CN113126332B - 马赫曾德尔电光调制器及调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种马赫曾德尔电光调制器及调制方法，包括第一2×2MMI结构、第二2×2MMI结构及2个相位调制臂，其中，相位调制臂位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且相位调制臂的两侧具有DC电极及RF电极，以构成包括1个输入光波导及3个输出光波导的电光调制器；且电光调制器位于第一环境中，3个输出光波导分别与位于第二环境中的3个输出光纤耦合，且第一环境中的温度小于第二环境中的温度。本发明可减少光波在低温区域的耗散，从而可降低制冷能耗，同时，降低传输系统比特能耗；进一步的，电光调制器偏置在工作区域，使第一输出光波导输出最小光强，使得调制信号具有较高的消光比。

Description

马赫曾德尔电光调制器及调制方法
技术领域
本发明属于光通信领域，涉及一种马赫曾德尔电光调制器及调制方法。
背景技术
目前，基于室温CMOS技术的数据中心和高性能计算机(HPC)的功耗不断增长，人们开始转向高速率低功耗的低温计算领域寻求替代方案。然而，所有的低温处理器的实现，都需要在低温和室温之间进行大量的高速数据传输。例如，基于单磁通量子(SFQ)信号的经典处理器需要工作在约4K温区，而超导量子计算的工作温度需要低于100mK。因此，它们都需要在低温和室温设备之间进行高速低功耗的数据传输。显然，光互联技术比传统的电互联技术更加适合这一应用场景。
在基于外调制的光互联技术中，只需要将电光调制器置于低温区域工作，而光源和探测器则可以工作在室温区域，这样可以最大限度地减少低温区域的热量耗散，减轻制冷方面的压力和传输系统比特能耗。因此，基于高效电光调制器的外调制光互联技术有望成为实现低温-室温微弱信号传输的理想解决方案。但是，传统的室温电光调制器由于其结构设计和工作偏置点的选择，使得大量的光场耗散在低温区域，使得制冷功耗增加，导致其比特能耗较高。例如，基于Y型结构的马赫增德尔电光调制器，其工作原理是：当两个支路信号合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小受调制信号影响变化的干涉信号，干涉增强时，大部分光输出低温区域，但是，干涉减弱时，大部分光将耗散在低温区域。另外，为了适应微弱信号传输，通常调制器会被偏置在线性最佳区域来工作，而在这种情况下，会有大部分光耗散在低温区域，增加数据传输的比特能耗。
鉴于此，提供一种马赫曾德尔电光调制器及调制方法，实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种马赫曾德尔电光调制器及调制方法，用于解决现有技术中电光调制器的光场耗散在低温区域，使得制冷功耗增加，导致比特能耗较高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种马赫曾德尔电光调制器，所述电光调制器包括：
第一2×2MMI结构、第二2×2MMI结构及2个相位调制臂，所述相位调制臂位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且所述相位调制臂的两侧具有DC电极及RF电极，以通过所述DC电极对所述第一2×2MMI结构分成的两束光进行偏置，并通过所述RF电极施加调制信号，以构成包括1个输入光波导及3个输出光波导的电光调制器；
其中，所述电光调制器位于第一环境中，3个所述输出光波导分别与位于第二环境中的3个输出光纤耦合，且所述第一环境中的温度小于所述第二环境中的温度。
可选地，所述第二环境中的温度为20℃～25℃。
可选地，所述第一环境中的温度为0℃以下。
可选地，所述电光调制器包括铌酸锂电光调制器、硅电光调制器及氮化硅电光调制器中的一种。
可选地，所述电光调制器包括应用于单磁通量子信号的电光调制器或应用于超导量子计算的电光调制器。
本发明还提供一种马赫曾德尔电光调制器的调制方法，包括以下步骤：
