JP6915412B2 - 半導体光変調器 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体光変調器に関するものである。
特許文献１には、偏波多重通信に適用されるマッハツェンダー型の光変調器が記載されている。この光変調器は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの電気光学結晶を用いるものである。この光変調器では、四角形状の基板の辺にλ／４板及びミラーを設け、該ミラーにおいて光が反射する際にＴＭモードからＴＥモードに変換している。
特許文献２には、四位相偏移変調（ＱＰＳＫ；Quadrature Phase Shift Keying）に適用されるマッハツェンダー型の半導体光変調器が記載されている。この半導体光変調器では、光の伝搬方向を１８０°変換する曲線導波路からなる折り返し部を設けることにより、小型化が図られている。
特開２００９−２２９５９２号公報 特開２０１２−１６３８７６号公報
近年、光通信システムにＱＰＳＫ方式が用いられつつある。ＱＰＳＫ方式は、搬送波の位相の変化に４つの値を持たせることにより、２ビットの情報を伝送する方式である。ＱＰＳＫ方式による信号光を生成するためには、マッハツェンダー型の光変調器が用いられる。このような光変調器には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などの電気光学結晶を用いるものと、ＧａＡｓ或いはＩｎＰなどの半導体を用いるものとがある。電気光学結晶を用いる光変調器は、波長チャーピングが極めて小さいという利点を有するものの、駆動電圧が大きく、また光変調器の小型化が困難という欠点がある。これに対し、半導体を用いる光変調器は、小型であり、高速及び低駆動電圧での動作が可能であるという利点を有する。
しかしながら、近年の光通信量の増大に伴い、基地局における光通信装置の大規模化が懸念されており、ＱＰＳＫ通信に用いられる光変調器にも更なる小型化が求められている。そこで、例えば特許文献２に記載された装置のように、マッハツェンダー型の光変調器において、光の伝搬方向を１８０°折り曲げて光変調器を小型化することが考えられる。その場合、光通信装置におけるレンズ等の光学部品の効率的な配置を考慮し、光変調器の基板の一辺に光入力ポート及び光出力ポートが設けられることが望ましい。
ここで、ＱＰＳＫ方式の一種として、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization QPSK）方式がある。この方式は、ＱＰＳＫ方式によりそれぞれ変調された２つの光の偏波を互いに直交させることにより、合計４ビットの情報を伝送する方式である。このような方式においても、光変調器の基板の一辺に光入力ポート及び光出力ポートが設けられることが望まれるが、特許文献２に記載された半導体光変調器では、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式の場合には光入力ポート及び光出力ポートが基板の対向する２辺にそれぞれ設けられることとなる（特許文献２の図５参照）。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式に用いられ、基板の一辺に光入力ポート及び光出力ポートを備える半導体光変調器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る半導体光変調器は、マッハツェンダー型の半導体光変調器であって、基板の一辺に設けられた光入力ポートと、一辺に設けられ、光入力ポートに対して互いに対称な位置に設けられた２つの光出力ポートと、光入力ポートから入力された光を８本のアーム導波路に分岐する分岐部と、４本のアーム導波路を伝搬した光を合波して一方の光出力ポートに提供する第１合波部と、別の４本のアーム導波路を伝搬した光を合波して他方の光出力ポートに提供する第２合波部と、８本のアーム導波路それぞれに設けられた変調電極と、を備える。
本発明によれば、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式に用いられ、基板の一辺に光入力ポート及び光出力ポートを備える半導体光変調器を提供できる。
図１は、一実施形態に係る半導体光変調器の構成を示す平面図である。 図２は、図１に示された半導体光変調器から電極及び電気配線を除き、光導波路及び光カプラのみを示す平面図である。 図３は、光入力ポートの平面形状を拡大して示す図である。 図４は、光出力ポートの平面形状を拡大して示す図である。 図５は、第１折返し部の導波路形状を模式的に示す平面図である。 図６は、第１曲折部及び第２曲折部におけるアーム導波路の曲げ形状を拡大して示す平面図である。 図７は、第３曲折部におけるアーム導波路の曲げ形状を拡大して示す平面図である。 図８は、第４曲折部におけるアーム導波路の曲げ形状を拡大して示す平面図である。 図９は、第５曲折部におけるアーム導波路の曲げ形状を拡大して示す平面図である。 図１０は、半導体光変調器を製造する方法について説明する図である。 図１１は、ウェハ上において４つの半導体光変調器が互いに隣り合う様子を拡大して示す平面図である。 図１２は、直線を跨いで連続して形成された光入力ポートを拡大して示す平面図である。 図１３は、直線を跨いで連続して形成された光出力ポートを拡大して示す平面図である。 図１４は、半導体光変調器を製造する方法について説明する図である。 図１５は、半導体光変調器を製造する方法について説明する図である。 図１６は、半導体光変調器を製造する方法について説明する図である。
