CN113671767B - 光学装置以及使用该光学装置的光收发器 - Google Patents

光学装置以及使用该光学装置的光收发器 Download PDF

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Abstract

光学装置以及使用该光学装置的光收发器。一种光学装置，包括：由具有电光效应的晶体薄膜形成的光波导；向所述光波导施加高频电压的RF电极；以及向所述光波导施加DC电压的DC电极，其中，所述RF电极具有共面电极配置，并且所述DC电极具有微带电极配置。

Description

光学装置以及使用该光学装置的光收发器
技术领域
本公开涉及一种光学装置和使用该光学装置的光收发器。
背景技术
在用于光数据通信的发送器前端电路中，使用用于利用数据信号调制光束的光调制器。图1是在Z切割铌酸锂(LN)基板上形成的片上光调制器的示意图。通过沿垂直于晶体取向(即c轴)的平面切割晶体块来获得Z切割LN基板。信号电极“s” 经由缓冲层(图中标记为“buf”.)设置在形成于基板表面上的光波导WG上方。当 电压施加到信号电极S时，电场产生并沿Z方向即垂直于基板表面的方向施加到光 波导WG。该电场使光波导WG的折射率改变，结果，穿过光波导WG的光束的相 位改变。
射频(RF)电极和直流(DC)电极被提供给光波导WG。具有10GHz带宽的高 频信号被输入到RF电极以执行高速光调制。对于这种高速调制，在RF电极中采用能够提供宽带传输特性的共面波导(CPW)结构。DC电极用于控制马赫-曾德尔(MZ) 干涉仪的光学相位。DC电极通常采用类似于RF电极的CPW结构。参见例如下述专 利文献1。
提出了一种由共面电极、微带电极和电极转换部分组成的RF电极结构。参见例 如下述专利文献2。其中微带线电连接到共面波导的RF电极也是已知的。参见例如 下述专利文献3。
[相关出版物]
专利文件1：日本专利申请特开2013-238785号公报
专利文献2：日本专利申请特开2016-14698号公报
专利文献3：美国专利No.5,208,697
发明内容
[技术问题]
通过从基板表面扩散诸如钛(Ti)这样的金属来制造如图1所示的传统调制器的光波导WG。因为金属扩散的光波导WG的光限制不是那么强，所以电场施加效率不 足，并且需要更高的驱动电压。为了解决这种不便，可以使用由LN薄膜形成的光波 导，如图2所示。由于LN薄膜波导与Ti扩散的波导相比具有更强的光限制，因此 提高了电场施加效率，并且能够降低驱动电压。然而，由于表面粗糙度，LN薄膜波 导中的光传播损耗可能增加，并且插入损耗可能增加。本公开提出一种可在低RF驱 动电压下操作且具有较小插入损耗的光学装置。
本发明的一个目的是提供一种具有降低的插入损耗并可在降低的RF驱动电压下操作的光学装置。
[技术方案]
根据本发明的一个方面，一种光学装置包括：光波导，其由具有电光效应的晶体薄膜形成；RF电极，其将高频电压施加到所述光波导；以及DC电极，其将DC电 压施加到所述光波导，其中所述RF电极具有共面电极配置，且所述DC电极具有微 带配置。
[技术效果]
实现了一种具有减小的插入损耗并且可在减小的RF驱动电压下操作的光学装置。
附图说明
图1是具有钛扩散的光波导的典型光调制器的示意图；
图2是示意性示出的具有LN薄膜光波导的光调制器的平面图；
图3是示意性示出的根据实施方式的光调制器的平面图；
图4A示出了根据实施方式的光调制器的DC电极的截面图；
图4B示出了根据实施方式的光调制器的RF电极的截面图；
图5A示出了根据实施方式的光调制器的制造工艺；
图5B示出了根据实施方式的光调制器的制造工艺；
图5C示出了根据实施方式的光调制器的制造工艺；
图5D示出了根据实施方式的光调制器的制造工艺；
图6A示出根据实施方式在图5D的步骤之后的光调制器的制造工艺；
图6B示出了根据实施方式的光调制器的制造工艺；
图6C示出了根据实施方式的光调制器的制造工艺；
图6D示出了根据实施方式的光调制器的制造工艺；
图7A是在实施方式的光调制器的第一修改例中使用的DC电极的示意性截面图；
图7B是在实施方式的光调制器的第一修改例中使用的RF电极的示意性截面图；
图8A是在实施方式的光调制器的第二修改例中使用的DC电极的示意性截面图；
图8B是在实施方式的光调制器的第二修改例中使用的RF电极的示意性截面图；
图9示出RF电极的厚度和高频特性之间的关系；
