CN110446969A - Iq光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能高速、宽波段工作的偏振复用型IQ光调制器。该IQ光调制器的特征在于，具备：作为母件的马赫‑曾德尔型MZM光波导；作为子件的MZM光波导，分别设于构成所述母MZM光波导的两个臂；两个电极线路，沿构成所述子MZM光波导的两个臂分别设置，通过被施加调制信号而对在MZM中传输的光信号进行相位调制；RF引出线路，分别连接于所述两个电极线路，用于输入对所述两个电极线路施加的所述调制信号；第一光分波器，将光分波至所述母MZM光波导的两个臂；第二光分波器，将光分波至所述子MZM光波导的两个臂；以及第一光合波器，对来自所述子MZM光波导的两个臂的光进行合波，所述RF引出线路的条方向、所述第二光分波器的条方向以及所述第一光合波器的条方向与设有所述两个电极线路的所述子MZM光波导的条方向相同，并且，所述第一光分波器的条方向与设有所述两个电极线路的所述子MZM光波导的条方向为正交关系。

Description

IQ光调制器
技术领域
本发明涉及光调制，更详细而言，涉及一种能高速且宽波段工作的IQ光调制器。
背景技术
随着光通信系统的大容量化，要求与高水平的光调制方式对应的高速光调制器。特别是使用了数字相干技术的多值光调制器在实现超过100Gbps的大容量收发器的方面发挥了大的作用。在这些多值光调制器中，为了在光的振幅和相位中分别附加独立的信号，多段并联地内置有能进行马赫-曾德尔干涉型(以下MZM)的零啁啾驱动的光调制器。
图1是目前正在普及至通信网络的代表性的偏振复用型IQ光调制器的概略结构图。图1所示的偏振复用型IQ光调制器被配置为在图2所示的波导构造中设有相位调制用的电极。如图2所示，光波导构造由并联两个所谓套匣构造的MZM(母MZM57的各臂分别由子MZM56构成)而成的MZM(Quad-parallel MZM：四并联MZM)构成。子MZM56中设有行波电极62和DC电极63，其中，行波电极62被输入用于对在光波导内传输的光信号进行调制动作的RF信号，DC电极63被输入相位调整用的DC电压，在母MZM57的各臂的子MZM56的后段部位，也设有被输入相位调整用的DC电压的DC电极64。该偏振复用型IQ光调制器向沿着包含LiNbO3等电介质材料的光波导的子MZM56设置的调制电极输入RF信号，由此产生电光效应，对在子MZM56的光波导内传输的两个偏振光信号实施相位调制。此外，偏振复用型IQ光调制器是IQ光调制器中的一种，而IQ光调制器所使用的光信号不限于两个偏振光信号，还已知有使用单个偏振光信号的IQ光调制器。在单个偏振的情况下，由一个具有套匣构造的MZM构成。
以上所说明的IQ光调制器大多采用如下结构：所有的设有光输入/输出和调制电极的光波导都形成为同向，输入(输出)RF信号的高频线路从与光输入/输出方向正交的方向进行外部供电，引出线路内被施以大约90度的弯曲后供电至调制功能区。这是因为，构成光波导的LiNbO3对光的限制弱，因此，在使光输入与高频线路正交的情况下，与将光波导弯曲相比，选择将高频引出线路弯曲。
今后，对于以光调制器为代表的光发射器，要求兼顾更进一步的大容量化(“高速化”)和“低耗电化”、小型化，如非专利文献1所示，面向下一代400G系统的标准化活动也正在热烈进行中。特别是近年来，从小型/高速化的角度出发，代替LiNbO3，瞩目于以InP为代表的半导体材料。
在近年来被高速化的半导体MZM中，一般使用图1所示的行波电极(分布常数电路)。在这样的行波电极中，为了提高调制速度(高速化)，主要需要进行：(1)特性阻抗匹配的优化、(2)光波与微波的速度匹配的优化、(3)行波线路自身的电阻(损耗)的优化。在此，在超过50千兆波特率的目前的调制方式中，(3)的电阻增大被认为是使调制波段变窄的主要原因，要求减少这些损耗。线路自身的损耗(电阻)主要分为由构成波导图案部分的掺杂层的半导体材料带来的电阻和金属电极配线自身的电阻。
