本發(fā)明涉及硅光子集成領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基調(diào)制器。

背景技術(shù)：

微電子技術(shù)發(fā)展起來后，一直按著摩爾定律預(yù)測的那樣，“半導(dǎo)體芯片的集成度每18個(gè)月增長一倍，而價(jià)格則降低一半?！钡牵F(xiàn)在以硅為基礎(chǔ)的微電子技術(shù)已經(jīng)越來越接近物理極限，很難繼續(xù)遵循摩爾定律來發(fā)展。同時(shí)，在光通信領(lǐng)域，一直受到光器件高功耗，高成本，大體積等的困擾。硅光子技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，可以同時(shí)解決微電子領(lǐng)域和光通信領(lǐng)域的諸多難題。硅光子技術(shù)就是以半導(dǎo)體的成熟工藝即生產(chǎn)電子器件，又生產(chǎn)光子器件。但是，要實(shí)現(xiàn)硅光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化還存在很多要可否的困難，其中，硅基調(diào)制器就是最大難點(diǎn)。

調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)主要原理是通過外部信號控制光路中的折射率發(fā)生變化，從而使得光輸出的相位發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)制的目的。一條波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)相位的調(diào)制，那么兩條波導(dǎo)組成的MZ(Mach-Zehnder，馬赫-澤德)結(jié)構(gòu)，通過控制MZ結(jié)構(gòu)的偏置點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制，光通信中的QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控)信號就是基于這樣的結(jié)構(gòu)。所以，一條能夠根據(jù)電信號實(shí)時(shí)改變光的輸出相位的波導(dǎo)，即相位調(diào)制器是調(diào)制器系統(tǒng)的關(guān)鍵。在硅基系統(tǒng)中，電光效應(yīng)比較弱，熱光效應(yīng)雖然顯著，但是其調(diào)制速率很慢，等離子色散(Plasma Dispersion，簡稱PD)效應(yīng)的調(diào)制效率相對較高，調(diào)制速率也有很大的提升，因而受到很大的關(guān)注。利用PD效應(yīng)設(shè)計(jì)的調(diào)制器大體可以分為：載流子注入式(pin結(jié)構(gòu))，載流子耗盡式(pn節(jié)結(jié)構(gòu))，MOS電容式。載流子的多少直接影響光在波導(dǎo)中的折射率，進(jìn)而影響輸出相位，此類調(diào)制器就是通過外部電信號控制載流子的變化， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，但是這類型的調(diào)制器存在很多限制，由于載流子的變化區(qū)域與光場重合比較少，調(diào)制效率很低。人們往往通過增大器件長度，來得到小的V_π(使得光路延時(shí)相位π所需的電壓)，但是，器件過長會(huì)影響調(diào)制速率。要保證調(diào)制速率，又不得不使得V_π增加。人們陸續(xù)設(shè)計(jì)了插指型調(diào)制器，U型PN節(jié)調(diào)制器等，但是仍然面臨調(diào)制速率不高，調(diào)制電壓過大，消光比過低等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種硅基調(diào)制器，以提高調(diào)制效率。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種硅基調(diào)制器，其中，包括：光路選擇器、兩組波導(dǎo)和光耦合器，其中，

所述光路選擇器，用于接收輸入光，在電信號的控制下，控制光輸入到第一組波導(dǎo)或者輸入到第二組波導(dǎo)；

所述第一組波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)，一端與所述光路選擇器連接，另一端連接所述光耦合器，所述第一組波導(dǎo)或所述第二組波導(dǎo)將光輸出給所述光耦合器，由所述光耦合器耦合輸出，所述第一組波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)的光程不相等，且其光程差與待獲得的相位差相應(yīng)。

進(jìn)一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點(diǎn)：

所述第一組波導(dǎo)為一條波導(dǎo)，所述第二組波導(dǎo)為一條波導(dǎo)，所述第一組波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)的長度不相等，且長度差與所述光程差對應(yīng)。

進(jìn)一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點(diǎn)：

所述第一組波導(dǎo)包括一條波導(dǎo)，所述第二組波導(dǎo)包括一條波導(dǎo)，

所述第一組波導(dǎo)中接入一相位控制器，或者所述第二組波導(dǎo)中接入一相位控制器，或者所述第一組波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)中的分別接入一相位控制器。

