CN103293715B - 一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器 - Google Patents
一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其包括：入射波导，其为直波导，用于接收入射光和输出出射光；弯曲波导，其与入射波导近距离设置，使得经过入射波导内的入射光部分耦合进该弯曲波导，且经过该弯曲波导的出射光部分耦合进所述入射波导并输出；马赫曾德尔干涉仪结构，其输入端与弯曲波导的输入端相连，其输出端与弯曲波导的输出端相连，以形成微环谐振腔，且其用于增加微环谐振腔的光损耗。行波电极，其用于向所述马赫曾德尔干涉仪结构加载电压，以使得马赫曾德尔干涉仪结构对输入其的光进行强度调制。本发明通过在微环非耦合区加入了MZI结构，利用微环临界耦合和非临界耦合状态的转换完成对入射光的调制。
Description
技术领域
本发明涉及高速电光调制领域，尤其涉及一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪(Ring-MZI)结构的电光调制器，为实现低功耗、小尺寸光子集成提供了一种途径。
背景技术
随着集成电路技术的发展，器件尺寸越来越小，由此而导致的功耗、串扰和延迟也越来越严重，单纯的电学器件已经满足不了信息发展的需要，尤其是在互连领域，因此1984年提出利用光互连替代电互连。光互连相对于电互连具有很多优势，比如延迟低，传输通量大，无干扰和低能耗等。在光子互连领域中，激光器、光波导、调制器和探测器是最基本的光子器件，其中调制器负责将电信号转化为光信号，其表现制约了整个系统的性能。在电光调制器中，光学结构主要有两种：微环和马赫曾德尔干涉仪(MZI)。基于微环的电光调制器尺寸小，适于高密度集成，并且由于其调制不需要获得π相移，因此功耗小；基于MZI的电光调制器尺寸大，调制臂上的相位差需要达到π相移，因此调制效率相对较低，功耗大。从稳定性上讲，由于硅的热光系数比较高dn/dT＝1.86×10-4/K，因此当环境温度变化时，硅的折射率变化，引起波导有效折射率的变化，从而导致电光调制器波长的偏移，而微环的带宽小，很容易受到影响，MZI的带宽大，对温度的敏感性相对较差，适于产业化生产。为了改善微环的温度敏感性，可以引入负温度系数的材料以抵消硅折射率增加导致的有效折射率变化，但是负温度系数的材料几乎都是聚合物材料，与CMOS工艺不兼容。也可以通过加入控温系统使得器件工作在恒温下，但是这样会增加整体器件的功耗，减小了竞争力。从带宽方面讲，微环的调制带宽受到环内光子寿命和驱动电路寄生RC常数的影响，而微环的光子寿命比较大，从而限制了其调制带宽；MZI的调制带宽只受RC常数的影响，因此相对较大，可以实现更高速度的调制。另外，由于微环的谐振作用，导致环内光强很大，当光强达到一定程度时便会引起非线性效应，导致谐振波长的偏移，影响器件的性能。
硅基电光调制器一般是利用等离子色散作用，通过加载电压改变波导中自由载流子的浓度实现波导折射率的变化，波导折射率变化会引起相位的变化，最终通过干涉表现为光强的变化。基于等离子色散效应的电光调制器对载流子调制的方式有三种：载流子注入，载流子累积和载流子耗尽。载流子注入是利用PIN结构在外加正偏压下载流子的扩散和漂移完成的，但是由于载流子浓度变化的过程中扩散占主导作用，并且其扩散时间相对较长，因此调制速度并不是很高，在预加重电压的调制下，其调制速度达到了12.5Gbps；载流子累积是利用MOS结构沟道中的电荷累积过程实现的，硅波导中间有一层薄(10nm左右)SiO2层，两边分别是P型和N型掺杂的硅波导，在外加电压的作用下，自由载流子积累在SiO2层的两侧，通过改变SiO2两边的载流子浓度改变波导折射率；载流子耗尽是利用PN结构在外加负偏压下载流子的扩散和漂移完成的，但是在载流子浓度变化的过程中漂移占主导作用，使得载流子浓度变化很快，可以实现高速调制，现在基于反向PN结电光调制器的调制速率已经可以达到60Gbps。在这三种载流子调制方式中，载流子注入型由于载流子浓度变化很大，调制效率最高，但是调制速度也最慢；载流子积累和载流子耗尽由于载流子浓度变化仅仅在SiO2层和PN结两边，变化范围很小，因此调制效率比较低，但是调制速度快。由于载流子积累型的需要淀积一层薄的SiO2作为隔离层，工艺难度大，因此现在研究的电光调制器主要类型是基于载流子耗尽型的PN结电光调制器。
