JP2012163876A - 半導体光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】長さ方向における短尺化を図ることができる半導体光変調器を提供する。
【解決手段】２つのカップラー１１，１７とそれらを結ぶ２つのアーム導波路を備え、同一のアーム導波路上に高周波を印加して変調を行う変調電極１３ａ，１３ｂと直流電圧を印加して動作点を調整する位相調整電極１６ａ，１６ｂとを備える半導体からなるマッハツェンダー型の半導体光変調器であって、変調電極１３ａ，１３ｂの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部１４ａ，１４ｂと、遅延部１４ａ，１４ｂの後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる折り返し部１５ａ，１５ｂと、折り返し部１５ａ，１５ｂの後に接続され光の位相調整を行う位相調整電極１６ａ，１６ｂとを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光変調器に関する。

近年、１０ＧＨｚ以上の高速変調器が普及し始めており、特に、小型なパッケージに収めたものが普及しつつある。これらの高速変調器の中では、固定波長の分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）から連続発振しているレーザ光を電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）で強度変調する形体や、ＤＦＢレーザにおいて直接変調して使用しているものがある。これらの場合、ＤＦＢレーザは固定波長であるのでチャンネル毎に異なる波長のＥＡ変調器とＤＦＢレーザ又はＤＦＢレーザを故障に備えて在庫として完備しておく必要がある。

そこで、レーザにチューナブルレーザを用いることが考えられる。これは、チューナブルレーザの波長可変範囲内であれば１つのレーザを用意するだけで可変範囲内のチャンネルをカバーすることができるためである。このため、故障に対する在庫管理も行いやすくすることができる。しかし、ＥＡ変調器では動作波長と電界吸収部のデチューニング量（電界吸収部のバンドギャップ波長と動作波長の差）で電界吸収の特性が変化して、遅延が発生してしまう。

そこで考えられるのがマッハツェンダ変調器（ＭＺ変調器）を利用することである。ＭＺ変調器は帯域が広く設定できるため可変波長レーザとの組み合わせを考えた場合、小型で高性能な変調器を実現することができる。また、チャーピングによる信号劣化の問題が緩和されるために伝送距離も延ばすことができる。

一方、半導体のマッハツェンダ回路は、２光束干渉を利用した光回路であり、製造直後の性能では、製造時に発生する位相誤差のために動作点が設計通りに作製することが難しい。そこで、信号を高速に変調する変調部に加えて、動作点を調整するための位相調整部が付加されている場合が多い。ここで、従来問題となっているのは、位相調整部の位相調整電極の電圧の高さである。

位相調整を行う方法としては、二つの種類が考えられる。
一つは、電流注入を行うことで、注入による屈折率変化を利用して位相を調整する方法である。この場合、比較的短い位相調整電極で位相調整が可能であるが、欠点として位相調整のために電流を流すため消費電力がかかるという問題がある。また、電流注入型のデバイスであるため長期的信頼性が低くなりがちであるという問題がある。

もう一つは、電界にて位相を調整する方法である。これは、電界で屈折率を変化させるので、電流がほとんど流れないため、消費電力を小さく抑えることができる。また、電流を流すデバイスではないので、長期信頼性に対しても高い信頼性が得られやすい。しかし、変調効率が低いため電流注入に比べて、位相調整電極の長さが長くなってしまうという問題がある。

図７は、従来の直線型のＭＺ変調器の構成の一例を示した模式図である。
図７に示すように、従来の直線型のＭＺ変調器においては、入力導波路１００が入口側カップラー１０１に接続されており、２つのアーム導波路１０２ａ，１０２ｂに光が分岐される。その後、変調部１０３である変調電極１０３ａ，１０３ｂが形成された光導波路を通過し、後に位相調整電極１０４ａ，１０４ｂが形成された位相調整部１０４を通過する。

そして、変調と位相調整がなされた後に、再度出口側カップラー１０５で干渉した光が出力導波路１０６ａ，１０６ｂから出力され、変調部１０３で与えられた位相差によって出力が変化するようになっている。なお、図７においては、位相調整部１０４を変調部１０３の後に配置する場合を例として説明しているが、その逆の配置であっても同様の作用及び効果を得ることができる。

ここで、簡単に従来のＭＺ変調器の動作について説明をする。
図８は、従来のＭＺ変調器においてプッシュプル駆動した際の変調アームへの駆動電圧に対する規格化した透過強度の特性を示した図である。
図８においては、縦軸は規格化した透過強度［ｄＢ］を示し、横軸はプッシュプル駆動した際の変調アームへの駆動電圧［Ｖ］を示している。また、横軸は便宜上、上側アームを負の方向に駆動した場合を図８中の左側の負の部分にプロットし、図８中の右側の正の部分に下側のアームを駆動した電圧に−１を掛けて表示している。例えば、バイアス電圧３Ｖの状態で横軸＋２Ｖというのは、上側アームがバイアス電圧より２Ｖ高く−１Ｖ、下側アームが２Ｖ低く−４Ｖの状態の時を意味している。

また、図８中に、破線でバイアス電圧２．５Ｖ、１点鎖線でバイアス電圧３．５Ｖ、２点鎖線で４．５Ｖ、実線で５．５Ｖとしたときの値を示す。また、測定する光の波長を１５６０ｎｍとし、位相調整電極１０４ａ，１０４ｂの長さを１．２ｍｍとし、位相調整電極１０４ａ，１０４ｂをノーマリーＯＦＦ状態で駆動した結果である。なお、半波長電圧は、半波長電圧のピークとピークの間の電圧に対応する。