進(jìn)一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點(diǎn)：

所述第一組波導(dǎo)包括兩條長度相等且輸出光場相位相同的第一波導(dǎo)和第四波導(dǎo)，所述第一波導(dǎo)和所述第四波導(dǎo)組成MZ結(jié)構(gòu)，

所述第二組波導(dǎo)包括兩條長度相等且輸出光場相位相同的第二波導(dǎo)和第三波導(dǎo)，所述第二波導(dǎo)和所述第三波導(dǎo)組成MZ結(jié)構(gòu)，

所述第一組波導(dǎo)中的波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)中的波導(dǎo)的長度不相等，且長度差與所述光程差對應(yīng)，所述第一組波導(dǎo)與所述第二組波導(dǎo)輸出光場相位相反。

進(jìn)一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點(diǎn)：

所述第一組波導(dǎo)包括兩條長度相等且輸出光場相位相同的第一波導(dǎo)和第四波導(dǎo)，所述第一波導(dǎo)和所述第四波導(dǎo)組成MZ結(jié)構(gòu)，

所述第二組波導(dǎo)包括兩條長度相等且輸出光場相位相同的第二波導(dǎo)和第三波導(dǎo)，所述第二波導(dǎo)和所述第三波導(dǎo)組成MZ結(jié)構(gòu)，

在所述第一波導(dǎo)、所述第二波導(dǎo)、所述第三波導(dǎo)和所述第四波導(dǎo)中的一條或多條波導(dǎo)上接入一相位控制器，所述第一組波導(dǎo)與所述第二組波導(dǎo)輸出光場相位相反。

進(jìn)一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點(diǎn)：

所述光路選擇器包括第一微環(huán)結(jié)構(gòu)和第二微環(huán)結(jié)構(gòu)，所述第一微環(huán)結(jié)構(gòu)的一端與所述第一組波導(dǎo)中的一條波導(dǎo)連接，所述第一微環(huán)結(jié)構(gòu)的另一端與所述第二組波導(dǎo)中的一條波導(dǎo)連接，所述第二微環(huán)結(jié)構(gòu)的一端與所述第一組波導(dǎo)中另一條波導(dǎo)連接，所述第二微環(huán)結(jié)構(gòu)的另一端與所述第二組波導(dǎo)中的另一條波導(dǎo)連接。

進(jìn)一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點(diǎn)：

所述光路選擇器采用微環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)所述微環(huán)結(jié)構(gòu)處于共振條件下，控制光通過一組波導(dǎo)，當(dāng)所述微環(huán)結(jié)構(gòu)處于非共振條件下，控制光通過另一組波導(dǎo)。

進(jìn)一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點(diǎn)：

所述微環(huán)結(jié)構(gòu)包括PN節(jié)結(jié)構(gòu)的相位控制器或MOS電容結(jié)構(gòu)的相位控制器。

綜上，本發(fā)明提供一種硅基調(diào)制器，具有高調(diào)制效率，高調(diào)制速率，高消光比的特點(diǎn)，并且可以節(jié)省硅芯片的體積。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的硅基調(diào)制器的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例二的硅基調(diào)制器的示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例三的硅基調(diào)制器的示意圖；

圖4a和圖4b為本發(fā)明實(shí)施例四的硅基調(diào)制器的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例五的硅基調(diào)制器的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。

本發(fā)明實(shí)施例的硅基調(diào)制器包括：光路選擇器、兩組波導(dǎo)和光耦合器，其中，

所述光路選擇器，用于接收輸入光，在電信號的控制下，控制光輸入到第一組波導(dǎo)或者輸入到第二組波導(dǎo)；

所述第一組波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)，一端與所述光路選擇器連接，另一端連接所述光耦合器，所述第一組波導(dǎo)或所述第二組波導(dǎo)將光輸出給所述光耦合器，由所述光耦合器耦合輸出，所述第一組波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)的光程不相等，且其光程差與待獲得的相位差相應(yīng)。

因?yàn)?，相位差?π/波長*光程差，所以可以通過控制光程差來實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)制。

