JP2016014697A - 高周波回路及び光変調器 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板表面に埋設された終端抵抗を備えた高周波回路であって、入力された高周波信号の反射を抑制可能な高周波回路を提供する。【解決手段】高周波回路10は、基板21の表面に埋設された終端抵抗12aと、基板21の表面に形成された信号線であって、当該信号線の終端点の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間を当該信号線の接合区間CJとして、接合区間CJが終端抵抗12aの上面の一部に覆い被さり、接合区間CJの幅方向の少なくとも一部において上記開始位置から上記終了位置までが終端抵抗12aに接続された信号線11aと、を備えている。接合区間CJの上記開始位置における信号線11aの幅WSは、当該開始位置における終端抵抗12aの上面の幅WT以上である。【選択図】図2

Description

本発明は、外部から高周波信号を入力される高周波回路に関する。
クラウドサービス及びビックデータ活用などの普及に伴い、ネットワーク中を伝送される情報の伝送量は、増加する一方である。この伝送量の増大に対応するために、光信号を用いた情報伝送、いわゆる光通信が広く普及している。光信号を用いた情報伝送は、電気信号を用いた情報伝送と比較して、情報伝送の大容量化及び高速化を実現できる。
光通信では、情報を表す電気信号を光に重畳した光信号を用いる。その光信号を生成するために、光通信では光変調器が用いられる。複数のタイプの光変調器が存在するが、外部からのノイズの影響を受けにくい、変調動作における温度安定性が高いなどの利点を有することから、マッハツェンダ(Mach-Zehnder, M−Z)型光変調器が光通信用の光変調器として多く採用されている。
一般的にM−Z型光変調器は、入力側の導波路と、光変調部を含むM−Z型光干渉計と、変調された光を出力する出力側の導波路とを備えている。M−Z型光干渉計は、入力側の導波路から分岐した2つのアーム部を備えており、少なくとも一方のアーム部には、光を変調するための電極が設けられている。この電極には、信号線が接続されており、この信号線の一端は、変調信号を発生するパルスパターン発生器に接続され、他端は、終端抵抗に接続されている。この終端抵抗は、信号線の一端から入力された変調信号が他端において反射することを抑制するために設けられている。
終端抵抗の実装方法としては、光変調器の基板表面に抵抗器を実装する方法と、光変調器の信号線の他端と電気的に接続された別基板の基板表面に抵抗器を実装する方法とが一般的である。また、光変調器を構成する基板の内部に抵抗体を形成し、信号線の他端と抵抗体とを接続する方法も知られている。例えば非特許文献1には、シリコン(Si)基板内に形成された窒化チタニウム(TiN)を、抵抗体として利用する技術が記載されている。また、特許文献1及び2には、SOI(Silicon On Insulator)ウェハを使用し、SOIウェハのシリコン層内にSiとは異なる元素を添加することによって抵抗体を形成する技術が記載されている。抵抗体を基板内部に形成する方法は、抵抗器を基板表面に実装する方法と比較して、抵抗体の占有面積を小さくできる点や、部品実装が不要になる点において有利である。
特開2004−88064号公報(2004年3月18日公開) 特開2006−229226号公報(2006年8月31日公開)
"40 Gbit/s silicon optical modulator for highspeed applications", ELECTRONICS LETTERS 25th October 2007, Vol. 43, No.22
光通信に用いる光変調器に入力される変調信号は、周波数がGHz以上である広帯域な高周波信号である。信号線の他端に接続された終端抵抗が高周波信号である変調信号の反射を抑制するためには、光を変調するために設けられた電極のインピーダンスと、終端抵抗のインピーダンスと、当該電極と終端抵抗とを接続する回路配線(信号線における進行波電極から終端抵抗までの区間)のインピーダンスとが互いに整合している必要がある。なお、以下において回路配線のことを、信号線の他の区間と区別せずに信号線とも表現する。
終端抵抗として基板内部に形成された抵抗体を用いる場合、信号線及び信号線近傍に配置されるグランド配線は、基板表面にコプレーナ配置される。一方、終端抵抗は、基板の表面に埋め込まれた状態で形成される。したがって、信号線と終端抵抗とが接合される接合領域において、信号線は終端抵抗の上面に配置された状態となる。言い換えれば、信号線、グランド配線及び終端抵抗の相対配置は、コプレーナ配置ではない。
その結果、上記接合領域の近傍では、信号線の下層に絶縁体が配置された領域と、信号線の下層に導電体である終端抵抗が配置された領域とが隣接する不連続な構造が形成される。このような別構造同士の境界では誘電率及び導電率に代表される電気特性が大きく変化するため、絶縁体の表面に配置された信号線のインピーダンスと、終端抵抗の上面に配置された信号線のインピーダンスとを整合させることが困難であった。したがって、信号線に高周波信号が入力されている場合に、信号線と終端抵抗とが接続される接続部において、信号線を伝播してきた高周波信号が反射されるという問題があった。信号線を伝播してきた高周波信号が反射された場合、反射された高周波信号は、光変調部に再び到達し、光変調器の動作に悪影響を与える。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板表面に埋設された終端抵抗を備えた高周波回路であって、入力された高周波信号の反射を抑制可能な高周波回路を実現することである。
上記の課題を解決するために、本発明に係る高周波回路は、基板の表面に埋設された終端抵抗と、上記基板の表面に形成された信号線であって、当該信号線の終端点の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間を当該信号線の接合区間として、当該接合区間が上記終端抵抗の上面の一部に覆い被さり、当該接合区間の幅方向の少なくとも一部において上記開始位置から上記終了位置までが上記終端抵抗に接続された信号線と、を備えている高周波回路であって、上記接合区間の上記開始位置における上記信号線の幅は、当該開始位置における上記終端抵抗の上面の幅以上であることを特徴とする。
上記信号線と上記終端抵抗とが接続されている区間、すなわち接合区間では、上記信号線の下層に上記終端抵抗が配置されている。したがって、上記信号線と上記終端抵抗との相対的な配置は、コプレーナ配置ではない。言い換えれば、上記信号線を上記終端抵抗に向かって伝播してくる高周波信号から見た場合、上記信号線の下層を構成する構造が上記基板から上記終端抵抗へ不連続に変化する。上記基板と上記終端抵抗との境界である上記接合の開始位置におけるこの不連続な構造は、上記信号線及び上記終端抵抗の周囲に生じる電気力線の形状を著しく変化させる要因になる。
本発明に係る高周波回路では、上記接合区間の上記開始位置において、上記信号線の幅は、上記終端抵抗の幅以上となるように構成されている。そのため、上記信号線と上記終端抵抗とがコプレーナ配置ではない場合であっても、上記信号線を伝播する高周波信号に起因する電気力線の上記開始位置における形状変化を抑制することができる。言い換えれば、上記信号線のインピーダンスと、上記終端抵抗のインピーダンスとにおける不整合を抑制することができ、上記開始位置における高周波信号の反射を抑制することができる。
したがって、上記の構成によれば、信号線の下層に基板と終端抵抗とが形成されていることによる不連続な構造が、信号線を伝播する高周波信号の反射の原因になることを抑制することができ、信号線に入力された高周波信号の反射を抑制可能な高周波回路を実現することができる。
本発明の一態様に係る高周波回路において、上記開始位置における上記信号線の幅は、当該開始位置における上記終端抵抗の上面の幅より広いことが好ましい。
上記の構成によれば、上記開始位置において、上記信号線の幅が上記終端抵抗の幅より広いため、上記信号線の左右両端部は、上記終端抵抗の上ではなく上記基板の上に形成されている。そのため、上記開始位置において、周囲の基板とは異なる誘電率を有する終端抵抗が、上記電気力線に与える影響を抑制することができる。したがって、上記開始位置における上記信号線の幅が上記終端抵抗の幅と等しい場合と比較して、当該構成は、上記電気力線の上記開始位置における形状変化を、より抑制することができる。言い換えれば、上述した不連続な構造が、信号線を伝播する高周波信号の反射の原因になることをより効果的に抑制することができる。
本発明の一態様に係る高周波回路において、上記接合区間における信号線の幅は、上記開始位置から上記終了位置に近づくにしたがって狭くなり、当該終了位置において上記終端抵抗の上面の幅以下であることが好ましい。
