JP6530631B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子に関し、より詳細には、光集積回路に用いられる光導波路型合分波器を含む光導波路素子に関する。

従来、大容量光通信向けの光変調方式としてＤＰ−ＱＰＳＫ(Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying)方式が知られている。ＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光変調器として、ＩｎＰ系化合物半導体からなる光導波路を用いた光変調器の研究開発が盛んになされている（例えば、非特許文献１参照）。

図１に、従来のＱＰＳＫ光変調器の構成を示す。ＱＰＳＫ光変調器は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）が２階層の入れ子構造になっており、Ｉチャネル用の子ＭＺＩ１０２およびＱチャネル用の子ＭＺＩ１０３と、これら２つの子ＭＺＩをアーム導波路に含む１つの親ＭＺＩ１０１からなる。このＱＰＳＫ光変調器により、入力された光信号の一方の偏波を変調し、もう一組のＱＰＳＫ光変調器により他方の偏波を変調して、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光変調器を構成する。

子ＭＺＩ１０２は、入力側および出力側の２つの１×２多モード干渉計（ＭＭＩ：Multimode Interferometer）１２１，１２２と、それらを結ぶアーム導波路１２３，１２４からなる。同様に、子ＭＺＩ１０３は、２つの１×２ＭＭＩ１３１，１３２とそれらを結ぶアーム導波路１３３，１３４からなる。親ＭＺＩ１０１は、１×２ＭＭＩ１１１および２×２ＭＭＩ１１２と、それらを結ぶ子ＭＺＩ１０２，１０３を含むアーム導波路１１３，１１４からなる。

子ＭＺＩ１０２，１０３の各アーム導波路には、光導波層へ電界を印加するための電極が形成されている。これらの電極に電圧を印加することによって、ポッケルス効果および量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を介して、光導波層の屈折率を変化させる。この屈折率変化により、子ＭＺＩ１０２，１０３では、それぞれ０とπの位相状態を生成する。親ＭＺＩ１０１の２×２ＭＭＩ１１２は、子ＭＺＩ１０２，１０３で生成した２つの位相状態を直交状態で合成する。具体的には、子ＭＺＩの一方の出力にπ／２の位相差を与えて合成することによって、４つの位相状態を生成する。

図２は、従来の光変調器における電界印加領域の断面図である。光変調器は、ＳＩ（Semi-Insulating）―ＩｎＰ基板２０１を備えており、その基板面から順に、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２０２、ノンドープ多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-quantum Well）コア層２０３、ノンドープＩｎＰクラッド層２０４、ｐ型クラッド層２０５、ｎ型ＩｎＰクラッド層２０６が積層されている（例えば、非特許文献２参照）。光導波層は、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２０２より上部をハイメサ構造とし、基板水平方向の光の閉じ込めを実現している。ハイメサ構造の幅は２μｍ程度、高さは３μｍ程度である。

さらに、光導波層であるハイメサ構造を保護するために、ハイメサ構造を覆うように、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：Benzocyclobutene）層２０９ａ，２０９ｂが形成されている（例えば、非特許文献３参照）。ＢＣＢ層２０９の膜厚は、ハイメサ構造の上面で０．３μｍ程度、側面で４μｍ程度である。光の導波方向に沿って電界を印加するための電極２０７は、ｎ型ＩｎＰクラッド層２０６の上部のＢＣＢ層２０９を一部除去することにより、ｎ型ＩｎＰクラッド層２０６と導通するように形成されている。また、ハイメサ構造の両脇のｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２０２の上部には、接地電極２０８ａ，２０８ｂが形成されている。

図３は、従来の光変調器における非電界印加領域の断面図である。光導波層の構造は、図２に示した電界印加領域の断面と同じである。ハイメサ構造は、ＢＣＢ層２０９により側面、上面ともに完全に覆われている。

E. Yamada et al., "112-Gb/s InP DP-QPSK Modulator Integrated with a Silica-PLC Polarization Multiplexing Circuit", PDP5A. 9, Mar., OFC 2012, Los Angeles N. Kikuchi et al., "80-Gb/s low-driving-voltage InP DQPSK modulator with an n-p-i-n Structure", IEEE Photonics Technology letters, Vol. 21, No. 12, June 2009, pp. 787-789. 八木英樹他、「BCB平坦化プロセスによる1.3μm 波長帯AlGaInAs/InP リッジ導波路型レーザ」、2009年7月SEIテクニカルレビュー第175号、pp. 120-123

