WO2023089774A1 - ドライバ集積iq光変調器 - Google Patents

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WO2023089774A1
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pad
driver
wire
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常祐 尾崎
義弘 小木曽
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日本電信電話株式会社
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction

Definitions

  • the present disclosure relates to an ultra-high-speed IQ optical modulator that IQ-modulates an optical signal with an electrical signal.
  • MZ Mach-Zehnder interferometer
  • MZM Mach-Zehnder interferometer
  • Polarization multiplexing type IQ optical modulators which are becoming popular in communication networks, have so-called nested MZ optical waveguides in which each arm waveguide of a parent MZM is composed of child MZMs. It is composed of MZMs (Quad-parallel MZMs) having a total of four child MZMs, two of which are provided in parallel corresponding to wave channels. Two arms of each child MZM are provided with traveling wave electrodes to which RF (Radio Frequency) modulated electric signals for modulating optical signals propagating in the optical waveguide are input. In each polarization channel, one such pair of child MZMs corresponds to the I channel and the other to the Q channel.
  • RF Radio Frequency
  • polarization multiplexed IQ optical modulator an electro-optical effect is generated by inputting an RF modulated electric signal to one end of a modulation electrode provided along the arm waveguide of the child MZM, and phase modulation is applied to the two optical signals propagating through the .
  • Patent document 2 A polarization multiplexing type IQ optical modulator is one of IQ optical modulators, but the optical signals used in the IQ optical modulator are not limited to two polarized optical signals, and a single polarized optical signal is used. things are also known. For single polarization, one nested MZM is constructed.
  • Non-Patent Document 1 High Bandwidth Coherent Driver Modulator (HB-CDM) aiming at miniaturization is accelerating.
  • the modulator since the modulator is integrated with a differential drive driver, it is desirable that the modulator itself also be based on differential drive.
  • Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 2
  • the configurations such as GSSG and GSGSG have a GND (Ground) line arranged in the vicinity of the signal line, which is a very desirable structure as a differential line configuration, and is the most desirable configuration from the viewpoint of suppression of crosstalk between channels. I can say there is.
  • GND Ground
  • GND line pattern (GND pattern) with a wider width than the Signal line is required. becomes.
  • the GND pattern is between channels, it becomes impossible to arrange metal patterns that constitute lines other than the GND line.
  • it is a differential line, it is necessary to arrange the ground symmetrically with respect to the signal line, and if a differential line configuration including a ground such as GSSG or GSGSG is used, the wiring layout on the IQ modulator is very limited. , and the size of the IQ modulator itself becomes large.
  • the differential high-frequency line has an SS line configuration consisting only of a signal line without a ground. Since this SS line configuration has no ground, the degree of layout freedom is very high.
  • the differential driver IC mounted inside the HB-CDM generally has a GSSG or GSGSG configuration interface. If the object to be connected to such a driver IC is an IQ modulator with an SS line layout, a certain Ground cannot be connected to the driver IC side, and only Signal is connected. There was a problem of deterioration of
  • the high-frequency line has a differential line configuration of GSSG or GSGSG. becomes large.
  • the present disclosure has been made in view of such problems, without deterioration of crosstalk characteristics, converts the differential line configuration to SS line, miniaturizes/integrates an IQ modulator configured using a semiconductor, and , an efficient connection with a differential driver and a good high-frequency connection.
  • one embodiment of the present invention provides a driver integrated IQ optical modulator comprising at least two or more Mach-Zehnder modulators and an IQ modulator connected to the IQ modulator. and a differential driver IC, each of the at least two or more Mach-Zehnder modulators has a differential transmission line, and the differential waveguide has two signal lines for transmitting a high-frequency modulated signal including a differential signal.
  • the differential transmission line includes a PAD section, a lead-out line section, a phase modulation section, and a termination section for connection with other elements, the other elements include the differential driver IC, and the PAD section is composed of GSSG A set of four first metal PADs with a configuration, or a set of five first metal PADs with a GSGSG configuration, where G is Grand, S is Signal, and includes a lead-out line section, a phase modulation section, and a termination The section has an SS line configuration.
  • the IQ modulator in which an SS line configuration-based IQ modulator and a driver IC are connected, the IQ modulator is miniaturized while the driver IC and smooth connection can be realized. It is possible to improve the high frequency characteristics in a simple SS line configuration.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of the layout of an IQ modulator.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic layout of an IQ modulator according to an embodiment of the present disclosure; 3A and 3B are diagrams for explaining the connection between the driver IC and the IQ modulator, FIG. FIG. 2C is a diagram schematically showing a wire viewed from 1, and (c) is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a PAD portion of an IQ modulator.
  • a driver-integrated IQ optical modulator according to an embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Identical or similar reference numerals indicate identical or similar elements, and repeated descriptions may be omitted.
  • the driver-integrated IQ optical modulator described below is a device in which a differential driver IC and an IQ modulator are integrated in one package.
  • a driver integrated IQ optical modulator of the present disclosure comprises an IQ modulator and a differential driver IC coupled with the IQ modulator.
  • the IQ modulator includes at least two Mach-Zehnder modulators. Each Mach-Zehnder modulator comprises a differential transmission line.
  • a differential waveguide comprises two signal lines for transmitting a high frequency modulated signal containing a differential signal.
  • the high frequency modulation signal is indicated as Signal or S, and the ground potential is Ground and GND. Or it may be displayed as G.
