JP7143926B2 - マッハツェンダ変調器、光変調装置 - Google Patents

Description

本発明は、マッハツェンダ変調器及び光変調装置に関する。

非特許文献１は、差動駆動のマッハツェンダ変調器を開示する。

米国特許公開２０１３／０２０９０２３号公報

非特許文献１のマッハツェンダ変調器は、一対のアーム導波路を駆動する一対の信号導電体と、信号導電体より外側に延在する一対の接地導電体とを含む伝送線を用いる。このマッハツェンダ変調器の応答特性は、高周波領域において周期的なディップを含む。

発明者の知見によれば、ディップは、高周波変調信号の応答を不満足なものにしている。

本発明の一側面は、安定した接地電位を可能にする差動伝送路を備えるマッハツェンダ変調器を提供することを目的とする。また、本発明の別の側面は、このマッハツェンダ変調器を含む光変調装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るマッハツェンダ変調器は、下部半導体領域、上部半導体層、及び前記下部半導体領域と前記上部半導体層との間のコア層を含む第１半導体アームと、下部半導体領域、上部半導体層、及び前記下部半導体領域と前記上部半導体層との間のコア層を含む第２半導体アームと、前記第１半導体アームの前記下部半導体領域及び前記第２半導体アームの前記下部半導体領域を互いに接続する導電性半導体領域と、前記第１半導体アームの前記上部半導体層及び前記第２半導体アームの前記上部半導体層にそれぞれ結合された第１信号伝搬導電体及び第２信号伝搬導電体と、前記導電性半導体領域上において前記第１信号伝搬導電体と前記第２信号伝搬導電体との間を延在する基準電位導電体とからなる差動伝送路と、を備え、前記基準電位導電体は前記導電性半導体領域から絶縁されている。

本発明の別の側面に係る光変調装置は、本件に係るマッハツェンダ変調器と、前記差動伝送路を介して前記第１半導体アーム及び前記第２半導体アームを駆動する差動信号源と、を備える。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、安定した接地電位を可能にする差動伝送路を備えるマッハツェンダ変調器が提供される。また、本発明の別の側面によれば、このマッハツェンダ変調器を含む光変調装置が提供される。

図１は、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器を模式的に示す平面図である。 図２は、図１に示されたマッハツェンダ変調器のための一実施例に係る構造を示す図面である。 図３は、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器を含む光集積素子を模式的に示す図面である。 図４は、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器を含む光変調装置を模式的に示す図面である。 図５は、本実施例に係るマッハツェンダ変調器のアーム導波路及び配線導電体の配置を示す図面である。 図６は、Ｇ－Ｓ－Ｓ－Ｇ構造の差動伝送路を含む変調器の構造を示す図面である。 図７は、図６に示された変調器の等価回路及び高周波特性を示す図面である。 図８は、実施例に係るマッハツェンダ変調器を示す図面である。 図９は、図８に示されるマッハツェンダ変調器を適用した光変調器における半導体アーム内の２つのｐｉｎダイオード及び信号源の相互接続、並びに応答特性を示す図面である。 図１０は、実施例に係るＳ－Ｇ－Ｓ構造の差動伝送路を終端する薄膜抵抗を集積するマッハツェンダ変調器を示す図面である。

引き続きいくつかの具体例を説明する。

具体例に係るマッハツェンダ変調器は、（ａ）下部半導体領域、上部半導体層、及び前記下部半導体領域と前記上部半導体層との間のコア層を含む第１半導体アームと、（ｂ）下部半導体領域、上部半導体層、及び前記下部半導体領域と前記上部半導体層との間のコア層を含む第２半導体アームと、（ｃ）前記第１半導体アームの前記下部半導体領域及び前記第２半導体アームの前記下部半導体領域を互いに接続する導電性半導体領域と、（ｄ）前記第１半導体アームの前記上部半導体層及び前記第２半導体アームの前記上部半導体層にそれぞれ結合された第１信号伝搬導電体及び第２信号伝搬導電体と、前記導電性半導体領域上において前記第１信号伝搬導電体と前記第２信号伝搬導電体との間を延在する基準電位導電体とを含む差動伝送路と、を備え、前記基準電位導電体は前記導電性半導体領域から絶縁されている。

マッハツェンダ変調器によれば、半導体アームを駆動する差動伝送路は、第１信号伝搬導電体及び第２信号伝搬導電体、並びに第１信号伝搬導電体と第２信号伝搬導電体との間を延在する基準電位導電体を含む。第１信号伝搬導電体及び第２信号伝搬導電体に差動信号を印加すると、これらの信号伝搬導電体上を伝搬する差動信号は、個々の信号伝搬導電体の外側において電界を有する。外側の電界ベクトルは合成されて、電界ベクトルの合成値は該信号伝搬導電体の間の或るところおいてゼロになり、これは、仮想グランドと呼ばれる。差動伝送路の構造によれば、仮想グランドが、差動伝送路の基準電位導電体にあることができる。第１信号伝搬導電体と第２信号伝搬導電体との間に設ける基準電位導電体は、結果として、安定なグランド面を提供できる。また、基準電位導電体から絶縁される導電性半導体領域は、導電性半導体領域を接地するマッハツェンダ変調器駆動方式と異なる駆動方式を可能にする。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記導電性半導体領域に接続された電極を更に備える。

マッハツェンダ変調器によれば、電極は、導電性半導体領域の電位を調整する外部バイアスを導電性半導体領域に印加できる。電極への給電は、差動伝送路から独立している。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記第１信号伝搬導電体は、前記第１半導体アーム上に位置すると共に前記第１半導体アームに接続され、前記第２信号伝搬導電体は、前記第２半導体アーム上に位置すると共に前記第２半導体アームに接続される。