上記の構成によれば、上記信号線と上記終端抵抗との接合区間において、上記信号線の形状は、上記開始位置から上記終了位置(接合の終了位置と言い換えることもできる)に近づくにしたがって狭くなるテーパ形状であり、上記信号線の幅は、上記終了位置において上記終端抵抗の幅以下となるように構成されている。言い換えれば、上記開始位置から上記終端位置までの区間の何れかの位置において、上記信号線の幅は、上記終端抵抗の上面の幅以下となるように構成されている。このことから、上記電気力線の形状は、上記接合区間の上記開始位置のみならず、上記開始位置から上記終了位置までの接合区間においても急激に変化しない。したがって、上記信号線を伝播する高周波信号が接合区間において反射されることを抑制することができる。
本発明の一態様に係る高周波回路において、上記接合区間のうち上記終端抵抗と接合されている領域を接合領域とした場合に、上記終端抵抗の上面の面積に対する、上記接合領域の面積の割合は、1%以上10%以下であることが好ましい。
高周波回路をコンパクトに設計する観点から、上記接合領域の面積は、できるだけ小さい方が好ましい。その一方で、上記接合領域の面積を小さくしすぎると、上記信号線と上記終端抵抗との接触抵抗が大きくなる可能性がある。これらの相反する要件を満たすために、上記割合は、1%以上10%以下であることが好ましい。上記割合が1%以上であれば、上記信号線と上記終端抵抗との接触抵抗を実用上問題のない値に低減できる。また、上記割合が10%以下であれば、上記信号線の下層に終端抵抗が配置されている接合区間の長さを短くできるため、コプレーナ配置から乖離する区間を短くすることができる。したがって、信号線と終端抵抗とのインピーダンス整合を図ることが容易になる。また、本発明の一態様に係る高周波回路を無用に大きくすることもない。
本発明の一態様に係る高周波回路において、グランド配線を更に備え、上記信号線と上記グランド配線とはコプレーナ配置されていることが好ましい。
上記の構成によれば、グランド配線を含む信号線の配線を基板表面のみに限定でき、製造プロセスが容易となる。また、インピーダンス計算が容易となり、上記信号線のインピーダンスを一定値に保ち、信号線11aに入力された高周波信号の損失を抑制することが容易になる。
本発明の一態様に係る高周波回路において、上記基板は、SOI(Silicon On Insulator)基板であることが好ましい。
上記の構成によれば、安価なSOI基板を用いて高周波回路を製造することができる。また、高周波回路を製造するための製造プロセスとして、すでに確立されているシリコンデバイス用の製造プロセスを利用することができる。以上のことから、高周波回路の製造コストを抑制することができる。
本発明の一態様に係る高周波回路において、上記終端抵抗は、シリコンにアクセプタを添加したp型半導体製、又は、シリコンにドナーを添加したn型半導体製である、ことが好ましい。
上記の構成によれば、半導体分野で成熟されたシリコンプロセスを用いて高周波回路を製造することができる。したがって、高周波回路の小型化及び集積化を図ることができる。また、大面積の基板を用いることによって、高周波回路のコストを抑制することができる。
本発明の一態様に係る高周波回路において、上記終端抵抗は、窒化チタニウム製であってもよい。
上記の構成によれば、終端抵抗を、p型半導体又はn型半導体とは異なる材料である金属化合物を用いて形成することができる。
本発明の一態様に係る高周波回路において、上記基板の表面に形成されたバイアス信号線であって、当該バイアス信号線の終端点の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間をバイアス信号線の接合区間として、当該バイアス信号線の接合区間が上記終端抵抗の上面の一部に覆い被さり、当該バイアス信号線の接合区間の幅方向の少なくとも一部において上記開始位置から上記終了位置までが上記終端抵抗に接続されたバイアス信号線を更に備え、上記バイアス信号線の接合区間の上記開始位置における上記バイアス信号線の幅は、当該開始位置における上記終端抵抗の上面の幅以上であることが好ましい。
本発明の一態様に係る高周波回路において、基板の表面に形成されたバイアス信号線の終端点の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間を、当該バイアス信号線の接合区間と定義する。当該バイアス信号線の接合区間が上記終端抵抗の上面の一部に覆い被さるように設けられていることによって、上記バイアス信号線と上記終端抵抗とは接続されている。上記バイアス信号線と上記終端抵抗とが接続されている領域では、上記バイアス信号線の下層に上記終端抵抗が配置されている。したがって、上記バイアス信号線と上記終端抵抗との相対的な配置は、コプレーナ配置ではない。言い換えれば、上記信号線を上記終端抵抗に向かって伝播してくる高周波信号が上記終端抵抗において十分に減衰されず上記バイアス信号線に到達した場合、この高周波信号から見て、上記バイアス信号線の下層を構成する構造が上記終端抵抗から上記基板へ不連続に変化すると言える。上記終端抵抗と上記基板との境界である上記バイアス信号線の接合区間の上記開始位置におけるこの不連続な構造は、上記終端抵抗及び上記バイアス信号線の周囲に生じる電気力線の形状を著しく変化させる要因になり得る。
しかし、上記の構成によれば、上記バイアス信号線の接合区間の上記開始位置において、上記バイアス信号線の幅は、上記終端抵抗の上面の幅以上となるように構成されている。そのため、上記バイアス信号線と上記終端抵抗とがコプレーナ配置ではない場合であっても、上記バイアス信号線に到達した高周波信号に起因する電気力線の上記開始位置における形状変化を抑制することができる。言い換えれば、上記終端抵抗のインピーダンスと、上記バイアス信号線のインピーダンスとにおける不整合を抑制することができ、上記開始位置における高周波信号の反射を抑制することができる。したがって、上記の構成によれば、上記バイアス信号線の下層に基板と終端抵抗とが形成されていることによる不連続な構造が、バイアス信号線に到達した高周波信号の反射の原因になることを抑制することができる。
本発明の一態様に係る光変調器は、本発明の一態様に係る高周波回路の何れかと、少なくとも一方のアーム部に光変調部が設けられたマッハツェンダ型光干渉計であって、当該光変調部が備える一対の電極の少なくとも一方に上記高周波回路が接続されているマッハツェンダ型光干渉計と、を備えていることが好ましい。
上記の構成によれば、本発明の一態様に係る高周波回路と同様の効果を奏する。
本発明の一態様に係る光変調器において、上記一対の電極は、進行波電極であることが好ましい。
上記の構成によれば、上記一対の電極が進行波電極であるため、上記一対の電極を伝播する高周波信号の方向と、上記導波路を伝播する光の方向とは、互いに一致する。したがって、変調された光信号における劣化を抑制することができる。
本発明の一態様に係る光変調器において、記信号線と上記進行波電極との接続部における上記信号線の幅は、上記接合区間の上記開始位置における上記信号線の幅より狭く、上記信号線と上記進行波電極との接続部から当該開始位置に近づくにしたがって上記信号線の幅は広くなる、ことが好ましい。
終端抵抗である上記終端抵抗の抵抗値を所望の値に設定しようとする場合、一般的に終端抵抗の幅は、進行波電極の幅より広くなる。一方、上記接合区間を含めた上記信号線の全区間に渡って、その幅を上記終端抵抗の幅より広く設定することは、光変調器の無用な大型化を招くために好ましくない。
上記の構成によれば、上記終端抵抗の幅が上記進行波電極の幅より広い場合において、光変調器の大型化を抑制することができる。さらに、上記信号線の形状は、上記信号線と上記進行波電極との接続部から上記接合区間の上記開始位置に近づくにしたがって幅が広くなるテーパ形状であるため、上記信号線におけるインピーダンスの急激な変化を抑制することができる。
本発明の一態様に係る光変調器において、上記マッハツェンダ型光干渉計をなす導波路のうち、上記進行波電極が設けられている区間の導波路は、p型シリコンとn型シリコンとからなる横型pn接合であることが好ましい。
上記の構成によれば、p型シリコンとn型シリコンとからなる横型pn接合を導波路として備えたシリコン光変調器の一部に、本発明の一態様に係る高周波回路を用いることができる。シリコン光変調器は、小型かつ製造コストが低い光変調器として知られている。このようなシリコン光変調器に、上記高周波回路を適用することによって、シリコン光変調器の更なる小型化及びコスト低減を図ることができる。
本発明は、信号線の下層に形成された基板及び終端抵抗の不連続な構造が、信号線を伝播する高周波信号の反射の原因になることを抑制可能である。したがって、基板内部に形成された終端抵抗を備えた高周波回路であって、入力された高周波信号の反射を抑制可能な高周波回路を実現できる。
