多値光位相変調器
【課題】省サイズ化と低コスト化を実現できる多値光位相変調器を提供すること。
【解決手段】入力された光を分岐する光分岐器と、前記光分岐器に接続し、位相変調部を有する２つのアーム部を備え、前記分岐された光を強度変調して光信号として出力する２つ以上のマッハツェンダ型強度変調器と、前記各マッハツェンダ型強度変調器に接続し、該マッハツェンダ型強度変調器から出力した各光信号を合成して多値光信号として出力する光合成器と、前記光分岐器と、前記マッハツェンダ型強度変調器の少なくともいずれか１つの各位相変調部との間に設けられ、利得媒質を有し、該利得媒質の利得飽和特性を利用して、入力された光の強度を所定強度に調整して出力する少なくとも１つの光強度調整器と、を備える。
【解決手段】入力された光を分岐する光分岐器と、前記光分岐器に接続し、位相変調部を有する２つのアーム部を備え、前記分岐された光を強度変調して光信号として出力する２つ以上のマッハツェンダ型強度変調器と、前記各マッハツェンダ型強度変調器に接続し、該マッハツェンダ型強度変調器から出力した各光信号を合成して多値光信号として出力する光合成器と、前記光分岐器と、前記マッハツェンダ型強度変調器の少なくともいずれか１つの各位相変調部との間に設けられ、利得媒質を有し、該利得媒質の利得飽和特性を利用して、入力された光の強度を所定強度に調整して出力する少なくとも１つの光強度調整器と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多値光位相変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の位相と強度との両方に情報載せて通信を行なうＱＡＭ(Quadrature Amplitude Modulation)に代表される、多値位相変調方式では、光の波としての情報を実部と嘘部に分岐し、それぞれにデータ変調を行なう必要がある。
【０００３】
そのため、たとえばＱＡＭの変調を行なう多値光位相変調器（たとえば、特許文献１参照）では、入力された光を２分岐し、分岐した光の一方を並列接続した２つのマッハツェンダ（Mach-Zehnder）型強度変調器の一方に入力し、他方の光を、その位相を一方の光に対してπ／２だけシフトさせて、他方のマッハツェンダ型強度変調器に入力させる。一方のマッハツェンダ型強度変調器は、一方の光を実部の情報を有する信号によって強度変調し、実部光信号とし出力する。また、他方のマッハツェンダ型強度変調器は、位相をシフトされた他方の光を、虚部の情報を有する信号によって強度変調し、虚部光信号として出力する。多値光位相変調器は、各マッハツェンダ型強度変調器が出力した実部光信号と虚部光信号とを合成し、ＱＡＭの変調がされた光信号として出力する。なお、さらに多値の変調を行なう多値光位相変調器は、その変調方式に応じて、さらに多数のマッハツェンダ型強度変調器が並列または直列に接続されて構成される。
【０００４】
マッハツェンダ型強度変調器の２つのアーム部において、光を位相変調する位相変調部としては、たとえば半導体のプラズマ効果、半導体の電界吸収効果(フランツ-ケルディッシュ効果、量子閉じ込めシュタルク効果)を用いたものや、半導体もしくはＬＮ(ＬｉＮｂ２Ｏ３)結晶のポッケルス効果を用いたものが利用される。また、複数のマッハツェンダ型強度変調器を並列または直列に接続する場合に、光の分岐、合成を行なうパッシブ光導波路の部分には、ＩｎＰ材料で作製された半導体光導波路や、低損失な石英系材料からなる光導波路である平面光波回路（ＰＬＣ；Planar Lightwave Circuit)などが用いられる。また、マッハツェンダ型強度変調器とパッシブ光導波路とを集積した構造としては、パッシブ/変調器が半導体/半導体であるモノリシック集積タイプや、ＰＬＣ/半導体のハイブリッド集積タイプがある。なお、ＰＬＣ/半導体のハイブリッド集積構造の接合部における光導波路同士の調芯の技術としては、導波路に光を導光させて接続損失を実測しながら調芯を行なうアクティブアラインメントや、たとえば非特許文献１が開示されているような調芯マークによって調芯を行なうパッシブアラインメントの技術がある。
【０００５】
ここで、特許文献２には、マッハツェンダ型強度変調器において、消光比を高くするために、２つのアーム部の位相変調部の後に強度変調部を設け、合成する光信号の強度を等しくする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−８６２６８号公報
【特許文献２】特開平７−４９４７３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T. Hashimoto et al., “Multichip Optical Hybrid Integration Technique with Planar Lightwave Circuit Platform”, J. Lightwave Technol., vol. 16, No. 7, pp. 1249-1258, July 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来の多値光位相変調器を作製する際に、モノリシック集積技術を用いた場合には、半導体光導波路の作製精度に起因する導波路損失や曲げ損失のばらつきにより、またハイブリッド集積技術を用いた場合には、半導体光導波路とＰＬＣとの接続損失のばらつきにより、各マッハツェンダ型強度変調器に入力される光の強度もばらつく。このばらつきが大きいと、多値光位相変調器から出力される光信号の強度と位相とが乱れ、光信号の品質が低下するという問題がある。
【０００９】
図１３は、２つのマッハツェンダ型強度変調器における光電界の位相状態を示す図である。なお、図１３（ａ）は各マッハツェンダ型強度変調器に入力される光強度にばらつきがない状態を示し、図１３（ｂ）はばらつきがある状態の例を示している。
【００１０】
図１３（ａ）が示すように、ばらつきがない理想的な場合は、各アーム部における位相変調の振幅が等しくなるため、符号Ａ１が示す光電界の実部軸（Ｉ軸）上の位相状態の変化と、符号Ａ２が示す虚部軸（Ｑ軸）上の虚部光信号の位相状態の変化とは略等しくなる。その結果、符号Ｃ１が示す合成された光信号の位相状態も等方的になり、コンスタレーションマップ（信号点配置図）上において信号点は等間隔に配置する。
【００１１】
一方、図１３（ｂ）が示すばらつきがある例では、各アーム部における位相変調の振幅が異なっており、符号Ａ３が示すＩ軸上の位相状態の変化に比して、符号Ａ４が示すＱ軸上の位相状態の変化の振幅が小さくなっている。その結果、符号Ｃ１が示す合成された光信号の位相状態もＱ軸方向に縮小した形状となり、コンスタレーションマップ上において信号点は不等間隔に配置することとなり、ばらつきがない場合よりも光信号の品質は低下している。
【００１２】
ここで、上述した特許文献２のように、マッハツェンダ型強度変調器の各アーム部に設けた強度変調部によって光信号の強度を調整する方法がある。しかしながら、この方法では、マッハツェンダ型強度変調器の光出力ポートにおいて光強度をモニタし、モニタした光強度に基づいて、強度変調部の駆動電流値をフィードバック制御することが、必ず必要であるため、この制御を行なう制御機構が必ず必要となり、省サイズ化と低コスト化の妨げになるという問題がある。また、光強度のばらつきが大きい場合、これに合わせて制御の範囲も大きくする必要がある。そのため、制御機構の負荷が大きくなり、大掛かりな制御機構が必要となるので、さらに省サイズ化と低コスト化の妨げになる。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、省サイズ化と低コスト化を実現できる多値光位相変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る多値光位相変調器は、入力された光を分岐する光分岐器と、前記光分岐器に接続し、位相変調部を有する２つのアーム部を備え、前記分岐された光を強度変調して光信号として出力する２つ以上のマッハツェンダ型強度変調器と、前記各マッハツェンダ型強度変調器に接続し、該マッハツェンダ型強度変調器から出力した各光信号を合成して多値光信号として出力する光合成器と、前記光分岐器と、前記マッハツェンダ型強度変調器の少なくともいずれか１つの各位相変調部との間に設けられ、利得媒質を有し、該利得媒質の利得飽和特性を利用して、入力された光の強度を所定強度に調整して出力する少なくとも１つの光強度調整器と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る多値光位相変調器は、上記の発明において、前記光強度調整器は、前記利得媒質が半導体活性層である半導体光増幅器を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る多値光位相変調器は、上記の発明において、前記半導体活性層はバルク構造を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る多値光位相変調器は、上記の発明において、前記光強度調整器は、当該光強度調整器に入力された光の強度が−１０ｄＢｍ〜１０ｄＢｍの範囲のときに、当該入力された光の強度の１０ｄＢの変化に対して、前記出力する光の強度の変化量が０．０１ｄＢ以下となるように、少なくとも前記利得媒質の利得長、断面積および閉じ込め係数が設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る多値光位相変調器は、利得媒質の利得飽和特性を利用した光強度調整器を備えるので、光強度の制御の負荷が小さい、あるいは制御自体が不要となるため、省サイズ化と低コスト化を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施の形態１に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す多値光位相変調器のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、図１に示す多値光位相変調器の半導体光導波路部の導波路構造を示す平面図である。
【図４】図４は、図３に示す導波路構造のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図５は、図３に示す導波路構造のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】図６は、図１に示す半導体光増幅部の入力光強度と出力光強度との関係を示す図である。
【図７】図７は、半導体光導波路部の製造方法の一例の説明図である。
【図８】図８は、半導体光導波路部の製造方法の一例の説明図である。
【図９】図９は、半導体光導波路部の製造方法の一例の説明図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４に係る多値光位相変調器の模式的な構成図である。
【図１３】図１３は、２つのマッハツェンダ型強度変調器における光電界の位相状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照して本発明に係る多値光位相変調器の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。
【００２１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１として、波長１．５５μｍの連続光に対してＱＡＭの変調を行なう多値光位相変調器について説明する。以下では、本実施の形態１の多値光位相変調器の構成、動作、製造方法の順に説明する。
【００２２】
（構成）
図１は、本実施の形態１に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。図１に示すように、この多値光位相変調器１００は、光分岐器１と、光分岐器１に接続する２つのマッハツェンダ型強度変調器３、４と、マッハツェンダ型強度変調器３、４に接続する光合成器５と、光分岐器１とマッハツェンダ型強度変調器４との間に設けられた位相シフト器２とを備えている。また、この多値光位相変調器１００は、石英系材料からなるＰＬＣで形成されたＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２と、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２の間に配置された、半導体導波路で形成された半導体光導波路部Ｓ１とが集積されたハイブリッド集積構造のものである。なお、光分岐器１と位相シフト器２はＰＬＣ部Ｐ１に形成され、光合成器５はＰＬＣ部Ｐ２に形成され、マッハツェンダ型強度変調器３、４はＰＬＣ部Ｐ１から半導体光導波路部Ｓ１、さらにＰＬＣ部Ｐ２にわたって形成されている。
【００２３】
つぎに、各構成要素について具体的に説明する。光分岐器１は、光が入力される光入力部１ａと、光入力部１ａから分岐して形成された光出力部１ｂ、１ｃとを備えている。
