JP6353474B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は光変調器に関し、より詳細には、高速の光変調動作において、周波数特性に優れた光変調器を提供するための構造に関する。

マッハツェンダ（ＭＺ）型光変調器は、光導波路に入射した光を２つの導波路に１：１の強度で分岐し、分岐した光を一定の長さ伝搬させた後に、再度合波させる構造を持つ。２つに分岐された光導波路に設けられた位相変調部により、光導波路に入射した２つの光の位相を変化させ、２つの光が合波されるときの光の干渉条件を変え、光の強度及び位相を変調することができる。

ＭＺ型光変調器において、光導波路を構成する材料として、ＬｉＮｂＯ₃等の誘電体、又はＩｎＰ、ＧａＡｓ及びＳｉ（シリコン）等の半導体が用いられる。これらの材料により構成された光導波路近傍に電極を配置して、電極に変調電気信号を入力して光導波路に電圧を印加することで、光導波路を伝搬する光の位相を変化させる。

光の位相を変化させる原理としては、ＬｉＮｂＯ₃においてはポッケルス効果、ＩｎＰ，ＧａＡｓにおいてはポッケルス効果や量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ： ＱＣＳＥ）が主に用いられ、Ｓｉにおいてキャリアプラズマ効果が主に用いられる。

高速で低消費電力な光通信を行うためには、変調速度が速く、駆動電圧の低い光変調器が必要となる。１０Ｇｂｐｓ以上の高速で、数ボルトの振幅電圧での光変調を行うためには、高速の電気信号と位相変調器の中を伝搬する光の速度とを整合させ、伝搬させながら相互作用を行うようにする進行波電極が必要となる。進行波電極で電極の長さを数ミリメートルから数十ミリメートルにした光変調器が実用化されている（例えば非特許文献１）。進行波電極を使用した光変調器においては、電気信号や導波路を伝搬する光の強度を落とさずに伝搬することができるよう、低損失で反射の少ない電極構造および光導波路構造が求められる。

また、ＭＺ型光変調器には、光導波路をＳｉにより構成したＳｉ光変調器がある。Ｓｉ光変調器は、Ｓｉ基板の表面を熱酸化した酸化膜（ＢＯＸ）層上にＳｉの薄膜を張り付けたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から構成される。ＳＯＩ層を光が導波できるように、酸化膜（ＢＯＸ）層上にＳｉ薄膜を細線に加工した後、ｐ型及びｎ型の半導体となるように細線のＳｉ薄膜にドーパントを注入し、光のクラッド層となるＳｉＯ₂の堆積、電極の形成等を行い作製する。このとき、光導波路は光損失が小さくなるように設計・加工する必要がある。光の損失発生を小さく抑えるとともに、高速電気信号の反射や損失を小さく抑えるように、ｐ型及びｎ型のドーピング、並びに電極の作成を行う必要がある。

図１は、従来のＳｉ光変調器の基本となる光導波路１００の光の導波方向に垂直の方向の断面を示す図である。図１の光導波路１００は、ＳｉＯ₂クラッド層１１０と、ＳｉＯ₂クラッド層１１０上に形成されたＳｉ層１２０と、Ｓｉ層１２０上に形成されたＳｉＯ₂クラッド層１３０を備える。

Ｓｉ層１２０は、光を閉じ込めるために厚さに差があるリブ導波路と呼ばれる構造を取っており、中央の厚い部分のコア層となるリブ部１０１と、リブ部１０１の両側のスラブ部１０２及びスラブ部１０３とから構成される。リブ部１０１は、周囲のＳｉＯ₂クラッド層１１０及び１３０との屈折率差を利用して紙面垂直方向に伝搬する光を閉じ込めている。

Ｓｉ層１２０のスラブ部１０２の、リブ部１０１と反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域１２３となり、Ｓｉ層１２０のスラブ部１０３の、リブ部１０１と反対側の端部は、高濃度ｎ型半導体領域１２４となる。また、Ｓｉ層１２０のスラブ部１０２のリブ部１０１側と、リブ部１０１のスラブ部１０２側とは、中濃度ｐ型半導体領域１２１となる。また、Ｓｉ層１２０のスラブ部１０３のリブ部１０１側と、リブ部１０１のスラブ部１０３側とは、中濃度ｎ型半導体領域１２２となる。

高濃度ｐ型半導体領域１２３と中濃度ｐ型半導体領域１２１との境界は接しており、高濃度ｎ型半導体領域１２４と中濃度ｎ型半導体領域１２２との境界も接している。これらの境界は重なり合ってドーピングがなされていても良い。また、リブ部１０１は、中濃度ｐ型半導体領域１２１と中濃度ｎ型半導体領域１２２とが接するｐｎ接合構造となる。また、他の例として中濃度ｐ型半導体領域１２１と中濃度ｎ型半導体領域１２２との間にｉ型（真性）半導体領域が挟まれたｐｉｎ接合構造としてもよい。

図１に図示はないが高濃度ｐ型半導体領域１２３に接する金属電極及び高濃度ｎ型半導体領域１２４に接する金属電極を設け、ｐｎ接合部に金属電極よりＲＦ（高周波）の変調電気信号とともに逆バイアス電界（図１では右から左）を印加する。これにより、光導波路１００のコア層内部のキャリア密度を変化させ（キャリアプラズマ効果）、光導波路の屈折率を変えて、光の位相を変調することができる。