［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る半導体光変調器は、マッハツェンダー型の半導体光変調器であって、基板の一辺に設けられた光入力ポートと、一辺に設けられ、光入力ポートに対して互いに対称な位置に設けられた２つの光出力ポートと、光入力ポートから入力された光を８本のアーム導波路に分岐する分岐部と、４本のアーム導波路を伝搬した光を合波して一方の光出力ポートに提供する第１合波部と、別の４本のアーム導波路を伝搬した光を合波して他方の光出力ポートに提供する第２合波部と、８本のアーム導波路それぞれに設けられた変調電極と、を備える。
この半導体光変調器がＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光通信において使用される際には、光入力ポートに連続光が入力される。この連続光は、分岐部によって８本（４対）のアーム導波路に分岐される。このうち４本のアーム導波路を伝搬する光には、変調電極に印加される変調電圧によってＱＰＳＫ変調がなされる。これらの光は、第１合波部によって互いに合波され、一方の光出力ポートから出力される。また、他の４本のアーム導波路を伝搬する光には、変調電極に印加される変調電圧によって別のＱＰＳＫ変調がなされる。これらの光は、第２合波部によって互いに合波され、他方の光出力ポートから出力される。好適な実施例では、一方の光出力ポートから出力された光と、他方の光出力ポートから出力された光とは、半導体光変調器の外部の光学系において偏波面が互いに直交するように操作されたのち合波される。
上記の半導体光変調器では、光入力ポートと２つの光出力ポートとが基板の同一の辺に設けられている。従って、光通信装置におけるレンズ等の光学部品を効率的に配置することができる。また、２つの光出力ポートが光入力ポートに対して互いに対称な位置に設けられているので、光学部品を更に効率的に配置することができる。
上記の半導体光変調器において、光入力ポートは一辺の中心に位置してもよい。半導体光変調器を製造する際には、１枚のウェハに複数の半導体光変調器を縦横に並べて形成したのち、ウェハを分割することにより個々の半導体光変調器を取り出す。上記の半導体光変調器では、２つの光出力ポートが光入力ポートに対して互いに対称な位置に設けられているので、光入力ポートが辺の中心に位置することにより、２つの光出力ポート及び光入力ポートの各配置が、基板の辺の中心に対して対称となる。従って、ウェハ上において隣り合う半導体光変調器の上記一辺同士を対向させた場合、各々の光出力ポート及び光入力ポートの位置が互いに一致する。故に、一方の半導体光変調器の光出力ポート及び光入力ポートと、他方の半導体光変調器の光出力ポート及び光入力ポートとを連続して形成し、劈開等により上記一辺を形成することが可能になる。これにより、ウェハ上で隣り合う半導体光変調器の間に通常設けられる分割のための余分な領域を減らすことができ、１枚のウェハから得られる半導体光変調器の個数を増やすことができる。
上記の半導体光変調器において、４本のアーム導波路は、電極と分岐部との間に、光の進行方向を一辺に向けて折り返す第１折返し部を有し、別の４本のアーム導波路は、電極と分岐部との間に、光の進行方向を一辺に向けて折り返す第２折返し部を有し、第１折返し部は、第２折返し部とは逆側に４本のアーム導波路を折り返してもよい。例えばこのような構成により、２つの光出力ポートを光入力ポートに対して互いに対称な位置に設けることができる。この場合、第１折返し部における４本のアーム導波路の光路長が互いに等しく、第２折返し部における別の４本のアーム導波路の光路長が互いに等しくてもよい。これにより、変調電極に至る４つの光それぞれの位相ずれを小さく抑えることができ、送信光の品質を高めることができる。
上記の半導体光変調器において、第１折返し部は、４本のアーム導波路を一辺に沿った方向に曲げる第１曲折部と、第１曲折部を経た４本のアーム導波路のうち外側の２本のアーム導波路を一辺に向かう方向に曲げる第２曲折部と、第１曲折部を経た４本のアーム導波路のうち内側の２本のアーム導波路を一辺に向かう方向よりも大きな角度で曲げる第３曲折部と、第３曲折部を経た内側の２本のアーム導波路を一辺に向かう方向に曲げる第４曲折部と、第１曲折部を経た外側の２本のアーム導波路のうち内側のアーム導波路を更に内側に膨らませる第５曲折部と、を有してもよい。例えばこのような構成により、第１折返し部における４本のアーム導波路の光路長を互いに等しくすることができる。好適な一実施例では、第１曲折部は４本のアーム導波路を９０°曲げ、第２曲折部は外側の２本のアーム導波路を更に９０°曲げ、第３曲折部は内側の２本のアーム導波路を更に１８０°曲げ、第４曲折部は内側の２本のアーム導波路を更に−９０°曲げてもよい。
