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CN107703694A - 光学调制装置 - Google Patents

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CN107703694A
CN107703694A CN201710670899.1A CN201710670899A CN107703694A CN 107703694 A CN107703694 A CN 107703694A CN 201710670899 A CN201710670899 A CN 201710670899A CN 107703694 A CN107703694 A CN 107703694A
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modulation device
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古谷章
巽泰三
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

一种光学调制装置，包括：马赫‑曾德尔调制器，所述马赫‑曾德尔调制器包括半导体波导；多个相位调制器，所述相位调制器彼此间隔开；第一放大器，所述第一放大器与传输电信号的输入传输线耦合，具有基本上与所述输入传输线的特性阻抗相等的输入阻抗；第一互连，所述第一互连耦合至所述第一放大器，并且将所述电信号传输至所述多个相位调制器中的被设置在所述马赫‑曾德尔调制器的输入侧上的一个的第一端；第二互连，所述第二互连耦合至所述第一放大器，并且将所述电信号传输至所述多个相位调制器中的被设置在所述马赫‑曾德尔调制器的输出侧上的另一个的第一端；以及多个终端电阻器，所述终端电阻器分别耦合至所述多个相位调制器的第二端。

Description

光学调制装置
背景技术
(i)技术领域
本发明涉及一种光学调制装置。
(ii)相关技术
作为根据输入的高速电信号对光进行调制的装置，已知的是马赫-曾德尔调制器，该马赫-曾德尔调制器具有传输线型电极并且在该电极的一端具有终端电阻器，该终端电阻器端接有与该电极的特性阻抗相等的电阻。
例如，公开了一种LiNbO3型马赫-曾德尔调制器，该LiNbO3型马赫-曾德尔调制器具有在臂上的传输线型电极和微带衬底，该微带衬底将一个输入信号分成多路并且在每一路上都具有驱动放大器(例如，见美国专利第6937790号)。驱动放大器将电压信号输入至调制器的每个传输线型电极的一端。每个传输线型电极的另一端耦合至具有与该传输线型电极的特性阻抗相等的电阻的每个终端电阻器。
发明内容
在微带衬底上的一条信号线被分支三次成多条信号线的情况中，例如，当馈入微带衬底的信号的输入阻抗是50Ω(欧姆)时，必须将分支后的信号线的特性阻抗扩大至100Ω、200Ω和400Ω以便实现阻抗匹配。然而，很难在单个微带衬底上形成具有彼此十分不同的特性阻抗的信号线。可以减小信号线的宽度以便增加特性阻抗，但是由于宽度的形成精度有限，所以可能会降低宽度较窄的信号线的特性阻抗的精度。因此，在信号线中传输的电信号的传播损失和传播时间存在可变性。因此很难设计从分支点到驱动放大器的信号线。即，不能实现信号线的阻抗和传播时间的高调整精度。并且，通过信号线传输至马赫-曾德尔调制器的电信号被干扰。结果，不能实现将待由马赫-曾德尔调制器调制的光学信号的充足的调制振幅，并且可能会降低光学调制效率。
根据本发明的一个方面，提供了一种光学调制装置，该光学调制装置包括：马赫-曾德尔调制器，该马赫-曾德尔调制器包括在衬底上形成的台面状半导体波导；多个传输线型的相位调制器，该传输线型的相位调制器沿着马赫-曾德尔调制器的半导体波导彼此间隔开；第一放大器，该第一放大器与传输电信号的输入传输线耦合，具有基本上与该输入传输线的特性阻抗相等的输入阻抗，并且放大该电信号；第一互连，该第一互连耦合至第一放大器并且将电信号传输至多个相位调制器中的被设置在马赫-曾德尔调制器的输入侧上的一个的第一端；第二互连，该第二互连耦合至第一放大器并且将电信号传输至多个相位调制器中的被设置在马赫-曾德尔调制器的输出侧上的另一个的第一端；以及多个终端电阻器，该终端电阻器分别耦合至多个相位调制器的第二端。
附图说明
图1A和图1B图示了根据第一实施例的光学调制装置的示意侧视图；
图2图示了在调制器芯片中形成的半导体马赫-曾德尔调制器的光学波导结构的平面图；
图3图示了图2和半导体马赫-曾德尔调制器的电子电路的重叠视图；
图4A图示了沿着图3的线A-A截取的截面图；
图4B图示了沿着图3的线B-B截取的截面图；
图5图示了驱动器芯片的电子电路部分和图3的重叠视图。
图6图示了输入至输入信号传输线的电信号；
图7图示了相位变化量与半导体马赫-曾德尔调制器的传输光强度之间的关系；
图8A图示了在只设置有一个相位调制器的情况中电信号的衰减；
图8B图示了在设置有彼此间隔开的两个相位调制器的情况中电信号的衰减；
图9图示了调制器芯片和驱动器芯片的互连结构；
图10A和图10B图示了驱动器芯片的第一信号传输线的传输线结构；
图11A和图11B图示了信号传输线的另一示例；
图12图示了通过臂波导的长度来调整延迟的情况；以及
