CN102472868B - 硅基光调制器的先进调制格式 - Google Patents

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Abstract

一种被配置为多段装置的硅基光调制器，所述硅基光调制器利用修改的电数据输入信号格式解决与基于自由载流子色散的调制相关的相位调制非线性问题和衰减问题。所形成的调制器包括M个单独的段，并且数字信号编码器被用来将N位输入数据信号转换成用于M个调制器段的多个M个驱动信号，其中M≥2N/2。还可以调整调制器段的长度以解决非线性问题和衰减问题。可以在调制器的输出端(在组合波导以外)利用附加的相位调整。

Description

硅基光调制器的先进调制格式
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年8月19日提交的编号为61/235,106的美国临时申请和于2010年6月16日提交的编号为61/355,374的美国临时申请的权益，这两个临时申请在此都通过引用并入。
技术领域
本发明涉及硅基光调制器，并且更具体地涉及利用数字编码器的分段的硅基光调制器，数字编码器用于将多位输入数据信号映射到用于驱动组合中的单独的调制器段的多个信号，选择所述多个信号以解决与硅基调制器的独特性质相关的性能问题(例如，衰减)。
发明背景
多年来，光调制器由电光材料例如铌酸锂制成。光波导在电光材料内形成，且金属接触区域被设置在每个波导臂的表面上。连续波(CW)光信号被射入波导中，并且电数据信号输入被施加作为金属接触区域的输入。所施加的电信号改变接触下面的波导区域的折射率，因而改变沿着波导传播的速度。通过施加在两个臂之间产生π相移的电压，形成非线性(数字)马赫-曾德尔调制器。
尽管这种类型的外置调制器已经证明极其有用，但日益期望在硅基平台上形成多种光学组件、子系统及系统。还期望将与这种系统相关的多种电子组件(例如，用于电光调制器的输入电数据驱动电路)与光学组件集成在同一硅衬底上。明显地，在这种情况下使用基于铌酸锂的光学装置不是一种选择。多种其他传统的电光装置类似地由不能直接地与硅平台相兼容的材料(例如III-V族化合物)制成。而且，众所周知这些基于场的装置中的任何一个在数据速率超过例如1GB/s时具有固有的性能限制。具体地，基于铌酸锂的布置需要被建模为行波结构，且需要相对复杂的电驱动结构来试图使装置在必要的速度下运行。
在硅基平台中提供光调制能力方面已经取得重大进展，如在2005年1月18日授予R.K.Montgomery等人的编号为6,845,198的美国专利中所公开的内容，其已转让给本申请的受让人，并在此通过引用将其并入。图1图示了在Montgomery等人的专利中所公开的硅基调制器装置的示例性布置。在此实例中，硅基光调制器1包括掺杂的硅层2(通常为多晶硅)，掺杂的硅层2与亚微米厚的硅表层3(通常在本领域中称为SOI层)的反向掺杂(oppositely-doped)部分设置在重叠的布置中。SOI层3被示出为传统的绝缘硅(SOI)结构4的表层，该传统的绝缘硅结构4还包括硅衬底5和埋氧层6。重要地，相对薄的电介质层7(例如，二氧化硅、氮化硅、氧化钾、氧化铋、氧化铪，或其他高介电常数的电绝缘材料)沿着SOI层3和掺杂的多晶硅层2之间的重叠区域设置。由多晶硅层2、电介质层7和SOI层3限定的重叠区域限定了光调制器1的“作用区”。在一种实施方式中，多晶硅层2可以是p-掺杂的，SOI层3可以是n-掺杂的；也可以利用互补的掺杂布置(即，n-掺杂的多晶硅层2和p-掺杂的SOI层3)。
图2是调制器1的作用区的放大视图，其图示了与穿过该结构(在垂直于纸面的方向上)传播的信号相关的光强，还图示了多晶硅层2和SOI层3之间重叠宽度W。在操作中，由于施加到掺杂的多晶硅层2的电压(VREF2)和SOI层3的电压(VREF3)(即，电数据输入信号)的作用，自由载流子将聚积并耗尽在电介质层7的两侧。对自由载流子浓度的调制导致改变作用区中的有效折射率，因而引入对沿着由作用区限定的波导传播的光信号的相位调制。在图2所示的图中，光信号将沿着垂直于纸面方向的Y轴传播。
