JPWO2019106890A1 - 半導体光変調器 - Google Patents

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Abstract

半導体光変調器(1)は、変調領域(A)と、非変調領域(C)とを含む。非変調領域(C)における第1接地電極(112)の第1の幅は、変調領域(A)における第1接地電極(112)の第2の幅よりも大きい。非変調領域(C)における第2接地電極(113)の第3の幅は、変調領域(C)における第2接地電極(113)の第4の幅よりも大きい。第1絶縁層(24a,24b)は、非変調領域(C)において、第1光導波路(13a)と第1進行波電極(114)との間と第2光導波路(13b)と第2進行波電極(116)との間とに配置されている。そのため、半導体光変調器(1)は広帯域化され得る。

Description

本発明は、半導体光変調器に関する。
近年、PCおよびスマートフォンなどの普及により、通信量が拡大している。そこで、光変調器として一般的に採用されているマッハツェンダ(Mach-Zehnder。以下、「MZ」という。)型光変調器では、4値パルス振幅変調(PAM4)方式などの強度変調方式、または4値位相偏移変調方式(QPSK)および16値直角位相振幅変調方式(16QAM)などの位相変調方式による信号多重化が広く活用されている。しかし、信号の高密度化が進むに連れて、信号の雑音耐力が低くなるため、上記のような信号多重化を行うと、信号伝送距離が短くなる。そのため、信号の多重化ではなく、現在主流である25〜32Gbpsの変調速度に対して、2倍の50〜64Gbpsの変調速度で信号を駆動してビットレートを上げる必要がある。
消費電力と信号品質の劣化を抑えて変調速度を上げるための、光変調器の広帯域化が課題となっている。広帯域化を実現するためには、変調器のキャパシタンスとインダクタンスを最適化してインピーダンスを整合させる必要がある。特開2015−129906号公報(特許文献1)は、インピーダンス及び電気の速度を調整する機構を設けた半導体マッハツェンダ型光変調器を開示している。特許文献1に記載された半導体マッハツェンダ型光変調器は、マッハツェンダ干渉計と、第1の進行波電極と、第2の進行波電極とを備えている。
特開2015−129906号公報
本発明の目的は、広帯域化された半導体光変調器を提供することである。
本発明の半導体光変調器は、単位構造を含む。単位構造は、変調領域と、非変調領域とを含む。非変調領域における第1接地電極の第1の幅は、変調領域における第1接地電極の第2の幅と異なっている。非変調領域における第2接地電極の第3の幅は、変調領域における第2接地電極の第4の幅と異なっている。第1絶縁層は、非変調領域において、第1光導波路と第1進行波電極との間と第2光導波路と第2進行波電極との間とに配置されている。
本発明の半導体光変調器では、半導体光変調器のキャパシタンスが低減され得るため、第1進行波電極と第2進行波電極線路と第1接地電極と第2接地電極とによって形成される第1線路のインピーダンスが増加し得る。さらに、半導体光変調器のマイクロ波屈折率が低減され得る。本発明の半導体光変調器によれば、広帯域化された半導体光変調器が提供され得る。
実施の形態1に係る光変調器の概略平面図である。 実施の形態1に係る光変調器の概略部分拡大平面図である。 実施の形態1に係る光変調器の、図2に示される断面線III−IIIにおける概略断面図である。 実施の形態1に係る光変調器の、図2に示される断面線IV−IVにおける概略断面図である。 実施の形態1に係る光変調器の、図2に示される断面線V−Vにおける概略断面図である。 実施の形態1に係る光変調器の電気回路モデルを示す図である。 実施の形態1に係る光変調器の変調部の電気回路モデルを示す図である。 実施の形態1に係る光変調器の遷移部及び非変調部の電気回路モデルを示す図である。 実施の形態2に係る光変調器の概略平面図である。 実施の形態2に係る光変調器の概略部分拡大平面図である。 実施の形態2に係る光変調器の、図10に示される断面線XI−XIにおける概略部分断面図である。 実施の形態2に係る光変調器の、図10に示される断面線XII−XIIにおける概略部分断面図である。 実施の形態2に係る光変調器の、図10に示される断面線XIII−XIIIにおける概略部分断面図である。 実施の形態3に係る光変調器の非変調領域の概略断面図である。 実施の形態4に係る光変調器の概略平面図である。 実施の形態5の半導体光変調器の概略平面図である。 実施の形態5の半導体光変調器の概略部分拡大平面図である。 実施の形態5,7の半導体光変調器の、図17、図30及び図36に示される断面線XVIII−XVIIIにおける概略断面図である。 実施の形態5の半導体光変調器の、図17及び図30に示される断面線XIX−XIXにおける概略断面図である。 実施の形態5の半導体光変調器の、図17に示される断面線XX−XXにおける概略断面図である。 実施の形態5の半導体光変調器の電気回路モデルを示す図である。 実施の形態5の半導体光変調器の変調領域の電気回路モデルを示す図である。 実施の形態5の半導体光変調器の非変調領域及び遷移部の電気回路モデルを示す図である。 比較例の半導体光変調器の概略部分拡大平面図である。 実施の形態5及び比較例の半導体光変調器の、マイクロ波の周波数と半導体光変調器の第1線路のインピーダンスとの間の関係を表すグラフを示す図である。 実施の形態5及び比較例の半導体光変調器の、マイクロ波の周波数と半導体光変調器のマイクロ波屈折率との間の関係を表すグラフを示す図である。 実施の形態5の半導体光変調器の変調領域、遷移領域及び非変調領域における、マイクロ波の周波数と半導体光変調器の第1線路のインピーダンスとの間の関係を表すグラフを示す図である。 実施の形態5の半導体光変調器の変調領域、遷移領域及び非変調領域における、マイクロ波の周波数と半導体光変調器のマイクロ波屈折率との関係を表すグラフを示す図である。 実施の形態5の変形例の半導体光変調器の概略平面図である。 実施の形態5の別の変形例の半導体光変調器の概略部分拡大平面図である。 実施の形態6の半導体光変調器の概略平面図である。 実施の形態6の半導体光変調器の概略部分拡大平面図である。 実施の形態6の半導体光変調器の、図32に示される断面線XXXIII−XXXIIIにおける概略部分断面図である。 実施の形態6の半導体光変調器の、図32に示される断面線XXXIV−XXXIVにおける概略部分断面図である。 実施の形態6の半導体光変調器の、図32に示される断面線XXXV−XXXVにおける概略部分断面図である。 実施の形態7の半導体光変調器の概略部分拡大平面図である。 実施の形態7の半導体光変調器の、図36に示される断面線XXXVII−XXXVIIにおける概略断面図である。 実施の形態7の半導体光変調器の、図36に示される断面線XXXVIII−XXXVIIIにおける概略断面図である。 実施の形態8に係る半導体光変調器の概略平面図である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る光変調器1の構成を模式的に示している。光変調器1は、MZ型光変調器である。光変調器1は、第1マッハツェンダ型光導波路である光導波路5を備える。光変調器1の光導波路5には、レーザ光源40から放射された光41が入力される。光導波路5は、光41を分岐してそれから合波するものである。この光41は、光変調器1の光導波路5を通過して出力される。
具体的には、第1マッハツェンダ型光導波路は、第1光入力部11と、第1光分岐部12と、第1光導波路13aと、第2光導波路13bと、第1光合波部14と、第1光出力部15とを含む。第1光分岐部12は、第1光入力部11に接続されている。第1光分岐部12は、例えば、1入力2出力の構成または2入力2出力の構成を有するマルチモード干渉(MMI)光導波路である。第1光導波路13a及び第2光導波路13bは、第1光分岐部12に接続されている。第1光合波部14は、第1光導波路13aと第2光導波路13bとに接続されている。第1光合波部14は、例えば、1入力2出力の構成または2入力2出力の構成を有するマルチモード干渉(MMI)光導波路である。第1光出力部15は、第1光合波部14に接続されている。
光変調器1は、グランド(G)に接続されるグランド電極112,113と、差動電気信号のポジティブ信号S+を伝達する第1電極114と、差動電気信号のネガティブ信号S−を伝達する第2電極116とを備える。第1電極114は、第1進行波電極である。第2電極116は、第2進行波電極である。グランド電極112は、第1接地電極である。グランド電極113は、第2接地電極である。本明細書において、「電極」は、金電極および白金電極を含むが、これらに限定されず、全ての導電体の電極を含む。
第1電極114および第2電極116の入力側(図1の左側)には、それぞれ差動電気信号のポジティブ信号S+およびネガティブ信号S−が入力される。この差動電気信号のポジティブ信号S+およびネガティブ信号S−は、信号源30によって出力され、電気アンプ33によって増幅されたものである。実施の形態1はこれに限定されるものではなく、逆に、第1電極114がネガティブ信号S−を、第2電極がポジティブ信号S+を伝達するものであってもよい。
このように、光変調器1は、いわゆるGSSG型の構造を有する。グランド電極112、第1電極114、第2電極116及びグランド電極113は、第1線路を構成している。第1線路は、GSSG(Ground, Signal, Signal, Ground)型の差動線路(コプレーナ線路)である。GSSG型の差動線路は、光変調器1を小型化することを可能にする。GSSG型の差動線路は、第1電極114と第2電極116とが互いに隣り合うため、ノイズ耐性を向上させることができる。
第1電極114の一方端と第2電極116の一方端とは、信号源30に電気的に接続されている。信号源30は、差動信号を出力する。差動信号は、特に限定されないが、20Gbit/s以上の高い周波数を有してもよい。第1光導波路13aには、第2光導波路13bとは逆位相の電圧が印加される(プッシュプル構成)。信号源30と第1電極114の一方端との間、並びに、信号源30と第2電極116の一方端との間に、電気アンプ33が配置されている。電気アンプ33は、信号源30から出力される差動信号を増幅して、第1電極114の一方端と第2電極116の一方端とに出力する。
第1電極114は、第1光導波路13aの上方に配置されている。第2電極116は、第2光導波路13bの上方に配置されている。グランド電極112は、第1電極114に対して第2電極116とは反対側に、第1電極114から間隔を空けて配置されている。グランド電極113は、第2電極116に対して第1電極114とは反対側に、第2電極116から間隔を空けて配置されている。第1電極114及び第2電極116は、グランド電極112とグランド電極113との間に配置されている。
第1電極114および第2電極116の出力側(図1の右側)には、終端部7が接続されている。したがって、終端部7には、光変調器1の第1電極114および第2電極116から出力された差動電気信号のポジティブ信号S+とネガティブ信号S−が入力される。図1の例では、終端部7において、ポジティブ信号S+とグランドとの間、およびネガティブ信号S−とグランドとの間の両方に、50オーム抵抗が接続されている。この終端部7の接続は一例であり、例えば、ポジティブ信号S+とネガティブ信号S−とは、100オーム抵抗を介して接続されてもよい。
終端部7は、第1終端抵抗35と第2終端抵抗36とを含む。第1電極114の他方端とグランド電極112とは、第1終端抵抗35に接続されている。第2電極116の他方端とグランド電極113とは、第2終端抵抗36に接続されている。第1終端抵抗35及び第2終端抵抗36は、50Ωの抵抗を有している。終端部7の差動インピーダンスは100Ωである。第1終端抵抗35及び第2終端抵抗36は、100Ωの抵抗を有してもよい。グランド電極112の一方端とグランド電極113の一方端とは、接地電位に接続されている。グランド電極112の他方端とグランド電極113の他方端とは、接地電位に接続されている。
図2は、図1の光変調器1の一部の拡大模式図である。光変調器1は、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿って配列される単位構造10を含む。光変調器1は、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿って周期構造を有する。単位構造10は、光を変調させる変調部Aと、光を変調させない非変調部Cと、変調部Aと非変調部Cとの間に形成された遷移部Bとから成る3セグメント構成を有する。遷移部Bは、変調部Aと非変調部Cとの間で、電気信号の反射ができる限り小さくなるように構成される。単位構造10は、変調部Aと、変調部Aの長手方向に隣接する第1遷移部Bと、第1遷移部Bの長手方向に隣接する非変調部Cと、非変調部Cの長手方向に隣接する第2遷移部Bとから成り、この単位構造10が長手方向(光の進行方向)に繰り返される。
非変調部Cにおけるグランド電極112の第1の幅W1は、変調部Aにおけるグランド電極112の第2の幅W2と異なっている。特定的には、非変調部Cにおけるグランド電極112の第1の幅W1は、変調部Aにおけるグランド電極112の第2の幅W2よりも小さい。非変調部Cにおけるグランド電極113の第3の幅W3は、変調部Aにおけるグランド電極113の第4の幅W4と異なっている。特定的には、非変調部Cにおけるグランド電極113の第3の幅W3は、変調部Aにおけるグランド電極113の第4の幅W4よりも小さい。
変調部Aにおける第1電極114と第2電極116との間の間隔は、非変調部Cにおける第1電極114と第2電極116との間の間隔よりも小さい。遷移部Bにおいて、第1電極114と第2電極116との間の間隔は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に小さくなる。遷移部Bにおいて、グランド電極112の幅は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に大きくなる。遷移部Bにおいて、グランド電極113の幅は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に大きくなる。
変調部Aにおいて、グランド電極112は、第1突出部17pを含んでもよい。第1突出部17pは、第1電極114に面するグランド電極112の第1側面に形成されており、第1電極114に向けて突出してもよい。非変調部Cにおいて、グランド電極113は第2突出部17qを含んでもよい。第2突出部17qは、第2電極116に面するグランド電極113の第2側面に形成されており、第2電極116に向けて突出してもよい。
第1電極114、第2電極116、グランド電極112及びグランド電極113は、低誘電率材料層120の上に形成されている。したがって、図2に示されるように、グランド電極112と第1電極114との間、第1電極114と第2電極116との間、および第2電極116とグランド電極113との間には、低誘電率材料層120が見えている。
本明細書において、「低誘電率材料」は、例えばベンゾクロロブテン(BCB)を含むが、これに限定されず、全ての誘電体を含む。
図3は、図2の光変調器1をIII−III方向に見た断面図である。したがって、図3は、光変調器1の変調部Aの断面を示している。変調部Aは、例えばn型インジウムリン(n−InP)などのn型半導体から成るn層130を含む。n層130は、第1半導体層である。n層130の上の、光の経路となる部分は、凸状に盛り上がっており、したがって、その上にいわゆるハイメサ型の光導波路を形成できる形状を有する。n層130の上の当該部分には、例えば多重量子井戸(MQW)と、i型(真性)インジウムリン(i−InP)などのアンドープ半導体とから成る光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)が形成される。
光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の上には、例えばp型インジウムリン(p−InP)などのp型半導体から成るp層(第2半導体層21a,21b)が形成される。p層(第2半導体層21a,21b)の上には、例えばp型インジウムガリウム砒素(p−InGaAs)から成るコンタクト層22a,22bが形成される。コンタクト層22a,22bの上には、第1電極114および第2電極116が、互いに間隔を空けて形成されている。コンタクト層22a,22bと、第1電極114および第2電極116とは、高温処理によりオーミック接触している。
