CN108474972A - 光学设备 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种由多个电驱动器驱动的包括光信号路径的光学设备。电驱动器配置为优化两个相邻电驱动器之间的延迟。通过对延迟进行优化，使得光学设备中的功率损耗得以降低。

Description

光学设备
技术领域
本发明总体上涉及光学设备，并且具体地但非排他地涉及光学调制器。
背景技术
运行“信息技术”的骨干基础设施包括两个主要部分，即“信息处理”和“信息传递”。信息处理是通过利用无处不在的晶体管(Shockley-Bardeen-Brattain获得的1956年诺贝尔物理奖的主题)在电域中完成，所述晶体管以数百万至数百亿的数量集成在微小的集成电路中(Jack Kilby获得的2000年诺贝尔物理奖的主题)。这些电路通常在几十赫兹(Hz)到几十千兆赫(GHz)的范围内工作。
然而，当涉及到信息传递时，电信号就表现出了较大的缺陷，而在光频率(即数百太赫兹(THz)范围内的频率)下的信号却具备明显的优势。
首先，数百太赫兹下的光信号的载波频率远离黑体辐射曲线的峰值，因而几乎没有热噪声。其次，与存在固有损耗的通过金属结构来引导电信号的过程不同的是，通过介电结构引导光信号(光)的过程自身是不存在损耗的，而且，在实践中观察到的损耗主要是由制造缺陷导致的，而不是由任何基本物理现象所导致。这一事实是光通信的基础，并最终让Charles Kao获得了2009年的诺贝尔物理奖。光信号通过介质波导进行传递，与用于传递射频(RF)信号的金属基传输线的每米几十分贝(dB/m)的损耗相比，这些介质波导的损耗在每千米少量分贝(dB/km)的数量级内。
不过，为了利用光通信所提供的所有独特功能，执行“信息处理”的电信号必须以某种方式传递到光域。这是光学调制领域的主题，光学调制领域研究的是将低得多的频率下的信号递送到光频率，从而利用这些极高频率所提供的所有优点。
为了执行这种调制，通常是以可控的方式对光信号的某些传播特性加以修改。光信号的这种传播特性可以是以下特性中的至少一种：相位、振幅、空间分布、极化、啁啾、相位速度、群速度、传播方向、振荡频率、频谱、波矢量、电场的三个分量的大小、磁场的三个分量的大小、电场的三个分量的相位以及磁场的三个分量的相位。为了控制光信号的传播特性，需要具有可控光学特性的元件。可控光学特性可以是以下中的至少一种：有效折射率、吸收系数、群折射率、双折射率、折射率椭球以及折射率的空间分布。使用输入信号(其对元件的可控光学特性进行调整)来控制光信号的传播特性的设备被称为“光学调制器”。如果输入信号是电信号，则它还可以被称为“电光调制器”、“光电调制器”或者本领域技术人员所能理解的类似名称。如果输入信号是声学信号，则它可以被称为“声光调制器”。
这种该电信号可以是自由地传播、被引导、或者是自由传播和被引导的组合。例如，在广泛使用的钛蓝宝石(Ti：Sapph)激光放大器中应用的普克尔斯盒通常是偏振调制器，所述偏振调制器在施加了适当的电信号时改变晶体的双折射率，并且由此改变自由传播光束的偏振态。另一方面，电信(telecom)级铌酸锂(LiNbO3)调制器包括相位调制部分，所述相位调制部分通过LiNbO3中离子交换形成的信道波导来改变二维导波光信号的相位。可选地，对穿过基于薄膜的平板聚合物波导的光信号进行相位调制是平板平面中自由空间传播和通过全内反射(TIR)现象而在与平板平面正交的方向上的一维波导的组合。
调制器的主要性能指标是速度、成本、能效以及以多种方式量化的调制信号的质量，例如消光比。
在设计光学调制器时，多个参数会影响性能指标，其中主要的参数是光信号的空间分布、电端口的结构、光端口的结构、光信号与电信号之间的相互作用性质、以及电端口相对于光信号的空间分布的相对位置。
例如，在铌酸锂调制器中，光与电之间的相互作用性质是建立在场的基础上。换句话说，所施加的电信号产生穿过LiNbO3晶格的电场。这种电场使组分原子发生偏振，进而通过被俗称为“普克尔斯效应”或“线性电光效应”的过程，改变材料的折射率椭球。由于这整个现象都是借助于场来完成的，因此，直接的结论就是，光场的空间分布可以独立于产生场的电结构的构造来进行优化。因此，在工作于几十GHz频率下的电信级LiNbO3调制器中(其中光信号传播通过信道波导)，波导的设计几乎与有助于在LiNbO3晶格中产生电场的RF电极的设计无关。这种无关性通常意味着，光学结构(在该情况下是信道波导)可几乎独立于RF传输线电极来进行优化。这极大地简化了工程设计及优化工作。
但是，在半导体调制器(例如硅调制器)的情况下，情况明显不同。在那种情况下，光和电的相互作用通过带电粒子完成，而带电粒子的运动由所施加的电信号控制。由于电荷传输发生在与光信号正在传播所在的材料系统相同的材料系统中，因此，光信号的空间分布的设计和优化与通过其控制带电粒子的运动的电端口之间是高度相关的。因此，针对设计和优化的工程工作经常需要在竞争的性能指标之间做出微妙的折中。
例如，通常较大的载流子浓度导致较强的光学效应，而通过自由载流子吸收机制，较大的浓度就意味着较大的光信号衰减。作为这种相关性的另一种表现形式，可以注意到，较大的掺杂浓度意味着半导体内部的电阻率较小，从而促进了自由载流子的移动，并最终实现较快的操作速度。另一方面，较大的掺杂浓度对驱动电端口的RF信号的衰减造成了不利影响，充当对操作速度的限制因素。
在过去四十年间，为提高光学调制器的操作速度而广泛采用的技术是速度匹配[1]。此概念在于：采用经过合理设计的传输线，大致上将传播光信号的速度(光的群速度)与RF信号的传播速度相匹配。这种应用于铌酸锂平台的技术使用长度在5cm量级内的调制器，这种调制器充当了长程光学电信链路的中坚力量。不过，该技术的最大缺点在于：它的能效较差。
US 7,039,258 B2[2]描述了一种光电器件。该现有技术仅解决了速度(带宽)的问题。该现有技术的目的不在于获得能效或功率效率。
图1是US 7,039,258中公开的现有技术光学调制器。显然，通过使用延迟元件(D-1至D-(K-1))，连续的调制器元件(M-1至M-k)的输入电端口处的电信号经历不同的延迟。因此，如果采用更多的调制器元件，则需要更多的延迟元件，这样做既增加了复杂性也增加了能耗。
正如将在后面详细解释的，本发明的目标是同时提高作为光学调制系统的两个关键指标的能效和速度(带宽)。我们的发明根据特定架构来对设备加以配置，由此消除了现有技术的所有上述限制，并且这样做能够明显提高设备的能效，同时还实现极高的速度(带宽)。
在US 7,515,778 B2[26]中，独立权利要求1陈述了“每个驱动信号源单独地通电/断电，以控制相移”。在说明书中，第3栏陈述了“出于功率耗散的原因，期望设计出一种能够以牺牲光学消光比来换取功率的调制器驱动器。通过对大多数驱动器的输出幅度进行调整来实现这一目标会带来问题；它通常会导致边沿速率(即，光学“1”与光学“0”之间的转换时间)的改变，并且取决于驱动器拓扑结构，可能不能降低功耗。通过调整驱动器的幅度来调整消光比的一种替代方案是实现：消光比基于MZI的两个臂之间的相移。因此，已经发现的是，通过动态地调整调制器结构的调制分部的有效长度，可以调整输出光信号的消光比(同时保持驱动电压的恒定的电摆动)。”再次，所有驱动器必须“单独(separately)”地通电/断电这一要求是该现有技术的最大局限性所在，并且如稍后解释的那样，我们将消除此限制，极大地减少能量耗散。
在US 7,515,778的说明书中，需要动态地调整长度，而不是调整幅度，因此它们的驱动器实际上必须完全分开并且独立地工作。这是该现有技术的主要局限性所在。
在US 8,665,508[8]、US 2014/0,186,028[9]以及US 8,238,014[11]中，公开了高速多级PAM调制。然而，我们披露了如何能够实现高能效以及高速的多级光学调制(包括但不限于PAM)。
在US 9,111,730中，图13和第21栏陈述了“通过使用如本发明的各种实施例所述的高折射率对比波导技术，有可能“折叠”如图13所示的马赫-曾德调制器器件。马赫-曾德调制器器件的臂(1301)如图13所示。优选地，为了实现调制，电极以交流电压放置。为了简化附图，未在图13中画出这些电极。可以在这种结构中实现行波RF电极，但如图13所示，波的极性必须交替变化，以便用作调制器。”
US 9,111,730描述了如何制作纸夹结构。该发明还针对这种结构对行波电极的制造作出了评述。然而，除了之前描述的所有缺点之外，表现出这种折叠纸夹结构所需的急弯的行波电极还在高频下经历较大的损耗。根据之前的解释，该现有技术也需要高电压驱动器，因此无法采用硅基驱动器。
本发明提供了紧凑、外形尺寸小、速度相当高、能效高并且成本极低的解决方案。本发明还减少了光学调制器的典型高电压余量需求，这也使得能够使用低成本的硅低压高频驱动器。
在US 8,744,219中，独立权利要求1陈述了“其中第i个(1≤i≤m，i是整数)驱动电路包括：驱动电路，所述驱动电路将通过与时钟信号同步地放大数字输入信号而获得的信号输出至第i个波导型光相位调制器区域；以及移相电路，所述移相电路对从所述时钟信号分支出的至少一个信号施加延迟并且输出所述信号，...”。
再次，现有技术描述了在每个连续调制元件之间存在电相移(电延迟)元件的结构。
其他参考文献已经列出在具体实施方式部分之后和权利要求书之前给出的“参考文献”部分。
发明内容
本发明公开了一种极其节能的高速光学调制器的一般性结构。在本发明中，原始电极被分成多个部分和子部分，以将每个单个元件的电容降低到尽可能低，从而实现能效的明显提升。在“部分”之间提供延迟，以模拟出行波调制器的操作，即匹配电信号和光信号的时序，从而提高设备的速度(带宽)。然而，在部分的“子部分”之间，对调制元件进行驱动的电信号之间的时间延迟(相位变化)基本上最小化，因此，设备的总体能效得到改善。
广义地讲，公开了一种包括光信号路径分部(portion)和电路分部的布置的光学调制器设备。光信号路径分部可操作以促进光信号的传播。导电线分部促进光信号与电信号之间的耦合。电信号有助于调整光信号路径的光学特性。该布置提供了光信号与电信号之间的相互作用，使得光信号可以由电信号进行调制。
根据本发明的一个方面，提供了一种设备，包括：
多个电驱动器；
至少一个光信号路径，该至少一个光信号路径包括多个部分(section)，其中至少一个部分包括多个子部分，其中多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个电耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；并且
其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。
在此公开了一种设备，该设备包括：至少一个光信号路径，该至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件；与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分的至少一些子部分中的所述至少一些的光学调制元件耦合的至少一个电驱动器，其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性；并且其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。
