CN111355534A - 用于直接耦合到RF驱动器电路的InP马赫-曾德尔调制器的偏置方法 - Google Patents

用于直接耦合到RF驱动器电路的InP马赫-曾德尔调制器的偏置方法 Download PDF

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Abstract

一种光发射机包括直接耦合的MZ干涉仪和驱动器电路。所述MZ干涉仪包括差分驱动的MZ电极对，被配置为将RF信号赋予通过干涉仪的相应臂行进的光，并且经由所述MZ干涉仪的下n型包层接收DC偏置作为正电压。所述下n型包层处于与所述MZ干涉仪的上平面RF接地不同的正DC电势，但所述下n型包层和所述上平面RF接地具有相似的AC电势。所述MZ干涉仪还包括：串联的电阻器对，被配置为提供MZ电极的差分RF端接；以及在形成于所述电阻器对之间的中心点处的虚拟接地与被配置为提供共模RF端接的RF接地之间的电容耦合。用于驱动器电路的DC电源被施加到所述RF端接的所述中心点。

Description

用于直接耦合到RF驱动器电路的InP马赫-曾德尔调制器的偏 置方法
技术领域
本发明涉及一种包括直接耦合的MZ调制器干涉仪和驱动器电路的光发射机。具体地，MZ干涉仪和驱动器电路可以在它们之间没有RF部件列的情况下耦合。
背景技术
射频(RF)放大器芯片通常是使用马赫-曾德尔(MZ)调制器的光发射机中的重要部件。由发射机的数字信号处理器(DSP)输出的数据调制模拟信号通常被限制为小于1伏(V)的峰到峰(peak-to-peak)振幅。然而，典型的MZ调制器(例如基于磷化铟(InP)的MZ调制器)的V2π特性通常将是大约3V(V2π特性指的是在等于其半波电压两倍的电压范围(例如从-Vπ到+Vπ)上驱动调制器所需的电压，其中半波电压是引起π的相移或者从全透射到最大消光的偏移所需的电压)。
在没有放大的情况下，由DSP输出的信号因此在幅度上太小，导致MZ欠驱动和相当大的调制损耗。RF放大器或驱动器电路(驱动器芯片)的目的是将DSP信号放大到与MZ调制器的V2π规范兼容的放大率，从而使调制引起的损耗最小化。
图1示出了在包括MZ干涉仪20和AC耦合的驱动器或放大器电路30的光发射机10中的传统偏置方法，应当理解，发射器10可以包含一个以上的MZ干涉仪20，例如嵌套配置的四个MZ干涉仪，但是在该说明性示例中，仅示出了一个MZ干涉仪20。干涉仪的配置将包括调制器芯片。
用于发射器10的驱动器电路30DC电源VDD通过偏置三通(tee)布置40施加在驱动器电路30输出端处，偏置三通40还通过RF部件列50将驱动器电路30输出端的AC耦合提供到MZ干涉仪20。RF端接(差分和共模)被提供在芯片外，负MZ DC偏置Vcm也是如此。干涉仪20的下n包层直接通过光学子组件的整个接地平面和电容性(～100pF)芯片，强耦合到RF接地70。
在图1的已知布置中，驱动器电路(驱动芯片)30因此远离MZ干涉仪20，而位于光学子组件外部的印刷电路板(PCB)上。这种远程的"芯片外"位置在几个方面是有利的。
芯片外位置使得能够在驱动器电路30与MZ干涉仪20之间使用偏置三通电路40(用于将DC功率插入AC信号中)，驱动器电路30的输出端AC耦合(经由电容连接)到MZ干涉仪20的RF信号输入焊盘。AC耦合允许驱动器电路30的DC电源VDD通过偏置三通布置被施加到驱动器电路30的集电极输出端，这允许负DC偏置被施加到干涉仪的p侧。
驱动器电路30的芯片外位置还允许差分MZ DC偏置Vcm作为负电压施加到MZ调制电极21、22，通常在RF端接末端60处。
