JP6586223B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光変調器に関し、特に高速で光変調動作をさせる際に用いられる周波数特性の優れた光変調器に関する。

マッハツェンダ（ＭＺ）型光変調器は、光導波路に入射した光を２つの導波路に１：１の強度で分岐し、分岐した光を一定の長さ伝搬させた後に、再度合波させる構造を持つ。２つに分岐された光導波路に設けられた位相変調部により２つの光の位相を変化させることで、光が合波されるときの光の干渉条件を変え、それにより光の強度や位相を変調することができる。光導波路近傍に配置された位相変調電極に変調電気信号を入力して光導波路に電圧を印加することで、光導波路を伝搬する光の位相を変化させることができる。

ＭＺ型光変調器においては、光導波路を構成する材料として、ＬｉＮｂＯ_３等の誘電体、またはＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体が用いられる。これらの材料により構成された光導波路近傍に電極を配置して、電極に変調電気信号を入力して光導波路に電圧を印加することで、光導波路を伝搬する光の位相を変化させる。光の位相を変化させる原理としては、ＬｉＮｂＯ_３ではポッケルス効果が主に用いられ、ＩｎＰ、ＧａＡｓではポッケルス効果や量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect：ＱＣＳＥ）が主に用いられ、Ｓｉではキャリアプラズマ効果が主に用いられる。

高速で低消費電力な光通信を行うためには、変調速度が速く、駆動電圧の低い光変調器が必要となる。１０Ｇｂｐｓ以上の高速で、数ボルトの振幅電圧での光変調を行うためには、高速の電気信号と位相変調器の中を伝搬する光の速度を整合させ、光及び電気信号を伝搬させながら相互作用を行うようにする進行波電極が必要となる。

進行波電極を用いて、電極の長さを数ミリメートルから数十ミリメートルにした光変調器が実用化されている（例えば非特許文献１参照）。進行波電極の光変調器では、電気信号や光導波路を伝搬する光の強度を落とさずに伝搬することができるよう、低損失で反射の少ない電極構造および光導波路構造が求められる。

また、ＭＺ型光変調器には、光導波路をＳｉにより構成したＳｉ光変調器がある。Ｓｉ光変調器は、Ｓｉ基板の表面を熱酸化した酸化膜（ＢＯＸ）層上にＳｉの薄膜を張り付けたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から構成される。Ｓｉ光変調器は、ＳＯＩ層を光が導波できるように、ＢＯＸ層上にＳｉ薄膜を細線に加工した後、ｐ型・ｎ型の半導体となるよう細線のＳｉ薄膜にドーパントを注入し、光のクラッド層となるＳｉＯ_２の堆積、電極の形成等を行うことにより作製することができる。このとき、光導波路は光損失が小さくなるように設計・加工する必要がある。また、光の損失発生を小さく抑えるとともに、高速電気信号の反射や損失を小さく抑えるように、ｐ型・ｎ型のドーピング及び電極の作製を行う必要がある。

図１は、従来のＳｉ光変調器の基本となる光導波路の断面構造図を示す。図１には、下部ＳｉＯ_２クラッド層１１０と、下部ＳｉＯ_２クラッド層１１０上に設けられたＳｉ層１２０と、Ｓｉ層１２０上に設けられた上部ＳｉＯ_２クラッド層１３０とで構成された光導波路構造１００が示されている。図１では、光は紙面垂直方向に伝搬するものとする。

図１に示すＳｉ光変調器の光導波路構造１００において、Ｓｉ層１２０は、光を閉じ込めるために厚さに差があるリブ導波路と呼ばれる構造を取っており、中央の厚い部分のコア層となるリブ部１０１と、リブ部１０１の両側のスラブ部１０２及び１０３とから構成される。リブ部１０１は、周囲の下部ＳｉＯ₂クラッド層１１０及び上部ＳｉＯ_２クラッド層１３０との屈折率差を利用して紙面垂直方向に伝搬する光を閉じ込めている。

Ｓｉ層１２０のスラブ部１０２におけるリブ部１０１と反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域１２３となる。Ｓｉ層１２０のスラブ部１０３におけるリブ部１０１と反対側の端部は、高濃度ｎ型半導体領域１２４となる。Ｓｉ層１２０のスラブ部１０２のリブ部１０１側と、リブ部１０１のスラブ部１０２側とは、中濃度ｐ型半導体領域１２１となる。また、Ｓｉ層１２０のスラブ部１０３のリブ部１０１側と、リブ部１０１のスラブ部１０３側とは、中濃度ｎ型半導体領域１２２となる。

高濃度ｐ型半導体領域１２３と中濃度ｐ型半導体領域１２１との境界は接しており、高濃度ｎ型半導体領域１２４と中濃度ｎ型半導体領域１２２との境界も接している。これらの境界は重なり合ってドーピングがなされていても良い。また、リブ部１０１は、中濃度ｐ型半導体領域１２１と中濃度ｎ型半導体領域１２２とが接するｐｎ接合構造となる。また、他の例として中濃度ｐ型半導体領域１２１と中濃度ｎ型半導体領域１２２との間にｉ型（真性）半導体領域が挟まれたｐｉｎ接合構造としてもよい。

