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JP2018036398A - 基板型光導波路及び基板型光変調器 - Google Patents

基板型光導波路及び基板型光変調器 Download PDF

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真一 阪本
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一宏 五井
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Abstract

【課題】位相変調機能を有する基板型光導波路において、コプレーナ線路を介して入力される信号の反射を抑えつつ、低消費電力化を図る。【解決手段】基板型光導波路(1)において、コア(13)を伝播する光の進行方向と直交する断面によって基板型光導波路(1)を複数の区間(I1〜I3)に区画したときに、各区間における局所的なキャパシタンスを、入射端面(1A)から遠ざかるに従って次第に大きくする。【選択図】図1

Description

本発明は、位相変調機能を有する基板型光導波路に関する。また、そのような基板型光導波路を位相変調部として含む基板型光変調器に関する。
光通信の分野では、基板型光導波路を用いて光変調器を実現する技術が実用化されている。例えば、基板型光導波路のコアにP型半導体領域とN型半導体領域とを形成することによって、その基板型光導波路に位相変調機能を持たせることができる。このような基板型光導波路においては、P型半導体領域とN型半導体領域との間に印加される信号電圧に応じてコアの実効屈折率が変化する。基板型光導波路に対する信号の入力には、例えば、基板型光導波路の表面に形成されたコプレーナ線路が用いられる。
位相変調機能を有する基板型光導波路を開示した文献としては、例えば、特許文献1〜3などがある。
特開2015−129906号公報(2015年7月16日公開) 特開2015−148711号公報(2015年8月20日公開) 米国特許第8,149,493号明細書(2012年4月3日登録)
位相変調器を有する基板型光導波路において、低消費電力化を図るためには、コアの実効屈折率を所定の値に制御するためにP型半導体領域及びN型半導体領域に印加するべき電圧(以下、「変調電圧」と記載)Vpiを小さく抑えることが重要である。変調電圧Vpiを小さく抑えるためには、P型半導体領域及びN型半導体領域のキャリア密度を高くすることによって、P型半導体領域とN型半導体領域との間隔(すなわち、空乏層の幅)を狭くする構成や、P型半導体領域とN型半導体領域とが対向する区間を長くする構成を採用することによって、基板型光導波路のキャパシタンスCを大きくすればよい。
しかしながら、これらの構成を採用することによって、基板型光導波路のキャパシタンスCを大きくすると、基板型光導波路の特性インピーダンスが前段回路のインピーダンスと整合しなくなる。そうすると、コプレーナ線路を介して基板型光導波路に入力されるべき信号が反射され、生じた反射波が信号源であるドライバ回路に悪影響を与える。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相変調機能を有する基板型光導波路において、コプレーナ線路を介して入力される信号の反射を抑えつつ、低消費電力化を図ることにある。
本発明に係る基板型光導波路は、下部クラッドと、上記下部クラッドの上面に形成されたコアであって、P型半導体領域及びN型半導体領域を含むコアと、上記コアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された上部クラッドと、上記上部クラッドの上面に形成されたコプレーナ線路であって、上記P型半導体領域及び上記N型半導体領域の一方に接続された進行波電極と他方に接続された接地導体とからなるコプレーナ線路と、を備えた基板型光導波路において、上記コアを伝播する光の進行方向と直交する断面によって当該基板型光導波路を複数の区間に区画したときに、上記複数の区間の各々における局所的なキャパシタンスが、当該基板型光導波路の入射端面から遠ざかるに従って次第に大きくなる、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、上記基板型光導波路の特性インピーダンスを左右する、上記入射端面近傍における上記基板型光導波路の局所的なキャパシタンスを保ったまま、上記基板型光変調器の変調電圧を左右する、上記基板型光導波路の大域的なキャパシタンス(各区間における局所的なキャパシタンスの平均値)を小さくすることができる。したがって、上記基板型光導波路の特性インピーダンスを保ったまま、上記基板型光導波路の変調電圧を小さくすることができる。すなわち、コプレーナ線路を介して上記基板型光導波路に入力される信号の反射を抑えつつ、上記基板型光導波路の消費電力を低減することができる。
