CN113316740A - 半导体马赫-曾德尔光调制器 - Google Patents

半导体马赫-曾德尔光调制器 Download PDF

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Abstract

一个目的是解决由高频线和端接电阻之间的阻抗失配引起的光调制器的高频特性的劣化。半导体马赫‑曾德尔光调制器包括输入侧引出线(20～23)、相位调制电极线(24～27)、输出侧引出线(28～31)、将通过相位调制电极线(24～27)传播的调制信号施加到各个波导(16～19)的电极(32～35)，以及接地线(48～50)。此外，在衬底和输出侧引出线(28～31)下方的下层中的介电层之间，沿输出侧引出线(28～31)间断地形成至少一个n型半导体层或p型半导体层。

Description

半导体马赫-曾德尔光调制器
技术领域
本发明涉及一种用电信号调制光信号的半导体马赫-曾德尔光调制器。
背景技术
需要支持先进光调制方案的高速光调制器来响应不断增长的通讯量需求。特别地，使用数字相干技术的多级光调制器在使大容量收发器具有超过100Gbps的容量方面发挥着主要作用。这些多级光调制器被配置为包括以并行和多级方式布置的能够零啁啾驱动的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型的马赫-曾德尔光调制器(马赫-曾德尔调制器，以下简称MZM)，以便将独立信号添加到光的振幅和相位。
近年来，光发射机模块的小型化以及驱动电压的降低是一个挑战，能够具有低驱动电压的小型半导体MZM的研究和开发得到了大力推进。此外，在半导体MZM的研究和开发中，响应诸如64GBaud、100GBaud等波特率增加的运动正在加速，并且需要增加调制器的频带。
在这种研究和开发中，加速了高带宽相干驱动器调制器(HB-CDM)的研究和开发，其旨在不仅通过单独提高调制器的特性，而且通过借助将驱动器和调制器集成到一个封装中的驱动器和调制器一体设计改进高频特性来实现小型化(参见非专利文献1)。在HB-CDM的配置中，因为调制器与差分驱动驱动器集成，所以调制器本身优选地也具有差分驱动配置。
在宽带MZM中，通常使用行波电极。对于这样的行波电极，以下因素(I)和(II)对于提高调制频带非常重要。
(I)通过电极传播的微波和通过波导传播的光之间的速度匹配。
(II)减少电极的传播损耗。
而且，对于最近被积极研究和开发的HB-CDM，同时包括驱动器和调制器的设计对于集成驱动器和调制器是非常重要的。特别地，在HB-CDM中，使用集电极开路型或漏极开路型驱动器来实现低功耗(参见非专利文献2)。
在集电极开路型或漏极开路型驱动器中，输出端为开路端，因此如果调制器的高频线没有成功端接，并且调制信号通过高频线返回，就会在驱动器和端接电阻之间发生谐振，这会导致调制频带的劣化和高频特性的周期性波动，从而导致信号质量的劣化。因此，近年来，以下因素(III)的重要性大大增加。
(III)调制器的电极与驱动器或端接电阻之间的阻抗匹配。
上述三个因素(I)、(II)和(III)对于实现波特率的增加是非常重要的。关于(I)和(II)，考虑到与驱动器的连接性和其他特性，已经提出了诸如使用差分电容负载电极结构或低损耗半导体层结构的技术(参见非专利文献3)。电容负载结构被设计为在波导上形成从主接线分支的T形电极以进行相位调制。通过优化设计有助于此相位调制的电极数量和间距以及与波导的接触长度，可以自由设计要添加到主接线的电容量，这使得可以设计任何值的阻抗和微波速度。因此，通过设计要添加的最佳电容量，可以改善光波和微波之间的速度匹配并且还可以匹配阻抗。结果，可以增加调制器的频带。
另一方面，对于(III)，由于电极、波导等的制造差异、端接电阻的生产差异、以及各个结构衍生的高频特性，阻抗匹配很难在整个区域的宽带范围内(64Gbaud下约为40GHz，100GBaud下约为60GHz)实施以实现例如64GBaud、100Gbaud等高波特率。因此，特别是在上述集电极开路型或漏极开路型驱动器与MZM连接的情况下，调制特性会因反射波的影响而劣化。如上所述，在需要增加波特率的当前时刻，需要一种技术来防止组件之间的阻抗失配的影响。
参考文献列表
非专利文献
非专利文献1：J.Ozaki，et al.，″Ultra-low Power Dissipation(＜2.4W)Coherent InP Modulator Module with CMOS Driver IC″，Mo3C.2，European Conferenceon Optical Communication(ECOC)，2018
非专利文献2：N.Wolf，et al.，″Electro-Optical Co-Design to MinimizePower Consumption of a 32 GBd Optical IQ-Transmitter Using InP MZ-Modulators″，Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium(CSICS)，2015
非专利文献3：Y.Ogiso，et al.，″Ultra-High Bandwidth InP IQ Modulator co-assembled with Driver IC for Beyond 100-GBd CDM″.Th4A.2，Optical FiberCommunication Conference(OFC)，2018
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是防止由于在半导体马赫-曾德尔光调制器的高频线和端接电阻之间发生阻抗失配而产生的反射波的影响，并解决由阻抗失配引起的光调制器的高频特性的劣化。
技术方案
根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器包括：光波导，形成于衬底上；输入侧引出线，形成于衬底上的至少一个介电层上，该输入侧引出线包括输入调制信号的第一端；相位调制电极线，沿光波导形成于介电层上，该相位调制电极线包括与输入侧引出线的第二端连接的第一端；输出侧引出线，形成于介电层上，该输出侧引出线包括与相位调制电极线的第二端连接的第一端；以及电极，被配置为将调制信号施加到光波导，该调制信号通过相位调制电极线传播，其中半导体马赫-曾德尔光调制器还包括衰减器，其被配置为衰减输出侧引出线下方的下层或输出侧引出线上方的上层中的调制信号。
在根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器的配置示例中，衰减器为至少一个n型半导体层或至少一个p型半导体层，所述至少一个n型半导体层或至少一个p型半导体层在输出侧引出线下方的下层中沿着输出侧引出线间断形成。
在根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器的配置示例中，在输出侧引出线的部分中，n型半导体层或p型半导体层中的每一个在调制信号的传播方向上的长度为调制信号的频带中最大频率的导波波长的1/4以下，n型半导体层或p型半导体层在与调制信号的传播方向垂直的方向上的宽度为导波波长的1/4以下，并且多个n型半导体层或多个p型半导体层之间在调制信号的传播方向上的间距为50μm以下。
在根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器的配置示例中，光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导；输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，第二输入侧引出线位于与第一输入侧引出线相邻的介电层上，并包括被输入与调制信号互补的信号的第一端；相位调制电极线包括在介电层上分别沿着第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，第一相位调制电极线和第二相位调制电极线包括与第一输入侧引出线和第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端；输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，第一输出侧引出线和第二输出侧引出线包括与第一相位调制电极线和第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端；电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到第一臂波导和第二臂波导，该相应的调制信号通过第一相位调制电极线和第二相位调制电极线传播。半导体马赫-曾德尔光调制器还包括沿着调制信号的传播方向在第一输入侧引出线、第一相位调制电极线和第一输出侧引出线外侧的介电层上的第一接地线；以及沿着调制信号的传播方向在第二输入侧引出线、第二相位调制电极线和第二输出侧引出线外侧的介电层上的第二接地线，在第一输出侧引出线和第二输出侧引出线的部分中，n型半导体层或p型半导体层在与调制信号的传播方向垂直的方向上的宽度等于或大于第一接地线和第二接地线之间的距离，并且n型半导体层或p型半导体层形成在第一接地线和第二接地线的边缘下方，该边缘比第一接地线和第二接地线的其他边缘更靠近相应的输出侧引出线。
