CN113646693A - 光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能够使用差动信号输出进行更低电压驱动的光调制器。一种光调制器，在具有电光效应的基板(1)上形成有光波导(21、22)和控制电极，该光波导具有至少一个马赫‑曾德尔型光波导，所述光调制器的特征在于，该控制电极具备2个接地电极，该2个接地电极夹着3个信号电极，所述3个信号电极由夹着第一(S1)信号电极的第二(S2)信号电极和第三(S3)信号电极构成，该光调制器具备配线结构，该配线结构将差动信号中的一个调制信号(S+)施加到该第一信号电极，并将另一个调制信号(S‑)施加于该第二信号电极及该第三信号电极，该马赫‑曾德尔型光波导的2个分支波导中的一方(21)配置于该第一信号电极与该第二信号电极之间，另一方(22)配置于该第一信号电极与该第三信号电极之间。
Description
技术领域
本发明涉及光调制器，尤其涉及具备至少一个马赫-曾德尔型光波导并由差动信号驱动的光调制器。
背景技术
近年来，对光调制器高速化、小型化的需求不断提高。在组装有马赫-曾德尔型光波导的光调制器中，结构简单且使用上也简便的电极结构如图1所示，是由单一的信号电极(S+)驱动的单端电极。在图1中，在构成马赫-曾德尔型光波导的2个分支波导(21、22)之间配置有信号电极(S+)，在其两侧配置有接地电极(G)。构成为对各分支波导(21、22)同时施加由虚线箭头表示的不同方向的电场。在这样的电极之间配置光波导的结构中，具有电光效应的基板如X切割板的铌酸锂(LN)等基板那样在横截面方向上具有高的电光常数的情况下，调制效率变高。
但是，在超过50Gbaud的动作速率下，为了尽可能减少品质的劣化而对高速的信号进行调制，需要缩短信号传播的传送线路来抑制高频下的传送路径的损失、或者防止因各个部件的电连接而产生的反射、损失导致的特性的劣化。因此，正在研究用作为信号处理元件的DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)的输出信号直接驱动光调制器、或者在光调制器的壳体内内置信号放大用的驱动元件。
在DSP的输出中，为了抑制线路传送中的外部噪声等的影响或者能够进行低电压下的动作，使用差动信号输出结构。而且，在驱动图1那样的单端电极的结构的光调制器的情况下，在驱动元件中，将通过差动信号输入的信号转换成单端的信号，并放大而输出。在这样的驱动元件中，在单一的半导体芯片中，由于元件的输出不能放大到足以驱动光调制器的振幅，所以使用多个半导体芯片构成元件。
而且，为了实现小型化，用DSP直接驱动光调制器或在光调制器的壳体内内置信号放大用的驱动元件是有效的。在内置驱动元件的情况下，对于小型化，优选将由单一的半导体芯片构成的驱动元件集成化。在这样的单一芯片的驱动元件中，通过使用差动信号输出的元件在调制中利用差动的电位差，能够进行高效的调制。为了应对这样的情况，光调制器也需要以差动输出驱动。
图2是使用输入到光调制器的差动信号的同相(S+)和反相(S-)的双方的调制信号并在电极之间配置波导的光调制器的电极结构的一例。在图2中，在接地电极(G)间配置有差动信号的各个信号电极。但是，施加于马赫-曾德尔型光波导的分支波导(21、22)的电场的强度仅施加基于信号电极(S+或S-)与接地电极(G)的电位差的电场强度，不能以差动信号的电位差驱动。因此，即使在使用差动信号的情况下，与使用单端信号的情况相比，调制的效率几乎不变，因此必要的作用部变长，难以使元件尺寸小型化。
在专利文献1中，公开了如下结构，在半导体型的马赫-曾德尔光调制器中，以对2个分支波导分别施加差动信号输出的2个调制信号的方式，对1个分支波导分别配置2个信号电极。由此，能够在各分支波导进行基于差动信号的电位差的驱动，与图2的电极结构相比，驱动电压降低，但由于在1个马赫-曾德尔型光波导配置合计4个信号电极，因此电极结构复杂化，并且光调制器的小型化也变得困难。
