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JP2018136396A - Light modulator - Google Patents

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JP2018136396A
JP2018136396A JP2017029692A JP2017029692A JP2018136396A JP 2018136396 A JP2018136396 A JP 2018136396A JP 2017029692 A JP2017029692 A JP 2017029692A JP 2017029692 A JP2017029692 A JP 2017029692A JP 2018136396 A JP2018136396 A JP 2018136396A
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JP2017029692A
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グァンウェイ コン
Guangwei Cong
グァンウェイ コン
山田 浩治
Koji Yamada
浩治 山田
守史 大野
Morifumi Oono
守史 大野
有里子 前神
Yuriko Maegami
有里子 前神
岡野 誠
Makoto Okano
誠 岡野
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

【課題】ヒーターを用いることなく、変調用高周波信号と共に印加するDC電圧のみを用いて、光変調器の動作点の調整及び変調効率の改善を行うことが可能な光変調器を提供する。【解決手段】本発明の光変調器100は、光分岐器2と光結合器3の間に並行して延びる2つの光導波路5、6の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、位相変調部は、光導波路に沿って設けられた進行波電極7、8を含み、進行波電極の一端は、第1バイアスティー回路101を介して高周波信号源RFに接続し、進行波電極の他端は、第2バイアスティー回路102を介して高周波終端抵抗Rに接続する。【選択図】図3An optical modulator capable of adjusting an operating point of an optical modulator and improving modulation efficiency using only a DC voltage applied together with a modulation high-frequency signal without using a heater. An optical modulator of the present invention includes a phase modulation section provided in at least one of two optical waveguides extending in parallel between an optical splitter and an optical coupler. The modulation unit includes traveling wave electrodes 7 and 8 provided along the optical waveguide, and one end of the traveling wave electrode is connected to the high-frequency signal source RF via the first bias tee circuit 101, and other traveling wave electrodes are provided. The end is connected to the high-frequency termination resistor R through the second bias tee circuit 102. [Selection] Figure 3

Description

本発明は、光変調器に関し、より具体的には、マッハツェンダ(MZ)型の光変調器に関する。   The present invention relates to an optical modulator, and more specifically to a Mach-Zehnder (MZ) type optical modulator.

広帯域でかつ高い消光特性を持つマッハツェンダ干渉計(MZI)は、光変調器の位相変調部の構成として広く使用されている。特許文献1は、従来のニオブ酸リチウムの光学基板を用いたMZ型光変調器を開示する。特許文献1の図1には、2つのアーム導波路上の電極の一端に、変調させるための高周波信号源と、変調器の動作点を設定するためのDC電圧を供給するバイアス回路とを接続し、その他端に終端抵抗を接続する構成が開示されている。さらに、特許文献1の図3には、変調器の動作点の設定を、アーム導波路上に設けたヒーターの加熱による熱光学効果を利用して行う構成も開示されている。   A Mach-Zehnder interferometer (MZI) having a wide band and high extinction characteristics is widely used as a configuration of a phase modulation unit of an optical modulator. Patent Document 1 discloses an MZ type optical modulator using a conventional lithium niobate optical substrate. In FIG. 1 of Patent Document 1, a high-frequency signal source for modulation and a bias circuit for supplying a DC voltage for setting an operating point of the modulator are connected to one end of electrodes on two arm waveguides. And the structure which connects termination resistance to the other end is indicated. Further, FIG. 3 of Patent Document 1 also discloses a configuration in which the setting of the operating point of the modulator is performed using a thermo-optic effect by heating a heater provided on the arm waveguide.

また、非特許文献1は、シリコン光導波路を用いたMZ型光変調器を開示する。非特許文献1のMZ型光変調器では、両アームのリブ形光導波路に横形pn接合を形成し、pn接合に接続するコプレーナ形の進行波電極に変調電気信号と共に直流逆バイアスを入力して、キャリア密度の変化により導波光の位相を変調して高速光変調を行う。   Non-Patent Document 1 discloses an MZ type optical modulator using a silicon optical waveguide. In the MZ type optical modulator of Non-Patent Document 1, a lateral pn junction is formed in the rib-shaped optical waveguides of both arms, and a DC reverse bias is input to the coplanar traveling wave electrode connected to the pn junction together with a modulated electric signal. Then, high-speed optical modulation is performed by modulating the phase of the guided light according to the change in carrier density.

特許文献1の図3に例示されるようなヒーターを用いた光変調器の動作点の設定では、ヒーター及びその加熱回路を追加的に設ける必要があり、そのためのスペースが必要となることから光変調器の小型化の妨げになる。特にシリコン光導波路を用いた微小なMZ型光変調器に適用する場合、その問題が顕著になる。また、その分製造コストも増加してしまう。   In the setting of the operating point of an optical modulator using a heater as exemplified in FIG. 3 of Patent Document 1, it is necessary to additionally provide a heater and its heating circuit, and a space for that is required, so that light is required. This hinders downsizing of the modulator. In particular, when the present invention is applied to a minute MZ type optical modulator using a silicon optical waveguide, the problem becomes remarkable. In addition, the manufacturing cost increases accordingly.