在根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器的配置示例中，光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导；输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，第二输入侧引出线位于与第一输入侧引出线相邻的介电层上，并包括被输入与调制信号互补的信号的第一端；相位调制电极线包括在介电层上分别沿着第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，第一相位调制电极线和第二相位调制电极线包括与第一输入侧引出线和第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端；输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，第一输出侧引出线和第二输出侧引出线包括与第一相位调制电极线和第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端；电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到第一臂波导和第二臂波导，该相应的调制信号通过第一相位调制电极线和第二相位调制电极线传播；并且在第一输出侧引出线和第二输出侧引出线的直线部分中，n型半导体层或p型半导体层被布置为使得第一输出侧引出线和第二输出侧引出线之间在与调制信号的传播方向垂直的方向上的中点的位置与n型半导体层或p型半导体层在与调制信号的传播方向垂直的方向上的中心点的位置相匹配，并且n型半导体层或p型半导体层的横截面关于通过所述中心点的厚度方向上的垂直线两侧对称。
在根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器的配置示例中，光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导；输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，第二输入侧引出线位于与第一输入侧引线相邻的介电层上，并包括被输入与调制信号互补的信号的第一端；相位调制电极线包括在介电层上分别沿着第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，第一相位调制电极线和第二相位调制电极线包括与第一输入侧引出线和第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端；输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，第一输出侧引出线和第二输出侧引出线包括与第一相位调制电极线和第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端；电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，被配置为将相应的调制信号施加到第一臂波导和第二臂波导，该相应的调制信号通过第一相位调制电极线和第二相位调制电极线传播；第一输出侧引出线和第二输出侧引出线在与第一臂波导和第二臂波导在介电层的平面中延伸的方向相交的方向上弯曲，并且在第一输出侧引出线和第二输出侧引出线的弯曲部分中，n型半导体层或p型半导体层被设置为使得：相对于第一输出侧引出线和第二输出侧引出线之间在与调制信号的传播方向垂直的方向上的中点，n型半导体层或p型半导体层在与调制信号的传播方向垂直的方向上的中心点偏移至第一输出侧引出线和第二输出侧引出线的弯曲部分的外周侧。
在根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器的配置示例中，光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导；输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，第二输入侧引出线位于与第一输入侧引线相邻的介电层上，并包括被输入与调制信号互补的信号的第一端；相位调制电极线包括在介电层上分别沿着第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线波导，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，第一相位调制电极线和第二相位调制电极线包括与第一输入侧引出线和第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端；输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，第一输出侧引出线和第二输出侧引出线包括与第一相位调制电极线和第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端；电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到第一臂波导和第二臂波导，该相应的调制信号通过第一相位调制电极线和第二相位调制电极线传播；并且第一输出侧引出线和第二输出侧引出线中的每一个在与调制信号的传播方向垂直的方向上的线宽在正下方不存在n型半导体层或p型半导体层的部分比在正下方存在n型半导体层或p型半导体层的部分更宽。
在根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器的配置示例中，光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导；输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，第二输入侧引出线位于与第一输入侧引线相邻的介电层上，并包括被输入与调制信号互补的信号的第一端；相位调制电极线包括在介电层上分别沿着第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线波导，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，第一相位调制电极线和第二相位调制电极线包括与第一输入侧引出线和第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端；输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，第一输出侧引出线和第二输出侧引出线包括与第一相位调制电极线和第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端；电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，被配置为将相应的调制信号施加到第一臂波导和第二臂波导，该相应的调制信号通过第一相位调制电极线和第二相位调制电极线传播；半导体马赫-曾德尔光调制器还包括沿着调制信号的传播方向在第一输入侧引出线、第一相位调制电极线和第一输出侧引出线外侧的介电层上的第一接地线；以及沿着调制信号的传播方向在第二输入侧引出线、第二相位调制电极线和第二输出侧引出线外侧的介电层上的第二接地线；第一输出侧引出线和第二输出侧引出线在与第一臂波导和第二臂波导在介电层的平面中延伸的方向相交的方向上弯曲，并且第一输出侧引出线和第二输出侧引出线中的每一个在与调制信号的传播方向垂直的方向上的线宽在弯曲部分处比在直线部分处更短；并且第一接地线和第二接地线沿着第一输出侧引出线和第二输出侧引出线弯曲，并且第一接地线和第二接地线中的每一个到第一输出侧引出线和第二输出侧引出线中的对应一个的线间距离在弯曲部分处比在直线部分处更短。
