JP2019049647A - 半導体マッハツェンダ光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域な半導体マッハツェンダ光変調器を実現する。【解決手段】半導体マッハツェンダ光変調器は、光導波路１２，１３と、変調信号が入力される入力側引き出し線路１４，１５と、入力側引き出し線路１４，１５と接続された位相変調電極線路１６，１７と、位相変調電極線路１６，１７と接続された出力側引き出し線路１８ａ，１９と、位相変調電極線路１６，１７から供給される変調信号を光導波路１２，１３に印加する電極２０，２１と、終端抵抗２４が形成された終端基板２５とを備えている。出力側引き出し線路１８ａ，１９は、光導波路１２，１３と接続されていないダミー導波路２８，２９の上に形成されている。【選択図】 図３

Description

本発明は、電気信号で光信号を変調する半導体マッハツェンダ光変調器に関するものである。

増大する通信トラフィック需要に対応するために、高度な光変調方式に対応した高速な光変調器が求められている。特にデジタルコヒーレント技術を用いた多値光変調器は、１００Ｇｂｐｓを超える大容量トランシーバ実現に大きな役割を果たしている。これら多値光変調器では、光の振幅および位相にそれぞれ独立の信号を付加させるべく、マッハツェンダ（ＭＺ：Mach-Zehnder）干渉型のゼロチャープ駆動が可能な光変調器が並列多段に内蔵されている。

近年、光送信器モジュールの小型化や低駆動電圧化が課題となっており、小型で低駆動電圧化が可能な半導体ＭＺ光変調器の研究開発が精力的に進められている（非特許文献１参照）。さらに、半導体ＭＺ光変調器の研究開発においては、６４ＧＢａｕｄや１００ＧＢａｕｄといった高ボーレート化対応の動きが加速しており、変調器の広帯域化が求められている。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）に従来の半導体ＭＺ光変調器の一例を示す。図８（Ａ）は半導体ＭＺ光変調器の平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のｃ−ｃ’線断面図である。図８（Ａ）、図８（Ｂ）において、１０１は半導体ＭＺ光変調器の入力導波路、１０２は出力導波路、１０３は入力導波路１０１を伝搬する光波を２つの導波路１０４，１０５に分波する光分波器、１０６は２つの導波路１０４，１０５を伝搬する光波を出力導波路１０２へと合波する光合波器、１０７，１０８は導波路１０４，１０５に変調信号を印加するための入力側引き出し線路、１０９，１１０は入力側引き出し線路１０７，１０８と接続された位相変調電極線路、１１１，１１２は位相変調電極線路１０９，１１０と接続された出力側引き出し線路、１１３，１１４は位相変調電極線路１０９，１１０から供給される変調信号を導波路１０４，１０５に印加するための電極である。

図８（Ｂ）において、１１５はＳＩ−ＩｎＰ基板、１１６はｎ−ＩｎＰ層、１１７はｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層、１１８は光波が伝搬する半導体コア層、１１９はｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層、１２０はｉ−ＩｎＰ層である。

電極１１３，１１４の下には、上部クラッド層１１９と半導体コア層１１８と下部クラッド層１１７とが存在するため、一定の素子容量が存在する。すなわち、電極１１３，１１４は、線路１０７〜１１２に対して容量を付加する容量装荷型電極構造となっている。電極１１３，１１４の線路側は半絶縁性の半導体であるｉ−ＩｎＰ層１２０の上に形成されている。一方、上部クラッド層１１９は、位相変調に寄与する部分だけに形成されており、位相変調電極線路１０９，１１０の下部には形成されていない。

また、入力側引き出し線路１０７，１０８と位相変調電極線路１０９，１１０と出力側引き出し線路１１１，１１２とを、半導体上ではなく、低誘電率材料であるベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）の上に作製することで、伝搬損失が低減し、広帯域化が可能であるという報告もある（非特許文献２参照）。

以上のように、入力側引き出し線路１０７，１０８と位相変調電極線路１０９，１１０と出力側引き出し線路１１１，１１２と電極１１３，１１４とは、基本的に損失が小さくなるようにするのが一般的であった。