上記の半導体光変調器は、第１合波部から出力された光をモニタするための第１モニタポートと、第２合波部から出力された光をモニタするための第２モニタポートと、を更に備え、第１モニタポート及び第２モニタポートは、一辺において光入力ポートに対して互いに対称な位置に設けられてもよい。
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る半導体光変調器の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体光変調器１Ａの構成を示す平面図である。図２は、図１に示された半導体光変調器１Ａから電極及び電気配線を除き、光導波路及び光カプラのみを示す平面図である。本実施形態の半導体光変調器１Ａは、例えばＧａＡｓ系半導体もしくはＩｎＰ系半導体によって構成されたマッハツェンダー型の半導体光変調器である。図１及び図２に示されるように、半導体光変調器１Ａは、基板３と、光入力ポート４と、２つの光出力ポート５及び６と、分岐部７と、第１合波部８と、第２合波部９と、８本のアーム導波路１０ａ〜１０ｈと、２つのモニタポート２１，２２とを備える。
基板３は、ＧａＡｓ系半導体もしくはＩｎＰ系半導体を結晶成長可能な材料からなり、一例では半絶縁性のＩｎＰ基板である。基板３の平面形状は四角形状であり、一例では長方形状もしくは正方形状である。基板３は、或る方向Ａにおいて互いに対向し且つ互いに平行な２辺３ａ及び３ｂと、方向Ａと直交する方向Ｂにおいて互いに対向し且つ互いに平行な２辺３ｃ及び３ｄとを有する。辺３ａ及び３ｂは方向Ｂに沿って真っ直ぐに延びており、辺３ｃ及び３ｄは方向Ａに沿って真っ直ぐに延びている。辺３ａ及び３ｂの長さは例えば８ｍｍ〜９ｍｍであり、辺３ｃ及び３ｄの長さは例えば１０ｍｍ〜１２ｍｍである。
光入力ポート４は、半導体光変調器１Ａの外部に設けられる光源（例えば半導体レーザ素子）からの連続光を入力する光ポートであって、基板３の一辺３ａに設けられている。図３は、光入力ポート４の平面形状を拡大して示す図である。図３に示されるように、光入力ポート４は、幅広部４ａと、拡幅部４ｂとを有する。幅広部４ａは、光導波路１１ａよりも広い横幅を有しており、光導波路１１ａよりも大きいモードフィールド径を有する。幅広部４ａは、後述する半導体光変調器１Ａの製造工程においてウェハを劈開して基板３を形成する際の劈開の位置ずれを考慮して設けられた部分である。拡幅部４ｂは、光導波路１１ａと幅広部４ａとの間に設けられ、光導波路１１ａから幅広部４ａに向けて次第に横幅（モードフィールド径）が拡がる部分である。光入力ポート４には、外部からの光がレンズにより集光されつつ入力される。その際の光結合効率を高めるために、光入力ポート４にはこのような拡幅部４ｂが設けられる。
再び図１及び図２を参照する。光入力ポート４は、方向Ｂにおける辺３ａの中心に位置する。すなわち、辺３ｃから光入力ポート４の中心軸線までの距離Ｌ１と、辺３ｄから光入力ポート４の中心軸線までの距離Ｌ２とは互いに等しく、それぞれ辺３ｃと辺３ｄとの距離（辺３ａの長さ）Ｌｃの半分である。
光出力ポート５，６は、半導体光変調器１ＡによってＱＰＳＫ変調された信号光を外部へ出力する光ポートであって、基板の一辺３ａに設けられている。図４は、光出力ポート５の平面形状を拡大して示す図である。なお、光出力ポート６は、光出力ポート５と同様の平面形状を有する。図４に示されるように、光出力ポート５は、幅広部５ａと、拡幅部５ｂとを有する。幅広部５ａは、光導波路１１ｊよりも広い横幅を有しており、光導波路１１ｊよりも大きいモードフィールド径を有する。幅広部５ａは、後述する半導体光変調器１Ａの製造工程においてウェハを劈開して基板３を形成する際の劈開の位置ずれを考慮して設けられた部分である。拡幅部５ｂは、光導波路１１ｊと幅広部５ａとの間に設けられ、光導波路１１ｊから幅広部５ａに向けて次第に横幅（モードフィールド径）が拡がる部分である。
再び図１及び図２を参照する。光出力ポート５，６は、光入力ポート４に対して互いに対称な位置に設けられている。すなわち、光出力ポート５は光入力ポート４を挟んで光出力ポート６とは反対側に設けられている。光入力ポート４の中心軸線から光出力ポート５の中心軸線までの距離Ｌ３と、光入力ポート４の中心軸線から光出力ポート６の中心軸線までの距離Ｌ４とは互いに等しい。また、上述したように光入力ポート４は辺３ａの中心に設けられているので、辺３ｃから光出力ポート５の中心軸線までの距離Ｌ５と、辺３ｄから光出力ポート６の中心軸線までの距離Ｌ６とは互いに等しい。
分岐部７は、光入力ポート４から入力された光を８本のアーム導波路１０ａ〜１０ｈに分岐する。本実施形態の分岐部７は、初段の１つの光カプラ７ａと、第２段の２つの光カプラ７ｂ，７ｃと、最終段の４つの光カプラ７ｄ〜７ｇとを含んで構成されている。光カプラ７ａ〜７ｇは、１入力２出力のＭＭＩ（Multi-Mode Interferometer）カプラである。光カプラ７ａの入力端は、光導波路１１ａを介して光入力ポート４と結合されている。光カプラ７ａの一方の出力端は光導波路１１ｂを介して光カプラ７ｂの入力端と結合されており、光カプラ７ａの他方の出力端は光導波路１１ｃを介して光カプラ７ｃの入力端と結合されている。光カプラ７ｂの一方の出力端は光導波路１１ｄを介して光カプラ７ｄの入力端と結合されており、光カプラ７ｂの他方の出力端は光導波路１１ｅを介して光カプラ７ｅの入力端と結合されている。光カプラ７ｃの一方の出力端は光導波路１１ｆを介して光カプラ７ｆの入力端と結合されており、光カプラ７ｃの他方の出力端は光導波路１１ｇを介して光カプラ７ｇの入力端と結合されている。光カプラ７ｄの２つの出力端はそれぞれアーム導波路１０ａ，１０ｂの一端と結合されている。光カプラ７ｅの２つの出力端はそれぞれアーム導波路１０ｃ，１０ｄの一端と結合されている。光カプラ７ｆの２つの出力端はそれぞれアーム導波路１０ｅ，１０ｆの一端と結合されている。光カプラ７ｇの２つの出力端はそれぞれアーム導波路１０ｇ，１０ｈの一端と結合されている。