在根据本发明的半导体马赫-曾德尔光调制器的配置示例中，光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导；输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，第二输入侧引出线位于与第一输入侧引线相邻的介电层上，并包括被输入与调制信号互补的信号的第一端；相位调制电极线包括在介电层上分别沿着第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线波导，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，第一相位调制电极线和第二相位调制电极线包括与第一输入侧引出线和第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端；输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，第一输出侧引出线和第二输出侧引出线包括与第一相位调制电极线和第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端；电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到第一臂波导和第二臂波导，该相应的调制信号通过第一相位调制电极线和第二相位调制电极线传播；半导体马赫-曾德尔光调制器还包括沿着调制信号的传播方向在第一输入侧引出线、第一相位调制电极线和第一输出侧引出线外侧的介电层上的第一接地线；以及沿着调制信号的传播方向在第二输入侧引出线、第二相位调制电极线和第二输出侧引出线外侧的介电层上的第二接地线；并且半导体马赫-曾德尔光调制器还包括电连接在第一接地线和第二接地线之间的多条导线，多条导线以调制信号的频带中最大频率的导波波长的1/4以下的间隔设置。
发明效果
根据本发明，通过在输出侧引出线下方的下层中的衬底与介电层之间、或在输出侧引出线上方的上层上配置衰减调制信号的衰减器，可以阻止由于输出侧引出线和端接电阻之间的阻抗失配而产生的反射波返回到包括电极的相位调制部分、或连接到半导体马赫-曾德尔光调制器的集电极开路型或漏极开路型驱动器，从而最大限度地减少对半导体马赫-曾德尔光调制器的调制特性的影响。因此，本发明可以提供能够抑制由阻抗失配导致的相位调制特性的劣化并且在大范围内具有平滑的调制特性的、能够进行高波特率操作的优异的半导体马赫-曾德尔光调制器。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的同相正交(IQ)调制器的配置的平面图。
图2是根据本发明实施例的IQ调制器的相位调制部分的截面图。
图3是根据本发明实施例的IQ调制器的输入侧引出线的部分的截面图。
图4是根据本发明实施例的IQ调制器的输出侧引出线的部分的放大平面图。
图5是根据本发明实施例的IQ调制器的输出侧引出线的部分的截面图。
图6是根据本发明实施例的IQ调制器的输出侧引出线的部分的截面图。
图7是根据本发明实施例的IQ调制器的输出侧引出线的部分的截面图。
图8是根据本发明实施例的IQ调制器的输出侧引出线的部分的截面图。
图9是示出根据本发明实施例的连接接地线的导线的平面图。
具体实施方式
发明原理
在MZM的设计中，每个电极包括三个部分：与驱动器连接的输入侧引出线、沿马赫-曾德尔干涉仪的波导形成的相位调制电极线，以及与端接电阻连接的输出侧引出线，为了实现频带的增加，通常将电极制成基本上具有较小的传播损耗。
但是，由于输出侧引出线是相位调制后的电极，因此该电极中的传播损耗基本不影响进行相位调制的调制信号，也不影响MZM调制频带的劣化。另一方面，MZM端接电阻和高频线之间的阻抗失配所产生的反射波极大地影响了MZM的调制频带和调制特性的劣化。
因此，本发明有意使输出侧引出线具有传播损耗，以防止由于MZM的端接电阻和线之间的阻抗失配引起的反射波返回到相位调制部分，以最大限度地减少对MZM调制特性的影响，并在大范围内实现优异的高频特性。
以下，将参照附图描述本发明的实施例。
实施例
图1是图示根据本发明实施例的IQ调制器的配置的平面图。IQ调制器包括输入波导10、1×2多模接口(MMI)耦合器11、波导12和13、1×2MMI耦合器14、1×2MMI耦合器15、波导16和17(第一臂波导和第二臂波导)、波导18和19(第一臂波导和第二臂波导)、输入侧引出线20和21(第一输入侧引出线和第二输入侧引出线)、输入侧引出线22和23(第一输入侧引出线和第二输入侧引出线)、相位调制电极线24和25(第一相位调制电极线和第二相位调制电极线)、相位调制电极线26和27(第一相位调制电极线和第二相位调制电极线)、输出侧引出线28和29(第一输出侧引出线和第二输出侧引出线)、输出侧引出线30和31(第一输出侧引出线和第二输出侧引出线)、电极32和33(第一电极和第二电极)以及电极34和35(第一电极和第二电极)。1×2MMI耦合器11将通过输入波导10传播的光束多路分解为两个系统中的光束。波导12和13引导通过1×2MMI耦合器11多路分解获得的两束光束。1×2MMI耦合器14将通过波导12传播的光束多路分解为两个系统中的光束。1×2MMI耦合器15将通过波导13传播的光束多路分解为两个系统中的光束。波导16和17引导通过1×2MMI耦合器14多路分解获得的两束光束。波导18和19引导通过1×2MMI耦合器15多路分解获得的两束光束。输入侧引出线20和21由用于将同相信号(I)侧的调制信号施加到各个波导16和17的导体形成。输入侧引出线22和23由用于将正交信号(Q)侧的调制信号施加到各个波导18和19的导体形成。相位调制电极线24和25由连接到各个输入侧引出线20和21的导体形成。相位调制电极线26和27由连接到各个输入侧引出线22和23的导体形成。输出侧引出线28和29由连接到各个相位调制电极线24和25的导体形成。输出侧引出线30和31由连接到各个相位调制电极线26和27的导体形成。电极32和33形成为分别从相位调制电极线24和25分支，并且由用于将从相位调制电极线24和25提供的I调制信号施加到各个波导16和17的导体形成。电极34和35形成为分别从相位调制电极线26和27分支，并且由用于将从相位调制电极线26和27提供的Q调制信号施加到各个波导18和19的导体形成。
此外，IQ调制器包括相位调整电极36至39(子电极)、2×1MMI耦合器40、2×1MMI耦合器41、波导42、波导43、相位调整电极44和45(父电极)、2×1MMI耦合器46、输出波导47、接地线48、接地线49、接地线50和高频端接电阻51至54。相位调整电极36至39由用于调整通过波导16至19传播的调制后信号光束的各自的相位的导体形成。2×1MMI耦合器40多路复用通过波导16和17传播的两个系统的信号光束。2×1MMI耦合器41多路复用通过波导18和19传播的两个系统的信号光束。波导42引导来自2×1MMI耦合器40的输出光。波导43引导来自2×1MMI耦合器41的输出光。相位调整电极44和45由用于调整通过波导42和43传播的信号光束的各自的相位的导体形成。2×1MMI耦合器46多路复用通过波导42和43传播的两个系统的信号光束。接地线48由设置在输入侧引出线20、相位调制电极线24和输出侧引出线28外侧的导体形成。接地线49由设置在输入侧引出线21、相位调制电极线25和输出侧引出线29与输入侧引出线22、相位调制电极线26和输出侧引出线30之间的导体形成。接地线50由设置在输入侧引出线23、相位调制电极线27和输出侧引出线31外侧的导体形成。高频端接电阻51至54分别被连接到输出侧引出线28至31的端部。
本实施例的IQ调制器的高频线由三部分构成，即输入侧引出线20至23的部分、相位调制电极线24至27的部分和输出侧引出线28至31的部分。本实施例中的IQ调制器的高频线在上述所有部分中具有阻抗匹配差分线结构(GSSG配置)。如果不进行阻抗匹配，则信号在高频线的连接部分被反射，这导致高频特性的劣化。
在本实施例中，高频线在所有部分都具有差分线配置，因此，调制器可以由具有高能量效率的差分输入信号(差分驱动器)驱动。在本实施例中，高频线具有差分线配置，因此即使使用近年来在低功耗方面使用的集电极开路型或漏极开路型差分驱动器，也可以实现平滑的高频连接，从而实现以兼容的方式兼顾低功耗和宽带。
