(57)【要約】【課題】一般的な差動駆動型の半導体ＭＺ変調器をオープンコレクタ型ドライバＩＣで駆動可能とすることで、低消費電力の光送信器を提供すること。【解決手段】ＧＳＧＳＧ（ＧＮＤ−ＳＩＧＮＡＬ−ＧＮＤ−ＳＩＧＮＡＬ−ＧＮＤ）線路からなる半導体ＭＺ変調器２００、ＧＳＧＳＧの入出力ＰＡＤ２５１、２５２をもつオープンコレクタ型（オープンドレイン型）ドライバＩＣ２５０、ＧＳＧＳＧの出力ＰＡＤをもつディジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）２６０とが接続されている。従来０Ｖとしていた接地電極１４２の代わりにＶｂｉａｓ（例えば＋５Ｖ〜＋２０Ｖ程度）を印加して基準電極２４２とし、ドライバＩＣ２５０と半導体ＭＺ変調器２００とを信号電極２４１でのみ接続し、信号電極２４１には半導体ＭＺ変調器２００のインピーダンスに合わせた終端抵抗２７０を介して、ドライバＩＣ２５０用の印加電圧を電源Ｖｃｃから印加する。【選択図】図２
2018092100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電極および基準電極を有する差動駆動型の半導体マッハツェンダ変調器と、
シグナルパッドおよびグランドパッドからなる入出力パッドを有する前記半導体マッハツェンダ変調器を駆動するオープンコレクタ型のドライバＩＣと、
を備え、
前記ドライバＩＣは、前記グランドパッドが接地され、前記シグナルパッドが前記信号電極に接続されて前記信号電極に印加された第１の電源によって駆動され、
前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記基準電極が前記グランドパッドと異なる電位を持つよう第２の電源に接続されていることを特徴とする光送信器。
【請求項２】
前記シグナルパッドは、前記信号電極の一端に接続され、前記第１の電源は前記信号電極の他端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
【請求項３】
前記第１および第２の電源は、前記半導体マッハツェンダ変調器に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２に記載の光送信器。
【請求項４】
前記信号電極と前記第１の電源とは、前記半導体マッハツェンダ変調器のインピーダンスに合わせた終端抵抗を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光送信器。
【請求項５】
前記半導体マッハツェンダ変調器は、半導体基板上に、第１の導電性半導体クラッド層とノンドープ半導体コア層と第２の導電性半導体クラッド層とが順次積層して形成された光導波路からなる２つのアーム導波路を備えた光導波路でマッハツェンダ干渉計が形成され、
前記基準電極は、前記第１の導電性半導体クラッド層上に形成され、
前記信号電極は、前記第２の導電性半導体クラッド層上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光送信器。
【請求項６】
前記半導体マッハツェンダ変調器において、前記第１の導電性半導体クラッド層と前記第２の導電性半導体クラッド層のうち、どちらか一方がｎ型半導体で、もう一方がｐ型半導体であることを特徴とする請求項５に記載の光送信器。
【請求項７】
前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記第１の導電性半導体クラッド層と前記第２の導電性半導体クラッド層の両方がｎ型半導体で、前記ノンドープ半導体コア層と前記第１の導電性半導体クラッド層、あるいは、前記第２の導電性半導体クラッド層の少なくともどちらか一方との間にｐ型の第３の導電性半導体クラッド層が挿入されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の光送信器。
【請求項８】
