JP7450069B2 - 光変調器及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本願は出願番号が２０２０１０４３７０６１．Ｘで、出願日が２０２０年０５月２１日である中国特許出願に基づいて提出され、その中国特許出願の優先権を主張し、その中国特許出願の全文を参考として本願に援用する。
本願の実施例は、光電子デバイスの分野に関するが、それに限定されるものではなく、特に、光変調器及びその制御方法に関する。
光電子技術の発展に伴い、シリコンベースの集積光電子技術は集積度が高く、ＣＭＯＳプロセスとの互換性があり、大規模な大量生産が可能であるなどの利点があり、光通信分野における集積化の主流な研究方向となっている。
現代社会では、データ通信容量に対する需要が高まり続けており、光変調器などの光通信モジュールについての消光比などの指標への要求がますます高くなる。しかしながら、場合によっては、光変調器の消光比が比較的低いという問題がある。
本願の実施例は、光変調器及びその制御方法を提供する。
第１の態様において、本願の実施例は、光変調器を提供し、光変調器は、初期光信号を受信するように構成された入力導波材と、前記入力導波材に結合接続され、前記初期光信号に対して共振処理を行って第１の光信号を出力するように構成された調整可能なリング共振キャビティと、調整可能なリング共振キャビティに結合接続され、前記第１の光信号を受信して伝送するように構成されたフィードバックループ導波材と、前記フィードバックループ導波材に結合接続され、第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力するように構成された第１のモード変換器と、を含み、前記調整可能なリング共振キャビティはさらに、前記第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を出力するように構成されており、前記光変調器はさらに、前記調整可能なリング共振キャビティに結合接続され、前記第３の光信号を受信して出力するように構成された出力導波材を含む。
第２の態様において、本願の実施例は、光変調器の制御方法を提供し、この方法は、入力導波材によって初期光信号を受信するステップと、調整可能なリング共振キャビティによって、前記初期光信号に対して共振処理を行って第１の光信号を出力するステップと、フィードバックループ導波材によって前記第１の光信号を受信し、第１のモード変換器に伝送するステップと、前記第１のモード変換器によって、第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力するステップと、前記調整可能なリング共振キャビティによって、前記第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を出力するステップと、出力導波材によって、前記第３の光信号を受信して出力するステップと、を含む。
本願の他の特徴及び利点は、後の明細書において説明され、明細書から部分的に明らかになるか、または本願を実施することによって理解されるだろう。本願の目的及び他の利点は、明細書、特許請求の範囲及び図面において特別に指摘される構成によって達成し、得ることができる。
添付図面は、本願の技術案の更なる理解を提供するものであり、明細書の一部を構成し、本願の実施例と共に本願の技術案を解釈するために使用され、本願の技術案に対する制限を構成するものではない。
本願の一実施例によって提供される光変調器の構造模式図である。 本願の一実施例におけるシリコンベースの光電変調モジュールの断面構造模式図である。 本願のもう一つの実施例におけるシリコンベースの光電変調モジュールの断面構造模式図である。 本願の一実施例における第１／第２モード変換器の構造模式図である。 本願のもう一つの実施例における第１／第２モード変換器の構造模式図である。 本願のもう一つの実施例によって提供されるＴＥ０モードの第１の光信号に対する変調のシミュレーション模式図である。 本願のもう一つの実施例によって提供されるＴＭ０モードの第２の光信号に対する変調のシミュレーション模式図である。 本願のもう一つの実施例によって提供される共振光スペクトルシミュレーション模式図である。 本願のもう一つの実施例によって提供される共振光スペクトルドリフトミュレーション模式図である。 本願のもう一つの実施例によって提供されるＴＥ０モードの第１の光信号に対する変調のシミュレーション模式図である。 本願のもう一つの実施例によって提供されるＴＥ１モードの第２の光信号に対する変調のシミュレーション模式図である。 本願のもう一つの実施例によって提供される共振光スペクトルシミュレーション模式図である。 本願のもう一つの実施例によって提供される共振光スペクトルドリフトミュレーション模式図である。
本願の目的、技術案及び利点をより明らかにするために、以下では、添付図面及び実施例を組み合わせて本願をさらに詳しく説明する。ここで説明する具体的な実施例は本願を解釈するためだけに使われるものであって、本願を限定するために使われるものではない。矛盾しない限り、本願における実施例及び実施例における特徴は互いに任意に組み合わせてもよい。
なお、装置の模式図には機能モジュール分割が示され、フローチャートには論理的順序が示されているが、場合によっては、装置内のモジュール分割またはフローチャート内の順序とは異なるように、図示又は説明されたステップを実行してもよい。明細書、特許請求の範囲及び上記図面における用語「第１」、「第２」等は類似の対象を区別するためのものであり、必ずしも特定の順序又は前後の順番を記述するためのものではない。
光電子技術の発展に伴い、シリコンベースの集積光電子技術は集積度が高く、ＣＭＯＳプロセスとの互換性があり、大規模な大量生産が可能であるなどの利点があり、光通信分野における集積化の主流な研究方向となっている。光通信システムにおいて、モード多重化は１つのチャンネルの伝送容量を効果的に向上させる技術であり、同一の光ファイバー／光導波材チャンネル内での複数のモードの伝送により、同一チャンネルにおける光信号の密度を大幅に向上させ、総伝送容量の倍増を実現できた。オンチップ集積光相互接続システムにおいて、モード多重化デバイスの研究も日増しに成熟し、オンチップ相互接続の伝送密度を有効に高めることができる。
現代社会では、データ通信容量に対する需要が高まり続けており、光変調器などの光通信モジュールについての消光比などの指標への要求がますます高くなる。しかしながら、場合によっては、光変調器の消光比が比較的低いという問題がある。
例えば、温度変化に対するシリコン材料の敏感性により、マイクロリング変調器の温度による波長ドリフトは光変調器の動作に不安定性を持たせ、キャリア空乏型マイクロリング変調器にとって、変調効率の向上はシリコンドープ濃度を大きくする方法で実現できるが、導波材内の光の吸収損失が増やされ、消光も比較的に低くなる。
これに基づいて、本願の実施例は、光信号の消光比を高めるために、調整可能なリング共振キャビティによって光信号に対して２次重ね合わせ共振調整を行うことができる光変調器及びその制御方法を提供する。
図１を参照し、光変調器は、初期光信号を受信するように構成された入力導波材１００と、入力導波材１００に結合接続され、初期光信号に対して共振及び変調処理を行って第１の光信号を出力するように構成された調整可能なリング共振キャビティ３００と、調整可能なリング共振キャビティ３００に結合接続され、第１の光信号を受信して伝送するように構成されたフィードバックループ導波材２００と、フィードバックループ導波材２００に結合接続され、第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力するように構成された第１のモード変換器４００と、を含み、調整可能なリング共振キャビティ３００はさらに、第２の光信号に対して共振及び変調処理を行って第３の光信号を出力するように構成されており、光変調器はさらに、調整可能なリング共振キャビティ３００に結合接続され、第３の光信号を受信して出力するように構成された出力導波材５０１を含む。
初期光信号は、入力導波材１００によって受信され、リング共振キャビティ３００内に伝送され、リング共振キャビティ３００内で共振する。初期光信号が連続した光信号であるので、リング共振キャビティ３００によって初期光信号に対して共振処理を行うと、特定周波数の光信号の振幅が増幅されて第１の光信号が生成される。第１の光信号は、フィードバックループ導波材２００によって第１のモード変換器４００に伝送され、第１のモード変換器４００は、第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力する。第２の光信号を調整可能なリング共振キャビティ３００内に再び結合し、共振処理を行うことで第２の光信号の中の特定周波数の光信号の振幅を増幅することにより、第３の光信号を生成し、第３の光信号は、調整可能なリング共振キャビティ３００に結合接続された出力導波材５０１によって出力される。すなわち、リング共振キャビティ３００を多重化して初期光信号と第２の光信号に対して共振処理を行い、特定周波数の光信号の振幅を増幅することにより、消光比のより高い第３の光信号を得る。すなわち、複数のモードの光信号を同時に変調するために調整可能なリング共振キャビティをモード多重化することにより、光信号の消光比を高める。
ここで、第１のモード変換器４００は、第１の光信号を異なる直交するモードの光信号または異なる次のモードの光信号に変換することができる。第２の光信号は初期光信号とは異なるモードの光信号であり、リング共振キャビティ３００はマルチモード光信号伝送をサポートすることができるので、第２の光信号及び初期光信号は、リング共振キャビティ３００内で伝送されるときに、干渉またはクロストークを起こすことなく、両者それぞれ伝送される。リング共振キャビティ３００は、円形のマイクロリング共振キャビティ又はトラック形のマイクロリング共振キャビティとすることができ、マイクロリング共振キャビティの湾曲した導波材は、マイクロリング共振キャビティでの２つ以上のモードの伝送をサポートする。