n層130より上側かつ第1電極114および第2電極116より下側の部分であって、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)、p層(第2半導体層21a,21b)およびコンタクト層22a,22bが形成されていない部分には、低誘電率材料層120が充填されている。低誘電率材料層120は、埋め込み層である。低誘電率材料層120の上には、第1電極114および第2電極116からそれぞれ間隔を空けて、グランド電極112,113が形成されている。
第1電極114および第2電極116に電気信号が流れ、したがって電圧が印加されると、変調部Aの中では、第1電極114および第2電極116にオーミック接触しているコンタクト層22a,22bを経由して、p層(第2半導体層21a,21b)と、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)と、n層130とから成るp−i−n接合部に電界が発生する。この電界により、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)内の光閉じ込め係数が変化し、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の屈折率が変化する。この屈折率変化により、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)に入力された光の位相が変調される。光変調器1は、半導体光変調器である。
図4は、図2の光変調器1をIV−IV方向に見た断面図である。したがって、図4は、光変調器1の遷移部Bの断面を示している。遷移部Bは、変調部Aと同様に、n層130と、その上の光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)と、これらの周りを充填する低誘電率材料層120とを有する。しかし、遷移部Bでは、変調部Aと異なり、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の上には、絶縁層(第2絶縁層23a,23b)が形成されている。絶縁層(第2絶縁層23a,23b)は、例えばi−InPまたはFe−InPなどから成るが、これに限定されず、全ての誘電体材料を含む。絶縁層(第2絶縁層23a,23b)の上には、誘電体、典型的にはSiO2などの絶縁体から成る表面層(第1絶縁層24a,24b)が形成される。表面層(第1絶縁層24a,24b)の上には、第1電極114および第2電極116が、互いに間隔を空けて形成されている。低誘電率材料層120の上には、第1電極114および第2電極116からそれぞれ間隔を空けて、グランド電極112,113が形成されている。
このように、遷移部Bには、変調部Aと異なり、p−i−n接合部が存在しない。したがって、第1電極114および第2電極116に電気信号が流れ、したがって電圧が印加されても、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)には電界変化がほとんど発生せず、光の位相変調はほとんど生じない。
図5は、図2の光変調器1をV−V方向に見た断面図である。したがって、図5は、光変調器1の非変調部Cの断面を示している。非変調部Cの構造は、グランド電極112、113、第1電極114および第2電極116の形状と位置以外は、遷移部Bの構造と同様である。非変調部Cにもp−i−n接合部が存在しないため、第1電極114および第2電極116に電気信号が流れても、光の位相変調はほとんど生じない。
光変調器1の動作を説明する。
図1に示されるように、レーザ光源40から第1光入力部11に光41が入力される。光41は、第1光入力部11から第1光分岐部12に入力される。光41は、第1光分岐部12において、第1光導波路13aを伝搬する第1部分光と、第2光導波路13bを伝搬する第2部分光とに分岐される。
第1電極114を伝搬する第1マイクロ波は、変調部Aにおける第1光導波路13aの屈折率を変化させる。第1光導波路13aを伝搬する第1部分光は、第1電極114を伝搬する第1マイクロ波によって変調される。第2電極116を伝搬する第2マイクロ波は、変調部Aにおける第2光導波路13bの屈折率を変化させる。第2光導波路13bを伝搬する第2部分光は、第2電極116を伝搬する第2マイクロ波によって変調される。変調された第1部分光と変調された第2部分光とは、第1光合波部14で合波されて、変調光42となる。変調光42は、第1光出力部15から出力される。
次に、実施の形態1に係る光変調器1により、光信号の広帯域化を実現できることを説明する。広帯域化を実現するためには、電気信号の反射をできる限り低減させ、電気信号であるマイクロ波と光の位相速度を整合させる必要がある。そのために、インピーダンスを差動駆動の場合は100オーム(単相駆動の場合は50オーム)に、マイクロ波屈折率を3.6に近づける必要がある。インピーダンスZ1とマイクロ波屈折率nmは、式(1),(2)で表される。
ここで、Cは光変調器1のキャパシタンスを、Lは光変調器1のインダクタンスを、cは真空中における光速をそれぞれ表す。
図6に示されるように、光変調器1は、第1電極114の第1抵抗R1と、第1電極114の第1インダクタンスL1と、第2電極116の第2抵抗R2と、第2電極116の第2インダクタンスL2と、第1電極114と第2電極116との間の相互インダクタンスL12とを含む。光変調器1は、第1電極114とグランド電極112との間の第1相互キャパシタンスC1Gと、第2電極116とグランド電極113との間の第2相互キャパシタンスC2Gと、第1電極114と第2電極116との間の第3相互キャパシタンスC12とをさらに含む。厳密には、第1電極114とグランド電極113との相互キャパシタンス、および第2電極116とグランド電極112との相互キャパシタンスも存在するが、これらはC1GとC2Gに比べて無視できるほど小さいので、ここでは考慮しない。
図7に示されるように、変調部Aは、n層130の抵抗R130と、光導波層のキャパシタンス(第1光導波路13aのキャパシタンスC13aと、第2光導波路13bのキャパシタンスC13b)と、p層の抵抗(第2半導体層21aの抵抗R21aと、第2半導体層21bの抵抗R21b)、コンタクト層の抵抗(コンタクト層22aの抵抗R22aと、コンタクト層22bの抵抗R22b)とを含む。これらの抵抗R130,R21a,R21b,R22a,R22bとこれらキャパシタンスC13a,C13bとは、互いに直列に接続されている。
図8に示されるように、遷移部Bおよび非変調部Cは、n層130の抵抗R130と、光導波層のキャパシタンス(第1光導波路13aのキャパシタンスC13aと、第2光導波路13bのキャパシタンスC13b)と、絶縁層のキャパシタンス(第2絶縁層23aのキャパシタンスC23aと、第2絶縁層23bのキャパシタンスC23b)と、表面層のキャパシタンス(第1絶縁層24aのキャパシタンスC24aと、第1絶縁層24bのキャパシタンスC24b)とを含む。抵抗R130とこれらキャパシタンスC13a,C13b,C23a,C23b,C24a,C24bとは、互いに直列に接続されている。このように、遷移部Bおよび非変調部Cには、光導波層のキャパシタンス(第1光導波路13aのキャパシタンスC13aと、第2光導波路13bのキャパシタンスC13b)のみならず、表面層のキャパシタンス(第1絶縁層24aのキャパシタンスC24aと、第1絶縁層24bのキャパシタンスC24b)と絶縁層のキャパシタンス(第2絶縁層23aのキャパシタンスC23aと、第2絶縁層23bのキャパシタンスC23b)も存在するため、非変調部Cのキャパシタンス及び遷移部Bのキャパシタンスは、変調部Aのキャパシタンスよりも小さい。
実施の形態1のような差動駆動構造を有する光変調器1では、光変調器1のインピーダンスを、単相駆動の場合の2倍である100オームに近づける必要がある。したがって、キャパシタンスは、できる限り小さいことが好ましい。キャパシタンスは、式(3)で表される。
ここで、εは極板間の絶縁体の誘電率、Sは極板の面積、dは極板間の距離である。
実施の形態1に係る光変調器1では、変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cのそれぞれのグランド電極112、113、第1電極114および第2電極116の幅、並びに第1電極114とグランド電極112との間の距離および第2電極116とグランド電極113との間の距離を調整することにより、変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cのインダクタンスとキャパシタンスを個別に調整することができる。
さらに、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の厚さを調整することにより、光変調器1のインピーダンスを調整することができる。例えば、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の厚さを大きくした場合、光導波層のキャパシタンス(第1光導波路13aのキャパシタンスC13aと、第2光導波路13bのキャパシタンスC13b)は、小さくなる。したがって、この場合、変調部Aのキャパシタンスは小さくなる。
以上のように、電極の幅、電極間の距離および光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の厚さを調整することにより、光変調器1のインピーダンスを調整することができる。さらに、前述のように、遷移部Bおよび非変調部Cには、光導波層のキャパシタンス(第1光導波路13aのキャパシタンスC13aと、第2光導波路13bのキャパシタンスC13b)のみならず、表面層のキャパシタンス(第1絶縁層24aのキャパシタンスC24aと、第1絶縁層24bのキャパシタンスC24b)と絶縁層のキャパシタンス(第2絶縁層23aのキャパシタンスC23aと、第2絶縁層23bのキャパシタンスC23b)も存在するため、非変調部Cのキャパシタンス及び遷移部Bのキャパシタンスは、変調部Aのキャパシタンスよりも小さい。したがって、変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cの構造を繰り返すことにより、光変調器1の全長にわたる平均インピーダンスを、容易に100オームに近づけることができる。
なお、遷移部Bおよび非変調部Cの構造を通る光は変調されないため、コンパクトなサイズの光変調器1によって所望の光変調を達成するためには、光変調器1内の変調部Aの長手方向の長さは、遷移部Bと非変調部Cの長手方向の長さより長いことが好ましい。例えば、変調部Aの長手方向の長さは、光変調器1の単位構造10の長さの50%〜70%の長さである。
また、光変調器1の単位構造10の長さは小さく、この単位構造10の繰り返しの周期が小さいことが好ましい。なぜなら、この単位構造10の繰り返しの周期が小さいと、周期が大きい場合に比べて、光変調器1の長手方向全体にわたってインピーダンスが100オームから大きく離れることがなく、光変調器1の電気特性が良好に保たれるからである。例えば、1つ単位構造10の長手方向の長さは、100〜500μmであるが、これに限定されず、100μm以下であってもよい。
遷移部Bの長手方向の長さは、典型的には、変調部Aの長手方向の長さの10%〜20%の長さである。遷移部B内のグランド電極112、113、第1電極114および第2電極116の幅、並びに第1電極114とグランド電極112との間の距離および第2電極116とグランド電極113との間の距離は、高周波電気信号の反射を小さくするように設計される。
以上のように、実施の形態1では、変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cのそれぞれのグランド電極112、113、第1電極114および第2電極116の幅、並びに第1電極114とグランド電極112との間の距離および第2電極116とグランド電極113との間の距離を調整し、更に1つの単位構造10内における変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cの比率と、1つの単位構造10の長手方向の長さを調整することにより、キャパシタンスとインダクタンスを細かく調整することができる。したがって、光変調器1のインピーダンスを100オームに近づけることと、マイクロ波屈折率を3.6に近づけることとを達成でき、広帯域化を達成することができる。
本実施の形態の光変調器1の効果を説明する。
光変調器1は、第1マッハツェンダ型光導波路と、第1進行波電極(第1電極114)と、第2進行波電極(第2電極116)と、第1接地電極(グランド電極112)と、第2接地電極(グランド電極113)と、第1絶縁層24a,24bとを備える。第1マッハツェンダ型光導波路は、第1光入力部11と、第1光入力部11に接続されている第1光分岐部12と、第1光分岐部12に接続されている第1光導波路13aと、第1光分岐部12に接続されている第2光導波路13bと、第1光導波路13aと第2光導波路13bとに接続されている第1光合波部14と、第1光合波部14に接続されている第1光出力部15とを含む。第1進行波電極(第1電極114)は、第1光導波路13aの上方に配置されている。第2進行波電極(第2電極116)は、第2光導波路13bの上方に配置されている。第1接地電極(グランド電極112)は、第1進行波電極(第1電極114)に対して第2進行波電極(第2電極116)とは反対側に、第1進行波電極(第1電極114)から間隔を空けて配置されている。第2接地電極(グランド電極113)は、第2進行波電極(第2電極116)に対して第1進行波電極(第1電極114)とは反対側に、第2進行波電極(第2電極116)から間隔を空けて配置されている。
光変調器1は、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿って配列される単位構造10を含む。単位構造10は、変調領域(変調部A)と、非変調領域(非変調部C)とを含む。非変調領域(非変調部C)における第1接地電極(グランド電極112)の第1の幅W1は、変調領域(変調部A)における第1接地電極(グランド電極112)の第2の幅W2と異なっている。非変調領域(非変調部C)における第2接地電極(グランド電極113)の第3の幅W3は、変調領域(変調部A)における第2接地電極(グランド電極113)の第4の幅W4と異なっている。第1絶縁層24a,24bは、非変調領域(非変調部C)において、第1光導波路13aと第1進行波電極(第1電極114)との間と第2光導波路13bと第2進行波電極(第2電極116)との間とに配置されている。
光変調器1では、非変調領域(非変調部C)のキャパシタンスが低減されて、光変調器1のキャパシタンスCが低減される。そのため、光変調器1の第1線路のインピーダンスZ1は増加し得る。また、光変調器1のマイクロ波屈折率nmが低減され得る。光変調器1が広帯域化され得る。
光変調器1では、非変調領域(非変調部C)における第1接地電極(グランド電極112)の第1の幅W1は、変調領域(変調部A)における第1接地電極(グランド電極112)の第2の幅W2よりも小さい。非変調領域(非変調部C)における第2接地電極(グランド電極113)の第3の幅W3は、変調領域(変調部A)における第2接地電極(グランド電極113)の第4の幅W4よりも小さい。光変調器1が広帯域化され得る。
光変調器1では、単位構造10は、変調領域(変調部A)と非変調領域(非変調部C)との間に配置されている遷移領域(遷移部B)を含む。遷移領域(遷移部B)において、第1進行波電極(第1電極114)と第2進行波電極(第2電極116)との間の第1の間隔は徐々に変化している。遷移領域(遷移部B)において、第1接地電極(グランド電極112)の幅と第2接地電極(グランド電極113)の幅とは徐々に変化している。遷移領域(遷移部B)は、変調領域(変調部A)と非変調領域(非変調部C)との間で、第1進行波電極(第1電極114)及び第2進行波電極(第2電極116)を伝搬するマイクロ波が反射することを低減し得る。光変調器1が広帯域化され得る。
実施の形態2.