然而，驱动器电路30距MZ干涉仪20的远程位置导致相对较长的RF部件列50，RF部件列50也需要穿过MZ干涉仪20光学子组件的壁。由于大的RF损耗和失真，这可能损害RF部件列50的级联带宽性能。希望提供一种消除这些问题的装置。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供了一种包括MZ干涉仪和驱动器电路的光发射机，其中所述MZ干涉仪和驱动器电路直接耦合。MZ干涉仪包括一对差分驱动的MZ电极，其被配置为将RF信号赋予通过干涉仪的相应臂行进的光，并且经由MZ干涉仪的下n型包层接收DC偏置作为正电压。下n型包层处于与MZ干涉仪的上平面RF接地不同的正DC电势，但是下n型包层和上平面RF地具有类似的AC电势。所述MZ干涉仪进一步包括一对串联的电阻器，其配置为提供所述MZ电极的差分RF端接；以及在所述电阻器对之间的中心点处形成的虚拟接地与被配置为提供共模RF端接的RF接地之间的电容耦合。用于驱动器电路的DC电源被施加到RF端接的中心点。
可以通过芯片上(on-chip)电容器件和芯片外(off-chip)电容器件来提供下n型包层与上平面RF接地之间的电容耦合。芯片上电容器件可以具有大约50pF的电容，和/或芯片外电容器件可以具有大约100nF的电容。
共模RF端接可以由具有大约10pF电容的电容器件提供。
可以将DC偏置提供给MZ干涉仪的下n型包层和外围p型包层。可以在MZ干涉仪的上表面上提供下n型包层接触。可以在MZ干涉仪的背面提供下n型包层接触。
MZ干涉仪和驱动器电路可以被共同定位于发射机的光学子组件内，在MZ干涉仪与驱动器电路之间没有偏置三通布置或RF部件列。
光发射机可以包括多个MZ干涉仪，MZ干涉仪包括调制器芯片。
在本发明的另一方面中，提供了一种偏置包括直接耦合的MZ干涉仪和驱动器电路的光发射机的方法。该方法包括经由MZ干涉仪的下n型包层向MZ干涉仪的差分驱动的MZ电极对施加正电压DC偏置，其中下n型包层处于与MZ干涉仪的上平面RF接地不同的正DC电势，但是其中下n型包层和上平面RF地具有类似的AC电势。该方法还包括经由串联的电阻器对提供MZ电极的差分RF端接；经由在所述电阻器对之间的中心点处形成的虚拟接地与RF接地之间的电容耦合来提供共模RF端接；在射频端接的中心点处施加驱动器电路DC电源。该方法可以包括通过芯片上电容器件和芯片外电容器件在下n型包层与上平面RF接地之间提供电容耦合。芯片上电容器件可以具有大约50pF的电容，和/或芯片外电容器件具有大约100nF的电容。
所述方法可以包括通过具有大约10pF电容的电容器件提供共模RF端接。
所述方法可以包括向MZ干涉仪的下n型包层和外围p型包层提供DC偏置。可以在MZ干涉仪的上表面上提供下n型包层接触。可以在MZ干涉仪的背面提供下n型包层接触。
所述方法可以包括将MZ干涉仪和驱动器电路被共同定位在发射机的光学子组件内，在MZ干涉仪与驱动器电路之间没有偏置三通布置或RF部件列。
附图说明
图1是示出了包括MZ干涉仪和AC耦合的驱动器电路的光发射机中的传统偏置的示意图；
图2是示示了包括直接耦合的MZ干涉仪和驱动器电路的光发射机中的偏置的示意图；
图3示出了用于图2的发射机的偏置和电容耦合方案，其中电极是微带类型的；
图4A是沿图3的线AA'的横截面图；
图4B是沿图3的线AA'的可选的横截面图；
图4C是沿图3的线AA'的另一可选的横截面图；
图5示出了用于图2的发射机的可选的偏置和电容耦合方案，其中电极是分段类型的；
图6示出了用于图2的发射机的可选的偏置和电容耦合方案，其中电极是分段类型的；
图7A是沿图6的线BB'的横截面图；
图7B是通过图6的线CC'的横截面图；以及
图8示出了面内(a、b、c)和垂直(d)芯片上电阻器的几何图形。
具体实施方式
本文参照图2至图8描述了一种包括MZ干涉仪和驱动器电路的光发射机，其中MZ干涉仪和驱动器电路直接耦合。还描述了一种偏置包括直接耦合的MZ干涉仪和驱动器电路的光发射机的方法。为了方便起见，以下讨论涉及MZ干涉仪和驱动器电路(驱动器芯片)，但是应当理解，这些不需要为单独的实体，并且可以被共同定位。
