(57)【要約】【課題】進行波電極を用いない非進行波型のＭＺ光変調器を提案し、その小型化と高効率化を実現する。【解決手段】光入力を受ける光分岐部２２と、光分岐部の２つの出力に接続する位相変調部であって、光の入出力方向に対して対称な複数の折り返し部を有する２つの蛇行光導波路２５、２６を含む位相変調部と、位相変調部の２つの出力に接続し変調光を出力する光結合部２３と、を備える光変調器２００を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入力を受ける光分岐部と、
前記光分岐部の２つの出力に接続する位相変調部であって、光の入出力方向に対して対称な複数の折り返し部を有する２つの蛇行光導波路を含む、位相変調部と、
前記位相変調部の２つの出力に接続し変調光を出力する光結合部と、を備える光変調器。
【請求項２】
前記対称な２つの蛇行光導波路の間隔及び当該間隔に隣接する対向する前記複数の折り返し部を含む平面領域上の第１グランド（Ｇ）電極と、
前記第１グランド（Ｇ）電極の両側に離間して配置された２つの信号（Ｓ）電極と、
前記２つの信号（Ｓ）電極の外側に離間して配置された２つの第２グランド（Ｇ）電極と、をさらに備え、
前記第１グランド（Ｇ）電極と、前記２つの信号（Ｓ）電極と、前記２つの第２グランド（Ｇ）電極とを囲む平面下に前記位相変調部が収容される、請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記２つの蛇行光導波路は、並行して直進する複数のリブ導波路と、隣り合う２つのリブ導波路の２つの端部に接続し前記折り返し部となる湾曲したチャネル導波路とを含む、請求項２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記複数のリブ導波路は、基板上の第１のクラッドと、第１のクラッド上の第１のコアと、第１のコアを覆う第２のクラッドとを含み、
前記チャネル導波路は、基板上の第３のクラッドと、第３のクラッド上の第２のコアと、第２のコアを覆う第４のクラッドとを含み、
前記第１のコアは、表面が平坦なｐ型領域及びｎ型領域を含むスラブと、当該スラブ上のｐｎ接合を含むリブを有する、請求項３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記スラブの一方の端側の高濃度なｐ型領域に接続する第１トレンチ電極と、
前記スラブの他方の端側の高濃度なｎ型領域に接続する第２トレンチ電極と、をさらに備え、
前記第１トレンチ電極は、前記第１グランド（Ｇ）電極または前記２つの第２グランド（Ｇ）の１つに接続し、前記第２トレンチ電極は前記２つの信号（Ｓ）電極の１つに接続する、請求項４に記載の光変調器。
【請求項６】
前記基板はＳＯＩ基板からなり、前記第１及び前記第３のクラッドはＳｉＯ２層からなり、前記第１及び前記第２のコアはＳｉ層からなり、前記第２及び前記第４のクラッドは、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣＨ、又はＳｉＯＮの層からなる、請求項４に記載の光変調器。
【請求項７】
前記位相変調部の２つの蛇行光導波路と前記光結合部に接続し、変調光の位相を調整して前記光結合部に出力する位相シフタをさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器に関し、具体的には、マッハツェンダ（ＭＺ）型光変調器に関し、より具体的には、キャリアプラズマ効果を利用して光の位相を変調する光変調部を有するマッハツェンダ（ＭＺ）型光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
マッハツェンダ（以下、ＭＺと呼ぶ）型光変調器は、電気信号を光の強弱信号に変換するデバイスとして光通信において不可欠なデバイスである。従来のＭＺ光変調器の構成を図１に示す。光変調器１００は、入力ポート１に接続する光分岐器２と出力ポート４に接続する光結合器３との間に並行して伸びる２つの光導波路５、６を含む。光導波路５、６はアームとも呼ばれる。入力ポート１にはＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）光が入力し、変調後の変調光が出力ポート４から出力する。
【０００３】