図１に示されていないが、高濃度ｐ型半導体領域１２３に接する金属電極と高濃度ｎ型半導体領域１２４に接する金属電極とを設け、ｐｎ接合部に金属電極よりＲＦ（高周波）の変調電気信号とともに逆バイアス電界（図１では右から左）を印加する。これにより、光導波路構造１００のコア層内部のキャリア密度を変化させ（キャリアプラズマ効果）、光導波路の屈折率を変えて、光の位相を変調することができる。

導波路寸法はコア／クラッドとなる材料の屈折率に依存するため、一意には決定できないが、図１に示されるような光導波路構造１００のリブ部（コア層）１０１とスラブ部１０２及び１０３とを備えるリブ導波路の構造とした場合の一例を挙げると、リブ部１０１の幅（導波路コア幅）４００〜６００（ｎｍ）×高さ１５０〜３００（ｎｍ）×スラブ部の厚さ５０〜２００（ｎｍ）×長さ数（ｍｍ）程度になる。

図２は、Ｓｉ光変調器の構成を示す上面透視図である。図２に示すＳｉ光変調器２００は、シングル電極と呼ばれる構造のＭＺ型光変調器である（例えば非特許文献２参照）。図２に示すように、Ｓｉ光変調器２００は、入力光導波路２１１と、入力光導波路２１１から入力された光を分岐して導波する２本のアーム導波路２１２及び２１３と、アーム導波路２１２を導波した光とアーム導波路２１３を導波した光とを合波して出力する出力光導波路２１４とを備える。

アーム導波路２１２の基板縁側の脇には差動の変調電気信号（ＲＦ信号）を入力するための高周波線路（信号電極）２２１が形成されている。アーム導波路２１３の基板縁側の脇にも差動のＲＦ信号を入力するための信号電極２２２が形成されている。アーム導波路２１２とアーム導波路２１３との間には共通のバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極２２３が形成されている。アーム導波路２１２及び２１３は、図１に示す光導波路構造１００と同様の断面構造を持つ光導波路を左右対称に２つ並べた構造をしている。

図２に示すＳｉ光変調器２００では、入力光導波路２１１から入力された光は、アーム導波路２１２及び２１３に分岐される。アーム導波路２１２を導波する光は、信号電極２２１とＤＣ電極２２３との間に印加される変調電気信号（ＲＦ信号）により位相変調される。アーム導波路２１３を導波する光は、信号電極２２２とＤＣ電極２２３の間に印加される変調電気信号（ＲＦ信号）により位相変調される。アーム導波路２１２及びアーム導波路２１３を導波する位相変調された光は、結合されて出力光導波路２１４から出力される。

図３は、図２に示すＳｉ光変調器２００のＩＩＩ−ＩＩＩ断面構造図である。図３に示すように、Ｓｉ光変調器２００は、ＳｉＯ₂クラッド層１１０と、ＳｉＯ₂クラッド層１１０上に形成されたＳｉ層１２０と、Ｓｉ層１２０上に形成されたＳｉＯ₂クラッド層１３０と、を備える。Ｓｉ層１２０は、第１のコア層となる第１のリブ部１０１−１と、第２のコア層となる第２のリブ部１０１−２と、第１のリブ部１０１−１の第２のリブ部１０１−２とは反対側に配置された第１のスラブ部１０２−１と、第２のリブ部１０１−２の第１のリブ部１０１−１とは反対側に配置された第２のスラブ部１０２−２と、第１のリブ部１０１−１と第２のリブ部１０１−２との間に配置された第３のスラブ部１０３とから構成される。

第１のスラブ部１０２−１における第１のリブ部１０１−１とは反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域１２３−１となる。第１のスラブ部１０２−１の第１のリブ部１０１−１側と、第１のリブ部１０１−１の第１のスラブ部１０２−１側とは、中濃度ｐ型半導体領域１２１−１となる。第３のスラブ部１０３の第１のリブ部１０１−１側と、第１のリブ部１０１−１の第３のスラブ部１０３側とは、中濃度ｎ型半導体領域１２２−１となる。

また、第２のスラブ部１０２−２における第２のリブ部１０１−２とは反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域１２３−２となる。第２のスラブ部１０２−２の第２のリブ部１０１−２側と、第２のリブ部１０１−２の第２のスラブ部１０２−２側とは、中濃度ｐ型半導体領域１２１−２となる。第３のスラブ部１０３の第２のリブ部１０１−２側と、第２のリブ部１０１−２の第３のスラブ部１０３側とは、中濃度ｎ型半導体領域１２２−２となる。第３のスラブ部１０３における中濃度ｎ型半導体領域１２２−１及び１２２−２の間は、高濃度ｎ型半導体領域１２４となる。

信号電極２２１は高濃度ｐ型半導体領域１２３−１に接している。信号電極２２２は高濃度ｐ型半導体領域１２３−２に接している。ＤＣ電極２２３は高濃度ｎ型半導体領域１２４に接している。ＤＣ電極２２３に信号電極２２１及び２２２に対してプラスの電圧を印加することで、ＤＣ電極２２３の両脇の２つのｐｎ接合部に逆バイアスを印加することができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、図３に示すＳｉ層１２０の半導体のドーピング状態と光変調時のバンドダイヤグラムとの関係を示す図である。図４ＡはＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるＳｉ層１２０の半導体のドーピング状態を示し、図４Ｂは、光変調時のバンドダイヤグラムを示す。

