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波器
【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、複屈折率付与部１２０と、た複屈折率調整部１３０と、第２の光カプラ１４０とを、閃亜鉛鉱型構造を有する１０１半導体基板上に備える。複屈折率付与部１２０及び複屈折率調整部１３０が位相シフタとして機能する。第１のアーム導波路１０２の第５の導波路部１０２Ｃの上に、第１の電極１０２Ｄが配置され、第２のアーム導波路１０３の第４の導波路部１０３Ｂが有する第２の傾斜部分の上に第２の電極１０３Ｄが配置されている。第１の電極１０２Ｄが配置された第１の方向と、第２の電極１０３Ｄが配置された第２の方向は、複屈折率調整部１３０において、両電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光に対する上下アーム導波路間の位相差が抑制され、ＴＥ偏光に対する上下アーム導波路間の位相差が増大される方向である。
【解決手段】ＰＢＳ１００は、第１の光カプラ１１０と、複屈折率付与部１２０と、た複屈折率調整部１３０と、第２の光カプラ１４０とを、閃亜鉛鉱型構造を有する１０１半導体基板上に備える。複屈折率付与部１２０及び複屈折率調整部１３０が位相シフタとして機能する。第１のアーム導波路１０２の第５の導波路部１０２Ｃの上に、第１の電極１０２Ｄが配置され、第２のアーム導波路１０３の第４の導波路部１０３Ｂが有する第２の傾斜部分の上に第２の電極１０３Ｄが配置されている。第１の電極１０２Ｄが配置された第１の方向と、第２の電極１０３Ｄが配置された第２の方向は、複屈折率調整部１３０において、両電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光に対する上下アーム導波路間の位相差が抑制され、ＴＥ偏光に対する上下アーム導波路間の位相差が増大される方向である。
【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波器に関する。
【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、マッハツェンダ型の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、複屈折率付与部と、前記複屈折率付与部に接続された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、前記複屈折率付与部は、第１のアーム導波路が有する第１の幅の第１の導波路部であって、第１の方向に配置された第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の導波路部とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きく、前記複屈折率調整部は、前記第１の導波路部に隣接する第３の導波路部であって、前記第１の方向と異なる第２の方向に傾斜して配置された第１の傾斜部分を有する第３の導波路部と、前記第２の導波路部に隣接する第４の導波路部であって、前記第２の方向に傾斜して配置された第２の傾斜部分を有する第４の導波路部と、前記第３の導波路部に隣接する第５の導波路部であって、前記第１の導波路部と平行な第５の導波路部と、前記第４の導波路部に隣接する第６の導波路部であって、前記第２の導波路部と平行な第６の導波路部と、前記第１の傾斜部分または前記第５の導波路部の上に配置された第１の電極と、前記第２の傾斜部分または前記第６の導波路部のうち、前記第１の電極の方向と異なる方向の方の上に配置された第２の電極とを備え、前記第１及び第２の方向は、前記複屈折率調整部において、前記第１及び第２の電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光に対する前記第１及び第２のアーム導波路間の位相差が抑制され、ＴＥ偏光に対する前記第１及び第２のアーム導波路間の位相差が増大される方向であ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１の電極に単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量をＰ１としたときに、前記第２の電極に単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量が−Ｐ１であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記半導体基板の主面方位が（１００）であり、前記第１の方向は、０１−１方向と平行または直交する方向であり、前記第２の方向は、前記第１の方向に直交する方向であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記第２の方向に配置された電極が、電気的に並列接続された第１及び第２の部分に分割され、前記第１及び第２の部分の長さの合計が前記第１の方向に配置された電極の長さと等しいことを特徴とする。