また、第１の光電変調モジュールと第２の光電変調モジュールとにより、リング共振キャビティ３００のキャビティ内の実効屈折率を調整することで、光信号がキャビティ内で伝送される際に位相変化を累積するとともに、干渉効果により位相変化を強度変化に変換してキャビティ内の光信号の共振波長を変調する。
いくつかの実施例において、光変調器はさらに、入力端が出力導波材５０１に結合接続され、光変調器の出力信号が目標モードの光信号となるように、第３の光信号に対してモード変換処理を行って第４の光信号を出力するように構成された第２のモード変換器５００を含む。
ここで、初期光信号、第１の光信号、第４光信号は第１のモードの光信号であり、第２の光信号、第３の光信号は第２のモードの光信号である。
調整可能なリング共振キャビティによって第１のモードの初期光信号に対して共振及び変調処理を行って、第１のモードの第１の光信号を生成し、第１のモード変換器４００によって、第１のモードの第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２のモードの第２の光信号を生成し、調整可能なリング共振キャビティによって第２のモードの第２の光信号に対して共振及び変調処理を行って、第２のモードの第３の光信号を生成し、第２のモード変換器５００によって、第２のモードの第３の光信号に対してモード変換処理を行って、第１のモードの第４の光信号を生成する。
なお、第１のモード、第２のモードは、任意の光モードとすることができる。以下では、第１のモードがＴＥ０モード、第２のモードがＴＥ１モード又はＴＭ０モードである場合を例として説明する。
いくつかの具体的な実施例において、第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００は、同じで且つ逆向きに設置されたモード変換器である。初期光信号と第１の光信号はＴＥ０モードの光信号であり、第１のモード変換器４００によって第１の光信号に対してモード変換を行ってＴＥ１モード又はＴＭ０モードの第２の光信号を出力し、調整可能なリング共振キャビティ３００によって第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成する。第２のモード変換器５００の入力端が出力導波材５０１に結合接続され、第３の光信号に対してモード変換処理を行って第４の光信号を出力する。ここで、第３の光信号はＴＥ１モードまたはＴＭ０モードの光信号であり、第４の光信号はＴＥ０モードの光信号である。第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００を設けることで、初期光信号と第４の光信号が同じモードを有し、すなわち、光変調器の出力信号と入力信号が同じモードを有するようになる。
なお、ＴＥ１モード又はＴＭ０モードの第３の光信号がフィードバックループ導波材２００を介して第１のモード変換器４００に伝送されるとき、第１のモード変換器４００の入力信号が第１の光信号であることを保証するために、第３の光信号に損失を生じさせる。ＴＥ０モードの第１の光信号が出力導波材５０１を介して第２のモード変換器５００に伝送されるとき、第２のモード変換器５００の出力信号が第４の光信号であることを保証するために、第１の光信号に光損失を生じさせる。フィードバックループ導波材２００内にＴＥ０モードの伝送のみをサポートするシングルモード導波材を設けることにより、ＴＥ１モード又はＴＭ０モードの第３の光信号を伝送中に徐々に損失させる。
いくつかの実施例において、調整可能なリング共振キャビティは、第１の結合領域と第２の結合領域とを含み、調整可能なリング共振キャビティは、第１の結合領域によって入力導波材１００に結合接続され、調整可能なリング共振キャビティは、第１の結合領域によってフィードバックループ導波材２００に結合接続され、第１のモード変換器４００は、第２の結合領域によって調整可能なリング共振キャビティに結合接続され、調整可能なリング共振キャビティは、第２の結合領域によって出力導波材５０１に結合接続される。
第１の結合領域が入力導波材１００に結合され、フィードバックループ導波材２００に接続されることにより、初期光信号が入力導波材１００からリング共振キャビティ３００内に入力でき、第１の光信号がリング共振キャビティ３００内からフィードバックループ導波材２００に入力できるようになる。第２の結合領域が出力導波材５０１に結合接続されることにより、第２の光信号が出力導波材５０１からリング共振キャビティ３００内に入力でき、第４の光信号がリング共振キャビティ３００内から出力導波材５０１に出力できるようになる。
ここで、第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００は、それぞれ、シリコン基板層と、シリコン基板層の一方側に設けられた二酸化ケイ素下部クラッド層と、二酸化ケイ素下部クラッド層のシリコン基板層から離れた側に設けられたシリコン導波層と、シリコン導波層の二酸化ケイ素下部クラッド層から離れた側に設けられた二酸化ケイ素上部クラッド層と、を含む。
調整可能なリング共振キャビティはさらに、第１の光電変調モジュールと、第２の光電変調モジュールと、リング共振キャビティ３００とを含み、第１の光電変調モジュールは、リング共振キャビティ３００の第１の領域の屈折率を調整するように構成され、第２の光電変調モジュールは、リング共振キャビティ３００の第２の領域の屈折率を調整するように構成されている。リング共振キャビティ３００は、第１の直導波材３０３と、第２の直導波材３０４と、第１のハーフリング導波材３０１と、第２のハーフリング導波材３０２とを含み、第１のハーフリング導波材３０１は、第１の直導波材３０３と第２の直導波材３０４の一端とそれぞれ接続され、第２のハーフリング導波材３０２は、第１の直導波材３０３と第２の直導波材３０４の他端とそれぞれ接続されて、１つのリング状導波材を構成する。
ここで、第１の光電変調モジュールと第２の光電変調モジュールは、リング共振キャビティ３００の異なる領域の屈折率をそれぞれ調整する。第１の領域、第２の領域の屈折率を調整することにより、初期光信号及び第２の光信号が第１の領域、第２の領域での伝送中に位相変化を累積して、リング共振キャビティ３００内の第１の直導波材３０３、第２の直導波材３０４内でそれぞれ干渉して、位相変化を強度変化に変換する。
いくつかの実施例において、第１の直導波材３０３、第２の直導波材３０４は、それぞれ第１の結合領域、第２の結合領域であり、第１のハーフリング導波材３０１、第２のハーフリング導波材３０２は、リング共振キャビティ３００の第１の領域、第２の領域である。
いくつかの実施例において、光電変調モジュールの数を増やすことで、リング共振キャビティ３００内の複数の領域の実効屈折率を同期的に変調して、リング共振キャビティ３００のキャビティ内の光信号の位相変化を変調する。さらに、リング状光電変調モジュールを設けることにより、共振キャビティの全領域の実効屈折率を同期的に変調する。
いくつかの実施例において、第１の領域を第１のハーフリング導波材３０１として、第２の領域を第２のハーフリング導波材３０２とすることができる。
図２Ａを参照し、第１の光電変調モジュール及び第２の光電変調モジュールはいずれもシリコンベースの光電変調モジュールである。シリコンベースの光電変調モジュールは、順に設けられた第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１と、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４と、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とを含む。第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２は、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１の一方側に設けられ、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３は、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２の第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１から離れた側に設けられ、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４は、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３の第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２から離れた側に設けられている。