図３に示すようなシングル電極のＳｉ光変調器２００では、信号電極２２１及び２２２とＤＣ電極２２３とが電気的に独立しており、ｐｎ接合に逆バイアスを印加する際、信号電極２２１及び２２２への積極的なバイアス電圧印加が必要ではなくなる。このため、信号電極２２１及び２２２にバイアスを印加させるためのバイアスティや、ドライバＩＣと信号電極２２１及び２２２との間に設置するＤＣブロックのためのコンデンサなどが不要になるなど、簡単に構成することができるというメリットを持つ。

なお、図３に示すＳｉ光変調器２００においては、信号電極２２１及び２２２が高濃度ｐ型半導体領域１２１−１及び１２１−２に、ＤＣ電極２２３は高濃度ｎ型半導体領域１２４に接する例で説明をしたが、信号電極がｎ型半導体領域に、ＤＣ電極がｐ型半導体領域に接しても良い。このとき、ＤＣ電極に印加するバイアス電圧は、信号電極に対してマイナスの電圧を印加することで、ｐｎ接合部に逆バイアスを印加することができる。

図２乃至図４Ａに示されるようなシングル電極のＳｉ光変調器においては、信号電極２２１及び２２２は、コプレーナ・ストリップ・ライン（Coplanar Strip Line：ＣＰＳ線路）で形成されている。図５は、ＣＰＳ線路の構造を示す平面図である。図５に示すＣＰＳ線路５００においては、差動の電気信号が２本の高周波電極５０１及び５０２に入力されて伝搬する。電磁気学的には、図５に示されるように、高周波伝搬線路を高周波信号における電荷の密な部分が波のように移動する際、グラウンド電極または差動線路の対となる電極に、正負が逆の電荷の密な部分がクーロン相互作用により誘起される。その誘起された電荷が高周波信号と同様に移動するというモデルで理解することができる。ＣＰＳ線路は、差動線路の対になる２本の電極で正と負の電荷が釣り合う、平衡線路の一つである。

図６は、図２に示すＳｉ光変調器２００のＣＰＳ線路の構造を示す平面図である。図６に示すように、Ｓｉ光変調器２００においては、ＣＰＳ線路である２本の信号電極２２１及び２２２の間にＤＣ電極２２３が挿入されている。高周波信号からのクーロン相互作用によって誘起される正・負の電荷は、ＤＣ電極２２３にも発生している。

五井一宏，小田研二，日下裕幸，小川憲介，Tsung-Yang Liow，Xiaoguang Tu，Guo-Qiang Lo，Dim-Lee Kwong，「Si Mach-Zehnderプッシュプル変調器の２０Ｇｂｐｓ二値位相変調特性」，２０１２年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−３−５０，２０１２． Po Dong, Long Chen, Young-kai Chen,「High-speed low-voltage single-drive push-pull silicon Mach-Zehnder modulators」 Opt. Express vol.20, no.6, pp.6163-6169, 2012. N. Wolf, L. Yan, J.-H. Choi, T. Kapa, S. Wunsch, R. Klotzer, K.-O. Velthaus, H.-G. Bach, M. Schell,「Electro-Optical Co-Design to Minimize Power Consumption of a 32 GBd Optical IQ-Transmitter Using InP MZ-Modulators」 in Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 2015 IEEE, pp.1-4, 11-14 Oct. 2015

大容量の光通信を行うためには、高速で光変調可能な光変調器が必要となる。高速な光変調を行うためには、数百ｋＨｚから数十ＧＨｚの広い周波数帯域に渡って動作可能な周波数特性が必要とされる。

図７は、Ｓｉ光変調器の信号電極付近に他の電極が存在した場合の説明図である。Ｓ１光変調器の信号電極付近に、別の信号電極あるいはＤＣ電極などの導電性の構造物があると、図７に示すように、信号電極２２２を伝搬する高周波信号に誘起されて、信号電極２２２に近接した構造体内に正または負の電荷が密な箇所が発生する。構造体７０１内に誘起される電荷は、信号電極２２２を伝搬する高周波信号の伝搬と共に波のように位置を移動していく。

構造体７０１のサイズが高周波信号の波長の１／２の倍数に近いと、誘起された電荷の波が構造体７０１内部で共振する場合がある。構造体７０１内部で共振が起きた場合、信号電極２２１及び２２２を伝搬する高周波信号において、構造体７０１へのエネルギーの漏洩、反射の増大や透過損失の増大などの伝搬特性の劣化が生じる。この高周波信号の伝搬特性の劣化は、光変調器の周波数応答特性の劣化による、高速変調時の波形品質の劣化、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークの増大などの悪影響をもたらす。

このような悪影響を防止するために、信号電極２２１及び２２２の周辺には、別の信号電極あるいはＤＣ電極などの導電性の構造物を配置しないという手段を取ることもできる。しかし、その場合、信号電極２２１及び２２２から離れた他の場所にＤＣ電極などの導電性の構造物を配置することとなり、その分のスペースをとるとともに信号電極２２１及び２２２の周辺のスペースも空く。そのため、前述のバイアス電圧の変調器駆動用のドライバや受信器用の受光器、トランスインピーダンスアンプなどを高密度に集積することができなくなってしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、信号電極の周辺にＤＣ電極を配置した場合であっても、光変調器の高周波電極を伝搬する高周波信号における高周波電極近傍の電極との間の共振現象を抑制することで周波数応答特性の劣化を抑え、それにより高速変調時の波形品質が良く、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークを低減することが可能であり、様々な素子を高密度に集積可能な光変調器を提供することにある。