【００２４】
マッハツェンダ型強度変調器３は、光分岐器１の光出力部１ｂに接続する光入力部３ａと、光入力部３ａから分岐して形成されたアーム部３ｂ、３ｃと、アーム部３ｂ、３ｃが結合して形成された光出力部３ｄとを備えている。また、マッハツェンダ型強度変調器４は、光分岐器１の光出力部１ｃに接続する光入力部４ａと、光入力部４ａから分岐して形成されたアーム部４ｂ、４ｃと、アーム部４ｂ、４ｃが結合して形成された光出力部４ｄとを備えている。
【００２５】
ここで、半導体光導波路部Ｓ１において、マッハツェンダ型強度変調器３のアーム部３ｂは、位相変調部３ｂｂを有しているとともに、位相変調部３ｂｂの光入力部３ａ側には光強度調整器としての半導体光増幅部３ｂａが設けられている。
【００２６】
また、マッハツェンダ型強度変調器３のアーム部３ｃも、半導体光導波路部Ｓ１において、位相変調部３ｃｂを有しているとともに、位相変調部３ｃｂの光入力部３ａ側には半導体光増幅部３ｃａが設けられている。さらに、マッハツェンダ型強度変調器４のアーム部４ｂ、４ｃも、半導体光導波路部Ｓ１において、それぞれ位相変調部４ｂｂ、４ｃｂを有しているとともに、位相変調部４ｂｂ、４ｃｂの光入力部４ａ側には半導体光増幅部４ｂａ、４ｃａが設けられている。なお、この半導体光導波路部Ｓ１の構造については後に詳述する。
【００２７】
光合成器５は、ＱＡＭの変調がされた多値光信号が出力される光出力部５ａと、光出力部５ａから分岐して形成され、マッハツェンダ型強度変調器３の光出力部３ｄとマッハツェンダ型強度変調器４の光出力部４ｄとにそれぞれ接続する光入力部５ｂ、５ｃとを備えている。
【００２８】
つぎに、ＰＬＣ部Ｐ１の断面構造について説明する。図２は、図１に示す多値光位相変調器１００のＡ−Ａ線断面図であり、光分岐器１の光入力部１ａの断面を示している。図２に示すように、Ａ−Ａ線断面においては、コア層である光入力部１ａが、下部クラッド層６ａ上に形成され、さらに上部クラッド層６ｂにより埋め込まれた埋め込みメサ型の導波路構造が形成されている。光入力部１ａの断面のサイズは７μｍ×７μｍである。また、下部クラッド層６ａと上部クラッド層６ｂとの屈折率は同一である。また、下部クラッド層６ａおよび上部クラッド層６ｂに対する光入力部１ａの比屈折率差は０．４５％である。このように断面サイズと比屈折率差が設定されていることにより、光入力部１ａは波長１．５５μｍの光を単一横モードかつ偏波無依存で導波することができる。なお、上記断面のサイズと比屈折率差は例示であり、特に限定はされない。
【００２９】
また、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２に形成されている他の要素、すなわち、光分岐器１の光出力部１ｂ、１ｃ、マッハツェンダ型強度変調器３、４の光入力部３ａ、４ａ、アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃの一部、および光出力部３ｄ、４ｄ、ならびに光合成器５も、光入力部１ａと同様の導波路構造を有している。
【００３０】
また、位相シフト器２も、光入力部１ａと同様の導波路構造を有しているが、π／２の位相差を与えるように、下部クラッド層６ａおよび上部クラッド層６ｂに対するコア層の比屈折率差が、光入力部１ａの場合よりも高く設定されている。
【００３１】
つぎに、半導体光導波路部Ｓ１の構造について説明する。図３は、図１に示す多値光位相変調器１００の半導体光導波路部Ｓ１の導波路構造を示す平面図である。なお、図３はマッハツェンダ型強度変調器３のアーム部３ｂの一部である領域Ｒを拡大して示したものである。
【００３２】
図３に示すように、領域Ｒは、光入力部３ａ側に位置するスポットサイズ変換器（ＳＳＣ：Spot Size Converter）領域Ｒ１、半導体光増幅器領域Ｒ２、位相変調器領域Ｒ３、および光出力部３ｄ側に位置するＳＳＣ領域Ｒ４からなる。この各領域Ｒ１〜Ｒ４には、ＳＳＣ部３ｂｃ、半導体光増幅部３ｂａ、位相変調部３ｂｂ、ＳＳＣ部３ｂｄがそれぞれ形成されている。これらのＳＳＣ部３ｂｃ、半導体光増幅部３ｂａ、位相変調部３ｂｂ、ＳＳＣ部３ｂｄは、いずれもクラッド部となる埋め込み半導体層１６で埋め込まれた埋め込みメサ型の導波路構造を有している。なお、符号７、９はｐ側電極を示し、符号８、１０は電極パッドを示しているが、これらについては後述する。
【００３３】
ＳＳＣ部３ｂｃの長さＬ１は５００μｍであり、そのメサ幅（コア幅）はメサ幅Ｗ１からメサ幅Ｗ２まで変化している。メサ幅Ｗ１は０．５μｍであり、メサ幅Ｗ２は２μｍである。ＳＳＣ部３ｂｄはＳＳＣ部３ｂｃと同様の構造を有する。半導体光増幅部３ｂａの長さＬ２は１３００μｍであり、メサ幅Ｗ３は０．７μｍである。位相変調部３ｂｂの長さＬ３は１０００μｍであり、メサ幅Ｗ４は２μｍである。なお、上記各長さとメサ幅は例示であり、特に限定はされない。また、マッハツェンダ型強度変調器３、４の他のアーム部３ｃ、４ｂ、４ｃにおける領域Ｒに対応する部分も、図３と同様の構造を有している。
【００３４】
つぎに、半導体光導波路部Ｓ１の断面構造を、図３に示す半導体光増幅器領域Ｒ２、位相変調器領域Ｒ３の断面を用いて説明する。図４は、図３に示す導波路構造のＢ−Ｂ線断面図である。
【００３５】
図４に示すように、位相変調器領域Ｒ３は、裏面にｎ側電極１１を形成したｎ型のＩｎＰからなる基板１２上に、バッファ層としての役割も果たしているｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層１３と、コア層となる位相変調部３ｂｂと、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１４、１５とが積層した構造を有している。基板１２の一部から上部クラッド層１５まではメサ構造となっており、その両側はｐ型のＩｎＰからなる下部電流阻止半導体層１６ａとｎ型のＩｎＰからなる上部電流阻止半導体層１６ｂとからなる埋め込み半導体層１６によって埋め込まれている。また、上部クラッド層１５と埋め込み半導体層１６との上にはｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１７、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１８が積層している。また、コンタクト層１８上には、位相変調部３ｂｂ全体を覆うようにｐ側電極９が形成され、またはＳｉＮ膜からなる誘電体保護膜１９で保護されている。さらに、誘電体保護膜１９に形成された開口部においてｐ側電極９に接触するように、電極パッド１０が形成されている。
【００３６】
位相変調部３ｂｂは、バンドギャップ波長が１．４８μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなり、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造の上下に３段階の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）を形成したＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。なお、ＭＱＷは例えば、６層の６ｎｍの井戸層と、５層の１０ｎｍの障壁層とが順次積層された構造を有する。また、厚さ１００ｎｍの３段ＳＣＨでＭＱＷの上下を挟んだ構造となっている。
【００３７】
つぎに、図５は、図３に示す導波路構造のＣ−Ｃ線断面図である。図５に示すように、半導体光増幅器領域Ｒ２は、図４に示す断面構造において、コア層を位相変調部３ｂｂから活性層である半導体光増幅部３ｂａに置き換え、ｐ側電極９、電極パッド１０をそれぞれｐ側電極７、電極パッド８に置き換えた構造を有している。なお、半導体光増幅器３ｂａはバンドギャップ波長が１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなり、ＰＮ接合のバルク構造を有する。
【００３８】
なお、ＳＳＣ領域Ｒ１、Ｒ４の断面構造は、図４に示す断面構造において、コア層を位相変調部３ｂｂからＳＳＣ部３ｂｃ、３ｂｄに置き換え、ｐ側電極９、電極パッド１０を削除した構造を有している。ＳＳＣ部３ｂｃ、３ｂｄはバンドギャップ波長が１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなる。また、下部クラッド層１３および上部クラッド層１４、１５はノンドープのＩｎＰからなる。
【００３９】
（動作）
つぎに、この多値光位相変調器１００の動作について説明する。まず、電極および電極パッドを介して、各半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａに順方向バイアス電圧にて駆動電流を注入し、位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂに逆方向バイアス電圧と変調電圧信号とを印加した状態で、図１に示すように光分岐器１の光入力部１ａに連続光ＩＬを入力する。すると、光分岐器１は入力された連続光ＩＬを２分岐し、光出力部１ｂ、１ｃから出力する。光出力部１ｂから出力された連続光はマッハツェンダ型強度変調器３に入力する。また、光出力部１ｃから出力された連続光は、位相シフト器２によってπ／２だけ位相をシフトされた後にマッハツェンダ型強度変調器４に入力する。
【００４０】
マッハツェンダ型強度変調器３は、光入力部３ａから入力された連続光をアーム部３ｂ、３ｃへ分岐し、分岐した各連続光を、外部から変調信号が与えられた位相変調部３ｂｂ、３ｃｂの量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect、ＱＣＳＥ）効果による屈折率変化によって位相変調し、その後光出力部３ｄにおいて光合成し、実部光信号として出力する。
【００４１】
一方、マッハツェンダ型強度変調器４は、位相シフトされて光入力部４ａから入力された連続光をアーム部４ｂ、４ｃへ分岐し、分岐した各連続光を、外部から変調信号が与えられた位相変調部４ｂｂ、４ｃｂの電界吸収効果によって位相変調し、その後光出力部４ｄにおいて光合成し、虚部光信号として出力する。
【００４２】
最後に、光合成器５は、マッハツェンダ型強度変調器３、４が出力し光入力部５ｂ、５ｃから入力された実部光信号および虚部光信号を合成し、光出力部５ａからＱＡＭの変調がされた光信号ＯＳＬとして出力する。
【００４３】
ここで、マッハツェンダ型強度変調器３、４の各アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃには、ＰＬＣ部Ｐ１と半導体光導波路部Ｓ１との接続部分が存在している。この接続部分において接続される光導波路間の接続損失が、アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃの間でばらついていると、半導体光導波路部Ｓ１に入力した際の連続光の強度もばらつくこととなる。
【００４４】
これに対して、本実施の形態１に係る多値光位相変調器１００では、各アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃにおいて、位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂの前に、それぞれ光強度調整器として半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａが設けられている。これらの半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａは、利得飽和特性を有しており、入力された連続光の強度にかかわらず、この連続光の光強度を略一定の強度に調整して出力する。なお、利得飽和特性とは、利得媒質に入力される光の強度が高くなると、誘導放出によりレーザ上準位のキャリアが減少し、これによって利得が低下する特性である。その結果、各アーム部の位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂに入力される連続光の強度は略等しくなり、各位相変調部において略等しい位相変調が印加される。その結果、外部から光強度を制御しなくても、最終的に出力される光信号ＯＳＬは図１３（ａ）に示すような理想的な状態となる。
【００４５】
以下、半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａの利得飽和特性についてより具体的に説明する。なお、半導体光増幅器３ｂａを例にして説明するが、他の半導体光増幅器も同様の特性を有している。
【００４６】
図６は、図１に示す半導体光増幅部３ｂａの入力光強度と出力光強度との関係を示す図である。なお、図６において、光の波長は１．５５μｍとしている。また、コア層である半導体光増幅部３ｂａのメサ幅Ｗ３および厚さは０．７μｍとし、閉じ込め係数Γは０．４５とし、利得長である長さＬ２は１３００μｍとし、挿入損失αは４０ｃｍ−１とし、駆動電流Ｉopは５００ｍＡとしている。
【００４７】
