(57)【要約】【課題】低周波領域において進行波電極の入射端で生じる反射を促進することなく、高周波損失を低減させた基板型光導波路を実現する。【解決手段】基板型光導波路（１）において、上部クラッド（１４）の上面には、Ｐ型半導体領域（１３ａ）に接続された進行波電極（１５ａ）と、Ｎ型半導体領域（１３ｂ）に接続された接地導体（１５ｂ）とを含むコプレーナ線路（１５）が形成されている。進行波電極（１５ａ）と接地導体（１５ｂ）との間隔Ｄは、進行波電極（１５ａ）の入射端面（１５ａ１）から遠ざかるに従って狭くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッドと、上記下部クラッドの上面に形成されたコアであって、Ｐ型半導体領域及びＮ型半導体領域を含むコアと、上記コアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された上部クラッドと、を備えた基板型光導波路において、
上記上部クラッドの上面には、上記Ｐ型半導体領域及び上記Ｎ型半導体領域の一方に接続された進行波電極と他方に接続された接地導体とを含むコプレーナ線路が形成されており、上記進行波電極と上記接地導体との間隔は、上記進行波電極の入射端から遠ざかるに従って狭くなる、
ことを特徴とする基板型光導波路。
【請求項２】
上記間隔は、上記進行波電極の入射端から遠ざかるに従って連続的に狭くなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の基板型光導波路。
【請求項３】
上記間隔は、上記進行波電極の入射端から遠ざかるに従って段階的に狭くなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の基板型光導波路。
【請求項４】
上記進行波電極の出射端には、終端抵抗が接続されており、
上記終端抵抗の抵抗値は、当該基板型光導波路の特性インピーダンスと整合している、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の基板型光導波路。
【請求項５】
上記コアは、リブ・スラブ型であり、上記Ｐ型半導体領域と上記Ｎ型半導体領域との境界面は、上記コアのリブ内に配置されている、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の基板型光導波路。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の基板型光導波路を位相変調部として含んでいることを特徴とする基板型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相変調機能を有する基板型光導波路に関する。また、そのような基板型光導波路を位相変調部として含む基板型光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の分野では、基板型光導波路を用いて光変調器を実現する技術が実用化されている。例えば、基板型光導波路のコアにＰ型半導体領域とＮ型半導体領域とを形成することによって、その基板型光導波路に位相変調機能を持たせることができる。このような基板型光導波路においては、Ｐ型半導体領域とＮ型半導体領域との間に印加される信号電圧に応じてコアの実効屈折率が変化する。信号電圧の印加には、例えば、基板型光導波路の表面に形成されたコプレーナ線路が用いられる。
【０００３】
位相変調機能を有する基板型光導波路を開示した文献としては、例えば、特許文献１〜３などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１２９９０６号公報（２０１５年７月１６日公開）
【特許文献２】特開２０１５−１４８７１１号公報（２０１５年８月２０日公開）
【特許文献３】米国特許第８，１４９，４９３号明細書（２０１２年４月３日登録）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
位相変調機能を有する基板型光導波路においては、下記の式（１）により近似することができる高周波損失が存在する。下記の（１）式において、Ｒ、Ｃ、及びＬは、それぞれ、基板型光導波路の抵抗、キャパシタンス、及びインダクタンスである。従来の基板型光導波路においては、以下に説明するように、この高周波損失を低減させることが困難であった。
