CN106842631A - 一种可集成多功能光学调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式提供了提供一种用于光通信系统的两端口多功能光调制器，该器件具有以下功能：1)常规的两端口光调制器，提供幅度光调制、相位光调制和高阶光调制功能；2)单端口的反射式光调制器，仅仅提供幅度光调制功能；3)单端口的反射式光调制器，提供幅度光调制、相位光调制和高阶光调制功能。它可以作为集成光学回路的一部分来应用，也可以单独作为一个两端口的器件来使用。该器件便于集成在硅基光学芯片上，因此便于构成低成本和高可靠性的光学模块，应用于光通信与光互联系统中。

Description

一种可集成多功能光学调制器
技术领域
本发明涉及集成光学器件领域，特别涉及一种具有常规高阶光调制与反射式高阶光调制的器件。
背景技术
集成光子器件是光电子领域的一项关键技术。由于技术的发展，人们在硅基材料构成的光学芯片上已经可以制作出光耦合器、光分束器、光滤波器等无源光学器件，或是光调制器、电光开关等有源光学器件。由于采用绝缘衬底上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术的硅基集成器件能够很好的与CMOS工艺相兼容，因此硅基器件便于大规模生产且具有成本优势，人们希望将光互联设备、光通信和光网络中的某些器件集成在单个硅基光学芯片上，最终实现片上光网络(network on chip，NOC)，从而使集成光学回路(Photonicintegrated circuits，PIC)像集成电路一样，能够提供成本较低、功耗较小且性能稳定的光模块资源，应用在未来信息传输和信息处理当中。
硅基光子集成技术是一项新兴的技术，从技术层面上说还存在不少需要解决的问题，但是，随着成本和性能要求越来越严苛的光纤通信等领域的需求不断发展，硅基光子集成技术的应用是大势所趋。利用半导体CMOS工艺，能够在硅片上制作出马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)等传统结构的光学器件，或者包含大量微环等谐振结构的光学器件1，或者包含MZI和微环阵列混合结构的光学器件2，其结构如图1所示，它们可以应用在光学滤波器和光学调制器当中，研究人员希望将这些结构的硅基光器件直接应用在光通信当中。
为了增强光学调制器的调制效率，一些研究人员将反射镜结构引入光调制器模块中，形成如图2所示的反射式光调制器结构3。在图2中，2×2光学定向耦合器的端口分别连接着两段光波导，形成光调制器的两个臂，所不同的是光波在两个臂上传播时，既有入射方向的调制，也有反射方向的调制，采用该结构可以制成传输速率高达40Gbit/s的光调制器4，此时光调制器的动态消光比可以达到3.9dB。专利文献5提出了一种谐振结构的反射式光调制器，但是该结构的光学调制器调制特性与波长相关，需要进行波长稳定性控制，会在一定程度上增加器件的复杂度。由于反射调制能够增强光波和电的相互作用，这使得光学芯片的尺寸相比于原来MZI结构有所减小，因此，可以减小最终光学收发设备的体积。
以上提出的硅基反射式调制结构的芯片可能应用在光接入系统中。例如，专利文献6提出了一种能够扩展TWDM-PON系统中光网络单元(Optical network unit，ONU)数目的方案。该方案中的子网光网络单元需要用到反射式光调制器，而反射式光学调制器如果采用分立器件，体积将会偏大，且往往需要应用光学环形器，若这些器件能够采用光子集成的方法实现，将会减小器件体积，提高系统的整体可靠性。
但是现有的反射式光调制器仅仅具有简单的幅度光调制功能，缺少相位光调制器功能。在未来的光接入系统中，为了继续增加光接入系统容量，廉价的高阶光调制将是一种重要的技术方案，而制造廉价的高阶光调制器将是该方案的核心问题。因此，研究廉价的硅基反射式光调制器成为光接入领域一个重要的技术发展方向。
参考文献：
1.G.T.Reed，G.Mashanovich，F.Y.Gardes，etal.Silicon optical modulators[J].Nat.Photonics 2010，4：518-526.