特許文献1の図1、あるいは非特許文献1に例示されるような変調電気信号(高周波信号)と共に印加するDC電圧(逆バイアス)を用いた光変調器の動作点の設定では、変調器の光伝搬方向に対して一様な直流バイアス電圧しか与えられないため、変調器の進行方向に対しての変調効率を調整することができない。すなわち、変調電気信号(高周波信号)はその伝搬と共に減衰するため、従来の光変調器では位相変調領域全体に渡って一様な変調を光に与えることができず、変調効率や高周波特性が劣化してしまう。   In setting the operating point of an optical modulator using a DC voltage (reverse bias) applied together with a modulated electric signal (high frequency signal) as illustrated in FIG. 1 of Patent Document 1 or Non-Patent Document 1, Since only a uniform DC bias voltage is applied in the light propagation direction, the modulation efficiency in the traveling direction of the modulator cannot be adjusted. In other words, the modulated electrical signal (high-frequency signal) attenuates as it propagates, so conventional optical modulators cannot provide uniform modulation over the entire phase modulation region, resulting in degradation of modulation efficiency and high-frequency characteristics. Resulting in.

国際公開WO2010/064417International Publication WO2010 / 064417

小川憲介、電子情報通信学会誌、Vol.96、No.3、pp.195-199、2013年3月Kensuke Ogawa, IEICE Journal, Vol.96, No.3, pp.195-199, March 2013

本発明の目的は、ヒーターを用いることなく、変調用高周波信号と共に印加するDC電圧のみを用いて、光変調器の動作点の調整及び変調効率の改善を行うことが可能な光変調器を提供することである。   An object of the present invention is to provide an optical modulator capable of adjusting the operating point of the optical modulator and improving the modulation efficiency using only a DC voltage applied together with the modulation high-frequency signal without using a heater. It is to be.

本発明は光変調器を提供する。その光変調器は、光分岐器と光結合器の間に並行して延びる2つの光導波路の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、位相変調部は、光導波路に沿って設けられた進行波電極を含み、進行波電極の一端は、第1バイアスティー回路を介して高周波信号源に接続し、進行波電極の他端は、第2バイアスティー回路を介して高周波終端抵抗に接続する。   The present invention provides an optical modulator. The optical modulator includes a phase modulation unit provided in at least one of two optical waveguides extending in parallel between the optical branching unit and the optical coupler, and the phase modulation unit is provided along the optical waveguide. A traveling wave electrode is included, and one end of the traveling wave electrode is connected to a high frequency signal source via a first bias tee circuit, and the other end of the traveling wave electrode is connected to a high frequency termination resistor via a second bias tee circuit. .

本発明は光変調器の制御方法を提供する。その制御方法において、光変調器は、光分岐器と光結合器の間に並行して延びる2つの光導波路の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、位相変調部は、光導波路に沿って設けられた進行波電極を含み、(a)進行波電極の一端に第1直流バイアス電圧を印加するステップと、(b)進行波電極の一端に変調用の高周波信号を印加するステップと、(c)進行波電極の他端に第1直流バイアス電圧より大きな第2直流バイアス電圧を印加するステップと、を含む。   The present invention provides a method for controlling an optical modulator. In the control method, the optical modulator includes a phase modulation unit provided in at least one of two optical waveguides extending in parallel between the optical branching unit and the optical coupler, and the phase modulation unit extends along the optical waveguide. (A) applying a first DC bias voltage to one end of the traveling wave electrode; (b) applying a high frequency signal for modulation to one end of the traveling wave electrode; (c) applying a second DC bias voltage larger than the first DC bias voltage to the other end of the traveling wave electrode.

本発明によれば、進行波電極の両端に印加する2つの直流バイアス電圧のみでヒーターを用いた場合と同様な光変調器の動作点調整を行うことができる。その結果、光変調器の小型化及び製造コストの低減を図ることができる。同時に、その直流バイアス電圧の制御により、光変調器の光伝搬方向での変調効率(変調光出力)の低下を防ぎその均一化を図ることができる。   According to the present invention, the operating point of the optical modulator can be adjusted in the same manner as when the heater is used with only two DC bias voltages applied to both ends of the traveling wave electrode. As a result, it is possible to reduce the size and manufacturing cost of the optical modulator. At the same time, by controlling the DC bias voltage, it is possible to prevent the modulation efficiency (modulated light output) from decreasing in the light propagation direction of the optical modulator and make it uniform.

本発明の一実施形態の光変調器の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical modulator of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の光導波路の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical waveguide of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の位相変調部の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the phase modulation part of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の光変調器の動作点制御の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the operating point control of the optical modulator of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の光変調器の変調効率を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modulation efficiency of the optical modulator of one Embodiment of this invention. 従来の光変調器の変調効率を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modulation efficiency of the conventional optical modulator. 本発明の一実施形態の光変調器の制御フローを示す図である。It is a figure which shows the control flow of the optical modulator of one Embodiment of this invention.

