CN113759576B - 偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及电光调制系统 - Google Patents
偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及电光调制系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113759576B CN113759576B CN202111065501.4A CN202111065501A CN113759576B CN 113759576 B CN113759576 B CN 113759576B CN 202111065501 A CN202111065501 A CN 202111065501A CN 113759576 B CN113759576 B CN 113759576B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical waveguide
- silicon
- electrode
- optical
- dimensional grating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 66
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 66
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 31
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 132
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 14
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 4
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 12
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910016570 AlCu Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements with at least one potential jump barrier, e.g. PN, PIN junction
- G02F1/025—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements with at least one potential jump barrier, e.g. PN, PIN junction in an optical waveguide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/14—Mode converters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/0102—Constructional details, not otherwise provided for in this subclass
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫‑曾德电光调制器，顺次包括硅衬底层、下包层、硅器件层、上包层，硅器件层包括输入区、调制区和输出区，偏振光由输入区经光波导传输至调制区调制后再由光波导传输至输出区，输入区包括一个二维光栅耦合器以及均匀且对称地连接到二维光栅耦合器的四个模斑转换器以完成光分束；调制区包括金属电极和光波导相移器，通过外加电场对光进行相位调制；输出区包括一个二维光栅耦合器以及均匀且对称地连接到二维光栅耦合器的四个模斑转换器完成光合束以及光输出，实现了光相位调制到光强度调制的转换。并且具有良好的成本优势和带宽优势。
Description
技术领域
本发明是关于光电通信技术领域，特别是关于一种可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及电光调制系统。
背景技术
随着5G通信、物联网及云计算等新兴技术的飞速发展，全球数据流量呈现爆炸式增长。与此同时，数据中心作为信息交换的中间站，所承载的数据流量近年来也在持续大幅度提升。根据Cisco的“全球年度云指数报告”，2020年数据中心的年数据量已达到15Zb，年均增速为27％。5G通信的数据流动主要以室内基带处理单元(BBU)与射频拉远单元(RRU)之间为主，其两者之间传输量占总传输量的70％以上。因此，室内基带处理单元与射频拉远单元之间的通信是影响处理数据能力的最关键因素。而且随着集成电路工艺节点的不断下降，芯片内部电互连瓶颈问题日益凸显，由芯片内电互连引起的功耗延时等问题已经严重制约着芯片性能的进一步改进；并且，电互连的瓶颈不只是存在于芯片内部，还存在于芯片与芯片，板与板、机柜与机柜之间。所以人们迫切希望出现一种新的互联方式来代替电互连以达到正常通信的目的。