導波路寸法はコア／クラッドとなる材料の屈折率に依存するため、一意には決定できないが、図１に記載のような光導波路１００のリブ部（コア層）とスラブ部１０２及び１０３を備えるリブ導波路の構造とした場合の一例を挙げると、リブ部１０１の幅（導波路コア幅）４００〜６００（ｎｍ）×高さ１５０〜３００（ｎｍ）×スラブ部の厚さ５０〜２００（ｎｍ）×長さ数（ｍｍ）程度になる。

図２は、従来のＳｉ光変調器２００を示す上面透視図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ´における断面図である。図２のＳｉ光変調器２００は、シングル電極と呼ばれる構造のマッハツェンダ変調器であり（例えば非特許文献２参照）、入力光導波路２１１と、入力光導波路２１１からの光が分岐されて道破される光導波路２１２及び２１３と、光導波路２１２からの光と光導波路２１３からの光とを合波する出力光導波路２１４とを備える。光導波路２１２の基板縁側の脇には差動の変調電気信号（ＲＦ信号）を入力するための高周波線路（ＲＦ電極）２２１が形成され、光導波路２１３の基板縁側の脇にも差動のＲＦ信号）を入力するためのＲＦ電極２２２が形成され、光導波路２１２と２１３との間には共通のバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極２２３が形成される。光導波路２１２及び２１３は、図１の光導波路１００と同様の断面構造を持つ光導波路を左右対称に２つ並べた構造をしている。

入力光導波路２１１からの光が、光導波路２１２と２１３とに分岐される。光導波路２１２を導波する光は、ＲＦ電極２２１とＤＣ電極２２３との間に印加される変調電気信号（ＲＦ信号）により位相変調され、光導波路２１３を導波する光は、ＲＦ電極２２２とＤＣ電極２２３の間に印加される変調電気信号（ＲＦ信号）により位相変調される。光導波路２１２及び光導波路２１３を道破する位相変調された光は、結合されて出力光導波路２１４から出力される。

図３を参照すると、Ｓｉ光変調器２００は、ＳｉＯ₂クラッド層１１０と、ＳｉＯ₂クラッド層１１０上に形成されたＳｉ層１２０と、Ｓｉ層１２０上に形成されたＳｉＯ₂クラッド層１３０を備える。

Ｓｉ層１２０は、第１のコア層となる第１のリブ部１０１−１と、第２のコア層となる第２のリブ部１０１−２と、第１のリブ部１０１−１の第２のリブ部１０１−２とは反対側に配置された第１のスラブ部１０２−１と、第２のリブ部１０１−２の第１のリブ部１０１−１とは反対側に配置された第２のスラブ部１０２−２と、第１のリブ部１０１−１と第２のリブ部１０１−２との間に配置された第３のスラブ部１０３とから構成される。

Ｓｉ層１２０の第１のスラブ部１０２−１の、第１のリブ部１０１−１と反対側は、高濃度ｐ型半導体領域１２３−１となり、第３のスラブ部１０３の、第１のリブ部１０１−１と反対側は、高濃度ｎ型半導体領域１２４となる。また、第１のスラブ部１０２−１の第１のリブ部１０１−１側と、第１のリブ部１０１−１の第１のスラブ部１０２−１側とは、中濃度ｐ型半導体領域１２１−１となる。また、第３のスラブ部１０３の第１のリブ部１０１−１側と、第１のリブ部１０１−１の第３のスラブ部１０３側とは、中濃度ｎ型半導体領域１２２−１となる。

一方で、Ｓｉ層１２０の第２のスラブ部１０２−２の、第２のリブ部１０１−２と反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域１２３−２となり、第３のスラブ部１０３の、第２のリブ部１０１−２と反対側の端部は、高濃度ｎ型半導体領域１２４となる。また、第２のスラブ部１０２−２の第２のリブ部１０１−２側と、第２のリブ部１０１−２の第２のスラブ部１０２−２側とは、中濃度ｐ型半導体領域１２１−２となる。また、第３のスラブ部１０３の第２のリブ部１０１−２側と、第２のリブ部１０１−２の第３のスラブ部１０３側とは、中濃度ｎ型半導体領域１２２−２となる。

ＲＦ電極２２１は、高濃度ｐ型半導体領域１２３−１に接しており、ＲＦ電極２２２は高濃度ｐ型半導体領域１２３−２に接しており、ＤＣ電極２２３は高濃度ｎ型半導体領域１２４に接している。ＤＣ電極２２３にＲＦ電極２２１及び２２２に対してプラスの電圧を印加することで、ＤＣ電極２２３の両脇の２つのｐｎ接合部に逆バイアスを印加することができる。

図４は、図３のＳｉ層１２０の半導体のドーピング状態と光変調時のバンドダイヤグラムとの関係を示す図であり、図４（ａ）はＡ−Ａ´断面におけるＳｉ層１２０の半導体のドーピング状態を示し、図４（ｂ）は、光変調時のバンドダイヤグラムを示す図である。

シングル電極のＳｉ光変調器２００では、ＲＦ電極とＤＣ電極が電気的に独立しており、ｐｎ接合に逆バイアスを印加する際、ＲＦ電極への積極的なバイアス電圧印加が必要ではなくなる。このため、ＲＦ電極にバイアスを印加させるためのバイアスティや、ドライバＩＣとＲＦ電極との間に設置するＤＣブロックのためのコンデンサなどが不要になるなど、構成が簡単にできるというメリットを持つ。