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態の光変調器の構成を示す平面図である。図1の光変調器100は、マッハツェンダ干渉計(MZI)を用いた光変調器の一例である。光変調器100は、入力ポート1に接続する光分岐器2と出力ポート4に接続する光結合器3との間に並行して伸びる2つの光導波路5、6を含む。光導波路5、6はアームとも呼ばれる。この2本のアーム5、6の長さは、等長または非等長のいずれでもよい。入力ポート1にはCW(Continuous Wave)光が入力し、変調後の変調光が出力ポート4から出力する。CW光は、振幅の時間依存性がない光を意味し、例えば連続発振するレーザ光(Continuous Wave laser)によって供給される。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an optical modulator according to an embodiment of the present invention. The optical modulator 100 of FIG. 1 is an example of an optical modulator using a Mach-Zehnder interferometer (MZI). The optical modulator 100 includes two optical waveguides 5 and 6 extending in parallel between an optical splitter 2 connected to the input port 1 and an optical coupler 3 connected to the output port 4. The optical waveguides 5 and 6 are also called arms. The lengths of the two arms 5 and 6 may be either equal length or unequal length. CW (Continuous Wave) light is input to the input port 1, and modulated light after modulation is output from the output port 4. CW light means light having no time dependency of amplitude, and is supplied by, for example, a continuous wave laser light.

位相変調部において、一方の光導波路5は、進行波電極を構成する1組の電極、すなわち、信号が印加される電極S(7)とグランドG(8)によって挟まれる態様を成す。同様に、光導波路6は、進行波電極を構成する1組の電極S(9)及びグランドG(8)によって挟まれる態様を成す。図1では、グランドG(8)が共通の1つのグランドとして2つの光導波路5、6の間に配置される構成(上からS/G/S)を示しているが、例えば2つの別個のグランドとして配置する構成(上からS/G/G/S)、あるいは電極S(7、9)と入れ替えた構成(上からG/S/S/G)とすることもできる。その電極配置は、光変調器の仕様(スペース、配線等)に応じて任意に設定することができる。   In the phase modulation section, one of the optical waveguides 5 is sandwiched between a pair of electrodes constituting a traveling wave electrode, that is, an electrode S (7) to which a signal is applied and a ground G (8). Similarly, the optical waveguide 6 is configured to be sandwiched between a pair of electrodes S (9) and a ground G (8) that constitute a traveling wave electrode. FIG. 1 shows a configuration (S / G / S from the top) in which the ground G (8) is disposed between the two optical waveguides 5 and 6 as one common ground. It is also possible to adopt a configuration (S / G / G / S from the top) arranged as the ground, or a configuration (G / S / S / G from the top) replaced with the electrodes S (7, 9). The electrode arrangement can be arbitrarily set according to the specifications (space, wiring, etc.) of the optical modulator.

進行波電極の少なくとも一方、具体的には例えば図1の電極S(7)の一端には、高周波(RF)入力と直流(DC)バイアス1を印加するための回路10が接続され、その他端には直流(DC)バイアス2の印加及び終端する回路11が接続される。なお、配線は図示されていないが、回路10、11は回路の性質上グランド電極G(8)にも電気的に接続されている。もう一方の進行波電極をなす電極S(9)に回路10、11と同様な回路を設けることもできる。回路10、11の内容についてはさらに後述する。   A circuit 10 for applying a high frequency (RF) input and a direct current (DC) bias 1 is connected to at least one of the traveling wave electrodes, specifically, for example, one end of the electrode S (7) in FIG. Connected to is a circuit 11 for applying and terminating a direct current (DC) bias 2. Although the wiring is not shown, the circuits 10 and 11 are also electrically connected to the ground electrode G (8) due to the nature of the circuit. A circuit similar to the circuits 10 and 11 can be provided on the electrode S (9) forming the other traveling wave electrode. The contents of the circuits 10 and 11 will be further described later.

図2は、本発明の一実施形態の光導波路6の構成(図1のa−a´断面)を示す断面図である。光導波路5の構成も同様である。図2は、PN接合を含むシリコンリブ型光導波路を用いる場合の一例である。図2において、SOI基板の所定領域の埋め込み酸化膜(BOX層)上のシリコン層(SOI層)12中に、横型のpn接合を形成するようにp型(p+)領域とn型(n+)領域が形成されている。BOX層は、位相変調部の第1クラッド(下側クラッド)として機能し、SOI層12はコア(その一部)として機能する。p+領域の端部にはドーパント濃度が高いp++領域が設けられ、その上の電極G(8)と抵抗性接合している。同様に、n+領域の端部にはドーパント濃度が高いn++領域が設けられ、その上の電極S(9)と抵抗性接合している。電極S(9)には図1の回路10、11が接続する。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical waveguide 6 according to the embodiment of the present invention (cross section aa ′ in FIG. 1). The configuration of the optical waveguide 5 is the same. FIG. 2 shows an example in which a silicon rib type optical waveguide including a PN junction is used. In FIG. 2, a p-type (p +) region and an n-type (n +) are formed so as to form a lateral pn junction in the silicon layer (SOI layer) 12 on the buried oxide film (BOX layer) in a predetermined region of the SOI substrate. A region is formed. The BOX layer functions as a first cladding (lower cladding) of the phase modulation unit, and the SOI layer 12 functions as a core (part thereof). A p ++ region having a high dopant concentration is provided at the end of the p + region, and is in resistive junction with the electrode G (8) thereon. Similarly, an n ++ region having a high dopant concentration is provided at the end of the n + region, and is resistively joined to the electrode S (9) thereon. The circuits 10 and 11 of FIG. 1 are connected to the electrode S (9).

