CN110780468A - 光调制器、光调制器模块和光发送器模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供光调制器、光调制器模块和光发送器模块。该光调制器包括：脊型光波导，该光波导由具有光电效应的介电材料薄膜在衬底上形成；缓冲层，该缓冲层覆盖所述光波导；和信号电极，该信号电极经由所述缓冲层设置在所述光波导上，其中，所述信号电极的宽度大于所述光波导的脊宽度，并且其中，所述信号电极覆盖所述光波导的脊的至少一个侧壁。

Description

光调制器、光调制器模块和光发送器模块

技术领域

本发明涉及光调制器、光调制器模块和光发送器模块。

背景技术

为了适应近年来快速增长的业务量，光通信领域对于将传输容量朝每个信道100Gbps或400Gbps扩展以及降低功耗的需求日益增长。在这种情况下，对于诸如光 通信前端电路中使用的光调制器之类的光学部件，需要在无线电频带中可操作的紧凑 设计。

有几种类型的可在无线电频率(RF)下操作的光电调制器，包括铌酸锂(LiNbO₃)调制器、磷酸铟(InP)调制器和硅(Si)波导调制器。在它们当中，从插入损耗、 传输特性和可控性的观点来看，LiNbO₃调制器(称为“LN调制器”)目前是光调制 器市场的主流。在典型的LN调制器中，钛(Ti)在LN衬底中扩散以制造光波导。 然而，由于光限制较差，LN调制器的调制效率不足。此外，芯片长度变为5cm以上， 以保证调制器的半波长电压Vπ。

提出了在LN衬底上形成脊波导的构造以增强光限制。参见例如下面列出的专利文献1至3。图1是具有脊型光波导131a和131b的光调制器的剖面图。当使用Z切 LN衬底120时，信号电极S经由缓冲层14设置在脊波导上。

<文献列表>

专利文献1：日本专利申请特开2008-250258号公报

专利文献2：日本专利申请特开2012-78375号公报

专利文献3：美国专利申请2002/0146190号公报

发明内容

技术问题

为了借助Z切LN衬底上的脊波导来增强光限制，波导的高度和宽度变为约1μm。设置在脊波导上的信号电极S的宽度也变窄至约1μm。通常，电极的截面积越大， 电衰减越小，并且可以改善RF特性。为了增加图1的构造下的信号电极S的截面积， 信号电极S的高度“h”为10μm或更大。难以形成具有这种高纵横比的信号电极。 即使可以制造高纵横电极，电极也有倒下的趋势，并且难以有效地向脊波导施加电压。

需要一种具有令人满意的调制效率和RF特性的光调制器的紧凑设计。

技术方案

在本发明的一个方面中，一种光调制器具有：

脊型光波导，该光波导由具有光电效应的介电材料薄膜在衬底上形成；

缓冲层，该缓冲层覆盖所述光波导；和

信号电极，该信号电极经由所述缓冲层设置在所述光波导上，

其中，所述信号电极的宽度大于所述光波导的脊宽度，并且其中，所述信号电极覆盖所述光波导的脊的至少一个侧壁。

本发明的有益效果

实现了具有高调制效率和令人满意的RF特性的紧凑光调制器。

附图说明

图1是使用Z切LN衬底的传统脊波导的示意图；

图2是示出在本发明的构造的开发期间构思的光调制器的示意图；

图3是根据第一实施方式的光调制器的平面图；

图4是沿图3的A-A'线剖取的剖视图；

图5示出了第一实施方式的构造的有利效果；

图6A示出了第一实施方式的光调制器的制造过程；

图6B示出了第一实施方式的光调制器的制造过程；

图6C示出了第一实施方式的光调制器的制造过程；

图6D示出了第一实施方式的光调制器的制造过程；

图7是根据第二实施方式的光调制器的示意图；

图8示出了脊间距和VπL之间的关系；

图9是设计第二实施方式的光调制器的流程图；

图10是第二实施方式的变型例的光调制器的示意剖视图；

图11是根据第三实施方式的光调制器的示意性剖视图；

图12示出了第三实施方式的台阶结构的有利效果；

图13是根据第四实施方式的光调制器的示意剖视图；

图14示出了第四实施方式的光调制器的有利效果；

图15是具有差分驱动GSGSG电极图案的光调制器的平面图；

图16A是光调制器的示意性剖视图，其中图15的GSGSG电极图案应用于第一 实施方式的构造；

图16B是光调制器的示意性剖视图，其中图15的GSGSG电极图案应用于第二 实施方式的构造；

图16C是光调制器的示意性剖视图，其中图15的GSGSG电极图案应用于第三 实施方式的构造；

图16D是光调制器的示意性剖视图，其中图15的GSGSG电极图案应用于第四 实施方式的构造；

图17A示出了基于第一实施方式的结构在衬底和形成脊型光波导的薄膜之间插入第二缓冲层的构造；

图17B示出了基于第二实施方式的结构在衬底和形成脊型光波导的薄膜之间插入第二缓冲层的构造；

图17C示出了基于第三实施方式的结构在衬底和形成脊型光波导的薄膜之间插入第二缓冲层的构造；

图17D示出了基于第四实施方式的结构在衬底和形成脊型光波导的薄膜之间插入第二缓冲层的构造；

图18是差分驱动GSSG电极图案应用于双偏振正交相移键控(DP-QPSK)光调 制器的平面图；

图19是光调制器模块的示意图，其中一个实施方式的光调制器和其它光学部件集成在封装中；

图20是光调制器模块的示意图，其中一个实施方式的光调制器和驱动电路集成在封装中；和

图21是使用一个实施方式的光调制器的光发送器模块的示意图。

具体实施方式

图2示意性地示出了在本发明的构造的开发期间构思的光调制器。脊型光波导131a和131b由衬底11上的LiNbO₃薄膜12形成。在实施方式的上下文中，“脊”指 的是诸如从另一平面突出的光波导131a或131b之类的细长区域的状态或形状。