図６に示すように、この半導体光増幅部３ｂａは、入力光強度が−５０ｄＢｍから２０ｄＢｍの範囲において出力光強度の変化量が０．１５ｄＢ以下であり、ほぼ一定となっている。また、特に入力光強度が−１０ｄＢｍ〜１０ｄＢｍの範囲のときに、入力光強度の１０ｄＢの変化に対して、出力光強度の変化量が０．０１ｄＢ以下となっている。ここで、光通信における実用的な光強度を考慮すると、この半導体光増幅部３ｂａへ入力する光強度は−１０ｄＢｍ〜１０ｄＢｍの範囲と考えられる。したがって、半導体光増幅部３ｂａへの入力光強度がこの範囲であれば、その光強度に１０ｄＢ程度のばらつきがあっても、出力光強度のばらつきを０．０１ｄＢ以内に抑制することができる。
【００４８】
なお、非特許文献１によれば、ハイブリッド集積構造においてパッシブアラインメントを行なった場合、ＰＬＣと半導体光導波路部との間には最大６ｄＢの接続損失のばらつきが存在する。この多値光位相変調器１００では、マッハツェンダ型強度変調器３、４の内部でこのように６ｄＢの接続損失のばらつきがあっても、図６が示すような特性を有する半導体光増幅部３ｂａを用いているので、光強度のばらつきが６ｄＢから０．０１ｄＢ以内に抑制される。したがって、接続損失のばらつき等に起因する入力光強度のばらつきは抑制されるため、外部からの光強度の制御が不要とできる。また、外部から制御を行うとしても、その制御の負荷が小さくなるため、大掛かりな制御機構は不要である。したがって、この多値光位相変調器１００は省サイズ化と低コスト化を実現できるものとなる。
【００４９】
また、このような０．０１ｄＢ以内のばらつきは、多値位相変調を行なう通信システムにおいて通常用いられる受信回路の受信感度と比較すると無視出来るレベルであるから、このようなばらつきが存在しても、多値位相変調した光信号の伝送特性に影響を及ぼさない。
【００５０】
また、上記のように６ｄＢの光強度のばらつきが抑制されると、この多値光位相変調器１００によりデータ変調を行なった場合、ばらつきがある場合よりもアイパターンの消光比の劣化を６ｄＢだけ改善できると考えられる。これにより、アイパターンのＳ／Ｎの良い、良好なデータ変調ができると期待される。さらに、マッハツェンダ型強度変調器３、４において６ｄＢの光強度の違いが抑制されたとすると、１６ＱＡＭの変調方式においてＢａｃｋ−ｔｏ−Ｂａｃｋで誤り率を測定した場合に、誤り率１０−５において受信強度が１２ｄＢだけ改善される。すなわち、この多値光位相変調器１００を用いれば、光伝送において同じ誤り率を得るために必要な光強度が大幅に低減されるため、光伝送システム全体の低消費電力化に多大な効果をもたらす。
【００５１】
ところで、利得媒質の飽和特特性は、飽和強度なるパラメータに依存する。飽和強度が小さい利得媒質の方が、入力した光強度が小さくても利得飽和が起こりやすいので、出力光強度を一定にできる入力光強度の範囲が広くなり好ましい。飽和強度をＩsatとすると、半導体光増幅器の場合はＩsatは以下の式（１）で表される。
【００５２】
Ｉsat＝ｈν／（ΓＡgτ）×Ｗ×ｄ ・・・ （１）
なお、式（１）において、ｈはプランク定数、Γは活性コア層の閉じ込め係数、Ａｇは微分利得係数、τは光の減衰時間、Ｗは活性コア層の幅、ｄは活性コア層の厚さを示す。
【００５３】
また、活性コア層の利得係数をｇ（ｎ）（ｎはキャリア密度）とすると、ｇ（ｎ）は以下の式（２）で表される。
【００５４】
ｇ（ｎ）＝Ａｇ×（ｎ−ｎ0）×［（１／（１＋Ｉ／Ｉsat）］ ・・・ （２）
なお、式（２）において、ｎ0は透明キャリア密度、Ｉは入力光の強度密度を示す。
【００５５】
また、半導体光増幅器の導波路構造依存性や光損失等を含めた利得Ｇは、以下の式（３）で表される。
【００５６】
Ｇ＝ｅｘｐ（（Γ×ｇ（ｎ）−α）×Ｌ）＝ｅｘｐ（（Γ×Ａｇ×（ｎ−ｎ0）−α）×Ｌ） ・・・ （３）
なお、式（３）において、αは挿入損失、Ｌは利得長を示す。また、「ｅｘｐ」は自然対数の底の指数関数を示す記号である。
【００５７】
式（１）〜（３）に示すように、利得媒質である活性コア層の利得長Ｌ、断面積Ｗ×ｄ、および閉じ込め係数Γをパラメータとして適宜設定することによって、半導体光増幅器の利得特性を所望にものとすることができる。特に、閉じ込め係数Γを大きくすれば、飽和強度Ｉsatが小さくなるので、出力光強度を一定にできる入力光強度の範囲が広くなり好ましい。また、本実施の形態１のように、半導体光増幅部３ｂａをバルク構造とすると、閉じ込め係数Γを大きくしやすいので好ましい。
【００５８】
なお、たとえば、図６に示す特性を実現するためには、出力を十分に飽和させるために利得長Ｌ（単位ｍｍ）と閉じ込め係数Γ（単位なし）の積を０．６以上に設定すれば良い。また、通信波長帯１．３１μｍもしくは１．５５ μｍにおいて単一横モードとなり、出力を飽和させるために断面積Ｗ×ｄを０．５μｍ２以下に設定すれば良い。
【００５９】
また、利得長Ｌ、断面積Ｗ×ｄ、および閉じ込め係数Γは、入力する光の波長において半導体光増幅器が単一横モード伝送かつ偏波無依存特性を実現するように設定することが好ましいが、各設定パラメータが上記範囲であれば、波長１．５５μｍにおいて単一横モード伝送かつ偏波無依存特性という条件を満たしている。
【００６０】
なお、図６、および式（１）〜（３）に示すように、利得媒質に対する入力光強度が高くなると、その利得飽和特性によって出力光強度が入力光強度よりも低くなり、利得が負の値となる場合がある。本明細書における利得媒質とは、このように入力光強度が高くなった場合に、その利得飽和特性によって利得が正から負に転じるようなものも含むものである。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態１に係る多値光位相変調器１００は、外部からの光強度の制御が不要の多値光位相変調器となる。その結果、制御機構が必ずしも必要ではなくなり、省サイズ化かつ低コスト化を実現できる多値光位相変調器となる。
【００６２】
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る多値光位相変調器１００の製造方法の一例について説明する。はじめに、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２の製造方法の一例について説明する。はじめに、光ファイバ製造技術の応用である火炎直接堆積(ＦＨＤ:Flame Hydrolysis Deposition)法により、ＰＬＣ作製用基板（例えばシリコン基板）上に、下部クラッド層およびコア層となるガラス粒子を堆積し、その後加熱してガラス微粒子を溶融透明化する。その後、半導体集積回路製造技術であるフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング(ＲＩＥ:Reactive Ion Etching)で、光分岐器１、光合成器５、およびマッハツェンダ型強度変調器３、４の一部に対応する光導波路パターンを形成し、再びＦＨＤ法により上部クラッド層を形成する。これによって、同一のＰＬＣ作製用基板上に、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２が形成される。なお、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２は別々の基板上に形成してもよい。
【００６３】
つぎに、半導体光導波路部Ｓ１の製造方法について説明する。図７〜図９は、半導体光導波路部Ｓ１の製造方法の一例の説明図である。なお、図７は、図３に示すＤ−Ｄ線断面に対応する断面を示している。
【００６４】
まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）結晶成長装置を用い、成長温度６００度において以下のような結晶成長を行なう。すなわち、図７（ａ）に示すように、基板１２上に、下部クラッド層１３、位相変調部３ｂｂ、上部クラッド層１４、１５を順次結晶成長する。
【００６５】
つぎに、図７（ｂ）に示すように、ＳｉＮからなるマスクＭ１で位相変調器領域Ｒ３のみを覆い、それ以外の領域において、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma：誘導結合プラズマ)−ＲＩＥ装置により、上部クラッド層１４、１５および位相変調部３ｂｂと、下部クラッド層１３の一部分をエッチング除去する。そして、エッチング除去した領域に、バットジョイント成長により、半導体光増幅部３ｂａと上部クラッド層１４、１５とを形成する。半導体光増幅部３ｂａは、厚さ０．７μｍのＩｎＧａＡｓＰバルク半導体活性層と、半導体活性層を上下から挟む２つの厚さ０．１μｍのバンドギャップ波長１．１８μｍのＳＣＨ層から形成される。エッチング後にはマスクＭ１をＢＨＦ(バッファードフッ酸)により除去する。
【００６６】
つぎに、図７（ｃ）に示すように、ＳｉＮからなるマスクＭ２で半導体光増幅器領域Ｒ２および位相変調器領域Ｒ３のみを覆い、それ以外の領域において、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置により、上部クラッド層１４、１５および半導体光増幅部３ｂａをエッチング除去し、エッチング除去した領域に、バットジョイント成長により、ＳＳＣ部３ｂｃ、３ｂｄと上部クラッド層１４、１５とを形成する。パッシブのＳＳＣ部３ｂｃ、３ｂｄは、厚さ０．３μｍのバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰコア層と、コア層を上下から挟む２つの厚さ０．３μｍのノンドープＩｎＰ層から形成される。
その後、図７（ｄ）に示すようにマスクＭ２を除去する。このようにして、ＳＳＣ領域Ｒ１、Ｒ４、半導体光増幅器領域Ｒ２、位相変調器領域Ｒ３が形成される。
【００６７】
つづいて、図８は、図３に示すＢ−Ｂ線断面に対応する断面を示している。まず、図８（ａ）は、図７（ｄ）の工程を行った後の状態を示している。つぎに、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、各領域Ｒ１〜Ｒ４において上部クラッド層１５上の全面にＳｉＮ膜からなるマスクＭ３を形成し、このマスクＭ３を、図３に示すメサ構造を形成するための形状にエッチングする。そして、図８（ｄ）に示すように、マスクＭ３を形成した以外の領域の上部クラッド層１４、１５、位相変調部３ｂｂ、下部クラッド層１３を、塩素系またはメタン水素系のガスを用いたドライエッチングによって除去する。つづいて、図８（ｅ）に示すように、ウェットエッチングを用いて、さらに上部クラッド層１５から基板１２の一部に到る深さまでをエッチングし、図４に示す導波路構造のメサ構造を形成する。この工程において各領域Ｒ１〜Ｒ４におけるメサ形状が形成される。
【００６８】
つぎに、図８（ｆ）に示すように、メサ構造の両側に、下部電流阻止半導体層１６ａと上部電流阻止半導体層１６ｂとを順次形成して埋め込み半導体層１６を形成し、各領域Ｒ１〜Ｒ４におけるメサ構造を埋め込む。その後、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）により、マスクＭ３を除去する。つぎに、図８（ｇ）に示すように、各領域Ｒ１〜Ｒ４において上部クラッド層１７、コンタクト層１８を形成し、さらに必要に応じて保護層であるキャップ層Ｃapを形成する。キャップ層Ｃapはその後、図８（ｈ）に示すように除去される。
【００６９】
つぎに、位相変調器領域Ｒ３の構造を形成する工程を説明する。なお、半導体光増幅器領域Ｒ２も同様の工程で形成することができる。まず、図９（ａ）に示すように、図８（ｈ）で形成した構造上にフォトリソグラフィにより、ｐ側電極９に対応する部分をパターニングしたレジストｒ１を形成し、その上にＡｕＺｎ膜Ｅ１を蒸着する。つぎに、図９（ｂ）に示すように、レジストｒ１を除去し、リフトオフしてｐ側電極９を形成する。その後、図９（ｃ）に示すように、ＳｉＮ膜からなる誘電体保護膜１９を成膜する。なお、誘電体保護膜１９の成膜は全ての領域Ｒ１〜Ｒ４に対して行なう。つぎに、図９（ｄ）に示すように、誘電体保護膜１９上に、フォトリソグラフィにより、電極パッド１０をｐ側電極９に接触させるための部分をパターニングしたレジストｒ２を形成する。
【００７０】
つぎに、図９（ｅ）に示すように、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥにより、レジストＲ２をパターニングした部分の誘電体保護膜１９をエッチングし、その後レジストｒ２を除去する。さらに、図９（ｆ）に示すように、誘電体保護膜１９上に、フォトリソグラフィにより、電極パッド１０に対応する部分をパターニングしたレジストｒ３を形成し、その上にＴｉ／Ｐｔ膜Ｅ２を蒸着する。その後、図９（ｇ）に示すように、レジストｒ３を除去し、リフトオフして電極パッド１０を形成する。
【００７１】
最後に、基板１２の裏面全面を研磨し、研磨した裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ膜を蒸着してｎ側電極１１を形成した後、オーミックコンタクトをとるために４３０℃で焼結（シンタ）する。その後、へき開して半導体光導波路部Ｓ１が完成する。最後に端面の反射を抑えるために両端面に無反射コーティングを施す。