マッハツェンダ変調器によれば、第１信号伝搬導電体及び第２信号伝搬導電体は、第１半導体アーム及び第２半導体アーム上にそれぞれ位置すると共に第１半導体アーム及び第２半導体アームにそれぞれ接続されて、差動伝導路を提供できる。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記第１信号伝搬導電体は、第１導電体と、複数の第１電極とを含み、前記第１導電体は、前記第１電極を介して前記第１半導体アームに接続され、前記第２信号伝搬導電体は、第２導電体と、複数の第２電極とを含み、前記第２導電体は、前記第２電極を介して前記第２半導体アームに接続され、前記第１電極は、前記第１半導体アーム上において間隔を置いて配置され、前記第２電極は、前記第２半導体アーム上において間隔を置いて配置される。

マッハツェンダ変調器によれば、第１半導体アーム及び第２半導体アームに沿ってそれぞれ延在する第１導電体及び第２導電体は、進行波型構造の実現を容易にする。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記第１半導体アームは、第１軸の方向に交互に配列された第１部分及び第２部分を含み、前記第１半導体アームの前記第１部分は、前記第１電極に接触を成すコンタクト層を含み、前記第１半導体アームの前記第２部分は、前記コンタクト層を含まず、前記第２半導体アームは、前記第１軸の方向に交互に配列された第１部分及び第２部分を含み、前記第２半導体アームの前記第１部分は、前記第２電極に接触を成すコンタクト層を含み、前記第２半導体アームの前記第２部分は、前記コンタクト層を含まない。

マッハツェンダ変調器によれば、第１半導体アーム及び第２半導体アームの上部半導体層において、コンタクト層を含まない第２部分は、コンタクト層を含む第１部分に比べて高比抵抗を示す。この上部半導体層構造は、進行波型電極において、隣合う第１電極及び隣合う第２電極の間における信号位相の分離を容易にする。

具体例に係る光変調装置は、（ａ）本件に係るマッハツェンダ変調器と、（ｂ）前記差動伝送路を介して前記第１半導体アーム及び前記第２半導体アームを駆動する差動信号源と、を備える。

光変調装置によれば、マッハツェンダ変調器は、第１信号伝搬導電体及び第２信号伝搬導電体より外側に延在するグランド面を有しない。この差動伝送路によれば、第１信号伝搬導電体及び第２信号伝搬導電体より外側の物理的なグランド面における電位の不安定さが、マッハツェンダ変調器の高周波特性に影響することを回避できる。

具体例に係る光変調装置は、前記導電性半導体領域にバイアス電位を提供する直流電圧源を更に備える。

光変調装置によれば、直流電圧源は、基準電位導電体から絶縁される導電性半導体領域に所望の電位を与えることができる。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、マッハツェンダ変調器、マッハツェンダ変調器を含む光変調装置に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器を模式的に示す平面図である。マッハツェンダ変調器１０は、第１半導体アーム１５、第２半導体アーム１７、及び差動伝送路２４を含む。第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７の各々は、コア層２９ａ、上部半導体層２９ｂ及び下部半導体領域２９ｃを含み、コア層２９ａは、上部半導体層２９ｂと導電性半導体領域１３及び下部半導体領域２９ｃとの間に設けられる。第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７の各々は半導体メサ２９を含み、半導体メサ２９は、下部半導体領域２９ｃ、コア層２９ａ、及び上部半導体層２９ｂを備える。必要な場合には、半導体メサ２９は、その最上層に位置するコンタクト層２９ｄを更に含むことができる。上部半導体層２９ｂ及び下部半導体領域２９ｃは、クラッドとして働く。下部半導体領域２９ｃは、第１導電型の半導体を備え、上部半導体層２９ｂは、第１導電型と反対の第２導電型の半導体を備える。導電性半導体領域１３は、第１半導体アーム１５の下部半導体領域２９ｃ及び第２半導体アーム１７の下部半導体領域２９ｃを互いに接続する。本実施例では、第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７は、共通の導電性半導体領域１３上に設けられる。必要な場合には、第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７における下部半導体領域２９ｃは、導電性半導体領域１３の一部として形成されることができる。導電性半導体領域１３上において、第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７の大部分は、第１軸Ａｘ１の方向に延在する。第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７にそれぞれ給電するために、第１信号伝搬導電体１６及び第２信号伝搬導電体１８の大部分も、第１軸Ａｘ１の方向に延在する。

差動伝送路２４は、第１信号伝搬導電体１６、第２信号伝搬導電体１８、及び基準電位導電体２３によって構成される。第１信号伝搬導電体１６及び第２信号伝搬導電体１８は、それぞれ、第１半導体アーム１５の上部半導体層２９ｂ及び第２半導体アーム１７の上部半導体層２９ｂに電気的に結合される。基準電位導電体２３は、導電性半導体領域１３上を延在すると共に、第１信号伝搬導電体１６と第２信号伝搬導電体１８との間を設けられ、また導電性半導体領域１３から絶縁されている。