2.X.Li，X.feng，K.Cui，etal，Integrated silicon modulator based onmicroring array assisted MZI，Opt.Express 22(9)，10550-10558(2014).
3.X.Li，X.Xiao，H.Xu，Z.Li，T.Chu，J.Yu，and Y.Yu，Highly efficient siliconMichelson interferometer modulators，IEEE Photonics Technol.Lett.25，407-409(2013).
4.David Patel，_Venkat Veerasubramanian，Samir Ghosh，etal，High-speedcompact silicon photonic Michelson interferometric modulator，Opt.Express 22(22)，26788-26802(2014).
5.专利：高震森，一种用于TWDM-PON系统的光网络单元的反射光调制器，申请号：CN201410005677.4。
6.专利：桂林，一种基于子网扩展的TWDM-PON结构、设备及控制方法，申请号：CN201510295474.8。
发明内容：
针对背景技术中的需求，本发明的目的在于提供一种两端口的硅基光调制器。该器件具有以下功能：1)常规的两端口光调制器，提供幅度光调制、相位光调制和高阶光调制功能；2)单端口的反射式光调制器，仅仅提供幅度光调制功能；3)单端口的反射式光调制器，提供幅度光调制、相位光调制和高阶光调制功能。该器件便于采用集成硅基光学芯片技术，因此具有构成低成本和高可靠性光学模块的潜力，最终应用于光通信与光互联系统中。
本发明提供的两端口光学反射式调制器的基本结构如图4所示，包括如下结构：1)2×2光学定向耦合器(10)，该元件能够从对外光端口1或对外光端口2输入光波，或者将调制后的光信号输出至对外光端口1或对外光端口2，该2×2光学定向耦合器的端口1连接着电控移相单元，端口2连接着对外光端口2，端口3和端口4分别连接第一直波导和第二直波导；光学反射元件1(20)，用于将第一直波导输出的光信号反射回第一直波导；光学反射元件2(25)，用于将第二直波导输出的光信号反射回第二直波导；第一直波导(30)，用于连接2×2光学定向耦合器的一个端口和光学反射元件1；第二直波导(40)，用于连接2×2光学定向耦合器的另一个端口和光学反射元件2；第一电极(50)，固定于第一直波导上，通过加载电压，用于改变第一直波导的折射率等光学参数；第二电极(60)，固定于第二直波导上，通过加载电压，用于改变第二直波导的折射率等光学参数；电控移相单元(70)，用来产生电压控制的光学相位变化功能；对外光端口1(80)，连接着电控移相单元，能够接收外来输入的连续光波，并反射调制后的光信号；对外光端口2(90)，连接着2×2光学定向耦合器的端口2，能够接收外来输入的连续光波，并反射调制后的光信号。在本发明中，2×2光学定向耦合器(10)可以采用50∶50耦合比例的光学耦合器，也可以采用接近于50∶50耦合比例的光学耦合器。
在本发明的器件中，光波从对外光端口1(80)入射，或者，从对外光端口2(90)入射，则同时存在调制光波从另外一个端口输出，以及反射的调制光波从本端口反射。具体说来，有如下情况：
情况1：
光波从对外光端口1入射，则反射调制光波从对外光端口1输出，透射调制光波从对外光端口2输出，调制后的光信号满足如下条件：
a)反射调制光波的幅度调制部分由第一电极和第二电极所加载电压决定，相位调制部分为第三电极所加载电压引入的相位调制的两倍；
b)透射调制光波的幅度调制部分由第一电极和第二电极所加载电压决定，相位调制部分为第三电极所加载电压引入的相位调制。
情况2：
