(57)【要約】【課題】駆動電力を低減可能なマッハツェンダ変調器を含む半導体光変調素子を備える光変調モジュールを提供できる。【解決手段】第１光変調器２０Ａはマッハツェンダ変調器を含み、このマッハツェンダ変調器の第１アーム導波路及び第２アーム導波路、電気入力、並びに差動伝送路を含む電気回路の差動インピーダンスは８０Ωから９５Ωの範囲にある。第２光変調器２０Ｂ、第３光変調器２０Ｃ及び第４光変調器２０Ｄの各々に係る電気回路の差動インピーダンスも、また８０Ωから９５Ωの範囲にある。この半導体光変調素子１３によれば、これまでの光変調器に比べて第１及び第２アーム導波路のインピーダンスを高くして、差動インピーダンスが８０Ωから９５Ωの範囲にある半導体光変調素子を提供する。これ故に、半導体光変調素子の電気入力に電気信号を提供する駆動回路の消費電力を低減できる。【選択図】図１
2014164243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光変調素子であって、
半絶縁性のＩｎＰ基板上において第１軸の方向に配列された複数のマッハツェンダ変調器を含む半導体変調器と、
前記半導体光変調素子の光入力と前記半導体変調器との間に結合されており前記ＩｎＰ基板上に設けられた光分岐器と、
外部から差動駆動信号を受ける第１電極及び第２電極、並びに共通電極を含み、前記ＩｎＰ基板上に設けられた電気入力と、
前記半導体変調器のうちの第１マッハツェンダ変調器の第１アーム導波路及び第２アーム導波路に前記電気入力の前記第１電極、前記第２電極及び前記共通電極を接続する導電線を含む差動伝送路と、
を備え、
前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路及び前記第２アーム導波路、前記電気入力、並びに前記差動伝送路を含む電気回路の差動インピーダンスは８０Ωから９５Ωの範囲にある、半導体光変調素子。
【請求項２】
前記半導体光変調素子の光出力と前記半導体変調器との間に結合されており前記ＩｎＰ基板上に設けられた光合波導波路を更に備え、
前記ＩｎＰ基板は、前記第１軸の方向に延在する第１縁及び第２縁、並びに該第１軸に交差する第２軸の方向に延在する第３縁及び第４縁を有しており、
前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極は前記第１縁に沿って配列されており、
前記光出力は前記第２縁に位置する、請求項１に記載された半導体光変調素子。
【請求項３】
前記ＩｎＰ基板上において前記半導体変調器及び前記光分岐器を埋め込む樹脂体を備え、
前記樹脂体の誘電率はシリコン酸化物より低く、
前記差動伝送路は、前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路の第１半導体層に前記電気入力の前記第１電極を接続する第１導電体、前記第１マッハツェンダ変調器の前記第２アーム導波路の第２半導体層に前記電気入力の前記第２電極を接続する第２導電体、並びに前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路の第３半導体層及び前記第２アーム導波路の第４半導体層に前記電気入力の前記共通電極を接続する第３導電体を含み、
前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は、前記樹脂体上に延在する部分を有し、
前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は並走し、
前記第３導電体は前記第１導電体と前記第２導電体との間に位置し、
前記第１アーム導波路の前記第１半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第２半導体層は第１導電型半導体からなり、
前記第１アーム導波路の前記第３半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第４半導体層は第２導電型半導体からなる、請求項１又は請求項２に記載された半導体光変調素子。
【請求項４】
前記樹脂体はベンゾシクロブテンを備える、請求項３に記載された半導体光変調素子。
【請求項５】
前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は、前記第１マッハツェンダ変調器に光学的に結合される光導波路上を通過し、
前記樹脂体は、前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体と前記光導波路との間に設けられ、
前記光導波路は、前記第１導電型半導体からなる第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と、前記第２導電型半導体からなる第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と、前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられたｉ層とを含む、請求項３又は請求項４に記載された半導体光変調素子。
【請求項６】
前記第１マッハツェンダ変調器において、前記第１アーム導波路の前記第３半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第４半導体層に接触を成す共通電極の幅は前記第１アーム導波路の前記第１半導体層に接触を成す電極の幅及び前記第２アーム導波路の前記第２半導体層に接触を成す電極の幅より大きく、
前記差動伝送路において、前記第３導電体の幅は前記第１導電体の幅及び前記第２導電体の幅より小さい、請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載された半導体光変調素子。
【請求項７】
前記第１アーム導波路の前記第３半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第４半導体層を互いに接続する接続半導体層を更に備え、
前記第３半導体層、前記接続半導体層及び前記第４半導体層は、前記ＩｎＰ基板の主面に沿って延在するｎ型半導体層を含み、
前記第３導電体は、前記樹脂体の開口を介して前記第１アーム導波路と前記第２アーム導波路との間において前記ｎ型半導体層に接続されている、請求項３〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体光変調素子。
【請求項８】
光変調モジュールであって、
請求項１に記載された半導体光変調素子と、
第１インピーダンスを有する差動入力及び第２インピーダンスを有する差動出力を有する駆動回路と、
前記半導体光変調素子の前記第１電極、前記第２電極及び前記共通電極に前記駆動回路の前記差動出力を接続するための配線を有する基板と、
を備え、
前記第１インピーダンスは前記第２インピーダンスと異なる、光変調モジュール。
【請求項９】
前記駆動回路の前記第２インピーダンスは８０オーム以上であり、９５オーム以下であり、
前記基板の前記配線の差動インピーダンスは８０オーム以上であり、９５オーム以下である、請求項８に記載された光変調モジュール。
【請求項１０】
前記半導体光変調素子は、前記半導体変調器と前記半導体光変調素子の光出力との間に結合されており前記ＩｎＰ基板上に設けられた光合波器を更に備え、
前記ＩｎＰ基板は、前記第１軸の方向に延在する第１縁及び第２縁、並びに前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する第３縁及び第４縁を有しており、
前記電気入力は前記第１縁に位置し、
前記光入力は前記第３縁に位置し、
前記光出力は前記第２縁に位置し、
当該光変調モジュールは、前記半導体光変調素子の前記光出力に光学的に結合された偏波合波装置を更に備え、
前記基板、前記半導体光変調素子及び前記偏波合波装置は前記第２軸に沿って配列されている、請求項８又は請求項９に記載された光変調モジュール。
【請求項１１】
前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極は、前記半導体光変調素子の前記第１縁に沿って配列されており、
前記駆動回路の前記差動入力は、第１接地電極、第１入力電極、第２入力電極及び第２接地電極を含み、
前記駆動回路の前記差動出力は、第１出力電極、第３接地電極及び第２出力電極を含み、前記第１出力電極、前記第３接地電極及び前記第２出力電極は、この順に一方向に配列されており、前記配線に接続されており、
前記半導体光変調素子は、前記ＩｎＰ基板上において前記半導体変調器及び前記光分岐器を埋め込む樹脂体を備え、
前記樹脂体の誘電率はシリコン酸化物より低く、
前記差動伝送路は、前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路の第１半導体層に前記電気入力の前記第１電極を接続する第１導電体、前記第１マッハツェンダ変調器の前記第２アーム導波路の第２半導体層に前記電気入力の前記第２電極を接続する第２導電体、並びに前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路の第３半導体層及び前記第２アーム導波路の第４半導体層に前記電気入力の前記共通電極を接続する第３導電体を含み、
前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は、前記樹脂体上に延在する部分を有し、
前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は並走し、
前記第３導電体は前記第１導電体と前記第２導電体との間に位置し、
前記第１アーム導波路の前記第１半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第２半導体層は第１導電型半導体からなり、
前記第１アーム導波路の前記第３半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第４半導体層は第２導電型半導体からなる、請求項１０に記載された光変調モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調モジュール、及び半導体光変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び特許文献２は、ＩｎＰ系変調器を開示する。また、非特許文献１は、ＩｎＰ系変調器を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許４２３５１５４号公報
【特許文献２】特開２０１０−００８８６９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K.-O.  Velthaus,  et.al,  “High  performance  InP-based  Mach-Zehnder  modulators  for 10  to  100  Gb/s  optical  fiber  transmission  systems,”  23rd  International  Conference  on  Indium  Phosphide  and  Related  Materials,  IPRM  2011,  Th-8.1.2  May  22-26,  2011,  Berlin,  Germany