【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のアーム導波路に配置された第１の電極の第１の方向と、第２のアーム導波路に配置された第２の電極の第２の方向を、複屈折率調整部において、第１及び第２の電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光に対する第１及び第２のアーム導波路間の位相差が抑制され、ＴＥ偏光に対する第１及び第２のアーム導波路間の位相差が増大される方向とすることにより、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】第１の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図２】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３】図１の複屈折率調整部１３０の動作を説明するための図である。
【図４】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５】本発明の第２の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図６】第２の実施形態に係るＰＢＳの変形形態を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図８】従来のＲＺカーバーを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１に、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に接続された複屈折率付与部１２０と、複屈折率付与部１２０に接続された複屈折率調整部１３０と、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１０１半導体基板上に備える。複屈折率付与部１２０及び複屈折率調整部１３０が位相シフタとして機能する。
【００２３】
複屈折率付与部１２０は、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であって、第１の方向に配置された第１の導波路部１０２Ａと、第１のアーム導波路１０２と並列に配置された第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とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きい。第１の導波路部１０２Ａを太くする際に用いたテーパー部分の屈折率を相殺するために、第２のアーム導波路１０３の第２の導波路部１０３Ａには、テーパーを対向させて配置してあるが、第１の導波路部１０２Ａを適切に設計すれば第２の導波路部１０３Ａのテーパーは無くてもよい。
【００２４】
複屈折率調整部１３０は、第１の導波路部１０２Ａに隣接する第３の導波路部１０２Ｂと、第３の導波路部１０２Ｂに隣接する第５の導波路部１０２Ｃとを有する。第３の導波路部１０２Ｂは、第１の導波路部１０２Ａの方向である第１の方向と異なる第２の方向に傾斜して配置された第１の傾斜部分を有する。第５の導波路部１０２Ｃは、第１の導波路部１０２Ａと平行である。例えば、半導体基板１０１の主面方位が（１００）である場合、図示のように、第１の方向を０１−１方向、第２の方向を０１１方向とすることができる。当該方向が好ましい理由については後述する。
【００２５】
複屈折率調整部１３０は、さらに、第２の導波路部１０３Ｂに隣接する第４の導波路部１０３Ｂと、第４の導波路部１０３Ｂに隣接する第６の導波路部１０３Ｃとを有する。第４の導波路部１０３Ｂは、上述の第２の方向に傾斜して配置された第２の傾斜部分を有する。第６の導波路部１０３Ｃは、第２の導波路部１０３Ａと平行である。
【００２６】
第５の導波路部１０２Ｃの上に、第１の電極１０２Ｄが配置され、第４の導波路部１０３Ｂが有する第２の傾斜部分の上に第２の電極１０３Ｄが配置されている。電極配置に関して第１のアーム導波路１０２と第３のアーム導波路１０３を逆にして、第１の電極１０２Ｄを第３の導波路部１０２Ｂの第１の傾斜部分に配置し、第２の電極１０３Ｄを第６の導波路部１０３Ｃの上に配置してもよいが、以下では簡単のため前者の電極配置で説明する。
【００２７】
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。そこで、複屈折率調整部１３０において、第１の電極１０２Ｄ及び第２の電極１０３Ｄを、それぞれ光導波路の方向が異なる部位に設ける。前記第１及び第２の電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光については結晶方位依存性がないため、同等の屈折率変化が生じ、結果として、上下のアーム導波路間で位相差は発生しないが、ＴＥ偏光については、第１及び第２の方向を適切に選択すると、一方のアーム導波路では屈折率変化がＴＭ偏光よりも大きくなり、他方のアーム導波路では小さくなる。その結果、上下のアーム導波路間では位相差が生じることになる。つまり、本実施形態に係るＰＢＳ１００が有する複屈折率調整部１３０によれば、ＴＥ偏光に対してのみ特性の調整を行うことができ、複屈折率付与部１２０により得られる複屈折率の高精度の調整を容易に行うことができる。
【００２８】
なお、以上の説明では、複屈折率付与部の後に複屈折率調整部が配置された構成を考えてきたが、この順序が逆であっても同様に機能することに留意されたい。
【００２９】
