KR20120037458A - 개선된 효율 및 처프 제어를 갖는 실리콘 기반 광 변조기 - Google Patents

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Abstract

변조 소자의 분리된 제 1 영역을 별도로 바이어스시킴으로써, 개선된 변조 효율 및 "처프"의 제어를 나타내는 실리콘 기반 광 변조기를 제공한다. 구체적으로, 공통 노드는 실리콘 기반 광 변조기의 전압 스윙을 축적 영역으로 이동시키도록 바이어스되어, 인가된 전압의 함수에 따라 더 큰 위상 변화를 나타내고(더 큰 OMA), 소광비가 개선된다. 또한, 축적 영역에서 응답은 상대적으로 선형이며, 처프를 보다 용이하게 제어하게 한다. 전기 변조 입력 신호(및 그러한 전기 변조 입력 신호의 역)는 변조기의 각각의 암의 제 2 영역(예컨대, SOI 영역)에 분리 입력으로 인가된다.

Description

개선된 효율 및 처프 제어를 갖는 실리콘 기반 광 변조기{SILICON-BASED OPTICAL MODULATOR WITH IMPROVED EFFICIENCY AND CHIRP CONTROL}
본원은 2009년 6월 12일 출원된 미국 가출원번호 61/186,693을 기초로 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기에서 참조로 도입된다.
본 발명은 일반적으로 실리콘 기반 광 변조기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 변조기의 전압 스윙을 실리콘 기반 장치의 축적 영역으로 한정시키도록 장치의 일 노드(예컨대, 폴리실리콘 영역)를 개별적으로 바이어스시킴으로써, 실리콘 기반 광 변조기 내에서 개선된 변조 효율 및 "처프(chirp)"(즉, 시변 광 위상)의 제어를 제공하는 성능에 관한 것이다.
수년 동안, 광 변조기는 리튬 니오븀산염과 같은 전자-광학 물질로 만들어져 왔다. 광 도파관은 각각의 도파관 암의 표면 상에 배치되는 금속 접촉 영역과 함께 전자-광학 물질 내에 형성된다. 연속파(continuous wave, CW) 광신호는 도파관 내로 인입되며, 전기 데이터 신호 입력은 금속 접촉 영역에 입력하여 인가된다. 인가된 전기 신호는 접촉부 아래의 도파관 영역의 굴절률을 변경시켜, 도파관을 따라 전파 속도를 변경시킨다. 두 개의 암 간의 π 위상 편이를 발생시키는 전압을 인가함으로써, 비선형 (디지털) 마하-젠더 변조기가 형성된다.
이러한 타입의 외부 변조기는 큰 유용성을 제공하여 왔지만, 실리콘 기반 플랫폼 상에 다양한 광학 컴포넌트, 서브 시스템 및 시스템을 형성하는 것에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, 동일한 실리콘 기판 상에 광학 컴포넌트와 함께 그러한 시스템과 관련된(예컨대, 전자-광학 변조기를 위한 입력 전기 데이터 구동 회로) 다양한 전자 컴포넌트를 집적하는 것이 요구된다. 명백하게, 이러한 상황에서 리튬 니오븀산염 기반 광학 장치는 선택사항이 아니다. 유사하게, 다른 다양한 종래의 전자-광학 장치는 실리콘 플랫폼과 직접적으로 양립될 수 없는 물질(III-V족 화합물)이다.
2005년 1월 18일 R.K.Montromery 등에게 등록되고, 이 출원의 양수인에게 양도되고, 도 1을 참조하여 여기에서 도입되는 미국 특허 6,845,198에 개시된 바와 같은 실리콘 기반 플랫폼 내의 광학 변조기를 제공하기 위한 능력으로 상당히 발전되어 왔다. 도 1은 Montgomery 등의 특허에 개시된 바와 같은 실리콘 기반 변조 소자의 일 예시적인 배치를 도시한다. 이러한 경우, 실리콘 기반 광 변조기(1)는 도핑된 실리콘층(2)(일반적으로 폴리실리콘)을 포함하되, 상기 도핑된 실리콘층(2)은 반대 타입으로 도핑된 초미세 두께 실리콘 표면층(3)(기술분야에서 종종 SOI 층으로 언급됨)의 일부와 중첩되어 배치된다. SOI 층(3)은 종래의 SOI(silicon-on-insulator) 구조물(4)의 표면층으로 도시되며, 상기 SOI 구조물(4)은 실리콘 기판(5) 및 매입된 산화물층(6)을 더 포함한다. 중요한 것은, 상대적으로 얇은 유전층(7)(예컨대, 실리콘 다이옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 칼륨 옥사이드, 비스무트 옥사이드, 하프늄 옥사이드 또는 다른 고 유전상수 전기 유전 물질)은 SOI 층(3)과 도핑된 폴리실리콘 층(2) 사이의 중첩된 영역을 따라 배치된다. 폴리실리콘 층(2), 유전층(7) 및 SOI 층(3)에 의해 정의되는 중첩된 영역은 광 변조기(1)의 "활성 영역(active layer)"을 정의한다. 일 실시예에서, 폴리실리콘 층(2)은 p-도핑될 수 있고, SOI 층(3)은 n-도핑될 수 있고; 또한, 상보적으로 도핑된 배치(즉, n-도핑된 폴리시리콘층(2) 및 p-도핑된 SOI 층(3))도 이용될 수 있다.