与电互连相比，光互连具有通信容量大、频带宽、损耗极低、串扰小、抗电磁干扰以及低抖动的优点，在不增加功耗的前提下，可以实现涵盖数据中心内部交换机间、机柜间以及更长传输距离的数据传输。因此，光互连成为了数据中心内部普遍采用的传输方式。而电光调制器是光通信网络、微波光子系统等复杂光通信/传感系统的重要器件，作为高速的电调制信号与光载波的接口，电光调制器的性能对于光互连系统的通信容量以及通信质量等至关重要。首先人们发现Ⅲ-Ⅴ族材料具有良好的电光特性，轻而易举地制造出了40Gbit/s的调制速率的电光调制器，但是由于其价格过于昂贵，对于片上的光互连系统而言，不能大规模集成。近些年来，随着硅基光电子学的发展，人们将目光转向硅基光电子器件，通过引入PN结电学结构，利用等离子体色散效应，实现了超高速的硅基电光调制器。硅基电光调制器具有紧凑的波导结构、较高的集成度以及与CMOS工艺兼容的优点促使其取得了较快的发展。然而硅材料是间接带隙半导体，不适合做光源器件，所以需要将激光器光源耦合进入到硅材料中。光耦合过程中常常选用端面耦合器与光栅耦合器两种器件，端面耦合器就是位于光芯片边缘的耦合器，端面耦合器的优点是耦合效率高，工作带宽大，缺点是其位置必须位于芯片边缘，无法进行在线测试，对准容差小，不利于集成。而光栅耦合器的主要优点在于其位置比较灵活，可位于芯片中的任意位置，因而可用于晶圆级的在线测试，另外其耦合的对准容差较大，便于封装。但是其耦合效率不太高，并且带宽较小(1dB带宽约30-40nm)。传统的一维光栅耦合器具有高偏振相关性，需要进行复杂的设计才能将偏振光耦合进入波导，会造成额外的损耗；而二维光栅耦合器可以将光纤中任意偏振态的光耦合进入不同的波导中并且以类TE偏振模式传播。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及系统，其能够可以实现偏振无关的光相位调制，通过右侧的二维光栅耦合器进行光合束以及光输出，实现了光相位调制到光强度调制的转换，并且具有良好的成本优势和带宽优势。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器，顺次包括硅衬底层、下包层、硅器件层、上包层，硅器件层包括输入区、调制区和输出区，偏振光由输入区经光波导传输至调制区调制后再由光波导传输至输出区，输入区包括一个二维光栅耦合器以及均匀且对称地连接到二维光栅耦合器的四个模斑转换器，输出区包括一个二维光栅耦合器以及均匀且对称地连接到二维光栅耦合器的四个模斑转换器，输入区与输出区之间形成有与光波导对应的4个光通道，调制区包括硅基PN结光波导相移器、一个GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极，GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极设置在位于两个光交叉之间的光波导以及位于两个二维光栅耦合器之间的光波导周围，硅基PN结光波导相移器连接到光波导并且位于GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极周围。
在本发明的一个或多个实施方式中，调制区的硅基PN结光波导相移器设置有4个，且与4个光通道一一对应。
在本发明的一个或多个实施方式中，硅基PN结光波导相移器为位于两个光交叉之间的光波导以及位于两个二维光栅耦合器之间的光波导经掺杂得到。
在本发明的一个或多个实施方式中，硅基PN结光波导相移器为在硅基光波导上形成顺次以P-N-P-N-P掺杂形成的掺杂区段(即顺次以P、N、P、N、P杂质元素进行掺杂形成的区段结构，包括5个区域掺杂区段顺次连接形成的结构P杂质元素掺杂形成的区域掺杂区段、N杂质元素掺杂形成的区域掺杂区段、P杂质元素掺杂形成的区域掺杂区段、N杂质元素掺杂形成的区域掺杂区段、P杂质元素掺杂形成的区域掺杂区段)，其中P型杂质元素指的是硼元素等，N型杂质元素指的是磷元素等。
在本发明的一个或多个实施方式中，硅基PN结光波导相移器中以分别顺次地P-N-P-N-P掺杂形成的各个区域掺杂区段中，其中区域掺杂区段包括掺杂元素浓度高的重掺杂区和掺杂元素浓度低的轻掺杂区，重掺杂区的掺杂元素浓度大于轻掺杂区的掺杂元素浓度。
在本发明的一个或多个实施方式中，4个硅基PN结光波导相移器的掺杂区段的总长度相同或者不相同。5个区域掺杂区段的长度可以各不一致。
在本发明的一个或多个实施方式中，输入区的二维光栅耦合器和输出区的二维光栅耦合器均分别在两个维度上均匀对称。
在本发明的一个或多个实施方式中，GSG单驱动共面波导行波电极包括一个信号电极和两个接地电极，信号电极与接地电极均与硅基PN结光波导相移器中的P型杂质元素掺杂形成的区域掺杂区段接触。
在本发明的一个或多个实施方式中，信号电极与接地电极均与P型杂质元素掺杂形成的区域掺杂区段中的重掺杂区接触。
在本发明的一个或多个实施方式中，GSG单驱动共面波导行波电极的电极面还设置有若干T型电极。这多个T型电极可以在电极面进行规整有序的排列。
在本发明的一个或多个实施方式中，直流电极与N型杂质元素掺杂形成的区域接触，直流电极接正向电压使PN结工作在反向偏置区，以降低光传输损耗。