マッハツェンダ変調器１０によれば、第１信号伝搬導電体１６、第２信号伝搬導電体１８、及び基準電位導電体２３は、半導体アーム（１５、１７）を駆動する差動伝送路２４を構成しており、差動伝送路２４において、基準電位導電体２３は、導電性半導体領域１３上において第１信号伝搬導電体１６と第２信号伝搬導電体１８との間を延在する。第１信号伝搬導電体１６及び第２信号伝搬導電体１８に差動信号を印加すると、これらの信号伝搬導電体（１６、１８）上を伝搬する差動信号は、信号伝搬導電体（１９、２０）の外においても電界を有する。これらの電界の電界ベクトルは合成されて、電界ベクトルの合成値は該信号伝搬導電体（１６、１８）の間の或るエリアにおいてゼロ又は実質的にゼロになり、これは、仮想グランドと呼ばれる。差動伝送路２４の構造によれば、仮想グランドが、差動伝送路２４の基準電位導電体２３内にあることができる。第１信号伝搬導電体１６と第２信号伝搬導電体１８との間に延在する基準電位導電体２３は、仮想グランドと合わさって、安定なグランド面を提供できる。また、基準電位導電体２３から絶縁される導電性半導体領域１３は、導電性半導体領域１３を接地するマッハツェンダ変調器駆動方式と異なる駆動方式を可能にする。

マッハツェンダ変調器１０は、導電性半導体領域１３に接続された電極２２を更に備えるようにしてもよい。電極２２は、差動伝送路２４から独立している導電体を含む。マッハツェンダ変調器１０によれば、電極２２は、導電性半導体領域１３の電位を調整する外部バイアスを導電性半導体領域１３に印加できる。本実施例では、電極２２は、外部電圧源ＢＩＡＳに接続される。

差動伝送路２４の一端は、駆動素子（例えば駆動回路ＤＲＶ）からの差動駆動信号を受ける。差動駆動信号は、マッハツェンダ変調器１０上の差動伝送路２４を介して第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７に印加される。差動伝送路２４の他端は、終端器ＴＭＴによって終端される。

本実施例に係るマッハツェンダ変調器１０では、第１信号伝搬導電体１６は、第１半導体アーム１５に接触を成す一又は複数の第１電極１９、及び第１半導体アーム１５に沿って延在する第１導電体３１を含むことができ、第２信号伝搬導電体１８は、第２半導体アーム１７に接触を成す一又は複数の第２電極２０、及び第２半導体アーム１７に沿って延在する第２導電体３５を含むことができる。

差動伝送路２４において、第１電極１９は、第１半導体アーム１５に印加されるべき一方の駆動信号を第１導電体３１から受けると共に、この駆動信号を第１半導体アーム１５内の半導体メサ２９に与える。第２電極２０は、第２半導体アーム１７に印加されるべき他方の駆動信号を第２導電体３５から受けると共に、この駆動信号を第２半導体アーム１７内の半導体メサ２９に与える。このマッハツェンダ変調器１０によれば、第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７が、それぞれ、第１電極１９及び第２電極２０を介して差動駆動のための駆動信号を受ける。

第１電極１９は、間隔をおいて第１半導体アーム１５上において配置され、また第２電極２０は、間隔をおいて第２半導体アーム１７上に配置される。マッハツェンダ変調器１０によれば、第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７に沿ってそれぞれ配置される第１電極１９及び第２電極２０は、進行波型構造の実現を容易にする。具体的には、図１に示されるように、第１電極１９は、第１軸Ａｘ１の方向に配列された複数の第１電極体１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄを含み、第１電極体１９ａ～１９ｄの各々は第１半導体アーム１５の上面に接続されている。第２電極２０は、第１軸Ａｘ１の方向に配列された複数の第２電極体２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを含み、第２電極体２０ａ～２０ｄの各々は第２半導体アーム１７の上面に接続されている。

具体的には、第１信号伝搬導電体１６は、第１電極１９、第１導電体３１及び複数の金属ブリッジ（例えば、第１ブリッジ金属体３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ）を含み、第１ブリッジ金属体３３ａ～３３ｄは、それぞれ、第１電極体１９ａ～１９ｄを第１導電体３１に接続する。また、第２信号伝搬導電体１８は、第２電極２０、第２導電体３５及び複数の金属ブリッジ（例えば、第２ブリッジ金属体３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ）を含み、第２ブリッジ金属体３７ａ～３７ｄは、それぞれ、第２電極体２０ａ～２０ｄを第２導電体３５に接続する。第１導電体３１、第１半導体アーム１５、基準電位導電体２３、第２半導体アーム１７、及び第２導電体３５は、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列される。

このマッハツェンダ変調器１０によれば、第１電極１９の第１電極体１９ａ～１９ｄが第１導電体３１と別個に設けられると共に、第２電極２０の第２電極体２０ａ～２０ｄが第２導電体３５と別個に設けられる。第１導電体３１を第１半導体アーム１５から離すことができると共に第２導電体３５を第２半導体アーム１７から離すことができる。本実施例では、第１電極体１９ａ～１９ｄは、予め決められた間隔で配置されると共に予め決められた長さのコンタクト開口を介して第１半導体アーム１５に接触を成す。第２電極体２０ａ～２０ｄは、予め決められた間隔で配置されると共に予め決められた長さのコンタクト開口を介して第２半導体アーム１７に接触を成す。

マッハツェンダ変調器１０は、分岐導波路として第１合分波器３９ａ及び第２合分波器３９ｂを備える。第１半導体アーム１５の一端及び第２半導体アーム１７の一端は第１合分波器３９ａに接続されており、第１半導体アーム１５の他端及び第２半導体アーム１７の他端は第２合分波器３９ｂに接続されている。第１合分波器３９ａ及び第２合分波器３９ｂは、例えば多モード干渉器（例えばＭＭＩ）であることができる。マッハツェンダ変調器１０は、光入出力に係る第１導波路４１ａ及び第２導波路４１ｂを備える。第１導波路４１ａは、第１合分波器３９ａを介して第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７に光学的に結合されている。第２導波路４１ｂは、第２合分波器３９ｂを介して第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７に光学的に結合されている。

