JP6781618B2 - 光変調器 - Google Patents
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Description
図1に、従来のSi光変調器の基本となる光導波路の基板断面構造図を示す。図1では光は紙面垂直方向に伝搬するものとする。このSi光変調器の光導波路は、上下のSiO2クラッド層1,3に挟まれたSi層2で構成される。Si層2中央の光を閉じ込めるためのSi細線部は、周囲と厚さに差があるリブ導波路と呼ばれる断面構造を取っている。
これを解決する為に、進行波電極に複数の容量性セグメントを取り付け、その容量性セグメントを通じて、位相変調部に変調電気信号を供給する構造とした容量装荷型進行波電極が用いられている。(例えば非特許文献1や2)
容量装荷型進行波電極を用いることによって、進行波電極の幅、間隔だけではなく、容量性セグメントの大きさや長さ、複数のセグメントを進行波電極に取り付ける際の光導波路方向に沿った間隔や周期、容量性セグメントから進行波電極までの距離といった構造パラメータの自由度が増える。これによって、進行波電極の電気的伝送路としてのインダクタンスとキャパシタンスを任意に調整し、特性インピーダンスと位相速度整合の双方が理想的な値を同時に持つ光変調器を設計することが出来る。
さらに、光変調器には、シングル電極型(またはseries−push−pull型)と呼ばれる電極構造を用いるタイプがある。このような、シングル電極構造のSi光変調器では、差動の変調電気信号を供給されるRF電極と固定電位を与えられる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。
図2に、従来のシングル電極構造の容量装荷型進行波電極を用いたマッハツェンダ光変調器であるSi光変調器の平面図を、図3にそのIII−III断面構造図を示す。(例えば非特許文献1、2参照)
図2の平面図では、左側からの光入力が光導波路7a、7bに分岐され、上下のRF電極5a、5bと、中央の固定電位用電極であるDC電極6の間の変調電気信号(RF信号)による電界で位相変調された後、結合され、右端より変調光として光出力されて、シングル電極構造のマッハツェンダ光変調器を構成している。
複数の容量性セグメントを備えた容量装荷型進行波電極を構成する1対2本のRF電極と、
電圧固定電位を与える少なくとも1本の固定電位用電極と、
前記容量性セグメントと接続された第1導電型の半導体領域と、前記固定電位用電極と接続された第2導電型の半導体領域と、を含む領域であって、前記2つの導電型の半導体領域の境界となる2つのpn接合部に沿うように2本の光導波路が形成された領域を複数含む光変調部と、を備えた光変調器であって、
前記光変調部は、前記2本の光導波路における前記pn接合部の向きとして、一方の分岐した光導波路と他方の分岐した光導波路とについて、光進行方向と垂直な方向でpからnへの向きとnからpへの向きとを含み、
さらに、前記光変調部は、前記pn接合部の向きが、前記光進行方向を軸に互いに反転する関係にある第1の領域と第2の領域とから構成されており、前記2つの領域の少なくとも一方の領域においては前記容量性セグメントが接続される前記第1導電型の半導体領域が2つに分離されており、
前記第1の領域では、前記光進行方向に沿った方向の変調器の中心軸に対して、前記容量性セグメントよりも中心軸側に光導波路が設けられており、前記第2の領域では、前記容量性セグメントよりも外側に光導波路が設けられており、前記第1の領域と前記第2の領域とが少なくとも1つあること、
を特徴とする光変調器。
複数の前記第1の領域と前記第2の領域との配置によって生じる、光導波路に沿った方向の構造上の周期が、前記光変調器の最大動作周波数である変調電気信号に対して分布定数回路と見なすことが出来ること、
を特徴とする発明の構成1に記載の光変調器。
前記容量性セグメントの伸長部分の長さおよび幅が、前記第1の領域と前記第2の領域とでそれぞれ異なること、
を特徴とする発明の構成1に記載の光変調器。
前記第1の領域と前記第2の領域とについて、前記光変調器の全体でそれぞれの領域の光導波路方向の長さの合計が等しいこと、
を特徴とする発明の構成3に記載の光変調器。
前記固定電位用電極は、前記1対2本のRF電極の間に配置され、かつバイアス電圧を印加するように形成されたDC電極からなるシングル電極構造であること、
を特徴とする発明の構成1から4のいずれかに記載の光変調器。
前記固定電位用電極は、前記1対2本のRF電極の間に配置されたグランド電極および当該1対2本のRF電極の外側に配置された2本のグランド電極からなるデュアル電極構造であること、
を特徴とする発明の構成1から4のいずれか1項に記載の光変調器。
図5は、本発明の第1の実施形態による、シングル電極構造の容量装荷型進行波電極を用いた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、図7には、図5のVI−VI(第1領域)、VII−VII(第2領域)断面での半導体のドーピング状態と、容量性セグメントの接続形態について示す。
図8には、実施例1のDC電極の一例として、DC電極6に、第2領域の両アーム側の2つの半導体領域を接続するDC電極分岐6a、6bを設けた実施例を示した。このような形状を用いることで、反対のドーピング極性(第2導電型)の半導体領域すべてにバイアス電圧を印加できるようにした構造を示した。
その光変調部が、光進行方向に沿った方向の変調器の中心軸に対して、容量性セグメントよりも中心軸側に光導波路が設けられた第1領域と、容量性セグメントよりも外側に光導波路が設けられた第2領域とで構成されており、前記第1領域と前記第2領域とが少なくとも1つある光変調器であるということができる。
ここで、本発明の素子作製時にインプラを行う際の、インプラマスクずれによる特性劣化の防止効果について述べる。
ここで、本発明における第1領域と第2領域の順番や、大きさ、間隔等の構造の条件について述べる。
図9は、本発明の第2の実施形態による、シングル電極構造の容量装荷型進行波電極を用いたマッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。
