JP2019194637A - 半導体マッハ・ツェンダ型光変調器およびそれを用いたｉｑ光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体マッハ・ツェンダ型光変調器において、分岐・合波光回路の光学特性を劣化させることなく、光導波路上に形成された高周波配線のＲＦ損失を低減させることで高速変調動作を可能とさせること。【解決手段】２つのアーム導波路を有するマッハ・ツェンダ（ＭＺ）型の光導波路と、入力光を前記２つのアーム導波路に分波する半導体で構成された１×２型のマルチモード干渉カプラと、前記２つのアーム導波路からの光を合波する半導体で構成された２×１型のマルチモード干渉カプラと、前記２つのアーム導波路を伝搬する光に位相差を付与するための位相変調手段とを備えた半導体マッハ・ツェンダ型光変調器であって、前記１×２型のマルチモード干渉カプラおよび前記２×１型のマルチモード干渉カプラは、ハイメサ構造に形成され、２つの前記マルチモード干渉カプラのうち前記２×１型のマルチモード干渉カプラにのみ高次モード光を放射させるための高次モード光放射手段が接続されていることを特徴とする半導体マッハ・ツェンダ型光変調器。【選択図】図５

Description

本発明は半導体マッハ・ツェンダ型光変調器に関し、より詳しくは高速かつ光・電気的に低損失な動作が可能な半導体マッハ・ツェンダ型光変調器に関する。

近年、光変調器の小型化・高速化を背景に化合物半導体材料を用いた光変調器が盛んに研究開発されている。中でもＩｎＰを基板材料として用いている光変調器は通信波長帯で量子閉じ込めシュタルク効果等を活用して高効率な変調動作が可能であるため、従来の強誘電体材料に代わる有望な変調器材料として注目されている。

半導体光変調器にはヘテロｐｉｎ接合を用いて、光の閉じ込めと共に光導波路のコア部分に効果的に電圧が印加されるようにしたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器や、更なる低電圧駆動の光変調器を実現すべく両方のＩｎＰクラッド層をｎ型とし、電子電流を抑制するためのバリア層として薄いｐ型半導体の層（ｐ型のバリア層）を挿入したｎｐｉｎ形の半導体光変調器構造が提案されている。

何れの構造においても、光導波路のクラッド層にはｎ型又はｐ型ドーパントが添加された材料が用いられており、これらドーピング層の構造設計と光学特性・電気特性は密接に関連している。一般に、光波・高周波（マイクロ波）は電磁波として共通であり、これら電磁界はドーパント中のキャリア（電子・ホール）との相互作用によってエネルギーが消費される。即ち、例えば光導波路コア層の隣接に高濃度のドーピングクラッド層を設けた場合には大きな光学損失が生じ、高周波配線直下にドーピング層を設けた場合には高周波損失が増大する恐れがある。

ＭＺＭ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ:半導体マッハ・ツェンダ型光変調器）は一般に進行波（分布定数）型の高周波電極と光導波路を並走させてそこでの電気光学効果を用いることで高速かつ効率的に光変調動作を実現している。ここでは、チップ端の給電パットから給電された高周波エネルギーは当該光変調領域まで損失なく給電されることが望ましい。即ち、如何に給電用の引出線路を低損失に設計できるかが高速動作に大きく影響を及ぼす。

一方、ＭＺＭにおいては構造上、光導波路と信号給電の引出線路が少なくても一か所以上で交差又は並走する必要があり、この場合、前述のとおり光導波路中のドーピング層によって近接した引出線路のＲＦ損失を増大させてしまう。

よって、高周波の観点から如何にドーピング層のドーピング濃度を低下させるか、又はドーピング層の体積を減らすか（電磁界との相互作用を減らすか）が求められてくる。

InP Coherent Optical Modulator with Integrated Amplification for High Capacity Transmission, OFC2015, Th4E.2 (2015)

