JP3823873B2 - 半導体マッハツェンダ型光変調器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長距離大容量光通信システム等に有用な半導体マッハツェンダ型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体光変調器は、素子の小型化や、半導体レーザと同一半導体基板上への形成が可能であるという利点を持ち、ローコスト化が期待できるため、短距離から中長距離までをカバーする電気−光変換素子として研究が行われている。特に、半導体マッハツェンダ型光変調器は、素子の波長チャープパラメータを変化させることができるため、システム応用上で有用である。
【０００３】
半導体マッハツェンダ型光変調器を構成する場合、大まかに２通りの方法が考えられる。第１は、図２２に示す集中定数型電極を用いる方法であり、第２は、図２３に示す進行波型電極を用いる方法である。
【０００４】
図２２中、７０は半導体基板、７１は入力導波路、７２は分波器、７３、７４は光導波路、７５は集中定数型電極を有する位相変調器、７６は高周波信号源、７７は合波器、７８は出力導波路である。
【０００５】
図２３中、８０は半導体基板、８１は入力導波路、８２は分波器、８３、８４は光導波路、８５は進行波型電極を有する位相変調器、８６は高周波信号源、８７、８８は終端抵抗、８９は合波器、９０は出力導波路である。
【０００６】
集中定数型電極を用いる方法は、集中定数型電極の容量および集中定数型電極に高周波信号を印加するためのリード線のインダクタンスが素子の動作速度を制限することになるため、極めて小型の素子でしか、半導体マッハツェンダ型光変調器を実現することができない。他方、半導体マッハツェンダ型光変調器は素子長と駆動電圧が反比例するため、極めて短い素子長では、極めて高い駆動電圧が必要となり、低駆動電圧で動作させることができない。
【０００７】
駆動電圧を下げる方法として、電界を印加する領域である光導波路を薄くする方法がある。しかし、光導波路中の光場の広がり以下に薄くすると、逆に、変調効率が下がり、駆動電圧は上がることになるため、この方法のみでは高速かつ低駆動電圧で動作する半導体マッハツェンダ型光変調器を実現することは困難である。
【０００８】
これに対して、進行波型電極を用いる方法によれば、進行波型電極の特性インピーダンスを５０Ωに整合させることができれば、変調帯域の制限はなくなる。しかし、電界を印加する光導波路の厚さが進行波型電極の特性インピーダンスと関わり、光導波路が厚ければ、特性インピーダンスを５０Ωに整合させることが可能であるが、このようにすると、素子の駆動電圧が高くなり、逆に、光導波路が薄いと特性インピーダンスが小さくなり、素子の高周波特性は著しく劣化してしまうことになる。したがって、進行波型電極を用いる方法でも、駆動電圧と素子長が反比例の関係になってしまう。また、光の位相速度と変調波の位相速度を整合させることも進行波型電極を用いる素子では大きな問題である。
【０００９】
そこで、従来、半導体マッハツェンダ型光変調器として、例えば、図２４に示すような半導体マッハツェンダ型光変調器がR.G.Walker等により提案されている（IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.27, p.645, 1991）。図２４Ａは全体の概略的上面図、図２４Ｂは位相変調器部分の概略的断面図である。
【００１０】
この半導体マッハツェンダ型光変調器は、光導波路と高周波（マイクロ波）導波路を空間的に分離し、進行波型電極と集中定数型電極とを組み合わせた構造をしている。すなわち、進行波型電極５０、５１が位相変調器５２、５３と独立に存在し、位相変調器５２、５３の光導波路５４、５５の上方には、進行波型電極５０、５１から櫛上に配線された複数の分布電極５６、５７が配置されている。これら分布電極５６、５７は、それぞれ集中定数型電極として機能するが、十分に小さいため、十分に高周波まで帯域の制限を受けずに動作する。
【００１１】
また、分布電極５６、５７は、進行波型電極５０、５１から見て、分布定数型の容量およびインダクタンスに見えるため、これらを含めた進行波型電極として設計することで、特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、光の位相速度と高周波信号（変調波）の位相速度を整合させることも可能である。
【００１２】
また、光導波路５４、５５の下方には導電層５８が存在しており、この導電層５８を介して光導波路５４、５５が等質な容量として働くので、高周波信号を分布電極５６、５７に印加した際に、光導波路５４、５５に逆方向の高周波電界が生じ、素子をプッシュプル駆動することができる。また、導電層５８を光導波路５４、５５の下部に有しているので、高周波電界を比較的効率良くｉ型半導体層（コア層）に印加することができる。
【００１３】
更に、従来、半導体マッハツェンダ型光変調器として、例えば、図２５に示すような半導体マッハツェンダ型光変調器がR.Spickermann等により提案されている（Electronics Letters, vol.32, p.1095, 1996）。図２５Ａは全体の概略的上面図、図２５Ｂは図２５Ａの二点鎖線Ｘ１で囲む部分の概略的拡大図、図２５Ｃは図２５ＢのＸ２−Ｘ２線に沿った概略的断面図である。
【００１４】
この半導体マッハツェンダ型光変調器は、図２４に示す半導体マッハツェンダ型光変調器と同様に、光導波路と高周波導波路を空間的に分離し、進行波型電極と集中定数型電極を組み合わせた構造をしている。図２５中、６０は半導体基板、６１、６２は光導波路、６３は信号電極、６４、６５は接地電極、６６、６７、６８、６９は分布電極である。
【００１５】
この半導体マッハツェンダ型光変調器は、信号電極６３の両側に接地電極６４、６５を配置するというコプレーナ型の高周波導波路を使用しているので、放射損を減らすことができるだけでなく、光導波路６１、６２に並列に高周波電界を印加する構成としているため、駆動電圧を下げることができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図２４に示す第３従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器においては、２本の光導波路５４、５５に対して、直列に高周波電界を印加する構造としているため、駆動電圧を高くする必要があり、低駆動電圧で動作させることができないという問題点があった。また、進行波型電極５０、５１からなる高周波導波路の形状がスロットライン型をしているため、放射損が大きく、他のシステムとの整合性も悪いという問題点があった。
【００１７】
また、図２５に示す第４従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器においては、光導波路６１、６２に対して直流バイアス電界を印加することができないので、光導波路６１、６２をpin型半導体層構造とすることができない。このため、コア層に対して高周波電界を効率的に印加することができず、また、コア層に量子井戸構造を使用することができないため、屈折率変化率が低くなり、結果として駆動電圧を高くする必要があるという問題点があった。
【００１８】
また、光通信システム上での応用を考える際には、波長チャープを制御できることは有用である。しかし、図２４に示す第３従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器および図２５に示す第４従来例のマッハツェンダ型光変調器は、２本の導波路に反対向きの大きさの等しい高周波電界しか与えることができないため、プッシュプル駆動以外の駆動ができず、波長チャープを制御することは不可能である。波長チャープを制御するには、マッハツェンダ型光変調器をシングルアーム駆動することが必要である。
【００１９】
本発明は、かかる点に鑑み、プッシュプル駆動するように構成する場合には、高速かつ低駆動電圧でプッシュプル駆動することができ、シングルアーム駆動するように構成する場合には、高速かつ低駆動電圧でシングルアーム駆動することができるようにした半導体マッハツェンダ型光変調器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体マッハツェンダ型光変調器は、半導体基板上に第１の高導電率層と、信号電極と、第２の高導電率層とを順に配置した部分を有し、第１、第２の高導電率層上にそれぞれpin型半導体層からなる第１、第２の光導波路を配置した半導体マッハツェンダ型光変調器であって、次の第１、第２の構造のうち、少なくとも、いずれか一方又は両方の構造を有するというものである。
