JP5818708B2 - 非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器及び波長分割多重送信器 - Google Patents
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Description
本発明は光デバイスである非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器と、この非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器を備えた波長分割多重送信器に関する。
現在の光通信の伝送速度の更なる高速化の要求に対して、光強度のオン・オフを高速に切り替えることができる光強度変調器が必要とされている。
一般に高速・長距離の光信号伝送の実現のためには、光信号のオン・オフの強度比である消光比が大きいことが重要である。
また、一方で近年、光通信機器が消費する電力の低減が重要視されている。
従って、高い消光比を低消費電力にて実現できる光強度変調器が必要とされている。
一般に高速・長距離の光信号伝送の実現のためには、光信号のオン・オフの強度比である消光比が大きいことが重要である。
また、一方で近年、光通信機器が消費する電力の低減が重要視されている。
従って、高い消光比を低消費電力にて実現できる光強度変調器が必要とされている。
光強度変調器の種類としては、光導波路に電界を印加することで光導波路材料に光を吸収させる電界吸収型の光強度変調器（ＥＡＭ）と、マッハツェンダー干渉計型光導波路の一部の屈折率を制御し、光の結像位置を変化させることで光強度の強弱を得るマッハツェンダー干渉計型の光強度変調器が挙げられる。
電界吸収型光強度変調器は光導波路に電極を装荷するのみで光強度変調の機能が得られ、光カプラが必要なマッハツェンダー干渉計型と比較してその構成が簡素であり、作製が比較的容易であるという利点を有している。
W.Kobayashi, M. Arai, T. Yamanaka, N. Fujiwara, T. Fujisawa, T. Tadokoro, K. Tsuzuki, Y. Kondo, F. Kano, "Design and Fabrication of 10-/40-Gb/s, Uncooled Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 28, pp.164-171, Jan. 2010.
T. Fujisawa, T. Yamanaka, T. Tadokoro, N. Fujiwara, M. Arai, W. Kobayashi, Y. Kawaguchi, K. Tsuzuki, and F. Kano, "Theoretical and Experimental Investigation of the Incident-Power-Dependent Extinction Ratio of an Electroabsorption Modulator Integrated with a Distributed Feedback Laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 47, pp.60-65, Jan. 2011.
しかしながら、電界吸収型光強度変調器は、その簡素な構造ゆえに設計の自由度が低く、本質的には電界吸収型光強度変調器を構成する半導体の層構造と電界を印加する電極長が決定されてしまうと、電界吸収型光強度変調器としての特性、具体的には駆動電圧に対する消光比特性を更に向上する手段が乏しいという問題があった。
一般に、寄生容量の観点から、電界吸収型光強度変調器の電極長（即ち電界吸収型光強度変調器の長さ）が短いほど、電界吸収型光強度変調器の高周波特性がよい。１０Ｇｂｐｓや４０Ｇｂｐｓの高速な光強度信号には、２００μｍ以下のＥＡＭの長さが適している。（非特許文献１）
本発明はこれらの問題を解決するために提案されるものである。
即ち、電界吸収型光強度変調器を構成する半導体の層構造と電界（駆動電圧）を印加する電極長が決定された電界吸収型光強度変調器に対して、更なる消光比の向上を提供する。
これは、所望の消光比を得るために必要な駆動電圧の低減も意味する。
駆動電圧の低減が達成されると、一般的に光通信用送信器の駆動に用いられる高価な化合物半導体電子回路によるドライバを安価なＣＭＯＳ回路に置き換えることや、更にはドライバそのものを必要とせずに、信号発生源から直接送信器を駆動できる可能性があり、光送信器モジュール全体で見た際のコストや消費電力の削減に寄与できる。
即ち、電界吸収型光強度変調器を構成する半導体の層構造と電界（駆動電圧）を印加する電極長が決定された電界吸収型光強度変調器に対して、更なる消光比の向上を提供する。
これは、所望の消光比を得るために必要な駆動電圧の低減も意味する。
駆動電圧の低減が達成されると、一般的に光通信用送信器の駆動に用いられる高価な化合物半導体電子回路によるドライバを安価なＣＭＯＳ回路に置き換えることや、更にはドライバそのものを必要とせずに、信号発生源から直接送信器を駆動できる可能性があり、光送信器モジュール全体で見た際のコストや消費電力の削減に寄与できる。
従って本発明は上記の事情に鑑み、電界吸収型光強度変調器単体と比較して、その消光比の増大、または駆動電圧の低減、または高周波特性の向上を図ることができる非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器と、この非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器を備えた波長分割多重送信器とを提供することを課題としている。
上記課題の克服のために、電界吸収型光強度変調器の屈折率変化に着目した。
通常、電界吸収型光強度変調器はその光吸収特性が積極的に利用され、屈折率変化に関しては生成光信号の瞬時周波数の時間変化、いわゆるチャーピングを引き起こすことから、この現象を抑制することに焦点が当てられてきた。
本発明ではこの電界吸収型光強度変調器の屈折率変化を積極的に利用する。
本発明の構成は次のとおりである。
通常、電界吸収型光強度変調器はその光吸収特性が積極的に利用され、屈折率変化に関しては生成光信号の瞬時周波数の時間変化、いわゆるチャーピングを引き起こすことから、この現象を抑制することに焦点が当てられてきた。
本発明ではこの電界吸収型光強度変調器の屈折率変化を積極的に利用する。
本発明の構成は次のとおりである。
上記課題を解決する第１発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器は、
第１の入力光導波路と、
第２の入力光導波路と、
第１の入力側が、前記第１の入力光導波路の出力側に結合され、第２の入力側が、前記第２の入力光導波路の出力側に結合された非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラと、
入力側が、前記第１の２ｘ２カプラの第１の出力側に結合された第１のアーム光導波路と、
入力側が、前記第１の２ｘ２カプラの第２の出力側に結合された第２のアーム光導波路と、
前記第１のアーム光導波路上に装荷された光位相調整器と、
前記第２のアーム光導波路上に装荷された電界吸収型光強度変調器と、
第１の入力側が、前記第１のアーム光導波路の出力側に結合され、第２の入力側が、前記第２のアーム光導波路の出力側に結合された非対称な光強度分岐比を持つ第２の２ｘ２カプラと、
入力側が、前記第２の２ｘ２カプラの第１の出力側に結合された第１の出力光導波路と、
入力側が、前記第２の２ｘ２カプラの第２の出力側に結合された第２の出力光導波路とを有し、
前記第１の入力光導波路又は前記第２の入力光導波路のどちらか一方から入力された光を、前記第１の２ｘ２カプラによって前記第１のアーム光導波路と前記第２のアーム光導波路とに異なる光強度で２分岐し、前記光位相調整器によって位相変化を与えた光と、前記電界吸収型光変強度調器によって光強度減衰と当該光強度減衰と同時に生じる位相変化とを与えた光を、前記第２の２ｘ２カプラによって合波し、前記第１の出力光導波路又は前記第２の出力光導波路の少なくともどちら一方から光を出力する構成の２ｘ２ポートの光回路を有しており、
前記電界吸収型光強度変調器が光を吸収するときの吸収係数をαとし、
前記第１の２ｘ２カプラにおける前記第２のアーム光導波路への光強度分岐比をＫ1とし、
前記第２の２ｘ２カプラにおける前記第１の入力側から見てＣｒｏｓｓへの光強度分岐比をＫ2として、
前記Ｋ1および前記Ｋ2が、Ｋ1＋Ｋ2＝１かつＫ1＝１／（ｅ-α／２＋１）を満たし、
前記第１の出力光導波路又は前記第２の出力光導波路の少なくともどちら一方から出力する光の消光比が、前記電界吸収型光強度変調器単体の消光比と比較して増大されるように前記Ｋ1および前記Ｋ2と、前記光位相調整器の位相変化量が調整されていることを特徴とする。