また、第１の電極１０２Ｄと第２の電極１０３Ｄの長さを同一にし、これらの電極に対して同一の電圧を印加する場合を例に先の説明を行ったが、必ずしも電極長さを同一にする必要はない。同一にすると、調整のための電源の個数が減らすことが可能であり、また、電源への結線も１つにできる。ケースに入れた場合、ケースのピンが少なくできる利点もある。しかし、電極長さが異なっていても、各電極に印加する電圧を適切に選択すれば、ＴＭ偏光については上下のアーム導波路間で位相差が発生せず、ＴＥ偏光については位相差が生じるので、本発明の特徴的な効果を得ることができる。
【００３０】
以下、第１及び第２の方向の一例が０１−１方向及び０１１方向である点について説明する。
【００３１】
半導体導波路におけるポッケルス効果およびＱＣＳＥの説明
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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。
【００３４】
【数１】
【００３５】
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。
【００３６】
【数２】
【００３７】
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。
【００３８】
図２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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
【表１】
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
図３を参照して、図１の複屈折率調整部１３０の動作を説明する。第１の電極１０２Ｄは、第１の方向である０１−１方向、第２の電極１０３Ｄは、第２の方向である０１１方向に向いている。上側の第１のアーム導波路１０２には、横向きの第１の電極１０２Ｄに電圧Ｖを印加し、下側の第２のアーム導波路１０３には、縦向きの第２の電極１０３Ｄに電圧Ｖを印加する。この場合、ＴＥ偏光に対する位相差ΔφTEは、次式のようになる。ここで、Ｌは電極の長さである。
【００４５】
【数３】
【００４６】
一方、ＴＭ偏光に対する位相差ΔΦTMは、
【００４７】
【数４】
【００４８】
となる。つまりこのように対になるアーム導波路で直交関係にある電極に電圧を印加するとＴＥ偏光のみに関して上下のアーム導波路間の位相差が変化し、ＴＭ偏光は電界により位相差がつかず、変調されなくすることができる。
【００４９】
今までのＰＢＳの調整では、複屈折率を調整するために電極を駆動すると、偏波消光比がえられる波長も変更されて、消光波長を調整すると複屈折率が変更されていた。これらの作業を繰り返し最適な駆動状態を見つけ出す作業が必要であった。しかし、本実施形態に係るＰＢＳ１００では、ＴＭ偏光の消光特性は変化せずに、ＴＥ偏光の特性だけが変化するため、容易にＰＢＳ動作点調整が可能となる。例えば、ＰＢＳを考えて、ＴＭ偏光のみを透過させたいポートがあるとする。ＴＭポートが既に所望の波長で最大透過状態にあり、ＴＥ偏光の消光波長が所望の波長にない場合、本実施形態のような電極配置を有するＰＢＳであれば、ＴＭ偏光の状態を動かさずにＴＥ偏光の消光点を所望の波長に動かすことができ、検査調整時間の大幅短縮が可能である。
【００５０】
なお、上の式のように、第１の電極１０２Ｄに単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量をＰ１としたときに、第２の電極１０３Ｄに単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量が正確に−Ｐ１である場合には、ＴＥ偏光の消光波長のみが変化しＴＭ偏光は変化しない。しかしながら、実際には、絶対値が同じで符号が反転されている状態に正確に一致しなくてもよい。符号が逆であり、ほぼ同じ絶対値を持てば効果は得られる。電圧を印加して調整する際に、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の消光波長の移動は大きな差があるので、何も対策をしない場合に比べて大幅にＰＢＳの調整時間を短縮することができる。
【００５１】
ここまでは、０１−１方向に対して平行な方向に第１の電極１０２Ｄ、それに垂直な方向である０１１方向に第２の電極１０３Ｄが配置されている場合を示した。半導体基板１０１の主面方位が（１００）である場合に、ＴＥ偏光の特性だけを変化させることのできる電極配置が他にも存在するのでその説明をする。
【００５２】
例えば、第１の電極１０２Ｄを、０１−１方向に対して３０°の軸に平行な方向に配置し、第２の電極１０３Ｄを０１−１方向に対して１２０°の軸に平行な方向に配置した場合が挙げられる。０１−１方向に作製した場合より変調効率が劣化するので調整に高い電圧が必要になるが同じ効果が得られ、容易にPBSの調整を実施でき、調整時間を大幅に短縮することができる。ただし、ＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量が０となる場合、つまり、０１０方向に平行または垂直な方向に第１の電極１０２Ｄ及び第２の電極１０３Ｄを配置する構成は除かれる。
【００５３】
ＱＣＳＥの偏頗依存性はないものとしてＴＥ偏光、ＴＭ偏光ともＱＣＳＥによる屈折率変化量をＱと示している。実際のデバイスでは、閉じ込め係数の差からＱは偏波依存性を持つことが考えられる。つまりＱ（ＴＥ）とＱ（ＴＭ）は同じではないことがある。あったとしてもその差は小さいので、ＰＢＳの調整としてはこのままでも十分で、より簡便なＰＢＳ動作点の調整に対効果を発揮する。
