(57)【要約】  光導波路（２０）の両側に位置決めされ、導波路（２０）の伝搬パターンを変更するように働く回折格子（３４、３６）を備えるＰＩＮ電気光学進行波変調器（１０）。変調器（１０）は、Ｎ型層（１４）、Ｐ型層（１８）、及び導波路（２０）として作用する真性層（１６）を備える。金属電極（２６）がＮ型層（１４）に電気的に接触し、金属電極（３０）がＰ型層（１８）に電気的に接触する。電極（２６、３０）は、ＲＦ伝送線路を画定する。光波（２２）が導波路（２０）に沿って伝搬し、格子（３４、３６）と相互作用し、格子（３４、３６）は、光波（２２）の速度を伝送線路のＲＦ波の速度に合わせるように光波（２２）を遅延させる。一実施形態では、格子（３４、３６）は、導波路（２０）内の垂直孔（３８）によって形成される２次元格子である。
2007510953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＦ信号で光波を変調する半導体変調器であって、
基板と、
該基板上に堆積したＮ型層と、
前記基板上に堆積し、前記Ｎ型層に接触する半導体真性層であって、光導波路を含み、前記真性層の対向する側面に位置決めされた第１及び第２の回折格子を備える、半導体真性層と、
前記基板上に堆積し、前記真性層に接触するＰ型層と、
前記Ｎ型層と電気的に接触した第１の電極及び前記Ｐ型層と電気的に接触した第２の電極であって、前記ＲＦ信号を受けて、前記第１及び第２の回折格子は、前記光波の速度が前記電極内の前記ＲＦ信号の速度に合うように前記光波を遅延させる、第１の電極及び第２の電極と、
を備えた半導体変調器。
【請求項２】
ＲＦ信号で光波を変調する半導体変調器であって、
基板と、
該基板上に堆積したＮ型層と、
前記基板上に堆積し、前記Ｎ型層に接触する半導体真性層であって、光導波路を含み、前記真性層の対向する側面に位置決めされた第１及び第２の回折格子を備え、該第１及び第２の回折格子は、前記光波の伝搬方向に直交する方向に延びるエッチングされた孔を前記真性層に備える、半導体真性層と、
前記基板上に堆積し、前記真性層に接触するＰ型層と、
前記Ｎ型層と電気的に接触した第１の電極及び前記Ｐ型層と電気的に接触した第２の電極であって、前記ＲＦ信号を受けて、前記第１及び第２の回折格子は、前記光波の速度が前記電極内の前記ＲＦ信号の速度に合うように前記光波を遅延させる、第１の電極及び第２の電極と、
を備えた半導体変調器。
【請求項３】
ＲＦ信号で光波を変調する半導体変調器であって、
基板と、
該基板上に堆積したＮ型層と、
前記基板上に堆積し、前記Ｎ型層に接触する半導体真性層であって、光導波路を含み、前記真性層の対向する側面に位置決めされた第１及び第２のブラッグ回折格子を備える、半導体真性層と、
前記基板上に堆積し、前記真性層に接触するＰ型層と、
前記Ｎ型層と電気的に接触した第１の電極及び前記Ｐ型層と電気的に接触した第２の電極であって、前記ＲＦ信号を受けて、前記第１及び第２の回折格子は、前記光波の速度が前記電極内の前記ＲＦ信号の速度に合うように前記光波を遅延させる、第１の電極及び第２の電極と、
を備えた半導体変調器。
【請求項４】
前記第１及び第２の回折格子は、前記真性層の材料と異なる材料により形成される、請求項１記載の半導体変調器。
【請求項５】
前記真性層と異なる前記材料は量子ドットである、請求項４記載の半導体変調器。
【請求項６】
ＲＦ信号で光波を変調する半導体変調器であって、
基板と、
該基板上に堆積したＮ型層と、
前記基板上に堆積し、前記Ｎ型層に接触する半導体真性層であって、光導波路を含み、前記真性層の対向する側面に位置決めされた第１の及び第２の２次元回折格子を備える、半導体真性層と、
前記基板上に堆積し、前記真性層に接触するＰ型層と、
前記Ｎ型層と電気的に接触した第１の電極及び前記Ｎ型層と電気的に接触した第２の電極であって、前記ＲＦ信号を受けて、前記第１及び第２の回折格子は、前記光波の速度が前記電極内の前記ＲＦ信号の速度に合うように前記光波を遅延させる、第１の電極及び第２の電極と、
を備えた半導体変調器。
【請求項７】
ＲＦ信号で光波を変調する半導体変調器であって、
基板と、
該基板上に堆積したＮ型ＩｎＰ層と、
前記基板上に堆積し、前記Ｎ型ＩｎＰ層に接触する半導体真性ＩｎＰ層であって、光導波路を含み、前記真性ＩｎＰ層の対向する側面に位置決めされた第１及び第２の回折格子を備える、半導体真性ＩｎＰ層と、
前記基板上に堆積し、前記真性ＩｎＰ層に接触するＰ型ＩｎＰ層と、