发明人已经认识到，通过将RF驱动器电路与一个或多个MZ干涉仪共同定位在光学子组件内，可以显著地改善MZ调制器的级联带宽性能。在这种布置中，驱动器电路和MZ干涉仪是直接耦合的，而不是AC耦合的。共同定位缩短了RF部件列的长度，并且减少了RF损耗和失真。没有偏置三通布置还减小了封装尺寸。
然而，这种共同定位的布置需要对MZ干涉仪的偏置布置进行显著的修改。
例如，由于没有偏置三通布置，驱动器电路DC电源VDD不再能够被施加在驱动器输出端。相反，驱动器装置(芯片)DC电源VDD必须被施加到MZ调制臂的端接末端。结果，负MZ DC偏置Vcm不能被施加在MZ调制臂的端接末端，而必须作为相反的正电压+Vcm被提供给MZ干涉仪装置的下n型包层侧。
将RF信号输入焊盘连接到调制电极的RF馈线或波导具有共面波导(CPW)型和/或共面带状线(CPS)型。RF信号电场分别存在于中心信号迹线和外围接地迹线或平衡差分信号迹线之间的水平平面中。然而，为了调制光波导相位，RF信号电场必须存在于调制电极和下面的n型下覆层之间的垂直平面内，其中电场穿过光芯。因此，RF信号电场必须从水平平面平滑地过渡到垂直平面。在上平面上的RF接地和n型下覆层中的RF接地之间必须有足够高速的耦合以实现这一点。
在图1所示的已知布置中，在芯片外位置中具有AC耦合的驱动器电路的情况下，上平面RF接地和n型下包层RF接地直接耦合，即，它们都处于相同的DC和AC电势。
然而，如上所述，在驱动器电路和一个或多个MZ干涉仪被共同定位且直接耦合的布置中，必须使用相对于上平面上的RF接地的正电压+Vcm来对下n型包层进行DC偏置。这种布置需要下部n型包层和上部平面上的RF接地之间的电容耦合，使得它们处于相似的AC电势，但是不同的DC电势。换句话说，下n型包层必须处于与上平面RF接地不同的正DC电势，但是n型包层和上平面RF接地必须是AC耦合的，或者具有类似的AC电势以确保RF信号成功传递到MZ电极上。上平面RF接地Vcm和驱动器电路DC电源VDD之间的耦合必须处于相同的RF电势。
如下面将描述的，该电容耦合分别以低电容和高电容被提供在芯片上和芯片外，因此使得能够在宽频率范围上实现AC耦合。
图2示出了光发射机100，其中MZ干涉仪120和驱动器电路130(驱动芯片)被共同定位且直接耦合。如前所述，干涉仪的配置包括调制器芯片，并且如这里所述，驱动器电路和调制器芯片将直接耦合。驱动器电路130是紧密耦合的(即直接耦合的)，不存在偏置三通布置。此外，除了具有低电感的短的焊线之外，在驱动器电路130和MZ干涉仪120之间不存在RF部件列。
与图1中所示的传统偏置布置相反，在图2的示例性发射机100中，差分驱动的MZ电极之间的RF端接160被提供在芯片上。差分端接被提供为串联的两个电阻器161、162。在该示例中，每个电阻器为大约50欧姆，提供总共100欧姆的差分端接阻抗。或者，每个电阻器可以提供大约25至50欧姆之间的电阻，组合起来提供大约50至100欧姆的总电阻。在两个电阻器161、162的中心点形成的虚拟接地(VG)必须电容性地耦合到RF接地170以提供共模端接，从而确保MZ电极121、122的任何共模激励也被端接。因此，在该示例中，在芯片上而不是芯片外提供差分和共模RF端接。芯片外尽管芯片上电阻器在与直接耦合的驱动器电路相关的封装的简单性方面提供了显著的改进，但替代地或附加地，电阻器可以在芯片外被提供。
旨在提供纯电阻性阻抗的优化的端接几何图形趋于使电阻器161、162的寄生电容和电感最小化。因此，通过使用高电阻性迹线和通过将电阻器161、162覆盖在RF接地的n包层上的注入的(implanted)p包层加上本征InP的隔离叠层，保持电阻器161、162短。下面将参考图8进一步讨论优化的电阻器几何图形。
