CN110546563A - 具有相对于调制电极横向移位的导电平面的高频光学调制器 - Google Patents

具有相对于调制电极横向移位的导电平面的高频光学调制器 Download PDF

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Abstract

描述了一种光学调制器，该光学调制器具有Mach‑Zehnder干涉仪和与Mach‑Zehnder干涉仪连接的一对RF电极，其中，Mach‑Zehnder干涉仪包括由半导体材料形成的光波导。光学调制器还包括接地平面，该接地平面与传输线电极在不同的平面中隔开，该传输线电极由与Mach‑Zehnder干涉仪连接的一对RF电极的组合形成。接地平面可以与子基座相关联，其中包括Mach‑Zehnder干涉仪和一对RF电极在内的光学芯片安装在子基座上，其中两个半导体光波导朝向子基座取向。描述了形成调制器的方法。

Description

具有相对于调制电极横向移位的导电平面的高频光学调制器
相关申请的交叉引用
本申请要求Chen等人于2017年3月17日提交的题为“High Frequency OpticalModulator With Laterally Displaced Conduction Plane Relative to ModulatingElectrodes”的美国专利申请15/462,099的优先权，该专利申请要求Chen等人于3017年3月3日提交的题为“High Frequency Optical Modulator With Laterally DisplacedConduction Plane Relative to Modulating Electrodes”的美国临时专利申请62/466,694的优先权，二者通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及可以在光通信中用于各种信息传递的光学调制器。光学调制器可以用于高带宽RF调制，其利用与半导体光波导耦合的RF传输线来传送。
背景技术
结合了Mach-Zehnder干涉仪结构的光学调制器可以用于对光学信号(例如来自激光源的光)施加RF调制。RF调制可以对光信号内的信息进行编码，以通过光通信网络传输到远程位置。编码信息可以包括例如数据信号、语音信号、视频信号和/或其他通信信息。
Mach-Zehnder干涉仪结构将光信号分成两个臂，两个臂在重新组合时会产生干涉。使用RF传输线经由电磁RF信号改变光波导的折射率将RF信号叠加到光信号上。随着RF信号的频率增加以适应光信号中的更高带宽，RF信号到光信号的调制中的高保真传输变得更具有挑战性。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种光学调制器，包括子基座、被设计为承载RF信号的导电路径；以及光学芯片，该光学芯片包括基板和两个半导体光波导，沿着光波导表面的至少一部分具有导电元件。在一些实施例中，光学芯片被附接到子基座，其中光学芯片基板被定向为背离子基座取向，并且两个半导体光波导朝向子基座取向。子基座可以包括自光学芯片的导电RF电极偏移的导电平面。通常，光学芯片还包括两个导电RF电极和附加导电元件，两个导电RF电极分别与对应的光波导相邻，附加导电元件将导电RF电极中的一个沿对应的半导体波导的表面连接到对应的导电元件，并且导电路径电连接到光学芯片的导电RF电极。
在另一方面，本发明涉及一种光学调制器，包括Mach-Zehnder干涉仪和与Mach-Zehnder干涉仪连接的一对RF电极，所述Mach-Zehnder干涉仪包括光分束器、两个光波导臂和光合束器，光分束器连接到光输入波导，两个光波导臂光连接到光分束器，光合束器光连接到两个光波导和输出波导。光波导可以包括半导体光学材料，并且电触点可以位于光波导臂表面的部分上。一对RF电极中的每一个包括传输线电极，传输线电极通过附加电极连接到相应光波导上的电触点。在一些实施例中，接地平面与传输线电极在不同的平面中间隔开。光学调制器可以用于调制光电信信号的方法中，其中，方法包括：使在Mach-Zehnder干涉仪的两个光波导之间分束的激光曝光以分离沿RF传输线传输的RF电场；以及将来自两个光波导的光重新结合以形成经调制的光信号。此外，该方法还可以包括具有四个Mach-Zehnder干涉仪的光学调制器的实施例，向每个单独的Mach-Zehnder干涉仪传送单独的RF电场；以及通过在正交相位状态和偏振状态下组合所得的光信号来复用光信号。