【数１】
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【０００６】
上記の式（１）から分かるように、Ｒ／ωＬ≪ωＲＣとなる周波数領域においては、高周波損失がキャパシタンスＣの３／２乗に比例し、インダクタンスＬの１／２乗に比例する。したがって、当該周波数領域における高周波損失を低減させるためには、キャパシタンスＣを小さくするか、又は、インダクタンスＬを小さくすることが考えられる。
【０００７】
基板型光導波路のキャパシタンスＣを小さくする場合には、Ｐ型半導体領域及びＮ型半導体領域のキャリア密度を低くする構成や、導波路長を短くする構成などが採用される。しかしながら、これらの構成を採用すると、コアの実効屈折率を所定の値に制御するためにＰ型半導体領域及びＮ型半導体領に印加するべき信号電圧Ｖｐｉを高くする必要が生じ、その結果、消費電力が大きくなるという問題を招来する。したがって、高周波損失を低減するために、キャパシタンスＣを小さくする構成を採用することは困難である。一方、基板型光導波路のインダクタンスＬを小さくする場合には、コプレーナ線路を構成する進行波電極と接地導体との間隔を狭くする構成などが採用される。
【０００８】
ところで、基板型光導波路の特性インピーダンスは、基板型光導波路のキャパシタンスＣと、進行波電極と接地導体との間隔（特に、入射端面における進行波電極と接地導体との間隔）とによって決まる。したがって、基板型光導波路のインダクタンスＬを小さくするために進行波電極と接地導体との間隔を狭くすると、基板型光導波路の特性インピーダンスが前段回路のインピーダンスと整合しなくなり、その結果、進行波電極の入射端で生じる反射を促進してしまう。このような反射は、信号電圧の供給源であるドライバ回路に悪影響を与える可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相変調機能を有する基板型光導波路、特に、信号電圧の印加にコプレーナ線路を用いた基板型光導波路において、進行波電極の入射端で生じる反射を抑えつつ、高周波損失を低減させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る基板型光導波路は、下部クラッドと、上記下部クラッドの上面に形成されたコアであって、Ｐ型半導体領域及びＮ型半導体領域を含むコアと、上記コアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された上部クラッドと、を備えた基板型光導波路において、上記上部クラッドの上面には、上記Ｐ型半導体領域及び上記Ｎ型半導体領域の一方に接続された進行波電極と他方に接続された接地導体とからなるコプレーナ線路が形成されており、上記進行波電極と上記接地導体との間隔は、上記進行波電極の入射端から遠ざかるに従って狭くなる、ことを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、入射端面における進行波電極と接地導体との間隔を保ったまま、入射端面以外の各断面における進行波電極と接地導体との間隔を小さくすることができる。したがって、基板型光導波路の特性インピーダンスを保ったまま、基板型光導波路のインダクタンスを低下させることができる。したがって、上記進行波電極の入射端で生じる反射を抑えつつ、高周波損失を低減させることができる。
【００１２】
本発明に係る基板型光導波路において、上記間隔は、上記入射端面から遠ざかるに従って連続的に狭くなる形態であってもよいし、上記入射端面から遠ざかるに従って段階的に狭くなる形態であってもよい。
【００１３】
何れの形態であっても、上記進行波電極の入射端で生じる反射を抑えつつ、高周波損失を低減させることができる。
【００１４】
本発明に係る基板型光導波路において、上記進行波電極の出射端には、終端抵抗が接続されており、上記終端抵抗の抵抗値は、当該基板型光導波路の特性インピーダンスと整合している、ことが好ましい。
【００１５】