光波从对外光端口2入射，则反射调制光波从对外光端口2输出，透射调制光波从对外光端口1输出，调制后的光信号满足如下条件：
a)反射调制光波仅存在幅度调制部分，其大小由第一电极和第二电极所加载电压决定；
b)透射调制光波的幅度调制部分由第一电极和第二电极所加载电压决定，相位调制部分为第三电极所加载电压引入的相位调制。
在本发明提供的光调制器中，共有三个电极，这三个电极负责加载电信号，一般来说，电信号包括直流电压和交流电压。考虑到第一电极和第二电极配合完成信号的幅度光调制，而第三电极用来完成相位光调制，所以结合上述两种光路情况，它们加载电压的规则如下：
a)在幅度光调制时，仅仅在第一电极和第二电极上加载电压，第三电极不加载电压，此时，在第一电极和第二电极上加载大小相同、正负相反的电压，电压包括直流偏置部分和交流电压部分，用来形成幅度光调制，且最大限度的消除光信号啁啾；
b)在相位光调制时，仅仅在第三电极上加载交流电压，用来控制反射式调制光信号的相位变化；
c)在高阶光调制时，第一电极和第二电极需要加载电压，来完成光信号的幅度调制部分，具体加载方法如上述a)所示，第三电极需要加载交流电压，用来控制反射式调制光信号的相位变化，同时，三个电极所加载电压保持信号同步。
需要说明的一点是，当本发明完成相位光调制功能时，在第一电极和第二电极上可以加载大小相同、正负相反的直流电压，该电压可以决定相位调制后的光信号从原端口反射，或者从另一端口透射。
当加载直流电压引入第一直波导和第二直波导的相位差为kπ+π/2(k为整数)时，调制后的光信号从原端口反射，构成反射式的光相位调制器。一般来说，为了减小电压数值，k一般为0，即电压在两个波导上引入的相位差为π/2。考虑到第一直波导和第二直波导所加载电压大小相同，极性相反，所以两个波导所加载电压引入的相位变化分别为π/4和-π/4。
当加载直流电压引入第一直波导和第二直波导的相位差为kπ(k为整数)时，调制后的光信号从另一端口透射，构成常规的光相位调制器。一般来说，为了减小电压数值，k一般为0或者1，即电压在两个波导上引入的相位差为0或者π。
当加载直流电压引入第一直波导和第二直波导的相位差为其它数值时，调制后的光信号按照一定比例同时从原端口反射并且从另一端口透射。
本发明所述的两端口光调制器可以应用在光接入网络中或者应用在光互联系统中。考虑到集成光子器件技术的进步，整个光调制器，包括第一直波导、第二直波导、2×2光学定向耦合器、光学反射元件1、光学反射元件2和电控移相单元等，极有可能集成在单个硅片上，从而形成小尺寸的器件。该器件直接应用于光通信系统中将会降低系统成本，同时提供新的功能。若需要设计功能更为强大的集成光学器件，该发明所述的结构可以和其它结构一同使用，构成整个集成光学回路的一部分。
本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。
附图说明
根据下面结合附图的示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得明显，在附图中：
图1是文献2中利用硅基光子集成技术实现的MZI和微环阵列混合结构的光学器件样片的电子显微镜扫描图像。
图2是文献3中利用硅基光子集成技术实现的反射式强度光调制器结构示意图。
图3是文献6中提出的在TWDM-PON中应用反射式光调制器的子网光网络单元示意图。
图4是本发明提供的两端口光学调制器基本结构图。
图5是本发明提供的两端口光学调制器中电控移相单元结构示意图：(a)常规光波导结构加控制电极，(b)谐振光学结构加控制电极。
图6是本发明提供的两端口光学调制器中光学反射元件1或光学反射元件2的结构示意图。
图7是本发明提供的两端口光学调制器的两种光信号图：(a)连续光从对外光端口1输入的情况；(b)连续光从对外光端口2输入的情况。
具体实施方式
1，本发明中电控移相单元的实施例：