第１合波部８は、４本のアーム導波路１０ａ〜１０ｄを伝搬した光を合波して光出力ポート５に提供する。本実施形態の第１合波部８は、初段の２つの光カプラ８ａ，８ｂと、最終段の１つの光カプラ８ｃとを含んで構成されている。光カプラ８ａ，８ｂは、２入力１出力のＭＭＩカプラである。光カプラ８ｃは、２入力２出力のＭＭＩカプラである。光カプラ８ａの２つの入力端は、それぞれアーム導波路１０ａ，１０ｂの他端と結合されている。光カプラ８ｂの２つの入力端は、それぞれアーム導波路１０ｃ，１０ｄの他端と結合されている。光カプラ８ａ，８ｂの各出力端は、光導波路１１ｈ，１１ｉそれぞれを介して光カプラ８ｃの２つの入力端それぞれと結合されている。光カプラ８ｃの一方の出力端は、光導波路１１ｊを介して光出力ポート５と結合されている。
第２合波部９は、別の４本のアーム導波路１０ｅ〜１０ｈを伝搬した光を合波して光出力ポート６に提供する。第２合波部９は、第１合波部８と同様の構成を有する。すなわち、第２合波部９は、初段の２つの光カプラ９ａ，９ｂと、最終段の１つの光カプラ９ｃとを含んで構成されている。光カプラ９ａ，９ｂは、２入力１出力のＭＭＩカプラである。光カプラ９ｃは、２入力２出力のＭＭＩカプラである。光カプラ９ａの２つの入力端は、それぞれアーム導波路１０ｅ，１０ｆの他端と結合されている。光カプラ９ｂの２つの入力端は、それぞれアーム導波路１０ｇ，１０ｈの他端と結合されている。光カプラ９ａ，９ｂの各出力端は、光導波路１１ｋ，１１ｍそれぞれを介して光カプラ９ｃの２つの入力端それぞれと結合されている。光カプラ９ｃの一方の出力端は、光導波路１１ｎを介して光出力ポート６と結合されている。
モニタポート２１（第１モニタポート）は、第１合波部８から出力される光強度をモニタするための光ポートである。モニタポート２２（第２モニタポート）は、第２合波部９から出力される光強度をモニタするための光ポートである。モニタポート２１は、光導波路１１ｐを介して光カプラ８ｃの他方の出力端と結合されている。モニタポート２２は、光導波路１１ｑを介して光カプラ９ｃの他方の出力端と結合されている。なお、モニタポート２１，２２の平面形状は、図４に示された光出力ポート５の平面形状と同様である。
モニタポート２１，２２は、基板の一辺３ａにおいて、光入力ポート４に対して互いに対称な位置に設けられている。すなわち、モニタポート２１は光入力ポート４を挟んでモニタポート２２とは反対側に設けられている。そして、光入力ポート４の中心軸線からモニタポート２１の中心軸線までの距離Ｌ７と、光入力ポート４の中心軸線からモニタポート２２の中心軸線までの距離Ｌ８とは互いに等しい。また、上述したように光入力ポート４は辺３ａの中心に設けられているので、辺３ｃからモニタポート２１の中心軸線までの距離Ｌ９と、辺３ｄからモニタポート２２の中心軸線までの距離Ｌ１０とは互いに等しい。
図１に示されるように、半導体光変調器１Ａは、８個の変調電極３１ａ〜３１ｈと、４個の親位相調整電極３２ａ〜３２ｄと、８個の子位相調整電極（不図示）とを更に備える。変調電極３１ａ〜３１ｈは、８本のアーム導波路１０ａ〜１０ｈ上にそれぞれ設けられ、送信信号に応じて変調された電圧信号をアーム導波路１０ａ〜１０ｈに個別に与えて、アーム導波路１０ａ〜１０ｈの屈折率を変化させる。これにより、アーム導波路１０ａ〜１０ｈを伝搬する光の位相が変調される。変調電極３１ａ〜３１ｈそれぞれの一端は、基板３上に設けられる配線パターンを介して、信号入力用のＲＦパッド４１ａ〜４１ｈそれぞれと電気的に接続されている。また、変調電極３１ａ〜３１ｈそれぞれの他端は、基板３上に設けられる配線パターンを介して、信号終端用のＲＦパッド４２ａ〜４２ｈそれぞれと電気的に接続されている。
４個の親位相調整電極３２ａ〜３２ｄは、光導波路１１ｄ〜１１ｇ上にそれぞれ設けられ、直流電圧である位相調整電圧を光導波路１１ｄ〜１１ｇに個別に与えて、光導波路１１ｄ〜１１ｇの屈折率を調整する。親位相調整電極３２ａ〜３２ｄそれぞれは、基板３上に設けられる配線パターンを介して、調整信号入力用のＤＣパッド４３ａ〜４３ｄそれぞれと電気的に接続されている。また、８個の子位相調整電極（不図示）は、光カプラ７ｄ〜７ｇから方向Ａに沿って延びるアーム導波路１０ａ〜１０ｈ上にそれぞれ設けられ、直流電圧である位相調整電圧をアーム導波路１０ａ〜１０ｈに個別に与えて、アーム導波路１０ａ〜１０ｈの屈折率を調整する。８個の子位相調整電極それぞれは、基板３上に設けられる配線パターンを介して、調整信号入力用のＤＣパッド４４ａ〜４４ｈそれぞれと電気的に接続されている。