在另一方面，本发明涉及一种形成光学调制器的方法，其中该方法包括：将倒置光学芯片结合到子基座。倒置的光学芯片可以包括具有光波导的Mach-Zehnder干涉仪和与Mach-Zehnder干涉仪的不同臂相关联的两个RF电极。子基座可以包括电触点，该电触点与沿波导结构的相邻表面的电接触点对准。子基座可以包括与子基座的安装表面间隔开的接地平面。
附图说明
图1是本申请的光学调制器的示意性透视图，其中光学芯片与子基座连接。
图2是图1的光学芯片和子基座的示意性透视图，其中光学芯片与子基座断连并且被倒置以示出与子基座连接的光学芯片的表面。
图3是图2的光学芯片的一部分的局部放大图。
图4是在线4处截取的图1和图2的调制器的截面侧视图。
图5是在线5处截取的图1和图2的调制器的示出了桥接电极的截面侧视图。
图6是具有子基座的备选实施例的沿与图4的相同视图的调制器的截面侧视图。
图7是具有图6所示的子基座的备选实施例的沿与图5的相同视图的调制器的截面侧视图。
图8是用于本申请的调制器的成对的代表性半导体光波导的截面侧视图，半导体光波导在相应基板上，在光波导的顶表面上具有电连接。
图9是光学芯片的局部透视图，其中光波导与传输线RF电极连接。
图10是图9中的结构的一部分的放大图。
图11是图10中的结构的一部分的进一步放大图，其中示出了电触点与光波导连接。
图12是本申请的调制器的示意性俯视图，其中光学芯片的基板是不可见的以示出光学芯片与子基座之间的界面。
图13是具有与RF微带发射器连接的4个Mach-Zehnder波导的光学调制器的局部示意图。
图14是图13的光学调制器的示意图，其中光学芯片的一部分被移除以示出底层结构。
图15是本申请的与光发射器的其他组件连接的光学调制器的示意图。
图16是双偏振正交相移键控调制器的示意图。
图17是通过偏振器和偏振光耦合器的图16的X输出波导和Y输出波导的耦合的示意图。
具体实施方式
可以使用具有导电平面的安装结构或子基座以及带有用于Mach-Zehnder干涉仪的臂的光波导的光学芯片来形成具有期望高频性能的光学调制器，所述Mach-Zehnder干涉仪的臂可以与光波导上的RF电极放置在一起。导电平面提供了方便的电学接地平面，以支持RF行波，该行波调制通过光波导——通常是半导体波导，但可能是其他类型的电光波导——传输的相邻光信号。所得到的配置有效地将电场主要限制在该结构内，以提供与相邻结构的低串扰。通常，所得的安装结构形成RF传输线。将光学芯片直接安装到子基座上提供了方便的RF电极配置，该配置引入了与关联光学组件的整合一致的制造效率。具体地，可以使用球或凸块接合工艺来形成对准的导电元件之间的电连接，使得加热使与导电元件之一相关联的导电金属(例如金或银)的沉积物流动，以在很少或没有人工产生的连接的情况下形成导电结合。本文描述的调制器被设计为在扩展到大于40GHz的RF频率下提供适当的宽带信号调制，这些RF频率对于当前光通信系统以及未来预期的系统而言是理想的。在高RF频率下，可以适当地设计本文的RF电极配置，以使RF传输速度与通过半导体或其他电光波导的光传输的适当对准。
可以使用光学调制器将调制引入连续波光传输中，以使用所需的数据信号对光传输进行编码。为了提供光传输的调制，将射频(RF)传输线放置在光波导附近。可以选择光信号的波长以合并到光通信网络中，例如使用1530nm至1565nm的C波段或1460nm至1530nm的S波段、或1565nm至1620nm的L波段工作。
本文所述的调制器具有Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其包括两个光耦合器/分束器，其中两个光波导连接耦合器/分束器形成MZI臂。MZI臂各自与RF发射器的电极连接。电极通常是行波电极，其由至少两个电极组成，该至少两个电极形成传输线(每个臂一个)，例如，传输线大致定向为平行于光波导。连接到传输线电极的一系列电极延伸部分或导电元件定位为更接近光波导。具体地，直接与光波导相邻的这些导电元件通过桥接导体连接到传输线电极。来自传输线电极和所连接的元件以及地的电场与光波导材料的属性相互作用，并且因此与MZI臂中的光信号相互作用。通常，两个相应的行进的(traveling)RF电极相对于彼此以反相(相对于地相反的电压)的角度被驱动。由于光调制，当从MZI臂重组时，光信号的干扰会根据调制而相长或相消地相干涉，从而基于RF信号来调制从MZI光电路传输的光信号，并且在接收器处对经调制的光信号的去卷积可以从所传输的光信号中提取出编码信息。
光信号通过波导的速度取决于光波导的折射率，该光波导通常是半导体或高折射率电介质。类似地，RF波的速度取决于与接地电极和周围介质结合的RF传输线电极的有效RF折射率。通常，光波导中的光信号的速度与简单的对应传输线中的电信号的速度明显不同。如果光信号和电信号的速度彼此显著不同而导致调制波长量级(例如厘米级)的走离，则通过调制编码的信号可能会失真、流失或丢失。通常，将光波导中的光传播速度调整可观的量是不切实际的。因此，已努力设计RF传输线的结构，以使RF传输速度与光传播速度更好地匹配。随着RF频率增加以允许更高的带宽，RF波长会缩小，并且会使用更严格的容差来相应地评估RF传输与光传播的匹配。