接下来，将更详细地描述本实施例的高频线图案。如上所述，本实施例的高频线图案具有作为地-信号-信号-地(GSSG)差分共面线的基本结构，其中在由低介电常数材料制成的介电层上形成两条信号线和两条接地线。
然而，在本实施例中，被输入I调制信号的半导体MZM和被输入Q调制信号的半导体MZM被并排设置在衬底上，并且中央接地线49由I调制信号一侧的半导体MZM和Q调制信号一侧的半导体MZM的高频线图案共享。
从之后描述的SI-InP衬底上形成的差分驱动器(未图示)向输入侧引出线20输入I调制信号，以及从差分驱动器向输入侧引出线21输入与前一I调制信号互补的I调制信号
Figure BDA0003164731640000121
类似地，从差分驱动器向输入侧引出线22输入Q调制信号，以及从差分驱动器向输入侧引出线23输入与前一Q调制信号互补的Q调制信号
Figure BDA0003164731640000122
输出侧引出线28至31的端部分别由高频端接电阻51至54端接。高频端接电阻51至54的未连接到输出侧引出线28至31的端部被接地或被设置为具有任何电位。
接地线48至50中的每一个的一端(图1中的左端部)被连接到差分驱动器的接地。
1×2MMI耦合器14、波导16和17、输入侧引出线20和21、相位调制电极线24和25、输出侧引出线28和29、电极32和33以及2×1MMI耦合器40构成I侧的半导体MZM。该半导体MZM根据从电极32和33施加到波导16和17的I调制信号调制通过波导16和17传播的光束的相位。
类似地，1×2MMI耦合器15、波导18和19、输入侧引出线22和23、相位调制电极线26和27、输出侧引出线30和31、电极34和35、以及2×1MMI耦合器41构成Q侧的半导体MZM。该半导体MZM根据从电极34和35施加到波导18和19的Q调制信号调制通过波导18和19传播的光束的相位。
2×1MMI耦合器40多路复用通过波导16和17传播的调制后信号光束。2×1MMI耦合器41多路复用通过波导18和19传播的调制后信号光束。可以通过向相位调整电极44和45施加电压来进行相位调整，使得从2×1MMI耦合器40输出的I侧信号光与从2×1MMI耦合器41输出的Q侧信号光之间的相位差为90度。
2×1MMI耦合器46对通过波导42传播的I侧信号光和通过波导43传播的Q侧信号光进行多路复用得到光IQ调制信号。这样就可以实现本实施例中的IQ调制器。
图2是沿图1中的线a-a′截取的根据本实施例的IQ调制器的相位调制部分(包括电极32至35和相位调制电极线24至27的区域)的截面图。相位调制部分具有差分电容负载结构，其中电极32至35分别形成在波导16至19上，以将调制信号施加到波导16至19。电极32至35分别从形成在介电层上的相位调制电极线24至27分支并且在平面图中形成为T形。
相位调制部分的波导16至19形成为波导结构，其中n型半导体层(例如，n-InP或诸如n-InGaAsP之类的四元素层)60和分别由半导体形成的下包覆层61、半导体核心层62、以及上包覆层63依此顺序层叠在SI-InP衬底64上。
输入侧引出线20至23、相位调制电极线24至27、输出侧引出线28至31和接地线48至50形成在介电层65上。例如，为了减少作为高频线的损耗，优选地，介电层65由诸如苯并环丁烯(BCB)的低介电材料制成。
上包覆层63和下包覆层61之一可以是n型半导体，而另一个可以是p型半导体。也可以采用上包覆层63和下包覆层61均为n型半导体、在上包覆层63和半导体核心层62之间或在下包覆层61和半导体核心层62之间插入第三p型包覆层的结构。
接下来，将依次描述本实施例的特征配置。首先，将描述相位调制电极线24至27。相位调制电极线24至27与构成半导体MZM的波导16至19平行布置。相位调制电极线24至27和与其连接的电极32至35具有在微波和光波的阻抗匹配和速度匹配方面优异的差分电容负载结构(GSSG配置)。
即，相位调制电极线24至27和与其连接的电极32至35以这样的方式配置，即接地线48、相位调制电极线24、电极32、电极33、相位调制电极线25、接地线49、相位调制电极线26、电极34、电极35、相位调制电极线27和接地线50并排设置。I调制信号被输入到相位调制电极线24。来自相位调制电极线24的I调制信号被提供给电极32。与I调制信号互补的信号
Figure BDA0003164731640000131
被输入到电极33。相位调制电极线25向电极33提供信号。Q调制信号被输入到相位调制电极线26。来自相位调制电极线26的Q调制信号被提供给电极34。与Q调制信号互补的信号
Figure BDA0003164731640000141
被输入到电极35。相位调制电极线27向电极35提供信号。
通过优化设计在从用作主线的相位调制电极线24至27分支并且间隔地形成的电容负载部分中的电极32至35的数量、间距和长度，可以自由地设计要添加到相位调制电极线24至27的电容量。因此，相位调制电极线24至27的阻抗和通过相位调制电极线24至27传播的微波的速度可以被设计为具有任何值。
因此，电极配置可以同时实现阻抗匹配和微波与光波的速度匹配，并且可以通过调制器实现30GHz或更高的宽带操作。为了让半导体MZM进行宽带操作，需要将电极32至35设计为行波电极。因此，每个信号的电极32至35的每个间隔需要为通过相位调制电极线24至27和电极32至35传播的最大频率的调制信号的导波波长λeff的1/4以下，理想地1/8以下。
为了在波导16至19延伸的方向上间隔地布置各个电极32至35，通常还需要考虑布拉格频率。需要说明的是，在本实施例中，由于布拉格频率比上述的导波波长对应的频率更靠近高频侧，因此在满足上述条件的情况下(其中，每个信号的电极32至35的每个间隔为导波波长λeff的1/4以下(理想地1/8以下))，不需要考虑布拉格频率。
接下来，将描述输入侧引出线20至23。图3是沿图1中的线b-b′截取的根据本实施例的IQ调制器的输入侧引出线20至23的部分的截面图。如图3所示，波导10、12和13以及MMI耦合器11、14和15形成在一个波导结构中，其中n型半导体层60以及由半导体形成的下包覆层61、半导体核心层62和上包覆层63以此顺序层叠在SI-InP衬底64上。在输入侧引出线中，优选地最小化传播损耗以增加频带，因此n型半导体层60的宽度优选尽可能小。换言之，在能够使损耗最小化的结构中，n型半导体层60的宽度与半导体核心层62或包覆层的宽度相同。在图中，上述图作为示例被示出，但是当然，n型半导体层60可以比半导体核心层62和包覆层更宽。然而，在这种情况下，传播损耗增加，并且调制频带劣化。
如上所述，调制信号从差分驱动器被输入到输入侧引出线20至23。因此，能够平滑地连接到差分驱动器的结构是优选的，并且输入侧引出线20至23也需要具有与相位调制电极线24至27类似的差分线配置。
输入侧引出线20至23可以具有GSSG配置，或者可以具有地-信号-地-信号-地(GSGSG)配置(其中接地线进一步被设置在GSSG配置中的输入侧引出线20和21之间以及输入侧引出线22和23之间)。一般来说，相位调制部分的差分电容负载结构往往是GSSG配置，并且由于本实施例也采用GSSG配置，输入侧引出线20至23和输出侧引出线28至31也是具有GSSG配置的高频线。
输入侧引出线20至23和输出侧引出线28至31具有与相位调制部分相同的GSSG配置的原因是因为涉及损耗或特性劣化，即由诸如从GSGSG配置更改为GSSG配置或从GSSG配置更改为GSGSG配置之类的模式变化引起的损耗或特性劣化。如果相位调制部分具有GSGSG配置，则输入侧引出线20至23和输出侧引出线28至31优选地具有GSGSG配置。
输入侧引出线20至23优选地分别与相位调制电极线24至27形成在相同的线上。其原因在于，当输入侧引出线20至23发生弯曲时，差模特性的高频特性劣化，可能发生谐振，可能发生同相模式等，这些可能会导致特性劣化。
因为与输出侧引出线28至31中的传播损耗不同，输入侧引出线20至23中的整个传播损耗直接使调制频带(EO频带)劣化，所以为了实现调制器频带的增加，使输入侧引出线20至23中的传播损耗最小化是很重要的。为了使输入侧引出线20至23的传播损耗最小化，优选不弯曲、距离最短、传播损耗少的配置。当输入侧引出线20至23弯曲时，与直线高频线相比，线路长度增加，传播损耗增加，并且进一步产生弯曲损耗，导致差分信号的高频特性劣化。
为了使输入侧引出线20至23中的传播损耗最小化，优选但非必须地，如上所述，分别在同一直线上形成输入侧引出线20至23和相位调制电极线24至27。
在本实施例中，输入波导10和1×2MMI耦合器11形成为使得输入波导10的光传播方向(图1中的竖直方向)和1×2MMI耦合器11的光输入/输出方向(图1中的竖直方向)与波导16至19延伸的方向(图1中的左右方向)正交。此外，在本实施例中，1×2MMI耦合器14、15、40、41和46形成为使得1×2MMI耦合器14、15、40、41和46的输入/输出方向(图1中的左右方向)与波导16至19延伸的方向相同。因此，在本实施例中，通过使波导图案具有L形布局，可以使输入侧引出线20至23的长度最小化。
此时，对于输入侧引出线20至23与波导12和13相交的部分，在输入侧引出线20至23下方存在波导结构(半导体层)。因此，该部分具有与介电层65位于输入侧引出线20至23下方的部分的介电常数不同的介电常数。因此，因为如果输入侧引出线20至23具有恒定的宽度，可能发生阻抗失配，所以优选地采取措施，例如使形成在波导结构上方的输入侧引出线20至23的宽度比形成在介电层65上的输入侧引出线20至23的部分的宽度更窄。
对于输入侧引出线20至23与波导12和13相交的部分，导体层存在于输入侧引出线20至23之下。因此，输入侧引出线20至23的传输损耗增加，因此需要考虑布置以使输入侧引出线20至23与波导12和13的交叉区域最小化。此外，光学设计也很重要，例如将波导12和13布置得彼此更靠近，缩小MMI的宽度等，以使导体层的面积尽可能小。
接下来，将描述输出侧引出线28至31。图4是输出侧引出线28至31的部分的放大平面图。图5是沿图4中的c-c′线截取的输出侧引出线28至31的部分的截面图。图6是沿图4中的d-d′线截取的输出侧引出线28至31的部分的截面图。注意，在图4中，为了本实施例的配置的清楚起见，示出了下层中的n型半导体层60(衰减器)。
如图5和图6所示，输出侧引出线28至31的部分中的波导16至19形成在波导结构中，其中，介电层65以及每个均由半导体形成的下包覆层61、半导体核心层62和上包覆层63依此顺序层叠在SI-InP衬底64上。注意，多个n型半导体层60在调制信号的传播方向(输出侧引出线28至31的引出方向)上间断地布置在输出侧引出线28至31的正下方。
因此，在根据本实施例的输出侧引出线28至31下方的下层中，存在两个部分，即存在n型半导体层60的部分和不存在n型半导体层60的部分。在下层中存在n型半导体层60的部分中，在SI-InP衬底64上形成包括例如n-InP和n-InGaAsP的n型半导体层60，例如，在n型半导体层60上形成由BCB制成的介电层65，并且在介电层65上形成输出侧引出线28至31。另一方面，在下层中不存在n型半导体层60的部分中，输出侧引出线28至31形成在形成于SI-InP衬底64上的介电层65上。
输出侧引出线28至31具有被配置为在与波导16至19在介电层65的平面(图1的纸面)中延伸的方向(输入侧引出线20至23和相位调制电极线24至27延伸的方向)相交的方向上弯曲并延伸到芯片边缘附近的结构。
这种结构的原因是尽可能缩短连接输出侧引出线28至31的端部与芯片外部的高频端接电阻51至54的焊盘的线(未示出)的长度。在片外端接的情况下，线越长，电感越大，这成为阻抗失配的因素，因此优选线越短、电感越小越好。例如，优选使用两根或更多根金线，或宽且低电感的线，例如楔形接合线或带状接合线。
假设采用线接合，需要具有如本实施例中的配置，即，输出侧引出线28至31在与波导16至19延伸的方向相交的方向上弯曲，并且输出侧引出线28至31延伸至芯片边缘附近。然而，这不适用于倒装芯片端接的情况，在这种情况下，其上形成有高频端接电阻51至54的终端衬底被倒装安装在输出侧引出线28至31上。在倒装芯片端接的情况下，芯片上的任何部分都可以被连接到高频端接电阻51至54，因此输出侧引出线28至31无需被配置为弯曲，并且能够仅使用直线图案。
接下来，将描述作为本发明特征的n型半导体层60的效果。在不存在n型半导体层60的情况下，高频线下方的下层不存在导体层，即理想地，下层不存在接地。另一方面，在存在n型半导体层60的情况下，n型半导体层60在高频线下方的下层起到接地的作用，因此高频线为接地的共面线。当高频线设计有任何阻抗时，由于接地的影响，在下层中存在n型半导体层60的情况下，高频线的宽度比下层中不存在n型半导体层60的情况下的高频线的宽度要细到大约1/2。
此外，由于与理想的金属接地相比，n型半导体层60具有电阻率，因此在高频线中由于n型半导体层60而发生传播损耗。在应用p型半导体代替n型半导体的情况下，传播损耗趋于进一步增加。
注意，就电容负载结构的配置而言，必须施加偏置电压以经由下层中的导体层(n型半导体层60)驱动调制器。如果选择p型半导体作为下层中的导体层，则由于p型半导体的高电阻率而产生电压降，这不是优选的，因为不能在宽范围内提供所期望的电压。
这样，通过在形成输出侧引出线28至31的区域中新设置对相位调制没有贡献并且通常是不必要的n型半导体层60，可以增加输出侧引出线28至31中的传播损耗。如果n型半导体层60被设置在相位调制电极线24至27和输出侧引出线28至31之外的区域中，则传播损耗增加，仅成为调制器的调制频带劣化的原因。但是，由于输出侧引出线28至31是相位调制后的高频线，因此即使传播损耗增加，也不会对调制器的调制频带和调制特性产生影响。
在输出侧引出线28至31与高频端接电阻51至54之间发生阻抗失配的情况下，输出侧引出线28至31中传播损耗的增加会产生影响。通常，在输出侧引出线28至31和高频端接电阻51至54之间不能完全终止高频信号的情况下，会产生反射波，反射波通过输出侧引出线28至31到达相位调制电极线24至27，进而到达输入侧引出线20至23，并且在位于这些线之前的驱动器处终止。这种反射效应往往会使原始调制信号劣化，从而导致调制器的调制特性的劣化。
此外，在驱动器为集电极开路型或漏极开路型驱动器的情况下，驱动器的输出端为开路端，因此发生全反射，并且反射波返回至高频端接电阻51至54侧。如果以这种方式产生反射波并最终变成多次反射，则在电光(EO)特性中会出现波浪(周期性谐振)/波纹，从而显著降低调制器的调制特性。
但是，如本实施例那样，在输出侧引出线28至31的传播损耗大的情况下，能够极大地抑制反射的影响。之所以能够抑制反射的影响，是因为如果通过相位调制电极线24至27并完成对相位调制的贡献后的调制信号由于在输出侧引出线28至31的损耗大而减弱，则即使输出侧引出线28至31与高频端接电阻51至54之间出现阻抗失配，也没有信号沿相位调制电极线24至27的方向返回。
为此，优选的是输出侧引出线28至31中的传播损耗尽可能大，因此，n型半导体层和p型半导体层组合，或者p型半导体层可以用作输出侧引出线28至31下方的下层中的导体层(衰减器)。但是，例如，不优选采用类似于波导部分的销钉(pin)结构。这样做的原因是因为在销钉结构的情况下，如果在i层部分感测电容特性，偏置电压不能被施加到n型半导体，因此无法稳定控制由耗尽层确定的半导体的电容值，可能导致特性不稳定。
因为n型半导体层60是如上所述的用于施加相位调制部分的偏置电压的导体层，所以优选地，n型半导体层60包括载流子浓度为1x1018cm-3以上的n-InGaAsP或n-InP，以便不会发生电压降。例如，n型半导体层60可以包括一层，或者可以包括组合了n-InP和n-InGaAsP的两层或更多层，并且厚度优选为0.2μm以上。需要注意的是，如果n型半导体层60过厚，则n型半导体层60上的介电层65上设置的高频线太靠近n型半导体层60，因此如果n型半导体层60厚则介电层65需要加厚。
例如，考虑阻抗设计的自由度，介电层65的厚度优选为至少4μm以上，例如介电层65的材料优选使用低介电常数材料，例如有机材料的聚酰亚胺或BCB。介电层65的厚度小于4μm是不优选的，因为从高频线到n型半导体层60的距离太近并且用于实现所需阻抗的高频线的宽度变小，导致制造偏差的弱点，从而难以制造具有稳定阻抗的高频线。可以使用半导体层作为介电层65，但是由于半导体的介电常数高，所以高频线的宽度太小，考虑到阻抗的稳定性，这不是优选的。
接着，对存在和不存在n型半导体层60的部分的图案设计规则进行说明。考虑一种措施，即，在形成输出侧引出线28至31的整个区域上设置大面积的n型半导体层60。然而，在这种情况下，存在通过输出侧引出线28至31传播的调制信号在n型半导体层60中发生谐振的风险。n型半导体层60的面积越大，n型半导体层60的谐振频率越低，因此，在调制器所使用的频带中，在EO特性中将出现由谐振引起的纹波。因此，在整个区域上形成n型半导体层60的配置不能应用于宽带调制器。