しかしながら、ＭＺＭは高周波特性のみならず光損失・消光比といった光学特性も一定の仕様が要求されるため、安易にドーピング層の形態等を高周波特性の観点で変更させることは光学特性劣化を招く恐れがある。

通常ＭＺＭでは光の分岐・合波回路に１×２又は２×２のＭＭＩカプラを用いる。中でも対称性に優れた１×２ＭＭＩカプラは合分波特性の広帯域性に優れているため、特段の光回路として機能性を付加（例えば非特許文献１）する必要がない限り、ＭＺＭでは１×２ＭＭＩを採用することが主流となっている。

ここで、１×２ＭＭＩカプラをハイメサ導波路で形成した場合には、高次モードの放射に関して問題が生じる。ハイメサ導波路は横方向を空気で閉じ込めているため非常に強い光閉じ込め導波路となっている。それ故、干渉導波路として光を放射させたい場合、高次モードが放射されずにカプラ内で反射し、結果的に光学特性（特に損失・消光比の波長依存性）を劣化させてしまう。具体的には合波前のアームに−１０ｄＢ程度の光パワーが反射されることになり、消光比としては２０ｄＢ程度にまで劣化してしまうことがモード計算から原理的に求まる。この特性劣化を抑制するために、通常１×２ＭＭＩカプラには高次モードの放射を促す土手がＭＭＩカプラの一部（例えばカプラの四隅など）と接続され、高次モードのカプラ内反射を抑制している。

図１は１×２ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラを用いた従来のＭＺＭの導波路概要を示したものである。図１には、マッハ・ツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ：ＭＺ）型の光導波路１０１の入出力において、土手１１０が設けられたＭＭＩカプラ１０２、１０３が示されている。光導波路１０１の一方には位相Δφを変調する位相変調手段１０４が設けられている。位相Δφが０のとき光が出力導波路に結合するが、位相Δφがπのとき光が土手１１０に放射するため、ＭＭＩカプラ１０３内への反射は抑制される。

しかし、こうした土手は光の放射を促し、カプラへの反射を抑制させるために一定のパターン幅が必要となる。具体的には土手には最低５μｍ以上のパターン幅が求められるが、それに伴いパターンとして残る半導体層にはドーピング層が含まれるため、カプラ付近に設けられた引出線路のＲＦ損失は増大してしまう。

図２は従来の進行波型の電極により変調を行うＭＺＭの構成例を示す図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図３に示すように、土手１１０も他の導波路領域１０１、１０２、１０３と同じように、基板１１１上にｎドーピングされたＩｎＰクラッド層１１２、ノンドープのコア層１１３、ｐドーピングされたＩｎＰクラッド層１１４が順次積層されたハイメサ構成とすることができる。半導体領域は有機膜１３０により覆われている。例えば図２に示すように、高周波線路１２０間に光導波路等が交差又は並走する場合、２つの結合線路となる高周波線路１２０間直下には図３で示すように電界強度が集中する領域がある。この領域に半導体ドーピング層が重なると高周波損失増大が顕著化する。図２、３では土手１１０が、電界強度が集中する領域に重なっている。以上のことからも、１×２ＭＭＩカプラを用いたＭＺＭにおいて光学特性と高周波特性向上を両立させる設計は容易ではない。

なお、図４（ａ）や（ｂ）の構成を採用することで電界強度の集中する領域とドーピング層との重なりの問題は解決されるが、（ａ）ではＭＺアーム導波路を曲げることによる光学特性劣化やチップ面積の増大が懸念され、（ｂ）では引出給電線路を曲げたことによる差動信号入力時のコモンモード発生等が懸念されるため、真の課題解決とは言い難い。

