JP2012078759A

JP2012078759A - 光変調器

Info

Publication number: JP2012078759A
Application number: JP2010226707A
Authority: JP
Inventors: Eitaro Ishimura; 栄太郎石村; Kazuhisa Takagi; 和久高木; Keisuke Matsumoto; 啓資松本; Takeshi Saito; 健斎藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2012-04-19
Also published as: US20120087614A1; CN102445769A; US8655116B2; CN102445769B

Abstract

【課題】変調帯域を十分に拡大することができる光変調器を得る。
【解決手段】半導体チップ１０内に導波路１２が設けられている。進行波型電極１４の入力部１４ａに、第１のワイヤ１８を介して給電ライン２０が接続されている。進行波型電極１４の出力部１４ｂに、第２のワイヤ２２及び終端ライン２４を介して終端抵抗２６が接続されている。出力部１４ｂと接地点の間の電気容量は、入力部１４ａと接地点の間の電気容量よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速で動作する進行波型光変調器に関し、特に変調帯域を十分に拡大することができる光変調器に関する。

進行波型光変調器では、光がアームを通過するときに、変調信号が重畳されたマイクロ波もアームをほぼ同じ速度で通過する。その際に、マイクロ波の電界がアームに印加されて光が変調される。進行波型光変調器では、集中定数型の光変調器と比べて、導波路の容量に制限されずに変調帯域を拡大することができる。

このように、進行波型光変調器では、導波路をマイクロ波伝送ラインとして使用する。基本モードを伝搬させるためには、コア層の厚みを約０．２ｕｍとし、導波路の幅を約２ｕｍとするのが最適である。しかし、この場合、導波路のインピーダンスが３５Ωと低くなり、チップ外の給電線のインピーダンス（通常５０Ω）と不整合が生じる。その結果、光変調器に入った光が反射又は減衰して変調帯域が狭くなる。

マイクロ波に対するインピーダンスを高くするには、空乏化するコア層を厚くし、導波路の幅を細くする必要がある。しかし、コア層が厚いと、光の伝搬モードが基本モードではなく高次モードになり、消光比が劣化し、動作電圧が上昇して光変調器として働かなくなる。また、ハイメサ導波路の幅が細いと、光が伝搬しなくなり損失が増大する。このように、１つの導波路を光とマイクロ波で兼用するものの、両者にとっての導波路の最適サイズが異なる。

また、一般に用いられているリチウムナイオベイト（ＬｉＮｂＯ_３）を材料とする進行波型マッハツェンダ光変調器では、材料の誘電率が低いために、導波路のインピーダンスを５０Ωにすることができる。また、リチウムナイオベイト変調器において、変調帯域を拡大するために、例えば終端抵抗を小さくして出力インピーダンスを小さくすることや、終端抵抗にスタブを接続することが提案されている（例えば、特許文献１〜６参照）。

特開２００４−１７０９３１号公報特開２００７−０１０９４２号公報ＷＯ２００５／０９６０７７号公報特開平１１−１８３８５８号公報特開平０７−２２１５０９号公報ＷＯ２０１０／００１９８６号公報

半導体を材料とする進行波型マッハツェンダ光変調器では、材料の誘電率が高いために、導波路のインピーダンスが５０Ω以下になる。また、導波路の単位長さ当たりの容量が大きい。従って、終端抵抗を小さくしても、変調帯域を十分に拡大することができなかった。また、終端抵抗にスタブを接続しても、変調帯域を十分に拡大することができなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は変調帯域を十分に拡大することができる光変調器を得るものである。

本発明に係る光変調器は、半導体チップと、前記半導体チップ内に設けられた導波路と、入力部と出力部を有し、前記導波路内を通過する光を変調する進行波型電極と、前記入力部に第１のワイヤを介して接続された給電ラインと、前記出力部に第２のワイヤを介して接続された終端抵抗とを備え、前記出力部と接地点の間の電気容量は、前記入力部と接地点の間の電気容量よりも大きいことを特徴とする。