ここで、リング共振キャビティ３００はリブ型導波材であり、リング共振キャビティ３００の第１の領域は、１つの第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と１つの第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とで構成され、１つの第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と１つの第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とでリブ型導波材を構成することができる。第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４は、それぞれスラブ型導波材であり、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１と第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２とが電気的に接続され、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４と第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とが電気的に接続されていることで、スラブ型導波材とリブ型導波材とが電気的に接続されて、第１の光電変調モジュールが構成され、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３との結合界面の周りに空乏領域が形成されている。ここで、リブ型導波材と第１のハーフリング導波材３０１を同一構造とすることができ、多重化によって、調整可能なリング共振キャビティのキャビティ内の光信号の共振及び変調処理を実現することができる。
なお、調整可能なリング共振キャビティ３００の第２の領域は、１つの第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と１つの第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とで構成され、１つの第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と１つの第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とでリブ型導波材を構成することができる。第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４は、それぞれスラブ型導波材であり、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１と第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２とが電気的に接続され、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４と第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とが電気的に接続されていることで、スラブ型導波材とリブ型導波材とが電気的に接続されて、第２の光電変調モジュールが構成され、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３との結合界面の周りに空乏領域が形成されている。ここで、リブ型導波材と第２のハーフリング導波材３０２を同一構造とすることができ、多重化によって、調整可能なリング共振キャビティ３００のキャビティ内の光信号の共振及び変調処理を実現することができる。
本実施例において、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１と、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４と、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とが同じ層に設けられて、１つのシリコン導波層６０６を形成している。第１の光電変調モジュール、第２の光電変調モジュールは、さらに、シリコン導波層６０６の上面に設けられた上部クラッド層６０３と、シリコン導波層６０６の下面６０４に設けられた下部クラッド層と、下部クラッド層のシリコン導波層６０６から離れた側に設けられた基板層と、を含む。ここで、基板層はシリコン基板層６０５であり、上部クラッド層６０３、下部クラッド層は二酸化ケイ素クラッド層である。
さらに、上部クラッド層６０３のシリコン導波層６０６から離れた側にいくつかの第１の電極６０１、いくつかの第２の電極６０２が設けられ、いくつかの第１の電極６０１、いくつかの第２の電極６０２はハーフリング状に分布している。上部クラッド層６０３内には、第１の金属ビア６０１１、第２の金属ビア６０２１が設けられている。第１の金属ビア６０１１、第２の金属ビア６０２１によって、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４を、第１の電極６０１、第２の電極６０２にそれぞれ対応して接続する。第１の電極６０１及び第２の電極６０２によって外部電気信号源に電気的に接続することで、電気変調信号を第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４に印加して、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３内のキャリア濃度を調整して、さらに、導波材内の伝送光モードの実効屈折率を変化させる。マイクロリング共振キャビティのリブ型導波材は複数のモードの伝送をサポートし、導波層はシリコンを主な材料とし、その総厚さが３４０ｎｍであり、リブ型導波材のリブ高さが２９０ｎｍであり、リブ型導波材の幅が５００ｎｍであり、スラブ導波材の高さが５０ｎｍである。
いくつかの実施例において、具体的な変調要求に応じて、導波層内の具体的なパラメータ（例えば、導波材の厚さ、リブ高さ、幅）を適応的に調整することができる。
図２Ｂを参照し、図２Ｂに示すように、いくつかの実施例において、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２は少なくとも２つの表面を含み、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３が第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２の少なくとも２つの表面を覆っており、あるいは、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３は少なくとも２つの表面を含み、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２が第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３の少なくとも２つの表面を覆っている。
ここで、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３が第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２の少なくとも２つの表面を覆うことで、Ｌ型ＰＮ接合ドープ構造を構成する。第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３が第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２の少なくとも２つの表面を覆うようにすることにより、光信号のモードフィールドと空乏領域との重複面積を増加させて、第１の光電変調モジュールの変調効率を有効に向上させることができ、また、Ｌ型ＰＮ接合ドープ構造を採用することにより、リング共振キャビティ３００の変調される領域の屈折率変化範囲を増加させることができる。
いくつかの実施例において、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２が第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３の少なくとも２つの表面を覆うことで、Ｌ型ＰＮ接合ドープ構造を構成する。第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２が第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３の少なくとも２つの表面を覆うようにすることにより、光信号のモードフィールドと空乏領域との重複面積を増加させて、第１の光電変調モジュールの変調効率を有効に向上させることができ、また、Ｌ型ＰＮ接合ドープ構造を採用することにより、リング共振キャビティ３００の変調される領域の屈折率変化範囲を増加させることができる。
図１を再び参照し、入力導波材１００は、シングルモード入力導波材１０１と、第１のテーパ導波材１０２と、マルチモード入力導波材１０３とを含む。
第１のテーパ導波材１０２は、一端がマルチモード入力導波材１０３に接続され、他端がシングルモード入力導波材１０１に接続されている。シングルモード入力導波材１０１によって初期光信号を受信し、第１のテーパ導波材１０２を介して初期光信号をマルチモード入力導波材１０３に伝送する。マルチモード入力導波材１０３を調整可能なリング共振キャビティ３００と結合させることにより、初期光信号を調整可能なリング共振キャビティ３００に伝送して、初期光信号に対して共振処理を行って、第１の光信号を生成する。
フィードバックループ導波材２００は、フィードバックマルチモード導波材２０１と、弧状導波材２０２と、第２のテーパ導波材２０３とを含み、フィードバックマルチモード導波材２０１は、一端がマルチモード入力導波材１０３に接続され、他端が第２のテーパ導波材２０３の一端に接続されており、第２のテーパ導波材２０３の他端が弧状導波材２０２の一端に接続されており、弧状導波材２０２の他端が第１のモード変換器４００に接続されている。ここで、フィードバックマルチモード導波材２０１を調整可能なリング共振キャビティに結合接続して第１の光信号を受信し、第２のテーパ導波材２０３を介して弧状導波材２０２内に入射させ、第１の光信号を弧状導波材２０２を介して第１のモード変換器４００内に入射させる。
弧状導波材２０２は、シリコン基板層６０５と、シリコン基板層６０５の一方側に設けられた二酸化ケイ素下部クラッド層と、二酸化ケイ素下部クラッド層のシリコン基板層６０５から離れた側に設けられたシリコン導波層６０６と、シリコン導波層６０６の二酸化ケイ素下部クラッド層から離れた側に設けられた二酸化ケイ素上部クラッド層６０３と、を含む。