图13图示了图4B的另一示例。
具体实施方式
本发明的实施例的说明
首先，将会列出并且描述本发明的实施例的内容。
本发明是一种光学调制装置，该光学调制装置包括：马赫-曾德尔调制器，该马赫-曾德尔调制器包括在衬底上形成的台面状的半导体波导；多个传输线型的相位调制器，该多个传输线型相位调制器沿着马赫-曾德尔调制器的半导体波导被彼此间隔开；第一放大器，该第一放大器与传输电信号的输入传输线耦合，具有基本上与该输入传输线的特性阻抗相等的输入阻抗，并且放大该电信号；第一互连，该第一互连耦合至该第一放大器并且将电信号传输至多个相位调制器中的被设置在马赫-曾德尔调制器的输入侧上的一个的第一端；第二互连，该第二互连耦合至第一放大器并且将电信号传输至多个相位调制器中的被设置在马赫-曾德尔调制器的输出侧上的另一个的第一端；以及多个终端电阻器，该终端电阻器分别耦合至多个相位调制器的第二端。利用这种结构，能够实现信号线的阻抗和传播时间的高调整精度，并且能够实现更好的光学调制效率。
第一放大器可以具有比输入阻抗更小的输出阻抗。
光学调制装置可以包括分支电路，该分支电路与第一放大器耦合，将电信号分成多个电信号，并且将该多个电信号中的两个传输至第一互连和第二互连。
第二互连可以具有比第一互连更长的长度，使得在第二互连中传输的电信号具有比在第一互连中传输的电信号更长的传播时间。
半导体波导可以包括Si波导。当臂是主要成分为Si的半导体波导的一部分时，待在高频率侧调制的光学信号的调制振幅减小的问题较显著。然而，设置有多个相位调制器。因此，能够通过重叠相位变化来补偿电压信号的衰减。并且，能够抑制待调制的光学信号的调制振幅的减小，并且实现更好的光学调制效率。
半导体波导可以具有pn结。多个相位调制器可以具有传输线电极和参考电位电极，该传输线电极与第一互连或者第二互连耦合。传输线电极可以与pn结的一侧电气地耦合。参考电位电极可以与pn结的另一侧电气地耦合。在这种情况下，在具有待在高频率侧调制的光学信号的调制振幅减小较显著的问题的结构中，能够通过重叠相位变化来补偿电压信号的衰减。并且，能够抑制待调制的光学信号的调制振幅的减小，并且维持高光学调制效率。
半导体波导可以具有半导体/绝缘体/半导体结构。多个相位调制器可以具有传输线电极和参考电位电极，该传输线电极与第一互连或者第二互连耦合。传输线电极可以与半导体/绝缘体/半导体结构的一侧电气地耦合。参考电位电极可以与半导体/绝缘体/半导体结构的另一侧电气地耦合。在这种情况下，在具有待在高频率侧调制的光学信号的调制振幅减小较显著的问题的结构中，能够通过重叠相位变化来补偿电压信号的衰减。并且，能够抑制待调制的光学信号的调制振幅的减小，并且维持高光学调制效率。
多个相位调制器中的每一个都可以具有一对传输线电极。第一互连可以具有第一差分放大器，该第一差分放大器放大从第一放大器输出的电信号，产生一对差分信号，并且将该对差分信号传输至在马赫-曾德尔调制器的输入侧上的相位调制器的一对传输线电极。第二互连可以具有第二差分放大器，该第二差分放大器放大从第一放大器输出的电信号，产生一对差分信号，并且将该对差分信号传输至在马赫-曾德尔调制器的输出侧上的相位调制器的一对传输线电极。即使将每个电极拉长，与集总常数型相位调制器相比，传输线型的相位调制器也能够实现高速操作。因此，能够用更少量的差分输出放大器实现高速操作中的高光学调制效率。
光学调制装置可以进一步包括：第二放大器，在第一互连中该第二放大器被设置在第一差分输出放大器与第一放大器之间；以及第三放大器，在第二互连中该第三放大器被设置在第二差分输出放大器与第一放大器之间。利用这种结构，能够抑制反射波的返回分量对第一放大器的影响。
第一差分输出放大器和第二差分输出放大器的输出电压可以在第一放大器的输出电压的整个振幅范围内基本上线性地变化。利用这种结构，能够实现高质量信号传输。
第一差分输出放大器的输出电压可以在第二放大器的输出电压的整个振幅范围内基本上线性地变化。第二差分输出放大器的输出电压可以在第三放大器的输出电压的整个振幅范围内基本上线性地变化。利用这种结构，能够实现高质量信号传输。
马赫-曾德尔调制器和多个相位调制器可以设置在调制器芯片中。第一放大器、第一互连和第二互连可以设置在驱动器芯片中。调制器芯片与驱动器芯片通过凸点耦合。利用这种结构，不必使用接合线。
第二互连可以比第一互连更多地延迟第一放大器的输出，并且可以在延迟之后，将该输出输入至多个相位调制器中的被设置在马赫-曾德尔调制器的输出侧上的一个的传输线电极。利用这种结构，能够抑制在马赫-曾德尔调制器中的光的传播延迟的影响。
第一互连和第二互连中至少一个可以具有变容二极管从而调整电信号的传播时间。利用这种结构，能够调整延迟量。
输入电信号可以包括多值的调制分量(multivalued modulation component)。当使用包括该多值的调制分量的电信号时，能够实现待调制的光学信号的所需调制振幅。
[本发明的实施例的细节]
将结合附图对本发明的实施例的光学调制装置的实施例进行描述。本发明不限于特定公开的实施例和变型，而是可以包括在不脱离本发明范围内的其它实施例和变型。
[第一实施例]