RF电极以及接地电极的设计都会影响RF传输。特别地，电极设计影响功耗、调制效率和RF传输速度。在RF传输速度应适当地匹配光传播的同时，期望的是在保持期望的信号调制度的同时，具有低功耗和与附近安装的其他调制器之间的低串扰。另一约束是调制器的电阻抗应与RF源的输出阻抗匹配，包括但不限于外部发生器或放大器或共封装的驱动器。本文所述的调制器设计涉及调制器在子基座上的定位，即，基座(mount)结构提供匹配电阻抗的匹配自由度，还使得能够在提供适当的商业处理的同时实现高性能。在RF电极面向与子基座相关联的接地平面的情况下，RF模式被限制在子基座中，而对半导体芯片和子基座之间的气隙没有明显的敏感度。
对于本文的调制器结构，基座(mount)在以下组件之间提供横向位移，即，非共面关系：(a)位于基于半导体的光波导的表面上或临近该表面的并与相邻传输线相连的调制电极；以及(b)以间隔开配置支撑的地，该地相对于调制电极的平面横向地移位。RF信号所涉及的有效RF折射率取决于结构。在调制电极相对于其上形成有光波导的基板通常放置在半导体光波导的“顶部”的角度上，以相对于支撑结构倒置的配置安装光波导结构。通常，半导体光波导形成有与调制RF电极相邻的p掺杂半导体层，因此这里描述的结构可以被称为“p向下”结构，尽管因为任何复合结构都可以在自由空间中到处移动以重新对结构进行取向导致对顶部或上部等进行的任何参考有必要对复合结构的假定取向进行一定的参考。虽然本文的讨论集中在方便于所描述结构的当前商业处理方法，但是随着商业处理的发展，结构本身原则上可以使用所需结构的直接构建来形成，并且结构可以使这种方法与单独的形成和将光学芯片与安装结构相连接的安装过程进行竞争。
相反，在Prosyk的题为“Electrical Waveguide Transmission Device for UseWith a Mach-Zehnder Optical Modulator”的美国专利8,917,958B2(以下称为′958专利)中描述了适合于高频调制的共面接地电极的使用，通过引用并入本文。′958专利的设计旨在去除传输线调制器电极之间的接地电极，同时保持有效的光学调制器。Prosyk的题为“Mach-Zehnder Optical Modulator Using a Balanced Coplanar Stripline WithLateral Ground Planes”的美国专利9,069,223B2(以下称′223专利)提出了另一种具有共面定位的接地导体的RF光学调制器设计，其通过引用并入本文。′223专利宣称通过使用“具有横向接地平面的平衡共面带状线”在减少功耗和减小串扰的情况下实现了更低的波导电容。与这些应用相比，本发明的调制器通过以下方式而增强：以相对于子基座呈倒置配置耦合到子基座，并且具有在子基座内竖直移位放置的接地平面。在一些实施例中，不存在横向接地平面。竖直移位的接地平面不同于与半导体光波导链接的非接地的即浮置的半导体导电平面，并且浮置的半导体导电平面在本发明的系统中通常是固有的(inherent)位于半导体光波导的远离导电接地平面的相对侧。
图1中示出了本文所述的RF光学调制器的实施例。参照图1，示出了光学调制器结构100，其中光学芯片102安装在子基座104上。图2示出了分解图或分离图，其中光学芯片102相对于子基座104旋转以示出配合结构。图3示出了光学芯片102的一部分的放大图。参照图2和图3，光学芯片102具有基板108；两个光波导110、112；两个传输线RF电极114、116；以及对应的桥接电极118、120。在一些实施例中，传输线RF电极的宽度可为约10微米至约30微米，在一些实施例中，相应的传输线RF电极114、116可彼此间隔开，间距为约50微米至150微米。对应的传输线RF电极114、116分别以接合焊盘122、124和126、128终止。子基座104包括基板130；分别与接合焊盘140、142、144、146连接的导电条132、134、136、138；以及导电平面148。基板130可以包括陶瓷材料，例如氮化铝、氧化铝和其他材料；和/或聚合物材料，例如聚碳酸酯或PET等。子基座104的导电元件可以由金属膜形成，例如铜、银、金、其合金等。接合焊盘140、142被配置为分别附接到接合焊盘122、124，并且接合焊盘144、146被配置为分别附接到接合焊盘126、128。导电平面148通常可以接地以为传输线RF电极114、116提供地。传输线RF电极114、116和导电平面148(地)共同形成RF传输线，其中电场和磁场延伸穿过光波导。
