半導体基板上の位相シフタ並びにそれを用いた偏波分離器及び偏波合成器
【課題】精度の高い複屈折率調整が可能な半導体基板上の位相シフタを提供すること。
【解決手段】ＰＢＳ１００は、第１の光カプラ１１０と、第１の複屈折率調整部１２０と、第２の複屈折率調整部１３０と、第２の光カプラ１４０とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板１０１上に備える。第１の複屈折率調整部１２０及び第２の複屈折率調整部１３０が位相シフタとして機能する。第１の複屈折率調整部１２０は、第１の幅の第１の導波路部１０２Ａと、第２の幅の第２の導波路部１０３Ａと、第１の電極１０２Ｂと、第２の電極１０３Ｂとで構成され、ここで、第１の幅は第２の幅よりも大きい。第２の複屈折率調整部１３０は、第１の導波路部１０２Ａから傾斜して配置された第３の導波路部１０２Ｃと、第２の導波路部１０３Ｂから傾斜して第３の導波路部１０２Ｃと平行に配置された第４の導波路部１０３Ｃと、第３の電極１０２Ｄと、第４の電極１０３Ｄとで構成される。
【解決手段】ＰＢＳ１００は、第１の光カプラ１１０と、第１の複屈折率調整部１２０と、第２の複屈折率調整部１３０と、第２の光カプラ１４０とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板１０１上に備える。第１の複屈折率調整部１２０及び第２の複屈折率調整部１３０が位相シフタとして機能する。第１の複屈折率調整部１２０は、第１の幅の第１の導波路部１０２Ａと、第２の幅の第２の導波路部１０３Ａと、第１の電極１０２Ｂと、第２の電極１０３Ｂとで構成され、ここで、第１の幅は第２の幅よりも大きい。第２の複屈折率調整部１３０は、第１の導波路部１０２Ａから傾斜して配置された第３の導波路部１０２Ｃと、第２の導波路部１０３Ｂから傾斜して第３の導波路部１０２Ｃと平行に配置された第４の導波路部１０３Ｃと、第３の電極１０２Ｄと、第４の電極１０３Ｄとで構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上の位相シフタ並びにそれを用いた偏波分離器及び偏波合成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット等により通信トラフィックの大容量化が求められている。そのため、波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいて、１チャネル当たりの伝送速度の増加や波長数の増加が求められている。具体的には、ＷＤＭシステムの伝送には４０Ｇｂｉｔ／ｓや１００Ｇｂｉｔ／ｓといった高い伝送速度が求められている。
【０００３】
ところが、高速化のために変調シンボルレートを高くすると、分散耐性が急激に劣化し、伝送距離が縮小してしまうという問題等があり、シンボルレートを上げずにビットレートを大きくする多値化技術や多重化技術の必要性が高まっている。マッハツェンダ型光変調器を複数並列に配置したＤＱＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓａ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）光変調器やＤＰ（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）−ＱＰＳＫ光変調器等、様々なフォーマットが開発されているが、こうしたアドバンスドフォーマットでは偏波多重化技術が標準的になってきている。
【０００４】
偏波多重技術において光送信器に必要な機能は、直交する偏光成分それぞれに異なる変調信号を載せることである。形にする方法として２つ考えられている。１つは、１偏波の光をそれぞれ変調し、どちらか一方の偏光を９０°回転させた後に偏波ビームコンバイナ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）により合波する方法（非特許文献１参照）であり、もう１つは、光変調器に光が入射される時点で２つの偏光成分を持たせ、入射後、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）により直交する成分に分離して直交成分をそれぞれ変調する方法（非特許文献２参照）である。
【０００５】
現在、これらの技術はＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム；ＬＮ）で構成されたＬＮ変調器を用いて実現されているが、１００Ｇｂｉｔ／ｓのＤＰ−ＱＰＳＫが今後普及してくると、ＬＮ変調器ではサイズが大きくなってしまう。また、半波長電圧が比較的高く、高い電圧出力を有するドライバーを使用する必要もあり、ドライバーでの消費電力が高くなる問題に直面する。現在の通信では、消費電力を下げながら、かつ小型化していくことが求められており、今後はＬＮ変調器だけで上記問題を解決していくことに限りがある。
【０００６】
そこで、これらの要求に応える１つの手段として、半導体素子に電界を与えることで屈折率を変化させ、入力電気信号を光の位相変化に変換するマッハツェンダ型の半導体変調器が注目されている。半導体変調器は、ＬＮ変調器に比べて、構成する光導波路の比屈折率差が大きく、曲げ半径を小さくできるため、小型な回路レイアウトが可能となる。また、駆動電圧もＬＮ変調器に比べて小さくすることが可能であるため、低消費電力の観点からも注目されている。すでに、これらの半導体変調器においても、ＬＮ変調器と同じく、ＤＱＰＳＫなどの多値伝送フォーマットに対応した高速変調器が報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Hiroshi Yamazaki et al., “Integrated 100-Gb/s PDM-QPSK modulator using a hybrid assembly technique with silica-based PLCs and LiNbO3 phase modulators,” ECOC 2008, Mo.3.C.1, 2008.
【非特許文献２】C. R. Doerr and L. Zhang, “Monolithic 80-Gb/s Dual Poralization On-Off-Keying Modulator in InP,” OFC, PDP19, 2008.
【非特許文献３】Y. Hashizume, R. Kasahara, T. Saida, Y. Inoue, and M. Okano, “Integrated polarisation beam splitter using waveguide birefringence dependence on waveguide core width,” Electronics Letters, 6 Dec 2001, Vol. 37, No. 25, pp. 1517-1518.
【非特許文献４】大家重明、張吉夫、岡部隆博、「閃亜鉛鉱形結晶の電気光学効果」、レーザー研究、社団法人レーザー学会、1987年1月、第15巻、第1号、pp. 2-11
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術では、マッハツェンダ型の半導体変調器における偏波多重化を実現する方法として、マイクロオプティクスを利用した偏波制御が主流である。しかしながら、半導体を利用しているため変調器は小さく作製できるのに、偏波制御する箇所でのサイズがマイクロオプティクスといえども大きく、素子全体のサイズが大きくなり、半導体を利用しているメリットを小さくしてしまっている。また、アライメントが煩雑であり、時間がかかるので製造コストがかかる。
【０００９】
したがって、半導体基板上にＰＢＣやＰＢＳをモノリシック集積することが求められている。そうすればアライメントを要さず、半導体変調器における偏波制御を小型に実現可能である。
【００１０】
そこで、マッハツェンダ型光回路を導波路幅の異なるアーム導波路で構成すると、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率差である複屈折率が上下のアーム導波路で異なることを利用することが考えられる。導波路幅により複屈折率を制御することにより、マッハツェンダ型光回路の出力において、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に半波長の位相差を与えることができる。このため、無偏光光を入射すると、偏波で出力が異なる回路、つまりＰＢＳが実現でき、相反性から反対に、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光をそれぞれ入力とすると合波されて１つの導波路に出力されるＰＢＣが実現できる（非特許文献３参照）。
【００１１】
しかしながら、そのようなマッハツェンダ型光回路を設計通りに再現良く製造することは非常に難しい。特に、半導体光導波路は、導波路幅がわずかに設計からずれても、その導波路の実効屈折率が大きく変化してしまう。そこで、製造したマッハツェンダ型光回路の複屈折率に対する調整機構が必要となる。
【００１２】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、精度の高い複屈折率調整が可能な半導体基板上の位相シフタを提供すること、並びにそれを用いた偏波分離器及び偏波合成器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１の複屈折率調整部と、前記第１の複屈折率調整部に接続された第２の複屈折率調整部とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備え、前記第１の複屈折率調整部は、第１のアーム導波路が有する第１の幅の第１の導波路部と、前記第１のアーム導波路と並列に配置された第２のアーム導波路が有する第２の幅の第２の導波路部と、前記第１の導波路部上の第１の電極と、前記第２の導波路部上の第２の電極とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きく、前記第２の複屈折率調整部は、前記第１のアーム導波路が有する、前記第１の導波路部から傾斜して配置された第３の導波路部と、前記第２のアーム導波路が有する、前記第２の導波路部から傾斜して前記第３の導波路部と平行に配置された第４の導波路部と、前記第３の導波路部の上の第３の電極と、前記第４の導波路部の上の第４の電極とで構成されていることを特徴とする位相シフタである。
