(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光変調素子と、オープンスタブと該オープンスタブに接続されたショートスタブとからなる非対称共振器と、該オープンスタブと該ショートスタブの電極に電磁的に接続されたテーパー状変成器と、該電極の対向電極である共通電極とを含み、上記のオープンスタブとショートスタブのそれぞれの電極は接触して形成され、それらの電極は同一の直線上にあって、上記の直線について前記のテーパー状変成器の対称位置に共通電極をもたず、また、オープンスタブの電極と共通電極間に半導体光変調素子が接続された構成を備えることを特徴とする非対称電極を用いた共振型半導体光変調器。
【請求項２】
半導体光変調素子と、第１のオープンスタブと第１のオープンスタブとは異なる長さを持ち第１のオープンスタブに接続された第２のオープンスタブとからなる非対称共振器と、第１のオープンスタブと第２のオープンスタブの電極に電磁的に接続されたテーパー状変成器と、該電極の対向電極である共通電極とを含み、第１のオープンスタブと第２のオープンスタブのそれぞれの電極は接触して形成され、それらの電極は同一の直線上にあって、上記の直線について前記のテーパー状変成器の対称位置に共通電極をもたず、上記の配線とオープンスタブとの接続部以外のいずれかのオープンスタブの電極と共通電極間に上記の半導体光変調素子が接続された構成を備えることを特徴とする非対称電極を用いた共振型半導体光変調器。
【請求項３】
上記のオープンスタブの長さとショートスタブの長さとの和が、変調信号の波長の４分の１の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の非対称電極を用いた共振型半導体光変調器。
【請求項４】
半導体光変調素子は、オープンスタブの端部に接続されたことを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載の非対称電極を用いた共振型半導体光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信分野で小さい高周波信号による強度変調器として用いることができる非対称電極を用いた共振型半導体光変調器の構成に関している。
【０００２】
【従来の技術】
光変調器とは、電気信号の情報を、強度、位相、周波数、などの光キャリアに変換して出力するデバイスであり、その変調方法としては、光源であるレーザを直接変調する方法と、光源の外部の変調器を用いて変調する方法がある。上記の直接変調する方法は、装置的に簡単な構成とすることができるが、外部の変調器を用いて変調する方が高品質の変調を行えることが知られている。このため、超高速通信や長距離通信では、外部の変調器を用いて変調することが一般的に行なわれている。
【０００３】
このように外部の変調器を用いて変調する場合には、電気光学効果を利用する変調器や、半導体の電界吸収効果を利用する変調器などが使われている。そのうちの後者の半導体の電界吸収効果を利用する変調器に、本発明は関しているため、この点について、以下においてさらに詳しく説明する。
【０００４】
半導体光変調器は、よく知られている様に、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造におけるシュタルク効果や、半導体の基礎吸収スペクトル電場強度により変化するフランツ・ケルディシュ効果を用いている。このため、変調する光の波長と、変調器に用いる半導体の基礎吸収スペクトルがほぼ一致する必要があり、変調される光を出力するレーザ光源と同じ半導体基板上に作られる場合がある。
【０００５】
上記の効果を用いた半導体光変調器では、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とそれらに挟まれた半導体層から構成されている。このＰ型半導体層とＮ型半導体層について見た場合、一般に、逆バイアスとなるように、バイアス電圧を印加する事により、吸収スペクトルは長波長側に伸びる。半導体光変調器は、このように変化する波長領域を用いて、光の強度変調を行うものである。
【０００６】
従来の半導体光変調器では、図９に示す様に、変調信号を伝送する信号線のインピーダンスと半導体変調器のインピーダンスを整合させるために、半導体変調素子に並列に終端抵抗をつけることがあった。
【０００７】
また、アメリカ合衆国特許５７３２０９７号公報には、半導体変調素子で発生する光電流を相殺させるために、終端抵抗と定電流源とを半導体変調素子に並列に接続した構成が開示されている。
【０００８】
