JP6853213B2 - マッハツェンダ変調器 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学効果による光変調を用いたマッハツェンダ変調器に関する。

近年の爆発的なデータ通信量の増大に伴い、光通信システムの大容量化が求められており、使われる光部品が集積化、複雑化、信号の高速化が進められている。これらの光部品として、例えば、光変調器が挙げられる。最近では、伝送容量を増大するため、ＱＰＳＫや１６ＱＡＭなどの多値変調に対応するマッハツェンダ（ＭＺ：Mach-Zehnder）変調器を用いた光Ｉ／Ｑ変調器（非特許文献１参照）が用いられるようになってきている。

通常、この光Ｉ／Ｑ変調器においては、図５，６に示すように、まず、チップ内のそれぞれのＭＺ変調器に変調器駆動用として用意されたドライバＩＣで高周波電気信号が生成される。この高周波電気信号は、入力高周波線路を介して光変調領域に形成された光変調高周波線路（位相変調部）に入力され、ここで電気光学効果により光信号に変調を加える。この後、光信号に変調を加えた高周波電気信号は、出力高周波線路を通り、終端抵抗にて終端される。図５、６は、非特許文献１，非特許文献２に開示されている従来の半導体マッハツェンダ変調器を示している。

例えば、１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の光変調信号を生成するため、チップ内のそれぞれのＭＺ変調器には、数十Ｇｂａｕｄのシンボルレートの高速な電気信号が入力されることになる。このように非常に高い周波数の信号を扱うため、光変調器には、高品質な光信号を生成するために、広帯域なＥＯ（electro optic）帯域を持ちかつ，高周波特性においてリップルがないことが求められる。

近年、光送信器モジュールの小型化や低駆動電圧化が課題となっており、小型で低駆動電圧化が可能な半導体ＭＺ変調器の研究開発が精力的に進められている。

広帯域な半導体ＭＺ変調器を実現する上で、半導体基板は一般的に、ＳＩ−ＩｎＰなどの半絶縁性半導体による基板が用いられる。導電性基板を用いた場合には、電界が基板側に漏れてしまうようになり、基板と信号線間で容量性を感じるようになってしまう。このため、図５，６に示すような位相変調部において容量を付与することを特徴とした容量装荷型電極構造を効果的に設計できず、インピーダンス整合・速度整合を加味した低損失な電極設計が実現できないため，特性が大きく劣化する。このため、広帯域な変調器には、半絶縁性基板が用いられる（非特許文献３）。

L. Morl et al., "A travelling wave electrode Mach-Zehnder 40 Gb/s demultiplexer based on strain compensated GaInAs/AlInAs tunnelling barrier MQW structure", International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, pp. 403-406, 1998. H. N. Klein et al., "1.55μm Mach-Zehnder Modulators on InP for optical 40/80 Gbit/s transmission networks", OFC, pp. 171-173, 2006. R. A. Griffin, "InP-Based High-Speed Transponder", OFC, W3B.7, 2014. N. Wolf et al, "Electro-Optical Co-Design to Minimize Power Consumption of a 32 GBd Optical IQ-Transmitter Using InP MZ-Modulators", 7th IEEE COMPOUND SEMICONDUCTOR IC (CSIC) SYMPOSIUM, 2015.

前述したように、これまでも、基板上面と信号線間の電界を考えることは非常に重要視されていた。一方で，変調器チップは、モジュール化するためには金属製の容器内に収容するなど、必ず金属上に実装されることになり、基板底面側にグランドが存在することになるが、このグランドの影響については言及されていない。しかしながら，半絶縁性基板が薄くなると、信号線から電界が漏れて基板共振が誘発され、高周波特性にリップルが起きるようになる。基板厚の関係から、生じるリップルは４０ＧＨｚ以降の高周波において発生する。このため、３２Ｇｂａｕｄのような従来のシンボルレートでは問題とならなかったが，近年研究が盛んな６４ＧＢａｕｄや１００ＧＢａｕｄのような超広帯域な変調器においては、上述したリップルが大きな問題となる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、半絶縁性の半導体からなる基板が用いられる半導体マッハツェンダ変調器における高周波特性の劣化が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係るマッハツェンダ変調器は、誘電体からなる第１基板と、第１基板の上に非導電性接着剤による接着層で接着された半絶縁性の半導体からなる第２基板と、第２基板の上に形成されて電気光学効果による光変調領域を備えるマッハツェンダ変調部と、第２基板の上に形成された光変調領域に変調信号を伝送するためのコプレーナ線路とを備え、第１基板と第２基板との合計の板厚は、コプレーナ線路の管内波長の１／４以上の厚さとされ、第２基板の厚さは、３００μｍ以下とされている。