【００２１】
第１の構造は、半導体基板上に第１の光導波路を信号電極とで挟むように配置した第１の接地電極と、第１の光導波路上に配置した第１の分布電極と、第１の高導電率層上に配置した第２の分布電極を有し、信号電極と第２の分布電極を第１の櫛状配線で結線し、第１の接地電極と第１の分布電極を第２の櫛状配線で結線した構造である。
【００２２】
第２の構造は、半導体基板上に第２の光導波路を信号電極とで挟むように配置した第２の接地電極と、第２の光導波路上に配置した第３の分布電極と、第２の高導電率層上に配置した第４の分布電極を有し、信号電極と第３の分布電極を第３の櫛状配線で結線し、第２の接地電極と第４の分布電極を第４の櫛状配線で結線した構造である。
【００２３】
第１の構造を有するようにした場合、第１の高導電率層を利用して第１の光導波路に直流バイアス電界を印加し、更に、信号電極から第２の分布電極及び第１の高導電率層を介して第１の光導波路に高周波信号を印加する構成とすることにより、第１の光導波路を含んでなる位相変調器をシングルアーム駆動することができる。
【００２４】
第２の構造を有するようにした場合、第２の高導電率層を利用して第２の光導波路に直流バイアス電界を印加し、更に、信号電極から第３の分布電極を介して第２の光導波路に高周波信号を印加する構成とすることにより、第２の光導波路を含んでなる位相変調器をシングルアーム駆動することができる。
【００２５】
第１の構造及び第２の構造を有するようにした場合、第１の高導電率層を利用して第１の光導波路に直流バイアス電界を印加し、更に、信号電極から第２の分布電極及び第１の高導電率層を介して第１の光導波路に高周波信号を印加する構成とすると共に、第２の高導電率層を利用して第２の光導波路に直流バイアス電界を印加し、更に、信号電極から第３の分布電極を介して第２の光導波路に高周波信号を印加する構成とすることにより、第１の光導波路を含んでなる位相変調器と第２の光導波路を含んでなる位相変調器とをプッシュプル駆動することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図２１を参照して、本発明の第１実施形態〜第７実施形態について説明する。
【００２７】
（第１実施形態・・図１〜図７）
図１は本発明の第１実施形態を示す概略的上面図、図２は図１の二点鎖線Ｘ３で囲む部分の概略的拡大図、図３は図２のＸ４−Ｘ４線に沿った概略的断面図である。
【００２８】
本発明の第１実施形態は、半導体基板１と、光導波路２、３と、高周波（マイクロ波）導波路をなす信号電極４および接地電極５、６と、高導電率層７、８と、分布電極９、１０、１１、１２と、直流電圧用電極１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂを備えている。
【００２９】
接地電極５と高導電率層７と信号電極４と高導電率層８と接地電極６は、この順に半導体基板１上に平行に配置され、光導波路２は高導電率層７上に配置され、光導波路３は高導電率層８上に配置されている。
【００３０】
分布電極９は、光導波路２の上部に所定間隔で配置され、櫛状配線１５により接地電極５に接続されている。分布電極１０は、光導波路３の上部に所定間隔で配置され、櫛状配線１６により信号電極４に接続されている。
【００３１】
分布電極１１は、高導電率層７上に設けられた絶縁層２３上に所定間隔で配置され、櫛状配線１７により信号電極４に接続されている。分布電極１２は、高導電率層８上に設けられた絶縁層２４上に所定間隔で配置され、櫛状配線１８により接地電極６に接続されている。
【００３２】
直流電圧用電極１３Ａ、１３Ｂは高導電率層７上の長手方向の両端部に配置され、直流電圧用電極１４Ａ、１４Ｂは高導電率層８上の長手方向の両端部に配置されている。
【００３３】
なお、入力導波路２１は分波器１９によって分波されて光導波路２、３に結合し、光導波路２、３は合波器２０によって合波されて出力導波路２２に結合されている。
【００３４】
半導体基板１は、例えば、半絶縁性InP基板よりなる。光導波路２、３は上から順にｐ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層よりなり、ｉ型半導体層の厚さは凡そ３μｍ以内であり、量子井戸もしくはバルク結晶よりなる。
【００３５】
信号電極４および接地電極５、６は、例えば、厚さ３μｍ以上の金メッキよりなり、その間隔は少なくとも１０μｍ以上である。高導電率層７、８は、例えば、１×１０18ｃｍ-3以上にｎ型ドープされたInP層よりなる。高導電率層７、８として金属層を使用しても良い。
【００３６】
分布電極９、１０、１１、１２は、例えば、金メッキよりなり、各電極の長さおよび周期は１ｍｍより短く、その長さは、典型的には３０〜５００μｍ程度であり、その周期は、典型的には５０〜５００μｍ程度である。
【００３７】
櫛状配線１５、１６、１７、１８は、例えば、金メッキよりなり、その長さは１００μｍ以内である。絶縁層２３、２４は、例えば、厚さ１μｍ以内の二酸化珪素であり、少なくとも分布電極１１と高導電率層７との間および分布電極１２と高導電率層８との間にリーク電流が生じない程度の厚さを持つ。
【００３８】
本発明の第１実施形態では、光導波路２と高導電率層７と分布電極９、１１と絶縁層２３とで第１の位相変調器２５が構成され、光導波路３と高導電率層８と分布電極１０、１２と絶縁層２４とで第２の位相変調器２６が構成されている。
【００３９】
そして、位相変調器２５については、直流電圧用電極１３Ａ、１３Ｂのいずれか若しくは両方に直流電圧源が接続され、位相変調器２６については、直流電圧用電極１４Ａ、１４Bのいずれか若しくは両方に直流電圧源が接続される。また、信号電極４と接地電極５、６との間に高周波信号源２７による高周波信号が印加される。
【００４０】
図４は本発明の第１実施形態の動作を説明するための等価回路図である。図４中、容量２、３はそれぞれ光導波路２、３、容量２３、２４はぞれぞれ絶縁層２３、２４、節点４は信号電極４、節点５、６はそれぞれ接地電極５、６、節点１３Ａ、１４Ａはそれぞれ直流電圧用電極１３Ａ、１４Ａを表している。
【００４１】
この例では、光導波路２が逆バイアスされるように、直流電圧用電極１３Ａにインダクタ２８を介して直流電圧源３０が接続されると共に、光導波路３が逆バイアスされるように、直流電圧用電極１４Ａにインダクタ２９を介して直流電圧源３１が接続されている。
【００４２】
インダクタ２８、２９は、例えば、高導電率層７、８を位相変調器部分から十分長く延ばし、位相変調器部分から十分離れた位置に直流電圧用電極を設けることや、直流電圧源３０、３１からの直流電圧供給用のリード線で実現することができる。直流電圧源３０、３１は、共通のものであっても良いし、独立のものであっても良い。
【００４３】
また、この例では、接地電極５、６は接地され、信号電極４と接地電極５、６との間に高周波信号源２７による高周波信号３２、３３が印加される。なお、高周波信号３２、３３の振幅は直流電圧源３０、３１による直流バイアス電圧よりも小さく設定する。
【００４４】
図４に示す等価回路は、直流的には図５に示すように表すことができ、直流電圧源３０、３１による直流バイアス電圧Ｖbiasは、光導波路２、３及び絶縁層２３、２４に対して同じ方向に印加されることになる。これにより、光導波路２、３のpin接合部分はそれぞれ逆バイアスされる。
【００４５】
また、図４に示す等価回路は、高周波的には図６に示すように表すことができる。すなわち、光導波路２、３には、高周波信号３２、３３による高周波電圧Ｖacが相対的に逆方向に印加される。このとき、絶縁層２３、２４の容量が光導波路２、３の容量に対して十分大きければ、ほとんどの高周波電圧は光導波路２、３に印加されることになる。
【００４６】
光導波路２、３に印加される正味の電界は、直流バイアス電圧による直流バイアス電界と高周波信号による高周波電界の足し合わせであり、光導波路２、３に対する電界の向きは、直流バイアス電界では同方向、高周波電界では逆方向であるから、光導波路２、３に印加される正味の電界に差が生じることになる。
【００４７】
すなわち、図７に示すように、光導波路２に印加される電圧が直流バイアス電圧Ｖbiasから下方に触れて（Ｖbias−Ｖac）となるときは、光導波路３に印加される電圧は上方に振れて（Ｖbias＋Ｖac）となり、逆に、光導波路２に印加される電圧が直流バイアス電圧Ｖbiasから上方に触れて（Ｖbias＋Ｖac）となるときは、光導波路３の電圧は下方に振れて（Ｖbias−Ｖac）となる。
【００４８】