位相変調部において、一方の光導波路５は、進行波電極を構成する１組の電極、すなわち、信号が印加される電極Ｓ（７）とグランドＧ（８）によって挟まれる態様を成す。同様に、光導波路６は、進行波電極を構成する１組の電極Ｓ（９）及びグランドＧ（８）によって挟まれる態様を成す。図１では、グランドＧ（８）が共通の１つのグランドとして２つの光導波路５、６の間に配置される構成（上からＳ／Ｇ／Ｓ）を示している。進行波電極の少なくとも一方、例えば図１の電極Ｓ（７）の一端には、高周波（ＲＦ）入力と直流（ＤＣ）バイアス１を印加するための回路１０が接続され、その他端には終端する回路１１が接続される。
【０００４】
図２は、図１の従来のＭＺ光変調器の光導波路６の構成（ａ−ａ´断面）を示す断面図である。光導波路５の構成も同様である。図２は、ＰＮ接合を含むシリコンリブ型光導波路を用いる場合の一例である。図２において、ＳＯＩ基板の所定領域の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）上のシリコン層（ＳＯＩ層）１２中に、横型のｐｎ接合を形成するようにｐ型（ｐ＋）領域とｎ型（ｎ＋）領域が形成されている。ＢＯＸ層は、位相変調部の第１クラッド（下側クラッド）として機能し、ＳＯＩ層１２はコア（その一部）として機能する。ｐ＋領域の端部にはドーパント濃度が高いｐ＋＋領域が設けられ、その上の電極Ｇ（８）と抵抗性接合している。同様に、ｎ＋領域の端部にはドーパント濃度が高いｎ＋＋領域が設けられ、その上の電極Ｓ（９）と抵抗性接合している。電極Ｓ（９）には図１の回路１０、１１が接続する。
【０００５】
表面が平坦なＳＯＩ層の中央部にはＰＮ接合を含むリブ１４が設けられている。リブ１４はコア（その一部）として機能する。リブ１４及びＳＯＩ層１２はシリコンとは異なる材料からなる第２クラッド（上側クラッド）１３で覆われている。リブ１４のＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加することにより空乏層のキャリア密度が変化し、キャリアプラズマ効果により伝搬する光の位相を高速で変調することができる。
【０００６】
しかし、このキャリア密度変化に起因する屈折率変化が小さいため、通常数ｍｍ程度の長さのコプレーナ等の進行波電極を採用する必要がある（非特許文献１−３）。ＭＺ変調器の片アームあるいは両方のアームの進行波電極に高速電気信号を入力すると、出口側の光結合器３における両アームからの光の干渉条件が変化し、変調光出力に振幅変調や位相変調を与えることができる。
【０００７】
近年光ファイバネットワークやデータセンターを流れる情報量は増大しており、将来的なＳｏｃｉｅｔｙ  ５．０（日本政府提唱）を構築するためには通信システムが更に大規模化、大容量化していく。それに伴い、電気信号から光信号に変換するシリコン変調器においても、特に小型化、省電力化が求められている。
【０００８】
しかし、上述した従来の進行波型ＭＺ変調器には下記の問題点がある。
（１）進行波電極が数ｍｍの長さ必要でありその小型化が難しい。進行波電極に沿って伝搬する変調用ＲＦ電気信号は減衰し変調効率が下がっていくため、高周波領域では十分な変調を光に与えることができず、変調効率が劣化する。
（２）（１）の原因によって、入力ＲＦ電気信号の電圧振幅を高めることが必要であるため低電力化が難しい。
（３）進行波電極にはインピーダンス整合設計と光とＲＦ信号の位相整合設計とが重要であり、電極が長いのでインダクタンスを調整しないとインピーダンス整合と位相整合（ＲＦ／ｏｐｔｉｃ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｍａｔｃｈｉｎｇ）を共に実現することが難しい（非特許文献４）。インピーダンス整合設計には抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、及び容量Ｃの全てのパラメータを考慮するが必要である。しかし、光とＲＦの位相差を無くすことができず、帯域幅の制限の要因になる。したがって、進行波電極の設計においてその最適化と簡略化を実現することは難しい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】小川憲介、電子情報通信学会誌  Ｖｏｌ．９６、Ｎｏ．３、ｐｐ．１９５−１９９、２０１３年３月
【非特許文献２】Ｔ．Ｙ．Ｌｉｏｗ、他、フジクラ技報  Ｖｏｌ．１、２０１５、第１２８号
【非特許文献３】Ｐ．Ｄｏｎｇ、他、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２０１２：２０（６）、６１６３−６１６９