上記の構成によれば、低周波領域及び高周波領域の双方において上記進行波電極の入射端で生じる反射を抑えると共に、低周波領域において上記進行波電極の出射端で生じる反射を抑制することができる。なお、高周波領域において上記進行波電極の出射端で生じる反射は、上記進行波電極を逆方向に伝播する過程で大きく減衰するため、前段回路に悪影響を与えることはない。
【００１６】
本発明に係る基板型光導波路において、上記コアは、リブ・スラブ型であり、上記Ｐ型半導体領域と上記Ｎ型半導体領域との境界面は、上記コアのリブ内に配置されている、ことが好ましい。
【００１７】
上記の構成によれば、コアを伝播する光が偏在するリブ内に空乏層が形成されるので、コアを伝播する光をより効率的に変調することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、上記進行波電極の入射端で生じる反射を抑えつつ、高周波損失を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る基板型光導波路の平面図であり、（ｂ）は、同基板型光導波路の入射端面近傍における矢視断面図であり、（ｃ）は、同基板型光導波路の出射端面近傍における矢視断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す基板型光導波路のうち、進行波電極と接地導体との間隔Ｄが入射端面から遠ざかるに従って段階的に狭くなる形態を採用したもの、特に、その段数が２であるものを示す。（ｂ）は、図１に示す基板型光導波路のうち、進行波電極と接地導体との間隔Ｄが入射端面から遠ざかるに従って段階的に狭くなる形態を採用したもの、特に、その段数が４であるものを示す。
【図３】（ａ）は、図２の（ａ）及び（ｂ）に示した基板型光導波路、並びに、比較例に係る光導波路について、その反射係数Ｓ１１の周波数依存性を示すグラフである。（ｂ）は、図２の（ａ）及び（ｂ）に示した基板型光導波路、並びに、比較例に係る光導波路について、その透過係数Ｓ２１の周波数依存性を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、図１に示す基板型光導波路の第１の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は、図１に示す基板型光導波路の第２の変形例を示す平面図である。
【図５】図１に示す基板型光導波路を位相変調部として含む基板型光変調器の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〔基板型光導波路の構成〕
本発明の一実施形態に係る基板型光導波路１の構成について、図１を参照して説明する。図１において、（ａ）は、基板型光導波路１の平面図であり、（ｂ）は、入射端面１Ａ近傍のＡＡ’断面における基板型光導波路１の矢視断面図であり、（ｃ）は、出射端面１Ｂ近傍のＢＢ’断面における基板型光導波路１の矢視断面図である。図１に示す基板型光導波路１は、位相変調機能を有する基板型光導波路であり、基板型光変調器の一部と見做すこともできる。
【００２１】
基板型光導波路１は、図１の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、（１）シリコン基板１１と、（２）シリコン基板１１上に積層された下部クラッド１２と、（３）下部クラッド１２の上面に形成されたコア１３と、（４）コア１３を埋設するように下部クラッド１２上に積層された上部クラッド１４と、（５）上部クラッド１４の上面に形成されたコプレーナ線路１５と、を備えている。コプレーナ線路１５は、進行波電極１５ａと、進行波電極１５ａを挟み込むように配置された１対の接地導体１５ｂ〜１５ｃとにより構成されている。
【００２２】
コア１３を光導波路として機能させるべく、下部クラッド１２及び上部クラッド１４は、コア１３を構成する媒質よりも屈折率の低い媒質により構成されている。本実施形態において、コア１３は、シリコンにより構成されており、下部クラッド１２及び上部クラッド１４は、シリコンよりも屈折率の高いシリカにより構成されている。このため、入射端面１Ａを介してコア１３に入射した光は、コア１３に閉じ込められたまま入射端面１Ａから出射端面１Ｂまで伝播し、出射端面１Ｂを介してコア１３から出射する。すなわち、コア１３は、光導波路として機能する。
【００２３】