【００１４】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第３及び第４の導波路部が、前記第２の複屈折率調整部において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する単位電圧当たりの屈折率変化率の偏波面依存性が抑制される方向に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記半導体基板の主面方位は（１００）であり、前記第１及び第２の導波路部は、０１−１方向に配置されており、前記第３及び第４の導波路部は、０１０方向に配置されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記半導体基板の主面方位は（１００）であり、前記第１及び第２の導波路部は、０１−１方向に配置されており、前記第３及び第４の導波路部は、０１０方向から±５°の範囲ずらして配置されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第５の態様は、第１の光カプラと、前記第１の光カプラに接続された、第１から第４のいずれかの態様の位相シフタと、前記位相シフタに接続された第２の光カプラとを備えることを特徴とする偏波分離器である。
【００１８】
また、本発明の第６の態様は、第１の光カプラと、前記第１の光カプラに接続された、第１から第４のいずれかの態様の位相シフタと、前記位相シフタに接続された第２の光カプラとを備えることを特徴とする偏波合成器である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１の複屈折率調整部と、第１の複屈折率調整部に接続された第２の複屈折率調整部とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備える位相シフタであって、第１の複屈折率調整部を構成する上下のアーム導波路と、第２の複屈折率調整部を構成する上下のアーム導波路とを傾斜させていることにより、精度の高い複屈折率調整が可能な半導体基板上の位相シフタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図２】第１の実施形態に係るＰＢＳの変形形態を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係るＰＢＳの製造方法を説明するための図である。
【図４】第２の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図５】閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体の屈折率楕円体を示す図である。
【図６】第４の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図７】第４の実施形態に係るＰＢＳの変形形態を示す図である。
【図８】従来のＲＺカーバーを示す図である。
【図９】図６のＰＢＳの動作例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係るＰＢＳを示す。ＰＢＳとして説明するが、ＰＢＣとしても機能することは上述の通りである。ＰＢＳ１００は、第１の光カプラ１１０と、第１の光カプラ１１０に接続された第１の複屈折率調整部１２０と、第１の複屈折率調整部１２０に接続された第２の複屈折率調整部１３０と、第２の複屈折率調整部１３０に接続された第２の光カプラ１４０とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板１０１上に備える。第１の複屈折率調整部１２０及び第２の複屈折率調整部１３０が位相シフタとして機能する。
【００２３】
第１の複屈折率調整部１２０は、第１のカプラ１１０に接続された第１のアーム導波路１０２が有する第１の幅の第１の導波路部１０２Ａと、第１のカプラ１１０に第１のアーム導波路１０２と並列に接続された第２のアーム導波路１０３が有する第２の幅の第２の導波路部１０３Ａと、第１の導波路部１０２Ａ上の第１の電極１０２Ｂと、第２の導波路部１０３Ａ上の第２の電極１０３Ｂとで構成され、ここで、第１の幅は第２の幅よりも大きい。
【００２４】
第２の複屈折率調整部１３０は、第１のアーム導波路１０２が有する、第１の導波路部１０２Ａから傾斜して配置された第３の導波路部１０２Ｃと、第２のアーム導波路１０３が有する、第２の導波路部１０３Ｂから傾斜して第３の導波路部１０２Ｃと平行に配置された第４の導波路部１０３Ｃと、第３の導波路部１０２Ｃの上の第３の電極１０２Ｄと、第４の導波路部１０３Ｃの上の第４の電極１０３Ｄとで構成される。第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃの傾斜角は、角度がついていればよく、たとえば、３０°とすることができる。
【００２５】
図１では、上下のアーム導波路の長さが等しくなるように２度曲げているが、２度曲げることは必ずしも必要でない。しかし、２度曲げにより上下のアーム導波路を等長に近づけることができ、帯域が広くできるので好ましい。
【００２６】
本実施形態に係るＰＢＳ１００は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の閃亜鉛鉱型構造を有する化合物半導体に形成された光導波路において、電圧を印加した際の屈折率変化に対する偏波面依存性および結晶方位依存性が存在することを利用する。一般に、半導体光導波路は偏波面依存性を有するが、閃亜鉛鉱型構造を有する化合物半導体では、ＴＥ偏光に対する屈折率変化に光導波路に平行な結晶方位が大きく影響する。第１の複屈折率調整部１２０と第２の複屈折率調整部１３０を構成する光導波路の方向を変えることにより、単位電圧当たりの屈折率変化率が異なる２種類の複屈折率調整機構が得られる。これらの複屈折率調整機構を以下のように用いることで、高精度の複屈折率調整をすることができる。
【００２７】
まず、光源としてＡＳＥ光を用いて、第１の光カプラ１１０に導く。たとえば、先球ファイバを用いて第１の光カプラ１１０の入力導波路端面から入力を行う。次いで、第１の複屈折率調整部１２０において、第１の電極１０２Ｂ又は第２の電極１０３Ｂに電圧を印加し、偏波消光比がどこかの観測波長内で最大になるように調整を行う。このとき、最大偏波消光比が得られる波長は、動作波長と一致しなくてもよい。出力の観測は、偏波保持の先球ファイバを用いて第２の光カプラ１４０の出力導波路端面からの出力を集め、ファイバーインライン型のＰＢＳを介して各偏波の出力をスペクトルアナライザに導入し、スペクトルを見ながら調整を実施する。この状態で、第２の複屈折率調整部１３０の第３の電極１０２Ｃ又は第４の電極１０３Ｄに電圧を加える。スペクトルが変化するので、動作波長と最大偏波消光比が得られる波長が一致する方向に印加電圧を微調整する。目的波長に近くなるとともに、偏波消光比がやや劣化する。そこで、再度偏波消光比を改善するように第１の複屈折率調整部１２０の電圧を調整し、偏波消光比を改善する。第１の複屈折率調整部１２０における偏波消光比の調整と、第２の複屈折率調整部１３０での波長の調整とを繰り返し実施し、目的の動作波長で目的の偏波消光比を最終的に得る。調整は複数回の繰り返しが必要で多少手間と時間はかかるが、所望の特性を有する位相シフタを得ることが可能である。
【００２８】
なお、スペクトルアナライザを用いた調整方法を説明したが、これに限らない。波長可変レーザー、偏光子と光パワーメーターなどを組み合わせて用いて測定しても調整は可能である。
【００２９】
また、本実施形態に係るＰＢＳは、図２に示すように、第１の複屈折率調整部１２０と第２の複屈折率調整部１３０の配置順序を入れ替えても同様に機能することに留意されたい。
【００３０】
また、第２の実施形態における説明から分かることであるが、半導体基板１０１の主面方位が（１００）である場合、第１の導波路部１０２Ａ及び第２の導波路部１０３Ａと、第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを、０１１方向に対称軸を有しないように配置することが必要である。この場合には、第１の複屈折率調整部１２０と第２の複屈折率調整部１３０の屈折率変化率が同じになり、２種類の複屈折率調整機構を設けることができないからである。
【００３１】
製造方法
図３を参照して、本実施形態に係るＰＢＳの製造方法を説明する。はじめに、図３（ａ）に示すように、半絶縁性（ＳＩ（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ））−ＩｎＰ基板５０上に第１のｎ型電極層５１（ｎ＋−ＩｎＰ）を成長し、その上に第１のｎ型クラッド層５２（ｎ−ＩｎＰ）を形成し、第１のｎ型クラッド層５２上には、第１の中間層５３（i−ＩｎＧａＡｓＰ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）コア層５４、第２の中間層５５（i−ＩｎＧａＡｓＰ）が形成されている。
【００３２】
第２の中間層５５（i−ＩｎＧａＡｓＰ）の上に第１の低濃度クラッド５６（i−ＩｎＰ）を形成した後、第１の低濃度クラッド５６（i−ＩｎＰ）の上には、電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７（ｐ−ＩｎＰ）が形成される。ｐ型クラッド層５７の上には、第２のｎ型クラッド層５８（ｎ−ＩｎＰ）が形成され、さらにその上に、第２のｎ型電極層５９（ｎ＋−ＩｎＰ）が順に積層されている。