従来の光変調器においては、光導波層であるアーム導波路、１×２ＭＭＩ、２×２ＭＭＩの全てがＢＣＢ層で覆われている。すなわち、２×２ＭＭＩ１１２の周辺にもハイメサ導波路と同程度の高さのＢＣＢ層２０９が形成されていた（図１参照）。

ＢＣＢの熱膨張係数が約４２ｐｐｍ／℃であるのに対して、ＩｎＰは約４．５ｐｐｍ／℃であり、ＢＣＢはＩｎＰよりも一桁程度大きな熱膨張係数を有する。上述したように、ハイメサ構造の寸法とＢＣＢ層の厚さとは同程度の寸法であり、ＢＣＢ層に覆われたＩｎＰハイメサ構造内部では、ＩｎＰとＢＣＢの熱膨張係数差によって極めて大きな応力が発生する。その結果、光弾性効果を介して、ハイメサ構造の導波層における等価屈折率が変化する。この等価屈折率変化は、２×２ＭＭＩの内部の複数のモード間の干渉条件を設計値からずらし、２×２ＭＭＩの結合率ずれを発生させるという問題があった。

ＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器において、子ＭＺＩ１０２，１０３で生成した２つの位相状態を、親ＭＺＩ１０１で合成する際に、２×２ＭＭＩの結合率ずれが発生すると、２つの位相状態を等しいパワー比で合成できないことになる。その結果、子ＭＺＩ１０２，１０３からの位相差が直交状態（９０度）からずれてしまい、変調時の信号品質が劣化する要因となっていた。

本発明の目的は、光導波路型合分波器に対する保護膜の応力緩和を図り、光学特性の劣化を抑制した光導波路素子を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、半導体基板上に、下部クラッド層、コア層および上部クラッド層の順に積層された光導波層を有する１×２多モード干渉計と２×２多モード干渉計を備える光導波路素子であって、前記１×２多モード干渉計は入力光を分岐する干渉計であり、前記１×２多モード干渉計および前記２×２多モード干渉計を光学的に接続する第１アーム導波路および第２アーム導波路を前記半導体基板上にさらに備え、前記１×２多モード干渉計、前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路は、第１の保護膜で覆われており、前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路は、前記第１の保護膜を覆う第２の保護膜でさらに覆われており、かつ、前記２×２多モード干渉計は、前記第１の保護膜のみで覆われていることを特徴とする。

本発明によれば、光導波路型合分波器が形成されている部分が第２の保護膜により覆われていないことにより、合分波器に対する応力の緩和を図ることができ、光変調器の光導波路型合分波器においては、入力された光信号の２つの位相状態を等しいパワー比で合成することができる。

従来のＱＰＳＫ光変調器の構成を示す図である。 従来の光変調器における電界印加領域の断面図である。 従来の光変調器における非電界印加領域の断面図である。 本発明の一実施形態にかかるＱＰＳＫ光変調器の構成を示す図である。 本実施形態の光変調器における電界印加領域の断面図である。 本実施形態の光変調器における非電界印加領域の断面図である。 本実施形態の光変調器における２×２ＭＭＩの断面図である。 本実施形態の光変調器における２×２ＭＭＩの構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、光集積回路に用いられる光導波路型合分波器を含む光導波路素子としてＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器を一例に説明するが、光導波路型合分波器を含む光集積回路であれば、どのような光導波路素子にも適用できることは明らかである。

図４に、本発明の一実施形態にかかるＱＰＳＫ光変調器の構成を示す。ＱＰＳＫ光変調器は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）が２階層の入れ子構造になっており、Ｉチャネル用の子ＭＺＩ３０２およびＱチャネル用の子ＭＺＩ３０３と、これら２つの子ＭＺＩをアーム導波路に含む１つの親ＭＺＩ３０１からなる。

子ＭＺＩ３０２は、入力側および出力側の２つの１×２多モード干渉計（ＭＭＩ：Multimode Interferometer）３２１，３２２と、それらを結ぶアーム導波路３２３，３２４からなる。同様に、子ＭＺＩ３０３は、２つの１×２ＭＭＩ３３１，３３２とそれらを結ぶアーム導波路３３３，３３４からなる。親ＭＺＩ３０１は、１×２ＭＭＩ３１１および２×２ＭＭＩ３１２と、それらを結ぶ子ＭＺＩ３０２，３０３を含むアーム導波路３１３，３１４からなる。

子ＭＺＩ３０２，３０３の各アーム導波路には、光導波層へ電界を印加するための電極が形成されている。子ＭＺＩの電極は、数１０ＧＨｚの高周波信号により光信号を変調するための変調電極３２５と、子ＭＺＩのアーム導波路間の位相ずれを補償するための位相調整電極３２６とからなる。親ＭＺＩ３０１の各アーム導波路には、子ＭＺＩ３０２からの出力信号に対して子ＭＺＩ３０３からの出力信号をπ／２ずらして、２×２ＭＭＩ３１２において精度よく合成するための、π／２位相調整電極３１５が形成されている。

ＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器の変調動作について簡単に説明する。１本の入力導波路３４１から入射した光信号は、親ＭＺＩ３０１の１×２ＭＭＩ３１１にて２分岐され、Ｉチャネル用子ＭＺＩ３０２およびＱチャネル用子ＭＺＩ３０３に入射する。２つの子ＭＺＩには、変調電極および位相調整電極が形成されており、これらの電極を用いて、光導波層に電圧を印加することができる。光導波層への電圧印加によって生ずるポッケルス効果および量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を介して、光導波層の等価屈折率が変化し、光導波層を伝搬する光信号の位相が変化する。

子ＭＺＩの位相調整電極は、変調電極に電圧を印加していないとき、子ＭＺＩからの光出力が光ＯＦＦ状態（消光状態）となるように電圧を印加しておく。そして、２本のアーム導波路間を伝搬する光信号の位相差が＋πまたは−πとなるように、２本のアーム導波路の各変調電極の印加電圧を高速に切り替える。この結果、変調電極に電圧を印加しているとき、子ＭＺＩからの光出力は光ＯＮ状態（光出力状態）となり、かつ、その位相が＋πと−πとの間で高速に切り替わる。このようにして、位相変調された子ＭＺＩからの２つの光信号は、親ＭＺＩ３０１のπ／２位相調整電極を介して、親ＭＺＩ３０１のアーム導波路間の位相差がπ／２となるように駆動される。そして、親ＭＺＩ３０１の２×２ＭＭＩ３１２により、子ＭＺＩからの２つの光信号が合成され、４つの位相状態をもつ変調信号（ＱＰＳＫ信号）が生成され、出力導波路３４２，３４３から出射される。

図５は、本実施形態の光変調器における電界印加領域の断面図である。半絶縁性のＳＩ（Semi-Insulating）―ＩｎＰ基板４０１を備えており、その基板面から順に、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層４０２、ノンドープＩｎＰクラッド層４０３、多重量子井戸（ＭＱＷ）コア層４０４、ノンドープＩｎＰクラッド層４０５、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層４０６、ｎ型ＩｎＰクラッド層４０７が積層されている。光導波層は、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層４０２より上部をハイメサ構造とし、基板水平方向の光の閉じ込めを実現している。ハイメサ構造の幅は２μｍ程度、高さは３μｍ程度である。

さらに、ＳＩ―ＩｎＰ基板４０１上に形成された光導波層であるハイメサ構造、およびその他の光集積回路を保護するために、ＳＩ―ＩｎＰ基板４０１上の半導体構造物を覆うように、保護膜としてのＳｉＯ₂膜４１１（第１の保護膜）を堆積している。さらに、ハイメサ構造とＳｉＯ₂膜４１１とを覆うように、ＢＣＢ層４１０ａ，４１０ｂ（第２の保護膜）が形成され、ハイメサ構造の保護および半導体構造物の表面の平坦化を行っている。ＳｉＯ₂膜４１１の膜厚は、０．４μｍ程度であり、ＢＣＢ層４１０の膜厚は、ハイメサ構造の上面で０．３μｍ程度、側面で４μｍ程度である。

光の導波方向に沿って電界を印加するための電極４０８は、ｎ型ＩｎＰクラッド層４０７の上部のＳｉＯ₂膜４１１とＢＣＢ層４１０とを一部除去することにより、ｎ型ＩｎＰクラッド層４０７と導通するように形成されている。また、ハイメサ構造の両脇のｎ型ＩｎＰ下部クラッド層４０２の上部には、接地電極４０９ａ，４０９ｂが形成されている。

図６は、本実施形態の光変調器における非電界印加領域の断面図である。光導波層の構造は、図５に示した電界印加領域の断面と同じである。ハイメサ構造は、ＳｉＯ₂膜４１１とＢＣＢ層４１０とにより側面、上面ともに完全に覆われている。

