JP2015191069A - 光変調用素子および光変調器 - Google Patents
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Abstract
Description
なお一般に、出力される光の消光比を最大とするために、出力光の強度が最大になる電圧と出力光の強度が最小になる電圧の、中間の電圧を印加した時の出力光強度を動作点として設定する。すなわち、いずれか一方のアームに、光の位相差が半波長分だけずれる電圧を印加した状態を初期状態とし、その時の光強度を基準(動作点)とする。
この位相差を生み出す電圧は、光変調用素子の電極パットに駆動電源からの電圧が加えられることで生じる。このとき電極パットと駆動電源との接続は、電極パットが設けられた駆動回路基板を介して行われ、駆動回路基板の電極パットと光変調用素子の電極パットとが接合される。
例えば、特許文献1に記載のシリコンベース電気光学変調器は、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層との間に、誘電体層を挟んでいる。そのため、PINダイオード構造となり、応答速度を向上させ小型化を実現させている。
また特許文献2に記載の光変調器は、電極パッドを分割することで低電圧駆動の光変調器を実現している。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
本発明の光変調用素子100は、千鳥配置された複数の電極パット10と、電極パット10を避けるように折り曲げられ、かつ各電極パット10から入力される駆動電圧によって、複数の部分で光位相変調する2つのアーム20と、2つのアーム20が光の入力側で分岐する光分岐構造30と、2つのアームが光の出力側で結合する光結合構造40とを備える。
また2つのアーム20は、シリコンベース電気光学素子からなり、基板上に、基板と反対側に矩形に突出するリブ導波路構造1aを有する第1導電型半導体層1と、リブ導波路構造1aの上に積層された誘電体層2と、誘電体層2上に積層された第2導電型半導体層3とを有する。第1導電型半導体層1は、第1導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第1コンタクト部4を介して、第1電極配線5に接続される。また、第2導電型半導体層3は、第2導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第2コンタクト部6を介して、第2電極配線7に接続される。さらに、第1コンタクト部4は、第1導電型半導体層1のスラブ部1cに対して矩形に突出している。なお、スラブ部1cは、第1導電型半導体層1の突出していない部分を意味する。
電極パット10に接続された駆動電源からの電圧は、シリコンベース電気光学素子において第1電極配線5及び第2電極配線7を介して印加される。この印加された電圧により、第1導電型半導体層1と第2導電型半導体層3の界面において、キャリアが注入または空乏化することで光の導波部の屈折率が変化する。ここで、光の導波部は、第1導電型半導体層1(主にリブ導波路構造1a)、誘電体層2、第2導電型半導体層3である。
図1に示すように、本発明の光変調用素子100は、千鳥配置された複数の電極パット10と、電極パット10を避けるように折り曲げられ、かつ各電極パット10から入力される駆動電圧によって、複数の部分で光位相変調する2つのアーム20と、2つのアーム20が光の入力側で分岐する光分岐構造30と、2つのアームが光の出力側で結合する光結合構造40とを備える。また光変調用素子100は、出力信号を2つに分岐し、一方を出力し、もう一方をモニター用のフォトダイオード101で検出し、動作時の動作点のずれ等を測定してもよい。さらに、2つのアームには、動作点のずれを補正するための光変調部21を有していてもよい。図1では、光変調用素子100は基板上に複数配列され、それぞれが125μm〜250μmの幅で並べられ、高密度に集積されている。
例えば、図3(a)に示すように、複数の電極パットが並列に配置されていると、第1の光変調用素子Aと、第2の光変調用素子Bの間隔は、駆動回路と接合する際の精度の関係上dだけ離す必要がある。この場合、第1の光変調用素子Aと第2の光変調用素子Bの間には、距離dだけ無駄な空間が生じる。
一方、図3(b)に示すように、複数の電極パットを千鳥配置にすると、この距離dは斜めに設定することができる。すなわち、第1の光変調用素子Aと第2の光変調用素子Bの間隔は距離dより短くすることができ、無駄な空間を削減することができる。すなわち、千鳥配置にすることで、基板上に隣接する光変調用素子10同士を高い密度で集積化することができる。