图1A和图1B图示了根据第一实施例的光学调制装置100的示意侧视图。如在图1A中图示的，光学调制装置100具有通过凸点400将驱动器芯片300固定在调制器芯片200的上表面上的结构。在图1A中，调制器芯片200的上表面是形成元件的表面。驱动器芯片300的下表面(面朝调制器芯片200的表面)是形成元件的表面。调制器芯片200的形成元件的表面经由凸点400与驱动器芯片300的形成元件的表面电气地耦合。如在图1B中图示的，当驱动器芯片300的形成元件的表面与调制器芯片200相对时，可以在驱动器芯片300中形成通孔导电过孔500。调制器芯片200的形成元件的表面经由凸点400和通孔导电过孔500与驱动器芯片300的形成元件的表面电气地耦合。当使用凸点400时，如在图1A或者图1B中图示的，不必须地使用线接合。因此，在调制器芯片200与驱动器芯片300之间的导电连接中提高了在互连之间的电信号的传播时间的调整精度。
图2图示了在调制器芯片200中形成的马赫-曾德尔调制器10的光学波导结构的平面图。如在图2中图示的，该光学波导结构在衬底上具有输入波导11、光学耦合器12、两个臂波导13a和13b、光学耦合器14和输出波导15。输入波导11、光学耦合器12、两个臂波导13a和13b、光学耦合器14和输出波导15是台面状的光学波导。光学耦合器12和14是定向耦合器型的光学耦合器。
光学耦合器12将从输入波导11输入的光分支。两个臂波导13a和13b传播被光学耦合器12分支的光。光学耦合器14复用通过两个臂波导13a和13b传播的光。通过光学耦合器14多路传输的光从输出波导15输出。
图3图示了图2和将电信号应用于半导体马赫-曾德尔调制器10的电子电路的重叠视图。如在图3中图示的，该电路包括相位调制器21和22、终端电阻器23和25、以及终端电路24和26。相位调制器21和22被设置在与光学波导结构(在调制器芯片200中)公共的单个衬底上。相位调制器21和22沿着臂波导13a和13b形成。相位调制器21和22在臂波导13a和13b的延伸方向上彼此间隔开。相位调制器21和22具有传输线型结构。例如，相位调制器21和22具有微带线作为传输线。相位调制器中的相位调制器21被设置在半导体马赫-曾德尔调制器10的输入侧上，即，在接近输入波导11的一侧上。相位调制器中的相位调制器22被设置在半导体马赫-曾德尔调制器10的输出侧上，即，在接近输出波导15的一侧上。
相位调制器21具有参考电位电极21a和两个传输线电极21b。参考电位电极21a被设置在臂波导13a与臂波导13b之间。两个传输线电极21b被设置为与参考电位电极21a一起夹住臂波导13a并且与参考电位电极21a一起夹住臂波导13b。参考电位电极21a和两个传输线电极21b彼此平行延伸。而且，参考电位电极21a和两个传输线电极21b与臂波导13a和13b平行。相位调制器22具有参考电位电极22a和两个传输线电极22b。参考电位电极22a设置在臂波导13a与臂波导13b之间。这两个传输线电极22b被设置为与参考电位电极22a一起夹住臂波导13a并且与参考电位电极22a一起夹住臂波导13b。参考电位电极22a和两个传输线电极22b彼此平行。而且，参考电位电极22a和两个传输线电极22b与臂波导13a和13b平行延伸。参考电位电极21a与参考电位电极22a在臂波导13a和13b的延伸方向上间隔开。传输线电极21b与传输线电极22b在臂波导13a和13b的延伸方向上间隔开。
如后文描述，传输线电极21b和22b(在图3中的输入波导11侧上)的第一端经由单线与放大器(驱动放大器)耦合。传输线电极21b(在图3中输出波导15侧上)的第二端经由终端电阻器23与终端电路24的第一端耦合。传输线电极22b(在图3中输出波导15侧上)的第二端经由终端电阻器25与终端电路26的第一端耦合。终端电路24和26具有电阻器和电容器平行耦合的结构。例如，该电容器是MIM(金属绝缘体金属)电容器。终端电路24的第二端与参考电位电极21a的第一端耦合。终端电路26的第二端与参考电位电极22a的第一端耦合。参考电位电极21a和参考电极22a的第二端与用于偏置所描述的层的直流电压源耦合。
图4A图示了沿着图3的线A-A截取的截面图。图4B图示了沿着图3的线B-B截取的截面图。如在图4A中图示的，半导体马赫-曾德尔调制器10的未形成有相位调制器的一部分具有在Si(硅)衬底31上形成有Si02(二氧化硅)层32、Si(硅)层33和Si02(二氧化硅)层34的结构。在Si(硅)层33中形成的台面状的脊(向上表面突出的部分)充当光学波导。
如在图4B中图示的，半导体马赫-曾德尔调制器10的包括相位调制器的另一部分具有在Si衬底31上形成有Si02层32、pn结层35和Si02层34的结构。pn结层35包括n掺杂区域35a、p掺杂区域35b、以及n掺杂区域35a与p掺杂区域35b连接的pn连接部分。n掺杂区域35a形成在参考电位电极21a(N电极)下方。n掺杂区域35a经由金属接触过孔36a与参考电位电极21a(N电极)耦合。两个p掺杂区域35b形成在每个传输线电极21b(P电极)下方。p掺杂区域35b经由金属接触过孔36b与传输线电极21b(P电极)耦合。p掺杂区域35a与在pn结层35中形成的脊的中央部分中的p掺杂区域35b一起形成pn结。参考电位电极21a和22a、传输线电极21b和22b、以及金属接触过孔36a和36b由金属(铝、钨等)制成。