(a)は、本発明の第1の実施形態に係る高周波回路を含む光変調器の主要な構成を示す斜視図である。(b)は、(a)に示すL−L線における第1の光変調部の断面図である。 (a)は、本発明の第1の実施形態に係る高周波回路の上面図である。(b)は、(a)に示すA−A線における同高周波回路の断面図である。(c)は、(a)に示すD−D線における同高周波回路の断面図である。 (a)〜(e)は、図2に示す高周波回路の断面図である。(a)は、図2(a)に示すB−B線における断面図であり、(b)は、同図に示すC−C線における断面図であり、(c)は、同図におけるD−D線における断面図であり、(d)は、同図におけるE−E線における断面図であり、(e)は、同図におけるF−F線における断面図である。 (a)は、本発明の第1の実施形態の第1の変形例に係る高周波回路の上面図である。(b)は、(a)に示すG−G線における同高周波回路の断面図である。(c)は、(a)に示すH−H線における同高周波回路の断面図である。 (a)は、本発明の第1の実施形態の第2の変形例に係る高周波回路の上面図である。(b)は、(a)に示すI−I線における同高周波回路の断面図である。(c)は、(a)に示すJ−J線における同高周波回路の断面図である。 (a)〜(d)は、本発明の第1の実施形態の更なる変形例に係る高周波回路の上面図である。 本発明の第2の実施形態に係る高周波回路の上面図である。 本発明の第3の実施形態に係る高周波回路の上面図である。 本発明の第1の実施形態の比較例に係る高周波回路の上面図である。
〔実施形態1〕
本発明の第1の実施形態に係る高周波回路を備えた光変調器について、図1及び図2を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る高周波回路10を備えた光変調器1の主要な構成を示す概略図である。より詳しくは、図1の(a)は、光変調器1の斜視図である。図1の(b)は、光変調器1が備えている第1の光変調部30aの断面図であり、図1の(a)に示すL−L線における断面図である。図2は、本実施形態に係る高周波回路10の主要な構成を示す図である。より詳しくは、図2の(a)は、高周波回路10の上面図である。図2の(b)は、高周波回路10の断面図であり、図2の(a)に示すA−A線における断面図である。図2の(c)は、高周波回路10の断面図であり、図2の(a)に示すD−D線における断面図である。
(光変調器1の構成)
光変調器1は、光通信に利用可能な光変調器であって、シリコン(Si)をベースとするpn接合に変調電界を印加することによって入射した光を変調するシリコン光変調器である。図1及び図2に示すように、光変調器1は、半導体層21aと、第1の絶縁体層21b1及び第2の絶縁体層21b2からなる絶縁体層21bとがその順で積層された層状構造を有する。以下において、第1の絶縁体層21b1と第2の絶縁体層21b2とを区別する必要がない場合には、単に絶縁体層21bと記載する。また、半導体層21a及び絶縁体層21bを、まとめて基板21と記載する。基板21には、光変調器1を製造するための基板として、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板を用いることができる。
ここで、図1に示す座標系を、次のように定義する。(1)信号線11aが延設されている方向と平行な軸をy軸とする。y軸の向きは、信号線11aの接合区間CJから第1の光変調部30aに向かう向きが正の向きとなるように定める。(2)信号線11aの厚み方向に平行な軸をz軸とする。z軸の向きは、基板21において半導体層21aから絶縁体層21bに向かう向きが正の向きとなるように定める。(3)信号線11aの幅方向に平行な軸をx軸とする。x軸の向きは、このx軸が上述したy軸及びz軸と共に右手系を構成するように定める。
マッハツェンダ(Mach-Zehnder, M−Z)型光干渉計を構成する光導波路として、入射側導波路22、出射側導波路23、第1のアーム部24a、及び第2のアーム部24bが絶縁体層21bの内部に、言い換えると第1の絶縁体層21b1と第2の絶縁体層21b2とに挟まれて設けられている。第1のアーム部24a及び第2のアーム部24bは、入射側導波路22から分岐し、y軸に沿って延伸した後、出射側導波路23に合流している。第1のアーム部24aは、導波路部24a’とpn接合部24a”とを含んでいる。pn接合部24a”は第1のアーム部24aの中央付近に形成され、pn接合部24a”を除く第1のアーム部24aが導波路部24a’となっている。第2のアーム部24bは、導波路部24a’及びpn接合部24a”と同様に構成された導波路部24b’とpn接合部24b”とを含む。入射側導波路22、出射側導波路23、導波路部24a’、及び導波路部24b’は、断面形状が長方形である方形導波路である。
入射側導波路22、出射側導波路23、導波路部24a’、及び導波路部24b’は、シリコン製であり、pn接合部24a”及びpn接合部24b”はシリコン(Si)をベースとしている。このように構成された入射側導波路22、出射側導波路23、第1のアーム部24a、及び第2のアーム部24bは、二酸化シリコン(SiO)からなる第1の絶縁体層21b1及び第2の絶縁体層21b2によって、その周囲を囲まれているので、光を伝播させるコアとして機能する。一方、第1の絶縁体層21b1及び第2の絶縁体層21b2は、光をコアに閉じ込めるクラッドとして機能する。
(光変調部の構成)
第1のアーム部24aの中央付近には、第1の光変調部30aが設けられており、第2のアーム部24bの中央付近には、第2の光変調部30bが設けられている。
第1の光変調部30aは、第1のアーム部24a、スラブ25a1、スラブ25a2、進行波電極26a1、進行波電極26a2、信号線11a及び第1のグランド配線13aによって構成されている。
図1の(b)及び図2の(a)に示すように、第1のアーム部24aのpn接合部24a”は、p型シリコン導波路24a1と、n型シリコン導波路24a2とからなる。p型シリコン導波路24a1は、シリコンにアクセプタを添加したp型シリコン製であり、n型シリコン導波路24a2は、シリコンにドナーを添加したn型シリコン製である。p型シリコン導波路24a1とn型シリコン導波路24a2とは、それぞれyz面に平行な接合面を持ち互いに接している。したがって、pn接合部24a”は、pn接合におけるキャリアの流れる方向と、光が導波路を流れる方向とが交差する横型pn接合である。
z軸の正方向を上方向としz軸の負方向を下方向とすると、p型シリコン導波路24a1の最下部には、x軸の負方向に張り出すスラブ25a1が設けられており、n型シリコン導波路24a2の最下部には、x軸の正方向に張り出すスラブ25a2が設けられている。スラブ25a1及びスラブ25a2各々のy軸方向に沿った長さは、pn接合部24a”のy軸方向に沿った長さと同程度である。したがって、第1の光変調部30aにおける導波路は、厚さの厚い中央部のリブ(pn接合部24a”)と、厚さが薄い両サイドのスラブ(25a1及び25a2)とからなるリブ型導波路である。なお、スラブ25a1は、p型シリコン導波路24a1と同じp型シリコン製であり、スラブ25a2は、n型シリコン導波路24a2と同じn型シリコン製である。
第1の絶縁体層21b1の上面において、スラブ25a1と対向する位置に、y軸と平行で、かつ光変調器1の光入射側から光出射側へ延伸する信号線11aが形成されている。同様に、第1の絶縁体層21b1の上面において、スラブ25a2と対向する位置に、y軸と平行で、かつ光変調器1の光入射側から光出射側へ延伸する第1のグランド配線13aが形成されている。
スラブ25a1は、スラブ25a1の上面からz軸の正方向に屹立した進行波電極26a1を介して信号線11aに接続されており、スラブ25a2は、進行波電極26a2を介して第1のグランド配線13aに接続されている。進行波電極26a1及び進行波電極26a2は、それぞれyz面に平行に正立した平板形状を有し、その厚みは、信号線11a及び第1のグランド配線13aの各幅より薄い。また、進行波電極26a1及び進行波電極26a2各々のy軸方向に沿った長さは、pn接合部24a”のy軸方向に沿った長さと同程度である。進行波電極26a1及び進行波電極26a2は、何れもアルミニウム(Al)製である。電極として進行波電極を用いることによって、電極における変調電界の伝播方向と、pn接合部24a”における光の伝播方向とを一致させることができる。したがって、進行波電極26a1及び進行波電極26a2における変調電界の伝播と、pn接合部24a”における光の伝播との差を抑制することができ、結果として、変調される光信号を広帯域化することができる。
信号線11a及び第1のグランド配線13aは、絶縁体層21bの上面に形成されたアルミニウム製の配線パターンである。信号線11aは、第1の端部(y軸正方向側の端部)が図示しないパルスパターン発生器(PPG)に接続されており、第2の端部(y軸負方向側の端部)が終端抵抗12aに接続されている。第1のグランド配線13aは、接地されており、また、図示しない配線によってキャパシタを介して終端抵抗12aと接続されている。なお、信号線11aの形状、及び、信号線11aと終端抵抗12aとの接続の態様については、図2を参照しながら後述する。