首先，需要考虑通过每条高频线传播的调制信号的频带中的最大频率的导波波长。当比较存在n型半导体层60的部分和不存在n型半导体层60的部分时，在存在n型半导体层60的部分中，有效折射率较高。因此，以存在n型半导体层60的部分的导波波长为基准。
在本实施例中，不存在n型半导体层60的部分在导波波长的1/4以下的长度内。换句话说，如图4至图6所示，多个n型半导体层60被设置在调制信号的传播方向(输出侧引出线28至31的引出方向)上，但每个n型半导体层60在传播方向上的长度L为调制信号的频带中最大频率的导波波长的1/4以下。
对于存在波导的部分，n型半导体层60由于存在波导而不能被完全分离，而需要在波导部分以外的部分中进行分离。具体来说，例如，假设最高50GHz是必要的调制信号频率，并且有效折射率为2.5，则1/4的导波波长为0.6mm，因此，每个n型半导体层60在传播方向上的长度L需要为0.6mm以下。类似地，n型半导体层60在与调制信号的传播方向垂直的方向上的宽度W1优选地为导波波长的1/4以下。
这样，通过设置n型半导体层60的长度L和宽度W1，可以避免n型半导体层60在使用频带内的谐振。
注意，如上所述，n型半导体层60的长度L和宽度W1必须为导波波长的1/4以下，例如，理想的是小于1/4，更优选的是1/8以下。
此外，n型半导体层60在与调制信号的传播方向垂直的方向上的宽度W1优选地为导波波长的1/4以下并且等于或大于图4中所示的接地线48和接地线49之间(接地线49和接地线50之间)的距离。换言之，n型半导体层60存在于接地线48至接地线50的输出侧引出线侧的边缘下方。图7是沿图4中的e-e′线截取的输出侧引出线28和29、接地线48和49以及n型半导体层60的截面图，图8是沿f-f线截取的截面图。
将n型半导体层60的宽度W1设置为等于或大于接地线48和接地线49之间(接地线49和接地线50之间)的距离的原因是因为，考虑到传播的电磁波的电场分布，如果在中间不存在n型半导体层60，则模式不稳定。另一个原因是因为，如果如上所述设置n型半导体层60的宽度W1，则不仅在差分模式中而且在同相模式中传播损耗都可以增加。
在电场不稳定性方面，在输出侧引出线28至31的直线部分中，优选地，两条相邻的输出侧引出线28和29之间在与调制信号的传播方向垂直的方向上(图7中的左右方向)的中点P1(输出侧引出线30和31之间的中点)的位置与n型半导体层60在与传播方向垂直的方向上的中心点P2的位置匹配。n型半导体层60具有关于通过中心点P2的厚度方向(图7中的竖直方向)的垂线两侧对称的截面。
然而，这不适用于输出侧引出线28至31的弯曲部分(在图1中由70和71表示)。如图4所示，在输出侧引出线28至31的弯曲部分，模式向外周侧扩展，因此，优选地，如图5所示，n型半导体层60的中心点P2相对于相邻的两条输出侧引出线28和29的中点P1(输出侧引出线30和31之间的中点)向输出侧引出线28至31的弯曲部分的外周侧偏移。通过将n型半导体层60的中心点P2向外周侧移动，可以防止输出侧引出线28至31的弯曲部分的n型半导体层60与相邻的n型半导体层60接触。
n型半导体层60之间在调制信号的传播方向上的间距G可以是任意间距。注意，尽管取决于是使用湿法蚀刻还是于法蚀刻作为分离n型半导体层60的工艺，但考虑到光精度等，间隙优选地为至少5μm以上。相反，n型半导体层60之间的间距G过长意味着n型半导体层60的面积减小。因此，即使考虑到工艺偏差，n型半导体层60之间在调制信号的传播方向上的间距G也优选为50μm以下。
另外，用于实现期望阻抗的高频线的宽度根据n型半导体层60的存在与否而不同。因此，考虑到部件的阻抗匹配，输出侧引出线28至31中的每一个在与调制信号的传播方向垂直的方向上的宽度W2优选根据n型半导体层60的存在与否而变化，从而针对各部分进行最优化。
具体地，在输出侧引出线28至31中的每一个的宽度W2被设计为使得在输出侧引出线28至31的正下方存在n型半导体层60的部分处可以实现期望阻抗的情况下，只要输出侧引出线28至31的正下方不存在n型半导体层60的部分的宽度W2宽于正下方存在n型半导体层60的部分的宽度W2即可。
然而，在n型半导体层60之间在调制信号的传播方向上的间距足够短(例如，5μm等)而不会影响调制器使用的频带内的高频特性的情况下，输出侧引出线28至31中的每一个的宽度W2可以是恒定的。图1示出了输出侧引出线28至31中的每一个的宽度W2恒定的例子。
接下来，将描述输出侧引出线28至31的弯曲部分。对于弯曲部分的设计，下层中n型半导体层60的存在也表现出效果。例如，在下层中不存在n型半导体层60的情况下，由于在低介电介质上形成均具有宽线宽的输出侧引出线28至31，因此在不改变宽线宽度的情况下弯曲输出侧引出线28至31导致具有差分配置的两条输出侧引出线28和29之间以及输出侧引出线30和31之间的信号的电气长度差异，从而产生大的相位差。由于相位差和弯曲的不对称性，差分线特性可能被破坏，并且可能出现成为噪声的同相模式。
因此，两条输出侧引出线28和29之间(输出侧引出线30和31之间)的信号相位差需要最小化，因此输出侧引出线28至31中的每一个的宽度需要被缩小。在输出侧引出线28至31中的每一个的宽度变窄以优先考虑差分线特性并使相位差落入可接受范围内的情况下，阻抗完全匹配地弯曲线是困难的，因此必然会产生一个小的阻抗失配点。
另一方面，如果如本实施例那样在下层中存在n型半导体层60，则即使阻抗相同，输出侧引出线28至31中的每一个的宽度W2也可以比输入侧引出线20至23和相位调制电极线24至27中的每一个的宽度窄。因此，可以在维持阻抗匹配的同时实现输出侧引出线28至31的弯曲。尽管由于n型半导体层60的分离，也存在不存在n型半导体层60的部分，但如果n型半导体层60之间的间距G足够小，如所述的10μm左右，则不会引起阻抗失配的影响。
如上所述，在本实施例中，直线部分中的输出侧引出线28至31可以形成为具有对应于期望阻抗的恒定宽度W2，并且弯曲部分中的输出侧引出线28至31中的每一个的宽度可以比恒定宽度W2窄。此外，在图1的例子中，输出侧引出线28与接地线48之间的距离、输出侧引出线29与接地线49之间的距离、输出侧引出线30与接地线49之间的距离、以及输出侧引出线31与接地线50之间的距离始终不变，但在弯曲部分中的输出侧引出线与接地线之间的距离可以比在直线部分中的输出侧引出线与接地线之间的距离短。
这样，在本实施例中，通过使弯曲部分中的输出侧引出线28至31中的每一个的宽度变窄，输出侧引出线28和29之间的电气长度差和相位差以及输出侧引出线30和31之间的电气长度差和相位差可以被充分减小，从而可以抑制同相模式和混合模式中的劣化。
此外，可以采用回旋(clothoid)曲线作为输出侧引出线28至31的弯曲部分的边缘的轨迹以进一步改善特性。例如，与正常曲线相比，使用回旋曲线可以将差分反射特性(Sdd11)提高几分贝。
如图9所示，在实践中优选设置在接地线48至50之间电连接的导线55和56。在接地线之间没有导线55和56的情况下，接地线48至50的电位是不稳定的而是波动的，因此在取决于传播长度的任何频率处都会发生谐振。因此，难以实现宽带调制器。为了抑制这种谐振，优选地在调制信号的传播方向上以对于调制信号波长足够短的间隔设置连接在接地线48至50之间的导线55和56，具体地，如果可能的话，以上述导波波长的1/4以下或1/8以下的间隔进行设置。
通过设置导线55和56，可以稳定输入侧引出线20至23、相位调制电极线24至27和输出侧引出线28至31两侧的接地线48至50的电位，从而可以抑制接地线48至50的电位的谐振以实现宽带调制器。在以比导波波长λ的1/4至1/8长的间隔设置导线55、56的情况下，虽然能够降低纹波量，但不能彻底抑制接地线48至50的电位的谐振。
因为输入侧引出线20至23的部分、相位调制电极线24至27的部分和输出侧引出线28至31的部分中的导波波长彼此不同，所以导线55和56的间隔不一定在所有部分都相同，优选选择适合各部分的导线55和56的间隔。
也可以不通过导线55和56，而是通过设置在半导体衬底(SI-InP衬底64)的背面上的接地电极和通过加工半导体衬底而制造的接地通孔在接地线48至50之间进行连接，来稳定接地线48至50的电位。然而，在这种情况下，在具有弯曲部分的输出侧引出线28至31中，由于形成在半导体衬底背面上的接地电极的影响，可以在宽带操作所需的频率范围内产生衬底谐振。因此，最好不要使用在半导体衬底的背面上的接地电极。
