特開 2023-47921 光変調回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023047921

(43)【公開日】2023-04-06

(54)【発明の名称】光変調回路

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/025 20060101AFI20230330BHJP

【ＦＩ】

G02F1/025

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021157116

(22)【出願日】2021-09-27

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２０（令和２年度）年度、国立研究開発法人情報通信研究機構、「高度通信・放送研究開発委託研究／高度自動運転に向けた大容量車載光ネットワーク基盤技術の研究開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】慶應義塾

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】津田 裕之

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA18

2K102AA28

2K102BA02

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC05

2K102BC10

2K102BD01

2K102CA04

2K102DA05

2K102DB04

2K102DD03

2K102EA03

2K102EA05

2K102EA17

(57)【要約】

【課題】一つの変調器構造に高速位相変調部と低速位相変調部を設けて、直流成分から１０ギガヘルツ以上に至る平坦な周波数変調特性を有し、小型で低損失な広帯域光変調回路を提供する。
【解決手段】シリコン光導波路によって構成される光変調器と、駆動回路と、を備え、前記光変調器は、マッハツェンダー型干渉導波路の二つのアーム導波路のそれぞれに、高周波の変調を担い逆バイアスが印加されるｐｎ空乏層型位相変調部と、低周波の変調を担うｐｉｎ注入型位相変調部と、アームバランスを担うヒータによる位相変調部と、を有する光変調器、を備え、前記駆動回路は、高周波信号を生成、増幅し、バイアスを前記高周波信号に印加し、前記ｐｎ空乏層型位相変調部に出力する第１駆動回路と、低周波信号を生成、増幅し、前記ｐｉｎ注入型位相変調部に出力する第２駆動回路と、前記ヒータに電流を印加するバイアス調整回路と、を備える光変調回路。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコン光導波路によって構成される光変調器と、
駆動回路と、を備え、
前記光変調器は、
マッハツェンダー型干渉導波路の二つのアーム導波路のそれぞれに、
高周波の変調を担い逆バイアスが印加されるｐｎ空乏層型位相変調部と、
低周波の変調を担うｐｉｎ注入型位相変調部と、
アームバランスを担うヒータによる位相変調部と、を有する光変調器、を備え、
前記駆動回路は、
高周波信号を増幅し、バイアスを前記高周波信号に印加し、前記ｐｎ空乏層型位相変調部に出力する第１駆動回路と、
低周波信号を増幅し、前記ｐｉｎ注入型位相変調部に出力する第２駆動回路と、
前記ヒータに電流を印加するバイアス調整回路と、を備える、
光変調回路。

【請求項2】

前記ｐｎ空乏層型位相変調部は、
ｐ型シリコンにより形成される第１ｐ型シリコン層と、前記第１ｐ型シリコン層に接合されるｎ型シリコンにより形成される第１ｎ型シリコン層と、を備える、
請求項１に記載の光変調回路。

【請求項3】

前記ｐｉｎ注入型位相変調部は、
ｐ型シリコンにより形成される第２ｐ型シリコン層と、前記第２ｐ型シリコン層に接合される真性半導体シリコンにより形成されるｉ型シリコン層と、前記ｉ型シリコン層に接合されるｎ型シリコンにより形成される第２ｎ型シリコン層と、を備える、
請求項１又は請求項２のいずれかに記載の光変調回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光変調回路に関する。

【背景技術】

【0002】

大出力（概ね５０オーム負荷に対して５０ミリワット以上）の電気増幅器において、周波数帯域の低周波側カットオフ周波数を１０キロヘルツ以下とする場合、高周波側のカットオフ周波数を１０ギガヘルツ以上とすることは大変困難である。一方、光変調器の駆動電圧は、シリコン変調器の場合、プッシュプル動作でもピーク・ピーク値で５ボルト程度必要であり、５０オーム負荷に対して２５０ミリワットの出力の電気増幅器がドライバとして必要である。

【0003】

また、高速動作のために逆バイアスを印加する必要があり、直流バイアス電圧を印加するためにバイアスＴが必要となるが、高周波信号の低域カットオフを下げると素子が大型化する問題もある。前述のように、１キロヘルツから１０ギガヘルツまでの周波数範囲で、大出力の電気増幅器は実現が困難である。したがって、市販の光変調器駆動用電気増幅器の周波数帯域は、１００キロヘルツから１０ギガヘルツまでの周波数範囲などと低周波側のカットオフ周波数を高くしている。

