CN113176676B - 光学调制器和光学集成系统 - Google Patents

光学调制器和光学集成系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光子集成电路领域，其提供了一种光学调制器和光学集成系统，能够抑制因载流子扩散导致的相位偏差。所述光学调制器包括至少一段移相器；所述移相器包括：传输光信号的波导通道、以及位于波导通道相对两侧的P型掺杂区和N型掺杂区；其中，在所述波导通道中，在所述P型掺杂区和N型掺杂区之间为未掺杂的本征区；其中，在所述本征区的两端中的至少一端或靠近所述至少一端设置有阻挡载流子沿波导传播方向从所述本征区扩散出去的阻挡结构，由此，能够抑制因载流子扩散导致的相位偏差，并且能够抑制相邻移相器之间的电串扰，以及避免了该电串扰导致的调制信号失真。进而，提高了光子集成系统的可靠性和精度。

Description

光学调制器和光学集成系统
技术领域
本发明涉及光子集成电路领域，更为具体而言，涉及一种光学调制器和光学集成系统。
背景技术
人工神经网络(Artificial Neural Network，ANN)从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象，建立某种运算模型，按不同的连接方式组成不同的网络。也就是说，神经网络是一种运算模型，由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数，称为激励函数。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值，称之为权重，这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式，权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近，也可能是对一种逻辑策略的表达。在寻找一个复杂问题的优化解时，往往需要很大的计算量。数字电子技术的计算能力和速度终将成为人工神经网络发展的瓶颈。
近年来，光子神经网络发展迅速，相比于数字电子技术，其能效和速度有望提高数个数量级。在光子神经网络中，通常会采用到光学调制器，例如，基于载流子注入的硅调制器可以利用较小的尺寸实现较大的折射率变化和高调制深度。在所述硅调制器中，典型的PIN移相器在波导的两个掺杂区之间具有未掺杂的本征区，具有本征区的该器件在正向偏置电压下可提供高调制效率。由于其尺寸小并且插入损耗低，被广泛地用于诸如光子神经网络之类的大规模光子集成系统中。
为了实现光强度的高分辨率控制，在所述硅调制器中通常采用多段移相器。但是，由于PIN结的波导核心区域中的载流子可能会沿着波导传播方向扩散，因此相邻移相器之间会发生电串扰。所述电串扰会导致调制信号失真，从而影响光子集成系统的性能。
发明内容
鉴于上述现有技术缺陷，本发明提供了一种光学调制器和光学集成系统，能够抑制相邻移相器之间的电串扰的发生。
一方面，本发明的一种实施方式提供了一种基于载流子注入的光学调制器，所述光学调制器包括至少一段移相器；
所述移相器包括：传输光信号的波导通道、以及位于波导通道相对两侧的P型掺杂区和N型掺杂区；
其中，在所述波导通道中，在所述P型掺杂区和N型掺杂区之间为未掺杂的本征区；
其中，在所述本征区的两端中的至少一端或靠近所述至少一端设置有阻挡载流子沿波导传播方向从所述本征区扩散出去的阻挡结构。
在本发明的一些实施方式中，所述阻挡结构包括PN结。在可选实施方式中，所述阻挡结构可以包括至少两个PN结，所述至少两个PN结可以彼此间隔开，也可以堆叠设置。
在本发明的一些实施方式中，在所述本征区的两端侧具有锥形波导区域，所述PN结形成在所述锥形波导区域中。
在本发明的一些实施方式中，所述阻挡结构包括在所述本征区的波导通道的至少一端形成的间隔，或在所述本征区的外部且与所述本征区的至少一端相连的波导中形成的间隔。
在本发明的一些实施方式中，所述光学调制器包括至少两段移相器，所述至少两段移相器中各个移相器的长度彼此不相同。
另一方，本发明的另一种实施方式提供了一种基于载流子注入的光学调制器，所述光学调制器包括至少两段移相器；
所述移相器包括：传输光信号的波导通道、以及位于波导通道相对两侧的P型掺杂区和N型掺杂区；
其中，在所述波导通道中，在所述P型掺杂区和N型掺杂区之间为未掺杂的本征区；
其中，在相邻的移相器相向的连接端中设置有阻挡载流子沿波导传播方向从一个移相器扩散到另一移相器的阻挡结构。
在本发明的一些实施方式中，所述阻挡结构包括PN结。在可选实施方式中，所述阻挡结构可以包括至少两个PN结，所述至少两个PN结可以彼此间隔开，也可以堆叠设置。
在本发明的一些实施方式中，所述连接端为锥形波导区域。
在本发明的一些实施方式中，所述阻挡结构为在所述相邻的移相器之间的波导中形成的间隔。
在本发明的一些实施方式中，所述至少两段移相器中各个移相器的长度彼此不相同。
再一方面，本发明的实施方式还提供了一种光子集成系统，其包括上述任一个实施方式所述的光学调制器。
根据本发明各实施方式所述的光子集成系统及其光学调制器，其通过在移相器的端部设置阻挡载流子沿波导传播方向从所述本征区扩散出去的阻挡结构，能够抑制因载流子扩散导致的相位偏差。从而，使得移相器的理论值与实验室基本一致，由此能够准确预测移相器的行为并设计相关的驱动电路。
并且，通过所述阻挡结构阻挡载流子从一个移相器扩散到另一移相器的扩散，从而抑制相邻移相器之间的电串扰，进而避免了该电串扰导致的调制信号失真。由此，提高了光子集成系统的可靠性和精度。
本发明实施方式的各个方面、特征、优点等将在下文结合附图进行具体描述。根据以下结合附图的具体描述，本发明的上述方面、特征、优点等将会变得更加清楚。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的光学调制器的示意图；
图2a是图1中一个移相器的放大视图；
图2b是波导核心区域沿图2a中y方向截取的截面图；
图3是原设计的PIN移相器的结构示意图；
图4是示出图2所示的PIN移相器和图3所示的PIN移相器各自的仿真结果的图表，其显示了电子浓度的变化；
图5是示出图2所示的PIN移相器和图3所示的PIN移相器各自的仿真结果的图表，其显示了空穴浓度的变化；
图6示出了根据本发明另一种实施方式的光学调制器中使用的移相器的示例；