したがって、本発明の第１実施形態によれば、プッシュプル駆動を実現し、波長チャープを抑えることができる。さらに、直流電圧源３０、３１の出力電圧を調整することにより、位相の調整を行うことができる。
【００４９】
また、本発明の第１実施形態によれば、例えば、光導波路２、３のｉ型半導体層として、厚さ０.５μｍの量子井戸構造を用い、分布電極９、１０の幅を５μｍ、長さを１００μｍとし、絶縁層２３、２４に厚さ０.１μｍの二酸化珪素を用い、分布電極１１、１２の幅を１０μｍ、長さを１００μｍとしたとき、光導波路２、３の容量：絶縁層２３、２４の容量の比は１：４となり、高周波信号源２７から出力される高周波電圧のうち、８０％程度の高周波電圧を光導波路２、３に印加させることができる。
【００５０】
また、本発明の第１実施形態では、２本の位相変調器２５、２６が並列に接続されているため、２本の位相変調器２５、２６に対して、図２４に示す第３従来例と比較して、正味約１.６倍の高周波電圧を印加することができる。
【００５１】
更に、本発明の第１実施形態では、光導波路２、３のｉ型半導体層（コア層）に量子井戸構造を用いることができるため、量子閉じ込めシュタルク効果により、３×１０-10ｍ／Ｖ程度の屈折率変化（バルク結晶では約２×１０-11ｍ／Ｖ）を得ることができる。
【００５２】
ここで、量子井戸への光の閉じ込め係数を０.３３とすれば、本発明の第１実施形態では、図２４に示す第３従来例に比較して０.６倍、図２５に示す第４従来例に比較して０.１倍の電圧で駆動することができる。
【００５３】
以上のように、本発明の第１実施形態によれば、光導波路２、３をpin型半導体層で構成すると共に、光導波路２、３に並列に高周波信号を印加することができる構成としたことにより、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができる。
【００５４】
（第２実施形態・・図８）
図８は本発明の第２実施形態を示す概略的断面図である。本発明の第２実施形態は、信号電極４および接地電極５、６と半導体基板１との間にそれぞれ適当な厚さの絶縁層３４、３５、３６（例えば、二酸化珪素）を介在させ、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００５５】
本発明の第２実施形態によれば、本発明の第１実施形態と同様に、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができると共に、高周波信号の位相速度を調整し、高周波信号の位相速度と光の位相速度を整合させることができる。
【００５６】
（第３実施形態・・図９）
図９は本発明の第３実施形態を示す概略的断面図である。本発明の第３実施形態は、高導電率層７と信号電極４および接地電極５との間の半導体基板部分、高導電率層８と信号電極４および接地電極６との間の半導体基板部分に適当な深さの溝３７、３８、３９、４０を設け、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００５７】
本発明の第３実施形態によれば、本発明の第１実施形態と同様に、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができると共に、高周波信号の位相速度を調整し、高周波信号の位相速度と光の位相速度を整合させることができる。
【００５８】
（第４実施形態・・図１０）
図１０は本発明の第４実施形態を示す図であり、図１０Ａは概略的上面図、図１０Ｂは概略的側面図である。本発明の第４実施形態は、光導波路２、３のｐ型半導体層のうち、上部に分布電極９、１０のない部分を半絶縁層４１で置き換え、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００５９】
本発明の第４実施形態によれば、本発明の第１実施形態と同様に、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができると共に、高周波信号および光の損失を低減することができる。
【００６０】
（第５実施形態・・図１１）
図１１は本発明の第５実施形態の概略的断面図である。本発明の第５実施形態は、光導波路２、３の側面を半絶縁性半導体４２、４３、４４、４５で被覆し、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００６１】
本発明の第５実施形態によれば、本発明の第１実施形態と同様に、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができると共に、光のモードの安定化と、素子の高信頼性を得ることができる。
【００６２】
（第６実施形態・・図１２〜図１８）
図１２は本発明の第６実施形態を示す概略的上面図、図１３は図１２の二点鎖線Ｘ５で囲む部分の概略的拡大図、図１４は図１３のＸ６−Ｘ６線に沿った概略的断面図である。
【００６３】
本発明の第６実施形態は、本発明の第１実施形態が設ける分布電極９、１１、櫛型配線１５、１７および絶縁層２３を設けないようにし、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００６４】
図１５は本発明の第６実施形態の動作を説明するための等価回路図である。図１５中、容量３は光導波路３、容量２４は絶縁層２４、節点４は信号電極４、節点６は接地電極６、節点１４Ａは直流電圧用電極１４Ａを表している。
【００６５】
この例では、光導波路３が逆バイアスされるように、直流電圧用電極１４Ａにインダクタ２９を介して直流電圧源３１が接続されている。インダクタ２９は、例えば、高導電率層８を位相変調器部分から十分長く延ばし、位相変調器部分から十分離れた位置に電極を設けることや、直流電圧源３１からの直流電圧供給用のリード線で実現できる。
【００６６】
また、接地電極６は接地され、信号電極４と接地電極６との間に高周波信号源２７による高周波信号３３が印加される。なお、高周波信号３３の振幅は直流電圧源３１による直流バイアス電圧よりも小さく設定する。
【００６７】
図１５に示す等価回路は、直流的には図１６に示すように表すことができ、直流電圧源３１による直流バイアス電圧Ｖbiasは、光導波路３及び絶縁層２４に対して同じ方向に印加されることになる。これによって、光導波路３のpin接合部分はそれぞれ逆バイアスされる。
【００６８】
また、図１５に示す等価回路は、高周波的には図１７に示すように表すことができる。すなわち、光導波路３には、高周波信号３３による高周波電圧Ｖacが印加される。このとき、絶縁層２４の容量が光導波路３の容量に対して十分大きければ、ほとんどの高周波電圧は光導波路３に印加される。
【００６９】
本発明の第６実施形態によれば、位相変調器２６を高速かつ低駆動電圧でシングルアーム駆動することができると共に、図１８に示すように、直流バイアス電圧Ｖbiasを調整することにより、波長チャープパラメータαの符号を制御することができる。
【００７０】
なお、位相変調器２６をシングルアーム駆動するためには、図１に示す分布電極９、１１、櫛型配線１５、１７および絶縁層２３を設けないようにし、その他については、本発明の第２実施形態〜第５実施形態のいずれかと同様に構成することもできる。
【００７１】
また、図１に示す櫛型配線１５、１７を設けないようにするか、あるいは、櫛型配線１５、１７のいずれか又は両方を切断するようにし、その他については、本発明の第１実施形態〜第５実施形態のいずれかと同様に構成しても良い。また、位相変調器２６の代わりに、位相変調器２５をシングルアーム駆動するように構成しても良い。
【００７２】
（第７実施形態・・図１９〜図２１）
図１９は本発明の第７実施形態を示す概略的上面図、図２０は図１９の二点鎖線Ｘ７で囲む部分の概略的拡大図、図２１は図２０のＸ８−Ｘ８線に沿った概略的断面図である。
【００７３】
本発明の第７実施形態は、本発明の第６実施形態が設ける接地電極５を設けないようにし、その他については、本発明の第６実施形態と同様に構成したものである。すなわち、本発明の第７実施形態は、高周波導波路をスロットライン型にしたものである。
【００７４】
本発明の第７実施形態は、本発明の第６実施形態と同様に、位相変調器２６をシングルアーム駆動することができると共に、直流バイアス電圧Ｖbiasを調整することにより、波長チャープパラメータαの符号を制御することができる。
【００７５】
また、本発明の第７実施形態によれば、光導波路３のｐ型半導体層うち、上部に分布電極１０のない部分を半絶縁層で置き換え、光導波路３のｉ型半導体層を１μｍとし、さらに、絶縁層２４を光導波路３と同じ容量を持つようにし、分布電極長を３０μｍ、周期を５０μｍとしたとき、４０ＧＨzの高周波信号の消衰係数は約７０ｍ-1となるが、これは進行波型電極を有する図２３に示す第２従来例による約２７０ｍ-1の約１／４となる。したがって、高周波まで低損失な高周波導波路が実現でき、更なる高速動作が可能となる。
