JP7553003B2 - 電気光変調器、光チップ及び集積チップ - Google Patents

Description

本願の実施形態は、電気光変調の分野、特に、電気光変調器、光チップ、及び集積チップに関するものである。

光通信技術の発展に伴い、通信における光ネットワークの応用が普及している。例えば、インターネットを利用するために光ファイバブロードバンドを採用するユーザが増えている。ユーザがインターネットを利用するために光ファイバブロードバンドを採用する場合、電気光変調器を配備する必要がある。電気光変調器は、電気信号を光信号に変調するように構成することができる。

既存の電気光変調器では、変調電極設計の駆動モードは、単端子交流結合の方法を採用している。キャパシタやインダクタなどの周辺回路は、信号処理のために配置する必要がある。結果として、構造が複雑で、サイズが比較的大きく、コストが高く、部品の小型化につながらない。

本願の実施形態は、電気光変調器の複雑な周辺回路、高コスト及び大きなサイズの問題を解決するために、電気光変調器、光チップ及び集積チップを提供する。

前述の目的を達成するために、本願は、以下の技術的ソリューションを採用する。本願の実施形態の第１態様によると、電気光変調器が提供される。電気光変調器は、基板の表面に配置される。電気光変調器は、基板上に配置される光導波路層と、光導波路層上に配置される変調電極と、変調電極上に配置され、変調電極と電気的に結合される金属電極とを含む。金属電極の第１端は無線周波数ドライバに結合されている。金属電極は、無線周波数ドライバによって入力された変調信号を受信するように構成されている。変調電極は、変調信号に基づいて光導波路層上で電気光変調を行うように構成される。金属電極の第２端は直流電圧端に結合され、直流電圧端は電圧信号を入力し、金属電極を使用して無線周波数ドライバにバイアス電圧を提供するように構成される。このように、変調電極は金属電極を用いて無線周波数ドライバの信号出力端に電気的に結合され、金属電極を用いて直流電圧端から入力される電圧信号を受けてよい。更に、金属電極は直流電圧端に結合されているため、無線周波数ドライバに電力を供給するために金属電極を多重化することができる。電気光変調器は金属電極を多重化し、開路直流結合によって電気光変調器のドライバに電力を供給する。複雑な周辺回路を配置する必要がないため、電気光変調器のコストとサイズが削減され、装置の小型化につながる。

任意的な実装では、光導波路層は基板に平行な電気光学結晶層を含む。変調電極とリッジ導波路は、電気光結晶層の、基板から離れた側に配置される。変調電極は、リッジ導波路の２つの側に配置される。変調電極は、リッジ導波路によって伝送される光波に対して電気光変調を行うように構成される。このようにして、変調電極間にキャパシタを形成することができる。リッジ導波路によって伝送される光波に対して電気光変調を行うために、キャパシタ結合によって電界を形成することができる。

任意的な実装では、電気光変調器は基板の表面に配置された絶縁層をさらに含む。光導波路層と変調電極は絶縁層に位置する。変調電極表面の絶縁層に開口部が配置され、その開口部に金属電極が形成される。このように、絶縁層に変調電極を配置することで、変調電極の短絡を回避する。

任意的な実装では、光導波路層は対称的に配置された第１分岐と第２分岐を含む。第１分岐の入力端は第２分岐の入力端に結合され、第１分岐の出力端は第２分岐の出力端に結合される。変調電極の第１端は第１分岐と第２分岐の入力端に結合され、変調電極の第２端は第１分岐と第２分岐の出力端に結合される。変調電極の第１端は無線周波数ドライバの信号出力端に結合され、変調電極の第２端は終端抵抗に結合され、変調電極の第２端は直流電圧端に結合される。第１分岐から出力される光信号の位相は、第２分岐から出力される光信号の位相と反対である。このように、プッシュプル変調方式が実装され、変調効率が向上する。

任意の実装では、変調電極は第１電極対と第２電極対を含み、第１電極対は第１分岐の２つの側に対称的に配置され、第２電極対は第２分岐の２つの側に対称的に配置される。このように、第１電極対と第２電極対は、第１分岐と第２分岐とで別々に変調を行うことができる。また、変調電極は対称構造を採用しているため、チャープフリー変調を実現でき、信号の伝送品質を確保することができる。

任意的な実装では、第１電極対の第１端は無線周波数ドライバの信号出力端に結合される。第１電極対の第２端は第２電極対の第１端に結合される。第２電極対の第２端は直流電圧端に結合される。第１分岐と第２分岐は各々第１部分と第２部分を含む。第１分岐の第１部分は第２分岐の第１部分と反対であり、第１分岐の第２部分は第２分岐の第２部分と反対である。第１電極対は第１分岐の第１部分の両側に配置され、第２電極対は第２分岐の第２部分の両側に配置される。第１分岐の分極方向は第２分岐の分極方向と反対である。第１電極対により第１分岐に印加する電界の方向は、第２電極対により第２分岐に印加する電界の方向と同じである。そのため、動作中は、まず無線周波数ドライバの信号出力端を使用して電気光変調器の第１電極対に無線周波数信号をロードし、次に電気光変調器の第２電極対にロードする。第１電極対及び第２電極対は直列に結合され、第１電極対により第１分岐に印加する電界の方向は第２電極対により第２分岐に印加する電界の方向が同じになるようにする。第１分岐の分極方向と第２分岐の分極方向が逆になるため、最終的に第１分岐から出力される光信号の位相と第２分岐から出力される光信号の位相が逆になる。そのため、周辺回路を導入せずにプッシュプル変調方式を実装し、その結果、変調効率を向上させ、電気光変調器のサイズを小さくすることができる。

