JP7267202B2 - 変調電極に対して横方向に変位した伝導平面を有する高周波光変調器 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、３０１７年３月３日に出願された、「High Frequency Optical Modulator With Laterally Displaced Conduction Plane Relative to Modulating Electrodes」と題する、Chenらによる米国仮特許出願第６２／４６６，６９４号明細書の優先権を主張する、２０１７年３月１７日に出願された、「High Frequency Optical Modulator With Laterally Displaced Conduction Plane Relative to Modulating Electrodes」と題する、Chenらによる米国特許出願公開第１５／４６２，０９９号明細書の優先権を主張し、これらは参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、様々な情報伝達のための光通信において有用となる光変調器に関する。光変調器は、半導体光導波路に結合されたＲＦ伝送ラインで提供される高帯域幅ＲＦ変調に有用となる。

マッハツェンダー干渉計構造を組み込んだ光変調器を使用して、レーザ光源からの光などの光信号にＲＦ変調を加えることができる。ＲＦ変調は、光通信ネットワークを通じて遠隔位置に伝達するために、光信号内部の情報をエンコードできる。エンコードされた情報は、例えば、データ信号、音声信号、映像信号、及び／又は他の通信情報を含むことができる。

マッハツェンダー干渉計構造は、光信号を２つのアームに分割し、これらは再結合したときに干渉する。ＲＦ信号は、電磁ＲＦ信号による光導波路の屈折率の変化により、ＲＦ伝送ラインを使用して光信号に重畳される。光信号のより高い帯域幅に対応するためにＲＦ信号の周波数が増加するにつれて、ＲＦ信号を高忠実度で伝達して光信号を変調することはより困難になる。

第１の態様では、本発明は、サブマウント、ＲＦ信号を搬送するように設計された電気伝導経路、及び、基板と、光導波路の表面の少なくとも一部に沿った導電性要素を有する２つの半導体光導波路とを備える光チップ、を備える光変調器に関する。いくつかの実施形態では、光チップは、サブマウントに取り付けられ、光チップ基板は、サブマウントから離れる方向に向けられ、２つの半導体光導波路はサブマウントに向けられる。サブマウントは、光チップの導電性ＲＦ電極からオフセットした導電性平面を備えることができる。一般に、光チップは、対応する光導波路にそれぞれ隣接する２つの導電性ＲＦ電極と、導電性ＲＦ電極のうちの１つを、対応する光導波路の表面に沿って、対応する導電性要素に接続する追加の導電性要素と、をさらに備え、電気伝導経路は光チップの導電性ＲＦ電極に電気的に接続している。

更なる態様では、本発明は、マッハツェンダー干渉計と、マッハツェンダー干渉計と接合するＲＦ電極ペアとを備える光変調器に関し、マッハツェンダー干渉計は、光入力導波路に接続された光スプリッタと、光スプリッタに光学的に接続された２つの光導波路アームと、２つの光導波路及び出力導波路に光学的に接続された光コンバイナと、を備える。光導波路は、半導体光学材料を含むことができ、光導波路アームの表面の一部に電気接点を配置できる。前記対の各ＲＦ電極は、追加の電極によって、個々の光導波路上の電気接点に接続された伝送ライン電極を備えることができる。いくつかの実施形態では、接地平面は、伝送ライン電極から間隔を空けた別個の平面内にある。光変調器は、光通信信号を変調するための方法で使用することができ、この方法は、マッハツェンダー干渉計の２つの光導波路間で分割されたレーザ光を、ＲＦ伝送ラインに沿って伝送される別々のＲＦ電界にさらすことと、２つの光導波路からの光を再結合させて変調された光信号を形成することとを含む。更には、この方法は、４つのマッハツェンダー干渉計を有する光変調器の実施形態をさらに含むことができ、実施形態は、別々のＲＦ電界を各個別のマッハツェンダー干渉計に伝達することと、得られた光信号を直交位相状態と偏波状態で結合させることにより、光信号を多重化することとを含む。

別の態様では、本発明は、反転させた光チップをサブマウントに結合させることを含む、光変調器を形成する方法に関する。反転させた光チップは、光導波路を有するマッハツェンダー干渉計と、マッハツェンダー干渉計の別個のアームに関連付けられた２つのＲＦ電極とを備えることができる。サブマウントは、導波路構造の隣接表面に沿った電気接触点と整列した電気接点を備えることができる。サブマウントは、サブマウントの取付面から間隔を空けた接地平面を備えることができる。

サブマウントと接合した光チップを有する本願の光変調器の概略斜視図である。 図１の光チップ及びサブマウントの概略斜視図であり、光チップがサブマウントから切り離され反転され、サブマウントと接合する光チップの表面を示す。 図２の光チップの一部の部分拡大図である。 図１及び図２の変調器を線４で取った側断面図である。 図１及び図２の変調器を線５で取った側断面図であり、ブリッジ電極が示される。 図４と同じ線に沿った変調器の側断面図であり、サブマウントの代替実施形態を備える。 図５と同じ線に沿った変調器の側断面図であり、図６に示すサブマウントの代替実施形態を備える。 本願の変調器用の代表的な半導体光導波路のペアの側断面図であり、光導波路の上面に電気的接続を備えた対応する基板上にある。 伝送ラインＲＦ電極と接合する光導波路を有する光チップの部分斜視図である。 図９の構造の一部の拡大図である。 図１０の構造の一部の更なる拡大図であり、光導波路と接合する電気接点の概略図を示す。 光チップとサブマウントとの間の界面を示すために、図示していない光チップの基板を備えた本願の変調器の概略上面図である。 ＲＦマイクロストリップ伝送器と接合する４つのマッハツェンダー導波路を有する光変調器の部分概略図である。 図１３の光変調器の概略図であり、下地の構造を示すために光チップの一部が取り除かれている。 光伝送器の他の構成要素と接合する本願の光変調器の概略図である。 二重偏波直交位相変調(phase shift keying)方式変換器の概略図である。 偏波器及び偏波光結合器を通る、図１６のＸ出力導波路とＹ出力導波路の結合の概略図である。

