CN101169500A - 单环有源的双环耦合共振腔 - Google Patents
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Abstract
一种单环有源的电控双环耦合共振腔元器件。它由一个有源环形共振腔、一个无源环形共振腔、一个耦合两环形共振腔的耦合器与另外若干个耦合器组成。两环形共振腔上均制作有电极，分别独立地通过电流注入载流子对光波进行调制，调制速度可达到纳秒以下。有源环形共振腔对光波的强度进行调制的同时，也对光波的相位进行调制，而无源环形共振腔仅调制光波的相位。该元器件实现了增益和波导折射率的分别独立调制，提高了微环共振腔的可调性，使损耗和相位能够同时满足基于微环共振腔的光器件的要求。
Description
一.技术领域
本发明涉及一种单环有源的电控双环耦合共振腔元器件；涉及一系列基于此种元器件的光电子器件；涉及利用外延、镀膜、光刻、腐蚀、刻蚀等半导体工艺技术制作此种元器件并将其应用于一系列基于此种元器件的方法。
二.技术背景
耦合环形共振腔，特别是尺寸达到100微米量级以下的耦合微环共振腔被认为是未来光通信和光子器件的核心元器件。由于具有速度快、灵敏度高、体积小、结构简单等特点，环形共振腔可以用以实现光信号的窄带滤波、上下路、双稳态、光开关、调制、共振放大、灵敏探测等功能，因此可以广泛地应用于滤波器、M-Z干涉仪、光交叉连接器、分叉复用器、多波长同步调制器、激光器、生物光信号探测器等一系列光器件。
环形共振腔对光信号的响应是通过改变波导材料折射率进而改变光波相位进行调节的。而波导材料折射率的改变可以通过光致折射率效应、电注入载流子或者热电效应等机制来实现。环形共振腔的性能主要依赖于两个参数：损耗(包括耦合器的插入损耗、材料的吸收损耗和由表面粗糙和侧壁引起的散射损耗等)和耦合系数。由于损耗的存在和工艺误差所引起的耦合系数的偏移会导致环形共振腔中心波长的漂移和消光比的降低，并可能引起信号串绕。为了提高环形共振腔的性能，有必要引入增益和调节机制，以增加器件的灵活性和可控性，例如：对于光纤环腔引入掺铒光纤放大器，而对于III-V族半导体材料引入有源层。
相对于其它材料，采用III-V族半导体材料制作环腔的优势有：1、可以实现环腔的微型化；2、可以方便地引入有源层补偿损耗；3、工艺成熟；4、可以方便地通过各种方式改变材料折射率；4、可以与其它III-V族半导体器件集成。
对于有源耦合环形共振腔，通过载流子的电流注入既可以实现光波的相位调制，也可以进行增益补偿。然而，对于特定功能的实现，一个自变量(注入电流)的调节难以使得两个独立的参数(相位和损耗或者增益系数)同时满足要求。通过在环腔某一段加热，利用热光效应可以独立地调节光波相位，实现波长校准，但这严重限制了器件的速度。
三.发明内容
本发明提供一种单环有源的电控双环耦合共振腔元器件。该元器件保持了有源环形共振腔的优点，并且可以对相位和损耗分别独立地通过电流注入载流子进行调节，有利于实现速度快、消光比高、波长可以校准的高性能光器件。
发明目的：实现环形耦合共振腔相位和损耗的独立高速调制。
本发明的技术解决方案如下：
1.本器件由一个有源环形共振腔、一个无源环形共振腔、一个用于耦合两个环形共振腔的耦合器(标记为C0)与另外若干个耦合器组成。
2.所谓环形共振腔包括圆环波导、跑道形波导、矩形波导或由直线、弧线等任意线形波导组成的周而复始的波导结构。
3.有源环形共振腔和无源环形共振腔通过耦合器C0相耦合。
4.两环形共振腔上均制作电极，可以通过电流注入载流子。
5.双环的任一位置均可以通过耦合器和另外的环形共振腔或者直波导或者其它任意形状的波导耦合而构成新的光器件。
6.光波通过耦合器耦合进或者耦合出该元器件。
7.两环形共振腔上均制作有电极，分别独立地通过电流注入载流子对光波进行调制。
8.有源环形共振腔对光波进行强度调制的同时，也进行相位调制。在有源环形共振腔中，通过载流子的电流注入可以引入增益，从而补偿整个元器件的损耗；由于注入载流子对折射率的调制效应，该元器件内传输的光波相位也会改变。
9.无源环形共振腔仅对光波进行相位调制。在无源环形共振腔中载流子的电流注入不改变损耗，仅改变波导的折射率，不但可以对该元器件内传输的光波相位灵活地进行调制，还可以改善由于工艺误差、损耗和有源环形共振腔注入载流子所引起的相位漂移，实现波长校准。
10.双环耦合器C0的反射率越小，该元器件对光波的双腔调制效应就越小，对损耗和相位分离调节的效果就越好。当双环耦合器C0的反射率为0时，该元器件的频谱响应与一个周长等于该元器件中双环周长和的单环共振腔的频谱响应相同。
本发明的技术特点是：
1.增益和波导折射率分别独立调制，提高了微环共振腔的可调性，使损耗和相位能够同时满足基于微环共振腔的光器件的要求。
2.相位和损耗的调节均通过电流注入载流子实现，调制速度可以达到纳秒(ns)以下。
四.附图表说明
图1：该发明第一个实例的平面结构示意图
图2：该发明有源环形共振腔的垂直结构示意图
图3：该发明无源环形共振腔的结构示意图
图4：双环共振腔的剖面示意图
图5：该发明第二个实例的平面结构示意图
图6：该发明第四个实例的平面结构示意图