도 2는 변조기(1)의 활성 영역의 확대도이며, 구조물을 통해 전파되는(도면이 도면에 수직인 방향으로 전파됨) 신호와 관련된 광 강도를 도시하고, 또한 폴리실리콘 층(2)과 SOI 층(3) 사이의 중첩된 영역의 너비(W)를 도시한다. 작동시, 자유 캐리어는 SOI 층(3) 및 도핑된 폴리실리콘 층(2)에 인가된 전압의 함수에 따라 유전층(7)의 측 중 하나 상에 축적되거나 공핍될 것이다. 자유 캐리어 농도의 변조는 활성 영역에서 유효 굴절률을 변화시키고, 따라서 활성 영역에 의해 정의되는 도파관을 따라 전파되는 광신호의 위상 변조를 개시한다. 도 2의 다이어그램에서, 광신호는 y-축, 즉 도면에 수직인 방향을 따라 전파될 것이다.
리튬 니오븀산염 변조기에 비해 상당한 개선을 갖는 것으로 고려되지만, 일반적인 실리콘 기반 광 변조기 및 도 1의 예시적인 구성은 특히 변조기의 두 개의 암 간의 고유 위상 응답 및 광 손실 차이로 인해 처프가 발생하는 것으로 알려져 있다. 처프는 분산 섬유를 통해 전파됨에 따라 광신호의 전송 거동에 악영향을 미칠 수 있는 시변 광 위상이다. 광 변조기의 처프 거동은 종종 "알파 파라미터(alpha parameter)"를 사용하여 특징지워지며, 변조기에 의해 발생하는 휘도 변조의 양으로 정규화되는 위상 변조의 양으로 정의된다. 알파(α) 파라미터는 다음과 같이 정의될 수 있고, 0, 양의 값 또는 음의 값으로 나타날 수 있다.
Figure pct00001
일부 적용에서, 분산이 범위를 제한하기 전, 광섬유와 같은 분산 매체를 따라 신호의 전송 거리를 연장하도록, 적은 양의 음의 처프(즉, 작은 음의 알파 파라미터)를 갖는 것이 바람직하다.
종래의 실리콘 기반 광 변조기는 비선형 위상 대 구조물의 "인가된 전압" 응답의 결과로서 비-제로 처프(대칭 구동 배열로 구성된 경우조차 그러함)를 나타내는 것으로 알려져 있다. 변조 속도 또는 변조된 광신호에 의한 이동 거리 중 하나를 증가시키는 것은, 전송 섬유의 분산 특성이 훨씬 큰 영향을 가질 것이기 때문에, 단지 처프 문제를 악화시키는 것으로 알려져 있다.
도 3은 도 1의 종래의 장치에 대한 인가된 전압의 함수에 따른 실리콘 기반 광 변조기의 위상 변조 그래프를 도시한다. 이러한 구체적인 종래의 장치를 이용하는 교차 결합된 MZI 배열에서, 구동 전압은 -1.3 V와 +1.3 V의 값 사이(이러한 값은 변조기를 위한 구동기 회로로 사용되는 특정 전자장치와 관련됨)에서 스윙하는 것으로 정의되고, 변조 소자의 공핍 영역으로부터 장치의 축적 영역을 가로지른다.
도시된 바와 같이, -/+1.3 V 범위에 걸친 위상 변조의 변화(Δ위상 변조)는 주로 장치의 공핍 영역에서 상대적으로 약한 응답으로 인해 상대적으로 작다. 이러한 공핍 영역에서의 최소 위상 변화는 도 1의 종래의 구조물의 변조 효과의 제한을 초래한다. 또한, 전압 스윙 -/+1.3 V은 단지 예시적인 것이고, 특정 설계 파라미터와 관련되며; 또한 다양한 다른 전압 범위는 종래의 장치와 유사하게 사용될 수 있음이 이해된다.
따라서, 종래 기술에 있어서 변조 효율, 소광비(extinction ratio) 및 처프 파라미터의 제어가 개선된 실리콘 기반 광 변조기를 위한 기술이 요구된다.