図2の(a)〜(c)に示すように、終端抵抗12aは、信号線11aの第1の端部から入力された変調信号が信号線11aの第2の端部において反射することを抑制するために設けられており、基板21の絶縁体層21b内に形成された抵抗体からなる。終端抵抗12aは、例えば窒化チタニウム(TiN)などの導電性を有する化合物によって構成されてもよいし、シリコンなどの半導体にアクセプタを添加したp型半導体、又は、シリコンなどの半導体にドナーを添加したn型半導体によって構成されてもよい。
第2の光変調部30bは、第1の光変調部30aと同様に構成されている。具体的には、第2の光変調部30bを構成する第2のアーム部24bのpn接合部24b”は、p型シリコン導波路とn型シリコン導波路とからなるpn接合である。上記p型シリコン導波路は、p型シリコンからなるスラブと進行波電極とを介して、信号線11bと接続されている。上記n型シリコン導波路は、n型シリコンからなるスラブと進行波電極とを介して、第2のグランド配線13bと接続されている。なお、信号線11bの第2のグランド配線13bが設けられている側と反対の側には、図示しない第3のグランド配線が設けられている。
信号線11b、第2のグランド配線13b、及び第3のグランド配線は、絶縁体層21bの上面に形成されたアルミニウム(Al)製の配線パターンである。信号線11bは、第1の端部(y軸正方向側の端部)が図示しないPPGに接続されており、第2の端部(y軸負方向側の端部)が終端抵抗12bに接続されている。第2のグランド配線13b及び第3のグランド配線は、接地されており、また、図示しない配線によってキャパシタを介して終端抵抗12bと接続されている。
なお、光変調器1が備えているM−Z干渉計において、第1のアーム部24a及び第2のアーム部24bのそれぞれに光変調部が設けられているものとして説明した。しかし、光変調器1は、第1のアーム部24a及び第2のアーム部24bの何れか一方のアーム部に光変調部が設けられている構成であってもよい。
(高周波回路10)
本実施形態に係る高周波回路10は、信号線11a、終端抵抗12a、第1のグランド配線13a、及び第2のグランド配線13bを備えている。また、信号線11b、終端抵抗12b、第2のグランド配線13b、及び第3のグランド配線も同様に、本実施形態に係る高周波回路を構成する。ここでは、図2及び図3を参照しながら、本実施形態に係る高周波回路10について説明する。
図2の(a)は、高周波回路10の上面図であり、(b)は、(a)に示すA−A線における高周波回路10の断面図であり、(c)は、(a)に示すD−D線における高周波回路10の断面図である。図3は、高周波回路10の断面図であり、図2の(a)に示すB−B線における断面図であり、(b)は、同図に示すC−C線における断面図であり、(c)は、同図におけるD−D線における断面図であり、(d)は、同図におけるE−E線における断面図であり、(e)は、同図におけるF−F線における断面図である。
図2の(a)に示すように、信号線11aは、y軸と平行な方向に延設されており、y軸負方向側の端部(終端点)において終端抵抗12aと接続されている。図2の(b)及び(c)に示すように、終端抵抗12aの上面が基板21の上面と一致するように、終端抵抗12aは、基板21の表面に埋設されている。ここで、基板21の表面に形成された信号線11aの終端点の手前(図2の(a)に示すD−D線が表す位置)を開始位置とし当該終端点(図2の(a)に示すE−E線が表す位置)を終了位置とする区間を信号線11aの接合区間CJとする。接合区間CJが終端抵抗12aの上面の一部に覆い被さることによって、接合区間CJの上記開始位置から上記終了位置までが終端抵抗12aに接続されている。なお、後述するように、上記開始位置における信号線11aの幅は、上記開始位置における終端抵抗12aの上面の幅より広い。したがって、信号線11aは、接合区間CJの幅方向の一部において上記開始位置から上記終了位置までが終端抵抗12aに接続されている。なお、接合区間CJの幅方向は、信号線11aの上記幅方向と同一方向である。
以下において、信号線11aにおけるx軸方向の長さを、幅Wとする。また、終端抵抗12aの上面におけるx軸方向の長さを、幅Wとする。幅Wはy軸方向の位置によらず一定であり、例えば50μmである。これに対し、幅Wはy軸方向に沿って一定ではなく徐々に変化している。第1の光変調部30aにおける幅Wは、数μmである。したがって、信号線11aと進行波電極26a1との接続部における幅Wは、幅Wより明らかに狭い。
一方、図2の(c)に示すように、接合区間CJにおける開始位置(終端抵抗12aの第1の端辺;y軸正方向側の端辺)において、終端抵抗12aの上面に接続された信号線11aの幅Wは、幅Wより広い。したがって、幅Wは、第1の光変調部30aから終端抵抗12aに近づくにしたがって連続的に広くなるテーパ形状に形成されている。信号線11aがこのようなテーパ形状であることによって、信号線11aにおけるインピーダンスの急激な変化を抑制することができる。
第1の光変調部30aにおいて、信号線11aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図3の(a)に示す。電気力線は、pn接合部24a”の内部に、p型シリコン導波路24a1からn型シリコン導波路24a2への向きで生じる。
信号線11aにおける接合区間CJの近傍領域であって、y軸正方向側の近傍領域において、信号線11aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図3の(b)に示す。電気力線は、より高い誘電率を有する領域に形成される。本実施形態において、絶縁体層21bの誘電率は、大気中の誘電率と比較して大きいため、信号線11aの周囲に形成される電気力線は、大気中ではなく絶縁体層21b中に分布する。具体的には、電気力線は、信号線11aにおけるx軸正方向側の端部から第1のグランド配線13aにおけるx軸負方向側の端部に向かって、及び、信号線11aにおけるx軸負方向側の端部から第2のグランド配線13bにおけるx軸正方向側の端部に向かって、絶縁体層21bの内部に形成される。信号線11aにおけるx軸正方向側の端部、信号線11aにおけるx軸負方向側の端部、第1のグランド配線13aにおけるx軸負方向側の端部、及び第2のグランド配線13bにおけるx軸正方向側の端部は、電界が集中する場所である。電気力線の始点及び終点は、これらの電界が集中する場所に分布する。第1の光変調部30aから、接合区間CJに近づくにしたがって、信号線11aの幅Wは、連続的に広くなるように形成されている。
また、幅Wに対する信号線11aと第1のグランド配線13aとの間隔WGAP(図2の(a)参照)の割合、及び、幅Wに対する信号線11aと第2のグランド配線13bとの間隔の割合のそれぞれは、第1の光変調部30aから終端抵抗12aに至るまで一定であることが好ましい。言い換えれば、第1のグランド配線13aと、第2のグランド配線13bとの形状及び配置は、グランド配線13a及び13bから見た信号線11aのインピーダンスを一定値に保ち、信号線11aにおける変調信号の損失及び反射を抑制するように構成されていることが好ましい。
これらのことから、第1の光変調部30aから、接合区間CJまでの区間において、電気力線に急激な変化は生じない。
接合区間CJの上記開始位置において、信号線11aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図3の(c)に示す。この境界において、信号線11aの下層には終端抵抗12aが、信号線11aにとってy軸方向に不連続な構造として存在する。しかし、接合区間CJの上記開始位置では、幅Wが幅Wより広いことによって、信号線11aの左右両端部(x軸正方向側の端部及びx軸負方向側の端部)は、終端抵抗12aの上ではなく、絶縁体層21bの上に形成されている。
この構成によれば、終端抵抗12aにおけるx軸正方向側の側面及びx軸負方向側の側面にも電界が生じるものの、電界の多くは、信号線11aの左右両端部に集中したままである。そのため、電気力線の始点の一部は、終端抵抗12aにおける上記側面にも分布するものの、その多くは、相変わらず信号線11aの左右両端部に集中して分布する。具体的には、信号線11aから第1のグランド配線13aに向かう電気力線、及び、信号線11aから第2のグランド配線13bに向かう電気力線は、接合区間CJの上記開始位置の前後においても急激に変化しない。その結果、基板21の表面に形成された終端抵抗12aと、信号線11a、第1のグランド配線13a、及び第2のグランド配線13bとがコプレーナ配置されてはいないものの、高周波回路10は、信号線11a及び終端抵抗12aの接合区間CJの上記開始位置における、周囲の絶縁体層21bとは異なる誘電率を有する終端抵抗12aが電気力線に与える影響を抑制することができる。言い換えれば、高周波回路10は、接合区間CJの上記開始位置における信号線11aと終端抵抗12aとのインピーダンス不整合を抑制し、反射を抑制することができる。