本発明により、変調帯域を十分に拡大することができる。

実施の形態１に係る光変調器を示す上面図である。図１のＡ−Ａ´に沿った断面図である。比較例１に係る光変調器を示す上面図である。比較例１に係る光変調器の透過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１の実測値を示す図である。比較例１に係る光変調器の透過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１の実測値を示す図である。比較例２に係る光変調器を示す上面図である。比較例２の実効的な出力インピーダンスを示す回路図である。実施の形態１の実効的な出力インピーダンスを示す回路図である。比較例２に係る光変調器の透過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１の実測値を示す図である。実施の形態１に係る光変調器の透過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１の実測値を示す図である。実施の形態２に係る光変調器を示す上面図である。実施の形態３に係る光変調器を示す上面図である。実施の形態４に係る光変調器を示す上面図である。実施の形態５に係る光変調器を示す上面図である。実施の形態５に係る光変調器の変形例を示す上面図である。実施の形態６に係る光変調器を示す上面図である。実施の形態７に係る光変調器を示す上面図である。実施の形態８に係る光変調器を示す上面図である。

本発明の実施の形態に係る光変調器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光変調器を示す上面図である。この光変調器は、半導体を材料とする進行波型マッハツェンダ光変調器である。

半導体チップ１０内に、アーム１２ａ，１２ｂを有する導波路１２が設けられている。半導体チップ１０上のアーム１２ａ側に進行波型電極１４が設けられている。接地されたグランドライン１６が進行波型電極１４の近傍に離間して設けられている。進行波型電極１４及びグランドライン１６は、金メッキ等のメタルからなる。

進行波型電極１４の入力部１４ａに第１のワイヤ１８を介して給電ライン２０が接続されている。進行波型電極１４の出力部１４ｂに第２のワイヤ２２及び終端ライン２４を介して終端抵抗２６が接続されている。給電ライン２０のインピーダンスは５０Ω、終端抵抗２６の抵抗値は２５Ωである。進行波型電極１４は、給電ライン２０から入力された電気信号に応じて進行波電界を発生させ、この電界により導波路１２のアーム１２ａ内を通過する光を変調する。

給電ライン２０の両側にグランドライン２８が設けられ、終端ライン２４の両側にグランドライン３０が設けられている。グランドライン２８はワイヤ３２を介してグランドライン１６の入力側に接続され、グランドライン３０はワイヤ３４を介してグランドライン１６の出力側に接続されている。

出力部１４ｂのボンディングパッドの面積は、入力部１４ａのボンディングパッドの面積より大きい。このため、出力部１４ｂと接地点の間の電気容量は、入力部１４ａと接地点の間の電気容量よりも大きい。なお、アーム１２ｂ側にも同様に進行波型電極、グランドライン、給電ライン、及び終端抵抗等が設けられている。

図２は、図１のＡ−Ａ´に沿った断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板３６上に、コア層３８、ｐ型ＩｎＰ層４０、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰなどのコンタクト層４２が順に積層されている。コンタクト層４２からｎ型ＩｎＰ基板３６の途中までエッチングされてハイメサ導波路が形成されている。

リッジ上のコンタクト層４２に進行波型電極１４が接続されている。進行波型電極１４の両側のｎ型ＩｎＰ基板３６上にグランドライン１６が設けられている。ｎ型ＩｎＰ基板３６の裏面に裏面電極４４がオーミック接続されている。

コア層３８は、アンドープの多重量子井戸であり、ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓなどのｐ型ＩｎＰ層４０より屈折率が高い材料からなる。コア層３８の厚みは０．１ｕｍ〜０．６ｕｍ、ハイメサ導波路の幅は１ｕｍ〜３ｕｍである。