【0004】

例えば、長距離光通信においては、送信信号の周波数帯域が１００キロヘルツから１０ギガヘルツまでの周波数範囲に収まるような変復調方式を利用している。しかしながら、光パケット伝送方式又は光バースト伝送方式では、パケット間又はバースト信号間に無信号状態があるため、１０キロヘルツ以下の低周波から１０ギガヘルツ以上の高周波まで動作可能な光変調器を必要としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４９３５０９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１には、送信信号を低速成分と高速成分に分離して、増幅し、電気的に合成して変調器を駆動する技術が開示されている。特許文献１に開示されている技術に基づく、第１比較例の光変調回路９ｚを図２１に示す。光変調回路９ｚは、光源５０１と、光変調器５０２と、信号源５０３と、分岐回路５０４と、変調器ドライバ５０５と、低周波増幅器５０６と、加算回路５０７と、を備える。光変調器５０２は、例えば、ニオブ酸リチウムを用いた光変調器である。変調器ドライバ５０５の低周波側のカットオフ周波数は１００キロヘルツ程度である。

【0007】

第１比較例の光変調回路９ｚの課題は、加算回路を具体的に構成する方法である。例えば、バイアスＴを用いて加算することが可能であるが、バイアスＴのインダクタ側端子から合成側端子への高周波カットオフ周波数をｆＬＣ、キャパシタ側端子から合成側端子への低周波カットオフ周波数をｆＨＣとすると、ｆＨＣ≧ｆＬＣとなる。バイアスＴの設計によるが、ｆＬＣを１０キロヘルツ以上とすることは雑音の観点から困難であり、ｆＨＣ＞ｆＬＣとなる。すなわち、周波数ｆＬＣから周波数ｆＨＣの間の周波数帯は合成できない周波数帯となり、光信号によっては、波形歪みが大きくなる問題が生じる。なお、特許文献１では、加算回路の詳細の記載はなく、この課題をどのように解決するのか不明である。

【0008】

また、第１比較例を変形した第２比較例の光変調回路９ｚａを図２２に示す。光変調回路９ｚａは、光変調回路９ｚに加えて、第２光変調器５０８を備える。第２比較例の光変調回路９ｚａは、二つの光変調器と、二つの光変調器のそれぞれに別々の駆動系を用いて、光信号を低速変調と高速変調の多段変調することにより、光パケット又は光バースト信号を生成する方法である。第２比較例の光変調回路９ｚａの課題は、変調器を多段にするため回路が大型化すること、変調器の損失が増大すること、別々の変調器を駆動するので変調器ドライバ５０５と低周波増幅器５０６の位相同期が困難であることである。

【0009】

本開示は、一つの変調器構造に高速位相変調部と低速位相変調部を設けて、直流成分から１０ギガヘルツ以上に至る平坦な周波数変調特性を有し、小型で低損失な広帯域光変調回路を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示の一態様では、シリコン光導波路によって構成される光変調器と、駆動回路と、を備え、前記光変調器は、マッハツェンダー型干渉導波路の二つのアーム導波路のそれぞれに、高周波の変調を担い逆バイアスが印加されるｐｎ空乏層型位相変調部と、低周波の変調を担うｐｉｎ注入型位相変調部と、アームバランスを担うヒータによる位相変調部と、を有する光変調器、を備え、前記駆動回路は、高周波信号を生成、増幅し、バイアスを前記高周波信号に印加し、前記ｐｎ空乏層型位相変調部に出力する第１駆動回路と、低周波信号を生成、増幅し、前記ｐｉｎ注入型位相変調部に出力する第２駆動回路と、前記ヒータに電流を印加するバイアス調整回路と、を備える光変調回路が提供される。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、広帯域にわたって平坦な周波数変調特性を有する小型で低損失な、広帯域の光変調回路を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１実施形態に係る光変調回路の構成例を示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器の光導波路を説明する図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器を説明する図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器の断面図（その１）である。

【図5】図５は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器の断面図（その２）である。

【図6】図６は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器の断面図（その３）である。

【図7】図７は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器の断面図（その４）である。

【図8】図８は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器の断面図（その５）である。

【図9】図９は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器の断面図（その６）である。

【図10】図１０は、第１実施形態に係る光変調回路の光変調器の断面図（その７）である。

【図11】図１１は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その１）である。

【図12】図１２は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その２）である。

【図13】図１３は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その３）である。

【図14】図１４は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その４）である。

【図15】図１５は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その５）である。

【図16】図１６は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その６）である。

【図17】図１７は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その７）である。

【図18】図１８は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その８）である。

【図19】図１９は、第１実施形態に係る光変調回路の動作を説明する図（その９）である。

【図20】図２０は、第２実施形態に係る光変調回路の構成例を示す図である。

【図21】図２１は、第１比較例の光変調回路の構成例を示す図である。

【図22】図２２は、第２比較例の光変調回路の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、本実施形態に係る光変調回路について詳細に説明する。