当将电压施加在参考电位电极21a(N电极)与传输线电极21b(P电极)之间时，通过n掺杂区域35a和p掺杂区域35b将电压施加至pn结部分。电压的施加改变在pn结部分中存在的导电载体的密度。因此，光学波导的有效折射率变化，并且在光学波导中传播的光的相位变化。因此，当将电信号(电压)施加至相位调制器时，在两个臂波导13a和13b中的光传播期间，在臂波导13a中的光与臂波导13b中的光之间发生相位差。当两束光由在输出侧上的光学耦合器14复用时，基于从0至n的相位差的值，能够选择从输入波导11输入的持续光被引入输出波导15中的一个的条件或者该持续光被引入输出波导15的另一个的条件。因此，将与电信号相对应的光学调制输出提取至输出波导15。
沿着图3的线C-C截取的截面图也具有与沿着图3的线B-B截取的截面图相同的多层结构。即，在相位调制器22中，臂波导13a和13b具有pn结部分。在彼此间隔开的相位调制器21与相位调制器22之间的臂波导13a和13b的截面图具有与图4A相同的结构。
图5图示了驱动器芯片300的电子电路部分和图3的重叠视图。如在图5中图示的，驱动器芯片300具有输入信号传输线301、第一放大器302、第二放大器303、第三放大器304、第一信号传输线305、第二信号传输线306、第一差分输出放大器307、第二差分输出放大器308、分支电路320、以及用于偏置的直流电压源309和310。
图6图示了输入至输入信号传输线301的电信号。作为一个示例，使用PAM(脉冲幅度调制)电信号作为该电信号。PAM电信号是脉冲幅度调制的电信号。在图6的示例中，针对每个符号，将电信号的幅度分类为0V、0.333V、0.667V和1V四个值。当使用幅度的这四个值时，实现了2比特信息。
第一放大器302放大从输入信号传输线301接收到的PAM电信号。放大的PAM电信号从第一放大器302输出，并且之后由短传输线分支。例如，将第一放大器302的输出阻抗设为通过将输入信号传输线301的特性阻抗除以“N”获得的值。在图5的示例中，第一放大器302的输出阻抗是25Ω(欧姆)。“N”是分歧数并且与沿着臂波导13a和13b设置的相位调制器的数量一致。在该实施例中，作为示例，“N”是2。将在第一放大器302之后的信号传输线分支成两条线。一条线与第二放大器303耦合。另一条线与第三放大器304耦合。
能够在单个电子电路中设置第一放大器302、第二放大器303、第三放大器304和分支电路320。第一放大器302与分支电路320的阻抗匹配的短连接线耦合。分支电路320具有从该短连接线分出的两条分支线。当第一放大器302的输出阻抗是25ΩΩ时，该短连接线的阻抗是25Ω，并且每个分支线的阻抗变为50Ω。第二放大器303和第三放大器304分别与分支线耦合。第一放大器302的输入阻抗与输入信号传输线301的特性阻抗相等，并且作为示例，是50Ω。第一放大器302的输出阻抗例如是25Ω。例如，第一放大器302将从输入信号传输线301输入的电信号的电压加倍。第二放大器303和第三放大器304的输入阻抗例如是50Ω。第二放大器303和第三放大器304的输出阻抗例如是50Ω。例如，第二放大器303和第三放大器304将从第一放大器302输入的电信号的电压加倍。
第二放大器303和第三放大器304的功能如下。当第一放大器302、第二放大器303和第三放大器304的输出阻抗与下游侧电路(第一信号传输线305、第二信号传输线306、第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308)的阻抗之间的匹配不良时，电信号的反射波可以从下游电路返回至第一放大器302、第二放大器303和第三放大器304。通常，该反射波对放大器的操作具有不良影响。然而，当在分支后设置第二放大器303和第三放大器304时，这两个放大器使反射波的强度衰减。因此，抑制了对第一放大器302的不良影响。当第一放大器302的输出阻抗与相对于第一放大器302的输出的下流侧电路的阻抗完全匹配时，可以不包括这两个放大器(第二放大器303和第三放大器304)。
第一互连将第一放大器302与相位调制器21电气地耦合。第一互连包括第一信号传输线305、第二放大器303和第一差分输出放大器307。第一信号传输线305将第二放大器303与第一差分输出放大器307耦合。第一差分输出放大器307放大电信号并且将获得的差分输出信号输入至两个传输线电极21b。第二互连将第一放大器302与相位调制器22电气地耦合。第二互连包括第二信号传输线306、第三放大器304和第二差分输出放大器308。第二信号传输线306将第三放大器304与第二差分输出放大器308耦合。第二差分输出放大器308放大电信号并且将获得的差分输出信号输入至两个传输线电极22b。
第一信号传输线305和第二信号传输线306的特性阻抗是50Ω。第一信号传输线305具有与第二信号传输线306基本上相同的宽度。第一信号传输线305具有与第二信号传输线306不同的长度。当存在长度差时，存在电信号从第一放大器302至第一差分输出放大器307的行进时间与电信号从第一放大器302至第二差分输出放大器308的行进时间之差。具体地，当耦合至信号传输线的差分输出放大器与多个相位调制器中的更接近输出波导15的一个耦合时，信号传输路径的长度被拉长，从而使得从第一放大器302至多个相位调制器中的所述一个的行进时间被拉长。