図9は、実施の形態2に係る光変調器1bの構成を模式的に示している。図9において、図1と同一の符号は、同一または相当箇所を示す。また、以下の記載では、原則として、実施の形態1と異なる点を中心に説明し、その他の部分については重複説明を省略する。
光変調器1bは、第2マッハツェンダ型光導波路と、第3電極224と、第4電極226と、グランド電極223と、光入力部66と、光分岐部67と、光合波部68と、光出力部69とをさらに備える。第2マッハツェンダ型光導波路は、第1マッハツェンダ型光導波路と並列に配置されている。第2マッハツェンダ型光導波路は、第1マッハツェンダ型光導波路と同様の構成を有している。第3電極224は、第3進行波電極である。第4電極226は、第4進行波電極である。グランド電極223は、第3接地電極である。
具体的には、第2マッハツェンダ型光導波路は、第2光入力部51と、第2光分岐部52と、第3光導波路53aと、第4光導波路53bと、第2光合波部54と、第2光出力部55とを含む。第2光分岐部52は、第2光入力部51に接続されている。第3光導波路53a及び第4光導波路53bは、第2光分岐部52に接続されている。第2光合波部54は、第3光導波路53aと第4光導波路53bとに接続されている。第2光出力部55は、第2光合波部54に接続されている。
光分岐部67は、光入力部66に接続されている。光分岐部67は、第1光入力部11と第2光入力部51とに接続されている。第1マッハツェンダ型光導波路及び第2マッハツェンダ型光導波路は、光分岐部67に接続されている。光合波部68は、第1光出力部15と第2光出力部55とに接続されている。第1マッハツェンダ型光導波路及び第2マッハツェンダ型光導波路は、光合波部68に接続されている。光出力部69は、光合波部68に接続されている。
第3電極224は、第3光導波路53aの上方に配置されている。第4電極226は、第4光導波路53bの上方に配置されている。グランド電極113は、第3電極224に対して第4電極226とは反対側に、第3電極224から間隔を空けて配置されている。グランド電極223は、第4電極226に対して第3電極224とは反対側に、第4電極226から間隔を空けて配置されている。第3電極224及び第4電極226は、グランド電極113とグランド電極223との間に配置されている。
光変調器1bは、第1マッハツェンダ光変調器部分61と、第2マッハツェンダ光変調器部分62とを含む。第1マッハツェンダ光変調器部分61は、実施の形態1の光変調器1と同様に構成されている。第1マッハツェンダ光変調器部分61は、主に、第1マッハツェンダ型光導波路と、第1電極114と、第2電極116と、第1接地電極17aと、グランド電極113とを含む。
第2マッハツェンダ光変調器部分62は、第1マッハツェンダ光変調器部分61と同様に構成されている。第2マッハツェンダ光変調器部分62は、主に、第2マッハツェンダ型光導波路と、第3電極224と、第4電極226と、グランド電極113と、グランド電極223とを含む。グランド電極113は、第3電極224及び第4電極226を、第1電極114及び第2電極116から電気的に分離する。そのため、第1マッハツェンダ光変調器部分61と第2マッハツェンダ光変調器部分62との間のクロストークが低減される。また、光変調器1bでは、グランド電極113は、第1マッハツェンダ光変調器部分61と第2マッハツェンダ光変調器部分62とによって共有されている。そのため、光変調器1bは小型化され得る。
グランド電極113、第3電極224、第4電極226及びグランド電極223は、第2線路を構成している。第2線路は、GSSG(Ground, Signal, Signal, Ground)型の差動線路(コプレーナ線路)である。GSSG型の差動線路は、光変調器1bを小型化することを可能にする。GSSG型の差動線路は、第3電極224と第4電極226とが互いに隣り合うため、ノイズ耐性を向上させることができる。
第3電極224の一方端と第4電極226の一方端とは、信号源30bに電気的に接続されている。信号源30bは、差動信号を出力する。差動信号は、特に限定されないが、20Gbit/s以上の高い周波数を有してもよい。第3光導波路53aには、第4光導波路53bとは逆位相の電圧が印加される(プッシュプル構成)。信号源30bと第3電極224の一方端との間、並びに、信号源30bと第4電極226の一方端との間に、電気アンプ33bが配置されている。電気アンプ33bは、信号源30bから出力される差動信号を増幅して、第3電極224の一方端と第4電極226の一方端とに出力する。
光変調器1bは、IQ光変調器であってもよい。第1マッハツェンダ光変調器部分61はIch変調器と呼ばれ、第2マッハツェンダ光変調器部分62はQch変調器と呼ばれる。例えば、第1マッハツェンダ光変調器部分61は、グランドに接続されるグランド電極112,113と、第1差動電気信号のポジティブ信号S1+を伝達する第1電極114と、第1差動電気信号のネガティブ信号S1−を伝達する第2電極116とを含む。第2マッハツェンダ光変調器部分62は、グランドに接続されるグランド電極113および223と、第2差動電気信号のポジティブ信号S2+を伝達する第3電極224と、第2差動電気信号のネガティブ信号S2−を伝達する第4電極226とを含む。以上のように、光変調器1bは、いわゆるGSSGSSG型の構造を有する。
図9では、グランド電極112、113および223は、グランドに接続されている。第1電極114の入力側(図9の左側)には、第1差動電気信号のポジティブ信号S1+が入力される。第2電極116の入力側には、第1差動電気信号のネガティブ信号S1−が入力される。第3電極224には、第2差動電気信号のポジティブ信号S2+が入力される。第4電極226には、第2差動電気信号のネガティブ信号S2−が入力される。これらの2組の差動電気信号は、信号源30bによって出力され、電気アンプ33bによって増幅されたものである。
第1電極114、第2電極116、第3電極224及び第4電極226の出力側(図9の右側)には、終端部7bが接続されている。したがって、終端部7bには、光変調器1bの第1電極114から出力された第1差動電気信号のポジティブ信号S1+と、の第2電極116から出力された第1差動電気信号のネガティブ信号S1−と、第3電極224から出力された第2差動電気信号のポジティブ信号S2+と、第4電極226から出力された第2差動電気信号のネガティブ信号S2−と、が入力される。図9の例では、終端部7bにおいて、第1差動電気信号のポジティブ信号S1+と第1差動電気信号のネガティブ信号S1−との間、および第2差動電気信号のポジティブ信号S2+と第2差動電気信号のネガティブ信号S2−との間の両方に、100オーム抵抗がそれぞれ接続されている。
終端部7bは、第1終端抵抗35bと第2終端抵抗36bとを含む。第1電極114の他方端と第2電極116の他方端とは、第1終端抵抗35bに接続されてもよい。第1終端抵抗35bは、100Ωの抵抗を有してもよい。第3電極224の他方端と第4電極226の他方端とは、第2終端抵抗36bに接続されてもよい。第2終端抵抗36bは、100Ωの抵抗を有してもよい。グランド電極112の一方端とグランド電極113の一方端とグランド電極223の一方端とは、接地電位に接続されている。グランド電極112の他方端とグランド電極113の他方端とグランド電極223の他方端とは、接地電位に接続されている。
光変調器1bは、単位構造10bを含む。光変調器1bは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿って周期構造を有するとともに、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿って周期構造を有する。実施の形態2に係る光変調器1bは、実施の形態1と同様に、変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cが長手方向に繰り返された構成を有する。
単位構造10bは、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿って配列されている。単位構造10bは、変調部Aと、非変調部Cと、変調部Aと非変調部Cとの間に形成された遷移部Bとを含む。遷移部Bは、変調部Aと非変調部Cとの間で、電気信号の反射ができる限り小さくなるように構成される。
非変調部Cにおけるグランド電極112の第1の幅W1は、変調部Aにおけるグランド電極112の第2の幅W2と異なっている。特定的には、非変調部Cにおけるグランド電極112の第1の幅W1は、変調部Aにおけるグランド電極112の第2の幅W2よりも小さい。非変調部Cにおけるグランド電極113の第3の幅W3は、変調部Aにおけるグランド電極113の第4の幅W4と異なっている。特定的には、非変調部Cにおけるグランド電極113の第3の幅W3は、変調部Aにおけるグランド電極113の第4の幅W4よりも小さい。非変調部Cにおけるグランド電極223の第5の幅W5は、変調部Aにおけるグランド電極223の第6の幅W6と異なっている。特定的には、非変調部Cにおけるグランド電極223の第5の幅W5は、変調部Aにおけるグランド電極223の第6の幅W6よりも小さい。
変調部Aにおける第1電極114と第2電極116との間の間隔は、非変調部Cにおける第1電極114と第2電極116との間の間隔よりも小さい。遷移部Bにおいて、第1電極114と第2電極116との間の間隔は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に小さくなる。遷移部Bにおいて、グランド電極112の幅は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に大きくなる。遷移部Bにおいて、グランド電極113の幅は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に大きくなる。
変調部Aにおいて、グランド電極112は、第1突出部17pを含んでもよい。第1突出部17pは、第1電極114に面するグランド電極112の第1側面に形成されており、第1電極114に向けて突出してもよい。非変調部Cにおいて、グランド電極113は第2突出部17qを含んでもよい。第2突出部17qは、第2電極116に面するグランド電極113の第2側面に形成されており、第2電極116に向けて突出してもよい。
変調部Aにおける第3電極224と第4電極226との間の間隔は、非変調部Cにおける第3電極224と第4電極226との間の間隔よりも小さい。遷移部Bにおいて、第3電極224と第4電極226との間の間隔は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に小さくなる。遷移部Bにおいて、グランド電極113の幅は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に大きくなる。遷移部Bにおいて、グランド電極223の幅は、非変調部Cから変調部Aに向かうにつれて徐々に大きくなる。
変調部Aにおいて、グランド電極113は、第3突出部17rを含んでもよい。第3突出部17rは、第3電極224に面するグランド電極113の第3側面に形成されており、第3電極224に向けて突出してもよい。非変調部Cにおいて、グランド電極223は第4突出部17sを含んでもよい。第4突出部17sは、第4電極226に面するグランド電極223の第4側面に形成されており、第4電極226に向けて突出してもよい。
図11から図13に示されるように、第2マッハツェンダ型光導波路は、第1マッハツェンダ型光導波路と同様の断面構造を有している。具体的には、図11に示されるように、変調部Aは、例えばn型インジウムリン(n−InP)などのn型半導体から成るn層130を含む。n層130は、第1半導体層である。n層130の上の、光の経路となる部分は、凸状に盛り上がっており、したがって、その上にいわゆるハイメサ型の光導波路を形成できる形状を有する。n層130の上の当該部分には、例えば多重量子井戸(MQW)と、i型(真性)インジウムリン(i−InP)などのアンドープ半導体とから成る光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)が形成される。
光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)の上には、例えばp型インジウムリン(p−InP)などのp型半導体から成るp層(第2半導体層25a,25b)が形成される。p層(第2半導体層25a,25b)の上には、例えばp型インジウムガリウム砒素(p−InGaAs)から成るコンタクト層26a,26bが形成される。コンタクト層26a,26bの上には、第3電極224および第4電極226が、互いに間隔を空けて形成されている。コンタクト層26a,26bと、第3電極224および第4電極226とは、高温処理によりオーミック接触している。
n層130より上側かつ第3電極224および第4電極226より下側の部分であって、光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)、p層(第2半導体層25a,25b)およびコンタクト層26a,26bが形成されていない部分には、低誘電率材料層120が充填されている。低誘電率材料層120は、埋め込み層である。低誘電率材料層120の上には、第3電極224および第4電極226からそれぞれ間隔を空けて、グランド電極112,113が形成されている。
第3電極224および第4電極226に電気信号が流れ、したがって電圧が印加されると、変調部Aの中では、第3電極224および第4電極226にオーミック接触しているコンタクト層26a,26bを経由して、p層(第2半導体層25a,25b)と、光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)と、n層130とから成るp−i−n接合部に電界が発生する。この電界により、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)内の光閉じ込め係数が変化し、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の屈折率が変化する。この屈折率変化により、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)に入力された光の位相が変調される。光変調器1bは、半導体光変調器である。
図12に示されるように、遷移部Bは、変調部Aと同様に、n層130と、その上の光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)と、これらの周りを充填する低誘電率材料層120とを有する。しかし、遷移部Bでは、変調部Aと異なり、光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)の上には、絶縁層(第2絶縁層27a,27b)が形成されている。絶縁層(第2絶縁層27a,27b)は、例えばi−InPまたはFe−InPなどから成るが、これに限定されず、全ての誘電体材料を含む。絶縁層(第2絶縁層27a,27b)の上には、誘電体、典型的にはSiO2などの絶縁体から成る表面層(第1絶縁層28a,28b)が形成される。表面層(第1絶縁層28a,28b)の上には、第3電極224および第4電極226が、互いに間隔を空けて形成されている。低誘電率材料層120の上には、第3電極224および第4電極226からそれぞれ間隔を空けて、グランド電極112,113が形成されている。
このように、遷移部Bには、変調部Aと異なり、p−i−n接合部が存在しない。したがって、第3電極224および第4電極226に電気信号が流れ、したがって電圧が印加されても、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)には電界変化がほとんど発生せず、光の位相変調はほとんど生じない。
図13に示されるように、非変調部Cの構造は、グランド電極113,223、第3電極224および第4電極226の形状と位置以外は、遷移部Bの構造と同様である。非変調部Cにもp−i−n接合部が存在しないため、第3電極224および第4電極226に電気信号が流れても、光の位相変調はほとんど生じない。
光変調器1bの動作を説明する。
レーザ光源40から光入力部66に光41が入力される。光41は、光分岐部67と第1光分岐部12と第2光分岐部52とにより、第1光導波路13aを伝搬する第1部分光と、第2光導波路13bを伝搬する第2部分光と、第3光導波路53aを伝搬する第3部分光と、第4光導波路53bを伝搬する第4部分光とに分岐される。
第1電極114を伝搬する第1マイクロ波は、変調部Aにおける第1光導波路13aの屈折率を変化させる。第1光導波路13aを伝搬する第1部分光は、第1電極114を伝搬する第1マイクロ波によって変調される。第2電極116を伝搬する第2マイクロ波は、変調部Aにおける第2光導波路13bの屈折率を変化させる。第2光導波路13bを伝搬する第2部分光は、第2電極116を伝搬する第2マイクロ波によって変調される。
第3電極224を伝搬する第3マイクロ波は、変調部Aにおける第3光導波路53aの屈折率を変化させる。第3光導波路53aを伝搬する第3部分光は、第3電極224を伝搬する第3マイクロ波によって変調される。第4電極226を伝搬する第4マイクロ波は、変調部Aにおける第4光導波路53bの屈折率を変化させる。第4光導波路53bを伝搬する第4部分光は、第4電極226を伝搬する第4マイクロ波によって変調される。
変調された第1部分光と変調された第2部分光と変調された第3部分光と変調された第4部分光とは、第1光合波部14と第2光合波部54と光合波部68とにより合波されて、変調光42となる。変調光42は光出力部69から出力される。
光変調器1bを広帯域化するためには、マイクロ波信号の反射をできるだけ低減し、かつ、マイクロ波信号と光との間の位相速度を整合させる必要がある。光変調器1bを差動駆動する場合には、光変調器1bの第1線路のインピーダンスZ1及び第2線路のインピーダンスZ2をそれぞれ100Ωに近づけるとともに、マイクロ波屈折率nmを3.6に近づける必要がある。
実施の形態1に記載した理由と同様の理由により、非変調部Cのキャパシタンスは減少して、光変調器1bのキャパシタンスCも減少する。非変調部Cにおける第2線路の第4インピーダンスは増加して、変調領域19aにおける第2線路の第3インピーダンスよりも大きくなり、第2線路のインピーダンスZ2は増加する。こうして、光変調器1bの第2線路のインピーダンスZ2を100Ωに近づけることができる。さらに、非変調部Cにおけるマイクロ波屈折率nmは減少して、変調領域19aにおけるマイクロ波屈折率nmよりも小さくなり、光変調器1bのマイクロ波屈折率nmは減少する。こうして、光変調器1bのマイクロ波屈折率nmを3.6に近づけることができる。
実施の形態2では、実施の形態1と同様に、変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cの各電極の幅および各電極間の距離を調整し、更に1つの単位構造10内における変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cの比率と、1つの単位構造10の長手方向の長さを調整することにより、キャパシタンスとインダクタンスを細かく調整することができる。したがって、第1マッハツェンダ光変調器部分61のインピーダンスと第2マッハツェンダ光変調器部分62のインピーダンスとを100オームに近づけることと、第1マッハツェンダ光変調器部分61のマイクロ波屈折率と第2マッハツェンダ光変調器部分62のマイクロ波屈折率とを3.6に近づけることとを達成でき、広帯域化を達成することができる。
さらに、実施の形態2では、光変調器1bは、2つのMZ型光変調器(第1マッハツェンダ光変調器部分61と第2マッハツェンダ光変調器部分62)を備えるので、QPSK変調を行うことができる。
実施の形態2のように2つ以上のMZ型光変調器を備える構成においては、第1マッハツェンダ光変調器部分61と第2マッハツェンダ光変調器部分62との間(IchとQchとの間)のクロストークを低減しなければならない。クロストークの低減のために、信号線とグランド電極との間の距離を小さくすること、またはグランド電極の長手方向に垂直な断面の形状を凸形にしてグランドの面積を大きくすることなどの方法を採用してもよい。
なお、以上の説明では、光変調器1bが2つのMZ型光変調器(第1マッハツェンダ光変調器部分61と第2マッハツェンダ光変調器部分62)を備える構成について述べたが、光変調器1bは、3つ以上のMZ型光変調器を含んでもよい。
本実施の形態の光変調器1bの効果を説明する。本実施の形態の光変調器1bは、実施の形態1の光変調器1の効果と同様の以下の効果を奏する。
光変調器1bは、光変調器1の構成に加えて、第2マッハツェンダ型光導波路と、第3進行波電極(第3電極224)と、第4進行波電極(第4電極226)と、第3接地電極(グランド電極223)と、光入力部66と、光入力部66に接続されている光分岐部67と、光合波部68と、光合波部68に接続されている光出力部69とをさらに備える。第2マッハツェンダ型光導波路は、第2光入力部51と、第2光入力部51に接続されている第2光分岐部52と、第2光分岐部52に接続されている第3光導波路53aと、第2光分岐部52に接続されている第4光導波路53bと、第3光導波路53aと第4光導波路53bとに接続されている第2光合波部54と、第2光合波部54に接続されている第2光出力部55とを含む。
第3進行波電極(第3電極224)は、第3光導波路53aの上方に配置されている。第4進行波電極(第4電極226)は、第4光導波路53bの上方に配置されている。第2接地電極(グランド電極113)は、第3進行波電極(第3電極224)に対して第4進行波電極(第4電極226)とは反対側に、第3進行波電極(第3電極224)から間隔を空けて配置されている。第3接地電極(グランド電極223)は、第4進行波電極(第4電極226)に対して第3進行波電極(第3電極224)とは反対側に、第4進行波電極(第4電極226)から間隔を空けて配置されている。光分岐部67は、第1光入力部11と第2光入力部51とに接続されている。光合波部68は、第1光出力部15と第2光出力部55とに接続されている。単位構造10bは、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿って配列されている。非変調領域(非変調部C)における第3接地電極(グランド電極223)の第5の幅W5は、変調領域(変調部A)における第3接地電極(グランド電極223)の第6の幅W6よりも小さい。第1絶縁層28a,28bは、非変調領域(非変調部C)において、第3光導波路53aと第3進行波電極(第3電極224)との間と第4光導波路53bと第4進行波電極(第4電極226)との間とに配置されている。
光変調器1bでは、非変調領域(非変調部C)のキャパシタンスが低減されて、光変調器1bのキャパシタンスCが低減される。そのため、光変調器1bの第1線路のインピーダンスZ1及び第2線路のインピーダンスZ2は増加し得る。また、光変調器1bのマイクロ波屈折率nmが低減され得る。光変調器1bは広帯域化され得る。
光変調器1bでは、単位構造10bは、変調領域(変調部A)と非変調領域(非変調部C)との間に配置されている遷移領域(遷移部B)を含んでもよい。遷移領域(遷移部B)において、第1進行波電極(第1電極114)と第2進行波電極(第2電極116)との間の第1の間隔は徐々に変化している。遷移領域(遷移部B)において、第1接地電極(グランド電極112)の幅と第2接地電極(グランド電極113)の幅とは徐々に変化している。遷移領域(遷移部B)において、第3進行波電極(第3電極224)と第4進行波電極(第4電極226)との間の第2の間隔は徐々に変化している。遷移領域(遷移部B)において、第2接地電極(グランド電極113)の幅と第3接地電極(グランド電極223)の幅とは徐々に変化している。遷移領域(遷移部B)は、変調領域(変調部A)と非変調領域(非変調部C)との間で、第1進行波電極(第1電極114)、第2進行波電極(第2電極116)、第3進行波電極(第3電極224)及び第4進行波電極(第4電極226)を伝搬するマイクロ波が反射することを低減し得る。光変調器1bは広帯域化され得る。
光変調器1bでは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う変調領域(変調部A)の第1長さは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う単位構造10bの第1全長の0.50倍以上0.95倍以下であってもよい。第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う非変調領域(非変調部C)の第2長さは、単位構造10bの第1全長の0.04倍以上0.48倍以下であってもよい。第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う変調領域(変調部A)の第3長さは、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う単位構造10bの第2全長の0.50倍以上0.95倍以下であってもよい。第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う非変調領域(非変調部C)の第4長さは、単位構造10bの第2全長の0.04倍以上0.48倍以下であってもよい。単位構造10bに占める変調領域(変調部A)の割合を単位構造10bに占める非変調領域(非変調部C)の割合よりも大きくすることによって、光変調器1bのサイズの増加を抑制しつつ、光変調器1bを広帯域化することができる。
実施の形態3.