在该示例中，驱动器电路DC电源VDD通过电感焊线连接LWB被施加到芯片上RF端接160的中心点。通常，25微米直径的金焊线将具有大约0.1nH/mm的电感。如前所述，MZ负DC偏置Vcm因此不能被施加在该位置，而是作为相反的正电压+Vcm被施加到下n型包层，其必须仅电容耦合到上平面RF接地，以确保信号从RF馈线到MZ电极121、122的传递。该电容耦合由芯片上和芯片外的电容器125、126提供(在该示例中分别为大约50pF和100nF)，使得能够在宽频率范围上实现AC耦合。共模端接由接触到Vcm的10pF电容器127提供，Vcm又耦合到RF接地170。
图3示出了用于图2的光发射机的偏置和电容耦合方案，其中光波导150分成两个分支151、152。在该图示的示例中，光发射机的MZ电极180、181是微带类型的。差分信号S+和S-通过GSG CPW RF波导W1、W2被传递到MZ电极。RF信号电场在CPW RF波导与MZ电极相遇的位置处从水平平面转变到垂直平面。
在该示例中，差分信号S+、S-通过两个大约50欧姆的电阻器161、162被差分地端接，并且共模端接由耦合到MZ DC偏置Vcm的VG电容器提供。MZ DC偏置Vcm又电容耦合到RF接地，这另外确保差分信号S+、S-到微带MZ电极上的平滑传递。
在图3所示的方案中，向周边p型包层和下部n型包层提供正MZ DC偏置Vcm。
图4A、4B和4C是图3所示方案中沿线AA'的可选的横截面图，在这三个视图中，MZDC偏置Vcm以相同的方式接触外围p型包层，并且电容器与RF接地接触。接触到RF接地的电容器由金属层和p型包层形成，其间具有绝缘电介质层。然而，图4A、4B和4C示出了MZ DC偏置Vcm可以接触下n型包层的可选方式。
图4A示出了半绝缘工艺，其中用于正DC偏压连接的n型包层接触必须被提供在装置的顶面(即，如图4A所示的上表面)上。
图4B和4C示出了n+工艺的可选方案，其中通过背面(即，如图中所示的下部)接触(图4C)或者通过顶面和背面接触(图4B)二者提供到下部n型包层(和衬底)的接触。
图5示出了用于图2的光发射机的可选的偏置和电容耦合方案，在该示例中，光发射机的MZ电极182、183是分段的行波类型。差分信号S+和S-通过GSG CPW和CPS RF波导W3、W4被递送到分段MZ电极。RF信号电场在CPS RF波导与分段MZ电极相遇的位置处从水平平面转变到垂直平面。
差分信号S+、S-通过两个大约50欧姆的电阻器161、162被差分地端接，并且共模端接由耦合到MZ DC偏置Vcm的VG电容器提供。MZ DC偏置Vcm又电容耦合到RF接地，这另外确保差分信号到分段MZ电极上的平滑传递。
与图3所示的方案相同，图5所示的方案向周边p型包层和n型包层提供正MZ DC偏置Vcm。
图6示出了用于图2的光发射机的另一可选的偏置和电容耦合方案，在该另一示例性示例中，MZ电极182、183是分段的行波类型。差分信号S+和S-通过GSG CPW和CPS RF波导W5、W6被递送到分段MZ电极。RF信号电场在CPS RF波导与分段MZ电极相遇的位置处从水平平面转变到垂直平面。
差分信号S+、S-通过两个大约50欧姆的电阻器161、162被差分地端接，并且共模端接由耦合到MZ DC偏置Vcm的VG电容器提供。MZ DC偏置Vcm又电容耦合到RF接地，这另外确保差分信号到分段MZ电极上的平滑传递。
分别与在图3示出的第一偏置和电容耦合方案和图5示出的第二偏置和电容耦合方案相比，在图6的可选方案中，所有电容器都被提供在下n型包层上。这消除了向外围p型包层提供MZ DC偏置Vcm的要求，考虑到总的芯片面积，这可以更节省空间。