另一方，在相干通信用调制器等中，使用将多个马赫-曾德尔型光波导配置成嵌套状的嵌套型光波导等将多个马赫-曾德尔型光波导集成化的光调制器。
在集成化的光调制器中，彼此的电极之间的间隔变窄，容易发生相邻的光调制部中的调制信号的串扰现象。而且，随着调制速度上升，串扰现象的发生变得更加显著，调制输出的品质劣化成为大的课题。
作为抑制串扰现象的方法，有效的是在具有多个马赫-曾德尔型光波导的光调制器中，扩大相邻的光调制部的间隔，扩大电极之间或线路之间的间隔。但是，若扩大电极间隔，则光波导的间隔也需要扩大，分支部等的光波导弯曲所需的长度变长，不仅光调制器自身的尺寸变大，光损失的增加也不能忽视。
在各马赫-曾德尔型光波导中利用图1的单端电极的情况下，电极的数量较少即可，但无法有效地活用差动信号的电位差。另外，如专利文献1所示，在相对于一个马赫-曾德尔型光波导配置4个信号电极的情况下，包围其的接地电极之间的间隔与图1、图2相比变宽，因此电场容易漏出到相邻的调制部(作用部)，更容易发生串扰现象。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-180255号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明要解决的课题是提供解决上述的问题并使用差动信号输出能够进行更低电压驱动的光调制器。而且，在将多个马赫-曾德尔型光波导集成化的光调制器中，还提供抑制串扰现象的发生的光调制器。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明的光调制器具有以下的技术特征。
(1)一种光调制器，在具有电光效应的基板上形成有光波导和控制电极，该光波导具有至少一个马赫-曾德尔型光波导，所述光调制器的特征在于，该控制电极具备2个接地电极，该2个接地电极夹着3个信号电极，所述3个信号电极由夹着第一信号电极的第二信号电极和第三信号电极构成，所述光调制器具备配线结构，该配线结构将差动信号中的一个调制信号施加于该第一信号电极，并将另一个调制信号施加于该第二信号电极及该第三信号电极，该马赫-曾德尔型光波导的2个分支波导中的一方配置于该第一信号电极与该第二信号电极之间，另一方配置于该第一信号电极与该第三信号电极之间。
(2)根据上述(1)所述的光调制器，其特征在于，该配线结构具有转换线路，该转换线路将输入1组差动信号的输入配线转换成输出该差动信号中的一个调制信号的1个输出配线和输出该差动信号中的另一个调制信号的2个输出配线。
(3)根据上述(2)所述的光调制器，其特征在于，该转换线路设置于中继基板，该中继基板配置于所述具有电光效应的基板的外部。
(4)根据上述(1)至(3)中任一项所述的光调制器，其特征在于，在中继基板设置有输出差动信号的驱动电路，该中继基板配置于所述具有电光效应的基板的外部。
(5)根据上述(1)至(4)中任一项所述的光调制器，其特征在于，对于该第一信号电极至第三信号电极的至少一部分，沿着光波导延伸的延伸方向而将电极分割为2个，在分割而成的电极之间沿着该延伸方向而局部地实施电连接。
(6)根据上述(1)至(5)中任一项所述的光调制器，其特征在于，该光波导具备并列地配置多个马赫-曾德尔型光波导的结构，在被相邻的马赫-曾德尔型光波导夹着的该接地电极设置有用于抑制信号串扰的串扰抑制单元。
发明效果
本发明由于在具有电光效应的基板上形成有光波导和控制电极，该光波导具有至少一个马赫-曾德尔型光波导，该控制电极具备2个接地电极，该2个接地电极夹着3个信号电极，所述3个信号电极由夹着第一信号电极的第二信号电极和第三信号电极构成，所述光调制器具备配线结构，该配线结构将差动信号中的一个调制信号施加于该第一信号电极，并将另一个调制信号施加于该第二信号电极及该第三信号电极，该马赫-曾德尔型光波导的2个分支波导中的一方配置于该第一信号电极与该第二信号电极之间，另一方配置于该第一信号电极与该第三信号电极之间，因此能够提供能够使用差动信号输出进行更低电压驱动的光调制器。