光変調器は、伝導平面を有する取付け構造又はサブマウントと、ＲＦ電極と共に光導波路上に配置できるマッハツェンダー干渉計のアームのための光導波路を有する光チップとを使用して所望の高周波性能で形成することができる。伝導平面は、ＲＦ進行波をサポートする好都合な電気接地平面(ground plane)を提供し、ＲＦ進行波は、一般には半導体導波路であるが場合により他のタイプの電気光学導波路である光導波路を通じて伝送される隣接する光信号を変調する。得られる構成は、主に構造内部に電界を効果的に閉じ込め、隣接する構造との低クロストークをもたらす。一般に、得られる取付け構造は、ＲＦ伝送ラインを形成する。サブマウントへの光チップの直接取付けにより、関連する光学構成要素との一体化と整合する、製造効率をもたらす好都合なＲＦ電極構成が提供される。具体的には、ボール又はバンプの接合プロセスを使用して、整列された導電性要素間の電気的接続を形成し、それにより、導電性要素のうちの１つに関連付けられた金又は銀などの導電性金属の堆積物を加熱により流動化させて、導電性結合を、手作業で作製された接続がほとんどないか又は全くなく形成することができる。本明細書で説明する変調器は、４０ＧＨｚを超えるＲＦ周波数にて適切なブロードバンド信号変調を提供するように設計されており、これは、現況技術の光通信システム並びに将来期待されるシステムに望ましい。高ＲＦ周波数では、ＲＦ伝送速度を、半導体又は他の電気光学導波路を通る光伝送に適切に整合させるために、本明細書のＲＦ電極構成を適切に設計することができる。

光変調器を使用して、連続波光伝送に変調を導入して、光伝送を所望のデータ信号でエンコードすることができる。光伝送を変調するために、無線周波数（ＲＦ）伝送ラインが光導波路に近接して配置される。光信号の波長を、１５３０ｎｍ～１５６５ｎｍのＣバンド、又は１４６０ｎｍ～１５３０ｎｍのＳバンド、又は１５６５ｎｍ～１６２０ｎｍのＬバンドなどで動作するなどの光通信ネットワークに組み込むために選択することができる。

本明細書に記載の変調器は２つの光結合器／スプリッタを備えるマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を有し、２つの光導波路が結合器／スプリッタに接続してＭＺＩのアームを形成する。ＭＺＩアームの各々は、ＲＦ伝送器の電極と接合している。電極は一般に、例えば光導波路にほぼ平行に向けられた伝送ライン（各アームに１つ）を形成する少なくとも２つの電極からなる進行波電極である。伝送ライン電極に接続された一連の電極延長部又は導電性要素が、光導波路のより近位に配置される。具体的には、光導波路に直接隣接するこれら導電性要素は、ブリッジ導体を通して伝送ライン電極に接続されている。伝送ライン電極及び接続された要素、並びに接地からの電界が、光導波路材料の特性、従ってＭＺＩのアームの光信号と相互作用する。一般に、２つの対応する移動ＲＦ電極は、互いに逆位相（接地を基準にして逆電圧）で駆動される。光変調ゆえに、光信号の干渉は、ＭＺＩアームから再結合された場合に変調の関数として建設的に又は破壊的に干渉し、その結果、ＭＺＩ光回路からの伝送光信号はＲＦ信号に基づいて変調され、変調された光信号の受信機でのデコンボリューション(deconvolution)により、伝送光信号からエンコードされた情報を抽出することができる。

導波路を通る光信号の速度は、一般に半導体又は高屈折率誘電体である光導波路の屈折率に依存する。同様に、ＲＦ波の速度は、接地電極及び周囲の媒体と組み合わせたＲＦ伝送ライン電極の実効ＲＦ屈折率に依存する。典型的には、光導波路中の光信号の速度は、単純な対応する伝送ライン中の電気信号の速度とは著しく異なる。光信号と電気信号の速度が互いに十分に異なり、変調波長のオーダー、例えばセンチメートルのオーダーでウォークオフが生じる場合、変調によってエンコードされた信号は歪むか、減衰するか、又は失われる可能性がある。光導波路中の光伝搬の速度を相当な量だけ調整することは、一般的には非現実的である。従って、ＲＦ伝送速度を光伝搬速度に、よりよく整合させるために、ＲＦ伝送ラインの構造を設計する努力がなされてきた。ＲＦ周波数が増加して、より高い帯域幅が可能になるにつれてＲＦ波長は縮小し、それに応じて、ＲＦ伝送の光伝搬への整合は、より厳しい公差を用いて評価される。

ＲＦ電極並びに接地電極の設計はＲＦ伝送に影響を及ぼす。特に、電極の設計は、消費電力、変調効率、及びＲＦ伝送速度に影響を及ぼす。ＲＦ伝送速度が光伝搬に適切に整合するのと同時に、信号変調の望ましい程度を維持しながら、低消費電力、及び近くに取り付けられた他の変調器の間の低クロストークを得ることが望ましい。追加の制約として、変調器の電気インピーダンスを、ＲＦ源（外部発生器若しくは増幅器、又は同一パッケージ化(co-packaged)されたドライバを含むが、これらに限定されない）の出力インピーダンスに整合させるべきである。本明細書で説明する変調器の設計は、サブマウント上の変調器の位置、すなわち電気インピーダンスを整合させるための整合の自由度を提供し、好適な商業上の処理を提供しながら高性能を実現する取付構造を伴う。ＲＦ電極が、サブマウントに関連付けられた接地平面に向いているため、半導体チップとサブマウントとの間の空隙にそれほど敏感ではなく、ＲＦモードはサブマウント内に限定される。