本發(fā)明提出的是一種全新的調(diào)制器設(shè)計(jì)理念，不再利用各種效應(yīng)改變光的傳輸相位，而是在硅基系統(tǒng)中設(shè)計(jì)兩條不等長的波導(dǎo)，波導(dǎo)尾部通過耦合器耦合輸出，長度差為想要獲得的相位差所需的長度，利用光路選擇器(Optic switch)根據(jù)所調(diào)信號使得光通過其中任一個(gè)波導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)光的相位調(diào)制。我們稱這種原理實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器為光路選擇型調(diào)制器(Waveguide Selecting Modulator，簡稱WSM)。

考慮到硅光波導(dǎo)制作過程中的工藝誤差，兩條不等長的臂可能不能完全實(shí)現(xiàn)所需相位差，可以在兩條臂中，或者在任一條臂中加入相位控制器(phase shift，簡稱PS)來獲得兩臂固定的相位差。

本發(fā)明實(shí)施例的硅基調(diào)制器具有低調(diào)制電壓，高消光比，高調(diào)制速率，體積更小的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足硅光長距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

以下以幾個(gè)具體實(shí)施例對本發(fā)明的硅基調(diào)制器進(jìn)行詳細(xì)的說明。

實(shí)施例一

本實(shí)施例中，所述第一組波導(dǎo)為一條波導(dǎo)，所述第二組波導(dǎo)為一條波導(dǎo)，所述第一組波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)的長度不相等，且長度差與所述光程差對應(yīng)。

如圖1所示：光經(jīng)過Optic switch被分配到波導(dǎo)Select1或者Select2，而后通過optic coupler(光耦合器)耦合輸出。其中波導(dǎo)Select1和Select2之間長度差可以精確控制，在硅基波導(dǎo)中，兩臂的長度差為270nm時(shí)，產(chǎn)生固定的π相位差?？紤]到硅材料的性質(zhì)，其相位差隨波長和溫度的變化幾乎沒有變化。

實(shí)施例二

本實(shí)施例中，所述第一組波導(dǎo)包括一條波導(dǎo)，所述第二組波導(dǎo)包括一條波導(dǎo)，所述第一組波導(dǎo)中接入一相位控制器，或者所述第二組波導(dǎo)中接入一相位控制器，或者所述第一組波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)中的分別接入一相位控制器。

考慮到不同生產(chǎn)線的工藝誤差，可以考慮設(shè)計(jì)等長或者不等長的兩臂， 對其中一臂(或者兩臂，如圖2所示)加入heater(熱相移器)等的相位控制器來實(shí)現(xiàn)兩臂的相位差，此控制是慢變的不影響調(diào)制性能，也可認(rèn)為兩臂有固定相位差。

那么，當(dāng)Optic switch調(diào)整光經(jīng)過Select1時(shí)，獲得π相位，當(dāng)Optic switch調(diào)整光經(jīng)過Select2時(shí)，獲得0相位。電信號控制Optic switch的光路選擇，就可以實(shí)現(xiàn)相位0和π的調(diào)制。

WSM的相位差是固定的(可以通過相位控制裝置獲得任一想要的相位差)，調(diào)制器的速率只取決于Optic switch的快慢，由于兩組波導(dǎo)的光耦合輸出作為信號源，兩路光相位相反，所以即使Optic switch消光比不夠，此調(diào)制器也可以獲得高的消光比。

實(shí)施例三

WSM的Optic switch可以采用微環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，當(dāng)微環(huán)滿足共振條件時(shí)，光通過微環(huán)耦合到波導(dǎo)Select1，獲得相位π。當(dāng)微環(huán)的共振條件被破壞時(shí)，光直接通過Select2，獲得相位0。

為了得到高的調(diào)制速率，微環(huán)可以采用PN節(jié)結(jié)構(gòu)的相位控制器，通過信號控制微環(huán)的折射率變化。在某波長下，信號為1時(shí)，微環(huán)處于共振條件下(微環(huán)外部可以加入heater(熱相移器)等控制裝置，使得此時(shí)一直處于共振條件下)，光通過Select2，調(diào)制相位π。信號為0時(shí)，微環(huán)共振條件被破壞，光通過Select1，調(diào)制相位0。

根據(jù)微環(huán)的性質(zhì)可以知道，微環(huán)的共振條件很容易被破壞。一般只需使得微環(huán)內(nèi)部相位變化π/10就可以獲得20dB以上的消光比。在適當(dāng)?shù)奈h(huán)周長情況下，所需調(diào)制電壓不會(huì)超過2V。相比與現(xiàn)有調(diào)制器的調(diào)制電壓最少4V，消光比最大10dB的情況要好很多。