【００３３】
ここで、多重量子井戸コア層５４は、動作光波長で電気光学効果が有効に働くように構成され、例えば、１．５μｍ帯のデバイスであれば、ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａ／Ａｌ組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層と量子バリア層にした多重量子井戸構造とすることができる。また、第１の中間層５３は、光吸収で発生したキャリアをヘテロ界面でトラップされないようにするための接続層として機能する。
【００３４】
本実施形態に係るＰＢＳを製造するには、まず、上下のアーム導波路を電気的に分離するために、アーム導波路間に分離溝を形成する。なお、変調電極と位相調整電極が分かれているマッハツェンダ構造の場合は、その間にも分離溝を設けて電気的分離を行う。これは、電気的分離がなされていないと、片方のアーム導波路に変調のため印加した電圧が他方のアーム導波路の変調に影響を及ぼすためである。分離溝は、第２のｎ型電極層５９から電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７までの一部を標準的なフォトリソグラフィー、パターニングしウエットエッチング技術を用いて、アーム導波路の何処かに幅数ミクロンの溝として取り除くことにより形成する。
【００３５】
なお、本実施形態においては、分離溝により電気的分離を行ったが、電極が接触する変調部周辺以外を石英のハードマスクを用いて第２のｎ型電極層５９から電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７までを除去した後、半絶縁性のＩｎＰで再度成長し置き換えを実施して電気的分離を行ってもよい。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、ドライエッチング技術を用いて第２のｎ型電極層５９（ｎ＋−ＩｎＰ）から第１のｎ型クラッド層中間５２までの層をエッチングすることにより、ハイメサ型の導波路構造を形成する。そして、第１のｎ型クラッド層５２をエッチングすることにより、第１のｎ型電極層５１を露出させる。
【００３７】
最後に、図３（ｃ）に示すように、変調電極、位相調整電極となる第１のｎ型電極６０を第２のｎ型電極層５９上に、接地電極となる第２のｎ型電極６１を第１のｎ型電極層５１上にそれぞれ形成する。なお、必要に応じて、パッシベーション膜を堆積し、メサ表面を保護するようにしてもよいし、ポリマーなどを利用してハイメサ構造を保護してもよい。
【００３８】
マッハツェンダ型光変調器の実装方法
本実施形態に係るＰＢＳ１００は、第１の電極１０２Ｂ、第２の電極１０３Ｂ、第３の電極１０２Ｄ及び第４の電極１０３Ｄに変調信号を入力することにより、変調機能を持たせて光変調器として機能させることができる。その実装方法を説明する。
【００３９】
まず、後の行うへき開が実施できる程度まで基板裏面に研磨を実施する。裏面に固定半田が接着するように金属膜を蒸着した後、各チップにへき開し、入出力導波路がある端面に無反射コートを実施する。
【００４０】
次いで、当該チップをチッカアルミで構成されたサブマウントに、標準的なチップボンダーで搭載したのちに加熱固定し、続いて終端抵抗、コンデンサ、サーミスタ（抵抗変化として温度検出する温度センサ）、高速信号を伝送するための配線板を同じくチップボンダーで搭載し、リフロ―により固定を実施する。
【００４１】
素子固定されたサブマウント上の配線や素子、およびチップの電極をワイヤーボンディングにより結線した後、ＣｕＷからなるマウントにサブマウントを再度負リフロ―固定し、ＹＡＧレーザーを用いて入出力導波路の先に、入出力光をコリメートするレンズを固定する。これらのＣｕＷマウントに搭載されたものを両端にファイバ固定ができるようになった気密パッケージ内に実装し、レンズ付きの入出力ファイバをＹＡＧ固定し、パッケージに設けられた高周波の差動信号入力端子にRF入力コネクタとしてＧＰＰＯコネクタを装着しモジュールの形にする。ここでは、レンズの固定はＹＡＧレーザーを用いて行ったが、この限りではない。また、ＲＦ入力コネクタとしてＧＰＰＯを用いたが、これもその他の所望周波数の信号が入力できるＲＦ入力用端子であれば問題ない。
【００４２】
（第２の実施形態）
図４に、第２の実施形態に係るＰＢＳを示す。ＰＢＳ４００は、第１の実施形態に係るＰＢＳ１００と傾斜角θを除いて同一である。第２の実施形態に係るＰＢＳ４００では、傾斜角θを適切に選択して、第２の複屈折率調整部１３０において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する単位電圧当たりの屈折率変化率が等しくなる方向に第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを配置している。換言すると、屈折率変化率の偏波面依存性が抑制されるように傾斜角θを選択している。
【００４３】
２種類の複屈折率調整機構を用いて高精度の複屈折率調整を行う方法も、第１の実施形態に係るＰＢＳと同様であるが、第２の複屈折率調整部１３０の屈折率変化率が偏波無依存であるため、調整が簡単になる。具体的には、第１の複屈折率調整部１２０により、偏波消光比が最大になるように調整を行い、第２の複屈折率調整部１３０により、偏波消光比の劣化を抑えて最大偏波消光比が得られる波長だけをシフトすることが可能となる。偏波消光比の劣化がほとんどないため、再度第１の複屈折率調整部１２０の電圧を微調することで、動作波長で最大偏波消光比を得ることができ、調整時間を短縮することができる。
【００４４】
半導体基板１０１の主面方位が（１００）である場合、第１の導波路部１０２Ａ及び第２の導波路部１０３Ａを、０１−１方向に配置し、第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを、０１０方向に配置し、傾斜角θを４５°とすると、第２の複屈折率調整部１３０における屈折率変化率の偏波面依存性を抑制することができる。以下、傾斜角θ＝４５°が適切な理由を説明する。
【００４５】
半導体導波路におけるポッケルス効果およびＱＣＳＥの説明
第１の実施形態において説明したように、コア層に多重量子井戸層（ＭＱＷ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ）を持つ半導体導波路に電圧を印加すると、ポッケルス効果に加えて、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ： ｑｕａｎｔｕｍ−ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ ｅｆｆｅｃｔ）による屈折率変化を生じる。
【００４６】
ＩｎＰをはじめとする閃亜鉛鉱型構造（ジンクブレンド型構造）の化合物半導体に電界を印加した際のポッケルス効果による屈折率変化は、屈折率楕円体で記述することができる（非特許文献４参照）。
【００４７】
閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体の屈折率楕円体は、電圧印加前の屈折率をｎ０として以下のように示される。ここで、ｒ41は、閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体の電気光学定数であり、Ｅは、光導波路に印加した電界の強度である。
【００４８】
【数１】
【００４９】
この式は、ｘｙを入れ替えても不変であるから、ｙ＝ｘで記述される直線に対して対称である楕円体を示すことが容易に分かる。そこで、ｘ軸およびｙ軸からそれぞれ45°回転した軸を新たにｘ’軸およびｙ’軸とし、軸を変換することで以下の式を得る。
【００５０】
【数２】
【００５１】
短軸側の半径がa、長軸側の半径がｂである屈折率楕円体が描ける。
【００５２】
図５は、ｚ＝０平面での切断面を示している。この楕円の半径は、図中のＳベクトルの方向に光が伝搬した際に、電界ＥがＺ軸方向に印加されている状態での屈折率を示している。実際のウェーハの向きから考えると、主面方位が（００１）の基板を使用した場合において、０１−１方向のオリエーテーションフラット（ＯＦ）に平行な方向に、電界強度がｘ’方向に振動するＴＥ波として伝搬するとき、ポッケルス効果によりｂの屈折率になり、変化量としてはｂ−ｎ０となる。また、電界を印加しない場合の屈折率ｎ０よりも大きい値を示す。逆に、ＯＦに垂直な０１１方向に伝搬する場合は、ｎ０より小さな値となることが分かる。いずれの場合も、ｙ’方向に電界が振動するＴＭ波として進行する場合は、屈折率楕円体のｚ方向はｎ０であり、外部電界によりポッケルス効果により変調されないことが分かる。また、ＯＦに対して４５°の０１０方向に伝搬する光では、図５の楕円と元の屈折率を示す円との交点を示すので、偏波状態によらずポッケルス効果による屈折率変化は起こらないことが分かる。
【００５３】
ここまでは、ポッケルス効果だけを考慮して考えてきたが、実際の素子のコアが多重量子井戸(ＭＱＷ)からなる場合、ポッケルス効果に加えて、ＱＣＳＥが足される形になる。しかし、ＱＣＳＥは、第１次近似的には結晶方位に依存しない。ｎ（ＱＣＳＥ）を、電界Ｅを印加した際のＱＣＳＥによる屈折率変化量とすると、ポッケルス効果の説明に用いたｎ０をｎ０’＝ｎ０＋ｎ（ＱＣＳＥ）とし、ｎ０をｎ０’に置き換えた屈折率楕円体が描ける。
【００５４】
以上のことから、外部電界Ｅを印加した際の屈折率変化量を、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光についてまとめると以下のようになる。ここで、ポッケルス効果による屈折率変化量をＰと示し、ＱＣＳＥによる変化量をＱとしている。