ここで、フィードバックマルチモード導波材２０１とマルチモード入力導波材１０３を一体構造として、同一のマルチモード導波材を多重化することによって、初期光信号の出力機能及び第１の光信号の出力機能とを実現してもよい。
弧状導波材２０２は、シリコン基板層と、シリコン基板層の一方側に設けられた二酸化ケイ素下部クラッド層と、二酸化ケイ素下部クラッド層のシリコン基板層から離れた側に設けられたシリコン導波層と、シリコン導波層の二酸化ケイ素下部クラッド層から離れた側に設けられた二酸化ケイ素上部クラッド層と、を含む。ここで、弧状導波材２０２は、ＴＥ０モードの光信号伝送のみをサポートするシングルモード導波材であるので、他のモードの光信号の弧状導波材２０２での伝送中に光損失が生じ、第１のモード変換器４００の入力信号がＴＥ０モードの光信号のみとなる。
シリコン導波層６０６には、リブ型導波材又はストリップ型導波材が設けられている。シリコン導波層６０６に設けられた導波材がストリップ型導波材である場合、光信号の整合のために、弧状導波材２０２と第１のモード変換器４００との間に移行導波材が設けられる。ここで、移行導波材は、リブ型導波材からストリップ型導波材に直線的に移行するテーパ型導波材とすることができる。
図１、図３Ａを参照し、いくつかの実施例において、第１のモード変換器４００は、一端がフィードバックループ導波材２００に接続された第１の入力シングルモード導波材４０１と、一端が第１の入力シングルモード導波材４０１の他端に接続された第１のシングルモード結合導波材４０２と、第１のシングルモード結合導波材４０２と結合接続された第１のマルチモード結合導波材４０３と、一端が第１のマルチモード結合導波材４０３に接続された第１の変換テーパ導波材４０４と、一端が第１の変換テーパ導波材４０４の他端に接続され、他端が出力導波材５０１に接続された第１の出力マルチモード導波材４０５と、を含む。
ここで、第１の出力マルチモード導波材４０５と出力導波材５０１を一体構造として、同一のマルチモード導波材を多重化することによって、第２の光信号の出力機能及び第３の光信号の出力機能とを実現してもよい。
いくつかの具体的な実施例において、第１のシングルモード結合導波材４０２と第１のマルチモード結合導波材４０３とが結合接続され、位相整合条件を満たし、第１の光信号は、第１の入力シングルモード導波材４０１を介して第１のシングルモード結合導波材４０２内に伝送され、一定の結合長さの伝送を経てから、第１の光信号が第１のマルチモード結合導波材４０３内に結合され、他のモードの光信号に変換されて、第１の変換テーパ導波材４０４に伝送される。第１の変換テーパ導波材４０４によって、他のモードの第１の光信号に対してモード変換処理を行って第２の光信号を出力し、第１の出力マルチモード導波材４０５を介して調整可能なリング共振キャビティ内に結合し、調整可能なリング共振キャビティ３００によって第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成する。
例えば、第１の光信号はＴＥ０モードであり、第１のマルチモード結合導波材４０３、第１のシングルモード結合導波材４０２を介して結合されて伝送された後に、ＴＥ１モードの光信号が生成される。ＴＥ１モードの光信号は、第１の変換テーパ導波材４０４内で伝送され、ＴＭ０モードの第２の光信号に徐々に変換され、ＴＭ０モードの第２の光信号は、第１の出力マルチモード導波材４０５を介して、調整可能なリング共振キャビティ３００内に結合される。
図３Ｂを参照し、いくつかの実施例において、第１のモード変換器４００は、一端がフィードバックループ導波材２００に接続された第１の入力シングルモード導波材４０１と、一端が第１の入力シングルモード導波材４０１の他端に接続された第１のシングルモード結合導波材４０２と、第１のシングルモード結合導波材４０２と結合接続された第１のマルチモード結合導波材４０３と、一端が第１のマルチモード結合導波材４０３の一端に接続され、他端が出力導波材５０１に接続された第１の出力マルチモード導波材４０５と、を含む。
いくつかの具体的な実施例において、第１のシングルモード結合導波材４０２と第１のマルチモード結合導波材４０３とが結合接続され、位相整合条件を満たし、第１の光信号は、第１の入力シングルモード導波材４０１を介して第１のシングルモード結合導波材４０２内に伝送され、一定の結合長さの伝送を経てから、第１の光信号が第１のマルチモード結合導波材４０３内に結合され、他のモードの第２の光信号に変換されて、第１の出力マルチモード導波材４０５に伝送され、第２の光信号は、第１の出力マルチモード導波材４０５を介して調整可能なリング共振キャビティ３００内に結合され、調整可能なリング共振キャビティ３００によって第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成する。
例えば、第１の光信号はＴＥ０モードであり、第１のマルチモード結合導波材４０３、第１のシングルモード結合導波材４０２を介して結合されて伝送された後、ＴＥ１モードの第２の光信号が生成され、ＴＥ１モードの第２の光信号は、第１の出力マルチモード導波材４０５を介して、調整可能なリング共振キャビティ３００内に結合される。
いくつかの実施例において、第２のモード変換器５００は、一端が出力導波材に接続された第２の入力マルチモード導波材と、一端が第２の入力マルチモード導波材の他端に接続された第２の変換テーパ導波材と、一端が第２の変換テーパ導波材の他端に接続された第２のマルチモード結合導波材と、第２のマルチモード結合導波材と結合接続された第２のシングルモード結合導波材と、一端が第２のシングルモード結合導波材の一端に接続された第２の出力シングルモード導波材と、を含む。
いくつかの具体的な実施例において、第２のシングルモード結合導波材と第２のマルチモード結合導波材とが結合接続され、位相整合条件を満たし、第３の光信号は、第２の入力マルチモード導波材を介して第２の変換テーパ導波材に伝送され、第２の変換テーパ導波材で一定の距離の伝送を経てから、他のモードの光信号に変換されて第２のマルチモード結合導波材に伝送され、一定の結合長さの伝送を経てから、他のモードの光信号は、第２のシングルモード結合導波材内に結合されて第４の光信号に変換される。
例えば、第３の光信号はＴＭ０モードであり、第２の変換テーパ導波材内で伝送され、ＴＥ１モードの光信号に徐々に変換され、ＴＥ１モードの光信号が第２のマルチモード結合導波材、第２のシングルモード結合導波材を介して結合されて伝送された後に、第２のシングルモード結合導波材内でＴＥ０モードの光信号が生成される。
いくつかの実施例において、第２のモード変換器５００は、一端が出力導波材に接続された第２の入力マルチモード導波材と、一端が第２の入力マルチモード導波材の他端に接続された第２のマルチモード結合導波材と、第２のマルチモード結合導波材と接続された第２のシングルモード結合導波材と、一端が第２のシングルモード結合導波材の一端に接続された第２の出力シングルモード導波材と、を含む。
いくつかの具体的な実施例において、第２のシングルモード結合導波材と第２のマルチモード結合導波材とが結合接続され、位相整合条件を満たし、第３の光信号は、第２の入力マルチモード導波材を介して第２のマルチモード結合導波材に伝送され、一定の結合長さの伝送を経てから、第３の光信号は、第２のシングルモード結合導波材内に結合されて他のモードの第４の光信号に変換される。
例えば、第３の光信号はＴＥ１モードの光信号であり、ＴＥ１モードの光信号が第２のマルチモード結合導波材、第２のシングルモード結合導波材を介して結合されて伝送された後に、第２のシングルモード結合導波材内でＴＥ０モードの光信号が生成される。
図１、図２Ａ、図３Ａを合わせて参照して、１つの具体的な実施例において、光変調器は、初期光信号を受信するように構成された入力導波材１００と、入力導波材１００に結合接続され、初期光信号に対して共振処理を行って第１の光信号を出力するように構成された調整可能なリング共振キャビティと、調整可能なリング共振キャビティに結合接続され、第１の光信号を受信して伝送するように構成されたフィードバックループ導波材２００と、フィードバックループ導波材２００に結合接続され、第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力するように構成された第１のモード変換器４００と、を含み、調整可能なリング共振キャビティはさらに、第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を出力するように構成されており、光変調器はさらに、調整可能なリング共振キャビティに結合接続され、第３の光信号を受信して出力するように構成された出力導波材５０１と、入力端が出力導波材５０１に結合接続され、出力信号が目標モードの光信号となるように、第３の光信号に対してモード変換処理を行って第４の光信号を出力するように構成された第２のモード変換器５００と、を含む。複数のモードの光信号を同時に変調するために調整可能なリング共振キャビティをモード多重化することにより、光信号の消光比を高める。
ここで、第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００は、同じで且つ逆向きに設置されたモード変換器である。
調整可能なリング共振キャビティは、第１の光電変調モジュールと、第２の光電変調モジュールと、リング共振キャビティ３００とを含み、第１の光電変調モジュールは、リング共振キャビティ３００の第１の領域の屈折率を調整するように構成され、第２の光電変調モジュールは、リング共振キャビティ３００の第２の領域の屈折率を調整するように構成されている。