从低耗电化的观点来看，主要有两个途径。第一个是(i)最大限度地活用电光效应。第二个是(ii)采用能量效率的高的调制驱动方式。关于(i)的最大限度活用电光效应，想到了增强光限制(提高电场密度)和优化能带结构等，一直以来进行了大量的研究。但是，为了实现这些优化，除了要求高水平的制造设备，还进行了长年研究，可以说用电的减少量已经接近极限。
另一方面，近年来，盛行专注于(ii)的能量效率高的调制驱动方式的研究开发，其中，关于光发射器中耗电大的高频放大器(RF驱动器)，也有将能量效率高的差动输出型RF驱动器搭载于同一封装体内，由此实现了大幅的减少用电这样的报告(例如专利文献1、非专利文献2)。
如上所述，为了实现IQ调制器的进一步高速化、低耗电化，降低调制器材料的电损耗和活用差动RF驱动器可以说是有效的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第9310663号说明书
专利文献2：日本专利第4235154号公报
非专利文献
非专利文献1：Optical internetworking forum“Technology Options for 400GImplementation”
非专利文献2：Sophie Lange et.al,“Low Power InP-Based Monolithic DFB-Laser IQ Modulator With SiGe Differential Driver for 32-GBd QPSK Modulation”JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.34,NO.8,APRIL 15,2016
非专利文献3：N.Wolf et.al,“Electro-Optical Co-Design to Minimize PowerConsumption of a 32GBd Optical IQ-Transmitter Using InP MZ-Modulators”Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium(CSICS),2015IEEE
发明内容
发明所要解决的问题
但是，为了在超过50千兆波特率的功能区实现上述损耗降低和差动驱动的兼顾，此前说明的结构中有几个问题。例如在非专利文献2中，与图1相同，采用了如下结构：使光的输入/输出方向与调制功能区的波导条(延伸)方向相同，从调制元件的侧面提供高频的输入信号，在元件的引出配线上弯曲大约90度的角度后向调制功能区供电。该结构的主要问题是：差动信号在上述弯曲中传输，由此在差动线路间产生传输长度偏差即时滞，生成同相信号成分。该同相信号成分不仅使频率响应特性变差，而且对IQ信道间的串扰产生影响，因此在通过差动信号来驱动调制器这一点上，理想的是，传输线路的时滞无限接近零。即，要求将上述传输线路设计为直线状。在这一点上，在非专利文献2、图1中所示的现有的结构中，在通过差动驱动来实现频率高的(高速的)调制动作上存在问题。
另一方面，作为已克服了上述问题的报告，存在图3所示的结构的光调制器。在该结构中采用了如下构造：光波导由半导体基板构成，由此使光输入弯曲90度，能在不使RF信号的输入弯曲的情况下进行传输。但是，即使在图3的结构中，从上述的调制器的电损耗的角度来看，仍存在几个问题。例如，虽然高频的传输线路形成为大致直线，但到向调制功能区供电的RF引出线路65的长度需要至少在1.5mm以上。在该毫米级长的传输线路中，在进行上述的高波特率驱动时，无法无视RF传输损耗，因此会使调制波段大幅变窄。
该线路长度长尺寸化的理由是，光回路需要与光分波器自身的长度、弯曲波导的长度相应的面积。例如在化合物半导体光调制器的情况下，弯曲半径为大约150～300μm，而为了分支一根光波导，通常，为了将波导的彼此间隔扩大至数百μm～1mm的期望的信道间隔，在MMI光耦合器与包括S形曲线波导的信道间的长尺寸方向上，需要与大约500μm以上的长度相应的回路面积。在偏振复用型IQ光调制器中，串联地集成有至少三个光分波器，因此在实现高速化的方面，如何缩小其面积、使RF引出线路长度短尺寸化会成为问题。
