TWI802365B - 光學調製器和光學集成系統 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及光子集成電路領域，其提供了一種光學調製器和光學集成系統，能夠抑制因載流子擴散導致的相位偏差。所述光學調製器包括至少一段移相器；所述移相器包括：傳輸光信號的波導通道、以及位於波導通道相對兩側的P型摻雜區和N型摻雜區；其中，在所述波導通道中，在所述P型摻雜區和N型摻雜區之間為未摻雜的本質區；其中，在所述本質區的兩端中的至少一端或靠近所述至少一端設置有阻擋載流子沿波導傳播方向從所述本質區擴散出去的阻擋結構，由此，能夠抑制因載流子擴散導致的相位偏差，並且能夠抑制相鄰移相器之間的電串擾，以及避免了該電串擾導致的調製信號失真。進而，提高了光子集成系統的可靠性和精度。

Description

光學調製器和光學集成系統
本發明涉及光子集成電路領域，更為具體而言，涉及一種光學調製器和光學集成系統。
人工神經網路(Artificial Neural Network，ANN)從信息處理角度對人腦神經元網路進行抽象，建立某種運算模型，按不同的連接方式組成不同的網路。也就是說，神經網路是一種運算模型，由大量的節點(或稱神經元)之間相互聯接構成。每個節點代表一種特定的輸出函數，稱為激勵函數。 每兩個節點間的連接都代表一個對於通過該連接信號的加權值，稱之為權重，這相當於人工神經網路的記憶。網路的輸出則依網路的連接方式，權重值和激勵函數的不同而不同。而網路自身通常都是對自然界某種算法或者函數的逼近，也可能是對一種邏輯策略的表達。在尋找一個複雜問題的優化解時，往往需要很大的計算量。數位電子技術的計算能力和速度終將成為人工神經網路發展的瓶頸。
近年來，光子神經網路發展迅速，相比於數位電子技術，其能效和速度有望提高數個數量級。在光子神經網路中，通常會採用到光學調製器，例如，基於載流子注入的矽調製器可以利用較小的尺寸實現較大的折射率變化和高調製深度。在所述矽調製器中，典型的PIN移相器在波導的兩個摻雜區之間具有未摻雜的本質區，具有本質區的該器件在正向偏置電壓下可提供高 調製效率。由於其尺寸小並且插入損耗低，被廣泛地用於諸如光子神經網路之類的大規模光子集成系統中。
為了實現光強度的高分辨率控制，在所述矽調製器中通常採用多段移相器。但是，由於PIN結的波導核心區域中的載流子可能會沿著波導傳播方向擴散，因此相鄰移相器之間會發生電串擾。所述電串擾會導致調製信號失真，從而影響光子集成系統的性能。
鑒於上述現有技術缺陷，本發明提供了一種光學調製器和光學集成系統，能夠抑制相鄰移相器之間的電串擾的發生。
一方面，本發明的一種實施方式提供了一種基於載流子注入的光學調製器，所述光學調製器包括至少一段移相器；所述移相器包括：傳輸光信號的波導通道、以及位於波導通道相對兩側的P型摻雜區和N型摻雜區；其中，在所述波導通道中，在所述P型摻雜區和N型摻雜區之間為未摻雜的本質區；其中，在所述本質區的兩端中的至少一端或靠近所述至少一端設置有阻擋載流子沿波導傳播方向從所述本質區擴散出去的阻擋結構。
在本發明的一些實施方式中，所述阻擋結構包括PN接面。在可選實施方式中，所述阻擋結構可以包括至少兩個PN接面，所述至少兩個PN接面可以彼此間隔開，也可以堆疊設置。
在本發明的一些實施方式中，在所述本質區的兩端側具有錐形波導區域，所述PN接面形成在所述錐形波導區域中。
在本發明的一些實施方式中，所述阻擋結構包括在所述本質區的波導通道的至少一端形成的間隔，或在所述本質區的外部且與所述本質區的至少一端相連的波導中形成的間隔。
在本發明的一些實施方式中，所述光學調製器包括至少兩段移相器，所述至少兩段移相器中各個移相器的長度彼此不相同。
