CN114185186A - 包括光调制器的光器件及光收发器 - Google Patents

Abstract

包括光调制器的光器件及光收发器。一种光器件，该光器件包括形成于基板上的光调制器。该光器件包括：形成在基板上的用于光调制器的信号电极；形成在基板上的用于光调制器的接地电极；设置在信号电极和接地电极之间的区域中的光波导；形成于光波导与基板之间的第一缓冲区；以及形成于光波导与信号电极之间以及光波导与接地电极之间的第二缓冲区。第二缓冲区的介电常数高于第一缓冲区的介电常数。

Description

包括光调制器的光器件及光收发器

技术领域

本文讨论的实施方式涉及包括光调制器的光器件及光收发器。

背景技术

图1例示了包括光调制器的光器件的示例。在该示例中，光调制器生成偏振复用的光信号。就此而言，光调制器包括一对母马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪X和Y。母马赫-曾德尔干涉仪X和Y中的每一个包括一对马赫-曾德尔干涉仪。因此，光调制器包括四个马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ。当提供电信号时，每个马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ可以作为光调制器而工作。

使用LiNbO3(LN)基板1形成光调制器。就此而言，通过在LN基板1的表面区域中形成光波导2来构造每个马赫-曾德尔干涉仪。

光调制器包括信号电极3、DC电极4和接地电极。为每个马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ提供信号电极3。每个信号电极3被提供有指示传输数据的RF信号。RF信号可以由数字信号处理器(未示出)生成。在此省略DC电极4的描述。接地电极形成在LN基板1的表面上的既未形成信号电极3也未形成DC电极4的区域内。接地电极电连接至GND。注意，为了可见，在附图中省略了接地电极。

图2例示了传统光调制器的示例。图2绘出了图1所示的光调制器的四个子调制器中的任何一个(即，马赫-曾德干涉仪XI、XQ、YI和YQ中的任何一个)。例如，图2可以指示图1所示的子调制器XI的A-A截面。

如图1和图2所示，光调制器包括形成马赫-曾德尔干涉仪的一对光波导WGa和WGb、信号电极3和接地电极5。光波导WGa和WGb由共面波导(CPW)实现。在该示例中，共面波导由彼此平行形成的两个线状或类线状导体(即，WGa和WGb)构成。

在图2所示的示例中，LN基板1是X-切割LN基板。信号电极3形成在形成马赫-曾德尔干涉仪的一对光波导之间的区域上。在图2所示的示例中，信号电极3形成于光波导WGa和WGb之间的区域上。同时，接地电极5形成在LN基板1的表面上的其他区域内。因此，信号电极3和每个接地电极5形成为使得相应的光波导放置在它们之间。换言之，光波导设置于信号电极3和接地电极5之间的区域内。注意，在LN基板1的表面上形成有诸如氧化膜之类的缓冲层6，并且在缓冲层6的表面上形成有信号电极3和接地电极5。

当在光器件中的信号电极3和接地电极5之间施加电压时，在LN基板1的表面区域产生电场。在这种情况下，因为LN基板1是X-切割LN基板，因此在沿LN基板1的表面的方向上产生强电场。因此，如图2所示，例如，当在光波导WGa中在+Z方向上产生电场时，在光波导WGb中在-Z方向上产生电场。因此，在光波导WGa和WGb中产生的电场的方向彼此相反。这些电场分别改变光波导WGa和WGb的折射率(或光路长度)并且分别改变要从光波导输出的光的相位。因此，可以通过使用电信号适当地调整通过马赫-曾德尔干涉仪传播的光的相位来生成期望的调制光信号。

例如，日本特开专利公开No.2004-133311中描述了使用X切割LN基板形成的光调制器。国际公布小册子WO 2012/124830描述了光调制器元件的示例。

近年来，为了实现大容量的数据通信，向信号电极施加具有几十GHz带宽的电信号。对于具有如此宽的带宽的电信号，可以使用共面结构来获得优选的传输特性。

在图2所示的示例中，具有共面结构的光波导WGa和WGb是通过从LN基板1的表面扩散诸如钛之类的金属而形成的。但是，在这种结构中，难以将光充分限制在光波导内，因此电场的施加效率降低。因此，需要增加输入电信号的幅度以产生具有指定幅度的光信号。因此，光调制器的驱动电压增大，导致光调制器的功耗大。

本发明的一个方面的目的是降低光调制器的驱动电压。

发明内容

根据实施方式的一个方面，一种光器件包括形成于基板上的光调制器。该光器件包括：形成在基板上的用于光调制器的信号电极；形成在基板上的用于光调制器的接地电极；设置在信号电极和接地电极之间的区域中的光波导；形成于光波导与基板之间的第一缓冲区；以及形成于光波导与信号电极之间以及光波导与接地电极之间的第二缓冲区。第二缓冲区的介电常数高于第一缓冲区的介电常数。