本发明相对于文献3和4等现有技术的最大创新点在于引入了电控移相单元，从而使得本发明所述的光调制器具有多种功能。电控移相单元可以采用如图5所示的两种结构：
结构1非谐振光学结构
该结构如图5(a)所示，包括，光波导1(110)，一般为脊型硅基波导，提供基本的光学通路，考虑增加载流子色散效应，可以按照适当浓度对本征硅材料掺杂，从而形成p型或者n型半导体；第三电极(120)，固定于光波导1(110)上，通过加载电压，用于改变光波导1(110)的折射率等光学参数。采用该结构构成的电控移相单元，需要光波导1(110)具有较长的长度，一般为毫米量级，但是该结构对波长不敏感，在实际应用时能够对多个波长进行相位光调制。
结构2光学谐振结构
该结构如图5(b)所示，光学谐振结构(210)，提供基本的光学通路，由于该结构对波长敏感，在使用时需要将谐振波长设置为与输入光波长相匹配，由于器件的几何尺寸在加工完毕后不能改变，因此，当外界条件发生变化后，此结构有可能不能产生期望的相移。第三电极(220)，固定于光学谐振结构(210)上，通过加载电压，用于改变光学谐振结构(210)的谐振波长等参数，由此可以在谐振波长附近产生较大的相移。
2，本发明中光学反射元件1或光学反射元件2的实施例：
本发明中的反射元件也是一种关键元件，光学反射元件1或者光学反射元件2可以采用如下结构的元件：
a)萨格纳克(Sagnac)干涉结构的元件，如图6所示，该结构由一个2×2光学定向耦合器加上一段反馈波导构成，反馈波导将2×2光学定向耦合器的两个端口相连。
b)也可以采用在波导末端刻蚀光栅结构的方法构成光栅元件。
3，本发明提出的两端口光学调制器的实施例：
按照图4所述的基本器件结构，若采用图5(a)所示的非谐振光学结构的电控移相单元，并采用Sagnac干涉结构的元件构成光学反射元件1和光学反射元件2，本发明所述的两端口光学调制器如图7所示。在该器件中，第一电极所加载电压为V1，第二电极所加载电压为-V1，第三电极所加载电压为V2。此时，考虑连续光波从对外光端口1和对外光端口2入射的两种情况，分别由图7(a)和图7(b)所示。
在图7(a)中，连续光波从对外光端口1(80)输入至该光学调制器，首先经过V2驱动的电控移相单元(70)，而后经过2×2光学定向耦合器(10)后，相位调制的光信号被分为两路，第一路光信号经过V1驱动的第一直波导(30)，第二路光信号经过-V1驱动的第二直波导(40)，然后两路光信号分别被光学反射元件1(20)和光学反射元件2(25)反射回来，之后两路光波再次被V1和-V1调制；调制之后的光信号在2×2光学定向耦合器(10)处重新干涉，干涉之后的光波分别输出到电控移相单元(70)和对外光端口2(90)；输出到电控移相单元(70)的光波经过V2的再次相位光调制，从对外光端口1(80)输出，该调制光波可以看作反射式光调制信号；输出到对外光端口2(90)的光波则为该光学调制器的透射输出，该功能和常规的光学调制器一样。定义T1-2为此种情况下，对外光端口2(90)处的光波相对于对外光端口1(80)处的光波的比值，包括幅度比值和相位比值；定义R1-1为从对外光端口1(80)处反射的光波相对于从该端口入射的光波的比值，包括幅度比值和相位比值。
在图7(b)中，连续光波从对外光端口2(90)输入至该光学调制器，则经过2×2光学定向耦合器(10)后，连续光波被分为两路，第一路光波经过V1驱动的第一直波导(30)，第二路光波经过-V1驱动的第二直波导(40)，然后两路光波分别被光学反射元件1(20)和光学反射元件2(25)反射回来，之后两路光波再次被V1和-V1调制；调制之后的光信号在2×2光学定向耦合器(10)处重新干涉，干涉之后的光波分别输出到电控移相单元(70)和对外光端口2(90)；输出到电控移相单元(70)的光波经过V2的相位光调制，从对外光端口1(80)输出，该调制光波可以看作该光学调制器的透射输出，此功能和常规的光学调制器一样；输出到对外光端口2(90)的光波则为反射式光调制信号。定义T2-1为此种情况下，对外光端口1(80)处的光波相对于对外光端口2(90)处的光波的比值，包括幅度比值和相位比值；定义R2-2为从对外光端口2(90)处反射的光波相对于从该端口入射的光波的比值，包括幅度比值和相位比值。