在本发明的一个或多个实施方式中，系统，包括如前述的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器。
一种面向5G通信应用的偏振无关型硅基高速电光调制器，包括8个锥形模斑转换器，2个二维光栅耦合器、2个光交叉、4个硅基PN结光波导相移器，1个GSG单驱动共面波导行波电极，两个直流电极107，其特征在于：采用所述的8个锥形模斑转换器对称分布在2个二维光栅耦合器的四周，实现光栅与波导之间的光传递。采用所述的光交叉实现具有相互正交偏振态的光在两波导内进行无串扰低损耗的传递。采用所述硅基PN结光波导相移器构成马赫-曾德尔调制器中的光学相移臂，实现光学相位调制，其中硅基PN结光波导相移器是以硅材料形成的波导结构进行掺杂形成。采用所述的一个GSG单驱动共面波导行波电极实现微波电信号的加载和电学驱动。对所述的直流电极施加正向电压，并与GSG单驱动共面波导行波电极共用接地电极端使PN结工作在反向偏置区域，有效降低光损耗。
二维光栅耦合器在两个维度上均匀对称，即在两个维度上具有相同的周期和占空比。
光交叉做二维光栅耦合器两个通道中单模波导的交叉元件，用以实现两个波导中光无串扰低插损光传输，从而保证器件功能的正确性。
四个硅基PN结光波导相移器是对硅基光波导结构的一部分长度进行掺杂而形成的。掺杂离子属性结构自一侧至另一侧依次排布为P-N-P-N-P。
GSG单驱动共面波导行波电极包括一个信号电极和两个接地电极，信号电极与接地电极均与P型杂质重掺杂区接触。
直流电极与N型杂质重掺杂区接触并且接正电压，且与GSG单驱动共面波导行波电极共用接地电极端，通过严格设计直流电压与信号电压的数值可以使PN结工作在反向偏置区域，有效降低光损耗。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及系统，本发明具有对准容差能力强，无需端面抛光，易于在片测试等优点。基于二维光栅耦合器与光纤的完全垂直耦合设计，使得结构的偏振相关损耗较低。单独的GS信号电极采用串联的方式降低了时间常数，增加了带宽，直流电极的使用使PN结工作在反向偏置区域，有效降低了光损耗。而GSG单驱动共面波导行波电极结构的设计对相互正交的偏振光进行同一信号的调制，实现了偏振无关调制的目的。采用Cu以及Ti/AlCu等金属电极材料(本发明所涉及的电极均可以采用相关材料)可以有效改善高频下行波电极的微波损耗。
附图说明
图1为本发明一种具体实施例中所设计的电光调制器结构图；
图2为本发明一种具体实施例中的硅基PN结光波导相移器截面图；
图3为本发明一种具体实施例中的二维光栅耦合器的结构图；
图4为本发明又一种具体实施例中所设计的电光调制器结构图；
图5为本发明一种具体实施例中仿真的普通电极和T型电极的电学特性对比。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明的一种实施方式的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器，顺次包括硅衬底层、下包层、硅器件层、上包层，从而形成了一种近似与多层层状结构的产品。
其中，硅器件层可以包括输入区、调制区和输出区，偏振光由输入区经光波导传输至调制区调制后再由光波导传输至输出区。
输入区可以包括一个二维光栅耦合器以及均匀且对称地连接到二维光栅耦合器的四个模斑转换器。其中二维光栅耦合器对入射的偏振光进行偏振分束和功率分束。
输出区可以包括一个二维光栅耦合器以及均匀且对称地连接到二维光栅耦合器的四个模斑转换器，输入区与输出区之间形成有与光波导对应的4个光通道。输出区的二维光栅耦合器对由输入区传输过来的偏振光进行光合束以及光输出。
调制区可以包括硅基PN结光波导相移器、一个GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极，GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极设置在位于两个光交叉之间的光波导以及位于两个二维光栅耦合器之间的光波导周围，硅基PN结光波导相移器连接到光波导并且位于GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极周围。用于实现对光路中的偏振光进行调制，包括而不限于推挽式调制、相位调制等。
举例而言，在如下的一种具体方案中：
如图1至图4所示，根据本发明优选实施方式的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器自下而上包括硅衬底层(Si Substrate)108，材料为二氧化硅的下包层109，硅器件层100，材料为二氧化硅的上包层110。
如图1，在硅器件层100中设有八个锥形模斑转换器101、两个二维光栅耦合器102(图1中左侧的为输入区的二维光栅耦合器，右侧的为输出区的二维光栅耦合器)、四条脊型光波导(103-1至103-4)、两个光交叉104(即光交叉连接器)、四个硅基PN结光波导相移器105、一个GSG单驱动共面波导行波电极106以及直流电极107。其中硅基PN结光波导相移器105是通过对四条脊型光波导(103-1至103-4)的一段进行掺杂而形成的。这里的每一个光波导(103-1至103-4)图示的光波导可以是单股的，也可以是多股的，图中的单线条示意并非仅仅指物理连接结构，也可以是物理结构中一条或者多条并行的光通路的示意。