【００５５】
【表１】
【００５６】
表１は、単位電界強度Ｅを印加した際の屈折率変化量を示すことになるが、導波路の縦方向に電界をかける行為は、平行平板からなるコンデンサに電界を印加するのと同じであり、電界強度は電圧に比例する。つまり、単位電圧当たりの屈折率変化量のＰ、Ｑの作用を示しているとしても差支えがない。
【００５７】
なお、上述の説明でＯＦに平行な方向を０１−１方向としたが、０−１１方向も等価である。また、ＯＦに垂直な方向を０１１方向としたが、０−１−１方向も等価である。また、ＯＦに対して４５°の方向を０１０方向としたが、００−１方向、０−１０方向、００１方向も等価である。
【００５８】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係るＰＢＳは、図４に示した第２の実施形態に係るＰＢＳ４００とほぼ同一であるが、傾斜角θが若干異なる。第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを、０１０方向から若干ずらして配置している。
【００５９】
ＱＣＳＥは、厳密には閉じ込め係数が異なるため、０１０方向に光導波路を配置してもＴＥ偏光とＴＭ偏光で同一とはならない。そこで、０１０方向からややずらすことで、ＱＣＳＥに起因する屈折率変化率が偏波無依存になるようにする。
【００６０】
Ｑ（ＴＥ）＞Ｑ（ＴＭ）の場合、傾斜角θが４５°よりも高い角度に、つまり、ＯＦの０１−１方向に垂直な方向に近づくように第２の複屈折率調整部１３０の第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを傾けることでポッケルス効果の係数が負に働き（表１参照）、ＱＣＳＥに起因する屈折率変化率は変わらないが、ポッケルス効果の寄与により実効的にＴＥ偏光とＴＭ偏光で同じ屈折率変化率を実現できる角度が存在する。
【００６１】
逆にＱ（ＴＭ）＞Ｑ（ＴＥ）の場合は、ＯＦの０１−１方向に水平な方向に傾けることで、ポッケルス係数が正の方向で働き、ＴＥ偏光とＴＭ偏光で同じ屈折率変化率を実現できる角度が存在する。
【００６２】
発明者らが実験的に調べたところでは、０１−１方向に垂直に近くなる方向に２°傾けることで、第２の複屈折率調整部１３０における調整の際に偏波消光比の劣化なく波長のみを個別に調整することができた。実際の製造では、ウェーハに設けられているＯＦの角度誤差等もあるので、第２の複屈折率調整部１３０の第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを０１０方向から±５°の範囲傾ければよい。
【００６３】
（第４の実施形態）
図６に、高速の光変調が可能なＰＢＳを示す。ＰＢＳ６００は、第１の光カプラ６１０と、第１の複屈折率調整部６２０と、高速変調部６５０と、第２の光カプラ６４０とを半導体基板６０１上に備える。高速変調部６５０を構成する光導波路は、単位電圧当たりの屈折率変化率がＴＥ偏光とＴＭ偏光でほぼ等しくなるように、０１０方向に配置されている。
【００６４】
図６のＰＢＳ６００では、簡単のため、第１の複屈折率調整部６２０が設計通りに製造され、複屈折率の調整機構が不要な場合を考えている。第１から第３の実施形態で説明してきた本発明に係る位相シフタを用いる場合には、図７のような配置を採ることが考えられる。図６の構成は、ＲＦ信号を入れると、ＰＢＳでありながら高速の光変調が実現できる。用途としてＲＺカーバーとして使用することができる。第１の光カプラ７１０、第２の複屈折率調整部７３０、第１の複屈折率調整部７２０、高速変調部７５０、第２の光カプラ７４０がこの順に接続されている。
【００６５】
通常、これをこれまでの方法で実現しようとすると、図８のように、それぞれの偏波用にＲＺカーバーとなるＭＺを配置しその後ＰＢＳを配置する構成となる。この場合は、ＴＥ用、ＴＭ用駆動用のＭＺとなるので、それぞれ異なるＲＦ振幅で駆動する必要がある。つまり使用するユーザは、駆動ドライバーの設定を異なる設定にしなくてはならない。駆動振幅の違いよっては異なるドライバーを用意する必要が出てくる。または、ＭＺの長さを変えて変調効率がＴＥ偏光とＴＭ偏光で同じになるようにする。異なるバイアス電圧で使用することで、ＲＦ振幅一定とする方法などがある。いずれにせよ、この構成では、ＲＺカーバーとしてそれぞれの偏波用にドライバー、およびその周辺回路を用意しなくてはならない。
【００６６】
図６の構造では、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の変調効率が同じなのでそれぞれの偏波用にＲＺカーバーを用意する必要性がない。１つのＭＺでＰＢＳとＲＺカーバーを提供できる。同時に、ドライバーおよびその周辺回路の数も減少させることができ、消費電力低減、スペース低減、コスト低減の効果が得られる。
【００６７】
また、無偏光または４５°偏波を入力とした場合、この構成でＲＦを４５°の電極に入力すると、ある出力から交互にＴＥ波およびＴＭ波が出力される偏波変調器も構成可能である（図９）。
【符号の説明】
【００６８】
１００、４００ ＰＢＳ
１０１ 半導体基板
１０２ 第１のアーム導波路
１０２Ａ 第１の導波路部
１０２Ｂ 第１の電極
１０２Ｃ 第３の導波路部
１０２Ｄ 第３の電極
１０３ 第２のアーム導波路
１０３Ａ 第２の導波路部
１０３Ｂ 第２の電極
１０３Ｃ 第４の導波路部
１０３Ｄ 第４の電極
１１０ 第１の光カプラ
１２０ 第１の複屈折率調整部
１３０ 第２の複屈折率調整部
１４０ 第２の光カプラ
６００ ＰＢＳ
６１０ 第１の光カプラ
６２０ 第１の複屈折率調整部
６４０ 第２の光カプラ
６５０ 高速変調部
７００ ＰＢＳ
７１０ 第１の光カプラ
７２０ 第１の複屈折率調整部
７３０ 第２の複屈折率調整部
７４０ 第２の光カプラ
７５０ 高速変調部
θ 傾斜角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上の位相シフタ並びにそれを用いた偏波分離器及び偏波合成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット等により通信トラフィックの大容量化が求められている。そのため、波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいて、１チャネル当たりの伝送速度の増加や波長数の増加が求められている。具体的には、ＷＤＭシステムの伝送には４０Ｇｂｉｔ／ｓや１００Ｇｂｉｔ／ｓといった高い伝送速度が求められている。
【０００３】
ところが、高速化のために変調シンボルレートを高くすると、分散耐性が急激に劣化し、伝送距離が縮小してしまうという問題等があり、シンボルレートを上げずにビットレートを大きくする多値化技術や多重化技術の必要性が高まっている。マッハツェンダ型光変調器を複数並列に配置したＤＱＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓａ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）光変調器やＤＰ（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）−ＱＰＳＫ光変調器等、様々なフォーマットが開発されているが、こうしたアドバンスドフォーマットでは偏波多重化技術が標準的になってきている。
【０００４】
偏波多重技術において光送信器に必要な機能は、直交する偏光成分それぞれに異なる変調信号を載せることである。形にする方法として２つ考えられている。１つは、１偏波の光をそれぞれ変調し、どちらか一方の偏光を９０°回転させた後に偏波ビームコンバイナ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）により合波する方法（非特許文献１参照）であり、もう１つは、光変調器に光が入射される時点で２つの偏光成分を持たせ、入射後、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）により直交する成分に分離して直交成分をそれぞれ変調する方法（非特許文献２参照）である。
【０００５】
現在、これらの技術はＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム；ＬＮ）で構成されたＬＮ変調器を用いて実現されているが、１００Ｇｂｉｔ／ｓのＤＰ−ＱＰＳＫが今後普及してくると、ＬＮ変調器ではサイズが大きくなってしまう。また、半波長電圧が比較的高く、高い電圧出力を有するドライバーを使用する必要もあり、ドライバーでの消費電力が高くなる問題に直面する。現在の通信では、消費電力を下げながら、かつ小型化していくことが求められており、今後はＬＮ変調器だけで上記問題を解決していくことに限りがある。
【０００６】
そこで、これらの要求に応える１つの手段として、半導体素子に電界を与えることで屈折率を変化させ、入力電気信号を光の位相変化に変換するマッハツェンダ型の半導体変調器が注目されている。半導体変調器は、ＬＮ変調器に比べて、構成する光導波路の比屈折率差が大きく、曲げ半径を小さくできるため、小型な回路レイアウトが可能となる。また、駆動電圧もＬＮ変調器に比べて小さくすることが可能であるため、低消費電力の観点からも注目されている。すでに、これらの半導体変調器においても、ＬＮ変調器と同じく、ＤＱＰＳＫなどの多値伝送フォーマットに対応した高速変調器が報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Hiroshi Yamazaki et al., “Integrated 100-Gb/s PDM-QPSK modulator using a hybrid assembly technique with silica-based PLCs and LiNbO3 phase modulators,” ECOC 2008, Mo.3.C.1, 2008.