表面が平坦なSOI層の中央部にはPN接合を含むリブ14が設けられている。リブ14はコア(その一部)として機能する。リブ14及びSOI層12はシリコンとは異なる材料からなる第2クラッド(上側クラッド)13で覆われている。第2クラッド13は、例えば酸化シリコン(SiO)、あるいはSiOCH、SiONのような材料を用いることもできる。 A rib 14 including a PN junction is provided at the center of the SOI layer having a flat surface. The rib 14 functions as a core (a part thereof). The ribs 14 and the SOI layer 12 are covered with a second clad (upper clad) 13 made of a material different from silicon. The second cladding 13 may be made of a material such as silicon oxide (SiO 2 ), SiOCH, or SiON.

コアを成すSOI層12及びリブ14の屈折率n1と、コアを包含する第1及び第2のクラッドの屈折率n2との関係は、基本的に従来からの光導波路のコアとクラッドに求められる屈折率の関係と同じであって、少なくともn1>n2が成り立つ必要がある。図2の例では、SOI層12のSiの屈折率は約3.5であり、第1及び第2のクラッドの一例である酸化シリコン(SiO)の屈折率は約1.4であり、これらは上記した屈折率の関係n1>n2を満たしている。 The relationship between the refractive index n1 of the SOI layer 12 and the rib 14 forming the core and the refractive index n2 of the first and second claddings including the core is basically required for the core and the cladding of the conventional optical waveguide. It is the same as the relationship of the refractive index, and at least n1> n2 needs to be satisfied. In the example of FIG. 2, the refractive index of Si of the SOI layer 12 is about 3.5, and the refractive index of silicon oxide (SiO 2 ), which is an example of the first and second claddings, is about 1.4. These satisfy the above-described refractive index relationship n1> n2.

図1及び図2で例示される本発明の一実施形態の基本的な変調動作は従来と同様に以下の様になる。シリコン光導波路を用いたMZI型光変調器では、MZ干渉計を成す各アーム5、6を構成するシリコン光導波路12、14中にpn接合が形成されている。そのpn接合と接続するようにコプレーナ型の進行波電極S、Gが配置されている。pn接合に逆バイアス電圧を印加することにより空乏層の幅が変化する。その結果、光導波路内のキャリア密度が変化して、電気光学効果(屈折率変化)により伝搬する光の位相を変化させることができる。   The basic modulation operation of one embodiment of the present invention illustrated in FIGS. 1 and 2 is as follows as in the conventional case. In an MZI type optical modulator using a silicon optical waveguide, a pn junction is formed in the silicon optical waveguides 12 and 14 constituting the arms 5 and 6 constituting the MZ interferometer. Coplanar traveling wave electrodes S and G are arranged so as to be connected to the pn junction. By applying a reverse bias voltage to the pn junction, the width of the depletion layer changes. As a result, the carrier density in the optical waveguide changes, and the phase of light propagating due to the electro-optic effect (refractive index change) can be changed.

このような光の位相シフトを与える部分を位相シフタとも呼ぶ。この原理を用いてMZ干渉計を構築し、その片アーム、あるいは両方のアームの進行波電極に高周波電気信号を入力すると、光分岐器2で分岐した入力ポート1からのCW入力光の位相が変化し、MZ干渉計出口側の光結合器3における両アームからの光の干渉条件が変化して、出力ポート4からの出力光に振幅変調や位相変調を与えることができる。   Such a portion that gives a phase shift of light is also called a phase shifter. When an MZ interferometer is constructed using this principle and a high frequency electric signal is input to the traveling wave electrode of one arm or both arms, the phase of the CW input light from the input port 1 branched by the optical splitter 2 is As a result, the interference condition of light from both arms in the optical coupler 3 on the exit side of the MZ interferometer changes, and amplitude modulation and phase modulation can be applied to the output light from the output port 4.

図3は、本発明の一実施形態の光変調器の位相変調部の構成を示す回路図である。進行波電極を構成する1組の電極S(7)及びグランドG(8)に回路10、11が接続されている。破線で囲まれたブロック103は、光導波路を図2で例示されるようなシリコン光導波路で形成した場合の等価回路である。等価回路103のダイオードDはPN接合での整流性を示し、抵抗rは電極S(7)の抵抗を示している。回路10は、高周波信号源RFと第1の直流のバイアス電圧源Vbias1とに接続する第1のバイアスティー回路101を含む。回路11は、高周波終端抵抗Rと第2の直流のバイアス電圧源Vbias2とに接続する第2のバイアスティー回路102を含む。2つのバイアスティー回路101、102は、いずれも例えば従来からあるコンデンサC1、C2とインダクタL1、L2を含む構成からなる。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of the phase modulation unit of the optical modulator according to the embodiment of the present invention. Circuits 10 and 11 are connected to a set of electrodes S (7) and a ground G (8) constituting a traveling wave electrode. A block 103 surrounded by a broken line is an equivalent circuit when the optical waveguide is formed of a silicon optical waveguide as illustrated in FIG. The diode D of the equivalent circuit 103 shows rectification at the PN junction, and the resistance r shows the resistance of the electrode S (7). The circuit 10 includes a first bias tee circuit 101 connected to a high-frequency signal source RF and a first DC bias voltage source V bias1 . The circuit 11 includes a second bias tee circuit 102 connected to the high-frequency termination resistor R and the second DC bias voltage source V bias2 . Each of the two bias tee circuits 101 and 102 has a configuration including, for example, conventional capacitors C1 and C2 and inductors L1 and L2.