【００７６】
なお、位相変調器２６をシングルアーム駆動するためには、図１に示す接地電極５、分布電極９、１１、櫛型配線１５、１７および絶縁層２３を設けないようにし、その他については、本発明の第２実施形態〜第５実施形態のいずれかと同様に構成することもできる。
【００７７】
また、図１に示す接地電極５および櫛型配線１５、１７を設けないようにするか、あるいは、接地電極５を設けないようにすると共に、櫛型配線１７を切断するようにし、その他については、本発明の第１実施形態〜第５実施形態のいずれかと同様に構成しても良い。また、位相変調器２６の代わりに、位相変調器２５をシングルアーム駆動するように構成しても良い。
【００７８】
ここで、本発明を整理すると、本発明は、以下の半導体マッハツェンダ型光変調器を含む。
【００７９】
（付記１）半導体基板上に第１の高導電率層と、信号電極と、第２の高導電率層とを順に配置した部分を有し、前記第１、第２の高導電率層上にそれぞれpin型半導体層からなる第１、第２の光導波路を配置した半導体マッハツェンダ型光変調器であって、前記半導体基板上に前記第１の光導波路を前記信号電極とで挟むように配置した第１の接地電極と、前記第１の光導波路上に配置した第１の分布電極と、前記第１の高導電率層上に配置した第２の分布電極を有し、前記信号電極と前記第２の分布電極を第１の櫛状配線で結線し、前記第１の接地電極と前記第１の分布電極を第２の櫛状配線で結線した第１の構造、および、前記半導体基板上に前記第２の光導波路を前記信号電極とで挟むように配置した第２の接地電極と、前記第２の光導波路上に配置した第３の分布電極と、前記第２の高導電率層上に配置した第４の分布電極を有し、前記信号電極と前記第３の分布電極を第３の櫛状配線で結線し、前記第２の接地電極と前記第４の分布電極を第４の櫛状配線で結線した第２の構造のうち、いずれか一方又は両方の構造を有することを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８０】
（付記２）前記第１の高導電率層と前記第２の分布電極との間および前記第２の高導電率層と前記第４の分布電極との間にそれぞれ誘電体層を介在させていることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８１】
（付記３）前記半導体基板と前記信号電極および前記第１、第２の接地電極との間にそれぞれ誘電体層を介在させていることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８２】
（付記４）前記信号電極と前記第１の高導電率層との間の半導体基板部分、前記第１の高導電率層と前記第１の接地電極との間の半導体基板部分、前記信号電極と前記第２の高導電率層との間の半導体基板部分、および、前記第２の高導電率層と前記第２の接地電極との間の半導体基板部分にそれぞれ溝を形成していることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８３】
（付記５）前記第１の光導波路の最上層の半導体層のうち、上部に前記第１の分布電極がない部分、および、前記第２の光導波路の最上層の半導体層のうち、上部に前記第２の分布電極がない部分をそれぞれ半絶縁層で置き換えていることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８４】
（付記６）前記第１、第２の光導波路の側面を半絶縁層で被覆していることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８５】
（付記７）前記第１、第２の光導波路のｉ型半導体層を量子井戸構造としていることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プッシュプル駆動するように構成する場合には、高速かつ低駆動電圧でプッシュプル駆動することができ、シングルアーム駆動するように構成する場合には、高速かつ低駆動電圧でシングルアーム駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略的上面図である。
【図２】図１の二点鎖線Ｘ３で囲む部分の概略的拡大図である。
【図３】図２のＸ４−Ｘ４線に沿った概略的断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態の動作を説明するための等価回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態の動作を説明するための直流的等価回路図である。
【図６】本発明の第１実施形態の動作を説明するための高周波的等価回路図である。
【図７】本発明の第１実施形態の動作を説明するための図である。
【図８】本発明の第２実施形態を示す概略的断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態を示す概略的断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態を示す図である。
【図１１】本発明の第５実施形態を示す概略的断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態を示す概略的上面図である。
【図１３】図１２の二点鎖線Ｘ５で囲む部分の概略的拡大図である。
【図１４】図１３のＸ６−Ｘ６線に沿った概略的断面図である。
【図１５】本発明の第６実施形態の動作を説明するための等価回路図である。
【図１６】本発明の第６実施形態の動作を説明するための直流的等価回路図である。
【図１７】本発明の第６実施形態の動作を説明するための高周波的等価回路図である。
【図１８】本発明の第６実施形態の動作を説明するための図である。
【図１９】本発明の第７実施形態を示す概略的上面図である。
【図２０】図１９の二点鎖線Ｘ７で囲む部分の概略的拡大図である。
【図２１】図２０のＸ８−Ｘ８線に沿った概略的断面図である。
【図２２】第１従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器（集中定数型電極を有する半導体マッハツェンダ型光変調器の一例）を示す図である。
【図２３】第２従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器（進行波型電極を有する半導体マッハツェンダ型光変調器の一例）を示す図である。
【図２４】第３従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器を示す図である。
【図２５】第４従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器を示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２、３ 光導波路
４ 信号電極
５、６ 接地電極
７、８ 高導電率層
９、１０、１１、１２ 分布電極
１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ 直流電圧用電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、長距離大容量光通信システム等に有用な半導体マッハツェンダ型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体光変調器は、素子の小型化や、半導体レーザと同一半導体基板上への形成が可能であるという利点を持ち、ローコスト化が期待できるため、短距離から中長距離までをカバーする電気−光変換素子として研究が行われている。特に、半導体マッハツェンダ型光変調器は、素子の波長チャープパラメータを変化させることができるため、システム応用上で有用である。
【０００３】
半導体マッハツェンダ型光変調器を構成する場合、大まかに２通りの方法が考えられる。第１は、図２２に示す集中定数型電極を用いる方法であり、第２は、図２３に示す進行波型電極を用いる方法である。
【０００４】
図２２中、７０は半導体基板、７１は入力導波路、７２は分波器、７３、７４は光導波路、７５は集中定数型電極を有する位相変調器、７６は高周波信号源、７７は合波器、７８は出力導波路である。
【０００５】
図２３中、８０は半導体基板、８１は入力導波路、８２は分波器、８３、８４は光導波路、８５は進行波型電極を有する位相変調器、８６は高周波信号源、８７、８８は終端抵抗、８９は合波器、９０は出力導波路である。