第１の入力光導波路と、
第２の入力光導波路と、
第１の入力側が、前記第１の入力光導波路の出力側に結合され、第２の入力側が、前記第２の入力光導波路の出力側に結合された非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラと、
入力側が、前記第１の２ｘ２カプラの第１の出力側に結合された第１のアーム光導波路と、
入力側が、前記第１の２ｘ２カプラの第２の出力側に結合された第２のアーム光導波路と、
前記第１のアーム光導波路上に装荷された光位相調整器と、
前記第２のアーム光導波路上に装荷された電界吸収型光強度変調器と、
第１の入力側が、前記第１のアーム光導波路の出力側に結合され、第２の入力側が、前記第２のアーム光導波路の出力側に結合された非対称な光強度分岐比を持つ第２の２ｘ２カプラと、
入力側が、前記第２の２ｘ２カプラの第１の出力側に結合された第１の出力光導波路と、
入力側が、前記第２の２ｘ２カプラの第２の出力側に結合された第２の出力光導波路とを有し、
前記第１の入力光導波路又は前記第２の入力光導波路のどちらか一方から入力された光を、前記第１の２ｘ２カプラによって前記第１のアーム光導波路と前記第２のアーム光導波路とに異なる光強度で２分岐し、前記光位相調整器によって位相変化を与えた光と、前記電界吸収型光変強度調器によって光強度減衰と当該光強度減衰と同時に生じる位相変化とを与えた光を、前記第２の２ｘ２カプラによって合波し、前記第１の出力光導波路又は前記第２の出力光導波路の少なくともどちら一方から光を出力する構成の２ｘ２ポートの光回路を有しており、
前記電界吸収型光強度変調器が光を吸収するときの吸収係数をαとし、
前記第１の２ｘ２カプラにおける前記第２のアーム光導波路への光強度分岐比をＫ1とし、
前記第２の２ｘ２カプラにおける前記第１の入力側から見てＣｒｏｓｓへの光強度分岐比をＫ2として、
前記Ｋ1および前記Ｋ2が、Ｋ1＋Ｋ2＝１かつＫ1＝１／（ｅ-α／２＋１）を満たし、
前記第１の出力光導波路又は前記第２の出力光導波路の少なくともどちら一方から出力する光の消光比が、前記電界吸収型光強度変調器単体の消光比と比較して増大されるように前記Ｋ1および前記Ｋ2と、前記光位相調整器の位相変化量が調整されていることを特徴とする。
また、第２発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器は、
第１発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記電界吸収型光強度変調器の長さが、５０〜１５０μｍの範囲であることを特徴とする。
第１発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記電界吸収型光強度変調器の長さが、５０〜１５０μｍの範囲であることを特徴とする。
また、第３発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器は、
第１又は第２発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記Ｋ 1 と前記Ｋ 2 の比であるＫ 1 ：Ｋ 2 が、５５：４５から９５：５の範囲で調整されていることを特徴とする。
第１又は第２発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記Ｋ 1 と前記Ｋ 2 の比であるＫ 1 ：Ｋ 2 が、５５：４５から９５：５の範囲で調整されていることを特徴とする。
また、第４発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器は、
第１又は第２発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記Ｋ 1 と前記Ｋ 2 の比であるＫ 1 ：Ｋ 2 が、６５：３５から９０：１０の範囲で調整されていることを特徴とする。
第１又は第２発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記Ｋ 1 と前記Ｋ 2 の比であるＫ 1 ：Ｋ 2 が、６５：３５から９０：１０の範囲で調整されていることを特徴とする。
また、第５発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器は、
第１〜第４発明の何れか１つの非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記第１のアーム光導波路と前記第２のアーム光導波路と前記光位相調整器と前記電界吸収型光強度変調器は化合物半導体で作製され、前記第１の入力光導波路と前記第２の入力光導波路と前記第１の２ｘ２カプラと前記第２の２ｘ２カプラと前記第１の出力光導波路と前記第２の出力光導波路は化合物半導体以外の材料で作製されていることを特徴とする。
第１〜第４発明の何れか１つの非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記第１のアーム光導波路と前記第２のアーム光導波路と前記光位相調整器と前記電界吸収型光強度変調器は化合物半導体で作製され、前記第１の入力光導波路と前記第２の入力光導波路と前記第１の２ｘ２カプラと前記第２の２ｘ２カプラと前記第１の出力光導波路と前記第２の出力光導波路は化合物半導体以外の材料で作製されていることを特徴とする。
また、第６発明の波長分割多重送信器は、
第１〜第５発明の何れか１つの非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器を、Ｎ（２以上の整数）個と、
前記Ｎ個の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器における前記第１の入力光導波路の入力側又は前記第２の入力光導波路の入力側のそれぞれに結合された波長の異なるＮ個の光源と、
前記Ｎ個の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器における前記第１の出力光導波路の出力側又は前記第２の出力光導波路の出力側に結合されたＮｘ１カプラと、
を有することを特徴とする。
第１〜第５発明の何れか１つの非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器を、Ｎ（２以上の整数）個と、
前記Ｎ個の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器における前記第１の入力光導波路の入力側又は前記第２の入力光導波路の入力側のそれぞれに結合された波長の異なるＮ個の光源と、
前記Ｎ個の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器における前記第１の出力光導波路の出力側又は前記第２の出力光導波路の出力側に結合されたＮｘ１カプラと、
を有することを特徴とする。
本発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器によれば、既存の電界吸収型光強度変調器と、非対称な光強度分岐比を持つ２ｘ２カプラと、光位相調整器を集積化することで、消光比の増大、または駆動電圧の低減、または高周波特性の向上による変調帯域の向上が実現されるため、光通信の更なる普及に大きな効果がある。
また、電界吸収型光強度変調器の長さを５０〜１５０μｍの範囲とすることにより、消光比を保ち、且つ、損失の増加を抑えて、電界吸収型光強度変調器の高周波特性を向上させることができる。
また、本発明の波長分割多重送信器によれば、本発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器をＮ個と、Ｎ個の光源と、Ｎｘ１カプラを有することにより、波長依存性の低い波長分割多重送信器を実現することができる。
また、電界吸収型光強度変調器の長さを５０〜１５０μｍの範囲とすることにより、消光比を保ち、且つ、損失の増加を抑えて、電界吸収型光強度変調器の高周波特性を向上させることができる。
また、本発明の波長分割多重送信器によれば、本発明の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器をＮ個と、Ｎ個の光源と、Ｎｘ１カプラを有することにより、波長依存性の低い波長分割多重送信器を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
＜実施の形態例１＞
図１〜図１０に基づき、本発明の実施の形態例１に係る非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（以下、これを発明素子とも称する）１１について説明する。