上記マッハツェンダ変調器において、第２基板の電気抵抗率は、１×１０⁷（Ωｃｍ）以上とされている。

上記マッハツェンダ変調器において、第１基板の熱膨張係数は、４．０〜５．０×１０^-6［／Ｋ］とされ、第１基板の熱伝導率は、１００［Ｗ／（ｍＫ）］以上とされている。

上記マッハツェンダ変調器において、接着層は、熱伝導率を厚さで除した値が２．０×１０⁴［Ｗ／（ｍ²×Ｋ）］以上とされている。

上記マッハツェンダ変調器において、マッハツェンダ変調部の導波路端面側において、第１基板の側面は、接着層の厚さだけ第２基板の内側に配置され、導波路端面側以外において、第１基板の側面は、第２基板の側面と等しくされているまたは第２基板の内側に配置されていればよい。

上記マッハツェンダ変調器において、第１基板は、金属からなる部材の上に配置されている。

以上説明したように、本発明によれば、第２基板の裏面側に、誘電体からなる第１基板を非導電性接着剤による接着層で接着したので、半絶縁性の半導体からなる第２基板が用いられる半導体マッハツェンダ変調器における高周波特性の劣化が抑制できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態におけるマッハツェンダ変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるマッハツェンダ変調器の構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態におけるマッハツェンダ変調器の構成を示す平面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態におけるマッハツェンダ変調器の構成を示す平面図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態におけるマッハツェンダ変調器の構成を示す平面図である。 図３は、本発明の実施の形態における他のマッハツェンダ変調器の構成を示す断面図である。 図４は、実施の形態におけるマッハツェンダ変調器について高周波特性を計算した結果を示す特性図である。 図５は、非特許文献１，２に開示されている半導体マッハツェンダ変調器の構成を示す平面図である。 図６は、非特許文献１，２に開示されている半導体マッハツェンダ変調器の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態おけるマッハツェンダ変調器について図１Ａ，図１Ｂ，図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃを参照して説明する。図１Ａと、図１Ｂとは、各々９０°異なる方向の断面を示している。また、図２Ａは、表面側を示し、図２Ｂ，図２Ｂは、裏面側を示している。このマッハツェンダ変調器は、第１基板１０１の上に、第２基板１０２を備え、第２基板１０２には、マッハツェンダ変調部１０４、コプレーナ線路１０５が形成されている。

また、第２基板１０２は、第１基板１０１の上に、非導電性接着剤による接着層１０３で接着されている。なお、実施の形態において、このマッハツェンダ変調器は、金属製のパッケージ１０６の内部に実装されており、例えば、パッケージ１０６の底面（金属からなる部材の上）に、表面が金属から構成された温調機器（不図示）や、金属素子（不図示）を介して第１基板１０１が固定されている。なお、図１Ａ，図１Ｂに示すように、パッケージ１０６の底面に直接、第１基板１０１が固定されるようにしてもよい。

第１基板１０１は、例えばＡｌＮなどの誘電体から構成されている。第２基板１０２は、半絶縁性のＩｎＰなどの半絶縁性の半導体から構成されている。マッハツェンダ変調部１０４は、電気光学効果による光変調領域を備える。コプレーナ線路１０５は、光変調領域に変調信号を伝送する。

また、実施の形態において、第２基板１０２は、コプレーナ線路１０５の管内波長の１／４以上の厚さとされている。

例えば、第２基板１０２の電気抵抗率は、１×１０⁷（Ωｃｍ）以上とされ、第２基板１０２の厚さは、３００μｍ以下とされている。また、第１基板１０１の熱膨張係数は、４．０〜５．０×１０^-6［／Ｋ］とされ、第１基板１０１の熱伝導率は、１００［Ｗ／（ｍＫ）］以上とされている。また、接着層１０３は、熱伝導率を厚さで除した値が２．０×１０⁴［Ｗ／（ｍ²×Ｋ）］以上とされている。