본 발명은 개선된 효율 및 처프 제어를 갖는 실리콘 기반 광 변조기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
종래의 기술에 남아있는 요구사항은 본 발명에 의해 다루어지며, 본 발명은 실리콘 기반 광 변조기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 장치의 제 1 노드(예컨대, 변조기의 실리콘(SOI 영역)에 전기 데이터 변조 신호를 인가하면서, 장치의 제 2 노드(예컨대, 변조기의 폴리실리콘 영역)를 개별적으로 바이어스시킴으로써, 개선된 변조 효율 및 "처프"(즉, 시변 광 위상)의 제어를 제공하는 능력에 관한 것이다. 특히, 제 2 노드(또한, 이하 "공통 노드(common node)"로 언급됨)는 작동의 축적 영역으로 실리콘 기반 광 변조기의 전압 스윙을 이동시키도록 바이어스되고, 인가된 전압의 함수에 따라 더 큰 위상 변화를 나타내고, 그 결과 광 변조 진폭(optical modulation ampitude, OMA)이 더 커지고(그리고 더 직선형이 됨) 및 소광비가 개선된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 실리콘 기반 광 변조기 구조물의 중첩 폴리실리콘 층은 공통 노드로 정의되고, 변조기와 관련된 공급 전압(Vdd, Vss)와 다른 바이어스 전압으로 유지된다. 이러한 특정 실시예에서, 전기 데이터 신호(및 그 전기 데이터 신호의 역)는 변조기의 각각의 암의 SOI 층에 개별적인 입력으로 인가된다. 폴리실리콘 층이 상이한 바이어스 전압으로 유지됨으로써, 변조기의 전압 스윙은 축적 영역으로 이동되고, 보다 선형인 응답을 나타내고, 그 결과, 더 큰 변조 효율(인가된 전압의 함수에 따른 더 큰 위상 변화), 더 큰 소광비 및 장치의 처프의 제어를 위한 성능을 개선시킨다.
대안적인 실시예에서, SOI 층은 SOI 층에 인가된 음의 값 바이어스 전압을 갖는 "공통 노드"로 정의된다. 이 경우, 전기 데이터 신호(및 그 전기 데이터 신호의 역)은 변조기의 각각의 암의 폴리실리콘 층에 개별적인 입력으로 인가된다. 따라서, SOI 층을 가로지르는 음의 바이어스는 전술한 바와 같이 바람직한 축적 영역으로 변조기가 동작하게 할 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 분리되고 서로 다른 바이어스 전압은 변조기의 각각의 암의 제 2 노드에 인가된다(비대칭 바이어스 구성). 개별적인 바이어스 전압의 사용은 변조기의 각각의 암을 따라 겪는 상대적인 위상 지연을 변경함으로써 추가적인 처프 제어를 허용한다.
임의의 실시예에서, 추가적인 캐패시턴스는 개별적으로 바이어스된 공통 노드와 공급 전압 간의 개별적인 디커플링을 증가시키도록, 그 사이에 추가될 수 있다.
본 발명의 "공통 노드" 바이어스 구성의 장점은(종래의 실리콘 기반 변조기와 비교하는 경우) 종래의 전기 구동기 회로와 관련된 표준 공급 전압(Vdd, Vss)을 변경할 필요 없이, 변조기의 변조 효율, 소광비 및 처프가 개선되고 더 양호하게 제어되는 것이다. 다시 말해, 본 발명에 따라 공통 노드 바이어스를 사용하는 실리콘 기반 변조기의 성능은 변조기와 관련된 표준 회로를 변경 또는 수정해야할 필요 없이, 종래 기술에 비해 상당히 개선된다.
본 발명의 다른 실시예 및 장점은 아래의 서술 및 첨부된 도면을 참조하여 명백해질 것이다.
이제 도면을 참조하면, 몇몇 도면에서 유사한 숫자는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 광신호의 변조를 제공하도록 사용되는 종래의 실리콘 기장 광학 장치의 측면도이다.
도 2는 도 1의 장치의 확대도이며, 중첩 구성을 도시하며, 광 변조의 활성 영역과 관련된다.
도 3은 도 1의 장치에 대한 인가된 전압의 함수에 따른 위상 변조의 그래프이다.
도 4a는 도 1에 도시된 바와 같은 한 쌍의 실리콘 기반 변조 소자를 사용하도록 형성된 종래의 마하-젠더 간섭계(MZI)의 간략화된 다이어그램이다.
도 4b는 예시적인 실리콘 기반 변조 소자의 중첩 광 활성 영역의 간략화된 도면이다.
도 4c는 도 4b의 활성 영역의 개략적인 도면이다.
도 5는 도 4a의 MZI의 개략적인 도면이다.
도 6은 본 발명에 따라 형성된 MZI의 간략화된 도면으로서, 도 6a는 실리콘 변조 소자 구조물의 폴리실리콘 층에 인가되는 분리 전압을 이용하는 본 발명의 일 실시예를 도시하며, 도 6b는 실리콘 변조 소자 구조물의 SOI 층에 인가되는 분리 전압을 이용하는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 7a는 도 6a의 MZI의 개략적인 도면이며, 도 7b는 도 6b의 MZI의 개략적인 도면이다.