【0014】

＜＜第１実施形態＞＞
＜光変調回路１＞
第１実施形態に係る光変調回路１の構成例を示す図である。第１実施形態に係る光変調回路１は、入力ポートＰｉｎから入力された入力光Ｌａを位相変調して、ＢａｒポートＰｂａｒから出力光Ｌｂ又はＣｒｏｓｓポートＰｃｒｏｓｓから出力光Ｌｃを出力する。光変調回路１は、光変調器１００と、駆動回路２００と、を備える。

【0015】

［光変調器１００］
光変調器１００は、駆動回路２００からの信号により、入力光Ｌａを位相変調する。光変調器１００は、シリコン光導波路により構成されるマッハツェンダー干渉計１０１に、高速位相変調部１０２と、低速位相変調部１０３と、位相補正部１０４と、を有する。

【0016】

マッハツェンダー干渉計１０１は、一対のアーム導波路（図２、アームＡ１及びアームＡ２を参照）を有し、アーム間の位相変化を振幅変化に変換する。すなわち、マッハツェンダー干渉計１０１は、マッハツェンダー型干渉導波路を有する。

【0017】

高速位相変調部１０２は、高周波の変調を担い、高周波信号の電気信号により光を変調する。高速位相変調部１０２は、ｐｎ欠乏層型位相変調器を有する。高速位相変調部１０２は、アームＡ１を伝搬する光を位相変調する変調器１０２ａと、アームＡ２を伝搬する光を位相変調する変調器１０２ｂと、を有する。

【0018】

低速位相変調部１０３は、低周波の変調を担い、低周波信号の電気信号により光を変調する。低速位相変調部１０３は、ｐｉｎ注入型位相変調器を有する。低速位相変調部１０３は、アームＡ１を伝搬する光を位相変調する変調器１０３ａと、アームＡ２を伝搬する光を位相変調する変調器１０３ｂと、を有する。

【0019】

位相補正部１０４は、一対のアームのアーム間におけるバランス（アームバランス）を調整する。具体的には、出力光Ｌｂを出力する場合に出力光Ｌｃが出力しないように、また、出力光Ｌｃを出力する場合に出力光Ｌｂを出力しないように、位相の調整を行う。位相補正部１０４は、アームＡ１を伝搬する光を位相補正する補正器１０４ａと、アームＡ２を伝搬する光を位相補正する補正器１０４ｂと、を有する。

【0020】

図２は、第１実施形態に係る光変調回路１の光変調器１００におけるマッハツェンダー干渉計１０１の光導波路を説明する図である。

【0021】

マッハツェンダー干渉計１０１は、入力側及び出力側のそれぞれに分岐比が１対１の導波路カプラ１０６を備える。マッハツェンダー干渉計１０１は、導波路カプラ１０６の間に、アームＡ１とアームＡ２の一対のアームを有する。

【0022】

マッハツェンダー干渉計１０１は、アームＡ１の高速位相変調部１０２に対応する位置に導波路１０７ａと、アームＡ２の高速位相変調部１０２に対応する位置に導波路１０７ｂと、を有する。さらに、マッハツェンダー干渉計１０１は、アームＡ１の低速位相変調部１０３に対応する位置に導波路１０８ａと、アームＡ２の低速位相変調部１０３に対応する位置に導波路１０８ｂと、を有する。

【0023】

導波路１０７ａ、導波路１０７ｂ、導波路１０８ａ及び導波路１０８ｂのそれぞれは、リブ構造を有する導波路である。導波路１０７ａ、導波路１０７ｂ、導波路１０８ａ及び導波路１０８ｂのそれぞれと、前後の導波路１０５とは、細線－リブ変換導波路で接続される。

【0024】

マッハツェンダー干渉計１０１のそれぞれのアームの導波路について説明する。マッハツェンダー干渉計１０１は、アームＡ１に、入力側の導波路カプラ１０６から出力側の導波路カプラ１０６まで順に導波路１０５、導波路１０７ａ、導波路１０５、導波路１０８ａ及び導波路１０５を有する。また、マッハツェンダー干渉計１０１は、アームＡ２に、入力側の導波路カプラ１０６から出力側の導波路カプラ１０６まで順に導波路１０５、導波路１０７ｂ、導波路１０５、導波路１０８ｂ及び導波路１０５を有する。

【0025】

マッハツェンダー干渉計１０１に設けられる電気配線について説明する。図３は、第１実施形態に係る光変調回路１の光変調器１００の電気配線について説明する図である。

【0026】

高速位相変調部１０２は、信号配線１１２ａ及び信号配線１１２ｂと、接地配線１０９と、を備える。信号配線１１２ａには、バイアス印加回路２０２ａが接続される。信号配線１１２ｂには、バイアス印加回路２０２ｂが接続される。信号配線１１２ａ及び信号配線１１２ｂのそれぞれには、高速の信号が入力される。信号配線１１２ａと接地配線１０９とは、コプレーナ線路を形成する。また、信号配線１１２ｂと接地配線１０９とは、コプレーナ線路を形成する。

