(57)【要約】  マッハツェンダ型光変調器の小型化が可能な技術を提供することを目的とする。クラッド層に、複数の第１及び第２ビアホールが光導波路に沿って配設されている。マッハツェンダ型光変調器は、複数の第１ビアホールを介して第１半導体領域と接続され、かつ、平面視にて光導波路に沿って幅及び長さを有して延在する幅が広い第１進行波電極と、複数の第２ビアホールを介して第２半導体領域と接続され、かつ、平面視にて光導波路に沿って幅及び長さを有して延在する幅が広い第２進行波電極とを備える。
2020115852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マッハツェンダ型光変調器であって、
第１半導体領域と、
前記第１半導体領域と隣接して配設された第２半導体領域と、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域を覆うことによって、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との隣接部分に対応する光導波路を覆い、かつ、前記光導波路よりも屈折率が低いクラッド層と
を備え、
前記光導波路以外の前記第１半導体領域上の前記クラッド層に、複数の第１ビアホールが前記光導波路に沿って配設され、
前記光導波路以外の前記第２半導体領域上の前記クラッド層に、複数の第２ビアホールが前記光導波路に沿って配設され、
断面視にて前記複数の第１ビアホール上に配設され、前記複数の第１ビアホールを介して前記第１半導体領域と接続され、かつ、平面視にて前記光導波路に沿って幅及び長さを有して延在し、幅が前記複数の第１ビアホールよりも広い第１進行波電極と、
断面視にて前記複数の第２ビアホール上に配設され、前記複数の第２ビアホールを介して前記第２半導体領域と接続され、かつ、平面視にて前記光導波路に沿って幅及び長さを有して延在し、幅が前記複数の第２ビアホールよりも広い第２進行波電極と
をさらに備える、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項２】
マッハツェンダ型光変調器であって、
第１半導体領域と、
前記第１半導体領域と隣接して配設された第２半導体領域と、
前記第１半導体領域と逆側で前記第２半導体領域と隣接して配設された第３半導体領域と、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域を覆うことによって、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との隣接部分に対応する第１光導波路を覆い、前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域を覆うことによって、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との隣接部分に対応する第２光導波路を覆い、かつ、前記第１光導波路及び前記第２光導波路よりも屈折率が低いクラッド層と
を備え、
前記第１光導波路以外の前記第１半導体領域上の前記クラッド層に、複数の第１ビアホールが前記第１光導波路に沿って配設され、
前記第２光導波路以外の前記第３半導体領域上の前記クラッド層に、複数の第２ビアホールが前記第２光導波路に沿って配設され、
断面視にて前記複数の第１ビアホール上に配設され、前記複数の第１ビアホールを介して前記第１半導体領域と接続され、かつ、平面視にて前記第１光導波路に沿って幅及び長さを有して延在し、幅が前記複数の第１ビアホールよりも広い第１進行波電極と、
断面視にて前記複数の第２ビアホール上に配設され、前記複数の第２ビアホールを介して前記第３半導体領域と接続され、かつ、平面視にて前記第２光導波路に沿って幅及び長さを有して延在し、幅が前記複数の第２ビアホールよりも広い第２進行波電極と
をさらに備える、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項３】
請求項２に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
平面視にて前記第１進行波電極に関して前記第１光導波路と逆側の前記クラッド層上に配設され、前記第１進行波電極と第１終端抵抗を介して接続された第３進行波電極と、
平面視にて前記第２進行波電極に関して前記第２光導波路と逆側の前記クラッド層上に配設され、前記第２進行波電極と第２終端抵抗を介して接続された第４進行波電極と
をさらに備える、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記複数の第１ビアホールは、前記第１進行波電極に沿って周期的に配設され、
前記複数の第２ビアホールは、前記第２進行波電極に沿って周期的に配設されている、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
平面視において前記複数の第１ビアホールのそれぞれは、前記第１進行波電極の延在方向に延在する形状を有し、
平面視において前記複数の第２ビアホールのそれぞれは、前記第２進行波電極の延在方向に延在する形状を有する、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記第１進行波電極の幅と前記第２進行波電極の幅とが互いに同じである、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記隣接部分は、ｐ型半導体及びｎ型半導体を含む、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項８】
請求項１に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記第１進行波電極及び前記第２進行波電極を介して前記光導波路に電圧を印加することによって、前記光導波路の屈折率を変化可能であり、
前記光導波路の光入力部と、前記光導波路と別の光導波路の光入力部とに接続された分波器と、
前記光導波路の光出力部から出力される光と、前記別の光導波路の光出力部から出力される光とを合成する合波器と
をさらに備える、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項９】
請求項８に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記マッハツェンダ型光変調器に入力された光の位相及び強度の少なくとも１つを変調可能である、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項１０】
請求項２または請求項３に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記第１進行波電極及び前記第２進行波電極を介して前記第１光導波路及び前記第２光導波路に電圧を印加することによって、前記第１光導波路及び前記第２光導波路の一方の屈折率を変化可能であり、
前記第１光導波路の光入力部と、前記第２光導波路の光入力部とに接続された分波器と、
前記第１光導波路の光出力部から出力される光と、前記第２光導波路の光出力部から出力される光とを合成する合波器と
をさらに備える、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項１１】
請求項１０に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記マッハツェンダ型光変調器に入力された光の位相及び強度の少なくとも１つを変調可能である、マッハツェンダ型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マッハツェンダ型光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンの普及に伴う情報端末の増加及び大容量通信を前提としたクラウドサービスが運用されている。近年、当該クラウドサービスの利用拡大などによって、電気信号を用いて光信号を変調する光通信システムの大容量化が進められている。この大容量化に対応するため、光トランシーバ内の変調信号のビットレートの向上が求められている。ビットレートの向上には、信号多重度を上げる方法と、変調速度を上げる方法とがある。【０００３】