如图1所示，八个锥形模斑转换器101均匀且对称分布在两个二维光栅耦合器102的四周如图1所示，以便于完成光信号在光栅耦合器和脊型光波导结构之间的光传递。左侧的二维光栅耦合器102与光纤通过垂直耦合的方式将光分束输出到(103-1至103-4)四路脊型光波导结构中。其中(103-1至103-4)-2与(103-1至103-4)-3两路脊型光波导的交叉处引入两个光交叉104实现两通道中的偏振光低损耗无串扰的光传输。右侧的二维光栅耦合器102完成四路光信号的合束以及输出。同时，在设计时可以限定四路脊型光波导(103-1至103-4)的光程完全相同以实现较高的调制器光学带宽。
在本实施方式中采用四个硅基PN结光波导相移器105，其中存在于(103-1至103-4)-1与(103-1至103-4)-3脊型光波导结构的相移器构成一组马赫-曾德尔调制器的两个光学相移臂；存在于(103-1至103-4)-2与(103-1至103-4)-4脊型光波导结构的相移器也构成一组马赫-曾德尔调制器的两个光学相移臂，实现光学相位调制。通过右侧的二维光栅耦合器完成光合束，从而达到光相位调制到强度调制转换的目的。在本实施方式中采用的直流电极107位于“N++”重掺杂区域并施加正电压，接地端与GSG单驱动共面波导行波电极共用接地电极，通过严格设计VDC和Vpp的值可以使四个PN结都处于反偏状态，以降低光损耗。所采用的GSG单驱动共面波导行波电极由一个信号电极和两个接地电极组成，信号电极一端到接地电极一端的掺杂离子的属性依次排布为P-N-P型，如图2所示。以信号电极为中心呈左右对称结构。信号电极与两侧接地电极均与“P++”重掺杂区域接触。两个PN结交界线所在的脊型光波导即是硅基PN结光波导相移器105。
图2中P，N分别代表掺杂离子的属性，“+”“++”为不同掺杂浓度。根据掺杂范围，掺杂类型，掺杂浓度的不同可以对电光调制器的性能进行优化设计。光信号从四路脊型光波导传输，在电场的作用下使得光波导相移器的折射率发生了变化导致光信号的相位发生变化，其中脊型光波导的高度和宽度、掺杂离子的浓度与掺杂位置、GSG单驱动共面波导行波电极的宽度厚度以及材质均可进行优化设计。
工作的时候，光纤中的光束垂直入射左侧的二维光栅耦合器102，经过偏振分束和功率分束之后，光在四路光波导(103-1至103-4)中传输，其中(103-1至103-4)-1与(103-1至103-4)-3路光波导中存在的为同一偏振态的光，(103-1至103-4)-2与(103-1至103-4)-4路光波导中存在的为同一偏振态的光。通过左侧的光交叉104将原光纤中存在同一偏振态的光波导排列至处于同一个GS电极下以实现推挽式调制的目的。通过右侧光交叉104还原光波导排列顺序便于通过右侧二维光栅耦合器完成光的合束。其中四路光波导(103-1至103-4)经过严格设计，光程相等以实现较大的调制带宽的目的。而相移器部分的设计如图2，相移器结构的掺杂在同一个GS电极下以P-N-P掺杂结构排列，即当施加电压时，在同一个GS信号下的两个相移器内的载流子通过等离子色散效应在电场的作用下移动，导致两个相移器结构的折射率发生相反的变化，实现了推挽式调制。两个GS电极共用一个S电极信号并行排列能同时对原输入光纤中相互正交偏振光进行相位调制，可以实现偏振无关的光相位调制，通过右侧的二维光栅耦合器进行光合束以及光输出，实现了光相位调制到光强度调制的转换。
如图4所示的，在本发明的另一实施方式当中，与图1不同的，GSG单驱动共面波导行波电极的结构不止是在厚度和宽度上进行优化，还可以对结构进行设计，比如T型电极，GSG单驱动共面波导行波电极的电极面还设置有若干规整排列的T型电极，图中有关T型电极的尺寸参数如标记所示的w，h，t均可以进行优化设计以降低电极损耗，改善微波与光波的速度匹配，提高带宽。如图5所示，仿真表明在掺杂等参数一致的情况下普通电极和T型电极的电学特性在6.4dB损耗对应带宽分别为28GHz和34GHz。
包括而不限于上述的电光调制器可以被应用于光电信息转换与传输设备等，包括而不限于通信设备等。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (7)
1.一种可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器，顺次包括硅衬底层、下包层、硅器件层、上包层，其特征在于，所述硅器件层包括输入区、调制区和输出区，偏振光由输入区经光波导传输至调制区调制后再由光波导传输至输出区，所述输入区包括一个二维光栅耦合器以及均匀且对称地连接到二维光栅耦合器的四个模斑转换器，所述输出区包括一个二维光栅耦合器以及均匀且对称地连接到二维光栅耦合器的四个模斑转换器，所述输入区与输出区之间形成有与光波导对应的4个光通道，所述调制区包括硅基PN结光波导相移器、一个GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极，所述GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极设置在位于两个光交叉之间的光波导以及位于两个二维光栅耦合器之间的光波导周围，所述硅基PN结光波导相移器连接到光波导并且位于GSG单驱动共面波导行波电极以及直流电极周围，所述调制区的硅基PN结光波导相移器设置有4个，且与4个光程相等的光通道一一对应且第1路和第3路光波导中存在的为同一偏振态的光、第2路和第3路光波导中存在的为同一偏振态的光，工作时，通过光交叉将存在同一偏振态的光波导排列至处于同一个GS电极下以实现推挽式调制；