本明細書における変調器構造に関して、マウントは、（ａ）半導体ベースの光導波路の表面の上に又は隣接して配置され、隣接する伝送ラインに接続された変調電極と、（ｂ）変調電極の平面から横方向に変位して間隔を空けた構成で支持された接地と、の間に横方向の変位、すなわち、同一平面上にない関係を提供する。ＲＦ信号が受ける実効ＲＦ屈折率は、構造に依存する。変調電極は一般に、光導波路が形成される基板に対して、半導体光導波路の「上部」に配置されるという意味で、光導波路構造は、支持構造に対して反転された構成で取り付けられる。一般に、半導体光導波路はｐ型にドープされた半導体層が変調ＲＦ電極に隣接して形成されるため、本明細書で説明する構造は「ｐ型ダウン」構造と呼ばれ得るが、トップ又はアップなどのいかなる参照も、複合構造での想定される方向への参照が必ずあり、その理由は、いかなる複合構造も自由空間内で移動させて、その構造の向きを変更することができるためである。本明細書における議論は、説明された構造に好都合な現在の商業上の処理アプローチに焦点を当てているが、構造自体は、商業上の処理が進化するにつれて、原則として所望の構造の直接ビルドアップを使用して形成することができ、そのようなアプローチは、個別の形成、及び光チップを取付構造に接続する取付けプロセスに対して競争力を有する可能性がある。

対照的に、高周波数変調に好適な同一平面上の接地電極の使用は、「Electrical Waveguide Transmission Device for Use With a Mach-Zehnder Optical Modulator」と題するProsykの米国特許第８，９１７，９５８Ｂ２号明細書（以下、‘９５８特許）に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。‘９５８特許は、効果的な光変調器を維持しながら伝送ライン変調器電極間の接地電極を取り除くことを意図した設計を有する。同一平面上に配置された接地導体を有する別のＲＦ光変調器の設計は、「Mach-Zehnder Optical Modulator Using a Balanced Coplanar Stripline With Lateral Ground Planes」と題するProsykの米国特許第９，０６９，２２３Ｂ２号明細書（以下、‘２２３特許）に示されており、参照により本明細書に組み込まれる。‘２２３特許は、「横方向の接地平面」を有する均衡の取れた同一平面上のストリップラインを使用して、消費電力の削減及びクロストークの削減と共に、より低い導波路容量を達成することを主張している。これらの用途とは対照的に、本明細書の変調器は、サブマウントに対して反転した構成でサブマウントに結合させ、サブマウントの内部で垂直に変位された接地平面を有することにより増強される。いくつかの実施形態では、横方向の接地平面は存在しない。垂直に変位した接地平面は、半導体光導波路をリンクする非接地の、すなわちフローティングの半導体伝導平面とは別個であり、フローティングの半導体伝導平面は一般に、本発明のシステムでは、導電性の接地平面から離れる、半導体光導波路に反対側にあることが特有である。

本明細書で説明されるＲＦ光変調器の実施形態を図１に示す。図１を参照すると、サブマウント１０４上に取り付けられた光チップ１０２を有する光変調器構造１００が示される。図２には分解又は分離した図が示され、結合構造を示すために、光チップ１０２がサブマウント１０４に対して回転している。図３は、光チップ１０２の一部の拡大図を示す。図２及び図３を参照すると、光チップ１０２は、基板１０８、２つの光導波路１１０、１１２、２つの伝送ラインＲＦ電極１１４、１１６、及び個々のブリッジ電極１１８、１２０を有する。伝送ラインＲＦ電極は、いくつかの実施形態では、約１０マイクロメートル～約３０マイクロメートルの幅とすることができ、個々の伝送ラインＲＦ電極１１４、１１６は、いくつかの実施形態では、約５０マイクロメートル～１５０マイクロメートル離して、互いに間隔を空けている場合がある。個々の伝送ラインＲＦ電極１１４、１１６は、それぞれボンドパッド１２２、１２４、及び１２６、１２８で終端する。サブマウント１０４は、基板１３０と、ボンドパッド１４０、１４２、１４４、１４６にそれぞれ接続された導電性ストライプ１３２、１３４、１３６、１３８と、導電性平面１４８とを備える。基板１３０は、窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミック材料、及び／又はポリカーボネート若しくはＰＥＴなどのポリマー材料を含むことができる。サブマウント１０４の導電性要素は、銅、銀、金、それらの合金などの金属膜で形成することができる。ボンドパッド１４０、１４２はそれぞれ、ボンドパッド１２２、１２４に取り付けられるように構成され、ボンドパッド１４４、１４６はそれぞれ、ボンドパッド１２６、１２８に取り付けられるように構成されている。導電性平面１４８は一般に接地されて、伝送ラインＲＦ電極１１４、１１６に接地を提供することができる。伝送ラインＲＦ電極１１４、１１６、及び導電性平面１４８（接地）は全体としてＲＦ伝送ラインを形成し、その中を電場及び磁場が光導波路を通って延びている。

光変調器１００の断面図を図４及び図５に示す。図５の断面は、図４では示されていないブリッジ電極を示すように位置付けられている。この図は、伝送ラインＲＦ電極１１４、１１６の、接地平面として機能する導電性平面１４８との空間的関係を示す。一般に、伝送ラインＲＦ電極１１４、１１６とサブマウントの上部との間の空隙は数十マイクロメートルのオーダーとすることができ、サブマウントの厚さは約１００マイクロメートルのオーダーとすることができる。代替的実施形態を図６及び図７に示す。この実施形態では、サブマウントの基板１５０は導電性平面１５２を、図４及び図５に示すような表面上ではなく、基板構造の内部に備える。そのような代替的実施形態では、サブマウントの厚さを固定せずに、所望のＲＦ性能を達成するように導電性平面から伝送ラインまでの距離を設計することができる。また、導電性平面を、ＲＦ伝送ラインから空隙を横断してサブマウントの上面に置くこともできるが、導電性平面をＲＦラインから更に距離を置いて、ＲＦライン内での管理されたＲＦモードの閉じ込め及びインピーダンスの制御を行うことが一般には望ましい。