波長チャーピングが非常に小さく、長距離の基幹系用の光変調器の主流であるマッハツェンダ型光変調器（ＭＺＭ：Mach-Zehnder Modulator）には、信号多重度を上げる方法として、ＰＡＭ４（Pulse Amplitude Modulation 4）などの強度変調方式、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）及び１６ＱＡＭ（Quadrature Amplifier modulation）などの位相変調方式が広く活用されている。しかし信号多重が進むにつれて雑音耐力が低くなるため、信号伝送距離が短くなる。このため変調速度の向上によるビットレートの向上が必要である。消費電力及び信号品質の劣化を抑えつつ、変調速度を高速化するためには、インピーダンス整合と、高周波屈折率と光屈折率との間の整合（以下「屈折率整合」と記すこともある）とが求められる。【０００４】
インピーダンス及び高周波屈折率の式は、いずれも変調器（光変調器）のキャパシタンス及びインダクタンスを用いて表現できる。このため、インピーダンス整合及び屈折率整合を取るには、変調器のキャパシタンス及びインダクタンスの最適化が必要である。変調器のキャパシタンスは、伝送線路のキャパシタンスと光導波路のキャパシタンスとの和で表される。変調器のインダクタンスも同様に、伝送線路のインダクタンスと光導波路のインダクタンスの和で表される。しかしながら、光導波路のインダクタンスは伝送線路のインダクタンスに比べて小さいため、変調器のインダクタンスでは伝送線路のインダクタンスが支配的である。マッハツェンダ型光変調器では、高周波信号を導波して導波路の光を変調する進行波電極の電極間距離及び電極幅を調整することによって、伝送線路のインダクタンス及びキャパシタンスを調整することが可能である。しかしながら、光導波路のキャパシタンスが比較的大きいため、インピーダンス整合及び屈折率整合を取ることが困難となっていることから、光導波路のキャパシタンスを調整することも必要である。【０００５】
ところで、光変調器には、ＬｉＮｂＯ３などの誘電体材料による電気光学効果を利用する構成、及び、半導体の電界吸収効果を利用する構成が主に使用されている。半導体の電界吸収型光変調器では、小型、高速、低駆動電圧動作が可能であり、駆動用ドライバＩＣ（Integrated Circuit）を集積可能という利点がある。ＩｎＰ系及びＧａＡｓ系などのIII−Ｖ族半導体を材料とした電界吸収型変調器では、半導体レーザ光源との集積も可能という特徴を持つため、先行して開発が進められている。また、これとは別にＳｉを主とするＩＶ族半導体を材料とした電界吸収型変調器では、エレクトロニクス分野で培われてきた加工技術及び量産技術を利用できるため、低コストで精細なデバイス作製が可能である。【０００６】
III−Ｖ族半導体マッハツェンダ型光変調器は、例えば、半導体基板上にIII−Ｖ族半導体のクラッド層、コア層、クラッド層を積層してなる光導波路と進行波電極部とを備え、光導波路の直上に形成した電極によって進行波電極部と光導波路とが接続されている。特に、特許文献１に開示されたIII−Ｖ族半導体マッハツェンダ型光変調器では、平面視で周期的に配置された複数のＴ字型電極を有することによって、光導波路上に電極が配置された部分と配置されない部分とが交互に繰り返された周期絶縁構造が形成されている。このような構造によれば、周期を調整することによって光導波路のキャパシタンスなどを低減することができるため、インピーダンス整合及び屈折率整合を取ることが可能となっている。【０００７】
一方、ＩＶ族半導体マッハツェンダ型光変調器は、例えば、半導体基板上に絶縁体のクラッド層、ＩＶ族半導体のコア層、絶縁体のクラッド層を積層してなる光導波路と、クラッド層の上部に進行波電極部とを備え、絶縁体のクラッド層を貫通するビアホールを介して進行波電極と光導波路とが接続されている。特に、特許文献２に開示されたＩＶ族半導体マッハツェンダ型光変調器では、進行波電極が、光導波路の直上の電極と接続する部位と、当該電極と離間した部位とを交互に繰り返した周期絶縁構造を有している。このような構成によれば、周期を調整することによって光導波路のキャパシタンスなどを低減することができるため、インピーダンス整合及び屈折率整合を取ることが可能となっている。また、非特許文献１に開示されたＩＶ族半導体マッハツェンダ型光変調器は、III−Ｖ族半導体マッハツェンダ型光変調器で先行されているように進行波電極の内側にＴ字型電極を形成し、Ｔ字型電極部下のみビアホールとして光導波路と接続することで周期絶縁構造を構成し導波路のキャパシタンスを低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１５１５９０号公報
【特許文献２】特開２０１５−６９１９９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｄａｖｉｄ  Ｐａｔｅｌ，ｅｔ  ａｌ，“Ｄｅｓｉｇｎ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ  ｐｅｒｆｏｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  ４１ＧＨｚ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”，ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ，２０１５，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１１，Ｐ．１４２６３−Ｐ．１４２８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら特許文献１及び非特許文献１に開示された半導体マッハツェンダ型光変調器では、進行波電極がＴ字型電極を有するため、光変調器のサイズが大きくなるという問題点があった。また特許文献２に開示された半導体マッハツェンダ型光変調器では、進行波電極の形状が複雑であり、光変調器のサイズが大きくなるという問題点があった。【００１１】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、マッハツェンダ型光変調器の小型化が可能な技術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】
【００１２】
本発明に係るマッハツェンダ型光変調器は、マッハツェンダ型光変調器であって、第１半導体領域と、前記第１半導体領域と隣接して配設された第２半導体領域と、前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域を覆うことによって、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との隣接部分に対応する光導波路を覆い、かつ、前記光導波路よりも屈折率が低いクラッド層とを備え、前記光導波路以外の前記第１半導体領域上の前記クラッド層に、複数の第１ビアホールが前記光導波路に沿って配設され、前記光導波路以外の前記第２半導体領域上の前記クラッド層に、複数の第２ビアホールが前記光導波路に沿って配設され、断面視にて前記複数の第１ビアホール上に配設され、前記複数の第１ビアホールを介して前記第１半導体領域と接続され、かつ、平面視にて前記光導波路に沿って幅及び長さを有して延在し、幅が前記複数の第１ビアホールよりも広い第１進行波電極と、断面視にて前記複数の第２ビアホール上に配設され、前記複数の第２ビアホールを介して前記第２半導体領域と接続され、かつ、平面視にて前記光導波路に沿って幅及び長さを有して延在し、幅が前記複数の第２ビアホールよりも広い第２進行波電極とをさらに備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、平面視にて光導波路に沿って幅及び長さを有して延在する第１及び第２進行波電極が、複数の第１及び第２ビアホールを介して第１及び第２半導体領域と接続されている。このような構成によれば、マッハツェンダ型光変調器を小型化することができる。【００１４】
本発明の目的、特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す平面図である。
【図２】実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す断面図である。
【図５】実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す平面図である。
【図６】実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す斜視図である。
【図７】実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す断面図である。
【図８】実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す断面図である。