なお、上記複数の区間の各々における上記基板型光導波路の局所的なキャパシタンスを、入射端面から遠ざかるに従って次第に大きくするための形態としては、(1)上記複数の区間の各々における上記P型半導体領域と上記N型半導体領域との間隔を、上記入射端面から遠ざかるに従って次第に狭くする形態、又は、(2)上記P型半導体領域及び上記N型半導体領域を、上記光の進行方向に沿って間欠的に形成すると共に、上記複数の区間の各々において上記P型半導体領域及び上記N型半導体領域が形成されている小区間が占める長さの割合を、上記入射端面から遠ざかるに従って次第に大きくする形態が採用し得る。
何れの形態であっても、入射端面近傍において生じ得る、上記コプレーナ線路を伝送される信号の反射を抑えつつ、低消費電力化を図ることができる。
本発明に係る基板型光導波路においては、上記進行波電極と上記接地導体との間隔が、当該基板型光導波路の入射端面から遠ざかるに従って狭くなる、ことが好ましい。
上記基板型光導波路においては、下記の式(1)により近似することができる高周波損失が存在する。下記の(1)式において、R、C、及びLは、それぞれ、基板型光導波路の抵抗、キャパシタンス、及びインダクタンスである。
Figure 2018036398
上記の式(1)から分かるように、R/ωL≪ωRCとなる周波数領域においては、高周波損失がキャパシタンスCの3/2乗に比例し、インダクタンスLの1/2乗に比例する。
上記の構成によれば、上記基板型光導波路の特性インピーダンスを左右する、上記入射端面近傍における上記基板型光導波路の局所的なインダクタンスを保ったまま、上記基板型光導波路の高周波損失を左右する、上記基板型光導波路の大域的なインダクタンス(各区間における局所的なインダクタンスの平均値)を小さくすることができる。したがって、上記基板型光導波路の入力側の特性インピーダンスを保ったまま、上記基板型光導波路の高周波損失を小さくすることができる。
更に、高周波信号の速度vはv≒1/(LC)1/2で近似できるために、上記の構成によれば、高周波信号の速度を一定に保つことが可能になる。高周波信号の速度と光の速度が異なった場合、光を効率よく変調する事ができない。したがって、インダクタンスとキャパシタンスの双方を変化させることで更なる低消費電力動作も可能となる。
本発明に係る基板型光導波路において、上記進行波電極の出射端には、終端抵抗が接続されており、上記終端抵抗の抵抗値は、当該基板型光導波路の特性インピーダンスと整合している、ことが好ましい。
上記の構成によれば、低周波領域及び高周波領域の双方において上記進行波電極の入射端で生じる反射を抑えると共に、低周波領域において上記進行波電極の出射端で生じる反射を抑制することができる。なお、高周波領域において上記進行波電極の出射端で生じる反射は、上記進行波電極を逆方向に伝播する過程で大きく減衰するため、前段回路に悪影響は問題にならない。
本発明に係る基板型光導波路において、上記コアは、リブ・スラブ型であり、上記P型半導体領域と上記N型半導体領域との境界面は、上記コアのリブ内に配置されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、コアを伝播する光が偏在するリブ内に空乏層が形成されるので、コアを伝播する光をより効率的に変調することができる。
本発明によれば、コプレーナ線路を介して入力される信号の反射を抑えつつ、低消費電力化を図ることができる。
(a)は、本発明の一実施形態に係る基板型光導波路の平面図であり、(b)は、同基板型光導波路の入射端面近傍における矢視断面図であり、(c)は、同基板型光導波路の出射端面近傍における矢視断面図である。 (a)は、実施例に係る基板型光導波路の平面図であり、(b)は、比較例に係る基板型光導波路の平面図である。 (a)は、図2の(a)及び(b)に示した基板型光導波路の反射係数S11の周波数依存性を示すグラフである。(b)は、図2の(a)及び(b)に示した基板型光導波路の透過係数S12の周波数依存性を示すグラフである。 第1の変形例に係る基板型光導波路の平面図である。 第2の変形例に係る基板型光導波路の平面図である。 図1に示す基板型光導波路を位相変調部として含む基板型光変調器の平面図である。
〔基板型光導波路の構成〕
本発明の一実施形態に係る基板型光導波路1の構成について、図1を参照して説明する。図1において、(a)は、基板型光導波路1の平面図であり、(b)は、入射端面1A近傍のAA’断面における基板型光導波路1の矢視断面図であり、(c)は、出射端面1B近傍のBB’断面における基板型光導波路1の矢視断面図である。図1に示す基板型光導波路1は、位相変調機能を有する基板型光導波路であり、基板型光変調器の一部と見做すこともできる。