一般に、これらのＭＺＩ方式の光変調器の場合、光導波路は半導体系材料とすることができる。半導体光導波路の基本的な例示的構造を、ＭＺＩの両方のアームを図示して図８に示す。図８を参照すると、光学構造１６０は、第１の光導波路１６２、第２の光導波路１６４、半導体支持体１６６、及びベース支持層１６８を備える。第１の光導波路１６２及び第２の光導波路１６４は各々、一般的に、ｐ－ｉ－ｎダイオード構造、又はより一般的には、ｃ－ｎ－ｃ（導電性－非導電性－導電性）構造を備えるが、所望の性能を提供するために、図示した層の内部に追加の層及び／又は副層を含むことができる。当業者によって認識されるように、本明細書での半導体材料との関連において、非導電性材料は完全な非導電性ではないが、非常に大きな電気抵抗を有し、導電性材料は金属と同様な導電性があるとは限らず、相対的な意味では、導電性材料は一般に、非導電性領域よりも導電率が少なくとも１０倍程度大きい導電率を有し、多くの実施形態では少なくとも１００倍程度大きい導電率を、更なる実施形態では少なくとも１０００倍程度大きく導電率を有し得る。具体的には、図示した実施形態では、第１の光導波路１６２は、電気接点１７０（ブリッジ電極に接続された）、ドープされた層（例えばｐ型にドープされた）又は導電層１７２、真性層又は非導電層１７４、及びドープされた層（例えばｎ型にドープされた）又は導電層１７６を備えることができ、第２の光導波路１６４は、電気接点１８０、ドープされた層（例えばｐ型にドープされた）又は導電層１８２、真性層１８４、及びドープされた層（例えばｎ型にドープされた）又は導電層１８６を備えることができる。第１の光導波路１６２及び第２の光導波路１６４は、あらゆる光学的相互作用を所望のレベルに低減させるために、十分な間隔を空けることができ、当業者は光導波路内の材料に基づいて適切な距離を見積もることができる。半導体支持体１６６は一般に、ドープされた又は導電性の半導体層を備えることができ、ベース支持層１６８は、真性の又は非導電性の半導体層を備えることができる。電気接点１７０、１８０は一般に、銀、金、白金又は銅などの金属層を備え、図３に示し、図９～図１１を参照してより明確に示すように、電気接点は光導波路の一部にのみ取り付けることができる。導波路の他の部分については、電気接点層なしで構造を同じにすることができる。好適な半導体又は他の光導波路基板は、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＮｂＯ_３、Ｓｉ、又は他の好適な材料を含む。導電性半導体を生成するのに好適なドーパントは、一般に、ｎドーパントとしてＳｉ、Ｓ、又はＰを、ｐドーパントとしてＺｎ、又はＢを、並びに他の好適なドーパント元素を含む。基板は、シリコン支持体などの光導波路構造を支持することができる。ベース支持層１６８は、所望のレベルの支持を提供するために、数十マイクロメートルから数百マイクロメートルの厚さを有することができる。残りの層は一般に、５０ナノメートル（ｎｍ）から５マイクロメートルのオーダーである。また、特定の光導波路設計の内部に追加の半導体層又は副層が存在する場合がある。ＩｎＰ系の変調器はコンパクトな変調器フォーマットの可能性を提供するが、従来設計における低インピーダンスが、電波と光波との間の相互作用長を制限する可能性がある。これらの問題に対処するためのアプローチは、Dummerらによる、“Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｕｎｄｅｒｃｕｔ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ－Ｗａｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ，”ＯＴＨＣ６ ｐａｐｅｒ，ＩＥＥＥ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ／Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ ２００８、に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。サブマウントの接地平面の位置はＲＦ伝送ラインモードのインピーダンスに影響するため、本明細書での変調器の設計は、商業生産に好適な処理アプローチで、これらの懸念に対する効果的なソリューションを提供する。

光チップの部分を連続的に拡大した図を図９～図１１に示す。これらの図では、ＭＺＩの２つのアームが、光導波路上に配置された電気接点への対応するブリッジを有する２つの対応する伝送ラインＲＦ電極と共に示されている。図９を参照すると、光チップ２００は、基板２０２、ＲＦ電極２０４、２０６、光導波路２０８、２１０、及び一般に適切にパターン形成された金属膜から形成される２組の電極ブリッジ２１２、２１４を備える。図１０の更なる拡大図を参照すると、電気ブリッジ２１２、２１４の、対応する光導波路２０８、２１０に取り付けられた電気接点２１６、２１８への接続。電気接点２１６、２１８は、光導波路２０８、２１０の選択された部分を覆っている。電気接点は、図８の構造の電気接点１７０、１８０に対応する。図１１の更なる拡大図を参照すると、ドープされた又は導電性の基板２２０、及びベース基板２２２は、光導波路２０８、２１０に関連付けて見ることができる。ドープされた又は導電性の基板２２０、及びベース基板２２２はそれぞれ、図８の構造における半導体支持体１６６、及びベース支持層１６８に対応する。

変調器２５０の構成要素のより大きな一体化を、図１２の例示的実施形態に対して示し、組み立てた構成の光チップとサブマウントとの界面を示すために、光チップ基板及び重なり合うあらゆる要素を透明にしている。この描写の結果、この図では光チップとサブマウントは容易には区別できないが、他の図では区別可能である。図１２を参照すると、光導波路２５２、２５４は、それらの端部で結合器／スプリッタ２５６、２５８と接続する。光結合器／スプリッタ２５６の入力導波路２６０は、変調器２５０の端部で光コネクタ２６２に光学的に接続されて、光ファイバ、又はレーザ構造などの別のデバイスの光導波路、への取付けを提供する。いくつかの実施形態では、結合器／スプリッタ２５６の入力導波路２６０は、光コネクタと直接に接合する代わりに、光チップ上の追加の組み込まれた光学要素と接合することができる。光結合器／スプリッタ２５８は、出力導波路２６４と接合する。