實(shí)施例四

本實(shí)施例中，所述第一組波導(dǎo)包括兩條長度相等且輸出光場相位相同的第一波導(dǎo)和第四波導(dǎo)，所述第一波導(dǎo)和所述第四波導(dǎo)組成MZ結(jié)構(gòu)，

所述第二組波導(dǎo)包括兩條長度相等且輸出光場相位相同的第二波導(dǎo)和第 三波導(dǎo)，所述第二波導(dǎo)和所述第三波導(dǎo)組成MZ結(jié)構(gòu)，

所述第一組波導(dǎo)中的波導(dǎo)和所述第二組波導(dǎo)中的波導(dǎo)的長度不相等，且長度差與所述光程差對應(yīng)，所述第一組波導(dǎo)與所述第二組波導(dǎo)輸出光場相位相反。當(dāng)然，也可以在所述第一波導(dǎo)、所述第二波導(dǎo)、所述第三波導(dǎo)和所述第四波導(dǎo)中的一條或多條波導(dǎo)上接入一相位控制器來控制光程差。

本發(fā)明實(shí)施例的雙臂的硅基調(diào)制器如圖4a和圖4b所示，圖4a中，兩組波導(dǎo)中的四條波導(dǎo)連接入一個(gè)4*1耦合器，圖4b中，第一組波導(dǎo)中的兩條波導(dǎo)接入一個(gè)2*1耦合器，第二組波導(dǎo)中的波導(dǎo)接入另一個(gè)2*1耦合器，然后這兩個(gè)2*1耦合器的輸出端接入一2*1耦合器。

此WSM組成的MZ結(jié)構(gòu)通過對長度差的有效控制，使得MZ上下兩臂的Select1之間同相、Select2之間同相。而Select1和Select2之間反相，那么Optic switch選擇Select1通路后，上線兩臂的Select1組成的MZ結(jié)構(gòu)處于相干相長狀態(tài)，相位為0，Optic switch選擇Select2通路后，上線兩臂的Select2組成的MZ結(jié)構(gòu)同樣處于相干相長狀態(tài)，相位為π，此結(jié)構(gòu)可以提高消光比。同時(shí)，雙臂的WSM可以消除電信號的上升下降時(shí)引起的相位不準(zhǔn)確。

實(shí)施例五

本實(shí)施例中，在實(shí)施例四的基礎(chǔ)上，所述光路選擇器包括第一微環(huán)結(jié)構(gòu)和第二微環(huán)結(jié)構(gòu)，所述第一微環(huán)結(jié)構(gòu)的一端與所述第一組波導(dǎo)中的一條波導(dǎo)連接，所述第一微環(huán)結(jié)構(gòu)的另一端與所述第二組波導(dǎo)中的一條波導(dǎo)連接，所述第二微環(huán)結(jié)構(gòu)的一端與所述第一組波導(dǎo)中另一條波導(dǎo)連接，所述第二微環(huán)結(jié)構(gòu)的另一端與所述第二組波導(dǎo)中的另一條波導(dǎo)連接。

同樣，雙臂的WSM的Optic switch也可以采用微環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖5所示，考慮到微環(huán)結(jié)構(gòu)的上下行路功率是不平衡的，僅僅單臂的新型調(diào)制器組成的相位調(diào)制系統(tǒng)，不同相位信息的輸出功率后有起伏。而此微環(huán)結(jié)構(gòu)的新型調(diào)制器MZ結(jié)構(gòu)輸出功率為一個(gè)微環(huán)的上行路和另一個(gè)微環(huán)的下行路的疊加，所以輸出功率平衡穩(wěn)定，并且會(huì)提高消光比。

同時(shí)，微環(huán)的through(上行)和drop(下行)路的相位差會(huì)隨著波長的變化而變化。但是，考慮的每次MZ結(jié)構(gòu)輸出都是一個(gè)微環(huán)的through路 和另一個(gè)微環(huán)的drop路相疊加，雙臂的WSM即使有相位差的出現(xiàn)，只是會(huì)使得相長不太充分，輸出的兩個(gè)相位信息依然是相反的。與MZ調(diào)制器中，調(diào)制電壓往往小于V_π的情況是一樣的，0相位和π相位依然會(huì)存在。