如在Z切LN衬底中那样，LiNbO₃薄膜12的晶体取向是<001>。为了解决信号 电极S的纵横比的问题，缓冲层140形成为厚的，然后通过抛光等平坦化。平缓冲层 140上形成信号电极15S，信号电极15S的宽度大于光波导131a和131b的宽度。当 脊型光波导131a和131b的宽度为1μm时，例如，提供宽度为3μm的信号电极15S。 利用这种构造，可以减小信号电极15S的高度，因为确保了足够的截面积，并且构造 变得稳定。

然而，需要用于平面化缓冲层140的额外步骤，此外，电场经由缓冲层140在横 向方向上散布，并且不能有效地施加到脊。如图中电力线EL示意性地示出的，从信 号电极15S在基本垂直于光波导131a和131的方向上延伸到光波导131a和131的电 力线EL的数量减少。因此，施加到脊的电场密度减小。在所示的电力线EL中，实 线表示有效地对光学调制做出贡献的电场分量，并且虚线表示变为损耗的电场分量。 为了在图2的构造中实现期望的调制效率，如图2所示，半波电压Vπ可能变得更高， 并且功耗可能增加。

为了避免这种不便，在实施方式的Mach-Zehnder(MZ)光调制器中，信号电极 被提供给形成MZ干涉仪的一对脊波导中的每一者，以便覆盖脊的顶表面和至少一个 外侧壁。换句话说，构造成在垂直于衬底的Z方向上施加电压到相应的脊波导上的信 号电极设计成相对于MZ干涉仪的中心轴线仅覆盖脊的外侧壁或者覆盖脊的内侧壁 和外侧壁两者。通过采用这种构造，在光调制器中实现了令人满意的调制效率和RF 特性。下面将描述光调制器的具体实施例。

<第一实施方式>

图3是根据第一实施方式的光调制器10A的示意性平面图。图4是沿图3的A-A' 线剖取的剖视图。光调制器10A例如是具有一对脊型光波导131a和131b的MZ调 制器。如上所述，术语“脊”是指在垂直于衬底的方向上或在衬底上方堆叠的层的方 向上突出的细长区域的状态或形状。一对脊型光波导131a和131b在光波导13的Y 分支132和133之间延伸。光波导13和光波导131a和131b由LiNbO₃薄膜形成，LiNbO₃是展现大量折射率变化并具有光电效应的材料的实施例。

信号电极15Sa和15Sb分别提供给光波导131a和131b。接地电极15Ga和15Gb 分别设置在信号电极15Sa和15Sb的外侧。

当驱动电压经由信号电极15Sa和15Sb(可以适当地统称为“信号电极15S”)施 加到光波导131a和131b(可以统称为“光波导131”)时，穿过光波导131a和131b 的光束由于折射率的变化而被调制。例如，可以将一对相反符号的驱动信号施加到信 号电极15Sa和15Sb，以改变沿相反方向行进穿过光波导131a和131b的光束的光学 相位。在引起光和电信号之间的相互作用的意义上，提供有信号电极15Sa和15Sb 的光波导131a和131b形成光调制器10A的光电相互作用部分。

图4是沿图3的相互作用部分的A-A'线剖取的剖视图。衬底11上形成具有光电 效应的薄膜12。脊型光波导131a和131b形成在薄膜12的一部分上。薄膜12由例 如LiNbO₃形成，其Z轴线在垂直于衬底11的方向上取向。衬底11由与薄膜12不 同的材料形成，例如玻璃、氧化镁、蓝宝石等，该材料具有较少的光学吸收并且在使 用中的波长下其折射率低于薄膜12的折射率。

脊型光波导131a和131b的宽度和高度约为1μm。横向方向上的光限制由光波 导131a和131b的脊的侧壁限定。垂直于衬底的方向上的光限制由光波导131a和131b 的顶表面和衬底11限定。

缓冲层14形成为覆盖包括光波导131a和131b的芯片的整个表面。缓冲层14由 在使用中的波长下具有低于薄膜12的折射率并且具有较小光学吸收的材料形成。这 种材料包括但不限于氧化硅。尽管缓冲层14的厚度小于薄膜12的厚度，但缓冲层 14足够厚以防止由于电极的金属而吸收光。

宽度大于光波导131a的宽度的信号电极15Sa被提供给光波导131a。宽度大于 光波导131b的信号电极15Sb被提供给光波导131b。信号电极15Sa经由缓冲层14 覆盖光波导131a的脊的侧壁。信号电极15Sb经由缓冲层14覆盖光波导131b的脊的 侧壁。