図７は、本実施形態の光変調器における２×２ＭＭＩの断面図である。２×２ＭＭＩ３１２は、光導波路型合分波器であり、光導波層と同じハイメサ構造を有している。光導波層の構造は、図５に示した電界印加領域の断面と同じである。ここで、ハイメサ構造は、ＳｉＯ₂膜４１１のみに覆われている点で、上述した電界印加領域、非電界印加領域の断面と異なる。

すなわち、本実施形態のＱＰＳＫ光変調器は、光導波層であるハイメサ構造、２×２ＭＭＩおよび他の半導体構造物を覆うようにＳｉＯ₂膜が形成され、光導波層であるハイメサ構造と他の半導体構造物とが形成されている部分にのみ、ＳｉＯ₂膜の上にＢＣＢ層が形成されている。

図８に、本実施形態の光変調器における２×２ＭＭＩの構成を示す。２×２ＭＭＩ３１２の寸法の一例は、図７におけるＭＱＷコア層のコア厚（図の上下方向）は０．４μｍであり、スラブ導波路部分の幅（Ｗ２）は１２μｍ、長さ（Ｌ）は２０５μｍである。スラブ導波路に接続される入出力導波路の幅（Ｗ１）は２μｍ、入出力導波路の中心間距離（ｄ）は４μｍである。本実施形態の２×２ＭＭＩの寸法において、波長１．５５μｍで結合率（分岐比）の設計値は５０％となる。図７に示したように、２×２ＭＭＩ３１２のハイメサ構造を、ＳｉＯ₂膜４１１のみで覆った場合には、結合率は波長１．５５μｍに対して５０％と設計通りの値が得られる。すなわち、ＳｉＯ₂膜４１１によって発生する応力の緩和が図られ、設計通りの結合率が得られている。この理由としては、ＳｉＯ₂の熱膨張係数は約０．５ｐｐｍ／℃であり、ＩｎＰ（約４．５ｐｐｍ／℃）との間に熱膨張係数差を有するが、ＳｉＯ₂膜４１１の膜厚は、ハイメサ構造の寸法より一桁程度小さいので、ＳｉＯ₂膜がハイメサ構造に与える応力が小さく、無視できる量だからである。

一方、図６に示したように、２×２ＭＭＩ３１２のハイメサ構造を、非電界印加領域と同様に、ＢＣＢ層４１０を重ねて覆った場合には、結合率は波長１．５５μｍに対して５５％であり、設計値からのずれが観測された。

（光導波路型合分波器）
上述したように、２×２ＭＭＩは、２つの位相状態を合成するために、熱膨張係数差によって発生する応力による結合率ずれは、信号品質の劣化に大きな影響を及ぼす。一方、１×２ＭＭＩは、光パワーの分岐、合成を行うだけなので、熱膨張係数差によって発生する応力が、信号品質の劣化に与える影響は少ない。しかしながら、１×２ＭＭＩにおいても、応力の影響を抑制することができれば、信号品質を維持することができるので、２×２ＭＭＩと同様の構成にすることが望ましい。

（保護膜）
本実施形態において、光導波層であるハイメサ構造およびその他の光集積回路に密着する保護膜としてＳｉＯ₂膜を用いた。しかしながら、ＳｉＮ膜やＳｉＯＮ膜といった他の絶縁膜であっても、水分の浸入を防ぐことのできるバリア性の効果が期待できれば、保護膜として適用することができる。これら保護膜は、上述したように、その膜厚を１μｍ以下にすることができ、ハイメサ構造の寸法と比較すると小さく、光導波層へ与える応力はわずかである。従って、２×２ＭＭＩにおいては、ＳｉＯ₂膜４１１のみで覆い、ＢＣＢ層を除去することにより、応力緩和の効果が得られ、２つの位相状態を等しいパワー比で合成することができる。

また、ＳｉＯ₂膜の代わりに、光導波層と同種の材料である半絶縁性のＩｎＰ膜を用いることもできる。熱膨張係数が等しいので応力緩和の効果が得られ、変調時の信号品質の劣化を抑制することができる。

本実施形態においても、保護膜としてＢＣＢを用いているが、これは、ハイメサ構造等が形成された基板表面の平坦化のためと、作製工程におけるハンドリングミスによる光導波路素子の損傷防止のためである。このような保護膜としては、ＢＣＢに限らず、その他の有機系材料であってもよい。本実施形態によれば、２×２ＭＭＩは、ＳｉＯ₂膜のみで覆われているので、ＩｎＰとの熱膨張係数差が大きい保護膜であっても構わない。