【図９】実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器と、非特許文献１のマッハツェンダ型光変調器とを比較するグラフである。
【図１０】実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器と、非特許文献１のマッハツェンダ型光変調器とを比較するグラフである。
【図１１】実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器と、非特許文献１のマッハツェンダ型光変調器とを比較するグラフである。
【図１２】実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器と、非特許文献１のマッハツェンダ型光変調器とを比較するグラフである。
【図１３】実施の形態３に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す平面図である。
【図１４】実施の形態３に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す斜視図である。
【図１５】実施の形態３に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す断面図である。
【図１６】実施の形態３に係るマッハツェンダ型光変調器の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器１（以下「光変調器１」と略記することもある）の構成を示す平面図である。まず、本実施の形態１に係る光変調器１の構成の概要について説明する。
【００１７】
本実施の形態１に係る光変調器１は、分波器４と、合波器５と、信号源６と、終端抵抗７と、光導波路である第１光導波路８ａと、別の光導波路である第２光導波路８ｂと、第１進行波電極９ａと、第２進行波電極９ｂとを備える。
【００１８】
分波器４は、第１光導波路８ａの一端である光入力部と、第２光導波路８ｂの一端である光入力部とに接続されている。分波器４は、入力光２を分岐し、分岐した光を第１光導波路８ａの光入力部及び第２光導波路８ｂの光入力部に出力する。
【００１９】
信号源６から出力された電気信号は、第１光導波路８ａの一方向に延在する部分に沿って配設された第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂに入力される。第１進行波電極９ａはグランド電極であり、第２進行波電極９ｂは信号電極である。高周波信号が、第１進行波電極９ａを介して第１光導波路８ａに印加されることにより、第１光導波路８ａの屈折率が変化され、第１光導波路８ａを伝播する光信号の位相が変調される。
【００２０】
合波器５は、第１光導波路８ａの他端である光出力部と、第２光導波路８ｂの他端である光出力部とに接続されている。光信号の位相を変調する構成では、合波器５は、第１光導波路８ａの光出力部から出力される位相変調された変調波と、第２光導波路８ｂの光出力部から出力される参照波とを干渉合成する。そして、合波器５は、光尾屈折率差に伴う位相変化が生じた光信号を出力光３として出力する。一方、光信号の強度を変調する構成では、合波器５は、第１光導波路８ａの光出力部から出力される光と、第２光導波路８ｂの光出力部から出力される光とを合成することによって、光信号の位相の変調を、光信号の強度の変調に変換する。そして、合波器５は、強度が変調された光信号を出力光３として出力する。このように構成された本実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器１は、マッハツェンダ型光変調器１に入力された光の位相及び強度の少なくとも１つを変調可能となっている。なお、光の位相の変調には、例えば１組×２つのマッハツェンダ型光変調器１が用いられ、光の強度の変調には、例えば２組×２つのマッハツェンダ型光変調器１が用いられる。
【００２１】
なお、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂに入力された電気信号は、終端抵抗７で終端される。本実施の形態１では、単層駆動を行うため終端抵抗７の抵抗値は、例えば５０Ωが好ましいが、その他の抵抗値でも構わない。
【００２２】
次に本実施の形態１に係る光変調器１の構成の詳細について説明する。図２は、本実施の形態１に係る光変調器１の構成を示す斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図４は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００２３】
本実施の形態１に係る光変調器１は、上述した第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂなどに加えて、基板１１と、下部クラッド層１２と、上部クラッド層１３と、コア層１４と、ＤＣ電源１６とを備える。図３及び図４に示すように、コア層１４は、ｎ型の第１半導体領域１４ａと、ｐ型の第２半導体領域１４ｂと、ｎ型の第３半導体領域１４ｃとを含む。なお、ｎ型とｐ型とは逆であってもよい。つまり、コア層１４は、ｐ型の第１半導体領域１４ａと、ｎ型の第２半導体領域１４ｂと、ｐ型の第３半導体領域１４ｃとを含んでもよい。第２半導体領域１４ｂは、第１半導体領域１４ａと隣接して配設され、第３半導体領域１４ｃは、第１半導体領域１４ａと逆側で第２半導体領域１４ｂと隣接して配設されている。
【００２４】
下部クラッド層１２は基板１１上に配設され、コア層１４は下部クラッド層１２上に選択的に配設され、上部クラッド層１３は、下部クラッド層１２及びコア層１４上に配設されている。
【００２５】
図３及び図４に示すように、第１半導体領域１４ａは、スラブ１４ａＳと、スラブ１４ａＳよりも厚さが大きいリブ１４ａＬとを含む。同様に、第２半導体領域１４ｂは、スラブ１４ｂＳと２つのリブ１４ｂＬとを含み、第３半導体領域１４ｃは、スラブ１４ｃＳとリブ１４ｃＬとを含む。
【００２６】
第１半導体領域１４ａと第２半導体領域１４ｂとの隣接部分は、第１光導波路８ａに対応する。なお、ここでいう隣接部分をリブ１４ａＬ及びリブ１４ｂＬとした場合、第１光導波路８ａは、隣接部分そのものであってもよいし、隣接部分の一部であってもよいし、隣接部分にスラブ及びクラッドを加えた部分であってもよい。同様に、第２半導体領域１４ｂと第３半導体領域１４ｃとの隣接部分は、第２光導波路８ｂに対応する。なお、ここでいう隣接部分を別のリブ１４ｂＬ及びリブ１４ｃＬとした場合、第２光導波路８ｂは、隣接部分そのものであってもよいし、隣接部分の一部であってもよいし、隣接部分にスラブ及びクラッドを加えた部分であってもよい。上述した下部クラッド層１２及び上部クラッド層１３を含むクラッド層は、コア層１４の第１〜第３半導体領域１４ａ〜１４ｃを覆うことによって、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂを覆っている。なお、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１３の屈折率は、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂの屈折率よりも低くなっている。
【００２７】
以下、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂを「光導波路」と略記して説明することもある。また以下、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１３を「クラッド層」と略記して説明することもある。
【００２８】
本実施の形態１では、リブ１４ａＬとリブ１４ｂＬとが接続されることによって、ＰＮ接合が形成され、別のリブ１４ｂＬとリブ１４ｃＬとが接続されることによって、ＰＮ接合が形成されている。このため、第１半導体領域１４ａと第２半導体領域１４ｂとの隣接部分に対応する第１光導波路８ａは、ｐ型半導体及びｎ型半導体を含み、第２半導体領域１４ｂと第３半導体領域１４ｃとの隣接部分に対応する第２光導波路８ｂは、ｐ型半導体及びｎ型半導体を含んでいる。
【００２９】
ＰＮ接合にＤＣ電源１６を用いて逆バイアスを印加した場合、ＰＮ接合に空乏層が形成されるので、キャリアが高速移動でき、ひいては光の変調速度を高速化することできる。
【００３０】