信号線11aの幅Wは、接合区間CJの上記開始位置から上記終了位置に近づくにしたがって連続的に狭くなり、上記終了位置において終端抵抗12aの上面の幅Wと一致するように構成されていることが好ましい。言い換えれば、信号線11aの接合区間CJにおいて、信号線11aを上面視した場合の形状は、上記開始位置から上記終了位置に近づくにしたがって幅Wが連続的に狭くなるテーパ形状であることが好ましい。
信号線11aのy軸負方向側の終端、すなわち接合区間CJの上記終了位置において、信号線11aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図3の(d)に示す。接合区間CJにおける幅Wの変化が連続的であるため、接続区間CJにおける電気力線の変化も連続的である。信号線11aの接合区間CJの上記終了位置における幅Wが幅Wより広い場合と比較して、上記の構成は、信号線11aの接合区間CJの上記終了位置における信号線11aと終端抵抗12aとのインピーダンス不整合を抑制することができる。
なお、本実施形態において、上記終了位置における幅Wが幅Wと一致するものとして説明した。しかし、上記終了位置における幅Wは、この構成に限定されるものではなく、幅W以下となるように構成されていればよい。
信号線11aが存在しない領域、すなわち、終端抵抗12aに正の電圧が印加された場合に生じる電界の電気力線を、図3の(e)に示す。信号線11aが存在しない領域において生じる電気力線は、図3の(d)に示す信号線11aの終端における電気力線と同様である。
以上のように、高周波回路10は、信号線11aと終端抵抗12aとの接合区間CJを含むその近傍領域において、電気力線に急激な変化を生じさせない。したがって、高周波回路10は、信号線11aに入力された高周波信号である変調信号の反射を抑制することができる。
なお、終端抵抗12aは、その抵抗値が所定の抵抗値になるように、そのサイズを設計されている。この所定の抵抗値は、信号線11aのインピーダンスと、終端抵抗12aのインピーダンスとを整合させるために定められる抵抗値であり、例えば50Ωである。窒化チタニウム、又は、ドーパントを添加した半導体の抵抗率は、信号線11a、第1のグランド配線13a、及び第2のグランド配線13bを構成するアルミニウムの抵抗率と比較して大きい。したがって、抵抗値が50Ω程度の終端抵抗12aを、窒化チタニウム又はドーパントを添加した半導体を用いて形成する場合、終端抵抗12aのzx面における断面積は、信号線11aのzx面における断面積と比較して広くなる。第2の絶縁体層21b2の厚さは有限であるため、終端抵抗12aの幅Wは、典型的には50μm程度となる。
終端抵抗12aのzx面における断面積と、終端抵抗12aのy軸方向の長さL(図2の(b)参照)とを共に小さくすることによって、上面視した場合の面積を小さくした抵抗体を、終端抵抗12aとして用いることもできる。しかし、小さな抵抗体を終端抵抗12aとして用いる場合、終端抵抗12aの寸法誤差や、接合区間CJの寸法誤差などが終端抵抗12aの抵抗値に与える影響が大きくなる。
また、小さな抵抗体を終端抵抗12aとして用いる場合、終端抵抗12aの上面の面積に対する、接合領域の面積の割合が大きくなる。ここで、接合領域とは、接合区間CJのうち終端抵抗12aと接合されている領域のことを意味する。終端抵抗12aの上面の面積に対する、接合領域の面積の割合が大きくなることは、終端抵抗12aの多くの部分が信号線11aの下層に位置することを意味し、理想的なコプレーナ配置からの乖離がより大きくなることを意味する。したがって、終端抵抗12aのサイズを小さくすることによって、信号線11aと終端抵抗12aとにおけるインピーダンス整合を図りにくくなる。
更に、小さな抵抗体を終端抵抗12aとして用いる場合、小さな終端抵抗12aにおいて変調信号の電力が熱に変換されるため、終端抵抗12aの単位体積当たりの発熱量が増大する、終端抵抗12aの最高到達温度が増大する、終端抵抗12aの周囲に生じる熱勾配が増大する、などの問題の原因となり得る。
これらの観点から、終端抵抗12aのサイズを小さくしすぎることは好ましくない。経験的に得られた好ましい終端抵抗12aのサイズは、幅Wが50μm程度、長さLが100μm程度である。
また、このようなサイズの終端抵抗12aに対して、上記接合領域を必要以上に大きく設計することは、高周波回路のコンパクト化の観点からも好ましくない。一方、上記接合領域の面積を狭くしすぎると、信号線11aと終端抵抗12aとの接続において接触抵抗が生じる可能性がある。したがって、上記接合領域の面積は、実用上の問題とならない程度に接触抵抗が小さくなる範囲において、できるだけ狭く設計すればよい。
以上の設計指針に基づいて、終端抵抗12aの上面の面積に対する上記接合領域の面積の好ましい割合は、1%以上10%以下である。上記割合が1%以上であれば、信号線11aと終端抵抗12aとの接触抵抗を十分に低減できる。また、上記割合が10%以下であれば、信号線11aと終端抵抗12aとのインピーダンス整合を図りやすく、また高周波回路10を無用に大きくすることもない。
終端抵抗12aの上面の形状が長方形であって、幅Wが一定である場合、終端抵抗12aの上面の面積に対する、上記接合領域の面積の割合は、終端抵抗12aのy軸方向の長さLに対する、上記接合領域(接合区間CJ)におけるy軸方向の長さLの割合とも表現できる。この場合、長さLに対する長さLの割合は、1%以上10%以下であることが好ましいと言える。
(光変調器1の動作)
以下に、シリコン光変調器である光変調器1の動作について、図1を参照しながら簡単に説明する。入射側導波路22から入射した光は、二手に分かれ第1のアーム部24a又は第2のアーム部24bを伝播する。
第1のアーム部24aを伝播する光は、第1の光変調部30aのpn接合部24a”において変調される。具体的には、第1の光変調部30aのpn接合部24a”には、信号線11aにPPGから入力された変調信号に応じて、変調電界が印加される。印加された変調電界によって、pn接合部24a”における自由キャリア濃度が変化し、結果的にpn接合部24a”の屈折率が変化する。この変調電界による屈折率変化を利用して、第1の光変調部30aは、pn接合部24a”を伝播する光を変調する。
同様に、第2のアーム部24bを伝播する光は、第2の光変調部30bにおいて変調される。このように第1の光変調部30a及び第2の光変調部30bにおいてそれぞれ変調された2つの光は、出射側導波路23において合流する。光変調器1は、M−Z型光干渉計部分の位相を制御することによって、入射された光に信号を重畳し光信号として出力する。
〔比較例〕
第1の実施形態に係る高周波回路10の比較例について、図9を参照して説明する。本比較例に係る光変調器501は、比較例に係る高周波回路510を備えている。図9の(a)は、本比較例に係る高周波回路510の上面図であり、(b)は、(a)に示すK−K線における高周波回路510の断面図であり、(c)は、(a)に示すL−L線における高周波回路510の断面図である。
本比較例に係る光変調器501は、第1の実施形態に係る光変調器1が備える高周波回路10を、本比較例に係る高周波回路510に変更することによって得られたものである。図9の(a)に示すように、高周波回路510は、信号線511a、終端抵抗512a、第1のグランド配線513a、及び第2のグランド配線513bを備えている。
信号線511aは、y軸に対して平行な方向に延設されており、y軸負方向側の端部が終端抵抗512aの上面の一部に覆い被さるように接合した接合区間CJを介して終端抵抗512aに接続されている。信号線511aのx軸方向の長さである幅Wは、光変調器501が備えている第1の光変調部から、上記端部に至るまで一定である。したがって、高周波回路510において、終端抵抗512aと絶縁体層521bとの境界における幅Wは、終端抵抗512aのx軸方向の幅Wより狭い。
接合区間CJにおける接合の開始位置(終端抵抗512の第1の端辺;y軸正方向側の端辺)のy軸正方向側近傍において、信号線511aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図9の(b)に示す。電気力線は、信号線511aの両端部から、第1のグランド配線513a及び第2のグランド配線513bへの向きで生じる。