另一方面，在光调制电路设计中，主要需要留意：(1)光回路等长设计、(2)信道间(电性)时滞、(3)高频线路长度、(4)芯片面积等。本发明人基于这些角度，对应该采用的结构进行了研究。首先，关于图1所示的结构，如前述，在RF引出线路内包括90度弯曲线路，因此除了产生差动线路间时滞之外，信道间的RF引出线路长度也不同，因此，调制特性对信道的依赖性也存在问题。由此，不能采用不得不使RF线路弯曲的本结构。
作为不使RF线路弯曲而直线地对输入信号供电的方法，与图1的结构互换性最高的例子可例举出图3。但是，该结构虽然满足上述(1)光回路等长设计、(2)信道间时滞的必要条件，但包括S形曲线波导的光合分波器的面积会增大，因此除了(4)芯片面积增大之外，还导致不希望的(3)高频线路长度的长尺寸化，因此也不能采用该结构。
进而，在此，本发明人为了进行RF引出线路长度的最短设计，着眼于输入侧的光分波器。即，想到了如下的问题：在与构成形成有调制部分的子MZM的光波导的条方向相同的方向上形成有分波器的话，由图3可知，会引起RF引出线路长度不必要地变长。因此，想到了如果将这些光分波器全部形成为与调制部的波导条方向垂直，则能抑制RF引出线路长度的长尺寸化。但是，由图4可知，在将所有的光分波器形成于与子MZM的光波导的条方向垂直的方向的情况下，反而会导致信道间时滞特性、芯片面积增大等。此外，即使是仅使RF引出线路的输入方向与光波导的条方向一致的如图5的那样的结构，也很难说是RF引出线路的最短设计。
本发明人经过如上所述的锐意研究，结果发现，在IQ光调制器中，通过使光回路的功能块配置优化，使输入侧的高频传输线路条方向与光调制器的波导条方向相同，能将差动输入信号低时滞且低损耗地提供给光调制部，以至于实现调制速度的高速化，得到了本发明。本发明所要解决的问题在于提供一种能高速/宽波段工作的IQ光调制器。
用于解决问题的方案
为了解决上述的问题，在一个实施方式中记载的发明是一种IQ光调制器，其特征在于，具备：作为母件的马赫-曾德尔型(MZM)光波导；作为子件的MZM光波导，分别设于构成所述母MZM光波导的两个臂；两个电极线路，沿构成所述子MZM光波导的两个臂分别设置，通过被施加调制信号而对在MZM中传输的光信号进行相位调制；RF引出线路，分别连接于所述两个电极线路，用于输入对所述两个电极线路施加的所述调制信号；第一光分波器，将光分波至所述母MZM光波导的两个臂；第二光分波器，将光分波至所述子MZM光波导的两个臂；以及第一光合波器，对来自所述子MZM光波导的两个臂的光进行合波，所述RF引出线路的条方向、所述第二光分波器的条方向以及所述第一光合波器的条方向与设有所述两个电极线路的所述子MZM光波导的条方向相同，并且，所述第一光分波器的条方向与设有所述两个电极线路的所述子MZM光波导的条方向为正交关系。
附图说明
图1是表示现有的偏振复用型IQ光调制器的一个示例的图。
图2是表示图1的偏振复用型IQ光调制器的光波导构造的图。
图3是表示现有的偏振复用型IQ光调制器的另一个示例的图。
图4是表示现有的偏振复用型IQ光调制器的另一个示例的图。
图5是表示现有的偏振复用型IQ光调制器的另一个示例的图。
图6是表示本实施方式的偏振复用型IQ光调制器的一个示例的图。
图7是表示图6的偏振复用型IQ光调制器的光波导构造的图。
图8是表示本实施方式的偏振复用型IQ光调制器的另一个示例的图。
图9是表示本实施方式的偏振复用型IQ光调制器的另一个示例的图。
图10是表示将差动输出驱动放大器一体集成于本实施方式的偏振复用型IQ光调制器的结构例的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，在本说明书和附图中，符号相同的组件表示相同或相对应的组件。