在该实施例中，调整第一信号传输线305和第二信号传输线306的长度，使得电信号从第一放大器302行进至传输线电极22b所需的时间τ2比该电信号从第一放大器302行进至传输线电极21b所需的时间τ1更长。例如，当从第一差分输出放大器307到传输线电极21b的传输线长度与从第二差分输出放大器308到传输线电极22b的传输线长度相等时，第二信号传输线306比第一信号传输线305更长。优选的是，可以调整第一信号传输线305和第二信号传输线306的长度，从而使得时间τ2比时间τ1长了光从臂波导13a和13b的与传输线电极21b相对应的部分的点——光被输入该点——传播至臂波导13a和13b的与传输线电极22b相对应的部分的点——光被输入该点——所需的时间。例如，能够通过将第二信号传输线306形成为蜿蜒形状来调整第二信号传输线306的长度。例如，当时间τ2与时间τ1之差近似是4ps(微微秒)时，第一信号传输线305与第二信号传输线306之间的长度差可以近似是0.6mm。
第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308的输入阻抗是50Ω。第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308的输出阻抗是35Ω×2。调整终端电阻器23的电阻使得其与相位调制器21的阻抗相等。调整终端电阻器25的电阻使得其与相位调制器22的阻抗相等。在该实施例中，终端电阻器23和25的电阻是35Ω。可以将终端电阻器23和25以及终端电路24和26设置在驱动器芯片300中。
用于偏置的直流电压源309将直流偏置电压施加至参考电位电极21a，使得半导体马赫-曾德尔调制器10的相位调制器21的操作点被维持在适当的点。用于偏置的直流电压源310将直流偏置电压施加至参考电位电极22a，从而使得半导体马赫-曾德尔调制器10的相位调制器22的操作点被维持在适当的点。终端电路24维持该直流偏置电压的施加以及终端电阻器23的高频率均衡这两者。终端电路26维持直流偏置电压的施加以及终端电阻器25的高频率均衡这两者。
从第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308输入至传输线型的相位调制器21和22的电信号按照由相位调制器21和22的结构确定的群速在相位调制器21和22上传播，并且因此将电压施加至臂波导13a和13b的与相位调制器21和22平行延伸的每个部分。传播电信号的传输线型的相位调制器21和22由终端电阻器23和25终止，基本上没有反射。由相位调制器21在光通过臂波导13a和13b沿相位调制器21从输入侧传播期间的相位变化量被添加到由相位调制器22在光通过臂波导13a和13b沿相位调制器22直到输出侧传播期间的相位变化量。
图7图示了相位变化量与半导体马赫-曾德尔调制器10的传输光强度之间的关系。通过电信号施加至相位调制器21和22的电压与在臂波导13a和13b中传输的光的相位变化量近似成比例。为了实现高质量信号传输，优选的是，施加至相位调制器21和22的电压与半导体马赫-曾德尔调制器10的传输光强度具有线性的关系。并且因此，优选的是，调整施加至相位调制器21和22的电压(PAM电信号的电压)，使得经过这两个臂波导13a和13b的两束光之间的相位差在图7的水平轴中的0.3至0.7内。通过调整第一放大器302、第二放大器303、第三放大器304、第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308的放大因子来调整施加至相位调制器21和22的电压。当不包括第二放大器303和第三放大器304时，为了将维持施加的电压与传输光强度之间的线性关系的电压输出至相位调制器，第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308的输出电压在第一放大器302的整个输出电压范围内线性地操作第一放大器302。当使用第二放大器303和第三放大器304时，优选的是，第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308的输出电压在第二放大器303和第三放大器304的整个输出电压范围内线性地操作第二放大器303和第三放大器304。优选的是，第一放大器302、第二放大器303、第三放大器304、第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308是线性放大器。
图8A图示了在沿着臂波导13a和13b的整个长度从输入侧至输出侧只设置有一个相位调制器的情况(比较实施例)中电信号的衰减。图8B图示了如在该实施例的情况中在臂波导13a和13b的输入侧和输出侧上设置有彼此间隔开的两个相位调制器的情况中电信号的衰减。在图8A和图8B中，水平轴指示在臂波导13a和13b的延伸方向上的相位调制器的距离(长度)。垂直轴指示从相位调制器施加至臂波导的电压。在图8A的示例中，使用了长度为L2的相位调制器。在图8B的示例中，使用了长度为LI＝L2/2的两个相位调制器。即，图8A的总长度与图8B的总长度相同。
如在图8A和图8B中图示的，在传输线型的相位调制器中的传播期间，低频率电信号(在低频率期间)几乎不衰减。然而，在传输线型的相位调制器中的传播期间，高频率电信号(在高频率期间)的电压振幅衰减。沿着相位调制器的臂波导的相位差量与通过沿着相位调制器的长度集成相位调制器的每个部分的电压而获得的行动成比例。因此，该行动在低频率下与矩形CBGO的面积成比例。然而，该行动在高频率下减小到CEGO面积。面积CEGO与面积CBGO之比与待调制的光学信号的调制振幅的减小量相对应。随着待调制的光学信号的调制振幅的减小量变得更小，马赫-曾德尔调制器的调制的电效率变得更好。
存在将相位调制器的长度减半至LI的方法，作为减少待调制的光学信号的调制振幅减小的方法。该动作在低频率下与矩形CAFO的面积成比例。然而，该动作在高频率下减小到CDFO面积。面积CEGO与面积CBGO之比与待调制的光学信号的调制振幅的减小量相对应。如在图8A中图示的，该面积比小于在相位调制器的长度为L2的情况中的面积比。
然而，在相位调制器的长度被减半的结构中，相位差量(动作)的绝对值不大。并且因此，当排列相位调制器的L2/2的两个长度时，能够实现大动作和在高频率下的待调制的光学信号的大调制振幅这两者。从上面提及的原则看很明显，即使排列三个或者更多个相位调制器，也能够实现上面提及的效果。在该实施例中，排列了两个相位调制器。然而，能够使用排列了三个或者更多个相位调制器的结构。
图9图示了调制器芯片200和驱动器芯片300的互连结构。图9图示了将驱动器芯片300固定在调制器芯片200的上表面的情况的俯视图。如在图9中图示的，将两个电极板201和202设置在调制器芯片200的上表面。电极板201和202耦合至外部电子电源。将电子电源电路311设置在驱动器芯片300的下表面上。电极极板201和202经由设置调制器芯片200的上表面上的互连和凸点400与电子电源电路311耦合。电子电源电路311经由在驱动器芯片300的下表面上的互连向第一放大器302、第二放大器303、第三放大器304、第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308供电。在图9中，不包括第二放大器303和第三放大器304。第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308经由互连和设置在调制器芯片200的上表面上的凸点400与传输线电极21b和22b耦合。参考电位电极21a和22a经由凸点400和在驱动器芯片300的下表面上的互连与电源电路311耦合。电源电路311还充当在图5中用于偏置的直流电压源309和310。
图10A和图10B图示了驱动器芯片300的第一信号传输线305的传输线结构。图10A图示了第一信号传输线305的平面图。图10B图示了沿着图10A的线D-D截取的截面图。如在图10A和图10B中图示的，第一信号传输线305具有微带线结构。第二信号传输线306也具有与第一信号传输路径305相同的结构。
例如，驱动器芯片300具有下述结构：在半导体衬底41上层叠有第一绝缘层42、第一互连层43、第二绝缘层44、第二互连层45、第三绝缘层46、第三互连层47、第四绝缘层48和第四互连层49。在第四互连层49中形成传输线51。在第二互连45中形成接地电极52并且该接地电极52具有比传输线51更大的宽度。接地电极52的两侧均穿入第四互连层49并且暴露在第四互连层49处。
[第一修改实施例]
可以通过在第一信号传输线305和第二信号传输线306中的至少一个中设置变容二极管来调整延迟量。图11A和图11B图示了第一信号传输线305和第二信号传输线306的另一示例。图11A图示了第一信号传输线305和第二信号传输线306的平面图。图11B图示了沿着图11A的线E-E截取的截面图。如在图11A和图11B中图示的，接地电极52具有位于传输线51下方的开口。传输线51经过该开口并且穿过第四绝缘层48、第三互连层47、第三绝缘层46、第二互连层45、第二绝缘层44、第一互连层43和第一互连层42，并且与在半导体衬底41上的变容二极管53的一端耦合。变容二极管53的另一端穿过第一绝缘层42并且与在第一互连层43中形成的金属层54的一端耦合。该金属层54的一部分通过第二绝缘层44面对形成在第二互连层45中的接地电极52。金属层54面对接地电极52的结构充当MIM(金属绝缘体金属)电容器。金属层54的另一端穿过第二绝缘层44、第二互连层45、第三绝缘层46、第三互连层47和第四绝缘层48并且与在第四互连层49中形成的金属层55耦合。该金属层55与偏置电源耦合。
可能通过改变偏置电源的供电电压来调整变容二极管53的电容。能够通过改变变容二极管53的电容来改变传输线51与接地电极52之间的电容。因此，能够改变传输线的传播时间的延迟量。
在图11A中图示的一个框的延迟时间调整器的长度在传输线51的延伸方向上近似是100μm。当将10个延迟时间调整器串联连接时，能够实现长度近似为1000μm的微带线型的传输线结构。
每个变容二极管53的电容在从7.5fF(毫微微法拉)至15fF的范围内是可变的。每个MIM电容器的电容是2.5pF(微微法拉)。MIM电容器的电容比变容二极管53的电容大两个或三个数量级。因此，将通过变容二极管53改变的电容近似线性地添加至传输线51与接地电极52之间的电容。因此，控制了变容二极管53的电容。因此，能够近似线性地控制在延迟时间调整器中传播的电信号的延迟时间。
当将每个变容二极管的电容从7.5fF改变为15fF时，在长度近似为1000μm的延迟时间调整器的传输线中传播的电信号的延迟时间在从9ps(微微秒)至12ps的范围内变化。