附图说明

图1例示了包括光调制器的光器件的示例；

图2例示了传统光调制器的示例；

图3A和图3B例示了能够解决由图2所示的结构所引起的问题的光调制器的示例；

图4是光和信号的传播的说明图；

图5例示了根据本发明实施方式的包括光调制器的光器件的示例；

图6例示了根据本发明实施方式的光调制器的截面结构的示例；

图7例示了根据本发明实施方式获得的一种效果；

图8例示了根据本发明实施方式的光调制器的变型例；

图9A和9B例示了根据本发明实施方式的光调制器的其他变型例；以及

图10例示了根据本发明实施方式的光收发器的示例。

具体实施方式

图3A和图3B例示了可以解决由图2所示的结构所引起的问题的光调制器的示例。图3A和图3B还示出了图1中所示的光调制器的四个子调制器中的任何一个(即，马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ中的任何一个)。

在图3A所示的构造中，在LN基板1上形成有缓冲层11，在缓冲层11上形成有薄膜LN晶体层12。通过蚀刻薄膜LN晶体层12形成光波导WGa和WGb。光波导WGa和WGb是肋状波导并且包括平板。在薄膜LN晶体层12的上侧形成有缓冲层13。缓冲层11和13可以是SiO₂膜。信号电极21形成在光波导WGa和WGb之间的区域上方。接地电极22形成在光波导WGa和WGb的外侧区域中。

在这种构造中，光波导WGa和WGb被缓冲层11和13围绕，因此光将被充分限制在光波导内。因此，与图2中所示的构造相比，提高了从输入电信号到光信号的转换效率，并且能够降低光调制器的驱动电压。

然而，如上所述，通过蚀刻薄膜LN晶体层12形成光波导WGa和WGb(即，肋状波导)。需要精确控制执行蚀刻的深度以形成肋状光波导，因此难以生产光调制器。

在图3B所示的光调制器中，形成通道波导来代替图3A中所示的肋状波导。在这种情况下，通过蚀刻掉围绕光波导WGa和WGb的薄膜LN晶体来形成光波导WGa和WGb。因此，不需要精确地控制执行蚀刻的深度，因此光调制器的生产相对容易。

然而，在该构造中，与缓冲层11一样，由例如SiO₂形成设置于电极21和22与光波导WGa和WGb之间的区域中的缓冲层13。由LN晶体形成的光波导WGa和WGb的有效折射率与由SiO₂形成的缓冲层13的有效折射率不同。具体地，LN晶体的有效折射率为大约为2.2，并且SiO₂的有效折射率为约1.5。电磁波的传播速度取决于有效折射率。因此，通过光波导WGa或WGb传播的光的速度与通过缓冲层13传播的电磁波的速度不匹配。具体而言，通过缓冲层13传播的电磁波的速度高于通过光波导WGa或WGb传播的光的速度。

图4是光和信号的传播的示例图。在该示例中，光通过形成马赫-曾德尔干涉仪的一对光波导WGa和WGb传播。信号电极21形成于光波导WGa和WGb之间的区域中。接地电极22形成于光波导WGa和WGb外侧的区域中。RF信号被提供给信号电极21。RF信号指示传输数据。光的传播方向与射频信号的传播方向相同。

当将RF信号提供给信号电极21时，在信号电极21和接地电极22之间产生由RF信号引起的电场。该电场穿过光波导WGa和WGb。电场的变化随着RF信号的传播而传播。电场变化的传播方向与RF信号的传播方向相同。

然而，在如图3B所示的缓冲层13形成于电极21和22与光波导WGa和WGb之间的区域中的构造中，通过光波导WGa和WGb传播的光的速度将与通过缓冲层13传播的电磁波的速度不匹配。例如，当缓冲层13的有效折射率低于光波导WGa和WGb的有效折射率时，通过缓冲层13传播的电磁波的速度高于通过光波导WGa和WGb传播的光的速度。当通过光波导WGa和WGa传播的光的速度与通过缓冲层13传播的电磁波的速度不匹配时，输入RF信号需要具有更大的幅度以获得指定的光幅度。因此，需要增加光调制器的驱动电压。