【0027】

信号配線１１２ａと接地配線１０９とは、終端抵抗１２２ａにより接続される。終端抵抗１２２ａは、信号配線１１２ａと接地配線１０９とにより形成されるコプレーナ線路とインピーダンス整合する。信号配線１１２ｂと接地配線１０９とは、終端抵抗１２２ｂにより接続される。終端抵抗１２２ｂは、信号配線１１２ｂと接地配線１０９とにより形成されるコプレーナ線路とインピーダンス整合する。

【0028】

低速位相変調部１０３は、信号配線１１３ａ及び信号配線１１３ｂと、接地配線１３３ａ及び接地配線１３３ｂと、を備える。信号配線１１３ａ及び信号配線１１３ｂには、差動低周波信号増幅回路２０３が接続される。信号配線１１３ａ及び信号配線１１３ｂのそれぞれには、低速の信号が入力される。

【0029】

信号配線１１３ａと接地配線１３３ａとは、マッチング抵抗１２３ａにより接続される。信号配線１１３ｂと接地配線１３３ｂとは、マッチング抵抗１２３ｂにより接続される。マッチング抵抗１２３ａ及びマッチング抵抗１２３ｂのそれぞれは、数十オーム程度の抵抗である。

【0030】

位相補正部１０４は、配線１１４ａ及び配線１１４ｂと、配線１３４ａ及び配線１３４ｂと、を備える。配線１１４ａと配線１３４ａとは、ヒータ抵抗１２４ａに接続する。配線１１４ｂと配線１３４ｂとは、ヒータ抵抗１２４ｂに接続する。ヒータ抵抗１２４ａ及びヒータ抵抗１２４ｂに電力が供給されることにより、ヒータ抵抗１２４ａ及びヒータ抵抗１２４ｂの近傍に設けられる導波路１０５が加熱される。導波路１０５が加熱されることにより、導波路１０５を伝搬する光の位相が変化する。導波路１０５を伝搬する光の位相を変化させることにより、アーム間のアンバランスを補正する。

【0031】

次に、光変調器１００の断面形状について説明する。なお、本開示の説明においては、アームＡ１とアームＡ２とは、形状は対称であることから、アームＡ１について説明して、アームＡ２については説明を省略する。

【0032】

図４から図１０のそれぞれは、第１実施形態に係る光変調回路１の光変調器１００の断面図である。具体的には、図４は、図３におけるＡ－Ａ断面図である。図５は、図３におけるＢ－Ｂ断面図である。図６は、図３におけるＣ－Ｃ断面図である。図７は、図３におけるＤ－Ｄ断面図である。図８は、図３におけるＥ－Ｅ断面図である。図９は、図３におけるＦ－Ｆ断面図である。図１０は、図３におけるＧ－Ｇ断面図である。

【0033】

図３におけるＡ－Ａ断面図である図４に示すように、光変調器１００は、シリコン基板１４０を備える。また、光変調器１００は、シリコン基板１４０の上に、酸化シリコン薄膜である酸化シリコン層１５０を有する。

【0034】

図３におけるＡ－Ａ断面図である図４に開示のように、酸化シリコン層１５０の内部に、信号配線１１２ａと、接地配線１０９とが埋め込まれている。また、酸化シリコン層１５０における信号配線１１２ａと接地配線１０９との間の下に、導波路１０５が設けられる。導波路１０５の横幅Ｗ１は、例えば４５０ナノメートルである。また、導波路１０５の高さｈ１は、例えば、２２０ナノメートルである。なお、酸化シリコン層１５０の厚さＤ１は、例えば、５０００ナノメートルである。

【0035】

次に、図３におけるＢ－Ｂ断面図である図５について説明する。Ｂ－Ｂ断面図の部分は、高速位相変調部１０２の一部である。酸化シリコン層１５０における信号配線１１２ａと接地配線１０９の下に、リブ導波路１０７ａｓが設けられる。リブ導波路１０７ａｓは、シリコンにより形成される。リブ導波路１０７ａｓの領域ＲＡに、伝搬光が閉じ込められる。リブ導波路１０７ａｓのリブ構造の段差Ｈ２は、例えば、１１０ナノメートルである。また、リブ導波路１０７ａｓのリブ構造の幅Ｗ２は、例えば、６００ナノメートルである。