図８に示されるように、半導体の特徴として、バイアス電圧を印加することで半波長電圧を制御することができることが分かる。高周波変調器を駆動するデバイスの多くは、２．５Ｖ〜３Ｖの振幅電圧出力が可能であるため、ＯＯＫ（ＯＮ−ＯＦＦ−Ｋｅｙｉｎｇ）で駆動する場合は、図８においてＯＮからＯＦＦまでの間をドライバー振幅の２倍で遷移できればよく、バイアス電圧が４．５Ｖの場合、振幅０．８５Ｖでの駆動が可能である。
なお、振幅２．５Ｖのドライバーを想定した場合には、長さをより短くすることができる。このため、位相調整電極１０４ａ，１０４ｂの長さを余裕を見て半分の６００μｍとしても駆動することができることとなる。

ここで、位相調整部における位相調整電極の特性について説明する。
図９は、従来のＭＺ変調器において５００μｍの位相調整電極により片方のアームづつ駆動した際の変調アームへの駆動電圧に対する規格化した透過強度の特性を示した図である。
図９に示されるように、５００μｍの位相調整電極により片方のアームづつ駆動した場合、半波長電圧は−８Ｖにまでも及ぶ。このため、位相調整には高い電圧が必要となる。なお、実験的には、半波長電圧は−８Ｖでも位相調整が可能であるが、実際のデバイスとして運用する場合には用意される電源電圧の仕様により制約がある。

また、実際のデバイスに用いる際には、駆動回路の電源電圧の仕様によってこの長さが決定されることとなるが、より高い電圧出力は、より大きな変圧回路が必要となり、それだけにコストもかかるので、半波長電圧は小さいことが望ましい。また、長期信頼性的に見ても低電圧で駆動できることが望ましいが、電圧を下げようとすると、位相調整電極１０４ａ，１０４ｂの長さが長くなってしまうという問題がある。

例えば、電源電圧の仕様が５Ｖ以下だとすると、位相調整電極１０４ａ，１０４ｂは５００μｍでは不足で、少なくても１ｍｍ以上の長さが必要ということになる。これらの値に基づき実際に設計してみると、本来、ＭＺ変調器における主たる機能を果たす変調電極１０３ａ，１０３ｂの長さが０．６ｍｍ程度でよいのに対し、単に位相調整をする位相調整電極１０４ａ，１０４ｂに１ｍｍ以上の電極が必要であるということになる。

また、近年ではより大容量の通信を実現するためにより多彩なフォーマットによる伝送が試みられており、例えば、差動四相位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ；Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓａ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）があげられる。ＤＱＰＳＫとは、デジタル信号の変調方式のひとつで、変調された４つの位相にそれぞれ２ビットのデータを割り当てることのできる方式のことである（例えば、下記非特許文献１参照）。

このＤＱＰＳＫの場合は、それぞれのＭＺ変調器の後、２つのＭＺ変調器を通過したシグナル間に９０度の位相差を与える必要がある。そして、この部分にも位相調整のための位相調整電極１０４ａ，１０４ｂが必要となり、長さ方向において一層長さを要するという問題がある。

Ｎｏｂｕｈｉｒｏ Ｋｉｋｕｃｈｉ、外７名、"８０−Ｇｂ／ｓ Ｌｏｗ−Ｄｒｉｖｉｎｇ−Ｖｏｌｔａｇｅ ＩｎＰ ＤＱＰＳＫ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｗｉｔｈ ａｎ ｎ−ｐ−ｉ−ｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ"、ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ．２１、ＮＯ．１２、２００９年６月１５日、ｐ．７８７−７８９

上述したように、位相調整電極１０４ａ，１０４ｂを有する位相調整部１０４は、いかなる状態で製造された場合であっても位相調整が可能なようにするために、ある定まった電源電圧の仕様の元では、それ相応の程度の長さが必要となる。このため、本来、ＭＺ変調器における主たる機能を果たす変調電極１０３ａ，１０３ｂよりも位相調整電極１０４ａ，１０４ｂの方が長くなってしまい、これに伴い、ＭＺ変調器全体の長さも長くなってしまうという問題があった。

また、ＭＺ変調器を別に製造したレーザと同じ小型のパッケージに一緒に収容する場合には、それらの間にレンズ等を配置する必要があるため、パッケージの幅方向にはスペースに多少の余裕がある。しかしながら、パッケージの長さ方向にはスペースに余裕がないため、ＭＺ変調器の長さの短尺化は非常に強く求められていた。