接合区間CJの上記開始位置において、信号線511aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図9の(c)に示す。接合区間CJの上記開始位置において、信号線511aの下層には終端抵抗512aが、信号線511aにとってy軸方向に不連続な構造として存在する。接合区間CJの上記開始位置では、幅Wが幅Wより狭いため、電気力線は、終端抵抗512aの両側側面から、第1のグランド配線513a及び第2のグランド配線513bへの向きで生じる。
したがって、信号線511aと、第1のグランド配線513a及び第2のグランド配線513bとの間に生じる電気力線の形状は、接合区間CJの上記開始位置において急激に変化する。この電気力線の形状における急激な変化は、信号線511a及び終端抵抗512aにおけるインピーダンスの不整合の原因となる。結果として、信号線511aに入力された変調信号の一部は、接合区間CJの上記開始位置において反射され、第1の光変調部に再び到達する。その結果として、第1の光変調部では、PPGから入力されy軸正方向側から伝播してきた変調信号と、接合区間CJの上記開始位置において反射されy軸負方向側から伝播してきた変調信号とが重畳する。このように、本比較例に係る光変調器501には、第1の光変調部が正しく光を変調することができない可能性がある。
〔変形例1〕
第1の実施形態に係る高周波回路10の第1の変形例について、図4を参照して説明する。本変形例に係る高周波回路10は、第1の実施形態に係る高周波回路において、信号線11aの端部の形状を変更することによって得られたものである。図4の(a)は、本変形例に係る高周波回路10の上面図であり、(b)は、(a)に示すG−G線における高周波回路10の断面図であり、(c)は、(a)に示すH−H線における高周波回路10の断面図である。
図4の(a)に示すように、本変形例に係る高周波回路10が備える信号線11aの幅Wは、接合区間CJの開始位置において終端抵抗12aの幅Wより広い。また、幅Wは、接合区間CJの終了位置(信号線11aの終端;y軸負方向側の端辺)においても、幅Wより広い。したがって、信号線11aは、接合区間CJの幅方向の一部において上記開始位置から上記終了位置までが終端抵抗12aに接続されている。
信号線11aにおける接合区間CJの上記開始位置の近傍領域であって、y軸正方向側の近傍領域において、信号線11aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図4の(b)に示す。電気力線は、信号線11aの両端部から、第1のグランド配線13a及び第2のグランド配線13bへの向きで生じる。
接合区間CJの上記開始位置において、信号線11aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図4の(c)に示す。接合区間CJの上記開始位置において、信号線11aの下層には終端抵抗12aが、信号線11aにとってy軸方向に不連続な構造として存在する。しかし、接合区間CJの上記開始位置では、幅Wが幅Wより広いことによって、電気力線の一端は、相変わらず信号線11aの両端部に集中している。したがって、信号線11aから第1のグランド配線13aに至る電気力線、及び、信号線11aから第2のグランド配線13bに至る電気力線は、信号線11aと終端抵抗12aとの境界においても急激に変化しない。このことから、本変形例に係る高周波回路10は、第1の実施形態に係る高周波回路10と同様に、接合区間CJの上記開始位置における信号線11aと終端抵抗12aとのインピーダンス不整合を抑制し、当該境界における変調信号の反射を抑制することができる。
〔変形例2〕
第1の実施形態に係る高周波回路10の第2の変形例について、図5を参照して説明する。本変形例に係る高周波回路10は、第1の実施形態に係る高周波回路において、信号線11aの終端(y軸負方向側の端部)の形状を変更することによって得られたものである。図5の(a)は、本変形例に係る高周波回路10の上面図であり、(b)は、(a)に示すI−I線における高周波回路10の断面図であり、(c)は、(a)に示すJ−J線における高周波回路10の断面図である。
図5の(a)に示すように、本変形例に係る高周波回路10が備える信号線11aの幅Wは、接合区間CJの開始位置(終端抵抗12aの第1の端辺;y軸正方向側の端辺)において、終端抵抗12aの幅Wと等しい。また、接合区間CJの終了位置(信号線11aの終端;y軸負方向側の端辺)においても、幅Wは、幅Wと等しい。すなわち、接合区間CJにおける幅Wは、幅Wと等しく構成されている。したがって、信号線11aは、接合区間CJの幅方向の全部において上記開始位置から上記終了位置までが終端抵抗12aに接続されている。
信号線11aにおける接合区間CJの上記開始位置の近傍領域であって、y軸正方向側の近傍領域において、信号線11aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図5の(b)に示す。電気力線は、信号線11aの両端部から、第1のグランド配線13a及び第2のグランド配線13bへの向きで生じる。
次に、接合区間CJの上記開始位置において、信号線11aに正の電圧が印加された場合に生じる電界を表す電気力線を、図5の(c)に示す。接合区間CJの上記開始位置において、信号線11aの下層には終端抵抗12aが、信号線11aにとってy軸方向に不連続な構造として存在する。図4の(c)に示した第1の変形例に係る高周波回路10における電気力線と比較すると、本変形例に係る高周波回路10における電気力線の形状は、終端抵抗12aの厚さ方向(z軸負方向)にある程度広がる。しかし、接合区間CJの上記開始位置における幅Wと幅Wとが等しいことによって、電気力線の終端抵抗12aの厚さ方向への広がりが抑制される。
したがって、信号線11aから第1のグランド配線13aに至る電気力線、及び、信号線11aから第2のグランド配線13bに至る電気力線は、接合区間CJの上記開始位置において急激に変化しない。このことから、本変形例に係る高周波回路10は、比較例に係る高周波回路510と比較して、接合区間CJの上記開始位置における信号線11aと終端抵抗12aとのインピーダンス不整合を抑制し、当該境界における変調信号の反射を抑制することができる。
〔更なる変形例〕
第1の実施形態に係る高周波回路10の更なる変形例について、図6を参照して説明する。第1の実施形態に係る高周波回路10では、第1の光変調部30aにおける信号線11aのx軸方向の幅Wが終端抵抗12aのx軸方向の幅Wより狭い構成を前提に、高周波回路10の説明を進めてきた。しかし、高周波回路10は、第1の光変調部30aにおける幅Wと、幅Wとの大小関係により限定されるものではない。言い換えれば、第1の光変調部30aにおける幅Wが接合区間CJにおける接合の開始位置における幅Wより広い構成も、本発明の技術的範囲に含まれる。
図6の(a)〜(d)は、高周波回路10の更なる変形例の上面図である。更なる変形例において、幅Wは、第1の光変調部30aから、信号線11aと終端抵抗12aとの接続部に至るまで一定であり、接合区間CJの上記開始位置における幅Wより広く構成されている。図6の(a)〜(d)は、信号線11aと終端抵抗12aとの接続部周辺を拡大したものであり、第1のグランド配線13a及び第2のグランド配線13bは、図示されていない。
図6の(a)に示すように、更なる変形例の一例に係る高周波回路10は、信号線11aは、接合区間CJの上記開始位置において幅Wが幅Wより広く、接合区間CJにおける接合の終了位置において幅Wと幅Wとが一致するように構成されている。
図6の(b)に示すように、更なる変形例の一例に係る高周波回路10は、図6の(a)に示す高周波回路10において、接合区間CJの上記終了位置における幅Wが幅Wより広くなるように変更することによって得られる。
図6の(c)に示すように、更なる変形例の一例に係る高周波回路10は、終端抵抗12aを上面視した場合に、その形状が台形である。信号線11aの第2の端部(y軸負方向側の端部)は、終端抵抗12aの短い底辺(y軸正方向側の底辺)を含む上面の一部に覆い被さるように接合した接合区間CJを介して終端抵抗12aに接続されている。このとき、接合区間CJの上記開始位置において幅Wは幅Wより広く、接合区間CJの上記終了位置において幅Wと幅Wとが一致するように構成されている。
図6の(d)に示すように、更なる変形例の一例に係る高周波回路10は、図6の(c)に示す高周波回路10において、接合区間CJの上記終了位置における幅Wが幅Wより広くなるように変更することによって得られる。
図6の(a)〜(d)に示した更なる変形例に係る高周波回路10のそれぞれが備える信号線11aは、接合区間CJにおける上記開始位置において、幅Wが幅Wより広い。これらの構成によれば、信号線11aと、グランド配線との間に形成される電気力線は、接合区間CJにおける上記開始位置において急激に変化しない。したがって、信号線11aと終端抵抗12aとのインピーダンス整合に悪影響を与えることがなく、接合区間CJにおける上記開始位置に起因する変調信号の反射を抑制することができる。