发明内容
本发明旨在提供一种大带宽、高调制效率、低功耗的电光调制器，该结构利用了Ring-MZI结构，通过在谐振腔结构中加入MZI结构改变谐振腔内的损耗，实现谐振腔结构临界耦合和非临界耦合状态之间的相互转换，同时通过增加谐振腔内的损耗可以减小光子寿命，增加其调制带宽。另外，由于该器件不需要实现π相移，因此调制效率高，功耗低。
本发明提供了一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其包括：
入射波导，其为直波导，用于接收入射光和输出出射光；
弯曲波导，其与入射波导近距离设置，使得经过入射波导内的入射光部分耦合进该弯曲波导，且经过该弯曲波导的出射光部分耦合进所述入射波导并输出；
马赫曾德尔干涉仪结构，其输入端与弯曲波导的输入端相连，其输出端与弯曲波导的输出端相连，以形成微环谐振腔，且其用于增加微环谐振腔的光损耗。
行波电极，其用于向所述马赫曾德尔干涉仪结构加载电压，以使得马赫曾德尔干涉仪结构对输入其的光进行强度调制。
本发明是利用微环谐振腔临界耦合和非临界耦合状态之间的相互转换实现调制开关的作用。Ring电光调制器的调制带宽受限于光子寿命，因此通过在谐振腔内加入MZI可以控制谐振腔内的损耗。当增加损耗时，谐振腔的光子寿命减小，调制带宽增加，从而可以提高其调制速度，同时由于临界耦合条件对环内损耗比较敏感，因此该结构不需要像MZI那样实现π相移，调制效率很高。
附图说明
图1是本发明第一优选实施例中Ring-对称MZI(Ring-SymMZI)电光调制器的结构示意图；
图2是本发明第二优选实施例中Ring-非对称MZI(Ring-AsymMZI)电光调制器的结构示意图；
图3是本发明中Ring-AsymMZI电光调制器和其中的AsymMZI结构在加载电压后，不同折射率变化和吸收损耗变化对应的光谱图；
图4是本发明中Ring-AsymMZI电光调制器光子寿命和带宽随折射率的变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了本发明第一优选实施例中基于微环-对称马赫曾德尔干涉仪(Ring-SymMZI)的电光调制器的结构示意图。如图1所示，该电光调制器的MZI的两条臂是相等的。该电光调制器主要包括：
入射波导1，该波导是直波导，用以减小传输过程中的光损耗；
弯曲波导2，该波导与入射波导1近距离设置，入射波导的光可以部分耦合进该弯曲波导；
1×2分束器3，其输入端与弯曲波导2的第一端相连，其用于将从弯曲波导2输出的光进行分束，进入两条调制臂，该分束器可以是多模干涉耦合器或者Y分支；
第一调制臂41，其第一端与1×2分束器3输出端的第一端相连；
第二调制臂42，其第一端与1×2分束器3输出端的第二端相连；
2×1合束器5，其输入端与第一调制臂41和第二调制臂42的第二端相连，输出端与弯曲波导2的第二端相连；该合束器可以是多模干涉耦合器或者Y分支；
行波电极6，其用于向第二调制臂42加载电压，使第二调制臂42的折射率发生变化，以改变第一调制臂41和第二调制臂42的相位差。
其中，该电光调制器中，MZI包括1×2分束器3、第一调制臂41、第二调制臂42和2×1合束器5。
本发明公开的上述电光调制器中，入射光首先经过入射波导1的输入端口，传输到入射波导1与弯曲波导2的耦合区时，部分光从入射波导1的另一端输出，而另一部分光耦合进弯曲波导2；耦合进弯曲波导2的光经过1×2分束器3后分成两束强度和相位完全相等的光，并分别进入第一调制臂41和第二调制臂42，两束光的相位在调制臂上发生变化；经过调制的光通过2×1合束器5进行合束，进入弯曲波导2的第二端口；进入弯曲波导2的光经过弯曲波导2与入射波导1的耦合区时，部分光耦合进入射波导1，从入射波导1的输出端口输出，部分光进入弯曲波导2。
