JP2022032255A - 光変調器及び光変調素子の駆動方法 - Google Patents

光変調器及び光変調素子の駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半波長電圧より低い駆動電圧で動作させたときに消光比３ｄＢ以上とすることを可能とした光変調器を提供する。【解決手段】本開示の光変調器２００は、第１光導波路１１と、第２光導波路１２と、第１光導波路１１に電界を印加する第１電極２１と、第２光導波路１２に電界を印加する第２電極２１と、を有する光変調素子１００と、第１電極２１と第２電極２２との間に印加する印加電圧を制御する制御部と、を備え、制御部は、半波長電圧をＶπとし、光変調素子１００に印加される電圧の幅である印加電圧幅をＶｐｐとした際に、Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．４×Ｖπとし、光変調素子１００に印加される電圧の最小値と最大値とｎｕｌｌ点電圧とをそれぞれＶｍｉｎとＶｍａｘとＶｎとした際に、Ｖｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２９×Ｖπ、またはＶｎ－０．２９×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎとする。【選択図】図３

Description

本発明は、光変調器及び光変調素子の駆動方法に関する。
インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。
光変調器は、電気信号を光信号に変換する。例えば、特許文献１、２には、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成したマッハツェンダー型光変調器が記載されている。また特許文献２には、光変調器の動作点ドリフトを補正することが記載されている。特許文献１、２に記載の光変調器は、４０Ｇｂ／ｓ以上の高速で動作するが、全長が１０ｃｍ前後と長い。
これに対し、特許文献３には、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー型光変調器が記載されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調器と比較して、小型であり、駆動電圧が低い。
特開２００４－３７６９５号公報 特許第４１６４１７９号公報 特開２０１９－４５８８０号公報
ニオブ酸リチウムを用いた光変調器は、消光比が大きく、高周波帯域で動作できるため、都市間のような長距離の通信用に用いられている。また、インジウムリンを用いた光変調器も高周波帯域での動作が可能であるため、長距離の通信用に用いられることが期待されている。一方で、近年、データセンター内またはデータセンター間の短、中距離の通信も増えており、このような用途では、大きな消光比を必要としないため、シリコンを用いた光変調器を使う場合や光変調器を使わずにレーザーダイオードの駆動回路で出射光を直接変調する場合がある。シリコンを用いた光変調器では小型、低電圧駆動、具体的には５ｍｍ以下、２．４Ｖ以下を実現しているが高周波数帯域での動作に対応できない。
一方、ニオブ酸リチウムを用いた光変調器やインジウムリンを用いた光変調器のような高周波帯域で動作できる光変調器をデータセンター内またはデータセンター間の通信に適用するためには、小型化と低電圧駆動が求められる。なお、ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器については、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ拡散により光導波路を形成した光変調器と比較すれば、駆動電圧を低くすることができるが、シリコンを用いた光変調器を代替するには、駆動電圧をさらに低くする必要がある。この駆動電圧は、通常のマッハツェンダー型光変調器では、光の位相差を１８０°にするための電圧である半波長電圧（半波長位相変調電圧)に対応し、光変調器の小型化に伴いその電圧値が増大する。具体的には、引例３においても、相互作用長を５ｍｍとした場合にはＶπは４．８Ｖとなってしまい、上記データセンター用としては使用できない。駆動電圧をＶπの５０％以下、実用的には４０％以下、好ましくは３５％以下、さらに好ましくは３０％以下にする必要がある。従って、光変調器の小型化と低電圧駆動の双方に対応するためには、半波長電圧Ｖπより低い駆動電圧（０．４Ｖπ以下）で動作させる必要がある。また、消光比３ｄＢ以上とすることも求められている。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、半波長電圧より低い駆動電圧で動作させたときに消光比３ｄＢ以上とすることを可能とした光変調器、及び、消光比３ｄＢ以上を確保しつつ光変調素子を半波長電圧より低い駆動電圧で駆動する駆動方法を提供することを目的とする。