以上のことから、本発明は、長さ方向における短尺化を図ることができる半導体光変調器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る半導体光変調器は、
２つのカップラーとそれらを結ぶ２つのアーム導波路を備え、同一のアーム導波路上に高周波を印加して変調を行う変調電極と直流電圧を印加して動作点を調整する位相調整電極とを備える半導体からなるマッハツェンダー型の半導体光変調器であって、
入力導波路からの光を分岐する入力側カップラーと、
前記入力側カップラーの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部と、
前記展開部の後に接続され光の変調を行う変調電極と、
前記変調電極の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部と、
前記遅延部の後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる折り返し部と、
前記折り返し部の後に接続され光の位相調整を行う位相調整電極と、
前記位相調整電極の後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラーと、
前記出力側カップラーの後に接続され干渉させた光を出力する入力導波路が形成される面と同じ面に形成される出力導波路と
により構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る半導体光変調器は、
２つのカップラーとそれらを結ぶ２つのアーム導波路を備え、同一のアーム導波路上に高周波を印加して変調を行う変調電極と直流電圧を印加して動作点を調整する位相調整電極とを備える半導体からなるマッハツェンダー型の半導体光変調器であって、
入力導波路からの光を分岐する入力側カップラーと、
前記入力側カップラーの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部と、
前記展開部の後に接続され光の変調を行う変調電極と、
前記変調電極の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部と、
前記遅延部の後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる第１の折り返し部と、
前記第１の折り返し部の後に接続され光の位相調整を行う第１の位相調整電極と、
前記第１の位相調整電極の後に接続され光の伝搬方向を再度１８０度変換する曲線導波路からなる第２の折り返し部と、
前記第２の折り返し部の後に接続され光の位相調整を行う第２の位相調整電極と、
前記第２の位相調整電極の後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラーと、
前記出力側カップラーの後に接続され干渉させた光を出力する入力導波路が形成される面と異なる面に形成される出力導波路と
により構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る半導体光変調器は、
２つのカップラーとそれらを結ぶ２つのアーム導波路を備え、同一のアーム導波路上に高周波を印加して変調を行う変調電極と直流電圧を印加して動作点を調整する位相調整電極とを備える半導体からなるマッハツェンダー型の半導体光変調器であって、
入力導波路からの光を分岐する入力側カップラーと、
前記入力側カップラーの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部と、
前記展開部の後に接続され光の変調を行う変調電極と、
前記変調電極の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部と、
前記遅延部の後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる折り返し部と、
前記折り返し部の後に接続され光の位相調整を行う位相調整電極と、
前記位相調整電極の後に接続され光の伝搬方向を再度１８０度変換する曲線導波路からなる第２の折り返し部と、
前記第２の折り返し部からのそれぞれの光を干渉させる出力側カップラーと、
前記出力側カップラーの後に接続され干渉させた光を出力する出力導波路と
により構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る半導体光変調器は、
２つの第３の発明に係る半導体光変調器と、
２つの前記半導体光変調器に光を分岐する入力側カップラーと、
２つの前記半導体光変調器の前記出力導波路に接続されそれぞれの出力光間に９０度の位相差を与える位相差調整部と、
前記位相差調整部の後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラーと
により構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明に係る半導体光変調器は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに係る半導体光変調器において、
前記変調電極を有する２つのアーム導波路の間隔をＤ１とし、前記位相調整電極を有する２つのアーム導波路の間隔をＤ２としたとき、「Ｄ１＞Ｄ２」と設定する
ことを特徴とする。

本発明は、長さ方向における短尺化を図ることができる半導体光変調器を提供することを目的とする。

第１の実施例に係る半導体光変調器の構成を示した模式図である。 第１の実施例に係る半導体光変調器における遅延部の構成を示した模式図である。 第１の実施例に係る半導体光変調器のパッケージへの実装方法を示した模式図である。 第２の実施例に係る半導体光変調器の構成を示した模式図である。 第３の実施例に係る半導体光変調器の構成を示した模式図である。 第１〜３の実施例に係る半導体光変調器の製造方法を示した模式図である。 従来の直線型のＭＺ変調器の構成の一例を示した模式図である。 従来のＭＺ変調器においてプッシュプル駆動した際の変調アームへの駆動電圧に対する規格化した透過強度の特性を示した図である。 従来のＭＺ変調器において５００μｍの位相調整電極により片方のアームづつ駆動した際の変調アームへの駆動電圧に対する規格化した透過強度の特性を示した図である。

以下、本発明に係る半導体光変調器を実施するための形態について説明する。
本発明に係る半導体光変調器における折り返し構造に関しては、従来周知のニオブ酸リチウム光変調器（ＬＮ変調器）等でも試みられている。しかし、ＬＮ変調器の場合は導波路の屈折率差が比較的小さく、ある程度の曲げ半径で導波路を曲げないと損失になる。このため、折り返しにはミラー構造等を採用している。

これに対し、本発明に係る半導体光変調器においては、半導体で形成する場合は曲げ半径を小さくできるメリットを生かして、湾曲導波路にて１８０度の方向転換を実現している点がＬＮ変調器の折り返し構造とは根本的に異なっている。

また、従来、石英系平面光波回路（ＰＬＣ）とＬＮ変調器を張り合わせた回路による折り返しも提案されているものの、ＰＬＣ部において位相調整は可能であるが、高速変調ができないという問題がある。つまり、高速変調部と位相調整部を平行して作成できず、高速変調部の電気的なクロストークに考慮してより小さくするために、位相調整部の間隔などについては考慮されていない。

ＬＮ変調器等の変調器の半波長電圧は素子構造と主に使用する物性値で決まり、長さもそれに応じて決まる。一方、半導体変調器では、半波長電圧が、素子構造、物性値に加えてバイアス電圧にて可変である。そのため、バイアス電圧の印加により半波長電圧を小さくすることが可能であり、変調電極の長さも短い。

本発明に係る半導体光変調器は、半導体ならではの位相調整電極を有する位相調整部が変調部に比べて長くなってしまう問題を解決するものであって、解決すべき問題は半導体の変調器においてみられるものであり、ＬＮ変調器に見られるような単なる折り返し回路構造ではない。