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１は、４つのマッハツェンダ変調器を集積した集積半導体素子を開示する。また、個々のマッハツェンダ変調器のアーム導波路部を電気的に縦続に接続して一対のアーム導波路を構成すると共に、５０オームの特性インピーダンスの単相伝送路により、縦続接続された個々のアーム導波路部のプッシュプル駆動を行っている。
【０００６】
特許文献１は、単相伝送路によりアーム導波路の駆動を開示する。特許文献２は、伝送路を介するマッハツェンダ変調器の駆動を開示する。特許文献２にはマッハツェンダ変調器は５０オームの特性インピーダンスを開示する一方で、特許文献１にはマッハツェンダ変調器における特性インピーダンスの具体的な開示はない。
【０００７】
光位相変調のために半導体変調器を用いる際に、複数のマッハツェンダ変調器を集積して集積変調器素子を構成する。マッハツェンダ変調器のための駆動信号は高周波成分を含む。非特許文献１のマッハツェンダ変調器は特性インピーダンス５０Ωの伝送路を介して駆動され、特許文献２のマッハツェンダ変調器も特性インピーダンス５０Ωの伝送路を介して駆動される。この特性インピーダンスの値は、高周波伝送路に使用されている。集積変調器素子は、複数のマッハツェンダ変調器を含むので、集積変調器素子の消費電力は変調器の数に応じて増加する。これ故に、集積変調器素子の消費電力の増加を避けることは容易ではない。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みてされたものであり、駆動電力を低減可能なマッハツェンダ変調器を含む半導体光変調素子を提供することを目的とし、またこの半導体光変調素子を含む光変調モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体光変調素子は、（ａ）半絶縁性のＩｎＰ基板上において第１軸の方向に配列された複数のマッハツェンダ変調器を含む半導体変調器と、（ｂ）前記半導体光変調素子の光入力と前記半導体変調器との間に結合されており前記半絶縁性ＩｎＰ基板上に設けられた光分岐器と、（ｃ）外部から差動駆動信号を受ける第１電極及び第２電極、並びに共通電極を含み、前記半絶縁性ＩｎＰ基板上に設けられた電気入力と、（ｄ）前記半導体変調器のうちの第１マッハツェンダ変調器の第１アーム導波路及び第２アーム導波路に前記電気入力の前記第１電極、前記第２電極及び前記共通電極を接続する導電線を含む差動伝送路を備える。前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路及び前記第２アーム導波路、前記電気入力、並びに前記差動伝送路を含む電気回路の差動インピーダンスは８０Ωから９５Ωの範囲にある。
【００１０】
この半導体光変調素子によれば、これまでの光変調器に比べて第１及び第２アーム導波路のインピーダンスを高くして、差動インピーダンスが８０Ωから９５Ωの範囲にある半導体光変調素子を提供している。これ故に、半導体光変調素子の電気入力に電気信号を提供する駆動回路の消費電力を低減できる。
【００１１】
第１マッハツェンダ変調器の駆動信号の電圧振幅Ｖπ及び第１マッハツェンダ変調器のアーム導波路のインピーダンスＺ０を用いて、半導体光変調素子の駆動のための消費電力はＶπ２／Ｚ０で表される。
【００１２】
本発明に係る半導体光変調素子は、前記半導体光変調素子の光出力と前記半導体変調器との間に結合されており前記ＩｎＰ基板上に設けられた光合波導波路を更に備えることができる。前記ＩｎＰ基板は、前記第１軸の方向に延在する第１縁及び第２縁、並びに該第１軸に交差する第２軸の方向に延在する第３縁及び第４縁を有しており、前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極は前記第１縁に沿って配列されており、前記光出力は前記第２縁に位置することができる。
【００１３】
この半導体光変調素子によれば、光出力は光合波導波路を介して半導体変調器に光学的に結合される。第１電極、第２電極、及び共通電極が第１縁に位置すると共に、光出力が第２縁に位置しており、また第２縁が第１縁の反対側に位置する。これ故に、光出力の位置と電気入力の位置とが互いに干渉することを避けることができる。また、電気入力を半導体変調器に接続する配線の大きな曲げを避けることができる。
【００１４】
本発明に係る半導体光変調素子は、前記半絶縁性ＩｎＰ基板上において前記半導体変調器及び前記光分岐器を埋め込む樹脂体を備えることができる。前記樹脂体の誘電率はシリコン酸化物より低く、前記差動伝送路は、前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路の第１半導体層に前記電気入力の前記第１電極を接続する第１導電体、前記第１マッハツェンダ変調器の前記第２アーム導波路の第２半導体層に前記電気入力の前記第２電極を接続する第２導電体、並びに前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路の第３半導体層及び前記第２アーム導波路の第４半導体層に前記電気入力の前記共通電極を接続する第３導電体を含み、前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は、前記樹脂体上に延在する部分を有し、前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は並走し、前記第３導電体は前記第１導電体と前記第２導電体との間に位置し、前記第１アーム導波路の前記第１半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第２半導体層は第１導電型半導体からなり、前記第１アーム導波路の前記第３半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第４半導体層は第２導電型半導体からなることができる。
【００１５】
この半導体光変調素子によれば、シリコン酸化物より低い誘電率の樹脂体により、半導体変調器及び光分岐器を埋め込む。第１導電体及び第２導電体は、それぞれ、第１アーム導波路及び第２アーム導波路に接続される。また、第３導電体は第１導電体と第２導電体との間においてこれらの導電体と並走する。マッハツェンダ変調器を駆動する差動伝送路が、第１導電体、第２導電体及び第３導電体から構成されるので、一つのマッハツェンダ変調器を駆動するために必要な配線数は３つである。
【００１６】
本発明に係る半導体光変調素子では、前記樹脂体はベンゾシクロブテンを備えることができる。
【００１７】
本発明に係る半導体光変調素子では、前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は、前記第１マッハツェンダ変調器に光学的に結合される光導波路上を通過し、前記樹脂体は、前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体と前記光導波路との間に設けられ、前記光導波路は、前記第１導電型半導体からなる第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と、前記第２導電型半導体からなる第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と、前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型半導体からなる第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられたｉ層とを含むことができる。
【００１８】
この半導体光変調素子によれば、差動伝送路の第１導電体、第２導電体及び第３導電体は、第３導電体が第１導電体と第２導電体との間に位置するように樹脂体上を並走する。共通電極に接続される導体を第１導電体及び第２導電体の各々の両側に並走させることなく、第１導電体と第２導電体との間に共通の第３導電体が位置する差動伝送路構造を用いている。これ故に、樹脂体上の導電体の総面積の増加を避けて、導電体が樹脂体に加える応力の増加を低減できる。
【００１９】
本発明に係る半導体光変調素子では、前記第１マッハツェンダ変調器において、前記第１アーム導波路の前記第３半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第４半導体層に接続される電極の幅は前記第１アーム導波路の前記第１半導体層に接触を成す電極の幅及び前記第２アーム導波路の前記第２半導体層に接続される電極の幅より大きく、差動伝送路において、前記第３導電体の幅は前記第１導電体の幅及び前記第２導電体の幅より小さいことができる。
【００２０】
本発明に係る半導体光変調素子は、前記第１アーム導波路の前記第３半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第４半導体層を互いに接続する接続半導体層を更に備えることができる。前記第３半導体層、前記接続半導体層及び前記第４半導体層は、前記ＩｎＰ基板の主面に沿って延在するｎ型半導体層を含み、前記第３導電体は、前記樹脂体の開口を介して前記第１アーム導波路と前記第２アーム導波路との間において前記ｎ型半導体層に接触している。
【００２１】
この半導体光変調素子によれば、より少ない数の配線導体を含む差動伝送線を用いるために、第１アーム導波路からの電気信号は第３半導体層から接続半導体層を介して第３導電体に伝わる。また、第２アーム導波路からの電気信号は第４半導体層から接続半導体層を介して第３導電体に伝わる。接続半導体層には、第１及び第２アーム導波路への差動信号に基づく逆相の電気信号が伝搬する。
【００２２】
本発明に係る光変調モジュールは、（ａ）上記及び本実施の形態におけるいずれかの形態として記載された半導体光変調素子と、（ｂ）第１インピーダンスを有する差動入力及び第２インピーダンスを有する差動出力を有する駆動回路と、（ｃ）前記半導体光変調素子の前記第１電極、前記第２電極及び前記共通電極に前記駆動回路の前記出力を接続するための配線を有する中継基板とを備えることができる。前記第１インピーダンスは前記第２インピーダンスと異なる。
【００２３】
この光変調モジュールによれば、第１インピーダンスを有する差動入力と、第１インピーダンスと異なる第２インピーダンスを有する差動出力とを有する駆動回路を用いて、半導体光変調素子を駆動する。この半導体光変調素子は、これまでの光変調器に比べて高いインピーダンスの第１及び第２アーム導波路を有する。この差動インピーダンスは８０Ωから９５Ωの範囲にある。これ故に、半導体光変調素子の電気入力に電気信号を提供する駆動回路の消費電力を低減できる。
【００２４】
本発明に係る光変調モジュールでは、前記駆動回路の前記第２インピーダンスは８０オーム以上であり、９５オーム以下であり、前記基板の前記配線の差動インピーダンスは８０オーム以上であり、９５オーム以下であることができる。
【００２５】
この光変調モジュールによれば、基板の配線の差動インピーダンスを８０オーム以上９５オーム以下の範囲にして、駆動回路から半導体光変調素子への差動信号の伝達において、帯域の狭小化を避けることができ、またインピーダンス整合が達成される。
【００２６】