ここで、半導体光変調器１Ａにおける光導波路の構成について詳細に説明する。前述したように、本実施形態では、光入力ポート４、２つの光出力ポート５，６、及び２つのモニタポート２１，２２が、四角形状の基板３の一辺３ａに全て設けられている。従って、光入力ポート４を起点として辺３ａから離れる方向に延びる光導波路は、１８０°折り返されて辺３ａに戻る必要がある。このため、本実施形態のアーム導波路１０ａ〜１０ｄは、図２に示されるように、分岐部７と変調電極３１ａ〜３１ｄとの間に、光の進行方向を辺３ａに向けて折り返す第１折返し部１２を有する。同様に、アーム導波路１０ｅ〜１０ｈは、分岐部７と変調電極３１ｅ〜３１ｈとの間に、光の進行方向を辺３ａに向けて折り返す第２折返し部１３を有する。
第１折返し部１２は、第２折返し部１３とは逆側にアーム導波路１０ａ〜１０ｄを折り返す。すなわち、第１折返し部１２は、光入力ポート４を通る方向Ａに沿った直線に対して光出力ポート５側にアーム導波路１０ａ〜１０ｄを折り返す。また、第２折返し部１３は、光入力ポート４を通る方向Ａに沿った直線に対して光出力ポート６側にアーム導波路１０ｅ〜１０ｈを折り返す。第１折返し部１２におけるアーム導波路１０ａ〜１０ｄの光路長は互いに等しく、第２折返し部１３におけるアーム導波路１０ｅ〜１０ｈの光路長は互いに等しい。
以下、第１折返し部１２の導波路形状について詳細に説明する。なお、第２折返し部１３の導波路形状については、光入力ポート４を通る方向Ａに沿った直線に関して第１折返し部１２の導波路形状と線対称であるため、説明を省略する。図５は、第１折返し部１２の導波路形状を模式的に示す平面図である。図５に示されるように、本実施形態の第１折返し部１２は、第１曲折部１２ａ、第２曲折部１２ｂ、第３曲折部１２ｃ、第４曲折部１２ｄ、及び第５曲折部１２ｅを有する。
第１曲折部１２ａは、アーム導波路１０ａ〜１０ｄを、辺３ａから離れる方向（方向Ａ）から、辺３ａに沿った方向（方向Ｂ）に曲げる。一実施例では、第１曲折部１２ａはアーム導波路１０ａ〜１０ｄを９０°曲げる。なお、ここでは、反時計回りの角度を正の角度とする。第２曲折部１２ｂは、第１曲折部１２ａを経たアーム導波路１０ａ〜１０ｄのうち外側の２本のアーム導波路１０ａ，１０ｂを、辺３ａに沿った方向（方向Ｂ）から、辺３ａに向かう方向（方向Ａ）に曲げる。一実施例では、第２曲折部１２ｂは外側の２本のアーム導波路１０ａ，１０ｂを更に９０°曲げる。最終的に、アーム導波路１０ａ，１０ｂは、第１曲折部１２ａ及び第２曲折部１２ｂによって１８０°折り返される。
第３曲折部１２ｃは、第１曲折部１２ａを経たアーム導波路１０ａ〜１０ｄのうち内側の２本のアーム導波路１０ｃ，１０ｄを、辺３ａから離れる方向（方向Ａ）から、辺３ａに向かう方向よりも大きな角度で曲げる。一実施例では、第３曲折部１２ｃは内側の２本のアーム導波路１０ｃ，１０ｄを更に１８０°曲げる。その結果、アーム導波路１０ｃ，１０ｄは、第３曲折部１２ｃより前の部分とは逆向きに、再び方向Ｂに沿うこととなる。第４曲折部１２ｄは、第３曲折部１２ｃを経た内側の２本のアーム導波路１０ｃ，１０ｄを、再び辺３ａに向かう方向（方向Ａ）に曲げる。言い換えれば、第４曲折部１２ｄは、進行方向に対して第１曲折部１２ａおよび第３曲折部１２ｃとは逆側にアーム導波路１０ｃ，１０ｄを曲げる。一実施例では、第４曲折部１２ｄは内側の２本のアーム導波路１０ｃ，１０ｄを−９０°曲げる。第５曲折部１２ｅは、第１曲折部１２ａと第２曲折部１２ｂとの間に設けられ、第１曲折部１２ａを経た外側の２本のアーム導波路１０ａ，１０ｂのうち内側のアーム導波路１０ｂを更に内側に膨らませる。
図６は、第１曲折部１２ａ及び第２曲折部１２ｂにおけるアーム導波路１０ａ，１０ｂの曲げ形状を拡大して示す平面図である。なお、第１曲折部１２ａにおいては、アーム導波路１０ｃ，１０ｄもまた、アーム導波路１０ａ，１０ｂと同様の形状を有する。図６に示されるように、第１曲折部１２ａ及び第２曲折部１２ｂにおけるアーム導波路１０ａ，１０ｂは、曲げ前の直線状の部分と、曲げ後の直線状の部分との間に、曲がる部分を有する。該部分において、外側に位置するアーム導波路１０ａの曲げは、内側に位置するアーム導波路１０ｂの曲げよりも緩慢である。すなわち、外側に位置するアーム導波路１０ａの曲率半径ｒ1は、内側に位置するアーム導波路１０ｂの曲率半径ｒ2よりも大きい。そして、曲げ前の部分及び曲げ後の部分と比較して、アーム導波路１０ａとアーム導波路１０ｂとの間隔が狭くなっている。言い換えれば、アーム導波路１０ｂの曲率半径ｒ2の中心Ｏ2は、アーム導波路１０ａの曲率半径ｒ1の中心Ｏ1に対してアーム導波路側に位置する。このような形状により、第１曲折部１２ａ及び第２曲折部１２ｂにおけるアーム導波路１０ａ，１０ｂの光路長差を小さく抑えることができる。
図７は、第３曲折部１２ｃにおけるアーム導波路１０ｃ，１０ｄの曲げ形状を拡大して示す平面図である。図７に示されるように、第３曲折部１２ｃにおけるアーム導波路１０ｃ，１０ｄは、曲げ前の直線状の部分と、曲げ後の直線状の部分との間に、曲がる部分を有する。該部分において、外側に位置するアーム導波路１０ｃの曲率半径ｒ3は、内側に位置するアーム導波路１０ｄの曲率半径ｒ4よりも大きい。そして、曲げ後の部分におけるアーム導波路１０ｃとアーム導波路１０ｄとの間隔ｄ2は、曲げ前の部分におけるアーム導波路１０ｃとアーム導波路１０ｄとの間隔ｄ1よりも狭くなっている。言い換えれば、アーム導波路１０ｄの曲率半径ｒ4の中心Ｏ4は、アーム導波路１０ｃの曲率半径ｒ3の中心Ｏ3に対して曲げ後の部分側に位置する。このような形状により、第３曲折部１２ｃにおけるアーム導波路１０ｃ，１０ｄの光路長差を小さく抑えることができる。