【００５４】
製造方法
図４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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態に係るＰＢＳを示す。ＰＢＳ５００は、第４の導波路部及びその上の第２の電極を除いて、第１の実施形態に係るＰＢＳ１００と同様である。本実施形態に係るＰＢＳ５００では、第２の電極６０３Ｄが、電気的に並列接続された第１の部分６０３Ｄ’及び第２の部分６０３Ｄ”に分割されている。第１の部分６０３Ｄ’及び第２の部分６０３Ｄ”の長さをそれぞれＬ’、Ｌ”とすると、Ｌ’＋Ｌ”＝Ｌを満たすようにする。第４の導波路部６０３Ｂは、第２の傾斜部分として２つの平行な傾斜部分を有し、さらに、これらの２つの傾斜部分を接続する１８０度方向変換導波路を有する。図１のレイアウトと比較して、図５のレイアウトは面積を抑えることができる。
【００６２】
例えば、図６のようにレイアウトすれば、長さ方向に素子長を抑えることが可能である。本実施例のＰＢＳを他のデバイスと１つのウェーハ上に集積する場合等は、他のデバイスに与える面積を大きくする、或いはチップサイズ全体を押し下げることができる。
【００６３】
（第３の実施形態）
図７に、第３の実施形態に係るＰＢＳを示す。本構成では、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、複屈折率付与部７２０、複屈折率調整部７３０、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。
【００６４】
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。
【００６５】
本実施形態の構造では、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。
【００６６】
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偏光とＴＭ偏光が出力される偏波変調器も構成可能である。
【符号の説明】
【００６７】
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３の導波路部
１０２Ｃ 第５の導波路部
１０２Ｄ 第１の電極
１０３ 第２のアーム導波路
１０３Ａ 第２の導波路部
１０３Ｂ 第４の導波路部
１０３Ｃ 第６の導波路部
１０３Ｄ 第２の電極
１１０ 第１の光カプラ
１２０ 複屈折率付与部
１３０ 複屈折率調整部
１４０ 第２の光カプラ
５００ ＰＢＳ
５０２Ａ 第１の導波路部
５０２Ｂ 第３の導波路部
５０２Ｃ 第５の導波路部
５０２Ｄ 第１の電極
５０３ 第２のアーム導波路
５０３Ａ 第２の導波路部
５０３Ｂ 第４の導波路部
５０３Ｃ 第６の導波路部
５０３Ｄ 第２の電極
５０３Ｄ’ 第１の部分
５０３Ｄ” 第２の部分
５２０ 複屈折率付与部
５３０ 複屈折率調整部
５４０ 第２の光カプラ
７００ ＰＢＳ
７１０ 第１の光カプラ
７２０ 複屈折率付与部
７３０ 複屈折率調整部
７４０ 第２の光カプラ
７５０ 高速変調部
【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波器に関する。
【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、マッハツェンダ型の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、複屈折率付与部と、前記複屈折率付与部に接続された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、前記複屈折率付与部は、第１のアーム導波路が有する第１の幅の第１の導波路部であって、第１の方向に配置された第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の導波路部とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きく、前記複屈折率調整部は、前記第１の導波路部に隣接する第３の導波路部であって、前記第１の方向と異なる第２の方向に傾斜して配置された第１の傾斜部分を有する第３の導波路部と、前記第２の導波路部に隣接する第４の導波路部であって、前記第２の方向に傾斜して配置された第２の傾斜部分を有する第４の導波路部と、前記第３の導波路部に隣接する第５の導波路部であって、前記第１の導波路部と平行な第５の導波路部と、前記第４の導波路部に隣接する第６の導波路部であって、前記第２の導波路部と平行な第６の導波路部と、前記第１の傾斜部分または前記第５の導波路部の上に配置された第１の電極と、前記第２の傾斜部分または前記第６の導波路部のうち、前記第１の電極の方向と異なる方向の方の上に配置された第２の電極とを備え、前記第１及び第２の方向は、前記複屈折率調整部において、前記第１及び第２の電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光に対する前記第１及び第２のアーム導波路間の位相差が抑制され、ＴＥ偏光に対する前記第１及び第２のアーム導波路間の位相差が増大される方向であ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１の電極に単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量をＰ１としたときに、前記第２の電極に単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量が−Ｐ１であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記半導体基板の主面方位が（１００）であり、前記第１の方向は、０１−１方向と平行または直交する方向であり、前記第２の方向は、前記第１の方向に直交する方向であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記第２の方向に配置された電極が、電気的に並列接続された第１及び第２の部分に分割され、前記第１及び第２の部分の長さの合計が前記第１の方向に配置された電極の長さと等しいことを特徴とする。
【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のアーム導波路に配置された第１の電極の第１の方向と、第２のアーム導波路に配置された第２の電極の第２の方向を、複屈折率調整部において、第１及び第２の電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光に対する第１及び第２のアーム導波路間の位相差が抑制され、ＴＥ偏光に対する第１及び第２のアーム導波路間の位相差が増大される方向とすることにより、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】第１の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図２】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３】図１の複屈折率調整部１３０の動作を説明するための図である。
【図４】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５】本発明の第２の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図６】第２の実施形態に係るＰＢＳの変形形態を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るＰＢＳを示す図である。
【図８】従来のＲＺカーバーを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１に、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に接続された複屈折率付与部１２０と、複屈折率付与部１２０に接続された複屈折率調整部１３０と、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１０１半導体基板上に備える。複屈折率付与部１２０及び複屈折率調整部１３０が位相シフタとして機能する。
【００２３】
複屈折率付与部１２０は、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であって、第１の方向に配置された第１の導波路部１０２Ａと、第１のアーム導波路１０２と並列に配置された第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とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きい。第１の導波路部１０２Ａを太くする際に用いたテーパー部分の屈折率を相殺するために、第２のアーム導波路１０３の第２の導波路部１０３Ａには、テーパーを対向させて配置してあるが、第１の導波路部１０２Ａを適切に設計すれば第２の導波路部１０３Ａのテーパーは無くてもよい。
【００２４】
複屈折率調整部１３０は、第１の導波路部１０２Ａに隣接する第３の導波路部１０２Ｂと、第３の導波路部１０２Ｂに隣接する第５の導波路部１０２Ｃとを有する。第３の導波路部１０２Ｂは、第１の導波路部１０２Ａの方向である第１の方向と異なる第２の方向に傾斜して配置された第１の傾斜部分を有する。第５の導波路部１０２Ｃは、第１の導波路部１０２Ａと平行である。例えば、半導体基板１０１の主面方位が（１００）である場合、図示のように、第１の方向を０１−１方向、第２の方向を０１１方向とすることができる。当該方向が好ましい理由については後述する。
【００２５】
複屈折率調整部１３０は、さらに、第２の導波路部１０３Ｂに隣接する第４の導波路部１０３Ｂと、第４の導波路部１０３Ｂに隣接する第６の導波路部１０３Ｃとを有する。第４の導波路部１０３Ｂは、上述の第２の方向に傾斜して配置された第２の傾斜部分を有する。第６の導波路部１０３Ｃは、第２の導波路部１０３Ａと平行である。
【００２６】
第５の導波路部１０２Ｃの上に、第１の電極１０２Ｄが配置され、第４の導波路部１０３Ｂが有する第２の傾斜部分の上に第２の電極１０３Ｄが配置されている。電極配置に関して第１のアーム導波路１０２と第３のアーム導波路１０３を逆にして、第１の電極１０２Ｄを第３の導波路部１０２Ｂの第１の傾斜部分に配置し、第２の電極１０３Ｄを第６の導波路部１０３Ｃの上に配置してもよいが、以下では簡単のため前者の電極配置で説明する。
【００２７】