図6の(a)及び(c)に示したように、接合区間CJにおける上記終了位置において、幅Wと幅Wとが一致するように構成されていることがより好ましい。これらの構成によれば、図6の(b)及び(d)に示した構成と比較して、接合区間CJにおける上記終了位置における電気力線の形状の変化を抑制することができる。したがって、信号線11aの第2の端部に起因する変調信号の反射を抑制することができる。
〔実施形態2〕
本発明の第2の実施形態に係る高周波回路を備えた光変調器について、図7を参照して説明する。なお、第1の実施形態と同様の部材に関しては、その説明を省略する。
図7は、本実施形態に係る光変調器201が含む高周波回路210の上面図である。本実施形態に係る光変調器201は、本発明の第1の実施形態に係る光変調器1と比較して、第1の光変調部230aが備えるpn接合部224a”に接続されている信号線の構成が異なる。より具体的には、光変調器1は、p型シリコン導波路24a1に信号線11aが接続され、n型シリコン導波路24a2に第1のグランド配線13aが接続されている(図2の(a)参照)。したがって、光変調器1は、信号線11aに入力された変調信号に従って単動動作により光を変調する。一方、光変調器201は、以下に説明する通り、第1の信号線211a及び第2の信号線211bのそれぞれに入力された変調信号に従って差動動作により光を変調する。ここで、差動動作とは、M−Z干渉計が備える2つのアーム(第1のアーム部及び第2のアーム部)間における差動動作ではなく、1つの光変調部(第1の光変調部230a)におけるキャリア濃度を変動させるための電界印加についての差動動作のことを指している。
第1の光変調部230aは、p型シリコン導波路224a1とn型シリコン導波路224a2とからなるpn接合部224a”、スラブ225a1、スラブ225a2、進行波電極226a1、及び進行波電極226a2を備えている。p型シリコン導波路224a1は、スラブ225a1及び進行波電極226a1を介して第1の信号線211aに接続されている。n型シリコン導波路224a2は、スラブ225a2及び進行波電極226a2を介して第2の信号線211bに接続されている。
第1の信号線211a及び第2の信号線211bは、半導体層と絶縁体層とがこの順番で積層された基板の絶縁体層の表面に形成された信号線であり、何れもy軸に対して平行な方向に延設されており、それぞれの第1の端部(y軸正方向側の端部)は、図示しないPPGに接続されている。PPGは、第1の信号線211a及び第2の信号線211bのそれぞれに、高周波信号である変調信号を出力する。
第1の終端抵抗212a及び第2の終端抵抗212bは、半導体層と絶縁体層とがこの順番で積層された基板の絶縁体層の表面に埋設された抵抗体である。第1の終端抵抗212a及び第2の終端抵抗212bの上面は、上記絶縁体層の表面と一致するように構成されている。第1の終端抵抗212a及び第2の終端抵抗212bは、窒化チタニウムのような導電性の化合物によって構成されてもよいし、シリコンなどの半導体にp型の添加物を添加したp型半導体によって構成されてもよいし、シリコンなどの半導体にn型の添加物を添加したn型半導体によって構成されてもよい。
以下において、第1の信号線211aの終端点(第2の端部;y軸負方向側の端部)の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間を第1の信号線211aの接合区間(第1の接合区間)CJとする。第1の接合区間CJが第1の終端抵抗212aの上面の一部に覆い被さるように設けられていることによって、第1の信号線211aと第1の終端抵抗212aとは、互いに接続されている。同様に、第2の信号線211bの終端点(第2の端部;y軸負方向側の端部)の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間を第2の信号線211bの接合区間(第2の接合区間)CJとする。第2の接合区間CJが第2の終端抵抗212bの上面の一部に覆い被さるように設けられていることによって、第2の信号線211bと第2の終端抵抗212bとは、互いに接続されている。
第1の信号線211aのx軸負方向側には、第1のグランド配線213aが配置されており、第2の信号線211bのx軸正方向側には、第2のグランド配線213bが配置されている。第1のグランド配線213a、第1の終端抵抗212a、第2の終端抵抗212b、及び第2のグランド配線213bは、図示しない配線によってキャパシタを介して互いに接続されている。
本実施形態において、高周波回路210は、第1の信号線211a、第1の終端抵抗212a、第1のグランド配線213a、第2の信号線211b、第2の終端抵抗212b、及び第2のグランド配線213bによって構成されている。第1の信号線211a、第1のグランド配線213a、第2の信号線211b、及び第2のグランド配線213bは、何れも基板の絶縁体層の表面にコプレーナ配置されたアルミニウム製の配線パターンである。
以下において、第1の信号線211aにおけるx軸方向の長さを幅WS1とし、第2の信号線211bにおけるx軸方向の長さを幅WS2とする。また、第1の終端抵抗212aの上面におけるx軸方向の長さを幅WT1とし、第2の終端抵抗212bの上面におけるx軸方向の長さを幅WT2とする。
第1の接合区間CJの開始位置(第1の終端抵抗212aにおけるy軸正方向側の端辺)において、幅WS1はWT1より広い。また、第2の接合区間CJの開始位置(第2の終端抵抗212bにおけるy軸正方向側の端辺)において、幅WS2はWT2より広い。
当該構成によれば、比較例に係る高周波回路510と比較した場合に、高周波回路210において生じる電界を表す電気力線の形状は、第1の接合区間CJの上記開始位置及び第2の接合区間CJの上記開始位置において急激に変化しない。したがって、高周波回路210は、第1の信号線211aに入力された変調信号が第1の接合区間CJの上記開始位置において反射されることを抑制可能であり、第2の信号線211bに入力された変調信号が第2の接合区間CJの上記開始位置において反射されることを抑制可能である。
第1の接合区間CJの上記開始位置から、第1の接合区間CJの上記終了位置へ向かうにしたがって、幅WS1は狭くなり、第1の接合区間CJの上記終了位置において、幅WS1はWT1に一致するように構成されている。また、第2の接合区間CJの上記開始位置から、第2の接合区間CJの上記終了位置へ向かうにしたがって、幅WS2は狭くなり、第2の接合区間CJの上記終了位置において、幅WS2はWT2に一致するように構成されている。
当該構成によれば、高周波回路210において生じる電界を表す電気力線の形状は、第1の接合区間CJの上記終了位置、及び、第2の接合区間CJの上記終了位置において急激に変化しない。したがって、高周波回路210は、第1の接合区間CJの上記終了位置において第1の信号線211aの幅WS1が幅WT1より広く、第2の接合区間CJの上記終了位置において第2の信号線211bの幅WS2が幅WT2より広い場合と比較して、第1の信号線211aに入力された変調信号が第1の接合区間CJの上記終了位置において反射されることを抑制可能であり、第2の信号線211bに入力された変調信号が第2の接合区間CJの上記終了位置において反射されることを抑制可能である。
本実施形態では、シリコン変調部におけるキャリア濃度を変動させるための電界印加についての差動動作について述べた。しかし、本実施形態に係る発明は、これに限定されるものではなく、M−Z干渉計が備える2つのアーム(第1のアーム部及び第2のアーム部)に対する差動動作を実施する場合にも適用可能である。
〔実施形態3〕
本発明の第3の実施形態に係る高周波回路を備えた光変調器について、図8を参照して説明する。なお、第1の実施形態と同様の部材に関しては、その説明を省略する。
図8は、本実施形態に係る光変調器301が含む高周波回路310の上面図である。本実施形態に係る高周波回路310は、本発明の第1の実施形態に係る高周波回路10と比較して、バイアス信号線314aを備えている点が異なる。
具体的には、高周波回路310は、信号線311a、終端抵抗312a、第1のグランド配線313a、第2のグランド配線313b、及びバイアス信号線314aを備えている。バイアス信号線314aは、光変調器301における第1の光変調部が備えるpn接合部のp型シリコン導波路に対して、直流のバイアス電圧を印加するための配線パターンである。また、バイアス信号線314aは、信号線311a、第1のグランド配線313a、及び第2のグランド配線313bと同様に、基板321の絶縁体層の表面にコプレーナ配置されたアルミニウム製の配線パターンである。