第１の光電変調モジュール及び第２の光電変調モジュールはいずれもシリコンベースの光電変調モジュールである。シリコンベースの光電変調モジュールは、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１と、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４と、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とを含む。第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２は、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１の一方側に設けられ、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３は、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２の第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１から離れた側に設けられ、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４は、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３の第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２から離れた側に設けられている。
ここで、調整可能なリング共振キャビティ３００はリブ型導波材であり、調整可能なリング共振キャビティ３００の第１の領域、第２の領域はいずれも、１つの第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と１つの第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とで構成され、１つの第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と１つの第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とでリブ型導波材を構成することができる。第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４は、それぞれスラブ型導波材であり、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１と第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２とが電気的に接続され、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４と第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とが電気的に接続されていることで、スラブ型導波材とリブ型導波材とが電気的に接続されて、ＰＮ接合型の光電変調器が構成され、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３との結合界面の周りに空乏領域が形成されている。
第１のモード変換器４００は、第１の入力シングルモード導波材４０１と、第１のシングルモード結合導波材４０２と、第１のマルチモード結合導波材４０３と、第１の変換テーパ導波材４０４と、第１の出力マルチモード導波材４０５とを含む。第１の入力シングルモード導波材４０１は、一端がフィードバックループ導波材２００に接続され、他端が第１のシングルモード結合導波材４０２に接続されており、第１の変換テーパ導波材４０４は、一端が第１のマルチモード結合導波材４０３に接続され、他端が第１の出力マルチモード導波材４０５の一端に接続され、第１の出力マルチモード導波材４０５の他端は出力導波材５０１に接続されており、ここで、第１のシングルモード結合導波材４０２は、第１のマルチモード結合導波材４０３と結合接続されている。第２のモード変換器５００は、第２の入力マルチモード導波材と、第２のシングルモード結合導波材と、第２のマルチモード結合導波材と、第２の変換テーパ導波材と、第２の出力シングルモード導波材とを含み、第２の入力マルチモード導波材は、一端が出力導波材５０１に接続され、他端が第２の変換テーパ導波材の一端に接続されており、第２の変換テーパ導波材の他端は第２のマルチモード結合導波材に接続されており、第２のシングルモード結合導波材の一端は第２の出力シングルモード導波材に接続されており、第２のシングルモード結合導波材は、第２のマルチモード結合導波材と結合されている。
初期光信号はＴＥ０モードの連続した光信号であり、シングルモード入力導波材１０１によって初期光信号を受信し、第１のテーパ導波材１０２を介して初期光信号をマルチモード入力導波材１０３に伝送する。マルチモード入力導波材１０３をリング共振キャビティ３００と結合させることにより、初期光信号をリング共振キャビティ３００に伝送して、初期光信号に対して共振処理を行って、第１の光信号を生成する。ここで、第１の光信号はＴＥ０モードである。
具体的には、いくつかの電極によって、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４に電気変調信号を印加することで、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３内のキャリア濃度を調整して、さらに、導波材内の伝送光モードの実効屈折率を変化させる。第１の光信号は、リング共振キャビティ３００での伝送中に位相変化を累積して、リング共振キャビティ３００の第１の直導波材３０３、第２の直導波材３０４内でそれぞれ干渉して、位相変化を強度変化に変換することで、調整可能なリング共振キャビティ３００内の共振波長を変調する。
第１のモード変換器４００によりＴＥ０モードの第１の光信号をＴＭ０モードの第２の光信号に変換し、第１の出力マルチモード導波材４０５を介してＴＭ０モードの第２の光信号をリング状共振キャビティ３００内に結合し、リング状共振キャビティ３００は、第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成することで、高い消光比を有する第３の光信号を得る。ここで、第３の光信号はＴＭ０モードである。複数のモードの光信号を同時に変調するために調整可能なリング共振キャビティをモード多重化することにより、光信号の消光比を高める。
第２のモード変換器５００によりＴＭ０モードの第３の光信号を、ＴＥ０モードの第４の光信号に変換することにより、高い消光比を有するＴＥ０モードの光信号を得る。
図４Ａ、４Ｂを参照し、横座標はそれぞれ第１の光電変調モジュール、第２の光電変調モジュールの印加電圧値（電圧絶対値、単位はＶ）で、左側の縦座標は実効屈折率で、右側の縦座標は単位長さあたりのパワー損失（単位はｄＢ／ｃｍ）である。Ｌ４１は印加電圧値とＴＥ０モードの実効屈折率の関係曲線であり、Ｌ４３は印加電圧値とＴＭ０モードの実効屈折率の関係曲線であり、Ｌ４２は印加電圧値とＴＥ０モードの単位長さあたりのパワー損失（単位はｄＢ／ｃｍ）の関係曲線であり、Ｌ４３は印加電圧値とＴＭ０モードの単位長さあたりのパワー損失の関係曲線である。
図４Ａに示すように、第１の光電変調モジュールの印加電圧値が次第に増加するにつれて、調整可能なリング状共振キャビティ３００においては、ＴＥ０モードの実効屈折率が次第に増加し、単位長さあたりのパワー損失が小さくなり、第２の光電変調モジュールの印加電圧値が次第に増加するにつれて、調整可能なリング状共振キャビティ３００においては、ＴＭ０モードの実効屈折率が次第に増加し、単位長さあたりのパワー損失が小さくなる。
異なる電圧値を印加するように第１の光電変調モジュール、第２の光電変調モジュールを制御することにより、ＴＥ０モード、ＴＭ０モードの光信号がリング状共振キャビティ３００内で位相変化を蓄積するように、リング共振キャビティ３００における第１の領域、第２の領域の実効屈折率を変化させる。ＴＥ０モード、ＴＭ０モードの光信号は、第１の直導波材３０３、第２の直導波材３０４においてそれぞれ干渉することで、位相変化を強度変化に変換するので、調整可能なリング状共振キャビティ３００内の共振波長を変化させる。
図５Ａ、５Ｂを合わせて参照し、横座標は波長（単位はｎｍ）、縦軸は信号パワー（単位はｄＢ）である。ＬＴＥ０、ＬＴＭ０は異なるモードの共振波長の曲線で、ＬＴＥ０＋ＴＭ０は総共振スペクトルで、Ｌ１からＬＮは異なる印加電圧と共振波長の関係曲線である。
図５Ａに示すように、ＴＥ０モードとＴＭ０モードの共振波長は完全に一致しているので、ＴＥ０モードの初期波長に対して共振処理を行って、ＴＥ０モードの第１の光信号を得ることができ、第１のモード変換器４００によりＴＥ０モードの第１の光信号をＴＭ０モードの第２の光信号に変換し、第１の出力マルチモード導波材４０５を介してＴＭ０モードの第２の光信号をリング状共振キャビティ３００内に結合し、調整可能なリング状共振キャビティ３００は、第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成することで、高い消光比を有する第３の光信号を得る。つまり、光信号に対して２次共振処理を行うことで、高い消光比の光信号を得るとともに、同一の調整可能なリング状共振キャビティ３００によって、２種類の異なるモードの光信号に対して共振処理を行う。
図５Ｂに示すように、ＴＥ０モード、ＴＭ０モードに対してそれぞれ共振を行うことで高い消光比を持つ光信号を得るが、この光信号の光スペクトルにおいて、逆方向バイアス電圧の増大に伴い、共振ピークは徐々にドリフトしていく。ここで、Ｌ１に対応する曲線の印加される逆方向バイアス電圧は０Ｖであり、ＬＮに対応する曲線の印加される逆方向バイアス電圧は１０Ｖである。具体的には、逆方向バイアス電圧の増大に伴い、共振波長は徐々に増大する。