前記Ｎ型ＩｎＰ層と電気的に接触した第１の電極及び前記Ｐ型ＩｎＰ層と電気的に接触した第２の電極であって、前記ＲＦ信号を受けて、前記第１及び第２の回折格子は、前記光波の速度が前記電極内の前記ＲＦ信号の速度に合うように前記光波を遅延させる、第１の電極及び第２の電極と、
を備えた半導体変調器。
【請求項８】
ＲＦ信号で光信号を変調する進行波半導体光変調器であって、
基板と、
該基板上に堆積したＮ型層と、
前記基板上に堆積し、前記Ｎ型層に接触する半導体真性層であって、光導波路を含み、前記導波路の対向する側面に位置決めされた２次元ブラッグ回折格子を備え、該回折格子は、前記光信号を前記導波路に沿ってジグザグに伝搬させて、該導波路を通る前記光信号の伝搬長を増し、前記第１及び第２の回折格子は、前記光信号の伝搬方向に直交する方向に延びるエッチングされた孔を備える、半導体真性層と、
前記基板上に堆積し、前記真性層に接触するＰ型層と、
前記Ｎ型層と電気的に接触する第１の電極及び前記Ｐ型層と電気的に接触する第２の電極であって、伝送線路を画定し、前記ＲＦ信号を受けて、前記第１及び第２の回折格子は、前記光信号が前記伝送線路内の前記ＲＦ信号の速度に合った速度を有するようにさせる、第１の電極及び第２の電極と、
を備えた進行波半導体光変調器。
【請求項９】
前記第１及び第２の回折格子は、前記真性層の材料と異なる材料により形成される、請求項８記載の進行波半導体光変調器。
【請求項１０】
前記真性層と異なる前記材料は量子ドットである、請求項９記載の進行波半導体光変調器。
【請求項１１】
前記第１及び第２の回折格子は２次元格子である、請求項８記載の進行波半導体光変調器。
【請求項１２】
ＲＦ信号で光信号を変調する方法であって、
ＰＩＮ半導体変調器構造を設けるステップであって、該構造の真性層に第１及び第２のブラッグ回折格子を形成することを含み、前記真性層は光導波路を含み、前記光信号の伝搬方向に直交する方向に延びる孔を前記真性層に形成することをさらに含む、ステップと、
前記光信号が前記第１及び第２の回折格子と相互作用して、光信号をジグザグに伝搬させるように光信号を前記導波路に沿って伝搬させるステップと、
前記導波路を横切って電界を印加して、前記光信号を変調するステップであって、前記導波路に沿った前記電界の速度は光信号の速度に合う、ステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記第１及び第２の回折格子を形成するステップは、フォトニックバンドギャップ材料から前記第１及び第２の回折格子を形成することを含む、請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には半導体光変調器に関し、特に、導波路に隣接して回折格子を採用して、伝送線路の電波の速度に合う速度に光波を遅延させる半導体進行波光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気信号を使用して光信号を周波数変調し、情報を光信号に付与する電気光学（ＥＯ）変調素子が当該技術分野において既知である。この種の変調素子の一分類には、光波が素子の真性層内に画定される導波路に沿って（下流に）伝搬するＰＩＮ半導体素子構造を採用した半導体量子井戸変調器が含まれる。ＲＦ信号が、Ｐ層及びＮ層に接触した複数の電極に印加され、変調電圧を供給し、電極はＲＦ伝送線路を画定する。
【０００３】
低変調電圧（サブボルト：sub-volt）が、本明細書において考察する種類の電気光学量子井戸変調器のパフォーマンスにとって重要である。半導体量子井戸変調器は、システム用途に望ましい低変調電圧を実現するポテンシャルを有する。これら変調器は、高電界をより小さな印加電圧で確立することができるように電極同士の間隔を狭めることができるエピタキシャル層構造により非常に低い動作電圧に達することができる。
【０００４】
変調器の動作周波数が高い場合、進行波構成を導入することができる。進行波構成は、ＲＣ定数による周波数応答限界及び集中回路変調器の過渡時間を除去する。しかし、周波数応答は、電極ＲＦ損失、及び導波路の光波とＲＦ伝送線路を伝搬する電波との速度マッチングに依存することになる。
【０００５】
光導波路の基本モードの伝搬定数は、光ビームの波長、半導体材料の屈折率、及び導波路の幾何学的形状によって決まる。導波路の屈折率は、使用されている特定の半導体材料により固定される。駆動ＲＦ波の伝搬定数は、伝送線路の回路構造に依存する。一般に、特性インピーダンスＺ０、伝搬定数βｅ、及び伝送線路損失αは、
Ｚ０＝√（Ｌ／Ｃ）
Ｂｅ＝Ω√（ＬＣ）
α＝Ｒ／（２Ｚ０）
によって表すことができる。
【０００６】
式中、Ｌ、Ｃ、及びＲはそれぞれ、単位長さ当たりの等価インダクタ、等価キャパシタ、及び等価抵抗であり、Σは周波数である。伝送線路のインピーダンスは、駆動回路に合わせる必要性により５０Σ付近にほぼ固定される。こうして、ＬとＣとの比が固定される。損失係数の式は、金属損失が主な損失機構であるものと仮定するが、ＰＩＮ構造のドープ領域も同様に相当な損失をもたらし得る。したがって、Ｒは、上部電極の幅Ｗに反比例する。一方、主なキャパシタンスはＰＩＮ接合部にあり、Ｗに比例する。ＲＦ損失を低くするには大きなＷが必要であり、その結果大きなＣとなる。Ｌ／Ｃの比はインピーダンスを考慮して固定であるため、光導波路を伝搬する光波と比較して伝送線路のβｅを大きくする、すなわちＲＦ波を遅延させる結果となる。
【０００７】
伝送線路のＲＦ信号の低速波という性質は、変調器の周波数応答を制限し、変調電圧を低くするために素子構造を長くするのを妨げる可能性がある。これは、広い電極を必要とするマイクロ波損失と、狭い電極を必要とする速度マッチングとの間での難しい設計のトレードオフを表す。高いＲＦ損失は一般にいずれの素子構造でも許容できるものではないため、半導体ＰＩＮ変調器の速度ミスマッチを改良することのできる設計手法が有利となる。
【０００８】
半導体ＰＩＮ変調器の速度ミスマッチを補正する当該技術分野でのこれまでの試みは、ほぼ例外なく、光波の速度に合うようにＲＦ波の速度を変更する電極設計の変更に向けられてきた。しかし、この種の手法には上述したような設計のトレードオフがあり、これまで、本願発明者等の知る限り、付加的な損失をもたらすことなくマイクロ波の速度をさらに遅延させることにおいてのみ成功している。
【０００９】
速度マッチングは、各種変調器の材料及び構造において追求されてきた。ＬｉＮｂＯ３変調器では、マイクロ波は光波よりも遅く進行する。分布キャパシタンスを低減することができ、ひいてはＲＦ波を加速化することができる電極設計が実証され、市販のＶＭＴＷ変調器に広く使用されている。バルク半導体変調器では、ＲＦ波は一般に、光波よりも速く進行する。速度マッチングの改良のために低速波ＲＦ電極が提案され、実証されている。どちらのケースでも、ＲＦ伝送線路は寸法が大きいこと、及び物理レイアウトの自由度が高いことにより処置操作が容易であるため、ＲＦ伝送線路に対する変更が、速度マッチングの実現のために行われてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
必要なことは、ＲＦ損失に影響を及ぼすことなく、半導体光変調器におけるＲＦ波と光波の速度マッチングを提供する設計手法である。したがって、本発明の目的は、この速度マッチングを実現する設計手法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の教示によれば、相互作用方向に沿って光波伝搬速度を遅延させることができる光導波路構造を採用したＰＩＮ電気光学進行波変調器が開示される。導波路の縦方向には、従来のエピタキシャル材料層からの屈折率制限を使用するが、横方向には、反射帰還を光波に提供して「ジグザグ」に伝搬できるようにする周期構造を使用する。変調器は、Ｎ型層と電気的に接触した金属電極、Ｐ型層と電気的に接触した金属電極、及び導波路として作用する真性層を備える。電極は、ＲＦ伝送線路を画定する。光波は、光波の速度を伝送線路におけるＲＦ波の速度に合わせるように光波を遅延させる周期構造と相互作用する。一実施の形態では、周期構造は、導波路の両側に沿って形成された２次元格子である。
【００１２】
本発明のさらなる目的、利点、及び特徴が、添付の図面とに関連した以下の説明及び特許請求の範囲から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ＰＩＮ電気光学進行波変調器を対象とする好ましい実施形態についての以下の考察は、例示的な性質のものにすぎず、決して本発明又は本発明の適用若しくは用途の限定を意図するものではない。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態によるＰＩＮ電気光学進行波変調器１０の上面図であり、図２はその断面図である。変調器１０は基板１２を備え、基板１２上に、変調器１０の構造を構成する各種半導体素子層が堆積される。半導体層は、当業者によく理解されるように、適したエピタキシャル堆積プロセスによって堆積される。これら半導体素子層は、図示のように構成されたＮ型層１４、真性層１６、及びＰ型層１８を備える。当業者に既知のように、真性層１６は素子導波路２０を含み、変調すべき光波２２が導波路２０を下方に（沿って）伝搬する。Ｎ型層１４、真性層１６、及びＰ型層１８は、ＩｎＰ等、光変調器に適した任意の半導体材料であることができる。
【００１５】
変調器１０は、Ｎ型層１４と電気的に接触した金属電極２６及びＰ型層１８と電気的に接触した上部金属電極３０を備える。電極２６及び３０はＲＦ伝送線路を画定する。ＲＦ信号が電極２６及び３０に印加されると、電極２６及び３０は導波路２０を横切る電界を発生させ、これが光波２２を変調するように作用する。ここで、ＲＦ信号は伝送線路を下って伝搬する。上述した理由により、導波路２０を下って伝搬する光波２２の速度を、ＲＦ伝送線路に沿って伝搬するＲＦ波と調和させることが望ましい。
【００１６】
本発明によれば、ブラッグ回折格子３４及び３６が導波路２０の両側に形成される。この実施形態では、格子３４及び３６は、格子領域にエッチングされた空気孔３８によって形成される。しかし、代替の実施形態では、孔３８に異なる材料を充填して、格子領域と導波路２０との間により高い屈折率のコントラストを提供することができる。一実施形態では、格子３４及び３６は、図示のように、光波２２の伝搬方向に対して導波路２０内に垂直方向に形成される孔３８によって画定される２次元格子である。しかし、代替の実施形態では、格子３４及び３６は本発明の範囲内の他の方法で形成することができる。このような代替の一実施形態は、２次元フォトニックバンドギャップ構造を使用して、横方向閉じ込め（制限）を提供することである。導波路２０の幅並びに格子３４及び３６の幅は、設計固有であり、特定の導波路等に向けて最適化される。
【００１７】
格子３４及び３６によって提供される閉じ込めが、所望の光波閉じ込めに十分な反射係数を提供するために必要とする周期の数は最小となる。実際の周期の数は、格子領域での反射率対比（contrast）に依存することにより、これは、格子構造にポリイミド又は空気等の低率材料に加えて、量子ドット等の高分散性材料を使用することによって高めることができる。
【００１８】
格子３４及び３６は、導波路２０の横方向閉じ込めを変化させるため、導波路２０にモードフィールド伝搬パターンができる。光波２２は、光波２２の伝搬方向が図示のように「ジグザグ」様式で方向転換されるような様式で格子３４及び３６と相互作用する。この相互作用は、光波２２の有効順方向位相速度を減じる。換言すれば、光波２２の伝搬距離の有効長は、格子３４及び３６のアスペクト比により制御可能な伝搬モードの方向に基づいて増すことになる。
【００１９】
光波２２のモード伝搬パターンは、導波路２０に閉じ込められた光波２２の光の伝搬方向での位相速度を事実上減じることができる。これは、伝送線路内を伝搬するＲＦ信号に適合する。ＲＦ伝搬損失を低減するにはより幅の広い上部電極３０が望ましいが、これは大きなキャパシタンスをもたらす。インダクタンス／キャパシタンスの比の平方根に比例する一定の特性インピーダンスが、駆動回路に整合することが望ましいため、より大きなインダクタンスを導入する必要がある。キャパシタンス及びインダクタンスの両方が増えると、位相速度が低下することになり、これはインダクタンスとキャパシタンスの積の平方根に比例する。
【００２０】
ジグザグ光路及びより幅の広い低損失ＲＦ伝送線路は、それぞれ光波２２及びＲＦ波を遅延させ、実際の速度を独立して調整可能であるため、速度マッチングは、提案する変調器構造を使用して自然に実現することができる。非常に長い有効相互作用長及びより低いＲＦ伝搬損失というさらなる利点も可能である。これらの特徴は、広帯域電圧及び超低変調電圧にとって極めて重要なものである。
【００２１】
上記考察は、本発明の単に例示的な実施形態を開示し説明したものである。当業者はこのような考察から、また添付の図面及び特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲において確定される本発明の精神及びその範囲から逸脱することなく、各種改変、変更、及び変形を行えることを容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による、変調器導波路の両側に回折格子を採用したＰＩＮ電気光学進行波変調器の上面図である。
【図２】図１に示す変調器の断面図である。
【図１】
2007510953.tif 000003
【図２】
2007510953.tif 000004
【国際調査報告】
2007510953.tif 000005
2007510953.tif 000006
2007510953.tif 000007