図14は、実施の形態3に係る光変調器1cの断面図である。図14は、光変調器1cの非変調部Cの断面(図2のV−V方向に見た断面)を示している。実施の形態3の光変調器1cの構成は、非変調部Cの構造が、実施の形態1の光変調器1の非変調部Cと異なる点を除いて、実施の形態1の光変調器1の構成と同一である。図14は、図5に対応するものである。図14において、図5と同一の符号は、同一または相当箇所を示す。また、以下の記載では、原則として、実施の形態1と異なる点を中心に説明し、その他の部分については重複説明を省略する。
実施の形態3の非変調部Cでは、実施の形態1の非変調部Cと同様に、n層130の上の一部には、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)が形成されている。しかし、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の上には、実施の形態1の非変調部Cの絶縁層(第2絶縁層23a,23b)と異なり、p層(第2半導体層21a,21b)が形成されている。p層(第2半導体層21a,21b)の上の構造も実施の形態1の非変調部Cと同様であり、表面層(第1絶縁層24a,24b)が形成され、表面層(第1絶縁層24a,24b)の上には、第1電極114および第2電極116が、互いに間隔を空けて形成されている。低誘電率材料層120の上には、第1電極114および第2電極116からそれぞれ間隔を空けて、グランド電極112,113が形成されている。
実施の形態1に係る光変調器1においても、実施の形態3係る光変調器1cにおいても、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の直上の層には、長手方向(光の進行方向)に、p層(第2半導体層21a,21b)と絶縁層(第2絶縁層23a,23b)とが交互に形成される。実施の形態1に係る光変調器1では、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の直上の層は、変調部Aのみがp層(第2半導体層21a,21b)であり、遷移部Bおよび非変調部Cでは絶縁層(第2絶縁層23a,23b)である。これに対し、実施の形態3に係る光変調器1cでは、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の直上の層は、変調部Aおよび非変調部Cではp層(第2半導体層21a,21b)であり、遷移部Bのみが絶縁層(第2絶縁層23a,23b)である。
長手方向(光の進行方向)にp層(第2半導体層21a,21b)と絶縁層(第2絶縁層23a,23b)とを交互に形成する方法には、主に2種類の方法がある。1つは、p層(第2半導体層21a,21b)(または絶縁層(第2絶縁層23a,23b))を全面的に形成した後に、p層(第2半導体層21a,21b)(または絶縁層(第2絶縁層23a,23b))を部分的に切削し、この切削した部分に絶縁層(第2絶縁層23a,23b)(またはp層(第2半導体層21a,21b))を埋める方法である。もう1つは、p層(第2半導体層21a,21b)(または絶縁層(第2絶縁層23a,23b))を全面的に形成した後に、イオン注入などにより部分的に絶縁層(第2絶縁層23a,23b)(またはp層(第2半導体層21a,21b))に変化させる方法である。前者の方法には、埋められた部分とそれ以外の部分の高さが均一にならないという問題がある。後者の方法には、長手方向の所望の位置で正確にp層(第2半導体層21a,21b)と絶縁層(第2絶縁層23a,23b)とを切り換えることができないという問題がある。
そこで、実施の形態3では、前述のように、光導波層(第1光導波路13a、第2光導波路13b)の直上の層が、変調部Aおよび非変調部Cではp層(第2半導体層21a,21b)であり、遷移部Bのみが絶縁層(第2絶縁層23a,23b)である構造を採用する。前述のように、遷移部Bの長手方向の長さは、典型的には、変調部Aの長手方向の長さの10%〜20%の長さである。したがって、長手方向のp層(第2半導体層21a,21b)と絶縁層(第2絶縁層23a,23b)との切換え部分は、短い遷移部Bのみになるため、加工部分を減らすことができる。よって、前述の高さが均一にならないという問題および所望の位置で切り換えることができないという問題が生じる部分を減らすことができ、光変調器1c全体として設計誤差を低減することができる。
実施の形態4.
図15を参照して、実施の形態4の光変調器1dを説明する。本実施の形態の光変調器1dは、実施の形態1の光変調器1と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
光変調器1dにおいて、終端部7dの差動インピーダンスは100Ω未満である。終端部7dの差動インピーダンスは、25Ω以上であってもよく、50Ω以上であってもよい。非変調部Cのインピーダンスは、変調部Aの第1インピーダンスよりも大きい。遷移部Bのインピーダンスは、変調部Aのインピーダンスよりも大きく、かつ、非変調部Cのインピーダンスよりも小さい。例えば、終端部7dの差動インピーダンスが70Ωのインピーダンスを有しており、第1終端抵抗35d及び第2終端抵抗36dは、各々、35Ωのインピーダンスを有している。変調部Aは70Ω未満のインピーダンスを有し、非変調部Cは70Ω超のインピーダンスを有している。こうして、光変調器1d全体のインピーダンスを70Ωに近づけることができる。
終端部7dの差動インピーダンスを100Ω未満に設定することを可能にする電気アンプ33dとして、例えば、MACOM社のMAOM−06408またはMAOM−06412が利用可能である。
本実施の形態の光変調器1dの効果を説明する。本実施の形態の光変調器1dは、実施の形態1の光変調器1の効果に加えて、以下の効果を奏する。
本実施の形態の光変調器1dでは、終端部7dの差動インピーダンスは100Ω未満である。そのため、終端部の差動インピーダンスが100Ωである光変調器に比べて、光変調器1dのキャパシタンスCをさほど減少させなくても、光変調器1dと終端部7dとの間のインピーダンス整合を容易に実現することができる。こうして、光変調器1dは容易に広帯域化され得る。また、光変調器1dが小型化され得る。
実施の形態5.
図16から図23及び図25から図28を参照して、実施の形態5の半導体光変調器1eを説明する。本実施の形態の半導体光変調器1eは、実施の形態1の光変調器1と同様の構成を備えるが、電極の構成で主に異なる。
半導体光変調器1eは、第1マッハツェンダ型光導波路と、第1進行波電極16aと、第2進行波電極16bと、第1接地電極17aと、第2接地電極17bと、第1絶縁層24a,24bとを主に備える。半導体光変調器1eは、第1半導体層20と、第2半導体層21a,21bと、コンタクト層22a,22bと、埋め込み層29とをさらに備えてもよい。半導体光変調器1eは、第2絶縁層23a,23bをさらに備えてもよい。
第1マッハツェンダ型光導波路は、第1光入力部11と、第1光分岐部12と、第1光導波路13aと、第2光導波路13bと、第1光合波部14と、第1光出力部15とを含む。第1光分岐部12は、第1光入力部11に接続されている。第1光導波路13a及び第2光導波路13bは、第1光分岐部12に接続されている。第1光合波部14は、第1光導波路13aと第2光導波路13bとに接続されている。第1光出力部15は、第1光合波部14に接続されている。第1光分岐部12及び第1光合波部14は、各々、特に限定されないが、多モード干渉(MMI)導波路であってもよいし、Y分岐導波路であってもよいし、方向性結合器であってもよい。
第1マッハツェンダ型光導波路は、アンドープ半導体層のようなi型半導体層で形成されてもよい。第1マッハツェンダ型光導波路は、例えば、i型InP層で形成されてもよい。第1マッハツェンダ型光導波路は、多重量子井戸(MQW)構造を有してもよい。
第1進行波電極16aは、第1光導波路13aの上方に配置されている。第2進行波電極16bは、第2光導波路13bの上方に配置されている。図18から図20に示されるように、第1接地電極17aは、第1進行波電極16aに対して第2進行波電極16bとは反対側に、第1進行波電極16aから間隔を空けて配置されている。第2接地電極17bは、第2進行波電極16bに対して第1進行波電極16aとは反対側に、第2進行波電極16bから間隔を空けて配置されている。第1進行波電極16a及び第2進行波電極16bは、第1接地電極17aと第2接地電極17bとの間に配置されている。第1進行波電極16a、第2進行波電極16b、第1接地電極17a及び第2接地電極17bは、特に限定されないが、金(Au)または白金(Pt)のような導電性金属で形成されてもよい。
第1接地電極17a、第1進行波電極16a、第2進行波電極16b及び第2接地電極17bは、第1線路を構成している。第1線路は、GSSG(Ground, Signal, Signal, Ground)型の差動線路(コプレーナ線路)である。GSSG型の差動線路は、半導体光変調器1eを小型化することを可能にする。GSSG型の差動線路は、第1進行波電極16aと第2進行波電極16bとが互いに隣り合うため、ノイズ耐性を向上させることができる。
第1進行波電極16aの一方端と第2進行波電極16bの一方端とは、信号源30に電気的に接続されている。信号源30は、差動信号を出力する。差動信号は、特に限定されないが、20Gbit/s以上の高い周波数を有してもよい。第1光導波路13aには、第2光導波路13bとは逆位相の電圧が印加される(プッシュプル構成)。信号源30と第1進行波電極16aの一方端との間、並びに、信号源30と第2進行波電極16bの一方端との間に、電気アンプ33が配置されてもよい。電気アンプ33は、信号源30から出力される差動信号を増幅して、第1進行波電極16aの一方端と第2進行波電極16bの一方端とに出力する。
第1進行波電極16aおよび第2進行波電極16bの出力側(図16の右側)には、終端部7が接続されている。終端部7は、第1終端抵抗35と第2終端抵抗36とを含む。第1進行波電極16aの他方端と第1接地電極17aとは、第1終端抵抗35に接続されてもよい。第1終端抵抗35は、50Ωの抵抗を有してもよい。第2進行波電極16bの他方端と第2接地電極17bとは、第2終端抵抗36に接続されてもよい。第2終端抵抗36は、50Ωの抵抗を有してもよい。第1終端抵抗35及び第2終端抵抗36に代えて、100Ωの抵抗を有する終端抵抗を、第1進行波電極16aの他方端と第2進行波電極16bの他方端とに接続してもよい。第1接地電極17aの一方端と第2接地電極17bの一方端とは、接地電位に接続されている。第1接地電極17aの他方端と第2接地電極17bの他方端とは、接地電位に接続されている。
半導体光変調器1eは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿って配列される単位構造10eを含む。半導体光変調器1eは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿って周期構造を有する。図17に示されるように、単位構造10eは、変調領域19aと、非変調領域19bとを含む。非変調領域19bにおける第1接地電極17aの第1の幅W1は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2と異なっている。特定的には、非変調領域19bにおける第1接地電極17aの第1の幅W1は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2よりも大きい。非変調領域19bにおける第2接地電極17bの第3の幅W3は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4と異なっている。特定的には、非変調領域19bにおける第2接地電極17bの第3の幅W3は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きい。
特定的には、第1進行波電極16aは、変調領域19aと非変調領域19bとにおいて、一定幅を有してもよい。さらに特定的には、第1進行波電極16aは、変調領域19aと非変調領域19bと遷移領域19cとにおいて、一定幅を有してもよい。第2進行波電極16bは、変調領域19aと非変調領域19bとにおいて、一定幅を有してもよい。さらに特定的には、第2進行波電極16bは、変調領域19aと非変調領域19bと遷移領域19cとにおいて、一定幅を有してもよい。
非変調領域19bにおいて、第1接地電極17aは、第1突出部17pを含んでもよい。第1突出部17pは、第1進行波電極16aに面する第1接地電極17aの第1側面に形成されており、第1進行波電極16aに向けて突出してもよい。非変調領域19bにおいて、第2接地電極17bは第2突出部17qを含んでもよい。第2突出部17qは、第2進行波電極16bに面する第2接地電極17bの第2側面に形成されており、第2進行波電極16bに向けて突出してもよい。第1接地電極17aと第1進行波電極16aとの間の第1の間隔は、非変調領域19bにおいて最も狭くてもよく、かつ、変調領域19aにおいて最も広くてもよい。第2接地電極17bと第2進行波電極16bとの間の第2の間隔は、非変調領域19bにおいて最も狭くてもよく、かつ、変調領域19aにおいて最も広くてもよい。第1進行波電極16aと第2進行波電極16bとの間の間隔は、変調領域19aと非変調領域19bと遷移領域19cとにおいて、一定であってもよい。
単位構造10eにおける、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う変調領域19aの第1長さは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う単位構造10eの第1全長の0.50倍以上0.95倍以下であってもよい。単位構造10eにおける、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う非変調領域19bの第2長さは、単位構造10eの第1全長の0.04倍以上0.48倍以下であってもよい。本実施の形態の半導体光変調器1eでは、非変調領域19bの第2長さは、単位構造10eにおける、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う非変調領域19bの2つの部分の長さの合計として定義される。単位構造10eの第1全長は、例えば、100μm以上500μm以下であってもよい。
単位構造10eは、変調領域19aと非変調領域19bとの間に配置されている遷移領域19cを含んでもよい。遷移領域19cにおいて、第1接地電極17aと第1進行波電極16aとの間の第1の間隔は、変調領域19aから非変調領域19bに向かうにつれて徐々に小さくなる。遷移領域19cにおいて、第2接地電極17bと第2進行波電極16bとの間の第2の間隔は、変調領域19aから非変調領域19bに向かうにつれて徐々に小さくなる。
図18から図20に示されるように、第1半導体層20は、変調領域19aと非変調領域19bとに延在している。第1半導体層20は、遷移領域19cにさらに延在してもよい。第1半導体層20は、第1導電型を有する。第1導電型は、例えば、n型であってもよい。第1半導体層20は、第1導電型を有する半導体基板であってもよい。第1半導体層20は、例えば、n型InP層であってもよい。
第1光導波路13a及び第2光導波路13bは、第1半導体層20上に設けられてもよい。第1光導波路13a及び第2光導波路13bは、変調領域19aと非変調領域19bとに延在している。第1光導波路13a及び第2光導波路13bは、遷移領域19cにさらに延在してもよい。
図18に示されるように、第2半導体層21aは、第1光導波路13a上に設けられてもよい。第2半導体層21bは、第2光導波路13b上に設けられてもよい。第2半導体層21a,21bは、変調領域19aに延在している。第2半導体層21a,21bは、第1導電型とは異なる第2導電型を有する。第2導電型は、例えば、p型であってもよい。第2半導体層21a,21bは、例えば、p型InP層であってもよい。第1光導波路13a及び第2光導波路13bは、コア層であってもよく、第1光導波路13a及び第2光導波路13bを挟む第1半導体層20及び第2半導体層21a,21bは、クラッド層であってもよい。第1半導体層20、第1光導波路13a及び第2半導体層21aは、pin接合構造を有してもよい。第1半導体層20、第2光導波路13b及び第2半導体層21bは、pin接合構造を有してもよい。第1半導体層20、第1光導波路13a及び第2半導体層21aは、ハイメサ光導波路構造を有してもよい。第1半導体層20、第2光導波路13b及び第2半導体層21bは、ハイメサ光導波路構造を有してもよい。
コンタクト層22aは、第2半導体層21a上に設けられてもよい。コンタクト層22bは、第2半導体層21b上に設けられてもよい。コンタクト層22a,22bは、変調領域19aに延在している。コンタクト層22a,22bは、第2導電型を有する半導体層であってもよい。コンタクト層22a,22bは、例えば、p+型InGaAs層であってもよい。コンタクト層22aは、第1進行波電極16aにオーミック接触している。コンタクト層22bは、第2進行波電極16bにオーミック接触している。
図19に示されるように、第2半導体層21a,21b及びコンタクト層22a,22bは、非変調領域19bには延在していない。第2絶縁層23aは、第1光導波路13a上に設けられてもよい。第2絶縁層23bは、第2光導波路13b上に設けられてもよい。第2絶縁層23a,23bは、非変調領域19bに延在している。第2絶縁層23aは、非変調領域19bにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間に配置されている。第2絶縁層23bは、非変調領域19bにおいて、第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間に配置されている。第2絶縁層23a,23bは、i型InP層のようなi型半導体層であってもよいし、Fe−InP層のような半絶縁性半導体層であってもよい。第1光導波路13a及び第2光導波路13bは、コア層であってもよく、第1光導波路13a及び第2光導波路13bを挟む第1半導体層20及び第2絶縁層23a,23bは、クラッド層であってもよい。第1半導体層20、第1光導波路13a及び第2絶縁層23aは、ハイメサ光導波路構造を有してもよい。第1半導体層20、第2光導波路13b及び第2絶縁層23bは、ハイメサ光導波路構造を有してもよい。