提供马赫曾德尔电光调制器，包括第一2×2MMI结构、第二2×2MMI结构及2个相位调制臂，所述相位调制臂位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且所述相位调制臂的两侧具有DC电极及RF电极，以构成包括1个输入光波导及3个输出光波导的电光调制器，且所述电光调制器位于第一环境中；
将3个输出光纤与3个所述输出光波导耦合，3个所述输出光纤均位于第二环境中，且所述第一环境中的温度小于所述第二环境中的温度；
调整所述DC电极，对所述第一2×2MMI结构分成的两束光进行偏置，使得所述电光调制器偏置在工作区域，以使所述第二2×2MMI结构中的第一输出光波导输出最小光强；
通过所述RF电极施加调制信号，进行调制，采集所述第一输出光波导输出的光波，以将所述调制信号转换成光信号输出。
可选地，所述第二环境中的温度为20℃～25℃。
可选地，所述第一环境中的温度为0℃以下。
可选地，所述电光调制器包括铌酸锂电光调制器、硅电光调制器及氮化硅电光调制器中的一种。
可选地，所述电光调制器包括应用于单磁通量子信号的电光调制器及应用于超导量子计算的电光调制器。
如上所述，本发明的马赫曾德尔电光调制器包括第一2×2MMI结构、第二2×2MMI结构及2个相位调制臂，其中，所述相位调制臂位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且所述相位调制臂的两侧具有DC电极及RF电极，以通过所述DC电极对所述第一2×2MMI结构分成的两束光进行偏置，并通过所述RF电极施加调制信号，以构成包括1个输入光波导及3个输出光波导的电光调制器；且所述电光调制器位于第一环境中，3个所述输出光波导分别与位于第二环境中的3个输出光纤耦合，且所述第一环境中的温度小于所述第二环境中的温度。
本发明的处于所述第一环境中的所述马赫曾德尔电光调制器通过2个2×2MMI结构进行光波的分束和合束，并利用3个所述输出光纤将所述电光调制器的3个输出光波导的光波全部传输至所述第二环境中，以此减少光波在低温区域的耗散，从而可降低制冷能耗，同时，降低传输系统比特能耗。
进一步的，本发明的马赫曾德尔电光调制器在进行调制时，通过调整所述DC电极，使得所述电光调制器偏置在工作区域，以使所述第二2×2MMI结构中的第一输出光波导输出最小光强，而后通过所述RF电极施加调制信号，进行调制，可采集所述第一输出光波导输出的光波，以将所述调制信号转换成光信号输出，且可使得调制信号具有较高的消光比。
附图说明
图1显示为本发明对比例中马赫曾德尔电光调制器的结构示意图。
图2显示为本发明实施例中马赫曾德尔电光调制器的结构示意图。
图3显示为本发明实施例中马赫曾德尔电光调制器的调制方法的流程示意图。
图4显示为本发明对比例及实施例中的马赫曾德尔电光调制器的调制方法示意图。
元件标号说明
110 第一2×2MMI结构
120 第二2×2MMI结构
130 相位调制臂
131 DC电极
132 RF电极
11 输入光波导
11’ 第一输出光波导
12’ 第二输出光波导
13’ 第三输出光波导
21 输入光纤
21’ 第一输出光纤
22’ 第二输出光纤
23’ 第三输出光纤
A 第一环境
B 第二环境
W’、W0、W1 RF电极调制信号位置
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
对比例
参阅图1，本对比例提供一种低温应用型马赫曾德尔电光调制器，其中，所述电光调制器包括第一2×2MMI结构110、第二2×2MMI结构120及2个相位调制臂130，所述相位调制臂130位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且所述相位调制臂的两侧具有DC电极131及RF电极132，以通过所述DC电极131对所述第一2×2MMI结构110分成的两束光进行偏置，并通过所述RF电极132施加调制信号，以构成包括1个输入光波导11及3个输出光波导即第一输出光波导11’、第二输出光波导12’及第三输出光波导13’的电光调制器。