接地电极15Ga和15Gb(可以适当地统称为“接地电极15G”)分别设置在信号 电极15Sa和15Sb的外侧，以形成所谓的“GSSG”差分电极结构。

信号电极15Sa和接地电极15Ga之间产生的电场以及相邻的信号电极15Sa和 15Sb之间产生的电场被施加到光波导131a。信号电极15Sb和接地电极15Gb之间产 生的电场以及相邻的信号电极15Sb和15Sa之间产生的电场被施加到光波导131b。

只要电极之间的电容不超过可接受的范围，那么从调制效率的观点来看，信号电极15Sa和接地电极15Ga之间的间距以及信号电极15Sb和接地电极15Gb之间的间 距优选尽可能窄。利用这种构造，光调制器10A和外部装置是阻抗匹配的，并且保 证了RF频带下的操作。

在图4的实施例中，光波导131a的宽度方向上的中心轴线的位置基本上与信号 电极15Sa的宽度方向上的中心轴线的位置一致。信号电极15Sa经由缓冲层14覆盖 光波导131a的脊的顶表面和侧壁。类似地，光波导131b的宽度方向上的中心轴线的 位置基本上与信号电极15Sb的宽度方向上的中心轴线的位置一致。信号电极15Sb 经由缓冲层14覆盖光波导131b的脊的顶表面和侧壁。

通过用信号电极15S经由缓冲层140覆盖脊的侧壁，如电力线EL示意性所示， 在基本垂直于脊的顶表面的方向上施加电场。可以减少电场散布到缓冲层14中的浪 费。将反信号和非反信号施加到信号电极15Sa和15Sb。从例如信号电极15Sa施加 到光波导131a的正向电压的电力线EL的一部分反向连接到光波导131b，从而有助 于光调制器10A的差分驱动。类似地，从例如信号电极15Sb施加到光波导131b的 反向电压的电力线EL的一部分正向连接到光波导131a，从而有助于光调制器10A 的差分驱动。

图5示出了第一实施方式的构造的有利效果。横轴表示信号电极15S的宽度，竖 轴表示Vπ*L，其是表示调制效率的指标，其中Vπ是将光的光学相位改变π弧度 所需的半波长电压，并且L是相互作用长度。作为参考例，还通过虚线示出了在引出 本发明的过程期间已经讨论过的具有缓冲层140的平面化表面的图2的光调制器的特 性。在这两种构造的模拟中，电极的高度设定为相同的值。

在图2的构造中，随着设置在平坦缓冲层140上的信号电极S的宽度在脊宽度(由虚线表示)上增加，Vπ*L的值变小，调制效率提高。然而，从电极宽度的某一点 开始，Vπ*L值增加。这是因为电场在缓冲层140内散布并且发生不期望的损失。V π*L在虚线中减到最小的点是图2的构造中的最佳电极宽度。

在由实线表示的第一实施方式的模拟结果中，对于参考例，Vπ*L在电极宽度 的最佳点处变为最小值；然而，与图2的构造相比，Vπ*L值低得多，调制效率大 大提高。行进穿过光波导131a和131b的光束可以在较低的电平Vπ下被调制。由于 减小的Vπ电压，也可以减小相互作用长度L，并且可以减小光调制器的尺寸。

即使利用第一实施方式的构造，随着信号电极15S的宽度增加，光调制器的特性逐渐接近虚线的特性。这是因为在图4的构造中，当信号电极15S的宽度超过脊型光 波导131a和131b的宽度太大时，施加的电场不能被有效地使用并且发生一定量的损 耗。

使图2的平面化缓冲结构的虚线中的Vπ*L值最小化的电极宽度可以被选择成 用于本实施方式的信号电极15S的最佳宽度。第一实施方式的缓冲层14的厚度可以 基于信号电极15S的宽度以及光波导131a和131b的宽度设定为适当的值。根据该设 计方案，可以将RF驱动信号施加到信号电极15Sa和15Sb以进行高速调制。

图6A至图6D示出了第一实施方式的光调制器10A的制造过程。在图6A中， 在由玻璃、蓝宝石、氧化镁等制成的衬底11上形成电介质薄膜12。电介质薄膜12 由折射率高于衬底11并具有光电效应的材料形成。例如，通过在厚度为500μm的 玻璃衬底11上的磁控溅射而形成厚度为1μm至2μm的LiNbO₃薄膜12。

在图6B中，通过光刻等在薄膜12上形成具有所需图案的掩模，并通过蚀刻在 薄膜12中形成脊波导图案。对于诸如反应离子蚀刻(RIE)或反应离子束蚀刻之类的 各向异性干蚀刻，可以使用金属掩模、与贵金属膜结合的氟树脂掩模或其它合适的蚀 刻掩模。当进行湿法蚀刻以形成脊波导时，由贵金属形成预定的掩模图案，并且将晶 片浸入蚀刻剂中，由此获得包括一对光波导131a和131b的波导图案。在该蚀刻步骤 中，薄膜12可以稍稍留在衬底11的位于相互作用部分中的表面上。