实施方式

图5例示了根据本发明实施方式的包括光调制器的光器件的示例。根据本发明实施方式的光调制器100与图1所示的光调制器基本相同。因此，光调制器100包括用于产生偏振复用光信号的一对母马赫-曾德尔干涉仪X和Y。每个母马赫-曾德尔干涉仪X和Y中包括一对马赫-曾德尔干涉仪。因此，光调制器100包括四个马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ。当提供电信号时，每个马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ可以作为光调制器而工作。

光调制器100形成在LN基板1上。就此而言，通过在LN基板1的表面区域内形成光波导来构造每个马赫-曾德尔干涉仪。LN基板1可以是，但是不特别限于，X-切割LN基板。

光调制器100包括信号电极21、DC电极4a和4b以及接地电极。为每个马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ提供信号电极21。每个信号电极21被提供有指示传输数据的RF信号。RF信号由数字信号处理器(未示出)生成，经由驱动器51提供给相应的信号电极21，并由端接器(terminator)52端接。

为每个马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ提供DC电极4a。用于调整马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ的操作点的DC电压施加至DC电极4a。为每个母马赫-曾德尔干涉仪X和Y提供DC电极4b。用于调整相位差的DC电压被施加至DC电极4b。例如，用于调整马赫-曾德尔干涉仪XI和XQ之间的相位差的DC电压可以被施加至用于母马赫-曾德尔干涉仪X的DC电极4b，并且用于调整马赫-曾德尔干涉仪YI和YQ之间的相位差的DC电压可以被施加至用于母马赫-曾德尔干涉仪Y的DC电极4b。例如，相位差可以是π/2。

接地电极形成于LN基板1的表面上的既未形成有信号电极21也未形成有DC电极4a和4b的区域内。接地电极电连接至GND。注意，出于可见性的目的，在图5中省略了接地电极。

在光调制器100中，电信号分别提供给马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ。响应于此，马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ分别输出调制光信号XI、XQ、YI和YQ。从调制光信号XI和XQ生成调制光信号X，并且从调制光信号YI和YQ生成调制光信号Y。偏振光束组合器(PBC)53组合并输出调制光信号X和Y。

图6例示了根据本发明实施方式的光调制器100的截面结构的示例。图6示出了图5所示的光调制器100的四个子调制器中的任何一个(即，马赫-曾德尔干涉仪XI、XQ、YI和YQ中的任何一个)。例如，图6可以指示图5所示的子调制器XI的A-A截面。

在LN基板1的表面上形成有缓冲层11。缓冲层11可以是，但不特别限定于，氧化膜。在该示例中，氧化膜是SiO₂。

光波导WGa和WGb形成在缓冲层11的表面上。在该示例中，光波导WGa和WGb与LN基板1一样由LN晶体形成。例如，薄膜X-切割LN晶体可以形成在缓冲层11的表面上。然后，通过蚀刻等选择性地去除薄膜X-切割LN晶体来形成光波导WGa和WGb。例如，每个光波导WGa和WGb可以是高度2-3μm和宽度1-4μm。

缓冲区31形成在每个光波导WGa和WGb的侧部上。缓冲区31的高度等于光波导WGa和WGb的高度。例如，缓冲区31可以是宽度1-5μm。

缓冲区32形成在光波导WGa和WGb以及缓冲区31的上侧上。例如，缓冲区32可以与缓冲层11由相同的材料形成。即，缓冲区32也可以由SiO₂形成。

如上所述，每个光波导WGa和WGb被缓冲层11、缓冲区31和缓冲区32围绕。就此而言，光波导WGa和WGb的折射率高于缓冲器11、31和32的折射率。因此，光波导WGa和WGb用作芯，而缓冲器11、31和32用作包覆层。

缓冲区31与缓冲层11由不同的材料形成。具体而言，缓冲区31的介电常数与缓冲层11的介电常数不同。在该示例中，缓冲区31的介电常数高于缓冲层11的介电常数。

与缓冲层11相比，缓冲区31的介电常数被确定为接近光波导WGa和WGb的介电常数。例如，当缓冲层11由SiO₂形成时，缓冲层11的相对介电常数可以是4-6。例如，假设形成光波导WGa和WGb的LN晶体的相对介电常数为30。在这种情况下，缓冲区31形成为具有高于SiO₂的介电常数并接近30的相对介电常数。

例如，可以由通过将SiO₂与介电常数比SiO₂更高的物质混合而获得的材料形成缓冲区31。在这种情况下，缓冲区31可以由通过将SiO₂与TiO₂混合而获得的材料形成。TiO₂的相对介电常数约为50-80。因此，可以通过调整SiO₂和TiO₂之间的混合比，将缓冲区31的相对介电常数确定为期望值。