また、ＰＮ接合に電圧を印加するとキャリア密度変化が生じ、キャリアプラズマ分散が起こるため屈折率が変化する。キャリア密度が増加する場合には屈折率が減少し、キャリア密度が減少する場合には屈折率が増加する。例えば、高周波信号が第１進行波電極９ａに印加された場合、リブ１４ａＬ及びリブ１４ｂＬで構成されたＰＮ接合において空乏層幅が減少するため、第１光導波路８ａのキャリア密度が低下し屈折率は増加する。このような現象を用いて、ＰＮ接合のキャリア密度を制御することにより、第１光導波路８ａの屈折率、ひいては、当該第１光導波路８ａを伝播する光信号の位相を変調する。また本実施の形態１では、リブ１４ａＬ及びリブ１４ｂＬのＰＮ接合と、リブ１４ｂＬ及びリブ１４ｃＬのＰＮ接合とのそれぞれが背中合わせで直列接続されているため、ＰＮ接合の容量を低減することができ、ひいては帯域の向上が可能となっている。
【００３１】
以上、クラッド層及び光導波路の構成の一例について説明した。しかしながら、本実施の形態１に係るクラッド層及び光導波路の構成は上記に限ったものではない。例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板のＢＯＸ（Buried Oxide）を下部クラッド層１２としてもよいし、ＳＯＩ基板を用いずにＳｉ基板上に酸化層を下部クラッド層１２として形成してもよい。また本実施の形態１では、基板１１及びコア層１４の材料はＳｉであるものとするが、当該材料はＩＶ族半導体であればよい。また、本実施の形態１では、クラッド層の材料はＳｉＯ２であるものとするが、当該材料はコア層１４に比べて屈折率が低い材料であればよい。また、図３に示す断面図において、ＰＮ接合の接合面は基板に対して垂直方向である構造としているが、水平方向である構造でも同様の効果が得られる。また、光導波路は、上述したリブ型かつＰＮ接合型の光導波路に限ったものではなく、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）キャパシタ型の光導波路であってもよいし、ＰＩＮ型の光導波路であってもよい。
【００３２】
さて、図２及び図３に示すように、第１光導波路８ａ以外の第１半導体領域１４ａ上のクラッド層に、第１進行波電極９ａと第１半導体領域１４ａとを接続する複数の貫通穴である複数の第１ビアホール１０ａが、第１光導波路８ａに沿って配設されている。同様に、第１光導波路８ａ以外の第２半導体領域１４ｂ上のクラッド層に、第２進行波電極９ｂと第２半導体領域１４ｂとを接続する複数の貫通穴である複数の第２ビアホール１０ｂが、第１光導波路８ａに沿って配設されている。
【００３３】
本実施の形態１では、複数の第１ビアホール１０ａが、第１光導波路８ａひいては第１進行波電極９ａに沿って、リブ以外の第１半導体領域１４ａ上の上部クラッド層１３に周期的（一定距離間隔）に配設されている。同様に、複数の第２ビアホール１０ｂが、第１光導波路８ａひいては第２進行波電極９ｂに沿って、リブ以外の第２半導体領域１４ｂ上の上部クラッド層１３に周期的（一定距離間隔）に配設されている。このような複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂの配置によれば、構造設計及び作製プロセスを簡略化することができる。
【００３４】
また本実施の形態１では、平面視において複数の第１ビアホール１０ａのそれぞれは、第１進行波電極９ａの延在方向に延在する形状を有している。同様に、平面視において複数の第２ビアホール１０ｂのそれぞれは、第２進行波電極９ｂの延在方向に延在する形状を有する。このような複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂの形状によれば、構造設計及び作製プロセスを簡略化することができる。
【００３５】
第１進行波電極９ａは、断面視にて複数の第１ビアホール１０ａ直上に配設されており、複数の第１ビアホール１０ａを介して第１半導体領域１４ａと接続されている。同様に、第２進行波電極９ｂは、断面視にて複数の第２ビアホール１０ｂ直上に配設されており、複数の第２ビアホール１０ｂを介して第２半導体領域１４ｂと接続されている。つまり、第１進行波電極９ａは、複数の第１ビアホール１０ａ内の図示しない導電部材によって第１半導体領域１４ａと電気的に接続され、第２進行波電極９ｂは、複数の第２ビアホール１０ｂ内の図示しない導電部材によって第２半導体領域１４ｂと電気的に接続されている。このような第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂにより、第１光導波路８ａを伝播する光信号を変調するための電圧を、第１光導波路８ａに印加することが可能となっている。
【００３６】
第１進行波電極９ａは、平面視にて第１光導波路８ａに沿って幅及び長さを有して延在し、幅が複数の第１ビアホール１０ａよりも広くなっている。同様に、第２進行波電極９ｂは、平面視にて第１光導波路８ａに沿って幅及び長さを有して延在し、幅が複数の第２ビアホール１０ｂよりも広くなっている。
【００３７】
第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂは、特許文献１及び非特許文献１のようなＴ字型電極を有さない。平面視における第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの形状には、例えば、内部に空白を有さない矩形状または当該矩形状の角に丸みを有する略矩形状であるベタ形状などが含まれる。なお本実施の形態１では、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの形状は、第１光導波路８ａに関して互いに線対称であり、第１進行波電極９ａの幅と第２進行波電極９ｂの幅とは互いに同じであるものとする。このような第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの線対称の形状によれば、構造設計を容易化することができる。
【００３８】
以上、第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂ、並びに、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの構成の一例について説明した。しかしながら、本実施の形態１に係る第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂ、並びに、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの構成は上記に限ったものではない。
【００３９】
例えば以上の説明では、複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂはクラッド層に周期的に配設されていたが、この配置は必須ではない。また例えば以上の説明では、複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂの形状は、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの延在方向に延在する形状であるとしたが、この形状は必須ではない。また例えば以上の説明では、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの形状は、第１光導波路８ａの延在部分を中心に互いに線対称であったが、この形状は必須ではない。
【００４０】
次に、本実施の形態１に係る光変調器１における構造設計について説明する。通信容量増大、ひいてはビットレート向上を実現するために、消費電力と信号品質の劣化とを抑えて変調速度を向上することが求められている。これを実現するためには、電気信号の反射を低減するためのインピーダンス整合と、電気信号と光信号との位相速度を一致させて時定数に依存させないための屈折率整合とが求められる。
【００４１】
インピーダンスＺ０及び高周波屈折率ｎμのいずれの式も、次式（１）及び（２）のように光変調器１（以下「変調器」と略記することもある）のインダクタンス及びキャパシタンスを用いて表現できる。このため、インピーダンス整合及び屈折率整合を行うには、変調器のキャパシタンス及びインダクタンスの最適化が必要である。
【００４２】
【数１】
2020115852.tif 000003
【００４３】
【数２】
2020115852.tif 000004
【００４４】
ここで、Ｌ０は変調器のインダクタンス、Ｃ０は変調器のキャパシタンス、ｃは光速度である。例えば、インピーダンスＺ０を５０Ω、高周波屈折率ｎμを光屈折率ｎｏｐｔの値である３．７に近付けること、換言すれば式（１）及び（２）のインダクタンスＬ０を６１７ｎＨ／ｍ、キャパシタンスＣ０を２４６ｐＨ／ｍに近づけることが最適化の目標となる。
【００４５】
変調器のインダクタンスＬ０及び変調器のキャパシタンスＣ０は次式（３）〜（５）のように表される。
【００４６】
【数３】
2020115852.tif 000005
【００４７】
【数４】
2020115852.tif 000006
【００４８】
【数５】
2020115852.tif 000007
【００４９】
ここで、Ｌｏｐｔは光導波路のインダクタンス、ＬＴＬは伝送線路のインダクタンス、Ｃｏｐｔは光導波路のキャパシタンス、ＣＴＬは伝送線路のキャパシタンス、ε０は真空の誘電率、εｒは材料の比誘電率、Ｓはｐｎ接合面積、ｄは空乏層厚である。マッハツェンダ型光変調器では、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂ（以下「進行波電極」と略記することもある）が伝送線路に対応する。ここで、進行波電極の電極間距離と、進行波電極の電極幅と、誘電率と、誘電体の高さとによって、伝送線路のインダクタンスＬＴＬ及びキャパシタンスＣＴＬが調整可能である。第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂ（以下「ビアホール」と略記することもある）の配置に関するビアホールファクタｋによって、光導波路のキャパシタンスＣＯＰＴが調整可能である。
【００５０】
本実施の形態１では、ビアホールの周期と、ビアホールのない領域の長さの比とを用いて、インピーダンスＺ０の整合、及び、屈折率ｎμの整合を取る構造設計を行う。ここでの長さの比は、図１の長さＬＡと長さＬＢとの和に対する長さＬＡの比であり、ビアホールフィルファクタと定義する。
【００５１】
なお、本実施の形態１に係る光変調器１以外の光変調器、例えば進行波電極と導波路との接続に、ハンダ、またはエアブリッジなどによる断続的な接触を用いた光変調器において、接触部分と非接触部分との比率を調整してインピーダンス整合及び屈折率整合を取ることは可能ではある。しかし、ビアホールを用いた本実施の形態１に係る光変調器１によれば、以下で説明するように、これら光変調器に比べて精密な設計が可能であり、光変調器１のサイズを小型化できる、という効果がある。
【００５２】
さて本実施の形態１に係る光変調器１の構造設計では、例えばＡＮＳＹＳ社製の高周波３次元電磁界解析ソフトＨＦＳＳを用いて、仮状態の構造を作製してＳパラメータを計算し、変調器のインダクタンスＬ０及び変調器のキャパシタンスＣ０、変調器のインピーダンスＺ０、高周波屈折率ｎμなどのパラメータを算出する。次に、得られたパラメータを目標値（変調器のインピーダンスＺ０は５０Ω、高周波屈折率ｎμは３．７、変調器のインダクタンスＬ０は６１７ｎＨ／ｍ、キャパシタンスＣ０は２４６ｐＨ／ｍ）と比較して、Ｓパラメータひいては構造を調整する作業を所望の特性が得られるまで繰り返し行う。例えば、進行波電極の電極間距離を大きくした場合または電極幅を小さくした場合には、インピーダンスＺ０は大きくなり、ビアホールフィルファクタを小さくした場合には、キャパシタンスＣ０は小さくなる。
【００５３】
以下、Ｓパラメータから、変調器のインダクタンスＬ０と変調器のキャパシタンスＣ０とを求める計算例について説明する。ＨＦＳＳの計算から得られたＳパラメータ（Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２）に次式（６）〜（９）を用いて、Ｆパラメータ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を算出する。
【００５４】
【数６】
2020115852.tif 000008
【００５５】
【数７】
2020115852.tif 000009
【００５６】
【数８】
2020115852.tif 000010
【００５７】
【数９】
2020115852.tif 000011
【００５８】
ここで、Ｚｒは基準インピーダンスであり、本実施の形態１では基準インピーダンスＺｒは終端抵抗７の抵抗値と同じ５０Ωとする。求めたＦパラメータ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に次式（１０）及び（１１）を用いてインピーダンスＺ０及び複素マイクロ波透過定数γを求める。求めたインピーダンスＺ０及び複素マイクロ波透過定数γに次式（１２）及び（１３）を用いて変調器のインダクタンスＬ０、及び、変調器のキャパシタンスＣ０を算出する。ここで、ωは角周波数である。
【００５９】
【数１０】
2020115852.tif 000012
【００６０】
【数１１】
2020115852.tif 000013
【００６１】
【数１２】
2020115852.tif 000014
【００６２】
【数１３】
2020115852.tif 000015
【００６３】
＜実施の形態１のまとめ＞
以上のような本実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器１では、複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂがクラッド層に配設され、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂが複数の複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂを介して第１及び第２半導体領域１４ａ，１４ｂと接続されている。このような構成によれば複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂを調整することによって、変調器のインダクタンス及びキャパシタンスの整合を取ることができる。これにより、例えば電気光変換利得の−３ｄＢ帯域を高周波化できることによって高変調帯域が得られるため、高変調効率が可能となり、高速化が可能となる。また、進行波電極はＴ字型電極を有さないため、マッハツェンダ型光変調器の小型化ができる。また、インダクタンスが小さくなるため整合も取りやすくなる。さらに、ＩＶ族半導体を含むマッハツェンダ型光変調器は、III−Ｖ族半導体を含むマッハツェンダ型光変調器に比べて一般的にコストが低く、しかもビアホールを作製可能な絶縁体が見出されているため、素子作製プロセスの簡略化及びコスト低減化が期待できる。
【００６４】
また本実施の形態１では、隣接部分に対応する第１光導波路８ａは、ｐ型半導体及びｎ型半導体を含んでいるので、構造設計を容易化することができる。
【００６５】
また本実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器を、位相変調方式のマッハツェンダ型光変調器に適用すれば、多値変調が可能となり情報送信料を増やすことができる。また、本実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器を、強度変調方式のマッハツェンダ型光変調器に適用すれば、波長チャーピングを小さくできるため長距離用途に有効である。
【００６６】
＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器１（以下「光変調器１」と略記することもある）の構成を示す平面図である。以下、本実施の形態２に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付す。
【００６７】
本実施の形態２に係る光変調器１は、実施の形態１に係る光変調器１と同様に、分波器４と、合波器５と、信号源６と、終端抵抗７と、第１光導波路８ａと、第２光導波路８ｂと、第１進行波電極９ａと、第２進行波電極９ｂとを備える。
【００６８】
分波器４は、第１光導波路８ａの一端である光入力部と、第２光導波路８ｂの一端である光入力部とに接続されている。分波器４は、入力光２を分岐し、分岐した光を第１光導波路８ａの光入力部及び第２光導波路８ｂの光入力部に出力する。
【００６９】
本実施の形態２では、第１進行波電極９ａは、第１光導波路８ａの一方向に延在する部分に沿って配設され、第２進行波電極９ｂは、第２光導波路８ｂの一方向に延在する部分に沿って配設されている。つまり平面視において、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂは、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂを挟むように配設されている。
【００７０】
信号源６から出力された電気信号は、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂに入力される。第１進行波電極９ａはグランド電極であり、第２進行波電極９ｂは信号電極である。高周波信号が、第１進行波電極９ａを介して第１光導波路８ａに印加されることにより、第１光導波路８ａの屈折率が変化され、第１光導波路８ａを伝播する光信号の位相が変調される。
【００７１】
合波器５は、第１光導波路８ａの他端である光出力部と、第２光導波路８ｂの他端である光出力部とに接続されている。光信号の位相を変調する構成では、合波器５は、第１光導波路８ａの光出力部から出力される位相変調された変調波と、第２光導波路８ｂの光出力部から出力される参照波とを干渉合成する。そして、合波器５は、光尾屈折率差に伴う位相変化が生じた光信号を出力光３として出力する。一方、光信号の強度を変調する構成では、合波器５は、第１光導波路８ａの光出力部から出力される光と、第２光導波路８ｂの光出力部から出力される光とを合成することによって、光信号の位相の変調を、光信号の強度の変調に変換する。そして、合波器５は、強度が変調された光信号を出力光３として出力する。このように構成された本実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器１は、マッハツェンダ型光変調器１に入力された光の位相及び強度の少なくとも１つを変調可能となっている。なお、光の位相の変調には、例えば１組×２つのマッハツェンダ型光変調器１が用いられ、光の強度の変調には、例えば２組×２つのマッハツェンダ型光変調器１が用いられる。
【００７２】
なお、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂに入力された電気信号は、終端抵抗７で終端される。本実施の形態２では、単層駆動を行うため終端抵抗７の抵抗値は、例えば５０Ωが好ましいが、その他の抵抗値でも構わない。
【００７３】
次に本実施の形態２に係る光変調器１の構成の詳細について説明する。図６は、本実施の形態２に係る光変調器１の構成を示す斜視図である。図７は、図５のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図８は、図５のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００７４】
本実施の形態２に係る光変調器１は、上述した第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂなどに加えて、基板１１と、下部クラッド層１２と、上部クラッド層１３と、コア層１４と、ＤＣ電源１６とを備える。図７及び図８に示すように、コア層１４は、ｎ型の第１半導体領域１４ａと、ｐ型の第２半導体領域１４ｂと、ｎ型の第３半導体領域１４ｃとを含む。なお、ｎ型とｐ型とは逆であってもよい。つまり、コア層１４は、ｐ型の第１半導体領域１４ａと、ｎ型の第２半導体領域１４ｂと、ｐ型の第３半導体領域１４ｃとを含んでもよい。第２半導体領域１４ｂは、第１半導体領域１４ａと隣接して配設され、第３半導体領域１４ｃは、第１半導体領域１４ａと逆側で第２半導体領域１４ｂと隣接して配設されている。
【００７５】
下部クラッド層１２は基板１１上に配設され、コア層１４は下部クラッド層１２上に選択的に配設され、上部クラッド層１３は、下部クラッド層１２及びコア層１４上に配設されている。
【００７６】
図７及び図８に示すように、第１半導体領域１４ａは、スラブ１４ａＳとリブ１４ａＬとを含み、第２半導体領域１４ｂは、スラブ１４ｂＳと２つのリブ１４ｂＬとを含み、第３半導体領域１４ｃは、スラブ１４ｃＳとリブ１４ｃＬとを含む。
【００７７】
第１半導体領域１４ａと第２半導体領域１４ｂとの隣接部分は、第１光導波路８ａに対応する。なお、ここでいう隣接部分をリブ１４ａＬ及びリブ１４ｂＬとした場合、第１光導波路８ａは、隣接部分そのものであってもよいし、隣接部分の一部であってもよいし、隣接部分にスラブ及びクラッドを加えた部分であってもよい。同様に、第２半導体領域１４ｂと第３半導体領域１４ｃとの隣接部分は、第２光導波路８ｂに対応する。なお、ここでいう隣接部分を別のリブ１４ｂＬ及びリブ１４ｃＬとした場合、第２光導波路８ｂは、隣接部分そのものであってもよいし、隣接部分の一部であってもよいし、隣接部分にスラブ及びクラッドを加えた部分であってもよい。上述した下部クラッド層１２及び上部クラッド層１３を含むクラッド層は、コア層１４の第１〜第３半導体領域１４ａ〜１４ｃを覆うことによって、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂを覆っている。なお、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１３の屈折率は、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂの屈折率よりも低くなっている。
【００７８】
本実施の形態２では、リブ１４ａＬとリブ１４ｂＬとが接続されることによって、ＰＮ接合が形成され、別のリブ１４ｂＬとリブ１４ｃＬとが接続されることによって、ＰＮ接合が形成されている。このため、第１半導体領域１４ａと第２半導体領域１４ｂとの隣接部分に対応する第１光導波路８ａは、ｐ型半導体及びｎ型半導体を含み、第２半導体領域１４ｂと第３半導体領域１４ｃとの隣接部分に対応する第２光導波路８ｂは、ｐ型半導体及びｎ型半導体を含んでいる。
【００７９】
ＰＮ接合にＤＣ電源１６を用いて逆バイアスを印加した場合、ＰＮ接合に空乏層が形成されるので、キャリアが高速移動でき、ひいては光の変調速度を高速化することできる。
【００８０】
また、ＰＮ接合に電圧を印加するとキャリア密度変化が生じ、キャリアプラズマ分散が起こるため屈折率が変化する。キャリア密度が増加する場合には屈折率が減少し、キャリア密度が減少する場合には屈折率が増加する。例えば、高周波信号が第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂに印加された場合、リブ１４ａＬ及びリブ１４ｂＬで構成されたＰＮ接合において空乏層幅が減少するため、第１光導波路８ａのキャリア密度が低下し屈折率は増加する。しかしながら、リブ１４ｂＬ及びリブ１４ｃＬで構成されたＰＮ接合において空乏層幅が増加するため、第２光導波路８ｂのキャリア密度が増加し屈折率は低下する。このような現象を用いて、ＰＮ接合のキャリア密度を制御することにより、第１光導波路８ａの屈折率、ひいては、当該第１光導波路８ａを伝播する光信号の位相を変調する。また本実施の形態１では、リブ１４ａＬ及びリブ１４ｂＬのＰＮ接合と、リブ１４ｂＬ及びリブ１４ｃＬのＰＮ接合とのそれぞれが背中合わせで直列接続されているため、ＰＮ接合の容量を低減することができ、ひいては帯域の向上が可能となっている。
【００８１】
以上、クラッド層及び光導波路の構成の一例について説明した。しかしながら、本実施の形態２でも、実施の形態１で説明した様々な構成を適用することができる。
【００８２】
図６及び図７に示すように、第１光導波路８ａ以外の第１半導体領域１４ａ上のクラッド層に、第１進行波電極９ａと第１半導体領域１４ａとを接続する複数の貫通穴である複数の第１ビアホール１０ａが、第１光導波路８ａに沿って配設されている。同様に、第２光導波路８ｂ以外の第３半導体領域１４ｃ上のクラッド層に、第２進行波電極９ｂと第３半導体領域１４ｃとを接続する複数の貫通穴である複数の第２ビアホール１０ｂが、第２光導波路８ｂに沿って配設されている。
【００８３】
本実施の形態２では、複数の第１ビアホール１０ａが、第１光導波路８ａひいては第１進行波電極９ａに沿って、リブ以外の第１半導体領域１４ａ上の上部クラッド層１３に周期的（一定距離間隔）に配設されている。同様に、複数の第２ビアホール１０ｂが、第２光導波路８ｂひいては第２進行波電極９ｂに沿って、リブ以外の第３半導体領域１４ｃ上の上部クラッド層１３に周期的（一定距離間隔）に配設されている。このような複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂの配置によれば、構造設計及び作製プロセスを簡略化することができる。
【００８４】
また本実施の形態２では、平面視において複数の第１ビアホール１０ａのそれぞれは、第１進行波電極９ａの延在方向に延在する形状を有している。同様に、平面視において複数の第２ビアホール１０ｂのそれぞれは、第２進行波電極９ｂの延在方向に延在する形状を有する。このような複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂの形状によれば、構造設計及び作製プロセスを簡略化することができる。
【００８５】
第１進行波電極９ａは、断面視にて複数の第１ビアホール１０ａ直上に配設されており、複数の第１ビアホール１０ａを介して第１半導体領域１４ａと接続されている。同様に、第２進行波電極９ｂは、断面視にて複数の第２ビアホール１０ｂ直上に配設されており、複数の第２ビアホール１０ｂを介して第３半導体領域１４ｃと接続されている。つまり、第１進行波電極９ａは、複数の第１ビアホール１０ａ内の図示しない導電部材によって第１半導体領域１４ａと電気的に接続され、第２進行波電極９ｂは、複数の第２ビアホール１０ｂ内の図示しない導電部材によって第３半導体領域１４ｃと電気的に接続されている。このような第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂにより、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂを伝播する光信号を変調するための電圧を、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂに印加することが可能となっている。
【００８６】
第１進行波電極９ａは、平面視にて第１光導波路８ａに沿って幅及び長さを有して延在し、幅が複数の第１ビアホール１０ａよりも広くなっている。同様に、第２進行波電極９ｂは、平面視にて第２光導波路８ｂに沿って幅及び長さを有して延在し、幅が複数の第２ビアホール１０ｂよりも広くなっている。
【００８７】
第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂは、特許文献１及び非特許文献１のようなＴ字型電極を有さない。平面視における第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの形状には、例えば、実施の形態１と同様にベタ形状などが含まれる。なお本実施の形態２では、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの形状は、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂの間の中心線に関して互いに線対称であり、第１進行波電極９ａの幅と第２進行波電極９ｂの幅とは互いに同じであるものとする。このような第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの線対称の形状によれば、構造設計を容易化することができる。
【００８８】
以上、第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂ、並びに、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂの構成の一例について説明した。しかしながら、本実施の形態２でも、実施の形態１で説明した様々な構成を適用することができる。
【００８９】
次に、本実施の形態２に係る光変調器１における構造設計について説明する。本実施の形態２に係る光変調器１においても実施の形態１と同様に、インピーダンス整合及び屈折率整合を行うために、変調器のキャパシタンス及びインダクタンスの最適化が行われる。例えば、インピーダンスＺ０を５０Ω、高周波屈折率ｎμを光屈折率ｎｏｐｔの値である３．７に近付けること、換言すれば式（１）及び（２）のインダクタンスＬ０を６１７ｎＨ／ｍ、キャパシタンスＣ０を２４６ｐＨ／ｍに近づけることが最適化の目標となる。なお、本実施の形態２に係る構造設計の具体的な式や手順は、実施の形態１と概ね同じであるため、その説明はここでは省略する。
【００９０】
図９〜図１２は、本実施の形態２に係る光変調器１の設計で得られた計算結果（太線）と、非特許文献１に係る光変調器の設計で得られた計算結果（細線）と、目標値（破線）とを示すグラフである。
【００９１】
図９に示すように、本実施の形態２に係る光変調器１のインダクタンスＬ０は、非特許文献１に係る光変調器よりも低減している。この理由は、本実施の形態２に係る光変調器１での電極間距離が、Ｔ字型電極を有さないことによって非特許文献１に係る光変調器よりも短くできたためであると推測される。
【００９２】
図１０に示すように、本実施の形態２に係る光変調器１のキャパシタンスＣ０は、非特許文献１に係る光変調器よりも低減している。この理由は、本実施の形態２に係る光変調器１では、Ｔ字型電極に起因するキャパシタンスが除去されたためであると推測される。
【００９３】
図１１に示すように、本実施の形態２に係る光変調器１の信号強度のロスは、非特許文献１に係る光変調器よりも低減している。これは、本実施の形態２に係る光変調器１では、変調器のインダクタンスＬ０と変調器のキャパシタンスＣ０とを低減できたためであると推測される。
【００９４】
図１２に示すように、本実施の形態２に係る光変調器１の高周波（例えば−３ｄＢ帯域）における電気光変換利得ＥＯの低減は、非特許文献１に係る光変調器よりも抑制されている。これは、本実施の形態２に係る光変調器１では、インピーダンスＺ０及び高周波屈折率ｎμを、それぞれ目標値である５０Ω及び３．７に近付けることができたためであると推測される。
【００９５】
＜実施の形態２のまとめ＞
以上のような本実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器１では、複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂがクラッド層に配設され、第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂが複数の複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂを介して第１及び第３半導体領域１４ａ，１４ｃと接続されている。このような構成によれば、実施の形態１と同様に、複数の第１及び第２ビアホール１０ａ，１０ｂを調整することによって、変調器のインダクタンス及びキャパシタンスの整合を取ることができる。また、進行波電極はＴ字型電極を有さないため、マッハツェンダ型光変調器の小型化ができる。また、インダクタンスが小さくなるため整合も取りやすくなる。さらに、ＩＶ族半導体を含むマッハツェンダ型光変調器は、III−Ｖ族半導体を含むマッハツェンダ型光変調器に比べて一般的にコストが低く、しかもビアホールを作製可能な絶縁体が見出されているため、素子作製プロセスの簡略化及びコスト低減化が期待できる。
【００９６】
また本実施の形態２では、隣接部分に対応する第１光導波路８ａ、及び、隣接部分に対応する第２光導波路８ｂのそれぞれは、ｐ型半導体及びｎ型半導体を含んでいるので、構造設計を容易化することができる。
【００９７】
また本実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器を、位相変調方式のマッハツェンダ型光変調器に適用すれば、多値変調が可能となり情報送信料を増やすことができる。また、本実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器を、強度変調方式のマッハツェンダ型光変調器に適用すれば、波長チャーピングを小さくできるため長距離用途に有効である。
【００９８】
＜実施の形態３＞
図１３は、本発明の実施の形態３に係るマッハツェンダ型光変調器１（以下「光変調器１」と略記することもある）の構成を示す平面図である。図１４は、本実施の形態３に係る光変調器１の構成を示す斜視図である。図１５は、図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図１６は、図１３のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。以下、本実施の形態３に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
【００９９】
本実施の形態３に係る光変調器１は、実施の形態２の光変調器（図５）に加えて、第３進行波電極９ｃと、第４進行波電極９ｄとを備え、実施の形態２の終端抵抗７の代わりに第１及び第２終端抵抗７ａ，７ｂを備えている。
【０１００】
第３進行波電極９ｃは、平面視にて第１進行波電極９ａに関して第１光導波路８ａと逆側のクラッド層上に配設され、第１進行波電極９ａと第１終端抵抗７ａを介して接続されている。第４進行波電極９ｄは、平面視にて第２進行波電極９ｂに関して第２光導波路８ｂと逆側のクラッド層上に配設され、第２進行波電極９ｂと第２終端抵抗７ｂを介して接続されている。
【０１０１】
信号源６から出力された電気信号は、第１光導波路８ａの一方向に延在する部分に沿って配設された第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂに入力される。第１及び第２進行波電極９ａ，９ｂは、一対の差動信号を印加する信号電極であり、第３及び第４進行波電極９ｃ，９ｄはグランド電極である。
【０１０２】
このように構成された本実施の形態３では、差動駆動を行うため第１及び第２終端抵抗７ａ，７ｂの抵抗値は例えば１００Ωが好ましいが、その他の抵抗値でも構わない。また本実施の形態３に係る光変調器１は差動駆動を行うため、本実施の形態３に係る光変調器１の消費電力を、単層駆動を行う実施の形態２に係る光変調器１の消費電力の半分に低減することができる。なお本実施の形態３では、構造設計を簡略化するために、第１及び第３進行波電極９ａ，９ｃの形状と、第２及び第４進行波電極９ｂ，９ｄの形状とは、第１及び第２光導波路８ａ，８ｂの間の仮想的な中心線に関して互いに線対称にしているが、この線対称の形状は必須ではない。なお、本実施の形態３に係るその他の構成は、実施の形態１，２と概ね同じであるため、その説明はここでは省略する。