以下、本発明に係る半導体光変調器の第１の実施例について、図面を参照しながら説明する。
本実施例に係る半導体光変調器においては、いわゆる片側ピッグテールの湾曲導波路による折り返し部を有するマッハツェンダー型の半導体光変調器を作製する。
はじめに、本実施例に係る半導体光変調器の製造方法について説明する。
図６は、本実施例に係る半導体光変調器の製造方法を示した模式図である。
はじめに、図６（ａ）に示すように、半絶縁性（ＳＩ（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ））−ＩｎＰ基板５０上に第１のｎ型電極層５１（ｎ＋−ＩｎＰ）を成長し、その上に第１のｎ型クラッド層５２（ｎ−ＩｎＰ）を形成し、第１のｎ型クラッド層５２上には、第１の中間層５３（i−ＩｎＧａＡｓＰ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）コア層５４、第２の中間層５５（i−ＩｎＧａＡｓＰ）が形成されている。

第２の中間層５５（i−ＩｎＧａＡｓＰ）の上に第１の低濃度クラッド５６（i−ＩｎＰ）を形成した後、第１の低濃度クラッド５６（i−ＩｎＰ）の上には、電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７（ｐ−ＩｎＰ）が形成される。ｐ型クラッド層５７の上には、第２のｎ型クラッド層５８（ｎ−ＩｎＰ）が形成され、さらにその上に、第２のｎ型電極層５９（ｎ＋−ＩｎＰ）が順に積層されている。

ここで、多重量子井戸コア層５４は、動作光波長で電気光学効果が有効に働くように構成され、例えば、１．５μｍ帯のデバイスであれば、ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａ／Ａｌ組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層と量子バリア層にした多重量子井戸構造とすることができる。また、第１の中間層５３は、光吸収で発生したキャリアをヘテロ界面でトラップされないようにするための接続層として機能する。

本実施例に係る半導体光変調器を製作するには、まず、２つのアーム導波路（図７に示すアーム導波路１０２ａ，１０２ｂ参照）を電気的に分離するために、導波路のアーム部分に分離溝を形成する。なお、後述する変調電極と位相調整電極が分かれているマッハツェンダー構造の場合は、その間にも分離溝を設けて電気的分離を行う。これは、電気的分離がなされていないと、片方のアームに変調のため印加した電圧が他方のアームの変調に影響を及ぼすためである。分離溝は、第２のｎ型電極層５９から電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７までの一部を標準的なフォトリソグラフィー、パターニングしウエットエッチング技術を用いて、導波路のアーム部分の何処かに幅数ミクロンの溝として取り除くことにより形成する。

なお、本実施例においては、分離溝により電気的分離を行ったが、電極が接触する変調部周辺以外を石英のハードマスクを用いて第２のｎ型電極層５９から電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７までを除去した後、半絶縁性のＩｎＰで再度成長し置き換を実施して電気的分離を行ってもよい。

次に、図６（ｂ）に示すように、ドライエッチング技術を用いて第２のｎ型電極層５９（ｎ＋−ＩｎＰ）から第１のｎ型クラッド層中間５２までの層をエッチングすることにより、ハイメサ型の導波路構造を形成する。そして、第１のｎ型クラッド層５２をエッチングすることにより、第１のｎ型電極層５１を露出させる。

最後に、図６（ｃ）に示すように、後述する変調電極、位相調整電極となる第１のｎ型電極６０を第２のｎ型電極層５９上に、接地電極となる第２のｎ型電極６１を第１のｎ型電極層５１上にそれぞれ形成する。なお、必要に応じて、パッシベーション膜を堆積し、メサ表面を保護するようにしてもよいし、ポリマーなどを利用してハイメサ構造を保護してもよい。

次に、本実施例に係る半導体光変調器の構成について説明する。
図１は、本実施例に係る半導体光変調器の構成を示した模式図である。なお、図１においては、本実施例に係る半導体光変調器を上方から見た場合の概略を示している。
図１に示すように、本実施例に係る半導体光変調器１は、２つのカップラー１１，１７とそれらを結ぶアーム導波路を備え、同一のアーム導波路上に高周波を印加して変調を行う後述する変調電極１３ａ，１３ｂを有する変調部１３と、直流電圧を印加して動作点を調整する位相調整電極１６ａ，１６ｂを有する位相調整部１６とを備える半導体からなるマッハツェンダー型の半導体光変調器である。

本実施例に係る半導体光変調器１は、入力導波路１０からの光を分岐する入力側カップラー１１と、入力側カップラー１１の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部１２ａ，１２ｂと、展開部１２ａ，１２ｂの後に接続され光の変調を行う変調電極１３ａ，１３ｂと、変調電極１３ａ，１３ｂの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部１４ａ，１４ｂと、遅延部１４ａ，１４ｂの後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる折り返し部１５ａ，１５ｂと、折り返し部１５ａ，１５ｂの後に接続され光の位相調整を行う位相調整電極１６ａ，１６ｂと、位相調整電極１６ａ，１６ｂの後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラー１７と、出力側カップラー１７の後に接続され干渉させた光を出力する入力導波路１０が形成される面と同じ面に形成される出力導波路１８ａ，１８ｂとにより構成されている。

本実施例においては、折り返し部１５ａ，１５ｂの最小曲げ半径は１５０μｍとした。また、アーム導波路の幅は直線部と曲線部共に１．６μｍとした。なお、これら以外のパラメーターを設定してもよいが、最小曲げ半径を小さくした方が半導体光変調器１のサイズを小さくできるので好ましい。

ここで、本実施例に係る半導体光変調器と従来の従来の直線型のＭＺ変調器とのサイズの比較のため、同じ長さの変調部と位相調整部を持つ従来の直線型のＭＺ変調器を設計することを仮定し、変調電極の長さを８００μｍとし、位相調整電極の長さを１．１ｍｍとした場合、従来の従来の直線型のＭＺ変調器は長さ３．７ｍｍ、幅８００μｍで設計が可能であったが、本実施例に係る半導体光変調器によれば、折り返し構造とすることにより長さ２．４ｍｍ、幅１ｍｍで設計することが可能となった。

このように、本実施例に係る半導体光変調器は、従来の直線型のＭＺ変調器に比べ、長さにおいては６４％短くすることができる。また、占有面積においては、従来の直線型のＭＺ変調器が２．４ｍｍ²であるのに対し、本実施例に係る半導体光変調器においても同じ占有面積２．４ｍｍ²でレイアウトすることができる。つまり、本実施例に係る半導体光変調器によれば、ウェハから採取できるチップ数を低下させることなく、全長を短くすることが可能となった。

ここで、本実施例に係る半導体光変調器における遅延部の構成について説明する。
図２は、本実施例に係る半導体光変調器における遅延部の構成を示した模式図である。
通常、入力導波路１０が形成される面と同じ面に出力導波路１８を形成した場合、内側に位置するアーム導波路と外側に位置するアーム導波路とで光路長が異なってしまう。

このため、本実施例に係る半導体光変調器においては、図２に示すように、上側の遅延部１４ａの長さを下側の遅延部１４ｂより長くすることにより、内側の折り返し部１５ａ（図１参照）の方が短くなるので、この場合は変調電極１３ａ，１３ｂ通過後に非対称に、幅を縮めることで、内側の折り返し部１５ａが短くなる分を補償するように遅延差を設ける。これにより、２つのアーム導波路間に発生する位相差を解消することができる。

次に、本実施例に係る半導体光変調器のパッケージへの実装方法について説明する。
上述した半導体光変調器１の製作後に行うへき開が実施できる程度まで半絶縁性−ＩｎＰ基板５０裏面に研磨を実施する。裏面に固定半田が接着するように金属膜を蒸着した後、各種素子にへき開を実施した後に、入力導波路１０及び出力導波路１８ａ，１８ｂが形成された半導体光変調器１の端面に無反射コートを施した。本実施例に係る半導体光変調器１においては、入力導波路１０及び出力導波路１８ａ，１８ｂが片方だけに形成されているため、無反射コートを施す回数を従来の２回から１回に低減することができ、工程数を削減することができる。

図３は、本実施例に係る半導体光変調器のパッケージへの実装方法を示した模式図である。
図３に示すように、本実施例に係る半導体光変調器１を窒化アルミからなるサブマウント１９に、標準的なチップボンダーで搭載したのち加熱固定し、続いて終端抵抗、コンデンサー、サーミスタ（抵抗変化として温度検出する温度センサ）、高速信号を伝送するための配線板等の各種素子２０を同じくチップボンダーで搭載し、リフローにより固定を実施した。固定されたサブマウント１９上の半導体光変調器１や各種素子や配線の電極をワイヤーボンディングにより結線した後、ＣｕＷからなるマウント２１にサブマウント１９を再度リフロー固定した。

方端ファイバー２２が固定できるようになった気密パッケージ内にマウント２１を半田を用いて固定し、１２７μｍピッチの２芯メタライズファイバーを半田をもって固定した。
方端のファイバー（以下、方端ファイバー２２という）と半導体光変調器１の間にレンズ２３を挿入して、位置合わせを実施した後、ＹＡＧレーザを用いてレンズ２３を固定した。このレンズ２３も、従来は入出力に２つで必要であったが、本実施例に係る半導体光変調器１を用いることにより１つだけでよく、部材を半分で済ませることができる。また、本実施例に係る半導体光変調器１を用いることによりレンズ２３を固定する作業も半分にすることができるため、実装工程の工程数を削減することができる。

なお、本実施例においては、入力側カップラー１１として１入力２出力のＭＭＩ（ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）、出力側カップラー１７として２入力２出力のＭＭＩを用いているが、この他にも、出力側カップラー１７を１入力２出力としてもよいし、その逆であってもよい。また、その他の方向性結合器等のその他のカップラーを用いてもよい。

以下、本発明に係る半導体光変調器の第２の実施例について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る半導体光変調器は、第１の実施例に係る半導体光変調器と作製方法は同じである。しかし、本発明に係る半導体光変調器は方端ではないファイバーに適用されるものであるため、半導体光変調器の両側に無反射コートを施し、パッケージング時も半導体光変調器の両側部にレンズを位置決めして配置する。本発明に係る半導体光変調器のその他の構成は、第１の実施例に係る半導体光変調器１と基本的に変わらない。

はじめに、本実施例に係る半導体光変調器の構成について説明する。
図４は、本実施例に係る半導体光変調器の構成を示した模式図である。なお、図４においては、本実施例に係る半導体光変調器を上方から見た場合の概略を示している。
図４に示すように、本実施例に係る半導体光変調器２は、入力導波路３０からの光を分岐する入力側カップラー３１と、入力側カップラー３１の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部３２ａ，３２ｂと、展開部３２ａ，３２ｂの後に接続され光の変調を行う変調電極３３ａ，３３ｂと、変調電極３３ａ，３３ｂの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部３４ａ，３４ｂと、遅延部３４ａ，３４ｂの後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる第１の折り返し部３５ａ，３５ｂと、第１の折り返し部３５ａ，３５ｂの後に接続され光の位相調整を行う第１の位相調整電極３６ａ，３６ｂと、第１の位相調整電極３６ａ，３６ｂの後に接続され光の伝搬方向を再度１８０度変換する曲線導波路からなる第２の折り返し部３７ａ，３７ｂと、位相調整部３６の後に接続され光の位相調整を行う第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄと、第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄの後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラー３８と、出力側カップラー３８の後に接続され干渉させた光を出力する入力導波路３０が形成される面と異なる面に形成される出力導波路３９ａ，３９ｂとにより構成されている。