なお、Ｓｉ光変調器２００においてはＲＦ電極（２２１及び２２２）が高濃度ｐ型半導体領域（１２１−１及び１２１−２）に、ＤＣ電極（２２３）は高濃度ｎ型半導体領域（１２４）に接する例で説明をしたが、ＲＦ電極がｎ型半導体領域に、ＤＣ電極がｐ型半導体領域に接していても良い。このときＤＣ電極に印加するバイアス電圧は、ＲＦ電極に対してマイナスの電圧を印加することで、ｐｎ接合部に逆バイアスを印加することができる。

シングル電極のＳｉ光変調器２００においては、ＲＦ電極（２２１及び２２２）はコプレーナ・ストリップ・ライン（Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｓｔｒｉｐ Ｌｉｎｅ：ＣＰＳ線路）で形成されている。図５は、ＣＰＳ線路の構造を示す平面図である。図５のＣＰＳ線路５００においては、２本の高周波電極（５０１及び５０２）に、差動の電気信号が入力され伝搬する。電磁気学的には高周波信号は、高周波伝搬線路を電荷の密な部分が波のように移動する際、クーロン相互作用により、グラウンド電極または差動線路の対となる電極に、正負が逆の電荷が密な部分が誘起され、高周波信号と同様に移動するというモデルで理解することができる。ＣＰＳ線路は、差動線路の対になる２本の電極で正と負の電荷が釣り合う、平衡線路の一つである。

図６は、図２に記載のＳｉ光変調器２００のＣＰＳ線路の構造を示す平面図である。Ｓｉ光変調器２００においては、ＣＰＳ線路である２本のＲＦ電極（２２１及び２２２）の間にＤＣ電極（２２３）が挿入されており、高周波信号からクーロン相互作用によって誘起される正・負の電荷は、ＤＣ電極（２２３）にも発生している。

五井一宏，小田研二，日下裕幸，小川 憲介， Tsung-Yang Liow， Xiaoguang Tu， Guo-Qiang Lo， Dim-Lee Kwong，「Ｓｉ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒプッシュプル変調器の２０Ｇｂｐｓ二値位相変調特性」２０１２年電子情報通信学会ソサイエティ大会，Ｃ−３−５０，２０１２． Po Dong,Long Chen,and Young-kai Chen,「High-speed low-voltage single-drive push-pull silicon Mach-Zehnder modulators」 Opt. Express vol.20, no.6, pp.6163-6169, 2012.

大容量の光通信を行うためには、高速で光を変調することが可能な光変調器が必要となる。高速な光変調を行うためには、数百ｋＨｚから数十ＧＨｚの広い周波数帯域に渡って動作可能な周波数特性が必要とされる。

Ｓ１光変調器のＲＦ電極付近に、別のＲＦ電極あるいはＤＣ電極などの導電性の構造物があると、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号に誘起されて、ＲＦ電極に近接した構造体内に正または負の電荷が密な箇所が発生する。図７は、Ｓｉ光変調器のＲＦ電極付近に他の電極が存在した場合の説明図である。

別のＲＦ電極あるいはＤＣ電極を有する構造体７０１内に誘起される電荷は、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号の伝搬と共に波のように位置を移動していくが、構造体７０１のサイズが高周波信号の波長の１／２の倍数に近いと、誘起された電荷分布の波が構造体７０１内部で共振する場合がある。構造体７０１内部で共振が起きた場合、ＲＦ電極（２２１及び２２２）を伝搬する高周波信号には、構造体７０１へのエネルギーの漏洩、反射の増大や透過損失の増大などの伝搬特性の劣化が生じる。この高周波信号の伝搬特性の劣化が、光変調器の周波数応答特性の劣化による、高速変調時の波形品質の劣化、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークの増大などの悪影響をもたらす。

このような悪影響を防止するために、ＲＦ電極の周辺には、別のＲＦ電極あるいはＤＣ電極などの導電性の構造物を配置しないなどの対策が必要となる。一方、シングル電極のＳｉ光変調器では、２本のＲＦ電極の間にＤＣ電極が挿入されているため、ＤＣ電極の高周波信号の伝搬方向の長さが高周波信号の波長の１／２の倍数に近いと、同様に、誘起された電荷分布の波がＤＣ電極内部で共振する場合がある。シングル電極のＳｉ変調器ではＤＣ電極が無ければｐｎ接合部に逆バイアスを印加することができないため、ＤＣ電極の設置は必須であるが、ＤＣ電極内で共振が起きた場合、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号には、エネルギーの漏洩、反射の増大や透過損失の増大などの伝搬特性の劣化が生じる。この高周波信号の伝搬特性の劣化が、光変調器の周波数応答特性の劣化による、高速変調時の波形品質の劣化、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークの増大などの悪影響をもたらす。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光変調器の高周波電極を伝搬する高周波信号の、高周波電極近傍の電極との間の共振現象を抑制することで、周波数応答特性の劣化を抑えた光変調器の構造を提供することにある。この構造によって、高速変調時の波形品質が良く、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークを低減した光変調器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、ＲＦ信号を印加するための２本のＲＦ電極と、少なくとも１つの給電ラインを有し、前記２本のＲＦ電極の間に、ＲＦ信号の伝搬方向に対して配置された少なくとも１つのＤＣ電極と、前記２本のＲＦ電極と接する２つの第１導電型半導体領域と、前記ＤＣ電極と接する第２導電型半導体領域と、前記第１導電型半導体領域と前記第２導電型半導体領域の間に形成された光導波路とを備える光変調器であって、前記少なくとも１つ以上配置されたＤＣ電極において共振が発生する長さが、前記ＲＦ電極に印加されるＲＦ信号の最短波長の１／２より短くなることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の光変調器であって、前記ＤＣ電極は、少なくとも２つ以上直列に配置され、前記２つ以上のＤＣ電極の最長の長さが、前記ＲＦ電極に印加されるＲＦ信号の最短波長の１／２より短くなることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１の態様の光変調器であって、前記少なくとも１つのＤＣ電極端と、前記電極端に最近接する給電ライン接続部の間の長さのうち、最も長いものが、前記ＲＦ電極に印加されるＲＦ信号の最短波長の１／２より短くなることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１の態様の光変調器であって、前記少なくとも１つのＤＣ電極内において、隣り合う前記給電ライン間の長さのうちで最も長いものが、前記ＲＦ電極に印加されるＲＦ信号の最短波長の１／２より短くなることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１乃至第４のいずれか１つの態様の光変調器であって、前記ＤＣ電極と前記第２導電型半導体領域のドーピング範囲が、前記ＲＦ信号の伝搬方向に対して２つ以上の領域にそれぞれ分割されている構造を持つことを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第１乃至第５のいずれか１つの態様の光変調器であって、前記少なくとも１つのＤＣ電極は、複数本の前記給電ラインを備えることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第１乃至第６のいずれか１つの態様の光変調器であって、前記光導波路は、シリコンで形成されていることを特徴とする。