基板型光導波路1は、図1の(b)及び(c)に示すように、(1)シリコン基板11と、(2)シリコン基板11上に積層された下部クラッド12と、(3)下部クラッド12の上面に形成されたコア13と、(4)コア13を埋設するように下部クラッド12上に積層された上部クラッド14と、(5)上部クラッド14の上面に形成されたコプレーナ線路15と、を備えている。コプレーナ線路15は、進行波電極15aと、進行波電極15aを挟み込むように配置された1対の接地導体15b〜15cとにより構成されている。図1において、符号1Aは、基板型光導波路1の入射端面を表し、符号1Bは、基板型光導波路1の出射端面を表す。
コア13を光導波路として機能させるべく、下部クラッド12及び上部クラッド14は、コア13を構成する媒質よりも屈折率の低い媒質により構成されている。本実施形態において、コア13は、シリコンにより構成されており、下部クラッド12及び上部クラッド14は、シリコンよりも屈折率の高いシリカにより構成されている。このため、入射端面1Aを介してコア13に入射した光は、コア13に閉じ込められたまま入射端面1Aから出射端面1Bまで伝播し、出射端面1Bを介してコア13から出射する。すなわち、コア13は、光導波路として機能する。
光導波路として機能するコア13を更に位相変調器として機能させるべく、コア13には、ホウ素などの3価の元素がドープされた、P型半導体として機能するP型半導体領域13aと、リンなどの5価の元素がドープされた、N型半導体として機能するN型半導体領域13bとが、入射端面1Aから出射端面1Bまでの全区間に亘って形成されている。P型半導体領域13a及びN型半導体領域13bのうち、一方(本実施形態においては、P型半導体領域13a)は、入射端面1Aから出射端面1Bまでの全区間に亘って進行波電極15aに接続されており、他方(本実施形態においては、N型半導体領域13b)は、入射端面1Aから出射端面1Bまでの全区間に亘って接地導体15bに接続されている。このため、進行波電極15aの入射端(入射端面1A側の端部)に信号電圧が印加されると、P型半導体領域13aとN型半導体領域13bとの境界近傍には、信号電圧に応じた幅の空乏層13cが形成され、その結果、コア13の実効屈折率は、信号電圧に応じた値に変化する。それゆえ、入射端面1Aを介してコア13に入射した信号光は、コア13を伝播する過程で位相変調される。すなわち、コア13は、位相変調器として機能する。
なお、本実施形態において、コア13として、リブ・スラブ型のコアを用い、P型半導体領域13aとN型半導体領域13bとの境界面を、コア13のリブ内に配置している。ここで、「リブ・スラブ型のコア」とは、コア13を伝播する光の進行方向に直交する断面形状が逆T字型となるコアのことを指す。リブ・スラブ型のコアでは、コア13を伝播する光を両端部(「スラブ」とも呼ばれる)よりも高さの高い中央部(「リブ」とも呼ばれる)に偏在させることができる。また、P型半導体領域13aとN型半導体領域13bとの境界面をリブ内に配置することによって、コア13を伝播する光が偏在する領域と空乏層13cが形成される領域とが重なるので、コア13を伝播する光の位相変調をより効率的に行うことができる。
本実施形態に係る基板型光導波路1の第1の特徴点は、図1の(a)に示すように、コア13を伝播する光の進行方向と直交する断面によって基板型光導波路1を複数の区間I1、I2、I3に区画したときに、各区間IjにおけるP型半導体領域13aとN型半導体領域13bとの間隔(すなわち、空乏層13cの幅)Djが入射端面1Aから遠ざかるに従って狭くなる点である。これにより、基板型光導波路1の特性インピーダンスZを左右する、入射端面1A近傍における基板型光導波路1の局所的なキャパシタンスC1を保ったまま、基板型光導波路1の変調電圧Vpiを左右する、基板型光導波路1の大域的なキャパシタンスC(各区間Ijにおける局所的なキャパシタンスCjの平均値)を小さくすることができる。したがって、基板型光導波路1の特性インピーダンスZを保ったまま、基板型光導波路1の変調電圧Vpiを小さくすることができる。これにより、コプレーナ線路15を介して基板型光導波路1に入力される信号の反射を抑えつつ、基板型光導波路1の消費電力を低減することができる。
本実施形態に係る基板型光導波路1の第2の特徴点は、図1の(a)に示すように、進行波電極15aの出射端(出射端面1B側の端部)に終端抵抗16が接続されている点である。終端抵抗16の抵抗値R0は、基板型光導波路1の特性インピーダンスZと同様、前段回路のインピーダンス(例えば、50Ω)と整合するように決められている。
低周波領域(波長が基板型光導波路1の導波路長よりも長くなる周波数領域)において、コプレーナ線路15を伝送される電磁波(信号)は、区間毎に間隔Djに応じて決まる基板型光導波路1の局所的な特性インピーダンスZjの変化を殆ど感じない。このため、入射端面1A近傍における基板型光導波路1の局所的な特性インピーダンスZ1が前段回路のインピーダンス(例えば50Ω)に整合するように間隔D1が決められていれば、間隔D3に応じて決まる出射端面1B近傍における基板型光導波路1の局所的な特性インピーダンスZ3と終端抵抗16とが整合していなくても、出射端面1B近傍において有意な反射は生じない。このため、低周波領域においては、入射端面1A近傍において生じ得る反射を抑えることに加えて、出射端面1B近傍において生じ得る反射を抑えることができる。