次に、本実施例に係る半導体光変調器の特徴について説明する。
高周波による変調部３３は、電気的なクロストークに配慮して２つのアーム導波路の間隔Ｄ１をある程度広く取ることとし、「Ｄ１＝１００μｍ」とした。高周波が通過する２本の変調電極３３ａ，３３ｂは、差動信号入力でＧＳＳＧ（ＧＮＤ−ＳＩＧＮＡＬ−ＳＩＧＮＡＬ−ＧＮＤ）の電極設計をした場合には、ある程度間隔Ｄ１を縮めても問題はないが、製造は難しくなる。

また、一般的なＧＳＧ（ＧＮＤ＝ＳＩＧＮＡＬ＝ＧＮＤ）で設計した場合には、ある程度の距離の間隔Ｄ１が必要となる。さらに、用途によっては異なる信号が入る場合があるため、電気的なクロストークを削減するために距離Ｄ１を離す必要がある。つまり、変調部３３においては、ある程度間隔Ｄ１を離す構成にすることで電気的なクロストークを削減することができる。

そこで、変調部３３を通過後、２つのアーム導波路間の間隔Ｄ２を一旦「Ｄ２＝１０μｍ」まで狭めた。なお、間隔Ｄ２を狭めずに１８０度の折り返しを行った場合、設計上第１の折り返し部３５ａ，３５ｂの幅が広くなり、占有面積が大きくなってしまう。つまり、ここで間隔Ｄ２を狭くすることで、第１の折り返し部３５ａ，３５ｂの横幅を狭くすることができる。

また、折り返し箇所である第１の折り返し部３５ａ，３５ｂ以降は、直流電圧を印加して駆動する位相調整部３６だけであるので２本のアーム導波路の間隔Ｄ２を狭めても動作上問題がない。なお、間隔Ｄ２を狭めることができる範囲は、製造上可能な範囲内で、かつ２つのアーム導波路を伝搬する光が結合しない距離であれば設定することが可能である。

その後、Ｄ２の間隔を保ったまま第１の位相調整電極３６ａ，３６ｂを形成し、第１の位相調整電極３６ａ，３６ｂの後に再度１８０度の折り返しを実施する第２の折り返し部３７ａ，３７ｂを形成する。また、第２の折り返し部３７ａ，３７ｂの後にアーム導波路の間隔Ｄ３を「Ｄ３＝Ｄ２」として第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄを形成し、第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄの後に出力側カップラー３８を設置する。

そして、本実施例に係る半導体光変調器２においては、第１の位相調整電極３６ａ，３６ｂと第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄの同じアーム導波路上にある電極が並列に接続されている。これにより、位相調整部３６の全体の長さを短くすることができる。なお、言い換えれば、位相調整部３６が第２の折り返し部３７ａ，３７ｂを備えているということもできる。

この場合、半導体光変調器２の長さは、本来、主たる機能を果たす変調電極３３ａ，３３ｂにより、より正確には「入力導波路３０の長さ＋変調電極３３ａ，３３ｂの長さ＋第１の折り返し部３５ａ，３５ｂの長さ」により決定することができるため、従来の直線型のＭＺ変調器ように、位相調整電極１０４ａ，１０４ｂ（図７参照）によって長さ方向の長さが決定されることを回避することができる。したがって、本実施例に係る半導体光変調器２によれば、長さ方向の長さを非常に短くすることができ、かつ、十分な長さの第１の位相調整電極３６ａ，３６ｂ及び第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄを得ることができる。

以上説明したように、本実施例に係る半導体光変調器２においては、少なくても「Ｄ１＞Ｄ２」の関係で変調電極３３ａ，３３ｂと位相調整電極３６ａ，３６ｂを配置することで、設計上、第１の位相調整電極３６ａ，３６ｂ及び第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄを十分な長さ確保しつつ、位相変調部３６の長さを短くすることができるため、半導体光変調器２の長さ方向の長さを短くすることができ、かつ、半導体光変調器２の幅の増大を抑えて折り返し構造を実現することができ、さらに、変調部３３における電気的なクロストークを抑制することもできる。

なお、本実施例においては、第２の折り返し部３７ａ，３７ｂの後にも第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄを配置したが、特に必要なければ必ずしも配置する必要はない。しかしながら、位相調整部３６においてはより低い直流電圧を印加する方が長期的信頼性も得やすいため、占有面積が変わらないのであれば第２の位相調整電極３６ｃ，３６ｄを形成することが好ましい。また、本実施例においては、間隔Ｄ１，Ｄ２について「Ｄ１＞Ｄ２」と設定することとしたが、これ以外の設定とすることも可能である。

以下、本発明に係る半導体光変調器の第３の実施例について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る半導体光変調器は、第１の実施例に係る半導体光変調器１と作製方法は同じである。しかし、本発明に係る半導体光変調器が適用されるファイバーは方端ではないので、半導体光変調器の両側に無反射コートを施し、パッケージング時も半導体光変調器の両側部にレンズを位置決めして配置する。本発明に係る半導体光変調器のその他の構成は、第１の実施例に係る半導体光変調器１と基本的に変わらない。