【非特許文献２】C. R. Doerr and L. Zhang, “Monolithic 80-Gb/s Dual Poralization On-Off-Keying Modulator in InP,” OFC, PDP19, 2008.
【非特許文献３】Y. Hashizume, R. Kasahara, T. Saida, Y. Inoue, and M. Okano, “Integrated polarisation beam splitter using waveguide birefringence dependence on waveguide core width,” Electronics Letters, 6 Dec 2001, Vol. 37, No. 25, pp. 1517-1518.
【非特許文献４】大家重明、張吉夫、岡部隆博、「閃亜鉛鉱形結晶の電気光学効果」、レーザー研究、社団法人レーザー学会、1987年1月、第15巻、第1号、pp. 2-11
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術では、マッハツェンダ型の半導体変調器における偏波多重化を実現する方法として、マイクロオプティクスを利用した偏波制御が主流である。しかしながら、半導体を利用しているため変調器は小さく作製できるのに、偏波制御する箇所でのサイズがマイクロオプティクスといえども大きく、素子全体のサイズが大きくなり、半導体を利用しているメリットを小さくしてしまっている。また、アライメントが煩雑であり、時間がかかるので製造コストがかかる。
【０００９】
したがって、半導体基板上にＰＢＣやＰＢＳをモノリシック集積することが求められている。そうすればアライメントを要さず、半導体変調器における偏波制御を小型に実現可能である。
【００１０】
そこで、マッハツェンダ型光回路を導波路幅の異なるアーム導波路で構成すると、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率差である複屈折率が上下のアーム導波路で異なることを利用することが考えられる。導波路幅により複屈折率を制御することにより、マッハツェンダ型光回路の出力において、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に半波長の位相差を与えることができる。このため、無偏光光を入射すると、偏波で出力が異なる回路、つまりＰＢＳが実現でき、相反性から反対に、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光をそれぞれ入力とすると合波されて１つの導波路に出力されるＰＢＣが実現できる（非特許文献３参照）。
【００１１】
しかしながら、そのようなマッハツェンダ型光回路を設計通りに再現良く製造することは非常に難しい。特に、半導体光導波路は、導波路幅がわずかに設計からずれても、その導波路の実効屈折率が大きく変化してしまう。そこで、製造したマッハツェンダ型光回路の複屈折率に対する調整機構が必要となる。
【００１２】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、精度の高い複屈折率調整が可能な半導体基板上の位相シフタを提供すること、並びにそれを用いた偏波分離器及び偏波合成器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１の複屈折率調整部と、前記第１の複屈折率調整部に接続された第２の複屈折率調整部とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備え、前記第１の複屈折率調整部は、第１のアーム導波路が有する第１の幅の第１の導波路部と、前記第１のアーム導波路と並列に配置された第２のアーム導波路が有する第２の幅の第２の導波路部と、前記第１の導波路部上の第１の電極と、前記第２の導波路部上の第２の電極とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きく、前記第２の複屈折率調整部は、前記第１のアーム導波路が有する、前記第１の導波路部から傾斜して配置された第３の導波路部と、前記第２のアーム導波路が有する、前記第２の導波路部から傾斜して前記第３の導波路部と平行に配置された第４の導波路部と、前記第３の導波路部の上の第３の電極と、前記第４の導波路部の上の第４の電極とで構成されていることを特徴とする位相シフタである。
【００１４】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第３及び第４の導波路部が、前記第２の複屈折率調整部において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する単位電圧当たりの屈折率変化率の偏波面依存性が抑制される方向に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記半導体基板の主面方位は（１００）であり、前記第１及び第２の導波路部は、０１−１方向に配置されており、前記第３及び第４の導波路部は、０１０方向に配置されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記半導体基板の主面方位は（１００）であり、前記第１及び第２の導波路部は、０１−１方向に配置されており、前記第３及び第４の導波路部は、０１０方向から±５°の範囲ずらして配置されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第５の態様は、第１の光カプラと、前記第１の光カプラに接続された、第１から第４のいずれかの態様の位相シフタと、前記位相シフタに接続された第２の光カプラとを備えることを特徴とする偏波分離器である。
【００１８】
また、本発明の第６の態様は、第１の光カプラと、前記第１の光カプラに接続された、第１から第４のいずれかの態様の位相シフタと、前記位相シフタに接続された第２の光カプラとを備えることを特徴とする偏波合成器である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１の複屈折率調整部と、第１の複屈折率調整部に接続された第２の複屈折率調整部とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備える位相シフタであって、第１の複屈折率調整部を構成する上下のアーム導波路と、第２の複屈折率調整部を構成する上下のアーム導波路とを傾斜させていることにより、精度の高い複屈折率調整が可能な半導体基板上の位相シフタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図２】第１の実施形態に係るＰＢＳの変形形態を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係るＰＢＳの製造方法を説明するための図である。
【図４】第２の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図５】閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体の屈折率楕円体を示す図である。
【図６】第４の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図７】第４の実施形態に係るＰＢＳの変形形態を示す図である。
【図８】従来のＲＺカーバーを示す図である。
【図９】図６のＰＢＳの動作例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係るＰＢＳを示す。ＰＢＳとして説明するが、ＰＢＣとしても機能することは上述の通りである。ＰＢＳ１００は、第１の光カプラ１１０と、第１の光カプラ１１０に接続された第１の複屈折率調整部１２０と、第１の複屈折率調整部１２０に接続された第２の複屈折率調整部１３０と、第２の複屈折率調整部１３０に接続された第２の光カプラ１４０とを閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板１０１上に備える。第１の複屈折率調整部１２０及び第２の複屈折率調整部１３０が位相シフタとして機能する。
【００２３】
第１の複屈折率調整部１２０は、第１のカプラ１１０に接続された第１のアーム導波路１０２が有する第１の幅の第１の導波路部１０２Ａと、第１のカプラ１１０に第１のアーム導波路１０２と並列に接続された第２のアーム導波路１０３が有する第２の幅の第２の導波路部１０３Ａと、第１の導波路部１０２Ａ上の第１の電極１０２Ｂと、第２の導波路部１０３Ａ上の第２の電極１０３Ｂとで構成され、ここで、第１の幅は第２の幅よりも大きい。
【００２４】