如圖5所示，光經(jīng)過器件1：2的coupler 101，把光分為兩路，分別進(jìn)入微環(huán)102和微環(huán)103，上臂的光與微環(huán)102的through端相連，同時(shí)與波導(dǎo)106相連，下臂的光與微環(huán)103的through端相連，同時(shí)與波導(dǎo)108相連，微環(huán)102的drop端與波導(dǎo)105相連，微環(huán)103的drop端與波導(dǎo)107相連。波導(dǎo)105、106、107和108經(jīng)過4*1的耦合器104耦合輸出。

通過設(shè)計(jì)，波導(dǎo)105和波導(dǎo)107等長，輸出相位同相。波導(dǎo)106和波導(dǎo)108等長，輸出相位同相，Select1和Select2的長度不相等，長度差決定了相位差，對于使用此調(diào)制器用作QPSK信號調(diào)制，需要使得其相位差為π，那么長度差其中，λ為傳播的光波長，n為波導(dǎo)的有效折射率。在硅基波導(dǎo)中，尺寸為500*220nm的strip(矩形)型波導(dǎo)的有效折射率n＝2.443，λ＝1550nm，則△L＝317.2nm可以延時(shí)相位π，且在C波段變化很小。

圖5僅是一個(gè)示例，在實(shí)際應(yīng)用中，上下微環(huán)的輸入端可以任意組合，例如，光可以同時(shí)輸入上微環(huán)和下微環(huán)的through端，也可以同時(shí)輸入上微環(huán)的through端和下微環(huán)的drop端，也可以同時(shí)輸入上微環(huán)的drop端和下微環(huán)的through端，還可以同時(shí)輸入上微環(huán)和下微環(huán)的drop端。

微環(huán)102和微環(huán)103可以采用PN節(jié)結(jié)構(gòu)或者M(jìn)OS電容結(jié)構(gòu)已達(dá)到較快的調(diào)制速率。以PN節(jié)結(jié)構(gòu)為例，偏置電壓可以設(shè)置為-2V，信號電壓為這樣對于PN節(jié)的狀態(tài)就是0V和-4V兩種。

兩個(gè)微環(huán)的電信號采用差分信號，即：上下微環(huán)調(diào)制分別2V和-2V時(shí)，微環(huán)102調(diào)制0V電壓時(shí)，其處于共振條件，光經(jīng)過微環(huán)的drop端及波導(dǎo)105，微環(huán)103調(diào)制-4V，微環(huán)103的共振條件被破壞，光經(jīng)過微環(huán)的through端及波導(dǎo)108，即Select1被選中，調(diào)制相位為π；上下微環(huán)調(diào)制分別-2V和2V時(shí)，微環(huán)102調(diào)制-4V電壓，其共振條件被破壞，光經(jīng)過微環(huán)的through端及波導(dǎo)106，微環(huán)103調(diào)制0V，微環(huán)103處于共振條件，光經(jīng)過微環(huán)的drop 端及波導(dǎo)107，即Select2被選中，調(diào)制相位為0。

由于調(diào)制信號在統(tǒng)計(jì)來說，調(diào)制2V和-2V的概率一樣的，那么在微環(huán)的drop端輸出功率最大時(shí)，微環(huán)被控制在共振條件。同樣微環(huán)的through端分出一部分光進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測光平均功率最小時(shí)，微環(huán)偏置于共振條件(某電平信號時(shí)，處于共振，另一信號是非共振)。選擇through端進(jìn)行檢測反饋是合理的，因?yàn)槲h(huán)本身through端的光功率要比drop端大，對through端分光既能做到光電檢測又能是的兩端口輸出光功率平衡。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解上述方法中的全部或部分步驟可通過程序來指令相關(guān)硬件完成，所述程序可以存儲于計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中，如只讀存儲器、磁盤或光盤等?？蛇x地，上述實(shí)施例的全部或部分步驟也可以使用一個(gè)或多個(gè)集成電路來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，上述實(shí)施例中的各模塊/單元可以采用硬件的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明不限制于任何特定形式的硬件和軟件的結(jié)合。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。