도 8은 종래의 장치와 본 발명의 장치의 광 변조 진폭(OMA)을 비교한 그래프이다.
도 9는 종래의 장치와 본 발명의 장치의 소광비를 비교한 그래프이다.
도 10은 도 6a의 실시예의 또 다른 구성의 개략적인 도면이며, 이 경우 MZI 구조물의 폴리실리콘 층과 접지 전위 사이에 바이패스 캐패시턴스를 포함한다.
도 11은 본 발명의 대안적인 실시에의 개략도이며, 이 경우 MZI 구조물의 각각의 암의 공통 노드(이 경우, 폴리실리콘 영역)을 바이어스시키도록 분리 전압원을 이용한다.
도 12는 도 11의 실시예의 개략도이다.
도 13은 도 11의 실시예의 또 다른 구성의 개략도이며, 이 경우 이러한 구성은 바이패스 캐패시턴스를 포함한다.
실리콘 기반 광 변조기에서 개선된 변조 효율 및 처프(chirp) 제어를 위한 "공통 노드" 바이어스의 이용에 대해 설명하기에 앞서, 보다 상세하게 작동에 대한 이해를 제공하도록 종래의 실리콘 기반 광 변조기를 고려한다. 도 4a는 예시적인 종래의 마하-젠더 간섭계(Mach Zehnder Interferometer, MZI)(10)의 간략화된 블록 다이어그램이며, 상기 마하-젠더 간섭계(10)는 한 쌍의 분리형 평행 도파 암(12 및 14)으로 분리되는 입력 도파관부(9)를 포함한다. 도파 암(12 및 14)의 반대측 단부는 이후 다시 결합되어 출력 도파관부(11)를 형성한다. 도시된 바와 같이, 도파 암(12 및 14)은 각각 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이 실리콘 기반 위상 변조 소자(1)를 포함한다. 특히, 도파 암(12)은 변조 소자(1-L)(폴리실리콘 영역(2-L) 및 SOI 영역(3-L)을 포함함)를 포함하고, 도파 암(14)은 변조 소자(1-R)(폴리실리콘 영역(2-R) 및 SOI 영역 (3-R)을 포함함)를 포함한다. 변조 소자(1-L 및 1-R)는 전술한 바와 같이 전기 데이터 입력 신호를 인가함으로써 제어된다. 작동시, CW 광신호는 입력 도파관부(9)로 도입되어, 이후 둘 모두의 암(12 및 14)으로 전파될 것이고, 그 후 출력 신호는 암(12 및 14)으로부터 출력 도파관부(11)를 따라 재결합된다. 변조 소자(1-L 및 1-R)로의 전기 데이터 신호 입력은 전파되는 광신호 상에서 위상 변화를 발생시켜, 출력 도파관부(11)를 따라 변조된 광 출력 신호를 생성한다.
도 4b에서 예시적인 변조 소자(1)의 단면이 도시되며, 도 4c에서 그러한 변조 소자(1)의 등가 회로가 도시되고, 이러한 예에 대하여, 폴리실리콘 층(2)은 p-도핑된 층으로 정의되고, SOI 층(3)은 n-도핑된 층으로 정의된다(명백하게, 상보적으로 도핑된 구성이 또한 사용될 수 있음).
종래의 변조기자변조 소의 예시적인 작동 구성은 도 5에서 개략적인 도면으로 도시된 바와 같은 "교차 연결된 푸시풀(cross-coupled, push-pull)" 장치와 같다(또한 도 4를 참조함). 이러한 구성에서, 전기 데이터(DATA) 신호는 장치(1-L)의 폴리실리콘 영역(2-L)에 인가되고, 또한 장치(I-R)의 SOI 영역(3-R)에 인가된다. 상보적 데이터(DATA) 신호는 나머지 영역의 쌍, 즉 SOI 영역(3-L) 및 폴리실리콘 영역(2-R)에 인가된다. 따라서, 이러한 구성에서, Vdd - Vss의 최대 전압 스윙은 각각의 암(12 및 14)을 가로질러 인가된다. 따라서, Vdd = 1.3 V 및 Vss = 0.0 V인 경우(이러한 전압들은 표준적인 종래의 전기 구동 회로 구성과 관련됨), 각각의 변조 소자(1-L 및 1-R)를 가로지르는 전압은 ±1.3 V일 것이다. 이러한 교차 연결된 구성은 상대적으로 낮은 순수 등가 캐패시턴스를 제안하며, 이것은 장치 대역폭을 위해 유리하다.