また、広帯域な半導体ＭＺ光変調器では、一般的に進行波型電極が使用される。図８（Ａ）、図８（Ｂ）の例では、入力側引き出し線路１０７，１０８と位相変調電極線路１０９，１１０と出力側引き出し線路１１１，１１２と電極１１３，１１４とが、全体として進行波型電極を形成している。進行波型電極において、変調帯域を改善するためには、（I）進行波型電極を伝搬するマイクロ波と導波路１０４，１０５を伝搬する光の速度整合、（II）進行波型電極の伝搬損失、（III）進行波型電極のインピーダンスと入出力部のインピーダンス整合、という以上３つの要素により決まるため、これら（I）〜（III）を最適化することが重要となる。

（I），（II）の最適化に関しては、上記の容量装荷型電極構造や低損失な半導体層構造を用いるといった手法が提案されている。一方で、（III）については、進行波型電極や導波路１０４，１０５等の製造ばらつき、あるいは出力側引き出し線路１１１，１１２に接続される終端抵抗（不図示）の製造ばらつき等が存在する以上、完全なインピーダンス整合を実現することは難しい。

以上のように、従来の半導体ＭＺ光変調器では、終端抵抗の製造ばらつきと、進行波型電極および導波路の製造ばらつき等により、進行波型電極と終端抵抗との間にわずかながらインピーダンス不整合が発生し、終端抵抗の部分で反射波が生じてしまい、反射波が位相変調部（位相変調電極線路１０９，１１０と電極１１３，１１４と導波路１０４，１０５）に影響を及ぼすことで、変調帯域の劣化につながるという課題があった。特に高ボーレート化が求められている現在においては、よりインピーダンス不整合の影響が際立つため、改善が求められている。

L.Morl et al.，"A travelling wave electrode Mach-Zehnder 40 Gb/s demultiplexer based on strain compensated GaInAs/AlInAs tunnelling barrier MQW structure"，1998 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials，pp.403-406，1998 河野 直哉他，"容量装荷型進行波電極による差動駆動ＩｎＰ系マッハツェンダ変調器の広帯域化"，２０１４年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−４−８

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、出力側引き出し線路と終端抵抗とのインピーダンス不整合による変調帯域の劣化をなくすことで、広帯域な半導体マッハツェンダ光変調器を実現することを目的とする。

本発明の半導体マッハツェンダ光変調器は、第１の基板上に形成された光導波路と、前記第１の基板上に形成され、一端に変調信号が入力される入力側引き出し線路と、前記第１の基板上に形成され、一端が前記入力側引き出し線路の他端と接続され、前記変調信号を前記光導波路に印加する電極を有する位相変調電極線路と、前記第１の基板上に形成され、一端が前記位相変調電極線路の他端と接続された出力側引き出し線路とを備え、前記位相変調電極線路は、前記光導波路に沿って形成され、前記出力側引き出し線路は、前記第１の基板上の、前記光導波路と接続されていないダミー導波路の上に形成され、前記出力側引き出し線路の他端は、終端抵抗と電気的に接続されることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例は、前記終端抵抗が形成された第２の基板をさらに備え、前記出力側引き出し線路の他端は、前記第２の基板の終端抵抗とワイヤを介して電気的に接続されることを特徴とするものである。
また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例は、前記終端抵抗が形成された第２の基板をさらに備え、前記出力側引き出し線路の他端は、この出力側引き出し線路上にフリップチップ実装された前記第２の基板の終端抵抗とバンプを介して電気的に接続されることを特徴とするものである。
また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例において、前記出力側引き出し線路の他端は、前記第１の基板上に形成された終端抵抗と電気的に接続されることを特徴とするものである。
また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例において、前記出力側引き出し線路は、前記位相変調電極線路と同一直線上に形成されることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例において、前記光導波路と前記ダミー導波路との間は、誘電体層で満たされ、この誘電体層の上に前記出力側引き出し線路が形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例において、前記光導波路と前記ダミー導波路との間は、空気で満たされた空間であり、前記出力側引き出し線路は、前記光導波路および前記空間と交差する部分にエアブリッジ構造を有することを特徴とするものである。
また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例において、前記光導波路と前記ダミー導波路とは、前記光導波路の光伝搬方向と垂直な方向で１０μｍ以上離して配置されることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例において、前記位相変調電極線路と前記電極とが形成された位相変調領域における前記光導波路と、前記ダミー導波路とは、同一の半導体層構造であることを特徴とするものである。
また、本発明の半導体マッハツェンダ光変調器の１構成例において、前記位相変調領域における前記光導波路と、前記ダミー導波路との半導体層構造は、ｐｉｎ構造であり、ｐ層のドーピング濃度が１．０×１０¹⁷〜２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3であることを特徴とするものである。