在图6C中，通过溅射、蒸发、CVD或任何其它适当的工艺在整个表面上形成缓 冲层14。对于缓冲层14，可以形成厚度为500nm至1000nm的氧化硅膜。

在图6D中，在晶片上形成具有预定开口图案的电镀抗蚀剂掩模，并通过电镀形 成信号电极15Sa和15Sb以及接地电极15Ga和15Gb。在该步骤中，形成电镀抗蚀 剂掩模的开口图案，使得信号电极15Sa和15Sb的宽度大于光波导131a和131b的宽 度，并且信号电极15Sa和15Sb经由过缓冲层14覆盖光波导131a的脊的侧壁。信号 电极15Sa和15Sb以及接地电极15Ga和15Gb由例如Ti/Au叠层形成，其中钛(Ti) 层形成在金(Au)层上。信号电极15Sa和15Sb具有例如3μm至4μm的宽度以及 4μm至10μm的高度。

在电镀工艺之后，去除电镀抗蚀剂掩模，并且获得具有图3的构造的光调制器10A。然后通过切割将晶片切割成芯片。

通过该制造工艺，实现了信号电极15Sa和15Sb的稳定构造，并且可以从垂直于 衬底11的方向有效地将电压施加到LiNbO₃脊波导上。由于减小的Vπ电压和相互作 用长度L，改善了光调制器的调制效率和RF特性。

<第二实施方式>

图7是根据第二实施方式的光调制器10B-1的相互作用部分的示意性剖视图。在第一实施方式中，宽度大于光波导131a和131b的宽度的信号电极15Sa和15Sb设置 成相对于相应的光波导131a和131b的中心轴线对称地布置。

在第二实施方式中，MZ干涉仪的光波导131a和131b之间的间距或距离减小， 并且采用了不对称的构造，其中信号电极15S的覆盖脊的外侧壁的外部的厚度大于信 号电极15S的覆盖脊的内侧壁的内部的厚度。

光调制器10B-1具有由在衬底11上具有光电效应的薄膜12形成的脊型光波导131a和131b。包括光波导131a和131b的晶片的整个表面由缓冲层14覆盖。衬底11、 薄膜12和缓冲层14可以用与第一实施方式中相同的材料和相同的尺寸形成。

信号电极15Sa和15Sb经由缓冲层14设置在光波导131a和131b上。接地电极 15Ga和15Gb分别设置在信号电极15Sa和15Sb的外侧。

信号电极15Sa和15Sb的中心轴线105之间的间距S_gap比光波导131a和131b的 脊的中心轴线103之间的间距R_gap宽。信号电极15Sa的宽度方向上的中心轴线105 从光波导131a的宽度方向上的中心轴线103朝向MZ干涉仪的外侧偏移。信号电极 15Sb的宽度方向上的中心轴线105从光波导131b的中心轴线103朝向MZ干涉仪的 外侧偏移。

在差分驱动光调制器10B-1中，相互作用部分中的光波导131a和131b之间的间 距越窄，可以利用更低的Vπ获得越好的调制效率。另一方面，从RF特性的观点来 看，优选在光波导131a和131b的脊宽度上增加信号电极15Sa和15Sb的宽度，同时 如在第一实施方式中那样，在信号电极15Sa和15Sb之间维持一定的间距。为了满足 这些条件，信号电极15Sa和15Sb的中心轴线之间的间距S_gap比光波导131a和131b 的脊的中心轴线之间的间距R_gap宽，并且采用不对称或偏移构造。

与第一实施方式的构造相比，图7的构造通过使光波导131a和131b之间的间距 变窄，可以利用更低的Vπ进一步提高调制效率并维持相同的RF特性。

在一个实施例中，光波导131a和131b的截面积尺寸是1×1μm²，信号电极15Sa 和15Sb的宽度是3μm至4μm，脊的中心轴线之间的间距R_gap是8μm至9μm， 并且信号电极15Sa和15Sb的中心轴线之间的间距S_gap为10μm至12μm。

通过使光波导131a和131b之间的间距变窄，如电力线EL示意性所示，可以在 基本垂直于光波导131a和131b的方向上更有效地施加电场。

图8示出了作为光波导131a和131b的脊的中心轴线之间的间距R_gap的函数的调 制效率(Vπ*L)。随着脊的中心之间的间距R_gap减小，值Vπ*L(Vcm)变小，并 且调制效率增加。然而，当光波导131a和131b布置得太近而不改变信号电极15Sa 和15Sb的位置时，覆盖光波导131a和131b的脊的内侧壁的缓冲层14将从相应的信 号电极15Sa和15Sb的侧壁向内突出。当光波导131a和131b彼此靠近超过一定限度 时(例如，从电极侧壁向内突出脊宽度的五分之一(1/5)以上)，电场不能有效地施 加到脊上。在这种情况下，将发生短路，Vπ*L迅速上升，不能作为光调制器工作。

为了避免这种情况，信号电极15Sa和15Sb之间的间距S_gap被设计成不损害RF 特性，同时确保有效地将电场施加到光波导131a和131b上。设计光调制器10B-1， 使得对于以最佳布置设计的信号电极15Sa和15Sb，光波导131a和131b的中心轴线 之间的间距R_gap最小。