图10A是在实施方式的光调制器的第三修改例中使用的DC电极的示意性截面 图；
图10B是在实施方式的光调制器的第三修改例中使用的RF电极的示意性截面 图；并且
图11是应用实施方式的光学装置的光收发器的示意图。
具体实施方式
图3是根据实施方式的光调制器10的示意性平面图。光调制器10是光学装置的 一个示例。下面描述的配置可应用于包括光开关和光滤波器的其它光学装置，或者可 应用于其上集成了该光学装置和诸如激光二极管或光电二极管这样的其它装置的集 成电路芯片。
光调制器10是由基板101上的光波导11形成的MZ光调制器。为了便于说明， 光的传播方向是X方向，光调制器10的高度方向是Z方向，垂直于X方向和Z方向二者的方向是Y方向。
光波导11例如是具有强光限制的脊形薄膜波导，这将在后面更详细地描述。通 过增强光限制，提高了电场施加效率，并且降低了驱动光调制器10所需的电压。
在光调制器10的一端(例如，在-X侧)，光波导11被分成两个，并且并列地形 成用于X偏振的IQ调制器和用于Y偏振的IQ调制器。在光调制器10的另一端(例 如，在+X侧)，两个IQ调制器通过偏振光束组合器(PBC)组合成一个。在该示例 中，光调制器10是基于偏振复用IQ调制的4通道调制器。
在X偏振部分和Y偏振部分的每一个中，IQ调制器具有I通道和Q通道。IQ 调制器整体被称为父MZ或主MZ(MMZ)。在每个IQ调制器中形成I通道或Q通 道的MZ干涉仪被称为孩子MZ或子MZ(sMZ)。
光调制器10具有RF电极110和DC电极120。RF电极110具有共面波导结构， 而DC电极120具有微带结构。
RF电极110包括RF信号电极110S和RF接地电极110G。从层堆叠方向观察， RF信号电极110S和RF接地电极110G形成在光波导11上方的同一平面中。RF信 号电极110S向形成每个通道的子MZ的光波导11输入RF信号。
DC电极120包括DC信号电极120S和DC接地电极120G。DC信号电极120S 形成在与RF信号电极110S和RF接地电极110G相同的层中。DC接地电极120G设 置在DC信号电极120S的下方，二者之间隔着绝缘层(包括如下面参照图4A所述 的缓冲层102、晶体薄膜103和缓冲层104)。
具有几十GHz带宽的高速电信号被输入到RF信号电极110S，并且执行高速光 调制。因此，作为RF电极110，采用能够实现宽带传输特性的共面结构。与微带结 构相比，共面结构中存在许多形状相关参数，例如条带宽度和缝隙宽度。因此，可以 在宽范围内调整相位常数、特性阻抗等。RF信号电极110S的一端终止。
DC偏置电压被施加到DC信号电极120S，以便控制MZ干涉仪的相位。DC信 号电极120S包括用于向父MZ的光波导11施加DC偏置的DC信号电极120S(mMZ)， 以及用于向子MZ的光波导11施加DC偏置的DC信号电极120S(sMZ)。
在操作期间，在I通道和Q通道之间给出90度相位差的DC偏置被施加到父MZ (mMZ)的DC信号电极120S。施加到子MZ(sMZ)的DC信号电极120S的DC 偏置电压将光调制器10的操作点保持在每个通道中的期望点(例如，光强度减半的 点)。
DC电极120不需要宽带特性，但是DC电极120需要高效率来将电场施加到光 波导。因此，微带结构用于DC电极120。利用微带线，大部分电场被限制在基板中，因此，提高了电场施加效率。随着电场施加效率的提高，可以减小施加期望工作电压 所需的DC电极120的长度。通过缩短DC电极120，减小了光波导11的总长度。光 调制器的芯片尺寸变得更小，并且可以减小光传播损耗。
因此，实现了具有减小的插入损耗并可在低RF驱动电压下操作的光调制器10。
图4A是光调制器10的DC电极的截面图，其对应于图3的由虚线包围并沿Y-Z 平面截取的区域“A”的横截面。图4B是光调制器10的RF电极的截面图，其对应 于图3的由虚线包围并沿Y-Z平面截取的区域“B”的横截面。
光调制器10形成在基板101上。基板101例如是Z切割LN基板。根据用于光 波导11的材料，可以使用呈现普克尔斯(Pockels)效应(或线性电光效应)的其它 晶体基板，例如LiTaO3基板。
在图4B的RF电极区域中，由介电晶体薄膜103形成的脊形光波导11经由与基 板101之间的缓冲层102设置在基板101上。缓冲层102例如是硅氧化物(SiO2)层。 尽管在该示例中使用LN的晶体薄膜103，但是可以使用其它材料，例如LiTaO3、 LiNbO3和LiTaO3的混合晶体等。无论使用何种晶体材料，晶体薄膜103的c轴优选 垂直于基板101取向。