  • the differential transmission line includes a PAD section for connection with other elements, an extraction line section, a phase modulation section, and a terminating resistor.
  • Other components may include differential driver ICs.
  • the PAD section may include a set of 4 metal PADs with a GSSG configuration or a set of 5 metal PADs with a GSGSG configuration.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic layout of an IQ modulator 100 having an SS line configuration including two signal lines.
  • the IQ modulator 100 shown in FIG. 1 has a so-called nested MZ optical waveguide in which each arm of a parent MZM is composed of child MZMs. If two IQ modulators 100 shown in FIG. 1 are used in parallel to correspond to the X polarization channel and the Y polarization channel, an MZM (Quad-parallel MZM) having a total of four child MZMs can be configured. .
  • the IQ modulator 100 of FIG. 1 is shown corresponding to an X polarization channel. Light input to the IQ modulator 100 from the x-axis direction in the center of FIG. Each of the two parent arm waveguides consists of a child MZM.
  • the child MZM has a demultiplexer 103 that splits the input light into two arm waveguides 104 .
  • Two arm waveguides 104 of each child MZM are provided with traveling wave electrodes 105 to which RF modulation signals for modulating optical signals propagating in the optical waveguides are input.
  • traveling wave electrode 105 has PAD section 106 , lead section 107 , phase modulation electrode section 108 , and terminal section 109 . It consists of a pair of two S lines. In other words, the PAD section 106, lead section 107, phase modulation electrode section 108, and termination section 109 all have the SS line configuration.
  • the terminal portion 109 is formed by linearly arranging a tapered connection pad 110 followed by a terminal resistor 111 consisting of a rectangular resistor.
  • the layout of the IQ modulator 100 shown in FIG. 1 simply shows only the periphery of the traveling wave electrode 105, and the two arm waveguides 104 of the child MZM are connected to the lower part of the terminal portion 109.
  • a multiplexer such as an MMI (not shown) is arranged.
  • the configuration of the traveling wave electrode 105 is an SS line configuration that does not include a ground line, so that the phase adjustment electrode is arranged in the region between the two child Mach-Zehnder modulators.
  • the size of the IQ modulator 100 is reduced and integrated. If the overall configuration of the traveling wave electrode 105 is a GSSG configuration or a GSGSG configuration including two S lines and two or three G lines, then a phase adjustment electrode is provided between the two child Mach-Zehnder modulators. Otherwise, an additional area is required for arranging the G line, which leads to an increase in the size of the IQ modulator 100 .
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the layout of the IQ modulator 200 of the present disclosure.
  • the configuration is the same as the conventional configuration shown in FIG. 1 except for the PAD portion 106 of the traveling wave electrode.
  • Only the PAD section 106 which is most important from the viewpoint of connection of high-frequency characteristics with a driver IC (not shown), has a GSSG structure (four metal pads). If the size of the GND metal PAD (that is, the GND PAD) of the PAD section 106 is made too large, the size of the IQ modulator 200 will be increased. . Therefore, the size of the GND PAD does not necessarily have to be the same size as the Signal PAD.
  • the GND PAD if one wire can be connected, there is no problem with the high frequency characteristics.
  • a PAD section with a GSSG configuration is shown, but another GND PAD may be provided between two Signal PADs to form a PAD section with a GSGSG configuration.
  • another GND PAD may be provided between two Signal PADs to form a PAD section with a GSGSG configuration.
  • the waveguide may be damaged when wires are connected by wire bonding.
  • phase adjustment electrodes in the phase adjustment units of the two child Mach-Zehnder modulators in the IQ modulator 200 shown in FIG. 2 are electrodes with a capacitance addition structure.
  • This configuration is well known as a low-loss RF line configuration that can be designed to achieve both impedance matching and speed matching, and is very useful as a layout for modulators operating at high speed.
  • the impedance of the phase adjustment unit in the IQ modulator 200 is higher than the impedance of the termination resistor 111 of the termination unit 109 by 3% or more (the impedance of the termination resistor 111 of the termination unit 109 is lower). . This is because, when connected to the driver IC, if the impedance of the terminating section 109 is higher than the impedance of the phase adjusting section, the frequency characteristics will become depressed in the low frequency portion. If the above design rule can be observed, it is possible to suppress the drop in the frequency characteristics in the low-frequency portion and to realize flat frequency characteristics in the vicinity of the low frequencies.
  • the inductivity (L-characteristic) of the wire and the capacitive (C-characteristic) of the Signal PAD be small. Therefore, in order to realize a modulator with a wider IQ, it is necessary to reduce the inductance of the wire and the capacitance of the Signal PAD. It is desirable that the Signal PAD portion is not formed directly on the semiconductor substrate, for example, but is provided on a low dielectric material such as BCB provided on the semiconductor substrate. By doing so, it is possible to separate the PAD from the semiconductor substrate, which causes a high dielectric constant and an increase in capacitiveness, and it is possible to realize a low-capacity PAD.
  • the Signal PAD in order to reduce the capacitiveness, it is considered desirable to reduce the size of the Signal PAD, but if the Signal PAD size is made too small, only one ball wire can be connected, Although the C property of the Signal PAD has decreased, the L property of the wire has increased, resulting in deterioration of the high frequency characteristics. Therefore, it is desirable that the Signal PAD be configured so that the ball wires are connected so that the wire paths when viewed from the top are always two different paths. Of course, if the wires are connected in three different paths when viewed from above, the L property can be further reduced, but the C property of the Signal PAD will increase, leading to deterioration of the characteristics.