图9是设计第二实施方式的光调制器10B-1的流程图。首先，优化中心轴线105 之间的间距S_gap、信号电极15Sa和15Sb的高度和宽度(S11)。信号电极15Sa和15Sb 之间的最佳间距S_gap是能够维持令人满意的RF特性，将静电电容抑制在预定水平或 低于预定水平并且不引起串扰的最小间距。信号电极15Sa和15Sb的最佳宽度是这样 的宽度，其能够以最小损耗从基本垂直于光波导131a和131b的方向有效地向光波导 131a和131b施加电场。信号电极15Sa和15Sb的最佳高度是这样的高度，其对于信 号电极15Sa和15Sb实现足够大的截面积而不防止尺寸减小。

当确定信号电极15Sa和15Sb的最佳设计和布局时，光波导131a和131b的脊中 心之间的间距R_gap设置得尽可能小(S12)。然后，确认在光波导131a和131b中，覆 盖脊的内侧壁的缓冲层14被信号电极15Sa和15Sb中相关的一者的侧壁覆盖或与之 对准(S13)。如果光波导131a和131b的脊的内侧壁彼此太靠近，相对于MZ干涉仪 从信号电极15Sa和15Sb的侧壁向内偏移，将发生短路从而光调制器10B-1不起作用。

图10示出了作为第二实施方式的变型例的光调制器10B-2。在图10的变型例中，与图9的流程图的步骤S13相关，光波导131a和131b的脊的内侧壁不被信号电极 15Sa和15Sb覆盖，相反缓冲层14的侧表面141与信号电极15Sa和15Sb的内侧壁 151对准。

在这种构造中，如在图7的光调制器10B-1中那样，信号电极15Sa和15Sb的中 心之间的间距S_gap大于光波导131a和131b的脊中心之间的间距R_gap，并且信号电极 15Sa和15Sb的中心轴线105从光波导131a和131b的中心轴线103向外偏移。

图10的构造对“GSSG”电极图案特别有用。利用“GSSG”图案，信号电极15S 中对调制效率的主要贡献者是位于脊的顶表面上方的部分，以有效地从垂直于脊的方 向施加电场。在信号电极的布局设计的适当范围内，可以使光波导131a和131b的脊 中心之间的间距R_gap最小化，以使调制效率最大化。

<第三实施方式>

图11是根据第三实施方式的光调制器10C的相互作用部分的示意性剖视图。在 第三实施方式中，接地电极15Ga下面的LiNbO₃薄膜12具有台阶124，该台阶124 在GSSG图案中从接地电极15Ga的内侧壁朝向光波导131a延伸。类似地，接地电 极15Gb下面的LiNbO₃薄膜12具有台阶124，该台阶124在GSSG图案中从接地电 极15Gb的内侧壁朝向光波导131b延伸。薄膜12的台阶124从接地电极15G的内侧 壁朝向光波导131的突出量表示为“a”。其它构造与第一实施方式的构造相同。

光调制器10C具有在衬底11上由具有光电效应的薄膜12(例如LiNbO₃膜)形 成的脊型光波导131a和131b。光波导131a和131b的宽度W例如约为1μm，并且 信号电极15Sa和15Sb的宽度大于光波导131a和131b的宽度W。光波导131a和131b 的脊在两个侧壁处分别经由缓冲层14被信号电极15Sa和15Sb覆盖。

如电力线EL示意性地示出的，由信号电极15Sa和接地电极15Ga产生的电场有 效地施加到光波导131a的脊，并且由信号电极15Sb和接地电极15Gb产生的电场有 效地施加到光波导131b的脊。特别地，由于存在台阶124，从每个信号电极15Sa和 15Sb倾斜地延伸的电力线EL指向接地电极15Ga和15Gb。也可以使用倾斜地进入 接地电极15G下面的薄膜12的台阶124，从而有效地利用所施加的电场。因此，V π减小，并且调制效率提高。

图12示出了台阶124的突出量与Vπ*L之间的关系。随着台阶突出量“a”的 增加，Vπ*L减小，调制效率增加。然而，当超过预定的突出量时，发生短路，V π*L陡然上升并且光调制器10C不起作用。通过适当地设定台阶的突出量“a”以 使Vπ*L最小化，可以提高光调制器10C的调制效率。

<第四实施方式>

图13是根据第四实施方式的光调制器10D的相互作用部分的示意性剖视图。在 第四实施方式中，第二实施方式的信号电极15S的偏移(或不对称)构造与第三实施 方式的薄膜12的台阶结构组合。

光调制器10D具有在衬底11上由具有光电效应的薄膜12(例如LiNbO₃膜)形 成的脊型光波导131a和131b。包括光波导131a的晶片的整个表面由缓冲层14覆盖。 衬底11、薄膜12和缓冲层14的材料以及尺寸可以与第一实施方式中的相同。

经由缓冲层14设置在光波导131a和131b上方的信号电极15Sa和15Sb的中心 之间的间距S_gap大于光波导131a和131b的脊中心之间的间距R_gap。信号电极15Sa 的宽度方向上的中心轴线105相对于MZ干涉仪从光波导131a的宽度方向上的中心 轴线103向外偏移。信号电极15Sb的宽度方向上的中心轴线105相对于MZ干涉仪 从光波导131b的宽度方向上的中心轴线103向外偏移。