前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記ノンドープ半導体コア層の少なくとも一部が多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の光送信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号を光信号に変換する半導体マッハツェンダ変調器を用いた光送信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の爆発的なデータ通信量の増大に伴い光通信システムの大容量化が求められており、使われる光部品が集積化、複雑化、信号の高速化が進められている。そういった光部品の中には、例えば、光変調器が挙げられる。最近では、伝送容量を増大するため、ＱＰＳＫや１６ＱＡＭなどの多値変調に対応するマッハツェンダ（ＭＺ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）変調器をベースとした光Ｉ／Ｑ変調器（例えば、特許文献１）が２つの光偏波用に２個集積された偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器（都合４つのマッハツェンダ変調器が集積された構成）が用いられるようになってきている。
【０００３】
ＭＺ変調器の代表的なものとしてはＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）を用いたＬＮ変調器が広く用いられている。これは、ＬＮに印加される電界に応じて媒質の屈折率が変化する電気光学効果を用いて動作する。しかしながら、材料の物理定数からＬＮ変調器は素子長が比較的長い。近年光送信器モジュールの小型化や低駆動電圧化が課題となっており、光変調器の小型化や低駆動電圧化が必要不可欠な課題となっている。
【０００４】
こういった要求に対応するために、小型で低駆動電圧化が可能な半導体ＭＺ変調器の研究が精力的に進められている。図１（a）は、従来構造の半導体ＭＺ変調器１００の外観を示しており、図１（ｂ）は一方のアーム導波路周辺の断面を示している（例えば、非特許文献１または非特許文献２）。
【０００５】
図１（a）、（ｂ）に示す一般的な半導体ＭＺ変調器１００の構成（差動駆動型）と動作原理について説明する。半導体ＭＺ変調器１００に入射された信号光は、光導波路１１０を伝搬し、光分波器１２０により２分岐され、２つのアーム導波路に導かれる。アーム導波路の周囲には進行波型電極１４０が形成されており、信号電極１４１と接地電極１４２との間に電位差を与えることによりアーム導波路に電界が誘起される。
【０００６】
図１（ｂ）に示すように、アーム導波路は、半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板１０１上にｎ型ＩｎＰ層１０２、半導体コア層１０３、ｐ型ＩｎＰ層１０４が積層されたメサストライプからなり、その両側には誘電体埋め込み層１０５が形成されている。ｐ型ＩｎＰ層１０４および誘電体埋め込み層１０５上に信号電極１４１が形成され、ｎ型ＩｎＰ層１０２上の誘電体埋め込み層１０５の外側に接地電極１４２が形成されている。
【０００７】
信号電極１４１と接地電極１４２との間に電圧を印加して半導体コア層１０３に電界が印加されると、電気光学効果により半導体コア層１０３の屈折率が変化し、その結果、半導体コア層１０３を伝搬する光の位相が変化する。このように屈折率を制御された２つのアーム導波路を伝搬する光の位相差により光合波器１３０により合波され出力される出力光強度が変化する。これが半導体ＭＺ変調器の動作原理である。
【０００８】
進行波型電極１４０は逆バイアス電圧を印加をされるため、接地電極１４２が０Ｖであることから、半導体コア層１０３に電界を印加するためには信号電極１４１にマイナス電位を印加する必要がある。
【０００９】
ドライバＩＣと半導体ＭＺ変調器の組み合わせを考えた場合に、ドライバＩＣが差動駆動であることもあり、一般的にシングルエンド駆動型に比べ、差動駆動型の方が消費電力の観点で有利である。また、オープンコレクタ型は、従来のバックターミネーション型に比べ、バックターミネーションが不要になり電流量を半減できるため、低消費電力化が可能である。そのため最近では、オープンコレクタ（ドレイン）型のドライバＩＣと半導体ＭＺ変調器の組み合わせによる低消費電力化の検討が盛んに行われている（例えば非特許文献３参照）。
【００１０】
非特許文献３のように容量装荷型電極構造では、容易にオープンコレクタ型ドライバＩＣと接続可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表２００４−５１６７４３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】C. Rolland et al, “10 Gbit/s, 1.56 μm multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator,” Electron. Lett., vol. 29, no. 5, pp. 471-472, 1993