  • the wire is pulled up from the IQ modulator 200 side toward the driver IC side, the length of the wire can be minimized. Implemented is desirable.
  • the IQ modulator 200 of the present disclosure has an SS line configuration, and the traveling wave electrode 105 to which the RF modulated electrical signal is input does not have a predetermined RF-GND (for example, 0 volt ground). not connected to potential). Therefore, it is desirable to supply RF-GND from the outside by connecting the metal PAD associated with GND among the metal pads of the GSSG structure or the GSGSG structure to the external ground potential. For that purpose, wire bonding as shown in FIG. 3A is effective.
  • RF-GND for example, 0 volt ground
  • all GNDs are covered with a loop wire so as to cover the Signal PAD (for example, the wire connecting between the Signal PAD is surrounded by a loop wire), and the outermost circumference (for example, closest to the circumference of the IQ optical modulator) Connect only the GND PAD to the RF-GND inside the stable package outside the IQ modulator 200 . Since the Signal PAD is covered with the wire connecting the GND PAD in this way, it is also very useful for suppressing crosstalk. Similarly, on the driver IC side, providing a looped wire connecting between the GND pads so as to cover the signal pads leads to further suppression of crosstalk characteristics.
  • FIG. 3(a) is a diagram schematically showing wires when the connecting portion between the driver IC 300 and the IQ modulator 200 is viewed from above.
  • FIG. 3A schematically shows only the driver IC 300 and the PAD section of the IQ modulator 200.
  • the driver IC 300 has a GSGSG PAD and the IQ modulator 200 has a GSSG PAD, but the driver IC 300 may have a GSSG PAD.
  • the driver IC 300 has a PAD of GSSG configuration, it is not desirable for the PAD of the IQ modulator 200 to have a GSGSG configuration.
  • the GSGSG-configured metal PAD of the driver IC is connected to the GSSG-configured metal PAD of the corresponding modulator by a wire.
  • the GND pads of the GSGSG structure of the driver IC are connected by wires
  • the GND pads of the GSSG structure of the modulator are connected by wires.
  • the wire connecting the signal pad of the GSGSG configuration of the driver IC and the signal pad of the GSSG configuration of the modulator is surrounded by the loop formed by the connecting wire between the GND pads.
  • a set of four wires is used to connect one Signal PAD of the GSGSG configuration of the driver IC 300 and one Signal PAD of the GSSG configuration of the IQ modulator 200 .
  • the path of the pair of the first and second wires in the set of four wires is shown by one line, and the path of the third and fourth wires is shown by one line.
  • a pair of paths is indicated by another line.
  • the paths of the first and second wire pairs appear to overlap substantially equally in top view, and the paths of the third and fourth wire pairs appear to overlap substantially equally in top view.
  • the paths of the first and third wire pairs are different in top view.
  • FIG. 3(b) is a diagram schematically showing the wire seen from the side of the connecting portion between the driver IC 300 and the IQ modulator 200.
  • FIG. 3B the PAD section of the driver IC 300 is mounted at a position higher than the position where the PAD section 106 of the IQ modulator 200 is formed.
  • FIG. 3(b) of the set of four wires used to connect one Signal PAD in the GSGSG configuration of the driver IC 300 and one Signal PAD in the GSSG configuration of the IQ modulator 200, Different paths for the first and second pair of wires (or third and fourth pair of wires) are indicated by two lines.
  • FIG. 3(b) Different paths for the first and second pair of wires (or third and fourth pair of wires) are indicated by two lines.
  • the wires connecting the GND pads of the GSGSG structure of the driver IC 300 and the GSSG structure of the IQ modulator 200 are omitted.
  • the first wire (or the third wire) is a wire pulled upward (z-axis direction) after joining a ball formed by melting the tip of the wire onto one Signal PAD of the GSSG configuration of the modulator A ball formed by melting the other end of the is joined to the Signal PAD of the GSGSG structure of the driver IC to wire.
  • the second wire (or fourth wire) is formed by melting the tip of the wire and overlapping the ball of the first wire bonded to one Signal PAD of the GSSG configuration of the IQ modulator 200.
  • a ball formed by melting the other end of the wire pulled upward (in the z-axis direction) is overlapped and bonded onto the ball of the first wire bonded to the Signal PAD of the GSGSG configuration of the driver IC 300.
  • wiring is performed.
  • the length of the second wire (or fourth wire) is longer than the length of the first wire (or third wire). Therefore, the pair of the first wire and the second wire (or the pair of the third wire and the fourth wire) have different paths in side view.
  • the pair of the first wire and the third wire (or the pair of the second wire and the fourth wire) appear to overlap each other with substantially equal paths in side view.
  • FIG. 3(c) is a diagram schematically showing the cross-sectional structure of the PAD section 106 of the IQ modulator 200.
  • the PAD section 106 of the IQ modulator 200 is formed on a BCB layer 303 formed of BCB, which is a low dielectric material, on a semiconductor substrate 301 .
  • BCB is an example of a low dielectric material, and materials other than BCB may be used to form the low dielectric layer.
  • the two arm waveguides 104 of the child MZM formed on the semiconductor substrate 30 1 are embedded in the BCB layer 303 .