图4和图5中示出了光学调制器100的截面图。图5的横截面被定位成示出桥接电极，其在图4中未示出。该图示出了传输线RF电极114、116与用作接地平面的导电平面148的空间关系。通常，传输线RF电极114、116与子基座的顶部之间的气隙可以在几十微米的量级，并且子基座的厚度可以在100微米的量级。在图6和图7中示出了备选实施例。在该实施例中，如图4和图5所示，子基座的基板150在基板结构内而非在表面上包括导电平面152。利用这样的备选实施例，从导电平面到传输线的距离可以被设计为实现期望的RF性能而不固定子基座的厚度。而且，导电平面可以相对于RF传输线跨过气隙而位于子基座的顶表面上，尽管通常希望导电平面相距RF线具有更远的距离，以提供可管理的RF模式限制并控制RF线中的阻抗。
通常，对于这些基于MZI的光学调制器，光波导可以是基于半导体的材料。半导体光波导的基本例示结构如图8所示，其中描绘了两个MZI臂。参照图8，光学结构160包括第一光波导162、第二光波导164、半导体支撑件166和基座支撑层168。第一光波导162和第二光波导164通常每个都包括p-i-n二极管结构或更通常地包括c-n-c(导电-不导电-导电)结构，但是在所描绘的层内可以包括附加层和/或子层以提供期望的性能。在本领域普通技术人员将认识到的半导体材料的当前上下文中，不导电材料将不是绝对不导电的，但是它将具有非常大的电阻，而导电材料将不必具有与金属一样的导电性，但是相对而言，导电材料的导电率通常比不导电区域大至少十倍，并且在许多实施例中，导电率至少大一百倍，并且在其他实施例中，导电率至少大1000倍。具体地，在所描绘的实施例中，第一光波导162可以包括电触点170(连接到桥接电极)、掺杂(例如p掺杂)层或导电层172、本征或不导电层174和掺杂(例如n-掺杂)或导电层176，并且第二光波导164可以包括电触点180、掺杂(例如p掺杂)层或导电层182、本征层184和掺杂(例如n掺杂)或导电层186。第一光波导162和第二光波导164可以充分地间隔开以将任何光学相互作用减小到期望水平，并且本领域普通技术人员可以基于光波导中的材料来评估适当的距离。半导体支撑件166通常可以包括掺杂的或导电的半导体层，并且基座支撑层168可以包括本征或不导电的半导体层。电触点170、180通常包括金属层，例如银、金、铂或铜，并且如图3所示并参考下面的图9至图11更明确地示出，电触点只能与光波导的部分相关联。对于波导的其他部分，结构可以是相同的而没有电触点。例如，合适的半导体或其他光波导基板包括例如InP、GaAs、LiNbO3、Si或其他合适的材料。用于产生导电半导体的合适的掺杂剂通常包括作为n型掺杂剂的Si、S或P和作为p型掺杂剂的Zn或B以及其他合适的掺杂剂元素。基板可以支撑光波导结构，例如硅支撑件。基支撑层168可以具有几十至几百微米的厚度，以提供期望的支撑水平。其余的层通常在50纳米(nm)至5微米的量级。同样，在特定的光波导设计中可以有附加的半导体层或子层。基于InP的调制器提供了紧凑的调制器格式的可能性，但是传统设计中的低阻抗会限制电波和光波之间的相互作用长度。在Dummer等人的“Periodic Loading and SelectiveUndercut Etching for High-Impedance Traveling-Wave ElectroabsorptionModulators”OTHC6 paper，IEEE Optical Fiber Conference/National Fiber OpticalEngineer Conference，San Diego 2008中描述了解决这些问题的方法，其通过引用并入本文。由于子基座接地平面的位置影响了RF传输线模式的阻抗，因此本文的调制器设计采用适合于商业制造的便捷处理方法，为这些问题提供了有效的解决方案。
图9至图11中示出了光学芯片的一部分的顺序放大图。在这些视图中，示出了MZI的两个臂具有两个相应的传输线RF电极，这些RF电极带有至位于光波导上的电触点的相应桥。参照图9，光学芯片200包括基板202；RF电极204、206；光波导208、210以及两组电极桥212、214；两组电极桥212、214通常由适当图案化的金属膜形成。参考图10中的进一步放大图，电极桥212、214连接至与各自的光波导208、210关联的电触点216、218。电触点216、218覆盖光波导208、210的选定部分。电触点与图8的结构中的电触点170、180相对应。参照图11的进一步放大图，可以看到掺杂或导电基板220和基座基板222与光波导208、210相关联。掺杂或导电基板220和基底基板222分别对应于图8的结构中的半导体支撑件166和基座支撑层168。