図１における符合４５ａ、４５ｂにより示されるエリアを参照すると、第１信号伝搬導電体１６及び第２信号伝搬導電体１８の具体的な配置が示されており、この配置は、第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７に並走するそれぞれの導電体をパッド電極に接続する配線導体の配置を示す。

マッハツェンダ変調器１０は、第１配線導体４７ａ、第２配線導体４７ｂ、及び第３配線導体４７ｃ、並びに第１パッド電極４９ａ、第２パッド電極４９ｂ及び第３パッド電極４９ｃを備える。第１パッド電極４９ａは、第１配線導体４７ａを介して第１導電体３１（第１電極１９）の一端に接続されている。第２パッド電極４９ｂは、第２配線導体４７ｂを介して第２導電体３５（第２電極２０）の一端に接続されている。第３パッド電極４９ｃは、第３配線導体４７ｃを介して基準電位導電体２３に接続されている。第１配線導体４７ａは、第３配線導体４７ｃから離れて第３配線導体４７ｃに並んで延在し、第２配線導体４７ｂは、第３配線導体４７ｃから離れて第３配線導体４７ｃに並んで延在し、第３配線導体４７ｃは第１配線導体４７ａと第２配線導体４７ｂとの間に設けられる。

このマッハツェンダ変調器１０によれば、第１配線導体４７ａは、第１パッド電極４９ａからの一方の差動駆動信号を第１電極１９に伝える。第２配線導体４７ｂは、第２パッド電極４９ｂからの他方の差動駆動信号を第２電極２０に伝える。第１配線導体４７ａ、第２配線導体４７ｂ及び第３配線導体４７ｃは、Ｓ－Ｇ－Ｓ構造の伝送路を構成して、この伝送路は高周波差動信号を低損失で伝送することを可能にする。第１配線導体４７ａと第２配線導体４７ｂとの間に位置する第３配線導体４７ｃは、第１配線導体４７ａ及び第２配線導体４７ｂを伝搬する差動信号の電界によって形成される仮想グランド面と一致する。この一致は、差動伝送路２４におけるグランドを安定化でき、差動伝送路２４は、良好な高周波信号伝送特性を示す。このように、差動伝送路２４は、第１配線導体４７ａ及び第２配線導体４７ｂの内側エリアに第３配線導体４７ｃを含む一方で、第１配線導体４７ａ及び第２配線導体４７ｂの高さレベルで、第１配線導体４７ａ及び第２配線導体４７ｂの外側エリアに備えない。差動伝送路２４における単一の中央導体、例えば第３配線導体４７ｃは、第１配線導体４７ａ及び第２配線導体４７ｂを伝搬する差動信号の電界によって形成される唯一の仮想グランド面を受け入れる。

マッハツェンダ変調器１０では、導電性半導体領域１３は、２つの第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７によって３つの部分、例えば第１半導体部分１３ａ、第２半導体部分１３ｂ及び第３半導体部分１３ｃに分けられる。第２半導体部分１３ｂは第１半導体部分１３ａと第３半導体部分１３ｃとの間に位置する。第１半導体部分１３ａは、第１半導体アーム１５における底部のエッジと導電性半導体領域１３の一縁１３ｄとの間に位置する。第３半導体部分１３ｃは、第２半導体アーム１７における底部のエッジと導電性半導体領域１３の他縁１３ｅとの間に位置する。第２半導体部分１３ｂは、第１半導体アーム１５における底部のエッジと第２半導体アーム１７における底部のエッジとの間に位置する。第２半導体部分１３ｂは、第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７が合流することによって終端する。第１半導体部分１３ａ、第２半導体部分１３ｂ及び第３半導体部分１３ｃは、第１軸Ａｘ１の方向に延在する。

マッハツェンダ変調器１０は、第４配線導体４７ｄ、第５配線導体４７ｅ、及び第６配線導体４７ｆ、並びに第４パッド電極４９ｄ、第５パッド電極４９ｅ及び第６パッド電極４９ｆを備える。第４パッド電極４９ｄは、第４配線導体４７ｄを介して第１導電体３１（第１電極１９）の他端に接続されている。第５パッド電極４９ｅは、第５配線導体４７ｅを介して第２導電体３５（第２電極２０）の他端に接続されている。第６パッド電極４９ｆは、第６配線導体４７ｆを介して基準電位導電体２３に接続されている。第４配線導体４７ｄは、第６配線導体４７ｆから離れて第６配線導体４７ｆに並んで延在し、第５配線導体４７ｅは、第６配線導体４７ｆから離れて第６配線導体４７ｆに並んで延在し、第６配線導体４７ｆは第４配線導体４７ｄと第５配線導体４７ｅとの間に設けられる。

マッハツェンダ変調器１０は、差動伝送路２４との別個に、第７配線導体４７ｇを含み、第７配線導体４７ｇは電極２２に接続される。電極２２は、例えば導電性半導体領域１３の第１半導体部分１３ａ又は第３半導体部分１３ｃに接続される。

一実施例では、第１パッド電極４９ａ、第２パッド電極４９ｂ及び第３パッド電極４９ｃは、駆動回路ＤＲＶからの差動信号を受ける。また、第４パッド電極４９ｄ、第５パッド電極４９ｅ及び第６パッド電極４９ｆは、終端抵抗デバイス（ＴＭＴ）に接続されることができる。第５パッド電極４９ｇは、バイアス電圧源（ＢＩＡＳ）に接続されることができる。

必要な場合には、マッハツェンダ変調器１０は、第４パッド電極４９ｄ及び第５パッド電極４９ｅを備えることなく、基板２７上に設けられた終端抵抗を更に備えることができる。この終端抵抗は、第４配線導体４７ｄ及び第５配線導体４７ｅの間に接続される。