【非特許文献２】K. Tsuzuki ”Low Driving Voltage 40 Gbit/s n-i-n Mach-Zehnder Modulator Fabricated on InP Substrate” IEICE TRANS. ELECTRON., vol. E88-C, no. 5, 2005
【非特許文献３】N. Wolf et al, “Electro-Optical Co-Design to Minimize Power Consumption of a 32 GBd Optical IQ-Transmitter Using InP MZ-Modulator,” CSICS 2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記のような一般的な差動駆動型の半導体ＭＺ変調器とオープンコレクタ型ドライバＩＣとは、通常の駆動方法では接続することが出来ない。これは、上記の差動駆動型の半導体ＭＺ変調器の駆動方法では、信号電極に半導体ＭＺ変調器を駆動するための逆バイアス電圧を印加する必要がある一方で、オープンコレクタ（ドレイン）型のドライバと接続する場合には、半導体ＭＺ変調器側の信号電極部を通してドライバに駆動電圧を印加する必要があるためである。つまり、信号電極に対し、２種類の電圧を同時に印加する必要が生じるためである。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、一般的な差動駆動型の半導体ＭＺ変調器をオープンコレクタ型ドライバＩＣで駆動可能とすることで、低消費電力の光送信器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明は、光送信器であって、信号電極および基準電極を有する差動駆動型の半導体マッハツェンダ変調器と、シグナルパッドおよびグランドパッドからなる入出力パッドを有する前記半導体マッハツェンダ変調器を駆動するオープンコレクタ型のドライバＩＣと、を備え、前記ドライバＩＣは、前記グランドパッドが接地され、前記シグナルパッドが前記信号電極に接続されて前記信号電極に印加された第１の電源によって駆動され、前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記基準電極が前記グランドパッドと異なる電位を持つよう第２の電源に接続されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光送信器において、前記シグナルパッドは、前記信号電極の一端に接続され、前記第１の電源は前記信号電極の他端に接続されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光送信器において、前記第１および第２の電源は、前記半導体マッハツェンダ変調器に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光送信器において、前記信号電極と前記第１の電源とは、前記半導体マッハツェンダ変調器のインピーダンスに合わせた終端抵抗を介して接続されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光送信器において、前記半導体マッハツェンダ変調器は、半導体基板上に、第１の導電性半導体クラッド層とノンドープ半導体コア層と第２の導電性半導体クラッド層とが順次積層して形成された光導波路からなる２つのアーム導波路を備えた光導波路でマッハツェンダ干渉計が形成され、前記基準電極は、前記第１の導電性半導体クラッド層上に形成され、前記信号電極は、前記第２の導電性半導体クラッド層上に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光送信器において、前記半導体マッハツェンダ変調器において、前記第１の導電性半導体クラッド層と前記第２の導電性半導体クラッド層のうち、どちらか一方がｎ型半導体で、もう一方がｐ型半導体であることを特徴とする。