【非特許文献４】Ｄ．Ｍ．Ｇｉｌｌ、他、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２０１５：２３（１３）、１６８５７−１６８６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記した従来の進行波型ＭＺ変調器の問題に鑑みてなされたものであり、進行波電極を用いない非進行波型のＭＺ光変調器を提案し、その小型化と高効率化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様では、光入力を受ける光分岐部と、光分岐部の２つの出力に接続する位相変調部であって、光の入出力方向に対して対称な複数の折り返し部を有する２つの蛇行光導波路を含む、位相変調部と、位相変調部の２つの出力に接続し変調光を出力する光結合部と、を備える光変調器を提供する。
【００１２】
本発明の一態様では、対称な２つの蛇行光導波路の間隔及び当該間隔に隣接する対向する前記複数の折り返し部を含む平面領域上の第１グランド（Ｇ）電極と、第１グランド（Ｇ）電極の両側に離間して配置された２つの信号（Ｓ）電極と、２つの信号（Ｓ）電極の外側に離間して配置された２つの第２グランド（Ｇ）電極と、をさらに備える。第１グランド（Ｇ）電極と、２つの信号（Ｓ）電極と、２つの第２グランド（Ｇ）電極とを囲む平面下に位相変調部が収容される。
【００１３】
本発明の一態様では、２つの蛇行光導波路は、平行して直進する複数のリブ導波路と、隣り合う２つのリブ導波路の２つの端部に接続し折り返し部となる湾曲したチャネル導波路とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のＭＺ光変調器の構成を示す上面図である。
【図２】図１の従来のＭＺ光変調器の光導波路の構成（ａ−ａ´断面）を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の光変調器の構成を示す平面図である。
【図４】図３の本発明の一実施形態の光変調器の光導波路の構成ａ（ｂ−ｂ´断面）と構成ｂ（ｃ−ｃ´断面）を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の光変調器の光導波路の折り返し部の構成を示す（ａ）上面図と（ｂ）断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の光変調器の光導波路の折り返し部の構成（リブーチャネル変換部）を示す斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態の光変調器の帯域応答特性（Ｅ／Ｏ特性）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明の一実施形態の光変調器の構成を示す平面図である。図３の光変調器２００は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を用いた光変調器の一例である。光変調器２００は、入力ポート２１に接続する光分岐器２２と出力ポート２４に接続する光結合器２３との間に、光の入出力方向、すなわち入力ポート２１と出力ポート２４を結ぶ軸に対して対称な複数の折り返し部を有する２つの蛇行光導波路２５、２６を含む。２つの蛇行光導波路２５、２６は位相変調部を構成する。蛇行光導波路２５、２６はアームとも呼ばれる。この２本のアーム２５、２６の長さ及び折り返し部の数は同じである。蛇行光導波路２５、２６の一経路の長さＬ１は、例えば１００〜２００μｍであり、折り返し部の数は位相変調部（光導波路）の全長に応じて増減する。
【００１６】
入力ポート２１にはＣＷ光が入力し、変調後の変調光が出力ポート２４から出力する。ＣＷ光は、振幅の時間依存性がない光を意味し、例えば連続発振するレーザ光（ＣＷ ｌａｓｅｒ）によって供給される。なお、図示はしていないが、位相変調部の２つの蛇行光導波路２５、２６と光結合部２３に接続し、変調光の位相を調整して光結合部２３に出力する位相シフタをさらに含むことができる。位相シフタは、例えばヒータを用いた熱光学（ＴＯ）効果を利用する位相シフタを採用することができる。
【００１７】