【0036】

次に、図３におけるＣ－Ｃ断面図である図６について説明する。Ｃ－Ｃ断面図の部分は、高速位相変調部１０２の一部である。酸化シリコン層１５０における信号配線１１２ａと接地配線１０９の下に、ｎ型シリコンにより形成されるｎ型シリコン層１０７ａｎと、ｐ型シリコンにより形成されるｐ型シリコン層１０７ａｐと、が設けられる。すなわち、高速位相変調部１０２は、ｐｎ空乏層型位相変調部である。ｎ型シリコン及びｐ型シリコンは、回路作成時に公知のイオン注入によって形成される。なお、ｎ型シリコン層１０７ａｎ及びｐ型シリコン層１０７ａｐにおいて、光の損失を抑えるために光閉じ込め部近傍でのイオン注入量を減らしてもよい。

【0037】

ｎ型シリコン層１０７ａｎは、信号配線１１２ａに電気的に接続される。ｐ型シリコン層１０７ａｐは、接地配線１０９と電気的に接続される。ｐ型シリコン層１０７ａｐは、接地配線１０９を介して接地される。また、ｎ型シリコン層１０７ａｎは、信号配線１１２ａにより正の電位が印加される。したがって、ｎ型シリコン層１０７ａｎとｐ型シリコン層１０７ａｐとの間のｐｎ接合には、逆バイアスが印加される。

【0038】

ｎ型シリコン層１０７ａｎとｐ型シリコン層１０７ａｐとの間のｐｎ接合には、逆バイアスが印加されると、ｐｎ接合部分に空乏層が生じる。空乏層が生じることにより、ｎ型シリコン層１０７ａｎとｐ型シリコン層１０７ａｐとの接合部分にキャリア密度変化が生じる。ｎ型シリコン層１０７ａｎとｐ型シリコン層１０７ａｐとの接合部分のキャリア密度変化に応じて、ｎ型シリコン層１０７ａｎとｐ型シリコン層１０７ａｐとの接合部分の屈折率が変化する。したがって、ｎ型シリコン層１０７ａｎ及びｐ型シリコン層１０７ａｐにより形成されるリブ導波路を伝搬する光の位相が変調される。

【0039】

ｎ型シリコン層１０７ａｎとｐ型シリコン層１０７ａｐへの電圧印加に対する空乏層の応答が高速であることから、高速位相変調部１０２において、数十ギガヘルツの高速変調ができる。

【0040】

なお、ｐ型シリコン層１０７ａｐが第１ｐ型シリコン層の一例、ｎ型シリコン層１０７ａｎが第１ｎ型シリコン層の一例、である。

【0041】

次に、図３におけるＤ－Ｄ断面図である図７について説明する。Ｄ－Ｄ断面図の部分は、高速位相変調部１０２の一部である。信号配線１１２ａと接地配線１０９との下側に、終端抵抗１２２ａが設けられる。終端抵抗１２２ａは、例えば、窒化チタンにより形成される。なお、酸化シリコン層１５０における信号配線１１２ａと接地配線１０９の下に、リブ導波路１０７ａｓが設けられる。

【0042】

次に、図３におけるＥ－Ｅ断面図である図８について説明する。酸化シリコン層１５０における信号配線１１２ａと接地配線１０９との間の下に、導波路１０５が設けられる。導波路１０５は、図４における細線導波路である導波路１０５と同様である。

【0043】

次に、図３におけるＦ－Ｆ断面図である図９について説明する。Ｆ－Ｆ断面図の部分は、低速位相変調部１０３の一部である。酸化シリコン層１５０における信号配線１１２ａと接地配線１０９の下に、ｎ型シリコン層１０８ａｎと、ｐ型シリコン層１０８ａｐと、ｉ型シリコン層１０８ａｉと、が設けられる。ｎ型シリコン層１０８ａｎは、ｎ型シリコンにより形成される。ｐ型シリコン層１０８ａｐは、ｐ型シリコンにより形成される。ｉ型シリコン層１０８ａｉは、真性半導体シリコンにより形成される。すなわち、低速位相変調部１０３は、ｐｉｎ注入型位相変調部である。なお、ｎ型シリコン層１０８ａｎ、ｐ型シリコン層１０８ａｐ及びｉ型シリコン層１０８ａｉは、前後の１０５と、細線－リブ変換導波路で接続される。

【0044】

ｎ型シリコン層１０８ａｎは、接地配線１３３ａに電気的に接続される。ｎ型シリコン層１０８ａｎは、接地配線１３３ａを介して接地される。ｐ型シリコン層１０８ａｐは、信号配線１１３ａと電気的に接続される。ｐ型シリコン層１０８ａｐは、信号配線１１３ａにより正の電位が印加される。したがって、ｎ型シリコン層１０８ａｎとｐ型シリコン層１０８ａｐとの間には、ｉ型シリコン層１０８ａｉを介して順方向に電流が注入される。すなわち、ｐ型シリコン層１０８ａｐ、ｉ型シリコン層１０８ａｉ及びｎ型シリコン層１０８ａｎにより構成させるｐｉｎ構造には順方向の電流が注入される。