第２の複屈折率調整部１３０は、第１のアーム導波路１０２が有する、第１の導波路部１０２Ａから傾斜して配置された第３の導波路部１０２Ｃと、第２のアーム導波路１０３が有する、第２の導波路部１０３Ｂから傾斜して第３の導波路部１０２Ｃと平行に配置された第４の導波路部１０３Ｃと、第３の導波路部１０２Ｃの上の第３の電極１０２Ｄと、第４の導波路部１０３Ｃの上の第４の電極１０３Ｄとで構成される。第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃの傾斜角は、角度がついていればよく、たとえば、３０°とすることができる。
【００２５】
図１では、上下のアーム導波路の長さが等しくなるように２度曲げているが、２度曲げることは必ずしも必要でない。しかし、２度曲げにより上下のアーム導波路を等長に近づけることができ、帯域が広くできるので好ましい。
【００２６】
本実施形態に係るＰＢＳ１００は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の閃亜鉛鉱型構造を有する化合物半導体に形成された光導波路において、電圧を印加した際の屈折率変化に対する偏波面依存性および結晶方位依存性が存在することを利用する。一般に、半導体光導波路は偏波面依存性を有するが、閃亜鉛鉱型構造を有する化合物半導体では、ＴＥ偏光に対する屈折率変化に光導波路に平行な結晶方位が大きく影響する。第１の複屈折率調整部１２０と第２の複屈折率調整部１３０を構成する光導波路の方向を変えることにより、単位電圧当たりの屈折率変化率が異なる２種類の複屈折率調整機構が得られる。これらの複屈折率調整機構を以下のように用いることで、高精度の複屈折率調整をすることができる。
【００２７】
まず、光源としてＡＳＥ光を用いて、第１の光カプラ１１０に導く。たとえば、先球ファイバを用いて第１の光カプラ１１０の入力導波路端面から入力を行う。次いで、第１の複屈折率調整部１２０において、第１の電極１０２Ｂ又は第２の電極１０３Ｂに電圧を印加し、偏波消光比がどこかの観測波長内で最大になるように調整を行う。このとき、最大偏波消光比が得られる波長は、動作波長と一致しなくてもよい。出力の観測は、偏波保持の先球ファイバを用いて第２の光カプラ１４０の出力導波路端面からの出力を集め、ファイバーインライン型のＰＢＳを介して各偏波の出力をスペクトルアナライザに導入し、スペクトルを見ながら調整を実施する。この状態で、第２の複屈折率調整部１３０の第３の電極１０２Ｃ又は第４の電極１０３Ｄに電圧を加える。スペクトルが変化するので、動作波長と最大偏波消光比が得られる波長が一致する方向に印加電圧を微調整する。目的波長に近くなるとともに、偏波消光比がやや劣化する。そこで、再度偏波消光比を改善するように第１の複屈折率調整部１２０の電圧を調整し、偏波消光比を改善する。第１の複屈折率調整部１２０における偏波消光比の調整と、第２の複屈折率調整部１３０での波長の調整とを繰り返し実施し、目的の動作波長で目的の偏波消光比を最終的に得る。調整は複数回の繰り返しが必要で多少手間と時間はかかるが、所望の特性を有する位相シフタを得ることが可能である。
【００２８】
なお、スペクトルアナライザを用いた調整方法を説明したが、これに限らない。波長可変レーザー、偏光子と光パワーメーターなどを組み合わせて用いて測定しても調整は可能である。
【００２９】
また、本実施形態に係るＰＢＳは、図２に示すように、第１の複屈折率調整部１２０と第２の複屈折率調整部１３０の配置順序を入れ替えても同様に機能することに留意されたい。
【００３０】
また、第２の実施形態における説明から分かることであるが、半導体基板１０１の主面方位が（１００）である場合、第１の導波路部１０２Ａ及び第２の導波路部１０３Ａと、第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを、０１１方向に対称軸を有しないように配置することが必要である。この場合には、第１の複屈折率調整部１２０と第２の複屈折率調整部１３０の屈折率変化率が同じになり、２種類の複屈折率調整機構を設けることができないからである。
【００３１】
製造方法
図３を参照して、本実施形態に係るＰＢＳの製造方法を説明する。はじめに、図３（ａ）に示すように、半絶縁性（ＳＩ（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ））−ＩｎＰ基板５０上に第１のｎ型電極層５１（ｎ＋−ＩｎＰ）を成長し、その上に第１のｎ型クラッド層５２（ｎ−ＩｎＰ）を形成し、第１のｎ型クラッド層５２上には、第１の中間層５３（i−ＩｎＧａＡｓＰ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）コア層５４、第２の中間層５５（i−ＩｎＧａＡｓＰ）が形成されている。
【００３２】
第２の中間層５５（i−ＩｎＧａＡｓＰ）の上に第１の低濃度クラッド５６（i−ＩｎＰ）を形成した後、第１の低濃度クラッド５６（i−ＩｎＰ）の上には、電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７（ｐ−ＩｎＰ）が形成される。ｐ型クラッド層５７の上には、第２のｎ型クラッド層５８（ｎ−ＩｎＰ）が形成され、さらにその上に、第２のｎ型電極層５９（ｎ＋−ＩｎＰ）が順に積層されている。
【００３３】
ここで、多重量子井戸コア層５４は、動作光波長で電気光学効果が有効に働くように構成され、例えば、１．５μｍ帯のデバイスであれば、ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａ／Ａｌ組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層と量子バリア層にした多重量子井戸構造とすることができる。また、第１の中間層５３は、光吸収で発生したキャリアをヘテロ界面でトラップされないようにするための接続層として機能する。
【００３４】
本実施形態に係るＰＢＳを製造するには、まず、上下のアーム導波路を電気的に分離するために、アーム導波路間に分離溝を形成する。なお、変調電極と位相調整電極が分かれているマッハツェンダ構造の場合は、その間にも分離溝を設けて電気的分離を行う。これは、電気的分離がなされていないと、片方のアーム導波路に変調のため印加した電圧が他方のアーム導波路の変調に影響を及ぼすためである。分離溝は、第２のｎ型電極層５９から電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７までの一部を標準的なフォトリソグラフィー、パターニングしウエットエッチング技術を用いて、アーム導波路の何処かに幅数ミクロンの溝として取り除くことにより形成する。
【００３５】
なお、本実施形態においては、分離溝により電気的分離を行ったが、電極が接触する変調部周辺以外を石英のハードマスクを用いて第２のｎ型電極層５９から電子バリアとして機能するｐ型クラッド層５７までを除去した後、半絶縁性のＩｎＰで再度成長し置き換えを実施して電気的分離を行ってもよい。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、ドライエッチング技術を用いて第２のｎ型電極層５９（ｎ＋−ＩｎＰ）から第１のｎ型クラッド層中間５２までの層をエッチングすることにより、ハイメサ型の導波路構造を形成する。そして、第１のｎ型クラッド層５２をエッチングすることにより、第１のｎ型電極層５１を露出させる。
【００３７】
最後に、図３（ｃ）に示すように、変調電極、位相調整電極となる第１のｎ型電極６０を第２のｎ型電極層５９上に、接地電極となる第２のｎ型電極６１を第１のｎ型電極層５１上にそれぞれ形成する。なお、必要に応じて、パッシベーション膜を堆積し、メサ表面を保護するようにしてもよいし、ポリマーなどを利用してハイメサ構造を保護してもよい。
【００３８】
マッハツェンダ型光変調器の実装方法
本実施形態に係るＰＢＳ１００は、第１の電極１０２Ｂ、第２の電極１０３Ｂ、第３の電極１０２Ｄ及び第４の電極１０３Ｄに変調信号を入力することにより、変調機能を持たせて光変調器として機能させることができる。その実装方法を説明する。
【００３９】
まず、後の行うへき開が実施できる程度まで基板裏面に研磨を実施する。裏面に固定半田が接着するように金属膜を蒸着した後、各チップにへき開し、入出力導波路がある端面に無反射コートを実施する。
【００４０】
次いで、当該チップをチッカアルミで構成されたサブマウントに、標準的なチップボンダーで搭載したのちに加熱固定し、続いて終端抵抗、コンデンサ、サーミスタ（抵抗変化として温度検出する温度センサ）、高速信号を伝送するための配線板を同じくチップボンダーで搭載し、リフロ―により固定を実施する。
【００４１】