经过推导，T2-1、T1-2、R1-1和R2-2可以用如下公式表示：
其中，δ1和κ1为2×2光学耦合器的波导耦合系数和交叉波导耦合系数，a1为第一直波导的损耗系数，a2为第二直波导的损耗系数，a3为电控移相单元的损耗系数，a1、a2和a3中包括硅基波导所加电压引起的波导吸收系数变化。k为硅基波导中的相位常数，l1为加电极部分第一直波导的长度，l2为加电极部分第二直波导的长度，l3为电控移相单元中加电极部分光波导1的长度。□k(V1)为第一直波导上所加电压为V1时引起相位常数的改变，□k(-V1)为第二直波导上所加电压为-V1时引起相位常数的改变，□k(V2)为光波导1上所加电压为V2时引起相位常数的改变。
从上述公式可以看出，R1-1的相位光调制部分是T1-2或者T2-1相位光调制的两倍，即T1-2、T2-1和R1-1均包含相位光调制，而R2-2却不包含相位光光调制部分。因此，从对外光端口2(90)处输入光波的反射式光调制器不具备相位光调制的功能，而从对外光端口1(80)处输入光波的反射式光调制器具备相位光调制的功能，其它两种透射光调制器也具备相位光调制的功能。
在使用时，如果需要用到反射式相位光调制器，则必须采用从对外光端口1(80)处输入光波的情形。对于常规的透射光调制器，从对外光端口1(80)处输入光波和从对外光端口2(90)处输入光波具有一样的效果。
对于T1-2、T2-1和R1-1三种情况，既可以单独加载幅度调制，又可以单独加载相位调制，也可以进行同时包含幅度和相位调制的高阶调制。在单独加载幅度调制时，令V2＝0，由于第一电极和第二电极采用推挽结构，则该幅度光调制可以最大限度的消除光信号啁啾。在单独加载相位调制时，令V1为直流，等于0或者其他数值，则该调制器仅仅具有相位调制功能。当V1和V2均包含交流电压时，则T1-2、T2-1和R1-1三种情况均可以是高阶光调制，考虑到调制效果，必须保证V1和V2在时间上是同步的，即两个交流电压在同一个时隙内的数值分别用来决定调制信号的幅度和相位。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤。在不出现逻辑冲突的情况下，上述实施例中的两种反射式光调制和两种透射光调制也可以单独使用一个或组合使用多种情况，幅度光调制、相位光调制和高阶光调制也可以单独使用一个或组合使用多种情况，因此该集成光学器件可以根据不同的应用场合来使用。

Claims (10)

1.一种二端口光学调制器结构，包括：
2×2光学定向耦合器，用于从对外光端口1或对外光端口2输入光波，或者将调制后的光信号分配至对外光端口1或对外光端口2，该2×2光学定向耦合器的端口1连接着电控移相单元，端口2连接着对外光端口2，端口3和端口4分别连接第一直波导和第二直波导；
第一直波导，用于连接2×2光学定向耦合器的一个端口和光学反射元件1；
第二直波导，用于连接2×2光学定向耦合器的另一个端口和光学反射元件2；
第一电极，固定于第一直波导上，通过加载电压，用于改变第一直波导的折射率等光学参数；
第二电极，固定于第二直波导上，通过加载电压，用于改变第二直波导的折射率等光学参数；
光学反射元件1，用于将第一直波导输出的光信号反射回第一直波导；
光学反射元件2，用于将第二直波导输出的光信号反射回第二直波导；电控移相单元，用来产生电压控制的光学相位变化功能；
对外光端口1，连接着电控移相单元，能够接收外来输入的连续光波，并反射调制的光信号；
对外光端口2，连接着2×2光学定向耦合器的端口2，能够接收外来输入的连续光波，并反射调制的光信号。