【０００６】
集中定数型電極を用いる方法は、集中定数型電極の容量および集中定数型電極に高周波信号を印加するためのリード線のインダクタンスが素子の動作速度を制限することになるため、極めて小型の素子でしか、半導体マッハツェンダ型光変調器を実現することができない。他方、半導体マッハツェンダ型光変調器は素子長と駆動電圧が反比例するため、極めて短い素子長では、極めて高い駆動電圧が必要となり、低駆動電圧で動作させることができない。
【０００７】
駆動電圧を下げる方法として、電界を印加する領域である光導波路を薄くする方法がある。しかし、光導波路中の光場の広がり以下に薄くすると、逆に、変調効率が下がり、駆動電圧は上がることになるため、この方法のみでは高速かつ低駆動電圧で動作する半導体マッハツェンダ型光変調器を実現することは困難である。
【０００８】
これに対して、進行波型電極を用いる方法によれば、進行波型電極の特性インピーダンスを５０Ωに整合させることができれば、変調帯域の制限はなくなる。しかし、電界を印加する光導波路の厚さが進行波型電極の特性インピーダンスと関わり、光導波路が厚ければ、特性インピーダンスを５０Ωに整合させることが可能であるが、このようにすると、素子の駆動電圧が高くなり、逆に、光導波路が薄いと特性インピーダンスが小さくなり、素子の高周波特性は著しく劣化してしまうことになる。したがって、進行波型電極を用いる方法でも、駆動電圧と素子長が反比例の関係になってしまう。また、光の位相速度と変調波の位相速度を整合させることも進行波型電極を用いる素子では大きな問題である。
【０００９】
そこで、従来、半導体マッハツェンダ型光変調器として、例えば、図２４に示すような半導体マッハツェンダ型光変調器がR.G.Walker等により提案されている（IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.27, p.645, 1991）。図２４Ａは全体の概略的上面図、図２４Ｂは位相変調器部分の概略的断面図である。
【００１０】
この半導体マッハツェンダ型光変調器は、光導波路と高周波（マイクロ波）導波路を空間的に分離し、進行波型電極と集中定数型電極とを組み合わせた構造をしている。すなわち、進行波型電極５０、５１が位相変調器５２、５３と独立に存在し、位相変調器５２、５３の光導波路５４、５５の上方には、進行波型電極５０、５１から櫛上に配線された複数の分布電極５６、５７が配置されている。これら分布電極５６、５７は、それぞれ集中定数型電極として機能するが、十分に小さいため、十分に高周波まで帯域の制限を受けずに動作する。
【００１１】
また、分布電極５６、５７は、進行波型電極５０、５１から見て、分布定数型の容量およびインダクタンスに見えるため、これらを含めた進行波型電極として設計することで、特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、光の位相速度と高周波信号（変調波）の位相速度を整合させることも可能である。
【００１２】
また、光導波路５４、５５の下方には導電層５８が存在しており、この導電層５８を介して光導波路５４、５５が等質な容量として働くので、高周波信号を分布電極５６、５７に印加した際に、光導波路５４、５５に逆方向の高周波電界が生じ、素子をプッシュプル駆動することができる。また、導電層５８を光導波路５４、５５の下部に有しているので、高周波電界を比較的効率良くｉ型半導体層（コア層）に印加することができる。
【００１３】
更に、従来、半導体マッハツェンダ型光変調器として、例えば、図２５に示すような半導体マッハツェンダ型光変調器がR.Spickermann等により提案されている（Electronics Letters, vol.32, p.1095, 1996）。図２５Ａは全体の概略的上面図、図２５Ｂは図２５Ａの二点鎖線Ｘ１で囲む部分の概略的拡大図、図２５Ｃは図２５ＢのＸ２−Ｘ２線に沿った概略的断面図である。
【００１４】
この半導体マッハツェンダ型光変調器は、図２４に示す半導体マッハツェンダ型光変調器と同様に、光導波路と高周波導波路を空間的に分離し、進行波型電極と集中定数型電極を組み合わせた構造をしている。図２５中、６０は半導体基板、６１、６２は光導波路、６３は信号電極、６４、６５は接地電極、６６、６７、６８、６９は分布電極である。
【００１５】
この半導体マッハツェンダ型光変調器は、信号電極６３の両側に接地電極６４、６５を配置するというコプレーナ型の高周波導波路を使用しているので、放射損を減らすことができるだけでなく、光導波路６１、６２に並列に高周波電界を印加する構成としているため、駆動電圧を下げることができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図２４に示す第３従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器においては、２本の光導波路５４、５５に対して、直列に高周波電界を印加する構造としているため、駆動電圧を高くする必要があり、低駆動電圧で動作させることができないという問題点があった。また、進行波型電極５０、５１からなる高周波導波路の形状がスロットライン型をしているため、放射損が大きく、他のシステムとの整合性も悪いという問題点があった。
【００１７】
また、図２５に示す第４従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器においては、光導波路６１、６２に対して直流バイアス電界を印加することができないので、光導波路６１、６２をpin型半導体層構造とすることができない。このため、コア層に対して高周波電界を効率的に印加することができず、また、コア層に量子井戸構造を使用することができないため、屈折率変化率が低くなり、結果として駆動電圧を高くする必要があるという問題点があった。
【００１８】
また、光通信システム上での応用を考える際には、波長チャープを制御できることは有用である。しかし、図２４に示す第３従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器および図２５に示す第４従来例のマッハツェンダ型光変調器は、２本の導波路に反対向きの大きさの等しい高周波電界しか与えることができないため、プッシュプル駆動以外の駆動ができず、波長チャープを制御することは不可能である。波長チャープを制御するには、マッハツェンダ型光変調器をシングルアーム駆動することが必要である。
【００１９】
本発明は、かかる点に鑑み、プッシュプル駆動するように構成する場合には、高速かつ低駆動電圧でプッシュプル駆動することができ、シングルアーム駆動するように構成する場合には、高速かつ低駆動電圧でシングルアーム駆動することができるようにした半導体マッハツェンダ型光変調器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体マッハツェンダ型光変調器は、半導体基板上に第１の高導電率層と、信号電極と、第２の高導電率層とを順に配置した部分を有し、第１、第２の高導電率層上にそれぞれpin型半導体層からなる第１、第２の光導波路を配置した半導体マッハツェンダ型光変調器であって、次の第１、第２の構造のうち、少なくとも、いずれか一方又は両方の構造を有するというものである。
【００２１】
第１の構造は、半導体基板上に第１の光導波路を信号電極とで挟むように配置した第１の接地電極と、第１の光導波路上に配置した第１の分布電極と、第１の高導電率層上に配置した第２の分布電極を有し、信号電極と第２の分布電極を第１の櫛状配線で結線し、第１の接地電極と第１の分布電極を第２の櫛状配線で結線した構造である。
【００２２】
第２の構造は、半導体基板上に第２の光導波路を信号電極とで挟むように配置した第２の接地電極と、第２の光導波路上に配置した第３の分布電極と、第２の高導電率層上に配置した第４の分布電極を有し、信号電極と第３の分布電極を第３の櫛状配線で結線し、第２の接地電極と第４の分布電極を第４の櫛状配線で結線した構造である。
【００２３】
第１の構造を有するようにした場合、第１の高導電率層を利用して第１の光導波路に直流バイアス電界を印加し、更に、信号電極から第２の分布電極及び第１の高導電率層を介して第１の光導波路に高周波信号を印加する構成とすることにより、第１の光導波路を含んでなる位相変調器をシングルアーム駆動することができる。
【００２４】
第２の構造を有するようにした場合、第２の高導電率層を利用して第２の光導波路に直流バイアス電界を印加し、更に、信号電極から第３の分布電極を介して第２の光導波路に高周波信号を印加する構成とすることにより、第２の光導波路を含んでなる位相変調器をシングルアーム駆動することができる。