図２は、図１に示されたマッハツェンダ変調器のための一実施例に係る構造を示す図面である。図２の（ａ）部は、図１に示されたマッハツェンダ変調器のための一実施例に係る構造を示す平面図である。図２の（ｂ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｂ－ＩＩｂ線にそって取られた断面を示す。

図２の（ｂ）部を参照すると、基板２７の主面２７ａは、第１エリア２７ｂ、第２エリア２７ｃ及び第３エリア２７ｄを有しており、第３エリア２７ｄは第１エリア２７ｂと第２エリア２７ｃとの間に位置する。第３エリア２７ｄは第１軸Ａｘ１の方向に延在する。導電性半導体領域１３は、基板２７の主面２７ａに沿って第１軸Ａｘ１の方向に延在する。導電性半導体領域１３はストライプ形状を有し、また第１エリア２７ｂ及び第２エリア２７ｃには無く第３エリア２７ｄに設けられる。第１導電体３１は第１エリア２７ｂ上に延在すると共に、第２導電体３５は第２エリア２７ｃ上に延在する。マッハツェンダ変調器１０では、第１半導体アーム１５、第２半導体アーム１７、第１合分波器３９ａ、第２合分波器３９ｂ、第１導波路４１ａ、及び第２導波路４１ｂは、埋込領域４３によって埋め込まれている。基準電位導電体２３は、埋込領域４３によって導電性半導体領域１３から隔置される。

第１半導体アーム１５は、複数の第１部分１５ａ及び複数の第２部分１５ｂを含み、第１部分１５ａ及び第２部分１５ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に交互に配列される。第１半導体アーム１５の第１部分１５ａが半導体メサ２９のコンタクト層２９ｄを含み、第１半導体アーム１５の第２部分１５ｂが半導体メサ２９のコンタクト層２９ｄを含まないことが良い。第１電極１９の第１電極体１９ａ～１９ｄの各々は、第１半導体アーム１５の第１部分１５ａに接触を成し、第１半導体アーム１５の第２部分１５ｂに電気的に接続されない。

第２半導体アーム１７は、複数の第１部分１７ａ及び複数の第２部分１７ｂを含み、第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に交互に配列される。第２半導体アーム１７の第１部分１７ａが半導体メサ２９のコンタクト層２９ｄを含み、第２半導体アーム１７の第２部分１７ｂが半導体メサ２９のコンタクト層２９ｄを含まないことが良い。第２電極２０の第２電極体２０ａ～２０ｄの各々は、第２半導体アーム１７の第１部分１７ａに接触を成し、第２半導体アーム１７の第２部分１７ｂに電気的に接続されない。

マッハツェンダ変調器によれば、コンタクト層２９ｄを含まない第２部分（１５ｂ、１７ｂ）は、第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７の上側半導体領域（２９ｂ、２９ｄ）において、コンタクト層２９ｄを含む第１部分（１５ａ、１７ａ）に比べて高比抵抗を示す。この上側半導体領域（２９ｂ、２９ｄ）の構造は、進行波型電極において、隣合う第１電極体１９ａ～１９ｄの間及び隣合う第２電極体２０ａ～２０ｄの間における信号位相の分離を容易にする。この電気分離は、例えば１メグオーム以上の抵抗を有することが良い。必要な場合には、第２部分（１５ｂ、１７ｂ）の上部半導体層のクラッド領域は、第２部分（１５ｂ、１７ｂ）におけるコンタクト層２９ｄの除去に加えて、下部半導体領域のクラッド領域に比べて高い濃度の水素及び／又はヘリウムを含む。第２部分（１５ｂ、１７ｂ）に水素及び／又はヘリウムの高い濃度を可能にするために、第２部分（１５ｂ、１７ｂ）にイオン注入を行うことができる。イオン種は、例えば水素及び／又はヘリウムを含む。更に必要な場合には、コンタクト層２９ｄを含まない第２部分（１５ｂ、１７ｂ）において、上部半導体層のクラッド領域を除去することができ、可能な場合には、除去による空領域は、上部半導体層のクラッド領域と逆導電型半導体又はｉ型半導体の再成長により埋め込まれる。

このマッハツェンダ変調器１０によれば、第１導電体３１が第１エリア２７ｂ上に延在すると共に第２導電体３５が第２エリア２７ｃ上に延在する。また、第３エリア２７ｄ上の導電性半導体領域１３は、第１軸Ａｘ１の方向に延在するストライプ形状を有する。これ故に、第１導電体３１及び第２導電体３５と導電性半導体領域１３との結合が低減される。

マッハツェンダ変調器１０は、例えばエピタキシャル成長、フォトリソグラフィ、エッチング、気相成長及びメタライズといった半導体プロセスを用いて作製される。

図３は、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器を含む光集積素子を模式的に示す図面である。この実施例の光集積素子５１は、４つのマッハツェンダ変調器１１ａ～１１ｄを含む。マッハツェンダ変調器１１ａ～１１ｄの各々は、マッハツェンダ変調器１０と実質的に同じ構造を有することができる。