第1のバイアスティー回路101のコンデンサC1は、直流をカットし高周波信号源RFからの高周波信号のみを電極S(7)に印加する。インダクタL1は、高周波信号をカットし第1の直流のバイアス電圧源Vbias1からの直流電圧のみを電極S(7)に印加する。第2のバイアスティー回路102のコンデンサC2は、直流をカットし電極S(7)からの高周波信号のみを終端抵抗Rに導く。インダクタL2は、高周波信号をカットし第2の直流のバイアス電圧源Vbias2からの直流電圧のみを電極S(7)に印加する。図3の構成において、電極S(7)の一端(入力側)のみならず他端(出力側)にもバイアスティー回路を設けるところが本発明の一つの特徴である。 The capacitor C1 of the first bias tee circuit 101 cuts the direct current and applies only the high frequency signal from the high frequency signal source RF to the electrode S (7). The inductor L1 cuts the high-frequency signal and applies only the DC voltage from the first DC bias voltage source V bias1 to the electrode S (7). The capacitor C2 of the second bias tee circuit 102 cuts the direct current and guides only the high-frequency signal from the electrode S (7) to the terminating resistor R. The inductor L2 cuts the high-frequency signal and applies only the DC voltage from the second DC bias voltage source V bias2 to the electrode S (7). In the configuration of FIG. 3, it is one feature of the present invention that a bias tee circuit is provided not only at one end (input side) but also at the other end (output side) of the electrode S (7).

次に、図4を参照しながら本発明の一実施形態の光変調器の動作点の制御、より具体的にはMZ干渉計の初期動作点の制御について説明する。光変調器の基本的な変調動作は上述した通りであるが、その変調に際して予め変調の動作点(MZ干渉の交差点)を調整しておく必要がある。それは、製造上両アーム(シリコン光導波路)の寸法や組成に微妙なバラツキが生じてしまうので、そのバラツキ分の影響を吸収し位相変調出力(効率)の最適化を図る必要があるからである。   Next, control of the operating point of the optical modulator according to one embodiment of the present invention, more specifically control of the initial operating point of the MZ interferometer, will be described with reference to FIG. Although the basic modulation operation of the optical modulator is as described above, it is necessary to adjust the modulation operation point (crossing point of MZ interference) in advance for the modulation. The reason for this is that, due to manufacturing, there are subtle variations in the dimensions and composition of both arms (silicon optical waveguides), so it is necessary to optimize the phase modulation output (efficiency) by absorbing the effects of these variations. .

図4は、本発明の一実施形態の光変調器の動作点制御の例を示す図である。図4の(a)は本発明の例であり、参考として(b)に従来のヒーターを用いた例を示す。いずれの場合もシリコン光変調器であり、位相変調部の長さは約2mmの場合の例である。グラフ(a)の横軸のバイアス差(Vbias2-Vbias1)は、図3の回路11の第2の直流のバイアス電圧源Vbias2によって供給される直流のバイアス電圧Vbias2と、回路10の第1の直流のバイアス電圧源Vbias1によって供給される直流のバイアス電圧Vbias1との差分(ΔV)を意味する。グラフ(b)の横軸はアーム加熱のためのヒーター(抵抗)に供給する電圧(V)を意味する。両グラフの縦軸は、光変調器の光結合器(出力ポート)から出る変調光出力(dBm)を意味する。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of operating point control of the optical modulator according to the embodiment of the present invention. FIG. 4A shows an example of the present invention. For reference, FIG. 4B shows an example using a conventional heater. In either case, a silicon optical modulator is used, and the length of the phase modulator is about 2 mm. Bias difference of the horizontal axis of the graph (a) (V bias2 -V bias1 ) includes a second DC bias voltage source V bias2 DC bias voltage V bias2 supplied by the circuit 11 of FIG. 3, the circuit 10 It means the difference (ΔV) from the DC bias voltage V bias1 supplied by the first DC bias voltage source V bias1 . The horizontal axis of the graph (b) means the voltage (V) supplied to the heater (resistance) for heating the arm. The vertical axis of both graphs means the modulated light output (dBm) output from the optical coupler (output port) of the optical modulator.

図4(a)の本発明の場合において、バイアス差が約0.6V程度で得られるクロスポートCP1としての光出力と、バーポートBP1としての光出力との交差点Aを光変調器の動作点として選択することができる。この動作点Aは、(b)の従来のヒーターを用いた場合のクロスポートCP2の光出力とバーポートBP2の光出力の交差点A´を光変調器の動作点として選択する場合と比べて、ほぼ同様な大きさの光出力での動作点を得る事ができる。本発明を用いれば、従来技術のような個別ヒーターなしでヒーターを用いた場合と同様な光変調器の動作点(MZ干渉計の初期動作点)の調整が可能となる。また、位相差πを与える電位差は1V以下となり、従来技術よりも低く、制御回路の構成が簡易になる。   In the case of the present invention shown in FIG. 4 (a), the intersection A between the optical output as the cross port CP1 obtained at a bias difference of about 0.6 V and the optical output as the bar port BP1 is defined as the operating point of the optical modulator. Can be selected. This operating point A is compared with the case where the intersection A ′ of the optical output of the cross port CP2 and the optical output of the bar port BP2 when the conventional heater of (b) is used is selected as the operating point of the optical modulator. It is possible to obtain an operating point with a light output of almost the same size. By using the present invention, it is possible to adjust the operating point of the optical modulator (the initial operating point of the MZ interferometer) as in the case of using a heater without an individual heater as in the prior art. Further, the potential difference that gives the phase difference π is 1 V or less, which is lower than that of the prior art, and the configuration of the control circuit is simplified.