【００７２】
つづいて、別途作製しておいたＰＬＣ作製用基板上のＰＬＣ部Ｐ１とＰＬＣ部Ｐ２との間に半導体光導波路部Ｓ１を嵌合し、アクティブアラインメントまたパッシブアラインメントによって調芯を行なった後に半導体光導波路部Ｓ１を固定し、多値光位相変調器１００が完成する。
【００７３】
なお、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２を別々の基板上に作製した場合は、半導体光導波路部Ｓ１の両端にＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ隣接させて、アクティブアラインメントまたパッシブアラインメントによって調芯を行い、その後に半導体光導波路部Ｓ１とＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２とを接合し、多値光位相変調器１００が完成する。
【００７４】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。図１０は、本実施の形態２に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。図１０に示すように、この多値光位相変調器２００は、光分岐器１と、位相シフト器２と、２つのマッハツェンダ型強度変調器３、４と、光合成器５とが、１つの半導体基板上に集積されたモノリシック集積構造を有する。なお、光分岐器１、位相シフト器２、および光合成器５は、多値光位相変調器１００のＳＳＣ領域Ｒ１と同様の埋め込みメサ構造を有するが、そのメサ幅は等幅であり、波長１．５５μｍの光を単一横モードかつ偏波無依存で導波することができるように、たとえば２μｍの幅とされている。
【００７５】
この多値光位相変調器２００の場合、各半導体光導波路の作製精度に起因する１〜２ｄＢ程度の導波路損失や曲げ損失のばらつきが存在する。しかしながら、多値光位相変調器２００は、多値光位相変調器１００と同様に、利得飽和特性を有する半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａを有するため、上記の各損失のばらつきが存在するにも関わらず、制御機構が必ずしも必要ではなくなり、省サイズ化かつ低コスト化を実現できる多値光位相変調器となる。
【００７６】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。図１１は、本実施の形態３に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。図１１に示すように、この多値光位相変調器３００は、ＰＬＣ部Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５と、これらの間に配置された半導体光導波路部Ｓ２、Ｓ３とが集積されたハイブリッド集積タイプのものである。なお、光分岐器１と位相シフト器２はＰＬＣ部Ｐ３に形成され、光合成器５はＰＬＣ部Ｐ５に形成され、マッハツェンダ型強度変調器３、４はＰＬＣ部Ｐ４から半導体光導波路部Ｓ３、さらにＰＬＣ部Ｐ５にわたって形成されている。
【００７７】
ここで、この多値光位相変調器３００では、マッハツェンダ型強度変調器３、４の各アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃは、それぞれ位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｂｃを有するが、半導体光増幅部は設けられていない。その代わりにＰＬＣ部Ｐ３とＰＬＣ部Ｐ４との間に配置された半導体光導波路部Ｓ２に、多値光位相変調器１００の半導体光増幅部３ｂａと同様な利得飽和特性を有する半導体光増幅器２０、２１が設けられている。この多値光位相変調器３００のように、光分岐器１と、マッハツェンダ型強度変調器３、４の各位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｂｃとの間に光強度調整器である半導体光増幅器２０、２１が設けられていれば、接続損失のばらつきの影響が抑制される。その結果、制御機構が必ずしも必要ではなくなり、省サイズ化かつ低コスト化を実現できる多値光位相変調器となる。
【００７８】
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４に係る多値光位相変調器について説明する。本実施の形態４に係る多値光位相変調器は、光強度の制御機構を備えたものである。図１２は、実施の形態４に係る多値光位相変調器の模式的な構成図である。
【００７９】
図１２に示すように、この多値光位相変調器４００は、光分岐器１と、光分岐器１に接続する２つのマッハツェンダ型強度変調器３、４と、マッハツェンダ型強度変調器３、４に接続する光合成器２２と、光分岐器１とマッハツェンダ型強度変調器３との間に設けられた半導体光増幅器２０と、光分岐器１とマッハツェンダ型強度変調器４との間に設けられた位相シフト器２および半導体光増幅器２１と、を備えている。また、さらに、この多値光位相変調器４００は、光接続端子２３、２８と、光電変換素子（Ｏ／Ｅ）２４、２９と、基準レベル電圧端子２５、３０と、信号レベル検出回路（Ｄｅｔ）２６、３１と、電圧−電流変換回路（Ｖ／Ｉ）２７、３２とを備えている。
【００８０】
光分岐器１、マッハツェンダ型強度変調器３、４、光合成器２２、半導体光増幅器２０、２１、および位相シフト器２は、半導体光導波路のモノリシック集積構造または半導体光導波路とＰＬＣとを適宜組み合わせたハイブリッド集積構造により形成されている。ただし、マッハツェンダ型強度変調器３、４の位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂおよび半導体光増幅器２０、２１は、半導体光導波路により形成されている。
【００８１】
また、光合成器２２は、光信号が出力される光出力部２２ａと、光出力部２２ａから分岐して形成され、マッハツェンダ型強度変調器３とマッハツェンダ型強度変調器４とにそれぞれ接続する光入力部２２ｂ、２２ｃと、光入力部２２ｂ、２２ｃから分岐して形成され、光入力部２２ｂ、２２ｃに入力された実部または虚部光信号の一部をモニタ光として取り出すモニタ光出力部２２ｄ、２２ｅと備えている。
【００８２】
また、光接続端子２３は、モニタ光出力部２２ｄに接続しており、モニタ光出力部２２ｄが出力したモニタ光を受け付ける。光電変換素子２４は、光接続端子２３に接続しており、光接続端子２３が受け付けたモニタ光を受光し、その光強度に応じた電気信号を出力する。信号レベル検出回路２６は、基準レベル電圧端子２５と光電変換素子２４とに接続しており、基準レベル電圧端子２５から入力された基準電圧と光電変換素子２４が出力した電気信号の電圧とを比較して、その電圧差の信号を出力する。電圧−電流変換回路２７は、信号レベル検出回路２６に接続しており、信号レベル検出回路２６が出力した電圧差信号に対応して、この電圧差が小さくなる方向に制御した電流を半導体光増幅器２０に出力する。すなわち、光電変換素子２４、信号レベル検出回路２６、電圧−電流変換回路２７によって負のフィードバック制御機構が構成されている。
【００８３】
同様に、光接続端子２８は、モニタ光出力部２２ｅに接続しており、モニタ光出力部２２ｅが出力したモニタ光を受け付ける。光電変換素子２９は、光接続端子２８に接続しており、光接続端子２８が受け付けたモニタ光を受光し、その光強度に応じた電気信号を出力する。信号レベル検出回路３１は、基準レベル電圧端子３０と光電変換素子２９とに接続しており、基準レベル電圧端子３０から入力された基準電圧と光電変換素子２９が出力した電気信号の電圧とを比較して、その電圧差の信号を出力する。電圧−電流変換回路３２は、信号レベル検出回路３１に接続しており、信号レベル検出回路３１が出力した電圧差信号に対応して、この電圧差が小さくなる方向に制御した電流を半導体光増幅器２１に出力する。すなわち、光電変換素子２９、信号レベル検出回路３１、電圧−電流変換回路３２によって負のフィードバック制御機構が構成されている。
【００８４】
本実施の形態４に係る多値光位相変調器４００は、上記のようなフィードバック制御機構を有することによって、マッハツェンダ型強度変調器３が出力する実部信号光の強度と、マッハツェンダ型強度変調器４が出力する虚部信号光の強度とが、より高い精度で一定にされるため、より高精度にＱＡＭの変調がされた光信号を出力できる。また、この多値光位相変調器４００は、利得飽和特性を有する半導体光増幅器２０、２１を備えるため、フィードバック制御機構は簡易な構成のものでよいため、省サイズ化と低コスト化を実現できるものとなる。
【００８５】
なお、本実施の形態４が備えるフィードバック制御機構を実施の形態１〜３に係る多値光位相変調器に取り付ければ、より高精度にＱＡＭの変調がされた光信号を出力できるものとなる。
【００８６】
また、たとえば実施の形態１に係る多値光位相変調器では、マッハツェンダ型強度変調器の各アーム部に半導体光増幅器を設けているが、マッハツェンダ型強度変調器の少なくともいずれか１つの各位相変調部との間に半導体光増幅器を設けるようにしてもよい。また、各半導体光増幅器は、同様の特性を有しているが、異なる特性のものとしてもよい。
【００８７】
また、上記実施の形態に係る多値光位相変調器は、光強度調整器として、利得媒質が半導体活性層である半導体光増幅器を備えるものであるが、光強度調整器は利得飽和特性を有する利得媒質を備えるものであれば特に限定はされない。たとえば、光強度調整器として、ＰＬＣのコア部にエルビウム、イッテルビウム等の希土類金属元素を添加した利得媒体を備えるものを用いてもよい。
【００８８】
また、上記実施の形態に係る多値光位相変調器は、ＱＡＭの変調を行なうものであるが、本発明は他の多値光位相変調を行なう変調器に対しても適用できる。たとえば、８ＱＡＭの変調を行なう多値光位相変調器を構成する場合には、４つのマッハツェンダ型強度変調器を並列接続した構成が採用される。
【００８９】
また、上記実施の形態に係る多値光位相変調器は、波長１．５５μｍ用にその化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、使用する光の波長等に応じて適宜設定でき、特に限定はされない。
【００９０】
また、上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１ 光分岐器
１ａ、３ａ、４ａ、５ｂ、５ｃ、２２ｂ、２２ｃ 光入力部
１ｂ、１ｃ、３ｄ、４ｄ、５ａ、２２ａ 光出力部
２ 位相シフト器
３、４ マッハツェンダ型強度変調器
３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃ アーム部
３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａ 半導体光増幅部
３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂ 位相変調部
３ｂｃ、３ｂｄ ＳＳＣ部
５、２２ 光合成器
６ａ、１３ 下部クラッド層
６ｂ、１４、１５、１７ 上部クラッド層
７、９ ｐ側電極
８、１０ 電極パッド
１１ ｎ側電極
１２ 基板
１６ 埋め込み半導体層
１６ａ 下部電流阻止半導体層
１６ｂ 上部電流阻止半導体層
１８ コンタクト層
１９ 誘電体保護膜
２０、２１ 半導体光増幅器
２２ｄ、２２ｅ モニタ光出力部
２３、２８ 光接続端子
２４、２９ 光電変換素子
２５、３０ 基準レベル電圧端子
２６、３１ 信号レベル検出回路
２７、３２ 電流変換回路
１００〜４００ 多値光位相変調器
Ｃap キャップ層
Ｅ１ ＡｕＺ膜
Ｅ２ Ｔｉ／Ｐｔ膜
ＩＬ 連続光
Ｍ１〜Ｍ３ マスク
ＯＳＬ 光信号
Ｐ１〜Ｐ５ ＰＬＣ部
Ｒ 領域
ｒ１〜ｒ３ レジスト
Ｒ１、Ｒ４ ＳＳＣ領域
Ｒ２ 半導体光増幅器領域
Ｒ３ 位相変調器領域
Ｓ１〜Ｓ３ 半導体光導波路部
Ｗ１〜Ｗ４ メサ幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多値光位相変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の位相と強度との両方に情報載せて通信を行なうＱＡＭ(Quadrature Amplitude Modulation)に代表される、多値位相変調方式では、光の波としての情報を実部と嘘部に分岐し、それぞれにデータ変調を行なう必要がある。
【０００３】