图3图示了示例性的现有技术的硅基马赫-曾德尔干涉仪(MZI)10，该干涉仪被配置成利用以上所描述的硅基调制装置1。如图所示，现有技术的MZI 10包括输入波导部分12和输出波导部分14。一对波导调制器臂16和18被示出，其中在该示例中，所形成的波导臂16包括以上所描述的调制装置1。
在操作中，来自激光源(未示出)的输入连续波(CW)光信号被耦合到输入波导部分12中。之后CW信号分开沿着波导臂16和18传播。向沿着臂16的调制器1施加电驱动信号将提供调制光信号所需的相移，从而形成沿着输出波导14的调制的光输出信号。图示了与调制器1相关的一对电极20，并且电极20被用于提供电驱动信号(VREF2、VREF3)。可以沿着波导臂18设置类似的调制装置以同样地将相位延迟引入到传播的光信号上。当在数字域中操作时，当需要发送逻辑“1”时可以将电极接通，然后断开以发送逻辑“0”。
根据第一级，以上所示出的传统的调制器的输出功率由以下等式给出：
P出＝P入/2(1+cosΔφ)，
其中P出是来自调制器的输出功率，P0是输入功率，以及Δφ是两个臂(例如，图3的调制器10的臂16和18)之间的净光学相位差。因此，光输出功率水平通过改变两个臂之间的净相移φ来控制。图4是这种关系的曲线图，其图示了作为两个臂之间的相移的函数的输出功率(“1”输出与最大功率输出P出相关，“0”输出与最小功率输出P出相关)。也就是，调制器的两个臂之间的差分相移提供了相长干涉(例如，“1”)或相消干涉(例如，“0”)。尽管没有示出或没有描述，但应该理解的是，在实现中，这样的调制器可以利用DC部分以光学平衡臂，并沿着图4中示出的传递曲线在需要的位置设置工作点。
在硅基光调制器的领域中，在利用先进的信号格式方面一直有进展。例如，参见在2009年1月27日授予K.Shastri等人的美国专利7,483,597，其已转让给本申请的受让人并且在此通过引用并入。如其中所公开的，使用了多位电输入数据，并且调制器本身被配置成包括至少一个调制器臂，所述调制器臂包括多个具有不同长度的段，且总长度等于一个π相移。在图5中示出了一个这样的示例性的调制器25。每个单独的段用数字逻辑“1”或数字逻辑“0”驱动，也就是，被数字驱动成“开”或“关”，从而产生多级调制。
已知可以在标称长度方面优化每个调制器段以提供在绝对值上近似相等的功率水平，而不管沿着调制器臂的段的位置(即，其相对于基于余弦的功率曲线的“位置”)。再次参照图4的传递函数曲线，明显的是，需要更长的调制段以在余弦曲线的波峰和波谷处工作，以及提供与和传递曲线的“较陡”的中间区域相关的段相同的输出功率变化。
虽然由Shastri等人公开的布置对于允许多位数据信号驱动硅基光调制器是有用的，但已经认识到，用于硅中的光相位调制的自由载流子色散效应表现出非线性相位调制响应，同时还表现出与相位调制量成比例的衰减。图6(a)是图5的现有技术装置的非线性相位调制响应关于所施加的电压的曲线图，以及图6(b)是图5的现有技术装置的硅基光调制器的衰减作为所施加的电压的函数的曲线图。如在图6(a)中所示，对于小于大约1伏特的施加电压，相位调制是非线性的，其中如在图6(b)中所示，衰减随着所施加的电压的增加而增加，对于2V的施加电压及1550nm的工作波长，衰减达到接近3dB/mm的值。
因此，本领域一直需要一种硅基光调制器，该硅基光调制器认识到并解决了与这些硅装置中的自由载流子色散效应相关的非线性问题和衰减问题。
发明概述
通过本发明解决了现有技术中存在的需求，本发明涉及硅基光调制器，且更具体地涉及一种被配置为多段装置的硅基光调制器，其利用修改的电数据输入信号格式来解决与沿着其波导区域的基于自由载流子色散的调制相关的相位调制非线性问题和衰减问题。