【００２５】
第１の構造及び第２の構造を有するようにした場合、第１の高導電率層を利用して第１の光導波路に直流バイアス電界を印加し、更に、信号電極から第２の分布電極及び第１の高導電率層を介して第１の光導波路に高周波信号を印加する構成とすると共に、第２の高導電率層を利用して第２の光導波路に直流バイアス電界を印加し、更に、信号電極から第３の分布電極を介して第２の光導波路に高周波信号を印加する構成とすることにより、第１の光導波路を含んでなる位相変調器と第２の光導波路を含んでなる位相変調器とをプッシュプル駆動することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図２１を参照して、本発明の第１実施形態〜第７実施形態について説明する。
【００２７】
（第１実施形態・・図１〜図７）
図１は本発明の第１実施形態を示す概略的上面図、図２は図１の二点鎖線Ｘ３で囲む部分の概略的拡大図、図３は図２のＸ４−Ｘ４線に沿った概略的断面図である。
【００２８】
本発明の第１実施形態は、半導体基板１と、光導波路２、３と、高周波（マイクロ波）導波路をなす信号電極４および接地電極５、６と、高導電率層７、８と、分布電極９、１０、１１、１２と、直流電圧用電極１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂを備えている。
【００２９】
接地電極５と高導電率層７と信号電極４と高導電率層８と接地電極６は、この順に半導体基板１上に平行に配置され、光導波路２は高導電率層７上に配置され、光導波路３は高導電率層８上に配置されている。
【００３０】
分布電極９は、光導波路２の上部に所定間隔で配置され、櫛状配線１５により接地電極５に接続されている。分布電極１０は、光導波路３の上部に所定間隔で配置され、櫛状配線１６により信号電極４に接続されている。
【００３１】
分布電極１１は、高導電率層７上に設けられた絶縁層２３上に所定間隔で配置され、櫛状配線１７により信号電極４に接続されている。分布電極１２は、高導電率層８上に設けられた絶縁層２４上に所定間隔で配置され、櫛状配線１８により接地電極６に接続されている。
【００３２】
直流電圧用電極１３Ａ、１３Ｂは高導電率層７上の長手方向の両端部に配置され、直流電圧用電極１４Ａ、１４Ｂは高導電率層８上の長手方向の両端部に配置されている。
【００３３】
なお、入力導波路２１は分波器１９によって分波されて光導波路２、３に結合し、光導波路２、３は合波器２０によって合波されて出力導波路２２に結合されている。
【００３４】
半導体基板１は、例えば、半絶縁性InP基板よりなる。光導波路２、３は上から順にｐ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層よりなり、ｉ型半導体層の厚さは凡そ３μｍ以内であり、量子井戸もしくはバルク結晶よりなる。
【００３５】
信号電極４および接地電極５、６は、例えば、厚さ３μｍ以上の金メッキよりなり、その間隔は少なくとも１０μｍ以上である。高導電率層７、８は、例えば、１×１０18ｃｍ-3以上にｎ型ドープされたInP層よりなる。高導電率層７、８として金属層を使用しても良い。
【００３６】
分布電極９、１０、１１、１２は、例えば、金メッキよりなり、各電極の長さおよび周期は１ｍｍより短く、その長さは、典型的には３０〜５００μｍ程度であり、その周期は、典型的には５０〜５００μｍ程度である。
【００３７】
櫛状配線１５、１６、１７、１８は、例えば、金メッキよりなり、その長さは１００μｍ以内である。絶縁層２３、２４は、例えば、厚さ１μｍ以内の二酸化珪素であり、少なくとも分布電極１１と高導電率層７との間および分布電極１２と高導電率層８との間にリーク電流が生じない程度の厚さを持つ。
【００３８】
本発明の第１実施形態では、光導波路２と高導電率層７と分布電極９、１１と絶縁層２３とで第１の位相変調器２５が構成され、光導波路３と高導電率層８と分布電極１０、１２と絶縁層２４とで第２の位相変調器２６が構成されている。
【００３９】
そして、位相変調器２５については、直流電圧用電極１３Ａ、１３Ｂのいずれか若しくは両方に直流電圧源が接続され、位相変調器２６については、直流電圧用電極１４Ａ、１４Bのいずれか若しくは両方に直流電圧源が接続される。また、信号電極４と接地電極５、６との間に高周波信号源２７による高周波信号が印加される。
【００４０】
図４は本発明の第１実施形態の動作を説明するための等価回路図である。図４中、容量２、３はそれぞれ光導波路２、３、容量２３、２４はぞれぞれ絶縁層２３、２４、節点４は信号電極４、節点５、６はそれぞれ接地電極５、６、節点１３Ａ、１４Ａはそれぞれ直流電圧用電極１３Ａ、１４Ａを表している。
【００４１】
この例では、光導波路２が逆バイアスされるように、直流電圧用電極１３Ａにインダクタ２８を介して直流電圧源３０が接続されると共に、光導波路３が逆バイアスされるように、直流電圧用電極１４Ａにインダクタ２９を介して直流電圧源３１が接続されている。
【００４２】
インダクタ２８、２９は、例えば、高導電率層７、８を位相変調器部分から十分長く延ばし、位相変調器部分から十分離れた位置に直流電圧用電極を設けることや、直流電圧源３０、３１からの直流電圧供給用のリード線で実現することができる。直流電圧源３０、３１は、共通のものであっても良いし、独立のものであっても良い。
【００４３】
また、この例では、接地電極５、６は接地され、信号電極４と接地電極５、６との間に高周波信号源２７による高周波信号３２、３３が印加される。なお、高周波信号３２、３３の振幅は直流電圧源３０、３１による直流バイアス電圧よりも小さく設定する。
【００４４】
図４に示す等価回路は、直流的には図５に示すように表すことができ、直流電圧源３０、３１による直流バイアス電圧Ｖbiasは、光導波路２、３及び絶縁層２３、２４に対して同じ方向に印加されることになる。これにより、光導波路２、３のpin接合部分はそれぞれ逆バイアスされる。
【００４５】
また、図４に示す等価回路は、高周波的には図６に示すように表すことができる。すなわち、光導波路２、３には、高周波信号３２、３３による高周波電圧Ｖacが相対的に逆方向に印加される。このとき、絶縁層２３、２４の容量が光導波路２、３の容量に対して十分大きければ、ほとんどの高周波電圧は光導波路２、３に印加されることになる。
【００４６】
光導波路２、３に印加される正味の電界は、直流バイアス電圧による直流バイアス電界と高周波信号による高周波電界の足し合わせであり、光導波路２、３に対する電界の向きは、直流バイアス電界では同方向、高周波電界では逆方向であるから、光導波路２、３に印加される正味の電界に差が生じることになる。
【００４７】
すなわち、図７に示すように、光導波路２に印加される電圧が直流バイアス電圧Ｖbiasから下方に触れて（Ｖbias−Ｖac）となるときは、光導波路３に印加される電圧は上方に振れて（Ｖbias＋Ｖac）となり、逆に、光導波路２に印加される電圧が直流バイアス電圧Ｖbiasから上方に触れて（Ｖbias＋Ｖac）となるときは、光導波路３の電圧は下方に振れて（Ｖbias−Ｖac）となる。
【００４８】
したがって、本発明の第１実施形態によれば、プッシュプル駆動を実現し、波長チャープを抑えることができる。さらに、直流電圧源３０、３１の出力電圧を調整することにより、位相の調整を行うことができる。
【００４９】
また、本発明の第１実施形態によれば、例えば、光導波路２、３のｉ型半導体層として、厚さ０.５μｍの量子井戸構造を用い、分布電極９、１０の幅を５μｍ、長さを１００μｍとし、絶縁層２３、２４に厚さ０.１μｍの二酸化珪素を用い、分布電極１１、１２の幅を１０μｍ、長さを１００μｍとしたとき、光導波路２、３の容量：絶縁層２３、２４の容量の比は１：４となり、高周波信号源２７から出力される高周波電圧のうち、８０％程度の高周波電圧を光導波路２、３に印加させることができる。
【００５０】
また、本発明の第１実施形態では、２本の位相変調器２５、２６が並列に接続されているため、２本の位相変調器２５、２６に対して、図２４に示す第３従来例と比較して、正味約１.６倍の高周波電圧を印加することができる。
【００５１】
更に、本発明の第１実施形態では、光導波路２、３のｉ型半導体層（コア層）に量子井戸構造を用いることができるため、量子閉じ込めシュタルク効果により、３×１０-10ｍ／Ｖ程度の屈折率変化（バルク結晶では約２×１０-11ｍ／Ｖ）を得ることができる。
【００５２】