素子固定されたサブマウント上の配線や素子、およびチップの電極をワイヤーボンディングにより結線した後、ＣｕＷからなるマウントにサブマウントを再度負リフロ―固定し、ＹＡＧレーザーを用いて入出力導波路の先に、入出力光をコリメートするレンズを固定する。これらのＣｕＷマウントに搭載されたものを両端にファイバ固定ができるようになった気密パッケージ内に実装し、レンズ付きの入出力ファイバをＹＡＧ固定し、パッケージに設けられた高周波の差動信号入力端子にRF入力コネクタとしてＧＰＰＯコネクタを装着しモジュールの形にする。ここでは、レンズの固定はＹＡＧレーザーを用いて行ったが、この限りではない。また、ＲＦ入力コネクタとしてＧＰＰＯを用いたが、これもその他の所望周波数の信号が入力できるＲＦ入力用端子であれば問題ない。
【００４２】
（第２の実施形態）
図４に、第２の実施形態に係るＰＢＳを示す。ＰＢＳ４００は、第１の実施形態に係るＰＢＳ１００と傾斜角θを除いて同一である。第２の実施形態に係るＰＢＳ４００では、傾斜角θを適切に選択して、第２の複屈折率調整部１３０において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する単位電圧当たりの屈折率変化率が等しくなる方向に第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを配置している。換言すると、屈折率変化率の偏波面依存性が抑制されるように傾斜角θを選択している。
【００４３】
２種類の複屈折率調整機構を用いて高精度の複屈折率調整を行う方法も、第１の実施形態に係るＰＢＳと同様であるが、第２の複屈折率調整部１３０の屈折率変化率が偏波無依存であるため、調整が簡単になる。具体的には、第１の複屈折率調整部１２０により、偏波消光比が最大になるように調整を行い、第２の複屈折率調整部１３０により、偏波消光比の劣化を抑えて最大偏波消光比が得られる波長だけをシフトすることが可能となる。偏波消光比の劣化がほとんどないため、再度第１の複屈折率調整部１２０の電圧を微調することで、動作波長で最大偏波消光比を得ることができ、調整時間を短縮することができる。
【００４４】
半導体基板１０１の主面方位が（１００）である場合、第１の導波路部１０２Ａ及び第２の導波路部１０３Ａを、０１−１方向に配置し、第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを、０１０方向に配置し、傾斜角θを４５°とすると、第２の複屈折率調整部１３０における屈折率変化率の偏波面依存性を抑制することができる。以下、傾斜角θ＝４５°が適切な理由を説明する。
【００４５】
半導体導波路におけるポッケルス効果およびＱＣＳＥの説明
第１の実施形態において説明したように、コア層に多重量子井戸層（ＭＱＷ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ）を持つ半導体導波路に電圧を印加すると、ポッケルス効果に加えて、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ： ｑｕａｎｔｕｍ−ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ ｅｆｆｅｃｔ）による屈折率変化を生じる。
【００４６】
ＩｎＰをはじめとする閃亜鉛鉱型構造（ジンクブレンド型構造）の化合物半導体に電界を印加した際のポッケルス効果による屈折率変化は、屈折率楕円体で記述することができる（非特許文献４参照）。
【００４７】
閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体の屈折率楕円体は、電圧印加前の屈折率をｎ０として以下のように示される。ここで、ｒ41は、閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体の電気光学定数であり、Ｅは、光導波路に印加した電界の強度である。
【００４８】
【数１】
【００４９】
この式は、ｘｙを入れ替えても不変であるから、ｙ＝ｘで記述される直線に対して対称である楕円体を示すことが容易に分かる。そこで、ｘ軸およびｙ軸からそれぞれ45°回転した軸を新たにｘ’軸およびｙ’軸とし、軸を変換することで以下の式を得る。
【００５０】
【数２】
【００５１】
短軸側の半径がa、長軸側の半径がｂである屈折率楕円体が描ける。
【００５２】
図５は、ｚ＝０平面での切断面を示している。この楕円の半径は、図中のＳベクトルの方向に光が伝搬した際に、電界ＥがＺ軸方向に印加されている状態での屈折率を示している。実際のウェーハの向きから考えると、主面方位が（００１）の基板を使用した場合において、０１−１方向のオリエーテーションフラット（ＯＦ）に平行な方向に、電界強度がｘ’方向に振動するＴＥ波として伝搬するとき、ポッケルス効果によりｂの屈折率になり、変化量としてはｂ−ｎ０となる。また、電界を印加しない場合の屈折率ｎ０よりも大きい値を示す。逆に、ＯＦに垂直な０１１方向に伝搬する場合は、ｎ０より小さな値となることが分かる。いずれの場合も、ｙ’方向に電界が振動するＴＭ波として進行する場合は、屈折率楕円体のｚ方向はｎ０であり、外部電界によりポッケルス効果により変調されないことが分かる。また、ＯＦに対して４５°の０１０方向に伝搬する光では、図５の楕円と元の屈折率を示す円との交点を示すので、偏波状態によらずポッケルス効果による屈折率変化は起こらないことが分かる。
【００５３】
ここまでは、ポッケルス効果だけを考慮して考えてきたが、実際の素子のコアが多重量子井戸(ＭＱＷ)からなる場合、ポッケルス効果に加えて、ＱＣＳＥが足される形になる。しかし、ＱＣＳＥは、第１次近似的には結晶方位に依存しない。ｎ（ＱＣＳＥ）を、電界Ｅを印加した際のＱＣＳＥによる屈折率変化量とすると、ポッケルス効果の説明に用いたｎ０をｎ０’＝ｎ０＋ｎ（ＱＣＳＥ）とし、ｎ０をｎ０’に置き換えた屈折率楕円体が描ける。
【００５４】
以上のことから、外部電界Ｅを印加した際の屈折率変化量を、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光についてまとめると以下のようになる。ここで、ポッケルス効果による屈折率変化量をＰと示し、ＱＣＳＥによる変化量をＱとしている。
【００５５】
【表１】
【００５６】
表１は、単位電界強度Ｅを印加した際の屈折率変化量を示すことになるが、導波路の縦方向に電界をかける行為は、平行平板からなるコンデンサに電界を印加するのと同じであり、電界強度は電圧に比例する。つまり、単位電圧当たりの屈折率変化量のＰ、Ｑの作用を示しているとしても差支えがない。
【００５７】
なお、上述の説明でＯＦに平行な方向を０１−１方向としたが、０−１１方向も等価である。また、ＯＦに垂直な方向を０１１方向としたが、０−１−１方向も等価である。また、ＯＦに対して４５°の方向を０１０方向としたが、００−１方向、０−１０方向、００１方向も等価である。
【００５８】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係るＰＢＳは、図４に示した第２の実施形態に係るＰＢＳ４００とほぼ同一であるが、傾斜角θが若干異なる。第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを、０１０方向から若干ずらして配置している。
【００５９】
ＱＣＳＥは、厳密には閉じ込め係数が異なるため、０１０方向に光導波路を配置してもＴＥ偏光とＴＭ偏光で同一とはならない。そこで、０１０方向からややずらすことで、ＱＣＳＥに起因する屈折率変化率が偏波無依存になるようにする。
【００６０】
Ｑ（ＴＥ）＞Ｑ（ＴＭ）の場合、傾斜角θが４５°よりも高い角度に、つまり、ＯＦの０１−１方向に垂直な方向に近づくように第２の複屈折率調整部１３０の第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを傾けることでポッケルス効果の係数が負に働き（表１参照）、ＱＣＳＥに起因する屈折率変化率は変わらないが、ポッケルス効果の寄与により実効的にＴＥ偏光とＴＭ偏光で同じ屈折率変化率を実現できる角度が存在する。
【００６１】
逆にＱ（ＴＭ）＞Ｑ（ＴＥ）の場合は、ＯＦの０１−１方向に水平な方向に傾けることで、ポッケルス係数が正の方向で働き、ＴＥ偏光とＴＭ偏光で同じ屈折率変化率を実現できる角度が存在する。
【００６２】
発明者らが実験的に調べたところでは、０１−１方向に垂直に近くなる方向に２°傾けることで、第２の複屈折率調整部１３０における調整の際に偏波消光比の劣化なく波長のみを個別に調整することができた。実際の製造では、ウェーハに設けられているＯＦの角度誤差等もあるので、第２の複屈折率調整部１３０の第３の導波路部１０２Ｃ及び第４の導波路部１０３Ｃを０１０方向から±５°の範囲傾ければよい。
【００６３】