進行波電極の電極Sの入力側と出力側にバイアス差があると、すなわち、異なる直流バイアス電圧(Vbias1<Vbias2)を与えると、電極Sに直流電流を流すことができる。その場合、電極Sは大きな(L/S)比で決まる有限な電気抵抗を持っているため、一種のヒーターとして機能させることができ、これにより光変調器の動作点を調整することができる。このように、本発明を用いれば、光変調器の動作点調整用の個別ヒーターが不要となり、その製造コスト、および製造期間、開発期間を減らすことができる。また、ヒーターが不要なので光変調器の小型化が可能である。 If there is a bias difference on the output side and the input side electrode S of the traveling wave electrode, i.e., given a different DC bias voltage (V bias1 <V bias2), can be a DC current to the electrodes S. In that case, since the electrode S has a finite electric resistance determined by a large (L / S) ratio, it can function as a kind of heater, and thereby the operating point of the optical modulator can be adjusted. Thus, if the present invention is used, an individual heater for adjusting the operating point of the optical modulator becomes unnecessary, and the manufacturing cost, the manufacturing period, and the development period can be reduced. Further, since a heater is not required, the optical modulator can be miniaturized.

次に、図5と図6を参照しながら本発明の一実施形態の光変調器の光伝搬方向での変調効率の調整(向上)について説明する。図5は、本発明の一実施形態の光変調器の位相変調部の長さ方向(光伝搬方向)での変調効率を説明するための図である。図6は、比較のために示した、従来の光変調器の長さ方向(光伝搬方向)での変調効率を説明するための図である。図5(a)は特に何も対策をしないと進行波電極の電極Sに印加される高周波信号の大きさ(RF電圧)が、位相変調部の光導波路の長さL(μm)に沿って減衰してしまう様子を示す。図6(a)も同様である。図5(b)は、進行波電極の電極Sの入力側と出力側に異なる直流バイアス電圧(Vbias1<Vbias2)を与えることにより、光変調器の長さ方向(光伝搬方向)に沿って直流バイアス電圧(V)を徐々に大きくすることを示す。 Next, adjustment (improvement) of modulation efficiency in the light propagation direction of the optical modulator according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a diagram for explaining the modulation efficiency in the length direction (light propagation direction) of the phase modulation unit of the optical modulator according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram for explaining the modulation efficiency in the length direction (light propagation direction) of a conventional optical modulator, shown for comparison. FIG. 5 (a) shows that the magnitude (RF voltage) of the high frequency signal applied to the electrode S of the traveling wave electrode is along the length L (μm) of the optical waveguide of the phase modulation section unless any countermeasure is taken. It shows how it decays. The same applies to FIG. FIG. 5 (b), by providing the input and output sides in different DC bias voltages of electrodes S of the traveling-wave electrodes (V bias1 <V bias2), along the length of the optical modulator (the light propagation direction) The DC bias voltage (V) is gradually increased.

この場合、図示はしていないが、位相変調効率もそのバイアス電圧の増加に伴って上昇する。その結果、電極Sの入力側と出力側に適切な直流バイアス電圧差を与えることにより、図5(c)に示すように、位相変調効率(radian/V・μm)を光導波路の長さL(μm)に沿って高めることができる。総光変調量(光位相シフト量)は図5(d)に示すように、位相変調部の光導波路の長さL(μm)での高周波信号の大きさ(RF電圧(V))と位相変調効率(radian/V・μm)の乗積の積分値(面積1)として得ることができる。位相変調部の光導波路の長さL(μm)での総光変調量の向上を図ることができる。すなわち、変調効率(変調光出力振幅)の改善を図ることができる。   In this case, although not shown, the phase modulation efficiency also increases as the bias voltage increases. As a result, by giving an appropriate DC bias voltage difference between the input side and the output side of the electrode S, as shown in FIG. 5C, the phase modulation efficiency (radian / V · μm) is reduced to the length L of the optical waveguide. (μm) can be increased. As shown in FIG. 5D, the total optical modulation amount (optical phase shift amount) is the magnitude (RF voltage (V)) and phase of the high-frequency signal at the length L (μm) of the optical waveguide of the phase modulation unit. It can be obtained as the integral value (area 1) of the product of the modulation efficiency (radian / V · μm). It is possible to improve the total light modulation amount at the length L (μm) of the optical waveguide of the phase modulation unit. That is, the modulation efficiency (modulated light output amplitude) can be improved.