  • the Signal PAD and GND PAD in the GSSG configuration or GSGSG configuration are arranged at positions that do not overlap the arm waveguide 104 .
  • the electromagnetic field distribution tends to spread in the wire, which is the high-frequency connection part, and it is likely to cause deterioration of high-frequency characteristics such as deterioration of crosstalk and increase of high-frequency loss.

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Abstract

ドライバ集積IQ光変調器は、少なくとも2つ以上のマッハツェンダ変調器を含むIQ変調器(200)と、IQ変調器(200)と接続される差動ドライバICとを備え、少なくとも2つ以上のマッハツェンダ変調器の各々は、差動伝送線路(105)を備え、差動伝送線路(105)は、差動信号を含む高周波変調信号を伝送するための2つの信号線を備え、差動伝送線路は、他素子との接続のためのPAD部(106)、引出線路部(107)、位相変調部(108)、および終端部(109)を備え、他素子は前記差動ドライバICを含み、PAD部(106)は、GSSG構成を有する4つの第1のメタルPADのセット、またはGSGSG構成を有する5つの第1のメタルPADのセットを含み、GはGrand、SはSignalであり、引出線路部(107)、位相変調部(108)、および終端部(109)は、SS線路構成を有している。

Description

ドライバ集積IQ光変調器
 本開示は、電気信号で光信号をIQ変調する超高速なIQ光変調器に関する。
 増大する通信トラフィック需要に対応するために、高度な光変調方式に対応した高速な光変調器が求められている。特にデジタルコヒーレント技術を用いた多値光変調器は、100Gbpsを超える大容量トランシーバの実現に大きな役割を果たしている。これら多値光変調器では光の振幅及び位相にそれぞれ独立の信号を付加させるべく、マッハツェンダ(MZ:Mach-Zehnder interferometer)干渉型のゼロチャープ駆動が可能なマッハツェンダ変調器(MZM:MZ Modulator)が並列多段に内蔵されている。
 通信網への普及が進んでいる偏波多重型のIQ光変調器は、親MZMの各アーム導波路のそれぞれが子MZMで構成された、いわゆる入れ子構造のMZ光導波路が、X、Yの偏波チャネルに対応して2つ並列に設けられ、計4つの子MZMを有するMZM(Quad-parallel MZM)で構成されている。各子MZMの2つのアームには、光導波路内を伝搬する光信号に変調動作を行うためのRF(Radio Frequency)変調電気信号が入力される進行波型電極が設けられている。各偏波チャネルにおいて、このような対をなす2つの子MZMの一方がIチャネル、他方がQチャネルにあたる。
 偏波多重型のIQ光変調器は、子MZMのアーム導波路に沿って設けられた変調電極の一端にRF変調電気信号を入力することにより、電気光学効果を生じさせて子MZMの光導波路内を伝搬する2つの光信号に位相変調を施している。(特許文献2)
 また、偏波多重型のIQ光変調器はIQ光変調器の一つであるが、IQ光変調器としては用いる光信号が2つの偏波光信号に限らず、単一の偏波光信号を用いたものも知られている。単一偏波の場合は、入れ子構造MZMが1つで構成される。
 さらに近年、光送信器モジュールの小型化や低駆動電圧化が課題となっており、小型で低駆動電圧化が可能な半導体MZ変調器の研究開発が精力的に進められている。さらに、半導体MZ変調器の研究開発においては、64GBaudや100GBaudといった高ボーレート化対応の動きが加速しており、光変調器の広帯域化が求められている。
 その中で、IQ変調器のみでの特性改善のみならず、ドライバICとIQ変調器を1つのパッケージ内に集積し、ドライバICとIQ変調器の協調設計をすることで高周波特性を改善し、小型化を実現することを目指したHigh Bandwidth Coherent Driver Modulator(HB-CDM)の研究・開発が加速している。(非特許文献1)
 本構成においては、差動駆動のドライバと集積することから、変調器自体も差動駆動をベースとした構成であることが望ましい。
 HB-CDMの構成では、ドライバと変調器を集積するため、変調器のみならずドライバを含めた設計が非常に重要となる。特にHB-CDMでは低消費電力化を図るために、オープンコレクタ型(もしくはオープンドレイン型)のドライバが使用されている。(非特許文献1、非特許文献2)
 そのため、こういった高速動作を実現するためのIQ変調器上のレイアウトとしては、GSSGおよびGSGSG(G:Ground、S:Signal)といった差動高周波線路をベースとした差動容量装荷進行波型電極構造が用いられている。(特許文献1)
 GSSGおよびGSGSGといった構成は、信号線の近傍にGND(Ground)線が配置されており、差動線路構成としては非常に望ましい構造ではあり、チャネル間のクロストークの抑圧という観点では最も望ましい構成であると言える。
 しかし一方でGND線としてGroundメタルを複数配置する必要があり、Groundが有効に働き十分なクロストーク抑圧効果を得るためには、Signal線よりも太い幅のGND線のパターン(GNDパタン)が必要となる。