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。そこで、複屈折率調整部１３０において、第１の電極１０２Ｄ及び第２の電極１０３Ｄを、それぞれ光導波路の方向が異なる部位に設ける。前記第１及び第２の電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光については結晶方位依存性がないため、同等の屈折率変化が生じ、結果として、上下のアーム導波路間で位相差は発生しないが、ＴＥ偏光については、第１及び第２の方向を適切に選択すると、一方のアーム導波路では屈折率変化がＴＭ偏光よりも大きくなり、他方のアーム導波路では小さくなる。その結果、上下のアーム導波路間では位相差が生じることになる。つまり、本実施形態に係るＰＢＳ１００が有する複屈折率調整部１３０によれば、ＴＥ偏光に対してのみ特性の調整を行うことができ、複屈折率付与部１２０により得られる複屈折率の高精度の調整を容易に行うことができる。
【００２８】
なお、以上の説明では、複屈折率付与部の後に複屈折率調整部が配置された構成を考えてきたが、この順序が逆であっても同様に機能することに留意されたい。
【００２９】
また、第１の電極１０２Ｄと第２の電極１０３Ｄの長さを同一にし、これらの電極に対して同一の電圧を印加する場合を例に先の説明を行ったが、必ずしも電極長さを同一にする必要はない。同一にすると、調整のための電源の個数が減らすことが可能であり、また、電源への結線も１つにできる。ケースに入れた場合、ケースのピンが少なくできる利点もある。しかし、電極長さが異なっていても、各電極に印加する電圧を適切に選択すれば、ＴＭ偏光については上下のアーム導波路間で位相差が発生せず、ＴＥ偏光については位相差が生じるので、本発明の特徴的な効果を得ることができる。
【００３０】
以下、第１及び第２の方向の一例が０１−１方向及び０１１方向である点について説明する。
【００３１】
半導体導波路におけるポッケルス効果およびＱＣＳＥの説明
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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。
【００３４】
【数１】
【００３５】
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。
【００３６】
【数２】
【００３７】
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。
【００３８】
図２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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
【表１】
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
図３を参照して、図１の複屈折率調整部１３０の動作を説明する。第１の電極１０２Ｄは、第１の方向である０１−１方向、第２の電極１０３Ｄは、第２の方向である０１１方向に向いている。上側の第１のアーム導波路１０２には、横向きの第１の電極１０２Ｄに電圧Ｖを印加し、下側の第２のアーム導波路１０３には、縦向きの第２の電極１０３Ｄに電圧Ｖを印加する。この場合、ＴＥ偏光に対する位相差ΔφTEは、次式のようになる。ここで、Ｌは電極の長さである。
【００４５】
【数３】
【００４６】
一方、ＴＭ偏光に対する位相差ΔΦTMは、
【００４７】
【数４】
【００４８】
となる。つまりこのように対になるアーム導波路で直交関係にある電極に電圧を印加するとＴＥ偏光のみに関して上下のアーム導波路間の位相差が変化し、ＴＭ偏光は電界により位相差がつかず、変調されなくすることができる。
【００４９】
今までのＰＢＳの調整では、複屈折率を調整するために電極を駆動すると、偏波消光比がえられる波長も変更されて、消光波長を調整すると複屈折率が変更されていた。これらの作業を繰り返し最適な駆動状態を見つけ出す作業が必要であった。しかし、本実施形態に係るＰＢＳ１００では、ＴＭ偏光の消光特性は変化せずに、ＴＥ偏光の特性だけが変化するため、容易にＰＢＳ動作点調整が可能となる。例えば、ＰＢＳを考えて、ＴＭ偏光のみを透過させたいポートがあるとする。ＴＭポートが既に所望の波長で最大透過状態にあり、ＴＥ偏光の消光波長が所望の波長にない場合、本実施形態のような電極配置を有するＰＢＳであれば、ＴＭ偏光の状態を動かさずにＴＥ偏光の消光点を所望の波長に動かすことができ、検査調整時間の大幅短縮が可能である。
【００５０】
なお、上の式のように、第１の電極１０２Ｄに単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量をＰ１としたときに、第２の電極１０３Ｄに単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量が正確に−Ｐ１である場合には、ＴＥ偏光の消光波長のみが変化しＴＭ偏光は変化しない。しかしながら、実際には、絶対値が同じで符号が反転されている状態に正確に一致しなくてもよい。符号が逆であり、ほぼ同じ絶対値を持てば効果は得られる。電圧を印加して調整する際に、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の消光波長の移動は大きな差があるので、何も対策をしない場合に比べて大幅にＰＢＳの調整時間を短縮することができる。
【００５１】
ここまでは、０１−１方向に対して平行な方向に第１の電極１０２Ｄ、それに垂直な方向である０１１方向に第２の電極１０３Ｄが配置されている場合を示した。半導体基板１０１の主面方位が（１００）である場合に、ＴＥ偏光の特性だけを変化させることのできる電極配置が他にも存在するのでその説明をする。
【００５２】
例えば、第１の電極１０２Ｄを、０１−１方向に対して３０°の軸に平行な方向に配置し、第２の電極１０３Ｄを０１−１方向に対して１２０°の軸に平行な方向に配置した場合が挙げられる。０１−１方向に作製した場合より変調効率が劣化するので調整に高い電圧が必要になるが同じ効果が得られ、容易にPBSの調整を実施でき、調整時間を大幅に短縮することができる。ただし、ＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量が０となる場合、つまり、０１０方向に平行または垂直な方向に第１の電極１０２Ｄ及び第２の電極１０３Ｄを配置する構成は除かれる。
【００５３】
ＱＣＳＥの偏頗依存性はないものとしてＴＥ偏光、ＴＭ偏光ともＱＣＳＥによる屈折率変化量をＱと示している。実際のデバイスでは、閉じ込め係数の差からＱは偏波依存性を持つことが考えられる。つまりＱ（ＴＥ）とＱ（ＴＭ）は同じではないことがある。あったとしてもその差は小さいので、ＰＢＳの調整としてはこのままでも十分で、より簡便なＰＢＳ動作点の調整に対効果を発揮する。
【００５４】
製造方法
図４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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態に係るＰＢＳを示す。ＰＢＳ５００は、第４の導波路部及びその上の第２の電極を除いて、第１の実施形態に係るＰＢＳ１００と同様である。本実施形態に係るＰＢＳ５００では、第２の電極６０３Ｄが、電気的に並列接続された第１の部分６０３Ｄ’及び第２の部分６０３Ｄ”に分割されている。第１の部分６０３Ｄ’及び第２の部分６０３Ｄ”の長さをそれぞれＬ’、Ｌ”とすると、Ｌ’＋Ｌ”＝Ｌを満たすようにする。第４の導波路部６０３Ｂは、第２の傾斜部分として２つの平行な傾斜部分を有し、さらに、これらの２つの傾斜部分を接続する１８０度方向変換導波路を有する。図１のレイアウトと比較して、図５のレイアウトは面積を抑えることができる。
【００６２】
例えば、図６のようにレイアウトすれば、長さ方向に素子長を抑えることが可能である。本実施例のＰＢＳを他のデバイスと１つのウェーハ上に集積する場合等は、他のデバイスに与える面積を大きくする、或いはチップサイズ全体を押し下げることができる。
【００６３】
（第３の実施形態）
図７に、第３の実施形態に係るＰＢＳを示す。本構成では、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、複屈折率付与部７２０、複屈折率調整部７３０、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。
【００６４】
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。
【００６５】
本実施形態の構造では、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。
【００６６】
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偏光とＴＭ偏光が出力される偏波変調器も構成可能である。
【符号の説明】
【００６７】
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３の導波路部
１０２Ｃ 第５の導波路部
１０２Ｄ 第１の電極
１０３ 第２のアーム導波路
１０３Ａ 第２の導波路部
１０３Ｂ 第４の導波路部
１０３Ｃ 第６の導波路部
１０３Ｄ 第２の電極
１１０ 第１の光カプラ
１２０ 複屈折率付与部
１３０ 複屈折率調整部
１４０ 第２の光カプラ
５００ ＰＢＳ
５０２Ａ 第１の導波路部
５０２Ｂ 第３の導波路部
５０２Ｃ 第５の導波路部
５０２Ｄ 第１の電極
５０３ 第２のアーム導波路
５０３Ａ 第２の導波路部
５０３Ｂ 第４の導波路部
５０３Ｃ 第６の導波路部
５０３Ｄ 第２の電極
５０３Ｄ’ 第１の部分
５０３Ｄ” 第２の部分
５２０ 複屈折率付与部
５３０ 複屈折率調整部
５４０ 第２の光カプラ
７００ ＰＢＳ
７１０ 第１の光カプラ
７２０ 複屈折率付与部
７３０ 複屈折率調整部
７４０ 第２の光カプラ
７５０ 高速変調部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折率付与部と、
前記複屈折率付与部に接続された複屈折率調整部と
を閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備え、
前記複屈折率付与部は、第１のアーム導波路が有する第１の幅の第１の導波路部であって、第１の方向に配置された第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の導波路部とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きく、
前記複屈折率調整部は、