任意的な実装では、変調電極はさらに第３電極対を含む。第１電極対の第１端は無線周波数ドライバの信号出力端に結合され、第１電極対の第２端は第２電極対の第１端に結合される。第３電極対の第１端は第２電極対の第２端に結合され、第３電極対の第２端は直流電圧端に結合される。第１分岐と第２分岐にはそれぞれ、第１部分、第２部分、及び第３部分が含まれ、これらは互いに平行でありS字状に分布し、第２部分は第１部分と第３部分の間に位置する。第１電極対は第１分岐の第１部分の２つの側に配置され、第２電極対は第２分岐の第２部分の２つの側に配置され、第３電極対は第１分岐の第３部分の２つの側に配置される。第１電極対により第１分岐に印加する電界の方向は、第２電極対により第２分岐に印加する電界の方向と反対である。第３電極対により第１分岐に印加される電界の方向は、第２電極対により第２分岐に印加される電界の方向と反対である。第１分岐の分極方向は第２分岐の分極方向と同じである。そのため、動作中は、まず無線周波数ドライバの信号出力端を使用して、電気光変調器の第１電極対に無線周波数信号をロードし、第２分岐の第１部分には電界をロードしない。次に、光路と電界を変調アームで１８０°回転させる。その結果、無線周波数信号は、電気光変調器の第２電極対にロードされる。この場合、電界は第１分岐の第２部分にロードされない。その後、光路と電界は変調アームで再び１８０°回転する。その結果、無線周波数信号は、電気光変調器の第３電極対にロードされる。電界は第２分岐の第３部分にロードされない。したがって、第１電極対の電界の方向は第２電極対の電界の方向と反対であり、第３電極対の電界の方向は第２電極対の電界の方向と反対である。第１分岐の分極方向と第２分岐の分極方向が同じになり、その結果、最終的に第１分岐から出力される光信号の位相と第２分岐から出力される光信号の位相が逆になる。そのため、周辺回路を導入せずにプッシュプル変調方式を実装し、その結果、変調効率を向上させ、電気光変調器のサイズを小さくすることができる。

任意的な実装では、第１電極対と第２電極対の第１端は、無線周波数ドライバの信号出力端に別々に結合され、第１電極対と第２電極対の両方の第２端は抵抗器に結合される。第１電極対は第１電極と第２電極を含み、第２電極対は第３電極と第４電極を含む。例えば、第１電極と第２電極は各々第１分岐と第２分岐の両側に位置し、第３電極と第４電極は第１分岐と第２分岐の間に位置する。第１電極、第２電極、第３電極、第４電極は、第１電極対により第１分岐に印加される電界の方向と第２電極対により第２分岐に印加される電界の方向が逆になり、第１分岐の分極方向が第２分岐の分極方向と同じになるように、S+S－とS－S+の入力様式を採用することができる。このように、第１電極対と第２電極対は並列に結合される。第１電極対と第２電極対の正極と負極の間の結合方法を調整して、第１分岐から最終的に出力される光信号の位相と第２分岐から最終的に出力される光信号の位相が逆になるように、第１電極対と第２電極対の電界の方向を変更することで、プッシュプル変調方式を実装できる。したがって、変調効率を向上させ、電気光変調器のサイズを小さくすることができる。

任意的な実装では、第１電極対と第２電極対の第１端は、無線周波数ドライバの信号出力端に別々に結合され、第１電極対と第２電極対の両両方の第２端は抵抗器に結合される。第１電極対は第１電極と第２電極を含み、第２電極対は第３電極と第４電極を含む。例えば、第１電極と第２電極は各々第１分岐と第２分岐の両側に位置し、第３電極と第４電極は第１分岐と第２分岐の間に位置する。第１電極、第２電極、第３電極、第４電極は、第１電極対により第１分岐に印加される電界の方向と第２電極対により第２分岐に印加される電界の方向が同じになり、第１分岐の分極方向が第２分岐の分極方向と反対になるように、S+S－とS+S－の入力方法を採用することができる。このように第１電極と第２電極対を並列に結合されることで、第１電極対の電界の向きと第２電極対の電界の向きが同じになり、第１分岐の分極の向きと第２分岐の分極の向きが逆になるようにして、最終的に第１分岐から出力される光信号の位相と第２分岐から出力される光信号の位相が逆になる、つまりプッシュプル変調方式を実装する。したがって、変調効率を向上させ、電気光変調器のサイズを小さくする。

本願の第２態様によれば、基板と前述の電気光変調器を含む光チップが提供され、ここで、電気光変調器は基板の表面に配置される。そのため、光チップは前述の電気光変調器を採用しており、光チップの小型化と他のチップとのパッケージングを容易にしている。

任意的な実装では、光チップはさらに入力導波路と出力導波路を含み、入力導波路は電気光変調器の入力端に結合され、出力導波路は電気光変調器の出力端に結合される。このように、被変調光信号は入力導波路を用いて入力でき、変調光信号は出力導波路を用いて出力できる。

任意的な実装では、光チップはさらに光電検出器を含み、光電検出器は結合導波路を使用して出力導波路に結合され、光電検出器は変調された光信号を検出するように構成される。このように、光電検出器を配置して、高集積度を有し及び受信と送信を統合した小型光チップを実装することができる。

本願の第３態様によれば、電気チップと前述の光チップを含む集積チップが提供され、電気チップは光チップの表面に配置され、電気チップははんだボールを使用して溶接により光チップに結合される。このように、溶接結合方式を採用しており、回路の簡素化に役立っている。また、光チップのサイズが小さくなり、集積チップのサイズが小さくなる。

電気光変調器の等価回路図である。

本願の実施形態による電気光変調器の構造の概略図である。

本願の実施形態による電気光変調器の更に別の等価回路の図である。

本願の実施形態による電気光変調器のXカット構造の概略図である。

本願の実施形態による電気光変調器のZカット構造の概略図である。

本願の実施形態による電気光変調器のYカット構造の概略図である。

本願の実施形態によるニオブ酸リチウム材料の電気ヒステリシス曲線の図である。

本願の実施形態による別の電気光変調器の等価回路の図である。

本願の実施形態による別の電気光変調器の等価回路の図である。

本願の実施形態による別の電気光変調器の等価回路の図である。

本願の実施形態による光チップの構造の概略図である。

集積チップの構造の概略図である。

本願の実施形態による集積チップの構造の概略図である。

本願の目的、技術的ソリューション、及び利点を明確にするために、以下は、添付の図面を参照して本願を詳細に説明する。

以下で言及される用語「第１」及び「第２」は、単に説明の目的を意図しており、相対的な重要性の指示又は示唆、又は示される技術的特徴の量の暗示的示唆として理解されるべきではない。従って、「第１」又は「第２」により限定される特徴は、明示的示す又は暗示的に１つ以上の特徴を含んでよい。本願の説明では、特に断りの無い限り、「複数の」は、２つ又は２より多くを意味する。