半導体マッハツェンダ変調器は、一般的に、直径が２〜４インチの円形ウエハを用いて作製されている。半絶縁性ＩｎＰ基板（ウエハ）は、一般に、直径が２インチの場合、厚さは３５０μｍであり、直径が３インチの場合、厚さは６００μｍであり、直径が４インチの場合、厚さは６５０μｍ程度のものが市販されている。

半導体マッハツェンダ変調器は、ウエハプロセス完了後に、へき開に導波路端面を出し、ここにＡＲコートを施すことで完成する。へき開時に歩留まり良く安定的に導波路端面を出すためには、基板厚は３００μｍ以下であることが重要となる。基板厚が３００μｍを超えると、へき開することは可能であるが、へき開時の突き上げ量が大きくなる影響により、へき開時に導波路が損傷を受ける危険性が高まり、製造歩留まりが劣化する要因となる。

しかしながら、一般的に市販されている２〜４インチ径のウエハでは、板厚はすべて３００μｍを超える。このため、半導体マッハツェンダ変調器を作製するウエハは、研磨により板厚を３００μｍ以下まで高精度に制御される必要がある。また、基板（第２基板１０２）の厚さがばらついた場合には、レンズなどの光学系やその他部材との実装ばらつき、特性劣化の要因となる恐れがある。このため、基板の厚さは、高精度に制御されていることが望ましい。たとえば、基板は、２５０μｍ±５μｍと数％以内の厚さばらつきに抑えることが望ましい。これは、一般的な研磨装置で安定的に実現可能である。また、高周波特性が劣化する恐れを防ぐためには、基板は十分な絶縁性を確保する必要があるため、抵抗率は１×１０⁷（Ωｃｍ）以上とすることが重要となる。

ここで、第２基板１０２を構成するＩｎＰの熱膨張係数は、約４．５×１０^-6（／Ｋ）であるため、熱膨張係数の整合を考えると、第１基板１０１は、熱膨張係数差を１割程度に抑えることが重要となる。例えば、第１基板１０１の熱膨張係数は、４．０〜５．０×１０^-6（／Ｋ）であることが望ましい。この値に合わない場合には、第２基板１０２と第１基板１０１との間に熱膨張係数差が生まれるため、実装時などに熱応力により接合強度が低下し、また損傷を受けてしまう危険性が生じる。

また、マッハツェンダ変調器は、温調動作が前提となっており、さらには、ドライバＩＣを集積し、低消費電力化・広帯域化を実現する検討が活発化している（非特許文献４）。ドライバＩＣからの熱流入があることも考えると、第１基板１０１は、熱伝導率が１００［Ｗ／（ｍＫ）］以上であることが望ましい。このように熱マネジメントを考えると、第１基板１０１のみならず、接着層１０３の厚さおよび熱伝導率についても注意する必要がある。接着層１０３は、１．４×１０⁴［Ｗ／（ｍ²×Ｋ）］（熱伝導率／接着層１０３厚）以上であることが望ましい。これは例えば、熱伝導率が０．７Ｗ／（ｍ×Ｋ）の場合には、接着層１０３の厚さが３５μｍ以下である必要があることを意味している。さらに言えば、熱伝導率が０．７Ｗ／（ｍ×Ｋ）より高い場合には、接着層１０３の厚さが３５μｍ以上であっても構わない。

ここで、図２Ｂに示すように、第１基板１０１の面積は、第２基板１０２に比べ接着層１０３の厚さ分小さくなっている必要がある。より詳細に説明すると、マッハツェンダ変調部１０４の導波路端面側において、第１基板１０１の側面は、接着層１０３の厚さだけ第２基板１０２の内側に配置され、導波路端面側以外において、第１基板１０１の側面は、第２基板１０２の側面と等しくされているまたは第２基板１０２の内側に配置されているとよい。

第１基板１０１の面積が、第２基板１０２の面積に比べて大きい場合には、接着層１０３がはみ出し、第２基板１０２の周端部がせり上がり、導波路端面に触れてしまう危険性がある。このため、第１基板１０１の面積は、第２基板１０２の面積より小さくする。また、第１基板１０１の面積を小さくすることは、マッハツェンダ変調器の終端抵抗やキャパシタなどの必要な部品を、マッハツェンダ変調器の近傍まで近づけて配置させることが可能となり、全体として寸法を小さくできることができる。また、部品間を接続に用いるワイヤを短くできるという面でも利点がある。