伝送ラインＲＦ電極２７０、２７２はブリッジ電極２７４、２７６を通して、それぞれ光導波路２５２、２５４に接続する。伝送ラインＲＦ電極２７０は、導電性パッド２８０、２８２と接続し、導電性パッド２８０、２８２は、それぞれ、導電性パッド２８０、２８２にて終端する導電性要素２８８、２９０に電気的に接触している。伝送ラインＲＦ電極２７２は、導電性パッド２８４、２８６と接続し、導電性パッド２８４、２８６は、それぞれ、導電性パッド２８４、２８６にて終端する導電性要素２９２、２９４に電気的に接触している。導電性要素２８８、２９０、２９２、２９４は、サブマウントによって支持されている。導電性パッド２８０、２８２、２８４、２８６は、光チップ上の光導波路に沿った電極を、サブマウント上に支持された電極と接続させる。導電性要素２８８、２９０、２９２、２９４に関連付けられた接続パッドは、変調信号を提供することに関連付けられたＲＦ発生器、及び好適なインピーダンス整合ＲＦ終端ネットワークに、結線されるか又は他の方法で電気的に接続できる。

現況技術のコヒーレント光通信での使用のために、４つのＭＺＩ方式の変調器要素を互いに関連付けてグループ化することが望ましい場合があるが、例えば１つ、２つ、又は３つの、より少ないＭＺＩ方式の変調器を単一の光チップに統合して、更に統合された構造に基づいて、コヒーレント又は非コヒーレントの通信信号を伝送することができる。当該技術分野で使用される場合、コヒーレントとは、光学場の振幅並びに位相の両方、及びその偏波で情報を搬送する光通信信号を指す。これらの信号では、通常、光信号の２つの直交偏波状態がそれぞれ２つの光の位相と振幅に応じて独立して変調され、次いで伝送用に再結合され、これを合わせて偏波多重化（ＰＭ）と呼ぶことができる。埋め込まれたＭＺＩに様々な電気変調方式を適用することにより、種々の標準形式のコヒーレントな光コンステレーションを生成して、データ伝送をエンコードできる。例えば、各偏波の光出力が一定の振幅であり、９０度離れた４つの光位相のうちの１つに変調される場合、これは慣例的に「直交位相変調」（ＱＰＳＫ）と称される。この方法で使用する場合、説明した４－ＭＺＩ構成は「ＰＭ－ＱＰＳＫ」コヒーレント光伝送を提供する。これにより、伝送される光シンボルの各々に４つのバイナリ「ビット」情報が提供される（偏波毎に、４つの可能な位相のうちのいずれか２偏波に２ビットを乗じたもの）。代替として、変調を介して伝送された偏波の各々の位相及び振幅の両方を変化させることが可能である。これは慣例的に「ｎＱＡＭ」（ｎ直交振幅変調、「ｎ」は許容されたパレット内の位相振幅状態の数）と呼ばれる。典型的には、望ましい変調パターンは、１６ＱＡＭ（偏波毎に４ビット）及び６４ＱＡＭ（偏波毎に６ビット）を含む。本明細書で説明する４－ＭＺＩ構成グループは一般に、既存のコヒーレント伝送フォーマット（例えば、ＰＭ－ＱＰＳＫ、ＰＭ－１６ＱＡＭ）、又は新しいフォーマット（例えば、ＰＭ－６４ＱＡＭ、又はその他）のいずれの伝送をサポートするのにも最適である。本出願の時点で広く採用されている用語ではないが、これら及び他の好適なコヒーレント形式は全て、容易に認識される用語「ＰＭ－ＩＱ」（偏波多重化、同相／直交振幅）の下で集めることができる。従って、本明細書で例として説明する４－ＭＺＩの実施形態は、ＰＭ－ＩＱ変調器と称される場合がある。もちろん、ＭＺＩ方式の変調器のより大きなグループを、任意選択的に４の倍数で、一緒にパッケージ化して、例えば複数の独立した光波長のＰＭ－ＩＱ変調を提供することができる。便宜上、パッケージングのより具体的な説明をサポートするため、直後の説明では４つのＭＺＩ方式の変調器要素を有する変調器構造に焦点を当てている。

組み立てのために、光チップは、ＣＶＤやフォトリソグラフィなどの適切なパターン形成及び層構築プロセスを使用して形成される。金属電極の適用のために、スパッタリング、他の化学的又は物理的蒸着手法、硬化させて金属膜形成ができる導電性ペーストなどを使用することができる。光学構成要素は、例えば、平滑なＩｎＰ又はシリコンウェハ上に形成し、次にダイシングして個々の構成要素を形成することができる。金属電極は、ブリッジ電極、及び適切な支持構造上に支持されたブリッジ電極を経由した、光導波路上の電気接点と共に、ＲＦ伝送ラインの一部として追加され、サブマウントへの接続ポイントを提供する。サブマウントは、プリント回路基板、フレックス回路、セラミック、金属層スタック、又は、絶縁された基板と設計された電気的接続を有する望ましい構造を提供する他の同様の構造とすることができる。市販のプリント回路基板、フレックス回路、セラミック、又はその他の適切な構造が適切な厚さを有する場合、光チップの遠位の表面に沿って導電層を接地平面として配置することができる。代替として、サブマウントは、例えば、上述のようにサブマウントの内部に、又は光チップから空隙を横断して近位表面に沿って、接地として適切に他の場所に配置された導電性平面と共に構築することができる。光チップを反転させてサブマウントの上に置くことができる。サブマウントは絶縁支持要素を備えて、光チップの少なくとも一部を、サブマウントの表面から間隔を空けた関係で支持することができる。支持要素は、例えば、ガラスポスト、セラミックポストなどでもよい。光チップ電極との電気的接続はワイヤボンディングによって行うことができるが、いくつかの実施形態では、サブマウント上の結合用のボンディングパッドを使用して適切な組み立てを実施することができ、それにより、光チップをサブマウントと位置合わせすることにより、各サブマウント上のボンディングパッドが整列し、次に、半田のリフローなどで接続させることができる。いくつかの実施形態では、導電性金属ボンディングボール又はパッドが、サブマウント上の光チップを支持するのに適切な寸法を有することができ、その場合、絶縁ポストなどを置き換えることができる。ワイヤボンディングボールは好適な位置に配置されることになるため、要素間に対応する絶縁構造がなくて導電性となるという懸念はない。他の好適な処理アプローチを使用することができる。