一方、図3(b)に示すように、電極パット10を千鳥配置にすると、電極パット10間の最短距離aは斜め方向となる。そのため、1つの電極パットの端面へ最も隣接する電極パットの端面から引いた垂線の長さはbとなる。例えば、図3(b)で示すように、5つの電極パットが千鳥配置されている場合に、電極パットの幅をwとすると、光変調用素子の全長は5w+4bとなる。図3(a)の並列配置と、図3(b)の千鳥配置とを比較すると、aはbよりも長いことは明らかであるため、電極パットを千鳥配置にすることで、光変調用素子の全長を短くすることができる。すなわち、基板上に高い密度で集積化することができる。
また、2つのアーム20は特定のシリコンベース電気光学素子からなることが好ましい。以下に、このシリコンベース電気光学素子について説明する。
なお、図2では、電気光学素子を構成する基板9として、シリコン基板9a上に酸化膜9bが積層されたSOI(シリコン・オン・インシュレーター)基板を用いる例を示しているが、基板はシリコンベースのものであればよい。
ここで、屈折率が変化する領域は、キャリア密度が変化する領域であり、第1導電型半導体層1及び第2導電型半導体層3のうち、誘電体層2との接合界面付近となる。
ここで、高濃度でドーピングした領域とは、図1の第1コンタクト部4および第2コンタクト部6であり、この領域に光が伝播するとドーパントによる光吸収が生じてしまう。リブ導波路構造1aをもたせることにより、高濃度でドーピングした領域での光吸収による損失を低減することができる。
そのため、リブ導波路構造1aの基板9からの高さはW以上であることが好ましい。リブ導波路構造1aの高さがW以上であれば、キャリア密度が変化する領域をリブ導波路構造1a内とすることができ、光導波部との重なりを高くすることができる。
図4は、シリコンベース電気光学素子の一例を平面視した模式図を示す。図4に示すように、基板上に第1コンタクト部4は、光の導波方向に対して連続に形成されている。一方、第2導電型半導体層3は分割されている。第1導電型半導体層1と第2導電型半導体層3の界面で光変調は生じるため、第2導電型半導体層3を分割することで、光変調が生じる部分を分割することができる。そのため、シリコンベース電気光学素子を駆動するための電圧を分割することができ、光変調用素子の駆動電圧を低減することができる。
これに対し、第1コンタクト部4は連続しているため、光変調する部分が分割された光変調用素子においても、バイアス電圧を共通化することができる。そのため、集積化された光変調用素子でも、制御端子の増加を防ぐことができる。
また、第1導電型半導体層は、光の導波する部分を確保するために連続して形成しているが、第1のコンタクト部4を分割している。これに伴い、第1コンタクト部4を介して接続される第1電極配線5も分割されるため、各部分を電気的に分離することができる。そのため、光変調用素子内での性能バラツキの補正や出力波形の整形が可能となる。
図6は、隣接する2つのアームが第1電極配線5および第1コンタクト層4を共有するように接続したシリコンベース電気光学素子の断面図である。シリコンの光学屈折率の熱光学係数は、1.8×10−5/℃であり、酸化膜クラッド層などに使用されているシリコン酸化膜と比較して1桁程度大きい。そのため、2つのアーム間で環境温度差があると、光位相差が生じる。この環境温度差による位相変化は、ノイズとなるため抑制する必要がある。
これに対し、図5で示すシリコンベース電気光学素子は基板が繋がっているため、各アームが熱的に互いに繋がることで、環境温度差を抑制することが可能とする。そのため、2つのアーム間における環境温度変化による動作点のずれや、光位相誤差を非常に小さくすることができる。また第1電極配線及び第1コンタクト層を共有しているため、光変調用素子をより小型化することができる。
図7に示したシリコンベース電気光学素子20の製造方法について、図7(a)〜(g)を用いて説明する。まず、図7(a)に示すように、厚さが100〜1000nm程度の埋め込み酸化膜9bが内部に形成された基板9を準備する。基板9は、SOI基板であり、少なくとも埋め込み酸化膜9bより積層面に近い側の部分が、p型、n型のいずれかの導電型を有しているものとする。基板9は、一般の方法で作製してもよく、市販品を購入してもよい。