在未调制之前，该器件处于临界耦合状态，第一调制臂41和第二调制臂42上光的相位完全相等；当在第一调制臂41上加载电压后，其相位发生改变，导致第一调制臂41和第二调制臂42的相位不同，由于干涉作用使得2×1合束器5的输出光强减小，也就是说在谐振腔内的光损耗增加，此时临界耦合状态变成欠耦合状态，消光比减小。由于临界耦合状态与欠耦合状态之间的消光比之差很大，从而可以看成on/off状态之间的转换。由于微环谐振腔内的光子寿命其中，ng是微环波导的群折射率，R是微环半径，c是光在真空下的速度，γ是绕微环一周的光损耗因子，t是入射波导与弯曲波导之间的振幅透射系数。从上式可以看出，光子寿命与(γ-Int)呈反比，随着微环光损耗的增加，γ增加，而t不变，因此光子寿命减小。微环谐振腔的调制带宽其中τp是微环谐振腔内的光子寿命，RC是电光调制器的RC常数，加载电压时RC常数基本不变。随着光子寿命的减小，电光调制器的调制带宽增加，从而提高调制速率。综合以上所述，通过在微环谐振腔内加入MZI调制器可以增加微环谐振腔内的光损耗，从而提高该电光调制器的调制带宽。
其中，所述行波电极向所述马赫曾德尔干涉仪结构的第二调制臂上加载电压，以改变马赫曾德尔干涉仪结构输出端的光强，进而改变微环谐振腔内部的损耗，实现微环谐振腔临界耦合和非临界耦合之间的转换，而临界耦合和非临界耦合之间的消光比相差很多，同时由于折射率的变化会导致谐振波长的偏移，从而可以实现电光开关的功能。
图2是本发明第二优选实施例中基于微环-非对称马赫曾德尔干涉仪(Ring-AsymMZI)的电光调制器的结构示意图。如图2所示，该优选实施例与第一优选实施例相比，MZI调制器的两条臂不相等，即第一调制臂41和第二调制臂42的臂长存在一定的差异。本优选实施例中MZI的输出谱图是周期性的，其自由光谱范围其中λ0是工作波长，neff是波导的有效折射率，ΔL是臂长差。通过调节臂长差ΔL，可以增大或减小MZI的FSR，由于微环存在固有的FSR，并且因此可以通过调节ΔL改变Ring-AsymMZI的FSR。在特定的加载电压下，Ring-AsymMZI电光调制器处于临界耦合状态，在微环的谐振波长处，第一调制臂41和第二调制臂42的相位差正好是2π的整数倍。当调制臂上加载电压改变时，MZI的波谱发生偏移，谐振波长处的微环损耗增加，使其从临界耦合状态变化到欠耦合状态，完成on/off的状态转变，同时由于微环内损耗的增加，使其调制带宽增加。
本发明提出的上述方案中，入射波导、弯曲波导、1×2分束器和2×1合束器在制作过程中不进行掺杂，以减小光在传输过程中的损耗；第一调制臂和第二调制臂在制作过程中需要进行掺杂，并且掺杂浓度相等，使两条臂的光吸收损耗相同，实现高消光比调制。
以Ring-AsymMZI电光调制器为例对其特性进行定性分析，谐振腔从欠耦合状态向临界耦合状态转变。
图3是Ring-AsymMZI电光调制器和其中的非对称MZI结构在加载电压后，不同折射率变化和吸收损耗对应的光谱图。当未加载电压时，折射率变化和吸收损耗变化为0，此时设定该结构是欠耦合状态。随着加载负偏压的增加，PN结中的载流子浓度减小，由于自由载流子色散作用导致有效折射率增加，而相应的吸收损耗减小。当折射率变化分别为1×10-4、3×10-4和5×10-4时，对应的吸收损耗减少分别为2dB/cm、4dB/cm和6dB/cm，不同条件下的光谱图如图3(a)所示，此时设定当折射率改变5×10-4，吸收损耗减小6dB/cm时为临界耦合状态，也就是说该器件是从欠耦合状态转变到临界耦合状态。从图3(a)中看出，随着加载电压的增加，谐振波长发生偏移，消光比逐渐增加，同时其光学3dB带宽在减小。图3(b)是将结构中的AsymMZI单独进行分析，由于随着外部电压的加载，波导的吸收损耗减小，因此其峰值光强增加，同时，MZI的光谱发生偏移，使环内损耗发生变化，但是光谱偏移很小，也就是说电光调制仅仅需要很小的相位移动，不用实现π相移，从而保证了其高调制效率和低功耗。