第1絶縁層24aは、非変調領域19bにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間に配置されている。第1絶縁層24bは、非変調領域19bにおいて、第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間とに配置されている。第1絶縁層24aは、第2絶縁層23a上に設けられてもよい。第1絶縁層24bは、第2絶縁層23b上に設けられてもよい。第1絶縁層24aは、第1進行波電極16aに接触してもよい。第1絶縁層24bは、第2進行波電極16bに接触してもよい。第1絶縁層24a,24bは、非変調領域19bに延在している。第1絶縁層24a,24bは、二酸化珪素、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリイミドまたはエポキシのような低誘電率材料で形成されてもよい。第1進行波電極16a及び第2進行波電極16bにマイクロ波が伝搬しても、第1絶縁層24a,24bのため、第1光導波路13aを進む第1部分光と、第2光導波路13bを進む第2部分光とは、非変調領域19bにおいて、ほとんど位相変調されない。
図20に示されるように、第2半導体層21a,21b及びコンタクト層22a,22bは、遷移領域19cに延在していなくてもよい。遷移領域19cは、非変調領域19bと同様の断面構造を有してもよい。具体的には、第2絶縁層23aは、第1光導波路13a上に設けられてもよい。第2絶縁層23bは、第2光導波路13b上に設けられてもよい。第1絶縁層24aは、第2絶縁層23a上に設けられてもよい。第1絶縁層24bは、第2絶縁層23b上に設けられてもよい。
第1絶縁層24a,24b及び第2絶縁層23a,23bは、遷移領域19cに延在している。第1絶縁層24a及び第2絶縁層23aは、遷移領域19cにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間に配置されている。第1絶縁層24b及び第2絶縁層23bは、遷移領域19cにおいて、第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間に配置されている。第1絶縁層24aは、第1進行波電極16aに接触してもよい。第1絶縁層24bは、第2進行波電極16bに接触してもよい。第1進行波電極16a及び第2進行波電極16bにマイクロ波が伝搬しても、第1絶縁層24a,24bのため、第1光導波路13aを進む第1部分光と、第2光導波路13bを進む第2部分光とは、遷移領域19cにおいて、ほとんど位相変調されない。
埋め込み層29は、二酸化珪素、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリイミドまたはエポキシのような低誘電率材料で形成されてもよい。埋め込み層29は、半絶縁性半導体層で形成されてもよい。図18に示されるように、埋め込み層29は、変調領域19aにおいて、第1半導体層20、第1光導波路13a及び第2半導体層21aを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。埋め込み層29は、変調領域19aにおいて、第1半導体層20、第2光導波路13b及び第2半導体層21bを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。
図19に示されるように、埋め込み層29は、非変調領域19bにおいて、第1半導体層20、第1光導波路13a及び第2絶縁層23aを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。埋め込み層29は、非変調領域19bにおいて、第1半導体層20、第2光導波路13b及び第2絶縁層23bを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。図20に示されるように、埋め込み層29は、遷移領域19cにおいて、第1半導体層20、第1光導波路13a及び第2絶縁層23aを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。埋め込み層29は、遷移領域19cにおいて、第1半導体層20、第2光導波路13b及び第2絶縁層23bを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。
半導体光変調器1eの動作を説明する。
図16に示されるように、半導体レーザのようなレーザ光源40から第1光入力部11に光41が入力される。光41は、第1光入力部11から第1光分岐部12に入力される。光41は、第1光分岐部12において、第1光導波路13aを伝搬する第1部分光と、第2光導波路13bを伝搬する第2部分光とに分岐される。
第1進行波電極16aを伝搬する第1マイクロ波は、変調領域19aにおける第1光導波路13aの屈折率を変化させる。第1光導波路13aを伝搬する第1部分光は、第1進行波電極16aを伝搬する第1マイクロ波によって変調される。第2進行波電極16bを伝搬する第2マイクロ波は、変調領域19aにおける第2光導波路13bの屈折率を変化させる。第2光導波路13bを伝搬する第2部分光は、第2進行波電極16bを伝搬する第2マイクロ波によって変調される。
変調された第1部分光と変調された第2部分光とは、第1光合波部14で合波されて、変調光42となる。変調光42は、第1光出力部15から出力される。
図21に示されるように、半導体光変調器1eは、第1進行波電極16aの第1抵抗R1と、第1進行波電極16aの第1インダクタンスL1と、第2進行波電極16bの第2抵抗R2と、第2進行波電極16bの第2インダクタンスL2と、第1進行波電極16aと第2進行波電極16bとの間の相互インダクタンスL12とを含む。半導体光変調器1eは、第1進行波電極16aと第1接地電極17aとの間の第1相互キャパシタンスC1Gと、第2進行波電極16bと第2接地電極17bとの間の第2相互キャパシタンスC2Gと、第1進行波電極16aと第2進行波電極16bとの間の第3相互キャパシタンスC12とをさらに含む。
図22に示されるように、半導体光変調器1eの変調領域19aは、第1半導体層20の抵抗R20と、第1光導波路13aのキャパシタンスC13aと、第2光導波路13bのキャパシタンスC13bと、第2半導体層21aの抵抗R21aと、第2半導体層21bの抵抗R21bと、コンタクト層22aの抵抗R22aと、コンタクト層22bの抵抗R22bとを含む。これらの抵抗R20,R21a,R21b,R22a,R22bとこれらキャパシタンスC13a,C13bとは、互いに直列に接続されている。
図23に示されるように、半導体光変調器1eの非変調領域19b及び遷移領域19cは、第1半導体層20の抵抗R20と、第1光導波路13aのキャパシタンスC13aと、第2光導波路13bのキャパシタンスC13bと、第2絶縁層23aのキャパシタンスC23aと、第2絶縁層23bのキャパシタンスC23bと、第1絶縁層24aのキャパシタンスC24aと、第1絶縁層24bのキャパシタンスC24bとを含む。抵抗R20とこれらキャパシタンスC13a,C13b,C23a,C23b,C24a,C24bとは、互いに直列に接続されている。
半導体光変調器1eを広帯域化するためには、半導体光変調器1eの第1線路におけるマイクロ波の反射をできるだけ低減し、かつ、マイクロ波と光との間の位相速度を整合させる必要がある。半導体光変調器1eを差動駆動する場合には、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1を100Ωに近づけるとともに、半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmを3.6に近づける必要がある。本実施の形態の半導体光変調器1eが、図24に示される比較例の半導体光変調器と比べて、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1を100Ωに近づけるとともに、マイクロ波屈折率nmを3.6に近づけることができる理由を以下説明する。なお、図24に示される比較例の半導体光変調器では、本実施の形態の半導体光変調器1eの非変調領域19bと遷移領域19cとが変調領域19aに置き換えられている。比較例の半導体光変調器は、変調領域19aのみを備えており、非変調領域19bと遷移領域19cとを備えていない。
半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1は、式(4)で与えられる。式(4)において、Cは、半導体光変調器1eのキャパシタンスを表し、Lは、半導体光変調器1eのインダクタンスを表す。
半導体光変調器1eのキャパシタンスCは、第1進行波電極16aと第1接地電極17aとの間の第1相互キャパシタンスC1Gと、第2進行波電極16bと第2接地電極17bとの間の第2相互キャパシタンスC2Gと、第1進行波電極16aと第2進行波電極16bとの間の第3相互キャパシタンスC12と、第1光導波路13aのキャパシタンスC13aと、第2光導波路13bのキャパシタンスC13bと、第2絶縁層23aのキャパシタンスC23aと、第2絶縁層23bのキャパシタンスC23bと、第1絶縁層24aのキャパシタンスC24aと、第1絶縁層24bのキャパシタンスC24bとを含む。半導体光変調器1eのインダクタンスLは、第1進行波電極16aの第1インダクタンスL1と、第2進行波電極16bの第2インダクタンスL2と、第1進行波電極16aと第2進行波電極16bとの間の相互インダクタンスL12とを含む。
半導体光変調器1eは、非変調領域19bを含む。第1絶縁層24a,24bは、非変調領域19bにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間と第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間とに配置されている。図22及び図23に示されるように、非変調領域19bでは、第1光導波路13aのキャパシタンスC13a,C13bに加えて、第1絶縁層24a,24bのキャパシタンスC24a,C24bが追加される。第1絶縁層24a,24bのキャパシタンスC24a,C24bは、第1光導波路13aのキャパシタンスC13a,C13bに直列に接続される。そのため、非変調領域19bのキャパシタンスは減少して、半導体光変調器1eのキャパシタンスCも減少する。式(4)から、非変調領域19bにおける第1線路の第2インピーダンスは増加して、変調領域19aにおける第1線路の第1インピーダンスよりも大きくなり(図27を参照)、第1線路のインピーダンスZ1は増加する(図25を参照)。こうして、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1を100Ωに近づけることができる。
第1絶縁層24a,24bのキャパシタンスC24a,C24bは、第1光導波路13aのキャパシタンスC13a,C13bに直列に接続されるため、第1絶縁層24a,24bの誘電率が低いほど、半導体光変調器1eのキャパシタンスCはさらに減少する。第1絶縁層24a,24bのキャパシタンスC24a,C24bは、第1光導波路13aのキャパシタンスC13a,C13b及び第2絶縁層23a,23bのキャパシタンスC23a,C23bよりも小さくてもよい。第1絶縁層24a,24bは、二酸化珪素、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリイミドまたはエポキシのような低誘電率材料で形成されてもよい。
また、半導体光変調器1eでは、非変調領域19bにおける第1接地電極17aの第1の幅W1は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2よりも大きい。非変調領域19bにおける第2接地電極17bの第3の幅W3は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きい。そのため、図21に示される、第1進行波電極16aと第1接地電極17aとの間の第1相互キャパシタンスC1Gと、第2進行波電極16bと第2接地電極17bとの間の第2相互キャパシタンスC2Gとが減少する。非変調領域19bのキャパシタンスは減少して、半導体光変調器1eのキャパシタンスCも減少する。式(4)から、非変調領域19bにおける第1線路の第2インピーダンスは増加して、変調領域19aにおける第1線路の第1インピーダンスよりも大きくなり(図27を参照)、第1線路のインピーダンスZ1は増加する(図25を参照)。こうして、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1を100Ωに近づけることができる。
第2絶縁層23a,23bは、非変調領域19bにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間と第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間とに配置されている。図22及び図23に示されるように、非変調領域19bでは、第1光導波路13aのキャパシタンスC13a,C13bに加えて、第2絶縁層23a,23bのキャパシタンスC23a,C23bが追加される。第2絶縁層23a,23bのキャパシタンスC23a,C23bは、第1光導波路13aのキャパシタンスC13a,C13bに直列に接続される。そのため、非変調領域19bのキャパシタンスは減少して、半導体光変調器1eのキャパシタンスCも減少する。式(4)から、非変調領域19bにおける第1線路の第2インピーダンスは増加して、変調領域19aにおける第1線路の第1インピーダンスよりも大きくなり(図27を参照)、第1線路のインピーダンスZ1は増加する(図25を参照)。こうして、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1を100Ωに近づけることができる。
図27に示されるように、変調領域19aにおける第1線路の第1インピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、100Ωより小さくてもよい。非変調領域19bにおける第1線路の第2インピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、100Ωより大きくてもよく、110Ωより大きくてもよく、115Ωより大きくてもよい。
半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmは、式(5)で与えられる。式(5)において、cは、真空中における光速を表す。
既に記載したとおり、非変調領域19bのキャパシタンスは減少して、半導体光変調器1eのキャパシタンスCも減少する。式(5)から、非変調領域19bにおけるマイクロ波屈折率nmは減少して、変調領域19aにおけるマイクロ波屈折率nmよりも小さくなり(図28を参照)、半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmは減少する(図26を参照)。こうして、半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmを3.6に近づけることができる。図28に示されるように、変調領域19aにおけるマイクロ波屈折率は、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、3.6より大きくてもよい。非変調領域19bにおける第1線路の第2インピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、3.6より小さくてもよく、3.2より小さくてもよく、2.8より小さくてもよい。
非変調領域19bにおける第1接地電極17aの第1の幅W1、非変調領域19bにおける第2接地電極17bの第3の幅W3及び単位構造10eの第1全長に対する非変調領域19bの第2長さの割合の少なくとも1つを変化させることによって、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1と半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmとは調整され得る。
半導体光変調器1eは、遷移領域19cを含んでもよい。第1絶縁層24aは、遷移領域19cにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間に配置されている。第1絶縁層24bは、遷移領域19cにおいて、第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間に配置されている。また、遷移領域19cにおける第1接地電極17aの幅は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2よりも大きい。遷移領域19cにおける第2接地電極17bの幅は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きい。そのため、遷移領域19cにおいても、非変調領域19bと同様に、キャパシタンス及びマイクロ波屈折率nmは減少する。こうして、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1を100Ωに近づけることができ、半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmを3.6に近づけることができる。
第2絶縁層23aは、遷移領域19cにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間に配置されている。第2絶縁層23bは、遷移領域19cにおいて、第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間に配置されている。また、遷移領域19cにおける第1接地電極17aの幅は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2よりも大きい。遷移領域19cにおける第2接地電極17bの幅は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きい。そのため、遷移領域19cにおいても、非変調領域19bと同様に、キャパシタンス及びマイクロ波屈折率nmは減少する。こうして、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1を100Ωに近づけることができ、半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmを3.6に近づけることができる。