図１、図２Ｂ、図３Ｂを合わせて参照して、１つの具体的な実施例において、光変調器は、初期光信号を受信するように構成された入力導波材１００と、入力導波材１００に結合接続され、初期光信号に対して共振処理を行って第１の光信号を出力するように構成された調整可能なリング共振キャビティ３００と、調整可能なリング共振キャビティ３００に結合接続され、第１の光信号を受信して伝送するように構成されたフィードバックループ導波材２００と、フィードバックループ導波材２００に結合接続され、第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力するように構成された第１のモード変換器４００と、を含み、調整可能なリング共振キャビティ３００はさらに、第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を出力するように構成されており、光変調器はさらに、調整可能なリング共振キャビティ３００に結合接続され、第３の光信号を受信して出力するように構成された出力導波材５０１と、入力端が出力導波材５０１に結合接続され、出力信号が目標モードの光信号となるように、第３の光信号に対してモード変換処理を行って第４の光信号を出力するように構成された第２のモード変換器５００と、を含む。
ここで、第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００は、同じで且つ逆向きに設置されたモード変換器である。
ここで、調整可能なリング共振キャビティ３００はリブ型導波材であり、調整可能なリング共振キャビティ３００の第１の領域、第２の領域はいずれも、１つの第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と１つの第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とで構成され、１つの第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と１つの第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とでリブ型導波材を構成することができる。第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４は、それぞれスラブ型導波材であり、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１と第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２とが電気的に接続され、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４と第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３とが電気的に接続されていることで、スラブ型導波材とリブ型導波材とが電気的に接続されて、ＰＮ接合型の光電変調器が構成され、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２と第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３との結合界面の周りに空乏領域が形成されている。
第１のモード変換器４００は、第１の入力シングルモード導波材４０１と、第１のシングルモード結合導波材４０２と、第１のマルチモード結合導波材４０３と、第１の出力マルチモード導波材４０５とを含む。第１の入力シングルモード導波材４０１は、一端がフィードバックループ導波材２００に接続され、他端が第１のシングルモード結合導波材４０２に接続されており、第１の出力マルチモード導波材４０５は、一端が第１のマルチモード結合導波材４０３に接続され、他端が出力導波材５０１に接続されている。ここで、第１のシングルモード結合導波材４０２は、第１のマルチモード結合導波材４０３と結合接続されている。
第２のモード変換器５００は、第２の入力マルチモード導波材と、第２のシングルモード結合導波材と、第２のマルチモード結合導波材と、第２の変換テーパ導波材と、第２の出力シングルモード導波材とを含む。第２の入力マルチモード導波材は、一端が出力導波材５０１に接続され、他端が第２の変換テーパ導波材の一端に接続されており、第２の変換テーパ導波材の他端は第２のマルチモード結合導波材に接続されており、第２のシングルモード結合導波材の一端は第２の出力シングルモード導波材に接続されており、第２のシングルモード結合導波材は、第２のマルチモード結合導波材と結合されている。
初期光信号はＴＥ０モードの連続した光信号であり、シングルモード入力導波材１０１によって初期光信号を受信し、第１のテーパ導波材１０２を介して初期光信号をマルチモード入力導波材１０３に伝送する。マルチモード入力導波材１０３を調整可能なリング共振キャビティ３００と結合させることにより、初期光信号を調整可能なリング共振キャビティ３００に伝送して、初期光信号に対して共振処理を行って、第１の光信号を生成する。ここで、第１の光信号はＴＥ０モードである。
具体的には、いくつかの電極によって、第１のＰ型高濃度ドープ領域６０６１、第１のＮ型高濃度ドープ領域６０６４に電気変調信号を印加することで、第１のＰ型低濃度ドープ領域６０６２、第１のＮ型低濃度ドープ領域６０６３内のキャリア濃度を調整して、さらに、導波材内の伝送光モードの実効屈折率を変化させる。第１の光信号は、調整可能なリング共振キャビティ３００での伝送中に位相変化を累積して、リング共振キャビティ３００の第１の直導波材３０３、第２の直導波材３０４内でそれぞれ干渉して、位相変化を強度変化に変換することで、調整可能なリング共振キャビティ３００内の共振波長を変調する。
ＴＥ０モードの第１の光信号は、第１のモード変換器４００によって、ＴＥ１モードの第２の光信号に変換され、ＴＭ１モードの第２の光信号は、第１の出力マルチモード導波材４０５を介して、調整可能なリング共振キャビティ３００内に結合され、調整可能なリング状共振キャビティ３００は、第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成することで、高い消光比を有する第３の光信号を得る。ここで、第３の光信号はＴＥ１モードである。
第２のモード変換器５００によりＴＥ１モードの第３の光信号を、ＴＥ０モードの第４の光信号に変換することにより、高い消光比を有するＴＥ０モードの光信号を得る。
図６Ａ、６Ｂを参照し、横座標はそれぞれ第１の光電変調モジュール、第２の光電変調モジュールの印加電圧値（電圧絶対値、単位はＶ）で、左側の縦座標は実効屈折率で、右側の縦座標は単位長さあたりのパワー損失（単位はｄＢ／ｃｍ）である。Ｌ６１は印加電圧値とＴＥ０モードの実効屈折率の関係曲線であり、Ｌ６３は印加電圧値とＴＥ１モードの実効屈折率の関係曲線であり、Ｌ６２は印加電圧値とＴＥ０モードの単位長さあたりのパワー損失の関係曲線であり、Ｌ４３は印加電圧値とＴＥ１モードの単位長さあたりのパワー損失の関係曲線である。
図６Ａに示すように、第１の光電変調モジュールの印加電圧値が次第に増加するにつれて、調整可能なリング状共振キャビティ３００においては、ＴＥ０モードの実効屈折率が次第に増加し、単位長さあたりのパワー損失が小さくなり、第２の光電変調モジュールの印加電圧値が次第に増加するにつれて、調整可能なリング状共振キャビティ３００においては、ＴＥ１モードの実効屈折率が次第に増加し、単位長さあたりのパワー損失が小さくなる。
第１の光電変調モジュール、第２の光電変調モジュールが印加する電圧値を変えることにより、ＴＥ０モード、ＴＥ１モードの光信号がリング状共振キャビティ３００内で位相変化を蓄積するように、調整可能なリング共振キャビティ３００における第１の領域、第２の領域の実効屈折率を変化させる。ＴＥ０モード、ＴＥ１モードの光信号は、第１の直導波材３０３、第２の直導波材３０４においてそれぞれ干渉することで、位相変化を強度変化に変換するので、調整可能なリング状共振キャビティ３００内の共振波長を変化させる。
図７Ａ、７Ｂを合わせて参照し、横座標は波長（単位はｎｍ）、縦軸は信号パワー（単位はｄＢ）である。ＬＴＥ０、ＬＴＥ１は異なるモードの共振波長の曲線で、ＬＴＥ０＋ＴＥ１は総共振スペクトルで、Ｌ１からＬＮは異なる印加電圧と共振波長の関係曲線である。
図７Ａに示すように、ＴＥ０モードとＴＥ１モードの共振波長は完全に一致しているので、ＴＥ０モードの初期波長に対して共振処理を行って、ＴＥ０モードの第１の光信号を得ることができ、第１のモード変換器４００によりＴＥ０モードの第１の光信号をＴＭ０モードの第２の光信号に変換し、第１の出力マルチモード導波材４０５を介してＴＥ１モードの第２の光信号をリング状共振キャビティ３００内に結合し、調整可能なリング状共振キャビティ３００は、第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成することで、高い消光比を有する第３の光信号を得る。つまり、光信号に対して２次共振処理を行うことで、高い消光比の光信号を得るとともに、同一の調整可能なリング状共振キャビティ３００によって、２種類の異なるモードの光信号に対して共振処理を行う。
図７Ｂに示すように、ＴＥ０モード、ＴＥ１モードに対してそれぞれ共振を行うことで高い消光比を持つ光信号を得るが、この光信号の光スペクトルにおいて、逆方向バイアス電圧の増大に伴い、共振ピークは徐々にドリフトしていく。Ｌ１からＬＮは異なる印加電圧と共振波長の関係曲線である。ここで、Ｌ１に対応する曲線の印加される逆方向バイアス電圧は０Ｖであり、ＬＮに対応する曲線の印加される逆方向バイアス電圧は１０Ｖである。
具体的には、逆方向バイアス電圧の増大に伴い、共振波長は徐々に増大する。