以上述べたように、本発明に係る光変調器においてはＲＦ電極の間に位置するＤＣ電極で共振する高周波信号の周波数を変調器の動作周波数よりも高い周波数とすることが可能となる。このため、光変調器の周波数応答特性の劣化による、高速変調時の波形品質の劣化、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークの増大などの悪影響を改善することができ、高周波特性に優れた、波形品質の良い、光変調器を提供することが可能となる。

従来のＳｉ光変調器の基本となる光導波路の光の導波方向に垂直の方向の断面を示す図である。 従来のＳｉ光変調器を示す平面透視図である。 図２のＡ−Ａ´における断面図である。 図３のＳｉ層の半導体のドーピング状態と光変調時のバンドダイヤグラムとの関係を示す図であり、（ａ）はＡ−Ａ´断面におけるＳｉ層の半導体のドーピング状態を示し、（ｂ）は、光変調時のバンドダイヤグラムを示す図である。 ＣＰＳ線路の構造を示す平面図である。 図２に記載のＳｉ光変調器のＣＰＳ線路の構造を示す平面図である。 Ｓｉ光変調器のＲＦ電極付近に他の電極が存在した場合の説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るＳｉ光変調器を示す上面透視図である。 図８のＳｉ光変調器の光の導波方向と垂直方向の断面図であり、（ａ）は、図８のＢ−Ｂ´における断面図であり、（ｂ）は、図８のＣ−Ｃ´における断面図である。 第１の実施形態の変形例に係るＳｉ光変調器を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るＳｉ光変調器を示す上面透視図である。 本発明の第３の実施形態に係るＳｉ光変調器を示す上面透視図である。 本発明の第４の実施形態に係るＳｉ光変調器を示す上面透視図である。

以下、本発明の光変調器の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図８は、本発明の第１の実施形態に係るＳｉ光変調器を示す上面透視図である。図８のＳｉ光変調器８００は、マッハツェンダ変調器であり、入力光導波路８０１と、入力光導波路８０１からの光が分岐されて道破される光導波路８０２及び８０３と、光導波路８０２からの光と光導波路８０３からの光とを合波する出力光導波路８０４とを備える。

光導波路８０２の基板縁側の脇には差動の変調電気信号（ＲＦ信号）を入力するための高周波線路（ＲＦ電極）８１１が形成され、光導波路８０３の基板縁側の脇にも差動のＲＦ信号を入力するためのＲＦ電極８１２が形成される。また、光導波路８０２と８０３との間には共通のバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極８１３及び８１４が、各光導波路の光の導波方向と同一の方向に直列に形成される。本発明の第１の実施形態に係るＳｉ光変調器８００は、２本のＲＦ電極（８１１及び８１２）の間に配置されたＤＣ電極が、２つのＤＣ電極８１３及び８１４に分割されている。なお、ＤＣ電極８１３の入力光導波路８０１側及びＤＣ電極８１４の出力光導波路８０４側には、電圧を印加するための配線である給電線が接続されている。

図９は、Ｓｉ光変調器８００の光の導波方向と垂直方向の断面図であり、図９（ａ）は、図８のＢ−Ｂ´における断面図であり、図９（ｂ）は、図８のＣ−Ｃ´における断面図である。図８のＢ−Ｂ´の部分は、光導波路８０２及び８０３のＤＣ電極８１３が形成されている部分である。図９（ａ）を参照すると、Ｓｉ光変調器８００は、ＳｉＯ₂クラッド層９１０と、ＳｉＯ₂クラッド層９１０上に形成されたＳｉ層９２０と、Ｓｉ層９２０上に形成されたＳｉＯ₂クラッド層９４０とを備える。

また、Ｓｉ層９２０は、第１のコア層となる第１のリブ部９２１−１と、第２のコア層となる第２のリブ部９２１−２と、第１のリブ部９２１−１の第２のリブ部９２１−２とは反対側に配置された第１のスラブ部９２２−１と、第２のリブ部９２１−２の第１のリブ部９２１−１とは反対側に配置された第２のスラブ部９２２−２と、第１のリブ部９２１−１と第２のリブ部９２１−２との間に配置された第３のスラブ部９２３とから構成される。