また、特開平９−１９９７７８号公報には、従来例に比較して改善された変調効率を有し、より小さい消費電力で光変調することができる半導体電界吸収型光変調装置を提供することを目的として、光源からの光信号を入力される高周波信号に従って変調する半導体電界吸収型光変調器を備えた半導体電界吸収型光変調装置が開示されている。この装置においては、上記入力される高周波信号を、上記高周波信号を伝送する伝送線路の特性インピーダンスから特性インピーダンスよりも高い所定の終端インピーダンスにインピーダンス変換して上記半導体電界吸収型光変調器の入力端に出力するインピーダンス変換回路と、上記半導体電界吸収型光変調器の入力端に接続され、上記終端インピーダンスを有する終端抵抗とを備えている。
【０００９】
また、アメリカ合衆国特許５９９５２７０号公報には、長い距離にわたって光と高周波変調信号とが相互作用できる進行波型の半導体変調素子と終端抵抗とをもった構成が開示されている。しかし、この構成では、光の進行方向を逆にすると大幅に変調効率が低下する点において、本発明や上記の例とは異なっている。
【００１０】
上記した従来の半導体光変調器では、終端抵抗を用いない場合に比べて、それを用いることにより、インピーダンス整合が図られ、より小さい高周波電力で光変調が可能となっている。しかし、大部分の高周波電力が終端抵抗で消費されている。これに対し、特開平９−１９９７７８号公報においては、インピーダンス変換を行って、より高い電圧に変換することにより、高い変調効率を実現している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の公報の場合も高いインピーダンスでの整合を取るために、大きい終端抵抗であるが、これを使用しており、終端抵抗における高周波電力の消費があり、光ファイバー無線の光変調部に用いるためには、さらに高周波電力の消費を抑制する必要があった。
【００１２】
この発明は、上記に鑑み提案されたもので、変調信号である高周波電力を共振器を通じて半導体光変調素子に印加することにより、その高周波電力の消費を抑制できる構成にして、変調効果の高い非対称電極を用いた共振型半導体光変調器を実現するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
下記の説明において、オープンスタブあるいはショートスタブとは、高周波信号の非対称コプレーナ導波路で、それぞれ、信号供給端の他端が開放端であるもの、あるいは、信号供給端の他端が短絡端であるものを意味するものとする。
【００１４】
上記目的を達成するために、第１の発明は、非対称電極を用いた共振型半導体光変調器に関しており、半導体光変調素子と、オープンスタブと該オープンスタブに接続されたショートスタブとからなる非対称共振器と、該オープンスタブと該ショートスタブの電極に電磁的に接続されたテーパー状変成器と、該電極の対向電極である共通電極とを含み、上記のオープンスタブとショートスタブのそれぞれの電極は接触して形成され、それらの電極は同一の直線上にあって、上記の直線について前記のテーパー状変成器の対称位置に共通電極をもたず、また、オープンスタブの電極と共通電極間に半導体光変調素子が接続された構成を備えることを特徴としている。
【００１５】
また、第２の発明は、半導体光変調素子と、第１のオープンスタブと第１のオープンスタブとは異なる長さを持ち第１のオープンスタブに接続された第２のオープンスタブとからなる非対称共振器と、第１のオープンスタブと第２のオープンスタブの電極に電磁的に接続されたテーパー状変成器と、該電極の対向電極である共通電極とを含み、第１のオープンスタブと第２のオープンスタブのそれぞれの電極は接触して形成され、それらの電極は同一の直線上にあって、上記の直線について前記のテーパー状変成器の対称位置に共通電極をもたず、上記の配線とオープンスタブとの接続部以外のいずれかのオープンスタブの電極と共通電極間に上記の半導体光変調素子が接続された構成を備えることを特徴としている。
【００１６】
また、第３の発明は、共振した状態で、変調信号を印加できる様にするために、第１の発明の構成に加えて、上記のオープンスタブの長さとショートスタブの長さとの和が、変調信号の波長の４分の１の整数倍であることを特徴としている。
【００１７】
また、第４の発明は、短いスタブによる構成でも効果的な変調ができる様にするために、第１、第２あるいは第３の発明の構成に加えて、半導体光変調素子は、オープンスタブの端部に接続されたことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を、１）実施形態１に、オープンスタブ（高周波信号の非対称コプレーナ導波路で、信号供給端の他端が開放端であるもの）と、ショートスタブ（高周波信号の非対称コプレーナ導波路で、信号供給端の他端が短絡端であるもの）とを含む場合を、また、２）実施形態２に、第１のオープンスタブと、それとは異なる長さを持ち、その導波路に接続された、第２オープンスタブとを含む場合を、また、３）実施形態３に、半導体光変調素子のインピーダンスを考慮した場合の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお図面においては、類似の機能や形状を持つものについては、特別の場合を除いて同じ符号を付して説明する。