图6是表示本实施方式的偏振复用型IQ光调制器的结构例的图，图7是将图6的偏振复用型IQ光调制器的光波导部分的组件抽出表示的图。本实施方式的偏振复用型IQ光调制器1被配置为在光波导10上具备：RF引出线路21、相位调制用的电极线路22、相位调整用的第一电极23以及相位调整用的第二电极24。
光波导10具备：XY偏振分离用光分波器11，将输入的光信号分离为X偏振和Y偏振并分别输出；第一光分波器12(12a、12b)，分别设于传输X偏振的光波导和传输Y偏振的光波导，将这些偏振进一步分支为两个；第二光分波器13(13a、13b、13c、13d)，将已分支为两个的偏振进一步分支为两个；第一合波器14(14a、14b、14c、14d)，与这些分波器12、13相反，将在两个相邻的光波导中传输的光合波；以及第二合波器15(15a、15b)，将已被第一合波器14合波的在相邻的光波导中传输的光进一步合波。
本实施方式的偏振复用型IQ光调制器具备所谓的套匣式MZM光波导构造，由第二光分波器13和第一光合波器14夹着的区域是子MZM(马赫-曾德尔干涉型)光波导31，由第一光分波器12和第二光合波器15夹着的区域是母MZM光波导32。
在本实施方式的偏振复用型IQ光调制器中，光波导10例如能形成于弯曲半径为大约200μm左右的InP类化合物半导体。然而，也可以在使用GaAs、Si、LiNbO3等起到电光效应的其他的材料的基板上设置光波导10。
相位调制用的电极线路22的电极结构能采用例如共面/带状线路那样的分布常数型行波电极。例如，为了实现更高速的调制动作，行波电极可以使用电容加载型的电极构造(例如参照专利文献2)。需要说明的是，在本实施方式的偏振复用型IQ光调制器中，使用差动信号是重要的，无论差动信号彼此是否差动耦合着。此外，除了共面/带状线路以外，例如也可以使用GSG等共面线路。优选的是，电极线路22和与其连接的RF引出线路21由差动耦合线路(耦合差动线路)构成，以便相位调制用的电极线路22能施加差动信号。
本实施方式的偏振复用型IQ光调制器如图6、图7所示，被配置为：(1)连接于相位调制用的电极线路22的RF引出线路21的条(延伸)方向与作为光调制部分的子MZM光波导31的条方向相同、(2)第一光分波器12的条方向与子MZM光波导31的条方向垂直、(3)第二光分波器13的条方向和第一光合波器14的条方向与子MZM光波导31的条方向相同。通过采用本实施方式的结构，与图3所示的现有结构相比，假定弯曲半径为200μm，计算出能将引出线路长度减少大约1mm以上的前景。对该结构进一步进行说明。
首先对(1)连接于相位调制用的电极线路22的RF引出线路21的条方向与作为光调制部分的子MZM光波导31的条方向相同的情况进行说明。在子MZM光波导上，设有连接于RF引出线路21的相位调制用的电极线路22。从RF引出线路21向设于该各子MZM的电极线路22输入高频信号，由此引起电光效应，在光波导内传输的光信号被调制。以从该RF引出线路21输入的高频信号来作为差动输入信号，由此能进行能量效率高的光调制。由于RF引出线路21的条方向与子MZM光波导31的条方向相同，因此能抑制差动信号发生时滞。需要说明的是，实际上，虽然在电极线路22的与RF引出线路21相反的一侧，也设有输出RF信号的信号线路，但只要能将信号输出至外部即可，其结构是任意的，因此在此省略。
在上述(1)的结构中，需要如图6所示使RF引出线路21的条方向与相位调制用的电极线路22的条方向相同，理想的是：所有信道的线路并联地直线地形成。需要说明的是，“直线状”、“相同的方向”不是几何学上要求的严格的直线、相同性，而是指对于输入的高频信号(微波)波长要求直线、相同性。因此，例如即使在RF引出线路21内加入了稍微弯曲(弯曲角大约为30°以内)的波导，只要是在微波上能忽略差动线路间时滞的影响的范围就无妨。