また、Ｓｉ光変調器８００のＳｉ層９２０の第１のスラブ部９２２−１の、第１のリブ部９２１−１と反対側は、高濃度ｐ型半導体領域８２３−１となり、第３のスラブ部９２３の、第１のリブ部９２１−１と反対側は、高濃度ｎ型半導体領域８２４となる。また、第１のスラブ部９２２−１の第１のリブ部９２１−１側と、第１のリブ部９２１−１の第１のスラブ部９２２−１側とは、中濃度ｐ型半導体領域８２１−１となる。また、第３のスラブ部９２３の第１のリブ部９２１−１側と、第１のリブ部９２１−１の第３のスラブ部９２３側とは、中濃度ｎ型半導体領域８２２−１となる。

一方で、Ｓｉ層９２０の第２のスラブ部９２２−２の、第２のリブ部９２１−２と反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域８２３−２となり、第３のスラブ部９２３の、第２のリブ部９２１−２と反対側の端部は、高濃度ｎ型半導体領域８２４となる。また、第２のスラブ部９２２−２の第２のリブ部９２１−２側と、第２のリブ部９２１−２の第２のスラブ部９２２−２側とは、中濃度ｐ型半導体領域８２１−２となる。また、第３のスラブ部９２３の第２のリブ部９２１−２側と、第２のリブ部９２１−２の第３のスラブ部９２３側とは、中濃度ｎ型半導体領域８２２−２となる。

また、ＲＦ電極８１１は、高濃度ｐ型半導体領域８２３−１に接しており、ＲＦ電極８１２は高濃度ｐ型半導体領域８２３−２に接しており、ＤＣ電極８１３は高濃度ｎ型半導体領域８２４に接している。ＤＣ電極８１３にＲＦ電極８１１及び８１２に対してプラスの電圧を印加することで、ＤＣ電極８１３の両脇の２つのｐｎ接合部に逆バイアスを印加することができる。

図８のＣ−Ｃ´の部分は、光導波路８０２及び８０３のＤＣ電極８１４が形成されている部分である。図９（ｂ）を参照すると、Ｓｉ光変調器８００は、ＳｉＯ₂クラッド層９１０と、ＳｉＯ₂クラッド層９１０上に形成されたＳｉ層９３０と、Ｓｉ層９３０上に形成されたＳｉＯ₂クラッド層９４０とを備える。

また、Ｓｉ層９３０は、第１のコア層となる第１のリブ部９３１−１と、第２のコア層となる第２のリブ部９３１−２と、第１のリブ部９３１−１の第２のリブ部９３１−２とは反対側に配置された第１のスラブ部９３２−１と、第２のリブ部９３１−２の第１のリブ部９３１−１とは反対側に配置された第２のスラブ部９３２−２と、第１のリブ部９３１−１と第２のリブ部９３１−２との配置された第３のスラブ部９３３とから構成される。

また、Ｓｉ光変調器８００のＳｉ層９３０の第１のスラブ部９３２−１の、第１のリブ部９３１−１と反対側は、高濃度ｐ型半導体領域８３３−１となり、第３のスラブ部９３３の、第１のリブ部９３１−１と反対側は、高濃度ｎ型半導体領域８３４となる。また、第１のスラブ部９３２−１の第１のリブ部９３１−１側と、第１のリブ部９３１−１の第１のスラブ部９３２−１側とは、中濃度ｐ型半導体領域８３１−１となる。また、第３のスラブ部９３３の第１のリブ部９３１−１側と、第１のリブ部９３１−１の第３のスラブ部９３３側とは、中濃度ｎ型半導体領域８３２−１となる。

一方で、Ｓｉ層９３０の第２のスラブ部９３２−２の、第２のリブ部９３１−２と反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域８３３−２となり、第３のスラブ部９３３の、第２のリブ部９３１−２と反対側の端部は、高濃度ｎ型半導体領域８３４となる。また、第２のスラブ部９３２−２の第２のリブ部９３１−２側と、第２のリブ部９３１−２の第２のスラブ部９３２−２側とは、中濃度ｐ型半導体領域８３１−２となる。また、第３のスラブ部９３３の第２のリブ部９３１−２側と、第２のリブ部９３１−２の第３のスラブ部９３３側とは、中濃度ｎ型半導体領域８３２−２となる。

また、ＲＦ電極８１１は、高濃度ｐ型半導体領域８３３−１に接しており、ＲＦ電極８１２は高濃度ｐ型半導体領域８３３−２に接しており、ＤＣ電極８１４は高濃度ｎ型半導体領域８３４に接している。ＤＣ電極８１３にＲＦ電極８１１及び８１２に対してプラスの電圧を印加することで、ＤＣ電極８１３の両脇の２つのｐｎ接合部に逆バイアスを印加することができる。

ここで、各ＤＣ電極（８１３及び８１４）が接している高濃度ｎ型半導体領域もＤＣ電極の分断箇所で２つに分割され、高濃度ｎ型半導体領域８２４上にはＤＣ電極８１３が、高濃度ｎ型半導体領域８３４上にはＤＣ電極８１４が形成されている。本実施形態のＳｉ光変調器８００においては、ＲＦ電極８１１及び８１２に接している高濃度ｐ型半導体領域も２つに分割されている（高濃度ｐ型半導体領域８２３−１及び８２３−２、並びに８３３−１及び８３３−２）が、ＲＦ電極に接している高濃度ｐ型半導体領域は分割されずに繋がっていても良い。