本実施形態において、光導波層であるハイメサ構造およびその他の光集積回路に密着する保護膜としてＳｉＯ₂膜を用いた。これは、半導体が水分によって特性が変化することを予防するためである。ただし、多モード干渉計（ＭＭＩ）型の波長合分波器において、水分による特性変化が少なければ、２×２ＭＭＩにおけるＳｉＯ₂膜も除去することにより、ＩｎＰとＳｉＯ₂の熱膨張係数差に伴うわずかな応力の影響すらも解消することができる。

（クラッドの再成長）
本実施形態の非電界印加領域のＭＱＷコア層４０４の上部には、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層４０６と、ｎ型ＩｎＰクラッド層４０７とが積層されている。これらの層に導波光のモードフィールドが分布すると、光吸収となり損失増加要因となる。そこで、これらｎ型またはｐ型にドープされたクラッド層を除去し、ＳＩ−ＩｎＰ層をノンドープＩｎＰクラッド層４０５の上部に再成長させることにより、低損失な光導波路を構成することができる。従って、本実施形態の光変調器における電界印加領域以外の部分には、ＳＩ−ＩｎＰ層をクラッド層に置き換えることができる。ＳＩ−ＩｎＰ層をクラッド層に置き換えた２×２ＭＭＩであっても、本実施形態においては、ＢＣＢ層で覆われることはないので、応力緩和の効果が得られ、変調時の信号品質の劣化を抑制することができる。

（他の光導波路素子）
本実施形態では、ｎ−ｐ−ｉ―ｎ構造を有する光変調器を例に説明した。しかしながら、このような半導体断面構造に限られず、例えば、「C.Rolland et al.,“10 Gbit/s, 1.56μm multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator,” Electron, Lett.,vol.29, no.5, pp.471-472,1993」に記載されるようなｐ−ｉ−ｎ構造を有する光変調器であっても適用することができる。ハイメサ構造を覆う有機系材料とハイメサ構造を構成する半導体との間の熱膨張係数差が大きい場合には、本実施形態と同様の構成とすることにより、光変調器における信号品質の劣化を抑制することができる。

また、ｐ−ｉ−ｎ構造を有する光変調器において、Ｐ型の上部クラッド層を除去し、ノンドープＩｎＰ層を光導波層の上部に再成長を行うことにより、低損失な光導波路を構成することができる。従って、光変調器における電界印加領域以外の部分には、ＳＩ−ＩｎＰ層をクラッド層に置き換えることができる。本実施形態と同様に、ＢＣＢ層で覆われることはないので、応力緩和の効果が得られ、変調時の信号品質の劣化を抑制することができる。

１０１，３０１ 親ＭＺＩ
１０２，１０３，３０２，３０３ 子ＭＺＩ
１１１，１２１，１２２，１３１，１３２，３１１，３２１，３２２，３３１，３３２ １×２ＭＭＩ
１１３，１１４，１２３，１２４，１３３，１３４，３１３，３１４，３２３，３２４，３３３，３３４ アーム導波路
１１２，３１２ ２×２ＭＭＩ
２０１，４０１ ＳＩ―ＩｎＰ基板
２０２，４０２ ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
２０３，４０４ ＭＱＷコア層
２０４，４０３，４０５ ノンドープＩｎＰクラッド層
２０５ ｐ型クラッド層
２０６，４０７ ｎ型ＩｎＰクラッド層
２０７，４０８ 電極
２０８，４０９ 接地電極
２０９，４１０ ＢＣＢ層
４０６ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層
４１１ ＳｉＯ₂膜

Claims (4)

1. 半導体基板上に、下部クラッド層、コア層および上部クラッド層の順に積層された光導波層を有する１×２多モード干渉計と２×２多モード干渉計を備える光導波路素子であって、
   前記１×２多モード干渉計は入力光を分岐する干渉計であり、
   前記１×２多モード干渉計および前記２×２多モード干渉計を光学的に接続する第１アーム導波路および第２アーム導波路を前記半導体基板上にさらに備え、
   前記１×２多モード干渉計、前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路は、第１の保護膜で覆われており、
   前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路は、前記第１の保護膜を覆う第２の保護膜でさらに覆われており、かつ、
   前記２×２多モード干渉計は、前記第１の保護膜のみで覆われている
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記１×２多モード干渉計は、前記第１の保護膜のみで覆われている
   ことを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記第１の保護膜は、シリコン酸化膜あるいは半絶縁性の化合物半導体膜であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光導波路素子。
4. 前記第２の保護膜は、有機系材料を素材とすることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光導波路素子。

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