附图说明
图1是说明以往的光调制器中使用的单端电极的结构的图。
图2是说明以往的光调制器中使用的使用差动信号输出的双方的调制信号(S+、S-)的电极结构的示例的图。
图3是表示本发明的光调制器涉及的第一实施例的图。
图4是表示使用图3所示的电极结构的光调制器的俯视图。
图5是表示本发明的光调制器中能够利用的转换线路的示例的图。
图6是说明在中继基板组装驱动元件、转换线路的示例的图。
图7是表示本发明的光调制器涉及的第二实施例的图。
图8是表示本发明的光调制器涉及的第三实施例的图。
图9是说明本发明的光调制器中的分割信号电极的情况的图。
图10是表示本发明的光调制器涉及的第四实施例的图。
图11是表示本发明的光调制器涉及的第五实施例的图。
图12是说明本发明的光调制器中的分割接地电极的情况的图。
图13是表示本发明的光调制器涉及的第六实施例的图。
图14是表示图9及图12的应用例的图。
具体实施方式
以下，使用优选例详细说明本发明的光调制器。
如图3所示，本发明的光调制器的特征在于，在具有电光效应的基板1上形成有光波导(21、22)和控制电极，该光波导具有至少一个马赫-曾德尔型光波导，该控制电极具备2个接地电极，该2个接地电极夹着3个信号电极，所述3个信号电极由夹着第一(S1)信号电极的第二(S2)电极信号和第三(S3)信号电极构成，具备配线结构，该配线结构将差动信号中的一个调制信号(S+)施加到该第一信号电极，并将另一个调制信号(S-)施加到该第二信号电极及该第三信号电极，该马赫-曾德尔型光波导的2个分支波导中的一方(21)配置于该第一信号电极与该第二信号电极之间，另一方(22)配置于该第一信号电极与该第三信号电极之间。
本发明中利用的具有电光效应的基板可以利用铌酸锂等电介质基板、EO聚合物等的树脂基板、半导体基板等。另外，在本发明中使用电介质基板的情况下，使用电光效应在与基板的表面平行的方向上最大的材料的基板，例如使用X切割的铌酸锂基板。
在使用LN基板的情况下，光波导可以通过热扩散Ti等而形成。另外，也可以如后述那样，通过在基板设置隆起部分(肋部分)而形成光波导。
控制电极是在基板上通过镀敷法形成了Au等导电体的电极，在本发明的光调制器中，特别是在施加调制信号的信号电极(S1～S3)、接地电极(G)的电极结构上具有特征。
如图3所示，本发明的特征在于，具备2个接地电极(G)，该2个接地电极(G)夹着3个信号电极(S1～S3)，差动信号中的一个调制信号(S+)施加到第一电极(S1)，另一个调制信号(S-)施加到第二信号电极(S2)及第三信号电极(S3)。而且，马赫-曾德尔型光波导的2个分支波导中的一个分支波导(21)配置于第一信号电极与该第二信号电极之间，另一个分支波导(22)配置于第一信号电极与第三信号电极之间。
在图1的单端电极、图2的电极结构(GSGSG型的电极结构)中，仅对光波导施加相当于差动信号的1个调制信号(S+、S-)与接地电极的电位差的电场。与此相对，通过采用图3的电极结构，能够在信号电极之间(S1与S2之间、S1与S3之间)产生基于差动信号的电位差的电场。图3的电场与图1或图2的情况相比，成为接近约2倍的电场强度，因此能够进一步提高基于差动信号的低驱动电压化的效果。而且，信号电极的根数为合计3根，因此与专利文献1中记载的使用4根信号电极的情况相比，配线结构不会复杂化，也可以小型化。