位相変調部において、対称な２つの蛇行光導波路２５、２６の間の中央の間隔及びその間隔に隣接する対向する複数の折り返し部を含む平面領域上の第１グランド（Ｇ）電極２８と、第１グランド（Ｇ）電極２８の両側に離間して配置された２つの信号（Ｓ）電極２９、３０と、２つの信号（Ｓ）電極２９、３０の外側に離間して配置された２つの第２グランド（Ｇ）電極３１、３２をさらに備える。電極配置は、図３の左からＧ／Ｓ／Ｇ／Ｓ／Ｇとなる。各電極のサイズは、光導波路の全長に応じて増減し、例えば１辺Ｌ２が１５０〜２００μｍである。これら５つの電極（Ｇ／Ｓ／Ｇ／Ｓ／Ｇ）全てを囲む平面（領域）下に２つの蛇行光導波路２５、２６を含む位相変調部が収容される。
【００１８】
図示はしていないが、２つの信号（Ｓ）電極２９、３０には、高周波（ＲＦ）入力と直流（ＤＣ）バイアスを印加するための駆動回路が接続される。その駆動回路は回路の性質上グランド電極（Ｇ）２８、３１、３２にも電気的に接続される。
【００１９】
図４は、本発明の一実施形態の光変調器の光導波路２５の構成ａ（図３のｂ−ｂ´断面）と構成ｂ（図３のｃ−ｃ´断面）を示す図である。光導波路２６の構成も同様である。図４は、ＰＮ接合を含むシリコンリブ型光導波路を用いる場合の一例である。図４において、ＳＯＩ基板の所定領域の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）上のシリコン層（ＳＯＩ層）３４中に、横型のｐｎ接合を形成するようにｐ型（ｐ＋）領域とｎ型（ｎ＋）領域が形成されている。ＢＯＸ層は、位相変調部の第１クラッド（下側クラッド）として機能し、ＳＯＩ層３４はコア（その一部）として機能する。
【００２０】
図４（ａ）のｎ＋領域の端部にはドーパント濃度が高いｎ＋＋領域が設けられ、その上の信号（Ｓ）電極（３０）と抵抗性接合している。信号（Ｓ）電極（３０）は、シリコン層（ＳＯＩ層）３４の全体を覆っている。同様に、（ｂ）のｐ＋領域の端部にはドーパント濃度が高いｐ＋＋領域が設けられ、その上の第１グランド（Ｇ）２８と抵抗性接合している。第１グランド（Ｇ）電極２８は、シリコン層（ＳＯＩ層）３４の全体を覆っている。
【００２１】
表面が平坦なＳＯＩ層の中央部にはＰＮ接合を含むリブ３６が設けられている。リブ３６はコア（その一部）として機能する。リブ３６及びＳＯＩ層３４は、シリコンとは異なる材料からなる第２クラッド（上側クラッド）３７で覆われている。第２クラッド３７は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、あるいはＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＮのような材料を用いることもできる。
【００２２】
コアを成すＳＯＩ層３４及びリブ３６の屈折率ｎ１と、コアを包含する第１及び第２のクラッドの屈折率ｎ２との関係は、基本的に従来からの光導波路のコアとクラッドに求められる屈折率の関係と同じであって、少なくともｎ１＞ｎ２が成り立つ必要がある。図４の例では、ＳＯＩ層３４のＳｉの屈折率は約３．５であり、第１及び第２のクラッドの一例である酸化シリコン（ＳｉＯ２）の屈折率は約１．４であり、これらは上記した屈折率の関係ｎ１＞ｎ２を満たしている。なお、本発明はＳＯＩ基板、すなわち支持基板上の絶縁層(埋め込み酸化膜（ＢＯＸ））の上の表面が平坦なシリコン（Ｓｉ）層を用いる場合に限定されず、不純物ドーピング（ｐｎ）制御が可能な他の表面が平坦な半導体材料層を含む基板（ウェハ等）を用いることができる。
【００２３】
図５は、本発明の一実施形態の光変調器の蛇行光導波路２５、２６の折り返し部の構成を示す（ａ）上面図と（ｂ）断面図である。図６は、本発明の一実施形態の光変調器の光導波路の折り返し部の構成（リブーチャネル変換部）を示す斜視図である。図５（ａ）において、符号４０の部分が図４に示したリブ３６を含む導波路（リブ導波路）であり、符号４１はリブーチャネル変換部、符号４２が所定の曲率を持つ湾曲したチャネル導波路である。チャネル導波路４２は、図５（ｂ）のｄ−ｄ´断面に示すように、ＳｉＯ２等からなるクラッド４５中にコアとなるＳｉ導波路４４を含む。
【００２４】
図６のリブーチャネル変換部４１では、リブ導波路４０を構成するＰ＋領域とＮ＋領域の幅が徐々に狭くなる先細り状態となって、言い換えればリブ３６のスラブ幅が徐々に無くなって、チャネル導波路４２のＳｉコア４４に光が伝搬するようになっている。その後、次の段のリブーチャネル変換部４１を経由して再びリブ導波路４０へ光が伝搬し光変調機能が生じる。この折り返し部を介した一連の光伝搬が繰り返される。
【００２５】