本発明に係る光変調モジュールは、前記半導体光変調素子は、前記半導体変調器と前記光出力との間に結合されており前記ＩｎＰ基板上に設けられた光合波器を更に備えることができる。前記ＩｎＰ基板は、前記第１軸の方向に延在する第１縁及び第２縁、並びに前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する第３縁及び第４縁を有しており、前記電気入力は前記第１縁に位置し。前記光入力は前記第３縁に位置し、前記光出力は前記第２縁に位置することができる。当該光変調モジュールは、前記半導体光変調素子の前記光出力に光学的に結合された偏波合波装置を更に備えることができる。前記中継基板、前記半導体光変調素子及び前記偏波合波装置は前記第２軸に沿って配列されていることができる。
【００２７】
この光変調モジュールによれば、基板、半導体光変調素子及び偏波合波装置が第２軸に沿って配列されているので、光出力の位置と電気入力の位置との干渉を避けると共に電気入力を半導体変調器に接続する配線の大きな曲げを避けながら、半導体光変調素子の第２縁に位置する光出力ポートからの光信号を偏波合波装置に光学的に結合させることを可能にする。中継基板は、電気入力及び半導体変調器へ提供される信号を伝搬する差動伝送路の大きな曲げを避けることができる。
【００２８】
本発明に係る光変調モジュールでは、前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極は前記第１縁に沿って配列されており、前記駆動回路の前記差動入力は、第１接地電極、第１入力電極、第２入力電極及び第２接地電極を含み、前記駆動回路の前記差動出力は、第１出力電極、第３接地電極及び第２出力電極を含み、前記第１出力電極、前記第３接地電極及び前記第２出力電極は、この順に一の方向に配列されており、前記配線に接続されている。前記半導体光変調素子は、前記ＩｎＰ基板上において前記半導体変調器及び前記光分岐器を埋め込む樹脂体を備え、前記樹脂体の誘電率はシリコン酸化物より低く、前記差動伝送路は、前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路の第１半導体層に前記電気入力の前記第１電極を接続する第１導電体、前記第１マッハツェンダ変調器の前記第２アーム導波路の第２半導体層に前記電気入力の前記第２電極を接続する第２導電体、並びに前記第１マッハツェンダ変調器の前記第１アーム導波路の第３半導体層及び前記第２アーム導波路の第４半導体層に前記電気入力の前記共通電極を接続する第３導電体を含み、前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は、前記樹脂体上に延在する部分を有し、前記第１導電体、前記第２導電体及び前記第３導電体は並走し、前記第３導電体は前記第１導電体と前記第２導電体との間に位置し、前記第１アーム導波路の前記第１半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第２半導体層は第１導電型半導体からなり、前記第１アーム導波路の前記第３半導体層及び前記第２アーム導波路の前記第４半導体層は第２導電型半導体からなることができる。
【００２９】
この光変調モジュールによれば、駆動回路が、第１接地電極、第１入力電極、第２入力電極及び第２接地電極を含む差動入力を有するけれども、第１出力電極、第３接地電極及び第２出力電極を含む差動出力を有する。この駆動回路は、インピーダンス変換に加えて配線順の変換を行う。駆動回路により変換された配線順の差動伝送路を基板に構成すると共に、この基板からの差動信号が、半導体光変調素子に加えられて、シリコン酸化物より低い誘電率の樹脂体上を並走する第１導電体、第３導電体及び第２導電体から構成される差動伝送路を伝搬する。この差動伝送路上の差動信号が一つのマッハツェンダ変調器を駆動する。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、駆動電力を低減可能なマッハツェンダ変調器を含む半導体光変調素子を提供できる。また、本発明によれば、この半導体光変調素子を含む光変調モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本実施の形態に係る光変調モジュールを概略的に示す図面である。
【図２】図２は、半導体光変調素子における光導波路の配置を示す図面である。
【図３】図３は、図１及び図２に示された導波路及び変調導波路の構造の一例を示す図面である。
【図４】図４は、駆動回路の構成を示す図面である。
【図５】図５は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路の幅と、当該光導波路に係る差動インピーダンスとの関係を示す図面である。
【図６】図６は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路の幅と、変調用の電気信号の振幅Ｖπとの関係を示す図面である。
【図７】図７は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路の幅と、光導波路における伝送損失との関係を示す図面である。
【図８】図８は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路のｉ層の厚さと、当該光導波路に係る差動インピーダンスとの関係を示す図面である。
【図９】図９は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路のｉ層の厚さと、変調用の電気信号の振幅Ｖπとの関係を示す図面である。
【図１０】図１０は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路上の変調用電極Ｓの中央と光導波路間の接地電極Ｇの端との間隔Ｘと、当該光導波路に係る差動インピーダンス（Ｚｄｉｆｆ）との関係を示す図面である。
【図１１】図１１は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路上の変調用電極Ｓの中央と光導波路間の接地電極Ｇの端との間隔Ｘと、マイクロ波伝送損失との関係を示す図面である。
【図１２】図１２は、図１０及び図１１の検討において用いたモデルを示す図面である。
【図１３】図１３は、高速変調特性を調べるための半導体光変調素子に動作電圧振幅ＶπのＮＲＺ信号が印加されるような条件の電気信号を光変調モジュールに入力して測定したＯｎ−Ｏｆｆ−Ｋｅｙｉｎｇ（ＯＯＫ）光アイパターンを示す図面である。
【図１４】図１４は、デジタルコヒーレント受信器において受信された本モジュールの光出力信号（１２８Ｇｂ／ｓ、ＤＰ−ＱＰＳＫ出力信号）のコンスタレーションを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の光変調モジュール、及び半導体光変調素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３３】
図１は、本実施の形態に係る光変調モジュールを概略的に示す図面である。光変調モジュール１１は、半導体光変調素子１３と、偏波合波装置１５と、駆動回路１７とを含む。駆動回路１７、半導体光変調素子１３、及び偏波合波装置１５はこの順に第１軸Ａｘ１の方向に配列されている。駆動回路１７は、第１インピーダンスを有する差動入力及び第２インピーダンスを有する差動出力を有する。第１インピーダンスは第２インピーダンスと異なる。光変調モジュール１１は、更に、半導体光変調素子１３の電気入力１４、１６（第１電極、第２電極及び共通電極）に駆動回路１７の出力を接続するための配線４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄを有する配線基板４９を備える。この光変調モジュール１１によれば、第１インピーダンスを有する差動入力と、第１インピーダンスと異なる第２インピーダンスを有する差動出力とを有する駆動回路１７を用いて、半導体光変調素子１３を駆動する。この半導体光変調素子１３は、これまでの半導体光変調器に比べて高いインピーダンスの第１及び第２アーム導波路を有する。半導体光変調素子１３のアーム導波路における差動インピーダンスは８０Ω以上であることが好ましい。これ故に、半導体光変調素子の電気入力に電気信号を提供する駆動回路の消費電力を低減できる。
【００３４】
半導体光変調素子１３は、第１縁１３ａ及び第２縁１３ｂを有する。第１縁１３ａ及び第２縁１３ｂは軸Ａｘ１に交差し、第１縁１３ａ及び第２縁１３ｂの各々は、この軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に延在する。駆動回路１７、半導体光変調素子１３の第１縁１３ａ、半導体光変調素子１３の第２縁１３ｂ、及び偏波合波装置１５は、この順に軸Ａｘ１の方向に順に配列されている。
【００３５】
半導体光変調素子１３の第１光出力ポート１２ａ及び第２光出力ポート１２ｂは半導体光変調素子１３の第２縁１３ｂに位置する。半導体光変調素子１３は、光分岐器（光分岐導波路）２７、光合波器（光合波導波路）２９、半導体変調器３０を含む。半導体変調器３０は、第１群の光変調器３１及び第２群の光変調器３３を含む。半導体変調器３０は、半絶縁性のＩｎＰ基板上において軸Ａｘ２の方向に配列された複数の光変調器を含み、これらの光変調器の各々はマッハツェンダ変調器を含むことができる。光分岐器２７、第１光合波器２９ａ、第２光合波器２９ｂ、第１群の光変調器３１、及び第２群の光変調器３３は光学素子を構成する。また、光分岐器２７は、半導体光変調素子の光入力ポート１２ｃと半導体変調器３０との間に結合されており、またＩｎＰ基板上に設けられている。光合波器２９は第１光合波器２９ａ及び第２光合波器２９ｂを含む。光合波器２９は半導体光変調素子１３の光出力ポートと半導体変調器３０との間に結合されており、またＩｎＰ基板上に設けられている。第１群の光変調器３１は第１光合波器２９ａを介して第１光出力ポート１２ａに結合される。第２群の光変調器３３は第２光合波器２９ｂを介して第２光出力ポート２９ｂに光学的に結合される。第１群の光変調器３１及び第２群の光変調器３３は光分岐器２７を介して光入力ポート１２ｃに光学的に結合される。半導体光変調素子１３の光学素子は、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板上に設けられる。
【００３６】
第１群の光変調器３１は第１光変調器２０Ａ及び第２光変調器２０Ｂを含む。第２群の光変調器３３は第３光変調器２０Ｃ及び第４光変調器２０Ｄを含む。第１光変調器２０Ａ、第２光変調器２０Ｂ、第３光変調器２０Ｃ及び第４光変調器２０Ｄは光分岐器２７を介して光入力ポート１２ｃに光学的に結合される。
【００３７】