 また、GNDパターンがチャネル間にあると、GND線以外の線を構成するメタルのパターンが配置できなくなる。また、差動線路であるため、信号線に対し左右対称にGroundを配置する必要があったり、GSSGやGSGSGといったGroundを含む差動線路構成とするとIQ変調器上の配線レイアウトが非常に限定的となったり、IQ変調器のサイズ自体も大きくなってしまうという課題があった。
 上記の観点から、半導体IQ変調器を小型化/集積化するためには、差動高周波線路はGroundを有さないSignal線路のみからなるSS線路構成とすることが望ましい。本SS線路構成は、Groundがないため、レイアウトの自由度が非常に高い。
 一方で、HB-CDMの構成を考えると、HB-CDM内部に搭載されている差動ドライバICは一般的にGSSGもしくはGSGSG構成のインターフェースとなっている。このようなドライバICとの接続対象がSS線路レイアウトのIQ変調器である場合、ドライバIC側にはあるGroundが接続できず、Signalのみの接続となるため、ドライバICとの接続部において高周波特性が劣化してしまうという課題があった。
特開2019-194722号公報 国際公開WO/2018/174083号公報
 一般的にクロストークの観点から高周波線路がGSSGやGSGSGの差動線路構成となっているが、上記構成だと対称性を担保するためのGround面積を確保するためには、IQ変調器のサイズが大きくなってしまうという課題がる。
 本開示は、このような課題に鑑みてなされたもので、クロストーク特性の劣化なく、差動線路構成をSS線路化し、半導体を用いて構成されたIQ変調器を小型化/集積化し、かつ、差動ドライバとの効率的な接続および良好な高周波接続を実現することにある。
 このような目的を達成するために、本発明の一実施形態は、ドライバ集積IQ光変調器であって、少なくとも2つ以上のマッハツェンダ変調器を含むIQ変調器と、IQ変調器と接続される差動ドライバICとを備え、少なくとも2つ以上のマッハツェンダ変調器の各々は、差動伝送線路を備え、差動導波路は、差動信号を含む高周波変調信号を伝送するための2つの信号線を備え、差動伝送線路は、他素子との接続のためのPAD部、引出線路部、位相変調部、および終端部を備え、他素子は前記差動ドライバICを含み、PAD部は、GSSG構成を有する4つの第1のメタルPADのセット、またはGSGSG構成を有する5つの第1のメタルPADのセットを含み、GはGrand、SはSignalであり、引出線路部、位相変調部、および終端部は、SS線路構成を有している。
 以上説明したように、本開示の一実施形態によれば、SS線路構成ベースのIQ変調器とドライバICとが接続されたドライバ集積IQ変調器において、IQ変調器を小型化しつつ、ドライバICとのスムーズな接続を実現することができる。単純なSS線路構成における高周波特性を改善することが可能となる。
図1は、IQ変調器のレイアウトの概略を示す図である。 図2は、本開示の一実施形態にかかるIQ変調器のレイアウトの概略を示す図である。 図3は、ドライバICとIQ変調器との接続を説明する図であり、(a)は接続部分を上面方向から見たワイヤの概略を示す図であり、(b)は接続部分の側面方向から見たワイヤの概略を示す図であり、(c)はIQ変調器のPAD部の断面構造の概略を示す図である。
 以下、図面を参照して本開示の一実施形態にかかるドライバ集積IQ光変調器について説明する。同一または類似の参照符号は、同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明を省略する場合がある。以下に説明するドライバ集積IQ光変調器は、差動ドライバICとIQ変調器とを一つのパッケージに集積したデバイスである。本開示のドライバ集積IQ光変調器は、IQ変調器と、IQ変調器と接続される差動ドライバICとを備える。IQ変調器は、少なくとも2つ以上のマッハツェンダ変調器を含む。各マッハツェンダ変調器は、差動伝送線路を備える。差動導波路は、差動信号を含む高周波変調信号を伝送するための2つの信号線を備える。
 差動信号を含む高周波(Radio Frequency:RF)変調用信号が伝搬するRF進行波型電極を構成する複数の線路の説明において、高周波変調信号をSignalまたはSと表示し、接地電位をGround、GNDまたはGと表示する場合がある。
 本開示のドライバ集積IQ光変調器において、差動伝送線路は、他素子との接続のためのPAD部、引出線路部、位相変調部、および終端抵抗を備える。他素子は差動ドライバICを含み得る。PAD部は、GSSG構成を有する4つのメタルPADのセット、またはGSGSG構成を有する5つのメタルPADのセットを含み得る。
 図1は、2本のSignal線を含むSS線路構成のIQ変調器100のレイアウトの概略を示す図である。図1に示すIQ変調器100は、親MZMの各アームが子MZMで構成された、いわゆる入れ子構造のMZ光導波路を有する。図1に示すIQ変調器100を2つ並列に用いて、X偏波チャネルおよびY偏波チャネルに対応せると、計4つの子MZMを有するMZM(Quad-parallel MZM)を構成することができる。図1のIQ変調器100は、X偏波チャネルに対応するものとして示されている。図1の中央においてx軸方向からIQ変調器100に入力された光は、親MZMを構成する分波器101において、2つの親アーム導波路102に分岐される。2つの親アーム導波路の各々が子MZMで構成されている。子MZMは、入力された光を2つのアーム導波路104に分岐する分波器103を備える。
 各子MZMの2つのアーム導波路104には、光導波路内を伝搬する光信号に変調動作を行うためのRF変調用信号が入力される進行波型電極105が設けられている。