注意，在第一实施例和第二实施例中，调制器的波导16至19具有以下结构：由InP制成的下包覆层61、未掺杂的半导体核心层62和由InP制成的上包覆层63依次层叠在SI-InP衬底64上。其他波导10、12、13、42、43和47被类似地配置。
半导体核心层62用作光波导层，并且例如由诸如InGaAsP和InGaAlAs的材料制成。半导体核心层62只要由单一组成的四元混晶的体层或多量子阱层形成即可。其中带隙大于多量子阱层的带隙且小于下包覆层61和上包覆层63中的每一个的带隙的光学限制层形成在多量子阱层的上方和下方的结构可以用作半导体核心层62。四元混晶的体层或多量子阱层的带隙波长被设置为使得电光效应在要使用的光波长中有效地起作用并且光吸收不成问题。
本发明不限于基于InP的材料，并且例如可以使用与GaAs衬底兼容的材料系统。
在第一实施例和第二实施例中，n型半导体层或p型半导体层作为用于衰减调制信号的衰减器被设置在输出侧引出线28至31下方的下层中。然而，本发明不限于此，衰减器可以被设置在输出侧引出线28至31上方的上层(例如，输出侧引出线28至31的正上方)中。
工业实用性
本发明可以应用于使用电信号调制光信号的半导体马赫-曾德尔光调制器。
附图标记列表
10：输入波导
11、14、15：1×2MMI耦合器
12、13、16至19：波导
20至23：输入侧引出线
24至27：相位调制电极线
28至31：输出侧引出线
32至35：电极
36至39、44、45：相位调整电极
40、41、46：2×1MMI耦合器
47：输出波导
48至50：接地线
51至54：高频端接电阻
55、56：导线
60：n型半导体层
61：下包覆层
62：半导体核心层
63：上包覆层
64：SI-InP衬底
65：介电层。

Claims (9)

1.一种半导体马赫-曾德尔光调制器，包括：
光波导，所述光波导形成于衬底上；
输入侧引出线，所述输入侧引出线形成于所述衬底上的至少一个介电层上，所述输入侧引出线包括输入调制信号的第一端；
相位调制电极线，所述相位调制电极线沿所述光波导形成于所述介电层上，所述相位调制电极线包括与所述输入侧引出线的第二端连接的第一端；
输出侧引出线，所述输出侧引出线形成于所述介电层上，所述输出侧引出线包括与所述相位调制电极线的第二端连接的第一端；以及
电极，所述电极被配置为将调制信号施加到所述光波导，所述调制信号通过所述相位调制电极线传播，
其中，所述半导体马赫-曾德尔光调制器还包括衰减器，所述衰减器被配置为衰减所述输出侧引出线下方的下层或所述输出侧引出线上方的上层中的所述调制信号。
2.根据权利要求1所述的半导体马赫-曾德尔光调制器，
其中，所述衰减器为至少一个n型半导体层或至少一个p型半导体层，所述至少一个n型半导体层或至少一个p型半导体层在所述输出侧引出线下方的所述下层中沿所述输出侧引出线间断形成。
3.根据权利要求2所述的半导体马赫-曾德尔光调制器，
其中，在所述输出侧引出线的部分中，所述n型半导体层和所述p型半导体层中的每一个在所述调制信号的传播方向上的长度为所述调制信号的频带中最大频率的导波波长的1/4以下，
所述n型半导体层或所述p型半导体层在与所述调制信号的传播方向垂直的方向上的宽度为所述导波波长的1/4以下，并且
多个所述n型半导体层或多个所述p型半导体层之间在所述调制信号的传播方向上的间距为50μm以下。
4.根据权利要求2或3所述的半导体马赫-曾德尔光调制器，
其中，所述光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导，
所述输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，所述第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，所述第二输入侧引出线位于与所述第一输入侧引出线相邻的所述介电层上，并包括被输入与所述调制信号互补的信号的第一端，
所述相位调制电极线包括在所述介电层上分别沿着所述第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线包括与所述第一输入侧引出线和所述第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端，
所述输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线包括与所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端，
所述电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到所述第一臂波导和所述第二臂波导，所述相应的调制信号通过所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线传播，
所述半导体马赫-曾德尔光调制器还包括：
沿着所述调制信号的传播方向在所述第一输入侧引出线、所述第一相位调制电极线和所述第一输出侧引出线外侧的所述介电层上的第一接地线；以及
沿着所述调制信号的传播方向在所述第二输入侧引出线、所述第二相位调制电极线和所述第二输出侧引出线外侧的所述介电层上的第二接地线，
在所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线的部分中，所述n型半导体层或所述p型半导体层在与所述调制信号的传播方向垂直的方向上的宽度等于或大于所述第一接地线和所述第二接地线之间的距离，并且
所述n型半导体层或所述p型半导体层形成在所述第一接地线和所述第二接地线的边缘下方，所述边缘比所述第一接地线和所述第二接地线的其他边缘更靠近相应的输出侧引出线。
5.根据权利要求2或3所述的半导体马赫-曾德尔光调制器，
其中，所述光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导，
所述输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，所述第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，所述第二输入侧引出线位于与所述第一输入侧引出线相邻的所述介电层上，并包括被输入与所述调制信号互补的信号的第一端，
所述相位调制电极线包括在所述介电层上分别沿着所述第一臂波导和所述第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线包括与所述第一输入侧引出线和所述第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端，
所述输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线包括与所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端，
所述电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到所述第一臂波导和所述第二臂波导，所述相应的调制信号通过所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线传播，并且
在所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线的直线部分中，所述n型半导体层或所述p型半导体层被布置为使得所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线之间在与所述调制信号的传播方向垂直的方向上的中点的位置与所述n型半导体层或所述p型半导体层在与所述调制信号的传播方向垂直的所述方向上的中心点的位置相匹配，并且所述n型半导体层或所述p型半导体层的横截面关于通过所述中心点的厚度方向上的垂直线两侧对称。
6.根据权利要求2或3所述的半导体马赫-曾德尔光调制器，
其中，所述光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导，
所述输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，所述第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，所述第二输入侧引出线位于与所述第一输入侧引出线相邻的所述介电层上，并包括被输入与所述调制信号互补的信号的第一端，
