CN102445769B

CN102445769B - 光调制器

Info

Publication number: CN102445769B
Application number: CN201110215013.7A
Authority: CN
Inventors: 石村荣太郎; 高木和久; 松本启资; 斎藤健
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: US8655116B2; US20120087614A1; JP2012078759A; CN102445769A

Abstract

本发明的目的在于得到一种能够充分地扩大调制频带的光调制器。在半导体芯片（10）内设置有波导（12）。经由第一导线（18）将供电线（20）连接到行波型电极（14）的输入部（14a）。经由第二导线（22）以及终端线（24）将终端电阻（26）连接到行波型电极（14）的输出部（14b）。输出部（14b）和接地点之间的电容比输入部（14a）和接地点之间的电容大。

Description

光调制器

技术领域

本发明涉及以高速进行动作的行波型光调制器，特别涉及能够将调制频带充分地扩大的光调制器。

背景技术

在行波型光调制器中，在光通过干涉臂（arm）时，叠加有调制信号的微波也以大致相同的速度通过干涉臂。此时，微波的电场被施加到干涉臂上，光被调制。在行波型光调制器中，与集总常数型的光调制器相比，不受波导的电容限制，能够扩大调制频带。

这样，在行波型光调制器中，将波导用作微波传输线。为了使基模传播，优选使芯层的厚度为约0.2μm、使波导的宽度为约2μm。但是，在该情况下，波导的阻抗变低为35Ω，与芯片外的供电线的阻抗（通常50Ω）产生不匹配。其结果是，进入光调制器的光进行反射或者衰减，调制频带变窄。

为了提高针对微波的阻抗，需要使耗尽化的芯层较厚、使波导的宽度较窄。但是，当芯层较厚时，光的传播模式不是基模而成为高次模，消光比恶化，动作电压上升，不作为光调制器进行工作。此外，当高台面（high-mesa）波导的宽度较窄时，光不进行传播，损失增大。这样，将一个波导兼用于光和微波，但是，对于两者来说的波导的最优尺寸不同。

此外，在将一般所使用的铌酸锂（LiNbO₃）作为材料的行波型马赫-曾德尔光调制器中，由于材料的介电常数较低，所以，能够使波导的阻抗为50Ω。此外，在铌酸锂调制器中，为了扩大调制频带，提出了例如减小终端电阻而减小输出阻抗、或者在终端电阻上连接短截线（stub）的方案（例如，参照专利文献1～6）。

[专利文献1]：日本特开2004－170931号公报

[专利文献2]：日本特开2007－010942号公报

[专利文献3]：WO2005/096077号公报

[专利文献4]：日本特开平11－183858号公报

[专利文献5]：日本特开平07－221509号公报

[专利文献6]：WO2010/001986号公报。

在将半导体作为材料的行波型马赫-曾德尔光调制器中，由于材料的介电常数较高，所以，波导的阻抗为50Ω以下。此外，波导的每单位长度的电容较大。因此，即使减小终端电阻，也不能够充分地将调制频带扩大。此外，即使在终端电阻上连接短截线，也不能够充分地将调制频带扩大。

发明内容

本发明为了解决如上所述的问题而提出的，其目的在于得到一种能够将调制频带充分地扩大的光调制器。

本发明的光调制器的特征在于，具有：半导体芯片；波导，设置在所述半导体芯片内；行波型电极，具有输入部和输出部，对通过所述波导内的光进行调制；供电线，经由第一导线连接到所述输入部；终端电阻，经由第二导线连接到所述输出部，其中所述输出部和接地点之间的电容比所述输入部和接地点之间的电容大。