台阶124在位于接地电极15Ga和15Gb下方的LiNbO₃薄膜12中形成为从接地 电极15Ga和15Gb的内侧壁朝向光波导131a和131b突出。选择台阶124的突出量 “a”以使Vπ*L的值最小化。

通过使信号电极15Sa和15Sb的中心轴线105从光波导131a和131b的中心轴线 103向外偏移，提高了在基本垂直于脊型光波导131a和131b的方向上施加的电场的 密度，并且提高了调制效率。此外，可以提高信号电极15Sa和接地电极15Ga产生 的电场的密度以及信号电极15Sb和接地电极15Gb产生的电场的密度，并且进一步 提高调制效率。

图14示出了第四实施方式的有利效果。作为参考，还示出了第二实施方式(图 7中)的光调制器10B-1的特性。通过使光波导131a和131b的脊中心之间的间距R_gap变窄，Vπ*L值减小，可以提高调制效率。这是第二实施方式和第四实施方式之间 的共同效果。实际上，作为脊中心之间的间距R_gap的函数的调制效率(Vπ*L)的 变化趋势在光调制器10B-1和光调制器10D之间是相同的。

在光调制器10D中，通过在接地电极15G下方的薄膜12中形成台阶124，进一 步减小了Vπ*L的值，更有效地提高了调制效率。

如图7的光调制器10B-1中那样，光调制器10D采用偏移构造，其中光波导131a 和131b的脊在两个侧壁处都覆盖有电极膜，但是脊的内侧壁上的电极膜的厚度设定 为小于脊的外侧部上的电极膜的厚度。代替该偏移结构，图10的光调制器10B-2中 使用的另一种偏移结构(其中，仅光学电波导131a和131b的脊的外侧壁被电极膜覆 盖)可以与第三实施方式的台阶结构组合。在这种情况下，光波导131a和131b之间 的间距变得比图13中的窄，调制效率进一步提高。

<其它变型例>

图15是具有差分驱动“GSGSG”构造的光调制器20的平面图。接地电极15Ga 设置在MZ干涉仪的脊型光波导131a的外侧，并且接地电极15Gb在相互作用部分 中设置在MZ干涉仪的脊型光波导131b的外侧。接地电极15Gc设置在光波导131a 和131b之间。在该构造中，由信号电极15Sa和接地电极15Ga产生的电场以及由信 号电极15Sa和接地电极15Gc产生的电场施加到光波导131a的脊。类似地，由信号 电极15Sb和接地电极15Gb产生的电场以及由信号电极15Sb和接地电极15Gc产生 的电场施加到光波导131b的脊。该GSGSG电极图案可以提高调制效率。

信号电极15Sa和接地电极15Ga之间的间距以及信号电极15Sa和接地电极15Gc 之间的间距被选择为足够窄，只要电容不超过阈值即可。类似地，信号电极15Sb和 接地电极15Gb之间的间距以及信号电极15Sb和接地电极15Gc之间的间距被选择为 足够窄，只要电容不超过阈值即可。因此，电场在基本垂直于衬底11的方向上有效 地施加到信号电极15S下方的光波导131的脊上。

图16A至图16D是光调制器20A至20D的示意性剖视图，其中图15的“GSGSG” 电极图案应用于第一至第四实施方式的构造。在第一至第四实施方式的任何一种构造 中，通过良好地设计信号电极15S相对于光波导131的布局，电场有效地施加到光波 导131的脊上。除了这种布置，通过采用“GSGSG”电极图案，可以将具有更高密 度的电场施加到光波导131的脊。

图17A至图17D示出了在第一至第四实施方式的光调制器中设置第二缓冲层24 的构造。第二缓冲层24插入在衬底11和形成脊型光波导的薄膜12之间。

在上述实施方式中，衬底11由折射率低于薄膜12的折射率并且光吸收小于薄膜12的材料形成。然而，根据情况，从热膨胀系数、可加工性和其它因素的观点来看， 可能需要将相同的材料(例如，LiNbO₃)用于衬底11和薄膜12。此外，当衬底11 和薄膜12使用不同的材料时，并且当衬底11的折射率高于薄膜12的折射率时，光 不会透过脊传播并且会泄漏到衬底11中。在这些情况下，缓冲层24插入在衬底11 和形成光波导131的薄膜12之间。缓冲层24优选地由折射率低于薄膜12并且介电 常数与薄膜12匹配的材料制成。例如，缓冲层24可以由SiO2形成。利用这种构造， 扩大了衬底11的材料选择的自由度，并且增强了光调制器30A至30D的可加工性和 可设计性。

图18是应用于DP-QPSK光调制器10的实施方式的GSSG差分电极图案的平面 图。

光调制器10具有由平行布置的四个MZ干涉仪形成的相互作用部分110XI、 110XQ、110YI、110YQ(可以适当统称为“相互作用部分110”)。在每个相互作用部 分110中，信号电极15S被提供给一对光波导。每个信号电极15S作为RF端子被提 取到衬底11的侧边缘。提供接地电极15G，使得两个信号电极15S位于接地电极15G 之间。