（１）第１の態様に係る光変調器は、第１光導波路と、第２光導波路と、前記第１光導波路に電界を印加する第１電極と、前記第２光導波路に電界を印加する第２電極と、を有する光変調素子と、前記第１電極と前記第２電極との間の印加電圧を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記光変調素子の半波長電圧をＶπとし、前記光変調素子に印加される印加電圧の振幅である印加電圧幅をＶｐｐとした際に、Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．４×Ｖπとし、前記光変調素子に印加される電圧の最小値と最大値をそれぞれＶｍｉｎとＶｍａｘとし、前記光変調素子のｎｕｌｌ点電圧をＶｎとした際に、Ｖｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２９×Ｖπ、またはＶｎ－０．２９×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎとする。
（２）上記態様に係る光変調器において、前記第１光導波路及び前記第２光導波路は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含んでもよい。
（３）第２の態様に係る光変調素子の駆動方法は、第１光導波路及び第２光導波路と、前記第１光導波路と平面視重なる位置にある第１電極と、前記第２光導波路と平面視重なる位置にある第２電極と、を有する光変調素子の駆動方法であって、前記光変調素子の半波長電圧をＶπとし、前記光変調素子に印加される印加電圧の振幅である印加電圧幅をＶｐｐとした際に、Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．４×Ｖπとし、前記光変調素子に印加される電圧の最小値と最大値をそれぞれＶｍｉｎとＶｍａｘとし、前記光変調素子のｎｕｌｌ点電圧をＶｎとした際に、Ｖｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２９×Ｖπ、またはＶｎ－０．２９×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎとする。
（４）上記態様に係る光変調素子の駆動方法において、前記第１光導波路及び前記第２光導波路は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含んでもよい。
上記態様にかかる光変調器及び光変調素子の駆動方法は、半波長電圧より低い駆動電圧で動作でき、かつ、３ｄＢ以上の消光比を得ることができる。
第１実施形態にかかる光変調器のブロック図である。 第１実施形態にかかる光導波路の平面図である。 第１実施形態にかかる光変調素子の平面図である。 第１実施形態にかかる光変調素子の断面図である。 第１実施形態にかかる光変調器の印加電圧と出力との関係を示す図である。 第１実施形態にかかる光変調器の電圧幅Ｒ１を説明するための図である。 第１実施形態にかかる光変調器の印加電圧と消光比との関係を示す図である。 第１実施形態にかかる光変調器の電圧幅Ｒ２を説明するための図である。 第１変形例に係る光変調素子の平面図である。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
まず方向について定義する。基板Ｓｂの一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、例えば、第１光導波路１１の延びる方向である。ｚ方向は、基板Ｓｂと垂直な方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
図１は、第１実施形態に係る光変調器２００のブロック図である。光変調器２００は、光変調素子１００と駆動回路１１０と直流バイアス印加回路１２０と直流バイアス制御回路１３０とを有する。なお、光変調器２００の制御部は、駆動回路１１０と直流バイアス印加回路１２０と直流バイアス制御回路１３０とを有する。
光変調素子１００は、電気信号を光信号に変換する。光変調素子１００は、入力された入力光Ｌｉｎを変調信号Ｓｍに応じて出力光Ｌｏｕｔに変換する。
駆動回路１１０は、変調信号Ｓｍに応じた変調電圧Ｖｍを光変調素子１００に印加する。この時の変調信号の印加電圧幅をＶｐｐとする。直流バイアス印加回路１２０は、直流バイアス電圧Ｖｄｃを光変調素子１００に印加する。直流バイアス制御回路１３０は、出力光Ｌｏｕｔをモニターし、直流バイアス印加回路１２０から出力される直流バイアス電圧Ｖｄｃを制御する。この直流バイアス電圧Ｖｄｃを調整することより、後述する動作点Ｖｄが制御される。
図２は、光変調素子１００の光導波路１０をｚ方向から見た平面図である。図３は、光変調素子１００をｚ方向から見た平面図である。図４は、図３におけるＸ１－Ｘ１’に沿って切断した断面である。光変調素子１００は、光導波路１０と電極２１、２２、２３、２４とを有する。