ここで、量子井戸への光の閉じ込め係数を０.３３とすれば、本発明の第１実施形態では、図２４に示す第３従来例に比較して０.６倍、図２５に示す第４従来例に比較して０.１倍の電圧で駆動することができる。
【００５３】
以上のように、本発明の第１実施形態によれば、光導波路２、３をpin型半導体層で構成すると共に、光導波路２、３に並列に高周波信号を印加することができる構成としたことにより、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができる。
【００５４】
（第２実施形態・・図８）
図８は本発明の第２実施形態を示す概略的断面図である。本発明の第２実施形態は、信号電極４および接地電極５、６と半導体基板１との間にそれぞれ適当な厚さの絶縁層３４、３５、３６（例えば、二酸化珪素）を介在させ、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００５５】
本発明の第２実施形態によれば、本発明の第１実施形態と同様に、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができると共に、高周波信号の位相速度を調整し、高周波信号の位相速度と光の位相速度を整合させることができる。
【００５６】
（第３実施形態・・図９）
図９は本発明の第３実施形態を示す概略的断面図である。本発明の第３実施形態は、高導電率層７と信号電極４および接地電極５との間の半導体基板部分、高導電率層８と信号電極４および接地電極６との間の半導体基板部分に適当な深さの溝３７、３８、３９、４０を設け、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００５７】
本発明の第３実施形態によれば、本発明の第１実施形態と同様に、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができると共に、高周波信号の位相速度を調整し、高周波信号の位相速度と光の位相速度を整合させることができる。
【００５８】
（第４実施形態・・図１０）
図１０は本発明の第４実施形態を示す図であり、図１０Ａは概略的上面図、図１０Ｂは概略的側面図である。本発明の第４実施形態は、光導波路２、３のｐ型半導体層のうち、上部に分布電極９、１０のない部分を半絶縁層４１で置き換え、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００５９】
本発明の第４実施形態によれば、本発明の第１実施形態と同様に、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができると共に、高周波信号および光の損失を低減することができる。
【００６０】
（第５実施形態・・図１１）
図１１は本発明の第５実施形態の概略的断面図である。本発明の第５実施形態は、光導波路２、３の側面を半絶縁性半導体４２、４３、４４、４５で被覆し、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００６１】
本発明の第５実施形態によれば、本発明の第１実施形態と同様に、高速かつ低駆動電圧で位相変調器２５、２６をプッシュプル駆動することができると共に、光のモードの安定化と、素子の高信頼性を得ることができる。
【００６２】
（第６実施形態・・図１２〜図１８）
図１２は本発明の第６実施形態を示す概略的上面図、図１３は図１２の二点鎖線Ｘ５で囲む部分の概略的拡大図、図１４は図１３のＸ６−Ｘ６線に沿った概略的断面図である。
【００６３】
本発明の第６実施形態は、本発明の第１実施形態が設ける分布電極９、１１、櫛型配線１５、１７および絶縁層２３を設けないようにし、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００６４】
図１５は本発明の第６実施形態の動作を説明するための等価回路図である。図１５中、容量３は光導波路３、容量２４は絶縁層２４、節点４は信号電極４、節点６は接地電極６、節点１４Ａは直流電圧用電極１４Ａを表している。
【００６５】
この例では、光導波路３が逆バイアスされるように、直流電圧用電極１４Ａにインダクタ２９を介して直流電圧源３１が接続されている。インダクタ２９は、例えば、高導電率層８を位相変調器部分から十分長く延ばし、位相変調器部分から十分離れた位置に電極を設けることや、直流電圧源３１からの直流電圧供給用のリード線で実現できる。
【００６６】
また、接地電極６は接地され、信号電極４と接地電極６との間に高周波信号源２７による高周波信号３３が印加される。なお、高周波信号３３の振幅は直流電圧源３１による直流バイアス電圧よりも小さく設定する。
【００６７】
図１５に示す等価回路は、直流的には図１６に示すように表すことができ、直流電圧源３１による直流バイアス電圧Ｖbiasは、光導波路３及び絶縁層２４に対して同じ方向に印加されることになる。これによって、光導波路３のpin接合部分はそれぞれ逆バイアスされる。
【００６８】
また、図１５に示す等価回路は、高周波的には図１７に示すように表すことができる。すなわち、光導波路３には、高周波信号３３による高周波電圧Ｖacが印加される。このとき、絶縁層２４の容量が光導波路３の容量に対して十分大きければ、ほとんどの高周波電圧は光導波路３に印加される。
【００６９】
本発明の第６実施形態によれば、位相変調器２６を高速かつ低駆動電圧でシングルアーム駆動することができると共に、図１８に示すように、直流バイアス電圧Ｖbiasを調整することにより、波長チャープパラメータαの符号を制御することができる。
【００７０】
なお、位相変調器２６をシングルアーム駆動するためには、図１に示す分布電極９、１１、櫛型配線１５、１７および絶縁層２３を設けないようにし、その他については、本発明の第２実施形態〜第５実施形態のいずれかと同様に構成することもできる。
【００７１】
また、図１に示す櫛型配線１５、１７を設けないようにするか、あるいは、櫛型配線１５、１７のいずれか又は両方を切断するようにし、その他については、本発明の第１実施形態〜第５実施形態のいずれかと同様に構成しても良い。また、位相変調器２６の代わりに、位相変調器２５をシングルアーム駆動するように構成しても良い。
【００７２】
（第７実施形態・・図１９〜図２１）
図１９は本発明の第７実施形態を示す概略的上面図、図２０は図１９の二点鎖線Ｘ７で囲む部分の概略的拡大図、図２１は図２０のＸ８−Ｘ８線に沿った概略的断面図である。
【００７３】
本発明の第７実施形態は、本発明の第６実施形態が設ける接地電極５を設けないようにし、その他については、本発明の第６実施形態と同様に構成したものである。すなわち、本発明の第７実施形態は、高周波導波路をスロットライン型にしたものである。
【００７４】
本発明の第７実施形態は、本発明の第６実施形態と同様に、位相変調器２６をシングルアーム駆動することができると共に、直流バイアス電圧Ｖbiasを調整することにより、波長チャープパラメータαの符号を制御することができる。
【００７５】
また、本発明の第７実施形態によれば、光導波路３のｐ型半導体層うち、上部に分布電極１０のない部分を半絶縁層で置き換え、光導波路３のｉ型半導体層を１μｍとし、さらに、絶縁層２４を光導波路３と同じ容量を持つようにし、分布電極長を３０μｍ、周期を５０μｍとしたとき、４０ＧＨzの高周波信号の消衰係数は約７０ｍ-1となるが、これは進行波型電極を有する図２３に示す第２従来例による約２７０ｍ-1の約１／４となる。したがって、高周波まで低損失な高周波導波路が実現でき、更なる高速動作が可能となる。
【００７６】
なお、位相変調器２６をシングルアーム駆動するためには、図１に示す接地電極５、分布電極９、１１、櫛型配線１５、１７および絶縁層２３を設けないようにし、その他については、本発明の第２実施形態〜第５実施形態のいずれかと同様に構成することもできる。
【００７７】
また、図１に示す接地電極５および櫛型配線１５、１７を設けないようにするか、あるいは、接地電極５を設けないようにすると共に、櫛型配線１７を切断するようにし、その他については、本発明の第１実施形態〜第５実施形態のいずれかと同様に構成しても良い。また、位相変調器２６の代わりに、位相変調器２５をシングルアーム駆動するように構成しても良い。
【００７８】
ここで、本発明を整理すると、本発明は、以下の半導体マッハツェンダ型光変調器を含む。
【００７９】