【００１９】
１）実施形態１
オープンスタブと、ショートスタブとで構成された共振器を用いた非対称電極を用いた共振型半導体光変調器の模式図を図１に示す。図１において、図１（ａ）はその平面図を、図１（ｂ）は、オープンスタブに接続された半導体光変調素子の近傍の俯瞰図を示す。この共振型半導体光変調器では、ＬｉＮｂＯ３基板のくぼみに半導体変調素子が設けられており、その光路はＬｉＮｂＯ３基板にＴｉ（チタン）を熱拡散することによって形成したものである。この基板上には、光導波路を伝搬する光の減衰を抑制するために０．５５μ厚の酸化シリコン層９が形成され、その光路に沿う配置で変調電極や共通電極を形成する金属層（金、厚さ２μｍ）が設けられている。この構成により、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、非対称電極を用いた共振型半導体光変調器の構成を示している。ここで用いられている半導体光変調素子は、既に良く知られたフランツ・ケルディシュ効果を用いたものであるが、ＭＱＷ構造に於けるシュタルク効果を用いたものでも良い。この半導体光変調素子は、ＧａＡｓ半導体基板上に形成されている。また、その機能部の位置は、ＬｉＮｂＯ３基板に形成された光路と、充分に厳密に調整することが望ましい。
【００２０】
共振器は、光導波路上の第１のオープンスタブと、同じ光導波路上のショートスタブ４とで構成されている。第１のオープンスタブと共通電極７との距離は２７μｍであり、第１のオープンスタブは、幅５μｍ長さ１８８１μｍ（配線の幅の半分を含む）で、これは、変調信号である高周波信号の導波路上での波長の０．２２倍であるが、０．２０〜０．２４倍程度（あるいは０．７０〜０．７４倍程度）に設定することができる。また、ショートスタブ２と共通電極６との距離は２７μｍであり、ショートスタブ２は、幅５μｍ長さ２５６μｍ（配線の幅の半分を含む）で、これは、変調信号である高周波信号の導波路上での波長の０．０３倍である。図１に示した様に、第１のオープンスタブとショートスタブ２との接続部分で給電される。この給電のための接続は、図１（ａ）おいては連続した導電体により直流電流的に接続されているが、このように直流電流的な接続でなくても、キャパシタンスあるいはインダクタンスによる電磁的な接続であっても、目的を達成することができる。その接続部からテーパー状変成器までは、１００μｍの配線が設けられている。ここで、配線を設ける本質的な理由は接続以外にはなく、省略することも可能である。また、テーパー状変成器は、入力部分のコプレーナ導波路からの信号を反射して戻すことなく、第１のオープンスタブとショートスタブ２とに供給するためのものであり、長さ８００μｍで、幅は１００μｍから３５μｍに傾斜する形状となっている。また、その傾斜に合わせて、共通電極との距離も、３２５μｍから１０７．５μｍに傾斜している。
【００２１】
この構成の利点は、共振器がスタブを通じて共通電極に接続されているので、静電気による帯電や低周波信号による干渉の影響を受けづらい点にある。
【００２２】
以上の構造を持った、波長１．５５ミクロンの光を中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための共振型半導体光変調器において、共振器上での導波路中を進行する光からみた電界の強度（実線）と位相（点線）についての計算機シミュレーション結果を図２に示す。これと比較するため、ショートスタブ２が無い場合の参照用のシミュレーション結果を図３に示す。この図の電界強度は、入力した高周波信号の振幅で規格化したものである。これらの図の比較から、ショートスタブ２の作用により電界強度が高くなっていることが分かる。位相については、進行する光からみているため、左から右に増加している。また、最適化されていない場合（具体的には、導波路１と導波路２とを合わせた共振器長を、電極上の波長の０．１８倍としたもの）の計算機シミュレーション結果を図４示す。図２と図４とを比べてみれば容易に分かるように、最適化により共振器電極上の電位が増大していることが分かる。この増大した電位を半導体光変調素子に印加することにより効率の高い変調ができることは明かである。
【００２３】
２）実施形態２