図10は、本発明の第3の実施形態による、シングル電極構造の容量装荷型進行波電極を用いたマッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。
図11は、本発明の第4の実施形態による、シングル電極構造の容量装荷型進行波電極を用いたマッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。
図12は、本発明の第5の実施形態による、シングル電極構造の容量装荷型進行波電極を用いたマッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。
図13は、本発明の第6の実施形態による、シングル電極構造の容量装荷型進行波電極を用いたマッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。実施例6では、実施例5において光変調器全体としての光進行方向を軸にした時に、pn接合が逆向きとなる配置を設けず、光導波路の引き回しによって第1領域と第2領域において光の進行方向を反転させ、光導波路中の光が進行方向に対して受けるpn接合の位置ずれの方向を逆転させることで、pn接合の位置ずれを補償し、本発明の効果を発揮するようにした構成例である。
実施例1〜4では、光導波路に対して垂直方向に対抗する容量性セグメントの間隔が第1領域と第2領域で異なるために、容量性セグメントの間隔に起因するキャパシタンスが第1領域と第2領域で異なり、第1領域と第2領域の特性インピーダンスは異なった。この特性インピーダンスの不均一により、変調電気信号の反射点とならいないようにする為に、第1領域と第2領域の組み合わせによって出来る周期構造の長さが、変調電気信号の最大動作周波数のRF電極における波長の1/10以下程度である必要があり、変調電気信号の最大動作周波数が50GHzとした場合には、進行波電極が持つ構造の周期は少なくとも200μm以下である必要があるとした。
図14は、本発明の第7の実施形態による、シングル電極構造の容量装荷型進行波電極を用いたマッハツェンダ光変調器の構成を示す平面図である。
実施例1〜7では、図2に挙げたようなシングル電極構造のマッハツェンダ光変調器に本発明を適応する場合を示した。シングル電極構造のマッハツェンダ光変調器では、前述のように、RF電極を伝搬する差動信号はグランドと結合していないため、バイアス回路などの構成が簡単になるというメリットがある。
その光変調部が、光進行方向に沿った方向の変調器の中心軸に対して、容量性セグメントよりも中心軸側に光導波路が設けられた第1領域と、容量性セグメントよりも外側に光導波路が設けられた第2領域とで構成されており、前記第1領域と前記第2領域とが少なくとも1つある光変調器である。
2 Si層
201 光導波路コア部分
202 スラブ領域
211 高濃度p型半導体層
212 中濃度p型半導体層
213 中濃度n型半導体層
214 高濃度n型半導体層
4a、4b ビア(貫通電極)
5a、5b、15a、15b RF電極
6 DC電極
6a、6b DC電極分岐
7、7a、7b 光導波路
8a、8b、8a1、8a2、8b1、8b2、18a1、18ag1、18a2、18ag2 容量性セグメント
16a、16b、16c グランド電極
Claims (6)
- 複数の容量性セグメントを備えた容量装荷型進行波電極を構成する1対2本のRF電極と、
電圧固定電位を与える少なくとも1本の固定電位用電極と、
前記容量性セグメントと接続された第1導電型の半導体領域と、前記固定電位用電極と接続された第2導電型の半導体領域と、を含む領域であって、前記2つの導電型の半導体領域の境界となる2つのpn接合部に沿うように2本の光導波路が形成された領域を複数含む光変調部と、を備えた光変調器であって、
前記光変調部は、前記2本の光導波路における前記pn接合部の向きとして、一方の分岐した光導波路と他方の分岐した光導波路とについて、光進行方向と垂直な方向でpからnへの向きとnからpへの向きとを含み、
さらに、前記光変調部は、前記pn接合部の向きが、前記光進行方向を軸に互いに反転する関係にある第1の領域と第2の領域とから構成されており、前記2つの領域の少なくとも一方の領域においては前記容量性セグメントが接続される前記第1導電型の半導体領域が2つに分離されており、
前記第1の領域では、前記光進行方向に沿った方向の変調器の中心軸に対して、前記容量性セグメントよりも中心軸側に光導波路が設けられており、前記第2の領域では、前記容量性セグメントよりも外側に光導波路が設けられており、前記第1の領域と前記第2の領域とが少なくとも1つあること、
を特徴とする光変調器。 - 複数の前記第1の領域と前記第2の領域との配置によって生じる、光導波路に沿った方向の構造上の周期が、前記光変調器の最大動作周波数である変調電気信号に対して分布定数回路と見なすことが出来ること、
を特徴とする請求項1に記載の光変調器。 - 前記容量性セグメントの伸長部分の長さおよび幅が、前記第1の領域と前記第2の領域とでそれぞれ異なること、
を特徴とする請求項1に記載の光変調器。 - 前記第1の領域と前記第2の領域とについて、前記光変調器の全体でそれぞれの領域の光導波路方向の長さの合計が等しいこと、
を特徴とする請求項3に記載の光変調器。 - 前記固定電位用電極は、前記1対2本のRF電極の間に配置され、かつバイアス電圧を
印加するように形成されたDC電極からなるシングル電極構造であること、
を特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光変調器。 - 前記固定電位用電極は、前記1対2本のRF電極の間に配置されたグランド電極および当該1対2本のRF電極の外側に配置された2本のグランド電極からなるデュアル電極構造であること、
を特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光変調器。
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