そのため、たとえばＱＡＭの変調を行なう多値光位相変調器（たとえば、特許文献１参照）では、入力された光を２分岐し、分岐した光の一方を並列接続した２つのマッハツェンダ（Mach-Zehnder）型強度変調器の一方に入力し、他方の光を、その位相を一方の光に対してπ／２だけシフトさせて、他方のマッハツェンダ型強度変調器に入力させる。一方のマッハツェンダ型強度変調器は、一方の光を実部の情報を有する信号によって強度変調し、実部光信号とし出力する。また、他方のマッハツェンダ型強度変調器は、位相をシフトされた他方の光を、虚部の情報を有する信号によって強度変調し、虚部光信号として出力する。多値光位相変調器は、各マッハツェンダ型強度変調器が出力した実部光信号と虚部光信号とを合成し、ＱＡＭの変調がされた光信号として出力する。なお、さらに多値の変調を行なう多値光位相変調器は、その変調方式に応じて、さらに多数のマッハツェンダ型強度変調器が並列または直列に接続されて構成される。
【０００４】
マッハツェンダ型強度変調器の２つのアーム部において、光を位相変調する位相変調部としては、たとえば半導体のプラズマ効果、半導体の電界吸収効果(フランツ-ケルディッシュ効果、量子閉じ込めシュタルク効果)を用いたものや、半導体もしくはＬＮ(ＬｉＮｂ２Ｏ３)結晶のポッケルス効果を用いたものが利用される。また、複数のマッハツェンダ型強度変調器を並列または直列に接続する場合に、光の分岐、合成を行なうパッシブ光導波路の部分には、ＩｎＰ材料で作製された半導体光導波路や、低損失な石英系材料からなる光導波路である平面光波回路（ＰＬＣ；Planar Lightwave Circuit)などが用いられる。また、マッハツェンダ型強度変調器とパッシブ光導波路とを集積した構造としては、パッシブ/変調器が半導体/半導体であるモノリシック集積タイプや、ＰＬＣ/半導体のハイブリッド集積タイプがある。なお、ＰＬＣ/半導体のハイブリッド集積構造の接合部における光導波路同士の調芯の技術としては、導波路に光を導光させて接続損失を実測しながら調芯を行なうアクティブアラインメントや、たとえば非特許文献１が開示されているような調芯マークによって調芯を行なうパッシブアラインメントの技術がある。
【０００５】
ここで、特許文献２には、マッハツェンダ型強度変調器において、消光比を高くするために、２つのアーム部の位相変調部の後に強度変調部を設け、合成する光信号の強度を等しくする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−８６２６８号公報
【特許文献２】特開平７−４９４７３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T. Hashimoto et al., “Multichip Optical Hybrid Integration Technique with Planar Lightwave Circuit Platform”, J. Lightwave Technol., vol. 16, No. 7, pp. 1249-1258, July 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来の多値光位相変調器を作製する際に、モノリシック集積技術を用いた場合には、半導体光導波路の作製精度に起因する導波路損失や曲げ損失のばらつきにより、またハイブリッド集積技術を用いた場合には、半導体光導波路とＰＬＣとの接続損失のばらつきにより、各マッハツェンダ型強度変調器に入力される光の強度もばらつく。このばらつきが大きいと、多値光位相変調器から出力される光信号の強度と位相とが乱れ、光信号の品質が低下するという問題がある。
【０００９】
図１３は、２つのマッハツェンダ型強度変調器における光電界の位相状態を示す図である。なお、図１３（ａ）は各マッハツェンダ型強度変調器に入力される光強度にばらつきがない状態を示し、図１３（ｂ）はばらつきがある状態の例を示している。
【００１０】
図１３（ａ）が示すように、ばらつきがない理想的な場合は、各アーム部における位相変調の振幅が等しくなるため、符号Ａ１が示す光電界の実部軸（Ｉ軸）上の位相状態の変化と、符号Ａ２が示す虚部軸（Ｑ軸）上の虚部光信号の位相状態の変化とは略等しくなる。その結果、符号Ｃ１が示す合成された光信号の位相状態も等方的になり、コンスタレーションマップ（信号点配置図）上において信号点は等間隔に配置する。
【００１１】
一方、図１３（ｂ）が示すばらつきがある例では、各アーム部における位相変調の振幅が異なっており、符号Ａ３が示すＩ軸上の位相状態の変化に比して、符号Ａ４が示すＱ軸上の位相状態の変化の振幅が小さくなっている。その結果、符号Ｃ１が示す合成された光信号の位相状態もＱ軸方向に縮小した形状となり、コンスタレーションマップ上において信号点は不等間隔に配置することとなり、ばらつきがない場合よりも光信号の品質は低下している。
【００１２】
ここで、上述した特許文献２のように、マッハツェンダ型強度変調器の各アーム部に設けた強度変調部によって光信号の強度を調整する方法がある。しかしながら、この方法では、マッハツェンダ型強度変調器の光出力ポートにおいて光強度をモニタし、モニタした光強度に基づいて、強度変調部の駆動電流値をフィードバック制御することが、必ず必要であるため、この制御を行なう制御機構が必ず必要となり、省サイズ化と低コスト化の妨げになるという問題がある。また、光強度のばらつきが大きい場合、これに合わせて制御の範囲も大きくする必要がある。そのため、制御機構の負荷が大きくなり、大掛かりな制御機構が必要となるので、さらに省サイズ化と低コスト化の妨げになる。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、省サイズ化と低コスト化を実現できる多値光位相変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る多値光位相変調器は、入力された光を分岐する光分岐器と、前記光分岐器に接続し、位相変調部を有する２つのアーム部を備え、前記分岐された光を強度変調して光信号として出力する２つ以上のマッハツェンダ型強度変調器と、前記各マッハツェンダ型強度変調器に接続し、該マッハツェンダ型強度変調器から出力した各光信号を合成して多値光信号として出力する光合成器と、前記光分岐器と、前記マッハツェンダ型強度変調器の少なくともいずれか１つの各位相変調部との間に設けられ、利得媒質を有し、該利得媒質の利得飽和特性を利用して、入力された光の強度を所定強度に調整して出力する少なくとも１つの光強度調整器と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る多値光位相変調器は、上記の発明において、前記光強度調整器は、前記利得媒質が半導体活性層である半導体光増幅器を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る多値光位相変調器は、上記の発明において、前記半導体活性層はバルク構造を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る多値光位相変調器は、上記の発明において、前記光強度調整器は、当該光強度調整器に入力された光の強度が−１０ｄＢｍ〜１０ｄＢｍの範囲のときに、当該入力された光の強度の１０ｄＢの変化に対して、前記出力する光の強度の変化量が０．０１ｄＢ以下となるように、少なくとも前記利得媒質の利得長、断面積および閉じ込め係数が設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る多値光位相変調器は、利得媒質の利得飽和特性を利用した光強度調整器を備えるので、光強度の制御の負荷が小さい、あるいは制御自体が不要となるため、省サイズ化と低コスト化を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施の形態１に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す多値光位相変調器のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、図１に示す多値光位相変調器の半導体光導波路部の導波路構造を示す平面図である。
【図４】図４は、図３に示す導波路構造のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図５は、図３に示す導波路構造のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】図６は、図１に示す半導体光増幅部の入力光強度と出力光強度との関係を示す図である。
【図７】図７は、半導体光導波路部の製造方法の一例の説明図である。
【図８】図８は、半導体光導波路部の製造方法の一例の説明図である。
【図９】図９は、半導体光導波路部の製造方法の一例の説明図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４に係る多値光位相変調器の模式的な構成図である。
【図１３】図１３は、２つのマッハツェンダ型強度変調器における光電界の位相状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照して本発明に係る多値光位相変調器の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。
【００２１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１として、波長１．５５μｍの連続光に対してＱＡＭの変調を行なう多値光位相変調器について説明する。以下では、本実施の形態１の多値光位相変調器の構成、動作、製造方法の順に説明する。
【００２２】
（構成）
図１は、本実施の形態１に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。図１に示すように、この多値光位相変調器１００は、光分岐器１と、光分岐器１に接続する２つのマッハツェンダ型強度変調器３、４と、マッハツェンダ型強度変調器３、４に接続する光合成器５と、光分岐器１とマッハツェンダ型強度変調器４との間に設けられた位相シフト器２とを備えている。また、この多値光位相変調器１００は、石英系材料からなるＰＬＣで形成されたＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２と、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２の間に配置された、半導体導波路で形成された半導体光導波路部Ｓ１とが集積されたハイブリッド集積構造のものである。なお、光分岐器１と位相シフト器２はＰＬＣ部Ｐ１に形成され、光合成器５はＰＬＣ部Ｐ２に形成され、マッハツェンダ型強度変調器３、４はＰＬＣ部Ｐ１から半導体光導波路部Ｓ１、さらにＰＬＣ部Ｐ２にわたって形成されている。
【００２３】
つぎに、各構成要素について具体的に説明する。光分岐器１は、光が入力される光入力部１ａと、光入力部１ａから分岐して形成された光出力部１ｂ、１ｃとを備えている。
【００２４】
マッハツェンダ型強度変調器３は、光分岐器１の光出力部１ｂに接続する光入力部３ａと、光入力部３ａから分岐して形成されたアーム部３ｂ、３ｃと、アーム部３ｂ、３ｃが結合して形成された光出力部３ｄとを備えている。また、マッハツェンダ型強度変調器４は、光分岐器１の光出力部１ｃに接続する光入力部４ａと、光入力部４ａから分岐して形成されたアーム部４ｂ、４ｃと、アーム部４ｂ、４ｃが結合して形成された光出力部４ｄとを備えている。
【００２５】
ここで、半導体光導波路部Ｓ１において、マッハツェンダ型強度変調器３のアーム部３ｂは、位相変調部３ｂｂを有しているとともに、位相変調部３ｂｂの光入力部３ａ側には光強度調整器としての半導体光増幅部３ｂａが設けられている。
【００２６】
また、マッハツェンダ型強度変調器３のアーム部３ｃも、半導体光導波路部Ｓ１において、位相変調部３ｃｂを有しているとともに、位相変調部３ｃｂの光入力部３ａ側には半導体光増幅部３ｃａが設けられている。さらに、マッハツェンダ型強度変調器４のアーム部４ｂ、４ｃも、半導体光導波路部Ｓ１において、それぞれ位相変調部４ｂｂ、４ｃｂを有しているとともに、位相変調部４ｂｂ、４ｃｂの光入力部４ａ側には半導体光増幅部４ｂａ、４ｃａが設けられている。なお、この半導体光導波路部Ｓ１の構造については後に詳述する。
【００２７】
光合成器５は、ＱＡＭの変調がされた多値光信号が出力される光出力部５ａと、光出力部５ａから分岐して形成され、マッハツェンダ型強度変調器３の光出力部３ｄとマッハツェンダ型強度変調器４の光出力部４ｄとにそれぞれ接続する光入力部５ｂ、５ｃとを備えている。
【００２８】
つぎに、ＰＬＣ部Ｐ１の断面構造について説明する。図２は、図１に示す多値光位相変調器１００のＡ−Ａ線断面図であり、光分岐器１の光入力部１ａの断面を示している。図２に示すように、Ａ−Ａ線断面においては、コア層である光入力部１ａが、下部クラッド層６ａ上に形成され、さらに上部クラッド層６ｂにより埋め込まれた埋め込みメサ型の導波路構造が形成されている。光入力部１ａの断面のサイズは７μｍ×７μｍである。また、下部クラッド層６ａと上部クラッド層６ｂとの屈折率は同一である。また、下部クラッド層６ａおよび上部クラッド層６ｂに対する光入力部１ａの比屈折率差は０．４５％である。このように断面サイズと比屈折率差が設定されていることにより、光入力部１ａは波長１．５５μｍの光を単一横モードかつ偏波無依存で導波することができる。なお、上記断面のサイズと比屈折率差は例示であり、特に限定はされない。