输入到光波导13的光被分开成两部分。分开的光的每一者通过I分支和Q分支 经受IQ调制，然后组合并输出。从光调制器10输出的两个光束中的一个光束在后续 阶段中经受90度的偏振旋转。偏振方向彼此正交的两个光分量被多路复用并作为光 信号输出。

使用两个偏振(X偏振光和Y偏振光)，每个偏振通过IQ调制传送2比特信息， 并且一个符号表示4比特信息。

因为每个相互作用部分110XI、110XQ、110YI和110YQ具有上述实施方式的信 号电极构造，所以增强了光调制器10的调制效率，并且RF特性令人满意。

图19是使用一个实施方式的光调制器10的光调制器模块100A的示意图。光调 制器模块100A使光调制器10与其它光学部件一起集成在封装102中。光调制器10 可以是第一至第四实施方式的光调制器10A至10D中的任何一者。另选地，可以使 用变型例的光调制器20A至20D中的任何一者或者光调制器30A至30D中的任何一 者。

封装102在输入侧经由金属套管114连接到输入光纤111，并且在输出侧经由金 属套管122连接到输出光纤112。从输入光纤111发射的光被透镜113会聚，穿过透 明窗116，并入射在光调制器10的光波导13上。然后，入射在光波导13上的光被 分开并被引导到四个相互作用部分110XI、110XQ、110YI和110YQ(参见图18)。

信号电极15S设置在每个相互作用部分110XI、110XQ、110YI和110YQ中，并 且RF信号电压借助差分驱动模式施加到每个相互作用部分110处的光波导对。信号 电极15S使用内插板144和连接器143连接到外部电路，并且外部供应高速模拟驱动 信号(差分信号)。

从光调制器10输出的两个光束分别由准直透镜134和135准直，并被引导到偏 振组合器127。偏振组合器127包括偏振旋转器，该偏振旋转器将两个光束之一的偏 振面旋转90度。例如，从光调制器10输出两个TM偏振光，并且两个TM偏振光中 的一者由偏振组合器127转换成TE偏振光。从偏振组合器127输出的光包含TM偏 振光和TE偏振光，每个偏振光传送两位信息。组合的光经由透镜架125保持的透镜 123穿过透明窗126，并进入由金属套管122保持的输出光纤112。

光调制器10的每个相互作用部分110具有信号电极的最佳构造，使得电场信号 有效地施加到光波导的脊上。光调制器10具有令人满意的调制效率和RF特性，并 且实现了紧凑且低功耗的光调制器模块100A。

图20示出了光调制器模块100B的另一实施例。光调制器模块100B是驱动器集 成模块，其中上述实施方式中的任何一个实施方式的光调制器10与驱动电路(在图 中表示为“DRV”)130一起集成在封装102中。成对的差分信号从驱动电路130输 出并输入到光调制器10的四个相互作用部分110。利用这种配置，以紧凑的设计实 现了驱动器集成的光调制器模块100B。

图21是使用任一实施方式的光调制器的光发送器模块1000的示意图。光发送器模块1000包括一个实施方式的光调制器10、光源150和驱动电路(在图中表示为 “DRV-IC”)130。驱动电路130借助连接器143连接到诸如串行器之类的外部电路。

光源150例如是使用激光二极管(LD)和波长锁定器的波长可调光源，并且构 造成输出预定波长的光。从光源150发射的光束可以使用输入光纤111输入到光调制 器10，另选地，可以使用诸如准直透镜或镜子之类的一个或多个光学器件。

当数据信号从外部输入到驱动电路130时，驱动电路130根据输入数据的逻辑值产生高速模拟驱动信号，并将驱动信号供应给光调制器10。输入到光调制器10的驱 动信号调制行进穿过光波导的光。由光调制器10产生的光信号从光发送器模块1000 输出。光调制器10具有令人满意的调制效率和RF特性。实现了紧凑且低功耗的光 发送器模块1000。

尽管已经基于特定实施方式描述了本发明，但是本发明不限于上述构造，并且包括各种替换和变更。例如，在图16A至图16D的“GSGSG”电极图案中，当薄膜12 和衬底11的光学性质彼此相似时，如图17A至图17D中所示，第二缓冲层24可以 插入衬底11和形成脊型光波导的薄膜12之间。图16A至图16D的“GSGSG”电极 图案以及图17A至图17D的第二缓冲层24的插入可以应用于图10的构造，其中， 信号电极S的导电膜仅设置到相应光波导的脊的外侧壁。

光调制器10、20或30的调制方案不限于DP-QPSK，并且实施方式的光调制器 的构造应用于诸如BPSK、QPSK、16QAM、32QAM、64QAM之类的其它多级调 制方案，在电场的应用下利用光的光学相位旋转。在任何一种情况下，都可以有效地 将电场施加到脊型光波导上。减小半波电压Vπ，并且可以实现具有令人满意的调制 效率和高频特性的光调制器。

用于脊波导的薄膜材料不限于LiNbO₃，并且可以使用具有等于或大于LiNbO₃的光电常数的其它材料。这些材料包括但不限于LiTaO₃和KTiOPO₄。

本文中所述的所有实施例和条件语言旨在用于教学目的以帮助读者理解本发明以及发明人为深化本领域所贡献的构思，并且应被解释为不限于这些具体叙述的实施 例和条件，本说明书中这些实施例的组织也不涉及本发明的优势或劣势的表现。尽管 已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的 情况下，可以对这些实施方式进行各种改变、替换和变更。