光変調素子１００は、基板Ｓｂ上にある。基板Ｓｂとしては、ニオブ酸リチウム膜等の酸化膜４０をエピタキシャル膜として形成させることができる基板であればよく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。基板Ｓｂの結晶方位は特に限定されない。なお、ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の基板Ｓｂに対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を構成する結晶は３回対称の対称性を有しているので、下地の基板Ｓｂも同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。
光導波路１０は、内部を光が伝搬する光の通路である。光導波路１０は、例えば、第１光導波路１１と第２光導波路１２と入力路１３と出力路１４と分岐部１５と結合部１６とを有する。第１光導波路１１及び第２光導波路１２は、例えば、ｘ方向に延びる。第１光導波路１１と第２光導波路１２のｘ方向の長さは、略同一である。分岐部１５は、入力路１３と第１光導波路１１及び第２光導波路１２との間にある。入力路１３は、分岐部１５を介して、第１光導波路１１及び第２光導波路１２と繋がる。結合部１６は、第１光導波路１１及び第２光導波路１２と出力路１４との間にある。第１光導波路１１と第２光導波路１２とは、結合部１６を介して、出力路１４と繋がる。
光導波路１０は、酸化膜４０の第１面４０ａから突出するリッジ形状部である第１光導波路１１及び第２光導波路１２を含む。第１面４０ａは、酸化膜４０のリッジ形状部以外の部分における上面である。リッジ形状部は、第１面４０ａからｚ方向に突出し、光導波路１０に沿って延びる。リッジ形状部のＸ１－Ｘ１’断面（光の進行方向に垂直な断面）の形状は、光を導波できる形状であればその形状は問わず、例えばドーム状、三角形状、矩形状でもよい。リッジ形状部のｙ方向の幅は、例えば、０．３μｍ以上５．０μｍ以下であり、リッジ形状部の高さ（第１面４０ａからの突出高さ）は、例えば、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。リッジ形状部は、酸化膜４０と同じ材質から構成される。
酸化膜４０は、例えば、ｃ軸配向したニオブ酸リチウム膜である。酸化膜４０は、例えば、基板Ｓｂ上にエピタキシャル成長したエピタキシャル膜である。エピタキシャル膜は、下地の基板によって結晶方位が揃えられた単結晶の膜のことである。エピタキシャル膜は、ｚ方向およびｘｙ面内方向に単一の結晶方位をもった膜であり、結晶がｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向にともに揃って配向しているものである。エピタキシャル膜かどうかは、例えば、２θ－θＸ線回折における配向位置でのピーク強度と極点の確認を行うことで証明することができる。また、酸化膜４０は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２を介して設けられたニオブ酸リチウム膜であってもよい。
具体的には、２θ－θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。例えば、酸化膜４０がｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。ここで、（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。
また、前述の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみである。よって、前述の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。例えば、酸化膜がニオブ酸リチウム膜の場合、ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウムの場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４ｘ３＝１２個の極点が観測される。なお、本開示では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。
ニオブ酸リチウムの組成は、ＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素である。ｘは、０．５以上１．２以下であり、好ましくは０．９以上１．０５以下である。ｙは、０以上０．５以下である。ｚは１．５以上４．０以下であり、好ましくは２．５以上３．５以下である。Ａの元素は、例えば、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅであり、これらの元素を２種類以上の組み合わせても良い。
酸化膜４０の膜厚は、例えば、２μｍ以下である。酸化膜４０の膜厚とは、リッジ形状部以外の部分の膜厚である。酸化膜４０の膜厚が厚いと、結晶性が低下する恐れがある。また酸化膜４０の膜厚は、例えば、使用する光の波長の１／１０程度以上である。酸化膜４０の膜厚が薄いと、光の閉じ込めが弱くなり、基板Ｓｂやバッファ層３０に光が漏れる。酸化膜４０の膜厚が薄いと、酸化膜４０に電界を印加しても、光導波路１０の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。