次に、第２の実施形態として、光導波路上の第１のオープンスタブと、それとは異なる長さを持ち、それと同じ光導波路上の第２のオープンスタブとからなる共振器を用いた共振型半導体光変調器の模式図を図５に示す。この共振型半導体光変調器も上記と同様に、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための構成を示している。基板や半導体光変調素子の近傍の構成については、前記の実施形態１の場合と同じであるため、以下の説明では省略する。
【００２４】
共振器は、第１のオープンスタブ（左）と、第２のオープンスタブ（右）とで構成されている。第１のオープンスタブと共通電極７との距離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ１７１０μｍ（配線の幅の半分を含む）で、これは、変調信号である高周波信号の導波路上での波長の０．２倍であるが、０．１８〜０．２２倍程度（あるいは０．６８〜０．７２倍程度）に設定することができる。また、第２のオープンスタブと共通電極６との距離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ２５６４μｍ（配線の幅の半分を含む）で、これは、変調信号である高周波信号の導波路上での波長の０．３倍である。図１に示した様に、第１のオープンスタブと第２のオープンスタブとの接続部分で給電される。その接続部からテーパー状変成器までは、１００μｍの配線が設けられている。ここで、配線を設ける本質的な理由はなく、省略することも可能である。また、テーパー状変成器は、入力部分のコプレーナ導波路からの信号を反射して戻すことなく、第１のオープンスタブと第２のオープンスタブとに供給するためのものであり、長さ８００μｍで、幅は１００μｍから３５μｍに傾斜する形状となっている。また、その傾斜に合わせて、共通電極との距離も、３２５μｍから１０７．５μｍに傾斜している。
【００２５】
この構成の利点は、共振器電極に直流バイアスや低周波信号を印加できる点にある。
【００２６】
以上の構造を持った、波長１．５５ミクロンの光を中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための非対称電極を用いた共振型半導体光変調器において、共振器電極上での電界の強度（実線）と位相（点線）についての計算機シミュレーション結果を図７に示す。この図７の電界強度は、入力した高周波信号の振幅で規格化したものであり、スタブを持たない図３の場合に比べて電界強度が高くなっているのが分かる。また、位相については、進行する光からみているため、左から右に増加しているが、第１のオープンスタブと第２のオープンスタブとの接続部分から４２７μｍ、波長の０．０５倍の距離において、位相が１８０度以上になるため、入力する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果（誘導位相量）がこの部分においては逆になっているのがわかる。また、それぞれのオープンスタブ端の電界は、ほぼ等しく、従って、半導体光変調素子は、何れのオープンスタブ端に接続しても、ほぼ等しい変調効果が得られることは、図７の結果から容易に予想できる。
【００２７】
また、最適化しない場合（具体的には、導波路１と導波路２とを合わせた共振器電極長を、電極上の波長の０．６倍としたもの）の計算機シミュレーション結果を図８示す。図７と図８とを比べてみれば容易に分かるように、最適化により共振器電極上の電位が増大している。
【００２８】
３）実施形態３
次に、第３の実施形態として、変調素子部分のインピーダンスを考慮した場合の一例として、同じ光路上に有るが長さの異なる第１のオープンスタブと第２のオープンスタブとからなる共振器を用いた共振型半導体光変調器で、共振器の電極の直下に半導体光変調素子を設けた例の模式図を図６に示す。この共振型半導体光変調器も上記と同様に、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための構成を示している。光路の設けられた基板の構成については、前記の実施形態１の場合と同じであるため、以下の説明では省略する。半導体光変調素子は、ＩｎＧａＡｓ-ＩｎＧａＡｓＰで形成されたＭＱＷ構造をもつものであり、光路に沿った長さは３００μｍである。この半導体光変調素子と共振器電極が設けられたＬｉＮｂＯ３基板との接続は、接着剤によるものであり、またそれぞれの電極の電気的接続は接続配線１２を用いて行っているが、半導体集積回路で良く用いられるボンディング配線によって行ってもよい。
【００２９】
