半导体马赫-曾德尔型光调制器制造技术

本发明专利技术的半导体MZM具备：第一信号电极和第二信号电极，分别与第一臂波导和第二臂波导并联地形成；多个第一相位调制电极和第二相位调制电极，从第一信号电极和第二信号电极分支，分别沿第一信号电极和第二信号电极离散地设于第一臂波导和第二臂波导上；第一接地电极和第二接地电极，沿第一信号电极和第二信号电极并联地形成；以及多个连接配线，在多个点之间连接第一接地电极和第二接地电极，第一信号电极和第二信号电极被输入/输出差分信号，相邻的所述多个连接配线以在第一信号电极和第二信号电极中传输的信号的波长的1/4以下的间隔进行设置。

Semiconductor Mach Zehnder light modulator

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体马赫-曾德尔型光调制器
本专利技术涉及一种调制光信号的半导体马赫-曾德尔型光调制器。
技术介绍
为了满足增长的通信业务需求，要求与高水平的光调制方式对应的高速光调制器。特别是，使用了数字相干技术的多值光调制器在实现超过100Gbps的大容量收发器中发挥了大的作用。在这些多值光调制器中，为了在光的振幅和相位中分别附加独立的信号，多段并联地内置有能进行零啁啾驱动的马赫-曾德尔型光调制器(以下，MZM)。近年来，光发射器模块的小型化、低驱动电压化成为课题。因此，小型且能低驱动电压化的半导体MZM的研究开发正被积极推进。图1A表示非专利文献1和2所示的现有的半导体MZM的一个示例。图1A中示出了半导体MZM100，其具备：输入波导101；输出波导102；光分波器103，将在输入波导101中进行波导的光波分波为两个；第一臂波导104和第二臂波导105，分别对由光分波器103分波为两个的光信号进行波导；光合波器106，对在第一臂波导104和第二臂波导105中分别进行波导的光信号进行合波，输出至输出波导102；第一共面带状线路109；第二共面带状线路110；第一相位调制电极111，从第一共面带状线路109分支并形成于第一臂波导104上；以及第二相位调制电极112，从第二共面带状线路110分支并形成于第二臂波导105上。在图1A所示的半导体MZM100中，由输入波导101、输出波导102、第一臂波导104和第二臂波导105以及光合波器106构成马赫-曾德尔干涉仪。此外，图1A所示的半导体MZM100采用下述的SG结构：第一共面带状线路109和第二共面带状线路110中，当一方连接于输入电信号电位(S)时，另一方连接于基准电位或地线(G)。通过向第一臂波导104和第二臂波导105施加电压，图1A所示的半导体MZM100能在第一臂波导104和第二臂波导105的半导体芯层中通过光电效应使折射率发生变化。其结果是，能使在第一臂波导104和第二臂波导105中进行波导的光的相位发生变化。此时，通过控制向第一臂波导104和第二臂波导105施加的电压，能调整由光合波器106合波的光的干涉状态。因此，能对输出波导102的输出光进行通断调制。在第一共面带状线路109和第二共面带状线路110中传输的电信号分别经由第一相位调制电极111和第二相位调制电极112被施加给第一臂波导104和第二臂波导105。第一相位调制电极111和第二相位调制电极112作为用于向第一臂波导104和第二臂波导105施加电压的电极而发挥作用。因此，第一相位调制电极111和第二相位调制电极112将第一共面带状线路109和第二共面带状线路110包含在其中，以一个整体的形式形成行波电极。即，半导体MZM100采用了想要通过使在第一臂波导104和第二臂波导105中分别进行波导的光信号的传输速度与在上述行波电极中进行传输的电信号的传输速度尽可能一致，进行两者的相位匹配，来扩大调制范围的行波电极结构。需要说明的是，只要完全满足在第一臂波导104和第二臂波导105中进行波导的光信号的传输速度与在上述行波电极中进行传输的电信号的传输速度的速度匹配条件而不会产生电信号的损耗，调制范围就无限大。但是，实际上由于会产生电信号的损耗、相位偏移，因此调制范围受限制。此外，图1A所示的半导体MZM100采用了向第一臂波导104和第二臂波导105施加相位相互反转180°的电压的、所谓的推挽型的构成。此外，作为具体的阻抗匹配条件，理想的是第一共面带状线路109和第二共面带状线路110间的阻抗接近作为外部电路的阻抗的值的50Ω。当第一共面带状线路109和第二共面带状线路110间的阻抗偏差50Ω时，会发生电反射，导致无法有效地施加电压。图1B表示图1A的IB-IB剖视图。在图1B中，示出了SI-InP基板113、形成于SI-InP基板113上的n-InP层114、形成于n-InP层114上的下部包层115、形成于下部包层115上的传输光信号的半导体芯层116以及形成于半导体芯层116上的上部包层117。图1B所示的半导体构造在第一共面带状线路109和第二共面带状线路110中传输电信号，经由第一相位调制电极111和第二相位调制电极112向半导体芯层116施加电压，由此能作为光调制器而发挥作用。如图1B所示，在第一相位调制电极111和第二相位调制电极112之下，存在上部包层117、半导体芯层116以及下部包层115，因此存在一定的元件电容。即，在图1A所示的半导体MZM100中，第一相位调制电极111和第二相位调制电极112分别对第一共面带状线路109和第二共面带状线路110附加电容。