図１〜図１０に基づき、本発明の実施の形態例１に係る非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（以下、これを発明素子とも称する）１１について説明する。
図１に示すように、本実施の形態例１の発明素子１１は、第１の入力光導波路Ｉ1と、第２の入力光導波路Ｉ2と、非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1と、第１のアーム光導波路Ａ1と、第２のアーム光導波路Ａ2と、第１のアーム光導波路Ａ1上に装荷された光位相調整器Ｐと、第２のアーム光導波路Ａ2上に装荷された電界吸収型光強度変調器Ｍと、非対称な光強度分岐比を持つ第２の２ｘ２カプラＣ2と、第１の出力光導波路Ｏ1と、第２の出力光導波路Ｏ2とを有して成る２ｘ２ポートの光回路を有している。
第１の２ｘ２カプラＣ1は、その第１の入力側Ｃ1−１が、第１の入力光導波路Ｉ1の出力側Ｉ1−１に結合され、その第２の入力側Ｃ1−２が、第２の入力光導波路Ｉ2の出力側Ｉ2−１に結合されている。
第１のアーム光導波路Ａ1は、その入力側Ａ1−１が、第１の２ｘ２カプラＣ1の第１の出力側Ｃ1−３に結合されている。
第２のアーム光導波路Ａ2は、その入力側Ａ2−１が、第１の２ｘ２カプラＣ1の第２の出力側Ｃ1−４に結合されている。
第２の２ｘ２カプラＣ2は、その第１の入力側Ｃ2−１が、第１のアーム光導波路Ａ1の出力側Ａ1−２に結合され、その第２の入力側Ｃ2−２が、第２のアーム光導波路Ａ2の出力側Ａ2−２に結合されている。
第１の出力光導波路Ｏ1は、その入力側Ｏ1−１が、第２の２ｘ２カプラＣ2の第１の出力側Ｃ2−３に結合されている。
第２の出力光導波路Ｏ2は、その入力側Ｏ2−１が、第２の２ｘ２カプラＣ2の第２の出力側Ｃ2−４に結合されている。
第１のアーム光導波路Ａ1は、その入力側Ａ1−１が、第１の２ｘ２カプラＣ1の第１の出力側Ｃ1−３に結合されている。
第２のアーム光導波路Ａ2は、その入力側Ａ2−１が、第１の２ｘ２カプラＣ1の第２の出力側Ｃ1−４に結合されている。
第２の２ｘ２カプラＣ2は、その第１の入力側Ｃ2−１が、第１のアーム光導波路Ａ1の出力側Ａ1−２に結合され、その第２の入力側Ｃ2−２が、第２のアーム光導波路Ａ2の出力側Ａ2−２に結合されている。
第１の出力光導波路Ｏ1は、その入力側Ｏ1−１が、第２の２ｘ２カプラＣ2の第１の出力側Ｃ2−３に結合されている。
第２の出力光導波路Ｏ2は、その入力側Ｏ2−１が、第２の２ｘ２カプラＣ2の第２の出力側Ｃ2−４に結合されている。
この２ｘ２ポートの光回路において、第１の入力光導波路Ｉ1又は第２の入力光導波路Ｉ2のどちらか一方から入力された光は、第１の２ｘ２カプラＣ1によって第１のアーム光導波路Ａ1と第２のアーム光導波路Ａ2とに異なる光強度で２分岐され、光位相調整器Ｐによって位相変化が与えられた光と、電界吸収型光変強度調器Ｍによって光強度減衰と当該光強度減衰と同時に生じる位相変化とが与えられた光が、第２の２ｘ２カプラＣ2によって合波し、第１の出力光導波路Ｏ1又は第２の出力光導波路Ｏ2の少なくともどちら一方から光を出力する。
そして、この２ｘ２ポートの光回路では、第１の出力光導波路Ｏ1又は第２の出力光導波路Ｏ2の少なくともどちら一方から出力する光の消光比が、単体の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光比と比較して増大されるように第１の２ｘ２カプラＣ1及び第２の２ｘ２カプラＣ2の光強度分岐比と、光位相調整器Ｐの位相変化量が調整されている。
詳述すると、２ｘ２ポートの光回路に対して、光は第１の入力光導波路Ｉ1又は第２の入力光導波路Ｉ2のどちらか一方から入力され、この入力された光は非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1によって、パワー（光強度）の異なる第１の分岐光と第２の分岐光に２分岐される。第１の分岐光は第１のアーム光導波路Ａ1を伝搬し、第２の分岐光は第２のアーム光導波路Ａ2を伝搬する。
このとき、第２のアーム光導波路Ａ2において電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収しない場合には、第１のアーム光導波路Ａ1を伝搬した第１の分岐光と、第２のアーム光導波路Ａ2を伝搬した第２の分岐光は、第２の２ｘ２カプラＣ2において再び合波され、第１の出力光導波路Ｏ1と第２の出力光導波路Ｏ2へ出力される。
応用上は、第１の出力光導波路Ｏ1又は第２の出力光導波路Ｏ2のどちらか一方から出力される光強度が大きくなるように 非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1及び第２の２ｘ２カプラＣ2や光位相調整器Ｐの特性を調整する。
ここで、第２のアーム光導波路Ａ2において電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収する場合は、それに応じて、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2の光出力は減衰する。
その際に、第２のアーム光導波路Ａ2を伝搬する第２の分岐光は、その強度が減衰するだけではなく、位相も変化する。
その際に、第２のアーム光導波路Ａ2を伝搬する第２の分岐光は、その強度が減衰するだけではなく、位相も変化する。
従って、第２のアーム光導波路Ａ２上の電界吸収型光強度変調器Mにおいて強度が減衰し、更に位相も変化した第２の分岐光と、もう一方の第１のアーム光導波路Ａ1を伝搬した第１の分岐光が、非対称な光強度分岐比を持つ第２の２ｘ２カプラＣ2を通じて、第１の出力光導波路Ｏ1又は第２の出力光導波路Ｏ2において、お互いが打ち消し合うことで、従来の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光比の更なる改善が達成される。
次に、本発明素子１１を用いることによる、従来の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光比向上効果を、数値解析により示す。
本発明素子１１を構成する光導波路の具体的な構造を、図２に示す。
図２に示すように、光導波路は、ｎ型のＩｎＰ基板１と、このＩｎＰ基板１上に設けられたＩｎＰ下部クラッド２と、このＩｎＰ下部クラッド２上に設けられらたＩｎＧａＡｌＡｓベースとした多重量子井戸構造のコア層３と、このコア層３上に設けられたｐ型のＩｎＰ上部クラッド層４と、コア層３上でＩｎＰ上部クラッド層４の両側に設けられた空気クラッド５とから成っている。
図２に示すように、光導波路は、ｎ型のＩｎＰ基板１と、このＩｎＰ基板１上に設けられたＩｎＰ下部クラッド２と、このＩｎＰ下部クラッド２上に設けられらたＩｎＧａＡｌＡｓベースとした多重量子井戸構造のコア層３と、このコア層３上に設けられたｐ型のＩｎＰ上部クラッド層４と、コア層３上でＩｎＰ上部クラッド層４の両側に設けられた空気クラッド５とから成っている。
ここでコア層３はＩｎＧａＡｌＡｓのＡｌ系の４元混晶としているが、ＩｎＧａＡｓＰのｐ系の４元混晶でも構わない。
また、電気信号を印加する電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐとは異なり、光を伝搬させることのみを目的とした第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2、第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ2については、電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐと異なる半導体材料や層構造となっていても構わない。
また、電気信号を印加する電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐとは異なり、光を伝搬させることのみを目的とした第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2、第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ2については、電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐと異なる半導体材料や層構造となっていても構わない。
例えば、第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2、第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ2のコア層３に対してはＩｎＧａＡｓＰを用いたバルク型の層として、電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐのコア層３に対してはＩｎＧａＡｌＡｓベースとした多重量子井戸構造であってもよい。