本発明によれば、出力側引き出し線路をダミー導波路の上に形成することにより、出力側引き出し線路におけるマイクロ波の伝搬損失を意図的に増大させ、出力側引き出し線路を伝搬するマイクロ波を大きく減衰させることで、出力側引き出し線路と終端抵抗とのインピーダンス不整合による反射波の影響を最小限にすることができる。その結果、本発明では、インピーダンス不整合による半導体マッハツェンダ光変調器の変調帯域の劣化をなくすことができ、広帯域な半導体マッハツェンダ光変調器を実現することができる。

また、本発明では、終端抵抗が形成された第２の基板を出力側引き出し線路上にフリップチップ実装する構成において、出力側引き出し線路を位相変調電極線路と同一直線上に形成することにより、出力側引き出し線路の曲部による特性劣化をなくすことができる。

また、本発明では、光導波路とダミー導波路との間を誘電体層で満たすことにより、光導波路からダミー導波路への光の漏れを抑えることができる。

また、本発明では、光導波路とダミー導波路との間を、空気で満たされた空間とすることにより、光導波路からダミー導波路への光の漏れを抑えることができる。また、本発明では、光導波路および空間と交差する部分の出力側引き出し線路をエアブリッジ構造とすることにより、出力側引き出し線路を分断することなく１本の線路として形成することができる。

また、本発明では、光導波路とダミー導波路とを、光導波路の光伝搬方向と垂直な方向で１０μｍ以上離して配置することにより、光導波路からダミー導波路への光の漏れを抑えることができる。

また、本発明では、位相変調電極線路と電極とが形成された位相変調領域における光導波路と、ダミー導波路とを同一の半導体層構造とすることにより、製造工程を減らすことができる。

また、本発明では、位相変調領域における光導波路と、ダミー導波路との半導体層構造をｐｉｎ構造とし、ｐ層のドーピング濃度を１．０×１０¹⁷〜２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3とすることにより、出力側引き出し線路におけるマイクロ波の損失を大きくし、位相変調領域でマイクロ波の損失を極力抑え、かつ位相変調領域の光導波損失を抑えることができる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体マッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る半導体マッハツェンダ光変調器の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の第２の実施例に係る半導体マッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。 図４は、本発明の第２の実施例に係る半導体マッハツェンダ光変調器の構成を示す断面図である。 図５は、本発明の第３の実施例に係る半導体マッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。 図６は、本発明の第３の実施例に係る半導体マッハツェンダ光変調器の構成を示す断面図である。 図７は、本発明の第３の実施例に係る半導体マッハツェンダ光変調器の別の構成を示す断面図である。 図８は、従来の半導体マッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図および断面図である。

［第１の実施例］
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る半導体ＭＺ光変調器の構成を示す平面図である。半導体ＭＺ光変調器は、入力光導波路１０と、入力光導波路１０を伝搬する光を２系統に分波する光分波器１１と、光分波器１１によって分波された２つの光を導波する光導波路１２，１３（第１、第２のアーム導波路）と、光導波路１２，１３に変調信号を印加するための導体からなる入力側引き出し線路１４，１５と、光導波路１２，１３に沿って形成され、入力側引き出し線路１４，１５と接続された導体からなる位相変調電極線路１６，１７と、位相変調電極線路１６，１７と接続された導体からなる出力側引き出し線路１８，１９と、位相変調電極線路１６，１７から供給される変調信号を光導波路１２，１３に印加する導体からなる電極２０，２１と、光導波路１２，１３を伝搬する２系統の信号光を合波する光合波器２２と、出力光導波路２３と、終端抵抗２４が形成された終端基板２５（第２の基板）と、出力側引き出し線路１８，１９の端部と終端抵抗２４との間を電気的に接続するワイヤ２６，２７と、光導波路１２，１３と接続されていないダミー導波路２８，２９とを備えている。