本对比例中的所述低温应用型马赫曾德尔电光调制器总共有四个光学端口，其中，所述输入光波导11被用于光输入，所述第一输出光波导11’被用于调制后光信号输出，另外两个即所述第二输出光波导12’及第三输出光波导13’将光场直接散射在波导所处的环境中，但是由于该马赫曾德尔电光调制器为应用于低温中的电光调制器，从而会增加因制冷造成的能耗，且该低温应用型马赫曾德尔电光调制器对能耗要求极其严格，因此会将留在低温区域内所有光场计入能耗。
另外，为了适应微弱信号的传输，该低温应用型马赫曾德尔电光调制器在进行调制时，会通过调整所述DC电极，以偏置在线性最佳区域来工作，参阅图4，RF电极调制信号处于W’位置，在这种情况下，光波不仅由所述第一输出光波导11’输出，还有大部分光波自所述第二输出光波导12’及所述第三输出光波导13’输出，从而会导致光耗散在低温区域，增加数据传输的比特能耗。
实施例
鉴于对比例的缺陷，参阅图2，本实施例提供一种新型的马赫曾德尔电光调制器，其中，所述电光调制器包括：
第一2×2MMI结构110、第二2×2MMI结构120及2个相位调制臂130，所述相位调制臂130位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且所述相位调制臂的两侧具有DC电极131及RF电极132，以通过所述DC电极131对所述第一2×2MMI结构110分成的两束光进行偏置，并通过所述RF电极132施加调制信号，以构成包括1个输入光波导11及3个输出光波导即第一输出光波导11’、第二输出光波导12’及第三输出光波导13’的电光调制器；
其中，所述电光调制器位于第一环境A中，3个所述输出光波导分别与位于第二环境B中的3个输出光纤即第一输出光纤21’、第二输出光纤22’及第三输出光纤23’耦合，且所述第一环境A中的温度小于所述第二环境B中的温度。
本实施例中的处于所述第一环境A中的所述马赫曾德尔电光调制器通过2个2×2MMI结构进行光波的分束和合束，并利用3个位于所述第二环境B的所述输出光纤即所述第一输出光纤21’、第二输出光纤22’及第三输出光纤23’进行光波耦合，以将所述电光调制器的3个所述输出光波导的光波全部传输至所述第二环境B中，以此可减少光波在低温区域的耗散，从而可降低制冷能耗，同时，降低传输系统比特能耗。其中，所述第二环境B中还可包括与所述输入光波导11耦合的输入光纤21，以用于传输光波。
需要说明的是，参阅图2，位于所述第二环境B中的3个所述输出光纤以及所述输入光纤21有部分是处于所述第一环境A中的，以便与位于所述第一环境A中的光波导进行耦合。
作为示例，所述第一环境A中的温度为0℃以下；所述第二环境B中的温度为20℃～25℃。
其中，所述电光调制器可包括应用于单磁通量子信号的电光调制器或应用于超导量子计算的电光调制器，但所述电光调制器的应用并非局限于此。若当将所述电光调制器应用于单磁通量子信号中时，所述第一环境A的温度优选为4K，当将所述电光调制器应用于超导量子计算时，所述第一环境A的温度优选为低于100mK，有关所述第一环境A的温度可根据所述电光调制器的应用而发生变化，此处不作过分限定。所述第二环境B中的温度可为20℃～25℃，如22℃、25℃等室温，但并非局限于此，也可根据具体需要进行选择，此处不作过分限定。其中，所述第一环境A的温度需低于所述第二环境B的温度，关于所述第一环境A的温度及第二环境B的温度的选择，此处不作过分限定。
作为示例，所述电光调制器包括铌酸锂电光调制器、硅电光调制器及氮化硅电光调制器中的一种。
具体的，本实施例中，所述电光调制器采用铌酸锂电光调制器，但并非局限于此，也可根据需要对所述电光调制器的材质进行选择，此处不作过分限定。
参阅图3及图4，本实施例还提供一种马赫曾德尔电光调制器的调制方法，包括以下步骤：