本発明の一実施形態に係るＭＺ型光変調器は、入力光導波路と、入力光導波路から入力された光を分岐して導波する２本のアーム導波路と、前記２本のアーム導波路をそれぞれ導波した光を合波して出力する出力光導波路と、前記２本のアーム導波路にそれぞれ並列に配置された、高周波信号を印加するための２本の信号電極と、前記２本の信号電極の間に設けられたバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極とを含むＳｉ光変調器と、前記２本の信号電極と並列に配置され、前記Ｓｉ光変調器の外側に発生する電界を結合させる位置に設けられたグラウンド電極であって、周囲の導体への信号の漏洩量を低減する少なくとも１つのグラウンド電極と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係るＭＺ型光変調器においては、信号電極と並列にグラウンド電極が配置されていることにより、周囲の導体と相互作用する電界を減少させることが可能となる。これにより、信号電極の周辺にＤＣ電極を配置した場合であっても、共振による高周波信号におけるエネルギーの漏洩、反射の増大や透過損失の増大などの伝搬特性の劣化を防止でき、光変調器の周波数応答特性の劣化による高速変調時の波形品質の劣化、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークの増大などの悪影響を改善することを可能としている。このため、高周波特性に優れ、波形品質の良く、様々な素子を高密度に集積可能な光変調器を提供することが可能となる。

図１は、従来のＳｉ光変調器の光導波路の断面構造図である。 図２は、従来のＭＺ変調器を構成するＳｉ光変調器の平面図である。 図３は、図２に示すＳｉ光変調器の断面構造図である。 図４Ａは、図２に示すＳｉ光変調器の断面における半導体のドーピング状態を示す図である。 図４Ｂは、図２に示すＳｉ光変調器の光変調時のバンドダイヤグラムである。 図５は、ＣＰＳ線路の高周波信号の伝搬の様子を示した模式図である。 図６は、Ｓｉ光変調器のＣＰＳ線路の高周波信号の伝搬の様子を示した模式図である。 図７は、Ｓｉ光変調器のＣＰＳ線路の高周波信号の伝搬の様子と、ＣＰＳ線路近傍の電極に誘起される電荷の様子を示した模式図である。 図８は、本発明の実施例１によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。 図９は、本発明の実施例１によるＭＺ型光変調器の構成を示す断面図である。 図１０Ａは、本発明の実施例２によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。 図１０Ｂは、本発明の実施例２によるＭＺ型光変調器の構成の他の例を示す平面図である。 図１１Ａは、本発明の実施例３によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。 図１１Ｂは、本発明の実施例３によるＭＺ型光変調器の構成の他の例を示す平面図である。 図１１Ｃは、本発明の実施例３によるＭＺ型光変調器の構成の他の例を示す断面図である。 図１２は、本発明の実施例４によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。 図１３Ａは、本発明の実施例４によるＭＺ型光変調器の構成を示す断面図である。 図１３Ｂは、本発明の実施例４によるＭＺ型光変調器の構成の他の例を示す断面図である。 図１４は、本発明の実施例５によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。 図１５Ａは、本発明の実施例５によるＭＺ型光変調器の構成を示す断面図である。 図１５Ｂは、本発明の実施例５によるＭＺ型光変調器の構成を示す断面図である。 図１６は、本発明の実施例６によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。

（実施例１）
図８は、本発明の実施例１によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。図８に示すように、本発明の実施例１に係るＭＺ型光変調器８００は、シングル電極構造のＳｉ光変調器２００と、信号電極２２１に並列に配置されたグラウンド電極８０１_１と、信号電極２２２に並列に配置されたグラウンド電極８０１_２とを備える。Ｓｉ光変調器２００は、入力光導波路２１１と、入力光導波路２１１から入力された光を分岐して導波する２本のアーム導波路２１２及び２１３と、アーム導波路２１２を導波した光とアーム導波路２１３を導波した光とを合波して出力する出力光導波路２１４とを備える。Ｓｉ光変調器２００は、例えば、シングル電極と呼ばれる構造のＭＺ型光変調器とすることができる。

信号電極２２１及び２２２は、差動の高周波信号を印加するために、２本のアーム導波路にそれぞれ並列に配置されている。アーム導波路２１２とアーム導波路２１３との間には共通のバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極２２３が形成されている。

グラウンド電極８０１_１及び８０１_２は、信号電極２２１及び２２２と同じプロセスで作製される。グラウンド電極８０１_１及び８０１_２では、その両端をパッケージ等におけるグラウンド電極とワイヤ配線で接続することで、グラウンド電位を実現している。信号電極２２１及び２２２には、例えば一対の差動信号電圧を印加することができる。