図8に示すように、バイアス信号線314aは、半導体層と絶縁体層とがこの順番で積層された基板の絶縁体層の表面に、y軸と平行な方向に延設されている。バイアス信号線314aの第1の端部(y軸負方向側の端部)は、図示しない直流電圧発生源に接続されている。一方、バイアス信号線314aの第2の端部(終端点;y軸正方向側)の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間を、バイアス信号線314aの接合区間CJと定義する。バイアス信号線314aの接合区間CJが終端抵抗312aの上面の一部に覆い被さるように設けられていることによって、接合区間CJの上記開始位置から上記終了位置までが終端抵抗312aに接続されている。なお、後述するように、上記開始位置におけるバイアス信号線314aの幅は、上記開始位置における終端抵抗312aの上面の幅より広い。したがって、バイアス信号線314aは、幅方向の一部において接合区間CJの上記開始位置から上記終了位置までが終端抵抗312aに接続されている。
なお、信号線311aは、第1の実施形態に記載の信号線11aの場合と同様に、接合区間CJが終端抵抗312aの上面の一部に覆い被さるように設けられていることによって、終端抵抗312aに接続されている。
ここで、バイアス信号線314aのx軸方向の長さを幅Wとし、終端抵抗312aのx軸方向の上面の長さを幅Wとする。接合区間CJの上記開始位置(終端抵抗312aのy軸負方向側の端辺)における幅Wは、幅Wより広い。また、バイアス信号線314aの幅Wは、接合区間CJの上記開始位置から上記終了位置(バイアス信号線314aの終端;y軸正方向側の端辺)に近づくにしたがって連続的に狭くなり、接合区間CJの上記終了位置において終端抵抗12aの幅Wと一致するように構成されていることが好ましい。言い換えれば、接合区間CJにおいて、バイアス信号線314aを上面視した場合の形状は、接合区間CJの上記開始位置から上記終了位置に近づくにしたがって幅Wが連続的に狭くなるテーパ形状であることが好ましい。
上記の構成によれば、信号線311aから終端抵抗312aに入力された変調信号の電圧が十分に降圧されないまま接合区間CJに到達した場合であっても、当該変調信号に起因する電気力線の形状は、接合区間CJの上記開始位置において急激に変化しない。したがって、高周波回路310は、終端抵抗312aに入力された変調信号が接合区間CJの上記開始位置において反射することを抑制可能である。
また、当該変調信号に起因する電気力線の形状は、接合区間CJの上記終了位置において急激に変化しない。したがって、高周波回路310は、終端抵抗312aに入力された変調信号が接合区間CJの上記終了位置において反射することを抑制することができる。
なお、信号線311aの構成及び効果については、第1の実施形態に係る高周波回路10の信号線11aの構成及び効果と同様であるため、ここでは省略する。
(高周波回路310の変形例)
本実施形態において、幅Wは、接合区間CJの上記終了位置において幅Wと一致するものとして説明した。しかし、図4に示す第1の変形例に係る高周波回路10の場合と同様に、幅Wは、接合区間CJの上記終了位置において幅Wより広くなるように構成されていてもよい。
また、図5に示す第2の変形例に係る高周波回路10の場合と同様に、幅Wは、接合区間CJの上記開始位置において幅Wと等しく、接合区間CJの上記終了位置においても、幅Wと等しいようにバイアス信号線314aは、構成されていてもよい。
これらの変形例に係る高周波回路310においても、信号線311aから終端抵抗312aに入力されバイアス信号線314aに到達した変調信号に起因する電気力線の形状は、接合区間CJの上記開始位置において急激に変化しない。したがって、高周波回路310は、終端抵抗312aに入力された変調信号が接合区間CJの上記開始位置において反射することを抑制することができる。
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、外部から高周波信号を入力される高周波回路に利用することができる。
1 光変調器
10 高周波回路
11a 信号線
12a 終端抵抗
13a 第1のグランド配線
13b 第2のグランド配線
21 基板
21a 半導体層
21b 絶縁体層
21b1 第1の絶縁体層
21b2 第2の絶縁体層
22 入射側導波路
23 出射側導波路
24a 第1のアーム部
24a’ 導波路部
24a” pn接合部
24a1 p型シリコン導波路
24a2 n型シリコン導波路
24b 第2のアーム部
25a1 スラブ
25a2 スラブ
26a1 進行波電極
26a2 進行波電極
30a 第1の光変調部
30b 第2の光変調部

Claims (13)

  1. 基板の表面に埋設された終端抵抗と、
    上記基板の表面に形成された信号線であって、当該信号線の終端点の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間を当該信号線の接合区間として、当該接合区間が上記終端抵抗の上面の一部に覆い被さり、当該接合区間の幅方向の少なくとも一部において上記開始位置から上記終了位置までが上記終端抵抗に接続された信号線と、を備えている高周波回路であって、
    上記接合区間の上記開始位置における上記信号線の幅は、当該開始位置における上記終端抵抗の上面の幅以上である、
    ことを特徴とする高周波回路。
  2. 上記開始位置における上記信号線の幅は、当該開始位置における上記終端抵抗の上面の幅より広い、
    ことを特徴とする請求項1に記載の高周波回路。
  3. 上記接合区間における信号線の幅は、上記開始位置から上記終了位置に近づくにしたがって狭くなり、上記終了位置において上記終端抵抗の上面の幅以下である、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の高周波回路。
  4. 上記接合区間のうち上記終端抵抗と接合されている領域を接合領域とした場合に、
    上記終端抵抗の上面の面積に対する、上記接合領域の面積の割合は、1%以上10%以下である、
    ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の高周波回路。
  5. グランド配線を更に備え、
    上記信号線と上記グランド配線とはコプレーナ配置されている、
    ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の高周波回路。
  6. 上記基板は、SOI(Silicon On Insulator)基板である、
    ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の高周波回路。
  7. 上記終端抵抗は、シリコンにアクセプタを添加したp型半導体製、又は、シリコンにドナーを添加したn型半導体製である、
    ことを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の高周波回路。
  8. 上記終端抵抗は、窒化チタニウム製である、
    ことを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の高周波回路。
  9. 上記基板の表面に形成されたバイアス信号線であって、当該バイアス信号線の終端点の手前を開始位置とし当該終端点を終了位置とする区間をバイアス信号線の接合区間として、当該バイアス信号線の接合区間が上記終端抵抗の上面の一部に覆い被さり、当該バイアス信号線の接合区間の幅方向の少なくとも一部において上記開始位置から上記終了位置までが上記終端抵抗に接続されたバイアス信号線を更に備え、
    上記バイアス信号線の接合区間の上記開始位置における上記バイアス信号線の幅は、当該開始位置における上記終端抵抗の上面の幅以上である、
    ことを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の高周波回路。
  10. 請求項1〜9の何れか1項に記載の高周波回路と、
    少なくとも一方のアーム部に光変調部が設けられたマッハツェンダ型光干渉計であって、当該光変調部が備える一対の電極の少なくとも一方に上記高周波回路が接続されているマッハツェンダ型光干渉計と、を備えていることを特徴とする光変調器。
  11. 上記一対の電極は、進行波電極である、
    ことを特徴とする請求項10に記載の光変調器。
  12. 上記信号線と上記進行波電極との接続部における上記信号線の幅は、上記接合区間の上記開始位置における上記信号線の幅より狭く、上記信号線と上記進行波電極との接続部から当該開始位置に近づくにしたがって上記信号線の幅は広くなる、
    ことを特徴とする請求項11に記載の光変調器。
  13. 上記マッハツェンダ型光干渉計をなす導波路のうち、上記進行波電極が設けられている区間の導波路は、p型シリコンとn型シリコンとからなる横型pn接合である、
    ことを特徴とする請求項11又は12に記載の光変調器。
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