電気入力１４、１６については、第１入力１４ａ、第２入力１４ｂ、第３入力１４ｃ及び第４入力１４ｄは、半導体光変調素子１３の第１縁１３ａに沿って配列される。半導体光変調素子１３は、第１群の入力１４及び第２群の入力１６を有する。第１群の入力１４は第１入力１４ａ及び第２入力１４ｂからなる。第２群の入力１６は第３入力１４ｃ及び第４入力１４ｄからなる。駆動回路１７は、半導体光変調素子１３の第１入力１４ａ、第２入力１４ｂ、第３入力１４ｃ及び第４入力１４ｄに電気的に接続される。電気入力１４ａ〜１４ｄはＩｎＰ基板上に設けられる。電気入力１４ａ〜１４ｄの各々は、外部から差動駆動信号を受ける第１電極及び第２電極、並びに接地のための共通電極を含む。電気入力１４ａ〜１４ｄは、それぞれ、差動伝送路を介して第１光変調器２０Ａ、第２光変調器２０Ｂ、第３光変調器２０Ｃ及び第４光変調器２０Ｄに接続される。差動伝送路は、半導体変調器３０のうちの第１光変調器２０Ａ（具体的には、第１マッハツェンダ変調器の第１アーム導波路及び第２アーム導波路）に電気入力１４ａの第１電極、第２電極及び共通電極を接続する複数の導電線を含む。第１マッハツェンダ変調器の第１アーム導波路及び第２アーム導波路、電気入力、並びに差動伝送路を含む電気回路の差動インピーダンスは、例えば８０Ω以上９５Ω以下の範囲にある。第２光変調器２０Ｂ、第３光変調器２０Ｃ及び第４光変調器２０Ｄも、第１光変調器２０Ａと同様に、それぞれ、電気入力１４ｂ〜１４ｄの第１電極、第２電極及び共通電極に接続される。そして、第２光変調器２０Ｂ、第３光変調器２０Ｃ及び第４光変調器２０Ｄの各々に係る電気回路の差動インピーダンスも、また例えば８０Ω以上９５Ω以下の範囲にある。
【００３８】
この実施の形態では、８０Ωから９５Ωの範囲にある差動インピーダンスを有する半導体光変調素子を提供して、これまでの光変調器に比べて第１及び第２アーム導波路のインピーダンスを高くしている。これ故に、半導体光変調素子１３の電気入力に電気信号を提供する駆動回路１７の消費電力を低減できる。一例を示せば、第１マッハツェンダ変調器の駆動信号の電圧振幅Ｖπ及び上記の電気回路（例えば、第１マッハツェンダ変調器のアーム導波路）のインピーダンスＺ０を用いて、駆動のための消費電力はＶπ２／Ｚ０で表される。
【００３９】
半導体光変調素子１３は、第１群の入力１４をそれぞれ第１群の光変調器３１に接続する第１群の配線と、第２群の入力１６をそれぞれ第２群の光変調器３３に接続する第２群の配線とを備える。
【００４０】
半導体光変調素子１３は、入力ポート１２ｃに入力光Ｌ１を受ける。第１光出力ポート１２ａからの出力光Ｌ２に係る第１群の光変調器３１は第１群の配線導体を介して一群の駆動信号を受け、第２光出力ポート１２ｂからの出力光Ｌ３に係る第２群の光変調器３３は第２群の配線導体を介して一群の駆動信号を受ける。
【００４１】
半導体光変調素子１３において第１縁１３ａは第２縁１３ｂの反対側にあり、第１光出力ポート１２ａ及び第２光出力ポート１２ｂは半導体光変調素子の第２縁に位置する一方で、第１入力１４ａ、第２入力１４ｂ、第３入力１４ｃ及び第４入力１４ｄは半導体光変調素子１３の第１縁１３ａに沿って配列されており、電気信号の入力を行う縁１３ａが光信号の出力を行う縁１３ｂの反対側にある。半導体光変調素子１３の一縁１３ａにおいて電気信号を受けて、該電気信号を変調器（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）により光信号に変換して、該光信号を半導体光変調素子１３の縁１３ｂで出力できる。信号（電気信号及び光信号）が第１軸Ａｘ１の方向に流れるので、電気信号を導く入力配線、及び光信号を導く光導波路も軸Ａｘ２に沿って配列される。
【００４２】
偏波合波装置１５は、第１ミラー２１ａと、偏波回転子２３と、偏波合波器２５とを備える。半導体光変調素子１３は、第１光出力ポート１２ａ、第２光出力ポート１２ｂ、及び光入力ポート１２ｃを有する。偏波回転子２３は、半導体光変調素子１３の第１光出力ポート１２ａからの光Ｌ２を受ける。第１ミラー２１ａは、偏波回転子２３のからの光を受ける。偏波合波器２５は、第１ミラー２１ａを介して半導体光変調素子１３の第１光出力ポート１２ａに光学的に結合され、また偏波回転子２３を介して半導体光変調素子１３の第２光出力ポート１２ｂに光学的に結合される。
【００４３】
光変調モジュール１１では、半導体光変調素子１３は第３縁１３ｃ及び第４縁１３ｄを有する。第３縁１３ｃ及び第４縁１３ｄの各々は、軸Ａｘ２に直交する軸の方向に延在する。光入力ポート１２ｃは第３縁１３ｃに位置する。第１変調器〜第４変調器２０Ａ〜２０Ｄは軸Ａｘ２の方向に配列されることができる。この光変調モジュール１１によれば、光入力ポート１２ｃが軸Ａｘ２に交差する第３縁１３ｃに位置する一方で、第１入力〜第４入力１４ａ〜１４ｄが第１縁１３ａに沿って配列される。この配置によれば、光入力ポート１２ｃの位置する縁１３ｃが電気信号の入力の配列する縁１３ａと異なる。
【００４４】
この配置を具体的に説明すれば、電気入力１４ａ〜１４ｄの各々における第１電極、第２電極及び共通電極は第１縁１３ａに沿って配列されており、光出力ポート１２ａ、１２ｂは第２縁１３ｂに位置することができる。光出力ポート１２ａ、１２ｂは光合波器２９を介して半導体変調器３０に光学的に結合される。第１電極、第２電極、及び共通電極が第１縁１３ａに位置すると共に、光出力ポート１２ａ、１２ｂが第２縁１３ｂに位置している。第２縁１３ｂが第１縁１３ａの反対側に位置する。これ故に、電気入力１４ａ〜１４ｄを半導体変調器３０に接続する配線の大きな屈曲を避けることができる。
【００４５】
図２は、半導体光変調素子における光導波路の配置を示す図面である。図２を参照して、半導体光変調素子１３における光導波路の配置を説明する。
【００４６】
半絶縁性のＩｎＰ基板といった支持体上に、４つの光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄが並列に配置されている。半導体光変調素子１３は二つの光出力ポート１２ａ、１２ｂ及び光入力ポート１２ｃを備える。光入力ポート１２ｃには一本の光入力導波路４０の一端が接続されている。
【００４７】
光入力導波路４０の他端は１×２ＭＭＩカプラ４１の入力端に接続されており、１×２ＭＭＩカプラ４１の二つの出力端は、それぞれ、曲線導波路４１Ａ, ４１Ｂを介して、二つの１×２ＭＭＩカプラ４２Ａ、４２Ｂの入力端に接続されている。１×２ＭＭＩカプラ４２Ａの２出力端は、曲線導波路４３Ａ、４３Ｂを介して、２つの１×２ＭＭＩカプラ４４Ａ、４４Ｂの入力端に接続されている。１×２ＭＭＩカプラ４２Ｂの２出力端には、曲線導波路４３Ｃ、４３Ｄを介して、２つの１×２ＭＭＩカプラ４４Ｃ、４４Ｄの入力端に接続されている。
【００４８】
１×２ＭＭＩカプラ４４Ａの２つの出力端は、それぞれ、曲線導波路４４Ａ−１、４４Ａ−２を介して変調導波路４４Ａ−３及び４４Ａ−４に接続される。１×２ＭＭＩカプラ４４Ｂの２出力端は、それぞれ、曲線導波路４４Ｂ−１、４４Ｂ−２を介して変調導波路４４Ｂ−３及び４４Ｂ−４に接続される。１×２ＭＭＩカプラ４４Ｃの２出力端は、それぞれ、曲線導波路４４Ｃ−１、４４Ｃ−２を介して変調導波路４４Ｃ−３及び４４Ｃ−４に接続される。１×２ＭＭＩカプラ４４Ｄの２出力端は、それぞれ、曲線導波路４４Ｄ−１、４４Ｄ−２を介して変調導波路４４Ｄ−３及び４４Ｄ−４に接続される。
【００４９】
変調用導波路４４Ａ−３及び４４Ａ−４は、それぞれ、曲線導波路４４Ａ−５及び４４Ａ−６を介して、１×２ＭＭＩカプラ４５Ａの２つの入力端に接続されている。変調用導波路４４Ｂ−３及び４４Ｂ−４は、それぞれ、曲線導波路４４Ｂ−５及び４４Ｂ−６を介して、１×２ＭＭＩカプラ４５Ｂの２つの入力端に接続されている。変調用導波路４４Ｃ−３及び４４Ｃ−４は、それぞれ、曲線導波路４４Ｃ−５及び４４Ｃ−６を介して、１×２ＭＭＩカプラ４５Ｃの２つの入力端に接続されている。変調用導波路４４Ｄ−３及び４４Ｄ−４は、それぞれ、曲線導波路４４Ｄ−５及び４４Ｄ−６を介して、１×２ＭＭＩカプラ４５Ｄの２つの入力端に接続されている。
【００５０】
１×２ＭＭＩカプラ４５Ａ及び４５Ｂ各々の１つの出力端は、曲線導波路５５Ａ及び５５Ｂを介して２×２ＭＭＩカプラ５６Ａの入力端に接続されている。１×２ＭＭＩカプラ４５Ｃ及び４５Ｄ各々の１つの出力端は、曲線導波路５５Ｃ及び５５Ｄを介して２×２ＭＭＩカプラ５６Ｂの入力端に接続されている。２×２ＭＭＩカプラ５６Ａにおける一方の出力端が光出力ポート１２ａに接続され、２×２ＭＭＩカプラ５６Ｂにおける一方の出力端が光出力ポート１２ｂに接続される。
【００５１】
第１変調器２０Ａ、第２変調器２０Ｂ、第３変調器２０Ｃ及び第４変調器２０Ｄの各々は、図２に示されるように、マッハツェンダ変調器を含むことができる。第１変調器２０Ａは、１×２ＭＭＩカプラ４４Ａ、変調用導波路（第１アーム導波路）４４Ａ−３、変調用導波路（第２アーム導波路）４４Ａ−４、及び１×２ＭＭＩカプラ４５Ａを備える。第２変調器２０Ｂは、１×２ＭＭＩカプラ４４Ｂ、一の変調用導波路（第１アーム導波路）４４Ｂ−３、他の変調用導波路（第２アーム導波路）４４Ｂ−４、及び１×２ＭＭＩカプラ４５Ｂを備える。第３変調器２０Ｃは、１×２ＭＭＩカプラ４４Ｃ、変調用導波路（第１アーム導波路）４４Ｃ−３、変調用導波路（第２アーム導波路）４４Ｃ−４、及び１×２ＭＭＩカプラ４５Ｃを備える。第４変調器２０Ｄは、１×２ＭＭＩカプラ４４Ｄ、変調用導波路（第１アーム導波路）４４Ｄ−３、変調用導波路（第２アーム導波路）４４Ｄ−４、及び１×２ＭＭＩカプラ４５Ｄを備える。この光変調モジュール１１によれば、マッハツェンダ変調器は、２つのアーム導波路とこれらのアーム導波路に駆動信号を供給する変調電極とから構成される。
【００５２】
次いで、図２を参照して、半導体光変調素子１３の電気配線配置を説明する。
【００５３】
光変調モジュール１１では、半導体光変調素子１３は、第１群の入力１４をそれぞれ第１群の光変調器３１に接続する第１群の配線３７ａと、第２群の入力１６をそれぞれ第２群の光変調器３３に接続する第２群の配線３７ｂとを備える。
【００５４】
半導体光変調素子１３は、第１入力１４ａ及び第２入力１４ｂをそれぞれ第１光変調器２０Ａ及び第２光変調器２０Ｂに接続する第１ライン３５ａ及び第２ライン３５ｂを含む。半導体光変調素子１３は、第３入力１４ｃ及び第４入力１４ｄをそれぞれ第３光変調器２０Ｃ及び第４光変調器２０Ｄに接続する第３ライン３５ｃ及び第４ライン３５ｄを含む。図１及び図２に示される配置例に限定されるものではないが、本実施例では、第１ライン３５ａ、第２ライン３５ｂ、第３ライン３５ｃ及び第４ライン３５ｄは、これらのラインの配線長が実質的に同一になるようにルーティングされている。第１ライン３５ａ、第２ライン３５ｂ、第３ライン３５ｃ及び第４ライン３５ｄ上の電気信号の遅延は実質的に同等にできる。
【００５５】
図３は、図１及び図２に示された導波路及び変調導波路（例えば、アーム導波路）の構造の一例を示す図面である。半導体光変調素子１３は、ＩｎＰ基板６１上の光学素子を埋め込む樹脂体６３を備えることができ、光学素子は、例えば半導体変調器３０、光分岐器２７、光合波器２９、及びこれらを光学的に結合する光導波路を含む。樹脂体６３の誘電率はシリコン酸化物より低いものを用いる。樹脂体６３は例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド等を備えることができる。
【００５６】