（第４の実施形態）
図６に、高速の光変調が可能なＰＢＳを示す。ＰＢＳ６００は、第１の光カプラ６１０と、第１の複屈折率調整部６２０と、高速変調部６５０と、第２の光カプラ６４０とを半導体基板６０１上に備える。高速変調部６５０を構成する光導波路は、単位電圧当たりの屈折率変化率がＴＥ偏光とＴＭ偏光でほぼ等しくなるように、０１０方向に配置されている。
【００６４】
図６のＰＢＳ６００では、簡単のため、第１の複屈折率調整部６２０が設計通りに製造され、複屈折率の調整機構が不要な場合を考えている。第１から第３の実施形態で説明してきた本発明に係る位相シフタを用いる場合には、図７のような配置を採ることが考えられる。図６の構成は、ＲＦ信号を入れると、ＰＢＳでありながら高速の光変調が実現できる。用途としてＲＺカーバーとして使用することができる。第１の光カプラ７１０、第２の複屈折率調整部７３０、第１の複屈折率調整部７２０、高速変調部７５０、第２の光カプラ７４０がこの順に接続されている。
【００６５】
通常、これをこれまでの方法で実現しようとすると、図８のように、それぞれの偏波用にＲＺカーバーとなるＭＺを配置しその後ＰＢＳを配置する構成となる。この場合は、ＴＥ用、ＴＭ用駆動用のＭＺとなるので、それぞれ異なるＲＦ振幅で駆動する必要がある。つまり使用するユーザは、駆動ドライバーの設定を異なる設定にしなくてはならない。駆動振幅の違いよっては異なるドライバーを用意する必要が出てくる。または、ＭＺの長さを変えて変調効率がＴＥ偏光とＴＭ偏光で同じになるようにする。異なるバイアス電圧で使用することで、ＲＦ振幅一定とする方法などがある。いずれにせよ、この構成では、ＲＺカーバーとしてそれぞれの偏波用にドライバー、およびその周辺回路を用意しなくてはならない。
【００６６】
図６の構造では、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の変調効率が同じなのでそれぞれの偏波用にＲＺカーバーを用意する必要性がない。１つのＭＺでＰＢＳとＲＺカーバーを提供できる。同時に、ドライバーおよびその周辺回路の数も減少させることができ、消費電力低減、スペース低減、コスト低減の効果が得られる。
【００６７】
また、無偏光または４５°偏波を入力とした場合、この構成でＲＦを４５°の電極に入力すると、ある出力から交互にＴＥ波およびＴＭ波が出力される偏波変調器も構成可能である（図９）。
【符号の説明】
【００６８】
１００、４００ ＰＢＳ
１０１ 半導体基板
１０２ 第１のアーム導波路
１０２Ａ 第１の導波路部
１０２Ｂ 第１の電極
１０２Ｃ 第３の導波路部
１０２Ｄ 第３の電極
１０３ 第２のアーム導波路
１０３Ａ 第２の導波路部
１０３Ｂ 第２の電極
１０３Ｃ 第４の導波路部
１０３Ｄ 第４の電極
１１０ 第１の光カプラ
１２０ 第１の複屈折率調整部
１３０ 第２の複屈折率調整部
１４０ 第２の光カプラ
６００ ＰＢＳ
６１０ 第１の光カプラ
６２０ 第１の複屈折率調整部
６４０ 第２の光カプラ
６５０ 高速変調部
７００ ＰＢＳ
７１０ 第１の光カプラ
７２０ 第１の複屈折率調整部
７３０ 第２の複屈折率調整部
７４０ 第２の光カプラ
７５０ 高速変調部
θ 傾斜角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の複屈折率調整部と、前記第１の複屈折率調整部に接続された第２の複屈折率調整部と
を閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備え、
前記第１の複屈折率調整部は、第１のアーム導波路が有する第１の幅の第１の導波路部と、前記第１のアーム導波路と並列に配置された第２のアーム導波路が有する第２の幅の第２の導波路部と、前記第１の導波路部上の第１の電極と、前記第２の導波路部上の第２の電極とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きく、
前記第２の複屈折率調整部は、前記第１のアーム導波路が有する、前記第１の導波路部から傾斜して配置された第３の導波路部と、前記第２のアーム導波路が有する、前記第２の導波路部から傾斜して前記第３の導波路部と平行に配置された第４の導波路部と、前記第３の導波路部の上の第３の電極と、前記第４の導波路部の上の第４の電極とで構成されていることを特徴とする位相シフタ。
【請求項２】
前記第３及び第４の導波路部は、前記第２の複屈折率調整部において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する単位電圧当たりの屈折率変化率の偏波面依存性が抑制される方向に配置されていることを特徴とする請求項１記載の位相シフタ。
【請求項３】
前記半導体基板の主面方位は（１００）であり、
前記第１及び第２の導波路部は、０１−１方向に配置されており、
前記第３及び第４の導波路部は、０１０方向に配置されていることを特徴とする請求項２記載の位相シフタ。
【請求項４】
前記半導体基板の主面方位は（１００）であり、
前記第１及び第２の導波路部は、０１−１方向に配置されており、
前記第３及び第４の導波路部は、０１０方向から±５°の範囲ずらして配置されていることを特徴とする請求項２記載の位相シフタ。
【請求項５】
第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに接続された、請求項１から４のいずれかに記載の位相シフタと、
前記位相シフタに接続された第２の光カプラと
を備えることを特徴とする偏波分離器。
【請求項６】
第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに接続された、請求項１から４のいずれかに記載の位相シフタと、
前記位相シフタに接続された第２の光カプラと
を備えることを特徴とする偏波合成器。
【請求項１】
第１の複屈折率調整部と、前記第１の複屈折率調整部に接続された第２の複屈折率調整部と
を閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備え、
前記第１の複屈折率調整部は、第１のアーム導波路が有する第１の幅の第１の導波路部と、前記第１のアーム導波路と並列に配置された第２のアーム導波路が有する第２の幅の第２の導波路部と、前記第１の導波路部上の第１の電極と、前記第２の導波路部上の第２の電極とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きく、
前記第２の複屈折率調整部は、前記第１のアーム導波路が有する、前記第１の導波路部から傾斜して配置された第３の導波路部と、前記第２のアーム導波路が有する、前記第２の導波路部から傾斜して前記第３の導波路部と平行に配置された第４の導波路部と、前記第３の導波路部の上の第３の電極と、前記第４の導波路部の上の第４の電極とで構成されていることを特徴とする位相シフタ。
【請求項２】
前記第３及び第４の導波路部は、前記第２の複屈折率調整部において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する単位電圧当たりの屈折率変化率の偏波面依存性が抑制される方向に配置されていることを特徴とする請求項１記載の位相シフタ。
【請求項３】
前記半導体基板の主面方位は（１００）であり、
前記第１及び第２の導波路部は、０１−１方向に配置されており、
前記第３及び第４の導波路部は、０１０方向に配置されていることを特徴とする請求項２記載の位相シフタ。
【請求項４】
前記半導体基板の主面方位は（１００）であり、
前記第１及び第２の導波路部は、０１−１方向に配置されており、
前記第３及び第４の導波路部は、０１０方向から±５°の範囲ずらして配置されていることを特徴とする請求項２記載の位相シフタ。
【請求項５】
第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに接続された、請求項１から４のいずれかに記載の位相シフタと、
前記位相シフタに接続された第２の光カプラと
を備えることを特徴とする偏波分離器。
【請求項６】
第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに接続された、請求項１から４のいずれかに記載の位相シフタと、
前記位相シフタに接続された第２の光カプラと
を備えることを特徴とする偏波合成器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４７５８０（Ｐ２０１２−２４７５８０Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１８５０１（Ｐ２０１１−１１８５０１）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]