図27に示されるように、遷移領域19cにおける第1線路のインピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、100Ωより大きくてもよく、110Ωより大きくてもよく、115Ωより大きくてもよい。図28に示されるように、遷移領域19cにおける第1線路の第2インピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、3.6より小さくてもよく、3.2より小さくてもよく、2.8より小さくてもよい。
遷移領域19cにおける第1接地電極17aの幅、遷移領域19cにおける第2接地電極17bの幅及び単位構造10eの第1全長に対する遷移領域19cの長さの割合の少なくとも1つを変化させることによって、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1と半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmとは調整され得る。
図29を参照して、実施の形態5の変形例の半導体光変調器1eを説明する。図29に示されるように、第1接地電極17aの第1突出部17pは、第1接地電極17aの第3側面に形成されており、第1進行波電極16aとは反対側に向けて突出してもよい。第1接地電極17aの第3側面は、第1進行波電極16aに面する第1接地電極17aの第1側面とは反対側の側面である。第2接地電極17bの第2突出部17qは、第2進行波電極16bに面する第2接地電極17bの第4側面に形成されており、第2進行波電極16bとは反対側に向けて突出してもよい。第2接地電極17bの第4側面は、第2進行波電極16bに面する第2接地電極17bの第2側面とは反対側の側面である。
図30を参照して、実施の形態5の別の変形例の半導体光変調器1eを説明する。図30に示されるように、遷移領域19cが省略されてもよい。
本実施の形態の半導体光変調器1eの効果を説明する。
半導体光変調器1eは、第1マッハツェンダ型光導波路と、第1進行波電極16aと、第2進行波電極16bと、第1接地電極17aと、第2接地電極17bと、第1絶縁層24a,24bとを備える。第1マッハツェンダ型光導波路は、第1光入力部11と、第1光入力部11に接続されている第1光分岐部12と、第1光分岐部12に接続されている第1光導波路13aと、第1光分岐部12に接続されている第2光導波路13bと、第1光導波路13aと第2光導波路13bとに接続されている第1光合波部14と、第1光合波部14に接続されている第1光出力部15とを含む。第1進行波電極16aは、第1光導波路13aの上方に配置されている。第2進行波電極16bは、第2光導波路13bの上方に配置されている。第1接地電極17aは、第1進行波電極16aに対して第2進行波電極16bとは反対側に、第1進行波電極16aから間隔を空けて配置されている。第2接地電極17bは、第2進行波電極16bに対して第1進行波電極16aとは反対側に、第2進行波電極16bから間隔を空けて配置されている。
半導体光変調器1eは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿って配列される単位構造10eを含む。単位構造10eは、変調領域19aと、非変調領域19bとを含む。非変調領域19bにおける第1接地電極17aの第1の幅W1は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2よりも大きい。非変調領域19bにおける第2接地電極17bの第3の幅W3は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きい。第1絶縁層24a,24bは、非変調領域19bにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間と第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間とに配置されている。
半導体光変調器1eでは、非変調領域19bのキャパシタンスが低減されて、半導体光変調器1eのキャパシタンスCが低減される。そのため、半導体光変調器1eの第1線路のインピーダンスZ1は増加し得る。また、半導体光変調器1eのマイクロ波屈折率nmが低減され得る。広帯域化された半導体光変調器1eが提供され得る。
半導体光変調器1eでは、第1進行波電極16aは、変調領域19aと非変調領域19bと変調領域19aとにおいて、一定幅を有する。第2進行波電極16bは、変調領域19aと非変調領域19bと変調領域19aとにおいて、一定幅を有する。第1進行波電極16a及び第2進行波電極16bは、各々、単純な形状を有する。そのため、第1進行波電極16a及び第2進行波電極16bにおけるマイクロ波の伝搬特性が劣化することが防止され得る。広帯域化された半導体光変調器1eが提供され得る。さらに、半導体光変調器1eのサイズが増加することと、半導体光変調器1eの製造コストが増加することとが防止され得る。
半導体光変調器1eでは、単位構造10eは、変調領域19aと非変調領域19bとの間に配置されている遷移領域19cを含む。遷移領域19cにおいて、第1接地電極17aと第1進行波電極16aとの間の第1の間隔は徐々に変化している。遷移領域19cにおいて、第2接地電極17bと第2進行波電極16bとの間の第2の間隔は徐々に変化している。遷移領域19cは、変調領域19aと非変調領域19bとの間で、第1進行波電極16a及び第2進行波電極16bを伝搬するマイクロ波が反射することを低減し得る。広帯域化された半導体光変調器1eが提供され得る。
遷移領域19cにおける第1接地電極17aの幅は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2よりも大きくてもよい。遷移領域19cにおける第2接地電極17bの幅は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きくてもよい。第1絶縁層24a,24bは、遷移領域19cにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間と、第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間とにさらに配置されてもよい。そのため、半導体光変調器1eのキャパシタンスCがさらに低減される。広帯域化された半導体光変調器1eが提供され得る。
半導体光変調器1eでは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う変調領域19aの第1長さは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う単位構造10eの第1全長の0.50倍以上0.95倍以下であってもよい。第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う非変調領域19bの第2長さは、単位構造10eの第1全長の0.04倍以上0.48倍以下であってもよい。単位構造10eに占める変調領域19aの割合を単位構造10eに占める非変調領域19bの割合よりも大きくすることによって、半導体光変調器1eのサイズの増加を抑制しつつ、半導体光変調器1eを広帯域化することができる。
実施の形態6.
図31から図35を参照して、実施の形態6の半導体光変調器1fを説明する。本実施の形態の半導体光変調器1fは、実施の形態5の半導体光変調器1eと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
半導体光変調器1fは、第2マッハツェンダ型光導波路と、第3進行波電極18aと、第4進行波電極18bと、第3接地電極17cと、光入力部66と、光分岐部67と、光合波部68と、光出力部69とをさらに備える。第2マッハツェンダ型光導波路は、第1マッハツェンダ型光導波路と並列に配置されている。第2マッハツェンダ型光導波路は、第1マッハツェンダ型光導波路と同様の構成を有している。
具体的には、第2マッハツェンダ型光導波路は、第2光入力部51と、第2光分岐部52と、第3光導波路53aと、第4光導波路53bと、第2光合波部54と、第2光出力部55とを含む。第2光分岐部52は、第2光入力部51に接続されている。第3光導波路53a及び第4光導波路53bは、第2光分岐部52に接続されている。第2光合波部54は、第3光導波路53aと第4光導波路53bとに接続されている。第2光出力部55は、第2光合波部54に接続されている。第2光分岐部52及び第2光合波部54は、各々、特に限定されないが、多モード干渉(MMI)導波路であってもよいし、Y分岐導波路であってもよいし、方向性結合器であってもよい。
第2マッハツェンダ型光導波路は、アンドープ半導体層のようなi型半導体層で形成されてもよい。第2マッハツェンダ型光導波路は、例えば、i型InP層で形成されてもよい。第2マッハツェンダ型光導波路は、多重量子井戸(MQW)構造を有してもよい。
光分岐部67は、光入力部66に接続されている。光分岐部67は、第1光入力部11と第2光入力部51とに接続されている。第1マッハツェンダ型光導波路及び第2マッハツェンダ型光導波路は、光分岐部67に接続されている。光合波部68は、第1光出力部15と第2光出力部55とに接続されている。第1マッハツェンダ型光導波路及び第2マッハツェンダ型光導波路は、光合波部68に接続されている。光出力部69は、光合波部68に接続されている。半導体光変調器1fは、IQ光変調器であってもよい。IQ光変調器は、直交する光電界成分(Iチャネル、Qチャネル)を独立して生成し得るように構成された光変調器である。半導体光変調器1fは、4値位相変調方式(QPSK)の光変調器であってもよい。
第3進行波電極18aは、第3光導波路53aの上方に配置されている。第4進行波電極18bは、第4光導波路53bの上方に配置されている。第2接地電極17bは、第3進行波電極18aに対して第4進行波電極18bとは反対側に、第3進行波電極18aから間隔を空けて配置されている。第3接地電極17cは、第4進行波電極18bに対して第3進行波電極18aとは反対側に、第4進行波電極18bから間隔を空けて配置されている。第3進行波電極18a及び第4進行波電極18bは、第2接地電極17bと第3接地電極17cとの間に配置されている。第3進行波電極18a、第4進行波電極18b、及び第3接地電極17cは、特に限定されないが、金(Au)または白金(Pt)のような導電性金属で形成されてもよい。
半導体光変調器1fは、第1マッハツェンダ光変調器部分61fと、第2マッハツェンダ光変調器部分62fとを含む。第1マッハツェンダ光変調器部分61fは、主に、第1マッハツェンダ型光導波路と、第1進行波電極16aと、第2進行波電極16bと、第1接地電極17aと、第2接地電極17bとを含む。第2マッハツェンダ光変調器部分62fは、主に、第2マッハツェンダ型光導波路と、第3進行波電極18aと、第4進行波電極18bと、第2接地電極17bと、第3接地電極17cとを含む。第2接地電極17bは、第3進行波電極18a及び第4進行波電極18bを、第1進行波電極16a及び第2進行波電極16bから電気的に分離する。そのため、第1マッハツェンダ光変調器部分61fと第2マッハツェンダ光変調器部分62fとの間のクロストークが低減される。また、半導体光変調器1fでは、第2接地電極17bは、第1マッハツェンダ光変調器部分61fと第2マッハツェンダ光変調器部分62fとによって共有されている。そのため、半導体光変調器1fは小型化され得る。
第2接地電極17b、第3進行波電極18a、第4進行波電極18b及び第3接地電極17cは、第2線路を構成している。第2線路は、GSSG(Ground, Signal, Signal, Ground)型の差動線路(コプレーナ線路)である。GSSG型の差動線路は、半導体光変調器1fを小型化することを可能にする。GSSG型の差動線路は、第3進行波電極18aと第4進行波電極18bとが互いに隣り合うため、ノイズ耐性を向上させることができる。
第3進行波電極18aの一方端と第4進行波電極18bの一方端とは、信号源30に電気的に接続されている。信号源30は、差動信号を出力する。差動信号は、特に限定されないが、20Gbit/s以上の高い周波数を有してもよい。第3光導波路53aには、第4光導波路53bとは逆位相の電圧が印加される(プッシュプル構成)。信号源30と第3進行波電極18aの一方端との間、並びに、信号源30と第4進行波電極18bの一方端との間に、電気アンプ33が配置されてもよい。電気アンプ33は、信号源30から出力される差動信号を増幅して、第3進行波電極18aの一方端と第4進行波電極18bの一方端とに出力する。
第1進行波電極16a、第2進行波電極16b、第3進行波電極18a及び第4進行波電極18bの出力側(図31の右側)には、終端部7bが接続されている。終端部7bは、第1終端抵抗35bと第2終端抵抗36bとを含む。第1進行波電極16aの他方端と第2進行波電極16bの他方端とは、第1終端抵抗35bに接続されてもよい。第1終端抵抗35bは、100Ωの抵抗を有してもよい。第3進行波電極18aの他方端と第4進行波電極18bの他方端とは、第2終端抵抗36bに接続されてもよい。第2終端抵抗36bは、100Ωの抵抗を有してもよい。第1接地電極17aの一方端と第2接地電極17bの一方端と第3接地電極17cの一方端とは、接地電位に接続されている。第1接地電極17aの他方端と第2接地電極17bの他方端と第3接地電極17cの他方端とは、接地電位に接続されている。
半導体光変調器1fは、単位構造10fを含む。半導体光変調器1fは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿って周期構造を有するとともに、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿って周期構造を有する。
単位構造10fは、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿って配列されている。図32に示されるように、単位構造10fは、変調領域19aと、非変調領域19bとを含む。非変調領域19bにおける第1接地電極17aの第1の幅W1は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2と異なっている。特定的には、非変調領域19bにおける第1接地電極17aの第1の幅W1は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2よりも大きい。非変調領域19bにおける第2接地電極17bの第3の幅W3は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4と異なっている。特定的には、非変調領域19bにおける第2接地電極17bの第3の幅W3は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きい。非変調領域19bにおける第3接地電極17cの第5の幅W5は、変調領域19aにおける第3接地電極17cの第6の幅W6と異なっている。特定的には、非変調領域19bにおける第3接地電極17cの第5の幅W5は、変調領域19aにおける第3接地電極17cの第6の幅W6よりも大きい。
特定的には、第3進行波電極18aは、変調領域19aと非変調領域19bとにおいて、一定幅を有してもよい。さらに特定的には、第3進行波電極18aは、変調領域19aと非変調領域19bと遷移領域19cとにおいて、一定幅を有してもよい。第4進行波電極18bは、変調領域19aと非変調領域19bとにおいて、一定幅を有してもよい。さらに特定的には、第4進行波電極18bは、変調領域19aと非変調領域19bと遷移領域19cとにおいて、一定幅を有してもよい。
非変調領域19bにおいて、第2接地電極17bは、第3突出部17rを含んでもよい。第3突出部17rは、第3進行波電極18aに面する第2接地電極17bの第4側面に形成されており、第3進行波電極18aに向けて突出してもよい。非変調領域19bにおいて、第3接地電極17cは、第4突出部17sを含んでもよい。第4突出部17sは、第4進行波電極18bに面する第3接地電極17cの第5側面に形成されており、第4進行波電極18bに向けて突出してもよい。第2接地電極17bと第3進行波電極18aとの間の第3の間隔は、非変調領域19bにおいて最も狭くてもよく、かつ、変調領域19aにおいて最も広くてもよい。第3接地電極17cと第4進行波電極18bとの間の第4の間隔は、非変調領域19bにおいて最も狭くてもよく、かつ、変調領域19aにおいて最も広くてもよい。第1進行波電極16aと第2進行波電極16bとの間の間隔は、変調領域19aと非変調領域19bと遷移領域19cとにおいて、一定であってもよい。第3進行波電極18aと第4進行波電極18bとの間の間隔は、変調領域19aと非変調領域19bと遷移領域19cとにおいて、一定であってもよい。
単位構造10fにおける、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う変調領域19aの第3長さは、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う単位構造10fの第2全長の0.50倍以上0.95倍以下であってもよい。単位構造10fにおける、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う非変調領域19bの第4長さは、単位構造10fの第2全長の0.04倍以上0.48倍以下であってもよい。本実施の形態の半導体光変調器1fでは、非変調領域19bの第4長さは、単位構造10fにおける、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う非変調領域19bの2つの部分の長さの合計として定義される。単位構造10fの第2全長は、例えば、100μm以上500μm以下であってもよい。
単位構造10fの第2全長は、単位構造10fの第1全長に等しくてもよいし、単位構造10fの第1全長と異なってもよい。変調領域19aの第3長さは、変調領域19aの第1長さに等しくてもよいし、変調領域19aの第1長さと異なってもよい。非変調領域19bの第4長さは、非変調領域19bの第2長さに等しくてもよいし、非変調領域19bの第2長さと異なってもよい。
単位構造10fは、変調領域19aと非変調領域19bとの間に配置されている遷移領域19cを含んでもよい。遷移領域19cにおいて、第2接地電極17bと第3進行波電極18aとの間の第3の間隔は、変調領域19aから非変調領域19bに向かうにつれて徐々に小さくなる。遷移領域19cにおいて、第3接地電極17cと第4進行波電極18bとの間の第4の間隔は、変調領域19aから非変調領域19bに向かうにつれて徐々に小さくなる。
