CN111290145B - 一种基于环形反射镜的高速调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于环形反射镜的高速调制器，包括顺序连接的输入环形反射镜、调制臂和输出环形反射镜；调制臂两端的输入环形反射镜与输出环形反射镜之间形成谐振腔以加强光场能量密度。本发明的高速调制器具有尺寸小、工作带宽范围大和损耗小的优点，并且结构简单，易于制作，适合大规模制造和商用化运用。

Description

一种基于环形反射镜的高速调制器
技术领域
本发明涉及一种光调制器件，具体涉及一种基于环形反射镜的高速调制器。
背景技术
硅光调制器可以实现高速的数据调制，是高速硅光芯片的核心器件之一，为了实现高速传输通常采用行波电极的结构。现有的调制器结构存在制作材料介电常数和尺寸的限制，造成行波电极的微波群折射率和光波的群折射率差距较大，因此光波和微波传输时存在较大的速度失配，会降低调制带宽，特征阻抗也难以匹配到50欧姆；同时，调制器结构大多采用硅作衬底，还存在较大的微波损耗问题。正是由于这些问题的存在，极大地限制了调制器速率的提升。另一方面，行波调制器的尺寸也非常大，不利于高速硅光芯片的集成化设计。
目前，通过采用集总紧凑型调制器可以避免行波调制器的上述问题。第一，调制器的尺寸非常小，可以避免行波电极的复杂设计，还可以有效减小RC常数，增大调制器的带宽；第二，调制器不需要加负载匹配电阻，可以有效降低功耗。现有的集总电极调制器采用微环调制器，对波长和温度非常敏感，具有使用条件和使用环境不易控制的缺点；采用基于FP谐振效应的调制器，反射镜的反射率由腔体和外部介质的折射率差决定，因此反射率不高，从而影响器件的Q值，造成较大的损耗；还有采用基于一维光子晶体谐振腔的调制器，具有反射镜损耗过大，对工艺节点和制作精度要求较高，造成调制器的有效带宽降低的问题。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种基于环形反射镜的高速调制器，用于解决现有调制器尺寸大、带宽窄、损耗大的缺点。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于环形反射镜的高速调制器，包括顺序连接的输入环形反射镜、调制臂和输出环形反射镜；调制臂两端的输入环形反射镜与输出环形反射镜之间形成谐振腔以加强光场能量密度。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明一种基于环形反射镜的高速调制器，采用环形反射镜结构可以有效降低器件的插入损耗，并增大调制器的工作波长范围；由于谐振效应，调制臂可以做得很短，则调制器的尺寸大大减小，降低了驱动电压，同时减小了RC时间常数，从而增大了调制器的带宽。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明实施例的高速调制器结构示意图；
图2为本发明其中一种实施例的高速调制器结构示意图。
在图中：1、输入环形反射镜；2、输入模斑转换器；3、调制臂；31、PN结；32、集总电极；4、输出模斑转换器；5、热调相器；6、输出环形反射镜。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明，并给出具体实施方式。
参照图1-图2，根据本发明的实施例，一种基于环形反射镜的高速调制器，包括顺序连接的输入环形反射镜1、调制臂3和输出环形反射镜6，调制臂3两端的输入环形反射镜1与输出环形反射镜6之间形成谐振腔以加强光场能量密度。
根据本发明的另一实施例，所述调制器还包括输入模斑转换器2和输出模斑转换器4，所述输入模斑转换器2设置于输入环形反射镜1和调制臂3之间；所述输出模斑转换器4设置于调制臂3和输出环形反射镜6之间。则调制器连接关系为：所述调制臂3的输入端通过输入模斑转换器2与输入环形反射镜1连接，所述调制臂3的输出端通过输出模斑转换器4与输出环形反射镜6连接。增加输入模斑转换器2和输出模斑转换器4，可以减小环形反射镜波导和调制臂波导的模场失配，减小光路传输损耗，增大谐振腔体的Q值。
根据本发明的另一实施例，所述调制器还包括热调相器5，所述热调相器5设置于调制臂3和输出环形反射镜6之间，或者所述热调相器5设置于输入环形反射镜1和调制臂3之间。则调制器连接关系为：所述调制臂3的输入端与输入环形反射镜1连接，所述调制臂3的输出端通过热调相器5与输出环形反射镜6连接；或者另一调制器的连接关系为：所述调制臂3的输入端通过热调相器5与输入环形反射镜1连接，所述调制臂3的输出端与输出环形反射镜6连接。热调相器5用于控制调制器的静态工作点，使调制器工作在临界谐振点的位置。
根据本发明的另一实施例，所述热调相器5设置于输出模斑转换器4和输出环形反射镜6之间，或者所述热调相器5设置于输入环形反射镜1和输入模斑转换器2之间。则调制器连接关系为：所述调制臂3的输入端通过输入模斑转换器2与输入环形反射镜1连接，所述调制臂3的输出端依次通过输出模斑转换器4、热调相器5与输出环形反射镜6连接，具体参照图2所示；或者另一调制器的连接关系为：所述调制臂3的输入端依次通过输入模斑转换器2、热调相器5与输入环形反射镜1连接，所述调制臂3的输出端通过输出模斑转换器4与输出环形反射镜6连接。
根据本发明的另一实施例，所述输入环形反射镜、输出环形反射镜可以采用微环反射镜结构。利用微环反射镜结构可以使调制器的尺寸较为紧凑，同时可以通过控制微环的长度，为调制器提供任意反射率的光信号；而且其对工艺节点的要求与传统硅光工艺完全兼容，使调制器的插入损耗较小。