コア層３の多重量子井戸の井戸層は、フォトルミネッセンスピーク波長で１．２５μｍ付近の光を発光するような組成となっている。
コア層３の多重量子井戸の井戸層は、フォトルミネッセンスピーク波長で１．２５μｍ付近の光を発光するような組成となっている。
本発明素子１１の製造方法としては、まず、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に、ＩｎＰ下部クラッド２、コア層３、上部クラッド層４を成長させる。
次に、フォトリソグラフィーにより、図１のようなパターンを形成し、ドライエッチングにより、ＩｎＰ上部クラッド層４の両側部分をコア層３まで図２のようにエッチングをすることで、いわゆるリッジ光導波路構造を形成する。
その後、電極加熱型の蒸着装置により、半導体表面に電極となる金属を蒸着して、電界吸収型光強度変調器Ｍと光位相調整器Ｐを得る。
次に、フォトリソグラフィーにより、図１のようなパターンを形成し、ドライエッチングにより、ＩｎＰ上部クラッド層４の両側部分をコア層３まで図２のようにエッチングをすることで、いわゆるリッジ光導波路構造を形成する。
その後、電極加熱型の蒸着装置により、半導体表面に電極となる金属を蒸着して、電界吸収型光強度変調器Ｍと光位相調整器Ｐを得る。
光導波路の幅については、本計算においては以下に述べる光導波路のパラメータを実現する範囲で任意性があるが、シングルモード条件を考えて、ここでは第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ2の幅を、１．２μｍとする。
非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2については、ここでは方向性結合器を想定しており、従って非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2を構成する２本の光導波路の幅も、上記の光導波路幅の値に従い１．２μｍとする。
非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2については、ここでは方向性結合器を想定しており、従って非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2を構成する２本の光導波路の幅も、上記の光導波路幅の値に従い１．２μｍとする。
次に、数値解析に用いた具体的な光導波路のパラメータについて述べる。
図３に各パラメータのシンボルの定義を示す。
入力光として波長λ0が１．３μｍである光を計算に用いた。
非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1と第２の２ｘ２カプラＣ2は、ここでは方向性結合器を想定しており、それぞれの光強度分岐比がＢａｒ：Ｃｒｏｓｓで１５：８５と８５：１５になっている。
図３に各パラメータのシンボルの定義を示す。
入力光として波長λ0が１．３μｍである光を計算に用いた。
非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1と第２の２ｘ２カプラＣ2は、ここでは方向性結合器を想定しており、それぞれの光強度分岐比がＢａｒ：Ｃｒｏｓｓで１５：８５と８５：１５になっている。
第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2の光強度の分岐比は、第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2として方向性結合器を選択した場合、方向性結合器を構成する２つの光導波路間隔や、方向性結合器の長さを調整することで任意の光強度分岐比に設定することができる。
ここでは、非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1と第２の２ｘ２カプラＣ2の長さを、それぞれ２２５μｍと７５μｍとした。
ここでは、非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1と第２の２ｘ２カプラＣ2の長さを、それぞれ２２５μｍと７５μｍとした。
なお、発明素子１１に適用する２ｘ２カプラとしては、任意の光強度分岐比を選べるならば、２モード干渉光導波路などでも構わない。
それ以外にも、例えば、２ｘ２カプラとして方向性結合器を用いるならば、図４に示すように光強度分岐比の調整機構として、第１の２ｘ２カプラＣ1が電流注入用の電極Ｅ1を有し、第２の２ｘ２カプラＣ2が電流注入用の電極Ｅ2を有する構成とすることもできる。
それ以外にも、例えば、２ｘ２カプラとして方向性結合器を用いるならば、図４に示すように光強度分岐比の調整機構として、第１の２ｘ２カプラＣ1が電流注入用の電極Ｅ1を有し、第２の２ｘ２カプラＣ2が電流注入用の電極Ｅ2を有する構成とすることもできる。
図３に示した通り、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2におけるＣｒｏｓｓへの光強度分岐比をＫ1，Ｋ2と定義すると、ここではそれぞれＫ1＝８５％，Ｋ2＝１５％となる。
即ち、非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1を通じて、第１の入力光導波路Ｉ1より入力された光強度の８５％が第２のアーム光導波路Ａ2へ、残りの１５％が第１のアーム光導波路Ａ1へ結合される。
即ち、非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラＣ1を通じて、第１の入力光導波路Ｉ1より入力された光強度の８５％が第２のアーム光導波路Ａ2へ、残りの１５％が第１のアーム光導波路Ａ1へ結合される。
Δは第１のアーム光導波路Ａ1に装荷されている光位相調整器Ｐによるバイアス位相変化量である。
Ｌは第１のアーム光導波路Ａ2に装荷されている電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長、即ち電界吸収型光強度変調器Ｍの長さである。
α，φ は第２のアーム光導波路Ａ2へ装荷されている電界吸収型光強度変調器Ｍの光強度減衰係数と、この変化に伴う光位相変化量である。
従って、φ−Δは第１のアーム光導波路Ａ1と第２のアーム光導波路Ａ2の光位相差を示す。
図５は非特許文献２の計算方法に基づいて、電界吸収型光強度変調器Ｍの消光特性、及び光位相変化特性の数値計算結果を示したものである。なお、図５のΓは光閉じ込め係数であり、本計算ではΓ＝０．１６とした。
本発明素子１１の特性の計算に図５に示した電界吸収型光強度変調器Ｍの光消光特性、及び位相変化特性の数値計算結果を用いた。
本発明素子１１の特性の計算に図５に示した電界吸収型光強度変調器Ｍの光消光特性、及び位相変化特性の数値計算結果を用いた。
図５より、電界吸収型光強度変調器Ｍへ駆動電圧を印加すると、励起子吸収スペクトルが変化することによって光の吸収率が増加し、電界吸収型光強度変調器Ｍを通過する光の透過率が低くなることが分かる。
また、Kramers-Kronigの関係式より、電界吸収型光強度変調器Ｍの吸収スペクトルの変化は屈折率スペクトルの変化も意味する。
従って、図５の様に電界吸収型光強度変調器Ｍの透過率の変化に伴って光が感じる屈折率が変化し、結果として電界吸収型光強度変調器Ｍからの透過光の位相も変化していることが分かる。
また、Kramers-Kronigの関係式より、電界吸収型光強度変調器Ｍの吸収スペクトルの変化は屈折率スペクトルの変化も意味する。
従って、図５の様に電界吸収型光強度変調器Ｍの透過率の変化に伴って光が感じる屈折率が変化し、結果として電界吸収型光強度変調器Ｍからの透過光の位相も変化していることが分かる。
電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収しない際には、第１のアーム光導波路Ａ1と第２のアーム光導波路Ａ2を伝搬する光は、非対称な光強度分岐比を持つ第２の２ｘ２カプラＣ2により合波され、第１の出力光導波路Ｏ1と第２の出力光導波路Ｏ2にある強度の光が出力される。
特別な場合として、光位相調整器Ｐによるバイアス位相変化量Δが０の場合には第２の出力光導波路Ｏ2の光強度は最大となり、第１の入力光導波路Ｉ1へ入力された光強度の１００％となる。
本計算では後述の理由により、光位相調整器Ｐに適当なバイアス信号を加えたとして、Δ＝０．８πとした。
従って、第１の入力光導波路Ｉ1への光入力に対する第２の出力光導波路Ｏ2の透過率は、１よりも小さな値となる。
Δを得る光位相調整器Ｐの仕組みとしては、光導波路への加熱による屈折率変化や、キャリア注入による屈折率変化など幾通りかの方法が考えられる。
今回の場合は、図２にて示した様に化合物半導体によるダブルヘテロ構造を光導波路構造としているためにキャリア注入による屈折率変化を仮定すると、上述のΔ＝０．８πの位相変化量を得るには１０ｍＡ程度の電流量が必要となる。