電気入力１４ａ〜１４ｄと光変調器２０Ａ〜２０Ｄとは、それぞれ、以下のように差動伝送路を介して接続される。例えば電気入力１４ａと光変調器２０Ａとを接続する差動伝送路は、図３に示されるように、光変調器２０Ａの第１アーム導波路４４Ａ−３の第１半導体層に電気入力１４ａの第１電極を接続する第１導電体、光変調器２０Ａの第２アーム導波路４４Ａ−４の第２半導体層に電気入力１４ａの第２電極を接続する第２導電体、並びに光変調器２０Ａの第１アーム導波路４４Ａ−３の第３半導体層及び光変調器２０Ａの第２アーム導波路４４Ａ−４の第４半導体層に電気入力１４ａの共通電極を接続する第３導電体を含む。第１アーム導波路４４Ａ−３のｐ−ＩｎＰ層（第１半導体層）及び第２アーム導波路４４Ａ−４のｐ−ＩｎＰ層（第２半導体層）は第１導電型半導体からなり、第１アーム導波路４４Ａ−３のｎ−ＩｎＰ層（第３半導体層）及び第４アーム導波路４４Ａ−４のｎ−ＩｎＰ層（第４半導体層）は第２導電型半導体からなることができる。これら第１導電体、第２導電体及び第３導電体は、図３の（ｂ）部に示されるように、樹脂体６３上に延在する部分を有する。図１及び図２に示されるように、これら第１導電体、第２導電体及び第３導電体は樹脂体６３上を並走し、第３導電体は第１導電体と第２導電体との間に位置する。この半導体光変調素子１３によれば、シリコン酸化物より低い誘電率の樹脂体により、半導体変調器３０及び光分岐器２７を埋め込む。第１導電体及び第２導電体は、それぞれ、第１アーム導波路４４Ａ−３及び第２アーム導波路４４Ａ−４に接続される。また、第３導電体は第１導電体と第２導電体との間においてこれらの導電体と並走する。マッハツェンダ変調器を駆動する差動伝送路が、第１導電体、第２導電体及び第３導電体から構成されるので、一つのマッハツェンダ変調器を駆動するために必要な配線数は３つである。
【００５７】
より具体的に個々の光変調器について説明する。まず、光変調器２０Ａに関しては、変調電極Ａ１−ＭＯＤ、Ａ２−ＭＯＤは、それぞれ、変調用光導波路４４Ａ−３、４４Ａ−４上に接続される。これらの変調電極は、より具体的には、個々の変調用光導波路の最上層を介して上部のクラッド層に電位を与える。
【００５８】
変調電極Ａ１−ＭＯＤ、Ａ２−ＭＯＤの一端は、それぞれ、ＲＦ信号入力として機能する第１入力ＲＦ−ＩＮ１に配線導体Ａ１−ＩＮ、Ａ２−ＩＮを介して接続される。この第１入力ＲＦ−ＩＮ１は第１１入力端ＲＦ−ＩＮ１１及び第１２入力端ＲＦ−ＩＮ１２を有する。一群の配線は、第１変調器２０Ａの第１アーム導波路（４４Ａ−３）の第１クラッド上の電極Ａ１−ＭＯＤを第１１入力端ＲＦ−ＩＮ１１に接続する第１１配線導体Ａ１−ＩＮと、第１変調器２０Ａの第２アーム導波路（４４Ａ−４）の第１クラッド上の電極Ａ２−ＭＯＤを第１２入力端ＲＦ−ＩＮ１２に接続する第１２配線導体Ａ２−ＩＮと、第１１配線導体ＲＦ−ＩＮ１１と第１２配線導体ＲＦ−ＩＮ１２との間に延在する第１接地導体Ａ−ＧＮＤとを含む。第１接地導体Ａ−ＧＮＤは、第１変調器２０Ａの第１アーム導波路（４４Ａ−３）と第２アーム導波路（４４Ａ−４）との間において第２クラッドに接続される。この光変調モジュール１１では、配線導体Ａ１−ＩＮ及び配線導体Ａ２−ＩＮにより接地導体Ａ−ＧＮＤを挟むように、配線導体Ａ１−ＩＮ、接地導体Ａ−ＧＮＤ及び配線導体Ａ２−ＩＮが第１入力ＲＦ−ＩＮ１から個々のアーム導波路まで並走する。この並走によれば、これらの導体の長さを等しくなるようにできる。このような配線構造は、配線の長さの点を除いて、第１変調器２０Ａ以外の変調器２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄにも提供される。
【００５９】
配線導体Ａ１−ＩＮと配線導体Ａ２−ＩＮとの間には、接地導体Ａ−ＧＮＤが延在している。接地導体Ａ−ＧＮＤは、個々の変調用光導波路の下部のクラッド層に電位を与える。変調電極Ａ１−ＭＯＤ、Ａ２−ＭＯＤの他端は、それぞれ、終端配線導体Ａ１−Ｔ、Ａ２−Ｔに接続される。終端配線導体Ａ１−Ｔ、Ａ２−Ｔは、第３縁１３ｃまで延在する。終端配線導体Ａ１−Ｔと終端配線導体Ａ２−Ｔとの間には、接地導体Ａ−ＧＮＤが延在している。ＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ１と変調電極とを接続する信号配線は、接地導体を信号導体が挟んで１つの接地導体及び２つの信号導体が並走的に延在する配線構造（「ＳＧＳ構造」として参照する）を成す。また、終端素子と変調電極とを接続する信号配線は、接地導体を信号導体が挟んで１つの接地導体及び２つの信号導体が並走的に延在するＳＧＳ構造を成す。
【００６０】
光変調器２０Ｂに関しては、変調電極Ｂ１−ＭＯＤ、Ｂ２−ＭＯＤの一端は、それぞれ、配線導体Ｂ１−ＩＮ、Ｂ２−ＩＮを介してＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ２に接続される。配線導体Ｂ１−ＩＮと配線導体Ｂ２−ＩＮとの間には、接地導体Ｂ−ＧＮＤが延在している。接地導体Ｂ−ＧＮＤは、個々の変調用光導波路の下部のクラッド層に電位を与える。変調電極Ｂ１−ＭＯＤ、Ｂ２−ＭＯＤの他端は、それぞれ、終端配線導体Ｂ１−Ｔ、Ｂ２−Ｔに接続される。終端配線導体Ｂ１−Ｔ、Ｂ２−Ｔは、第３縁１３ｃまで延在する。終端配線導体Ｂ１−Ｔと終端配線導体Ｂ２−Ｔとの間には、接地導体Ｂ−ＧＮＤが延在している。ＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ２と変調電極とを接続する信号配線は、接地導体を信号導体が挟んで１つの接地導体及び２つの信号導体が並走的に延在するＳＧＳ構造を成す。
【００６１】
光変調器２０Ｃに関しては、変調電極Ｃ１−ＭＯＤ、Ｃ２−ＭＯＤの一端は、それぞれ、配線導体Ｃ１−ＩＮ、Ｃ２−ＩＮを介してＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ３に接続される。配線導体Ｃ１−ＩＮと配線導体Ｃ２−ＩＮとの間には、接地導体Ｃ−ＧＮＤが延在している。接地導体Ｃ−ＧＮＤは、個々の変調用光導波路の下部のクラッド層に電位を与える。変調電極Ｃ１−ＭＯＤ、Ｃ２−ＭＯＤの他端は、それぞれ、終端配線導体Ｃ１−Ｔ、Ｃ２−Ｔに接続される。終端配線導体Ｃ１−Ｔ、Ｃ２−Ｔは、第４縁１３ｄまで延在する。終端配線導体Ｃ１−Ｔと終端配線導体Ｃ２−Ｔとの間には、接地導体Ｃ−ＧＮＤが延在している。ＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ３と変調電極とを接続する信号配線は、接地導体を信号導体が挟んで１つの接地導体及び２つの信号導体が並走的に延在するＳＧＳ構造を成す。
【００６２】
光変調器２０Ｄに関しては、変調電極Ｄ１−ＭＯＤ、Ｄ２−ＭＯＤの一端は、それぞれ、配線導体Ｄ１−ＩＮ、Ｄ２−ＩＮを介してＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ４に接続される。配線導体Ｄ１−ＩＮと配線導体Ｄ２−ＩＮとの間には、接地導体Ｄ−ＧＮＤが延在している。接地導体Ｄ−ＧＮＤは、個々の変調用光導波路の下部のクラッド層に電位を与える。変調電極Ｄ１−ＭＯＤ、Ｄ２−ＭＯＤの他端は、それぞれ、終端配線導体Ｄ１−Ｔ、Ｄ２−Ｔに接続される。終端配線導体Ｄ１−Ｔ、Ｄ２−Ｔは、第４縁１３ｄまで延在する。終端配線導体Ｄ１−Ｔと終端配線導体Ｄ２−Ｔとの間には、接地導体Ｄ−ＧＮＤが延在している。ＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ４と変調電極とを接続する信号配線は、接地導体を信号導体が挟んで１つの接地導体及び２つの信号導体が並走的に延在するＳＧＳ構造を成す。変調用導波路に電気信号が届くまでの時間は、配線導体の長さに依存する。
【００６３】
図３の（ａ）部を参照すると、図２に示されたI−I線に沿った断面が示される。この断面には、光変調器２０Ａの２つのアーム導波路が現れる。ＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ１〜ＲＦ信号入力ＲＦ−ＩＮ４の各々に、ＲＦ変調信号を入力する。駆動回路１７は、接地導体Ａ−ＧＮＤ（Ｂ−ＧＮＤ、Ｃ−ＧＮＤ、Ｄ−ＧＮＤ）に対して、配線導体Ａ１−ＩＮ及びＡ２−ＩＮ（Ｂ１−ＩＮ及びＢ２−ＩＮ、Ｃ１−ＩＮ及びＣ２−ＩＮ、Ｄ１−ＩＮ及びＤ２−ＩＮ）に差動信号を加える。これらの差動信号は、一対のアーム導波路の間に接続される共通接地導体に対して一対のアーム導波路に印加される。下側のクラッドは、アーム導波路の延在方向に直交する方向に一対のアーム導波路の一方から他方に拡がっており、アーム導波路の方向に延在する。変調導波路は、図３の（ａ）部に示されるように、下部の第２クラッド（例えばｎ型ＩｎＰ）、コア層（例えばＡｌ系多重量子井戸）、上部の第１クラッド（例えばｐ型ＩｎＰ）及びｐ型コンタクト層（例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ）を含む積層を備える。これらは半絶縁性ＩｎＰ基板上に積層されるように設けられる。アーム導波路は埋め込み領域で埋め込まれており、埋め込み領域は例えば樹脂（例えばＢＣＢ樹脂等）からなる。樹脂体は、アーム導波路の上面に到達する開口、及び一対のアーム導波路の間において下部クラッドに到達する開口を有する。上部及び下部クラッドに対する電気的接続はこれらの開口を介して成される。
【００６４】
図３の（ｂ）部を参照すると、図２に示されたII−II線に沿った断面が示される。この断面には、光変調器２０Ａの変調電極に接続される一群の配線が示されている。図３の（ｂ）部には、一対の配線導体とこれらの配線導体間の接地導体とが示されており、この一群の導体は、埋め込み樹脂体上に延在しており、一のマッハツェンダ変調器に接続される。
【００６５】
図３の（ｃ）部を参照すると、図２に示されたIII−III線に沿った断面が示される。図３の（ａ）部に示されるように、光変調器２０Ａに接続される一対の配線導体とこれらの配線導体間の接地導体は、光変調器２０Ａに向かう光導波路４０上を通過する。光導波路４０は、下部の第２クラッド（例えばｎ型ＩｎＰ）、コア層（例えばＡｌ系多重量子井戸）及び上部の第１クラッド（例えばｐ型ＩｎＰ）を含む積層を備えることができる。これらは半絶縁性ＩｎＰ基板上に積層されるように設けられる。光導波路４０は埋め込み領域で埋め込まれており、埋め込み領域は、既に説明したように、例えばＢＣＢ樹脂体からなる。
【００６６】
光変調器２０Ａ及びこれに接続される（入力／出力）光導波路の表面は、シリコン系無機絶縁膜（例えばＳｉＯ２）で覆われている。また、樹脂体がＢＣＢであるとき、差動伝送路のインピーダンスが９０Ωであり、且つ低損失な線路を得ることができるように、電磁界シミュレーション計算の手法を用いて見積もる。この見積もりによれば、光変調器２０Ａを覆う低誘電率の樹脂体６３の厚さは５μｍ以上が好ましい。また、半導体変調器３０に接続される光導波路上の樹脂体６３の厚さは２μｍ以上が好ましい。さらに、光変調器２０Ａへの導電層と半絶縁性のＩｎＰ基板の主面との間の樹脂体６３は５μｍ以上が好ましい。ここで、光導波路の高さは１．５μｍ〜３．５μｍであることができる。図３の（ｃ）部に示されるように、半導体変調器３０に接続される光導波路の近傍では、樹脂体６３の厚さが不均一となる。
【００６７】
光変調器２０Ａを例示しながら説明したけれども、光変調器２０Ａだけでなく光変調器２０Ｂ〜光変調器２０Ｄについて、以下に説明するように同様の形態を有することができる。
【００６８】
光変調器２０Ａ〜光変調器２０Ｄの各々における第１導電体（Ａ１−ＩＮ、Ｂ１−ＩＮ、Ｃ１−ＩＮ、Ｄ１−ＩＮ）、第２導電体（Ａ２−ＩＮ、Ｂ２−ＩＮ、Ｃ２−ＩＮ、Ｄ２−ＩＮ）及び第３導電体（Ａ−ＧＮＤ、Ｂ−ＧＮＤ、Ｃ−ＧＮＤ、Ｄ−ＧＮＤ）のいくつか又は全部は、光変調器２０Ａ〜光変調器２０Ｄに光学的に結合される光導波路４０、４１Ａ、４１Ｂ、４３Ａ〜４３Ｄ上を通過し、樹脂体６３は、これらの導電体と光導波路４０、４１Ａ、４１Ｂ、４３Ａ〜４３Ｄとの間に設けられる。光導波路４０、４１Ａ、４１Ｂ、４３Ａ〜４３Ｄは、第１導電型のIII−Ｖ化合物半導体層と、第２導電型のIII−Ｖ化合物半導体層と、ＭＱＷ構造を含むｉ層とを含むことができ、このｉ層は第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられる。