（付記１）半導体基板上に第１の高導電率層と、信号電極と、第２の高導電率層とを順に配置した部分を有し、前記第１、第２の高導電率層上にそれぞれpin型半導体層からなる第１、第２の光導波路を配置した半導体マッハツェンダ型光変調器であって、前記半導体基板上に前記第１の光導波路を前記信号電極とで挟むように配置した第１の接地電極と、前記第１の光導波路上に配置した第１の分布電極と、前記第１の高導電率層上に配置した第２の分布電極を有し、前記信号電極と前記第２の分布電極を第１の櫛状配線で結線し、前記第１の接地電極と前記第１の分布電極を第２の櫛状配線で結線した第１の構造、および、前記半導体基板上に前記第２の光導波路を前記信号電極とで挟むように配置した第２の接地電極と、前記第２の光導波路上に配置した第３の分布電極と、前記第２の高導電率層上に配置した第４の分布電極を有し、前記信号電極と前記第３の分布電極を第３の櫛状配線で結線し、前記第２の接地電極と前記第４の分布電極を第４の櫛状配線で結線した第２の構造のうち、いずれか一方又は両方の構造を有することを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８０】
（付記２）前記第１の高導電率層と前記第２の分布電極との間および前記第２の高導電率層と前記第４の分布電極との間にそれぞれ誘電体層を介在させていることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８１】
（付記３）前記半導体基板と前記信号電極および前記第１、第２の接地電極との間にそれぞれ誘電体層を介在させていることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８２】
（付記４）前記信号電極と前記第１の高導電率層との間の半導体基板部分、前記第１の高導電率層と前記第１の接地電極との間の半導体基板部分、前記信号電極と前記第２の高導電率層との間の半導体基板部分、および、前記第２の高導電率層と前記第２の接地電極との間の半導体基板部分にそれぞれ溝を形成していることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８３】
（付記５）前記第１の光導波路の最上層の半導体層のうち、上部に前記第１の分布電極がない部分、および、前記第２の光導波路の最上層の半導体層のうち、上部に前記第２の分布電極がない部分をそれぞれ半絶縁層で置き換えていることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８４】
（付記６）前記第１、第２の光導波路の側面を半絶縁層で被覆していることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８５】
（付記７）前記第１、第２の光導波路のｉ型半導体層を量子井戸構造としていることを特徴とする付記１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プッシュプル駆動するように構成する場合には、高速かつ低駆動電圧でプッシュプル駆動することができ、シングルアーム駆動するように構成する場合には、高速かつ低駆動電圧でシングルアーム駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略的上面図である。
【図２】図１の二点鎖線Ｘ３で囲む部分の概略的拡大図である。
【図３】図２のＸ４−Ｘ４線に沿った概略的断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態の動作を説明するための等価回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態の動作を説明するための直流的等価回路図である。
【図６】本発明の第１実施形態の動作を説明するための高周波的等価回路図である。
【図７】本発明の第１実施形態の動作を説明するための図である。
【図８】本発明の第２実施形態を示す概略的断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態を示す概略的断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態を示す図である。
【図１１】本発明の第５実施形態を示す概略的断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態を示す概略的上面図である。
【図１３】図１２の二点鎖線Ｘ５で囲む部分の概略的拡大図である。
【図１４】図１３のＸ６−Ｘ６線に沿った概略的断面図である。
【図１５】本発明の第６実施形態の動作を説明するための等価回路図である。
【図１６】本発明の第６実施形態の動作を説明するための直流的等価回路図である。
【図１７】本発明の第６実施形態の動作を説明するための高周波的等価回路図である。
【図１８】本発明の第６実施形態の動作を説明するための図である。
【図１９】本発明の第７実施形態を示す概略的上面図である。
【図２０】図１９の二点鎖線Ｘ７で囲む部分の概略的拡大図である。
【図２１】図２０のＸ８−Ｘ８線に沿った概略的断面図である。
【図２２】第１従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器（集中定数型電極を有する半導体マッハツェンダ型光変調器の一例）を示す図である。
【図２３】第２従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器（進行波型電極を有する半導体マッハツェンダ型光変調器の一例）を示す図である。
【図２４】第３従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器を示す図である。
【図２５】第４従来例の半導体マッハツェンダ型光変調器を示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２、３ 光導波路
４ 信号電極
５、６ 接地電極
７、８ 高導電率層
９、１０、１１、１２ 分布電極
１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ 直流電圧用電極
Claims (5)
- 半導体基板上に第１の高導電率層と、信号電極と、第２の高導電率層とを順に配置した部分を有し、
前記第１、第２の高導電率層上にそれぞれpin型半導体層からなる第１、第２の光導波路を配置した半導体マッハツェンダ型光変調器であって、
前記半導体基板上に前記第１の光導波路を前記信号電極とで挟むように配置した第１の接地電極と、前記第１の光導波路上に配置した第１の分布電極と、前記第１の高導電率層上に配置した第２の分布電極を有し、
前記信号電極と前記第２の分布電極を第１の櫛状配線で結線し、前記第１の接地電極と前記第１の分布電極を第２の櫛状配線で結線した第１の構造、および、
前記半導体基板上に前記第２の光導波路を前記信号電極とで挟むように配置した第２の接地電極と、前記第２の光導波路上に配置した第３の分布電極と、前記第２の高導電率層上に配置した第４の分布電極を有し、
前記信号電極と前記第３の分布電極を第３の櫛状配線で結線し、前記第２の接地電極と前記第４の分布電極を第４の櫛状配線で結線した第２の構造
のうち、いずれか一方又は両方の構造を有することを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。 - 前記第１の高導電率層と前記第２の分布電極との間および前記第２の高導電率層と前記第４の分布電極との間にそれぞれ誘電体層を介在させていることを特徴とする請求項１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
- 前記半導体基板と前記信号電極および前記第１、第２の接地電極との間にそれぞれ誘電体層を介在させていることを特徴とする請求項１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
- 前記信号電極と前記第１の高導電率層との間の半導体基板部分、前記第１の高導電率層と前記第１の接地電極との間の半導体基板部分、前記信号電極と前記第２の高導電率層との間の半導体基板部分、および、前記第２の高導電率層と前記第２の接地電極との間の半導体基板部分にそれぞれ溝を形成していることを特徴とする請求項１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
- 前記第１の光導波路の最上層の半導体層のうち、上部に前記第１の分布電極がない部分、および、前記第２の光導波路の最上層の半導体層のうち、上部に前記第２の分布電極がない部分をそれぞれ半絶縁層で置き換えていることを特徴とする請求項１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
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