図３を参照すると、光集積素子５１が示される。光集積素子５１は、第１軸Ａｘ１の方向に延在する第１エッジ５１ａ及び第２エッジ５１ｂと、第２軸Ａｘ２の方向に延在する第３エッジ５１ｃ及び第４エッジ５１ｄとを備える。本実施例では、第１エッジ５１ａには、変調されるべき光を受ける入力ポート５１ｅが設けられ、第４エッジ５１ｄには、変調された光を送出する出力ポート５１ｆが設けられる。入力ポート５１ｅからの入力光ＬＩＮは、分岐器を介してマッハツェンダ変調器１１ａ～１１ｄの各々に到達する。光集積素子５１は、光変調のための電気信号ＭＳ１～ＭＳ４を受けるパッド５３ａ～５３ｄを受ける。パッド５３ａ～５３ｄは、第３エッジ５１ｃに沿って配列される。電気信号ＭＳ１～ＭＳ４は、それぞれ、接地電位、信号振幅及び接地電位を受けるパッド５３ａ～５３ｄからＳ－Ｇ－Ｓ構造の金属配線群ＳＧＳを介してマッハツェンダ変調器１１ａ～１１ｄの電極の一端に伝えられる。本実施例では、金属配線群ＳＧＳは、一又は複数の直線部分ＬＮと、該直線部分ＬＮを接続する屈曲部ＢＴとを含む。マッハツェンダ変調器１１ａ～１１ｄは、入力ポート５１ｅからの光を電気信号ＭＳ１～ＭＳ４に応じて変調して、それぞれ、光信号ＭＬ１～ＭＬ４を生成する。これらの光信号ＭＬ１～ＭＬ４は、合波器（ＭＧ１、ＭＧ２、ＭＧ３）を介して合波されて出力ポート５１ｆに到達する。出力ポート５１ｆからは、出力光ＬＯＵＴが提供される。第１エッジ５１ａ及び第２エッジ５１ｂには、終端抵抗に接続されるパッド５５ａ～５５ｄ及びバイアス電圧源５７ｅに接続されるパッド５５ｅが位置する。パッド５５ａ～５５ｄには、それぞれ、終端抵抗５７ａ～５７ｄに接続される。また、パッド５５ｅは、バイアス電圧源５７ｅに接続される。これらの接続のためには、本実施例では、接続のためにボンディングワイヤが用いられる。本実施例では、マッハツェンダ変調器１１ａ～１１ｄは、単一のバイアス電圧源５７ｅを用いる。バイアス電圧源５７ｅは、導電性半導体領域１３に印加されるバイアス電位を提供する直流電圧源を含むことができる。この直流電圧源によれば、基準電位導電体２３から絶縁される導電性半導体領域１３に、接地電位と異なる電位を与える。

光集積素子５１によれば、マッハツェンダ変調器１０の差動伝送路２４は、第１信号伝搬導電体１６及び第２信号伝搬導電体１８より外側に延在するグランド導体を備えない。マッハツェンダ変調器の高周波特性は、外側のグランド導体の電位の不安定さに影響されない。

図４は、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器を含む光変調装置を模式的に示す図面である。光変調装置６１は、一又は複数のマッハツェンダ変調器を含む光集積素子５１と、光集積素子５１を収容するハウジング６３と、駆動回路６５とを備える。駆動回路６５は、差動伝送路１２を介して第１半導体アーム１５及び第２半導体アーム１７を駆動する差動信号源である。ハウジング６３には、入力光ファイバＦＩＮ及び出力光ファイバＦＯＵＴが接続される。入力光ファイバＦＩＮ（入力光ＬＩＮ）は、コリメートレンズ６７ａ、ミラー６７ｂ及びコリメートレンズ６７ｃを介して入力ポート５１ｅに結合される。出力ポート５１ｆ（出力光ＬＯＵＴ）は、コリメートレンズ６７ｄ、及びコリメートレンズ６７ｅを介して出力光ファイバＦＯＵＴに結合される。ハウジング６３は、ＲＦ入力信号を電極６３ａに受ける。ＲＦ入力信号ＲＦは、中継基板６９の電極６３ａを介して駆動回路６５に提供され、駆動回路６５は光集積素子５１を駆動する。

光変調装置６１によれば、マッハツェンダ変調器１０の差動伝送路２４は、第１信号伝搬導電体１６及び第２信号伝搬導電体１８より外側に延在するグランド導体を備えない。マッハツェンダ変調器の高周波特性は、外側のグランド導体の電位の不安定さに影響されない。

図５は、本実施例に係るマッハツェンダ変調器のアーム導波路及び配線導電体の配置を示す図面である。図５の（ａ）部及び（ｂ）部は、本実施例に係るマッハツェンダ変調器のアーム導波路及び配線導電体の配置を示す平面図であり、図５の（ｃ）部及び（ｄ）部は、図５の（ａ）部及び（ｂ）部におけるそれぞれの断面線にそってとられた断面図である。図５の（ｃ）部及び（ｄ）部は、図５の（ａ）部及び（ｂ）部に対比すると理解できるように、差動伝送路２４の第１電極１９は、一方の差動駆動信号を第１半導体アーム１５に印加するように第１半導体アーム１５上を延在することができ、差動伝送路２４の第２電極２０は、他方の差動駆動信号を第２半導体アーム１７に印加するように第２半導体アーム１７上を延在する。図５の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるマッハツェンダ変調器では、図５の（ａ）部及び（ｂ）部と同様に、マッハツェンダ変調器の一端部において、導電性半導体領域１３には電極２２が接触を成す。