なお、図２Ｃに示すように、導波路端面が配置されている辺１１１ａ，１１１ｂにおいてオフセットしていればよく、他の辺１１２ａ，１１２ｂは、オフセットしている必要は無い。また、図３に示すように、第１基板１０１の更に下に、非導電性接着剤による接着層１０３ａにより、ＡｌＮなどの誘電体から構成されている第１基板１０１ａを貼り付ける構成としてもよい。このように、複数の第１基板を用い、第１基板全体の厚さを設定するようにしてもよい。

次に、実施の形態におけるマッハツェンダ変調器について、高周波特性を計算した結果について図４を参照して説明する。図５を用いて説明したように、半導体マッハツェンダ変調器（容量装荷型電極構造）は、入力引き出し線路部、位相変調領部、出力引き出し線路部の３つの部分から構成されている。ここでは、一例として、最も単純な入力引き出し線路部を模した高周波シミュレーションを行った。構造としては、ドライバ集積がトレンドであることも鑑みて、半絶縁性のＩｎＰからなる第２基板（板厚２５０μｍ）の上に、ＧＳＳＧ型の差動線路をベースとした単純なコプレーナ線路が形成されており、第２基板がＡｌＮからなる第１基板の上に搭載されている構造により高周波シミュレーションを行った。

図４は、第１基板の厚さを変化させた場合の差動信号の通過特性のシミュレーション結果である。本シミュレーションでは、基板の厚に比べ十分に薄いため、接着層は本計算モデルには含んでいない。図４において、（ａ）は、第２基板の厚さが２５０μｍ、第１基板の厚さが０μｍ（第１基板なし）の場合、（ｂ）は、第２基板の厚さが２５０μｍ、第１基板の厚さが２５０μｍの場合、（ｃ）は、第２基板の厚さが２５０μｍ、第１基板の厚さが５００μｍの場合、（ｄ）は、第２基板の厚さが２５０μｍ、第１基板の厚さが７５０μｍの場合を示している。

図４の（ａ），（ｂ）に示すように、第１基板の厚さが５００μｍよりも薄い場合には、リップルが生じていることが確認できる。このリップルを抑制するためには、第１基板の厚さは５００μｍ以上であることが望ましい。本計算は、半絶縁性のＩｎＰからなる第２基板の厚さを２５０μｍとしているため、第２基板の厚さ＋第１基板の厚さ、７５０μｍ以上必要であることを示している。

これは言い換えると、必要な板厚は、第２基板の上のＧＳＳＧの差動コプレーナ線路の管内波長の１／４以上と言え、この条件を満たすことで、共振を十分に抑圧できていることが確認できる。また、このリップルの周波数は４０ＧＨｚを超えるため、そもそも変調器の変調帯域が４０ＧＨｚより小さい場合には、このリップルがなくなった効果を得ることはできない。このため、本発明の効果を享受するためには、変調器の変調帯域が４０ＧＨｚ以上の場合であり、６４ＧＢｄや１００ＧＢｄのような超高速な変調動作を実現する変調器で効果が得られるようになる。現在普及している３２ＧＢｄ向けの変調器では、本発明よる顕著な効果は得られない。

また、このリップルの周波数は、基板共振から生じているため、基板の厚さが異なる場合には、周波数が変化する。例えば、基板が薄くなった場合には、さらに高周波側のリップルの位置がシフトする。さらに、この結果から、これは基板下の金属（グランド）を感じることで誘発されている基板共振であることがわかり、第２基板と第１基板とを固定する接着層は、非導電性の接着剤から構成することが必要となる。接着層を導電性接着剤から構成した場合、第２基板の直下に導電性材料が配置されるため、ここに引っ張られてしまうため、第１基板をどれだけ厚くしたところで、基板共振を抑圧することはできない。