本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、半導体マッハ・ツェンダ型光変調器において、分岐・合波光回路の光学特性を劣化させることなく、光導波路上に形成された高周波配線のＲＦ損失を低減させることで高速変調動作を可能とさせることにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る半導体マッハ・ツェンダ型光変調器は、２つのアーム導波路を有するマッハ・ツェンダ（ＭＺ）型の光導波路と、入力光を前記２つのアーム導波路に分波する半導体で構成された１×２型のマルチモード干渉カプラと、前記２つのアーム導波路からの光を合波する半導体で構成された２×１型のマルチモード干渉カプラと、前記２つのアーム導波路を伝搬する光に位相差を付与するための位相変調手段とを備え、前記１×２型のマルチモード干渉カプラおよび前記２×１型のマルチモード干渉カプラは、ハイメサ構造に形成され、２つの前記マルチモード干渉カプラのうち前記２×１型のマルチモード干渉カプラにのみ高次モード光を放射させるための高次モード光放射手段が接続されていることを特徴とする。

従来のＭＺＭ型の半導体光変調素子の導波路概要を示す図である。 高周波線路間に光導波路等が交差又は並走する従来のＭＺＭ型の半導体光変調素子を示す図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 （ａ）は従来のＭＺＭ型の半導体光変調素子において、入力導波路が曲がる構成例を示す図であり、（ｂ）は従来のＭＺＭ型の半導体光変調素子において、高周波線路が曲がる構成例を示す図である。 本実施形態の半導体光変調素子の構成例を示す図である。 入力側の１×２ＭＭＩカプラ（分波器）での土手の有無による光学特性変動を示す図である。 出力側の１×２ＭＭＩカプラ（合波器）での土手の有無による光学特性変動を示す図である。 本実施形態のＭＺＭを複数並列集積したＩＱ光変調器を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図５は本実施形態の半導体光変調素子の構成例を示す図である。本実施形態の半導体光変調素子は、半導体ＭＺ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ:マッハ・ツェンダ）型光導波路１０１の入力と出力とにそれぞれ１×２型のマルチモード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラ１０２、２×１型のＭＭＩカプラ１０３を設けた構成を有する半導体マッハ・ツェンダ型光変調器（ＭＺＭ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）として構成される。本実施形態の半導体光変調素子では、ＭＺＭの入力における光分岐回路としての１×２型のＭＭＩカプラ１０２は半導体土手パターンを有しないが、出力における光合波回路としての２×１型のＭＭＩカプラ１０３は半導体土手パターンを有する。

本明細書において、「土手」とは、いわゆるスラブ型の光導波路のことをいい、ＭＭＩカプラの一部から所定の方向（例えば斜め方向）に引き出されて接続される光導波路である。例えば、所望の光導波路に結合しないで乱反射して戻ってしまう光（高次モード光）を放射させるために用いることができる。

ここで、図６、７を用いて、本実施形態の半導体光変調素子において、光合波回路のＭＭＩカプラにのみ土手を設け、光分波回路のＭＭＩカプラには土手を設けない構成とした理由を説明する。

図６は、入力側の１×２ＭＭＩカプラ（分波器）１０２での土手の有無による光学特性変動を示す図である。図７は、出力側の２×１ＭＭＩカプラ（合波器）１０３での土手の有無による光学特性変動を示す図である。図６、７における光学特性変動はモード計算により求めたものである。図７において、Ａは０次モードの光の出力を示し、Ｂは１次モードの光の出力を示し、Ｃは０次モードの光のアームへの反射を示し、Ｄは１次モードの光のアームへの反射を示している。

図６に示すように、光分波器１０２においては少なくても０次、１次モードの範囲においては、土手有無による目立った減衰が認められず、土手の有無による特異な差（光学特性変動）は見られなかった。すなわち、図６によれば、光分波器１０２においては土手を設けなくても光学特性上問題がないことが原理的に確認できる。

一方、図７によれば、光合波器１０３に関しては透過特性としての劣化は顕著に見られないものの、反射特性としては最大−１０ｄＢの反射が原理的に発生しており、消光比も２０ｄＢ近くにまで低下することが推定できる。よって、光合波器１０３においては土手を設ける必要があるといえる。