電極２１、２２は、光導波路１０に変調電圧Ｖｍを印加する電極である。電極２１は、第１電極の一例であり、電極２２は、第２電極の一例である。電極２１の第１端２１ａは電源３１に接続され、第２端２１ｂは終端抵抗３２に接続されている。電極２２の第１端２２ａは電源３１に接続され、第２端２２ｂは終端抵抗３２に接続されている。電源３１は、変調電圧Ｖｍを光変調素子１００に印加する駆動回路１１０の一部である。
電極２３、２４は、光導波路１０に直流バイアスＶｄｃを印加する電極である。電極２３の第１端２３ａ及び電源２４の第１端２４ａは電源３３に接続されている。電源３３は、直流バイアス電圧Ｖｄｃを光変調素子１００に印加する直流バイアス印加回路１２０の一部である。
図３では、見易くするために並行して配置した電極２１及び電極２２の線幅、線間を実際よりも広くしている。そのため、電極２１と第１光導波路１１とが重畳する部分の長さ（相互作用長）と、電極２２と第２光導波路１２とが重畳する部分の長さ（相互作用長）とが、異なるように見えるが、これらの長さ（相互作用長）は略同一である。同様に、電極２３と第１光導波路１１とが重畳する部分の長さ（相互作用長）と、電極２４と第２光導波路１２とが重畳する部分の長さ（相互作用長）とは、略同一である。
また電極２１、２２に直流バイアス電圧Ｖｄｃを重畳する場合は、電極２３、２４を設けなくてもよい。また電極２１、２２、２３、２４の周囲に接地電極を設けてもよい。
電極２１、２２、２３、２４は、バッファ層３０を挟んで、酸化膜４０上にある。電極２１、２３は、それぞれ、第１光導波路１１に電界を印加できる。電極２１、２３は、それぞれ、例えば、第１光導波路１１とｚ方向からの平面視で重なる位置にある。電極２１は、それぞれ、第１光導波路１１の上方にある。電極２２、２４はそれぞれ、第２光導波路１２に電界を印加できる。電極２２、２４は、それぞれ、例えば、第２光導波路１２とｚ方向からの平面視で重なる位置にある。電極２２、２４は、第２光導波路１２の上方にある。
バッファ層３０は、光導波路１０と電極２１、２２、２３、２４との間にある。バッファ層３０は、リッジ形状部を被覆し、保護する。またバッファ層３０は、光導波路１０を伝搬する光が電極２１、２２、２３、２４に吸収されることを防ぐ。バッファ層３０は、酸化膜４０より屈折率が低い。バッファ層３０は、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、Ｌａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＦ２、Ｉｎ２Ｏ３等又はこれらの混合物が挙げられる。
光変調素子１００は、公知の方法で作製できる。例えばエピタキシャル成長、フォトリソグラフィ、エッチング、気相成長及びメタライズなどの半導体プロセスを用いて、光変調素子１００は製造される。
光変調素子１００は、電気信号を光信号に変換する。光変調素子１００は、入力光Ｌｉｎを出力光Ｌｏｕｔに変調する。まず光変調素子１００の変調動作について説明する。
入力路１３から入力された入力光Ｌｉｎは、第１光導波路１１と第２光導波路１２に分岐して伝搬する。第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光との位相差は、分岐した時点ではゼロである。
次いで、電極２１と電極２２との間に印加電圧を加える。例えば、電極２１と電極２２のそれぞれに、絶対値が同じで、正負が反対であり、位相が互いにずれていない差動信号を印加してもよい。第１光導波路１１及び第２光導波路１２の屈折率は、電気光学効果によって変化する。例えば、第１光導波路１１の屈折率は、基準の屈折率ｎから＋Δｎ変化し、第２光導波路１２の屈折率は、基準の屈折率ｎから－Δｎ変化する。
第１光導波路１１と第２光導波路１２との屈折率の違いは、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光との間に位相差を生み出す。第１光導波路１１及び第２光導波路１２を伝搬した光は、出力路１４で合流し、出力光Ｌｏｕｔとして出力される。出力光Ｌｏｕｔは、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光とを重ね合わせたものである。出力光Ｌｏｕｔの強度は、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光の位相差に応じて変化する。例えば、位相差がπの偶数倍の場合は光が強め合い、πの奇数倍の場合は光が弱め合う。このような手順で、光変調素子１００は、電気信号に応じて、入力光Ｌｉｎを出力光Ｌｏｕｔに変調する。
光変調素子１００の変調電圧印加用の電極２１、２２には、変調信号に応じた変調電圧Ｖｍが印加される。直流バイアス電圧印加用の電極２３、２４に印加される電圧、つまり、直流バイアス印加回路１２０から出力される直流バイアス電圧Ｖｄｃは、直流バイアス制御回路１３０により制御される。直流バイアス制御回路１３０は、直流バイアス電圧Ｖｄｃを制御することにより、光変調素子１００の動作点Ｖｄを調整する。動作点Ｖｄとは変調電圧振幅の中心となる電圧である。