【0045】

ｐｉｎ構造に順方向に電流が注入されることにより、キャリアプラズマ効果によって屈折率が変化する。したがって、ｐ型シリコン層１０８ａｐ、ｉ型シリコン層１０８ａｉ及びｎ型シリコン層１０８ａｎにより形成されるリブ導波路を伝搬する光の位相が変調される。ｐｉｎ型光変調回路により、２００から３００メガヘルツまでの変調ができる。逆バイアスによる変調よりも最大変調速度が低いが、光伝搬損失は１／１０程度である。

【0046】

なお、ｐ型シリコン層１０８ａｐが第２ｐ型シリコン層の一例、ｎ型シリコン層１０８ａｎが第２ｎ型シリコン層の一例、である。

【0047】

次に、図３におけるＧ－Ｇ断面図である図１０について説明する。Ｇ－Ｇ断面図の部分は、位相補正部１０４の一部である。導波路１０５の上側にヒータ抵抗１２４ａが設けられる。ヒータ抵抗１２４ａは、例えば、窒化チタンにより形成される。

【0048】

［駆動回路２００］
駆動回路２００は、差動高周波信号生成回路３００及び差動低周波信号生成回路４００からの入力される信号から駆動信号を生成して、光変調器１００に出力する。また、駆動回路２００は、アーム間のアンバランスを調整するヒータを駆動する信号を生成して、光変調器１００に出力する。

【0049】

図１を用いて駆動回路２００について説明する。駆動回路２００は、差動高周波信号増幅回路２０１と、バイアス印加回路２０２ａ及びバイアス印加回路２０２ｂと、差動低周波信号増幅回路２０３と、ヒータ駆動回路２０４と、を備える。なお、差動高周波信号増幅回路２０１、バイアス印加回路２０２ａ及びバイアス印加回路２０２ｂをまとめて高周波駆動回路２０５という。高周波駆動回路２０５は、差動高周波信号生成回路３００からの高周波信号を増幅し、バイアスを加える。差動高周波信号増幅回路２０１は、差動低周波信号生成回路４００からの低周波信号を増幅する。

【0050】

図１１は、差動低周波信号生成回路４００からの出力信号Ｖ１の一例を示す。図１１の上のグラフは、差動信号である差動低周波信号生成回路４００から出力信号Ｖ１の正側の電圧信号Ｖ１＋を示す。図１１の下のグラフは、差動信号である差動低周波信号生成回路４００から出力信号Ｖ１の負側の電圧信号Ｖ１－を示す。なお、縦軸は電圧、横軸は時間を表す。正側の電圧信号Ｖ１＋と、負側の電圧信号Ｖ１－とは、逆位相の関係になっている。また、正側の電圧信号Ｖ１＋及び負側の電圧信号Ｖ１－のそれぞれは、直流成分を含んでいる。

【0051】

図１２は、差動高周波信号生成回路３００からの出力信号Ｖ２の一例を示す。図１２の上のグラフは、差動信号である差動高周波信号生成回路３００から出力信号Ｖ２の正側の電圧信号Ｖ２＋を示す。図１２の下のグラフは、差動信号である差動高周波信号生成回路３００から出力信号Ｖ２の負側の電圧信号Ｖ２－を示す。なお、縦軸は電圧、横軸は時間を表す。正側の電圧信号Ｖ２＋と、負側の電圧信号Ｖ２－とは、逆位相の関係になっている。

【0052】

なお、図１１の時間軸と図１２の時間軸とは、スケールが異なる。具体的には、図１１の時間Ｔ１は、図１２の時間Ｔ２に対して１０００倍である。すなわち、図１２の時間軸は、図１１の時間軸を１０００倍に拡大して表示している。以下のグラフについても同様である。時間軸を示すために、それぞれのグラフに、時間Ｔ１と時間Ｔ２を示す。

【0053】

差動低周波信号増幅回路２０３の低域側カットオフ周波数は、周波数ｆＬ１であるとする。また、差動低周波信号増幅回路２０３は、直流成分から周波数ｆＨ１（ただし、周波数ｆＨ１は周波数ｆＬ１より大きい。）の帯域を有するとする。抵抗５０オームの負荷に対して５０ミリワット以上の大出力において、直流成分から周波数５００ＭＨｚまでの増幅器は、既に市販されている。なお、第１実施形態に係る差動低周波信号増幅回路２０３は、一つの回路により構成されているが、差動信号の各信号を別に増幅する二つの回路を備えてもよい。