根据本发明，能够将调制频带充分地扩大。

附图说明

图1是表示实施方式1的光调制器的俯视图。

图2是沿着图1的A-A’的剖面图。

图3是表示比较例1的光调制器的俯视图。

图4是表示比较例1的光调制器的透过特性S21以及反射特性S11的实测值的图。

图5是表示比较例1的光调制器的透过特性S21以及反射特性S11的实测值的图。

图6是表示比较例2的光调制器的俯视图。

图7是表示比较例2的有效的输出阻抗的电路图。

图8是表示实施方式1的有效的输出阻抗的电路图。

图9是表示比较例2的光调制器的透过特性S21以及反射特性S11的实测值的图。

图10是表示实施方式1的光调制器的透过特性S21以及反射特性S11的实测值的图。

图11是表示实施方式2的光调制器的俯视图。

图12是表示实施方式3的光调制器的俯视图。

图13是表示实施方式4的光调制器的俯视图。

图14是表示实施方式5的光调制器的俯视图。

图15是表示实施方式5的光调制器的变形例的俯视图。

图16是表示实施方式6的光调制器的俯视图。

图17是表示实施方式7的光调制器的俯视图。

图18是表示实施方式8的光调制器的俯视图。

附图标记说明：

10 半导体芯片

12 波导

14 行波型电极

14a 输入部

14b 输出部

16 接地线

18 第一导线

20 供电线

22 第二导线

26 终端电阻

50 第一短截线（stub）

52 第一绝缘膜

54 第二绝缘膜

56 第二短截线。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式的光调制器进行说明。对相同或者对应的结构要素标注相同的附图标记，有时省略重复的说明。

实施方式1

图1是表示实施方式1的光调制器的俯视图。该光调制器是将半导体作为材料的行波型马赫-曾德尔光调制器。

在半导体芯片10内，设置有具有干涉臂12a、12b的波导12。在半导体芯片10上的干涉臂12a侧设置有行波型电极14。在行波型电极14的附近离开地设置有接地的接地线16。行波型电极14以及接地线16由金镀层等的金属构成。

经由第一导线18将供电线20连接到行波型电极14的输入部14a。经由第二导线22以及终端线24将终端电阻26连接到行波型电极14的输出部14b。供电线20的阻抗为50Ω，终端电阻26的电阻值为25Ω。行波型电极14根据从供电线20输入的电信号产生行波电场，利用该电场对通过波导12的干涉臂12a内的光进行调制。

在供电线20的两侧设置有接地线28，在终端线24的两侧设置有接地线30。经由导线32将接地线28连接到接地线16的输入侧，经由导线34将接地线30连接到接地线16的输出侧。

输出部14b的焊盘（bonding pad）的面积比输入部14a的焊盘的面积大。因此，输出部14b与接地点之间的电容比输入部14a与接地点之间的电容大。并且，在干涉臂12b侧也同样地设置有行波型电极、接地线、供电线以及终端电阻等。

图2是沿着图1的A-A’的剖面图。在n型InP衬底36上，依次层叠有芯层38、p型InP层40、InGaAs、InP等的接触层42。从接触层42到n型InP衬底36的中途被蚀刻，形成高台面波导。

行波型电极14连接到脊上的接触层42。在行波型电极14的两侧的n型InP衬底36上设置有接地线16。背面电极44与n型InP衬底36的背面进行欧姆连接（ohmically connect）。

芯层38是非掺杂的多量子阱，由折射率比InGaAsP或AlGaInAs等的p型InP层40的折射率高的材料构成。芯层38的厚度为0.1μm～0.6μm，高台面波导的宽度为1μm～3μm。

接着，对本实施方式的光调制器的动作进行说明。激光等的入射光46入射到波导12，被分路为两束光，分别在波导12的两个干涉臂12a、12b中传播。然后，两束光合波为一束光，作为输出光48而出射。

当对两个干涉臂12a、12b施加不同大小的电压时，两者的折射率成为彼此不同的值。使该折射率的差为△n、使在两个干涉臂12a、12b中施加电压的部分的长度为L、使在干涉臂中传播的光的波长为λ时，分别通过两个干涉臂12a、12b的光的相位产生差△φ。

在该光的相位差△φ为nπ（n为0或者偶数）的情况下，在两个干涉臂12a、12b中传播的光被合波而加强。另一方面，在相位差△φ为kπ（k为奇数）的情况下，在两个干涉臂12a、12b中传播的光被合波而相抵消。因此，能够利用施加在两个干涉臂12a、12b上的电压对光的强度进行调制。此外，当施加调制电压使得相位差△φ在nπ的状态和（n+2）π的状态之间往复时，能够对光的相位进行调制。