直流バイアス制御回路１３０は、印加される電圧の最小値電圧Ｖｍｉｎが後述するｎｕｌｌ点電圧Ｖｎより大きい場合、図５に示したように光変調素子１００の最小値電圧Ｖｍｉｎが電圧幅Ｒ１内となるように、動作点電圧Ｖｄを制御する。動作点電圧Ｖｄとは印加される電圧の最小値電圧Ｖｍｉｎと最大値電圧Ｖｍａｘの中点である。電圧幅Ｒ１は、半波長電圧Ｖπ及びｎｕｌｌ点電圧Ｖｎから規定される。
電圧幅Ｒ１は、Ｖｎ以上、Ｖｎ＋０．２９１Ｖπ以下の範囲である。印加される電圧Ｖｐｐの最小値電圧Ｖｍｉｎがｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ以上の場合、図６に示したように最小値電圧Ｖｍｉｎは、下記（１）式を満たすように設計される。
Ｖｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２９Ｖπ・・・・・（１）
また、印加される電圧の最大値電圧Ｖｍａｘがｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ以下の場合、図８に示したように最大値電圧Ｖｍａｘは、下記（２）式を満たすように設計される。
Ｖｎ－０．２９Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎ・・・・・（２）
光変調素子１００による光変調について図５を用いて説明する。図５は、第１実施形態にかかる光変調器２００の印加電圧と出力との関係を示す図である。図５の横軸は光変調素子１００に印加した電圧であり、縦軸は光変調素子１００からの出力を規格化したものである。出力は、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光の位相差がゼロの場合を「１」として規格化している。
次に、ｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ及び半波長電圧Ｖπについて説明する。光変調素子１００の出力は、印加電圧がゼロの場合に最大となる。印加電圧がゼロの場合は、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光の位相差がゼロであるためである。光変調素子１００からの出力は、印加電圧を大きくしていくと、徐々に小さくなり、ある点で極小となる。光変調素子１００からの出力が極小となる電圧が、ｎｕｌｌ点電圧Ｖｎである。半波長電圧（半波長位相変調電圧)は、マッハツェンダー型光変調器で光の位相差を１８０°にするための電圧であり、光変調素子１００からの出力が極大から極小に至るまでの電圧幅が、半波長電圧Ｖπに対応する。ｎｕｌｌ点電圧Ｖｎを超える電圧を印加すると、光変調素子１００からの出力は周期的に変化する。光変調素子１００からの出力は、半波長電圧Ｖπごとに、極大、極小を繰り返す。
光変調素子１００の半波長電圧Ｖπは、光変調素子１００の構成によって変化する。半波長電圧Ｖπは、第１光導波路１１上の電極２１の長さ、第２光導波路１２上の電極２２の長さによって変化する。長さは、光の伝搬方向への長さである。図３の場合、電極２１のうちの第１光導波路１１と重なる部分の長さ、又は、電極２２のうちの第２光導波路１２と重なる部分の長さである。この長さは、相互作用長と言われる。相互作用長が長いと半波長電圧Ｖπは小さくなり、相互作用長が短いと半波長電圧Ｖπが大きくなる。
ニオブ酸リチウム薄膜を用いた光変調素子は、バルクのニオブ酸リチウムを用いた光変調素子と比較して効率的に光導波路に電界を印加できるため、半波長電圧Ｖπを小さくできる。しかしながら、データセンター用のトランシーバーに組み込むには、光変調素子１００の更なる小型化が必要であり、光変調素子１００の相互作用長を短くする必要がある。また光変調素子１００の変調周波数の帯域を広げるためには、相互作用長を短くする必要がある。一方、相互作用長を短くすることにより、半波長電圧Ｖπが大きくなるため、駆動電圧（印加電圧幅Ｖｐｐ）は０．４Ｖπ以下にする必要がある。
動作点電圧Ｖｄは、使用環境の温度等で変動する場合がある。使用中に動作点電圧Ｖｄが変動した場合は、印加電圧幅Ｖｐｐの最小値電圧Ｖｍｉｎおよび最大値電圧Ｖｍａｘが電圧幅Ｒ１およびＲ２の範囲となるように、直流バイアス制御回路１３０で補正する。直流バイアス制御回路１３０は、例えば、出力光Ｌｏｕｔから分岐した分岐光Ｌｂを基に、動作点の変動を補正する。
また駆動回路１１０は、光変調素子１００に印加する印加電圧幅Ｖｐｐも制御する。駆動回路１１０は、光変調素子１００に印加する高周波電圧を制御する。駆動回路１１０は、光信号に変換される電気信号を光変調素子１００に入力する。駆動回路１１０は、例えば、電源、ドライバ等を含む。
駆動回路１１０は、光変調素子１００に印加する印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．４×Ｖπの範囲に制御する。
図６は、第１実施形態にかかる光変調器２００の印加電圧幅Ｖｐｐを説明するための図である。図６は、図５に印加電圧幅Ｖｐｐの説明を加えた図である。
