CN114616514A - 光环调制器 - Google Patents
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Abstract
一种用作PAM‑N调制器的光环调制器，所述光环调制器包括：第一光波导，所述第一光波导形成总线波导；环形波导，所述环形波导光学地耦合到所述总线波导；其中，所述环形波导包括：具有第一pn结或第一Moscap的第一电极区域，所述第一pn结或第一Moscap被配置为在跨所述第一pn结或第一Moscap施加给定电压时产生第一相移；以及具有第二pn结或第二Moscap的第二电极区域，所述第二pn结或第二Moscap被配置为在跨所述第二pn结或第二Moscap施加所述给定电压时产生第二相移，其中所述第二相移小于所述第一相移。
Description
技术领域
根据本发明的实施方案的一个或多个方面涉及一种光环调制器，并且更具体地涉及一种包括至少第一和第二电极区域的光环调制器。
背景技术
硅微环调制器用在具有高级调制格式、特别是PAM-4调制的发射机中。许多硅微环调制器使用单个驱动电极。对于单个驱动电极，调制器本质上是非线性的，这需要复杂的大功耗驱动器进行补偿。
双驱动版本是已知的(例如参见US 9,784,995)，其中环形调制器包括两个不同长度的电极，使得一个电极的长度是第一电极的长度的大约2倍。然而，当调制器从PAM-4扩大到其他PAM-N系统时，对不同电极大小的要求变得更加复杂，因为环形谐振器最终会耗尽空间。
发明内容
因此，本发明旨在通过根据第一方面提供一种用作PAM-N调制器的光环调制器来解决上述问题，所述光环调制器包括：
第一光波导，所述第一光波导形成总线波导；
环形波导，所述环形波导光学地耦合到所述总线波导；
其中，所述环形波导包括：
具有第一pn结的第一电极区域，所述第一pn结被配置为在跨所述pn结施加给定电压时产生第一相移；以及
具有第二pn结的第二电极区域，所述第二pn结被配置为在跨所述第二pn结施加所述给定电压时产生第二相移，其中所述第二相移小于所述第一相移。
现在将阐述本发明的任选特征。这些可单独应用或以与本发明的任何方面的任意组合应用。
任选地，所述第一电极区域的所述pn结包含比所述第二电极区域的所述pn结更大的掺杂剂浓度。这样，第一电极区域是“最高有效位”(MSB)，而第二电极区域是“最低有效位”(LSB)。
任选地，所述第一电极区域的所述pn结形成比所述第二电极区域的所述pn结更窄的结。这样，LSB在物理上如在PIN结中一样或者有效地通过降低掺杂水平因此提供更宽的耗尽区域而具有较宽的结。
根据本发明的第二方面，提供了一种用作PAM-N调制器的光环调制器，所述光环调制器包括：
第一光波导，所述第一光波导形成总线波导；
环形波导，所述环形波导光学地耦合到所述总线波导；
其中，所述环形波导包括：
具有第一金属氧化物半导体电容器(Moscap)的第一电极区域，所述第一Moscap被配置为在跨所述Moscap施加给定电压时产生第一相移；以及
具有第二Moscap的第二电极区域，所述第二Moscap被配置为在跨所述第二Moscap施加所述给定电压时产生第二相移，其中所述第二相移小于所述第一相移。
在这样的实施方案中，传递函数(以及因此光信号通过环形波导的相关区段所经历的相移)由位于环形波导内的氧化物的厚度以及构成Moscap的p和n区域的掺杂密度来控制。Moscap可以包括：n掺杂半导体、绝缘体和p掺杂半导体。绝缘体可以是至少1 nm并且不超过100 nm厚(即，n掺杂半导体与p掺杂半导体之间跨越至少1 nm并且不超过100 nm的距离)。由n掺杂半导体、绝缘体和p掺杂半导体形成的结可以是水平的或竖直的。
每个Moscap可以形成为硅环形波导的区域，一侧掺杂有p型掺杂剂，而另一侧掺杂有n型掺杂剂，绝缘体间隙由p掺杂部分与n掺杂部分之间的绝缘氧化物层形成，使得当在p掺杂部分与n掺杂部分之间施加电流时，电荷会积聚在绝缘体间隙上。
在一些实施方案中，p掺杂部分位于环形波导的外侧，而n掺杂部分位于环形波导的内侧(即，在环形波导的环内)。
任选地，所述第一电极区域的所述Moscap包含比所述第二电极区域的所述Moscap结更大的掺杂剂浓度。这样，第一电极区域形成最高有效位(MSB)，而第二电极区域形成最低有效位(LSB)。
任选地，所述第一电极区域的所述Moscap包括具有第一厚度的第一氧化物层，并且所述第二电极区域的所述Moscap包括具有第二厚度的第二氧化物，所述第二厚度大于所述第一厚度。同样，第一电极区域因此形成最高有效位(MSB)，而第二电极区域形成最低有效位(LSB)。
任选地，第二相移的幅度是第一相移的幅度的一半。“……的一半”应当被理解为第二相移可以使信号偏移一定的量(例如，以弧度为单位)，所述量是第一相移使信号偏移的量的一半或大致一半。
任选地，调制器用作PAM-4调制器。对于PAM-4调制器，仅需要第一和第二电极区域。如果可以将两个不同的电压施加到每个电极区域，则总共会产生四种不同的信号配置。在示例中，两个不同电压中的一者可以是零伏，而另一者是大于零的电压。替代地，这两个不同的电压都是非零电压。额外的电极会产生附加的信号。例如，在一些实施方案中，环形调制器还可以包括第三电极区域，所述第三电极区域被配置为在施加给定电压时产生第三相移。第三相移可以小于第一相移并且小于第二相移。这样，假设第三电极也能够在两种不同的配置上操作，则环形调制器将采用具有8个可能的整体信号的PAM-8调制器的形式。
在一些实施方案中，所述第一电极区域沿着所述环形波导的弧长等于所述第二电极区域的弧长。这样，由第一电极覆盖的环形调制器的区段与由第二电极覆盖的环形调制器的区段相等。“相等”是指第一和第二电极的弧长相同或大致相同。重要的特征是电极区域的响应不是由电极区域沿着环形波导的弧长确定的。相反，当跨电极区域施加电压时，设计到结本身的参数(诸如掺杂剂水平和结宽度)确定环形调制器内的光所经历的相移。
下文阐述本发明的其他任选特征。
附图说明
现在通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施方案，其中：
图1A是根据本发明的第一实施方案的环形调制器的示意图，并且图1B描绘了针对最高有效位(MSB)相对于最低有效位(LSB)的折射率对电压的示例；以及
图2A是根据本发明的第二实施方案的环形调制器的示意图，并且图2B描绘了针对最高有效位(MSB)相对于最低有效位(LSB)的折射率对电压的示例。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对根据本发明提供的光环调制器的示例性实施方案的描述，并且不旨在表示本发明可以被构建或利用的唯一形式。
下面参考图1A和图1B描述光环调制器1的第一实施方案。光环调制器由环形波导2组成，所述环形波导通常是硅波导，诸如在绝缘体上硅平台上制造的肋形波导。光通过总线波导3耦合进入和/或离开环形波导，所述总线波导采用同样通常制造在绝缘体上硅平台上的直波导的形式。在未示出的替代示例中，总线波导3可以包括环形波导所耦合到的单独的输入和输出波导。即，总线波导3由于沿着其长度有中断而可以是不连续的。
在环形波导2的一个区段处，定位有第一电极区域4，第一电极区域由第一pn结构成，所述第一pn结被配置为在跨pn结施加给定电压时产生第一相移。电极(未示出)促进跨结施加给定电压偏置。第一pn结由环形波导的一侧的p+掺杂区域和环形波导的另一侧的n+掺杂部分形成。在所示实施方案中，p+掺杂部分位于环形波导的外侧，而n+掺杂部分位于环形波导的内侧。
第二电极区域5位于环形波导的与第一电极区域不同的区段处。第二电极区域5包括第二pn结，所述第二pn结被配置为在跨第二pn结施加给定电压时产生第二相移，其中所述第二相移小于所述第一相移。在所示实施方案中，第二电极区域的pn结由环形波导的外侧的p掺杂区域和环形波导的内侧的n掺杂区域构成。与第一电极区域的n+区域和p+区域相比，n掺杂区域和p掺杂区域具有较低的掺杂剂浓度。用于提供n/n+掺杂区域的掺杂剂可以是任何合适的掺杂剂，例如磷或砷。用于提供p/p+掺杂区域的掺杂剂可以是任何合适的掺杂剂，例如硼或铝。n掺杂区域和p掺杂区域可以被掺杂到至少1×1016cm-3至不超过1×1019cm-3的水平。这些区域可以以技术人员本身已知的任何合适的方式掺杂。这样，第一电极区域4形成环形调制器1的最高有效位(MSB)，而第二电极区域5形成环形调制器1的最低有效位(LSB)。通过向电极区域中的任一者施加两个不同的电压，可以产生两个不同的相移。由于有两个电极区域，因此这产生了总共4种不同的调制状态。即，调制器能够用作PAM-4调制器。如果添加额外的电极并且电极以与第一和第二电极区域类似的方式操作，则环形调制器将能够用作PAM-8调制器。施加的电压可以在不小于-5 V至不大于5 V的范围内。可以通过技术人员本身已知的任何合适的金属化工艺来提供电极。
除了两个电极区域的掺杂剂密度之外，第二电极区域与第一电极区域的不同之处还在于它具有更宽的pn结。这产生更大的耗尽宽度，这也对控制电极区域的传递函数有影响。耗尽宽度可以是至少10 nm并且不超过1000 nm。掺杂剂浓度的差异与耗尽宽度的差异组合导致由跨第二电极区域的pn结施加的给定电压引起的相移，所述相移不同于由跨第一电极区域的pn结施加相同幅度的电压引起的相移。
在图1A所示的实施方案中，第一电极区域在等于或大致等于第二电极区域5所沿着延伸的区段的区段上方延伸。因此，由于两个区域的大小相同，因此第二电极区域的相移响应与第一电极区域的相移响应之间的任何差异仅由pn结特性的差异、特别是掺杂剂浓度和耗尽宽度引起。从图1B可以看出差异的示例，其中针对两个电极区域中的每一者跨结施加的施加电压偏置绘制有效折射率。可以看出，第一电极区域(MSB)经历的折射率变化是第二电极区域(LSB)经历的折射率变化的大约两倍。
下面参考图2A和图2B描述环形调制器10的第二示例，其中相似的数字用于表示上面已经关于图1A和图1B的环形调制器详细描述的特征。
图2A的环形调制器10与图1A的环形调制器的不同之处在于，第一电极区域14和第二电极区域15由金属氧化物半导体电容器(Moscaps)形成而不是由pn结形成。因此，它们通常以反向偏置模式操作。在一些示例中，它们可以在反向偏压下操作。
与图1A的实施方案一样，图2A的环形调制器包括第一和第二电极区域，所述第一和第二电极区域在它们沿着环形波导2的圆周占据的区段的弧长方面具有相同的大小。从图2B可以看出，当施加任何给定电压时，第一电极区域15 (MSB)表现出的折射率变化是第二电极区域(LSB)表现出的折射率变化的至少两倍。在这种情况下，相应电极区域的Moscap的制造参数确定在施加给定电压下光行进通过每个电极区域所经历的相对相移。具体地，第一电极区域14的Moscap包括比第二电极区域15的Moscap内的氧化物区域18更薄的氧化物区域17。氧化物19的厚度应当被理解为对应于其沿垂直于光绕环形波导的行进方向的方向的宽度。位于掺杂区域之间的氧化物或其他绝缘体可以具有至少1 nm且不超过100 nm的厚度。重要特征是在p掺杂区域与n掺杂区域之间测量的氧化物层的宽度，因为所述宽度是电容器的绝缘间隙的大小。
除了氧化物层的厚度之外，第一和第二电极区域的掺杂剂浓度还被选择为影响在施加给定电压时光行进通过相关电极区域所经历的相移。如图2A可以看出，与形成环形调制器的LSB的第二电极区域15的相对较不集中的n和p掺杂区域相比，形成MSB的第一电极区域14由更集中的n+和p+掺杂部分构成。
第一电极区域14在等于或大致等于第二电极区域15所沿着延伸的区段的区段上方延伸。
对于本文描述的所有实施方案，环形调制器被制造成具有可以被认为与微环调制器相关的直径。例如，环形调制器的直径可以是至少5 μm并且不超过5000 μm。在图1A和图2A所示的实施方案中，电极具有90°的弧角。然而，也可以使用其他角度。
虽然已经结合上面描述的示例性实施方案描述了本发明，但是当给出本公开内容时，许多等效修改和变型对于本领域技术人员将是明显的。因此，上文阐述的本发明的示例性实施方案被认为是说明性的而不是限制性的。在不背离本发明的精神及范围的情况下可以对所述实施方案作出各种改变。
以上提及的所有参考文献均通过引用并入本文。
Claims (10)
1.一种用作PAM-N调制器的光环调制器，所述光环调制器包括：
第一光波导，所述第一光波导形成总线波导；
环形波导，所述环形波导光学地耦合到所述总线波导；
其中，所述环形波导包括：
具有第一pn结的第一电极区域，所述第一pn结被配置为在跨所述pn结施加给定电压时产生第一相移；以及
具有第二pn结的第二电极区域，所述第二pn结被配置为在跨所述第二pn结施加所述给定电压时产生第二相移，其中所述第二相移小于所述第一相移。
2.根据权利要求1所述的光环调制器，其中所述第一电极区域的所述pn结包含比所述第二电极区域的所述pn结更大的掺杂剂浓度。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光环调制器，其中所述第一电极区域的所述pn结形成比所述第二电极区域的所述pn结更窄的结。
4.一种用作PAM-N调制器的光环调制器，所述光环调制器包括：
第一光波导，所述第一光波导形成总线波导；
环形波导，所述环形波导光学地耦合到所述总线波导；
其中，所述环形波导包括：
具有第一金属氧化物半导体电容器(Moscap)的第一电极区域，所述第一Moscap被配置为在跨所述Moscap施加给定电压时产生第一相移；以及
具有第二Moscap的第二电极区域，所述第二Moscap被配置为在跨所述第二Moscap施加所述给定电压时产生第二相移，其中所述第二相移小于所述第一相移。
5.根据权利要求4所述的光环调制器，其中所述第一电极区域的所述Moscap包含比所述第二电极区域的所述Moscap结更大的掺杂剂浓度。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的光环调制器，其中所述第一电极区域的所述Moscap包括具有第一厚度的第一氧化物层，并且所述第二电极区域的所述Moscap包括具有第二厚度的第二氧化物，所述第二厚度大于所述第一厚度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光环调制器，其中所述第二相移是所述第一相移的一半。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光环调制器，其中所述调制器用作PAM-4调制器。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光环调制器，其还包括第三电极区域，所述第三电极区域被配置为在施加所述给定电压时产生第三相移，其中所述第三相移小于所述第一相移且小于所述第二相移。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光环调制器，其中所述第一电极区域沿着所述环形波导的弧长等于所述第二电极区域的弧长。
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