对于图12中的示例实施例，示出了调制器250的组件的较大集成，其中光学芯片基板和任何重叠元件都是透明的，以示出在组装配置中光学芯片与子基座的界面。作为该描绘的结果，该光学芯片和子基座在该视图中不容易区分，尽管在其他图中它们是可区分的。参照图12，光波导252、254在其端部处与耦合器/分束器256、258连接。光耦合器/分束器256的输入波导260光连接到位于调制器250的边缘处的光连接器262，以提供对光纤或例如激光器结构的另一器件的光波导的附接。在一些实施例中，耦合器/分束器256的输入波导260可以与光学芯片上的附加集成光学元件连接，作为直接与光连接器连接的备选。光耦合器/分束器258与输出波导264连接。
传输线RF电极270、272通过桥接电极274、276分别与光波导252、254连接。传输线RF电极270与导电焊盘280、282连接，并且导电焊盘280、282分别与终止于导电焊盘280、282处的导电元件288、290电触点。传输线RF电极272与导电焊盘284、286连接，并且导电焊盘284、286分别与终止于导电焊盘284、286处的导电元件292、294电触点。导电元件288、290、292、294由子基座支撑。导电焊盘280、282、284、286将沿光学芯片上的光波导的电极与支撑在子基座上的电极相连接。与导电元件288、290、292、294相关联的连接焊盘可以是以布线方式或以其他方式电连接到RF发生器，该RF发生器与提供调制信号和合适的阻抗匹配的RF终端网络相关联。
为了在当前的现有技术中使用相干光通信中，可希望将4个基于MZI的调制器元件彼此关联地分组，尽管可以将较少数量的诸如一个、两个或三个的基于MZI的调制器集成在单个光学芯片中，用于基于其他集成结构传输相干或非相干通信信号。如本领域中所使用的，相干是指在光场的振幅和相位以及其偏振两者中承载信息的光通信信号。对于这些信号，通常独立地调制光信号的两个正交偏振态，每个偏振态根据光学相位和振幅的两个度，然后将其重新组合以进行传输，这在一起可以称为偏振复用(PM)。将不同的电调制方案应用于嵌入式MZI可以生成各种标准形式的相干光星座图，以对数据传输进行编码。例如，如果每个偏振的光输出为恒定振幅并被调制为相隔90度的四个光学相位之一，则通常将其称为“正交相移键控”(QPSK)。当以这种方式使用时，所描述的四MZI配置提供“PM-QPSK”相干光传输。这在每个传输的光符号中提供了四个二进制的信息“位”(两个偏振乘以两个位-四个可能的相位中的任一个-每偏振)。备选地，可以通过调制来改变每个透射偏振的相位和振幅。这通常称为“nQAM”(n个正交振幅调制，其中“n”是允许的调色板(palette)中的相位-振幅状态数)。通常，所需的调制图案包括16QAM(每个偏振4位)和64QAM(每个偏振6位)。本文所述的4-MZI配置组通常对于支持任何现有的相干传输格式(例如，PM-QPSK、PM-16QAM)或新兴格式(例如，PM-64QAM或其他)的传输是最佳的。尽管在本申请之时还没有被广泛采用的术语，但是所有这些以及其他合适的相干格式都可以汇集为易于理解的术语“PM-IQ”(偏振复用；同相/正交振幅)。因此，在此作为示例描述的4-MZI实施例可以被称为PM-IQ调制器。当然，可以将较大组的基于MZI的调制器封装在一起，可选地以4的倍数封装在一起，以例如提供多个独立光波长的PM-IQ调制。为了支持更详细的封装讨论，为方便起见，紧随其后的讨论集中于具有4个基于MZI的调制器元件的调制器结构。
为了组装，使用适当的图案化和诸如CVD和光刻的层构建处理来形成光学芯片。对于金属电极的施加、溅射、其他化学或物理气相沉积方法，可以使用被固化以形成金属膜的导电膏等。光学组件可以例如在光滑的InP或硅晶片上形成，然后切成小块以形成单独的组件。金属电极是经由被支撑于适当支撑结构上的桥接电极而连同桥接电极和在光波导上的电触点一起被添加的，金属电极作为RF传输线的一部分并提供去往子基座的连接点。该子基座可以是印刷电路板、柔性电路、陶瓷、金属层堆叠或其他类似的结构，其提供具有绝缘基板和设计的电连接的期望结构。如果商用印刷电路板、柔性电路、陶瓷或其他合适的结构具有合适的厚度，则导电层可以沿着其远离光学芯片的表面放置，作为接地平面。备选地，子基座可以被构造为将适当地其他位置定位的导电平面作为地，例如如上所述，在子基座内，或者相对于光学芯片跨过气隙沿着近侧表面。光学芯片可以倒置并放置在子基座上。所述子基座可包括绝缘支撑元件，以与子基座的表面间隔开的关系支撑光学芯片的至少一部分。支撑元件可以是例如玻璃柱、陶瓷柱等。与光学芯片电极的电连接可以通过引线结合来实现，但是在一些实施例中，可以在子基座上使用匹配的接合焊盘来执行适当的组装，使得将光学芯片与子基座的定位使接合焊盘每个可连接地对准，例如通过焊接的回流。在一些实施例中，导电金属接合球或焊盘可以具有适当的尺寸以将光学芯片支撑在子基座上，其然后可以代替绝缘柱等。由于引线结合球将放置在合适的位置，因此不必在意它们是导电的而元件之间没有相应的绝缘结构。可以使用其他合适的处理方法。
