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個月增長一倍，而價格則降低一半。”但是，現(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，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)運而生，可以同時解決微電子領(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。

調(diào)制器的實現(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)的偏置點就可以實現(xiàn)相位調(diào)制和強度調(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)電信號實時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， 進而實現(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(使得光路延時相位π所需的電壓)，但是，器件過長會影響調(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)。

進一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點：

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)。

進一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點：

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。

進一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點：

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。

進一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點：

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。

進一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點：

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。

進一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點：

所述光路選擇器采用微環(huán)結(jié)構(gòu)，當所述微環(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)。

進一步地，上述硅基調(diào)制器還具有下面特點：

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，并且可以節(jié)省硅芯片的體積。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一的硅基調(diào)制器的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例二的硅基調(diào)制器的示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例三的硅基調(diào)制器的示意圖；

圖4a和圖4b為本發(fā)明實施例四的硅基調(diào)制器的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例五的硅基調(diào)制器的示意圖。

具體實施方式

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

本發(fā)明實施例的硅基調(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)。

因為，相位差＝2π/波長*光程差，所以可以通過控制光程差來實現(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波導(dǎo)，從而實現(xiàn)光的相位調(diào)制。我們稱這種原理實現(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，可以滿足硅光長距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

以下以幾個具體實施例對本發(fā)明的硅基調(diào)制器進行詳細的說明。

實施例一

本實施例中，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，產(chǎn)生固定的π相位差。考慮到硅材料的性質(zhì)，其相位差隨波長和溫度的變化幾乎沒有變化。

實施例二

本實施例中，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，也可認為兩臂有固定相位差。

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

實施例三

WSM的Optic switch可以采用微環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，當微環(huán)滿足共振條件時，光通過微環(huán)耦合到波導(dǎo)Select1，獲得相位π。當微環(huán)的共振條件被破壞時，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，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，使得此時一直處于共振條件下)，光通過Select2，調(diào)制相位π。信號為0時，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?shù)奈h(huán)周長情況下，所需調(diào)制電壓不會超過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。

實施例四

本實施例中，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2*1耦合器，第二組波導(dǎo)中的波導(dǎo)接入另一個2*1耦合器，然后這兩個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，雙臂的WSM可以消除電信號的上升下降時引起的相位不準確。

實施例五

本實施例中，在實施例四的基礎(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)輸出功率為一個微環(huán)的上行路和另一個微環(huán)的下行路的疊加，所以輸出功率平衡穩(wěn)定，并且會提高消光比。

同時，微環(huán)的through(上行)和drop(下行)路的相位差會隨著波長的變化而變化。但是，考慮的每次MZ結(jié)構(gòu)輸出都是一個微環(huán)的through路 和另一個微環(huán)的drop路相疊加，雙臂的WSM即使有相位差的出現(xiàn)，只是會使得相長不太充分，輸出的兩個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，同時與波導(dǎo)106相連，下臂的光與微環(huán)103的through端相連，同時與波導(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，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可以延時相位π，且在C波段變化很小。

圖5僅是一個示例，在實際應(yīng)用中，上下微環(huán)的輸入端可以任意組合，例如，光可以同時輸入上微環(huán)和下微環(huán)的through端，也可以同時輸入上微環(huán)的through端和下微環(huán)的drop端，也可以同時輸入上微環(huán)的drop端和下微環(huán)的through端，還可以同時輸入上微環(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MOS電容結(jié)構(gòu)已達到較快的調(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，微環(huán)102調(diào)制0V電壓時，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，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，微環(huán)被控制在共振條件。同樣微環(huán)的through端分出一部分光進行檢測，當檢測光平均功率最小時，微環(huán)偏置于共振條件(某電平信號時，處于共振，另一信號是非共振)。選擇through端進行檢測反饋是合理的，因為微環(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算機可讀存儲介質(zhì)中，如只讀存儲器、磁盤或光盤等?？蛇x地，上述實施例的全部或部分步驟也可以使用一個或多個集成電路來實現(xiàn)。相應(yīng)地，上述實施例中的各模塊/單元可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實現(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)選實施例，當然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(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)利要求的保護范圍。