図３の光変調器２００は以下のように動作する。変調器２００の入力ポート２１にＣＷ光が入射し、光分岐器２２により２本のアーム２５、２６に分けられる。分けられた光は複数の折り返し部を有する各アームに沿って伝搬する。その伝播中に光位相変調部の信号（Ｓ）電極２９、３０に電気信号（バイアス電圧）を印加して、光位相変調部の導波路中のｐｎ接合部に空乏層を形成して、すなわちキャリア密度を低下させて、コアの屈折率を変化させる。その際、信号（Ｓ）電極２９、３０の各々に印加するバイアス電圧を異なる値とすることにより、アーム２５、２６の各々の伝播光の位相を異なるものに変化させることができる。位相が変化した２つの伝播光は光結合器２３で結合（干渉）し、両者の位相差に応じて結合（干渉）光の振幅が変化する。振幅が変化した結合光は変調光として出力ポート２４から出射する。
【００２６】
図７は、本発明の一実施形態の光変調器の帯域応答特性（Ｅ／Ｏ特性）を示す図である。図７は、図３の光変調器の対称な２つの位相変調部の各々の長さを１ｍｍと２ｍｍとして設計した場合の帯域応答特性（Ｅ／Ｏ特性）の計算結果である。その設計の主要なパラメータの値を以下に示す。
・光導波路２５、２６の一経路の長さＬ１：１４４μｍ
・光導波路の繰り返し数                ：８（１ｍｍ）、１４（２ｍｍ）
・電極Ｓ、Ｇの縦長さＬ２              ：２００μｍ
・信号電極Ｓの横長さ                  ：５０〜９０μｍ
・グランド電極Ｇの横長                ：９０μｍ
【００２７】
図７において、位相変調部の長さが２ｍｍで、信号電極ＳにＲＦ信号として正弦波（２ｍｍ ｓｉｎｅ）を入力した場合、位相差ΔΦ（π）が１/２になる、言い換えればＥ／Ｏ特性が−３ｄＢになる周波数は約２５ＧＨｚである。同様に、位相変調部の長さが１ｍｍで、信号電極ＳにＲＦ信号として正弦波（１ｍｍ ｓｉｎｅ）を入力した場合、位相差ΔΦ（π）が１/２になる、言い換えればＥ／Ｏ特性が−３ｄＢになる周波数は約５０ＧＨｚである。これらの帯域幅は従来の光変調器（例えば非特許文献４の１．２ｍｍ変調器）よりも広くなっている。
【００２８】
図３〜図６に例示される本発明の一実施形態の光変調器２００は、以下の特徴を備えている。
（１）位相変調部の蛇行光導波路は全で電極Ｓ、Ｇパッドサイズ領域下に収容されるため、位相変調部のどの位置でも電気信号は信号電極Ｓから印加されたＲＦ電気信号と同じである。ＲＦ電気信号は伝搬しないので減衰が無く、従来の進行波電極型変調器よりも駆動電圧と電力が共に低減する。
（２）数ｍｍの長さ進行波電極が不要であり、変調器のサイズはほぼ電極パッドのサイズだけで決まる。したがって、従来の進行波型変調器より小型化できる。例えば、４ｍｍ長の進行波型変調器と比べて、約１／４２のサイズに小さくできる。
（３）インピーダンス整合設計において電気抵抗とインダクタンスを省略でき、電気容量のみを考えて駆動回路設計が単純化できる。同時に複雑な光とＲＦの位相整合設計が不要になり、帯域幅は位相変調部において繰り返されるリブ導波路の長さに対応した光遅延だけで決める。駆動回路設計と帯域幅設計ともに単純化でき、最適化設計が容易になる。
【００２９】
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の光変調器は、例えば光通信用のトランシーバ等の各種光通信用デバイス、他の光回路、光集積回路の一部として広く利用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１、２１  入力ポート
２、２２  光分岐器
３、２３  光結合器
４、２４  出力ポート
５、６  光導波路
７、９  電極Ｓ
８  グランドＧ
１０  ＲＦ入力とＤＣバイアス１を印加する回路
１１  終端する回路
１２、３４  コア（ＳＯＩ層）
１３、３７  第２クラッド層
１４、３６  リブ
２５、２６  蛇行光導波路（アーム）
２８  第１グランド（Ｇ）電極
２９、３０  信号（Ｓ）電極
３１、３２  第２グランド（Ｇ）電極
４０  リブ導波路
４１  リブーチャネル変換部
４２  チャネル導波路
４４  Ｓｉ導波路
４５  クラッド
１００、２００  光変調器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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