另一方面，本發明的另一種實施方式提供了一種基於載流子注入的光學調製器，所述光學調製器包括至少兩段移相器；所述移相器包括：傳輸光信號的波導通道、以及位於波導通道相對兩側的P型摻雜區和N型摻雜區；其中，在所述波導通道中，在所述P型摻雜區和N型摻雜區之間為未摻雜的本質區；其中，在相鄰的移相器相向的連接端中設置有阻擋載流子沿波導傳播方向從一個移相器擴散到另一移相器的阻擋結構。
在本發明的一些實施方式中，所述阻擋結構包括PN接面。在可選實施方式中，所述阻擋結構可以包括至少兩個PN接面，所述至少兩個PN接面可以彼此間隔開，也可以堆疊設置。
在本發明的一些實施方式中，所述連接端為錐形波導區域。
在本發明的一些實施方式中，所述阻擋結構為在所述相鄰的移相器之間的波導中形成的間隔。
在本發明的一些實施方式中，所述至少兩段移相器中各個移相器的長度彼此不相同。
再一方面，本發明的實施方式還提供了一種光子集成系統，其包括上述任一個實施方式所述的光學調製器。
根據本發明各實施方式所述的光子集成系統及其光學調製器，其通過在移相器的端部設置阻擋載流子沿波導傳播方向從所述本質區擴散出去的阻擋結構，能夠抑制因載流子擴散導致的相位偏差。從而，使得移相器的理論值與實驗室基本一致，由此能夠準確預測移相器的行為並設計相關的驅動電路。
並且，通過所述阻擋結構阻擋載流子從一個移相器擴散到另一移相器的擴散，從而抑制相鄰移相器之間的電串擾，進而避免了該電串擾導致的調製信號失真。由此，提高了光子集成系統的可靠性和精度。
本發明實施方式的各個方面、特徵、優點等將在下文結合附圖進行具體描述。根據以下結合附圖的具體描述，本發明的上述方面、特徵、優點等將會變得更加清楚。
101:波導通道
102:P型摻雜區
103:N型摻雜區
104:本質區
200,200’:PN接面
200”:四層結構
圖1是根據本發明實施方式的光學調製器的示意圖；圖2A是圖1中一個移相器的放大視圖；圖2B是波導核心區域沿圖2A中y方向截取的截面圖；圖3是原設計的PIN移相器的結構示意圖；圖4是示出圖2A、2B所示的PIN移相器和圖3所示的PIN移相器各自的仿真結果的圖表，其顯示了電子濃度的變化；圖5是示出圖2A、2B所示的PIN移相器和圖3所示的PIN移相器各自的仿真結果的圖表，其顯示了電洞濃度的變化；圖6示出了根據本發明另一種實施方式的光學調製器中使用的移相器的示例； 圖7示出了根據本發明又一種實施方式的光學調製器中使用的移相器的示例。
為了便於理解本發明技術方案的各個方面、特徵以及優點，下面結合附圖對本發明進行具體描述。應當理解，下述的各種實施方式只用於舉例說明，而非用於限制本發明的保護範圍。
本發明實施方式提供了一種光子集成系統，其包括本發明下述各實施方式所述的基於載流子注入的光學調製器，所述光學調製器包括至少兩段移相器。
圖1示出了根據本發明一種實施方式的光學調製器的結構。如圖1所示，光學調製器的輸入端和輸出端之間的每條光路上設置了3段移相器，並且每段移相器之間的長度不相同，由此可以實現3比特光學調製，並且具有8級光強度。在可選的實施方式中，移相器的數量可以是1段、2段、4段或更多段，並且對於多段移相器，各段的長度可以相同或部分相同。在本發明實施方式中，所述移相器包括：傳輸光信號的波導通道101、以及位於波導通道相對兩側的P型摻雜區102和N型摻雜區103。如圖2A所示，在所述波導通道中，在所述P型摻雜區102和N型摻雜區103之間形成為未摻雜的本質區104，由此構成了PIN移相器。
在本發明實施方式中，在靠近本質區104的兩端且與所述本質區104連接的連接端中，設置有阻擋載流子(包括電子、電洞)沿波導傳播方向從所述本質區104向外擴散的阻擋結構，所述阻擋結構為PN接面200。如圖2A所示，所述連接端為在所述本質區104的兩端側與所述本質區104連接的錐形波導區域，所述PN接面200形成在所述錐形波導區域中。如圖2B所示，載流子被PN接面200阻擋在本質區中，其向另一個移相器的擴散被阻止，由此避免了相 鄰相移器之間的電串擾導致相位偏差，使得所述光學調製器的調製信號的失真得到抑制，進而提高了所述光學集成系統的可靠性和精度。並且，在設計階段，使得移相器的理論值與實驗室基本一致，由此能夠準確預測移相器的行為並設計相關的驅動電路，提高光學集成系統的設計、製造效率。
需要說明的是，當光學調製器僅包括一段移相器時，其通過在移相器的端部設置阻擋載流子沿波導傳播方向從所述本質區擴散出去的阻擋結構，也能夠抑制因載流子擴散導致的相位偏差。從而，使得移相器的理論值與實驗室基本一致，由此能夠準確預測移相器的行為並設計相關的驅動電路。在本發明的可選實施方式中，可以在所述本質區的兩端設置所述阻擋結構，也可以在所述本質區的一端或靠近該一端設置所述阻擋結構。例如，對於單向通信或光單向傳輸的情況，可以僅在移相器的輸出端設置所述阻擋結構，由此可以防止載流子擴散至連接的下一段移相器。可選地，也可以在移相器的輸入端設置阻擋結構來防止連接的上一段移相器擴散的載流子進入本段移相器。
在本發明的可選實施方式中，可以在相鄰的移相器相向的連接端中設置阻擋載流子沿波導傳播方向從一個移相器擴散到另一移相器的阻擋結構，由此既可以防止載流子擴散出本段移相器，也可以防止上一段移相器的載流子擴散進入本段移相器。
在本發明的可選實施方式中，所述阻擋結構為在相鄰移相器之間的波導中形成未相連的間隔，例如，可以在上述錐形波導區域中形成所述間隔。由此，在相鄰移相器之間形成載流子的物理間隔，避免了相鄰移相器之間的電串擾。在本發明的其他可選實施方式中，所述阻擋結構包括在所述本質區的波導通道的至少一端形成的間隔。
在本發明的可選實施方式中，所述光學調製器為馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)調製器。
為了便於本領域技術人員理解本發明的實質，下面對照原設計對本發明的效果進行說明。
如圖3所示，在本發明之前的原設計中，在本質區104的兩端側沒有設置阻擋結構，其載流子能夠沿波導傳播方向(y方向)從本質區104向外擴散，因此，載流子能夠從一個移相器擴散到另一移相器，在移相器之間產生電串擾。與之不同的是，本發明實施方式通過在本質區的兩端側或其附近設置阻擋結構，其載流子沿波導傳播方向(y方向)從本質區的擴散受到抑制。圖4和圖5分別示出了沿波導傳播方向(y方向)載流子的濃度變化。其中，圖4中虛線表示原設計(original design)在本質區兩端的電子濃度的變化，實線表示採用PN接面阻擋結構(PN junction blocking)的本發明實施方式的電子濃度的變化；圖5中虛線表示原設計在本質區兩端的電洞濃度的變化，實線表示採用PN接面阻擋結構的本發明實施方式的電洞濃度的變化。如圖4和圖5所示，相比原設計，採用PN接面阻擋結構後，載流子(包括電子和電洞)濃度顯著下降，從5e18/cm3下降到2e16/cm3，並且對相位變化幾乎沒有影響。可見，所述PN接面阻擋結構對載流子從本質區向外的擴散進行了有效抑制。此外，PN接面通常長約10um，其對應的插入損耗約0.03dB，因此增加PN接面阻擋結構幾乎沒有增加設備的插入損耗。
圖6示出了根據本發明另一種實施方式的光學調製器中使用的移相器的示例。如圖6所示，在靠近移相器的本質區104的兩端分別設置有兩個間隔開的PN接面200、PN接面200’，以進一步提升抑制載流子擴散和防串擾能力。在本發明的可選實施方式中，可以在本質區104的至少一端或靠近該一端設置所述兩個間隔開的PN接面，或者設置兩個以上間隔開的PN接面。