依据本发明，通过利用多段调制器结构减轻了非线性相位调制和基于自由载流子色散的衰减，其中采用了N位输入信号、M段调制器，其中M≥2N/2。N-到-M数字编码器被包括在调制器布置中，并被用于将N位输入信号映射到用于选择性地驱动调制器段所需的M个信号。
本发明的一个方面是，还可以调整调制器段的长度以解决非线性问题和衰减问题。可以在调制器的输出端(在组合波导以外)利用附加的相位调整。
有利地，包括通过数字输入信号的编码控制的多个调制器段允许段本身的输入采取数字信号的形式，从而允许利用基于CMOS的配置。
本发明的调制器被认为可用于多种先进的调制方案，包括但不局限于正交幅度调制(QAM)、QAM-m、星形QAM、正交相移键控(QPSK)、PAM(相位幅度调制)、OFDM(正交频分复用)，以及诸如此类的调制方案。
在以下的讨论中并通过参照附图，本发明的其他方面和另外的方面将变得明显。
附图的简要描述
现在参照附图，
图1是示例性的硅基调制装置的剪切剖视图；
图2是图1中示出的装置的作用区的放大视图；
图3图示了利用图1的硅基调制装置的示例性的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)；
图4示出了图3的MZI的传递函数；
图5图示了用于多级电输入(数据)信号的示例性的分段的MZI；
图6(a)是硅基调制装置的非线性相位响应的曲线图；
图6(b)是与硅基调制装置相关的衰减的曲线图；
图7示出了依据本发明形成的示例性的分段的硅基光调制器，该硅基光调制器提供对电数据输入信号的编码以克服与现有技术相关的相位非线性问题和衰减问题；
图8是依据本发明形成的示例性的QAM调制器；
图9是利用现有技术的传统的三段调制器的QAM-64的矩形星座图；
图10(a)是与使用依据本发明形成的四段MZI和关联的输入信号编码器相关的QAM-64的图；
图10(b)是与使用依据本发明形成的六段MZI和关联的输入信号编码器相关的QAM-64的图；
图11是本发明的可选实施方式的图，其利用单个MZI提供QAM信号并包括使用在MZI的输出端以外设置的附加的段来提供附加的补偿；以及
图12是图11的布置的可选实施方式，其利用调制器结构的不同长度的每段。
详细描述
图7图示了示例性的硅基光调制器30，该硅基光调制器依据本发明形成以解决与在多段调制器配置中使用基于自由载流子色散的调制相关的非线性问题和衰减问题。如图所示，调制器30包括与以上所描述的相同的MZI结构，该MZI结构包括输入波导12、输出波导14和一对波导臂16、18。CW光信号被耦合到输入波导12中，“调制的”光信号沿着输出波导14出现，通过电输入(数据)信号引入的调制被施加作为沿着波导臂16、18设置的调制装置的输入。每个波导臂16、18被示出为包括多个段，且电(数据)输入信号被用于控制引入到传播的光信号的相位调制的程度。
具体地，光波导臂16被示出为包括第一组多个段40，在这种情况下为一组具有不同长度(在图7中示出为L0、L1、L2和L3)的四个段41、42、43和44，尽管可以使用多于四个段。具体地，根据在下文中所描述的设计标准规定段的长度，包括补偿非线性相位调制和自由载流子引入的衰减。光波导臂18被示出形成为第二组多个波导段50(也包括具有规定长度的四个段51、52、53和54)。每个段都可以类似于在图1-3中示出的调制器1的配置形成；可选地，可以在本发明的调制器中利用在本领域中同样已知的P-N结硅基调制器。
依据本发明，输入信号编码器60被用于将一组N个输入电数据信号位转换成用于控制第一组多个段40和第二组多个段50的一组M个电驱动信号。如以上所陈述的，段的数量M与位的数量N的关系为M≥2N/2。对于图7的示例性实施方式，N＝3，M＝4。输入信号编码器40运行以将三位输入电数据信号(b0、b1、b2)的八种可能的输入条件映射到用于段20、30的控制信号(M0、M1、M2、M3)。输出也是数字信号是有利的，这允许在调制器的制造中使用基于CMOS的电路元件。下面示出的表1阐释了可用于创建控制信号M0-M3的一个示例性的编码方案：