一方、図6の従来の光変調器では、(b)に示すように進行波電極の電極Sの入力側と出力側に一定(同一)の直流バイアスを与えている。その結果、図6(c)に示すように、位相変調効率(radian/V・μm)は光導波路の長さL(μm)に沿って一定のままとなる。この場合の総光変調量(光位相シフト量)は、図6(d)の面積2に示すように、光導波路の長さL(μm)に沿って減少してしまう。すなわち、従来の光変調器では位相変調部の長さ方向(光伝搬方向)での変調効率(変調光出力振幅)の減少を防ぐことができない。   On the other hand, in the conventional optical modulator of FIG. 6, a constant (same) DC bias is applied to the input side and output side of the traveling wave electrode S as shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 6C, the phase modulation efficiency (radian / V · μm) remains constant along the length L (μm) of the optical waveguide. In this case, the total light modulation amount (optical phase shift amount) decreases along the length L (μm) of the optical waveguide, as indicated by area 2 in FIG. That is, the conventional optical modulator cannot prevent a decrease in modulation efficiency (modulated light output amplitude) in the length direction (light propagation direction) of the phase modulator.

図7は、本発明の一実施形態の光変調器の制御フローを示す図である。図7の制御フローは、例えば上述した図1〜図3の構成を備えるMZI型光変調器において実行することができる。ステップS1において、直流バイアス電圧の設定をする。具体的には、上述した光変調器の動作点の制御及び光伝搬方向での変調効率の向上のために進行波電極の電極Sの入力側と出力側に印加する2つの直流バイアス電圧(第1及び第2)を設定する。   FIG. 7 is a diagram showing a control flow of the optical modulator according to the embodiment of the present invention. The control flow in FIG. 7 can be executed, for example, in an MZI type optical modulator having the configuration in FIGS. In step S1, a DC bias voltage is set. Specifically, in order to control the operating point of the above-described optical modulator and improve the modulation efficiency in the light propagation direction, two DC bias voltages (first voltages applied to the input side and the output side of the electrode S of the traveling wave electrode) Set 1 and 2).

より具体的には、例えば図4(a)の直流バイアス電圧差と光出力の関係を予め位相変調部の条件(材質、長さ、PN接合部のドーピング濃度など)に対応したデータとして得て、コンピュータのメモリに保管しておく。コンピュータを用いて自動的に図4(a)のグラフから光変調器の動作点Aの直流バイアス電圧差および対応する2つの直流バイアス電圧(第1及び第2)が選択されるようにする。その際に、電極Sの出力側の直流バイアス電圧(第2)の大きさは、図5(c)の位相変調効率のデータをも用いて(参照して)を決めることができる。すなわち、第2直流バイアス電圧は、光変調器の動作点Aの最適化と総光変調量の向上の双方ができるだけ同時に図れるように設定される。   More specifically, for example, the relationship between the DC bias voltage difference and the optical output in FIG. 4A is obtained in advance as data corresponding to the conditions of the phase modulation unit (material, length, doping concentration of the PN junction, etc.). Keep it in the computer's memory. Using a computer, the DC bias voltage difference at the operating point A of the optical modulator and the corresponding two DC bias voltages (first and second) are automatically selected from the graph of FIG. At this time, the magnitude of the DC bias voltage (second) on the output side of the electrode S can be determined using (referring to) the phase modulation efficiency data of FIG. That is, the second DC bias voltage is set so that both optimization of the operating point A of the optical modulator and improvement of the total optical modulation amount can be achieved simultaneously.

ステップS2において、進行波電極の電極Sの入力側にステップS1で設定した第1直流バイアス電圧を印加する。この第1直流バイアス電圧は、上述したように例えば図3の第1の直流のバイアス電圧源Vbias1によって供給することができる。ステップS3において、進行波電極の電極Sに高周波信号を印加する。この高周波信号は、上述したように例えば図3の高周波信号源RFによって供給することができる。ステップS4において、進行波電極の電極Sの出力側にステップS1で設定した第2直流バイアス電圧を印加する。 In step S2, the first DC bias voltage set in step S1 is applied to the input side of the traveling wave electrode S. As described above, the first DC bias voltage can be supplied by, for example, the first DC bias voltage source V bias1 shown in FIG. In step S3, a high frequency signal is applied to the electrode S of the traveling wave electrode. As described above, this high-frequency signal can be supplied by, for example, the high-frequency signal source RF shown in FIG. In step S4, the second DC bias voltage set in step S1 is applied to the output side of the traveling wave electrode S.

この第2直流バイアス電圧は、上述したように例えば図3の第2の直流バイアス電圧源Vbias2によって供給することができる。なお、図7において、ステップ3とステップ4を入れ替えて、ステップS3の高周波信号の印加の前にステップS4の第2直流バイアス電圧の印加を行ってもよい。あるいは、ステップS2において、最初に高周波信号の印加を行い、その後に(時系列的に連続して)第1直流バイアス電圧の印加と第2直流バイアス電圧の印加を行ってもよい。 As described above, the second DC bias voltage can be supplied by, for example, the second DC bias voltage source V bias2 of FIG. In FIG. 7, step 3 and step 4 may be interchanged, and the application of the second DC bias voltage in step S4 may be performed before the application of the high-frequency signal in step S3. Alternatively, in step S2, a high-frequency signal may be applied first, and then the first DC bias voltage and the second DC bias voltage may be applied (continuously in time series).

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。   Embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments. Furthermore, the present invention can be implemented in variously modified, modified, and modified forms based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.