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の光送信器において、前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記第１の導電性半導体クラッド層と前記第２の導電性半導体クラッド層の両方がｎ型半導体で、前記ノンドープ半導体コア層と前記第１の導電性半導体クラッド層、あるいは、前記第２の導電性半導体クラッド層の少なくともどちらか一方との間にｐ型の第３の導電性半導体クラッド層が挿入されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７のいずれかに記載の光送信器において、前記半導体マッハツェンダ変調器は、前記ノンドープ半導体コア層の少なくとも一部が多重量子井戸構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、一般的な差動駆動型の半導体ＭＺ変調器をオープンコレクタ型ドライバＩＣで駆動可能とすることで、光送信器の低消費電力化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の半導体マッハツェンダ光変調器を説明する図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光送信器の構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る光送信器の半導体ＭＺ変調器の一方のアーム導波路周辺の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２６】
図２に、本発明の一実施形態に係る光送信器の構成、接続方法を示す。本発明の光送信器は、ＧＳＧＳＧ（ＧＮＤ−ＳＩＧＮＡＬ−ＧＮＤ−ＳＩＧＮＡＬ−ＧＮＤ）線路からなる半導体ＭＺ変調器２００、ＧＳＧＳＧの入出力ＰＡＤ２５１、２５２をもつオープンコレクタ型（オープンドレイン型）ドライバＩＣ２５０、ＧＳＧＳＧの出力ＰＡＤをもつディジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）２６０とが接続されている。尚、変調信号のディジタル−アナログ変換をするＤＡＣ２６０は、本発明においては必須の構成ではなく、省くこともできる。
【００２７】
図３に、本発明の一実施形態に係る半導体ＭＺ変調器２００の一方のアーム導波路周辺の断面を示す。半導体ＭＺ変調器２００は、ＳＩ−ＩｎＰ基板２０１上に、ＩｎＰからなる導電性の下部クラッド層２０２、ノンドープの半導体コア層２０３、ＩｎＰからなる導電性の上部クラッド層２０４が順次積層されたメサストライプの導波路を備える。半導体コア層２０３は、光導波層として機能し、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層や多重量子井戸層で構成したり、多重量子井戸層とその上下にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きく、かつ、上部クラッド層２０４、下部のクラッド層２０２よりも小さい値を持つ光閉じ込め層を有する構造を用いることもできる。
【００２８】
四元混晶のバルク層や多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。
【００２９】
また本発明の半導体ＭＺ変調器２００は、ＩｎＰ系材料に限定されるものではなく、例えば、ＧａＡｓ基板整合する材料系を用いても構わない。
【００３０】
図２における上部クラッド層２０４、下部クラッド層２０２は、どちらか一方がｎ型半導体で、もう一方がｐ型半導体であって構わない。
【００３１】
一方、上部クラッド層２０４、下部クラッド層２０２の両方がｎ型半導体で、上部クラッド層２０４と半導体コア層２０３の間、もしくは下部クラッド層２０２と半導体コア層２０３の間に、第３のｐ型クラッド層が挿入されている構造を取ることもできる。
【００３２】
半導体ＭＺ変調器２００は進行波型電極２４０を備えており、上部クラッド層２０４上には信号電極２４１が形成され、下部クラッド層２０２上には基準電極２４２が形成されている。また、信号電極２４１、基準電極２４２が形成されている領域の各アーム導波路のメサストライプの両側には、図１（ｂ）に示す半導体ＭＺ変調器１００と同様に、誘電体埋め込み層を形成することもできる。
【００３３】
図１に示したように、従来の差動駆動型の半導体ＭＺ変調器の一般的な駆動方法は、接地電極１４２を０Ｖに落とし、信号電極１４１にマイナス電圧（例えば−５Ｖ〜−１５Ｖ程度）を印加することで駆動していた。しかし、オープンコレクタ型ドライバＩＣは、半導体ＭＺ変調器１００の信号電極１４１を介して電圧ＶＣＣ（ＶＤＤ）を印加する必要があるため、半導体ＭＺ変調器１００の従来の駆動方法ではオープンコレクタ型ドライバＩＣを使用することは不可能である。
【００３４】
そのため、本発明の接続方法では、半導体ＭＺ変調器２００が上部クラッド層２０４をｐ型半導体とする構造又は上部クラッド層２０４と半導体コア層２０３の間に第３のｐ型クラッド層が挿入された構造をとる場合、従来０Ｖとしていた接地電極１４２の代わりに電源Ｖｂｉａｓから電圧（例えば＋５Ｖ〜＋２０Ｖ程度）を印加して基準電極２４２とする。そして、ドライバＩＣ２５０と半導体ＭＺ変調器２００とを信号電極２４１でのみ接続し、信号電極２４１には半導体ＭＺ変調器２００のインピーダンスに合わせた終端抵抗２７０を介して、ドライバＩＣ２５０用の電圧を電源Ｖｃｃから印加する。
【００３５】
この場合、基準電極２４２の電位が信号電極２４１の電位よりも高くなるように電源Ｖｂｉａｓの電圧を電源Ｖｃｃの電圧よりも高くすることにより、半導体ＭＺ変調器２００に逆バイアス電圧を印加すると同時に、信号電極２４１からオープンコレクタ型のドライバＩＣ２５０に駆動電圧を印加することを可能にしている。
【００３６】
本発明では、ドライバＩＣ２５０の接地電極と半導体ＭＺ変調器２００の基準電極２４２を繋いで共通電位としていないが、このように半導体ＭＺ変調器２００の基準電極２４２とドライバＩＣ２５０のグランドパッドとを接続しなくても、特性上問題は発生しない。
【００３７】
アーム間で調整できる動作が望まれる場合には、Ｖｂｉａｓ電位をアーム間で調整する必要がある。その場合には、半導体ＭＺ変調器２００の下部クラッド層２０２をアーム間で分離することで、別の電位を印加することも可能である。
【００３８】
また、従来のバックターミネーション型のドライバＩＣと異なり、オープンコレクタ型のドライバＩＣの場合には、後段の半導体ＭＺ変調器２００の終端抵抗２７０は任意のインピーダンス（例えば差動４０Ω〜１００Ω）としてよい。半導体ＭＺ変調器２００自体の電気特性を考えると、差動インピーダンスが低いほうが望ましいが、消費電力の観点では、差動インピーダンスは高いほうが良い。
【００３９】
図２では簡略化しているため、単体の半導体ＭＺ変調器２００と１チャネルのドライバＩＣ２５０のみとしているが、実際にはこの単体の半導体ＭＺ変調器２００を２つ並べたＩＱ変調器と２チャンネルのドライバＩＣでの使用や、同様に４つ並べた偏波多重ＩＱ変調器と４チャネルのドライバＩＣでの使用についても、接続数が増加するだけで、同様の接続方法で実施することが可能である。
【００４０】
また、簡略化のため半導体ＭＺ変調器２００の入力側の線路が等長化していないが、差動線路であるため、実際にはコモンモードやスキュー等による特性劣化が懸念されるため、入力側の線路を等長化する必要がある。特性劣化の観点では、ドライバＩＣと半導体ＭＺ変調器２００の接続部のワイヤ長は短いほど良く、また特性上は、ウェッジワイヤやリボンワイヤを使用することが望ましい。
【００４１】
また、ドライバＩＣ２５０と半導体ＭＺ変調器２００を組み合わせて、より広帯域な変調器を実現するためには、ドライバＩＣ２５０にて特定の周波数ピーキング（例えば３２ＧＢｄに対しては１５〜２５ＧＨｚ、６４ＧＢｄに対しては３０−４０ＧＨｚが望ましい）を設ける必要がある。ドライバＩＣ２５０にピーキングなく接続した場合には、単純にドライバＩＣ２５０とワイヤでの損失分が変調帯域の劣化に寄与してしまい、低帯域化してしまうためである。このように、ドライバＩＣ２５０と半導体ＭＺ変調器２００を組み合わせることで、より広帯域化することも可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１００  半導体ＭＺ変調器
１０１  ＳＩ−ＩｎＰ基板
１０２  ｎ型ＩｎＰ層
１０３  半導体コア層
１０４  ｐ型ＩｎＰ層
１０５  誘電体埋め込み層
１１０  光導波路
１２０  光分波器
１３０  光合波器
１４０  進行波型電極
１４１  信号電極
１４２  接地電極
２００  半導体ＭＺ変調器
２０１  ＳＩ−ＩｎＰ基板
２０２  ｎ−ＩｎＰ層
２０３  下部クラッド層
２０４  
２０５  上部クラッド層
２０６  
２１０  光導波路
２２０  光分波器
２３０  光合波器
２４０  進行波型電極
２４１  信号電極
２４２  基準電極
２５０  オープンコレクタ型ドライバＩＣ
２６０  ＤＡＣ
２７０  終端抵抗
【図１】
2018092100.tif 000003
【図２】
2018092100.tif 000004
【図３】
2018092100.tif 000005