【００６９】
この半導体光変調素子１３によれば、差動伝送路の第１導電体（Ａ１−ＩＮ、Ｂ１−ＩＮ、Ｃ１−ＩＮ、Ｄ１−ＩＮ）、第２導電体（Ａ２−ＩＮ、Ｂ２−ＩＮ、Ｃ２−ＩＮ、Ｄ２−ＩＮ）及び第３導電体（Ａ−ＧＮＤ、Ｂ−ＧＮＤ、Ｃ−ＧＮＤ、Ｄ−ＧＮＤ）は第３導電体が第１導電体と第２導電体との間に位置するように樹脂体６３上を並走する。共通電極に接続される導体を第１導電体及び第２導電体の各々の外側に並走させることなく、第１導電体（Ａ１−ＩＮ、Ｂ１−ＩＮ、Ｃ１−ＩＮ、Ｄ１−ＩＮ）と第２導電体（Ａ２−ＩＮ、Ｂ２−ＩＮ、Ｃ２−ＩＮ、Ｄ２−ＩＮ）との間に第３導電体（Ａ−ＧＮＤ、Ｂ−ＧＮＤ、Ｃ−ＧＮＤ、Ｄ−ＧＮＤ）が位置する差動伝送路構造を用いている。これ故に、樹脂体６３上の導電体の総面積の増加を避けて、第１〜第３導電体が樹脂体６３に加える応力の増加を低減できる。
【００７０】
図３の（ａ）部の導電体の配置を図３の（ｂ）部の導電体の配置と比較しながら、半導体光変調素子１３の配線構造を光変調器２０Ａについて例示的に説明する。光変調器２０Ａにおいて、第１アーム導波路及び第２アーム導波路の下側半導体層に接触を成す接地電極（図３の（ａ）部の電極Ａ−ＧＮＤ）の幅は第１アーム導波路の第１半導体層に接触を成す電極（図３の（ａ）部の電極Ａ１−ＭＯＤ）の幅及び第２アーム導波路の第２半導体層に接触を成す電極（図３の（ａ）部の電極Ａ２−ＭＯＤ）の幅より大きい。第３導電体（図３の（ｂ）部の電極Ａ−ＧＮＤ）の幅は第１導電体（図３の（ｂ）部の電極Ａ１−ＩＮ）の幅及び第２導電体（図３の（ａ）部の電極Ａ２−ＩＮ）の幅より小さいことができる。電磁界シミュレーション計算を用いた検討によると、差動伝送路においては、第１導電体及び第２導電体の幅が太い方が、マイクロ波損失を低く抑えることができるからである。
【００７１】
図３の（ａ）部に示されるように、半導体光変調素子１３は、第１アーム導波路４４Ａ−３の第３半導体層（ｎ−ＩｎＰ）及び第２アーム導波路４４Ａ−４の第４半導体層（ｎ−ＩｎＰ）を互いに接続する接続半導体層（ｎ−ＩｎＰ）を更に備えることができる。第３半導体層（ｎ−ＩｎＰ）、接続半導体層（ｎ−ＩｎＰ）及び第４半導体層（ｎ−ＩｎＰ）はＩｎＰ基板６１の主面６１ａに沿って延在する単連結のｎ型半導体層ＣＯＮＮを含む。このｎ型半導体層ＣＯＮＮの幅ＷＮ１は第１アーム導波路４４Ａ−３の第１半導体層（ｐ−ＩｎＰ）の幅（導波路幅）及び第２アーム導波路４４Ａ−４の第２半導体層（ｐ−ＩｎＰ）の幅（導波路幅）より大きい。第３導電体Ａ−ＧＮＤは、樹脂体６３の開口を介して第１アーム導波路４４Ａ−３と第２アーム導波路４４Ａ−４との間においてｎ型半導体層ＣＯＮＮに接触している。この半導体光変調素子１３によれば、より少ない数の配線導体を含む差動伝送線を用いるために、第１アーム導波路４４Ａ−３からの電気信号は第３半導体層（ｎ−ＩｎＰ）から接続半導体層を介して第３導電体に伝わる。また、第２アーム導波路４４Ａ−３からの電気信号は第４半導体層（ｎ−ＩｎＰ）から接続半導体層（ｎ−ＩｎＰ）を介して第３導電体Ａ−ＧＮＤに伝わる。接続半導体層（ｎ−ＩｎＰ）には、第１アーム導波路４４Ａ−３及び第２アーム導波路４４Ａ−４への差動信号に基づく逆相の電気信号が伝搬する。
【００７２】
再び図１を参照しながら、本実施の形態に係る光変調モジュール１１を説明する。光変調モジュール１１は、ハウジング３６、出力光ファイバ３８ａ、及び光入力ファイバ３８ｂを備える。出力光ファイバ３８ａとして例えばシングルモードファイバを用いることができ、光入力ファイバ３８ｂとして偏波保持ファイバを用いることができる。光変調モジュール１１は、例えばＴＥ偏光の光を偏波保持ファイバから受けるとき、位相変調されたＴＥ偏光及びＴＭ偏光の光をシングルモードファイバに提供できる。
【００７３】
ハウジング３６は、半導体光変調素子１３、第１ミラー２１ａ、偏波回転子２３、偏波合波器２５及び駆動回路１７を収容する。ハウジング３６は、一端３６ａ及び他端３６ｂを含む。一端３６ａは他端３６ｂの反対側にある。ハウジング３６は、また、一側端３６ｃ及び他側端３６ｄを含み、一側端３６ｃ及び他側端３６ｄは第１軸Ａｘ１に方向に延在する。一側端３６ｃは他側端３６ｄの反対側にある。
【００７４】
出力光ファイバ３８ａは、ハウジング３６の一端３６ａに設けられ、偏波合波器２５に光学的に結合される。半導体光変調素子１３の光入力ポート１２ｃは入力光ファイバ３８ｂを光学的に結合されている。ハウジング３６は、ハウジング３６の他端３６ｂに設けられる端子の配列を含み、この端子配列は駆動回路１７に接続される。駆動回路１７は例えばドライバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを備えることができる。この光変調モジュール１１によれば、出力光ファイバ３８ａがハウジング３６の一端３６ａに設けられると共に、駆動回路１７のための端子配列が、ハウジング３６の一端３６ａの反対側の他端３６ｂに設けられる。これ故に、ハウジング３６における光出力が電気信号の入力端子の配列に干渉しない。
【００７５】
光変調モジュール１１は、ハウジング３６内に設けられた第２ミラー２１ｂを更に備えることができる。入力光ファイバ３８ｂはハウジング３６の一端３６ａに設けられる。光入力ポート１２ｃは、半導体光変調素子１３の第３縁１３ｃに位置する。入力光ファイバ３８ｂは第２ミラー２１ｂを介して光入力ポート１２ｃに光学的に結合される。
【００７６】
この光変調モジュール１１によれば、駆動回路１７のための端子配列は一側端３６ｃ及び他側端３６ｄに設けないようにできるとき、ハウジング３６における光入力が電気信号の入力端子の配列に干渉しないことに加えて、端子配列から駆動回路までの信号配線に曲がり部分を設ける必要が無く、曲がり部分によって発生しやすい高速変調の電気信号の損失を抑えることができるのである。
【００７７】
光変調モジュール１１では、光結合効率を高めるために、必要な場合には、光学レンズ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅを用いることができる。
【００７８】
光変調モジュール１１は基板３９を更に備えることができる。基板３９の主面３９ａは、第１エリア３９ｂ、第２エリア３９ｃ及び第３エリア３９ｄを含み、第１エリア３９ｂ、第２エリア３９ｃ及び第３エリア３９ｄは軸Ａｘ１の方向に配列される。基板３９の第１エリア３９ｂは駆動回路１７及び中継基板４９を搭載し、第２エリア３９ｃは半導体光変調素子１３を搭載し、第３エリア３９ｄは偏波多重化装置１５を搭載する。半導体光変調素子１３の光変調器２０Ａ〜２０Ｄの各々は、半絶縁性ＩｎＰ基板上に設けられた複数の半導体層を含むことができる。駆動回路１７、電気−光変換素子（例えば半導体光変調素子１３）、及び偏波多重化装置１５が単一の基板３９に順序だって配置される。
【００７９】
図４は、駆動回路の構成を示す図面である。駆動回路１７のドライバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを説明する。ドライバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの各々は、差動増幅器５１を含み、差動増幅器５１は、外部からの差動信号を受ける差動入力ＩＮ、ＩＮＢ、及び増幅された差動信号を提供する差動出力ＯＵＴ、ＯＵＴＢを含む。ドライバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの差動増幅器５１は差動入力の第１入力ＩＮに接続された第１入力終端抵抗（ＲＩＮ）５３ａと第２入力ＩＮＢに接続された第２入力終端抵抗（ＲＩＮ）５３ｂを含む。
【００８０】
ドライバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの差動増幅器５１は第１出力ＯＵＴに接続された第１出力抵抗（ＲＯＵＴ）５９ａと第２出力ＯＵＴＢに接続された第２出力抵抗（ＲＯＵＴ）５９ｂを含む。第１終端抵抗（ＲＭＯＤ）５３ａは第１出力抵抗（ＲＯＵＴ）５９ａとほぼ等しく、第２終端抵抗（ＲＭＯＤ）５３ｂは第２出力抵抗（ＲＯＵＴ）５９ｂとほぼ等しい。光変調モジュール１１によれば、駆動回路１７は、終端抵抗（ＲＭＯＤ）５３ａ、５３ｂ及び第１出力抵抗（ＲＯＵＴ）５９ａ、５９ｂを用いてインピーダンス変換を行う。
【００８１】
駆動回路１７の第１インピーダンス（２ＲＩＮ）は１００オームであることができる。半導体光変調素子１３のアーム導波路における差動インピーダンス（２ＺＭＯＤ）は８０Ωから９５Ωの範囲にあることができる。駆動回路１７の第２インピーダンス（２ＲＯＵＴ）は８０オーム以上であり、９５オーム以下であることができる。中継基板４９の電気信号線路４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄの差動インピーダンスは８０オーム以上であり、９５オーム以下であることができる。この光変調モジュール１１によれば、中継基板４９の電気信号線路４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄの差動インピーダンスを８０オーム以上９５オーム以下の範囲にして、駆動回路１７から半導体光変調素子１３への差動信号の伝達において、帯域の狭小化を避けることができる。また、駆動回路１７は半導体光変調素子１３にキャパシタ５７ａ、５７ｂを介して接続されている。
【００８２】
中継基板４９は、高周波電気信号の伝送に適した熱膨張係数や誘電率の材料のベースであることでき、ベース材上の電気信号線路４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄは、配線加工された金属薄膜からなる。ベースはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック製であることができる。セラミック積層基板は、異なる材料を積層して使用することも可能である。このため、損失の周波数依存性やインピーダンスの設計の自由度を広げるために有効である。また、セラミック材料には、任意の厚さへの研磨加工や穴あけ等の形状加工を容易に行える。さらに、セラミック材料は、耐薬品性や高温耐性を有するので、様々な金属材料を配線として適用可能である。これ故に、中継基板４９は、広い周波数帯で損失の低く、且つ製造ばらつきに起因するインピーダンス変動や損失変動の小さい所望の特性を有することができる。
【００８３】
図１及び図２に示されるように、光変調モジュール１１は基板３９上に搭載された信号終端素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを含む。信号終端素子３２ａは、終端配線導体Ａ１−Ｔ、Ａ２−Ｔに接続される。信号終端素子３２ｂは、終端配線導体Ｂ１−Ｔ、Ｂ２−Ｔに接続され、信号終端素子３２ｃは、終端配線導体Ｃ１−Ｔ、Ｃ２−Ｔに接続され、信号終端素子３２ｄは、終端配線導体Ｄ１−Ｔ、Ｄ２−Ｔに接続される。個々の信号終端素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは、終端のための終端抵抗・キャパシタを含む。本実施例では、アーム導波路のインピーダンスが４５オームであるとき、駆動回路１７の出力抵抗は（ＲＯＵＴ）は４５オームであり、信号終端抵抗（ＲＭＯＤ）は４５オームである。信号終端素子のキャパシタ５７ａ、５７ｂの容量Ｃは例えば０．１μＦである。