今回の場合は、図２にて示した様に化合物半導体によるダブルヘテロ構造を光導波路構造としているためにキャリア注入による屈折率変化を仮定すると、上述のΔ＝０．８πの位相変化量を得るには１０ｍＡ程度の電流量が必要となる。
以上のパラメータを用いて計算した本発明素子１１の光消光特性を、図６に示す。図６には、比較のため、図５に示した単体の電界吸収型光強度変調器Ｍの特性も示してある。
本発明素子１１の消光特性の計算には、転送行列法による数理モデルを用いた。次の（１）式が転送行列の式である。
この（１）式中のｔ1，ｔ2はそれぞれ第１の入力光導波路Ｉ1への入力光に対して、第１の出力光導波路Ｏ1と第２の出力光導波路Ｏ2から出力される光の複素透過率となる。なお、（１）式中のαは電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収するときの吸収係数である。
本数値解析においては、第２の出力光導波路Ｏ2からの光出力強度であるｔ2の絶対値の２乗の値を、本発明素子１１の出力光強度とした。
本数値解析においては、第２の出力光導波路Ｏ2からの光出力強度であるｔ2の絶対値の２乗の値を、本発明素子１１の出力光強度とした。
第２のアーム光導波路Ａ2上へ装荷されている電界吸収型光強度変調器Ｍによって、第２のアーム光導波路Ａ2を通る光が減衰されると、この減衰量に従って、第２の出力光導波路Ｏ2の光強度は減衰することになる。
この電界吸収型光強度変調器Ｍによる光強度減衰には、光の位相の変化φも同時に生じる。
この電界吸収型光強度変調器Ｍによる光強度減衰には、光の位相の変化φも同時に生じる。
即ち、第１のアーム光導波路Ａ1の伝搬光と、強度が減衰し位相も変化した第２のアーム光導波路Ａ2の伝搬光が、非対称な光強度分岐比を持つ第２の２ｘ２カプラＣ2を通じて合波されたとき、第２の出力光導波路Ｏ2において、これらの２つの光の位相が逆となり、電界振幅を打ち消し合う、即ち破壊的干渉が生じる。このことにより、本来の電界吸収型光強度変調器Ｍの光減衰に加えて更なる光強度の減衰を得る。なお、破壊的な干渉とは、電界振幅を打ち消し合うという意味であり、具体的には２つの光波の位相差が９０度より大きく２７０度未満であればこの作用は働く。位相差が１８０度のときに最も強く電界を打ち消し合う。
非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2を用いる理由を、図７に基づいて更に説明すると、電界吸収型光強度変調器Ｍにおいて吸収しきれなかった光ＬＴ2と、電界吸収型光強度変調器Ｍへ入力する前に前段の第１の２ｘ２カプラＣ1にて僅かに残しておいた光ＬＴ1を、第２の２ｘ２カプラＣ2を通じて、第２の出力光導波路Ｏ2で干渉させて互いに打ち消し合うようにすることにより、本来の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光作用だけでなく、これに干渉計の消光作用が加わることで消光比の向上が達成される。
この作用は、第１のアーム光導波路Ａ1を伝搬する光に対して、第１のアーム光導波路Ａ1に装荷された光位相調整器Ｐを用いて適当なバイアス位相変化量（バイアス位相調整量）Δを加えることにより、更に強い作用とすることが可能となる。
本実施の形態例１においては、上述の通りΔ＝０．８πとした。
図６において、印加電界（印加電圧）３Ｖ付近にて、単体の電界吸収型光強度変調器Ｍは透過率の減少が−１５ｄＢ程度に留まっていることに対して、本発明素子１１の透過率は−３５ｄＢ程度まで顕著に減少しており、電界吸収型光強度変調器Mの単体の消光比に対して、本発明素子１１の明らかな消光比の向上が見て取れる。
図８は光位相調整器Ｐを用いたバイアス位相変化量Δと、電界吸収型光強度変調器Ｍによる位相変化量φの位相差であるφ−Δを、電界吸収型光強度変調器Ｍへの印加電界（印加電圧）に対してプロットしたものである。
図８では、図６の発明素子１１の特性において光出力が最小となる駆動電圧３Ｖ付近において、φ−Δ＝−πとなっている。消光比を最大にするには、位相差φ−Δの絶対値がπとなっていればよい。
従って、図６における消光比の向上は、非対称な光強度分岐比を持つ第２の２ｘ２カプラＣ2を通じて、第２の出力光導波路Ｏ2において、第１のアーム光導波路Ａ1の伝搬光と第２のアーム光導波路Ａ2の伝搬光の破壊的干渉が生じていることに起因していると理解できる。
本発明素子１１を用いることで、既存の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光特性を向上させることができる。
本発明素子１１を用いることで、既存の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光特性を向上させることができる。
また、第１の２ｘ２カプラＣ1の光強度分岐比Ｋ1と第２の２ｘ２カプラＣ2の光強度分岐比Ｋ2の条件は、Ｋ1：Ｋ2が、５５：４５から９５：５の範囲で調整されているのがよく、より望ましくは６５：３５から９０：１０の範囲で調整されているのがよい。その理由は、以下に述べる通りである。
第２の出力光導波路Ｏ2のパワー（光強度）透過率Ｔ2は、転送行列の式である上記（１）式のｔ2の２乗で与えられ、次の（２）式のようになる。
この（２）式を用いて第１及び第２の２ｘ２カプラＣ１，Ｃ２の光強度分岐比Ｋ1，Ｋ2の条件について説明する。
（第１の条件：素子損失からの条件）
第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2の光強度分岐比Ｋ1，Ｋ2を決める第１の条件は、『ＯＮ状態（電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収しない状態）で、透過率Ｔ2が最大になること』である。即ち、図９（図６に相当する図）のａ点における透過率Ｔ2が最大になることである。
第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2の光強度分岐比Ｋ1，Ｋ2を決める第１の条件は、『ＯＮ状態（電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収しない状態）で、透過率Ｔ2が最大になること』である。即ち、図９（図６に相当する図）のａ点における透過率Ｔ2が最大になることである。
このときには電界吸収型光強度変調器Ｍに駆動電圧を加えないのでα＝０、φ＝０となる。
光位相調整期器Ｐを用いないならば、Δ＝０である。この場合、上記（２）式のα，φ，Δが０であるため、Ｔ2は次の（３）式のようになる。
この（３）式のＴ2はＫ1＋Ｋ2＝１のときに最大（＝１）になる。
従って、第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2の光強度分岐比を決める一つの条件は、Ｋ1：Ｋ2＝８５：１５など、Ｋ１とＫ２の和が１００％になることである。
なお、実際には光位相調整器Ｐを用いるので、Δは有限の値となるが、Δがある程度小さい場合には、Ｋ１＋Ｋ２＝１の条件は素子の低損失設計のよい指針となる。
光位相調整期器Ｐを用いないならば、Δ＝０である。この場合、上記（２）式のα，φ，Δが０であるため、Ｔ2は次の（３）式のようになる。
従って、第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2の光強度分岐比を決める一つの条件は、Ｋ1：Ｋ2＝８５：１５など、Ｋ１とＫ２の和が１００％になることである。
なお、実際には光位相調整器Ｐを用いるので、Δは有限の値となるが、Δがある程度小さい場合には、Ｋ１＋Ｋ２＝１の条件は素子の低損失設計のよい指針となる。
（第２の条件：消光比からの条件）
第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2の光強度分岐比Ｋ1，Ｋ2を決める第２の条件は、『ＯＦＦ状態（電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収する状態）で、透過率Ｔ2が最小になること』である。即ち、図９のｂ点における透過率Ｔ2が最小になることである。
第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2の光強度分岐比Ｋ1，Ｋ2を決める第２の条件は、『ＯＦＦ状態（電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収する状態）で、透過率Ｔ2が最小になること』である。即ち、図９のｂ点における透過率Ｔ2が最小になることである。
本発明の特徴は図１０に示す経路Ａと経路Ｂの位相差（φ−Δ）がπになることで光が大きく消光する所にある。従って、上記（２）式の（φ−Δ）をπにすると、Ｔ2は次の（４）式のようになる。
光が大きく消光するということはＴ2＝０であるいうことであるため、上記（４）式のＴ2を０にすると、次の（５）式が得られる。