参照图13，示出了调制器300的局部视图，其中光学芯片302支撑在子基座304上。光学芯片302具有安装在芯片上的4个MZI结构310、312、314、316，以调制相干光信号，这是在组合来自每个MZI调制器组件的4个单独调制的偏振和振幅相位态之后得到的。玻璃柱或引线结合球318支撑安装在子基座304上的光学芯片302。如图13所示，分别与每个MZI结构310、312、314、316相关联的成对的光波导320、322、324、326穿过传输线RF电极之间的调制区并在调制区的两端上继续，其中所述传输线RF电极与光波导上的电接触点连接。如图12所示，每对的两个臂的两端都指向光合束器/分束器，然后来自4个MZI元件的四个光信号也可以用光合束器组合在一起，以形成经调制的输出光信号以供转移。每个传输线RF电极连接到在每个端部处或每个端部附近的结合焊盘，该结合焊盘电连接到子基座304上的电极330。在该实施例中，示出了位于子基座304的下表面上的导电平面332，尽管子基座304内的位置可以同样有效。子基座304直接或间接地提供与RF发生器的电连接，该RF发生器提供期望的调制以供数据传输。参照图14，示出了调制器300的备选视图，其中光学芯片的一部分被移除。
如本文中所描述的调制器的示意性布局在图15中示出为光通信发射器的一部分。激光器350例如半导体二极管激光器或激光器阵列将输出的光引导至与调制器354连接的光信道352，例如波导或光纤。通过适当的光学元件，调制器354最终与作为光通信网络一部分的光纤356进行连接，以通常传输到远离调制器354的位置。调制器354通常还通过具有电学端子362的适当电连接360而电连接到RF发生器358。调制器354通常可以具有本文描述的各种设计以提供期望的调制器功能。调制器354与图15中指出的输入和输出组件的连接可以使用平面组件、自由空间组件或其组合以及适当的连接器，例如本领域中已知的那些连接器，以便将平面光波电路彼此连接和/或将光纤连接到平面光波电路。
参照图16，示出了用于相应调制器的相干光学芯片380的布局。相干光学芯片380包括连接到光分束器384的输入波导382，光分束器384通过分束波导386、388连接到第一耦合对的经调制的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)390和第二耦合对的经调制的MZI 392。基于相干光通信领域中的术语，耦合对的经调制的Mach-Zehnder干涉仪可以称为I-Q对。第一耦合对的经调制的MZI 390包括光分束器400、第一MZI 402、第二MZI 404、将光分束器400与第一MZI 402和第二MZI 404连接的输入分束波导406、408、光耦合器410、将光耦合器410与第一MZI 402和第二MZI 404连接的输出分束波导412、414、以及X输出波导416。第一MZI 402包括光分束器420、第一MZI臂422、第二MZI臂424和光耦合器426。RF电极428、430通过如本文所述的适当的电连接分别与第一MZI臂422和第二MZI臂424连接。类似地，第二MZI 404包括光分束器440、第一MZI臂442、第二MZI臂444和光耦合器446。RF电极448、450通过如本文所述的适当的电连接分别与第一MZI臂442和第二MZI臂444连接。第二耦合对的经调制的MZI 392包括光分束器460、第三MZI 462、第四MZI 464、将光分束器460与第三MZI 462和第四MZI 464连接的输入分束波导466、468、光耦合器470、将光耦合器470与第三MZI 462和第四MZI 464连接的输出分束波导472、474、以及Y输出波导476。第三MZI 462和第四MZI 464包括与第一MZI 402和第二MZI 404相似的结构，在附图中未对其进行标记以简化附图。尽管光学芯片380被描述为单个平面光学结构，但是在一些实施例中，针对光学芯片380描述的功能可以被划分为被图16中的虚线所划分的三个或更多个平面光学结构500、502、504，其具有连接它们的合适的光耦合。光学结构500可以是具有形成MZI的半导体波导的光学芯片，而光学结构502、504可以是例如包括形成分束器和合束器以及相关光学组件的石英玻璃波导在内的光学芯片。