光導波路として機能するコア１３を更に位相変調器として機能させるべく、コア１３には、ホウ素などの３価の元素がドープされた、Ｐ型半導体として機能するＰ型半導体領域１３ａと、リンなどの５価の元素がドープされた、Ｎ型半導体として機能するＮ型半導体領域１３ｂとが、入射端面１Ａから出射端面１Ｂまでの全区間に亘って形成されている。Ｐ型半導体領域１３ａ及びＮ型半導体領域１３ｂのうち、一方（本実施形態においては、Ｐ型半導体領域１３ａ）は、入射端面１Ａから出射端面１Ｂまでの全区間に亘って進行波電極１５ａに接続されており、他方（本実施形態においては、Ｎ型半導体領域１３ｂ）は、入射端面１Ａから出射端面１Ｂまでの全区間に亘って接地導体１５ｂに接続されている。このため、進行波電極１５ａの入射端（入射端面１Ａ側の端部）に信号電圧が印加されると、Ｐ型半導体領域１３ａとＮ型半導体領域１３ｂとの境界近傍には、信号電圧に応じた幅の空乏層１３ｃが形成され、その結果、コア１３の実効屈折率は、信号電圧に応じた値に変化する。それゆえ、入射端面１Ａを介してコア１３に入射した信号光は、コア１３を伝播する過程で位相変調される。すなわち、コア１３は、位相変調器として機能する。
【００２４】
なお、本実施形態において、コア１３として、リブ・スラブ型のコアを用い、Ｐ型半導体領域１３ａとＮ型半導体領域１３ｂとの境界面を、コア１３のリブ内に配置している。ここで、「リブ・スラブ型のコア」とは、伝播する光の進行方向に直交する断面形状が逆Ｔ字型となるコアのことを指す。リブ・スラブ型のコアでは、コアを伝播する光を両端部（「スラブ」とも呼ばれる）よりも高さの高い中央部（「リブ」とも呼ばれる）に偏在させることができる。また、Ｐ型半導体領域１３ａとＮ型半導体領域１３ｂとの境界面をリブ内に配置することによって、コア１３を伝播する光が偏在する領域と空乏層１３ｃが形成される領域とが重なるので、コア１３を伝播する光の位相変調をより効率的に行うことができる。
【００２５】
本実施形態に係る基板型光導波路１の第１の特徴点は、図１の（ａ）に示すように、進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄが進行波電極１５ａの入射端１５ａ１から遠ざかるに従って狭くなる点である。これにより、入射端１５ａ１における進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄ０を保ったまま、基板型光導波路１のインダクタンスＬを低下させることができる。このため、進行波電極１５ａの入射端で生じる反射を促進することなく、高周波損失を減少させることができる。
【００２６】
進行波電極１５ａの入射端で生じる反射が促進されない理由は、以下のとおりである。すなわち、基板型光導波路１の特性インピーダンスＺを決める支配的なパラメータは、入射端１５ａ１における進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄ０である。したがって、基板型光導波路１の特性インピーダンスＺが前段回路のインピーダンス（例えば５０Ω）に整合するように入射端１５ａ１における進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄ０を設定しておけば、進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄが入射端１５ａ１から遠ざかるに従って狭くなる構成を採用しても、その整合が損なわれることはない。すなわち、進行波電極１５ａの入射端で生じる反射が促進されることはない。
【００２７】
一方、高周波領域において損失が低減する理由は、以下のとおりである。Ｒ／ωＬ≪ωＲＣとなる周波数領域において、上記（１）式により近似される高周波損失は、インダクタンスＬの１／２乗に比例する。したがって、進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄが入射端１５ａ１から遠ざかるに従って狭くなる構成を採用することによって、コプレーナ線路１５のインダクタンスＬを低下させれば、高周波損失が低減する。
【００２８】
なお、進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄは、入射端１５ａ１から遠ざかるに従って連続的に狭くなる第１の形態であってもよいし、入射端１５ａ１から遠ざかるに従って段階的に狭くなる第２の形態であってもよいが、図１の（ａ）においては、第１の形態を採用した基板型光導波路１を示している。