図33から図35に示されるように、第2マッハツェンダ型光導波路は、第1マッハツェンダ型光導波路と同様の断面構造を有している。具体的には、第1半導体層20は、変調領域19aと非変調領域19bとに延在している。第1半導体層20は、遷移領域19cにさらに延在してもよい。第3光導波路53a及び第4光導波路53bは、第1半導体層20上に設けられてもよい。第3光導波路53a及び第4光導波路53bは、変調領域19aと非変調領域19bとに延在している。第3光導波路53a及び第4光導波路53bは、遷移領域19cにさらに延在してもよい。第2半導体層25aは、第3光導波路53a上に設けられてもよい。第2半導体層25bは、第4光導波路53b上に設けられてもよい。第2半導体層25a,25bは、変調領域19aに延在している。
第3光導波路53aは、コア層であってもよく、第3光導波路53aを挟む第1半導体層20及び第2半導体層25aは、クラッド層であってもよい。第4光導波路53bは、コア層であってもよく、第4光導波路53bを挟む第1半導体層20及び第2半導体層25bは、クラッド層であってもよい。第1半導体層20、第3光導波路53a及び第2半導体層25aは、pin接合構造を有してもよい。第1半導体層20、第4光導波路53b及び第2半導体層25bは、pin接合構造を有してもよい。第1半導体層20、第3光導波路53a及び第2半導体層25aは、ハイメサ光導波路構造を有してもよい。第1半導体層20、第4光導波路53b及び第2半導体層25bは、ハイメサ光導波路構造を有してもよい。
コンタクト層26aは、第2半導体層25a上に設けられてもよい。コンタクト層26bは、第2半導体層25b上に設けられてもよい。コンタクト層26a,26bは、変調領域19aに延在している。コンタクト層26aは、第3進行波電極18aにオーミック接触している。コンタクト層26bは、第4進行波電極18bにオーミック接触している。
図34に示されるように、第2半導体層25a,25b及びコンタクト層26a,26bは、非変調領域19bには延在していない。第2絶縁層27aは、第3光導波路53a上に設けられてもよい。第2絶縁層27bは、第4光導波路53b上に設けられてもよい。第2絶縁層27a,27bは、非変調領域19bに延在している。第2絶縁層27aは、非変調領域19bにおいて、第3光導波路53aと第3進行波電極18aとの間に配置されている。第2絶縁層27bは、非変調領域19bにおいて、第4光導波路53bと第4進行波電極18bとの間に配置されている。第3光導波路53aは、コア層であってもよく、第3光導波路53aを挟む第1半導体層20及び第2絶縁層27aは、クラッド層であってもよい。第4光導波路53bは、コア層であってもよく、第4光導波路53bを挟む第1半導体層20及び第2絶縁層27bは、クラッド層であってもよい。第1半導体層20、第3光導波路53a及び第2絶縁層27aは、ハイメサ光導波路構造を有してもよい。第1半導体層20、第4光導波路53b及び第2絶縁層27bは、ハイメサ光導波路構造を有してもよい。
第1絶縁層28aは、非変調領域19bにおいて、第3光導波路53aと第3進行波電極18aとの間に配置されている。第1絶縁層28bは、非変調領域19bにおいて、第4光導波路53bと第4進行波電極18bとの間に配置されている。第1絶縁層28aは、第2絶縁層27a上に設けられてもよい。第1絶縁層28bは、第2絶縁層27b上に設けられてもよい。第1絶縁層28aは、第3進行波電極18aに接触してもよい。第1絶縁層28bは、第4進行波電極18bとに接触してもよい。第1絶縁層28a,28bは、非変調領域19bに延在している。第1絶縁層28a,28bは、二酸化珪素、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリイミドまたはエポキシのような低誘電率材料で形成されてもよい。第3進行波電極18a及び第4進行波電極18bにマイクロ波が伝搬しても、第1絶縁層28a,28bのため、第3光導波路53aを進む第3部分光と、第4光導波路53bを進む第4部分光とは、非変調領域19bにおいて、ほとんど位相変調されない。
図35に示されるように、第2半導体層25a,25b及びコンタクト層26a,26bは、遷移領域19cに延在していなくてもよい。遷移領域19cは、非変調領域19bと同様の断面構造を有してもよい。具体的には、第2絶縁層27aは、第3光導波路53a上に設けられてもよい。第2絶縁層27bは、第4光導波路53b上に設けられてもよい。
第1絶縁層28a,28b及び第2絶縁層27a,27bは、遷移領域19cに延在している。第1絶縁層28a及び第2絶縁層27aは、遷移領域19cにおいて、第3光導波路53aと第3進行波電極18aとの間に配置されている。第1絶縁層28b及び第2絶縁層27bは、遷移領域19cにおいて、第4光導波路53bと第4進行波電極18bとの間に配置されている。第1絶縁層28aは、第3進行波電極18aに接触してもよい。第1絶縁層28bは、第4進行波電極18bとに接触してもよい。第3進行波電極18a及び第4進行波電極18bにマイクロ波が伝搬しても、第1絶縁層28a,28bのため、第3光導波路53aを進む第3部分光と、第4光導波路53bを進む第4部分光とは、遷移領域19cにおいて、ほとんど位相変調されない。
図33に示されるように、埋め込み層29は、変調領域19aにおいて、第1半導体層20、第3光導波路53a及び第2半導体層25aを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。埋め込み層29は、変調領域19aにおいて、第1半導体層20、第4光導波路53b及び第2半導体層25bを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。図34に示されるように、埋め込み層29は、非変調領域19bにおいて、第1半導体層20、第3光導波路53a及び第2絶縁層27aを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。埋め込み層29は、非変調領域19bにおいて、第1半導体層20、第4光導波路53b及び第2絶縁層27bを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。図35に示されるように、埋め込み層29は、遷移領域19cにおいて、第1半導体層20、第3光導波路53a及び第2絶縁層27aを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。埋め込み層29は、遷移領域19cにおいて、第1半導体層20、第4光導波路53b及び第2絶縁層27bを含むハイメサ光導波路構造を埋め込んでもよい。
半導体光変調器1fの動作を説明する。
レーザ光源40から光入力部66に光41が入力される。光41は、光分岐部67と第1光分岐部12と第2光分岐部52とにより、第1光導波路13aを伝搬する第1部分光と、第2光導波路13bを伝搬する第2部分光と、第3光導波路53aを伝搬する第3部分光と、第4光導波路53bを伝搬する第4部分光とに分岐される。
第1進行波電極16aを伝搬する第1マイクロ波は、変調領域19aにおける第1光導波路13aの屈折率を変化させる。第1光導波路13aを伝搬する第1部分光は、第1進行波電極16aを伝搬する第1マイクロ波によって変調される。第2進行波電極16bを伝搬する第2マイクロ波は、変調領域19aにおける第2光導波路13bの屈折率を変化させる。第2光導波路13bを伝搬する第2部分光は、第2進行波電極16bを伝搬する第2マイクロ波によって変調される。
第3進行波電極18aを伝搬する第3マイクロ波は、変調領域19aにおける第3光導波路53aの屈折率を変化させる。第3光導波路53aを伝搬する第3部分光は、第3進行波電極18aを伝搬する第3マイクロ波によって変調される。第4進行波電極18bを伝搬する第4マイクロ波は、変調領域19aにおける第4光導波路53bの屈折率を変化させる。第4光導波路53bを伝搬する第4部分光は、第4進行波電極18bを伝搬する第4マイクロ波によって変調される。
変調された第1部分光と変調された第2部分光と変調された第3部分光と変調された第4部分光とは、第1光合波部14と第2光合波部54と光合波部68とにより合波されて、変調光42となる。変調光42は光出力部69から出力される。
半導体光変調器1fを広帯域化するためには、マイクロ波信号の反射をできるだけ低減し、かつ、マイクロ波信号と光との間の位相速度を整合させる必要がある。半導体光変調器1fを差動駆動する場合には、半導体光変調器1fの第1線路のインピーダンスZ1及び第2線路のインピーダンスZ2をそれぞれ100Ωに近づけるとともに、マイクロ波屈折率nmを3.6に近づける必要がある。
実施の形態5に記載した理由と同様の理由により、非変調領域19bのキャパシタンスは減少して、半導体光変調器1fのキャパシタンスCも減少する。非変調領域19bにおける第2線路の第4インピーダンスは増加して、変調領域19aにおける第2線路の第3インピーダンスよりも大きくなり、第2線路のインピーダンスZ2は増加する。こうして、半導体光変調器1fの第2線路のインピーダンスZ2を100Ωに近づけることができる。さらに、非変調領域19bにおけるマイクロ波屈折率nmは減少して、変調領域19aにおけるマイクロ波屈折率nmよりも小さくなり、半導体光変調器1fのマイクロ波屈折率nmは減少する。こうして、半導体光変調器1fのマイクロ波屈折率nmを3.6に近づけることができる。
半導体光変調器1fでは、変調領域19aにおける第2線路の第3インピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、100Ωより小さくてもよい。非変調領域19bにおける第2線路の第4インピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、100Ωより大きくてもよく、110Ωより大きくてもよく、115Ωより大きくてもよい。変調領域19aにおけるマイクロ波屈折率は、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、3.6より大きくてもよい。非変調領域19bにおける第1線路の第2インピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、3.6より小さくてもよく、3.2より小さくてもよく、2.8より小さくてもよい。
非変調領域19bにおける第2接地電極17bの第3の幅W3、非変調領域19bにおける第3接地電極17cの第5の幅W5及び単位構造10fの第2全長に対する非変調領域19bの第4長さの割合の少なくとも1つを変化させることによって、半導体光変調器1fの第2線路のインピーダンスZ2と半導体光変調器1fのマイクロ波屈折率nmとは調整され得る。
半導体光変調器1fは、遷移領域19cを含んでもよい。第1絶縁層28a,28bは、遷移領域19cにおいて、第3光導波路53aと第3進行波電極18aとの間と、第4光導波路53bと第4進行波電極18bとの間とに配置されている。また、半導体光変調器1fでは、遷移領域19cにおける第2接地電極17bの幅は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きい。遷移領域19cにおける第3接地電極17cの幅は、変調領域19aにおける第3接地電極17cの第6の幅W6よりも大きい。そのため、遷移領域19cにおいても、非変調領域19bと同様に、キャパシタンス及びマイクロ波屈折率nmは減少する。こうして、半導体光変調器1fの第2線路のインピーダンスZ2を100Ωに近づけることができ、半導体光変調器1fのマイクロ波屈折率nmを3.6に近づけることができる。
遷移領域19cにおける第2線路のインピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、100Ωより大きくてもよく、110Ωより大きくてもよく、115Ωより大きくてもよい。変調領域19aにおけるマイクロ波屈折率は、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、3.6より大きくてもよい。遷移領域19cにおける第1線路の第2インピーダンスは、20Gbit/s以上のマイクロ波の周波数において、3.6より小さくてもよく、3.2より小さくてもよく、2.8より小さくてもよい。
遷移領域19cにおける第2接地電極17bの幅、遷移領域19cにおける第3接地電極17cの幅及び単位構造10fの第2全長に対する遷移領域19cの長さの割合の少なくとも1つを変化させることによって、半導体光変調器1fの第2線路のインピーダンスZ2と半導体光変調器1fのマイクロ波屈折率nmとは調整され得る。
本実施の形態の半導体光変調器1fの効果を説明する。本実施の形態の半導体光変調器1fは、実施の形態5の半導体光変調器1eの効果と同様の以下の効果を奏する。
半導体光変調器1fは、半導体光変調器1eの構成に加えて、第2マッハツェンダ型光導波路と、第3進行波電極18aと、第4進行波電極18bと、第3接地電極17cと、光入力部66と、光入力部66に接続されている光分岐部67と、光合波部68と、光合波部68に接続されている光出力部69とをさらに備える。第2マッハツェンダ型光導波路は、第2光入力部51と、第2光入力部51に接続されている第2光分岐部52と、第2光分岐部52に接続されている第3光導波路53aと、第2光分岐部52に接続されている第4光導波路53bと、第3光導波路53aと第4光導波路53bとに接続されている第2光合波部54と、第2光合波部54に接続されている第2光出力部55とを含む。
第3進行波電極18aは、第3光導波路53aの上方に配置されている。第4進行波電極18bは、第4光導波路53bの上方に配置されている。第2接地電極17bは、第3進行波電極18aに対して第4進行波電極18bとは反対側に、第3進行波電極18aから間隔を空けて配置されている。第3接地電極17cは、第4進行波電極18bに対して第3進行波電極18aとは反対側に、第4進行波電極18bから間隔を空けて配置されている。光分岐部67は、第1光入力部11と第2光入力部51とに接続されている。光合波部68は、第1光出力部15と第2光出力部55とに接続されている。単位構造10fは、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿って配列されている。非変調領域19bにおける第3接地電極17cの第5の幅W5は、変調領域19aにおける第3接地電極17cの第6の幅W6よりも大きい。第1絶縁層28a,28bは、非変調領域19bにおいて、第3光導波路53aと第3進行波電極18aとの間と第4光導波路53bと第4進行波電極18bとの間とに配置されている。
半導体光変調器1fでは、非変調領域19bのキャパシタンスが低減されて、半導体光変調器1fのキャパシタンスCが低減される。そのため、半導体光変調器1fの第1線路のインピーダンスZ1及び第2線路のインピーダンスZ2は増加し得る。また、半導体光変調器1fのマイクロ波屈折率nmが低減され得る。広帯域化された半導体光変調器1fが提供され得る。
半導体光変調器1fでは、第3進行波電極18aは、変調領域19aと非変調領域19bと変調領域19aとにおいて、一定幅を有する。第4進行波電極18bは、変調領域19aと非変調領域19bと変調領域19aとにおいて、一定幅を有する。第3進行波電極18a及び第4進行波電極18bは、各々、単純な形状を有する。そのため、第3進行波電極18a及び第4進行波電極18bにおけるマイクロ波の伝搬特性が劣化することが防止され得る。広帯域化された半導体光変調器1fが提供され得る。さらに、半導体光変調器1fのサイズが増加することと、半導体光変調器1fの製造コストが増加することとが防止され得る。
半導体光変調器1fでは、単位構造10fは、変調領域19aと非変調領域19bとの間に配置されている遷移領域19cを含んでもよい。遷移領域19cにおいて、第1接地電極17aと第1進行波電極16aとの間の第1の間隔は徐々に変化している。遷移領域19cにおいて、第2接地電極17bと第2進行波電極16bとの間の第2の間隔は徐々に変化している。遷移領域19cにおいて、第2接地電極17bと第3進行波電極18aとの間の第3の間隔は徐々に変化している。遷移領域19cにおいて、第3接地電極17cと第4進行波電極18bとの間の第4の間隔は徐々に変化している。遷移領域19cは、変調領域19aと非変調領域19bとの間で、第1進行波電極16a、第2進行波電極16b、第3進行波電極18a及び第4進行波電極18bを伝搬するマイクロ波が反射することを低減し得る。広帯域化された半導体光変調器1fが提供され得る。
遷移領域19cにおける第1接地電極17aの幅は、変調領域19aにおける第1接地電極17aの第2の幅W2よりも大きくてもよい。遷移領域19cにおける第2接地電極17bの幅は、変調領域19aにおける第2接地電極17bの第4の幅W4よりも大きくてもよい。遷移領域19cにおける第3接地電極17cの幅は、変調領域19aにおける第3接地電極17cの第6の幅W6よりも大きくてもよい。第1絶縁層24a,24b,28a,28bは、遷移領域19cにおいて、第1光導波路13aと第1進行波電極16aとの間と、第2光導波路13bと第2進行波電極16bとの間と、第3光導波路53aと第3進行波電極18aとの間と第4光導波路53bと第4進行波電極18bとに配置されてもよい。そのため、半導体光変調器1fのキャパシタンスCがさらに低減される。広帯域化された半導体光変調器1fが提供され得る。
半導体光変調器1fでは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う変調領域19aの第1長さは、第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う単位構造10fの第1全長の0.50倍以上0.95倍以下であってもよい。第1光導波路13a及び第2光導波路13bに沿う非変調領域19bの第2長さは、単位構造10fの第1全長の0.04倍以上0.48倍以下であってもよい。第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う変調領域19aの第3長さは、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う単位構造10fの第2全長の0.50倍以上0.95倍以下であってもよい。第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿う非変調領域19bの第4長さは、単位構造10fの第2全長の0.04倍以上0.48倍以下であってもよい。単位構造10fに占める変調領域19aの割合を単位構造10fに占める非変調領域19bの割合よりも大きくすることによって、半導体光変調器1fのサイズの増加を抑制しつつ、半導体光変調器1fを広帯域化することができる。
実施の形態7.