图7示出了根据本发明又一种实施方式的光学调制器中使用的移相器的示例。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案的各个方面、特征以及优点，下面结合附图对本发明进行具体描述。应当理解，下述的各种实施方式只用于举例说明，而非用于限制本发明的保护范围。
本发明实施方式提供了一种光子集成系统，其包括本发明下述各实施方式所述的基于载流子注入的光学调制器，所述光学调制器包括至少两段移相器。
图1示出了根据本发明一种实施方式的光学调制器的结构。如图1所示，光学调制器的输入端和输出端之间的每条光路上设置了3段移相器，并且每段移相器之间的长度不相同，由此可以实现3比特光学调制，并且具有8级光强度。在可选的实施方式中，移相器的数量可以是1段、2段、4段或更多段，并且对于多段移相器，各段的长度可以相同或部分相同。在本发明实施方式中，所述移相器包括：传输光信号的波导通道101、以及位于波导通道相对两侧的P型掺杂区102和N型掺杂区103。如图2a所示，在所述波导通道中，在所述P型掺杂区102和N型掺杂区103之间形成为未掺杂的本征区104，由此构成了PIN移相器。
在本发明实施方式中，在靠近本征区104的两端且与所述本征区104连接的连接端中，设置有阻挡载流子(包括电子、空穴)沿波导传播方向从所述本征区104向外扩散的阻挡结构，所述阻挡结构为PN结200。如图2a所示，所述连接端为在所述本征区104的两端侧与所述本征区104连接的锥形波导区域，所述PN结200形成在所述锥形波导区域中。如图2b所示，载流子被PN结200阻挡在本征区中，其向另一个移相器的扩散被阻止，由此避免了相邻相移器之间的电串扰导致相位偏差，使得所述光学调制器的调制信号的失真得到抑制，进而提高了所述光学集成系统的可靠性和精度。并且，在设计阶段，使得移相器的理论值与实验室基本一致，由此能够准确预测移相器的行为并设计相关的驱动电路，提高光学集成系统的设计、制造效率。
需要说明的是，当光学调制器仅包括一段移相器时，其通过在移相器的端部设置阻挡载流子沿波导传播方向从所述本征区扩散出去的阻挡结构，也能够抑制因载流子扩散导致的相位偏差。从而，使得移相器的理论值与实验室基本一致，由此能够准确预测移相器的行为并设计相关的驱动电路。在本发明的可选实施方式中，可以在所述本征区的两端设置所述阻挡结构，也可以在所述本征区的一端或靠近该一端设置所述阻挡结构。例如，对于单向通信或光单向传输的情况，可以仅在移相器的输出端设置所述阻挡结构，由此可以防止载流子扩散至连接的下一段移相器。可选地，也可以在移相器的输入端设置阻挡结构来防止连接的上一段移相器扩散的载流子进入本段移相器。
在本发明的可选实施方式中，可以在相邻的移相器相向的连接端中设置阻挡载流子沿波导传播方向从一个移相器扩散到另一移相器的阻挡结构，由此既可以防止载流子扩散出本段移相器，也可以防止上一段移相器的载流子扩散进入本段移相器。
在本发明的可选实施方式中，所述阻挡结构为在相邻移相器之间的波导中形成未相连的间隔，例如，可以在上述锥形波导区域中形成所述间隔。由此，在相邻移相器之间形成载流子的物理间隔，避免了相邻移相器之间的电串扰。在本发明的其他可选实施方式中，所述阻挡结构包括在所述本征区的波导通道的至少一端形成的间隔。
在本发明的可选实施方式中，所述光学调制器为马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器。
为了便于本领域技术人员理解本发明的实质，下面对照原设计对本发明的效果进行说明。
如图3所示，在本发明之前的原设计中，在本征区的两端侧没有设置阻挡结构，其载流子能够沿波导传播方向(y方向)从本征区向外扩散，因此，载流子能够从一个移相器扩散到另一移相器，在移相器之间产生电串扰。与之不同的是，本发明实施方式通过在本征区的两端侧或其附近设置阻挡结构，其载流子沿波导传播方向(y方向)从本征区的扩散受到抑制。图4和图5分别示出了沿波导传播方向(y方向)载流子的浓度变化。其中，图4中虚线表示原设计(original design)在本征区两端的电子浓度的变化，实线表示采用PN结阻挡结构(PN junction blocking)的本发明实施方式的电子浓度的变化；图5中虚线表示原设计在本征区两端的空穴浓度的变化，实线表示采用PN结阻挡结构的本发明实施方式的空穴浓度的变化。如图4和图5所示，相比原设计，采用PN结阻挡结构后，载流子(包括电子和空穴)浓度显著下降，从5e18/cm3下降到2e16/cm3，并且对相位变化几乎没有影响。可见，所述PN结阻挡结构对载流子从本征区向外的扩散进行了有效抑制。此外，PN结通常长约10um，其对应的插入损耗约0.03dB，因此增加PN结阻挡结构几乎没有增加设备的插入损耗。
图6示出了根据本发明另一种实施方式的光学调制器中使用的移相器的示例。如图6所示，在靠近移相器的本征区104的两端分别设置有两个间隔开的PN结200、PN结200’，以进一步提升抑制载流子扩散和防串扰能力。在本发明的可选实施方式中，可以在本征区104的至少一端或靠近该一端设置所述两个间隔开的PN结，或者设置两个以上间隔开的PN结。
图7示出了根据本发明又一种实施方式的光学调制器中使用的移相器的示例。如图7所示，在靠近移相器的本征区104的两端分别设置有两个堆叠相连的PN结，即，PNPN的四层结构200”，作为阻挡载流子的阻挡结构，以进一步提升抑制载流子扩散和防串扰能力。在本发明的可选实施方式中，可以在本征区104的至少一端或靠近该一端设置所述PNPN的四层结构，或者设置四层以上的PN结构。在本发明的其他可选实施方式中，所述阻挡结构也可以包括设置成PNP或NPN的结构。
根据本发明各个实施方式，通过在相邻的移相器之间添加PN结，可以很好地抑制载流子沿波导传播方向的扩散，并且可以很好地阻断分段移相器之间的串扰。由此，将更容易地预测分段载流子注入型调制器的行为，并且可以通过现有驱动器进行精确的控制。进而，可以提高光子集成系统的性能。
本领技术人员应当理解，以上所公开的仅为本发明的实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明实施方式所作的等同变化，仍属本发明权利要求所涵盖的范围。例如，作为阻挡载流子的阻挡结构，可以将本发明实施方式所述的PN结和间隔组合使用，并且间隔的数量也可以为1个、2个或更多个。