提供马赫曾德尔电光调制器，包括第一2×2MMI结构110、第二2×2MMI结构120及2个相位调制臂130，所述相位调制臂130位于所述第一2×2MMI结构110及第二2×2MMI结构120之间，且所述相位调制臂130的两侧具有DC电极131及RF电极132，以构成包括1个输入光波导及3个输出光波导的电光调制器，且所述电光调制器位于第一环境A中；
将3个输出光纤与3个所述输出光波导耦合，3个所述输出光纤均位于第二环境B中，且所述第一环境A中的温度小于所述第二环境B中的温度；
调整所述DC电极131，对所述第一2×2MMI结构110分成的两束光进行偏置，使得所述电光调制器偏置在工作区域，以使所述第二2×2MMI结构120中的第一输出光波导11’输出最小光强；
通过所述RF电极132施加调制信号，进行调制，采集所述第一输出光波导11’输出的光波，以将所述调制信号转换成光信号输出。
本实施例中将位于所述第一环境A中的所述电光调制器，通过调制所述DC电极131以将所述电光调制器偏置在工作区域，即所述第一输出光波导11’输出最小光强，而后通过对所述RF电极132施加RF调制信号，使得所述第一输出光波导11’具有光强输出，并通过位于所述第二环境B中的3个所述输出光纤，将3个所述输出光波导传输的光波传输至所述第二环境中，如室温等，以完成调制。
具体的，可参阅图4，在进行调制时，将所述电光调制器偏置在所述第一输出光波导11’具有输出最小光强处，即在所述RF电极132的调制信号W0位置记为“0”信号位置时，进行调制，这样微小的电信号即当所述RF电极132在施加RF调制信号后，将会转换成光信号输出，即调制信号位置在W1位置时，记为“1”信号位置，即可实现电光调制。此外，由于“0”信号时，所述第一输出光波导11’的输出光强很小，所以，该调制信号会有很高的消光比。因此，本实施例的所述电光调制器的调制方法，可使得低温能耗大大降低，且具有很高的消光比，具有巨大的实际应用价值。
本实施例中的处于所述第一环境A中的所述马赫曾德尔电光调制器通过2个2×2MMI结构进行光波的分束和合束，并利用3个位于所述第二环境B的所述输出光纤即所述第一输出光纤21’、第二输出光纤22’及第三输出光纤23’进行光波耦合，以将所述电光调制器的3个所述输出光波导的光波全部传输至所述第二环境B中，以此可减少光波在低温区域的耗散，从而可降低制冷能耗，同时，降低传输系统比特能耗。其中，所述第二环境B中还可包括与所述输入光波导11耦合的输入光纤21，以用于传输光波。
作为示例，所述第一环境A中的温度为0℃以下；所述第二环境B中的温度为20℃～25℃。
其中，所述电光调制器可包括应用于单磁通量子信号的电光调制器或应用于超导量子计算的电光调制器，但所述电光调制器的应用并非局限于此。若当将所述电光调制器应用于单磁通量子信号中时，所述第一环境A的温度优选为4K，当将所述电光调制器应用于超导量子计算时，所述第一环境A的温度优选为低于100mK，有关所述第一环境A的温度可根据所述电光调制器的应用而发生变化，此处不作过分限定。所述第二环境B中的温度可为20℃～25℃，如22℃、25℃等室温，但并非局限于此，也可根据具体需要进行选择，此处不作过分限定。其中，所述第一环境A的温度需低于所述第二环境B的温度，关于所述第一环境A的温度及第二环境B的温度的选择，此处不作过分限定。
作为示例，所述电光调制器包括铌酸锂电光调制器、硅电光调制器及氮化硅电光调制器中的一种。
具体的，本实施例中，所述电光调制器采用铌酸锂电光调制器，但并非局限于此，也可根据需要对所述电光调制器的材质进行选择，此处不作过分限定。
综上所述，本发明的马赫曾德尔电光调制器包括第一2×2MMI结构、第二2×2MMI结构及2个相位调制臂，其中，所述相位调制臂位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且所述相位调制臂的两侧具有DC电极及RF电极，以通过所述DC电极对所述第一2×2MMI结构分成的两束光进行偏置，并通过所述RF电极施加调制信号，以构成包括1个输入光波导及3个输出光波导的电光调制器；且所述电光调制器位于第一环境中，3个所述输出光波导分别与位于第二环境中的3个输出光纤耦合，且所述第一环境中的温度小于所述第二环境中的温度。