図１３を参照すると、サブマウント３０４上に支持された光チップ３０２を有する変調器３００の断片図が示される。光チップ３０２はチップ上に取り付けられた４つのＭＺＩ構造３１０、３１２、３１４、３１６を有して、各ＭＺＩ変調器構成要素からの４つの別々に変調された偏波と振幅位相状態との結合に続いて生じるコヒーレント光信号を変調させる。ガラスポスト又はワイヤボンドボール３１８が、サブマウント３０４上に取り付けられた光チップ３０２を支持する。図１３に示すように、各ＭＺＩ構造３１０、３１２、３１４、３１６にそれぞれ関連付けられた光導波路３２０、３２２、３２４、３２６のペアが、光導波路上の電気接点に接続された伝送ラインＲＦ電極間の変調ゾーンを通過し、変調ゾーンの両端に続いている。図１２で示唆されるように、各ペアの２つのアームは両端で光コンバイナ／スプリッタに導かれ、また次に４つのＭＺＩ要素からの４つの光信号が光コンバイナと組み合わされて、遷移用の変調出力光信号が形成され得る。各伝送ラインＲＦ電極は、各端部で又はその近くでボンドパッドに接続され、サブマウント３０４上の電極３３０に電気的に接続される。この実施形態では、伝導平面３３２がサブマウント３０４の下面に配置されて示されるが、サブマウント３０４の内部の位置も同様に有効になる。サブマウント３０４は、データ伝送のための所望の変調を提供するＲＦ発生器との電気的接続を直接的又は間接的に提供する。図１４を参照すると、光チップの一部が除去された変調器３００の代替図が示される。

本明細書で説明される変調器の概略レイアウトを、光通信伝送器の一部として図１５に示す。半導体ダイオードレーザ又はレーザアレイなどのレーザ３５０は、変調器３５４と接合する導波路又は光ファイバなどの光チャネル３５２に光出力を導く。適切な光学要素を通して、変調器３５４は最終的に、一般に変調器３５４から離れた位置への伝送のための光通信ネットワークの一部である光ファイバ３５６と接合する。変調器３５４は一般に、電気終端３６２を有する適切な電気的接続３６０を通して、ＲＦ発生器３５８にも電気的に接続されている。変調器３５４は一般に、望ましい変調器機能を提供するために、本明細書で説明される様々な設計を有することができる。図１５に示す入力及び出力構成要素との変調器３５４の接続には、平面構成要素、自由空間構成要素、又はそれらの組み合わせと併せて、適切なコネクタ、例えば平面光波回路を互いに接続するため及び／又は光ファイバを平面光波回路に接続するための、当該技術分野において既知のコネクタを使用することができる。

図１６を参照すると、対応する変調器用のコヒーレント光チップ３８０のレイアウトが示される。コヒーレント光チップ３８０は光スプリッタ３８４に接続された入力導波路３８２を備え、入力導波路３８２は、分割された導波路３８６、３８８によって、変調マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）３９０の第１の結合ペアと、変調ＭＺＩ３９２の第２の結合ペアに接続されている。変調マッハツェンダー干渉計の結合ペアは、コヒーレント光通信技術の用語に基づき、Ｉ－Ｑペアと呼ばれる場合がある。変調ＭＺＩ３９０の第１の結合ペアは、光スプリッタ４００、第１のＭＺＩ４０２、第２のＭＺＩ４０４、光スプリッタ４００を第１のＭＺＩ４０２及び第２のＭＺＩ４０４に接続する入力分割導波路４０６、４０８、光結合器４１０、光結合器４１０を第１のＭＺＩ４０２及び第２のＭＺＩ４０４に接続する出力分割導波路４１２、４１４、及びＸ出力導波路４１６を備える。第１のＭＺＩ４０２は、光スプリッタ４２０、第１のＭＺＩアーム４２２、第２のＭＺＩアーム４２４、及び光結合器４２６を備える。ＲＦ電極４２８、４３０は、本明細書に記載した適切な電気的接続を有して、第１のＭＺＩアーム４２２及び第２のＭＺＩアーム４２４とそれぞれ接合する。同様に、第２のＭＺＩ４０４は、光スプリッタ４４０、第１のＭＺＩアーム４４２、第２のＭＺＩアーム４４４、及び光結合器４４６を備える。ＲＦ電極４４８、４５０は、本明細書に記載した適切な電気的接続を有して、第１のＭＺＩアーム４４２及び第２のＭＺＩアーム４４４とそれぞれ接合する。変調ＭＺＩ３９２の第２の結合ペアは、光スプリッタ４６０、第３のＭＺＩ４６２、第４のＭＺＩ４６４、光スプリッタ４６０を第３のＭＺＩ４６２及び第４のＭＺＩ４６４に接続する入力分割導波路４６６、４６８、光結合器４７０、光結合器４７０を第３のＭＺＩ４６２及び第４のＭＺＩ４６４に接続する出力分割導波路４７２、４７４、及びＹ出力導波路４７６を備える。第３のＭＺＩ４６２及び第４のＭＺＩ４６４は、第１のＭＺＩ４０２及び第２のＭＺＩ４０４と同様の構造を備えるが、図面を簡略化するために図面ではラベル表示されていない。光チップ３８０は単一の平面光学構造として説明されているが、いくつかの実施形態では、光チップ３８０について説明された機能は、図１６の破線で分割された３つ以上の平面光学構造５００、５０２、５０４に分割し、それらの間を接続する好適な光結合を有するようにすることができる。光学構造５００は、ＭＺＩを形成する半導体導波路を備える光チップであり、光学構造５０２、５０４は、例えば、スプリッタ及びコンバイナ、並びに関連する光学構成要素を形成するシリカガラス導波路を備える光チップとすることができる。