五.具体实施方式
1.实例一
图1所示该发明第一个实例的平面结构中，有源环形共振腔1通过耦合器3(既C0)与无源环形共振腔2相耦合。光波从耦合器4耦合进该元器件，并从耦合器4耦合出该元器件。耦合器3(既C0)通过将两个环形共振腔各自中的某一段波导平行地尽可能地靠近来实现，耦合器4通过将有源环形共振腔1中的某一段波导与一条直波导平行地尽可能地靠近来实现。
图2、图3分别为用III-V族半导体材料制作的图1所示的该实例的有源环形共振腔1和无源环形共振腔2的垂直结构示意图。衬底2为InP材料，除电极之外的其它各层(包括有源环腔的7到11和无源环腔的13到15)均为InGaAsP材料。n型电极制作在衬底2的底部，有源环腔1的p型电极12和无源环腔2的p型电极16彼此分离绝缘。
该元器件的剖面示意图4中，有源环腔1的n型光波限制层7和p型光波限制层11的材料参数和厚度分别与无源环腔2的n型光波限制层13和p型环腔光波限制层15相同。无源环腔2的波导层14的材料参数与有源环腔1的下波导层8和上波导层10相同。有源层9的禁带宽度与设计的光波频谱范围相对应。无源环腔2的波导层14的厚度等于有源环腔的下波导层8、有源层9和上波导层10的厚度之和。直波导的n型光波限制层18、波导层19和p型波导层20的材料参数与厚度分别与无源环腔2的n型光波限制层13、波导层14和p型光波限制层15相同。各层采用的具体的材料和结构参数根据应用该元器件实现的光器件的具体要求设计。
2.实例二
将图1所示的该发明实例一的有源环形共振腔1和无源环形共振腔2的位置交换，即得到实例三。实例三的垂直结构、制作和工作方式与实例二相同。
3.实例三
图5所示该发明第二个实例的平面结构中，有源环形共振腔1通过耦合器3(既C0)与无源环形共振腔2相耦合。耦合器3(既C0)通过将两个环形共振腔各自中的某一段波导平行地尽可能地靠近来实现。光波从耦合器4或者耦合器5耦合进该元器件，从耦合器4或者耦合器5耦合出该元器件。耦合器4和耦合器5通过将两环形共振腔各自中的某一段波导分别与两条直波导平行地尽可能地靠近来实现。
以III-V族半导体材料制作的该实例中的有源环形共振腔1和无源环形共振腔2的材料参数和垂直结构分别与以III-V族半导体材料制作的实例一中的有源环形共振腔1和无源环形共振腔2相同。耦合器4和耦合器5的直波导的材料参数和垂直结构与实例一中耦合器4的直波导相同。各层采用的具体的材料和结构参数根据应用该元器件实现的光器件的具体要求设计。
4.实例四
图6所示该发明第四个实例的平面结构中，有源环形共振腔1通过耦合器3(既C0)与无源环形共振腔2相耦合。耦合器3(既C0)通过将两个环形共振腔各自中的某一段波导平行地尽可能地靠近来实现。光波从耦合器4或者耦合器5耦合进该元器件，从耦合器4耦合或者耦合器5耦合出该元器件。耦合器4通过将有源环形共振腔1中的某一段波导分别与两条直波导平行地尽可能地靠近来实现。
以III-V族半导体材料制作的该实例中的有源环形共振腔1和无源环形共振腔2的垂直结构分别与以III-V族半导体材料制作的实例一中的有源环形共振腔1和无源环形共振腔2相同。耦合器4的直波导的材料参数和垂直结构与实例一中耦合器4的直波导相同。各层采用的具体的材料和结构参数根据应用该元器件实现的光器件的具体要求设计。
5.实例五
将图6所示的该发明实例四的有源环形共振腔1和无源环形共振腔2的位置交换，即得到实例五。实例五的垂直结构、制作和工作方式与实例四相同。
Claims (9)
1.一种双环耦合共振腔元器件，由两个环形共振腔、一个耦合两环形共振腔的耦合器和若干另外若干个耦合器组成。其特征是：一个环形共振腔为有源环形共振腔，而另外一个环形共振腔为无源环形共振腔；两环形共振腔分别独立地通过电流注入载流子对光波进行调制；有源环形共振腔对光强进行调制的同时，也对光波的相位进行调制，而无源环形共振腔仅调制光波的相位。
2.由权利要求1所述的双环耦合共振腔元器件，其特征是：除了耦合两环形共振腔的耦合器之外，两环形共振腔上各连接若干个或者不连接耦合器，元器件通过这些耦合器与其它光波导耦合，光波通过这两个耦合器耦合或者耦合出该元器件。
3.由权利要求1所述的双环耦合共振腔元器件，其特征是：整个器件由III-V族半导体材料制作而成。
4.由权利要求2所述的双环耦合共振腔元器件，其特征是：两环形共振腔上各连接一个耦合器。
5.由权利要求2所述的双环耦合共振腔元器件，其特征是：有源共振腔上连接一个耦合器，无源共振腔上不连接耦合器。
6.由权利要求2所述的双环耦合共振腔元器件，其特征是：无源共振腔上连接一个耦合器，有源共振腔上不连接耦合器。
7.由权利要求2所述的双环耦合共振腔元器件，其特征是：有源共振腔上连接两个耦合器，无源共振腔上不连接耦合器。
8.由权利要求2所述的双环耦合共振腔元器件，其特征是：无源共振腔上连接两个耦合器，有源共振腔上不连接耦合器。
9.由权利要求2、4、5、6、7、8、9所述的双环耦合共振腔元器件，其特征是：整个器件由III-V族半导体材料制作。
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