【００８４】
光変調モジュール１１によれば、駆動回路１７が、第１接地電極ＧＮＤ１、第１入力電極ＩＮ、第２入力電極ＩＮＢ及び第２接地電極ＧＮＤ２を含む差動入力を有しており、これらの電極は一方向に配列されている。また、第１出力電極ＯＵＴ、第３接地電極ＧＮＤ３及び第２出力電極を含む差動出力を有しており、これらの電極は一方向に配列されている。この駆動回路１７は、インピーダンス変換に加えて配線順の変換を行う。駆動回路１７により変換された配線順の差動伝送路を中継基板４９に構成すると共に、この中継基板４９からの差動信号が、半導体光変調素子１３に加えられて、シリコン酸化物より低い誘電率の樹脂体６３上を並走する第１導電体、第３導電体及び第２導電体から構成される差動伝送路を伝搬する。この差動伝送路上の差動信号が一つのマッハツェンダ変調器を駆動する。
【００８５】
ドライバ１７ａ〜１７ｄは、例えば半導体集積回路として提供されることができる。入力端子ＩＮから印加される変調信号は、特性インピーダンスＺＩＮを有する伝送線路を介してドライバ１７ａ〜１７ｄ内部の入力終端抵抗ＲＩＮにより終端される。入力終端抵抗ＲＩＮは、ドライバ１７ａ〜１７ｄの入力における反射を抑制するために、特性インピーダンスＺＩＮに等しく設定される。差動増幅器（ＡＭＰ）は、終端された入力信号を増幅し、受けた信号を変調器ＭＺＭの変調に必要な振幅まで増幅する。増幅された信号は、出力抵抗ＲＯＵＴと終端抵抗ＲＭＯＤで終端される。ドライバ１７ａ〜１７ｄと変調器ＭＺＭとの間は、差動伝送線路で接続され、差動伝送線路の個々の導電線には、直流電流をブロックするためのキャパシタＣが挿入されている。変調器の特性インピーダンスＺＭＯＤは、一般的な特性インピーダンス５０オームではなく差動インピーダンス９０オームに設定される。これ故に、ドライバ１７ａ〜１７ｄの出力抵抗ＲＯＵＴ、終端抵抗ＲＭＯＤ及び差動伝送路の特性インピーダンスは、変調器の特性インピーダンスＺＭＯＤに等しくなるように作製される。そのため、駆動回路１７は増幅機能に加え、インピーダンス変換機能（ＺＩＮからＺＭＯＤへ）を備える。
【００８６】
（実施例）
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型コンタクト層、ｎ型下部クラッド層、コア層（多重量子井戸）、ｐ型上部クラッド層、ｐ型コンタクト層を含む半導体積層を作成する。これらの半導体層の成長は、例えば有機金属気相成長法により行われることができる。
【００８７】
半導体積層の構造の一例。
ｎ型コンタクト層：Ｓｉドープｎ−ＩｎＰ、厚さ６００ｎｍ。
下部クラッド層：Ｓｉドープｎ−ＩｎＰ及びｉ−ＩｎＰ、このｎ−ＩｎＰのドーパント濃度はｎ型コンタクト層のドーパント濃度より小さい。ｎ−ＩｎＰの厚さ７８０ｎｍ。基板からコア層への方向にｎ−ＩｎＰ及びｉ−ＩｎＰの順に配置される。ｉ−ＩｎＰの厚さ２０ｎｍ。
コア層：ＡｌＧａＩｎＡｓ（井戸層）／ＡｌＩｎＡｓ（バリア層）からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造。コア層の厚さは５００ｎｍ。ＭＱＷは「歪なし」の結晶が得られる条件でエピタキシャル成長する。井戸層のバンドギャップ波長が１３８５ｎｍになるように、井戸層の組成を調整する。
上部クラッド層：ｉ−ＩｎＰ及びＺｎドープｐ−ＩｎＰ、このｐ−ＩｎＰのドーパント濃度はｐ型コンタクト層のドーパント濃度より小さい。ｐ−ＩｎＰの厚さ１０００ｎｍ。基板からコア層への方向にｉ−Ｉｎ及びｐ−ＩｎＰの順に配置される。ｉ−ＩｎＰの厚さ３８０ｎｍ。
ｐ型コンタクト層：Ｚｎドープｐ−ＩｎＧａＡｓ、厚さ１５０ｎｍ。
ここで、「ｉ層」は、下部クラッド層のｉ−ＩｎＰ層とコア層と上部クラッド層のｉ−ＩｎＰ層の厚さの合計を示す。この総厚は例えば０．８μｍ〜１．２μｍの範囲にあることが好ましい。本実施例では合計の厚さは例えば０．９μｍである。
【００８８】
半導体積層上にマスクを形成した後に、このマスクを用いてドライエッチングにより導波路メサを形成する。このドライエッチングでは、ハロゲン系エッチャントガスを用いることが良く、例えば誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を適用できる。半導体光変調素子１３の光導波路の幅は、例えば１．３μｍ〜１．５μｍの範囲にあることが好ましい。本実施例では光導波路の幅は例えば１．４μｍである。導波路メサ作成のためのエッチング深さは例えば３μｍである。メサ形成によりエッチングされた領域には、ｎ型コンタクト層が露出される。マッハツェンダ変調器の２つのアーム導波路の間隔は、例えば２５〜１００μｍであることができ、本実施例では５０μｍである。
【００８９】
次いで、素子分離メサを形成する。このエッチングでは、例えばハロゲン系エッチャントガスを用いるＩＣＰ−ＲＩＥ法を適用できる。ウェットエッチングでもよい。半導体光変調素子１３のマッハツェンダ変調器の２つのアーム導波路とその間に残されるｎ型コンタクト層が素子分離メサを構成する。素子分離メサの形成により、４つの半導体変調器の配列にエリアにおいては、個々のマッハツェンダ変調器のためのｎ型コンタクト層を含む４つの素子分離メサの間には、半絶縁性ＩｎＰ基板の表面を含む分離エリアが設けられる。マッハツェンダ変調器の２つのアーム導波路を形成するエリアにおいて、素子分離メサの幅は例えば３０〜１２０μｍであることができ、本実施例では７０μｍである。分離エリアの幅は１８０〜２７０μｍ、本実施例では２３０μｍである。この分離エリアにより、変調器間の容量結合を回避して、高周波特性の劣化を未然に防止できる。
【００９０】
光導波路メサ及び素子分離メサを形成した後に、ＩｎＰ基板の全面にシリコン系無機絶縁膜を成長する。シリコン系無機絶縁膜は例えばシリコン酸化膜を含み、本実施例では厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２を用いる。次いで、この絶縁膜上に埋め込み樹脂を形成して、光導波路メサ及び素子分離メサを埋め込む。この樹脂は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を備えることができる。本実施例では、光導波路メサから離れた平坦な樹脂体の厚さは例えば５μｍであり、光導波路メサ上の樹脂体の厚さは例えば２μｍである。樹脂の塗布には、例えばスピンコート法が適用される。上記の値を達成できるように、塗布条件および半導体の表面形状を調整している。
【００９１】
光導波路メサと電極との接続を行うために、光導波路メサ上の樹脂体に開口を形成する。開口の形成では、ドライエッチングにより樹脂体及びシリコン系無機絶縁膜を除去して、コンタクト層表面を露出させる。蒸着法とメッキ法を用いて金属層の形成を行って、このコンタクト開口に電極を形成すると共に電気信号線路のための金属配線を形成する。本実施例では、電極材料としては金を用いる。
【００９２】
このような製造構造により、半導体変調器として複数のマッハツェンダ変調素子を含む半導体光変調素子（例えば半導体光変調素子１３）を作製できる。半導体光変調素子は、１つの光入力導波路、光分岐導波路、マッハツェンダ変調素子のための４対の変調用導波路、光合波導波路、２つの光出力導波路、および、これらの間をつなぐ光導波路を備える。また、半導体光変調素子は、４対の電気信号入力電極、４対の変調用電極、４対の電気信号終端用電極、接地電極、および、これらの間をつなぐ電気信号線路を備える。
【００９３】
半導体光変調素子は、例えば半導体光変調素子１３のように、４個のマッハツェンダ変調器が同一のＩｎＰ基板上に集積されている。１つの光分岐導波路と、２本の変調用導波路と、１つの光合波導波路と、２本の変調用電極と、１本の接地電極を一つのマッハツェンダ変調器が含む。変調用導波路と光合波導波路との間には、位相調整用導波路および位相調整電極を備えることができる。同一のＩｎＰ基板上の２つのマッハツェンダ変調器は、一つの光分岐導波路と一つの光合波導波路で接続される。これら二つのマッハツェンダ変調器は、四位相偏移変調（Quadrature Phase Shift Keying：ＱＰＳＫ）変調器として機能する。半導体光変調素子は、更なる位相調整用導波路および位相調整用電極を備えることができ、これら位相調整用導波路および位相調整用電極は、各マッハツェンダ変調器の光合波導波路と、マッハツェンダ変調器同士をつなぐ光合波用導波路との間に設けられることができる。２個のＱＰＳＫ変調器は、光入力導波路に接続している単一の光分岐導波路に接続されて、光入力から光を受ける。２個のＱＰＳＫ変調器の各光合波導波路は、それぞれ、２個のポート（例えば独立した２本の光出力導波路）に接続されている。４組の電気信号入力電極の長さがほぼ等しいように、電気信号入力電極（例えば電気入力用パッド電極）及び４個のマッハツェンダ変調器を配列させることが好ましい。このような形態の一例では、電気信号入力電極から変調用電極まで電気線路がほぼまっすぐに伸びる。電気信号入力電極は、光出力ポートを設ける縁と対向する縁に位置し、光入力導波路（例えば光入力ポート）は、電気信号入力電極を設ける縁と異なる縁に位置する。
【００９４】
電気信号入力電極から変調用電極まで電気線路は、その差動インピーダンスが９０Ωであり且つマイクロ波損失が低くなるように検討されている。この検討には、電磁界シミュレーション計算の手法、例えばＨＦＳＳ（high frequency structural simulator；高周波電磁界シミュレータ）及びＳＰＩＣＥ（回路シュミュレータ）を用いることができる。
【００９５】
検討の一例を示す。図５は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路の幅と、当該光導波路に係る差動インピーダンスとの関係を示す。図５を参照すると、周波数５ＧＨｚにおける差動インピーダンスの特性ＷＧ＿５Ｇ及び周波数２５ＧＨｚにおける差動インピーダンスの特性ＷＧ＿２５Ｇが示されている。導波路幅１．０〜１．８μｍまでの範囲において、特性ＷＧ＿５Ｇの差動インピーダンスは特性ＷＧ＿２５Ｇの差動インピーダンスよりも大きい。厚さ０．９μｍのｉ層を用いるとき、８０Ω以上の範囲の差動インピーダンスを示す光導波路の幅は、例えば１．９μｍ以下であることができる。また、９５Ω以下の範囲の差動インピーダンスを示す光導波路の幅は、例えば１．１μｍ以上であることができる。
【００９６】
図６は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路の幅と、変調用の電気信号の振幅Ｖπとの関係を示す。図６を参照すると、光導波路のｉ層の厚さ０．９μｍであるとき、導波路幅１．０から１．８μｍの範囲において、導波路幅を大きくするにつれて、比較的緩やかであるが所望の位相変調量を得るための電気信号の振幅が大きくなる。この振幅の増加は、駆動回路における消費電力低減に不利である。導波路幅に係る特性の依存性については、電気信号振幅Ｖπに比べて、むしろ光導波路に係る差動インピーダンスの変化が大きい。
【００９７】
図７は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路の幅と、光導波路における伝送損失との関係を示す。図７を参照すると、導波路幅１．２〜２．２μｍまでの範囲において、１５３０、１５５０、１５７０ｎｍの光波長について伝送損失が示されている。光導波路の幅を狭くするにつれて、非常に緩やかであるが光伝送損失が大きくなる。