图4是表示实现图3的电极结构的光调制器的概略的俯视图。在基板1，形成有光波导2(21、22)和控制电极(信号电极S1～S3、接地电极G)。图4的单点划线处的光调制元件(基板1)的剖视图成为图3。在基板1的外部，配置有中继基板4、具备终端电阻的终端基板5，它们与基板1一起收容于壳体3内，构成光调制器。另外，如图4所示，也有时另行设置用于调整马赫-曾德尔型调制器的动作点的偏压用电极(B1～B3)。如图4所示，经由中继基板6利用配线61、62向偏压用电极(B1～B3)供给DC偏置电压。此外，也可以省略中继基板，从供电用的输入引脚电连接到配线61、62。
从光调制器的外部向中继基板4导入包含高速的差动信号的输入信号(Sin)。由于差动信号只有2个信号用端子(S+和S-)和接地用端子，因此需要转换成图3或4所示的3个信号电极(例如，1个S+和2个S-)与接地电极的组合的转换线路。转换线路可以设置于中继基板4，也可以根据需要而设置于到基板1的作用部(调制部)为止的电极线路。
图5是表示中继基板4的转换线路的示意图。对高速的输入信号(Sin)用的端子而言，准备了与G·S+·G·S-·G对应的5个端子。也存在没有中央的G的端子的情况。中继基板4的下侧是输出信号(Sout)用的端子，准备与G·S-·S+·S-·G对应的5个端子。输入侧和输出侧由电气线路(41～45、441、442)电连接。
输入侧的S+端子与输出侧的S+端子对应地形成有电气线路42。在中途，由符号C示出的部分是用于使S-的调制信号与相位一致的延迟电路。另外，输入侧的S-端子配合输出侧的2个S-端子，将电气线路44分支连接到2个电气线路(441、442)。在中途，在符号B处S+用的电气线路42与S-用的电气线路441交差，但为了不电连接，使用多层基板等在不同的层配置线路。而且，由于中央的接地用端子G在输出侧不需要，因此与中继基板的接地层或背面的接地电极连接，但在输出侧不设置端子。在图中作为示意图只是表示了概念，实际上使用多层基板，设计图案等，以满足高频性能要求的性能。
图6是在壳体3的左手侧配置电信号等的输入输出端子，在右手侧配置光纤等光学系统的输入输出部的示例。基板1俯视时为长方形，在基板1的左短边侧配置输入调制信号等的中继基板6。这样的结构能够以短距离大致直线地配置从高速的电信号的输入部到光调制器的作用部，因此在更高速的信号的调制时有利。高速的电信号的输入输出端子使用同轴连接器、馈通、FPC等。
形成于基板1的光波导2构成为，从右侧进入的光波在中途折回，入射到马赫-曾德尔型光波导。在图中，图示了在基板内180°折回的情况，但也有在基板外使用光学元件或其他的光波导基板，配合基板内的光波导弯曲而进行180°的折回的情况。在中继基板6配置有放大差动信号的驱动元件60，从驱动元件60输出的差动信号(S’+、S’-)经由转换线路输入设置于基板1的光调制元件。在图6中，为了简化附图，省略了接地电极关系。另外，在图6中，表示了驱动元件内置于光调制器内的情况，但也可以不在中继基板搭载驱动元件而用输入到光调制器的差动信号直接调制。调制信号经由信号电极(S1～S3)，输入到具备终端电阻的终端基板5。
在光调制器集成驱动用驱动器的情况下，图5所示的中继基板6也可以适宜地使用。另外，由于使用能够进行差动输出的驱动元件60，因此与图1的单端电极相比，能够使用低电源电压或低消耗电力的半导体元件。而且，能够进行差动输出的驱动元件是单一的半导体芯片，能够得到光调制器所需的信号振幅，因此能够简化中继基板的结构且小型化。
在集成驱动元件的情况下，在中继基板上，除了差动的高频线路以外，还设置有驱动器的驱动所需的电源供给用的图案或端子，而且也存在配置电容器或电感等周边元件的情况。也有驱动元件的电源的一部分从驱动器的输出端子供给的情况，在该情况下，也可以经由光调制器的电极。在该情况下，由于施加DC电压，因此在LN调制器等中发生DC漂移引起的马赫-曾德尔型调制器的动作点变动的问题。与此相对，通过将相同的DC电压叠加到高频信号而施加到光调制元件的第一信号电极S1(S’+)、第二(S2)及第三’(S3)信号电极(S’-)，从而向驱动元件供给电源，能够防止由信号电极部引起的马赫-曾德尔型光调制器的偏置漂移。另外，也可以对图6的偏置电极(B1～B3)施加DC偏置电压而进行控制，以补偿在信号电极产生的偏置漂移。