図36から図38を参照して、実施の形態7の半導体光変調器1gを説明する。本実施の形態の半導体光変調器1gは、実施の形態5の半導体光変調器1eと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図37に示されるように、半導体光変調器1gの非変調領域19bでは、実施の形態5の第2絶縁層27a,27bに代えて、実施の形態5の第2半導体層21a,21bが設けられている。図38に示されるように、半導体光変調器1gの遷移領域19cでは、実施の形態5の第2絶縁層27a,27bに代えて、実施の形態5の第2半導体層21a,21bが設けられている。
本実施の形態の半導体光変調器1gの効果を説明する。本実施の形態の半導体光変調器1gは、実施の形態5の半導体光変調器1eの効果に加えて、以下の効果を奏する。
半導体光変調器1gでは、変調領域19aと非変調領域19bとは、同じハイメサ光導波路構造を有している。そのため、半導体光変調器1gは容易に製造され得る構造を有しており、半導体光変調器1gの製造誤差が低減され得る。また、変調領域19aと非変調領域19bと遷移領域19cとは、同じハイメサ光導波路構造を有してもよい。そのため、半導体光変調器1gは容易に製造され得る構造を有しており、半導体光変調器1gの製造誤差が低減され得る。
実施の形態8.
図39を参照して、実施の形態8の半導体光変調器1hを説明する。本実施の形態の半導体光変調器1hは、実施の形態5の半導体光変調器1eと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
半導体光変調器1hにおいて、終端部7dの差動インピーダンスは100Ω未満である。終端部7dの差動インピーダンスは、25Ω以上であってもよく、50Ω以上であってもよい。非変調領域19bのインピーダンスは、変調領域19aの第1インピーダンスよりも大きい。遷移領域19cのインピーダンスは、変調領域19aのインピーダンスよりも大きく、かつ、非変調領域19bのインピーダンスよりも小さい。例えば、終端部7dの差動インピーダンスが70Ωのインピーダンスを有しており、第1終端抵抗35d及び第2終端抵抗36dは、各々、35Ωのインピーダンスを有している。変調領域19aは70Ω未満のインピーダンスを有し、非変調領域19bは70Ω超のインピーダンスを有している。こうして、半導体光変調器1h全体のインピーダンスを70Ωに近づけることができる。
終端部7dの差動インピーダンスを100Ω未満に設定することを可能にする電気アンプ33dとして、例えば、MACOM社のMAOM−06408またはMAOM−06412が利用可能である。
本実施の形態の半導体光変調器1hの効果を説明する。本実施の形態の半導体光変調器1hは、実施の形態5の半導体光変調器1eの効果に加えて、以下の効果を奏する。
本実施の形態の半導体光変調器1hでは、終端部7dの差動インピーダンスは100Ω未満である。そのため、終端部の差動インピーダンスが100Ωである半導体光変調器に比べて、半導体光変調器1hのキャパシタンスCをさほど減少させなくても、半導体光変調器1hと終端部7dとの間のインピーダンス整合を容易に実現することができる。こうして、半導体光変調器1hは容易に広帯域化され得る。また、半導体光変調器1hが小型化され得る。
今回開示された実施の形態1から実施の形態8及びそれらの変形例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。例えば、実施の形態1から実施の形態8では、InP系の半導体光変調器を説明したが、GaAs系の半導体光変調器のような他の半導体材料系の半導体光変調器であってもよい。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態1から実施の形態8及びそれらの変形例の少なくとも2つを組み合わせてもよい。本発明の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
1,1b,1c,1d 光変調器、1e,1f,1g,1h 半導体光変調器、5 光導波路、7,7b,7d 終端部、10,10b,10e,10f 単位構造、11 第1光入力部、12 第1光分岐部、13a 第1光導波路、13b 第2光導波路、14 第1光合波部、15 第1光出力部、16a 第1進行波電極、16b 第2進行波電極、17a 第1接地電極、17b 第2接地電極、17c 第3接地電極、17p 第1突出部、17q 第2突出部、17r 第3突出部、17s 第4突出部、18a 第3進行波電極、18b 第4進行波電極、19a 変調領域、19b 非変調領域、19c 遷移領域、20 第1半導体層、21a,21b,25a,25b 第2半導体層、22a,22b,26a,26b コンタクト層、23a,23b,27a,27b 第2絶縁層、24a,24b,28a,28b 第1絶縁層、29 埋め込み層、30,30b 信号源、33,33b,33d 電気アンプ、35,35b,35d 第1終端抵抗、36,36b,36d 第2終端抵抗、40 レーザ光源、41 光、42 変調光、51 第2光入力部、52 第2光分岐部、53a 第3光導波路、53b 第4光導波路、54 第2光合波部、55 第2光出力部、61,61f 第1マッハツェンダ光変調器部分、62,62f 第2マッハツェンダ光変調器部分、66 光入力部、67 光分岐部、68 光合波部、69 光出力部、112,113,223 グランド電極、114 第1電極、116 第2電極、120 低誘電率材料層、130 n層、224 第3電極、226 第4電極、A 変調部、B 遷移部、C 非変調部。
単位構造10bは、第3光導波路53a及び第4光導波路53bに沿って配列されている。図10に示されるように、単位構造10bは、変調部Aと、非変調部Cと、変調部Aと非変調部Cとの間に形成された遷移部Bとを含む。遷移部Bは、変調部Aと非変調部Cとの間で、電気信号の反射ができる限り小さくなるように構成される。
n層130より上側かつ第3電極224および第4電極226より下側の部分であって、光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)、p層(第2半導体層25a,25b)およびコンタクト層26a,26bが形成されていない部分には、低誘電率材料層120が充填されている。低誘電率材料層120は、埋め込み層である。低誘電率材料層120の上には、第3電極224および第4電極226からそれぞれ間隔を空けて、グランド電極11223が形成されている。
図12に示されるように、遷移部Bは、変調部Aと同様に、n層130と、その上の光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)と、これらの周りを充填する低誘電率材料層120とを有する。しかし、遷移部Bでは、変調部Aと異なり、光導波層(第3光導波路53a、第4光導波路53b)の上には、絶縁層(第2絶縁層27a,27b)が形成されている。絶縁層(第2絶縁層27a,27b)は、例えばi−InPまたはFe−InPなどから成るが、これに限定されず、全ての誘電体材料を含む。絶縁層(第2絶縁層27a,27b)の上には、誘電体、典型的にはSiO2などの絶縁体から成る表面層(第1絶縁層28a,28b)が形成される。表面層(第1絶縁層28a,28b)の上には、第3電極224および第4電極226が、互いに間隔を空けて形成されている。低誘電率材料層120の上には、第3電極224および第4電極226からそれぞれ間隔を空けて、グランド電極11223が形成されている。
実施の形態2では、実施の形態1と同様に、変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cの各電極の幅および各電極間の距離を調整し、更に1つの単位構造10内における変調部A、遷移部Bおよび非変調部Cの比率と、1つの単位構造10の長手方向の長さを調整することにより、キャパシタンスとインダクタンスを細かく調整することができる。したがって、第1マッハツェンダ光変調器部分61のインピーダンスと第2マッハツェンダ光変調器部分62のインピーダンスとを100オームに近づけることと、第1マッハツェンダ光変調器部分61のマイクロ波屈折率と第2マッハツェンダ光変調器部分62のマイクロ波屈折率とを3.6に近づけることとを達成でき、広帯域化を達成することができる。

Claims (13)

  1. 第1マッハツェンダ型光導波路と、
    第1進行波電極と、
    第2進行波電極と、
    第1接地電極と、
    第2接地電極と、
    第1絶縁層とを備える半導体光変調器において、
    前記第1マッハツェンダ型光導波路は、第1光入力部と、前記第1光入力部に接続されている第1光分岐部と、前記第1光分岐部に接続されている第1光導波路と、前記第1光分岐部に接続されている第2光導波路と、前記第1光導波路と前記第2光導波路とに接続されている第1光合波部と、前記第1光合波部に接続されている第1光出力部とを含み、
    前記第1進行波電極は前記第1光導波路の上方に配置されており、
    前記第2進行波電極は前記第2光導波路の上方に配置されており、
    前記第1接地電極は、前記第1進行波電極に対して前記第2進行波電極とは反対側に、前記第1進行波電極から間隔を空けて配置されており、
    前記第2接地電極は、前記第2進行波電極に対して前記第1進行波電極とは反対側に、前記第2進行波電極から間隔を空けて配置されており、
    前記半導体光変調器は、前記第1光導波路及び前記第2光導波路に沿って配列される単位構造を含み、
    前記単位構造は、変調領域と、非変調領域とを含み、
    前記非変調領域における前記第1接地電極の第1の幅は、前記変調領域における前記第1接地電極の第2の幅と異なっており、
    前記非変調領域における前記第2接地電極の第3の幅は、前記変調領域における前記第2接地電極の第4の幅と異なっており、
    前記第1絶縁層は、前記非変調領域において、前記第1光導波路と前記第1進行波電極との間と前記第2光導波路と前記第2進行波電極との間とに配置されている、半導体光変調器。
  2. 前記非変調領域における前記第1接地電極の前記第1の幅は、前記変調領域における前記第1接地電極の前記第2の幅よりも小さく、
    前記非変調領域における前記第2接地電極の前記第3の幅は、前記変調領域における前記第2接地電極の前記第4の幅よりも小さい、請求項1に記載の半導体光変調器。
  3. 前記第1進行波電極及び前記第2進行波電極に接続されている終端部をさらに備え、
    前記終端部の差動インピーダンスは100Ω未満である、請求項2に記載の半導体光変調器。
  4. 前記単位構造は、前記変調領域と前記非変調領域との間に配置されている遷移領域を含み、
    前記遷移領域において、前記第1進行波電極と前記第2進行波電極との間の第1の間隔は徐々に変化し、
    前記遷移領域において、前記第1接地電極の幅と前記第2接地電極の幅とは徐々に変化する、請求項2または請求項3に記載の半導体光変調器。
  5. 第2マッハツェンダ型光導波路と、
    第3進行波電極と、
    第4進行波電極と、
    第3接地電極と、
    光入力部と、前記光入力部に接続されている光分岐部と、
    光合波部と、
    前記光合波部に接続されている光出力部とをさらに備え、
    前記第2マッハツェンダ型光導波路は、第2光入力部と、前記第2光入力部に接続されている第2光分岐部と、前記第2光分岐部に接続されている第3光導波路と、前記第2光分岐部に接続されている第4光導波路と、前記第3光導波路と前記第4光導波路とに接続されている第2光合波部と、前記第2光合波部に接続されている第2光出力部とを含み、
    前記第3進行波電極は前記第3光導波路の上方に配置されており、
    前記第4進行波電極は前記第4光導波路の上方に配置されており、
    前記第2接地電極は、前記第3進行波電極に対して前記第4進行波電極とは反対側に、前記第3進行波電極から間隔を空けて配置されており、
    前記第3接地電極は、前記第4進行波電極に対して前記第3進行波電極とは反対側に、前記第4進行波電極から間隔を空けて配置されており、
    前記光分岐部は、前記第1光入力部と前記第2光入力部とに接続されており、
    前記光合波部は、前記第1光出力部と前記第2光出力部とに接続されており、
    前記単位構造は、前記第3光導波路及び前記第4光導波路に沿って配列されており、
    前記非変調領域における前記第3接地電極の第5の幅は、前記変調領域における前記第3接地電極の第6の幅よりも小さく、
    前記第1絶縁層は、前記非変調領域において、前記第3光導波路と前記第3進行波電極との間と前記第4光導波路と前記第4進行波電極との間とに配置されている、請求項2または請求項3に記載の半導体光変調器。
  6. 前記単位構造は、前記変調領域と前記非変調領域との間に配置されている遷移領域を含み、
    前記遷移領域において、前記第1進行波電極と前記第2進行波電極との間の第1の間隔は徐々に変化し、
    前記遷移領域において、前記第1接地電極の幅と前記第2接地電極の幅とは徐々に変化し、
    前記遷移領域において、前記第3進行波電極と前記第4進行波電極との間の第2の間隔は徐々に変化し、
    前記遷移領域において、前記第2接地電極の幅と前記第3接地電極の幅とは徐々に変化する、請求項5に記載の半導体光変調器。
  7. 前記非変調領域における前記第1接地電極の前記第1の幅は、前記変調領域における前記第1接地電極の前記第2の幅よりも大きく、
    前記非変調領域における前記第2接地電極の前記第3の幅は、前記変調領域における前記第2接地電極の前記第4の幅よりも大きい、請求項1に記載の半導体光変調器。
  8. 前記第1進行波電極は、前記変調領域と前記非変調領域と前記変調領域とにおいて、一定幅を有し、
    前記第2進行波電極は、前記変調領域と前記非変調領域と前記変調領域とにおいて、一定幅を有する、請求項7に記載の半導体光変調器。
  9. 前記第1進行波電極及び前記第2進行波電極に接続されている終端部をさらに備え、
    前記終端部の差動インピーダンスは100Ω未満である、請求項7または請求項8に記載の半導体光変調器。
  10. 前記単位構造は、前記変調領域と前記非変調領域との間に配置されている遷移領域を含み、
    前記遷移領域において、前記第1接地電極と前記第1進行波電極との間の第1の間隔は徐々に変化し、
    前記遷移領域において、前記第2接地電極と前記第2進行波電極との間の第2の間隔は徐々に変化する、請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の半導体光変調器。
  11. 第2マッハツェンダ型光導波路と、
    第3進行波電極と、
    第4進行波電極と、
    第3接地電極と、
    光入力部と、前記光入力部に接続されている光分岐部と、
    光合波部と、
    前記光合波部に接続されている光出力部とをさらに備え、
    前記第2マッハツェンダ型光導波路は、第2光入力部と、前記第2光入力部に接続されている第2光分岐部と、前記第2光分岐部に接続されている第3光導波路と、前記第2光分岐部に接続されている第4光導波路と、前記第3光導波路と前記第4光導波路とに接続されている第2光合波部と、前記第2光合波部に接続されている第2光出力部とを含み、
    前記第3進行波電極は前記第3光導波路の上方に配置されており、
    前記第4進行波電極は前記第4光導波路の上方に配置されており、
    前記第2接地電極は、前記第3進行波電極に対して前記第4進行波電極とは反対側に、前記第3進行波電極から間隔を空けて配置されており、
    前記第3接地電極は、前記第4進行波電極に対して前記第3進行波電極とは反対側に、前記第4進行波電極から間隔を空けて配置されており、
    前記光分岐部は、前記第1光入力部と前記第2光入力部とに接続されており、
    前記光合波部は、前記第1光出力部と前記第2光出力部とに接続されており、
    前記単位構造は、前記第3光導波路及び前記第4光導波路に沿って配列されており、
    前記非変調領域における前記第3接地電極の第5の幅は、前記変調領域における前記第3接地電極の第6の幅よりも大きく、
    前記第1絶縁層は、前記非変調領域において、前記第3光導波路と前記第3進行波電極との間と前記第4光導波路と前記第4進行波電極との間とに配置されている、請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の半導体光変調器。
  12. 前記第3進行波電極は、前記変調領域と前記非変調領域と前記変調領域とにおいて、一定幅を有し、
    前記第4進行波電極は、前記変調領域と前記非変調領域と前記変調領域とにおいて、一定幅を有する、請求項11に記載の半導体光変調器。
  13. 前記単位構造は、前記変調領域と前記非変調領域との間に配置されている遷移領域を含み、
    前記遷移領域において、前記第1接地電極と前記第1進行波電極との間の第1の間隔は徐々に変化し、
    前記遷移領域において、前記第2接地電極と前記第2進行波電極との間の第2の間隔は徐々に変化し、
    前記遷移領域において、前記第2接地電極と前記第3進行波電極との間の第3の間隔は徐々に変化し、
    前記遷移領域において、前記第3接地電極と前記第4進行波電極との間の第4の間隔は徐々に変化する、請求項11または請求項12に記載の半導体光変調器。
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