光信号的传播特性可以是以下中的至少一种：相位、振幅、空间分布、极化、啁啾、相位速度、群速度、传播方向、振荡频率、频谱、波矢量、电场的三个分量的大小、磁场的三个分量的大小、电场的三个分量的相位以及磁场的三个分量的相位。
光信号可以是自由传播的波。替代地，光信号可以是导波。在这种情况下，光信号路径可以是可至少部分地提供光信号在至少一个维度上的空间约束的波导。
该设备涉及光学调制元件和光学调制器。在一个示例中，光路径可以包括多个部分，然后光学调制元件的每个部分可以被分成子部分。每个子部分可以包括调制元件，所述调制元件可以直接耦合到或者直接连接到单独的电驱动器。替代地，一个调制元件可以连接到两个或多个电驱动器。在一个示例中，一个或多个调制元件可以不连接到电驱动器。每个电驱动器(其与相应的光学调制元件直接耦合)可以产生电信号，该电信号可以驱动相应子部分内的耦合的光学调制元件。因此，光信号路径的每个部分可以与多个驱动器耦合。应该理解的是，由与一个部分内的相邻的子部分内的光学调制元件耦合的上述两个电驱动器所产生的两个电信号之间的延迟基本上最小化。
这里，术语“基本上最小化”是指它们之间几乎没有时间延迟差(或者零时间差)，或者它们之间的时间延迟差显著小于光信号穿过该部分的长度需要的时间。作为示例，如果光信号路径的一个部分的长度是Ls并且光在该部分内的群速度是vg，那么，光信号通过该部分的飞行时间由tf＝Ls/vg给出。在本发明的上下文中，当时间延迟的绝对值小于或等于通过该部分的飞行时间的百分之七十时，光信号路径的该部分的子部分之间的时间延迟Δt可以被认为是“基本上最小化”。从数学角度说，当|Δt|≤0.7tf时，时间延迟被认为是“基本上最小化”。
光信号路径可以进一步包括至少一个组或分区，所述组或分区包括所述多个部分中的至少两个部分。
该设备还可以包括电路，该电路包括所述多个电驱动器。
该电路可以包括至少一个电信号输入端口和多个电信号输出端口。电信号输出端口的数量可以等于或大于各自包括光信号路径的光学调制元件在内的子部分的数量。
所述至少一个电信号输入端口可以配置为向光信号路径的至少一组内的光学调制元件供应电信号。
可以针对光信号路径的不同的组提供单独的电信号输入端口。
该设备可以进一步包括在驱动光信号路径的至少两个部分的相应耦合调制元件的驱动器之间的至少一个延迟元件。
延迟元件可以配置为控制由驱动光信号路径的两个部分的相应的耦合的光学调制元件的电驱动器所产生的所述电信号之间的延迟。延迟元件可以配置为使得由驱动光信号路径的一个部分内的相应的耦合的光学调制元件的驱动器所产生的所述电信号中的至少两个之间的延迟基本上最小化。延迟元件可以配置为在由驱动光信号路径的每个部分内的相应的耦合的光学调制元件的驱动器所产生的所述电信号之间提供基本上恒定的延迟。延迟元件可以配置为在由驱动光信号路径的每个部分内的相应的耦合的光学调制元件的驱动器所产生的所述电信号之间提供可控延迟。
延迟元件可以包括电子延迟电路。替代地，延迟元件可以是包括传输线的无源延迟元件。
光学调制元件各自可以包括可控光学特性。可控光学特性可以是以下特性中的至少一种：折射率、吸收系数、双折射率、折射率椭球、折射率和吸收系数的组合、双折射率和吸收系数的组合以及折射率椭球和吸收系数的组合。
光信号路径可以包括光波导。
通过光信号路径传播的光信号可以不是导波。
与光信号路径的至少一个部分内的至少两个子部分耦合的电驱动器可以彼此同步。
电路可以包括电网络，该电网络选自包括以下拓扑结构中的至少一个的组：菊花链网络、线路网络、总线网络、树形网络和星形网络。
光学调制元件可以包括半导体材料。该半导体材料可以包括以下材料中的至少一种：硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟和氮化镓。
光学调制元件可以包括铁电晶体材料。该铁电晶体材料可以包括以下材料中的至少一种：铌酸锂、钛酸钡和磷酸钛氧钾。
光学调制元件可以包括包含电光聚合物的材料。
光信号路径可以包括蜿蜒形状。
电驱动器可以形成在电芯片上并且光学调制元件形成在光芯片上。电芯片和光学调制元件可以使用以下技术中的至少一种连接：铜柱技术、倒装芯片接合技术、硅通孔(TSV)技术以及扇出晶片级封装(FOWLP)技术。
电驱动器和光学调制元件可以形成在同一芯片上。
光芯片可以包括包含至少一根电传输线的无源电元件。
光学调制元件可以包括包含电信号端口的p-n半导体结构。
光学调制元件可以包括包含电信号端口的p-i-n半导体结构，其中p-i-n结构包括夹在p区与n区之间的本征层。
光学调制元件可以包括至少四个半导体区域，第一半导体区域与第二半导体区域相邻，而第三半导体区域与第四半导体区域相邻。
第一区域和第四区域可以包括n型半导体，而第二区域和第三区域可以包括p型半导体。
第一区域和第四区域可以包括p型半导体，而第二区域和第三区域可以包括n型半导体。
该设备可以进一步包括两个光信号路径。第一光信号路径可以包括第一半导体区域和第二半导体区域，并且第二光信号路径可以包括第三半导体区域和第四半导体区域。
光学调制元件可以包括至少两个电信号端口。
光学调制元件可以包括至少六个半导体区域，第五半导体区域夹在第一半导体区域与第二半导体区域之间，而第六半导体区域夹在第三半导体区域与第四半导体区域之间。
第五区域和第六区域可以包括本征半导体。
第一区域和第四区域可以包括n型半导体，而第二区域和第三区域可以包括p型半导体。
第一区域和第四区域可以包括p型半导体，而第二区域和第三区域可以包括n型半导体。
该设备可以进一步包括两个光信号路径。第一光信号路径可以包括第一半导体区域、第二半导体区域和第五半导体区域，而第二光信号路径可以包括第三半导体区域、第四半导体区域和第六半导体区域。
光学调制元件可以包括至少两个半导体区域以及在两个半导体区域之间形成的沟槽区域。沟槽区域可以至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物。
光学调制元件可以包括彼此横向相邻的第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域，并且第一沟槽区域可以形成在第一半导体区域与第二半导体区域之间，而第二沟槽区域可以形成在第二半导体区域与第三半导体区域之间。第一沟槽区域和第二沟槽区域可以至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物。
光信号路径可以包括第一分部和第二蜿蜒分部。第一分部可以包括多个光学调制元件中的至少一些，每个光学调制元件包括第一电输入端口和第二电输入端口，并且第二蜿蜒分部可以包括多个光学调制元件中的至少一个其他光学调制元件，每个其他光学调制元件包括第一电输入端口和第二电输入端口。换句话说，第一分部可以包括来自多个光学调制元件的两个或多个光学调制元件，并且第二分部可以包括来自多个光学调制元件的至少一个或多个其他调制元件。
第二蜿蜒分部可以相对于第一分部弯曲约180°。
位于光信号路径的第一分部内的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性可以与光信号路径的第二蜿蜒分部的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性相反。
光学调制元件可以包括铁电晶体材料。该铁电晶体材料可以包括以下材料中的至少一种：铌酸锂、钛酸钡和磷酸钛氧钾。
一种包含如上所述的设备的光学调制器。
在此公开了一种光学调制系统，包括：
信号处理器；
如上所述的光学调制器；
其中信号处理器和光学调制器彼此耦合。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学调制系统，包括：
多个电驱动器；
至少一个光学调制器，所述至少一个光学调制器包括至少一个光信号路径，所述至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个电耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种，
其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的相应光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化；以及
信号处理器。
所述信号处理器和所述电驱动器可以形成在同一芯片上。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于产生调制光信号的设备，该设备包括：
多个电驱动器；
至少一个光信号路径，该至少一个光信号路径包括多个组，其中至少一个组包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；并且
其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一组内的所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。
该设备可以进一步包括在驱动所述至少一个光信号路径的所述至少一组内的至少两个部分的相应的耦合的调制元件的电驱动器之间的至少一个延迟元件。
该设备可以进一步配置为在驱动所述至少一个光信号路径的所述至少一组内的至少两个部分的相应的耦合的调制元件的所述电信号之间提供一些延迟。
该设备可以进一步配置为形成光学干涉仪的一部分。
该设备可以配置为产生以下调制光信号中的至少一种：M进制相移键控(M-aryPSK)、多级相位调制、M进制正交幅度调制(M-ary QAM)和M进制幅移键控(M-ary ASK)调制光信号。
该设备可以配置为产生多级脉冲幅度调制(PAM)光信号。
可以为不同的组提供单独的电信号输入端口。
可控光学特性可以包括以下特性中的至少一种：折射率、吸收系数、双折射率、折射率椭球、折射率和吸收系数的组合、双折射率和吸收系数的组合以及折射率椭球和吸收系数的组合。
在此公开了一种马赫-曾德干涉仪，包括：
包括至少一个输入波导和至少两个输出波导的分光器；
包括至少两个输入波导和至少一个输出波导的光学复合器；
至少两个干涉仪臂，每个干涉仪臂光学耦合在分光器的输出波导之一与光学复合器的输入波导之一之间，其中至少一个臂包括如上所述的设备。
在此还公开了一种萨格纳克干涉仪，包括：
包括至少一个输入波导和至少两个输入/输出波导的分光器/光学复用器；
至少一个干涉仪臂，每个干涉仪臂光学耦合在分光器/光学复用器的所述至少两个输入/输出波导中的一个与分光器/光学复用器的所述至少两个输入/输出波导中的另一个之间，
其中至少一个干涉仪臂包括如上所述的设备。
称之为分光器/光学复用器的元件是一种可以表现出分光器和光学复用器二者的功能的元件。采用科学的说法就是，此元件可以是在两个方向上都能工作并且提供分离功能和组合功能二者的“双向耦合器”。
称之为输入/输出波导的元件是光信号在两个方向上都可以传播的波导。