図６は、Ｇ－Ｓ－Ｓ－Ｇ構造の差動伝送路を含む変調器の構造、及びその等価回路を示す図面である。変調器を模式的に示す図６の（ａ）部を参照すると、一対のアーム導波路は一対の信号線（＋Ｓ、－Ｓ）によって駆動される。この変調器は、これらの信号線（＋Ｓ、－Ｓ）の外側に信号線（＋Ｓ、－Ｓ）に並んで延在する一対のＧＮＤ配線（Ｇ、Ｇ）を含み、また２本のアーム導波路に共通にありこれらのアーム導波路を接続する導電性半導体領域ＣＯＭを有する。導電性半導体領域ＣＯＭには金属配線が接続されていない。図６の（ｂ）部は、図６の（ａ）部のＶＩｂ－ＶＩｂ線に沿ってとられた断面を示す。変調器の断面において、信号線及びＧＮＤ線の配列は、Ｇ－Ｓ－Ｓ－Ｇ構造を示す。図６の（ｃ）部は、図６の（ｂ）部に示される変調器の等価回路を示す図面である。この等価回路は、発明者によって作成されたものである。発明者は、この等価回路を用いてＥＥ透過特性をシミュレーションにより求めている。実際に測定する際には、実装された変調器チップにおいて、ＧＳＳＧ差動伝送路の左端と右端にそれぞれ高周波プローブ（ＧＳＳＧ配置のプローブ針を備える）を当てて、ベクトル・ネットワーク・アナライザを用いてこの二つの高周波プローブ間の小信号の透過特性（一方の高周波プローブからチップに入力した高周波信号の電圧振幅と、他方の高周波プローブから出てくる高周波信号の電圧振幅との差分）として、特性Ｓｄｄ２１を測る。

図７の（ａ）部は、半導体アーム内の２つのｐｉｎダイオード、並びに信号源の接続を示す。この接続において、２つのｐｉｎダイオードに接続される信号線（＋Ｓ、－Ｓ）及び接地線（Ｇ、Ｇ）のトポロジカルな関係も表す。接地線は、各信号線の外側に信号線に沿って延在する。図７の（ｂ）部は、図７の（ａ）部に示された等価回路におけるシミュレーションによる特性Ｓｄｄ２１を表し、横軸が高周波信号の周波数、縦軸が透過特性である。図７の（ｂ）部に示されるＥＥ透過特性の周波数応答において、周期的な落ち込みが見られる。このような傾向は、Ｅ／Ｏ変調波の周波数応答にも見られ、この周波数特性は、伝送品質上の問題となる。

発明者は、図６及び図７に示されるような等価回路における不具合を解消することを解析した。発明者の解析によれば、この悪い特性は、１００マイクロメートル程度の外側のＧＮＤ線路のＡＣ電位が不安定となることに起因する。この知見に基づき、発明者は、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器の構造に至る。このマッハツェンダ変調器は、２本の信号伝送導電体に沿って単一の接地電位導電体を信号伝送導電体の間に延在させる構造を有する。単一の接地電位導電体の位置は、信号伝送導電体に印加される作動信号からの仮想接地面に反しない。信号伝送導電体の外側には、２本の信号伝送導電体に沿って延在する接地電位導電体を設けずに、ＧＮＤ電位の不安定を引き起こす外側のＧＮＤ線路を用いない。

図８の（ａ）部は、実施例に係るマッハツェンダ変調器を示す平面図であり、図８の（ｂ）部は、図８の（ａ）部に示されるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図８の（ａ）部及び（ｂ）部を参照すると、理解を容易にするために、図１の参照符合が用いられる。

半導体素子の一例。
基板２７：半絶縁性ＩｎＰ基板。
導電性半導体領域１３：Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ、厚さ１．０マイクロメートル。
下部半導体領域２９ｃ：Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ、厚さ０．５マイクロメートル。
コア層２９ａ：ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体の量子井戸構造、厚さ０．５マイクロメートル。
上部半導体層２９ｂのクラッド領域：Ｚｎドープのｐ型ＩｎＰ、厚さ１．０マイクロメートル。
コンタクト層２９ｄ：Ｚｎドープのｐ型ＧａＩｎＡｓ、厚さ０．２マイクロメートル。
埋込領域４３：ＢＣＢ樹脂。
電極（１９ａ～１９ｄ、２０ａ～２０ｄ、３１、３５）：Ａｕ、厚さ５マイクロメートル。
幅Ｗ１：２５０マイクロメートル。
幅Ｗ２：１２５マイクロメートル。
幅Ｗ３：１０～５０マイクロメートル、例えば２５マイクロメートル。
幅Ｗ４：１００マイクロメートル。
幅Ｗ５：５マイクロメートル。
第１電極体１９ａ～１９ｄ及び第２電極体２０ａ～２０ｄは周期的に配列される。
第１導電体３１と第２導電体３５との間隔ＤＩは、導電性半導体領域１３のストライプ幅ＷＤより大きい。
駆動回路ＤＲＶ：ＲＦ電圧振幅：１～４ボルト。
外部電圧源ＢＩＡＳ（５７ｅ）：２～２０ボルトの範囲の直流電圧、ＲＦ電圧の変化に対して大きい光位相変化を示すＤＣバイアス電圧を印加する。

図９は、実施例に係るマッハツェンダ変調器に係る電気的に配置及び特性を示す。図９の（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ、図８に示されるマッハツェンダ変調器を適用した光変調器における半導体アーム内の２つのｐｉｎダイオード、及び信号源の接続を示し、この接続は、また、２つのｐｉｎダイオードに接続される信号線及び接地線のトポロジカルな配置も表す。接地線は、各信号線の内側に信号線に沿って延在する。図９の（ｃ）部は、図９の（ａ）部及び（ｂ）部に示された等価回路におけるシミュレーションによる特性Ｓｄｄ２１を表し、横軸が高周波信号の周波数、縦軸が透過特性である。このシミュレーションは、発明者によって行われた。図９の（ｃ）部の伝搬特性においては、信号源（駆動回路ＤＲＶ）からの印加信号が高い周波数になるにつれて、損失が徐々に増加する。