偏波依存性を導入するために、Ｘ出力信号及びＹ出力信号に基づいて偏波器及び偏波ビームコンバイナを使用することができる。図１７を参照して、Ｘ出力導波路４１６は９０度偏波器５１０、例えば波長板、と接合し、９０度偏波器５１０はこの信号に対して偏波を回転させる。偏波器５１０からの偏波導波路５１２は、Ｙ出力導波路４７６にも接続されている偏波ビームコンバイナ５１２に導かれる。偏波ビームコンバイナ５１２は、出力を偏波多重化出力導波路５１４に導く。図１７に示す構造は、得られた光信号を直交位相状態と偏波状態で結合させることにより、光信号の多重化を実施する。偏波ビームコンバイナは、例えば、「Polarization Beam Combiner/Splitter,Polarization Beam Combining/Splitting Structure,Light Mixer,Optical Modulator Module,and Method for Manufacturing Polarization Beam Combiner/Splitter」と題するYamazakiの米国特許第９，４４２，２４８号明細書に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。

上記の実施形態は例示的であることを意図しており、限定する意図はない。追加の実施形態は特許請求の範囲内にある。加えて、特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細を変更できることを理解するであろう。上記の文書の参照による組み込みは、本明細書の明示的な開示に反する主題が組み込まれないように制限される。本明細書において、特定の構造、組成物、及び／又はプロセスが構成要素、要素、成分、又は他の部分と共に記載されている限りにおいて、本明細書における開示は、特定の実施形態、及び特定の構成要素、要素、成分、他の部分、又はこれらの組み合わせを含む実施形態、並びに主題の根本的な性質を変えない追加の特徴を含み得る、そのような特定の構成要素、成分、若しくは他の部分、又はこれらの組み合わせから本質的になる実施形態を、特に断りのない限り、議論で示唆されるように、網羅することを理解されたい。

Claims (20)