根据本发明的另一方面，提供了一种马赫-曾德干涉仪，包括：
包括至少一个输入波导和两个输出波导的分光器；
包括两个输入波导和至少一个输出波导的光学复合器；
一对干涉仪臂，每个干涉仪臂光学耦合在分光器的输出波导之一与光学复合器的输入波导之一之间，其中至少一个臂包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分；
多个电驱动器，每个电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过干涉仪臂的光信号的传播特性中的至少一种，其中每个电驱动器与至少一个臂的至少一个部分的至少一个子部分耦合；并且
其中所述电驱动器配置为使得由与至少一个臂的至少一个部分内的相应子部分耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。
所述马赫-曾德干涉仪可以进一步包括在至少一个光信号路径的两个部分之间的至少一个延迟元件。
至少一个臂可以进一步包括多个组。
所述马赫-曾德干涉仪可以进一步包括包含多个电驱动器的电路。
所述电路可以包括至少一个电信号输入端口和多个电信号输出端口。
可以为臂的不同的组提供单独的电信号输入端口。
第一组与第二组相比可以包括臂的更多部分。
在一个示例中，第一组可以包括四个部分，并且第二组包括两个部分，每个部分包括至少两个子部分。
第一组的调制强度可以是第二组的调制强度的两倍。
第一电信号输入端口可以与第一组耦合，并且第二电信号输入端口可以与第二组耦合。
根据本发明的又一方面，提供了一种设备，包括：
多个电驱动器；
至少一个光信号路径，其中所述至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；
其中所述设备配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化，并且
其中所述至少一个光信号路径的至少一个子部分的光学调制元件包括至少两个半导体区域以及在两个半导体区域之间形成的沟槽区域。
至少一个沟槽区域可以至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物。
光学调制元件可以包括彼此相邻的第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域，并且第一沟槽区域可以形成在第一半导体区域与第二半导体区域之间，而第二沟槽区域可以形成在第二半导体区域与第三半导体区域之间。
第一沟槽区域和第二沟槽区域可以至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物材料。
调制元件可以进一步包括与每个半导体区域耦合的电信号输入端口。
与第一半导体区域和第三半导体区域相关联的输入端口可以与电驱动器的一个输出端口耦合，并且与第二半导体区域相关联的输入端口可以与电驱动器的另一个输出端口耦合。
根据本发明的又一方面，提供了一种设备，包括：
多个电驱动器；
至少一个光信号路径，其中所述至少一个光信号路径包括至少两个分部，即第一分部和第二蜿蜒分部，其中所述至少一个光信号路径的每个分部包括至少一个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；
其中所述设备配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个分部的所述至少一个部分内的相应子部分内的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的所述电信号之间的延迟基本上最小化，并且
其中所述至少一个光信号路径的所述至少两个分部的所述至少一个部分的至少一个子部分的光学调制元件包括第一电输入端口和第二电输入端口。
光学调制元件的第二蜿蜒分部可以相对于光学调制元件的第一分部弯曲约180°。
光学调制元件的第一分部的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性可以与光学调制元件的第二蜿蜒分部的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性相反。
光学调制元件可以包括具有普克尔斯效应的材料。
具有普克尔斯效应的材料可以包括以下材料中的至少一种：铌酸锂、钛酸钡、磷酸钛氧钾、砷化镓、磷化铟或电光聚合物。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造设备的方法，该方法包括：
形成光信号路径；
将光信号路径分成多个部分，
将至少一个部分分成多个子部分，
在每个子部分内形成光学调制元件；
提供多个电驱动器，每个电驱动器产生至少一个电信号，用于调制通过光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；
将每个光学调制元件与多个电驱动器中的至少一个耦合；并且
在由驱动光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件的至少两个电驱动器产生的电信号之间提供基本上最小化的延迟。
该方法可以进一步在驱动光信号路径的两个部分的电驱动器之间提供至少一个电延迟元件。
该方法可以进一步在驱动光信号路径的至少两个部分内的相应的耦合的光学调制元件的电信号之间提供至少一些延迟。
该方法可以进一步包括在电芯片上形成电驱动器并且在光芯片上形成光学调制元件。
该方法可以进一步包括使用以下技术中的至少一种来连接电芯片和光学调制元件：铜柱技术、倒装芯片接合技术、硅通孔(TSV)技术或者扇出晶片级封装(FOWLP)技术。
可选地，电驱动器和光学调制元件可以形成在同一芯片上。
附图说明
为了可以更充分地理解本发明，现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的多个实施例，在附图中：
图1是US 7,039,258中公开的现有技术光学调制器；
图2是现有技术电容性负载的示意图；
图3是替代电容性负载的示意图；
图4示出了根据本发明的设备的示意图；
图5是替代设备的示意图；
图6是替代设备的示意图；
图7是替代设备的示意图；
图8是替代设备的示意图；
图9是替代设备的示意图；
图10是替代设备的示意图；
图11是如何使用铜柱将驱动器连接到光学调制器元件的示意图；
图12是替代设备的示意图；
图13示出了与图12对应的电子芯片的焊盘布局。
图14示出了示例性调制器元件；
图15示出了替代示例性光学调制元件；
图16示出了替代示例性光学调制元件；
图17示出了替代示例性光学调制元件；
图18示出了替代示例性光学调制元件；
图19示出了替代示例性光学调制元件；
图20示出了替代示例性光学调制元件；
图21是示例性马赫-曾德调制器的三维视图。
图22描绘了根据现有技术的高保真光学调制系统的示例性实施例；
图23描绘了根据本发明的高保真光学调制系统的示例性实施例；
图24描绘了根据本发明的高保真光学调制系统的又一示例性实施例；
图25描绘了根据本发明的利用具有普克尔斯效应的材料的高保真光学调制器的另一示例性实施例；
图26示出了在本发明的上下文中的延迟最小化的概念；
图27描绘了两个更具示例性的光学调制元件；
图28示出了形成光学调制元件之前和形成光学调制元件的过程中的示例性实施例；
图29描绘了光学调制元件的示例性实施例；
图30描绘了光学调制元件的另一示例性实施例；
图31描绘了光学调制元件的又一示例性实施例；
图32描绘了包括光学调制元件的子部分的示例性实施例；
图33描绘了两个相邻子部分的示例性实施例；
图34描绘了示出部分和子部分的概念的示例性实施例；以及
图35示出了根据本发明的与电驱动器一起的光信号路径的部分的示例性实施例。
具体实施方式
首先结合本发明的一般性理论来描述本发明，然后再结合各种优选实施例来描述本发明。
行波光学调制器的群速度受限带宽(BW)由以下近似关系式[1]给出，
其中，BW是以赫兹(Hz)为单位的调制器带宽，c是光的真空速度，L是调制器的相互作用长度(光场和RF场一起行进的长度)，ng是光场的群折射率并且nRF是RF场的群折射率，它们通过以下关系式与光场(vg)和RF场(vRF)的传播速度相关，
vg＝c/ng
以及
vRF＝c/nRF
显然，为了获得宽带操作(较大的BW值)，应该缩短长度L，或者应该使ng和nRF的值彼此接近。
为了获得更好的理解，下面考虑两个示例。
由LiNbO3制成的并具有使用离子交换过程制造的波导的调制器(三十多年来，这种调制器一直都是长程光学通信系统的中坚力量)具有以下典型参数：
●光信号的群折射率
●RF信号的折射率
另一方面，硅调制器(其具有高折射率对比波导)具有以下典型参数：
●光信号的群折射率
●RF信号的折射率
对于这两种类型的调制器的长度范围，使用上述等式和典型参数估计的速度失配受限带宽(实际BW受到损耗或色散等其他因素的限制，可能值更小)总结如下：
可以清楚地看出，对于长度在3cm至7cm范围内的典型商业LiNbO3调制器，通常希望使光场和RF场的相应折射率更加接近，以便将BW增大到30GHz范围内的值，这是电信应用所必需的。并且这确实是30多年来为扩展LiNbO3调制器的带宽所采取的方法。为了使nRF的值从4.2左右变到约2.2，已经进行了大量的工程工作(例如，通过利用电极与铌酸锂衬底之间的具有低介电常数的薄缓冲层并且具有精确的厚度控制)，从而使得BW可以接近30GHz的范围。
这种速度匹配是一种已被广泛应用于光学通信系统的成熟技术。但是，如前所述，这种技术适用于LiNbO3等材料平台的原因仅仅是因为光波导和RF电极能够几乎独立地设计和优化这一事实。
然而，随着十多年前高速半导体调制器的出现，速度匹配技术的缺陷变得明显。在通过电荷传输机制而不是基于场的现象来执行光学调制的半导体中，光波导和RF电极的独立设计和优化(由此对它们相应的群速度进行匹配)是极其困难的(如果不是完全不可能的话)。
在了解了这项缺陷之后，通过仔细查看上面的BW等式以及表中的典型值，提出了对光场和RF场的速度进行工程性匹配的替代方案。这种替代方案的概念的基本在于将一个长电极分解成多个部分，其中每个部分具有大带宽。例如，如果将3mm长的铌酸锂调制器分解成10个部分，每个部分长0.3mm，那么，每个部分的群速度受限BW大概为220GHz，这对目前所有的商业应用来说是绰绰有余的。值得注意的是，这种大带宽是在没有在匹配光场和RF场的速度方面进行专门的设计性工作的情况下获得的。
参考诸如US 7,039,258 B2[2]、US 7,515,778 B2[26]、US 9,111,730 B2[31]以及US 8,744,219 B2[18]等文献。
但是，将长电极分解成若干片需要十分小心。从系统设计者的立场来看，光波导或RF行波电极通常是延迟元件。那么从系统设计角度来看，速度匹配基本上意味着这两个元件的延迟或多或少是一致的，这样使得RF信号和光信号的相互作用可沿着该结构相干地累加在一起。
当结构被分解成更小的片段时(其中这些片段具有由上述等式给出的固有的较大带宽)，应当保留片段之间的原始延迟，否则，RF-光学器件相互作用的相干累加将受到破坏，不会实现所期望的效果。另一方面，独立地调整延迟并不是一件小事，尤其是在延迟值变得非常小的时候。例如，如果这种延迟是通过当今先进的CMOS技术中最小的逆变器的延迟来实现的，那么，它可以在3至7皮秒(ps)的量级内。这对应于光信号穿过长度为大概0.5至1mm的LiNbO3波导所需的时间，或者在硅波导的情况下，其对应于大约0.2至0.5mm的长度。因此，将原始的大电极分解为非常小的片需要在可用技术的能力边界处工作，并且这给需要设计出这些延迟并确保它们正常发挥作用的工程师施加了沉重的负担。
因此，如在所引用的文献中已知的那样，当电极被分解成片段时，必须在它们之间引入延迟，并且只要这些片的长度短得足以提供期望的带宽，那么就没有理由将电极进一步缩短，因为这样做会增加定时电路的复杂性。
然而，本发明整体上解决了设计光学调制器的问题，而不仅仅是从带宽和速度的角度。我们将介绍解决带宽(速度)和能效这两个问题的解决方案，并且我们还将说明如何将其应用于各种各样的光学调制器，而不论这些光学调制器是相位调制器、幅度调制器还是偏振调制器；无论它们是基于波导的还是具备自由空间的；不管材料平台是磷化硅和磷化铟之类的半导体，是铌酸锂等晶体，还是电光聚合物。
为了做到这一点，首先全面地审查速度匹配方法的能效缺陷。
●尽管即使对于长电极而言，速度匹配也可以增大带宽，但BW最终将会受到RF损耗和色散等其他机制的限制。尤其损耗是一个主要问题，因为它直接导致能效的降低。
●针对长RF电极的工程性BW扩展需要进行电阻性端接。这是无可避免的，其原因在于：行波电极本身就是一根需要进行正确端接的传输线。就性质上而言，电阻性端接是主要的功耗源。例如，具有50Ω行波电极且驱动电压为3V的典型LiNbO3调制器将具有约500mW的功耗，这是仅由50Ω的电阻性端接造成的。因电极本身的损耗而造成的功耗将算在此这0.5W功耗之外。
●电阻性负载中的较大功耗意味着不能使用常规电阻。相反，常常需要部署高功率的特殊电阻器，这自然导致增大了外形尺寸和成本。
●尽管通过将高折射率对比平台用于光波导可以很容易地实现光域中的急弯，但是，在RF域中实现行波电极的急弯就非常复杂，并且常常会引发严重的RF损耗，进而极大地降低能效。另一方面，急弯的使用对于缩小外形尺寸和降低成本而言通常是必不可少的。
在一个示例中，典型的总的结电容值为约1.5pF的2mm长的高掺杂Si调制器通常能够为大多数短程应用(例如如今的数据中心中所需的那些应用)提供足够的相移。正如我们以前所见，针对短于0.2mm的电极的延迟的电子控制对于这种器件来说即使不是不可能的，也是极其困难的。因此，根据现有技术来看，最多可以将2mm分成10个片段，并在它们之间引入适当的延迟，以便获得期望的速度。通过利用传输线之类的无源元件可以实现更短的延迟，但是正如前面所解释的，每条传输线路都需要进行自身的端接，因而这样做将会增加浪费的总能量。
然而，这些所缺少的就是光调制的能效。
US 7039258[2]等现有技术仅涉及到提高调制器的操作速度并使调制电信号的幅度沿调制器是均匀的。然而，现有技术中完全没有考虑当今通信系统中存在的最亟待解决的问题之一，也就是能效的优化。
本发明系统性地研究了“速度”和“功率”问题，并且提供了一种新颖且具有创造性的方法来优化光学调制器的能效。为此，我们将整个设备的功率延迟乘积定义为能效品质因数(EEFOM)。此品质因数考虑了速度和功耗，因此具有能量单位焦耳(J)，并且还是设备的能效的良好指标。值得一提的是，越小的值意味着能效越出色的设备。
参考前面的示例，硅调制器的长度为0.2mm的片段的电容为15fF。在28Gbps(千兆比特每秒)的比特率下，这仍然被认为是相当大的电容性负载。为了驱动这样的负载，需要经过专门设计的驱动器，而这些驱动器不但体积庞大(即，它们占用较大的芯片面积，因此它们的成本昂贵)，而且更重要的是，还会消耗大量的能量。本发明的核心思想是解决这个基本问题。
在电容为C的电容器上的差值为Vdd的两个电压电平之间执行二进制操作所消耗的能量由下式给出
这就是说，能耗是电容的线性函数，也是电压差的二次函数。
但是，应该注意这种关系式。对电容性负载(例如，Si调制器的结电容)执行二进制操作所消耗的总能量不限于负载电容器所消耗的能量。这种总能量实际上是电容器消耗的能量与驱动电路消耗的能量之和。驱动电路确实会浪费大量的能量。更有趣的是，这个驱动器的能耗不一定是负载的线性函数。
总功耗具有3个主要组分：“动态功耗”、“短路功耗”以及“泄漏电流功耗”。
如上所述，动态功耗是由电容性负载造成的。短路功耗是由在不同电压电平之间进行转换(例如，从逻辑电平1变为0或从逻辑电平0变为1)期间所发生的大电流尖峰造成的。最后，泄漏电流功耗是由即使在关闭状态下也流过有源元件的电流造成的。
影响总能耗的另一个因素是执行某些操作所花费的时间。
越大的负载需要越大的驱动器。更大的驱动器通常会显著降低速度，而且它们的寄生电容也会随着其尺寸以非线性的方式增大。
寄生效应的值的这种非线性特性以及越大的驱动器的越大的延迟(更慢的速度)与短路功耗和泄漏电流功耗一起决定了如下事实：具有电容性负载的电路的总体能耗随着负载电容的值非线性地增长。本发明的核心思想正是源于此知识。如果将较大的电容性负载分解成许多小电容器(下图)并在这些较小的负载上使用较小的驱动器(保持电容总和等于原始值)，则后者与原始电路相比将会具有明显更出色的能效(更小的功率延迟乘积)。
图2是电容性负载的示意图。大电容C0需要大驱动器，这可能造成低能效。
图3是替代电容性负载的示意图。在此附图中，电容C0被分成M个单独的电容性负载；每个电容性负载具有C0/M的电容。作为总和的总的负载电容是恒定不变的，仍然等于C0。因此，总体的能效得到显著提高。
应该指出的是，驱动器可以以各种形式、拓扑结构和技术进行构建。例如，它们可以是单端的或差分的。它们可以是电流型逻辑(CML)、静态逻辑或其他逻辑配置。它们可以采用CMOS、双极、BiCMOS、GaAs、InP、GaN或其他技术制成。
为了进一步说明本发明的优点，下面将讨论代表性示例。
考虑起始负载电容为Cin的CMOS锥形缓冲器，假定其驱动总电容为Csec的光学调制器的部分，并且锥形缓冲器的每个驱动器级比前一级大β倍。负载与源的比是Y＝Csec/Cin，并且EEFOM(如上定义)将是[32]，
现在，如果将每个部分分为电容为Csub＝Csec/M的M个子部分，则新结构的EEFOM(M个子部分的功率延迟乘积的总和)将是：
可以清楚看出，EEFOM2小于EEFOM1，这就意味着，基于本发明的结构具有更出色的能效。
作为一个数字示例，对于之前的长度为0.2mm、电容为150fF的Si调制器的情况，Csec＝150fF。如果将它分成8个25μm长的子部分，则每个子部分的电容为Csub＝19fF。现在，对于15fF的起始负载电容而言，Y＝150/15＝10，于是得到EEFOM1/EEFOM2＝(10-1)/(10-8)＝4.5。这就意味着，在此提出的结构在能效方面可以比现有技术高出4.5倍。这说明了通过本发明可以实现巨大的能量节省。
当然，本领域技术人员应该理解的是，上述简易的分析等式仅适用于CMOS锥形缓冲器，并且即使是如此，上述等式也高度简化了复杂的能耗问题，而且，现实中的能量节省也可能有所不同。尽管如此，它仍是一个证实了本发明的重要优点的说明性示例。
根据本发明的同时优化带宽和能效的解决方案通常如下：
●将调制器的长度分解成若干部分，这些部分的长度刚好短得足以针对给定速度失配创建所需的带宽。
●在向每个部分馈送的电信号之间引入必要的延迟，以便人工地重新同步光场和RF场。实质上，这样做迫使了该结构模拟出行波光学调制器的时序条件。
●将每个部分分解成尽可能多的较小的子部分，然后用电信号驱动每个部分内的子部分，这些电信号的相对时间延迟基本上被最小化，但是却各自来自单个驱动器，以减少每个驱动器的电负载。
●如果光学调制器部分和电驱动器形成在分开的芯片上，则这些子部分的小型化程度的限制可由电驱动器与光学调制器元件之间的连接器的间距尺寸的封装限制以及这些连接的寄生分量的大小来决定。然而，如果光学调制器部分和电驱动器形成在同一芯片上，则这些子部分的小型化程度的限制可主要由这些连接的寄生分量决定，而连接的间距尺寸则可能处于次要地位。
本发明为光学调制器提供了期望速度，同时还降低了能耗。
通常情况下，本发明可应用于任何平台，包括但不限于下述的任意的组合：任何元素半导体、合金半导体、晶体半导体、多晶半导体、非晶半导体、二元半导体、三元半导体、四元半导体、铁电晶体、具有普克尔斯效应的有机或无机材料、硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、铌酸锂(LiNbO3)、钛酸钡(BaTiO3)、磷酸钛氧钾(KTP)、电光聚合物、热光聚合物或石墨烯。此外，各种机制可以用于调制光信号的特性，包括但不限于载流子耗尽、载流子注入、金属氧化物半导体(MOS)电容、等离子体色散效应、弗朗兹-凯尔迪什效应、普克尔斯效应、量子局限史塔克效应或者电光克尔效应。
参考图4，此附图示出了根据本发明的设备的示意图。输入光信号进入光信号路径410，输出光信号从光信号路径410离开。光信号路径410被分成两个部分420、460。第一部分420被分成两个子部分430，而第二部分460包括一个子部分。提供包括电驱动器450的电信号网络或电路440。每个子部分430与单独的电驱动器450耦合。应该注意，在驱动一个部分420内的两个相邻子部分430的调制元件的电信号之间的延迟基本上最小化，而在驱动两个部分420和460内的子部分的调制元件的电信号之间存在有延迟，此延迟可以被也可以不被基本上最小化。换言之，一个部分内的两个子部分之间可以基本上没有延迟，但两个子部分之间却可能会有延迟。
在图4中，部分420的每个子部分430包括光学调制元件。在一个示例中，光信号路径410被分成部分420、460。在此，电路440中没有具体的延迟元件。然而，电驱动器是设计和配置为使得驱动部分460内的子部分的信号相比起驱动部分420的子部分430的信号存在有延迟。部分420被分成两个子部分430，并且这两个子部分430之间的延迟基本上最小化。
图5是替代示例性实施例的示意图。图5的许多特征与图4中的特征相同，因此带有相同的附图标记，区别之处在于：在驱动两个部分420、460的电驱动器之间引入了电延迟元件550。
图6是替代电光器件的示意图。与图1不同的是，此处使用了更多的调制器元件(M)，而延迟元件(T-k)的数量保持恒定不变。延迟元件(T-k)放置在两个部分之间，而在子部分之间不存在单独的延迟元件。通过将每个部分分为子部分并将更小的调制器元件(M-k.j)用于子部分，可使用更小的电驱动器(D-k.j)，这极大地提高了能效并明显降低了工程性设计的复杂性。延迟元件可以包括电子延迟元件或诸如传输线之类的无源延迟元件，或其组合。在本实施例中，存在有一个包括部分和子部分的组。
图7是替代电光器件的示意图。在本实施例中，光信号路径被分成三个部分710、720、730。固定延迟元件750、760放置在部分710、720、730之间。每个部分被分成四个子部分740，这些子部分经历基本上类似的延迟，但是却却各自由单独的驱动器770驱动。仅存在有一个电输入信号780，并且电路具有例如混合总线和树形网络拓扑结构。本示例中仅示出了一个组。