図８に示すＳｉ光変調器２００では、入力光導波路２１１から入力された光は、アーム導波路２１２及び２１３に分岐される。アーム導波路２１２を導波する光は、信号電極２２１とＤＣ電極２２３との間に印加されＲＦ信号により位相変調される。アーム導波路２１３を導波する光は、信号電極２２２とＤＣ電極２２３の間に印加されるＲＦ信号により位相変調される。アーム導波路２１２及びアーム導波路２１３を導波する位相変調された光は、結合されて出力光導波路２１４から出力される。

信号電極２２１及び２２２に高周波信号が印加されている状況を、電荷発生モデルで表すと、図８に示すような電荷が誘起されていると考えることができる。図８に示されるように、信号電極２２１及び２２２上で誘起された電荷は、その周囲に作る電界によりグラウンド電極８０１_１及び８０１_２にそれぞれ逆符号の電荷を誘起する。このとき、信号電極２２１及び２２２上の電荷の周囲の電界のうち、Ｓｉ光変調器２００の外側に発生する電界の大部分はグラウンド電極８０１_１及び８０１_２に結合する。これにより、Ｓｉ光変調器２００の周囲に導体が配置されている場合に、導体付近の電界が減少するため、周囲の導体への信号の漏洩量を低減することができる。

図９は、本発明の実施例１によるＭＺ型光変調器の構成を示す断面図である。図９に示すように、本実施例では、グラウンド電極８０１_１及び８０１_２は、表面配線でＳｉＯ_２クラッド層１３０上に作製されているが、多層配線を用いてＳｉＯ_２クラッド層１３０内に作製してもよい。また、図８に示すように、本実施例では、グラウンド電極８０１_１及び８０１_２は長方形のものを採用しているが、どのような形状でもよく、プロセスにおいて作製が容易な形状など任意の形状を採用することができる。また、グラウンド電極８０１_１及び８０１_２は、複数に分割されていてもよく、その場合はそれぞれのグラウンド電極に対してパッケージなどからのグラウンド電極とそれぞれ、ワイヤ配線などで接続されている必要がある。さらに、本実施例では、信号電極２２１及び２２２に並列して２つのグラウンド電極８０１_１及び８０１_２を配置した例を示したが、信号電極２２１及び２２２の一方のみにグラウンド電極を配置する構成としてもよい。

（実施例２）
図１０Ａは、本発明の実施例２によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。図１０Ａに示すように、本発明の実施例２に係る光変調器は、２つのシングル電極構造のＳｉ光変調器２００_１及び２００_２と、３本のグラウンド電極８０１_１、８０１_２及び８０１_３とで構成される。

図１０Ａに示されるように、Ｓｉ光変調器２００_１の信号電極２２１に並列にグラウンド電極８０１_１が配置され、Ｓｉ光変調器２００_１の信号電極２２２に並列にグラウンド電極８０１_２が配置される。また、Ｓｉ光変調器２００_２の信号電極２２１に並列にグラウンド電極８０１_２が配置され、Ｓｉ光変調器２００_２の信号電極２２２に並列にグラウンド電極８０１_３が配置される。つまり、グラウンド電極８０１_２は、Ｓｉ光変調器２００_１及び２００_２の間に配置されている。グラウンド電極８０１_１、８０１_２及び８０１_３の両端はパッケージ等におけるグラウンドパッドにワイヤ配線等で接続されている。

実施例２においても、実施例１と同様に、Ｓｉ変調器２００_１及び２００_２の外側に発生する電界の大部分がグラウンド電極８０１_１、８０１_２及び８０１_３に結合するため、Ｓｉ光変調器２００_１及び２００_２の周囲に配置された導体と結合する電界を減少させることができる。実施例２によると、中央のグラウンド電極８０１_２を隣接するＳｉ光変調器２００_１及び２００_２で共有しているため、実施例１の構成を独立に２つ構成した場合と比較してグラウンド電極の本数を減らすことができる。そのため、本実施例２では、Ｓｉ光変調器のチップ上の面積を低減することができる。

なお、本実施例２では、２つのシングル電極構造のＳｉ光変調器２００_１及び２００_２と、３本のグラウンド電極８０１_１、８０１_２及び８０１_３とで構成した例を示したが、図１０Ｂに示すように、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のシングル構造のＳｉ光変調器２００_１乃至２０１_Ｎと、Ｎ＋１個のグラウンド電極８０１_１乃至８０１_Ｎ＋１とを用いて、Ｓｉ光変調器間にグラウンド電極を設けて同様に構成してもよい。下記実施例３でも同様である。

（実施例３）
図１１Ａは本発明の実施例３によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。図１１Ａに示すように、本発明の実施例３に係る光変調器は、２つのシングル電極構造のＳｉ光変調器２００_１及び２００_２と、３本のグラウンド電極８０１_１、８０１_２及び８０１_３とで構成されており、これらは実施例２と同様に配置されている。実施例３では、グラウンド電極８０１_１及び８０１_２の間、並びにグラウンド電極８０１_２及び８０１_３の間は、ワイヤ配線１１０１で複数点接続されている。Ｓｉ光変調器２００_１及び２００_２の信号電極２２１及び２２２には差動信号が印加されている。