接着，对于本实施方式的效果，与比较例进行比较说明。图3是表示比较例1的光调制器的俯视图。在比较例1中，与实施方式1不同，输入部14a和输出部14b的面积相同。因此，输出部14b与接地点之间的电容和输入部14a与接地点之间的电容相同。

图4以及图5是表示比较例1的光调制器的透过特性S21以及反射特性S11的实测值的图。在图4中，使终端电阻为50Ω，使输入输出阻抗对称，在图5中，使终端电阻为25Ω。高台面波导的宽度为1.8μm，芯层的厚度为0.35μm，波导12的阻抗（行波型电极14的阻抗）为约35Ω。

此处，电的透过频带越宽，利用电进行调制的光的调制频带也变得越宽。通常，当在波导中传输的微波的群速度和光的传播速度一致时，调制频带最大。特别是，在马赫-曾德尔光调制器的干涉臂的宽度为2mm以下的情况下，不太依赖于微波的群速度和光的传播速度，电的透过频带和光的调制频带大致一致。

由图4以及图5可知，在终端电阻为50Ω的情况下，频带fc是13GHz，在终端电阻为25Ω的情况下，频带fc是21GHz。此处，在输入输出阻抗为50Ω的情况下，具有较低的阻抗35Ω的波导12成为电容，频带被限制。另一方面，在输入阻抗为50Ω、输出阻抗为25Ω的情况下，波导12的阻抗35Ω成为两者的大致中间值。因此，以阻抗匹配的方式进行动作，能够扩大调制频带。

并且，若使输入输出阻抗为35Ω，则与波导12的阻抗完全匹配。但是，以调制驱动器或供电电路的关系难以使输入阻抗为35Ω。此外，当使供电线20的阻抗（输入阻抗）为35Ω时，电信号非常强地感到第一导线18的电感，供电线20中的电反射增加。因此，需要使供电线20的阻抗为接近50Ω的值。

如上所述，为了扩大调制频带，以满足公式（2）的方式设定阻抗。

此处，Zin为供电线20的阻抗（输入阻抗）、Zwg为波导12的阻抗、Ro为终端电阻26的电阻值。

并且，进一步优选以满足公式（3）的方式设定阻抗。

但是，由于第二导线22的电感L，针对高频（例如，20GHz）的第二导线22的阻抗jLω上升，变得比终端电阻26的电阻值高。因此，在比较例1中，即使减小终端电阻26的电阻值Ro，由于该第二导线22的阻抗jLω加到输出阻抗上，所以，输出部的电的反射增加，透过特性恶化，调制频带变小。

图6是表示比较例2的光调制器的俯视图。在比较例2中，增大终端线24，使其起到短截线的作用。图7是表示比较例2的有效的输出阻抗的电路图。在比较例2中，短截线的电容C与第二导线22串联连接。因此，当第二导线22的阻抗jLω变大时（例如，25Ω以上），无论怎么增大短截线的电容C，也不能够使有效的输出阻抗Zout变小（例如25Ω以下）。

图8是表示实施方式1的有效的输出阻抗的电路图。在本实施方式中，电容C与第二导线22并联连接。因此，当增大电容C时，其阻抗(1/jCω)下降，抵消第二导线22的阻抗jLω（例如，25Ω以上）的上升，能够使有效的输出阻抗Zout变小（例如，25Ω以下）。由此，由于能够改善输出部14b的电的反射和透过，所以，能够充分地扩大调制频带。

图9是表示比较例2的光调制器的透过特性S21以及反射特性S11的实测值的图。图10是表示实施方式1的光调制器的透过特性S21以及反射特性S11的实测值的图。明显地，实施方式1与比较例2相比调制频带扩大。

并且，行波型电极14的输出部14b的阻抗越小，与第二导线22的阻抗jLω的差越大，容易受其影响。因此，当满足公式（4）时，上述的效果强烈显现，

Z1＞Z2以及Zwg＞Z2 （4）

此处，Z1是行波型电极14的输入部14a的阻抗，Z2是行波型电极14的输出部14b的阻抗。

实施方式2

图11是表示实施方式2的光调制器的俯视图。行波型电极14的输出部14b的宽度朝向输出端大幅度地扩大，输出部14b的面积变得比输入部14a的面积大。因此，输出部14b和接地点之间的电容比输入部14a和接地点之间的电容大。因此，与实施方式1同样地能够充分地扩大调制频带。