 図1に示すように、進行波型電極105は、PAD部106、引き出し部107、位相変調電極部108、および終端部109を有している。2本のS線路のペアで構成されている。つまり、PAD部106、引き出し部107、位相変調電極部108、および終端部109のいずれも、SS線路構成である。
 終端部109は、テーパー形状の接続用パッド110と、それに続く長方形の抵抗体からなる終端抵抗111が、直線状に配置されて形成されている。なお、図1に示すIQ変調器100のレイアウトは、簡易的に進行波型電極105の周辺のみを示しており、終端部109の下部には、子MZMの2つのアーム導波路104が接続されるMMI(不図示)等の合波器が配置されている。
 図1に示すIQ変調器100は、進行波型電極105の構成を、Ground線を含まないSS線路構成とすることで、2つの子マッハツェンダ変調器の間の領域に、位相調整電極を配置することができるようになっており、IQ変調器100のサイズの小型化・集積化を実現している。もし、ここで進行波型電極105の全体構成を、2つのS線路および2つまたは3つのG線路を含むGSSG構成またはGSGSG構成としてしまうと、2つの子マッハツェンダ変調器間に、位相調整電極を配置できなくなる、またはG線路を配置するための追加の領域が必要となり、IQ変調器100のサイズの大型化につながってしまう。
 図2は、本開示のIQ変調器200のレイアウトの概略を示す図である。図2に示す様に、進行波型電極のPAD部106以外は、図1に示す従来構成と同様である。ドライバIC(不図示)との高周波特性の接続という観点から最重要であるPAD部106のみをGSSG構成(メタルPADが4つ)としている。PAD部106のGNDメタルPAD(すなわちGND PAD)のサイズを大きくしすぎると、IQ変調器200のサイズの大型化につながるため、一般的なボールワイヤが1本打てる程度のサイズにするのが望ましい。そのため、GND PADのサイズは、必ずしもSignal PADと同サイズである必要はない。GND PADのサイズが、Signal PADのサイズよりも小さい方がIQ変調器200の小型化やパターン設計上有利であるといえる。GND PADに関しては、1本のワイヤを接続できれば高周波特性上も問題はない。
 図2に示す一例では、GSSG構成のPAD部を示したが、2つのSignal PADの間にもう1つのGND PADを設けて、GSGSG構成のPAD部としてもよい。その場合、アーム導波路104の上部避けてもう1つのGND PADを配置する必要がある。アーム導波路104上にPADがあると、ワイヤボンディングによりワイヤを接続する際に導波路を破損させる恐れがあるためである。GSSG構成のGND PADを配置する際も当然に導波路の上部を避けることが望ましい。
 図2に示すIQ変調器200内の2つの子マッハツェンダ変調器の位相調整部における位相調整電極は、容量装加構造の電極としている。この構成は、インピーダンス整合と速度整合を両立して設計することができる低損失RF線路構成としてよく知られており、高速動作する変調器のレイアウトとして非常に有用である。
 また、IQ変調器200内の位相調整部のインピーダンスは、終端部109の終端抵抗111のインピーダンスよりも3%以上高いインピーダンスとなっている(終端部109の終端抵抗111のインピーダンスの方が低い)。これは、ドライバICと接続した際に、もし、終端部109のインピーダンスが位相調整部のインピーダンスよりも高いと、低周波部分で周波数特性が凹むような特性となってしまうためである。上記の設計ルールを守ることができれば、低周波部分での周波数特性の落ち込みを抑圧することができ、低周波付近でのフラットな周波数特性を実現することが可能である。
 高周波特性を考えると、ワイヤの誘導性(L性)およびSignal PADの容量性(C性)は小さい方が望ましい。そのためより広帯域なIQへ変調器を実現するためには、ワイヤのインダクタンスおよびSignal PADの容量を削減する必要がある。Signal PAD部は、例えば半導体基板上に直接作成するのではなく、半導体基板上に設けたBCB等の低誘電体材料上に設けることが望ましい。そうすることで、誘電率が高く容量性が高まる要因となる半導体基板からPADを離すことができ、低容量なPADを実現することが可能である。さらに、容量性を減らすためには、Signal PADのサイズを小さくする方が望ましいと考えられるが、Signal PADサイズを小さくしすぎてしまうと、1つのボールワイヤしか接続することができなくなってしまい、Signal PADのC性は小さくなったもののワイヤのL性が高まり、結果として高周波特性が劣化してしまう。そのため、Signal PADは必ず上面から見たワイヤの経路が互いに異なる2つとなるようにボールワイヤが接続される構成とするのが望ましい。当然上面から見たワイヤの経路が互いに異なる3つのとなるにワイヤを接続すればL性はより低減できる一方で、Signal PADのC性が増加して特性劣化につながってしまう。
 さらなる特性改善のためには、上面から見たワイヤの経路が互いに異なる2つまでとなるようにワイヤを接続することが最適であるのは上記で述べたとおりであるが、さらに加えて、上下方向(z軸方向)にワイヤをスタックしてSignal PADに接続することが有効である。つまり、上面方向から見たワイヤの経路が互いに異なる2つ、かつ側面方向から見たワイヤの経路が互いに異なる2つとなるように、ワイヤをSignal PADに接続することで、1つのSignal PADに経路の異なる4本のワイヤを接続ことができる。これによりワイヤのL性を大きく削減することができ、高周波特性を大幅に改善することが可能である。