図１０は、ＳＧＳ構造の終端する終端構造のために薄膜抵抗を集積する変調器チップを示す図面である。図８に示される変調器では、変調器チップを搭載するキャリア上に終端抵抗キャリアを実装する。ＳＧＳ構造に適用できる導波路アーム及び差動伝送路の終端は、これに限定されることない。例えば、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器には、図１０に示される終端構造を適用されることができる。これは、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器に有効で簡便な終端構造である。図８及び図１０に示されるマッハツェンダ変調器の差動伝送路はＳ－Ｇ－Ｓ構造を有する。信号源からＳ－Ｇ－Ｓ構造の伝送路が、マッハツェンダ変調器の一端において一対のアーム導波路に接続される一方で、ＧＮＤ線路は、マッハツェンダ変調器の一対のアーム導波路に係る共通の半導体領域に接続されない。マッハツェンダ変調器の他端では、一対のアーム導波路は、変調器チップ上の終端抵抗Ｒを介して接続され、伝送路のＧＮＤ電極はパッドに引き出されてワイヤＷＩＲＥを介して接地される。終端抵抗Ｒは、半導体素子として提供されるマッハツェンダ変調器のための基板上に薄膜抵抗として形成される。変調器チップ上には終端抵抗として設けられる薄膜抵抗は、例えばＮｉＣｒを備えることができ、例えば７５～１００オーム程度の値を有することができる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

以上説明したように、安定した接地電位を可能にする差動伝送路を備えるマッハツェンダ変調器、及びこのマッハツェンダ変調器を含む光変調装置が提供される。

１０…マッハツェンダ変調器、１３…導電性半導体領域、１５…第１半導体アーム、１６…第１信号伝搬導電体、１７…第２半導体アーム、１８…第２信号伝搬導電体、１９…第１電極、２０…第２電極、２３…基準電位導電体、２７…基板、Ａｘ１…第１軸、Ａｘ２…第２軸。

Claims (9)

1. マッハツェンダ変調器であって、
   下部半導体領域、上部半導体層、及び前記下部半導体領域と前記上部半導体層との間のコア層を含む第１半導体アームと、
   下部半導体領域、上部半導体層、及び前記下部半導体領域と前記上部半導体層との間のコア層を含む第２半導体アームと、
   前記第１半導体アームの前記下部半導体領域及び前記第２半導体アームの前記下部半導体領域を互いに接続する導電性半導体領域と、
   前記第１半導体アーム及び前記第２半導体アームを埋め込む埋込領域と、
   前記第１半導体アームの前記上部半導体層に結合された第１信号伝搬導電体と、前記第２半導体アームの前記上部半導体層に結合された第２信号伝搬導電体と、前記第１信号伝搬導電体と前記第２信号伝搬導電体との間を延在する基準電位導電体とからなる差動伝送路と、
   を備え、
   前記基準電位導電体は、前記埋込領域によって前記導電性半導体領域から隔置される、マッハツェンダ変調器。
2. 前記差動伝送路はＳ－Ｇ－Ｓ構造を有する、請求項１に記載されたマッハツェンダ変調器。
3. 第１配線導体、第２配線導体及び第３配線導体、並びに第１電極パッド、第２電極パッド及び第３電極パッドを更に備え、
   前記第１配線導体、前記第２配線導体及び前記第３配線導体は、Ｓ－Ｇ－Ｓ構造の伝送路を構成しており、
   前記第１電極パッドは、前記第１配線導体を介して前記第１信号伝搬導電体の一端に接続されており、
   前記第２電極パッドは、前記第２配線導体を介して前記第２信号伝搬導電体の一端に接続されており、
   前記第３電極パッドは、前記第３配線導体を介して前記基準電位導電体の一端に接続されている、請求項１又は請求項２に記載のマッハツェンダ変調器。
4. 第４配線導体、第５配線導体及び第６配線導体、並びに第４電極パッド、第５電極パッド及び第６電極パッドを更に備え、
   前記第６配線導体は、前記第４配線導体と前記第５配線導体との間に設けられており、
   前記第４電極パッドは、前記第４配線導体を介して前記第１信号伝搬導電体の他端に接続されており、
   前記第５電極パッドは、前記第５配線導体を介して前記第２信号伝搬導電体の他端に接続されており、
   前記第６電極パッドは、前記第６配線導体を介して前記基準電位導電体の他端に接続されている、請求項３に記載のマッハツェンダ変調器。
5. 第７配線導体及び第７電極パッドを更に備え、
   前記第７電極パッドは、前記第７配線導体を介して前記導電性半導体領域に接続されており、
   前記第７電極パッドは、バイアス電圧源に接続されている、請求項４に記載のマッハツェンダ変調器。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の４つのマッハツェンダ変調器と、
   前記４つのマッハツェンダ変調器にそれぞれ接続され、光変調のための電気信号を受ける４つの第１パッドと、
   前記４つのマッハツェンダ変調器にそれぞれ接続され、終端抵抗に接続される４つの第２パッドと、
   前記４つのマッハツェンダ変調器に接続され、バイアス電圧源に接続される第３パッドと、
   を備える、光集積素子。
7. 請求項６に記載の光集積素子と、
   前記４つのマッハツェンダ変調器を駆動する駆動回路と、
   前記バイアス電圧源と、
   前記終端抵抗と、
   を備える、光変調装置。
8. 前記バイアス電圧源から前記４つのマッハツェンダ変調器に印加される直流電圧が２～２０ボルトである、請求項７に記載の光変調装置。
9. 変調器チップ上に設けられた７５～１００オームの抵抗値を有する薄膜抵抗を更に備え、
   前記第１信号伝搬導電体及び前記第２信号伝搬導電体は、前記薄膜抵抗に接続されて終端され、
   前記基準電位導電体は、接地されている、請求項１又は請求項２に記載のマッハツェンダ変調器。

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