グラウンド電極には、信号電極２２１及び２２２を伝搬する高周波信号に誘起されて、正・負の電荷が密な箇所が発生する。グラウンド電極に誘起される電荷は、信号電極を伝搬する高周波信号の伝搬と共に位置を移動していくが、グラウンド電極のサイズが高周波信号の波長の１／２の倍数に近いと、誘起された電荷分布の波がグラウンド電極内部で共振する場合がある。よって、上記実施例１及び２で示した構成では、信号電極に印加される信号の周波数によってはグラウンド電極内で共振が起こってしまい、グラウンド電極がアンテナとなり、周囲に新たな電界を発生させてしまうという課題がある。

ここで、グラウンド電極が共振する条件を具体的に説明する。真空中の電磁波の伝搬速度は約３×１０^８[ｍ/ｓ]であり、グラウンド電極の屈折率を３とすると、グラウンド電極内を伝搬する電磁波の伝搬速度は１×１０^８[ｍ/ｓ]と見積もられる。このとき、グラウンド電極上の１０ＧＨｚの高周波信号の波長は１０ｍｍ程度となり、４０ＧＨｚの高周波信号の波長は２．５ｍｍ程度となる。このため、例えば、グラウンド電極の長さが５ｍｍの場合は、グラウンド電極の長さは１０ＧＨｚの高周波信号の波長の１／２であることから、約１０ＧＨｚの信号ではグラウンド電極内で共振を起こしてしまう。

実施例３によると、Ｓｉ光変調器２００_１及び２００_２の信号電極２２１及び２２２には差動信号が印加されているので、構造の対称性から、両脇のグラウンド電極には、図１１Ａに示すように逆符号同量の電荷が誘起される。両脇のグラウンド電極間はワイヤ配線１１０１で接続されているため、発生した電荷により、ワイヤ配線１１０１に電流が流れ、グラウンド電極間の逆符号同量の電荷が互いに打ち消し合う。この効果により、グラウンド電極内における共振を防ぐことができる。

ここで、上述したようにグラウンド電極８０１_１及び８０１_２の間並びにグラウンド電極８０１_２及び８０１_３の間はワイヤ配線１１０１で複数点接続されているが、複数点間の接続間隔を高周波信号の波長の１／２以下にすることが好ましい。それにより、共振する長さが短くなることで駆動周波数での共振を抑制できる。但し、他のワイヤ配線１１０１の配置の都合などの理由によりこの間隔以下に設定することが困難な場合は、ワイヤ配線１１０１の間隔が部分的に高周波信号の波長の１／２以下ではない部分があってもよい。この場合でも、ワイヤ配線１１０１が高周波信号の波長の１／２以下の間隔で接続された部分では動作周波数での共振が起こらないので、大部分の共振を抑制する効果を得ることができる。すべての領域においてワイヤ配線１１０１の間隔を高周波信号の波長の１／２以下に設定することができない場合には、特定の周波数で強い共振が発生しないように複数のワイヤ配線１１０１の配置間隔を不等間隔とすればよい。

また、グラウンド電極に誘起される電荷量の絶対値は、信号進行方向軸上の位置に依る。そのため、接続点の位置が左右で大幅にずれてしまうと、上述の電荷同士が打ち消し合う効果が弱くなってしまい、共振を誘起しやすくなってしまう。従って、本実施例では、複数のワイヤ配線１１０１が、各々のグラウンド電極において信号の進行方向軸上ほぼ同一の位置を接続点として、グラウンド電極間を接続するように構成することが好ましい。

図１１Ａでは、ワイヤ配線１１０１を用いてグラウンド電極を複数点接続しているが、図１１Ｂに示すように多層配線を用いてグラウンド電極間を複数点接続することができる。図１１Ｂは、多層配線を用いてグラウンド電極間を複数点接続した、実施例３によるＭＺ型光変調器の構成の他の例を示す平面図である。図１１Ｂに示されるように、隣接するグラウンド電極８０１_１及び８０１_２並びに８０１_２及び８０１_３同士は、多層配線１１０２を用いて接続されている。

図１１Ｃは、図１１Ｂに示すＭＺ型光変調器のＸＩＣ−ＸＩＣ断面図である。図１１Ｃに示されるように、多層配線１１０２は、グラウンド電極８０１_１乃至８０１_３や信号電極２２１及び２２２の下層であって、リブ部１０１などの光導波路層の上層に形成されている。図１１Ｂ及び図１１Ｃに示すＭＺ型光変調器において、多層配線１１０２とリブ部１０１が近接している場合には、光損失が発生してしまう。この損失の発生を防ぐため、多層配線１１０２は、リブ部１０１から０．６μｍ以上間隔を取った上層に形成することが望ましい。

（実施例４）
図１２は、本発明の実施例４によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。図１２に示すように、本発明の実施例４に係るＭＺ型光変調器は、シングル電極のＳｉ光変調器２００と、信号電極２２１に並列に配置されたグラウンド電極８０１_１と、信号電極２２２に並列に配置されたグラウンド電極８０１_２とを備る。Ｓｉ光変調器２００のＤＣ電極２２３の周囲にはシールド部１２００が形成されている。