続いて、本実施の形態に係る光変調器の動作について説明する。レーザ光などの入力光４６が導波路１２に入射され、２つの光に分波されてそれぞれ導波路１２の２つのアーム１２ａ，１２ｂを伝播する。その後に２つの光は１つの光に合波されて、出力光４８として出射される。

２つのアーム１２ａ，１２ｂに異なる大きさの電圧を印加すると、両者の屈折率が互いに異なる値となる。この屈折率の差をΔｎとし、２つのアーム１２ａ，１２ｂで電圧がかかる部分の長さをＬとし、アーム中を伝搬する光の波長をλとすると、２つのアーム１２ａ，１２ｂをそれぞれ通過した光の位相に差Δφが発生する。
Δφ＝Δｎ・Ｌ・２π／λ （１）

この光の位相差Δφがｎπ（ｎは０又は偶数）の場合、２つのアーム１２ａ，１２ｂを伝播した光が合波されて強め合う。一方、位相差Δφがｋπ（ｋは奇数）の場合、２つのアーム１２ａ，１２ｂを伝播した光が合波されて打ち消し合う。従って、２つのアーム１２ａ，１２ｂに印加する電圧により、光の強度を変調することができる。また、位相差Δφがｎπの状態と（ｎ＋２）πの状態を往復するように変調電圧を印加すると、光の位相を変調することができる。

続いて、本実施の形態の効果について比較例と比較して説明する。図３は比較例１に係る光変調器を示す上面図である。比較例１では、実施の形態１とは異なり、入力部１４ａと出力部１４ｂの面積が同じである。このため、出力部１４ｂと接地点の間の電気容量は、入力部１４ａと接地点の間の電気容量と同じである。

図４及び図５は、比較例１に係る光変調器の透過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１の実測値を示す図である。図４では終端抵抗を５０Ωとして入出力インピーダンスを対称とし、図５では終端抵抗を２５Ωとした。ハイメサ導波路の幅は１．８ｕｍ、コア層の厚みは０．３５ｕｍであり、導波路１２のインピーダンス（進行波型電極１４のインピーダンス）は約３５Ωである。

ここで、電気の透過帯域が広いほど、電気によって変調される光の変調帯域も広くなる。通常、導波路を伝わるマイクロ波の群速度と光の伝搬速度が一致すると、変調帯域が最大となる。特にマッハツェンダ光変調器のアームの幅が２ｍｍ以下の場合、マイクロ波の群速度と光の伝搬速度にあまり依存せず、電気の透過帯域と光の変調帯域がほぼ一致する。

図４及び図５から分かるように、帯域ｆｃは、終端抵抗が５０Ωの場合は１３ＧＨｚ、終端抵抗が２５Ωの場合は２１ＧＨｚとなる。ここで、入出力インピーダンスが５０Ωの場合、低いインピーダンス３５Ωを持つ導波路１２が電気容量となって帯域が制限される。一方、入力インピーダンスが５０Ω、出力インピーダンスが２５Ωの場合、導波路１２のインピーダンス３５Ωが両者のほぼ中間値となる。従って、インピーダンスが整合しているように振る舞い、変調帯域を拡大することができる。

なお、入出力インピーダンスを３５Ωにすれば、導波路１２のインピーダンスと完全に整合する。しかし、変調ドラバーや給電回路の関係で入力インピーダンスを３５Ωにすることは困難である。また、給電ライン２０のインピーダンス（入力インピーダンス）を３５Ωにすると、電気信号が第１のワイヤ１８のインダクタンスを大きく感じて、給電ライン２０での電気反射が増加する。従って、給電ライン２０のインピーダンスを５０Ωに近い値にする必要がある。

以上より、変調帯域を拡大するために、数式（２）を満たすようにインピーダンスを設定する。
Ｚｉｎ＞Ｚｗｇ＞Ｒｏ（２）
ここで、Ｚｉｎは給電ライン２０のインピーダンス（入力インピーダンス）、Ｚｗｇは導波路１２のインピーダンス、Ｒｏは終端抵抗２６の抵抗値である。