【０１０３】
次に、本実施の形態３に係る光変調器１における構造設計について説明する。本実施の形態３に係る光変調器１においても実施の形態１，２と同様に、インピーダンス整合及び屈折率整合を行うために、変調器のキャパシタンス及びインダクタンスの最適化が行われる。ただし本実施の形態３では、例えば、インピーダンスＺ０を１００Ω、高周波屈折率ｎμを光屈折率ｎｏｐｔの値である３．７に近付けることが最適化の目標となる。なお、本実施の形態３に係る構造設計の具体的な式や手順は、実施の形態１，２と概ね同じであるため、その説明はここでは省略する。
【０１０４】
＜実施の形態３のまとめ＞
以上のような本実施の形態３に係るマッハツェンダ型光変調器１は、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態３に係る光変調器１は、第３及び第４進行波電極９ｃ，９ｄを備えるため、差動駆動が可能であり、この結果として消費電力を低減することができる。
【０１０５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【０１０６】
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【０１０７】
１  マッハツェンダ型光変調器、４  分波器、５  合波器、７ａ  第１終端抵抗、７ｂ  第２終端抵抗、８ａ  第１光導波路、８ｂ  第２光導波路、９ａ  第１進行波電極、９ｂ  第２進行波電極、９ｃ  第３進行波電極、９ｄ  第４進行波電極、１０ａ  第１ビアホール、１０ｂ  第２ビアホール、１２  下部クラッド層、１３  上部クラッド層、１４ａ  第１半導体領域、１４ｂ  第２半導体領域、１４ｃ  第３半導体領域。
【図１】
2020115852.tif 000016
【図２】
2020115852.tif 000017
【図３】
2020115852.tif 000018
【図４】
2020115852.tif 000019
【図５】
2020115852.tif 000020
【図６】
2020115852.tif 000021
【図７】
2020115852.tif 000022
【図８】
2020115852.tif 000023
【図９】
2020115852.tif 000024
【図１０】
2020115852.tif 000025
【図１１】
2020115852.tif 000026
【図１２】
2020115852.tif 000027
【図１３】
2020115852.tif 000028
【図１４】
2020115852.tif 000029
【図１５】
2020115852.tif 000030
【図１６】
2020115852.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】令和2年12月21日(2020.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光に対して分岐を行って第１光と第２光とを生成する分波器と、
前記分波器が分岐を行った前記第１光および前記第２光に合成を行って出力光を生成する合波器と、
前記分波器および前記合波器に接続され、前記分波器が分岐を行った前記第１光を前記合波器へ導く第１光導波路と、
前記分波器および前記合波器に接続され、前記分波器が分岐を行った前記第２光を前記合波器へ導く第２光導波路と、
前記第１光導波路及び前記第２光導波路を覆うクラッド層と、
前記クラッド層上で前記分波器から前記合波器へ向かう光導波方向に延在し、前記第１光導波路を挟むように配置された第１進行波電極及び第２進行波電極を含み、前記第１光導波路に電気信号の印加を行って前記第１光に変調を行う一対の進行波電極と、
前記第１進行波電極から前記第１進行波電極の下方に向かって前記クラッド層を貫通し、前記光導波方向に沿って互いに離隔して配置された複数の第１ビアホールと、
それぞれが前記複数の第１ビアホールの内部に配置され、前記光導波方向に沿って互いに離隔して配置された複数の第１導電部材と、
前記第２進行波電極から前記第２進行波電極の下方に向かって前記クラッド層を貫通し、前記光導波方向に沿って互いに離隔して配置された複数の第２ビアホールと、
それぞれが前記複数の第２ビアホールの内部に配置され、前記光導波方向に沿って互いに離隔して配置された複数の第２導電部材と
を備える、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
平面視にて前記第１進行波電極に関して前記第１光導波路と逆側の前記クラッド層上に配設され、前記第１進行波電極と第１終端抵抗を介して接続された第３進行波電極と、
平面視にて前記第２進行波電極に関して前記第２光導波路と逆側の前記クラッド層上に配設され、前記第２進行波電極と第２終端抵抗を介して接続された第４進行波電極と
をさらに備える、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記複数の第１ビアホールは、前記第１進行波電極に沿って周期的に配設され、
前記複数の第２ビアホールは、前記第２進行波電極に沿って周期的に配設されている、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
平面視において前記複数の第１ビアホールのそれぞれは、前記第１進行波電極の延在方向に延在する形状を有し、
平面視において前記複数の第２ビアホールのそれぞれは、前記第２進行波電極の延在方向に延在する形状を有する、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記第１進行波電極の幅と前記第２進行波電極の幅とが互いに同じである、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記第１光導波路及び前記第２光導波路のそれぞれは、ｐ型半導体及びｎ型半導体を含む、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項７】
請求項１に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記マッハツェンダ型光変調器に入力された光の位相及び強度の少なくとも１つを変調可能である、マッハツェンダ型光変調器。
【請求項８】
請求項１に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、
前記第１ビアホール及び前記第２ビアホールは、前記マッハツェンダ型光変調器のインダクタンス及びキャパシタンスに基づいて調整される、マッハツェンダ型光変調器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明に係るマッハツェンダ型光変調器は、入力光に対して分岐を行って第１光と第２光とを生成する分波器と、前記分波器が分岐を行った前記第１光および前記第２光に合成を行って出力光を生成する合波器と、前記分波器および前記合波器に接続され、前記分波器が分岐を行った前記第１光を前記合波器へ導く第１光導波路と、前記分波器および前記合波器に接続され、前記分波器が分岐を行った前記第２光を前記合波器へ導く第２光導波路と、前記第１光導波路及び前記第２光導波路を覆うクラッド層と、前記クラッド層上で前記分波器から前記合波器へ向かう光導波方向に延在し、前記第１光導波路を挟むように配置された第１進行波電極及び第２進行波電極を含み、前記第１光導波路に電気信号の印加を行って前記第１光に変調を行う一対の進行波電極と、前記第１進行波電極から前記第１進行波電極の下方に向かって前記クラッド層を貫通し、前記光導波方向に沿って互いに離隔して配置された複数の第１ビアホールと、それぞれが前記複数の第１ビアホールの内部に配置され、前記光導波方向に沿って互いに離隔して配置された複数の第１導電部材と、前記第２進行波電極から前記第２進行波電極の下方に向かって前記クラッド層を貫通し、前記光導波方向に沿って互いに離隔して配置された複数の第２ビアホールと、それぞれが前記複数の第２ビアホールの内部に配置され、前記光導波方向に沿って互いに離隔して配置された複数の第２導電部材とを備える。
【国際調査報告】
2020115852.tif 000032
2020115852.tif 000033
2020115852.tif 000034
2020115852.tif 000035