また、本願では、添付の図面に示されている部品の例示的な位置に対して、「上」や「下」などの方向用語が定義されている。これらの方向用語は、相対的な概念であり、相対的な説明と明確化のために使用され、添付の図面に示されている部品の位置の変更に基づいてそれに応じて変更される可能性があることを理解する必要がある。

本願は、光ネットワーク内の電気領域から光領域に変換する変換インタフェースとして使用することができ及び通信システムで使用される電気光変調器を提供する。

光ネットワークは、光ファイバを主な伝送媒体として使用する、広域ネットワーク、大都市域ネットワーク、又は新しく作成された広範囲のローカルエリアネットワークであることに注意する必要がある。

図１は、電気光変調器の構造の概略図である。なお、電気光変調器は通常、半導体部品である。図１は半導体部品の等価回路図である。図１に示すように、電気光変調器は対称的に配置された第１分岐２０２と第２分岐２０１を含み、第１分岐２０２の入力端は第２分岐２０１の入力端に結合され、第１分岐２０２の出力端は第２分岐２０１の出力端に結合される。

例えば、電気光変調器はマッハツェンダー変調器（Mach-Zehnder Modulator）であり、入力光を２つの等しい信号に分割して、各々第１分岐２０２と第２分岐２０１に入力する。第１分岐２０２と第２分岐２０１は電気光材料、例えばニオブ酸リチウム材料を採用している。ニオブ酸リチウム材料の屈折率は、外部から加えられる電気信号の大きさによって変化する。

第１分岐２０２と第２分岐２０１の両側に、第１金属層１０１と第２金属層１０３がそれぞれ配置されている。第３金属層１０２は、第１分岐２０２と第２分岐２０１の間に配置されている。第１金属層１０１と第３金属層１０２は第１電極対を形成し、第２金属層１０３と第３金属層１０２は第２電極対を形成する。

例えば、電気光変調器の入力端の側に無線周波数入力端１１と直流電圧端１２が配置されている。無線周波数入力端１１（すなわち、電気光変調器のドライバの出力端）は、高周波数変調交流電気信号を第１電極対と第２電極対に入力するように構成されている。直流電圧端１２は、直流バイアス電気信号を電気光変調器のドライバに入力するように構成されている。

例えば、高周波数ドライバの信号出力端１１は、キャパシタ１１１を使用して第１電極対と第２電極対に結合されている。キャパシタ１１１は、直流信号を除去するように構成されている。直流電圧端１２はインダクタ１２１を用いて電気光変調器の変調電極に結合され、インダクタ１２１は高周波数信号を除去するように構成されている。

直流電圧端１２によって入力された変調信号は、第１電極対と第２電極対を含むキャパシタ構造１１１を用いて、第１分岐２０２と第２分岐２０１に別々に結合することができる。

上記の実施形態では、例えば、第１電極対と第２電極対は交流バイアス電極を採用している。高周波数交流信号のみが変調器に入力されることと、直流信号のみが信号出力端１１に入力されることを実現するために、無線周波数ドライバの信号出力端１１、直流電圧端１２、並びに電気光変調器の第１電極対と第２電極対の間に、キャパシタ１１１やインダクタ１２１などの周辺回路を配置し、各々直流信号と高周波数交流信号を得る。周辺回路の構造は複雑で、デバイスサイズも比較的大きく、デバイスの小型化にはつながらない。

図８は、本願による集積チップの構造の概略図である。図８に示すように、集積チップは、基板０１、基板上に配置された光チップ０１及び電気チップ０３を含む。例えば、光チップ０２は図１に示す電気光変調器を採用しており、比較的大きなサイズである。光チップ０２と電気チップ０３はワイヤで結合されている。

本願の実施形態は、電気光変調器を提供する。図２は、本願の実施形態による電気光変調器の構造の概略図である。図３は、本願の実施形態による電気光変調器の等価回路の図である。図２及び図３に示すように、電気光変調器は、基板０１上に配置される光導波路層００２と、光導波路層００２上に配置される変調電極００３と、変調電極００３上に配置され、変調電極００３と電気的に結合される金属電極００４とを含む。

第１電極００４の第１端は無線周波数ドライバの信号出力端１１に結合される。

金属電極００４は、無線周波数ドライバによって入力された変調信号を受信するように構成されており、変調電極は、変調信号に基づいて光導波路層上で電気光変調を行うように構成されている。

金属電極００４の第２端は直流電圧端１２に結合される。直流電圧端１２は、電圧信号を入力するように構成されており、金属電極００４を使用して無線周波数ドライバにバイアス電圧を提供する。

無線周波数ドライバは、少なくとも無線周波数信号出力端とバイアス電圧入力端を含むことに注意する必要がある。例えば、無線周波数信号出力端は、金属電極００４を使用して変調電極００３に結合される。無線周波数信号出力端は、金属電極００４に無線周波数信号を出力することができる。変調電極００３は、変調信号に基づいて光導波路層上で電気光変調を行うように構成される。バイアス電圧入力端は、金属電極００４に結合され、直流電圧端から出力されるバイアス電圧を、金属電極００４を使用して受け取り、無線周波数ドライバに電力を供給することができる。

無線周波数信号出力端とバイアス電圧入力端の具体的な配置方法は、当業者に知られている従来技術であり、詳細についてはここでは説明しない。

図３に示すように、金属電極００４を連続的に配置し、異なる変調電極００３は不連続である。そのため、無線周波数ドライバから入力された高周波数変調信号は、変調電極００３を用いて導波路にロードされ、終端抵抗１０４で終端されてよい。直流電圧端１２から送信される直流電圧信号は、無線周波数ドライバへの動作に必要なバイアス電圧を、金属電極００４を用いて与えることができる。

動作中、直流電圧端１２は、金属電極を用いて無線周波数ドライバに電力を供給することにより、無線周波数ドライバが動作を開始し、その後、無線周波数ドライバは変調信号を出力する。金属電極００４は、無線周波数ドライバによって入力された変調信号を受信し、変調電極００３は、変調信号に基づいて光導波路層上で電気光変調を行う。