印加電圧幅Ｖｐｐは、光変調素子１００を動作させる際に利用する電圧の範囲となる。印加する電圧の最小値と最大値をそれぞれ最小値電圧Ｖｍｉｎと最大値電圧Ｖｍａｘとしたときに、印加電圧幅ＶｐｐはＶｍａｘ－Ｖｍｉｎで表される。光変調素子１００には、動作点電圧Ｖｄを中点として所定の範囲の電圧が印加される。光変調素子１００には印加電圧幅Ｖｐｐの高周波電圧が印加される。光変調素子１００からの出力は、ＶｍａｘとＶｍｉｎの範囲に対応して変化する。
例えば、最小値電圧ＶｍｉｎをＶｎとし、印加電圧幅Ｖｐｐを半波長電圧Ｖπとすると、光変調素子１００には通常、ＶｎからＶｎ＋Ｖπの範囲の電圧が印加される。光変調素子１００からの出力は、印加電圧がＶｎで最小となり、印加電圧がＶｎ＋Ｖπで最大となる。印加電圧をＶｎとＶｎ＋Ｖπとの間で変えることで、光変調素子１００の出力の変化幅が最大となる。一方で、光変調素子１００を駆動させるのに必要な駆動電圧が大きくなる。
図７は、第１実施形態にかかる光変調器２００の印加電圧と消光比との関係を示す図である。図７の横軸は、光変調素子１００に印加した電圧であり、縦軸は印加した電圧における出力光Ｌｏｕｔとｎｕｌｌ点電圧における出力光Ｌｏｕｔとの比を示している。消光比は、印加される電圧範囲での出力光Ｌｏｕｔの最大値と最小値の比である。
図５及び図７に示すように、最小値電圧Ｖｍｉｎを電圧幅Ｒ１内に設定した場合、光変調素子１００は出力光Ｌｏｕｔの光量が相対的に小さい領域で動作するが、印加電圧幅Ｖｐｐに対する相対的な消光比を大きくすることができる。
ここで、図７に示すように、光変調素子１００の出力光Ｌｏｕｔの光量が十分小さい領域（ｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ近傍）は、消光比の変化が大きい。データセンター用の光変調器に必要とされる消光比は、３ｄＢ以上である必要があり、より好ましくは６ｄＢ以上である。最小値電圧Ｖｍｉｎを電圧幅Ｒ１内に設定することで、消光比の変化量が大きい領域を活用することができ、低い駆動電圧（０．４Ｖπ以下）で、高い消光比を得ることができる。
またニオブ酸リチウム膜を用いた光変調素子１００は、消光比を最大化しようとすると駆動電圧が大きくなるが、最小値電圧ＶｍｉｎをＲ１内に設定し、印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．４×Ｖπの範囲にすることで、データセンターに用いることができる消光比３ｄＢ以上を確保しつつ、低電圧駆動（０．４Ｖπ以下）が可能となる。
上述のように、第１実施形態に係る光変調器２００は、消光比３ｄＢ以上を確保しつつ、低電圧駆動（０．４Ｖπ以下）できる。なお、駆動電圧は０．４×Ｖπ以下にすることが求められ、より好ましくは０．３５×Ｖπ以下で、更に好ましくは０．３×Ｖπ以下で、最も好ましくは０．２５×Ｖπ以下である。そして、駆動電圧が０．４×Ｖπ以下において、表１に示した消光比が６ｄＢ以上となるように動作点を設定することが好ましい。 表１は、最小値電圧Ｖｍｉｎと印加電圧幅Ｖｐｐと消光比との関係を示す表である。最小値電圧Ｖｍｉｎ及び印可電圧幅Ｖｐｐはともに半波長電圧で規格化した値である。表１中の先頭列は、最小値電圧（Ｖｍｉｎ／Ｖπ）を示し、先頭行は、Ｖｐｐ／Ｖπを示す。表１中の各セルの値は、当該セルが属する行の最小値電圧と当該セルが属する列のＶｐｐとを組み合わせた際の消光比（ｄＢ）を示す。例えば、最小値電圧（Ｖｍｉｎ／Ｖπ）が１．００でＶｐｐ／Ｖπが０．２５の場合は、消光比は、１６．７ｄＢである。
例えば、駆動電圧を０．４×Ｖπとした場合は、印加電圧幅Ｖｐｐ最小値電圧Ｖｍｉｎを、ＶｎからＶｎ＋０．２９Ｖπの範囲内となるように動作点Ｖｄを設定することが好ましい。また、駆動電圧を０．３５×Ｖπとした場合は、印加電圧幅Ｖｐｐの最小値電圧Ｖｍｉｎを、ＶｎからＶｎ＋０．２７Ｖπの範囲内となるように動作点Ｖｄを設定することが好ましい。また、駆動電圧を０．３×Ｖπとした場合は、印加電圧幅Ｖｐｐの最小値電圧Ｖｍｉｎを、ＶｎからＶｎ＋０．２４Ｖπの範囲内となるように動作点Ｖｄを設定することが好ましい。また、駆動電圧を０．２５×Ｖπとした場合は、印加電圧幅Ｖｐｐの最小値電圧Ｖｍｉｎを、ＶｎからＶｎ＋０．２１Ｖπの範囲内となるように動作点Ｖｄを設定することが好ましい。
Figure 2022032255000002
ここまで第１実施形態に係る光変調器２００を一例として説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．３５×Ｖπとしてもよい。この場合、より小さい印加電圧で光変調器２００の消光比を３ｄＢ以上とすることができる。
また例えば、印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．３×Ｖπとしてもよい。この場合、印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．３５×Ｖπとする場合よりもさらに小さい印加電圧で光変調器２００の消光比を３ｄＢ以上にすることができる。さらに好ましく印加電圧幅Ｖｐｐは、０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．２５×Ｖπである。