本シミュレーションは、代表例としてＧＳＳＧ差動コプレーナ線路にて実施しているが、これは、先に述べたようにドライバ集積をすることで、広帯域化および低消費電力化を実現できるためである。ドライバとの効率的な接続を実現することおよび、変調器の容量装荷型電極構造との相性を鑑みた場合には、ＧＳＳＧ差動コプレーナ線路構造が最適である。しかしながら、コプレーナ線路からなる電極構造であれば、従来のＧＳ線路からなるシングルエンド構造においても同様な特性が得られる。また、ＧＳＳＧ線路のみならず、ＧＳＧＳＧ線路やＳＳ線路といった差動コプレーナ線路でも同様な効果を得ることができる。

さらに、実施の形態におけるマッハツェンダ変調器は、光モジュールのパッケージに搭載されることになるが、共振を抑圧する十分な厚さを備えているため、搭載において、別の第１基板上や金属ブロック上に、導電性接着剤で搭載されたりしても問題ない。

実施の形態におけるマッハツェンダ変調器は、例えば、ＳＩ−ＩｎＰからなる第２基板の上に、ＩｎＰからなる下部クラッド層、ノンドープの半導体からなるコア層、ＩｎＰからなる上部クラッド層が順次積層されて光導波路を構成し、この光導波路によりマッハツェンダ干渉計が構成されている。コア層は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層や、多重量子井戸層で構成することができる。また、コア層は、多重量子井戸層とこの上下にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きく、かつ、上部・下部のクラッド層よりも小さい値を持つ光閉じ込め層を備える構成としてもよい。

四元混晶のバルク層や多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。上部クラッド層、下部クラッド層は、どちらか一方がｎ型半導体で、もう一方がｐ型半導体であって構わない。

一方、上部クラッド層、下部クラッド層の両方がｎ型半導体で、上部クラッド層とコア層の間、もしくは下部クラッド層をコア層の間に、第３のｐ型クラッド層が挿入されている構成としてもよい。

また、第２基板や光導波路を構成する材料は、ＩｎＰ系材料に限定されるものではなく、例えば、ＧａＡｓ系の材料を用いてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、第２基板の裏面側に、誘電体からなる第１基板を非導電性接着剤による接着層で接着したので、半絶縁性の半導体からなる第２基板が用いられる半導体マッハツェンダ変調器における高周波特性の劣化が抑制できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…第１基板、１０２…第２基板、１０３…接着層、１０４…マッハツェンダ変調部、１０５…コプレーナ線路、１０６…パッケージ。

Claims (6)

1. 誘電体からなる第１基板と、
   前記第１基板の上に非導電性接着剤による接着層で接着された半絶縁性の半導体からなる第２基板と、
   前記第２基板の上に形成されて電気光学効果による光変調領域を備えるマッハツェンダ変調部と、
   前記第２基板の上に形成された前記光変調領域に変調信号を伝送するためのコプレーナ線路と
   を備え、
   前記第１基板と前記第２基板との合計の板厚は、前記コプレーナ線路の管内波長の１／４以上の厚さとされ、
   前記第２基板の厚さは、３００μｍ以下とされていることを特徴とするマッハツェンダ変調器。
2. 請求項１記載のマッハツェンダ変調器において、
   前記第２基板の電気抵抗率は、１×１０⁷（Ωｃｍ）以上とされている
   ことを特徴とするマッハツェンダ変調器。
3. 請求項１または２記載のマッハツェンダ変調器において、
   前記第１基板の熱膨張係数は、４．０〜５．０×１０^-6［／Ｋ］とされ、
   前記第１基板の熱伝導率は、１００［Ｗ／（ｍＫ）］以上とされている
   ことを特徴とするマッハツェンダ変調器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマッハツェンダ変調器において、
   前記接着層は、熱伝導率を厚さで除した値が２．０×１０⁴［Ｗ／（ｍ²×Ｋ）］以上とされていることを特徴とするマッハツェンダ変調器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のマッハツェンダ変調器において、
   前記マッハツェンダ変調部の導波路端面側において、
   前記第１基板の側面は、前記接着層の厚さだけ前記第２基板の内側に配置され、
   前記導波路端面側以外において、
   前記第１基板の側面は、前記第２基板の側面と等しくされているまたは前記第２基板の内側に配置されている
   ことを特徴とするマッハツェンダ変調器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のマッハツェンダ変調器において、
   前記第１基板は、金属からなる部材の上に配置されていることを特徴とするマッハツェンダ変調器。

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