本願の実施形態で提供される電気光変調器によれば、変調電極は、無線周波数ドライバの信号出力端に金属電極を用いて電気的に結合され、直流電圧端から入力された電圧信号を、金属電極を用いて受信する。更に、直流電圧端に金属電極を結合させることにより、無線周波数ドライバに電力を供給するために金属電極を多重化することができる。電気光変調器は金属電極を多重化し、開路直流結合によって電気光変調器のドライバに電力を供給する。複雑な周辺回路を配置する必要がないため、電気光変調器のコストとサイズが削減され、装置の小型化につながる。

図２に示すように、光導波路層００２は、基板に平行な電気光学結晶層００５と、電気光学結晶層００５の側で基板から離れた側に配置されたリッジ導波路００６を含んでいる。変調電極００３は、リッジ導波路００６の２つの側に配置される。変調電極００３は、リッジ導波路００６によって伝送される光波に対して電気光変調を行うように構成される。このように、変調電極００３はキャパシタを形成し、キャパシタ結合によって変調電極００３間に電界を形成し、リッジ導波路００６によって伝送される光波に対して電気光変調を行うことができる。

なお、電気光学結晶層００５とリッジ導波路００６を一体的に形成してもよいことに注意する。例えば、電気光学結晶層００５とリッジ導波路００６の材料は電気光学材料であり、具体的にはニオブ酸リチウム材料である。ニオブ酸リチウム材料の屈折率は、外部から加えられる電気信号の大きさによって変化する。

例えば、基板０１の材料はシリコン（Si）であり、基板０１の表面に絶縁層０２が配置されている。例えば、絶縁層０２の材料は二酸化ケイ素である。光導波路層００２と変調電極００３は絶縁層０２に位置する。

本願の他の幾つかの実施形態では、更に図２を参照すると、変調電極の表面の絶縁層に開口部が配置され、開口部に金属電極００４が形成されている。

このように、変調電極００３は絶縁層に配置され、変調電極００３の動作中の短絡を回避することができる。

図３に示すように、光導波路層には、対称的に配置された第１分岐２０２と第２分岐２０１（すなわち、図２のリッジ導波路００６）があり、第１分岐２０２と第２分岐２０１の各々の両側に変調電極（図３の１０と２０）が配置されている。

第１分岐２０２の入力端は第２分岐２０１の入力端に結合され、第１分岐２０２の出力端は第２分岐２０１の出力端に結合されている。

変調電極は第１分岐２０２と第２分岐２０１の両側に配置され、第１分岐２０２と第２分岐２０１の周囲の電界を変調するように構成されており、第１分岐２０２から出力される光信号の位相と第２分岐２０１から出力される光信号の位相が逆になるようになっている。変調電極の第１端は第１分岐２０２と第２分岐２０１の入力端２１に結合され、変調電極の第２端は第１分岐２０２と第２分岐２０１の出力端２２に結合される。変調電極の第２端は終端抵抗１０４に結合されている。

終端抵抗１０４は直列に結合された２つの抵抗器であってもよい。例えば、抵抗値は３２．５オームである。

第１分岐２０２の位相方向と第２分岐２０１の位相方向が逆になることには、第１分岐２０２の分極方向と第２分岐２０１の分極方向が同じであり、変調電極対により第１分岐２０２と第２分岐２０１に印加する電界の方向を調整して、第１分岐２０２の電界の方向と第２分岐２０１の電界の方向が逆になり、第１分岐２０２の位相の方向と第２分岐２０１の位相の方向が逆になるようにすることを含む。

あるいは、変調電極対により第１分岐２０２と第２分岐２０１に印加される外部印加電界の方向を同じにし、第１分岐２０２の分極方向は第２分岐２０１の分極方向と逆にすることで、第１分岐２０２の位相方向は第２分岐２０１の位相方向と逆になるようにする。

例えば、第１分岐２０２と第２分岐２０１は電気光材料、具体的にはニオブ酸リチウム材料を採用している。ニオブ酸リチウム材料の屈折率は、外部から加えられる電気信号の大きさによって変化する。

第１分岐２０２及び第２分岐２０１の分極方向は、本願のこの実施形態では制限されない。本願の実装では、図２に示すように、第１分岐２０２及び第２分岐２０１は、Zカットされたニオブ酸リチウム基板上に作成され、Y方向に沿って光を伝送する構造を採用してもよい。

本願の別の実装では、図３Aに示すように、第１分岐２０２及び第２分岐２０１は、Xカットされたニオブ酸リチウム基板上に作成され、Z方向に沿って光を伝送する構造を代替的に採用してもよい。

本願の別の実装では、図３Bに示すように、第１分岐２０２及び第２分岐２０１は、Zカットされたニオブ酸リチウム基板上に作成され、X軸方向に沿って光を伝送する構造を代替的に採用してもよい。

本願の別の実装では、図３Cに示すように、第１分岐２０２及び第２分岐２０１は、Yカットされたニオブ酸リチウム基板上に作成され、Z方向に沿って光を伝送する構造を代替的に採用してもよい。

なお、ニオブ酸リチウムは優れた強誘電体材料であり、自発分極と外部印加電界を用いた分極の特徴を持つ。図３Dはニオブ酸リチウム材料の電気ヒステリシス曲線を示す。水平座標は外部印加電界強度E、垂直座標は分極強度P、Psは対応する分極強度のニオブ酸リチウム材料の分極方向である。ニオブ酸リチウム材料に外部から逆電界を印加すると、自発分極の方向が反転する傾向がある。外部から印加された電界が十分に強い場合、イオンは障壁を乗り越え、ある平衡位置から別の平衡位置への遷移を生じる。そのため、分極方向が逆転し、変化トラックは曲線１に従う。この場合、電界強度は低下する。分極強度は、電気ヒステリシスループと呼ばれる別の曲線２に従って変化する。電界強度が０に減少しても、自発分極は存在したままである。この場合、分極方向はA点からB点に変化する、すなわち分極方向が反転する。逆方向に電圧をかけ続け、電界強度が特定の値に達するときのみ、分極強度は０になる。この電圧値を保磁力Ecという。