【００２９】
本実施形態に係る基板型光導波路１の第２の特徴点は、図１の（ａ）に示すように、進行波電極１５ａの出射端（出射端面１Ｂ側の端部）に終端抵抗１６が接続されている点である。終端抵抗１６の抵抗値Ｒ０は、基板型光導波路１の特性インピーダンスＺと同様、前段回路のインピーダンス（例えば、５０Ω）と整合するように決められている。
【００３０】
低周波領域（波長が基板型光導波路１の導波路長よりも長くなる周波数領域）において、進行波電極１５ａを導波される電磁波は、間隔Ｄに応じて決まる基板型光導波路１の局所的な特性インピーダンスの変化を殆ど感じない。このため、基板型光導波路１の特性インピーダンスＺが前段回路のインピーダンス（例えば５０Ω）に整合するように入射端１５ａ１における進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄ０が決められていれば、進行波電極１５ａの出射端１５ａ２と終端抵抗１６との間で有意なインピーダンスギャップを生じない。このため、低周波領域においては、進行波電極１５ａの入射端１５ａ１での反射を抑えることに加えて、進行波電極１５ａの出射端１５ａ２での反射を抑えることができる。
【００３１】
一方、高周波領域（波長が基板型光導波路１の導波路長よりも短くなる周波数領域）において、進行波電極１５ｂを導波される電磁波は、間隔Ｄに応じて決まる基板型光導波路１の局所的な特性インピーダンスの変化を感じる。このため、基板型光導波路１の特性インピーダンスＺが前段回路のインピーダンス（例えば５０Ω）に整合するように入射端１５ａ１における進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄ０が決められていても、進行波電極１５ａの出射端１５ａ２と終端抵抗１６との間で有意なインピーダンスギャップを生じ得る。このため、高周波領域においては、進行波電極１５ａの入射端１５ａ１での反射を抑えることはできても、進行波電極１５ａの出射端１５ａ２での反射を抑えることはできない。ただし、進行波電極１５ａの出射端において生じた反射波がドライバ回路（信号電圧の信号源）に深刻な影響を与えるのは、導波路損失の小さい低周波領域においてであり、導波路損失の大きい高周波領域においてではない。なぜなら、高周波領域においては、進行波電極１５ａの出射端において反射が生じたとしても、コプレーナ線路１５を逆方向に伝播する過程で十分な（低周波領域において蒙る減衰よりも大きな）減衰を蒙るからである。
【００３２】
なお、図１の（ａ）においては、終端抵抗１６の２つの端子のうち、進行波電極１５ａに接続された端子と反対側の端子が、キャパシタを介して接地導体１５ｂ及びグランドの両方に接続される形態を例示しているが、これに限定されない。すなわち、終端抵抗１６の２つの端子のうち、進行波電極１５ａに接続された端子と反対側の端子が、キャパシタを介して接地導体１５ｂのみに接続される形態であってもよいし、終端抵抗１６の２つの端子のうち、進行波電極１５ａに接続された端子と反対側の端子が、キャパシタを介してグランドのみに接続される形態であってもよい。
【００３３】
〔基板型光導波路の効果〕
次に、基板型光導波路１の効果について、図２及び図３を参照して説明する。
【００３４】
図２は、効果の検証に用いた基板型光導波路１の平面図である。効果の検証には、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄが入射端１５ａ１から遠ざかるに従って段階的に狭くなる形態を採用した基板型光導波路１を用いた。より具体的には、図２の（ａ）に示すように、当該形態を採用した基板型光導波路１のうち、その段数が２であるもの、及び、図２の（ｂ）に示すように、当該形態を採用した基板型光導波路１のうち、その段数が４であるものを用いた。
【００３５】
図３の（ａ）は、図２の（ａ）及び（ｂ）に示した基板型光導波路１の反射係数Ｓ１１の周波数依存性を表すグラフであり、図３の（ｂ）は、図２の（ａ）及び（ｂ）に示した基板型光導波路１の透過係数Ｓ１２の周波数依存性を示すグラフである。なお、図３の（ａ）には、間隔Ｄが一定（段数が１）である比較例に係る基板型光導波路の反射係数Ｓ１１の周波数依存性を併記し、図３の（ｂ）には、間隔Ｄが一定（段数が１）である比較例に係る基板型光導波路の透過係数Ｓ１２の周波数依存性を併記した。
【００３６】
図３の（ａ）によれば、間隔Ｄを入射端１５ａ１から遠ざかるに従って段階的に狭くする形態（図２の（ａ）、（ｂ）に示す形態、図３の（ａ）におけるＳｔｅｐ＝２、Ｓｔｅｐ＝４に対応）を採用することによって、間隔Ｄを一定とする形態（図２において不図示、図３の（ａ）におけるＳｔｅｐ１に対応）を採用するよりも反射係数Ｓ１１を小さくできることが確かめられる。また、間隔Ｄを入射端１５ａ１から遠ざかるに従って段階的に狭くする形態を採用した基板型光導波路１同士の比較では、図３の（ａ）に示すように、段数が大きくなるほど反射係数Ｓ１１が小さくなることが確かめられる。
【００３７】
一方、図３の（ｂ）によれば、間隔Ｄを入射端１５ａ１から遠ざかるに従って段階的に狭くする形態（図２の（ａ）、（ｂ）に示す形態、図３の（ａ）におけるＳｔｅｐ＝２、Ｓｔｅｐ＝４に対応）を採用することによって、間隔Ｄを一定とする形態（図２において不図示、図３の（ａ）におけるＳｔｅｐ１に対応）を採用するよりも透過係数Ｓ２１を大きくできることが確かめられる。また、間隔Ｄを入射端１５ａ１から遠ざかるに従って段階的に狭くする形態を採用した基板型光導波路１同士の比較では、図３の（ｂ）に示すように、段数が大きくなるほど（間隔Ｄが連続的に大きくなる形態に近づくほど）透過係数Ｓ２１が大きくなることが確かめられる。
【００３８】
〔変形例〕
本実施形態においては、図１の（ａ）の上面図に示すように、幅一定の進行波電極１５ａを、進行波電極１５ａの入射端１５ａから遠ざかるに従って間隔が次第に狭くなる１対の接地電極１５ｂ，１５ｃで挟み込んだ構成を有する基板型光導波路１について説明したが、本発明はこれに限定されない。
【００３９】
例えば、図１の（ａ）の上面図に示す構成は、図４の（ａ）の上面図に示すように、入射端１５ａから遠ざかるに従って幅が次第に広くなる進行波電極１５ａを、間隔が一定の１対の接地電極１５ｂで挟み込んだ構成に置き換えることができる。あるいは、図１の（ａ）の上面図に示す構成は、図４の（ｂ）の上面図に示すように、入射端１５ａから遠ざかるに従って幅が次第に広くなる進行波電極１５ａを、進行波電極１５ａの入射端１５ａから遠ざかるに従って間隔が次第に狭くなる１対の接地電極１５ｂ，１５ｃで挟み込んだ構成に置き換えることもできる。
【００４０】
何れの構成においても、進行波電極１５ａと接地導体１５ｂとの間隔Ｄが進行波電極１５ａの入射端１５ａ１から遠ざかるに従って狭くなるので、図１の（ａ）の上面図に示す構成と同様の効果が得られる。
【００４１】
〔適用例〕
上述した基板型光導波路１を位相変調部として含む基板型光変調器１００について、図５を参照して説明する。図５は、基板型光変調器１００の上面図である。
基板型光変調器１００は、２つの光路にて位相変調された光を干渉させ、強度変調された光を得るマッハ・ツェンダ型の光変調器である。基板型光変調器１００は、上述した基板型光導波路１を、分岐された搬送光の一方を位相変調する位相変調部として含んでいる。分岐された搬送光の他方を位相変調する位相変調部も、上述した基板型光導波路１と対称な構造を有する基板型光導波路１’により構成される。
【００４２】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１        基板型光導波路
１１      シリコン基板
１２      下部クラッド
１３      コア
１４      上部クラッド
１５      コプレーナ線路
１５ａ    進行波電極
１５ａ１  入射端
１５ａ２  出射端
１５ｂ    接地導体
１６      終端抵抗
１００    基板型光変調器
【図１】
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【図２】
2018036399.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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