更に、前述の第１の条件のＫ1＋Ｋ2＝１を用いて、上記（５）式を変形すると、次の（６）式が得られる。
ここでαは電界吸収型光強度変調器Ｍが光を吸収するときの吸収係数である。
電界吸収型光強度変調器Ｍは通常５ｄＢから２０ｄＢ程度の範囲の消光比のものを用いるため、ｅ-α/2は次の（７）式で示す範囲となる。
この（７）式と上記（６）式から、Ｋ1は０．６５から０．９程度の範囲の値が適当である。
電界吸収型光強度変調器Ｍは通常５ｄＢから２０ｄＢ程度の範囲の消光比のものを用いるため、ｅ-α/2は次の（７）式で示す範囲となる。
このため、第１の２ｘ２カプラＣ1の光強度分岐比Ｋ1と第２の２ｘ２カプラＣ2の光強度分岐比Ｋ2の条件は、素子損失最小化、消光比最大化の観点から、Ｋ1＋Ｋ2＝１、且つ、Ｋ1は０．６５から０．９程度となる。
従って、Ｋ1，Ｋ2は、Ｋ１：Ｋ２＝６５：３５からＫ1：Ｋ2＝９０：１０の範囲となる。更に、これに幅を持たせて、Ｋ1，Ｋ2は、Ｋ1：Ｋ2＝５５：４５からＫ1：Ｋ2＝９５：５としてもよい。
従って、Ｋ1，Ｋ2は、Ｋ１：Ｋ２＝６５：３５からＫ1：Ｋ2＝９０：１０の範囲となる。更に、これに幅を持たせて、Ｋ1，Ｋ2は、Ｋ1：Ｋ2＝５５：４５からＫ1：Ｋ2＝９５：５としてもよい。
＜実施の形態例２＞
図１１及び図１２に基づき、本発明の実施の形態例２に係る非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（発明素子）１１について説明する。
なお、本実施の形態例２の発明素子１１の基本的な構成については、上記実施の形態例１の発明素子１１と同様であるため、図１，図３等を参照し、ここでの図示及び詳細な説明は省略する。
図１１及び図１２に基づき、本発明の実施の形態例２に係る非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（発明素子）１１について説明する。
なお、本実施の形態例２の発明素子１１の基本的な構成については、上記実施の形態例１の発明素子１１と同様であるため、図１，図３等を参照し、ここでの図示及び詳細な説明は省略する。
本発明素子１１は、既存の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光比を向上させることができるため、これを利用すると消光比を保ったまま、単体の電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長の長さＬを短くさせることも可能である。
通常、電界吸収型光強度変調器Ｍの変調帯域は素子寄生容量によって制限されるから、電極長Ｌの削減は電界吸収型光強度変調器Ｍの変調帯域の拡大を意味する。
通常、電界吸収型光強度変調器Ｍの変調帯域は素子寄生容量によって制限されるから、電極長Ｌの削減は電界吸収型光強度変調器Ｍの変調帯域の拡大を意味する。
図１１は発明素子１１において電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長Ｌを、Ｌ＝２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍとし、それぞれの電極長Ｌの発明素子１１に対してＫ1、Ｋ2、Δの値として適当な数値を選び、電圧振幅０．５Ｖｐｐの電圧信号が電界吸収型光強度変調器Ｍに加えられた際に、電極長Ｌにかかわらず常に消光比が１０ｄＢ程度となるように調整した結果を示したものである。
図１１には、比較として、電極長Ｌ＝２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍの単体の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光比も示している。
図１１には、比較として、電極長Ｌ＝２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍの単体の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光比も示している。
図１１から、電極長Ｌの長さが短くになるにつれて、単体の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光比が劣化していくのに対し、本発明素子１１においてはＫ1、Ｋ2、Δの値を調整することで消光比が１０ｄＢ程度に保たれていることが分かる。
特に、Ｌ＝１００μｍ以下の場合には変調速度が８０Ｇｂｐｓをも達成できる可能性がある（非特許文献１）ことから、本発明素子１１はＬ＝１００μｍ以下において特に有用である。
電極長Ｌが１５０μｍを上回ると単体の電界吸収型光強度変調器Ｍにおいても消光比１０ｄＢが得られるため、本発明素子１１の恩恵は小さくなる。このことから、本発明素子１１の電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長Ｌの上限は１５０μｍとなる。
特に、Ｌ＝１００μｍ以下の場合には変調速度が８０Ｇｂｐｓをも達成できる可能性がある（非特許文献１）ことから、本発明素子１１はＬ＝１００μｍ以下において特に有用である。
電極長Ｌが１５０μｍを上回ると単体の電界吸収型光強度変調器Ｍにおいても消光比１０ｄＢが得られるため、本発明素子１１の恩恵は小さくなる。このことから、本発明素子１１の電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長Ｌの上限は１５０μｍとなる。
また、図１２は図１１の消光比を計算した結果として、本発明素子１１と単体の電界吸収型光強度変調器１１の損失を示したものである。電極長Ｌが短くなるに伴って光位相調整器Ｐによる必要なΔの値が大きくなり、損失は増加する。
電極長Ｌが５０μｍ以下となると損失は１０ｄＢを超すことから、実用性を考慮すると、本発明素子１１の電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長Ｌの下限は５０μｍとなる。
電極長Ｌが５０μｍ以下となると損失は１０ｄＢを超すことから、実用性を考慮すると、本発明素子１１の電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長Ｌの下限は５０μｍとなる。
なお、図１０を参照して、本発明素子１１における電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長Ｌの下限を決定する指針について更に詳述する。
本発明素子１１では、図１０に示す二つの経路Ａ，Ｂの光が打ち消し合うことにより、従来の電界吸収型光強度変調器Ｍの消光比の向上を図る。そのために、次の（１），（２）の二つの条件が必要である。
（１） 経路Ａからの光の強度と経路Ｂからの光の強度が等しい。
（２） 経路Ａからの光の位相と経路Ｂからの光の位相の差がπである。
これらの条件（１）及び（２）が満たされるとき、光は大きく消光する。
（１） 経路Ａからの光の強度と経路Ｂからの光の強度が等しい。
（２） 経路Ａからの光の位相と経路Ｂからの光の位相の差がπである。
これらの条件（１）及び（２）が満たされるとき、光は大きく消光する。
電極長Ｌを短くすると、電界吸収型光強度変調器Ｍでは、光はあまり消光しない。
従って、上記条件（１）を満たすためには、『入力から電界吸収型光強度変調器Ｍへ光が入力される割合Ｋ1を小さくする』、又は、『電界吸収型光強度変調器Ｍから出力した光が出力へ出される割合１−Ｋ2を小さくする（＝Ｋ2を大きくする）』という手段が考えられる。
従って、上記条件（１）を満たすためには、『入力から電界吸収型光強度変調器Ｍへ光が入力される割合Ｋ1を小さくする』、又は、『電界吸収型光強度変調器Ｍから出力した光が出力へ出される割合１−Ｋ2を小さくする（＝Ｋ2を大きくする）』という手段が考えられる。
従って、図１２においては電極長Ｌが短くなるにつれて、Ｋ1が小さくなり、Ｋ2が大きくなっている。これにより、電極長Ｌが短くなって電界吸収型光強度変調器Ｍの光吸収量が小さくなっても、発明素子１１の消光比を確保することができる。
しかし、まだ上記条件（２）を満たす必要がある。理想的には電界吸収型光強度変調器Ｍに電圧を加えたときに上記条件（２）が成立すればよいが、電界吸収型光強度変調器Ｍの電極の長さＬが短くなるほど、経路Ａと経路Ｂの光の位相差はπよりも小さくなってしまう。
これを解消するために経路Ａの光に対して、前段の第１の２ｘ２カプラＣ1と後段の第１の２ｘ２カプラＣ2の間の光位相調整器Ｐにて位相をバイアスしておく必要がある。この光位相調整器Ｐによる光位相調整により、上記条件（２）が満たされる。
これを解消するために経路Ａの光に対して、前段の第１の２ｘ２カプラＣ1と後段の第１の２ｘ２カプラＣ2の間の光位相調整器Ｐにて位相をバイアスしておく必要がある。この光位相調整器Ｐによる光位相調整により、上記条件（２）が満たされる。
ところが、この光位相調整器Ｐにおける位相のバイアスは、そのバイアス量が大きいほど、電界吸収型光強度変調器Ｍに電圧を加えないとき（光が出力ポートへ出力されるとき）の損失が大きくなってしまうという欠点がある。
従って、図１２では電極長Ｌが短くなるにつれて光位相調整量Δが増加し、それにつれて損失も増加している。
従って、図１２では電極長Ｌが短くなるにつれて光位相調整量Δが増加し、それにつれて損失も増加している。
以上のことから、本発明発明素子１１では電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長Ｌを短くするほど、損失が増加する傾向があり、電極長Ｌは短ければ短いほど、高速動作に向いているため、本発明素子１１では損失が許容される範囲で、電界吸収型光強度変調器Ｍの電極長Ｌを短くする、といった指針となる。
＜実施の形態例３＞
図１３に基づき、本発明の実施の形態例３に係る非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（発明素子）１１について説明する。
なお、本実施の形態例３の発明素子１１の基本的な構成については、上記実施の形態例１の発明素子１１（図１，図３等を参照）と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
図１３に基づき、本発明の実施の形態例３に係る非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（発明素子）１１について説明する。
なお、本実施の形態例３の発明素子１１の基本的な構成については、上記実施の形態例１の発明素子１１（図１，図３等を参照）と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
本発明素子１１を作製するにあたって、外部から電気信号を加える電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐと、これらの電界吸収型光強度変調器Ｍ及び光位相調整器Ｐを装荷する第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ２は化合物半導体で作製し、光を伝搬するのみである第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2については、化合物半導体以外の材料で作製する。
その後、化合物半導体で作製された電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐ、第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ2と、化合物半導体以外の材料で作製された第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2とを、ハイブリッド集積することにより、本発明素子１１を構成する。
その後、化合物半導体で作製された電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐ、第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ2と、化合物半導体以外の材料で作製された第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2とを、ハイブリッド集積することにより、本発明素子１１を構成する。
図１３は本発明素子１１の具体例の概念図である。
図１３では、第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2を、化合物半導体以外の材料であるＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハ３１にて作製し、ＩｎＰ基板３２上に化合物半導体にて電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐ、これらの電界吸収型光強度変調器Ｍ及び光位相調整器Ｐを装荷する第１及び第２のアーム光導波路Ａ１，Ａ２を作製し、その後、ＳＯＩウェハ３１で作製された第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2と、ＩｎＰ基板３２上に化合物半導体で作製された電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐ、第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ2とを、ハイブリッド集積することにより、本発明素子１１が構成されている。
図１３では、第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2を、化合物半導体以外の材料であるＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハ３１にて作製し、ＩｎＰ基板３２上に化合物半導体にて電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐ、これらの電界吸収型光強度変調器Ｍ及び光位相調整器Ｐを装荷する第１及び第２のアーム光導波路Ａ１，Ａ２を作製し、その後、ＳＯＩウェハ３１で作製された第１及び第２の入力光導波路Ｉ1，Ｉ2、第１及び第２の出力光導波路Ｏ1，Ｏ2、非対称な光強度分岐比を持つ第１及び第２の２ｘ２カプラＣ1，Ｃ2と、ＩｎＰ基板３２上に化合物半導体で作製された電界吸収型光強度変調器Ｍ、光位相調整器Ｐ、第１及び第２のアーム光導波路Ａ1，Ａ2とを、ハイブリッド集積することにより、本発明素子１１が構成されている。
シリコンの屈折率は化合物半導体の屈折率とその値が近く、光導波路を伝搬する光の界分布の形状が近いことからハイブリッド集積の際に、その光学的結合が容易であると考えられる。
本実施の形態例３においては、化合物半導体と比較して安価かつ加工性に優れたシリコンや石英材料を干渉光導波路に用いることにより、低コスト化が期待できる。
本実施の形態例３においては、化合物半導体と比較して安価かつ加工性に優れたシリコンや石英材料を干渉光導波路に用いることにより、低コスト化が期待できる。
＜実施の形態例４＞
図１４に基づき、本発明の実施の形態例４に係る波長分割多重送信器４１について説明する。
図１４に基づき、本発明の実施の形態例４に係る波長分割多重送信器４１について説明する。
本実施の形態例４の波長分割多重送信器４１は、上記実施の形態例１〜３の何れかの非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（発明素子）１１をＮ（２以上の整数）個、即ちＮ個の発明素子１１−１，１１−２，・・・，１１−Ｎと、出力光の波長の異なるＮ個の光源２１−１，２１−２，・・・，２１−Ｎと、適当なＮｘ１カプラ２２とを集積して成るものである。
Ｎ個の光源２１−１，２１−２，２１−Ｎは、Ｎ個の発明素子１１−１，１１−２，・・・，１１−Ｎにおける第１の入力光導波路Ｉ1の入力側Ｉ1−２又は第２の入力光導波路Ｉ2の入力側Ｉ2−２（図示例では第１の入力光導波路Ｉ1の入力側Ｉ1−２）のそれぞれに結合されている。
Ｎｘ１カプラ２２は、Ｎ個の発明素子１１−１，１１−２，・・・，１１−Ｎにおける第１の出力光導波路Ｏ1の出力側Ｏ1−２又は第２の出力光導波路Ｏ2の出力側Ｏ2−２（図示例では第２の出力光導波路Ｏ2の出力側Ｏ2−２）に結合されている。
Ｎ個の光源２１−１，２１−２，２１−Ｎは、Ｎ個の発明素子１１−１，１１−２，・・・，１１−Ｎにおける第１の入力光導波路Ｉ1の入力側Ｉ1−２又は第２の入力光導波路Ｉ2の入力側Ｉ2−２（図示例では第１の入力光導波路Ｉ1の入力側Ｉ1−２）のそれぞれに結合されている。
Ｎｘ１カプラ２２は、Ｎ個の発明素子１１−１，１１−２，・・・，１１−Ｎにおける第１の出力光導波路Ｏ1の出力側Ｏ1−２又は第２の出力光導波路Ｏ2の出力側Ｏ2−２（図示例では第２の出力光導波路Ｏ2の出力側Ｏ2−２）に結合されている。
通常、電界吸収型光強度変調器Ｍには光の消光特性が入力波長によって異なる、波長依存性が存在する。
従って、出力信号において、波長によっては消光特性が低い光信号が生成されることになる。
一方で、同一基板上への集積型の波長分割多重送信器の製作において、入力波長ごとに最適動作波長の異なる電界吸収型光強度変調器を集積することは、異なる半導体積層構造を同一基板上へ成長させる必要があり素子作製工程を考慮すると、これは非常に困難である。
従って、出力信号において、波長によっては消光特性が低い光信号が生成されることになる。
一方で、同一基板上への集積型の波長分割多重送信器の製作において、入力波長ごとに最適動作波長の異なる電界吸収型光強度変調器を集積することは、異なる半導体積層構造を同一基板上へ成長させる必要があり素子作製工程を考慮すると、これは非常に困難である。