1. サブマウント、ＲＦ信号を搬送するように設計された電気伝導経路、及び、
   基板と、光導波路の表面の少なくとも一部に沿った導電性要素を有する２つの半導体光導波路とを備える光チップ、を備える光変調器であって、
   前記光チップは、前記サブマウントに取り付けられ、前記光チップ基板は、前記サブマウントから離れる方向に向けられ、前記２つの半導体光導波路は前記サブマウントに向けられ、
   前記サブマウントは、前記光チップの導電性ＲＦ電極からオフセットし、サブマウントの内部またはサブマウントの下面に配置された導電性平面を備え、
   前記光チップは、対応する光導波路にそれぞれ隣接する２つの導電性ＲＦ電極と、前記導電性ＲＦ電極のうちの１つを、対応する前記半導体導波路の表面に沿って、対応する前記導電性要素に接続して進行波電極構造を形成する追加の導電性要素と、をさらに備え、
   前記電気伝導経路は、前記光チップの前記導電性ＲＦ電極に電気的に接続しており、
   前記光チップは、前記半導体光導波路を備えた横方向の接地平面を含まない、光変調器。
2. 前記光チップは、前記半導体光導波路の端部にそれぞれ接続された２つの光結合器／スプリッタをさらに備える、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記光結合器の一方がレーザ光源に光学的に接続され、前記光結合器／スプリッタの他方が光ファイバに光学的に接続されている、請求項２に記載の光変調器。
4. 前記電気伝導経路は、前記サブマウント上にあり、
   追加の導電性材料が、前記導電性ＲＦ電極と、前記サブマウント上の前記電気伝導経路との間に電気的接続を形成する、請求項１～３のいずれか一項に記載の光変調器。
5. 前記電気伝導経路は、ＲＦ源に接続されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の光変調器。
6. 前記光チップ上の位置と前記サブマウントとの間に、光モジュールを安定化させる絶縁性ポストをさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の光変調器。
7. マッハツェンダー干渉計と、前記マッハツェンダー干渉計と接合する進行波ＲＦ電極のペアとを備える光変調器であって、
   前記マッハツェンダー干渉計は、光入力導波路に接続された光スプリッタと、
   前記光スプリッタに光学的に接続された２つの光導波路アームと、
   前記２つの光導波路及び出力導波路に光学的に接続された光コンバイナと、を備え、
   前記光導波路は、半導体光学材料を含み、
   前記光導波路アームの表面の一部に電気接点が配置され、
   前記ペアの各ＲＦ電極は、追加の電極によって、各個々の光導波路上の複数の電気接点に接続された伝送ライン電極を備え、
   前記伝送ライン電極から間隔を空けた別個の平面内に接地平面があり、ＲＦ電極用の接地を提供して電界を閉じ込めており、
   前記マッハツェンダー干渉計は、前記半導体光導波路を備えた横方向の接地平面を含まない、光変調器。
8. 前記半導体光導波路の各々は、真性又は非導電性の半導体のベース層と、
   前記ベース層に対して前記真性半導体層の上部にある、ドープされた又は導電性の半導体層と、
   前記ベース層に対して第１の前記ドープされた又は導電性の半導体層の上部にある、第２の真性又は非導電性の半導体スタック層と、
   前記第２の真性又は非導電性の半導体スタック層の上部のｎ－ｃ－ｎ－ｃ構造であって、ｎは非導電性を示し、ｃは導電性を示す構造を形成する、ドープされた又は導電性の半導体層と、を備える、請求項７に記載の光変調器。
9. サブマウントをさらに備え、
   前記半導体光導波路の少なくとも一部が、前記サブマウントと共に組み立てられた光チップ上に組み込まれ、
   前記サブマウントは、前記接地平面を備える、請求項７又は８に記載の光変調器。
10. 前記光チップ上の位置と前記サブマウントとの間に、前記光モジュールを安定化させる導電性ワイヤボンドボールをさらに備える、請求項７に記載の光変調器。
11. １つの追加のマッハツェンダー干渉計と、
    前記追加のマッハツェンダー干渉計に関連付けられた１つの追加のＲＦ電極のペアとをさらに備え、
    前記追加のマッハツェンダー干渉計は、光入力導波路に接続された光スプリッタと、
    前記光スプリッタに光学的に接続された２つの光導波路アームと、
    前記２つの光導波路及び出力導波路に光学的に接続された光コンバイナと、を備え、
    前記マッハツェンダー干渉計の各々の前記入力導波路の２つが、スプリッタを通して単一の光入力に接続され、
    前記マッハツェンダー干渉計の各々の前記出力導波路の２つが、コンバイナによって単一の光出力に接続され、
    前記光導波路は、半導体光学材料を含み、
    前記光導波路アームの表面の一部に電気接点が配置され、
    前記ペアの各追加ＲＦ電極は、追加の電極によって、個々の光導波路上の電気接点に接続された伝送ライン電極と、
    前記伝送ライン電極から間隔を空けた別個の平面内の接地平面と、を備え、
    得られる構造が、変調マッハツェンダー干渉計の（第１の）Ｉ－Ｑペアと称される、請求項７～１０のいずれか一項に記載の光変調器。
12. 変調マッハツェンダー干渉計の結合された第２のＩ－Ｑペアと、
    得られる４つのマッハツェンダー干渉計からの光信号を結合するように構成された光スプリッタとをさらに備え、
    前記２つの出力導波路は、偏波結合要素によって光学的に結合されて、偏波多重化信号を生成する、請求項１１に記載の光変調器。
13. 請求項７に記載の光変調器を用いて光通信信号を変調する方法であって、
    前記マッハツェンダー干渉計の前記２つの光導波路間で分割されたレーザ光を、ＲＦ伝送ラインに沿って伝送される別々のＲＦ電界にさらすことと、
    前記２つの光導波路からの光を再結合させて、変調された光信号を形成することとを含む、方法。
14. 請求項１２に記載の光変調器を用いて光通信信号を変調する方法であって、
    別々のＲＦ電界を前記マッハツェンダー干渉計の各々に個別に伝達することと、
    得られた光信号を直交位相状態と偏波状態で結合させることにより、光信号を多重化することとを含む、方法。
15. 光変調器を形成する方法であって、
    光導波路を有するマッハツェンダー干渉計と、前記マッハツェンダー干渉計の別個のアームに関連付けられた２つの進行波ＲＦ電極とを備える反転させた光チップを、前記導波路の構造に隣接する表面に沿った電気接触点に整列された電気接点を備えるサブマウントに結合させることを含み、
    前記サブマウントは、前記サブマウントの取付面から間隔を空け、サブマウントの内部またはサブマウントの下面に配置された接地平面を含み、
    前記マッハツェンダー干渉計は、前記半導体光導波路を備えた横方向の接地平面を含まない、方法。
16. 前記接地平面が、前記サブマウントの内部にある、請求項１５に記載の方法。
17. 前記接地平面は、前記光チップから離れる方向に向けられた前記サブマウントの表面上にある、請求項１５に記載の方法。
18. 前記光変調器は、前記光チップ上の位置と前記サブマウントとの間に、光モジュールを安定化させる絶縁性ポストをさらに備え、
    前記サブマウントの電気接点は、ＲＦ源に電気的に接続されている、請求項１５～１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記マッハツェンダー干渉計は、光入力導波路に接続された光スプリッタと、
    前記光スプリッタに光学的に接続された２つの光導波路アームと、
    前記２つの光導波路及び出力導波路に光学的に接続された光コンバイナと、を備え、
    前記光導波路は、半導体材料を含み、
    前記光導波路アームの表面の一部に電気接点が配置され、
    前記ペアの各ＲＦ電極は、追加の電極によって、個々の光導波路上の電気接点に接続された伝送ライン電極を備える、請求項１５～１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記光変調器は、マッハツェンダー干渉計の２つの結合されたペアと、４つの前記マッハツェンダー干渉計からの光信号を結合するように構成された光スプリッタであって、前記２つの出力導波路が偏波結合要素によって光学的に結合されて偏波多重化信号が生成される、光スプリッタと、を備え、
    前記マッハツェンダー干渉計の各ペアは、２つのマッハツェンダー干渉計及びＲＦ電極の２つのペアを備え、前記ペアの各々は対応するマッハツェンダー干渉計に関連付けられ、
    前記マッハツェンダー干渉計の各々は、光入力導波路に接続された光スプリッタと、前記光スプリッタに光学的に接続された２つの光導波路アームと、前記２つの光導波路及び出力導波路に光学的に接続された光コンバイナと、を備え、
    前記マッハツェンダー干渉計の各々の前記２つの入力導波路は、スプリッタを通して単一の光入力に接続され、
    前記マッハツェンダー干渉計の各々の前記２つの出力導波路は、コンバイナによって単一の光出力に接続され、
    前記光導波路は、半導体光学材料を含み、
    前記光導波路アームの表面の一部に電気接点が配置され、
    前記ペアの各ＲＦ電極は、追加の電極によって、個々の光導波路上の電気接点に接続された伝送ライン電極を備え、
    前記伝送ライン電極から間隔を空けた別個の平面内に接地平面がある、請求項１５～１９のいずれか一項に記載の方法。

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