图7A和7B分别是图6所示方案中沿BB″和CC'线的横截面图，与上述4A、4B和4C的横截面图不同，未向周边p型包层提供正MZ DC偏置Vcm。相反，在图7A和7B中，所需的电容耦合完全在位于大的n阱中的大面积暴露的n型包层上执行。
如上所述(参考图3、5和6)，图2的光发射机可以使用可选的偏置和电容耦合方案，在这些偏置和耦合方案中，或者向外围p型包层和n型包层(图3、4和5)，或者仅向n型包层(图6和7)提供正MZ DC偏置Vcm。
如上参考图2、3、5和6所述，信号S+、S-的差分端接由两个串联的芯片上近似50欧姆的电阻器提供。图8A至8D示出了这些芯片上50欧姆电阻器161、162的三种可选几何图形。
如上所述，这三种几何图形通常都是通过保持电阻器161、162窄且短、通过使用高电阻性迹线以及通过将电阻器161、162覆盖在RF接地的n包层上的注入的p包层加本征光波导芯的隔离叠层上来优化的。
图8示出了适用于电阻器160、161的芯片上几何图形的各种几何图形。图8a至8c示出了可能的几何图形的平面内描述，图8d示出了图8a的几何图形的两种可能的垂直描述。
在图8a所示的平面内、芯片上电阻器几何图形中，RF差分线使用在虚拟RF接地处连接到单个电容器的两个大约50欧姆金属迹线来端接。平面内的几何图形的选择旨在最小化电阻器的长度，以减小寄生电感和电容。因此，窄的和高电阻性金属迹线迹线是优选的。图8b和8c中示出了可选的平面内的配置。
图8a和8b自然提供等电位的单个电阻器的点接触，而图8c的几何图形依赖于电容器上的良好接地均匀性以及电阻器的接触点之间的低电容器电阻来实现相同的性能。如上所述，VDD通过电感焊线连接而被施加在VG点。由于在附近不存在RF接地连接，因此VG电容耦合到Vcm，Vcm又电容耦合到RF接地，如图2中所说明的内容。
图8d示出了垂直布置，其中通过电阻器金属迹线下面的厚的中性注入的p层来最小化寄生电容。图8d示出了使用相同的注入的p层布置的N掺杂和Si(硅)衬底。在Si衬底的情况下，背部金属层是可选的。
图8中所示的每个电阻器几何图形可以与图2的发射机以及与上面参考图3到7描述的偏置和耦合方案一起使用。
本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
上述光发射机包括一个或多个MZ干涉仪，每个MZ干涉仪包括差分驱动的MZ电极对、被配置为提供MZ电极的差分RF端接的串联的电阻器对；以及在所述电阻器对之间的中心点处形成的虚拟接地与被配置为提供共模RF端接的RF地之间的电容耦合。

Claims (20)

1.一种光发射机，该光发射机包括：
MZ干涉仪；以及
驱动器电路，
所述MZ干涉仪与驱动器电路直接耦合，以及
所述MZ干涉仪包括：
差分驱动的MZ电极对，被配置成将RF信号赋予通过所述MZ干涉仪的相应臂行进的光，并且经由所述MZ干涉仪的下n型包层接收DC偏置作为正电压，
所述下n型包层处于与所述MZ干涉仪的上平面RF接地不同的正DC电势，并且具有与所述上平面RF接地相似的AC电势；
串联连接的电阻器对，被用于提供所述差分驱动的MZ电极对的差分RF端接；以及
电容耦合，位于在所述电阻器对之间的中心点处形成的虚拟接地与RF接地之间，以提供共模RF端接，
用于所述驱动器电路的DC电源被施加到所述中心点。
2.根据权利要求1所述的光发射机，其中所述下n型包层与所述上平面RF接地之间的电容耦合由芯片上电容器件和芯片外电容器件提供。
3.根据权利要求2所述的光发射机，其中所述芯片上电容器件具有大约50pF的电容和/或所述芯片外电容器件具有大约100nF的电容。
4.根据权利要求1所述的光发射机，其中共模RF端接由具有大约10pF电容的电容器件提供。
5.根据权利要求1所述的光发射机，其中所述DC偏置被提供给所述MZ干涉仪的所述下n型包层和外围p型包层两者。