図8は、本発明の一実施形態に係る光変調器を模式的に示した図である。本発明の光変調器1000は、前述の光変調用素子100の電極パット10に接合された駆動回路200と、駆動回路200に接続された駆動電源300とを備える。光変調用素子100の電極パット10は、駆動回路200の電極パット210と接合されている。これらの電極パットは、フリップチップボンディングによって接合されることが好ましい。
信号遅延部220を有することで、光変調用素子に入力された光の速度と、駆動電源から印加される電気信号の速度の整合をとることができる。すなわち、光変調器の出力波形に生じる時間軸のずれや揺らぎであるジッタを抑制することができる。
前述の遅延回路およびクロック信号は、駆動回路側で電気信号を調整することで、電気信号の速度と光信号の速度の整合性を得ていた。これに対し、光変調用素子側で整合性を得ることもできる。すなわち上述のように、光変調用素子内を導波する光の速度や導波距離を変化させることで、駆動回路からの電気信号が印加されるタイミングとの整合をとることができる。具体的には、光変調用素子内の光導波部の太さを太くすると、導波する光の速度を早くすることができる。また逆に細くすると、導波する光の速度を遅くすることができる。また各光変調部間のアームの長さを長くすれば、導波する光が隣接する光変調部まで到達する時間を長くすることができる。一方、短くすれば到達時間を早くすることができる。すなわち、複数の電極パットにより光位相変調される光変調部間のアームの長さや太さ等を調整することにより、駆動回路からの電気信号の速度と、光変調用素子内を導波する光の速度が整合するように調整することができる。これらの整合性をとることができると、光変調器の出力波形に生じる時間軸のずれや揺らぎであるジッタを抑制することができる。
Claims (9)
- 千鳥配置された複数の電極パットと、
前記電極パットを避けるように折り曲げられ、かつ各電極パットから入力される駆動電圧によって複数の部分で光位相変調する2つのアームと、
前記2つのアームが光の入力側で分岐する光分岐構造と、
前記2つのアームが光の出力側で結合する光結合構造とを備えることを特徴とする光変調用素子。 - 前記2つのアームが、シリコンベース電気光学素子からなり、
前記シリコンベース電気光学素子が、
基板上に、前記基板と反対側に矩形に突出するリブ導波路構造を有する第1導電型半導体層と、前記リブ導波路構造の上に積層された誘電体層と、前記誘電体層上に積層された第2導電型半導体層とを有し、
前記第1導電型半導体層は、第1導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第1コンタクト部を介して、第1電極配線に接続され、
前記第2導電型半導体層は、第2導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第2コンタクト部を介して、第2電極配線に接続されており、
さらに前記第1コンタクト部は、前記第1導電型半導体層のスラブ部に対して矩形に突出していることを特徴とする請求項1に記載の光変調用素子。 - 前記第1コンタクト部が、光の導波方向に対して連続して形成され、
前記第2導電型半導体層が、光の導波方向に対して分割されていることを特徴とする請求項2に記載の光変調用素子。 - 前記第1コンタクト部および前記第2導電型半導体層が、光の導波方向に対して分割されていることを特徴とする請求項2に記載の光変調用素子。
- 前記2つのアームが隣接しており、
前記2つのアームそれぞれを構成するシリコンベース電気光学素子が、同一基板上に形成され、
かつ隣接面側の第1電極及び第1コンタクト層を共有していることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の光変調用素子。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の光変調用素子と、前記光変調用素子の電極パッドに接合された駆動回路と、前記駆動回路に接続された駆動電源とを備える光変調器。
- 前記駆動回路が信号遅延部を有することを特徴とする請求項6に記載の光変調器。
- 前記駆動回路にクロック信号源が接続され、前記信号遅延部にクロック信号が加えられていることを特徴とする請求項7に記載の光変調器。
- 前記複数の電極パットにより光位相変調される光変調部間のアームを、
駆動回路からの電気信号の速度と、光変調用素子内を導波する光の速度が整合するように調整することを特徴とする請求項6〜8に記載の光変調器。
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