 さらに実装面を考えると、ワイヤはIQ変調器200側からドライバIC側に向けて引き上げるように配線すると、最もワイヤの長さを短くすることができるため、ドライバICはIQ変調器よりも上に実装されていることが望ましい。
 また、本開示のIQ変調器200はSS線路構成となっており、RF変調電気信号が入力される進行波型電極105は、所定のRF-GNDを有していない(たとえば、0ボルトの接地電位に接続されていない)。そのため、GSSG構成またはGSGSG構成のメタルPADのうちのGNDと関連したメタルPADを外部の接地電位に接続することで、外部からRF-GNDを供給することが望ましい。そのためには、図3(a)に示すようなワイヤボンディングを行うと有効である。具体的には、Signal PADを覆うように全GND間をループワイヤで覆い(たとえばSignal PAD間を接続するワイヤがループワイヤに囲み)、最外周の(たとえばIQ光変調器の外周に最も近い)GND PADのみをIQ変調器200の外の安定なパッケージ内のRF-GNDと接続する。このようにSignal PADをGND PAD間を接続するワイヤで覆うことになるため、クロストークの抑圧にも非常に有用である。同様にドライバIC側もSignal PADを覆うようにGND PAD間を接続するワイヤをループ状に設けるとさらなるクロストーク特性の抑圧につながる。
 図3(a)は、ドライバIC300とIQ変調器200との接続部分を上面方向から見たワイヤの概略を示す図である。図3(a)においてドライバIC300とIQ変調器200のPAD部のみを概略的に示している。一例として、ドライバIC300はGSGSG構成のPADを備え、IQ変調器200はGSSG構成のPADを備えるものしたが、例えばドライバIC300がGSSG構成のPADを備えていてもよい。ただし、もしドライバIC300がGSSG構成のPADを備える場合にはIQ変調器200のPADをGSGSG構成とすることは望ましくない。これは不要に中央にGND PADを設けることでIQ変調器200のサイズが大きくなったり、IQ変調器200のレイアウトにデメリットがあったりするためである。一方で、ドライバIC300のPADがGSGSG構成の場合は、中央のGND PADを接続しなくても、高周波接続の観点では特性上大きな影響を与えないので問題はない。
 図3(a)に示すように、ドライバICのGSGSG構成のメタルPADは、対応する変調器のGSSG構成のメタルPADとワイヤで接続されている。また、ドライバICのGSGSG構成のGND PAD間はワイヤで接続され、変調器のGSSG構成のGND PAD間はワイヤで接続されている。ドライバICのGSGSG構成のSignal PADと変調器のGSSG構成のSignal PADとを接続するワイヤは、GND PAD間を接続ワイヤが形成するループによって囲まれている。
 ドライバIC300のGSGSG構成の1つのSignal PADとIQ変調器200のGSSG構成の1つのSignal PADとの接続に、4本のワイヤのセットが用いられている。図3(a)には、4本のワイヤのセットのうちの第1のワイヤおよび第2のワイヤのペアの経路が1つの線で示されており、第3のワイヤおよび第4のワイヤのペアの経路がもう1つの線で示されている。第1のワイヤおよび第2のワイヤのペアの経路は、上面視において略等しく重なって見える、また、第3のワイヤおよび第4のワイヤのペアの経路は上面視において略等しく重なって見える。一方、第1のワイヤおよび第3のワイヤのペア(または第2のワイヤおよび第4のワイヤのペア)の経路は、上面視において異なっている。
 図3(b)は、ライバIC300とIQ変調器200との接続部分の側面方向から見たワイヤの概略を示す図である。図3(b)に示すように、ドライバIC300のPAD部は、IQ変調器200のPAD部106が形成された位置よりも高い位置に実装されている。図3(b)において、ドライバIC300のGSGSG構成のうちの1つのSignal PADとIQ変調器200のGSSG構成のうちの1つのSignal PADとの接続に用いられる4本のワイヤのセットのうちの、第1のワイヤおよび第2のワイヤのペア(または第3のワイヤおよび第4のワイヤのペア)の互いに異なる経路が2つの線で示されている。図3(b)において、ドライバIC300のGSGSG構成およびIQ変調器200のGSSG構成のGND PAD間を接続するワイヤは省略している。第1のワイヤ(または第3のワイヤ)は、ワイヤの先端を溶融して形成したボールを変調器のGSSG構成の1つのSignal PAD上に接合した後に、上方(z軸方向)に引き上げたワイヤのもう一方の先端を溶融して形成したボールをドライバICのGSGSG構成のSignal PADに接合することにより、配線される。第2のワイヤ(または第4のワイヤ)は、ワイヤの先端を溶融して形成したボールを、IQ変調器200のGSSG構成の1つのSignal PADに接合した第1のワイヤのボール上に重ねて接合した後に、上方(z軸方向)に引き上げたワイヤのもう一方の先端を溶融して形成したボールを、ドライバIC300のGSGSG構成のSignal PADに接合した第1のワイヤのボール上に重ねて接合することにより、配線される。第2のワイヤ(または第4のワイヤ)の長さは、第1のワイヤ(または第3のワイヤ)の長さよりも長い。したがって、第1のワイヤと第2のワイヤとのペア(または第3のワイヤと第4のワイヤとのペア)は、側面視における経路が互いに異なっている。第1のワイヤと第3のワイヤとのペア(または第2のワイヤと第4のワイヤとのペア)は、側面視における経路が略等しく重なって見える。
 図3(c)は、IQ変調器200のPAD部106の断面構造の概略を示す図である。図3(c)のに示すように、IQ変調器200のPAD部106は、半導体基板301上の低誘電体材料であるBCBの形成されたBCB層303上に形成されている。BCBは、低誘電体材料の一例であって、BCB以外の材料を用いて低誘電体層を形成してもよい。半導体基板301上に形成された子MZMの2つのアーム導波路104は、BCB層303に埋め込まれている。上述したようにGSSG構成またはGSGSG構成におけるSignal PADおよびGND PADは、アーム導波路104に重ならない位置に配置されている。
 GNDがないSS線路構成では、高周波接続部であるワイヤにおいて電磁界分布が広がりやすくなり、クロストークの劣化や高周波損失の増加等の高周波特性の劣化の要因となりやすかった。本開示のようにIQ変調器200のPAD部106にGND PADを配置して、ドライバIC300のGND PADと接続することで、高周波特性を改善し、安定化することが可能となる。
 単純なSS線路構成における高周波特性を改善することが可能なドライバ集積IQ光変調器を提供することが可能となる。

Claims (8)

  1.  ドライバ集積IQ光変調器であって、
     少なくとも2つ以上のマッハツェンダ変調器を含むIQ変調器と、
     前記IQ変調器と接続される差動ドライバICと
    を備え、
     前記少なくとも2つ以上のマッハツェンダ変調器の各々は、差動伝送線路を備え、
     前記差動伝送線路は、差動信号を含む高周波変調信号を伝送するための2つの信号線を備え、
     前記差動伝送線路は、他素子との接続のためのPAD部、引出線路部、位相変調部、および終端部を備え、前記他素子は前記差動ドライバICを含み、
     前記PAD部は、GSSG構成を有する4つの第1のメタルPADのセット、またはGSGSG構成を有する5つの第1のメタルPADのセットを含み、GはGrand、SはSignalであり、
     前記引出線路部、前記位相変調部、および前記終端部は、SS線路構成を有する、
    ドライバ集積IQ光変調器。
  2.  前記差動ドライバICは、GSSG構成を有する4つの第2のメタルPADのセットまたはGSGSG構成を有する5つの第2のメタルPADのセットを備え、
     前記4つの第2のメタルPADのセットまたは前記5つの第2のメタルPADのセットは、対応する前記4つの第1のメタルPADのセットまたは前記5つの第1のメタルPADのセットと、ワイヤで接続されている、
    請求項1に記載のドライバ集積IQ光変調器。
  3.  前記差動ドライバICに備えられた前記第2のメタルPADと前記IQ変調器に備えられた前記第1のメタルPADとを接続するワイヤが、ボールボンディングで構成されており、
     前記GSSG構成または前記GSGSG構成のうちのSignalに関連した前記第1のメタルPADと前記第2のメタルPADとの間の各々が、4つのワイヤのセットで接続され、
     前記4つのワイヤのセットのうちの第1のワイヤおよび第2のワイヤのペアは、上面視における経路が略等しく、側面視における経路が異なり、
     前記4つのワイヤのセットのうちの第3のワイヤおよび第4のワイヤのペアは、上面視における経路が略等しく、側面視における経路が異なり、
     前記4つのワイヤのセットのうちの前記第1のワイヤおよび第3のワイヤのペアは、上面視における経路が異なり、側面視における経路が略等しい、
    請求項2に記載のドライバ集積IQ光変調器。
  4.  前記差動ドライバICに備えられた前記第2のメタルPADのセットまたは前記IQ変調器に備えられた前記第1のメタルPADのセットの少なくとも一方において、
      前記GSSG構成または前記GSGSG構成のうちのGroundに関連した前記第1のメタルPADの間または前記第2のメタルPADの間がワイヤで接続されており、
      前記Groundに関連した前記第1のメタルPADの間または前記第2のメタルPADの間を接続するワイヤは、前記GSSG構成または前記GSGSG構成のうちのSignalに関連した前記第1のメタルPADと前記第2のメタルPADとの間を接続するワイヤを囲むように構成されている、
    請求項2または3に記載のドライバ集積IQ光変調器。
  5.  前記IQ変調器に備えられた前記GSSG構成を有する前記第1のメタルPADのセットまたは前記GSGSG構成を有する前記第1のメタルPADのセットのうち、前記IQ変調器の外周に最も近いGroundに関連した前記第1のメタルPADが外部の接地電位に接続されている、
    請求項2から4のいずれか一項に記載のドライバ集積IQ光変調器。
  6.  前記少なくとも2つ以上のマッハツェンダ変調器の各々は、位相調整電極部をさらに備え、前記位相調整電極部は容量装加構造を有し、前記容量装加構造のインピーダンスは前記終端部に備えられた終端抵抗のインピーダンスよりも3%以上高い、
    請求項1から5のいずれか一項に記載のドライバ集積IQ光変調器。
  7.  前記差動ドライバICに備えられた前記第2のメタルPADのセットが、前記IQ変調器に備えられた前記第1のメタルPADのセットよりも高い位置に実装されている、
    請求項2から5のいずれか一項に記載のドライバ集積IQ光変調器。
  8.  前記マッハツェンダ変調器は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された導波路構造と、前記半導体基板上に前記導波路構造を埋め込むように低誘電体材料を用いて形成された層とを備え、
     前記第1のメタルPADのセットは、前記低誘電体材料を用いて形成された層の上に形成されている、
    請求項1から7のいずれか一項に記載のドライバ集積IQ光変調器。
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