表1
  b2   b1   b0   M0   M1   M2   M3
  0   0   0   关   关   关   关
  0   0   1   开   关   关   关
  0   1   0   开   开   关   关
  0   1   1   开   开   开   关
  1   0   0   关   关   关   开
  1   0   1   关   关   开   开
  1   1   0   关   开   开   开
  1   1   1   开   开   开   开
在这种情况下，输入信号编码器60将三位电数据输入信号的8种可能的输入条件映射到用于控制信号M0-M3的可能的16个输出状态中的8个。“最好的”8个状态的明智选择允许硅基调制器克服与基于自由载流子色散的调制相关的非线性相位响应问题和衰减问题。应该理解的是，虽然没有在该表中或在相关的附图中明确地示出，但施加到调制器段的M个控制信号中的每一个实际上包括一对相反地偏置的信号。而且，应该理解的是，对调制器30施加附加的恒定的相位偏置以便允许它在所需的工作点处运行。
图8图示了被配置为QAM光调制器100的本发明的一种实施方式。在这种情况下，波导16被示出为与QAM调制方案的同相(I)分量相关，以及波导18与该方案的正交(Q)分量相关。如图所示，第一多段调制器110以及相关的第一输入信号编码器120沿着波导16设置。第二多段调制器130以及相关的第二输入信号编码器140被类似地沿着波导18设置。为了重新组合沿着臂16和18的信号，在调制器130的输出端设置π/2相移元件135以便允许重新调整正交分量。
如图所示，同相数据位输入I0、I1和I2被用作到第一输入信号编码器120的输入，在该具体实施方式中，第一输入信号编码器120被示出为产生一组6个控制信号M0-M5(更具体地为6对互补的控制信号)。然后这组6个控制信号M0-M5被用于控制六段调制器结构，该六段调制器结构被示出为沿着第一波导16-1的段150和沿着第二波导16-2的段152。以类似的方式，一组正交数据位输入Q0、Q1和Q2被用作第二输入信号编码器140的输入，同样分别创建用于沿着波导18-1和18-2设置的段154和156的一组6个控制信号。同样，编码器120和140被用于将输入信号位映射到克服与硅基光调制器相关的非线性问题和衰减问题的“最好的”一组输出信号中。
图9是与QAM-64相关的现有技术的星座图，QAM-64使用三段调制器直接将三位输入信号(b0、b1和b2)施加到与图8类似的布置中的I和Q调制器(在这种情况下，沿着每个调制器只使用三段)。应该理解的是，“理想的”调制器结构将产生包括间距相等的点的阵列的星座图。然而，MZI的多种非线性性质(即，它固有的非线性传递函数，以及沿着信号路径存在的衰减和非线性相位调制)都有助于在各个64种可能的数据信号中引入相对于其假想位置的移位。此移位对于“外部信号”而言尤其存在问题，如在图9中所示。
依据本发明，通过增加在调制器中所利用的段的数量，以及明智地选择通过编码器提供的控制信号输入类型，可以减少与这些信号相关的衰减。图10(a)是利用四段调制器结构的本发明的一种实施方式的星座图，图10(b)是利用六段调制器的实施方式的星座图。对现有技术的三段布置的改善是可见的。事实上，通过增加段的数量，在相关的光接收机处，从调制的输出信号中恢复数据的出错率被显著降低了。