光波导11和晶体薄膜103整体覆盖有缓冲层104。优选地，缓冲层104和光波 导11之间的折射率差尽可能大。缓冲层104可以由例如SiO2制成。通过提供缓冲层 104和光波导11之间的大的折射率差，增强了光波导11中的光限制。
RF信号电极110S经由与光波导11之间的缓冲层104设置在光波导11上。RF 接地电极110G设置在RF信号电极110S的两侧，与RF电极110S具有预定间隙， 以形成RF电极110的共面结构(见图3)。
在垂直于基板101的方向上从RF信号电极110S施加电场，并且电力线可以集 中到光波导11上。在相邻电极之间具有良好限定的间隙的RF电极110的共面结构 确保宽带传输特性。在一个示例中，RF信号电极110S和RF接地电极110G之间的 间隙为10μm。
在示出DC电极结构的图4A中，DC接地电极120G设置在基板101上。脊形光 波导11经由与DC接地电极120G之间的缓冲层102在DC接地电极120G上由晶体 薄膜103形成。DC信号电极120S经由与光波导11之间的缓冲层104设置在光波导 11上。
DC信号电极120S和DC接地电极120G一起形成微带DC电极120(见图3)。 微带DC电极120高效地将DC电场施加到光波导11。
图5A至图5D和图6A至图6D示出了光调制器10的制造工艺。页面的左侧示 出了DC电极的截面图，而页面的右侧示出了RF电极的截面图。
在图5A中，在基板101上的预定区域中形成DC接地电极120G。更具体地， DC接地电极120G形成在稍后步骤中将设置DC电极120的区域中。DC接地电极 120G的厚度例如为几百纳米至1微米。
在图5B中，通过溅射方法等在DC接地电极120G的整个表面和基板101的整 个表面上形成缓冲层102。DC接地电极120G可以在上面的缓冲层102中形成台阶； 然而，该台阶可以在稍后的步骤中被平整，因此不影响光波导11和电极的制造。
在图5C中，制备基板140以提供用于形成光波导的晶体薄膜。在该示例中，基 板140是LN基板。基板140的一个主表面被离子束照射以产生离子注入层141。通 过控制离子注入能量，离子可以从表面注入到期望的深度。这些离子可以是氢离子、 氦离子、氩离子或其它合适的离子。没有离子注入的其余基板成为支撑层142。
在图5D中，基板140的离子注入层141结合到缓冲层102。在结合之前，可以 用湿化学品、臭氧、等离子体等在离子注入层141或缓冲层102的表面上进行表面活化。
在图6A中，对结合的晶片执行诸如退火这样的热处理以从晶片移除支撑层142。通过热处理，在离子注入层141和支撑层142之间的界面处产生微腔，并且支撑层 142可以与离子注入层141分离。在移除支撑层142之后，离子注入层141的分离表 面可通过例如化学机械抛光而被平整。通过这种平整，由DC接地电极120G形成的 台阶可以被平坦化。
在图6B中，离子注入层141被蚀刻以形成LN晶体薄膜103的光波导11的脊。 脊的高度例如为200nm至300nm，宽度为300nm至500nm。
在图6C中，通过溅射或任何其它合适的方法在整个表面上形成缓冲层104。缓 冲层104可以是例如厚度为约0.5μm至1μm的SiO2膜。当光波导11的光限制太强 时，可能激发更高阶的模式，并且可能发生不期望的串扰或消光比的降低。因此，考 虑到调制效率，设计光波导11的横截面积、缓冲层104和光波导11之间的折射率差 以及其它参数。
在图6D中，形成电极。在施加DC偏置的区域中，在光波导11上形成DC信号 电极120S。在输入RF信号的区域中，在光波导11上形成RF信号电极110S和RF 接地电极110G的共面结构。
具有令人满意的宽带特性的共面结构被提供给RF电极110，而DC电极120具 有便于高效施加电场的微带结构。因为微带结构允许DC电压被减小，所以DC信号 电极120S的长度并且相应的光波导11的总长度可以被缩短，并且插入损耗可以被减 小。
<第一修改例>
图7A和图7B示出了作为光调制器10的第一修改例的光调制器10A的电极结构。 图7A是DC电极的截面图，图7B是RF电极的截面图。在第一修改例中，RF信号 电极210S的厚度大于DC信号电极120S的厚度。其余的截面构造与图4所示的相同。 相同的元件用相同的附图标记表示，并且将省略多余的描述。RF信号电极210S和 DC信号电极120S的平面布局与图3所示的相同。
利用微带型的DC电极120，施加电场的效率是令人满意的，并且不必增加DC 信号电极20S的厚度。即使如图4所设计地保持DC信号电极120S的厚度，也不会 产生不便。此外，当RF信号电极210S被设置为与DC信号电极120S相同的厚度时，高频处的光损耗可能增加，并且带宽可能降低。因此，如图7A和图7B所示，RF信 号电极210S的厚度被设置为大于DC信号电极120S的厚度。
例如，DC信号电极120S的厚度可以是1微米到几微米(μm)，并且RF信号 电极210S的厚度可以是3μm或更大。优选地，所述RF信号电极210S的厚度为3 μm至10μm。如稍后将描述的，通过将RF信号电极210S的厚度或高度设置为3 μm或更大，RF信号电极210S的横截面积增加，并且电阻可以减小，这导致带宽的 扩展。当RF信号电极210S的高度为10μm或更大时，纵横比对于制造电极而言变 得过大。即使当能够制造具有这种高纵横比的电极时，结构也不稳定，并且可能不利 地影响产品可靠性。
RF信号电极210S的厚度可以通过任何合适的方法增加。例如，在通过气相沉积 或溅射和剥离的组合同时形成RF信号电极的第一层、RF接地电极110G和DC信号 电极120S之后，可以通过仅对RF信号电极的区域电镀来形成RF信号电极的第二层。 可替代地，在通过电镀同时形成RF信号电极的第一层、RF接地电极110G和DC信 号电极120S之后，可以仅对RF信号电极的区域执行第二电镀。
通过第一修改例的配置，可以改善光调制器10A的带宽特性。
<第二修改例>
图8A和图8B示出了作为光调制器10的第二修改例的光调制器10B的电极结构。 图8A是DC电极的截面图，图8B是RF电极的截面图。在上述第一修改例中，RF 接地电极110G的厚度与DC信号电极120S的厚度相同。在第二修改例中，RF接地 电极210G的厚度被设置为大于DC信号电极120S的厚度。其余的截面构造与图7 所示的相同。相同的元件用相同的附图标记表示，并且将省略多余的描述。RF信号 电极210S和DC信号电极120S的平面布局与图3所示的相同。
通过增加RF接地电极210G的厚度，可以将高频特性保持在令人满意的状态。 此外，RF信号电极210S和RF接地电极210G可以在单个工艺中形成。
图9示出RF信号电极210S的厚度和高频特性之间的关系。优选地，100G标准 化的光调制器在3GHz的频率下具有等于或高于-5dB的S21特性。为了实现该特性， 如上所述，RF信号电极210S的厚度优选为3μm或更大。从电极结构的稳定性和操 作可靠性的观点来看，RF信号电极210S的厚度可以在3μm到10μm的范围内。
<第三修改例>
图10A和图10B示出了作为光调制器10的第三修改例的光调制器10C的电极结 构。图10A是DC电极的截面图，图10B是RF电极的截面图。在第三修改例中， DC信号电极120S和RF信号电极310S之间的电极宽度不同。其余的截面构造与图 4所示的相同。相同的元件用相同的附图标记表示，并且将省略多余的描述。
确定DC信号电极120S的最佳宽度以便最大化向光波导11施加电场的效率并且 最小化DC偏置的半波长电压Vπ。该设计因素适用于实施方式和第一至第三修改例 的所有配置。DC信号电极120S的宽度与穿过光波导11的光束的模场直径几乎相同 或接近，例如约为3μm。
确定RF信号电极310S的最佳宽度，以便除了满足小Vπ的要求之外，还满足 高频阻抗与外部电路的阻抗相匹配以及高频S21特性良好的条件。通过增大RF信号 电极310S的宽度，横截面积增大，并且阻抗能够降低。
适当地确定RF信号电极310S和RF接地电极110G之间的间隙，使得可以实现 期望的带宽特性。在该示例中，RF信号电极310S和RF接地电极110G之间的间隙 约为10μm。当加宽的RF信号电极310S被提供给形成MZ干涉仪的光波导11之一 时，可以调整MZ干涉仪的两个光波导之间的距离。
通过设置DC信号电极120S和RF信号电极310S的最佳宽度，实现了具有小 RF驱动电压和小插入损耗的光调制器10C。可以在同一工艺中同时制造具有不同宽 度的DC信号电极120S和RF信号电极310S，并且不需要改变制造工艺或增加额外 的步骤。
<对光收发器的应用>