[第二修改实施例]
当难以只通过第一信号传输线305和第二信号传输线306调整光学信号与电信号之间的延迟匹配时，可以通过改变臂波导13a和13b的长度来调整延迟匹配。例如，如在图12中图示的，可以通过在相位调制器21与相位调制器22之间的臂波导13a和13b中设置弯曲部分来调整延迟量。
[第三修改实施例]
在图4B中，描述了具有pn结结构的相位调制器。然而，该结构不是限制性的。例如，可以使用具有半导体/绝缘体/半导体的相位调制器。图13图示了图4B的另一示例。如在图13中图示的，半导体马赫-曾德尔调制器10的设置有相位调制器的部分可以具有在Si衬底31上形成有Si02层32、p型Si层37和Si02层34的结构。在该结构中，充当光学波导的脊由p型Si构成。n型多晶Si层38通过栅极氧化膜39设置在脊的上表面上。n型多晶Si层38经由金属接触过孔36b耦合至传输线电极21b。在这种结构中，将电压施加至多晶Si/栅极氧化膜39/Si(晶体)的结构。电压的施加改变了栅极氧化膜39/Si(晶体)的接口的载体密度并且改变了传播的光的相位。
[实施例的效果]
在该实施例中，设置有放大从输入信号传输线301输入的电信号的第一放大器302。利用这种结构，能够通过分支该电信号来调整阻抗。因此，容易设计从输入信号传输线301至相位调制器21和22的信号线。即，实现了信号线的阻抗和传播时间的高度调整精度。因此，能够实现更好的光学调制效率。
在该实施例中，第二放大器303被设置在第一放大器302与第一差分输出放大器307之间。并且，第三放大器304被设置在第一放大器302与第二差分输出放大器308之间。第二放大器303和第三放大器304使当第一放大器302的输出阻抗与下流侧电路的输出阻抗之间的阻抗匹配不良时发生的反射波的返回强度衰减。因此，可以抑制对第一放大器302的不良影响。在该实施例中，设置有第一差分输出放大器307和第二差分输出放大器308。因此，将输入至相位调制器21和22的信号分别放大。
在该实施例中，使用了传输线型的相位调制器21和22。因此，即使每个电极被拉长，与集总常数型相位调制器相比，也可能实现高速操作。因此，能够减少差分输出放大器的数量。
在该实施例中，调整第一信号传输线305和第二信号传输线306的长度，使得电信号从第一放大器302移动至传输线电极22b所需的时间τ2比该电信号从第一放大器302移动至传输线电极22b所需的时间τ1更长。因此，能够抑制在臂波导13a和13b中的光的传播延迟对光学调制效率的影响。
在该实施例中，使用了多个相位调制器21和22。因此，能够通过重叠相位变化来补偿电压信号的衰减。在传输线型电极中的传播期间使电信号衰减的情况中，当从高速输入电信号形成待调制的高速光学调制信号时，随着输入电信号的频率(波特率)变得更高，待调制的光学信号的强度(振幅)变得更小。即，调制因子变得更小。一个原因是，虽然在高频率电信号的传播期间由于集肤效应电流只流入传输线电极的表面部分，但是随着电信号的频率变得更高，集肤深度变得更小，并且在传播中的电阻增加，并且因此，传播损失的增加可能会降低频率特性。在半导体马赫-曾德尔调制器10的情况中，除了如在图4B或图9中图示的电极的集肤效应之外，在半导体中电流流至pn结部分或者多晶Si/栅极氧化膜39/Si(晶体)的结构。在pn结部分或者Si/栅极氧化膜39/Si(晶体)的结构中形成电容和电阻的串联连接。当频率变得更高时，由于电容的充放电的电流往返次数增加，并且由该部分的电阻导致的损失增加。并且，该损失被添加至电信号的传播损失。因此，如半导体马赫-曾德尔调制器10的情况一样，存在的问题是：由于在传输线型电极中的电信号的传播期间电信号的衰减，所以在更高频率侧上的待调制的光学信号的调制振幅的减小较为显著。使用多个相位调制器21和22来解决该问题是十分有效的。
在实施例中，半导体马赫-曾德尔调制器10是包括形成在衬底上的台面状的半导体波导的马赫-曾德尔调制器的示例。相位调制器21和22是沿着充当臂的马赫-曾德尔调制器的半导体波导彼此间隔开的传输线型的多个相位调制器的示例，并且改变在该臂中传播的光的相位。第一放大器302是第一放大器的示例，该第一放大器与传输输入电信号的传输线耦合，具有基本上与传输线的特性阻抗相等的输入阻抗，并且放大输入电信号。第一信号传输线305是第一互连的示例，该第一互连将第一放大器的输出输入至多个相位调制器中的被设置在马赫-曾德尔调制器的输入侧上的一个的第一端。第二信号传输线306是第二互连的示例，该第二互连将第一放大器的输出输入至多个相位调制器中的被设置在马赫-曾德尔调制器的输出侧上的另一个的第一端。终端电阻器23和25是多个终端电阻器的示例，该多个终端电阻器分别耦合至多个相位调制器的第二端并且具有与其耦合的相位调制器的特性阻抗相等的电阻。第一差分输出放大器307是第一差分输出放大器的示例，该第一差分输出放大器放大第一放大器的输出，并且将由第一差分输出放大器放大的输出输入至在马赫-曾德尔调制器的输入侧上的相位调制器的两个传输线电极。第二差分输出放大器308是第二差分输出放大器的示例，该第二差分输出放大器放大第一放大器的输出，并且将由第二差分输出放大器放大的输出输入至在马赫-曾德尔调制器的输出侧上的相位调制器的两个传输线电极。第二放大器303是第二放大器的示例，该第二放大器在第一互连中被设置在第一差分输出放大器与第一放大器之间。第三放大器304是第三放大器的示例，该第三放大器在第二互连中被设置在第二差分输出放大器与第一放大器之间。