【００２９】
また、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２に形成されている他の要素、すなわち、光分岐器１の光出力部１ｂ、１ｃ、マッハツェンダ型強度変調器３、４の光入力部３ａ、４ａ、アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃの一部、および光出力部３ｄ、４ｄ、ならびに光合成器５も、光入力部１ａと同様の導波路構造を有している。
【００３０】
また、位相シフト器２も、光入力部１ａと同様の導波路構造を有しているが、π／２の位相差を与えるように、下部クラッド層６ａおよび上部クラッド層６ｂに対するコア層の比屈折率差が、光入力部１ａの場合よりも高く設定されている。
【００３１】
つぎに、半導体光導波路部Ｓ１の構造について説明する。図３は、図１に示す多値光位相変調器１００の半導体光導波路部Ｓ１の導波路構造を示す平面図である。なお、図３はマッハツェンダ型強度変調器３のアーム部３ｂの一部である領域Ｒを拡大して示したものである。
【００３２】
図３に示すように、領域Ｒは、光入力部３ａ側に位置するスポットサイズ変換器（ＳＳＣ：Spot Size Converter）領域Ｒ１、半導体光増幅器領域Ｒ２、位相変調器領域Ｒ３、および光出力部３ｄ側に位置するＳＳＣ領域Ｒ４からなる。この各領域Ｒ１〜Ｒ４には、ＳＳＣ部３ｂｃ、半導体光増幅部３ｂａ、位相変調部３ｂｂ、ＳＳＣ部３ｂｄがそれぞれ形成されている。これらのＳＳＣ部３ｂｃ、半導体光増幅部３ｂａ、位相変調部３ｂｂ、ＳＳＣ部３ｂｄは、いずれもクラッド部となる埋め込み半導体層１６で埋め込まれた埋め込みメサ型の導波路構造を有している。なお、符号７、９はｐ側電極を示し、符号８、１０は電極パッドを示しているが、これらについては後述する。
【００３３】
ＳＳＣ部３ｂｃの長さＬ１は５００μｍであり、そのメサ幅（コア幅）はメサ幅Ｗ１からメサ幅Ｗ２まで変化している。メサ幅Ｗ１は０．５μｍであり、メサ幅Ｗ２は２μｍである。ＳＳＣ部３ｂｄはＳＳＣ部３ｂｃと同様の構造を有する。半導体光増幅部３ｂａの長さＬ２は１３００μｍであり、メサ幅Ｗ３は０．７μｍである。位相変調部３ｂｂの長さＬ３は１０００μｍであり、メサ幅Ｗ４は２μｍである。なお、上記各長さとメサ幅は例示であり、特に限定はされない。また、マッハツェンダ型強度変調器３、４の他のアーム部３ｃ、４ｂ、４ｃにおける領域Ｒに対応する部分も、図３と同様の構造を有している。
【００３４】
つぎに、半導体光導波路部Ｓ１の断面構造を、図３に示す半導体光増幅器領域Ｒ２、位相変調器領域Ｒ３の断面を用いて説明する。図４は、図３に示す導波路構造のＢ−Ｂ線断面図である。
【００３５】
図４に示すように、位相変調器領域Ｒ３は、裏面にｎ側電極１１を形成したｎ型のＩｎＰからなる基板１２上に、バッファ層としての役割も果たしているｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層１３と、コア層となる位相変調部３ｂｂと、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１４、１５とが積層した構造を有している。基板１２の一部から上部クラッド層１５まではメサ構造となっており、その両側はｐ型のＩｎＰからなる下部電流阻止半導体層１６ａとｎ型のＩｎＰからなる上部電流阻止半導体層１６ｂとからなる埋め込み半導体層１６によって埋め込まれている。また、上部クラッド層１５と埋め込み半導体層１６との上にはｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１７、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１８が積層している。また、コンタクト層１８上には、位相変調部３ｂｂ全体を覆うようにｐ側電極９が形成され、またはＳｉＮ膜からなる誘電体保護膜１９で保護されている。さらに、誘電体保護膜１９に形成された開口部においてｐ側電極９に接触するように、電極パッド１０が形成されている。
【００３６】
位相変調部３ｂｂは、バンドギャップ波長が１．４８μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなり、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造の上下に３段階の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）を形成したＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。なお、ＭＱＷは例えば、６層の６ｎｍの井戸層と、５層の１０ｎｍの障壁層とが順次積層された構造を有する。また、厚さ１００ｎｍの３段ＳＣＨでＭＱＷの上下を挟んだ構造となっている。
【００３７】
つぎに、図５は、図３に示す導波路構造のＣ−Ｃ線断面図である。図５に示すように、半導体光増幅器領域Ｒ２は、図４に示す断面構造において、コア層を位相変調部３ｂｂから活性層である半導体光増幅部３ｂａに置き換え、ｐ側電極９、電極パッド１０をそれぞれｐ側電極７、電極パッド８に置き換えた構造を有している。なお、半導体光増幅器３ｂａはバンドギャップ波長が１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなり、ＰＮ接合のバルク構造を有する。
【００３８】
なお、ＳＳＣ領域Ｒ１、Ｒ４の断面構造は、図４に示す断面構造において、コア層を位相変調部３ｂｂからＳＳＣ部３ｂｃ、３ｂｄに置き換え、ｐ側電極９、電極パッド１０を削除した構造を有している。ＳＳＣ部３ｂｃ、３ｂｄはバンドギャップ波長が１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなる。また、下部クラッド層１３および上部クラッド層１４、１５はノンドープのＩｎＰからなる。
【００３９】
（動作）
つぎに、この多値光位相変調器１００の動作について説明する。まず、電極および電極パッドを介して、各半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａに順方向バイアス電圧にて駆動電流を注入し、位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂに逆方向バイアス電圧と変調電圧信号とを印加した状態で、図１に示すように光分岐器１の光入力部１ａに連続光ＩＬを入力する。すると、光分岐器１は入力された連続光ＩＬを２分岐し、光出力部１ｂ、１ｃから出力する。光出力部１ｂから出力された連続光はマッハツェンダ型強度変調器３に入力する。また、光出力部１ｃから出力された連続光は、位相シフト器２によってπ／２だけ位相をシフトされた後にマッハツェンダ型強度変調器４に入力する。
【００４０】
マッハツェンダ型強度変調器３は、光入力部３ａから入力された連続光をアーム部３ｂ、３ｃへ分岐し、分岐した各連続光を、外部から変調信号が与えられた位相変調部３ｂｂ、３ｃｂの量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect、ＱＣＳＥ）効果による屈折率変化によって位相変調し、その後光出力部３ｄにおいて光合成し、実部光信号として出力する。
【００４１】
一方、マッハツェンダ型強度変調器４は、位相シフトされて光入力部４ａから入力された連続光をアーム部４ｂ、４ｃへ分岐し、分岐した各連続光を、外部から変調信号が与えられた位相変調部４ｂｂ、４ｃｂの電界吸収効果によって位相変調し、その後光出力部４ｄにおいて光合成し、虚部光信号として出力する。
【００４２】
最後に、光合成器５は、マッハツェンダ型強度変調器３、４が出力し光入力部５ｂ、５ｃから入力された実部光信号および虚部光信号を合成し、光出力部５ａからＱＡＭの変調がされた光信号ＯＳＬとして出力する。
【００４３】
ここで、マッハツェンダ型強度変調器３、４の各アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃには、ＰＬＣ部Ｐ１と半導体光導波路部Ｓ１との接続部分が存在している。この接続部分において接続される光導波路間の接続損失が、アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃの間でばらついていると、半導体光導波路部Ｓ１に入力した際の連続光の強度もばらつくこととなる。
【００４４】
これに対して、本実施の形態１に係る多値光位相変調器１００では、各アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃにおいて、位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂの前に、それぞれ光強度調整器として半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａが設けられている。これらの半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａは、利得飽和特性を有しており、入力された連続光の強度にかかわらず、この連続光の光強度を略一定の強度に調整して出力する。なお、利得飽和特性とは、利得媒質に入力される光の強度が高くなると、誘導放出によりレーザ上準位のキャリアが減少し、これによって利得が低下する特性である。その結果、各アーム部の位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂに入力される連続光の強度は略等しくなり、各位相変調部において略等しい位相変調が印加される。その結果、外部から光強度を制御しなくても、最終的に出力される光信号ＯＳＬは図１３（ａ）に示すような理想的な状態となる。
【００４５】
以下、半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａの利得飽和特性についてより具体的に説明する。なお、半導体光増幅器３ｂａを例にして説明するが、他の半導体光増幅器も同様の特性を有している。
【００４６】
図６は、図１に示す半導体光増幅部３ｂａの入力光強度と出力光強度との関係を示す図である。なお、図６において、光の波長は１．５５μｍとしている。また、コア層である半導体光増幅部３ｂａのメサ幅Ｗ３および厚さは０．７μｍとし、閉じ込め係数Γは０．４５とし、利得長である長さＬ２は１３００μｍとし、挿入損失αは４０ｃｍ−１とし、駆動電流Ｉopは５００ｍＡとしている。
【００４７】
図６に示すように、この半導体光増幅部３ｂａは、入力光強度が−５０ｄＢｍから２０ｄＢｍの範囲において出力光強度の変化量が０．１５ｄＢ以下であり、ほぼ一定となっている。また、特に入力光強度が−１０ｄＢｍ〜１０ｄＢｍの範囲のときに、入力光強度の１０ｄＢの変化に対して、出力光強度の変化量が０．０１ｄＢ以下となっている。ここで、光通信における実用的な光強度を考慮すると、この半導体光増幅部３ｂａへ入力する光強度は−１０ｄＢｍ〜１０ｄＢｍの範囲と考えられる。したがって、半導体光増幅部３ｂａへの入力光強度がこの範囲であれば、その光強度に１０ｄＢ程度のばらつきがあっても、出力光強度のばらつきを０．０１ｄＢ以内に抑制することができる。
【００４８】
なお、非特許文献１によれば、ハイブリッド集積構造においてパッシブアラインメントを行なった場合、ＰＬＣと半導体光導波路部との間には最大６ｄＢの接続損失のばらつきが存在する。この多値光位相変調器１００では、マッハツェンダ型強度変調器３、４の内部でこのように６ｄＢの接続損失のばらつきがあっても、図６が示すような特性を有する半導体光増幅部３ｂａを用いているので、光強度のばらつきが６ｄＢから０．０１ｄＢ以内に抑制される。したがって、接続損失のばらつき等に起因する入力光強度のばらつきは抑制されるため、外部からの光強度の制御が不要とできる。また、外部から制御を行うとしても、その制御の負荷が小さくなるため、大掛かりな制御機構は不要である。したがって、この多値光位相変調器１００は省サイズ化と低コスト化を実現できるものとなる。
【００４９】
また、このような０．０１ｄＢ以内のばらつきは、多値位相変調を行なう通信システムにおいて通常用いられる受信回路の受信感度と比較すると無視出来るレベルであるから、このようなばらつきが存在しても、多値位相変調した光信号の伝送特性に影響を及ぼさない。
【００５０】
また、上記のように６ｄＢの光強度のばらつきが抑制されると、この多値光位相変調器１００によりデータ変調を行なった場合、ばらつきがある場合よりもアイパターンの消光比の劣化を６ｄＢだけ改善できると考えられる。これにより、アイパターンのＳ／Ｎの良い、良好なデータ変調ができると期待される。さらに、マッハツェンダ型強度変調器３、４において６ｄＢの光強度の違いが抑制されたとすると、１６ＱＡＭの変調方式においてＢａｃｋ−ｔｏ−Ｂａｃｋで誤り率を測定した場合に、誤り率１０−５において受信強度が１２ｄＢだけ改善される。すなわち、この多値光位相変調器１００を用いれば、光伝送において同じ誤り率を得るために必要な光強度が大幅に低減されるため、光伝送システム全体の低消費電力化に多大な効果をもたらす。