本发明的处于所述第一环境中的所述马赫曾德尔电光调制器通过2个2×2MMI结构进行光波的分束和合束，并利用3个所述输出光纤将所述电光调制器的3个输出光波导的光波全部传输至所述第二环境中，以此减少光波在低温区域的耗散，从而可降低制冷能耗，同时，降低传输系统比特能耗。
进一步的，本发明的马赫曾德尔电光调制器在进行调制时，通过调整所述DC电极，使得所述电光调制器偏置在工作区域，以使所述第二2×2MMI结构中的第一输出光波导输出最小光强，而后通过所述RF电极施加调制信号，进行调制，可采集所述第一输出光波导输出的光波，以将所述调制信号转换成光信号输出，且可使得调制信号具有较高的消光比。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述电光调制器包括：
第一2×2MMI结构、第二2×2MMI结构及2个相位调制臂，所述相位调制臂位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且所述相位调制臂的两侧具有DC电极及RF电极，以通过所述DC电极对所述第一2×2MMI结构分成的两束光进行偏置，并通过所述RF电极施加调制信号，以构成包括1个输入光波导及3个输出光波导的电光调制器；
其中，所述电光调制器位于第一环境中，3个所述输出光波导分别与位于第二环境中的3个输出光纤耦合，且所述第一环境中的温度小于所述第二环境中的温度。
2.根据权利要求1所述的马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述第二环境中的温度为20℃～25℃。
3.根据权利要求1所述的马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述第一环境中的温度为0℃以下。
4.根据权利要求1所述的马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述电光调制器包括铌酸锂电光调制器、硅电光调制器及氮化硅电光调制器中的一种。
5.根据权利要求1所述的马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述电光调制器包括应用于单磁通量子信号的电光调制器或应用于超导量子计算的电光调制器。
6.一种马赫曾德尔电光调制器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供马赫曾德尔电光调制器，包括第一2×2MMI结构、第二2×2MMI结构及2个相位调制臂，所述相位调制臂位于所述第一2×2MMI结构及第二2×2MMI结构之间，且所述相位调制臂的两侧具有DC电极及RF电极，以构成包括1个输入光波导及3个输出光波导的电光调制器，且所述电光调制器位于第一环境中；
将3个输出光纤与3个所述输出光波导耦合，3个所述输出光纤均位于第二环境中，且所述第一环境中的温度小于所述第二环境中的温度；
调整所述DC电极，对所述第一2×2MMI结构分成的两束光进行偏置，使得所述电光调制器偏置在工作区域，以使所述第二2×2MMI结构中的第一输出光波导输出最小光强；
通过所述RF电极施加调制信号，进行调制，采集所述第一输出光波导输出的光波，以将所述调制信号转换成光信号输出。
7.根据权利要求6所述的马赫曾德尔电光调制器的调制方法，其特征在于：所述第二环境中的温度为20℃～25℃。
8.根据权利要求6所述的马赫曾德尔电光调制器的调制方法，其特征在于：所述第一环境中的温度为0℃以下。
9.根据权利要求6所述的马赫曾德尔电光调制器的调制方法，其特征在于：所述电光调制器包括铌酸锂电光调制器、硅电光调制器及氮化硅电光调制器中的一种。
10.根据权利要求6所述的马赫曾德尔电光调制器的调制方法，其特征在于：所述电光调制器包括应用于单磁通量子信号的电光调制器或应用于超导量子计算的电光调制器。
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