【0054】

図１３は、差動低周波信号増幅回路２０３の出力信号を示す。図１３の上のグラフは、差動低周波信号増幅回路２０３から出力信号Ｖ３の正側の電圧信号Ｖ３＋を示す。図１３の下のグラフは、差動低周波信号増幅回路２０３から出力信号Ｖ３の負側の電圧信号Ｖ３－を示す。なお、縦軸は電圧、横軸は時間を表す。

【0055】

電圧信号Ｖ３＋は、低速位相変調部１０３の変調器１０３ａの信号配線１１３ａに印加される。なお、変調器１０３ａの接地配線１３３ａは接地される。すなわち、接地配線１３３ａの電位は０ボルトである。また、電圧信号Ｖ３－は、低速位相変調部１０３の変調器１０３ｂの信号配線１１３ｂに印加される。なお、変調器１０３ｂの接地配線１３３ｂは接地される。すなわち、接地配線１３３ｂの電位は０ボルトである。電圧信号Ｖ３＋及び電圧信号Ｖ３－のそれぞれのピーク・ピーク値は、電圧Ｖｐｐ１である。

【0056】

ｐｉｎ注入型位相変調器である変調器１０３ａは、ｐ型シリコン層１０８ａｐ側の電極の電位を、ｎ型シリコン層１０８ａｎ側の電極の電位よりも高くしなければならない。

【0057】

図１４は、光変調器１００の光出力特性を示す。縦軸は光出力の光強度、横軸は電圧信号Ｖ３＋の電圧、である。なお、信号配線１１２ａ及び信号配線１１２ｂには、０．１ボルト程度の僅かな逆バイアス電圧が印加されているとする。

【0058】

図１３に示す電圧信号が印加されたときの光変調器１００からの光信号波形を図１５に示す。縦軸は出力光Ｌｂの光強度、横軸は時間、である。線Ｌｂ１は、出力光Ｌｂの波形を示す。

【0059】

図１６は、バイアス印加回路２０２ａの出力信号Ｖ４＋及びバイアス印加回路２０２ｂの出力信号Ｖ４－の一例を示す。図１６の上のグラフは、バイアス印加回路２０２ａの出力信号Ｖ４＋を示す。図１６の下のグラフは、バイアス印加回路２０２ｂの出力信号Ｖ４－を示す。なお、縦軸は電圧、横軸は時間を表す。

【0060】

バイアス印加回路２０２ａ及びバイアス印加回路２０２ｂのそれぞれは、例えば、バイアスＴである。したがって、出力信号Ｖ４＋及び出力信号Ｖ４－のそれぞれには、バイアス電位Ｖｓが加えられる。出力信号Ｖ４＋及び出力信号Ｖ４－のそれぞれのピーク・ピーク値は、電圧Ｖｐｐ２である。

【0061】

出力信号Ｖ４＋は、信号配線１１２ａを介して、ｎ型シリコン層１０７ａｎに印加される。ｐ型シリコン層１０７ａｐは、接地配線１０９を介して接地されている。したがって、ｐ型シリコン層１０７ａｐは電位が０ボルトである。出力信号Ｖ４－は、信号配線１１２ｂを介して、変調器１０２ｂのｎ型シリコン層に印加される。

【0062】

図１７は、光変調器１００の光出力特性を示す。縦軸は光出力の光強度、横軸は出力信号Ｖ４＋と出力信号Ｖ４－との差分、である。このとき、信号配線１１３ａ及び信号配線１１３ｂは０．１ボルト程度の僅かな順方向バイアス電圧が印加されているとする。この光出力特性は、配線１１４ａ及び配線１１４ｂのそれぞれへの注入電流を変えることで、図中の矢印に示すように調整できる。

【0063】

図１６に示す電圧信号が印加されたときの光変調器１００からの光信号波形を図１８に示す。縦軸は出力光Ｌｂの光強度、横軸は時間、である。線Ｌｂ２は、出力光Ｌｂの波形を示す。

【0064】

ヒータ駆動回路２０４は、ヒータ抵抗１２４ａ及びヒータ抵抗１２４ｂのそれぞれに電流を供給する。ヒータ抵抗１２４ａ及びヒータ抵抗１２４ｂのそれぞれは、ヒータ駆動回路２０４から電流が供給されることにより発熱する。ヒータ抵抗１２４ａ及びヒータ抵抗１２４ｂのそれぞれの発熱量がヒータ駆動回路２０４により適切に調整されることにより、アームバランスが調整され、出力光のバイアスが調整される。

【0065】

次に、低周波信号を信号配線１１３ａ及び信号配線１１３ｂに、高周波信号を信号配線１１２ａ及び信号配線１１２ｂに、位相を合わせて同時に入力し、適切に配線１１４ａ及び配線１１４ｂに電流を供給して動作点を制御した場合の光出力を図１９に示す。縦軸は出力光Ｌｂの光強度、横軸は時間、である。線Ｌｂ３は、出力光Ｌｂの波形を示す。図１９のように、光変調器１００から、高周波信号及び低周波信号に基づく、出力光Ｌｂが出力される。