图11图示了本发明的可选实施方式，在这种情况下使用单个调制器200实现QAM-64。为了提供所有64种可能的数据位的全部表示，一组相位调制段210沿着输出信号路径14位于调制器200的“外部”。如图所示，三个同相数据位(I0、I1和I2)以及三个正交数据位(Q0、Q1和Q2)被施加作为单个编码器220的输入。图11的具体实施方式包括六段调制器结构230，且控制信号M0-M5(及其互补形式)被施加分别作为形成调制器结构230的单独的段231、232、233、234、235和236的驱动信号输入。因此，编码器220利用I、Q输入信号不仅创建用于调制器段230的驱动信号，而且创建用于相位调制段210的数字驱动信号φ0、φ1和φ2，其中同时选择段230的长度和驱动信号类型以解决与硅基光调制装置相关的衰减问题。
尽管没有特别地图示，但应该理解的是，可以修改以上联系图8所讨论的本发明的实施方式，以进一步包括沿着输出波导14设置在调制器100的“外部”的多个相位调制段。
对于一些设计应用来说，根据具体情况优化每段的长度可能是有必要的。具体的基于硅的限制(例如基于自由载流子色散的衰减)被认为是MZI结构的长度的函数(例如，参见图6(a)和6(b)的图，其说明了作为硅基调制装置的长度(mm)的函数的相位调制和衰减。然而，基于几何级数选择长度也可能是有利的。例如，在五段实施方式中，长度可以具有的几何关系为L/2、L/4、L/8、L/16和L/32，其中基于一些标准来选择L，例如最大的光调制幅度(OMA)、消光比等。具体选择的标准被认为是具体实现的设计考虑而不是本发明的要求。图12图示了图11的实施方式的可选布置300，其利用了限定每个调制段(MZI 300“内部”的段310和MZI 300“外部”的段320)的长度的这样一种方案。在这种方法中，可以用导致增量为L/32、有效总长度为31L/32的方式驱动调制器段。与以上所讨论的其他实施方式一样，被适当编程的编码器330用于将多个数字驱动信号提供给单独的段，所示为第一组数字驱动信号M0-M4(其互补形式)提供给MZI内的段310以及第二组数字驱动信号φ0-φ4(单侧的)提供给沿着输出波导14设置的相位段320。
应该理解的是，在本发明的调制器中所使用的编码技术可适用于多种不同的调制方案。示例性的调制格式包括但不局限于脉冲幅度调制(PAM-n)——在本领域中有时称作幅移键控(ASK)、QAM-n(实现矩形的以及星形的星座图)、正交频分复用(OFDM)等。事实上，虽然已经参照本发明的几个实施方式描述了本发明，但本领域的技术人员将意识到，可以进行多种变化而不偏离请求保护的发明的精神和范围。因此，本发明不局限于在附图中示出的和在说明书中描述的内容，但仅在所附权利要求书中指示其内容。

Claims (10)

1.一种硅基光调制装置，其用于将N位电数据信号转换成调制的光输出信号，所述硅基光调制装置包括：
输入波导部分，所述输入波导部分用于接收连续波光输入信号；
输入分光器，所述输入分光器耦合于所述输入波导部分的输出端，用于将所述连续波光输入信号分成一对连续波光信号；
一对光波导，所述一对光波导由亚微米厚的硅表层构成，形成在硅衬底上的埋氧层上，所述一对光波导耦合于所述输入分光器的输出端，所述一对光波导形成用于支持所述一对连续波光信号的传播的一对调制器臂，至少一个调制器臂被分割成数量为M个的多个调制器段，每个调制器段包括与所述硅表层的反向掺杂部分设置在重叠的布置中的掺杂的硅层且包括设置在所述掺杂的硅层和所述硅表层的所述反向掺杂部分之间的薄的电介质层；
数字编码器，所述数字编码器用于将所述N位电数据信号转换成用于所述数量为M个的多个调制器段的数量为M个的多个驱动信号，且M≥2N/2，所述数量为M个的多个驱动信号被选择成补偿与所述硅基光调制装置内的基于自由载流子色散效应的调制相关的非线性问题和衰减问题；
输出光组合器，所述输出光组合器用于将经过调制的一对光信号组合成一个调制的光输出信号；以及
输出波导部分，所述输出波导部分耦合于所述输出光组合器的输出端，用于支持所述调制的光输出信号的传播。
2.如在权利要求1中所限定的硅基光调制装置，其中每个调制器臂被分割成数量为M个的多个调制器段，所述数字编码器提供数量为M对的多对驱动信号。