Claims (16)

1.一种光调制器，该光调制器包括：

脊型光波导，该光波导由具有光电效应的介电材料薄膜在衬底上形成；

缓冲层，该缓冲层覆盖所述光波导；和

信号电极，该信号电极经由所述缓冲层设置在所述光波导上，

其中，所述信号电极的宽度大于所述光波导的脊宽度，并且其中，所述信号电极覆盖所述光波导的脊的至少一个侧壁。

2.根据权利要求1所述的光调制器，

其中，所述信号电极经由所述缓冲层相对于所述光波导的所述脊的宽度方向上的中心对称地覆盖所述脊的两个侧壁。

3.根据权利要求1所述的光调制器，

其中，所述信号电极经由所述缓冲层相对于所述光波导的所述脊的宽度方向的中心不对称地覆盖所述脊的两个侧壁。

4.根据权利要求1所述的光调制器，

其中，所述信号电极经由所述缓冲层覆盖所述光波导的所述脊的其中一个侧壁，并且

其中，在所述光波导的所述脊的另一个侧壁处所述信号电极的侧壁与所述缓冲层的表面对准。

5.根据权利要求1所述的光调制器，该光调制器还包括：

接地电极，该接地电极在距离所述信号电极预定距离处设置在所述薄膜上，

其中，位于所述接地电极下方的所述薄膜具有从所述接地电极的侧壁朝向所述光波导突出的台阶。

6.根据权利要求1所述的光调制器，

其中，所述光波导包括形成Mach-Zehnder干涉仪的第一波导和第二波导，

其中，所述信号电极包括提供给所述第一波导的第一信号电极和提供给所述第二波导的第二信号电极，并且

其中，所述第一信号电极和所述第二信号电极的中心之间的间隔大于所述第一波导和所述第二波导的脊中心之间的间隔。

7.根据权利要求6所述的光调制器，

其中，所述第一信号电极相对于所述Mach-Zehnder干涉仪的中心轴线覆盖所述第一波导的第一脊的外侧壁，并且在所述第一脊的内侧壁处与所述缓冲层的表面对准，并且

其中，所述第二信号电极相对于所述Mach-Zehnder干涉仪的所述中心轴线覆盖所述第二波导的第二脊的外侧壁，并且在所述第二脊的内侧壁处与所述缓冲层的表面对准。

8.根据权利要求5所述的光调制器，

其中，所述光波导包括形成Mach-Zehnder干涉仪的第一波导和第二波导，

其中，所述信号电极包括提供给所述第一波导的第一信号电极和提供给所述第二波导的第二信号电极，并且

其中，所述接地电极包括相对于所述Mach-Zehnder干涉仪的中心轴线设置在所述第一信号电极外侧的第一接地电极和设置在所述第二信号电极外侧的第二接地电极。

9.根据权利要求8所述的光调制器，其中，位于所述第一接地电极下方的所述薄膜具有朝向所述第一波导突出的第一台阶，并且位于所述第二接地电极下方的所述薄膜具有朝向所述第二波导突出的第二台阶。

10.根据权利要求8所述的光调制器，该光调制器还包括：

第三接地电极，该第三接地电极设置在所述第一信号电极和所述第二信号电极之间。

11.根据权利要求9所述的光调制器，该光调制器还包括：

第三接地电极，该第三接地电极设置在所述第一信号电极和所述第二信号电极之间。

12.根据权利要求1所述的光调制器，其中，所述衬底的折射率低于所述薄膜的折射率。

13.根据权利要求1所述的光调制器，该光调制器还包括：

第二缓冲层，该第二缓冲层设置在所述衬底和所述薄膜之间。

14.一种光调制器模块，该光调制模块包括：

光学模块，该光学模块具有：脊型光波导，所述光波导由具有光电效应的介电材料薄膜在衬底上形成；缓冲层，该缓冲层覆盖所述光波导；和信号电极，该信号电极经由所述缓冲层设置在所述光波导上；以及

封装，该封装容纳所述光调制器，

其中，所述光调制器的所述信号电极的宽度大于所述光波导的脊宽度，并且其中，所述光调制器的所述信号电极覆盖所述光波导的脊的至少一个侧壁。

15.根据权利要求14所述的光调制器模块，该光调制模块还包括：

驱动电路，该驱动电路设置在所述封装中并电连接到所述光调制器的所述信号电极。

16.一种光发送器模块，该光发送器模块包括：

光学模块，该光学模块具有：脊型光波导，所述光波导由具有光电效应的介电材料薄膜在衬底上形成；缓冲层，该缓冲层覆盖所述光波导；和信号电极，该信号电极经由所述缓冲层设置在所述光波导上；

光源，该光源构造成输出光以输入到光调制器；和

驱动电路，该驱动电路构造成驱动所述光调制器，

其中，所述光调制器的所述信号电极的宽度大于所述光波导的脊宽度，并且其中，所述光调制器的所述信号电极覆盖所述光波导的脊的至少一个侧壁。

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