図２（Ａ）は図１の半導体ＭＺ光変調器のａ−ａ’線断面図、図２（Ｂ）は半導体ＭＺ光変調器のｂ−ｂ’線断面図である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）において、４０はＳＩ−ＩｎＰ基板（第１の基板）、４１はＳＩ−ＩｎＰ基板４０上に形成されたｎ−ＩｎＰ層、４２はｎ−ＩｎＰ層４１上に形成されたｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層、４３は下部クラッド層４２上に形成されたノンドープの半導体コア層、４４はダミー導波路２８，２９および位相変調領域における光導波路１２，１３の、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層、４５は位相変調領域以外の領域における光導波路１２，１３の、ｉ−ＩｎＰからなる上部クラッド層、４６はｎ−ＩｎＰ層４１上のダミー導波路２８，２９の周囲に形成されたｉ−ＩｎＰ層、４７はｎ−ＩｎＰ層４１上に形成された低誘電率材料からなる誘電体層である。

光導波路１２，１３は、位相変調領域（位相変調電極線路１６，１７と電極２０，２１とが形成されている領域）においてはＳＩ−ＩｎＰ基板４０上に下部クラッド層４２と半導体コア層４３と上部クラッド層４４とが順次積層された導波路構造を有し、位相変調領域以外の領域においてはＳＩ−ＩｎＰ基板４０上に下部クラッド層４２と半導体コア層４３と上部クラッド層４５とが順次積層された導波路構造を有している。位相変調領域以外の領域における上部クラッド層４５をｉ−ＩｎＰとしている理由は、ｐ−ＩｎＰによる光吸収をなくし、光導波路１２，１３の損失を低減するためである。

本実施例の高周波線路パターンは、入力側引き出し線路１４，１５の部分と位相変調電極線路１６，１７の部分と出力側引き出し線路１８，１９の部分の３つの部分から形成されており、全ての部分で、インピーダンス整合の取れた線路構造となっている。

入力側引き出し線路１４，１５と位相変調電極線路１６，１７とは、誘電体層４７の上に形成されている。入力側引き出し線路１４，１５には、図示しないドライバから変調信号が入力される。

本実施例の半導体ＭＺ光変調器は、入力側引き出し線路１４，１５と位相変調電極線路１６，１７と電極２０，２１とを介して光導波路１２，１３に印加される変調信号に応じて、光導波路１２，１３を伝搬する光を位相変調する。光合波器２２は、光導波路１２，１３を伝搬する変調された信号光を合波する。

次に、本実施例の出力側引き出し線路１８，１９について詳細に説明する。出力側引き出し線路１８，１９とは、位相変調領域後の線路のことを意味しており、終端抵抗２４と接続するために引き出す線路のことである。出力側引き出し線路１８，１９は、ＳＩ−ＩｎＰ基板４０上に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層４２とノンドープの半導体コア層４３とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層４４とが順次積層されたｐｉｎ構造からなるダミー導波路２８，２９の上に形成されている。

半導体コア層４３は、光導波層として機能し、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系からなっている。ｐドープされたＩｎＰからなる上部クラッド層４４が出力側引き出し線路１８，１９の下に存在すると、電気抵抗が高いために、マイクロ波にとっては損失増大の原因となる。

つまり、本実施例では、出力側引き出し線路１８，１９をｐ型の上部クラッド層４４の直上に作製し、意図的に出力側引き出し線路１８，１９に損失を持たせ、出力側引き出し線路１８，１９を伝搬するマイクロ波を大きく減衰させることで、出力側引き出し線路１８，１９と終端抵抗２４とのインピーダンス不整合による反射波の影響を最小限にしている。

また、ダミー導波路２８，２９は、光導波路１２，１３の近傍に作製されることになるが、例えば光導波路１２，１３の幅が２μｍであるとした場合に、隣のダミー導波路２８，２９に光が漏れないようにするためには、プロセスばらつきや加工精度を含めて考えると、ダミー導波路２８，２９と光導波路１２，１３との間は、光伝搬方向と垂直な方向（図２（Ｂ）左右方向）で１０μｍ以上離れている必要がある。