従来のＳｉ光変調器においては、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号に誘起されて、ＤＣ電極内には正・負の電荷が密な箇所が発生する。ＤＣ電極内に誘起される電荷は、ＲＦ電極における高周波信号の伝搬と共に位置を移動していく。このとき、ＤＣ電極のサイズが高周波信号の波長の１／２の倍数に近いと、誘起された電荷分布の波がＤＣ電極内部で共振する場合がある。ＤＣ電極内部で共振が起きた場合、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号には、エネルギーの漏洩、反射の増大や透過損失の増大などの伝搬特性の劣化が生じる。この高周波信号の伝搬特性の劣化が、光変調器の周波数応答特性の劣化による、高速変調時の波形品質の劣化、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークの増大などの悪影響をもたらす。

一方で、ＤＣ電極は、高周波信号の伝搬方向の長さが、高周波信号の波長の１／２以下の長さであれば、その波長以上の領域（対応する周波数以下の領域）では共振を起こさない。ここで、真空中の電磁波の速度をＣ０、高周波信号の周波数をｆ、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号の実効屈折率をｎｅｆｆ、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号の波長をλ、とすると、伝搬する高周波信号の１／２の長さは、λ／２＝Ｃ０／（２×ｆ×ｎｅｆｆ）、で表すことができる。真空中の電磁波の伝搬速度は３×１０⁸ｍ／ｓであり、Ｓｉ光変調器のＲＦ電極を伝搬する高周波信号の実効屈折率を約ｎ_eff＝３とすると、１０ＧＨｚの高周波信号の波長は１０ｍｍ、４０ＧＨｚの高周波信号の波長は２．５ｍｍ程度となる。このため、ＤＣ電極の長さが波長の１／２の長さである、５ｍｍ以下であれば１０ＧＨｚまで、１．２５ｍｍ以下であれば４０ＧＨｚの信号まで共振を起こさない光変調器を実現することができる。

本実施形態においては、ＤＣ電極が２つに分割されているため（ＤＣ電極８１３及び８１４）、共振する高周波信号の波長が短くなる。すなわち共振する周波数は、波長が短くなることにより高くなっているため、高い周波数の領域まで共振による特性の劣化無しに、変調器を使用することが可能となっている。このため、高速な光変調を行うのに必要な、数百ｋＨｚから数十ＧＨｚのより広い周波数帯域に渡って動作可能な、光変調器を実現することが可能となる。

図１０は、第１の実施形態の変形例に係るＳｉ光変調器１０００を示す図である。本実施形態においては、ＤＣ電極１０１４に電圧を印加するための配線である給電線が、ＤＣ電極１０１４の両端に配置された構造である。本実施形態によるＳｉ光変調器は、図８のＳｉ光変調器８００及び図１０のＳｉ光変調器１０００のように２本のＲＦ電極の間に配置されたＤＣ電極の給電ラインが、分割されたそれぞれのＤＣ電極の片端に配置されている構造でも、両端に配置されている構造でも採ることが可能である。共振を起こす条件は、共振を起こす線路の端が固定端であるか、自由端であるかにより異なるが、実施形態に係るＳｉ光変調器では２本のＲＦ電極に差動信号が印加されているため、ＤＣ電極に誘起された正・負の電荷は、自由端まで伝搬すると互いに結合して消滅する。このため、自由端であっても固定端と同じように端が節になる周波数で共振を起こすことになる。

さらには、ＤＣ電極の給電ラインは分割されたそれぞれのＤＣ電極の中央付近に配置することも可能である。給電ライン近傍では印加されているバイアス電圧に電位が設定され、誘起された正・負の電荷により発生する電位差がキャンセルされるため、ＤＣ電極の共振は給電ラインとＤＣ電極端の間隔の長さで発生することになり、給電ラインをＤＣ電極の中央付近に配置することによって、共振する高周波信号の波長をより短くすることができる。

すなわち先の例では、給電ラインがＤＣ電極の中央付近に配置されていれば、１０ＧＨｚまでの信号で共振を起こさないためには、給電ラインとＤＣ電極端（又は他方の給電ライン）の間隔が波長の１／２の長さである５ｍｍ以下、２つのＤＣ電極の全長が１０ｍｍ以下、４０ＧＨｚまでの信号で共振を起こさないためには、給電ラインとＤＣ電極端（又は他方の給電ライン）の間隔が波長の１／２の長さである１．２５ｍｍ以下、２つのＤＣ電極の全長が２．５ｍｍ以下であれば、共振による特性劣化を起こさない光変調器を実現することができる。

本実施形態においては、Ｓｉ光変調器８００及び１０００ともに、ＲＦ電極８１１及び８１２（１０１１及び１０１２）が高濃度ｐ型半導体領域８２３−１及び８２３−２、並びに８３３−１及び８３３−２（１０２３−１及び１０２３−２、並びに１０３３−１及び１０３３−２）と接しており、ＤＣ電極８１３及び８１４（１０１３及び１０１４）は高濃度ｎ型半導体領域８２４及び８３４（１０２４及び１０３４）と接している例で示したが、ＲＦ電極が高濃度ｎ型半導体領域と接しており、ＤＣ電極は高濃度ｐ型半導体領域と接していても、同じ効果を得ることができる。