所述相位调制电极线包括在所述介电层上分别沿着所述第一臂波导和所述第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线包括与所述第一输入侧引出线和所述第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端，
所述输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线包括与所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端，
所述电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到所述第一臂波导和所述第二臂波导，所述相应的调制信号通过所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线传播，
所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线在与所述第一臂波导和所述第二臂波导在所述介电层的平面中延伸的方向相交的方向上弯曲，并且
在所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线的弯曲部分中，所述n型半导体层或所述p型半导体层被设置为使得：相对于所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线之间在与所述调制信号的传播方向垂直的方向上的中点，所述n型半导体层或所述p型半导体层在与所述调制信号的传播方向垂直的所述方向上的中心点偏移至所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线的弯曲部分的外周侧。
7.根据权利要求2或3所述的半导体马赫-曾德尔光调制器，
其中，所述光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导，
所述输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，所述第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，所述第二输入侧引出线位于与所述第一输入侧引出线相邻的所述介电层上，并包括被输入与所述调制信号互补的信号的第一端，
所述相位调制电极线包括在所述介电层上分别沿着所述第一臂波导和所述第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线包括与所述第一输入侧引出线和所述第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端，
所述输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线包括与所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端，
所述电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到所述第一臂波导和所述第二臂波导，所述相应的调制信号通过所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线传播，并且
所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线中的每一个在与所述调制信号的传播方向垂直的方向上的线宽在正下方不存在所述n型半导体层或所述p型半导体层的部分比在正下方存在所述n型半导体层或所述p型半导体层的部分更宽。
8.根据权利要求2或3所述的半导体马赫-曾德尔光调制器，
其中，所述光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导，
所述输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，所述第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，所述第二输入侧引出线位于与所述第一输入侧引出线相邻的所述介电层上，并包括被输入与所述调制信号互补的信号的第一端，
所述相位调制电极线包括在所述介电层上分别沿着所述第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线包括与所述第一输入侧引出线和所述第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端，
所述输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线包括与所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端，
所述电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到所述第一臂波导和所述第二臂波导，所述相应的调制信号通过所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线传播，
所述半导体马赫-曾德尔光调制器还包括：
沿着所述调制信号的传播方向在所述第一输入侧引出线、所述第一相位调制电极线和所述第一输出侧引出线外侧的所述介电层上的第一接地线；以及
沿着所述调制信号的传播方向在所述第二输入侧引出线、所述第二相位调制电极线和所述第二输出侧引出线外侧的所述介电层上的第二接地线，
所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线在与所述第一臂波导和所述第二臂波导在所述介电层的平面中延伸的方向相交的方向上弯曲，并且所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线中的每一个在与所述调制信号的传播方向垂直的方向上的线宽在弯曲部分处比在直线部分处更短，并且
所述第一接地线和所述第二接地线沿着所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线弯曲，并且所述第一接地线和所述第二接地线中的每一个到所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线中的对应一个的线间距离在弯曲部分处比在直线部分处更短。
9.根据权利要求2或3所述的半导体马赫-曾德尔光调制器，
其中，所述光波导包括两个臂波导，即第一臂波导和第二臂波导，
所述输入侧引出线包括第一输入侧引出线和第二输入侧引出线，所述第一输入侧引出线包括被输入调制信号的第一端，所述第二输入侧引出线位于与所述第一输入侧引出线相邻的所述介电层上，并包括被输入与所述调制信号互补的信号的第一端，
所述相位调制电极线包括在所述介电层上分别沿着所述第一臂波导和第二臂波导的两条相位调制电极线，即第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线包括与所述第一输入侧引出线和所述第二输入侧引出线的相应的第二端连接的第一端，
所述输出侧引出线包括两条输出侧引出线，即第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，所述第一输出侧引出线和所述第二输出侧引出线包括与所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线的相应的第二端连接的第一端，
所述电极包括两个电极，即第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将相应的调制信号施加到所述第一臂波导和所述第二臂波导，所述相应的调制信号通过所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线传播，
所述半导体马赫-曾德尔光调制器还包括：
沿着所述调制信号的传播方向在所述第一输入侧引出线、所述第一相位调制电极线和所述第一输出侧引出线外侧的所述介电层上的第一接地线；以及
沿着所述调制信号的传播方向在所述第二输入侧引出线、所述第二相位调制电极线和所述第二输出侧引出线外侧的所述介电层上的第二接地线，并且
所述半导体马赫-曾德尔光调制器还包括电连接在所述第一接地线和所述第二接地线之间的多条导线，所述多条导线以所述调制信号的频带中最大频率的导波波长的1/4以下的间隔设置。
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