このダミー導波路２８，２９と光導波路１２，１３との間の１０μｍの隙間は、空気で満たされた空間３１となっている。出力側引き出し線路１８，１９は、基板面内で光導波路１２，１３の延伸方向（図１左右方向）と交差する方向（本実施例では直交する方向）に曲がる構造となっている。出力側引き出し線路１８は、光導波路１２，１３および空間３１と交差するため、この交差する部分が図１、図２（Ｂ）に示すようにエアブリッジ構造３０となっている。周知のとおり、このようなエアブリッジ構造３０を形成するには、光導波路１２，１３と空間３１とを覆うようにレジストを形成した後に、出力側引き出し線路１８を形成し、出力側引き出し線路１８の形成後にレジストを除去すればよい。

ダミー導波路２８，２９の幅は、例えばプロセス制御を考えて、光導波路１２，１３の幅と同程度としてもよいし、光導波路１２，１３よりも太くても構わない。ダミー導波路２８，２９の幅が太い場合には、出力側引き出し線路１８，１９の容量性が大きくなるため、容量性が大きくなった分だけ、出力側引き出し線路１８，１９の幅を狭くする必要がある。

図２（Ｂ）の例で示すように、出力側引き出し線路１８，１９の幅が、インピーダンス整合の設計上、ダミー導波路２８，２９の幅よりも広くなり、出力側引き出し線路１８，１９の下にダミー導波路２８，２９が無い領域が存在する場合、このダミー導波路２８，２９が無い領域にｉ−ＩｎＰ層４６を形成する必要がある。ただし、ｉ−ＩｎＰ層４６の代わりに、他の誘電体材料を形成するようにしてもよい。

ダミー導波路２８，２９は、位相変調領域の半導体層構造（下部クラッド層４２と半導体コア層４３と上部クラッド層４４）と同一の構造であることが望ましい。その理由は、例えば位相変調領域と異なる半導体層構造であった場合には、ダミー導波路２８，２９の半導体層構造の成長を追加で行なう必要が出てくることになり、作製の手間が大幅に増大し、実現性に乏しいためである。

ダミー導波路２８，２９を位相変調領域と同一の半導体層構造にする場合、ダミー導波路２８，２９上に形成される出力側引き出し線路１８，１９においては上記のとおりマイクロ波の損失が大きい方が望ましいという理由と、位相変調領域では変調帯域を広くとるためにマイクロ波の損失を極力抑えたいという理由と、位相変調領域の光導波損失を抑えたいという理由から、上部クラッド層４４のｐドープの濃度は、１．０×１０¹⁷〜２．０×１０¹⁸［ｃｍ^-3］であることが望ましい。

半導体ＭＺ光変調器の変調帯域は、入力側引き出し線路１４，１５と位相変調電極線路１６，１７と電極２０，２１の部分で決まる。したがって、出力側引き出し線路１８，１９に関しては、位相変調電極線路１６，１７および終端抵抗２４とインピーダンス整合が取れ、終端抵抗２４の部分で生じた反射波が位相変調電極線路１６，１７に流れ込まないことが最重要である。

しかしながら、プロセスばらつき等により、出力側引き出し線路１８，１９と終端抵抗２４との間に必ずわずかなインピーダンス不整合が生じてしまい、終端抵抗２４の部分で反射波が生じ、この反射波が位相変調電極線路１６，１７に戻ってしまうことにより、半導体ＭＺ光変調器の変調帯域が劣化する。

そこで、本実施例では、上記のとおり反射波が位相変調電極線路１６，１７に戻ることによる変調帯域の劣化を防ぐために、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層４４を有するダミー導波路２８，２９を出力側引き出し線路１８，１９の下に形成し、出力側引き出し線路１８，１９を伝搬するマイクロ波を大きく減衰させる。