图11是应用了光调制器10的光收发器1的示意图。在该示例中，光收发器1包 括光发送器电路2、光接收器电路3、数字信号处理器(DSP)5和激光二极管(LD) 4。
光发送器电路2包括实施方式的光调制器10(或可统称为“光调制器10”的光 调制器10A至10C中的任一个)。光发送器电路2可以包括用于向光学装置10的RF 电极110输入高速驱动信号的驱动器电路。
DSP 5可以产生表示输入到RF电极110的高速数据信号的逻辑值的电场信号(由振幅和相位定义)。用于产生施加到DC电极120的偏置电压的DC偏置源和用于控 制偏置值的控制电路可以被设置在诸如现场可编程门阵列的逻辑器件中，或者可替代 地，它们可以被包括在DSP 5中。
在光调制器10处用数据信号调制从LD 4发射的光束，并且将经调制的光信号输出到由光纤形成的光传输线6。
光接收器电路3将从光传输线7(例如光纤)接收的光信号转换成电信号。光接 收器电路3例如是相干接收器电路，其使用从LD 4发射的光束的一部分作为基准光 (或本地振荡光)以从接收的光信号中针对正交偏振分量检测和分离正交相位分量(I 相位和Q相位)。分离的光分量被转换为电信号并提供给DSP 5，在DSP 5中执行诸 如波形整形和均衡这样的信号处理以解码发送的信号。
光调制器10将共面结构用于RF电极，并将微带结构用于DC电极。这种配置可 以保持令人满意的高频特性并减小RF驱动电压，同时减小DC电极的长度和插入损 耗。
上述实施方式和修改例仅仅是示例，并且各种替换或改变是可能的。实施方式和修改例的配置不仅适用于光调制器，而且适用于诸如光开关或光滤波器这样的其它光 学装置，或者适用于其中这些光学装置与可调谐激光源集成在一起的光学集成电路芯 片。
光调制器10的配置不仅适用于双偏振调制方案，而且适用于在施加DC偏置和 高频输入信号的情况下执行的其它光调制方案，例如16正交幅度调制(QAM)或正 交相移键控(QPSK)。光调制器10不限于LN调制器，而是可应用于使用具有EO 效应的其他电光(EO)晶体或EO聚合物的光学装置。光波导11不限于嵌入式脊形 波导，可以使用包括方形波导、深脊形光波导等的其它类型的光波导。
实施方式和第一至第三修改例的一些或全部配置可以彼此组合。例如，RF信号 电极的宽度和高度可以不同于DC信号电极的宽度和高度。这种组合也可以实现降低 的RF驱动电压和降低的插入损耗。

Claims (8)

1.一种光学装置，该光学装置包括：
脊形光波导，所述脊形光波导由具有电光效应的晶体薄膜形成；
RF电极，所述RF电极向所述脊形光波导施加高频电压；以及
DC电极，所述DC电极向所述脊形光波导施加DC电压，
其中，所述RF电极具有共面电极配置，并且所述DC电极具有微带电极配置。
2.根据权利要求1所述的光学装置，
其中，所述RF电极包括RF信号电极和与所述RF信号电极共面的RF接地电极，并且所述DC电极包括DC信号电极，并且
其中，所述RF信号电极的厚度大于所述DC信号电极的厚度。
3.根据权利要求1所述的光学装置，
其中，所述RF电极包括RF信号电极和与所述RF信号电极共面的RF接地电极，并且所述DC电极包括DC信号电极，并且
其中，所述RF接地电极的厚度大于所述DC信号电极的厚度。
4.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述RF信号电极的厚度大于或等于3μm且小于10μm。
5.根据权利要求3所述的光学装置，其中，所述RF信号电极的厚度大于或等于3μm且小于10μm。
6.根据权利要求1所述的光学装置，
其中，所述RF电极包括RF信号电极，并且所述DC电极包括与所述RF电极共面的DC信号电极，并且
其中，所述DC信号电极的宽度不同于所述RF信号电极的宽度。
7.根据权利要求2所述的光学装置，
其中，所述DC电极包括与所述RF信号电极和所述RF接地电极共面的DC信号电极，
其中，所述DC信号电极的宽度不同于所述RF信号电极的宽度。
8.一种光收发器，该光收发器包括：
光发送器电路；以及
光接收器电路，其中
所述光发送器电路具有
光调制器，所述光调制器包括由具有电光效应的晶体薄膜形成的脊形光波导，
RF电极，所述RF电极向所述脊形光波导施加高频电压，以及
DC电极，所述DC电极向所述脊形光波导施加DC电压，
其中，所述RF电极具有共面电极配置，并且所述DC电极具有微带电极配置。
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