共振器は、第１のオープンスタブ（左）と、第２のオープンスタブ（右）とで構成されている。第１のオープンスタブと共通電極７との距離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ２１１２μｍ（配線の幅の半分を含む）で、これは、変調信号である高周波信号の導波路上での波長の０．６倍である。また、第２のオープンスタブと共通電極６との距離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ９８６μｍ（配線の幅の半分を含む）で、これは、変調信号である高周波信号の導波路上での波長の０．３倍である。例えば、４．６-ｊ７９．６オームのインピーダンスをもった半導体光変調素子を接続した場合には、この点における高周波信号電圧を、給電点における高周波信号電圧の３．３倍とすることができ、効果的な光変調を行うことができる。
【００３０】
また、図６に示す構成の利点は、光路と変調部分とのずれを少なくして、そのばらつきによる特性のばらつきを容易に少なくできる点にある。
【００３１】
上記した本発明のいずれの実施形態においても、共振器のスタブ方向と光路とが平行な構成を持っているが、これらは、直角を含めて任意の角度で交わる構成とする場合であっても特段の困難は発生しない。むしろ、半導体光変調素子が半導体レーザと同一基板上に形成されている場合は、その角度を直角にする方が製造が容易である場合がある。
【００３２】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３３】
第１、第２、第３あるいは第４の発明では、共振器を通じて高周波電力を半導体光変調素子に印加するようにしたので、変調電圧が増大されるため、小電力で変調効率の高い光変調器を実現できるようになる。特に第１の発明では、変調信号に低周波信号が雑音として重畳されている場合でも、そのような雑音の影響を受けづらくなる。また、半導体光変調素子に光電流が流れる場合でも、半導体光変調素子の帯電を防止できるようになる。また、特に第２の発明では、バイアスを印加することが可能になり、バイアス電圧によって変調状態を制御できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オープンスタブとショートスタブとで構成された非対称電極を用いた共振型半導体光変調器の模式図であり、（ａ）はその平面図を、（ｂ）は、オープンスタブに接続された半導体光変調素子の近傍の俯瞰図を示す。
【図２】共振器電極上での電界の強度（実線）と位相（点線）についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図３】参照用のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】共振器電極は第１のオープンスタブとショートスタブ４とで構成されているが、最適化されていない場合の計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図５】第１のオープンスタブと第２のオープンスタブとで構成された共振器を用いた共振型半導体光変調器の模式図である。
【図６】第１のオープンスタブと第２のオープンスタブとで構成された共振器と共振器の電極の直下に配置された光路とを用いた共振型半導体光変調器の模式図である。
【図７】第１のオープンスタブと第２のオープンスタブとで構成した共振器電極上での電界の強度（実線）と位相（点線）についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図８】最適化されない場合の、第１のオープンスタブと第２のオープンスタブとで構成された共振器電極上での電界の強度（実線）と位相（点線）についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図９】従来の技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  オープンスタブ
２  配線
３  テーパー状変成器
４  ショートスタブ
５  オープンスタブ
６、７  共通電極
８  半導体光変調素子
９  ボンディングパッド
１０  光導波路
１１  配線
１２  接続配線
【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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【図８】
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【図９】
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