また、ＲＦ電極は高周波信号の減衰を防止するため、抵抗率の低い金属を使用した配線が好ましいが、ＤＣ電極は金属ではなく、半導体領域の導電性を利用した配線で置き換えることも可能である。その際ＤＣ電極は、ＲＦ電極が存在する変調器部分、全域に渡ってある必要はなく、一部に接触しているだけでも良い。

［第２の実施形態］
図１１は、本発明の第２の実施形態に係るＳｉ光変調器を示す上面透視図である。図１１のＳｉ光変調器１１００は、マッハツェンダ変調器であり、入力光導波路１１０１と、入力光導波路１１０１からの光が分岐されて導波される光導波路１１０２及び１１０３と、光導波路１１０２からの光と光導波路１１０３からの光とを合波する出力光導波路１１０４とを備える。

光導波路１１０２の基板縁側の脇には差動の変調電気信号（ＲＦ信号）を入力するためのＲＦ電極１１１１が形成され、光導波路１１０３の基板縁側の脇にも差動のＲＦ信号を入力するためのＲＦ電極１１１２が形成される。また、光導波路１１０２と１１０３との間には共通のバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極１１１３、１１１４及び１１１５が、各光導波路の光の導波方向と同一の方向に直列に形成される。本発明の第２の実施形態に係るＳｉ光変調器１１００は、２本のＲＦ電極（１１１１及び１１１２）の間に配置されたＤＣ電極が、２つ以上の複数のＤＣ電極（ＤＣ電極１１１３、１１１４及び１１１５の３つ）に分割されている。

ここで、各ＤＣ電極（１１１３、１１１４及び１１１５）が接している高濃度ｎ型半導体領域もＤＣ電極の分断箇所で複数（３つ）に分割され、高濃度ｎ型半導体領域１１２４上にはＤＣ電極１１１３が、高濃度ｎ型半導体領域１１３４上にはＤＣ電極１１１４が、高濃度ｎ型半導体領域１１４４上にはＤＣ電極１１１５が形成されている。本実施形態のＳｉ光変調器１１００においては、ＲＦ電極１１１１及び１１１２に接している高濃度ｐ型半導体領域も３つに分割されている（高濃度ｐ型半導体領域１１２３−１及び１１２３−２、１１３３−１及び１１３３−２、並びに１１４３−１及び１１４３−２）が、ＲＦ電極に接している高濃度ｐ型半導体領域は分割されずに繋がっていても良い。

複数箇所に分割されたＤＣ電極に電圧を印加するための配線である給電ラインは、図１１に示すようにＲＦ電極と高さの異なる多層配線で形成されていても良いし、ワイヤボンディングにより形成されていても良い。また、ＲＦ電極は高周波信号の減衰を防止するため、抵抗率の低い金属を使用した配線が好ましいが、ＤＣ電極は金属ではなく、半導体領域の導電性を利用した配線で置き換えることも可能である。その際ＤＣ電極は、ＲＦ電極が存在する変調器部分、全域に渡ってある必要はなく、一部に接触しているだけでも良い。

本実施形態ではＤＣ電極が複数に分割されているため、共振する高周波信号の波長が短くなる。すなわち共振する周波数は、波長が短くなることにより高くなるため、高い周波数の領域まで共振による特性の劣化無しに、変調器を使用することが可能となっている。このため、高速な光変調を行うために必要な、数百ｋＨｚから数十ＧＨｚのより広い周波数帯域に渡って動作可能な、光変調器を実現することが可能となる。

高速な光変調を行うために必要な光変調器は、１０ＧＨｚ以上の高速動作が求められるため、ＤＣ電極の長さ、およびＤＣ電極端と給電ラインの間隔は５ｍｍ以下である必要がある。

［第３の実施形態］
図１２は、本発明の第３の実施形態に係るＳｉ光変調器を示す上面透視図である。図１２のＳｉ光変調器１２００は、マッハツェンダ変調器であり、入力光導波路１２０１と、入力光導波路１２０１からの光が分岐されて道破される光導波路１２０２及び１２０３と、光導波路１２０２からの光と光導波路１２０３からの光とを合波する出力光導波路１２０４とを備える。

光導波路１２０２の基板縁側の脇には差動の変調電気信号（ＲＦ信号）を入力するためのＲＦ電極１２１１が形成され、光導波路１２０３の基板縁側の脇にも差動のＲＦ信号を入力するためのＲＦ電極１２１２が形成され、光導波路１２０２と１２０３との間には共通のバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極１２１３が形成される。ここで、本実施形態においては、ＤＣ電極１２１３には電圧を印加するための配線である給電ラインが３本以上（図１２では４本）設置されている。

本実施形態においては、ＤＣ電極の途中に電圧を印加するための配線である給電ラインが複数本設置されている。このため、給電ライン近傍では印加されているバイアス電圧に電位が設定され、誘起された正・負の電荷により発生する電位差がキャンセルされるため、ＤＣ電極の共振は給電ラインの間隔の長さで発生することになり、共振する高周波信号の波長は短くなる。すなわち共振する周波数は、波長が短くなることにより高くなっているため、高い周波数の領域まで共振による特性の劣化無しに、変調器を使用することが可能となっている。

このため、高速な光変調を行うために必要な、数百ｋＨｚから数十ＧＨｚのより広い周波数帯域に渡って動作可能な、光変調器を実現することが可能となる。

［第４の実施形態］
図１３は、本発明の第４の実施形態に係るＳｉ光変調器を示す上面透視図である。図１３のＳｉ光変調器１３００は、マッハツェンダ変調器であり、入力光導波路１３０１と、入力光導波路１３０１からの光が分岐されて道破される光導波路１３０２及び１３０３と、光導波路１３０２からの光と光導波路１３０３からの光とを合波する出力光導波路１３０４とを備える。