6.根据权利要求1所述的光发射机，其中下n型包层接触被提供在所述MZ干涉仪的上表面上。
7.根据权利要求1所述的光发射机，其中下n型包层接触被提供在所述MZ干涉仪的背面上。
8.根据权利要求1所述的光发射机，其中所述MZ干涉仪和所述驱动器电路被共同定位在所述光发射机的光学子组件内，在所述MZ干涉仪与所述驱动器电路之间没有偏置三通布置或RF部件列。
9.根据权利要求1所述的光发射机，该光发射机还包括：多个MZ干涉仪，
所述多个MZ干涉仪中的每一者包括调制器芯片。
10.一种偏置包括MZ干涉仪和驱动器电路的光发射机的方法，所述方法包括：
经由所述MZ干涉仪的下n型包层向所述MZ干涉仪的差分驱动的MZ电极对施加正电压DC偏置，
所述下n型包层处于与所述MZ干涉仪的上平面RF接地不同的正DC电势，并且具有与所述上平面RF接地相似的AC电势；
经由串联连接的电阻器对提供所述差分驱动的MZ电极对的差分RF端接；
经由在所述电阻器对之间的中心点处形成的虚拟接地与RF接地之间的电容耦合来提供共模RF端接；以及
在所述RF端接的所述中心点处施加DC电源。
11.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括：
通过芯片上电容器件和芯片外电容器件在所述下n型包层与所述上平面RF接地之间提供电容耦合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述芯片上电容器件具有大约50pF的电容和/或所述芯片外电容器件具有大约100nF的电容。
13.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括：
通过具有大约10pF电容的电容器件提供共模RF端接。
14.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括：
向所述MZ干涉仪的所述下n型包层和外围p型包层提供DC偏置。
15.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括：
在所述MZ干涉仪的上表面上提供下n型包层接触。
16.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括：
在所述MZ干涉仪的背面上提供下n型包层接触。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述MZ干涉仪和所述驱动器电路被共同定位在所述光发射机的光学子组件内，在所述MZ干涉仪和所述驱动器电路之间没有偏置三通布置或RF部件列。
18.一种光发射机，该光发射机包括：
MZ干涉仪；以及
驱动器电路，
所述MZ干涉仪包括：
差分驱动的MZ电极对，被配置成将RF信号赋予通过所述MZ干涉仪的相应臂行进的光，并且经由所述MZ干涉仪的下n型包层接收DC偏置作为正电压，
所述下n型包层处于与所述MZ干涉仪的上平面RF接地不同的正DC电势，并且具有与所述上平面RF接地相似的AC电势；
电阻器对，用于提供所述差分驱动的MZ电极对的差分RF端接；以及
电容耦合，位于在所述电阻器对之间的中心点处形成的虚拟接地与RF接地之间，以提供共模RF端接，
用于所述驱动器电路的DC电源被施加到所述中心点。
19.根据权利要求18所述的光发射机，其中所述下n型包层与所述上平面RF接地之间的电容耦合是由芯片上电容器件及芯片外电容器件提供。
20.根据权利要求18所述的光发射机，其中所述MZ干涉仪和所述驱动电路被共同定位在所述光发射机的光学子组件内，在所述MZ干涉仪与所述驱动电路之间没有偏置三通布置或RF部件列。
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