3.如在权利要求2中所限定的硅基光调制装置，其中所述数量为M对的多对驱动信号包括数量为M对的多对互补的驱动信号。
4.如在权利要求1中所限定的硅基光调制装置，其中所述调制装置还包括：
多个相位调制段，所述多个相位调制段沿着所述输出波导部分设置并且通过从所述数字编码器输出的驱动信号进行控制。
5.如在权利要求1中所限定的硅基光调制装置，其中所述数量为M个的多个驱动信号包括多个数字信号。
6.如在权利要求5中所限定的硅基光调制装置，其中所述多个数字信号包括多个CMOS兼容的数字信号。
7.如在权利要求1中所限定的硅基光调制装置，其中所述多个调制器段被配置成表现出组合长度L，在存在与所述硅基光调制装置的自由载流子色散效应相关的非线性和衰减时，所述组合长度L被选择成提供预定的光调制幅度。
8.如在权利要求1中所限定的硅基光调制装置，其中所述多个调制器段被配置成表现出组合长度L，在存在与所述硅基光调制装置的自由载流子色散效应相关的非线性和衰减时，所述组合长度L被选择成提供预定的消光比。
9.如在权利要求1中所限定的硅基光调制装置，其中所述多个段被配置成表现出组合长度L，其中单个段的长度基于L/2n，n＝1,2,3,…。
10.一种硅基正交幅度调制光学装置，包括：
输入波导部分，所述输入波导部分用于接收连续波光输入信号；
输入分光器，所述输入分光器耦合于所述输入波导部分的输出端，用于将所述连续波光输入信号分成一对连续波光信号；
一对光波导臂，所述一对光波导臂由亚微米厚的硅表层构成，形成在硅衬底上的埋氧层上，所述一对光波导臂耦合于所述输入分光器的输出端，
所述一对光波导臂的第一光波导臂还包括：
第一分光器，所述第一分光器产生用于支持所述连续波光信号的第一部分的传播的第一对调制器臂，所述第一对调制器臂的每个调制器臂被分割成第一组数量为M个的多个调制器段，所述第一组数量为M个的多个调制器段的每个调制器段包括与所述硅表层的反向掺杂部分设置在重叠的布置中的掺杂的硅层且包括设置在所述掺杂的硅层和所述硅表层的所述反向掺杂部分之间的薄的电介质层；
第一数字编码器，所述第一数字编码器用于将正交幅度调制数据信号转换成用于所述第一组数量为M个的多个调制器段的第一组数量为M个的多个驱动信号，所述第一组数量为M个的多个驱动信号被选择成补偿与所述硅基正交幅度调制光学装置内的基于自由载流子色散的调制相关的非线性问题和衰减问题；以及
第一光组合器，所述第一光组合器用于组合沿着所述第一对调制器臂的每个调制器臂传播的调制的光信号；
所述一对光波导臂的第二光波导臂还包括：
第二分光器，所述第二分光器产生用于支持所述连续波光信号的第二部分的传播的第二对调制器臂，所述第二对调制器臂的每个调制器臂被分割成第二组数量为M个的多个调制器段，所述第二组数量为M个的多个调制器段的每个调制器段包括与所述硅表层的反向掺杂部分设置在重叠的布置中的掺杂的硅层且包括设置在所述掺杂的硅层和所述硅表层的所述反向掺杂部分之间的薄的电介质层；
第二数字编码器，所述第二数字编码器用于将正交幅度调制数据信号转换成用于所述第二组数量为M个的多个调制器段的第二组数量为M个的多个驱动信号，所述第二组数量为M个的多个驱动信号被选择成补偿与所述硅基正交幅度调制光学装置内的基于自由载流子色散的调制相关的非线性问题和衰减问题；以及
第二光组合器，所述第二光组合器用于组合沿着所述第二对调制器臂的每个调制器臂传播的调制的光信号；
π/2相移元件，所述π/2相移元件设置在所述第二光组合器的输出端；
输出光组合器，所述输出光组合器用于将所述第一光组合器和所述第二光组合器的输出端的一对调制的光信号组合成一个正交幅度调制的光输出信号；以及
输出波导部分，所述输出波导部分耦合于所述输出光组合器的输出端，用于支持所述正交幅度调制的光输出信号的传播。
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