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公開番号2025076933
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-16
出願番号2023188910
出願日2023-11-02
発明の名称光変調器素子、光送信器及び光トランシーバ
出願人富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社
代理人弁理士法人酒井国際特許事務所
主分類G02F 1/035 20060101AFI20250509BHJP(光学)
要約【課題】電気信号と信号光との速度整合を確保することで変調器の広帯域化を実現する光変調器素子等を提供する。
【解決手段】光変調器素子は、基板上に、第1の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する2本の光導波路アームと、前記2本の光導波路アーム導波路に電気信号を与える電極と、を有する。前記2本の光導波路アームの各光導波路は、前記第1の材料を含む第1の光導波路と、前記第1の材料よりも電気光学効果の高い第2の材料を含む第2の光導波路と、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有する。前記基板は、平面視で前記第2の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部を有する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アームに電気信号を与える電極と、を有する光変調器素子であって、
前記２本の光導波路アームの各光導波路は、
前記第１の材料を含む第１の光導波路と、
前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有し、
前記基板は、
平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部を有することを特徴とする光変調器素子。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記電極は、
容量装荷型電極であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。
【請求項３】
前記第１の材料はＳｉ、前記第２の材料はＬｉＮｂＯ
３
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。
【請求項４】
前記へこみ部は、
前記２本の光導波路アーム下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。
【請求項５】
前記第２の光導波路の下部にある前記基板は、
前記へこみ部と、前記へこみ部以外の残留部とを有し、
前記第２の光導波路の下部にある前記基板の領域の内、前記へこみ部に占め割合は、４０％～８０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。
【請求項６】
前記第２の光導波路は、
第１の直線導波路と、
第２の直線導波路と、
前記第１の直線導波路と前記第２の直線導波路との間を接続する折り返し導波路と、を有し、
前記折り返し導波路は、
前記第１の材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。
【請求項７】
前記基板上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層内に形成された前記第１の光導波路と、
前記クラッド層上に形成された前記第２の光導波路と、
前記クラッド層上に形成された前記電極と、
前記基板及び前記クラッド層を表裏に貫通し、前記電極と電気的に接続するビアと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。
【請求項８】
前記第２の光導波路は、
第１の直線導波路と、
第２の直線導波路と、
第３の直線導波路と、
前記第１の直線導波路と前記第２の直線導波路との間を接続する第１の折り返し導波路と、
前記第２の直線導波路と前記第３の直線導波路との間を接続する第２の折り返し導波路と、を有し、
前記第１の折り返し導波路及び前記第２の折り返し導波路は、
前記第１の材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。
【請求項９】
基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アームに電気信号を与える電極と、を有する光変調器素子を含む光送信器であって、
前記２本の光導波路アームの各光導波路は、
前記第１の材料を含む第１の光導波路と、
前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有し、
前記基板は、
平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部を有することを特徴とする光送信器。
【請求項１０】
光変調器を含む光変調器素子と、
光受信器を含む光受信器素子と、
前記光変調器及び前記光受信器の信号処理を実行するプロセッサと、を有し、
前記光変調器素子は、
基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アームに電気信号を与える電極と、を有し、
前記２本の光導波路アームの各光導波路は、
前記第１の材料を含む第１の光導波路と、
前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有し、
前記基板は、
平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去することで形成されたへこみ部を有することを特徴とする光トランシーバ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器素子、光送信器及び光トランシーバに関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
例えば、インターネットプロトコル（ＩＰ）データの通信量の急増により、光ネットワークの大容量化が求められている。加えて、空間的に光トランシーバ内部の収容効率を増やすために、光送受信器のさらなる小型化と集積化が望まれている。光送受信器に使用するシリコン（Ｓｉ）導波路は光閉じ込めが強く、曲げ半径を１０μｍ程度に低減できるため、ＳｉＰｈ（フォトニクス）素子が６４Ｇボーレートの光送信器や光受信器に適用され始めている。
【０００３】
光デバイスは、ＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)ウエハを用いて作製されたＳｉ導波路で光回路を構成しているため、ＳｉＰｈｏｔｏｎｉｃｓ素子（以下ＳｉＰｈ素子と略す）とも言われる。光デバイス内の光変調器素子と光受信器素子との間を光導波路で接続する。ＳｉＰｈ素子は、Ｓｉ電気半導体素子のプロセス技術やプロセス設備を活用し、例えば、８～１２インチといった大面積のＳｉウエハを用いて、多数の素子を一括で作製できる。また、ＳｉＰｈ素子は、Ｓｉの屈折率が３．４程度と大きく、光閉じ込めが強いために、Ｓｉ光導波路の曲げ半径が１０ｕｍ程度にできるために素子を小型化できる。従って、スケールメリットが高く、低コストであるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００３－２７０５９９号公報
特開２０１５－１９１０３１号公報
米国特許出願公開第２０２０／０１５２５７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の光デバイス内の光変調器素子内のＸ偏波変調部及びＹ偏波変調部等のＳｉ変調器では、導波路に対して金属電極で直接電圧をかけるのではなく、不純物をドープしたＳｉ層を介して電圧を印加するため金属電極だけを用いる場合よりも電気抵抗が高い。しかも、Ｓｉ変調器内に使用する光導波路は、Ｐ／Ｎ接合構造のため容量が大きく、高周波損失が大きくなる。従って、実用的なドライバの駆動電圧（±２Ｖ又は４Ｖ以下）での駆動を前提とした場合、５０ＧＨｚ以上の広帯域化、９６Ｇボーレート以上の高速化は難しい。
【０００６】
そこで、９６Ｇボーレート以上の高速化が可能とされるＬｉＮｂＯ
３
（以下、単にＬＮと称する）等の電気光学効果を有する電気光学材料をＳｉＰｈ素子上に集積するという試みも学会等で多数報告されている。（例えば、Mingbo He1 et. al.”High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach-Zehnder modulators for 100 Gbit s-1 and beyond”, Nat. Photon. 13, 359‐364 (2019)）
【０００７】
しかしながら、ＳｉＰｈ素子の基板であるＳｉの誘電率が１２程度とやや大きいため、電極を進行する高周波の電気信号の屈折率が大きくなる傾向がある。特に変調器の電極構造として、広範囲に電流が分布することで有効な電極サイズが増加するために高周波損失の低減に有利な容量装荷型の電極を用いる場合、基板屈折率の影響に加えて容量装荷電極の影響によっても電気信号の屈折率が増加する。その結果、ＬＮ導波路を伝搬する信号光の速度と比較した場合、電気信号の速度の方がやや遅くなり、速度整合の不一致のための帯域制限が起こる。従って、２００Ｇボーレートに必要とされる１００ＧＨｚ以上の広帯域化を実現するのは困難である。
【０００８】
一つの側面では、電気信号と信号光との速度整合を確保することで変調器の広帯域化を実現する光変調器素子等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの態様の光変調器素子は、基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アームに電気信号を与える電極と、を有する。前記２本の光導波路アームの各光導波路は、前記第１の材料を含む第１の光導波路と、前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有する。前記基板は、平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部を有する。
【発明の効果】
【００１０】
一つの側面によれば、電気信号と信号光との速度整合を確保することで変調器の広帯域化を実現する。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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