所述硅基PN结光波导相移器为位于两个光交叉之间的光波导以及位于两个二维光栅耦合器之间的光波导经掺杂得到，所述硅基PN结光波导相移器为在硅基光波导上形成顺次以P-N-P-N-P掺杂形成的掺杂区段，其中P、N分别指P型杂质元素和N型杂质元素：直流电极位于“N++”重掺杂区域并施加正电压，接地端与GSG单驱动共面波导行波电极共用接地电极，通过设计VDC和Vpp的值使四个PN结都处于反偏状态，GSG单驱动共面波导行波电极以信号电极为中心呈左右对称结构。
2.如权利要求1所述的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器，其特征在于，所述硅基PN结光波导相移器中以分别顺次地P-N-P-N-P掺杂形成的各个区域掺杂区段中，其中区域掺杂区段包括掺杂元素浓度高的重掺杂区和掺杂元素浓度低的轻掺杂区，所述重掺杂区的掺杂元素浓度大于轻掺杂区的掺杂元素浓度。
3.如权利要求2所述的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器，其特征在于，4个所述硅基PN结光波导相移器的掺杂区段的总长度相同或者不相同。
4.如权利要求1所述的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器，其特征在于，所述两个二维光栅耦合器均分别在两个维度上均匀对称。
5.如权利要求1所述的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器，其特征在于，所述GSG单驱动共面波导行波电极包括一个信号电极和两个接地电极，所述信号电极与接地电极均与所述硅基PN结光波导相移器中的P型杂质元素掺杂形成的区域掺杂区段接触。
6.如权利要求5所述的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器，其特征在于，所述GSG单驱动共面波导行波电极的电极面还设置有若干T型电极。
7.电光调制系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的可用于5G通信的偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111065501.4A CN113759576B (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及电光调制系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111065501.4A CN113759576B (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及电光调制系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113759576A CN113759576A (zh) | 2021-12-07 |
| CN113759576B true CN113759576B (zh) | 2023-12-29 |
Family
ID=78794965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111065501.4A Active CN113759576B (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及电光调制系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113759576B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104330905A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-02-04 | 天津工业大学 | 基于二维光栅耦合的硅基qpsk光调制器 |
| CN112003648A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-11-27 | 中国电子科技集团公司电子科学研究院 | 集成光发射器件 |
| CN112379538A (zh) * | 2020-11-17 | 2021-02-19 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器 |
| CN112946930A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-11 | 苏州微光电子融合技术研究院有限公司 | 一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器 |