一方、高周波領域(波長が基板型光導波路1の導波路長よりも短くなる周波数領域)において、進行波電極15aを導波される電磁波(信号)は、区間毎に間隔Djに応じて決まる基板型光導波路1の局所的な特性インピーダンスZjの変化を感じる。このため、入射端面1A近傍における基板型光導波路1の局所的な特性インピーダンスZ1が前段回路のインピーダンス(例えば50Ω)に整合するように間隔D1が決められていても、間隔D3に応じて決まる出射端面1B近傍における基板型光導波路1の局所的な特性インピーダンスZ3と終端抵抗16とが整合していなければ、出射端面1B近傍において有意な反射が生じる。ただし、出射端面1B近傍において生じた反射波がドライバ回路(信号電圧の信号源)に深刻な影響を与えることはない。なぜなら、高周波領域においては、出射端面1B近傍において生じた反射波は、コプレーナ線路15を逆方向に伝播する過程で十分な(低周波領域において蒙る減衰よりも大きな)減衰を蒙るからである。
なお、図1の(a)においては、終端抵抗16の2つの端子のうち、進行波電極15aに接続された端子と反対側の端子が、キャパシタを介して接地導体15b及びグランドの両方に接続される形態を例示しているが、これに限定されない。すなわち、終端抵抗16の2つの端子のうち、進行波電極15aに接続された端子と反対側の端子が、キャパシタを介して接地導体15bのみに接続される形態であってもよいし、終端抵抗16の2つの端子のうち、進行波電極15aに接続された端子と反対側の端子が、キャパシタを介してグランドのみに接続される形態であってもよい。
〔基板型光導波路の効果〕
次に、基板型光導波路1の効果について、図2及び図3を参照して説明する。
図2の(a)は、実施例に係る基板型光導波路1の平面図であり、図2の(b)は、比較例に係る基板型光導波路の平面図である。実施例に係る基板型光導波路1は、図2の(a)に示すように、コア13を伝播する光の進行方向と直交する断面によって基板型光導波路1を4つの区間I1、I2、I3、I4に区画したときに、各区間IjにおけるP型半導体領域13aとN型半導体領域13bとの間隔(すなわち、空乏層13cの幅)Djが入射端面1Aから遠ざかるに従って狭くなる基板型光導波路である。一方、比較例に係る基板型光導波路は、図2の(b)に示すように、P型半導体領域13aとN型半導体領域13bとの間隔Dが一定の基板型光導波路である。
図3の(a)は、図2の(a)に示した実施例に係る基板型光導波路1と図2の(b)に示した比較例に係る基板型光導波路における反射係数S11の周波数依存性を表すグラフである。図3の(b)は、図2の(a)に示した実施例に係る基板型光導波路1と図2の(b)に示した比較例に係る基板型光導波路における透過係数S12の周波数依存性を表すグラフである。
図3の(a)によれば、実施例に係る基板型光導波路1の方が比較例に係る基板型光導波路よりも反射係数S11を小さくできることが確かめられる。また、図3の(b)によれば、実施例に係る基板型光導波路1の方が比較例に係る基板型光導波路よりも透過係数S12を大きくできることが確かめられる。
〔第1の変形例〕
図1においては、各区間IjにおけるP型半導体領域13aとN型半導体領域13bとの間隔Djを入射端面1Aから遠ざかるに従って狭くする形態を示している。しかしながら、本実施形態に係る基板型光導波路1は、各区間IjにおけるキャパシタンスCjが入射端面1Aから遠ざかるに従って大きくなる構成を有するものであればよく、当該構成を実現するための形態は、図1に示す形態に限定されない。
図4は、本変形例に係る基板型光導波路1の平面図である。本変形例に係る基板型光導波路1においては、P型半導体領域13a及びN型半導体領域13bを、コア13を伝播する光の進行方向に沿って間欠的に形成すると共に、コア13を伝播する光の進行方向と直交する断面によって基板型光導波路1を複数の区間I1、I2、…、I7に区画したときに、各区間IjにおいてP型半導体領域13a及びN型半導体領域13bが形成されている小区間Kjが占める長さの割合αj=(小区間Kjの長さ)/(区間Ijの長さ)を、入射端面1Aから遠ざかるに従って大きくする(α1<α2<…<α7)形態が採用されている。なお、各小区間Kjの長さは、波長よりも短く(例えば、波長の1/10以下に)設定されているため、反射の影響を受けず、平均のインピーダンスとして振る舞う。
このような形態を採用した場合でも、各区間Ijにおける局所的なキャパシタンスCjが入射端面1Aから遠ざかるに従って大きくなる。したがって、各区間IjにおけるP型半導体領域13aとN型半導体領域13bとの間隔Djを入射端面1Aから遠ざかるに従って狭くする形態を採用した場合と同様の効果を得ることができる。