これにより、本実施例では、出力側引き出し線路１８，１９と終端抵抗２４とのインピーダンス不整合による変調帯域への影響をなくすことができる。例えば、６４ＧＢａｕｄ動作を考えると、出力側引き出し線路１８，１９において４０ＧＨｚの透過特性（Ｓ２１）に３．０ｄＢ（位相変調電極線路１６，１７と終端抵抗２４との間の往復で６．０ｄＢ）以上の損失があることが望ましい。

また、半導体材料の誘電率は、３．７程度であり、低誘電率材料である誘電率２．６のＢＣＢよりも誘電率が約１．４倍大きい。このため、単純なコプレーナ線路の構成で考えると、低損失化のために出力側引き出し線路を低誘電率材料上に作製する場合に比べ、本実施例では、出力側引き出し線路１８，１９の幅を約３〜４割程度削減することができる。このような幅の削減により、本実施例では、半導体ＭＺ光変調器の小型化を実現することができ、また出力側引き出し線路１８，１９の曲部による特性劣化を抑えることができる。

上記のとおり、出力側引き出し線路１８，１９は、基板面（図１の紙面）内で光導波路１２，１３の延伸方向（図１左右方向）と交差する方向（本実施例では直交する方向）に曲がる構造となっている。図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示した構造のうち終端基板２５を除く構造は、ＳＩ−ＩｎＰ基板４０上に集積されている。

出力側引き出し線路１８，１９を曲げる理由は、ＳＩ−ＩｎＰ基板４０と別の終端基板２５上に形成されている終端抵抗２４と出力側引き出し線路１８，１９とをワイヤ２６，２７を介して接続するにあたり、チップ端面まで出力側引き出し線路１８，１９を引き出す必要があることと、出力側引き出し線路１８，１９が出力光導波路２３と干渉しないようにする必要があるためである。光導波路１２，１３の延伸方向には、出力光導波路２３と光結合するレンズやファイバ等が実装されるため、終端基板２５を配置することはできない。

また、半導体ＭＺ光変調器の広帯域化を実現するために、インピーダンス整合が取れている状態で、入力側引き出し線路１４，１５および位相変調電極線路１６，１７でのマイクロ波の損失が小さく、かつマイクロ波と光の速度整合が十分に取れていることが望ましい。そのため、入力側引き出し線路１４，１５および位相変調電極線路１６，１７は、ポリイミドやＢＣＢ等の低誘電率材料からなる誘電体層４７上に形成されていることが望ましい。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は本発明の第２の実施例に係る半導体ＭＺ光変調器の構成を示す平面図、図４（Ａ）は図３の半導体ＭＺ光変調器のａ−ａ’線断面図、図４（Ｂ）は半導体ＭＺ光変調器のｂ−ｂ’線断面図であり、図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。

本実施例の半導体ＭＺ光変調器は、入力光導波路１０と、光分波器１１と、光導波路１２，１３と、入力側引き出し線路１４，１５と、位相変調電極線路１６，１７と、位相変調電極線路１６，１７と接続された導体からなる出力側引き出し線路１８ａ，１９と、電極２０，２１と、光合波器２２と、出力光導波路２３と、終端抵抗２４が形成された終端基板２５と、ワイヤ２６，２７と、ダミー導波路２８，２９とを備えている。

本実施例と第１の実施例との違いは、光導波路１２，１３に光を閉じ込めるために、ダミー導波路２８，２９と光導波路１２，１３との間の１０μｍの隙間を、ＩｎＰに比べ低誘電率な誘電体材料からなる誘電体層４７で埋めたことである。

第１の実施例と同様に、出力側引き出し線路１８ａは、光導波路１２，１３と交差するが、ダミー導波路２８と光導波路１２，１３との間を誘電体層４７で埋めたことにより、第１の実施例で説明したようなエアブリッジ構造は不要である。すなわち、出力側引き出し線路１８ａは、ダミー導波路２８の上だけでなく、光導波路１２，１３と誘電体層４７の上にも形成される。

その他の構成は第１の実施例で説明したとおりである。なお、図４（Ｂ）の例は、出力側引き出し線路１８ａ，１９の幅がダミー導波路２８，２９の幅よりも広く、出力側引き出し線路１８ａ，１９の下にダミー導波路２８，２９が無い領域が存在する場合を示しており、ダミー導波路２８，２９が無い領域にｉ−ＩｎＰ層４６が形成されている。ただし、第１の実施例と同様に、ｉ−ＩｎＰ層４６の代わりに、他の誘電体材料（例えば誘電体層４７）を形成するようにしてもよい。