本願のこの実施形態では、パルス電圧を追加して、電気光変調器の第２分岐２０１で分極を実行し、第１分岐２０２の分極方向が第２分岐２０１の分極方向と反対になるようにすることができる。例えば、無線周波数信号を最初に変調器の第１分岐２０２にロードすることができる。ロードされた電界の方向は、図２の矢印で示されている。外部から印加された電界の方向は、方向"+Z"と反対になる。無線周波数信号が、等価変調領域の１／２の長さにロードされた後、電界は第２分岐２０１に変換される。分極後の方向"+Z"は下向きの矢印で示され、電界の方向は変化せず、第１分岐２０２の分極方向と第２分岐２０１の分極方向は逆になる。

さらに、例えば、電気光変調器は、無線周波数ドライバの信号出力端１１（すなわち、電気光変調器のドライバの出力端）と直流電圧端１２をさらに含む。無線周波数ドライバの信号出力端１１は、変調電極の第１端に結合され、無線周波数ドライバの信号出力端１１は、変調信号を入力するように構成される。直流電圧端１２は、終端抵抗１０４を使用して変調電極の第２端に結合され、直流電圧端１２は、直流バイアス電気信号を電気光変調器のドライバに入力するように構成される。

動作中、入力された光波は電気光変調器の入力端を通過した後、１つのY分岐で２つの等しい光波に分割され、２つの等しい光波は各々第１分岐２０２と第２分岐２０１を用いて伝送される。第１分岐２０２と第２分岐２０１は電気光学材料で作られており、外部から加えられた電界の大きさによって電気光学材料の屈折率が変化するため、２つの光信号が第２Y分岐に到達するとき位相差が生じる。

無線周波数ドライバの信号出力端１１から入力された無線周波数信号は、電気光変調のために変調電極に直接結合される。電界強度を調整して光信号の位相差を変化させ、光信号を変調する。最後に、直列に結合された終端抵抗１０４で無線周波数信号を終端する。さらに、終端抵抗１０４に直流バイアス電圧をロードして、電気光変調器のドライバに電力を供給することもできる。

本願の本実施形態で提供される電気光変調器によれば、無線周波数ドライバの信号出力端１１と直流電圧端１２は、変調電極の２つの端に位置する。変調電極は開回路直流結合の方式を採用している。従来の単端子交流結合と比較して、キャパシタ１１１やインダクタ１２１などのフィルタリング部品を配置する必要がなく、周辺回路が大幅に簡略化されている。電気光変調器の性能に影響を与えないことを前提とすれば、電気光変調器の集積度をさらに向上させることができ、高密度パッケージレイアウトの困難さや配線圧力を効果的に低減することができ、チップのコパッケージ化を容易にすることができる。また、変調電極は対称構造を採用しているため、チャープフリー変調を実現でき、信号の伝送品質を確保することができる。

また、電気光変調器は、プッシュプル方式で変調を実行するため、第１分岐２０２の位相方向と第２分岐２０１の位相方向が逆になり、それにより変調効率を向上する。

変調電極の特定の構造は、本願の実施形態において限定されない。本願の実装では、図２に示すように、変調電極は第１電極対２０と第２電極対１０を含み、第１電極対２０は第１分岐２０２の両側に配置され、第２電極対１０は第２分岐２０１の両側に配置される。

本願の実装では、第１分岐２０２の分極方向は第２分岐２０１の分極方向と反対である。第１電極対２０により第１分岐２０２に印加する電界の方向は、第２電極対１０により第２分岐２０１に印加する電界の方向と同じである。電気光変調器は、プッシュプル方式で駆動される。

例えば、図３に示すように、第１電極対２０と第２電極対１０は直列に結合される。第１電極対２０の第１端は無線周波数ドライバの信号出力端１１に結合される。第１電極対２０の第２端は第２電極対１０の第１端に結合される。第２電極対１０の第２端は抵抗器に結合され、第２電極対の第２端は直流電圧端１２に結合される。

更に図３を参照する。第１分岐２０２と第２分岐２０１は各々第１部分と第２部分を含む。第１分岐２０２の第１部分は第２分岐２０１の第１部分と反対であり２０１、第１分岐２０２の第２部分は第２分岐２０１の第２部分と反対である。

第１電極対２０は第１分岐２０２の第１部分の両側に配置され、第２電極対１０は第２分岐２０１の第２部分の両側に配置される。第１分岐２０２の分極方向は第２分岐２０１の分極方向と反対である。第１電極対２０により第１分岐２０２に印加する電界の方向は、第２電極対１０により第２分岐２０１に印加する電界の方向と同じである。

動作中は、無線周波数ドライバの信号出力端１１を用いて、電気光変調器の第１電極対２０に無線周波数信号をロードする。第１電極対２０により、第１分岐２０２の第１部分に印加される電界の方向を下向きの矢印で示す。この場合、第２分岐２０１の第１部分には電界はロードされない。次に、無線周波数信号は、電気光変調器の第２電極対１０にロードされる。第２電極対１０により第２分岐２０１の第２部分に印加する電界の方向は、第１電極対２０により第１分岐２０２に印加する電界の方向と同じである。この場合、電界は第１分岐２０２の第２部分にロードされない。この場合、第１分岐２０２の分極方向と第２分岐２０１の分極方向が逆になるため、第１分岐２０２から出力される光信号の位相が第２分岐２０１から出力される光信号の位相と逆になる。したがって、プッシュプル変調方式が実装され、変調効率が向上する。

別の例では、図４に示すように、第１電極対２０と第２電極対１０は並列に結合される。第１電極対２０の第１端と第２電極対１０の第１端の両方が、無線周波数ドライバの信号出力端１１に結合されている。第１電極対２０の第２端と第２電極対１０の第２端の両方が抵抗器に結合されている。更に、第１電極対２０の第２端と第２電極対１０の第２端が直流電圧端１２に結合される。第１分岐２０２の分極方向は第２分岐２０１の分極方向と反対である。

一群の差動入力信号が、無線周波数ドライバの信号出力端１１に追加される。第１電極対２０と第２電極対１０は、各々第１電極と第２電極を含む。第１電極対２０の第１電極は第１分岐２０２の上側にあり、第１電極対２０の第２電極は第１分岐２０２の下側にある。第２電極対１０の第１電極は第２分岐２０１の上側にあり、第２電極対１０の第２電極は第２分岐２０１の下側にある。