图7至10说明在基板1上以薄板(20μm以下)在波导中采用肋结构的情况的示例。除此之外，波导结构也可以适于扩散波导等各种结构。在使用薄板的基板1的情况下，如图7所示，将保持基板1的保持基板7与基板1接合。保持基板7与电光基板1(LN等的电介质基板、EO聚合物、半导体等)相比，利用低折射率的材料。例如，为石英、玻璃、树脂等。
另外，在基板1之下，也可以经由低折射率层配置另外的保持基板。该情况下的低折射率层可以是树脂等粘接层。在经由低折射率层配置有保持基板的情况下，保持基板也可以使用与基板1相同的材料、硅等高折射率材料。
本发明的光调制器利用图7所示的薄板基板，由肋部分(11、12)构成了光波导，通过组合所谓的“薄板肋结构”，调制效率更高，而且，能够使光调制元件的尺寸小型化。特别是，通过在输入差动信号的信号电极(S1与S2、或S1与S3)之间设置肋部分(11或12)，能够将在信号电极之间产生的电场高效地施加到肋部分的光波导。
通过缩窄信号电极之间的间隔，信号电极(S1～S3)能够实现调制效率更高的结构。但是，当缩窄电极间隔时，信号电极之间的容量增加，线路的阻抗容易降低。因此，如图8所示，通过将中央的信号电极S1分割为2个，可以降低电极之间的容量，不降低调制效率地抑制阻抗的降低。而且，在该情况下，由于光波导的间隔不需要变窄，因此也不会发生光波导之间的光的串扰引起的特性劣化。
在图9中示出图8的信号电极S1的立体图。信号电极沿着光波导配置，因此沿着光波导延伸的延伸方向，电极被分割为2个。分割而成的电极(LE、RE)为了防止电极之间产生电位差，沿着延伸方向而局部地实施了电连接。进行电连接的连接部分CE可以由与分割而成的电极相同的材料一体地形成。分割后的连接部分CE的配置间隔为与调制信号中使用的调制频率或调制符号率相等的频率的微波的波长的4分之1以下，优选为10分之1左右。
在图10中，不仅对第一信号电极S1，而且对第二信号电极S2、第三信号电极S3也实施了电极的分割处理。分割信号电极不仅是为了阻抗对策，还具有减少信号电极与基板1的接触面积，抑制因两者的线膨胀系数之差而产生的内部应力的效果。
如嵌套型光波导那样，本发明的光调制器在具备并列地配置多个马赫-曾德尔型光波导的光波导的情况下，电串扰的抑制也成为重要的课题。图11及13表示将2个相邻的马赫-曾德尔型光波导相对于光波的行进方向垂直地切断后的剖视图。符号211和221(或212和222)是构成马赫-曾德尔型光波导的2个分支波导。
另外，本发明的特征在于设置抑制电信号的串扰的串扰抑制单元。如图11、图13所示，由于在接地电极之间(G1与G2之间、或G2与G3之间)配置有3个信号电极(S21、S11及S31、或S22、S12及S32)，因此接地电极之间的间隔与通常相比变宽。因此，电场容易漏出到相邻的调制部，容易发生串扰现象。
作为串扰抑制单元，在图11中，接地电极(G1～G3)的与信号电极(S21等)相对的侧面部分GE从该接地电极(G1～G3)的其他的主体部分GB分割开，在该侧面部分GE与该主体部分GB之间，沿着光波导延伸的方向，局部地实施了电连接部分GC。
这样，通过将接地电极的侧面部分GE从主体部分GB分割开，使在信号电极与接地电极之间形成的电场集中于侧面部分GE，可以构成为电场不会漏出到存在相邻的马赫-曾德尔型光波导的调制部。
此外，如图12所示，将接地电极的侧面部分GE和主体部分GB电连接的连接部分GC沿着侧面部分GE延伸的方向(也是光波导延伸的方向)局部地配置。连接部分GC也可以由与侧面部分GE、主体部分GB相同的材料一体地形成。连接部分GC的配置间隔为与调制信号中使用的调制频率或调制符号率相等的频率的微波的波长的4分之1以下，优选为10分之1左右。
也可以代替图9及图12所示的进行电连接的连接部分(CE、GC)结构，采用图14所示的在电介质层R之上配置厚度薄的连接部分CE(GC)的结构。另外，如图9或图12所示，连接部分也可以采用局部地配置的结构。
另外，作为其他串扰抑制单元，如图13所示，接地电极(G1～G3)的上表面的至少一部分(高度LG)比信号电极(S21等)的上表面(高度LS)高。在图13中，为了方便，使用信号电极S32和接地电极G3进行高度比较，但该结构也适用于信号电极(S21、S11及S31、或S22、S12及S32)与接地电极G2的关系。
作为在接地电极的上表面形成局部地高的部分的方法，如图13所示，利用局部地形成的电介质层R，在其上部层叠接地电极(G1～G3)后，与电介质层3对应地，在接地电极的上表面形成突出部。通过该突出部，抑制与串扰相关的电场跨接地电极而到达相邻的马赫-曾德尔型光波导或相邻的信号电极。电介质层3通过将SiO2等电介质制膜、图案化而形成。另外，也可以使用能够通过光刻进行图案化的永久抗蚀剂等的树脂。在该情况下，与对电介质材料进行制膜相比，能够得到厚的层，因此突出部更高，对串扰的抑制而言是有效的。
工业实用性
如上所述，根据本发明，能够提供使用差动信号输出进行更低电压驱动的光调制器。而且，在将多个马赫-曾德尔型光波导集成化的光调制器中，还能够提供抑制串扰现象的发生的光调制器。
标号说明
1 具有电光效应的基板
2 光波导
21、22 分支波导
3 壳体
4、6 中继基板
5 终端基板
7 保持基板
60 驱动元件
S1、S11、S12 第一信号电极
S2、S21、S22 第二信号电极
S3、S31、S32 第三信号电极
G、G1～G3 接地电极
Claims (6)
1.一种光调制器，在具有电光效应的基板上形成有光波导和控制电极，该光波导具有至少一个马赫-曾德尔型光波导，所述光调制器的特征在于，
该控制电极具备2个接地电极，该2个接地电极夹着3个信号电极，
所述3个信号电极由夹着第一信号电极的第二信号电极和第三信号电极构成，
所述光调制器具备配线结构，该配线结构将差动信号中的一个调制信号施加于该第一信号电极，并将该差动信号中的另一个调制信号施加于该第二信号电极及该第三信号电极，
该马赫-曾德尔型光波导的2个分支波导中的一方配置于该第一信号电极与该第二信号电极之间，另一方配置于该第一信号电极与该第三信号电极之间。
2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，
该配线结构具有转换线路，该转换线路将输入1组差动信号的输入配线转换成输出该差动信号中的一个调制信号的1个输出配线和输出该差动信号中的另一个调制信号的2个输出配线。
3.根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于，
该转换线路设置于中继基板，该中继基板配置于所述具有电光效应的基板的外部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光调制器，其特征在于，
在中继基板设置有输出差动信号的驱动电路，该中继基板配置于所述具有电光效应的基板的外部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光调制器，其特征在于，
对于该第一信号电极至第三信号电极的至少一部分，沿着光波导延伸的延伸方向而将电极分割为2个，在分割而成的电极之间沿着该延伸方向而局部地实施电连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光调制器，其特征在于，
该光波导具备并列地配置多个马赫-曾德尔型光波导的结构，在被相邻的马赫-曾德尔型光波导夹着的该接地电极设置有用于抑制信号串扰的串扰抑制单元。
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