接着，对(2)第一光分波器12的条方向与子MZM光波导31的条方向垂直(也称为正交关系)的情况进行说明。例如图5中示出了第一光分波器12的条方向与子MZM光波导31的条方向相同的结构，但其通过使这些条方向一致而使RF引出线路21变长，因此，从抑制时滞的角度来看并不优选。
进而，对(3)第二光分波器13的条方向以及第一光合波器14的条方向与子MZM光波导31的条方向相同的情况进行说明。若不采用(3)的结构而采用在子MZM内设置弯曲波导的结构，则波导臂长度增长为光调制所需的长度以上，因此会因制作加工过程、长期外部环境变动等而导致调制特性变差。例如，容易诱发高次模，恐怕会发生臂间不平衡被破坏等事态。另一方面，即使是(3)的结构，即，子MZM光波导31和其前后的光分波器13、光合波器14都形成于相同的条方向上，也能在臂间隔窄的子MZM31中将光分波器13、光合波器14制作得小型，因此能抑制RF引出线路的长尺寸化。
此外，在MZ干涉型光回路中，两臂间波导的等长化对宽波段工作是不可缺少的，因此在使第一光分波器12的条方向形成为与子MZM光波导31的条方向垂直的情况下，如图6、图7所示，第二光合波器15的条方向也形成为与子MZM光波导31的条方向垂直，由此能在小型化的同时实现母MZM回路的等长化。但是，例如图8所示，在母MZM光波导32内设有迟延光回路35等来使母MZM32的MZ臂长等长化，由此能在不导致RF引出线路21的长尺寸化的情况下使第二光合波器15的条方向形成为与子MZM光波导31的条方向相同。然而，从芯片面积等角度来看，理想的是如图6、图7所示，使第二光合波器15的条方向也形成为与子MZM光波导31的条方向垂直。
关于设于光的输入端的XY偏振分离用光分波器11，条方向不限制，即使根据偏振复用型IQ光调制器1整体的电路结构在任意的方向上形成，也不会对RF引出线路21的长度造成影响，对光等长化、干涉条件等的影响也小。此外，关于向光波导10的光输入/输出方向没有特别的限制，除了如图6、图7所示从沿偏振复用型IQ光调制器1的元件长尺寸方向的端面进行光输入的结构以外，也可以从沿元件短尺寸方向的端面进行光输入。同样地，光输出也可以不像图6、图7那样从沿元件短尺寸方向的端面进行光输出，而是像图9那样从沿元件的长尺寸方向的侧面进行光输出。
在以上的实施方式中，为了进行详细说明，采用了将两个母MZM并联，即将四个子MZM并联地集成的偏振复用型光调制器的结构，但即使采用例如将一个母MZM即两个子MZM并联地集成的只有单偏振的IQ调制器结构，本发明的有用性也不会丧失。
根据本实施方式的偏振复用型IQ光调制器，优化了多段设置的多个光合分波器的配置，在此基础上使高频信号的输入方向与光调制功能区的波导方向一致，由此能低损耗且低时滞地将差动输入信号提供给调制电极，以至于能实现调制速度的高速化。
图10是表示将本实施方式的偏振复用型IQ光调制器1和差动输出驱动放大器2直连地集成的结构例的图。优选的是，本实施方式的偏振复用型IQ光调制器1如图10所示，一体封装地集成有输入用于驱动调制器的差动信号的差动输出驱动放大器2。将差动输出驱动放大器与光调制器一体封装地集成的优点主要有两点。其一是能使高频配线短尺寸化。这样一来，能消除封装体间的配线，能期待线路损耗的大幅的改善。
另一个优点是能任意地规定驱动器输出侧的特性阻抗。通常，封装体间的接口必须是差动100Ω(单个50Ω)的RF连接器，因此驱动器输出的特性阻抗必须设定为差动100Ω。另一方面，在将差动输出驱动放大器与调制器一体集成的情况下，由于不经由接口的连接器，因此能进行适合调制器的特性阻抗的驱动器设计。通常，在进行光调制器的宽波段化的情况下，特性阻抗降低至差动低于100Ω，因此，能使驱动器输出侧的特性阻抗与降低后的特性阻抗匹配，这是一个大的优点。
像这样，为了最大限度地活用本实施方式的偏振复用型IQ光调制器的高速化和低耗电化的效果，理想的是，将差动输出驱动器集成于同一封装体内。