第１電極対２０の第１電極は無線周波数ドライバの信号出力端子１１の正極に結合され、第１電極対２０の第２電極は無線周波数ドライバの信号出力端子１１の負極に結合されている。第２電極対１０の第１電極は無線周波数ドライバの信号出力端子１１の正極に結合され、第２電極対１０の第２電極は無線周波数ドライバの信号出力端子１１の負極に結合されている。第１電極対２０により第１分岐２０２に印加する電界の方向は、第２電極対１０により第２分岐２０１に印加する電界の方向と同じである。

動作中は、無線周波数ドライバの信号出力端子１１を用いて、電気光変調器の第１電極対２０と第２電極対１０に同時に無線周波数信号がロードされる。第１電極対２０により第１分岐２０２に印加される電界の方向は下向きの矢印で示される。第２電極対１０により第２分岐２０１に印加される電界の方向を下向きの矢印で示す。第１分岐２０２の分極方向と第２分岐２０１の分極方向が逆になるため、第１分岐２０２から出力される光信号の位相と第２分岐２０１から出力される光信号の位相が逆になる。最後に、終端抵抗１０４で無線周波数信号が終端される。

本願の別の実装では、第１分岐２０２の分極方向は第２分岐２０１の分極方向と同じである。第１電極対２０により第１分岐２０２に印加する電界の方向は、第２電極対１０により第２分岐２０１に印加する電界の方向と反対である。電気光変調器は、プッシュプル方式で駆動される。

図５に示すように、電気光変調器は、第１電極対２０、第２電極対１０、第３電極対３０を含む。第１電極対２０、第２電極対１０、及び第３電極対３０は直列に結合される。第１電極対２０の第１端は無線周波数ドライバの信号出力端１１に結合される。第１電極対２０の第２端は第２電極対１０の第１端に結合される。第３電極対３０の第１端は第２電極対１０の第２端に結合される。第３電極対３０の第２端は、抵抗器に結合されている。第２電極対１０の第２端は直流電圧端１２に結合される。

第１分岐２０２と第２分岐２０１はともにS字状に分布している。第１分岐２０２と第２分岐２０１はそれぞれ互いに平行な第１部分、第２部分、第３部分を含む。第２部分は第１部分と第３部分の間に配置される。第１電極対２０は第１分岐２０２の第１部分の２つの側に配置され、第２電極対１０は第２分岐２０１の第２部分の２つの側に配置され、第３電極対３０は第１分岐２０２の第３部分の２つの側に配置される。第１電極対２０により第１分岐２０２に印加する電界の方向は、第２電極対１０により第２分岐２０１に印加する電界の方向と反対である。第１電極対３０により第１分岐に印加される電界の方向は、第２電極対１０により第２分岐２０１に印加される電界の方向と反対である。第１分岐２０２の分極方向は第２分岐２０１の分極方向と同じである。

動作中は、無線周波数ドライバの信号出力端１１を用いて、電気光変調器の第１電極対２０に無線周波数信号をロードする。第１電極対２０を用いて、第１分岐２０２の第１部分に印加される電界の方向を下向きの矢印で示す。この場合、第２分岐２０１の第１部分には電界はロードされない。その後、光路と電界は１８０°回転し、導波路と電極を回転させて、電気光変調器の第２電極対１０に無線周波数信号をロードする。第２電極対１０により第２分岐２０１の第２部分に印加される電界の方向を上向きの矢印で示す。この場合、電界は第１分岐２０２の第２部分にロードされない。その後、再び光路と電界は１８０°回転し、導波路と電極を回転させて、電気光変調器の第３電極対３０に無線周波数信号をロードする。第１電極対３０により第１分岐２０２の第３部分に印加される電界の方向を下向きの矢印で示す。この場合、第２分岐２０１の第３部分には電界がロードされない。最後に終端抵抗１０４で無線周波数信号が終端する。

本願の別の実装では、図６に示すように、第１電極対と第２電極対１０が並列に結合される。一群の差動入力信号が、無線周波数ドライバの信号出力端１１に追加され、S+S－及びS+S－の入力方式が採用される。第１電極対２０及び第２電極対１０の第１端は、無線周波数ドライバの信号出力端１１に別々に結合される。第１電極対２０と第２電極対１０の両方の第２端が、抵抗器に結合されている。第１電極対２０の第２端と第２電極対１０の第２端は、各々直流電圧端１２に結合される。第１分岐２０２の分極方向は第２分岐２０１の分極方向と同じである。

第１電極対２０と第２電極対１０は、各々第１電極と第２電極を含む。第１電極対２０の第１電極は第１分岐２０２の上側にあり、第１電極対２０の第２電極は第１分岐２０２の下側にある。第２電極対１０の第１電極は第２分岐２０１の上側にあり、第２電極対１０の第２電極は第２分岐２０１の下側にある。

第１電極対２０の第１電極は無線周波数ドライバの信号出力端子１１の正極に結合され、第１電極対２０の第２電極は無線周波数ドライバの信号出力端子１１の負極に結合されている。第２電極対１０の第１電極は無線周波数ドライバの信号出力端子１１の負極に結合され、第２電極対１０の第２電極は無線周波数ドライバの信号出力端子１１の正極に結合されている。第１電極対２０により第１分岐２０２に印加する電界の方向は、第２電極対１０により第２分岐２０１に印加する電界の方向と反対である。

動作中は、無線周波数ドライバの信号出力端子１１を用いて、電気光変調器の第１電極対２０と第２電極対１０に同時に無線周波数信号がロードされる。第１電極対２０により第１分岐２０２に印加される電界の方向は下向きの矢印で示される。第２電極対１０により第２分岐２０１に印加される電界の方向を下向きの矢印で示す。第１分岐２０２の分極方向と第２分岐回路２０１の分極方向が同じになるため、第１分岐２０２から出力される光信号の位相と第２分岐２０１から出力される光信号の位相が逆になる。最後に、終端抵抗１０４で無線周波数信号が終端される。