更に数式（３）を満たすようにインピーダンスを設定することが好ましい。
Ｚｗｇ〜（Ｚｉｎ＋Ｒｏ）／２（３）

しかし、第２のワイヤ２２のインダクタンスＬにより、高周波（例えば２０ＧＨｚ）に対する第２のワイヤ２２のインピーダンスｊＬωが上昇し、終端抵抗２６の抵抗値よりも高くなる。従って、比較例１では、終端抵抗２６の抵抗値Ｒｏを小さくしても、この第２のワイヤ２２のインピーダンスｊＬωが出力インピーダンスに加わるため、出力部の電気の反射が増加し、透過特性が劣化し、変調帯域が小さくなってしまう。

図６は比較例２に係る光変調器を示す上面図である。比較例２では、終端ライン２４を大きくしてスタブとして機能させている。図７は比較例２の実効的な出力インピーダンスを示す回路図である。比較例２では、スタブの電気容量Ｃは第２のワイヤ２２に直列に接続されている。このため、第２のワイヤ２２のインピーダンスｊＬωが大きくなると（例えば２５Ω以上）、スタブの電気容量Ｃをいくら大きくしても、実効的な出力インピーダンスＺｏｕｔを小さく（例えば２５Ω以下）することはできない。

図８は実施の形態１の実効的な出力インピーダンスを示す回路図である。本実施の形態では、電気容量Ｃは第２のワイヤ２２に並列に接続されている。このため、電気容量Ｃを大きくするとそのインピーダンス（１／ｊＣω）が下がり、第２のワイヤ２２のインピーダンスｊＬω（例えば２５Ω以上）の上昇を打ち消して、実効的な出力インピーダンスＺｏｕｔを小さく（例えば２５Ω以下）することができる。これにより、出力部１４ｂの電気の反射と透過を改善することができるため、変調帯域を十分に拡大することができる。

図９は、比較例２に係る光変調器の透過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１の実測値を示す図である。図１０は、実施の形態１に係る光変調器の透過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１の実測値を示す図である。明らかに実施の形態１の方が比較例２よりも変調帯域が拡大している。

なお、進行波型電極１４の出力部１４ｂのインピーダンスが小さいほど、第２のワイヤ２２のインピーダンスｊＬωとの差が大きくなり、その影響を受けやすい。従って、数式（４）を満たす時に上記の効果が強くあらわれる。
Ｚ１＞Ｚ２及びＺｗｇ＞Ｚ２（４）
ここで、Ｚ１は進行波型電極１４の入力部１４ａのインピーダンス、Ｚ２は進行波型電極１４の出力部１４ｂのインピーダンスである。

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係る光変調器を示す上面図である。進行波型電極１４の出力部１４ｂの幅は出力端に向かって大きく広がり、出力部１４ｂの面積が入力部１４ａの面積より大きくなっている。このため、出力部１４ｂと接地点の間の電気容量は、入力部１４ａと接地点の間の電気容量よりも大きい。よって、実施の形態１と同様に変調帯域を十分に拡大することができる。

実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係る光変調器を示す上面図である。出力部１４ｂに第１のスタブ５０が接続されている。このため、出力部１４ｂと接地点の間の電気容量は、入力部１４ａと接地点の間の電気容量よりも大きい。よって、実施の形態１と同様に変調帯域を十分に拡大することができる。

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係る光変調器を示す上面図である。進行波型電極１４が実施の形態１のようなＧＳＧ型電極になっていない。出力部１４ｂのボンディングパッドの面積は、入力部１４ａのボンディングパッドの面積の３倍である。これにより、出力部１４ｂと接地点の間の電気容量は、入力部１４ａと接地点の間の電気容量よりも約０．２ｐＦ大きくなる。よって、実施の形態１と同様に変調帯域を十分に拡大することができる。なお、出力部１４ｂを半導体チップ１０のｐｎ接合と接続させて、電気容量を増加させてもよい。