实施方式3

图12是表示实施方式3的光调制器的俯视图。在输出部14b上连接有第一短截线50。因此，输出部14b和接地点之间的电容比输入部14a和接地点之间的电容大。因此，与实施方式1同样地能够充分地扩大调制频带。

实施方式4

图13是表示实施方式4的光调制器的俯视图。行波型电极14不是实施方式1那样的GSG型电极。输出部14b的焊盘的面积是输入部14a的焊盘的面积的3倍。由此，输出部14b和接地点之间的电容比输入部14a和接地点之间的电容大约大0.2pF。因此，与实施方式1同样地能够充分地扩大调制频带。并且，也可以使输出部14b与半导体芯片10的pn结连接，使电容增加。

实施方式5

图14是表示实施方式5的光调制器的俯视图。行波型电极14的宽度从输入侧开始越向着输出侧变得越宽。由此，传输路径电容越靠近输出侧变得越大。由此，与实施方式1同样地能够充分地扩大调制频带。

图15是表示实施方式5的光调制器的变形例的俯视图。也可以像这样与行波型电极14的宽度的变化匹配地使波导12的宽度从输入侧开始越向着输出侧变得越宽。

实施方式6

图16是表示实施方式6的光调制器的俯视图。在半导体芯片10上设置有第一以及第二的绝缘膜52、54。行波型电极14的输入部14a设置在第一绝缘膜52上，输出部14b设置在第二绝缘膜54上。并且，第二绝缘膜54比第一绝缘膜52薄，为三分之一左右。由此，输出部14b和接地点之间的电容比输入部14a和接地点之间的电容大约大0.2pF。由此，与实施方式1同样地能够充分地扩大调制频带。

实施方式7

图17是表示实施方式7的光调制器的俯视图。输出部14b和接地线16的间隔比输入部14a和接地线16的间隔小。由此，输出部14b和接地点之间的电容比输入部14a和接地点之间的电容大。因此，与实施方式1同样地能够充分地扩大调制频带。

实施方式8

图18是表示实施方式8的光调制器的俯视图。由于波导12的阻抗较小，所以，在连结行波型电极14和供电线20的第一导线18产生电反射。因此，在本实施方式中，设置有与供电线20的端部连接的第二短截线56。第二短截线56起到电容的作用，抵消第一导线18的电感成分。由此，减轻在第一导线18的电反射。

并且，在上述的实施方式1～8中，对将本发明应用到行波型马赫-曾德尔光调制器的情况进行说明。不限于此，本发明也能够应用于行波型电场吸收调制器，能够得到同样的效果。

Claims

1.一种光调制器，其特征在于，具有：

半导体芯片；

波导，设置在所述半导体芯片内；

行波型电极，具有输入部和输出部，对通过所述波导内的光进行调制；

供电线，经由第一导线连接到所述输入部；以及

终端电阻，经由第二导线连接到所述输出部，

所述输出部和接地点之间的电容比所述输入部和接地点之间的电容大，

所述供电线的阻抗比所述波导的阻抗大，

所述波导的所述阻抗比所述终端电阻的电阻值大。

2.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，

所述输出部的面积比所述输入部的面积大。

3.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，

还具有与所述输出部连接的第一短截线。

4.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，

还具有在所述半导体芯片上设置的第一以及第二绝缘膜，

所述输入部设置在所述第一绝缘膜上，

所述输出部设置在所述第二绝缘膜上，

所述第二绝缘膜比所述第一绝缘膜薄。

5.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，

还具有被接地的接地线，在所述半导体芯片上，在所述行波型电极的附近离开地设置，

所述输出部和所述接地线的间隔比所述输入部和所述接地线的间隔小。

6.如权利要求1～5的任意一项所述的光调制器，其特征在于，

还具有与所述供电线连接的第二短截线。