［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図５は本発明の第３の実施例に係る半導体ＭＺ光変調器の構成を示す平面図、図６（Ａ）は図５の半導体ＭＺ光変調器のｄ−ｄ’線断面図、図６（Ｂ）は半導体ＭＺ光変調器のｅ−ｅ’線断面図であり、図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３、図４（Ａ）、図４（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。なお、半導体ＭＺ光変調器のａ−ａ’線断面は図２（Ａ）、図４（Ａ）に示したとおりであるので、記載を省略する。

本実施例の半導体ＭＺ光変調器は、入力光導波路１０と、光分波器１１と、光導波路１２，１３と、入力側引き出し線路１４，１５と、位相変調電極線路１６，１７と、位相変調電極線路１６，１７と接続された導体からなる出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂと、電極２０，２１と、光合波器２２と、出力光導波路２３と、終端抵抗２４が形成された終端基板２５ｂと、ダミー導波路２８ｂ，２９ｂとを備えている。

第１、第２の実施例では、出力側引き出し線路１８（１８ａ），１９と終端抵抗２４とをワイヤを介して接続したが、ワイヤを使用しなくても構わない。本実施例は、出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂの上に、例えばＡｕからなるバンプ３２，３３を介して終端基板２５ｂをフリップチップ実装するものである。

バンプ３２，３３は、終端基板２５ｂに形成された配線（不図示）を介して終端抵抗２４と電気的に接続されている。こうして、終端基板２５ｂをフリップチップ実装することにより、出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂの端部と終端抵抗２４とが電気的に接続され、出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂが終端される。

本実施例では、ＳＩ−ＩｎＰ基板４０上に集積されるチップの端面まで出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂを引き出す必要がないため、出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂを曲げなくてもよい。出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂを曲げることは、クロストークや差動線路の場合には同相モード特性の劣化の原因となるため、出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂは直線状であることが望ましい。

そこで、本実施例では、出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂを位相変調電極線路１６，１７と同一直線上に形成している。このような配置により、出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂが光導波路１２，１３と交差する部分が存在しないため、第１の実施例で説明したようなエアブリッジ構造は不要である。

その他の構成は第１の実施例で説明したとおりである。以上のように、本実施例では、チップ上で出力側引き出し線路１８ｂ，１９ｂを終端するため、第１、第２の実施例と比較して半導体ＭＺ光変調器の面積を小さくすることができる。

なお、図６（Ａ）、図６（Ｂ）の例では、光導波路１２，１３の周囲を、空気で満たされた空間としているが、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように誘電体層４７で空間を埋めるようにしてもよい。また、第１、第２の実施例と同様に、ｉ−ＩｎＰ層４６の代わりに誘電体層４７を形成するようにしてもよい。

第１〜第３の実施例では、単体の容量装荷型構造の半導体ＭＺ光変調器の例で説明したが、半導体ＭＺ光変調器を２つ集積したＩＱ変調器や、ＩＱ変調器を２つ集積した偏波多重ＩＱ変調器に対しても本発明を適用することが可能である。
また、電極構造も容量装荷型電極構造（出力側引き出し線路がコプレーナ線路を基礎とする構造）である必要はなく、マイクロストリップ線路を基礎とした電極構造であってもよいし、その他の電極構造でも構わない。

また、第１〜第３の実施例で説明したとおり、半導体ＭＺ光変調器の光導波路１２，１３は、ＳＩ−ＩｎＰ基板４０上に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層４２とノンドープの半導体コア層４３とｉ−ＩｎＰからなる上部クラッド層４５（位相変調領域のみｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層４４）とを順次積層した構造となっている。他の光導波路１０，２３も同様である。

半導体コア層４３は、光導波層として機能し、例えばＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料からなる。半導体コア層４３は、単一組成の四元混晶のバルク層や多重量子井戸層で構成すればよい。また、多重量子井戸層の上下に、バンドギャップが多重量子井戸層よりも大きく、かつ下部クラッド層４２および上部クラッド層４４，４５よりもバンドギャップが小さい光閉じ込め層を形成した構造を、半導体コア層４３としてもよい。