图8是根据本发明的替代示例性设备的示意图。图8的许多特征与图7中的特征相同，因此带有相同的附图标记，区别之处在于：延迟元件850、860是可控的，因此，除了电输入信号780之外，还存在两个延迟控制信号。
图9是根据本发明的替代示例性设备的示意图。在本实施例中，光信号路径被分成三组；每个组被分成两个部分910、920，同时在它们的各自的电驱动器之间存在有固定延迟。然后，每个部分被分成2个子部分，这些子部分经历基本上最小化的延迟，但却是各自由单独的驱动器驱动。对于每个组，存在一个单独的电输入信号950、960、970，因而存在三个这样的信号。如果调制器元件是相位调制器，则该示例性结构可以用于4级相位调制。另一方面，如果调制器元件是幅度调制器(例如吸收调制器)，则该示例性结构可以用于4级脉冲幅度调制。本领域的技术人员充分理解的是，通过使用类似的结构，还可获得其他多级调制格式，例如M进制相移键控(PSK)、M进制幅移键控(ASK)、M进制正交幅度调制(QAM)、多级脉冲幅度调制(PAM)等。
作为示例，如果PAM-4最初由2个二进制位<b2b1>表示，则首先应对这两个位进行解码，以产生电信号950、960和970。可以根据以下规则执行解码：对于<00>，三个电信号950、960和970都设置为逻辑电平零；对于<01>，电信号950设置为逻辑电平1，但两个电信号960和970设置为逻辑电平0；对于<10>，电信号950设置为逻辑电平0，但两个电信号960和970设置为逻辑电平1；最后，对于<11>，三个电信号950、960和970全都设置为逻辑电平1。
遵循该解码规则，如果调制元件是相位调制器，则图9的结构将产生4级相位调制光信号。这种4级相位调制光信号可以用于干涉仪结构(诸如马赫-曾德干涉仪结构)中，以获得4级脉冲幅度调制(PAM-4)光信号。
在又一示例中，遵循前述解码规则，如果调制元件是幅度调制器(例如，基于弗朗兹-凯尔迪什效应或自由载流子吸收效应)，则4级脉冲幅度调制(PAM-4)光信号可以直接从图9产生，并且无需干涉仪。
本领域技术人员充分理解的是，通过对结构进行扩展，还可以以类似方式获得诸如PAM-8、PAM-16等高阶调制信号。
图10是根据本发明的替代示例性设备的示意图。本附图与图9相关。在一个示例中，如果调制器元件是相位调制器，则该结构可以用于4级相位调制。如果它被进一步插入到干涉仪(诸如马赫-曾德干涉仪结构)中，则它可用于4级幅度调制，比如PAM-4。然而，在这种配置下，不需要进行如图9所述的信号解码。这种结构只有两组，但组2的调制强度是组1的两倍，这是因为它具有两倍数量的光学调制元件。组2被分成四个部分1021、1021、1023、1024；每个部分具有两个子部分。而组1被分成两个部分1011、1012；每个部分具有2个子部分。为了清楚起见，每个部分的子部分在附图中用相同的图案填充。
与图9中所解释的PAM-4的示例相比，原始的2个二进制位<b2b1>根据以下规则确定输入电信号的设置：对应于组2的电输入信号21020根据最高有效位<b2>设置，而对应于组1的电输入信号11010根据最低有效位<b1>设置。显然，相比起图9的配置，图10的配置的优点在于：可以直接使用表示PAM-4信号的原始位，并且无需进行解码。
遵循该规则，可通过利用用于光学调制元件的相位调制器来产生4级相位调制光信号。如果需要，可使用光学干涉结构将所产生的4级相位调制光信号转换为4级幅度调制信号PAM-4，如图9所示。
然而，如果调制元件是幅度调制器(例如，基于弗朗兹-凯尔迪什效应或自由载流子吸收效应)，则可从图10直接产生4级脉冲幅度调制(PAM-4)光信号，而不需要干涉仪。
本领域技术人员将会充分理解的是，通过应用相同的概念并利用相似的或扩展的结构，还可以相同的方式获得高阶脉冲幅度调制格式(例如PAM-8、PAM-16等)或其他调制格式(例如M进制PSK、M进制ASK、M进制QAM或多级相位调制)。
图11是如何使用铜柱将驱动器连接到光学调制器元件的简化示意图。驱动器位于电芯片上，而光学调制器元件位于光芯片上。铜柱(阴影线条部分)1170连接这两个芯片。凭借当今的技术，可以达到小至10fF的极低的寄生电容。而且就目前来看，相邻支柱1170的分离(间距尺寸)可以接近25μm。随着技术的进一步改进，间距尺寸可能变得小于25μm，并且寄生电容甚至可以变得小于5fF。除了此处示出的铜柱之外，还可以使用各种其他技术来将这两个芯片连接在一起[30]，例如倒装芯片接合、硅通孔(TSV)以及扇出晶片级封装(FOWLP)。
图12是根据本发明的替代设备的示意图。在本示例性实施例中，将(多个)光信号路径配置成蜿蜒结构，这种蜿蜒结构可改善结构的占用面积(X乘以Y)的长宽比(附图中Y与X之比)，并且因此可以提高制造成品率并降低总成本。该结构可以缩小结构的总占用面积，如此便可进一步降低成本。图12的示例性结构被分成四个部分，并且每个部分被分成四个子部分。遵循图6的符号标记方式，12111和12112是与部分1内的子部分1的光学调制元件(M-1.1)相关联的端口；12121和12122是与部分1内的子部分2的光学调制元件(M-1.2)相关联的端口；12211和12212是与部分2内的子部分1的光学调制元件(M-2.1)相关联的端口；而12441和12442是与部分4内的子部分4的光学调制元件(M-4.4)相关联的端口。为了简洁起见，其余端口未进行编号。光信号传播通过的路径是12000。本领域技术人员应该理解的是，12000可以包括不止一个光信号路径。下图(图13)中示出了对应的电驱动器芯片。
图13示出了对应于图12的电子芯片的焊盘布局。本附图描绘了电驱动器的一个示例性配置的示意图。驱动器的正常输出连接到黑色焊盘，而互补输出连接到阴影线条焊盘。为了简洁起见，仅示意性地示出4个驱动器。遵循图6的符号标记方式，电驱动器Dk.j(在本附图中，k＝1、2、3、4并且j＝1、2、3、4)对应于部分k内的子部分j，并且相应地与焊盘13kj1和13kj2相关联。例如，驱动器D-1.1连接到焊盘13111和13112。这两个焊盘可以进一步耦合到端口12111和12112，以便驱动图12的光学调制元件M-1.1。可以使用各种技术来形成图13和图12的结构之间的耦合，例如图11中示意性示出的铜柱技术。
应该理解的是，虽然图13和图12的结构具有四个部分并且每个部分具有四个子部分，但根据本发明，部分和子部分的其他布置也是可能的。
图14示出了示例性光学调制元件。该光学调制元件是一种半导体pn结构，其中光信号的相位或幅度可以通过向其端口1410、1420施加电信号来加以控制。包括p型区域和n型区域的凸起分部1440是承载光信号的波导分部。附图中所示的结构可以用作图12中的光学调制元件，其中波导分部1440可以对应于光路径12000。
图15示出了另一个示例性调制元件。该调制元件是一种半导体p-i-n结构，其中光信号的相位或幅度可以通过向其端口1410、1420施加电信号来加以控制。凸起分部是包括夹在n区与p区之间的本征半导体1540的波导分部。由于本征半导体层1540可具有可忽略不计的自由载流子吸收，因此与图14相比，该结构可以表现出更少的光传播损耗。附图中所示的结构可以用作图12中的光学调制元件，其中该附图的波导分部可以对应于光路径12000。
图16示出了替代示例性调制元件。该调制元件可以用于各种结构中，例如类似于图12的蜿蜒结构。在本示例中，n-p-p-n半导体结构包括两个光波导(两个凸起的pn部分)1640、1650，并且具有两个电端口1610、1620。熟悉本领域的技术人员通过参考[33]可理解该结构的操作。附图中所示的结构可以用作图12中的光学调制元件。例如，在图12的部分4的子部分4中，端口12441和12442可以分别对应于图16中的端口1620和1610；并且光信号路径12000可以对应于本附图的两个波导分部。
图17示出了替代示例性调制元件。本附图与图16非常相似，但是n-p-p-n结构包括三个电端口1710、1720和1760，而不是图16的两个端口。放置在中间p++部分1770中的第三电端口1760可以与用于半导体结构的至少一种DC偏压的电感元件相结合地使用，从而防止发生电荷累积。然而，该结构的高频操作类似于图16，这是因为在高频下，感应元件有效地成为开路电路。本示例中的半导体结构包括两个光波导分部(两个凸起的p-n部分)1740、1760。这两个波导中的每一个可以对应于基于马赫-曾德干涉仪的光学调制器的单独的臂。
附图中所示的结构可以用作图12中的光学调制元件。例如，在图12的部分4的子部分4中，端口12441和12442可以分别对应于图16中的端口1720和1710；并且光信号路径12000可以对应于本附图的两个波导分部。本领域技术人员应该理解的是，如果将图17用作光学调制元件，则需要将额外的中间端口结合到图12的结构(图17的中间焊盘1750将与其对应)中。
图18示出了替代示例性调制元件。本附图与图17相似。不过，在此，半导体结构是n-i-p-p-i-n。通过减少半导体中的自由载流子吸收，夹置(sandwiched)的本征层(i)1880、1890可以降低光学传播损耗。类似于图17，本附图中所示的结构可以用作图12中的光学调制元件。
图19示出了替代示例性调制元件。在此，在两个半导体部分(区域)之间制造沟槽1940，并且沟槽1940进一步填充有例如具有普克尔斯效应的聚合物。此聚合物通常是充当电驱动器需要驱动的电容器的电介质。本发明的方法同样改善了设备的能效。还提供了两个输入电信号端口1910、1920。应该理解的是，半导体材料可包括硅、锗、硅锗或其他半导体材料。
图20示出了替代示例性调制元件。在此，在半导体(例如硅)部分(或区域)之间制造两个沟槽2040、2060，并且这两个沟槽填充有例如具有普克尔斯效应的聚合物材料。聚合物通常是充当电驱动器需要驱动的电容器的电介质。两个波导2070、2080可以是马赫-曾德干涉仪的两个臂。应该注意的是，希望两侧的焊盘2010、2020连接到电驱动器的同一输出，而中间焊盘(阴影线条焊盘)2050连接到驱动器的互补输出。本发明的方法同样提高了设备在高速操作时的能效。
图21是示例性马赫-曾德调制器的三维视图。调制器包括输入波导2110和输出波导2150。输入波导2110和输出波导2150与一对臂2140耦合。每个臂被分成4个部分，每个部分具有4个子部分。这可以硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟、铌酸锂、聚合物或其他类型的调制器材料来实现。在单独的硅芯片上制造的电子驱动器可以采用倒装芯片技术、铜柱方法或其他封装技术结合到该结构的顶部上。