圖7示出了根據本發明又一種實施方式的光學調製器中使用的移相器的示例。如圖7所示，在靠近移相器的本質區104的兩端分別設置有兩個堆 疊相連的PN接面，即，PNPN的四層結構200”，作為阻擋載流子的阻擋結構，以進一步提升抑制載流子擴散和防串擾能力。在本發明的可選實施方式中，可以在本質區104的至少一端或靠近該一端設置所述PNPN的四層結構，或者設置四層以上的PN接面。在本發明的其他可選實施方式中，所述阻擋結構也可以包括設置成PNP或NPN的結構。
根據本發明各個實施方式，通過在相鄰的移相器之間添加PN接面，可以很好地抑制載流子沿波導傳播方向的擴散，並且可以很好地阻斷分段移相器之間的串擾。由此，將更容易地預測分段載流子注入型調製器的行為，並且可以通過現有驅動器進行精確的控制。進而，可以提高光子集成系統的性能。
本領技術人員應當理解，以上所公開的僅為本發明的實施方式而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，依本發明實施方式所作的等同變化，仍屬本發明權利要求所涵蓋的範圍。例如，作為阻擋載流子的阻擋結構，可以將本發明實施方式所述的PN接面和間隔組合使用，並且間隔的數量也可以為1個、2個或更多個。
102:P型摻雜區
103:N型摻雜區
104:本質區
200:PN接面

Claims (11)

  1. 一種基於載流子注入的光學調製器，所述光學調製器包括至少一段移相器；所述移相器包括：傳輸光信號的波導通道、以及位於波導通道相對兩側的P型摻雜區和N型摻雜區，其中，在所述波導通道中，具有未摻雜的本質區，所述本質區位於所述P型摻雜區和N型摻雜區之間；其中，沿波導傳播方向，在所述本質區的兩端中的至少一端或靠近所述至少一端設置有阻擋載流子擴散出去的阻擋結構。
  2. 如請求項1所述基於載流子注入的光學調製器，所述阻擋結構用於阻擋載流子沿波導傳播方向從所述本質區擴散出去。
  3. 如請求項1或2所述基於載流子注入的光學調製器，所述阻擋結構包括PN接面。
  4. 如請求項3所述基於載流子注入的光學調製器，在所述本質區的兩端側具有錐形波導區域，所述PN接面形成在所述錐形波導區域中。
  5. 如請求項1或2所述基於載流子注入的光學調製器，所述阻擋結構包括在所述本質區的波導通道的至少一端形成的間隔，或在所述本質區的外部且與所述本質區的至少一端相連的波導中形成的間隔。
  6. 如請求項1或2所述基於載流子注入的光學調製器，所述光學調製器包括至少兩段移相器，所述至少兩段移相器中各個移相器的長度彼此不相同。
  7. 如請求項1或2所述基於載流子注入的光學調製器，所述阻擋結構包括至少兩個PN接面。
  8. 如請求項7所述基於載流子注入的光學調製器，所述至少兩個PN接面彼此間隔設置，或者所述至少兩個PN接面堆疊設置。
  9. 一種基於載流子注入的光學調製器，所述光學調製器包括至少兩段移相器；所述移相器包括：傳輸光信號的波導通道、以及位於波導通道相對兩側的P型摻雜區和N型摻雜區，其中，在所述波導通道中，具有未摻雜的本質區，所述本質區位於所述P型摻雜區和N型摻雜區之間；其中，在相鄰的移相器相向的連接端中設置有阻擋載流子沿波導傳播方向從一個移相器擴散到另一移相器的阻擋結構。
  10. 如請求項9所述基於載流子注入的光學調製器，所述阻擋結構包括PN接面。
  11. 一種光子集成系統，包括如請求項1至10中任一項所述的基於載流子注入的光學調製器。
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