信号电极21设置于光波导WGa和WGb之间的区域中。接地电极22形成于光波导WGa和WGb外侧的区域中。因此，每个光波导WGa和WGb设置于信号电极21和接地电极22之间的区域中。缓冲区31设置于信号电极21和每个光波导WGa和WGb之间。类似地，在接地电极22与每个光波导WGa和WGb之间提供缓冲区31。换言之，缓冲区31a形成于每个光波导WGa和WGb的一侧，并且信号电极21形成为连接至缓冲区31a。缓冲区31b形成于每个光波导WGa和WGb的另一侧上，并且接地电极22形成为连接到缓冲区31b。

如上所述，每个光波导WGa和WGb设置于信号电极21和接地电极22之间。在电极(21和22)和光波导(WGa和WGb)之间的区域中提供缓冲区31。在该示例中，光波导由薄膜X-切割LN晶体形成。因此，当在信号电极21和接地电极22之间提供电压时，将在光波导内在与LN基板1的表面基本平行的方向上产生强电场。

缓冲区31的介电常数接近光波导WGa和WGb的介电常数。具体而言，缓冲区31的介电常数被确定为使得通过光波导WGa和WGb传播的光的速度与通过缓冲区31传播的电磁波的速度匹配或接近。因此，通过光波导WGa和WGb传播的光的速度与通过缓冲层31传播的电磁波的速度相匹配或接近。结果，与图3A和图3B所示的构造相比，能够减小获得特定光幅度所需的输入RF信号的幅度。因此，能够减小光调制器的驱动电压，从而能够降低光调制器的功耗。

在本发明的实施方式中，图4所示的“缓冲层”对应于缓冲区31。这里，增加缓冲区31的介电常数会增加缓冲区31对微波的有效折射率，使得通过缓冲区31传播的微波的速度可以接近于通过光波导传播的光的速度。

图7例示了根据本发明的实施方式获得的一种效果。图表的横轴表示用于驱动光调制器的RF信号的频率。纵轴表示E/O响应。E/O响应表示相对于输入电信号(在该示例中，RF信号)的幅度的输出光信号的强度或幅度。

在图3B所示的光调制器中，当RF信号的频率高时，E/O响应恶化。在图7所示的示例中，当RF信号的频率超过30GHz时，E/O响应急剧恶化。相比之下，在本发明的实施方式中，即使当RF信号的频率高时，E/O响应的恶化也是温和的。因此，在本发明的实施方式中，与图3B所示的构造相比，能够减小获得指定光幅度所需的输入RF信号的驱动电压。这种效果在RF信号的频率(即，传输数据的比特率)高时尤为突出。

如上所述，在本发明的实施方式中，缓冲区31的介电常数高于缓冲层11的介电常数，因此通过光波导WGa和WGb传播的光的速度与通过缓冲区31传播的电磁波的速度匹配或接近。就此而言，电磁波通过缓冲区31的传播速度与光通过光波导WGa和WGb的传播速度之间的差小于电磁波通过缓冲层11的传播速度与光通过光波导WGa和WGb的传播速度之间的差。因此，能够减小获得指定光幅度所需的输入RF信号的驱动电压。结果，降低了光调制器的功耗。另选地，假设图3B所示构造中的光调制器的驱动电压与本发明实施方式中的相应驱动电压相同，与图3B所示的构造相比，能够减小沿光波导形成的信号电极的长度。在这种情况下，能够减小光器件的尺寸。

注意，增加缓冲区31的介电常数可以改善图7所示的E/O响应。然而，过度增加缓冲区31的介电常数将使E/O响应恶化。因此，优选地，将缓冲区31的介电常数确定为适当的值，使得增强E/O响应。

另外，作为一般规则，为了将光充分限制在光波导WGa和WGb内，光波导WGa和WGb的折射率优选地充分高于围绕光波导WGa和WGb的缓冲区的折射率。因此，缓冲区31的材料优选地被确定为使得光被充分地限制在光波导WGa和WGb内。然而，如果光不能被充分地限制在光波导WGa和WGb内，则认为E/O响应将恶化。因此，确定缓冲区31的材料以增强E/O响应(优选地，优化E/O响应)将允许降低获得指定光幅度所需的输入RF信号的驱动电压。

图8例示了根据本发明实施方式的光调制器的变型例。与图6所示的构造相比，在图8所示的构造中没有提供缓冲区32。这意味着不需要提供图6中所示的缓冲区32，只要能够实现光和微波之间的速度匹配即可，无需在光波导WGa和WGb的上侧设置缓冲层。

在图8所示的构造中，不需要用于提供缓冲区32的过程，因此，与图6所示的构造相比，能够简化用于生产光调制器的方法。然而，由于光波导WGa和WGb的表面没有缓冲层保护，所以可能发生光散射。