再び図１を参照し、光変調器の制御方法は、入力導波材１００によって初期光信号を受信するステップと、調整可能なリング共振キャビティ３００によって、初期光信号に対して共振処理を行って第１の光信号を出力するステップと、フィードバックループ導波材２００によって第１の光信号を受信し、第１のモード変換器４００に伝送するステップと、第１のモード変換器４００を構成することによって第１の光信号に対してモード変換処理を行って第２の光信号を出力し、調整可能なリング共振キャビティ３００によって第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成し、出力導波材５０１によって、第３の光信号を受信して出力するステップと、を含む。
初期光信号は、入力導波材１００によって受信され、調整可能なリング共振キャビティ３００内に伝送され、調整可能なリング共振キャビティ３００内で共振する。初期光信号が連続した光信号であるので、調整可能なリング共振キャビティ３００によって初期光信号に対して共振処理を行うと、特定周波数の光信号の振幅が増幅されて第１の光信号が生成される。第１の光信号は、フィードバックループ導波材２００によって第１のモード変換器４００に伝送され、第１のモード変換器４００は、第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力する。第２の光信号を調整可能なリング共振キャビティ３００内に再び結合し、共振処理を行うことで第２の光信号の中の特定周波数の光信号の振幅を増幅することにより、第３の光信号を生成し、第３の光信号は、調整可能なリング共振キャビティ３００に結合接続された出力導波材５０１によって出力される。すなわち、調整可能なリング共振キャビティ３００を多重化して初期光信号と第２の光信号に対して共振処理を行って、特定周波数の光信号の振幅を増幅することにより、消光比のより良い第３の光信号を得る。
ここで、第１のモード変換器４００は、第１の光信号を異なる直交するモードの光信号または異なる次のモードの光信号に変換することができる。第２の光信号は初期光信号とは異なるモードの光信号であり、調整可能なリング共振キャビティ３００はマルチモード光信号伝送をサポートすることができるので、第２の光信号及び初期光信号は、調整可能なリング共振キャビティ３００内で伝送されるときに、干渉またはクロストークを起こすことなく、両者それぞれ伝送される。マイクロリング共振キャビティは、円形のマイクロリング共振キャビティ３００又はトラック形のマイクロリング共振キャビティとすることができ、マイクロリング共振キャビティの湾曲した導波材は、マイクロリング共振キャビティでの２つ以上のモードの伝送をサポートする。複数のモードの光信号を同時に変調するために調整可能なリング共振キャビティをモード多重化することにより、光信号の消光比を高める。
光変調器の制御方法はさらに、第２のモード変換器５００によって、第３の光信号に対してモード変換処理を行って、第４の光信号を出力するステップを含み、第２のモード変換器５００の入力端が出力導波材５０１に結合接続されている。
いくつかの具体的な実施例において、第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００は、同じで且つ逆向きに設置されたモード変換器である。初期光信号と第１の光信号はＴＥ０モードの光信号であり、第１のモード変換器４００によって第１の光信号に対してモード変換を行ってＴＥ１モード又はＴＭ０モードの第２の光信号を出力し、調整可能なリング共振キャビティ３００によって第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成する。第２のモード変換器５００の入力端が出力導波材５０１に結合接続され、第３の光信号に対してモード変換処理を行って第４の光信号を出力する。ここで、第３の光信号はＴＥ１モードまたはＴＭ０モードの光信号であり、第４の光信号はＴＥ０モードの光信号である。第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００を設けることで、初期光信号と第４の光信号が同じモードを有し、すなわち、光変調器の出力信号と入力信号が同じモードを有するようになる。
なお、ＴＥ１モード又はＴＭ０モードの第３の光信号がフィードバックループ導波材２００を介して第１のモード変換器４００に伝送されるとき、第１のモード変換器４００の出力信号が第１の光信号であることを保証するために、第３の光信号に損失を生じさせる。ＴＥ０モードの第１の光信号が出力導波材５０１を介して第２のモード変換器５００に伝送されるとき、第２のモード変換器５００の出力信号が第４の光信号であることを保証するために、第１の光信号に光損失を生じさせる。
光変調器の制御方法はさらに、第１の光電変調モジュールを構成することによって、調整可能なリング共振キャビティ３００の第１の領域の屈折率を調整し、第２の光電変調モジュールを構成することによって、調整可能なリング共振キャビティ３００の第２の領域の屈折率を調整する。
ここで、第１の光電変調モジュールと第２の光電変調モジュールは、調整可能なリング共振キャビティ３００の異なる領域の屈折率をそれぞれ調整する。第１の領域、第２の領域の屈折率を調整することにより、初期光信号及び第２の光信号が第１の領域、第２の領域での伝送中に位相変化を累積して、調整可能なリング共振キャビティ３００内の第１の直導波材３０３、第２の直導波材３０４内でそれぞれ干渉して、位相変化を強度変化に変換する。
光変調器の制御方法はさらに、初期光信号、第１の光信号、及び第４の光信号がＴＥ０モードにあることと、第２の光信号及び第３の光信号がＴＭ０モード又はＴＥ１モードのうちの何れか一つにあることと、を含む。第１のモード変換器４００、第２のモード変換器５００によって光信号を変換し、異なるモードの光信号が、互いに干渉すくことなく、調整可能なリング共振キャビティ３００で共振できるようにする。
いくつかの具体的な実施例において、第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００は、同じで且つ逆向きに設置されたモード変換器である。初期光信号と第１の光信号はＴＥ０モードの光信号であり、第１のモード変換器４００によって第１の光信号に対してモード変換を行ってＴＥ１モード又はＴＭ０モードの第２の光信号を出力し、調整可能なリング共振キャビティ３００によって第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を生成する。第２のモード変換器５００の入力端が出力導波材５０１に結合接続され、第３の光信号に対してモード変換処理を行って第４の光信号を出力する。ここで、第３の光信号はＴＥ１モードまたはＴＭ０モードの光信号であり、第４の光信号はＴＥ０モードの光信号である。第１のモード変換器４００と第２のモード変換器５００を設けることで、初期光信号と第４の光信号が同じモードを有し、すなわち、光変調器の出力信号と入力信号が同じモードを有するようになる。
本願の実施例はさらに、調整可能なリング共振キャビティによって、初期光信号に対して共振処理を行って第１の光信号を出力し、第１のモード変換器によって、第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力し、調整可能なリング共振キャビティによって、前記第２の光信号に対して共振処理を行って第３の光信号を出力し、調整可能なリング共振キャビティによって、光信号に対して２次重ね合わせ共振及び変調処理を行うことで、光信号の消光比を高める。すなわち、複数のモードの光信号を同時に変調するために調整可能なリング共振キャビティをモード多重化することにより、光信号の消光比を高める。
以上に説明された装置の実施例は、単に例示的なものであり、分離された部品として説明されたユニットは、物理的に分離されていてもよく、そうでなくてもよく、すなわち、一箇所にあってもよく、または複数のネットワークユニットに分散されていてもよい。本実施例の態様の目的を達成するために、これらのモジュールの一部または全部を実際の必要に応じて選択することが可能である。
当業者であれば、上記で開示された方法のすべてまたはいくつかのステップ、システムは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、及びそれらの適切な組み合わせとして実施できることを理解できるであろう。いくつかの物理的組立体またはすべての物理的組立体は、中央処理装置、デジタルシグナルプロセッサまたはマイクロプロセッサのようなプロセッサによって実行されるソフトウェアとして、あるいはハードウェアとして、あるいは特定用途向け集積回路のような集積回路として実施することができる。そういったソフトウェアは、コンピュータ読み取り可能な媒体上に分散することができ、コンピュータ読み取り可能な媒体はコンピュータ記憶媒体（または非一時的な媒体）及び通信媒体（または一時的な媒体）を含むことができる。コンピュータ記憶媒体という用語は、情報（コンピュータ読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール又は他のデータ）を記憶するように構成された任意の方法または技術において実現される、揮発性及び不揮発性、取り外し可能及び取り外し不可能な媒体を含むことは、当業者にとって周知のことである。コンピュータ記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）または他の光ディスク記憶装置、磁気カートリッジ、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置または他の磁気記憶装置、または所望の情報を記憶するように構成されることができ、コンピュータによってアクセスすることができる任意の他の媒体を含むが、これらに限定されない。さらに、通信媒体は通常、計算機読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、または搬送波または他の伝送メカニズムのような変調データ信号中の他のデータを含み、任意の情報伝送媒体を含むことができることは、当業者にとって周知のことである。