図１３Ａは、本発明の実施例４によるＭＺ型光変調器の構成を示す断面図である。図１３Ａに示されるように、シールド部１２００は、ＤＣ電極２２３として利用している層より上層に形成された上層配線１３０１と、上層配線１３０１より下層に形成された下層配線１３０２と、上層配線１３０１及び下層配線１３０２を接続するビア１３０３とで構成される。上層配線１３０１、下層配線１３０２及びビア１３０３は、電気的に接続され、ＤＣ電極２２３を少なくとも部分的に取り囲むように構成されている。これらの両端はパッケージ等のグラウンドに接続されている。

上述の電荷発生モデルで考えると、信号電極２２１及び２２２に印加される高周波信号により、ＤＣ電極２２３で共振が起こる可能性がある。ＤＣ電極２２３に共振が起こると、ＤＣ電極２２３に与えている電位が変化してしまうため、生成される光信号品質を劣化させてしまう。本実施例によると、ＤＣ電極２２３の上部及び左右に配置されたシールド部１２００のシールド効果により、信号電極２２１及び２２２から発生する電界によってＤＣ電極２２３の電位が不安定化することを抑制することができる。

本実施例では、シールド部１２００について、ＤＣ電極２２３の上面と左右を覆う構成について述べたが、ＤＣ電極２２３の上面だけ覆う構成や、左右だけ覆う構成でも同様の効果を得ることが出来る。また、シールド部１２００を部分的に配置しても、複数配置しても同様の効果を得ることができる。さらに、図１３Ｂに示すように、ＤＣ電極２２３の上下左右を全てシールド部１２００で覆うことも可能である。

（実施例５）
図１４は、本発明の実施例５によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。図１４に示すように、本発明の実施例５に係るＭＺ型光変調器１４００は、Ｓｉ光変調器２００と、２本のグラウンド電極８０１_１及び８０１_２と、シールド部１４０３でシールドされたグラウンド配線１４０１及び１４０２とで構成される。

図１５Ａは、本発明の実施例５によるＭＺ型光変調器の構成のＸＶＡ−ＸＶＡ断面図である。図１５Ｂは、本発明の実施例５によるＭＺ型光変調器の構成のＸＶＢ−ＸＶＢ断面図である。図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるように、シールド部１４０３は、表面配線１５０１と、下層配線１５０２と、表面配線１５０１及び下層配線１５０２を接続するビア１５０３とで構成される。図１５Ｂに示されるように、中層配線であるグラウンド配線１４０１及び１４０２を表面配線１５０１、下層配線１５０２及びビア１５０３で少なくとも部分的に取り囲むことにより、グラウンド配線１４０１及び１４０２をシールドしている。また、図１５Ａに示されるように、グラウンド配線１４０１及び１４０２は、グラウンド電極８０１_１及び８０１_２と表面配線１５０１を介して部分的に接続されている。さらに、グラウンド配線１４０１及び１４０２とシールド部１４０３は、パッケージ等のグラウンドに接続されている。

本実施例によると、グラウンド配線１４０１及び１４０２はグラウンド電極８０１_１及び８０１_２と複数個所でそれぞれ結合しているため、グラウンド電極８０１_１及び８０１_２に誘起された電荷は、このグラウンド配線１４０１及び１４０２との各結合箇所を介してグラウンドに流れる。これにより、実施例３で議論した、グラウンド電極の共振現象を抑制することができる。また、グラウンド配線１４０１及び１４０２は、シールド部１４０３を用いて大部分がシールドされているため、外部電界の影響を受けることなく、安定なグラウンド電位を供給することができる。

なお、本実施例では、グラウンド配線１４０１及び１４０２を取り囲むようにシールド部１４０３を設けたが、ビアのみ、下層配線のみなどでシールドする場合も同様の効果を得ることが出来る。また、シールド部１４０３に加えて、ＤＣ電極２２３を取り囲むシールド部１２００を加えた構成としてもよい。

（実施例６）
図１６は、本発明の実施例６によるＭＺ型光変調器の構成を示す平面図である。図１６に示すように、本発明の実施例６に係るＭＺ型光変調器１６００は、実施例５に係るＭＺ型光変調器１４００_１及び１４００_２と、ドライバ１６１０と、で構成される。

図１６に示されるように、ドライバ１６１０の電極パッド面は、ＭＺ型光変調器１４００_１及び１４００_２の電極パッド面とほぼ同一平面上に配置されている。ドライバ１６１０の差動信号出力パッドと、ＭＺ型光変調器１４００_１及び１４００_２の差動信号入力パッドがワイヤ配線１６０１で接続されている。また、ドライバ１６１０のグラウンドパッドは、ＭＺ型光変調器１４００_１及び１４００_２のグラウンド配線１４０１及び１４０２の一端に接続されている。ＭＺ型光変調器１４００_１及び１４００_２のグラウンド配線１４０１及び１４０２の他端は、ワイヤ配線１６０１を介してパッケージ（グラウンド）に接続されている。

本実施例では、ドライバ１６１０のグラウンドパッドは、ＭＺ型光変調器１４００_１及び１４００_２のグラウンド配線１４０１及び１４０２のみに接続されているが、グラウンド配線１４０１及び１４０２、グラウンド電極８０１_１及び８０１_２並びにシールド部１２００及び１４０３（図１６では不図示）のうちの１つ又は複数に接続されていてもよい。