Ｖｐｐを０．４×Ｖπ以下とした場合は、Ｖｐｐの最小値電圧ＶｍｉｎをＶｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２９×Ｖπとなるように動作点電圧Ｖｄを設定することが好ましい。Ｖｐｐを０．３５×Ｖπ以下とした場合は、最小値電圧ＶｍｉｎをＶｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２７×Ｖπとなるように動作点電圧Ｖｄを設定することが好ましい。Ｖｐｐを０．３×Ｖπ以下とした場合は、Ｖｐｐの最小値電圧ＶｍｉｎをＶｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２４×Ｖπとなるように動作点電圧Ｖｄを設定することが好ましい。Ｖｐｐを０．２５×Ｖπ以下とした場合は、Ｖｐｐの最小値電圧ＶｍｉｎをＶＶｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２１×Ｖπとなるように動作点電圧Ｖｄを設定することが好ましい。
図６では、印加電圧幅Ｖｐｐの最小値電圧Ｖｍｉｎを電圧幅Ｒ１の範囲としたが、図８のように印加電圧幅Ｖｐｐの最大値電圧Ｖｍａｘが電圧幅Ｒ２の範囲としてもよい。この場合、電圧幅Ｒ２は、半波長電圧Ｖπ及びｎｕｌｌ点電圧Ｖｎから規定される。具体的には、電圧幅Ｒ２は、Ｖｎ－０．２９×Ｖπ以上Ｖｎ以下の範囲である。すなわち、最大値電圧Ｖｍａｘは、前述の（２）式を満たすように設計される。
Ｖｎ－０．２９×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎ・・・・・（２）
ＶｍａｘをＶｎ－０．２９×Ｖπ以上Ｖｎ以下の範囲とすることで、印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．４×Ｖπの範囲の印加電圧で消光比３ｄＢ以上とすることができる。そして、駆動電圧が０．４×Ｖπ以下において、消光比が６ｄＢ以上となるように動作点を設定することがより好ましい。
例えば、電圧幅Ｒ２をｎｕｌｌ点電圧Ｖｎより小さい側に設定する場合は、駆動電圧を０．４×Ｖπとした場合は、印加電圧幅Ｖｐｐの最大値電圧Ｖｍａｘを、ＶｎからＶｎ－０．２９Ｖπの範囲内となるように動作点Ｖｄを設定することが好ましい。また、駆動電圧を０．３５×Ｖπとした場合は、印加電圧幅Ｖｐｐの最大値電圧Ｖｍａｘを、ＶｎからＶｎ－０．２７Ｖπの範囲内となるように動作点Ｖｄを設定することが好ましい。また、駆動電圧を０．３×Ｖπとした場合は、印加電圧幅Ｖｐｐの最大値電圧Ｖｍａｘを、ＶｎからＶｎ－０．２４×Ｖπの範囲内となるように動作点Ｖｄを設定することが好ましい。また、駆動電圧を０．２５×Ｖπとした場合は、印加電圧幅Ｖｐｐの最大値電圧Ｖｍａｘを、ＶｎからＶｎ－０．２１Ｖπの範囲内となるように動作点Ｖｄを設定することが好ましい。
例えば、印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．３５×Ｖπとしてもよい。この場合、より小さい印加電圧で光変調器２００の消光比を３ｄＢ以上とすることができる。
また,例えば、印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．３×Ｖπとしてもよい。この場合、印加電圧幅Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．３５×Ｖπとする場合よりもさらに小さい印加電圧で光変調器２００の消光比を３ｄＢ以上にすることができる。さらに好ましい印加電圧幅Ｖｐｐは０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．２５×Ｖπである。
Ｖｐｐを０．４×Ｖπ以下とした場合は、Ｖｐｐの最大値電圧ＶｍａｘをＶｎ－０．２９×Ｖπ≦Ｖｍａｘｂ≦Ｖｎとなるように動作点電圧Ｖｄを設定することが好ましい。Ｖｐｐを０．３５×Ｖπ以下とした場合は、Ｖｐｐの最大値電圧ＶｍａｘをＶｎ－０．２７×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎとなるように動作点電圧Ｖｄを設定することが好ましい。Ｖｐｐを０．３×Ｖπ以下とした場合は、Ｖｐｐの最大値電圧ＶｍａｘをＶｎ－０．２４×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎとなるように動作点電圧Ｖｄを設定することが好ましい。Ｖｐｐを０．２５×Ｖπ以下とした場合は、Ｖｐｐの最大値電圧ＶｍａｘをＶｎ－０．２１×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎとなるように動作点電圧Ｖｄを設定することが好ましい。
また、上記の態様では、制御部は、光変調素子１００の動作点電圧Ｖｄを制御していたが、最小値電圧Ｖｍｉｎ又は最大値電圧Ｖｍａｘを制御してもよい。
図９のように、本実施形態に係る光変調素子１０１は、第１光導波路５１および第２光導波路５２が湾曲していてもよい。図９は、第１変形に係る光変調素子１０１をｚ方向から平面視した平面図である。光変調素子１０１は、光導波路５０と電極６１、６２、６３、６４と有する。