图9A和图9B例示了根据本发明实施方式的光调制器的其他变型例。图9A示出了图6中所示的构造的变型例。图9B示出了图8中所示的构造的变型例。

在图6和图8所示的构造，缓冲区31的边缘位置分别与电极(21、22)的边缘位置相匹配。在这些构造中，缓冲区31和电极(21、22)之间可能存在由于生产误差等导致的间隙。这里，缓冲区31和电极(21、22)之间的间隙可以降低从电信号到光信号的转换效率，从而增加获得指定光幅度所需的输入RF信号的驱动电压。

在图9A和图9B所示的构造中，信号电极21的一部分与相应缓冲区31的一部分交叠，并且接地电极22的一部分与相应缓冲区31的一部分交叠。在这种情况下，即使在例如其中缓冲区31的宽度小于设计值的生产误差或者其中信号电极21与接地电极22之间的距离大于设计值的生产误差的情况下，在缓冲区31和电极(21、22)之间也将不可能形成间隙。因此，由于从电信号到光信号的转换效率没有降低，因此抑制了获得指定光幅度所需的输入RF信号的驱动电压的增加。注意，形成信号电极21和接地电极22的过程优选地包括在缓冲区31的侧表面上沉积诸如Ti之类的金属的过程。

图10例示了根据本发明实施方式的光收发器的示例。光收发器200包括光源(LD)201、光调制器202、光接收器203和数字信号处理器(DSP)204。

光源201例如是激光光源并且产生指定频率的连续波光。光调制器202通过用从DSP 204提供的传输信号调制由光源201产生的连续波光来产生调制光信号。光调制器202可以对应于图5中所示的光调制器100。光接收器203例如是相干接收器并且通过使用由光源201产生的连续波光来解调接收到的光信号。DSP 204根据从应用提供的数据产生传输信号。传输信号被提供给光调制器202。DSP 204从光接收器203解调的接收信号中恢复数据。

因此，光收发器200包括根据本发明实施方式的光器件作为光调制器。因此，能够同时实现光收发器的功耗降低和光收发器的小型化。

Claims (8)

1.一种光器件，该光器件包括形成于基板上的光调制器，该光器件包括：

信号电极，该信号电极用于所述光调制器，该信号电极形成在所述基板上；

接地电极，该接地电极用于所述光调制器，该接地电极形成在所述基板上；

光波导，该光波导设置在所述信号电极与所述接地电极之间的区域中；

第一缓冲区，该第一缓冲区形成于所述光波导与所述基板之间；以及

第二缓冲区，该第二缓冲区形成于所述光波导与所述信号电极之间以及所述光波导与所述接地电极之间，其中，

所述第二缓冲区的介电常数高于所述第一缓冲区的介电常数。

2.根据权利要求1所述的光器件，其中，

所述光波导由薄膜X-切割LN晶体形成。

3.根据权利要求1所述的光器件，其中，

所述第一缓冲区由SiO₂形成，并且

所述第二缓冲区由包含SiO₂的材料和介电常数比SiO₂更高的物质形成。

4.根据权利要求1所述的光器件，其中，

电磁波通过所述第二缓冲区的传播速度与光通过所述光波导的传播速度之差小于电磁波通过所述第一缓冲区的传播速度与光通过所述光波导的传播速度之差。

5.根据权利要求1所述的光器件，其中，

所述信号电极的一部分与所述接地电极的一部分分别形成为与所述第二缓冲区交叠。

6.根据权利要求1所述的光器件，该光器件还包括：

第三缓冲区，该第三缓冲区由与所述第一缓冲区相同的材料形成并设置在所述光波导的上侧上。

7.根据权利要求6所述的光器件，其中，

所述信号电极的一部分与所述接地电极的一部分分别形成在所述第三缓冲区的上表面上以与所述第二缓冲区交叠。

8.一种光收发器，该光收发器包括光调制器和光接收器，其中，

所述光调制器包括：

基板，

信号电极，该信号电极用于所述光调制器，该信号电极形成在所述基板上；

接地电极，该接地电极用于所述光调制器，该接地电极形成在所述基板上；

光波导，该光波导设置在所述信号电极与所述接地电极之间的区域中；

第一缓冲区，该第一缓冲区形成于所述光波导与所述基板之间；以及

第二缓冲区，该第二缓冲区形成于所述光波导与所述信号电极之间以及所述光波导与所述接地电极之间，其中，

所述第二缓冲区的介电常数高于所述第一缓冲区的介电常数。

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