图4是本发明中Ring-AsymMZI电光调制器光子寿命和带宽随折射率的变化图。如图4所示，其中吸收损耗变化与折射率的变化对应于PN结的不同加载电压。当折射率变化从0到5×10-4时，吸收损耗变化从12dB/cm到6dB/cm。由于微环谐振腔的调制带宽其中RC可以近似为常数，假设RC常数决定的带宽由于该结构是从欠耦合状态转变到临界耦合状态，因此当未加载电压时，其损耗很大，也就是光子寿命小，大约16.8ps。随着电压的增加，谐振腔内损耗减小，并且往临界耦合状态转变，当折射率变化5×10-4时，达到临界耦合，其光子寿命增加到23ps。根据带宽公式，可以得到其带宽从9GHz变化到6.7GHz，也就是说临界耦合状态对应带宽6.7GHz，欠耦合状态对应带宽9GHz，因此通过改变MZI对谐振腔内损耗的控制可以增加该调制器带宽。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其包括：
入射波导，其为直波导，用于接收入射光和输出出射光；
弯曲波导，其与入射波导近距离设置，使得经过入射波导内的入射光部分耦合进该弯曲波导，且经过该弯曲波导的出射光部分耦合进所述入射波导并输出；
马赫曾德尔干涉仪结构，其输入端与弯曲波导的输入端相连，其输出端与弯曲波导的输出端相连，以形成微环谐振腔，且其用于增加微环谐振腔的光损耗；
行波电极，其用于向所述马赫曾德尔干涉仪结构加载电压，以使得马赫曾德尔干涉仪结构对输入其的光进行强度调制。
2.根据权利要求1所述的基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其特征在于：所述马赫曾德尔干涉仪结构包括：
1×2分束器，其与弯曲波导的第一端相连；
第一调制臂，其第一端与1×2分束器的第一输出端相连；
第二调制臂，其第一端与1×2分束器的第二输出端相连；
2×1合束器，其输入端与第一调制臂和第二调制臂的第二端相连，输出端与弯曲波导的第二端相连。
3.根据权利要求2所述的基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其特征在于：1×2分束器和2×1合束器是多模干涉耦合器或者Y分支。
4.根据权利要求2所述的基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其特征在于：入射波导、弯曲波导、1×2分束器和2×1合束器在制作过程中不进行掺杂，以减小光在传输过程中的损耗；第一调制臂和第二调制臂在制作过程中进行掺杂，并且掺杂浓度相等，使两条臂的吸收损耗相同，实现高消光比调制。
5.根据权利要求2所述的基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其特征在于：第一调制臂和第二调制臂的长度相同，且所述电光调制器的波谱范围由微环谐振腔的周长决定。
6.根据权利要求2所述的基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其特征在于：第一调制臂和第二调制臂的长度不同，且该电光调制器的工作谐振峰位于所述第一调制臂和第二调制臂的2nπ相移处，n为大于0的整数。
7.根据权利要求1所述的基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其特征在于：所述行波电极向所述马赫曾德尔干涉仪结构的其中一条调制臂加载电压，用于改变马赫曾德尔干涉仪结构输出端的光强，进而改变微环谐振腔内部的损耗，实现微环谐振腔临界耦合和非临界耦合之间的转换，从而实现电光开关的功能。
8.根据权利要求7所述的基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其特征在于：当加载电压增加微环谐振腔内部的损耗时，微环谐振腔内的光子寿命减小，调制带宽增加，从而提高调制速率。
9.根据权利要求1所述的基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其特征在于：在对马赫曾德尔干涉仪进行加载电压过程中，不用实现π相移。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160601 Termination date: 20170628 |