そこで、発明素子１１をＮ個用いて、これらＮ個の発明素子１１における同一特性の電界吸収型光強度変調器Ｍに対し、入力波長（各光源２１−１，２１−２，・・・，２１−Ｎの出力光の波長）に適したＫ1、Ｋ2、Δを選択することにより、電界吸収型光強度変調器Ｍの波長依存性を補償し、結果として波長依存性の低い、波長分割多重送信器４１を実現することが可能となる。
本発明は非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器と、この非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器を備えた波長分割多重送信器に関するものであり、電界吸収型光強度変調器単体と比較して、その消光比の増大、駆動電圧の低減、高周波特性の向上を図る場合に適用して有用なものである。
１ ｎ型のＩｎＰ基板
２ ＩｎＰ下部クラッド
３ コア層
４ ＩｎＰ上部クラッド層
５ 空気クラッド
１１（１１−１，１１−２，・・・，１１−Ｎ） 非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（発明素子）
２１−１，２１−２，・・・，２１−Ｎ 光源
２２ Ｎｘ１カプラ
３１ ＳＯＩウェハ
３２ ＩｎＰ基板
４１ 波長分割多重送信器
Ｉ1 第１の入力光導波路
Ｉ1−１ 第１の入力光導波路の出力側
Ｉ1−２ 第１の出力光導波路の入力側
Ｉ2 第２の入力光導波路
Ｉ2−１ 第２の入力光導波路の出力側
Ｉ2−２ 第２の入力光導波路の入力側
Ｃ1 第１の２ｘ２カプラ
Ｃ1−１ 第１の２ｘ２カプラの第１の入力側
Ｃ1−２ 第１の２ｘ２カプラの第２の入力側
Ｃ1−３ 第１の２ｘ２カプラの第１の出力側
Ｃ1−４ 第１の２ｘ２カプラの第２の出力側
Ａ1 第１のアーム光導波路
Ａ1−１ 第１のアーム光導波路の入力側
Ａ1−２ 第１のアーム光導波路の出力側
Ａ2 第２のアーム光導波路
Ａ2−１ 第２のアーム光導波路の入力側
Ａ2−２ 第２のアーム光導波路の出力側
Ｃ2 第２の２ｘ２カプラ
Ｃ2−１ 第２の２ｘ２カプラの第１の入力側
Ｃ2−２ 第２の２ｘ２カプラの第２の入力側
Ｃ2−３ 第２の２ｘ２カプラの第１の出力側
Ｃ2−４ 第２の２ｘ２カプラの第２の出力側
Ｐ 光位相調整器
Ｍ 電界吸収型光強度変調器
Ｏ1 第１の出力光導波路
Ｏ1−１ 第１の出力光導波路の入力側
Ｏ1−２ 第１の出力光導波路の出力側
Ｏ2 第２の出力光導波路
Ｏ2−１ 第２の出力光導波路の入力側
Ｏ2−２ 第２の出力光導波路の出力側
２ ＩｎＰ下部クラッド
３ コア層
４ ＩｎＰ上部クラッド層
５ 空気クラッド
１１（１１−１，１１−２，・・・，１１−Ｎ） 非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器（発明素子）
２１−１，２１−２，・・・，２１−Ｎ 光源
２２ Ｎｘ１カプラ
３１ ＳＯＩウェハ
３２ ＩｎＰ基板
４１ 波長分割多重送信器
Ｉ1 第１の入力光導波路
Ｉ1−１ 第１の入力光導波路の出力側
Ｉ1−２ 第１の出力光導波路の入力側
Ｉ2 第２の入力光導波路
Ｉ2−１ 第２の入力光導波路の出力側
Ｉ2−２ 第２の入力光導波路の入力側
Ｃ1 第１の２ｘ２カプラ
Ｃ1−１ 第１の２ｘ２カプラの第１の入力側
Ｃ1−２ 第１の２ｘ２カプラの第２の入力側
Ｃ1−３ 第１の２ｘ２カプラの第１の出力側
Ｃ1−４ 第１の２ｘ２カプラの第２の出力側
Ａ1 第１のアーム光導波路
Ａ1−１ 第１のアーム光導波路の入力側
Ａ1−２ 第１のアーム光導波路の出力側
Ａ2 第２のアーム光導波路
Ａ2−１ 第２のアーム光導波路の入力側
Ａ2−２ 第２のアーム光導波路の出力側
Ｃ2 第２の２ｘ２カプラ
Ｃ2−１ 第２の２ｘ２カプラの第１の入力側
Ｃ2−２ 第２の２ｘ２カプラの第２の入力側
Ｃ2−３ 第２の２ｘ２カプラの第１の出力側
Ｃ2−４ 第２の２ｘ２カプラの第２の出力側
Ｐ 光位相調整器
Ｍ 電界吸収型光強度変調器
Ｏ1 第１の出力光導波路
Ｏ1−１ 第１の出力光導波路の入力側
Ｏ1−２ 第１の出力光導波路の出力側
Ｏ2 第２の出力光導波路
Ｏ2−１ 第２の出力光導波路の入力側
Ｏ2−２ 第２の出力光導波路の出力側
Claims (6)
- 第１の入力光導波路と、
第２の入力光導波路と、
第１の入力側が、前記第１の入力光導波路の出力側に結合され、第２の入力側が、前記第２の入力光導波路の出力側に結合された非対称な光強度分岐比を持つ第１の２ｘ２カプラと、
入力側が、前記第１の２ｘ２カプラの第１の出力側に結合された第１のアーム光導波路と、
入力側が、前記第１の２ｘ２カプラの第２の出力側に結合された第２のアーム光導波路と、
前記第１のアーム光導波路上に装荷された光位相調整器と、
前記第２のアーム光導波路上に装荷された電界吸収型光強度変調器と、
第１の入力側が、前記第１のアーム光導波路の出力側に結合され、第２の入力側が、前記第２のアーム光導波路の出力側に結合された非対称な光強度分岐比を持つ第２の２ｘ２カプラと、
入力側が、前記第２の２ｘ２カプラの第１の出力側に結合された第１の出力光導波路と、
入力側が、前記第２の２ｘ２カプラの第２の出力側に結合された第２の出力光導波路とを有し、
前記第１の入力光導波路又は前記第２の入力光導波路のどちらか一方から入力された光を、前記第１の２ｘ２カプラによって前記第１のアーム光導波路と前記第２のアーム光導波路とに異なる光強度で２分岐し、前記光位相調整器によって位相変化を与えた光と、前記電界吸収型光変強度調器によって光強度減衰と当該光強度減衰と同時に生じる位相変化とを与えた光を、前記第２の２ｘ２カプラによって合波し、前記第１の出力光導波路又は前記第２の出力光導波路の少なくともどちら一方から光を出力する構成の２ｘ２ポートの光回路を有しており、
前記電界吸収型光強度変調器が光を吸収するときの吸収係数をαとし、
前記第１の２ｘ２カプラにおける前記第２のアーム光導波路への光強度分岐比をＫ1とし、
前記第２の２ｘ２カプラにおける前記第１の入力側から見てＣｒｏｓｓへの光強度分岐比をＫ2として、
前記Ｋ1および前記Ｋ2が、Ｋ1＋Ｋ2＝１かつＫ1＝１／（ｅ-α／２＋１）を満たし、
前記第１の出力光導波路又は前記第２の出力光導波路の少なくともどちら一方から出力する光の消光比が、前記電界吸収型光強度変調器単体の消光比と比較して増大されるように前記Ｋ1および前記Ｋ2と、前記光位相調整器の位相変化量が調整されていることを特徴とする非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器。 - 請求項１に記載の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記電界吸収型光強度変調器の長さが、５０〜１５０μｍの範囲であることを特徴とする非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器。 - 請求項１又は２に記載の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記Ｋ1と前記Ｋ2の比であるＫ1：Ｋ2が、５５：４５から９５：５の範囲で調整されていることを特徴とする非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器。 - 請求項１又は２に記載の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記Ｋ1と前記Ｋ2の比であるＫ1：Ｋ2が、６５：３５から９０：１０の範囲で調整されていることを特徴とする非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器において、
前記第１のアーム光導波路と前記第２のアーム光導波路と前記光位相調整器と前記電界吸収型光強度変調器は化合物半導体で作製され、前記第１の入力光導波路と前記第２の入力光導波路と前記第１の２ｘ２カプラと前記第２の２ｘ２カプラと前記第１の出力光導波路と前記第２の出力光導波路は化合物半導体以外の材料で作製されていることを特徴とする非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器。 - 請求項１〜５の何れか１項に記載の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器を、Ｎ（２以上の整数）個と、
前記Ｎ個の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器における前記第１の入力光導波路の入力側又は前記第２の入力光導波路の入力側のそれぞれに結合された波長の異なるＮ個の光源と、
前記Ｎ個の非対称分岐カプラ集積型電界吸収型光強度変調器における前記第１の出力光導波路の出力側又は前記第２の出力光導波路の出力側に結合されたＮｘ１カプラと、
を有することを特徴とする波長分割多重送信器。
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