하지만, 종래의 교차 연결된 변조기 구성은 실리콘 기반 변조 소자(1-L 및 1-R)에 대한 광 위상 변화를 고려하면 최적이 아니며, 공핍 모드(< 0 V)에서의 동작은 도 3에 일부 도시되며 전술한 바와 같이 장치가 축적 모드에서 동작하는 경우(이러한 특정 구성에 대해 약 0.9 V 보다 큼)만큼 위상 변화가 크지 않다. Vss 및 Vdd의 전압이 일반적으로 대부분의 상업적인 장치에 대해 고정되어 있기 때문에, 이러한 변조 소자의 특정 비선형 거동은 공핍 모드에서 동작하는 경우 문제가 발생하고, 상대적으로 낮은 변조 효율 및 값이 고정된 처프를 산출한다.
종래의 교차 연결된 변조기 구성과 관련된 제한은 본 발명에 의해 다루어지며, 본 발명은 실리콘 기반 변조기 구조물 내의 선택된 공통 노드를 개별적으로 바이어스시켜 변조기의 작동 영역을 보다 선형인 축적 영역으로 변화시키고, 인가된 전압의 함수에 따라 위상 변화를 증가시킨다. 일 실시예에서, 폴리실리콘 층은 공통 노드로 정의되며, 장치의 축적 영역으로 변조 기능을 변경하도록 양의 전압으로 바이어스된다. 대안적인 실시예에서, SOI 층은 공통 노드로 정의되며, 음의 전압으로 바이어스되고, 상기 음의 전압은 유사하게 바람직한 축적 영역으로 변조 기능을 변경시킬 것이다. 축적 영역에서만 동작함으로써, OMA 및 소광비는 크게 증가되고, 동시에 폴리실리콘 층에 인가되는 전압을 제어하는 것이 변조기에 의해 나타나는 처프의 제어 및 조절을 위해 허용된다.
도 6a는 본 발명에 따라 형성되는 실리콘 기반 광 변조기(100)의 제 1 실시예를 도시하며, 유사한 참조번호는 종래기술에 관하여 언급한 영역과 동일한 영역을 정의하기 위해 사용된다. 도 7a는 도 6a의 구성의 개략적인 등가물이다. 도 6a 및 도 7a 둘 모두를 참조하면, 공통 노드는, 함께 연결되고 기결정된 (양의) 전압(+Vcom)으로 유지되는 폴리실리콘 영역(2-L 및 2-R)에 의해 정의되는 것으로 도시된다. 전기 데이터 신호(도면에 DATA로 도시됨)는 SOI 영역(3-L)에 변조 입력으로서 인가되고, 상보적인 신호 데이터(DATA)는 SOI 영역(3-R)에 입력으로서 인가된다. 그 후, 이러한 구성은 광 변조기(100)의 각각의 암(12 및 14)을 가로질러 (Vcom-Vdd) 및 (Vcom-Vss)의 전압으로 놓인다(도 7a 참조). 일 예시적인 구성에서, 전압은 Vcom = +2.2 V, Vss = 0.0 및 Vdd = +1.3일 수 있고, 따라서 변조 소자(1-L 및 1-R)를 가로지르는 전압은 0.9 V 또는 2.2 V로 제공된다.
도 6b는 이러한 제 1 실시예의 상보적인 형태를 도시하며, SOI 영역(3-L 및 3-R)은, 함께 연결되고 기결정된 (음의) 전압(-Vcom)으로 바이어스된 공통 노드로 정의된다. 이 경우, 변조 신호 데이터(DATA)는 폴리실리콘 영역(2-L)에 입력 및 폴리 실리콘 영역(2-R)에 연결되는 변조 신호 데이터의 상보적인 데이터(DATA)로 인가된다. 도 7b는 이러한 상보적인 형태의 개략적인 버전을 도시하며, 또한, SOI 영역(3-L 및 3-R)에 음의 바이어스 전압 인가는 장치의 축적 영역으로 변조 기능의 동작을 변경할 것이다. 도 6a와 관련하여 전술한 것과 동일한 Vdd 및 Vss를 갖고, Vcom = -0.9 V인 경우, 변조 소자(1-L 및 1-R)를 가로지르는 전압 스윙은 또한 0.9 V 또는 2.2 V일 것이다.
명백하게, 이러한 특정 전압은 단지 예시적인 것이며, 특정 전자 구동 회로의 기능에 따라 Vdd 및 Vss를 위한 다양한 다른 값들이 사용될 수 있다. Vcom의 크기는 변조 소자(층(7))의 유전 물질의 항복 전압보다 작게 유지되는 것이 필요하지만, 특정 적용을 위해 선택될 수 있다(그리고 아래에서 논의될 바와 같이 수정될 수 있음). Vcom에 대한 양의 전압은 폴리실리콘 영역을 바이어스시키는 경우 사용되고, Vcom에 대한 음의 전압은 본 발명의 변조 소자 내의 SOI 영역을 바이어스시키는 경우 사용된다.
또한, 도 3은 본 발명의 장치의 작동 영역을 도시하며, 이 경우 도 6a 및 도 6b의 실시예와 관련하여 전술한 0.9 내지 2.2 V의 예시적인 값들 간에 생성되는 위상 변조를 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 공통 노드 바이어스는 실리콘 기반 광 변조기의 작동을 실리콘 기반 광 변조기의 축적 영역으로 한정시키도록 기능한다. 종래의 전압 배치와 비교하여, 본 발명의 변조기(100)의 "공통 노드" 배치는 동일한 공급 전압(Vdd, Vss)에 대해 축적 영역의 선형 응답을 가로지르는 위상 변조의 큰 변화를 갖는 더 큰 변조 효율을 제안한다.
실제로 본 발명의 배치는 동일한 전원장치에 대해 종래의 구성으로부터 얻을 수 있던 것보다 더 큰 광 변조 진폭(optical modulation amplitude, OMA) 및 소광비를 제공한다. OMA는 광 "1"(전력 레벨 P1으로 정의됨) 및 광 "0"(전력 레벨 P0으로 정의됨)을 생성하는 경우 광 전력 레벨들 간의 차이로 정의되고, P1-P0로 표현될 수 있다. 도 8은 도 4의 종래기술의 구성에 대한 OMA 값과 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 "공통 노드"의 독창적인 구성을 비교한 그래프이다. OMA는 광 변조 소자(1)의 길이(l)의 함수로서 도시된다. 도 8에 도시된 값은 1550 nm의 예시적인 작동 파장에 대해 생성되며, 200 내지 600 ㎛ 범위 내의 길이를 갖는 변조 소자에 대해 실리콘 기반 광학 변조 소자의 축적 영역에서 작동한 결과, 본 발명의 구성에 대한 OMA가 종래기술의 OMA보다 상당히 더 큰 것이 명백히 확인된다. 본 발명의 변조 소자는 임의의 적절한 파장(예컨대, 1100 nm보다 큰 파장)에서 입력되는 광신호를 사용하여 작동될 수 있으며, 1550 nm의 파장은 단지 설명을 위해 정해진 것이고; 유사하게 장치의 길이(l)는 장치의 기술 파라미터를 기반으로 임의의 적합한 값을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 장치와 관련된 소광비는 도 9의 그래프에 도시된 바와 같이, 종래기술의 소광비보다 개선된다. 소광비는 위에서 정의된 전력의 비, 즉 비율 P1/P0으로 정의될 수 있고, 또한 변조 소자(1)의 길이(l)의 함수로서 도 9에 도시된다. 일반적으로 변조기의 비트 에러 비율(bit error rate, BER)을 최소화하기 위해 가능한 한 큰 소광비를 갖는 것이 바람직하다. 도시된 바와 같이, 장치 길이(l)에 대하여 200 내지 700 ㎛ 범위 내에서 본 발명의 구성과 관련된 소광비는 종래기술의 소광비보다 상당히 크다. 예컨대, 400 ㎛ 길이에서, 종래의 변조기는 약 7 dB의 소광비를 나타내는 반면에, 본 발명의 "공통 노드" 변조기는 약 13 dB의 소광비를 나타낼 것이다. 약 500 ㎛로의 길이 증가는 본 발명의 구성의 소광비를 20 dB 이상 증가시킨다. 외견상으로 소광비에서의 작은 개선은 일정한 BER을 유지하도록 요구되는 전력의 상대적으로 큰 차이를 만들 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예가 여전히 대칭적인 푸시풀 구성이라 하더라도, 본 발명의 실시예는 0.9 내지 2.2 V 범위 내에서 보다 선형이기 때문에, 종래기술과 비교하는 경우 감소된 처프를 나타낼 것이다(도 3 참조).
도 6 및 도 7의 실시예의 또 다른 구성에서, 전압(Vcom)은 OMA, 소광비 및 처프 거동 중 하나 이상을 조정 또는 제어하기에 적합할 수 있다. 실제로, 유전층(7)(도 1 참조)의 항복 전압까지 중 임의의 전압은 변조 소자의 공통 노드 영역을 성공적으로 바이어스시키기 위해 이용될 수 있고, 그에 따라 OMA, 소광비 또는 나타나는 처프를 요구되는 크기 및 값으로 조정/제어할 수 있다. 이러한 다른 배치의 제 1 구성에서, 전압(Vcom)은 최적의 값으로 선택되도록 제조 중 "조정(tuned)"되고, 그리하여 그러한 값(예컨대, 변조 소자의 특정 물리적인 크기의 함수와 같음)을 유지하도록 설정될 수 있다. 대안적으로, 조정 가능한 구성의 또 다른 구성은 전압(Vcom)이 변조 소자의 수명에 대해 연속적으로 조절(조정)되게 하고, 특정 상황을 위해 요구되는 정도의 처프를 제공하기 위해 작동 조건(예컨대, 광신호 파장, 전체 시스템의 광 링크 버짓(budget), 전원장치 전압 레벨, 환경적인 조건, 에이징(aging) 조건 등)의 함수에 따라 공통 노드 바이어스 전압을 수정하는 것이 바람직할 수 있다. 실제로, 전술한 바와 같이 상이한 적용들은 서로 다른 처프의 양을 필요로 할 수 있고(크기 및 사인 둘 모두에 대해서임), 각각의 적용에 대해 OMA, 소광비 및/또는 처프를 조절하는 성능은 본 발명의 상당한 장점으로 고려된다.
도 6의 구성보다 개선된 전기적 성능은 전압들(Vcom 및 Vss) 사이에 추가적인 캐패시턴스를 제공함으로써 달성되며, 변조기(100)가 인가된 전압을 스위칭함으로써 상태를 변경하는 경우 직렬 저항 및 인덕턴스의 영향을 완화시킨다. 도 10은 도 6a의 이러한 구성의 개략적인 도면이며, +Vcom 및 Vss 사이에 형성되는 바이패스 캐패시터(20)를 갖는다. 바람직하게는, 이러한 캐패시턴스는 도핑된 폴리실리콘 부분(2-B), 유전층(7) 및 도핑된 SOI 층 부분(3-B)을 포함하는 SOI 구조물 내에 직접적으로 형성될 수 있고, 이상적으로 변조기(100)의 MZI 구조물에 인접하여 배치된다. 대안적으로, 다른 물질은 변조기(100)가 함께 집적된 구조물로서 바이패스 캐패시터(20)를 형성하기 위해 사용될 수 있거나, 또 다른 실시예에서, 개별적인 용량성 장치가 사용될 수 있다.
비대칭적인 실시예로서 언급되는 본 발명의 또 다른 실시예가 도 11에 도시되며, 도 12에 그러한 실시예의 개략적인 도면이 도시된다. 이러한 실시예에서, 폴리실리콘 층은 "공통 노드"로 사용되며, 변조기(100)의 각각의 암(12 및 14)의 폴리실리콘 층에 인가되는 개개의 바이어스 전압을 갖는다. 도시된 바와 같이, 전압(Vcom-L)은 변조기(100)의 암(12)을 따라 배치되는 변조 소자(1-L)의 폴리실리콘 영역(2-L)에 인가된다. 전압(Vcom -R)은 개별적으로 변조기(100)의 암(14)을 따라 배치되는 변조 소자(1-R)의 폴리실리콘 영역(2-R)에 인가된다. 전압(Vcom -L 및 Vcom -R)은 동일할 수 있는 반면에, 다소간 차이가 있어 비대칭적인 구성을 생성할 수 있다. 그 결과, 변조기(100)의 암(12 및 14)은 상이한 위상 변조 효과를 가지며, 더 큰 변조기 처프를 유도할 것이다. 따라서, 처프의 사인(sign) 및 거동은 전압(Vcom -L 및 Vcom -R)을 독립적으로 조절함으로써 제어될 수 있고, 또한, +90°로부터 -90°까지 변조기의 직교 위상(quadrature) 바이어스 지점을 변경함으로써 제어될 수 있다.
대칭적인 구성과 마찬가지로, 도 11의 비대칭적인 배치는 바이패스 캐패시턴스를 포함하도록 구성될 수 있고, 이러한 경우, 도 13의 배치에 도시된 바와 같이 한 쌍의 바이패스 캐패시터(22 및 24)가 이용될 수 있다(또한 이러한 비대칭적인 배치에서 단지 하나의 바이패스 캐패시터가 사용될 수 있음이 이해된다). 추가적으로, 캐패시턴스는 각각 폴리실리콘 영역 사이에 삽입될 수 있고, 도 13에서 장치(26 및 28)로 도시된다.
변조 효율, 큰 소광비를 증가시키고 처프를 제어하도록 공통 노드 바이어스 전압 제어의 사용에 의해 유용할 수 있는 다양한 다른 실리콘 기반 광 변조기 배치가 있음이 이해된다. 예컨대, 2008년 11월 등록된 미국 특허 7,447,395에 개시되어 있으며, 변조기의 바이어스 값의 "DC 조정(DC tuning)"을 제공하기 위한 개별적인 영역을 포함하는 실리콘 기반 광 변조기 구성이 있으며, 상기 특허는 여기에서 참조로 도입된다. 또한, 광 경로 길이(2009년 5월 26일 등록된 미국 특허 7,549,358에 개시된 바와 같으며, 그 내용은 여기에서 참조로 도입됨) 또는 다중 레벨 시그널링(2009년 1월 27일 등록된 미국 특허 7,483,597을 참조하며, 그 내용은 여기에서 참조로 도입됨) 증가시키기 위해 파형 활성 영역을 이용하는 구성은 개별적인 바이어스의 사용 및 변조 소자의 폴리실리콘 영역의 제어로부터 유용하게 고려된다.
통상의 기술자의 관점에서 본 발명의 다른 실시예가 있을 수 있으며, 본 발명의 범위는 아래의 청구항 및 그 청구항과 동일하다고 인식되는 범위를 고려하여 정의된다. 예컨대, 폴리실리콘 층의 p-형 도핑 및 SOI 층의 n-형 도핑은 인가되는 전압에서 적절하게 전환됨에 따라 교환될 수 있다. 또한, 인가된 폴리실리콘 바이어스 전압의 특정 값 및 이러한 전압을 조절하는 능력과 관련된 다른 수정은 여기에 첨부된 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 범위 내에서 고려된다.

Claims (12)

  1. 실리콘 기반 광 변조기에 있어서, 상기 실리콘 기반 광 변조기는:
    유입되는 CW(continuous wave) 광신호에 응답하는 입력 광 도파관 스플리터;
    한 쌍의 광 도파관 암으로서, 각각의 광 도파관 암은 상기 입력 광 도파관 스플리터로부터의 개개의 출력부에 결합되고, 각각의 광 도파관 암은 제 1 전도성 타입의 도펀트를 갖는 제 1 실리콘 영역 및 제 2 전도성 타입의 도펀트를 갖는 제 2 실리콘 영역으로 구성되고, 변조된 광신호를 생성하도록 전기 변조 데이터 신호가 각각의 광 도파관 암을 따라 실리콘 기반 변조 소자에 인가되는 한 쌍의 광 도파관 암; 및
    개별적으로 변조된 한 쌍의 광신호를 결합시키고, 광학적으로 변조된 출력 신호를 생성하도록 상기 한 쌍의 광 도파관 암의 출력부에 결합되는 출력 광 도파관 결합부를 포함하며,
    상기 실리콘 기반 변조 소자의 제 1 실리콘 영역은, 전기 변조 데이터 신호 및 상기 전기 변조 데이터 신호의 상보적인 데이터를 수신하도록 결합되고,
    상기 실리콘 기반 변조 소자의 제 2 실리콘 영역은, 실리콘 기반 변조 소자가 축적 영역에서 동작하도록 선택된 기결정된 바이어스 전압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 실리콘 영역은 동일한 기결정된 바이어스 전압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기결정된 바이어스 전압은 광학적으로 변조된 출력 신호 내의 처프의 양을 조절하도록 조정 가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 기결정된 바이어스 전압은 광학적으로 변조된 출력 신호 내의 광 변조 진폭을 조절하도록 조정 가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 기결정된 바이어스 전압은 광학적으로 변조된 출력 신호 내의 소광비를 조절하도록 조정 가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 실리콘 기반 광 변조기는 상기 기결정된 바이어스 전압과 상기 전기 변조 데이터 신호 간에 디커플링을 제공하도록, 상기 기결정된 바이어스 전압과 상기 전기 변조 데이터 신호 사이에 배치되는 바이패스 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 실리콘 영역은 개개의 기결정된 바이어스 전압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 2 실리콘 영역에 인가된 개개의 기결정된 바이어스 전압은 개별적으로 조정 가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  9. 제 1항에 있어서,
    각각의 실리콘 기반 변조 소자는 SOI(silicon-on-insulator) 기반 변조기를 포함하고,
    상기 SOI 기반 변조기는:
    실리콘 기판을 덮는 절연층 위에 배치되는 표면 실리콘 도파층(SOI 층);
    상기 SOI 층의 상부면 위에 형성되는 박막 게이트 유전층; 및
    상기 SOI 층과 중첩된 영역을 형성하도록 상기 박막 게이트 유전층의 일부 위에 배치되는 폴리실리콘 층을 포함하고,
    상기 중첩된 영역은 전파하는 광신호의 변조를 돕는 실리콘 기반 변조 소자의 활성 영역을 정의하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 각각의 실리콘 기반 변조 소자의 폴리실리콘 층은 상기 제 1 실리콘 영역으로 정의되고,
    상기 각각의 실리콘 기반 변조 소자의 SOI 층은 상기 제 2 실리콘 영역으로 정의되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 각각의 실리콘 기반 변조 소자의 SOI 층은 상기 제 1 실리콘 영역으로 정의되고,
    상기 각각의 실리콘 기반 변조 소자의 폴리실리콘 층은 상기 제 2 실리콘 영역으로 정의되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 박막 게이트 유전층은 실리콘 다이옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 칼륨 옥사이드, 비스무트 옥사이드 및 하프늄 옥사이드로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광 변조기.


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