2.如权利要求1所述的二端口光学调制器结构，其特征在于：
光波从对外光端口1入射，则反射调制光波从对外光端口1输出，透射调制光波从对外光端口2输出，调制后的光信号满足如下条件：
a)反射调制光波的幅度调制部分由第一电极和第二电极所加载电压决定，相位调制部分为第三电极所加载电压引入的相位调制的两倍；
b)透射调制光波的幅度调制部分由第一电极和第二电极所加载电压决定，相位调制部分为第三电极所加载电压引入的相位调制。
3.如权利要求1所述的二端口光学调制器结构，其特征在于：光波从对外光端口2入射，则反射调制光波从对外光端口2输出，透射调制光波从对外光端口1输出，调制后的光信号满足如下条件：
a)反射调制光波仅存在幅度调制部分，其大小由第一电极和第二电极所加载电压决定；
b)透射调制光波的幅度调制部分由第一电极和第二电极所加载电压决定，相位调制部分为第三电极所加载电压引入的相位调制。
4.如权利要求2或者权利要求3所述的光信号调制过程，第一电极、第二电极和第三电极加载电压的规则如下：
a)在幅度光调制时，仅仅在第一电极和第二电极上加载电压，第三电极不加载电压，此时，在第一电极和第二电极上加载大小相同、正负相反的电压，电压包括直流偏置部分和交流电压部分，用来形成幅度光调制，且最大限度的消除光信号啁啾；
b)在相位光调制时，仅仅在第三电极上加载交流电压，用来控制反射式调制光信号的相位变化；
c)在高阶光调制时，第一电极和第二电极需要加载电压，来完成光信号的幅度调制部分，具体加载方法如上述a)所示，第三电极需要加载交流电压，用来控制反射式调制光信号的相位变化，同时，三个电极所加载电压保持信号同步。
5.如权利要求4所述的三电极加载电压规则，其特征在于：
当需要相位光调制功能时，在第一电极和第二电极上可以加载大小相同、正负相反的直流电压，该电压可以决定相位调制后的光信号从原端口反射，或者从另一端口透射；
当加载直流电压引入第一直波导和第二直波导的相位差为kπ+π/2(k为整数)时，调制后的光信号从原端口反射，构成反射式的光相位调制器；
当加载直流电压引入第一直波导和第二直波导的相位差为kπ(k为整数)时，调制后的光信号从另一端口透射，构成常规的光相位调制器；
当加载直流电压引入第一直波导和第二直波导的相位差为其它数值时，调制后的光信号按照一定比例同时从原端口反射并且从另一端口透射。
6.如权利要求1所述的二端口光学调制器结构，其特征在于：
电控移相单元可以采用如下构成：
光波导1，提供基本的光学通路，考虑增加载流子色散效应，可以按照适当浓度掺杂；
第三电极，固定于光波导1上，通过加载电压，用于改变光波导1的折射率等光学参数。
7.如权利要求1所述的二端口光学调制器结构，其特征在于：
电控移相单元还可以采用如下构成：
光学谐振结构，提供基本的光学通路；
第三电极，固定于光学谐振结构上，通过加载电压改变光学谐振结构的谐振波长等参数，从而改变光波的相移。
8.如权利要求1所述的二端口光学调制器结构，其特征在于：
反射元件可以采用如下结构的元件：
a)萨格纳克干涉结构的元件；
b)在波导末端刻蚀光栅结构的元件。
9.如权利要求1所述的二端口光学调制器结构，其特征在于：
整个光学调制器结构，包括：第一直波导、第二直波导、2×2光学定向耦合器、光学反射元件1、光学反射元件2和电控移相单元等；可以优先考虑形成于单个硅基芯片上，作为光子集成回路芯片的一部分。
10.如权利要求1所述的二端口光学调制器结构，其特征在于：
整个光学调制器结构，包括：第一直波导、第二直波导、2×2光学定向耦合器、光学反射元件1、光学反射元件2和电控移相单元等；可以优先考虑形成于单个硅基芯片上，同时在对外光端口1和对外光端口2上增加光纤到波导的耦合器件，形成兼容光纤模式的光学调制器。
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