就是说，通过优化设计第一相位调制电极111和第二相位调制电极112的数量、间隔以及与波导的接触长度，能自由地设计电容的附加量。在行波电极构造中，在决定行波电极构造的MZ调制器的性能方面，阻抗匹配和让光调制器中的光信号与电信号的速度匹配变得重要。在此，在一般的电信号的传输线路模型中，阻抗z0和传播常数γ分别由以下的式1和式2表示。在此，ω表示电信号的角频率，R表示传输线路的每单位长度的电阻，G表示传输线路的电导率，L表示传输线路的电感，C表示传输线路的电容。在ωL>>R、ωC>>G的情况下，阻抗z0和传播常数γ分别能由以下的式3和式4表示。此时，当将光速设为c时，电信号的传输速度v和有效折射率n分别能由以下的式5和式6表示。该模型也能应用于行波电极。就是说，这表示，通过定性地控制光调制器的电容成分，能调整阻抗z0和电信号的传输速度v。即，在图1A所示的现有的MZM100中，将第一相位调制电极111和第二相位调制电极112用作了用于调整阻抗z0、电信号的传输速度v的电容。此外，根据光信号与电信号的速度差而得到的频率范围Δf使用在光波导中传输的光信号的群速度v0、电极长度l，表现为如下的式7。从上述式7可知，在光信号的群速度v0与电信号的传输速度v一致时，能得到最大的频率范围Δf。不过，上述式7是没有传输损耗地得到了阻抗匹配的情况下的近似式。实际上，Δf受到传输损耗和阻抗匹配的很大的影响。如上所述，通过设计最佳的电容附加量，能提高光信号与电信号的速度匹配，并且也可以取得对50Ω的阻抗匹配。其结果是，能进行高速的调制。现有技术文献专利文献专利文献1：美国专利第8903202号说明书非专利文献非专利文献1：L.Moerletal.,“AtravellingwaveelectrodeMach-Zehnder40Gb/sdemultiplexerbasedonstraincompensatedGaInAs/AlInAstunnellingbarrierMQWstructure,”1998InternationalConferenceonIndiumPhosphideandRelatedMaterials,pp.40本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体马赫-曾德尔型光调制器，其特征在于，具备：/n输入波导；光分波器，对从所述输入波导输入的光进行分波；第一臂波导和第二臂波导，对由所述光分波器进行了分波的光进行波导；光合波器，对由所述第一臂波导和所述第二臂波导进行了波导的光进行合波；以及输出波导，输出由所述光合波器进行了合波的光，/n所述第一臂波导和所述第二臂波导具备将第一导电性半导体包层、非掺杂半导体芯层以及第二导电性半导体包层按顺序层叠在半导体基板上而形成的波导构造，/n所述半导体马赫-曾德尔型光调制器具备：/n第一信号电极，与所述第一臂波导并联地形成；/n第二信号电极，与所述第二臂波导并联地形成；/n多个第一相位调制电极，从所述第一信号电极分支，沿所述第一信号电极离散地设于所述第一臂波导上；/n多个第二相位调制电极，从所述第二信号电极分支，沿所述第二信号电极离散地设于所述第二臂波导上；/n第一接地电极，沿所述第一信号电极并联地形成；/n第二接地电极，沿所述第二信号电极并联地形成；以及/n多个连接配线，在多个点之间连接所述第一接地电极和所述第二接地电极，/n所述第一信号电极和所述第二信号电极被输入/输出差分信号，/n相邻的所述多个连接配线以在所述第一信号电极和所述第二信号电极中传输的信号的波长的1/4以下的间隔进行设置。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170418 JP 2017-0823131.一种半导体马赫-曾德尔型光调制器，其特征在于，具备：
输入波导；光分波器，对从所述输入波导输入的光进行分波；第一臂波导和第二臂波导，对由所述光分波器进行了分波的光进行波导；光合波器，对由所述第一臂波导和所述第二臂波导进行了波导的光进行合波；以及输出波导，输出由所述光合波器进行了合波的光，
所述第一臂波导和所述第二臂波导具备将第一导电性半导体包层、非掺杂半导体芯层以及第二导电性半导体包层按顺序层叠在半导体基板上而形成的波导构造，
所述半导体马赫-曾德尔型光调制器具备：
第一信号电极，与所述第一臂波导并联地形成；
第二信号电极，与所述第二臂波导并联地形成；
多个第一相位调制电极，从所述第一信号电极分支，沿所述第一信号电极离散地设于所述第一臂波导上；
多个第二相位调制电极，从所述第二信号电极分支，沿所述第二信号电极离散地设于所述第二臂波导上；
第一接地电极，沿所述第一信号电极并联地形成；
第二接地电极，沿所述第二信号电极并联地形成；以及
多个连接配线，在多个点之间连接所述第一接地电极和所述第二接地电极，
所述第一信号电极和所述第二信号电极被输入/输出差分信号，
相邻的所述多个连接配线以在所述第一信号电极和所述第二信号电极中传输的信号的波长的1/4以下的间隔进行设置。


2.根据权利要求1所述的半导体马赫-曾德尔型光调制器，其特征在于，
所述连接配线由下述构件中的任一方构成：
金属丝；
背面接地电极，设于所述半导体基板的背面，经由分别连接于所述第一接地电极和所述第二接地电极的第一通孔和第二通孔，连接所述第一接地电...

【专利技术属性】
技术研发人员：尾崎常祐，小木曾义弘，柏尾典秀，
申请(专利权)人：日本电信电话株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP