本發(fā)明屬于通信用硅基器件領(lǐng)域，特別涉及電光超快調(diào)制器范圍。

背景技術(shù)：

光調(diào)制器是光通信系統(tǒng)中的極其重要的一部分，光調(diào)制器的性能直接影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，光調(diào)制器就是通過對(duì)載波操作，將調(diào)制信號(hào)摻入載波的幅度、相位或偏振等性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的加載。

近年來隨著高速光通信系統(tǒng)迅速發(fā)展，迫切要求高速光波導(dǎo)調(diào)制器與之相適應(yīng)。首先，當(dāng)需要在載波中加載超高頻率的信號(hào)時(shí)就需要超高速的調(diào)制信號(hào)，而產(chǎn)生超快電信號(hào)的高速電路是難于制作，并且價(jià)格比較昂貴。為了實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，時(shí)分復(fù)用是產(chǎn)生高速信號(hào)的一種有效辦法，其原理就是將低速的數(shù)據(jù)流利用時(shí)間上插空的方法經(jīng)過多級(jí)復(fù)用后變?yōu)楦咚俚臄?shù)據(jù)流。但是采用光時(shí)分復(fù)用器也存在了較多的問題，首先，復(fù)用過程中各路光信號(hào)要進(jìn)行多次耦合，這樣會(huì)產(chǎn)生較大的耦合損耗；其次，為了得到高速的信號(hào)，需要進(jìn)行多級(jí)復(fù)用組合，會(huì)造成系統(tǒng)體積較大不利于集成的問題；最后，多級(jí)復(fù)用分布體積大，易受環(huán)境中溫度和振動(dòng)不均勻分布的影響，難于補(bǔ)償和控制；此外，時(shí)分復(fù)用產(chǎn)生高速信號(hào)的方法僅限于幅度調(diào)制，當(dāng)采用相位或偏振等調(diào)制方式時(shí)，各路信號(hào)在疊加時(shí)會(huì)出現(xiàn)相干現(xiàn)象，所以時(shí)分復(fù)用產(chǎn)生高速信號(hào)的方法具有較大的局限性。

目前，科研人員已經(jīng)提出了很多電光調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方案，主要有鈮酸鋰調(diào)制器、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器、聚合物調(diào)制器。其中研究最多的就是鈮酸鋰馬赫增德爾調(diào)制器，這類調(diào)制器插入損耗較小，對(duì)于波長(zhǎng)、溫度等因素的影響不大，調(diào)制帶寬也可以達(dá)到100GHz,但是鈮酸鋰調(diào)制器具有低電壓靈敏度的問題，具體表現(xiàn)為半波電壓較大，要實(shí)現(xiàn)較大的帶寬是以較高的半波電壓為代價(jià)的?；冖?Ⅴ族材料的電吸收調(diào)制器于傳統(tǒng)的電折射調(diào)制器相比，如鈮酸鋰調(diào)制器，具有較低的半波電壓和驅(qū)動(dòng)電壓，并且尺寸更小，調(diào)制效率也更高，但是由于電吸收效應(yīng)的強(qiáng)度調(diào)制也會(huì)造成折射率實(shí)部的變化，也就是電吸收效應(yīng)會(huì)引起相位調(diào)制，形成啁啾現(xiàn)象，易造成信號(hào)失真。并且其調(diào)制帶寬相對(duì)于鈮酸鋰調(diào)制器所達(dá)到的帶寬也是較窄的。聚合物調(diào)制器是根據(jù)線性電光效應(yīng)的原理進(jìn)行工作的，具有很高的潛在調(diào)制帶寬，一般的聚合物調(diào)制器的設(shè)計(jì)是基于M-Z結(jié)構(gòu)的，所以研究的重點(diǎn)主要在于材料本身，進(jìn)一步提高聚合物材料的電光效應(yīng)，有望實(shí)現(xiàn)更低的半波電壓。但是聚合物調(diào)制器受溫度和光功率的影響較大，材料本身不夠穩(wěn)定，一般來說聚合物調(diào)制器的插入損耗也是較大的。

硅基調(diào)制器在材料上具有成本低、高折射率和非線性系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，從制作工藝上兼容成熟的CMOS工藝?yán)诠怆娂?，近年來發(fā)展突飛猛進(jìn)，調(diào)制速度可以達(dá)到幾十Ghz。硅基高速電光調(diào)制器不僅是未來光交叉互連(OXC)和光分插復(fù)用(OADM)系統(tǒng)中的核心器件，而且在芯片光互聯(lián)和光計(jì)算技術(shù)中也具有很大的應(yīng)用前景。因此，開展硅基高速電光調(diào)制器的研究意義重大。硅材料中的電光效應(yīng)分為直接電光效應(yīng)和間接電光效應(yīng)，其中直接電光效應(yīng)包括Pockels,Kerr效應(yīng)等，間接電光效應(yīng)包括F-K效應(yīng)，載流子色散效應(yīng)等。由于體硅材料沒有一階電光效應(yīng)，高階電光效應(yīng)又非常微弱，硅基高速電光調(diào)制的調(diào)制機(jī)理一般都利用硅材料的載流子色散效應(yīng)。載流子色散效應(yīng)是一種間接電光效應(yīng)，它利用外加電場(chǎng)下，外界載流子注入引起有源區(qū)自由載流子濃度的變化調(diào)制輸出光波的幅值和相位從而實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。基于上述描述，載流子色散效應(yīng)成為了硅基調(diào)制器最佳的調(diào)制方式。

需要注意的是，目前的調(diào)制器都是采用空間上單點(diǎn)調(diào)制的方式，無法充分滿足當(dāng)前高速光通信系統(tǒng)對(duì)于調(diào)制速度的需要。將高重復(fù)頻率的調(diào)制信號(hào)在空間上拆解為很多低重復(fù)頻率的調(diào)制信號(hào)，在光波導(dǎo)的不同位置同時(shí)加載，對(duì)載波的不同空間部分進(jìn)行同時(shí)調(diào)制同樣可以得到高速調(diào)制的效果，這種方法由本發(fā)明首次提出，稱為空間調(diào)制。這種空間調(diào)制的方式既解決了高速電路難以制作和成本昂貴的問題，也避免了光電材料響應(yīng)速度無法跟上電信號(hào)變化速度的問題以及高速電信號(hào)導(dǎo)致的系統(tǒng)損耗過高的問題。同時(shí)相對(duì)于光時(shí)分復(fù)用產(chǎn)生高速信號(hào)的辦法，采用硅基空間調(diào)制的方式器件尺寸可以較小，耦合損耗大、受環(huán)境影響大以及對(duì)于幅度調(diào)制的局限性等缺點(diǎn)均得以改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了硅基電光空間超快調(diào)制器，旨在實(shí)現(xiàn)電信號(hào)在光域的靈活加載和超快加載。

本發(fā)明基本原理：載流子色散效應(yīng)是通過改變硅材料中電子和空穴的濃度來實(shí)現(xiàn)折射率和吸收因子的變化，由Drude-Lorenz公式得到折射率和損耗的變化規(guī)律。通過外加電場(chǎng)來控制與傳輸光場(chǎng)相互作用的載流子方式主要有以下三種：載流子累積性、載流子注入型、載流子抽取型，本發(fā)明采用注入型。兩側(cè)高摻雜的P+、N+區(qū)被中間的本征區(qū)隔開，當(dāng)施加正向偏置的電壓時(shí)，電子和空穴分別向中間的本征波導(dǎo)區(qū)注入，從而實(shí)現(xiàn)折射率的變化，形成基于“PIN”’結(jié)的調(diào)制器，形成一個(gè)調(diào)制單元，PIN結(jié)構(gòu)由于中間存在非摻雜區(qū)，載流子從兩側(cè)注入時(shí)光場(chǎng)作用充分，提高調(diào)制效率。硅波導(dǎo)軸方向多個(gè)單元調(diào)制器同時(shí)作用，可以同一時(shí)間點(diǎn)加載大量信息，降低了所需的電極陣列所加電壓的變化速度，從而以很低的調(diào)制速度實(shí)現(xiàn)超高密度的信號(hào)調(diào)制，達(dá)到超快調(diào)制的效果。

本發(fā)明具體物理實(shí)現(xiàn)方式：

該調(diào)制器主要包括SiO₂平板基底1、導(dǎo)光多晶硅波導(dǎo)2、P+區(qū)3、N+區(qū)4、正電極5、負(fù)電極6。具體組合方式為導(dǎo)光硅波導(dǎo)2覆于SiO₂平板基底1之上中間位置，P+區(qū)3與N+區(qū)4周期性排列至基底表面兩端，正電極5與負(fù)電極6與P區(qū)N區(qū)接觸，用于施加電壓。

經(jīng)過上述設(shè)置，通過對(duì)各正負(fù)電極對(duì)間電壓的控制，施加隨時(shí)間變化的空間電信號(hào)陣列，可以實(shí)現(xiàn)任意信號(hào)的高速調(diào)制。

本發(fā)明具體有益效果：

(1)用空間調(diào)制的方式，改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)調(diào)制方式，以很低的調(diào)制速度實(shí)現(xiàn)超高密度的信號(hào)調(diào)制，達(dá)到超快調(diào)制的效果，解決了單點(diǎn)調(diào)制時(shí)高速信號(hào)源難以獲得的問題。

(2)PIN結(jié)構(gòu)能減小調(diào)制區(qū)的面積，使光場(chǎng)更加集中于有源區(qū)內(nèi)，有利于調(diào)制速度和調(diào)制深度的進(jìn)一步提高。

(3)該調(diào)制器對(duì)使用環(huán)境不敏感，對(duì)溫度和振動(dòng)等外界因素都有很高的適應(yīng)性。

(4)硅基集成光波導(dǎo)的制作與目前發(fā)展成熟的微電子加工工藝相兼容，相比于傳統(tǒng)的電光調(diào)制器，更易于向器件的微型化和集成化趨勢(shì)靠近。

(5)該器件尺寸非常小，利于集成。

附圖說明

圖1基于PIN結(jié)構(gòu)硅基電光空間超快調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2實(shí)例一中各正負(fù)電極對(duì)間電壓隨時(shí)間變化情況。

圖3實(shí)例一中的超快調(diào)制效果。

圖4實(shí)例二中正負(fù)電極對(duì)(52,62)、(55,65)、(56,66)、(510,610)、(511,611)、(512,612)間電壓隨變化情況。

圖5實(shí)例二中正負(fù)電極對(duì)(51,61)、(53,63)、(54,64)、(57,67)、(58,68)、(59,69)間電壓隨變化情況。

圖6實(shí)例二中的超快調(diào)制效果。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

該調(diào)制器包括SiO₂平板基底1、導(dǎo)光多晶硅波導(dǎo)2、P+區(qū)3、N+區(qū)4、金屬正電極陣列5(正電極單元51、52、53、54、55、56、57、58、59、510、511、512)、金屬負(fù)電極陣列6(負(fù)電極單元61、62、63、64、65、66、67、68、69、610、611、612)。具體組合方式為：導(dǎo)光硅波導(dǎo)2覆于SiO₂平板基底1之上中間位置，P+區(qū)3與N+區(qū)4周期性排列至基底表面兩端，正電極5與負(fù)電極6與P區(qū)N區(qū)接觸，用于施加電壓。硅層厚度為1μm，導(dǎo)光硅波導(dǎo)為脊寬1μm，脊高1μm，通過刻蝕0.42μm硅制成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，0.58μm的平板區(qū)用來實(shí)現(xiàn)電通道，金屬接觸區(qū)實(shí)現(xiàn)1*10^19的摻雜區(qū)，相鄰單元間距為600μm，單元數(shù)12，整個(gè)平板基底5尺寸為15mm×1mm。硅波導(dǎo)的一端通入，在另一端檢測(cè)輸出經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)。將調(diào)制信號(hào)[0 0 0 0 0 0……0 0 0 0 0 0]編輯為隨時(shí)間變化的空間電信號(hào)陣列，體現(xiàn)在各個(gè)正負(fù)電極對(duì)上電信號(hào)都為圖2所示，施加在各正負(fù)電極對(duì)對(duì)應(yīng)的石墨烯柵層單元上，可知電信號(hào)變化頻率為21Ghz。硅波導(dǎo)2輸出端可得到與調(diào)制信號(hào)[0 0 0 0 0 0……0 0 0 0 0 0]對(duì)應(yīng)的已調(diào)信號(hào)時(shí)間波形，圖3為其單個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的時(shí)間波形，重復(fù)頻率為250Ghz，即調(diào)制頻率。

實(shí)施例2：

該調(diào)制器包括SiO₂平板基底1、導(dǎo)光多晶硅波導(dǎo)2、P+區(qū)3、N+區(qū)4、金屬正電極陣列5(正電極單元51、52、53、54、55、56、57、58、59、510、511、512)、金屬負(fù)電極陣列6(負(fù)電極單元61、62、63、64、65、66、67、68、69、610、611、612)。具體組合方式為：導(dǎo)光硅波導(dǎo)2覆于SiO₂平板基底1之上中間位置，P+區(qū)3與N+區(qū)4周期性排列至基底表面兩端，正電極5與負(fù)電極6與P區(qū)N區(qū)接觸，用于施加電壓。硅層厚度為1μm，導(dǎo)光硅波導(dǎo)為脊寬1μm，脊高1μm，通過刻蝕0.42μm硅制成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，0.58μm的平板區(qū)用來實(shí)現(xiàn)電通道，金屬接觸區(qū)實(shí)現(xiàn)1*10^19的摻雜區(qū)，相鄰單元間距為600μm，單元數(shù)12，整個(gè)平板基底5尺寸為15mm×1mm。硅波導(dǎo)的一端通入，在另一端檢測(cè)輸出經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)。將調(diào)制信號(hào)[0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1……0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1]編輯為隨時(shí)間變化的空間電信號(hào)陣列，正負(fù)電極對(duì)(52,62)、(55,65)、(56,66)、(510,610)、(511,611)、(512,612)電壓變化如圖4所示，正負(fù)電極對(duì)(51,61)、(53,63)、(54,64)、(57,67)、(58,68)、(59,69)電壓變化如圖5所示，各政府電極產(chǎn)生的電壓對(duì)施加在對(duì)應(yīng)的金屬電極單元上，可知電信號(hào)變化頻率為42Ghz。硅波導(dǎo)1輸出端可得到與調(diào)制信號(hào)[0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1……0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1]對(duì)應(yīng)的已調(diào)信號(hào)時(shí)間波形，圖6為其單個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的時(shí)間波形，重復(fù)頻率為500Ghz，即調(diào)制頻率。