図８は、第４曲折部１２ｄにおけるアーム導波路１０ｃ，１０ｄの曲げ形状を拡大して示す平面図である。図８に示されるように、第４曲折部１２ｄにおけるアーム導波路１０ｃ，１０ｄは、互いに逆向きに曲がることにより互いの間隔を広げる部分１２ｄ１と、同じ方向に曲がる部分１２ｄ２とを有する。これらの部分１２ｄ１，１２ｄ２において、アーム導波路１０ｃの曲率と、アーム導波路１０ｄの曲率とは互いに等しい。この第４曲折部１２ｄでは、アーム導波路１０ｄの光路長がアーム導波路１０ｃの光路長よりも長い。前述した第１曲折部１２ａ及び第３曲折部１２ｃではアーム導波路１０ｄの光路長がアーム導波路１０ｃの光路長よりも短くなるので、この第４曲折部１２ｄによりこれらの光路長を調整し、結果的にアーム導波路１０ｃ，１０ｄの光路長を互いに等しくすることができる。
図９は、第５曲折部１２ｅにおけるアーム導波路１０ａ，１０ｂの曲げ形状を拡大して示す平面図である。前述したように、第５曲折部１２ｅでは、アーム導波路１０ａ，１０ｂのうち内側のアーム導波路１０ｂが、外側のアーム導波路１０ａに対して内側に膨らんで迂回している。言い換えれば、第５曲折部１２ｅでは、その前の部分及び後の部分と比較して、アーム導波路１０ａ，１０ｂの間隔が拡がっている。但し、外側のアーム導波路１０ａは直線状を維持する。この第５曲折部１２ｅでは、アーム導波路１０ｂの光路長がアーム導波路１０ａの光路長よりも長い。前述した第１曲折部１２ａ及び第２曲折部１２ｂではアーム導波路１０ｂの光路長がアーム導波路１０ａの光路長よりも短くなるので、この第５曲折部１２ｅによりこれらの光路長を調整し、結果的にアーム導波路１０ａ，１０ｂの光路長を互いに等しくすることができる。
以上の構成を備える本実施形態の半導体光変調器１Ａを製造する方法について説明する。まず、図１０に示すように、通常の半導体光変調器の作製方法を用いて、基板３となるウェハ３Ａ上に、半導体光変調器１Ａの構成を複数形成する。このとき、隣り合う半導体光変調器１Ａの間には、ウェハ３Ａの分割のための余分な領域は設けられない。従って、隣り合う半導体光変調器１Ａの領域は互いに接している。
図１１は、ウェハ３Ａ上において４つの半導体光変調器１Ａが互いに隣り合う様子を拡大して示す平面図である。図１１に示されるように、方向Ａに沿って隣り合う２つの半導体光変調器１Ａは、それぞれの辺３ａとなる直線Ｆを共有しながら互いに向かい合っている。前述したように、各半導体光変調器１Ａでは光入力ポート４が辺３ａの中心に位置しており、光出力ポート５及び６が光入力ポート４に対して対称な位置に配置されている。モニタポート２１及び２２もまた、光入力ポート４に対して対称な位置に配置されている。従って、方向Ａに沿って互いに隣り合う一方の半導体光変調器１Ａの光入力ポート４、光出力ポート５，６、モニタポート２１，２２と、他方の半導体光変調器１Ａの光入力ポート４、光出力ポート５，６、モニタポート２１，２２とが、直線Ｆを跨いで連続して形成されている。図１２は、直線Ｆを跨いで連続して形成された光入力ポート４を拡大して示す平面図である。図１３は、直線Ｆを跨いで連続して形成された光出力ポート５を拡大して示す平面図である。
続いて、図１０に示された切断線Ｇ１に沿ってウェハ３Ａをブレーキングすることにより、図１４（ａ）に示すように、直線Ｆに沿って２列に並ぶ複数の半導体光変調器１Ａを含む棒状の生産物２Ａを形成する。ブレーキングとは、ダイヤモンドツールを用いて切断線Ｇ１に沿ったスクライブ溝を形成し、ウェハ３Ａをスクライブ溝に沿って割断することをいう。その後、直線Ｆに沿って生産物２Ａを劈開する。これにより、図１４（ｂ）に示すように、直線Ｆに沿って一列に並ぶ複数の半導体光変調器１Ａを含む棒状の生産物２Ｂが形成される。なお、劈開とは、結晶の面方位に沿った割断であり、原子レベルで平坦な端面を得ることができる。この劈開により、隣り合う半導体光変調器１Ａの光入力ポート４（図１２参照）、光出力ポート５，６（図１３参照）、モニタポート２１，２２が直線Ｆにおいて分離され、それぞれに端面が形成される。また、基板３の辺３ａが形成される。
続いて、図１５（ａ）に示すように、積層された複数の板状スペーサ７１の間に生産物２Ｂを挟む。板状スペーサ７１は、例えばシリコン（Ｓｉ）製であり、生産物２Ｂの辺３ａを含む端面２ｂに沿って延びている。そして、複数の板状スペーサ７１の間から、各生産物２Ａの端面２ｂを露出させる。続いて、図１５（ｂ）に示すように、反射防止膜の材料Ｍを端面２ｂに付着させることにより、端面２ｂ上に反射防止膜２ｃを成膜する。この成膜は、例えばイオンビームアシスト蒸着といった物理蒸着法により行われ得る。
続いて、図１６に示すように、辺３ｃ，３ｄ（図１参照）となる切断線Ｇ２に沿って生産物２Ｂをブレーキングすることにより、半導体光変調器１Ａを個片化する。以上の工程を経て、本実施形態の半導体光変調器１Ａが作製される。