光導波路１３０２の基板縁側の脇には差動の変調電気信号（ＲＦ信号）を入力するためのＲＦ電極１３１１が形成され、光導波路１３０３の基板縁側の脇にも差動のＲＦ信号を入力するためのＲＦ電極１３１２が形成され、光導波路１３０２と１３０３との間には共通のバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極１３１３が形成される。ここで、本実施形態においては、ＤＣ電極１３１３には電圧を印加するための配線である給電ラインが１本以上設置され、ＤＣ電極１３１３の電極端と給電ラインとの間、および給電ライン間の２つ以上の領域に分割された構造を持ち、電極端と給電ラインの間の領域、及び給電ライン間の領域の長さが５ｍｍ以下となっている。

本実施形態においては、ＤＣ電極に電圧を印加するための配線である給電ラインが１本以上設置され、ＤＣ電極端と給電ライン、および給電ライン間の間隔が５ｍｍ以下となっている。このため、給電ライン近傍では印加されているバイアス電圧に電位が設定され、誘起された正・負の電荷により発生する電位差がキャンセルされるため、ＤＣ電極の共振はＤＣ電極端と給電ラインの間隔、および給電ライン通しの間隔の長さで発生することになり、共振する高周波信号の波長は短くなる。すなわち共振する周波数は、波長が短くなることにより高くなっているため、高い周波数の領域まで共振による特性の劣化無しに、変調器を使用することが可能となっている。

このため、高速な光変調を行うために必要な、数百ｋＨｚから数十ＧＨｚのより広い周波数帯域に渡って動作可能な、光変調器を実現することが可能となる。

１００ 光導波路
１１０、１３０、９１０、９４０ ＳｉＯ₂クラッド層
１２０、９２０、９３０ Ｓｉ層
１０１、１０１−１、１０１−２、９２１−１、９２１−２、９３１−１、９３１−２ リブ部
１０２、１０２−１、１０２−２、１０３、９２３−１、９２３−２、９２４、９３３−１、９３３−２、９３４ スラブ部
１２１、１２１−１、１２１−２、８２１−１、８２１−２、１０２１−１、１０２１−２、１１２１−１、１１２１−２、１２２１−１、１２２１−２、１３２１−１、１３２１−２ 中濃度ｐ型半導体領域
１２２、１２２−１、１２２−２、８２２−１、８２２−２、１０２２−１、１０２２−２、１１２２−１、１１２２−２、１２２２−１、１２２２−２、１３２２−１、１３２２−２ 中濃度ｎ型半導体領域
１２３、１２３―１、１２３−２、８２３−１、８２３−２、１０２３−１、１０２３−２、１１２３−１、１１２３−２、１２２３−１、１２２３−２、１３２３−１、１３２３−２ 高濃度ｐ型半導体領域
１２４、８２４、１０２４、１１２４、１２２４、１３２４ 高濃度ｎ型半導体領域
２００、８００、１０００、１１００、１２００、１３００ Ｓｉ光変調器
２２１、２２２、５０１、５０２、８１１、８１２、１０１１、１０１２、１１１１、１１１２、１２１１、１２１２ ＲＦ電極
２２３、８１３、８１４、１０１３、１０１４、１１１３、１１１４、１１１５、１２１３、１３１３ ＤＣ電極
２１１、２１２、２１３、２１４、８０１、８０２、８０３、８０４、１００１、１００２、１００３、１００４、１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１２０１、１２０２、１２０３、１２０４、１３０１、１３０２、１３０３、１３０４ 光導波路
７０１ 構造体

Claims (7)

1. ＲＦ信号を印加するための２本のＲＦ電極と、
   少なくとも１つの給電ラインを有し、前記２本のＲＦ電極の間に、ＲＦ信号の伝搬方向に対して配置された少なくとも１つのＤＣ電極と、
   前記２本のＲＦ電極と接する２つの第１導電型半導体領域と、
   前記ＤＣ電極と接する第２導電型半導体領域と、
   前記第１導電型半導体領域と前記第２導電型半導体領域の間に形成された光導波路と
   を備える光変調器であって、
   前記少なくとも１つ以上配置されたＤＣ電極において共振が発生する長さが、前記ＲＦ電極に印加されるＲＦ信号の最短波長の１／２より短くなることを特徴とする光変調器。
2. 前記ＤＣ電極は、少なくとも２つ以上直列に配置され、前記２つ以上のＤＣ電極の最長の長さが、前記ＲＦ電極に印加されるＲＦ信号の最短波長の１／２より短くなることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記少なくとも１つのＤＣ電極端と、前記電極端に最近接する給電ライン接続部の間の長さのうち、最も長いものが、前記ＲＦ電極に印加されるＲＦ信号の最短波長の１／２より短くなることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
4. 前記少なくとも１つのＤＣ電極内において、隣り合う前記給電ライン間の長さのうちで最も長いものが、前記ＲＦ電極に印加されるＲＦ信号の最短波長の１／２より短くなることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
5. 前記ＤＣ電極と前記第２導電型半導体領域のドーピング範囲が、前記ＲＦ信号の伝搬方向に対して２つ以上の領域にそれぞれ分割されている構造を持つことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光変調器。
6. 前記少なくとも１つのＤＣ電極は、複数本の前記給電ラインを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光変調器。
7. 前記光導波路は、シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光変調器。

Images