〔第2の変形例〕
図1においては、コプレーナ線路15の形態として、進行波電極15aと接地導体15bとの間隔を一定とする形態を示している。しかしながら、本実施形態に係る基板型光導波路1において採用し得るコプレーナ線路15の形態は、図1に示す形態に限定されない。
図5は、本変形例に係る基板型光導波路1の平面図である。本変形例に係る基板型光導波路1においては、コプレーナ線路15を構成する進行波電極15aと接地導体15bとの間隔Dを入射端面1Aから遠ざかるに従って狭くする形態が採用されている。
このような形態を採用することにより、基板型光導波路1の特性インピーダンスZを左右する、入射端面1A近傍における基板型光導波路1の局所的なインダクタンスL1を保ったまま、基板型光導波路1の高周波損失を左右する、基板型光導波路1の大域的なインダクタンスL(各区間Ijにおける局所的なインダクタンスLjの平均値)を小さくすることができる。したがって、基板型光導波路1の特性インピーダンスZを保ったまま、基板型光導波路1の高周波損失を小さくすることができる。
〔適用例〕
上述した基板型光導波路1を位相変調部として含む基板型光変調器100について、図5を参照して説明する。図5は、基板型光変調器100の上面図である。
基板型光変調器100は、2つの光路にて位相変調された光を干渉させ、強度変調された光を得るマッハ・ツェンダ型の光変調器である。基板型光変調器100は、上述した基板型光導波路1を、分岐された搬送光の一方を位相変調する位相変調部として含んでいる。分岐された搬送光の他方を位相変調する位相変調部も、上述した基板型光導波路1と対称な構造を有する基板型光導波路1’により構成される。
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
1 基板型光導波路
1A 入射端面
1B 出射端面
11 シリコン基板
12 下部クラッド
13 コア
14 上部クラッド
15 コプレーナ線路
15a 進行波電極
15b 接地導体
16 終端抵抗
100 基板型光変調器

Claims (7)

  1. 下部クラッドと、
    上記下部クラッドの上面に形成されたコアであって、P型半導体領域及びN型半導体領域を含むコアと、
    上記コアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された上部クラッドと、
    上記上部クラッドの上面に形成されたコプレーナ線路であって、上記P型半導体領域及び上記N型半導体領域の一方に接続された進行波電極と他方に接続された接地導体とからなるコプレーナ線路と、を備えた基板型光導波路において、
    上記コアを伝播する光の進行方向と直交する断面によって当該基板型光導波路を複数の区間に区画したときに、上記複数の区間の各々における局所的なキャパシタンスが、当該基板型光導波路の入射端面から遠ざかるに従って次第に大きくなる、
    ことを特徴とする基板型光導波路。
  2. 上記複数の区間の各々における上記P型半導体領域と上記N型半導体領域との間隔が、当該基板型光導波路の入射端面から遠ざかるに従って次第に狭くなる、
    ことを特徴とする請求項1に記載の基板型光導波路。
  3. 上記P型半導体領域及び上記N型半導体領域は、上記コアを伝播する光の進行方向に沿って間欠的に形成されており、
    上記複数の区間の各々において上記P型半導体領域及び上記N型半導体領域が形成されている小区間が占める長さの割合が、当該基板型光導波路の入射端面から遠ざかるに従って次第に大きくなる、
    ことを特徴とする請求項1に記載の基板型光導波路。
  4. 上記進行波電極と上記接地導体との間隔が、当該基板型光導波路の入射端面から遠ざかるに従って狭くなる、
    ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の基板型光導波路。
  5. 上記進行波電極の出射端には、終端抵抗が接続されており、
    上記終端抵抗の抵抗値は、当該基板型光導波路の特性インピーダンスと整合している、
    ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の基板型光導波路。
  6. 上記コアは、リブ・スラブ型であり、上記P型半導体領域と上記N型半導体領域との境界面は、上記コアのリブ内に配置されている、
    ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の基板型光導波路。
  7. 請求項1〜6の何れか1項に記載の基板型光導波路を位相変調部として含んでいることを特徴とする基板型光変調器。
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