上記の実施形態で比較すると、電気光変調器は小型で周辺回路がなく、コパッケージに適しているなどの特徴があることがわかる。

本願の実施形態は、光チップを更に提供する。光チップは、基板０１、電気光変調器、及び基板上に配置された他のコンポーネントを含むことができる。他のコンポーネントは、結合導波路を使用して電気光変調器に結合されることができる。

他のコンポーネントは、レーザダイオード、半導体光増幅器、及び光電検出器の少なくとも１つであることができる。同じ基板上に１つのタイプの複数のコンポーネントがあってもよく、コンポーネントは必要な結合シーケンスで結合されていてもよいことが理解できる。

図７は、本願の実施形態による光チップの構造の概略図である。図７に示すように、光チップは、基板０１、基板上に配置された電気光変調器、入力導波路０１０、及び出力導波路０１１を含む。

本願の実施形態においては、変調電極の材料は限定されない。本願の実装においては、変調電極００３の材料は、銅（Cu）や亜鉛（Zn）などの金属材料である。

本願の別の実施形態においては、変調電極００３の材料は透過導電性酸化物（Transparent Conductive Oxide, TCO）であり、TCOは高い導電性を有し、比較的少ない量の光を吸収する。TCOがAuに代わってより低い層の電極として機能するとき、電極距離はさらに短縮されるので、光照射領域の電界強度が向上し、それにより電気光変調器の変調効率が向上する。従来の変調電極の場合のチップ長と比較して、同じ位相変調を実施する対応するチップの長さが短くなり、チップの小型化に役立つ。

例えば、光チップはさらに光源０１４と光電検出器０１２を更に含む。例えば、光源０１４と二酸化ケイ素層は基板０１の表面に平行に配置されている。光電検出器０１２は二酸化ケイ素層の表面に配置されている。光源０１４は発光するように構成されている。入力導波路０１０は、光源０１４によって放射された光を電気光変調器に伝送するように構成されている。電気光変調器は、光源０１４によって放射された光を変調するように構成されている。光電検出器０１２は、結合導波路０１３を使用して、電気光変調器００１の出力導波路０１１に結合されることができる。光電検出器０１２は、電気光変調器によって変調された光信号を検出することができる。

本願の実施形態は、電気チップと前述の光チップを含む集積チップをさらに提供する。

光チップ内の電気光変調器は、図２、図４、図５、又は図６に示す構造を有してもよい。光チップのサイズは比較的小さく、溶接により電気チップと一緒にパッケージされてもよい。

図９に示すように、電気チップを光チップの表面に配置し、はんだボールを用いて溶接により電気チップを光チップに結合する。

前述の説明は、単に本願の特定の実装であり、本願の保護範囲を限定することを意図しない。本願に開示された技術的範囲内の変更又は代替は、本願の保護範囲に含まれる。したがって、本願の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲に従うべきである。

Claims (9)