前記第１の導波路部に隣接する第３の導波路部であって、前記第１の方向と異なる第２の方向に傾斜して配置された第１の傾斜部分を有する第３の導波路部と、
前記第２の導波路部に隣接する第４の導波路部であって、前記第２の方向に傾斜して配置された第２の傾斜部分を有する第４の導波路部と、
前記第３の導波路部に隣接する第５の導波路部であって、前記第１の導波路部と平行な第５の導波路部と、
前記第４の導波路部に隣接する第６の導波路部であって、前記第２の導波路部と平行な第６の導波路部と、
前記第１の傾斜部分または前記第５の導波路部の上に配置された第１の電極と、
前記第２の傾斜部分または前記第６の導波路部のうち、前記第１の電極の方向と異なる方向の方の上に配置された第２の電極と
を備え、
前記第１及び第２の方向は、前記複屈折率調整部において、前記第１及び第２の電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光に対する前記第１及び第２のアーム導波路間の位相差が抑制され、ＴＥ偏光に対する前記第１及び第２のアーム導波路間の位相差が増大される方向であることを特徴とする位相シフタ。
【請求項２】
前記第１の電極に単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量をＰ１としたときに、前記第２の電極に単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量が−Ｐ１であることを特徴とする請求項１に記載に位相シフタ。
【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の方向は、０１−１方向と平行または直交する方向であり、
前記第２の方向は、前記第１の方向に直交する方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位相シフタ。
【請求項４】
前記第２の方向に配置された電極が、電気的に並列接続された第１及び第２の部分に分割され、
前記第１及び第２の部分の長さの合計が前記第１の方向に配置された電極の長さと等しいことを特徴とする請求項３に記載の位相シフタ。
【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】
複屈折率付与部と、
前記複屈折率付与部に接続された複屈折率調整部と
を閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板上に備え、
前記複屈折率付与部は、第１のアーム導波路が有する第１の幅の第１の導波路部であって、第１の方向に配置された第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の導波路部とで構成され、前記第１の幅は第２の幅よりも大きく、
前記複屈折率調整部は、
前記第１の導波路部に隣接する第３の導波路部であって、前記第１の方向と異なる第２の方向に傾斜して配置された第１の傾斜部分を有する第３の導波路部と、
前記第２の導波路部に隣接する第４の導波路部であって、前記第２の方向に傾斜して配置された第２の傾斜部分を有する第４の導波路部と、
前記第３の導波路部に隣接する第５の導波路部であって、前記第１の導波路部と平行な第５の導波路部と、
前記第４の導波路部に隣接する第６の導波路部であって、前記第２の導波路部と平行な第６の導波路部と、
前記第１の傾斜部分または前記第５の導波路部の上に配置された第１の電極と、
前記第２の傾斜部分または前記第６の導波路部のうち、前記第１の電極の方向と異なる方向の方の上に配置された第２の電極と
を備え、
前記第１及び第２の方向は、前記複屈折率調整部において、前記第１及び第２の電極に単位電圧を印加したときに、ＴＭ偏光に対する前記第１及び第２のアーム導波路間の位相差が抑制され、ＴＥ偏光に対する前記第１及び第２のアーム導波路間の位相差が増大される方向であることを特徴とする位相シフタ。
【請求項２】
前記第１の電極に単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量をＰ１としたときに、前記第２の電極に単位電圧を印加した際のＴＥ偏光に対するポッケルス効果による屈折率変化量が−Ｐ１であることを特徴とする請求項１に記載に位相シフタ。
【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の方向は、０１−１方向と平行または直交する方向であり、
前記第２の方向は、前記第１の方向に直交する方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位相シフタ。
【請求項４】
前記第２の方向に配置された電極が、電気的に並列接続された第１及び第２の部分に分割され、
前記第１及び第２の部分の長さの合計が前記第１の方向に配置された電極の長さと等しいことを特徴とする請求項３に記載の位相シフタ。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２４７５８１（Ｐ２０１２−２４７５８１Ａ）
【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２０１１−１１８５０２（Ｐ２０１１−１１８５０２）
【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）】
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