Claims (15)

1.一种光学调制装置，所述光学调制装置包括：
马赫-曾德尔调制器，所述马赫-曾德尔调制器包括在衬底上形成的台面状的半导体波导；
多个传输线型的相位调制器，所述多个传输线型的相位调制器沿着所述马赫-曾德尔调制器的所述半导体波导被彼此间隔开；
第一放大器，所述第一放大器与传输电信号的输入传输线耦合，具有基本上与所述输入传输线的特性阻抗相等的输入阻抗，并且放大所述电信号；
第一互连，所述第一互连耦合至所述第一放大器，并且将所述电信号传输至所述多个相位调制器中的被设置在所述马赫-曾德尔调制器的输入侧上的一个的第一端；
第二互连，所述第二互连耦合至所述第一放大器，并且将所述电信号传输至所述多个相位调制器中的被设置在所述马赫-曾德尔调制器的输出侧上的另一个的第一端；以及
多个终端电阻器，所述多个终端电阻器分别耦合至所述多个相位调制器的第二端。
2.根据权利要求1所述的光学调制装置，其中，所述第一放大器具有比所述输入阻抗更小的输出阻抗。
3.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，进一步包括：
分支电路，所述分支电路与所述第一放大器耦合，将所述电信号分成多个电信号，并且将所述多个电信号中的两个传输至所述第一互连和所述第二互连。
4.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，其中，所述第二互连具有比所述第一互连更长的长度，使得在所述第二互连中传输的电信号具有比在所述第一互连中传输的电信号更长的传播时间。
5.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，其中，所述半导体波导包括Si波导。
6.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，其中：
所述半导体波导具有pn结；
所述多个相位调制器具有传输线电极和参考电位电极，所述传输线电极与所述第一互连或者所述第二互连耦合；
所述传输线电极与所述pn结的一侧电气地耦合；以及
所述参考电位电极与所述pn结的另一侧电气地耦合。
7.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，其中：
所述半导体波导具有半导体/绝缘体/半导体结构；
所述多个相位调制器具有传输线电极和参考电位电极，所述传输线电极与所述第一互连或者所述第二互连耦合；
所述传输线电极与所述半导体/绝缘体/半导体结构的一侧电气地耦合；以及
所述参考电位电极与所述半导体/绝缘体/半导体结构的另一侧电气地耦合。
8.根据权利要求1所述的光学调制装置，其中：
所述多个相位调制器中的每一个都具有一对传输线电极；
所述第一互连具有第一差分放大器，所述第一差分放大器放大从所述第一放大器输出的电信号，产生一对差分信号，并且将所述一对差分信号传输至在所述马赫-曾德尔调制器的所述输入侧上的所述相位调制器的所述一对传输线电极；以及
所述第二互连具有第二差分放大器，所述第二差分放大器放大从所述第一放大器输出的电信号，产生一对差分信号，并且将所述一对差分信号传输至在所述马赫-曾德尔调制器的所述输出侧上的所述相位调制器的所述一对传输线电极。
9.根据权利要求8所述的光学调制装置，进一步包括：
第二放大器，所述第二放大器在所述第一互连中被设置在所述第一差分放大器与所述第一放大器之间；以及
第三放大器，所述第三放大器在所述第二互连中被设置在所述第二差分放大器与所述第一放大器之间。
10.根据权利要求8所述的光学调制装置，其中，所述第一差分放大器和所述第二差分放大器的输出电压在所述第一放大器的输出电压的整个振幅范围内基本上线性地变化。
11.根据权利要求9所述的光学调制装置，其中：
所述第一差分放大器的输出电压在所述第二放大器的输出电压的整个振幅范围内基本上线性地变化；以及
所述第二差分放大器的输出电压在所述第三放大器的输出电压的整个振幅范围内基本上线性地变化。
12.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，其中：
所述马赫-曾德尔调制器和所述多个相位调制器被设置在调制器芯片中；
所述第一放大器、所述第一互连和所述第二互连被设置在驱动器芯片中；以及
所述调制器芯片与所述驱动器芯片通过凸点耦合。
13.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，其中，所述第二互连比所述第一互连更多地延迟所述第一放大器的输出，并且在延迟之后，将所述输出输入至所述多个相位调制器中的在所述马赫-曾德尔调制器的输出侧上的一个的传输线电极。
14.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，其中，所述第一互连和所述第二互连中的至少一个具有变容二极管以便调整电信号的传播时间。
15.根据权利要求1或2所述的光学调制装置，其中，所述输入电信号包括多值的调制分量。
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