【００９８】
図８は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路のｉ層の厚さと、当該光導波路に係る差動インピーダンスとの関係を示す。図８を参照すると、周波数２５ＧＨｚにおける差動インピーダンスがｉ層の厚さに依存することを示す。導波路幅１．３μｍにおいて、ｉ層の厚さを厚くすると、光導波路に係る差動インピーダンスを増加できる。８０Ω以上の範囲の差動インピーダンスを示す光導波路のｉ層の厚さは、例えば０．６５μｍ以上であることができる。また、９５Ω以下の範囲の差動インピーダンスを示す光導波路のｉ層の厚さは、例えば１．０μｍ以下であることができる。
【００９９】
図９は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路のｉ層の厚さと、変調用の電気信号の振幅Ｖπとの関係を示す。図９を参照すると、光導波路のｉ層の厚さ０．３から１．４μｍの範囲において、ｉ層の厚さを大きくするにつれて、比較的緩やかであるが所望の位相変調量を得るための電気信号の振幅が大きくなる。この振幅の増加は、駆動回路における消費電力低減に不利である。光導波路に係る差動インピーダンスの変化及び電気信号振幅Ｖπの変化が、共に、光導波路のｉ層の厚さに大きく依存する。
【０１００】
図１０は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路上の変調用電極Ｓの中央と光導波路間の接地電極Ｇの端との間隔Ｘと、当該光導波路に係る差動インピーダンス（Ｚｄｉｆｆ）との関係を示す。図１０を参照すると、周波数５ＧＨｚにおける差動インピーダンスの特性ＤＳ＿５Ｇ及び周波数２５ＧＨｚにおける差動インピーダンスの特性ＤＳ＿２５Ｇが示されている。緩やかであるが、間隔Ｘが増加すると、差動インピーダンスが増加する。間隔Ｘ１２．５から２５μｍの範囲において、特性ＤＳ＿５Ｇの差動インピーダンスが特性ＤＳ＿５Ｇの差動インピーダンスよりも大きい。いずれも、８４〜９０オームの範囲の差動インピーダンスを示す。
【０１０１】
図１１は、マッハツェンダ変調器に係る光導波路上の変調用電極Ｓの中央と光導波路間の接地電極Ｇの端との間隔Ｘと、マイクロ波伝送損失との関係を示す。図１１を参照すると、周波数５ＧＨｚにおける伝送損失特性ＬＳ＿５Ｇ及び周波数２５ＧＨｚにおける伝送損失特性ＬＳ＿２５Ｇが示されている。緩やかであるが、間隔Ｘが増加すると、伝送損失が増加する。間隔Ｘ１２．５から２５μｍの範囲において、特性ＬＳ＿２５Ｇの伝送損失が特性ＬＳ＿５Ｇの伝送損失よりも大きい。間隔Ｘ１２．５から２５μｍの範囲において、伝送損失特性ＬＳ＿５Ｇの伝送損失は０．２６〜０．３５ｄＢ／ｍｍ程度である一方で、伝送損失特性ＬＳ＿２５Ｇは１．３〜１．５ｄＢ／ｍｍ程度である。
【０１０２】
図１２は、図１０及び図１１の検討において用いたモデルを示し、図３の（ａ）部に示される断面を示す。この断面において、電極Ｓを接続する２つのアーム導波路の間隔が５０μｍであるときに、中央の接地電極Ｇの幅を変更することにより、変調用電極Ｓの中央と光導波路間の接地電極Ｇの端との間隔Ｘを変更している。間隔Ｘを縮小するとき、図１０に示されるように、光導波路に係る差動インピーダンスが緩やかに小さくなり、またマイクロ波伝送損失も緩やかに小さくなる。
【０１０３】
周波数２５ＧＨｚにおいて９０オームの差動インピーダンスに整合すると共にマイクロ波損失が低い電気信号線路の一例として、半絶縁性ＩｎＰ基板の表面に設けた誘電率２．７及び厚さ５μｍのＢＣＢ樹脂上に、幅４５μｍ及び厚さ３μｍの電極（Ａｕ）を形成する（図３の（ｃ）部の構造）。光導波路の上を通過する電気信号線路は光導波路内のｐ型半導体層（コンタクト層やクラッド層）に容量的に結合する。交差部分の導波路内のコンタクト層は本実施例では除去しているが光導波路で光閉じ込め機能を保持するためにはｐクラッド層を完全に除去することはできない。この交差部分における容量は、インピーダンスの不連続を引き起こすことになり、ここで、電気信号の反射や損失が生じやすい。このインピーダンス不連続の影響の低減には、光導波路と、これに立体的に交差する金属導体との間の樹脂厚が関係している。この樹脂厚は、ＢＣＢ樹脂においては例えば２μｍ以上であることが好ましい。
【０１０４】
また、半導体光変調素子において、変調信号の伝送のために、差動信号を伝送する一対の導電体と、この一対の導電体の間に接地用の導電体とを備える差動伝送線路（「ＳＧＳ構造」として参照する）を用いる。ＳＧＳ構造と異なる構造、具体的には、差動信号を伝送する対を成す導電体の各々の両側に接地用の導電体を配置する差動伝送線路（「ＧＳＧＳＧ構造」として参照する）を用いることもできる。
【０１０５】
ＧＳＧＳＧ構造は、信号用の導電体（Ｓ）の両側に広い幅の接地用の導電体を備える。ＧＳＧＳＧ構造では導波路メサの上部にＢＣＢ樹脂を介してＧＳＧＳＧ構造を成す金属が位置する。発明者らの検討によれば、これら金属体は、ＢＣＢ樹脂体に応力を加えて、この応力が導波路メサにも加わる可能性がある。導波路メサへの応力は光導波路の屈折率を変化させる。発明者らは、屈折率への影響を避けるためにＳＧＳ構造を採用する。具体的には、光分岐用に多モード干渉器（ＭＭＩカプラ）を用いるとき、この光分岐特性は屈折率変化に敏感である。これ故に、光導波路とこの上を通過する金属体との立体交差構造の総量を低減するためにＳＧＳ構造を採用する。
【０１０６】
既に説明したように、消費電力は差動インピーダンスだけでなく変調用信号の振幅Ｖπにも依存するので、１００オーム程度の差動インピーダンスを有する半導体光変調素子（つまり、駆動に大きな信号振幅Ｖπを必要とする素子）よりも例えば９０オーム程度の差動インピーダンスを有する半導体光変調素子が、低消費電力に好適である。
【０１０７】
差動インピーダンスがほぼ９０オームに半導体変調器の構造の一例を示す。
アーム導波路の幅は１．３〜１．５μｍの範囲であることが好ましく、例えば１．４μｍである。
アーム導波路のｉ層の厚さは０．６５〜１．０μｍの範囲であることが好ましく、例えば０．９μｍである。
アーム導波路上の電極の中央と接地電極の端との間隔は、１２．５〜２０μｍの範囲であることが好ましく、例えば１７．５μｍである。
【０１０８】
差動インピーダンスを高めるために、光導波路の幅を細くすると、振幅Ｖπが大きくなり、これ故に、この電圧Ｖπも考慮して、消費電力の低減を検討することになる。なお、導波路幅を細くすると、光の導波損失が上がる。なぜなら、導波路の幅が細いとき、導波路の側壁部分への光の浸み出しが大きくなるからである。浸みだした光が、エッチングにより形成された側壁の粗さにより散乱されて、光学損失が増加する。これを低減するために、導波路の製造条件（例えばドライエッチング条件）を精査することにより、側面の粗さによる損失増加を低減できるエッチング条件を見出している。導波路損失が０．３ｄＢ／ｍｍ以下となる導波路幅の範囲が好適である。この導波損失が低いことは、変調部の長さを長くしても変調器全体の挿入損失特性を損なう可能性が小さくなる。導波路幅を細めて電圧Ｖπが上昇することを避けるために、変調用の光導波路を長くすることもできる。振幅Ｖπは、変調用の光導波路の長さにより補うこともできる。また、差動インピーダンスを高めるためにｉ層の厚さを大きくすると、駆動振幅Ｖπが上昇するので、この増大も考慮して消費電力を検討する。
【０１０９】
ＩｎＰ系変調素子及びドライバ用集積回路を内蔵したＤＰ−ＱＰＳＫ変調器モジュールを作製すると共に、その評価を行っている。評価した変調器モジュールは，既に説明した構造を有しており、具体的には、ＤＰ−ＱＰＳＫ用半導体変調素子と、４個のドライバ用集積素子と、偏波多重用光学部品とを含む。変調器モジュールの外寸は、３４ｍｍ×１６．５ｍｍの小型パッケージに実装される。光変調器のコア層はＡｌＧａＩｎＡｓ系多重量子井戸を含み、このコアの厚さは０．５μｍである。光導波路メサの幅は１．５μｍでり、メサの高さは３μｍである。光導波路を厚いＢＣＢ樹脂で埋め込み、この樹脂体上のＲＦ供給線が半導体メサ上を通過して交差を実現できる。外部からの変調信号を受ける電極は、差動特性インピーダンス９０ΩのＳＧＳ型伝送路を介して変調部に接続される。
【０１１０】
図１３は、高速変調特性を調べるために、半導体光変調素子に動作電圧振幅ＶπとなるＮＲＺ信号が印加されるような条件の電気信号を光変調モジュールに入力して測定したＯｎ−Ｏｆｆ−Ｋｅｙｉｎｇ（ＯＯＫ）光アイパターンを示す。半導体レーザの光源の波長は１５６４ｎｍである。ドライバ用集積回路の出力差動電圧振幅は１．８Ｖｐｐ（各相：＋−０．９Ｖｐｐ）に設定している。図１３によれば、全位相変調部に対して明瞭なアイ開口を示す。また、４ポートネットワークアナライザ測定器を用いて測定された半導体光変調素子の差動インピーダンスは８７Ωであり、被測定回路（電気回路）は、半導体光変調素子のマッハツェンダ変調器の第１及び第２アーム導波路、電気入力、並びに差動伝送路を含む。
【０１１１】
図１４は、デジタルコヒーレント受信器において受信された本モジュールの光出力信号（１２８Ｇｂ／ｓ、ＤＰ−ＱＰＳＫ出力信号）を示す。図１４によれば、良好なコンスタレーションを示す。この測定において，半導体レーザの光源の波長は１５５０ｎｍであり，ドライバ用集積回路の出力差動電圧振幅は１．４Ｖπに相当する２．５Ｖｐｐを用いる。この駆動条件では、一般的な２Ｖπ駆動に比べたピーク光出力強度の低下量を１ｄＢに抑えると共に、ドライバ用集積回路の消費電力について２５％程度の低減を達成できる。摂氏−５度及び摂氏＋７５度における測定では、４個のドライバＩＣの消費電力は２．４Ｗであり、サーモエレクトリッククーラ（ＴＥＣ）の消費電力は０．８Ｗである。
【０１１２】
この実施例では、ＩｎＰ系変調素子とドライバＩＣを内蔵した小型変調器モジュールにおいて、１．４Ｖπに相当する差動駆動電圧２．５Ｖｐｐの駆動において。３．２Ｗの低い消費電力の下でＤＰ−ＱＰＳＫ変調を実現でできる。
【０１１３】
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、駆動電力を低減可能なマッハツェンダ変調器を含む半導体光変調素子を提供できる。また、本発明によれば、この半導体光変調素子を含む光変調モジュールを提供できる。
【符号の説明】
【０１１５】
１１…光変調モジュール、１２ａ、１２ｂ…光出力ポート、１２ｃ…光入力ポート、１３…半導体光変調素子、１５…偏波合波装置、１７…駆動回路、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ…ドライバ、１４、１６…電気入力、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ…光変調器、２７…光分岐器、２９…光合波器、３０…半導体変調器、４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ…配線、４９…中継基板、５１…差動増幅器、５３ａ、５３ｂ…入力終端抵抗、５９ａ、５９ｂ…出力抵抗、５７ａ、５７ｂ…キャパシタ。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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