(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調器(2)と、前記光変調器の一端側に接続され、かつ、平面的に略直線形状部分を有する第1の光導波路(1)と、前記光変調器の他端側に接続され、かつ、平面的に略直線形状部分を有する第２の光導波路(1)と、前記光変調器の上部に通る部分を有するように構成された電気配線路とを有し、
前記光変調器の上部で前記電気配線路と電気的接続をとるための電極と前記光変調器の他方の電極との間に電圧が印加されることにより前記光変調器は変調器動作をするように構成され、
前記光変調器部の光軸方向の両端部分で前記光変調器を挟むように、かつ、前記光軸方向に対して垂直に引いた第１、第２の直線を仮想したとき、変調器駆動回路から前記光変調器部を経て、かつ、前記光変調器部に対して前記変調器駆動回路とは前記平面的にみて反対側に位置する終端抵抗へ通じるように前記電気配線路の経路は構成され、
前記電気配線路の経路は前記第１および前記第２の直線を横切るように設けられ、
前記駆動回路から前記変調器までを含む区間を第１の電気配線路部、前記変調器から前記終端抵抗までを含む区間を第２の電気配線路部としたとき、前記第１または第２の電気配線路部の少なくとも一方の少なくとも一部分の区間の特性インピーダンスが前記駆動回路の出力インピーダンスよりも大きく構成されていることを特徴とする光伝送装置。
【請求項２】
前記第１および第２の電気配線路部の間の前記電気配線路は直線形状であり、そのインピーダンスは前記駆動回路の出力インピーダンスよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
【請求項３】
前記光変調器は少なくとも電圧を印加する手段としての電極とこの電極の近傍に設けられて電圧によって発生する電界の強度によってある波長の光の吸収率が変化する吸収層を有することを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
【請求項４】
前記光変調器はマッハツェンダー型変調器またはEA変調器であることを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
【請求項５】
前記光変調器への電圧印加手段としての電極及びこの電極の近傍に設けられて電圧によって発生する電界の強度によって、ある波長の光の屈折率が変化する位相変調層を前記光変調器は有することを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光変調器に関し、特に光通信システムにおける進行波型光変調器および光通信光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおける光通信用光源は高速化の要求が続いている。現在、１チャネル当たり10Gbit/sの伝送速度の通信システムは既に実用化されており、１チャネル当たり伝送速度40Gbit/sのシステムについても実用化に向けての開発が行われている段階にある。このような高速光通信システムに用いられる光通信光源には光変調器が用いられている。光変調器には電界吸収型変調器とマッハツェンダー型変調器の２種類が使われている。このうち電界吸収型変調器で広帯域の変調器を得るための技術として例えば特開2000-258739に記載されているように変調器を分割して分割された変調器容量を低減することによって、高消光比かつ高帯域の変調器を実現している。また、特開平11-133366に記載されているように電極に進行波型電極を用いるとともにノンドープ層を薄くし、かつ変調器長を短くすることによって広帯域性および入力電気信号の低反射特性と駆動電圧振幅の低減を図った例も報告されている。また、マッハツエェンダー型変調器に対しても特開平7-98442に示されているように、駆動電圧振幅を小さくして広帯域性と低反射特性を維持するためにインピーダンス変換回路を用いている。このときマッハツェンダー型変調器を構成する進行波型電極のインピーダンスは駆動電圧低減のために低く設定されており、特性インピーダンスの高い光変調器の外の伝送路とのインピーダンス整合のためにインピーダンス整合回路が用いられている。このとき集中定数素子のインダクタンスと容量と抵抗を用いて構成されており、広帯域性と構造の簡便性を両立することができない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
駆動電圧低減しようとすると変調器部分の容量が増大したり、あるいはインピーダンス低減が生じる。そのために光変調器に入力する電気信号の反射が発生したり、帯域が縮小したり、帯域内での応答の偏差が生じるという問題がある。また、容量を低減または、インピーダンス整合のために変調器長を短くすると消光比が劣化するという問題がある。この問題は多重量子井戸層の膜厚を厚くすることによって改善できる。しかし、強いレーザ光を変調器に入射した場合には、下記する高周波特性の劣化が生じる。変調器長が短い場合には多重量子井戸とその近傍を含むアンドープ層のフォトキャリア密度が増大し、外部からの印可電界がスクリーニングによって低減して、電気に対する応答特性が劣化し、帯域が縮小するという問題がある。
また、変調器を多数に分割して広帯域化を図る場合には帯域は分割された変調器の容量と素子抵抗と終端抵抗と変調器駆動回路の負荷抵抗によって決定され、広帯域化を図るためには分割数を増やさなければならない。このとき、光変調器部を分割した継ぎ目での光の損失が問題となる。また、分割数を低減した場合には、光変調器部はインピーダンス整合のために適切なイダクタンスをもった電線で接続しなければならないが、分割数を減らしているため電線の長さを長くしなければならず、素子サイズが増大するという問題がある
また、インピーダンス不整合をインピーダンス変換回路によって、駆動電圧振幅を低減するために低下したインピーダンスを駆動回路に整合させたときには広帯域にわたって平坦な応答特性を得ることはできないという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を改善するための手段は次の通りである。図１に示すように、
レーザから入力された光を伝播させる光導波路1と、
電圧を与えることによって光の強度を変えることができる光変調器部2と、
通信すべき電気信号を生成または増幅する変調器駆動回路3と、
光変調器部に対してこの駆動回路の反対側の末端に設けられた終端抵抗4と、
前記駆動回路と光変調器部の間に設けられた電気信号を光変調器部に伝える伝送路5と、光変調器部と終端抵抗の間の伝送路6を有する光変調器を準備する。
その光変調器の光導波路方向の両端部分でその光導波路方向に垂直な線（直線7と直線8）を想定し、前記駆動回路から前記光変調器部に入力する電気信号が直線7または直線8を跨ぐ（又は交差する）ようにする。かつ、伝送路5または6の少なくとも一方の少なくとも一部の特性インピーダンスを駆動回路3の出力インピーダンスより大きくかつ適切な長さに設定する。これにより、駆動電圧を低減し、光出力を向上する。ゆえに特性インピーダンスが小さくなった光変調器部の進行波電極のインピーダンス整合させることができる。これによって入力電気信号の広帯域性を保ち、帯域内偏差を低減し、電気的反射を低減することができる。例えば、変調器部分のインピーダンスが21Ωで、その変調器長が150μｍのときの駆動回路系であって、かつ、50Ωの駆動回路出力インピーダンスと50Ωの終端抵抗を用いて変調器駆動回路系を構成したとき構成例を図４に示す。この図４は特開平11-133366号公報記載の図９等を参照して作成した。図１と同じの構成要素で記述すると図１の伝送線路5, 6に対応する伝送路（図４の45,46）の特性インピーダンスが５０Ωもしくはそれに近い値になるように設計するために、伝送路45,46の幅と伝送路45,46とグランド53との間の間隔の比を基板の厚さと誘電率に対応させた値に保ったまま伝送路45,46を細くしている。このときの反射特性（Ｓ１１）と高周波応答特性（Ｓ２１）を図５に示す。この場合には、40Gbit/sのデータ電気信号を入力して使用する場合を想定して、高周波応答特性（Ｓ２１）には問題がないものの、反射特性（Ｓ１１）は20GHzでの反射率が-10dBと大きく、変調器に入力された電気信号が駆動回路に戻り、駆動回路を破壊する可能性があることと、駆動回路の出力端等での反射をゼロにすることができないことから、多重反射により変調器駆動電圧が変動し、光波形が乱れることになる。これに対し図１は特性インピーダンス21Ωの光変調器部2の前後に特性インピーダンス111Ωの伝送路5,6を配置した場合の構成例を示している。このとき伝送路5,6のインピーダンスを増大させる目的を以下の構成で達成している。伝送路5,6の幅と伝送路5,6とグランド13の間の間隔の比を小さくすると共に、この伝送路の直下には電気伝導率の高いドーピングを施した層または金属が十分離れているようにする。ここで示した例では伝送路5,6の直下の伝導層は半導体基板を固定するための金属治具である。この部分の断面を図３に示す。31が伝送路となる電極で32は低誘電率のポリイミド材料、33は反絶縁基板であり、34はグランド13に対応する電極である。上記５０Ω伝送路を用いた場合と同じような駆動回路構成で40Gbit/sのデータ信号を光変調器に入力する場合を想定すると、高周波応答特性の劣化はなく、20GHzでの反射率を８dB程度低減することができる。このような反射特性の改善は高インピーダンス線路がインピーダンス変換回路の役目を果たしている。このインピーダンス変換の機能は、光変調器の前後の高インピーダンス線路のインピーダンス値と線路の長さを調整することによって実現できる。光変調器部に多重量子井戸(Multi-Quantum well)を用いた電界吸収型光変調器の場合には従来、図７に示すように光変調器に入力する光強度がある一定値以上に大きい場合、高周波応答特性が劣化するという問題点があった。この素子の場合、光変調器の入力限界は9dBm程度である。このような高周波応答特性の劣化の原因は、二種類あると考えられる。一つはMQW層にキャリアが蓄積して、高周波に追従して光が十分吸収できなくなってしまうことによっており、もう一つはMQW層およびその近傍のアンドープ層に蓄積することによって電界が低下し、MQWの吸収率が低下するとともに、フォトキャリア引き抜け時間の増大により、さらなるフォトキャリアの蓄積が発生し、高周波応答特性が急激に劣化する。これに対し、MQW層を薄層化とすることによって、数十kV/cm以上の強電界が印加されているとき、一度、量子井戸から連続準位に励起された電子または正孔は量子井戸に再び落ち込むことがなく量子井戸のそとの層に引き抜けるようにする。これによってキャリア走行時間を短縮することができ、フォトキャリアの蓄積を抑制し、入力光強度が大きい場合にも高周波特性が劣化しないようにすることができる。さらにMQW層と入力され光変調器部内部を伝播する光のフィールドの重なりを小さくすることによって発生するフォトキャリア密度を低減することができ、MQW層およびその近傍アンドープ層に蓄積するフォトキャリア密度を低減し、フォトキャリア蓄積による電界の低下を低減することができ、高周波応答特性を劣化させないようにすることができる。このとき消光比を劣化させないために変調器長を長くする必要があるが、光変調器部の前後の高インピーダンス線路のインピーダンス値と長さを調整することによって高周波特性を劣化させないようにすることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
[実施例1]
図１に光変調器部にMQWを用いた電界吸収型変調器を採用している実施例の素子の上面を示す。この変調器は電界吸収型光変調器部２とその左右に配置された、光導波路1より構成されている。このうち光変調器部は伝送路5,6につながった電極とグランド13の間に電界が加わることで光を吸収する。これにより電気信号を光信号に変換している。この光変調器部の線分１４での断面を図２に示す。図２の21は伝送路を構成する電極であり、直下に次のような層構造を配置する。まず鉄をドープした半絶縁基板27上に5ｘ1018/cm-3の濃度でSiをドーピングしたInP層26を1.5μm積層し、その上にｎ側アンドープ層25を20nm成長してMQW層を90nm６層成長する。MQW層はInGaAlAsで構成され井戸層の幅は10nmでひずみ量0.５％の圧縮ひずみでバリア層の厚さは５nmで0.9％の引っ張りひずみの層より構成した。このときMQW層24の厚さは90nmで井戸とバリアの組成比はIn0.7Al0.049Ga0.251AsとIn0.352Al0.1Ga0.54Asとした。このMQW層の上に90nmのアンドープ層23を形成した。この層はMQWから離れるにつれてGaの割合を減らし90nmの範囲でInAlAsの層が一番上層にできるようにした。さらにこの上にInPクラッド層22を1.７μm形成した。この層のドーピングレベルは2×1017cm-3〜8×1018cm-3に変化させた0.7μｍの層の上に8×1018cm-3の層が0.9μｍさらに0.1μmのInGaAsの層ドーピングは1×1019cm-3の濃度とした。このような多層基板を図２のように光導波路となるメサを形成し導波路以外の部分に平坦化と容量低減のためにポリイミド材料を用いた。メサの幅は2.5μｍで高さは2.2μｍとした。この上に配置した伝送路を構成する電極21の幅は8μｍで厚さは800nmの金を蒸着することによって形成した。また、２８はグランドを形成する電極であり、電極２１と電極２８の間隔は２０μｍとした。こちらも金を蒸着することによって600nm厚の電極を形成した。この電極は図１の１３に対応し、グランドを形成する。
図１において２の光変調器部の左右に入出力用光導波路１を形成する。その断面構造は図８に示すように図２の断面構造とほぼ同じで光導波路が８３のアンドープのInPクラッド層0.3μｍと光導波路のコアを形成するInGaAsP層0.2μｍ（８２）と８１のプロトンを注入することによって高抵抗化されたInPクラッド１．７μｍから構成され、この光導波路の光損失を低減している。図１において入力電気信号は９の特性インピーダンス５０Ωに整合した入力ポートより入力する。電気信号はポート電極９とグランド１３の間の電圧として入力している。この電気信号はインピーダンスが１１１Ωの高インピーダンス線路（幅８μｍ、長さ４００μｍ）を通り４５°の曲がり導波路を通って光変調器部２に電気信号が伝達される。このとき電気信号は直線７をまたぐ。さらに光変調器を通過した電気信号は高インピーダンス線路６および出力ポート10を通って終端抵抗４に達する。このとき、高インピーダンス線路5,6と入出力ポート9,10の断面構造は積層方向には同じ構成であり、代表して線分１５での断面構造を図３に記す。半絶縁基板３３上のポリイミド層32（厚さ３．５μｍ）を介して伝送路5,6あるいは入出力ポート9,10を構成する電極３１（厚さ800nm）を形成しその両側にグランド電極３１（厚さ600nm）を形成する。伝送路の電極幅は5,6で８μｍ、9,10で100μｍであり、伝送路電極とグランドの幅は5,6の場合35μｍ、9,10では60μｍとした。
なお半絶縁基板の厚さは１００μｍとした。また駆動回路の出力インピーダンスは５０Ωであり駆動回路と入力ポートは特性インピーダンス５０Ωのコプレナー線路とリボンボンディングを介して接続されている。また、出力ポートと終端抵抗（５０Ω）の間の接続もどうようにコプレナー線路とリボンボンディングを介して接続している。その結果、駆動電圧2.0V、（動的）消光比１０ｄＢ、帯域５０ＧＨｚかつ20GHzでの反射特性Ｓ１１の値が-17dBとなる。これほどに改善可能である。
【０００６】
【発明の効果】
本発明の実施例によれば、入力電気信号の反射率および高周波応答特性を広帯域に保ったまま低駆動電圧および高光出力を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の光変調器の基本構造および駆動回路を示す図。
【図２】本発明の実施例の光変調器の基本構造の変調器部分（線分１４）での断面図。
【図３】本発明の実施例の光変調器の基本構造の高インピーダンス線路部分（線分１５）での断面構造を示す図。
【図４】高インピダンス線路を用いない従来例の構成を示す図。
【図５】上記図４の構成に対応する高周波特性を示す図。
【図６】上記図１の構成に対応する高周波特性を示す図。
【図７】高周波特性の入力光パワ依存性を示す図。
【図８】上記図１の光導波路に対応する断面図。
【図９】曲がり部位を２箇所以上に分割した素子の上面図。
【図１０】光変調器を２つ以上に分割した素子の上面図。
【図１１】マッハツェンダー変調器に本発明の実施例を適用した素子の上面図。
【符号の説明】
1:光導波路
2:光変調器部
3:駆動回路
4:終端抵抗
5:高インピーダンス伝送路（入力側）
6:高インピーダンス伝送路（出力側）
7,8:光変調器の光の伝播方向の幅の両端での光の伝播方向に垂直に延長した直線
9:電気信号の入力ポート
10:電気信号の出力ポート
11:外部の駆動回路および終端抵抗と変調器（素子）を電気的に接続する線路
12:グランド
13:素子上のグランド電極
14:断面図２に対応する線分
15:断面図３に対応する線分
16:入力側グランド電極と出力側グランド電極を電気的に接続する電極
21:伝送路を構成する電極
22:pInPクラッド
23:P側（上側）アンドープ層
24:MQW層
25:n側（下側）アンドープ層
26:n+InP層（グランド面）
27:半絶縁基板
28:グランド電極
31:伝送路を構成する電極
32:ポリイミド層
33:半絶縁基板
34:グランド電極
41:光導波路
42:光変調器部
43:駆動回路
44:終端抵抗
45,46:５０Ω線路
47,48:光変調器の光の伝播方向の幅の両端での光の伝播方向に垂直に延長した直線
49:入力ポート
50:出力ポート
51: 外部の駆動回路および終端抵抗と変調器（素子）を電気的に接続する線路
52:グランド
53:素子上グランド電極
56: 入力側グランド電極と出力側グランド電極を電気的に接続する電極
81:プロトンを打ち込んで高抵抗化したInPクラッド層
82:コア層
83:InPクラッド層
95,96:曲がりを含む高インピーダンス線路
102,103:分割した光変調器部
104:分割した光変調器の間を接続する高インピーダンス線路
202,203:多モード分波・結合器
204:マッハツェンダー変調器を構成する一方の光導波路（バイアス印加側）
205: マッハツェンダー変調器を構成する一方の光導波路（信号電圧印加側）
206:バイアス印加電極
207:光変調器を構成する伝送路。
【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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