【0066】

なお、高周波駆動回路２０５が第１駆動回路の一例、差動低周波信号増幅回路２０３が第２駆動回路の一例、ヒータ駆動回路２０４がバイアス調整回路の一例、である。

【0067】

＜作用・効果＞
第１実施形態に係る光変調回路１によれば、直流成分から高速の周波数成分（１０ギガヘルツ以上）を含む超広帯域光パケット信号、光バースト信号などを生成することができる。第１実施形態に係る光変調回路１は、単一の光変調器を利用するので、多段の光変調器を用いる広帯域光変調回路よりも余分な接続が不要であるため小型かつ低損失な広帯域光変調回路を実現できる。

【0068】

第１実施形態に係る光変調回路１は、概ね２００メガヘルツ程度までの変調にはｐｉｎ注入型位相変調部を利用して低損失化できる。また、第１実施形態に係る光変調回路１は、ｐｎ空乏層型位相変調部の利用により２００メガヘルツを超える変調ができる。

【0069】

第１実施形態に係る光変調回路１は、同時にｐｉｎ注入型位相変調部とｐｎ空乏層型位相変調部を駆動することで、直流成分から１０ギガヘルツ以上の広帯域光信号を生成することができる。また、第１実施形態に係る光変調回路１は、ｐｉｎ注入型位相変調部とｐｎ空乏層型位相変調部を近接して備えることから、複数の駆動信号の位相同期が容易になり、ワンダの発生も抑制できる。

【0070】

＜＜第２実施形態＞＞
＜光変調回路２＞
第２実施形態に係る光変調回路２は、第１実施形態に係る光変調回路１に対して、入力される信号と、入力された信号を処理する駆動回路が異なる。

【0071】

図２０は、第２実施形態に係る光変調回路２の構成例を示す図である。光変調回路２は、光変調回路１の駆動回路２００に換えて、駆動回路２００Ａを備える。駆動回路２００Ａは、駆動回路２００の構成に加えて更に周波数分離回路２０９を備える。

【0072】

光変調回路２には、広帯域信号発生器３５０から低周波信号と高周波信号が加算された広帯域信号が入力される。周波数分離回路２０９は、広帯域信号発生器３５０から入力された広帯域信号を、低周波信号と高周波信号に分離する。そして、周波数分離回路２０９は、分離した低周波信号及び高周波信号を、それぞれ差動低周波信号増幅回路２０３及び差動高周波信号増幅回路２０１に入力する。

【0073】

周波数分離回路２０９は、例えば、ローパスフィルタとハイパスフィルタを並列に接続して、ローパスフィルタの広域カットオフ周波数とハイパスフィルタの低域カットオフ周波数を一致させて構成することができる。

【0074】

第２実施形態に係る光変調回路２は、第１実施形態に係る光変調回路１に対して、低周波信号と高周波信号の生成方法が異なるが、第１実施形態に係る光変調回路１と同様の動作をし、同様の作用・効果を有する。

【0075】

以上、光変調回路を実施形態により説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

【符号の説明】

【0076】

１、２ 光変調回路
１００ 光変調器
１０１ マッハツェンダー干渉計
１０２ 高速位相変調部
１０２ａ、１０２ｂ 変調器
１０３ 低速位相変調部
１０３ａ、１０３ｂ 変調器
１０４ 位相補正部
１０４ａ、１０４ｂ 補正器
１０５ 導波路
１０６ 導波路カプラ
１０７ａ、１０７ｂ 導波路
１０７ａｎ ｎ型シリコン層
１０７ａｐ ｐ型シリコン層
１０８ａ、１０８ｂ 導波路
１０８ａｉ ｉ型シリコン層
１０８ａｎ ｎ型シリコン層
１０８ａｐ ｐ型シリコン層
１０９ 接地配線
１１２ａ、１１２ｂ 信号配線
１１３ａ、１１３ｂ 信号配線
１１４ａ、１１４ｂ 配線
１２４ａ、１２４ｂ ヒータ抵抗
１３３ａ、１３３ｂ 接地配線
１３４ａ、１３４ｂ 配線
２００、２００Ａ 駆動回路
２０１ 差動高周波信号増幅回路
２０２ａ、２０２ｂ バイアス印加回路
２０３ 差動低周波信号増幅回路
２０４ ヒータ駆動回路
２０５ 高周波駆動回路
２０９ 周波数分離回路
３００ 差動高周波信号生成回路
３５０ 広帯域信号発生器
４００ 差動低周波信号生成回路
Ａ１、Ａ２ アーム

【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14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】