为了引入偏振依赖性，可以基于X输出信号和Y输出信号使用偏振器和偏振合束器。参照图17，X输出波导416与使该信号的偏振旋转的90度偏振器510(例如波片)连接。来自偏振器510的偏振波导512被定向到偏振合束器512，该偏振合成器512也连接到Y输出波导476。偏振合束器512将输出定向到偏振复用输出波导514。图17所示的结构通过以正交相位状态和偏振状态组合得到的光信号来执行光信号的复用。例如，在Yamazaki的题为“Polarization Beam Combiner/Splitter，Polarization Beam Combining/SplittingStructure，Light Mixer，Optical Modulator Module，and Method for ManufacturingPolarization Beam Combiner/Splitter”的美国专利9,442,248中描述了偏振束合束器，其通过引用并入本文。
上面的实施例旨在说明而不是限制。其他实施例在权利要求书之内。另外，尽管已经参考特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。限制为通过引用以上文件的任何结合，使得没有结合与本文的明确公开相反的主题。就本文以组件、元件、成分或其他分隔物描述特定结构，组合物和/或方法的程度而言，应理解本文的公开内容涵盖特定实施方案，包括特定组分、元素、成分、其他成分的实施方案。如在讨论中所建议的，除非另外特别指出，否则分隔物或其组合以及基本上由这样的特定组分，成分或其他分隔物或其组合组成的实施方案可以包括不改变主题的基本性质的附加特征，如讨论中所建议的。

Claims (20)

1.一种光学调制器，包括：子基座、被设计为承载RF信号的导电路径、以及光学芯片，所述光学芯片包括基板和两个半导体光波导，沿着光波导表面的至少一部分具有导电元件，其中，所述光学芯片附接到所述子基座，其中光学芯片基板背离所述子基座取向并且所述两个半导体光波导朝向所述子基座取向，其中，所述子基座包括从所述光学芯片的导电RF电极偏移的导电平面，其中，所述光学芯片还包括两个导电RF电极和附加导电元件，所述两个导电RF电极分别与对应的光波导相邻，所述附加导电元件将所述导电RF电极中的一个导电RF电极沿对应的半导体波导的表面连接到对应的导电元件，并且其中所述导电路径电连接到所述光学芯片的导电RF电极。
2.根据权利要求1所述的光学调制器，其中，所述光学芯片还包括分别与所述半导体光波导的端部连接的两个光耦合器/分束器。
3.根据权利要求2所述的光学调制器，其中，一个光耦合器光连接到激光源，并且其中另一个光耦合器/分束器光连接到光纤。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学调制器，其中，所述导电路径位于所述子基座上，并且其中附加导电材料在所述导电RF电极与所述子基座上的导电路径之间形成电连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学调制器，其中，所述导电路径连接到RF源。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学调制器，还包括绝缘柱，在所述光学芯片和所述子基座上的位置之间，使所述光学调制器稳定。
7.一种光学调制器，包括Mach-Zehnder干涉仪和与所述Mach-Zehnder干涉仪接口连接的一对RF电极，所述Mach-Zehnder干涉仪包括光分束器、两个光波导臂和光合束器，所述光分束器连接到光输入波导，所述两个光波导臂光连接到所述光分束器，所述光合束器光连接到两个光波导和输出波导，其中，所述光波导包括半导体光学材料，电触点位于光波导臂表面的部分上，并且所述一对RF电极中的每一个包括传输线电极和接地平面，所述传输线电极通过附加电极连接到相应光波导上的电触点，并且所述接地平面在不同的平面中与所述传输线电极间隔开。
8.根据权利要求7所述的光学调制器，其中，所述半导体光波导各自包括固有的或不导电的半导体基层、相对于所述基层在所述固有的半导体层上方的掺杂的或导电的半导体层、相对于所述基层在所述第一掺杂的或导电的半导体层上方的第二固有的或不导电的半导体堆叠层、以及在所述第二固有的或不导电的半导体层上方的掺杂的或导电的半导体层，从而形成n-c-n-c结构，其中n表示不导电，并且c表示导电。
9.根据权利要求7或8所述的光学调制器，还包括子基座，并且其中所述半导体光波导的至少一部分被集成在与所述子基座组装的光学芯片上，并且其中所述子基座包括所述接地平面。