光導波路５０は、第１光導波路５１と第２光導波路５２と入力路５３と出力路５４と分岐部５５と結合部５６とを有する。光導波路５０は、第１光導波路５１及び第２光導波路５２が途中で湾曲している点が、光導波路１０と異なる。光導波路５０のその他の点は、光導波路１０と同様である。
電極６１、６２は、光導波路５０に変調電圧Ｖｍを印加する電極である。電極６１は、第１電極の一例であり、電極６２は、第２電極の一例である。電極６１の第１端６１ａは電源３１に接続され、第２端６１ｂは終端抵抗３２に接続されている。電極６２の第１端６２ａは電源３１に接続され、第２端６２ｂは終端抵抗３２に接続されている。電極６３、６４は、光導波路５０に直流バイアスＶｄｃを印加する電極である。電極６３の第１端６３ａ及び電源６４の第１端６４ａは電源３３に接続されている。
図９では、並行して配置した電極６１及び電極６２の線幅、線間を広くしたため、電極６１と第１光導波路５１とが重畳する部分の長さと、電極６２と第２光導波路５２とが重畳する部分の長さとが、異なるように図示しているが、これらの長さは略同一である。同様に、電極６３と第１光導波路５１とが重畳する部分の長さと、電極６４と第２光導波路５２とが重畳する部分の長さとは、略同一である。
電極６１及び電極６２が第１光導波路５１及び第２光導波路５２に沿って湾曲している点が、電極２１および電極２２と異なる。電極６１、６２、６３、６４のそれぞれのその他の点は、電極２１、２２、２３、２４のそれぞれと同様である。
光変調素子１０１は、第１光導波路５１及び第２光導波路５２が湾曲していることで、ｘ方向の素子サイズが小さい。光変調素子１０１は、例えば、１００ｍｍ２以下、好ましくは５０ｍｍ２以下の素子サイズを実現できる。データセンター用の光変調器は小型化が求められている。光導波路５０を湾曲させることで、既存のデータセンター用の光変調器に対応した小さいサイズの領域にも、光変調素子１０１を収容できる。
１０、５０ 光導波路
１１、５１ 第１光導波路
１２、５２ 第２光導波路
１３、５３ 入力路
１４、５４ 出力路
１５、５５ 分岐部
１６、５６ 結合部
２１、２２、２３、２４、６１、６２、６３、６４ 電極
３０ バッファ層
４０ 酸化膜
４０ａ 第１面
１００、１０１ 光変調素子
１１０ 駆動回路
１２０ 直流バイアス印加回路
１３０ 直流バイアス制御回路
２００ 光変調器
Ｌｉｎ 入力光
Ｌｏｕｔ 出力光
Ｌｂ 分岐光
Ｖｍｉｎ 最小値電圧
Ｖｍａｘ 最大値電圧
Ｖｄ 動作点電圧
Ｖｎ ｎｕｌｌ点電圧
Ｖπ 半波長電圧
Ｖｐｐ 印加電圧幅

Claims (4)

  1. 第１光導波路と、第２光導波路と、前記第１光導波路に電界を印加する第１電極と、前記第２光導波路に電界を印加する第２電極と、を有する光変調素子と、
    前記第１電極と前記第２電極との間の印加電圧を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記光変調素子の半波長電圧をＶπとし、前記光変調素子に印加される印加電圧の振幅である印加電圧幅をＶｐｐとした際に、
    Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．４×Ｖπとし、
    前記光変調素子に印加される電圧の最小値と最大値をそれぞれＶｍｉｎとＶｍａｘとし、前記光変調素子のｎｕｌｌ点電圧をＶｎとした際に、
    Ｖｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２９×Ｖπ、または
    Ｖｎ－０．２９×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎとする、
    光変調器。
  2. 前記第１光導波路及び前記第２光導波路は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含む、請求項１に記載の光変調器。
  3. 第１光導波路及び第２光導波路と、前記第１光導波路と平面視重なる位置にある第１電極と、前記第２光導波路と平面視重なる位置にある第２電極と、を有する光変調素子の駆動方法であって、
    前記光変調素子の半波長電圧をＶπとし、前記光変調素子に印加される印加電圧の振幅である印加電圧幅をＶｐｐとした際に、
    Ｖｐｐを０．０６×Ｖπ≦Ｖｐｐ≦０．４×Ｖπとし、
    前記光変調素子に印加される電圧の最小値と最大値をそれぞれＶｍｉｎとＶｍａｘとし、前記光変調素子のｎｕｌｌ点電圧をＶｎとした際に、
    Ｖｎ≦Ｖｍｉｎ≦Ｖｎ＋０．２９×Ｖπ、または
    Ｖｎ－０．２９×Ｖπ≦Ｖｍａｘ≦Ｖｎとする、
    光変調素子の駆動方法。
  4. 前記第１光導波路及び前記第２光導波路は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含む、請求項３に記載の光変調素子の駆動方法。
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