００ｍＷとすると、ヒータの電源に必要な出力電圧は３．２９Ｖとなり、汎用の３．３Ｖの電源で駆動することができる。
　ヒータの抵抗は経時変化し、デバイスによって許容される抵抗変化は決められている。５％の抵抗変化を許容した場合、抵抗が５％変化するまでの時間を、ヒータ寿命と定義する。ヒータ寿命は、ヒータの発熱温度に依存しており、ヒータに印加する電力に依存する。ヒータに印加する電力は、デバイスの設計によって必要な電力が決められる（例えば、１００ｍＷなど）。以上のことから、ヒータ長を長くするほど、単位長さ当たりに消費される電力（単位長さ当たりのヒータ温度）は小さくなるため、ヒータ寿命は長くなる。逆に、ヒータ長を短くすると、ヒータ寿命は短くなる。つまり、ヒータ寿命が決まると、最低限必要なヒータの長さが決まる。
　ヒータへの印加電力を最大１００ｍＷとすると、ヒータ寿命の観点からヒータ長は５００μｍ以上が必要である。位相調整器として白金ヒータを用いて、電源電圧３．３Ｖの電源を使用し、ヒータ長５００μｍを満たすためには、ヒータ幅は約４．５μｍとする必要がある。しかしながら、ヒータの膜応力によって、ヒータ幅が３μｍ以上では、膜の剥がれが発生し易くなるため、ヒータ幅は３μｍ未満とする必要がある。
　次に、ヒータ抵抗の並列化によって低抵抗化する場合を考える。同じく、印加電力１００ｍＷ、電源電圧３．３Ｖ、ヒータ長５００μｍとした場合、１本のヒータをヒータ幅２μｍ、ヒータ長４３５μｍとし、それらを並列化することにより、合成抵抗は１０８．７５Ωとなる。ただし、この場合、４３５μｍが２本となり、全長は８７０μｍとなりヒータが長くなり、チップサイズが大きくなってしまう。
　そこで、実施例１では、位相調整器３０４Ｉ，３０６Ｉの２本のヒータを、ＭＺＭ３０１Ｉ、３０１Ｑの入出力側に分けて配置している。ヒータの設置場所は、入力光導波路３０２側の導波路の余長部に並列に配置することにより、ＩＱ光変調器３００を長尺化することなく、ヒータの低抵抗化を実現することができる。
　図５に、本発明の実施例２にかかる偏波多重型のＩＱ光変調器を示す。偏波多重型のＩＱ光変調器６００は、半導体チップ上に、図３に示した実施例１のＩＱ光変調器３００を、Ｘ偏波チャネル用およびＹ偏波チャネル用に２つ並列に集積して、入れ子構造にしている。半導体チップの一方の辺の中央から形成された入力光導波路５０２は、光分波器５１０に接続され、その出力はＸ偏波チャネル用のＭＺＭ５０１ＸとＹ偏波チャネル用のＭＺＭ５０１Ｙに入力される。
　光分波器５１０の出力には、光交差導波路５１２Ｘ，５１２Ｙを介して、光分波器５０３Ｘ，５０３Ｙが接続される。光分波器５０３Ｘと光合波器５０５Ｘとの間に、位相調整器５０４ＸＩ、Ｉチャネル用のＭＺＭ５０１ＸＩおよび位相調整器５０６ＸＩと、位相調整器５０４ＸＱ、Ｑチャネル用のＭＺＭ５０１ＸＱおよび位相調整器５０６ＸＱとが設けられている。光分波器５０３Ｙと光合波器５０５Ｙとの間の構成も同じである。ＭＺＭ５０１ＸＩ，ＸＱとＭＺＭ５０１ＹＩ，ＹＱの構成は、ＭＺＭ３０１Ｉ，３０１Ｑと同じである。
　入力光５２１は、入力光導波路５０２を経て光分波器５０３で分岐され、Ｘ，Ｙ偏波の各チャネル光は、ＭＺＭ５０１ＸとＭＺＭ５０１Ｙにおいて、ＲＦ変調信号によって光変調され、半導体チップの一方の辺から変調出力光５２２Ｘ、５２２Ｙとして出力される。
　この構成によれば、ＸＹ偏波間およびＩＱチャネル間で導波路構造が対称であるため、チップ内の温度変動・温度分布に対してチャネル間の特性誤差は小さい。また、実施例１と同様に、ＲＦ信号線の短尺化によるＩＱ光変調器５００の短尺化も図ることができる。さらに、ＩＱチャネル間の位相調整器をＭＺＭ５０１の前後に配置することにより、ＩＱ光変調器３００を長尺化することなく、ヒータの低抵抗化を実現することができる。

Claims (4)

  1. 　Ｉチャネル用の第１光変調器とＱチャネル用の第２光変調器とを有するＩＱ光変調器であって、
    　半導体チップの一方の辺から形成された入力光導波路に接続され、前記第１および前記第２光変調器の間に設けられ、前記第１および前記第２光変調器に入力光を分波する第１光分波器と、
    　前記第１および前記第２光変調器からの出力光を合波し、前記半導体チップの前記一方の辺から出力する第１光合波器と、
    　前記第１光分波器と前記第１光変調器の入力との間に挿入された位相調整器と、前記第１光変調器の出力と前記第１光合波器との間に挿入された位相調整器とに並列に駆動電力が供給される第１位相調整器と、
    　前記第１光分波器と前記第２光変調器の入力との間に挿入された位相調整器と、前記第２光変調器の出力と前記第１光合波器との間に挿入された位相調整器とに並列に駆動電力が供給される第２位相調整器と
    　を備えたことを特徴とするＩＱ光変調器。
  2. 　前記入力光導波路は、前記第１または前記第２位相調整器のいずれか一方と前記第１光合波器との間の光導波路と交差し、２つの光導波路の交差部が、光の伝搬方向が直交する十字型に配置された２つの１×１ＭＭＩカプラから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＩＱ光変調器。
  3. 　前記第１および前記第２光変調器のそれぞれは、前記第１光分波器で分波された光を２つのアーム光導波路に分岐する第２光分波器を、前記第１および前記第２光変調器の間に有し、前記第２光分波器の光伝搬方向と前記第１および前記第２光変調器の光伝搬方向が反対方向であることを特徴とする請求項１または２に記載のＩＱ光変調器。
  4. 　偏波多重型のＩＱ光変調器であって、
    　半導体チップ上に並列に集積され、Ｘ偏波チャネル用のＩＱ光変調器およびＹ偏波チャネル用のＩＱ光変調器として、請求項１に記載の２つのＩＱ光変調器と、
    　前記半導体チップの一方の辺から形成された入力光導波路に接続され、前記２つのＩＱ光変調器のそれぞれの第１光分波器に入力光を分波する第３光分波器と
    　を備えたことを特徴とするＩＱ光変調器。
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