10.根据权利要求9所述的光学调制器，还包括导电引线结合球，在所述光学芯片和所述子基座上的位置之间，使所述光学调制器稳定。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的光学调制器，还包括一个附加的Mach-Zehnder干涉仪和与所述附加的Mach-Zehnder干涉仪相关联的一对附加的RF电极，其中，所述附加的Mach-Zehnder干涉仪包括与光输入波导连接的光分束器、与所述光分束器光连接的两个光波导臂、以及与两个光波导和输出波导光连接的光合束器，每个Mach-Zehnder干涉仪的两个输入波导通过分束器连接到单个光输入，每个Mach-Zehnder干涉仪的两个输出波导通过合束器连接到单个光输出，其中所述光波导包括半导体光学材料，电接触点位于光波导臂表面的部分上，并且一对附加的RF电极中的每一个包括通过附加电极连接到相应的光波导上的电触点的传输线电极以及接地平面，接地平面在不同的平面中与所述传输线电极间隔开，其中，所得结构被称为第一I-Q对的经调制Mach-Zehnder干涉仪。
12.根据权利要求11所述的光学调制器，还包括第二耦合的I-Q对的经调制Mach-Zehnder干涉仪和光分束器，所述光分束器被配置为组合来自所得的四个Mach-Zehnder干涉仪的光信号，其中两个输出波导通过偏振合束元件而光耦合，以产生偏振复用信号。
13.一种用于使用权利要求7的光学调制器来调制光电信信号的方法，所述方法包括：
使在Mach-Zehnder干涉仪的两个光波导之间分束的激光曝光以分离沿RF传输线传输的RF电场；以及
将来自所述两个光波导的光重新组合以形成经调制的光信号。
14.一种用于使用权利要求12的光学调制器来调制光电信信号的方法，所述方法包括：
向每个单独的Mach-Zehnder干涉仪传送单独的RF电场；以及
通过在正交相位状态和偏振状态下组合所得的光信号来复用光信号。
15.一种形成光学调制器的方法，所述方法包括：
将倒置的光学芯片接合到子基座，所述倒置光学芯片包括具有光波导的Mach-Zehnder干涉仪和与所述Mach-Zehnder干涉仪的不同臂相关联的两个RF电极，所述子基座包括电触点，所述电触点与沿波导结构的相邻表面的电触点对准，其中，所述子基座包括与所述子基座的安装表面间隔开的接地平面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述接地平面位于所述子基座内。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述接地平面位于所述子基座的背离所述光学芯片取向的表面上。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，所述光学调制器还包括绝缘柱，所述绝缘柱在所述光学芯片和所述子基座上的的位置之间，使所述光学调制器稳定，并且其中，子基座电触点电连接到RF源。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，所述Mach-Zehnder干涉仪包括光分束器、两个光波导臂以及光合束器，所述光分束器与光输入波导连接，所述两个光波导臂与所述光分束器光连接，所述光合束器与两个光波导和输出波导光光连接，其中，所述光波导包括半导体材料，电触点位于光波导臂表面的部分上，并且一对RF电极中的每一个RF电极包括传输线电极，所述传输线电极通过附加电极而连接到相应光波导上的电触点。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中，所述光学调制器包括两对耦合的Mach-Zehnder干涉仪和光分束器，所述光分束器被配置为组合来自四个Mach-Zehnder干涉仪的光信号，其中两个输出波导通过偏振组合元件光学耦合以产生偏振复用信号，其中，每对Mach-Zehnder干涉仪包括两个Mach-Zehnder干涉仪和两对RF电极，每对RF电极与对应的Mach-Zehnder干涉仪相关联，其中，每个Mach-Zehnder干涉仪包括光分束器、两个光波导臂和光合束器，所述光分束器与光输入波导连接，所述两个光波导臂与所述光分束器光连接，所述光合束器与两个光波导和输出波导光连接，每个Mach-Zehnder干涉仪的两个输入波导通过分束器连接到单个光输入，每个Mach-Zehnder干涉仪的两个输出波导通过合束器连接到单个光输出，其中，所述光波导包括半导体光学材料，电触点位于光波导臂表面的部分上，并且一对RF电极中的每个RF电极包括传输线电极和接地平面，所述传输线电极通过附加电极连接到相应光波导上的电触点，所述接地平面在不同的平面中与所述传输线电极间隔开。
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