実施の形態５．
図１４は、実施の形態５に係る光変調器を示す上面図である。進行波型電極１４の幅は入力側から出力側に向かうほど広くなる。これにより、伝送路容量が出力側ほど大きくなる。よって、実施の形態１と同様に変調帯域を十分に拡大することができる。

図１５は、実施の形態５に係る光変調器の変形例を示す上面図である。このように進行波型電極１４の幅の変化に合わせて導波路１２の幅が入力側から出力側に向かうほど広くなるようにしてもよい。

実施の形態６．
図１６は、実施の形態６に係る光変調器を示す上面図である。半導体チップ１０上に第１及び第２の絶縁膜５２，５４が設けられている。進行波型電極１４の入力部１４ａは第１の絶縁膜５２上に設けられ、出力部１４ｂは第２の絶縁膜５４上に設けられている。そして、第２の絶縁膜５４は第１の絶縁膜５２より薄く、３分の１程度である。これにより、出力部１４ｂと接地点の間の電気容量は、入力部１４ａと接地点の間の電気容量よりも約０．２ｐＦ大きくなる。よって、実施の形態１と同様に変調帯域を十分に拡大することができる。

実施の形態７．
図１７は、実施の形態７に係る光変調器を示す上面図である。出力部１４ｂとグランドライン１６の間隔は、入力部１４ａとグランドライン１６の間隔よりも小さい。これにより、出力部１４ｂと接地点の間の電気容量は、入力部１４ａと接地点の間の電気容量よりも大きくなる。よって、実施の形態１と同様に変調帯域を十分に拡大することができる。

実施の形態８．
図１８は、実施の形態８に係る光変調器を示す上面図である。導波路１２のインピーダンスが小さいため、進行波型電極１４と給電ライン２０を結ぶ第１のワイヤ１８で電気反射が生じる。そこで、本実施の形態では、給電ライン２０の端に接続された第２のスタブ５６を設けている。第２のスタブ５６が容量として働いて、第１のワイヤ１８のインダクタンス成分を打ち消す。これにより、第１ワイヤ１８での電気反射が軽減される。

なお、上記の実施の形態１〜８では、本発明を進行波型マッハツェンダ光変調器に適用した場合について説明した。これに限らず、本発明は進行波型電界吸収変調器にも適用することができ、同様の効果を得ることができる。

１０半導体チップ
１２導波路
１４進行波型電極
１４ａ入力部
１４ｂ出力部
１６グランドライン
１８第１のワイヤ
２０給電ライン
２２第２のワイヤ
２６終端抵抗
５０第１のスタブ
５２第１の絶縁膜
５４第２の絶縁膜
５６第２のスタブ

Claims

半導体チップと、
前記半導体チップ内に設けられた導波路と、
入力部と出力部を有し、前記導波路内を通過する光を変調する進行波型電極と、
前記入力部に第１のワイヤを介して接続された給電ラインと、
前記出力部に第２のワイヤを介して接続された終端抵抗とを備え、
前記出力部と接地点の間の電気容量は、前記入力部と接地点の間の電気容量よりも大きいことを特徴とする光変調器。
前記出力部の面積は前記入力部の面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記出力部に接続された第１のスタブを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記半導体チップ上に設けられた第１及び第２の絶縁膜を更に備え、
前記入力部は前記第１の絶縁膜上に設けられ、
前記出力部は前記第２の絶縁膜上に設けられ、
前記第２の絶縁膜は前記第１の絶縁膜より薄いことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記半導体チップ上で前記進行波型電極の近傍に離間して設けられ、接地されたグランドラインを更に備え、
前記出力部と前記グランドラインの間隔は、前記入力部と前記グランドラインの間隔よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記終端抵抗の抵抗値は前記給電ラインのインピーダンスより小さいことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光変調器。
前記給電ラインに接続された第２のスタブを更に備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の光変調器。