在如图10所示将本实施方式的偏振复用型IQ光调制器1与差动输出驱动放大器2直连而一体集成的情况下，通常可以省略需要内置于放大器2内的发送端端接电阻。由此能期待进一步的能量效率改善(低耗电化)。这里已知如非专利文献3所记载的，仅限于在与调制器一体集成的情况下能省略端接电阻，但发送端端接电阻的省略意味着差动输出驱动放大器2对于来自偏振复用型IQ光调制器1侧的电反射不具有任何耐受性。即，在从差动输出驱动放大器2输出后到偏振复用型IQ光调制器1内的端接电阻为止的高频信号线路间存在反射点(例如特性阻抗的不匹配点)的情况下，这里的反射信号不大幅衰减就返回至差动输出驱动放大器2内的驱动器电路，结果是，可能会导致驱动器的驱动力降低、放大信号品质变差。为了解决该问题，可以删除驱动器—调制器终端间的反射点，作为最有效的手段之一，可以例举如图10所示在驱动器与调制器间不设置不需要的陶瓷等扩展/中继基板，而是通过金属丝等直接与调制器电连接。此外，根据本实施方式的偏振复用型IQ光调制器1，能最小限度地构成RF引出线路21，因此通过直接连接(直连)偏振复用型IQ光调制器1和差动输出驱动放大器2，不仅能减少反射点，还能同时实现由线路短尺寸化带来的高频线路损耗的改善。
附图标记说明
1偏振复用型IQ光调制器
2差动输出驱动放大器
10光波导
11XY偏振分离用光分波器
12、12a、12b第一光分波器
13、13a、13b、13c、13d第二光分波器
14、14a、14b、14c、14d第一合波器
15、15a、15b第二合波器
21RF引出线路
22电极线路
23第一电极
24第二电极
31子MZM光波导
32母MZM光波导
35迟延光回路
51XY偏振分离用光分波器
52第一光分波器
53第二光分波器
54第一合波器
55第二合波器
56子MZM
57母MZM
62行波电极
63DC电极
64DC电极
65RF引出线路。

Claims (5)

1.一种IQ光调制器，其特征在于，具备：
作为母件的马赫-曾德尔型MZM光波导；
作为子件的MZM光波导，分别设于构成所述母MZM光波导的两个臂；
两个电极线路，沿构成所述子MZM光波导的两个臂分别设置，通过被施加调制信号而对在MZM中传输的光信号进行相位调制；
RF引出线路，分别连接于所述两个电极线路，用于输入对所述两个电极线路施加的所述调制信号；
第一光分波器，将光分波至所述母MZM光波导的两个臂；
第二光分波器，将光分波至所述子MZM光波导的两个臂；以及
第一光合波器，对来自所述子MZM光波导的两个臂的光进行合波，
所述RF引出线路的条方向、所述第二光分波器的条方向以及所述第一光合波器的条方向与设有所述两个电极线路的所述子MZM光波导的条方向相同，并且，所述第一光分波器的条方向与设有所述两个电极线路的所述子MZM光波导的条方向为正交关系。
2.根据权利要求1所述的IQ光调制器，其特征在于，还具备：
第二光合波器，对来自所述母MZM光波导的两个臂的光进行合波，
设有所述两个电极线路的所述子MZM光波导的条方向与该第二光合波器的条方向为正交关系。
3.根据权利要求1或2所述的IQ光调制器，其特征在于，
所述两个电极线路和与该电极线路连接的RF引出线路由差动耦合线路构成，从所述RF引出线路输入并施加于所述电极线路的调制信号为差动信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的IQ光调制器，其特征在于，
两个所述母MZM光波导并联地集成于同一半导体元件内，所述IQ光调制器还具备将输入至所述两个母MZM光波导的光信号分离为X偏振和Y偏振进行输入的XY偏振分离用光分波器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的IQ光调制器，其特征在于，
所述IQ光调制器和差动输入/输出型的高频放大器搭载于同一封装体内，该IQ光调制器与高频放大器仅经由金属丝直接电连接。
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