以上に説明した本実施形態の半導体光変調器１Ａによって得られる作用及び効果について説明する。この半導体光変調器１ＡがＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光通信において使用される際には、光入力ポート４に連続光が入力される。この連続光は、分岐部７によって８本（４対）のアーム導波路１０ａ〜１０ｈに分岐される。このうち４本のアーム導波路１０ａ〜１０ｄを伝搬する光には、変調電極３１ａ〜３１ｄに印加される変調電圧によってＱＰＳＫ変調がなされる。これらの光は、第１合波部８によって互いに合波され、一方の光出力ポート５から出力される。また、他の４本のアーム導波路１０ｅ〜１０ｈを伝搬する光には、変調電極３１ｅ〜３１ｈに印加される変調電圧によって別のＱＰＳＫ変調がなされる。これらの光は、第２合波部９によって互いに合波され、他方の光出力ポート６から出力される。一方の光出力ポート５から出力された光と、他方の光出力ポート６から出力された光とは、半導体光変調器１Ａの外部の光学系において、偏波面が互いに直交するように操作されたのち合波され、ＤＰ−ＱＰＳＫ光信号となる。
本実施形態では、光入力ポート４と２つの光出力ポート５，６とが基板の同一の辺３ａに設けられている。従って、光通信装置におけるレンズ等の光学部品を効率的に配置することができる。また、２つの光出力ポート５，６が光入力ポート４に対して互いに対称な位置に設けられているので、光学部品を更に効率的に配置することができる。
また、本実施形態の半導体光変調器１Ａのように、光入力ポート４は辺３ａの中心に位置してもよい。半導体光変調器１Ａを製造する際には、１枚のウェハ３Ａに複数の半導体光変調器１Ａを縦横に並べて形成したのち、ウェハ３Ａを分割することにより個々の半導体光変調器１Ａを取り出す（図１０〜図１６を参照）。本実施形態では、２つの光出力ポート５，６が光入力ポート４に対して互いに対称な位置に設けられているので、光入力ポート４が辺３ａの中心に位置することにより、２つの光出力ポート５，６及び光入力ポート４の各配置が、基板３の辺３ａの中心に対して対称となる。従って、図１１に示されるように、ウェハ３Ａ上において隣り合う半導体光変調器１Ａの辺３ａ同士を対向させた場合、各々の光出力ポート５，６及び光入力ポート４の位置が互いに一致する。故に、一方の半導体光変調器１Ａの光出力ポート５，６及び光入力ポート４と、他方の半導体光変調器１Ａの光出力ポート５，６及び光入力ポート４とを連続して形成し、劈開等により辺３ａを形成することが可能になる。これにより、ウェハ３Ａ上で隣り合う半導体光変調器１Ａの間に通常設けられる分割のための余分な領域を減らすことができ、１枚のウェハ３Ａから得られる半導体光変調器１Ａの個数（収量）を増やすことができる。また、光入力ポート４同士が互いに向き合い、光出力ポート５同士が互いに向き合い、光出力ポート６同士が互いに向き合うので、入出射導波路の構造をポートの種類毎に個別に設計することが可能となり、設計の自由度が増す。例えば、幅広部４ａ，５ａの幅や拡幅部４ｂ，５ｂの長さを個別に設定することができる。
また、本実施形態の半導体光変調器１Ａのように、第１折返し部１２は、第２折返し部１３とは逆側に４本のアーム導波路１０ａ〜１０ｄを折り返してもよい。例えばこのような構成により、２つの光出力ポート５，６を光入力ポート４に対して互いに対称な位置に設けることができる。この場合、第１折返し部１２における４本のアーム導波路１０ａ〜１０ｄの光路長が互いに等しく、第２折返し部１３における別の４本のアーム導波路１０ｅ〜１０ｈの光路長が互いに等しくてもよい。これにより、変調電極３１ａ〜３１ｈに至る光の位相ずれ（ｓｋｅｗ）を小さく抑え、送信光の品質を高めることができる。
また、本実施形態の半導体光変調器１Ａのように、第１折返し部１２は、第１曲折部１２ａ、第２曲折部１２ｂ、第３曲折部１２ｃ、第４曲折部１２ｄ、及び第５曲折部１２ｅを有してもよい。例えばこのような構成により、第１折返し部１２における４本のアーム導波路１０ａ〜１０ｄの光路長を互いに等しくすることができる。
また、本実施形態の半導体光変調器１Ａのように、モニタポート２１，２２は、一辺３ａにおいて光入力ポート４に対して互いに対称な位置に設けられてもよい。これにより、モニタポート２１，２２と結合される光学部品を効率的に配置することができる。また、光入力ポート４は辺３ａの中心に位置する場合には、一方の半導体光変調器１Ａのモニタポート２１，２２と、他方の半導体光変調器１Ａのモニタポート２１，２２とを連続して形成し、劈開等により辺３ａを形成することが可能になる。これにより、ウェハ３Ａ上で隣り合う半導体光変調器１Ａの間に通常設けられる分割のための余分な領域を減らすことができ、１枚のウェハ３Ａから得られる半導体光変調器１Ａの個数（収量）を増やすことができる。また、モニタポート２１同士が互いに向き合い、モニタポート２２同士が互いに向き合うので、入出射導波路の構造をポートの種類毎に個別に設計することが可能となり、設計の自由度が増す。
本発明による半導体光変調器は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では親位相調整電極３２ａ〜３２ｄ及び子位相調整電極が光入力ポート４と折返し部１２，１３との間に配置されているが、本発明において、親位相調整電極及び子位相調整電極は折返し部１２，１３と光出力ポート５，６との間（例えば変調電極３１ａ〜３１ｈと光出力ポート５，６との間）に配置されてもよい。この場合、半導体光変調器の方向Ａにおける長さは上記実施形態よりも長くなるが、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