1. 電気光変調器であって、前記電気光変調器は基板の表面に配置され、前記電気光変調器は、
   前記基板上に配置された光導波路層であって、前記基板に平行な電気－光結晶層と、前記基板と離れた前記電気－光結晶層の側に配置されたリッジ導波路と、を含み、前記リッジ導波路は対称的に配置された第１分岐と第２分岐を含み、前記第１分岐の入力端は前記第２分岐の入力端に結合され、前記第１分岐の出力端は前記第２分岐の出力端に結合される、光導波路層と、
   前記光導波路層に配置された変調電極であって、前記変調電極は、前記リッジ導波路の光の伝搬方向に沿って前記リッジ導波路の両側に配置され、前記リッジ導波路を挟んでキャパシタを形成するよう配置される、変調電極と、
   前記変調電極に配置され、前記変調電極に電気的に結合された金属電極と、
   を含み、
   前記金属電極の第１端は無線周波数ドライバに結合され、
   前記金属電極は、前記無線周波数ドライバにより入力される変調信号を受信するよう構成され、前記変調電極は、前記変調信号に基づき、前記リッジ導波路により伝送される光波に電気光変調を実行するよう構成され、
   前記金属電極の第２端は直流電圧端に結合され、前記直流電圧端は、電圧信号を入力し、前記金属電極を用いて前記電気光変調器にバイアス電圧を提供するよう構成され、
   前記変調電極が第１電極対と第２電極対を含み、前記第１電極対は前記第１分岐の光の伝搬方向に沿って前記第１分岐の両側に対称的に配置され、前記第２電極対は前記第２分岐の光の伝搬方向に沿って前記第２分岐の両側に対称的に配置され、
   前記第１電極対の第１端が無線周波数ドライバの信号出力端に結合され、前記第１電極対の第２端が前記第２電極対の第１端に結合され、前記第２電極対の第２端が終端抵抗に結合され、
   前記第１分岐と前記第２分岐は各々第１部分と第２部分を含み、前記第１分岐の前記第１部分は前記第１分岐のうち前記無線周波数ドライバの前記信号出力端に近い部分に配置され、前記第２分岐の前記第２部分は前記第２分岐のうち前記終端抵抗に近い部分に配置され、前記第１分岐の前記第２部分は前記第１分岐のうち前記終端抵抗に近い部分に配置され、前記第２分岐の前記第１部分は前記第２分岐のうち前記無線周波数ドライバの前記信号出力端に近い部分に配置され、
   前記第１電極対に前記変調信号がロードされるとき、前記第１分岐の前記第１部分に電界がロードされ、前記第２分岐の前記第１部分に電界はロードされず、
   前記第２電極対に前記変調信号がロードされるとき、前記第２分岐の前記第２部分に電界がロードされ、前記第１分岐の前記第２部分に電界はロードされない、電気光変調器。
2. 前記基板の前記表面に配置された絶縁層を更に含み、前記光導波路層と前記変調電極は、前記絶縁層の表面に配置され、前記変調電極の表面上の前記絶縁層に開口が配置され、前記金属電極は前記開口に形成される、請求項１に記載の電気光変調器。
3. 前記金属電極は連続的に配置され、前記変調電極は不連続に配置され、前記不連続に配置された変調電極は、複数の前記キャパシタを形成する、請求項１又は２に記載の電気光変調器。
4. 電気光変調器であって、前記電気光変調器は基板の表面に配置され、前記電気光変調器は、
   前記基板上に配置された光導波路層であって、前記基板に平行な電気－光結晶層と、前記基板と離れた前記電気－光結晶層の側に配置されたリッジ導波路と、を含み、前記リッジ導波路は対称的に配置された第１分岐と第２分岐を含み、前記第１分岐の入力端は前記第２分岐の入力端に結合され、前記第１分岐の出力端は前記第２分岐の出力端に結合される、光導波路層と、
   前記光導波路層に配置された変調電極であって、前記変調電極は、前記リッジ導波路の光の伝搬方向に沿って前記リッジ導波路の両側に配置され、前記リッジ導波路を挟んでキャパシタを形成するよう配置される、変調電極と、
   前記変調電極に配置され、前記変調電極に電気的に結合された金属電極と、
   を含み、
   前記金属電極の第１端は無線周波数ドライバに結合され、
   前記金属電極は、前記無線周波数ドライバにより入力される変調信号を受信するよう構成され、前記変調電極は、前記変調信号に基づき、前記リッジ導波路により伝送される光波に電気光変調を実行するよう構成され、
   前記金属電極の第２端は直流電圧端に結合され、前記直流電圧端は、電圧信号を入力し、前記金属電極を用いて前記電気光変調器にバイアス電圧を提供するよう構成され、
   前記変調電極が第１電極対と第２電極対を含み、前記第１電極対は前記第１分岐の光の伝搬方向に沿って前記第１分岐の両側に対称的に配置され、前記第２電極対は前記第２分岐の光の伝搬方向に沿って前記第２分岐の両側に対称的に配置され、
   前記第１電極対と前記第２電極対の前記第１端は、無線周波数ドライバの信号出力端に別々に結合され、前記第１電極対と前記第２電極対の両方の第２端は、終端抵抗に結合され、
   前記第１電極対は第１電極と第２電極を含み、前記第２電極対は第３電極と第４電極を含み、前記第１電極と前記第４電極は前記第１分岐と前記第２分岐の間に位置し、前記第１電極と前記第３電極は前記無線周波数ドライバの前記信号出力端の正極に結合され、前記第２電極と前記第４電極は前記無線周波数ドライバの前記信号出力端の負極に結合され、
   前記光導波路層が電気光学材料を採用し、前記第１電極対によって前記第１分岐に印加される電界の方向は、前記第２電極対によって前記第２分岐に印加される電界の方向と同じであり、前記第１分岐から出力される光信号の位相は前記第２分岐から出力される光信号の位相と反対である、電気光変調器。
5. 電気光変調器であって、前記電気光変調器は基板の表面に配置され、前記電気光変調器は、
   前記基板上に配置された光導波路層であって、前記基板に平行な電気－光結晶層と、前記基板と離れた前記電気－光結晶層の側に配置されたリッジ導波路と、を含み、前記リッジ導波路は対称的に配置された第１分岐と第２分岐を含み、前記第１分岐の入力端は前記第２分岐の入力端に結合され、前記第１分岐の出力端は前記第２分岐の出力端に結合される、光導波路層と、
   前記光導波路層に配置された変調電極であって、前記変調電極は、前記リッジ導波路の光の伝搬方向に沿って前記リッジ導波路の両側に配置され、前記リッジ導波路を挟んでキャパシタを形成するよう配置される、変調電極と、
   前記変調電極に配置され、前記変調電極に電気的に結合された金属電極と、
   を含み、
   前記金属電極の第１端は無線周波数ドライバに結合され、
   前記金属電極は、前記無線周波数ドライバにより入力される変調信号を受信するよう構成され、前記変調電極は、前記変調信号に基づき、前記リッジ導波路により伝送される光波に電気光変調を実行するよう構成され、
   前記金属電極の第２端は直流電圧端に結合され、前記直流電圧端は、電圧信号を入力し、前記金属電極を用いて前記電気光変調器にバイアス電圧を提供するよう構成され、
   前記変調電極が第１電極対、第２電極対、及び第３電極対を含み、前記第１電極対の第１端が前記無線周波数ドライバの信号出力端に結合され、前記第１電極対の第２端が前記第２電極対の第１端に結合され、前記第３電極対の第１端が前記第２電極対の第２端に結合され、前記第３電極対の第２端が終端抵抗に結合され、
   前記第１分岐と前記第２分岐は各々、S字状に分布して互いに平行である第１部分、第２部分、及び第３部分を含み、前記第２部分は前記第１部分と前記第３部分の間に位置し、前記第１電極対は前記第１分岐の光の伝搬方向に沿って前記第１分岐の前記第１部分の両側に配置され、前記第２電極対は前記第２分岐の光の伝搬方向に沿って前記第２分岐の前記第２部分の両側に配置され、前記第３電極対は前記第１分岐の光の伝搬方向に沿って前記第１分岐の前記第３部分の両側に配置され、
   前記第３電極対により前記第１分岐に印加される電界の方向は、前記第２電極対により前記第２分岐に印加される電界の方向と反対であり、
   前記第１電極対に前記変調信号がロードされるとき、前記第１分岐の前記第１部分に電界がロードされ、前記第２分岐の前記第１部分に電界はロードされず、
   前記第２電極対に前記変調信号がロードされるとき、前記第２分岐の前記第２部分に電界がロードされ、前記第１分岐の前記第２部分に電界はロードされず、
   前記第３電極対に前記変調信号がロードされるとき、前記第１分岐の前記第３部分に電界がロードされ、前記第２分岐の前記第３部分に電界はロードされない、電気光変調器。
6. 光チップであって、基板と、請求項１～５のいずれかに記載の電気光変調器とを含み、前記電気光変調器が前記基板の表面に配置されている、光チップ。
7. 入力導波路と出力導波路を更に含み、前記入力導波路が光導波路層の入力端に結合され、前記出力導波路が前記光導波路層の出力端に結合されている、請求項６に記載の光チップ。
8. 光電検出器を更に含み、前記光電検出器は、結合導波路を使用して前記出力導波路に結合され、前記光電検出器は変調された光信号を検出するように構成される、請求項７に記載の光チップ。
9. 集積チップであって、電気チップと、請求項６～８のいずれかに記載の光チップと、を含み、前記電気チップは前記光チップの表面に配置され、前記電気チップははんだボールを使用して溶接によって前記光チップに結合される、集積チップ。
   

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