四元混晶のバルク層や多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ光吸収が問題とならないように設定されている。
また、本発明はＩｎＰ系材料に限定されるものではなく、例えば、ＧａＡｓ基板と整合する材料系を用いても構わない。

また、第１〜第３の実施例では、終端抵抗２４をＳＩ−ＩｎＰ基板４０（第１の基板）と別の終端基板２５（第２の基板）に形成しているが、終端抵抗２４をＳＩ−ＩｎＰ基板４０上に形成し、出力側引き出し線路１８，１９の端部と終端抵抗２４との間をＳＩ−ＩｎＰ基板４０上の配線によって電気的に接続するようにしてもよい。

本発明は、電気信号で光信号を変調する半導体マッハツェンダ光変調器に適用することができる。

１０…入力光導波路、１１…光分波器、１２，１３…光導波路、１４，１５…入力側引き出し線路、１６，１７…位相変調電極線路、１８，１８ａ，１８ｂ，１９，１９ｂ…出力側引き出し線路、２０，２１…電極、２２…光合波器、２３…出力光導波路、２４…終端抵抗、２５，２５ｂ…終端基板、２６，２７…ワイヤ、２８，２８ｂ，２９，２９ｂ…ダミー導波路、３０…エアブリッジ構造、３１…空間、３２，３３…バンプ、４０…ＳＩ−ＩｎＰ基板、４１…ｎ−ＩｎＰ層、４２…下部クラッド層、４３…半導体コア層、４４，４５…上部クラッド層、４６…ｉ−ＩｎＰ層、４７…誘電体層。

Claims (10)

1. 第１の基板上に形成された光導波路と、
   前記第１の基板上に形成され、一端に変調信号が入力される入力側引き出し線路と、
   前記第１の基板上に形成され、一端が前記入力側引き出し線路の他端と接続され、前記変調信号を前記光導波路に印加する電極を有する位相変調電極線路と、
   前記第１の基板上に形成され、一端が前記位相変調電極線路の他端と接続された出力側引き出し線路とを備え、
   前記位相変調電極線路は、前記光導波路に沿って形成され、
   前記出力側引き出し線路は、前記第１の基板上の、前記光導波路と接続されていないダミー導波路の上に形成され、
   前記出力側引き出し線路の他端は、終端抵抗と電気的に接続されることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
2. 請求項１記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
   前記終端抵抗が形成された第２の基板をさらに備え、
   前記出力側引き出し線路の他端は、前記第２の基板の終端抵抗とワイヤを介して電気的に接続されることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
3. 請求項１記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
   前記終端抵抗が形成された第２の基板をさらに備え、
   前記出力側引き出し線路の他端は、この出力側引き出し線路上にフリップチップ実装された前記第２の基板の終端抵抗とバンプを介して電気的に接続されることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
4. 請求項１記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
   前記出力側引き出し線路の他端は、前記第１の基板上に形成された終端抵抗と電気的に接続されることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
5. 請求項３記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
   前記出力側引き出し線路は、前記位相変調電極線路と同一直線上に形成されることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
   前記光導波路と前記ダミー導波路との間は、誘電体層で満たされ、
   この誘電体層の上に前記出力側引き出し線路が形成されることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
   前記光導波路と前記ダミー導波路との間は、空気で満たされた空間であり、
   前記出力側引き出し線路は、前記光導波路および前記空間と交差する部分にエアブリッジ構造を有することを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
   前記光導波路と前記ダミー導波路とは、前記光導波路の光伝搬方向と垂直な方向で１０μｍ以上離して配置されることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
   前記位相変調電極線路と前記電極とが形成された位相変調領域における前記光導波路と、前記ダミー導波路とは、同一の半導体層構造であることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。
10. 請求項９記載の半導体マッハツェンダ光変調器において、
    前記位相変調領域における前記光導波路と、前記ダミー導波路との半導体層構造は、ｐｉｎ構造であり、
    ｐ層のドーピング濃度が１．０×１０¹⁷〜２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3であることを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。