Claims (11)

1.一种基于载流子注入的光学调制器，其特征在于，所述光学调制器包括至少一段移相器；
所述移相器包括：传输光信号的波导通道、以及位于波导通道相对两侧的P型掺杂区和N型掺杂区；
其中，在所述波导通道中，具有未掺杂的本征区，所述本征区位于所述P型掺杂区和N型掺杂区之间；
其中，沿波导传播方向，在所述本征区的两端中的至少一端或靠近所述至少一端设置有阻挡载流子扩散出去的阻挡结构。
2.根据权利要求1所述的光学调制器，其特征在于，所述阻挡结构用于阻挡载流子沿波导传播方向从所述本征区扩散出去。
3.根据权利要求1-2任一项所述的光学调制器，其特征在于，所述阻挡结构包括PN结。
4.根据权利要求3所述的光学调制器，其特征在于，在所述本征区的两端侧具有锥形波导区域，所述PN结形成在所述锥形波导区域中。
5.根据权利要求1-2任一项所述的光学调制器，其特征在于，所述阻挡结构包括在所述本征区的波导通道的至少一端形成的间隔，或在所述本征区的外部且与所述本征区的至少一端相连的波导中形成的间隔。
6.如权利要求1-2任一项所述的光学调制器，其特征在于，所述光学调制器包括至少两段移相器，所述至少两段移相器中各个移相器的长度彼此不相同。
7.如权利要求1-2任一项所述的光学调制器，其特征在于，所述阻挡结构包括至少两个PN结。
8.如权利要求7所述的光学调制器，其特征在于，所述至少两个PN结彼此间隔设置，或者所述至少两个PN结堆叠设置。
9.一种基于载流子注入的光学调制器，其特征在于，所述光学调制器包括至少两段移相器；
所述移相器包括：传输光信号的波导通道、位于波导通道相对两侧的P型掺杂区和N型掺杂区,
其中，在所述波导通道中，具有未掺杂的本征区，所述本征区位于所述P型掺杂区和N型掺杂区之间；
其中，在相邻的移相器相向的连接端中设置有阻挡载流子沿波导传播方向从一个移相器扩散到另一移相器的阻挡结构。
10.如权利要求9所述的光学调制器，其特征在于，所述阻挡结构包括PN结。
11.一种光子集成系统，其特征在于，包括根据权利要求1至10中任意一项所述的光学调制器。
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