ここで、本実施例では、ドライバ１６１０として、オープンコレクタ型ドライバを用いることが好ましい。オープンコレクタ型ドライバとは、非特許文献３に記載されているように、ドライバの終端抵抗が集積されていない構造を持つドライバである。オープンコレクタ型ドライバを光変調器の駆動に用いることで、終端抵抗が集積された通常のドライバを用いた場合よりも、オープンコレクタ型ドライバと変調器での消費電力を削減することができることが報告されている。

また、オープンコレクタ型ドライバのグラウンドパッドは、基板の導電性により裏面に強固なグラウンド電位を持たせることができる一方で、Ｓｉ光変調器は高抵抗基板を使用しているため、電極パッドのグラウンドをシリコンチップ内でとることが困難である。

本実施例では、ドライバ１６１０として、オープンコレクタ型ドライバを用いることで、オープンコレクタ型のドライバ１６１０の強固なグラウンド電位にグラウンド配線１４０１及び１４０２並びに／またはグラウンド電極８０１_１及び８０１_２と接続することで、グラウンド電極８０１_１及び８０１_２の電位を安定させることができる。そのため、グラウンド電極内での共振をさらに抑制することができる。

以上述べたように、本発明に係る光変調器においては、周囲の構造物との電磁相互作用をより小さくすることが可能となる。このため、信号電極の周辺にＤＣ電極を配置した場合であっても、光変調器の周波数応答特性の劣化による、高速変調時の波形品質の劣化、送信光信号内あるいは送信・受信間の信号のクロストークの増大などの悪影響を改善することができる。よって、高周波特性に優れ、波形品質の良く、様々な素子を高密度に集積可能な光変調器を提供することが可能となる。

光導波路構造 １００
リブ部 １０１
スラブ部１０２、１０３
下部ＳｉＯ_２クラッド層 １１０
Ｓｉ層 １２０
中濃度ｐ型半導体領域 １２１
中濃度ｎ型半導体領域 １２２
高濃度ｐ型半導体領域 １２３
高濃度ｎ型半導体領域 １２４
上部ＳｉＯ_２クラッド層 １３０
Ｓｉ光変調器 ２００
入力光導波路 ２１１
光導波路 ２１２、２１３
出力光導波路 ２１４
信号電極 ２２１、２２２
ＤＣ電極 ２２３
構造体 ７０１
ＭＺ型光変調器 ８００、１４００、１６００
グラウンド電極 ８０１
ワイヤ配線 １１０１、１６０１
多層配線 １１０２
シールド部 １２００、１４０３
上層配線 １３０１
下層配線 １３０２、１５０２
ビア １３０３、１５０３
グラウンド配線 １４０１、１４０２
表面配線 １５０１
ドライバ １６１０

Claims (8)

1. 入力光導波路と、入力光導波路から入力された光を分岐して導波する２本のアーム導波路と、前記２本のアーム導波路をそれぞれ導波した光を合波して出力する出力光導波路と、前記２本のアーム導波路にそれぞれ並列に配置された、高周波信号を印加するための２本の信号電極と、 前記２本の信号電極の間に設けられたバイアス電圧を印加するためのＤＣ電極とを含むＳｉ光変調器と、
   前記２本の信号電極と並列に配置され、前記Ｓｉ光変調器の外側に発生する電界を結合させる位置に設けられたグラウンド電極であって、周囲の導体への信号の漏洩量を低減する少なくとも１つのグラウンド電極と、
   を備えたことを特徴とするＭＺ型光変調器。
2. 前記Ｓｉ光変調器は、並列にＮ（Ｎは２以上の整数）個配置され、
   前記グラウンド電極は、前記Ｓｉ光変調器の両側に、並列にＮ＋１個配置され、
   隣接する前記Ｓｉ光変調器の間に設けられた前記グラウンド電極は、隣接する前記Ｓｉ光変調器で共有されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＺ型光変調器。
3. 前記２本の信号電極に入力される前記高周波信号は、一対の差動信号であり、
   前記グラウンド電極は、少なくとも２つ以上配置されており、
   前記Ｓｉ光変調器の両側に配置されたグラウンド電極同士が電気配線で複数点接続されていることを特徴する請求項１又は２に記載のＭＺ型光変調器。
4. 前記複数点間の距離は、前記高周波信号の波長の１／２以下であることを特徴とする請求項３に記載のＭＺ型光変調器。
5. 前記グラウンド電極に複数個所で接続されたグラウンド配線と、
   グラウンドに接続した多層配線及びビアを含み、前記グラウンド配線を少なくとも部分的に取り囲むシールド部と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＭＺ型光変調器。
6. グラウンドに接続した多層配線及びビアを含み、前記ＤＣ電極を少なくとも部分的に取り囲むシールド部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＭＺ型光変調器。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＺ型光変調器と、
   前記ＭＺ型光変調器と同一平面上に配置されたドライバと、
   を備えた光変調器であって、
   前記グラウンド電極が、前記ドライバ内に配置されているグラウンドパッドと電気配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする光変調器。
8. 請求項５に記載のＭＺ型光変調器と、
   前記ＭＺ型光変調器と同一平面上に配置されたドライバと、
   を備えた光変調器であって、
   前記グラウンド電極、前記グラウンド配線及び前記シールド部のうちの１つ又は複数が、前記ドライバ内に配置されているグラウンドパッドと電気配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする光変調器。

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