图22描绘了根据现有技术的高保真光学调制系统的示例性实施例。在硅基电子芯片中执行信号处理。本领域的技术人员应该理解的是，这里的信号处理器是非常常见的，并且可以包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、微控制器单元(MCU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、算术逻辑单元(ALU)、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、发射器(Tx)、接收器(Rx)、收发器(Tx/Rx)、放大器、缓冲器、数字滤波器、模拟滤波器、离散时间滤波器或信号调节电路。将关注的信号转移到以III-V半导体(如GaAs或GaN)制成的高压放大器。然后使用高频高压信号来驱动LiNbO3调制器。由于驱动LiNbO3调制器需要高电压电平这一需求，因此基于III-V的放大器的使用是不可避免的。
图23描绘了根据本发明的高保真光学调制系统的示例性实施例。将信号路径分成若干部分和子部分使得能够使用低电压信号，而不是使用高电压信号。由于高频低压电子器件可通过当今的硅技术加以制造，因此无需使用极其昂贵的III-V驱动器。这极大地简化了系统并降低了总成本和外形尺寸。
图24描绘了根据本发明的高保真光学调制系统的又一个示例性实施例。此附图与图23类似，但是，由于信号处理器和驱动器都是基于硅的，因此它们可以共同封装在一起，甚至可以以整体方式共同制造。
图25描绘了根据本发明的利用具有普克尔斯效应的材料的高保真光学调制器的另一个示例性实施例。例如，该材料可以是铁电晶体(如LiNbO3或磷酸钛氧钾(KTP))，或者是具有普克尔斯效应的半导体(如砷化镓)，或者替代地是具有电光效应的聚合物。调制器包括有助于使器件占位面积的长宽比显著对称的蜿蜒信号路径。图25的一个示例性应用被用作图23和图24的高保真光学调制系统中的光学调制器。本领域技术人员应该理解，为了简洁起见，在附图中仅示意性地示出了两个电驱动器。
在图25(a)中，每个信号路径包括两种类型的分部：第一分部和蜿蜒分部。第一分部的光学元件在中间具有点状彩色焊盘2540并在侧面具有黑色焊盘2510。然而，蜿蜒分部的光学调制元件在侧面具有点状彩色焊盘2550并在中间具有黑色焊盘2580。在第一分部和蜿蜒分部，电驱动器的标准输出耦合到点状彩色焊盘，而电驱动器的互补输出连接到黑色焊盘。驱动器2505的标准输出2520连接到点状彩色焊盘2540，而驱动器2505的互补输出2570连接到黑色焊盘2510。每当光信号路径经历180度弯曲时，点状彩色焊盘和黑色焊盘的相对位置被切换。端子的这种极性改变通常是为了获得晶体内的正确电场方向所需要的(必不可少的)，从而获得由普克尔斯效应引起的期望的相位变化。例如，在蜿蜒分部，点状彩色焊盘2550放置在侧面，同时仍然耦合到电驱动器2507的标准输出，并且黑色焊盘2580放置在中间，同时仍然耦合到驱动器2507的互补输出。在本示例性实施例中，使用具有两个输出(标准输出和互补输出)的电驱动器。然而，本领域技术人员应该理解的是，电驱动器的不同配置也可与这种光学结构一起使用。例如，附图中的双输出驱动器可被两个单独的驱动器取代。其他示例将仅使用一个单输出驱动器，并将其耦合到与光信号路径之一相关联的焊盘，并将与另一光信号路径相关联的端口耦合到电接地。
图25(b)是图25(a)的第一分部的子部分的放大视图。子部分包括两个信号路径2501和2502。在本视图中，可清楚地看到光信号路径2501和2502以及黑色焊盘2510和点状彩色焊盘2540的相对位置。点状彩色焊盘2540位于中间，而黑色焊盘2510放置在侧面。
作为图25相对于现有技术的显著优点的示例，假设每个臂的有效部的长为0.8mm。存在有5个这样的臂，总有效长度为4cm，这对于大多数应用来说已经足够了。每个臂被分成四个部分，并且每个部分被分成四个子部分。在这些配置下，每个部分的有效长度为约250μm长，这意味着其固有的速度受限带宽将超过300GHz。
但是，将部分分解成62μm长的子部分意味着每个电驱动器将只会见证该部分的总电容的25％。这种小电极的电损失几乎可以忽略不计。因此，于是可使用操作在几十GHz但却在低电压(0.5V至1.5V)下的硅基驱动器(如CMOS或BiCMOS)来操作器件。通常情况下，在基于晶体的调制器中，使用操作在5V或更高电压下的高电压化合物半导体驱动器(例如GaAs或GaN)。
由于电容器所耗散的能量与充电/放电电压成二次方关系，因此，电压电平的这种3倍或更多倍的降低可以使能效提高10倍以上。
但是，这种结构的好处远远不止能耗。它还可具备出色的成本效率。
例如，GaAs高压驱动器的成本通常是在1000美元的范围内。但是，采用先进CMOS工艺的1cm×1cm硅芯片的成本将大大降低。假设经过处理的Si晶片的成本为5000美元，晶片直径为300mm，并且保守估计制造成品率为50％，那么，每片晶片将会获得大概350个合格的裸片(die)，成本大概为14美元。由于硅芯片将直接结合在铌酸锂芯片的顶部，因此两个高频封装(一个用于驱动器，另一个用于调制器本身)的成本现在将降低到仅一个的成本。因此，现在几乎完全节省了原来的驱动器的1000美元的成本。
另一方面，通过将调制器的外形尺寸从40mm×5mm尺寸的长型器件改为10mm×10mm的新型器件，使得芯片面积缩小了一半，这意味着每个标准的100mm的LiNbO3晶片具有两倍的器件数量。这就是说，10000美元的调制器现在只要5000美元。因此，原来的成本在11000美元左右的系统现在只要5000美元(电子器件的成本现在几乎可以忽略不计)，由此成本降低了不止一半。
图26示出了在本发明上下文中的延迟的概念。
图26(a)描绘了根据本发明的示例性实施例的部分的一部分的两个子部分的简化示意图。电信号2621驱动子部分1.1(2611)内的光学调制元件M-1.1，而电信号2622驱动子部分1.2(2612)内的光学调制元件M-1.2。
图26(b)描绘了两个电信号2621和2622之间的延迟Δt。本领域技术人员应该理解的是，在本发明上下文中的延迟最小化的概念涉及对设备适当地进行配置，从而使得在此示出的延迟Δt基本上最小化。还应该理解的是，由于各种原因(包括但不限于制造过程的瑕疵或不理想情况，或者制造参数的随机变化，或者设备操作期间的环境变化(如温度或压力或湿度))，在此示出的延迟Δt可能会偏离其标称设计值。
在此示出的信号2621和2622是双电平数字电信号。然而，本领域技术人员应该理解，这仅仅是出于说明的目的，并且信号可以是多级离散时间、模拟或其他类型的信号。
图27描绘了可以用作光学调制元件的两个更具示例性的实施例。在此示出的半导体结构与图14类似。然而，再次说明半导体结构不需要一定是诸如图14的简易对称横向结构。
图27(a)描绘了其中p型区域的宽度比n型区域更宽的非对称结构。该结(junction)也是横向和竖向p-n结的组合。
图27(b)描绘了可用作光学调制元件的又一示例性实施例。在此，半导体p-n结甚至比图27(b)更复杂。
本领域技术人员应该理解，这些示例性p-n结或其他结构可通过各种技术进行制造，包括但不限于利用了多注入剂量和多离子能量的离子注入。
图28描绘了形成光学调制元件之前和形成光学调制元件过程中的示例性实施例。
图28(a)是基于半导体的光信号路径(其中计划形成光学调制元件)的横截面图。当在半导体制造过程中施加适当的掺杂水平之后，图28(a)的横截面图现在被转换为图28(b)的横截面图。图28(c)是图28(b)的俯视图。
本领域技术人员应该理解，此附图仅用于说明目的，并且仅限于基于半导体p-n结的光学调制元件的特殊情况。正如我们在本文其他部分中已经详细论述的，各种其他配置(例如，采用如图27的其他掺杂分布，或者采用其他具有普克尔斯效应的材料)或者为了简洁起见而在此未示出的其他变型也是可能的。
图29描绘了光学调制元件的示例性实施例。起点是图28(b)和图28(c)的结构。在形成通孔2971和2972之后，接着形成电接入层2981和2982，由此可将电信号施加到元件。
图29(a)是横截面图，而图29(b)是光学调制元件的俯视剖视图。在此，可以看出的是，在图29(b)的接入层2981和2982上，通孔2971和2972全部沿光学调制元件的整个长度连续地形成。
图30描绘了光学调制元件的另一示例性实施例。其与图29有关，然而，在此从图30(b)的俯视图可以看出，虽然接入层是沿着光学调制元件的整个长度延伸，但是通孔(如通孔3071)是以离散方式形成。这与其中通孔以连续方式形成的图29形成了鲜明的对比。从半导体制造过程的角度来看，这样做可能带来了优势，但从电阻的角度来看，这样做可能是不利的。
图31描绘了光学调制元件的又一示例性实施例。其与图29和图30有关。在此，从图31(b)的俯视图可以看出，通孔以类似于图30的离散方式形成，但是与图29和图30不同的是，接入层(如3181)短于光学调制元件的整个长度。
图32描绘了包括光学调制元件的子部分的示例性实施例。
如图32(b)所示，图32(a)的横截面图中的光学调制元件形成子部分的一部分。在此作为示例，光学调制元件的长度比子部分的长度短，然而，这并不是必要条件。本领域技术人员应该理解的是，其他各种配置也是可能的，而为了简洁起见，在此未示出这些配置。
图33描绘了两个相邻子部分的示例性实施例。图33(b)中示出了该结构的俯视图，该结构包括两个子部分3301和3302。每个子部分包括光学调制元件。子部分3301和3302之间的边界由虚线3361限定。
图33(a)是在边界3361的位置处的光信号路径的横截面图。
图34描绘了对部分和子部分的概念进行说明的示例性实施例。
图34(b)所示的两个部分3410和3420各自包括三个子部分。图34(b)列举了其中一个子部分3413。
在部分3410内，三个子部分之间的边界由虚线3441和3442限定。在部分3420内，三个子部分之间的边界由虚线3451和3452限定。
两个部分3410和3420之间的边界由图34(b)和图34(c)中的点状虚线3460限定。
图35描绘了根据本发明的与电驱动器一起的光信号路径的部分的示例性实施例。
圆角矩形3500是光信号路径的一个部分。部分3500包括五个子部分3510、3520、3530、3540和3550。
子部分3510包括调制元件3518。子部分3520包括调制元件3528。子部分3530不包括调制元件。子部分3540包括调制元件3548。子部分3550包括调制元件3558。
调制元件3518与电驱动器3511耦合。调制元件3528与两个不同的电驱动器3521和3522耦合。调制元件3548与电驱动器3543耦合。调制元件3548包括两个电端口，其中一个端口与3543的正常输出3544耦合，而另一个端口与3543的互补输出3545耦合。调制元件3558不与任何电驱动器耦合。
本领域技术人员将理解的是，在前面的描述和所附权利要求中，参考设备的概念性示意图示给出了诸如“上方”、“重叠”、“下方”、“横向”等位置术语，诸如示出了标准横截面视角的那些以及附图中示出的那些。这些术语是为了便于参考而使用，并非旨在具有限制性。因此，这些术语被理解为指代的是当处于如附图所示的方位时的设备。
将会认识到的是，上面提到的所有掺杂极性都可以进行倒转，同时所得到的器件仍然符合本发明。
虽然本发明已经按照上述优选实施例进行了描述，但应该理解的是，这些实施例仅仅是说明性的，并且权利要求并不限于那些实施例。本领域技术人员将能够根据被认为是落入所附权利要求的范围内的公开内容进行修改和替代。在本说明书中公开或说明的每个特征可以并入本发明中，无论是单独地并入还是以与在此公开或示出的任何其他特征的任何适当组合的方式并入。
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Claims (93)

1.一种设备，包括：
多个电驱动器；
至少一个光信号路径，所述至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中所述多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个电耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；并且
其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光信号路径进一步包括至少一个组，所述组包括所述多个部分中的至少两个。
3.根据权利要求1或2所述的设备，还包括电路，所述电路包括所述多个电驱动器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述电路包括至少一个电信号输入端口和多个电信号输出端口。
5.根据权利要求4所述的设备，其中电信号输出端口的数量等于或大于各自包括所述光信号路径的光学调制元件在内的子部分的数量。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述至少一个电信号输入端口配置为向所述光信号路径的所述至少一个组内的光学调制元件供应电信号。
7.根据权利要求4、5或6所述的设备，其中为所述光信号路径的不同的组提供单独的电信号输入端口。
8.根据任一前述权利要求所述的设备，还包括在驱动所述光信号路径的至少两个部分的相应的耦合的调制元件的驱动器之间的至少一个延迟元件。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述延迟元件配置为控制由驱动所述光信号路径的两个相邻部分的相应的耦合的光学调制元件的驱动器所产生的所述电信号之间的延迟。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中所述延迟元件配置为使得由驱动所述光信号路径的至少一个部分内的相应的耦合的光学调制元件的驱动器所产生的所述电信号中的至少两个之间的延迟基本上最小化。
11.根据权利要求8、9或10所述的设备，其中所述延迟元件配置为在由驱动所述光信号路径的每个部分内的相应的耦合的光学调制元件的电驱动器所产生的所述电信号之间提供基本上恒定的延迟。
12.根据权利要求8、9或10所述的设备，其中所述延迟元件配置为在由驱动所述光路径的每个部分内的相应的耦合的光学调制元件的电驱动器所产生的所述电信号之间提供可控延迟。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的设备，其中所述延迟元件包括电子延迟电路。
14.根据权利要求8至12中任一项所述的设备，其中所述延迟元件是无源延迟元件，所述无源延迟元件包括传输线。
15.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光学调制元件各自包括可控光学特性。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述可控光学特性包括以下特性中的至少一种：折射率、吸收系数、折射率椭球、折射率和吸收系数的组合以及折射率椭球和吸收系数的组合。
17.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光信号路径包括光波导。
18.根据权利要求1至16中任一项所述的设备，其中传播通过所述光信号路径的光信号不是导波。
19.根据任一前述权利要求所述的设备，其中与所述光信号路径的所述至少一个部分内的至少两个子部分耦合的电驱动器彼此同步。
20.根据权利要求3至19中任一项所述的设备，其中所述电路包括电网络，所述电网络选自包括以下的组：菊花链网络、线路网络、总线网络、树形网络和星形网络。
21.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光学调制元件包括半导体材料。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述半导体材料包括以下材料中的至少一种：硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟和氮化镓。
23.根据权利要求1至21中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括铁电晶体材料。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述铁电晶体材料包括以下材料中的至少一种：铌酸锂、钛酸钡和磷酸钛氧钾。
25.根据权利要求1至21中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括包含电光聚合物的材料。
26.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光信号路径包括蜿蜒形状。
27.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述电驱动器形成在电芯片上并且所述光学调制元件形成在光芯片上。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述电芯片和光学调制元件使用以下技术中的至少一种连接：铜柱技术、倒装芯片接合技术、硅通孔TSV技术以及扇出晶片级封装FOWLP技术。
29.根据权利要求27或28所述的设备，其中所述光芯片包括至少一个无源电元件，所述无源电元件包括至少一根电传输线。
30.根据权利要求1至26中任一项所述的设备，其中所述电驱动器和所述光学调制元件形成在同一芯片上。
31.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光学调制元件包括包含电信号端口的p-n半导体结构。
32.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括包含电信号端口的p-i-n半导体结构，其中所述p-i-n结构包括夹在p区与n区之间的本征层。
33.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括至少四个半导体区域，第一半导体区域与第二半导体区域相邻，而第三半导体区域与第四半导体区域相邻。
34.根据权利要求33所述的设备，其中所述第一区域和所述第四区域包括n型半导体，而所述第二区域和所述第三区域包括p型半导体。
35.根据权利要求33所述的设备，其中所述第一区域和所述第四区域包括p型半导体，而所述第二区域和所述第三区域包括n型半导体。
36.根据权利要求33、34或35所述的设备，进一步包括两个光信号路径，其中第一光信号路径包括所述第一半导体区域和所述第二半导体区域，并且第二光信号路径包括所述第三半导体区域和所述第四半导体区域。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括至少两个电信号端口。
38.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括至少六个半导体区域，第五半导体区域夹在第一半导体区域与第二半导体区域之间，而第六半导体区域夹在第三半导体区域与第四半导体区域之间。
39.根据权利要求38所述的设备，其中所述第五区域和所述第六区域包括本征半导体。
40.根据权利要求38或39所述的设备，其中所述第一区域和所述第四区域包括n型半导体，而所述第二区域和所述第三区域包括p型半导体。
41.根据权利要求38或39所述的设备，其中所述第一区域和所述第四区域包括p型半导体，而所述第二区域和所述第三区域包括n型半导体。
42.根据权利要求38至41中任一项所述的设备，进一步包括两个光信号路径，其中第一光信号路径包括所述第一半导体区域、所述第二半导体区域和所述第五半导体区域，而第二光信号路径包括所述第三半导体区域、所述第四半导体区域和所述第六半导体区域。
43.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括至少两个半导体区域以及在所述两个半导体区域之间形成的沟槽区域。
44.根据权利要求43所述的设备，其中所述沟槽区域至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物材料。
45.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括彼此横向相邻的第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域，并且其中第一沟槽区域形成在所述第一半导体区域与所述第二半导体区域之间，而第二沟槽区域形成在所述第二半导体区域与所述第三半导体区域之间。
46.根据权利要求45所述的设备，其中所述第一沟槽区域和所述第二沟槽区域至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物材料。
47.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光信号路径包括第一分部和第二蜿蜒分部，其中所述第一分部包括所述多个光学调制元件中的至少一些，每个光学调制元件包括第一电输入端口和第二电输入端口，并且所述第二蜿蜒分部包括所述多个光学调制元件中的其他光学调制元件，每个其他光学调制元件包括第一电输入端口和第二电输入端口。
48.根据权利要求47所述的设备，其中所述第二蜿蜒分部相对于所述第一分部弯曲约180°。
49.根据权利要求47或48所述的设备，其中位于所述光信号路径的所述第一分部内的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性与所述光信号路径的所述第二蜿蜒分部的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性相反。
50.根据权利要求49所述的设备，其中所述光学调制元件包括铁电晶体材料。
51.根据权利要求50所述的设备，其中所述铁电晶体材料包括以下材料中的至少一种：铌酸锂、钛酸钡和磷酸钛氧钾。
52.一种包含根据任一前述权利要求所述的设备的光学调制器。
53.一种光学调制系统，包括：
信号处理器；
根据权利要求52所述的光学调制器；
其中所述信号处理器和所述光学调制器彼此耦合。
54.一种光学调制系统，包括：
多个电驱动器；
至少一个光学调制器，所述光学调制器包括至少一个光信号路径，所述至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中所述多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个电耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种，
其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的相应光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的所述电信号之间的延迟基本上最小化；以及
信号处理器。
55.根据权利要求54所述的光学调制系统，其中所述信号处理器和所述电驱动器中的至少一些形成在同一芯片上。
56.一种用于产生调制光信号的设备，包括：
多个电驱动器；
至少一个光信号路径，所述光信号路径包括多个组，其中至少一个组包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中所述多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；并且
其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一组内的所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。
57.根据权利要求56所述的设备，还包括在驱动所述至少一个光信号路径的所述至少一组内的至少两个部分的相应子部分的耦合的调制元件的电驱动器之间的至少一个延迟元件。
58.根据权利要求56或57所述的设备，还配置为在驱动所述至少一个光信号路径的所述至少一组内的至少两个部分的相应的耦合的调制元件的所述电信号之间提供一些延迟。
59.一种包括至少一个光学干涉仪的设备，其中所述至少一个光学干涉仪还包括至少一个根据权利要求56至58中任一项所述的设备。
60.根据权利要求56至59中任一项所述的设备，其中所述设备配置为产生以下调制光信号中的至少一种：M进制相移键控M-ary PSK、多级相位调制、M进制正交幅度调制M-aryQAM和M进制幅移键控M-ary ASK调制光信号。
61.根据权利要求56至60所述的设备，其中所述设备配置为产生多级脉冲幅度调制PAM光信号。
62.根据权利要求56至61中任一项所述的设备，其中为不同的组提供单独的电信号输入端口。
63.根据权利要求56至62中任一项所述的设备，其中每个光学调制元件包括可控光学特性，其中所述可控光学特性包括以下特性中的至少一种：折射率、吸收系数、双折射率、折射率椭球、折射率和吸收系数的组合、双折射率和吸收系数的组合、以及折射率椭球和吸收系数的组合。
64.一种马赫-曾德干涉仪，包括：
包括至少一个输入波导和至少两个输出波导的分光器；
包括至少两个输入波导和至少一个输出波导的光学复合器；以及
至少两个干涉仪臂，每个干涉仪臂光学耦合在所述分光器的所述输出波导之一与所述光学复合器的所述输入波导之一之间，其中至少一个臂包括根据权利要求56至63中任一项所述的设备。
65.一种萨格纳克干涉仪，包括：
包括至少一个输入波导和至少两个输入/输出波导的分光器/光学复合器；
至少一个干涉仪臂，每个干涉仪臂光学耦合在所述分光器/光学复合器的所述至少两个输入/输出波导中的一个与所述分光器/光学复合器的所述至少两个输入/输出波导中的另一个之间；并且
其中至少一个干涉仪臂包括根据权利要求56至64中任一项所述的设备。
66.一种马赫-曾德干涉仪，包括：
包括至少一个输入波导和两个输出波导的分光器；
包括两个输入波导和至少一个输出波导的光学复合器；
一对干涉仪臂，每个干涉仪臂光学耦合在所述分光器的所述输出波导之一与所述光学复合器的所述输入波导之一之间，其中至少一个臂包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分；
多个电驱动器，每个电驱动器产生至少一个电信号，用于调制通过所述干涉仪臂中的至少一个的光信号的传播特性中的至少一种，其中所述多个电驱动器中的至少一些与所述至少一个臂的所述至少一个部分的所述多个子部分中的至少一些耦合；并且
其中所述电驱动器配置为使得由与至少一个臂的所述至少一个部分内的相应的子部分耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。
67.根据权利要求66所述的马赫-曾德干涉仪，还包括在与至少一个干涉仪臂的至少两个部分耦合的电驱动器之间的至少一个延迟元件。
68.根据权利要求66或67所述的马赫-曾德干涉仪，其中至少一个臂进一步包括多个组。
69.根据权利要求66、67或68所述的马赫-曾德干涉仪，还包括电路，所述电路包括所述多个电驱动器。
70.根据权利要求69所述的马赫-曾德干涉仪，其中所述电路包括至少一个电信号输入端口和多个电信号输出端口。
71.根据权利要求68、69或70所述的马赫-曾德干涉仪，其中为臂的不同的组提供单独的电信号输入端口。
72.根据权利要求67至71中任一项所述的马赫-曾德干涉仪，其中所述第一组与所述第二组相比，包括所述臂的更多部分。
73.根据权利要求72所述的马赫-曾德干涉仪，其中所述第一组包括四个部分，并且所述第二组包括两个部分，每个部分包括至少两个子部分。
74.根据权利要求73所述的马赫-曾德干涉仪，其中所述第一组的调制强度是所述第二组的调制强度的两倍。
75.根据权利要求70至74中任一项所述的马赫-曾德干涉仪，其中第一电信号输入端口与所述第一组耦合，而第二电信号输入端口与所述第二组耦合。
76.一种设备，包括：
多个电驱动器；
至少一个光信号路径，其中所述至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中所述多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；
其中所述设备配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应的子部分耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化；并且
其中所述至少一个光信号路径的至少一个子部分的光学调制元件包括至少两个半导体区域以及在所述两个半导体区域之间形成的沟槽区域。
77.根据权利要求76所述的设备，其中所述至少一个沟槽区域至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物材料。
78.根据权利要求76所述的设备，其中所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分的至少一个子部分的调制元件包括彼此相邻的第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域，并且其中第一沟槽区域形成在所述第一半导体区域与所述第二半导体区域之间，而第二沟槽区域形成在所述第二半导体区域与所述第三半导体区域之间。
79.根据权利要求78所述的设备，其中至少一个沟槽区域至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物材料。
80.根据权利要求76至79中任一项所述的设备，其中所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分的至少一个子部分进一步包括与每个半导体区域耦合的电信号输入端口。
81.根据权利要求80所述的设备，其中与所述第一半导体区域和所述第三半导体区域相关联的输入端口与所述电驱动器的一个输出端口耦合，并且与所述第二半导体区域相关联的输入端口与所述电驱动器的另一个输出端口耦合。
82.一种设备，包括：
多个电驱动器；
至少一个光信号路径，其中所述至少一个光信号路径包括至少两个分部，即第一分部和第二蜿蜒分部，其中所述至少一个光信号路径的每个分部包括至少一个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个耦合；
其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；
其中所述设备配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个分部的所述至少一个部分内的相应子部分内的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的所述电信号之间的延迟基本上最小化；并且
其中所述至少一个光信号路径的所述至少两个分部中的每一个的所述至少一个部分的至少一个子部分的光学调制元件包括第一电输入端口和第二电输入端口。
83.根据权利要求82所述的设备，其中所述光信号路径的第二蜿蜒分部相对于所述至少一个光信号路径的第一分部弯曲约180°。
84.根据权利要求82或83所述的设备，其中所述至少一个光信号路径的所述第一分部的所述至少一个部分的所述至少一个子部分的光学调制元件的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性与所述至少一个光信号路径的所述第二蜿蜒分部的所述至少一个部分的所述至少一个子部分的光学调制元件的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性相反。
85.根据权利要求84所述的设备，其中所述光学调制元件包括具有普克尔斯效应的材料。
86.根据权利要求85所述的设备，其中所述具有普克尔斯效应的材料包括以下材料中的至少一种：铌酸锂、钛酸钡、磷酸钛氧钾、砷化镓、磷化铟或电光聚合物。
87.一种制造设备的方法，所述方法包括：
形成光信号路径；
将所述光信号路径分成多个部分，
将至少一个部分分成多个子部分，
在每个子部分内形成光学调制元件；
提供多个电驱动器，每个电驱动器产生至少一个电信号，用于调制通过所述光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；
将每个光学调制元件与所述多个电驱动器中的至少一个耦合；以及
在由驱动所述光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件的至少两个电驱动器产生的电信号之间提供基本上最小化的延迟。
88.根据权利要求87所述的方法，还在驱动所述光信号路径的两个部分的电驱动器之间提供至少一个电延迟元件。
89.根据权利要求87或88所述的方法，还在驱动所述光信号路径的至少两个部分内的相应的耦合的光学调制元件的电信号之间提供至少一些延迟。
90.根据权利要求87、88或89所述的方法，还包括在电芯片上形成所述电驱动器并且在光芯片上形成所述光学调制元件。
91.根据权利要求90所述的方法，还包括使用以下技术中的至少一种来连接所述电芯片和所述光学调制元件：铜柱技术、倒装芯片接合技术、硅通孔TSV技术或者扇出晶片级封装FOWLP技术。
92.根据权利要求87、88或89所述的方法，其中所述电驱动器和所述光学调制元件形成在同一芯片上。
93.一种基本上如上文参照附图所述的设备、光学调制器、光学调制系统以及制造设备的方法。
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