はじめに、本実施例に係る半導体光変調器の構成について説明する。
図５は、本実施例に係る半導体光変調器の構成を示した模式図である。なお、図５においては、本実施例に係る半導体光変調器を上方から見た場合の概略を示している。
図５に示すように、本実施例に係る半導体光変調器３は、第１の実施例に係る半導体光変調器１において位相調整電極１６ａ，１６ｂの後に第２の実施例に係る第２の折り返し部３７ａ，３７ｂを配置した半導体光変調器を２つ用い、それぞれの半導体光変調器の出力光の位相を９０度ずらす位相差調整部を備えたＤＱＰＳＫである。

本実施例に係る半導体光変調器３は、入力導波路４０の後に接続される入力側カップラー４１と、入力側カップラー４１の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部４２ａ，４２ｂと、展開部４２ａ及び展開部４２ｂの後にそれぞれ接続され光を分岐する入力側カップラー１１と、入力側カップラー１１の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部１２ａ，１２ｂと、展開部１２ａ，１２ｂの後に接続され光の変調を行う変調電極１３ａ，１３ｂと、変調電極１３ａ，１３ｂの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部１４ａ，１４ｂと、遅延部１４ａ，１４ｂの後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる折り返し部１５ａ，１５ｂと、折り返し部１５ａ，１５ｂの後に接続され光の位相調整を行う位相調整電極１６ａ，１６ｂと、位相調整電極１６ａ，１６ｂの後に接続され光の伝搬方向を再度１８０度変換する曲線導波路からなる第２の折り返し部３７ａ，３７ｂと、第２の折り返し部３７ａ，３７ｂの後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラー３８と、出力側カップラー３８の後に接続され出力側カップラー３８からのそれぞれの出力光間に９０度の位相差を与える位相調整電極４３ａ，４３ｂと、位相調整電極４３ａ，４３ｂの後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラー４４と、出力側カップラー４４の後に接続され干渉させた光を出力する入力導波路４０が形成される面と異なる面に形成される出力導波路４５とにより構成されている。

次に、本実施例に係る半導体光変調器の特徴について説明する。
ＤＰＳＫは、シングルＭＺ変調器を２つ備えるような構成となっており、２つのシングルＭＺ変調器からのそれぞれの出力光間に９０度の位相差を与える位相差調整部４３にも位相調整電極４３ａ，４３ｂを形成する必要がある。このため、単に２つのシングルＭＺ変調器を横に並べただけでは済まないため、長さ方向の長さが一段と長くなるという問題があった。

そこで、本実施例に係る半導体光変調器３は、位相調整電極１６ａ，１６ｂの後に第２の折り返し部３７ａ，３７ｂを設け、第２の折り返し部３７ａ，３７ｂの後に出力側カップラー３８を設ける。その後、２つの出力側カップラー３８からのそれぞれの出力光間に９０度の位相差を与える位相調整電極４３ａ，４３ｂを形成する。なお、本実施例においては、位相差調整部４３の位相調整電極４３ａ，４３ｂの長さは、位相調整電極１６ａ，１６ｂと同じ１．１ｍｍとした。

本実施例に係る半導体光変調器３の構成によれば、長さ方向の長さは入力側カップラー４１と展開部４２ａ，４２ｂを配置した分だけ長さが長くなるだけで済むため、半導体光変調器３の全長は短く抑えることができる。なお。実際の設計では２．８μｍの長さでの設計が可能であった。しかし、単に２つのシングルＭＺ変調器を横に並べて直線的にレイアウトした場合には６．１ｍｍの長さが必要となり、本実施例に係る半導体光変調器３の倍以上の長さが必要であった。

そして、本実施例に係る半導体光変調器３の幅は、単に２つのシングルＭＺ変調器を横に並べた従来のＤＱＰＳＫよりも狭くすることができ１．８ｍｍでのレイアウトが可能である。なお、ＴＯＳＡ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｂ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を想定した場合、容器内部の幅は５．５ｍｍ程度取ることができ、本実施例に係る半導体光変調器３は幅は１．８ｍｍであるため、問題なくＴＯＳＡ内に収めることができる。また、本実施例に係る半導体光変調器３の長さは、単に２つのシングルＭＺ変調器を横に並べた従来のＤＱＰＳＫよりも短くできているため、波長可変レーザをＴＯＳＡ内に集積し得る長さに収めることができる。

なお、本実施例においては、２つの半導体光変調器を上下対称に配置し、直流電圧が印加される位相調整電極１６ａ，１６ｂが内側に位置するように構成している。このため、２つの半導体光変調器における高周波が印加される変調電極１３ａ，１３ｂの間の距離を離すことができるため、電気的なクロストークを抑制することができる。

また、本実施例に係る半導体光変調器３はＤＱＰＳＫとして構成する場合を例として説明したが、本実施例に係る半導体光変調器３をさらに２つ並べてＤＰ−ＱＰＳＫ（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）等を構成した場合であっても同様な作用や効果が得られ、ＤＰ−ＱＰＳＫ等の長さ方向の長さを短くすることができる。

本発明は、例えば、１０ＧＨｚ以上の高速変調器、特に、小型なパッケージに収める高速変調器に利用することが可能である。

１，２，３ 半導体光変調器
１０ 入力導波路
１１ 入力側カップラー
１２ａ，１２ｂ 展開部
１３ 変調部
１３ａ，１３ｂ 変調電極
１４ａ，１４ｂ 遅延部
１５ａ，１５ｂ 折り返し部
１６ 位相調整部
１６ａ，１６ｂ 位相調整電極
１７ 出力側カップラー
１８ａ，１８ｂ 出力導波路
１９ サブマウント
２０ 各種素子
２１ マウント
２２ 方端ファイバー
２３ レンズ
３０ 入力導波路
３１ 入力側カップラー
３２ａ，３２ｂ 展開部
３３ 変調部
３３ａ，３３ｂ 変調電極
３４ａ，３４ｂ 遅延部
３５ａ，３５ｂ 第１の折り返し部
３６ 位相調整部
３６ａ，３６ｂ 第１の位相調整電極
３６ｃ，３６ｄ 第２の位相調整電極
３７ａ，３７ｂ 第２の折り返し部
３８ 出力側カップラー
３９ａ，３９ｂ 出力導波路
４０ 入力導波路
４１ 入力側カップラー
４２ａ，４２ｂ 展開部
４３ 位相差調整部
４３ａ，４３ 位相調整電極
４４ 出力側カップラー
４５ 出力導波路
５０ 半絶縁性−ＩｎＰ基板
５１ 第１のｎ型電極層
５２ 第１のｎ型クラッド層
５３ 第１の中間層
５４ 多重量子井戸コア層
５５ 第２の中間層
５６ 第１の低濃度クラッド
５７ ｐ型クラッド層
５８ 第２のｎ型クラッド層
５９ 第２のｎ型電極層
６０ 第１のｎ型電極
６１ 第２のｎ型電極
１００ 入力導波路
１０１ 入口側カップラー
１０２ａ，１０２ｂ アーム導波路
１０３ 変調部
１０３ａ，１０３ｂ 変調電極
１０４ 位相調整部
１０４ａ，１０４ｂ 位相調整電極
１０５ 出口側カップラー
１０６ａ，１０６ｂ 出力導波路

Claims (5)

1. ２つのカップラーとそれらを結ぶ２つのアーム導波路を備え、同一のアーム導波路上に高周波を印加して変調を行う変調電極と直流電圧を印加して動作点を調整する位相調整電極とを備える半導体からなるマッハツェンダー型の半導体光変調器であって、
   入力導波路からの光を分岐する入力側カップラーと、
   前記入力側カップラーの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部と、
   前記展開部の後に接続され光の変調を行う変調電極と、
   前記変調電極の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部と、
   前記遅延部の後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる折り返し部と、
   前記折り返し部の後に接続され光の位相調整を行う位相調整電極と、
   前記位相調整電極の後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラーと、
   前記出力側カップラーの後に接続され干渉させた光を出力する入力導波路が形成される面と同じ面に形成される出力導波路と
   により構成される
   ことを特徴とする半導体光変調器。
2. ２つのカップラーとそれらを結ぶ２つのアーム導波路を備え、同一のアーム導波路上に高周波を印加して変調を行う変調電極と直流電圧を印加して動作点を調整する位相調整電極とを備える半導体からなるマッハツェンダー型の半導体光変調器であって、
   入力導波路からの光を分岐する入力側カップラーと、
   前記入力側カップラーの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部と、
   前記展開部の後に接続され光の変調を行う変調電極と、
   前記変調電極の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部と、
   前記遅延部の後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる第１の折り返し部と、
   前記第１の折り返し部の後に接続され光の位相調整を行う第１の位相調整電極と、
   前記第１の位相調整電極の後に接続され光の伝搬方向を再度１８０度変換する曲線導波路からなる第２の折り返し部と、
   前記第２の折り返し部の後に接続され光の位相調整を行う第２の位相調整電極と、
   前記第２の位相調整電極の後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラーと、
   前記出力側カップラーの後に接続され干渉させた光を出力する入力導波路が形成される面と異なる面に形成される出力導波路と
   により構成される
   ことを特徴とする半導体光変調器。
3. ２つのカップラーとそれらを結ぶ２つのアーム導波路を備え、同一のアーム導波路上に高周波を印加して変調を行う変調電極と直流電圧を印加して動作点を調整する位相調整電極とを備える半導体からなるマッハツェンダー型の半導体光変調器であって、
   入力導波路からの光を分岐する入力側カップラーと、
   前記入力側カップラーの後に接続され２つのアーム導波路の間隔を広げるための展開部と、
   前記展開部の後に接続され光の変調を行う変調電極と、
   前記変調電極の後に接続され２つのアーム導波路の間隔を狭くし、かつ２つのアーム導波路の伝搬距離を等しくする遅延部と、
   前記遅延部の後に接続され光の伝搬方向を１８０度変換する曲線導波路からなる折り返し部と、
   前記折り返し部の後に接続され光の位相調整を行う位相調整電極と、
   前記位相調整電極の後に接続され光の伝搬方向を再度１８０度変換する曲線導波路からなる第２の折り返し部と、
   前記第２の折り返し部からのそれぞれの光を干渉させる出力側カップラーと、
   前記出力側カップラーの後に接続され干渉させた光を出力する出力導波路と
   により構成される
   ことを特徴とする半導体光変調器。
4. ２つの請求項３に記載の半導体光変調器と、
   ２つの前記半導体光変調器に光を分岐する入力側カップラーと、
   ２つの前記半導体光変調器の前記出力導波路に接続されそれぞれの出力光間に９０度の位相差を与える位相差調整部と、
   前記位相差調整部の後に接続されそれぞれの光を干渉させる出力側カップラーと
   により構成される
   ことを特徴とする半導体光変調器。
5. 前記変調電極を有する２つのアーム導波路の間隔をＤ１とし、前記位相調整電極を有する２つのアーム導波路の間隔をＤ２としたとき、「Ｄ１＞Ｄ２」と設定する
   ことを特徴とする請求項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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