１Ａ…半導体光変調器、２Ａ，２Ｂ…生産物、２ｂ…端面、２ｃ…反射防止膜、３…基板、３Ａ…ウェハ、３ａ〜３ｄ…辺、４…光入力ポート、４ａ，５ａ…幅広部、４ｂ，５ｂ…拡幅部、５，６…光出力ポート、７…分岐部、７ａ〜７ｇ…光カプラ、８…合波部、８ａ〜８ｃ…光カプラ、９…合波部、９ａ〜９ｃ…光カプラ、１０ａ〜１０ｈ…アーム導波路、１１ａ〜１１ｑ…光導波路、１２…第１折返し部、１２ａ…第１曲折部、１２ｂ…第２曲折部、１２ｃ…第３曲折部、１２ｄ…第４曲折部、１２ｅ…第５曲折部、１３…第２折返し部、２１，２２…モニタポート、３１ａ〜３１ｈ…変調電極、３２ａ〜３２ｄ…親位相調整電極、４１ａ〜４１ｈ，４２ａ〜４２ｈ…ＲＦパッド、４３ａ〜４３ｄ，４４ａ〜４４ｈ…ＤＣパッド、７１…板状スペーサ、Ｆ…直線、Ｇ１，Ｇ２…切断線。

Claims (5)

  1. マッハツェンダー型の半導体光変調器であって、
    基板の一辺に設けられた光入力ポートと、
    前記一辺に設けられ、前記光入力ポートに対して互いに対称な位置に設けられた２つの光出力ポートと、
    前記光入力ポートから入力された光を８本のアーム導波路に分岐する分岐部と、
    ４本の前記アーム導波路を伝搬した光を合波して一方の前記光出力ポートに提供する第１合波部と、
    別の４本の前記アーム導波路を伝搬した光を合波して他方の前記光出力ポートに提供する第２合波部と、
    前記８本のアーム導波路それぞれに設けられた変調電極と、
    を備え、
    前記４本のアーム導波路は、前記変調電極と前記分岐部との間に、光の進行方向を前記一辺に向けて折り返す第１折返し部を有し、
    前記別の４本のアーム導波路は、前記変調電極と前記分岐部との間に、光の進行方向を前記一辺に向けて折り返す第２折返し部を有し、
    前記第１折返し部は、前記第２折返し部とは逆側に前記４本のアーム導波路を折り返し、
    前記第１折返し部は、
    前記４本のアーム導波路を前記一辺に沿った方向に曲げる第１曲折部と、
    前記第１曲折部を経た前記４本のアーム導波路のうち外側の２本の前記アーム導波路を前記一辺に向かう方向に曲げる第２曲折部と、
    前記第１曲折部を経た前記４本のアーム導波路のうち内側の２本の前記アーム導波路を前記一辺に向かう方向よりも大きな角度で曲げる第３曲折部と、
    前記第３曲折部を経た前記内側の２本のアーム導波路を前記一辺に向かう方向に曲げる第４曲折部と、
    前記第１曲折部と前記第２曲折部との間に設けられ、前記第１曲折部を経た前記外側の２本のアーム導波路のうち内側のアーム導波路を更に内側に膨らませる第５曲折部と、
    を有し、
    前記第１曲折部及び前記第２曲折部において、前記外側の２本のアーム導波路のうち外側の前記アーム導波路の曲率半径は、前記外側の２本のアーム導波路のうち内側の前記アーム導波路の曲率半径よりも大きく、且つ、前記外側の２本のアーム導波路の間隔は、曲げ前の部分及び曲げ後の部分と比較して狭くなっており、
    前記第３曲折部において、前記内側の２本のアーム導波路のうち外側の前記アーム導波路の曲率半径は、前記内側の２本のアーム導波路のうち内側の前記アーム導波路の曲率半径よりも大きく、且つ、曲げ後の部分における前記内側の２本のアーム導波路の間隔は、曲げ前の部分における前記内側の２本のアーム導波路の間隔よりも狭くなっており、
    前記第４曲折部において、前記内側の２本のアーム導波路は、互いに逆向きに曲がることにより互いの間隔を広げる部分と、その後に同じ方向に曲がる部分とを有する、半導体光変調器。
  2. 前記光入力ポートが前記一辺の中心に位置する、請求項１に記載の半導体光変調器。
  3. 前記第１折返し部における前記４本のアーム導波路の光路長が互いに等しく、
    前記第２折返し部における前記別の４本のアーム導波路の光路長が互いに等しい、請求項１または請求項２に記載の半導体光変調器。
  4. 前記第１曲折部は前記４本のアーム導波路を９０°曲げ、
    前記第２曲折部は前記外側の２本のアーム導波路を更に９０°曲げ、
    前記第３曲折部は前記内側の２本のアーム導波路を更に１８０°曲げ、
    前記第４曲折部は前記内側の２本のアーム導波路を更に−９０°曲げる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体光変調器。
  5. 前記第１合波部から出力された光をモニタするための第１モニタポートと、
    前記第２合波部から出力された光をモニタするための第２モニタポートと、を更に備え、
    前記第１モニタポート及び前記第２モニタポートは、前記一辺において前記光入力ポートに対して互いに対称な位置に設けられている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体光変調器。
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