以上では、本願のいくつかの実施例について具体的に説明したが、本願は上記実施例に限定されるものではない。当業者であれば、本願の範囲に反することなく、本願の特許請求の範囲に限定された範囲内に含まれる様々な等価的変形又は置換を行うこともできる。
１００ 入力導波材、１０１ シングルモード入力導波材、１０２ 第１のテーパ導波材、１０３ マルチモード入力導波材、２００ フィードバックループ導波材、２０１ フィードバックマルチモード導波材、２０２ 弧状導波材、２０３ 第２のテーパ導波材、３００ リング共振キャビティ、３０１ 第１のハーフリング導波材、３０２ 第２のハーフリング導波材、３０３ 第１の直導波材、３０４ 第２の直導波材、４００ 第１のモード変換器、４０１ 第１の入力シングルモード導波材、４０２ 第１のシングルモード結合導波材、４０３ 第１のマルチモード結合導波材、４０４ 第１の変換テーパ導波材、４０５ 第１の出力マルチモード導波材、５００ 第２のモード変換器、５０１ 出力導波材、６０１ 第１の電極、６０２ 第２の電極、６０１１ 第１の金属ビア、６０２１ 第２の金属ビア、６０３ 上部クラッド層、６０４ 下面、６０５ シリコン基板層、６０６ シリコン導波層、６０６１ 第１のＰ型高濃度ドープ領域、６０６２ 第１のＰ型低濃度ドープ領域、６０６３ 第１のＮ型低濃度ドープ領域、６０６４ 第１のＮ型高濃度ドープ領域。

Claims (16)

  1. 光変調器であって、
    初期光信号を受信するように構成された入力導波材と、
    前記入力導波材に結合接続され、前記初期光信号に対して共振及び変調処理を行って第１の光信号を出力するように構成されたチューニング可能なリング共振キャビティと、
    前記チューニング可能なリング共振キャビティに結合接続され、前記第１の光信号を受信して伝送するように構成されたフィードバックループ導波材と、
    前記フィードバックループ導波材に結合接続され、前記第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を前記チューニング可能なリング共振キャビティに出力するように構成された第１のモード変換器と、
    を含み、
    前記チューニング可能なリング共振キャビティはさらに、前記第２の光信号に対して共振及び変調処理を行って第３の光信号を出力するように構成されており、
    前記光変調器はさらに、前記チューニング可能なリング共振キャビティに結合接続され、前記第３の光信号を受信して出力するように構成された出力導波材を含む
    光変調器。
  2. 入力端が前記出力導波材に結合接続され、前記第３の光信号に対してモード変換処理を行って第４の光信号を出力するように構成された第２のモード変換器
    をさらに含む請求項１に記載の光変調器。
  3. 前記第１のモード変換器と前記第２のモード変換器は、同じで且つ逆向きに設置されたモード変換器である
    請求項２に記載の光変調器。
  4. 前記チューニング可能なリング共振キャビティは、第１の結合領域と第２の結合領域とを含み、
    前記チューニング可能なリング共振キャビティは、前記第１の結合領域によって前記入力導波材に結合接続され、前記チューニング可能なリング共振キャビティは、前記第１の結合領域によって前記フィードバックループ導波材に結合接続され、
    前記第１のモード変換器は、前記第２の結合領域によって前記チューニング可能なリング共振キャビティに結合接続され、前記チューニング可能なリング共振キャビティは、前記第２の結合領域によって前記出力導波材に結合接続されている
    請求項１から３の何れか一項に記載の光変調器。
  5. 前記チューニング可能なリング共振キャビティはさらに、第１の光電変調モジュールと、第２の光電変調モジュールと、リング共振キャビティとを含み、
    前記第１の光電変調モジュールは、前記リング共振キャビティの第１の領域の屈折率を調整するように構成され、
    前記第２の光電変調モジュールは、前記リング共振キャビティの第２の領域の屈折率を調整するように構成され、
    前記第１の領域は、前記第１の結合領域、前記第２の結合領域にそれぞれ接続され、前記第２の領域は、前記第１の結合領域、前記第２の結合領域にそれぞれ接続されている
    請求項４に記載の光変調器。
  6. 前記第１の光電変調モジュール及び前記第２の光電変調モジュールはいずれもシリコンベースの光電変調モジュールであり、
    前記シリコンベースの光電変調モジュールは、順に設けられた第１のＰ型高濃度ドープ領域と、第１のＰ型低濃度ドープ領域と、第１のＮ型低濃度ドープ領域と、第１のＮ型高濃度ドープ領域とを含む
    請求項５に記載の光変調器。
  7. 前記第１のＰ型低濃度ドープ領域は少なくとも２つの表面を含み、前記第１のＮ型低濃度ドープ領域が前記第１のＰ型低濃度ドープ領域の少なくとも２つの表面を覆っており、
    或いは、
    前記第１のＮ型低濃度ドープ領域は少なくとも２つの表面を含み、前記第１のＰ型低濃度ドープ領域が前記第１のＮ型低濃度ドープ領域の少なくとも２つの表面を覆っている
    請求項６に記載の光変調器。
  8. 前記入力導波材は、
    前記初期光信号を受信するように構成されたシングルモード入力導波材と、
    一端が前記シングルモード入力導波材に接続された第１のテーパ導波材と、
    前記第１のテーパ導波材の他端に接続されたマルチモード入力導波材と、
    を含む請求項１、２、３、５、６又は７に記載の光変調器。
  9. 前記フィードバックループ導波材は、
    一端が前記マルチモード入力導波材に接続されたフィードバックマルチモード導波材と、
    一端が前記フィードバックマルチモード導波材の他端に接続された第２のテーパ導波材と、
    一端が前記第２のテーパ導波材の他端に接続された弧状導波材と、
    を含み、
    前記弧状導波材の他端は、前記第１のモード変換器に接続されている
    請求項８に記載の光変調器。
  10. 前記第１のモード変換器は、
    一端が前記フィードバックループ導波材に接続された第１の入力シングルモード導波材と、
    一端が前記第１の入力シングルモード導波材の他端に接続された第１のシングルモード結合導波材と、
    前記第１のシングルモード結合導波材と結合接続された第１のマルチモード結合導波材と、
    一端が前記第１のマルチモード結合導波材に接続された第１の変換テーパ導波材と、
    一端が前記第１の変換テーパ導波材の他端に接続され、他端が前記出力導波材に接続された第１の出力マルチモード導波材と、
    を含む請求項１に記載の光変調器。
  11. 前記第１のモード変換器は、
    一端が前記フィードバックループ導波材に接続された第１の入力シングルモード導波材と、
    一端が前記第１の入力シングルモード導波材の他端に接続された第１のシングルモード結合導波材と、
    前記第１のシングルモード結合導波材と結合接続された第１のマルチモード結合導波材と、
    一端が前記第１のマルチモード結合導波材の一端に接続され、他端が前記出力導波材に接続された第１の出力マルチモード導波材と、
    を含む請求項１に記載の光変調器。
  12. 前記第２のモード変換器は、
    一端が前記出力導波材に接続された第２の入力マルチモード導波材と、
    一端が前記第２の入力マルチモード導波材の他端に接続された第２の変換テーパ導波材と、
    一端が前記第２の変換テーパ導波材の他端に接続された第２のマルチモード結合導波材と、
    前記第２のマルチモード結合導波材と結合接続された第２のシングルモード結合導波材と、
    一端が前記第２のシングルモード結合導波材の一端に接続された第２の出力シングルモード導波材と、
    を含む請求項２に記載の光変調器。
  13. 前記第２のモード変換器は、
    一端が前記出力導波材に接続された第２の入力マルチモード導波材と、
    一端が前記第２の入力マルチモード導波材の他端に接続された第２のマルチモード結合導波材と、
    前記第２のマルチモード結合導波材と接続された第２のシングルモード結合導波材と、
    一端が前記第２のシングルモード結合導波材の一端に接続された第２の出力シングルモード導波材と、
    を含む請求項２に記載の光変調器。
  14. 入力導波材によって初期光信号を受信するステップと、
    チューニング可能なリング共振キャビティによって、前記初期光信号に対して共振及び変調処理を行って第１の光信号を出力するステップと、
    フィードバックループ導波材によって前記第１の光信号を受信し、第１のモード変換器に伝送するステップと、
    前記第１のモード変換器によって、前記第１の光信号に対してモード変換処理を行って、第２の光信号を出力するステップと、
    前記チューニング可能なリング共振キャビティによって、前記第２の光信号に対して共振及び変調処理を行って第３の光信号を出力するステップと、
    出力導波材によって、前記第３の光信号を受信して出力するステップと、
    を含む光変調器の制御方法。
  15. 第２のモード変換器によって、前記第３の光信号に対してモード変換処理を行って、第４の光信号を出力するステップ
    をさらに含む請求項１４に記載の光変調器の制御方法。
  16. 前記第１のモード変換器と前記第２のモード変換器は、同じで且つ逆向きに設置されたモード変換器である
    請求項１５に記載の光変調器の制御方法。
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