-
2021
- 2021-09-10 CN CN202111065501.4A patent/CN113759576B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104330905A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-02-04 | 天津工业大学 | 基于二维光栅耦合的硅基qpsk光调制器 |
| CN112003648A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-11-27 | 中国电子科技集团公司电子科学研究院 | 集成光发射器件 |
| CN112379538A (zh) * | 2020-11-17 | 2021-02-19 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器 |
| CN112946930A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-11 | 苏州微光电子融合技术研究院有限公司 | 一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113759576A (zh) | 2021-12-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102165346B (zh) | 使用pn二极管进行高速硅光调制的方法和设备 | |
| US8346025B2 (en) | Compact electrooptic modulator | |
| CN108474972B (zh) | 光学设备 | |
| US20120251029A1 (en) | Optical waveguide structure | |
| CN110286540A (zh) | 一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关 | |
| CN113540063B (zh) | 兼容锗硅探测器和薄膜铌酸锂调制器的硅光集成芯片 | |
| CN112379538B (zh) | 一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器 | |
| CN108780235A (zh) | 光调制器 | |
| JP2018105975A (ja) | 光変調素子 | |
| CN112946930A (zh) | 一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器 | |
| US20210231866A1 (en) | Silicon photonics integration circuit | |
| CN114114531A (zh) | 硅基高抑制比单边带调制器芯片 | |
| CN104317070B (zh) | 具有偏振多样性垂直光纤耦合接口的硅基电光调制器 | |
| Basak et al. | Developments in gigascale silicon optical modulators using free carrier dispersion mechanisms | |
| CN113759576B (zh) | 偏振无关型硅基马赫-曾德电光调制器及电光调制系统 | |
| CN113009637A (zh) | 基于树形分支的n×n型硅基波导光开关 | |
| WO2023160482A1 (zh) | 一种马赫曾德调制器、电光调制方法和光发射装置 | |
| JP2020134689A (ja) | 光変調器 | |
| JP7224368B2 (ja) | マッハツェンダ型光変調器 | |
| CN114488580A (zh) | 基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器 | |
| CN114911082A (zh) | 具有未负载传输线的光功率调制器 | |
| CN114063321B (zh) | 一种双差分电极的硅光子推挽麦克詹达调制器 | |
| CN113552735B (zh) | 一种基于双层传输线结构的硅基电光调制器行波电极及其制备方法 | |
| Cheng et al. | Modular hybrid dilated Mach-Zehnder switch with integrated SOAs for large port count switches | |
| Sugesh et al. | Modelling and Analysis of a Plus-Shaped PN Junction Phase Shifter for Data Centre Applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |