DE102022127152A1

DE102022127152A1 - Erweiterung der bandbreite von mikroringlasern mit mikroringresonator

Info

Publication number: DE102022127152A1
Application number: DE102022127152.8A
Authority: DE
Inventors: Stanley Cheung; Di Liang; Raymond G. Beausoleil; Michael Renne Ty Tan; Wayne Victor Sorin
Original assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2024-02-01
Also published as: CN117526082A; US20240039244A1

Abstract

Die hier offenbarten Implementierungen stellen optische Multiplexer auf der Basis von Halbleiterresonatoren bereit, mit denen ein erweiterter Bandbreitenbereich des von ihnen emittierten Lichts erreicht wird. Bei der vorliegenden Offenbarung sind Silizium-Bauelemente in Resonatorstrukturen integriert, wie z.B. Mikroringresonatoren, die eine Nebenmode mit einer Lasermode koppeln und gekoppeltes Licht resonanzverstärken, um Licht mit einer erweiterten Bandbreite in Bezug auf die Lasermode auszugeben. In einigen Beispielen umfassen die hier offenbarten optischen Multiplexer einen Buswellenleiter; eine erste Resonatorstruktur, die optisch mit dem Buswellenleiter gekoppelt ist und einen optischen Verstärkungsmechanismus, der Licht erzeugt, und einen Einmodenfilter umfasst, um das erzeugte Licht in den Einmodenbetrieb zu zwingen; und eine zweite Resonatorstruktur, die optisch mit der ersten Resonatorstruktur gekoppelt ist und einen Phasenabstimmungsmechanismus umfasst. Der Phasenabstimmungsmechanismus kann so gesteuert sein, dass er die Phase des Lichts im zweiten Resonator relativ zu dem Licht im ersten Resonator verstimmt.

Description

Hintergrund
Hochleistungscomputer erfordern hochdynamische Datenübertragungsraten, z.B. einige Terabyte pro Sekunde Kommunikationsbandbreite zwischen Vermittlungs-Hubs und Hunderte von Gigabyte pro Sekunde Bandbreite zwischen Knoten und Hubs, um die Herausforderungen des schnell wachsenden Datenverkehrs zu bewältigen. Integrierte photonische Verbindungen auf Silizium werden als eine Lösung für kostengünstige, energieeffiziente und schnelle Datenkommunikation angesehen, da sie Vorteile durch hohen Durchsatz und dichte Integration bieten. In Verbindung mit Signalmultiplex-Techniken, z.B. Wellenlängenmultiplexing (WDM), können Datenverbindungen mit großer Bandbreite auf Silizium realisiert werden. In einem solchen System ist eine robuste On-Chip-Laserquelle mit geringem Stromverbrauch eine wichtige Komponente und eine der grundlegenden Grenzen der Siliziumplattform.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Offenbarung gemäß einer oder mehreren verschiedenen Ausführungsformen wird unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren ausführlich beschrieben. Die Figuren dienen nur der Veranschaulichung und zeigen lediglich typische oder beispielhafte Ausführungsformen.

1 zeigt einen Multiplexer auf Resonatorbasis gemäß den hier offenbarten Implementierungen.
Die 2A und 2B zeigen ein Beispiel für einen Multiplexer mit einem optischen Verstärkungsmechanismus gemäß einer hierin offenbarten Implementierung.
3 zeigt ein Beispiel für einen resonatorbasierten Multiplexer mit einer Mehrzahl von Resonatorstrukturen gemäß den hier offenbarten Implementierungen.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die normalisierte Übertragung des vom Multiplexer in 3 ausgegebenen Lichts als Funktion der Phase in Bezug auf die Frequenz gemäß den hier offenbarten Implementierungen darstellt.
5 zeigt eine schematische Modelldarstellung des Multiplexers aus 3 gemäß den hier offenbarten Implementierungen.
Die 6A und 6B zeigen ein Beispiel für einen Phasenabstimmungsmechanismus mit einem Metalloxid-Halbleiterkondensator (MOSCAP) gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
Die 7 bis 11 zeigen Beispiele für Phasenabstimmungsmechanismen, die einen MOSCAP und eine Siliziumbauelement gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen.
12 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften optischen Silizium-Photonik-Systems mit dichtem Wellenlängenmultiplex (DWDM).
13 zeigt eine Beispielausführung eines Einmodenfilters, der in einem optischen Multiplexer gemäß den hier offenbarten Implementierungen enthalten sein kann.
14 ist ein Beispiel für eine Computerkomponente, die zur Implementierung verschiedener Merkmale eines optischen Multiplexers gemäß den hier offenbarten Implementierungen verwendet werden kann.
15 ist ein Beispiel für ein Computersystem, das zur Implementierung verschiedener Merkmale eines optischen Multiplexers der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann.

Die Figuren sind nicht erschöpfend und beschränken die vorliegende Offenbarung nicht auf die genaue Form, die offenbart wird.
Ausführliche Beschreibung
Wie bereits erwähnt, erfordert die Hochleistungscomputertechnik hochdynamische Datenraten, die energieeffizient sind und immer größere Übertragungsraten ermöglichen. Große Datenübertragungsraten sind jedoch nicht ohne große Bandbreiten möglich. Laserquellen sind zwar eine wichtige Komponente integrierter photonischer Silizium-Verbindungsplattformen, emittieren aber herkömmlicherweise räumlich kohärentes Licht. Daher hat die Bandbreite des von herkömmlichen Lasern ausgesandten Lichts eine die um Größenordnungen geringere Linienbreite als die anderer Lichtquellen.
Es gibt verschiedene Ansätze zur Erhöhung der Laserbandbreite. Ein Ansatz ist die Photonen-Photonen-Resonanz (PPR), bei der eine Nebenmode mit einer Lasermode gekoppelt und die Erzeugung von Laserlicht in einer Kavität resonanzverstärkt wird, um die Geschwindigkeit von direkt modulierten Laserdioden (DML) zu erhöhen. Bei den herkömmlichen PPR-Ansätzen beruht jedoch die Stimulation der Laserlicht-Emission auf externen Injektionsverriegelungstechniken.
Dementsprechend sehen die hier offenbarten Ausführungsbeispiele Halbleiter-Resonator-basierte Multiplexer vor, die einen erweiterten Bandbreitenbereich des von ihnen emittierten Lichts ermöglichen. Beispielsweise ist bei den hier offenbarten Implementierungen eine Multi-Resonator-Struktur vorgesehen, die Licht mit einer Datenbandbreite ausgibt, die gegenüber herkömmlichen Ansätze wie den oben beschriebenen PPR-Ansätzen um das Zwei- bis Dreifache verbessert ist. Darüber hinaus bieten einige hier beschriebene Implementierungen Self-Seeding-Techniken (hier auch als Selbstinjektionsverriegelung bezeichnet), die die Notwendigkeit einer externen Lichtquelle als Seed-Signal beseitigen.
Bei einer Beispielausführung ist die Multi-Resonator-Struktur über einen Optokoppler, der Licht, das sich in einer ersten Resonatorstruktur ausbreitet, evaneszent in den Buswellenleiter einkoppelt, optisch mit einem Buswellenleiter gekoppelt. Die erste Ringresonatorstruktur enthält einen optischen Verstärkungsmechanismus, der auf der Basis einer an den optischen Verstärkungsmechanismus angelegten Vorspannung Licht innerhalb der ersten Resonatorstruktur erzeugt. Basierend auf einer Spannung stimuliert der optische Verstärkungsmechanismus die Lichtemission, die in die erste Resonatorstruktur injiziert wird. Die erste Ringresonatorstruktur umfasst auch einen Einmodenfilter, der den Einmodenbetrieb des in der ersten Ringresonatorstruktur erzeugten Lichts erzwingt.
Eine zweite Resonatorstruktur ist über einen Optokoppler, der das in der ersten Ringresonatorstruktur erzeugte Licht evaneszent in die zweite Ringresonatorstruktur koppelt, optisch mit der ersten Ringresonatorstruktur gekoppelt. Die zweite Ringresonatorstruktur enthält einen Phasenabstimmungsmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er eine Resonanzfrequenz der zweiten Resonatorstruktur abstimmt, indem er eine Änderung des Brechungsindexes darin induziert, beispielsweise durch Ladungsträgerinjektion (z.B. Ladungsakkumulation), Ladungsverarmung oder Temperaturänderung eines Teils davon oder der gesamten Länge. Basierend auf der Änderung des Brechungsindexes bewirkt der Phasenabstimmungsmechanismus eine Verstimmung des sich in der zweiten Resonatorstruktur ausbreitenden Phasenlichts gegenüber dem Licht in der ersten Resonatorstruktur.
Wenn die erste Resonatorstruktur moduliert wird, koppelt Licht, das sich in der zweiten Resonatorstruktur ausbreitet, mit moduliertem Licht in der ersten Struktur, um eine Nebenmode zu verstärken und Ausgangslicht mit einer größeren (z.B. erweiterten) Bandbreite zu erzeugen als unter Bedingungen mit einer Verstärkung von eins. Beispielsweise wird eine Nebenmode, die mit einer verstimmten Phase moduliert wird, in der zweiten Resonatorstruktur resonanzverstärkt und mit der Lasermode gekoppelt, um die Bandbreite des Ausgangslichts zu erweitern (z.B. zu verbreitern). Um eine Bandbreitenerweiterung zu erreichen, müssen bestimmte Bedingungen so optimiert werden, dass die Phasendifferenz zwischen dem Licht in der zweiten Resonatorstruktur und der Lasermode in der ersten Resonatorstruktur auf etwa die Hälfte der Linienbreite der Lasermode (z.B. des Lichts in der ersten Resonatorstruktur unter den Bedingungen der kalten Kavität / Verstärkung von eins) abgestimmt werden kann.
Dementsprechend bieten die hier offenbarten Beispiele einen Resonator-Multiplexer auf Halbleiterbasis, der eine größere Bandbreite bereitstellen kann, die als Träger für höhere Datenübertragungsraten verwendbar ist. Darüber hinaus ermöglicht die Integration auf Siliziumplattformen eine erhöhte Temperaturstabilität und erleichtert die Verwendung von SiGe-Avalanche-Photodioden (APD) als Photodetektionsmonitoren in optischen Silizium-Photonik-Systemanwendungen mit dichtem Wellenlängenmultiplexing (DWDM).
Darüber hinaus sehen einige der hier offenbarten Implementierungen optische Modulatoren vor, bei denen ein heterogener MOSCAP an einen Lichtwellenleiter angeschlossen ist. So kann durch Anlegen einer Vorspannung eine Ladungsakkumulation und/oder -verarmung in dem MOSCAP induziert werden. Die Ladungsakkumulation und/oder -verarmung verändert den Brechungsindex des Lichtwellenleiters und bewirkt eine Phasenverschiebung in einem sich durch den Lichtwellenleiter ausbreitenden Lichtstrahl, wodurch der Lichtstrahl phasenmoduliert wird. Durch den Einsatz eines MOSCAP und das Anlegen einer Vorspannung kann die Geschwindigkeit, mit der die Phasenverschiebung erfolgt, erhöht und die Genauigkeit und Effizienz verbessert werden. Die durch den MOSCAP erzielte verbesserte Phasenabstimmung führt zu breiteren Wellenlängenverschiebungen, die zur direkten Hochgeschwindigkeitsmodulation und/oder zur Anpassung an resonatorbasierte Modulatoren verwendet werden können.
Es wird angemerkt, dass mit den hier verwendeten Begriffen „optimieren“, „optimal“, „verbessern“, „verbessert“ und dergleichen gemeint sein kann, dass eine möglichst effektive oder perfekte Leistung angestrebt oder erzielt wird. Für den Durchschnittsfachmann, der das vorliegende Dokument liest, ist jedoch deutlich, dass Perfektion nicht immer erreicht werden kann. Dementsprechend können diese Begriffe auch umfassen, eine so gute oder effektive Leistung anzustreben oder zu erzielen, wie es unter den gegebenen Umständen möglich oder praktikabel ist, oder eine bessere Leistung anzustreben oder zu erzielen, als sie mit anderen Einstellungen oder Parametern erzielbar ist.
1 zeigt einen Multiplexer 100 auf Resonatorbasis. Der Multiplexer 100 umfasst eine Resonatorstruktur 101 (auch als Kavität bezeichnet) und einen Buswellenleiter 110. Die Resonatorstruktur 101 umfasst einen Wellenleiter 102, der über einen Optokoppler 112 optisch mit dem Buswellenleiter 110 gekoppelt ist. Die Resonatorstruktur 101 umfasst auch einen optischen Verstärkungsmechanismus 104 und einen Einmodenfilter 106. Der optische Verstärkungsmechanismus 104 ist so konfiguriert, dass er Licht 118a erzeugt, das sich im Wellenleiter 102 ausbreitet, während der Einmodenfilter 106 einen Einmodenbetrieb des Lichts 118a bei einer Resonanzwellenlänge der Resonatorstruktur 101 erzwingt. Der Einmodenfilter 106 kann zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), ein Gitter oder Ähnliches sein. 13 zeigt eine Beispielausführung eines Einmodenfilters 106 als MZI. In einigen Beispielen können einige oder alle Elemente des Multiplexers 100 Teil einer photonischen integrierten Schaltung (PIC) sein, z.B. können der Wellenleiter 102 und der Buswellenleiter 110 aus Siliziumdioxid, Silizium oder einem anderen Material der Gruppe IV (z.B. Germanium, Siliziumkarbid, Siliziumgermanium usw.) gebildet sein.
Der Wellenleiter 102 kann eine geschlossene Schleife aus Halbleitermaterial wie Silizium oder einem anderen Material der Gruppe IV sein. Die Form der Schleife kann beispielsweise, aber nicht ausschließlich, kreisförmig, elliptisch, rennbahnförmig usw. sein, wodurch ein Ringresonator oder eine Ring-Kavität entsteht. Der Wellenleiter 102 kann eine Resonanzfrequenz aufweisen, um Licht, das sich darin bei der Resonanzfrequenz ausbreitet, in Resonanz zu verstärken und dann das Licht über den Optokoppler 112 in den Buswellenleiter 110 einzukoppeln. So kann beispielsweise Licht 118a, das sich im Wellenleiter 102 ausbreitet, auf der Basis eines Kopplungskoeffizienten evaneszent in den Buswellenleiter 110 eingekoppelt werden (z.B. Licht 118b). Der Optokoppler 112 kann beispielsweise, aber nicht ausschließlich, ein Mach-Zehnder-Interferometer, ein Richtungskoppler oder Ähnliches sein. In einigen Implementierungen kann der Optokoppler 112 ein abstimmbarer Koppler sein. Zum Beispiel kann der Kopplungskoeffizient in Bezug auf die Kopplungslänge abgestimmt werden.
Der Multiplexer 100 ist in verschiedenen Implementierungen zum Self-Seeding (oder zur Selbstinjektionsverriegelung) bei der Wellenlänge des vom optischen Verstärkungsmechanismus 104 erzeugten Lichts konfiguriert. Beispielsweise erzeugt der optische Verstärkungsmechanismus 104 in Self-Seeding-Implementierungen Licht 118a innerhalb des Wellenleiters 102 bei der Resonanzwellenlänge auf der Basis der Eigenschaften des optischen Verstärkungsmechanismus 104. Der Wellenleiter 102 ist so ausgelegt, dass er bei der gleichen Wellenlänge wie das Licht 118a in Resonanz geht. Wenn Licht 118a im Wellenleiter 102 in Resonanz tritt, fungiert das Licht 118a als Seed-Signal für den optischen Verstärkungsmechanismus 104, der den optischen Verstärkungsmechanismus 104 zwingt, zusätzliches Licht mit der Frequenz des Seed-Signals zu emittieren (z.B. ähnlich einer optischen Rückkopplung), wodurch eine optische Verstärkung entsteht, die das sich im Wellenleiter 102 ausbreitende Licht 118a verstärkt. Gemäß verschiedenen veranschaulichenden Implementierungen umfasst der optische Verstärkungsmechanismus 104 ein optisch aktives Material, wie z.B. Quantenpunkte (QD), Quantentöpfe (QW), Quanten-Strich-Strukturen oder jede andere Struktur, die eine Trägerpopulationsinversion zur optischen Verstärkung im Wellenleiter erzeugen kann. In diesen Implementierungen wird Licht 118a erzeugt, wenn eine Vorspannung an das optisch aktive Material angelegt wird, wodurch eine Emission (z.B. Photolumineszenz), beispielsweise im Fall von Quantenpunkten, durch das optisch aktive Material bei einer Wellenlänge stimuliert wird, die der Energiedifferenz zwischen Leitwertband und Valenzband oder dem Übergang zwischen diskreten Energiezuständen entspricht. Nachfolgend wird in Verbindung mit 2 ein Beispiel für einen optischen Verstärkungsmechanismus 104 beschrieben, der für selbstinjektionsverriegelte Implementierungen oder über eine externe optische Quelle injektionsverriegelt verwendet werden kann.
Herkömmliche Self-Seeding-Techniken führen zu Linienbreiten, die schmaler sind als bei injektionsgesperrten Lasern, die auf einer externen Quelle als Seed-Signal beruhen. Die Linienbreite gibt die Reinheit der Lichtfrequenz im Licht an. Eine schmale Linienbreite ist kein direktes Maß und kein Indikator für die physikalische Breite des Lichts (wie der visuelle oder geometrische Durchmesser des auf eine Oberfläche projizierten Lichts), sondern vielmehr ein Indikator dafür, welcher Anteil des Lichts aus einer einzigen Lichtfrequenz oder Wellenlänge besteht. Daher können die hier beschriebenen Implementierungen diese Linienbreite durch die Kopplung einer Nebenmode, wie hier beschrieben, verbessern, was zu einer größeren Bandbreite der verfügbaren Frequenzen führt.
In einigen Implementierungen kann der Multiplexer 100 zur Injektionsverriegelung bei der Wellenlänge des von einer externen optischen Quelle erzeugten Lichts konfiguriert sein. Zum Beispiel kann der Buswellenleiter 110 Licht aus einer externen Quelle, wie einem Kammlaser oder einer anderen lichterzeugenden Quelle, empfangen, das evaneszent in den Wellenleiter 102 eingekoppelt wird. Das empfangene Licht fungiert als Seed-Signal für den optischen Verstärkungsmechanismus 104, was den optischen Verstärkungsmechanismus 104 veranlasst, zusätzliches Licht mit der Frequenz des Seed-Signals zu emittieren (z.B. ähnlich einer optischen Rückkopplung), wodurch eine optische Verstärkung entsteht, die das sich im Wellenleiter 102 ausbreitende Licht verstärkt.
Gemäß einigen Beispielen kann der Buswellenleiter 110 einen Reflektor 114 an einem ersten Ende des Buswellenleiters 110 gegenüber einem zweiten Ende oder Ausgangsende aufweisen. Der Reflektor 114 kann Licht 118c, das sich im Buswellenleiter 110 ausbreitet, in Richtung des Hohlleiters 102 reflektieren. Das vom Reflektor 114 reflektierte Licht kann in den Wellenleiter 102 zurückgekoppelt werden oder sich in Richtung des zweiten Endes ausbreiten. Der Reflektor 114 kann beispielsweise ein hochreflektierender verteilter Bragg-Reflektor (DBR), ein Spiegel, ein Schleifenspiegel, ein geätzter Halbleiter (z.B. eine geätzte Halbleiterfacette mit Metallbeschichtung oder dielektrischer Beschichtung), ein abstimmbarer Reflektor und Ähnliches sein. Der Reflektor 114 kann ein beliebiges Reflexionsvermögen aufweisen, in einigen Implementierungen kann der Reflektor 114 jedoch ein Reflexionsvermögen von mehr als 25% aufweisen. Der Reflektor 114 kann bewirken, dass die Resonatorstruktur 101 in einer Richtung arbeitet (z.B. unidirektional), indem er beispielsweise Licht 118c zurück zum Wellenleiter 102 reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichts koppelt in den Wellenleiter 102 zurück, und der Rest des reflektierten Lichts breitet sich in Richtung des Ausgangsendes des Buswellenleiters aus. Außerdem kann in einigen Implementierungen der Teil des reflektierten Lichts, der in den Wellenleiter 102 zurückgekoppelt wird, als Seed-Signal für den optischen Verstärkungsmechanismus 104 dienen. Am Ausgangsende des Buswellenleiters 110 kann optional ein Gitterkoppler 116 vorgesehen werden (wie durch die gestrichelten Linien angedeutet), um die Einkopplung des Ausgangslichts zu erleichtern, z.B. in nachgeschaltete Komponenten eines PIC.
Die 2A und 2B zeigen ein Beispiel für einen Multiplexer 200 gemäß einer hierin offenbarten Implementierung. 2A zeigt eine perspektivische Ansicht des Multiplexers 200, und 2B zeigt eine Querschnittsansicht des Multiplexers 200 entlang der Ebene 220. Der Multiplexer 200 ist eine Beispielausführung des resonatorbasierten Multiplexers 100 aus 1, wobei allerdings der Einmodenfilter 106 in 2A und 2B nicht dargestellt ist. Der Multiplexer 200 umfasst eine Resonatorstruktur 201 mit einem Wellenleiter 202, der über eine evaneszente optische Kopplung optisch mit einem Buswellenleiter 210 gekoppelt ist. Die Resonatorstruktur 201 und der Wellenleiter 202 sind Beispielausführungsformen der Resonatorstruktur 101 bzw. des Wellenleiters 102, und der Buswellenleiter 210 ist eine Beispielausführung des Buswellenleiters 110. Wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, kann die evaneszente Kopplung über einen Optokoppler, etwa über den Optokoppler 112, erreicht werden. Darüber hinaus kann der Wellenleiter 202 eine geschlossene Schleifenstruktur um eine zentrale Achse 230 sein, die beispielsweise, aber nicht ausschließlich, kreisförmig, elliptisch, rennbahnförmig usw. ist und dadurch einen Ringresonator oder eine Ring-Kavität bildet. An einem ersten Ende des Buswellenleiters 210 kann ein Reflektor 214 vorgesehen sein, und das Licht wird vom zweiten Ende des Buswellenleiters 210 ausgegeben. Der Reflektor 214 kann im Wesentlichen dem Reflektor 114 ähnlich sein. Darüber hinaus kann der Multiplexer 200 auch einen optionalen Gitterkoppler 216 enthalten, der im Wesentlichen dem Gitterkoppler 116 ähnlich sein kann, um das Einkoppeln von Ausgangslicht in nachgeschaltete Komponenten zu erleichtern, falls vorhanden. In verschiedenen Implementierungen können der Wellenleiter 202 und der Buswellenleiter 210 aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder einem anderen Material der Gruppe IV gebildet sein.
Die Resonatorstruktur 201 umfasst einen optischen Verstärkungsmechanismus 204, der so konfiguriert ist, dass er Licht mit einer Resonanzfrequenz des Wellenleiters 202 erzeugt, das in den Wellenleiter 202 injiziert wird und darin in Resonanz tritt. Der optische Verstärkungsmechanismus 204 ist eine Beispielausführung des optischen Verstärkungsmechanismus 104 aus 1. Licht, das sich im Wellenleiter 202 ausbreitet, kann in den Buswellenleiter 210 eingekoppelt und/oder als Seed-Signal für das Self-Seeding des optischen Verstärkungsmechanismus 204 verwendet werden. Licht kann durch den optischen Verstärkungsmechanismus 204 erzeugt werden, zum Beispiel durch Anlegen einer Vorspannung an die Kontaktelektroden 250 und 252 (z.B. über eine Stromquelle 260, die von einem Computer, etwa dem Computersystem 1500 aus 15, gesteuert wird), wodurch ein optisch aktives Medium 228 photolumineszent wird und Licht in den Wellenleiter 202 injiziert. Die Vorspannung kann moduliert werden, um eine Amplitudenmodulation der Photolumineszenz und infolgedessen der Intensität des sich im Wellenleiter 202 ausbreitenden Lichts zu bewirken.
Darüber hinaus bewirkt die Modulation der Vorspannung eine Änderung der Phase des von dem optischen Verstärkungsmechanismus 204 erzeugten Lichts 118a. Bei einer Verstärkung von eins am optischen Verstärkungsmechanismus 204 liegt das vom optischen Verstärkungsmechanismus 204 emittierte Licht beispielsweise bei einer ersten Wellenlänge (z.B. der Resonanzwellenlänge) mit einer ersten Phase. Der Zustand der Verstärkung von eins wird auch als Zustand der kalten Kavität bezeichnet. Bei der Modulation bewirkt die Vorspannung (z.B. der Wechsel aus dem Zustand der Verstärkung von eins in einen zweiten Verstärkungszustand) eine Änderung der Ladungsträgerkonzentration an einer Schnittstelle zwischen dem Wellenleiter 202 und dem optischen Verstärkungsmechanismus 204. Die Änderung der Ladungsträgerkonzentration verändert den Brechungsindex des Wellenleiters 202, was zu einer Phasenverschiebung des sich im Wellenleiter 202 ausbreitenden Lichts führt. Die Änderung des Brechungsindex des Wellenleiters 202 führt zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Wellenleiters. Das heißt, bei der Modulation wird das Licht 118a aus einem Zustand mit einer Verstärkung von eins (z.B. erste Wellenlänge bei erster Phase) in einen zweiten Verstärkungsbedingung (entweder zusätzliche Verstärkung oder Verlust) moduliert, der bewirkt, dass sich das Licht 118a im Wellenleiter 202 bei der ersten Wellenlänge mir einer zweiten Phase ausbreitet, die gegenüber der ersten Phase versetzt ist. Der Phasenversatz basiert auf der Änderung des Brechungsindexes und kann daher der Verstärkung oder dem Verlust entsprechen, die bzw. der durch den optischen Verstärkungsmechanismus 204 hinzugefügt wird.
Im veranschaulichenden Beispiel aus 2A und 2B umfasst der optische Verstärkungsmechanismus 204 eine vergrabene Oxidschicht (BOX) 248, die auf einem Substrat (nicht gezeigt) aufgewachsen ist, z.B. eine Siliziumdioxidschicht. Der optische Verstärkungsmechanismus 204 umfasst auch eine Schicht 238 aus Halbleitermaterial, die auf der BOX-Schicht 248 gebildet ist. Die Schicht 238 aus Halbleitermaterial kann eine Siliziumschicht oder eine Schicht aus anderen Materialien der Gruppe IV sein. Die Halbleitermaterialschicht 238 umfasst den Wellenleiter 202 und den darin ausgebildeten Buswellenleiter 210, die durch einen Graben 244 (z.B. einen Luftgraben oder Luftspalt) voneinander getrennt sind. In der Halbleitermaterialschicht 238 kann auch eine Struktur 240 ausgebildet sein, die einen zentralen Teil des optischen Verstärkungsmechanismus 204 trägt. Die Struktur 240 ist auf einer dem Buswellenleiter 210 gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters 202 ausgebildet und weist dazwischen einen Graben 242 auf. Die Gräben 242 und 244 können dazu dienen, die optische Mode innerhalb des Wellenleiters 202 in der seitlichen Richtung zu begrenzen. In verschiedenen Implementierungen kann der Wellenleiter 202 ein Einmodenwellenleiter sein. Licht, das sich im Wellenleiter 202 ausbreitet, kann über den Graben 244 evaneszent in den Buswellenleiter 210 eingekoppelt werden, z.B. als Richtungskoppler in diesem Beispiel. Die BOX-Schicht 248 kann vorgesehen sein, um die optische Mode in Längsrichtung zu begrenzen (z.B. in die auf der BOX-Schicht 248 vorgesehenen Schichten). Durch Steuerung der Breite des Grabens 244 kann das Kopplungsverhältnis zwischen dem Wellenleiter 202 und dem Buswellenleiter 210 verändert werden (z.B. führt eine größere Breite zu einem kleineren Kopplungsverhältnis).
Der optische Verstärkungsmechanismus 204 umfasst eine Kathode 226, die ein erstes Material umfasst und von der ein Teil auf einer der BOX-Schicht 248 gegenüberliegenden Seite der Halbleitermaterialschicht 238 ausgebildet ist. Die Kathode 226 kontaktiert zumindest den Wellenleiter 202 und den Buswellenleiter 210 und ist elektrisch mit der Kontaktelektrode 252 gekoppelt. Zwischen dem Wellenleiter 202 und der Kathode 226 kann sich eine Grenzfläche befinden, an der sich die Ladungsträgerkonzentration aufgrund einer an die Elektroden 250 und 252 angelegten Vorspannung ändern kann. In einigen Implementierungen kann die Kathode 226 den Wellenleiter 202 berühren, wie in 2B gezeigt, wodurch die Schnittstelle entsteht. In anderen Beispielen, wie im Zusammenhang mit den 6-13 beschrieben, kann eine dünne Schicht aus Oxiden der Gruppe III-V als Grenzfläche zwischen der Kathode 226 und dem Wellenleiter 202 gebildet sein.
Der optische Verstärkungsmechanismus 204 umfasst auch eine Mesa-Struktur 208, die auf der Kathode 226 ausgebildet ist. Die Mesa-Struktur 208 ist zur Erzeugung von Licht vorgesehen, das dem Wellenleiter 202 auf der Basis des Anlegens einer Vorspannung zwischen den Kontaktelektroden 250 und 252 zugeführt wird. Eine Vorspannung, die an die Mesa-Struktur 208 angelegt wird, kann dazu dienen, ein Seed-Signal zu initiieren und/oder die optische Verstärkung oder den Verlust zu modulieren, die dem Wellenleiter 202 hinzugefügt werden. Die Mesa-Struktur 208 überlappt zumindest den Wellenleiter 202 in der Längsrichtung. Eine zentrale Längsachse 254 der Mesa-Struktur 208 kann von einer zentralen Längsachse 256 des Wellenleiters 202 in Richtung der zentralen Achse 230 versetzt sein.
Die Mesa-Struktur 208 umfasst eine Anode 232, die auf einer dotierten Halbleitermaterialschicht 234 gebildet ist, welche auf einem optisch aktiven Medium 228 angeordnet ist, das auf der Kathode 226 gebildet ist. Die Kontaktelektrode 250 ist auf der Anode 232 in Längsrichtung gegenüber der Kathode 226 angeordnet. Die dotierte Halbleitermaterialschicht 234 weist ein zweites Material auf, das dem ersten Material unähnlich ist. Die Kathode 226 überspannt einen Graben 244 und einen Graben 242, die in der Halbleitermaterialschicht 238 ausgebildet sind. Die Gräben 242 und 244 können dazu dienen, die optische Mode in der seitlichen Richtung zu begrenzen, und die seitliche Breite des Grabens 244 kann so gewählt sein, dass die Kopplung zwischen den Wellenleitern 202 und 210 gesteuert wird.
In verschiedenen Implementierungen umfasst die Kathode 226 eine Schicht aus Material der Gruppe III-V als erstes Material, wie Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder andere Verbindungen von Indium, Gallium, Phosphor und Arsen. Die Kathode 226 kann beispielsweise, aber nicht ausschließlich, durch Abscheidung, Wafer-Bonden, monolithisches Wachstum oder andere Herstellungsverfahren gebildet sein. Die Anode 232 kann als zweites Material eine Schicht aus Material der Gruppe III-V umfassen, das entgegengesetzt zur Kathode III-V dotiert ist. Beispielsweise kann die Kathode 226 aus einem negativ dotierten Material (z.B. einer n-dotierten Halbleiterschicht aus Material der Gruppe III-V) als erstem Material bestehen, und die Anode 809 kann aus einem positiv dotierten Material (z.B. einer p-dotierten Halbleiterschicht) bestehen.
Wie oben beschrieben, ist die Mesa-Struktur 208 so konfiguriert, dass sie Licht erzeugt und eine optische Verstärkung in dem Wellenleiter 202 bewirkt. Die optische Verstärkung kann beispielsweise durch eine innerhalb der Mesa-Struktur 208 hervorgerufene Lichtemission erreicht werden, die Licht erzeugt, das in den Wellenleiter 202 injiziert werden kann. Das in den Wellenleiter 202 injizierte Licht dient als optische Verstärkung und/oder als Seed-Signal für das Self-Seeding. Eine optische Verstärkung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das optisch aktive Medium 228 vorgespannt wird, um zusätzliches Licht bei der Resonanzfrequenz zu erzeugen, das zu dem sich bereits im Wellenleiter 202 ausbreitenden Licht hinzugefügt wird.
Um eine stimulierte Lichtemission zu erreichen, ist das optisch aktive Medium 228 in der dotierten Halbleitermaterialschicht 234 angrenzend an die Kathode 226 angeordnet. In einigen Implementierungen kann die dotierte Halbleitermaterialschicht 234 auf dem optisch aktiven Medium 228 aufgewachsen sein, so dass die Schichten monolithisch sind. Das optisch aktive Medium 228 kann z.B. Quantenpunkte (QD), Quantentöpfe (QW), Quanten-Strich-Strukturen (QD) oder jede andere Struktur umfassen, die eine Inversion der Ladungsträgerpopulation für die optische Verstärkung als optisches Verstärkungsmedium erzeugen kann. In einem Beispiel kann das optisch aktive Medium 228 InAs- und/oder GaAs-QDs umfassen. Die dotierte Halbleiterschicht 234, die das optisch aktive Medium 228 umfasst, kann aus einem dotierten Material der Gruppe III-V, wie AlGaAs oder Ähnlichem, gebildet sein, das mit einer Polarität dotiert ist, die zu derjenigen der Kathode 226 entgegengesetzt ist (z.B. positiv dotiertes Material der Gruppe-III-V), als zweites Material.
Zur Lichterzeugung kann eine Vorwärtsspannung zwischen den Elektroden 250 und 252 angelegt werden. Die Vorspannung bewirkt eine Änderung der Ladungsträgerkonzentration durch Akkumulation, die zu einer stimulierten Emission im optisch aktiven Material 228 führt, wodurch Licht erzeugt wird. Das emittierte Licht durchquert die Schichten und wird in den Wellenleiter 202 injiziert, in dem sich das Licht dann ausbreitet. Dementsprechend kann durch Vorspannen der zwischen den Elektroden 250 und 252 angelegten Spannung ein Seed-Signal erzeugt werden und/oder dem Wellenleiter 202 über die Mesa-Struktur 208 eine optische Verstärkung hinzugefügt werden. Die Höhe der optischen Verstärkung kann durch Änderung der an die Mesa-Struktur 208 angelegten Vorspannung moduliert werden.
In einigen Implementierungen kann der optische Verstärkungsmechanismus 204 so vorgespannt sein, dass ein optischer Verlust durch Lichtabsorption innerhalb der Mesa-Struktur 208 entsteht, beispielsweise durch Absorption der optischen Energie von Licht, das sich im Wellenleiter 202 ausbreitet. Eine an das optisch aktive Medium 228 angelegte Sperrspannung bewirkt eine Elektron-Loch-Bandverbiegung, die zu einer Absorption führt, z.B. einer Absorption von optischer Energie und/oder Licht.
Bestimmte Materialien werden hier zwar als negativ oder positiv dotiert beschrieben, jedoch sind die Implementierungen nicht darauf beschränkt, und die Polaritätsdotierung kann vertauscht sein. Im obigen Beispiel wurde zwar die Kathode 226 als negativ dotiert und die Anode 232 sowie die dotierte Halbleiterschicht 234 als positiv dotiert beschrieben, jedoch kann die Polarität der jeweiligen Schichten so vertauscht sein, dass die Kathode 226 positiv dotiert ist und die Anode 232 sowie die Halbleiterschicht 234 negativ dotiert sein können.
In einer Beispielausführung ist der Multiplexer 200 ein hybrider Mikroringlaser mit QD als optisch aktivem Medium 228, der acht Schichten von InAs/GaAs-QDs mit einer Photolumineszenzwellenlänge um 1200 nm enthält. Der hybride Mikroring besteht aus einer ersten Ringstruktur, die ein Material der Gruppe III-V umfasst, und einem zweiten Ring, der Silizium (oder ein anderes Material der Gruppe IV) umfasst. Der erste Ring umfasst die Mesa-Struktur 208 und die Kathode 226, während der zweite Ring den Wellenleiter 202 umfasst. Der erste Ring hat eine größere Breite als der zweite Ring, z.B. 5 µm gegenüber 1,5 µm. Der erste und der zweite Ring sind konzentrische Ringe (z.B. mit einer gemeinsamen Mittelachse 230). Dieser Versatz kann die Kopplung zwischen dem ersten Ring und den Wellenleitern 202 und 210 optimieren. In diesem veranschaulichenden Beispiel kann die Kathode 226 eine n-GaAs-Schicht und die Anode 232 eine p-GaAs-Schicht sein. Die Grund-Lasermode überlagert sich mit dem ersten und dem zweiten Ring und dann mit dem Buswellenleiter 210. Der Buswellenleiter 210 kann zusammen mit dem zweiten Ring gekrümmt sein, um die Kopplungslänge zwischen dem Buswellenleiter 210 und dem Wellenleiter 202 zu erhöhen, und der Graben 244 kann zwischen 200 nm und 250 nm betragen, um eine effiziente Kopplung dazwischen zu ermöglichen.
3 zeigt ein Beispiel für einen resonatorbasierten Multiplexer 300 mit einer Mehrzahl von Resonatorstrukturen (auch als Kavitäten bezeichnet) gemäß den hier offenbarten Implementierungen. Die Mehrzahl von Resonatorstrukturen ist optisch miteinander gekoppelt, und eine erste Resonatorstruktur ist optisch mit einem Buswellenleiter gekoppelt. Wie in 3 dargestellt, kann eine erste Resonatorstruktur beispielsweise als Resonatorstruktur 101 implementiert sein, die über einen Optokoppler 312 optisch mit einer zweiten Resonatorstruktur 301 gekoppelt ist. Obwohl in 3 ein Multiplexer 300 mit zwei Resonatorstrukturen dargestellt ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf nur zwei Strukturen beschränkt. Die hier offenbarten Implementierungen können eine beliebige Anzahl N (wobei N eine ganze Zahl von zwei oder mehr ist) von Resonatorstrukturen umfassen, z.B. 3, 4, 5, usw. Die Anzahl N der Resonatorstrukturen kann in einer Verkettungskonfiguration kaskadiert sein, jeweils einzeln mit der ersten Resonatorstruktur 101 gekoppelt sein, oder eine beliebige Kombination daraus.
Wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, umfasst die Resonatorstruktur 101 aus 3 einen Wellenleiter 102 mit einer Resonanzfrequenz bei einer ersten Frequenz; einen optischen Verstärkungsmechanismus 104, der so konfiguriert ist, dass er Licht 118a bei der Resonanzfrequenz emittiert, das dem Wellenleiter 102 zugeführt wird; und einen Einmodenfilter 106, der Licht, das sich im Wellenleiter 102 ausbreitet, in den Einmodenbetrieb zwingt. Somit umfasst das Licht 118a eine Lasermode, die sich mit der ersten Wellenlänge ausbreitet. Die Resonanzfrequenz bei der ersten Frequenz koppelt evaneszent aus dem Wellenleiter 102 in die zweite Resonatorstruktur 301 aus. Die Resonatorstruktur 101 kann als die Resonatorstruktur 201 aus 2 vorgesehen sein, die einen Wellenleiter 202 mit einem darauf ausgebildeten optischen Verstärkungsmechanismus 204 umfasst.
Wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, kann ein Teil des Lichts 118a, das sich im Wellenleiter 102 ausbreitet, als Licht 118b in den Buswellenleiter 110 eingekoppelt werden. Das heißt, dass der Wellenleiter 102 und der Buswellenleiter 110 über den Optokoppler 112 optisch gekoppelt sind, was es ermöglicht, das Licht 118b evaneszent in den Buswellenleiter 110 zu übertragen. Darüber hinaus kann ein Reflektor 114 vorgesehen sein, um Licht 118c, das sich im Buswellenleiter 110 ausbreitet, zum Ausgang (und zum optionalen Gitterkoppler 116) zu richten.
Die zweite Resonatorstruktur 301 umfasst einen Wellenleiter 302, der über einen zweiten Optokoppler 312 optisch an den Wellenleiter 102 gekoppelt ist. Der zweite Optokoppler 312 kann dem Optokoppler 112 insofern ähneln, als er für die Einkopplung von Licht 118d in den Wellenleiter 302 sorgt, zum Beispiel durch evaneszente Kopplung auf der Basis eines Kopplungskoeffizienten. Der Optokoppler 312 kann beispielsweise, aber nicht ausschließlich, ein Mach-Zehnder-Interferometer, ein Richtungskoppler oder Ähnliches sein. In einigen Implementierungen kann der Optokoppler 312 abstimmbar sein.
Der Wellenleiter 302 kann als geschlossene Schleife ausgebildet sein, wobei die Form der Schleife z.B. kreisförmig, elliptisch oder rennbahnförmig sein kann. Der Wellenleiter 302 kann auch aus einem Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium oder einem anderen Material der Gruppe IV, gebildet sein und die gleiche oder eine andere Länge als die des Wellenleiters 102 haben. Der Wellenleiter 302 kann eine Resonanzfrequenz bei einer zweiten Frequenz aufweisen, um Licht 322b bei der zweiten Frequenz aus dem Wellenleiter 302 in den Wellenleiter 102 einzukoppeln, während sich Licht, das sich bei nicht-resonanten Frequenzen des Wellenleiters 302 ausbreitet, weiterhin ohne Kopplungseffekt in den Wellenleiter 102 ausbreitet.
Die zweite Resonatorstruktur 301 umfasst auch einen Phasenabstimmungsmechanismus 320, der dazu dient, die Resonanzfrequenz des Wellenleiters 302 abzustimmen und dadurch die Frequenz des Lichts 322a abzustimmen. Der Phasenabstimmungsmechanismus 320 stimmt die Resonanzfrequenz ab, indem er eine Änderung des Brechungsindex des Wellenleiters 302 über eine bestimmte Länge herbeiführt, z.B. durch Trägerinjektion (z.B. Ladungsakkumulation), Ladungsverarmung oder Temperaturänderung eines Teils oder des gesamten Wellenleiters 302. Mit anderen Worten: Die Phasenabstimmung in der zweiten Resonatorstruktur 301 führt zu einer Phasenverschiebung der Resonanzfrequenz gegenüber der Resonanzfrequenz der ersten Resonatorstruktur 101, was zu einer optischen Verzögerung (z.B. einem Phasenversatz) führt. In der Beispielkonfiguration aus 3 wird durch die Einstellung der Resonanzfrequenz der zweiten Resonatorstruktur 301 und die Rückkopplung des Lichts in die erste Resonatorstruktur 101 Licht 322b mit der zweiten Frequenz mit Licht mit der ersten Frequenz kombiniert, das über den Buswellenleiter 110 ausgegeben werden kann.
Im Fall, dass der Multiplexer 300 Licht im Dauerstrichbetrieb erzeugt (z.B. mit Verstärkung von eins), hat die erste Resonatorstruktur 101 eine Resonanzfrequenz bei einer ersten Frequenz, die der Hauptlasermode entspricht. Der Phasenabstimmungsmechanismus 320 bewirkt einen Versatz der Resonanzfrequenz der zweiten Resonatorstruktur 301 gegenüber der Resonanzfrequenz der ersten Resonatorstruktur 101. Dieser Versatz bewirkt, dass Licht 322b im zweiten Wellenleiter 302 mit einer zweiten Frequenz in Resonanz geht. Da die Resonanzfrequenz der ersten Resonatorstruktur 101 bei der ersten Frequenz liegt, koppeln nicht-resonante Frequenzen der ersten Resonatorstruktur 101 nur schwach in den Wellenleiter 102 ein. Das heißt, Licht 322b mit der zweiten Frequenz ist eine Nichtresonanzfrequenz der ersten Resonatorstruktur 101 und wird daher in der zweiten Resonatorstruktur 301 gespeichert und koppelt höchstens schwach in die erste Resonatorstruktur 101 ein. Die schwache Kopplung führt zu einer schwachen Nebenmode im Ausgangslicht.
Wird jedoch die erste Resonatorstruktur 101 moduliert (z.B. durch den optischen Verstärkungsmechanismus 104), so koppelt das sich in der zweiten Resonatorstruktur 301 ausbreitende Licht 322a mit dem modulierten Licht 118a, so dass die Nebenmode verstärkt und Ausgangslicht erzeugt wird, das eine größere Bandbreite hat als bei der Verstärkung von eins. So führt beispielsweise die Modulation der ersten Resonatorstruktur 101 zwischen dem Zustand der Verstärkung von eins und einem zweiten Verstärkungszustand (entweder vorwärts oder rückwärts) zu einer Modulation der Amplitude des Lichts 118a. Außerdem erfolgt, wie oben beschrieben, eine Modulation der Phase des Lichts 118a auf eine zweite Phase, die gegenüber der ersten Phase versetzt ist, unter Bedingungen mit einer Verstärkung von eins. Wenn die Modulation so gesteuert wird, dass die zweite Phase des Lichts 118a mit der Phase des Lichts 322b übereinstimmt (z.B. aufgrund des durch den Phasenabstimmungsmechanismus 320 induzierten Versatzes), koppelt das Licht 322b mit der modulierten Phase, um konstruktiv zu interferieren. Infolgedessen wird die Nebenmode bei der zweiten Phase verstärkt und koppelt mit der Lasermode, um die Bandbreite des Ausgangslichts zu erweitern (z.B. zu verbreitern) (wie in der unten beschriebenen 4 dargestellt). In verschiedenen Ausführungsformen wird der Phasenversatz so gesteuert, dass er die Hälfte der Linienbreite der Lasermode in der kalten Kavität beträgt. In einigen Fällen kann trotz einer Erweiterung der Bandbreite, zum Teil aufgrund der teilweise destruktiven Interferenz bei Bedingungen der ersten Resonatorstruktur 101 mit einer Verstärkung von eins während der Modulation, die Ausgangsleistung im Vergleich zum Dauerstrichbetrieb reduziert sein.
Als veranschaulichendes Beispiel, in dem der optische Verstärkungsmechanismus 204 als optischer Verstärkungsmechanismus 104 in 3 implementiert ist, kann die an die Elektroden 250 und 252 angelegte Vorspannung zwischen einer ersten Vorspannung und einer zweiten Vorspannung moduliert werden, wobei die erste Vorspannung den Bedingungen der Verstärkung von eins entspricht und eine zweite Vorspannung dem zweiten Verstärkungszustand entspricht. Die Modulation bewirkt eine Änderung der Ladungsträgerkonzentration, die zu einer Änderung des Brechungsindex des Wellenleiters 202 (z.B. des Wellenleiters 102) führt. Die Änderung des Brechungsindexes bewirkt eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des Wellenleiters 202. Der Phasenabstimmungsmechanismus 320 wird ebenfalls so gesteuert, dass er den Brechungsindex des Wellenleiters 302 ändert, wodurch die Resonanzfrequenz des zweiten Wellenleiters 302 eingestellt wird. Im Fall, dass die Resonanzfrequenz des Wellenleiters 202 mit der Resonanzfrequenz des zweiten Wellenleiters 302 übereinstimmt (z.B. annähernd gleich ist), wird Licht 322b in der zweiten Resonatorstruktur 301 resonanzverstärkt, das aufgrund der übereinstimmenden Resonanzfrequenzen unter Modulation optisch in den Wellenleiter 202 einkoppelt (z.B. das Licht 324a in 3). Das Licht 324a wird in der ersten Resonatorstruktur 101 resonanzverstärkt und dann als Licht 324b in den Buswellenleiter 110 eingekoppelt. Wenn die Resonatorstruktur 101 in den zweiten Verstärkungszustand moduliert wird, führt die konstruktive Interferenz zu einer Verstärkung der Nebenmode des Lichts 324a. Das verstärkte Nebenmodenlicht 324 koppelt mit dem Lasermodenlicht 118a, um ein breiteres Ausgangssignal zu erzeugen als die Lasermode allein. Das heißt, die verstärkte Nebenmode vergrößert die volle Breite der halben maximalen Linienbreite des Ausgangslichts.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die normalisierte Übertragung des vom Multiplexer 300 ausgegebenen Lichts als Funktion der Phase in Bezug auf die Frequenz gemäß den hier offenbarten Implementierungen darstellt. 4 zeigt eine Linie 400 des vom Multiplexer 300 ausgegebenen Lichts unter Modulation, während der Pfeil 408 die Phase einer Lasermode des vom optischen Verstärkungsmechanismus 104 unter Bedingungen mit einer Verstärkung von eins erzeugten Lichts und die Pfeile 410a und 410b die Phase der Nebenmoden unter zweiten Verstärkungsbedingungen veranschaulichen. Das Diagramm enthält den Versatz 412, der einen Frequenzversatz der Nebenmode der Pfeile 410a und 410b relativ zur Lasermode des Pfeils 408 darstellt. Wenn also, wie oben beschrieben, der Phasenabstimmungsmechanismus 320 der zweiten Resonatorstruktur 301 so eingestellt ist, dass er die Phase des Lichts 322b mit der Nebenmode des Pfeils 410a abgleicht (z.B. die Resonanzfrequenzen des Wellenleiters 102 und 302 abgleicht), interferiert das Licht aus der ersten Resonatorstruktur 101 unter zweiten Verstärkungsbedingungen konstruktiv mit dem Licht aus der zweiten Resonatorstruktur 301, wodurch die Spitze 406 entsteht. Unter Bedingungen mit einer Verstärkung von eins erzeugt die Lasermode die Spitze 404. Wie in 4 dargestellt, ist die Linienbreite des resultierenden Ausgangslichts 400 im Vergleich zu der allein betrachteten Lasermode verbreitert.
Da im veranschaulichenden Beispiel aus 4 die zweite Resonatorstruktur 301 nicht so eingestellt ist, dass ihre Phase mit der Nebenmode des Pfeils 410b abgeglichen wird, ist die Nebenmode des Pfeils 410b eine schwache Nebenmode, die von der Lasermode überlagert wird und nur eine vernachlässigbare Leistung liefert. Der Phasenabstimmungsmechanismus 320 der zweiten Resonatorstruktur 301 kann jedoch so gesteuert werden, dass er mit der Nebenmode des Pfeils 410a (wie dargestellt), der Nebenmode des Pfeils 410b oder beiden Nebenmoden der Pfeile 410a und 410b übereinstimmt. Beispielsweise kann die erste Resonatorstruktur 101 zwischen einem zweiten Verstärkungszustand, der der Nebenmode des Pfeils 410a entspricht, und einem dritten Verstärkungszustand, der der Nebenmode von Pfeil 410b entspricht, moduliert werden, wobei die zentrale Lasermode passiert wird. In ähnlicher Weise kann der Phasenabstimmungsmechanismus 320 zwischen zwei Phasenzuständen moduliert werden, von denen einer mit der Nebenmode von Pfeil 410a und ein anderer mit der Nebenmode von Pfeil 410b ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann die Bandbreite weiter erweitert werden.
Als weiteres Beispiel kann der Multiplexer, wie oben erwähnt, eine Anzahl von N Resonatorstrukturen aufweisen. Das heißt, es kann eine Mehrzahl von zweiten Resonatorstrukturen (z.B. eine Anzahl N-1) vorhanden sein, die jeweils einen entsprechenden Phasenabstimmungsmechanismus haben, der so gesteuert ist, dass er sich auf eine Nebenmode des Lichts in der ersten Resonatorstruktur 101 ausrichtet. Wenn die mehreren zweiten Resonatorstrukturen auf dieselbe Nebenmode ausgerichtet sind, kann die resultierende Verstärkung der Nebenmode aufgrund der konstruktiven Interferenz der Mehrzahl von Resonatoren erhöht werden. Wenn die Mehrzahl zweiter Resonatorstrukturen auf eine Mehrzahl von Nebenmoden ausgerichtet sind (z.B. jede auf eine andere Nebenmode), kann eine Mehrzahl von verstärkten Nebenmoden (z.B. eine Mehrzahl von Nebenspitzen ähnlich der Spitze 406) mit unterschiedlichen Versätzen zur Lasermode erzeugt werden. In den vorliegenden Implementierungen kann eine beliebige Kombination der oben genannten Beispiele verwendet werden.
In 4 ist die Lasermode zur Veranschaulichung und zur einfacheren Erklärung bei einer Frequenz von 0 positioniert. Beispielsweise liegt die Lasermode bei 0 GHz, und die Phase der Nebenmoden ist gegenüber der Lasermode um etwa 25 GHz versetzt. Je nach Anwendung und Konstruktionsparametern können auch andere Frequenzabweichungen verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Phasenabstimmungsmechanismus 320 jedoch so eingestellt, dass die Resonanzfrequenz der zweiten Resonatorstruktur 301 gegenüber der Resonanzfrequenz der ersten Resonatorstruktur 101 um die Hälfte der Linienbreite der kalten Kavität (z.B. Einheitsbedingungen) der Lasermode versetzt ist.
Wiederum mit Bezug auf 3 kann die erste Resonatorstruktur einen optionalen Phasenabstimmungsmechanismus 308 (wie durch die gestrichelte Linie angedeutet) umfassen, der im Wesentlichen dem Phasenabstimmungsmechanismus 320 ähnlich sein kann. Das heißt, der Phasenabstimmungsmechanismus 308 kann betrieben werden, um die Resonanzfrequenz der ersten Resonatorstruktur abzustimmen, indem eine Änderung des Brechungsindex des Wellenleiters 102 über eine bestimmte Länge induziert wird, zum Beispiel durch Trägerinjektion (z.B. Ladungsakkumulation), Ladungsverarmung oder Temperaturänderung eines Teils oder des gesamten Wellenleiters 102. Mit anderen Worten: Die Phasenabstimmung in der ersten Resonatorstruktur 101 kann verwendet werden, um eine Phasenverschiebung der Resonanzfrequenz relativ zur Resonanzfrequenz der zweiten Resonatorstruktur 301 zu bewirken. Der Phasenabstimmungsmechanismus 308 kann zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz und/oder zur Modulation der optischen Verstärkung/Verluste im Wellenleiter 102 in Bezug auf die zweite Resonatorstruktur 301 verwendet werden, wodurch verschiedene Bedingungen feinabgestimmt werden können, wie nachstehend im Zusammenhang mit 5 beschrieben.
Die erste Resonatorstruktur 101 kann zwar den Phasenabstimmungsmechanismus 308 enthalten, allerdings enthalten einige Ausführungsformen der ersten Resonatorstruktur 101 keinen Phasenabstimmungsmechanismus. In diesen Implementierungen wird die erste Resonatorstruktur 101 zur Bereitstellung einer optischen Verstärkung, zum Erzeugen von Licht 118a und/oder zum Modulieren der optischen Verstärkung darin betrieben. Jede dem Licht 118a zugeordnete Phasenverschiebung ist ein Ergebnis des Betriebs des optischen Verstärkungsmechanismus 104 (wie oben in Verbindung mit den 2A und 2B beschrieben).
Darüber hinaus kann die zweite Resonatorstruktur 301 einen optionalen optischen Verstärkungsmechanismus 304 (wie durch die gestrichelte Linie angedeutet) umfassen, der im Wesentlichen dem optischen Verstärkungsmechanismus 104 ähnlich sein kann. Im Fall, dass ein solcher Mechanismus 304 in der zweiten Resonatorstruktur enthalten ist, kann der optische Verstärkungsmechanismus 304 so vorgespannt sein, dass er eine optische Verstärkung hinzufügt, wodurch die in der zweiten Resonatorstruktur 301 in Resonanz stehende Nebenmode weiter verstärkt wird. Darüber hinaus kann der optische Verstärkungsmechanismus 304 so vorgespannt sein, dass er dem Wellenleiter 302 eine optische Verstärkung und/oder einen optischen Verlust hinzufügt, was eine Feinabstimmung verschiedener Bedingungen ermöglicht, wie nachstehend im Zusammenhang mit 5 beschrieben.
Während die zweite Resonatorstruktur 301 den optischen Verstärkungsmechanismus 304 enthalten kann, sind einige Implementierungen der zweiten Resonatorstruktur 301 nur passive Strukturen und enthalten keine optischen Verstärkungsmechanismen. Bei diesen Implementierungen wird die zweite Resonatorstruktur 301 so betrieben, dass sie die gewünschte Phasenverschiebung relativ zur ersten Resonatorstruktur 101 hervorruft, und jede auf das Licht 322a zugeordnete Verstärkung erfolgt durch Resonanzverstärkung.
5 zeigt eine schematische Modelldarstellung eines Multiplexers gemäß den hier offenbarten Implementierungen. Das Modell 500 kann repräsentativ für den Multiplexer 300 sein und kann zur Bestimmung der Entwurfsparameter des Multiplexers 300 verwendet werden. Beispielsweise sind die ersten und zweiten Resonatorstrukturen 101 und 301 als Kavitäten 510 bzw. 520 dargestellt.
Die Kavitäten 510 und 520 sind in diesem Beispiel als Fabry-Perot-Interferometer modelliert, da optische Resonatoren, seien es Ringresonatoren, Fabry-Perot-Interferometer usw., konzeptionell ähnlich sind. So ist beispielsweise die Kavität 510 als optische Kavität modelliert, die durch zwei reflektierende Flächen mit einer Reflexionsleistung von R₁ bzw. R₂ definiert ist, zwischen denen Licht in Resonanz tritt, und die Kavität 520 ist als optische Kavität modelliert, die durch reflektierende Flächen mit einer Reflexionsleistung von R₂ bzw. R₃ definiert ist. Bei einem Ringresonator ist R₃ auf eins gesetzt. Bei jedem Umlauf in einer Kavität erfährt das darin in Resonanz stehende Licht entsprechende Verluste, die einem Gesamtverlustkoeffizienten δ_c1 für die Kavität 510 und δ_c2 für die Kavität 520 entsprechen. Der jeweilige Gesamtkavitätsverlustkoeffizient für den Umlauf ist die Summierung der in jeder Kavität vorhandenen Verluste wie folgt: $δ_{c 1} = δ_{1} + δ_{a 1} + δ_{2}$
$δ_{c 2} = δ_{2} + δ_{a 2} + δ_{3}$
Dabei stehen δ₁, δ₂ und δ₃ für die Verluste an der reflektierenden Oberfläche (z.B. eine Lichtmenge, die durch die reflektierende Oberfläche entweicht) und δa₁ und δa₂ für die Verluste im jeweiligen Wellenleiter (z.B. aufgrund der Absorption von Energie durch das Material des Wellenleiters). Bei dem Multiplexer 300 stellen also δa₁ und δa₂ die Verluste im Wellenleiter 102 bzw. 302 dar; δ₁ entspricht dem Anteil der übertragenen Leistung (P₁), der von der Resonatorstruktur 101 zum Buswellenleiter 110 gelangt (z.B. entsprechend der Kopplungsleistung des Kopplers 112); δ₂ stellt die übertragene Leistung (P₂) dar, die von der Resonatorstruktur 101 zur zweiten Resonatorstruktur 301 und umgekehrt gelangt (z.B., entsprechend der Kopplungsleistung des Kopplers 312); und δ₃ entspricht dem Anteil der übertragenen Leistung, der von der Resonatorstruktur 301 an die äußere Umgebung abgegeben wird und im Falle eines Ringresonators als Null angenommen wird. Jede Schnittstelle (z.B. die reflektierende Oberfläche bei Fabry-Perot-Interferometern oder die Optokoppler bei dem Multiplexer 300) umfasst die reflektierte Leistung (R) und die übertragene Leistung (T) wie folgt: $T_{1} = e^{- δ_{c 1}}$
$T_{2} = e^{- δ_{c 2}}$
$R_{1} = e^{- δ_{1}}$
$R_{2} = e^{- δ_{2}}$
So entspricht die zwischen der Kavität 510 und den externen Komponenten übertragene optische Leistung dem Gesamtverlustkoeffizienten δ_c1 für den Umlauf und die zwischen der Kavität 510 und der Kavität 520 übertragene optische Leistung dem Gesamtverlustkoeffizienten δ_c2 für den Umlauf. Ebenso entspricht die reflektierte Leistung (z.B. die an der Schnittstelle in die jeweilige Kavität zurückreflektierte Leistung) R1 dem Verlustkoeffizienten δ1 und die reflektierte Leistung R2 dem Verlustkoeffizienten δ₂.
Zur Verstärkung einer Nebenmode, wie im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben, gibt es mehrere Bedingungen, die optimiert werden können, um die Verstärkung zu erreichen und die Bandbreite des Ausgangslichts zu erweitern. Eine erste Bedingung besteht darin, die Kavitäten 510 und 520 relativ zueinander so zu optimieren, dass ein Qualitätsfaktor (Q-Faktor) der ersten Kavität 510 (Q₁) ungefähr gleich einem Q-Faktor der zweiten Kavität 520 (Q₂) ist. Das bedeutet: $Q_{1} \approx Q_{2}$
Gemäß einigen Implementierungen sollten die Q-Faktoren innerhalb von etwa ±30% voneinander liegen, während in anderen Implementierungen die Toleranzen geringer sein können. Der Q-Faktor eines bestimmten Resonanzraums wird wie folgt angegeben: $Q = \frac{2 π f_{0} E}{P}$
Dabei ist f₀ die Resonanzfrequenz, E die in der Kavität gespeicherte optische Energie und P die von der Kavität abgeleitete Leistung (z.B. übertragene und/oder absorbierte Leistung). Der Q-Faktor eines gegebenen Resonators hängt von der Länge der Kavität (z.B. dem Durchmesser bei einem Ringresonator) und den optischen Verlusten in der Kavität ab (z.B. Gesamtverlustkoeffizienten der Kavität für den Umlauf δ_c1 oder δ_c2). So können die Q-Faktoren der Kavität 510 und der Kavität 520 relativ zueinander durch Abstimmung der Länge jeder Kavität und/oder Abstimmung der optischen Verluste darin abgestimmt werden. Für diese erste Bedingung wird ein Kopplungskoeffizient (κ₂) von annähernd Null angenommen, was auch voraussetzt, dass δ₂ annähernd Null ist.
Ein Beispiel für die Abstimmung der Q-Faktoren kann auf der Abstimmung des freien Spektralbereichs (FSR) der einen Kavität im Verhältnis zu der anderen Kavität basieren. Beispielsweise können die Gesamtverlustkoeffizienten δ_c1 und δ_c2 der Kavität auf der Basis einer Änderung des Verhältnisses des jeweiligen FSR wie folgt abgestimmt werden: $δ_{c 2} \approx (\frac{F S R_{1}}{F S R_{2}}) δ_{c 1}$
Dabei stellen FSR₁ und FSR₂ den FSR für die erste und zweite Kavität 510 bzw. 520 dar. Die Abstimmung des FSR einer Kavität relativ zur anderen Kavität ändert also das Verhältnis von FSR₁ zu FSR₂, was ungefähr der Abstimmung der Q-Faktoren entspricht. Im Falle des Multiplexers 300 kann beispielsweise der Phasenabstimmungsmechanismus 320 so gesteuert werden, dass der FSR der zweiten Resonatorstruktur 301 in Bezug auf den FSR der Resonatorstruktur 101 abgestimmt wird. Beispielsweise ist der FSR in der Frequenz umgekehrt proportional zum Gruppenindex eines gegebenen Wellenleiters (z.B. Verhältnis der Vakuumgeschwindigkeit des Lichts zur Gruppengeschwindigkeit des Lichts im Wellenleiter, wobei die Gruppengeschwindigkeit die Geschwindigkeit ist, mit der sich eine Einhüllende eines Impulses im Wellenleiter ausbreitet). Der Gruppenindex kann mit Hilfe der hier offenbarten Techniken zur Änderung des Brechungsindex eines Wellenleiters abgestimmt werden. Dementsprechend führt eine Änderung des Gruppenindexes der Resonatorstruktur 301 in Bezug auf die Resonatorstruktur 101 zu einer Änderung des FSR₂ gegenüber dem FSR₁. Ein weiteres Beispiel: Der FSR eines bestimmten Wellenleiters kann durch Änderung der Umlauflänge der Kavität (z.B. der Resonatorstruktur 101 und/oder 301) abgestimmt werden, da zwischen Umlauflänge und FSR eine umgekehrt proportionale Beziehung besteht. So kann durch Abstimmung der Umlauflänge der Resonatorstruktur 301 relativ zur Resonatorstruktur 101 gemäß den hier offenbarten Beispielen das Verhältnis von FSR₁ zu FSR₂ gemäß Gleichung 9 abgestimmt werden.
Als weiteres Beispiel kann die Abstimmung der Q-Faktoren auf der Änderung der Resonanzbreite einer Kavität im Verhältnis zur anderen basieren. Die Resonanzbreite jeder Kavität kann der FWHM des sich in der jeweiligen Kavität ausbreitenden Lichts entsprechen. Die Abstimmung einer FWHM relativ zur anderen, so dass die FWHM der einzelnen Kavitäten ungefähr gleich sind (z.B. Δv_p2 ≈ Δv_p1, wobei Δv die FWHM der jeweiligen Kavität darstellt), kann eine Annäherung an die Abstimmung der Q-Faktoren sein.
Eine zweite Bedingung, mit der die Verstärkung erreicht und die Bandbreite des Ausgangslichts erweitert werden kann, ist die Optimierung des Kopplungskoeffizienten zwischen den beiden Kavitäten (κ₂). Der Kopplungskoeffizient (κ₂) an der Grenzfläche zwischen den Kavitäten 510 und 520 definiert die Menge an Leistung, die von der ersten Kavität 510 in die zweite Kavität 520 gelangt, in der zweiten Kavität 520 in Resonanz tritt und zurück in die erste Kavität 510 gelangt. Diese Leistungsübertragung zwischen den Kavitäten entspricht der Kopplungseffizienz zwischen den Kavitäten. Bei dem Optokoppler 312 kann der Kopplungskoeffizient des Optokopplers 312 zum Beispiel der Kopplungskoeffizient (κ₂) sein. Wenn der Koppler 312 ein abstimmbarer Koppler ist, kann κ₂ über den abstimmbaren Koppler 312 abgestimmt werden. Alternativ oder in Kombination damit kann κ₂ durch Steuerung der optischen Verluste innerhalb der Kavitäten wie folgt abgestimmt werden: $κ_{2} = 1 - e^{- δ_{2}} \approx δ_{2}$
Aus Gleichung 10 ergibt sich, dass $κ_{2} \approx (.4) (\frac{F S R_{1}}{F S R_{2}}) δ_{c 1}^{2}$
Dementsprechend kann der Kopplungskoeffizient κ₂ beispielsweise durch Abstimmung der FSRs der Kavitäten zueinander eingestellt werden.
Eine dritte Bedingung, die zur Verstärkung und Erweiterung der Bandbreite des Ausgangslichts verwendet werden kann, ist die Verstimmung der Resonanzfrequenz der Kavität 520 (Δθ₂). Die dritte Bedingung gibt an, wie stark die zweite Kavität 520 relativ zur ersten Kavität 510 verstimmt werden soll (z.B. wie viel Phasenänderung durch den Phasenabstimmungsmechanismus 320 herbeigeführt werden soll). Das heißt, die dritte Bedingung bezieht sich auf den Phasenparameter, der wie folgt mit dem Verlust in der zweiten Kavität 520 zusammenhängt: $Δ θ_{2} \approx \frac{1}{2} δ_{c 2}$
Dementsprechend entspricht eine Änderung der Phase der zweiten Kavität 520 relativ zur ersten Kavität 510 einer Änderung des gesamten Kavitätsverlustkoeffizienten für den Umlauf, die zur Optimierung der Q-Faktoren und/oder des Kopplungskoeffizienten (κ₂) verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Phasenabstimmungsmechanismus 320 mit Bezug auf 3 so gesteuert werden, dass die Phase der zweiten Resonatorstruktur 301 relativ zur ersten Resonatorstruktur 101 geändert wird, was zu einer Änderung des gesamten Umlauf-Kavitätsverlustkoeffizienten der zweiten Resonatorstruktur 301 führt.
In den Gleichungen 1-12 sind alle Parameter, die sich auf die erste Kavität 510 beziehen, mit einer Verstärkung von eins definiert (z.B. die Parameter der kalten Kavität).
Eine Optimierung dieser Bedingungen, z.B. durch Abstimmung der verschiedenen Parameter, ermöglicht die Kopplung von Licht, das sich in der zweiten Kavität 520 ausbreitet, mit moduliertem Licht in der ersten Kavität 510, um eine Nebenmode zu verstärken und Ausgangslicht mit einer größeren Bandbreite als unter der Bedingung der Verstärkung von eins zu erzeugen (z.B. wie im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben). Das heißt, die Bedingungen können optimiert werden, um sicherzustellen, dass das Licht in der zweiten Kavität 520 relativ zum Zustand der Verstärkung von eins der ersten Kavität 510 versetzt ist, um das Licht in der zweiten Kavität 520 mit dem modulierten Licht in der ersten Kavität 510 auszurichten und eine konstruktive Interferenz zu ermöglichen. Diese Interferenz führt zusammen mit der Resonanzverstärkung in den Kavitäten dazu, dass die Nebenmode die Bandbreite des Lichts in der ersten Kavität in Bezug auf den Zustand der Verstärkung von eins verstärkt und erweitert. Um sicherzustellen, dass die Bandbreite erweitert wird, im Gegensatz zu einer separaten Spitze, kann der Versatz so gesteuert werden, dass er die Hälfte der Linienbreite des Lichts in der ersten Kavität 510 bei Bedingungen mit einer Verstärkung von eins beträgt.
Die Phasenabstimmung gemäß den hier offenbarten Implementierungen kann durch viele verschiedene Ansätze erreicht werden. Beispielsweise können die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Mechanismen zur Phasenabstimmung, wie der Mechanismus zur Phasenabstimmung 320 und/oder der optionale Mechanismus zur Phasenabstimmung 308 aus 3, als beliebiger Mechanismus vorgesehen sein, der in der Lage ist, eine Phasenverschiebung in dem Licht zu hervorzurufen, das sich durch den jeweiligen Wellenleiter ausbreitet. Wie bereits erwähnt, sind die hier offenbarten Mechanismen zur Phasenabstimmung beispielsweise so konfiguriert, dass sie die Resonanzfrequenz abstimmen, indem sie eine Änderung des Brechungsindex einer Resonanzstruktur (z.B. des Wellenleiters 302 und/oder des Wellenleiters 102 in 3) über eine bestimmte Länge hervorrufen, z.B. durch Trägerinjektion (z.B. Ladungsakkumulation), Ladungsverarmung oder Änderung der Temperatur eines Teils oder der gesamten Resonatorstruktur.
In einem ersten Beispiel, das sich auf 3 bezieht, kann der Phasenabstimmungsmechanismus 320 ein oder mehrere Heiz-/Kühlelemente (z.B. Widerstandsheizelemente oder Ähnliches) umfassen, die betrieben werden können, um die Temperatur des Wellenleiters 302 zu ändern. Bei den Heizelementen kann es sich beispielsweise um einen Widerstand (z.B. eine Metallkomponente) handeln, der physisch mit einem Teil oder der Gesamtheit des Wellenleiters 302 verbunden ist. An den Widerstand kann dann ein Strom angelegt werden, der Wärme erzeugt, die auf den Wellenleiter 302 übertragen wird und eine Temperaturänderung bewirkt. Durch Steuerung des Stroms kann die Temperatur so eingestellt werden, dass die Resonanzfrequenz abgestimmt wird. Eine Änderung der Phase oder Phasenverschiebung (Δφ) des Wellenleiters 302 kann auf der Basis einer Temperaturänderung wie folgt herbeigeführt werden: $Δ φ = \frac{2 π L_{H} d n}{λ_{0} d T} Δ T$
Dabei ist L_H eine Länge des mit dem Wellenleiter 302 gekoppelten Heizelements, dn/dT ein thermooptischer Koeffizient, der von dem Material abhängt, aus dem der Wellenleiter 302 gebildet ist (z.B. ein Indikator für eine Änderung des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Temperatur), ΔT die Temperaturänderung des Wellenleiters 302 und λ₀ die Freiraumwellenlänge des Lichts. Die Zufuhr oder Abfuhr von Wärme vom Wellenleiter 302 bewirkt also eine Phasenänderung, wodurch sich die Resonanzfrequenz des Wellenleiters 302 ändert.
Obwohl sich die vorangegangene Erläuterung auf den Phasenabstimmungsmechanismus 320 bezieht, kann das oben beschriebene Beispiel ebenso auf den Phasenabstimmungsmechanismus 308 angewendet werden. Der Verweis auf den Phasenabstimmungsmechanismus 320 dient lediglich der Veranschaulichung und soll das Beispiel nicht auf den Phasenabstimmungsmechanismus 320 beschränken.
Die 6A und 6B zeigen ein Beispiel für die Ausführung eines Phasenabstimmungsmechanismus gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung. 6A und 6B zeigen einen beispielhaften optischen Hybrid-MOS-Ringresonator-Modulator 600, der als Phasenabstimmungsmechanismus implementiert werden kann, z.B. als Phasenabstimmungsmechanismus 320 und/oder Phasenabstimmungsmechanismus 308 aus 3. 6A ist eine perspektivische Ansicht des optischen Modulators 600 und 6B eine Schnittansicht des optischen Hybrid-MOS-Modulators 600 entlang der in 6A gezeigten Linie A-A'.
Der optische Modulator 600 umfasst einen Lichtwellenleiter 602, eine Kathode 604, die ein erstes Material umfasst und im Lichtwellenleiter 602 ausgebildet ist, und eine Anode 606, die ein zweites, vom ersten Material verschiedenes Material umfasst und im Lichtwellenleiter 602 ausgebildet ist. Die Anode grenzt an die Kathode. Zwischen der Anode und der Kathode ist ein Kondensator definiert.
In einigen Beispielen umfasst ein Substrat 601 Oxid, das auf einer darunter liegenden Schicht 608 aufgewachsen ist. Auf dem Substrat 601 ist eine Siliziumschicht 610 gebildet. Ein Graben 612 trennt den optischen Modulator 600 in zwei Teile 614 und 616. Der erste Teil 614 umfasst die Anode 606. Der Lichtwellenleiter 602 ist in der Anode 606 ausgebildet. Die Kathode 604 ist in den zweiten Teil 616 integriert. Der Lichtwellenleiter 602 kann ein Implementierungsbeispiel für den Wellenleiter 302 sein (oder für den Wellenleiter 102 im Falle des Phasenabstimmungsmechanismus 308). In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Kathode 604 als erstes Material eine Schicht aus einem Material der Gruppe III-V. Zwischen der Kathode 604 und der Anode 606 ist ein MOS-Kondensator 624 definiert.
Zwischen der Kathode 604 und der Anode 606 ist ein Dielektrikum 618 gebildet. Das Dielektrikum 618 kann ein elektrisch isolierendes Material sein, das zwischen der Kathode 604 und der Anode 606 des MOS-Kondensators 624 gebildet ist, und die Polarisierung des Dielektrikums 618 durch ein angelegtes elektrisches Feld kann die Oberflächenladung des MOS-Kondensators 624 für eine bestimmte elektrische Feldstärke erhöhen. Das Dielektrikum 618 kann aus nativen Oxiden der Kathode oder der Anode oder beidem bestehen, oder aus externen dielektrischen Materialien wie High-k-Dielektrika oder Polymeren, die durch Abscheidung, Oxidation, Wafer-Bonden oder andere dielektrische Beschichtungsverfahren gebildet sein können.
Die Kathode 604 kann negativ dotiertes Silizium und die Anode 606 positiv dotiertes Silizium umfassen. Eine Kathodenelektrode 620 ist auf der Kathode 604 und eine Anodenelektrode 622 auf der Anode 606 angeordnet. Wenn zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt wird, kann es um das Dielektrikum 618 zu einer Akkumulation, Verarmung oder Inversion von Ladungsträgern kommen. Da sich der Kondensatorbereich mit dem Lichtwellenleiter überschneidet, kann eine Änderung der Ladungsträgerkonzentration zu Änderungen des Brechungsindex und des Ausbreitungsverlustes im Wellenleiter 602 führen. Durch Vorspannung der zwischen den Elektroden angelegten Spannung kann der Brechungsindex entsprechend moduliert werden, wodurch eine Modulation der optischen Intensität, eine Modulation der Phasenverschiebung und eine Abschwächung bewirkt wird.
Im Fall, dass der Modulator 600 als Phasenabstimmungsmechanismus 320 implementiert ist, kann Licht evaneszent in den Lichtwellenleiter 602 eingekoppelt werden (z.B. wird zumindest ein Teil des sich im Wellenleiter 102 ausbreitenden Lichts in den Lichtwellenleiter 602 als Wellenleiter 302 übertragen). In beiden Implementierungen (z.B. als Phasenabstimmungsmechanismus 308 oder 320) wird das sich durch den Lichtwellenleiter 602 ausbreitende Licht auf der Basis von Änderungen des modalen Brechungsindex des Wellenleiters, die durch die Vorspannung des MOS-Kondensators 624 hervorgerufen werden, moduliert, abgeschwächt und in der Phase verschoben. Ein Teil des modulierten und abgeschwächten Lichts kann evaneszent vom Lichtwellenleiter 602 in einen anderen Wellenleiter 605 einkoppeln. Der andere Wellenleiter 605 kann als Wellenleiter 302 implementiert sein (wenn der optische Modulator 600 als Phasenabstimmungsmechanismus 308 implementiert ist), als Wellenleiter 102 (wenn der optische Modulator 600 als Phasenabstimmungsmechanismus 320 implementiert ist) und/oder als Buswellenleiter 310 implementiert sein.
6B enthält beispielsweise eine Gleichstromquelle 626. Die Gleichstromquelle 626 dient als Signalquelle und hat einen negativen Anschluss, der mit der Kathodenelektrode 620 verbunden ist, und einen positiven Anschluss, der mit der Anodenelektrode 622 verbunden ist. Dies führt zu einer Wanderung negativer Ladungen von der Kathode 604 zu einer zur Kathode 604 benachbarten Seite des Lichtwellenleiters 602 und zu einer Wanderung positiver Ladungen („Löcher“) von der Anode 606 zu einer gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters 602 (hier auch als Akkumulationsmodus bezeichnet). In anderen Beispielen kann die Polarität der Gleichstromquelle 626 umgekehrt werden. Die Umkehrung der Polarität der Gleichstromquelle 626 bewirkt eine Wanderung negativer Ladungen vom Wellenleiter 602 zur Kathodenelektrode 620 und eine Wanderung von Löchern vom Wellenleiter 602 zur Anodenelektrode 622 (hier auch als Verarmungsmodus bezeichnet).
Der MOS-Kondensator 624 bildet sich an der Grenze zwischen dem Gruppe-III-V-Material der Kathode 604 und dem darunter liegenden Kondensatorteil des intrinsischen Siliziums oder eines anderen Gruppe-IV-Materials. Eine dünne Schicht aus Silizium und Oxiden der Gruppe Gruppe-III-V (z.B. das Dielektrikum 618) bildet sich von selbst an dieser Grenze und dient als Dielektrikum für den Kondensator. In einigen Beispielen hat diese dünne Schicht eine Dicke im Nanobereich, z.B. von einigen Nanometern. In einigen Beispielen müssen keine Schritte unternommen werden, um die Bildung des Dielektrikums 618 zu fördern. In anderen Beispielen kann die Bildung des Dielektrikums 618 angeregt werden, z.B. durch Erhöhung der Temperatur, durch Aussetzen der Materialien gegenüber einer sauerstoffreichen Atmosphäre oder durch eine andere geeignete Technik.
Wie bereits erwähnt, ist der MOS-Kondensator 624 innerhalb des Lichtwellenleiters 602 ausgebildet, so dass Ladungsträger, die sich auf beiden Seiten des Kondensatordielektrikums akkumulieren/verringern, den Brechungsindex des Lichtwellenleiters und den Wellenleiterverlust (z.B. Verlust oder Abschwächung der übertragenen Signalleistung in der Wellenform) verändern.
Der MOS-Kondensator 624 kann im Akkumulations-, Verarmungs- oder Inversionsmodus arbeiten (z.B. Akkumulation von Elektronen an der dielektrischen Schicht zusätzlich zum Vorhandensein von Löchern). Wie oben beschrieben, kann eine Gleichspannung zwischen Anode und Kathode angelegt werden, wodurch eine dünne Ladungsschicht auf beiden Seiten der dielektrischen Schicht 618 akkumuliert, verarmt oder invertiert wird. Die daraus resultierende Änderung der Dichte der freien Ladungsträger bewirkt eine Änderung des Brechungsindex n des Lichtwellenleiters 602, die sich als Änderung des effektiven Brechungsindex der optischen Mode (Δn_eff) manifestiert. Das Ausmaß der Änderung oder Modulation des effektiven Brechungsindex (Δn_eff) und der damit verbundenen Änderung der optischen Verluste (Δα) kann wie folgt beschrieben werden: $Δ n_{e f f} = \frac{- q^{2} λ_{0}^{2}}{8 π^{2} c^{2} n ε_{0}} (\frac{Δ N_{e}}{m_{c e}^{*}} + \frac{Δ N_{h}}{m_{c h}^{*}})$
$Δ α = \frac{- q^{3} λ_{0}^{2}}{4 π^{2} c^{2} n ε_{0}} (\frac{Δ N_{e}}{m_{c e}^{* 2} μ_{e}} + \frac{Δ N_{h}}{m_{c h}^{* 2} μ_{h}})$
Dabei ist q die an die Kathode 604 und die Anode 606 angelegte elektrische Ladung, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, ε₀ die Permittivität des freien Raums und n der Brechungsindex des Materials, ΔN stellt eine Änderung der Ladungsträgerdichte dar, so dass ΔN_e die Änderung der Ladungsträgerdichte in Bezug auf Elektronen darstellt, dass ΔN_h die Änderung der Ladungsträgerdichte in Bezug auf Löcher darstellt, m* stellt die relative effektive Masse von Elektronen (m*_ce) und Löchern (m*_ch) dar, µ_h stellt die Mobilität der Löcher dar, µ_e stellt die Mobilität der Elektronen dar, und λ₀ ist die Wellenlänge im freien Raum.
Eine optische Phasenverschiebung (Δφ) am Ende des Kondensators hängt von der Größe des spannungsinduzierten Δn_eff, der Vorrichtungslänge L und der optischen Wellenlänge λ ab. In diesem Beispiel kann die optische Phasenverschiebung als Δφ=2π Δn_effLλ berechnet werden. Somit kann die optische Phase des Lichts im Lichtwellenleiter 602 auf der Basis des spannungsinduzierten Δn_eff verschoben werden. In verschiedenen Beispielen kann sich der Wellenleiterverlust in Silizium und Material der Gruppe-III-V gleichzeitig mit der Änderung der Ladungsträgerdichte ändern, und die Steuerung der Änderung des Wellenleiterverlusts kann zur optischen Abschwächung verwendet werden. Beispielsweise können Änderungen des Wellenleiterverlusts auf der Basis der Änderung der Trägerdichte gesteuert werden, was zu einer Abschwächung der Wellenleiterverluste führen kann. Die abgeschwächten Wellenleiterverluste können zur Modulation eines Signals verwendet werden.
Wie in 6A dargestellt, kann der optische Modulator 600 ein optischer Ringresonator-Modulator sein. In diesem Fall ist der in 6B gezeigte Graben 612 als ringförmiger Graben ausgeführt, der den optischen Modulator in einen ersten und einen zweiten Abschnitt 614 bzw. 616 unterteilt. In ähnlicher Weise ist die Anode 606 als ringförmige Anode im zweiten Teil vorgesehen, während die Kathode 604, das Dielektrikum 618 und die Siliziumschicht 610 im ersten Teil eine zylindrische Form haben. Der MOS-Kondensator 624 ist über eine Grenze zwischen der Kathode und der Anode definiert.
Wie oben beschrieben, führt die Verarmung oder Akkumulation von Ladungen an der Grenzflächenschicht zu einer Änderung der Dichte freier Ladungsträger, die den lokalen Brechungsindex des Wellenleiters 602 verändert. Wie oben mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben, kann die Änderung des Brechungsindex des Wellenleiters 602 dazu verwendet werden, eine Phasenverschiebung (z.B. einen Phasenversatz) des sich im Wellenleiter 602 ausbreitenden Lichts zu hervorzurufen. Bei Verwendung als Phasenabstimmungsmechanismus 320 kann die Phasenverschiebung auf der Basis einer Vorspannung an der MOSCAP 624 dazu verwendet werden, die oben mit Bezug auf 5 beschriebenen Bedingungen zu optimieren und abzustimmen, um eine Nebenmode zu verstärken und Ausgangslicht mit einer größeren Bandbreite als bei einer Verstärkung von eins zu erzeugen.
Die 7 bis 11 zeigen verschiedene weitere Beispiele für Phasenabstimmungsmechanismen gemäß Implementierungen der vorliegenden Offenbarung. Wie die 6A und 6B zeigen die 7-11 Beispiele für optische Hybrid-MOS-Ringresonator-Modulatoren, die als Phasenabstimmungsmechanismus implementiert werden können, z.B. als Phasenabstimmungsmechanismus 320 und/oder Phasenabstimmungsmechanismus 308 aus 3.
Die 7 bis 11 zeigen Beispiele, die die Brechungsindexänderungs- und Phasenverschiebungswirkungen erhöhen, z.B. durch Verbesserung der optischen Phasenverschiebung, die durch den MOS-Kondensator 624 induziert wird, indem das Ausmaß der Änderung pro angelegter Spannung erhöht und/oder die Zeitspanne zwischen angelegter Spannung und bewirkter Änderung verringert wird. In den hier offenbarten Implementierungen wird der MOSCAP-Modulator aus 6A und 6B mit einem in den Lichtwellenleiter integrierten Siliziumbauelement kombiniert, das so konfiguriert ist, dass es die Effizienz der optischen Phasenverschiebung verbessert, indem es die Änderungen der Ladungsträgerkonzentration im Wellenleiter erhöht, z.B. durch Integration eines Widerstandselements, einer PIN-Übergangsdiode und/oder einer PN-Übergangsdiode in den Lichtwellenleiter.
7 zeigt einen MOS-Kondensator- (MOSCAP-) Laser, insbesondere einen Mikrolaser mit einem optischen Hybrid-MOS-Modulator 700. Der optische Modulator 700 kann einen Querschnitt des optischen Modulators 800 aus 8 entlang der Linie B-B' darstellen.
Der optische Modulator 700 umfasst einen Lichtwellenleiter 702, eine erste Kathode 704, die ein erstes Material umfasst und von der ein Teil in dem Lichtwellenleiter 702 ausgebildet ist, und eine Anode 706, die ein zweites Material umfasst, das dem ersten Material unähnlich ist und in dem Lichtwellenleiter 702 ausgebildet ist. Der Lichtwellenleiter 702 kann ein Implementierungsbeispiel für den Wellenleiter 302 sein (oder für den Wellenleiter 102 im Falle des Phasenabstimmungsmechanismus 308). Die Anode 706 grenzt an die Kathode 704 innerhalb des Wellenleiters 702. Zwischen der Anode 706 und der Kathode 704 ist ein Kondensator 724 definiert.
In verschiedenen Beispielen ist eine vergrabene Oxidschicht (BOX) 701, die ein Oxid umfasst, z.B. eine Siliziumdioxidschicht, auf einem Substrat 708 aufgewachsen. Außerdem sind auf der BOX-Schicht 701 eine Silizium-Bauelementeschicht 710 und die Anode 706 gebildet. Die Kathode 704 ist oberhalb der Silizium-Bauelementschicht 710 gegenüber der BOX-Schicht 701 ausgebildet und überspannt einen Graben 712, der zwischen der Silizium-Bauelementschicht 740 und dem Kondensator 724 ausgebildet ist. In verschiedenen Implementierungen umfasst die Kathode 704 eine Schicht aus Gruppe-III-V-Material als erstes Material, wie Indiumphosphid (InP), Galliumarsenid (GaAS) oder andere Verbindungen von Indium, Gallium, Phosphor und Arsen. Die Kathode 704 kann durch Abscheidung, Wafer-Bonden, monolithisches Wachstum oder andere Herstellungsverfahren ausgebildet sein. Die Anode 706 kann Silizium oder ein anderes Material der Gruppe IV als zweites Material umfassen, z.B. Germanium, Siliziumkarbid, Siliziumgermanium und so weiter. Der Kondensator 724 kann ein MOSCAP sein, der zwischen der Kathode 704 und der Anode 706 liegt.
Zwischen der Kathode 704 und der Anode 702 und im Wellenleiter 702 ist ein Dielektrikum 718 gebildet (hier auch als Grenzflächenschicht bezeichnet). Das Dielektrikum 718 kann aus nativen Oxiden der Kathode oder der Anode oder beidem bestehen, oder aus externen dielektrischen Materialien wie High-k-Dielektrika oder Polymeren, die durch Abscheidung, Oxidation, Wafer-Bonden oder andere dielektrische Beschichtungsverfahren gebildet sein können.
Der MOSCAP 724 bildet sich an der Grenze zwischen dem ersten Material der Kathode 704 und dem darunter liegenden Lichtwellenleiter aus Halbleitermaterial (z.B. Silizium oder einem anderen Material der Gruppe IV). An dieser Grenze bildet sich eine dünne Schicht aus Silizium und III-V-Oxiden (z.B. das Dielektrikum 718) und dient als Dielektrikum für den Kondensator. In einigen Beispielen kann die dielektrische Schicht 718 eine Dicke im Nanobereich haben, z.B. kann die dielektrische Schicht 718 einige Nanometer dick sein. In einigen Beispielen müssen keine Schritte unternommen werden, um die Bildung des Dielektrikums 718 zu fördern. In anderen Beispielen kann die Bildung des Dielektrikums 718 angeregt werden, z.B. durch Erhöhung der Temperatur, durch Aussetzen der Materialien gegenüber einer sauerstoffreichen Atmosphäre oder durch eine andere geeignete Technik.
Die Kathode 704 kann negativ dotiertes Silizium (z.B. eine n-dotierte Halbleiterschicht) und die Anode 706 kann positiv dotiertes Material (z.B. eine p-dotierte Halbleiterschicht) umfassen. In einigen Implementierungen umfasst die Anode 706 ein stark positiv dotiertes Material, das beispielsweise eine höhere Ladungsträgerkonzentration (z.B. Löcher oder Elektronen) aufweist als die Kathode 704. In einem Beispiel kann die Anode 706 ein Material mit einer Dotierung von etwa 1e20 cm^-3 umfassen. In einigen Beispielen kann die Silizium-Bauelementschicht 710 ein stark dotiertes Material umfassen, z.B. kann die Silizium-Bauelementschicht 710 ein Material mit einer Dotierung von etwa 1e20 cm^-3 umfassen. Eine Kontaktelektrode 720 (auch als Elektrode 720 bezeichnet) ist auf der Kathode 704 und eine Kontaktelektrode 722 (auch als Elektrode 722 bezeichnet) auf der Anode 706 angeordnet. Wenn eine Vorspannung an die Elektroden 720 und 722 angelegt wird, kann es um das Dielektrikum 718 herum zu einer Akkumulation, Verarmung oder Inversion von Ladungsträgern kommen, wie unten ausführlicher beschrieben. Da sich der Kondensatorbereich mit dem Lichtwellenleiter überschneidet, können Änderungen der Ladungsträgerkonzentration zu Änderungen des modalen Brechungsindex des Wellenleiters und des Ausbreitungsverlustes führen. Durch Vorspannung der zwischen den Elektroden 720 und 722 angelegten Spannung kann der Brechungsindex entsprechend moduliert werden, wodurch eine Modulation der optischen Intensität, eine Abschwächung und eine optische modale Phasenverschiebung (z.B. eine Verschiebung der vom Wellenleiter 702 übertragenen Wellenlänge) bewirkt wird.
Licht, das sich durch den Lichtwellenleiter 702 (z.B. orthogonal zu 7) ausbreitet, wird basierend auf Änderungen des modalen Brechungsindex des Wellenleiters, die durch die Vorspannung der MOSCAP 724 hervorgerufen werden, moduliert, abgeschwächt und in der Phase verschoben. Ein Teil des modulierten und abgeschwächten Lichts kann dann über einen Kanal zwischen dem Graben 712 und der BOX-Schicht 701 evaneszent vom Lichtwellenleiter 702 in einen anderen Wellenleiter 705 einkoppeln und vom optischen Modulator 700 zur nachfolgenden Verwendung ausgegeben werden. Der andere Wellenleiter 705 kann als Wellenleiter 302 implementiert sein (wenn der optische Modulator 600 als Phasenabstimmungsmechanismus 308 implementiert ist), als Wellenleiter 102 (wenn der optische Modulator 600 als Phasenabstimmungsmechanismus 320 implementiert ist) und/oder als Buswellenleiter 310 implementiert sein. Die BOX-Schicht 701 kann vorgesehen sein, um die optische Mode in vertikaler Richtung zu begrenzen (z.B. in die auf der BOX-Schicht 701 vorgesehenen Schichten).
Wie bereits erwähnt, ist der MOS-Kondensator im Inneren des Lichtwellenleiters 702 ausgebildet, so dass Ladungsträger, die sich auf beiden Seiten des Kondensatordielektrikums akkumulieren/verringern, den Brechungsindex des Wellenleiters verändern und den Ausbreitungsverlust verändern.
Der MOS-Kondensator kann im Akkumulations-, Verarmungs- oder Inversionsmodus arbeiten. Wie oben beschrieben, kann zwischen der Anode 706 und der Kathode 704 eine Gleichspannung angelegt sein, wodurch eine dünne Ladungsschicht auf beiden Seiten der dielektrischen Schicht 718 akkumuliert, verarmt oder invertiert wird. Die daraus resultierende Änderung der Dichte der freien Ladungsträger bewirkt eine Änderung des Brechungsindex n des Lichtwellenleiters 702, die sich als Änderung des effektiven Brechungsindex der optischen Mode (Δn_eff) manifestiert. Das Ausmaß der Änderung oder Modulation des effektiven Brechungsindex (Δn_eff) und die damit verbundene Änderung der optischen Verluste (Δα) lassen sich wie oben in den Gleichungen 14 und 15 dargestellt beschreiben. Das spannungsinduzierte Δn_eff verursacht auch eine optische Phasenverschiebung des sich im Lichtwellenleiter 702 ausbreitenden Lichts, wie oben beschrieben.
Um die Änderung des effektiven Brechungsindex und die optische Phasenverschiebung im Lichtwellenleiter 702 zu verstärken, wird die Silizium-Bauelementschicht 710 auf der BOX-Schicht 701 und im Wellenleiter 702 gebildet. Die Siliziumvorrichtungsschicht 710 weist die Anode 706 und eine zweite Kathode 740 auf, die ein drittes Material umfasst, das im Wellenleiter 705 ausgebildet ist. Bei dem dritten Material kann es sich um Silizium oder ein anderes Material der Gruppe IV handeln, das gleich oder verschieden von dem der Kathode 704 sein kann. Die zweite Kathode 740 ist ebenfalls im Lichtwellenleiter 702 ausgebildet und bildet so den Kanal, durch den ein Teil des Lichts, das den Wellenleiter 702 durchquert, in den Wellenleiter 705 abgezweigt werden kann. Die zweite Kathode 740 ist in der Silizium-Bauelementschicht 710 ausgebildet und überlappt sich mit dem Graben 712.
Wie bereits erwähnt, kann die Änderung des effektiven modalen Brechungsindexes und der Phasenverschiebung, die durch die an den MOS-Kondensator angelegte Vorspannung bewirkt wird, gering sein und kann mithilfe der Siliziumschicht 710 durch die in den 7-11 beschriebenen Implementierungen verstärkt werden. So kann der optische Modulator 700 beispielsweise die Effizienz der Phasenabstimmung verbessern, was zu breiteren Wellenlängenverschiebungen führt, die zur direkten Hochgeschwindigkeitsmodulation und/oder zur Anpassung an resonatorbasierte Modulatoren verwendet werden können. Beispielsweise kann die zweite Kathode 740 ein dotiertes Material umfassen, das positiv oder negativ dotiert sein kann (z.B. eine n-dotierte Halbleiterschicht oder eine p-dotierte Halbleiterschicht), und der Lichtwellenleiter 702 kann intrinsisch dotiertes Material oder positiv und/oder negativ dotiertes Material umfassen (z.B. eine n-dotierte Halbleiterschicht oder eine p-dotierte Halbleiterschicht). Die zweite Kathode 740 kann aus stark dotiertem Material beider Polaritäten bestehen (z.B. kann 710 aus einem Material bestehen, das mit etwa 1e20 cm^- ³ dotiert ist). Auf der Kathode 740 ist eine Kontaktelektrode 734 angeordnet. Wenn zwischen den Elektroden 734 und 722 eine Vorspannung angelegt wird, kann innerhalb des Lichtwellenleiters 702 eine Erweiterung der Ladungsträgerakkumulation, - verarmung oder -inversion auftreten, die auf den dotierten Materialien der Silizium-Bauelementschicht 710 beruht, wie unten ausführlicher beschrieben. Durch die im Lichtwellenleiter 702 gebildete Silizium-Bauelementschicht 710 kann eine Änderung der Ladungsträgerkonzentration die Änderungen des modalen Brechungsindex des Wellenleiters und der Ausbreitungsverluste verstärken, die durch die Vorspannung des MOSCAP 724 verursacht werden.
In verschiedenen Beispielen ist das Dielektrikum 718 zwischen der Kathode 740 und der Kathode 704 gebildet. In dem in 7 gezeigten Beispiel ist das Dielektrikum 718 durchgehend von der Kathode 704 bis zum Lichtwellenleiter 702 so gebildet, dass es sich mit dem Graben 712 überlappt. In einem anderen Beispiel ist das Dielektrikum 718 im Graben 712 möglicherweise nicht vorhanden. In diesem Fall können zwei Dielektrika 718 gebildet sein, ein erstes Dielektrikum zwischen dem Lichtwellenleiter 702 und der Kathode 704 und ein zweites zwischen der Kathode 740 und der Kathode 704.
Zusätzlich kann der optische Modulator 700 in einigen Beispielen einen optionalen lichtemittierenden Teil enthalten, der so konfiguriert ist, dass er Licht erzeugt, das in den Lichtwellenleiter 702 injiziert wird. Das vom lichtemittierenden Teil erzeugte Licht kann auf der Basis der Vorspannung des MOSCAP 724 und der zweiten Kathode 740 moduliert werden, und ein Teil des modulierten Lichts kann (z.B. über evaneszente Kopplung) in den Wellenleiter 705 abgezweigt werden. Im Fall, dass der lichtemittierende Teil nicht im optischen Modulator 700 enthalten ist, kann das Licht vom Wellenleiter 705 (in einigen Beispielen als Buswellenleiter 310) empfangen und in den optischen Wellenleiter 702 abgezweigt werden, wie oben beschrieben. Das abgezweigte Licht kann dann auf der Basis der Vorspannung des MOSCAP 724 und der zweiten Kathode 740 moduliert und dann in den Wellenleiter 705 (z.B. als Buswellenleiter 310, Wellenleiter 302 oder Wellenleiter 102, je nach Ausführung) ausgegeben werden.
Der optionale lichtemittierende Teil kann ein Beispiel für einen optischen Verstärkungsmechanismus wie den optischen Verstärkungsmechanismus 104 und/oder 304 sein. So können in den Beispielimplementierungen aus 7, die den lichtemittierenden Abschnitt enthalten, der Phasenabstimmungsmechanismus und der optische Verstärkungsmechanismus zusammen ausgebildet sein und nach Bedarf gemeinsame Strukturen umfassen. Der lichtemittierende Teil kann je nach Anwendung zur Erzeugung von Licht und/oder zur Bereitstellung von optischer Verstärkung / optischem Verlust, wie hier beschrieben, eingesetzt werden.
Der lichtemittierende Teil kann eine lichtemittierende Diode, eine Laserdiode oder Ähnliches sein. In dem veranschaulichenden Beispiel aus 7 enthält der optische Modulator 700 ein optisches Verstärkungsmaterial 732 (oder Laserverstärkungsmaterial im Falle einer Laserdiode), das auf der Kathode 704 ausgebildet ist. Das optische Verstärkungsmaterial 732 kann z.B. QD, QW, Quanten-Strich-Strukturen oder jede andere Struktur umfassen, die eine Inversion der Ladungsträgerpopulation zur optischen Verstärkung erzeugen kann. Zwischen dem optischen Verstärkungsmaterial 732 und einer hochdotierten Halbleiterschicht 728 ist eine dotierte Halbleiterschicht 730 gebildet. Die Halbleiterschichten 730 und 728 können Silizium oder ein anderes Material der Gruppe IV umfassen. In verschiedenen hier offenbarten Beispielen kann das Material als niedrig oder leicht dotiert bezeichnet werden, wenn Dotierstoffe in der Größenordnung von einem Dotierstoffatom pro 100 Millionen Atome zugesetzt sind. Sind dagegen viel mehr Dotierungsatome zugesetzt, etwa in der Größenordnung von einem Atom pro zehntausend Atome, kann das Material als hoch dotiert bezeichnet werden. In einem veranschaulichenden Beispiel kann die Halbleiterschicht 730 zwischen 5e17 und 5e18 cm^-3 dotiert sein, die Halbleiterschicht 730 kann zwischen 5e17 und 5e18 cm^-3 dotiert sein, die Siliziumvorrichtungsschicht 710 und die Anode 706 können auf etwa 1e20 cm^-3 dotiert sein, und die hoch dotierte Halbleiterschicht 728 kann zwischen 5e18 und 5e19 cm^-3 dotiert sein.
Die dotierte Halbleiterschicht 730 kann positiv dotiertes Silizium (z.B. eine p-dotierte Halbleiterschicht) und die hoch dotierte Halbleiterschicht 728 positiv dotiertes Silizium (z.B. eine hoch p-dotierte Halbleiterschicht) umfassen. Eine Elektrode 726 kann auf der hoch dotierten Halbleiterschicht 728 gegenüber der dotierten Halbleiterschicht 730 ausgebildet sein. Wenn eine Vorspannung zwischen den Elektroden 726 und 720 angelegt wird, führt die Änderung der Ladungsträgerkonzentration zu einer stimulierten Emission im optischen Verstärkungsmaterial 730, wodurch Licht erzeugt wird. Das erzeugte Licht durchläuft die Schichten und wird am Wellenleiter 702 empfangen, der dann entsprechend der Vorspannung der MOSCAP- und Silizium-Bauelementschicht 710 moduliert wird. Ein Teil des modulierten Lichts wird in den Wellenleiter 705 abgezweigt und nachfolgend verwendet. Die Steuerung der Breite des Grabens 712 verändert die Menge des Lichts aus dem Lichtwellenleiter 702, das in den Wellenleiter 705 injiziert wird (z.B. führt eine größere Breite zu einem geringeren Prozentsatz des in den Wellenleiter injizierten Lichts).
Dementsprechend wird durch Vorspannen der zwischen den Elektroden 726 und 720 angelegten Spannung eine Lichtemission durch den optischen Modulator 700 erzeugt und in den Lichtwellenleiter 702 injiziert. Das Licht kann dann durch Änderung des Brechungsindex des Lichtwellenleiters 702 moduliert und abgeschwächt werden, indem eine an den Kondensatorbereich angelegte Spannung vorgespannt wird, was durch Vorspannung des Siliziumschichtbereichs verstärkt werden kann. Zum Beispiel können die hier beschriebenen Implementierungen durch Phasenverschiebung und Modulation über getrennte elektrische Kontakte (z.B. durch Anlegen einer Vorspannung zwischen Elektrode 720 und Elektrode 722 und gleichzeitiges Anlegen einer Vorspannung zwischen Elektrode 734 und Elektrode 722) nicht nur eine Modulation ohne Rückkehr zu null (NRZ) mit größerer optischer Modulationsamplitude (OMA) mit zwei synchronen elektrischen NRZ-Signalen, sondern auch eine Pulsamplitudenmodulation (z.B. PAM4) mit zwei getrennten elektrischen NRZ-Signalen erzielen. Beispielsweise ermöglicht ein voneinander unabhängiges Vorspannen der die an jedes Elektrodenpaar angelegten Spannungen eine getrennte Modulation. Als veranschaulichendes Beispiel können der MOSCAP 724 und die zweite Kathode 740 unabhängig voneinander vorgespannt werden, um unterschiedliche Modulationen der Phasenverschiebungseigenschaften zu bewirken. Außerdem kann die Vorspannung des lichtemittierenden Teils eine Modulation der Amplitude des Ausgangslichts zusammen mit der Modulation der Phasenverschiebung ermöglichen. Ein veranschaulichendes Beispiel ist das Vorspannen der Spannung über die Elektroden 726 und 720 des lichtemittierenden Teils, um eine Amplitudenmodulation des Lichts (z.B. unterschiedliche Lichtintensität) zu bewirken, während gleichzeitig der MOSCAP 724 und die zweite Kathode 740 vorgespannt werden, um eine Phasenverschiebungsmodulation zu bewirken.
Obwohl 7 den optischen Modulator 700 mit dem lichtemittierenden Teil zeigt, sind die Implementierungen nicht darauf beschränkt. Der optische Modulator 700 braucht beispielsweise nicht den lichtemittierenden Teil zu enthalten und kann Licht von einer externen Quelle empfangen, zum Beispiel ähnlich wie der oben beschriebene optische Modulator 600. Als weiteres Beispiel kann der optische Modulator 700 Licht von einem optischen Verstärkungsmechanismus empfangen, der mit dem Wellenleiter 702 gekoppelt ist, z.B. dem optischen Verstärkungsmechanismus 204. Obwohl bestimmte Materialien hier als negativ oder positiv dotiert beschrieben sind, sind außerdem die Implementierungen nicht darauf beschränkt, und die Polaritätsdotierung kann vertauscht sein. Z.B. sind zwar im obigen Beispiel die Kathode 704 als negativ dotiert und die Anode 706, die Schicht 730 und die Schicht 728 als positiv dotiert beschrieben, jedoch kann die Polarität jeder Schicht vertauscht sein, so dass die Kathode 704 positiv dotiert ist und die Anode 706, die Schicht 730 und die Schicht 728 negativ dotiert sein können.
8 zeigt eine Draufsicht auf einen beispielhaften optischen Modulator gemäß den hier offenbarten Implementierungen. Der optische Modulator 800 aus 8 zeigt einen Mikrolaser mit einem optischen Hybrid-MOS-Modulator mit einer ringförmigen Struktur, z.B. einen Mikroringlaser mit einem optischen Hybrid-MOS-Modulator (hier allgemein als MOSCAP-Mikroringlaser oder einfach als MOSCAP-Laser bezeichnet). In einem veranschaulichenden Beispiel ist der optische Modulator 800 ein Beispiel für den optischen Modulator 700, der in der Draufsicht eine ring- oder kreisförmige Struktur aufweist. Der optische Modulator 700 in 7 kann zum Beispiel einen Querschnitt des optischen Modulators 800 entlang der Linie B-B' darstellen. Die Bezugsziffern in 8 können also mit entsprechenden Bezugsziffern in 7 übereinstimmen. Zum Beispiel kann die Bezugsziffer 802 in 8 dem Lichtwellenleiter 702 aus 7 entsprechen, die Bezugsziffer 805 dem Wellenleiter 705 usw. Die Elemente und Strukturen aus 8 weisen dementsprechend die gleichen Eigenschaften und Merkmale auf, wie sie oben im Zusammenhang mit 7 beschrieben wurden, mit Ausnahme der hier mit Bezug auf 8 dargelegten.
Der optische Modulator 800 ist auf einer BOX-Schicht 801 und einer darauf befindlichen Silizium-Bauelementschicht 810 gebildet. Eine ringförmige Kathode 804 ist auf der Silizium-Bauelementschicht 810 mit einem dünnen Dielektrikum (z.B. ähnlich dem Dielektrikum 718) dazwischen (nicht dargestellt) ausgebildet und überspannt einen Graben (nicht dargestellt). Die Silizium-Bauelementschicht 810 ist im Wellenleiter 805 und im Lichtwellenleiter 802 ausgebildet. Die Silizium-Bauelementschicht 810 umfasst eine zylinderförmige Anode 806, einen ringförmigen Lichtwellenleiter 802 und eine ringförmige Kathode 840. Die zylinderförmige Anode 806, auf der eine Elektrode 822 ausgebildet ist, wird von dem ringförmigen Lichtwellenleiter 802 und der ringförmigen Kathode 840 umschlossen. Der Wellenleiter 805 ist in der Kathode 840 ausgebildet. Zwischen der Kathode 804 und der Anode 806 ist unter Verwendung des zwischen der Kathode 804 und der Anode 806 gebildeten Dielektrikums ein MOS-Kondensator definiert.
In dem veranschaulichenden Beispiel aus 8 ist eine zylindrisch geformte Elektrode 822 auf der Anode 806 ausgebildet; Elektroden 820a und 820b (zusammen Elektroden 820) sind auf der Kathode 804 ausgebildet; und Elektroden 834a und 834b (zusammen Elektroden 834) sind auf der Kathode 840 ausgebildet. Die Kathode 804 kann je nach Wunsch eine Elektrode 820a, eine Elektrode 820b oder beides aufweisen. Jede Elektrode 820 kann teilweise ringförmig sein und die Anode 806 teilweise umschließen. In einem anderen Beispiel können die Elektroden 820 als eine einzige Elektrode 820 integriert sein, die ringförmig um die Anode 806 verläuft. In ähnlicher Weise kann die Kathode 840 je nach Wunsch eine Elektrode 834a, eine Elektrode 834b oder beides aufweisen. Jede Elektrode 834 kann teilweise ringförmig sein und die Anode 806 teilweise umschließen. In einem anderen Beispiel können die Elektroden 834 als eine einzige Elektrode 834 integriert sein, die ringförmig um die Anode 806 verläuft.
Außerdem enthält der optische Modulator 800 ähnlich wie der optische Modulator 700 einen lichtemittierenden Teil, der aus einem ringförmigen optischen Verstärkungsmaterial gebildet ist, das unter der Elektrode 826 liegt, die die Anode 806 umgibt. Zwischen dem optischen Verstärkungsmaterial und einer hoch dotierten Halbleiterschicht, die unter der Elektrode 826 liegt, ist eine dotierte Halbleiterschicht gebildet, wie im Zusammenhang mit 7 beschrieben.
Im Betrieb breitet sich das Licht im Lichtwellenleiter 802 in einer kreisförmigen Richtung um den ringförmigen Resonator aus. Ein Teil des Lichts wird sodann aus dem Lichtwellenleiter 802 in den Wellenleiter 805 abgezweigt und dann an nachgeschaltete Vorrichtungen ausgegeben.
Wie bereits erwähnt, kann die Modulation und Abschwächung aufgrund der Vorspannung, die an den Kondensatorbereich angelegt ist, verstärkt werden, indem die hier beschriebene Silizium-Bauelementschicht (z.B. die Silizium-Bauelementschicht 710 und/oder 810) vorgesehen wird, die in einem optischen Wellenleiter (z.B. Wellenleiter 702 und/oder 802) ausgebildet ist. Insbesondere kann eine Silizium-Bauelementschicht gemäß hier beschriebenen Implementierungen so dotiert sein, dass sie als Reaktion auf angelegte Spannungen eine Änderung der Ladungsträgerkonzentration in dem Wellenleiter bewirkt. Mit Bezug auf 7 kann die Silizium-Bauelementschicht 710 beispielsweise ein stark positiv dotiertes Material (z.B. Silizium oder Ähnliches) umfassen, das ein Widerstandselement in den Lichtwellenleiter 702 (oder 802) integriert. Als weiteres Beispiel kann die Siliziumschicht 710 ein stark negativ dotiertes Material (z.B. Silizium oder Ähnliches) umfassen, das ein positivintrinsisch-negatives (PIN-) Diodenelement in den Lichtwellenleiter 702 (oder 802) integriert, wobei der Lichtwellenleiter ein intrinsisch dotierter Bereich ist. In einem weiteren Beispiel kann die Silizium-Bauelementschicht 710 einen ersten Bereich aus einem stark negativ dotierten Material (z.B. Silizium oder dergleichen) und einen zweiten Bereich aus einem negativ dotierten Material (z.B. Silizium oder dergleichen) umfassen, das ein Positiv-Negativ- (PN-) Übergangsdiodenelement in den Lichtwellenleiter 702 (oder 802) integriert. Weitere Details zu den einzelnen Implementierungen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 9-11 beschrieben.
9 zeigt ein Beispiel für einen optischen Modulator 900 gemäß einer hier offenbarten Ausführung. 9 zeigt einen optischen Modulator 900, der dem optischen Modulator 700 aus 7 und/oder dem optischen Modulator 800 aus 8 ähnlich oder gleich ist, so dass gleiche Bezugsziffern in 9 die gleichen Elemente wie in 7 darstellen. So umfasst, wie bei den optischen Modulatoren 700 und 800, der optische Modulator 900 einen Kondensatorbereich und einen optischen lichtemittierenden Teil, wie oben im Zusammenhang mit den 7 und 8 dargelegt.
Darüber hinaus weist der optische Modulator 900 eine Silizium-Bauelementschicht 910 auf, die der Silizium-Bauelementschicht 710 des optischen Modulators 700 ähnlich ist, nur dass der Lichtwellenleiter 902 mit einem Widerstandselement integriert ist. Beispielsweise kann die Silizium-Bauelementschicht 910 im Wesentlichen der Silizium-Bauelementschicht 710 von 7 ähnlich sein, nur dass die Kathode 940 ein stark positiv dotiertes Material, wie Silizium oder ein anderes Material der Gruppe IV, umfasst. Außerdem enthält der Wellenleiter 902 ein intrinsisch dotiertes Material (z.B. Silizium oder ein anderes Material der Gruppe IV) zwischen und in Kontakt mit der Kathode 940 und der Anode 706. In dieser Implementierung umfasst die Anode 706, wie oben erwähnt, ein stark positiv dotiertes Material. Dementsprechend führen Änderungen der Ladungsträgerkonzentration im Wellenleiter 902 zu einem hochohmigen Bereich, der aufgrund eines Ladungsflusses zwischen den hoch dotierten Kontakten zum Wellenleiter 902 Wärme erzeugt. Somit ist ein Widerstandselement in den Wellenleiter 902 integriert.
In dem veranschaulichenden Beispiel aus 9 ist eine Stromquelle 950 elektrisch zwischen die Elektroden 722 und 720 und zwischen die Elektroden 722 und 734 gekoppelt. Die Stromquelle 950 kann eine Gleichstromquelle sein, deren negativer Anschluss mit den Elektroden 720 und 734 und deren positiver Anschluss mit der Elektrode 722 verbunden ist. Die Stromquelle 950 kann z.B. von einem Controller gesteuert werden (der z.B. als in 15 beschriebenes Computersystem implementiert ist), um eine Vorspannung zwischen den jeweiligen Elektroden anzulegen. Das heißt, eine Vorspannung kann zwischen den Elektroden 722 und 734 gleichzeitig mit einer Vorspannung zwischen den Elektroden 722 und 720 angelegt werden. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel ist zwar eine einzige Stromquelle 950 vorgesehen, jedoch kann anstelle der Stromquelle 950 auch eine Mehrzahl von Stromquellen verwendet werden. So kann beispielsweise eine erste Stromquelle verwendet werden, um eine erste Vorspannung an die Elektroden 722 und 720 anzulegen, und eine zweite Stromquelle kann verwendet werden, um eine zweite Vorspannung an die Elektroden 722 und 734 anzulegen. Auf diese Weise kann die Vorspannung an den jeweiligen Elektroden gleichzeitig und unabhängig voneinander gesteuert werden.
Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 722 und 720 gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel angelegt wird (z.B. Stromquelle 950), sammeln sich negative Ladungen und Löcher um die Grenzflächenschicht 718. Wie in 9 dargestellt, wandern beispielsweise negative Ladungen von der Kathode 704 in Richtung des Wellenleiters 902 und Löcher (positive Ladungen) von der Anode 706 zum Wellenleiter 902. Die Ladungsakkumulation und die Änderung der Ladungsträgerkonzentration führen, wie oben beschrieben, zu Änderungen des Brechungsindex des Wellenleiters und des Ausbreitungsverlustes.
Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 734 und 722 gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel angelegt wird, fließt positive Ladung durch den optischen Modulator und erzeugt dadurch Wärme im Wellenleiter 902. Wie in 9 gezeigt, wandern beispielsweise Löcher (z.B. positive Ladungen) von der stark positiv dotierten Anode 706 zu dem intrinsisch dotierten Wellenleiter 902. Der Ladungsfluss im Wellenleiter 902 führt zu einem Widerstandsbereich, der Wärme erzeugt. Die Wärmeerzeugung erhöht den effektiven Brechungsindex des Wellenleiters wie folgt: $- \nabla \cdot (k \nabla T) = Q$
Wenn die thermische Wirkung durch die stationäre Wärmegleichung (Poisson-Gleichung) modelliert wird, die als Gleichung 16 gezeigt ist, bedeutet k den Wärmeleitungskoeffizient, Qdie Gesamtladung (z.B. die Ladungsträgerkonzentration) der Wärmequelle und T die Temperatur. Die thermische Wirkung kann für eine bestimmte Struktur numerisch simuliert werden. Sobald der Gradient von T ermittelt ist, kann der thermooptische Koeffizient eines Materials (dn/dT) zur Berechnung der Änderung des Brechungsindexes verwendet werden, der durch dn definiert ist.
Dementsprechend kann die Änderung des effektiven Brechungsindexes durch die Erzeugung von Wärme im Wellenleiter 902 aus dem integrierten Widerstandselement verstärkt werden. So kann beispielsweise eine erhöhte Temperatur eine zusätzliche und schnellere Änderung des effektiven Brechungsindex in Verbindung mit der Änderung des Brechungsindex bewirken, die durch die Vorspannung der an den Kondensatorbereich angelegten Spannung hervorgerufen wird.
In einem anderen Beispiel kann die Polarität der Stromquelle 950 umgekehrt werden. Die Umkehrung der Polarität der Stromquelle bewirkt eine Wanderung negativer Ladungen vom Wellenleiter 902 zur Elektrode 720 und eine Wanderung von Löchern vom Wellenleiter 902 zur Elektrode 722. In ähnlicher Weise bewirkt die Umkehrung der Polarität der Stromquelle eine Wanderung von Lochladungen vom Wellenleiter 902 zur Elektrode 722, wodurch die Widerstandseigenschaften verringert und die Temperatur gesenkt werden.
Darüber hinaus ändert sich die optische Phase (Δcp) auch in Abhängigkeit von der Temperaturänderung, wie oben in Gleichung 13 beschrieben. Dabei ist beispielsweise L_H eine thermische Länge des Wellenleiters 902, dn/dT ein thermooptischer Koeffizient, der von dem Material abhängt, aus dem der Wellenleiter 902 gebildet ist (z.B. eine Änderung des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Temperatur), ΔT ist die Temperaturänderung des Wellenleiters 902 und λ₀ ist die Wellenlänge im freien Raum. Durch die Vorspannung der Elektroden 734 und 722 wird also die Phasenverschiebung der optischen Mode im Wellenleiter 702 verbessert, indem die durch die MOSCAP 724 bewirkten Änderungen verstärkt werden.
Darüber hinaus akkumulieren sich mit Bezug auf den optionalen lichtemittierenden Teil, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 726 und 720 gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel angelegt wird (z.B. über eine Stromquelle 960), negative Ladung und Löcher in dem optischen Verstärkungsmaterial 732, was zu einem Funktionieren als Pumpquelle führt. Wie in 9 gezeigt, kann beispielsweise ein negativer Anschluss der Stromquelle 960 (die eine Gleichstromquelle sein kann) mit der Elektrode 720 und ein positiver Anschluss mit der Elektrode 726 verbunden sein. Dementsprechend wandern negative Ladungen von der Kathode 704 zum optischen Verstärkungsmaterial 732, und Löcher (positive Ladungen) wandern von der hoch dotierten Halbleiterschicht 728 durch die dotierte Halbleiterschicht 730 zum optischen Verstärkungsmaterial 732. Die Akkumulation von Ladungen und Löchern führt zu Energieübergangszuständen, die stimulierte Emissionen erzeugen, die zu einer optischen Verstärkung führen, aus der Licht emittiert werden kann. Das emittierte Licht breitet sich durch die Kathode 704 in den Wellenleiter 902 aus. Ein Teil des Lichts im Wellenleiter 902 kann dann über einen Kanal zwischen dem Graben 712 und der BOX-Schicht 701 aus dem Wellenleiter 902 in den Wellenleiter 705 abgezweigt werden. Das Licht kann entsprechend der an die Elektroden angelegten Vorspannung moduliert werden, wie oben dargelegt.
Ein Vorteil des optischen Modulators 900, ohne einschränkende Wirkung, besteht darin, dass der optische Verlust niedrig gehalten wird, da der Wellenleiter 902 intrinsisch dotiert ist, wenngleich die Erwärmung unterhalb der Laserstruktur zunimmt, was möglicherweise den Steckdosen-Gesamtwirkungsgrad verringern kann.
10 zeigt ein Beispiel für einen optischen Modulator 1000 gemäß einer hier offenbarten Implementierung. 10 zeigt einen optischen Modulator 1000, der dem optischen Modulator 700 aus 7 und/oder dem optischen Modulator 800 aus 8 ähnlich ist, so dass gleiche Bezugsziffern in 10 die gleichen Elemente wie in 7 darstellen. Wie bei den optischen Modulatoren 700 und 800 umfasst der optische Modulator 1000 einen Kondensatorbereich und einen optischen lichtemittierenden Teil, wie oben im Zusammenhang mit 7 und 8 dargelegt.
Zusätzlich enthält der optische Modulator 1000 eine Silizium-Bauelementschicht 1010, die der Silizium-Bauelementschicht 710 des optischen Modulators 700 ähnlich ist, nur dass der optische Wellenleiter 1002, der dem Wellenleiter 702 ähnlich ist, mit einem PIN-Übergangsdiodenelement integriert ist. Beispielsweise kann die Silizium-Bauelementschicht 1010 der Silizium-Bauelementschicht 710 von 7 im Wesentlichen ähnlich sein, nur dass die Kathode 1040 ein stark negativ dotiertes Material wie Silizium oder ein anderes Material der Gruppe IV umfasst. Außerdem ist der Lichtwellenleiter 1002 ein intrinsisch dotiertes Halbleitermaterial (z.B. Silizium oder ein anderes Material der Gruppe IV) zwischen und in Kontakt mit der Kathode 1040 und der Anode 706. In dieser Implementierung umfasst die Anode 706, wie oben erwähnt, ein stark positiv dotiertes Material. Dementsprechend funktioniert die Kombination aus der Kathode 1040, dem intrinsisch dotierten Wellenleiter 1002 und der Anode 706 als PIN-Übergangsdiode und kann Träger und Löcher in den Wellenleiter 1002 injizieren. Die Injektion von Ladungsträgern und Löchern kann auch eine Temperaturänderung bewirken (z.B. erhöhte Wärme).
Wie in 9 oben ist eine Stromquelle 1050 elektrisch zwischen den Elektroden 722 und 720 und zwischen den Elektroden 722 und 734 angeschlossen. Die Stromquelle 1050 kann eine Gleichstromquelle sein, deren negativer Anschluss mit den Elektroden 720 und 734 und deren positiver Anschluss mit der Elektrode 722 verbunden ist. Die Stromquelle 1050 kann z. B. von einem Controller gesteuert werden (der z.B. als in 15 beschriebenes Computersystem implementiert ist), um eine Vorspannung zwischen den jeweiligen Elektroden anzulegen. Das heißt, eine Vorspannung kann zwischen den Elektroden 722 und 734 gleichzeitig mit einer Vorspannung zwischen den Elektroden 722 und 720 angelegt werden. Bei dem in 10 gezeigten Beispiel ist zwar eine einzige Stromquelle 1050 vorgesehen, jedoch kann anstelle der Stromquelle 1050 auch eine Mehrzahl von Stromquellen verwendet werden. So kann beispielsweise eine erste Stromquelle verwendet werden, um eine erste Vorspannung an die Elektroden 722 und 720 anzulegen, und eine zweite Stromquelle kann verwendet werden, um eine zweite Vorspannung an die Elektroden 722 und 734 anzulegen. Auf diese Weise kann die Vorspannung an den jeweiligen Elektroden gleichzeitig und unabhängig voneinander gesteuert werden.
Ähnlich wie bei dem optischen Modulator 900 in 9 oben akkumulieren sich beim Anliegen einer Spannung zwischen den Elektroden 722 und 720 gemäß dem in 10 gezeigten Beispiel negative Ladung und Löcher um die Grenzflächenschicht 718. Die Akkumulation von Ladung und die Änderung der Ladungsträgerkonzentration führt zu Änderungen des Wellenleiter-Brechungsindex und des Ausbreitungsverlusts, wie oben beschrieben.
Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 734 und 722 gemäß dem in 10 dargestellten Beispiel angelegt wird, akkumulieren sich positive und negative Ladungen im Lichtwellenleiter 1002. Wie in 10 dargestellt, wandern beispielsweise negative Ladungen von der Kathode 1040 in den Lichtwellenleiter 1002, und Löcher (positive Ladungen) wandern von der Anode 706 in den Lichtwellenleiter 1002. Die Änderung der Ladungsträgerkonzentration und -verteilung in der Siliziumschicht 1010 führt zu zusätzlichen Änderungen des modalen Brechungsindexes des Wellenleiters und des Ausbreitungsverlustes. Die Änderung des Brechungsindexes ist zum Beispiel das Ergebnis eines Plasmadispersionseffekts im Wellenleiter 1002. Das Ausmaß der Änderung kann durch experimentelle Ergebnisse bestimmt sein, wie unten für einen aus Silizium bestehenden Wellenleiter gezeigt: $Δ n (@ λ 0 = 1210 m m) = - 2.98 \times 10 - 22 \times Δ N 1.016 - 1.25 \times 10 - 18 \times Δ P 0.835$
$Δ n (@ λ 0 = 1550 n m) = - 5.4 \times 10 - 22 \times Δ N 1.011 - 1.53 \times 10 - 18 \times Δ P 0.838$
Dabei ist Δn die Änderung des Brechungsindexes, und ΔN und ΔP sind die Änderung der Dichte der freien Elektronen (z.B. negative Ladung) bzw. der Löcher (z.B. positive Ladung). Gleichung 17 und Gleichung 18 zeigen, dass die Akkumulation von Löchern eine größere Brechungsverschiebung bewirkt als die Akkumulation von Elektronen. Dementsprechend besteht ein Ansatz zur Verbesserung der Phasenverschiebungseffizienz in der verstärkten Akkumulation von Löchern im Inneren des Wellenleiters 1002 unter Verwendung des Beispiels aus 10. Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der Effizienz der Phasenverschiebung ist die Erhöhung der Gesamtdichte der freien Ladungsträger innerhalb des Wellenleiters 1002; dies könnte jedoch zu einem erhöhten optischen Verlust aufgrund der Absorption freier Ladungsträger führen.
Darüber hinaus kann die Akkumulation von Ladungsträgern und Löchern im Wellenleiter 1002 zu einem Temperaturanstieg führen (z.B. zur Erzeugung von Wärme). Wie oben im Zusammenhang mit 9 beschrieben, kann die Wärmeerzeugung die Brechungsindexänderung und die Effizienz der Phasenverschiebung verstärken.
In einem anderen Beispiel kann die Polarität der Stromquelle 1050 umgekehrt werden. Die Umkehrung der Polarität der Stromquelle bewirkt eine Wanderung negativer Ladungen vom Wellenleiter 1002 zur Elektrode 720 und eine Wanderung von Löchern vom Wellenleiter 1002 zur Elektrode 722. In ähnlicher Weise bewirkt die Umkehrung der Polarität der Stromquelle eine Wanderung von Löchern aus dem Wellenleiter 1002 zur Elektrode 722 und eine Wanderung von Elektronen aus dem Wellenleiter 1002 zur Elektrode 734.
Darüber hinaus funktioniert der optionale lichtemittierende Teil aus 10 wie oben im Zusammenhang mit 8 beschrieben. Wenn beispielsweise eine Spannung (z.B. über die Stromquelle 1060) zwischen den Elektroden 726 und 720 gemäß dem in 10 gezeigten Beispiel angelegt ist, akkumulieren sich negative Ladung und Löcher in dem optischen Verstärkungsmaterial 732 und fungieren so als Pumpquelle, von der Licht emittiert werden und sich in den Wellenleiter 1002 ausbreiten kann.
11 zeigt ein Beispiel für einen optischen Modulator 1100 gemäß einer hier offenbarten Implementierung. 11 zeigt einen optischen Modulator 1100, der dem optischen Modulator 700 aus 7 und/oder dem optischen Modulator 800 aus 8 ähnlich ist, so dass die Bezugsziffern in 11 die gleichen Elemente aus 7 darstellen. Wie bei den optischen Modulatoren 700 und 800 umfasst der optische Modulator 1100 einen Kondensatorbereich und einen optischen lichtemittierenden Teil, wie oben im Zusammenhang mit 7 und 8 dargelegt.
Zusätzlich enthält der optische Modulator 1100 eine Silizium-Bauelementschicht 1110, die der Silizium-Bauelementschicht 710 des optischen Modulators 700 ähnlich ist, nur dass der optische Wellenleiter 1102, der dem Wellenleiter 702 ähnlich ist, mit einem PN-Übergangsdiodenelement integriert ist. Die Silizium-Bauelementschicht 1110 kann beispielsweise der Silizium-Bauelementschicht 1010 aus 10 ähnlich sein, z.B. ist die Kathode 1140 ein stark negativ dotiertes Material und die Anode 706 ein stark positiv dotiertes Material. Im Beispiel aus 11 umfasst der Wellenleiter 1102 jedoch einen ersten Bereich 1105 mit einem positiv dotierten Material (z.B. Silizium oder einem anderen Material der Gruppe IV) und einen zweiten Bereich 1115 mit einem negativ dotierten Material (z.B. Silizium oder einem anderen Material der Gruppe IV). Darüber hinaus ist zwischen der Anode 706 und dem Wellenleiter 1102 ein dritter Bereich 1120 angeordnet, der ein leicht positiv dotiertes Material umfasst. Die hier verwendeten Begriffe „stark dotiert“ und „leicht dotiert“ beziehen sich auf die Dotierungskonzentrationen in Bezug auf ein dotiertes Material. Das heißt, ein stark dotiertes Material weist eine Dotierungskonzentration auf (z.B. eine Ladungsträgerkonzentration, entweder Löcher oder Elektronen, je nachdem, ob die Dotierung vom p-Typ oder n-Typ ist), die größer ist als die eines dotierten Materials, während ein leicht dotiertes Material eine Dotierungskonzentration aufweist, die geringer ist als die eines dotierten Materials. Wie oben beschrieben, kann sich eine leichte Dotierung beispielsweise auf den Fall beziehen, dass Dotierstoffe in der Größenordnung von einem Dotierstoffatom pro 100 Millionen Atome zugesetzt sind, während sich eine starke Dotierung auf den Fall beziehen kann, dass viel mehr Dotierstoffatome zugesetzt sind, beispielsweise in der Größenordnung von einem Atom pro zehntausend Atome des Materials. Dementsprechend ist der Wellenleiter 1102 ähnlich wie der Wellenleiter 702 mit einer PN-Übergangsdiode integriert, die die Ladungsträgerkonzentration im Wellenleiter 1102 verändern kann. Die Änderung der Ladungsträgerkonzentration kann auch eine Änderung der Temperatur (z.B. erhöhte Wärme) bewirken.
Ähnlich wie bei den vorangegangenen Beispielen ist eine Stromquelle 1150 elektrisch zwischen den Elektroden 722 und 720 und zwischen den Elektroden 722 und 734 angeschlossen. Die Stromquelle 1150 kann eine Gleichstromquelle sein, deren negativer Anschluss mit den Elektroden 720 und 734 und deren positiver Anschluss mit der Elektrode 722 verbunden ist. Die Stromquelle 1150 kann z.B. von einem Controller gesteuert werden (der z.B. als in 15 beschriebenes Computersystem implementiert ist), um eine Vorspannung zwischen den jeweiligen Elektroden anzulegen. Das heißt, eine Vorspannung kann zwischen den Elektroden 722 und 734 gleichzeitig mit einer Vorspannung zwischen den Elektroden 722 und 720 angelegt werden. Bei dem in 11 gezeigten Beispiel ist zwar eine einzige Stromquelle 1150 vorgesehen, jedoch kann anstelle der Stromquelle 1150 auch eine Mehrzahl von Stromquellen verwendet werden. So kann beispielsweise eine erste Stromquelle verwendet werden, um eine erste Vorspannung an die Elektroden 722 und 720 anzulegen, und eine zweite Stromquelle kann verwendet werden, um eine zweite Vorspannung an die Elektroden 722 und 734 anzulegen. Auf diese Weise kann die Vorspannung an den jeweiligen Elektroden gleichzeitig und unabhängig voneinander gesteuert werden.
Ähnlich wie bei den vorangegangenen Beispielen sammeln sich beim Anliegen einer Spannung zwischen den Elektroden 722 und 720 gemäß dem in 11 gezeigten Beispiel negative Ladung und Löcher um die Grenzflächenschicht 718. Die Akkumulation von Ladung und die Änderung der Ladungsträgerkonzentration führt zu Änderungen des Wellenleiter-Brechungsindex und des Ausbreitungsverlusts, wie oben beschrieben.
Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 734 und 722 gemäß dem in 11 dargestellten Beispiel angelegt wird, ändert sich die Verteilung der positiven und negativen Ladungen im Lichtwellenleiter 1102. Zum Beispiel wandern, wie in 11 gezeigt, negative Ladungen aus dem zweiten Bereich 1115 zur Kathode 840 und Löcher (positive Ladungen) aus dem ersten Bereich 1105 zur Anode 706. Die Änderung der Ladungsträgerkonzentration und -verteilung im Wellenleiter 1102 führt zu zusätzlichen Änderungen des modalen Brechungsindex des Wellenleiters und der Ausbreitungsverluste. Die Änderung des Brechungsindexes ist zum Beispiel das Ergebnis eines Plasmadispersionseffekts im Wellenleiter 1102. Das Ausmaß der Änderung kann, wie oben gezeigt, durch die experimentellen Ergebnisse der Gleichungen 17 und 18 bestimmt werden.
Wie in den Gleichungen 17 und 18 dargestellt, sorgen Löcher für eine größere Brechungsverschiebung als Elektronen. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Phasenverschiebungseffizienz besteht daher darin, durch Verwendung des Offsets der PN-Übergangsgestaltung aus 11 mehr Löcher in den Lichtwellenleiter 1102 einzubringen. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die Gesamtdichte der freien Ladungsträger im Lichtwellenleiter 1102 zu erhöhen, was jedoch mit optischen Verlusten aufgrund der Absorption freier Ladungsträger einhergeht. Ein Verfahren zur Behebung des optischen Verlustes besteht in der Verwendung verschiedener Übergangsformen. So können beispielsweise L- und U-förmige PN-Übergänge die Überlappung zwischen Trägerwechselbereich und optischer Mode verbessern, um die Effizienz der Phasenverschiebung zu erhöhen.
In einem anderen Beispiel kann die Polarität der Stromquelle 1150 umgekehrt werden. Die Umkehrung der Polarität der Stromquelle bewirkt eine Wanderung negativer Ladungen vom Wellenleiter 1102 zur Elektrode 720 und eine Wanderung von Löchern vom Wellenleiter 1102 zur Elektrode 722. In ähnlicher Weise bewirkt die Umkehrung der Polarität der Stromquelle eine Wanderung von Löchern von der Elektrode 722 in Richtung des ersten Bereichs 1105 und eine Wanderung von Elektronen von der Elektrode 734 in Richtung des zweiten Bereichs 1115.
Darüber hinaus funktioniert der optionale lichtemittierende Bereich aus 11 wie oben im Zusammenhang mit 8 beschrieben. Wenn beispielsweise eine Spannung (z.B. über die Stromquelle 1160) zwischen den Elektroden 726 und 720 gemäß dem in 11 gezeigten Beispiel angelegt ist, akkumulieren sich negative Ladung und Löcher in dem optischen Verstärkungsmaterial 732 und fungieren so als Pumpquelle, von der Licht emittiert werden und sich in den Wellenleiter 1002 ausbreiten kann.
Die 9-11 zeigen zwar optische Modulatoren mit einem lichtemittierenden Teil, jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel brauchen die oben beschriebenen optischen Modulatoren nicht den lichtemittierenden Teil zu enthalten und können zum Beispiel Licht von einer externen Quelle empfangen, ähnlich wie der oben beschriebene optische Modulator 1100. Außerdem brauchen die oben beschriebenen optischen Modulatoren keine Silizium-Bauelementschicht zu enthalten (z.B. Silizium-Bauelementschicht 710, 810, 910, 1010 oder 1100). Beispielsweise können die oben beschriebenen optischen Modulatoren die MOSCAPs (z.B. MOSCAP 724) allein enthalten, wie im Zusammenhang mit den 6A und 6B beschrieben, oder in Kombination mit der optionalen lichtemittierenden Komponente. Beispielsweise kann der optische Modulator 600 der 6A und 6B die optionale lichtemittierende Komponente enthalten und/oder in einer Resonatorstruktur enthalten sein, die einen optischen Verstärkungsmechanismus (z.B. den optischen Verstärkungsmechanismus 204) umfasst.
Darüber hinaus sind die verschiedenen Materialien zwar als negativ oder positiv dotiert beschrieben, doch sind die hier genannten Implementierungen nicht darauf beschränkt, und die Polaritätsdotierung kann umgeschaltet werden. Z.B. sind zwar im obigen Beispiel die Kathode 704 als negativ dotiert und die Anode 706, die Schicht 730 und die Schicht 728 als positiv dotiert beschrieben, jedoch kann die Polarität jeder Schicht vertauscht sein, so dass die Kathode 704 positiv dotiert ist und die Anode 706, die Schicht 730 und die Schicht 728 negativ dotiert sein können. In ähnlicher Weise ist bei einer vertauschten Dotierungspolarität die Polarität der Dotierung der zweiten Kathode (z.B. Kathoden 940, 1040 und 1140) und des Lichtwellenleiters (z.B. Lichtwellenleiter 902, 1002 und 1102) ebenfalls vertauscht.
Weitere Einzelheiten zu den in den 6-11 beschriebenen Vorrichtungen sind in der US-Patentanmeldung Nr. 17/695,673 genannt, deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
12 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften optischen DWDM-Silizium-Photonik-Systems 1200. Das DWDM-System 1200 kann DWDM-Photonik-Verbindungen auf der Basis von Silizium-Photonik enthalten. Allgemein umfasst das System 1200 eine optische Verbindung 1220, die physisch ein optisches Sendemodul (Tx) 1210 zur Übertragung von Informationen koppelt, die auf optische Signale moduliert sind, welche von einem optischen Empfangsmodul (Rx) 630 empfangen werden. Der optische Sender 1210 umfasst außerdem mehrere Komponenten zur Übertragung eines optischen Signals, wie einen oder mehrere in Reihe geschaltete optische Modulatoren 1216. Der eine oder die mehreren optischen Modulatoren 1216 können z.B. als Multiplexer 100 aus 1 und/oder Multiplexer 300 aus 3 vorgesehen sein. In einigen Implementierungen können der eine oder die mehreren optischen Modulatoren 1216 jeweils für eine Self-Seeding-Lichterzeugung konfiguriert sein und sind daher so konfiguriert, dass sie Licht erzeugen, in Resonanz versetzen und emittieren. In einigen Implementierungen können der eine oder die mehreren Modulatoren 1216 für eine Injektionsverriegelung auf Basis einer externen optischen Quelle 121 konfiguriert sein, etwa einer Mehrwellenlängen-Lichtquelle, die zur Veranschaulichung als Kammleser vorgesehen ist. Der eine oder die mehreren Modulatoren können nach Wunsch sowohl Self-Seeding-Multiplexer als auch auf externen Quellen basierende Injektionsverriegelungs-Multiplexer umfassen. Das optische Empfangsmodul 1230 umfasst mehrere Komponenten für den Empfang eines optischen Signals, z.B. optische Filter, die zu Veranschaulichung als Mikroringresonatorfilter 1232 dargestellt sind, und Photodetektoren 1234.
Die DWDM-Technik wird in der faseroptischen Telekommunikation verbreitet zur Erhöhung der Systemkapazität verwendet (z.B. ohne das bestehende Backbone-Glasfasernetz zu ersetzen). Das optische Sendemodul 1210 im DWDM-System 1200 verwendet eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen. Das optische Sendemodul 1210 kann N unabhängige Datenströme multiplexen, serialisieren und auf N verschiedene Lichtwellenlängen λ1 ... λN modulieren, die typischerweise einen Kanalabstand von 50 GhZ-100 GHz aufweisen. Diese vom optischen Sendemodul 1210 erzeugten Datenströme können dann zusammen gesendet und über eine optische Verbindung 1220, wie z.B. eine Glasfaser, über eine große Entfernung (z.B. Kilometer) übertragen werden.
Anschließend können am optischen Empfangsmodul 1230 optische Filter auf die N entsprechenden Wellenlängen abgestimmt werden. Wie in 12 zu sehen ist, können die optischen Filter als Mehrfach-Mikroringresonator-Filter 1232 implementiert sein. Eine kompakte und skalierbare photonische DWDM-Verbindung kann durch Kaskadierung von Silizium-Mikroringresonatoren realisiert werden, um den Modulator 1214 (auf der Tx-Seite) und die Filter 1232 (auf der Rx-Seite) mit leicht unterschiedlichen Radien in einem einzigen Wellenleiter zu realisieren. Darüber hinaus umfasst das optische Empfängermodul 1230 eine Reihe von Photodetektoren 1234, wobei jeder Photodetektor 1234 mit einem entsprechenden optischen Filter verbunden ist. Aufgrund der halbleiterbasierten Ausführung der optischen Modulatoren 616 können als Photodetektoren 1234 beispielsweise SiGe-APDs verwendet werden. Die Mikroringresonator-Filter 1232 und die Photodetektoren 1234 können als Demultiplexer und Deserialisierer dienen, um die seriellen optischen Mehrwellenlängensignale gleichzeitig in N unabhängige elektrische Datenströme zurückzuwandeln. Das in 12 dargestellte DWDM-System 1200 kann entweder eine optische Interchip- oder eine optische Intrachip-Verbindung sein.
Um nanophotonische DWDM-Verbindungen im Chipmaßstab für das System 1200 zu realisieren, bietet die Verwendung von Mikroringresonatoren mehrere Vorteile, wie z.B. eine kleine Grundfläche (z.B. 10 µm im Durchmesser) und eine geringe Antriebsleistung. Wie in 12 dargestellt, können Mikroringresonatoren so konfiguriert sein, dass sie sowohl den optischen Modulator 1214 auf der Tx-Seite 1210 als auch den optischen Filter 1232 auf der Rx-Seite 1230 implementieren. Laserbasierte Lichtquellen erzeugen jedoch Licht mit einer schmalen Linienbreite, was sich negativ auf die Datenübertragungsraten auswirkt. Breitere Bandbreiten des von der Tx-Seite 1210 emittierten Lichts können zur Erhöhung der Übertragungsraten genutzt werden. So können beispielsweise die hierin offenbarten Multiplexer als die optischen Modulatoren 1216 implementiert sein, um die Bandbreite für die Übertragung von Informationen, die auf der optischen Verbindung 1202 zugeführte optische Signale moduliert sind, zu erweitern (z.B. zu verbreitern). Folglich kann durch die Verwendung der hier offenbarten Multiplexer im DWDM-System 1200 der Platzbedarf des Modulators 1214 reduziert werden, während eine erhöhte Bandbreite bereitgestellt wird, um hohe Datenübertragungsraten zu ermöglichen.
13 zeigt eine Beispielausführung eines Einmodenfilters, der in dem optischen Multiplexer gemäß den hier offenbarten Implementierungen enthalten sein kann. 13 zeigt eine Resonatorstruktur 1310, die ein Beispiel für die hier beschriebene Resonatorstruktur 101 sein kann. Zusätzlich ist ein Buswellenleiter 1320 über einen Optokoppler 1325 optisch mit der Resonatorstruktur 1310 gekoppelt. Der Buswellenleiter 1320 kann ein Beispiel für den Buswellenleiter 110 sein. Der Optokoppler 1325 kann im Wesentlichen dem Optokoppler 112 aus 1 ähnlich sein und so implementiert sein, dass er Licht in der Resonatorstruktur 1310 evaneszent in den und aus dem Buswellenleiter 1320 koppelt.
13 zeigt eine Konfiguration 1300, bei der ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) 1340 in die Resonatorstruktur 1310 integriert ist, um eine Filterung vorzunehmen, so dass nur eine Lasermode existiert. Das MZI 1340 umfasst einen Wellenleiter 1346, der an zwei Punkten über Optokoppler 1342 und 1344 optisch an die Resonatorstruktur 1310 gekoppelt ist. Bei den Optokopplern 1342 und 1344 kann es sich beispielsweise, aber nicht ausschließlich, um einen Richtungskoppler oder Ähnliches handeln. Licht, das sich in der Resonatorstruktur 1310 ausbreitet, koppelt in den Wellenleiter 1346 ein, wird über den Reflektor R5 reflektiert und koppelt dann in die Resonatorstruktur 1310 zurück. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungslängen und der destruktiven Interferenz bei der Rückkopplung in die Resonatorstruktur 1310 ist nur eine Lasermode vorhanden, während andere Lasermoden aufgrund der Interferenz vernachlässigbar sind. Dementsprechend erzwingt das MZI 1340 einen Einmodenbetrieb der Resonatorstruktur 1310.
14 zeigt ein Beispiel für eine Computerkomponente, die zur Implementierung eines optischen Multiplexers gemäß den hier offenbarten Implementierungen verwendet werden kann. 14 zeigt eine Computerkomponente 1400, bei der es sich beispielsweise um einen Server-Computer, einen Controller oder eine andere ähnliche Computerkomponente handeln kann, die in der Lage ist, Daten zu verarbeiten. In der Beispielausführung aus 14 umfasst die Computerkomponente 1400 einen Hardwareprozessor 1402 und ein maschinenlesbares Speichermedium 1404.
Bei dem Hardwareprozessor 1402 kann es sich um eine oder mehrere Zentraleinheiten (CPUs), Mikroprozessoren auf Halbleiterbasis und/oder andere Hardwarevorrichtungen handeln, die zum Abrufen und Ausführen von Anweisungen geeignet sind, die in dem maschinenlesbaren Speichermedium 1404 gespeichert sind. Der Hardware-Prozessor 1402 kann Befehle, wie z.B. die Befehle 1406-1410, abrufen, dekodieren und ausführen, um Prozesse oder Operationen des optischen Multiplexers, wie z.B. den Multiplexer 100 und/oder 300 der 1 bzw. 3, zu steuern. Alternativ oder zusätzlich zum Abrufen und Ausführen von Befehlen kann der Hardware-Prozessor 1402 eine oder mehrere elektronische Schaltungen umfassen, die elektronische Komponenten zur Ausführung der Funktionalität eines oder mehrerer Befehle enthalten, wie z.B. ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder andere elektronische Schaltungen.
Ein maschinenlesbares Speichermedium, wie das maschinenlesbare Speichermedium 1404, kann ein beliebiges elektronisches, magnetisches, optisches oder anderes physikalisches Speichergerät sein, das ausführbare Anweisungen enthält oder speichert. So kann es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium 1404 beispielsweise um einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen nichtflüchtigen RAM (NVRAM), einen elektrisch löschbaren, programmierbaren Festspeicher (EE-PROM), ein Speichergerät, eine optische Platte oder Ähnliches handeln. In einigen Implementierungen kann das maschinenlesbare Speichermedium 1404 ein nichttransitorisches Speichermedium sein, wobei der Begriff „nichttransitorisch“ nicht die transitorischen Übertragungssignale umfasst. Wie unten ausführlich beschrieben, kann das maschinenlesbare Speichermedium 1404 mit ausführbaren Anweisungen kodiert sein, zum Beispiel mit den Anweisungen 1406-1410.
Der Hardware-Prozessor 1402 kann die Anweisung 1406 ausführen, um Einmodenlicht in einer ersten Struktur zu erzeugen. Bei der ersten Struktur kann es sich beispielsweise um die erste Resonatorstruktur 101 aus 3 handeln, die einen Einmodenfilter 106 und einen optischen Verstärkungsmechanismus 104 umfasst. Wie oben beschrieben, kann der optische Verstärkungsmechanismus 104 dazu dienen, dem sich in der ersten Resonatorstruktur 101 ausbreitenden Licht eine optische Verstärkung zu verleihen. In einigen Ausführungsformen erzeugt der optische Verstärkungsmechanismus 104 Licht durch Self-Seeding auf der Basis einer an ihn angelegten Vorspannung. Der Einmodenfilter 106 zwingt das sich in der ersten Resonatorstruktur 101 ausbreitende Licht in den Einmodenbetrieb. Unter Bedingungen der Verstärkung von eins ist der Einmodenbetrieb eine Lasermode.
Der Hardware-Prozessor 1402 kann die Anweisung 1408 ausführen, um eine Phase des sich in einer zweiten Struktur ausbreitenden Lichts relativ zu einer Phase des Einmodenlichts in der ersten Struktur auf etwa die Hälfte der Linienbreite der kalten Kavität des Lichts in der ersten Struktur zu verstimmen. Die zweite Struktur kann z.B. als zweite Resonatorstruktur 301 aus 3 implementiert sein, die einen Phasenabstimmungsmechanismus 320 umfasst. Die zweite Resonatorstruktur 301 empfängt über optische Kopplung Licht von der ersten Resonatorstruktur 101. Der Phasenabstimmungsmechanismus 320 kann gesteuert werden (z.B. über den Hardware-Prozessor 1402), um die Phase des empfangenen Lichts relativ zu dem Licht in der ersten Resonatorstruktur 101 zu verstimmen. Wenn der optische Verstärkungsmechanismus 104 das Licht in der ersten Resonatorstruktur moduliert und der Phasenabstimmungsmechanismus 320 die Phase so verstimmt, dass sie mit der Nebenmode des Lichts aus der ersten Resonatorstruktur 101, die unter Modulation erscheint, übereinstimmt, wird die Nebenmode verstärkt und mit der Lasermode gekoppelt, wie oben beschrieben.
Der Hardware-Prozessor 1402 kann die Anweisung 1410 ausführen, um bandbreitenerweitertes Licht auf einen Buswellenleiter auszugeben. Der Buswellenleiter kann optisch mit der ersten Resonatorstruktur 101 gekoppelt sein. Aufgrund der Anweisung 1408 koppelt die Lasermode an die Nebenmode, um eine erweiterte Bandbreite für moduliertes Licht zu schaffen, das sich in der ersten Resonatorstruktur 101 ausbreitet. Das eingekoppelte Licht wird dann von der ersten Resonatorstruktur 101 auf den Buswellenleiter 110 übertragen und von dort ausgegeben.
15 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels für ein Computersystem 1500, in dem verschiedene hier beschriebene Ausführungen implementiert sein können. Das Computersystem 1500 umfasst einen Bus 1502 oder einen anderen Kommunikationsmechanismus zur Übermittlung von Informationen sowie einen oder mehrere Hardware-Prozessoren 1504, die mit dem Bus 1502 zur Verarbeitung von Informationen verbunden sind. Bei dem/den Hardware-Prozessor(en) 1504 kann es sich zum Beispiel um einen oder mehrere Allzweck-Mikroprozessoren handeln. Wie oben beschrieben, kann das Computersystem 1500 zur Steuerung der oben beschriebenen Stromquellen (z.B. der Stromquellen 260, 950, 960, 1050, 1060, 1150 und 1160) eingesetzt werden.
Das Computersystem 1500 umfasst auch einen Hauptspeicher 1506, z.B. einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Cache und/oder andere dynamische Speichergeräte, die mit dem Bus 1502 verbunden sind, um Informationen und Anweisungen zu speichern, die vom Prozessor 1504 ausgeführt werden sollen. Der Hauptspeicher 1506 kann auch zum Speichern temporärer Variablen oder anderer Zwischeninformationen während der Ausführung von Anweisungen verwendet werden, die vom Prozessor 1504 ausgeführt werden sollen. Wenn solche Befehle in Speichermedien gespeichert sind, auf die der Prozessor 1504 zugreifen kann, wird das Computersystem 1500 zu einer Spezialmaschine, die so angepasst ist, dass sie die in den Anweisungen angegebenen Operationen ausführen kann.
Das Computersystem 1500 umfasst außerdem einen Festwertspeicher (ROM) 1508 oder ein anderes statisches Speichergerät, das mit dem Bus 1502 verbunden ist, um statische Informationen und Anweisungen für den Prozessor 1504 zu speichern. Ein Speichergerät 1510, z.B. eine Magnetplatte, eine optische Platte oder ein USB-Stick (Flash-Laufwerk) usw., ist vorgesehen und mit dem Bus 1502 verbunden, um Informationen und Anweisungen zu speichern.
Das Computersystem 1500 kann über den Bus 1502 mit einer Anzeige 1512, z.B. einer Flüssigkristallanzeige (LCD) (oder einem Berührungsbildschirm), verbunden sein, um einem Computerbenutzer Informationen anzuzeigen. Ein Eingabegerät 1514, einschließlich alphanumerischer und anderer Tasten, ist mit dem Bus 1502 gekoppelt, um Informationen und Befehlsauswahlen an den Prozessor 1504 zu übermitteln. Eine andere Art von Benutzereingabegerät ist die Cursorsteuerung 1516, wie z.B. eine Maus, ein Trackball oder Cursor-Richtungstasten zur Übermittlung von Richtungsinformationen und Befehlsauswahlen an den Prozessor 1504 und zur Steuerung der Cursorbewegung auf der Anzeige 1512. In einigen Ausführungsformen können die gleichen Richtungsinformationen und Befehlsauswahlen wie bei der Cursorsteuerung über den Empfang von Berührungen auf einem Touchscreen ohne Cursor implementiert sein.
Das Computersystem 1500 kann ein Benutzerschnittstellenmodul zur Implementierung einer grafischen Benutzeroberfläche enthalten, das in einem Massenspeichergerät in der Form ausführbarer Softwarecodes gespeichert sein kann, die von dem/den Computergerät(en) ausgeführt werden. Dieses und andere Module können beispielsweise Komponenten wie Softwarekomponenten, objektorientierte Softwarekomponenten, Klassenkomponenten und Aufgabenkomponenten, Prozesse, Funktionen, Attribute, Prozeduren, Unterprogramme, Segmente von Programmcode, Treiber, Firmware, Mikrocode, Schaltkreise, Daten, Datenbanken, Datenstrukturen, Tabellen, Arrays und Variablen umfassen.
Allgemein kann sich der hier verwendete Begriff „Komponente“, „Engine“, „System“, „Datenbank“, „Datenspeicher“ und dergleichen auf eine in Hardware oder Firmware verkörperte Logik oder auf eine Sammlung von Softwareanweisungen beziehen, die möglicherweise Ein- und Ausstiegspunkte haben und in einer Programmiersprache wie z.B. Java, C oder C++ geschrieben sind. Eine Softwarekomponente kann kompiliert und zu einem ausführbaren Programm verknüpft werden, in einer dynamischen Link-Bibliothek installiert werden oder in einer interpretierten Programmiersprache wie BASIC, Perl oder Python geschrieben sein. Es versteht sich, dass Softwarekomponenten von anderen Komponenten oder von sich selbst aus aufrufbar sein können und/oder als Reaktion auf erkannte Ereignisse oder Unterbrechungen aufgerufen werden können. Softwarekomponenten, die für die Ausführung auf Computergeräten konfiguriert sind, können auf einem computerlesbaren Medium, wie z.B. einer Compact Disc, einer digitalen Videodisc, einem Flash-Laufwerk, einer Magnetplatte oder einem anderen greifbaren Medium, oder als digitaler Download bereitgestellt werden (und können ursprünglich in einem komprimierten oder installierbaren Format gespeichert sein, das vor der Ausführung installiert, dekomprimiert oder entschlüsselt werden muss). Ein solcher Softwarecode kann teilweise oder vollständig in einem Speicher der ausführenden Computervorrichtung zur Ausführung durch die Computervorrichtung gespeichert werden. Softwareanweisungen können in Firmware, wie z.B. einem EPROM, eingebettet sein. Darüber hinaus können die Hardwarekomponenten aus verbundenen Logikeinheiten wie Gattern und Flipflops und/oder aus programmierbaren Einheiten wie programmierbaren Gatteranordnungen oder Prozessoren bestehen.
Das Computersystem 1500 kann die hier beschriebenen Techniken unter Verwendung von individuell angepasster festverdrahteter Logik, einem oder mehreren ASICs oder FPGAs, Firmware und/oder Programmlogik implementieren, die in Kombination mit dem Computersystem das Computersystem 1500 zu einer Spezialmaschine macht oder programmiert. Gemäß einer Implementierung werden die hierin beschriebenen Techniken vom Computersystem 1500 als Reaktion auf den/die Prozessor(en) 1504 ausgeführt, der/die eine oder mehrere Sequenzen aus einem oder mehreren Befehlen ausführt/ausführen, die im Hauptspeicher 1506 enthalten sind. Solche Anweisungen können aus einem anderen Speichermedium, wie z. B. dem Speichergerät 1510, in den Hauptspeicher 1506 eingelesen werden. Die Ausführung der im Hauptspeicher 1506 enthaltenen Befehlssequenzen veranlasst den/die Prozessor(en) 1504, die hier beschriebenen Prozessschritte durchzuführen. In alternativen Implementierungen können fest verdrahtete Schaltungen anstelle von oder in Kombination mit Softwareanweisungen verwendet werden.
Der Begriff „nichttransitorische Medien“ und ähnliche Begriffe, wie sie hier verwendet werden, beziehen sich auf alle Medien, die Daten und/oder Anweisungen speichern, die den Betrieb einer Maschine in einer bestimmten Weise bewirken. Solche nichttransitorischen Medien können nichtflüchtige Medien und/oder flüchtige Medien umfassen. Zu den nichtflüchtigen Medien gehören beispielsweise optische oder magnetische Festplatten, wie die Speichervorrichtung 1510. Zu den flüchtigen Medien gehören dynamische Speicher wie der Hauptspeicher 1506. Zu den gängigen Formen nichtflüchtiger Medien gehören beispielsweise Disketten, flexible Platten, Festplatten, Solid-State-Laufwerke, Magnetbänder oder andere magnetische Datenspeichermedien, CD-ROMs, andere optische Datenspeichermedien, physische Medien mit Lochmustern, RAM, PROM und EPROM, FLASH-EPROM, NVRAM, andere Speicherchips oder -kassetten sowie deren vernetzte Versionen.
Nichttransitorische Medien unterscheiden sich von Übertragungsmedien, können aber in Verbindung mit ihnen verwendet werden. Übertragungsmedien sind an der Übertragung von Informationen zwischen nichttransitorischen Medien beteiligt. Zu den Übertragungsmedien gehören beispielsweise Koaxialkabel, Kupferdraht und Glasfaserkabel, einschließlich der Drähte, die den Bus 1502 bilden. Übertragungsmedien können auch in Form von Schall- oder Lichtwellen auftreten, wie sie bei der Datenkommunikation über Funk und Infrarot erzeugt werden.
Das Computersystem 1500 umfasst auch eine Kommunikationsschnittstelle 1518, die mit dem Bus 1502 verbunden ist. Die Netzwerkschnittstelle 1518 stellt eine Zweiwege-Datenkommunikationsverbindung zu einer oder mehreren Netzwerkverbindungen her, die mit einem oder mehreren lokalen Netzwerken verbunden sind. Bei der Kommunikationsschnittstelle 1518 kann es sich beispielsweise um eine ISDN-Karte (digitales Netzwerk für integrierte Dienste), ein Kabelmodem, ein Satellitenmodem oder ein Modem handeln, um eine Datenkommunikationsverbindung zu einer entsprechenden Art von Telefonleitung herzustellen. Als weiteres Beispiel kann die Netzwerkschnittstelle 1518 eine LAN-Karte (local area network bzw. Lokalbereichsnetz) sein, um eine Datenkommunikationsverbindung zu einem kompatiblen LAN (oder einer WAN-Komponente für die Kommunikation mit einem WAN) herzustellen. Es können auch drahtlose Verbindungen implementiert sein. In jeder dieser Implementierungen sendet und empfängt die Netzwerkschnittstelle 1518 elektrische, elektromagnetische oder optische Signale, die digitale Datenströme mit verschiedenen Informationstypen übertragen.
Eine Netzverbindung ermöglicht in der Regel die Datenkommunikation über ein oder mehrere Netze zu anderen Datenvorrichtungen. Eine Netzverbindung kann beispielsweise eine Verbindung über ein lokales Netz zu einem Host-Computer oder zu Datengeräten herstellen, die von einem Internetdienstanbieter (ISP) betrieben werden. Der ISP wiederum bietet Datenkommunikationsdienste über das weltweite Paketdatenkommunikationsnetz an, das heute gemeinhin als „Internet“ bezeichnet wird. Sowohl das lokale Netz als auch das Internet verwenden elektrische, elektromagnetische oder optische Signale, die digitale Datenströme übertragen. Die Signale in den verschiedenen Netzwerken und die Signale auf der Netzwerkverbindung und über die Kommunikationsschnittstelle 1518, die die digitalen Daten zum und vom Computersystem 1500 übertragen, sind Beispiele für Übertragungsmedien.
Das Computersystem 1500 kann über das/die Netzwerk(e), die Netzwerkverbindung und die Kommunikationsschnittstelle 1518 Nachrichten senden und Daten, einschließlich Programmcode, empfangen. Beim Beispiel des Internets könnte ein Server einen angeforderten Code für ein Anwendungsprogramm über das Internet, den ISP, das lokale Netz und die Kommunikationsschnittstelle 1518 übertragen.
Der empfangene Code kann vom Prozessor 1504 bei seinem Empfang ausgeführt und/oder in der Speichereinrichtung 1510 oder einem anderen nichtflüchtigen Speicher zur späteren Ausführung gespeichert werden.
Alle in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen Prozesse, Verfahren und Algorithmen können jeweils in Code-Komponenten verkörpert sein, die von einem oder mehreren Computersystemen oder Computerprozessoren mit Computerhardware ausgeführt werden, und vollständig oder teilweise durch diese automatisiert werden. Das eine oder die mehreren Computersysteme oder Computerprozessoren können auch so betrieben werden, dass sie die Ausführung der entsprechenden Operationen in einer „Cloud Computing“-Umgebung oder als „Software as a Service“ (SaaS) unterstützen. Die Prozesse und Algorithmen können teilweise oder vollständig in anwendungsspezifischen Schaltkreisen implementiert sein. Die verschiedenen oben beschriebenen Merkmale und Verfahren können unabhängig voneinander verwendet oder auf verschiedene Weise kombiniert werden. Verschiedene Kombinationen und Unterkombinationen sollen in den Anwendungsbereich dieser Offenbarung fallen, und bestimmte Verfahrens- oder Prozessblöcke können in einigen Implementierungen weggelassen werden. Die hier beschriebenen Verfahren und Prozesse sind auch nicht auf eine bestimmte Reihenfolge beschränkt, und die damit verbundenen Blöcke oder Zustände können in anderen geeigneten Reihenfolgen, parallel oder auf andere Weise ausgeführt werden. Blöcke oder Zustände können zu den offenbarten Beispielen hinzugefügt oder aus ihnen entfernt werden. Die Ausführung bestimmter Operationen oder Prozesse kann auf Computersysteme oder Computerprozessoren verteilt sein, die sich nicht nur auf einer einzigen Maschine befinden, sondern über eine Reihe von Maschinen verteilt sind.
Wie hier verwendet, kann eine Schaltung Form von Hardware, Software oder einer Kombination davon implementiert sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Prozessoren, Controller, ASICs, PLAs, PALs, CPLDs, FPGAs, logische Komponenten, Software-Routinen oder andere Mechanismen implementiert sein, um eine Schaltung zu bilden. Bei der Implementierung können die verschiedenen hier beschriebenen Schaltungen als diskrete Schaltungen implementiert werden, oder die beschriebenen Funktionen und Merkmale können teilweise oder insgesamt auf eine oder mehrere Schaltungen aufgeteilt werden. Auch wenn verschiedene Merkmale oder Funktionselemente einzeln als separate Schaltungen beschrieben oder beansprucht sind, können diese Merkmale und Funktionen von einer oder mehreren gemeinsamen Schaltungen gemeinsam genutzt werden, und eine solche Beschreibung soll nicht voraussetzen oder implizieren, dass separate Schaltungen erforderlich sind, um diese Merkmale oder Funktionen zu implementieren. Wenn eine Schaltung ganz oder teilweise mit Software implementiert ist, kann diese Software so implementiert sein, dass sie mit einem Computer- oder Verarbeitungssystem arbeitet, das in der Lage ist, die beschriebene Funktionalität auszuführen, wie z.B. das Computersystem 1500.
Wie hier verwendet, kann der Begriff „oder“ sowohl im einschließenden als auch im ausschließenden Sinne verstanden werden. Darüber hinaus ist die Beschreibung von Ressourcen, Operationen oder Strukturen im Singular nicht so zu verstehen, dass der Plural ausgeschlossen wird. Bedingte Ausdrücke wie unter anderem „kann“, „könnte“ oder „kann möglicherweise“, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder im Kontext anders verstanden, sollen im Allgemeinen zum Ausdruck bringen, dass bestimmte Implementierungen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte enthalten, während andere Implementierungen diese nicht enthalten.
Die in diesem Dokument verwendeten Begriffe und Ausdrücke sowie deren Abwandlungen sind, sofern nicht ausdrücklich anderes angegeben, nicht als einschränkend, sondern als offen zu verstehen. Adjektive wie „herkömmlich“, „traditionell“, „normal“, „standardmäßig“, „bekannt“ und Begriffe mit ähnlicher Bedeutung sind nicht so zu verstehen, dass sie den beschriebenen Gegenstand auf einen bestimmten Zeitraum oder auf einen zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbaren Gegenstand beschränken, sondern sollten so verstanden werden, dass sie herkömmliche, traditionelle, normale oder Standardtechniken umfassen, die jetzt oder zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft verfügbar oder bekannt sein können. Das Vorhandensein erweiternder Wörter und Formulierungen wie „eine oder mehrere“, „mindestens“, „aber nicht beschränkt auf“ oder ähnlicher Formulierungen in einigen Fällen ist nicht so zu verstehen, dass der engere Fall beabsichtigt oder erforderlich ist, wenn solche erweiternden Formulierungen nicht vorhanden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 17/695673 [0141]

Claims

Ein optischer Multiplexer, der Folgendes umfasst: einen Buswellenleiter; eine erste Resonatorstruktur, die optisch mit dem Buswellenleiter gekoppelt ist, wobei die erste Resonatorstruktur einen optischen Verstärkungsmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er Licht erzeugt, und einen Einmodenfilter, der so konfiguriert ist, dass er das Licht in den Einmodenbetrieb zwingt, umfasst; und eine zweite Resonatorstruktur, die sich von der ersten Resonatorstruktur unterscheidet und optisch an die erste Resonatorstruktur gekoppelt ist, wobei die zweite Resonatorstruktur einen Phasenabstimmungsmechanismus umfasst.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 1, wobei die zweite Resonatorstruktur eine passive Struktur ist, die keine optischen Verstärkungsmechanismen enthält.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Resonatorstruktur Mikroringstrukturen sind.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 1, wobei sich ein Teil des in der ersten Resonatorstruktur erzeugten Lichts in der zweiten Resonatorstruktur ausbreitet, wobei der Phasenabstimmungsmechanismus so konfiguriert ist, dass er das sich in der zweiten Resonatorstruktur ausbreitende Licht verstimmt, indem er eine Phase des Lichts in der zweiten Resonatorstruktur relativ zu einer Phase des in der ersten Resonatorstruktur erzeugten Lichts auf etwa die Hälfte einer Linienbreite der kalten Kavität versetzt.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 4, wobei der optische Verstärkungsmechanismus so konfiguriert ist, dass er das sich in der ersten Resonatorstruktur ausbreitende Licht moduliert, und das verstimmte Licht sich mit dem sich in der ersten Resonatorstruktur ausbreitenden Licht auf der Basis der Modulation koppelt, um bandbreitenerweitertes Licht bereitzustellen, wobei das bandbreitenerweiterte Licht eine Bandbreite aufweist, die größer ist als die Linienbreite des in der ersten Resonatorstruktur erzeugten Lichts.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 4, wobei der Phasenabstimmungsmechanismus so konfiguriert ist, dass er die Phase des Lichts in der zweiten Resonatorstruktur versetzt, indem er eine Änderung des Brechungsindex eines Wellenleiters in der zweiten Resonatorstruktur durch Ladungsträgerakkumulation, Ladungsverarmung und/oder Änderung der Temperatur von mindestens einem Teil des Wellenleiters induziert.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 1, wobei der optische Verstärkungsmechanismus so konfiguriert ist, dass er Licht durch Self-Seeding erzeugt.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 1, wobei der optische Verstärkungsmechanismus umfasst: eine Kathode, die auf einem Wellenleiter der ersten Resonatorstruktur gebildet ist; eine Mesa-Struktur, die auf der Kathode gebildet ist, wobei die Mesa-Struktur ein optisch aktives Medium umfasst; und eine auf der Mesa-Struktur gebildete Anode, wobei das optisch aktive Medium auf der Basis einer zwischen der Kathode und der Anode angelegten Vorspannung Licht emittiert.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 8, wobei das optisch aktive Medium eines oder mehrere von Folgendem umfasst: Quantenpunkte, Quantentöpfe und Quanten-Strich-Strukturen.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 1, wobei der Phasenabstimmungsmechanismus einen heterogenen Metalloxid-Halbleiter- (MOS-) Kondensator umfasst.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 10, wobei der MOS-Kondensator Folgendes umfasst: eine erste Halbleitermaterialschicht, die ein erstes Material umfasst, das in einem Wellenleiter der zweiten Resonatorstruktur gebildet ist; eine zweite Halbleitermaterialschicht, die in dem Wellenleiter gebildet ist und ein zweites Material umfasst, das sich von dem ersten Material unterscheidet; und eine Grenzflächenoxidschicht, die zwischen der ersten Halbleitermaterialschicht und der zweiten Halbleitermaterialschicht gebildet ist, wobei Änderungen der Ladungsträgerkonzentration an der Grenzflächenoxidschicht auf der Basis einer an die erste und zweite Halbleitermaterialschicht angelegten Vorspannung auftreten, wobei die Änderung der Ladungsträgerkonzentration eine Phasenverschiebung in dem Wellenleiter induziert.
Optischer Multiplexer nach Anspruch 11, wobei der MOS-Kondensator weiterhin umfasst: eine dritte Halbleitermaterialschicht, die das zweite Material umfasst, das in dem Wellenleiter gebildet ist, wobei die dritte Halbleitermaterialschicht so konfiguriert ist, dass sie die induzierte Phasenverschiebung verstärkt.
Ein Verfahren zum Multiplexen, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugung von Einmodenlicht in einer ersten Resonatorstruktur, wobei die erste Resonatorstruktur einen optischen Verstärkungsmechanismus und einen Einmodenfilter umfasst; Verstimmen einer Phase von Licht, das sich in einer zweiten Resonatorstruktur ausbreitet, relativ zu einer Phase des in der ersten Resonatorstruktur erzeugten Einmodenlichts auf etwa die Hälfte der Linienbreite der kalten Kavität, wobei das sich in der zweiten Struktur ausbreitende Licht über optische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Resonatorstruktur empfangen wird; und Ausgeben eines bandbreitenerweiterten Lichts auf einen Buswellenleiter über optische Kopplung mit der ersten Resonatorstruktur, wobei das bandbreitenerweiterte Licht das Einmodenlicht aus der ersten Resonatorstruktur und das verstimmte Licht aus der zweiten Resonatorstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Anlegen einer Vorspannung an den optischen Verstärkungsmechanismus umfasst, wobei der optische Verstärkungsmechanismus eines oder mehrere von Quantenpunkten, Quantentöpfen und Quanten-Strich-Strukturen umfasst, die in Reaktion auf die angelegte Vorspannung Licht emittieren.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner Folgendes umfasst: Modulieren der optischen Verstärkung des Einmodenlichts zwischen dem Zustand der kalten Kavität und einem zweiten Verstärkungszustand über den optischen Verstärkungsmechanismus, wobei das Modulieren der optischen Verstärkung eine Nebenmode im zweiten Verstärkungszustand und eine Lasermode im Zustand der kalten Kavität erzeugt; und Koppeln der Nebenmode mit der Lasermode, um das bandbreitenerweiterte Licht auf der Basis der Verstimmung des sich in einer zweiten Resonatorstruktur ausbreitenden Lichts relativ zu einer Phase des in der ersten Resonatorstruktur erzeugten Einmodenlichts auf etwa die Hälfte der Linienbreite einer kalten Kavität zu erzeugen, wobei die Nebenmode in der zweiten Resonatorstruktur resonanzverstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verstimmen einer Phase von Licht, das sich in einer zweiten Resonatorstruktur ausbreitet, relativ zu einer Phase des in der ersten Resonatorstruktur erzeugten Einmodenlichts auf etwa die Hälfte der Linienbreite der kalten Kavität umfasst, dass ein mit der zweiten Resonatorstruktur gekoppelter Phasenabstimmungsmechanismus gesteuert wird, um eine Resonanzfrequenz der zweiten Resonatorstruktur auf der Basis von Trägerinjektion, Ladungsverarmung und/oder Temperaturänderung von mindestens einem Teil der zweiten Resonatorstruktur abzustimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst, einen Qualitätsfaktor (Q-Faktor) der ersten Resonatorstruktur so einzustellen, dass er ungefähr gleich einem Q-Faktor der zweiten Resonatorstruktur ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst, einen Kopplungskoeffizienten der optischen Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Resonatorstruktur zu optimieren.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst, einen Kopplungskoeffizienten der optischen Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Resonatorstruktur zu optimieren.
Ein Mehrringresonator, der Folgendes umfasst: einen ersten Mikroringresonator; einen optischen Verstärkungsmechanismus, der ein optisch aktives Medium umfasst, das dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf eine Vorspannung Licht in den ersten Mikroringresonator zu emittieren, wobei der optische Verstärkungsmechanismus auf dem ersten Mikroringresonator angeordnet ist; einen zweiten Mikroringresonator, der optisch mit dem ersten Mikroringresonator gekoppelt ist; und einen Metalloxid-Halbleiter- (MOS-) Kondensator, der in dem zweiten Mikroringresonator gebildet ist.