根据本发明的另一实施例，所述输入环形反射镜1和输出环形反射镜6均包含定向耦合器。所述定向耦合器用于在调制臂3两端的输入环形反射镜1和输出环形反射镜6之间形成谐振腔；调控所述定向耦合器的耦合系数可以为所述调制器提供高反射率的信号；所述定向耦合器一侧端口相连形成环路，另一侧至少包含两个端口，用于入光通道和出光通道。
根据本发明的另一实施例，所述调制臂3至少包含具有PN结31的信号传输波导和集总电极32，所述集总电极32设置于所述PN结31的两侧，用于实现信号的高速调制。所述集总电极32包含两个电极，所述两个电极无交叉设置于所述PN结31的两侧，且其中一个电极覆盖所述PN结31的P型掺杂区的部分上表面，另一个电极覆盖所述PN结31的N型掺杂区的部分上表面。采用集总电极32可以使调制臂3的长度做到几十微米至数百微米之间，器件的尺寸明显减小，有利于光电集成领域的小型化设计。本领域技术人员在实施本发明时，应当合理设置两个电极之间的电压使所述PN结31工作于反向偏置的状态，利用载流子色散效应改变PN结31耗尽区的宽度从而改变信号传输波导的折射率，实现调制器的高速调制；在具体实施过程中适当的增加PN结31的掺杂浓度，从而减小载流子寿命也可以增加调制器的带宽；并且制作所述调制器时，应当尽量将集总电极32的电极尺寸做小，减小金属接触区的掺杂电阻，从而减小调制器的寄生电容和寄生电阻，增大调制器的带宽。
根据本发明的另一实施例，所述信号传输波导包括脊形波导、条形波导、L型波导中的其中一种，或者其它等同效果的波导结构。
本发明其中一种实施例中，所述输入模斑转换器2的输出端包含脊形波导，所述输出模斑转换器4的输入端包含脊形波导；则所述输入环形反射镜1通过输入模斑转换器2从条形波导转换成脊形波导，连接到所述调制臂3的输入端；在所述调制臂3的输出端，调制臂3通过输出模斑转换器4从脊形波导转换成条形波导，连接到所述热调相器5的输入端，所述热调相器5的输出端与所述输出环形反射镜6相连，如图2所示。
本发明的工作原理为：所述环形反射镜利用一侧相连形成环路的定向耦合器形成宽带反射镜，给调制臂的两端提供反射，光在调制臂两端的环形反射镜之间来回反射形成驻波，谐振效应使得谐振腔内的光场能量密度大大增加，使调制臂可以做得很短，从而可以减小调制器的尺寸，提高调制器的调制效率。
本发明一种基于环形反射镜的高速调制器，相比于现有的谐振型调制器，采用环形反射镜结构一方面可以有效降低器件的端面插入损耗，并增大调制器的工作波长范围，另一方面，对制作工艺的容差和节点要求也更低、制作难度更小，适合器件的大规模制造和商用化；同时由于谐振效应，调制臂可以做得很短，降低了驱动电压，减小了RC时间常数，进而增大了调制器的带宽；此外，调制臂采用PN结反偏的载流子色散效应，利用不同偏压下的相位变化，可以改变谐振腔的相位匹配条件，实现信号的高速调制。本发明调制器的谐振腔结构采用集总电极作为调制器电极，可以避免行波调制器复杂的行波设计，不需要考虑阻抗匹配和群速度匹配的问题；同时不需要添加负载电阻，也可以有效降低器件的功耗。值得注意的是，本领域技术人员在本发明基础之上设计与实施的任何采用环形反射镜作为调制器反射端面的方案，均在本方案的保护范围之内。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于环形反射镜的高速调制器，其特征在于，包括顺序连接的输入环形反射镜、调制臂和输出环形反射镜；调制臂两端的输入环形反射镜与输出环形反射镜之间形成谐振腔以加强光场能量密度；
所述调制臂至少包含具有PN结的信号传输波导和集总电极，所述集总电极设置于所述PN结的两侧，用于实现信号的高速调制；所述集总电极包含两个电极，所述两个电极无交叉设置于所述PN结的两侧，且其中一个电极覆盖所述PN结的P型掺杂区的部分上表面，另一个电极覆盖所述PN结的N型掺杂区的部分上表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形反射镜的高速调制器，其特征在于，还包括输入模斑转换器和输出模斑转换器，所述输入模斑转换器设置于输入环形反射镜和调制臂之间；所述输出模斑转换器设置于调制臂和输出环形反射镜之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形反射镜的高速调制器，其特征在于，还包括热调相器，所述热调相器设置于调制臂和输出环形反射镜之间，或-+者所述热调相器设置于输入环形反射镜和调制臂之间。
4.根据权利要求2所述的一种基于环形反射镜的高速调制器，其特征在于，还包括热调相器，所述热调相器设置于输出模斑转换器和输出环形反射镜之间，或者所述热调相器设置于输入环形反射镜和输入模斑转换器之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于环形反射镜的高速调制器，其特征在于，所述输入环形反射镜、输出环形反射镜采用微环反射镜结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于环形反射镜的高速调制器，其特征在于，所述输入环形反射镜和输出环形反射镜均包含定向耦合器。
7.根据权利要求1所述的一种基于环形反射镜的高速调制器，其特征在于，所述信号传输波导包括脊形波导、条形波导、L型波导中的其中一种。
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