【００５１】
ところで、利得媒質の飽和特特性は、飽和強度なるパラメータに依存する。飽和強度が小さい利得媒質の方が、入力した光強度が小さくても利得飽和が起こりやすいので、出力光強度を一定にできる入力光強度の範囲が広くなり好ましい。飽和強度をＩsatとすると、半導体光増幅器の場合はＩsatは以下の式（１）で表される。
【００５２】
Ｉsat＝ｈν／（ΓＡgτ）×Ｗ×ｄ ・・・ （１）
なお、式（１）において、ｈはプランク定数、Γは活性コア層の閉じ込め係数、Ａｇは微分利得係数、τは光の減衰時間、Ｗは活性コア層の幅、ｄは活性コア層の厚さを示す。
【００５３】
また、活性コア層の利得係数をｇ（ｎ）（ｎはキャリア密度）とすると、ｇ（ｎ）は以下の式（２）で表される。
【００５４】
ｇ（ｎ）＝Ａｇ×（ｎ−ｎ0）×［（１／（１＋Ｉ／Ｉsat）］ ・・・ （２）
なお、式（２）において、ｎ0は透明キャリア密度、Ｉは入力光の強度密度を示す。
【００５５】
また、半導体光増幅器の導波路構造依存性や光損失等を含めた利得Ｇは、以下の式（３）で表される。
【００５６】
Ｇ＝ｅｘｐ（（Γ×ｇ（ｎ）−α）×Ｌ）＝ｅｘｐ（（Γ×Ａｇ×（ｎ−ｎ0）−α）×Ｌ） ・・・ （３）
なお、式（３）において、αは挿入損失、Ｌは利得長を示す。また、「ｅｘｐ」は自然対数の底の指数関数を示す記号である。
【００５７】
式（１）〜（３）に示すように、利得媒質である活性コア層の利得長Ｌ、断面積Ｗ×ｄ、および閉じ込め係数Γをパラメータとして適宜設定することによって、半導体光増幅器の利得特性を所望にものとすることができる。特に、閉じ込め係数Γを大きくすれば、飽和強度Ｉsatが小さくなるので、出力光強度を一定にできる入力光強度の範囲が広くなり好ましい。また、本実施の形態１のように、半導体光増幅部３ｂａをバルク構造とすると、閉じ込め係数Γを大きくしやすいので好ましい。
【００５８】
なお、たとえば、図６に示す特性を実現するためには、出力を十分に飽和させるために利得長Ｌ（単位ｍｍ）と閉じ込め係数Γ（単位なし）の積を０．６以上に設定すれば良い。また、通信波長帯１．３１μｍもしくは１．５５ μｍにおいて単一横モードとなり、出力を飽和させるために断面積Ｗ×ｄを０．５μｍ２以下に設定すれば良い。
【００５９】
また、利得長Ｌ、断面積Ｗ×ｄ、および閉じ込め係数Γは、入力する光の波長において半導体光増幅器が単一横モード伝送かつ偏波無依存特性を実現するように設定することが好ましいが、各設定パラメータが上記範囲であれば、波長１．５５μｍにおいて単一横モード伝送かつ偏波無依存特性という条件を満たしている。
【００６０】
なお、図６、および式（１）〜（３）に示すように、利得媒質に対する入力光強度が高くなると、その利得飽和特性によって出力光強度が入力光強度よりも低くなり、利得が負の値となる場合がある。本明細書における利得媒質とは、このように入力光強度が高くなった場合に、その利得飽和特性によって利得が正から負に転じるようなものも含むものである。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態１に係る多値光位相変調器１００は、外部からの光強度の制御が不要の多値光位相変調器となる。その結果、制御機構が必ずしも必要ではなくなり、省サイズ化かつ低コスト化を実現できる多値光位相変調器となる。
【００６２】
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る多値光位相変調器１００の製造方法の一例について説明する。はじめに、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２の製造方法の一例について説明する。はじめに、光ファイバ製造技術の応用である火炎直接堆積(ＦＨＤ:Flame Hydrolysis Deposition)法により、ＰＬＣ作製用基板（例えばシリコン基板）上に、下部クラッド層およびコア層となるガラス粒子を堆積し、その後加熱してガラス微粒子を溶融透明化する。その後、半導体集積回路製造技術であるフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング(ＲＩＥ:Reactive Ion Etching)で、光分岐器１、光合成器５、およびマッハツェンダ型強度変調器３、４の一部に対応する光導波路パターンを形成し、再びＦＨＤ法により上部クラッド層を形成する。これによって、同一のＰＬＣ作製用基板上に、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２が形成される。なお、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２は別々の基板上に形成してもよい。
【００６３】
つぎに、半導体光導波路部Ｓ１の製造方法について説明する。図７〜図９は、半導体光導波路部Ｓ１の製造方法の一例の説明図である。なお、図７は、図３に示すＤ−Ｄ線断面に対応する断面を示している。
【００６４】
まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）結晶成長装置を用い、成長温度６００度において以下のような結晶成長を行なう。すなわち、図７（ａ）に示すように、基板１２上に、下部クラッド層１３、位相変調部３ｂｂ、上部クラッド層１４、１５を順次結晶成長する。
【００６５】
つぎに、図７（ｂ）に示すように、ＳｉＮからなるマスクＭ１で位相変調器領域Ｒ３のみを覆い、それ以外の領域において、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma：誘導結合プラズマ)−ＲＩＥ装置により、上部クラッド層１４、１５および位相変調部３ｂｂと、下部クラッド層１３の一部分をエッチング除去する。そして、エッチング除去した領域に、バットジョイント成長により、半導体光増幅部３ｂａと上部クラッド層１４、１５とを形成する。半導体光増幅部３ｂａは、厚さ０．７μｍのＩｎＧａＡｓＰバルク半導体活性層と、半導体活性層を上下から挟む２つの厚さ０．１μｍのバンドギャップ波長１．１８μｍのＳＣＨ層から形成される。エッチング後にはマスクＭ１をＢＨＦ(バッファードフッ酸)により除去する。
【００６６】
つぎに、図７（ｃ）に示すように、ＳｉＮからなるマスクＭ２で半導体光増幅器領域Ｒ２および位相変調器領域Ｒ３のみを覆い、それ以外の領域において、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置により、上部クラッド層１４、１５および半導体光増幅部３ｂａをエッチング除去し、エッチング除去した領域に、バットジョイント成長により、ＳＳＣ部３ｂｃ、３ｂｄと上部クラッド層１４、１５とを形成する。パッシブのＳＳＣ部３ｂｃ、３ｂｄは、厚さ０．３μｍのバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰコア層と、コア層を上下から挟む２つの厚さ０．３μｍのノンドープＩｎＰ層から形成される。
その後、図７（ｄ）に示すようにマスクＭ２を除去する。このようにして、ＳＳＣ領域Ｒ１、Ｒ４、半導体光増幅器領域Ｒ２、位相変調器領域Ｒ３が形成される。
【００６７】
つづいて、図８は、図３に示すＢ−Ｂ線断面に対応する断面を示している。まず、図８（ａ）は、図７（ｄ）の工程を行った後の状態を示している。つぎに、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、各領域Ｒ１〜Ｒ４において上部クラッド層１５上の全面にＳｉＮ膜からなるマスクＭ３を形成し、このマスクＭ３を、図３に示すメサ構造を形成するための形状にエッチングする。そして、図８（ｄ）に示すように、マスクＭ３を形成した以外の領域の上部クラッド層１４、１５、位相変調部３ｂｂ、下部クラッド層１３を、塩素系またはメタン水素系のガスを用いたドライエッチングによって除去する。つづいて、図８（ｅ）に示すように、ウェットエッチングを用いて、さらに上部クラッド層１５から基板１２の一部に到る深さまでをエッチングし、図４に示す導波路構造のメサ構造を形成する。この工程において各領域Ｒ１〜Ｒ４におけるメサ形状が形成される。
【００６８】
つぎに、図８（ｆ）に示すように、メサ構造の両側に、下部電流阻止半導体層１６ａと上部電流阻止半導体層１６ｂとを順次形成して埋め込み半導体層１６を形成し、各領域Ｒ１〜Ｒ４におけるメサ構造を埋め込む。その後、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）により、マスクＭ３を除去する。つぎに、図８（ｇ）に示すように、各領域Ｒ１〜Ｒ４において上部クラッド層１７、コンタクト層１８を形成し、さらに必要に応じて保護層であるキャップ層Ｃapを形成する。キャップ層Ｃapはその後、図８（ｈ）に示すように除去される。
【００６９】
つぎに、位相変調器領域Ｒ３の構造を形成する工程を説明する。なお、半導体光増幅器領域Ｒ２も同様の工程で形成することができる。まず、図９（ａ）に示すように、図８（ｈ）で形成した構造上にフォトリソグラフィにより、ｐ側電極９に対応する部分をパターニングしたレジストｒ１を形成し、その上にＡｕＺｎ膜Ｅ１を蒸着する。つぎに、図９（ｂ）に示すように、レジストｒ１を除去し、リフトオフしてｐ側電極９を形成する。その後、図９（ｃ）に示すように、ＳｉＮ膜からなる誘電体保護膜１９を成膜する。なお、誘電体保護膜１９の成膜は全ての領域Ｒ１〜Ｒ４に対して行なう。つぎに、図９（ｄ）に示すように、誘電体保護膜１９上に、フォトリソグラフィにより、電極パッド１０をｐ側電極９に接触させるための部分をパターニングしたレジストｒ２を形成する。
【００７０】
つぎに、図９（ｅ）に示すように、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥにより、レジストＲ２をパターニングした部分の誘電体保護膜１９をエッチングし、その後レジストｒ２を除去する。さらに、図９（ｆ）に示すように、誘電体保護膜１９上に、フォトリソグラフィにより、電極パッド１０に対応する部分をパターニングしたレジストｒ３を形成し、その上にＴｉ／Ｐｔ膜Ｅ２を蒸着する。その後、図９（ｇ）に示すように、レジストｒ３を除去し、リフトオフして電極パッド１０を形成する。
【００７１】
最後に、基板１２の裏面全面を研磨し、研磨した裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ膜を蒸着してｎ側電極１１を形成した後、オーミックコンタクトをとるために４３０℃で焼結（シンタ）する。その後、へき開して半導体光導波路部Ｓ１が完成する。最後に端面の反射を抑えるために両端面に無反射コーティングを施す。
【００７２】
つづいて、別途作製しておいたＰＬＣ作製用基板上のＰＬＣ部Ｐ１とＰＬＣ部Ｐ２との間に半導体光導波路部Ｓ１を嵌合し、アクティブアラインメントまたパッシブアラインメントによって調芯を行なった後に半導体光導波路部Ｓ１を固定し、多値光位相変調器１００が完成する。
【００７３】
なお、ＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２を別々の基板上に作製した場合は、半導体光導波路部Ｓ１の両端にＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ隣接させて、アクティブアラインメントまたパッシブアラインメントによって調芯を行い、その後に半導体光導波路部Ｓ１とＰＬＣ部Ｐ１、Ｐ２とを接合し、多値光位相変調器１００が完成する。
【００７４】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。図１０は、本実施の形態２に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。図１０に示すように、この多値光位相変調器２００は、光分岐器１と、位相シフト器２と、２つのマッハツェンダ型強度変調器３、４と、光合成器５とが、１つの半導体基板上に集積されたモノリシック集積構造を有する。なお、光分岐器１、位相シフト器２、および光合成器５は、多値光位相変調器１００のＳＳＣ領域Ｒ１と同様の埋め込みメサ構造を有するが、そのメサ幅は等幅であり、波長１．５５μｍの光を単一横モードかつ偏波無依存で導波することができるように、たとえば２μｍの幅とされている。
【００７５】
この多値光位相変調器２００の場合、各半導体光導波路の作製精度に起因する１〜２ｄＢ程度の導波路損失や曲げ損失のばらつきが存在する。しかしながら、多値光位相変調器２００は、多値光位相変調器１００と同様に、利得飽和特性を有する半導体光増幅部３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａを有するため、上記の各損失のばらつきが存在するにも関わらず、制御機構が必ずしも必要ではなくなり、省サイズ化かつ低コスト化を実現できる多値光位相変調器となる。
【００７６】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。図１１は、本実施の形態３に係る多値光位相変調器の模式的な平面図である。図１１に示すように、この多値光位相変調器３００は、ＰＬＣ部Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５と、これらの間に配置された半導体光導波路部Ｓ２、Ｓ３とが集積されたハイブリッド集積タイプのものである。なお、光分岐器１と位相シフト器２はＰＬＣ部Ｐ３に形成され、光合成器５はＰＬＣ部Ｐ５に形成され、マッハツェンダ型強度変調器３、４はＰＬＣ部Ｐ４から半導体光導波路部Ｓ３、さらにＰＬＣ部Ｐ５にわたって形成されている。
【００７７】
ここで、この多値光位相変調器３００では、マッハツェンダ型強度変調器３、４の各アーム部３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃは、それぞれ位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｂｃを有するが、半導体光増幅部は設けられていない。その代わりにＰＬＣ部Ｐ３とＰＬＣ部Ｐ４との間に配置された半導体光導波路部Ｓ２に、多値光位相変調器１００の半導体光増幅部３ｂａと同様な利得飽和特性を有する半導体光増幅器２０、２１が設けられている。この多値光位相変調器３００のように、光分岐器１と、マッハツェンダ型強度変調器３、４の各位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｂｃとの間に光強度調整器である半導体光増幅器２０、２１が設けられていれば、接続損失のばらつきの影響が抑制される。その結果、制御機構が必ずしも必要ではなくなり、省サイズ化かつ低コスト化を実現できる多値光位相変調器となる。
【００７８】
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４に係る多値光位相変調器について説明する。本実施の形態４に係る多値光位相変調器は、光強度の制御機構を備えたものである。図１２は、実施の形態４に係る多値光位相変調器の模式的な構成図である。
【００７９】
図１２に示すように、この多値光位相変調器４００は、光分岐器１と、光分岐器１に接続する２つのマッハツェンダ型強度変調器３、４と、マッハツェンダ型強度変調器３、４に接続する光合成器２２と、光分岐器１とマッハツェンダ型強度変調器３との間に設けられた半導体光増幅器２０と、光分岐器１とマッハツェンダ型強度変調器４との間に設けられた位相シフト器２および半導体光増幅器２１と、を備えている。また、さらに、この多値光位相変調器４００は、光接続端子２３、２８と、光電変換素子（Ｏ／Ｅ）２４、２９と、基準レベル電圧端子２５、３０と、信号レベル検出回路（Ｄｅｔ）２６、３１と、電圧−電流変換回路（Ｖ／Ｉ）２７、３２とを備えている。
【００８０】
光分岐器１、マッハツェンダ型強度変調器３、４、光合成器２２、半導体光増幅器２０、２１、および位相シフト器２は、半導体光導波路のモノリシック集積構造または半導体光導波路とＰＬＣとを適宜組み合わせたハイブリッド集積構造により形成されている。ただし、マッハツェンダ型強度変調器３、４の位相変調部３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂおよび半導体光増幅器２０、２１は、半導体光導波路により形成されている。
【００８１】
また、光合成器２２は、光信号が出力される光出力部２２ａと、光出力部２２ａから分岐して形成され、マッハツェンダ型強度変調器３とマッハツェンダ型強度変調器４とにそれぞれ接続する光入力部２２ｂ、２２ｃと、光入力部２２ｂ、２２ｃから分岐して形成され、光入力部２２ｂ、２２ｃに入力された実部または虚部光信号の一部をモニタ光として取り出すモニタ光出力部２２ｄ、２２ｅと備えている。
【００８２】
また、光接続端子２３は、モニタ光出力部２２ｄに接続しており、モニタ光出力部２２ｄが出力したモニタ光を受け付ける。光電変換素子２４は、光接続端子２３に接続しており、光接続端子２３が受け付けたモニタ光を受光し、その光強度に応じた電気信号を出力する。信号レベル検出回路２６は、基準レベル電圧端子２５と光電変換素子２４とに接続しており、基準レベル電圧端子２５から入力された基準電圧と光電変換素子２４が出力した電気信号の電圧とを比較して、その電圧差の信号を出力する。電圧−電流変換回路２７は、信号レベル検出回路２６に接続しており、信号レベル検出回路２６が出力した電圧差信号に対応して、この電圧差が小さくなる方向に制御した電流を半導体光増幅器２０に出力する。すなわち、光電変換素子２４、信号レベル検出回路２６、電圧−電流変換回路２７によって負のフィードバック制御機構が構成されている。
【００８３】
同様に、光接続端子２８は、モニタ光出力部２２ｅに接続しており、モニタ光出力部２２ｅが出力したモニタ光を受け付ける。光電変換素子２９は、光接続端子２８に接続しており、光接続端子２８が受け付けたモニタ光を受光し、その光強度に応じた電気信号を出力する。信号レベル検出回路３１は、基準レベル電圧端子３０と光電変換素子２９とに接続しており、基準レベル電圧端子３０から入力された基準電圧と光電変換素子２９が出力した電気信号の電圧とを比較して、その電圧差の信号を出力する。電圧−電流変換回路３２は、信号レベル検出回路３１に接続しており、信号レベル検出回路３１が出力した電圧差信号に対応して、この電圧差が小さくなる方向に制御した電流を半導体光増幅器２１に出力する。すなわち、光電変換素子２９、信号レベル検出回路３１、電圧−電流変換回路３２によって負のフィードバック制御機構が構成されている。
【００８４】
本実施の形態４に係る多値光位相変調器４００は、上記のようなフィードバック制御機構を有することによって、マッハツェンダ型強度変調器３が出力する実部信号光の強度と、マッハツェンダ型強度変調器４が出力する虚部信号光の強度とが、より高い精度で一定にされるため、より高精度にＱＡＭの変調がされた光信号を出力できる。また、この多値光位相変調器４００は、利得飽和特性を有する半導体光増幅器２０、２１を備えるため、フィードバック制御機構は簡易な構成のものでよいため、省サイズ化と低コスト化を実現できるものとなる。
【００８５】
なお、本実施の形態４が備えるフィードバック制御機構を実施の形態１〜３に係る多値光位相変調器に取り付ければ、より高精度にＱＡＭの変調がされた光信号を出力できるものとなる。
【００８６】
また、たとえば実施の形態１に係る多値光位相変調器では、マッハツェンダ型強度変調器の各アーム部に半導体光増幅器を設けているが、マッハツェンダ型強度変調器の少なくともいずれか１つの各位相変調部との間に半導体光増幅器を設けるようにしてもよい。また、各半導体光増幅器は、同様の特性を有しているが、異なる特性のものとしてもよい。
【００８７】
また、上記実施の形態に係る多値光位相変調器は、光強度調整器として、利得媒質が半導体活性層である半導体光増幅器を備えるものであるが、光強度調整器は利得飽和特性を有する利得媒質を備えるものであれば特に限定はされない。たとえば、光強度調整器として、ＰＬＣのコア部にエルビウム、イッテルビウム等の希土類金属元素を添加した利得媒体を備えるものを用いてもよい。
【００８８】
また、上記実施の形態に係る多値光位相変調器は、ＱＡＭの変調を行なうものであるが、本発明は他の多値光位相変調を行なう変調器に対しても適用できる。たとえば、８ＱＡＭの変調を行なう多値光位相変調器を構成する場合には、４つのマッハツェンダ型強度変調器を並列接続した構成が採用される。
【００８９】
また、上記実施の形態に係る多値光位相変調器は、波長１．５５μｍ用にその化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、使用する光の波長等に応じて適宜設定でき、特に限定はされない。
【００９０】
また、上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１ 光分岐器
１ａ、３ａ、４ａ、５ｂ、５ｃ、２２ｂ、２２ｃ 光入力部
１ｂ、１ｃ、３ｄ、４ｄ、５ａ、２２ａ 光出力部
２ 位相シフト器
３、４ マッハツェンダ型強度変調器
３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃ アーム部
３ｂａ、３ｃａ、４ｂａ、４ｃａ 半導体光増幅部
３ｂｂ、３ｃｂ、４ｂｂ、４ｃｂ 位相変調部
３ｂｃ、３ｂｄ ＳＳＣ部
５、２２ 光合成器
６ａ、１３ 下部クラッド層
６ｂ、１４、１５、１７ 上部クラッド層
７、９ ｐ側電極
８、１０ 電極パッド
１１ ｎ側電極
１２ 基板
１６ 埋め込み半導体層
１６ａ 下部電流阻止半導体層
１６ｂ 上部電流阻止半導体層
１８ コンタクト層
１９ 誘電体保護膜
２０、２１ 半導体光増幅器
２２ｄ、２２ｅ モニタ光出力部
２３、２８ 光接続端子
２４、２９ 光電変換素子
２５、３０ 基準レベル電圧端子
２６、３１ 信号レベル検出回路
２７、３２ 電流変換回路
１００〜４００ 多値光位相変調器
Ｃap キャップ層
Ｅ１ ＡｕＺ膜
Ｅ２ Ｔｉ／Ｐｔ膜
ＩＬ 連続光
Ｍ１〜Ｍ３ マスク
ＯＳＬ 光信号
Ｐ１〜Ｐ５ ＰＬＣ部
Ｒ 領域
ｒ１〜ｒ３ レジスト
Ｒ１、Ｒ４ ＳＳＣ領域
Ｒ２ 半導体光増幅器領域
Ｒ３ 位相変調器領域
Ｓ１〜Ｓ３ 半導体光導波路部
Ｗ１〜Ｗ４ メサ幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光を分岐する光分岐器と、
前記光分岐器に接続し、位相変調部を有する２つのアーム部を備え、前記分岐された光を強度変調して光信号として出力する２つ以上のマッハツェンダ型強度変調器と、
前記各マッハツェンダ型強度変調器に接続し、該マッハツェンダ型強度変調器から出力した各光信号を合成して多値光信号として出力する光合成器と、
前記光分岐器と、前記マッハツェンダ型強度変調器の少なくともいずれか１つの各位相変調部との間に設けられ、利得媒質を有し、該利得媒質の利得飽和特性を利用して、入力された光の強度を所定強度に調整して出力する少なくとも１つの光強度調整器と、
を備えることを特徴とする多値光位相変調器。
【請求項２】
前記光強度調整器は、前記利得媒質が半導体活性層である半導体光増幅器を備えることを特徴とする請求項１記載の多値光位相変調器。
【請求項３】
前記半導体活性層はバルク構造を有することを特徴とする請求項２に記載の多値光位相変調器。
【請求項４】
前記光強度調整器は、当該光強度調整器に入力された光の強度が−１０ｄＢｍ〜１０ｄＢｍの範囲のときに、当該入力された光の強度の１０ｄＢの変化に対して、前記出力する光の強度の変化量が０．０１ｄＢ以下となるように、少なくとも前記利得媒質の利得長、断面積および閉じ込め係数が設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の多値光位相変調器。
【請求項１】
入力された光を分岐する光分岐器と、
前記光分岐器に接続し、位相変調部を有する２つのアーム部を備え、前記分岐された光を強度変調して光信号として出力する２つ以上のマッハツェンダ型強度変調器と、
前記各マッハツェンダ型強度変調器に接続し、該マッハツェンダ型強度変調器から出力した各光信号を合成して多値光信号として出力する光合成器と、
前記光分岐器と、前記マッハツェンダ型強度変調器の少なくともいずれか１つの各位相変調部との間に設けられ、利得媒質を有し、該利得媒質の利得飽和特性を利用して、入力された光の強度を所定強度に調整して出力する少なくとも１つの光強度調整器と、
を備えることを特徴とする多値光位相変調器。
【請求項２】
前記光強度調整器は、前記利得媒質が半導体活性層である半導体光増幅器を備えることを特徴とする請求項１記載の多値光位相変調器。
【請求項３】
前記半導体活性層はバルク構造を有することを特徴とする請求項２に記載の多値光位相変調器。
【請求項４】
前記光強度調整器は、当該光強度調整器に入力された光の強度が−１０ｄＢｍ〜１０ｄＢｍの範囲のときに、当該入力された光の強度の１０ｄＢの変化に対して、前記出力する光の強度の変化量が０．０１ｄＢ以下となるように、少なくとも前記利得媒質の利得長、断面積および閉じ込め係数が設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の多値光位相変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１１２８７３（Ｐ２０１１−１１２８７３Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６９２４４（Ｐ２００９−２６９２４４）
【出願日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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