図５に戻って、本実施形態の半導体光変調素子では、さらに、ＭＺ型光導波路１０１の上部において、変調領域における光波とマイクロ波（ＲＦ）の伝搬方向が一致するように形成された進行波型電極１２１を有している。この進行波型電極１２１に対して、変調用のＲＦ信号を給電するための引出給電線路１２２が光入射側に位置する光分波器ＭＭＩカプラ１０２付近に設けられ、変調領域を通過したＲＦ信号が伝搬されるＲＦ信号電極線路１２３が後段の光合波器ＭＭＩカプラ１０３付近に設けられている。この引出給電線路１２２は、直線状からなり、引出給電線路１２２と変調部の光導波路１０１とのストライプ方向が同一であることが望ましい。

変調領域を通過したＲＦ信号はその後、終端抵抗を介して熱エネルギーに変換されるため、仮に途中の線路上で電気的損失が増大したところで線路インピーダンスが大きく変化しない限り、変調特性に与える影響は小さい。また、変調領域通過後に線路を曲げたり（ＲＦ入射側では曲げ線路は損失、スキューの観点で好ましくないが、変調領域通過後は最適設計することで曲げによる特性劣化は小さい）、終端抵抗を変調領域後段すぐに設けることでそもそも高周波線路自体を後段の合波ＭＭＩカプラから遠ざける（ＲＦ損失の影響を小さくする）ことが設計上可能である。このような観点から、高速動作且つ光学特性劣化の少ないＭＺＭ型の半導体光変調素子の構成における引出給電線路１２２は、直線状であり、引出給電線路１２２と変調部の光導波路１０１とのストライプ方向が同一であることが望ましいといえる。

実施例１においては、上述した実施形態のＭＺＭ型の半導体光変調素子と同様の構成を具体的に作成した。まず、基板は閃亜鉛鉱型の化合物半導体結晶として、例えばＦｅがドーピングされた半絶縁性のＩｎＰ［結晶方向：１００］基板を用いた。この基板に対し、エピタキシャル成長によって基板面から順にｎ型コンタクト・クラッド層、ノンドープのコア・クラッド層、ｐ型クラッド・コンタクト層を積層した。

コア・クラッド層のコア層は、１．５μｍ帯波長に対して電気光学効果による屈折率変化を効率的に用いるべく、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰの周期からなる多重量子井戸構造を用いた。なお、この多重量子井戸のＰＬ（フォトルミネッセンス）波長は１．４μｍである。

なお、ここでは上方からｐ−ｉ−ｎ型のヘテロ構造を用いているが、実施形態のＭＺＭ型の半導体光変調素子においては、導波路構造内にドーピング層を含む導波路であればその効果を発揮するため、例えば上方からｎ−ｉ−ｐ、ｎ−ｐ−ｉ−ｎ、ｎ−ｉ−ｐ−ｎの順に積層したヘテロ構造であっても問題なことは明らかである
コア・クラッド層のクラッド層の組成は、例えばコア層よりも屈折率が低いＩｎＰとし、ｎ型コンタクト層およびｐ型コンタクト層にはＩｎＰに格子整合し、エネルギーバンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓを用いた。

なお、実施形態のＭＺＭ型の半導体光変調素子においては、コアとクラッドの組成はそれぞれで比屈折率差を有していればよいため、例えばコア・クラッド層、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層に、組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓなどを用いても問題ないことは明らかである。

また、実施形態のＭＺＭ型の半導体光変調素子においては、波長は１．５μｍ帯に限定されず、例えば１．３μｍ帯を用いたとしても実施形態の構成の有用性は失われない。すなわち、ＩｎＰ基板に限らずその他の半導体材料（ＧａＡｓなど）を用いたとしても実施形態の構成の有用性は失われない。

電極間の電気分離を行うために、変調領域及び給電パッド領域以外の導電性のｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層をドライエッチング及びケミカルエッチングによって除去した後、例えばノンドープのクラッド層（ここではＩｎＰ）を結晶再成長により堆積させる。

続いて、ＳｉＯ₂マスクを用いたドライエッチングにより図５に示したようなパターンのＭＺ型光導波路１０１を形成する。ここでは前述した通り、光分波器は孤立１×２ＭＭＩカプラ１０２を用いると共に光合波器では放射用の土手１１０が接続された２×１ＭＭＩカプラ１０３を用いる。なお、これら合分波器１０２、１０３はハイメサ構造とする。

一方、変調領域の光導波路はハイメサ構造でなくても例えばコア層より下層がスラブ導波路となる所謂リッジ導波路だとしても実施形態の構成の有用性は変わらない。留意すべきは、図３で示した電極ＧＡＰに対してＭＭＩカプラ１０２、１０３のハイメサ導波路幅が太くなる場合には、高電界がＭＭＩカプラ１０２、１０３の光導波路と重なりＲＦ損失増大を招く恐れがあるため、この場合には、ハイメサ導波路を電極ＧＡＰ幅以下に設計するか、光導波路自体を電極間の電界強度が集中するエッジ付近から離す設計にしなければならない。しかし、通常１×２ＭＭＩカプラは、最も光導波路が太くなる場合でもその導波路幅は１０μｍ以下であり、その上に形成される高周波電極線路１２０のＧＡＰは１０μｍ以上に設定するため、１×２ＭＭＩカプラの領域では上記問題は基本的に生じにくい構造となる。

その後、光導波路の凸凹をポリイミドやベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の有機膜で平坦化を行い、その上に電極パターニングを行いＡｕメッキ法など用いて高周波電極１２０を形成した。なお、ここでは高速動作のために、高周波電極１２０は進行波型の分布定数電極を用いる。より望ましくは特性インピーダンスやマイクロ波速度の設計自由度の高い容量装荷型進行波電極を用いると更なる高速化が可能となる。

また、入力信号はクロストークや消費電力等の観点で差動信号入力が望ましいが単相信号入力でも実施形態の構成の有用性は失われない。なお、差動信号入力の場合にはスキューの観点で差動線路の等長化が求められることから図５に示すように給電引出線路１２２は曲げずに直線形状であることが望ましい。この場合、代わりに入力光導波路１０１ａを曲げた構成とすることができる。給電引出線路１２２を曲げた構造を採用したとしても実施形態の構成の有用性は変わらないことは明らかである。

以上の実施形態では単一のＭＺＭについて記述したが、同様に図８に示すようにＭＺＭを複数並列集積したＩＱ光変調器においても、各ＭＺＭにおいて実施形態の構成、すなわちＭＺＭの入力における光分岐回路としての１×２型のＭＭＩカプラ１０２ｂは半導体土手パターンを有しないが、出力における光合波回路としての２×１型のＭＭＩカプラ１０３ａは半導体土手パターン１１０を有する構成を採用することができる。この構成で同様の効果が得られることは明らかである。なお、図８では、ＲＦ信号電極線路１２３は図示を省略している。

図８に示すＩＱ光変調器は、親ＭＺＭ２００の各アームそれぞれが子ＭＺＭ１００で構成されたいわゆる入れ子構造のＭＺＭである。変調信号が印加されることによりＭＺＭ光導波路を伝搬する光信号を位相変調する２つの電極線路１２１が、子のＭＺＭ光導波路１０１を構成する２つのアームに沿ってそれぞれ設けられている。この２つの電極線路１２１にそれぞれ接続され、２つの電極線路１２１に対し印加する変調信号を入力するための引出給電線路１２２とが設けられている。さらに、親のＭＺＭ光導波路の２つのアームに光を分波する第１の光分波器１０２ａと、子のＭＺＭ光導波路の２つのアームに光を分波する第２の光分波器１０２ｂと、子のＭＺＭ光導波路の２つのアームからの光を合波する第１の光合波器１０３ａとが設けられている。２つの電極線路１２１が設けられた子のＭＺＭ光導波路のストライプ方向に対して、引出給電線路１２２のストライプ方向と、第２の光分波器１０２ｂのストライプ方向と、第１の光合波器１０３ａのストライプ方向とが同一であり、かつ第１の光分波器１０２ａのストライプ方向は直交関係である。図８に示すＩＱ光変調器は、２つ並列した構造の入れ子構造のＭＺＭ（Ｑｕａｄ−ｐａｒａｌｌｅｌ ＭＺＭ）で構成されていてもよい。なお、図８では、第１の光合波器１０３ａから第２の光合波器１０３ｂの間には、１つの位相変調器１０４が設けられている。

なお、図８に示すようなＩＱ光変調器において、引出給電線路１２２の直線化はＭＺＭの並列集積化を容易とさせる点でも有用である。引出給電線路１２２を直線化せず、曲げ引出線路を採用してＭＺＭを並列化集積した場合には、不要にチップ面積が増大してしまうだけでなく、チャネル間の引出線路損失差が生じる恐れがある。

１００ マッハ・ツェンダ型光変調器（ＭＺＭ）
１０１ ＭＺ型光導波路
１０２ 分波側のＭＭＩカプラ
１０３ 合波側のＭＭＩカプラ
１０４ 位相変調器
１１０ 土手
１１１ 基板上
１１２ ｎドーピングされたＩｎＰクラッド層
１１３ ノンドープのコア層
１１４ ｐドーピングされたＩｎＰクラッド層
１２０ 高周波線路
１２１ 進行波型電極
１２２ 引出給電線路
１２３ ＲＦ信号電極線路
２００ ＩＱ光変調器

Claims (5)

1. ２つのアーム導波路を有するマッハ・ツェンダ（ＭＺ）型の光導波路と、
   入力光を前記２つのアーム導波路に分波する半導体で構成された１×２型のマルチモード干渉カプラと、
   前記２つのアーム導波路からの光を合波する半導体で構成された２×１型のマルチモード干渉カプラと、
   前記２つのアーム導波路を伝搬する光に位相差を付与するための位相変調手段とを備えた半導体マッハ・ツェンダ型光変調器であって、
   前記１×２型のマルチモード干渉カプラおよび前記２×１型のマルチモード干渉カプラは、ハイメサ構造に形成され、２つの前記マルチモード干渉カプラのうち前記２×１型のマルチモード干渉カプラにのみ高次モード光を放射させるための高次モード光放射手段が接続されていることを特徴とする半導体マッハ・ツェンダ型光変調器。
2. 前記位相変調手段は進行波型高周波配線であり、前記ＭＺ型の光導波路に対して光変調信号を印加駆動することにより光に位相差を付与することを特徴とする請求項１に記載の半導体マッハ・ツェンダ型光変調器。
3. 前記進行波型高周波配線において、前記光変調信号の給電方向が光変調領域の光導波路と同一方向であることを特徴とする請求項２に記載の半導体マッハ・ツェンダ型光変調器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体マッハ・ツェンダ型光変調器が少なくとも２つ並列して接続されたことを特徴とするＩＱ光変調器。
5. 請求項２に記載の半導体マッハ・ツェンダ型光変調器が少なくとも２つ並列して接続されたＩＱ光変調器であって、
   ２つの出力が、並列した２つの前記半導体マッハ・ツェンダ型光変調器の２つの１×２型のマルチモード干渉カプラの入力に接続された前段の１×２型のマルチモード干渉カプラをさらに備え、
   前記半導体マッハ・ツェンダ型光変調器の光導波路のストライプ方向に対して、前記進行波型高周波配線のストライプ方向と、前記２つの１×２型のマルチモード干渉カプラのストライプ方向と、前記並列して接続された２つの２×１型のマルチモード干渉カプラのストライプ方向とが同一であり、かつ前記前段の１×２型のマルチモード干渉カプラのストライプ方向は直交関係であることを特徴とするＩＱ光変調器。
   

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