本発明の光変調器は、光トランシーバー装置などの光通信用装置において使用される光変調器として、光回路、光集積回路等の一部として利用することができる。   The optical modulator of the present invention can be used as a part of an optical circuit, an optical integrated circuit, or the like as an optical modulator used in an optical communication device such as an optical transceiver device.

1:入力ポート
2:光分岐器
3:光結合器
4:出力ポート
5、6:光導波路(アーム)
7、8、9:進行波電極
10:高周波(RF)入力と直流(DC)バイアス1を印加する回路
11:直流(DC)バイアス2の印加及び終端する回路
12:シリコン層(SOI層)
13:第2クラッド(上側クラッド)
14:リブ
100:光変調器
101:第1のバイアスティー回路
102:第2のバイアスティー回路
103:光導波路の等価回路

1: Input port 2: Optical splitter 3: Optical coupler 4: Output port 5, 6: Optical waveguide (arm)
7, 8, 9: Traveling wave electrode 10: Circuit for applying radio frequency (RF) input and direct current (DC) bias 1 11: Circuit for applying and terminating direct current (DC) bias 2 12: Silicon layer (SOI layer)
13: Second cladding (upper cladding)
14: rib 100: optical modulator 101: first bias tee circuit 102: second bias tee circuit 103: equivalent circuit of an optical waveguide

Claims (9)

光分岐器と光結合器の間に並行して延びる2つの光導波路の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、
前記位相変調部は、前記光導波路に沿って設けられた進行波電極を含み、前記進行波電極の一端は、第1バイアスティー回路を介して高周波信号源に接続し、前記進行波電極の他端は、第2バイアスティー回路を介して高周波終端抵抗に接続する、光変調器。
A phase modulation section provided in at least one of two optical waveguides extending in parallel between the optical splitter and the optical coupler;
The phase modulation unit includes a traveling wave electrode provided along the optical waveguide, and one end of the traveling wave electrode is connected to a high-frequency signal source via a first bias tee circuit. The end is an optical modulator that is connected to a high-frequency termination resistor via a second bias tee circuit.
前記第1バイアスティー回路は第1直流電圧源に接続し、前記第2バイアスティー回路は第2直流電圧源に接続する、請求項1に記載の光変調器。   2. The optical modulator according to claim 1, wherein the first bias tee circuit is connected to a first DC voltage source, and the second bias tee circuit is connected to a second DC voltage source. 前記第1バイアスティー回路は、前記進行波電極の一端に第1バイアス電圧を印加し、前記第2バイアスティー回路は、前記進行波電極の他端に第1バイアス電圧より大きな第2バイアス電圧を印加する、請求項1または2に記載の光変調器。   The first bias tee circuit applies a first bias voltage to one end of the traveling wave electrode, and the second bias tee circuit applies a second bias voltage larger than the first bias voltage to the other end of the traveling wave electrode. The optical modulator according to claim 1, wherein the optical modulator is applied. 前記進行波電極は、前記光導波路の両側に位置する一組の信号電極と接地電極とを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光変調器。   The optical modulator according to claim 1, wherein the traveling wave electrode includes a pair of signal electrodes and a ground electrode located on both sides of the optical waveguide. 前記光変調器は、マッハツェンダ(MZ)型光変調器を構成する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光変調器。   The optical modulator according to claim 1, wherein the optical modulator constitutes a Mach-Zehnder (MZ) type optical modulator. 前記光導波路は、PN接合を含むシリコンリブ型光導波路を含む、請求項5に記載の光変調器。   The optical modulator according to claim 5, wherein the optical waveguide includes a silicon rib optical waveguide including a PN junction. 光変調器の制御方法であって、
前記光変調器は、光分岐器と光結合器の間に並行して延びる2つの光導波路の少なくとも一方に設けられた位相変調部を含み、前記位相変調部は、前記光導波路に沿って設けられた進行波電極を含み、
前記進行波電極の一端に第1直流バイアス電圧を印加するステップと、
前記進行波電極の一端に変調用の高周波信号を印加するステップと、
前記進行波電極の他端に第1バイアス電圧より大きな第2直流バイアス電圧を印加するステップと、を含む制御方法。
An optical modulator control method comprising:
The optical modulator includes a phase modulation unit provided in at least one of two optical waveguides extending in parallel between the optical splitter and the optical coupler, and the phase modulation unit is provided along the optical waveguide Traveling wave electrodes,
Applying a first DC bias voltage to one end of the traveling wave electrode;
Applying a high frequency signal for modulation to one end of the traveling wave electrode;
Applying a second DC bias voltage larger than the first bias voltage to the other end of the traveling wave electrode.
前記光変調器の動作点は、前記第1直流バイアス電圧と前記第2直流バイアス電圧の差分によって設定される、請求項7に記載の制御方法。   The control method according to claim 7, wherein an operating point of the optical modulator is set by a difference between the first DC bias voltage and the second DC bias voltage. 前記第2直流バイアス電圧は、前記光変調器の光伝搬方向での変調効率が向上するように設定される、請求項7または8に記載の制御方法。   9. The control method according to claim 7, wherein the second DC bias voltage is set so that modulation efficiency in the light propagation direction of the optical modulator is improved.
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CN119960212A (en) * 2025-03-12 2025-05-09 合肥国家实验室 Carrier modulator driving method, driving circuit and carrier modulator

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